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문제 정의
- 본 논문에서는 산업 현장에서 사용되는 장비에 무선으로 전력을 공급할 수 있는 무선전력전송시스템을 구현하고자 한다. 이동용 장비와 전력공급 장치와의 접촉에 의한 파손 등을 고려하여 20~30 mm의 거리에서 효율적으로 무선 전력을 공급할 수 있는 시스템을 13.
- 본 논문에서는 산업용 기기의 배터리를 충전하기 위한 전력을 무선으로 공급하여 약 15 V 의 배터리를 충전하는 무선전력전송 시스템을 설계하고, 실험을 통하여 동작을 확인하였다.
제안 방법
- 먼저, 도선(wire)과 콘덴서를 사용하여 13.56 MHz에서 동작하는 무선전력전송 송수신 모듈의 코일부를 설계하였다. 최대 5 W 의 전력을 송신하는 전력증폭기와 설계한 코일을 연결하여 전력송신 모듈을 구성하고, 코일과 정류회로, 직렬로 연결 된 3.
- 그림 6에 전력수신모듈의 회로도를 나타내었다. 본 연구에서는 배전압 정류회로를 이용하여 4배의 전압을 얻는 회로를 구현하였다.
- 송수신 안테나의 턴 수를 3턴으로 고정하고, 코일의 반경에 따른 수신전력의 변화를 측정하기 위해, 송신안테나와 수신안테나 사이의 거리를 30 mm로 고정한 후, 반경이 각각 30 mm, 50 mm, 70 mm인 안테나를 제작하고, 전력전달 특성을 측정하여 그림 4에 나타내었다.
- 송신부는 상용 220 V 60 Hz의 교류전원에서 직류 12 V, 1 A의 DC를 제공하는 어댑터, 인가된 DC 전력을 사용하여 13.56 MHz 신호 발생 및 최대 5 W의 전력을 출력하는 전력증폭기, 13.56 MHz 신호를 효과적으로 전송하는 송신용 코일부로 구성하였다. 전력 증폭기는 상용 증폭기 모듈을 구입하여 사용하였다.
- 본 논문에서는 산업 현장에서 사용되는 장비에 무선으로 전력을 공급할 수 있는 무선전력전송시스템을 구현하고자 한다. 이동용 장비와 전력공급 장치와의 접촉에 의한 파손 등을 고려하여 20~30 mm의 거리에서 효율적으로 무선 전력을 공급할 수 있는 시스템을 13.56 MHz 주파수를 사용하여 자기유도 방식으로 구현하였다.
- 조정 전과 조정 완료 후 코일의 공진 특성을 그림 2에 나타내었다. 이후 모든 코일부의 공진주파수 조정은 이러한 방식으로 진행하였다.
- 인덕턴스의 실제 값과 계산 값의 오차를 보상하기 위해서 코일에 연결된 콘덴서의 용량을 낮은 값으로 변경하여 13.56 MHz에서 공진하도록 조정하였다. 조정 전과 조정 완료 후 코일의 공진 특성을 그림 2에 나타내었다.
- 제작된 송수신 모듈을 각각 PVC 상자 속에 배치하여 무선전력 전송부를 제작하였다. 송수신 모듈간의 간격을 약 3 cm 유지한 채, 배터리에 남아있는 전압이 약 0 V 인 상태에서 충전을 시작하여 배터리의 충전 특성을 측정하여 그림 8에 제시하였다.
- 56 MHz에서 동작하는 무선전력전송 송수신 모듈의 코일부를 설계하였다. 최대 5 W 의 전력을 송신하는 전력증폭기와 설계한 코일을 연결하여 전력송신 모듈을 구성하고, 코일과 정류회로, 직렬로 연결 된 3.7 V 리튬 폴리머 전지 4 개를 이용해 전력수신 모듈을 구성하였다.
- 코일에 감은 도선의 턴 수에 따른 수신 전류의 변화를 알아보기 위해 코일간의 거리를 설계하고자 하는 사양에 명시된 30 mm로 고정하고, 반경은 송수신 모듈의 크기를 고려하여 50 mm로 설정하였다. 송신 코일과 수신 코일의 턴 수를 각각 2, 3, 4 로 조정하면서 송수신 코일간의 전력 전달 특성을 측정하여 결과를 그림 3에 제시하였다.
- 실제 공진주파수를 측정하기 위해 그림 1과 같이 코일을 제작했다. 코일의 반경을 유지하기 위해 두꺼운 종이를 사용하여 반경 50 mm의 원통형 모양을 만들고, 코일의 턴 수는 3 턴이며, 코일의 피치는 wire의 굵기와 동일하게 하였다. 즉 코일이 서로 떨어지지 않고 서로 붙어서 감기도록 하였다.
- 02 mm이며, 최대 허용전류가 12 A 인 AWG 18인 전선을 사용하였다. 코일의 턴(turn)수와 반경을 결정하여 원형 코일 모양의 안테나를 설계하고, 이 코일의 인덕턴스를 계산하여 원형 코일 안테나가 13.56 MHz에서 공진이 되도록 하기 위해 원형 코일과 직렬로 커패시터(capacitor)를 연결하여 코일부를 설계하였다.
대상 데이터
- 여러 종류의 코일의 전력 송수신 실험 결과, 코일의 턴 수가 3, 반경 50 mm일 때, 코일간의 송수신 거리가 20~30 mm에서 수신되는 전력이 가장 양호한 것으로 나타났다. 본 논문에서 제작한 무선전력전송 송수신 모듈의 코일은 위와 같은 사양의 코일을 사용하였다.
- 제작하고자 하는 자기 유도 방식을 사용하는 무선전력전송 시스템의 사양은 다음과 같다. 사용주파수는 13.56 MHz이며, 송신부 출력은 최대 5 W이며, 송수신 코일의 직경은 장비의 크기를 감안하여 15 cm이하이고, 전력 전송을 위한 송수신 모듈간의 거리는 20~30 mm이다.
- 저장 커패시터는 50 V 허용전압을 갖는 1000 μF의 전해 커패시터를 사용하였고, 배터리는 PSE 사의 H652595-PCM 3.7 V 리튬 폴리머 전지 4개를 직렬로 연결하여 구성하였다.
- 코일부는 원형 코일과 커패시터로 구성된다. 코일을 제작하기 위한 도선(wire)은 직경 1.02 mm이며, 최대 허용전류가 12 A 인 AWG 18인 전선을 사용하였다. 코일의 턴(turn)수와 반경을 결정하여 원형 코일 모양의 안테나를 설계하고, 이 코일의 인덕턴스를 계산하여 원형 코일 안테나가 13.
성능/효과
- 그림 3에서 코일의 턴 수가 4 턴인 경우 over coupling 현상이 발생하는 것을 확인 할 수 있고, 2 턴인 경우 under coupling으로 인해 수신되는 전력이 감소하는 것을 볼 수 있다. 그러므로 턴 수가 3 턴일 때 전력전달 특성이 가장 양호하다는 것과, 4 턴 이상의 코일은 전력의 송수신에 적합하지 않다는 것을 알 수 있다.
- 여러 종류의 코일의 전력 송수신 실험 결과, 코일의 턴 수가 3, 반경 50 mm일 때, 코일간의 송수신 거리가 20~30 mm에서 수신되는 전력이 가장 양호한 것으로 나타났다. 본 논문에서 제작한 무선전력전송 송수신 모듈의 코일은 위와 같은 사양의 코일을 사용하였다.
- 제작된 전력전송 시스템은 충전시간과 방전시간을 고려하여 효율을 계산 해 보면 약 49%가 되었다.
- 제작한 코일을 네트워크 분석기에 연결하여 반사손실을 측정한 결과, 13.56 MHz보다 낮은 주파수에서 공진특성을 보였다. 이로 인해 계산된 코일의 인덕턴스 값이 실제의 인덕턴스 값과 어느 정도의 오차를 가진다는 것을 알 수 있다.
- 9 V 가 될 때 까지 충전을 하였으며, 충전되는 시간은 약 135 분 정도가 소요 되었다. 한 개의 배터리가 완전히 충전 되었을 때 약 3.7 V 까지 충전이 되므로 4 개를 직렬로 연결 한 경우 최대 충전 전압은 약 14.8 V 가 되며, 그림 8에서 14.8 V 까지 충전을 위해서는 약 125 분의 시간이 소요되는 것을 확인 할 수 있다.
후속연구
- 본 논문에서 제작된 시스템은 약 15 V의 전력을 필요로 하는 산업용 장비에 사용이 가능할 것으로 사료되며, 향후에는 더 큰 소비전력을 가지는 산업용 기기에 무선으로 전력공급을 위해, 수 kW급 무선전력전송 시스템에 대한 연구가 필요 할 것으로 생각된다.
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