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주파수 제어에 의한 무선 충전 최적화 기법
Optimizing Method for Wireless Charging with Frequency Control 원문보기

Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea = 전자공학회논문지, v.50 no.7, 2013년, pp.275 - 280  

안태원 (동양미래대학교 전기전자통신공학부)

초록
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본 논문은 무선 충전 시스템의 최적화 기법에 대한 것으로서, 특히 캡슐형 내시경 응용을 위한 회로를 기반으로 한다. 이 논문에서는 저용량 배터리를 내장하는 무선 충전 시스템에서 전자기 유도 원리를 이용한 방식을 적용하여 배터리 용량을 필요 이상으로 증가시키지 않는 상태에서 여러 가지 상황에 대응하여 무선 전력 전송의 효율을 최적화하는 것을 목표로 하였다. 전자기 공진 코일의 무선 전력 전송의 효율을 증가시키기 위하여 전력 전송의 주요 결정 요소를 분석하고 주파수 제어에 의한 효율 최적화를 시도하였다. 모의실험 결과 제안된 최적화 기법은 무선 충전 효율을 안정화시키고 현재 문제가 되고 있는 거리 및 기생 성분에 의한 전송 효율 변이를 효과적으로 개선하는 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper presents an optimizing method for wireless charging system, specifically focused on the capsule endoscope applications. In order to increase the wireless power transfer efficiency of electro-magnetic resonance coupled coils, this paper investigates the impact factors of the power transfer...

주제어

#무선 충전   #캡슐형 내시경   #전자기 유도   #주파수 제어  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문에서는 전자기 유도 원리를 이용한 방식을 기반으로 배터리 용량을 필요 이상으로 증가시키지 않는 상태에서 여러 가지 상황에 대응하여 무선 전력 전송의 효율을 최적화하는 기법을 제안하였다. 캡슐형 내시경에 적용 가능한 무선 충전 회로를 바탕으로 무선 충전 주파수를 자동 제어하는 방식에 의하여 무선 충전 효율이 개선되는 것을 확인하기 위하여 Linear Technology 사의 LTspice 를 사용한 모의실험을 수행하였으며, 두 코일 사이의 거리에 따른 상호 인덕턴스의 변화, 회로 구성 소자 값의 변화, 회로의 기생 요소에 대한 영향을 살펴보고, 주파수 제어에 대한 충전 상태 최적화 가능성 여부를 검증하였다.
  • 본 논문은 이와 같은 관점에서 전자기 유도 원리를 이용한 방식을 기반으로 배터리 용량을 필요 이상으로 증가시키지 않는 상태에서 여러 가지 상황에 대응하여 무선 전력 전송의 효율을 최적화하는 기법을 제안한다. 구체적으로는 캡슐형 내시경에 집적 가능한 무선 충전 회로를 바탕으로 다양한 경우에 대하여 모의실험을 진행하여, 무선 충전 주파수를 자동 제어하는 방식에 의하여 무선 충전 효율이 개선되는 것을 확인하였다.

가설 설정

  • 그림 3에서 원형 점선으로 표시된 부분 (C1, D1, C2, D2)이 반파 정류가 되면서 출력 전압을 2배로 증가시키는 회로 (Half-wave Voltage Doubler) 인데 본 논문에서는 이러한 모듈 3개를 직렬 연결하여 원래 DC 전압의 2배 (V2x), 4배 (V4x), 6배 (V6x) 가 생성되도록 설계하였다. 응용 분야 및 회로 조건에 따라 직렬 연결되는 모듈의 개수는 증감이 가능하다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
의료용 IT 모듈에서 무선 충전 기술이 요구되는 이유는 무엇인가? 무선 충전 기술이 요구되는 또다른 응용은 의학 분야로서, 특히 전원부를 가지고 인체 내부에 삽입되는 의료용 IT 모듈의 경우에는 유선 연결 자체가 곤란하기 때문에 무선 전원 공급이 필수적인 응용 분야이다[4]. 이 경우에는 소형화가 요구되기 때문에 배터리 용량을 필요 이상으로 증가시키지 않는 상태에서 되도록 간단한 방식으로 여러 가지 상황에 대응하여 무선 전력 전송의 효율을 극대화하는 것이 요구된다[5～6].
전자기 유도 원리를 이용한 비접촉식 (contactless) 충전 방식은 어떠한 한계점이 있는가? 그 중 하나는 전자기 유도 원리를 이용한 비접촉식 (contactless) 충전 방식으로서, 이것은 변압기의 사이를 분리하여 한쪽 코일에서 다른 쪽 코일로 전자기 에너지를 전달하는 방식이다. 이 방식은 에너지 전달 거리가 수 밀리미터만 넘어가도 전력 전달 효율이 크게 떨어지기 때문에 전동 칫솔과 같은 일부 응용 분야에 제한적으로 적용되고 있다. 다른 기술로는 레이저 또는 마이크로파 기술을 이용한 전력 전송 방식으로서, 이것은 먼 거리에 높은 에너지를 전달할 수 있는 장점이 있지만 일반적인 휴대용 소형 단말기에 적용하기에는 위험 요소가 너무 많다.
캡슐형 내시경은 어떠한 특징으로 인해 단순하면서도 효과적인 방법이 요구되는가? 전력 송신부와 전력 수신부의 거리, 코일의 방향성, 회로 구성 소자 값의 변이 및 기생 성분 등으로 인하여 전달되는 전력의 상태 변화에 대하여 전력 전송 손실을 최소화하는 것이 핵심이다. 특히 캡슐형 내시경의 경우에는 소형의 캡슐 내부에 내장되어야 하기 때문에 복잡한 회로 구현에 의한 고성능 보다는 단순하면서도 효과적인 방법이 요구되는 응용 분야이다.
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참고문헌 (7)

  1. Zou Y W, Huang X L, Tan L L, "Current research situation and developing tendency about wireless power transmission," Proceedings of ICECE2010, pp. 3507-3511, Wuhan, China, 2010 

  2. Mandal T K, "Wireless transmission of electricity development and possibility," Sixth International Symposium Nikola Tesla, Belgrade, pp. 18-20, October, 2006 

  3. Soljacic M, Kurs A, Karalis A, "Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances," Sci Express, pp. 83-86, 2007 

  4. 장연수, 김현철, 김수환, 전국진, "정전 용량형 SP4T RF MEMS 스위치 구동용 4채널 승압 DC-DC 컨버터," 전자공학회논문지, 제46권 SD편 제2호, 93-100쪽, 2009년 2월 

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  5. 이상균, 문승언, 양일석, 김종대, "압전 에너지 하베 스터 및 이를 이용한 배터리 충전," 대한전자공학회 2010년 하계종합학술대회, 1814-1815쪽, 2010년 6월 

  6. 정원재, 박준석, "RF 무선전력전송을 이용한 센서노 드 배터리 충전용 전력획득모듈 연구 및 구현," 전자 공학회논문지, 제48권 SC편 제6호, 34-42쪽, 2011년 11월 

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  7. 정보통신부, 전자파 생체영향 및 표준화 연구, 한국 전자통신연구원 편, 2001. 

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