Analysis and Design Technique of a Spiral Inductor for a Wireless Charging of Electric Vehicle

전기자동차 무선 충전용 스파이럴 인덕터의 해석 및 설계 기법

Abstract

The coils to transmit the electric energy are necessary to charge an electric vehicle wirelessly. There are several types of coils, from basic circular coils to DD-type coils for enhancing the coupling effect between two coils. However, DD-type coils with a good coupling effect between coils have a disadvantage in use because of the structure complexity of the power conversion device of transmitting and receiving side. In this paper, we propose a method to calculate the inductance value and to design the size of the spiral inductor which is convenient to fabricate when the power is transmitted wirelessly by using two coils in free space. Since the bifurcation phenomenon occurs when the XLm value is similar to the load resistance value in the resonator the XLm value was selected to be equal to the minimum load resistance value to minimize this phenomenon, and the inductance value required for the resonator was calculated. In order to realize the calculated inductance value by the spiral inductor, the relationship between the inductance value and the size, the number of turns, the total coil length of a spiral inductor was investigated. In addition, the change of coupling coefficient k according to the horizontal separation of two coils was examined and an appropriate inductor was selected.

전기자동차를 무선으로 충전하기 위하여서는 전기에너지를 전송하기 위한 코일이 꼭 필요하다. 코일의 형태는 기본적인 원형 코일에서부터 두 코일 간의 커플링 효과를 높이기 위한 DD 형상의 코일 등 여러 종류가 있다. 하지만 코일 간 커플링이 좋은 DD 형상의 코일은 송수신 측 전력변환장치의 구조가 복잡해지는 단점이 있어 사용에 제한이 있다. 본 논문에서는 자유공간에서 2개의 코일을 이용하여 무선으로 전력을 전송할 때 제작이 편리한 스파이럴 인덕터의 인덕턴스 값을 계산하고 적절한 크기의 인턱터를 설계하는 방법을 제시하였다. 공진기에서 XLm 값이 부하저항 값과 비슷하여질 때 bifurcation 현상이 나타나므로, 이 현상이 덜 일어나도록 XLm 값을 최소부하저항 값과 같도록 선택하여 공진기에 필요한 인덕턴스 값을 계산하였다. 계산된 인덕턴스 값을 스파이럴 인덕터로 구현하기 위하여 스파이럴 인덕터에서 인덕턴스 값과 인턱터의 크기, 턴 수, 총 코일 길이와의 관계를 알아보았다. 또한, 두 개의 코일의 수평 이격에 따른 결합계수 k 값의 변화를 알아본 후 적절한 인덕터를 선정하였다.

그림 3. ro=30 cm인 인덕터의 인덕턴스 값과 턴 수, 코일의 사용면적, 도선 길이와의 관계 Fig. 3. Relationship between a inductance value and a number of turns, a coil area, a coil length of ro=30 cm inductor

그림 4. 두 코일의 결합계수 계산을 위한 코일의 위치 Fig. 4. Coil position for calculating the coupling coefficient of two coils

그림 1. 무선전력전송 인버터의 구성과 변압기 등가회로 및 공진기회로; (a) 무선전력전송 인버터의 일반적인 구성도, (b) 자기결합회로의 변압기 등가회로, (c) 모든 회로 요소를 포함한 공진기 회로, (d) 3개의 부품 회로와 2개의 부품 회로의 두 부분으로 나뉜 공진기 회로, (e) 2개의 부품 회로와 3개의 부품 회로의 두 부분으로 나뉜 공진기 회로 Fig. 1. Configuration of a wireless power transmission inverter and a transformer equivalent circuit and a resonator circuit; (a) a typical configuration of a wireless power transmission inverter, (b) a transformer equivalent circuit of a magnetic coupling circuit, (c) a resonator circuit including all circuit elements, (d) resonator circuit divided into two parts, three component circuit and two component circuit, (e) a resonator circuit divided into two parts, two component circuit and three component circuit

그림 2. 공진기의 부하 저항 값에 따른 주파수 특성 Fig. 2. Frequency characteristics of a resonator according to the load resistance values.

표 1. 공진주파수의 계산 값과 p-spice 시뮬레이션 값의 비교 Table 1. Comparison of the calculated values and the p-spice simulation values of resonant frequencies

표 3. 크기가 같은 두 개의 인덕터의 수평 이격에 따른 k 값 Table 3. The k values of two inductors of the same size according to the horizontal separation

표 4. 크기가 다른 두 개의 인덕터의 수평 이격에 따른 k 값 Table 4. The k values of two inductors of the different sizes according to the horizontal separation

표 5. ro에 따른 인덕터의 인덕턴스 계산 값 Table 5. Calculated inductance values of the inductors according to ro

표 6. 두 개의 인덕터의 결합계수 k 값, d=20 cm Table 6. The coupling coefficient k value of two inductors, d=20 cm

표 2. 인덕터의 인덕턴스 계산 값과 Maxwell 시뮬레이션 값의 비교 Table 2. Comparison of inductance calculation and Maxwell simulation values of the inductors