Conversor wireless para carga rápida de supercapacitores

Abstract

Este trabalho apresenta o estudo e o desenvolvimento de um conversor wireless para carregar supercapacitores, que utiliza redes de imitância para sintonizar o primário e o secundário de um transformador com baixo coeficiente de acoplamento. A frequência de operação do conversor é a frequência de ressonância das redes de imitância e, nesta condição, a rede opera como um conversor V/I (a fonte de tensão na entrada é convertida em fonte de corrente na saída). A rede de imitância do primário alimenta o transformador com corrente de amplitude constante. A rede de imitância no secundário assegura a comutação suave do retificador e corrente constante com baixa ondulação na saída do conversor para toda faixa de operação da tensão na carga. Conversores com esta característica são adequados para alimentar cargas como supercapacitores e baterias. O projeto de um transformador wireless é apresentado e, utilizando o método de elementos finitos (MEF), são obtidos gráficos com as curvas das indutâncias próprias (L 2 e L 3 ), da indutância mútua (M), do fator de acoplamento (K) e da potência transferida do primário para o secundário (P) em função do gap e do desalinhamento. As etapas de operação e as formas de onda do conversor com retificador com comutação suave são apresentadas. A partir do circuito elétrico equivalente proposto são obtidas equações simplificadas para otimização do projeto do conversor. Os resultados da co-simulação, simulação digital numérica do conversor integrada com a simulação pelo MEF do transformador e os resultados da simulação comparados com os resultados experimentais obtidos no protótipo construído demonstram a viabilidade deste conceito. A divisão equilibrada da carga entre transformadores wireless utilizando um módulo sintonizado é proposta e sua aplicabilidade é confirmada na análise da simulação e dos resultados experimentais.

Abstract: This work presents the study and development of a wireless power converter to charge supercapacitors based on an inductive link. Such converter uses immittance networks to improve tuning of the primary and secondary-side circuits. The converter operating frequency is the resonant frequency of the immittance networks and in this condition it operates as a V/I converter. Thus, the voltage source at the input of the network is converted to a current source at its output. The primary-side immittance network feeds the transformer ideally with a constant current level. The immittance network at the secondary-side ensures soft switching in the rectifier and low ripple constant current at the converter output for the complete load voltage range. Converters with this feature are suitable for powering loads such as supercapacitors and batteries. The wireless transformer design is presented and, using the finite element method (FEM), the values of the self inductances (L 2 and L 3 ), the mutual inductance (M), the coupling factor (K) and the power transferred from the primary to the secondary side (P) as a function of the gap and misalignment are derived. The operation stages and waveforms of the soft switching in the rectifier are presented. Simplified equations for the converter design optimization are proposed from the analysis of the equivalent electrical circuit. The results of the performed co-simulation, i.e., the numerical simulation of the converter circuit integrated with the FEM simulation of the wireless transformer are compared with experimental results obtained in the built prototype that demonstrates the feasibility of this concept. The balanced division of the load between wireless transformers using a tuned module is proposed, and its applicability is confirmed in the analysis of the simulation and experimental results.