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결합된 자기공명을 통한 무선에너지 전력 전송 시스템의 회로 해석
Circuit Model Based Analysis of a Wireless Energy Transfer System via Coupled Magnetic Resonances 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.16 no.2, 2011년, pp.137 - 144  

전상훈 (한국전자통신연구원) ,  김용해 (한국전자통신연구원) ,  이명래 (한국전자통신연구원) ,  강승열 (한국전자통신연구원)

초록
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자기공명을 이용한 무선 전력 전송 시스템의 등가회로 모델이 제시되었고, 이를 통한 설계기법이 제안되었다. 두개의 코일로 구성된 간단한 트랜스포머의 등가회로를 확장하는 방법으로 본 시스템의 노드 방정식을 세웠고, 이로부터 효율을 높이기 위한 최적의 코일간 거리를 해석하였다. 손실이 있는 경우의 주파수 특성을 계산하기 위해, 상용 설계 시뮬레이터에 등가회로 모델을 심었다. 실제 시스템의 모델 파라미터를 추출하여 시뮬레이션 결과와 측정결과를 비교하였다. 이 해석으로부터, 자기공명 방식의 무선 전력 전송 시스템이 수 미터의 거리까지 높은 효율을 보일 수 있음을 알 수 있었고, 이때 임피던스 정합이 매우 중요하다는 것을 알 수 있었다. 개발된 모델을 통해 공진 코일이 더 많이 있는 경우와 같은, 유사한 시스템의 특성을 예측할 수 있다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

A Simple equivalent circuit model is developed for a wireless energy transfer system via coupled magnetic resonances and a practical design method is also provided. Node equations for the resonance system are built with the method, expanding on the equations for a transformer, and the optimum distan...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문에서는 자기공명을 통한 무선전력전송 시스템의 간단한 등가회로를 세우고 이를 검증하였다. 4개의 코일로 이루어진 시스템의 노드 방정식을 무손실의 경우에 대해 해석하였고, 이로부터 앞서 언급한 특성들에 대해 이해 할 수 있었다.

가설 설정

  • 노드 방정식을 푸는 과정에서는 손실이 없는 경우를 가정하였고, 또한 커플링이 작은 상호 인덕턴스를 무시하였으나, 정확한 모델링을 위해 이 모두를 고려해야만 한다. 손실과 약한 커플링을 고려할 경우 노드 방적식을 푸는 것은 쉽지가 않고, 주파수에 따른 특성 또한 확인이 필요하기 때문에 시뮬레이션 프로그램을 사용해야만 한다.
  • 해석의 편이를 위해 무손실 경우로 가정하였다. 입력쪽에서 두 코일간의 상호 인덕턴스의 효과는 보상전원의 형태로 변환할 수 있고, 그림 3의 (a),(b),(c)에 나타나 있듯이 이를 순차적으로 계산할 수 있다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
자기공명을 이용한 무선 전력 전송 시스템의 등가회로 모델이 제시되었고, 이를 통한 설계기법이 제안되었다, 이에 대한 시뮬레이션과 측정 결과는? 실제 시스템의 모델 파라미터를 추출하여 시뮬레이션 결과와 측정결과를 비교하였다. 이 해석으로부터, 자기공명 방식의 무선 전력 전송 시스템이 수 미터의 거리까지 높은 효율을 보일 수 있음을 알 수 있었고, 이때 임피던스 정합이 매우 중요하다는 것을 알 수 있었다. 개발된 모델을 통해 공진 코일이 더 많이 있는 경우와 같은, 유사한 시스템의 특성을 예측할 수 있다.
자기공명이 전기전자 엔지니어에게는 생소한 방법인 이유는? 자기공명은 무선전력전송 분야에는 새로운 방식으로, 아직까지 물리적인 해석만이 연구되어 있고 이러한 해석방법은 전기전자 엔지니어에게는 생소한 방법이다[6][7]. 실제로 전자기기에 사용되기 위해서는 전자적이고 실용적인 해석방법과 도구들이 필요한데 이에 대한 연구는 거의 없거나 매우 부족한 상황이다[8][9].
강하게 결합된 자기공명현상을 이용한 새로운 방식의 무선전력전송 방식의 의의는? [6][7]. 이 방식은 자기유도 방식과 달리 수 미터의 근거리에서 전송이 가능할 것으로 기대되고 있고, MIT 에서는 2m의 거리에서 40%효율을 시연해 보이기도 했다. 기존의 비접촉 무선 전력전송 기술과 비교해볼때, 자기공명 기술은 몇 가지 근본적으로 다른 점을 가지고 있다. 공명현상은 방향성이 없어, 여러 방향으로의 에너지 전송이 가능하고, 송수신부 간의 결합이 매우 약하더라도 효율적으로 에너지 전송을 할 수 있다. 이러한 특성은 모두 공명현상의 자연적인 특성에 기안한 것이다.
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참고문헌 (9)

  1. Z. N. Low, R. A. Chinga, R. Tseng, and J. Lin, "Design and test of a high-power high-efficiency loosely coupled planar wireless power transfer system", IEEE Trans. Ind. Electron., Vol. 56, No. 6, pp. 1801-1812, 2009, May. 

  2. A. Esser and H. -C. Skudelny, "A new approach to power supplies for robots", IEEE Trans. Industry Appl., Vol. 27, No. 5, pp. 872-875, 1991, Sept. 

  3. J. J. Casanova, Z. N. Low, and J. Lin, "A loosely coupled planar wireless power system for multiple receiver", IEEE Trans. Ind. Electron., Vol. 56, No. 8, pp. 3060-3068, 2009, August. 

  4. J. Hirai, T.-W. Kim, and A. Kawamura, "Wireless transmission of power and information for cableless linear motor drive", IEEE Trans. Power Electron., Vol. 15, No. 1, 2000, Jan. 

  5. J. Sallan, J. L. Villa, A. Llombart, and J. F. Sanz, "Optimal design of ICPT systems applied to electric vehicle battery charge", IEEE Trans. Ind. Electron., Vol. 56, No. 6, pp. 3060-3068, 2009, June. 

  6. A. Kurs, A. Karalis, R. Moffatt, J. D. Joannopoulos, P. Fisher, and M. Soljacic, "Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances", Science, Vol. 317, pp. 83-86, 2007, July. 

  7. A. Karalis, J. D. Joannopoulos, and M. Soljacic, "Efficient wireless non-radiative mid-range energy transfer", Annal of Physics, Vol. 323, pp. 34-48, 2007. 

  8. C. Zhu, K. Liu, C. Yu, R. Ma, and H. Cheng, "Simulation and experimental analysis on wireless energy transfer based on magnetic resonances", Vehicle Power and Propulsion Conference, pp. 1-4, Harbin China, 2008, September 3-5. 

  9. W. Fu, B. Zhang, D. Qiu, and W. Wang, "Analysis of transmission mechanism and efficiency of resonance coupling wireless energy transfer system", International Conference Electrical machines and systems, pp. 2163-2168, Wuhan China, 2008, October 17-20. 

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