Design of a Wireless Power Transfer System in Electric Vehicles and Assessment of the Electromagnetic Field Exposure

Abstract

Although the battery performance of electric vehicles is a matter of debate today, the proliferation of charging stations has been a solution to this problem. The wireless power transfer (WPT) method is one of the innovative technologies in the electric vehicle industry. In this study, the magnetic resonance coupling-based WPT method with series – series topology is discussed theoretically and experimentally. While the distance between the coils designed for the circuit was 15 cm, approximately 36 W power was transferred at 40 kHz. It has been observed that the simulation results and the experimental measurements of the circuit support each other. In addition, the electromagnetic field exposure that occurs during the charging of the battery of an electric car was investigated with the mentioned circuit. The maximum electric field level on tissue was simulated as approximately 43 mV/m with the Ansys HFSS. As a result of the magnetic field strength measurements of the designed WPT circuit, 11 μT was measured at 5 cm when only the battery was connected to the receiver coil. A magnetic field strength of 32 μT was obtained when the battery and motor were connected together as a load.

Keywords

• Wireless Power Transfer
• Magnetic Resonance Coupling
• Electromagnetic Exposure
• Electrical Vehicles

Elektrikli Araçlarda Kablosuz Güç Transferi Sistemi Tasarımı ve Elektromanyetik Alan Maruziyetinin Değerlendirilmesi

Öz

Günümüzde elektrikli araçların batarya performansı tartışma konusu olsa da şarj istasyonlarının çoğalması bu soruna bir çözüm olmuştur. Kablosuz güç transferi (KGT) yöntemi, elektrikli araç sektöründe yenilikçi teknolojilerden birisidir. Bu çalışmada, seri – seri topolojiye sahip manyetik rezonans kuplaj temelli KGT yöntemi, teorik ve deneysel olarak ele alınmıştır. Devre için tasarlanan bobinlerin arası 15 cm iken 40 kHz’de yaklaşık 36 W aktarılmıştır. Devrenin simülasyon sonuçları ile deneysel ölçümlerinin birbirini desteklediği gözlenmiştir. Ayrıca, söz konusu devre ile bir elektrikli arabanın bataryasının şarjı esnasında oluşan elektromanyetik alan maruziyeti incelenmiştir. Ansys HFSS ile gerçekleştirilen simülasyonlar sonucunda doku modelindeki en yüksek elektrik alan seviyesi yaklaşık 43 mV/m olarak elde edilmiştir. Tasarlanan KGT devresinin manyetik alan şiddeti ölçümleri sonucunda alıcı bobine yük olarak sadece batarya bağlı durumdayken 5 cm mesafede 11 μT ölçülmüştür. Yük olarak batarya ve motor birlikte bağlıyken 32 μT manyetik alan şiddeti elde edilmiştir.

Anahtar Kelimeler

• Kablosuz Güç Transferi
• Manyetik Rezonanslı Kuplaj
• Elektromanyetik Maruziyet
• Elektrikli Araçlar

Kaynakça

1. Ağçal A., Bekiroğlu N., Özçıra S. Manyetik rezonanslı kuplaj ile kablosuz enerji transferinde hizalanmış ve hizalanmamış durumların limitlerinin incelenmesi. Fırat Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi 2018; 30(3): 67-73.
2. Alexander CK., Sadiku MNO. Fundamentals of electric circuits. 5th ed. New York: Mcgraw Hill; 2012.
3. Ates K., Carlak HF., Ozen S. Dosimetry analysis of the magnetic field of underground power cables and magnetic field mitigation using an electromagnetic shielding technique. International Journal of Occupational Safety and Ergonomics 2021: 1-11.
4. Ates K., Carlak HF., Ozen S. Magnetic field exposures due to underground power cables: a simulation study. 2nd World Congress on Electrical Engineering and Computer Systems and Science (EECSS'16) 16-17 Ağustos 2016, sayfa no:1-7, Budapeşte, Macaristan.
5. Cheng DK. Fundamentals of engineering electromagnetics. 2nd ed. Amerika Birleşik Devletleri: Addison Wesley; 1993.
6. Courant R. Variational methods for the solution of problems of equilibrium and vibrations. Bulletin of the American Mathematical Society 1943; 49(1): 1-23.
7. De Santis D., Campi T., Cruciani S., Laakso I., Feliziani M. Assessment of the induced electric fields in a carbon-fiber electrical vehicle equipped with a wireless transfer system. Energies 2018; 11(3): 1-9.
8. Dergham I., Alayli Y., Imad R., Hamam Y. Effects of a wireless charging system built for an electric kick scooter on human biological tissue. International journal of environmental research and public health 2020; 17(8): 1-13.

9. Fincan B. Elektrikli araçlar için kablosuz şarj cihazı tasarımı. İstanbul Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Yüksek Lisans Tezi, İstanbul, 2015.
10. Hasgall PA., Di Gennaro F., Baumgartner C., Neufeld E., Lloyd B., Gosselin MC., Payne D., Klingenböck A., Kuster N. 2018. IT’IS database for thermal and electromagnetic parameters of biological tissues, Version 4.0. https://itis.swiss/virtual-population/tissue-properties/database/, Erişim Tarihi: 8 Nisan 2021.
11. ICNIRP, Uluslararası İyonize Olmayan Işınımdan Korunma Komisyonu. Guidelines for limiting exposure to time-varying electric and magnetic fields (1 Hz to 100 kHz). Health physics 2010; 99(6): 818-836.
12. Kaplan O. Kablosuz güç aktarımı için karşılıklı endüktans hesaplama aracının geliştirilmesi. Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Part C: Tasarım ve Teknoloji 2019; 7(1): 37-48.
13. Lee SH., Lorenz RD. Development and validation of model for 95%-efficiency 220-W wireless power transfer over a 30-cm air gap. IEEE Transactions on Industry Applications 2011; 47(6): 2495-2504.
14. Ozen S. Evaluation and measurement of magnetic field exposure at a typical high-voltage substation and its power lines. Radiation Protection Dosimetry 2008; 128(2): 198-205.
15. Özen Ş., Arı N. Elektromanyetik alanlar. Ankara, Türkiye: Palme Yayınevi; 2008.
16. Özder Ö. Kablosuz güç transferinde kullanılan bobin yapılarının incelenmesi. Balıkesir Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Yüksek Lisans Tezi, Balıkesir, Türkiye, 2020.
17. Öztürk F. Elektrikli araçlar için kablosuz güç transfer devresi prototip tasarımı. Yıldırım Beyazıt Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Yüksek Lisans Tezi, Ankara, Türkiye, 2017.
18. Pashaei A., Aydın E., Polat M., Yıldırız E., Aydemir MT. Elektrikli araçlar için temassız güç aktarım sistemleri. TMMOB Elektrik Mühendisleri Odası Dergisi 2016; 6(11): 1-12.
19. Pinto R., Lopresto V., Genovese A. Human exposure to wireless power transfer systems: a numerical dosimetry study. 11th European Conference on Antennas and Propagation (EUCAP) 19-24 Mart 2017, sayfa no:988-990, Paris, Fransa.
20. Tel Ö., Kuşdoğan Ş. Elektrikli araçların kablosuz güç iletimi ile şarj edilmesi. Kocaeli Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi 2019; 2(1): 15-26.
21. Wen F., Huang X. Human exposure to electromagnetic fields from parallel wireless power transfer systems. International Journal of Environmental Research and Public Health 2017; 14(2): 1-15.
22. Xi W., Stuchly MA., Gandhi OP. Induced electric currents in models of man and rodents from 60 Hz magnetic fields. IEEE Transactions Biomedical Engineering 1994; 41(11): 1018-1023.