IPT(유도 전력 전송) 무선 충전은 현재 개발 중으로 접촉 없이 배터리 구동 장치를 충전하는 기술이다. 이 방식으로 충전할 수 있는 장치는 휴대 전화와 태블릿, 노트북 컴퓨터 등이 있다. IPT 기술은 전기 자동차를 충전하는 방향으로 발전되고 있으며 편의성을 내세워 사무실과 가정뿐 아니라 교통 신호등, 공용 주차장 등으로 충전 지점을 확산할 전망이다. 이글에서는 전기 자동차 충전용으로 개발된 고출력 IPT 시스템과 높은 주파수, 밀집한 포유 자기장의 전력을 정밀하게 계측하는 내용을 담았다.

IPT 개요

IPT 기술은 2개의 전선 코일이 사용된다. 하나(일차 또는 전송 코일)는 바닥에 고정되며, 다른 하나(이차 또는 리시버 코일)는 전기 자동차의 바닥면에 장착된다. AC 전류가 일차 코일을 통과하면 암페어 및 패러데이 법칙과 같은 고전적인 전자기 법칙에 따라 이차 코일에 상응하는 전압이 유도된다. 이 회로는 간단한 변압기와 같다.

이 회로는 높은 주파수(20 kHz ~ 100 kHz+)에서 작동한다. 일차 컨트롤러(또는 파워 공급 장치)는 AC 라인에서 작동되며, 요구된 주파수대에서 일차측의 제어된 AC 전류를 발생시킨다. 이차 컨트롤러는 최대한의 전력 전송으로 차량 배터리 충전이 가능하도록 공진과 임피던스가 매칭되게 설계됐다.

포유 자기장

전기 자동차용 IPT 충전기는 정류기와 제어 전자장치가 포함된 강력한 전자기 소자 컨버터로 다른 전기 시스템과 간섭을 최소화하도록 각별한 주의가 요구된다. 예를 들어 이차 코일이 존재하지 않는 상태에서 우발적으로 가동되는 경우, 도체 내에서 열을 유발해 화재를 일으키거나, 심장 박동기와 같은 다른 전자기 장치의 작동을 심하게 저해할 수 있는 강력한 자기장이 생성된다.

또한 정상 작동 중 IPT의 포유 자기장도 간섭 문제를 일으킬 수 있다. 강유전 코어 소재를 사용하는 기존 고정 변압기는 0.95 이상의 결합 계수를 달성할 수 있다. 전기 자동차용 IPT 시스템은 두 코일이 상당한 간격으로 분리되어 공기가 존재하고 코일이 매우 느슨하게 결합된 변압기를 형성한다. IPT 시스템의 결합 계수는 0.1 ~ 0.4 사이의 범위이며 이는 두 가지 관련 문제의 원인이 된다.

1. 코일에서 매우 큰 누설(또는 포유) 자기장이 방사되며 하나의 코일과 다른 코일이 결합하지 않는다. 이 자기장은 차량의 측정과 제어, 통신 등 다른 전기 장치뿐 아니라 탑승자와 간섭을 일으킬 수 있다.
2. 누설 포유 플럭스는 전기적으로 전력 전송을 방해하는 직렬 임피던스로 나타난다.

바람직한 작동 주파수에서 공진을 일으키도록 AC 임피던스를 세심하게 제어하는 것을 포함하여 코일의 전기적, 기계적 설계를 최적화하는 데 상당한 노력이 투자됐다.

전력 계측

전기 자동차가 제공하는 전반적인 장점(온실가스 방출 감소, 화석 연료 생산에 대한 의존성 해소)을 달성하려면 IPT 충전 시스템이 최소한 기존 플러그인 충전기와 동등한 효율성으로 작동할 수 있어야 한다. AC 전원에서 일차 컨트롤러와 코일, 이차 정류기 컨트롤러에서 배터리에 이르기까지 전반적인 효율이 90% 이상이어야 바람직하다. 이런 효율을 달성하려면, IPT 설계자가 각 지점에서 변환 효율을 최적화해야 하며 최종 테스트 도중 전체 효율을 검증하는 동시에 개발 도중 이뤄지는 점진적인 소규모의 효율 향상도 검증할 수 있는 정확한 전력 계측 장비가 필요하다.
전력 계측에는 다음이 포함된다.

일차 컨트롤러:
입력 전력, 전압, 전류
입력 역률
입력 고조파 및 THD
출력 전력, 전압, 전류
출력 주파수
출력 고조파 및 THD
효율

코일:
일차 및 이차 컨트롤러 측정에서 획득된 효율

이차 컨트롤러:
입력 전력, 전압, 전류
입력 주파수
입력 고조파 및 THD
출력 전력, 전압, 전류
출력 암페어 시, 와트 시

이런 측정은 일차 및 이차 컨트롤러 모두의 입력과 출력을 동시에 측정할 수 있는 4채널 전력 분석기로 수행하는 것이 적합하다.

코일 전력 계측의 과제

전력 분석기는 대개 50 Hz/60 Hz의 실험 조건에서 뛰어난 특성과 사양을 갖추고 있지만, 다음과 같은 이유로 IPT 코일 측정에는 특별한 고려가 있어야 한다.

주파수가 20 kHz ~ 100 kHz+ 범위로 높고 스위칭 컨버터에 의해 생성된다.
대량의 포유 자기장이 존재한다. 이 자기장은 전력 분석기와 같은 측정 장비 내부의 민감한 회로를 포함해 통과하는 모든 전기 도체에 바람직하지 않은 전압을 발생시킨다.

 텍트로닉스의 IPT 코일 전력 계측 관련 기술 솔루션

1. 주파수 감지
디지털 전력 분석기의 모든 측정치(와트, 볼트, 암페어 포함)는 측정 대상 주파수의 정확한 감지를 바탕으로 한다. 정확한 감지가 이뤄지지 않으면 잘못된 기간 동안 측정이 실행되고 부정확하며 불안정한 결과가 나온다.

주파수 감지에 사용되는 기존 파형의 부호 변환점을 감지하는 것이다. 이는 캘리브레이션 실험실과 같이 노이즈가 없는 환경에서 잘 작동한다. 하
지만 스위칭 파워가 사용되는 실제 환경의 파형 부호 변환점에서 발생하는 일이 매우 흔하며 간단한 부호 변환 감지에 혼란을 일으킨다. 노이즈는 단순 다이오드의 역회복을 포함해 컨버터 내 반도체의 스위칭 특성에 의해 발생하며 부하가 유도성이고 전류를 평탄화하는 경향이 있더라도 파형 내에 존재하게 된다. 텍트로닉스 전력 분석기는 부호 변환 기법의 문제를 방지하는 독자 기술을 사용해 추가적인 평균화 없이 정확한 주파수 감지를 달성한다. 그 결과 신속하면서도 안정적이고 정확한 전력 계측을 할 수 있다.

2. 특허 출원 중인 Spiral ShuntTM 기술
특허 출원 중인 이 션트 기술은 측정 안정성과 정확도 측면에서 추가적인 장점을 제공하도록 설계됐다.

작은 코일 형태에 대량의 벌크 소재 적용
온도 계수가 낮은 망가닌(manganin) 소재
광범위한 주변 온도와 부하 전류에서 안정성 유지
과부하 조건에 강함
속도 제어 공랭이 가능한 나선형으로 추가적인 안정성 제공
표유 유도를 최소화하는 나선형 구조

3. EMC 성능
텍트로닉스 PA4000은 2013년 발표됐으며 당시의 규정을 준수할 뿐 아니라 외부 영향으로 발생되는 측정 오류를 추가로 방지할 수 있도록 설계됐다. 또한 PWM 모터 드라이브 및 기타 고출력 인버터 등 전력 전자 장치에서 발생되는 전도 및 방사 노이즈 모두에 대한 내성이 포함된다. 이러한 설계의 간단한 예로 PA4000의 케이스 소재로 강철을 사용한 점을 들 수 있다. 대부분 공급업체는 케이스 소재를 알루미늄을 사용한다. 알루미늄은 비용이 저렴하고 가볍다는 장점이 있지만, 높은 전자기 차폐 성능을 제공하지 않는다.

아래 표에 나온 자기 소재의 투자율은 소재가 자체 내부에 자기장을 유지할 수 있는 역량을 나타내는 척도이다. 강철은 자기 플럭스의 경로를 형성함으로써 소재 자체를 통해 포유 자기장을 따돌리고, 내부의 민감한 전자 도체 및 장치에 장애가 발생하는 것을 방지한다. 알루미늄은 양호한 전기 전도체이지만, 이같이 효율적인 자기 차폐 성능이 없다.


결론

전기 자동차용 무선 충전기 또는 IPT 설계 시, 설계 효율성을 검증하려면 정확한 전력 계측이 필수적이다. IPT는 높은 출력과 높은 주파수의 측정 환경이라는 비교적 일반적인 문제 외에도 전력 분석기의 민감한 측정 회로와 간섭을 일으키는 느슨하게 결합한 코일에서 발생하는 밀집한 포유 자기장이라는 새로운 과제를 제시한다. 텍트로닉스 PA4000은 강철 차폐를 포함한 특별한 기법이 적용되어 매우 안정적이고 정확한 측정 결과를 제공하는 전력 분석기이다.