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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 이일운
- 발행연도
- 2022
- 저작권
- 명지대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수143
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전세계적으로 온실가스 감축을 위한 자동차 환경 규제가 강화됨에 따라 내연기관차 판매량은 감소하고 있으며 전기자동차 판매량은 증가하고 있다. 전기자동차 시장의 성장에 따라 전기자동차 충전기 기술은 발전되고 있다. 현재 상용화된 전기자동차 충전기는 대부분 plug-in 방식의 접촉식 유선충전방식으로 구성되어 있다. 유선충전방식은 편의성이 부족하고, 충전기와 직접 접촉하기 때문에 감전의 위험성이 존재한다. 이러한 점을 개선하기 위해 비접촉식 무선충전방식에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
국제전기기술위원회(IEC)는 무선충전기의 국가별 호환을 고려하여 정지 중 무선충전 관련 국제표준을 11kW 이하 용량까지 제정 완료한 상태이다. 그러나, 전기버스와 같은 상용 전기자동차를 무선으로 충전하기 위해서는 22kW 이상의 제품 개발이 요구된다.
본 논문은 상용 전기자동차 무선충전을 위한 22kW급 무선충전시스템 개발을 위한 연구의 일환으로 22kW급 무선충전시스템에 적합한 최적 토폴로지를 선정하고 22kW급 고효율 무선전력전송장치 설계에 대한 연구 내용을 다룬다. 전기자동차 무선충전시스템의 구조는 정전류, 정전압 출력특성이 있으며, 22kW급 무선충전시스템에는 명확히 정의된 구조가 없기 때문에 본 논문에서는 800V급 배터리를 충전할 수 있는 IPT 시스템을 기반으로 토폴로지 선정 연구를 진행한다. 토폴로지 선정 연구를 위해 22kW, 800V급 배터리 충전프로파일을 모의하여 배터리 부하 모델링 결과를 도출하고 22kW급 송수신패드를 설계하여 하드웨어 파라미터를 축출한다. 이를 기반으로 임피던스 보상회로들을 이론적으로 분석하고 파라미터를 최적 설계한다. 최적 설계된 임피던스 보상회로들의 최대 전기적 스트레스를 분석하고 출력특성별 최적 토폴로지를 선정한다. 본 논문에서 선정한 임피던스 보상회로의 최적 토폴로지는 정전압 출력특성의 LCC-Series 구조와 정전류 출력특성의 LCC-CCL 구조이며, 하드웨어 제작 결과와 예상효율 분석을 통해 LCC-CCL 구조를 최종 토폴로지로 선정하였다.
최종 선정된 IPT 시스템을 기반으로 얼라인먼트 및 충전프로파일 전 구간 실험을 통해 스위칭 주파수는 83kHz 고정 주파수에서 영전압 스위칭 동작이 가능함을 확인했다. IPT 시스템의 최대 전력변환효율은 95.7%이며, 이를 바탕으로 22kW급 무선충전시스템의 전체 효율은 93% 이상으로 예상될 수 있다. 본 논문에서는 LCC-CCL 구조의 IPT 시스템과 기존 선행연구 시스템의 성능을 비교하였으며, 그 결과 제안하는 IPT 시스템이 기존 선행연구 시스템과 비교하여 효율적인 측면에서 우수하다는 것을 확인했다. 그에 따라 IPT 시스템의 고효율 성능을 검증하였으며, 실험을 통한 성능 검증을 통해 설계의 타당성을 확보하였다.
국제전기기술위원회(IEC)는 무선충전기의 국가별 호환을 고려하여 정지 중 무선충전 관련 국제표준을 11kW 이하 용량까지 제정 완료한 상태이다. 그러나, 전기버스와 같은 상용 전기자동차를 무선으로 충전하기 위해서는 22kW 이상의 제품 개발이 요구된다.
본 논문은 상용 전기자동차 무선충전을 위한 22kW급 무선충전시스템 개발을 위한 연구의 일환으로 22kW급 무선충전시스템에 적합한 최적 토폴로지를 선정하고 22kW급 고효율 무선전력전송장치 설계에 대한 연구 내용을 다룬다. 전기자동차 무선충전시스템의 구조는 정전류, 정전압 출력특성이 있으며, 22kW급 무선충전시스템에는 명확히 정의된 구조가 없기 때문에 본 논문에서는 800V급 배터리를 충전할 수 있는 IPT 시스템을 기반으로 토폴로지 선정 연구를 진행한다. 토폴로지 선정 연구를 위해 22kW, 800V급 배터리 충전프로파일을 모의하여 배터리 부하 모델링 결과를 도출하고 22kW급 송수신패드를 설계하여 하드웨어 파라미터를 축출한다. 이를 기반으로 임피던스 보상회로들을 이론적으로 분석하고 파라미터를 최적 설계한다. 최적 설계된 임피던스 보상회로들의 최대 전기적 스트레스를 분석하고 출력특성별 최적 토폴로지를 선정한다. 본 논문에서 선정한 임피던스 보상회로의 최적 토폴로지는 정전압 출력특성의 LCC-Series 구조와 정전류 출력특성의 LCC-CCL 구조이며, 하드웨어 제작 결과와 예상효율 분석을 통해 LCC-CCL 구조를 최종 토폴로지로 선정하였다.
최종 선정된 IPT 시스템을 기반으로 얼라인먼트 및 충전프로파일 전 구간 실험을 통해 스위칭 주파수는 83kHz 고정 주파수에서 영전압 스위칭 동작이 가능함을 확인했다. IPT 시스템의 최대 전력변환효율은 95.7%이며, 이를 바탕으로 22kW급 무선충전시스템의 전체 효율은 93% 이상으로 예상될 수 있다. 본 논문에서는 LCC-CCL 구조의 IPT 시스템과 기존 선행연구 시스템의 성능을 비교하였으며, 그 결과 제안하는 IPT 시스템이 기존 선행연구 시스템과 비교하여 효율적인 측면에서 우수하다는 것을 확인했다. 그에 따라 IPT 시스템의 고효율 성능을 검증하였으며, 실험을 통한 성능 검증을 통해 설계의 타당성을 확보하였다.
목차
그림목차 ii표목차 iv국문초록 vi제 1 장 서 론 1제 1절 연구 배경 1제 2절 연구의 목적 9제 3절 논문의 구성 10제 2 장 본 론 11제 1절 22kW급 무선전력전송장치 설계 11제 2절 하드웨어 상세설계 56제 3절 22kW급 고효율 IPT 시스템 선정 65제 4절 실험 결과 77제 3 장 결 론 88참고 문헌 90Abstract 93
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