Int ern at i onal  Journ al of  P ower E le ctr on i cs a n Drive  S ystem   (I J PE D S )   Vo l.   9 , No .   4 Sep te m ber   2020 , p p.   1468 ~ 1480   IS S N:  20 88 - 8694 DOI: 10 .11 591/ ij peds . v10.i 3 . pp 1468 - 1480          1468       Journ al h om e page http: // ij pe ds .i aescore.c om   Wireles s  power t ransfe r system  design for  electric  vehi cle  dynamic  chargin g appli cation       Nguye n Thi  D ie p 1 N gu ye n   Kien Tr un g 2 , T ran  Tr ong  Minh 3     1 ,2,3   Depa rt m ent  of  Industrial  Aut oma ti on H anoi   Univer sity   of   Sc ie nc e and  T ec hn ology Vi et n am   1   Depa rtment of  Automa ti on   and   Control   Engi ne e ring  T ec hnology E lectr i Pow er   Univer sity Vie t nam       Art ic le  In f o     ABSTR A CT   Art ic le  history:   Re cei ved   Dec   1 2 , 201 9   Re vised  Feb   4 ,  20 20   Accepte M a y   6 , 2 0 20       Thi pap er   propo ses  and   dem onstr at es   a   wire l ess  p ower  tr ansfe r   sys te m   design   for  e lectr i c   vehicle  dyna mic  ch arg ing   applic at i ons.  Th e   dyna mi c   wire le ss   cha rging   (DWC)   la n e   is   d esigne d   for  modularly E ac h   module  h as   t hre e   short - tra ck   tra nsmi tt er   coi ls   that   ar e   pla ce d   c losel y   tog ether  and   conn ec t e to   a   single   inve rt er   to   red u ce  th e   numbe r   o inv erters.   Th ma gne ti c   coupl e design   i s   ana ly ze d   and   opt im ized  by   fin it e   el e me nt   an al ysis   (FEA)  to   red u ce  the  output  power  var ia t ion   during  dyn am i cha rging .   The  L CC  com p ensa t io circui t   is   designe d   a cc ordi ng  to   the  opt im a loa d   va lue   to   o bta in   m axi mu m   eff icienc y .   The   SIC  d evice are   used  to  i mprove   the  eff i ci en cy  of   th hi gh - fre quenc y   resona nt  inv erter.   1 . kW   dynam i ch ar ging  sys te p rotot ype  is   construc t ed.   Ex per imental  resul ts  show   tha the  output   power  var iation  of   9. 5%  and   the  ave rag e   eff i cien cy  of   89 . 5%   ar ob ta in ed   in   t he  movi ng   condi ti on .   Ke yw or d s :   Dynamic  wirel ess ch a r ging   Ele ct ric v e hicle   LCC   com pe nsa ti on  circ uit   Wireless  powe tra ns fe r   This   is an  open   acc ess arti cl e   un der  the  CC  BY - SA   l ic ense .     Corres pond in Aut h or :   Ngu yen K ie n Trun g   Depa rtment  o I ndustria l   Autom at ion ,   Hanoi  Un i ver si ty of  Scie nce a nd Tec hnolog y ,     No.  1 Dai C Viet  Roa d Hai  Ba Tr ung,  Ha no i,  V ie Nam .   Emai l:   tru ng.nguye nk ie n1@ hust.e du.vn       1.   INTROD U CTION     To day,  pro ble of   e nvir onmental   poll ution   is  inc reasi ng   se rio us ly,   and   fossil   res ources  ar exh a us ti ng .   Us ing   el ect ric  ve hicle s   (E V)  he lp reduce  gr ee nhouse  gas  e m issi on s.   T he  c urre nt  cha r ger   f or   EV   is  mainl plug ged - in usual ly   locat ed   at   ho me,  at   w ork ,   or  cent rali zed  c ha rg i ng  sta ti ons .   H oweve r,  pl ugge d - in  charger mak e   inco nv e nien ce,   easy  to  el ect ric  le akag e.  Wir el ess  chargin is  based   on   wir el ess  power   tra ns fe r   (WPT)   te ch no logy,   w hich   makes   usi ng  EV s   m or e   co nv e nient   an safer  [ 1] Wir el ess  cha rg i ng   has   tw cat egories that   is  sta ti wirel ess  chargin ( SWC)  a nd  dyna mic  wireless  chargin g In   t he   SW C   syst em w hen  chargin g,   el ect ric  ve hicle m us be  park ed   in  al ignment   with  t he  tra nsmi tt er  to  rec ei ve  powe from  the   transmitt er.   H oweve r,   t he  ca pa ci ty  an e nergy  de ns it of  ba tt eries  li mit   t he  dev el opmen of   t he  S WC   [ 2] In  the  D WC  sy ste m,  E Vs   can   ch arg e   w hile  it   is  movi ng.  T herefo re,  EVs   ca move   lo ng e r,  batte ry  capa ci ty  a nd   weig ht  may  be   small er,  an trans portat ion  eff ic ie nc im pro ves  [ 3] T he refor e D WC   sy ste resear ch  an dev el opment   c an  pro mo te   the   de vel opment   of  E V   in   the   f ut ur e.   Howe ver,   the   m oveme nt  of   E c reates  man chall enges f or  the d e sig a nd  con t ro l s ys te m   [4]   The   desi gn  of  t he  mag netic   c ouple is   co ns i de red  on e   of   the   mo st   imp or ta nt   fact or s   in   the   DWC   s ys te [5] .   I the   D W syst em,   the  magneti c omp on e nts   are   c ompo s ed  o f   a   tran smit te la ne , which   is us ually  u nde the  r oad  an receiver   coils,  wh ic is  m ount ed  un der   a E V.   T he   tra nsmi tt er  la nes  in  t h D WC  sy ste m ca be  cl assifi e into  t wo   main  typ es ei ther   long - track   tra nsmi tt ers  or  s hort - t rack   tran s mit te rs T he   lo ng - trac transmitt er  st r uctu res  hav e   high  in duct an ce,  lo c oupling  coe ff ic ie nt s,  an l ow  re so na nt  fr e que ncy   [ 6] Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  P ow Elec   & Dri S ys t   IS S N: 20 88 - 8 694       Wi rel ess powe r tra ns fe r syste m desig f or  el ect ric  vehicl e dy namic c harg i ng ap plicati on   ( Ng uyen T hi Di ep )   1469   Ther e f or e,  t hes transmitt er  la nes  ha ve  lo e ff ic ie nc an hi gh   el ect r om a gnet ic   interfe rence   (EMI)   [ 7] .   S hort - track  tr ans mit te rs  us e t re duce  E MI  a nd  in crease  e ff ic ie nc [8] .   Each   s hort - t rack   tra nsmi tt er  can  be  t he  sa me  siz as  a   pa d   i the  S WC.   T he   trans mit te la ne   is   f ormed   by  a r rangin m ulti ple  short - trac k   tr ansmitt ers   to ge ther.   Each  tra nsmi tt er  coil  has  s epar at c ompe ns at io ci rc uit,  so   it   is  ve r flexible  t de s ign   a nd  ex pa nd  the   transmitt er   li ne Be side s e ach   sho rt - trac k   t ra ns mit te r   ca be   switc hed  O N /OFF   acco r ding  t t he  E V   po sit ion .   Ther e f or e,  t he  eff ic ie nc an EMI  of  this  tra ns mit te la ne  a re  highe r   [ 9] .   Howe ver,  this  sy ste is  co m plexi ty,  as  it   re quires   a   la r ge  num ber  of  c ompensati on  ci rc uits,  po wer  c onver te rs E V   posit ion  detect ion  ci rc ui ts  [10 ] Fu rt hermo re,  t he  co upli ng   c oe ff ic ie nt  is  va r ia ti on   w hen   E is  movi ng   al ong  the  t ran s m it te la ne The r efore,  the  outp ut  po wer   is  pu lsa ti on   an d   si gn i ficantl re duced  w hen   t he  E Vs  move  misal ig nme nt  di recti on ,   wh ic aff ect s   batte r li fe  [ 11] .   S eve r al   stu dies  on  t he  so l ution  t reduce   the   ou t pu t   pu lsa ti on   ha ve   bee reali z ed.   In  [12] t he   dista nc betwee a dj acent  tra nsmi tt ers  a dj us te to   reduce   the   pow er  pulsa ti on.  T his  reduces   th ov e rall  le ng th  of  the  tr ansmitt er  la ne .   In   [13 ] , t he  rec ei ver   le ngth  ha opti mize d f or  three - phase  dynamic  IP s ys te m   w it dual   pick - up  c oil  that   ha use to   re duce  t he  var ia ti on  of  outp ut  powe r.  I [ 14]   pro po se so l ution s   t reduce   the   pul sat ion  of  outp ut  powe by  pl aci ng   t he   tran smit te coils   c lose  t eac ot her   a nd  c oils  s iz is  op ti mize by  FEA  simulat io n These   pa pe r pe rform  op t i mizi ng  the  siz of  the   tra nsmi tt ers  an rec ei ver t reduce  pu lsa ti on   powe r.   H oweve r,   t he  s urvey   res ults  are   on l pe r form ed  in  case  EV   moves  in  s trai gh directi on.   T he   c har act erist ic of  c ouplin c oeffici ents  accor ding   to   po sit io ns  wh e EVs   moves   in   the   misal ign me nt  directi on h a ve no been   re ported.   It is an  imp or ta nt f eat ure f or  t he  desi gn  a nd  c ontr ol o DWC   sy ste m.   F ur t he rm or e,   the   de sign  of  c ompe nsa ti on   ci rc uits  does  not  c on si de the   im ped a nc matc hi ng  pr ob le m   then  t he  m axi mu m  ef fici enc is  dif ficul t t o o btain.   In   t his  pa per,  t he  ma gnet ic   co up le r   desi gn  is  al so   opti mize by   FE sim ulati on   to  reduce  t he  co upli ng  coeffic ie nts  va riat ion   durin the  dy namic  c hargin proces s .   A nd  the n,   wh e E mov es  misal ignme nt,  the   char act e risti cs  of  the  c oupli ng  coe ff ic ie nts   ar anal yzed  to   pro vid e   basis  f or  ad va nced  c ontr ols,  s uc as   ou t pu t   powe co ntr ol  in  [ 15] impe da nce  c on tr ol  in   [ 16] The  c omp ensati on  ci rc uit  is  desig ne ba sed  on  the  im pe dan ce   matc hing c ondi ti on  to o btain  maxim u m t ransfer  ef fici ency.     I the  DW sy ste ms ene rgy  tra ns fe rs  th r ough  the  ai r so   la r ge  le aka ge  in du ct a nce .   Ther e f or e,   reacti ve  powe r   is  hi gh a nd  t ra ns fe r   ef fici enc is   lo w.   C om pe ns at io ci rcu it are   necessa ry  to   adj us t he  s ys te m   resona nt  fr e qu ency,  r e du ce  t he  r eact i ve p ower  of t he  po wer el ect ronics  c onve rter,  im pro ve  transfe e ff i ci ency .   At the freque nc of kHz,  ca pa ci tor s   are   c onnected to  t he  c oil t com pe nsa te  f or  t he  le ak age indu ct a nce . Th e re  are   f our ba sic   com pensat ion   ci rcu it s wh ic h a re   series - series   (S S ),   series - pa rall el   (S P),  pa r al le l - series  (P S ) a nd  par al le l - par al le (PP)   [17 ,   18 ] Th ese  co mpe ns at io ci rcu i ts  are   sim ple  and  eas to   de sign.  H ow e ve r,  th e   li mit at ion   is  sensiti ve  to  t he   par a mete va riat ion   [19] .   T ran s fer  pow er   an ef fici enc c har act erist i c s   are  separ at e w he t he   loa cha ng e s   [ 20 21 ] The   SP PS,  P c ompe ns at io ci rcu it s   ha ve   res ona nt  fr e quenc dep e ndin on  t he  c ouplin c oe ff ic ie nt   [22 ] Ther e f or e,   th es co mp e ns at io ci rc uits  a re  not  s uitable   f or  dynami c   chargin s ys te ms,  in   w hich   the  co upli ng  coeffic ie nt  c ha ng e s   acc ording  to  t he  EV posit ion.  T he   LCC  com pensat ion  ci rcu it   has   pr opos e in   [23]   ove rcomes  t hese  disad va nt ages T he  res on a nt  f re qu e nc is   ind e pende nt of  the c ouplin c oeffici ent as  w el l as the loa i mp e dan ce   an d t he  soft - s witc hi ng  c onditi on for  t he   M O SFET   reac hes .   The se   feat ur e   of  the   LC com pe ns at io ci rc uit  is  sim il ar  to  the   SS   c ompen sat ion  ci rcu it .   Howe ver,  w it the  sa me  desi gn  po wer,  the   siz of  el eme nt in  the   LCC   com pensat ion  ci rcu it   is  small er  tha n   the  SS  c ompen sat ion   ci rc uit.  I has  pract ic al   sign ific a nce  w hen   desi gn i ng   high  po wer   s yst ems.  I [ 14] ,   LCC   com pensat ion  ci rcu it hav e   de sign e for  dy namic  wireless   cha rg i ng,  wh i ch  pr ima r c ompe ns at io in duct ances   hav desi gn e to  be  t wo   ti mes  la rger  tha the  sec onda ry   c ompe ns at ion   i nducta nce.   As  r esult,  t ran s fer   eff ic ie nc does   not  reac t he  maxim um  valu at   th desig po i nt.   This   pa pe pro posed   a   method   f or  cal culat ing  com pensat ion   ci rcu it   par a me te rs  acco rd i ng  to  the  opti m um   loa valu to  maximiz transf e ef fi ci ency .   Ther e f or e,   if  the  loa im pedance  is  al wa ys  kep e qual   to   the  opti mum  load  value  as  in  [ 16] th tr ansf e r   eff ic ie nc reac hes   the   ma ximu m   value   over  a   wide   f requen c ra nge.   Fu rt hermo re,   t he  fr e quen cy   can  be   con t ro ll ed  ar ou nd 85 kH z  to  i mpro ve  i nv e rte ef fici enc y,  s uc as  zer o ph a s e an gle   trac king c on t ro l as  in  [24] .   dyna mic  c ha rg i ng  s ys te m   prot otype   with   a   po wer  of  1.5  kW  is   co ns tr uc te d .   The   a ver a ge  val ue  o f   eff ic ie nc duri ng  dynamic   ch arg i ng  is  89. 5% .   T he   va riat ion  of  the   outp ut  power  is  9.5 %.  Sect io gi ves  the   sy ste str uct ure  an ma gn et ic   coupler  desi gn Sect io pres ents  the  meth od  of  the   LCC   c ompen sat ion   ci rcu it   desig t ma xi mu m   ef fici enc y.   Sect io presents  sim ulati on  an ex per im ental   res ults.  Fi nally,  t he  c oncl us io n s   are   giv e in  Se ct ion   5.       2.   SY STE ST RUCTU RE  A ND M AGNE TIC  COUPL ER D E SIG N   2.1.  Syste m str uctu re   Figure   s how the   basic  struc ture   dia gr a of  the   DW C   s ys te m,   wh ic c on sist s   of  the   pr ima ry  si de   and  the  seco nd ary  side.   At  t he   pri mar si de,   mu lt iple  DW transmitt er  modu le s   inclu de  t hr ee   coils  a re  powe re by  a   sin gle  i nv erter  t re du c e   the   numb e r   of  the   in ver te r.  E ach  t ran s mit te coil   is  c ompe ns at ed   by  a   se par at Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele D ri   S ys t,   V ol 11 , N o.   3 Se 2020   :   1468     1480   1470   LCC   com pe nsa ti on   ci r cuit.  T he  tra nsmi tt er  coils  are   ar ra nged   in   ar rays  t c reate  dy na mic  wireless   c hargin g   la ne.   The   tra nsmi tt er  is  desig ne mod ular,  w hi ch  has  man a dv a ntage s.   Firs tl y,   it   is  possibl to   co ntr ol  ON/ OF F   the  m odules   a ccordin to   th posit io o t he  EV   that   th s ys te e ff ic i ency  inc reases   an el ect rom agn et ic   interfe ren ce   (E M I )   re du c e.   Se cond,  it   is   eas to  e xpan the   tr ansmitt er   la ne   without   cha nging  th s ys te m   de sign.  At  t he  s eco nd ary  si de,  the   r ecei ver   is  i ns t al le ben eat the   EV   c hassis.   T he   pow er   is   tra ns fe rr e f r om  the   pr ima ry  side  t the  seco ndar side   thr ough   the  ma gnet ic   coupler By  re so na ti ng   with  the  seco ndar LCC   com pensat ion   ci rcu it the  tra nsfer red   powe and   e ff ic ie ncy   are  sig nificantl imp r ov e d.   T hen,  the  obta in ed  AC   vo lt age  is re ct ifie t c harge t he batt ery.        U D C A B S 1 S 3 S 4 S 2 L f 1 L f 2 L f 3 C f 1 C f 2 C f 3 C 1 C 2 C 3 L 1 L 2 L 3 u A B i 1 i 2 i 3 i L 1 i L 2 i L 3 . a b D 1 D 2 D 4 D 3 C 0 U b L r C r C f r L f r u a b i L r i r L 0 I b B a t t e r y R L D y n a m i c   w i r e l e s s   c h a r g i n g   l a n e D W C   m o d u l e   N o .   1 P r i m a r y   s i d e S e c o n d a r y   s i d e D W C   m o d u l e   N o .   n     Figure  1.  Str uc ture dia gram  of the   dy namic  wireless c hargi ng            Figure  2. The   3 - D max well   mag netic  cou pler  m odel  of   a   DW C  m odule       2.2.  M agne tic coupl er  desi gn   The  3 - D   ma xwel l   mag netic   co up l e m odel   of   the   D WC  mod ule  is  s how i Fig ur e   2.   T he   structu re  of   ma gnet ic   c oupler   co ns ist s   of   th ree   la yers .   T he   to la yer  is  the  c oil  that   is  b uilt  by S tra nded   wire .   The   se cond   la yer   is  fe rr it bar t hat  us e to  incr ease  the  mag netic   coup li ng .   T he  bott om  la yer   is  the  al um in um   s hee ts  that   us e to   reduce   ma gn et ic   fiel le a kag e I t his  paper,   the   coil' de sig method   is  ref e ren ce in   [ 14] At   th e   pr ima ry   si de,   each  D WC  m odule   has  t hr e un i po la tra ns mit te coils   wh ic are  ar range cl os el y.  Th e   dimensi ons  of  each  desi gn e transmitt er   coil   are   400  mm   40 mm   42  mm Eac c oil  has   10   tur ns,  t he  ai gap   distance  is   150  mm.   T he  receiver   dis placement   in  t he  x - directi on  is  de fine as  dr .   Wh e th cent er  of  th e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  P ow Elec   & Dri S ys t   IS S N: 20 88 - 8 694       Wi rel ess powe r tra ns fe r syste m desig f or  el ect ric  vehicl e dy namic c harg i ng ap plicati on   ( Ng uyen T hi Di ep )   1471   receive is  st raig ht  with   the   center   of  t he  T1  tra ns mit te r,  dr  is  ze ro.   T he   distance   bet ween  the  cente of   T1   transmitt er  and  the ce nter  of  T tra nsmi tt er e qu al  to 8 00 m m.  T he refor e , T her e f or e,   dr is sur vey e d f rom  m m   to  800  m m.   T he   la te ral  misa li gn me nt  i th y - directi on   is  def i ned  as   l m.   W he t he   c enter   of   the   re cei ver  is   strai gh with t he  center  of tra nsmi tt ers,  lm is   zero.   In  the   WPT   s yst em,  t he  outp ut  powe is   pr oport io nal  to   th co upli ng  c oe ff ic ie nt .   F ur t he rm or e,   in   t he  DW s ys te m,  the  co up li ng  c oeffici ent  cha nges  du rin cha rg i ng.  This  des ign   ta r get  i to   reduce  the  c ouplin coeffic ie nt  var i at ion  to  r e duce  the  ou t pu po wer p ulsati on in  the  dy namic  chargin g proce ss.            Figure  3. FE A si mu la ti on the  total  co upli ng  coeffic ie nt  k r   wh e lm  is zer o           Figure  4. FE A si mu la ti on and  experime nt  re su lt  of  c ouplin c oeffici ents           Figure  5. 3 - D   FEA   simulat io n resu lt   of total  coup li ng c oe ffi ci ents   0 0 .05 0 .1 0 .15 0 .2 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 Total  Co u p lin g   Co ef f icien k r Receiv er  d isp lacem en d (m m ) k r.cas e1 k r.cas e 2 k r.cas e3 -0.0 5 0 0 .05 0 .1 0 .15 0 .2 0 .25 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 Coupli ng  Coeff ic ie nt Rec ei ver   displa ce m ent   dr  (m m ) k r.cas e 2 k 1 r k 2 r k 3 r k r.ex p -80 -60 -40 0 40 60 80 0 0 .04 0 .08 0 .12 0 .16 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 Later al  Misalig n m en lm   (m m ) Toa tl   Coupli ng  Coeff ic ie nt 0 .12- 0 . 1 6 0 .08- 0 . 1 2 0 .04- 0 . 0 8 0 -0.0 4 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele D ri   S ys t,   V ol 11 , N o.   3 Se 2020   :   1468     1480   1472   Table  1.   Para m et er of  tra ns mit te an d recei ve r   Para m eter   Valu e   Para m eter   Valu e   L i   (i  =1,2 ,3)   1 0 2  µH   M 1   1 1 .93 7  µH   L r   1 2 0  µH   M 2   2 0 .90 3  µH   k r   0 .14   M 3   1 2 .47 4  µH       In it ia ll y,   the   re cei ver   dimensi on   is  desig ne to  same  the  t r ansmitt er  dime ns io n.   T he n,   r ecei ver   dimens ion   is   analyze a nd   de sign e by   EF sim ulati on The  c ouplin c oeffici ents  of  e ach  tra ns mit te r   coil  with  the  r ecei ver  coil are  de fine as  k 1r ,  k 2r ,  k 3r res pecti vel y.   The  t otal co up l ing  c oe ff ic ie nt  is determi ne a s foll ow s:     = 1 + 2 + 3   (1)     Figure  s hows   the  total   c oupl ing   c oeffici ent  FA simulat io re su lt in   thre cases.  In  thes cases,  t he   receiver   an tr ansmitt er  c oil  width  is  ch os e the  same  (w r   w t   400m m).   The  receiv er  coil  le ngth   is  var ie durin the   anal ys is  a nd   desi gn  process Wh e r e,  l r l t w r w t   is  def i ned   a le ng th,  width   of  the   trans mit te r,   re cei ver  coil,  res pecti ve ly.  I case  1:  l l t   40 m m the  ave ra ge  total   couplin c oeffici ent  is  0.128,  t he  va riat ion   is   9.9%.   I n ca se   2:   l t   50 0 m m, t he a ver a ge t ota couplin g c oe f fici ent  inc rease   to  0.1 4,   t he  va riat ion   dec reas es  to  6%.   In   cas 3:  l t     600  m m,  t he   aver a ge  total   couplin g   co nti nu e s   to   inc reas es  an eq ual  to  0.165.   H ow e ve r,   the  var ia ti on  al so   increases  a nd  i eq ual  to  9.6 %.  T hu s if  th siz of   t he  r ecei ver   in creas es,  the  a ver a ge   total   couplin c oeffici ent  al so   inc re ases.   Howe ver ,   the  total   co upl ing   c oeffici ent   var ia ti on  is   no t   mon ot onic   wit the   receiver   siz e I ca se 2 ,   the  varia ti on  is  t he  l ow est T he refo re,   this   val ue  is   ch os e f or  the   recei ver desig n.  T he   FA sim ulati on  res ults  of   c ouplin c oeffici ents  in  the  case   of   the  desig i sh ow in  Fi gure  ( do li nes ).   T he  resu lt s how  t ha the  couplin coeffic ie nt  k i   i ncr ease w hen   the  receive co mes  cl os to  t he   Ti  transmitt er  an decr ease wh e t he  receive moves  a wa from   the  Ti  tra nsmi tt er  (i=1 ,2,3) .   T he  meas ur e ment  res ults  of  the  tota l   couplin coe ff i ci ent  are   s how i Fig ur e   ( kr. ex   s olid   black   li ne).T he   res ults  s how   t hat  th measu r ed  a nd  simulat ed   pro pe rtie cl os el matc h.  T he  paramet ers  of  the   transmitt ers   an receive a re  su m marized   in   Tabl e   1.   Sefl - in du ct a nce  of  tra nsmi tt er  an recei ve c oils  a re   de fine as   L i ,   L r T he   total   m ut ual  in du ct a nc of   transmitt er  L i   with  oth e tra nsmi tt ers  is de fi ned as  M i   (i=1,2, 3).    Wh e t he  la te r al   misal ign me nt  inc reases  from  t ±80m m,  the   3 - F E sim ulati on  r esult  of  tota l   couplin c oeff ic ie nts  are  s how n   in  Fi gure  5 T he  a ve rag e   total   co up li n coeffic ie nt  de creases  from  0.1 to   0.044,  w hich   is  the  highest  w hen  the  lm   is  z ero.  T hese  res ults  sho that  the  total   co upli ng  coe ff ic ie nt  var ie s   wh e t he recei ver m ov es  and  decr ease s s harply w hen lat er al  misal ign me nt  incr eases .       3.   LCC CO MPE NSATIO N CI RCUI DESI GN   FO R MA XIMU T RANSFE R   EFFI CIENC Y   In  this   pa pe r,  t he   LCC   c ompe nsa t ion  cu rc uit   is  desig ned  for   bo t side   in   the   dy namic   wirel ess  c hargin sy ste m.   At   the  pr ima ry  side t he  c ompe ns at ion  ci rc uit  is  de sign e d   t reduc the  volt - am pe re  r at ing  of  t he   powe r   conve rter  a nd   hel ac hieve   soft  s witc hing  of  the   po we el ect r on ic s   de vices.  A t he   seco ndar side,   the   com pensat ion  ci rcu it   is  desi gned   to  ma ximi ze  tra ns fe e ff i ci ency .   In  this   sy ste m,   tra ns m it te coils  ha ve   s el f - couplin t hat  i nd ic at es   in  Ta ble  1.  The   c ompe ns at io ci r cuit  pa ramete r   desi gn  s houl co ns ide r   al the  sel f - couplin g.   T he  r eso nan f re qu e ncy   is  desig ne to  be  the  switc hing  f reque ncy  (f sw wh ic is  85   kHz  acco r din t J2 95 sta nd a r d.      3.1.   Res onanc e   c ir cuit   analy sis   The   f unda ment al   ha rm on ic s   a ppr ox imat io is used  to   a naly ze  the  w o rk i ng  pri nci ple o f   th res onanc e   ci rcu it T he  in ver te outp ut  volt age  a nd   rect ifie in pu vo lt age  we re   a ppr ox imat e as  si nu s oi dal  sourc es  as  sh ow in  Fig ure  6 a T he  ma gn et ic   c ouplin bet wee the   coils  is  re pr es ented  by  cu rr e nt  co ntr olled  volt age   so urces Assu ming  that   po w er  l os ses   of   th el eme nts  in   the  ci rc uit  a re   ne gligible Re fer  to   the   met hod  of  analyzin t he r eso nan t ci rc uit  in  [ 14]   t o dr a w  the  fo ll owin g expressi on s .   The t ra nsmi tt er  c oils  L 1,   L2 L3 a re  desig ne d t he   same , s the  sel f - in du ct ance  a nd  m utua inducta nce   are s how n belo w.     { 1 = 2 = 3 ik =  ( , = 1 , 2 , 3 , )   (2)     The recei ve si de  c ompen sat ion ci rc uit pa ra mete rs hav e  th e f ollow i ng r el at ion s hip :      = 1 2    (3)   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  P ow Elec   & Dri S ys t   IS S N: 20 88 - 8 694       Wi rel ess powe r tra ns fe r syste m desig f or  el ect ric  vehicl e dy namic c harg i ng ap plicati on   ( Ng uyen T hi Di ep )   1473   = 1 2 [  ]   (4)     At the t ran s mit te side,  the  co up le d vo lt a ge of  transmi tt er c oils are e xpres sed  as:      =  ik 3 = 1 ,  ; = 1 , 2 , 3   (5)     The  tra nsmi tt er s ide c ompe ns a ti on  circ uit pa r amet ers hav e t he follo wing  re la ti on sh i p:      = 1 2    (6)   = 1 2 (  + )   (7)       C 1 L f 1 L f 2 L f 3 C f 1 C f 2 C f 3 C 1 C 2 C 3 L 1 L 2 L 3 L r C r C f r L f r I 1 I 2 I 3 I L 1 I L r I r U A B j ω M 1 r I L r U M 1 I L 2 j ω M 2 r I L r U M 2 I L 3 j ω M 3 r I L r U M 3 j ω M 1 r I L 1 j ω M 2 r I L 2 j ω M 3 r I L 3 I A B U a b L f 1 L f 2 L f 3 C f 1 C f 2 C f 3 C 2 C 3 L 1 L 2 L 3 L r C r C f r L f r I 1 I 2 I 3 I L 1 I L r I r U A B j ω M 1 r I L r U M 1 I L 2 j ω M 2 r I L r U M 2 I L 3 j ω M 3 r I L r U M 3 U M r   =   j ω M r I L i I A B R 1 R 2 R 3 R r R L a ) b ) L o o p   1 L o o p   2     Figure  6.  Eq ui valent  resona nt  circuit       { 1 = 2 = 3 =  1 = 2 = 3 =    (8)     At r es onant c onditi on, t he res on a nt c urren of tra ns mit te c oi ls i expresse d as     1 = 2 = 3 =  =      (9)     Ther e f or e ,  the   coupled  volt ag e   of r ecei ver c oil   with t ran s m it te coils  are      =  1r 1 +  2r 2 +  3r 3   =  ir 3 = 1  =   ;    = ir 3 = 1   (10)     Wh e re  ω  is   th res onant   an gula fr e que ncy,  ω   2πf sw (i  1,  2,   3)  is   the  i ndex   of  t he  tra nsmi tt er  side   par a mete rs;  M ir   is mut ual in duct ance  of tra nsmi tt er s   with  the  receive r.     3.2.   Op timal l oad c on di tions f or  m axim um   tr an s fer e ffi ci ency   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele D ri   S ys t,   V ol 11 , N o.   3 Se 2020   :   1468     1480   1474   The  eq ui valent   ci rcu it   wh e consi der i ng   t he   resist ance  of   the  trans mit te rs  an recei ver  is  giv en  i Figure  6b.  W he re ,   R i ,   R r   is   tra ns mit te rs   resist ance   a nd   receiv er  resist a nce r especti vely I the  dyna mic  wi reless   chargin g,  the   batte r is   usua ll co nnect ed   t t he  coil  t hro ugh  diode   bri dg e   recti fier The   batte r co uld  be   equ i valent  to   a   resist ance  R b   U b /I b w her e   U b   a nd   I b   is  t he  batte ry   volt age  a nd   c urre nt res pecti vely.  The   equ i valent  ac  si de  resist a nce  c ou l be  cal cula te by  R L   =   8R b 2 Assumin that  the  power   l os ses  i co mpo nen ts   of   t he  c ompe nsa ti on   ci rc uit  ar ne gligible,   at   the  sec ondary  s ide Kirc hhoff  2   e qu at io ns  are   for  l oop  1   a nd  loop   2   as     { ( +   ) + 1   (  ) = 0 ( 1  + +  )  +   1   (  ) = 0   (11)     The  tra nsfer  ef fici ency can  b e  expres sed  as :     = 2 2 +  2 + 1 1 2 + 2 2 2 + 3 3 2 = + (  ) 2 + 3 (  ) 2   (12)     The  rati of  t he   r oo t - mea n - s qu are  c urren ts   I Lr /I r   a nd  I Li /I r   can   be  obta ined   by  Er ror!  Re fere nce  s ou rce  no t   f ound.   an c ombine   wit Er r or!  Re fe rence   s ou rce  no t   f ound. E rror!   Re feren ce  sourc n ot  fo u nd. The  tra nsfer  ef fici ency can  b e  d et er mine as   fo ll ows.     = 2 2  2 ( 1 + 3 2 ) + ( 1 + 6 2 ) + 3 2  2 1 2 = ( , , , , ,  )   (13)     Wh e re  Q i   ωL i /R i Q r   ωL r /R r   is  tran smit te coils   qual it fact or,   r ecei ver   c oil   qual it fact or resp ect ivel y.  Eq uation   Er r or!  Ref erenc e   sourc e   n ot  f ou n d.   sho t hat  tra nsfer   ef fici ency  dep e nds  on   par a mete rs   as   ω,  Q i ,   Q r ,   L fr ,   k r a nd  R L In  the   W PT   s ys te m,   t he  freq ue ncy  usual ly   ke pt   co nst ant.  Q ualit f act or are  fixe to   th de sig nated   tr ansmitt er   an r ecei ver .   T he   e qu i valent   resis ta nce  value   R L   ch an ge   acco r di ng  to   the  sta te   of  c ha rg e   of   the  batte ry.  T heref or e t he  maxim um  tr ansf e e ff ic ie nc is   f ound  by  so lvi ng  the   eq ua ti on s:      = 0   an 2 2 < 0   (14)     The ma xim um  trans fer  e ff ic ie ncy :     ax = 2 ( 3 + 3 + 2 ) 2   (15)     is achie ve at :     .  = 2  2 3 3 + 2   (16)     Wh e re   R L.opt  is   cal le t he  op ti mal  impeda nc val ue.  Fro Er r or!  Re f erence   s ou rce   n ot  f ou n d. Er ror!  Ref ere nce  sou rce  not  f ou n d .   show  t hat   tra ns fe ef fici enc reac hes  a   m aximum  va lu wh e the  e quivale nt  resist ance  val ue   is  opti mal.  I mp e dan ce   mat chin netw ork   can   be   us ed   t make   eq uiv a le nt  resist anc e   to  it op ti mal  val ue   [16 ] [ 25] T he   maxim um   the or et ic al   trans fe eff ic i e ncy   c ha racteri sti is  sh ow in  Fi gur 7.   I f   qu al it y fact or  Q i   419,  Q r   458 ,   an d k r   =  0.14 maxim um   theo reti cal   tran sfer ef fici ency  is ab ou 9 4.6 %     3.3.  C alcula te  pa r ame ter  for LCC  c omp e nsation  circ uit   In  this  pa per,  dy namic  wir el ess  cha rg i ng  sy ste m   with   powe of  1.5   kW  is   de sig ned.   A nd  oth e r   require par a m et ers  are   as   the  DC  in put  volt a ge  (UDC)   is  310V,  th ou t pu t   vo lt age   on  loa ( Uab)  is   40 0V,  the   resona nt freq ue ncy is  85 kHz .   T he ou t pu po wer can  b e  calc ulate d      = 2   (17)     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  P ow Elec   & Dri S ys t   IS S N: 20 88 - 8 694       Wi rel ess powe r tra ns fe r syste m desig f or  el ect ric  vehicl e dy namic c harg i ng ap plicati on   ( Ng uyen T hi Di ep )   1475   The   outp ut   po wer  ca be   ob t ai ned  by  Er r or Re ference   s ourc not   f ou n d.   an co mb i ne   wit Er r or!  Ref ere nce s ourc e not  found . Er ror ! Refer ence s ou rce  n ot foun d. Er r or! Re ference  so urce  n ot   f ound. :    = 1 |  | |  |  2  2  2   (18)     The  c ompe nsa ti on   ci rc uit  par a mete rs  a r desig ne to   sat isfy  t he  r eso nan c ondi ti on Er r or!  Ref ere nce  s ourc not  found . Er ror Ref er ence  s ou rce  n ot  f ou n d. Er r or!  Re ference   so ur ce  n ot  f ound. Er ror!  Re fere nce  s ou rce   n ot  found . Er ro r!  Ref ere nce  s ou rce   n ot  f ound. ,   the   op ti m al   load   c onditi on s   for   maxim um  tra nsfer   ef fici enc Er ror Ref e rence  s ou rce   no t   found .   a nd  outp ut  pow er  require E rror!   Ref ere nce  s ourc not  f ound.   The refo re,  th sy ste a nd  c ompen sa ti on   ci rcu it   pa ramete r   values   a re  s ho wn   i Table  2.           Figure  7. The   maxim um  t he oret ic al  tran s fer   eff ic ie nc c harac te risti c w it h coupli ng c oeffi ci ent is 0.1 4       Table  2.   Sy ste m and c ompe nsa ti on  circ uit  pa rameters   Para m eter   Valu e   Para m eter   Valu e   L i     1 0 2  µH   C 1   9 3  nF   R i     0 .13  Ω   C 2   1 2 3  nF   L r     1 2 0  µH   C 3   9 5  nF   R r   0 .11 5  Ω   L fr   2 9  µH   C fi   6 6 .5 n F   C fr   1 2 0  nF   L fi   5 2 .6 µH   C r   k r   3 8 .5 n H   0 .14       4.   SIMULATI O N AND E XP ER IME NT  RE SU LT   4 . 1.     Simul at io n result   High - orde s yst ems  ha ve  mul ti ple  resonanc es  fr e que ncy   beyo nd  the  de sign   fr e que ncy.  This   ma sign ific a ntly  a ff ect   s ys te e ff ic ie nc w he par a mete rs  c ha ng e T her e for e,  input  im pedance  cha racter ist ic s   sh oul be   anal yzed  a nd  c onsidere d.  Fi gur e 8, 9   is   the   sim ulati on  r es ult  of  A N SYS  Ele ct r om a gn et ic s   sof tware.   Figure  s hows   the   simulat io res ults  of  in pu impe dan ce   c ha racteri sti cs  un der  di ff e ren t   c onditi ons.   Fig ure  8a  sh ows   i nput  impeda nce   c har a ct erist ic wh e dr   is  mm ,   R L   var ie f rom  10  Ω  to  14 Ω.   The  res ult  sho ws  that   the  sy ste m   has   mu lt iple  res on ant  fr e que ncies  in  w hich  res on a nt  f reque nc of  85   kHz  w it any  val ue  of  th e   load.  Fig ure   8 ( b )   sho ws  i nput   impe dance  c ha racteri sti cs  w hen  R L   is  R L.opt dr   var ie s   f rom  mm   to   50 m m The  resu lt   s hows  that  c har act erist ic   li nes  are   near l ov e rlap ping .   T he re  is a  resona nt  f requen c of  85 kHz  that   is  reg a r dless  of   the  r ecei ver  posit ion.   I high - f reque ncy  co nverter s,  MOSF ET  sho uld   be  s witc hed  un der  ZVS  (Zero  Vo lt age   Sw it chin g)  co ndi ti on t re du ce  switc hing  l osse s.  Fi gure  8a  sh ows  t hat  the  ZVS   reg i on  ch ang e accor ding  to  t he  loa d.   Fi gur 8 ( b )   s how that  w hen   t he  load  i m pe dan ce   value  is  opti m al the  ZVS   re gion  is   const ant  with a ll  p os it io ns   of  the  receive r.     Figure  9 s hows   the  sim ulati on  res ults  of  tra nsfer  e ff ic ie nc y c har act erist ic unde diff e re nt  conditi ons.   Figure  9a s ho ws t he t ra ns f er  eff ic ie nc y cha r act erist ic wh e n t he l oa d R L   va ries  from  10  Ω  to  140 Ω  a nd  dr  is  mm.  T he  res ults  show   that  the   trans fer   e ff ic i ency  is  the  ma ximum  value  a the  opti mum  load  valu e F or  oth e r   load  v al ues, t ra ns fe e ff ic ie nc is  re du ce d an d dr ast ic al ly  re du ce d at  ad ja c ent fre qu e ncies  of  85kHz Fig ur e   9b  sh ows   the   tr an sfer  e ff ic ie nc char act e risti cs   wh e dr   va ries   from   mm   to   500  m a nd   R L   is   R L.opt .   Th resu lt s   sh ow   that   the   t ran s fer  e ff ic ie nc cha racteri sti cs  a re  al m os t   overla pp i ng.  Hi gh  tra nsfer   e ff i ci ency  is   achie ved  i the freq ue ncy r ang e  of  83  kH z  to 89 k Hz.   T he  h ig hest tra nsf er effici enc y re ached 9 4.6% .     100 350 600 850 80 85 90 95 100 100 300 500 700 900 Quali ty   fac tor Qr Tra nsfer  Eff ic ie ncy   (%) Quali ty   fac tor Qi 9 5 - 1 0 0 9 0 - 9 5 8 5 - 9 0 8 0 - 8 5 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele D ri   S ys t,   V ol 11 , N o.   3 Se 2020   :   1468     1480   1476           (a)     (b)     Figure  8 .  Fr e quenc c ha racteri st ic s o f   in pu impeda n ce   (a )   dr =  0m m   an d R L   is var ia ti on  (b )   R L   = R L.opt   and d r   is var ia ti on             (a)     (b)     Figure  9 .  Fr e quenc c ha racteri sti cs o f  the t r ansf e e ff ic ie nc y   (a)   dr =  0mm   an R L   is  v a riat ion   (b )   R L   = R L.opt   and dr is  va riat ion           Figure  10. Si m ulati on   wa vefo rms o f vo lt age/ current i L Ts pice     -50 -25 0 25 50 Gain[ dB] -10 0 -50 0 50 1 0 0 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 1 0 0 1 0 5 Ph ase[d eg] (k Hz) 1 0   Ω RL .op t =5 3 .3   Ω 1 0 0   Ω 1 4 0   Ω -50 -25 0 25 50 Gain[ dB] -10 0 -50 0 50 1 0 0 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 1 0 0 1 0 5 Ph ase[d eg] (k Hz) d r=0m m d r=10 0 m m d r=40 0 m m d r=50 0 m m 0 25 50 75 1 0 0 60 65 70 75 80 85 90 95 1 0 0 1 0 5 Tr an sf er  Ef f icien cy   (%) F (kHz) 1 0   Ω 5 3 .3  Ω 1 0 0   Ω 1 5 0   Ω 0 25 50 75 1 0 0 60 65 70 75 80 85 90 95 1 0 0 1 0 5 Tr an sf er  Ef f icien cy   (%) F (kHz) 0 m m 1 0 0 m m 4 0 0 m m 5 0 0 m m Time 5.882  μs /d iv   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  P ow Elec   & Dri S ys t   IS S N: 20 88 - 8 694       Wi rel ess powe r tra ns fe r syste m desig f or  el ect ric  vehicl e dy namic c harg i ng ap plicati on   ( Ng uyen T hi Di ep )   1477       Figure  1 1 S im ulati on   a nd e xperime ntal  res ults o the  outp ut po wer an s ys te m e ff ic ie nc y           Figure  12. Si m ulati on  a nd e xperime ntal res ults o the  outp ut po wer an s ys te m e ff ic ie nc at   diff e re nt U DC   le vels       m odel   was   buil in  LTs pice  to  simulat t he  eff ic ie nc fro the  DC  in put  of  the  i nv e rter  to  the  outp ut   op ti mal  loa d. S pice - m odel   of  M O SFET  C MF2 0120D  is  u s ed  t o b uild  sim ulati on m odel s.  Fi gure  10  sho ws  t he   wav e f or m   sim ulati on  res ults  of  in ver te r   out pu volt age/cu r ren w hen  the   receiver   po sit ion  dr  is   0mm.   This   resu lt   sh o ws   that  t he  MOS F ET  has   ac hiev ed   ZV co ndit ion .   W hen  the   recei ver  m ov es  strai gh t   al ong  t he   dynamic  wirel ess  cha rg i ng  la ne,   t he  sim ulati on  res ults  of  t he   outp ut  po wer  an s ys te e ffi ci ency   a re  s hown  in   Figure  11  (so li li ne ).   The   a ve rag e   outp ut  powe is   1.4   kW  with  a   va ria ti on   of  ± 10%.   This  resu lt   s ho ws  t hat   the  out pu pow er  pu lsa ti on  is   impro ved.  T he   ave rag e   s ys te ef fici enc re aches  91. 8%,  of  wh ic the   a ve ra ge   trans fer   ef fici ency  is  94.6 %,   an t he  a verage  i nv e rter  e ff ic ie nc is  97 %.   This   res ul conforms   w i th  th e   theo reti cal   ana lysis  of  the   ma ximum   tran sfe e ff ic ie nc in   sect ion  3.2 W hen  t he  receive posit ion  is   at   lm  =   0   mm,   the   in put  vo lt age   U DC   va ries  from   100V  t 31 0V,  t he   sim ulati on  re s ults  of  the   ou t put  powe a nd   s ys te eff ic ie nc are   sh ow i Fig ure  12  (s olid   li ne ) The   resu lt   shows  th at   the   outp ut  powe va ries  from   0.1 4kW   to   1.4kW   w hich   i c on sist e nt  with  the   cal c ulati on  form ula  Er ror!  Ref eren c s ou rce   n ot  f ou n d. T he   av erag e   sy ste ef fici en cy  reac hes  91.7%.  This  resu lt   s hows  that  the  s ys te ef fici enc is  high  at   dif f eren tra ns fe powe r   le vels.     4 . 2.     Ex peri ment  res ult       Fig ur 13  is  a e xp e rime ntal  set up  in  t he  la borato ry  en vir onment.   CM F 20120D  SI Cs  hav e   us e t o   the  f ull - br id ge   inv e rter T he  po l ypr opylene   film  capaci t or s   are  c hose f or  thei lo l osse an hi gh  c urren t   bear i ng capa bili ty at high  f requen c y.     80 84 88 92 96 1 0 0 0 0 .4 0 .8 1 .2 1 .6 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 Sy stem  Eff ic ie ncy   (%) Output P ower  [kW ] Receiv er  d isp lacem en d (m m ) P. s i m P. ex p H. sim H. ex p 80 84 88 92 96 1 0 0 0 0 .4 0 .8 1 .2 1 .6 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 Sy stem  Eff ic ie ncy   (%) Output P ower  [kW ] U DC (V) P. s i m P. ex p H. sim H. ex p Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.