Wireless power transfer for electric vehicle

I sistemi per il trasferimento di potenza wireless (WPT) trasferiscono energia elettrica da una sorgente ad un carico senza alcuna connessione via cavo. I sistemi WPT sono attraenti per molte applicazioni industriali grazie ai loro vantaggi rispetto alla controparte cablata, come l’assenza di conduttori esposti, la facilità di ricarica e la trasmissione senza rischi della potenza in condizioni ambientali avverse. L’adozione di sistemi WPT per la carica delle batterie di bordo di un veicolo elettrico (EV) ha ricevuto l'attenzione di alcune aziende, e sforzi sono stati fatti per lo sviluppo e il miglioramento delle varie topologie ad essi associate. Il WPT è ottenuto tramite l'accoppiamento induttivo tra due bobine, definite bobina trasmittente e bobina ricevente. Nelle applicazioni per la carica delle batterie, le bobine trasmittenti sono installate sotto il manto stradale mentre le bobine riceventi sono poste a bordo del veicolo. Il WPT induttivo di tipo risonante è comunemente utilizzato nelle applicazioni per il trasferimento di potenze medio-alte, come la carica degli EV, perché presenta una maggiore efficienza. Questa tesi tratta un sistema WPT per caricare le batterie di bordo di una city-car elettrica considerato come caso di studio. La city-car elettrica utilizza quattro batterie da 12V, 100A•h VRLA collegate in serie e due motori-ruota montati sull’assale posteriore, ognuno in grado di sviluppare una potenza di picco di 4 kW per la propulsione del veicolo. Il lavoro svolto è stato effettuato principalmente in tre fasi diverse; in un primo momento è stata effettuata una panoramica sui caricabatteria cablati per EV e sulle metodologie di ricarica. Successivamente, sono stati discussi i principi base di diverse tecnologie WPT; è stato definito un insieme di figure di merito (FOM) che sono state utilizzate per caratterizzare il comportamento dei WPT risonanti rispetto alle variazioni di carico resistivo e al coefficiente di accoppiamento. Nella seconda fase, è stato progettato il sistema WPT per il caso di studio. Nella terza fase, è stato sviluppato e sperimentato un prototipo del sistema WPT. La progettazione del sistema WPT è stata iniziata con una valutazione dei parametri delle varie sezioni e stimando l'impatto dei parametri del sistema sulle sue prestazioni. La progettazione della bobina di accoppiamento è stata effettuata dopo l'analisi di avvolgimenti con strutture diverse, ovvero elica e spirale, e con forme differenti del nucleo magnetico; a seguito dei risultati preliminari che hanno mostrato i vantaggi della struttura a spirale, è stata poi eseguita un'analisi più dettagliata su questa struttura. Il progetto della bobina ha compreso la determinazione dei parametri induttivi dell’accoppiamento in funzione della distanza e del disallineamento assiale delle bobine. Sia l'analisi che la progettazione sono state assistite da un approccio FEM basato sul codice COMSOL. La progettazione degli stadi di alimentazione del sistema WPT è consistita nella valutazione dei valori e dei dati di targa di a) i condensatori che rendono risonante l’accoppiamento tra le bobine, b) i dispositivi di potenza del raddrizzatore PFC e dell'inverter ad alta frequenza (HF) che alimenta la bobina di trasmissione, c) i dispositivi di potenza dei convertitori alimentati dalla bobina ricevente, segnatamente il raddrizzatore a diodi e il chopper collegato a valle che carica la batteria in modo controllato. Per i convertitori che operano ad alta frequenza (l’invertitore e il raddrizzatore della sezione ricevente), sono stati utilizzati dispositivi elettronici di potenza di ultima generazione (i cosiddetti dispositivi Wide Band Gap (WBG)) al fine di massimizzare l'efficienza del sistema WPT. E’ stato realizzato un caricabatteria WPT prototipale utilizzando schede elettroniche disponibili in Laboratorio con i circuiti di potenza e di segnale. Le relative attività sperimentali sono state: a) misurazione dei parametri delle bobine, b) assemblaggio a banco del prototipo, e c) esecuzione di prove sperimentali per verificare il corretto funzionamento del prototipo. Il lavoro di tesi comprende anche una breve panoramica su temi emergenti in materia di sistemi WPT come i) IL WPT dinamico, chiamato anche “on-line electric vehicle” (OLEV), ii) la schermatura dei campi magnetici prodotti da un sistema WPT, e iii) la normativa sui sistemi WPT. Questi tre temi svolgono un ruolo significativo nello sviluppo della tecnologia WPT. Il lavoro di tesi è stato effettuato presso il Laboratorio di “Sistemi elettrici per l'automazione e la veicolistica” diretto dal Prof. Giuseppe Buja. Il Laboratorio fa parte del Dipartimento di Ingegneria Industriale dell'Università degli Studi di Padova, Italia.