본 논문은 무선 전력전송 기술을 이용한 하이브리드 자동차를 포함한 전기자동차 배터리 충, 방전기 회로를 제안한다. 전기자동차는 전기모터로 구동되며 그 에너지는 배터리로부터 공급받게 되는데 따라서 전기자동차에 탑재된 배터리를 외부 전기에너지로부터 충전시키기 위해 전기자동차는 충전기가 필요하다. 기존의 전기자동차용 충전기의 형태는 ...
본 논문은 무선 전력전송 기술을 이용한 하이브리드 자동차를 포함한 전기자동차 배터리 충, 방전기 회로를 제안한다. 전기자동차는 전기모터로 구동되며 그 에너지는 배터리로부터 공급받게 되는데 따라서 전기자동차에 탑재된 배터리를 외부 전기에너지로부터 충전시키기 위해 전기자동차는 충전기가 필요하다. 기존의 전기자동차용 충전기의 형태는 플러그인 탑재형 충전기(OBC, On-Board Charger) 이며 상시 자동차에 탑재되어 있으므로 차량의 일정부피를 차지하게 된다. 이는 전기자동차의 무게를 증가시킴으로써 차량 연비와 밀접한 관계가 있다. 따라서 전기자동차용 충전기는 고효율, 고전력밀도, 경량화가 요구되며 또한 자동차용이라는 특성상 장수명이 요구된다. 또한 탑재형 충전기의 형태는 사용자가 충전시 외부에서 전원코드를 통해서 전원을 인가하는 방식이다. 특히 우천 시 사용자가 외부전원과 전기자동차의 충전기와 연결할 때 감전의 위험이 존재하게 된다. 무선전력전송 충전기의 장점은 기존의 플러그인 탑재형 충전기 대신 무선 전력전송을 이용하여 사용자가 충전시 외부에서 전원을 연결시키지 않고 무선으로 충전할 수 있다는 점이다. 또한 무선충전의 이점은 2차측 정류기의 회로와 수신 코일만 차량에 탑재하여 무게 부피를 줄여 연비향상의 효과를 가져올 수 있다. 하지만 대용량의 무선충전방식은 전송거리에 대한 한계가 있어 현재 많은 연구가 진행되고 있다. 본 논문의 목적은 무선충전시스템의 전송거리 향상을 위한 새로운 토폴로지를 적용하고 이를 검증하는 것이다. 그리고 앞으로 다가올 스마트그리드(Smart-Grid)시대에 대비해 전기자동차의 충전된 배터리의 에너지를 계통으로 보낼 수 있도록 계통과 양방향 전력전달이 가능하게 구성하였다. 고전력밀도와 수명 향상을 위한 무선 전력 충⦁방전기(Wireless Power Charger/Discharger) 회로를 제안하고 최적의 설계 가이드를 이론적으로 제시한 후 실험을 통해 검증하는 것이다. 기존의 전기자동차용 충전장치는 계통전원을 고려하여 3.3kW급 이하의 충전기가 대부분이다. 이 경우 배터리용량 24kWh 기준 충전시간은 약 8시간이 된다. 이러한 충전 시간 단축에 대한 요구가 최근 대두되고 있다. 이에 따라 충전 시간의 단축을 위하여 SAE 1772의 레벨 2와 IEC61851 모드 3을 만족하는 6.6kW급 충전기에 대한 연구 및 개발이 최근 이슈화 되고 있다. 용량이 증가함에 따라 충전기의 부피도 증가하게 되고, 이에 따라 배터리 충전기의 고전력 밀도화에 대한 연구가 시급하게 되었다. 2장에서 3KW급 LLC공진형 컨버터를 이용하여 무선전력전송으로 에너지 전달이 가능한지 실험 검증해보고 문제점을 분석한 후 3장에서 새로운 방식의 HQ_PWM방식을 도출한다. 제안된 무선전력전송방식은 송신단과 수신단이 완전히 분리 되므로 무선통신을 이용하여 배터리 전압 상태를 무선으로 피드백을 받아 송신단에서 배터리 충전전류를 제어한다. 기존의 충전기회로는 상용전원을 정류하는 PFC컨버터, 절연을 위한 절연형 컨버터와 충전전류를 제어하는 DC/DC 컨버터로 구성되어 시스템이 복잡하다. 본 논문에서는 DC/DC부를 1단구조로 구성하여 전력 밀도를 높이고 배터리의 충전전류를 제어 할 수 있도록 구성되었다. 제안한 HQ_PWM 공진형 컨버터는 최대 이득 공진포인트에서 동작을 하므로 에너지 전달 효율이 좋고 최적화된 공진포인트를 설계하여 비교적 저손실로 무선전력전송을 구현할 수 있다. 공진형 컨버터의 소프트 스위칭을 위한 최적의 공진 파라미터 설계 가이드 및 HQ_PWM방식을 통한 충전전류를 송신단에서 제어를 할 수 있도록 수식을 통해 도출한다. 제안한 설계 방식을 적용하여 6.6kW급 충전기를 제작하고 제작된 충⦁방전 회로에 무선전력전송 제어 방법을 적용하고 실험을 통하여 회로의 유용성을 확인한다. 본 논문의 4장에서 제안한 양방향을 위한 단상 계통연계형 인버터타입의 PFC(Power Factor Correction)회로를 제안한다. 단상 계통연계 인버터는 PFC의 역할을 수행하면서 또한 인버터의 역할을 동시에 수행할 수 있어 스마트 그리드와 연계시에 적합한 방식이다. 그리고 DC_LINK단의 큰 리플전압을 보상하고자 큰 용량의 전해캐패시터를 사용하게 되는데 간단한 전압리플보상기로 전해 캐패시터를 대체할 수 있다. 전압리플보상기를 이용한 충전 회로는 충전기의 수명(15년, 15만km)을 보장하기 위해 고전압 전해 커패시터를 사용하지 않은 새로운 방식이다. 제안한 컨버터의 최적 설계를 위해 컨버터의 수식적인 해석과 손실분석을 통한 최적의 설계 가이드를 제시하며 링크 커패시터로 사용하는 리플전압보상기의 최적값을 도출한다. 그리고 이에 대한 리플 전압을 고려해 제안된 PFC 출력 전압 보상 컨버터를 적용하여 최적의 리플전압 저감회로를 도출한다.
본 논문은 무선 전력전송 기술을 이용한 하이브리드 자동차를 포함한 전기자동차 배터리 충, 방전기 회로를 제안한다. 전기자동차는 전기모터로 구동되며 그 에너지는 배터리로부터 공급받게 되는데 따라서 전기자동차에 탑재된 배터리를 외부 전기에너지로부터 충전시키기 위해 전기자동차는 충전기가 필요하다. 기존의 전기자동차용 충전기의 형태는 플러그인 탑재형 충전기(OBC, On-Board Charger) 이며 상시 자동차에 탑재되어 있으므로 차량의 일정부피를 차지하게 된다. 이는 전기자동차의 무게를 증가시킴으로써 차량 연비와 밀접한 관계가 있다. 따라서 전기자동차용 충전기는 고효율, 고전력밀도, 경량화가 요구되며 또한 자동차용이라는 특성상 장수명이 요구된다. 또한 탑재형 충전기의 형태는 사용자가 충전시 외부에서 전원코드를 통해서 전원을 인가하는 방식이다. 특히 우천 시 사용자가 외부전원과 전기자동차의 충전기와 연결할 때 감전의 위험이 존재하게 된다. 무선전력전송 충전기의 장점은 기존의 플러그인 탑재형 충전기 대신 무선 전력전송을 이용하여 사용자가 충전시 외부에서 전원을 연결시키지 않고 무선으로 충전할 수 있다는 점이다. 또한 무선충전의 이점은 2차측 정류기의 회로와 수신 코일만 차량에 탑재하여 무게 부피를 줄여 연비향상의 효과를 가져올 수 있다. 하지만 대용량의 무선충전방식은 전송거리에 대한 한계가 있어 현재 많은 연구가 진행되고 있다. 본 논문의 목적은 무선충전시스템의 전송거리 향상을 위한 새로운 토폴로지를 적용하고 이를 검증하는 것이다. 그리고 앞으로 다가올 스마트그리드(Smart-Grid)시대에 대비해 전기자동차의 충전된 배터리의 에너지를 계통으로 보낼 수 있도록 계통과 양방향 전력전달이 가능하게 구성하였다. 고전력밀도와 수명 향상을 위한 무선 전력 충⦁방전기(Wireless Power Charger/Discharger) 회로를 제안하고 최적의 설계 가이드를 이론적으로 제시한 후 실험을 통해 검증하는 것이다. 기존의 전기자동차용 충전장치는 계통전원을 고려하여 3.3kW급 이하의 충전기가 대부분이다. 이 경우 배터리용량 24kWh 기준 충전시간은 약 8시간이 된다. 이러한 충전 시간 단축에 대한 요구가 최근 대두되고 있다. 이에 따라 충전 시간의 단축을 위하여 SAE 1772의 레벨 2와 IEC61851 모드 3을 만족하는 6.6kW급 충전기에 대한 연구 및 개발이 최근 이슈화 되고 있다. 용량이 증가함에 따라 충전기의 부피도 증가하게 되고, 이에 따라 배터리 충전기의 고전력 밀도화에 대한 연구가 시급하게 되었다. 2장에서 3KW급 LLC공진형 컨버터를 이용하여 무선전력전송으로 에너지 전달이 가능한지 실험 검증해보고 문제점을 분석한 후 3장에서 새로운 방식의 HQ_PWM방식을 도출한다. 제안된 무선전력전송방식은 송신단과 수신단이 완전히 분리 되므로 무선통신을 이용하여 배터리 전압 상태를 무선으로 피드백을 받아 송신단에서 배터리 충전전류를 제어한다. 기존의 충전기회로는 상용전원을 정류하는 PFC컨버터, 절연을 위한 절연형 컨버터와 충전전류를 제어하는 DC/DC 컨버터로 구성되어 시스템이 복잡하다. 본 논문에서는 DC/DC부를 1단구조로 구성하여 전력 밀도를 높이고 배터리의 충전전류를 제어 할 수 있도록 구성되었다. 제안한 HQ_PWM 공진형 컨버터는 최대 이득 공진포인트에서 동작을 하므로 에너지 전달 효율이 좋고 최적화된 공진포인트를 설계하여 비교적 저손실로 무선전력전송을 구현할 수 있다. 공진형 컨버터의 소프트 스위칭을 위한 최적의 공진 파라미터 설계 가이드 및 HQ_PWM방식을 통한 충전전류를 송신단에서 제어를 할 수 있도록 수식을 통해 도출한다. 제안한 설계 방식을 적용하여 6.6kW급 충전기를 제작하고 제작된 충⦁방전 회로에 무선전력전송 제어 방법을 적용하고 실험을 통하여 회로의 유용성을 확인한다. 본 논문의 4장에서 제안한 양방향을 위한 단상 계통연계형 인버터타입의 PFC(Power Factor Correction)회로를 제안한다. 단상 계통연계 인버터는 PFC의 역할을 수행하면서 또한 인버터의 역할을 동시에 수행할 수 있어 스마트 그리드와 연계시에 적합한 방식이다. 그리고 DC_LINK단의 큰 리플전압을 보상하고자 큰 용량의 전해캐패시터를 사용하게 되는데 간단한 전압리플보상기로 전해 캐패시터를 대체할 수 있다. 전압리플보상기를 이용한 충전 회로는 충전기의 수명(15년, 15만km)을 보장하기 위해 고전압 전해 커패시터를 사용하지 않은 새로운 방식이다. 제안한 컨버터의 최적 설계를 위해 컨버터의 수식적인 해석과 손실분석을 통한 최적의 설계 가이드를 제시하며 링크 커패시터로 사용하는 리플전압보상기의 최적값을 도출한다. 그리고 이에 대한 리플 전압을 고려해 제안된 PFC 출력 전압 보상 컨버터를 적용하여 최적의 리플전압 저감회로를 도출한다.
In this paper, we provide battery charging/discharging for electric vehicles, including hybrid car using a wireless power transmission technology. Because the power sources of EV and PHEV are fully or partially supplied from batteries charged from public line, on-board chargers should be mounted. Co...
In this paper, we provide battery charging/discharging for electric vehicles, including hybrid car using a wireless power transmission technology. Because the power sources of EV and PHEV are fully or partially supplied from batteries charged from public line, on-board chargers should be mounted. Conventional on-board battery chargers for PHEV or EV have two-stage structure of input current shaper for harmonic reduction followed by DC/DC converter for output control and electrical isolation. And On-board battery charger is installed in the vehicle at all times. So It will account for constant volume of the car. It will contribute a constant fuel consumption of the vehicle by increasing the weight of the electric vehicle. Currently, the most conventional method is plug-in charging, where a copper connected cable forms the power link. There are several disadvantages to this method, which have led to the investigation of inductive charging technology. On-board chargers are burdened by the need for a cable and plug charger, galvanic isolation of the on-board electronics, the size and weight of the charger, and safety and issues with operating in rain and snow. Wireless power transfer (WPT) is an approach that provides a means to address these problems and offers the consumers a seamless and convenient alternative to charging conductively. In addition, it provides an inherent electrical isolation and reduces on-board charging cost, weight and volume. Depletion of fossil fuel reserves and current practice in generation, transmission, distribution, and utilization of energy are major worldwide concerns, for which distributed generation (DG) and harnessing of renewable energy are considered to be partial and acceptable solutions. However, the quality of power delivered by DG systems, particularly those based on wind energy and solar energy, is largely affected by the stochastic nature of their energy production. Consequently, in order to improve the power quality while meeting the demand in the most economical and efficient way, energy suppliers relied on energy storage systems, particularly for DG systems of medium power levels. Among various storage solutions such as flywheels, batteries, super-capacitors, etc., the vehicle-to-grid (V2G) concept, which uses hybrid vehicles or pure electric vehicles (EVs) to store and supply energy back to the grid, is gaining more and more popularity as hybrid . On-board chargers equipped in EV/PHEV have been developed with the charging capacity of 3.3kW and the charging time of approximately 8 hours is spent. To shorten this long charging time, a movement that attempts to double the charging capacity of the chargers to cope with SAE J1772 level 2 or IEC61851 mode 3 is taking place but it inevitably increases the charger size. In chapter 2 of this paper, Wireless power transfer for battery charger/discharger design without a copper connected cable is proposed using LLC resonant converter. Variable frequency operation in LLC resonant converter can not transfer wireless energy from region_1 to region_2. To solve this problem, HQ_PWM technique is developed. In chapter 3 of this paper, Another structure to improve transmission distance is proposed based on HQ_PWM resonant converter. The proposed technique has been simplified so that it can be implemented with a maximum resonant point. Conventional DC/DC converter for on-board battery chargers have two-stage structure of electrical isolation and charging current control. DC/DC converter consists of single-stage to increase the power density of the battery and control the charging current. HQ_PWM resonant converter, which is proposed, operates at maximum resonance point, so the optimal resonant point is designed with a high energy transfer efficiency so that wireless power transmission can be achieved with relatively low loss. The charging current, through optimal resonant parameters design guide and HQ_PWM for Soft-switching of the resonant converter, is derived from the formula to control in the Tx controller. The 6.6KW charger is designed with the proposed design method and the wireless power transmission control method is applied to the charge and discharge circuits and the usefulness of the circuit is confirmed by the experiment. A single-phase grid-connected inverter type PFC(Power Factor Correction)circuit is proposed for bi-directional proposed in chapter 4 of this paper. The single-phase grid-connected inverter can play the role of the PFC in addition to inverter, so It is the appropriate way in conjunction with the smart grid. And the large-capacity electrolytic capacitor is used to compensate for the large ripple voltage of DC_LINK. The electrolytic capacitor can be replaced by the voltage ripple compensator. The charging circuit with the voltage ripple compensator is the new way, not using with the high voltage electrolytic capacitor, for the lifetime of the charger. For the optimal design of the proposed converter, the optimal design guide is proposed through the analysis of the formula and loss. And the optimal value of the ripple voltage compensator with DC/link capacitor is derived. To verify the feasibility, the proposed circuits have been implemented and tested using wireless power transmission charger/discharger with full digital control.
In this paper, we provide battery charging/discharging for electric vehicles, including hybrid car using a wireless power transmission technology. Because the power sources of EV and PHEV are fully or partially supplied from batteries charged from public line, on-board chargers should be mounted. Conventional on-board battery chargers for PHEV or EV have two-stage structure of input current shaper for harmonic reduction followed by DC/DC converter for output control and electrical isolation. And On-board battery charger is installed in the vehicle at all times. So It will account for constant volume of the car. It will contribute a constant fuel consumption of the vehicle by increasing the weight of the electric vehicle. Currently, the most conventional method is plug-in charging, where a copper connected cable forms the power link. There are several disadvantages to this method, which have led to the investigation of inductive charging technology. On-board chargers are burdened by the need for a cable and plug charger, galvanic isolation of the on-board electronics, the size and weight of the charger, and safety and issues with operating in rain and snow. Wireless power transfer (WPT) is an approach that provides a means to address these problems and offers the consumers a seamless and convenient alternative to charging conductively. In addition, it provides an inherent electrical isolation and reduces on-board charging cost, weight and volume. Depletion of fossil fuel reserves and current practice in generation, transmission, distribution, and utilization of energy are major worldwide concerns, for which distributed generation (DG) and harnessing of renewable energy are considered to be partial and acceptable solutions. However, the quality of power delivered by DG systems, particularly those based on wind energy and solar energy, is largely affected by the stochastic nature of their energy production. Consequently, in order to improve the power quality while meeting the demand in the most economical and efficient way, energy suppliers relied on energy storage systems, particularly for DG systems of medium power levels. Among various storage solutions such as flywheels, batteries, super-capacitors, etc., the vehicle-to-grid (V2G) concept, which uses hybrid vehicles or pure electric vehicles (EVs) to store and supply energy back to the grid, is gaining more and more popularity as hybrid . On-board chargers equipped in EV/PHEV have been developed with the charging capacity of 3.3kW and the charging time of approximately 8 hours is spent. To shorten this long charging time, a movement that attempts to double the charging capacity of the chargers to cope with SAE J1772 level 2 or IEC61851 mode 3 is taking place but it inevitably increases the charger size. In chapter 2 of this paper, Wireless power transfer for battery charger/discharger design without a copper connected cable is proposed using LLC resonant converter. Variable frequency operation in LLC resonant converter can not transfer wireless energy from region_1 to region_2. To solve this problem, HQ_PWM technique is developed. In chapter 3 of this paper, Another structure to improve transmission distance is proposed based on HQ_PWM resonant converter. The proposed technique has been simplified so that it can be implemented with a maximum resonant point. Conventional DC/DC converter for on-board battery chargers have two-stage structure of electrical isolation and charging current control. DC/DC converter consists of single-stage to increase the power density of the battery and control the charging current. HQ_PWM resonant converter, which is proposed, operates at maximum resonance point, so the optimal resonant point is designed with a high energy transfer efficiency so that wireless power transmission can be achieved with relatively low loss. The charging current, through optimal resonant parameters design guide and HQ_PWM for Soft-switching of the resonant converter, is derived from the formula to control in the Tx controller. The 6.6KW charger is designed with the proposed design method and the wireless power transmission control method is applied to the charge and discharge circuits and the usefulness of the circuit is confirmed by the experiment. A single-phase grid-connected inverter type PFC(Power Factor Correction)circuit is proposed for bi-directional proposed in chapter 4 of this paper. The single-phase grid-connected inverter can play the role of the PFC in addition to inverter, so It is the appropriate way in conjunction with the smart grid. And the large-capacity electrolytic capacitor is used to compensate for the large ripple voltage of DC_LINK. The electrolytic capacitor can be replaced by the voltage ripple compensator. The charging circuit with the voltage ripple compensator is the new way, not using with the high voltage electrolytic capacitor, for the lifetime of the charger. For the optimal design of the proposed converter, the optimal design guide is proposed through the analysis of the formula and loss. And the optimal value of the ripple voltage compensator with DC/link capacitor is derived. To verify the feasibility, the proposed circuits have been implemented and tested using wireless power transmission charger/discharger with full digital control.
주제어
#무선전력전송 wireless transmission bi-directional wireless battery charger electric vehicle
학위논문 정보
저자
유광민
학위수여기관
명지대학교 대학원
학위구분
국내박사
학과
전기공학과
발행연도
2014
총페이지
xi, 138 p.
키워드
무선전력전송 wireless transmission bi-directional wireless battery charger electric vehicle
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