Application of dynamic energy transmission by induction for electric vehicle charging // Application de la Transmission dynamique d’énergie par induction à la charge des véhicules électriques

Abstract

Electric vehicles (EVs) are an effective, eco-friendly alternative to fossil fuel cars, cutting CO2 emissions and boosting fuel efficiency. Wireless Power Transfer (WPT) technology facilitates energy transmission to EVs through electromagnetic fields and wireless charging systems. Yet, WPT faces drawbacks like limited range due to distance constraints. Moreover, the need for quick charging in battery storage technology poses challenges for widespread adoption. The thesis centers on improving electric vehicle charging systems by augmenting the magnetic coupling. It begins with an exploration of the magnetic interaction between copper rectangular spiral coils positioned apart by an air gap.Subsequent exploration introduces novel approaches to improve efficiency. The first approach involves integrating ferrite-type magnetic material, effectively concentrating magnetic flux and reducing leakage, thereby enhancing transmitted power. However, this method proves only partially effective. To augment this, an aluminum sheet is introduced atop the ferrite, creating a comprehensive shielding structure. Another aspect investigates a specialized Series-Series (S-S) topology resonant system using circular spiral-shaped coils for electric vehicles. Mathematical analyses determine crucial parameters for effective power transfer at 85 kHz. Significant findings include in-depth examination of circular spiral coil structures, identifying issues of coupling coefficient and leakage flux, and mitigating them by introducing ferrite bars for shielding. Compensation techniques like integrating capacitors reduce apparent power consumption, enhancing adaptability in the Wireless Power Transfer (WPT) system. Validation through simulation demonstrates the magnetic resonance series compensation wireless system's effectiveness, transmitting up to 3.6 kilowatts with a success rate of nearly 99% using Ansys Simplorer co- simulation. Extensive MATLAB use optimizes parameters crucial for high-power wireless energy transfer by fine-tuning coil dimensions, wire characteristics, turns count, and coil distances for maximum efficiency. The thesis emphasizes strategies like resonance tuning. minimizing losses, and using high-conductivity materials for efficient wireless power transfer. Its insights aim to advance electric vehicle charging systems, enhancing efficiency and usability. Les véhicules électriques (VE) constituent une alternative écologique efficace aux voitures à combustibles fossiles, réduisant les émissions de CO2 et améliorant l'efficacité énergétique. La technologie Wireless Power Transfer (WPT) facilite la transmission d'énergie aux véhicules électriques via des champs électromagnétiques et des systèmes de recharge sans fil. Pourtant, le WPT est confronté à des inconvénients tels qu'une portée limitée en raison de contraintes de distance. De plus, la nécessité d'une recharge rapide dans la technologie de stockage sur batterie pose des défis pour une adoption généralisée. La thèse porte sur l'amélioration des systèmes de recharge des véhicules électriques en augmentant le couplage magnétique. Cela commence par une exploration de l'interaction magnétique entre des bobines en spirale rectangulaires en cuivre séparées par un entrefer. L'exploration ultérieure introduit de nouvelles approches pour améliorer l'efficacité. La première approche consiste à intégrer un matériau magnétique de type ferrite, concentrant efficacement le flux magnétique et réduisant ainsi les fuites, améliorant la puissance transmise. Cependant, cette méthode ne s'avère que partiellement efficace. Pour augmenter cela, une feuille d'aluminium est introduite au sommet de la ferrite, créant une structure de blindage complète. Un autre aspect étudie un système résonant de topologie série-série (5-5) spécialisé utilisant des bobines circulaires en forme de spirale pour les véhicules électriques. Les analyses mathématiques déterminent les paramètres cruciaux pour un transfert de puissance efficace à 85 kHz. Les résultats importants comprennent un examen approfondi des structures de bobines circulaires en spirale, l'identification des problèmes de coefficient de couplage et de flux de fuite, et leur atténuation en introduisant des barres de ferrite pour le blindage. Les techniques de compensation telles que l'intégration de condensateurs réduisent la consommation d'énergie apparente, améliorant ainsi l'adaptabilité du système de transfert d'énergie sans fil (WPT). La validation par simulation démontre l'efficacité du système sans fil de compensation en série par résonance magnétique, transmettant jusqu'à 3,6 kilowatts avec un taux de réussite de près de 99 % grâce à la co-simulation Ansys Simplorer. L'utilisation intensive de MATLAB optimise les paramètres cruciaux pour le transfert d'énergie sans fil haute puissance en ajustant avec précision les dimensions des bobines, les caractéristiques des fils, le nombre de tours et les distances des bobines pour une efficacité maximale. La thèse met l'accent sur des stratégies telles que le réglage de la résonance, la minimisation des pertes et l'utilisation de matériaux à haute conductivité, pour un transfert d'énergie sans fil efficace. Ses idées visent à faire progresser les systèmes de recharge des véhicules électriques, en améliorant leur efficacité et leur convivialité تعد السيارات الكهربائية بديلاً فعالا وصديقا للبيئة لسيارات الوقود الأحفوري، حيث تساعد على خفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون وتعزيز كفاءة استهلاك الوقود تعمل تقنية نقل الطاقة اللاسلكية (WPT) على تسهيل نقل الطاقة إلى المركبات الكهربائية من خلال المجالات الكهرومغناطيسية وأنظمة الشحن اللاسلكي ومع ذلك، تواجه تقنية WPT عيونا مثل النطاق المحدود بسبب قيود المسافة علاوة على ذلك، فإن الحاجة إلى الشحن السريع في تكنولوجيا تخزين البطاريات تشكل تحديات امام اعتمادها على نطاق واسع. تركز الأطروحة على تحسين أنظمة شحن المركبات الكهربائية من خلال زيادة الاقتران المغناطيسي يبدأ الأمر باستكشاف التفاعل المغناطيسي بين الملفات الحلزونية النحاسية المستطيلة الموضوعة بعيدا عن بعضها بواسطة فجوة هوائية. يقدم الاستكشاف اللاحق طرفا جديدة لتحسين الكفاءة، يتضمن النهج الأول دمج المواد المغناطيسية من نوع الفريت، وتركيز التدفق المغناطيسي بشكل فعال وتقليل التسرب، وبالتالي تعزيز الطاقة المنقولة. ومع ذلك، أثبتت هذه الطريقة فعاليتها جزئيا فقط ولزيادة ذلك، يتم إدخال صفائح الألومنيوم فوق الفريت، مما يؤدي إلى إنشاء هيكل حماية شامل. هناك جانب آخر يبحث في نظام طوبولوجيا طوبولوجي متسلسلة (5) متخصص باستخدام ملفات دائرية حلزونية الشكل للسيارات الكهربائية تحدد التحليلات الرياضية المعلمات الحاسمة لنقل الطاقة بشكل فعال عند 85 كيلو هرتز. وتشمل النتائج المهمة فحصا متعمقا لهياكل الملفات الحلزونية الدائرية، وتحديد المشكلات المتعلقة بمعامل الاقتران وتدفق التسرب، والتخفيف منها عن طريق إدخال قضبان القريت للحماية تعمل تقنيات التعويض مثل دمج المكثفات على تقليل الاستهلاك الظاهري للطاقة، مما يعزز القدرة على التكيف في نظام نقل الطاقة اللاسلكي يوضح التحقق من الصحة من خلال المحاكاة فعالية النظام اللاسلكي لتعويض سلسلة الرنين المغناطيسي، حيث يرسل ما يصل إلى 3.6 كيلووات بمعدل نجاح يقارب 99% باستخدام محاكاة Ansys Simplorer المشتركة يعمل الاستخدام المكثف لبرنامج MATLAB على تحسين المعلمات المهمة لنقل الطاقة اللاسلكية عالية الطاقة من خلال ضبط أبعاد الملف وخصائص الأسلاك وعدد اللغات ومسافات الملف لتحقيق أقصى قدر من الكفاءة وتؤكد الأطروحة على استراتيجيات مثل ضبط الرنين وتقليل الخسائر واستخدام مواد عالية الموصلية لنقل الطاقة اللاسلكية بكفاءة. وتهدف أفكارها إلى تطوير أنظمة شحن السيارات الكهربائية، وتعزيز الكفاءة وسهولة الاستخدام. Electric vehicles (EVs) are an effective, eco-friendly alternative to fossil fuel cars, cutting CO2 emissions and boosting fuel efficiency. Wireless Power Transfer (WPT) technology facilitates energy transmission to EVs through electromagnetic fields and wireless charging systems. Yet, WPT faces drawbacks like limited range due to distance constraints. Moreover, the need for quick charging in battery storage technology poses challenges for widespread adoption. The thesis centers on improving electric vehicle charging systems by augmenting the magnetic coupling. It begins with an exploration of the magnetic interaction between copper rectangular spiral coils positioned apart by an air gap.Subsequent exploration introduces novel approaches to improve efficiency. The first approach involves integrating ferrite-type magnetic material, effectively concentrating magnetic flux and reducing leakage, thereby enhancing transmitted power. However, this method proves only partially effective. To augment this, an aluminum sheet is introduced atop the ferrite, creating a comprehensive shielding structure. Another aspect investigates a specialized Series-Series (S-S) topology resonant system using circular spiral-shaped coils for electric vehicles. Mathematical analyses determine crucial parameters for effective power transfer at 85 kHz. Significant findings include in-depth examination of circular spiral coil structures, identifying issues of coupling coefficient and leakage flux, and mitigating them by introducing ferrite bars for shielding. Compensation techniques like integrating capacitors reduce apparent power consumption, enhancing adaptability in the Wireless Power Transfer (WPT) system. Validation through simulation demonstrates the magnetic resonance series compensation wireless system's effectiveness, transmitting up to 3.6 kilowatts with a success rate of nearly 99% using Ansys Simplorer co- simulation. Extensive MATLAB use optimizes parameters crucial for high-power wireless energy transfer by fine-tuning coil dimensions, wire characteristics, turns count, and coil distances for maximum efficiency. The thesis emphasizes strategies like resonance tuning. minimizing losses, and using high-conductivity materials for efficient wireless power transfer. Its insights aim to advance electric vehicle charging systems, enhancing efficiency and usability. Les véhicules électriques (VE) constituent une alternative écologique efficace aux voitures à combustibles fossiles, réduisant les émissions de CO2 et améliorant l'efficacité énergétique. La technologie Wireless Power Transfer (WPT) facilite la transmission d'énergie aux véhicules électriques via des champs électromagnétiques et des systèmes de recharge sans fil. Pourtant, le WPT est confronté à des inconvénients tels qu'une portée limitée en raison de contraintes de distance. De plus, la nécessité d'une recharge rapide dans la technologie de stockage sur batterie pose des défis pour une adoption généralisée. La thèse porte sur l'amélioration des systèmes de recharge des véhicules électriques en augmentant le couplage magnétique. Cela commence par une exploration de l'interaction magnétique entre des bobines en spirale rectangulaires en cuivre séparées par un entrefer. L'exploration ultérieure introduit de nouvelles approches pour améliorer l'efficacité. La première approche consiste à intégrer un matériau magnétique de type ferrite, concentrant efficacement le flux magnétique et réduisant ainsi les fuites, améliorant la puissance transmise. Cependant, cette méthode ne s'avère que partiellement efficace. Pour augmenter cela, une feuille d'aluminium est introduite au sommet de la ferrite, créant une structure de blindage complète. Un autre aspect étudie un système résonant de topologie série-série (5-5) spécialisé utilisant des bobines circulaires en forme de spirale pour les véhicules électriques. Les analyses mathématiques déterminent les paramètres cruciaux pour un transfert de puissance efficace à 85 kHz. Les résultats importants comprennent un examen approfondi des structures de bobines circulaires en spirale, l'identification des problèmes de coefficient de couplage et de flux de fuite, et leur atténuation en introduisant des barres de ferrite pour le blindage. Les techniques de compensation telles que l'intégration de condensateurs réduisent la consommation d'énergie apparente, améliorant ainsi l'adaptabilité du système de transfert d'énergie sans fil (WPT). La validation par simulation démontre l'efficacité du système sans fil de compensation en série par résonance magnétique, transmettant jusqu'à 3,6 kilowatts avec un taux de réussite de près de 99 % grâce à la co-simulation Ansys Simplorer. L'utilisation intensive de MATLAB optimise les paramètres cruciaux pour le transfert d'énergie sans fil haute puissance en ajustant avec précision les dimensions des bobines, les caractéristiques des fils, le nombre de tours et les distances des bobines pour une efficacité maximale. La thèse met l'accent sur des stratégies telles que le réglage de la résonance, la minimisation des pertes et l'utilisation de matériaux à haute conductivité, pour un transfert d'énergie sans fil efficace. Ses idées visent à faire progresser les systèmes de recharge des véhicules électriques, en améliorant leur efficacité et leur convivialité تعد السيارات الكهربائية بديلاً فعالا وصديقا للبيئة لسيارات الوقود الأحفوري، حيث تساعد على خفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون وتعزيز كفاءة استهلاك الوقود تعمل تقنية نقل الطاقة اللاسلكية (WPT) على تسهيل نقل الطاقة إلى المركبات الكهربائية من خلال المجالات الكهرومغناطيسية وأنظمة الشحن اللاسلكي ومع ذلك، تواجه تقنية WPT عيونا مثل النطاق المحدود بسبب قيود المسافة علاوة على ذلك، فإن الحاجة إلى الشحن السريع في تكنولوجيا تخزين البطاريات تشكل تحديات امام اعتمادها على نطاق واسع. تركز الأطروحة على تحسين أنظمة شحن المركبات الكهربائية من خلال زيادة الاقتران المغناطيسي يبدأ الأمر باستكشاف التفاعل المغناطيسي بين الملفات الحلزونية النحاسية المستطيلة الموضوعة بعيدا عن بعضها بواسطة فجوة هوائية. يقدم الاستكشاف اللاحق طرفا جديدة لتحسين الكفاءة، يتضمن النهج الأول دمج المواد المغناطيسية من نوع الفريت، وتركيز التدفق المغناطيسي بشكل فعال وتقليل التسرب، وبالتالي تعزيز الطاقة المنقولة. ومع ذلك، أثبتت هذه الطريقة فعاليتها جزئيا فقط ولزيادة ذلك، يتم إدخال صفائح الألومنيوم فوق الفريت، مما يؤدي إلى إنشاء هيكل حماية شامل. هناك جانب آخر يبحث في نظام طوبولوجيا طوبولوجي متسلسلة (5) متخصص باستخدام ملفات دائرية حلزونية الشكل للسيارات الكهربائية تحدد التحليلات الرياضية المعلمات الحاسمة لنقل الطاقة بشكل فعال عند 85 كيلو هرتز. وتشمل النتائج المهمة فحصا متعمقا لهياكل الملفات الحلزونية الدائرية، وتحديد المشكلات المتعلقة بمعامل الاقتران وتدفق التسرب، والتخفيف منها عن طريق إدخال قضبان القريت للحماية تعمل تقنيات التعويض مثل دمج المكثفات على تقليل الاستهلاك الظاهري للطاقة، مما يعزز القدرة على التكيف في نظام نقل الطاقة اللاسلكي يوضح التحقق من الصحة من خلال المحاكاة فعالية النظام اللاسلكي لتعويض سلسلة الرنين المغناطيسي، حيث يرسل ما يصل إلى 3.6 كيلووات بمعدل نجاح يقارب 99% باستخدام محاكاة Ansys Simplorer المشتركة يعمل الاستخدام المكثف لبرنامج MATLAB على تحسين المعلمات المهمة لنقل الطاقة اللاسلكية عالية الطاقة من خلال ضبط أبعاد الملف وخصائص الأسلاك وعدد اللغات ومسافات الملف لتحقيق أقصى قدر من الكفاءة وتؤكد الأطروحة على استراتيجيات مثل ضبط الرنين وتقليل الخسائر واستخدام مواد عالية الموصلية لنقل الطاقة اللاسلكية بكفاءة. وتهدف أفكارها إلى تطوير أنظمة شحن السيارات الكهربائية، وتعزيز الكفاءة وسهولة الاستخدام. Electric vehicles (EVs) are an effective, eco-friendly alternative to fossil fuel cars, cutting CO2 emissions and boosting fuel efficiency. Wireless Power Transfer (WPT) technology facilitates energy transmission to EVs through electromagnetic fields and wireless charging systems. Yet, WPT faces drawbacks like limited range due to distance constraints. Moreover, the need for quick charging in battery storage technology poses challenges for widespread adoption. The thesis centers on improving electric vehicle charging systems by augmenting the magnetic coupling. It begins with an exploration of the magnetic interaction between copper rectangular spiral coils positioned apart by an air gap.Subsequent exploration introduces novel approaches to improve efficiency. The first approach involves integrating ferrite-type magnetic material, effectively concentrating magnetic flux and reducing leakage, thereby enhancing transmitted power. However, this method proves only partially effective. To augment this, an aluminum sheet is introduced atop the ferrite, creating a comprehensive shielding structure. Another aspect investigates a specialized Series-Series (S-S) topology resonant system using circular spiral-shaped coils for electric vehicles. Mathematical analyses determine crucial parameters for effective power transfer at 85 kHz. Significant findings include in-depth examination of circular spiral coil structures, identifying issues of coupling coefficient and leakage flux, and mitigating them by introducing ferrite bars for shielding. Compensation techniques like integrating capacitors reduce apparent power consumption, enhancing adaptability in the Wireless Power Transfer (WPT) system. Validation through simulation demonstrates the magnetic resonance series compensation wireless system's effectiveness, transmitting up to 3.6 kilowatts with a success rate of nearly 99% using Ansys Simplorer co- simulation. Extensive MATLAB use optimizes parameters crucial for high-power wireless energy transfer by fine-tuning coil dimensions, wire characteristics, turns count, and coil distances for maximum efficiency. The thesis emphasizes strategies like resonance tuning. minimizing losses, and using high-conductivity materials for efficient wireless power transfer. Its insights aim to advance electric vehicle charging systems, enhancing efficiency and usability. Les véhicules électriques (VE) constituent une alternative écologique efficace aux voitures à combustibles fossiles, réduisant les émissions de CO2 et améliorant l'efficacité énergétique. La technologie Wireless Power Transfer (WPT) facilite la transmission d'énergie aux véhicules électriques via des champs électromagnétiques et des systèmes de recharge sans fil. Pourtant, le WPT est confronté à des inconvénients tels qu'une portée limitée en raison de contraintes de distance. De plus, la nécessité d'une recharge rapide dans la technologie de stockage sur batterie pose des défis pour une adoption généralisée. La thèse porte sur l'amélioration des systèmes de recharge des véhicules électriques en augmentant le couplage magnétique. Cela commence par une exploration de l'interaction magnétique entre des bobines en spirale rectangulaires en cuivre séparées par un entrefer. L'exploration ultérieure introduit de nouvelles approches pour améliorer l'efficacité. La première approche consiste à intégrer un matériau magnétique de type ferrite, concentrant efficacement le flux magnétique et réduisant ainsi les fuites, améliorant la puissance transmise. Cependant, cette méthode ne s'avère que partiellement efficace. Pour augmenter cela, une feuille d'aluminium est introduite au sommet de la ferrite, créant une structure de blindage complète. Un autre aspect étudie un système résonant de topologie série-série (5-5) spécialisé utilisant des bobines circulaires en forme de spirale pour les véhicules électriques. Les analyses mathématiques déterminent les paramètres cruciaux pour un transfert de puissance efficace à 85 kHz. Les résultats importants comprennent un examen approfondi des structures de bobines circulaires en spirale, l'identification des problèmes de coefficient de couplage et de flux de fuite, et leur atténuation en introduisant des barres de ferrite pour le blindage. Les techniques de compensation telles que l'intégration de condensateurs réduisent la consommation d'énergie apparente, améliorant ainsi l'adaptabilité du système de transfert d'énergie sans fil (WPT). La validation par simulation démontre l'efficacité du système sans fil de compensation en série par résonance magnétique, transmettant jusqu'à 3,6 kilowatts avec un taux de réussite de près de 99 % grâce à la co-simulation Ansys Simplorer. L'utilisation intensive de MATLAB optimise les paramètres cruciaux pour le transfert d'énergie sans fil haute puissance en ajustant avec précision les dimensions des bobines, les caractéristiques des fils, le nombre de tours et les distances des bobines pour une efficacité maximale. La thèse met l'accent sur des stratégies telles que le réglage de la résonance, la minimisation des pertes et l'utilisation de matériaux à haute conductivité, pour un transfert d'énergie sans fil efficace. Ses idées visent à faire progresser les systèmes de recharge des véhicules électriques, en améliorant leur efficacité et leur convivialité تعد السيارات الكهربائية بديلاً فعالا وصديقا للبيئة لسيارات الوقود الأحفوري، حيث تساعد على خفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون وتعزيز كفاءة استهلاك الوقود تعمل تقنية نقل الطاقة اللاسلكية (WPT) على تسهيل نقل الطاقة إلى المركبات الكهربائية من خلال المجالات الكهرومغناطيسية وأنظمة الشحن اللاسلكي ومع ذلك، تواجه تقنية WPT عيونا مثل النطاق المحدود بسبب قيود المسافة علاوة على ذلك، فإن الحاجة إلى الشحن السريع في تكنولوجيا تخزين البطاريات تشكل تحديات امام اعتمادها على نطاق واسع. تركز الأطروحة على تحسين أنظمة شحن المركبات الكهربائية من خلال زيادة الاقتران المغناطيسي يبدأ الأمر باستكشاف التفاعل المغناطيسي بين الملفات الحلزونية النحاسية المستطيلة الموضوعة بعيدا عن بعضها بواسطة فجوة هوائية. يقدم الاستكشاف اللاحق طرفا جديدة لتحسين الكفاءة، يتضمن النهج الأول دمج المواد المغناطيسية من نوع الفريت، وتركيز التدفق المغناطيسي بشكل فعال وتقليل التسرب، وبالتالي تعزيز الطاقة المنقولة. ومع ذلك، أثبتت هذه الطريقة فعاليتها جزئيا فقط ولزيادة ذلك، يتم إدخال صفائح الألومنيوم فوق الفريت، مما يؤدي إلى إنشاء هيكل حماية شامل. هناك جانب آخر يبحث في نظام طوبولوجيا طوبولوجي متسلسلة (5) متخصص باستخدام ملفات دائرية حلزونية الشكل للسيارات الكهربائية تحدد التحليلات الرياضية المعلمات الحاسمة لنقل الطاقة بشكل فعال عند 85 كيلو هرتز. وتشمل النتائج المهمة فحصا متعمقا لهياكل الملفات الحلزونية الدائرية، وتحديد المشكلات المتعلقة بمعامل الاقتران وتدفق التسرب، والتخفيف منها عن طريق إدخال قضبان القريت للحماية تعمل تقنيات التعويض مثل دمج المكثفات على تقليل الاستهلاك الظاهري للطاقة، مما يعزز القدرة على التكيف في نظام نقل الطاقة اللاسلكي يوضح التحقق من الصحة من خلال المحاكاة فعالية النظام اللاسلكي لتعويض سلسلة الرنين المغناطيسي، حيث يرسل ما يصل إلى 3.6 كيلووات بمعدل نجاح يقارب 99% باستخدام محاكاة Ansys Simplorer المشتركة يعمل الاستخدام المكثف لبرنامج MATLAB على تحسين المعلمات المهمة لنقل الطاقة اللاسلكية عالية الطاقة من خلال ضبط أبعاد الملف وخصائص الأسلاك وعدد اللغات ومسافات الملف لتحقيق أقصى قدر من الكفاءة وتؤكد الأطروحة على استراتيجيات مثل ضبط الرنين وتقليل الخسائر واستخدام مواد عالية الموصلية لنقل الطاقة اللاسلكية بكفاءة. وتهدف أفكارها إلى تطوير أنظمة شحن السيارات الكهربائية، وتعزيز الكفاءة وسهولة الاستخدام.