For the past decade, wireless power transfer (WPT) systems have been applied from low power to high power electric and electronic devices: mobile phones, mobile robots, biomedical implants, LED TVs, laptops, and electric vehicles. In order to satisfy the requirements (e.g. transferred power capacity and mass) and improve the performances (e.g. power transfer efficiency) of products, all design factors for WPT systems should be thoroughly investigated. Among them, the design of coils (i.e. the determination of their location, shape, dimension, and number) is very critical for extremizing the performance of WPT systems. In the literature, the coil design for WPT systems has been explored through conventional design approaches (e.g. Trial-and-error-based design approach, partial domain search, design of experiment, etc.) and design optimization approaches (e.g. size and shape optimization). The conventional design approaches have not been dependent on mathematical programming, but significantly dependent on the designers’ engineering intuition. Furthermore, they cannot guarantee a feasible design under multiple design constraints, and cannot consider the coupling effects among all design factors (i.e. they explore only partial design domains). As a more systematic and efficient design approach, a shape optimization framework for WPT systems was recently proposed in order to determine the optimal shapes for coils and ferrite while satisfying multiple constraints. However, there was an inherent limitation in the proposed shape optimization: the topology of the coil and ferrite was predetermined and fixed during optimization.
This dissertation presents a novel systematic and efficient coil layout (or topology) optimization for WPT systems which can determine the optimal coil layout to extremize an objective function (e.g. power transfer efficiency or mass) while satisfying all requirements based on multiple structural and electrical design variables under the given conditions. The proposed method is based on five new concepts: (1) FG-based coil representation which is consisted of relative and effective coil turns; (2) Effective turns for always making closed coil loops; (3) Effective coil turns to evaluate mass in FG-based coil representation; (4) Smooth boundary (SB) coil representation in order to representation the more precise coil layout; and (5) Resonance determination in order to determine the optimal compensated capacitance. The application examples are to design the optimal coil layout of the wireless portable charger in situations where you do not know the receiver coils or the transmitter coils or both. Then, the optimized coil layouts are experimentally validated in order to demonstrate the feasibility and potential of the proposed method. Therefore, this paper contributes to minimize the time and cost of product development by presenting the direction of optimal coil layout design for wireless power transmission system under various conditions.
지난 10 년 동안, 전기 및 전자 장치 (휴대폰, 모바일 로봇, 생체 의학 임플란트, 노트북 및 전기 자동차)를 위한 무선전력전송시스템 개발 및 활용이 활발히 이루어져왔다. 특히, 다양한 요구 사항을 충족시키고 제품의 성능(예:전력 전달 효율)을 향상시키기 위해 무선전력전송시스템의 다양한 전기적 구조적 설계 요소들에 대한 연구들이 이루어져 왔습니다. 그 중에서도, 코일 설계 (즉, 코일의 위치, 형상, 치수 및 턴수)는 무선전력전송시스템의 성능을 극대화하는데 매우 중요한 부분으로 다루어져 왔습니다. 무선전력전송시스템의 코일 설계는 크게 전통적인 설계 방법 (예:시행-착오-기반 설계 접근법, 부분설계영역탐색, 실험계획법 등)과 설계 최적화 방법 (예: 크기 및 형상 최적화)으로 이루어져 왔습니다. 전통적인 설계 방법은 사용 및 적용이 쉽지만, 수학 프로그래밍에 의존하지 않았고 설계자의 지식 및 직감에 크게 의존한다는 한계점이 존재했다. 또한, 이들은 다수의 제약 조건 하에서 실현 가능한 설계를 보장 할 수 없고, 모든 설계 인자들 사이의 결합 효과를 고려할 수 없다는 한계점이 존재했다. 반면, 보다 체계적이고 효율적인 설계 접근 방법으로, 다수의 제한조건을 만족시키면서 코일 및 페라이트에 대한 최적 형상을 결정할 수 있는 방법으로서, 최근 무선전력전송시스템을 위한 형상 최적설계 방법론이 제안되었다. 그러나 제안 된 형상 최적화 방법론은 미리 정해지고 고정된 코일 및 페라이트의 위상을 최적화 과정 중 변경할 수 없다는 한계점이 존재했다.
본 논문은 여러 구조 및 전기적 설계 변수를 기반으로 설정된 모든 제한조건을 만족시키면서 목적함수 (예: 동력 전달 효율 또는 질량)을 극대화 하는 최적의 코일 레이아웃을 결정할 수 있는 무선전력전송시스템을 위한 체계적이고 효율적인 새로운 코일 레이아웃 (또는 토폴로지) 최적화를 제시했다. 주어진 조건 하에서 제안 된 방법은 다섯 가지 새로운 개념에 기반 하에 이루어졌다: (1) 고정격자 기반 코일 재현; (2) 폐루프 코일 구현을 위한 effective turns. (3) 고정 격자 기반 코일 재현에서 질량을 평가하기위한 effective turns. (4) 더 정교한 코일 레이아웃 표현을 위한 부드러운 경계 코일 재현; 및 (5) 최적의 보상 캐패시턴스를 결정하기위한 공명 결정. 애플리케이션 예제는 수신기 코일이나 송신기 코일 또는 둘 모두를 알지 못하는 상황에서 휴대용 무선 충전기의 최적 코일 레이아웃을 설계하는 것이다. 제안된 방법론의 가능성 및 잠재성을 검증하기 위해, 제안된 최적화 방법론을 통해 도출된 최적의 코일 레이아웃을 실제 코일로 구현하여 실험적으로 검증하였다. 따라서 본 논문은 다양한 조건에서 무선전력전송시스템의 최적 코일 레이아웃 설계의 방향성을 제시해줌으로서 제품 개발에 소요되는 시간과 비용을 최소화하는 데 기여했다.
