Progettazione e ottimizzazione di un induttore auto-risonante per applicazioni wireless power transfer

Electric mobility is rapidly gaining popularity owing to the increasing CO2-awareness and the lower total cost of ownership of Electric Vehicles. However, we can observe that there are still barriers to the large-scale diffusion of electric vehicles (high costs, autonomy of the propulsion system and long recharging times). These problems can find a solution by leveraging on electric energy storage systems with high energy and power density and by exploiting innovative recharging systems. Focusing our interest on charging systems, we can identify two macro types: cable charging and wireless charging. Wireless recharging commonly adopted in the electric mobility is the inductive type, therefore it uses a magnetic field to transfer energy between two coupled coils: one placed roadside and the other located on the electric vehicle. Wireless Power Transfer (WPT) technology therefore makes the charging of electric vehicles easier to use and opens new possibilities to make the process not only safer for the user himself, effectively preventing direct contact with the charging system, but even more efficient overall. Wireless charging can be done with the vehicle stationary (static charging) or moving (dynamic charging). This work is proposed as an in-depth study and analysis of a complete static wireless charging system in the various aspects that identify its design and installation: the study is conducted starting from the sizing and design of a system of coupled coils, to then simulate the complete connection to the electricity grid. In particular, the main aim of the study is to identify a solution based on self-resonant coils which allows not only to reach an optimum in terms of efficiency, but at the same time is cheaper and saves more space and weight, which is a very important aspect in same applications. As a matter of fact, in common applications a capacitor in resonance is often placed in series with each coil, with the purpose of reducing the power sizing of the voltage supply and of increasing the whole efficiency of WPTSs. Since we wanted to validate the methods and the results obtained from the simulations in an easier way, we have concentrated our analysis on a small-scale device: an inductive power transfer system designed for the charge of batteries on small drones. The final aim of the thesis is to design the receiver coil based on a two layers geometry, to take advantage of the parasitic capacitance at high frequency and achieve the benefits of a series resonance, without using any additional component.

La mobilità elettrica sta rapidamente guadagnando popolarità grazie alla crescente consapevolezza dei danni ambientali legati alle emissioni di CO2 e alla progressiva riduzione dei costi dei veicoli elettrici. Tuttavia, possiamo osservare come esistano ancora barriere alla diffusione su larga scala dei veicoli elettrici quali i costi (comunque elevati), la poca autonomia del sistema di propulsione ed i lunghi tempi di ricarica. Questi problemi possono trovare una soluzione facendo leva su sistemi di accumulo di energia elettrica ad alta densità di energia e di potenza e sfruttando sistemi di ricarica innovativi. Focalizzando il nostro interesse sui sistemi di ricarica, possiamo identificare due macro tipologie: la ricarica via cavo e la ricarica wireless. La ricarica wireless comunemente adottata nell'ambito della mobilità elettrica è di tipo induttivo ed utilizza quindi un campo magnetico per trasferire energia tra due bobine accoppiate: una posta a bordo strada e l'altra posta sul veicolo elettrico. La tecnologia Wireless Power Transfer (WPT) rende quindi più semplice l'utilizzo della ricarica dei veicoli elettrici e apre nuove possibilità per rendere il processo non solo più sicuro per l'utente stesso, prevenendo di fatto il contatto diretto con il sistema di ricarica, ma complessivamente ancora più efficiente. La ricarica wireless può essere effettuata a veicolo fermo (ricarica statica) o in movimento (ricarica dinamica). Questo lavoro si propone come approfondimento e analisi di un completo sistema di ricarica wireless statico nei vari aspetti che ne identificano la progettazione e l'installazione: lo studio è condotto partendo dal dimensionamento e progettazione di un sistema di bobine accoppiate, per poi simulare la connessione completa alla rete elettrica. In particolare, lo scopo principale dello studio è identificare una soluzione basata su bobine auto-risonanti che consenta non solo di raggiungere un ottimo in termini di efficienza, ma allo stesso tempo sia più economica e risparmi più spazio e peso rispetto alle soluzioni comunemente adottate. Nelle comuni applicazioni, infatti, viene spesso posto in serie ad ogni induttore un condensatore in risonanza, allo scopo di ridurre il dimensionamento della tensione di alimentazione e di aumentare l'efficienza complessiva del sistema. Volendo validare in modo più semplice i metodi e i risultati ottenuti dalle simulazioni, abbiamo concentrato la nostra analisi su un dispositivo di piccola scala: un sistema di trasferimento induttivo di potenza progettato per la ricarica di batterie su piccoli droni. Lo scopo finale della tesi è stato quindi progettare la bobina ricevente basata su una geometria a due strati, per sfruttare in questo modo le capacità parassite ad alte frequenze e ottenere i vantaggi di una risonanza in serie, senza utilizzare alcun componente aggiuntivo.