전기자동차 무선 충전 시스템 기술 연구

1. 연구의 목적 및 필요성

전기자동차가 널리 보급됨에 따라 효율적이고 편리한 충전 방법에 대한 필요성이 점점 더 중요해지고 있다. 유선 충전 솔루션이 존재하지만 무선 충전은 편리성과 사용 편의성 면에서 매력적인 옵션이다. 그러나, 전기자동차용 무선충전 시스템은 충전패드의 적절한 정렬이 필요하다는 점에서 독특하며, 이는 다른 무선충전 시스템에 비해 더 큰 정렬 오류를 초래할 수 있다.

이러한 오류들은 보상 회로의 결합 계수에 영향을 미치고 공진 주파수를 변경하여 출력 전압 제어의 변화와 시스템 효율의 감소를 초래할 수 있다. 또한, 전기 자동차용 무선 충전 시스템의 수신 패드에 알루미늄 실드를 사용하는 것은 정렬 오류로 인한 전기적 파라미터 변경을 악화시킬 수 있다. 이러한 문제점들로 인해 전기자동차용 무선충전 시스템의 설계 및 제어가 더욱 복잡해져 시스템의 성능을 향상시키기 위한 추가적인 연구개발이 요구되고 있다.

이러한 문제점들을 고려하여, 연구자들은 전기 자동차의 무선 충전 시스템을 개선하는 방법을 연구해 왔다. 예를 들어 한 연구는 정렬 오류 및 알루미늄 실드의 영향을 완화할 수 있는 새로운 설계 및 제어 방법을 모색했다. 본 연구는 전기자동차용 무선충전 시스템이 운전자에게 필요한 편의성과 효율성을 제공할 수 있도록 기술을 발전시키고 이를 검토한다는 데에 의의가 있다.

결론적으로, 해당 연구의 목적은 전기자동차용 무선충전 시스템의 문제점을 해결하고 그 성능을 향상시킬 수 있는 방안을 모색하는 것이다. 전기 자동차의 사용이 계속 증가함에 따라, 신뢰할 수 있고 효율적인 충전 솔루션에 대한 필요성은 증가할 것이다. 따라서, 운전자의 요구를 충족시키고 보다 지속 가능한 미래로의 전환을 지원하기 위해 무선 충전 기술을 지속적으로 연구하고 개발하는 것이 필수적이다.

2. 연구방법

연구 방법은 연구의 방향과 접근 방식을 결정하기 때문에 모든 연구 연구의 중요한 측면이다. 본 연구에서는 전기자동차용 무선충전 시스템에 관한 연구에 사용되는 연구방법론에 대해 논의하고자 한다. 본 연구는 전기자동차용 무선충전 시스템의 다양한 유형에 대한 정보를 수집하기 위한 주요 연구방법으로 문헌고찰방법에 초점을 맞추고 있다.

전기 자동차용 무선 충전 시스템 및 그 다양한 유형에 대한 포괄적인 이해를 제공하기 위해 해당 연구 방법을 사용하기로 결정하였다. 본 연구는 고출력 전기차 무선충전을 위한 가장 실행 가능한 옵션으로서 유도 공진 결합 방식에 초점을 맞추고 있다. 이 연구는 또한 무선 충전 회로에서 높은 시스템 효율을 유지하기 위해 기생 저항을 줄이는 것의 중요성을 강조할 예정이다.

3. 현행 연구 검토

1) 복영한. (2023). "전기자동차를 위한 22kW급 무선 충전 시스템", 국내석사학위논문 명지대학교 대학원. 복영한(2023) 복영한.

(2023). 전기자동차를 위한 22kW급 무선 충전 시스템. 국내석사학위논문 명지대학교 대학원. 연구 결과, (0.0)에 위치한 송수신 패드의 일치 위치에서 시스템이 최대 94.76%의 효율을 달성하였다.

또한 시스템은 패드의 서로 다른 불일치 위치에서 92.8%와 94.72% 사이의 효율 범위를 달성할 수 있었다. 복영한의 연구 의의는 전기자동차(EV) 및 기타 애플리케이션을 위한 무선 충전 솔루션으로서 IPT 시스템의 잠재력을 강조한다는 것이다. 해당 선행 연구 결과는 보다 효율적이고 효과적인 무선 충전 시스템 개발에 대한 추가 연구의 기초가 될 수 있다.

자동차 산업에서 IPT 시스템을 사용하면 탄소 배출량을 줄이고 EV 소유자에게 보다 편리하고 환경 친화적인 충전 솔루션을 제공할 수 있다. 이 연구는 또한 소비자 전자제품 및 의료기기와 같은 다른 애플리케이션을 위한 무선 충전 시스템 설계에 영향을 미친다.

결론적으로, 복영한의 연구는 무선 충전 애플리케이션을 위한 LCL 필터와 LCC-CCL 구조를 갖춘 3상 2-leg PFC로 구성된 IPT 시스템의 타당성을 검증한다. 이 연구 결과는 자동차 산업을 포함한 다양한 응용 분야에 대한 보다 효율적이고 효과적인 무선 충전 시스템 개발에 중요한 의미를 갖는다. 2) 오승대.

(2023). "전기자동차 무선충전기용 Double Sided LCC 보상회로의 최적 설계", 국내석사학위논문 대진대학교 일반대학원. 오승대(2023) 오승대. (2023). 전기자동차 무선충전기용 Double Sided LCC 보상회로의 최적 설계.

국내석사학위 논문 대진대학교 일반대학원. 연구진은 가장 효율적인 보상회로를 선정하기 위해 커패시터의 ESR과 인덕터의 권선 손실을 이용하여 보상회로의 전압 및 전류 응력을 평가하였다. 그런 다음 송수신 패드의 인덕턴스 변화에 따라 손실 합계를 계산하고 손실이 가장 적은 보상 회로 파라미터를 선택하였다.

제안된 시스템의 타당성을 검증하기 위해 연구자는 PSIM을 사용하여 보상회로의 전압 및 전류 응력을 측정하였다. 연구자는 계산된 값을 측정된 값과 비교하여 최대 0.7%의 오차를 발견했다. 해당 연구는 전반적으로 전기자동차의 보급에 필수적인 무선전력전달 기술의 발전에 기여하고 있다.

3) 변종은. (2021). "Bridgeless 정류기 기반 전기자동차용 무선충전시스템 설계 및 제어", 국내박사학위논문 성균관 대학교 일반대학원. 변종은(2021) 변종은(2021). Bridgeless 정류기 기반 전기자동차용 무선충전시스템 설계 및 제어.

국내박사학위 논문 성균관대학교 일반대학원. Bridgeless 정류기는 다이오드 브리지의 사용을 제거하여 전도 손실을 줄이는 정류기의 일종이다. 연구진은 충전 과정에서 안정적인 출력 전압을 유지하기 위해 시제품에 출력 전압 제어를 적용했다.

또한 결합계수와 부하의 변화에 따른 공진주파수의 변화를 보상하기 위한 공진주파수 보상제어 알고리즘을 제안하였다. 이러한 보상 알고리즘은 충전 과정에서 안정적인 공진 주파수를 유지하는 데 도움이 되어 효율이 향상되었다.

또한, 연구진은 송신기와 수신기 사이의 무선 통신을 줄이기 위해 송신기와 수신기 공명 주파수 보상을 위한 독립적인 제어 전략을 제안하였다. 이 전략은 송신기와 수신기의 공진 주파수를 배터리 충전 프로파일과 일치하도록 독립적으로 조정하는 것을 포함한다. 제안된 전략은 송신기와 수신기 사이의 무선 통신을 줄임으로써 충전 프로세스의 효율성을 향상시키는 데 도움이 된다.

결론적으로 변종은의 연구에서는 무선충전 시스템의 효율성 향상을 위해 Bridgeless 정류기의 제어 알고리즘과 송수신기 공진 주파수 보상을 위한 독립적인 제어 전략을 제안한다. 패드가 장착된 3.3kW 무선충전 시스템의 시제품은 최대 91.5%의 효율을 달성하였으며, 모든 조건에서 브리지리스 정류기가 정상적으로 작동하는 것을 확인하였다. 제안된 알고리즘과 전략은 미래에 더 효율적이고 안전한 무선 충전 시스템을 위한 길을 열 수 있다.

1. 선행연구 결과에서 도출된 시사점

전기자동차용 무선충전 시스템은 크게 고정형 무선충전(SWC)과 동적 무선충전(DWC)의 두 가지로 분류할 수 있다. SWC는 차량이 주차 또는 정지해 있는 동안 차량 배터리를 무선으로 충전하는 정적 무선 충전 방식이다. 반면, DWC는 차량이 이동하는 동안 차량 배터리를 무선으로 충전하는 동적 무선 충전 방식이다.

무선 충전 방법에는 유도 전력 전송, 용량성 전력 전송, 영구 자석 커플링 전력 전송 등 다양한 종류가 있다. 그러나 고출력 전기자동차 무선충전에서는 비용, 크기, NVH 등의 요인을 고려할 때 유도 공진 커플링이 가장 일반적으로 사용되는 방법이다. 무선 충전 회로는 네 가지 기본 유형으로 분류할 수 있다.

1차 및 2차 회로는 코일의 자기장을 유지하고 전원 공급 장치의 VA 정격을 줄인다. 누설 인덕턴스는 부하에 최대 전력을 전달하기 위해 커패시터에 의해 보상된다. 추가 커패시터로 인한 시스템의 효율 저하를 최소화하기 위해 기생 저항이 낮은 필름 커패시터가 사용된다.

복영한, 오승대 및 변종은의 연구는 각각 무선 충전 기술의 현재 상태에 대한 귀중한 통찰력을 제공한다. 이러한 연구들은 그들의 구체적인 초점과 방법론에서 다양하지만, 모두 전통적인 유선 충전 방법에 대한 실행 가능한 대안으로서 무선 충전의 잠재력을 보여준다. 그러나, 이러한 발전에도 불구하고, 해당 기술에는 여전히 한계가 있다.

한 가지 일반적인 한계는 특히 장거리 또는 더 큰 장치에서 유선 충전에 비해 무선 충전의 효율이 감소한다는 것이다. 이는 부분적으로 무선으로 전력을 전송하는 동안 에너지 손실 때문이다. 복영한의 연구에서 도출할 수 있는 부분은 시스템이 달성한 높은 효율은 불편하고 번거로울 수 있는 전통적인 유선 충전 시스템의 대안으로서의 실행 가능성을 보여준다는 것이다.

또한, IPT 시스템에서 LCL 필터와 LCC-CCL 구조를 사용하면 입력 전류 고조파를 줄이고 커패시터의 크기를 최소화하여 시스템의 성능을 향상시킬 수 있다. 이 시스템에 의해 달성된 높은 효율은 전통적인 유선 충전 시스템의 대안으로서의 잠재력을 보여준다.

오승대의 연구 또한 전기 자동차용 무선 전력 전송 시스템 개발에 중요한 시사점을 가지고 있다. 효율을 극대화하고 에너지 손실을 줄이기 위해 최상의 보상 회로 매개변수를 선택하는 것의 중요성을 강조한다. PSIM을 사용하여 보상회로의 전압 및 전류 응력을 측정함으로써 우리는 제안된 시스템의 타당성을 확인할 수 있다.

무선 충전 시스템은 충전을 위해 기기를 꽂지 않아도 되는 편리함 때문에 인기를 얻고 있다. 그러나, 이러한 시스템의 개발에는 충전 공정의 효율성 및 전지의 안전성 확보를 위한 충전 공정에 대한 정밀한 제어의 필요성 등의 과제가 있다. 이와 관련하여 변종은의 연구에서는 제안된 Bridgeless 정류기 제어 알고리즘과 송신기 및 수신기 공진 주파수 보상에 대한 독립적인 제어 전략을 통해 충전 과정의 효율을 향상시키는 것을 목적으로 한다.

2. 무선 충전의 효율성 제고를 위한 한계 검토 및 솔루션 제안 무선 충전의 효율성 및 효과를 향상시키기 위해서는 추가적인 연구가 필요한 분야가 몇 가지 있다. 한 영역은 복영한의 논문에서 논의된 바와 같이 무선 충전 시스템의 공진 주파수의 최적화이다. 또 다른 영역은 오승대의 연구에서 살펴본 바와 같이 무선 충전 시스템을 위한 보다 발전된 제어 알고리즘의 개발이다.

또한, 온도 및 습도와 같은 다양한 환경 요인이 무선 충전 시스템의 성능에 미치는 영향에 대한 추가적인 탐구가 필요하다. 이기복. (2021). 전기자동차 배터리 충전용 무선 충전 시스템.

전력전자학회지, 26(1), 30-35. 무선 충전에 대한 다양한 환경 요인의 영향을 탐구하는 것은 온도, 습도 및 전자기 간섭을 포함하여 연구될 수 있는 몇 가지 요인을 포함한다. 온도가 증가하거나 감소함에 따라 효율이 변화하는 등 극한의 온도가 무선 충전 시스템의 효율 및 안전성에 어떤 영향을 미치는지, 그리고 온도가 충전 시스템 부품의 수명에 미치는 영향을 조사하는 것은 흥미로울 것이다.

습도와 관련하여, 습도가 무선 충전 과정에 미치는 영향을 연구하고, 높은 습도가 충전 효율과 안전성에 미치는 영향과 더불어 습도가 충전 시스템에 단락 또는 기타 오작동을 일으킬 가능성을 조사하는 것이 가치가 있을 것이다. 또한, 전자기 간섭은 무선 충전 시스템에서 고려해야 할 중요한 요소이다. 외부 전자기장과 간섭이 무선 충전 시스템의 효율과 안전성에 어떤 영향을 미치는지에 대한 연구가 수행될 수 있다.

충전 시스템에 대한 전자기 간섭의 영향을 완화하거나 제거하는 방법을 조사하는 것도 흥미로울 것이다. 비록 현재의 연구는 선행 연구 사례 조사에서 그치고 있지만, 추후에 이와 관련한 실제 연구를 구성한다면 해당 분야에 많은 기여를 할 수 있을 것으로 보인다. 추가적인 연구를 구성하기 위해서는 다양한 환경 조건을 시뮬레이션하고 그 조건에서 무선 충전 시스템의 성능을 측정하는 실험 설정을 개발하는 것이 필요하다.

전양배. (2016). 무선충전 전기자동차의 국제 표준 동향. 오토저널, 38(9), 37-42.

신한호, 김현동, & 전성즙. (2020). 전기자동차용 무선충전 시스템의 계층적 설계. 대한전기학회 학술대회 논문집, 7-8. 결론적으로, 무선 충전 기술은 최근 몇 년 동안 상당한 발전을 이루었지만, 여전히 한계와 개선해야 할 부분이 있다. 광범위한 응용 분야에서 신뢰할 수 있고 효율적인 충전 방법으로서 무선 충전의 잠재력을 충분히 실현하기 위해서는 지속적인 연구 개발이 필요할 것이다.

III. 결론

무선 충전 기술은 우리가 장치, 차량 및 가정에 전력을 공급하는 방식에 혁명을 일으킬 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 그러나 무선 충전이 주류 기술이 되기 전에 해결해야 할 과제가 여전히 많다. 본 논문에서 논의된 세 가지 연구는 무선 충전의 다양한 측면을 조명하고 기술의 현재 상태에 대한 귀중한 통찰력을 제공한다.

복영한의 논문에서, 우리는 특히 전기 자동차의 맥락에서 효율적이고 안전한 무선 충전의 중요성에 대해 배웠다. 최적화 알고리즘과 스마트 충전 전략의 사용은 충전 효율을 크게 향상시키고 열 폭주의 위험을 줄일 수 있다. 오승대의 연구는 요약하자면, 무선 충전 기술은 우리가 장치와 차량에 전력을 공급하는 방식에 혁명을 일으킬 수 있는 잠재력을 가지고 있다.

이 분야의 연구는 효율성, 안전성, 편의성 측면에서 유망한 결과를 보여주었다. 그러나, 충전 패드와 장치 사이의 거리 및 정렬, 충전 성능에 대한 환경적 요인의 영향, 구현 비용 등과 같은 해결해야 할 한계와 과제가 여전히 존재한다.

이러한 문제점을 극복하기 위해서는 무선 충전 시스템의 설계 및 제어를 최적화하고, 다양한 환경 요인의 영향을 탐색하며, 새로운 재료 및 기술을 개발하기 위한 추가적인 연구가 필요하다. 무선 충전 기술이 지속적으로 발전함에 따라, 전기 자동차를 포함한 다양한 응용 분야에 더욱 널리 보급되고 통합될 것으로 예상된다.

마지막으로 변종은의 연구는 무선충전 시스템에서 공진 주파수를 보상하고 배터리 충전을 가능하게 하기 위한 Bridgeless 정류기의 제어 알고리즘을 제안하는 연구이다. 이 연구는 제안된 알고리즘이 무선 통신을 줄이고 무선 충전 시스템의 효율성을 향상시키는 데 효과적일 수 있음을 시사한다.

해당 선행 연구에서 그치지 않고 앞으로 무선 충전 분야에서 더 나아가기 위해서는 여러 가지 방법으로 연구를 계속해야 할 것이다. 연구자들은 보다 발전된 최적화 알고리즘을 개발하고 더 먼 거리에서도 작동할 수 있는 무선 충전 시스템을 설계하는 등 무선 충전의 효율성, 안전성 및 편의성을 향상시킬 수 있는 방법을 지속적으로 모색할 수 있다.