[논문]무선충전시스템의 충전 제어 방식

신한호; 허준; 전성즙

doi:10.6113/tkpe.2019.24.4.303

무선충전시스템의 충전 제어 방식
Charging Control of Wireless Charging System 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.24 no.4, 2019년, pp.303 - 309

신한호 (Dept. of Electronic Eng., Pukyong National University) , 허준 (Dept. of Electronic Eng., Pukyong National University) , 전성즙 (Dept. of Electronic Eng., Pukyong National University)

Abstract ▼ AI-Helper

A hybrid control of a rectifier/regulator of wireless power transfer systems for electric vehicles is studied. A combined rectifier/regulator is used for charging control. The hybrid control comprises integral cycle control and pulse width modulation control to cope with the variations in the induced voltage due to clearance and alignment. The hybrid control has good control capability and does not cause severe switching loss. A 22 kW prototype of the Wireless Power Transfer class 4 charging system defined by the Society of Automotive Engineers is constructed and tested to verify the proposal.

주제어

표/그림 (16)

그림 Fig. 1. Wireless charging system for an electric vehicle.
그림 Fig. 2. Proposed combined rectifier/regulator: (a) circuit diagram, (b) Synchronous rectification control waveforms.
그림 Fig. 3. Operation phases.
그림 Fig. 4. Integral cycle control waveforms.
그림 Fig. 5. PWM control waveforms.
그림 Fig. 6. Hybrid control waveforms.
표 TABLE Ⅰ STATE TRANSITION OF INTEGRAL CYCLE CONTROL
그림 Fig. 7. Diode rectification and synchronous rectification. Red: Efficiency of diode rectification. Blue: Efficiency of synchronous rectification.
그림 Fig. 8. Synchronous rectification waveforms(distance between coils : 150[mm]). Top(yellow): rec/reg voltage(v_AB), 250 V/div. Bottom(blue): rec/reg current(i_pk), 100 A/div. Time base: 10μs/div.
표 TABLE Ⅱ COMPOSITION OF HYBRID CONTROL MODE
그림 Fig. 9. Hybrid control mode 2 waveforms(distance between coils : 150[mm]). Top(yellow): rec/reg voltage(v_AB), 250 V/div. Bottom(blue): rec/reg current(i_pk), 100 A/div. Time base: 10μs/div.
그림 Fig. 10. Hybrid control mode 3 waveforms(distance between coils : 150[mm]). Top(yellow): rec/reg voltage(v_AB), 250 V/div. Bottom(blue): rec/reg current(i_pk), 100 A/div. Time base: 10μs/div.
그림 Fig. 11. Misalignment coils(horizontal and vertical : 100[mm]).
그림 Fig. 12. Hybrid control mode 2 waveforms(horizontal and vertical misalignment : 100[mm]). Top(yellow): rec/reg voltage(v_AB), 250 V/div. Bottom(blue): rec/reg current(i_pk), 100 A/div. Time base: 10μs/div.
그림 Fig. 13. Synchronous rectification waveforms(distance between coils : 200[mm]). Top(yellow): rec/reg voltage(v_AB), 250 V/div. Bottom(blue): rec/reg current(i_pk), 100 A/div. Time base: 10μs/div.
그림 Fig. 14. Hybrid control mode 3 waveforms(distance between coils : 200[mm]). Top(yellow): rec/reg voltage(v_AB), 250 V/div. Bottom(blue): rec/reg current(i_pk), 100 A/div. Time base: 10μs/div.

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 SAE의 WPT 4급인 22[kW] 무선 충전 시스템의 충전 제어 방식으로 Hybrid control 방식을 제안하였다.

제안 방법

급전 코일과 집전 코일 이격을 200[mm]의 높이로 수정하여, 이격거리에 따른 Hybrid Control의 유용성을 확인하였다.
동기 정류 방식과 SiC FET의 바디 다이오드만을 이용하여 정류하는 다이오드 정류 방식에서 인버터 도통각에 따른 출력 전력에 대한 효율을 비교하였다. 출력전력에 대한 시스템 효율을 비교한 결과는 그림 7과 같다.
배터리 충전 전압의 변화가 DC 250[V]∼420[V]인데[17], 22[kW] 출력이 330[V] 내외에서 얻어지도록 5.0[Ω]의 ±0.5[Ω] 범위에서 연구를 진행하였다.
VA는 Pickup Coil에 유기된 전력을 Rec/Reg를 통하여 직류로 변환해 배터리를 충전하게 된다. 자동차 배터리에 충전되는 전력의 정보를 무선으로 GA에 전달하여서, 수신된 정보에 따라 GA는 3상 교류 정류단의 출력 DC 전압과 공진형 인버터의 도통각을 제어하여 Feeder Coil에 흐르는 전류를 조절한다. 환경의 변화(이격거리, 오정렬 정도), 배터리의 SOC(State of Charge)에 따른 전압의 변화에 따른 충전 제어가 필요할 경우 VA는 Hybrid Control로 제어하게 한다.

대상 데이터

본 연구에서 스위칭 소자로는 CREE사의 SiC FETCAS300M12BM2소자를 사용하였다.
따라서 스위칭 손실이 적은 SiC(Silicon Carbide) FET(Field Effect Transistor)나 GaN(Gallium Nitride) FET를 쓰는 것이 바람직하다^[8]. 본 연구에서는 입력 전력이 22[kVA]급인 SAE WPT class 4에 해당하는 코일과 SiC 소자를 사용하였다^[9].

성능/효과

그림 11과 같이 급전 코일과 집전 코일이 가로 100[mm], 세로 100[mm] 오정렬 되어있는 상황에서 Hybrid Control을 통하여서 22[kW] 출력을 얻는데 효과적인 것을 확인하였다.

후속연구

고효율의 무선 충전 시스템의 구축과 SAE의 J2954 제정에 도움이 되기를 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	무선 전력 전송의 활용 범위는?	무선 전력 전송은 저전력 출력에서부터 고전력 출력을 요하는 시스템에 광범위하게 사용되고 있다[1]-[5]. 특히 Tesla 사의 전기자동차 개발의 성공을 계기로 많은 자동차 제작사들은 전기자동차에 대한 연구를 집중적으로 하여 양산을 구체화 하고 있다.
	Hybrid Control은 무엇인가?	Hybrid Control이란 Integral Cycle Control 동작과 PWM Control 구간으로 구성되어진 제어 방법에 해당한다. 그림 6의 Hybrid Control에서는 제어의 한 주기중에서 동작 교류의 1주기에 해당되는 동안에 PWM 제어를 하는데, PWM 폭이 연속적으로 변하는 값이므로 제어가 연속적이다.
	Hybrid Control을 사용하면 제어의 해상도를 높일수 있는 이유는?	Hybrid Control이란 Integral Cycle Control 동작과 PWM Control 구간으로 구성되어진 제어 방법에 해당한다. 그림 6의 Hybrid Control에서는 제어의 한 주기중에서 동작 교류의 1주기에 해당되는 동안에 PWM 제어를 하는데, PWM 폭이 연속적으로 변하는 값이므로 제어가 연속적이다.

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