Magnetic Beamforming Based Dynamic Wireless Power Transfer System Using Modular Coil Arrays with Eliminated Cross-Couplings

Abstract

As electric vehicles (EVs) become more popular, the lack of charging infrastructure becomes a social problem. Dynamic wireless power transfer (DWPT), which can provide sustainable energy to moving EVs, has been recently attracted to solve this problem. Magnetic beamforming is a promising WPT strategy for increasing power transfer efficiency (PTE) by focusing the magnetic fields from the transmitting (TX) coils to the receiving (RX) coils. However, magnetic beamforming studies to date have been limited to static charging, not dynamic. Accordingly, this thesis aims at providing insight into a beamforming-based DWPT system. Our first objective is to design a suitable magnetic coupler for a beamforming-based DWPT system. To this end, we first present a mathematical analysis of the influences of all magnetic couplings in multi-inputs and multi-outputs (MIMO)WPT having multiple TX and RX coils. Then, we derive the design criteria of the magnetic coupler for improving power quality in terms of PTE and power factor (PF). We design a modular coil array that satisfies the derived criteria based on the analysis. The proposed modular coil array has increased magnetic couplings between TX and RX arrays and reduced cross-couplings in each array. Utilizing the modular coil array, we compare it with a conventional square coil array in a DWPT environment using a 3D finite element analysis (FEM) simulator. It is verified that the proposed modular coil array achieves an improved power quality in terms of PTE and PF. Finally, we propose a fast and efficient magnetic channel estimation for a beamforming-based DWPT system. Our proposed estimation scheme can reduce the number of estimations per channel estimation to the RX array by substituting multiple RX coils with an equivalent single RX coil. It does not cause significant performance degradation; therefore, it is suitable for charging fast-moving RX devices. Based on the proposed channel estimation, we provide a method to derive the minimum beam steering frequency that satisfies the design requirement. Throughout the thesis, we try to provide insights into the beamforming-based DWPT system. We are sure that the provided design procedure will be a crucial technology in the upcoming EV era. |전기 자동차가 대중화됨과 동시에, 전기 자동차의 충전 문제가 사회적인 이슈로 떠오르고 있다. 이를 해결하기 위해서는 무선으로 전력을 송신하는 '무선 전력 전송' 기술이 효과적인 대안이 될 것이다. 그러나, 오늘날의 무선 전력 전송 기술은 낮은 효율과 이동하는 수신기에는 충전이 불가능하다는 큰 한계에 직면해있다. 이를 극복하기 위해 많은 연구자는 다양한 연구를 수행해왔다. 다수의 송신기 코일로부터 자속을 집중시켜 수신기로 더 많은 전력을 전달하는 자기장 빔포밍 기술은 효율을 극대화할 수 있는 기술이다. 그러나, 빔포밍을 구현하기 위해서는 다수 송신기 코일의 배치가 필수적인데, 코일 사이에 발생하는 교차 결합이 발생하며, 이로 인한 성능 저하가 발생한다고 알려져 있다. 또한, 지금까지 수행된 대다수의 자기장 빔포밍 연구는 대부분 정적인 환경에서만 수행되었다.

본 논문은 빔포밍 기반 동적 무선 전력 전송 시스템을 설계하는 것을 목표로 한다. 먼저, 다수의 송신 코일과 다수의 수신 코일이 배치된 MIMO (Multi-Inputs and Multi-Outputs) 배열에서 나타나는 3가지 종류의 자기 결합 (송신기 내부 교차 결합, 수신기 내부 교차 결합, 그리고 송/수신기 간 자기 결합) 이 자기장 빔포밍을 적용하는 관점에서 시스템에 어떠한 영향을 미치는지를 이론적으로 분석한다. 그런 다음, 빔포밍이 적용되었을 때 전력 품질의 지표인 전력 전송 효율과 역률을 개선하기 위한 자기 커플리 (배치된 송신/수신 코일 어레이를 포함하는 개념) 의 설계 기준을 도출한다. 도출한 설계 기준은 다음과 같다: 1) 송/수신 어레이 내부의 교차 결합 최소화, 그리고 2) 송/수신 어레이 간 자기 결합 최대화.

분석을 바탕으로, 자기 커플러의 설계 기준을 만족하는 모듈러 코일 어레이를 설계한다. 설계한 모듈러 코일 어레이는 인접한 코일 간 자속 상쇄 (Flux cancellation)을 이용한 BP (Bipolar) 배열을 기반으로 한다. 기존의 BP 배열을 적용하기 위해서는 두 코일을 겹치기 위해 인접한 코일 간 단차가 발생한다. 제안한 모듈러 코일 어레이는 이를 해결하기 위해 두 코일의 겹치는 영역 (Overlap area)의 높이를 낮추어, 다수의 코일을 어레이로 구성 시 표면이 평평해지도록 설계한다. 이에 따라 어레이의 표면이 평평해지고, 동시에 블록을 조립하듯 쉽게 확장할 수 있다는 장점이 있다. 모듈러 코일로 어레이를 구성한 뒤, 3D FEM 시뮬레이터인 HFSS를 이용해서 기존의 사각형 코일 어레이와 DWPT 환경에서 성능을 비교한다. 모듈러 코일 어레이는 MIMO-무선 전력 전송 시스템의 송/수신 어레이로 구성될 시, 기존의 사각형 코일 어레이에 비해 평균이 높고 편차가 적은 우수한 전력 전송 효율을 달성함을 확인했다. 또한, 기존의 사각형 코일 어레이가 수신기의 개수가 증가해도 전력 전송 효율의 향상이 미미함에 반해, 모듈러 코일 어레이는 수신기의 개수가 증가할수록 전력 전송 효율이 개선됨을 확인했다.

마지막으로, 자기장 빔포밍 기반 동적 무선 전력 전송 시스템에 적용할 수 있는 효율적인 자기 채널 추정 방법과 최소 빔 조정 주파수 도출에 대해 다루었다. 기존의 자기 채널 추정 기법은 1회 추정 시 요구되는 자기 채널 추정의 개수가 송신기와 수신기의 개수의 곱에 비례하므로, 빠른 연산이 필요한 동적 무선 전력 전송 환경에는 부적합하다. 우리는 다수의 수신기를 등가 단일 수신기로 치환하여 자기 채널을 추정하는 방법을 제안했고, 자기장 빔포밍에 적용 시 기존 채널 추정 대비 98 $\sim$ 99 \%의 성능을 달성함을 확인했다. 또한, 자기장 빔포밍 시스템을 구현할 때 선택해야 할 최소 빔 조향 주파수를 도출했다. 수신기의 개수가 증가하고 충전 거리가 멀어질수록 기존의 사각형 코일 어레이의 빔 조향 주파수는 가파르게 증가하나, 모듈러 코일 어레이의 증가 폭은 상대적으로 미미함을 확인했다. 이를 기반으로, 제안한 모듈러 코일 어레이가 자기장 빔포밍 동적 무선 전력 전송 시스템에 적합함을 확인했다.

본 논문에서 제안한 빔포밍 기반 동적 무선 전력 전송 시스템의 설계 방법, 교차 결합이 제거된 모듈러 코일 어레이, 효율적인 자기 채널 추정 방법 및 최소 빔 조정 주파수 도출 방법은 향후 동적 무선 전력 전송이 요구될 다양한 분야의 산업 환경, 고속도로 인프라, 그리고 아파트 주차장 등에서 유용한 기술이 될 것이라 기대된다.