사각형입니다.

https://doi.org/10.6113/JPE.2019.19.3.625

ISSN(Print): 1598-2092 / ISSN(Online): 2093-4718



Leakage Magnetic Field Suppression Using Dual-Transmitter Topology in EV Wireless Charging


Guodong Zhu*, Dawei Gao, and Shulin Lin**


†,*State Key Lab of Automotive Safety and Energy, Dept. of Automotive Eng., Tsinghua University, Beijing, China

**School of Mechanical Eng., University of Science and Technology Beijing, Beijing, China



Abstract

This paper proposes an active leakage magnetic field (LMF) suppression scheme, which uses the dual-transmitter (DT) topology, for EV wireless charging systems (EVWCS). The two transmitter coils are coplanar, concentric and driven by separate inverters. The LMF components generated by the three coils cancel each other out to reduce the total field strength. This paper gives a detailed theoretical analysis on the operating principles of the proposed scheme. Finite element analysis is used to simulate the LMF distribution patterns. Experimental results show that when there is no coil misalignment, 97% of the LMF strength can be suppressed in a 1kW prototype. These results also show that the impact on efficiency is small. The trade-off between LMF suppression and efficiency is revealed, and a control strategy to balance these two objectives is presented.


Key words: Control strategy, Dual-transmitter, EV wireless charging, Finite element analysis, Leakage magnetic field, Wireless power transfer


Manuscript received Oct. 25, 2018; accepted Jan. 9, 2019

Recommended for publication by Associate Editor Byoung-Hee Lee.

Corresponding Author: dwgao@mail.tsinghua.edu.cn Tel: +86-10 6277 1839, Fax: +86-10 6278 5985, Tsinghua University

*State Key Lab of Automotive Safety and Energy, Dept. of Automotive Eng., Tsinghua University, China

**School of Mechanical Eng., University of Science and Technology Beijing, China



I. INTRODUCTION

One of the many challenges that wireless power transfer (WPT) faces is leakage magnetic field (LMF) suppression. Excessive exposure to electromagnetic fields is a threat to human health [1]. In addition, LMFs are a potential source of electromagnetic interference to other sensitive equipment. To suppress the LMF in WPT systems, researchers have proposed many effective measures, which can be divided into three main categories: coil design, passive shielding and counter- LMF generation.

The first category focuses on the geometric optimization of coil windings so that less LMF is generated. Coils with reverse windings are studied and three design methods are suggested therein [2]. The authors of [3] proposed a quadruple-coil transmitter (TX), where the current directions of two neighboring coils are opposite for laptop charging applications. The DD and DDQ coils introduced in [4] can reduce the LMF in regions close to the coil center. However, in regions further away they generate a stronger LMF than circular coils. A magnetic field shaping technique that uses a TX coil composed of several windings was introduced in [5] for EV wireless charging systems.

Measures in the second category use soft magnetic materials to guide magnetic flux lines or they use the eddy current in metal plates to offset the incident magnetic field. Soft magnetic materials can improve the mutual inductance and lower the LMF strength on its backside. However, in other regions the LMF strength cannot be effectively suppressed, (see Fig. 4 of [6]). Metallic plates can lower the LMF strength in nearly all regions. However, they can also cause eddy current loss. Usually these two measures are combined to achieve better shielding effectiveness and to reduce loss [6]. Due to their simplicity and effectiveness, techniques of this category are the most widely adopted. Theoretical analyses of magnetic field shielding can be found in [7], [8]. Magnetic structure designs and optimization methods are presented in [9], [10]. In addition, metamaterials can also be used to reduce LMF and to improve coupling at the same time [11].

The third category uses extra coil currents to generate counter-LMF. These currents are generated either through magnetic induction or by reverse winding. An active LMF suppression scheme with feedback control was proposed in [12]. However, it was applied for extremely low frequency magnetic field mitigation and is unsuitable for WPT systems whose operating frequencies are much higher. In [13], a combination of active and passive shielding is adopted for power-frequency magnetic field management. In WPT systems, a popular solution is to use a reactive coil. The authors of [14], [15] demonstrated a resonant reactive LMF shielding scheme with automatic tuning control for online electric vehicles. The authors of [16] proposed a reactive shielding scheme with a phase shifter, which solves contradictions between the current phase angle and the amplitude in the reactive coil. The authors of [17] used a hybrid loop array to improve efficiency and reduce LMF strength. A scheme that connects a TX coil in series with a flux cancelling coil was proposed in [18] to cancel the magnetic field on the backside of the TX. In WPT there are no known articles on active LMF suppression schemes that use an independently-driven coil. In addition, existing solutions cannot achieve an extremely high LMF suppression percentage (e.g., >95%).

This paper proposes a dual-transmitter (DT) LMF suppression scheme based on the counter-LMF generation principle. The underlying circuit theories are analyzed in detail, and a strong LMF suppression ability is demonstrated. Finite element analysis is used to simulate the LMF distribution patterns. In terms of efficiency, the DT-EVWCS (EV wireless charging system) is superior to its single-transmitter (ST) counterparts, which are almost the same as the DT system except that they have only one TX. When the two inverters are properly controlled, MOSFET conduction loss can be reduced and DC to DC efficiency can be improved in DT-EVWCS. Due to the trade-off between LMF suppression and efficiency, a control strategy to balance these two objectives has also been proposed.

The rest of this paper is organized as follows. Section II introduces the operating principles of the proposed scheme. Section III analyzes the LMF distribution patterns generated by three coils and proposes a control strategy to balance the LMF suppression and efficiency. Section IV demonstrates some experimental results. Finally, section V concludes the paper.



II. OPERATING PRINCIPLE OF THE DT-EVWCS

In the DT-EVWCS, two concentric and coplanar TXs are driven by separate inverters, as shown in Fig. 1. Coil 1 is the main TX coil, and coil 2 is the auxiliary TX coil. The LCC compensation topology is used in both TXs because of its constant-current-output feature and increased degrees of freedom in terms of parameter optimization [19]. On the receiver (RX) side, series compensation is adopted because of its simplicity. Since compensation circuits are basically bandpass filters, only the fundamental voltage and current components are considered. In this entire paper, the operating frequency is fixed at 85kHz.


그림입니다.
원본 그림의 이름: image1.png
원본 그림의 크기: 가로 1491pixel, 세로 700pixel

Fig. 1. Simplified structure of the DT-EVWCS.


The operating principle of the DT-EVWCS can be briefly explained as follows. Two carefully-designed TX coil current phasors generate a magnetic field, where the required voltage is induced in the RX coil. The LMF generated by the three coils cancel each other out to keep the overall LMF strength below a given limit. In addition, the efficiency can be optimized by properly controlling the two TX coil currents.


그림입니다.
원본 그림의 이름: image2.png
원본 그림의 크기: 가로 1198pixel, 세로 776pixel

Fig. 2. Simplified schematic of the DT-EVWCS.


A. Interactions Among the Three Coils

In Fig. 2, 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000017782705.bmp
원본 그림의 크기: 가로 82pixel, 세로 73pixel and 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000017780001.bmp
원본 그림의 크기: 가로 77pixel, 세로 70pixel are the inverter output fundamental voltages; 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000017780002.bmp
원본 그림의 크기: 가로 74pixel, 세로 70pixel is the equivalent load resistance (그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000017780003.bmp
원본 그림의 크기: 가로 382pixel, 세로 119pixel, where 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000017780004.bmp
원본 그림의 크기: 가로 141pixel, 세로 71pixel is the DC load resistance); 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000017780005.bmp
원본 그림의 크기: 가로 69pixel, 세로 69pixel and 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000017780006.bmp
원본 그림의 크기: 가로 63pixel, 세로 70pixel are the TX coils; 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000017780007.bmp
원본 그림의 크기: 가로 67pixel, 세로 67pixel is the RX coil; 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000017780008.bmp
원본 그림의 크기: 가로 105pixel, 세로 71pixel, 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000017780009.bmp
원본 그림의 크기: 가로 105pixel, 세로 71pixel and 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001778000a.bmp
원본 그림의 크기: 가로 108pixel, 세로 66pixel are the mutual inductances; 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001778000b.bmp
원본 그림의 크기: 가로 66pixel, 세로 74pixel, 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001778000c.bmp
원본 그림의 크기: 가로 64pixel, 세로 69pixel, 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001778000d.bmp
원본 그림의 크기: 가로 62pixel, 세로 72pixel, 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001778000e.bmp
원본 그림의 크기: 가로 84pixel, 세로 82pixel and 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001778000f.bmp
원본 그림의 크기: 가로 91pixel, 세로 86pixel are the compensation capacitors; and 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000017780010.bmp
원본 그림의 크기: 가로 85pixel, 세로 81pixel and 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000017780011.bmp
원본 그림의 크기: 가로 91pixel, 세로 83pixel are the compensation inductors. The LCC compensation circuit of TX1 comprises 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000017780012.bmp
원본 그림의 크기: 가로 86pixel, 세로 77pixel, 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000017780013.bmp
원본 그림의 크기: 가로 90pixel, 세로 83pixel, 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000017780014.bmp
원본 그림의 크기: 가로 65pixel, 세로 73pixel and 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000017780015.bmp
원본 그림의 크기: 가로 62pixel, 세로 71pixel, and TX2 has a similar structure. 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000017780016.bmp
원본 그림의 크기: 가로 120pixel, 세로 72pixel is the ESR of the MOSFET-based inverter, which is the sum of the MOSFET on-state drain-source resistances on the current conduction path. For the sake of simplicity, the ESRs are omitted in the following analyses except for the efficiency calculation. According to the basic design principle of the LCC compensation topology, 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000017780017.bmp
원본 그림의 크기: 가로 567pixel, 세로 121pixel, and the TX coil currents are controlled by the TX input voltages: 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000017780018.bmp
원본 그림의 크기: 가로 332pixel, 세로 134pixel ,그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000017780019.bmp
원본 그림의 크기: 가로 352pixel, 세로 137pixel [19]. On the RX side, 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001778001a.bmp
원본 그림의 크기: 가로 300pixel, 세로 128pixel, where 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001778001b.bmp
원본 그림의 크기: 가로 79pixel, 세로 58pixel is the operating frequency (그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001778001c.bmp
원본 그림의 크기: 가로 329pixel, 세로 58pixel rad/s). The RX coil current can be obtained as:

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001778001d.bmp
원본 그림의 크기: 가로 1288pixel, 세로 130pixel   (1)

To obtain a certain 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001778001e.bmp
원본 그림의 크기: 가로 120pixel, 세로 70pixel, many combinations of 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000017782705.bmp
원본 그림의 크기: 가로 82pixel, 세로 73pixel and 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000017780001.bmp
원본 그림의 크기: 가로 77pixel, 세로 70pixel can be used under the condition that 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001778001f.bmp
원본 그림의 크기: 가로 729pixel, 세로 95pixel is equal to a certain value.


그림입니다.
원본 그림의 이름: image3.png
원본 그림의 크기: 가로 1688pixel, 세로 829pixel

Fig. 3. Superposition of the three components in TX 1.


TX 1 is driven by three voltages: the inverter output voltage 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000017782705.bmp
원본 그림의 크기: 가로 82pixel, 세로 73pixel, the induced voltage 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000017780020.bmp
원본 그림의 크기: 가로 515pixel, 세로 76pixel, and 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000017780021.bmp
원본 그림의 크기: 가로 514pixel, 세로 75pixel. According to the superposition principle, which is shown in Fig. 3, the output current of inverter 1 can be obtained as:

그림입니다.
원본 그림의 이름: 2a.PNG
원본 그림의 크기: 가로 1068pixel, 세로 946pixel              (2a)

Similarly, the output current of inverter 2 is:

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000017780022.bmp
원본 그림의 크기: 가로 911pixel, 세로 307pixel           (2b)

Here, 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000017780023.bmp
원본 그림의 크기: 가로 411pixel, 세로 77pixel, 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000017780024.bmp
원본 그림의 크기: 가로 668pixel, 세로 133pixel.

Let 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000017780025.bmp
원본 그림의 크기: 가로 366pixel, 세로 82pixel and 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000017780026.bmp
원본 그림의 크기: 가로 366pixel, 세로 92pixel be the inverter output voltages. Then Equ. (2a) can be changed into:

그림입니다.
원본 그림의 이름: 3a.PNG
원본 그림의 크기: 가로 1348pixel, 세로 673pixel              (3a)

In addition, Equ. (2-b) is equivalent to:

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000017780028.bmp
원본 그림의 크기: 가로 1548pixel, 세로 311pixel       (3b)

Ideally, Eqns. (3a and b) should have zero imaginary parts to maximize the TX input power factors. To realize ZVS, the imaginary parts should be slightly negative, which can be realized by adjusting 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000017780012.bmp
원본 그림의 크기: 가로 86pixel, 세로 77pixel, 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000017780011.bmp
원본 그림의 크기: 가로 91pixel, 세로 83pixel, 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000017780014.bmp
원본 그림의 크기: 가로 65pixel, 세로 73pixel and 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001778000c.bmp
원본 그림의 크기: 가로 64pixel, 세로 69pixel. A smaller 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001778000b.bmp
원본 그림의 크기: 가로 66pixel, 세로 74pixel means a smaller 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000a183242.bmp
원본 그림의 크기: 가로 61pixel, 세로 72pixel (그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000a183242.bmp
원본 그림의 크기: 가로 61pixel, 세로 72pixel can be negative). Thus, reducing 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000017780014.bmp
원본 그림의 크기: 가로 65pixel, 세로 73pixel decreases 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000a180001.bmp
원본 그림의 크기: 가로 311pixel, 세로 87pixel, and vice versa. Similarly, 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001778000c.bmp
원본 그림의 크기: 가로 64pixel, 세로 69pixel can be used to regulate 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000a180002.bmp
원본 그림의 크기: 가로 309pixel, 세로 77pixel. In addition, 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000017780012.bmp
원본 그림의 크기: 가로 86pixel, 세로 77pixel and 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000017780011.bmp
원본 그림의 크기: 가로 91pixel, 세로 83pixel can also be adjusted. Apparently, the fully resonant LCC compensation topology [19] (그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000a180003.bmp
원본 그림의 크기: 가로 231pixel, 세로 79pixel, 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000a180004.bmp
원본 그림의 크기: 가로 237pixel, 세로 82pixel) is not suitable here.


B. Power Flow Path Analysis

Referring to Eqns. (3a and b), it is possible to obtain the input active power to each TX and the total input power:

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000017780029.bmp
원본 그림의 크기: 가로 1241pixel, 세로 433pixel            (4a)

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001778002a.bmp
원본 그림의 크기: 가로 1241pixel, 세로 431pixel           (4b)

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001778002b.bmp
원본 그림의 크기: 가로 922pixel, 세로 398pixel           (4c)

In the ST-EVWCS, there is only one power flow path from the TX coil to the RX coil. In Equ. (4c), there are direct power flow paths from the TXs to the RX and a cross- coupling term, which shows that 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000a180005.bmp
원본 그림의 크기: 가로 86pixel, 세로 71pixel is affected by 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000a180006.bmp
원본 그림의 크기: 가로 43pixel, 세로 61pixel.


C. Efficiency Analysis

A passive diode rectifier is adopted in the EVWCS. As a result, power loss on the RX side is determined when the output power and load resistance are fixed. This part focuses on two of the loss terms: the inverter conduction loss and the transmitter loss.

1) Transmitter Efficiency: Transmitter efficiency is defined by 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000a180007.bmp
원본 그림의 크기: 가로 569pixel, 세로 122pixel, where 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000a180008.bmp
원본 그림의 크기: 가로 146pixel, 세로 75pixel is the power consumed on the load resistor, and 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000a180009.bmp
원본 그림의 크기: 가로 190pixel, 세로 79pixel is the power dissipated on the TX coil ESRs. Strictly speaking, the power losses on the compensation inductors (그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000017780012.bmp
원본 그림의 크기: 가로 86pixel, 세로 77pixel and 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000017780011.bmp
원본 그림의 크기: 가로 91pixel, 세로 83pixel) should also be included here. However, they are included in the inverter loss group instead because 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000017780012.bmp
원본 그림의 크기: 가로 86pixel, 세로 77pixel and 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000017780011.bmp
원본 그림의 크기: 가로 91pixel, 세로 83pixel are in series with 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000a18000a.bmp
원본 그림의 크기: 가로 116pixel, 세로 70pixel. The power loss on the compensation capacitors is not considered because it is relatively negligible.

Using the law of cosines, the induced voltage in the RX coil is obtained as:

그림입니다.
원본 그림의 이름: 5.PNG
원본 그림의 크기: 가로 1069pixel, 세로 201pixel         (5)

Thus: 

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000a18000b.bmp
원본 그림의 크기: 가로 962pixel, 세로 404pixel             (6)

Here 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000a18000c.bmp
원본 그림의 크기: 가로 387pixel, 세로 74pixel is the TX coil current ratio. The derivative of Equ. (6) with respect to 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000a18000d.bmp
원본 그림의 크기: 가로 36pixel, 세로 49pixel is:

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000a18000e.bmp
원본 그림의 크기: 가로 1482pixel, 세로 274pixel         (7)

As can be seen in Fig. 11, 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000a18000f.bmp
원본 그림의 크기: 가로 163pixel, 세로 103pixel is necessary for effective LMF suppression. Therefore, only this case is considered here. The nominator of the second fraction in Equ. (7) is a quadratic function of 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000a18000d.bmp
원본 그림의 크기: 가로 36pixel, 세로 49pixel, whose leading coefficient is positive. The function value at 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000a180010.bmp
원본 그림의 크기: 가로 154pixel, 세로 58pixel is negative. Therefore, the derivative goes from negative to positive as 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000a18000d.bmp
원본 그림의 크기: 가로 36pixel, 세로 49pixel increases. Since a larger function value of Equ. (6) means a higher 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000a180012.bmp
원본 그림의 크기: 가로 165pixel, 세로 61pixel, the highest 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000a180012.bmp
원본 그림의 크기: 가로 165pixel, 세로 61pixel is obtained either at 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000a180010.bmp
원본 그림의 크기: 가로 154pixel, 세로 58pixel or 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000a180011.bmp
원본 그림의 크기: 가로 230pixel, 세로 62pixel. In the former case, 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000a180013.bmp
원본 그림의 크기: 가로 399pixel, 세로 129pixel; in the latter case, 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000a180014.bmp
원본 그림의 크기: 가로 399pixel, 세로 131pixel. These two values correspond to 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000017780005.bmp
원본 그림의 크기: 가로 69pixel, 세로 69pixel and 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000017780006.bmp
원본 그림의 크기: 가로 63pixel, 세로 70pixel working alone on the TX side. Therefore, the transmitter efficiency of the DT-EVWCS working in the LMF suppression mode should be slightly lower than that of the ST-EVWCS. In this paper, the difference between the ST-EVWCS and the DT-EVWCS is that the former has a single TX (TX1) and this TX uses the fully resonant LCC compensation topology.

2) Inverter Efficiency: Inverter efficiency is defined as 그림입니다.
원본 그림의 이름: 3333333.PNG
원본 그림의 크기: 가로 475pixel, 세로 124pixel, where 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000a180015.bmp
원본 그림의 크기: 가로 83pixel, 세로 78pixel is defined in Equ. (4c), and 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000a180016.bmp
원본 그림의 크기: 가로 208pixel, 세로 83pixel is the conduction loss on 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000a180017.bmp
원본 그림의 크기: 가로 117pixel, 세로 78pixel and the ESRs of 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000017780012.bmp
원본 그림의 크기: 가로 86pixel, 세로 77pixel and 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000017780011.bmp
원본 그림의 크기: 가로 91pixel, 세로 83pixel. Under the soft-switching (ZVS) condition, there is virtually no overlap of the drain-source voltage and drain current at switching instants. Therefore, switching loss is not considered here because ZVS is pursued in this paper. Assuming that the two inverters are identical, 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000a180018.bmp
원본 그림의 크기: 가로 208pixel, 세로 78pixel is obtained as:

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000a180019.bmp
원본 그림의 크기: 가로 1050pixel, 세로 319pixel        (8)

Here 그림입니다.
원본 그림의 이름: image48.png
원본 그림의 크기: 가로 477pixel, 세로 144pixel and 그림입니다.
원본 그림의 이름: image49.png
원본 그림의 크기: 가로 512pixel, 세로 144pixel are the TX input power factors. They should be close to unity to improve inverter efficiency. Obviously, 그림입니다.
원본 그림의 이름: image50.png
원본 그림의 크기: 가로 306pixel, 세로 249pixel and 그림입니다.
원본 그림의 이름: image51.png
원본 그림의 크기: 가로 341pixel, 세로 249pixel can be raised to lower 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000a18001a.bmp
원본 그림의 크기: 가로 200pixel, 세로 76pixel, which can be realized by increasing 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000017780012.bmp
원본 그림의 크기: 가로 86pixel, 세로 77pixel and 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000017780011.bmp
원본 그림의 크기: 가로 91pixel, 세로 83pixel in the LCC compensation circuits. Nevertheless, the penalty is a lower output power under a limited DC-link voltage (Equ. (4c)).

It is possible for the DT-EVWCS to a achieve higher 그림입니다.
원본 그림의 이름: image52.png
원본 그림의 크기: 가로 306pixel, 세로 145pixel than the ST-EVWCS when the inverters used in both systems are identical. This can be roughly explained by the following inequality: 그림입니다.
원본 그림의 이름: image53.png
원본 그림의 크기: 가로 1872pixel, 세로 270pixel. When 그림입니다.
원본 그림의 이름: image54.png
원본 그림의 크기: 가로 897pixel, 세로 209pixel, 그림입니다.
원본 그림의 이름: image55.png
원본 그림의 크기: 가로 1425pixel, 세로 187pixel and the two inverter output voltages in the DT-EVWCS are equal to those in the ST-EVWCS, the DT-EVWCS has a lower 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000a18001a.bmp
원본 그림의 크기: 가로 200pixel, 세로 76pixel. Since the inverter output voltages are actually higher in the DT-EVWCS (see part B of section IV), the difference in 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000a18001a.bmp
원본 그림의 크기: 가로 200pixel, 세로 76pixel between the two systems is larger than that indicated by this inequality.


D. Principles of LMF Suppression

On a specific measurement point in the intended shielding region (ISR, Fig. 6), the magnetic flux density phasor 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000a18001b.bmp
원본 그림의 크기: 가로 147pixel, 세로 73pixel is the sum of three components, each contributed by a separate coil. In addition, the amplitude 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000a18001c.bmp
원본 그림의 크기: 가로 134pixel, 세로 75pixel can be calculated as:

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000a18001d.bmp
원본 그림의 크기: 가로 1427pixel, 세로 413pixel          (9)

Here 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000a18001e.bmp
원본 그림의 크기: 가로 84pixel, 세로 92pixel, 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000a18001f.bmp
원본 그림의 크기: 가로 86pixel, 세로 90pixel and 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000a180020.bmp
원본 그림의 크기: 가로 82pixel, 세로 87pixel are called magnetic flux density coefficients (MFDCs), which is defined as the magnetic flux density vector generated by 1 ampere of current in a coil when all of the other coil currents are zero. Clearly, the MFDC is a space vector and a function of the measurement position. 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000a180021.bmp
원본 그림의 크기: 가로 139pixel, 세로 70pixel is a function of three independent variables: 그림입니다.
원본 그림의 이름: image65.png
원본 그림의 크기: 가로 360pixel, 세로 249pixel, 그림입니다.
원본 그림의 이름: image66.png
원본 그림의 크기: 가로 377pixel, 세로 249pixel and 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000a180006.bmp
원본 그림의 크기: 가로 43pixel, 세로 61pixel. After the output power constraint in Equ. (1) is imposed, there are two degrees of freedom left.

In the EVWCS prototype, due to the existence of a large metal plate that is used to simulate the car chassis, the magnetic flux lines generated by the three coils are almost coincident when the coil sizes are not too large and the coils are perfectly aligned (Fig. 7(a)). Thus, 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000a180022.bmp
원본 그림의 크기: 가로 78pixel, 세로 89pixel can be simplified as a scalar and the scalar form is adopted in the rest of this paper. Referring to Equ. (1), it is possible to rewrite Equ. (9) in two forms:

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000a180024.bmp
원본 그림의 크기: 가로 1373pixel, 세로 413pixel           (10a)

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000a180025.bmp
원본 그림의 크기: 가로 1361pixel, 세로 413pixel           (10b)

When there is no restriction on the coil currents, any value of 그림입니다.
원본 그림의 이름: image57.png
원본 그림의 크기: 가로 377pixel, 세로 186pixel is attainable. Specifically, “그림입니다.
원본 그림의 이름: image80.png
원본 그림의 크기: 가로 673pixel, 세로 188pixel” is called the perfect LMF suppression (PLMFS) working point in this paper. Under this condition, 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000a180026.bmp
원본 그림의 크기: 가로 90pixel, 세로 70pixel and 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000a180027.bmp
원본 그림의 크기: 가로 90pixel, 세로 74pixel can be solved as:

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000a180028.bmp
원본 그림의 크기: 가로 678pixel, 세로 134pixel                         (11a)

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000a180029.bmp
원본 그림의 크기: 가로 671pixel, 세로 144pixel                        (11b)

For a given 그림입니다.
원본 그림의 이름: image85.png
원본 그림의 크기: 가로 709pixel, 세로 188pixel, there are many possible combinations of 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000a18002a.bmp
원본 그림의 크기: 가로 88pixel, 세로 77pixel and 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000a18002b.bmp
원본 그림의 크기: 가로 89pixel, 세로 71pixel that make 그림입니다.
원본 그림의 이름: image86.png
원본 그림의 크기: 가로 924pixel, 세로 186pixel. To maximize efficiency, a proper control strategy is needed, which will be developed in Section Ⅲ. Fig. 4 shows the LMF suppression principle using phasor diagrams. Multiplying 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000a18002c.bmp
원본 그림의 크기: 가로 77pixel, 세로 70pixel and 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000a18002d.bmp
원본 그림의 크기: 가로 58pixel, 세로 70pixel yields the magnetic flux density phasors in Fig. 4(a). In addition, the two induced voltage components in the RX coil and the two magnetic flux density phasor components are also shown. In Fig. 4(b), 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000a18002e.bmp
원본 그림의 크기: 가로 146pixel, 세로 80pixel is the sum of three phasors. When 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000a18002f.bmp
원본 그림의 크기: 가로 160pixel, 세로 72pixel becomes stricter, the highest achievable 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000a180030.bmp
원본 그림의 크기: 가로 167pixel, 세로 63pixel becomes lower. The reason for this is simple. If there is no 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000a18002f.bmp
원본 그림의 크기: 가로 160pixel, 세로 72pixel restriction, the maximum 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000a180030.bmp
원본 그림의 크기: 가로 167pixel, 세로 63pixel is obtained at 그림입니다.
원본 그림의 이름: image90.png
원본 그림의 크기: 가로 441pixel, 세로 140pixel (Equ. (6)). However, 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000a180006.bmp
원본 그림의 크기: 가로 43pixel, 세로 61pixel should be greater than 그림입니다.
원본 그림의 이름: image91.png
원본 그림의 크기: 가로 207pixel, 세로 369pixel to suppress 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000a180031.bmp
원본 그림의 크기: 가로 136pixel, 세로 69pixel. Thus, there exists a trade-off between 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000a180030.bmp
원본 그림의 크기: 가로 167pixel, 세로 63pixel and 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000a180031.bmp
원본 그림의 크기: 가로 136pixel, 세로 69pixel.


Fig. 4. Phasor diagram of the LMF suppression principle. (a) Phasor components. (b) Calculation of 그림입니다..

그림입니다.
원본 그림의 이름: image69.png
원본 그림의 크기: 가로 1738pixel, 세로 800pixel

(a)

그림입니다.
원본 그림의 이름: image70.png
원본 그림의 크기: 가로 1922pixel, 세로 797pixel

(b)


In comparison, the ST-EVWCS has only two coil current phasors. There is only one control variable (the inverter output voltage). Therefore, after the output power constraint is imposed there are no degrees of freedom left. To realize PLMFS, the two coil current phasors need to be opposite in direction and identical in magnitude. Otherwise, they should be null phasors themselves. Both of these conditions are hard to satisfy because the coil current phasors are orthogonal 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000017380001.bmp
원본 그림의 크기: 가로 471pixel, 세로 119pixel when 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000017380002.bmp
원본 그림의 크기: 가로 69pixel, 세로 69pixel and 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000017380003.bmp
원본 그림의 크기: 가로 62pixel, 세로 70pixel resonate. Hence, there should be an upper limit in the LMF suppression capability for the ST-EVWCS.



III. LMF SUPPRESSION PRINCIPLE


A. LMF Distribution Patterns

Finite element analysis (FEA) is used to simulate the LMF distribution patterns, i.e., the direction and magnitude of the magnetic flux density vectors in the ISR generated by the unit coil currents. The geometric parameters of the EVWCS prototype are listed in Table I. The geometry of the single- layer circular coils, which are made of Litz wire, is shown in Fig. 8(a). A large steel plate on the RX side is used to simulate the car chassis. The TX coil and RX coil are separated by roughly 150mm in the vertical direction, and the ferrite slabs on both sides are arranged as illustrated in Fig. 5.


TABLE I GEOMETRIC PARAMETERS OF THE EVWCS PROTOTYPE

Parameter

Quantity

Value

Wsteel

Steel plate width

1800mm

Lsteel

Steel plate length

1000mm

Tsteel

Steel plate thickness

1mm

WAl

Aluminum plate width

800mm

LAl

Aluminum plate length

800mm

TAl

Aluminum plate thickness

2mm

N1

Turn number of coil 1

17

N2

Turn number of coil 2

8

N3

Turn number of coil 3

17

r1

Inner radius of coil 1

180mm

r2

Inner radius of coil 2 

297mm

r3

Inner radius of coil 3

180mm

R1

Outer radius of coil 1

245mm

R2

Outer radius of coil 2

325mm

R3

Outer radius of coil 3

245mm

그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000ff83dd3.bmp
원본 그림의 크기: 가로 42pixel, 세로 52pixelr

Relative permeability of ferrite

3300


Fig. 5. FEA model. (a) Front view. (b) Bottom view.

그림입니다.
원본 그림의 이름: image71.png
원본 그림의 크기: 가로 2106pixel, 세로 794pixel

(a)

그림입니다.
원본 그림의 이름: image72.png
원본 그림의 크기: 가로 1367pixel, 세로 771pixel

(b)


그림입니다.
원본 그림의 이름: A.jpg
원본 그림의 크기: 가로 4538pixel, 세로 4819pixel
사진 찍은 날짜: 2019년 05월 22일 오후 4:38

Fig. 6. Intended shielding region and measurement point locations. (a) Definition of ISR. (b) Measurement points.


Fig. 7. Simulated LMF distribution patterns. (a) Magnetic flux lines of coils 1-3. (b) Magnetic flux lines of coil 1 and the side-mounted coil. (c) MFDC ratios. (d) Magnetic flux density distribution of coil 1.

그림입니다.
원본 그림의 이름: image95.png
원본 그림의 크기: 가로 2146pixel, 세로 1083pixel

(a)

그림입니다.
원본 그림의 이름: image96.png
원본 그림의 크기: 가로 2177pixel, 세로 1094pixel

(b)

그림입니다.
원본 그림의 이름: image97.png
원본 그림의 크기: 가로 2115pixel, 세로 1005pixel

(c)

그림입니다.
원본 그림의 이름: image98.png
원본 그림의 크기: 가로 1746pixel, 세로 842pixel

(d)


Fig. 8. Coil geometry and measured MFDCs. (a) Coil structure. (b) Measured MFDCs.

그림입니다.
원본 그림의 이름: image99.png
원본 그림의 크기: 가로 808pixel, 세로 395pixel

(a)

그림입니다.
원본 그림의 이름: image100.png
원본 그림의 크기: 가로 2021pixel, 세로 990pixel

(b)


Some simplifications are made in the FEA model. The thicknesses of the steel plate and aluminum plate, which are 1mm and 2mm, are changed to 10mm and 5mm, respectively. Otherwise, a very fine mesh is required due to the large length-to-thickness ratio of the steel plate (1800:1). 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000017780015.bmp
원본 그림의 크기: 가로 62pixel, 세로 71pixel, 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000017780006.bmp
원본 그림의 크기: 가로 63pixel, 세로 70pixel and 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP000017380002.bmp
원본 그림의 크기: 가로 69pixel, 세로 69pixel have only one turn in the FEA model, with diameters of 210mm, 310mm and 210mm, respectively. This is also for reducing the model complexity. Due to the employed simplifications, the FEA results are only used to show the overall trend. In Fig. 5, there is also a side-mounted rectangular coil, which is only used for the LMF calculation and is absent in the prototype. The FEA is conducted on COMSOL Multiphysics. The ISR and the measurement points are shown in Fig. 6. The ISR is part of the space outside the car where users are likely to enter under normal circumstances. This should include the regions where the highest LMF strength appears. It is verified in Fig. 7(d) that the ISR chosen in Fig. 6 can satisfy this requirement.

Simulated LMF distribution patterns are shown in Fig. 7. The MFDC of coil i is obtained when the current in coil i is nonzero and all of the other coil currents are zero. Because coils 1 and 3 have 17 turns in the prototype but only 1 turn in the FEA model, a 17A current is injected into each of them. For coil 2, 7A is injected, where “7” is the originally-chosen turn number of coil 2 (later on “7” is changed to “8” in the prototype). When there is no coil misalignment, the magnetic field vectors generated by the three coils have almost the same directions at all of the points in the ISR. It is worth noting that without the steel plate, the flux lines no longer coincide. When the diameter of coil 2 increases, its flux lines also tend to diverge from those of coil 1. If coil 2 is mounted in other ways, such as the side-mounted type proposed in Fig. 9 in [14], the LMF distribution pattern of coil 2 is different from that of the other coils. Apparently, the flux lines intersect each other. This shows that perfect LMF suppression is impossible because the sum of two non-parallel space vectors cannot be a null vector unless both of them are null vectors. Theoretically, there should be an upper limit to the LMF suppression capability. The geometric parameters of the single-turn side-mounted coil are shown in Fig. 5. Therefore, the “coincident flux lines” are a precondition for a highly effective LMF suppression. In Fig. 7(c), the MFDC ratios are nearly constant, which is another precondition for high LMF suppression effectiveness. Here 그림입니다.
원본 그림의 이름: image105.png
원본 그림의 크기: 가로 1192pixel, 세로 187pixel and 그림입니다.
원본 그림의 이름: image106.png
원본 그림의 크기: 가로 1210pixel, 세로 188pixel. Constant MFDC ratios, combined with Equ. (10-a), leads to the fact that if 그림입니다.
원본 그림의 이름: image107.png
원본 그림의 크기: 가로 243pixel, 세로 185pixel on point A is x times that on point B, then 그림입니다.
원본 그림의 이름: image57.png
원본 그림의 크기: 가로 377pixel, 세로 186pixel on point A is also x times that on point B (here A and B are two arbitrary points in the ISR). Theoretically, only the 그림입니다.
원본 그림의 이름: image57.png
원본 그림의 크기: 가로 377pixel, 세로 186pixel on one measurement point is required to evaluate the LMF suppression effectiveness in the whole ISR. If the MFDC ratios are not constant, there exist at least two points in the ISR whose 그림입니다.
원본 그림의 이름: image57.png
원본 그림의 크기: 가로 377pixel, 세로 186pixel cannot simultaneously reach a sufficiently low value. Due to symmetry, only the measurement planes 1-3 need to be analyzed. In Fig. 7(c), among all of the measurement points, mp32 has the highest MFDCs (그림입니다.
원본 그림의 이름: image107.png
원본 그림의 크기: 가로 243pixel, 세로 185pixel, 그림입니다.
원본 그림의 이름: image108.png
원본 그림의 크기: 가로 262pixel, 세로 185pixel and 그림입니다.
원본 그림의 이름: image109.png
원본 그림의 크기: 가로 262pixel, 세로 186pixel are 0.2275, 0.2745 and 0.1316 μT/A, respectively). As a result, this point is chosen as a representative. If 그림입니다.
원본 그림의 이름: image57.png
원본 그림의 크기: 가로 377pixel, 세로 186pixel is below 그림입니다.
원본 그림의 이름: image89.png
원본 그림의 크기: 가로 396pixel, 세로 186pixel on mp32, then theoretically 그림입니다.
원본 그림의 이름: image57.png
원본 그림의 크기: 가로 377pixel, 세로 186pixel should be still lower on other points.


Fig. 9. Summation of induced voltage phasors. (a) 그림입니다.. (b) 그림입니다..

그림입니다.
원본 그림의 이름: image101.png
원본 그림의 크기: 가로 1525pixel, 세로 663pixel

(a)

그림입니다.
원본 그림의 이름: image102.png
원본 그림의 크기: 가로 1531pixel, 세로 625pixel

(b)


In Fig. 8(b), the MFDCs are obtained by measuring the magnetic flux density using a Narda EHP-50 TS when a 1A-amplitude sinusoidal current (85kHz) is injected into the coil under test and the other coils are open-circuited.

According to the linear fitting result, 그림입니다.
원본 그림의 이름: image110.png
원본 그림의 크기: 가로 324pixel, 세로 463pixel and 그림입니다.
원본 그림의 이름: image111.png
원본 그림의 크기: 가로 306pixel, 세로 463pixel are assumed to be 1.0094 and 0.4778. The strongest LMF strength among all of the measurement points appears on mp32, whose MFDCs are 0.2715, 0.2711 and 0.1309 μT/A, respectively.


B. Control Strategy

When optimizing the three control variables, it is necessary to pay attention to the following two constraints: output power requirement and 그림입니다.
원본 그림의 이름: image86.png
원본 그림의 크기: 가로 924pixel, 세로 186pixel. The number of control variables is three, so there is still one degree of freedom left. This offers the possibility of efficiency optimization.

The optimum combination of 그림입니다.
원본 그림의 이름: image81.png
원본 그림의 크기: 가로 279pixel, 세로 185pixel and 그림입니다.
원본 그림의 이름: image82.png
원본 그림의 크기: 가로 298pixel, 세로 185pixel is hard to solve analytically. However, the following calculation procedure is applicable. Table II gives the electrical parameters, some of which will be used in the calculation. The coil ESRs are measured with an Agilent U1733C at 100kHz (because it does not work at 85kHz).


TABLE II ELECTRICAL PARAMETERS OF THE EVWCS PROTOTYPE

Parameter

Quantity

Value

L1

Coil 1 inductance

324.5μH

L2

Coil 2 inductance

93.2μH

L3

Coil 3 inductance

282.3μH

RL1

ESR of coil 1

0.54Ω

RL2

ESR of coil 2

0.11Ω

RL3

ESR of coil 3

0.55Ω

Lf1

Compensation inductor 1

40μH

Lf2

Compensation inductor 2

20μH

RLf1

ESR of Lf1

0.10Ω

RLf2

ESR of Lf2

0.07Ω

Cf1

Parallel capacitor 1

87.65nF

Cf2

Parallel capacitor 2

175.3nF

C1

Series capacitor 1

11nF

C2

Series capacitor 2 

100nF

C3

Series capacitor 3

12.42nF

Udc

Maximum DC link voltage

120V

Rload

Load resistance

20Ω

Rinv

Inverter equivalent resistance

0.12Ω

POUT

Output power

1kW

M12

Mutual inductance 1-2

42.2μH

M23

Mutual inductance 2-3

21.9μH

M13

Mutual inductance 1-3

75.3μH


Step 1. Set the initial value of 그림입니다.
원본 그림의 이름: image23.png
원본 그림의 크기: 가로 163pixel, 세로 142pixel and calculate the highest possible current amplitude 그림입니다.
원본 그림의 이름: image112.png
원본 그림의 크기: 가로 557pixel, 세로 254pixel under this 그림입니다.
원본 그림의 이름: image23.png
원본 그림의 크기: 가로 163pixel, 세로 142pixel. For 그림입니다.
원본 그림의 이름: image103.png
원본 그림의 크기: 가로 826pixel, 세로 369pixel, 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000a180032.bmp
원본 그림의 크기: 가로 448pixel, 세로 126pixel. For 그림입니다.
원본 그림의 이름: image104.png
원본 그림의 크기: 가로 843pixel, 세로 369pixel, 그림입니다.
원본 그림의 이름: image114.png
원본 그림의 크기: 가로 1855pixel, 세로 539pixel. This principle is illustrated in Fig. 9. In the first case, the gap between 그림입니다.
원본 그림의 이름: image115.png
원본 그림의 크기: 가로 360pixel, 세로 249pixel and 그림입니다.
원본 그림의 이름: image65.png
원본 그림의 크기: 가로 360pixel, 세로 249pixel widens as 그림입니다.
원본 그림의 이름: image66.png
원본 그림의 크기: 가로 377pixel, 세로 249pixel increases. Thus, the maximum 그림입니다.
원본 그림의 이름: image65.png
원본 그림의 크기: 가로 360pixel, 세로 249pixel under a given 그림입니다.
원본 그림의 이름: image115.png
원본 그림의 크기: 가로 360pixel, 세로 249pixel is achieved when 그림입니다.
원본 그림의 이름: image66.png
원본 그림의 크기: 가로 377pixel, 세로 249pixel decreases to zero. In the second case, according to the sine theorem, 그림입니다.
원본 그림의 이름: image116.png
원본 그림의 크기: 가로 2956pixel, 세로 539pixel. Therefore, 그림입니다.
원본 그림의 이름: image117.png
원본 그림의 크기: 가로 396pixel, 세로 249pixel is maximized at 그림입니다.
원본 그림의 이름: image118.png
원본 그림의 크기: 가로 539pixel, 세로 369pixel.

Step 2. Decrease 그림입니다.
원본 그림의 이름: image65.png
원본 그림의 크기: 가로 360pixel, 세로 249pixel by an iteration step and calculate 그림입니다.
원본 그림의 이름: image66.png
원본 그림의 크기: 가로 377pixel, 세로 249pixel so that 그림입니다.
원본 그림의 이름: image119.png
원본 그림의 크기: 가로 2427pixel, 세로 516pixel can meet the output power requirement. As mentioned above, 그림입니다.
원본 그림의 이름: image57.png
원본 그림의 크기: 가로 377pixel, 세로 186pixel is a function of the three control variables 그림입니다.
원본 그림의 이름: image65.png
원본 그림의 크기: 가로 360pixel, 세로 249pixel, 그림입니다.
원본 그림의 이름: image66.png
원본 그림의 크기: 가로 377pixel, 세로 249pixel and 그림입니다.
원본 그림의 이름: image23.png
원본 그림의 크기: 가로 163pixel, 세로 142pixel. Since 그림입니다.
원본 그림의 이름: image23.png
원본 그림의 크기: 가로 163pixel, 세로 142pixel is given in Step 1 and 그림입니다.
원본 그림의 이름: image65.png
원본 그림의 크기: 가로 360pixel, 세로 249pixel is given here, and because of the output power constraint, all three of the degrees of freedom are consumed. Thus, 그림입니다.
원본 그림의 이름: image57.png
원본 그림의 크기: 가로 377pixel, 세로 186pixel can be uniquely determined.

Step 3. Calculate 그림입니다.
원본 그림의 이름: image57.png
원본 그림의 크기: 가로 377pixel, 세로 186pixel using Equ. (10a), and check whether 그림입니다.
원본 그림의 이름: image120.png
원본 그림의 크기: 가로 924pixel, 세로 186pixel. If so, calculate 그림입니다.
원본 그림의 이름: image38.png
원본 그림의 크기: 가로 396pixel, 세로 145pixel with the help of Equ. (6), and calculate 그림입니다.
원본 그림의 이름: image52.png
원본 그림의 크기: 가로 306pixel, 세로 145pixel with the help of Equ. (8), otherwise discard this combination. Then return to Step 2.

Step 4. When 그림입니다.
원본 그림의 이름: image65.png
원본 그림의 크기: 가로 360pixel, 세로 249pixel reaches 0, this increase or decrease 그림입니다.
원본 그림의 이름: image23.png
원본 그림의 크기: 가로 163pixel, 세로 142pixel by an iteration step. Then return to Step 1. After all of the reasonable 그림입니다.
원본 그림의 이름: image23.png
원본 그림의 크기: 가로 163pixel, 세로 142pixel values have been tested, pick the combination of 그림입니다.
원본 그림의 이름: image23.png
원본 그림의 크기: 가로 163pixel, 세로 142pixel, 그림입니다.
원본 그림의 이름: image65.png
원본 그림의 크기: 가로 360pixel, 세로 249pixel and 그림입니다.
원본 그림의 이름: image66.png
원본 그림의 크기: 가로 377pixel, 세로 249pixel that results in the highest 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000a180033.bmp
원본 그림의 크기: 가로 336pixel, 세로 75pixel.

Based on these four steps, an open-loop and a close-loop control scheme are proposed and shown in Fig. 10. The former is suitable for applications where the MFDCs, mutual inductances and ESRs are known or can be accurately estimated. 그림입니다.
원본 그림의 이름: image89.png
원본 그림의 크기: 가로 396pixel, 세로 186pixel is a given constant, 그림입니다.
원본 그림의 이름: image122.png
원본 그림의 크기: 가로 396pixel, 세로 187pixel is determined by the charging status, and 그림입니다.
원본 그림의 이름: image123.png
원본 그림의 크기: 가로 262pixel, 세로 185pixel can be calculated from the RX-side information. Based on these quantities, the control strategy in Step 1 – Step 4 can be used to obtain the optimum 그림입니다.
원본 그림의 이름: image124.png
원본 그림의 크기: 가로 1121pixel, 세로 249pixel combination. Phase shift control and DC-link voltage control are used together to generate the desired 그림입니다.
원본 그림의 이름: image125.png
원본 그림의 크기: 가로 1058pixel, 세로 249pixel parameters. The close-loop control in Fig. 10(b), uses a feedback mechanism. As a result, the “constants” in Fig. 10(a) are not required. There are two constraints: 그림입니다.
원본 그림의 이름: image126.png
원본 그림의 크기: 가로 960pixel, 세로 224pixel and 그림입니다.
원본 그림의 이름: image86.png
원본 그림의 크기: 가로 924pixel, 세로 186pixel. The efficiency maximization algorithm decreases 그림입니다.
원본 그림의 이름: image23.png
원본 그림의 크기: 가로 163pixel, 세로 142pixel when 그림입니다.
원본 그림의 이름: image57.png
원본 그림의 크기: 가로 377pixel, 세로 186pixel is low enough and it searches for the optimum 그림입니다.
원본 그림의 이름: image127.png
원본 그림의 크기: 가로 778pixel, 세로 249pixel combination to maximize efficiency while maintaining the required output power. When 그림입니다.
원본 그림의 이름: image128.png
원본 그림의 크기: 가로 924pixel, 세로 186pixel, 그림입니다.
원본 그림의 이름: image23.png
원본 그림의 크기: 가로 163pixel, 세로 142pixel should be increased. In practice, the 그림입니다.
원본 그림의 이름: image129.png
원본 그림의 크기: 가로 690pixel, 세로 192pixel curve in Fig. 11(a), which is the basis of the control algorithm, should be smoothed to make 그림입니다.
원본 그림의 이름: image23.png
원본 그림의 크기: 가로 163pixel, 세로 142pixel a monotonic function of 그림입니다.
원본 그림의 이름: image89.png
원본 그림의 크기: 가로 396pixel, 세로 186pixel.


Fig. 10. Control block diagrams. (a) Open-loop control. (b) Close-loop control.

그림입니다.
원본 그림의 이름: image130.png
원본 그림의 크기: 가로 1621pixel, 세로 854pixel

(a)

그림입니다.
원본 그림의 이름: image131.png
원본 그림의 크기: 가로 1563pixel, 세로 788pixel

(b)


Fig. 11. Calculated control variables. (a) TX input voltage. (b) TX input current and impedance angle.

그림입니다.
원본 그림의 이름: image135.png
원본 그림의 크기: 가로 2089pixel, 세로 1104pixel

(a)

그림입니다.
원본 그림의 이름: image136.png
원본 그림의 크기: 가로 2089pixel, 세로 1104pixel

(b)


Open-loop control is used in this paper. For the DT- EVWCS, the optimum control variables are shown in Fig. 11. When 그림입니다.
원본 그림의 이름: image89.png
원본 그림의 크기: 가로 396pixel, 세로 186pixel gets less strict, the overall trend is that the optimum 그림입니다.
원본 그림의 이름: image23.png
원본 그림의 크기: 가로 163pixel, 세로 142pixel decreases and the DC to DC efficiency increases. However, after 그림입니다.
원본 그림의 이름: image89.png
원본 그림의 크기: 가로 396pixel, 세로 186pixel increases beyond 1.23μT, 그림입니다.
원본 그림의 이름: image23.png
원본 그림의 크기: 가로 163pixel, 세로 142pixel no longer decreases. This is due to the four compensation parameters 그림입니다.
원본 그림의 이름: image4.png
원본 그림의 크기: 가로 298pixel, 세로 209pixel, 그림입니다.
원본 그림의 이름: image5.png
원본 그림의 크기: 가로 306pixel, 세로 209pixel, 그림입니다.
원본 그림의 이름: image6.png
원본 그림의 크기: 가로 226pixel, 세로 188pixel and 그림입니다.
원본 그림의 이름: image7.png
원본 그림의 크기: 가로 243pixel, 세로 188pixel, whose impact on the TX input power factors were explained in part A of section II, are designed in such a way that the unity power factor of both TXs are reached at 그림입니다.
원본 그림의 이름: image132.png
원본 그림의 크기: 가로 1175pixel, 세로 188pixel. If 그림입니다.
원본 그림의 이름: image23.png
원본 그림의 크기: 가로 163pixel, 세로 142pixel is further decreased, a lower 그림입니다.
원본 그림의 이름: image52.png
원본 그림의 크기: 가로 306pixel, 세로 145pixel is obtained due to the lower TX input power factors. However, 그림입니다.
원본 그림의 이름: image38.png
원본 그림의 크기: 가로 396pixel, 세로 145pixel might increase. In real applications, another reason for not further decreasing 그림입니다.
원본 그림의 이름: image23.png
원본 그림의 크기: 가로 163pixel, 세로 142pixel is the ZVS condition. The TX input impedance angle becomes negative when 그림입니다.
원본 그림의 이름: image23.png
원본 그림의 크기: 가로 163pixel, 세로 142pixel decreases further, which can also be inferred from Fig. 11(b). The highest theoretical DC to DC efficiency is achieved at the 그림입니다.
원본 그림의 이름: image133.png
원본 그림의 크기: 가로 807pixel, 세로 142pixel point, where both of the TXs have a nearly unity input power factor. Here the receiver efficiency (그림입니다.
원본 그림의 이름: image134.png
원본 그림의 크기: 가로 1371pixel, 세로 490pixel) is also taken into consideration in the efficiency calculation. However, the rectifier loss is not considered. Fig. 14(b) shows that the LMF on mp32 in the DT-EVWCS can be as low as 0.02μT, which is less than 2% of that in the ST-EVWCS. This means that the LMF can meet strict 그림입니다.
원본 그림의 이름: image89.png
원본 그림의 크기: 가로 396pixel, 세로 186pixel constraints even at extremely high output power levels. In theory, the LMF strength can reach 0 when the two conditions in Eqns. (11a and b) are satisfied. However, this is not realized here due to discontinuity in the iteration process. In practical applications, the lowest achievable 그림입니다.
원본 그림의 이름: image57.png
원본 그림의 크기: 가로 377pixel, 세로 186pixel is limited by the voltage regulation accuracy of the inverters. Based on the calculated efficiency-그림입니다.
원본 그림의 이름: image89.png
원본 그림의 크기: 가로 396pixel, 세로 186pixel curve (at 그림입니다.
원본 그림의 이름: image138.png
원본 그림의 크기: 가로 960pixel, 세로 193pixel) in Fig. 14(a), the theoretical efficiency-그림입니다.
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원본 그림의 크기: 가로 396pixel, 세로 187pixel curve (at 그림입니다.
원본 그림의 이름: image139.png
원본 그림의 크기: 가로 1210pixel, 세로 188pixel) is shown in Fig. 12. It is assumed that 그림입니다.
원본 그림의 이름: image122.png
원본 그림의 크기: 가로 396pixel, 세로 187pixel is a quadratic function of the coil current amplitudes, while 그림입니다.
원본 그림의 이름: image57.png
원본 그림의 크기: 가로 377pixel, 세로 186pixel is a linear function of them. Of course, a real WPT system might exhibit very different behavior under very high-power levels, and the DC link voltage and phase shift angle might deviate from the trajectories in Fig. 11. Thus, Fig. 12 shows only the possible trend. Due to electrical stress and thermal stress considerations, 그림입니다.
원본 그림의 이름: image122.png
원본 그림의 크기: 가로 396pixel, 세로 187pixel is fixed at 1kW in the experiments.


그림입니다.
원본 그림의 이름: image137.png
원본 그림의 크기: 가로 3021pixel, 세로 1604pixel

Fig. 12. Theoretical efficiency versus output power at Blimit =0.85그림입니다.T.


Fig. 13. Experimental setup. (a) Whole system. (b) Measurement position.

그림입니다.
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원본 그림의 크기: 가로 1050pixel, 세로 1050pixel

(a)

그림입니다.
원본 그림의 이름: image142.png
원본 그림의 크기: 가로 1069pixel, 세로 1069pixel

(b)


Fig. 14. Calculated and measured efficiency and LMF strength on mp32 in the DT-EVWCS and ST-EVWCS. (a) DC-to-DC efficiency. (b) LMF strength.

그림입니다.
원본 그림의 이름: image148.png
원본 그림의 크기: 가로 1671pixel, 세로 879pixel

(a)

그림입니다.
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원본 그림의 크기: 가로 1671pixel, 세로 883pixel

(b)



IV. MEASUREMENT RESULTS


A. Experimental Setup

The geometric parameters of the EVWCS prototype are shown in Fig. 5 and Table I. The electrical parameters are given in Table II. The ST-EVWCS is identical to the DT- EVWCS, except that it has no TX2 or inverter 2, and it uses the fully resonant LCC compensation topology in TX1 (그림입니다.
원본 그림의 이름: image140.png
원본 그림의 크기: 가로 1112pixel, 세로 188pixel). Meanwhile in the DT-EVWCS the compensation capacitor 그림입니다.
원본 그림의 이름: image6.png
원본 그림의 크기: 가로 226pixel, 세로 188pixel is redesigned (그림입니다.
원본 그림의 이름: image143.png
원본 그림의 크기: 가로 843pixel, 세로 188pixel). SiC MOSFETs with Rds,on=0.12Ω (Cree C3M0120090J) are used in both of the inverters (그림입니다.
원본 그림의 이름: image144.png
원본 그림의 크기: 가로 405pixel, 세로 134pixel MOSFETs in each leg), which are connected to the same DC source (maximum 그림입니다.
원본 그림의 이름: image145.png
원본 그림의 크기: 가로 306pixel, 세로 186pixel=120V). The rectifier diodes on the RX side are IXYS DPG15I400PM. Phase shift control is used to regulate the inverter output voltage and the output power is fixed at 1kW. Meanwhile, the DC link voltage is manually regulated. A Teledyne LeCroy Waverunner 610Zi is used for signal measurement. The LMF strength is measured using a NARDA EHP-50 TS. The two inverters in the DT-EVWCS are controlled by the same DSP (TMS320F28335) controller. As a result, driving signal synchronization is easily achieved. The experimental setup is shown in Fig. 13.


B. Measurement Results

In the ST-EVWCS, the DC link voltage is increased gradually until the output power reaches 1kW while the inverter conduction angle is fixed at 180 degrees. Inverter soft switching is realized in the experiment. In the DT-EVWCS, the optimum combinations of 그림입니다.
원본 그림의 이름: image146.png
원본 그림의 크기: 가로 243pixel, 세로 185pixeland 그림입니다.
원본 그림의 이름: image147.png
원본 그림의 크기: 가로 262pixel, 세로 185pixel in Fig. 11(a) are used as a reference. Due to unavoidable errors, the actual inverter output voltages are tuned around their theoretical optimum values. The DC link voltage control and the phase shift control are used together. Thus, only one of the inverters requires a phase shift. The 120V limit was not exceeded in all of the tests. The results are shown in Figs. 14(a and b). The measured DC to DC efficiency is lower than the theoretical values. However, the trend is the same. The lowest 그림입니다.
원본 그림의 이름: image57.png
원본 그림의 크기: 가로 377pixel, 세로 186pixel achieved is 0.06μT, and the DC to DC efficiency at this working point is 92.1%. When compared to 1.97μT in the ST-EVWCS, the LMF strength can be reduced by 97%. The highest DC to DC efficiency is 93.6%, which is 2% higher when compared to that of the ST-EVWCS. The trade-off between the LMF strength and efficiency is experimentally validated, and the effectiveness of the open- loop control strategy is also shown, i.e., a higher efficiency is achievable when Blimit increases. Although 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000a180034.bmp
원본 그림의 크기: 가로 167pixel, 세로 60pixel and 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000a180035.bmp
원본 그림의 크기: 가로 115pixel, 세로 60pixel are not measured separately due to practical difficulties, it can be seen from the theoretical analysis that 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000a180034.bmp
원본 그림의 크기: 가로 167pixel, 세로 60pixel is lower in the DT-EVWCS, whereas 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000a180035.bmp
원본 그림의 크기: 가로 115pixel, 세로 60pixel is higher, as explained in part C of section II. In the LTspice simulation, it was observed that at the 그림입니다.
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원본 그림의 크기: 가로 415pixel, 세로 70pixel working point, 그림입니다.
원본 그림의 이름: image151.png
원본 그림의 크기: 가로 1121pixel, 세로 189pixel and 그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00000a180037.bmp
원본 그림의 크기: 가로 600pixel, 세로 79pixel. In addition, in the ST-EVWCS the two numbers are 95.36% and 96.34%, respectively. At the 그림입니다.
원본 그림의 이름: image153.png
원본 그림의 크기: 가로 1157pixel, 세로 188pixel working points, the three control variables are constant. The two numbers are 98.53% and 95.26% respectively. The price paid for a high LMF suppression capability is an extra TX and lower 그림입니다.
원본 그림의 이름: image38.png
원본 그림의 크기: 가로 396pixel, 세로 145pixel when compared to the ST-EVWCS. In addition, the price paid for a higher 그림입니다.
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원본 그림의 크기: 가로 306pixel, 세로 145pixel is twice the inverter cost and a higher demand on the DC link voltage (when compared to the data in Fig. 11(a), the fundamental inverter output voltage in the ST-EVWCS is 95.6V in amplitude). ZVS is realized in most of the tests due to the variable DC link voltage control, which reduces the required phase shift angle. In some tests one of the four half-bridges is hard-switched. However, the effect on efficiency is small and the overall efficiency performance is satisfactory.


C. Discussion

Since the ISR is in 3-D space, which increases the difficulty in accurately measuring and clearly presenting the LMF strength on all of the measurement points, the LMF data on only one point (mp32) are experimentally measured. To complement the experimental results, the simulated LMF distribution at the PLMFS working point is presented in Fig. 15. The coil currents used in the simulation are calculated based on simulated MFDCs. The LMF on mp32 is 0.016그림입니다.
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원본 그림의 크기: 가로 40pixel, 세로 49pixelT, while the highest strength in the ISR is 0.042그림입니다.
원본 그림의 이름: CLP00001738095f.bmp
원본 그림의 크기: 가로 40pixel, 세로 49pixelT. The highest LMF strength does not appear on mp32. This is due to the fact that the flux lines generated by the three coils are not strictly coincident and the MFDC ratios are not perfectly constant. At the PLMFS point, a slight error in the MFDC can result in a huge difference in 그림입니다.
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원본 그림의 크기: 가로 377pixel, 세로 186pixel.


그림입니다.
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원본 그림의 크기: 가로 1227pixel, 세로 638pixel

Fig. 15. Simulated LMF distribution at the PLMFS point.


At the same time, a manual evaluation process was conducted by moving the field probe in the ISR. It was observed that the magnetic flux density on most of the points in the ISR is lower than that on mp32. This is especially true on points further away from the coil center in the y-coordinate direction. There are some points located near mp32 whose 그림입니다.
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원본 그림의 크기: 가로 377pixel, 세로 186pixel is slightly higher than mp32. This is due to the fact that the point with the highest MFDC appears on a point other than mp32, as is shown in Fig. 7(d). The point mp32 has the highest MFDCs among all of the measurement points instead of among all the points. Overall, the experimental results coincide well with the theoretical analysis.

However, there are still some drawbacks. (1) Only the perfect alignment case is considered here. However, in practical applications, LMF suppression effectiveness is seriously impaired by coil misalignment, as has been observed in the experiment. Due to page limits, this topic is not discussed in this paper. (2) A steel plate is used to simulate the car chassis. However, a real car chassis is a lot more complex in terms of geometry. How this would affect the LMF distribution patterns deserves more in-depth research. (3) The inverter efficiency analysis should be improved to include both harmonic current loss and switching loss.

Despite these drawbacks, the most important finding is that LMF strength can be effectively suppressed by adding an extra TX coil driven by a separate inverter, and that the trade-off between efficiency and LMF suppression can be balanced by a simple control strategy. The DT-EVWCS is superior to the ST-EVWCS in that it can theoretically realize perfect LMF suppression without seriously lowering efficiency due to more control degrees of freedom.



V. CONCLUSION

This paper proposes a novel LMF suppression scheme using the dual-transmitter topology, which is aimed at high- power EV wireless charging applications. The operating principles of the DT-EVWCS are explained. The LMF distribution patterns are simulated via finite element analysis. When there is a large steel plate and the coils are perfectly aligned, the magnetic flux lines generated by different coils are almost coincident and the MFDC ratios are stable, which are the two preconditions for high LMF suppression capability. A 97% reduction in leakage magnetic flux density is experimentally achieved. Meanwhile, a simple control strategy is proposed to balance the LMF suppression and efficiency.

Due to practical restrictions, only open-loop control was implemented in this paper, and the magnetic couplers (including the coils, ferrite slabs and metal plates) were constructed based on experience. Further research is required in terms of close- loop feedback control, performance under coil misalignment, variable-load/variable-power conditions, circuit parameter optimization and magnetic coupler optimization.



ACKNOWLEDGMENT

This work is supported by the following programs:

1) International Science & Technology Cooperation Program of China under 2016YFE0102200;

2) Beijing Natural Science Foundation (3172019).



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Guodong Zhu was born in Zhejiang, China, in 1995. He received his B.S. degree in Automotive Engineering from Tsinghua University, Beijing, China, in 2017, where he is presently working towards his Ph.D. degree in Power Engineering and Engineering Thermo-Physics. His current research interests include wireless power transfer and its optimization.


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Dawei Gao was born in Jilin, China, in 1971. He received his B.S. degree from Southwest Jiaotong University, Sichuan, China, in 1992; and his Ph.D. degree from the North China Electric Power University, Beijing, China, in 2001. From 2001 to 2003, he was a Postdoctoral Researcher; from 2003 to 2005, he was an Assistant Researcher; and since 2005, he has been an Associate Researcher in the Department of Automotive Engineering, Tsinghua University. He is the author of more than 50 papers published in journals and conference proceedings, and has produced more than 35 inventions. His current research interests include DC-DC converters, electric vehicle wireless power transfer, automotive power electronics, electric drives, and electric vehicle powertrain optimization.


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Shulin Lin was born in Fujian, China, in 1994. He received his B.S. degree in Mechanical Engineering from the University of Science and Technology Beijing, Beijing, China, in 2017, where he is presently working towards his M.S. degree in Electrical Engineering. His current research interests include electric vehicle wireless charging systems in both static and dynamic applications.