Wireless Inductive Charging for Electrical Vehicules : Electromagnetic Modelling and Interoperability Analysis
Analyse d'Interopérabilité d'un Système de Recharge Sans Contact pour le Véhicule Electrique
Résumé
Development of contactless battery charging is an opportunity for electric vehicles. Compared to regular plugin cables, this solution is easy to use, robust and weather resistant. The power is transferred thanks to the magnetic coupling of inductive coils and a reduced magnetic circuit. The aim of this thesis is to contribute to propose a standard that would make possible to couple emitters with receivers from different suppliers, that is, to insure interoperability. As the system should also be tolerant to positioning and should respect human exposure recommendations, many configurations must be tested. In this thesis, an advanced and reliable modeling of the whole system is proposed. Using the finite element methods, the electrical characteristics (self, mutual inductances and coupling factor) of the inductive coupler are computed for different geometric and interoperability configurations. These values allow the dimensioning of the resonant converter. At this stage, different compensation topologies are considered. It is shown that the global resonant frequency can be derived and the topologies compared from a classical first harmonic approximation and analytical model. Then, a circuit model of the full system is developed in order to evaluate precisely the currents and voltages. Finally, the performance of a Maximum Power Point Tracking as frequency regulation algorithm is evaluated. From the currents computed at resonant frequency for the nominal operating point and the finite element model of the coupler, including the chassis of the vehicle, the radiated magnetic field is evaluated in order to check safety compliance. At each step of the modeling, the sensitivity of the system to the configuration parameters (positioning, interoperability) is analyzed. Measurements at the coupler level and for the full system are also used in this analysis and allow validating the model
Le développement de la recharge sans contact de batteries comporte divers avantages pour les véhicules électriques. Cette solution est facile à utiliser, robuste et résistante aux intempéries par rapport aux câbles généralement utilisés. Le principe est basé sur le couplage magnétique entre un émetteur et un récepteur. L'objectif de cette thèse est de contribuer à proposer une norme pour permettre l’interopérabilité, c’est-à-dire, permettre à plusieurs émetteurs de fonctionner avec des récepteurs de différents fournisseurs. Comme le système doit aussi être tolérant au positionnement et doit respecter les recommandations concernant l’exposition humaine, de nombreuses configurations doivent être envisagées. Dans cette thèse, une modélisation avancée et fiable du système complet est proposée. La méthode des éléments finis est exploitée pour déterminer les caractéristiques électriques du coupleur inductif (inductances propres et mutuelles, facteur de couplage) dans différentes configurations de positionnement et d’interopérabilité. Ces valeurs permettent le dimensionnement du convertisseur à résonance. A ce stade différentes topologies de compensation sont considérées. Un modèle analytique au premier harmonique est mis en œuvre pour comparer les topologies et déterminer la fréquence de résonance globale du système. Un modèle circuit du système complet est ensuite développé pour évaluer précisément les courants et tensions. Enfin, un algorithme de régulation basé sur une méthode MPPT (Maximum Power Point Tracking) est évalué pour le réglage automatique de fréquence. A partir des courants calculés à la fréquence de résonance pour un point de fonctionnement nominal et grâce au modèle éléments finis incluant le châssis du véhicule le champ magnétique rayonné est calculé et comparé aux valeurs limites recommandées. A chaque étape de la modélisation, la sensibilité du système aux paramètres de configuration (positionnement, interopérabilité) est analysée. Des mesures effectuées au niveau du coupleur inductif et sur le système complet sont aussi utilisées dans l’analyse et permettent de valider le modèle
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