Analysis and Guidelines for Inductive Power Transfer Links Design

Delgado-Expósito, Alberto (2021). Analysis and Guidelines for Inductive Power Transfer Links Design. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Industriales (UPM).


Title: Analysis and Guidelines for Inductive Power Transfer Links Design
  • Delgado-Expósito, Alberto
  • Oliver Ramírez, Jesús Angel
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2021
Faculty: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Department: Automática, Ingeniería Electrónica e Informática Industrial [hasta 2014]
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Wireless energy transfer systems are becoming a revolutionary and fundamental tool for the development of the modern world. This term refers to any system without wires capable of sending energy over a certain distance through acoustic waves, mechanical vibrations, laser, electromagnetic conversion, etc. This thesis is based on the last one, specifically on electromagnetic induction systems. More than 100 years ago, Nikola Tesla left his demonstration to the world of the possibility of making such systems. Back in the 1960s, his technology began to be used for medical devices. Since then, these transfer systems utilizing magnetic induction have been increasing their complexity and usefulness over the years. It is due to its most significant benefits such as: • The reduction of batteries and increase of their useful life, such as in the inductive charging of electric vehicles. It is not only spoken of a technological key point as they are the batteries, but also of the possibility of making that the consumer charges his vehicle without the necessity to lower the same one. It is possibly the comfort of the strong points of these systems that makes it in height in investigations, as much in the universities, as in the industries. Not only in applications such as electric vehicles where the power is around 3-20kW but also in applications such as wearables and personal electronic devices that are around tens of watts. • The elimination of wires connecting the power source to the load: we are talking about medical implants: from hearing enhancement devices, pacemakers, to devices that keep the heart beating, such as Left Ventricular Assist Devices (LVADs). • The possibility of automating and modernizing systems without human supervision and intervention, as, for example, in the robotization of industry, allowing the loading of autonomous vehicles for transporting goods in warehouses at wireless stations, the clear example being Amazon. They make these systems attractive both to industry and its marketing and to universities and their research. Although these systems are not new, where for example we can find these systems in their most basic mode as in induction cookers where the powers are relatively low, and their complexity equally does not mean a tremendous technological challenge today due to its long history in the industry (Fagor as a clear example in Spain), its study, both in high power ranges as in low, has occupied a large part of congresses and magazines during the last years where it has come to more. The increase of patents on these systems is evident, reaching between 2018 and 2019 to add more than 20 thousand. However, there is an evident absence in the state of the art of design methodologies for the coils that play the fundamental role of transferring energy through a non-magnetic medium. Also noteworthy is the scarcity in the current literature of a comprehensive study of the behavior of inductive links depending on the configuration used to perform the resonance. Therefore, we can say that the apparent absence of design methodologies makes the realization of a wireless energy transfer system not trivial. Although this is not all if we think about how an inductive link is formed: a primary coil, emitter, and at some distance a secondary coil, receiver, we can understand that it is a transformer where the air gap it presents is huge, comparable even sometimes with the size of the same coil. It means that the fundamental equations we have so far are not useful. That is to say, trying to carry out an analysis of an inductive link using, for example, the Schwarz-Christofel equation to model the air gap, will make the results obtained very far from the final result, making it practically impossible to obtain the proper couplings and inductances, very necessary for the design of these systems. Therefore, finite element simulation for the design of these systems is becoming one of the fundamental tools. However, this does not solve the problem. Due to the large size of these coils and the type of conductors in some cases (Litz wire), the mesh required to perform such simulations is so large that it requires either supercomputers or excessively high time of computation and analysis. Even in the case of Litz wire, it can make it impossible to perform. Once again, there is a lack, in this case, models that simplify the meshing required in the finite element tools to be able to simulate these coils with these conductors in a fast, efective way and, above all, in a conventional computer found in any laboratory. This doctoral thesis has two main objectives very clear directed to the behavioral analysis and electromagnetic modeling of the inductive links and their ways of resonating. Firstly, the behavioral analysis and modeling of the resonance forms will allow the reader to identify the advantages and disadvantages of each of the forms to choose one that best suits their specifications. This analysis is based firstly on the study of the behavior of the topology, in other words, whether it behaves as: a) a source of voltage, that is, that the voltage at the output of the resonant stage is independent of the load as long as the resonance is maintained; b) a source of current, in other words, that the current at its output, as in the previous case, will remain constant, even if the load varies. The other analysis is based on examining the input impedance presented by the topologies, and, above all, on their phase. It is essential because of its effect on the losses in the circuit’s electronic devices that precedes it (the inverter). This investigation in the phase allows, in turn, to obtain specifc design methodologies so that the user can carry out his design. The second major milestone of this doctoral thesis is the contribution to the state of the art of analytical and empirical models that allow rapid 3D finite element simulations of inductive links, both of new materials that allow lightening the weight of the system, and the conductors: either standard solid wire or Litz wire. These equations are based on simplifying the structures of the 3D inductive link’s coils introduced in the finite element tools so that the mesh required for the computation and analysis of the problem is drastically reduced, but obtaining equivalent results. This has been one of the signifcant milestones since it allows the design and simulation in an ordinary computer without a supercomputer’s need. At the same time, this Ph.D. Thesis also proposes several design methodologies for inductive links employing rapid simulations by finite elements based on these models, which will allow the reader to come up with an optimal design for its application quickly. Likewise, several practical designs are proposed where the design methodology followed is explained in a practical and applied way, in order to consolidate the knowledge exposed in the previous chapters. As a summary, the main contributions of the thesis are 1. A comprehensive analysis of the behavior and frequency response of inductive link resonant topologies. 2. Modeling of the integral components of inductive links to perform 3D finite element simulations quickly and effectively. 3. Exhaustive study of the geometrical parameters that affect the coils and obtain behavior graphs allow the designer to carry out his prototype through simulations in a fast and effective way. 4. To explain through numerous experimental case studies, some methodologies can be applied to designs of certain topologies and specifications. All this has given the IEC a key position in the implementation of wireless energy transfer projects with many companies. ----------RESUMEN---------- Los sistemas de transferencia inalámbrica de energía se están convirtiendo en una herramienta revolucionaria y fundamental para el desarrollo del mundo moderno. Este término se refiere a todo sistema que sin hilos es capaz de enviar energía a una cierta distancia a través de ondas acústicas, vibraciones mecánicas, láser, conversión electromagnética, etc. Esta tesis se basa en la última, específicamente en los sistemas de inducción electromagnética. Hace más de 100 años Nikola Tesla dejó su demostración al mundo de la posibilidad de realizar dichos sistemas, y allá por los años 60 empezó a usarse su tecnología para dispositivos médicos. Desde entonces, estos sistemas de transferencia mediante la inducción magnética han venido incrementando su complejidad y utilidad a lo largo de los años. Es debido a sus beneficios más significativos como: • La reducción de baterías y aumento de su vida útil por ejemplo en la carga inductiva de vehículos eléctricos. Donde no solo se habla de un punto tecnológico clave como son las baterías, sino también, de la posibilidad de hacer que el consumidor cargue su vehículo sin la necesidad de bajar del mismo. Es la comodidad posiblemente uno de los puntos fuertes de estos sistemas lo que lo hace estar en auge en investigaciones, tanto en las universidades, como en las industrias. Ya no solo en aplicaciones como en los vehículos eléctricos donde las potencias rondan los 3-20kW, sino en aplicaciones como los wearables y dispositivos electrónicos personales que rondan las decenas de vatios. • La eliminación de cables que conectan la fuente que administra la potencia a la carga: hablamos de los implantes médicos: desde dispositivos de mejora auditiva, marcapasos, hasta dispositivos que mantienen el corazón latiendo como son los Dispositivos de asistencia ventricular izquierda (LVADs, Left Ventricular Assist Devices). • La posibilidad de automatizar y modernizar sistemas sin la supervisión e intervención del ser humano, como, por ejemplo, en la robotización de la industria, permitiendo cargar en estaciones inalámbricas vehículos autónomos de transporte de mercancías en almacenes, siendo el claro ejemplo de ello Amazon. Que hacen que estos sistemas sean un atractivo tanto para la industria y su comercialización, como para universidades y su investigación. Aunque estos sistemas no son nuevos, donde por ejemplo podemos encontrar estos sistemas en su modo más básico como en las cocinas de inducción donde las potencias son relativamente bajas y su complejidad igualmente no significa un gran reto tecnológico hoy día debido a su largo recorrido en la industria (Fagor como claro ejemplo en España), su estudio, tanto en altos rangos de potencias como en bajos, ha ocupado una gran parte de congresos y revistas durante los últimos años donde ha venido a más, y el incremento de patentes sobre estos sistemas es obvio, llegando entre 2018 y 2019 a sumar más de 20 mil. Sin embargo, existe una ausencia clara en el estado del arte de metodologías de diseño para las bobinas que juegan el rol fundamental de transferir la energía a través de un medio no magnético. También cabe destacar la escasez en la literatura actual de un estudio exhaustivo del comportamiento de los enlaces inductivos dependiendo de la configuración usada para llevar a cabo la resonancia. Por tanto, podemos decir que la ausencia clara de metodologías de diseño hace que realizar un sistema de transferencia inalámbrica de energía no sea trivial. Aunque esto no es todo, si pensamos en cómo está formado un enlace inductivo: una bobina primaria, emisora, y a cierta distancia una bobina secundaria, receptora, podemos entender que es un transformador donde el entrehierro que presenta es muy grande, comparable incluso a veces con el tamaño de la misma bobina. Esto quiere decir que las ecuaciones básicas de las que disponemos hasta ahora no sirven. Es decir, tratar de realizar un análisis de un enlace inductivo usando por ejemplo la ecuación de Schwarz-Christofel para modelar el entrehierro, hará que los resultados obtenidos disten muchísimo del resultado final, haciendo que obtener los acoplamientos e inductancias propias, muy necesarias para el diseño de estos sistemas, sea prácticamente imposible. Por ello, la simulación por elementos finitos para el diseño de estos sistemas se está convirtiendo en una de las herramientas fundamentales. A pesar de ello, esto no arregla el problema. Debido al gran tamaño de estas bobinas y del tipo de conductores en algunos casos (hilo de Litz), la malla requerida para realizar dichas simulaciones es tan extensa que precisa o bien de supercomputadores, o de un tiempo excesivamente alto de cómputo y análisis. Incluso en el caso del hilo de Litz, puede hacerlo imposible de realizar. Una vez más, existe una carencia, en este caso modelos que simplifiquen los mallados necesarios en las herramientas de elementos finitos para poder simular dichas bobinas con dichos conductores de una manera rápida, efectiva y, sobre todo, en un ordenador común que se encuentre en cualquier laboratorio. Esta Tesis doctoral tiene dos objetivos principales muy claros dirigidos al análisis comportamental y modelado electromagnético de los enlaces inductivos y sus formas de resonar. En primera instancia, el análisis y modelado comportamental de las formas de resonancias permitirá al lector identificar de forma clara las ventajas y desventajas de cada una de las formas para elegir una que más convenga a sus especificaciones. Este análisis se basa primeramente en el estudio del comportamiento de la topología, en otros términos, si se comporta como: a) fuente de tensión, esto es, que la tensión a la salida de la etapa resonante presenta una independencia a la carga mientras se mantenga la resonancia; b) fuente de corriente, con otras palabras, que la corriente a su salida, al igual que en el caso anterior, se mantendrá constante, aunque la carga varíe. El otro análisis se basa en el examen de la impedancia de entrada que presentan las topologías, y, sobre todo, en su fase. Esto es importante debido a su efecto en las pérdidas en los dispositivos electrónicos del circuito que le precede (el inversor). Esta indagación en la fase permite a su vez obtener ciertas metodologías de diseño para que el usuario pueda realizar su diseño. El segundo gran hito de esta Tesis doctoral es la aportación al estado del arte de unos modelos analíticos y empíricos que permiten realizar simulaciones rápidas 3D por elementos finitos de los enlaces inductivos, tanto de nuevos materiales que permiten aligerar peso del sistema, como de los conductores: o bien hilo sólido común, o bien hilo de Litz. Estas ecuaciones se basan en simplificar las estructuras de las bobinas del enlace inductivo en 3D introducidos en las herramientas de elementos finitos de manera que la malla que requiere el cómputo y análisis del problema se vean reducido de manera drástica, pero obteniendo resultados equivalentes. Esto ha sido uno de los grandes hitos ya que permite el diseño y simulación en un ordenador común sin precisar de un supercomputador. A su vez, en esta Tesis doctoral se propone también varias metodologías de diseño para los enlaces inductivos mediante simulaciones rápidas por elementos finitos basado en dichos modelos, que permitirán al lector hacerse rápido con un diseño óptimo para su aplicación. Asimismo, se proponen varios diseños prácticos donde se explica la metodología de diseño seguida de manera práctica y aplicada, con lo que se pretende afianzar el conocimiento expuesto en los previos capítulos. A modo de resumen, las principales aportaciones de la tesis son: 1. Un análisis exhaustivo del comportamiento y respuesta en frecuencia de las topologías resonantes del enlace inductivo. 2. Modelado de los componentes integrantes de los enlaces inductivos para realizar simulaciones 3D por elementos finitos de manera rápida y efectiva. 3. Estudio exhaustivo de los parámetros geométricos que afectan a las bobinas, y obtención de unas gráficas de comportamiento que permitan al diseñador realizar su prototipo mediante simulaciones de manera rápida y efectiva. 4. Explicar mediante numerosos casos prácticos experimentales, algunas de las metodologías que se pueden aplicar a diseños de ciertas topologías y especificaciones. Todo esto, ha dado al CEI un puesto clave en la realización de proyectos de transferencia inalámbrica de energía con numerosas empresas.

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Item ID: 69263
DC Identifier:
OAI Identifier:
DOI: 10.20868/UPM.thesis.69263
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 11 Jan 2022 10:22
Last Modified: 11 Jan 2022 10:22
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