Além da transferência de energia elétrica por meio de condutores sólidos que interligam carga e fonte elétrica, existem formas alternativas que, por não necessitarem de conexão mecânica, permitem maior mobilidade espacial para a carga e trazem inúmeras novas possibilidades de aplicação. Dentre estas formas alternativas está a Transferência Indutiva de Potência, que possui desafios claros no que diz respeito ao projeto do sistema magnético formado pelos indutores emissor e receptor, quando entre eles existe acoplamento magnético muito reduzido. A retirada do núcleo magnético sólido entre emissor e receptor confere a possibilidade de o receptor se mover em relação ao emissor, o que permite a transferência de potência a uma carga móvel. Contudo, o baixo coeficiente de acoplamento magnético torna o sistema fracamente acoplado sensível a variações tanto no circuito ressonante que o alimenta quanto na própria geometria magnética, onde pequenas modificações dimensionais resultam em significativos ganhos de potência no receptor. Esta tese apresenta inicialmente um conjunto de rotinas computacionais que agilizam o projeto de sistemas fracamente acoplados contendo emissores e receptores circulares ou espirais. Estas rotinas agem como pré e pós-processadores do Método dos Elementos Finitos, que por sua vez é solucionado por um aplicativo bidimensional gratuito. Com esta abordagem, é possível desenvolver rapidamente acopladores magnéticos com parâmetros realísticos, cuja montagem experimental demonstra excelente conformidade com os resultados teóricos. Um grupo de onze acopladores magnéticos diferentes é avaliado nesta tese como demonstração de que a otimização de parâmetros geométricos é relevante para a maximização de potência no receptor. Compara-se também o desempenho de acopladores Bipolar, Duplo D e Duplo D Quadratura. Após evidenciar relações geométricas e magnéticas para os diversos acopladores, verifica-se por meio de estudos de sensibilidade paramétrica, que não apenas a geometria do sistema fracamente acoplado influencia em seu desempenho, mas também a escolha dos parâmetros das malhas ressonantes conectadas ao emissor e ao receptor. Disto se conclui sobre a importância da Análise de Sensibilidade em Transferência Indutiva de Potência, pois, como demonstrado, certas malhas ressonantes são naturalmente mais tolerantes a variações do coeficiente de acoplamento magnético do que outras, por exemplo, aquelas em que há compensação do tipo paralelo no emissor. Por fim, o trabalho dedica-se ao estabelecimento de critérios para a ocorrência do fenômeno de bifurcação, segundo o qual múltiplas frequências de ressonância podem ocorrem em um conversor em frequência variável, a depender da carga conectada ao receptor e dos fatores de qualidade dos indutores. O equacionamento, obtido numericamente e que foi generalizado para casos em que existem múltiplos receptores, permite boa previsibilidade a respeito do comportamento dinâmico de sistemas variáveis em frequência. / In addition to the transfer of electrical energy by means of solid conductors that interconnect electrical source and load, there are alternative ways that does not require mechanical connection and allow spatial mobility to the load bringing numerous new application possibilities. Among these alternative forms is Inductive Power Transfer, which has clear challenges with respect to the magnetic system design formed by emitter and receiver inductors, since there is very little magnetic coupling between them. The removal of the solid magnetic core between emitter and receiver introduces the possibility of moving receivers. However, the low magnetic coupling coefficient makes the loosely coupled system sensitive to variations in both the resonant circuit parameters and the magnetic geometry, where small dimensional changes result in significant power gains in the receiver. This thesis initially presents a set of computing routines that allows the design of loosely coupled systems containing circular or spiral inductors. These routines act as pre- and post-processors for Finite Element Method, which in turn is solved by a free two-dimensional application. With this approach one can quickly develop magnetic couplers with realistic parameters, which is demonstrated by comparison between experimental and theoretical results. A group of eleven different magnetic couplers is evaluated as a proof that the optimization of geometric parameters is relevant to maximizing the power of the receiver. Moreover, the performance of Bipolar, Double D and Double D Quadrature couplers are studied. Later, it is verified by means of parametric sensitivity analysis that not only the geometry of the loosely coupled system influences its performance, but also the choice of the parameters of the resonant converters connected to emitter and receiver. The sensitivity analysis of Inductive Power Transfer converters was found to be of great importance because, as shown by a numerical example, certain resonant topologies can be naturally more tolerant to variations in the magnetic coupling coefficient than others. Finally, the work is dedicated to the establishment of precise criteria for the occurrence of bifurcation phenomenon whereby multiple resonant frequencies can occur in a converter under variable frequency excitation, depending on the load connected to the receiver and the quality factors of inductors. The equations obtained numerically were generalized for cases where there are multiple receivers and allow good predictability about the dynamic behavior of variable frequency systems.

Além da transferência de energia elétrica por meio de condutores sólidos que interligam carga e fonte elétrica, existem formas alternativas que, por não necessitarem de conexão mecânica, permitem maior mobilidade espacial para a carga e trazem inúmeras novas possibilidades de aplicação. Dentre estas formas alternativas está a Transferência Indutiva de Potência, que possui desafios claros no que diz respeito ao projeto do sistema magnético formado pelos indutores emissor e receptor, quando entre eles existe acoplamento magnético muito reduzido. A retirada do núcleo magnético sólido entre emissor e receptor confere a possibilidade de o receptor se mover em relação ao emissor, o que permite a transferência de potência a uma carga móvel. Contudo, o baixo coeficiente de acoplamento magnético torna o sistema fracamente acoplado sensível a variações tanto no circuito ressonante que o alimenta quanto na própria geometria magnética, onde pequenas modificações dimensionais resultam em significativos ganhos de potência no receptor. Esta tese apresenta inicialmente um conjunto de rotinas computacionais que agilizam o projeto de sistemas fracamente acoplados contendo emissores e receptores circulares ou espirais. Estas rotinas agem como pré e pós-processadores do Método dos Elementos Finitos, que por sua vez é solucionado por um aplicativo bidimensional gratuito. Com esta abordagem, é possível desenvolver rapidamente acopladores magnéticos com parâmetros realísticos, cuja montagem experimental demonstra excelente conformidade com os resultados teóricos. Um grupo de onze acopladores magnéticos diferentes é avaliado nesta tese como demonstração de que a otimização de parâmetros geométricos é relevante para a maximização de potência no receptor. Compara-se também o desempenho de acopladores Bipolar, Duplo D e Duplo D Quadratura. Após evidenciar relações geométricas e magnéticas para os diversos acopladores, verifica-se por meio de estudos de sensibilidade paramétrica, que não apenas a geometria do sistema fracamente acoplado influencia em seu desempenho, mas também a escolha dos parâmetros das malhas ressonantes conectadas ao emissor e ao receptor. Disto se conclui sobre a importância da Análise de Sensibilidade em Transferência Indutiva de Potência, pois, como demonstrado, certas malhas ressonantes são naturalmente mais tolerantes a variações do coeficiente de acoplamento magnético do que outras, por exemplo, aquelas em que há compensação do tipo paralelo no emissor. Por fim, o trabalho dedica-se ao estabelecimento de critérios para a ocorrência do fenômeno de bifurcação, segundo o qual múltiplas frequências de ressonância podem ocorrem em um conversor em frequência variável, a depender da carga conectada ao receptor e dos fatores de qualidade dos indutores. O equacionamento, obtido numericamente e que foi generalizado para casos em que existem múltiplos receptores, permite boa previsibilidade a respeito do comportamento dinâmico de sistemas variáveis em frequência. / In addition to the transfer of electrical energy by means of solid conductors that interconnect electrical source and load, there are alternative ways that does not require mechanical connection and allow spatial mobility to the load bringing numerous new application possibilities. Among these alternative forms is Inductive Power Transfer, which has clear challenges with respect to the magnetic system design formed by emitter and receiver inductors, since there is very little magnetic coupling between them. The removal of the solid magnetic core between emitter and receiver introduces the possibility of moving receivers. However, the low magnetic coupling coefficient makes the loosely coupled system sensitive to variations in both the resonant circuit parameters and the magnetic geometry, where small dimensional changes result in significant power gains in the receiver. This thesis initially presents a set of computing routines that allows the design of loosely coupled systems containing circular or spiral inductors. These routines act as pre- and post-processors for Finite Element Method, which in turn is solved by a free two-dimensional application. With this approach one can quickly develop magnetic couplers with realistic parameters, which is demonstrated by comparison between experimental and theoretical results. A group of eleven different magnetic couplers is evaluated as a proof that the optimization of geometric parameters is relevant to maximizing the power of the receiver. Moreover, the performance of Bipolar, Double D and Double D Quadrature couplers are studied. Later, it is verified by means of parametric sensitivity analysis that not only the geometry of the loosely coupled system influences its performance, but also the choice of the parameters of the resonant converters connected to emitter and receiver. The sensitivity analysis of Inductive Power Transfer converters was found to be of great importance because, as shown by a numerical example, certain resonant topologies can be naturally more tolerant to variations in the magnetic coupling coefficient than others. Finally, the work is dedicated to the establishment of precise criteria for the occurrence of bifurcation phenomenon whereby multiple resonant frequencies can occur in a converter under variable frequency excitation, depending on the load connected to the receiver and the quality factors of inductors. The equations obtained numerically were generalized for cases where there are multiple receivers and allow good predictability about the dynamic behavior of variable frequency systems.

A Transferência Indutiva de Potência (TIP) é uma maneira de se realizar transferência de energia elétrica sem fio e tem se popularizado atualmente por conta da comodidade e segurança que ela proporciona. Esta dissertação apresenta o estudo de um sistema TIP para recarga de baterias e existem vários desafios que devem ser superados nesta área. Um deles é a metodologia de projeto dos indutores primário e secundário, pois não é uma tarefa trivial encontrar uma relação entre parâmetros geométricos, elétricos e magnéticos. Diante deste fato este trabalho apresenta e aperfeiçoa uma metodologia de projeto utilizando uma ferramenta computacional gratuita baseada no método dos elementos finitos. Os resultados experimentais demonstram que o método é válido e a ferramenta é adequada não somente para o projeto dos indutores, mas também para análise do comportamento dos mesmos diante de desalinhamentos espaciais. Além disso, é apresentado o funcionamento básico de dois conversores muito utilizados em TIP e o estado da arte das malhas ressonantes, cuja função é minimizar a energia reativa consumida nos circuitos primário e secundário. Em seguida são discutidas técnicas de estimação de tensão e corrente na carga utilizando medidas de tensão e/ou corrente em elementos do circuito primário. Essas técnicas são importantes, pois permitem a utilização apenas do controlador presente no circuito primário e isto implica na redução dos custo e complexidade do sistema TIP. Durante o estudo verificou-se na literatura que não existia uma técnica de estimação para o sistema TIP adotado neste trabalho e portanto, foi necessário desenvolver uma nova proposta de estimador. Os resultados de simulação demonstram que o estimador possui um bom desempenho mesmo diante de variações do coeficiente de acoplamento e da resistência na carga e é portanto adequado para situações em que é necessário realizar recarga de baterias com TIP. / Inductive Power Transfer (IPT) is a way to conduct wireless power transfer and has become popular today because of the convenience and security it provides. This dissertation presents the study of a IPT system for battery recharging and there are several challenges that must be overcome in this area. One of them is the design methodology of the primary and secondary inductors, since it is not a trivial task to find a relation between geometric, electric and magnetic parameters. In view of this fact, this work presents and improves a project methodology using a free computational based on the finite element method. The experimental results demonstrate that the method is valid and the tool is suitable not only for the design of the inductors, but also for the analysis of their behavior in face of spatial misalignments. In addition, this dissertation presents the basic operation of two widely used IPT converters and the state of the art of compensations networks, whose function is to minimize the reactive energy consumed in the primary and secondary circuits. Next, load voltage and load current estimation techniques are discussed using voltage and/or current measurements on elements of the primary circuit. These techniques are important because they allow the use of a single controller in the primary circuit, reducing the cost and complexity of the IPT system. During the study, it was verified in the literature the inexistence of a estimation technique for the IPT system adopted in this work and therefore, it was necessary to propose and develop a new estimator. The simulation results show that the proposed estimator performs well even in the case of variations in the coupling coefficient and load resistance and is therefore suitable for situations where it is necessary to recharge IPT batteries.

Neste trabalho, é apresentado um estudo sobre sistemas de transmissão de energia com o uso de bobinas fracamente acopladas magneticamente. A análise é feita levando-se em conta os efeitos parasitas dos componentes em um circuito equivalente considerando-se somente uma única frequência e o circuito já no regime estacionário. Esse circuito é alimentado por uma fonte de tensão senoidal e conectado a uma carga puramente resistiva por simplificação. São analisadas a potência de saída e a eficiência do circuito. Portanto um exercício de otimização dessas duas variáveis é desenvolvido ao longo desse trabalho com diferentes possíveis configurações. Um novo método de compensação do circuito utilizando quatro capacitores é apresentado. Além disso, é explorada a possibilidade de se melhorar ainda mais o resultado da compensação através do ajuste da frequência de ressonância. Inicialmente, o circuito básico sem compensação é analisado. A seguir, são desenvolvidas equações para as máximas eficiência e potência na saída para os circuitos contendo somente um capacitor de compensação. Também são demonstradas as configurações normalmente utilizadas para compensação com dois capacitores. Então a compensação de um circuito com quatro capacitores sem perdas é analisada. Finalmente, após serem adicionadas todas as perdas resistivas dos componentes do circuito, um método de busca é empregado para encontrar os valores ótimos (ou subótimos) dos capacitores que fazem o circuito alcançar a máxima eficiência ou potência na saída. Um algoritmo baseado no método Monte Carlo é apresentado de modo a obter boas soluções para o problema de otimização proposto e assim evitar a análise direta do intrincado sistema de equações resultantes da compensação com mais do que dois capacitores. Para verificar experimentalmente os resultados teóricos e das simulações foi construído um protótipo que possibilita uma variação linear e de maneira controlada do coeficiente de acoplamento entre as bobinas. Os resultados são comparados e, ainda, melhorados através do método da sintonia da frequência. / In this work, we present a study of power transmission systems using magnetically loosely coupled coils. The analysis is done taking into account the effects of parasitic components in an equivalent circuit considering only a single frequency and the circuit already in the steady state. This circuit is powered by a sinusoidal voltage source and connected to a purely resistive load for simplification. Improvements in the output power and efficiency of the circuit are the main topic. So an exercise in optimization of these two variables is developed throughout this work with different possible configurations. A new compensation method using four capacitors of the circuit is presented. Moreover, the possibility is exploited to further improve the result of compensation by adjusting the resonance frequency. Initially, the basic circuit without compensation is analyzed. The following equations are designed for maximum efficiency and output power for the circuits containing only one compensation capacitor. Also, the settings normally used to offset two capacitors are presented. So the compensation of a circuit with four capacitors lossless is analyzed. Finally, are added all the resistive losses of the circuit components, an search method is employed to find the optimal values (or suboptimal) capacitors that make the circuit to achieve maximum efficiency or power output. An algorithm based on Monte Carlo method is presented to solve the proposed optimization problem and thus avoid direct analysis of the intricate system of equations resulting from the clearing of more than two capacitors. To experimentally verify the theoretical results of simulations a prototype was constructed which allows for linear variation and a controlled coefficient of coupling between the coils. The results are compared and, moreover, improved by the method of tuning the frequency.

A Transferência Indutiva de Potência (TIP) é uma maneira de se realizar transferência de energia elétrica sem fio e tem se popularizado atualmente por conta da comodidade e segurança que ela proporciona. Esta dissertação apresenta o estudo de um sistema TIP para recarga de baterias e existem vários desafios que devem ser superados nesta área. Um deles é a metodologia de projeto dos indutores primário e secundário, pois não é uma tarefa trivial encontrar uma relação entre parâmetros geométricos, elétricos e magnéticos. Diante deste fato este trabalho apresenta e aperfeiçoa uma metodologia de projeto utilizando uma ferramenta computacional gratuita baseada no método dos elementos finitos. Os resultados experimentais demonstram que o método é válido e a ferramenta é adequada não somente para o projeto dos indutores, mas também para análise do comportamento dos mesmos diante de desalinhamentos espaciais. Além disso, é apresentado o funcionamento básico de dois conversores muito utilizados em TIP e o estado da arte das malhas ressonantes, cuja função é minimizar a energia reativa consumida nos circuitos primário e secundário. Em seguida são discutidas técnicas de estimação de tensão e corrente na carga utilizando medidas de tensão e/ou corrente em elementos do circuito primário. Essas técnicas são importantes, pois permitem a utilização apenas do controlador presente no circuito primário e isto implica na redução dos custo e complexidade do sistema TIP. Durante o estudo verificou-se na literatura que não existia uma técnica de estimação para o sistema TIP adotado neste trabalho e portanto, foi necessário desenvolver uma nova proposta de estimador. Os resultados de simulação demonstram que o estimador possui um bom desempenho mesmo diante de variações do coeficiente de acoplamento e da resistência na carga e é portanto adequado para situações em que é necessário realizar recarga de baterias com TIP. / Inductive Power Transfer (IPT) is a way to conduct wireless power transfer and has become popular today because of the convenience and security it provides. This dissertation presents the study of a IPT system for battery recharging and there are several challenges that must be overcome in this area. One of them is the design methodology of the primary and secondary inductors, since it is not a trivial task to find a relation between geometric, electric and magnetic parameters. In view of this fact, this work presents and improves a project methodology using a free computational based on the finite element method. The experimental results demonstrate that the method is valid and the tool is suitable not only for the design of the inductors, but also for the analysis of their behavior in face of spatial misalignments. In addition, this dissertation presents the basic operation of two widely used IPT converters and the state of the art of compensations networks, whose function is to minimize the reactive energy consumed in the primary and secondary circuits. Next, load voltage and load current estimation techniques are discussed using voltage and/or current measurements on elements of the primary circuit. These techniques are important because they allow the use of a single controller in the primary circuit, reducing the cost and complexity of the IPT system. During the study, it was verified in the literature the inexistence of a estimation technique for the IPT system adopted in this work and therefore, it was necessary to propose and develop a new estimator. The simulation results show that the proposed estimator performs well even in the case of variations in the coupling coefficient and load resistance and is therefore suitable for situations where it is necessary to recharge IPT batteries.

Neste trabalho, é apresentado um estudo sobre sistemas de transmissão de energia com o uso de bobinas fracamente acopladas magneticamente. A análise é feita levando-se em conta os efeitos parasitas dos componentes em um circuito equivalente considerando-se somente uma única frequência e o circuito já no regime estacionário. Esse circuito é alimentado por uma fonte de tensão senoidal e conectado a uma carga puramente resistiva por simplificação. São analisadas a potência de saída e a eficiência do circuito. Portanto um exercício de otimização dessas duas variáveis é desenvolvido ao longo desse trabalho com diferentes possíveis configurações. Um novo método de compensação do circuito utilizando quatro capacitores é apresentado. Além disso, é explorada a possibilidade de se melhorar ainda mais o resultado da compensação através do ajuste da frequência de ressonância. Inicialmente, o circuito básico sem compensação é analisado. A seguir, são desenvolvidas equações para as máximas eficiência e potência na saída para os circuitos contendo somente um capacitor de compensação. Também são demonstradas as configurações normalmente utilizadas para compensação com dois capacitores. Então a compensação de um circuito com quatro capacitores sem perdas é analisada. Finalmente, após serem adicionadas todas as perdas resistivas dos componentes do circuito, um método de busca é empregado para encontrar os valores ótimos (ou subótimos) dos capacitores que fazem o circuito alcançar a máxima eficiência ou potência na saída. Um algoritmo baseado no método Monte Carlo é apresentado de modo a obter boas soluções para o problema de otimização proposto e assim evitar a análise direta do intrincado sistema de equações resultantes da compensação com mais do que dois capacitores. Para verificar experimentalmente os resultados teóricos e das simulações foi construído um protótipo que possibilita uma variação linear e de maneira controlada do coeficiente de acoplamento entre as bobinas. Os resultados são comparados e, ainda, melhorados através do método da sintonia da frequência. / In this work, we present a study of power transmission systems using magnetically loosely coupled coils. The analysis is done taking into account the effects of parasitic components in an equivalent circuit considering only a single frequency and the circuit already in the steady state. This circuit is powered by a sinusoidal voltage source and connected to a purely resistive load for simplification. Improvements in the output power and efficiency of the circuit are the main topic. So an exercise in optimization of these two variables is developed throughout this work with different possible configurations. A new compensation method using four capacitors of the circuit is presented. Moreover, the possibility is exploited to further improve the result of compensation by adjusting the resonance frequency. Initially, the basic circuit without compensation is analyzed. The following equations are designed for maximum efficiency and output power for the circuits containing only one compensation capacitor. Also, the settings normally used to offset two capacitors are presented. So the compensation of a circuit with four capacitors lossless is analyzed. Finally, are added all the resistive losses of the circuit components, an search method is employed to find the optimal values (or suboptimal) capacitors that make the circuit to achieve maximum efficiency or power output. An algorithm based on Monte Carlo method is presented to solve the proposed optimization problem and thus avoid direct analysis of the intricate system of equations resulting from the clearing of more than two capacitors. To experimentally verify the theoretical results of simulations a prototype was constructed which allows for linear variation and a controlled coefficient of coupling between the coils. The results are compared and, moreover, improved by the method of tuning the frequency.

Neste trabalho, é apresentado um estudo sobre sistemas de transmissão de energia com o uso de bobinas fracamente acopladas magneticamente. A análise é feita levando-se em conta os efeitos parasitas dos componentes em um circuito equivalente considerando-se somente uma única frequência e o circuito já no regime estacionário. Esse circuito é alimentado por uma fonte de tensão senoidal e conectado a uma carga puramente resistiva por simplificação. São analisadas a potência de saída e a eficiência do circuito. Portanto um exercício de otimização dessas duas variáveis é desenvolvido ao longo desse trabalho com diferentes possíveis configurações. Um novo método de compensação do circuito utilizando quatro capacitores é apresentado. Além disso, é explorada a possibilidade de se melhorar ainda mais o resultado da compensação através do ajuste da frequência de ressonância. Inicialmente, o circuito básico sem compensação é analisado. A seguir, são desenvolvidas equações para as máximas eficiência e potência na saída para os circuitos contendo somente um capacitor de compensação. Também são demonstradas as configurações normalmente utilizadas para compensação com dois capacitores. Então a compensação de um circuito com quatro capacitores sem perdas é analisada. Finalmente, após serem adicionadas todas as perdas resistivas dos componentes do circuito, um método de busca é empregado para encontrar os valores ótimos (ou subótimos) dos capacitores que fazem o circuito alcançar a máxima eficiência ou potência na saída. Um algoritmo baseado no método Monte Carlo é apresentado de modo a obter boas soluções para o problema de otimização proposto e assim evitar a análise direta do intrincado sistema de equações resultantes da compensação com mais do que dois capacitores. Para verificar experimentalmente os resultados teóricos e das simulações foi construído um protótipo que possibilita uma variação linear e de maneira controlada do coeficiente de acoplamento entre as bobinas. Os resultados são comparados e, ainda, melhorados através do método da sintonia da frequência. / In this work, we present a study of power transmission systems using magnetically loosely coupled coils. The analysis is done taking into account the effects of parasitic components in an equivalent circuit considering only a single frequency and the circuit already in the steady state. This circuit is powered by a sinusoidal voltage source and connected to a purely resistive load for simplification. Improvements in the output power and efficiency of the circuit are the main topic. So an exercise in optimization of these two variables is developed throughout this work with different possible configurations. A new compensation method using four capacitors of the circuit is presented. Moreover, the possibility is exploited to further improve the result of compensation by adjusting the resonance frequency. Initially, the basic circuit without compensation is analyzed. The following equations are designed for maximum efficiency and output power for the circuits containing only one compensation capacitor. Also, the settings normally used to offset two capacitors are presented. So the compensation of a circuit with four capacitors lossless is analyzed. Finally, are added all the resistive losses of the circuit components, an search method is employed to find the optimal values (or suboptimal) capacitors that make the circuit to achieve maximum efficiency or power output. An algorithm based on Monte Carlo method is presented to solve the proposed optimization problem and thus avoid direct analysis of the intricate system of equations resulting from the clearing of more than two capacitors. To experimentally verify the theoretical results of simulations a prototype was constructed which allows for linear variation and a controlled coefficient of coupling between the coils. The results are compared and, moreover, improved by the method of tuning the frequency.

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. / 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.

The continuous growth in road transportation demand requires the development towards sustainable strategies. The concept of Smart Roads is arising as a convergence of technologies that will lead the mobility by road into a more efficient and interactive system between infrastructure, environment and vehicles. Within this context, e-mobility appears as one of the key components. The implementation of e-mobility based on Electric Vehicles (EVs) has been restricted by numerous shortcomings such as their driving range, the battery size, the dependence on charging stations and the time required for its charging. However, the electrification of the road infrastructure, which will enable a dynamic charging of the EVs while driving, is becoming a potential solution to overcome these deficiencies. This study aims to contribute for the future introduction of electrified roads (eRoads) into the current network, by focusing on the effects and consequences of embedding Inductive Power Transfer (IPT) systems in the road infrastructure. A structural design of an eRoad is conducted through a Finite Elements Analysis (FEA) by analysing the behaviour of a pavement structure based on Swedish conditions subjected to traffic loading. Valuable conclusions can be displayed from this analysis and thus, a summary concerning considerations and effects over the design, construction and maintenance of eRoads can be built. Nevertheless, this analysis must be complemented and coordinated from a lifetime perspective to reach the social, environmental and economic requirements related to the development of road infrastructure nowadays. Hence, a guideline from a life cycle approach is stated over the integration of eRoads in order to enable the assessment of the infrastructure during its different phases. To be sustainable, the development of road infrastructure must reach not just structural and appropriate performance requirements, but also preserve the environmental and economic impact. This thesis pretends to combine all these aspects as a state of the art, providing a basis that stands out the most relevant issues related to the feasible implementation of eRoads in the mid-long term.

Transfer signal without wire has been widely accepted after the introduction of cellular technology and WiFi technology, hence the power cable is the last wire that has yet to be eliminated. Inductive power transfer (IPT) has drawn substantial interest in both academia and industry due to its advantages including convenience, nonexistence of cable and connector, no electric shock issue, ability to work under some extreme environment, and so on. After performing thorough literature review of IPT systems, two major drawbacks including low power efficiency and coil displacement sensitivity are identified as the main obstacles that have to be solved in order for these systems to reach full functionality and compete with existing wired solutions. To address the limitations and design challenges in the IPT systems, a detailed electric circuit modeling of individual part of the IPT DC-DC stage is performed. Several resonant DC-AC inverters and output AC-DC rectifiers are compared based on their performance and feasibility in inductive charging applications. Different equivalent circuit models for the loosely coupled transformer (LCT) are derived which allows for better understanding on how power is distributed among the circuit components. Five compensation networks to improve the power transfer efficiency are evaluated and their suitable application occasions are identified. With comprehensive circuit model analysis, the influence of the resonant compensation tank parameters has been investigated carefully for efficient power transfer. A novel tuning network parameters design methodology is proposed based on multiple given requirement such as battery charging profile, geometry constraints and operating frequency range, with the aim of avoiding bifurcation phenomenon during the whole charging process and achieving decent efficiency. A 4-kW hardware prototype based on the proposed design approach is built and tested under different gap and load conditions. Peak IPT system DC-DC efficiencies of 98% and 96.6% are achieved with 4-cm and 8-cm air gap conditions, which is comparable to the conventional plug-in type or wired charging systems for EVs. A long-hour test with real EV batteries is conducted to verify the wireless signal transmission and CC/CV mode seamless transition during the whole charging profile without bifurcation. To reduce the IPT system sensitivity to the gap variation or misalignment, a novel LCT design approach without additional complexity for the system is proposed. With the aid of FEA simulation software, the influence of coil relative position and geometry parameters on the flux distribution and coupling coefficient of the transmitter and receiver is studied from an electromagnetic perspective. An asymmetrical LCT based on the proposed design method is built to compare with a traditional symmetrical LCT. With fixed 10-mm gap and 0 to 40-mm misalignment variation, the coupling coefficient for the symmetrical LCT drops from 0.354 to 0.107, and the corresponding efficiency decrease is 16.6%. The operating frequency variation is nearly 100 kHz to maintain same input/output condition. When employing the proposed asymmetrical LCT, the coupling coefficient changes between 0.312 and 0.273, and the maximum efficiency deviation is kept within 0.67% over the entire 40-mm misalignment range. Moreover, the required frequency range to achieve same operation condition is less than 10 kHz. Lastly, some design considerations to further improve the IPT system efficiency are proposed on the basis of the designed asymmetrical LCT geometry. For given circuit specifications and LCT coupling conditions, determination of the optimal primary winding turns number could help achieve minimal winding loss and core loss. For lower output power, the optimal primary winding turns number tends to be larger compared to that for higher output power IPT system. Two asymmetrical LCT with similar dimension but different number of turns are built and tested with a 100-W hardware prototype for laptop inductive charging. The proposed efficiency improvement methodology is validated by the winding loss and core loss from experimental results. / Ph. D.