[논문]전기자동차 무선 충전용 스파이럴 인덕터의 해석 및 설계 기법

황인갑

doi:10.17661/jkiiect.2019.12.2.142

전기자동차 무선 충전용 스파이럴 인덕터의 해석 및 설계 기법
Analysis and Design Technique of a Spiral Inductor for a Wireless Charging of Electric Vehicle 원문보기

한국정보전자통신기술학회논문지 = Journal of Korea institute of information, electronics, and communication technology, v.12 no.2, 2019년, pp.142 - 149

황인갑 (Department of Electric and Electronics Engineering, Jeonju University)

초록
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전기자동차를 무선으로 충전하기 위하여서는 전기에너지를 전송하기 위한 코일이 꼭 필요하다. 코일의 형태는 기본적인 원형 코일에서부터 두 코일 간의 커플링 효과를 높이기 위한 DD 형상의 코일 등 여러 종류가 있다. 하지만 코일 간 커플링이 좋은 DD 형상의 코일은 송수신 측 전력변환장치의 구조가 복잡해지는 단점이 있어 사용에 제한이 있다. 본 논문에서는 자유공간에서 2개의 코일을 이용하여 무선으로 전력을 전송할 때 제작이 편리한 스파이럴 인덕터의 인덕턴스 값을 계산하고 적절한 크기의 인턱터를 설계하는 방법을 제시하였다. 공진기에서 XLm 값이 부하저항 값과 비슷하여질 때 bifurcation 현상이 나타나므로, 이 현상이 덜 일어나도록 XLm 값을 최소부하저항 값과 같도록 선택하여 공진기에 필요한 인덕턴스 값을 계산하였다. 계산된 인덕턴스 값을 스파이럴 인덕터로 구현하기 위하여 스파이럴 인덕터에서 인덕턴스 값과 인턱터의 크기, 턴 수, 총 코일 길이와의 관계를 알아보았다. 또한, 두 개의 코일의 수평 이격에 따른 결합계수 k 값의 변화를 알아본 후 적절한 인덕터를 선정하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The coils to transmit the electric energy are necessary to charge an electric vehicle wirelessly. There are several types of coils, from basic circular coils to DD-type coils for enhancing the coupling effect between two coils. However, DD-type coils with a good coupling effect between coils have a disadvantage in use because of the structure complexity of the power conversion device of transmitting and receiving side. In this paper, we propose a method to calculate the inductance value and to design the size of the spiral inductor which is convenient to fabricate when the power is transmitted wirelessly by using two coils in free space. Since the bifurcation phenomenon occurs when the XLm value is similar to the load resistance value in the resonator the XLm value was selected to be equal to the minimum load resistance value to minimize this phenomenon, and the inductance value required for the resonator was calculated. In order to realize the calculated inductance value by the spiral inductor, the relationship between the inductance value and the size, the number of turns, the total coil length of a spiral inductor was investigated. In addition, the change of coupling coefficient k according to the horizontal separation of two coils was examined and an appropriate inductor was selected.

주제어

표/그림 (10)

그림 그림 1. 무선전력전송 인버터의 구성과 변압기 등가회로 및 공진기회로; (a) 무선전력전송 인버터의 일반적인 구성도, (b) 자기결합회로의 변압기 등가회로, (c) 모든 회로 요소를 포함한 공진기 회로, (d) 3개의 부품 회로와 2개의 부품 회로의 두 부분으로 나뉜 공진기 회로, (e) 2개의 부품 회로와 3개의 부품 회로의 두 부분으로 나뉜 공진기 회로 Fig. 1. Configuration of a wireless power transmission inverter and a transformer equivalent circuit and a resonator circuit; (a) a typical configuration of a wireless power transmission inverter, (b) a transformer equivalent circuit of a magnetic coupling circuit, (c) a resonator circuit including all circuit elements, (d) resonator circuit divided into two parts, three component circuit and two component circuit, (e) a resonator circuit divided into two parts, two component circuit and three component circuit
그림 그림 2. 공진기의 부하 저항 값에 따른 주파수 특성 Fig. 2. Frequency characteristics of a resonator according to the load resistance values.
표 표 1. 공진주파수의 계산 값과 p-spice 시뮬레이션 값의 비교 Table 1. Comparison of the calculated values and the p-spice simulation values of resonant frequencies
그림 그림 3. ro=30 cm인 인덕터의 인덕턴스 값과 턴 수, 코일의 사용면적, 도선 길이와의 관계 Fig. 3. Relationship between a inductance value and a number of turns, a coil area, a coil length of ro=30 cm inductor
표 표 2. 인덕터의 인덕턴스 계산 값과 Maxwell 시뮬레이션 값의 비교 Table 2. Comparison of inductance calculation and Maxwell simulation values of the inductors
그림 그림 4. 두 코일의 결합계수 계산을 위한 코일의 위치 Fig. 4. Coil position for calculating the coupling coefficient of two coils
표 표 3. 크기가 같은 두 개의 인덕터의 수평 이격에 따른 k 값 Table 3. The k values of two inductors of the same size according to the horizontal separation
표 표 4. 크기가 다른 두 개의 인덕터의 수평 이격에 따른 k 값 Table 4. The k values of two inductors of the different sizes according to the horizontal separation
표 표 5. ro에 따른 인덕터의 인덕턴스 계산 값 Table 5. Calculated inductance values of the inductors according to ro
표 표 6. 두 개의 인덕터의 결합계수 k 값, d=20 cm Table 6. The coupling coefficient k value of two inductors, d=20 cm

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 전기자동차의 무선충전시스템은 에너지전송방식, 사용주파수의 선정, 코일의 특성 등 여러 가지 문제로 인하여 한두 가지 방식으로 정형화 되지 못하고 다양한 방식의 시스템과 전기회로들이 제안되고 있다. 본 논문에서는 전자기유도 무선충전시스템에서 공진기를 구성하는 송수신 코일을 설계하는 방법을 제안하였다. 송수신 코일을 스파이럴 인덕터로 구성할 때 적절한 스파이럴 인덕터를 선정할 수 있는 방식을 제안하고 이에 따른 인덕터의 인덕턴스 값 및 크기를 계산하였다.

가설 설정

093 A이다. 무선충전 시스템에서 흘릴 수 있는 최대 전류를 정격전류의 1.5배로 가정하면 송신측 코일의 전류는 약 22.5A이고 수신 코일 쪽은 16.1 A이다. 따라서 시스템의 최대 전류를 22.

제안 방법

Lp=93.7 μH가 되는 스파이럴 인덕터를 설계하기 위하여 ro=10 cm부터 ro=30 cm까지 턴 수에 따른 인덕터의 인덕턴스 값을 계산하였다.
공진기의 주파수 특성에서 자화인덕턴스 L_m의 리액턴스 값이 등가부하저항 R_ac 값과 비슷하여 지면 bifurcation 현상이 일어남을 확인하였다. 공진기에서 bifurcation 현상이 나타나는 것을 최소화하기 위하여 X_Lm 값이 부하저항의 최솟값과 같도록하여, 이때의 X_Lm 값으로부터 스파이럴 인덕터의 인덕턴스 값을 계산하였다. 또한, 스파이럴 인덕터의 인덕턴스 값과 인턱터의 크기, 턴 수, 총 코일 길이와의 관계를 알아보았다.
또한, 스파이럴 인덕터의 인덕턴스 값과 인턱터의 크기, 턴 수, 총 코일 길이와의 관계를 알아보았다. 그리고 두 개 코일의 수평 이격에 따른 결합계수 k 값의 변화를 알아보고 사양에 맞는 인덕터를 설계하였다. 설계된 인덕터는 외경의 반지름이 30 cm 이고 인덕턴스 값은 95.
3 kW의 충전기를 사용하므로 무선충전 시스템의 입력전압은 220 V, 출력 전압은 배터리 전압인 410 V로 정할 수 있다[7]. 동작주파수는 light duty vehicles(LDV)에 대한 SAE J2954 규격에 준하여 81.38 kHz - 90 kHz 사이의 85 kHz로 정하였다. 입력전압과 출력전압을 각각 220 V, 410 V로 정하였으므로 입력 전류값은 15 A이고 출력 전류 값은 8.
따라서 본 논문에서는 bifurcation이 Rac=5 Ω일 때 시작되도록 XLm=5 Ω이 되도록 결정하였다.
공진기에서 bifurcation 현상이 나타나는 것을 최소화하기 위하여 X_Lm 값이 부하저항의 최솟값과 같도록하여, 이때의 X_Lm 값으로부터 스파이럴 인덕터의 인덕턴스 값을 계산하였다. 또한, 스파이럴 인덕터의 인덕턴스 값과 인턱터의 크기, 턴 수, 총 코일 길이와의 관계를 알아보았다. 그리고 두 개 코일의 수평 이격에 따른 결합계수 k 값의 변화를 알아보고 사양에 맞는 인덕터를 설계하였다.
따라서 부하에 따른 bifurcation 현상을 줄이기 위해서는 R_ac 값이 적은 값에도 bifurcation이 나타나지 않도록 시스템을 설계하는 것이 좋다. 무선전력전송 시스템에서 사용되는 인덕터의 인덕턴스 값은 그림 1(c) 공진기의 L₁, L_m의 수식과 스파이럴 인덕터의 수식을 연립방정식으로 풀어 코일의 턴 수 N과 인덕턴스 값을 계산하거나[5], 자유공간 내 코일의 수직성분 자속을 계산하여 상호인덕턴스 값을 구한 후 코일의 인덕턴스 값을 계산하여 구하였다[6]. 본 논문에서는 공진기에서 R_ac 값이 X_Lm 값과 비슷하여질 때 bifurcation 현상이 일어나므로 L_m의 리액턴스 값인 X_Lm이 R_ac의 최솟값과 같은 값을 갖도록 결정하고 이 값으로부터 변압기의 등가회로 수식을 이용하여 자기결합회로 1차 측 인덕터의 인덕턴스 값 L_p를 구하였다.
무선전력전송 시스템에서 사용되는 인덕터의 인덕턴스 값은 그림 1(c) 공진기의 L₁, L_m의 수식과 스파이럴 인덕터의 수식을 연립방정식으로 풀어 코일의 턴 수 N과 인덕턴스 값을 계산하거나[5], 자유공간 내 코일의 수직성분 자속을 계산하여 상호인덕턴스 값을 구한 후 코일의 인덕턴스 값을 계산하여 구하였다[6]. 본 논문에서는 공진기에서 R_ac 값이 X_Lm 값과 비슷하여질 때 bifurcation 현상이 일어나므로 L_m의 리액턴스 값인 X_Lm이 R_ac의 최솟값과 같은 값을 갖도록 결정하고 이 값으로부터 변압기의 등가회로 수식을 이용하여 자기결합회로 1차 측 인덕터의 인덕턴스 값 L_p를 구하였다.
본 논문에서는 전자기유도 무선충전시스템에서 공진기를 구성하는 송수신 코일을 설계하는 방법을 제안하였다. 송수신 코일을 스파이럴 인덕터로 구성할 때 적절한 스파이럴 인덕터를 선정할 수 있는 방식을 제안하고 이에 따른 인덕터의 인덕턴스 값 및 크기를 계산하였다.
자유공간에서 2개의 코일을 이용하여 전력을 무선으로 전송할 때 필요한 코일의 인덕턴스 값을 결정하기 위하여, 2개의 코일로 구성된 자기결합회로를 변압기 등가회로로 변환하고 변환된 회로를 공진기로 구성하여 그 특성을 분석하였다. 공진기의 주파수 특성에서 자화인덕턴스 L_m의 리액턴스 값이 등가부하저항 R_ac 값과 비슷하여 지면 bifurcation 현상이 일어남을 확인하였다.

대상 데이터

그리고 두 개 코일의 수평 이격에 따른 결합계수 k 값의 변화를 알아보고 사양에 맞는 인덕터를 설계하였다. 설계된 인덕터는 외경의 반지름이 30 cm 이고 인덕턴스 값은 95.6 μH, 총 도선 길이는 1593.9 cm이다. 본 연구에서 설계된 스파이럴 인덕터 크기의 적절성에 대한 연구는 향후 인버터를 제작하여 무선전력전송 실험을 함으로써 수행될 예정이다.

데이터처리

두 개의 코일의 중심이 서로 수평으로 일치하지 않을 때 코일의 크기와 턴 수에 따른 결합계수 k의 변화량을 알아보기 위하여 그림 4에서와 같이 두 개의 코일의 중심이 x축 방향으로만 어긋날 때 Maxwell 시뮬레이터를 이용하여 k 값을 계산하였다.

성능/효과

자유공간에서 2개의 코일을 이용하여 전력을 무선으로 전송할 때 필요한 코일의 인덕턴스 값을 결정하기 위하여, 2개의 코일로 구성된 자기결합회로를 변압기 등가회로로 변환하고 변환된 회로를 공진기로 구성하여 그 특성을 분석하였다. 공진기의 주파수 특성에서 자화인덕턴스 L_m의 리액턴스 값이 등가부하저항 R_ac 값과 비슷하여 지면 bifurcation 현상이 일어남을 확인하였다. 공진기에서 bifurcation 현상이 나타나는 것을 최소화하기 위하여 X_Lm 값이 부하저항의 최솟값과 같도록하여, 이때의 X_Lm 값으로부터 스파이럴 인덕터의 인덕턴스 값을 계산하였다.
따라서 이 그래프를 참고하여 인덕터를 구현한다면 (1) 인덕턴스 값의 크기가 도선 길이에 선형적으로 변화하는 441.4 μH에서 1107.4 μH 구간과 (2) 인덕턴스 값과 코일의 사용 면적이 선형적으로 변화하는 386.8 μH에서 1099.7 μH 구간, 그리고 (3) 인덕턴스 값이 턴 수에 선형적으로 변하는 180.7 μH에서 801.2 μH 구간에서 인덕턴스 값을 결정하는 것이 경제적인 면이나 인덕턴스 값의 조절 면에서 유리하다.
위의 결과를 이용하여 계산된 Lp=95.6 μH인 스파이럴 인덕터의 물리적 크기는 ro=30 cm, 턴 수=9, 사용면적은 22.6 %, 도선 길이는 1593.9 cm이다.

후속연구

9 cm이다. 본 연구에서 설계된 스파이럴 인덕터 크기의 적절성에 대한 연구는 향후 인버터를 제작하여 무선전력전송 실험을 함으로써 수행될 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	DD 형상의 코일의 단점은?	코일의 형태는 기본적인 원형 코일에서부터 두 코일 간의 커플링 효과를 높이기 위한 DD 형상의 코일 등 여러 종류가 있다. 하지만 코일 간 커플링이 좋은 DD 형상의 코일은 송수신 측 전력변환장치의 구조가 복잡해지는 단점이 있어 사용에 제한이 있다. 본 논문에서는 자유공간에서 2개의 코일을 이용하여 무선으로 전력을 전송할 때 제작이 편리한 스파이럴 인덕터의 인덕턴스 값을 계산하고 적절한 크기의 인턱터를 설계하는 방법을 제시하였다.
	자기공명방식의 특징은?	전기자동차의 무선충전기술은 편리성으로 인하여 수년전부터 많은 관심을 갖고 연구되어 왔으며, 근래에는 자율 주행 자동차가 곧 실용화 될 것으로 예상됨에 따라 전기자동차의 무선충전은 더욱 더 필요한 기술로 인식되고 있다. 전기자동차의 무선충전방식은 주차장바닥이나 도로에 급전시설을 매설하고 자동차하부에 수신 장치를 부착하는 자기유도방식이나 자기공명방식이 연구되고 있으며 [1], 자기공명방식은 자기유도방식보다 먼 거리의 무선전력전송에 유리하나 높은 공진특성이 요구된다[2]. 무선전력전송을 위하여 사용되는 인버터의 주파수도 일본은 85 kHz, 유럽은 145 kHz, 국내는 20 kHz와 60 kHz를 기반으로 연구가 이루어지고 있으며[3] 무선전력전송을 위한 코일 중 원형 또는 사각형의 코일은 수평 이격에 대한 커플링계수 k 값의 성능저하가 심하여 DD, DDQ 등 다양한 형상의 코일을 사용하나 이러한 코일들은 송수신 측 전력변환장치의 구조가 복잡해지는 단점이 있다[4].
	전기자동차의 무선충전시스템의 문제가 되는 사항은?	전기자동차의 무선충전방식은 주차장바닥이나 도로에 급전시설을 매설하고 자동차하부에 수신 장치를 부착하는 자기유도방식이나 자기공명방식이 연구되고 있으며 [1], 자기공명방식은 자기유도방식보다 먼 거리의 무선전력전송에 유리하나 높은 공진특성이 요구된다[2]. 무선전력전송을 위하여 사용되는 인버터의 주파수도 일본은 85 kHz, 유럽은 145 kHz, 국내는 20 kHz와 60 kHz를 기반으로 연구가 이루어지고 있으며[3] 무선전력전송을 위한 코일 중 원형 또는 사각형의 코일은 수평 이격에 대한 커플링계수 k 값의 성능저하가 심하여 DD, DDQ 등 다양한 형상의 코일을 사용하나 이러한 코일들은 송수신 측 전력변환장치의 구조가 복잡해지는 단점이 있다[4]. 따라서 전기자동차의 무선충전시스템은 에너지전송방식, 사용주파수의 선정, 코일의 특성 등 여러 가지 문제로 인하여 한두 가지 방식으로 정형화 되지 못하고 다양한 방식의 시스템과 전기회로들이 제안되고 있다.

참고문헌 (9)

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G. D. Woo, "Optimized Design of Wireless Charge System for Electric Vehicle," KIPE Mag., Vol. 23, No. 5, pp. 68-74, 2018. 10.
J. Liu, K. W. Chan, c. Y. Chung, N. H. L. Chan, M. Liu, W. Xu, "Single-Stage Wireless-Power-Transfer Resonant Converter With Boost Bridgeless Power-Factor-Correction Rectifier," IEEE Trans. Ind. Electron. Vol. 65, No. 3, pp. 2145-2155, Mar. 2018.

상세보기
J. Heo, H. H. Shin, S. J. Jeon, "Characteristics of WPT 4 Coil of Wireless Charging System for Electric Vehicle," The 49th KIEE Summer Conference 2018, pp. 11-13, 2018. 7.
J. S. Kim, G. Y. Choe, H. M. Jung, B. K. Lee, and Y. J. Cho, "Design and Implementation of 3.3 kW On-Board Battery Charger for Electric Vehicles," Trans. KIPE, Vol. 15, No. 5, pp. 373-381, 2017. 10.
Microchip Technology Inc, "Antenna Circuit Design for RFID Application," Microchip Technology Inc., Chandler, AZ, USA, Appl. Note AN710, 2003.
S. C. Moon, B. C. Kim, S. Y. Cho, C. H. Ahn, G. U. Moon, "Analysis and Design of a Wireless Power Transfer System With an Intermediate Coil for High Efficiency," IEEE Trans. Ind. Electron. Vol. 61, No. 11, pp. 5861-5870, Nov. 2014.

상세보기

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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