Ultra-high power density wireless charging for maritime applications

Teknologi for induktiv energioverføring i MW-skala har nylig blitt demonstrert for trådløs batteriladning av elektriske ferger. Slik teknologi muliggjør automatisk og kontaktløs energioverføring mellom en ladestasjon på land og det elektriske systemet ombord på et fartøy. Dette kan bidra til å maksimere energioverføringen for lading av store batteridrevne fartøy som opererer i rutedrift med korte liggetider ved kai, samtidig som problemer med slitasje og korrosjon av mekaniske kontakter kan unngås. Teknologien som er utviklet for elektriske ferger er likevel ikke anvendbar for lette passasjerbåter og andre typer høyhastighets sjøtransport, der lav vekt er av kritisk betydning. Dette prosjektet bidrar derfor til å utvikle designløsninger med betydelig høyere effekttetthet, som kan muliggjøre bruk av teknologi for induktiv energioverføring for flere fartøystyper. Hovedmålet for prosjektet har vært å muliggjøre løsninger som vil gi 50% forbedring av effekttettheten sammenlignet med eksisterende systemer for elektriske ferger. Dette har blitt oppnådd ved systematisk utvikling av modelleringsmetodikk som dekker både elektriske, magnetiske, termiske og mekaniske karakteristikker for induktiv energioverføring på komponent- og system-nivå, samt bruk av avanserte optimeringsmetoder til design av komponenter, systemkonfigurasjoner og reguleringsstrategier. Resultatene som er oppnådd i prosjektet har demonstrert at målene for effekttetthet kan nås og at det er mulig å oppnå ytterligere forbedringer utover den opprinnelige forventningen. Videre har det blitt identifisert flere utfordringer ved regulering av effektoverføringen i systemer som er optimert for lav vekt og minimum antall kraftkomponenter. For å unngå slike driftsutfordringer har det blitt utviklet flere ulike metoder for å sikre nøyaktig og stabil regulering av effektoverføringen. De teoretiske resultatene og metodene for systemdesign, modellering og reguleringsdesign som har blitt utviklet i prosjektet gir et godt vitenskapelig grunnlag for videre industriell forskning og fremtidig utvikling av løsninger med betydelig forbedret ytelse sammenlignet med løsningene som hittil har blitt demonstrert av industribedrifter.

The purpose of this project is to advance the scientific basis for design of wireless inductive power transfer (IPT) systems for battery charging in applications with high power density requirements. By enabling more compact designs with high power transfer capacity, the project will allow for new applications of IPT technology in maritime transportation, especially for autonomous systems and high speed passenger vessels with battery propulsion, where low onboard weight is of critical importance. For achieving this objective, the project targets a power density of 3 kW/kg for the on-board coil, representing a 50 % improvement compared to publicly available information about optimized design of IPT systems, and an average power density of 2 kW/kg for the on-board installation. The targets will be achieved by developing a systematic approach for multi-domain modelling and methodologies for multi-objective optimization of components and system configurations. The optimization methods will be defined to identify possible advantages of utilizing alternative materials as well as various electromagnetic constructions, including asymmetric designs and/or designs without magnetic materials in the on-board coil. Thus, potential degrees of freedom in the design will be utilized to ensure minimized weight of the on-board installation, while still fulfilling demanding requirements for relative movements during operation. Since the necessary component ratings as well as the resulting losses and associated cooling requirements of IPT systems designed for handling a wide range of operating conditions depend significantly on the applied control strategy, the control system design also has to be carefully considered to ensure feasibility of ultra-high power density solutions. Thus, accurate dynamic models and corresponding methods for design and tuning of the control strategy must be developed to ensure that the full potential for minimization of on-board weight can be realized.