I nte rna t io na l J o urna l o f   P o wer   E lect ro nics   a nd   Driv S y s t em   ( I J P E DS)   Vo l.  1 7 ,   No .   1 Ma r ch   20 2 6 ,   p p .   11 ~ 24   I SS N:  2 0 8 8 - 8 6 9 4 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /ijp ed s . v 1 7 . i 1 . p p 11 - 24           11       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ij p e d s . ia esco r e. co m   Desig n of t he wi r eless  EV charg er   to meet  t he  per forma nce  requireme nt  o f  S AE J 2 9 5 4   s tanda r d       P a t cha ra po n K a ewno en,   Su pa po ng   Nut wo ng ,   Na t t a po n g   H a t cha v a nich E k k a cha M ujj a lin v im ut   D e p a r t me n t   o f   El e c t r i c a l   En g i n e e r i n g ,   K i n g   M o n g k u t s U n i v e r si t y   o f   Te c h n o l o g y   Th o n b u r i ,   B a n g k o k ,   T h a i l a n d       Art icle  I nfo     AB S T RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   J u l 5 ,   2 0 2 5   R ev is ed   Oct  2 4 ,   2 0 2 5   Acc ep ted   Dec   1 1 ,   2 0 2 5       To   a d d re ss   th e   n e e d   f o a   re p ro d u c ib le  d e sig n   p r o c e ss   fo a n   e fficie n t   wire les e le c tri c   v e h icle   (EV)  c h a rg in g   sy ste m   th a g u a ra n tee c o m p li a n c e   with   t h e   S AE   J2 9 5 4   sta n d a rd ,   th is  p a p e p ro p o se a   s y ste m a ti c ,   f lo wc h a rt - b a se d   o p ti m iza ti o n   tec h n iq u e .   Un li k e   m e th o d s   th a f o c u s o le ly   o n   c o il   p e rfo rm a n c e ,   th e   p ro p o se d   a p p ro a c h   in teg ra tes   sta n d a rd - sp e c ifi c   c o n stra in ts,   su c h   a i n d u c tan c e   a n d   g e o m e tri c   li m it s,  fr o m   th e   o u tse t o   e n s u r e   th e   fi n a l   d e sig n   m e e ts  strin g e n p e rfo r m a n c e   b e n c h m a rk fo e ffici e n c y   a n d   m isa li g n m e n to lera n c e .   c ircu la flat  sp iral  c o il   stru c tu re   h a b e e n   a d o p ted   fo b o t h   th e   tran sm it ter  a n d   re c e i v e c o il to   e n h a n c e   m a n u fa c tu ra b il it y   a n d   a c h iev e   u n if o rm   m a g n e ti c   fiel d   d istri b u ti o n .   fl o wc h a rt - b a s e d   d e sig n   tec h n iq u e   h a b e e n   d e v e l o p e d   t o   o p ti m ize   k e y   c o i p a ra m e ters ,   in c lu d i n g   t h e   n u m b e o t u rn a n d   c o il   d ia m e ters ,   su b jec to   c o n stra in ts  o 2 0 0   µH   in d u c tan c e   a n d   a   m a x imu m   o u ter  d iam e ter  o 7 0 0   m m .   F i n it e   e lem e n a n a ly sis  (F EA)  sim u latio n v e rify   th a t h e   p ro p o se d   d e sig n   a p p ro a c h   a c h iev e m a x imu m   m a g n e ti c   c o u p li n g   u n d e v a ri o u s   a ir   g a p   d ist a n c e a n d   m isa li g n m e n c o n d it i o n s.  A n   e x p e rime n tal  v a li d a ti o n   o a   2 - k W   p ro t o ty p e   d e m o n stra tes   c lo se   a g re e m e n t   with   sim u latio n s ,   a c h iev in g   c o il - to - c o i l   e fficie n c ies   b e twe e n   9 2 . 6 1 a n d   96. 67 % ,   a n d   o v e ra ll   sy ste m   e fficie n c y   e x c e e d 8 0 %   u n d e a ll   tes ted   c o n d it io n s.   Th e se   re su lt c o n firm   th a t   t h e   p ro p o se d   d e sig n   m e th o d   e ffe c ti v e ly   m e e ts  p e rfo rm a n c e   re q u irem e n ts  se b y   th e   S AE  J 2 9 5 4   sta n d a rd .   K ey w o r d s :   C ir cu lar   f lat  s p ir al  co il   C o il d esig n   Per f o r m an ce   r eq u ir e m en t   SAE  J 2 9 5 4   s tan d ar d   W ir eles s   E ch ar g er   T h is i a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Su p ap o n g   Nu two n g   Dep ar tm en t o f   E lectr ical  E n g i n ee r in g ,   Kin g   Mo n g k u t s   Un iv er s ity   o f   T ec h n o lo g y   T h o n b u r i   1 2 6   Pra ch a   Uth it R d . ,   B an g   M o d ,   T h u n g   Kh r u ,   B an g k o k   1 0 1 4 0 ,   T h ailan d   E m ail:  s u p ap o n g . n u t@ k m u tt.a c. th       1.   I NT RO D UCT I O N   E lectr ic  v eh icles  ( E Vs)  ar b ec o m in g   m ajo r   p ar o f   th au to m o tiv in d u s tr y ,   d r iv en   b y   in cr ea s in g   d em an d   an d   s h if to war d   m o r s u s tain ab le  tr an s p o r tatio n .   Acc o r d in g   to   th I n ter n atio n al  E n er g y   Ag en cy   ( I E A) ,   g lo b al  E s ales  s u r p ass ed   1 4   m illi o n   u n its   in   2 0 2 3 ,   an d   th is   n u m b er   is   ex p ec ted   to   g r o ev en   m o r in   th co m in g   y ea r s   [ 1 ] .   On o f   th m ain   r ea s o n s   b eh in d   th is   g r o wth   is   th at  E Vs  o f f er   lo wer   f u el  an d   m ain ten an ce   co s ts   co m p ar ed   to   tr ad itio n al  g aso lin e - p o wer ed   v eh icles [ 2 ] .   C o n v en tio n al  p lu g - in   ch ar g in g   s y s tem s   f o r   E Vs  h av s o m s ig n if ican d r awb ac k s   in   ter m s   o f   u s ab ilit y   an d   s af ety .   C o n n ec tin g   an d   h an d lin g   h ea v y   ch ar g in g   ca b les  ca n   b in co n v en ien t,  esp ec ially   in   b ad   wea th er   co n d itio n s .   Ov er   tim e,   f r eq u en u s ca n   wea r   o u ch ar g in g   p o r ts   an d   co n n ec to r s ,   lead in g   to   h ig h er   m ain ten an ce   co s ts   an d   an   in cr ea s ed   r is k   o f   s y s tem   f ailu r es.  I n   wet  co n d itio n s ,   m o is tu r ca n   d am ag ca b le  in s u latio n   an d   co n n ec to r s ,   in cr ea s in g   th r is k   o f   s h o r cir cu its   an d   leak ag cu r r en ts ,   wh ich   ca n   ca u s elec tr ic  s h o ck s   o r   ev en   f ir es.  L ea k ag cu r r en ts   ar o n o f   th lead in g   ca u s es  o f   ch ar g in g - r elate d   elec tr ical  f ailu r es,  wh er m u ltip le  r ep o r ts   lin k in g   th em   to   s y s tem   m alf u n ctio n s   [ 3 ] - [ 5 ] .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 6 9 4   I n t J  Po E lec  &   Dr i Sy s t Vo l.  1 7 ,   No .   1 Ma r c h   20 2 6 :   11 - 24   12   W ir eless   p o wer   tr an s f er   ( W PT)   tech n o lo g y   h as  em er g ed   as  m o r co n v en ien an d   s af er   alter n ativ b y   elim in atin g   p h y s ical  co n n ec to r s .   T h is   s u b s tan tially   r ed u ce s   th r is k s   o f   elec tr ic  s h o ck ,   leak ag cu r r en ts ,   an d   o th er   elec tr ical  f ailu r es  co m m o n ly   ass o ciate d   with   tr ad itio n al  p lu g - in   s y s tem s   [ 6 ] - [ 8 ] .   W ir eless   ch ar g er s   f o r   E Vs  h av d ev elo p ed   s ig n if ican tly   o v er   th p ast  d ec ad e.   T h is   tech n o lo g y   en ab les  p o wer   tr an s m is s io n   th r o u g h   m ag n etic  co u p lin g   b etwe en   th g r o u n d   ass em b ly   ( GA)   an d   v eh icle  ass em b ly   ( VA)   with o u r eq u ir in g   an y   p h y s ical  co n tact.   R ec en d ev elo p m en ts   h av s h o wn   th at  o p tim ized   W PT  s y s tem s   ca n   ac h iev p o wer   tr an s f er   ef f icien cies  ex ce ed in g   8 0 u n d er   v ar io u s   o p er atin g   co n d itio n s   [ 9 ] - [ 1 2 ] .   Ho wev er ,   im p lem en tin g   wir eless   ch ar g in g   s y s tem s   f ac es  s ev er al  tech n ical  ch allen g es,  in clu d in g   ef f icien cy   o p tim izatio n ,   elec tr o m ag n etic  co m p atib ilit y   ( E MC),   an d   s af ety   co n s id er atio n s   [ 1 3 ] - [ 1 7 ] .   T o   en s u r r eliab le  an d   s tan d ar d ized   wir eless   ch ar g in g   s o lu tio n s   f o r   E Vs,  th So ciety   o f   Au to m o tiv E n g in ee r s   ( SAE)   h as  estab lis h ed   th J 2 9 5 4   s tan d ar d   [ 1 8 ]   f o r   lig h t - d u ty   elec tr ic  v eh icles.  T h is   s tan d ar d   in tr o d u ce s   cr u cial  g u id elin es  f o r   ca teg o r izin g   th wir eless   E Vs ch ar g in g   s y s tem ,   in clu d in g   in p u t p o wer   ( W PT  p o wer   class es ) ,   v er tical  d is tan ce   b etwe en   tr an s m itti n g   an d   r ec eiv in g   co ils   ( W PT  Z - C lass es),   g r o u n d   ass em b ly   in s tallatio n   ca teg o r ies,  an d   in ter o p er ab ilit y   class if icatio n s .   Ad d itio n ally ,   it  s p ec if ies  th r eq u ir em en ts   o f   o u tp u v o ltag e,   o u tp u p o wer ,   m ax im u m   allo wab le  co il  m is alig n m en t,  o p er atin g   f r eq u en cy ,   in p u p o wer   f ac to r ,   an d   m in im u m   s y s tem   ef f icien cy   in   b o th   with   an d   with o u t c o il m is alig n m en t.   T h d esig n   an d   d ev elo p m en o f   wir eless   E ch ar g in g   s y s tem s   in   ac co r d an ce   with   th SAE  J 2 9 5 4   s tan d ar d   h av b ee n   ex p lo r ed   ex ten s iv ely   in   p r io r   r esear ch .   I n   r esp o n s to   th r is in g   p o wer   r eq u ir em en ts   o f   wir eless   E ch ar g er s s tu d y   in   [ 1 9 ]   in tr o d u ce s   m o d u lar   m u ltil ev el  co n v er ter   ( MM C ) .   An   in teg r ated   b o o s m u ltil ev el  co n v er ter   ( I B MC)  with   p r im ar y - s id co n tr o tech n iq u is   p r o p o s ed   in   [ 2 0 ] ,   wh ich   ac h iev es  b o o s ted   m u ltil ev el  o u tp u v o ltag wh ile  elim in atin g   ad d itio n al  co m p o n en ts   o n   th r ec eiv er   s id e.   T o   ac h iev h ig h   co u p lin g   co ef f icien t,  in cr ea s ed   to ler an ce   to   m is alig n m en t,  an d   en h an ce d   p o wer   ef f icien cy ,   [ 2 1 ]   p r o p o s es  d o u b le  s et  s q u ar ( DSSq )   ch ar g in g   p ad   d esig n   f o r   th r ec eiv er   co il.  I n   s y s tem s   with o u t p ar k in g   ass is tan ce ,   s p lit  f lat  s o len o id   co u p ler   is   p r o p o s ed   in   [ 2 2 ]   to   in cr ea s later al  m is alig n m en to ler an ce   wh ile  r ed u cin g   co p p er   an d   f er r ite  m ater ial  u s ag e.   r ec eiv er   co il  with   d u al - lay er   s tr u ctu r an d   an   M - co r is   in tr o d u ce d     in   [ 2 3 ] ,   wh ich   en h an ce s   th p o wer   d en s ity   an d   co u p lin g   co ef f icien t o f   th r ec eiv er .   Ho wev er ,   th er is   lack   o f   co m p r eh en s iv d esig n   ap p r o ac h es  f o r   d ev elo p in g   wir eless   E ch ar g in g   s y s tem s   th at  f u lly   co m p ly   with   th SAE  J 2 9 5 4   s tan d ar d ,   p ar ticu lar ly   r eg ar d in g   th o p tim izatio n   o f   co il d esig n   to   ac h iev th m o s s u itab le  s tr u ctu r f o r   m ax im izin g   p o wer   tr an s f er   ef f icien cy   an d   im p r o v in g   m is alig n m en to ler an ce .   T h is   p ap er   aim s   to   d ev elo p   an   o p tim al  d esig n   ap p r o ac h   f o r   ef f icien wir eless   E ch ar g er s   th at  m ee t   th p er f o r m an ce   r eq u ir em en ts   o f   th SAE  J 2 9 5 4   s tan d ar d ,   with   f o cu s   o n   th d esig n   o f   th tr an s m itter   an d   r ec eiv er   co ils .   T h d esig n   m eth o d o lo g y   is   p r esen ted   an d   s u b s eq u en tly   v er if ied   th r o u g h   m ag n etic  s im u latio n s   u s in g   th C OM SOL  p r o g r am .   Fin ally ,   ex p er im en tal  v alid atio n   is   p er f o r m ed   o n   2 - k W   wir eless   E ch ar g in g   s y s tem .       2.   SAE   J 2 9 5 4   ST ANDA RD   O VE RV I E W   T h SAE  J 2 9 5 4   s tan d ar d   estab lis h es  g lo b ally   r ec o g n ized   g u id elin es  an d   r eq u ir em en ts   f o r   wir eless   ch ar g in g   s y s tem s ,   s p ec if ically   tailo r ed   f o r   lig h t - d u ty   elec tr ic  v eh icles.  I d ef in es  ac ce p tab le  cr iter ia  f o r   in ter o p er ab ilit y ,   elec tr o m ag n etic  co m p atib ilit y   ( E MC),   E MF  ex p o s u r e,   m in im u m   p er f o r m an ce ,   s af ety ,   an d   test in g   f o r   W PT  o f   elec tr ic  v eh icles.  T h W PT  s y s tem   d escr ib ed   in   th is   s tan d ar d   co n s is ts   o f   two   m ain   p ar ts th g r o u n d   ass em b ly   ( GA)   an d   th v eh icle  ass em b ly   ( VA) ,   as  s h o wn   in   Fig u r 1 .   T h elec tr ical  en er g y   p r o v id ed   b y   th u tili ty   g r id   is   f ir s co n v er ted   in to   DC   an d   s u b s eq u en tly   in to   h ig h - f r eq u en cy   alter n atin g   cu r r en ( AC )   th r o u g h   GA  elec tr o n ics.  I t is th en   wir eless ly   tr an s m itted   to   th VA  v ia  elec tr o m ag n etic  co u p lin g   b etwe en   th GA  an d   VA  co ils .   B ef o r d eliv er in g   th r ec eiv ed   p o wer   to   th E V’ s   b atter y ,   th in d u ce d   h ig h - f r eq u en cy   AC   is   r ec tifie d   b y   th VA  elec tr o n ics.   T h is   s tan d ar d   class if ies  wir eless   E ch ar g in g   s y s tem s   b ased   o n   th m ax im u m   in p u ap p ar en p o wer   d r awn   f r o m   th g r id   ( W PT  p o wer   class es),   th r an g o f   g r o u n d   clea r an ce s   ( W PT  Z - class es),   g r o u n d   ass em b ly   in s tallatio n   ty p es,  an d   in ter o p er ab ilit y T h th r ee   W PT  p o wer   class es  ar W PT1   ( 3 . 7   k VA ) ,   W PT2   ( 7 . 7   k VA ) ,   an d   W PT3   ( 1 1 . 1   k VA ) .   T h W PT  Z - class ed   ar d ef in ed   b ased   o n   th v er tical  clea r an ce   b etwe en   th g r o u n d   an d   th lo wer   s u r f ac o f   th VA  co il,  k n o wn   as  th VA  co il  g r o u n d   clea r an ce .   T h W PT  Z - class es  in clu d Z 1   ( 1 0 0 1 5 0   m m ) ,   Z 2   ( 1 4 0 2 1 0   m m ) ,   an d   Z 3   ( 1 7 0 2 5 0   m m ) .   T h is   s tan d ar d   d ef in es  th r ee   GA  in s tallatio n   ca teg o r ies  b ased   o n   th eir   m o u n tin g   p o s itio n   r elativ to   th g r o u n d   s u r f ac e ,   wh ich   ar ab o v e - g r o u n d   m o u n tin g   ( GA  is   p lace d   o n   to p   o f   th g r o u n d   s u r f ac e) ,   f lu s h   m o u n tin g   ( GA  is   in s talled   f lu s h   with   th g r o u n d   s u r f ac e) ,   an d   b u r ied   m o u n tin g   ( GA  is   b u r ied   b elo th g r o u n d   s u r f ac e) .   T o   en s u r co m p atib ilit y   with   VA,   th is   s tan d ar d   d ef in es  two   in ter o p er ab ilit y   class if icatio n s   f o r   GA.   I n ter o p er ab ilit y   C lass   I   GA  r ef er s   to   GA  th at  is   in ten d ed   f o r   p u b lic  u s ( m u ltip le  VA) ,   ca p ab le  o f   o p er atin g   ac r o s s   th f u ll  r an g o f   VA  co il  g r o u n d   clea r an ce s   an d   in p u p o wer   r an g e.   I n ter o p er ab ilit y   C lass   I I   GA  r ef er s   to   GA  th at  is   in ten d ed   f o r   s p ec if ic  u s ( s p ec if ic  VA) .   I m ay   o p er ate  o v er   less   th an   th f u ll  VA  co il  g r o u n d   clea r an ce   r an g an d   in p u Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       Desig n   o f th w ir eless   E V   ch a r g er to   mee t th p erfo r ma n ce   r eq u ir eme n t o   ( P a tch a r a p o n   K a ewn o en )   13   p o wer   r an g e.   Acc o r d in g   to   th is   s tan d ar d ,   th d esig n ed   s y s tem   in   th is   wo r k   is   class if ied   as  d etailed   in   T ab le  1 .   T o   en s u r th r eliab le  an d   ef f icien o p er atio n   o f   wir eless   E ch ar g in g   s y s tem s ,   p er f o r m an ce   r eq u ir em en ts   h av e   b e e n   e s t a b l i s h e d   b y   t h e   S A E   J 2 9 5 4   s t a n d a r d .   B a s e d   o n   t h i s   s t a n d a r d   a n d   t h e   s y s t e m   c l a s s i f i c a t i o n   s h o w n   i n   T ab le  1 ,   th m in im u m   p er f o r m an ce   r eq u ir em en ts   f o r   th d esig n ed   W PT  s y s tem   ar s p ec if ied   in   T ab le  2 .           Fig u r 1 .   Ov e r all  W PT  s y s tem   as d ef in ed   in   th SAE  J 2 9 5 4   s tan d ar d       T ab le  1 .   C lass if icatio n   o f   th W PT  s y s tem   u n d er   d esig n   ac c o r d in g   to   SAE  J 2 9 5 4   s tan d ar d   S A J2 9 5 4   c l a ssi f i c a t i o n   D e si g n i n g   s y s t e m   D e scri p t i o n   W P p o w e r   c l a ss   W P T1   M a x i m u m   i n p u t   a p p a r e n t   p o w e r :   3 . 7   k V A   W P Z - C l a ss e s   Z1   V A   c o i l   g r o u n d   c l e a r a n c e :   1 0 0     1 5 0   mm   G r o u n d   a ss e mb l y   i n s t a l l a t i o n   A b o v e   g r o u n d   m o u n t i n g   G A   i n s t a l l a t i o n :   A b o v e   g r o u n d   I n t e r o p e r a b i l i t y   C l a s s II   G A   G A   c o m p a t i b l e   w i t h   s p e c i f i c   V A   u n i t       T ab le  2 .   R eq u ir e d   p er f o r m a n c o f   th W PT  s y s tem   u n d er   d e s ig n   ac co r d in g   to   SAE  J 2 9 5 4   s tan d ar d   P a r a me t e r s   V a l u e   R a t e d   o u t p u t   p o w e r   2   k W   I n p u t   a p p a r e n t   p o w e r   a t   r a t e d   o u t p u t   p o w e r     3 . 7   k V A     O u t p u t   D C   v o l t a g e   a t   r a t e d   o u t p u t   p o w e r   2 8 0     4 2 0   V   S y st e m e f f i c i e n c y   a t   r a t e d   o u t p u t   p o w e r   ( A i r   g a p   =   1 0   c m,  N o   M i sal i g n m e n t )     8 5 %   S y st e m e f f i c i e n c y   a t   r a t e d   o u t p u t   p o w e r   ( A i r   g a p   =   1 0   c m,  M i sa l i g n me n t   =   1 0   c m)     8 0 %   S y st e m e f f i c i e n c y   a t   r a t e d   o u t p u t   p o w e r   ( A i r   g a p   =   1 5   c m,  N o   M i sal i g n m e n t )     8 5 %   S y st e m e f f i c i e n c y   a t   r a t e d   o u t p u t   p o w e r   ( A i r   g a p   =   1 5   c m,  M i sa l i g n me n t   =   1 0   c m)     8 0 %   F r e q u e n c y   8 5   k H z       3.   S YST E M   DE SCRI P T I O A ND  ANAL YSI S   T h wir eless   E ch ar g in g   s y s tem   illu s tr ated   in   Fig u r 1   ca n   b r ep r esen ted   by  th eq u iv alen cir cu it  d ep icted   in   Fig u r 2 ( a) ,   wh er V in   r ep r esen ts   th f ir s h ar m o n ic  co m p o n en o f   an   in v er ter   o u tp u v o ltag e.   T h in d u ctan ce   o f   th tr an s m itter   ( GA)   co il,  r ec eiv er   ( VA)   co il,  an d   m u tu al  in d u ctan ce   ar d en o ted   b y   L p ,   L s ,   an d   M,   r esp ec tiv ely .   T h in tr in s ic  r esis tan ce s   o f   th GA  co il  an d   VA  co il  ar d ef in ed   as  R p   an d   R s .   T h s er ies - s er ies  ( SS )   co m p en s atio n   to p o lo g y   is   ad o p ted   b y   co n n ec tin g   ca p ac ito r   with   ca p ac itan ce   C p   in   s er ies  with   th GA  co il  an d   ca p ac ito r   with   ca p ac itan ce   C s   in   s er ies  with   th VA  co il.  B o th   th tr an s m itter   an d   r ec eiv er   cir cu its   ar tu n ed   to   r eso n ate  at  th s am f r eq u en cy ,   d ef in ed   as th r eso n an t f r eq u en cy   ( 0 ).   T h s y s tem   o u tp u t c a n   b r ep r esen ted   b y   an   eq u iv ale n t A C   r esis tan ce   (  ) ,   ca lcu lated   as   ( 1 )   [ 2 4 ] .      = 8  2   ( 1 )     W h er    is   th eq u iv alen DC   r esis tan ce ,   d eter m in ed   b y   th v o ltag an d   cu r r en r atin g s   o f   th E b atter y .   T o   en s u r th s y s tem   o p er ates a r eso n an t f r eq u en cy ,   th r eq u ir ed   ca p ac itan ce   v alu es f o r   th tr an s m itter   an d   r ec eiv er   cir cu its   ar as   ( 2 )   an d   ( 3 ) .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 6 9 4   I n t J  Po E lec  &   Dr i Sy s t Vo l.  1 7 ,   No .   1 Ma r c h   20 2 6 :   11 - 24   14   = 1 4 2 0 2   ( 2 )     = 1 4 2 0 2   ( 3 )     B y   tr an s f er r in g   th im p ed an ce   in   th r ec eiv er   cir cu it  to   th tr an s m itter   cir cu it,  th s y s tem   ca n   b s im p lifie d   as sh o wn   in   Fig u r 2 ( b ) ,   wh er Z r   is   d ef in ed   as th r ef lecte d   im p ed an ce ,   wh ich   is   ex p r ess ed   as  ( 4 ) .     = 4 2 0 2 2 +    ( 4 )     W h er =   is   th m ag n etic  co u p lin g   co ef f icien o f   co u p led   co il.  T h co il - to - co il  ef f icien cy   (  )   ca n   b d er iv ed   f r o m   ( 5 ) ,   wh ich   d ep en d s   h ea v ily   o n   th m ag n etic  co u p lin g   co ef f icien ( ) th at  is ,      in cr ea s es a s     in cr ea s es.  I t is  n o ted   th at  well - d esig n ed   co il c an   m ax im ize  th co u p lin g   f ac to r .      = 4  2 0 2 2 ( + ) ( +  ) 2   ( 5 )     C o m m o n ly   u s ed   s tr u ctu r es  o f   co u p led   co ils   f o r   wir eless   E ch ar g in g   s y s tem s   ar th c ir cu lar   f lat  s p ir al  co il  ( C FS C ) ,   s q u ar f lat  s p ir al  co il  ( SF SC ) ,   do u b le  pa d   ( DD) ,   dou b le  D - q u ad r atu r p ad   ( DDQ) ,   an d   bi - p o lar   p ad   ( B P).   co m p ar is o n   o f   th ese  s tr u ctu r es  is   r ep o r ted   in   [ 2 5 ] ,   wh ich   ca n   b s u m m ar ized   in   T ab le  3 .   I is   n o ted   th at  th C FS C   s tr u ctu r r eq u ir es  lo s p ac v o lu m an d   m ater ial   u s ag e,   th er eb y   lo wer in g   th o v er all  s y s tem   co s t.  Mo r eo v er ,   it  p r o v id es  u n if o r m   m ag n etic  f ield   d is tr ib u tio n ,   s ca lab ilit y ,   an d   m an u f ac tu r ab ilit y   [ 2 6 ] .           ( a)   ( b )     Fig u r 2 .   E q u iv alen t c ir c u it o f   th wir eless   E ch ar g in g   s y s t em :   ( a)   f u ll c ir c u it a n d   ( b )   s im p lifie d   cir cu it       T ab le  3 .   C o m p a r is o n   o f   th co u p led   co ils   s tr u ctu r es u s ed   i n   wir eless   E c h ar g er   S t r u c t u r e   M i s a l i g n me n t   t o l e r a n c e   S p a c e   v o l u me   M a t e r i a l   u s a g e   C F S C   W e a k   Lo w   Lo w   SFSC   W e a k   Lo w   Lo w   DD   M e d i u m   M e d i u m   M e d i u m   DDQ   M e d i u m   M e d i u m   H i g h   BP   P r e f e r a b l e   M e d i u m   M e d i u m       4.   P RO P O SE DE SI G T E C H NIQU E   T o   m ee th p er f o r m an ce   r eq u ir em en ts   o f   th SAE  J 2 9 5 4   s tan d ar d ,   as  d etailed   in   T ab le  2 ,   th is   wo r k   f o cu s es  o n   th o p tim al  d esig n   o f   co u p led   co il  f o r   th wir eless   ch ar g in g   s y s tem .   cir cu lar   f lat  s p ir al  co il  co n f ig u r atio n ,   as  s h o wn   in   Fig u r 3 ,   is   ad o p ted   d u to   its   k ey   ad v an tag es,  in clu d in g   ea s o f   d esig n ,   m an u f ac tu r ab ilit y ,   an d   u n if o r m   m ag n etic  f ield   d is tr ib u tio n .   T h co il’s  in n er   d iam eter ,   co il’s  o u ter   d iam eter ,   co p p er   wir e’ s   cr o s s - s ec tio n al  ar ea ,   an d   s p ac in g   b etwe en   co il  tu r n s   ar r ep r esen ted   b y   d i ,   d o ,   w,   an d   s ,   r esp ec tiv ely .   Var io u s   r esear ch   ef f o r ts   h av p r o p o s ed   d esig n   m eth o d o lo g ies  to   o p tim ize  th p ar am eter s   o f   cir cu lar   f lat  s p ir al  co ils n ev er th eless ,   m o s o f   th ese  s tu d ies  em p h asize  s y s tem   p er f o r m an ce   with o u r ef er en cin g   o r   co n f o r m in g   to   estab lis h ed   in ter n atio n al  s tan d ar d s .   I n   th is   wo r k ,   s y s tem atic,   f lo wch ar t - b ased   o p tim izatio n   tech n iq u is   p r o p o s ed   to   p r o v id r ep r o d u cib le  d esig n   p r o ce s s   f o r   an   ef f icien wir eless   elec tr ic  v eh icle  ( E V)   ch ar g in g   s y s tem   th at  en s u r es  co m p lian ce   with   th SAE  J 2 9 5 4   s tan d ar d .   co m p ar is o n   b etwe en   th p r ev io u s ly   o p tim ized   d esig n   tech n iq u an d   th p r o p o s ed   d esig n   ap p r o ac h   is   p r esen ted   in   T ab le  4 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       Desig n   o f th w ir eless   E V   ch a r g er to   mee t th p erfo r ma n ce   r eq u ir eme n t o   ( P a tch a r a p o n   K a ewn o en )   15       Fig u r 3 .   C ir cu lar   f lat  s p ir al  co il c o n f ig u r atio n       T ab le  4 .   C o m p a r is o n   b etwe en   th p r ev io u s ly   o p tim ized   d esig n   tech n i q u an d   th p r o p o s ed   m eth o d   S o u r c e s   O p t i mi z e d   d e si g n   t e c h n i q u e   S A J2 9 5 4   c o mp l i a n c e   [ 2 7 ]   C o i l   si z e   r a t i o - b a se d   ×   [ 2 8 ]   M o d e l - b a se d   ×   [ 2 9 ]   M a c h i n e   l e a r n i n g   ×   [ 3 0 ]   G e n e t i c   a l g o r i t h m   ×   [ 3 1 ]   G e n e t i c   a l g o r i t h m   ×   [ 3 2 ]   F l o w c h a r t - b a se d   ×   Th i s   w o r k   F l o w c h a r t - b a se d         As  p r esen ted   in   [ 3 0 ] ,   in   th ca s o f   ze r o   tu r n   s p ac in g   ( s   0 ) ,   th s elf - in d u ctan ce   o f   cir cu lar   f lat  s p ir al  co il ( in   H )   ca n   b esti m ated   as  ( 6 ) .     = ( +  ) 2 2 406 . 4 + 1524    ( 6 )     W h er   is   th n u m b er   o f   tu r n s   o f   th co il.  No te  th at  ,   an d     ar m ea s u r ed   in   m illi m eter s .   T h esti m ated   co il in d u ctan ce   will b with in   5 %   o f   th ac tu al  v alu if   th co n d itio n   in   ( 7 )   is   m et.   T h is   co n d itio n   is   ca lled   th W h ee ler   C o n d itio n ,   o r   W C   f o r   s h o r t.     0 . 9  0 . 1 > 0   ( 7 )     Fro m   ( 6 ) ,   th co il  in n er   d iam eter   ca n   b d er iv ed   as  p r esen ted   in   ( 8 ) ,   wh ile  th co il  o u ter   d iam eter   ca n   b co m p u ted   f r o m   ( 9 ) .     = 0 . 2 ( 1016 + 2 258064 2 + 6 98 5  3 5 3 ) 2   ( 8 )     =  + 2    ( 9 )     T o   ac h iev an   o p tim al  co u p led   co il  th at  p r o v id es  th m ax im u m   m ag n etic  co u p lin g   co ef f icien t,  th is   wo r k   p r o p o s es  d esig n   tech n iq u e,   s h o wn   as  th f lo wch ar in   Fig u r 4 .   I is   ass u m ed   th at  th tr an s m itter   an d   r ec eiv er   co ils   ar id en tical.   W ith   th is   tech n iq u e,   th o p tim al  co il  tu r n   n u m b er   ( ) ,   co il  in n er   d iam eter   ( ) ,   an d   co il  o u ter   d iam eter   ( )   ar o b tain ed   th r o u g h   an   iter ativ ca lcu latio n   p r o ce s s .   T h d esig n   co n s tr ain ts ,   in clu d in g   co il  in d u ctan ce   ( ) ,   tu r n   s p ac in g   ( ) ,   co p p er   wir d iam eter   ( ) ,   an d   m ax im u m   co il  o u ter   d iam eter   ( ,  ) ,   ar d ef in ed   in   th f ir s s tep .   Nex t,  th ca lcu latio n   lo o p   b eg in s   b y   s ettin g   th in itial  co il  tu r n   n u m b er   to   o n e.   T h co il  in n er   d iam eter   is   th en   ca lcu lated   u s in g   ( 8 ) .   Af ter   th at,   th co il  o u ter   d iam eter   is   ca lcu lated   u s in g   ( 9 ) .   T h en ,   it is   co m p ar ed   with   ,  I f   it is   g r ea ter   th an   ,  ,   m ea n in g   th o u ter   d iam eter   o f   th co il  ex ce ed s   th co n s tr ain t,  th cu r r en v alu o f     ca n n o b u s ed .   T h u s ,   th co il  tu r n   n u m b er   will  b u p d ated   b y   in cr ea s in g   its   p r ev io u s   v alu b y   o n e,   an d   th p r o ce s s   will  r etu r n   to   th   ca lcu latio n   s tag e.   B u if   it  is   lo wer   th an   ,  ,   th p r o ce s s   will  co n tin u to   ch ec k   th W h ee ler   co n d itio n   ( W C )   in   ( 7 )   to   en s u r th at  th d if f er en ce   b etwe en   th esti m ated   an d   ac tu al  co il  in d u ctan ce   v alu es  is   less   th an   5 % .   I f   th is   co n d itio n   is   n o m et,   th co il  tu r n   n u m b er   will  also   b u p d ated ,   as  ex p lain ed   ea r lier .   B u if   th is   co n d itio n   is   m et,   th latest  v alu o f   ,   an d     will  b ass ig n ed   as  th o p tim al  v alu e,   an d   th d esig n   p r o ce s s   will  s to p .   Usi n g   th p r o p o s ed   tech n iq u e,   ap p lied   u n d er   th d esig n   co n s tr ain ts   in   T ab le  5 ,   y ield s   th o p tim al  p ar am eter s   f o r   th co u p led   co il o f   th wir eless   E ch ar g er ,   as sh o wn   in   T ab le  6 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 6 9 4   I n t J  Po E lec  &   Dr i Sy s t Vo l.  1 7 ,   No .   1 Ma r c h   20 2 6 :   11 - 24   16       Fig u r 4 .   Pro p o s ed   o p tim al  co il d esig n   f lo wch ar t       T ab le  5 .   C o n s tr ain ts   f o r   th co il d esig n   P a r a me t e r   V a l u e   C o i l   i n d u c t a n c e   ( )   2 0 0   µ H   Tu r n   sp a c i n g   ( )   0   mm   C o p p e r   w i r e   d i a met e r   ( )   4   mm   M a x i m u m   c o i l   o u t e r   d i a me t e r   ( ,  )   7 0 0   m m       T ab le  6 .   Op tim al  co il  d esig n   r esu lts   N   ( t u r n s)   d ( mm )   d o   ( mm )   WC   R e mar k   1   81 , 2 8 6 . 9 9   81 , 2 9 4 . 9 9   F a i l   d o   d o , m ax   2   20 , 3 3 4 . 4 4   20 , 3 4 9 . 9 7   F a i l   d o   d o , m ax   3   9 , 0 5 1 . 9 9   9 , 0 7 5 . 9 9   F a i l   d o   d o , m ax   4   5 , 1 0 7 . 6 3   5 , 1 3 9 . 6 3   F a i l   d o   d o , m ax   5   3 , 2 8 5 . 3 0   3 , 3 2 5 . 3 0   F a i l   d o   d o , m ax   6   2 , 2 9 7 . 9 5   2 , 3 4 5 . 9 5   F a i l   d o   d o , m ax   7   1 , 7 0 4 . 5 0   1 , 7 6 0 . 5 0   F a i l   d o   d o , m ax   8   1 , 3 2 0 . 6 2   1 , 3 8 4 . 6 2   F a i l   d o   d o , m ax   9   1 , 0 5 8 . 2 4   1 , 1 3 0 . 2 4   F a i l   d o   d o , m ax   10   8 7 0 . 9 5   9 5 0 . 9 4 8   F a i l   d o   d o , m ax   11   7 3 2 . 4 2   8 2 0 . 4 2   F a i l   d o   d o , m ax   12   6 2 6 . 8 5   7 2 2 . 8 5   F a i l   d o   d o , m ax   13   5 4 4 . 2 9   6 4 8 . 2 9   F a i l   W C   n o t   m e t   14   4 7 8 . 2 3   5 9 0 . 2 3   P a ss   O p t i mal   v a l u e   15   4 2 4 . 3 2   5 4 4 . 3 2   P a ss   S u f f i c i e n t   v a l u e   16   3 7 9 . 5 0   5 0 7 . 5 0   P a ss   S u f f i c i e n t   v a l u e   17   3 4 1 . 6 4   4 7 7 . 6 4   P a ss   S u f f i c i e n t   v a l u e   18   3 0 9 . 1 7   4 5 3 . 1 7   P a ss   S u f f i c i e n t   v a l u e   19   2 8 0 . 9 7   4 3 2 . 9 7   P a ss   S u f f i c i e n t   v a l u e   20   2 5 6 . 1 8   4 1 6 . 1 8   P a ss   S u f f i c i e n t   v a l u e       As  in d icate d   in   T ab le  6 ,   th o p tim al  co il  p ar am eter s   ar ac h iev ed   at  iter atio n   = 14 .   At  th is   s tag e,   th co il’s  in n er   an d   o u ter   d iam eter s   ar 4 7 8 . 2 3   m m   an d   5 9 0 . 2 3   m m ,   r esp ec tiv ely .   No te  th at  th o u ter   d iam eter   is   with in   th m ax im u m   lim it  o f   7 0 0   m m ,   an d   th d esig n   m ee ts   th wh ee ler   co n d itio n .   Fo r   co m p ar is o n ,   f u r th er   iter atio n s   f r o m   = 15   to   = 20   wer co n d u cted .   T h r esu lts   s h o th at  th wh ee ler   co n d itio n   is   m et  an d   < ,    at  th ese  s tag es.  Ho wev er ,   th ey   d o   n o y ield   th o p tim al  co il  p ar am eter s ,   wh ich   ar d ef in ed   as th s u f f icien t v alu e.   T o   v er if y   th p r esen ted   co il  d esig n   r esu lts ,   f in ite  elem en an aly s is   ( FEA)   s im u latio n   was  p er f o r m ed   u s in g   C OM SOL  m u ltip h y s ics  s o f twar e,   as  s h o wn   in   Fig u r 5 .   T h co il  p ar am eter s   lis ted   in     T ab le  5   (   an d   )   an d   th o s f o r   iter atio n s   =   1 4   to   2 0   in   T ab le  6   ( ,   an d   )   wer u s ed   in   th s im u latio n .   T h co il  alig n m en co n d itio n s ,   as  s p ec if ied   b y   th p er f o r m an ce   r eq u ir em en ts   in   T ab le  2 ,   wer s im u lated .   T h ese  co n d itio n s   in clu d 1 0   cm   air   g ap   b o th   with   an d   with o u 1 0   cm   h o r izo n tal  m is alig n m en t,  an d   1 5   cm   air   g ap   b o th   with   an d   with o u t a   1 0   cm   h o r izo n tal  m is alig n m en t.   T h FEA  s im u latio n   r esu lts   p r esen ted   in   Fig u r 6   in d icate   th at  th h ig h est  m ag n etic  co u p lin g   co ef f icien o f   th co u p led   co il,  u n d er   all  co il  alig n m en co n d itio n s ,   o cc u r s   wh en   th co il  tu r n   n u m b er   is   1 4 ,   wh ich   co r r esp o n d s   to   th o p tim al  v alu o b tain ed   f r o m   th co il  d esig n .   T h m ag n etic  co u p lin g   d ec r ea s es  as  th co il  tu r n   n u m b er   in cr ea s es,  wh ich   v er if ies  th p r o p o s ed   d esig n   m eth o d .   Mo r eo v er ,   f o r   g iv en   co il  tu r n   n u m b er ,   th r esu lts   in d icate   th at  m ag n etic  co u p lin g   d ec r ea s es  with   in cr ea s in g   air   g ap   an d /o r   h o r izo n tal  m is alig n m en t b etwe en   th co ils .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       Desig n   o f th w ir eless   E V   ch a r g er to   mee t th p erfo r ma n ce   r eq u ir eme n t o   ( P a tch a r a p o n   K a ewn o en )   17       Fig u r 5 .   C OM SOL  m u ltip h y s ics FEA   s im u latio n           Fig u r 6 .   FEA  s im u latio n   r esu lts       5.   E XP E R I M E N T A L   RE SUL T S AN D I SC USS I O N   T o   v alid ate  th p r o p o s ed   tech n iq u e,   th tr an s m itter   ( T x )   an d   r ec eiv er   ( R x )   co ils   ar f ab r icate d ,   as  illu s tr ated   in   Fig u r 7 ,   u s in g   th o p tim al  co il  p ar am eter s   d er iv ed   f r o m   th d esig n   p r o ce s s ,   wh ich   ar N   1 4   tu r n s ,   s   0   m m ,   w   4   m m ,     4 7 8 . 2 3   m m ,   an d     5 9 0 . 2 3   m m .   T h e   i n d u c t a n c e   m e a s u r e d   f o r   t h e   T x   c o i l   i s   2 0 0 . 8 9   H   a n d   t h e   R x   c o i l   i s   2 0 4 . 7 8   H ,   w h i c h   d e v i a t e s   f r o m   t h e   d e s i g n e d   v a l u e   o f   2 0 0   H   b y   0 . 4 4 5 a n d   2 . 3 9 % ,   r e s p e c t i v e l y .   T h e s e   e r r o r s   a r e   w i t h i n   5 % ,   c o n f i r m i n g   t h e   v a l i d i t y   o f   t h e   w h e e l e r   c o n d i t i o n .             Fig u r 7 .   Fab r icate d   co il d esig n ed   with   th o p tim al  co il p ar a m eter s     Fig u r 8 .   R esu lts   o f   th m a g n e tic  co u p lin g   c o ef f icien t a d if f er en o f f s et  d is tan ce s   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 6 9 4   I n t J  Po E lec  &   Dr i Sy s t Vo l.  1 7 ,   No .   1 Ma r c h   20 2 6 :   11 - 24   18   T h m ag n etic  co u p lin g   co ef f icien o f   th co u p led   co ils   was  m ea s u r ed   as  f u n ctio n   o f   h o r izo n tal  m is alig n m en ( o f f s et  d is tan ce )   f r o m   0   cm   to   1 0   cm ,   an d   th r esu lts   ar s h o wn   in   Fig u r 8 .   T wo   air   g ap s   ( v er tical  d is tan ce s )   b etwe en   th co ils   ar co n s id er ed ,   wh ich   ar 1 0   cm   an d   1 5   cm .   T h r esu lts   ar in   clo s ag r ee m en t w ith   th o s p r esen ted   in   Fig u r 6 ,   wh ich   s h o th at  m ag n etic  co u p lin g   d ec r ea s es  with   in cr ea s in g   air   g ap   an d /o r   h o r izo n tal  m is alig n m en b etwe en   th co ils .   Fu r th er m o r e,   th er r o r s   b etwe en   th m ea s u r ed   an d   FEA  s im u latio n   r esu lts   ar less   th an   3 % .   T h ex p er im en tal  v alid atio n   was  p er f o r m ed   o n   2 - k W   p r o to ty p e,   as  d ep icted   in   Fig u r 9 ,   with   its   eq u iv alen cir cu it  illu s tr ated   in   Fig u r 1 0 .   T h co m p o n en ts   o n   th tr an s m itter   s id in clu d v ar iab le  th r ee - p h ase  v o ltag s o u r ce   ( 3 - p h ase   v ar iac) ,   th r ee - p h ase  f u ll - wav r ec tifie r   ( in p u t r ec tifie r ) ,   f u ll - b r id g in v er ter ,   tr an s m itter   co il  ( T x   co il),   an d   co m p en s atio n   ca p ac ito r   (C p ) .   On   th r ec eiv er   s id e,   th s y s tem   co n s is ts   o f   r ec eiv er   co il ( R x   co il),   co m p en s atio n   ca p ac ito r   ( C s ) ,   s in g le - p h ase  f u ll - wav r ec tifie r   ( o u tp u t r ec tifie r ) ,   an d   lo ad   r esis to r .   T h cir cu it p ar am eter s   wer m ea s u r ed   an d   ar lis ted   in   T ab le  7 .           Fig u r 9 .   2 - k W   p r o to ty p o f   wir eless   E ch ar g in g   s y s tem           Fig u r 1 0 .   E q u iv alen t c ir cu it o f   th ex p e r im en tal  s etu p       T ab le  7 .   Me asu r e d   p ar am ete r s   o f   th wir eless   E ch ar g i n g   s y s tem   p r o to ty p e   P a r a me t e r s   V a l u e   S e l f - i n d u c t a n c e   o f   T x   c o i l   ( L p )   2 0 0 . 8 9   µ H   S e l f - i n d u c t a n c e   o f   R x   c o i l   ( L s )   2 0 4 . 7 8   µ H   M u t u a l   i n d u c t a n c e   ( M )   a t   a i r   g a p   =   1 0   c m,   h o r i z o n t a l   mi s a l i g n me n t   =   0   c m   6 9 . 7   µ H   M u t u a l   i n d u c t a n c e   ( M )   a t   a i r   g a p   =   1 0   c m,   h o r i z o n t a l   mi s a l i g n me n t   =   1 0   c m   5 8 . 5   µ H   M u t u a l   i n d u c t a n c e   ( M )   a t   a i r   g a p   =   1 5   c m,   h o r i z o n t a l   mi s a l i g n me n t   =   0   c m   4 8 . 9   µ H   M u t u a l   i n d u c t a n c e   ( M )   a t   a i r   g a p   =   1 5   c m,   h o r i z o n t a l   mi s a l i g n me n t   =   1 0   c m   4 2 . 6   µ H   C o m p e n s a t i o n   c a p a c i t o r   a t   t r a n smi t t e r   si d e   ( C p )   1 7 . 3 9 4   n F   C o m p e n s a t i o n   c a p a c i t o r   a t   r e c e i v e r   s i d e   ( C s )   1 7 . 4 1 1   n F   I n t r i n si c   r e s i st a n c e   o f   Tx   c o i l   ( R p )   0 . 3 8 5   Ω   I n t r i n si c   r e s i st a n c e   o f   R x   c o i l   ( R s )   0 . 3 9 2   Ω   Lo a d   r e si s t a n c e   ( R dc )   4 8   Ω   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       Desig n   o f th w ir eless   E V   ch a r g er to   mee t th p erfo r ma n ce   r eq u ir eme n t o   ( P a tch a r a p o n   K a ewn o en )   19   T h m ea s u r ed   s y s tem   ef f icien cy   f o r   th 1 0   cm   an d   1 5   cm   air   g ap   ca s es  is   s h o wn   in   Fig u r 1 1   u n d er   d if f er en h o r izo n tal  m is alig n m en co n d itio n s   r an g in g   f r o m   0   to   1 0   cm .   No te  th at  th s y s tem   ef f icien cy   is   ca lcu lated   as  th r atio   o f   th DC   o u tp u t p o wer   to   th in p u AC   p o wer   (  =  ,   ,  ) .   I n   all  ca s es,  th o u tp u p o wer   is   k ep co n s tan at  ap p r o x im ately   2   k W   b y   ad ju s tin g   th in p u AC   v o ltag u s in g   v ar iab le  th r ee - p h ase  s o u r ce   ( th r ee - p h ase  v ar iac) .   I s h o ws  th at  s y s tem   ef f icien cy   d ec r ea s es  as  th air   g ap   an d /o r   h o r izo n tal  m is alig n m en in cr ea s es,  wh ich   alig n s   with   th r esu lts   in   Fig u r 8 .   T h s y s tem   ef f icien cies  ex ce ed   8 5 % a n d   8 0 % f o r   th 0   cm   an d   1 0   cm   h o r izo n tal  m is alig n m en t c ases ,   r esp ec tiv ely .   Fig u r 1 2   p r esen ts   th ex p er im en tal  wav ef o r m s   f o r   th 1 0   cm   air   g ap   ca s e,   wh er   is   th p r o d u ct  o f   in v er ter   v o ltag ( )   an d   in v er ter   cu r r en ( ) ,   an d     is   th p r o d u ct  o f   r ec tifie r   v o ltag ( )   an d   r ec tifie r   cu r r en ( ) .   T h co il - to - co il  ef f icien cy   (  )   ca n   b ca lcu lated   b y   d iv id in g   th av er ag v alu o f     b y   th av er ag v alu o f   .   Fo r   th ca s es  o f   0   cm   an d   1 0   cm   h o r izo n tal  m is alig n m en t,  th    ar 96. 6 7 a nd  9 5 . 1 9 %,  r esp ec tiv ely .   Fig u r 1 3   p r esen ts   th ex p er im en tal  wav ef o r m s   f o r   th lar g er   1 5   cm   air   g ap   co n d itio n ,   wh ich   r ep r esen ts   m o r ch allen g in g   s ce n ar io   f o r   p o wer   tr an s f er .   As  s h o wn ,   th co il - to - co il  ef f icien cy   was  m ea s u r ed   at  9 4 . 5 2 with   p er f ec t   alig n m en an d   9 2 . 6 1 with   1 0   cm   h o r izo n tal  o f f s et.   W h en   co m p ar ed   to   th 1 0   cm   air   g ap   r esu lts   in   Fig u r 1 2 ,   th ese  v alu es  r ep r esen d r o p   in   ef f icien cy   o f   ap p r o x im ately   2 - 3 %,  wh ich   d ir ec tly   co r r esp o n d s   to   th wea k er   m ag n etic  co u p lin g   co ef f icien ( k )   at  g r ea ter   d is tan ce s ,   as  p r ed icted   b y   th FEA  s im u latio n s   in   Fig u r 6 .   Desp ite  th is   r ed u ctio n ,   th ef f icien cies  r em ain   h ig h ,   v alid atin g   th at  th o p tim ized   co il d esig n   is   r o b u s t e v en   u n d er   less - th an - id ea l v er tical  an d   h o r izo n tal  p o s itio n in g .           Fig u r 1 1 .   Me asu r ed   s y s tem   e f f icien cy   v al u es a t d if f er e n t h o r izo n tal  m is alig n m en ts   ( o f f s et  d is tan ce )           ( a)   ( b )     Fig u r 1 2 .   E x p e r im en tal  wav e f o r m s   a t   1 0   cm   air   g ap :   ( a)   0   c m   h o r izo n tal  m is alig n m en t a n d     ( b )   1 0   cm   h o r izo n tal  m is alig n m en t   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 6 9 4   I n t J  Po E lec  &   Dr i Sy s t Vo l.  1 7 ,   No .   1 Ma r c h   20 2 6 :   11 - 24   20   T o   ev alu ate  th s y s tem   p r o to ty p e,   th test   r esu lts   ar co m p ar ed   with   th p er f o r m an ce   r eq u ir em en ts   o f   SAE  J 2 9 5 4 ,   as  s p ec if ied   in   T ab le  2 .   T h ev alu atio n   r esu lts   p r esen ted   in   T ab le  8   in d icate   th at  th d esig n ed   s y s tem   m ee ts   all  th r eq u ir em en ts .   T h is   r esu lt c o n f ir m s   th v alid ity   o f   th p r o p o s ed   d esig n   m eth o d o lo g y .           ( a)   ( b )     Fig u r 1 3 .   E x p e r im en tal  wav e f o r m s   a t   1 5   cm   air   g ap :   ( a)   0   c m   h o r izo n tal  m is alig n m en t a n d     ( b )   1 0   cm   h o r izo n tal  m is alig n m en t       T ab le  8 .   E v alu atio n   o f   s y s tem   p er f o r m an ce   ag ai n s t SAE   J 2 9 5 4   s tan d ar d   P e r f o r ma n c e   p a r a m e t e r s   S A J2 9 5 4   r e q u i r e me n t   M e a su r e d   r e su l t s   Ev a l u a t i o n   I n p u t   a p p a r e n t   p o w e r   a t   r a t e d   o u t p u t   o f   2   k W     3 . 7   k V A   2 . 2 8   -   2 . 6   k V A   P a ss   D C   o u t p u t   v o l t a g e   a t   r a t e d   o u t p u t   o f   2   k W   2 8 0     4 2 0   V   3 1 0   V   P a ss   S y st e m e f f i c i e n c y   a t   1 0   c m   a i r g a p   a n d   0   c o f f set     >   8 5 %   9 1 . 6 9 %   P a ss   S y st e m e f f i c i e n c y   a t   1 5   c m   a i r g a p   a n d   0   c o f f set     >   8 5 %   8 8 . 0 0 %   P a ss   S y st e m e f f i c i e n c y   a t   1 0   c m   a i r g a p   a n d   1 0   c o f f set     >   8 0 %   8 9 . 7 7 %   P a ss   S y st e m e f f i c i e n c y   a t   1 5   c m   a i r g a p   a n d   1 0   c o f f set     >   8 0 %   8 4 . 5 9 %   P a ss       6.   P RACTI CAL  I M P L E M E N T AT I O CO NS I DE RAT I O NS   W h ile  th 2 - k W   p r o to ty p s u cc ess f u lly   v alid ates  th co il  d esig n   m eth o d o lo g y ,   tr an s itio n in g   to   co m m er cial  p r o d u ct  r eq u ir es  ad d r ess in g   f u r th er   p r ac tical  ch allen g es,  p r im ar ily   r elate d   to   elec tr o m ag n etic  in ter f er en ce   ( E MI )   an d   th er m al  m an ag em en t.  I n   p r ac tical  W PT  s y s tem ,   m an ag in g   E MI   is   cr itical  f o r   s af ety   an d   r eg u lato r y   co m p lian ce .   T o   ev alu ate  th ef f ec tiv en ess   o f   s h ield in g   f o r   th o p tim ized   co il,  an   FEA  s im u latio n   was  co n d u cted .   As  s h o wn   in   Fig u r 1 4 ( a) ,   th u n s h ield ed   co il  ex h ib its   s ig n if ican m ag n etic  f ield   leak ag e,   wh ich   co u ld   in d u ce   ed d y   cu r r en ts   in   v eh icle' s   ch ass is .   Fig u r 1 4 ( b )   s h o ws  th r esu lt  o f   ad d in g   f er r ite  p late  b eh in d   th co il  to   g u id th f lu x   an d   an   alu m in u m   p late  to   co n tain   s tr ay   f ield s .   T h s im u latio n   co n f ir m s   th at  th is   s h ield in g   s tr ateg y   ef f ec tiv ely   r ed u ce s   m ag n etic  f ield   leak ag b y   6 0 %,  en s u r in g   th f ield   is   co n ce n tr ated   b etwe en   th co ils   an d   m in im izin g   p o ten tial in ter f er en ce .   Simu ltan eo u s ly ,   th er m al  m an ag em en is   n ec ess ar y   to   p r ev en th co ils   f r o m   o v er h ea tin g ,   wh ich   ca n   d am ag in s u latio n   an d   in cr ea s r esis tiv lo s s es.  At  th 2 - k W   p o wer   lev el  an d   8 5   k Hz  o p er atin g   f r eq u en cy ,   th u s o f   L itz  wir is   p r im ar y   s tr ateg y   to   r ed u ce   AC   r esis tan ce   ca u s ed   b y   s k in   an d   p r o x im ity   ef f ec ts ,   th er eb y   m in im izin g   h ea g en er atio n .   Fo r   p r o d u ctio n   s y s tem ,   d ed icate d   th er m al  an aly s is   u s in g   FEA  wo u ld   b r eq u ir ed   to   p r ed ict  th tem p er atu r r is u n d er   co n tin u o u s   o p er atio n .   Dep en d in g   o n   th r esu lts ,   p ass iv co o lin g   th r o u g h   n atu r al  co n v ec tio n   o r   an   ac tiv co o lin g   s y s tem   m ig h b n ec ess ar y   to   m ain tain   th co il  tem p er atu r with in   s af o p er atin g   lim its .   T h p r esen ted   ex p er im en tal  s etu p   u tili ze s   f u ll - b r id g in v er ter   o n   th tr an s m itter   s id an d   f u ll - wav r ec tifie r   o n   th r ec eiv er   s id e.   I n   th is   wo r k ,   th o u tp u p o wer   was  m ain tain ed   at  2   k W   b y   m an u ally   ad ju s tin g   th in p u v o ltag s o u r ce .   I n   co m m er cial  ap p licatio n ,   clo s ed - lo o p   co n tr o s y s tem   is   ess en tial  f o r   r eg u latin g   p o wer   an d   m ain tain in g   h ig h   ef f icien cy   u n d er   v ar y in g   lo ad   co n d itio n s   an d   co il  m is alig n m en ts .   C o m m o n   co n tr o s tr ateg ies  in clu d p h ase - s h if co n tr o o f   th in v er ter   leg s   o r   ad ju s tin g   th s witch in g   f r eq u en cy   to   m ain tain   r eso n an ce   an d   ac h iev ze r o   v o ltag s witch in g   ( Z VS) ,   th er eb y   m in im izin g   s witch in g   lo s s es  in   th p o wer   elec tr o n ics d ev ices.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.