Repositório UNIFEI UNIFEI - Campus 1: Itajubá PPG - Programas de Pós Graduação Teses
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Tipo: Tese
Título: Wireless power transfer system for charging lithium-ion batteries in small electric vehicles
Autor(es): AVILES, Juan Pablo Ochoa
Primeiro Orientador: RIBEIRO, Enio Roberto
metadata.dc.contributor.advisor-co1: TOFOLI, Fernando Lessa
Resumo: A transferência de energia sem fio WPT surgiu como uma solução promissora para o carregamento de baterias sem contato em veículos elétricos de pequeno porte, oferecendo maior segurança, conveniência e confiabilidade do sistema. Este trabalho apresenta o projeto, a modelagem, o controle e a validação experimental de um sistema de transferência de energia sem fio por ressonância magnética, baseado em um inversor ressonante Classe DE de alta frequência para o carregamento de baterias de íons de lítio. Uma análise teórica abrangente é realizada considerando topologias de compensação ressonante em série, paralela e série-paralela, permitindo uma transferência eficiente de energia sob condições variáveis de acoplamento, decorrentes de desalinhamento das bobinas e variações de distância. Propõe-se uma estratégia inovadora de controle digital baseada em uma rede neural ADALINE, combinada a um modelo autorregressivo com entrada exógena (ARX), com o objetivo de regular os instantes de comutação do inversor e manter a tensão de saída estável, apesar das flutuações de carga e de acoplamento. A abordagem de controle é derivada de um modelo de filtro passa-banda no domínio da frequência do tanque ressonante e implementada utilizando uma plataforma de processamento digital de sinais. O controlador proposto apresenta resposta dinâmica rápida, redução da distorção harmônica e maior robustez em comparação à operação convencional em malha aberta. Um protótipo em escala de laboratório, operando na faixa de MHz, é desenvolvido para validar a metodologia proposta. Os resultados experimentais confirmam a operação com comutação suave, (ZVS) e (ZCS), redução do estresse térmico nos MOSFETs de GaN e melhoria da eficiência de transmissão de potência para diferentes separações entre as bobinas. O desempenho do sistema é avaliado nos domínios do tempo e da frequência, incluindo a análise harmônica e a caracterização térmica. Os resultados demonstram que o sistema MR-WPT baseado no inversor Classe DE controlado pela estrutura ARX baseada na rede neural ADALINE constitui uma solução viável e eficiente para aplicações de carregamento sem fio em sistemas de mobilidade elétrica leve.
Abstract: Wireless Power Transfer has emerged as a promising solution for contactless battery charging in small electric vehicles, offering enhanced safety, convenience, and system reliability. This work presents the design, modeling, control, and experimental validation of a magnetic resonant wireless power transfer system based on a high-frequency Class-DE resonant inverter for charging lithium-ion batteries. A comprehensive theoretical analysis is carried out considering series, parallel, and series-parallel resonant compensation topologies, enabling efficient energy transfer under varying coupling conditions caused by coil misalignment and distance variation. A novel digital control strategy based on an ADALINE neural network combined with an autoregressive exogenous (ARX) model is proposed to regulate the inverter switching instants and maintain stable output voltage despite load and coupling fluctuations. The control approach is derived from a frequency-domain band-pass filter model of the resonant tank and implemented using a digital signal processing platform. The proposed controller demonstrates fast dynamic response, reduced harmonic distortion, and improved robustness compared to conventional open-loop operation. A laboratory-scale prototype operating in the MHz range is developed to validate the proposed methodology. Experimental results confirm soft-switching operation with zero-voltage and zero-current switching, reduced thermal stress on GaN MOSFETs, and enhanced power transmission efficiency across different coil separations. System performance is evaluated in both time and frequency domains, including harmonic analysis and thermal characterization. The results demonstrate that the proposed Class-DE-based MR-WPT system with ADALINE-based ARX control is a viable and efficient solution for wireless charging applications in light electric mobility systems.
Palavras-chave: ADALINE neural network
ARXm model
Class-DE resonant inverter
Digital control
High-frequency power electronics
Magnetic resonant wireless power transfer
Soft switching
Wireless charging of lithium-Ion batteries
Wireless power transfer
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELÉTRICA
Idioma: eng
País: Brasil
Editor: Universidade Federal de Itajubá
Sigla da Instituição: UNIFEI
metadata.dc.publisher.department: IESTI - Instituto de Engenharia de Sistemas e Tecnologia da Informação
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação: Doutorado - Engenharia Elétrica
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: https://repositorio.unifei.edu.br/jspui/handle/123456789/4348
Data do documento: 28-Nov-2025
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