상호 인덕턴스 추정을 통한 양단 제어 무선 전력 전송 시스템의 구동 방법

Abstract

Charging through power delivery can be divided into contact and contactless. In the case of using a contact terminal, it is widely used from a general household plug to an EVs charging plug, and a contactless method using wireles power transfer has been used and studied from a wireless charging of a smartphone to a wireless charging pad for EVs. In the case of the contact charging method, there is a risk of electric shock because the terminal is exposed. In addition, EVs charging is not only an electric shock problem, but also frequently charged from the outside, dust, snow and water, such as foreign matter may cause charging problems. In the wireless power transfer method for charging EVs, there is a problem in that coupling between coils is low due to the distance between the bottom of the vehicle and the floor. This has the disadvantage of low power transfer efficiency and large volume. In the case of a contactless plug using a magnetic coupling can be a solution to the conventional charging methods as described above. First of all, the risk of electric shock is greatly reduced because the metal terminals for charging are not exposed. In addidion, there is an advantage that even of there is some foreign matter between the plug can be charged. In addition, since the distance between the coils is close, the coupling coefficient is high, so there is an advantage the it can be configured on a small volume. In the case of the charging method using the plug, a wireless power transfer system for controlling the transmitting side, the receiving side, and both sides may be applied. The advantage of this type of topology is that it is more suitable for next battery charging because it can deliver power in both directions compared to conventional diode receivers. In addition since the degree of freedom of control is increased, an additional control algorithm for efficiency can be applied. In this paper, we focus on the above research backgrounds and apply a system with high coupling coefficient in the wireless power transfer tolopogy controlling dual sides. For both sides, we designed a wireless power transfer system that can be controlled by estimation method rather than communication. In this paper, we propose a method of driving a dual side controlled wireless power transfer systems without communication. The control of thr primary side inverter on the source is made by estimation mutual inductane of the coil coupling and the information of the secondary side inverter on the load. In the case of secondary side inverter, the aim is to control the load voltage stably. The proposed driving method is presented through simulation and experimental results, and the goals of the propose method are implemented and verified.

전력 전달을 통한 충전 방식은 크게 접촉식과 비접촉식으로 나눌 수 있다. 접촉식 단자를 이용한 경우는 일반적인 가정용 플러그부터 전기차 충전용 플러그까지 널리 사용되고 있으며, 무선 전력 전송을 이용한 비접촉식 방식은 스마트폰 무선 충전에서 전기차 충전용 무선 충전 패드까지 사용되고 연구되고 있다. 이 중 접촉식 충전 방식의 경우 단자가 노출이 되어있기 때문에 감전의 위험이 존재한다. 또한 전기차 충전의 경우 감전 문제만이 아니라 외부에서 충전하는 경우가 많기 때문에 먼지, 눈 그리고 물 등 이물질로 인해서 충전에 문제가 생길 수 있다. 전기차 충전을 위한 무선 전력 전송 방식의 경우에는 차량 하부와 바닥 사이의 거리로 인해 코일간의 결합이 낮다는 문제점이 있다. 이 때문에 전력 전달 효율이 낮고, 부피가 커진다는 단점이 있다. 코일 결합을 이용한 비접촉식 플러그의 경우 위와 같은 기존의 충전 방식들에 대한 해결책이 될 수 있다. 우선 충전을 위한 금속 단자가 드러나 있지 않기 때문에 감전의 위험이 크게 감소한다. 또한 플러그 사이에 이물질이 일부 있더라도 충전이 가능하다는 장점이 있다. 또한 코일 사이의 거리가 가까워 결합 계수가 높기 때문에 작은 부피로 만들 수 있다는 장점이 있다. 이러한 플러그를 이용한 충전 방식의 경우 송신단과 수신단, 양단을 제어하는 무선 전력 전송 시스템을 적용할 수 있다. 이러한 방식의 토폴로지의 장점은 기존의 다이오드 수신단 대비 양방향으로 전력을 전달할 수 있기 때문에 차세대 배터리 충전 방식에 더욱 적절하다. 또한 제어의 자유도가 늘어나기 때문에 효율을 위한 추가적인 제어 알고리즘 적용이 가능하다는 장점이 있다. 본 논문에서는 위와 같은 연구 배경들에 초점을 맞춰 양단을 제어하는 무선 전력 전송 토폴로지에서 코일 결합 계수가 높은 시스템을 적용하였다. 또한 양단 제어를 위해서는 통신이 아닌 추정 방식을 통해 제어할 수 있는 무선 전력 전송 시스템을 설계하였다. 본 논문에서는 통신을 사용하지 않는 양단 제어 무선 전력 전송 시스템의 구동 방법에 대해 제안한다. 전원 측의 1차단 인버터의 제어는 코일 결합의 상호 인덕턴스와 부하 측의 2차단 인버터의 정보 추정을 통해 이루어지며, 전체 시스템의 효율 개선을 목표로 한다. 2차단 인버터의 경우 부하 전압을 안정적으로 제어하는 것을 목표로 한다. 제안하는 구동 방법을 모의 실험과 실험 결과를 통해 제시하였고 제안하는 방법의 목표를 구현 및 입증하였다.