2007년, 모바일 기기의 혁명이라 일컫는 스마트폰의 등장과 함께 개인 휴대 전력 사용량이 크게 증가하게 되면서 언제, 어디서나 쉽게 충전할 수 있는 기술에 대한 수요도 증가하게 되었다. 이와 함께, MIT에서 자기공명 방식의 무선전력전송 기술을 발표하여, 그 동안 무선전력전송 기술의 물리적 한계로 인식되어온 전송거리에 대한 해결 가능성을 확인하게 되었다. 이러한 가능성을 확인하면서 모바일 기기에 새로운 패러다임을 제공할 수 있는 무선전력전송 기술에 대한 관심도 크게 증가하게 되어 오늘날까지 매우 다양한 연구가 진행되고 있다.
무선전력전송 기술의 산업화 및 활성화를 위해서는 성능측면에서의 한계뿐만 아니라 환경측면에서의 한계도 분명히 극복하여야 한다. 세계 각국은 IEEE나 ICNIRP의 ...
2007년, 모바일 기기의 혁명이라 일컫는 스마트폰의 등장과 함께 개인 휴대 전력 사용량이 크게 증가하게 되면서 언제, 어디서나 쉽게 충전할 수 있는 기술에 대한 수요도 증가하게 되었다. 이와 함께, MIT에서 자기공명 방식의 무선전력전송 기술을 발표하여, 그 동안 무선전력전송 기술의 물리적 한계로 인식되어온 전송거리에 대한 해결 가능성을 확인하게 되었다. 이러한 가능성을 확인하면서 모바일 기기에 새로운 패러다임을 제공할 수 있는 무선전력전송 기술에 대한 관심도 크게 증가하게 되어 오늘날까지 매우 다양한 연구가 진행되고 있다.
무선전력전송 기술의 산업화 및 활성화를 위해서는 성능측면에서의 한계뿐만 아니라 환경측면에서의 한계도 분명히 극복하여야 한다. 세계 각국은 IEEE나 ICNIRP의 전자파 인체 노출 가이드라인을 참고하여 자국의 규정을 제정하고 이에 따라 전자파 인체 노출량을 엄격히 규제하고 있다. 우리나라는 1998년 ICNIRP의 전자파 인체 노출 규정을 준수하고 있다. 무선전력전송은 낮게는 수십 kHz, 높게는 수 MHz에 이르는 고주파 전력신호를 공간상에서 전송함에 따라, 시스템 주변에 발생하는 전자파에 의한 인체 및 주변 기기의 영향에 대한 분석 및 이를 저감하기 위한 기술 개발이 반드시 병행되어야 한다.
본 논문에서는 무선전력전송 시스템 주변에 발생하는 전자파에 의한 인체 영향을 저감할 수 있는 새로운 전력제어 기법이 내장된 무선전력전송 시스템을 제안하였다. 본 논문에서 제안하는 전력제어 기법은 지금까지 전자파에 의한 인체 및 기기의 영향을 저감하는 목적으로 연구되어온 차폐기법이 아닌 시스템 레벨에서 전자파 발생을 저감할 수 있는 방법이다. 제안된 기법은 무선전력전송 시스템이 주변의 인체를 탐지하고 탐지된 결과에 따라 전송전력을 능동적으로 제어하여 인체가 존재하는 영역의 전자기장 값이 인체 보호규정 기준 레벨 이하가 되도록 함으로써, 전자파로 인한 인체 영향을 최소화 할 수 있는 방법이다. 제안된 전력제어기법의 설계, 적용, 확정을 위해 초기설계, 시스템구현, 무선충전 절차 설계 및 구현, 시스템 적용 및 측정을 통한 전력제어기법 최종 확정의 과정을 수행하였다.
본 논문에서 제안된 전력제어 기법의 초기 설계를 위해, HFSS를 이용한 전자기장 시뮬레이션을 통해 무선전력전송 시스템 주변의 전기장과 자기장을 계산하였다. 전자기 시뮬레이션을 위한 시스템 구성은 1.8 MHz대역 85 W의 자기공명 방식의 무선충전 시스템으로 구성하였다. 시스템은 직경 48 cm의 송신공진기, 직경 25 cm의 수신공진기, 그리고 이를 내장하고 있는 안내용 로봇으로 구성하였다. 전자기장 계산은 전자기장 분포가 일정하지 않은 영역에서 인체 노출량을 측정하는 방법으로 IEC에서 제공하는 삼단자 측정법 (Three-point method)를 이용하였다. 삼단자 측정법에 따라, 각 측정지점에서 지면으로부터 높이 30, 60, 90 cm에서 전자기장을 계산하여 평균값을 취하여 그 지점에서의 평균 노출량을 계산하였다.
전자기장 계산 방향은 전자기장의 크기가 가장 크게 나타나는 송신공진기 뒤쪽, 송수신 공진기 중간지점의 수직방향, 그리고 안내용 로봇 앞쪽으로 선정하였다. 각 측정방향으로 거리 10, 20, 30, 50, 80, 100, 150 cm에서 전자기장의 평균 노출량을 산출하였다. 시뮬레이션 결과와 대한민국 전자파 인체 노출 규정인 1998년 ICNIRP 규격을 이용하여 분석한 결과, 시스템으로부터 50 cm 이내의 거리에서 인체 안전성을 위한 전력제어가 필요한 것을 확인하였다. 분석 결과를 이용하여 시스템에서 거리에 따라 4개의 전력제어 영역을 설정하였다. 첫 번째 영역은 시스템에서 거리 100 cm이상의 영역으로, 이 영역에서는 1.7 A의 충전전류를 이용한다. 두 번째 영역은 거리 60-100 cm의 영역으로 1.2 A의 충전전류를 설정하였다. 세 번째 영역은 거리 30-60 cm로 0.7A의 전류를 이용하고, 마지막 네 번째 영역은 30 cm 미만의 거리로 이 영역에서는 충전을 멈추어 근접된 인체를 전자기장으로부터 보호하도록 설계 하였다.
설계된 전력제어 기법을 적용하고, 실제 시스템 시험을 통한 최종 전력제어 기법을 확정하기 위해, 무선전력전송 시스템을 설계 구현하였다. 구현된 시스템은 24 V, 40 Ah 납축전지를 내장한 안내용 로봇을 충전하는 무선충전 시스템이다. 시스템은 130 W급 송신기, 두 개의 이중 나선형 구조의 송수신 공진기, 그리고 100 W급 full-bridge 수신기로 구성되었다.
130 W급 송신기는 주파수 변경 단위가 작고, 변경 시간이 매우 짧은 DDS (Direct Digital Synthesizer)와 class-F 전력증폭기를 이용하여 구성하여, 최대 84%, 평균 80%이상의 DC/RF 변환 효율을 나타내었다. 특히 송신기에는 양방향 결합기와 전력 검출 회로를 이용하여 반사 손실을 측정하여 최적의 전송효율을 갖는 주파수를 선택하고, 반사전력으로부터 송신기를 보호하는 기능을 수행하도록 하여 보다 효율적이고, 안정적인 동작을 하도록 하였다.
자기공명을 위한 송수신 공진기를 제안하여, 25 cm의 전송거리에서 83%이상의 전송효율을 얻었다. 제안된 공진기는 최대의 전송 거리를 위하여 300이상의 quality factor를 갖도록 동일한 전류 방향의 이층 나선형 구조로 제작하였다. 시스템에 이용되는 안내용 로봇의 위치 정확도를 고려하여 송신공진기는 직경 48 cm, 수신공진기는 직경 25 cm로 제작하여 적용하였다.
입력 RF 전력을 DC 전력으로 변환하고 배터리를 충전하기 위한 100 W급 수신기는 내부에 능동 더미 부하를 구성하여 부하인 배터리의 잔량에 관계없이 항상 일정한 입력 임피던스 50옴을 유지하도록 하였다. 그리고 배터리의 충전 전류를 최대 1.7 A까지 0.1 A단위로 조정할 수 있도록 하여 인체 근접에 따라 적응적으로 충전전류가 제어되는, 인체 안전 전력제어 기능에 이용하였다.
각 구성요소를 이용하여, 평균 전송거리 25 cm의 무선충전 시스템을 구성하였다. 평균 전송거리는 안내용 로봇의 위치 정확도를 고려하여 설정하였고, 수신 공진기와 수신기를 안내용 로봇에 내장하여 사람의 도움 없이 자동으로 충전이 가능하도록 하였다. 전체 시스템 효율은 배터리 충전 과정에서, 현재 발표되고 있는 자기 공명 시스템과 유사한 56%로 측정되었고 특히 기존 시스템의 문제점 중 하나인 충전과정에서의 효율 저하 문제를 극복하여 전체 충전 과정에서 시스템 효율을 유지할 수 있도록 하였다.
무선충전 시스템의 최적 효율을 유지시키고, 인체 안전성을 확보하기 위한 두 가지 전력제어 기능을 시스템에 내장하였다. 첫 번째 전력제어 기능은 배터리 상태와 전송환경에 대응하여 최적의 시스템 효율을 유지시킬 수 있는 고전적 전력제어 기능이고, 두 번째 기능은 본 논문에서 제안하는 핵심 기능인 인체 근접에 따른 적응형 전력제어 기능이다. 이러한 두 가지 전력제어 기능을 위해 반드시 필요한 송수신기 및 안내용 로봇 사이의 통신을 위해 19.6 kb/s의 RS-232C와 9.6 kb/s의 FSK를 이용하였다. 또한 자동 무선 충전 및 전력제어 기능을 위해 전체 4 단계의 무선 충전 절차를 설계, 구현하였다.
설계, 구현된 시스템 및 무선충전 절차를 이용하여 실제 시스템 주변의 전자기장 측정을 수행하여 인체 안전성 확보를 위한 최종 전력제어 영역을 확정하였다. 전자기장 측정은 20 m급의 반무반사실 (semi-anechoic chamber)에서 시뮬레이션과 동일한 삼단자 측정법으로 수행하였다. 측정 주파수는 시스템의 전송 주파수인 1.806 MHz이고 시스템의 평균 송신 전력은 전력제어 기능을 포함하여 최대 충전 전류, 1.7 A로 충전할 때 85 W이다. 측정 방향과 측정 거리도 시뮬레이션과 동일하게 설정하여 평균 인체 노출량을 측정하였다. 설계 과정과 같이 측정된 전자기장 값과 1.8 MHz 대역에서의 전자파 인체 노출 규정을 이용하여 최종 전력제어 영역을 결정하였다. 결정된 영역은 3 개로 구분되어 있으며 첫 번째 영역인 Level Ⅰ 영역은 시스템으로부터 거리 80 cm 이상의 영역으로 이 영역에서는 최대 충전 전류인 1.7 A를 이용하여 최대 전력이 전송된다. 두 번째 영역인 Level Ⅱ 영역은 거리 30-80 cm로 이 영역에서는 0.7 A의 충전 전류를 사용한다. 마지막 영역인 거리 30 cm 미만의 Level Ⅲ 영역에서는 충전을 멈추어 근접하는 인체를 보호한다.
최종 확정된 전력제어 기법의 효용성을 확인하기 위하여, Level Ⅱ 영역에 인체가 존재하는 조건에서 시스템 주변의 전자기장을 동일한 환경에서 측정하였다. 측정 결과, Level Ⅱ 영역에 인체가 존재하는 경우에도 전송 주파수 대역의 노출 규정인 64.8 V/m와 405 mA/m를 초과하지 않는 것으로 나타났다.
제안된 전력제어기법은 인체가 시스템 주변으로 근접함에 따라 자동으로 전송전력을 제어하여 시스템 주변의 전자기장으로부터 인체를 보호하는 기능을 효과적으로 수행할 수 있다. 특히 제안된 기법은 기존의 차폐기술과 병행해서 사용할 수 있으므로 그 효용성이 뛰어나고, 여러 가지 형태로 변형이 가능하여 다양한 응용분야에 쉽게 적용할 수 있는 장점이 있다. 무선전력전송 기술이 현재의 모바일 기기를 넘어 가전분야, 전기자동차, 전기철도와 같이 대전력 분야로 확대되어 주변 전자기장으로 인한 인체 영향이 커질수록 제안된 기술에 대한 수요도 더욱 증가할 것이다.
2007년, 모바일 기기의 혁명이라 일컫는 스마트폰의 등장과 함께 개인 휴대 전력 사용량이 크게 증가하게 되면서 언제, 어디서나 쉽게 충전할 수 있는 기술에 대한 수요도 증가하게 되었다. 이와 함께, MIT에서 자기공명 방식의 무선전력전송 기술을 발표하여, 그 동안 무선전력전송 기술의 물리적 한계로 인식되어온 전송거리에 대한 해결 가능성을 확인하게 되었다. 이러한 가능성을 확인하면서 모바일 기기에 새로운 패러다임을 제공할 수 있는 무선전력전송 기술에 대한 관심도 크게 증가하게 되어 오늘날까지 매우 다양한 연구가 진행되고 있다.
무선전력전송 기술의 산업화 및 활성화를 위해서는 성능측면에서의 한계뿐만 아니라 환경측면에서의 한계도 분명히 극복하여야 한다. 세계 각국은 IEEE나 ICNIRP의 전자파 인체 노출 가이드라인을 참고하여 자국의 규정을 제정하고 이에 따라 전자파 인체 노출량을 엄격히 규제하고 있다. 우리나라는 1998년 ICNIRP의 전자파 인체 노출 규정을 준수하고 있다. 무선전력전송은 낮게는 수십 kHz, 높게는 수 MHz에 이르는 고주파 전력신호를 공간상에서 전송함에 따라, 시스템 주변에 발생하는 전자파에 의한 인체 및 주변 기기의 영향에 대한 분석 및 이를 저감하기 위한 기술 개발이 반드시 병행되어야 한다.
본 논문에서는 무선전력전송 시스템 주변에 발생하는 전자파에 의한 인체 영향을 저감할 수 있는 새로운 전력제어 기법이 내장된 무선전력전송 시스템을 제안하였다. 본 논문에서 제안하는 전력제어 기법은 지금까지 전자파에 의한 인체 및 기기의 영향을 저감하는 목적으로 연구되어온 차폐기법이 아닌 시스템 레벨에서 전자파 발생을 저감할 수 있는 방법이다. 제안된 기법은 무선전력전송 시스템이 주변의 인체를 탐지하고 탐지된 결과에 따라 전송전력을 능동적으로 제어하여 인체가 존재하는 영역의 전자기장 값이 인체 보호규정 기준 레벨 이하가 되도록 함으로써, 전자파로 인한 인체 영향을 최소화 할 수 있는 방법이다. 제안된 전력제어기법의 설계, 적용, 확정을 위해 초기설계, 시스템구현, 무선충전 절차 설계 및 구현, 시스템 적용 및 측정을 통한 전력제어기법 최종 확정의 과정을 수행하였다.
본 논문에서 제안된 전력제어 기법의 초기 설계를 위해, HFSS를 이용한 전자기장 시뮬레이션을 통해 무선전력전송 시스템 주변의 전기장과 자기장을 계산하였다. 전자기 시뮬레이션을 위한 시스템 구성은 1.8 MHz대역 85 W의 자기공명 방식의 무선충전 시스템으로 구성하였다. 시스템은 직경 48 cm의 송신공진기, 직경 25 cm의 수신공진기, 그리고 이를 내장하고 있는 안내용 로봇으로 구성하였다. 전자기장 계산은 전자기장 분포가 일정하지 않은 영역에서 인체 노출량을 측정하는 방법으로 IEC에서 제공하는 삼단자 측정법 (Three-point method)를 이용하였다. 삼단자 측정법에 따라, 각 측정지점에서 지면으로부터 높이 30, 60, 90 cm에서 전자기장을 계산하여 평균값을 취하여 그 지점에서의 평균 노출량을 계산하였다.
전자기장 계산 방향은 전자기장의 크기가 가장 크게 나타나는 송신공진기 뒤쪽, 송수신 공진기 중간지점의 수직방향, 그리고 안내용 로봇 앞쪽으로 선정하였다. 각 측정방향으로 거리 10, 20, 30, 50, 80, 100, 150 cm에서 전자기장의 평균 노출량을 산출하였다. 시뮬레이션 결과와 대한민국 전자파 인체 노출 규정인 1998년 ICNIRP 규격을 이용하여 분석한 결과, 시스템으로부터 50 cm 이내의 거리에서 인체 안전성을 위한 전력제어가 필요한 것을 확인하였다. 분석 결과를 이용하여 시스템에서 거리에 따라 4개의 전력제어 영역을 설정하였다. 첫 번째 영역은 시스템에서 거리 100 cm이상의 영역으로, 이 영역에서는 1.7 A의 충전전류를 이용한다. 두 번째 영역은 거리 60-100 cm의 영역으로 1.2 A의 충전전류를 설정하였다. 세 번째 영역은 거리 30-60 cm로 0.7A의 전류를 이용하고, 마지막 네 번째 영역은 30 cm 미만의 거리로 이 영역에서는 충전을 멈추어 근접된 인체를 전자기장으로부터 보호하도록 설계 하였다.
설계된 전력제어 기법을 적용하고, 실제 시스템 시험을 통한 최종 전력제어 기법을 확정하기 위해, 무선전력전송 시스템을 설계 구현하였다. 구현된 시스템은 24 V, 40 Ah 납축전지를 내장한 안내용 로봇을 충전하는 무선충전 시스템이다. 시스템은 130 W급 송신기, 두 개의 이중 나선형 구조의 송수신 공진기, 그리고 100 W급 full-bridge 수신기로 구성되었다.
130 W급 송신기는 주파수 변경 단위가 작고, 변경 시간이 매우 짧은 DDS (Direct Digital Synthesizer)와 class-F 전력증폭기를 이용하여 구성하여, 최대 84%, 평균 80%이상의 DC/RF 변환 효율을 나타내었다. 특히 송신기에는 양방향 결합기와 전력 검출 회로를 이용하여 반사 손실을 측정하여 최적의 전송효율을 갖는 주파수를 선택하고, 반사전력으로부터 송신기를 보호하는 기능을 수행하도록 하여 보다 효율적이고, 안정적인 동작을 하도록 하였다.
자기공명을 위한 송수신 공진기를 제안하여, 25 cm의 전송거리에서 83%이상의 전송효율을 얻었다. 제안된 공진기는 최대의 전송 거리를 위하여 300이상의 quality factor를 갖도록 동일한 전류 방향의 이층 나선형 구조로 제작하였다. 시스템에 이용되는 안내용 로봇의 위치 정확도를 고려하여 송신공진기는 직경 48 cm, 수신공진기는 직경 25 cm로 제작하여 적용하였다.
입력 RF 전력을 DC 전력으로 변환하고 배터리를 충전하기 위한 100 W급 수신기는 내부에 능동 더미 부하를 구성하여 부하인 배터리의 잔량에 관계없이 항상 일정한 입력 임피던스 50옴을 유지하도록 하였다. 그리고 배터리의 충전 전류를 최대 1.7 A까지 0.1 A단위로 조정할 수 있도록 하여 인체 근접에 따라 적응적으로 충전전류가 제어되는, 인체 안전 전력제어 기능에 이용하였다.
각 구성요소를 이용하여, 평균 전송거리 25 cm의 무선충전 시스템을 구성하였다. 평균 전송거리는 안내용 로봇의 위치 정확도를 고려하여 설정하였고, 수신 공진기와 수신기를 안내용 로봇에 내장하여 사람의 도움 없이 자동으로 충전이 가능하도록 하였다. 전체 시스템 효율은 배터리 충전 과정에서, 현재 발표되고 있는 자기 공명 시스템과 유사한 56%로 측정되었고 특히 기존 시스템의 문제점 중 하나인 충전과정에서의 효율 저하 문제를 극복하여 전체 충전 과정에서 시스템 효율을 유지할 수 있도록 하였다.
무선충전 시스템의 최적 효율을 유지시키고, 인체 안전성을 확보하기 위한 두 가지 전력제어 기능을 시스템에 내장하였다. 첫 번째 전력제어 기능은 배터리 상태와 전송환경에 대응하여 최적의 시스템 효율을 유지시킬 수 있는 고전적 전력제어 기능이고, 두 번째 기능은 본 논문에서 제안하는 핵심 기능인 인체 근접에 따른 적응형 전력제어 기능이다. 이러한 두 가지 전력제어 기능을 위해 반드시 필요한 송수신기 및 안내용 로봇 사이의 통신을 위해 19.6 kb/s의 RS-232C와 9.6 kb/s의 FSK를 이용하였다. 또한 자동 무선 충전 및 전력제어 기능을 위해 전체 4 단계의 무선 충전 절차를 설계, 구현하였다.
설계, 구현된 시스템 및 무선충전 절차를 이용하여 실제 시스템 주변의 전자기장 측정을 수행하여 인체 안전성 확보를 위한 최종 전력제어 영역을 확정하였다. 전자기장 측정은 20 m급의 반무반사실 (semi-anechoic chamber)에서 시뮬레이션과 동일한 삼단자 측정법으로 수행하였다. 측정 주파수는 시스템의 전송 주파수인 1.806 MHz이고 시스템의 평균 송신 전력은 전력제어 기능을 포함하여 최대 충전 전류, 1.7 A로 충전할 때 85 W이다. 측정 방향과 측정 거리도 시뮬레이션과 동일하게 설정하여 평균 인체 노출량을 측정하였다. 설계 과정과 같이 측정된 전자기장 값과 1.8 MHz 대역에서의 전자파 인체 노출 규정을 이용하여 최종 전력제어 영역을 결정하였다. 결정된 영역은 3 개로 구분되어 있으며 첫 번째 영역인 Level Ⅰ 영역은 시스템으로부터 거리 80 cm 이상의 영역으로 이 영역에서는 최대 충전 전류인 1.7 A를 이용하여 최대 전력이 전송된다. 두 번째 영역인 Level Ⅱ 영역은 거리 30-80 cm로 이 영역에서는 0.7 A의 충전 전류를 사용한다. 마지막 영역인 거리 30 cm 미만의 Level Ⅲ 영역에서는 충전을 멈추어 근접하는 인체를 보호한다.
최종 확정된 전력제어 기법의 효용성을 확인하기 위하여, Level Ⅱ 영역에 인체가 존재하는 조건에서 시스템 주변의 전자기장을 동일한 환경에서 측정하였다. 측정 결과, Level Ⅱ 영역에 인체가 존재하는 경우에도 전송 주파수 대역의 노출 규정인 64.8 V/m와 405 mA/m를 초과하지 않는 것으로 나타났다.
제안된 전력제어기법은 인체가 시스템 주변으로 근접함에 따라 자동으로 전송전력을 제어하여 시스템 주변의 전자기장으로부터 인체를 보호하는 기능을 효과적으로 수행할 수 있다. 특히 제안된 기법은 기존의 차폐기술과 병행해서 사용할 수 있으므로 그 효용성이 뛰어나고, 여러 가지 형태로 변형이 가능하여 다양한 응용분야에 쉽게 적용할 수 있는 장점이 있다. 무선전력전송 기술이 현재의 모바일 기기를 넘어 가전분야, 전기자동차, 전기철도와 같이 대전력 분야로 확대되어 주변 전자기장으로 인한 인체 영향이 커질수록 제안된 기술에 대한 수요도 더욱 증가할 것이다.
Currently, as the use of the portable device is getting increased, the requirement for the personal digital power is also increased. The means the amount of required power in order to fully utilize the portable device during a day. Wireless power transfer (WPT) technology could be considered as one...
Currently, as the use of the portable device is getting increased, the requirement for the personal digital power is also increased. The means the amount of required power in order to fully utilize the portable device during a day. Wireless power transfer (WPT) technology could be considered as one of the ultimate solutions to satisfy the personal digital power. WPT is a revolutionary technique which can make a complete wireless portable device without a power cable. WPT was first developed by Nikola Tesla in the 1890s. The development speed of WPT is very slow due to various technical limitations such as the size of the system, the transmission efficiency, human safety from the EM field exposure and so on. Therefore, WPT has been used in only limited field, such as low-power applications. After such a long recession, WPT technology has provided a fast-growing momentum with the announcement of magnetic coupling method by Massachusetts Institute of Technology (MIT) in 2007. MIT developed WPT technology to transfer up to two meters by using the magnetic field. The principle of this technology is to transfer power from the transmit coil (primary coil) to one or more receive coil (secondary coil) using the time-varying magnetic field. This WPT technology has been developed in two directions, the inductive coupling method and the resonance coupling method, depending on the coupling structure between the coils. The inductive coupling has higher efficiency less than 1 cm distance and the resonance coupling has longer transmit distance up to a few meters. The inductive coupling is the only commercialized method to the smart phone, but there is a growing interest in resonance coupling that could be applied to various fields because of the long transfer distance and the freedom of the coil arrangement.
As WPT is close to human life, the human safety from the electromagnetic (EM) field exposure is one of the most important considerations. Almost countries have regulated the human exposure of EM field using the regulations of IEC (International Electrotechnical Commission), International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection (ICNIRP), and IEEE. Moreover, this trend is getting stronger as the bigger WPT activated. There has been a variety of attempts to solve these EM environmental problems. Currently, shielding methods are common in order to decrease EM field. However, the ferrite materials are too expensive to apply to the magnetic shielding method. Therefore, a new and simple technique is required to reduce EM field.
This thesis presents a WPT system with a power control scheme for the human safety from the EM field exposure of the system. The basics of the proposed power control scheme is an adaptive transmit power control function on the basis of the human proximity. The aim is to decrease EM field to under the reference level. The proposed scheme is a simple enhancements of the existing power control of the system. The following procedures are performed for the design and verification of the scheme. Firstly, the proposed power control scheme is designed according to the calculated human exposure values in the simulation and the reference level of the 1998 ICNIRP. Secondly, a WPT system for the wireless charging to a docent robot is designed and fabricated to apply and verify the scheme. The system consists of a 130 W class-F transmitter, a resonance coupling link using four coils, a 100 W receiver. The operation frequency is about 1.8 MHz and the maximum transfer power is about 100 W. The system uses a FSK (Frequency Shift Keying) and a RS-232C for the communications. The transmitter communicate with the receiver through the FSK scheme with 9.6 kb/s (kilo bit per second), and the receiver uses the 19.2 kb/s, RS-232C to communicate with the docent robot. Thirdly, the wireless charging procedures are made including the two power control schemes. Two power control schemes are designed to keep the system efficiency constantly regardless of the battery status and to ensure the human safety from EM field. Fourthly, the power control areas are finalized depending on the measured EM field values using the implemented WPT system. Finally, the verification test for the confirmed power control scheme is carried out. By the test results, the output power is adaptively controlled and EM fields are decreased to well satisfy the human safety regulations depending on the human proximity. This thesis is organized as follows.
Section 2 describes the technical basic of WPT to help the comprehension of the principle, the structure, and the type.
Section 3 describes about the analysis of the human effect from EM field in the WPT system and the first design of the power control areas using the calculated EM field values in EM simulation and regulations of 1998 ICNIRP.
Section 4 shows the design and fabrication of a WPT system to realize the proposed scheme and confirm the final scheme.
Section 5 describes detailed wireless charging procedures including the proposed power control scheme for the human safety.
Finally, section 6 describes the EM field measurement using the WPT system and the confirmation of the proposed scheme. the verification test for the final scheme is also described to ensure the performance of the proposed scheme by measuring EM field in the human body close environment.
Currently, as the use of the portable device is getting increased, the requirement for the personal digital power is also increased. The means the amount of required power in order to fully utilize the portable device during a day. Wireless power transfer (WPT) technology could be considered as one of the ultimate solutions to satisfy the personal digital power. WPT is a revolutionary technique which can make a complete wireless portable device without a power cable. WPT was first developed by Nikola Tesla in the 1890s. The development speed of WPT is very slow due to various technical limitations such as the size of the system, the transmission efficiency, human safety from the EM field exposure and so on. Therefore, WPT has been used in only limited field, such as low-power applications. After such a long recession, WPT technology has provided a fast-growing momentum with the announcement of magnetic coupling method by Massachusetts Institute of Technology (MIT) in 2007. MIT developed WPT technology to transfer up to two meters by using the magnetic field. The principle of this technology is to transfer power from the transmit coil (primary coil) to one or more receive coil (secondary coil) using the time-varying magnetic field. This WPT technology has been developed in two directions, the inductive coupling method and the resonance coupling method, depending on the coupling structure between the coils. The inductive coupling has higher efficiency less than 1 cm distance and the resonance coupling has longer transmit distance up to a few meters. The inductive coupling is the only commercialized method to the smart phone, but there is a growing interest in resonance coupling that could be applied to various fields because of the long transfer distance and the freedom of the coil arrangement.
As WPT is close to human life, the human safety from the electromagnetic (EM) field exposure is one of the most important considerations. Almost countries have regulated the human exposure of EM field using the regulations of IEC (International Electrotechnical Commission), International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection (ICNIRP), and IEEE. Moreover, this trend is getting stronger as the bigger WPT activated. There has been a variety of attempts to solve these EM environmental problems. Currently, shielding methods are common in order to decrease EM field. However, the ferrite materials are too expensive to apply to the magnetic shielding method. Therefore, a new and simple technique is required to reduce EM field.
This thesis presents a WPT system with a power control scheme for the human safety from the EM field exposure of the system. The basics of the proposed power control scheme is an adaptive transmit power control function on the basis of the human proximity. The aim is to decrease EM field to under the reference level. The proposed scheme is a simple enhancements of the existing power control of the system. The following procedures are performed for the design and verification of the scheme. Firstly, the proposed power control scheme is designed according to the calculated human exposure values in the simulation and the reference level of the 1998 ICNIRP. Secondly, a WPT system for the wireless charging to a docent robot is designed and fabricated to apply and verify the scheme. The system consists of a 130 W class-F transmitter, a resonance coupling link using four coils, a 100 W receiver. The operation frequency is about 1.8 MHz and the maximum transfer power is about 100 W. The system uses a FSK (Frequency Shift Keying) and a RS-232C for the communications. The transmitter communicate with the receiver through the FSK scheme with 9.6 kb/s (kilo bit per second), and the receiver uses the 19.2 kb/s, RS-232C to communicate with the docent robot. Thirdly, the wireless charging procedures are made including the two power control schemes. Two power control schemes are designed to keep the system efficiency constantly regardless of the battery status and to ensure the human safety from EM field. Fourthly, the power control areas are finalized depending on the measured EM field values using the implemented WPT system. Finally, the verification test for the confirmed power control scheme is carried out. By the test results, the output power is adaptively controlled and EM fields are decreased to well satisfy the human safety regulations depending on the human proximity. This thesis is organized as follows.
Section 2 describes the technical basic of WPT to help the comprehension of the principle, the structure, and the type.
Section 3 describes about the analysis of the human effect from EM field in the WPT system and the first design of the power control areas using the calculated EM field values in EM simulation and regulations of 1998 ICNIRP.
Section 4 shows the design and fabrication of a WPT system to realize the proposed scheme and confirm the final scheme.
Section 5 describes detailed wireless charging procedures including the proposed power control scheme for the human safety.
Finally, section 6 describes the EM field measurement using the WPT system and the confirmation of the proposed scheme. the verification test for the final scheme is also described to ensure the performance of the proposed scheme by measuring EM field in the human body close environment.
주제어
#Wireless power transfer
#EM field exposure
#human safety
#magnetic resonance coupling
학위논문 정보
저자
김성민
학위수여기관
경북대학교 대학원
학위구분
국내박사
학과
전자공학과 전파통신시스템공학전공
발행연도
2016
총페이지
x, 121 p.
키워드
Wireless power transfer,
EM field exposure,
human safety,
magnetic resonance coupling
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