글로벌 더블과 호환되는 새로운 중공 솔레노이드 수신기

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 11925(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

IPT(유도 전력 전송) 기술은 전기 자동차(EV)가 자기 결합을 통해 전선을 연결하지 않고도 에너지 저장 시스템(배터리)을 충전할 수 있게 함으로써 전기 자동차(EV) 충전을 위한 유망한 솔루션입니다. 본 논문에서는 SAE J2954 표준에서 정의한 표준 double-D 송신기와 호환되는 Hollow Solenoid 수신기라는 새로운 수신기 설계를 제안합니다. 코일(인덕턴스, 감은 수, 치수, 와이어 등)과 페라이트 코어(치수, 수, 배열 등)에 대한 최적의 설계 매개변수를 정의하기 위해 제안된 중공형 솔레노이드 수신기에 대한 심층 설계 분석이 제시됩니다. 효율성, 무게, 크기, 부피 및 비용을 기준으로 여러 WPT3(11.1kVA) 솔레노이드 수신기(SR) 설계를 제시하고 분석했습니다. 제안된 SR의 성능은 결합 계수, 전송 전력 및 효율, 표유 전자기장(EMF)을 고려하여 다양한 측면 및 회전 정렬 및 부하 조건에서 SAE J2954 표준에서 제시하는 글로벌 Double-D 수신기(DDR)와 비교되었습니다. 코일, 보상 네트워크, 전력 변환기, 제어 및 배터리 부하를 포함한 전체 IPT 시스템은 SR 및 DDR 코일 모두에 대해 모델링 및 분석되었습니다. 결과는 제안된 SR이 다양한 정렬 및 부하 조건에서 글로벌 DD 송신기와 호환되며 > 85% 효율로 원하는 전력(11kW)을 전송할 수 있음을 보여줍니다. Hollow SR 설계는 DDR 및 기타 설계에 비해 효율성은 가장 높고 크기, 무게, 비용은 가장 낮습니다.

운송 부문은 비영구적 에너지원이자 시간이 지남에 따라 고갈될 가능성이 있는 화석 연료에 주로 의존하기 때문에 유해 배출의 주요 원인(미국에서 가장 높음)을 나타냅니다. 따라서 화석연료 의존도를 줄이고 온실가스(GHG) 배출을 줄이기 위해 전기자동차(EV)의 활용이 시급하다. 적절한 충전 인프라를 사용할 수 없거나 접근할 수 없으면 대규모 EV 배포가 방해받을 수 있습니다. IPT(유도전력전송) 기술은 장기 주차는 물론 이동 중에도 EV 충전을 가능하게 하는 유망한 기능을 보여줍니다. IPT는 물리적 접촉 없이 넓은 공극 거리(100~400mm)에서 EV 배터리를 충전하는 기술입니다. 자동화, 유연성, 안전성, 유지 관리 및 편의성 측면에서 플러그인 충전기에 비해 여러 가지 장점이 있습니다. 비, 눈, 먼지 등 가혹한 환경 조건에도 적합합니다.1. IPT 시스템은 두 개의 분리된 측면으로 구성됩니다. 1차 패드, 공진 회로, 고주파(HF) 인버터 및 그리드 정류기를 포함하는 접지측(송신기). 그림 1에 표시된 것처럼 2차 패드, 공진 회로 및 EV 배터리에 전력을 공급하는 다이오드 정류기를 포함하는 차량 측(수신기). 전원 공급 장치는 저주파 전력을 인버터에 공급하여 이를 HF 전력으로 변환하고 전력을 공급합니다. 송신기(1차) 코일. 1차 코일에서 생성된 전자기장은 2차 코일과 결합되어 동일한 공급 주파수로 전력을 전송합니다. HF 2차 전원을 전기차 배터리 충전용으로 재인증 받았습니다. 1차측과 2차측은 무선 통신 링크를 통해 서로 통신하여 정렬, 인증, 제어 및 요금 지불이 가능합니다.

예시적인 느슨하게 결합된 IPT 시스템 구성요소.

자기 유도 커플러(1차 및 2차 패드)는 소스에서 부하로 전력을 전달하는 IPT 시스템의 핵심 구성 요소입니다. 생성된 전자기장의 형태를 기반으로 많은 패드 구조와 디자인이 문헌에 소개되고 논의되었습니다. 이러한 구조는 Double-D(DD) 패드와 솔레노이드 패드2와 같이 자속 성분이 수평으로 이동하는 Polarized 구조의 세 가지 유형으로 구분됩니다. 직사각형 및 원형 패드와 같이 수직 자속 성분이 있는 구조를 무극성이라고 합니다3. 세 번째 구조는 서로 분리되어 있고 양극성 및 삼극성 패드와 같은 수직 및 수평 자속을 모두 생성할 수 있는 여러 개의 중첩 코일로 구성됩니다4. 송신기와 수신기 모두를 위한 직사각형 및 DD 패드는 경량 EV 충전을 위한 SAE J2954 표준에 나와 있습니다. 이 패드는 단순성과 성능 측면에서 좋은 장점을 보여 송신기 패드에 적합합니다. 그러나 이들 패드에 사용되는 리츠선과 페라이트가 다량 사용되기 때문에 무게가 무거우며 크기도 크고 가격도 고가이기 때문에 공간과 무게가 중요한 차량용 패드에는 적합하지 않다. 솔레노이드 코일은 매우 우수한 성능(높은 전력 밀도 및 작은 크기로 높은 결합 계수)과 저렴한 비용을 갖춘 차량 패드용 유망 자석 구조입니다. 또한 양면 구조이고 큰 비전리 방사선을 생성하기 때문에 제로 결합 위치가 없기 때문에 중간 및 큰 공극에 대한 오정렬에 대한 큰 허용 오차를 가능하게 합니다5,6. 저자 in7은 플랫 솔레노이드 코일과 인터리브 부스트 컨버터로 구성된 무선 충전 시스템을 설계했습니다. 170mm의 공극 거리를 통해 500W의 전력을 전달하는 실제 조사를 위해 프로토타입이 제작되었습니다. 솔레노이드 코일 매개변수가 최적화되었으며 90.1%의 dc-dc 전송 효율이 얻어졌습니다. In8에서 연구원들은 솔레노이드 코일을 직사각형 코일과 결합하여 송신기 패드를 형성했습니다. 한편, 원형 패드와 직사각형 패드는 별도로 사용되었다. 코일 인덕턴스의 변화, 정렬 불량의 정도, 결합 계수 측면에서 비교가 이루어졌습니다. 솔레노이드를 결합하여 직사각형 코일의 중앙에 배치하면 결합 계수가 크게 증가하는 것으로 나타났습니다. In5의 IPT 시스템은 솔레노이드 구성을 기반으로 설계되어 200mm의 에어 갭을 통해 원하는 전력을 전달합니다. 결합 계수를 높이기 위해 플럭스 가이드 페라이트 코어가 제안되었으며, 전자기장 누출을 제거하기 위해 금속 알루미늄 차폐가 사용되었습니다. 연구진은 주로 솔레노이드 구성을 기반으로 한 IPT 시스템을 제안했습니다. 이 시스템은 송신기 측의 플랫 솔레노이드와 수신기 측의 2개 솔레노이드로 구성됩니다. 가장 높은 결합 계수를 얻기 위해 시스템 분석을 수행했으며 DD 및 양극 구성을 갖춘 제안 시스템의 상호 운용성 원리를 테스트했습니다. 6kW 전력 전송은 50mm의 공극을 통해 달성되며 수평 오정렬 공차는 125mm입니다.