Int ern at i onal  Journ al of  P ower E le ctr on i cs a n d  Drive  S ystem   (I J PE D S )   Vo l.   11 ,  N o.   4 ,  Decem be r 202 0 , p p.   1693 ~ 17 00   IS S N:  20 88 - 8694 ,  DOI: 10 .11 591/ ij peds . v11.i 4 . pp 1693 - 17 00          1693       Journ al h om e page :  http: // ij pe ds .i aescore.c om   Experim ental ins tallatio n of wir eless powe r tra nsfer system   based o n the se ries res onance te ch no l ogy       Sa r ab   Al - Ch l aihawi 1 , Adn an H as an T awafan 2 ,  F at im a Kad hem  Ab d 3   1   Naja f Te chni c a l  Instit u te,  Al - Fu rat   Al - Aw sat   Techni c al   Univ ersi ty,   Al - Na ja f ,   Ir a q   2 ,3   Kar bala Te ch nic a l  Insti tut e ,   A l - Furat  Al - Aw sa t  T ec hni cal  Univ ersit y,   Al - Naj af,  Ira q       Art ic le  In f o     ABSTR A CT   Art ic le  history:   Re cei ved   A pr   21 , 20 20   Re vised  M a y   10 , 2 0 20   Accepte d  J un   17 , 20 20       In  thi s   work,  w e  a im  to   install   a   wire l ess  po wer  tr ansfe r  ( W PT)  s ystem  expe ri me nt al ly .   Serie s  resona n ce   t ec hno logy  was  used  to  a c hie ve  ze ro - volt ag e  sw itchin g  (ZVS).  We  i nvesti gated   the  im pa ct   o f  th e   p rim ary   and   sec ondar y   reson anc e   fr eque nc ie s   ( f p   and   f d ),  and   i nve rte r   fr eque nc y  sw it chi ng   (fc h)  on   th e  eff i ci en cy  (β)   and   ma xim u m  tra nsf er  power   in   a   WPT  sys te m   base d  on  the  i nduct iv e  wire les s  power  tra nsf er  (IW PT)   t ec h nology.   An   ult rasoni c  d evi c e  was  u ti l ized  as  a   generat or   to   e xci t e  th e  coil  at  the   pr im a ry   side.  Th e  e xper i me nt al  outc o mes   show ed  th at  th ere  is   an   optimu m  unl i ke   f p   and  f d   ca n   b e   g ot  to   match   f ch.  It   was   found   a l so  that   the r e   is   a  tra d e - off  bet wee n   th e   po wer  suppli ed   to   t he  loa d   (PRL)   a nd  DC - DC  eff ici enc y   (β).   At   an  ai r - g ap   of  5  cm ,   th e   obt ai ne d  resul ts  ar e   r ecorded  as  fo ll ow s;  th e   pea k   rec orde d   sys te m   β  is  62%  th at   w a s  obta in ed  a t  f p = 19  kHz,   f d =f ch =2 4  kHz  th at   is  cor r esponding   to   101 . 88W   of   PR L;   wher ea s   t he  h ighe st   PR L   result ed   i . e .   244W  when  f p = 19  kHz,   f d   =24  k Hz,   f ch =21  kHz   a t  61%  of  β;   in   such  c ase ,   the   ma xim u m  β*  PR L  mul t ipl i catio n  was  ac hie v ed  i . e.   149 .   Mor eov er,   th e  co il s’   mi sali gn me nt   was  studie d.   The   out comes  show ed  tha t   the   la t eral   mi sali gn me nt   h as  wors t  eff ect   on  the   PR L  a nd  β  tha n  th e  ai r - gap .   Th e  expe ri me nt al re s ult s were validat ed  with   simul at i on  ones.   Ke yw or d s :   Ba tt ery  cha r gin g   Ind uctive  pow er tra n sfe r   Ind uctivel y  c ouple d  c oils   Re so na nt   Zero - vo lt age  s witc hing    This   is an  open   acc ess arti cl e   un der  the  CC  BY - SA   l ic ense .     Corres pond in g  Aut h or :   Sara b Al - Chlai haw i,     Najaf Tec hnic a l In sti tute,   Al - F ur at   Al - A wsat Tec hn ic al  Unive rsity,   Emai l:  inj.srb @atu.e du.iq       1.   INTROD U CTION     The  inte rest  in   the  wireless  powe r  tra ns fe r  (WPT)  te c hn i que  ha s  co ns i de rab l y  inc rease d  in  recent  few  year s ,  bec ause   of   the   sa f et y  a nd  c onve niences   ov e r   the   wire d  c h ar gi ng  te ch nolo gy.  In  general,   th e  WPT   te chnolo gy   f or  el ect ric  veh ic le s  (EVs)  a nd   smartp hone s  ba tt ery   cha rg i ng  inclu des  in duct ive  an d  ca pa ci ti ve  wireless  powe r  tran s fer ( IWP T and C WPT )  [1 - 5] .    In  t his work,  only  t he  I WPT  techn i qu e  is pre sented , whe re th e  power t rans mit s f r om  t he prima ry coil   to  the  sec onda ry   o n e  el ect r oma gnet ic al y.   T he  c ouplin g  in te rf ace  s urface   area  betwee n  the  coils  a nd  a ir - ga p  are  pa rameter s   impact in g  th e  couplin g  f a ct or   ( k).  T his   par a mete r  ha s  an  e ff ect   on  the  w hole   syst em’s  eff ic ie nc y  an d per forma nce. The air - ga p  be tween t he  coils  is t he  m o st c ha ll eng in g  fact or .  A s the air - ga p rises,   the  ma gnet iz in g  c urre nt,  le a ka ge  i nductance ,  a nd  in put  VA  rati ng  rise  acc ordin gly.  C on s equ e ntly,   the   s ys te m   cost inc reases,   sy ste m e ff ic ie nc y dimi nis hes du e  to  l os ses  in creasin g  [6 - 8] .   A  res onance  ci rcu it   te chn i que  ha s  bee n  util iz ed  to  en han ce  t he  I W PT  sy ste m  ef f ic ie ncy   a nd  performa nce  [2 ,  9] .  T he  re sonance   ci rc uit  is  nothin g  bu t  ca pacit or(s)  li nk e d  wit h  the  c oils  in  se ries/ par a ll el   to   com pensat e  it s  in du ct a nce.   A t   the  pri mar y  side,   the   res onan ce  ci rc uit  mini mize s  reacti ve   powe r,   im pro ve s  th e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele c  &  Dr i   S ys t,   V ol .  11 , N o.   4 ,  D ecembe r  2020   :   1693   –   17 00   1694   powe r  facto r,   l ess  VA  rati ngs   w hich   re su lt   i n  le ss   vo lt age   stress  on  t he  s ys te m’ s  c omp on e nts  of  t he  s ys te m,   and  lo w   in vert er  c os t.   At   th e  sec ondary   si de,  the   re sona nce  ci rcu it   im pro ves  t he   sys te m  ef fici enc y  an d  maximize s  t he   powe r  delive red   t o  the   bat te ry .  For  t he  EVs  a ppli cat i on s ,  the   nor m al ly  util iz ed  inv e rter   switc hing   f requen c y  withi n  t he  ra ng e   of  10 - 200  kHz.   T he   switc hing   f requen c y  is  mainl y  base d  on  t he   ai r - ga p  and coils’   siz e.  Th e  h i gh - qual it y  facto r of t he  co il s r e su lt s i n hig h powe r  tr ansmissi on ef fici ency   [ 6,   10, 11] .   Howe ver,  t o  make   the   m os t   of   res onanc e  te chnolo gy,   th e  res ona nce  frequ e nc y  at   the   pri ma ry  ( f p )  sh oul d  be  c orr el at ed  with   the   res onance   f re qu e nc y  at   t he  seco nd a ry  ( f d )   side;  an d  both   f p   a nd  f d   s houl d  be   correla te d  wi t h  t he  in ve rter  s witc hing  fr e qu e nc y  (f ch )  to   ac hieve   zer o - volt age   switc hi ng  ( ZVS) .     Re centl y,   in   [ 2,  12 ,  13] ,   in  a  bid   t o  achie ve  the  hi gh est   po wer   tr ans fer   le vel,  the  f p   a nd   f d   we re  set   to  be   eq ual  to  the   fch.  W hi le   in   [ 14] ,   it   w as  f ound   that   a t  fc h  e qual   t o  t he  f d,  the   ma xi mu m   powe r  t r ansf e r   ef fici en cy   wa s  achieve d  [ 14] .   It  wa s  pro ven  that  the   tra ns mi tt ed  po wer  is  not  c on sta ntly  a n  opti mu m   at   r eso nan ce   case   [15] .  The   po wer  tra ns fe r   le vel  is   mainly   based  on  the   c ouple d  coils’   i nduct a nce  an d  it s  qual it y  facto r,  s witc hing   fr e qu e nc y,  the   squar e  of  in put  c urren t  a nd   m utu al   in duct ance.   H oweve r,   t her e   is  no  interest   has  gi ven  to  disco ver  a n  op ti mu m   f ch ,  f p ,  and  f d   t o  acc ompli sh  the   highest  powe r   tra ns fe r   le vel   an d  ef fici enc y  [ 16 ,  17] .    In  this   wor k,  the  im pact   of   var i ou s   f ch ,  f p ,   a nd   f d   on  the   IW P T  le vel  and   e ff ic ie nc y  was  stu died ;   to  get   resona nce  ci rc uits,  res on a nce   capaci tors  were  util ise d  to  ad just  f p   an d  f d .  T his  ai ms  to  acc ompli sh   a  ma xi mum   WPT   e ff ic ie nc y  a nd   loa d  po wer  by  disco ve rin g  a n  opti m um  f ch ,  f p ,   an d  f d .   More over,   since  t he  t he   c oupled   coils  misal ig nme nt  is  a   c ommo n  p r oble m  i n  the   I WPT   s yst ems,  we  ca rr i ed  ou t   a  st udy  to  im pact  of  t hi s  issue  on the  DC - DC  sy ste m e ff ic ie nc y (β) an d resi sti ve  loa d pow er (PL) .   The   tran sfe rr e d  powe r  a nd   ef fici ency  i n  a   WPT   s yst em  basical ly   rel y  on  t he   res onance    fr e qu e nc y  [ 18 ,  19] ,   ma gn et ic   co upli ng  fact or,  k,  a nd  mu t ual  i nductance ,   M ,   w hich   a re   mai nly  ba sed   on  th e   coil  co nf i gurat ion s   an d  var ie d  with  t he  ai r - gap  ( d)  an d  co il s’  misal ignm ent  [ 18 - 20].  I n  this  work,  t he   sp iral   coil  co nf i gurati on   of  co pper  wires  was  buil t  exp e rime ntall y  to  deliver   powe r  wirelessl y  to  a   resist iv e  load   thr ough a n  ai r - gap of  5  c m.  T he  misal ig nm e nt issue  w a s in vestigat ed   as  w el l.   The  ne xt  sect ion s   of  t he  paper  are   ar range d  as  f ollo ws:  Se ct ion   2  pr ese nt s  the  WPT   sys te m,  w hich   include s  t he   e xp e rime ntal  se tup ,   mathemat ic al   model  a s   well   as   the   consi der e d  c oil  co nf i gurati on  a nd  misal ign me nt  betwee n  t he   in du ct ivel y  co up le d  c oi ls.  Sect ion  3  ex plains   t he  meth odol ogy  us e d  to   impl ement   the  ex per i ment al   work  an d  how  t he  data  ar e  colle ct ed.   Se ct ion   4  il lustra te s  the  ex per i mental   outc om es  an d  discuss i on. Sec ti on   5 pr ese nts  the concl usi on .       2.   INDU CTIVE   WIRELE SS  P OWER  TR A NS FE R  S YS T EM   As   me ntion e d  earli er,   the   d  be tween   the   c oupled   coils   is  pl ayin g  a   major   ro le   in   an y  I W PT  s ys te m   performa nce.   The  sel f - in duct ances  of  the   pr imary   an d  s ec onda ry  (L 1  a nd  L 2)  coils,   k  and  M   are   pa r amet ers   util iz ed  to  desc ribe  t he  in duct ive c oupler;  Th e relat ion  bet w een th e se  par a mete rs  is e xpre ssed  i n (1)  [20] .     = √ L 1 L 2   (1)     2.1.   Ex peri menta l  Setu p   The  ada pted   I WPT   s ys te m  i nclu des  an   ultr aso nic  ge ne rator  (see   te ch nic al   cha racteri sti cs  in   Ta ble )  that  was   util iz ed  to   excit e  t he  pr ima ry  coil;   ba sed  on  it   fa vorab le   fea tu res  amo ng  ot her  t opol og ie s ,  the   s eries - series  (S S )  res on a nce   te ch no l ogy  was   util ized   [2] .   T he  e xperime ntal  set up  of  the  prese nted   I WPT   s yst em  is  dep ic te d  in   Fi gure  1 .   W her e  C p1 ,  C p2 ,  R 1 ,  and   R 2 ,  a re  the  equ i valent  paral le l  capaci ta nces  an d  the  e quiv al ent   series  resist a nc es,  res pecti ve ly.   F rom   Fi gure  1 ,   it   can   be   note d  t hat  th e  ultras on ic   ge ner at or   i nclu des  the   fo ll owin gs  c omp on e nts:    −   G ene rato r un it ,     −   R emotel y  c ontrolle d pa nel  w hich use d for  pa rameteriz at io n,     −   A da pter  which  is u se d f or  e xt ern al  c ontrol;    −   A   half - bri dge i nv e rter  w hich  i s ma de  f r om   I GBT tra ns ist or s   The  f ch   is  c ontrolle de d  by  ut il iz ing   the  ha ndheld  c ontr ol  un it   w hich  li nk e d  th r ough  RS485 - 232   adap te r  to  th e  gen e rato r  un it .  T he  ult rasonic  ge ne r at or ’ s  te ch nical   char act erist ic s  are  ment ion e d    in  Table  1  [ 21] .   H oweve r,   du e  to  it s  mo st  r obus t  to  t he  r ot at ion   misal ignment  an d  un i f orm  flex  distri bu ti o n,  the s piral co nfi gurati on  was  a dap te d  to  creat e the c oils :   −   The  c oppe r wir e coils;     −   Ca pacit or s  (WIMA  ty pe)   we re  util iz ed  f or  the  SS  res o na nce  te ch no l ogy,  the  f p   a nd  f d   are  cal cula te d  theo reti cal ly as  in  e qu at io n ( 2).    −   A  f ull - br i dg e  r ect ifie r  ma de  of   f our  powe r   diodes  of  ty pe   Schott ky  ( D SS  2x61 - 01  A ).   T o  s oa k  up  the  gen e rated  h eat   and w a ste d  it . T he rect ifie r m ounted  ove r  th e  heatsi nk  with  d ime ns io n 2 0x12. 5x2.5  cm.   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       Experime nta l  installati on  of  wi rel ess p ower  tra ns fe r syste m ba se d o n  t he  series - …  (Sar ab Al - C hla ih aw i)   1695   −   A  filt er ca pacit or (220 0 μF) li nk e d pa rall el ly to  loa d (i.e.  r e sist ive)  to  sup pl y  it  w it h  a   p ur e D C  powe r.     = 1 2 √ 1 1 ,  = 1 2 √ 2 2   (2)       Table   1 . T he  u l traso nic g e ne ra tor’s c har act eri sti cs f or the   MSG. 1200. IX.L F m od el   [ 21] .   Dev ice  ele m en ts   Sp ecifica tio n s   W eig h t   1 0  kg   Dim en sio n s (h x  w  x d )   2 5 0  m m  x 1 5 0  mm  x 4 5 0  m m   Su p p ly  Voltag e an d  f requ en cy   2 3 0 /2 2 0 V ( 5 0  Hz)   Inp u t Power ( Max)   7 0 0  W   Ou tp u t HF  Vo ltag e   5 0 0  V - rm s   Av erage Outp u t P o wer  (con tin u o u s)    6 0 0  W   Max. pu lsed  po wer  (Pe ak  Outp u t)   3 0 0 0  W   Inv erter   fr eq u en cy     1 7 .5 - 2 8  kHz         Figure   1 .  Expe rimental  set up  of IWPT  syst em       2.2.   Mathem ati cal   mode l   To  validat e  the   empirical   ou tc om es  with  th e  theo reti cal   on e s,  the  mat hema ti cal   IW PT  s yst em  model   is  pr ese nted   he re.  T he  de pe nd e nt  vo lt age   so urce  was  use d  to   m od el   t he  in duct ive  c oupler ,  the  e quivale nt   ci rcu it   of  t he  IWPT  s ys te m   that  me ntion s   in  sect io n  2.1   is  sho wn  in   Figure  2 ,  w he re  the   outp ut  of  the  u lt rasonic  ge ne rator is m odel ed  as  a s qu a re  volt age s ource  with a n  R M S  va lue of  (u 1 ) .           Figure   1 .  Th e  e qu i po ll ent  m odel  b ase d on the  ad a pted I WPT  sy ste m       The  e qu i valen t  pr ima ry   i mpe dan ce   (Z p ),  s econda ry   im pe dan ce   (Z s ),   r eflect ed  im pe dan ce   f rom   seco nd a ry   to   the  pr ima r y  (Z r ),   a nd  in put  i mp e dan ce   ( Z in )  ar e  e xpresse d  in   e qu at io ns  ( 3) ,   ( 4),  ( 5) ,   and  ( 6),   resp ect ivel y;  the  ef fect  of  the  Cp 1  a nd   C p2   are  ne glect ed  due  to  t heir   small   values  com par e  with  oth e r   par a mete rs val ues.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele c  &  Dr i   S ys t,   V ol .  11 , N o.   4 ,  D ecembe r  2020   :   1693   –   17 00   1696   = 1 +  ℎ 1 + 1 ℎ ( 1 )   (3)   = 2 +  ℎ 2 + 1 ( 2 )   (4)   = 2 ℎ 2 2   (5)    = + = + ℎ 2 2   (6)     Ba sed  on  Fi gure  2 ,  t he  ex pre ssion   of   t he  RMS  in put  cu rrent  at   the  pr i mar y  ci rcu it   i 1   and   R M S  sec onda ry   current i 2   a re  de scribe d  in  equ at ion s  (7)  a nd (8), re sp ect ivel y.     1 = 1 |  |   (7)   2 = | −  1 | | + ℎ 2 2 |   (8)     Fr om e quat ions ( 7)   an d (8),   the  vo lt age  gai n (G v )  ca n be  wri tt en  as;     | | = 2 1 = 2  1  = | − ℎ  | | + ℎ 2 2 |   (9)     Howe ver, the   DC loa d p ow e r  ( P RL ) w hich de li ver ed  to  l oad  is desc ribe d  as  fo ll ows;     = 2 2  = 2 2 .    (10)     2.3.  I nduc tivel y  coup le d  co il s    Gen e rall y,  the   k  is   util iz ed   to   pr e dict  the   I W PT  perf or ma nc e  [ 2,   10,   11] ;  T he  DC - DC  e ff i ci ency  can   be  c ompu te d  a s foll ow s;       β =    ( 11 )     wh e re t he  in pu t DC  power ( Pin) was   cal culat ed usin g  a ppr oximat ion f orm ula:      = the in pu t  powe r  ( AC)   –   no - lo ad  lo sses  (i.e. u lt raso nic  ge nerat or )   (12)     In   t his  w ork ,  the  well - al ig ne d  c oils,  as  s how n  in   Fig ure  3 (a ),  ai r - ga p   fluctu at ion   as   well   as  the   la te ral  misal ign me nt,  Figure  3 ( b),  wi th L> 0 betwee n  the  co il s  were i nv e sti gated.     Ba sed on t he  e qu at io n ( 13),  t he k  was me as ur e d  e xperime ntall y  as  fo ll ows,   −   A  f unct io n gene rator with  a se t vo lt age  of  V 1   was uti li zed t o ener gize t he   pr imary   coil;     −   Util iz ing  a n os ci ll os cop e , th e   induced  E M F  ( V 2 ) was  meas ured  at the se co nd a r y  c oil.   = 2 1   (13)     d S e c on da r y   C oil P r im a r y   C oil   r i r o L P r im a r y   C oi l S e c onda r y   C oil R o R i   (a)   (b)     Figure   3 .  I nduc ti vely  Co uple d C oils ,   (a)   well - al ignment c oils ( b)   co uple d  c oils with  lat era l mi sal ign me nt  ( L )     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       Experime nta l  installati on  of  wi rel ess p ower  tra ns fe r syste m ba se d o n  t he  series - …  (Sar ab Al - C hla ih aw i)   1697   3.   MA TE RIA L S  AND MET H ODS    In  this  pap e r,  a n  I WPT  s ys te m w as im plem ented  e xp e rime ntall y.  T his wo rk  in volves t he  study  of the  impact   of  the  f ch ,   f p ,  a nd  f d   on  the  P RL   &  β  a nd  in vestigat e   the  op ti m um   β * P RL   co ndit ion .   The   f ch   is  c on t ro ll ed   us in g  t he  ultra so nic   ge nerat or ’s   co ntr ol  un it .  T he  f p   an d  f d   wer e   co ntr oll ed  util iz ing   the   resona nce  ca pa ci tors  that  are  c onne ct ed  in  par al le l   an d/o r   series  t o  ob ta in   the  de sired  res on a nt  fr e qu e nc y.   Ba s ed  on  the  fr e quenc y  char act e risti cs, the  f p   an d  f d   w ere c ompu te d uti li zi ng  the  L CR  H iTESTE R of m od el   H I OKI  3532 - 50 .   The  powe r  a n al yzer   c onnect s   the  ultraso ni c  de vice  to  t he   230  V/50  H z  of  el ect rici ty  plug.    T he  functi on  of   t he   powe r  a nalyz er  is  to   co mpu te   the  AC   in put  el ect ric  po w er.  T he  ultras onic   de vice’s   no - l oad  losses  wer e   ga ug e d;  th ese  lo s ses  we re  as sume d  t o  be  t he  s ame  at   al l   loa di ng   c onditi ons;   this  pr es umpti on  wa s   util iz ed  to c ompu te  t he  in put  DC po wer (e quat ion ( 12) ).     A  s piral s ha pe was c onside red to c onsti tute t he  c oils :   −   The  le ng t h  eac h  c oppe r  c oil wire is  17 m ,    −   The  c ross - sect i on area  of the   coppe r wire  is 1.5 mm 2 ,    −   r i =R i =2.5 c m, r o =R o =11 . 88 c m   with  2 mm  of c oil pitc h ,  and    −   The  t urns n umber  of the  co il s  is the sa me i.e . 34.    Util iz ing  d i gital  RLC  meter,  the c oils’  par a mete rs were  d e te rmin e d.     Seve ral  ex per i ments  wer e   ca rr ie d  out  at   we ll - al ign me nt  co il s  at   d=5 c m  w it h  va rio u s  f p ,  f d ,  a nd  f ch ;  the  β  was   identifie d  acc ordi ng l y  at   eac h  sit uation.  Mor eov e r,  the   imp act   of  the   d  an d  L   on   the  P RL   was   resea rc he d.   It   was  prese nted   a  case  to  res earch  t he  ef fe ct   of   f ch   on  P RL .  The  i mp e r ic al   data  wer e   validat ed  with  the   theo reti cal  o m es  that  was ob t ai ned   base d o n t he  mat hemati cal  model im plemented  in  MATL AB.       4.   EXPERI MEN TAL O UTC O MES  AND DI SCU SSI ON   This  sect io n  s hows  t he  ex pe rimental   outc om es  w hich  i nclu de  the  pa rameters  of  th e  coils  an d  adjustin g  f ch ,  f p ,  an d  f d   t o  ac hieve  a n  opti mu m  β  an d   P RL .  Ba sed  on  t he  ultras onic   gen e rato r’ s  te c hn ic al   char act e risti cs ( Table ),   only  15%  of the  de vice powe r was  util iz ed  with  no - l oad losses  18W.     4.1.   Co il s  p ar ame t ers    The  c oils’  r esi sta nce,  in duct a nce,  a nd  qual it y  fact o r  we re  de te rmin e d  e xperimental ly  by  util iz ing   th e   dig it al  RLC  m et er   as s how n  in Ta ble 2.   T he  f p   an d  f d   we re  cal culat ed  util iz ing  t he  f reque ncy cha racteri s ti cs in  order t o  ta ke  i nt o  acco unt t he   coils’  distrib ut ed  ca pacit ance s.  T he ob ta in ed  outcome s s ho wed t hat    −   Wh e n  t he  c oil  connecte d i n s eries with  a ca pacit or of  0.47  µF,  f p   an d  f d   a r e ab ou t  19  kH z .    −   Tw o parall el  c apacit or s  of  0.15 µF a re lin ke d  in  ser ie s  w it h a coil , t hat  give s a  f p   an d  f d   ar e ab ou t  24  kH z .    −   Thr ee  p a rall el  capacit or s  of  0.15 µF a re lin ke d  in  ser ie s  w it h a coil , t hat  give s an  f p   a nd  f d   about  28 kHz.         Table  1 . E xper imenta l meas ured  par a mete rs of t he  c ouple d coil s at 1  kHz.   Para m eter   Prim a ry co il   Seco n d ary coil   L 1 , 2   (µH)   1 4 8 .2   151   R 1 , 2   (Ω)   0 .44 6   0 .47 4   Q 1 , 2   2 .13   2 .0 2   k   at d=5  cm   0 .42   M  (µH )   6 2 .82       4.2.   Resona nce   As  me ntio ne d  in  sect io n  4.1,  the  f p   a nd  f d   w ere  re gula te d  ut il iz ing   resona nce  ca pacit or s .   The  of  L 1   and   L 2   at   1  kHz  we re  ass ume d  to  ha ve  c on sta nt  val ues  at   hig he r  f requ encies  w he n  th e  f p   an d  f d   co mputed.   Ther e f or e,   for   var i ou s   f ch ,  at   R L =32  Ω,   d=5  cm,   t he  im pa ct   of  t he   f p   an d  f d   on   the   β   was   in vestigat ed,  the   ou tc om es a re show n  in   Fig ur e  4 .  As  ca n be  obser ve d  f r om  F igure  4 , th e  ma ximum ac hieve d  β at  f ch   of 28  kH z   is  62%  (at  t his  ef fici ency  the   ob ta ine d  P RL   is   10 1.8  W)  that   was   ac hieve d  at   f p =1 9  kHz,   f d =24  kHz.   T he   ne xt   highest  β  i.e .  61%  was  obta in ed  at   f p =1 9  kHz,  f d = 24  kHz,   a nd  f ch = 21  kHz  (at  this  e ff ic ie nc y  the   obta ine d  P RL   is  24 4.13  W) .   Ba sed   on  the   obta ine d  res ul ts,  the   ma ximu m   β   values   we re   occ urre d  at   f d ≈   f ch .   At  this   conditi on,  the   powe r  re flect ed  f r om   t he  sec onda ry   side  t o  the  pri mar y  side  r em ov e d.  T he  ob ta ine d  ou tc om es   are c orrelat ed wit h  the  ones  presente d  in   [14] . T he  maxi mum achie va ble  P RL   is 244.1 3 W  w as  obta ine d at  f ch >   f p .  At  this  co ndit ion ,  t he  ZV S  occ ur   since  t he  in ver te r  i ndu ct ively  loa de d;  this  make s  the  losses  of   t he   half - br i dg e  in ver te r  are near  to z er o  [14 ,  24] .      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele c  &  Dr i   S ys t,   V ol .  11 , N o.   4 ,  D ecembe r  2020   :   1693   –   17 00   1698       Figure  4 .  β a ga inst f ch   for vari ou s   f p   an d f d       As  it   is  known ,  high  β  with  P RL   is  an  el igible  outc om e .  Ther e f or e,  t he  op ti m um   β *P RL   factor   was  stud ie d.  The   obta ined   ou tc ome s  as   s how n  in  Fi gure   4   in di cat e  that  the   pe ak  value   i.e   149  ( P RL ≈   24 4  W  &  β≈  61%)  a cco mp li sh e d  at   f p   = 19  kH z ,  f d   = 24  kHz,  a nd  f ch   = 21  kH z   wh e re  f d ≈  f ch .   T he  sli ght  di ff e ren ce   be tween  f ch   an d  f d   beca us e  the  resist ive  loa d  ma de  of   c oppe r  wire   that  has  a  sm al l  ind uctanc e  wh ic h  e f fects  the  f d   value.  In  oth e r   w ords ,  acc ord ing  to   eq uatio n  ( 2) ,   the   real  f d   is   a  bit  belo w  t han  24  kH z   i.e.   f ch ≈   f d ;  w her e   at   this co ndit ion   zero ( or v e ry sl igh t am ount ) r eflect ed powe r  obtai ned.   The  f re qu e nc y  char act e risti cs  be hav i or   of   P RL   and   P in   ar e  an al ogous .  Ther e f or e,  onl y  the  P RL   is  pr ese nted   her e .  At  f p = 19  kH z,  f d =2 4  kHz  conditi on  (p ea k  β* P RL ),  the   impact   of  the   f ch   on   t he   P L   was   inv est igate d  impe rical ly  w he n  d= 5  cm,   P RL =32  Ω;   the   m easur e   u 1  e xper iment  value s  wer e   us e d  i n  the   I WPT   sy ste m ’s  mat he mat ic al  model to c ompu te  th e P L   f or  validat ion   pur pose, t he  outcome s are  shown i n  Fi gu re  5 .     As  ca n  be  see n,   Fi gure  5 ,  th e  P RL   decli nes  consi der a bly   a s  the  f ch   rise;   f or   eac h  sit uati on,  the  pea k  P RL   was   resu lt ed  w hen  f p   a   bi t  le ss  tha n  f ch .   T he  dif fer e nc e  bet wee n  t he  exp e rime ntal  a nd  sim ulati on  curves   du e  to  t he  l os s es of the  u lt ras on ic   ge ner at or  wh ic h  is  not co ns ide red in t he ma themat ic al   model.           Figure  5 .  P RL   a gainst  f ch   at   f p = 19 kHz,  f d = 24  kH z       4.3.   Misalig nmen t   At  pea k  β*   P RL   sit uation  i.e .  f p =19  kHz,  f d =2 4  kH z ,  f ch = 21   kH z ,  the  ai r - ga p  a nd   la te ral  m isa li gn me nt   var ia ti ons  imp act   on   the  P RL   wer e  r esearc he d;  the  outc ome s  are  il lustr at ed  in   Fig ur e   6.   A s  can  be   no te d,   Figure   6,  t he   two  c urves   have  same   be hav i or ;   w he re,   as   the   d  rise s  t he   PRL  s ha rp l y  ge t  do wn.  Simi la rly,  a s  the  L  rises  the   PRL  co ns ide r ably  decr ease s .  H ow e ver,  to   su pply  a  fixe d  po wer   of   go od   qual it y  an d  high  eff ic ie nc y  t he  misal ign me nt  s hould  be   av oide d.   A  mecha ni c  or  ma gnet ic   trap   ha ve  bee n  us e d  by  some   I WPT   s y ste ms  to  a vo id the mi sal ignment  [25].   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       Experime nta l  installati on  of  wi rel ess p ower  tra ns fe r syste m ba se d o n  t he  series - …  (Sar ab Al - C hla ih aw i)   1699       Figure  6 .  P RL   ve rsu s  d a nd L a t d=5 cm       5.   CONCL US I O N   This  wor k  has  researc he d   the   impact   of   t he  f ch ,  f p ,   an d  f d   in   an  IWPT  s ys te m  on   the  P RL   a nd  β.   T he  ou tc om es   pr oved  a n  opt imu m  f p ,  f d ,   an d  f ch   values   are   e xi ste   to  ac hieve   pea k  reac hab l e  β.  M ea nwhil e,  the re  are  oth e r  f p ,  f d ,   an d  f ch   val ues  to  ac hieve   pea k  reac hab le   P RL .  T he  im pe rical   outc om e s  de te rmin e d  t hat  f ch   an d  f d   sho uld  ha ve   same  values   ( or  al m os t  e qual )   with   f ch > f d   an d  both   s hould  be   a  bit  m or e   th an  f p   t o  ac hiev e  pea k  β*  P RL .   The   most   we   ca n  ta lk  about   that  t hes e  res ults  highli gh t   the   e nh a nc ements   in   our  work  by  stu dy i ng  th e   best  f p   an d  f d   values   to  be   tu ned  with   the   f ch   as  well   as   re gu la te   t he  f p   a nd  f d   i n  a  bit  t o  im pro ve  the   β*   P RL   factor.   T he  ultr aso nic  de vice  with   a dju sta ble  f ch   has  util iz ed  in  the   pri mar y  side  t o  s upply  it s  coil;   wh il e  t he  f p   and   f d   ha ve  be en  re gula te d  by  util iz ing   res onance  ca pacit ors.  Howe ver ,  s om e  ultraso nic   gen e rato r  li mit at ion s   are  worth y  of  no te   t hat  the  f ch   cannot  e xce ed  the   li mit   (17.5 - 28  kHz ).   The  c oils’  misal ign me nt  has   bee n  researc he d  as   well ;   the  ou tc ome s  ide ntifie d  that  as  t he  d  ha s  a  more  ne gative  im pact  on  P RL   than   L.   Howev e r,  the futu re  wor k  s houl d  i ncl ude a  stu dy of  hi gh e r  f re qu e nc y ran ges, f or e xam ple,  120 k Hz.       REFERE NCE S   [1]   M.  Al - Saad i  et  a l. ,   “C apaci t ive  p ower  tr ansfe r  for   wire l ess  batter i es  ch arg ing,”  EEA  -   Elec trote h.   E le c tron.  Aut om .,  vol.   66 ,   n o .   4 ,   20 18.   [2]     A.  Cr ăciune scu   et  al.,  “Ana lysis  and  Co mpa rison   of   Resonan ce  T opologi es   in   6. 6 kW  Wi re le ss   In duct iv e  Ch arg in g   for  Elec t ric Vehicle s B at t eries,”  Proce dia   Manuf . ,   vol .   32 ,   pp .   426 – 433,   2019 .   [3]   M.  Al - saa di   e t  a l.   “A  Compa r ati ve  Study  of   Cap a citive  Couple rs   in  Wi re le ss   Pow er  Tra nsf er , ”   2 018   Inte rnation a l  Symposium on  F undamental s of   El e ct rica l  Eng in ee ring ( IS FEE) ,   pp.   1 - 6 ,   2016 .   [4]   E.   A.   Hus sien  et   al . ,   “Com par at iv e  Study  of  Compe nsati on   Circ uit  Topol og ie s  in  6   .   6kW   Capaci t ive   Po wer   Tra nsfer   Sys te m , ”  2019   11th   Int .   Symp. A dv .   Top .   Elec tr .   Eng . ,   pp.   1 – 6,   2019.   [5]   S.  Al - Chlaihawi   et   al.,  “Ana lysis  of  Charg e  Pla te  Configura ti ons   i n  Un ipol ar   Cap a ci ti v e  Pow er   Tr a nsfer  Sys te m   for  Chargi ng  the   Elec tr ic   V ehi c le s  Bat teries,”  in  12 th  Int ernati onal   Con fe renc e  on  I nte rdisciplinarit y  in   Engi n ee rin g ,  2018.   [6]   S.  Al - Chlaihawi   et   al., “ Induc ti v e   Pow er  Tr ansfe r for Cha rging   th e   Elec tr ic Vehicle Ba t te ri es, ”   E EA ,   no .   4 ,   2018 .   [7]   S.  Al - Chl ai hawi   e t  al.,  “A   New   Analyt i ca l   Form ula  for   Coupli ng   Cap ac i ta n ce  of   Uni pola r   Capaci ti ve   Coupl er   in   Wi re le ss   Pow er  Tra nsfer  Sys tem, ”  in  2019  11 th  Inte rnat ional  Symposium  on  Adv anc ed  Topi cs  in  Elec tric al   Engi ne ering  ( AT EE ) ,   2019,   pp.   1 – 6.   [8]   M.  F.  C.   Jorget to  et  a l.,  “ Wi r eless   induc ti v e  p ower  tra nsfer ,   o rie nt ed  mod el in g  and  d e sign,”  2015  IEEE  13t h   Brazili an  Powe r   Elec tron .   Conf .   1st So uth. P ow er  Elec tron .   Conf .   COBEP /SPEC  2 016 ,   2015 .   [9]   D.  Kim   et  a l.,,  “ Stat e - of - the - a rt  l it er at ure   rev ie w  of  WPT:  Curre n t  l im i ta t ions  and   soluti ons  on   IP T, ”   E le c tr.   Power   Syst.   Re s. ,   vo l. 1 54,   pp .   493 – 502 ,   2018.   [10]   M.  A.   F.   Al - Qa i si  e t   al.,  “High   per forma n ce  DC /DC  buck   converte r   using   slidi n g  mod e   cont ro ller, ”   In te rnationa l  Journal  of   P owe r E lectronic s   an d  Dr iv e  S yste m  ( IJP EDS) ,   vol .   1 0,   no .   4 ,   p .   1806 ,   2019.   [11]   B.   R ege nsburger   e t   al.,  “High - Pe rform ance   L arg e   Air - Gap   C apa c i ti ve   W ireless  Po wer  T ran sfer   Sy stem  for   Elec tri c   Vehic l e  Cha rgin g, ”   2017   IE EE Tr anspor tat ion  Elec trif ic a ti on  Con fe renc e  and   Ex p o  (ITEC),   pp.   63 8 – 643,   2017 .   [12]   P.  S.   R .   N aya k   e t   al.,  “Per for ma nc e   analysis  of  seri es/pa r al l el  a nd   du al  side   LCC  com pensa t ion  topol ogi es  o f   induc ti v e  powe r transfer   for  EV   b at t ery   ch arg ing   sys te m,”  Front .  E nergy ,   2018 .   [13]   G.  Rit ur aj  e t  al . ,   “Ana lysis   an d  com p ari son  o f  seri es - serie s  a nd  serie s - p ara l lel  topo logy  of   c onta c tl ess  powe r   tra nsfer  sys tems, ”  IE EE R eg .   10   Annu.   In t. Conf .   Proce ed ings/TE NCON ,   vol. 201 5 - Janua ,   2015.   [14]   H.  L i  et  a l.,,  “ Study  on  eff i cie ncy  ma xi mi z at i on  design   prin c ipl es  for  Wi r el e ss   Pow er  Tra ns fer   sys tem  usin g   ma gne ti c   resona nt  coup li ng, ”  20 13  IEEE ECCE Asia  Downunder ,   pp .   888 – 892 ,   2 013.   [15]   D.  M.   Vilathga muwa  et  al.,  " Wi re le ss   power   tra nsf er  ( WPT)   for  elec tr ic  ve hic l es  (EVS) — Present  and  fu t ure   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele c  &  Dr i   S ys t,   V ol .  11 , N o.   4 ,  D ecembe r  2020   :   1693   –   17 00   1700   tre nds,"  Pl ug  in el e ct ric   v ehi c le s  in  sm art grids ,  p p.   33 – 61 ,   2015 .   [16]   J.  T.  Gonça lve s   et  al.,  “ Thre e - Phase  Unidir ec t io nal   Tra nsform e r le ss   Hybrid  Re c ti fier  with   Boost  Conver te r, ”  in  2 019  1st Gl obal   Powe r, Energy   a nd  Comm unic ation Confe ren ce ( GPECOM) ,   201 9,   pp .   158 – 163 .   [17]   Z.   Pan ti c   et  al.,  “Mult ifr eque n c y  induc t ive   pow er  tr ansfe r,”  IE EE   Tr ans.  Pow er  El e ct ron . ,   vo l.   29 ,   no.   11,   p p.   599 5 – 6005,   201 4.   [18]     M.  AL - SA AD I  et  a l.,  “M ax imum  Pow er  Point   Tracki ng   and   Pow er/ Volta g e  R egul a ti on  for   In duct iv e  W ireles s  Bat tery Cha rg in g, ” in  2019   Elec t ric  V ehi c le s In ter nati onal  Conf ere nce (EV),   2019.   [19]   C.   T .   Ri m  e t  al . ,   “In troduc t ion  t o  El e ct r ic   Ve h icles  (EVs),”  Wir el .   Powe r  Tr ansf.   El e ct r.   Ve h .   Mob.   Dev ices ,   p p .   43 – 49,   2017 .   [20]   M.  Al - saa d i,  et  al . ,   “Ne w  Analy ti c al   Formu la s  F or  Self - Indu ct an ce s  Of  Indu ct iv e ly  New  Ana lyt i c al   Formu la s  For   Self - Induc t ance s  Of  Induc ti ve ly  Couple d  Ring  C oil s  In  Wi r eless ,”  Univ .  Polite h .  Buc harest   Sc i .  B ull . ,   pp.   260 – 27 4,   2019.   [21]   X.  Ms g  et   al. ,   “Syste m  Ope rat ion   Manua l   Ultra sonic   Gen era tor   And  Pow er  Supply  Mmm,  Wi d eba nd   Multi fre qu enc y   Te chno logy  Sys t em   Oper at ion , ”   April,   p p .   1 – 70 ,   2007.   [22]   M.  Q.   Nguyen,  et  al.,  “A   Mu tual  Indu ct an ce  Ap proa ch   for   Opti mi z at ion   of   W ir el ess  Ene rgy   Tr a nsmiss ion, ”   Tex as   Symposium on Wirel ess and Mi crowave   C ircui t s and  Syste ms ,   p p.   4 – 7 ,   2014 .   [23]   W.   Zh ang  et   a l . ,   “Ana lysis  and   Compa rison  of   Seconda ry  Ser i es -   and  Para ll e l - Compe nsat ed  I nduct iv e  Pow er  Tra nsfer   Sys te m s  Opera ting  for   Optim al  Ef ficien cy  and , ”   Pow er   El e ct ron .  IEEE   Tr ans . ,   vol.  29,   no.   6 ,   pp .   2979 – 2990,   2014 .   [24]   S.  Valtche v   e t  al.,  “Cont ro l  for   t he  Cont ac t le ss   S eri es  R esona nt   Ene rgy  Conv erter, ”   in   Eme rgin g  Capabil it i es  a nd  Appl ic a t ions o f Wirel ess P ow er  Tr ansfer,   IGI Gl obal ,   2019 ,   pp .   1 02 – 140.   [25]   M.  Al - Saadi,   et  al . ,   “Com par ison  of  Spir al   and  Square   Coi l  Con figura t ions  in   W ire l ess  Pow er   Tr ansfe r  Sys te m   fo r   Conta ctless Batt ery   Charg ing,” i n  2019  E lectric  Ve hi cl es  In te rna ti onal  Con f ere n c e  (E V) ,   2019,   pp .   1 – 5.       BIOGR AP HI ES OF  A UTH ORS         Sara b  Al - Chlaih awi  was   born    i n    Naja f ,   Ira q ,   in   1973.     She  r ec e i ved  the   B . Sc.   de gre e  in   elec tr ical   engi ne eri ng/Uni ver sity  o f  Te chn ology  (Ir aq) ,   in   1995.   In   2012 ,   s he  r ec e ive d   th e  M.Sc.   d egr e e  i n     El e ct ri ca l     and    El e ct roni c  Enginee ring ,   Jawah a rla l   Nehru  techn ologi c al   Univ ersit y,   Hydera b ad,  India .   She     r ece ive d    th e     Ph.D .     degr ee    in     e le c tri c al  eng ine e ring/ Univer sity   Polit ehnica   of   Bucha rest ,     Ro ma ni a,     in    201 8.   Her  r ese ar ch    int er ests    con c ern :    powe r    e lectr oni c,     elec tri c   vehi c le s,   ren ew a ble   and  sus taina ble   ene rgy   sys tems.   E ma i l addres s:   inj . srb@ a tu. e du. iq            Adnan  Hasan   T awa fan   was   b or n  in   Kerba la,  Ir aq,  in   1971.   He   re ce iv ed  the  M.S.  degr ee  in   el e ct ri ca l   engi ne eri ng  from   Uni ver sity  of   T ec h nology,  Baghdad,  Ir aq  in  2002 ,   and   th e  Ph.D.   degr ee  in   e lectr i ca l   eng ine e ring   from  UT eM,   M al aysi a  in  2014 .   Since  2005 ,   h e   has  b ee n   with   el e ct ri ca l   t e chnica l  d epa rt me n t  in  Techni c al   In stit ute   of   Karba la ,   Ir aq.   His  r e sea rch   in te r ests  conc ern :   analysi s  and   design   of   distr ibut ion   sy stem ,   pro te c ti on ,   p ow er   q uality   i mprove m ent ,   power  elec troni c s a pplications   an d  r isk  m ana g ement .   E m ail  add re ss :   inkr. adn@ at u . edu.iq     Fati ma  Kadh em  Abd   was  born   in   Kerba la,  Ir aq,  i n  1968.   She   re c ei ved   th e  B .   deg ree  in   elec tri c al   engi ne eri ng   fro m  Univer si ty  of   te chno logy,  Bag hdad,  Ira q   in   19 90,   Sin ce  2000,   she  has  b ee n   wit h  el e ct ri ca l   t ec hn i ca l   dep art m ent  in  T ec hni cal  In stit ute  of   Karba la ,   Ira q .   H er  r e sea rch   intere sts  conc ern : ana lysi s of  distri bu ti on   sys te m.   E mail   a ddre ss :  fatima @ kit . edu. iq       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.