[논문]두 개의 송신코일을 갖는 위상 천이 자기 공진 무선 전력 전송 시스템

정재엽; 이강현

doi:10.6113/tkpe.2018.23.4.290

[국내논문] 두 개의 송신코일을 갖는 위상 천이 자기 공진 무선 전력 전송 시스템
Phase Shifted Magnetic Resonance Wireless Power Transfer System with Two Transmit Coils 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.23 no.4, 2018년, pp.290 - 293

정재엽 (Dept. of Electronic Engineering, Daegu University) , 이강현 (School of Electronic and Electrical Engineering, Daegu University)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes a new magnetic resonant wireless power transfer system. Two transmitters are arranged to secure a range wider than the existing one-to-one resonance, thereby enhancing the practicality of the system. Two identical transmission units are arranged to strengthen the magnetic field and to subsequently increase the magnitude and distance of the power transmitted to the reception unit. A constant power can be maintained in a wide range through the phase control of different output powers according to the positions of the transmitting and receiving coils. A constant power can also be obtained by transmitting to the receiver. The experiment results show that the proposed method outperforms the conventional method.

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AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 자기 공진 방식을 기반으로 여러 수신부에 필요한 다양한 소요 전력을 전송하여 효율을 높이는 것을 목적으로 한다. 기존의 전력제어 방식에는 동작주파수를 제어함으로써 출력 전력을 제어하는 방식이 있다.
본 연구에서는 하나의 송신코일이 아닌 2개의 송신코일을 갖고, 각각에 송신회로를 적용한 시스템을 제안한다. 두 개의 송신 코일에 각기 다른 전류가 발생하게 하여 서로의 자기장의 영향을 통해 증가된 전력 및 효율개선을 얻고자 한다.
본 연구에서는 하나의 송신코일이 아닌 2개의 송신코일을 갖고, 각각에 송신회로를 적용한 시스템을 제안한다. 두 개의 송신 코일에 각기 다른 전류가 발생하게 하여 서로의 자기장의 영향을 통해 증가된 전력 및 효율개선을 얻고자 한다. 또한, 주파수 조절이 아닌 PWM파형의 위상 제어를 통해 각 송신코일에 흐르는 전류량을 조절함으로써 주파수를 변경하지 않고, 출력 전력을 조정할 수 있다.
본 논문에서는 2개의 송신기가 가지는 효과에 대해서 분석하였다. 기존의 1:1 자기 공진과 같이 거리에 따른 최대 수신 가능한 출력 저하는 있지만 서로의 자기장영향을 통하여 보다 높은 출력 전력을 얻을 수 있었다.

제안 방법

송신코일을 정렬한 상태에서 수신코일을 좌에서 우로 5cm씩 평행이동을 하며 각 평행 이동된 위치마다 송·수신코일의 간격을 0cm에서 10cm까지 2cm마다 거리를 두고 실험을 하였으며, 2-송신코일의 경우 송신코일 간격을 0cm로 고정하여 배열 후 총 가로 길이는 30cm인 상태로 실험을 한 것이다.

대상 데이터

제안하는 시스템 그림 1과 같이 AC 전압을 만들기 위한 2개의 Half-bridge 토폴로지 및 송신코일을 이용한다. 수신부는 1개의 수신코일과 Full-bridge 정류기로 구성된다.
2과 같다. 두 개의 Half bridge inverter와 송신 코일이 사용되었다. 두 개의 송신 회로에 60도 위상차를 두었을 때, 실험 파형은 그림 3과 같다.

데이터처리

또한 두 개의 송신 코일로 인해, 전력이 전달되는 면적과 거리 증대 효과를 예상할 수 있다. 제안한 시스템의 이론적 원리와 동작 검증을 위하여 40W 실험 세트를 구현하여 성능을 검증하였다.

성능/효과

반면 위상차 없이 42W를 수신하는 경우는 40W로 조절하기 위해서는 위상차가 약 35도 발생한다. 위상차를 두어 수신전력을 조절하는 경우 효율 저하는 무효 전력 증가로 최대 3% 효율 저하를 실험적으로 확인하였다.
기존의 1:1 자기 공진과 같이 거리에 따른 최대 수신 가능한 출력 저하는 있지만 서로의 자기장영향을 통하여 보다 높은 출력 전력을 얻을 수 있었다.또한 위상 제어를 통하여 출력 전력 값을 범위 내에서 조절됨을 검증할 수 있었다. 최근 무선 충전의 적용 범위를 다양한 전자제품으로 넓히는 추세이다.

후속연구

최근 무선 충전의 적용 범위를 다양한 전자제품으로 넓히는 추세이다. 하나의 충전기로 다양한 제품에 적용하기 위해서는 서로 다른 정격 전력을 맞춰야 하므로 제안한 시스템이 무선 충전시스템으로 적용 가능함이 예측된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	자기 공진 방식(Magnetic Resonance)의 특징은?	상용화된 무선 충전 방식은 자기 유도 방식(Inductive Coupling)으로써 높은 전송 효율을 가지나, 전송거리가 짧아 충전 영역이 매우 제한적이며, 코일의 중심이 일치하지 않을 경우 효율이 급격하게 감소하므로 적용할 수 있는 분야가 한정되어 있다[5].자기 공진 방식(Magnetic Resonance)은 송·수신부의 주파수를 일치시킴으로써 공진 결합을 통한 무선으로 수 미터까지 전력을 전달할 수 있다. 또한 방향성이 없으므로 충전 위치가 일치하지 않더라도 전력을 전송할 수 있다는 장점이 있다[1]-[4].
	상용화된 무선 충전 방식의 한계점은?	무선 전력 전송(Wireless Power Transfer) 기술에 대한 관심과 함께 다양한 전자제품에도 무선 전력 전송을 접목시키기 위해 많은 연구가 이루어지고 있다[1]-[5]. 상용화된 무선 충전 방식은 자기 유도 방식(Inductive Coupling)으로써 높은 전송 효율을 가지나, 전송거리가 짧아 충전 영역이 매우 제한적이며, 코일의 중심이 일치하지 않을 경우 효율이 급격하게 감소하므로 적용할 수 있는 분야가 한정되어 있다[5].자기 공진 방식(Magnetic Resonance)은 송·수신부의 주파수를 일치시킴으로써 공진 결합을 통한 무선으로 수 미터까지 전력을 전달할 수 있다.
	본 논문에서 연구한 2개의 송신기가 가지는 효과는 무엇인가?	본 논문에서는 2개의 송신기가 가지는 효과에 대해서 분석하였다. 기존의 1:1 자기 공진과 같이 거리에 따른 최대 수신 가능한 출력 저하는 있지만 서로의 자기장영향을 통하여 보다 높은 출력 전력을 얻을 수 있었다.또한 위상 제어를 통하여 출력 전력 값을 범위 내에서 조절됨을 검증할 수 있었다. 최근 무선 충전의 적용 범위를 다양한 전자제품으로 넓히는 추세이다.

참고문헌 (6)

M. Soljacic, A. Kurs, and A. Karalis, "Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances," Sci Express, pp. 83-86, 2007.
R. Johari, J. V. Krogmeier, and D. J. Love, “Analysis and practical considerations in implementing multiple transmitters for wireless power transfer via coupled magnetic resonance,” IEEE Trans. Ind. Electronics, Vol. 61, No. 4, pp. 1771-1783, Apr. 2014.

상세보기
S. You, Y. Kim, and H. Ang, "Design and modeling platform of resonant wireless power transfer system," Proceeding of The Korean Institute of Electrical Engineers Annual Conference, pp. 3-4, Jul. 2015.
D. Ahn and S. Hong, “A transmitter or a receiver consisting of two strong coupled resonators for enhanced resonant coupling in wireless power transfer,” IEEE Trans. Ind. Electron., Vol. 61, No. 3, pp. 1193-1203, Mar. 2014.
K. Siddabattula, "Why not a wire? The case for wireless power," Jan. 18, 2018. Retrieved from https://www.wirelesspowerconsortium.com/technology/why-not-a-wire-the-case-for-wireless-power.html,
T. Ahn, “Optimizing method for wireless charging with frequency control,” Journal of The Institute of Electronics Engineers of Korea, Vol. 50, No. 7, pp. 275-280, Jul. 2013.

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