거의 모든 플러그인 전기 자동차 소유자는 무겁고 비싼 케이블을 사용하여 차량과 전기 자동차 충전기를 연결합니다. 케이블은 필요한 피크 충전 전류(일반적으로 11kW~최대 100kW 이상)를 전달할 수 있을 만큼 충분히 두껍고, 실수로 차 뒤로 던지거나 악천후 중 사용 시에도 견딜 수 있을 만큼 견고하며, 반복적인 플러그 연결 및 분리 작업을 견딜 수 있을 만큼 내구성이 있어야 하기 때문에 가격이 비쌉니다. 그럼에도 불구하고 케이블과 커넥터의 수명은 제한적이며, 일상적인 사용으로 인해 결국 안전하지 않거나 마모되거나 손상될 수 있습니다. 더 좋은 해결책은 케이블과 커넥터의 필요성을 완전히 제거하는 것입니다.
무선 전력 전송(WPT)
2024. 1. 26
우리는 저전력 무선 전력 전송 기술을 활용하는 충전식 칫솔이나 휴대폰 충전 패드에 대해서는 익숙하지만, 예를 들어 전기 자동차(EV)와 같은 고출력 무선 충전에는 어떤 어려움이 있을까요?
그림 1은 무선 전기 자동차 충전기의 개념을 보여줍니다. 차량을 충전 코일 위에 주차하기만 하면 유도성 무선 전력 전송을 통해 전력이 전달되어 배터리를 충전할 수 있습니다. 무선 통신은 전송이 안전한 경우에만 전력을 전송하며, 이는 최신 휴대폰이 Qi 지원 충전기 패드와 통신하여 충전 영역에 이물질이 없는지 확인한 후에 전원을 인가하는 것과 유사합니다.
휴대폰 무선 충전기와 EV 무선 충전기의 가장 큰 차이점은 사용되는 전력 레벨입니다. 고전력 무선 충전기의 경우 효율을 극대화해야 하지만, 휴대폰 충전기의 효율은 일반적으로 70%에 불과합니다 . 이 수치는 저가의 일반 제품인 경우에는 허용되는 수치이지만, 85%에 가까운 시스템 효율이 필수적인 EV 무선 충전기에는 쓸모가 없습니다(AC 전력 대 DC 전력).
전력 전송 효율을 개선할 수 있는 방법으로는 더 조밀하게 결합된 자기 회로, 더 높은 주파수 작동, 매칭 향상의 3가지 방법이 있지만, 무선 전력 전송 기술의 기초에 대해 우선 살펴보겠습니다.
휴대폰 무선 충전기와 EV 무선 충전기의 가장 큰 차이점은 사용되는 전력 레벨입니다. 고전력 무선 충전기의 경우 효율을 극대화해야 하지만, 휴대폰 충전기의 효율은 일반적으로 70%에 불과합니다 . 이 수치는 저가의 일반 제품인 경우에는 허용되는 수치이지만, 85%에 가까운 시스템 효율이 필수적인 EV 무선 충전기에는 쓸모가 없습니다(AC 전력 대 DC 전력).
전력 전송 효율을 개선할 수 있는 방법으로는 더 조밀하게 결합된 자기 회로, 더 높은 주파수 작동, 매칭 향상의 3가지 방법이 있지만, 무선 전력 전송 기술의 기초에 대해 우선 살펴보겠습니다.
무선 전력 전송의 기초
무선 전력 전송 기술의 시작은 Heinrich Hertz가 2개의 포물선 반사경을 사용하여 RF 방사선을 집속시킨 고주파 스파크 갭 무선 전력 전송을 시연한 1800년대 후반으로 거슬러 올라갑니다. Nikola Tesla도 세기가 바뀌기 직전에 결합 전자기 공진 회로를 실험했지만, 의미 있는 양의 전력을 성공적으로 전송했다는 증거는 없습니다. 자기유도 전력 전송의 성공적인 최초 시연은 1910년 개방형 변압기 위에 올려놓은 전구를 밝히는 시연이었지만, 이 방식도 실용적인 무선 전기 제품으로 이어지지는 못했습니다. 비록 상업적인 성공은 거두지 못했지만, 이러한 초기 개척자들은 오늘날 사용되는 주요 무선 전력 전송 기술의 토대를 마련했습니다.
정전용량식 및 자기공진식 WPT 시스템의 경우 송신기와 수신기 사이의 단위 공기 부피에 저장되는 에너지는 각각 다음과 같습니다.
| WPT 방식 | 범위 | 주파수 | 용도 |
|---|---|---|---|
| 자기유도 | 단거리 | kHz-MHz | 전동 칫솔 |
| 자기공진 결합 | 중거리 | kHz-GHz | 휴대폰 충전기, EV 충전기 |
| 용량성 결합 | 단거리 | kHz-MHz | 생체 의료용 임플란트 |
| 마이크로파 | 장거리 | GHz | 위성 |
| 레이저 | 장거리 | THz | 드론 |
정전용량식 및 자기공진식 WPT 시스템의 경우 송신기와 수신기 사이의 단위 공기 부피에 저장되는 에너지는 각각 다음과 같습니다.
그림 2, 3, 4 는 RECOM AC/DC 기술 자료집, 10장에서 가져온 그림입니다.
여기서 E와 H는 각각 전기장과 자기장의 세기이고 ε0 및 μ0는 자유 공간에 대한 유전율 및 투과율 값입니다. μ0 는 ε0보다 높으므로, 실제 전압 및 전류 제한을 고려할 때 결합 자기장의 경우 용량성 결합 자기장에 비해 약 1,000배 더 많은 에너지가 전달될 수 있습니다. 그러므로 자기유도 결합 및 자기공진 결합은 가장 높은 전력 전송에 적합합니다.
기본적으로 자기유도 충전 시스템은 송신기 코일을 사용하여 상호 인덕턴스를 통해 수신 코일에 결합되는 국소 자기장을 형성합니다(그림 2).
송신기와 수신기 코일 사이의 상호 인덕턴스M는 매우 다음과 같은 단순 방정식으로 표현할 수 있습니다.
여기서 Lt 및 Lr 은 각각 송신 코일과 수신 코일의 권선 인덕턴스이고 k는 결합 계수이며, 이는 코일의 치수, 회전수, 정렬(방향 및 분리)에 따라 달라집니다(그림 3).
그림 3: 다양한 플랫 코일 정렬 불량이 자기유도 전력 전송 효율에 미치는 영향
기본적으로 자기유도 충전 시스템은 송신기 코일을 사용하여 상호 인덕턴스를 통해 수신 코일에 결합되는 국소 자기장을 형성합니다(그림 2).
송신기와 수신기 코일 사이의 상호 인덕턴스M는 매우 다음과 같은 단순 방정식으로 표현할 수 있습니다.
여기서 Lt 및 Lr 은 각각 송신 코일과 수신 코일의 권선 인덕턴스이고 k는 결합 계수이며, 이는 코일의 치수, 회전수, 정렬(방향 및 분리)에 따라 달라집니다(그림 3).
그림 3: 다양한 플랫 코일 정렬 불량이 자기유도 전력 전송 효율에 미치는 영향
자속을 집속하는 '자기 렌즈'의 역할을 하는 중간 코일을 삽입하여 결합 계수를 향상할 수 있습니다(그림 4). 고출력 공진 유도 결합 시스템에서는 이러한 코일을 3개 이상 사용할 수 있습니다. 이러한 중간 코일은 교류 자기장의 주파수로 공진하는 권선과 병렬로 연결된 커패시터가 포함된 공진 탱크 회로입니다(그림 5).
공진기는 송신 코일의 유효 자기장 강도를 강화하고 유효 수신 자기장을 수신 코일로 집속시켜 결합 효율을 대폭 향상합니다. 또한, 투사된 자속이 중간 회로에 의해 일부만 차단되는 경우에도 여전히 공진하므로, 2개의 단순 평면 코일과 같이 이격 거리와 정렬이 중요하지 않습니다.
공진기는 송신 코일의 유효 자기장 강도를 강화하고 유효 수신 자기장을 수신 코일로 집속시켜 결합 효율을 대폭 향상합니다. 또한, 투사된 자속이 중간 회로에 의해 일부만 차단되는 경우에도 여전히 공진하므로, 2개의 단순 평면 코일과 같이 이격 거리와 정렬이 중요하지 않습니다.
중간 공진기는 그림 4와 같이 대칭으로 배치될 필요가 없습니다. 전력 전송 제한 계수가 충분한 자속인 경우 송신기 코일 근처에 쌍으로 배치된 공진기가 결합 계수 k12 및 k23을 통해 로컬 자기장을 증폭시켜 원거리 수신기 코일에 더 강한 결합 계수 k34를 적용합니다.
이러한 중간 코일은 송신 코일과 수신 코일 사이의 거리 및 정렬이 고정되어 있지 않은, 예를 들어 전기 도로 위 주행 중 이동 차량의 충전과 같은 WPT 응용 사례에 필수적입니다. Tesla를 비롯한 여러 회사가 차량의 하부에 스프링이 장착된 금속 전력 커넥터를 설치하여 이동 중 충전이 가능한 프로토타입 주행 중 충전 시스템을 구축했지만, 무선 전력 전송 기반 비접촉식 주행 중 충전 시스템을 구현한 미국의 도시는 미국 디트로이트가 최초입니다3. 이 시스템은 최대 19kW의 충전 속도를 성공적으로 시연했습니다.
3 https://eu.freep.com/story/money/cars/2023/11/29/detroit-wireless-charging-road-project-electric-vehicles/71728454007/
이러한 중간 코일은 송신 코일과 수신 코일 사이의 거리 및 정렬이 고정되어 있지 않은, 예를 들어 전기 도로 위 주행 중 이동 차량의 충전과 같은 WPT 응용 사례에 필수적입니다. Tesla를 비롯한 여러 회사가 차량의 하부에 스프링이 장착된 금속 전력 커넥터를 설치하여 이동 중 충전이 가능한 프로토타입 주행 중 충전 시스템을 구축했지만, 무선 전력 전송 기반 비접촉식 주행 중 충전 시스템을 구현한 미국의 도시는 미국 디트로이트가 최초입니다3. 이 시스템은 최대 19kW의 충전 속도를 성공적으로 시연했습니다.
3 https://eu.freep.com/story/money/cars/2023/11/29/detroit-wireless-charging-road-project-electric-vehicles/71728454007/
고주파 무선 전력 전송
파워서플라이에서 사용할 수 있는 저주파 50/60Hz 교류 전류를 사용하여 유도 방식으로 충전하는 것은 가능하지만, 이는 더 높은 전력에서는 비효율적입니다.
다음 수식에 따르면, 전송 주파수가 높을수록 에 따라 더 많은 전력을 전송할 수 있습니다.
여기서 출력 전력 Pout은 공진 시 각 주파수 ω0, 에 상호 인덕턴스 M, 송신 코일의 전류 It 및 수신 코일의 결과적인 유도 전류 Ir를 곱한 값과 같습니다. 따라서 전송된 전력은 교류 자기장의 주파수에 정비례합니다. 그러나 주파수가 높아질수록 코어 와전류 및 스위칭 손실이 증가하므로 피크 유도 전력 전송 효율을 위한 기타 시스템 파라미터에 따라 달라지는 최적의 WPT 작동 주파수가 있습니다.
기존의 고전력 스위칭 기술을 사용하면 20kHz~150kHz 사이의 공진 주파수가 가장 좋은 결과를 얻습니다.
시스템 효율에 영향을 미치는 중요한 마지막 요소는 공급, 코일 및 부하 저항을 일치시키는 것입니다. 최대 전력 전송 효율 (PTEmax) 은 다음 관계(공진 시)를 통해 유도할 수 있습니다.
여기서 RL, Rt 및 Rr 은 각각 부하, 송신기 및 수신기 옴 저항입니다.
최상의 결과를 위해서는 부하, 수신 코일 및 송신 코일의 저항이 모두 동일해야 합니다.
이로 인해 WPT 시스템 설계와 관련하여 몇 가지 현실적인 문제가 발생합니다. 송신기의 고전류 파워서플라이 전면부와 인버터는 내부 임피던스가 매우 낮기 때문에 코일로 전달되는 가장 높은 결합 전송 전력을 획득하려면 고주파 임피던스 정합 변압기가 필요할 수 있습니다. 마찬가지로, 부하는 충전 상태에 따라 달라지는 비선형 내부 저항 특성이 있는 배터리 팩이므로,태양광 DC/DC 컨버터 에 사용되는 최대 전력점 추적(MPPT) 회로와 매우 유사한 최적의 전력 수신을 위해 임피던스를 조정할 수 있는 DC/DC 온보드 충전(OBC) 장치가 필요합니다(그림 6).
그림 6: 변환 효율이 예상되는 WPT 전력 스테이지
효율 목표를 달성하려면 활성 전면부(AC-DC 변환 및 역률 보정)에서 브리지리스 토템폴 구성 또는 이와 유사한 구성을 사용해야 하며(그림 7), 인버터는 풀 브리지 또는 변형 LLC 토폴로지를 사용해야 합니다. 두 설계 모두 여러 개의 분리형 트랜지스터 게이트 드라이버를 사용해야 하며, RECOM은 표준 및프로그래밍 가능 분리형 게이트 드라이버 DC/DC 파워서플라이로 로 WPT 설계를 지원할 수 있습니다.
그림 7: GaN 토템폴 브리지리스 정류기 예시 회로
고전력 스위칭 설계에서는 각 레그의 전력 접지 스트레이 인덕턴스의 균형을 달성하는 것이 어려운 경우가 많으므로 이로 인해 비대칭적인 성능과 스위칭 불안정성이 유발될 수 있습니다. 하이측 및 로우측 게이트 드라이버를 모두 격리하면 이 문제를 해결할 수 있습니다(그림 8).
RECOM은 우수한 격리, 최적의 전력 트랜지스터 스위칭을 위한 비대칭 출력 전압, 작동 온도 범위가 넓은 다양한 컴팩트형 게이트 드라이버 파워서플라이 모듈을 공급하므로 양방향 회로 등 이러한 고전력 설계에 이상적입니다.
그림 8: 풀 브리지 게이트 드라이버 예시 회로
여기서 출력 전력 Pout은 공진 시 각 주파수 ω0, 에 상호 인덕턴스 M, 송신 코일의 전류 It 및 수신 코일의 결과적인 유도 전류 Ir를 곱한 값과 같습니다. 따라서 전송된 전력은 교류 자기장의 주파수에 정비례합니다. 그러나 주파수가 높아질수록 코어 와전류 및 스위칭 손실이 증가하므로 피크 유도 전력 전송 효율을 위한 기타 시스템 파라미터에 따라 달라지는 최적의 WPT 작동 주파수가 있습니다.
기존의 고전력 스위칭 기술을 사용하면 20kHz~150kHz 사이의 공진 주파수가 가장 좋은 결과를 얻습니다.
시스템 효율에 영향을 미치는 중요한 마지막 요소는 공급, 코일 및 부하 저항을 일치시키는 것입니다. 최대 전력 전송 효율 (PTEmax) 은 다음 관계(공진 시)를 통해 유도할 수 있습니다.
여기서 RL, Rt 및 Rr 은 각각 부하, 송신기 및 수신기 옴 저항입니다.
최상의 결과를 위해서는 부하, 수신 코일 및 송신 코일의 저항이 모두 동일해야 합니다.
이로 인해 WPT 시스템 설계와 관련하여 몇 가지 현실적인 문제가 발생합니다. 송신기의 고전류 파워서플라이 전면부와 인버터는 내부 임피던스가 매우 낮기 때문에 코일로 전달되는 가장 높은 결합 전송 전력을 획득하려면 고주파 임피던스 정합 변압기가 필요할 수 있습니다. 마찬가지로, 부하는 충전 상태에 따라 달라지는 비선형 내부 저항 특성이 있는 배터리 팩이므로,태양광 DC/DC 컨버터 에 사용되는 최대 전력점 추적(MPPT) 회로와 매우 유사한 최적의 전력 수신을 위해 임피던스를 조정할 수 있는 DC/DC 온보드 충전(OBC) 장치가 필요합니다(그림 6).
그림 6: 변환 효율이 예상되는 WPT 전력 스테이지
효율 목표를 달성하려면 활성 전면부(AC-DC 변환 및 역률 보정)에서 브리지리스 토템폴 구성 또는 이와 유사한 구성을 사용해야 하며(그림 7), 인버터는 풀 브리지 또는 변형 LLC 토폴로지를 사용해야 합니다. 두 설계 모두 여러 개의 분리형 트랜지스터 게이트 드라이버를 사용해야 하며, RECOM은 표준 및프로그래밍 가능 분리형 게이트 드라이버 DC/DC 파워서플라이로 로 WPT 설계를 지원할 수 있습니다.
그림 7: GaN 토템폴 브리지리스 정류기 예시 회로
고전력 스위칭 설계에서는 각 레그의 전력 접지 스트레이 인덕턴스의 균형을 달성하는 것이 어려운 경우가 많으므로 이로 인해 비대칭적인 성능과 스위칭 불안정성이 유발될 수 있습니다. 하이측 및 로우측 게이트 드라이버를 모두 격리하면 이 문제를 해결할 수 있습니다(그림 8).
RECOM은 우수한 격리, 최적의 전력 트랜지스터 스위칭을 위한 비대칭 출력 전압, 작동 온도 범위가 넓은 다양한 컴팩트형 게이트 드라이버 파워서플라이 모듈을 공급하므로 양방향 회로 등 이러한 고전력 설계에 이상적입니다.
그림 8: 풀 브리지 게이트 드라이버 예시 회로
전기 자동차 에서는 또 다른 활성 정류기 회로가 수신 코일에서 AC를 변환하여 중간 버스 커패시터 CDC를 충전합니다. 비정전압 DC 버스 전압은 RECOM의 15kW OBC 설계와 같은 고전력 디지털 DC/DC 컨버터 장치에 공급하기 위한 용도로 사용할 수 있습니다(그림 9).
이 15kW 컨버터 설계는 25VDC~280VDC의 넓은 DC 입력 전압 범위를 수용하고 출력 전압을 프로그래밍 가능한 200V~800VDC까지 증폭시켜 97% 이상의 효율로 고전압 EV 배터리 스택을 충전합니다. 내장 MPPT 회로는 전체 충전 주기 동안 전력 전송 효율을 최적화합니다. CAN 버스 인터페이스를 통해 표준 배터리 관리 시스템 컨트롤러와 통신이 가능하며 병렬로 연결된 장치 간의 액티브 부하 공유가 가능합니다.
이 15kW 컨버터 설계는 25VDC~280VDC의 넓은 DC 입력 전압 범위를 수용하고 출력 전압을 프로그래밍 가능한 200V~800VDC까지 증폭시켜 97% 이상의 효율로 고전압 EV 배터리 스택을 충전합니다. 내장 MPPT 회로는 전체 충전 주기 동안 전력 전송 효율을 최적화합니다. CAN 버스 인터페이스를 통해 표준 배터리 관리 시스템 컨트롤러와 통신이 가능하며 병렬로 연결된 장치 간의 액티브 부하 공유가 가능합니다.
결론
무선 전력 전송은 높은 비용으로 인해 아직 주류로 자리 잡고 있지는 못하지만, 기술적인 측면에서 유선 전기 자동차 충전 시스템의 대안이 될 수 있습니다. 전기차가 더 이상 특별한 차량이 아닌 표준으로 자리 잡으면서, 주차 공간에 주차하고 무선으로 배터리 충전을 시작하기만 하면 되는 사용 용이성과 편리함은 WPT의 매력을 증가할 것이며, 특히 차량이 스스로 이동하고 주차할 수 있는 기술이 이미 존재하기 때문에 이는 더욱 중요합니다. 궁극적으로 전기 도로를 활용하는 주행 중 WPT 충전 기술은 EV 사용 시의 "주행 거리 불안"을 제거하여 출발 시와 운행 종료 시에도 배터리가 완충 상태를 유지할 수 있을 것입니다.
RECOM은 이미 전기차 무선 충전을 위한 고전압 파워서플라이와 시스템을 구축, 평가, 테스트할 수 있는 제품을 공급하고 있습니다.
RECOM은 이미 전기차 무선 충전을 위한 고전압 파워서플라이와 시스템을 구축, 평가, 테스트할 수 있는 제품을 공급하고 있습니다.
용도
