SUPERVISOR
Hamid Reza Karshenas
حمیدرضا کارشناس (استاد راهنما)
STUDENT
Amin Rabanian
امین ربانیان
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1394
TITLE
Analysis of a Wireless EV Battery Charging System in Different Operating Modes
This thesis is concerned with the analysis of a variable duty cycle wireless battery charger in different operating modes. In recent years, traditional power transfer systems based on cable connections have been lost their popularity because of their lack of persistent access and mobility. In addition in some applications like electric vehicles, because of their high power and voltage levels, the safety considerations will be also important in using and recharging them. To overcome these problems of the battery-based systems, many efforts have been made to improve and ease their charging process and make it more simple and smart. As an elegant choice, the use of wireless power transfer technologies will be a safe and secure method for charging the battery-based systems. In fact, the use of this technology in various applications including electrical traortation systems has been largely increased. Inductive power transmission as one of the most efficient wireless power transmission technologies (especially at short distances) has attracted much attention and has been introduced as an optimal option for use in electric vehicle charging systems. In this thesis, after introducing a brief overview of various wireless power transmission technologies, the bases of inductive power transmission are explained. A proper topology for the application of this technology in the wireless charging system of electric vehicles is introduced. It is explained that how by proper control of converter duty-cycle, the system can attain different operating modes. The basic parameters of the system are introduced and the chosen topology analysed by the means of two different methods including the first harmonic approximation and time domain analysis. In both methods, the operation of the system is divided into two sections of continuous current (CCM) and discontinuous current (DCM) and then six different modes of CCM operation are introduced. In addition, the system equations are derived in both methods, and in the time domain analysis, it is possible to accurately determine any system variable at the desired time. Since the determination of the system's operating point plays a significant role in its optimal performance and stability, further detailed relations are developed to determine the boundary of the proposed modes in both the first harmonic approximation and the time domain study. Because of the high accuracy and reducing the simplistic assumptions in the time domain survey, consideration of the relationships and boundaries introduced in this study can lead to improved design and also the optimal control of the induction charging system. In the final section, through the simulation of the system in the PSIM software, as well as the implementation of an experimental setup, the theoretical results are evaluated and then, by comparing the basic parameters in each of the study methods with the results of the simulation and the practical results, the high accuracy and performance of the proposed time domain method are confirmed. Keywords : Wireless charging of electric vehicle, inductive power transfer, first harmonic approximation, time domain analysi
این پایان نامه یک سیستم انتقال توان بی سیم جهت خودروهای الکتریکی را در حالتی که سیکل وظیفه مبدل آن متغیر است در حالت های مختلف مورد مطالعه قرار میگیرد. در سالیان اخیر، سیستمهای سنتی انتقال توان مبتنی بر اتصال کابل به دلیل ایجاد محدودیتهایی نظیر عدم قابلیت حمل آسان محبوبیت خود را از دست دادهاند. در مقابل، جایگزینی این سیستمها با انواع باتریهای تولید شده به دلیل مشکلاتی نظیر ظرفیت پایین، مشکلات مربوط به شارژ، طول عمر کوتاه، افزایش قیمت و وزن سیستم و همچنین مشکلات زیست محیطی ناشی از فرآیند تولید و پسماندهای آنها؛ با محدودیتهایی مواجه شده است. علاوه بر این، در کاربردهایی نظیر سیستمهای حمل و نقل الکتریکی به دلیل سطوح بالای توان و ولتاژ؛ در کنار موارد بیان شده فوق ملاحظات ایمنی در بکارگیری و شارژ آنها اهمیت فراوانی خواهد داشت. یکی از راهکارهای غلبه بر مشکلات سیستمهای مبتنی بر باتری، بهبود روشهای فرآیند شارژ آنها از طریق افزایش بازدهی، تسهیل، و هوشمندسازی آن میباشد. از جمله بهترین انتخابها در این مسیر، بکارگیری فناوریهای انتقال توان بیسیم به عنوان روشی مطمئن و ایمن برای انتقال توان و شارژ سیستمهای مبتنی بر باتری خواهد بود. امروزه استفاده از این فناوری در کاربردهای گوناگون از جمله سیستمهای حمل و نقل الکتریکی به صورت چشمگیری افزایش یافته است. انتقال توان القایی به عنوان یکی از پربازدهترین فناوریهای انتقال توان بیسیم (به ویژه در فواصل کوتاه) توجه زیادی را به خود جلب نموده و به عنوان گزینهای مناسب برای استفاده در سیستمهای شارژ خودروهای الکتریکی معرفی شده است. در این پایاننامه، پس از معرفی اجمالی فناوریهای مختلف انتقال توان بیسیم و سپس بیان مبانی انتقال توان القایی، ساختار مناسب برای بکارگیری این فناوری در سیستم شارژ بیسیم خودروهای الکتریکی معرفی گردیده است. سپس به معرفی پارامترهای اساسی سیستم پرداخته و بررسی ساختار انتخابی از دو روش تقریب هارمونیک اول و بررسی حوزه زمان انجام شده است. در هر دو روش بیان شده، عملکرد سیستم به دو بخش جریان پیوسته و جریان گسسته تقسیم و سپس به معرفی شش مود مختلف عملکرد جریان پیوسته سیستم پرداخته شده است. همچنین در این پایاننامه برای اولین بار به بررسی و معرفی مودهای مختلف عملکرد سیستم انتقال توان توان القایی با سیکل وظیفه متغییر از طریق آنالیز دقیق زمانی پرداخته شده است و سپس معادلات سیستم در هر دو روش تقریب هارمونیک اول و آنالیز زمانی به صورت کامل بیان شده و به ویژه در بررسی حوزه زمان، امکان تعیین دقیق هر یک از متغییرهای سیستم در هر زمان دلخواه فراهم شده است. از آنجایی که تعیین نقطه عملکرد سیستم نقش به سزایی در عملکرد بهینه و پایداری آن خواهد داشت، در ادامه روابطی دقیق برای تعیین مرز مودهای معرفی شده در هر دو روش تقریب هارمونیک اول و مطالعه حوزه زمان استخراج گردیده است. با توجه به دقت بالا و کاهش فرضیات ساده کننده در بررسی حوزه زمان، در نظر گرفتن روابط و مرزهای معرفی شده در این مطالعه میتواند منجر به بهبود طراحی و همچنین کنترل بهینه سیستم شارژ القایی معرفی شده گردد. کلمات کلیدی: 1- شارژ بیسیم خودروی الکتریکی 2-انتقال توان القایی 3-تقریب هارمونیک اول 4-بررسی حوزه زمان