전기자동차용 자성체 공유형 통합 IPT-LDC 시스템 설계 및 제어 기법 연구 = A Study on the Design and Control of Magnetically Integrated IPT-LDC System for Electric Vehicles

국문 초록 (Abstract)

전기자동차(EV)용 자기유도방식 무선전력전송(IPT) 기술은 자율주행 시대를 대비하여 유선 충전의 한계를 극복할 대안으로 주목받고 있다. 그러나 IPT 시스 템은 무선 파워 패드와 복잡한 공진 네트워크 구성으로 인해 높은 제조 비용과 큰 부피라는 한계가 있다. 이러한 상용화 제약을 극복하기 위해 본 논문은 고전 압 배터리용 IPT 시스템과 필수적인 저전압 배터리용 LDC 시스템을 구조적, 기 능적으로 통합한 시스템을 제안한다. 제안하는 시스템은 IPT 수신부 파워 패드의 자성체와 공진 인덕터, LDC 변압 기를 공유하는 수직 통합 구조를 적용해 기존 분리형 시스템 대비 자성체 부피 를 약 14% 저감하고 전력밀도를 향상시켰다. 또한, 양방향 동작(G2V/V2G)과 IPT 단독, 동시 충전, 그리고 LDC 독립 주행 모드의 총 5가지 다기능 동작 모 드를 구현한다. 이를 달성하기 위해 단독 및 동시 동작에 따라 자속 흐름을 선택 적으로 제어하는 BPP(Bipolar Pad) 구조의 2-coil 파워 패드를 적용하였다. 또 한 통합 변압기 외족 공진 인덕터 전류의 위상차를 이용해 자속의 흐름을 선택 적으로 제어함으로써 LDC 회로의 불필요한 결합을 차단하고 각 모드의 독립적 인 동작을 확보하였다. 아울러, 시스템 제조 시 발생할 수 있는 소자 오차 (Tolerance)에 의한 병렬 회로 간 전류 불균형 문제를 분석하고, 별도의 보조 회로 없이 위상 천이 및 주파수 제어를 통해 보상하는 방안을 제시하였다. 제안하는 통합 시스템의 타당성 및 성능 검증을 위해 WPT2급(7.7 kVA) 프로 토타입을 제작하여 5가지 모드를 평가하였다. 실험 결과, 양방향 단독에서 최대 효율 93.5%(7.1 kW), 동시 동작 모드에서 92.8%(7.2 kW), LDC 단독 모드에서 최대 효율 92.5%(1.3 kW)를 달성하여 제안 시스템의 타당성을 입증하였다. 본 논문은 IPT 시스템의 상용화 주요 장벽이었던 비용과 전력 밀도 문제를 해결하 는 구조적, 제어적 해결책을 제시하여, 향후 EV용 통합 충전기 개발 및 V2G 기 반 에너지 저장 시스템 활용 연구에 중요한 기반을 제공할 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Inductive Power Transfer (IPT) technology for Electric Vehicles (EVs) is emerging as a promising alternative to overcome the limitations of wired charging in preparation for the autonomous driving era. However, IPT systems face challenges regarding high manufacturing costs and bulky volumes due to the configuration of wireless power pads and complex resonant networks. To address these commercialization constraints, this dissertation proposes a structurally and functionally integrated system that combines the IPT system for high-voltage batteries and the essential Low-Voltage DC-DC Converter (LDC) system for low-voltage batteries.
The proposed system adopts a vertical integration structure that shares the magnetic core of the IPT receiver pad, the resonant inductor, and the LDC transformer. This approach reduces the magnetic core volume by approximately 14% compared to conventional discrete systems and significantly improves power density. Furthermore, the system realizes five distinct operational modes: bidirectional operation (G2V/V2G), IPT standalone charging, simultaneous charging, and LDC independent driving mode.
To achieve this, a Bipolar Pad (BPP) structured 2-coil power pad is employed to selectively steer the magnetic flux flow according to the standalone and simultaneous operation modes. Additionally, by utilizing the phase difference of the resonant inductor current in the outer legs of the integrated transformer, the magnetic flux is selectively controlled. This mechanism effectively blocks unnecessary coupling in the LDC circuit, ensuring the independent operation of each mode. Moreover, this study analyzes the current imbalance issue between parallel circuits caused by component tolerance during manufacturing and presents a compensation strategy using phase shift and frequency control without the need for auxiliary hardware.
To validate the feasibility and performance of the proposed integrated system, a 7.7 kVA (WPT2-class) prototype was fabricated, and the five operation modes were evaluated. Experimental results demonstrated a maximum efficiency of 93.5% (at 7.1 kW) in bidirectional standalone mode, 92.8% (at 7.2 kW) in bidirectional simultaneous mode, and 92.5%
(at 1.3 kW) in LDC standalone mode, thereby verifying the validity of the proposed system. This dissertation provides structural and control solutions to resolve the cost and power density issues, which have been major barriers to IPT commercialization. Consequently, it is expected to serve as a significant foundation for the future development of integrated
EV chargers and research on V2G-based energy storage system utilization.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 가. 연구 배경 1
• 나. 연구 동향 10
• 다. 연구 목적 20
• 라. 논문의 구성 23
• 2. 제안하는 IPT/LDC 시스템 분석 및 해석 25
• 가. 전체 시스템 사양 26
• 나. IPT 시스템 기본 분석 28
• 1) DS-LCC 토폴로지 기본 원리 29
• 2) DS-LCC 고조파 성분 영향도 분석 32
• 3) 무선 파워 송수신 패드 기본 구조 34
• 다. 통합형 IPT/LDC 기본구조 및 장점 39
• 라. 통합형 IPT/LDC 시스템 동작 모드 분석 40
• 3. 통합형 IPT/LDC 시스템 설계 51
• 가. LDC 독립 모드 회로 및 통합 변압기 설계 53
• 1) 수신부 자성체 공유 기반 물리적 통합 구조 53
• 2) LDC 구속 조건 기반 통합 변압기 파라미터 설계 범위 56
• 3) 통합형 IPT/LDC 변압기 해석 고려사항 60
• 나. 무선 송수신 파워 패드 설계 63
• 1) 송수신 파워 패드 동작 원리 64
• 2) 2-코일 중첩 구성에 따른 특성 분석 68
• 3) 송신 파워 패드 권선 설계 72
• 4) 수신 파워 패드 권선 설계 74
• 5) 알루미늄 판 배치 이격거리에 따른 영향도 고려 79
• 6) 통합형 변압기 적용에 따른 누설 자속 검토 80
• 다. 통합형 IPT/LDC 공진 네트워크 설계 82
• 1) DS-LCC 공진 파라미터 도출 82
• 2) 공진 네트워크 비에 따른 코일 전류비 설계 분석 84
• 4. 통합형 IPT/LDC 시스템 제어 전략 및 구성 87
• 가. 양방향 시스템의 분산 제어 및 동기 정류 필요성 87
• 1) 비통신 기반 위상 동기화 기술 검토 88
• 2) 본 연구의 동기 정류 달성 방안 및 가정 90
• 나. 동작 모드별 시퀀스 제어 91
• 다. Tolerance에 따른 불평형 특성 보상 제어 방법 검토 97
• 5. 제안하는 IPT/LDC 시스템 성능 검증 104
• 가. 실험 장비 및 환경 구성 104
• 나. 동작 모드별 성능 평가 108
• 1) 프로토타입 설계 및 파라미터 108
• 2) 동작 모드별 성능 평가 109
• 3) Mode 5 동작 시 외부 금속체 영향도 검토 125
• 4) 전류 불균형 동작 보상 제어 검토 127
• 다. 제안 시스템 평가 129
• 6. 결론 134
• 가. 주요 기여도 136
• 나. 향후 연구 방향 137
• 참고문헌 139
• Abstract(영문) 153