This dissertation presents a maximum efficiency point tracking (MEPT) control scheme for a closed-loop wireless power charging (WPC) system for wireless charging of devices. Generally, wireless charging systems need precise output voltage and current with the highest possible efficiency. However, the efficiency and output voltage are very sensitive to mutual inductance and load conditions. Unfortunately, these parameters relate with charging environments. For example, if the position of receiver is changed during charging, the mutual inductance is also changed, and the load conditions varied by amount of charging the battery. Therefore, the WPC system is needed to satisfy the constant output voltage and possible highest efficiency according to sensitive variation of charging environments.
To guarantee the constant output voltage, we applied the post-regulation, which is one of the closed loop regulation. To maintain the possible highest efficiency, the maximum efficiency point tracking control scheme and method of mutual inductance real-time tracking are proposed. The proposed MEPT control scheme is adjusting the amplitude and phase of transmitting currents. The WPC system has optimum load impedance. However, load impedance moves away from optimum point by variation of charging environments. The proposed MEPT control scheme can change the load impedance deviated from optimum point, that is, there is optimum currents (solutions).
One of the advantages in magnetic resonance wireless power transfer is able to charge the multiple devices simultaneously. However, the most researches are focused on SISO system. The studies of the other cases (SIMO, MISO, and MIMO) system are insufficient. Therefore, we also extended the MEPT control scheme for the other cases in this dissertation. Each case has key points to get the optimum solution. In SIMO system, there are multiple optimum load because there are multiple receivers. However, the system gets only one optimum load because there is one transmitter. Therefore, it is important to choose the optimal point of the SIMO system, among the several optimal load impedance. Next MISO system, there is one more parameter of efficiency then single transmitter system. It is the ratio of transmitting currents. Because there are several transmitters, there is a sign in the mutual coupling value. Therefore, it is essential to control of the phase of the current according to the sign of mutual inductance. The procedure for determining the sign is added to the proposed method of mutual inductance tracking. Finally, in MIMO system, it consider the all things as mentioned in SISO, SIMO, MISO systems. The efficiency equation is very complex, so the particle swarm optimization (PSO) algorithm is used. To reduce the algorithm running time, the subsets are defined. Each subset is independent so we can consider more simple divided WPC system.
To experimentally verify the proposed control scheme, SISO, SIMO, MISO, and MIMO wireless power charging system applied the method of real-time tracking of mutual inductance operating at 1 MHz frequency are implemented. As a result, in all the system cases, the proposed MEPT control scheme can track the maximum efficiency regardless of receiver position, load conditions, and number of receivers and transmitters.
본 학위 논문에서는 다중 입출력 무선충전 시스템에 대한 최대 효율점 추적 제어법에 대한 연구를 하였다. 일반적으로 충전을 하기 위해서는 전력 전송과는 다르게 수신단에 일정한 전압을 유지해야 하면서 동시에 최대의 효율을 가져야한다. 하지만 불행하게도 효율과 출력 전압은 상호 결합과 부하의 상태에 따라 매우 민감하게 변하게 된다. 예를 들어, 수신기의 충전 위치에 따라 상호 결합 값이 크게 변하며 또 배터리가 충전이 됨에 따라 부하의 상태도 크게 변하게 된다. 따라서 이렇게 쉽게 변화하는 충전 환경에서 일정한 출력 전압을 유지하면서 최대의 효율 가질 수 있는 무선 충전 시스템이 필요하다.
따라서 본 학위 논문에서는 변화하는 충전에서도 이 두가지 요구를 모두 만족하는 무선 충전 시스템에 대하여 연구하였다. 이 때, 시스템이 항상 최대 효율을 얻기 위해 최대 효율 점 추적 제어 법과 시스템 내에 형성되는 상호 결합 값 실시간 추적 법을 제안하였다. 제안한 최대 효율 점 추적 법은 송신 코일에 흐르는 전류 진폭과 위상을 제어하는 방식이다. 무선 충전 시스템에서는 충전하는 환경에 따라 최적의 부하 값이 존재하게 된다. 하지만 일정한 출력전압 유지를 위한 부하 값이 정해지고 이는 최적의 부하 값과는 다른 값이다. 이 때 부하 값을 송신단의 전류를 통하여 변화 시킬 수 있고 최적의 전류 값이 존재 하게 된다. 따라서 송신단의 전류 진폭과 위상의 조절을 통해 최대 효율점 추적 제어가 가능하게 된다.
또한 현재 연구되고 있는 약 결합 무선 충전 시스템에서 가장 큰 장점 중에 하나가 여러 개의 수신기를 동시에 충전 할 수 있다는 것이다. 하지만 현재까지 연구들은 모두 1 대 1 시스템에서의 연구로 집중되고 이 외에 경우인 SIMO, MISO, MIMO 시스템에 대한 연구는 부족하다. 따라서 본 학위 논문에서 SIMO, MISO, MISO 시스템에 대한 최대 효율점 추적 제어 법에 대하여도 확장하여 연구하였다.
제안 된 최대 효율 점 제어 법을 증명하기 위해 실시간으로 시스템 내에 존재하는 상호 결합 값을 추적하는1 MHz의 주파수로 동작하는 SISO, SIMO, MISO, MIMO 의 무선충전 시스템을 구현 하였다. 그 결과, 모든 경우에서 수신기의 위치, 부하의 상태, 수신기의 개수에 상관없이 항상 최대 효율을 추적 할 수 있었다.
