Design and Integration of a Dynamic IPT System for Automotive Applications

par Vincenzo Cirimele

Thèse de doctorat en Génie électrique

Sous la direction de Lionel Pichon et de Fabio Freschi.

  • Titre traduit

    Projet et intégration d'un système de transfert inductif pour les applications automobiles


  • Résumé

    La transmission inductive de puissance (IPT) pour les véhicules électriques est une technologie émergente prometteuse qui semble capable d'améliorer l'acceptation de la mobilité électrique. Au cours des deux dernières décennies, de nombreux chercheurs ont démontré la faisabilité et la possibilité de l'utiliser pour remplacer les systèmes conducteurs classiques pour la charge de la batterie à bord du véhicule. Actuellement de nombreux efforts visent à étendre la technologie IPT vers son utilisation pour la charge pendant le mouvement du véhicule. Cette application, généralement appelée IPT dynamique, vise à surmonter la limite représentée par les arrêts prolongés nécessaires pour la recharge introduisant également la possibilité de réduction de la capacité de la batterie installée à bord du véhicule. Un système IPT est essentiellement basé sur la résonance de deux inducteurs magnétiquement couplés, l'émetteur, placé sur ou sous le sol, et le récepteur, placé sous le plancher du véhicule. La gamme de fréquence de fonctionnement typique pour les applications automobiles va de 20 kHz à environ 100 kHz. Le couplage entre les deux inductances s'effectue à travers un entrefer important, généralement d'environ 10-30 cm. Cette thèse présente les résultats des activités de recherche visant à la création d'un prototype pour l'IPT dynamique orienté vers le transport privé. A partir d'une analyse de l'état de l'art et des projets de recherche en cours dans ce domaine, ce travail présente le développement d'un modèle de circuit capable de décrire les phénomènes électromagnétiques à la base du transfert de puissance et l'interface avec l'électronique de puissance. Les analyses effectuées à travers le modèle développé fournissent la base pour la conception et la mise en œuvre d'un convertisseur dédié à faible coût et efficacité élevée pour l'alimentation du côté transmetteur. Une architecture générale de l'électronique de puissance qui gère le côté récepteur est proposée avec les circuits de protection supplémentaires. Une méthodologie pour la conception intégrée de la structure magnétique est illustrée. Cette méthodologie couvre les aspects de l'interface avec l'électronique de puissance, l'intégration sur un véhicule existant et l'installation sur l'infrastructure routière. Une série d'activités visant à la réalisation d'un site d'essai dédié sont présentées et discutées. En particulier, les activités liées à la création de l'infrastructure électrique ainsi que les questions et les méthodes d'implantation des émetteurs dans le revêtement routier sont présentées. L'objectif final est la création d'une ligne de recharge IPT dédiée de 100 mètres de long. Enfin, une méthodologie d'évaluation de l'exposition humaine est présentée et appliquée à la solution développée.


  • Résumé

    Inductive power transmission (IPT) for electric vehicles (EVs) is a promising emergent technology that seems able to improve the electric mobility acceptance. In the last two decades many researchers have proved its feasibility and the possibility to use it to replace the common conductive systems for the charge of the on-board battery. Many efforts are currently aimed to extend the IPT technology towards its use for the charge during the vehicle motion. This application, commonly indicated as dynamic IPT, is aimed to overcome the limit represented by the long stops needed for the recharge introducing also the possibility of reducing the battery capacity installed on vehicle. An IPT system is essentially based on the resonance of two magnetically coupled inductors, the transmitter, placed on or under the ground, and the receiver, placed under the vehicle floor. The typical operating frequency range for the EVs application goes from 20 kHz to approximately 100 kHz. The coupling between the two inductors takes place through a large air-gap, usually about 10-30 cm. This thesis presents the results of the research activities aimed to the creation of a prototype for the dynamic IPT oriented to the private transport. Starting from an analysis of the state of the art and the current research projects on this domain, this work presents the development of a circuit model able to describe the electro- magnetic phenomena at the base of the power transfer and the interface with the power electronics. This model provides the information at the base of the design and the implementation of a dedicated low cost-high efficiency H-bridge converter for the supply of the transmitter side. A general architecture of the power electronics that manages the receiver side is proposed together with the additional protection circuits. A methodology for the integrated design of the magnetic structure is illustrated covering the aspects of the matching with the power electronics, the integration on an existing vehicle and the installation on the road infrastructure. A series of activities aimed to the implementation of a dedicated test site are presented and discussed. In particular, the activities related to the creation of the electrical infrastructure and the issues and methods for the embedding of the transmitters in the road pavement are presented. The final goal is the creation of a dedicated IPT charging line one hundred meters long. Finally, a methodology for the assessment of the human exposure is presented and applied to the developed solution.


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