[논문]LCCL-S 토폴로지 특성을 이용한 전기자동차용 무선충전시스템의 ZPA 주파수 추종 제어

변종은; 이병국

doi:10.6113/tkpe.2020.25.5.404

[국내논문] LCCL-S 토폴로지 특성을 이용한 전기자동차용 무선충전시스템의 ZPA 주파수 추종 제어
Zero-Phase Angle Frequency Tracking Control of Wireless Power Transfer System for Electric Vehicles using Characteristics of LCCL-S Topology 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.25 no.5, 2020년, pp.404 - 411

변종은 (Dept. of Electrical Eng., Sungkyunkwan University) , 이병국 (Dept. of Electrical Eng., Sungkyunkwan University)

Abstract ▼ AI-Helper

Inductive power transfer (IPT) systems for electric vehicles generally require zero phase angle (ZPA) frequency tracking control to achieve high efficiency. Current sensors are used for ZPA frequency tracking control. However, the use of current sensors causes several problems, such as switching noise, degrading control performance, and control complexity. To solve these problems, this study proposes ZPA frequency tracking control without current sensors. Such control enables ZPA frequency tracking without real-time control and achieves stable zero voltage switching operation closed to ZPA frequency within all coupling coefficient and load ranges. The validity of the proposed control algorithm is verified on LCCL-S topology with a 3.3 kW rating IPT experimental test bed. Simulation verification is also performed.

주제어

표/그림 (17)

그림 Fig. 1. Equivalent circuit diagram of LCCL-S topology.
$Fig. 2. The harmonics of input current <TEX>$i_{in}$</TEX>.$ 그림 Fig. 2. The harmonics of input current $i_{in}$.
$Fig. 3. <TEX>$v_{in}$</TEX> and <TEX>$i_{in}$</TEX> of LCCL-S topology.$ 그림 Fig. 3. $v_{in}$ and $i_{in}$ of LCCL-S topology.
$Fig. 4. <TEX>$θ_{ZVS}$</TEX> depending on self-inductance and load variation.$ 그림 Fig. 4. $θ_{ZVS}$ depending on self-inductance and load variation.
표 TABLE I SYSTEM PARAMETERS
그림 Fig. 5. Conceptual diagram of bifurcation depending on $L_S$ variation.
그림 Fig. 6. Voltage rating graphs of resonant capacitors depending on $L_P$ variation.
$Fig. 7. <TEX>$θ_{ZVS}$</TEX> depending on input inductance variation.$ 그림 Fig. 7. $θ_{ZVS}$ depending on input inductance variation.
표 TABLE Ⅱ DESIGN PARAMETERS DEPENDING ON $L_P$
그림 Fig. 8. Flowchart of the proposed controller logic.
그림 Fig. 9. Comparison of ZPA estimation accuracy according to ZPA controls.
그림 Fig. 10. Comparison of input currents as the control methods.
$Fig. 12. Waveforms of $V_{in}$ and $i_{in}$ depending on k and <TEX>$P_o$</TEX> (<TEX>$L_{in}$</TEX>=87.45μH).$ 그림 Fig. 12. Waveforms of $V_{in}$ and $i_{in}$ depending on k and $P_o$ ($L_{in}$=87.45μH).
$Fig. 11. Waveforms of <TEX>$V_{in}$</TEX> and <TEX>$i_{in}$</TEX> depending on input industance (<TEX>$P_o$</TEX>=3.3kW).$ 그림 Fig. 11. Waveforms of $V_{in}$ and $i_{in}$ depending on input industance ($P_o$=3.3kW).
$Fig. 13. Simulation of the tracking <TEX>$f_{r1}$</TEX> by the proposed control method.$ 그림 Fig. 13. Simulation of the tracking $f_{r1}$ by the proposed control method.
그림 Fig. 14. Experiment results of the existing system with proposed control method (k=0.152, $L_P$=517.5μH).
표 TABLE Ⅲ COMPARISON OF LP ESTIMATION ACCURACY

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 전류 센서 및 실시간 제어가 필요하지 않고, 더 간단하며 부하에 상관없이 고정된 동작 주파수에서도 고효율 동작이 가능한 ZPA 주파수 추종 제어 방법을 제안한다. 제안하는 제어 방법을 적용하기 위해서 무선충전시스템의 공진 네트워크 최적 설계방안을 소개하고, 최적 설계된 공진 네트워크를 기반으로 제어 알고리즘을 제안한다.
본 논문에서는 전기자동차용 무선충전시스템의 고효율 동작을 위하여 LCCL-S 토폴로지의 특성을 이용한 ZPA 주파수 추정 방법을 제안하였다. 제안하는 제어법의 원리를 설명하기 위해 LCCL-S 토폴로지의 특성을 이론적으로 분석하였으며, 이를 기반으로 제안하는 제어방법을 적용하기 위한 LCCL-S 토폴로지의 최적 설계방안을 소개하고, 제어 알고리즘을 제안하였다.

가설 설정

이때 θ_ZVS는 그림 3에서 알 수 있듯이 ZVS 동작을 위한 스위칭 구간을 나타내며 dead-time보다 커야 한다. 최소 스위칭 에너지의 경우 최근 개발되는 고주파 스위칭을 위한 전력반도체는 굉장히 낮은 스위칭 에너지를 요구하기 때문에 본 논문에서는 고려하지 않았다.

제안 방법

따라서 본 논문에서는 전류 센서 및 실시간 제어가 필요하지 않고, 더 간단하며 부하에 상관없이 고정된 동작 주파수에서도 고효율 동작이 가능한 ZPA 주파수 추종 제어 방법을 제안한다. 제안하는 제어 방법을 적용하기 위해서 무선충전시스템의 공진 네트워크 최적 설계방안을 소개하고, 최적 설계된 공진 네트워크를 기반으로 제어 알고리즘을 제안한다. 이렇게 제안한 최적 설계된 공진 네트워크 및 제어 알고리즘을 검증하기 위해 3.
이 특징 덕분에 다른 제어 방법과는 달리 시스템이 ZPA 주파수로 고정 주파수 제어를 하더라도 zero voltage switching(ZVS) 동작이 가능하다. 이러한 이유들로 인해 본 논문에서는 LCCL-S 토폴로지를 선정하였다.
에 의해서 결정된다. 즉, 제안하는 제어 방법에서는 V_{P_peak}의 정보만 있다면 ZPA 주파수를 계산할 수 있다. 마지막으로 스위칭 주파수(f_sw)를 f_r1으로 변경하면 2절에서 설명했던 것처럼 부하에 상관없이 고정된 동작 주파수에서 ZVS 동작 유지하며 실시간 제어 필요없이 안정적인 동작이 가능하다.
2절에서 최적 설계한 시스템이 ZPA 주파수에서 ZVS 동작을 하는지 검증하기 위해 L_in, 결합계수 그리고 부하 변화에 따른 시뮬레이션을 진행하였다. 그림 11은 3.
3kW 조건에서 실험한 결과 파형이며 두 부하 조건 모두 도출된 ZPA 주파수에서 안정적으로 동작하였으며, 부하에 상관없이 ZVS 동작함을 확인하였다. 또한 이를 통해 제안하는 제어 방안의 타당성을 검증하였다.
본 논문에서는 전기자동차용 무선충전시스템의 고효율 동작을 위하여 LCCL-S 토폴로지의 특성을 이용한 ZPA 주파수 추정 방법을 제안하였다. 제안하는 제어법의 원리를 설명하기 위해 LCCL-S 토폴로지의 특성을 이론적으로 분석하였으며, 이를 기반으로 제안하는 제어방법을 적용하기 위한 LCCL-S 토폴로지의 최적 설계방안을 소개하고, 제어 알고리즘을 제안하였다. 제안한 설계 방안 및 제어 알고리즘을 검증하기 위해 3.

대상 데이터

제안하는 제어 방법을 적용하기 위해서 무선충전시스템의 공진 네트워크 최적 설계방안을 소개하고, 최적 설계된 공진 네트워크를 기반으로 제어 알고리즘을 제안한다. 이렇게 제안한 최적 설계된 공진 네트워크 및 제어 알고리즘을 검증하기 위해 3.3kW급 prototype에 대하여 시뮬레이션 및 실험을 실시한다.
본 논문에서는 제안하는 제어 방법을 시스템에 적용하기 위해 LCCL-S 토폴로지로 공진 네트워크를 선정하였으며 등가회로는 그림 1과 같다. LCCL-S 토폴로지를 선택한 첫 번째 이유는 송수신패드의 정렬에 따라 달라지는 결합계수의 변화와 배터리 충전 프로파일에 따라 달라지는 부하 따른 입력 임피던스(Z_in)의 위상각 크기 변화가 작다는 것이다^[14].
제안하는 제어법의 원리를 설명하기 위해 LCCL-S 토폴로지의 특성을 이론적으로 분석하였으며, 이를 기반으로 제안하는 제어방법을 적용하기 위한 LCCL-S 토폴로지의 최적 설계방안을 소개하고, 제어 알고리즘을 제안하였다. 제안한 설계 방안 및 제어 알고리즘을 검증하기 위해 3.3kW급 무선충전시스템에 대하여 시뮬레이션 및 실험을 실시하였다. 그 결과 제안하는 알고리즘을 적용하였을 때 실제 ZPA 주파수와 약 0.

데이터처리

제안하는 제어 방법의 정확도를 확인하기 위해 전류센싱을 통한 ZPA 주파수 추종 제어 방법^[12],[13]을 시스템에 적용하여 제안하는 제어 방법과 동작 주파수 및 입력 임피던스의 위상각을 비교하였다. 비교 결과 그림 9, 10에서 알 수 있듯이 제안하는 제어 방법이 ZPA 주파수를 더 정확하게 추종하는 것을 알 수 있었다.
시뮬레이션 결과를 실제와 비교하기 위해 표 1에 나타난 3.3kW급 무선충전시스템에 제안하는 제어 알고리즘을 적용하여 실험을 실시하였으며, 실험 결과는 그림 14와 같다. 그림 14(a)의 경우 초기 시스템 동작 전 ZPA 주파수를 도출하기 위한 무부하 동작 조건을 나타낸 파형이며, 이때 시스템은 ZPA 주파수를 도출하기 위해 송신패드 전압을 센싱한다.

성능/효과

이러한 특징은 송수신패드의 자기인덕턴스 및 결합계수가 차량의 주차 위치에 따라 값이 달라지게 하고, 이러한 파라미터들의 변화가 공진 회로의 입력 임피던스, 즉, ZPA 주파수를 변화시킨다^[7]-[9]. 그 결과, 시스템이 이미 설계된 ZPA 주파수에서 동작하더라도 송수신패드의 오정렬에 의해 이미 달라져 버린 ZPA 주파수로 인해 시스템은 VA 정격 및 스위칭 손실이 증가하여 오히려 효율이 감소한다.
두 번째로 이러한 전류 센서는 고주파 스위칭 노이즈에 취약하기 때문에 전부하 조건에서 제어 성능이 저하될 수 있다. 세 번째로 전기자동차용 무선충전시스템에서는 부하에 따라 ZPA 주파수가 달라져 실시간으로 제어해야 하기 때문에 제어 알고리즘이 복잡하다. 마지막으로 비선형제어로 인한 제어 정확도가 낮아질 수 있다.
그림 7에서 알 수 있듯이 앞서 예상했던 대로 Lin이 증가할수록 θZVS가 감소하였으며, 기존 시스템인 Lin=48.41μH일 때에 비해 28.57% 감소하였다.
즉, 제안하는 제어 방법에서는 V_{P_peak}의 정보만 있다면 ZPA 주파수를 계산할 수 있다. 마지막으로 스위칭 주파수(f_sw)를 f_r1으로 변경하면 2절에서 설명했던 것처럼 부하에 상관없이 고정된 동작 주파수에서 ZVS 동작 유지하며 실시간 제어 필요없이 안정적인 동작이 가능하다.
을 시스템에 적용하여 제안하는 제어 방법과 동작 주파수 및 입력 임피던스의 위상각을 비교하였다. 비교 결과 그림 9, 10에서 알 수 있듯이 제안하는 제어 방법이 ZPA 주파수를 더 정확하게 추종하는 것을 알 수 있었다. 또한 그림 10의 시뮬레이션 파형을 통해 기존 제어 방법의 경우 입력 전류의 크기가 11.
비교 결과 그림 9, 10에서 알 수 있듯이 제안하는 제어 방법이 ZPA 주파수를 더 정확하게 추종하는 것을 알 수 있었다. 또한 그림 10의 시뮬레이션 파형을 통해 기존 제어 방법의 경우 입력 전류의 크기가 11.86A_rms인 반면, 제안하는 제어방법의 경우 10.05A_rms로 약 16.7% 감소하는 것을 확인할 수 있다.
45μH 시스템에서 결합계수와 부하를 가변할 경우 동작주파수를 ZPA 주파수로 고정해도 안정적인 ZVS 동작을 하는지 확인하기 위한 시뮬레이션 결과이다. 파형에서 알 수 있듯이 부하 및 결합계수에 상관없이 고정된 ZPA 주파수에서도 시스템이 안정적으로 ZVS 동작하는 것을 확인할 수 있다.
다른 결합계수에서도 동일하게 시뮬레이션을 진행하였으며 그 결과는 표 3에 나타내었다. 표 3에서 알 수 있듯이 시뮬레이션을 통해 제안하는 제어 방법이 최소 0.059%에서 최대 0.135%의 오차율로 0.2% 이내의 오차율을 보였다.
도출된 f_{r1_cal}로 동작한 실험 파형은 그림 14(b), (c)와 같다. 그림 14(b)는 1kW, 그림 14(c)는 3.3kW 조건에서 실험한 결과 파형이며 두 부하 조건 모두 도출된 ZPA 주파수에서 안정적으로 동작하였으며, 부하에 상관없이 ZVS 동작함을 확인하였다. 또한 이를 통해 제안하는 제어 방안의 타당성을 검증하였다.
3kW급 무선충전시스템에 대하여 시뮬레이션 및 실험을 실시하였다. 그 결과 제안하는 알고리즘을 적용하였을 때 실제 ZPA 주파수와 약 0.5%의 오차율을 보였으며, 부하 및 결합계수에 상관없이 고정된 ZPA 주파수에서도 정상 동작하는 것을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	실제 전기자동차용 무선충전시스템이 주파수 제어 없이 고정된 ZPA 주파수에서 동작하는 것이 매우 어려운 이유는 무엇인가?	하지만 실제 전기자동차용 무선충전시스템이 주파수 제어 없이 고정된 ZPA 주파수에서 동작하는 것은 매우 어렵다. 왜냐하면 전기자동차용 무선충전시스템의 송수신패드는 일반 변압기의 1, 2차측과 달리 서로 떨어져 있어, 마치 변압기가 큰 공극을 가지고 있는 것처럼 보이기 때문이다. 이러한 특징은 송수신패드의 자기인덕턴스 및 결합계수가 차량의 주차 위치에 따라 값이 달라지게 하고, 이러한 파라미터들의 변화가 공진 회로의 입력 임피던스, 즉, ZPA 주파수를 변화시킨다[7]-[9].
	전기자동차용 무선충전시스템은 고효율을 위해 어떤 주파수에서 동작하는가?	일반적으로 전기자동차용 무선충전시스템은 고효율 동작을 위해 Zero-Phase Angle(ZPA) 주파수에서 동작한다[1]-[6]. 하지만 실제 전기자동차용 무선충전시스템이 주파수 제어 없이 고정된 ZPA 주파수에서 동작하는 것은 매우 어렵다.
	LCCL-S 토폴로지의 고조파 입력 전류의 역할은 무엇인가?	앞 절에서 언급했던 것처럼 LCCL-S 토폴로지의 고조파 입력 전류는 고정된 동작 주파수에서도 시스템이 ZVS 동작을 할 수 있도록 도와주는 역할을 하지만, 항상 특정한 크기로 존재하기 때문에 일반적인 공진 네트워크보다 큰 스위칭 손실 및 도통 손실을 야기한다. 따라서 이러한 고조파 입력 전류가 발생되는 원인을 분석하고, 결합계수와 부하 변화에 따른 입력 전류 양상을 고려하여 손실을 최소화할 수 있는 설계가 필요하다.

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M. K. Kim, J. W. Lee, and B. K. Lee, "Practical bifurcation criteria considering inductive power pad losses in wireless power transfer systems," Journal of Electrical Engineering & Technology, Vol. 12, No. 1, pp. 173-181, Jan. 2017.

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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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