자기유도형 무선전력전송 시스템의 효과적인 동적 부하 추정 = Effective Dynamic Load Identification for Inductive Wireless Power Transfer Systems

국문 초록 (Abstract)

자기유도형 무선전력전송 시스템의 효과적인 동적 부하 추정 울산대학교 대학원 전기전자컴퓨터공학과 뫙기 앤드류 능기니 자기유도형 무선전력전송(Inductive Wireless Power Transfer, IWPT) 기술은 소형 가전제품부터 전기자동차 및 선박에 이르기까지 다양한 응용 분야에서 전력을 전달하기 위한 편리하고 비접촉식의 수단으로 빠르게 발전하고 있다. 최근 IWPT 시스템은 수신기(2차 측)에서의 피드백 경로를 이용하던 기존 방식에서 벗어나, 송신기(1 차 측)에서 수신기 측 출력 매개변수를 직접 식별하는 방식으로 발전하고 있다. 이러한 IWPT 시스템의 설계 및 1 차 측 제어에서의 핵심 과제는 시스템 내 전력 전달 특성에 직접적인 영향을 미치는 2 차 측 매개변수, 특히 부하저항, 출력전류 및 전압을 정확하게 식별하는 것이다. 수신기에서 송신기로의 통신 채널을 제거하여 측정 피드백을 전달하지 않는 실용적 시스템에서는, 비용과 복잡성을 최소화하기 위해 1차 측 전압 및 전류 측정값만을 이용하여 매개변수를 식별해야 한다. 그러나 이러한 1 차 측 측정값은 취득 과정에서 측정 오차 및 프로세스 오차에 의해 왜곡되며, 해석적인 수식 기반의 기존 식별 기법은 이러한 노이즈를 그대로 전파하거나 증폭시키는 경향이 있다. 또한, 다른 기존의 기법들은 시스템의 정상적인 전력 전송을 방해하거나 추가적인 하드웨어 구현을 요구하는 등의 한계가 있다. 이러한 제약으로 인해, 노이즈와 부하 변화에 강인하면서도 비침입적이고 실시간으로 동작 가능한 1 차 측 식별 기법의 필요성이 대두되고 있다. 본 논문에서는 이러한 문제를 해결하기 위하여, 실용적인 1차 측 식별 전략을 개발하고 이를 실험적으로 검증하였다. 제안된 방법은 첫 번째 단계에서 출력 부하저항을 기초 매개변수로 해석적으로 식별하고, 두 번째 단계에서는 식별된 저항 값을 기반으로 시스템의 상태공간 칼만 필터 모델을 도출하여 출력 부하전압을 추정한다. 본 1 단계 식별 전략은 시스템의 전력 전송을 방해하지 않으면서 선형 추정기를 통해 비선형 시스템을 분리하므로, 노이즈 및 부하 변동 환경에 강인한 추정이 가능하다는 장점을 가진다. 또한, 제안된 식별 기법의 오프 공진 동작 조건에서의 성능을 관찰하기 위해, 1차측 전압과 전류 사이의 위상각 변화를 생성하는 디지털 위상 검출기 기반의 유한상태기계를 구현하였다. 제안된 식별 기법의 성능은 75 W 급 IWPT 하드웨어 테스트벤치를 이용한 시뮬레이션 및 실험을 통해 검증되었으며, 동적 운전 조건에서 최대 부하 변동 구간에서 추정 오차를 약 32%까지 감소시킴으로써 그 효용성을 입증하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Inductive wireless power transfer (IWPT) is rapidly developing as a convenient, contactless means of delivering power across applications such as small-scale consumer electronics to large-scale electric vehicles and vessels. Progressively, IWPT systems have migrated from the use of a feedback path from the secondary-side to the use of primary-side identification of the secondary-side output parameters. A central challenge in this IWPT design and its primary-side control is the accurate identification of secondary-side parameters, notably load resistance, output load current and voltage, as these parameters affect power transfer in the system. In a practical system that eliminates the communication channel of the feedback of its measurements from the receiver to the transmitter, parameter identification is performed from the primary-side quantity measurements alone in order to keep the cost and complexity low. Unfortunately, primary-side voltage and current measurements are corrupted by measurement and process noise during acquisition, and purely analytical-based conventional identification methods tend to propagate and amplify these noise. Likewise, other conventional alternatives either disrupt power transfer operation in the system or require extra hardware implementation. These limitations create a necessity for a non-disruptive, real-time primary-side identification strategy that handles noise and dynamic load changes. This thesis, therefore, aims to develop and experimentally validate a practical two-step primary-side identification strategy. First, the output load resistance is recognized analytically as a baseline parameter. Then, based on the recognized resistance parameter, a state-space dynamic Kalman model of the system is derived to track the output load voltage as the second step. This two-step identification strategy has the advantage of robust estimation in the presence of noise and load variations as it decouples the nonlinear system via a linear estimator without disrupting normal power transfer in the system. Also, in order to observe performance of the proposed identification strategy under off-resonance operation scenarios, a digital phase detector finite state machine is implemented to produce the phase angle change between the primary- side voltage and current. The efficacy of the proposed identification approach is confirmed through simulation and experimental validation using a 75 W IWPT hardware test-bench. Under dynamic operation, the proposed two-step identification approach reduces the estimation error by 32 % at maximum variation range.

목차 (Table of Contents)

• 1 Introduction 1
• 1.1 Background of WPT Systems Technology 1
• 1.2 Objectives of the Thesis 3
• 1.3 Contributions of the Thesis 4
• 1.4 Outline of the Thesis 5
• 2 Identification in Communication-less IWPT Systems 7
• 2.1 IWPT Operation 10
• 2.2 Identification in Communication-less IWPT Systems 14
• 2.2.1 Analytical Techniques 16
• 2.2.2 Signal Processing-based Techniques 21
• 2.2.3 Frequency Sweeping Techniques 24
• 2.2.4 Impedance Characteristic-based Techniques 29
• 2.2.5 Auxiliary Circuit-based Techniques 32
• 2.2.6 Comparative Summary 37
• 2.3 Conclusion of the Chapter 40
• 3 Conventional Analytical Identification 41
• 3.1 Limitations Associated with Conventional Sole-Analytical Approaches of Parameter Identification 41
• 3.2 Noise impact of Sole analytical-based conventional identification 48
• 3.3 Conclusion of the Chapter 52
• 4 Proposed Load Identification Utilizing Two-Step Kalman Estimator Approach 54
• 4.1 Dynamic State-Space Model and Kalman Filtering Implementation 55
• 4.2 Digital Phase Detector Finite-State-Machine Implementation 62
• 4.3 Conclusion of the Chapter 66
• 5 Verification 67
• 5.1 Simulation Verification 67
• 5.2 Hardware Test-bench Setup 71
• 5.3 Test Cases for Tuned and Detuned System 77
• 5.3.1 Tuned System case 77
• 5.3.2 Detuned System case 78
• 5.4 Conclusion of the Chapter 85
• 6 Conclusions and Future Works 87
• 6.1 Conclusions 87
• 6.2 Future Works 88
• References 101