두 개 송신기를 가진 자기 공명 무선 전력전송 시스템의 효율 향상 기법 연구 Study on the Efficiency Enhancement of Magnetic Resonant Wireless Power Transfer System with Two Transmitters원문보기
최근 전기, 전자 시스템에 자기 공명 회로와 자기 결합을 이용하여 전력을 무선으로 전송하는 무선 전력전송 기법에 관한 연구가 활발히 수행되고 있다. 자기 공명 회로 이용시 수십cm ~ 수 m 거리까지 고효율 전송이 가능하여 기존 자기 유도 기법에 비하여 전송 거리에서 장점이 있다. 이 기법은 최근 저전력 애플리케이션 및 의료 분야에서부터 고전력 산업용 애플리케이션 및 전기자동차까지 응용 분야가 다양해지고 있다. 비교적 송신기와 수신기간 수직 거리가 큰 경우에 대해 높은 효율과 높은 전력전송 기능을 갖추었지만, 자기 공명 기법 무선 전력전송 기법은 송신기와 수신기간 수평방향 오정렬이 발생하였을 때 전력전송이 크게 감소하는 문제가 있다. 이는 전기자동차 ...
최근 전기, 전자 시스템에 자기 공명 회로와 자기 결합을 이용하여 전력을 무선으로 전송하는 무선 전력전송 기법에 관한 연구가 활발히 수행되고 있다. 자기 공명 회로 이용시 수십cm ~ 수 m 거리까지 고효율 전송이 가능하여 기존 자기 유도 기법에 비하여 전송 거리에서 장점이 있다. 이 기법은 최근 저전력 애플리케이션 및 의료 분야에서부터 고전력 산업용 애플리케이션 및 전기자동차까지 응용 분야가 다양해지고 있다. 비교적 송신기와 수신기간 수직 거리가 큰 경우에 대해 높은 효율과 높은 전력전송 기능을 갖추었지만, 자기 공명 기법 무선 전력전송 기법은 송신기와 수신기간 수평방향 오정렬이 발생하였을 때 전력전송이 크게 감소하는 문제가 있다. 이는 전기자동차 무선충전과 같이 송신기와 수신기간 수평방향 오정렬이 발생하는 경우에 무선 전력 전송을 적용할 때 큰 단점이 된다. 본 논문은 이러한 문제를 극복할 수 있는 방법으로 두 개 송신기와 하나의 수신기를 가진 무선전력전송 시스템의 효율 향상 기법에 대하여 연구하였다. 임의의 위치에 놓인 두 개의 송신기와 수신기 시스템에 대하여 위치에 따라 최대 달성 가능한 효율을 낼 수 있도록 두 개 송신기의 전원을 제어하는 기법을 제시하고 이를 검증하였다. 우선 등가회로 모델링을 이용하여 무선 전력전송 효율과 출력전력 방정식(두 개 송신기의 신호 진폭비율 및 위상차에 대한 함수)을 유도하였다. 전력전송 효율식을 유도하고 이식의 미분을 통해서 최대 효율을 위한 진폭비율과 위상차에 대한 조건을 유도하였다. 분석식과 최대 효율 조건을 실험 결과와 비교하여 유효성을 검증하였다. 실험을 통한 효율값과 최대 효율 조건은 등가회로 분석 기반 시뮬레이션 결과와 유사하였다. 그리고 한 개 송신기를 가진 자기공명 무선 전력전송 시스템과 두 개 송신기를 가진 자기공명 무선 전력전송 시스템의 성능을 비교하였다. 반면에 두 개의 송신기간의 10 cm 수평간격과 사이 간격이 없는 두 가지 경우를 고려해 보았을 때 무선 전력전송 시스템 (사이 간격이 없을 때)은 두 송신기에서부터 유효 충전 영역 더 두렷한 융합을 얻을 수 있다. 최적 효율 기법이 적용된 두 개의 송신기를 가진 무선 전력전송 시스템은 유효 충전영역을 넓혀서 오정렬에 대한 공간 제약성의 문제를 극복할 수 있고, 수신기의 위치에 따라 공간적으로 분포하는 출력전력 및 효율을 제어할 수 있음을 보여주었다.
최근 전기, 전자 시스템에 자기 공명 회로와 자기 결합을 이용하여 전력을 무선으로 전송하는 무선 전력전송 기법에 관한 연구가 활발히 수행되고 있다. 자기 공명 회로 이용시 수십cm ~ 수 m 거리까지 고효율 전송이 가능하여 기존 자기 유도 기법에 비하여 전송 거리에서 장점이 있다. 이 기법은 최근 저전력 애플리케이션 및 의료 분야에서부터 고전력 산업용 애플리케이션 및 전기자동차까지 응용 분야가 다양해지고 있다. 비교적 송신기와 수신기간 수직 거리가 큰 경우에 대해 높은 효율과 높은 전력전송 기능을 갖추었지만, 자기 공명 기법 무선 전력전송 기법은 송신기와 수신기간 수평방향 오정렬이 발생하였을 때 전력전송이 크게 감소하는 문제가 있다. 이는 전기자동차 무선충전과 같이 송신기와 수신기간 수평방향 오정렬이 발생하는 경우에 무선 전력 전송을 적용할 때 큰 단점이 된다. 본 논문은 이러한 문제를 극복할 수 있는 방법으로 두 개 송신기와 하나의 수신기를 가진 무선전력전송 시스템의 효율 향상 기법에 대하여 연구하였다. 임의의 위치에 놓인 두 개의 송신기와 수신기 시스템에 대하여 위치에 따라 최대 달성 가능한 효율을 낼 수 있도록 두 개 송신기의 전원을 제어하는 기법을 제시하고 이를 검증하였다. 우선 등가회로 모델링을 이용하여 무선 전력전송 효율과 출력전력 방정식(두 개 송신기의 신호 진폭비율 및 위상차에 대한 함수)을 유도하였다. 전력전송 효율식을 유도하고 이식의 미분을 통해서 최대 효율을 위한 진폭비율과 위상차에 대한 조건을 유도하였다. 분석식과 최대 효율 조건을 실험 결과와 비교하여 유효성을 검증하였다. 실험을 통한 효율값과 최대 효율 조건은 등가회로 분석 기반 시뮬레이션 결과와 유사하였다. 그리고 한 개 송신기를 가진 자기공명 무선 전력전송 시스템과 두 개 송신기를 가진 자기공명 무선 전력전송 시스템의 성능을 비교하였다. 반면에 두 개의 송신기간의 10 cm 수평간격과 사이 간격이 없는 두 가지 경우를 고려해 보았을 때 무선 전력전송 시스템 (사이 간격이 없을 때)은 두 송신기에서부터 유효 충전 영역 더 두렷한 융합을 얻을 수 있다. 최적 효율 기법이 적용된 두 개의 송신기를 가진 무선 전력전송 시스템은 유효 충전영역을 넓혀서 오정렬에 대한 공간 제약성의 문제를 극복할 수 있고, 수신기의 위치에 따라 공간적으로 분포하는 출력전력 및 효율을 제어할 수 있음을 보여주었다.
Wireless power transfer is currently a popular topic of research. Because there are no mechanical connections between the transmitter and receiver, power can be transferred whenever a system is within range of a transmitter. Many researchers have endeavored to make wireless power transfer (WPT) feas...
Wireless power transfer is currently a popular topic of research. Because there are no mechanical connections between the transmitter and receiver, power can be transferred whenever a system is within range of a transmitter. Many researchers have endeavored to make wireless power transfer (WPT) feasible for application in diverse fields, from low-power domestic applications and medical applications to high-power industrial applications and electrical vehicles (EVs). As a result, it has been found the WPT using non-radiative magnetically-coupled resonant circuits is an optimal method for mid-range applications where the separation of source and receiver is in the range 1-2m. The advantage of this method stems from its higher wireless power efficiency and its ability to transfer larger amounts of power safely in the mid-range. Despite the promises of high efficiency and high power capabilities, wireless power transfer has steep hurdles to break through before its widespread adoption such as sensitivity to misalignment. This thesis proposes a method (employing two transmitters) which can overcome this obstacle. Using the established circuit model, the power transfer efficiency and output power of the WPT system (which is a function of the amplitudes’ ratio and phase difference) are extracted. The optimum conditions of these values to achieve the highest power efficiency and desired output power can be analytically determined. The experimental results agree well with the simulated results based on the analysis. The result shows that the suggested optimized transmit scheme can achieve the highest power transfer efficiency and desired output power for a magnetic resonance WPT system with two TXs. And then, the comparison between the magnetic resonance wireless power transfer (WPT) system with a single transmitter and a single receiver and the other one with two transmitters (TXs) and a single receiver (RX) is carried out. Meanwhile, considering two cases of the latter system (with no horizontal interval and with 10cm horizontal interval between two TXs), the WPT system with no interval can achieve more obvious amalgamation of effective charging area from two TXs. Experimental results corresponding to simulated results based on the analysis reveal that using the WPT system with two adjacent TXs and a single RX can enhance the effective charging area to relieve the spacial limitation of the RX’s position and control the output power readily.
Wireless power transfer is currently a popular topic of research. Because there are no mechanical connections between the transmitter and receiver, power can be transferred whenever a system is within range of a transmitter. Many researchers have endeavored to make wireless power transfer (WPT) feasible for application in diverse fields, from low-power domestic applications and medical applications to high-power industrial applications and electrical vehicles (EVs). As a result, it has been found the WPT using non-radiative magnetically-coupled resonant circuits is an optimal method for mid-range applications where the separation of source and receiver is in the range 1-2m. The advantage of this method stems from its higher wireless power efficiency and its ability to transfer larger amounts of power safely in the mid-range. Despite the promises of high efficiency and high power capabilities, wireless power transfer has steep hurdles to break through before its widespread adoption such as sensitivity to misalignment. This thesis proposes a method (employing two transmitters) which can overcome this obstacle. Using the established circuit model, the power transfer efficiency and output power of the WPT system (which is a function of the amplitudes’ ratio and phase difference) are extracted. The optimum conditions of these values to achieve the highest power efficiency and desired output power can be analytically determined. The experimental results agree well with the simulated results based on the analysis. The result shows that the suggested optimized transmit scheme can achieve the highest power transfer efficiency and desired output power for a magnetic resonance WPT system with two TXs. And then, the comparison between the magnetic resonance wireless power transfer (WPT) system with a single transmitter and a single receiver and the other one with two transmitters (TXs) and a single receiver (RX) is carried out. Meanwhile, considering two cases of the latter system (with no horizontal interval and with 10cm horizontal interval between two TXs), the WPT system with no interval can achieve more obvious amalgamation of effective charging area from two TXs. Experimental results corresponding to simulated results based on the analysis reveal that using the WPT system with two adjacent TXs and a single RX can enhance the effective charging area to relieve the spacial limitation of the RX’s position and control the output power readily.
주제어
#wireless power transfer (WPT) phase difference amplitudes’ ratio coupling coefficient two transmitters power transfer efficiency
학위논문 정보
저자
공붕비
학위수여기관
건국대학교 대학원
학위구분
국내석사
학과
전자·정보통신공학과
지도교수
구현철
발행연도
2016
총페이지
47
키워드
wireless power transfer (WPT) phase difference amplitudes’ ratio coupling coefficient two transmitters power transfer efficiency
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