Elektrikli araçların kablosuz güç aktarım sistemi ile şarj edilmesi için kullanılan farklı transformatör modellerinin sonlu elemanlar yöntemi ile tasarımı ve analizi

Kablosuz güç aktarım (KGA) sistemleri, kablolara veya açıkta kalan iletkenlere ihtiyaç duyulmadan gücün aktarılmasını sağlamaktadır. Birçok uygulama alanı için KGA avantajlı olmakla birlikte bazı durumlarda yeni uygulamaların gerçekleştirilmesine de olanak sağlamaktadır. Kablosuz güç aktarımı, elektrikli araçların, tıbbi cihazların, cep telefonlarının ve bilgisayarların şarj edilmesinde geniş uygulama alanı bulması nedeniyle gelişmekte olan bir teknolojidir. Ayrıca, KAG, dünya çapında teknolojik olarak gelişmiş geleceğin toplumlarında her noktada uygulama alanı bulmaya hazırdır. Bu nedenle, KGA alanındaki bilgi, modern güç elektroniği mühendisi için giderek daha önemli hale gelmektedir. Kablosuz güç aktarımını daha verimli ve kullanıcı dostu haline getirebilmek için KGA tasarımcıları için bu uygulamanın gerekliliklerinin iyi bilinmesi önem arz etmektedir. Bu uygulamaların önemli bir kısmı, kablosuz güç aktarım sisteminde yüksek frekanslı bir transformatörün uygun tasarımına dayanmaktadır. Yüksek frekanslı bu transformatör, gücün kablosuz aktarımı esnasında kayıpların en aza indirilmesi için endüktif yolla güç aktarım ilkesine göre tasarlanmaktadır. Bu çalışmada, elektrikli araçların kablosuz şarj sistemlerinde kullanılmak üzere yüksek frekanslı bir KGA sistemi transformatörünün tasarımı sunulmuştur. Bu tasarımda, verici ve alıcı bobinler arasındaki farklı hava aralıkları için bazı transformatör konfigürasyonları, kuplaj katsayısı ve ortak endüktansın gibi kablosuz güç aktarım parametrelerinin elde edilmesi için analiz edilmiştir. Sonlu Elemanlar Yöntemi (SEY) tabanlı ANSYS-Maxwell-3D kullanılarak tasarımlar benzetim yoluyla analiz edilmiş ve sonuçlar elde edilmiştir. Ayrıca, bu çalışmada kablosuz güç aktarımı dairesel ve dikdörtgen tip transformatör tasarımlarının karşılaştırılması yapılmıştır. Bir deney düzeneği kurularak deneysel ve benzetim sonuçları da karşılaştırılmıştır.

Anahtar Kelimeler:

KGA, Frekans, SEY, Verim

PDF

___

1. Zeng Y, Qiu D, Meng X, Zhang B, Tang SC., Optimised design of coils for wireless power transfer in implanted medical devices. IEEE J Electromagn, RF Microwav Med Biol, 2 (4), 277–285, 2018.
2. Musavi F, Eberle W., Overview of wireless power transfer technologies for electric vehicle battery charging. IET Power Electron 7, 60–67, 2014.
3. Kline M, Izyumin I, Boser B, Sanders S., Capacitive power transfer for contactless charging. IEEE Applied Power Electronics Conf. and Exposition (APEC), 1398–1404, 2011.
4. Daniel O, Moin H., An overview of single-sided and double-sided winding inductive coupling transformers for wireless electric vehicle charging. IEEE 2nd International Future Energy Electronics Conference (IFEEC), 2015.
5. Daniel O, Moin H., Comparison of circular and rectangular coil transformer parameters for wireless power transfer based on finite element analysis. IEEE 13th Brazilian Power Electronics Conference and 1st Southern Power Electronics Conference (COBEP/SPEC), 2015.
6. Özüpak Y., Analysis of the Model Designed for Magnetic Resonance Based Wireless Power Transfer Using FEM, Journal of Engineering Research, DOI: 10.36909/jer.17631, 2022.
7. Özüpak, Y., Elektrikli Araçların Kablosuz Güç Transferi Sistemi için Dairesel Bobinli Bir Transformatörün Tasarımı ve Veriminin Analizi. Çukurova Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Dergisi, 37 (1), 209-219, 2022.
8. Chinthavali M, Onar OC, Campbell SL, Tolbert LM., Integrated charger with wireless charging and boost functions for PHEV and EV applications. Oak Ridge National Laboratory Contract with the US Department of Energy, No. DE-AC05–000R22725, 2015.
9. Navid R., Jun W. and Xibo Y., In-Situ Measurement and Investigation of Winding Loss in High-Frequency Cored Transformers Under Large-Signal Condition. IEEE open journal Industry Applications, 3. 2022.
10. Yi Z, Li M, Muneer B, Zhu Q., High-efficiency mid-range inductive power transfer employing alternative-winding coils’’. IEEE Trans Power Electron, 34 (7), 6706–6721, 2019.
11. K. Parkavi Kathirvelu, G. G. V. Sandeep, J. Swathi, Rengarajan Amirtharajan, R. Balasubramanian1, Design of Transformer for Wireless Power Transfer in Electric Vehicles, Iranian Journal of Science and Technology, Transactions of Electrical Engineering 45, 1311–1324, 2021.
12. Zhang Y., Chen K., F. He, Z. Zhao, T. Liu, and L. Yuan, Closed-form oriented modeling and analysis of wireless power transfer system with constant-voltage source and load, IEEE Trans. Power Electron., 31 (5), 3472-3481, May 2016.
13. Kim H. et al., “Coil design and measurements of automotive magnetic resonant wireless charging system for high-efficiency and low magnetic field leakage,” IEEE Trans. Microw. Theory Techn., 64 (2), 383-400, Feb. 2016.
14. Zhenjie Li, Chunbo Zhu, Jinhai Jiang, Kai Song, Member, and Guo Wei, A 3-kW Wireless Power Transfer System for Sightseeing Car Supercapacitor Charge, IEEE transactions on power electronics, 32 (5), MAY 3301. 2017.
15. Rasekh N, Mirsalim M Evaluation study on an integration method for a DDQP using LCC and series compensation topologies for inductive power transfer. IET Electr Power Appl 12 (9), 1320–1327, 2018.
16. Moghaddami M, Sundararajan A, Sarwat AI A powerfrequency controller with resonance frequency tracking capability for inductive power transfer systems. IEEE Trans Ind Appl 54 (2), 1773–1783, 2018.
17. Yang S, Deng X, Lu J, Wu Z, Du K light-load efficiency optimization for an LCC-parallel compensated inductive power transfer battery charger. Electron (Switz), 9 (12), 1–13, 2020.
18. Yi Z, Li M, Muneer B, Zhu Q High-efficiency mid-range inductive power transfer employing alternative-winding coils, IEEE Trans Power Electron, 34 (7), 6706–6721, 2019.
19. Özüpak Y., Elektrikli Araçların Kablosuz Güç Transferi Sistemleri için Farklı Transformatör Modellerinin Tasarımı ve Analizi, DUJE (Dicle University Journal of Engineering) 13, 1 Sayfa 11-18, 2022.
20. Gül M.N. Yazar O., Coşkun S., Zhang F., Li L., Ersöz Kaya İ., Predictive equivalent consumption minimization strategy for power-split hybrid electric vehicles using Monte Carlo algorithm, Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 38 (3), 1615-1630, 2023.
21. İnan R., Güçkıran M., Altınışık Y.E., Tek S., Potuk M., Real-time implementation of battery management system designed with improved passive balancing technique for electric vehicles, Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 38 (3), 1757-1768, 2023.