DD 코일의 3D 모델링을 이용한 듀얼 무선 전기차 충전 시스템을 위한 듀얼 루프 PI 제어

요약

이 연구는 이중 송신기 단일 수신기(DTSR) 토폴로지와 이중 루프 비례적분(PI) 제어 전략을 사용하는 시뮬레이션 기반의 동적 무선 전력 전송(DWPT) 시스템을 제시하며, 결합 변동, 오차정렬 효과, 150mm 공기 간격 하에서 조절된 전압과 전력 전달을 시연합니다.

초록

동적 무선 전력 전송(DWPT)은 전기차(EV)에 이동 중 에너지를 공급하는 신기술입니다; 그러나 커플링 변동, 코일 불균형, 부하 변동에 의해 성능이 크게 영향을 받습니다. 이러한 도전 과제를 해결하기 위해, 본 연구는 이중 송신기 단일 수신기(DTSR) DWPT 시스템에 전자기 모델링, 회로 수준 공동 시뮬레이션, 조정 제어 평가를 통합한 시뮬레이션 기반 프로토콜을 제시합니다. 이 방법론은 유한 요소 해석기를 사용하여 이중 D(DD) 코일 구성의 3차원 전자기 모델링으로 시작하여 불정렬 조건에서 자기 및 상호 인덕턴스 변동을 특성화합니다. 이 매개변수들은 공진 회로 모델에 통합되어 전력 전달 성능을 최적화합니다. 완전한 DTSR 시스템은 이후 시스템 수준 시뮬레이션 환경에서 구현되며, 이중 루프 비례적분(PI) 제어 전략을 적용하여 시간 변화 결합 조건에서 출력 전압과 전력을 조절합니다. 결과는 150mm의 고정 공기 간격과 다양한 불균형 조건을 포함한 동적 작동 시나리오에서 안정적인 전력 전달과 효과적인 조절 성능을 보여줍니다. 제안된 프레임워크는 시스템 역학, 제어 응답, 전력 안정성에 대한 체계적인 평가를 가능하게 합니다. 이 프로토콜은 DTSR 기반 DWPT 시스템을 분석하고 검증하기 위한 구조화되고 재현 가능한 워크플로우를 제공하며, 동적 EV 충전 애플리케이션을 위한 견고한 제어 전략 개발을 지원합니다.

서론

전기차(EV)는 친환경성, 고립성, 안전성 등 장점 덕분에 교통수단 경쟁력 있는 대안으로 부상했습니다 ^1,2. 하지만 전기차는 여러 제약에 직면해 있는데, 특히 배터리 자율 주행 능력이 제한되어 주행 거리가 제한되고, 비용이 높으며,^{충전 시간이 길}다는 점^입니다. 무선 전력 전송(WPT) 기술은 편리하고 지속적인 에너지 공급을 제공하여 이러한 한계를 극복하는 핵심 수단으로 간주됩니다. 이 충전 기술은 두 가지 그룹으로 나눌 수 있습니다: 차량이 충전기 위에 정지해 있는 정적 충전과, 전기차가^{5시간에서 8}시 동안 전력 전달을 가능하게 하는 동적 무선 전력 전송(DWPT)입니다. DWPT는 배터리 의존도를 줄이고 이동성을 개선^{하며 시간을 절약}할 수 있는 유망한 접근법으로 떠올랐습니다. 9.

EV-DWPT 기술에서 주요 연구 분야는 코일 설계와 시스템 토폴로지입니다. 다양한 코일 구조가 제안되었으며, 그중 더블-D(DD) 코일은 EV-DWPT^응용에 널리 채택되고 있습니다. 결합 계수, 비용, 효율성에 관한 코일 크기 조정과 최적화는 광범위하게 연구되었습니다^11,12. 또한,^{높은 효율을} 유지하기 위해 다양한 구성의 모듈식 EV-DWPT 토폴로지도 연구^{되었습니다.} EV-DWPT 시스템의 효율성은 송수신기 패드 설계에 크게 영향을 받으며^, 코일 형상은 결합 계수, 자기 유도, 정렬 불량 허용, 전자기장(EMF) 노출, 전력 전달 특성에 영향을 미치기 때문입니다¹⁹. 설계 매개변수에는 코일 형상, 차폐, 재료, 축 및 측면 불정렬, 치수가 포함됩니다. 여러 패드 형상(원형, 직사각형, DD, DDQ 등)이 존재하지만, DD 패드는 높은 상호 인덕턴스(M)와 산업계 채택 덕분에 널리 사용되고 있으며, 이는 자동차 엔지니어 협회(SAE J2954)²⁰의 권장 사항입니다. 최근 연구들은 해석적, 수치적, 실험적, 시뮬레이션적 접근법^21–25를 사용하여 불정렬 조건에서 자기 및 상호 유도 계산을 조사했습니다.

기존 연구의 대부분은 고출력 응용과 신속 충전 능력에서 한계가 있는 기존 단일 송신기 단일 수신기(STSR) EV-DWPT 시스템에 초점을 맞추고 있습니다^16,26. 이러한 한계를 해결하기 위해, 다중 전송 경로를 제공하여 전력 전달 용량을 높이기 위해 이중 송신기 단일 수신기(DTSR) 구성이 제안되었습니다. 전력^{전달 효율을} 높이기 위해 LCC 보상을 적용한 DD 코일을 이용한 최적화된 DTSR 설계가 개발되었으며,^{동적 조건에서} 성능을 더욱 향상시키기 위해 이론적 모델링 및 임피던스 매칭 기법이 연구되었습니다. 그러나 다중 송신기 시스템에서 정렬 불일치 감소는 여전히 큰 과제이며, 이를 완화하기 위한 다양한 설계 전략이 제안되었습니다²⁹. 또한, 에너지 절약 기술을 갖춘 공진 주파수에서 작동하는 DTSR 시스템이 도입되어^{실험적으로 검증}되었습니다.

이러한 발전에도 불구하고, EV-DWPT에서 최적의 시스템 성능을 달성하려면 효과적인 제어 전략 없이는 달성할 수 없습니다. 제어 방법은 일반적으로 1차 측, 2차 측, 이중 측 제어 접근법으로 분류됩니다.³¹. 예를 들어, 비례적분(PI) 컨트롤러가 있는 DC–DC 컨버터가 2차 측에 사용되어 부하 및 결합 조건에 따라 출력 전압을 조절하는 데 사용되었습니다³². 1차 측에서는 전체 브리지 인버터의 위상 이동 각도가 일반적으로 제어되어 전력 전달을 조절하면서도 공진^{33, 34, 35}에서 무전압 스위칭(ZVS)을 유지합니다. 그러나 기존의 DTSR DWPT 연구들은 일반적으로 전자기 설계, 공진 보상, 제어 전략을 별도로 다룹니다. 반면, 이 연구는 이러한 구성 요소를 통합된 시스템 수준 프레임워크 내에서 통합하여 동적 운영 조건에서 이들의 결합된 영향을 평가합니다.

제안된 절차는 DD 코일의 3차원 유한 요소 모델링과 자기 최적화, 보상 네트워크 설계 및 효율 평가를 위한 회로 수준 공동 시뮬레이션, 그리고 이중 루프 PI 구조를 이용한 조정 제어 구현을 결합한 것입니다. 내부 제어 루프는 2차 측 DC–DC 벅 컨버터를 조절하여 가변 조건에서 부하 전압을 안정화하고, 외부 루프는 1차 측 풀브리지 인버터의 위상 이동을 조정하여 결합 변동에 대응해 적응형 전력 전송을 달성합니다.

시스템은 공진에서 무효전력을 최소화하고 전체 효율을 높이기 위해 직렬-직렬(SS) 보상 네트워크를 채택하며, 일관된 파라미터 평가³⁶을 보장하기 위해 동작 주파수를 85kHz로 고정합니다. 새로운 제어 알고리즘을 제안하는 대신, 이 연구의 기여는 전통적인 듀얼 루프 PI 컨트롤러를 DTSR DWPT 시스템의 완전한 전자기-회로-제어 공동 시뮬레이션 프레임워크에 체계적으로 통합하여 전압과 전류의 조정을 가능하게 하는 데 있습니다.

결과적인 프레임워크는 대표적인 동적 충전 조건에서 안정적인 전력 전달을 입증하며, 확립된 듀얼 루프 PI 제어 전략의 적용 가능성을 DTSR EV 충전 시스템에 확장합니다. 제안된 방법론은 유사한 패드 형상과 작동 조건을 가진 공진 유도 EV 충전 시스템에 특히 적합하지만, 비공진 아키텍처나 매우 비선형적이고 시간 변화가 큰 부하에는 적응이 필요할 수 있습니다. 시뮬레이션 단계를 보여주는 워크플로우 다이어그램은 그림 1에 제공되어 있습니다.

프로토콜

사용되는 연구 도구들은 재료표에 나열되어 있습니다.

1. 3D DD 코일의 유한 요소 모델링

송수신기 DD 코일의 전자기 모델링과 최적화는 3D 유한요소 전자기 해석기를 사용하여 구현되었습니다. 송신기 코일 치수는 길이와 너비를 스위핑하여 최적화되었고, 수신기 코일 치수와 코일 간 거리는 고정되었습니다. 양측 간의 자기 결합이 측정되었으며, 그 수학적 표현은³¹로 나와 있습니다:

(1)

여기서 는 코일 간 자기 결합을 설명하는 결합 계수, 는 송신기 코일의 자기 인덕턴스, 는 수신기 코일의 자기 인덕턴스를 나타냅니다.

기록된 최대 자기 결합을 바탕으로 송신기 길이와 폭이 선택되었습니다. 수신기 코일은 미스어레이먼트 허용 오차와 중간 음역 결합²⁹를 개선하기 위해 송신기보다 더 작은 폭으로 설계되었습니다. 최적화된 치수와 사양은 그림 2 와 표 1에 제시되어 있습니다.

모델링 중에는 85kHz의 사인파 전류원으로 코일이 여기되었고, 직렬 보상 커패시터를 통해 자기 공명 결합이 가능해졌습니다. 적응형 메싱이 적용되었으며, 특히 송신기와 수신기 코일 주변의 높은 자기장 강도 영역에 집중적으로 정교화가 이루어졌습니다. 자기 유도, 상호 인덕턴스, 결합 계수는 내장된 매개변수 추출 도구를 사용해 현장 해에서 직접 추출되었습니다.

2. WPT 회로 공동 시뮬레이션

선택한 주파수에서 시스템 전력 전달 효율(PTE)을 평가하기 위해 추출한 전자기 매개변수를 회로 시뮬레이션 환경에 가져와 WPT 회로 공동 시뮬레이션을 수행했습니다. 동적 작동 조건에서 전력 전자 변환기와 결합 코일 모델 간의 상호작용을 시뮬레이션하기 위해 시간 영역 회로 해석기를 사용했습니다. 보상 요소들은 다음과 같이 정의된 공명 조건을 만족하도록 조율되었습니다:

    .(2)

여기서 는 주요 보상 요소를 나타냅니다.

코일 간 공기 간격은 150mm로 고정되었습니다. 주어진 간격 제약 하에서 최대 PTE는 약 0.0851 MHz로 추정되었습니다. 주어진 간격 제약 하에서 최대 PTE는 약 0.0851 MHz로 추정되었습니다. 결과는 자기 공명 기반 결합이 대체 무선 전력 전송 방식에 비해 중간 거리에서 더 높은 효율을 달성하여 동적 충전 응용에 적합함을 뒷받침했습니다.

3. DWPT 시스템 구현

유한 요소 전자기 해석기에서 구현된 DTSR 시스템의 3D 코일 모델은 그림 3에 제시되어 있습니다. 수신기 코일 운동은 Y축(측면 정렬 불순)을 따라 정의되었고, X축 변위는 0으로 가정되었습니다. Z축은 코일 사이의 공기 간격을 나타내며, 150mm로 설정되었습니다. 상호 유도 는 변위의 함수가 되었으며, 로 표현됩니다.

수신기 코일은 xyz 좌표계에서 (0, −80, 150) mm에서 (0, 1400, 150) mm로 이동하여, Y축을 따라 총 횡방향 변위가 2700 mm에 달했습니다. 이 시뮬레이션은 측면 불정렬이 있는 의 변동성을 평가하기 위해 수행되었습니다. 그림 4 와 보충표 1 에 제시된 수치 결과는 9번과 22번 위치에서 상호 인덕턴스의 피크를 나타내며, 이는 각각 송신기 1과 송신기 2와의 정렬에 해당합니다.

제안된 DWPT 시스템의 회로도는 그림 5에 나와 있습니다. 이 시스템은 두 개의 접지된 송신기 와 , 그리고 하나의 움직이는 수신 기로 구성되어 있습니다. 송신기는 전원(DC source)을 풀브리지 인버터에 연결하여 DC 전압을 자기공명 결합에 필요한 고주파 AC로 변환했습니다. 출력은 공진을 달성하고 효율을 높이며^{전력 전달을} 향상시키기 위해 보상 네트워크에 입력되었다. 일반적인 보상 토폴로지는 이전 연구에서 논의되었습니다³⁸.

제안된 시스템은 공진 시 임피던스를 최소화하고 무효전력을 줄인 직렬-직렬(SS) 보상 네트워크를 채택했습니다. 커패시터 와 1 차 보상 네트워크를 형성했으며 , 2차 보상 요소를 대표했습니다.

DWPT 시스템은 표 2에 제시된 매개변수를 사용하여 시스템 수준에서 시뮬레이션되었습니다. 유도 전압은 상호 인덕턴스에 따라 달라졌으며, 이는 운동 중 코일 변위에 따라 달라졌습니다. 송신기와 수신기 코일 모두에서 상호 인덕턴스, 전압, 전류를 관찰하여 측면 변위 하에서의 시스템 거동을 분석하였습니다. 시뮬레이션 목적으로 차량 속도는 27 m s⁻¹ (~60 mph)로 설정되었습니다.

상호 인덕턴스, 송신기 전압, 전류는 그림 6에 나타나 있으며, 여기서 0위상 이동은 공진 동작을 나타냅니다. 수신기 전압과 전류는 그림 7에 표시되어 있습니다. 부하 전압과 전류는 그림 8에 표시되어 있고, 출력 전력은 그림 9에 표시되어 있습니다. 상호 인덕턴스와 결합 계수의 변화로 인한 부하 특성 변화가 관찰되었으며, 이는 다음 절에서 설명하는 제어 전략을 통해 해결되었습니다.

4. 제어 방법론

^39,40의 다양한 결합 조건에서 전력 전달과 시스템 효율을 향상시키는 효과 때문에 양측 제어 방식을 채택했습니다. 전압과 전류를 모두 조절하기 위해 이중 루프 비례적분(PI) 제어 전략이 채택되었습니다.

컨트롤러 파라미터는 경험적 튜닝이 아닌 캐스케이드 제어 설계 원칙에 따라 선택되었습니다. 내부 전류 루프는 2차 측 DC–DC 벅 컨버터와 연관되어 빠른 응답과 교란 차단을 보장하기 위해 더 높은 대역폭으로 설계되었습니다. 외부 루프는 1차 측 위상 이동 풀브리지 인버터(PSFB)를 제어하며, 루프 디커플링을 유지하기 위해 낮은 대역폭으로 동작했습니다.

PSFB 제어 전략은 수신기에서 출력 전압 또는 전류를 지속적으로 측정하여 인버터로 다시 공급하는 방식을 포함했습니다. 출력 전력은 인버터 다리 간의 위상 이동을 조절하여 제어되었으며, 위상 이동이 커질수록 전력 전달이 증가했습니다. PI 컨트롤러는 필요한 위상 이동을 결정하고 스위칭 제어를 위한 펄스 폭 변조(PWM) 신호를 생성했습니다. 전체 제어 구조는 그림 10에 나타났습니다.

제어 시스템은 85 kHz 스위칭 역학을 포착할 수 있는 고정 샘플링 주기를 가진 이산 시간 시뮬레이션 환경에서 구현되었습니다. 컨트롤러 이득은 부하와 커플링 조건의 변화에 따라 최소한의 오버슈트와 허용 가능한 안정 시간을 유지하면서 안정적인 작동을 달성하도록 조정되었습니다.

제어 설계의 검증은 계단식 PI 구조가 교란 하에서 빠르고 부드러운 전압 회복을 가능하게 하고, 내부 전류 루프가 외부 전압 루프보다 더 빠르게 반응할 때 이루어졌습니다. 이러한 특성에서 벗어난 경우, 매개변수 추출, 보상 조정, 또는 컨트롤러 구성에서 잠재적인 불일치가 있음을 나타냈습니다.

결과

코일 최적화 스윕
1차 및 2차 DD 코일의 치수는 프로토콜에 설명된 매개변수 스위핑 절차를 기반으로 결정되었습니다. 1차 코일 치수 스위핑 중 양측 간 측정된 자기 결합 결과, 송신기 길이 500mm, 폭 370mm에서 최대 결합 계수가 각각 0.349204와 0.337464로 달성되었으며, 이는 그림 11에 나타난 바와 같다. 이 결과를 바탕으로 송수신기 DD 코일의 최적화된 치수와 사양이 확립되었습니다.

PTE 평가
최대 전력 전달 효율(PTE)은 회로 공동 시뮬레이션을 통해 추정되었으며, 그림 12에 나타났습니다. PTE는 0.0851 MHz 동작 주파수에서 약 97.45%에 도달했으며, 코일 간 고정 공기 간격은 150mm였습니다. 보...

토론

이 연구에서 다룬 주요 연구 공백은 기존 단일 루프 또는 제어되지 않은 DWPT 시스템의 제한된 동적 안정성과 조절 정확도, 특히 차량 움직임에 의한 부하 변화와 결합 변동 시 문제였으며, 이는 이전 동적 무선^{충전 시스템 7,8} 연구에서 강조된 바 있습니다. 결과는 DTSR 구성에 제안된 이중 루프 PI 제어 아키텍처가 다양한 작동 조건에서 과도 감쇠와 정상 상태 정밀도를 크게 향상시켜 이 한계를 직접적으로 해결했음을 보여주었습니다.

향상된 성능은 통제 이론적 관점에서 설명할 수 있습니다. 기존 구성에서는 상호 인덕턴스 변동으로 인한 전압 및 전력 편차가 교란 보상 부족으로 인해 부하에 직접 전파되었으며, 특히^{결합 조건이} 다양한 시스템에서 9. 반면, 제안된 구조는 조절을 ...

재료

이 논문에 사용된 재료 목록

이름	회사	카탈로그 번호	댓글
ANSYS 일렉트로닉스 데스크탑 (맥스웰 3D)	안시스, Inc. 맥스웰  (2018년 버전)	해당 없음	ANSYS Maxwell 를 호스팅하는 통합 전자기 플랫폼; DWPT 코일의 유한 요소 전자기 모델링에 사용됩니다
ANSYS 전자 데스크탑 (심플러)	Ansys, Inc. Simplorer   (2018년 버전)	해당 없음	공진 DWPT 모델 구현에 사용되는 상업용 회로 수준 시뮬레이터
MATLAB/Simulink	MathWorks, Inc.(버전 R2023b)	해당 없음	제어 설계 및 시뮬레이션 환경은 컨트롤러 구현과 동적 시스템 시뮬레이션에 사용됩니다.