Selection of load impedance in order to maximize the receiver power in the periodic WPT system

• Autorzy: Stankiewicz Jacek Maciej

Identyfikatory

DOI

10.15199/48.2021.11.22

Warianty tytułu

PL

Dobór impedancji obciążenia w celu maksymalizacji mocy odbiornika w periodycznym układzie WPT

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The article presents the analytical and numerical approach to solve the periodic Wireless Power Transfer (WPT) system. The model under consideration contained two planes (transmitting and receiving). Each of them was composed of square coils forming a transmitting-receiving WPT cells, in which energy was transmitted. Various geometry variants were included in the analysis, such as the distance between the transmitting and receiving coils, as well as the number of turns and a wide frequency range (0.1-1 MHz). The Finite Element Method (FEM) with the using periodic boundary conditions for the analysis was used. The analysis concerned comparison of the efficiency of the system by appropriate selection of resistance in order to determine the maximum load power. The compliance of the analytical and numerical results indicates the correct selection of the conditions and assumptions of the adopted methods and shows at which system parameters wireless energy transmission is possible. The proposed systems can be used for wireless charging of mobile devices, and can also be used to shape the distribution of the magnetic field.

PL

W artykule przedstawiono analityczne i numeryczne podejście w celu rozwiązania periodycznego układu WPT. Rozpatrywany układ zawierał dwie płaszczyzny (nadawczą i odbiorczą). Każda z nich złożona była z cewek kwadratowych tworzących nadawczo-odbiorcze komórki WPT, w których dochodziło do przesyłu energii. W analizie uwzględniono różne warianty geometrii, takie jak odległość między cewką nadawczą i odbiorczą, a także liczbę zwojów i szeroki zakres częstotliwości (0.1-1 MHz). Do analizy wykorzystano metodę elementów skończonych (FEM) z zastosowaniem periodycznych warunków brzegowych. Analiza dotyczyła porównania sprawności układu poprzez odpowiedni dobór rezystancji w celu wyznaczenia maksymalnej mocy obciążenia. Zgodność wyników analitycznych i numerycznych wskazuje na poprawny dobór warunków i założeń przyjętych metod oraz pokazuje, przy jakich parametrach systemu możliwy jest bezprzewodowy przesył energii. Proponowane systemy mogą służyć do bezprzewodowego ładowania urządzeń mobilnych, a także mogą służyć do kształtowania rozkładu pola magnetycznego.

Słowa kluczowe

EN

wireless power transfer; WPT; magnetic field; numerical analysis; FEM

PL

bezprzewodowa transmisja energii; WPT; pole magnetyczne; analiza numeryczna; FEM

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Przegląd Elektrotechniczny
• Rocznik: 2021
• Tom: R. 97, nr 11
• Strony: 122--127
• Opis fizyczny: Bibliogr. 21 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Stankiewicz Jacek Maciej

• Białystok University of Technology, Faculty of Electrical Engineering, Wiejska 45D, 15-351 Białystok

• https://orcid.org/0000-0002-1757-2203

Bibliografia

• [1] Barman S.D., Reza A.W., Kumar N., Karim Md. E. , Muni r A.B. , Wireless powering by magnetic resonant coupling: Recent trends in wireless power transfer system and its applications, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 51 (2015), 1525-1552
• [2] Sun L., Ma D., Tang H., A review of recent trends in wireless power transfer technology and its applications in electric vehicle wireless charging, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 91 (2018), 490-503
• [3] Rim C.T. , Mi C. , Wireless Power Transfer for Electric Vehicles and Mobile Devices; John Wiley & Sons, Ltd.: Hoboken, United States, 2017, 473-490
• [4] Fuj imoto K. , Itoh K. , Antennas for Small Mobile Terminals, 2nd ed., Artech House: Norwood, USA, 2018, 30-70
• [5] Stankiewicz J.M., Choroszucho A., Steckiewicz A. , Estimation of the Maximum Efficiency and the Load Power in the Periodic WPT Systems Using Numerical and Circuit Models, Energies, 14 (2021), no. 4, 1-20
• [6] Zhang Z., Pang H., Georgiadis A. , Cecati C., Wireless Power Transfer – An Overview, IEEE Trans. Ind. Electron., 66 (2019), 1044-1058
• [7] Liu X. , Wang G. , A Novel Wireless Power Transfer System With Double Intermediate Resonant Coils, IEEE Transactions on Industrial Electronics, 63 (2016), 2174-2180
• [8] Wenxing Z, Chi Kwan L , Hui S.Y.R. , General analysis on the use of Tesla's resonators in domino forms for wireless power transfer, IEEE Transactions on Industrial Electronics, 60 (2013), no. 1, 261-70
• [9] Stank iewi cz J .M. , The analysis of the influence of the plane coils geometry configuration on the efficiency of WPT system, Przegląd Elektrotechniczny, 96 (2020), no. 10, 174- 178
• [10] Luo Z., Wei X., Analysis of Square and Circular Planar Spiral Coils in Wireless Power Transfer System for Electric Vehicles, IEEE Transactions on Industrial Electronics, 65 (2018), 331-341
• [11] Bat ra T. , Schal tz E. , Ahn S. , Effect of ferrite addition above the base ferrite on the coupling factor of wireless power transfer for vehicle applications, Journal of Applied Physics, 117 (2015), 17D517
• [12] Li X., Zhang H., Peng F., Li Y. , Yang T., Wang B., Fang D., A wireless magnetic resonance energy transfer system for micro implantable medical sensors, Sensors, 12 (2012), 10292-10308
• [13] Fi tzpat r i ck D. , Implantable Electronic Medical Devices; Academic Press: San Diego, United States, 2014, 7-35
• [14] Martin P., Ho B.J., Grupen N., Muñoz S. , Sr ivas tasa M. , An iBeacon Primer for Indoor Localization, In Proceedings of the 1st ACM Conference on Embedded Systems for Energy-Efficient Buildings (BuildSys’14), Memphis, USA, 3-6 November 2014, 190-191
• [15] Kim D. , Abu-Siada A. , Sut injo A., State-of-the-art literature review of WPT: Current limitations and solutions on IPT, Electr. Pow. Syst. Res., 154 (2018), 493-502
• [16] Kesler M. , Highly Resonant wireless power transfer: safe, efficient and over distance, WiTricity Corporation, 2013
• [17] Steckiewicz A., Choroszucho A., Numerical investigation of quasi-static magnetic cloak performance in time-varying magnetic field, Romanian Journal of Physics, 64 (2019), 606, 1-11
• [18] Choroszucho A. , Analysis of the influence of the complex structure of clay hollow bricks on the values of electric field intensity by using the FDTD method, Archives of Electrical Engineering, 65 (2016), no. 4, 745-759
• [19] Rozman M., Fernando M., Adebisi B., Rabie K.M., Collins T., Kharel R., Ikpehai A., A New Technique for Reducing Size of a WPT System Using Two- Loop Strongly-Resonant Inductors, Energies, 10 (2017), 1614
• [20] Steckiewi c z A . , Stankiewicz J.M., Choroszucho A. , Numerical and Circuit Modeling of the Low-Power Periodic WPT Systems, Energies, 13 (2020), no. 10, 1-17
• [21] Mohan S., Hershenson M., Boyd S., Lee T., Simple Accurate Expressions for Planar Spiral Inductances, IEEE Journal of solid-state circuits, 34 (1999), no. 10, 1419-1424

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2021).