[논문]부하 임피던스 변화를 고려한 복수 수신기 무선전력전송 구현

김영현; 박대길; 구경헌

doi:10.12673/jant.2018.22.2.148

[국내논문] 부하 임피던스 변화를 고려한 복수 수신기 무선전력전송 구현
Implementation of Wireless Power Transmission System for Multiple Receivers Considering Load Impedance Variation 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.22 no.2 = no.89, 2018년, pp.148 - 153

김영현 (인천대학교 전자공학과) , 박대길 (인천대학교 전자공학과) , 구경헌 (인천대학교 전자공학과)

초록
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본 논문에서는 복수 수신기에 전력을 전송하기 위한 SIMO (single-input multiple-output) 자기공진방식 무선전력전송 시스템을 제안하고, 이에 따른 시뮬레이션 및 측정결과를 제시하였다. 지름 600 mm 의 송신 단일루프 및 송신 헬리컬 공진 코일, 외경 900 mm 스파이럴 수신 공진 코일을 사용하고, $80{\times}60mm^2$ 평판 사각 코일을 수신으로 활용하여 600mm 떨어진 테이블 형태 구조로 무선전력전송 시스템을 구성하였다. 최적의 특성을 위해 무선전력전송 코일을 설계하고 3차원 전자계해석 및 등가회로 해석 시뮬레이션을 진행하고 이를 제작하여 전송 특성을 측정하였다. 스파이럴 공진코일의 중심부에서 거리에 따른 효율변화를 해석하였으며, 구성한 시스템의 측정결과 수신기가 1개일 경우의 효율은 57 % 이며, 2개로 수신될 경우 각각 37 %의 전송 효율을 나타내었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes a single-input multiple-output (SIMO) self-resonant wireless power transmission system for transmitting power to multiple receivers and the characteristics are simulated and measured. A 600 mm diameter transmission single loop, a 600 mm diameter helical transmission resonant coil, an external diameter 900 mm planar spiral reception resonant coil, and an $80{\times}60mm^2$ flat plate square coil as a receiver are used to form a wireless power transmission system 600 mm away with the table structure. For optimal characteristics, the wireless power transmission coils are designed by EM simulation and equivalent circuit analysis, and the characteristics are simulated and measured. The variation of the efficiency with distance from the center of the spiral resonant coil is analyzed and the measured efficiency is 57% for one receiver and for the two receivers, the efficiency is 37% for each receiver.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 공진 주파수 6.78 MHz를 갖는 공진 코일 및 복수의 수신 코일을 이용하여 무선전력 전송 특성을 확인하였다. 송수신 공진기는 서로 다른 형태와 크기를 가지고있다.

제안 방법

공진 주파수의 천이를 일으키는 송·수신 공진 코일의 간격을 600 mm로 고정하고, 각 코일의 상대적 위치 변화에 따른 상호 인덕턴스를 시뮬레이션을 통해 추출하였다.
계산한 평면 사각형 스파이럴 코일은 매우 미소한 기생 커패시턴스를 가져 원하는 주파수에서 L-C 자기공진을 할 수 없다. 따라서 추가적인 집중 정수 소자 커패시턴스100 pF을 직렬로 연결하여 원하는 공진주파수에서 공진하도록 조정하였다.
본 논문에서는 송신 공진 코일 및 수신 코일을 해석적 수식 및 실험을 이용하여 물리적크기 및 특성을 추정하였으며, 설계된 코일을 3차원 전자계 및 회로 해석 시뮬레이터를 이용하여 자기결합에 따른 특성변화를 예측하고 실측과 비교하였다.
본 논문에서는 총 3종의 형태 및 크기가 다른 코일을 6.78MHz 공진주파수를 갖도록 설계하여 무선전력전송 시스템을 구성하였다. 또한 한개 및 두개의 수신 코일이 있는경우에 대하여 전력 전달 특성을 시뮬레이션으로 예측하고 측정 결과와 비교하였다.
송신 공진 코일로 사용하는 헬리컬 형태의 코일 지름은 600mm, 도선 간격은 20 mm이며, 턴 수 N을 조정하여 6.78 MHz에서 공진하도록 설계하였다. 전력을 인가하기 위한 송신 루프코일의 지름은 600 mm의 단일 루프형태다.
수신 공진코일로 사용하는 스파이럴 형태의 코일 내경 지름은600 mm, 외경은 약900mm, 도선 간격은 25 mm 이며, 턴 수 N을 조정하여 6.78 MHz에서 공진하도록 설계하였다. 송수신공진 코일은 시스템을 구성하는 코일 중 상대적으로 인덕턴스가 크고, 자기 결합에 의한 상호 인덕턴스의 영향으로 공진주파수가 천이되는 현상이 발생한다.
실험은 한 개의 수신기의 효율이 가장 높은 중심에서 300mm 떨어진 A 지점에 수신기 한개를 고정하여 측정하였으며 두 개의 수신기가 동시에 위치해 있을 경우는 A 지점에서 시계방향으로 45도 떨어진 B지점에서 각각 50Ω으로 측정하였다.
본 논문에서 제시하는 공진 코일은 L-C 공진을 기반으로 한다. 요구되는 전력 전송 공간 및 공진기의 물리적 크기에 따라 공진주파수를 위한 설계를 진행하였다.
그림4는 평면사각형 스파이럴 코일의 설계변수를 나타낸다. 원형 코일에 비해 설계 변수 조정이 용이하고 작은 크기로 구현이 가능하여 수신 코일로 제작하였다. 다음 코일의 인덕턴스 계산은 식(6), (7) 과 같다[9].
자기공진방식 무선전력전송용 코일의 파라미터는 공식을 이용한 물리적 크기 및 특성을 기반으로 3차원 전자계 시뮬레이션(HFSS; high frequency structure simulation)으로 검증하여 설계하였으며, 공진 코일의 공진 주파수는 6.78 MHz를 목표로 제작하였다. 또한 공진주파수에 적절한 저항 특성 및 실제 제작 고려하여 지름2.
제안된 방식의 코일은 그림 1과 같이 4 종류의 코일로 구성되어있으며, 코일은 각각 송신 루프 코일, 송신 공진 코일, 수신 공진 코일, 수신 코일로 구성되어 있다. 송신 루프 코일과 송신공진 코일 사이의 전력 전송은 자기유도로 이뤄지며, 송신 및 수신 공진코일은 공진에 의해 에너지가 전달된다[5].

데이터처리

78MHz 공진주파수를 갖도록 설계하여 무선전력전송 시스템을 구성하였다. 또한 한개 및 두개의 수신 코일이 있는경우에 대하여 전력 전달 특성을 시뮬레이션으로 예측하고 측정 결과와 비교하였다.

이론/모형

본 논문에서 제시하는 공진 코일은 L-C 공진을 기반으로 한다. 요구되는 전력 전송 공간 및 공진기의 물리적 크기에 따라 공진주파수를 위한 설계를 진행하였다.

성능/효과

수신 코일의 개수에 따라 공진 주파수의 천이와 효율 감소를 보였다. 1개의 수신 코일의 경우 57%, 2개의 수신 코일이 동시에 놓여있는 경우 각각 37%의 효율을 얻을 수 있는 것을 확인하였다.
기존 동일한 형태 및 크기를 갖는 공진 코일을 이용한 자기공진방식 무선전력 전송시스템과는 다른 비대칭형 구성으로 활용 가능성이 높은 테이블 형태의 시스템을 구성하였으며, 수신 공진 코일 위에 복수개의 작은 수신기에 전력 전달이 가능함을 확인하였고 중심부에서 거리에 따른 효율의 변화를 예측하고 측정하여 최적으로 전력이 전달되는 위치를 확인하였다.
그림 9와 그림 10은 수신 코일이 1개(A위치) 또는2개(A, B위치)가 위치했을 경우의 무선전력전송 특성을 시뮬레이션 하고 측정한 결과와 비교하였다. 수신 코일의 개수에 따라 공진 주파수의 천이와 효율 감소를 보였다. 1개의 수신 코일의 경우 57%, 2개의 수신 코일이 동시에 놓여있는 경우 각각 37%의 효율을 얻을 수 있는 것을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	무선전력전송은 무엇인가?	무선전력전송은 유선 충전의 불편함을 해결하고 이를 통해 휴대용 무선기기 동작 시간 제한 문제를 해결하고자 주목받는 기술이다. 2007년 미국 MIT 대학의 마린 솔라치치(MarinSoljacic) 교수팀이 2 m 거리에서 무선으로 전등에 전원을 공급하여 기술의 혁신을 증명하였고, 이후 다양한 상황에서 고효율로 전력을 전송하기 위한 연구와 개발이 진행되고 있다[1].
	전자기적 무선전력전송 시스템은 어떻게 분류할 수 있는가?	전자기적 무선전력전송 시스템은 전자기 방사(radiation) 방식, 자기공진방식으로 분류할 수 있다. 방사 방식은 전자파로 수 m에서 수 km 이상까지 전력 전송이 가능하지만 전파경로 손실이발생하며이에따른효율저하문제가있다.
	전자기 방사(radiation) 방식의 특징은 무엇인가?	전자기적 무선전력전송 시스템은 전자기 방사(radiation) 방식, 자기공진방식으로 분류할 수 있다. 방사 방식은 전자파로 수 m에서 수 km 이상까지 전력 전송이 가능하지만 전파경로 손실이발생하며이에따른효율저하문제가있다. 자기공진방식은 전자기적 공진 특성을 이용하고 무선으로 에너지를 전송하며일반적으로수cm에서수m 전력전송이가능하다[2],[3].

참고문헌 (9)

A. Kurs, A. Karalis, R. Moffatt, J. D. Joanopoulos, P. Fisher, and M. Soljacic, "Wireless power transfer via strongly magnetic resonances," Science, Vol. 317, pp. 83-86, 2007.

상세보기
S. M. Kim, J. I. Moon, I. K. Cho, J. H. Yoon, and W. J. Byun, “The technical trend and future direction of wireless power transmission,” Electronics and Telecommunications Trends, Vol. 29, No. 3, pp. 98-106, June 2014.
D. U. Ryu, Y. H. Kim, and K. H. Koo, “Performance measurement of the wireless charging devices using electromagnetic induction techniques,” The Journal of Advanced Navigation Technology, Vol. 19, No. 3, pp. 237-243, June 2015.

원문보기 상세보기
M. Fu, H. Yin and C. Ma, "Megahertz multiple-receiver wireless power transfer systems with power flow management and maximum efficiency point tracking," in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 65, No. 11, pp. 4285-4293, Nov. 2017.

상세보기
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 Transactions on Industrial Electronics, Vol. 58, No. 2, pp 544-554, Feb. 2011.

상세보기
P. Vizmuller, RF Design Guide: systems,circuits, and equations. Norwood, MA: Artech House, 1995.
J. H. Park, H. Y. Yang, and C. S. Kim, "Review for the helical coil type and spiral coil type in a mid range wireless power transfer system," in Proceeding of the KIEE Summer Conference 2011, PyeongChang: Korea, pp. 11-12, July. 2011.
H. A. Wheeler, “Simple inductance formulas for radio coils,” Proceedings of the Institute of Radio Engineers, Vol. 16, No. 10, pp. 1398-1400, Oct. 1928.

상세보기
H. M. Greenhouse, "Design of planar rectangular microelectronic inductors," IEEE Transactions on Parts, Hybrids, and Packaging, Vol. 10, No. 2, pp.101-109, Jun 1974.

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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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