[논문]6.78 MHz, 100 W, 30 cm 거리 무선 전력 전송 시스템의 전선별 손실 및 효율 비교

이승환; 이병송; 정신명; 박찬배

doi:10.5370/kiee.2015.64.11.1651

6.78 MHz, 100 W, 30 cm 거리 무선 전력 전송 시스템의 전선별 손실 및 효율 비교
Loss and Efficiency Dependence of a 6.78 MHz, 100 W, 30 cm Distance Wireless Power Transfer System on Cable Types 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.64 no.11, 2015년, pp.1651 - 1657

이승환 (Metropolitan Transportation Research Center, Korea Railroad Research Institute) , 이병송 (Metropolitan Transportation Research Center, Korea Railroad Research Institute) , 정신명 (Metropolitan Transportation Research Center, Korea Railroad Research Institute) , 박찬배 (Dept. of Railroad Operation System Engineering, Korea National University of Transportation)

Abstract ▼ AI-Helper

In MHz operating wireless power transfer systems, skin- and proximity-effect losses in the transmitter and the receiver coils dominate the coil-to-coil efficiency of the system. A Litz-wire was regarded as a common solution for minimizing such Ohmic losses in high frequencies. In this paper, equivalent series resistances of 12 different cables including Litz-wire and copper tubing have been calculated and measured for a 6.78 MHz, 100W, 30 cm wireless power transfer system. It has been shown that the copper tubing has lower resistances compared to the Litz-wire in that frequency and a wireless power transfer system with the copper tubing was able to achieve much higher efficiency than a system using the Litz-wire. Calculations of the resistances and efficiencies were accomplished with analytical equations and those calculations were evaluated by experimental results.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

캐패시터의 경우 주파수 대역에 적합한 높은 Q를 가지는 캐패시터의 선정이 중요하고, 코일의 경우 운전 주파수 대역에서 손실이 작은 케이블의 선정이 중요하다. 본 논문에서는 30 cm 떨어진 수신 단에 무선 전력 전송 하기 위해 6.78 MHz 에서 동작하며100 W의 입력 전력을 받는 시스템에서 이러한 케이블의 종류에 따라서 발생하는 손실 및 효율을 비교 분석하고자 한다,이처럼 원거리 (수 십 cm) 소전력 (100 W급) 무선 전력 전송시스템은 Telemetry, 소형 가전(TV, Laptop, iPad 등), 전동 공구 등에 적용이 가능해 향후 많은 시스템에 사용될 수 있다.
본 논문에서는 Telemetry 시스템 등에 적용 가능한 6.78 MHz, 30 cm, 100 W급 무선 전력 전송 시스템에서 발생하는 손실 들에 대해서 연구했다. Transmitter 및 Receiver에 적용 가능한 케이블들의 손실을 측정하고, 그에 따른 효율 차이를 비교했다.
1의 시뮬레이션 모델과 같다. 본 논문에서는 Transmitter의 1턴 및 Receiver의 5턴 코일을Litz-wire, 인탈산 동관, 터프피치 동관을 사용하는 경우를 비교했다. 비교에 사용된 Litz-wire 및 동관의 종류는 아래 Table 2와 같다.

제안 방법

Receiver 코일은 총 5 턴으로 역시 반경이 15 cm이다. 24V 배터리의 무선 충전을 위해 최대 출력 전압 38 V_rms, 3A_rms가 되도록 설계 했다. 동작 주파수는 공진 무선 전력 전송 시스템을 위해 할당된 6.
Transceiver와 Transmitter 코일 사이에 impedance tuner를 연결하여 무선 전력 전송 시스템의 input impedance를 Transceiver의 출력단 impedance인 50 W과 동일하게 맞췄다. Transmitter coil은 capacitor와 병렬로 연결했고, Receiver 코일은 직렬로 연결해 Parallel-series system으로 구성했다. 이는 논문 [6]에 따르면 Receiver측은 부하 저항 값 (20 W)이 Receiver 코일의 impedance인 (426 W at 6.
78 MHz, 30 cm, 100 W급 무선 전력 전송 시스템에서 발생하는 손실 들에 대해서 연구했다. Transmitter 및 Receiver에 적용 가능한 케이블들의 손실을 측정하고, 그에 따른 효율 차이를 비교했다. 이를 위해 30 μm의 Strand diameter를 가지는 Litz-wire 4종, 50 μm 의 Strand diameter를 가지는 Litz-wire 4종, 그리고 인탈산 동관 2종, 터프피치 동관 2종 등 총 12종의 케이블들의 MHz에서 AC 저항 값을 계산 및 실험을 통한 측정을 진행했다.
Transmitter 코일은 1턴으로 반경이 15 cm이다. Transmitter 코일에 과도한 전압이 걸리는 것을 방지하기 위해 턴수를 줄이고, 전류 정격을 높였다. Receiver 코일은 총 5 턴으로 역시 반경이 15 cm이다.
3 mm²)을 꼬아서 제작하였다. Transmitter는 20 A_rms이상의 전류 정격을 가져야 하기 때문에 총 50 Arms의 전류 정격을 갖도록 설계했고, Receiver 측은 3 A_rms의 전류 정격을 가지도록 설계했다. 또한 Litz-wire는 제작시 1 미터당 전체 다발을 꼬는 횟수(turns/m)를 pitch라고 하며 이 pitch에 따라 저항 값이 달라지기 때문에 같은 strand라도 pitch가 다른 2종류의 전선을 시험했다.
9는 주어진 시스템들의 효율 측정 결과를 보여준다. 각각 Input power가 90W일 때 효율을 측정하였다. Fig.
두 번째 케이블 종류로 인탈산 동관 (PDC) 을 선정했다. MHz에서 발생하는 skin-effect 에 의해 케이블의 내부에는 전류 밀도가 거의 0 이 되어 케이블 내부의 Conductor는 필요 없다.
따라서 Litz-wire는 skin-depth와 유사하며 국내에서 제작 가능한 최소 직경인 30μm의 strand 17,500 가닥(net crosssectional area = 12.4 mm2)과 skin-depth의 2배인 50 μm 직경의 strand 6250 다발 (net cross-sectional area = 12.3 mm2)을 꼬아서 제작하였다.
8MHz 까지 동작 할 수 있는 케이블 까지 제작되고 있다[4]. 본 논문에서는 6.78 MHz에 동작하는 무선 전력 전송 시스템을 위하여 Transmitter용 Litz-wire 4종, 인탈산 동관 (Phosphorus deoxidized copper, PDC) 1종, 터프피치 동관 (Tough pitch copper, TPC) 1종, Receiver coil 용 Litz-wire 4종, 인탈산 동관 1종, 터프피치 동관 1종 등 총 12 종 케이블의 동작 주파수에서 발생하는 손실을 측정하고, 100 W, 30 cm 전송용 무선 시스템에 적용될 경우의 효율을 이론 및 실험 결과를 통해 비교 분석한다.
이를 위해 30 μm의 Strand diameter를 가지는 Litz-wire 4종, 50 μm 의 Strand diameter를 가지는 Litz-wire 4종, 그리고 인탈산 동관 2종, 터프피치 동관 2종 등 총 12종의 케이블들의 MHz에서 AC 저항 값을 계산 및 실험을 통한 측정을 진행했다.
총 12가지의 전선들에 대한 6.78 MHz에서의 저항 값을 Impedance analyzer (Agilent 4294A) 를 이용하여 측정하였다. Transmitter 용 1턴 코일의 경우 self-inductance가 작아 주파수 별 저항 값을 측정할 수 있었고, 5-turn 코일의 경우 selfinductance 가 10 μH 정도로 크다보니 4 MHz 이상에서 Reactance 대비 Resistance의 비율이 너무 작아 phase가 90°에 가까워 정확한 측정이 불가능하였다.

대상 데이터

시중에서 흔하게 구할 수 있는 직경의 동관으로 2 종류를 선정했다. Transmitter coil을 위해 OD (outer diameter) 9.53 mm, wall thickness는 1 mm인 동관을 선정했으며, receiver 코일을 위해서는 OD는 6.35 mm이며 wall thickness 는 1 mm인 동관을 선정했다.
04 % 이하로 들어있으며 전기 전도도가 순동 (58 MS/m) 에 비해 약 85 % 정도이다. 시중에서 흔하게 구할 수 있는 직경의 동관으로 2 종류를 선정했다. Transmitter coil을 위해 OD (outer diameter) 9.

이론/모형

무선 시스템의 효율을 계산하기 위해 Transmitter tank 과 receiver tank 는 lumped parameter modeling 및 일반적인 회로 이론을 이용하였다. 이는 동작 주파수가 6.

성능/효과

Transmitter 용 1턴 코일의 경우 self-inductance가 작아 주파수 별 저항 값을 측정할 수 있었고, 5-turn 코일의 경우 selfinductance 가 10 μH 정도로 크다보니 4 MHz 이상에서 Reactance 대비 Resistance의 비율이 너무 작아 phase가 90°에 가까워 정확한 측정이 불가능하였다.
이때, Litz-1,5 등은 Litz-1 케이블을 transmitter coil 용으로 사용하고, Litz-5를 receiver coil용으로 사용했다는 의미이다. 가장 저항이 작은 동파이프인 TPC-1 괄 TPC-2를 사용했을 때 효율이 85% 정도로 나올 것으로 보이고, 가장 저항이 큰Litz-4와 Litz-8을 사용했을 때 최대 효율이 35% 정도로 낮아질 것으로 예상됐다.
둘째,strand 직경이 30 μm 인 케이블이 50 μm인 케이블 보다 저항 값이 절반 이하로 작다.
셋째, Litz-1 과 Litz-2, 또는 Litz-3과 Litz-4를 비교해보면 Pitch가 클수록 즉 단위길이당 더 많이 꼬을수록 저항 값이 낮지만 큰 차이가 나지는 않고, 10 ~ 20 % 정도 개선되는 효과가 있는 것으로 보인다. 마지막으로 가장 중요한 점은 바로 동관의 저항값이 Litz-wire 보다 1.5 ~ 2배 이상 작으며, conductivity 가 좋다고 알려진 TPC 가 가장 우수한 손실 특성을 보였다는 것이다. 따라서 MHz application 에서는Litz-wire 보다 copper tube 가 손실이 작고, 가격이 월등히 싸기 때문에 더 적합할 것으로 보인다.
이를 위해 30 μm의 Strand diameter를 가지는 Litz-wire 4종, 50 μm 의 Strand diameter를 가지는 Litz-wire 4종, 그리고 인탈산 동관 2종, 터프피치 동관 2종 등 총 12종의 케이블들의 MHz에서 AC 저항 값을 계산 및 실험을 통한 측정을 진행했다. 본 연구를 통해서 MHz에서 Litz-wire의 손실을 결정 짓는 요소로 각 Strand의 diameter가 가장 중요하다는 것을 알 수 있었다. 하지만, 이러한 Litz-wire 의 MHz 에서의 손실은 시중에서 쉽게 구할 수 있는 인탈산 동관 보다 크며, 전기 전도도가 향상된 터프 피치 동관을 이용하는 경우 가장 큰 효율을 얻을 수 있음을 알 수 있었다.
78 MHz에 동작하기 위해서는 직경 30 μm strands를 이용해야 한다는 것을 보여준다. 셋째, Litz-1 과 Litz-2, 또는 Litz-3과 Litz-4를 비교해보면 Pitch가 클수록 즉 단위길이당 더 많이 꼬을수록 저항 값이 낮지만 큰 차이가 나지는 않고, 10 ~ 20 % 정도 개선되는 효과가 있는 것으로 보인다. 마지막으로 가장 중요한 점은 바로 동관의 저항값이 Litz-wire 보다 1.
9(b)에는 Litz-4,8을 사용한 경우 효율 측정 결과를 나타냈다. 여기서 볼 수 있듯이 TPC-1, 2를 사용하는 경우 tuned frequency에서 최대 효율이 약 80% 정도였고, Litz-4, 8을 사용하는 경우 효율이 33% 정도로 낮아졌다. 즉 케이블의 종류에 따라 40% 이상 효율 차이가 발생하는 것을 볼 수 있었다.
Table 4에서 중요한 점은 크게 4가지가 있다. 첫째, 실제 측정된 Litz-wire 의 저항값이 이론값 보다 2~4배 정도 크다. 이는Litz-wire는 이론적으로는 모든 strand 가 단면상으로 균일한 분포를 가지도록 꼬는 기술이 필요한데, strand가 많아 질수록 구현이 어려워 이론적인 저항값과는 많은 차이가 난다.
본 연구를 통해서 MHz에서 Litz-wire의 손실을 결정 짓는 요소로 각 Strand의 diameter가 가장 중요하다는 것을 알 수 있었다. 하지만, 이러한 Litz-wire 의 MHz 에서의 손실은 시중에서 쉽게 구할 수 있는 인탈산 동관 보다 크며, 전기 전도도가 향상된 터프 피치 동관을 이용하는 경우 가장 큰 효율을 얻을 수 있음을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	무선 전력 전송 기술에 있어 가장 중요한 것 중 하나는?	2015년은 Qi (Wireless Power Consortium, WPC 주도) 규격을 기반으로 한 핸드폰 무선 충전기를 시작으로 무선 전력 전송 기술을 이용한 소형 기기들의 시장이 확장 되는 계기가 될 것으로 예상되고 있다. 이러한 무선 전력 전송 기술에 있어서 중요한 것 중 하나가 바로 효율이다. 무선 시스템의 효율은 코일의 직경, 전송 거리, 코일 및 공진 캐패시터 저항 (Equivalent series resistance, ESR), 주파수의 함수이기 때문에 이 다섯 가지 파라메터의 선정이 효율을 결정짓는데 굉장히 중요하다.
	무선 전력 전송 시스템의 효율을 개선하기 위해서는 코일 및 공징 캐패시터의 저항 및 손실을 최소화 하는 것 외에 다른 방법이 불가능한 이유는?	하지만 이 파라메터들 중 코일의 직경과 전력 전송 거리는 대개 어플리케이션에 따라 정해져 있어 변경 불가능한 경우가 많다. 또한, 주파수는 허가된 주파수를 사용해야 하는데, 현재 우리나라에서는 버스/철도차량 등 수백 kW이상의 대전력 전송은 20 kHz 와 60 kHz에 허가 되어 있고, 수십 W급 이하의 소 전력은 Qi 규격을 위한 100 kHz 에서 200 kHz 사이 주파수 및 공진 회로를 이용하는 Rezence 규격을 위한 6.78 MHz에 허가 되어 있다. 주파수는 허가 되어 있는 특정 주파수 외에는 사용이 불가능하여 효율 개선을 위해 변경할 수 있는 여지가 많지 않다. 따라서 효율을 결정하는 5가지 파라메터 중, 코일 및 공진 캐패시터의 저항을 제외하면 대개 변경이 불가능한 경우가 많다. 즉 무선 전력 전송 시스템의 효율을 개선하기 위해서는 코일 및 공진 캐패시터의 저항 및 손실을 최소화하는 것이 필요하다.
	무선 시스템의 효율을 결정짓는 다섯 가지 파라메터는?	이러한 무선 전력 전송 기술에 있어서 중요한 것 중 하나가 바로 효율이다. 무선 시스템의 효율은 코일의 직경, 전송 거리, 코일 및 공진 캐패시터 저항 (Equivalent series resistance, ESR), 주파수의 함수이기 때문에 이 다섯 가지 파라메터의 선정이 효율을 결정짓는데 굉장히 중요하다. 하지만 이 파라메터들 중 코일의 직경과 전력 전송 거리는 대개 어플리케이션에 따라 정해져 있어 변경 불가능한 경우가 많다.

참고문헌 (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, no. 5834, pp. 83-6, Jul. 2007.

상세보기
E. Waffenschmidt and T. Staring, "Limitation of inductive power transfer for consumer applications," in Power Electronics and Applications, 2009. EPE '09. 13th European Conference on, 2009, pp. 1-10.
J. Acero, R. Alonso, J. M. Burdio, L. A. Barragan, and D. Puyal, "Frequency-dependent resistance in Litz-wire planar windings for domestic induction heating appliances," Power Electron. IEEE Trans. On, vol. 21, no. 4, pp. 856-866, 2006.

상세보기
New England Wire Technologies, "Litz design." [Online]. Available: http://www.litzwire.com/litz_design.htm. [Accessed: 22-Jul-2015].
G. S. Smith, "Proximity Effect in Systems of Parallel Conductors," J. Appl. Phys., vol. 43, no. 5, pp. 2196-2203, 1972.

상세보기
S.-H. Lee, "Design methodologies for low flux density, high efficiency, kW level wireless power transfer systems with large air gaps," PhD Dissertation, University of Wisconsin-Madison, 2013.

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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