This paper deals with a foreign object detection system (Chapters 1 ~ 3) applicable to electric vehicles (EVs) wireless charging system and a wireless EVs charger (Chapter 4) with large tolerance characteristics. In chapter 1, dual-purpose non-overlapping coil sets for both MOD and DoP, which detect a variation of magnetic flux on the power supply coil, are newly proposed. A sensing circuit, which has a variable resistor that is different from the conventional overlapping coil for MOD, can make the induced voltage difference zero even when the magnetic flux distribution is distorted by moving the pick-up coil. When metallic coins and aluminum sheets are located on the power supply coil, the induced voltage difference of the coil sets, which is ideally zero without metal objects, significantly increases to 62.8 mV and 450mV, respectively, which is more than 10 times the value without metal objects throughout experiments. In addition, when the pick-up coil approaches the power supply coil, induced voltage of each coil set increased roughly 1.6 times at 10 cm air-gap. In chapter 2, a metal object detection (MOD) system, a kind of foreign object detection (FOD), which is based on mistuned resonant circuits and utilizes variation of self-inductance of a sensing pattern, is newly proposed for wireless electric vehicle (EV) chargers. The sensing pattern that consists of multiple loop coil sets is mounted on the transmitting (Tx) pad of an EV charger, where a loop coil set has two coils connected in series with opposite polarity to cancel out the induced voltage generated by the Tx coil. To increase the detection sensitivity of the proposed MOD system, instead of an exact resonant frequency, a mistuned operating frequency near the -3dB point is utilized for the parallel-resonant circuit. In this way, the proposed MOD system can detect very small metal objects regardless of their position and orientation on the Tx coil without any blind zone. A prototype MOD system, operating at 85 kHz to satisfy the standard J2954, was fabricated to verify its feasibility. The results showed that output voltage change of the proposed MOD system becomes 22.7 %for a piece of aluminum foil of $3 x 3 cm^2$ and 40.9 %for 100 Korean Won coin, respectively. In chapter 4, A new set of triangular DQ transmitting (Tx) coils for wireless EV chargers is proposed for large longitudinal, lateral, and diagonal lateral tolerances. The coil set consists of two layers, i.e., D-Tx and Q-Tx, where each Tx layer has two triangular coils of the same magnetic polarity diagonally facing each other to generate a more uniform coupling coefficient between Tx and Rx with respect to misalignments. A prototype of an inductive power transfer (IPT) system using the proposed triangular DQ Tx coils for wireless EV chargers was fabricated for experimental verification with an operating frequency of 85 kHz satisfying the standard J2954 of the society of automotive engineers (SAE). From simulation and experimental results, it is found that the lateral and diagonal displacements of the proposed coil sets increase by 35 % and 19 %, respectively, at an air gap of 150 mm, compared with a conventional rectangular coil.
본 논문은 전기자동차 무선충전시스템에 적용 가능한 이물질 감지 시스템(Chapters 1 ~ 3)과 넓은 허용 편차 특성을 가지는 무선충전 전기자동차 시스템(Chapter 4)에 대한 연구를 다루고 있다. 제 1장에서는 송신 코일의 전류에 의해 발생하는 자기장 변화를 감지하여 금속과 차량의 위치를 동시에 인식할 수 있는 꼬임 없는 사각 감지 코일 구조를 새롭게 제안한다. 차량의 위치 변화나 송수신 패드의 구조변화로 인해 자기장 분포가 변하더라도 가변저항으로 구성된 영점 조절장치를 이용해 유도전압을 최소값으로 만들어 초기 보정 이후 동작 되도록 해준다. 금속이 위치할 경우 금속이 없는 경우와 비교해 10 배 이상의 출력전압 변화가 나타나며, 공극 10 cm 조건에서 집전 코일이 접근할 경우 약 1.6배의 전압이 증가하여 차량의 위치 또한 감지 가능한 것이 시뮬레이션 및 실험적으로 확인하였다. 제 2장에서는 감지 코일의 자기 인덕턴스 변화를 이용해 금속 이물질을 감지하는 시스템을 제안한다. 제안하는 시스템의 정밀도를 향상시키기 위해 감지 코일은 병렬 공진 회로로 구성되어 있으며, 이를 계측하기 위해 고주파 전류원과 반전 증폭기를 결합하되 병렬 공진 주파수와 정확하게 일치시켜 구동하는 대신 3dB 어긋난 낮은 주파수로 구동시킨다. 또한, 복수의 루프 코일들로 이루어져 있는 감지 코일은 송신 코일에 의한 유도 전류를 상쇄하기 위해 서로 반대방향으로 놓여 있다. 제안하는 금속 이물질 감지 시스템은 금속의 위치나 방향에 관계없이 음영지역없이 작은 크기의 금속까지 감지 가능하다. J2954표준에 맞게 제작된 전력시스템과 연동하여 제안하는 금속 이물질 감지 시스템을 실험하였으며, $3 x 3 cm^2$ 금속과 100원짜리 동전을 실험 할 경우 금속이 없는 경우와 비교해 각각 출력 전압이 22.7%, 40.9%로 감소하였다. 제 3장에서는 생명체에 의한 정전용량 변화를 감지할 수 있는 정전용량 감지 회로를 새롭게 제안하였으며, 감지 회로와 대지 간 존재하는 정전용량에 의한 영향을 이론 및 실험적으로 분석하였다. 계측된 정전용량의 경우 대지 간 정전용량의 비율에 따라 증가 또는 감소 할 수 있으며, 성인의 손이 위치 할 경우 약 30%의 출력 변화가 발생함을 확인하였다. 제 4장에서 넓은 대각선 허용편차특성을 가지는 삼각형 구조의 DQ 송신 코일 구조를 제안하였다. 제안하는 코일은 두개의 층으로 구성되어 있으며, 대각선 방향으로 보다 균일한 결합 계수를 유지 하기 위해 같은 극성의 삼각형 코일들이 대각선 방향으로 직렬 연결된다. 시뮬레이션 및 실험을 통해 기존 사각형 송신 코일 구조와 비교 시 좌우허용편차 및 대각선 방향 허용 편차는 각각 35%, 19% 증가한 특성을 나타낸다.
