Wireless Power Transfer Systems for Electric Vehicles Considering Misalignment and Output Voltage Variation = 오정렬과 출력 전압 변동을 고려한 차량용 무선 충전 시스템

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 패드 오정렬에 따른 결합 계수 변화와 전기차(EV) 고전압 배터리의 충전 상태(SOC)에 의한 출력 전압 변동 조건에서도 높은 효율을 유지할 수 있는 고효율 무선전력전송(WPT) 시스템의 설계 및 구현을 제안한다.
제안된 시스템은 수신측에 풀브리지 3레벨/2레벨(FB 3L2L) 인버터를, 송신측에는 풀브리지 2레벨/2레벨(FB 2L2L) 인버터를 적용하여 구성된다. 본 연구에서는 시스템 최적화를 위해 무효전력 기반 패드 설계 및 분석 방법을 제안하였다. WPT 패드는 결합 계수 및 전력전송 특성을 지배하는 핵심 요소이므로, 기자력(MMF) 및 자기 회로 모델링을 통해 MMF 크기, MMF 위상, 패드 무효전력, 전송 효율 간의 관계를 분석하였다. 이러한 관계를 바탕으로 11 KW 급 EV WPT 시스템의 최적 패드 형상을 결정하기 위한 다목적 유한요소해석(FEA) 기반 최적화가 수행되었다. 도출된 파라미터는 4단자 네트워크 기반 보상 회로 설계와 결합되어, 양측 인버터의 영 전압 스위칭 (ZVS) 조건을 만족하면서도 패드의 무효전력 요구를 최소화하는 설계를 가능하게 하였다.
제안된 설계 방법론은 11 kW 하드웨어 프로토타입을 통해 검증되었다. 시뮬레이션 및 실험 결과 모두 제안한 시스템이 양측에 FB 2L2L 인버터를 사용하는 기존 시스템 대비 향상된 성능을 달성함을 확인하였다. 프로토타입은 기준 운전점에서 최대 97.95%의 DC/DC 효율을 달성하였으며, 가장 심한 결합 계수 변동 및 출력 전압 변화 조건에서도 95.77%의 효율을 기록하여 전체 동작 범위에서 효율 저하가 2.18 % 이하임을 입증하였다.
본 연구의 주요 기여는 FB 3L2L 인버터의 전압 특성에 대한 해석적 모델링과, 최소 무효전력 요구로 ZVS를 달성하기 위한 최적 스위칭 패턴의 제시이다. 또한, 패드 무효전력과 전송 효율 간의 관계를 명확히 규명한 자기 회로 기반 패드 분석을 수행하였고, 이를 바탕으로 다목적 패드 형상 최적화 알고리즘을 개발하고 4단자 네트워크 기반 보상 회로 설계 방법을 제안하였다. 마지막으로, 이러한 모든 분석과 설계를 반영하여 EV WPT 시스템을 시스템 레벨에서 구현하고 실험적으로 검증하였다.
결론적으로, 제안된 WPT 시스템은 높은 효율, 안정적인 ZVS 동작, 그리고 결합 계수 및 출력 전압 변동에 대한 우수한 강인성을 제공함을 확인하였다.

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 패드 오정렬에 따른 결합 계수 변화와 전기차(EV)
고전압 배터리의 충전 상태(SOC)에 의한 출력 전압 변동 조건에서도
높은 효율을 유지할 수 있는 고효율 무선전력전송(WPT) 시스템의 설계
및 구현을 제안한다.
제안된 시스템은 수신측에 풀브리지 3레벨/2레벨(FB 3L2L) 인버터를,
송신측에는 풀브리지 2레벨/2레벨(FB 2L2L) 인버터를 적용하여 구성된다.
본 연구에서는 시스템 최적화를 위해 무효전력 기반 패드 설계 및 분석
방법을 제안하였다. WPT 패드는 결합 계수 및 전력전송 특성을
지배하는 핵심 요소이므로, 기자력(MMF) 및 자기 회로 모델링을 통해
MMF 크기, MMF 위상, 패드 무효전력, 전송 효율 간의 관계를
분석하였다. 이러한 관계를 바탕으로 11 KW 급 EV WPT 시스템의 최적
패드 형상을 결정하기 위한 다목적 유한요소해석(FEA) 기반 최적화가
수행되었다. 도출된 파라미터는 4단자 네트워크 기반 보상 회로 설계와
결합되어, 양측 인버터의 영 전압 스위칭 (ZVS) 조건을 만족하면서도
패드의 무효전력 요구를 최소화하는 설계를 가능하게 하였다.
제안된 설계 방법론은 11 kW 하드웨어 프로토타입을 통해 검증되었다.
시뮬레이션 및 실험 결과 모두 제안한 시스템이 양측에 FB 2L2L
인버터를 사용하는 기존 시스템 대비 향상된 성능을 달성함을
확인하였다. 프로토타입은 기준 운전점에서 최대 97.95%의 DC/DC
효율을 달성하였으며, 가장 심한 결합 계수 변동 및 출력 전압 변화
조건에서도 95.77%의 효율을 기록하여 전체 동작 범위에서 효율 저하가
2.18 % 이하임을 입증하였다.
본 연구의 주요 기여는 FB 3L2L 인버터의 전압 특성에 대한 해석적
모델링과, 최소 무효전력 요구로 ZVS를 달성하기 위한 최적 스위칭
패턴의 제시이다. 또한, 패드 무효전력과 전송 효율 간의 관계를 명확히
규명한 자기 회로 기반 패드 분석을 수행하였고, 이를 바탕으로 다목적
패드 형상 최적화 알고리즘을 개발하고 4단자 네트워크 기반 보상 회로 설계 방법을 제안하였다. 마지막으로, 이러한 모든 분석과 설계를
반영하여 EV WPT 시스템을 시스템 레벨에서 구현하고 실험적으로
검증하였다.
결론적으로, 제안된 WPT 시스템은 높은 효율, 안정적인 ZVS 동작,
그리고 결합 계수 및 출력 전압 변동에 대한 우수한 강인성을 제공함을
확인하였다.

목차 (Table of Contents)

• ABSTRACT I
• TABLE OF CONTENTS III
• LIST OF TABLES VII
• LIST OF FIGURES VII
• NOMENCLATURE XX
• CHAPTER 1. INTRODUCTION 1
• 1.1 BACKGROUND 1
• 1.1.1 Growing Demand for Electric Vehicles 1
• 1.1.2 Recent Trends in WPT Systems for EV Applications 5
• 1.1.3 Technical Challenges of WPT Systems for EV Applications 8
• 1.2 REVIEW OF PREVIOUS RESEARCH ON EV WPT SYSTEMS 13
• 1.2.1 Approaches to Pads Misalignment and Output Voltage Variation Compensation 13
• 1.2.2 Limitations of Full-Bridge Inverters for EV WPT Systems 18
• 1.3 RESEARCH OBJECTIVES AND SCOPE 23
• 1.4 OUTLINE OF THE THESIS 25
• CHAPTER 2. FULL-BRIDGE THREE-LEVEL / TWO-LEVEL (FB 3L2L) INVERTER 27
• 2.1 FB 3L2L INVERTER CONFIGURATION 27
• 2.1.1 Background and Development of FB 3L2L Inverter 28
• 2.1.2 Applications of FB 3L2L Inverter 29
• 2.1.3 Advantages in EV WPT Systems 30
• 2.2 FB 3L2L INVERTER ANALYSIS 33
• 2.2.1 Output-Voltage Characteristics 33
• 2.2.2 Optimal Switching Patterns 38
• 2.3 EV WPT SYSTEM INTEGRATION WITH FB 3L2L INVERTER 50
• 2.4 CONCLUSIONS 52
• CHAPTER 3. REACTIVE POWER ANALYSIS OF EV WPT SYSTEMS USING MAGNETOMOTIVE FORCE AND MAGNETIC CIRCUIT 54
• 3.1 POWER TRANSFER ANALYSIS OF CONVENTIONAL WPT SYSTEM WITH FIXED COMPENSATION NETWORKS 54
• 3.2 MAGNETOMOTIVE FORCE AND MAGNETIC CIRCUIT-BASED ANALYSIS OF WPT PADS 59
• 3.2.1 Magnetic Circuit Modeling of WPT Pads 59
• 3.2.2 MMF-Based Analysis of Power Transfer and Reactive Power in WPT Pads 61
• 3.2.3 Impact of MMF Phase Difference on Pad Loss Components 64
• 3.3 WPT PAD PROTOTYPE 68
• 3.3.1 Prototype Pad Design 68
• 3.3.2 Prototype Pad Assembly and Measurement 70
• 3.4 EXPERIMENTAL SETUP 74
• 3.4.1 Experimented MMF Phase Angle Conditions 75
• 3.4.2 Prototype Setup 77
• 3.4.3 Power Conversion Stage Loss Model for Pad Efficiency Calculation 80
• 3.5 EXPERIMENTAL RESULTS 83
• 3.5.1 Experimental Result of 125 mm Air Gap 83
• 3.5.2 Experimental Result of 40 mm Air Gap 90
• 3.5.3 Experimental Results Across Various Air Gap Cases 97
• 3.6 CONCLUSIONS 103
• CHAPTER 4. OPTIMIZATION OF WPT PAD CONFIGURATION AND GEOMETRY 105
• 4.1 DESIGN OF WPT PAD CONFIGURATION 105
• 4.1.1 Classification of WPT Pad Configurations 106
• 4.1.2 Design Variables and Parameterization of Pad Geometry 109
• 4.1.3 Finite Element Analysis and Simulation Setup 111
• 4.1.4 Conventional Performance Metrics of WPT Pads 113
• 4.1.5 Previous Pad Design Method with Fixed Compensation Network 114
• 4.2 MULTI-OBJECTIVE GEOMETRY OPTIMIZATION OF WPT PADS 117
• 4.2.1 Multi-Objective Geometry Optimization Process 118
• 4.2.2 Evaluation Metrics Based on MMF and Reactive Power Analysis 122
• 4.2.3 Optimization Results 125
• 4.3 SUMMARY 128
• CHAPTER 5. COMPENSATION NETWORK DESIGN 130
• 5.1 OVERVIEW OF COMPENSATION NETWORK DESIGN 130
• 5.1.1 Function of Compensation Network 131
• 5.1.2 Compensation Network Configuration 134
• 5.2 TWO-PORT NETWORK ANALYSIS 136
• 5.2.1 Two-port Network Modeling 136
• 5.2.2 Design Equations 138
• 5.3 DESIGN EXAMPLE AND ANALYSIS 141
• 5.3.1 Compensation Network Design Flowchart 141
• 5.3.2 11 kW EV WPT Design Example 143
• 5.3.3 Simulation Result 150
• 5.3.4 Non-Ideal ZVS Current Considerations 153
• 5.4 SUMMARY 156
• CHAPTER 6. SYSTEM DESIGN EXAMPLE AND EXPERIMENTAL VERIFICATION 157
• 6.1 OVERVIEW OF PROPOSED SYSTEM 157
• 6.2 SYSTEM DESIGN EXAMPLE 159
• 6.2.1 Design Procedure 160
• 6.2.2 Optimal Control Variables of the Proposed System 162
• 6.2.3 Final Design Result 164
• 6.3 COMPARISON WITH CONVENTIONAL FB 2L2L INVERTER SYSTEM 168
• 6.3.1 FB 2L2L Inverter System Design Example 168
• 6.3.2 Theoretical Analysis of Performance under Pads Misalignment and Output Voltage Variation 170
• 6.3.3 Simulation Results 172
• 6.4 EXPERIMENTAL SETUP 178
• 6.4.1 Hardware Configuration 178
• 6.4.2 Measurement Environment 181
• 6.4.3 Verified Conditions 182
• 6.5 EXPERIMENTAL RESULTS AND DISCUSSIONS 185
• 6.5.1 Aligned Conditions 185
• 6.5.2 Misaligned Conditions 1 190
• 6.5.3 Misaligned Conditions 2 192
• 6.5.4 Misaligned Conditions 3 196
• 6.5.5 Discussions of Results 199
• 6.6 SUMMARY 202
• CHAPTER 7. CONCLUSION AND FUTURE RESEARCH 204
• 7.1 CONCLUSION 204
• 7.2 FUTURE RESEARCH 207
• APPENDIX 209
• A. WAVEFORMS OF PROTOTYPE IN CHAPTER 3 FOR 50 MM, 100 MM, AND 150 MM AIR GAPS 209
• B. LCC-LCC COMPENSATION NETWORK 215
• C. DC-LINK CAPACITOR VOLTAGE BALANCING 218
• D. CIRCUIT PARAMETERS IDENTIFICATION METHODS OF EV WPT SYSTEMS 223
• E. MULTI-LEVEL INVERTER TOPOLOGIES FOR WPT SYSTEMS 226
• REFERENCES 228
• 초록 238