[논문]모바일 무선충전 효율 및 충전 자유도 개선을 위한 3차원 이중 송신 코일시스템

권기종; 권용성

doi:10.5762/kais.2020.21.9.9

모바일 무선충전 효율 및 충전 자유도 개선을 위한 3차원 이중 송신 코일시스템
Three-Dimensional Magnetic Resonant Coil System with Double Transmitter Coil for Enhancement of Wireless Charging Efficiency and Charging Flexibility 원문보기 논문타임라인

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.21 no.9, 2020년, pp.9 - 16

권기종 (한동대학교 기계제어공학부) , 권용성 (한동대학교 기계제어공학부)

초록
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무선충전 기술은 사용자가 선 없이 충전할 수 있는 편리함의 이점으로 많은 모바일 전자기기의 필수요소로 자리 잡게 되었고, 지속적인 연구 개발에 의해 다양한 무선충전 시스템이 제안되고 있다. 대표적인 무선충전 시스템으로는 송수신 코일의 배치와 충전효율의 상관관계를 고려하여, 송수신 코일을 근거리 평면에 배치한 2D 평면 코일 시스템이 주로 사용되어왔다. 최근에는 평면으로 넓은 공간을 차지하는 2D 코일시스템에 높이구배를 주어, 공간을 효율적으로 사용하기 위한 3차원 코일시스템이 제안되고 있다. 하지만, 3차원 코일시스템은 2D 코일시스템에 비해 충전효율이 낮고, 특히 송수신 코일간의 거리가 멀어질수록 전력전송 효율이 급격하게 저하되는 경향이 있다. 본 논문에서는 기존 3차원 코일시스템의 단점인 낮은 충전효율과 충전자유도를 개선하기 위해 새로운 무선충전 시스템 설계를 제안한다. 3차원 형상으로 송신코일과 수신코일을 설계하였고, 이때 송신코일 내부에 독립된 송신코일을 추가로 구성한 이중 송신코일 구조를 제안하여 전송효율과 자유도를 개선할 수 있었다. 측정실험 결과, 107 kHz 동작주파수에서 송수신 코일의 거리가 8 mm일 때 제안한 시스템의 효율은 40.10 %로 기존 코일의 최대전송효율인 20.5 %에 비해 크게 증가했다. 본 논문에서 제안한 3차원 이중송수신 코일시스템은 실제 무선충전 시스템 설계 시 다양한 디자인의 무선충전 시스템 설계 및 충전효율 개선에 기여할 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Wireless charging has been considered an essential part of recent mobile devices. Moreover, various wireless charging systems have emerged through many studies. Among the systems, in the 2D flat coil system, the transmitter coil and receiver coil are arranged horizontally as close as possible to improve the charging efficiency. Nowadays, the 3D coil system has been proposed by adding some slope to flat 2D coils to reduce the volume. On the other hand, the 3D coil system has a lower charging efficiency than the 2D system that decreases rapidly with increasing distance. This paper proposes a new system that improves the low efficiency and charging freedom, which are the drawbacks of the existing 3D systems. The proposed system was designed in three-dimensions, and another transmitter coil was added to the transmitter coil to improve the transmission efficiency and flexibility. The measurement showed that the charging efficiency of the proposed system was 40.10% when the distance between coils was 8 mm, which is 20.5 % improvement over the existing one. The proposed method can be applied when new wireless charging systems are designed and improve charging efficiency can be improved.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1. A simple series RLC resonant circuit.
그림 Fig. 2. An equivalent circuit of coupled resonator system. Tx denotes transmitter coil and Rx denotes receiver coil and RL denotes load resistor. When the two circuits have same resonant frequency, the coils are able to exchange energy.
그림 Fig. 3. An equivalent circuit of proposed double transmitter coil system. Tx_in denotes the inner transmitter coil and Tx_out denotes the outer transmitter coil and Rx denotes receiver coil. There are two resonant frequencies, between three circuits.
그림 Fig. 4. A design process of 3D hemispherical coil. (a) A flat 2D coil structure (b) Hemispherical 3Dcoil structure. By projecting a 2D flat spiral coil to the hemisphere surface, the 3D coil system was designed.
그림 Fig. 5. A proposed 3D double transmitter coil system in cartesian coordinates. Tx_out, Tx_in and Rx coils are sequentially numbered as 1,2,3.
그림 Fig. 6. A geometric setup of the proposed coil system. There are three coils which are Tx_in(Yellow Coil), Tx_out(Red Coil), Rx(Blue Coil).
그림 Fig. 7. A maxwell simulation setup and results (a) A distance set up between the coils. A four stages of distance step is set up to know the effect of spacing distance between coils (b) Measurement of magnetic flux vector B[tesla] inside the 3D coil system.
그림 Fig. 8. A simulation results from MAXWELL. (a) Mutual inductance simulation results. (b) Coupling Coefficient simulation results. From the experimental results, mutual inductance and coupling coefficient are both declined with increasing distance. However, the results from inner transmitter coil(Tx_in) and outer transmitter coil(Tx_out) does not change because only the position of receiver(Rx) coil changes.
그림 Fig. 9. An equivalent simulation circuit of 3D coil system (a) A SIMPLORER simulation circuit. (b) A PSIM simulation circuit. R_load in the both circuits is 4.7Ω.
그림 Fig. 10. A Charging efficiency simulation results from SIMPLORER and PSIM. There are two inflection point in the graph, which are 108 kHz and 205 kHz, at the resonant frequency of the circuit. High chargin gefficiency can be achieved at these two points.
표 Table 1. Measurement results of the proposed coil systems
그림 Fig. 11. A photo of experimental setup.
그림 Fig. 12. A charging efficiency measurement results. Two simulation results, and two experiment results are plotted in the graph from the top. All of the results are measured at 107 kHz.

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 기존의 3차원 무선충전 시스템의 낮은 충전효율과 충전자유도를 개선하기 위한 3차원 이중송신 코일시스템을 제안했다. 기존의 많은 공간을 차지하는 원환형 3차원 코일이 아닌 반구형 3차원 코일을 설계하여 공간을 효율적으로 사용할 수 있고, 이중송신 코일구조를 사용하여 코일간의 거리가 멀어짐에 따라 효율이 급감하는 단점을 개선시켰다.
본 논문에서는 무선충전 시스템의 충전효율 및 충전자유도 향상을 위한 3차원 이중송신 코일시스템을 제안한다. 제안한 시스템의 실효성을 확인하기 위해 ANSYS사의 전자기해석 시뮬레이터MAXWELL을 사용하여 3차원 코일의 인덕턴스(inductance) 값과 결합계수를 구했고, 전자회로 시뮬레이터 SIMPOLRER와 전력전자회로 시 뮬레이터 PSIM(Power Electronics Simulation)을 이용하여 시스템회로를 구성 후 충전효율을 측정했다.

제안 방법

9.(a)에서 보는 바와 같이 SIMPLORER내에서 구성하였고, 이를 통해 충전효율 시뮬레이션을 진행했다. 또한 정확한 시뮬레이션 결과를 위해 전력전자 시뮬레이터 PSIM을 이용하여 동일한 시스템 회로를 구성 후 시뮬레이션을 진행했고 두 결과를 비교했다.
7.(a)와 같이 외측 송신코일과 수신코일 간의 최소 거리간격 8 mm로 부터 최대 38 mm 까지 총 4 단계에 걸쳐 거리간격을 10 mm 씩 증가시키며 시뮬레이션을 진행했다. 이때 외측 송신코일과 내측 송신코일은 고정시키고, 수신코일의 위치를 변화시켰다.
3차원 코일은 직경 0.08 mm의 구리선이 105번 꼬여져 있는 연선(stranded)형태의 리츠와이어를 사용하여 제작했고, 수신코일에 부하 저항 4.7 Ω을 연결하여 출력전압을 측정했다.
본 논문에서는 기존의 3차원 무선충전 시스템의 낮은 충전효율과 충전자유도를 개선하기 위한 3차원 이중송신 코일시스템을 제안했다. 기존의 많은 공간을 차지하는 원환형 3차원 코일이 아닌 반구형 3차원 코일을 설계하여 공간을 효율적으로 사용할 수 있고, 이중송신 코일구조를 사용하여 코일간의 거리가 멀어짐에 따라 효율이 급감하는 단점을 개선시켰다. 또한, 단일송신 코일구조에 비해 이중송신 코일구조의 충전효율과 충전자유도가 높음을 확인하여 제안된 구조의 타당성을 확인했다.
다음으로 무선전력위원회(WPC: Wireless Power Consortium)에서 규정하는 Qi 표준입력인 110 kHz, 2 A을 모델링에 인가하여 시뮬레이션을 진행했다[13].
두 개의 송신코일과 하나의 수신코일을 앞서 정의한 반구형으로 모델링하였고, 이를 Fig. 5의 직각좌표공간에 각각 나타냈다. 또한, 모델링된 코일의 직교좌표는 Eq.
기존의 여러 연구에서는 원환형(toroidal) 3차원 코일 시스템이 제안되었지만[12], 큰 높이를 갖는 원환체의 구조적 특성으로 충전시스템의 부피가 커진다는 단점이 발생했다. 따라서 본 연구에서는 T. Hou 연구팀이 제안한 반구형(hemispherical) 3차원 코일을 설계하여 시스템의 부피를 소형화했다. 반구형 3차원 코일은 Eq.
7 Ω을 연결하여 출력전압을 측정했다. 또한 이중송신 코일시스템의 유용성을 검증하기 위해 내부송신 코일을 제외한 단일송신 코일시스템의 실험도 진행했다. 실험은 송수신 코일간격이 8 mm, 18 mm, 28 mm, 38 mm일 때 이중송신 코일과 단일송신 코일 각각 네 번씩, 총 여덟 번 진행했다.
10 %의 충전효율을 유지하였으며, 충전효율의 급감 또한 발견되지 않았다. 또한 이중송신 코일시스템의 유용성을 검증하기 위해 비교 실험한 단일송신 코일 시스템의 낮은 충전효율과, 늘어난 거리에 따른 가파른 효율저하현상 관찰을 통해 이중송신 코일시스템을 통한 충전효율과 충전자유도 개선을 확인했다.
회로의 특성을 고려하여 적절한 두 개의 공진주파수를 설정하면 송수신코일 사이에 상호 인덕턴스 및 커플링 계수가 개선되어, 충전효율을 높일 수 있다[11]. 본 논문에서는 최적의 공진주파수를 결정하기 위해 상용화된 무선충전 시스템의 동작주파수 범위(105 kHz ~ 210 kHz)내에서 시뮬레이션을 진행하였고, 시뮬레이션 결과 최대 충전효율을 나타내는 110 kHZ 와 205 kHz를 공진주파수로 설정했다. 이때, 110 kHz는 외측 송신코일 회로와 수신코일 회로 사이의 공진주파수이고, 205 kHz는 내측 송신코일 회로와 수신코일 회로 사이의 공진주파수이다.
본 연구에서 제안하는 이중송신 코일시스템은 두 개의 송신 코일로 구성되어 있으며, 따라서 두 개의 공진주파수를 가질 수 있다. 회로의 특성을 고려하여 적절한 두 개의 공진주파수를 설정하면 송수신코일 사이에 상호 인덕턴스 및 커플링 계수가 개선되어, 충전효율을 높일 수 있다[11].
시뮬레이션은 수신코일과 송신코일 간의 거리를 실험 변수로 설정하여 거리에 따른 자기 인덕턴스와 상호 인덕턴스, 결합계수의 변화를 측정했다. Fig.
또한 이중송신 코일시스템의 유용성을 검증하기 위해 내부송신 코일을 제외한 단일송신 코일시스템의 실험도 진행했다. 실험은 송수신 코일간격이 8 mm, 18 mm, 28 mm, 38 mm일 때 이중송신 코일과 단일송신 코일 각각 네 번씩, 총 여덟 번 진행했다. 구성한 실험환경은 Fig.
제안된 3차원 이중송신 코일시스템을 검증하기 위하여 시스템 회로를 구성하였고, DC 파워서플라이(power supply)와 함수발생기(function generator)를 사용하여 2 V와 110 kHz를 인가했다. 3차원 코일은 직경 0.
제안된 이중송신 코일시스템의 실효성을 검증하기 위해 맥스웰 시뮬레이터를 사용하여 3차원 리츠(litz) 와이어 코일을 모델링했다. 코일의 단면적은 가로 0.
본 논문에서는 무선충전 시스템의 충전효율 및 충전자유도 향상을 위한 3차원 이중송신 코일시스템을 제안한다. 제안한 시스템의 실효성을 확인하기 위해 ANSYS사의 전자기해석 시뮬레이터MAXWELL을 사용하여 3차원 코일의 인덕턴스(inductance) 값과 결합계수를 구했고, 전자회로 시뮬레이터 SIMPOLRER와 전력전자회로 시 뮬레이터 PSIM(Power Electronics Simulation)을 이용하여 시스템회로를 구성 후 충전효율을 측정했다. 송수신 코일간의 거리가 가장 가까울 때(8 mm), SIMPLORER 사용결과 85.

데이터처리

(a)에서 보는 바와 같이 SIMPLORER내에서 구성하였고, 이를 통해 충전효율 시뮬레이션을 진행했다. 또한 정확한 시뮬레이션 결과를 위해 전력전자 시뮬레이터 PSIM을 이용하여 동일한 시스템 회로를 구성 후 시뮬레이션을 진행했고 두 결과를 비교했다. 구성한 시스템 회로는 Fig.

성능/효과

3 %의 충전 효율을 보였다. 그리고 코일사이의 거리가 가장 멀 때(38 mm), SIMPLORER 사용결과 30.74 %, PSIM 사용결과 21.7 %의 충전 효율을 보였다. 두 시뮬레이션 모두 입력주파수 110 kHz 근처인 107 kHz에서 가장 높은 효율을 보였고, 코일간의 늘어나는 거리에 따라 충전효율이 동일한 경향성을 보임을 확인했다.
5 %를 크게 개선한 수치이다. 기존의 모델은 송수신 코일 간의 거리가 5 mm 보다 커지면서 충전효율이 급감했지만, 제안된 시스템은 8 mm 이후로도 40.10 %의 충전효율을 유지하였으며, 충전효율의 급감 또한 발견되지 않았다. 또한 이중송신 코일시스템의 유용성을 검증하기 위해 비교 실험한 단일송신 코일 시스템의 낮은 충전효율과, 늘어난 거리에 따른 가파른 효율저하현상 관찰을 통해 이중송신 코일시스템을 통한 충전효율과 충전자유도 개선을 확인했다.
7 %의 충전 효율을 보였다. 두 시뮬레이션 모두 입력주파수 110 kHz 근처인 107 kHz에서 가장 높은 효율을 보였고, 코일간의 늘어나는 거리에 따라 충전효율이 동일한 경향성을 보임을 확인했다. 자세한 결과는 Fig.
기존의 많은 공간을 차지하는 원환형 3차원 코일이 아닌 반구형 3차원 코일을 설계하여 공간을 효율적으로 사용할 수 있고, 이중송신 코일구조를 사용하여 코일간의 거리가 멀어짐에 따라 효율이 급감하는 단점을 개선시켰다. 또한, 단일송신 코일구조에 비해 이중송신 코일구조의 충전효율과 충전자유도가 높음을 확인하여 제안된 구조의 타당성을 확인했다. 측정실험을 통해 기존의 20.
8에 이를 나타냈다. 무선전력위원회에서 규정하는 Qi 표준을 만족하는 상용 무선 충전 코일의 결합계수가 0.3 부터 0.6 사이의 값으로 설계되는 것을 고려했을 때[14], 이는 제안된 모델이 3차원 구조임에도 불구하고 높은 효율을 나타냄을 알 수 있다.
제안한 시스템의 실효성을 확인하기 위해 ANSYS사의 전자기해석 시뮬레이터MAXWELL을 사용하여 3차원 코일의 인덕턴스(inductance) 값과 결합계수를 구했고, 전자회로 시뮬레이터 SIMPOLRER와 전력전자회로 시 뮬레이터 PSIM(Power Electronics Simulation)을 이용하여 시스템회로를 구성 후 충전효율을 측정했다. 송수신 코일간의 거리가 가장 가까울 때(8 mm), SIMPLORER 사용결과 85.3 %, PSIM 사용결과 84.32 %의 시뮬레이션 최대 충전효율을 얻었고, 실제 측정실험에서 송수신 코일간의 거리가 8 mm 일 때 40.10 %, 18 mm 일 때 20.31 % 의 충전 효율을 보였다. 이는 기존 무선충전 시스템과 달리 송수신코일 간의 거리가 늘어나더라도 충전 효율이 급감하지 않음을 나타낸다.
시뮬레이션 결과 송수신 코일의 거리가 가장 가까울 때(8 mm), SIMPLORER 사용결과 85.3 %, PSIM 사용결과 84.3 %의 충전 효율을 보였다. 그리고 코일사이의 거리가 가장 멀 때(38 mm), SIMPLORER 사용결과 30.
실험결과 본 논문에서 제안한 3차원 이중송신 코일시스템은 Fig. 12에서 보는 바와 같이 거리간격이 8 mm, 18 mm, 28 mm, 38 mm 일 때, 입력주파수 110 kHz 근처인 107 kHz에서 40.10 %, 20.31 %, 13.68 %, 5.56 %의 충전효율을 보였다. 이는 T.
또한, 단일송신 코일구조에 비해 이중송신 코일구조의 충전효율과 충전자유도가 높음을 확인하여 제안된 구조의 타당성을 확인했다. 측정실험을 통해 기존의 20.5 %로 낮았던 충전효율이 40.10 %로 크게 개선되었음을 검증하였고, 시뮬레이션 결과와 경향성이 일치함을 확인했다.

후속연구

향후 성능개선을 위해서 전자기차폐장치와 인쇄회로 기판에 시스템회로를 구성하여 시뮬레이션결과와 실제 측정실험 값의 차이를 줄이는 연구를 지속할 예정이다. 본 논문의 결과를 바탕으로 실제 제품 개발 시 무선충전 시스템의 효율 개선 및 다양한 디자인 설계에 사용될 수 있을 것으로 기대된다.
향후 성능개선을 위해서 전자기차폐장치와 인쇄회로 기판에 시스템회로를 구성하여 시뮬레이션결과와 실제 측정실험 값의 차이를 줄이는 연구를 지속할 예정이다. 본 논문의 결과를 바탕으로 실제 제품 개발 시 무선충전 시스템의 효율 개선 및 다양한 디자인 설계에 사용될 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	무선충전은 무엇으로 분류되는가?	무선충전은 자기유도 방식과 방사형 방식, 그리고 자기공진 방식으로 분류되는데, 자기유도 방식과 방사형 방식은 효율이 낮고 인체에 유해한 전자기파가 발생하여 무선충전 기술에 사용되기 어렵다[5]. 반면, 자기공진 방식은 코일간의 공진현상을 이용하여 원거리 전력전송을 할 수 있는 장점이 있어 대부분의 무선충전 방식으로 채택되어 많은 연구가 진행되고 있다[6].
	MAXWELL과 PSIM 시뮬레이션 결과에 비해 측정된 충전효율이 저하된 이유는 무엇인가?	다만 MAXWELL과 PSIM 시뮬레이션 결과에 비해 측정된 충전효율이 저하되었는데, 이는 3차원 코일시스템 구조에 기인한 큰 자속 손실에도 불구하고 전자기차폐장치를 사용하지 않았기 때문으로 추정할 수 있다. 또한 인쇄회로기판(PCB: Printed Circuit Board)을 사용하지 않고 상용소자로 회로를 구성하여 각 시스템의 저항과 보드소자들이 효율저하에 영향을 끼친 것으로 판단된다.
	원환형 3차원 코일 시스템에서 충전시스템의 부피가 커진다는 단점을 어떻게 해결하였는가?	기존의 여러 연구에서는 원환형(toroidal) 3차원 코일 시스템이 제안되었지만[12], 큰 높이를 갖는 원환체의 구조적 특성으로 충전시스템의 부피가 커진다는 단점이 발생했다. 따라서 본 연구에서는 T. Hou 연구팀이 제안한 반구형(hemispherical) 3차원 코일을 설계하여 시스템의 부피를 소형화했다. 반구형 3차원 코일은 Eq.

참고문헌 (14)
타임라인 바로가기

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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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
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