[논문]전기자동차 충전기용 2-Stage 자기유도 무선전력전송 시스템

김민중; 주동명; 안상준; 이병국

doi:10.6113/tkpe.2017.22.2.134

전기자동차 충전기용 2-Stage 자기유도 무선전력전송 시스템
Two-Stage Inductive Power Transfer Charger for Electric Vehicles 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.22 no.2, 2017년, pp.134 - 139

김민중 (Dept. of Electrical Eng., Sungkyunkwan University) , 주동명 (Dept. of Electrical Eng., Sungkyunkwan University) , 안상준 (Dept. of Electrical Eng., Sungkyunkwan University) , 이병국 (Dept. of Electrical Eng., Sungkyunkwan University)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, an inductive power transfer (IPT) charger for electric vehicles is proposed to improve the entire system efficiency and power density by eliminating the DC-DC converter in the secondary side. In the proposed IPT charger, the DC-link voltage is adjusted according to the coupling coefficient through cascade buck-boost converter in the front-end side, and the bridgeless rectifier performs the charging of battery. The control algorithm for the proposed IPT system is theoretically explained, and the validity of the proposed system is verified by informative simulation.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 Bridgeless 정류기를 포함하는 IPT 컨버터와 승강압형 PFC 컨버터를 이용한 EV용 무선 충전기 시스템를 제안하였다. 또한 시스템 초기 동작을 통해 결합계수를 예측하여 dc-link 전압 지령치를 계산하고 IPT 컨버터의 Bridgeless 정류기를 통해 출력을 제어하는 제어 알고리즘을 제안하였다.
본 논문에서는 승강압 PFC 컨버터와 Bridgeless 정류기를 포함하는 IPT 컨버터로 구성되는 EV용 IPT 무선충전기 시스템과 이를 제어하기 위한 제어 알고리즘을 제안한다. 또한 제안하는 EV용 IPT 무선충전기 시스템을 시뮬레이션으로 구성하여 제안한 시스템의 타당성을 검증한다.

가설 설정

제안한 시스템의 파라미터 값들은 표 1과 같다. 그림 7은 시뮬레이션 결과파형이며, 충전 전압과 충전 전류는 각각 420V와 8.05A인 3.3kW 동작을 가정하였다. 그림7(a)와 (b)는 결합계수가 최댓값인 0.

제안 방법

그러므로 배터리의 SOC에 맞게 충전하기 위해서는 수신 측에서 제어를 할 필요가 있다. BM 컨버터를 대신하여 충전기의 출력을 제어하기 위해서 본 논문에서 제안한 시스템은 IPT 컨버터 2차 측 정류단을 2개의 MOSFET과 2개의 다이오드를 통해 Bridgeless 정류기로 구성한다. 다이오드와 MOSFET은 브릿지 구조로 구성되어 Boost 회로의 구성을 갖기 때문에 MOSFET의 듀티를 제어하여 출력전압의 승압 제어가 가능하다.
승강압 동작이 모두 가능한 Cascade buck-boost 컨버터는 Buck-boost 컨버터, Flyback 컨버터, Sepic 컨버터 등에 비해 반도체 스위치에 인가되는 스트레스가 적고, 시스템의 부피 및 효율 측면에서 장점을 갖기 때문에 전기자동차, 신재생 에너지 분야에 적용이 되고 있으며, Cascade buck-boost PFC 컨버터 역시 냉장고, 에어컨 등 가전제품에 적용되고 있다^[8]-[11]. 따라서 본 논문에서 제안하는 IPT 무선충전시스템에는 dc-link 전압의 승압과 강압 동작이 모두 가능하며 역률기준 또한 만족시킬 수 있는 Cascade buck-boost PFC 컨버터가 적용된다.
본 논문에서는 Bridgeless 정류기를 포함하는 IPT 컨버터와 승강압형 PFC 컨버터를 이용한 EV용 무선 충전기 시스템를 제안하였다. 또한 시스템 초기 동작을 통해 결합계수를 예측하여 dc-link 전압 지령치를 계산하고 IPT 컨버터의 Bridgeless 정류기를 통해 출력을 제어하는 제어 알고리즘을 제안하였다. 본 논문에서 제안하는 EV용 IPT 무선충전 시스템은 기존 시스템에서 차량 내에 설치되는 수신 측 회로의 BM 컨버터가 없이도 SAE J2954에서 규정하는 결합계수 범위 조건에서 EV용 배터리의 충전 범위를 모두 만족하는 것을 시뮬레이션을 통해 검증하였다.
본 논문에서는 승강압 PFC 컨버터와 Bridgeless 정류기를 포함하는 IPT 컨버터로 구성되는 EV용 IPT 무선충전기 시스템과 이를 제어하기 위한 제어 알고리즘을 제안한다. 또한 제안하는 EV용 IPT 무선충전기 시스템을 시뮬레이션으로 구성하여 제안한 시스템의 타당성을 검증한다.
05A), 충전이 끝나는 지점 (Point 4, 420V/1A)을 기준으로 구분하여 계산하였다. 반도체소자의 손실은 PSIM의 Thermal module 기능을 이용하여 도통손실과 스위칭 손실을 고려하였으며, 커패시터의 내부 저항에 의해 발생하는 손실은 다른소자에서 발생하는 손실 크기에 비해 작아 무시하였으며, 자성체에서 발생하는 철손과 동손은 수식을 통해 계산하였다. 손실을 분석한 결과 3-stage 구조에서는 IPT 컨버터의 정류 다이오드에서 발생하는 도통손실이 가장크고, 2-stage 구조에서는 Bridgeless 정류기의 MOSFET에서 발생하는 도통손실이 가장 큰 것을 확인하였다.
또한 시스템 초기 동작을 통해 결합계수를 예측하여 dc-link 전압 지령치를 계산하고 IPT 컨버터의 Bridgeless 정류기를 통해 출력을 제어하는 제어 알고리즘을 제안하였다. 본 논문에서 제안하는 EV용 IPT 무선충전 시스템은 기존 시스템에서 차량 내에 설치되는 수신 측 회로의 BM 컨버터가 없이도 SAE J2954에서 규정하는 결합계수 범위 조건에서 EV용 배터리의 충전 범위를 모두 만족하는 것을 시뮬레이션을 통해 검증하였다. 또한 시뮬레이션을 통한 손실 분석을 통해, 전력반도체 및 수동소자의 개수를 줄임으로써 시스템 효율을 향상시킬 수 있으며, 차량 내의 전력 변환장치의 전력밀도를 향상 시킬 수 있음을 확인하였다.
본 논문에서 제안한 IPT 무선충전 시스템은 EV용 배터리 SOC 상태에 따라 Cascade buck-boost PFC 컨버터와 Bridgeless 정류기를 포함하는 IPT 컨버터를 제어해야 한다. 그림 3은 IPT 컨버터의 스위칭 상태에 따른 전력 흐름도를 나타낸 그림이다.
3-stage 시스템은 IPT 컨버터의 다이오드 정류기와 BM 컨버터인 Cascade buck-boost 컨버터로 구성되며, 2-stage 시스템은 Bridgeless 정류기로 구성된다. 손실 계산은 배터리충전 상태에 따라 총 4개의 조건에서 충전이 시작되는지점 (Point 1, 240V/10A)과 충전 모드가 변하는 지점(Point 2, 330V/10A), (Point 3, 420V/8.05A), 충전이 끝나는 지점 (Point 4, 420V/1A)을 기준으로 구분하여 계산하였다. 반도체소자의 손실은 PSIM의 Thermal module 기능을 이용하여 도통손실과 스위칭 손실을 고려하였으며, 커패시터의 내부 저항에 의해 발생하는 손실은 다른소자에서 발생하는 손실 크기에 비해 작아 무시하였으며, 자성체에서 발생하는 철손과 동손은 수식을 통해 계산하였다.
제안한 IPT 무선충전기 시스템의 동작 타당성을 검증하기 위하여 PSIM을 통해 시뮬레이션을 진행하였다. 제안한 시스템의 파라미터 값들은 표 1과 같다.
IPT 컨버터의 2차 측으로 전달되는 전압의 크기는 PFC 컨버터 제어를 통한 dc-link 전압 크기에 의해 결정이 된다. 제안한 시스템의 초기 동작이 시작되면 dc-link 전압은 최소 전압의 크기를 갖도록 PFC 컨버터에 의해 제어가 되며, Bridgeless 정류기는 MOSFET Q₅, Q₆의 스위칭 동작 없이 일반 다이오드 정류기처럼 동작한다. 이 때, IPT 정류기의 출력전압의 크기는 송수신 패드의 결합계수의 크기와 비례하기 때문에, 출력전압의 크기를 기반으로 데이터베이스를 구축하여 차량의 주차 상태에 따른 결합계수의 크기를 역산할 수 있다.

성능/효과

손실을 분석한 결과 3-stage 구조에서는 IPT 컨버터의 정류 다이오드에서 발생하는 도통손실이 가장크고, 2-stage 구조에서는 Bridgeless 정류기의 MOSFET에서 발생하는 도통손실이 가장 큰 것을 확인하였다. 2-stage 구조가 3-stage 구조에 비해 조건 1에서는 18.4W, 조건 2에서는 37.3W, 조건 3에서는 36.2W, 조건 4에서는 1.84W 만큼 손실이 적게 발생하는 것을 확인하였다.
다이오드와 MOSFET은 브릿지 구조로 구성되어 Boost 회로의 구성을 갖기 때문에 MOSFET의 듀티를 제어하여 출력전압의 승압 제어가 가능하다. 기존 3-stage 시스템의 경우 차량 내에 IPT 컨버터 2차 측 정류기와 BM 컨버터가 사용되지만, 제안한 시스템의 경우 IPT 컨버터 2차 측 정류단을 Bridgeless 구조로 구성하여 전압 정류 및 전력 제어를 하기 때문에 전체 시스템의 전력변환 stage 수가 줄어들게 되며, 차량에 탑재되는 전력변환장치의 전력반도체 및 수동소자의 수를 저감하여 전력밀도 및 효율을 개선할 수 있다.
본 논문에서 제안하는 EV용 IPT 무선충전 시스템은 기존 시스템에서 차량 내에 설치되는 수신 측 회로의 BM 컨버터가 없이도 SAE J2954에서 규정하는 결합계수 범위 조건에서 EV용 배터리의 충전 범위를 모두 만족하는 것을 시뮬레이션을 통해 검증하였다. 또한 시뮬레이션을 통한 손실 분석을 통해, 전력반도체 및 수동소자의 개수를 줄임으로써 시스템 효율을 향상시킬 수 있으며, 차량 내의 전력 변환장치의 전력밀도를 향상 시킬 수 있음을 확인하였다.
반도체소자의 손실은 PSIM의 Thermal module 기능을 이용하여 도통손실과 스위칭 손실을 고려하였으며, 커패시터의 내부 저항에 의해 발생하는 손실은 다른소자에서 발생하는 손실 크기에 비해 작아 무시하였으며, 자성체에서 발생하는 철손과 동손은 수식을 통해 계산하였다. 손실을 분석한 결과 3-stage 구조에서는 IPT 컨버터의 정류 다이오드에서 발생하는 도통손실이 가장크고, 2-stage 구조에서는 Bridgeless 정류기의 MOSFET에서 발생하는 도통손실이 가장 큰 것을 확인하였다. 2-stage 구조가 3-stage 구조에 비해 조건 1에서는 18.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	자기유도 무선전력 전송 방식이란?	송수신 코일 간 전자기유도 현상을 이용하여 무선으로 전력을 전송하는 자기유도 무선전력 전송 (Inductive Power Transfer, IPT) 방식은 근거리 전력전송이 용이하기 때문에, 전기자동차(Electric Vehicle, EV)용 무선충전기에 적용하는 연구가 이루어지고 있다[1]-[4]. 그림1은 일반적인 EV용 무선충전기 시스템의 구성도이다.
	자기유도 무선전력 전송 방식의 장점은?	송수신 코일 간 전자기유도 현상을 이용하여 무선으로 전력을 전송하는 자기유도 무선전력 전송 (Inductive Power Transfer, IPT) 방식은 근거리 전력전송이 용이하기 때문에, 전기자동차(Electric Vehicle, EV)용 무선충전기에 적용하는 연구가 이루어지고 있다[1]-[4]. 그림1은 일반적인 EV용 무선충전기 시스템의 구성도이다.
	EV용 무선충전기 시스템은 어떻게 구성되는가?	그림1은 일반적인 EV용 무선충전기 시스템의 구성도이다. EV용 무선충전기는 역률개선 (Power Factor Correction, PFC)을 위한 PFC 컨버터와 송신 측에서 수신 측으로 전력을 전송하기 위한 IPT 컨버터, 배터리 잔존용량 (State of Charge, SOC)에 따라 출력을 제어하기 위한 배터리 관리 (Battery Management, BM) 컨버터로 구성된다. 송신 패드를 포함한 IPT 컨버터의 인버터부와 PFC 컨버터는 EV 외부에 구성되며, 수신 패드를 포함한 IPT 컨버터의 정류기부와 BM 컨버터는 EV 내부에 탑재된다.

참고문헌 (11)

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상세보기
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상세보기
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상세보기
H. K. Liao, T. J. Liang, L. S. Yang, and J. F. Chen, "Non-inverting buck-boost converter with interleaved technique for fuel-cell system," IET Power Electron., Vol. 5, No. 8, pp. 1379-1388, Sep. 2012.

상세보기
C. Y. Oh, D. H. Kim, D. G. Woo, W. Y. Sung, Y. S. Kim, and B. K. Lee, "A high-efficient nonisolated single-stage on-board battery charger for electric vehicles," IEEE Trans. Power Electron., Vol. 28, No. 12, pp. 5746-5757, Dec. 2013.

상세보기
H. S. Park, M. K. Kim, and B. K. Lee, "Light load efficiency improvement in variable DC-link voltage inverter systems for home appliances," Journal of Electrical Engineering & Technology, Vol. 11, No.5, pp. 1274-1281, Sep. 2016.

원문보기 상세보기
B. G. Kang, C. E. Kim, J. I. Baek, D. K. Kim, and G. W. Moon, "A high power density and power factor cascade buck-boost PFC under expanded high line voltage," Transportation Electrification Asia-Pacific (ITEC Asia-Pacific), 2016 IEEE Conference and Expo. IEEE, pp. 596-601, June 2016.

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].

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