[논문]전원무결성과 신호무결성을 갖는 전기차 무선전력전송 무선충전컨트롤모듈 EMI 저감 설계

홍승모

doi:10.17661/jkiiect.2021.14.6.452

전원무결성과 신호무결성을 갖는 전기차 무선전력전송 무선충전컨트롤모듈 EMI 저감 설계
Design of EMI reduction of Electric Vehicle Wireless Power Transfer Wireless Charging Control Module with Power Integrity and Signal Integrity 원문보기

한국정보전자통신기술학회논문지 = Journal of Korea institute of information, electronics, and communication technology, v.14 no.6, 2021년, pp.452 - 460

홍승모 (Department of Telecommunication Engineering, Soongsil University)

초록
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전 세계적으로 전기차 시장이 확대됨에 따라 성능 및 안전성의 문제를 보완한 친환경적인 전기차가 계속 출시되고 시장이 더욱 커지고 있다. 하지만 전기차의 경우 충전의 불편함, 감전과 같은 안전 문제, 여러 전장부품들의 연동으로 인한 EMI(Electromagnetic interference) 문제는 전기차에서 해결해야 하는 문제이다. 무선전력전송 기술을 이용하면 전기차 충전에 대한 불편함 해소와 고전류, 고전압을 직접 다루지 않아 안전성의 문제를 해결할 수 있으나 EMI 저감을 위한 설계가 이루어지지 않는다면 오작동을 일으켜 더 큰 문제를 일으킬 수 있다. 본 논문은 전기차 무선전력전송 핵심 전장 부품인 무선충전컨트롤모듈에서 발생할 수 있는 EMI를 저감시키기 위한 전원무결성과 신호무결성을 갖는 전기차 무선전력전송 무선충전컨트롤모듈 EMI 저감 설계하였다. 전원부분에서 발생할 수 있는 공진, 임피던스 등의 문제와 신호 부분에서 발생할 수 있는 고속통신간의 신호왜곡의 문제를 시뮬레이션을 통해 EMI 저감 설계하였다.따라서 전원무결성과 신호무결성을 갖는 EMI 저감 설계를 통해 전기차 무선전력전송 무선충전컨트롤모듈 800 MHz ~ 1 GHz 대역과 1.5 GHz에서 각각 10 dBu V/m, 15 dBu V/m이 저감되는 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

As the global electric vehicle (EV) market expands, eco-friendly EV that complement performance and safety problems continue to be released and the market is growing. However, in the case of EVs, the inconvenience of charging, safety problems such as electric shock, and electromagnetic interference (EMI) problems caused by the interlocking of various electronic components are problems that must be solved in EVs. The use of wireless power transmission technology can solve the problem of safety by not dealing with high current and high voltage directly and solving the inconvenience of charging EVs. In this paper, in order to reduce EMI a wireless charging control module, which is a key electronic component of WPT of EV. EMI reduction was designed through simulation of problems such as resonance and impedance that may occur in the power supply and signal distortion between high-speed communication that may occur in the signal part. Therefore, through the EMI reduction design with power integrity and signal integrity, the WPT wireless charging control module for electric vehicles reduces 10 dBu V/m and 15 dBu V/m, respectively, in 800 MHz to 1 GHz bands and 1.5 GHz bnad.

주제어

표/그림 (14)

그림 그림 1. 전원 스위칭 시 잡음 발생 Fig. 1. Power switching noise
그림 그림 2. 공진에 따른 잡음 발생 과정 Fig. 2. Process of noise according to the resonance.
그림 그림 3. 공진 해석을 위한 무선충전컨트롤모듈 시뮬레이션 (a) 무선충전컨트롤모듈 환경 설정, (b) 주파수별 무선충전컨트롤모듈 공진 해석 결과 Fig. 3. Wireless charging control module simulation for resonance analysis (a) Wireless charging control module environment setting, (b) Resonant analysis result of wireless charging control module by frequency
그림 그림 4. 무선충전컨트롤모듈 임피던스 스캔 Fig. 4. Wireless charging control module impedance scan
그림 그림 5. 무선충전컨트롤모듈 임피던스 스캔 결과 Fig. 5. Wireless charging control module impedance scan result
그림 그림 6. 무선충전컨트롤모듈 목표 임피던스 설정 Fig. 6. Wireless charging control module target impedance setting
그림 그림 7.무선충전컨트롤모듈 임피던스 영향에 따른 잡음 Fig. 7. Noise caused by impedance effect of wireless charging control module
그림 그림 8. 무선충전컨트롤모듈 Eye Diagram을 위한 송수신단 설정 및 S 파라미터 모델링 Fig. 8. Transceiver setting and S parameter modeling for eye diagram of wireless charging control module
그림 그림 9. Eye Diagram를 이용한 무선충전컨트롤모듈 송수신단 신호무결성 신호 라인 시뮬레이션 (a) 시뮬레이션 설정, (b) 시뮬레이션 결과 Fig. 9. Simulation of signal integrity signal line of wireless charging control module transceiver using eye diagram (a) Simulation setting, (b) Simulation result
그림 그림 10. 무선충전컨트롤모듈 TDR 해석 (a) 회로 구성, (b) 시뮬레이션 결과 Fig. 10. Wireless charging control module TDR analysis (a) Configuration of circuit, (b) Simulation result
그림 그림 11. 무선충전컨트롤모듈 전원 라인 설계 비교 (a) 기존 모듈, (b) 최적화 모듈 Fig. 11. Wireless charging control module power line design comparison (a) Normal module, (b) Optimization module
그림 그림 12. 무선충전컨트롤모듈 신호 라인 설계 비교 (a) 기존 모듈, (b) 최적화 모듈 Fig. 12. Wireless charging control module signal line design comparison (a) Normal module, (b) Optimization module
그림 그림 13. 무선충전컨트롤모듈 EMI 저감 시뮬레이션 결과 Fig. 13. Wireless charging control module EMI reduction simulation result
표 표 1. 무선충전컨트롤모듈 EMI 저감 시뮬레이션 비교 결과표 Table 1. Comparison table of wireless charging control module EMI reduction simulation

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 무선전력전송 방식을 전기차에 적용할 때, 여러 융 복합적인 기술들의 결합으로 최적의 충전 효율을 가지는 방식의 핵심 전장부품인 무선충전컨트롤모듈 EMI 저감 연구를 통해 전기차 무선전력전송 무선충전컨트롤모듈의 EMI 문제를 개선하고자 한다. 무선충전컨트롤모듈이란 무선전력전송 시스템을 이용하여 차량과 충전소에서 통신으로 충전을 제어하는 시스템으로 여러 전장부품들 및 통신기술들의 사용으로 인해 EMI 문제를 발생시킨다.
본 논문은 전기차 무선전력전송에서 사용되는 핵심 전장부품인 무선충전컨트롤모듈에서 발생하는 EMI를 저감시키기 위해 전원무결성과 신호무결성을 갖는 무선충전컨트롤모듈 설계를 진행하였다. 엄격해지는 EMC 표준과 사전 설계에서 발견하고 해결해야하는 EMI 문제를 Ansys사의 시뮬레이션을 통해 설계하고 검증하였다.

제안 방법

그림 10은 전기차 무선충전컨트롤모듈의 통신 신호 간의 TDR 해석을 나타내며, 기준 신호를 입력단에 인가하여 전송 선로 종단 및 이상점에서 반사되는 신호를 검출한다. TDR 해석을 진행하기 위하여 50Ω을 기준으로 설계된 전송선로에서 임피던스 부정합을 목표 임피던스로 최적화하는 설계를 진행하였으며, 시뮬레이션 결과를 통해 입력부터 왜곡까지 시간을 측정하고 TDR 왜곡 거리 계산을 통해 왜곡이 발생하는 위치를 사전에 찾을 수 있다.
신호무결성을 갖는 시뮬레이션을 진행하여 신호 왜곡 발생부분을 확인하여 최적의 임피던스 값을 갖는 신호라인의 선폭의 크기를 선정한다. 따라서 전원무결성과 신호무결성을 갖는 시뮬레이션을 통해 공진 해석, 임피던스 해석 및 TDR 해석을 이용하여 무선충전컨트롤모듈 EMI 저감 설계를 진행한다. 그림 11은 전원무결성을 위한 전기차 무선충전컨트롤모듈 전원에 대한 최적화 설계로 기존 모듈과 최적화 모듈을 비교하였다.
전원무결성을 갖는 시뮬레이션을 진행하여 오작동을 일으킬 수 있는 부분을 확인하고 기생성분 및 공진의 문제를 해결하여 안정적인 수동소자 값을 선정하고 최적의 임피던스 값을 찾는다. 신호무결성을 갖는 시뮬레이션을 진행하여 신호 왜곡 발생부분을 확인하여 최적의 임피던스 값을 갖는 신호라인의 선폭의 크기를 선정한다. 따라서 전원무결성과 신호무결성을 갖는 시뮬레이션을 통해 공진 해석, 임피던스 해석 및 TDR 해석을 이용하여 무선충전컨트롤모듈 EMI 저감 설계를 진행한다.

이론/모형

이를 방지하고 해석하기 위해서는 Eye Diagram 해석 방법을 이용하였다. Eye Diagram 해석을 위하여 전기차 무선충전컨트롤러의 송수신단 설정 및 S파라미터 모델링을 하였으며, 그림 8은 모델링 된 시뮬레이션을 나타낸다.
공진 해석을 위해 Ansys사의 Siwave 시뮬레이션을 이용하였으며, 실제 무선충전컨트롤모듈과 같은 환경 조건에서 공진해석을 진행하였다. 그림 3 (a)을 통해 시뮬레이션 상에서 무선충전컨트롤모듈의 환경을 설정하였으며, 그림 3 (b)을 통해 주파수 무선충전컨트롤모듈의 수동소자와 PCB의 물리적 구조에 의한 공진에 의한 잡음 발생을 확인할 수 있다.
전기차의 충전과 관련된 디지털 신호의 신호무결성은 가장 중요한 부분으로 신호왜곡 발생이 차량의 큰 문제로 발생할 수 있다. 따라서 전기차 충전과 관련된 신호무결성 검증이 필수적이고 이를 위하여 TDR(Time Domain Reflectometer) 해석을 이용하여 신호 왜곡을 검증하였다. TDR은 전송선로의 반사 및 반응 값을 측정하는 것으로 전송선로를 통해 얼마나 신호를 잘 전달하였는지를 판단할 수 있다.
본 논문은 전기차 무선전력전송에서 사용되는 핵심 전장부품인 무선충전컨트롤모듈에서 발생하는 EMI를 저감시키기 위해 전원무결성과 신호무결성을 갖는 무선충전컨트롤모듈 설계를 진행하였다. 엄격해지는 EMC 표준과 사전 설계에서 발견하고 해결해야하는 EMI 문제를 Ansys사의 시뮬레이션을 통해 설계하고 검증하였다. 그 결과 800 MHz ~ 1 GHz 대역에서 10 dBu V/m 감소하고 1.
특히 무선충전컨트롤모듈의 경우 여러 시스템이 복합적으로 이루어졌기 때문에 디지털신호가 전송되는 중에 잡음, 감쇄현상이 발생하게 되며, 여러 신호들의 동작으로 인해 왜곡이 발생하게 된다. 이를 방지하고 해석하기 위해서는 Eye Diagram 해석 방법을 이용하였다. Eye Diagram 해석을 위하여 전기차 무선충전컨트롤러의 송수신단 설정 및 S파라미터 모델링을 하였으며, 그림 8은 모델링 된 시뮬레이션을 나타낸다.

성능/효과

엄격해지는 EMC 표준과 사전 설계에서 발견하고 해결해야하는 EMI 문제를 Ansys사의 시뮬레이션을 통해 설계하고 검증하였다. 그 결과 800 MHz ~ 1 GHz 대역에서 10 dBu V/m 감소하고 1.5 GHz에서 15 dBu V/m가 감소하는 것을 확인하였으며, 본 연구를 통해 전원무 결성을 통한 PCB 전송선로 및 전원 스위칭 신호의 안정화, 신호무결성을 통한 통신시스템간의 고속데이터 신호의 안정화를 이루었으며, 결과적으로 전기차 무선 전력전송 무선충전컨트롤모듈의 EMI를 저감시키는 효과를 얻었다.
무선충전컨트롤모듈이란 무선전력전송 시스템을 이용하여 차량과 충전소에서 통신으로 충전을 제어하는 시스템으로 여러 전장부품들 및 통신기술들의 사용으로 인해 EMI 문제를 발생시킨다. 따라서 본 논문은 전원 무결성, 신호무결성을 갖는 시뮬레이션을 통해 공진 해석, 임피던스 해석, TDR 해석을 진행하였으며, 결과적으로 전기차 무선전력전송 무선충전컨트롤모듈의 EMI를 저감시키고 사전 설계에서 EMI 문제를 예측할 수 있 수 있다.

참고문헌 (4)

Tommaso Campi, et al, "EMC and EMF safety issues in wireless charging system for an electric Vehicle(EV)", 2017 International Conference of Electrical and Electronic Technologies for Automatic Ve, pp 15-16, Jun. 2017.
Kwan-Young Park, Seung-In Yang, "High Gain Metamaterial Patch Antenna for 2.4 Band using New Metamaterial Single-Layer", Journal of the Institute of Electronics and Information Engineers, vol. 50, no. 6, pp. 56-61, Jun. 2013.

원문보기 상세보기
J. Wang, S. L. Ho W.N. Fu and M. Sun, "Analytical design study a no charger with lateral and angular misalignments for efficient wireless energy transmission," IEEE Trans. Magnetics, vol. 47, no. 10, pp. 2616-2619, Oct. 2011.

상세보기
Byeong-In Choi, Sung-Hoon Choi, "EMI Reduction Filter Design using Heat Sink", The Institute of Electronics and Information Engineers, vol. 57, no. 12, pp. 3-13, Dec. 2020.

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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