Transmissão indutiva de energia eletromagnética sem fios, para aplicações em postos de abastecimento de veículos elétricos puros: modelação para o elemento eletromagnético

Abstract

This work proposes a modeling, design methodology and shows the main simulation results to the development of a Wireless Power Transmission (WPT) element, applied to pure Electric Vehicles (EV). The proposed structure is composed of at least two inductors, composing a transmitter and an energy receiver with weak magnetic coupling among them, considering a far-field energy-transfer method. Considering a literature review for the structures of the systems used for Wireless Power Transmission (WPT), it was observed the use of cylindrical spiral or square shapes, predominantly, in order to compose the inductive elements for power transmission. In this context, this work was based only on inductors with cylindrical spiral shape, which was analyzed based on electromagnetism theories. The proposed methodology starts from the Biot Savart Law and the Third Maxwell Law, in order to obtain the key design parameters for the inductive power transfer element (IPT - Inductive Power Transfer), which are: Mutual Inductance (transmitter / receiver), Self Inductance (transmitter) and Coupling Factor (transmitter / receiver). In order to prove the accuracy of the developed theoretical methodology, was adopted a computational model using the Comsol® software, considering a physical model for the designed IPT element. The results obtained from the proposed theoretical modeling are original and this is a pioneering work in determining algebraically a calculation method for mutual coupling between cylindrical spiral inductors that, when compared with the simulation results obtained by Comsol®, demonstrated practically exact. Furthermore, considering the application in a small-scale case study to WPT, for a pure Electric Vehicle (EV), an important contribution presented in this work is the analysis of arrangements for the inductive element of power transmitter, presenting its advantages and disadvantages and the best configuration for the case study. It should ...

Esta dissertação apresenta a modelação, metodologia de projeto e os principais resultados de simulação para um elemento eletromagnético de transmissão indutiva de energia elétrica sem fios, aplicado em postos de abastecimento de Veículos Elétricos (VE) puros. A estrutura proposta é composta por no mínimo dois indutores, sendo um deles o emissor e o outro o receptor de energia. Realizou-se uma revisão bibliográfica das estruturas dos sistemas utilizados para a transmissão de energia eletromagnética sem fios (wireless) e, predominantemente, as mesmas utilizam-se de indutores com formatos espirais cilíndricos ou quadrados, para formar os elementos para transmissão de energia. Neste contexto, este trabalho baseou-se apenas em indutores com formato espiral cilíndrico, sendo estes analisados com base nas teorias do eletromagnetismo, partindo-se da Lei de Biot Savart e da Terceira Lei de Maxwell, com o intuito de obter-se os principais parâmetros de projeto para o elemento de transferência indutiva de potência (IPT - Inductive Power Transfer), quais sejam: Indutância Mútua (emissor/receptor), Indutância Própria (emissor) e Fator de Acoplamento (emissor/receptor). A fim de comprovar a exatidão da metodologia teórica desenvolvida, adotaram-se modelos computacionais utilizando-se o software Comsol ®, onde se construiu o modelo físico do elemento de transmissão de energia (IPT), para cada caso analisado. Os resultados obtidos decorrentes da modelação teórica proposta são inéditos e o trabalho pioneiro em determinar algebricamente um método de cálculo para o acoplamento mútuo entre indutores com geometrias espirais cilíndricas que, quando comparados com os resultados de simulações obtidos através do Comsol ®, demonstraram-se praticamente exatos. Considerando-se a aplicação num estudo de caso de transmissão de energia sem fios (WPT - Wireless Power Transfer), para um Veículo Elétrico (VE) puro em escala...