Wireless charging of electric vehicles (EVs) is a growing area of interest due to the rise in EV market share over the past decade. Wireless, or contactless, EV chargers offer the advantage of seamless charging by removing the heavy cables, using either inductive or capacitive methods for power transfer.
This Thesis focuses on the inductive wireless charging. A major advantage of traditional combustion-engine vehicles over EVs is shorter refueling times. Reducing EV charging times would improve their competitiveness in the global market, which is why this work emphasizes high-power solutions, as higher charging power is crucial for reducing the battery charging time .
Bidirectional wireless EV chargers are particularly beneficial when integrated into local microgrids. A bidirectional charger allows an EV to function as an energy bank, both receiving and supplying energy as needed. Given the limited efficient bidirectional solutions available, two of the three charger topologies studied in this Thesis are bidirectional. Inductive Power Transfer (IPT)-based wireless chargers face efficiency challenges due to low coupling between transmitter and receiver coils. With energy costs rising, efficiency in power converters has become increasingly important. For high-power chargers, efficiency needs to increase accordingly.
Chargers discussed in this work range from a few to several tens of kilowatts, making high-efficiency solutions a primary objective of this Thesis. The main challenges addressed and the contributions made are as follows:
1. Efficiency and Functionality of IPT Chargers: This Thesis proposes a high-efficiency, high-power three-coil bidirectional EV charger with S-S-S compensation, together with a seamless control method that is not reliant on any type of wireless communication between the microcontrollers that control the system. Contributions include: o A simplified model of the three-coil IPT charger using a T-equivalent circuit for easier understanding. o A tuning method for resonant capacitors to achieve high efficiency and seamless control. o A design procedure for implementing the proposed system.
2. Single-Stage AC/DC IPT Chargers: By integrating power conversion stages, these chargers offer higher power density. The Thesis presents a charger using a Three-Phase to Single-Phase Matrix Converter, suitable for compact, medium-power applications. Contributions include: o A novel modulation strategy for the Three-Phase to Single-Phase Matrix Converter, enabling seamless control, high power factor, and low current distortion. o A power flow control method that operates without wireless communication between microcontrollers.
3. IPT Chargers with Poly-Phase Inductive Links: This Thesis proposes a single-stage, compact three-phase IPT system based on the DD2Q coil topology, utilizing a Reduced Three-Phase to Single-Phase Matrix Converter for each phase, aimed at high-power charging. Contributions include: o A design procedure for DD2Q coil-based IPT systems. o Modulation strategies for grid compliance in the Reduced Three-Phase to Single-Phase Matrix Converter. o A control strategy ensuring balanced power sharing between phases on both primary and secondary sides under various alignment conditions. These contributions present novel solutions to enhance the efficiency, power density, and functionality of inductive wireless EV charging systems, promoting their viability in high-power applications.
RESUMEN
La carga inalámbrica de vehículos eléctricos (EV) es un área en pleno auge debido al aumento de la cuota de mercado de los EV en la última década. Los cargadores inalámbricos para EV ofrecen la ventaja de una carga sin cables pesados, utilizando métodos inductivos o capacitivos para transferir la energía. Esta tesis se centra en la carga inalámbrica inductiva.
Una gran ventaja de los vehículos con motor de combustión sobre los EV es el menor tiempo de repostaje. Reducir los tiempos de carga de los EV mejoraría su competitividad en el mercado global; por eso, este trabajo se enfoca en soluciones de alta potencia, ya que una mayor potencia de carga es crucial para reducir el tiempo de carga de la batería. Los cargadores inalámbricos bidireccionales para EV son útiles cuando se integran en microrredes locales, permitiendo que un EV funcione como banco de energía, recibiendo y suministrando energía según sea necesario.
Dado el número limitado de soluciones bidireccionales eficientes, dos de las tres topologías de cargadores estudiadas en esta tesis son bidireccionales. Los cargadores inalámbricos basados en Transferencia de Potencia Inductiva (IPT) presentan desafíos de eficiencia debido al bajo acoplamiento entre las bobinas transmisoras y receptoras. Con el aumento de los costos de energía, la eficiencia de los convertidores de alta potencia se ha vuelto clave. En cargadores de alta potencia, una eficiencia alta es necesaria.
Los cargadores en este trabajo van desde varios hasta decenas de kilovatios, por lo que encontrar soluciones de alta eficiencia es uno de los principales objetivos.
Los desafíos principales abordados y las contribuciones realizadas son:
Eficiencia y Funcionalidad de los Cargadores IPT: Esta tesis propone un cargador bidireccional de tres bobinas, alta eficiencia y alta potencia, con compensación S-S-S y un método de control que no depende de comunicación inalámbrica entre microcontroladores. Las contribuciones incluyen: – Un modelo simplificado del cargador IPT de tres bobinas usando un circuito equivalente en T para facilitar su comprensión. – Un método de ajuste de capacitores resonantes para lograr alta eficiencia y control sin interrupciones. – Un procedimiento de diseño para implementar el sistema propuesto. Cargadores IPT AC/DC de una etapa: Al integrar las etapas de conversión, estos cargadores ofrecen mayor densidad de potencia.
La tesis presenta un cargador con un Convertidor Matricial de Tres Fases a Monofásico, adecuado para aplicaciones compactas de media potencia. Las contribuciones incluyen: – Una novedosa estrategia de modulación para el Convertidor Matricial de Tres Fases a Monofásico, que permite control sencillo sin interrupciones, alto factor de potencia y baja distorsión de corriente. – Un método de control de flujo de potencia que funciona sin comunicación inalámbrica entre microcontroladores.
Cargadores IPT con Enlaces Inductivos Polifásicos: Esta tesis propone un sistema IPT de tres fases, compacto, basado en la topología de bobinas DD2Q, que utiliza un Convertidor Matricial Reducido de Tres Fases a Monofásico para cada fase, orientado a la carga de alta potencia. Las contribuciones incluyen: -Un procedimiento de diseño para sistemas IPT basados en la topología DD2Q. -Estrategias de modulación para cumplir con la red en el Convertidor Matricial Reducido. -Una estrategia de control que garantiza un reparto equilibrado de potencia entre las fases en ambos lados, primario y secundario, bajo diferentes condiciones de alineación. Estas contribuciones ofrecen soluciones innovadoras para mejorar la eficiencia, la densidad de potencia y la funcionalidad de los sistemas de carga inalámbrica inductiva para EV, promoviendo su viabilidad en aplicaciones de alta potencia.
Wireless charging of electric vehicles (EVs) is a growing area of interest due to the rise in EV market share over the past decade. Wireless, or contactless, EV chargers offer the advantage of seamless charging by removing the heavy cables, using either inductive or capacitive methods for power transfer.
This Thesis focuses on the inductive wireless charging. A major advantage of traditional combustion-engine vehicles over EVs is shorter refueling times. Reducing EV charging times would improve their competitiveness in the global market, which is why this work emphasizes high-power solutions, as higher charging power is crucial for reducing the battery charging time .
Bidirectional wireless EV chargers are particularly beneficial when integrated into local microgrids. A bidirectional charger allows an EV to function as an energy bank, both receiving and supplying energy as needed. Given the limited efficient bidirectional solutions available, two of the three charger topologies studied in this Thesis are bidirectional. Inductive Power Transfer (IPT)-based wireless chargers face efficiency challenges due to low coupling between transmitter and receiver coils. With energy costs rising, efficiency in power converters has become increasingly important. For high-power chargers, efficiency needs to increase accordingly.
Chargers discussed in this work range from a few to several tens of kilowatts, making high-efficiency solutions a primary objective of this Thesis. The main challenges addressed and the contributions made are as follows:
1. Efficiency and Functionality of IPT Chargers: This Thesis proposes a high-efficiency, high-power three-coil bidirectional EV charger with S-S-S compensation, together with a seamless control method that is not reliant on any type of wireless communication between the microcontrollers that control the system. Contributions include: o A simplified model of the three-coil IPT charger using a T-equivalent circuit for easier understanding. o A tuning method for resonant capacitors to achieve high efficiency and seamless control. o A design procedure for implementing the proposed system.
2. Single-Stage AC/DC IPT Chargers: By integrating power conversion stages, these chargers offer higher power density. The Thesis presents a charger using a Three-Phase to Single-Phase Matrix Converter, suitable for compact, medium-power applications. Contributions include: o A novel modulation strategy for the Three-Phase to Single-Phase Matrix Converter, enabling seamless control, high power factor, and low current distortion. o A power flow control method that operates without wireless communication between microcontrollers.
3. IPT Chargers with Poly-Phase Inductive Links: This Thesis proposes a single-stage, compact three-phase IPT system based on the DD2Q coil topology, utilizing a Reduced Three-Phase to Single-Phase Matrix Converter for each phase, aimed at high-power charging. Contributions include: o A design procedure for DD2Q coil-based IPT systems. o Modulation strategies for grid compliance in the Reduced Three-Phase to Single-Phase Matrix Converter. o A control strategy ensuring balanced power sharing between phases on both primary and secondary sides under various alignment conditions. These contributions present novel solutions to enhance the efficiency, power density, and functionality of inductive wireless EV charging systems, promoting their viability in high-power applications.
RESUMEN
La carga inalámbrica de vehículos eléctricos (EV) es un área en pleno auge debido al aumento de la cuota de mercado de los EV en la última década. Los cargadores inalámbricos para EV ofrecen la ventaja de una carga sin cables pesados, utilizando métodos inductivos o capacitivos para transferir la energía. Esta tesis se centra en la carga inalámbrica inductiva.
Una gran ventaja de los vehículos con motor de combustión sobre los EV es el menor tiempo de repostaje. Reducir los tiempos de carga de los EV mejoraría su competitividad en el mercado global; por eso, este trabajo se enfoca en soluciones de alta potencia, ya que una mayor potencia de carga es crucial para reducir el tiempo de carga de la batería. Los cargadores inalámbricos bidireccionales para EV son útiles cuando se integran en microrredes locales, permitiendo que un EV funcione como banco de energía, recibiendo y suministrando energía según sea necesario.
Dado el número limitado de soluciones bidireccionales eficientes, dos de las tres topologías de cargadores estudiadas en esta tesis son bidireccionales. Los cargadores inalámbricos basados en Transferencia de Potencia Inductiva (IPT) presentan desafíos de eficiencia debido al bajo acoplamiento entre las bobinas transmisoras y receptoras. Con el aumento de los costos de energía, la eficiencia de los convertidores de alta potencia se ha vuelto clave. En cargadores de alta potencia, una eficiencia alta es necesaria.
Los cargadores en este trabajo van desde varios hasta decenas de kilovatios, por lo que encontrar soluciones de alta eficiencia es uno de los principales objetivos.
Los desafíos principales abordados y las contribuciones realizadas son:
Eficiencia y Funcionalidad de los Cargadores IPT: Esta tesis propone un cargador bidireccional de tres bobinas, alta eficiencia y alta potencia, con compensación S-S-S y un método de control que no depende de comunicación inalámbrica entre microcontroladores. Las contribuciones incluyen: – Un modelo simplificado del cargador IPT de tres bobinas usando un circuito equivalente en T para facilitar su comprensión. – Un método de ajuste de capacitores resonantes para lograr alta eficiencia y control sin interrupciones. – Un procedimiento de diseño para implementar el sistema propuesto. Cargadores IPT AC/DC de una etapa: Al integrar las etapas de conversión, estos cargadores ofrecen mayor densidad de potencia.
La tesis presenta un cargador con un Convertidor Matricial de Tres Fases a Monofásico, adecuado para aplicaciones compactas de media potencia. Las contribuciones incluyen: – Una novedosa estrategia de modulación para el Convertidor Matricial de Tres Fases a Monofásico, que permite control sencillo sin interrupciones, alto factor de potencia y baja distorsión de corriente. – Un método de control de flujo de potencia que funciona sin comunicación inalámbrica entre microcontroladores.
Cargadores IPT con Enlaces Inductivos Polifásicos: Esta tesis propone un sistema IPT de tres fases, compacto, basado en la topología de bobinas DD2Q, que utiliza un Convertidor Matricial Reducido de Tres Fases a Monofásico para cada fase, orientado a la carga de alta potencia. Las contribuciones incluyen: -Un procedimiento de diseño para sistemas IPT basados en la topología DD2Q. -Estrategias de modulación para cumplir con la red en el Convertidor Matricial Reducido. -Una estrategia de control que garantiza un reparto equilibrado de potencia entre las fases en ambos lados, primario y secundario, bajo diferentes condiciones de alineación. Estas contribuciones ofrecen soluciones innovadoras para mejorar la eficiencia, la densidad de potencia y la funcionalidad de los sistemas de carga inalámbrica inductiva para EV, promoviendo su viabilidad en aplicaciones de alta potencia. Read More
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