Wireless power transfer system for continuous charging of electric vehicles

Abstract

O veículo de combustão interna é, ainda hoje, a opção preferida na mobilidade automóvel. No entanto, com os crescentes incentivos à redução do uso dos combustíveis fósseis e a aposta em energias renováveis, levaram ao aparecimento de outros tipos de veículos. Nesse sentido, o veículo eléctrico (VE) apresenta-se como uma alternativa viável que combina alto rendimento e boa performance. A energia armazenada nas baterias é necessária para o funcionamento do VE e precisa de ser carregada periódicamente. Por outro lado, o carregamento requer que o utilizador intervenha no processo, o que implica, entre outros problemas, o eventual esquecimento de efetuar o carregamento do VE. Surge então a necessidade de arranjar formas rápidas, eficientes e cómodas para o carregamento das baterias do VE.Assim, neste trabalho é proposto um sistema de transferência de energia sem fios para carregamento de veículos eléctricos de forma dinâmica, isto é, enquanto o veículo se movimenta. Este sistema baseia-se nas leis de Ampère e Faraday e tem um funcionamento semelhante ao de um transformador, apesar de os entreferros serem bastante maiores. Por forma a transferir energia suficiente para um veículo em movimento diferentes variáveis devem ser tidas em conta. Neste trabalho dá-se especial atenção à estrutura de acoplamento, em particular às diferentes geometrias usadas tanto no primário como no secundário.Fundamentalmente o estudo passa por uma comparação detalhada das geometrias que apresentem viabilidade para WPT em movimento, com a análise dos parâmetros que influenciam a transferência de energia, como sejam o factor de acoplamento e a indutância mútua. Estes estudos foram feitos com auxílio de um software de elementos finitos que permite a análise magnética e elétrica do sistema. As simulações foram feitas em regime estacionário e transitório, em que três diferentes tipos de movimento foram estudados referentes aos eixos x, y e z. O principal objectivo é avaliar a tolerância a desalinhamentos das estruturas consideradas bem como a influência da velocidade dos veículos na transferência de energia.

The internal combustion vehicle is, still today, the preferred option for automobile mobility. However, the increasing incentives towards the reduction of fossil fuel consumption and the investment in renewable energies lead to the outbreak of other types of vehicles. In that sense, the electric vehicle (EV) presents itself as a viable alternative that combines high efficiency and good performance.The battery's electric charge is necessary for the vehicle operation and needs to be charged periodically as the car moves. On the other hand, charging requires the user to intervene in the process, which implies, among other problems, the possibility to forget to charge the EV. The need arises to find quick, efficient and convenient ways to charge batteries of EVs. \medbreakThus, in this work a dynamic wireless power transfer system (WPT) for continuous charging of electric vehicles on the road is proposed. This system is based on the laws of Ampère and Faraday and operates in a similar manner to the transformer, although with larger air gaps. In order to transfer sufficient energy to a moving vehicle several variables must be taken into account. In this work, special attention is paid to the magnetic coupling structures, in particular to the different geometries used in both the primary and secondary.Essentially, the study involves a detailed comparison of the geometries that present feasibility for dynamic WPT, with the analysis of the parameters that influence the transfer of energy, such as coupling factor and mutual inductance. These studies were made with the aid of a finite element software that allows a magnetic and electrical analysis of the system. The simulations were done in a steady state and transient state environment, in which three different types of movement were considered along the x, y and z axis. The main goal is to evaluate the tolerance to misalignments of the chosen structures as well as the influence of vehicle speed in the energy transfer.