[논문]무선 전력 전송에 관한 기본적인 고찰

박종민; 남상욱

doi:10.5515/kjkiees.2014.25.10.959

[국내논문] 무선 전력 전송에 관한 기본적인 고찰
Some Basic Investigation on Wireless Power Transfer 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.25 no.10, 2014년, pp.959 - 965

박종민 (서울대학교 전기정보공학부 & 뉴미디어통신공동연구소) , 남상욱 (서울대학교 전기정보공학부 & 뉴미디어통신공동연구소)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 그 동안 서울대학교에서 수행된 무선 전력 전송 관련 몇 가지 기본적인 연구 결과를 요약 정리하였다. 첫 번째 고찰은 무선전력 전송의 물리적인 한계에 대한 것으로, 주어진 안테나(공진기)를 이용하여 주어진 거리에서 얻을 수 있는 전송효율의 한계를 구면파 모드 이론을 이용하여 구하는 것이다. 두 번째로, 무선 전력 전송에서 사용되는 전력원의 종류에 따른 무선 전력 전송 특성 변화를 연구한 것이다. 더불어, 무선 전력 전송 안테나 사이의 거리가 변할 때 효율적인 전력전송이 가능한 방법을 제안하는 것이다. 마지막으로, 그 동안 무선 전력 전송에서 불분명하게 사용된 자기 유도방식과 자기 공명 방식의 차이를 분명히 하고자 하였으며, 결합 모드 이론을 이용하여 정량적인 구별 기준을 제시하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper summarizes the previous research results of fundamental investigation done in SNU on the wireless power transfer. Firstly, the physical limitation of a wireless power transfer using the spherical modes is reviewed. It is found that wireless power transfer depends only on the radiation efficiency of the antennas and the distance between two antennas involved. Secondly, we review the characteristics of WPTS with different sources and compare the performance differences of WPTS according to the source type. In addition, the method for efficient WPTS is suggested when the distance between antennas is varied. Finally, by using the time domain solution of the coupled mode equation, we present an analytic formula which can be used to differentiate Inductive Coupling(IC) and Magnetic Resonance Coupling(MAC) which are often used ambiguously in wireless power transfer system.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

무선 전력 전송은 최근에 관심 있는 연구 분야이다. 본 논문은 2008년 참고문헌^[1]이 발표된 이후, 무선 전력 전송에 관하여 제기된 근본적인 질문에 대하여 서울대학교에서 수행된 연구결과를 요약 정리하고자 한다. 모든 문제에서와 마찬가지로 무선 전력 전송문제도 초기에는 분석을 위한 분석적인 모델이 제안되었다^[1],[2].
본 논문은 구면파 모드를 이용하여 무선 전력 전송의 물리적인 한계를 구한 기존의 논문을 요약 정리하였다. 안테나의 방사효율과 두 안테나 사이의 거리가 무선 전력 전송 특성을 결정하는 설계변수인 것을 보였으며, 무선 전력 전송의 특성을 분석하기 위해서 안테나의 구조는 알 필요가 없었다.
핵심 용어인 임계 계수가 제시되었다. 이 논문에서는 무선 전력 전송 시스템의 두 가지 형태의 전력원에 대해 고려하였다.
두 공진기는 연속적으로 하나의 공진기에서 다른 공진기로 에너지를 주고받는다. 이 논문에서는 얼마나 많은 에너지를 첫 번째 공진기에서 전송 후 다시 돌려받는지를 기준으로 기준을 제시하였다. 첫 번째 공진기가한 주기 (1T)후에 받은 에너지가 초기 송신 에너지의 e^-5배보다 크면 (i.

제안 방법

따라서 주파수 추적 방식을 적용할 경우, 주파수 규정에 위반되기 쉽다. 그래서 두 안테나 사이의 거리가 변할 때 동작주파수를 고정시키고, 효율적인 무선 전력 전송이 가능한 새로운 방법을 제안하였다. 제안된 무선 전력 전송 시스템은 오직 제안된 적당한 부하저항을 이용하고, 시스템의 전력원으로 사용되는 D급 전력증폭기만을 조정하여 효율적인 무선 전력 전송이 가능하다.
무선 전력 전송시스템의 전원으로 사용되는 전력증폭기에 따른 전력 전송 특성의 차이를 요약 정리하였으며, 두 종류의 전력원(voltage source와 power source)을 비교하였다. 그리고 목표거리에서 정합되는 부하저항을 사용하여 개선된 주파수 추적 방법을 제안한 논문의 기본 아이디어를 정리하였다. 개선된 주파수 추적 방법은 강하게 결합된 영역 넘어서까지도 안정적으로 효율적인 전력전송이 가능한 방법이었다.
무선 전력 전송에 사용되는 안테나는 파장에 비해서 아주 작기 때문에 CMS 안테나로 가정이 타당하다. 두 안테나 사이의 Z 파라미터를 유도하기 위해서 우리는 안테나를 generalized scattering matrix(GSM)으로 표현하였다. 두 안테나 사이의 결합은 3 네트워크의 cascade로 고려가 가능하다^[3].
개선된 주파수 추적 방법은 강하게 결합된 영역 넘어서까지도 안정적으로 효율적인 전력전송이 가능한 방법이었다. 또한, D급 전력증폭기를 전원으로 사용하고 부하저항을 앞에서 제시한 조건에 만족하는 값으로 사용하는 무선 전력 전송시스템을 제안하였다.
무선 전력 전송시스템의 전원으로 사용되는 전력증폭기에 따른 전력 전송 특성의 차이를 요약 정리하였으며, 두 종류의 전력원(voltage source와 power source)을 비교하였다. 그리고 목표거리에서 정합되는 부하저항을 사용하여 개선된 주파수 추적 방법을 제안한 논문의 기본 아이디어를 정리하였다.
그러나 이 두 용어가 무분별하게 사용되고 있다. 이 논문에서는 결합 모드 이론을 이용하여 무선 전력 전송에서 자기 유도 방식과 자기 공명 방식, 두 용어를 정의하기 위해 이전의 이론적인 분석을 확장하였다. 핵심 용어인 임계 계수가 제시되었다.
전력원과 전압원을 사용하는 무선 전력 전송에서 자기 유도 방식과 자기 공명 방식의 기준을 제시하였다. 제시된 임계 결합 계수를 사용하면 두 방식을 분석적으로 명확하게 분류할 수 있다.

성능/효과

그리고 목표거리에서 정합되는 부하저항을 사용하여 개선된 주파수 추적 방법을 제안한 논문의 기본 아이디어를 정리하였다. 개선된 주파수 추적 방법은 강하게 결합된 영역 넘어서까지도 안정적으로 효율적인 전력전송이 가능한 방법이었다. 또한, D급 전력증폭기를 전원으로 사용하고 부하저항을 앞에서 제시한 조건에 만족하는 값으로 사용하는 무선 전력 전송시스템을 제안하였다.
그림 3는 다양한 적응형 정합방법들의 전력 전송 효율의 시뮬레이션 결과를 보여준다. 개선된 주파수 추적 방식은 목표 거리인 1.5 m까지 높은 효율을 유지하는 것을 보여준다.
본 논문은 구면파 모드를 이용하여 무선 전력 전송의 물리적인 한계를 구한 기존의 논문을 요약 정리하였다. 안테나의 방사효율과 두 안테나 사이의 거리가 무선 전력 전송 특성을 결정하는 설계변수인 것을 보였으며, 무선 전력 전송의 특성을 분석하기 위해서 안테나의 구조는 알 필요가 없었다.
그래서 두 안테나 사이의 거리가 변할 때 동작주파수를 고정시키고, 효율적인 무선 전력 전송이 가능한 새로운 방법을 제안하였다. 제안된 무선 전력 전송 시스템은 오직 제안된 적당한 부하저항을 이용하고, 시스템의 전력원으로 사용되는 D급 전력증폭기만을 조정하여 효율적인 무선 전력 전송이 가능하다. 최대 전력 전송 효율을 얻기 위한 부하저항과 상호인덕턴스의 조건은 다음과 같이 표현된다.
첫 번째 공진기가한 주기 (1T)후에 받은 에너지가 초기 송신 에너지의 e-5배보다 크면 (i.e.ㅣa1(1T)2 >ㅣa1(0)2 · e-5), 무선 전력 전송 시스템은 자기 공명 방식을 이용한 것으로 판단한다.

후속연구

구면파 모드를 이용한 해석방법은 두 안테나 사이의 근접장 결합의 특성을 명확하게 보여주며, 방사 전력을 포함한 무선 전력 전송 시스템의 물리적인 한계에 대하여 기술하고 있다. 단, 이 이론의 한계는 주어진 안테나를 포함한 최소의 구가 서로 겹치지 않는 경우에만 적용 가능하다는 점이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	소스 임피던스와 부하 임피던스가 급격하게 변하는 현상을 해결하는 방법은?	우선 안테나들의 방향 및 결합 거리에 따라 최적의 소스 임피던스와 부하 임피던스가 급격하게 변하는 현상은 잘 알려져 있었다[3]. 쉽게 생각할 수 있는 문제 해결하는 방법은 거리에 따라 가변하는 임피던스 정합기를 구현하는 것이나, 현실적으로 쉬운 방법이 아니다. 따라서 거리 변화에 따른 무선 전력 전송 시스템의 동작 특성을 자세히 들여다볼 필요가 있었다.
	무선 전력 전송 시스템 무엇이 요구되는가?	무선 전력 전송 시스템은 모든 근접장 영역에서 높은 효율의 전력 전송이 요구된다. 그러나 실제로 높은 효율의 무선 전력 전송 시스템을 구현을 하기 위해서는 당시에 해결되지 않은 많은 문제들이 남아있었다.
	무선 전력 전송에 사용되는 안테나는?	무선 전력 전송에 사용되는 안테나들은 canonical mini- mum scattering(CMS) 안테나로 가정이 가능하다. CMS 안테나는 오직 기본적인 구형 모드만을 발생시킨다.

참고문헌 (10)

A. Karalis, J. D. Joannopoulos, and M. Soljacic, "Efficient wireless non-radiative mid-range energy transfer", Ann. Phys., vol. 323, no. 1, pp. 34-48, Jan. 2008.

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P. Sample, T. Meyer, and R. Smith, "Analysis, experimental result, and range adaptation of magnetically coupled resonators for wireless power transfer", IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 58, no. 2, pp. 544-554, Feb. 2011

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J. Lee, S. Nam, "Fundamental aspects of near-field coupling

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J. Park, Y. Tak, Y. Kim, Y. Kim, and S. Nam, "Investigation

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J. Park, S. Lee, Y. Tak, and S. Nam, "Simple efficient resonant coupling wireless power transfer system operating at varying distances between antennas", Microwave and Optical Technology Letters, vol. 54, issue 10, pp.2397-2401, Oct. 2012

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F. Z. Shen, W. Z. Cui, W. Ma, J. T. Huangful, and L.
S. C. Cripps, RF Power Amplifiers for Wireless Communications,London: Artech-House, ch. 3, 2006.
A. Kurs, A. Karalis, R. Moffatt, J. D. Joannopoulos, P.
Y. Kim, H. Ling, "Investigation of coupled mode behaviour

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H. A. Haus, Waves and Fields in Optoelectronics, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ, 1984.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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