Elektrikli araçlarda manyetik rezonans kuplajlı kablosuz enerji transfer sistemi için farklı topolojilerin incelenmesi
Investigation of different topologies for magnetic resonancecoupling wireless energy transfer system in electric vehicles
Yazar: FATMA NUR KARTAL
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ALİ AĞÇAL
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Elektromanyetik enerji = Electromagnetic energy ; Kablosuz sistemler = Wireless systems

Özet:
Kablosuz şarj ile elektrikli araçlara (EA) daha özgür, güvenli ve otonom bir şarj teknolojisi kazandırılmıştır.  Elektrikli araçların kablosuz şarjı gibi yakın alan kablosuz enerji transferi (KET) sistemlerinde en uygun yöntem endüktif güç transferidir (EGT). EGT sistemlerinde enerji alıcı ve verici bobinlerin arasındaki manyetik kuplaj ile aktarılır. Ayrıca enerjinin verimli bir şekilde aktarılabilmesi için alıcı ve verici bobinlere kondansatörler bağlanarak kompanzasyon yapılır.  Bobinlerin ve kondansatörlerin birbirlerine bağlanma şekline göre farklı kompanzasyon topolojisi çeşitleri oluşmaktadır. Bu tez çalışmasında, EA kablosuz şarjı için seri-seri (SS) topolojili, seri-paralel (SP) topolojili, paralel-seri (PS) topolojili ve paralel-paralel (PP) topolojili, indiktör-kapasitör-kapasitör- seri (LCC-S) topolojili ve çift taraflı indiktör-kapasitör-kapasitör (LCC-LCC) topolojili manyetik rezonanslı kuplaj teorileri incelenmiştir. Her bir topoloji için KET sistem tasarımı yapılmış ve tasarımı yapılan sistemin insan sağlığına etkileri incelenmiştir. 

Bu tez çalışması KET sistemlerinde kullanılan nüvesiz ve manyetik alan yönlendirmesi olmayan sistemlerden farklı olarak yüksek manyetik geçirgenliğe sahip nüve ve alüminyum kalkanlama kullanılarak tasarlanmıştır. KET sistemi tasarlanırken insan sağlığına etkileri ve verimlilik hususunda dikkat edilecek noktalar verilmeye çalışılmıştır. Alıcı ve verici bobinlerin arkalarına yerleştirilen nüveler ve alüminyum kalkanlamalar sayesinde önceki çalışmalara göre daha az manyetik alan saçılımı olan daha yüksek hava aralıklarında daha yüksek verimli bir sistem tasarlanmıştır. Nüve kullanılarak, manyetik alanın yönlendirmesiyle manyetik akının yolu kısaltılmış ve böylece saçılım olabildiğince en aza indirilmiştir. Saçılımın azaltılmasıyla hem araç içindeki insanın hem de elektrikli araç içindeki elektronik komponentlerin maruz kaldığı elektromanyetik girişimlerin en aza indirilmesi amaçlanmıştır.

Bu çalışmada devrelerin parametreleri MATLAB programı kullanılarak analitik hesaplamalar ile yapılmıştır. Devrelerin analitik benzetimi ANSYS Maxwell Simplorer üzerinden gerçekleştirilmiştir. Ayrıca bobinin tasarımı ANSYS Maxwell 3D ile Sonlu Elemanlar Yöntemi (SEY) kullanılarak yapılmıştır. Bu tezde otomativ mühendisleri topluluğunun standartlarına uygun 85 kHz çalışma frekansında ve 3.3 kW güç çıkış gücü veren KET topolojileri incelenmiştir. Topolojilere göre KET sisteminin değişimleri gözlenerek EA için en uygun topolojinin ortaya konması amaçlanmaktadır.

Abstract:
With wireless charging, electric vehicles (EVs) have been provided with a more free, safe and autonomous charging technology. Inductive power transfer (IPT) is the most suitable method for near-field wireless energy transfer (WET) systems, such as wireless charging of electric vehicles. In IGT systems, energy is transferred by magnetic coupling between the receiver and transmitter coils. In addition, compensation is made by connecting capacitors to the receiver and transmitter coils so that energy can be transferred efficiently. Different types of compensation topologies are formed according to the way the coils and capacitors are connected to each other. In this thesis, magnetic resonance coupling theories with serial-serial (SS) topology, series-parallel (SP) topology, parallel-series (PS) topology and parallel-parallel (PP) topology, indicator-capacitor-capacitor-series (LCC-S) topology and double-sided indicator-capacitor-capacitor (LCC-LCC) topology for EA wireless charging were examined. WET system design was made for each topology and the effects of the designed system on human health were examined.

This thesis study was designed using a core with high magnetic permeability and aluminum shielding, unlike the coreless and magnetic field-directed systems used in KET systems. While designing the WET system, points to consider regarding its effects on human health and efficiency have been tried to be given. Thanks to the cores and aluminum shields placed behind the receiver and transmitter coils, a more efficient system with higher air gaps and less magnetic field scattering compared to previous studies has been designed. By using the core, the path of the magnetic flux is shortened by directing the magnetic field, thus minimizing scattering as much as possible. By reducing scattering, it is aimed to minimize the electromagnetic interference to which both the person in the vehicle and the electronic components in the electric vehicle are exposed.

In this study, the parameters of the circuits were made with analytical calculations using the MATLAB program. Analytical simulation of the circuits was carried out via ANSYS Maxwell Simplorer. Additionally, the design of the coil was made using the Finite Element Method (FEM) with ANSYS Maxwell 3D. In this thesis, WET topologies that comply with the standards of the automotive engineering community at an operating frequency of 85 kHz and a power output of 3.3 kW were examined. It is aimed to reveal the most suitable topology for EVs by observing the changes of the WET system according to topologies.