A modified flyback converter applied in capacitive power transfer for electric vehicle battery charger

Abstract

Esta dissertação de mestrado apresenta a análise matemática, o dimensionamento, simulação e resultados experimentais de um Conversor Flyback Modificado (200 W), operando em Modo de Corrente Contínua (MCC), usando Transferência de Energia Capacitiva para implementação de um carregador de bateria sem fio especificado a um Veículo Elétrico (VE) de 58 V. O protótipo possui uma eficiência global de 86%, é comutado a 300 kHz e é composto por dois estágios: o primário, off-board, conectado à rede elétrica de 220 V; e o secundário, on-board, conectado à bateria. Estes estágios são acoplados por dois pares de placas metálicas de cobre (500 mm x 500 mm) distanciados através de uma camada de fibra de vidro com espessura de 1,5 mm, que atuam como capacitâncias de acoplamento entre os dois estágios na ordem de nanofarads (nF). O ganho estático encontrado, que não negligencia ondulações de tensão ou corrente, juntamente com a característica de carga, foram importantes para precisamente limitar e entender regiões de operação não tão comuns na literatura, causadas pelo baixo acoplamento capacitivo que resulta em uma alta excursão de tensão e uma elevada frequência de ressonância pelo circuito. De fato, o estudo é válido ou pode ser facilmente adaptado para qualquer conversor PWM clássico de quarta ordem, e, portanto, discussões fundamentais e significantes podem surgir.<br>

Abstract : This master?s thesis presents the mathematical analysis, sizing, simulation and experimental results of a 200 W Modified Flyback Converter operating in Continuous Current Mode (CCM) applied in Capacitive Power Transfer (CPT) for wireless battery charging implementation, specified for a 58 V Electric Vehicle (EV). The prototype has an overall efficiency of 86%, it is switched at 300 kHz and it is comprised of 2 stages: off-board primary grid-connected (220V); and an on-board secondary battery-connected. These stages are coupled by two pair of copper metal plates (500 mm x 500 mm) separated through a 1.5 mm fiberglass layer, which act as coupling capacitances between the two stages in the order of nanofarads (nF). The found static gain that does not neglect neither voltage or current ripples, along with load characteristic, were important to precisely limit and understand regions of operation not so common in the literature, caused by the low capacitive coupling which results in large voltage excursion and high resonant frequency throughout the circuit. Indeed, such study is valid or may easily be adapted to any classical fourth order PWM converter, and, therefore, further significant fundamental discussions may arise.