Ultra-high power density wireless charging for maritime applications

Dette prosjektet har utviklet designmetodikk for å oppnå høy effekttetthet i systemer for induktiv energioverføring ved høye effektnivå. Motivasjonen for de gjennomførte forskningsaktivitetene har vært å muliggjøre bruk av teknologi for induktiv energioverføring til batterilading for lette passasjerbåter og andre typer høyhastighets sjøtransport, der lav vekt er av kritisk betydning. Målsetningen for prosjektet har vært å muliggjøre løsninger som vil gi minst 50% høyere effekttetthet enn tidligere demonstrerte systemer for induktiv energioverføring i MW-skala. Prosjektet har derfor arbeidet mot et mål om effekttetthet på minst 3 kW/kg for den elektromagnetiske konstruksjonen i induktive energioverføringssystemer. 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. En laboratorieprototype utviklet i prosjektet har oppnådd en effekttetthet på over 4 kW/kg, som dermed er mer enn 33 % høyere enn de opprinnelige målene for prosjektet. 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 utvikling av praktiske systemer med betydelig forbedret ytelse sammenlignet med eksisterende industrielle løsninger og resultater presentert i vitenskapelig litteratur.

The project has enabled a coordinated development of knowledge and scientific capabilities for the involved research partners, which can be utilized for further joint research on new applications of inductive power transfer systems and other advanced power conversion systems. For the industry partners, as well as other industrial interests within the field of inductive power transfer and/or public transport, successful utilization of the results in future product development can open new markets and generate new business opportunities. Some of these opportunities might require further industrial developments of materials, components and systems, which can benefit from the knowledge developed by the research partners and open for further application-oriented research and development projects driven by the needs of the industry. Such outcomes can have significant impact on future technology development towards enabling utilization of wireless IPT technology in systems where low weight is of critical importance. In the context of the project, this can allow for further development of environmentally friendly and autonomous maritime transport solutions enabled by IPT technology. Furthermore, most of the results from the project can also be utilized for a wide range of other potential applications of high power IPT technology, including battery charging for road vehicles as well as off-road vehicles and construction machinery.

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.