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 ,  No.   4 ,  Decem be r 202 0 , p p.   19 2 6 ~ 19 3 5   IS S N:  20 88 - 8694 ,  DOI: 10 .11 591/ ij peds . v11.i 4 . pp19 2 6 - 19 3 5        1926       Journ al h om e page :  http: // ij pe ds .i aescore.c om   Wireles s  chargin g system  for elect ric bicyc le applic ation       Nguye n Thi  D ie p 1 , Ngu ye n   Kien  Tr un g 2 , T ran  Tr ong  Minh 3     1,2  Depa rtment   of   Industrial  Auto ma ti on ,   H anoi   U nive rsity   of  Sci e nce   and Technol ogy,   Vie t  Na m   1,3  Depa rtment   of   Automation and   Control Engi n e eri ng  Technol og y,   E lectr i c  Pow e r  Univer sity ,   Vi e 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  A pr   2 6 , 2 0 20   Accepte d  M a y   21 , 20 20       Thi s  pape r   pre s ent s  a  d esign  o f  the   wir el ess  c har ging  sys te m   for  e - byke   appl i ca t ions.  Th e  double - side  L CC  com pensa ti o n  ci r cui t  is  used   to  a chieve   high  eff icien cy   and   r educ e   t he  vo lt - a mpe r e   ra ti ng.   A   ne w  consta n t  cur ren t /vol t age  ( CC/CV)  ch arg in g  con trol  m et ho d  a t   the  tra nsmi tt er   side   is   proposed  to  av oid  dua l  side   wire le ss   co mmunication.  Thi s   pape r   a lso  pre sents  a   simpl e  method  of   estimat ing   both the   coupl ing coe ff ic i ent   an d  lo a d   im ped anc e   only   from  th e  tr ans mi tter  side .   A  wire le ss   ch arg in g  sys te m  of   2. 5kW   is  bu il t .   Err or   in   th e  C C/CV  cha rg ing  mode   is  3 . 3 %   and   1 . 12%,   respe ctivel y .   Sys te m   eff i cienc y   re ac hes  92 . 1%  in CC c har g ing  mo de.   Ke yw or d s :   CC  ch ar ging   CV c hargin g   Ele ct ric b ic ycl e   LCC  co m pe nsa ti on  circ uit   Wireless c harg ing     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 :   Ngu yen K ie n Trun g,     Dep a rtme nt of  Ind us tria l A utomat ion ,   Hanoi  Un i ver si ty of  Scie nce a nd Tec hnolog y,    No.  1 Dai C o  Viet  Roa d,   Hai  Ba Tr ung,  Ha no i,  V ie t  Nam.   Emai l:  trung.n guye nk ie n1@ hust.e du.vn       1.   INTROD U CTION     Re centl y,  el ect ric  bicycles   (e - bik e )  a re   wi dely  us e d  instea d  of  the   m otorc yc le   to   re duce  a ir  po ll utio n  in  the  w or l d .  T he  us e rs  ar e  al mo st  stu de nts  and   w om e n.   T her e fore,  a  c onven ie nt  an d  saf e  chargin g  met hod  i s   necessa ry.  Ba s ed  on   wir el ess   po wer  tra nsfe r  (W PT )  te c hnology,   wireles s  c hargin g  sys te ms  c ou l d  be   do ne   automatic al ly a nd saf el y wit hout a ny  human  contac t wit h el ect rici ty  [1 - 3] .    In   wireless  cha rg i ng   s ys te m s ,  the  powe r  can   be  trans ferre d  from  the  tra nsmi tt er  side  to  the  receiv er   side  ov e r  a   sho rt  ai r  g a p  [ 4].   These  sy ste m s  hav e   a  l ow  co upli ng  co ef fici ent  le ads   to  high  reacti ve  pow er  a nd   low  e ne rgy  t ra ns fe r  e ff ic ie nc y.   The refore ,  t he  c ompe ns at ion  ci rc uit  is  use d  t o  r ed uce  reacti ve  powe r   an d  impro ve  s ys te m  ef fici enc y.  Ther e   a re  fou r  basic  c ompe ns at io n  ci r c uits,  wh ic h  a re  series - se ries,  s eries - par al le l,  par al l el - series,  a nd  par al le l - par al le l  [5].   These   c ompe ns at io ns   a r e  simple,   eas y  to  desig n,  an d  it   is  sensiti ve   to   th e  va riat ion  of  par a mete rs   [ 6].   Be sides ,  som e  ot her  c ompe ns at io n  ci rcu it s  are   us e d  t o  imp ro ve  eff ic ie nc y  a s  LCL,  CLL ,  L CC   com pe ns at ion  ci rcu it s.   H ow e ve r,   t he  L CL  co mp e ns at ion  ci rcu it   re quires   a  la rg e  c ompe nsa ti on   i nductan ce  val ue,   cl os e   to  t he  c oil’s   i nductance   valu e  [ 7 ,  8 ] .  A  ca pa ci tor  is  a dded   to  t he   LCL  com pe nsa ti on   ci rc uit  to  re duce  the   siz e,  the  c ost   of   ci rcu it   com pone nts  that  create s  a n  LCC   com pensat ion  ci rcu it   [ 9].  Al so ,   the   LCC   c ompen sat ion  c ircuit   ha s  res onant   f reque ncy  in dep e ndent   of  the  couplin g  c oeff ic ie nt,  loa d,   a nd  the  soft - s witc hing  c ondi ti on   f or  the   el ect ro nic  de vi ces  reac hed  [ 10 - 12 ] .    In  [ 13],  T he  C LL/S  c ompens at ion   ci rc uit  is  us e d  to   li mit   th e  inve rter   cu rrent.  Howe ver,  the  pa ramete rs   of  the   com pensat ion  ci rcu it   a re  relat ively   la rg e   t hat  is  dif ficult   t o  desi gn   hi gh  power  s ys te ms.   Be sides,   ef fici ency  i s   sli gh tl y  l ow e r  t han the  double - side d  LCC  c ompe ns at io n  ci r cuit.    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 char gi ng   syste m  f or   el ect ric  b ic ycl e app li catio n   ( N gu ye n Thi   Die p)   1927   The  oth er  pro bl em  with  wi reless  cha rg i ng   is   that  the  CC /C V  cha r ging  m odes  are  re qu ire d  to  ac hieve   high  cha rg i ng  ef fici enc y  a nd  li thi um - i on  pin  pr o te ct ion  [ 14 ,   15 ].   T he refor e ,  a   pro per  c hargin g  con t ro l   strat egy  is  requ ired.   T he  c harg ing  c on t ro l met hods  i n  the  W PT sy ste m con sist s o f  th ree ty pes: transmi tt er s ide   con t ro l,  receiv er  side  c on t ro l,   and   dual   side  con t ro l  [ 16 - 18 ] .  I n  these  met hods,  the  tra ns mit te r  side  co nt ro l  is   pr e ferred   beca us e  it   does n’ t  r equ i re  an y  a dd it ion al   DC/DC   co nv e rter.   H oweve r,   pa rame te rs  as  loa d,  co up li ng   coeffic ie nt  m ust   be   kn own   to  c on t ro l  at   the  tra ns mit te r   side.   More over,  i n  t he  wir el ess  cha r ging ,  the   vo lt age/c urre nt o f  the  b at te r y varies   d uri ng the ch a r ging pr ocess  [ 5,   19] .  Ther e f or e, t he batt ery  is  c on si der e d   a  var ia ble  loa d  duri ng  c hargin g .  Be side s,   to   hi gh - ef fici ency  chargin g,  the   e - bi ke  mu st   pa r k  i n  al ig nme nt   with   the  trans mit te r  to  receive  e ne rgy  f rom  the  t ran s mit te r.   H o wev e r,   t hat  is  no t  al wa ys   possible.  W he n  e - bi kes   park  in   misal ignment,   the  c ouplin g  c oeffici ent  al so   var i es  with  eac h  chargin g  [20 ,   21 ] .  I n  the  wi reless   chargin g, these  p a rameters  are  d if ficult  to  obt ai n  with out u sing wi reless c ommu nicat io ns .     The  CC /C V   ch arg i ng  is perfo rme d  by d esi gnin g  a   hy br i d  c ompen sat ion  ci rcu it   in   [ 22] . How e ve r,   t he   sy ste m  is  c ompli cat ed  beca use   it   need s  to  add   ca pacit ors ,  inducto rs,   a nd  switc hes.   In  [23],  the  CC /C V  is   performe d  via   AC  switc hes   that  the  sy ste m  requests  we ak  co mm un ic a t ion .  Howe ver,  it   le ads  to  con t ro l   dev ia ti ons  w he n  the   c om m unic at ion   si gn al   ja mmed.  In  [ 24],  the  CC   /  C V  c hargin g  ac hiev ed  th r ough  c oil  an d  com pensat ion   ci rcu it   desi gn.   Howe ver,  the   desig n  met hod  is  co mp li cat ed.   T he  s witc hing  f reque nc y  m us t   switc h  bet wee n  t he  CC   an d  CV  c hargin g  modes.   I n  [ 25] ,  the   CC /C V   c hargin g  has   pe rformed   at   only  t he  pr ima ry  side.  Howe ver,  the  l oad   e sti mati on   method  is  c ompli cat ed,   wh ic h  us e d  the  quad r at ur e  tra nsfo r mati on  al gorithm   to  measu re  act iv e  po wer .   Also ,   the   m utu a l  inducta nce   was   not  est i mate d  res ulti ng  in     inflexi ble contr ol.    In  this   pap e r,  the  LCC   c omp ensati on  ci rcu i t  is  desig ne d  f or  bo t h  t ran s m it te r  an d  recei ver  to   high  eff ic ie nc y  a nd  small   co mp e nsa ti on   ci rcu it   el ements   val ue.  The n,   a  new  C C/ CV  cha r ging   co ntr ol  m et ho d  only  on  the   tra ns mit te r  side   is  im plement  t hat  ba s e  on  a   ne w   hi gh  acc ur ac y  est imat ion  meth od   of  bo t h  par a m et ers  li ke  the   c oupling  c oeffici ent  and  loa d.  A   2. 5  kW  wireless   chargin g  syst em   has   buil t  to   ver if y  the   fea sibil it y  of   the  propose d  method.   Sect io n  2  prese nts   a   sy ste m   str uctu r e  an d   LCC   c ompe ns at io n  ci r cuit  de sig n.   Se ct ion   3  pr ese nts  t he  C C/ CV  cha rg i ng  c on t ro l  meth od.  Sect i on  4  pr ese nts  t he  si mu la ti on  a nd  exp e rime ntal  r esults.  Con cl us io ns  a r e g ive n  i n  sect i on 5.       2.   SY STE M  ST RUCTU RE  A ND LC C CO MPEN SA TI O N CIRC UIT  D ESIG N    The   wireless   c hargin g  syst em   str uctu re  is   s how n  in   Fig ure  1.  At   the   tra nsmi tt er  side ,  t he   DC   vo lt age   is  co nverted   i nt o  a   hi gh - f re quenc y  al te rn at i ng  vo lt age   by  a  sin gle - ph a se   in ver te r   for   the  mag netic   c oupler .  The  tra ns mit te r  side  c ontroll er  pe rforms   C C/ CV  chargin g  co ntr ol  th rough  me asu rin g  resona nt  cu rrent  an d  inv e rter  DC   in pu t  powe r.  T he   pri mar y  si de   LCC   co mp e nsa ti on   ci rc uit  is   us e d  t o  reduc e  reacti ve   po w er,  a nd  achieve   s of t  s witc hing  f or  M O SFET s.   T hen,  e ne rgy  is   tran sfe rr e d  t o  the   recei ver  side  via   th e  mag netic   coupler .  T he   r ecei ver  side   L CC   com pe ns at ion  ci rc uit  is  use d  t o  ma ximize   tra ns fe r  e ff i ci ency .   T he   ob ta ined   AC  volt age   on   the  receive r  c oil  via  t he  LC C  com pe ns at io n  ci rc uit  is  rec ti fied  an d  filt ered  to  c harge   f or  the   batte ry.   At  t he   tra ns mit te r   side,   the   e qu i va le nt  loa d,  a nd  the  c ouplin g  c oeffici ent  a re   est imat ed.   The n,  the   transmitt er  sid e co ntr oller is  desig ne d  to  contr ol CC/ CV c hargin g mo des .       T r a n s m i t t e r   s i d e   c o n t r o l l e r T r a n s m i t t e r   s i d e L f 1 C f 1 C 1 L 1 i 1 U D C A B S 1 S 3 S 4 S 2 u A B I D C i L f 1 L 2 C 2 C f 2 L f 2 i 2 i L f 2 U b I b R e L C 0 a b D 1 D 2 D 4 D 3 u a b B a t t e r y R e c e i v e r   s i d e R e b C { R e L . o p t S =   i e L     Figure  1.  S ys te m s tr uctu re  diagr a m        W he n   the  batte ry   c hargin g  process  is  slo w,   the  batte ry  can  be  m ode le d  as  a  resist or   R eb  wh ic h  dep e nds  on the  b at te r y’ s  stat e  of cha rg e  [5,  25]. T he batt ery eq uiv al ent  r esi sta nce ca n be e xpresse d  as   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                   IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele c  &  D ri   S ys t,   V ol .  11 , N o.   4 ,  D ecembe r  2020   :   19 2 6   –   19 3 5   1928    =   (1)     wh e re U b ,   I b   is  the  c hargin g  volt age,   cha rg i ng  c urren t ,  re spe ct ively. When  igno rin g  powe r  los ses on  rect ifie rs,   the equivale nt  load resist ance /c ur re nt   see n from t he   in put  of   the  recti fier is  expresse d  as  fo ll ow s:      = 8 2    (2)    = 2 √ 2   (3)     Wh e n  t he  in ve rter   out pu t  vo lt age   a nd   recti fier   in pu t  vo lt a ge   are  ap pro xim at ed  as  sin usoidal  sour ces,   the  e qu i valent  ci rcu it   is  giv e n  in  Fig ur e   2.   Wh e re   L i   is  c oi l's  sel f - in duct ance ,  M  is  the   mu tual   in du ct a nce,   L fi ,  C fi ,  C i   are  co mp e ns at io n  in du ct or   a nd   ca pa ci tors ;  i  (i=  1,2 )  ind e x  of   pa rameters  at   th e  transmitt er,  r ecei ver     side,  res pecti ve ly.       j ω M I 1 i L f 2   =   i e L U e L L f 1 C f 1 C 1 L 1 i 1 u A B j ω M I 2 R 1 i L f 1 C f 2 C 2 R 2 L 2 i 2 Z s R e L Z p Z L 1     F igure  2. Eq ui valent circ uit       Ign or e  inter nal   resist ance  of  coils,  the  f unda mental   ha rm on ic s  a ppr ox i mati on   met hod  is  us e d  to   analyze   the  w orkin g   pr i ncipl e   of  the   res on ant  ci rc uit .  T he   trans mit te r  a nd  recei ver  co il   hav e   desi gned  the   same. T he refore , th e  f ollow i ng   par a mete r s a re th e   same:     { 1 = 2 = 1 = 2 =  1 = 2 =    (4)     The  res ona nce   fr e qu e nc y  is  desig n  to  be  equ al   to  t he  inv e rter  s witc hi ng   f re qu e nc y,  ω  =  2πf sw .  P aramete r' s   rel at ion s hip  i n  th e res on a nt circ uit  is   sho wn as  foll ow s .       = 1 2    (5)   = 1 2 ( −  )   (6)     The  s ys te m  out pu t  powe r  ca n be  e xpresse d  a s foll ow s      =  2     (7)     Com bin e  ( 5) ,   (6),   a nd  (7),  the  c ompe ns at ion  ci rc uit  pa r amet ers  for  t he   sy ste m  are   cal culat ed  a nd  dep ic te d i n Ta ble 1.       Table  1.   Sy ste m   pa ramete rs   Para m eter   Valu e   Para m eter   Valu e   P out   2 .5  kW   L i   1 1 0  μ H   U DC   3 1 0  V    R i   0 .15  Ω   U b   3 3 0 V  –   420V   C i   3 0 .9 μF   f sw   4 0  kHz   L fi   5 8 .7 μH   R eL . o p t   3 2  Ω   k   0 .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       Wi rel ess char gi ng   syste m  f or   el ect ric  b ic ycl e app li catio n   ( N gu ye n Thi   Die p)   1929   3.   PROP OSE D T RANS MITT ER SI DE  CONTROLL E R   3.1.   Theoretic al  a na ly sis    An al yzin g  t he   ci rc uit  of  Fig ure   2  wh e n  c onside rin g  t he  i nter nal  re sist ance  of  t he  tra ns mit te r  a nd   receiver  c oils, the  fo ll owin g re la ti on sh i ps   have d rawn:      = 2 2 ( 2 ) 2 + 2  1   (8)    = 2 2 ( 2 ) 2 + 2   1   (9)     wh e re  R i  is  c oil  internal  resist ances,  I 1   is  res on a nt  c urren t  o n  tra ns mit te r  coil.  At  a   fixe d  re sona nt  f requen c y,   from  (8),   (9)   s how  that  I eL ,  U eL   dep e nds  on  k ,  R eL,   an d  re s on a nt  cu rr e nt  I 1 .   The  c ouplin g  coe ff ic ie nt  ( k)   var ie s   accor ding  t o  t he  po sit io n  be tween  t he  re cei ver   a nd  tra ns mit te r.   T he   eq ui valent   re sist ance  ( R eL )   var ie s   accor ding   to   th e  batte r y   c harg ing  sta te .  If  t he se  par a mete rs   are  est imat e d,  the  CC /C V   c ha rg i ng  is   possi bl e  via  transmitt er  sid e res on a nt c urr ent ad j us tme nt.   The res on a nt c urren t i s   ex pr e ssed   by:     11 2 AB f A B f U I j C U j L = − = −   (10)   It  sho ws  that  t he  tra ns mit te r  resona nt  cu rr e nt  I 1   c ou l d  be  con t ro ll ed   by  regulat ing  in ve rter  ou t pu t   vo lt age   (U AB ) .  The  phase - sh i f t  meth od  is  us e d  t o  a dju st   the   RMS   of  U AB .  The  PWM   sig na ls  f or  S 1 ~S 4   a nd  the   ph a se - s hift  in ve rter  outp ut  volt age  is  giv e n  in  Fig ur e  3.   T hro ugh  the  firs t  har m onic   ap pro ximati on,  U AB   is  giv e n   as   [ 26]:      = 2 √ 2   2   (11)     wh e re  α  is  the  ph a se - s hift  a ngle   of   the   res on ant  in ver te r .  T he  eq uatio ns   ( 8)   t o  ( 11)  s ho w  the  a bili ty  to   con t ro l   CC  / CV c harg ing   by a dju sti ng the  phase  sh i ft angle   of  t he  i nv e rter.       α   U A B U D C θ   θ   θ   12 , SS 34 ,S S - U D C     Figure  3. The   PWM si gn al s  a nd phase - s hift  inv e rte r   ou t put wa veform       3.2.   Estima te the c ou pli n g  c oeffici ent and  equi va le n t  resi s tance fr om only   th e  transmi t te r side   To   ma ke  est im at es  of  c ouplin g  c oe ff ic ie nc y  and  e qu i valent   resist ance   only   f rom  t he  t ran s mit te r  side ,   the  ci rcu it   dia gram  Fig ure  2  i s  analyze d.   T he   equ i valent  impe dan ce  of  the  recei ver   si de   seen  into  t he  receiver   coil ca n be   ex presse d :     = 2 + ( 2 ) 2    (12)     The  e quivale nt  impe dan c e  of   the tra ns mit te r si de  see n  int o  t he  tra ns mit te r c oil can  be   ex presse d :     = 2 2   (13)   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                   IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele c  &  D ri   S ys t,   V ol .  11 , N o.   4 ,  D ecembe r  2020   :   19 2 6   –   19 3 5   1930   The  im pe dan ce  of c oil L1  c an   be  e xpresse d :     1 =  1 + 1 + =  1 + 1 + 2 2   (14)    { 1 } = 1 + 2 2 = 1 1 2   (15)     If  t he  lo sses  on  the c ompen sat ion  ci rcu it  ele ments a re ign ored ,   the n:      { 1 } ≈  1 2   (16)     Wh e re  P DC   is  inv e rter  i nput   DC  power.  Com bin in g  t he   eq uations  ( 14)   an d  (16 ),   t he  c ouplin g  coeffic ie nt ca n be e xpres sed:     = √ (  1 2 − 1 ) ( 1 ) 2   (17)     Usu al l y,   the  wireless  c harg ing   s ys te m  for  e - bik e  is  th e  sta ti c  char gi ng   sy ste m .  W hen   sta rtin g  chargin g,   t he  ve hicle   posit ion  is  fixed.  Th er efore,  from  e quat ions  ( 12)  a nd  ( 17),   t he  pa r amet ers  are  est imat ed  by the  f ollow i ng tw o  s te ps :   Step  1:  W hen  sta rting  the   c ha rg i ng  process,   the   r ect ifie r   a nd  batte ry  a re  cut  off  a nd  re pl aced  by  a n  op ti m um  re sist ance  (R L.opt )  a s   s how n  i n  Fig ur e   1.  T he  c ouplin g  c oeffici ent  is   est imat ed  a s  ( 17).   T he n,  the   couplin g  c oeffi ci ent   val ue  is  r emembe re d.   Step  2:  Af te r  t he  co upli ng   c oe ff ic ie nt  val ue   has  bee n  c ollec te d,   the  op ti mu m  resist anc e  load  is  cut   off.   The  equiva le nt  resist ance   value  is  esti ma te d  co ntin uous l y durin g  c hargi ng :      = ( 2 ) 2 − 2   with  = (  1 ) 2  1 2 − 1   (18)     Th us ,  by  mea su r i ng  the  val ues  of   i nv e rte r  in pu t  DC  powe r  a nd  RM S  of  re sona nt  curre nt,  the   couplin g  c oeffi ci ent and e quiv al ent r esi sta nce  are  est imat e d.     3.3.   Analy sis of t h e propos ed c ontr oller   The  blo c k  dia gram  of  the   cl ose d - l oop  c ontr ol   is  give n  in  Figure  4.  T he  R M S   of  res on a nt   curre nt  an d  input  DC  power  of  t he  i nverter   is  meas ur e d.  First,   th e  co upli ng  c oe ff ic ie nt  is   es ti mate d  by   ( 17)   an d  remem bered .  L at er,  the  eq uiva le nt  load   is  es ti mate d  acco rdi ng   t o  ( 18)   duri ng  proce ss  CC /C V  cha r ging.  Final ,   the  value   of  e quipme nt   loa d  c urren t   /v oltage   is  cal culat ed   by  ( 7) ,   (8).  T he   value   of  I eL /U eL   is  c ompa red  with  I eL.ref /U eL.ref ,  th e  erro rs  a re  f ed   into  t he   PI  ( C C/ CV)  c on tr oll er  that  c reates  t he  ph a se - s hifte d  a ng le .   T he  tr ansf e r  functi on  of  the   ob je ct   is  ide ntifie d  by  P SIM  simulat ion   s oft war e .  The n,   C C/ CV  chargin g  con t ro ll er  desi gn e d  as b el lo w.  Th us, the  CC /C V  c hargin g proces s is p e rfo rme d.      .  ( ) = 2 . 6 + 25 . 1 0 4   (19)    .  ( ) = 0 . 01 + 200   (20)       I e L . r e f / U e L . r e f P I P h a s e   p h i f t e d   a n g l e M o s f e t   d r i v e r I 1 - R M S P D C E s t i m a t e ( 1 7 ) ,   ( 1 8 ) k R e L C a l c u l a t e   I e L ,   U e L   ( 8 ) ,   ( 9 )     Figure  4. Cl os e d - l oop  c ontrol  blo c k diag ra m     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 char gi ng   syste m  f or   el ect ric  b ic ycl e app li catio n   ( N gu ye n Thi   Die p)   1931   4.   SIMULATI O N AND E XPE RIM E NT  RE SU LT S   4.1.   Simul at i on  re sults   The  ci rc ular  c oi l  structur e   is  use d  to  buil d  th e  trans mit te r  and   receive r.   W hen   misal ignm ent  bet ween   the  tra nsmi tt er  and  receive r  is   var ia ti on,   2D/   3D  F EA   sim ul at ion  res ults  of  the   c ouplin g  c oeffici ent  a re   s how n   in  Fig ur e  5 .  Th e  resu lt s  s how  that  wh e n  misal ign me nt  bet w een  the  tra nsm it te r  and   the  re cei ver   inc rease s,  the   couplin g  c oeffici ent  dec reases .  The   co upli ng  coeffic ie nt  eq ua l  to  0.2 5  is  th e  highest  wh e n  the  tra ns mit te r   an d  receiver  ali gn.     The  wireless  dynamic  c harg ing   s ys te m  is  simulat ed  by   PSIM  s of t ware  to  eval uate  the  pr opos e d  desig ns . S imul at ion   m od el  u s ing   the p ara me te rs   giv e n  in  T able  1.   Fi gure 5 b  (k.est)  s how  the  est imat io n  res ult  of the c ouplin g coe ff ic ie nt t ha t est imat ed  an   error o f  le ss t ha n 2%.         (a)         (b)     Figure  5.  FE A s imulat ion an d est imat ion   res ult o f  the   co upli ng  c oe ff ic ie nt ,  ( a)  3D si mu la t ion   res ult, (b)   2D  simulat ion an d t he  est imat io n resu lt       Figure  6  sho ws   the  res ults  of  a  cl os ed - lo op  s imulat ion  o f  t he   CC /CV   chargin g  pr ocess.   The  c ouplin g  coeffic ie nt  is  e sti mate d  at   the   beg i nn i ng  of  t he  ch ar ging  pr ocess.   The  val ue  of  e qu i vale nt  loa d  impe da n ce  is   change d  withi n  a  ra nge  of  10  Ω  to  200  Ω  durin g  sim ulati on ,  w hich  c orrespo nd s  t o  th e  chargin g  sta te   of   th e   batte ry.  Fig ur e   6(a)   s hows   C C  cha rg i ng  mode  simulat io n  resu lt s   with   a   ref e ren ce   valu e  of   7 . 5   A.  W hen  th e   batte ry   e quival ent  resist ance  ( R eb )  cha ng es  from  15Ω  to  25   Ω,  simulat io n  r esults  ind ic at e  that:   batte ry   c urre nt   is  mainta ine d  to  re fer e nce   va lue  with  a n  error  of  3.3% ,   batte r y  volt age  i ncr eases   f rom  112V  t o  180V ,   est imat ed  loa d  resist ance  ( R eb .est )  va ries  from   15. 3  Ω   to   24. 8  Ω   with   a n  es ti mati o n  e rror  of   1.4 % .  Fig ure  6 ( b )  sh ows   CV  c ha rg i ng  m od e   simulat ion  re su lt s  with   a  re fer e nce  value  of   400  V .  Wh e n  t he  batte ry  eq ui valent   resist ance   ( R eb )  c ha ng es   from   1 20Ω   to   15 0Ω ,  sim ulati on  re su lt s  in dicat e  t hat:  batte r y  vol ta ge   is   mainta i ned  to  ref e ren ce  val ue   with  a n  er r or  of   1.12 % ,  ba tt ery   cu rrent  decr ease s  f rom  3,2 9  A  to  2.6 4  A ,   est imat ed  loa d  resist ance  ( R eb .est )  va ries f r om   118Ω  t o 1 47 Ω   with a n  est imat ion  e rro r  of   1.8 %.     Figure 7  g ives  w ave f or m   sim ulati on  r es ults in  the  ca ses  in  Figure 6   at   ste ady - sat e.   Fig ure  7(a)  s how s  to  co ntr ol  the  const ant  cha r gin g  cu rr e nt  in  t he  sim ulati on   case,  the  phase - sh i ft  an gle  ( α )   reduces  from   28 0   t o  -6 -2 2 6 0 0 .05 0 .1 0 .15 0 .2 0 .25 0 .3 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 y   (cm ) C o u p lin g   co ef f icien t x  ( cm ) 0.25- 0.3 0.2-0 .25 0.15- 0.2 0.1-0 .15 0.05- 0.1 0-0.0 5 0 0 .05 0 .1 0 .15 0 .2 0 .25 0 .3 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 C ou plin g  coef f icie n t Cen tral  m isalig n m en t  (cm ) k .sim k .est Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                   IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele c  &  D ri   S ys t,   V ol .  11 , N o.   4 ,  D ecembe r  2020   :   19 2 6   –   19 3 5   1932   25 0 .  Ze ro  vo lt age  s witc hing   for  MOSFE T  is  achieve d  wi th  a  maxim um   I off   of  2.5 A.  F igure  7( a )  s ho ws  t o   con t ro l  t he  c on sta nt  ch ar ging  vo lt age   in   the   simulat ion  cas e,  the   ph ase - s hi ft  an gle  inc rea se  f rom  97 0   to   113 0 .  The  vo lt age/c urre nt  wa veform  of  the  M O S FET,  in  t his  c ase,  is  show n  in  Fig ur e  7( c ).  The  tw o  le gs   of   t he   inv e rter  are  operate d  in  tw o  diff e re nt  sta te s  of   soft  s witc hing.  T he  S 1/ S4   M O SFET   op e rates  in  t he   zero   vo lt age   s witc hi ng  c onditi on  a nd  S 3/S 2  MOS FET  operates   i n  t he  ze r o  c urr ent  s witc hing   c onditi on.  The   S1 /S 4  has  tu r n - off  lo ss  an d  S 3/S 2  has  tu r n  on - lo ss.  T he  Z VS / ZCS  co ndit ion  de pends  on   t he  ph ase - s hift   an gle    a nd loa d.           (a)   (b)     Figure  6. Cl os e d - l oop   CC /C V char ging   sim ul at ion   resu lt s ,  (a )   CC  cha rg ing,  ( b)  CV c h arg ing         (a)       (c)     (b)     Figure  7.  S im ul at ion   wa ve for m , (a)  C C   ch arg ing  mod e ,   (b)  C V c har ging   mod e ,   ( c)  Si mul a ti on   wave form   of   MO S FET  voltag e/ cur r ent i n  CV   cha rging   mod 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 char gi ng   syste m  f or   el ect ric  b ic ycl e app li catio n   ( N gu ye n Thi   Die p)   1933       Figure  8. The   wireless c hargi ng  syst em e xperimental  set up           Figure  9. The   vo lt age/c urre nt w a veform  of inv e rter i n  CC  c hargin g mo de       4.2.   Ex peri ment  r esults   A  wi reless  c ha rg i ng   sy ste m   with  a  2.5kW  has  bu il t  in  t he   la borato ry  as  in  Fig ur e   8 .  P olypr opyle ne  film  capa ci tors  are   us e d  i n  c ompe ns at io n  ci r cuits  to   re du ce   losses  a nd  i ncrea se  hi gh  c urre nt  tolera nce   in   high - fr e qu e nc y  s ys t ems. C 3M02 8009 0D SI C s  ar e   us e d  t o   im prov e   in ver te r  ef fici ency .   The  e xperime ntal  res ult  wa veforms  of  in ver te r   ou t pu t  vo lt age/c urre nt   in  CC   c ha rg i ng  m ode   ar e   sh ow n  in  Fig ure  9.  D uri ng  t he  CC   cha r ging  process,   cu rrent  cha rg i ng  is  mainta ine d  by  8.5A ,   t he  Z VS   is   achieve d  perfe ct ly,  the ZCS  c on diti on  is  al so  al mo st  ac hiev ed.  Th e   ma xim um   e ff ic ie nc y  r eaches 92. 1%  at   2.5   kW in t he  CC   chargin g mo de  when t he recei ver an d  tra nsm it te r  are ali gne d .       5.   CONCL US I O N   The  pa per  pro po s es  to   pe rfo rm  a   wireless   cha rg i ng  syst em  f or  e - byke .   T he  double - sided   LC C   com pensat ion  ci rcu it   is  de sig ned  that  the   ad van ta ge  of  hi gh  ef fici enc y  a nd  re sona nt  f re qu e nc y  reg a rd l ess  of  the  co upli ng   c oeffici ent   an d  load.   The  CC / CV  cha rg i ng  c on t ro l  is  perfor med  on l y  f r om  the  tran smit te r  side.   Also ,   t he  pa pe r  pro poses  a  si mp le   meth od  t o  e sti mate   bo t h  t he   loa d  a nd   the   c ouplin g  coeffic ie nt  bas ed  on   measu red  par a mete rs  su c h  as   RM S  of  reson ant  c urren t   a nd  i nput  DC   po wer  of  the   in ve rter.   T he  si m ulati on   and  e xp e rime nt al   resu lt s   ve rif y  t he  feasibil it y  of  th e  pro po s ed  met hod.  A   2.5  kW  wireles s  ch ar ging  sy st em   is   bu il t . T he maxi mu m   cha r ging   eff ic ie nc y reac hes 9 2.1%.        ACKN OWLE DGE MENTS     This  researc h  is  f unde d  by  t he   Ha noi  U nive rsity  of  Scie nc e  an d  Tech nology   ( HUST)   unde r  project   numb e r  T 2018 - PC - 054.       REFERE NCE S    [1]   V.  Kindl ,   R.   Pe cha nek ,   M.   Z av rel ,   and   T.  Kav al ir ,   “In duc ti v e  coupl ing   sys te m   for   E - b ike  wir e le ss   ch arg ing , ”   i n   2018  ELEKTRO ,   Mikulov ,   May   2018,   pp .   1 – 4 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                   IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele c  &  D ri   S ys t,   V ol .  11 , N o.   4 ,  D ecembe r  2020   :   19 2 6   –   19 3 5   1934   [2]   D.  Ian nuz zi,  L .   Rubino,   L .   P.   Di   Noia,   G .   Rubin o,   and  P .   Marino ,   “R esona nt  indu ct iv e  power  t ran sfer  for  an  E - bik e  cha rging   station, ”  E le c tric P ower   Syste ms   R ese ar ch ,   vo l. 140, pp.  631 – 642,   Nov.   2 016 .   [3]   F.  Pell i tt er i,  M.  Caruso,   V.  C astiglia,  R.   Miceli,  C.   Spataro,  and  F.  Viola,  “ Expe r im ental  Inv esti g at ion  on   Magne t ic  Fiel d  Eff e ct s   of  IPT  for   Elec tri c   Bike s,”   E lectric  Powe r  Compone nts  and   Syste ms ,   vol .   46 ,   no.   2 ,   p p.   125 – 134 ,   Jan .   2018 .   [4]   Z.   Bi ,   T .   Kan,   C .   C.   Mi,  Y .   Zhang,  Z.   Zha o ,   and   G.  A.  Keoleia n ,   “A  rev ie w  of  w ire l ess  power  trans fer   for  el e ct r ic  vehi c le s: Prospe ct s to   enh anc e   su stai nable mobil ity,”   Appl i ed Ene r gy ,   vo l. 179, pp.  413 – 425,   Oct .   2 016 .   [5]   S.  Li   and  C .   C.   Mi,  “ Wi re le ss   Pow er  Tra nsfer   f or  El e ct r ic   Veh i cl e  Appl icati ons , ”  I EE E   Journal   of  Eme rging   an d   Sel e ct ed   Topics  i n  Powe r  Elec tro nic s ,   vo l. 3, no.  1,   pp .   4 – 17 ,   Mar .   2015 .   [6]   D.  M.  Vi la thg a muwa  and   J.   P.  K.  Sampath,   “ W ire l ess  Pow er  Tr ansfe r  ( WPT)  fo r  Elec t ric  Vehi cles  (EVs) — Present   and  Futur e  Tre n ds,”   in  Pl ug   In  El e ct ric   V ehicles   in  Smar t   Gr ids ,   S.   Rajakar un a ,   F.   Shahni a,  an d  A.   Ghos h,   Ed s.   Singapore :   Sprin ger   Singapor e, 2 015,   pp .   33 – 60 .   [7]   C. - S.  W ang,  G.  A.  Covic,  and  O.  H.  Sti el au ,   “ Inve stigating  an   LCL   Loa d   Res onant   Inv ert er   f or  Induc t ive   Po wer   Tra nsfer   Applica ti ons,”   IE EE   Tr a ns.  Powe r   Elec tr on. ,   vol. 19, no.  4,   pp .   995 – 1002 ,   Jul.  2004 .   [8]   U.  K.  Mad awa l a   and  D .   J.   Thr imawitha n a,  “A  B i dire c ti ona l  Indu ct iv e  Pow er  In terfac e   for  Elec tr i c  Vehi cles  in   V2G  Sys te ms,”   I EEE  Tr ansacti ons on Indus trial   E le c tronic s ,   vo l. 58, n o.   10 ,   pp .   4789 – 4796,   Oct .   2011 .   [9]   Z.   P antic ,   S.  Ba i,   and   S.  M.  Lu kic ,   “Z CS   $LC C$ - Compe nsat e d  Resonant   Inv e rte r  for  Indu ct iv e - Pow er - Tra nsfe r   Applic a ti on, ”  I E EE   Tr ansacti ons   on  Industrial   E l ec troni cs ,   vo l. 5 8,   no .   8 ,   pp .   350 0 – 3510,   Aug.   20 11 .   [10 ]   S.  L i,  W.  L i,  J.   Deng,  T.  D .   Nguyen,  and   C .   C.   Mi,  “A   Double - Sided  LCC   Com pensa ti on   Ne twork  and   I ts  Tuni n g   Method  for  W ir el ess  Pow er  Trans fer , ”  I EE E   Tr ansacti ons  on  V ehi cu lar  Techno logy ,   vo l.   64 ,   no .   6,   pp .   2261 – 22 73,   Jun.  2015 .   [11 ]   T.   Kan ,   T . - D.  N guyen,   J.  C .   Wh i te ,   R .   K.  Ma lha n ,   and  C .   C.   Mi ,   “ A  New  Inte gra t i o n  Method  for  a n  El e ct ri c  Vehi cle  Wi re le ss   Charging  Sys te m  Us ing  LCC  Comp ensa ti on  Topol o gy:  Analysis  an d  Design, ”  I EEE  Tr ans.  Power   El e ct ron. ,   vol .   3 2,   no .   2 ,   pp .   163 8 – 1650,   Feb .   20 17 .   [12 ]   Sizha o  Lu,   X ia o ti ng  Deng ,   We n bin  Shu,  Xi aoc h ao  W ei,  and   Siq i  Li,  “A  New  Z VS   Tuni ng  Met hod  for  Double - Sided  LCC   Com pensa te d   Wirel e ss   Pow er  Tra nsf er  Sys te m , ”   En e rgies ,   vol .   11 ,   no .   2 ,   p .   307 ,   Feb .   2018 .   [13 ]   A.  F.  A.  Azi z,   M.  F.  Roml i e,  a nd  T.   Z.   A.   Zulkifli,  “CLL/S  D et uned  com p ensa ti on  n et work  f or  el e ct r ic   v ehi c le s   wire le ss   ch arg in g   application , ”   I nte rnational   Jou rnal  of  Powe r  E le c tronic s  and   Dr iv e  Syst ems  ( IJP EDS) ,   vol .   1 0,   no.   4 ,   pp .   2173 – 2181,   De c. 2019 .   [14 ]   We ix ia ng   Shen ,   Tha nh  Tu   Vo, a nd  A.  Kapoor, “C har ging  a lgori t hms o f  li th ium - i on  bat t eries:  An  over vie w, ”  in   20 12   7th  IE EE Conf er enc e   on  Industri al  E le c tronic s a nd  Applications  (ICIE A) ,   Jul.   20 12,   pp .   1567 – 15 72 .   [15 ]   K.  Na,   H.  Ma ,   G.  Namgoong,   K.  A.  Kim,   J. - H.  Jung,  and  F.   Bie n,   “Ste p - ch arg ing  t ec hniqu e  for  CC/CV  m ode   bat t ery   cha rg ing   with  low - cost  c ontrol   com pon e nts  in  IPT  sys te ms,”   IET  Pow er  El e ct ronics ,   vo l.   11,   no .   15,   pp .   2523 – 2530,   De c .   2018 .   [16 ]   J.  M.  Mill er ,   O.   C.   Onar,   and  M.  Chint hav al i ,   “Prim ary - Sid e  Pow er  Flow  Con trol   of  Wi r eless   Pow er  Tra nsfer  for  El e ct ri c  Veh ic l e Chargi ng, ”  I EEE  J .   Eme rg.  S el. T opic s P ower  Elec tron. ,   vo l. 3, n o.   1 ,   pp .   147 – 16 2,   Mar .   2015 .   [17 ]   B.   Pang ,   J.   Den g,   P.   L iu,  and   Z .   W ang,  “Se cond ary - side   power  c ontrol   me thod   f or  double - side   L CC  com p ensa ti o n  topol ogy  in   wir el ess  EV  cha rg e r  application , ”   i n  IECON  2017  -   43rd  Annual  Confe renc e  of   t he  IE EE  Industrial   El e ct ronics  So ciety ,   B ei j ing, Oct .   2017,   pp.   7860 – 7865 .   [18 ]   T.  Diekh ans  an d  R.   W .   De   Doncke r,  “A  Dual - Side  Contro lled   Induc ti ve   Pow er  Tra nsfer   Sys t em  Op ti m iz ed   f or  La rge   Coupli ng  Fact or  Var ia t ion s  and  Partial  Lo ad, ”   IEEE  Tr ans.  Pow er  Elec tro n. ,   vo l.   30 ,   no .   1 1,   pp.   6320 – 632 8,   Nov.  2015 .   [19 ]   D.  H.   Tr an,  V.   B.   Vu,   and   W.  Choi,  “D esi gn  of  a  High - Eff icienc y   Wi re le ss   Pow er  Tr a nsfer  Sys te m   with   Inte rm edi a te  Co il s  f or   the  On - B oar d  Ch arg ers   o f  E lectr i c   Vehi cles,”  IE EE  Tr ans.  Powe r   E le c tron. ,   vol .   33,   no .   1,   pp.   175 – 187 ,   Ja n.   2018 .   [20 ]   M.  Kim,  D.  Joo ,   and   B.   K .   L ee,  “De sign   and   Control   of  Induc t i ve  Pow er  Tr ansfe r  Sys te m   for  El e ct ri c  Vehi cle s  Consideri ng   Wide  Var ia t ion   o f  O utput  Volt a ge  and  Coup ling  Coeff ic i ent, ”  I EE E   Tr ansacti ons   on  Pow er   El e ct ronics ,   vol .   34,   no.   2,   pp.   11 97 – 1208,   Feb .   2 019 .   [21 ]   S.  Vari kkottil  a nd  J.  L.   F.   Day a,   “ Esti m ation  o f  Optim a l  Opera ti ng  Freque n cy  for  Wi re le ss   EV   Chargi ng  Sys tem   under   Misal ign me nt , ”   Ele ct roni cs ,   vol .   8 ,   no .   3 ,   p.   342 ,   Mar .   201 9.   [22 ]   R.   Mai ,   Y.  Ch e n,   Y.  Li ,   Y.  Zh ang,   G.   Cao ,   an d  Z.   H e,   “In duc ti ve  Pow er  Tra n sfer  for  Mass ive  El e ct r ic   B ic yc l es  Chargi ng  B ase d  on  Hybrid  Topo logy  Sw it chi ng   with   a   Single  In ver te r , ”   IEEE  Tr ansacti ons  on  P ower  Elec tro ni c s ,  vol.   32 ,   no .   8 ,   pp .   5897 – 5906 ,   Au g.   2017 .   [23 ]   Y.  Chen ,   H.   Zhang,  S. - J .   Park ,   a nd  D. - H.   Kim ,   “ A  Sw it chi ng   Hy brid  LCC - S  Co mpe nsati on   Top ology  for   Const ant   Curre nt/ Volt age  EV  Wi r eless   Chargi ng, ”  I EE E   A cc ess ,   vol. 7, pp. 133924 – 133935 ,   2019 .   [24 ]   V. - B.   Vu,   D. - H.   Tra n ,   and  W.  Choi,   “Im pl eme nta ti on   of   the  C onstant   Curr ent  and  Constan t  V olt ag e  Cha rge   o f  Induc ti v e  Pow er  Tra nsfer  Sys tems  with   the Double - Sided LCC C ompe nsati on   T opology  for  E le c tri c  Veh icle  Ba tter y   Charge   Appl icat ions,”   I EEE  Tr ans.  Powe r   Elec tr on. ,   vol.  33,   no.   9,   pp .   7398 – 741 0,   Sep .   2018 .   [25 ]   K.  Song,  Z.  Li,  J.  Jiang,  and   C.   Zhu,   “Consta nt   Curre nt/ Volt age  Chargi ng   Oper at ion   for  Ser ie s - Serie s  and   Seri e s - Para llel   Compe n sate d   Wi r eless   Pow er  Tr ansfe r   Sys te ms  Em ploy i ng  Prim ary - Side   Controller , ”   IE EE  Tr ans.  Power   El e ct ron. ,   pp .   1 – 1,   2017 .   [26 ]   Zhongm ing  Y e ,   P.  K.  Jain,   and  P.  C.   Sen ,   “A  Ful l - Bridge   R esona nt  Inve rt er  with   Modifie d  Phase - Shift  Modulat io n  for  High - Freque ncy  AC  Pow er   Distribut ion   Sys te ms, ”  I EE E   Tr ans.  Ind.  E le c tron. ,   vol.  54 ,   no .   5,   pp.   2831 – 28 45,   Oct.   2007 .     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 char gi ng   syste m  f or   el ect ric  b ic ycl e app li catio n   ( N gu ye n Thi   Die p)   1935   BIOGR AP HI ES OF  A UTH ORS        Nguyen  Thi   Die p  rec e ive d  th e  B . E  degr ee   and  M.S  degr ee   from  t he  Hanoi  Univer sity  of  Scie n ce   and  T ec hnology ,   Hanoi,  Viet n am,  in   2004  and   20 08.   She  is  cur r e ntl y  working   to ward  the  Ph.D.  degr ee  in   the  Hanoi   Univer sity   of  Sci enc e   and  Te chno logy,  Ha noi,  Viet n am.  S he  w orks  as  a   le c ture r   at E l ectr ic   Pow er  Un ive r sity.     Her  rese arc h   intere sts  in cl ud e  wire le ss   power   tra nsfer,  wire le s s  cha rging   for  EV,   and   power   el e ct roni cs.           Nguyen  Kien   Tr ung   was  born  in   Hanoi,  Vie tnam.   He   re ceive d   the   B . E .   and  M. Sc.   deg ree s  in  cont rol   and   aut o ma ti on   from   Ha noi  Univer si ty  o f  Scie n ce  and   Technol ogy,   Vie tn am   in  2008   and   2011,   resp ec t ively.   In   2016,   he   recei v ed  th e  P h. D.  d egr ee  in   Functi onal  con tr ol  sys te ms  at   Sh iba ura   Instit ut e  of   T ec hnology ,   Jap an,  where   h e  worked   as   a   p ostdoct ora l  r ese a rch er   in   2016 - 2017.   From  201 8,   he  works   as  a  lectur er  a t  Ha noi  Univer sity  o f  Scie nc e  and   T ec hnology .   Dr.   Trung  is  a me mb er  of   the IEEE a nd  IEE of  Jap an.   His re sea r ch  in terests i n c lude hi g h - fre quenc y   con ver te rs  and  wir eless   power  tr ansfe r  sys te ms.         Tra n   Trong   Min h  re ceive d   th e   Ph.D.   degr ee  fro m  Hano i   Univer sity  of   Sc ie n ce  a nd  T ec hno logy,   Viet na m  in   2008 .   Now ,   h e  works   as  a   l ec tu rer   at  Hanoi  Univer si t y  of  Sci ence and   Technol ogy .   His re sea r ch  in terests i nc lude po wer  elec troni cs ,   wire le ss   power   t ran sfer  sys te ms .         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.