자기 공진 기반의 무선전력전송 시스템에서 송수신 공진기의 구조 차이에 따른 달성 가능한 효율 비교 Comparison of Achievable Efficiency for Different Resonator Structures in a Magnetic Resonance-based Wireless Power Transfer System원문보기
자기 공진 기반의 무선전력전송 시스템에서, 송수신 공진기가 가까워짐에 따라 전력비 효율이 급격히 감소하는 주파수 스플리팅 현상은 근거리에서 안정적인 전력 전송을 위하여 반드시 해결해야 하는 문제이다. 본 논문에서는 등가회로 모델을 이용하여 무선전력전송 시스템을 모델링하고, 전력비 효율 및 주파수 스플리팅이 발생하는 한계 커플링 계수($k_{split}$)를 도출하였다. 또한, Advanced Design System을 이용하여 회로 수준의 시뮬레이션을 수행하였으며, 이를 통해 k>$k_{split}$ 의 환경에서 송수신 공진기의 구조에 따라 달성 가능한 전력비 효율이 다름을 보였다. 동일한 구조의 공진기의 경우 k가 커지더라도 높은 수준의 전력비 효율을 유지하는 반면, 상이한 구조의 공진기의 경우 k가 커짐에 따라 전력비 효율도 감소함을 확인했다. 그러므로 k>$k_{split}$를 만족하는 근거리 환경에서 안정적인 전력비 효율을 달성하기 위해서는 상이한 구조의 공진기보다는 동일한 구조의 공진기를 사용하는 것이 더 효율적이다.
자기 공진 기반의 무선전력전송 시스템에서, 송수신 공진기가 가까워짐에 따라 전력비 효율이 급격히 감소하는 주파수 스플리팅 현상은 근거리에서 안정적인 전력 전송을 위하여 반드시 해결해야 하는 문제이다. 본 논문에서는 등가회로 모델을 이용하여 무선전력전송 시스템을 모델링하고, 전력비 효율 및 주파수 스플리팅이 발생하는 한계 커플링 계수($k_{split}$)를 도출하였다. 또한, Advanced Design System을 이용하여 회로 수준의 시뮬레이션을 수행하였으며, 이를 통해 k>$k_{split}$ 의 환경에서 송수신 공진기의 구조에 따라 달성 가능한 전력비 효율이 다름을 보였다. 동일한 구조의 공진기의 경우 k가 커지더라도 높은 수준의 전력비 효율을 유지하는 반면, 상이한 구조의 공진기의 경우 k가 커짐에 따라 전력비 효율도 감소함을 확인했다. 그러므로 k>$k_{split}$를 만족하는 근거리 환경에서 안정적인 전력비 효율을 달성하기 위해서는 상이한 구조의 공진기보다는 동일한 구조의 공진기를 사용하는 것이 더 효율적이다.
In magnetic resonance-based wireless power transfer (WPT) systems, frequency splitting phenomenon, in which power transfer efficiency (PTE) decreases seriously as resonators are close to each other, is the problem that we should address for reliable power transfer in short distance. In this paper, w...
In magnetic resonance-based wireless power transfer (WPT) systems, frequency splitting phenomenon, in which power transfer efficiency (PTE) decreases seriously as resonators are close to each other, is the problem that we should address for reliable power transfer in short distance. In this paper, we present WPT systems using an equivalent circuit model and analyze PTE and marginal coupling coefficient ($k_{split}$) where the frequency splitting occurs. In addition, we perform circuit-level simulations using Advanced Design System, and show that the achievable PTE is different for the structures of resonators when k>$k_{split}$. We confirm that higher PTE can be ensured as k increases in the case of identical resonators, while PTE is degraded as k increases in the case of non-identical resonators. Therefore, in short distance, in which k>$k_{split}$, it is more efficient for achieving reliable PTE to use identical resonators rather than non-identical resonators.
In magnetic resonance-based wireless power transfer (WPT) systems, frequency splitting phenomenon, in which power transfer efficiency (PTE) decreases seriously as resonators are close to each other, is the problem that we should address for reliable power transfer in short distance. In this paper, we present WPT systems using an equivalent circuit model and analyze PTE and marginal coupling coefficient ($k_{split}$) where the frequency splitting occurs. In addition, we perform circuit-level simulations using Advanced Design System, and show that the achievable PTE is different for the structures of resonators when k>$k_{split}$. We confirm that higher PTE can be ensured as k increases in the case of identical resonators, while PTE is degraded as k increases in the case of non-identical resonators. Therefore, in short distance, in which k>$k_{split}$, it is more efficient for achieving reliable PTE to use identical resonators rather than non-identical resonators.
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문제 정의
본 논문에서는 주파수 스플리팅 현상이 일어난 경우 송수신 공진기 구조의 차이에 따른 달성 가능한 PTE를 비교하였다. 먼저, 등가회로 모델을 이용하여 시스템을 모델링하고 주파수 스플리팅이 발생하는 한계 커플링 계수(ksplit)를 찾았다.
본 논문에서는, 한 쌍의 공진기(Resonator)가 존재하는 WPT 시스템에서 공진기 구조 차이에 따른 달성 가능한 전력비 효율(Power Transfer Efficiency, PTE)을 분석하고자 한다. 등가회로 모델을 이용하여 송수신 공진기를 회로적으로 모델링 한 후, 주파수 스플리팅이 발생하는 한계 커플링 계수를 도출하고 그 정성적 의미를 해석하였다.
동일한 구조의 공진기의 경우 커플링 계수가 커지더라도 달성 가능한 PTE가 높은 값으로 유지되는 반면, 상이한 구조의 공진기의 경우 커플링 계수가 커짐에 따라 달성 가능한 PTE가 감소함을 보였다. 이를 통해 안정적인 WPT 시스템 구현을 위한 공진기 설계의 방향성을 제안하였다.
제안 방법
등가회로 모델을 이용하여 송수신 공진기를 회로적으로 모델링 한 후, 주파수 스플리팅이 발생하는 한계 커플링 계수를 도출하고 그 정성적 의미를 해석하였다. Advanced Design System (ADS) 시뮬레이션을 통해 공진기 구조에 따라 주파수 스플리팅이 발생하는 환경에서 달성 가능한 PTE가 다름을 밝혀냈다. 동일한 구조의 공진기의 경우 커플링 계수가 커지더라도 달성 가능한 PTE가 높은 값으로 유지되는 반면, 상이한 구조의 공진기의 경우 커플링 계수가 커짐에 따라 달성 가능한 PTE가 감소함을 보였다.
그림 2는 ADS 시뮬레이션 환경을 보여준다. 공진기 구조에 따른 달성 가능한 PTE의 성능 차이를 보여주기 위해 공진기의 구조를 동일한(Identical) 경우와 상이한(Non-identical) 경우로 나누고 시뮬레이션을 수행하였다.
본 논문에서는, 한 쌍의 공진기(Resonator)가 존재하는 WPT 시스템에서 공진기 구조 차이에 따른 달성 가능한 전력비 효율(Power Transfer Efficiency, PTE)을 분석하고자 한다. 등가회로 모델을 이용하여 송수신 공진기를 회로적으로 모델링 한 후, 주파수 스플리팅이 발생하는 한계 커플링 계수를 도출하고 그 정성적 의미를 해석하였다. Advanced Design System (ADS) 시뮬레이션을 통해 공진기 구조에 따라 주파수 스플리팅이 발생하는 환경에서 달성 가능한 PTE가 다름을 밝혀냈다.
또한, ADS 시뮬레이션을 통해 k > ksplit인 상황에서 동일한 공진기 구조와 상이한 공진기 구조의 두 경우에서의 달성 가능한 PTE가 다름을 확인하였다.
본 논문에서는 주파수 스플리팅 현상이 일어난 경우 송수신 공진기 구조의 차이에 따른 달성 가능한 PTE를 비교하였다. 먼저, 등가회로 모델을 이용하여 시스템을 모델링하고 주파수 스플리팅이 발생하는 한계 커플링 계수(ksplit)를 찾았다. 또한, ADS 시뮬레이션을 통해 k > ksplit인 상황에서 동일한 공진기 구조와 상이한 공진기 구조의 두 경우에서의 달성 가능한 PTE가 다름을 확인하였다.
본 논문에서는 1개의 송신기(Transmitter, Tx)와 1개의 수신기(Receiver, Rx)가 쌍으로 존재하는 자기공진 (Magnetic resonance) 기반의 WPT 시스템을 고려한다.
본 논문에서는 ADS를 이용하여, 10MHz에서 공진하는 Tx와 Rx 공진기를 구성한 후 회로 수준(Circuitlevel)의 시뮬레이션을 수행하였다[1]. 그림 2는 ADS 시뮬레이션 환경을 보여준다.
이러한 흐름에 발맞추어 무선전력전송 (Wireless Power Transfer, WPT) 기술은 기존의 유선의 충전 방식을 벗어나, 사용자의 충전 편의성을 증진시킬 수 있는 기술로 각광받고 있다. 자기 공진을 이용한 근거리 무선 충전 기술은 MIT에서 쌍모드이론(Coupled Mode Theory, CMT)를 이용하여 이론적으로 분석하고, 그 구현 가능성을 실험적으로 검증하였다[1]. 뿐 만 아니라, 등가회로 모델을 이용하여 WPT 시스템을 분석하고, 최적의 효율을 달성하기 위한 design 방안 역시 제안되었다[2,3].
주파수 스플리팅 현상이 발생하는 경우 최적의 주파수를 추적함으로써 k > ksplit을 만족하는 근거리에서도 높은 효율을 달성할 수 있다 [4,7,8]. 하지만 WPT 시스템에서 송수신 공진기의 구조에 따라 달성 가능한 PTE가 달라짐을 다음 4장의 시뮬레이션을 통해 검증하였다.
이론/모형
이를 이용하여, 키르히호프 전압 법칙(Kirchhoff’s Voltage Law, KVL) 에 의해 수식 (3)과 같은 관계식을 생성할 수 있다.
성능/효과
동일한 공진기 구조의 경우 k > ksplit인 상황에서도 달성 가능한 PTE가 0.98의 높은 값을 유지하는 반면, 상이한 공진기 구조의 경우 k > ksplit인 상황에서 k가 증가함에 따라 달성 가능한 PTE가 40% 가까이 감소하는 것을 알 수 있었다.
Advanced Design System (ADS) 시뮬레이션을 통해 공진기 구조에 따라 주파수 스플리팅이 발생하는 환경에서 달성 가능한 PTE가 다름을 밝혀냈다. 동일한 구조의 공진기의 경우 커플링 계수가 커지더라도 달성 가능한 PTE가 높은 값으로 유지되는 반면, 상이한 구조의 공진기의 경우 커플링 계수가 커짐에 따라 달성 가능한 PTE가 감소함을 보였다. 이를 통해 안정적인 WPT 시스템 구현을 위한 공진기 설계의 방향성을 제안하였다.
98의 높은 값을 유지하는 반면, 상이한 공진기 구조의 경우 k > ksplit인 상황에서 k가 증가함에 따라 달성 가능한 PTE가 40% 가까이 감소하는 것을 알 수 있었다. 즉, 근거리에서 안정적인 효율을 유지하기 위해서는 상이한 구조의 공진기보다는 동일한 구조의 공진기를 사용하는 것이 더 효율적임을 보였다.
즉, 상이한 공진기를 갖는 WPT 시스템에서는 주파수 스플리팅이 일어난 경우 최적의 주파수를 추적하더라도, k= ksplit에서와 동일한 성능인 0.98의 S21을 얻을 수 없으며, 그 값은 0.83으로 감소함을 보여준다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
주파수 스플리팅이란 무엇인가?
두 공진기의 거리가 가까워짐에 따라 공진 주파수에서의 효율이 감소하고, 오히려 공진 주파수의 양쪽으로 스플릿 된 주파수에서 효율이 증가하는 주파수 스플리팅(Frequency splitting)에 대한 연구도 활발히 진행되었다[4-6]. 또한, 주파수 스플리팅이 발생한 경우 최적의 주파수를 추적하여, 안정적인 전력 전송 효율을 달성하고자 하는 연구도 존재 한다[7,8].
Tx와 Rx의 품질계수에 따라 공진 주파수에서의 전력비가 가장 큰 값을 갖는 최적의 한계 커플링 계수의 크기가 작아지는 것을 무엇을 의미하는가?
수식 (8)에서 Tx와 Rx의 품질계수가 클수록 ksplit의 크기가 작아짐을 볼 수 있다. 이는 공진의 세기가 강해질수록 비교적 먼 거리에서부터 주파수 스플리팅 현상이 발생함을 의미한다. 주파수 스플리팅 현상이 발생하는 경우 최적의 주파수를 추적함으로써 k > ksplit을 만족하는 근거리에서도 높은 효율을 달성할 수 있다 [4,7,8].
ADS 시뮬레이션을 통해 어떤 것을 밝혀냈는가?
등가회로 모델을 이용하여 송수신 공진기를 회로적으로 모델링 한 후, 주파수 스플리팅이 발생하는 한계 커플링 계수를 도출하고 그 정성적 의미를 해석하였다. Advanced Design System (ADS) 시뮬레이션을 통해 공진기 구조에 따라 주파수 스플리팅이 발생하는 환경에서 달성 가능한 PTE가 다름을 밝혀냈다. 동일한 구조의 공진기의 경우 커플링 계수가 커지더라도 달성 가능한 PTE가 높은 값으로 유지되는 반면, 상이한 구조의 공진기의 경우 커플링 계수가 커짐에 따라 달성 가능한 PTE가 감소함을 보였다.
참고문헌 (9)
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A. P. Sample, D. A. Meyer, and J. R. Smith, "Analysis, experimental results, 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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H. Li, J. Li, K. Wang, W. Chen, and X. Yang, "A maximum efficiency point tracking control scheme for wireless power transfer systems using magnetic resonant coupling," IEEE Trans. Power Electron., vol. 30, no. 7, pp. 3998-4008, July 2015.
K. Lee and D-.H. Cho, "Diversity analysis of multiple transmitters in wireless power transfer system," IEEE Trans. Magn., vol. 49, no. 6, pp. 2946-2952, June 2013.
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