Power Stages and Control of Wireless Power Transfer Systems (WPTSs)

La ricarica wireless delle batterie a bordo dei veicoli elettrici, ottenuta utilizzando il trasferimento di potenza induttivo, offre vantaggi unici rispetto ai caricabatterie tradizionali. A causa dell'assenza di una connessione galvanica, il processo di ricarica non richiede alcuna interazione dell'utente né alcuna movimentazione di un componente meccanico. Per i sistemi di trasporto pubblico, ad esempio autobus o tram, questo rende possibile la cosiddetta carica di opportunità completamente automatizzata presso i depositi degli autobus, le corsie dei taxi, o ai semafori. I caricabatterie wireless sono costituiti da due stadi: uno stadio trasmittente e uno stadio di ricezione. Entrambi gli stadi includono bobine e condensatori, dimensionati per risuonare alla frequenza di alimentazione, e convertitori statici di potenza. La bobina del trasmettitore è interrata nel manto stradale, mentre la bobina ricevente è situata a bordo del veicolo. Sulla base della connessione dei condensatori risonanti sono possibili quattro topologie circuitali diverse che possono essere raggruppate in due principali: i) un condensatore in serie con la bobina di trasmissione con il condensatore lato ricevitore in serie o in parallelo costituisce le topologie SS e SP, rispettivamente, e ii) un condensatore in parallelo alla bobina di trasmissione con il condensatore della sezione ricevente in serie o in parallelo costituisce le topologie PS e PP, rispettivamente. Nella tesi queste topologie sono state studiate dettagliatamente in termini di efficienza, dimensionamento dell'invertitore di alimentazione e progetto delle bobine risonanti, e di comportamento nelle condizioni estreme di circuito aperto e di cortocircuito del ricevitore. Il circuito di conversione di potenza di un sistema per la ricarica wireless induttiva di un veicolo elettrico include un raddrizzatore a diodi nello stadio di ricezione per ottenere un bus di tensione in continua e utilizza differenti modi per caricare la batteria del veicolo. Le due soluzioni più diffuse eseguono la carica o direttamente attraverso il raddrizzatore a diodi oppure attraverso un chopper collegato in cascata ad esso. Queste due modalità sono state discusse e confrontate in termini di efficienza, di dimensionamento sia dell'invertitore di alimentazione, che delle bobine di trasmissione e ricezione, includendo nell’analisi la scelta della tensione ottima in ingresso al chopper. A causa dell'invecchiamento e dell'effetto termico, i parametri dei componenti reattivi di un circuito di ricarica wireless possono variare e questo fa sì che la frequenza di risonanza e la frequenza di alimentazione non siano perfettamente identiche. In questa tesi è stato studiato l'impatto che tale deviazione ha sull'efficienza e sul dimensionamento dell’invertitore in un sistema di ricarica wireless con topologia SS. Sono state studiate tre tecniche di adattamento della frequenza di alimentazione per mantenere in risonanza o lo stadio trasmittente o quello di ricezione oppure l’impedenza vista dall’alimentazione. La tesi prosegue con lo studio dei sistemi di ricarica wireless per elevate potenze che richiedono una specifica architettura di alimentazione, particolari materiali per la costruzione del nucleo magnetico, oltre ad una peculiare geometria delle bobine. E’ stata presentata una panoramica di diverse architetture di alimentazione come, ad esempio, le topologie monofase a due stadi e in parallelo, inclusi i loro pregi e svantaggi. Sulla base di un’accurata revisione della letteratura della geometria delle bobine, la geometria DD si è rivelata essere la più conveniente per le applicazioni di alta potenza. Utilizzando il codice agli elementi finiti JMAG, è stato simulato il comportamento di un sistema di ricarica wireless costituito da tre bobine di trasmissione e una bobina di ricezione, tutte di tipo DD. Poiché, date le sue caratteristiche, le ferriti non si prestano bene per sistemi ad alta potenza, sono state considerate altre tipologie di materiali magnetici. Sono state analizzate e confrontate diverse leghe amorfe in base all’induzione magnetica di saturazione, alle proprietà magnetiche, come la dipendenza della permeabilità dalla temperatura, dal campo magnetico applicato e dalla frequenza, alle perdite di potenza e al costo. Infine, sono stati considerati due metodi per modellizzare il WPT. I metodi modellizzano il sistema considerando l'inviluppo dei segnali.