[논문]전기자동차의 유리를 통한 커패시티브 커플링 LLC 무선 전력 전송 컨버터

유영수; 이강현

doi:10.6113/tkpe.2016.21.6.542

전기자동차의 유리를 통한 커패시티브 커플링 LLC 무선 전력 전송 컨버터
Capacitive Coupling LLC Wireless Power Transfer Converter Through Glasses of Electric Vehicles 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.21 no.6, 2016년, pp.542 - 545

유영수 (Dept. of Electronic Engineering, Daegu University) , 이강현 (School of Electronic and Electrical Engineering, Daegu University)

Abstract ▼ AI-Helper

This work proposes a capacitive coupling-based wireless battery charging circuit that is built with vehicle glasses for electric vehicles. A capacitive coupling wireless power transfer offers many advantages, such as low metal impact and low energy transfer efficiency changes in accordance with changes in position. However, a large coupling capacitor is needed for high power transfer. Therefore, a new capacitive coupling-based wireless power transfer LLC resonant converter built with the glasses of an electric vehicle is proposed. The proposed converter is composed of coupling capacitors with glasses of an electric vehicle and two transformers for impedance transformation. The proposed LLC converter can transfer large power and obtain high efficiency with zero voltage switching. The validity and features of the proposed circuit is verified by experimental results with a 1.2 kW prototype.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 전기 자동차의 큰 부분을 차지하고, 상대 유전율이 3∼10을 갖는 전기자동차의 유리를 이용한 전기자동차 충전 방식을 제안한다.
본 논문에서는 커패시티브 커플링 무선 전력 전기자동차 충전 방식을 제안하였다. 자동차에 있는 유리를 이용하여 큰 커플링 커패시터를 얻었으며, 임피던스를 더욱 줄이기 위하여 두 개의 변압기를 이용한 임피던스 변환을 사용하였다.

가설 설정

제안하는 컨버터 전압이득 분석을 위해 송신측 자화 인덕턴스와 커패시터 C_b를 무한대로 가정하고 변압기턴 비를 고려하면 LLC 직렬 공진 컨버터와 유사한 간략화 회로를 그림 4와 같이 얻을 수 있다. 간략화 회로를 통해 턴 비를 고려하여 입력전압과 출력전압의 기본파 성분만을 고려한 전압이득 특성 식 (1)을 유도하였다.

제안 방법

유리와 간이 동판을 통해 커플링 커패시터를 구성하였으며 1차 측은 풀 브리지 인버터와 외부에 공진 인덕터를 설계하였다. 두 개의 변압기를 EI6044 코어를 통해 설계하였으며 2차 측은 풀 브리지 정류기로 구성하였다. 그림 5는 실험에서 사용한 주요 수동 소자를 나타내고 있다.
자동차에 있는 유리를 이용하여 큰 커플링 커패시터를 얻었으며, 임피던스를 더욱 줄이기 위하여 두 개의 변압기를 이용한 임피던스 변환을 사용하였다. 또한 안정된 전압 이득과 높은 효율을 얻기 위하여 강압 변압기의 자화 인덕턴스를 이용하여 LLC 직렬 공진 컨버터와 유사하게 동작하도록 설계하였다. 실험 결과를 통해 제안한 시스템의 대용량 전력 전송이 가능성과 이론적 분석과 동일하게 동작함을 검증하였으며, 영전압 스위칭과 높은 효율을 확인하였다.
제안하는 시스템 회로의 송신측에는 외부 공진인덕터와 커플링 커패시터의 임피던스를 작게 보이기 위한 승압 변압기로 구성되어 있으며, 수신 측은 Quality-factor를 통한 출력전압 설계를 위한 강압 변압기와 정류기로 구성되어 있다. 영전압 스위칭 및 2차측 정류 다이오드의 영전류 스위칭을 위하여 강압 변압기의 자화 인덕터, 공진 인덕터 그리고 커플링 커패시터로 이루어진 LLC 직렬 공진 컨버로 동작하도록 설계한다.모든 스위치의 영전압 스위칭을 이루게 되고, 출력 전압 이득도 LLC 컨버터와 유사하게 얻을 수 있다.
자세한 실험 사양은 표 1과 같다. 유리와 간이 동판을 통해 커플링 커패시터를 구성하였으며 1차 측은 풀 브리지 인버터와 외부에 공진 인덕터를 설계하였다. 두 개의 변압기를 EI6044 코어를 통해 설계하였으며 2차 측은 풀 브리지 정류기로 구성하였다.
본 논문에서는 커패시티브 커플링 무선 전력 전기자동차 충전 방식을 제안하였다. 자동차에 있는 유리를 이용하여 큰 커플링 커패시터를 얻었으며, 임피던스를 더욱 줄이기 위하여 두 개의 변압기를 이용한 임피던스 변환을 사용하였다. 또한 안정된 전압 이득과 높은 효율을 얻기 위하여 강압 변압기의 자화 인덕턴스를 이용하여 LLC 직렬 공진 컨버터와 유사하게 동작하도록 설계하였다.
제안하는 시스템 회로 동작은 송신 측 변압기 자화 인덕턴스를 크게 설계하여 이상적인 변압기로 보이게 하였으며 외부 공진 인덕터, 커플링 커패시터, 수신 측 변압기 자화 인덕턴스 설계를 통해 LLC 직렬 공진 컨버터와 유사하게 동작하게 하였다. 제안하는 시스템 회로의 동작과 특성을 확인하기 위해 Mode1 – Mode6으로 동작 모드를 나누어 분석하였다.
제안하는 시스템 회로를 동작과 특성 검증을 위하여 프로토타입을 제작하였다. 자세한 실험 사양은 표 1과 같다.
제안하는 시스템 회로의 동작과 특성을 확인하기 위해 Mode1 – Mode6으로 동작 모드를 나누어 분석하였다.
공기나 일반적인 수지 계열보다 높은 상대 유전율과 큰 크기의 유전체를 이용하여 전극을 형성하여 큰 커플링 커패시터를 얻을 수 있다. 제안하는 시스템 회로의 송신측에는 외부 공진인덕터와 커플링 커패시터의 임피던스를 작게 보이기 위한 승압 변압기로 구성되어 있으며, 수신 측은 Quality-factor를 통한 출력전압 설계를 위한 강압 변압기와 정류기로 구성되어 있다. 영전압 스위칭 및 2차측 정류 다이오드의 영전류 스위칭을 위하여 강압 변압기의 자화 인덕터, 공진 인덕터 그리고 커플링 커패시터로 이루어진 LLC 직렬 공진 컨버로 동작하도록 설계한다.
그림 2는 제안하는 시스템 회로의 구성을 나타낸다. 제안하는 시스템은 유리 유전체로 구성된 커플링 커패시터를 기준으로 1차 측에는 커패시티브 커플링 동작을 위한 풀 브리지 인버터와 외부 공진 인덕터, 임피던스 변환을 통한 커플링 커패시터를 크게 보이게 위한 승압 변압기로 구성되어 있다. 2차 측은 Quality-factor 조절을 통한 출력전압을 조절하기 위한 수신 측 강압 변압기와 정류회로로 구성되어 있다.
모든 스위치의 영전압 스위칭을 이루게 되고, 출력 전압 이득도 LLC 컨버터와 유사하게 얻을 수 있다. 제안하는 회로의 동작과 특성을 검증하기 위하여 간이 동판과 유리를 이용하여 커플링 커패시터를 구성하고, 1.2kW 송수신 회로를 설계 및 제작하여 검증하였다.

성능/효과

그림 6의 실험 결과 파형을 통해 소프트 스위칭 동작과 앞서 이론적 분석에서 예측하였듯이 제안된 시스템이 LLC 직렬 공진 컨버터와 유사한 동작을 확인할 수 있다. 그림 7에 나타난 효율 및 출력 부하 그래프를 통해 전체적으로 90% 이상의 효율과 최대 부하시 93.6%의 높은 효율로 동작함을 확인하였다.
또한 안정된 전압 이득과 높은 효율을 얻기 위하여 강압 변압기의 자화 인덕턴스를 이용하여 LLC 직렬 공진 컨버터와 유사하게 동작하도록 설계하였다. 실험 결과를 통해 제안한 시스템의 대용량 전력 전송이 가능성과 이론적 분석과 동일하게 동작함을 검증하였으며, 영전압 스위칭과 높은 효율을 확인하였다. 이를 통해, 전기자동차 유리를 통해 커패시티브 커플링 방식 무선 전력 전송이 가능함을 확인하였다.
실험 결과를 통해 제안한 시스템의 대용량 전력 전송이 가능성과 이론적 분석과 동일하게 동작함을 검증하였으며, 영전압 스위칭과 높은 효율을 확인하였다. 이를 통해, 전기자동차 유리를 통해 커패시티브 커플링 방식 무선 전력 전송이 가능함을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전기자동차 충전 방식에는 무엇이 있는가?	세계적으로 환경규제가 강화되면서 전기자동차와 전기자동차 충전 방식에 대한 관심이 높아지고 있다. 현재 전기자동차 충전 방식은 크게 플러그인 방식(Plug-in), 무선 충전 방식. 배터리 교체 방식으로 나뉘며 현재는 안정성과 편리함에서 유리한 조건을 가지고 있는 전기자동차 무선충전 방식에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다[1].
	전기자동차 배터리 충전을 위한 무선 충전 방식 중 커패시티브 커플링 방식의 특징은 무엇인가?	인덕티브 방식을 통한 전기자동차 충전 방식은 코일에 생성되는 자기장을 이용한 전력 전달 방식으로 전자파 노이즈, 금속에 대한 영향성, 위치 변화에 따른 에너지 전송효율 변화가 크다는 단점을 가지고 있다. 반면, 커패시티브 커플링 방식은 유전체에 전극을 형성하여 전력을 전달하는 방식으로 전력전송 자유도는 부족하지만 전기장을 이용하는 방식이기 때문에 인덕티브 방식에서 나타내는 문제점을 최소화시킬 수 있다[4]-[6]. 하지만 커패시티브 커플링 방식을 통한 대용량 전력전송을 위해서는 큰 커플링 커패시터 형성이 매우 중요하다.
	전기자동차 배터리 충전을 위한 무선 충전 방식은 어떻게 전기자동차를 충전하는가?	전기자동차 배터리 충전을 위한 무선 충전 방식은 크게 인덕티브 방식과 커패시티브 커플링 방식으로 나누어진다. 두 가지 방식 모두 그림 1과 같이 공급된 DC전압을 인버터를 통한 전력변환과 임피던스 매칭을 통해 1차 측으로 전달된다. 1차 측으로 전달된 에너지는 전기장이나 자기장의 형태로 2차 측으로 전달되고 전달된 에너지는 다시 임피던스 매칭과 정류기를 통해 전기자동차 충전을 위한 전력에너지로 변환된다[2-3].

참고문헌 (6)

F. Musavi, M. Edington, and W. Eberle, "Wireless power transfer: A survey of EV battery charging technologies," Proceeding of 2012 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), pp. 1804-1810, 2012.
C. Liu, A. P. Hu, and M. Budhia, "A generalized coupling model for capacitive power transfer systems," Proceeding of 36th Annual Conference on IEEE Industrial Electronics Society, pp. 274-279, 2010.
C. Liu, A. P. Hu, and N. K. C. Nair, "Coupling study of a rotary capacitive power transfer system," Proceeding of IEEE International Conference on Industrial Technology, 2009.
K. H. Yi, "6.78 MHz capacitive coupling wireless power transfer system," Journal of Power Electronics, Vol. 15, No 4, pp 987-993, July 2015.

원문보기 상세보기
J. Dai and D. C. Ludois, "Wireless electric vehicle charging via capacitive power transfer through a conformal bumper," Proceeding of 2015 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), pp. 3307-3313, 2015.
J. Kim and F. Bien, "Electric field coupling technique of wireless power transfer for electric vehicles," Proceeding of TENCON Spring Conference, pp. 267-271, Apr. 2013.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증