Elektrikli araçlar için adaptif empedans eşleştirmesi kullanılarak manyetik rezonans kuplajlı kablosuz şarj sistemi tasarımı ve uygulaması
Design and application of magnetic resonant coupling wireless charging system for electric vehicles using adaptive impedance matching network
Yazar: FATİH ISSI
Danışman: DOÇ. DR. ORHAN KAPLAN
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Akümülatör şarjı = Battery charge ; Elektrikli araçlar = Electric vehicles

Özet:
Kablosuz güç aktarım (KGA) sistemlerinde, düşük güç kayıpları ve yüksek frekanslarda çalışabilme özellikleri nedeniyle E-Sınıfı eviriciler tercih edilmektedir. E-Sınıfı eviricilerin optimum çalışma noktası, sabit yük değeri ve optimum anahtarlama koşulları altında elde edilebilmektedir. Sabit mesafeli KGA uygulamalarında verici ve alıcı bobinlerin yük değeri sabit olduğundan, E-sınıfı eviriciler ideal bir bobin sürücüsü olarak kullanılabilmektedir. Ancak verici ile alıcı arasındaki mesafedeki veya yük değerindeki değişimler, anahtarlama şartlarını olumsuz yönde etkileyerek yüksek anahtarlama kayıplarına neden olmaktadır. Bu tez, bobin sürücüsü olarak kullanılan E-Sınıfı eviriciye dayalı manyetik rezonans kuplajlı kablosuz güç aktarım (MRKKGA) sistemi için yeni bir adaptif empedans eşleştirme algoritması sunmaktadır. Empedans eşleştirme için gerekli eşdeğer kapasite, hesaplanan karşılıklı endüktans değeri kullanılarak belirlenmiş, verici tarafında bir adaptif kapasite dizisi ile oluşturulmuştur. Böylece eviricinin optimum anahtarlama durumu ve empedans eşleştirmesi dinamik olarak sürdürülmüştür. Bir seri kapasitör ağı içeren kapasite dizisinin en iyi kombinasyonu, geliştirilen adaptif empedans eşleştirme algoritması ile belirlenmiştir. Önerilen adaptif empedans eşleştirme algoritması hem benzetim hem de deneysel çalışmalarda doğrulanmıştır. MRKKGA sisteminin E Sınıfı evirici tabanlı 1 kW laboratuvar prototipi tasarlanmıştır. Benzetim ve deneysel sonuçlar, E Sınıfı eviricinin en uygun anahtarlama koşullarının ve KGA sisteminin empedans eşleşmesinin, mesafedeki değişimler altında aynı anda başarılı bir şekilde sağlandığını göstermiştir. Ayrıca, en uygun çalışma koşulunu belirlemek için hem MRKKGA hem de E-Sınıfı eviricinin verimlilikleri aynı anda göz önünde bulundurulmuştur. Bu kadar yüksek bir güç seviyesi için adaptif kapasite dizisi yöntemi henüz literatürde bildirilmemiştir. Sonuç olarak, KGA sisteminin maksimum verimi %91,13 olarak hesaplanmıştır.

Abstract:
In the wireless power transmission (WPT) systems, Class-E inverters are preferred due to its low power losses and operating capabilities under high frequencies. The optimum operation point of the Class-E inverters can be achieved under fixed load value and optimal switching conditions. Since the load value of the transmitter and receiver coils is constant in the fixed distance operation, Class-E inverters can be considered as an ideal coil driver in fixed distance WPT applications. However, variations in the distance between transmitter and receiver or the load value adversely affect the switching conditions which causes high switching losses. This thesis presents a novel adaptive impedance matching algorithm for magnetic resonance coupled wireless power transmission (MRCWPT) system based on Class-E inverter used as coil driver. The required capacitance is determined by using the calculated mutual inductance and an adaptive capacity array is used on the transmitter side for dynamically matching the impedance in WPT. Thus, the optimum switching condition of the inverter and impedance matching are dynamically sustained. The best combination of the capacity array involving a series capacitor network is determined by the developed adaptive impedance matching algorithm. The proposed adaptive impedance matching algorithm is verified in both simulation and experimental studies. A 1 kW laboratory prototype of MRCWPT system based on Class-E inverter is designed. Simulation and experimental results demonstrate that optimal switching conditions of the Class-E inverter and the impedance matching of the WPT system are successfully provided at the same time under variations in the distance. In addition, the efficiencies of both MRCWPT and Class-E inverter are considered at the same time to determine the optimum operating condition. The determination method for such a high power level has not been reported in the literature yet. Consequently, the maximum efficiency of the power transfer is calculated to be 91.13%.