Utveckling av trådlös kraftöverföring för autonom ytfarkost

Abstract

Sammanfattning Trådlös kraftöverföring är en metod för att överföra elektrisk energi utan fysisk kontakt, genom magnetiska fält. Ett typiskt trådlöst laddningssystem består av en primär- och en sekundärspole. I syfte att öka det trådlösa kraftöverföringssystemets effektivitet används resonanskretsar med kondensatorer, vilket minskar energiförluster och förbättrar verkningsgraden. Syftet med detta projekt är att utveckla ett trådlöst laddningssystem med en uteffekt på 500 W, avsett för att ladda en autonom ytfarkost med ett batteri på 24 V. För att nå det målet utvecklades ett trådlöst kraftöverföringssystem som nyttjade en frekvens på 84,75 kHz. Systemet konstrue rades med hjälp av datasimuleringar i COMSOL Multiphysics och Simulink, samt experimentella mätningar i laboratoriemiljö. Dels genomfördes valideringsundersökningar för att fastställa simuleringsprogrammens trovärdighet. Utifrån simuleringar kunde även spolarna och systemet realiseras. Det utfördes experimentella mätningar för att bekräfta att simuleringarna fortsatte att överensstämma. Ett flertal undersökningar, både i datasimuleringar och experimentella mätningar, genomfördes i syfte att ta reda på hur kretsens verkningsgrad kunde maximeras. Valideringsundersökningarna visade god överensstämmelse mellan datasimuleringar, teoretis ka beräkningar samt experimentella mätningar. Verkningsgraden för ett trådlöst kraftöverföringssystem kan maximeras på ett flertal sätt, bland annat genom användning av ferrit, användning av litztråd och att frekvensen anpassas till kretsens resonansfrekvens. Den uppmätta uteffekten konstaterades till 523 W och det trådlösa kraftöverföringssystemet erhöll en verkningsgrad på 83,3 %. Spolarnas placering är särskilt viktig då förskjutning mellan spolarna minskar verkningsgraden och resulterar i stora effekt- och strömökningar vid användning av konstant inspänning, vilket kan leda till att kretsens begränsningar överskrids.

Abstract Wireless power transfer is a method for transmitting electrical energy without physical contact, using magnetic fields. A typical wireless charging system consists of a primary and a secondary coil. To increase the efficiency of the wireless power transfer system, resonant circuits with capacitors are used, which reduce energy losses and improve overall efficiency. The aim of this project is to develop a wireless charging system with an output power of 500 W, intended to charge an autonomous surface vehicle with a 24 V battery. To achieve this goal, a wireless power transfer system operating at a frequency of 84.75 kHz was developed. The system was designed using computer simulations in COMSOL Multiphysics and Simulink, as well as experimental measurements in a laboratory environment. Validation studies were conducted to confirm the reliability of the simulation software. Based on the simulations, the coils and the system were realized. Experimental measurements were carried out to confirm that the simulations continued to match real-world results. Several investigations, both in simulations and experimental measurements, were conducted to determine how the efficiency of the circuit could be maximized. The validation studies showed good agreement between computer simulations, theoretical calculations, and experimental measurements. The efficiency of a wireless power transfer system can be maximized in several ways, including the use of ferrite materials, litz wire, and tuning the frequency to match the circuit’s resonant frequency. The measured output power was found to be 523 W, and the wireless power transfer system achieved an efficiency of 83.3 %. The placement of the coils is particularly important, as misalignment between them reduces efficiency and results in significant increases in power and current when a constant input voltage is used, which can lead to the circuit’s limits being exceeded.