Diseño de un sistema de transferencia de potencia inalámbrica aplicado a la carga de baterías en vehículos eléctricos

Le presente trabajo de investigación se centrada en el diseño de un sistema de transferencia de potencia inalámbrica aplicado a la carga de baterías en vehículos eléctricos. El principal aporte es la implementación en el dominio del tiempo de un esquema de control por realimentación de variables de estado que emplea las variables observadas a la salida de un estimador. El sistema es validado sobre un convertidor resonante LCL-T, que es comúnmente empleado en la carga inalámbrica de las baterías a bordo de los vehículos eléctricos. Las simulaciones muestran la eficacia del observador en estimar las variables del sistema y la capacidad que tiene el esquema de control en llevar la salida a los valores de referencia

Design and Construction of a Dynamic Wireless Power Transfer System Applied to Battery Charging in Electric Vehicles

Cada día, los vehículos tienden a sustituir a los de combustión y se apoyan en la energía eléctrica, que tiene muchas ventajas desde el punto de vista medioambiental. Con el paso de los años, su eficiencia ha aumentado; sin embargo, existe un gran reto en el diseño de baterías de larga duración para los desplazamientos por carretera, además, el periodo de carga de las baterías aún está en investigación. En esta tesis se presenta el diseño de un sistema dinámico de transferencia de energía inalámbrica aplicado a los vehículos eléctricos. Se describe el análisis de la topología de compensación S-P, utilizando un acoplamiento inductivo resonante para WPT y un enfoque en la optimización de la geometría de la bobina para medir la eficiencia de la transferencia de potencia. Por lo tanto, se propone un sistema de transferencia de potencia dinámica de baja potencia para vehículos eléctricos que opera a una frecuencia de 85 kHz utilizando componentes semiconductores SiC de alta eficiencia y una bobina circular planar. El diseño se divide en dos circuitos; el primero consiste en un circuito transmisor que incluye una fuente de CC y mediante un inversor de medio puente convertir la potencia de CC en potencia de CA de alta frecuencia para transmitir la potencia que entra en la bobina Tx. Luego, está el segundo circuito, que es la parte receptora donde la bobina Rx recibe la energía que se transfiere a la resistencia de carga RL. Adicionalmente, se diseña un controlador PI para mantener una tensión constante bajo diferentes variaciones de distancia entre las bobinas y garantizar la transferencia de energía. Los resultados experimentales adquiridos muestran que el sistema alcanza una eficiencia del 65% para 55 mm y llega a 85 mm como distancia máxima de transferencia, lo que para un sistema de baja potencia es prometedor para implementar el DWPT para vehículos eléctricos, donde no requiere mayor intervención humana, y sin ocupar mucho espacio.Every day, vehicles are tending to replace combustion vehicles and rely on electric energy, which has many advantages from an environmental point of view. Over the years, their efficiency has increased; however, there is a great challenge on designing long-term batteries for long-road journeys, furthermore, the charging period of the batteries are still under research. In this thesis, the design of a dynamic wireless power transfer system applied to electric vehicles is presented. It describes the analysis of the S-P compensation topology, using a resonant inductive coupling for WPT and a focus on the optimization of the coil geometry to measure the efficiency of power transfer. Therefore, a low-power dynamic power transfer system for electric vehicles operating at a frequency of 85 kHz using high efficiency SiC semiconductor components and a planar circular coil is proposed. The design is divided into two circuits; the first one consists of a transmitter circuit that includes a dc source and by means of a half-bridge inverter to convert the dc power into high frequency ac power to transmit the power that enters the Tx coil. Then, there is the second circuit, which is the receiving part where the Rx coil receives the energy that is transferred to the load resistor RL. Additionally, a PI controller is designed to maintain a constant voltage under different distance variations between the coils and guarantee the energy transfer. The experimental results acquired show that the system achieves an efficiency of 65% for 55 mm and reaches 85 mm as maximum transfer distance, which for a low power system is promising to implement DWPT for electric vehicles, where it does not require major human intervention, and without occupying much space.MaestríaMagíster en Ingeniería EléctricaTABLE OF CONTENTS CHAPTER 1...........................................................................................................................8 INTRODUCTION..................................................................................................................8 1.1. Symbols and Abbreviations .................................................................................8 1.2. Abstract ................................................................................................................9 1.3. Problem Statement ...............................................................................................9 1.4. Justification ........................................................................................................10 1.5. Objectives...........................................................................................................11 1.5.1. General objective................................................................................................11 1.5.2. Specific objectives..............................................................................................11 CHAPTER 2.........................................................................................................................13 STATE OF THE ART IN WIRELESS POWER TRANSFER............................................13 2.1. Electric Vehicles.......................................................................................................13 2.1.1. Static Charge...........................................................................................................14 2.1.2. Dynamic Charge .....................................................................................................15 2.2 Principle of WPT ........................................................................................................15 2.2.1. Basic Structure and Connections............................................................................16 2.3. Operating Frequency..................................................................................................17 2.4. Quality Factor Q ........................................................................................................18 2.5. Z-source Inverter Single Phase ..................................................................................18 CHAPTER 3.........................................................................................................................21 MATHEMATICAL MODEL...............................................................................................21 3.1 Z-Source Inverter Mathematical Model .....................................................................21 3.1.1 Single Phase Z-Source Inverter ...............................................................................21 3.2 Serie-Parallel Compensated........................................................................................23 3.3. Mutual Inductance .....................................................................................................26 3.4. Skin Effect .................................................................................................................28 3.5. Circular Geometry .....................................................................................................29 3.6. Parallel Resonance .....................................................................................................30 CHAPTER 4.........................................................................................................................34 METHODOLOGY AND DESIGN OF CONTROL VERSUS PARAMETER VARIATION ..............................................................................................................................................34 4.1 Modeling Stace-Space of DWPT and Z-Source Inverter ...........................................34 4.2 Harmonic Approximation ...........................................................................................35 4.3. Derivation of Extended Describing Functions (EDF) ...............................................36 4.4. Control Scheme by State Feedback ...........................................................................38 4.5 PID Control.................................................................................................................40 CHAPTER 5.........................................................................................................................42 SIMULATION, DESIGN AND EXPERIMENTAL VALIDATION .................................42 5.1. Coil Design Considerations .......................................................................................42 6 5.1.1. Computational Analysis Coil Design .....................................................................43 5.1.2 Coil Design ..............................................................................................................44 5.1.3. Skin Effec ...............................................................................................................45 5.1.4 Analysis and Design for Control Strategies.............................................................46 5.2. Experimental Results.................................................................................................48 CHAPTER 6.........................................................................................................................52 CONCLUSIONS AND FUTURE WORK...........................................................................52 6.1 Conclusions.................................................................................................................52 6.2 Future Work................................................................................................................5