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문제 정의
- 그래서 본 논문에서는 자기유도 방식과 간단한 LC공진을 이용한 근거리용 무선 전력 시스템을 제안한다. 시스템은 간단히 송신부와 수신부로 구성되며, 송신부는 풀 브리지(Full bridge circuits) 회로를 사용하였으며 스위치 드라이버는 IR215x 계열을 사용하여 병렬 LC공진을 유도하였다.
- 다음 실험은 1차 측의 풀 브리지 드라이버 스위치 주파수를 변경하여 인덕턴스와 커패시터간의 주파수 관계를 알아보고, 이때 2차 측에 전송되는 전압과 전류를 측정하여 입력 전력과 비교하면서 공진 주파수와의 관계를 알아보는 실험이다. 인가전압은 전원공급 장치로 15.
제안 방법
- 비접촉식 전송 방식은 인덕턴스를 이용한 전력 전송이하면, 이는 트랜스포머 특성을 따를 것을 보이며 이를 알아보는 실험을 진행을 하였다. 100kHz, 1V에서 인덕터의 거리에 따른 인덕턴스 값 변화를 측정하였다. 총 4가지의 인덕터 샘플로 측정을 하였으며, 결과는 아래의 그림과 같다.
- 이 기술은 수십 W를 2M까지 전송을 하면서 근거리 전송의 새로운 패러다임을 제시했다. 가정과 같은 소규모 전력 시스템에서 무선을 사용하여 전력을 전송할 경우 더 이상 전선이 필요가 없게 되는 새로운 전력 시스템을 제시했다. 현재 많은 연구진이 이 기술을 2015년까지 개발을 하기 위해서 매진을 하고 있다.
- 5V를 인가했으며, 2차측 부하는 LED 사용하였으며, 전류 측정을 위해 LED 부하 밑에 직렬로 1kΩ를 달아 양단의 전압을 측정하였다. 거리는 5, 10 ,15, 20cm로 변경을 하면서 1차 측 입력 파워 변화와 2차 측 전압과 전류를 측정하였다 .
- 송신부의 시스템을 회로도(그림 4)를 보며 간단히 소개하자면, 입력 전원은 전원공급 장치를 사용하였고, 스위치는 모스펫 IRF1404를 사용하였고, 스위칭 드라이버는 IR2151, IR2111를 사용하여 구성을 하였다. 그리고 LC 공진을 설정하기 위한 커패시턴스 값 설정과 주파수 설정을 위한 장치를 추가하였다.
- 비접촉식 전송 방식은 인덕턴스를 이용한 전력 전송이하면, 이는 트랜스포머 특성을 따를 것을 보이며 이를 알아보는 실험을 진행을 하였다. 100kHz, 1V에서 인덕터의 거리에 따른 인덕턴스 값 변화를 측정하였다.
- 그래서 본 논문에서는 자기유도 방식과 간단한 LC공진을 이용한 근거리용 무선 전력 시스템을 제안한다. 시스템은 간단히 송신부와 수신부로 구성되며, 송신부는 풀 브리지(Full bridge circuits) 회로를 사용하였으며 스위치 드라이버는 IR215x 계열을 사용하여 병렬 LC공진을 유도하였다. 인덕턴스와 커패시턴스의 공진 주파수를 20~30kHz로 설정하여 커패시터와 인덕턴스의 값을 계산했다.
- 위의 식으로 1차 측과 2차 측 인덕턴스와 커패시턴스의 공진 값을 일치시키고 실험을 진행했다. 실험에서 사용된 송신부 커패시터와 인덕터의 값은 220nF, 378.
- 위의 실험에서 공진 주파수의 중요성을 알았으며, 이를 설정하는 실험을 진행을 하였다. 기본적으로 우리가 아는 공진 주파수의 식은 다음과 같다.
- 인가전압은 전원공급 장치로 15.5V를 인가했으며, 2차측 부하는 LED 사용하였으며, 전류 측정을 위해 LED 부하 밑에 직렬로 1kΩ를 달아 양단의 전압을 측정하였다.
- 시스템은 간단히 송신부와 수신부로 구성되며, 송신부는 풀 브리지(Full bridge circuits) 회로를 사용하였으며 스위치 드라이버는 IR215x 계열을 사용하여 병렬 LC공진을 유도하였다. 인덕턴스와 커패시턴스의 공진 주파수를 20~30kHz로 설정하여 커패시터와 인덕턴스의 값을 계산했다. 그리고 수신부는 정류회로를 거쳐 커패시터에 충전하는 간단한 구조로 되어 있다.
대상 데이터
- 송신부의 시스템을 회로도(그림 4)를 보며 간단히 소개하자면, 입력 전원은 전원공급 장치를 사용하였고, 스위치는 모스펫 IRF1404를 사용하였고, 스위칭 드라이버는 IR2151, IR2111를 사용하여 구성을 하였다. 그리고 LC 공진을 설정하기 위한 커패시턴스 값 설정과 주파수 설정을 위한 장치를 추가하였다.
- 위의 식으로 1차 측과 2차 측 인덕턴스와 커패시턴스의 공진 값을 일치시키고 실험을 진행했다. 실험에서 사용된 송신부 커패시터와 인덕터의 값은 220nF, 378.78uH이며, 수신부의 값은 47nF, 1.51mH를 사용하였다. 위의 식으로 계산을 하면 공진 주파수(fr) 17.
- 100kHz, 1V에서 인덕터의 거리에 따른 인덕턴스 값 변화를 측정하였다. 총 4가지의 인덕터 샘플로 측정을 하였으며, 결과는 아래의 그림과 같다. 그림 5와 같이 인덕터의 인덕턴스 값은 역 익스포넨셜 그래프와 같이 거리에 따라서 감소하며 일정 거리 이후에는 상호작용이 나타나지 않는 것이 보인다.
이론/모형
- 그림 2 TI의 새로운 무선전송 충전키트. 비접촉 방식을 사용한 제품.
성능/효과
- 이로 보아 코어를 사용한 무선 전력 전송은 코어의 상호 인덕턴스와 밀접한 관계를 가지고 있다고 생각되며, 이는 크기가 크고 자기력이 강한 코어를 사용한다면, 전송 거리와 효율이 더 좋아 질 수 있다는 것을 의미한다. 그리고 자기력은 전류와 밀접한 관계를 가지므로 입력 측 전류가 올라갈수록 자기력이 올라가 전송 거리가 증가할 것으로 보인다.
- 하지만 자기 커플링을 형성하기 위해서는 복잡한 수식인한 재현성의 어려움과 지름 60cm 정도의 송/수신 중계 안테나가 추가로 시스템의 규모가 크다는 단점이 있다. 그리하여 본 논문에서는 LC 공진을 이용하여 수십 khz대역에서 무선 전송을 시도하였으며, MIT 랩보다 전송거리는 짧지만, 시스템이 간단하고, 재현성이 좋은 장점이 있다. 이 기술의 전송거리는 20~ 40cm 정도로 건물의 벽을 사이에 두고 전송할 수 있는 가정용 태양열 발전 시스템, 차량용 무선 충전 장치, 모바일 핸드폰 같은 근거리용 무선충전기에 사용할 수 있을 것이다.
- 본 논문은 풀 브리지회로를 이용하여 송신기를 만들어 송신부와 수신부의 LC공진 주파수 매칭(matching)을 하고 풀 브리지의 드라이버 스위치 주파수를 조정하면 공진 점에서의 전력 전송의 에너지 효율이 높아진다는 것을 알 수 있었다. 이것은 또한 수십 mm정도의 전송 거리를 가지는 자기 유도 방식의 한계를 20cm 이상 보낼 수 있는 방법을 제시했으며, 자기 유도 방식에도 공진을 이용하면 효율과 거리를 더 증가 시킬 수 있는 것을 알았다.
- 하지만 15cm 이상에서는 입력 측 주파수가 낮아 전류는 많이 흐르지만 전송은 되지 않아 출력 측 전압이 나오지 않는 것을 알 수 있다. 이것으로 보면 무선 전송에서는 입력 측 전력도 중요하지만 송신부와 수신부의 공진 주파수대역에서의 전송이 입력 전력보다 더 상관관계가 높다는 것을 알 수 있다.
- 본 논문은 풀 브리지회로를 이용하여 송신기를 만들어 송신부와 수신부의 LC공진 주파수 매칭(matching)을 하고 풀 브리지의 드라이버 스위치 주파수를 조정하면 공진 점에서의 전력 전송의 에너지 효율이 높아진다는 것을 알 수 있었다. 이것은 또한 수십 mm정도의 전송 거리를 가지는 자기 유도 방식의 한계를 20cm 이상 보낼 수 있는 방법을 제시했으며, 자기 유도 방식에도 공진을 이용하면 효율과 거리를 더 증가 시킬 수 있는 것을 알았다. MIT에서 제시한 송/수신을 위한 중계코일을 이용한 방법보다 간단히 만들 수 있는 장점이 있으며, 재현성도 상당히 높다.
- 하지만 아직 전송 거리와 효율에서는 많이 차이가 나며 아직 보완할 부분이 많이 남아있다. 자기 코어를 사용한 무선 전력 전송은 자기 코어의 특성과 밀접한 관계를 가지고 있다는 것을 알았으며, 특성이 좋은 자기 코어를 사용하면 전송거리와 효율이 증가할 것이다. 하지만 특성이 좋은 코어는 가격이 높아 가격경쟁력이 떨어진다.
- 전송 거리와 효율은 아주 밀접한 관계를 가지고 있었다. 전송 거리가 5cm일 때 40.65%로 가장 좋았으며, 거리가 멀어짐에 따라 급격하게 줄어드는 것을 알 수 있었다. 그리고 그 효율 곡선은 그림 5의 거리에 따른 상호인덕턴스변화의 그래프와 유사한 형태를 이루고 있었다.
- 45khz와는 다른 결과를 보였다. 전송 주파수에 따라서 입력측 전류 값과 출력측 전압⦁전류 값이 바뀌는 것을 알 수 있으며, 입력 파워가 많이 들어갈수록 출력 파워가 많이 나오지 않는 것으로 보아 입력파워와 출력파워의 상관관계는 주요한 관계는 아닌 것으로 보인다. 위의 표의 분홍색으로 표시된 부분은 공진 주파수 대역의 입력 출력 관계를 보여주며, 이때 가장 효율이 좋고 전송이 잘되는 것을 알 수 있다.
후속연구
- 하지만 특성이 좋은 코어는 가격이 높아 가격경쟁력이 떨어진다. 그래서 다음시험에는 이것을 보완하여 공심 코어를 이용한 무선전력전송을 하여 지금보다 높은 전류와 전력을 이용하여 50W~ 100W급 무선전력전송을 진행하여 위의 시스템을 보완할 계획입니다.
- 그리하여 본 논문에서는 LC 공진을 이용하여 수십 khz대역에서 무선 전송을 시도하였으며, MIT 랩보다 전송거리는 짧지만, 시스템이 간단하고, 재현성이 좋은 장점이 있다. 이 기술의 전송거리는 20~ 40cm 정도로 건물의 벽을 사이에 두고 전송할 수 있는 가정용 태양열 발전 시스템, 차량용 무선 충전 장치, 모바일 핸드폰 같은 근거리용 무선충전기에 사용할 수 있을 것이다.
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