KR20240071623A - Method and apparatus for transfering wireless power based on series-series compesated inductive power transfer - Google Patents

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KR20240071623A
KR20240071623A KR1020220153330A KR20220153330A KR20240071623A KR 20240071623 A KR20240071623 A KR 20240071623A KR 1020220153330 A KR1020220153330 A KR 1020220153330A KR 20220153330 A KR20220153330 A KR 20220153330A KR 20240071623 A KR20240071623 A KR 20240071623A
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wireless power
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김동희
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Abstract

S-S(Series-Series) 보상 IPT(inductive power transfer) 기반 무선 전력 전송 장치가 개시된다. 본 장치는 무선 전력 송신을 위한 풀 브릿지 기반의 인버터, 인버터의 시비율 및 주파수를 설정하는 컨트롤러, 인버터와 일단이 연결되고 인덕터 기반의 S-S 보상 네트워크 및 S-S 보상 네트워크의 타단과 연결되고 전송된 AC 전원을 DC로 정류하는 정류단을 포함할 수 있으며, 컨트롤러는, 정류단을 통해 출력된 출력전류가 센싱되고 입력전류가 센싱되는 경우, 센싱된 출력전류에 기초하여 단극 시비율을 조정하고, 센싱된 입력전류에 기초하여 구동 주파수를 조정할 수 있다. 이에 따라, 효율적으로 무선 전력 전송 장치가 동작할 수 있다.A wireless power transmission device based on Series-Series (S-S) compensated inductive power transfer (IPT) is disclosed. This device is a full bridge-based inverter for wireless power transmission, a controller that sets the application rate and frequency of the inverter, one end connected to the inverter, and the other end of the inductor-based S-S compensation network and S-S compensation network, and the transmitted AC power It may include a rectifier stage that rectifies to DC, and when the output current output through the rectifier stage is sensed and the input current is sensed, the controller adjusts the unipolar ratio based on the sensed output current, and The driving frequency can be adjusted based on the input current. Accordingly, the wireless power transmission device can operate efficiently.

Description

S-S 보상 IPT 기반 무선 전력 전송 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR TRANSFERING WIRELESS POWER BASED ON SERIES-SERIES COMPESATED INDUCTIVE POWER TRANSFER}S-S compensated IPT based wireless power transmission method and apparatus {METHOD AND APPARATUS FOR TRANSFERING WIRELESS POWER BASED ON SERIES-SERIES COMPESATED INDUCTIVE POWER TRANSFER}

본 개시는 S-S 보상 IPT 기반 무선 전력 전송 방법 및 이를 위한 장치에 관한 것이다.The present disclosure relates to a method of wireless power transmission based on S-S compensation IPT and a device therefor.

WPT(wireless power transfer) 기술은 안전성, 유연성 및 낮은 유지 보수 비용 발생 등의 고유한 장점으로 인해 기존 플러그인 전력 전송을 대체할 수 있는 잠재력을 가지고 있으며, WPT 기술은 유망한 상업 시장에 진출하여 주목을 받고 있다.Wireless power transfer (WPT) technology has the potential to replace traditional plug-in power transmission due to its unique advantages such as safety, flexibility, and low maintenance costs. WPT technology has entered the promising commercial market and is gaining attention. there is.

일반적으로 WPT 기술 중에 IPT(inductive power transfer) 기술은 널리 연구되어 왔으며 전기 자동차(EV), 무인 항공기(UAV), 소비자 전자 제품 및 생체 의료용 임플란트를 비롯한 많은 배터리 충전 애플리케이션에 다양하게 적용되고 있는 실정이다.In general, among WPT technologies, inductive power transfer (IPT) technology has been widely studied and is widely applied to many battery charging applications, including electric vehicles (EVs), unmanned aerial vehicles (UAVs), consumer electronics, and biomedical implants. .

IPT 시스템에서 보상 토폴로지(compensation topology)가 적용될 수 있으며, 이러한 보상 토폴로지는 직렬-직렬(S-S), 직렬-병렬(S-P), 병렬-직렬(P-S) 및 병렬-병렬(P-P)의 4가지 기본 유형으로 분류될 수 있으며, 직렬-직렬(S-S) 보상 토폴로지의 경우, 2개의 보상 커패시터를 적용함으로써, 간단한 설계로 부하 독립적인 정전류 출력이 가능하여, 널리 사용되고 있다.Compensation topologies can be applied in IPT systems, with four basic types: series-series (S-S), series-parallel (S-P), parallel-series (P-S), and parallel-parallel (P-P). In the case of the series-series (S-S) compensation topology, by applying two compensation capacitors, load-independent constant current output is possible with a simple design, and is widely used.

이에, 보다 효율적으로 개선된 S-S 보상 IPT 시스템 기반의 무선 전력 전송 장치가 필요하다.Accordingly, a wireless power transmission device based on a more efficient and improved S-S compensation IPT system is needed.

공개특허공보 제10-2015-0139067호 (2015.12.11.)Public Patent Publication No. 10-2015-0139067 (2015.12.11.)

상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 개시의 일 과제는 단극 시비율 변조 기술에 기반하여 정전압 스위칭(ZVS, zero-voltage switching) 및 정전류를 달성하는 무선 전력 송수신 장치를 제공하는 데에 있다.One object of the present disclosure to solve the problems described above is to provide a wireless power transmission and reception device that achieves zero-voltage switching (ZVS) and constant current based on unipolar ratio modulation technology.

본 개시가 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급된 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problems to be solved by the present disclosure are not limited to the problems mentioned above, and other problems not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the description below.

상술한 과제를 해결하기 위한 본 개시에 따른 S-S(Series-Series) 보상 IPT(inductive power transfer) 기반 무선 전력 전송 장치는, 무선 전력 송신을 위한 풀 브릿지 기반의 인버터; 상기 인버터의 시비율 및 주파수를 설정하는 컨트롤러; 상기 인버터와 일단이 연결되고 인덕터 기반의 S-S 보상 네트워크; 및 상기 S-S 보상 네트워크의 타단과 연결되고 전송된 AC 전원을 DC로 정류하는 정류단을 포함할 수 있다.A wireless power transmission device based on Series-Series (S-S) compensation IPT (inductive power transfer) according to the present disclosure for solving the above-described problems includes a full bridge-based inverter for wireless power transmission; A controller that sets the application rate and frequency of the inverter; an inductor-based S-S compensation network connected at one end to the inverter; And it may include a rectification stage connected to the other end of the S-S compensation network and rectifying the transmitted AC power into DC.

상기 컨트롤러는, 상기 정류단을 통해 출력된 출력전류가 센싱되고 입력전류가 센싱되는 경우, 센싱된 출력전류에 기초하여 단극 시비율(unipolar duty cycle)을 조정하고, 센싱된 입력전류에 기초하여 구동 주파수를 조정할 수 있다.When the output current output through the rectifier stage is sensed and the input current is sensed, the controller adjusts the unipolar duty cycle based on the sensed output current and operates based on the sensed input current. The frequency can be adjusted.

상기 컨트롤러는, 상기 단극 시비율 및 상기 구동 주파수를 서로 독립적으로 조정하도록 구성될 수 있다.The controller may be configured to adjust the unipolar ratio and the driving frequency independently of each other.

상기 컨트롤러는, ZVS(zero-voltage switching) 추적 및 정전류(constant current) 추적을 활성화하고, 상기 센싱된 출력전류가 임계출력전류를 초과하거나 센싱된 입력전류가 임계입력전류를 초과하는 경우, 상기 단극 시비율 및 상기 주파수 조정을 중지하도록 구성될 수 있다.The controller activates zero-voltage switching (ZVS) tracking and constant current tracking, and when the sensed output current exceeds the threshold output current or the sensed input current exceeds the threshold input current, the unipolar It may be configured to stop adjusting the fertilization rate and the frequency.

상기 컨트롤러는, ZVS(zero-voltage switching) 추적이 활성화된 경우, 센싱된 입력전류가 제1 바운더리전류를 초과한 경우, 구동 주파수를 소정 만큼 증가시키고, 제1 바운더리전류 이하이고 제2 바운더리전류를 초과한 경우, 구동 주파수를 소정 만큼 감소시키며, 제2 바운더리전류 이하인 경우, 구동 주파수를 유지하도록 조정할 수 있다.When zero-voltage switching (ZVS) tracking is activated, the controller increases the driving frequency by a predetermined amount when the sensed input current exceeds the first boundary current, and increases the driving frequency by a predetermined amount if it is less than the first boundary current and increases the second boundary current. If it exceeds, the driving frequency is reduced by a predetermined amount, and if it is below the second boundary current, the driving frequency can be adjusted to maintain it.

상기 컨트롤러는, 상기 조정된 구동 주파수가 소정의 임계값을 초과할 때까지 반복적으로 구동 주파수를 조정하도록 구성될 수 있다.The controller may be configured to repeatedly adjust the driving frequency until the adjusted driving frequency exceeds a predetermined threshold.

상기 컨트롤러는, 상기 단극 시비율을 조정할 때, 출력 전류 및 레퍼런스 전류를 이용한 PI 제어를 수행하여, 상기 단극 시비율을 조정하도록 구성될 수 있다.The controller may be configured to adjust the unipolar power ratio by performing PI control using an output current and a reference current when adjusting the unipolar power ratio.

또한, 본 개시에 따른 S-S(Series-Series) 보상 IPT(inductive power transfer) 기반 무선 전력 전송 장치의 제어 방법에서, 상기 무선 전력 전송 장치는, 무선 전력 송신을 위한 풀 브릿지 기반의 인버터, 상기 인버터의 시비율 및 주파수를 설정하는 컨트롤러, 상기 인버터와 일단이 연결되고 인덕터 기반의 S-S 보상 네트워크 및 상기 S-S 보상 네트워크의 타단과 연결되고 전송된 AC 전원을 DC로 정류하는 정류단을 포함할 수 있다.In addition, in the control method of the S-S (Series-Series) compensated inductive power transfer (IPT) based wireless power transmission device according to the present disclosure, the wireless power transmission device includes a full bridge-based inverter for wireless power transmission, the inverter It may include a controller that sets the power ratio and frequency, one end of which is connected to the inverter, an inductor-based S-S compensation network, and a rectifier stage that is connected to the other end of the S-S compensation network and rectifies the transmitted AC power to DC.

상기 제어 방법은, 상기 정류단을 통해 출력된 출력전류가 센싱되고 입력전류가 센싱되는 단계; 및 센싱된 출력전류에 기초하여 단극 시비율(unipolar duty cycle)을 조정하고, 센싱된 입력전류에 기초하여 구동 주파수를 조정하는 단계를 포함할 수 있다.The control method includes the steps of sensing an output current output through the rectifier stage and sensing an input current; and adjusting the unipolar duty cycle based on the sensed output current and adjusting the driving frequency based on the sensed input current.

상기 조정하는 단계는, 상기 단극 시비율 및 상기 구동 주파수를 서로 독립적으로 조정하는 단계를 포함할 수 있다.The adjusting step may include adjusting the unipolar ratio and the driving frequency independently of each other.

상기 제어 방법은, ZVS(zero-voltage switching) 추적 및 정전류(constant current) 추적을 활성화하고, 상기 센싱된 출력전류가 임계출력전류를 초과하거나 센싱된 입력전류가 임계입력전류를 초과하는 경우, 상기 단극 시비율 및 상기 주파수 조정을 중지하는 단계를 더 포함할 수 있다.The control method activates zero-voltage switching (ZVS) tracking and constant current tracking, and when the sensed output current exceeds the threshold output current or the sensed input current exceeds the threshold input current, the It may further include stopping the unipolar power ratio and the frequency adjustment.

상기 조정하는 단계는, ZVS(zero-voltage switching) 추적이 활성화된 경우, 센싱된 입력전류가 제1 바운더리전류를 초과한 경우, 구동 주파수를 소정 만큼 증가시키고, 제1 바운더리전류 이하이고 제2 바운더리전류를 초과한 경우, 구동 주파수를 소정 만큼 감소시키며, 제2 바운더리전류 이하인 경우, 구동 주파수를 유지하도록 조정하는 단계를 포함할 수 있다.The adjusting step includes increasing the driving frequency by a predetermined amount when zero-voltage switching (ZVS) tracking is activated and the sensed input current exceeds the first boundary current, and is less than the first boundary current and exceeds the second boundary current. If the current exceeds the current, the driving frequency is reduced by a predetermined amount, and if the current is below the second boundary current, the driving frequency is adjusted to be maintained.

상기 조정하는 단계는, 상기 조정된 구동 주파수가 소정의 임계값을 초과할 때까지 반복적으로 구동 주파수를 조정하는 단계를 포함할 수 있다.The adjusting step may include repeatedly adjusting the driving frequency until the adjusted driving frequency exceeds a predetermined threshold.

상기 조정하는 단계는, 상기 단극 시비율을 조정할 때, 출력 전류 및 레퍼런스 전류를 이용한 PI 제어를 수행하여, 상기 단극 시비율을 조정하는 단계를 포함할 수 있다.The adjusting step may include adjusting the unipolar power ratio by performing PI control using an output current and a reference current when adjusting the unipolar power ratio.

이 외에도, 본 발명을 구현하기 위한 다른 방법, 다른 시스템 및 상기 방법을 실행하기 위한 컴퓨터 프로그램을 기록하는 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체가 더 제공될 수 있다.In addition to this, another method for implementing the present invention, another system, and a computer-readable recording medium recording a computer program for executing the method may be further provided.

본 개시에 따르면, 다양한 커플링 계수(coupling coefficient) 및 부하에서 동적으로 시비율 및 주파수를 제어하여 무선 전력 전송 장치의 영전압스위칭(ZVS) 및 정전류가 달성될 수 있으며, 영전압스위칭(ZVS) 및 정전류가 안정적이고 정확하게 추적될 수 있다.According to the present disclosure, zero voltage switching (ZVS) and constant current of a wireless power transmission device can be achieved by dynamically controlling the application rate and frequency at various coupling coefficients and loads, and zero voltage switching (ZVS) and constant current can be tracked stably and accurately.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급된 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The effects of the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.

도 1은 본 개시에 따른 무선 전력 전송 장치을 나타낸다.
도 2는 무선 전력 전송 장치의 동작 방법을 자세히 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 개시에 따른 무선 전력 전송 장치의 개략적인 동작 프로세스를 나타내는 시퀀스도이다.
도 4는 본 개시에 따른 무선 전력 전송 장치의 주파수를 조정하는 방법을 나타내는 시퀀스도이다.
도 5는 본 개시에 따른 입력전류 센싱의 도해 다이어그램을 나타낸다.
도 6은 도 1에 도시된 무선 전력 전송 장치의 회로에 대응하는 등가 회로를 나타낸다.
도 7은 본 개시에 따른 PI 제어를 통해 단극 시비율을 조정하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 개시에 따른 매트랩 기반의 바디 플랏(body plots)을 나타낸다.
도 9 내지 도 11는 본 개시에 따른 서로 다른 과도 상태(transient conditions)에서 단극 시비율 제어의 PSIM 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
도 12(a) 및 도 12(b)는 본 개시에 따른 무선 전력 전송 장치의 조정된 구동 주파수 및 시비율을 나타낸다.
도 13은 본 개시에 따른 출력 전력이 200 W인 경우의 입력 및 출력에 대응하는 전류 및 전압의 측정값을 나타낸다.
도 14는 본 개시에 따른 출력 전력이 500 W인 경우의 입력 및 출력에 대응하는 전류 및 전압의 측정값을 나타낸다.1 shows a wireless power transmission device according to the present disclosure.
Figure 2 is a diagram for explaining in detail the operation method of the wireless power transmission device.
Figure 3 is a sequence diagram showing a schematic operation process of the wireless power transmission device according to the present disclosure.
Figure 4 is a sequence diagram showing a method of adjusting the frequency of the wireless power transmission device according to the present disclosure.
Figure 5 shows an illustrative diagram of input current sensing according to the present disclosure.
FIG. 6 shows an equivalent circuit corresponding to the circuit of the wireless power transmission device shown in FIG. 1.
Figure 7 is a diagram for explaining the process of adjusting the unipolar power ratio through PI control according to the present disclosure.
Figure 8 shows MATLAB-based body plots according to the present disclosure.
9 to 11 show PSIM simulation results of unipolar power ratio control in different transient conditions according to the present disclosure.
Figures 12(a) and 12(b) show the adjusted driving frequency and application rate of the wireless power transmission device according to the present disclosure.
Figure 13 shows measured values of current and voltage corresponding to input and output when the output power according to the present disclosure is 200 W.
Figure 14 shows measured values of current and voltage corresponding to input and output when the output power according to the present disclosure is 500 W.

본 개시 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다. 본 개시가 실시예들의 모든 요소들을 설명하는 것은 아니며, 본 개시가 속하는 기술분야에서 일반적인 내용 또는 실시예들 간에 중복되는 내용은 생략한다. 명세서에서 사용되는 '부, 모듈, 부재, 블록'이라는 용어는 소프트웨어 또는 하드웨어로 구현될 수 있으며, 실시예들에 따라 복수의 '부, 모듈, 부재, 블록'이 하나의 구성요소로 구현되거나, 하나의 '부, 모듈, 부재, 블록'이 복수의 구성요소들을 포함하는 것도 가능하다. Like reference numerals refer to like elements throughout this disclosure. This disclosure does not describe all elements of the embodiments, and general content or overlapping content between embodiments in the technical field to which this disclosure pertains is omitted. The term 'part, module, member, block' used in the specification may be implemented as software or hardware, and depending on the embodiment, a plurality of 'part, module, member, block' may be implemented as a single component, or It is also possible for one 'part, module, member, or block' to include multiple components.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우 뿐 아니라, 간접적으로 연결되어 있는 경우를 포함하고, 간접적인 연결은 무선 통신망을 통해 연결되는 것을 포함한다.Throughout the specification, when a part is said to be “connected” to another part, this includes not only direct connection but also indirect connection, and indirect connection includes connection through a wireless communication network. do.

또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Additionally, when a part "includes" a certain component, this means that it may further include other components rather than excluding other components, unless specifically stated to the contrary.

명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.Throughout the specification, when a member is said to be located “on” another member, this includes not only cases where a member is in contact with another member, but also cases where another member exists between the two members.

제 1, 제 2 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 전술된 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. Terms such as first and second are used to distinguish one component from another component, and the components are not limited by the above-mentioned terms.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 예외가 있지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.Singular expressions include plural expressions unless the context clearly makes an exception.

각 단계들에 있어 식별부호는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 실시될 수 있다. The identification code for each step is used for convenience of explanation. The identification code does not explain the order of each step, and each step may be performed differently from the specified order unless a specific order is clearly stated in the context. there is.

이하 첨부된 도면들을 참고하여 본 개시의 작용 원리 및 실시예들에 대해 설명한다.Hereinafter, the operating principle and embodiments of the present disclosure will be described with reference to the attached drawings.

도 1은 본 개시에 따른 무선 전력 전송 장치(100)을 나타낸다. Figure 1 shows a wireless power transmission device 100 according to the present disclosure.

무선 전력 전송 장치(100)는 유도 방식으로 전력을 전송하는 IPT(inductive power transfer) 시스템 기반으로 구현될 수 있으며, 다양한 커플링 계수(coupling coefficient) 및 부하에서 동적으로 시비율 및 주파수를 제어하여 정전류(constant-current output) 및 영전압스위칭(ZVS, zero-voltage switching)을 달성할 수 있다.The wireless power transmission device 100 can be implemented based on an inductive power transfer (IPT) system that transmits power in an inductive manner, and can dynamically control the application rate and frequency at various coupling coefficients and loads to generate a constant current. (constant-current output) and zero-voltage switching (ZVS) can be achieved.

무선 전력 전송 장치(100)는 인버터(120), 컨트롤러(180, 190), S-S 보상 네트워크 및 정류부(140) 등을 포함할 수 있다.The wireless power transmission device 100 may include an inverter 120, controllers 180 and 190, an S-S compensation network and a rectifier 140, etc.

인버터(120)는 무선 전력 송신을 위한 풀 브릿지 기반의 인버터일 수 있다. 4개의 스위치(S1~S4)를 이용하여 시비율 및 주파수를 설정할 수 있으며, 직류를 교류로 변환할 수 있다.The inverter 120 may be a full bridge-based inverter for wireless power transmission. The application rate and frequency can be set using four switches (S1 to S4), and direct current can be converted to alternating current.

컨트롤러(180, 190)은 상기 인버터(120)의 시비율 및 주파수를 결정하는 컨트롤러(190)와 컨트롤러(190)의 제어에 따라 시비율 및 주파수를 설정하는 PWM Generator(180, pulse width modulation)를 포함할 수 있다. 컨트롤러(190)와 PWM Generator(180)는 별개의 구성이나, 설명의 편의를 위해 함께 설명하기로 한다.The controllers 180 and 190 include a controller 190 that determines the power rate and frequency of the inverter 120 and a PWM generator (180, pulse width modulation) that sets the power rate and frequency according to the control of the controller 190. It can be included. The controller 190 and the PWM generator 180 are separate components, but will be described together for convenience of explanation.

S-S 보상 네트워크(Series-Series compensated network)는 인버터(120)와 일단이 연결되고 인덕터(Lp, Ls) 기반의 유도 기전력 기반으로 전력을 전송하기 위한 모듈이며, 송신단의 커패시터(Cp) 및 수신단의 커패시터(Cs)가 직렬로 연결될 수 있으며, AC to AC 로 무선 전력을 송신단에서 수신단으로 전송할 수 있다.The S-S compensated network (Series-Series compensated network) is a module that is connected at one end to the inverter 120 and transmits power based on induced electromotive force based on inductors (Lp, Ls), and includes a capacitor (Cp) at the transmitting end and a capacitor at the receiving end. (Cs) can be connected in series, and wireless power can be transmitted from the transmitting end to the receiving end in AC to AC.

정류단(140)은 S-S 보상 네트워크의 타단과 연결되고 전송된 AC 전원을 DC로 정류하는 정류부를 포함할 수 있으며, 단상 브리지 정류기가 적용될 수 있으나, 실시 예가 이에 한정되는 것은 아니다.The rectification stage 140 may be connected to the other end of the S-S compensation network and may include a rectifier that rectifies the transmitted AC power to DC. A single-phase bridge rectifier may be applied, but the embodiment is not limited thereto.

도 2는 무선 전력 전송 장치(100)의 동작 방법을 자세히 설명하기 위한 도면이다.FIG. 2 is a diagram for explaining in detail the operation method of the wireless power transmission device 100.

컨트롤러(190)는 센싱된 입력전류(Iin_sen)에 기초하여 주파수를 산출할 수 있으며, 센싱된 출력전류(Ib_sen) 및 레퍼런스 전류(lb_ref)에 기초하여, PI(proportional　integral) 제어를 수행하여, 단극 시비율(unipolar duty cycle)을 조정할 수 있다.The controller 190 can calculate the frequency based on the sensed input current (I in_sen ) and perform proportional integral (PI) control based on the sensed output current (I b_sen ) and reference current (l b_ref ). Thus, the unipolar duty cycle can be adjusted.

컨트롤러(190)는 제1 프로세스(Pr1, 190) 및 제2 프로세스(Pr2, 190)를 독립적으로 수행하여, 단극 시비율 및 주파수를 조정할 ‹š 독립적으로 수행할 수 있다.The controller 190 independently performs the first process (Pr1, 190) and the second process (Pr2, 190), and can independently adjust the unipolar ratio and frequency.

컨트롤러(190)는 단극 시비율을 조정할 때, 출력 전류(Ib_sen) 및 레퍼런스 전류(lb_ref)를 PI 제어를 수행하여, 단극 시비율을 조정할 수 있다.When adjusting the unipolar power ratio, the controller 190 may perform PI control on the output current (I b_sen ) and the reference current (l b_ref ) to adjust the unipolar power ratio.

컨트롤러(190)는 센싱된 입력전류(Iin_sen)에 기초하여 구동 주파수를 제어할 수 있다.The controller 190 may control the driving frequency based on the sensed input current (I in_sen ).

본 2에 도시된 회로에 따라, 다양한 커플링 계수 및 부하에서 동적으로 시비율 및 주파수이 제어되어 정전류 및 ZVS가 달성될 수 있다.According to the circuit shown in Figure 2, constant current and ZVS can be achieved by dynamically controlling the application rate and frequency at various coupling coefficients and loads.

도 3은 본 개시에 따른 무선 전력 전송 장치(100)의 개략적인 동작 프로세스를 나타내는 시퀀스도이며, 도 4는 본 개시에 따른 무선 전력 전송 장치(100)의 주파수를 조정하는 방법을 나타내는 시퀀스도이고, 도 5는 본 개시에 따른 입력전류 센싱의 도해 다이어그램을 나타낸다. 도 6은 도 1에 도시된 무선 전력 전송 장치(100)의 회로에 대응하는 등가 회로를 나타낸다. 도 7은 본 개시에 따른 PI 제어를 통해 단극 시비율을 조정하는 과정을 설명하기 위한 도면이다. 도 8은 본 개시에 따른 매트랩 기반의 바디 플랏(body plots)을 나타낸다.FIG. 3 is a sequence diagram showing a schematic operation process of the wireless power transmission device 100 according to the present disclosure, and FIG. 4 is a sequence diagram showing a method of adjusting the frequency of the wireless power transmission device 100 according to the present disclosure. , Figure 5 shows an illustrative diagram of input current sensing according to the present disclosure. FIG. 6 shows an equivalent circuit corresponding to the circuit of the wireless power transmission device 100 shown in FIG. 1. Figure 7 is a diagram for explaining the process of adjusting the unipolar power ratio through PI control according to the present disclosure. Figure 8 shows MATLAB-based body plots according to the present disclosure.

도 3을 참고하면, 컨트롤러(190)는 각 파라미터를 초기화할 수 있다(S310).Referring to FIG. 3, the controller 190 may initialize each parameter (S310).

컨트롤러(190)는 구동 주파수를 100kHz, 단극 시비율을 0.5, 입력 레퍼런스 전류를 10A, 제1 바운더리 전류를 -0.5, 제2 바운더리 전류를 -1.5, 임계입력전류를 1A, 출력임계전류를 12A로 설정할 수 있으나, 실시 예가 이에 한정되는 것은 아니다.The controller 190 sets the driving frequency to 100 kHz, the unipolar ratio to 0.5, the input reference current to 10A, the first boundary current to -0.5, the second boundary current to -1.5, the critical input current to 1A, and the output threshold current to 12A. It can be set, but the embodiment is not limited to this.

컨트롤러(190)는 ZVS 추적 및 정전류 추적을 활성화할 수 있다(S320).Controller 190 may activate ZVS tracking and constant current tracking (S320).

IPT 시스템이 정상 동작하고(S330), 센싱된 출력전류(Ib_sen)가 출력임계전류를 초과하거나 센싱된 입력전류(lin_sen)가 입력임계전류를 초과하는 경우(S340)에는 동작을 중지할 수 있다.If the IPT system operates normally (S330) and the sensed output current (I b_sen ) exceeds the output threshold current or the sensed input current (l in_sen ) exceeds the input threshold current (S340), the operation can be stopped. there is.

컨트롤러(190)는 센싱된 출력전류(Ib_sen)가 출력임계전류 이하이고 센싱된 입력전류(Iin_sen)가 입력임계전류 이하인 경우(S340), 무선 충전이 마칠‹š까지 무선 충전을 위한 전력 전송을 수행할 수 있다(S350).If the sensed output current (I b_sen ) is less than the output threshold current and the sensed input current (I in_sen ) is less than the input threshold current (S340), the controller 190 transmits power for wireless charging until wireless charging is completed. can be performed (S350).

도 4를 참고하면, 컨트롤러(190)는 ZVS 추적이 활성화되고(S410), 입력전류를 센싱한 후(S420), 카운터를 이용하여 주파수 제어를 위한 시간을 확보하고(S430~S450), 입력전류가 제1 바운더리 전류보다 큰 경우(S455), 구동 주파수를 증가시키고(가령, 200 Hz)(S460), 제1 바운더리 전류 이하이면서 제2 바운더리 전류 초과인 경우(S465), 구동 주파수를 감소시키고(S470), 아닌 경우, 주파수를 유지할 수 있다.Referring to FIG. 4, the controller 190 activates ZVS tracking (S410), senses the input current (S420), secures time for frequency control using a counter (S430 to S450), and detects the input current (S420). If is greater than the first boundary current (S455), the driving frequency is increased (e.g., 200 Hz) (S460), and if it is less than the first boundary current and exceeds the second boundary current (S465), the driving frequency is reduced ( S470), otherwise, the frequency can be maintained.

도 5를 참고하면, 인버터(120)의 스위치 조작에 의해 입력 전류의 센싱값이 제1 바운더리 미만이면서 제2 바운더리 이상으로 측정될 수 있다.Referring to FIG. 5, by manipulating the switch of the inverter 120, the sensing value of the input current can be measured to be less than the first boundary and more than the second boundary.

도 8을 참고하면, 제어 루프가 안정적인 위상 및 진폭 마진이 확인될 수 있는데, 다양한 부하 조건에 대한 크기와 위상 곡선은 저주파 범위 내에서 거의 겹치므로 전체 부하 범위 내에서 안정성 여유가 거의 차이를 보이지 않는 것이 확인될 수 있다. Referring to Figure 8, it can be seen that the control loop has stable phase and amplitude margins. The magnitude and phase curves for various load conditions almost overlap within the low frequency range, so the stability margin shows little difference within the entire load range. This can be confirmed.

도 9 내지 도 11는 본 개시에 따른 서로 다른 과도 상태(transient conditions)에서 단극 시비율 제어의 PSIM 시뮬레이션 결과를 나타내며, 도 9는 다양한 커플링 계수(RL = 5 옴, Ib_ref = 10A)가 적용된 경우, 도 10은 다양한 부하 조건(k = 0.252, Ib_ref = 10A)이 적용된 경우, 도 11은 다양한 레퍼런스 전류 상태가 적용된 경우(k=0252, RL = 5 옴) 를 각각 나타낸다.9 to 11 show PSIM simulation results of unipolar power ratio control in different transient conditions according to the present disclosure, and FIG. 9 shows various coupling coefficients (R L = 5 ohms, I b_ref = 10A). In the applied case, Figure 10 shows the case where various load conditions (k = 0.252, Ib_ref = 10A) are applied, and Figure 11 shows the case where various reference current conditions are applied (k = 0252, R L = 5 ohms).

도 12(a) 및 도 12(b)는 본 개시에 따른 무선 전력 전송 장치(100)의 조정된 구동 주파수 및 시비율을 나타낸다.Figures 12(a) and 12(b) show the adjusted driving frequency and application rate of the wireless power transmission device 100 according to the present disclosure.

도 13은 본 개시에 따른 출력 전력이 200 W인 경우의 입력 및 출력에 대응하는 전류 및 전압의 측정값을 나타내고, 도 14는 본 개시에 따른 출력 전력이 500 W인 경우의 입력 및 출력에 대응하는 전류 및 전압의 측정값을 나타낸다.Figure 13 shows measured values of current and voltage corresponding to the input and output when the output power according to the present disclosure is 200 W, and Figure 14 corresponds to the input and output when the output power according to the present disclosure is 500 W. Indicates the measured values of current and voltage.

도 13 및 도 14에서 ZVS 및 정전류가 달성되는 것이 확인될 수 있다.It can be seen in Figures 13 and 14 that ZVS and constant current are achieved.

상술한 바와 같이, 상기 컨트롤러(190)는 정류단을 통해 출력된 출력전류가 센싱되고 입력전류가 센싱되는 경우, 센싱된 출력전류에 기초하여 단극 시비율(unipolar duty cycle)을 조정하고, 센싱된 입력전류에 기초하여 구동 주파수를 조정할 수 있다.As described above, when the output current output through the rectifier stage is sensed and the input current is sensed, the controller 190 adjusts the unipolar duty cycle based on the sensed output current, and The driving frequency can be adjusted based on the input current.

상기 컨트롤러는, 상기 단극 시비율 및 상기 구동 주파수를 서로 독립적으로 조정할 수 있다.The controller may adjust the unipolar ratio and the driving frequency independently of each other.

상기 컨트롤러는, ZVS(zero-voltage switching) 추적 및 정전류(constant current) 추적을 활성화하고, 상기 센싱된 출력전류가 임계출력전류를 초과하거나 센싱된 입력전류가 임계입력전류를 초과하는 경우, 상기 단극 시비율 및 상기 주파수 조정을 중지할 수 있다.The controller activates zero-voltage switching (ZVS) tracking and constant current tracking, and when the sensed output current exceeds the threshold output current or the sensed input current exceeds the threshold input current, the unipolar Fertilization rate and frequency adjustment can be stopped.

상기 컨트롤러는, ZVS(zero-voltage switching) 추적이 활성화된 경우, 센싱된 입력전류가 제1 바운더리전류를 초과한 경우, 구동 주파수를 소정 만큼 증가시키고, 제1 바운더리전류 이하이고 제2 바운더리전류를 초과한 경우, 구동 주파수를 소정 만큼 감소시키며, 제2 바운더리전류 이하인 경우, 구동 주파수를 유지하도록 조정할 수 있다.When zero-voltage switching (ZVS) tracking is activated, the controller increases the driving frequency by a predetermined amount when the sensed input current exceeds the first boundary current, and increases the driving frequency by a predetermined amount if it is less than the first boundary current and increases the second boundary current. If it exceeds, the driving frequency is reduced by a predetermined amount, and if it is below the second boundary current, the driving frequency can be adjusted to maintain it.

상기 컨트롤러는, 상기 조정된 구동 주파수가 소정의 임계값을 초과할 때까지 반복적으로 구동 주파수를 조정할 수 있다.The controller may repeatedly adjust the driving frequency until the adjusted driving frequency exceeds a predetermined threshold.

상기 컨트롤러는, 상기 단극 시비율을 조정할 때, 출력 전류 및 레퍼런스 전류를 이용한 PI 제어를 수행하여, 상기 단극 시비율을 조정할 수 있다.When adjusting the unipolar power ratio, the controller may perform PI control using output current and reference current to adjust the unipolar power ratio.

본 발명의 실시예와 관련하여 설명된 방법 또는 알고리즘의 단계들은 하드웨어로 직접 구현되거나, 하드웨어에 의해 실행되는 소프트웨어 모듈로 구현되거나, 또는 이들의 결합에 의해 구현될 수 있다. The steps of the method or algorithm described in connection with embodiments of the present invention may be implemented directly in hardware, implemented as a software module executed by hardware, or a combination thereof.

이상, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 제한적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.Above, embodiments of the present invention have been described with reference to the attached drawings, but those skilled in the art will understand that the present invention can be implemented in other specific forms without changing its technical idea or essential features. You will be able to understand it. Therefore, the embodiments described above should be understood in all respects as illustrative and not restrictive.

100 : S-S 보상 IPT 기반 무선 전력 전송 장치.100: S-S compensated IPT based wireless power transmission device.

Claims (12)

S-S(Series-Series) 보상 IPT(inductive power transfer) 기반 무선 전력 전송 장치로서,
무선 전력 송신을 위한 풀 브릿지 기반의 인버터;
상기 인버터의 시비율 및 주파수를 설정하는 컨트롤러;
상기 인버터와 일단이 연결되고 인덕터 기반의 S-S 보상 네트워크; 및
상기 S-S 보상 네트워크의 타단과 연결되고 전송된 AC 전원을 DC로 정류하는 정류단을 포함하며,
상기 컨트롤러는,
상기 정류단을 통해 출력된 출력전류가 센싱되고 입력전류가 센싱되는 경우, 센싱된 출력전류에 기초하여 단극 시비율(unipolar duty cycle)을 조정하고, 센싱된 입력전류에 기초하여 구동 주파수를 조정하도록 구성되는, 무선 전력 전송 장치.A series-series (SS) compensated inductive power transfer (IPT) based wireless power transmission device,
Full bridge-based inverter for wireless power transmission;
A controller that sets the application rate and frequency of the inverter;
an inductor-based SS compensation network connected at one end to the inverter; and
It is connected to the other end of the SS compensation network and includes a rectification stage for rectifying the transmitted AC power to DC,
The controller is,
When the output current output through the rectifier stage is sensed and the input current is sensed, the unipolar duty cycle is adjusted based on the sensed output current and the driving frequency is adjusted based on the sensed input current. Consisting of a wireless power transmission device. 제1항에 있어서,
상기 컨트롤러는,
상기 단극 시비율 및 상기 구동 주파수를 서로 독립적으로 조정하도록 구성되는, 무선 전력 전송 장치.According to paragraph 1,
The controller is,
A wireless power transmission device configured to adjust the unipolar ratio and the driving frequency independently of each other. 제2항에 있어서,
상기 컨트롤러는,
ZVS(zero-voltage switching) 추적 및 정전류(constant current) 추적을 활성화하고, 상기 센싱된 출력전류가 임계출력전류를 초과하거나 센싱된 입력전류가 임계입력전류를 초과하는 경우, 상기 단극 시비율 및 상기 주파수 조정을 중지하도록 구성되는, 무선 전력 전송 장치.According to paragraph 2,
The controller is,
Activate zero-voltage switching (ZVS) tracking and constant current tracking, and when the sensed output current exceeds the threshold output current or the sensed input current exceeds the threshold input current, the unipolar ratio and the A wireless power transfer device configured to stop frequency tuning. 제3항에 있어서,
상기 컨트롤러는,
ZVS(zero-voltage switching) 추적이 활성화된 경우, 센싱된 입력전류가 제1 바운더리전류를 초과한 경우, 구동 주파수를 소정 만큼 증가시키고, 제1 바운더리전류 이하이고 제2 바운더리전류를 초과한 경우, 구동 주파수를 소정 만큼 감소시키며, 제2 바운더리전류 이하인 경우, 구동 주파수를 유지하도록 조정하는, 무선 전력 전송 장치.According to paragraph 3,
The controller is,
When zero-voltage switching (ZVS) tracking is activated, if the sensed input current exceeds the first boundary current, the driving frequency is increased by a predetermined amount, and if it is below the first boundary current and exceeds the second boundary current, A wireless power transmission device that reduces the driving frequency by a predetermined amount and adjusts it to maintain the driving frequency when it is below the second boundary current. 제4항에 있어서,
상기 컨트롤러는,
상기 조정된 구동 주파수가 소정의 임계값을 초과할 때까지 반복적으로 구동 주파수를 조정하도록 구성되는, 무선 전력 전송 장치.According to clause 4,
The controller is,
A wireless power transmission device configured to repeatedly adjust the driving frequency until the adjusted driving frequency exceeds a predetermined threshold. 제5항에 있어서,
상기 컨트롤러는,
상기 단극 시비율을 조정할 때, 출력 전류 및 레퍼런스 전류를 이용한 PI 제어를 수행하여, 상기 단극 시비율을 조정하도록 구성되는, 무선 전력 전송 장치.According to clause 5,
The controller is,
A wireless power transmission device configured to adjust the unipolar power ratio by performing PI control using an output current and a reference current when adjusting the unipolar power ratio. S-S(Series-Series) 보상 IPT(inductive power transfer) 기반 무선 전력 전송 장치의 제어 방법으로서,
상기 무선 전력 전송 장치는, 무선 전력 송신을 위한 풀 브릿지 기반의 인버터, 상기 인버터의 시비율 및 주파수를 설정하는 컨트롤러, 상기 인버터와 일단이 연결되고 인덕터 기반의 S-S 보상 네트워크 및 상기 S-S 보상 네트워크의 타단과 연결되고 전송된 AC 전원을 DC로 정류하는 정류단을 포함하며,
상기 제어 방법은,
상기 정류단을 통해 출력된 출력전류가 센싱되고 입력전류가 센싱되는 단계; 및
센싱된 출력전류에 기초하여 단극 시비율(unipolar duty cycle)을 조정하고, 센싱된 입력전류에 기초하여 구동 주파수를 조정하는 단계를 포함하는, 무선 전력 전송 장치의 제어 방법.A control method for a wireless power transmission device based on Series-Series (SS) compensated inductive power transfer (IPT),
The wireless power transmission device includes a full bridge-based inverter for wireless power transmission, a controller that sets the application rate and frequency of the inverter, one end connected to the inverter, an inductor-based SS compensation network, and the other part of the SS compensation network. It includes a rectifier stage that is connected to the stage and rectifies the transmitted AC power to DC,
The control method is,
Sensing the output current output through the rectifier stage and sensing the input current; and
A method of controlling a wireless power transmission device, comprising the steps of adjusting a unipolar duty cycle based on the sensed output current and adjusting the driving frequency based on the sensed input current. 제7항에 있어서,
상기 조정하는 단계는,
상기 단극 시비율 및 상기 구동 주파수를 서로 독립적으로 조정하는 단계를 포함하는, 무선 전력 전송 장치의 제어 방법.In clause 7,
The adjustment step is,
A method of controlling a wireless power transmission device, comprising the step of adjusting the unipolar ratio and the driving frequency independently of each other. 제8항에 있어서,
상기 제어 방법은,
ZVS(zero-voltage switching) 추적 및 정전류(constant current) 추적을 활성화하고, 상기 센싱된 출력전류가 임계출력전류를 초과하거나 센싱된 입력전류가 임계입력전류를 초과하는 경우, 상기 단극 시비율 및 상기 주파수 조정을 중지하는 단계를 더 포함하는, 무선 전력 전송 장치의 제어 방법.According to clause 8,
The control method is,
Activate zero-voltage switching (ZVS) tracking and constant current tracking, and when the sensed output current exceeds the threshold output current or the sensed input current exceeds the threshold input current, the unipolar ratio and the A method of controlling a wireless power transmission device, further comprising stopping frequency adjustment. 제9항에 있어서,
상기 조정하는 단계는,
ZVS(zero-voltage switching) 추적이 활성화된 경우, 센싱된 입력전류가 제1 바운더리전류를 초과한 경우, 구동 주파수를 소정 만큼 증가시키고, 제1 바운더리전류 이하이고 제2 바운더리전류를 초과한 경우, 구동 주파수를 소정 만큼 감소시키며, 제2 바운더리전류 이하인 경우, 구동 주파수를 유지하도록 조정하는 단계를 포함하는, 무선 전력 전송 장치의 제어 방법.According to clause 9,
The adjustment step is,
When zero-voltage switching (ZVS) tracking is activated, if the sensed input current exceeds the first boundary current, the driving frequency is increased by a predetermined amount, and if it is below the first boundary current and exceeds the second boundary current, A method of controlling a wireless power transmission device, comprising reducing the driving frequency by a predetermined amount and adjusting it to maintain the driving frequency when it is below the second boundary current. 제10항에 있어서,
상기 조정하는 단계는,
상기 조정된 구동 주파수가 소정의 임계값을 초과할 때까지 반복적으로 구동 주파수를 조정하는 단계를 포함하는, 무선 전력 전송 장치의 제어 방법.According to clause 10,
The adjustment step is,
A method of controlling a wireless power transmission device, comprising repeatedly adjusting the driving frequency until the adjusted driving frequency exceeds a predetermined threshold. 제11항에 있어서,
상기 조정하는 단계는,
상기 단극 시비율을 조정할 때, 출력 전류 및 레퍼런스 전류를 이용한 PI 제어를 수행하여, 상기 단극 시비율을 조정하는 단계를 포함하는, 무선 전력 전송 장치의 제어 방법.According to clause 11,
The adjustment step is,
When adjusting the unipolar power transmission ratio, a control method of a wireless power transmission device comprising the step of performing PI control using an output current and a reference current to adjust the unipolar power transmission ratio.
KR1020220153330A 2022-11-16 Method and apparatus for transfering wireless power based on series-series compesated inductive power transfer KR20240071623A (en)

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