Nowadays, global warming becomes significant problem in the world. It changes climate of many countries so that they are suffered from various natural disasters. According to the International Energy Agency (IEA) scenario, the transport including automobile would be 21% share of overall $CO_2$ reduction by 2050. As a result, Unite States (US), European Union (EU), China, Japan, South Korea, and other countries have proposed and established fuel economy and new car $CO_2$ emission standard which is very challenging compared with former regulation. This means there should be significant changes in vehicle and propulsion type. The International Council on Clean Transportation (ICCT) shows the expected new $CO_2$ emission rate of the vehicles in many countries. The EU and Japan show very tight regulations in the present and future. The US is expected to have the highest reduction of $CO_2$ emission until 2025. According to the US Environmental Protection Agency (EPA), only 5% of vehicles made in 2013 could meet $CO_2$ emission target in 2025. This report also presents that the electric vehicles of hybrids electric vehicle (HEV), plug-in hybrids electric vehicle (PHEV), and battery electric vehicle (BEV) can meet the target in 2025, while the vehicle used gasoline engine cannot meet the target with current technologies. Therefore, the automobile industry has been performing a lot of projects of development of HEV, PHEV, and BEV.
Currently, the EV development is led by the Electric Vehicles Initiative (EVI) which is a multi-government policy forum including 15 members of governments from North America, Asia, Europe, and Africa as well as IEA. They expect EV sales increases to 5.9 million units by 2020. As EV sales increases, the electric vehicle supply equipment (EVSE) market becomes also increases. In the EVSE, a battery charging method can be classified into the wired AC charging, the DC charging, and the wireless charging. The wired AC charging uses AC source on the power outlet by cables and it is widely used. The DC charging method charges the battery from DC power supply. The wireless charging uses induction coils to create an alternating electromagnetic field in the primary side on the floor in the charging station and a second induction coil in the car receives power from the electromagnetic field and charges the battery. The convenience of wireless charging can make EVs more acceptable to drivers because they don’t need to handle the power plug which may shock human body due to very high voltage. The wireless charging station also requires less hardware and can be installed underground. Therefore, the wireless charging market is expected to be growing rapidly. According to the pike research, the wireless charging market will get started slowly by 2013, and it will increase rapidly to 5% of total revenue by 2017. However, the power transfer efficiency which shows lower than the wired AC charging is mainly concerned. Recently, to increase the efficiency in the wireless charging systems, a multi-coil resonator which has more than three coils has been studied. Generally, in the multi-coil resonator, since magnetic field is expanded by intermediate coils, coupling between primary and secondary side is strengthened.
In this dissertation, the research is mainly focused on the analysis of WPT systems with multi-coil resonator, an optimal design method for high efficiency WPT systems, and a resonator structure with an asymmetric 4-coil. The research is divided into two parts as follows:
Part 1. Analysis and design of a wireless power transfer system with an intermediate coil for high efficiency
In a two coil WPT system, which has low coupling coefficient, the intermediate coil boosts the apparent self-inductance and magnetizing inductance of the primary side at around the resonance frequency of the intermediate coil, so that the apparent coupling coefficient is compensated. The coupling coefficient makes the system efficiency increase and induces bi-furcation phenomenon. From the mathematical analysis and analytical expression of the input to output voltage transfer function, an optimal design method using the second resonance frequency operation with the bi-furcation phenomenon is proposed, and design procedure for high efficiency is presented. A prototype of the WPT system with the intermediate coil is implemented and experimented on to verify the validity of the analysis and the proposed design method. The prototype operates at 100 kHz switching frequency and has an air gap between primary and secondary side of 200mm. An overall system efficiency of 95.57% has been achieved at 6.6kW of output power.
Part 2. Wireless power transfer systems with an asymmetric 4-coil resonator for electric vehicle battery chargers
Multi-coil systems which have more than three coils between primary and secondary side provide benefits of a good apparent coupling coefficient, a long transfer distance, and a wide operating frequency range. The conventional 4-coil system has symmetric coil configurations. In the primary side, there are source and transmitter coils, and the secondary side contains receiver and load coils. On the other hand, in the proposed asymmetric 4-coil system, the primary side consists of a source coil and two transmitter coils which are called intermediate coils, and in the secondary side, a load coil serves as a receiver coil. In the primary side, two intermediate coils boost the apparent coupling coefficient at around the operating frequency, respectively. Because of this double boosting effect, the WPT system with the asymmetric 4-coil resonator has higher efficiency than the conventional symmetric 4-coil WPT system. A prototype of the proposed WPT system with the asymmetric 4-coil resonator is implemented and experimented on to verify the validity of the proposed system. The prototype operates at 90 kHz of switching frequency and has the distance between primary and secondary side of 200 mm. An overall system efficiency of 96.56% has been achieved at 3.3 kW of output power.
최근 기후의 변화는 전 세계적으로 큰 문제를 야기하고 있고, 이로인해 많은 나라들이 자연 재해로 피해를 격고 있다. 국제 에너지 기구인 IEA 시나리오에 따르면, 자동차를 포함한 운송수단이 2050년까지 전체 이산화탄소 감축량의 21%를 차지하게 된다. 그 결과, 미국, 유럽연합, 중국, 일본, 한국 등 여러나라들이 기존의 규정보다 매우 엄격한 새로운 이산화탄소 배출 규정을 제정하거나 제안하였다. 이는 차량이나 동력 타입의 심한 변화가 있을것이라는것을 의미한다. 국제 친환경 교통수단 위원회의 자료에 따르면 유럽연합과 일본의 경우 다른 나라보다 매우 엄격한 규정이 적용되고 있다. 미국의 경우 2025년까지 이산화탄소 배출 감소량이 가장 클것으로 예상하고 있고, 미국 환경청 (EPA)에 따르면 현재 생산되는 자동차의 5%정도만이 2025년의 이산화탄소 배출량 규정을 만족할수 있다. 이런 규정을 만족하는 자동차는 하이브리드 자동차 (HEV), 플러그인 하이브리드 자동차 (PHEV), 배터리 전기자동차 (BEV)이고, 현재 가솔린 엔진을 이용하는 자동차는 이 규정을 만족할수 없다고 발표되었다. 따라서 자동차 업계에서는 HEV, PHEV, BEV의 개발에 관한 프로젝트를 다수 진행하고 있다.
현재 전기자동차 개발은 Electric Vehicles Initiative (EVI)라는 기구가 주도하고 있다. 여기에는 북미, 아시아, 유럽, 아프리카의 15개 국가의 단체가 참여하고 있다. EVI에 따르면 전기자동차 판매량이 2020년까지 5백9십만대에 이르고, 이에 따라서 전기자동차 충전설비의 매출도 증가할것으로 예측하고 있다. 전기자동차 충전설비는 유선AC충전, 유선DC충전, 무선충전으로 구분할 수 있다. 유선 AC충전은 AC전원으로 부터 케이블을 이용하여 충전하는 방식으로 현재 가장 많이 사용되고 있다. 유선 DC충전은 DC파워 서플라이로부터 배터리를 충전한다. 마지막으로 무선충전은 충전소 바닥에 매설된 1차측의 유도코일을 이용하여 전자장을 만들고 차량의 2차측 코일에서 이 전자장으로부터 전력을 받아 배터리를 충전하는 방식이다. 무선충전방식은 인체에 충격을 줄수 있는 높은 전앞의 플러그를 조작하지 않아도 되는 편리성 때문에 운전자에게 좀더 다가가고 있다. 그리고 무선충전소의 경우 설치비가 덜들고 충전소 바닥에 매립할수 있는 장점이 있다. 따라서 무선충전시장은 급격히 성장할것으로 보인다. 시장조사기관인 pike research에 따르면 무선충전시장은 2013년도에 서서히 증가하기 시작했으며, 2017년도에는 전체 충전시장 매출의 5%까지 가파르게 증가할것 예측되고 있다. 그러나 무선충전의 경우, 전력전송 효율이 기존의 유선충전에 비해 매우 낮다는 가지고 있다. 최근 이를 개선하기위해서 3코일 이상을 갖는 멀티코일형태의 공진기가 연구되고 있다. 일반적으로 멀티코일에서는 중간코일로 인해 자기장이 더 넓게 형성되고 이로인해 1,2차 코일간의 커플링이 더 높아진다.
본 연구는 높은 효율을 갖는 무선충전시스템을 위한 멀티코일 공진기와 공진기의 최적 디자인 방법에 중점을 두었다. 이는 다음과 같이 두개의 부분으로 나누어진다.
Part 1. 중간 코일 구조를 갖는 고효율 무선전력전송 시스템의 분석과 설계
낮은 커플링 계수를 갖는 2코일 시스템에서 중간 코일의 역할은 표면적인 셀프인덕턴스와 자화 인덕턴스를 중간코일의 공진 주파수 근처에서 증가시킨다. 이로인해 표면적인 커플링 계수가 증가하는 방향으로 보상된다. 이 증가된 커플링계수가 시스템의 전력전송 효율을 증가시킨다. 수학적인 분석과, 입력대 출력의 전압 전달함수의 분석식으로부터 bi-furcation현상을 갖는 두번째 공진주파수에서 동작하는 고효율 최적 디자인 방법을 제안한다. 제안된 분석과 디자인 방법을 검증하기 위해 중간 코일 구조를 갖는 무선전력전송 시스템의 프로토 타입을 제작하고 실험하였다. 프로토타입 시스템은 100 kHz의 동작 주파수를 갖고, 1차와 2차 코일의 거리는 200mm이다. 제안된 시스템은 6.6 kW출력기준 95.57%라는 높은 전체 시스템 효율을 보여주었다.
Part 2. 전기자동차 배터리 충전을 위한 비대칭 4코일 공진기를 갖는 무선전력전송 시스템
3코일 이상의 멀티코일 시스템은 높은 커플링계수, 긴 전송거리, 넓은 동작 주파수 범위를 갖는다. 기존의 4코일 시스템은 코일 구조가 1,2차 대칭 구조이다. 1차측에는 소스코일과 트랜스미터 코일이 있고, 2차측은 리시버코일과 로드코일을 갖는다. 반면에 제안된 비대칭 4코일 시스템은 소스코일과 두개의 중간코일인 트랜스미터 코일이 1차측에 위치하고, 2차측에는 리시버코일 역할을 하는 로드코일이 있는 구조이다. 1차측에 위치한 두개의 중간코일이 각각의 공진 주파수 근처에서 1차측의 커플링계수를 두번 부스팅 시킨다. 이 더블 부스팅 효과로인하여, 제안된 비대칭 4코일 공진기 무선전력전송 시스템은 기존의 대칭구조의 4코일 공진기 보다 높은 효율을 갖는다. 제안된 시스템을 검증하기위하여 비대칭 4코일 공진기를 갖는 무선전력전송 시스템 프로토 타입을 제악하고 실험하였다. 제작된 프로토탑입의 경우 90 kHz 동작 주파수를 갖고, 1차측과 2차측 거리는 200 mm이다. 제안된 시스템은 3.3 kW 출력기준 96.56%라는 아주높은 전체 시스템 효율을 보여주었다.
본 논문에서는 기존의 무선전력전송 시스템의 단점인 낮을 효율을 개선하기 위하여, 중간코일을 이용한 최적 디자인 방법과, 비대칭 4코일 구조에 대한 연구를 하였다. 본 논문에서 제안된 디자인 방법과 공진기 구조들이 추후 산업적으로 널리 사용되어지길 기대한다.
