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Localization and free positioning with a cooperative multiple coil transmitter for wireless power transfer

Chen, Wei

With the continuous development of communication technology there are more and more portable devices requiring periodic charging with a cable and power socket. Wireless power transfer (WPT) technology provides a promising solution to overcome the inconvenience, potential safety hazard and unsightliness of power supply cables. The result of this thesis is a conceptual design for an optimized 100 kHz WPT system having a large charging pad allowing free placement of the device to be charged. The system has high efficiency and is Electromagnetic Compatibility friendly. The three-coil system, composed of a single transmitter coil and two coils in the receiver, is operating in series resonance and has been optimized by synthesis of the coupling coefficient and quality factor to provide maximum efficiency and power simultaneously. Unique to the proposed design is that the single transmitter coil is replaced with 4-coil structure which enables field forming to strengthen the field in the center of the 4-coil structure and reduce it at the margins. A transmitter matrix consisting of cooperative multiple coils is proposed to increase the charging pad area and reduce the external magnetic field. A 16 coils system is selected as most cost efficiency. The transmitter coil radius is optimized using the criterion of weighted overall efficiency, which results in high efficiency with minimal emission to the surroundings. During charging, the appropriate 4-coil structure is activated, depending on the device location, with the other coils turned off. Several algorithms are presented that enable localization of the receiver position including: grid search, Gauss-Newton and reflected impedance for combined coils. COMSOL simulation is used to investigate the effects of using ferrite, aluminum loading and a reactive resonant coil to improve system efficiency and reduce external fields below specified human exposure limits. This thesis provides a WPT solution for charging mobile and portable devices that has many advantages. The proposed 100 kHz 16 coils transmitter matrix WPT system, consisting of individually activated 4-coil sub structures, allows free placement within the charging area, more than 65% transfer efficiency at 10 cm transmission distance and electromagnetic field emission considerably less than required by guidelines.

Mit fortschreitender Entwicklung der Kommunikationstechnik steigt die Anzahl tragbarer Geräte, die einen wiederholten Ladevorgang über ein Kabel benötigen, kontinuierlich. Drahtlose Energieübertragung (Wireless Power Transfer, WPT) umgeht die damit verbundenen Sicherheitsrisiken sowie die Unbequemlichkeiten und Unansehnlichkeit, die eine große Zahl an Ladekabeln mit sich bringt. Im Rahmen dieser Arbeit ist ein konzeptueller Entwurf für ein optimiertes 100 kHz WPT-System entstanden, welcher einen großen Ladebereich mit der Möglichkeit zur freien Platzierung des zu ladenden Gerätes erlaubt. Das System zeichnet sich durch eine hohe Effizienz und elektromagnetische Verträglichkeit aus. Ein Dreispulensystem, bestehend aus einer Sendespule und zwei Empfängerspulen in Serienresonanz, wird hinsichtlich Kopplungsfaktor und Gütefaktor optimiert. Die Sendespule wird durch eine 4-Spulen Struktur ersetzt, die eine Feldformung ermöglicht, so dass eine Verstärkung des Feldes im Zentrum der Struktur erreicht wird bei gleichzeitiger Abschwächung an den Rändern. Sendermatrizen aus kooperativen Mehrspulensystemen werden untersucht mit dem Ziel, die Fläche des Ladefeldes zu vergrößern und das externe magnetische Feld zu reduzieren. Ein System aus 16 Spulen wird als das mit dem besten Kosten-Effizienz Verhältnis identifiziert. Der Radius der Senderspulen wird nach einem Kriterium der gewichteten Gesamteffizienz optimiert. Ziel ist eine hohe Effizienz bei gleichzeitig minimalen Emissionen in die Umgebung. Beim Ladevorgang wird in Abhängigkeit von der Position des zu ladenden Geräts die passende 4-Spulen Struktur aktiviert während die übrigen deaktiviert bleiben. Zur Lokalisierung des Empfängers werden die Algorithmen Rastersuche, Gauss-Newton und reflektierte Impedanz für kombinierte Spulen vorgestellt. Zur Untersuchung der Effekte von Ferriten und Aluminium sowie reaktiver resonanter Spulen wurden Simulationen mit COMSOL durchgeführt, mit dem Ziel die Effizienz zu erhöhen und die externen Felder zu reduzieren, so dass die Grenzwerte für die menschliche Exposition unterschritten werden. Diese Arbeit liefert eine WPT-Lösung für das Laden mobiler und portabler Geräte welche zahlreiche Vorteile bietet. Das vorgeschlagene 100 kHz 16-Spulen Matrixsystem, bestehend aus individuell aktivierbaren 4-Spulen Teilstrukturen, ermöglicht eine freie Platzierung auf dem Ladebereich, mehr als 65 % Übertragungseffizient im Abstand von 10 cm sowie deutlich geringere Elektromagnetische Feld Emissionen als in den Richtlinien gefordert.

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Chen, Wei: Localization and free positioning with a cooperative multiple coil transmitter for wireless power transfer. 2018.

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