본 논문에서는 자기공명 방식의 무선전력전송 시스템용 100 W급 수신기를 설계, 제작하였다. 제안된 수신기는 1.8 MHz 대역, 100 W급 full-bridge 다이오드 정류기와 정전류 충전기로 구성되어 있다. 특히 정류기에는 30 V 이상의 과전압으로부터 수신기를 보호하는 과전압 보호회로와 수신기에 입력되는 여분 전력을 자동으로 소모하여 수신기의 임력임피던스를 부하변동에 관계없이 일정하게 유지시키는 능동 더미 부하가 내장되어 있다. 정전류 충전기는 최대 1 A의 충전 전류로 배터리를 충전할 수 있도록 설계, 제작되었으며, 충전전류를 제어할 수 있도록 구성되었다. 구성된 수신기를 이용하여 자기공명방식 무선충전 시스템을 구성하였다. 시스템은 130 W 송신기, 1.8 MHz 대역 송수신 공진기, 그리고 제안된 수신기로 구성되어 있으며, 자기공명방식으로 48 V 리튬-이온 배터리를 충전하도록 설계되었다. 시스템 측정 결과, 30 cm의 전송거리에서 약 54 %의 시스템 효율을 나타내었다.
본 논문에서는 자기공명 방식의 무선전력전송 시스템용 100 W급 수신기를 설계, 제작하였다. 제안된 수신기는 1.8 MHz 대역, 100 W급 full-bridge 다이오드 정류기와 정전류 충전기로 구성되어 있다. 특히 정류기에는 30 V 이상의 과전압으로부터 수신기를 보호하는 과전압 보호회로와 수신기에 입력되는 여분 전력을 자동으로 소모하여 수신기의 임력임피던스를 부하변동에 관계없이 일정하게 유지시키는 능동 더미 부하가 내장되어 있다. 정전류 충전기는 최대 1 A의 충전 전류로 배터리를 충전할 수 있도록 설계, 제작되었으며, 충전전류를 제어할 수 있도록 구성되었다. 구성된 수신기를 이용하여 자기공명방식 무선충전 시스템을 구성하였다. 시스템은 130 W 송신기, 1.8 MHz 대역 송수신 공진기, 그리고 제안된 수신기로 구성되어 있으며, 자기공명방식으로 48 V 리튬-이온 배터리를 충전하도록 설계되었다. 시스템 측정 결과, 30 cm의 전송거리에서 약 54 %의 시스템 효율을 나타내었다.
In this paper, a receiver for wireless power transfer is proposed. The receiver consists of a 100 W rectifier in 1.8 MHz frequency band, and a constant current charger. In particular, two kinds of protection circuits are installed in the rectifier. They are a over-voltage protection circuit which bl...
In this paper, a receiver for wireless power transfer is proposed. The receiver consists of a 100 W rectifier in 1.8 MHz frequency band, and a constant current charger. In particular, two kinds of protection circuits are installed in the rectifier. They are a over-voltage protection circuit which block the input voltages greater than 30 V and a active-dummy load which maintains the receiver input impedance by automatically consuming the remaining input power. The constant current charger is designed to charge the battery with a charging current of up to 1 A. A wireless charging system is fabricated using the proposed receiver. The system is composed of a 130 W transmitter, two magnetic resonator, and proposed receiver for charging a 48 V Li-Ion battery using the coupled magnetic resonance method. By the measurement result, the system efficiency is about 54 %.
In this paper, a receiver for wireless power transfer is proposed. The receiver consists of a 100 W rectifier in 1.8 MHz frequency band, and a constant current charger. In particular, two kinds of protection circuits are installed in the rectifier. They are a over-voltage protection circuit which block the input voltages greater than 30 V and a active-dummy load which maintains the receiver input impedance by automatically consuming the remaining input power. The constant current charger is designed to charge the battery with a charging current of up to 1 A. A wireless charging system is fabricated using the proposed receiver. The system is composed of a 130 W transmitter, two magnetic resonator, and proposed receiver for charging a 48 V Li-Ion battery using the coupled magnetic resonance method. By the measurement result, the system efficiency is about 54 %.
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문제 정의
본 논문에서는 부하변동에 따른 시스템 효율 저하 문제를 해결할 수 있는 100 W급 수신기를 설계, 제작하였다. 제안된 수신기에는 능동 더미 부하를 내장하여 부하에서 소모되는 전력을 제외한 여분 전력을 자동으로 소모하게 하여 수신기의 임력 임피던스를 부하에 관계없이 일정하게 유지되도록 하였다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 방법이 제시되고 있지만, 실제 적용에는 문제점이 있다[2]. 본 논문에서는 이러한 문제점을 해결하기 위한 수신기를 설계, 제작하였다. 제안된 수신기는 1.
제안 방법
제안된 수신기에는 능동 더미 부하를 내장하여 부하에서 소모되는 전력을 제외한 여분 전력을 자동으로 소모하게 하여 수신기의 임력 임피던스를 부하에 관계없이 일정하게 유지되도록 하였다. 또한, 이러한 임피던스 유지기술과 함께 송신전력제어 기능을 통하여 부하 변동에 관계없이 시스템 효율을 유지할 수 있는 기능을 제안하였다. 제안된 기능을 확인하기 위해 1.
자기공명 무선전력전송을 위해 송수신 공진기를 스파이럴 구조로 제작하였다. 또한, 회로와의 임피던스 정합을 위해 외부 루프코일을 이용하였다.
8 MHz 대역의 무선충전 시스템을 구현하였다. 무선충전 시스템은 최대 출력 130 W 송신기, 1.8 MHz 대역 직경 30 cm 급의 송수신 공진기, 그리고 제안된 수신기로 구성되어 있다. 송신기는 출력단의 return loss를 측정하고, 이를 이용하여 최적 주파수 탐색 기능 및 송신기 보호 등의 기능을 수행한다.
송신전력제어 기능은 부하가 요구하는 최적의 전력이 항상 수신기로 입력될 수 있도록 송신기가 전송전력을 제어하는 것이다. 본 논문에서는 FSK 통신기 #1을 이용하여 송신기와 수신기가 통신을 수행하고, 그 결과에 따라 송신기가 송신전력제어 기능을 수행한다. 그림 3은 송신전력제어기능을 포함한 전체 무선충전 절차를 나타낸다.
부하변동에 의한 수신기 임피던스 변동 및 시스템 효율저하 문제를 해결하기 위하여, 부하변동에 관계없이 수신기 입력 임피던스를 유지할 수 있도록 100 W급 정류기와 정전류 충전기를 이용하여 자기공명 무선전력 수신기를 설계하였다[3],[4]. 그림 1은 제안된 수신기의 구성을 나타낸다.
그림 2에 나타난 것과 같이 수신기는 하나의 함체로 제작되었다. 수신기의 성능을 확인하기 위해 1.8 MHz 대역에서 입력 전력에 따른 RF/dc 변환 효율을 측정하였다. 측정에서는 부하로 배터리 대신 6.
송신기는 출력단의 return loss를 측정하고, 이를 이용하여 최적 주파수 탐색 기능 및 송신기 보호 등의 기능을 수행한다. 자기공명 무선전력전송을 위해 송수신 공진기를 스파이럴 구조로 제작하였다. 또한, 회로와의 임피던스 정합을 위해 외부 루프코일을 이용하였다.
본 논문에서는 부하변동에 따른 시스템 효율 저하 문제를 해결할 수 있는 100 W급 수신기를 설계, 제작하였다. 제안된 수신기에는 능동 더미 부하를 내장하여 부하에서 소모되는 전력을 제외한 여분 전력을 자동으로 소모하게 하여 수신기의 임력 임피던스를 부하에 관계없이 일정하게 유지되도록 하였다. 또한, 이러한 임피던스 유지기술과 함께 송신전력제어 기능을 통하여 부하 변동에 관계없이 시스템 효율을 유지할 수 있는 기능을 제안하였다.
제안된 수신기와 전력제어기능을 검증하기 위해 48 V배터리 충전을 위한 1.8 MHz 대역의 무선충전 시스템을 구현하였다. 무선충전 시스템은 최대 출력 130 W 송신기, 1.
9 A로 설정되었다. 충전기 내부에는 제어기와 두 개의 frequency shift keying(FSK) 통신기를 내장하여 송신기 및 외부 컴퓨터와 통신을 수행하고, 그 결과에 따라 수신기의 동작을 제어할 수 있도록 구성하였다. FSK 통신기 #1은 송신기와의 통신을 수행하여 수신기에 최적의 입력전력이 유지될 수 있는 송신전력제어가 이루어질 수 있도록 구성하였다.
대상 데이터
또한, 이러한 임피던스 유지기술과 함께 송신전력제어 기능을 통하여 부하 변동에 관계없이 시스템 효율을 유지할 수 있는 기능을 제안하였다. 제안된 기능을 확인하기 위해 1.8 MHz 대역, 무선충전 시스템을 구성하였다. 무선충전 시스템은 직경 30cm의 송수신 공진기를 이용하여 30 cm의 전송거리에서 부하인 배터리 충전 상태에 관계없이 약 54 %의 시스템효율을 유지하여 제안된 기술의 효과를 확인할 수 있었다.
본 논문에서는 이러한 문제점을 해결하기 위한 수신기를 설계, 제작하였다. 제안된 수신기는 1.8 MHz 대역에서 최대 100 W의 전력을 수신하여 48 V, 10 Ah의 리튬-이온배터리를 충전할 수 있도록 구성되었다. 수신기는 100 W급의 full-bridge 다이오드 정류기와 정전류 충전기로 구성되어 있다.
정전류 충전기는 최대 1 A의 충전전류로 배터리를 충전하도록 구현되었으며, 송신기와의 통신을 수행하기 위한 통신기능, 수신기 전체의 동작을 제어하는 제어기능이 내장되어 있다. 제안된 수신기의 성능을 검증하기 위해, 1.8 MHz 대역의 무선충전 시스템을 구성하였다. 시스템 측정결과, 부하인 배터리 충전량에 관계없이 약 54 %의 전송효율을 유지하였다.
성능/효과
8MHz 대역 무선충전 시스템과 부하인 배터리의 충전 정도, 즉 배터리 전압 변화에 따른 시스템 dc/dc 효율 변화를 나타내고 있다. 그림 4에 나타난 것과 같이 제안된 수신기를 이용한 시스템의 효율은 부하인 배터리의 충전정도에 따라서 약 2 % 내로 유지되어 제안된 기능을 확인할 수 있다.
8 MHz 대역, 무선충전 시스템을 구성하였다. 무선충전 시스템은 직경 30cm의 송수신 공진기를 이용하여 30 cm의 전송거리에서 부하인 배터리 충전 상태에 관계없이 약 54 %의 시스템효율을 유지하여 제안된 기술의 효과를 확인할 수 있었다. 측정 결과를 통하여 제안된 기술은 중전력 자기공명무선전력전송분야에 응용이 가능함을 확인하였다.
8 MHz 대역의 무선충전 시스템을 구성하였다. 시스템 측정결과, 부하인 배터리 충전량에 관계없이 약 54 %의 전송효율을 유지하였다.
무선충전 시스템은 직경 30cm의 송수신 공진기를 이용하여 30 cm의 전송거리에서 부하인 배터리 충전 상태에 관계없이 약 54 %의 시스템효율을 유지하여 제안된 기술의 효과를 확인할 수 있었다. 측정 결과를 통하여 제안된 기술은 중전력 자기공명무선전력전송분야에 응용이 가능함을 확인하였다. 향후 중전력 무선전력전송분야의 팽창과 함께 제안된 기술의수요도 같이 증가할 것으로 예상된다.
후속연구
측정 결과를 통하여 제안된 기술은 중전력 자기공명무선전력전송분야에 응용이 가능함을 확인하였다. 향후 중전력 무선전력전송분야의 팽창과 함께 제안된 기술의수요도 같이 증가할 것으로 예상된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
무선전력전송기술 중 자기유도방식의 단점은 무엇인가?
무선전력전송기술은 자기유도와 자기공명, 두 가지 방향으로 발전되고 있다. 자기유도는 근접거리에서 높은 시스템 효율을 나타내지만, 전송거리와 공진기 사이의 정렬에 따라 전송효율이 크게 변하는 단점이 있다. 자기공명은 상대적으로 전송거리가 크고, 공진기의 정렬에 상대적으로 덜 민감한 특징이 있으나, 전송효율이 나쁜 단점이 있다[1].
본 논문에서 제안한 100 W급 수신기에서 정류기에 내장되어 있는 수신기를 보호할 수 있는 보호회로는 무엇이 있는가?
특히 정류기에는 수신기를 보호할 수 있는 두 가지 형태의 보호회로가 내장되어 있다. 첫 번째 보호회로는 30 V 이상의 과전압으로부터 수신기를 보호하도록 구성된 과전압보호회로이고, 두 번째 보호 회로는 입력되는 전력 중에서 부하가 소모하는 전력을 제외한 여분의 전력을 자동으로 소모하여 전체 입력전력이 항상 완전히 소모되도록 하는 능동 더미 부하이다. 능동 더미 부하의 이러한 동작을 다르게 표현하면, 부하에서 소모되는 전력량이 변화하더라도 능동 더미 부하에서 소모되는 전력량이 자동으로 조정되어 전체 수신기에서 소모되는 전력이 일정하게 유지되는 동작이다.
송신전력제어 기능은 무엇인가?
부하변하에 관계없이 시스템 효율을 유지하기 위한 또 하나의 필수 기능은 송신전력제어 기능이다. 송신전력제어 기능은 부하가 요구하는 최적의 전력이 항상 수신기로 입력될 수 있도록 송신기가 전송전력을 제어하는 것이다. 본 논문에서는 FSK 통신기 #1을 이용하여 송신기와 수신기가 통신을 수행하고, 그 결과에 따라 송신기가 송신전력제어 기능을 수행한다.
참고문헌 (5)
A. Kurs et al., "Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances", Science, vol. 317, pp. 83-86, Jul. 2007.
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