Dynamic Wireless Charging of Electric Vehicle

Wireless battery charging (WBC) is an attracting solution to promote electric vehicles (EVs) in the market, which may provide superior charging infrastructure and unlimited driving range. The most suitable technique to implement WBC is inductive power transfer (IPT) with a coupling established between two distant coils, one buried into the road and another installed in EV, and the power transferred from the buried coil to that onboard EV through a high-frequency oscillating magnetic flux. WBC can be carried out with EV that is either standing (while parked) or moving (on the road); the two WBC modes are termed static wireless charging (SWC) and dynamic wireless charging (DWC), respectively. However, this thesis focusses on the DWC, where an IPT track is buried into the road whilst the coil onboard EV, commonly termed pickup, remains coupled with the track to get power while moving on the road. The in-moving vehicle charging has been researched and demonstrated by some institutes across the world using two possible track arrangements: stretched and lumped coil track. The former one is composed of a single elongated coil, much longer than the pickup size, and the later one is an arrangement of multiple coils placed one next to the other, the length of them being comparable to the pickup size. A lumped track permits activation/deactivation only of the coil interacting with a pickup. This ability is called segmentation and is very important for DWC to reduce the losses and to avoid exposing the people to electromagnetic radiations; therefore, a lumped track has been dealt with in this thesis. The contactless power transfer at large airgap is possible with high frequency (in kHz) and high-magnitude current supply of the track coils; as increasing supply frequency improves power transfer efficiency. Apart from the supply characteristics and the coil dimensions, power transfer capabilities of a the system depend upon the coupling properties of the coil pairs, thus a pair polarized coils (also called DD coils) has been found more suitable for DWC due to its coupling merits at misalignment. Considering a lumped track composed of equally distant several DD coils, power and energy transfer to an EV moving on the track have been analyzed. Based on that, lumped track layout and its design procedure have been discussed in detail with an example of an EV. Segmentation of a DWC track is very important function, as mentioned above, which can be obtained by various methods and one of them is using the impedance reflected into a track coil from the coupled pickup. In this way, four compensation topologies have been discussed to investigate their reflexive properties (resistance and reactance) when they are deployed in a pickup circuit. Summarizing the outcomes and comparing their behavior, two topologies have been found useful for the track segmentation. Considering them, further analysis has been done to obtain and discuss their performance figures. This thesis also discusses about the power converters in both track side and pickup side circuit. The track side power converters include rectifier, power factor correction circuit and inverter, which extract power from the supply grid and transform into the appropriate form to realize efficient WBC. Converter arrangement in the pickup circuit includes rectifier and chopper to charger a battery using the received power.

La ricarica della batteria senza fili (dall’inglese Wireless Battery Charging - WBC) è una soluzione attraente per la possibile diffusione dei Veicoli Elettrici (VE) nel mercato. Essa può fornire infrastrutture di ricarica migliori e un’ autonomia del veicolo praticamente illimitata. La tecnica più adatta per attuare il WBC è il trasferimento di potenza induttivo (Inductive Power Transfer - IPT), il quale sfrutta l’accoppiamento magnetico tra due bobine, una posizionata sotto il manto stradale e l’altra installata a bordo di un veicolo elettrico, e la potenza viene trasferita dalla bobina interrata a quella di bordo attraverso un flusso magnetico oscillante alta frequenza. Il WBC può essere effettuato con un VE fermo (parcheggiato) o in movimento sulla strada; le due modalità di WBC sono chiamate ricarica senza fili statica (Static Wireless Charging - SWC) e ricarica senza fili dinamica (Dynamic Wireless Charging - DWC), rispettivamente. Tuttavia, questa tesi si concentra sulla DWC, dove una bobina trasmittente, chiamata track, è interrata sotto la strada, mentre la bobina a bordo del VE, comunemente chiamata pickup, rimane accoppiata con il track per ricevere la potenza mentre il VE è in movimento. La ricarica di un VE in movimento è stata studiata e dimostrata da alcuni istituti di tutto il mondo i quali hanno adottato due differenti strutture di bobina trasmittente: track allungato e track concentrato. La prima struttura è formata da una singola bobina allungata, molto più lunga del pickup, mentre la seconda struttura è una disposizione di più bobine posizionate una dopo l’altra, la cui lunghezza è paragonabile alle dimensioni pickup. La struttura con track concentrato consente l'attivazione/disattivazione della sola bobina interagente con il pickup. Questa capacità è chiamata segmentazione ed è molto importante per DWC perché consente di ridurre le perdite e di evitare l'esposizione delle persone a radiazioni elettromagnetiche; di conseguenza, in questa tesi è stata trattata la soluzione con track concentrato. Il trasferimento della potenza senza fili con un elevato traferro è possibile solo con un’alta frequenza (dell’ordine dei kHz) ed un’alta intensità della corrente di alimentazione delle bobine del track; poiché l'aumento della frequenza di alimentazione migliora l'efficienza di trasferimento della potenza. Oltre alle caratteristiche di alimentazione e le dimensioni delle bobine, le capacità di trasferimento di potenza di un sistema dipendono dalle proprietà di accoppiamento delle bobine stesse, così una coppia di bobine polarizzate (chiamate anche bobine DD) è stata trovata essere la soluzione più adatta per il DWC grazie al suo elevato valore di accoppiamento quando track e pickup sono disallineati. Considerando un track concentrato composto da diverse bobine DD equamente distribuite, sono state analizzate la potenza e l’energia trasferite al VE in movimento. Sulla base di questo, la struttura del track concentrato e la sua procedura di progettazione sono stati discussi in dettaglio per un particolare caso di studio. Come detto precedentemente, la segmentazione del track è una funzione molto importante. Essa può essere ottenuta con vari metodi e uno di questi utilizza l'impedenza riflessa del pickup in una bobina del track. Così, quattro topologie di compensazione del circuito di pickup sono state investigate per studiarne le differenti impedenze riflesse. Riassumendo i risultati e confrontando il loro comportamento, solo due topologie sono state trovate utili per la segmentazione del track. Considerando quest’ultime, ulteriori analisi sono state fatte per ottenere e discutere le loro prestazioni. Questa tesi tratta anche i convertitori di potenza utilizzati sia nel track che nel pickup. I convertitori di potenza del track includono un raddrizzatore, un circuito di correzione del fattore di potenza (PFC) e un inverter, i quali sfruttano l’energia prodotta dalla rete di alimentazione e la convertono nella forma più appropriata per realizzare efficienti WBC. Nella bobina di pickup il circuito di condizionamento è formato dalla cascata di un raddrizzatore e un chopper che permettono di ricaricare la batteria di bordo utilizzando la potenza ricevuta.