[논문]전기자동차의 3-코일 자기공진방식 무선전력전송 시스템에서 코일의 비 정렬에 관한 연구

황인갑

doi:10.17661/jkiiect.2021.14.1.48

[국내논문] 전기자동차의 3-코일 자기공진방식 무선전력전송 시스템에서 코일의 비 정렬에 관한 연구
A Study on Coil Misalignment in a 3-Coil Magnetic Resonance Wireless Power Transmission System of a Electric Vehicle 원문보기

한국정보전자통신기술학회논문지 = Journal of Korea institute of information, electronics, and communication technology, v.14 no.1, 2021년, pp.48 - 55

황인갑 (Department of Electrical and Electronic Engineering, Jeonju University)

초록
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3-코일 자기공진방식 무선전력전송 시스템을 등가회로 모델로 해석하여 시스템의 |S21|을 3개 코일의 Q와 송신코일과 중계코일, 중계코일과 수신코일의 커플링 계수 k의 수식으로 표현하였다. 유도된 수식으로부터 중계코일이 송신코일과 수신코일의 중앙에 위치할 때 최대 이득을 얻을 수 있음을 수식으로 제시하고 실험으로 그 결과가 타당함을 보였다. 송신코일과 수신코일의 거리가 30 cm이고 두 코일이 정렬되었으며 중계코일이 두 개의 코일 중앙에 위치하였을 때 9 %의 최대 효율을 얻었다. 송신코일과 수신코일이 비 정렬된 경우는 정렬된 경우에 비하여 효율이 떨어지나, 중계코일을 회전시키면 효율이 크게 증가하는 것을 실험으로 보였다. 전기자동차의 무선충전 시 송신코일과 수신코일이 비 정렬되면 효율이 정렬 시와 비교해 많이 감소할 것으로 예상되며, 이런 경우 중계코일을 사용하고 중계코일을 회전시킴으로써 효율을 높일 수 있을 것으로 보인다.

Abstract ▼ AI-Helper

The 3-coil magnetic resonance wireless power transmission system was analyzed using an equivalent circuit model, and the |S21| of the system was expressed as the equation of the Q of the three coils, the coupling coefficient k between the transmitting coil and the relay coil, the relay coil and the receiving coil. It is suggested that the maximum efficiency can be obtained when the relay coil is located in the center of the transmitting and the receiving coil. When the distance between the transmitting and the receiving coil is 30 cm and the two coils are aligned, maximum efficiency of 9 % is obtained with the relay coil centered between the coils. If the transmitting coil and the receiving coil are misaligned during a wireless charging of an electric vehicle, the efficiency is expected to decrease significantly compared to the aligned case. It is expected that the efficiency can be increased by using a relay coil and by rotating the coil.

Keyword

표/그림 (8)

그림 그림 1. (a) 3-코일 자기공진 무선전력전송 시스템 (b) 3-코일 자기공진 무선전력전송 시스템의 등가회로 Fig. 1. (a) 3-coil magnetic resonance wireless power transmission system, (b) equivalent circuit of 3-coil magnetic resonance wireless power transmission system.
그림 그림 2. AB급 증폭기의 회로도 Fig. 2. Circuit diagram of class AB amplifier
표 표 1. 송신코일, 수신코일과 중계코일의 특성 Table 1. Characteristics of transmitting coil, receiving coil and relay coil
그림 그림 4. 3개 코일의 정렬 모양. (a) 정렬, (b) 비 정렬 d1=d2=7.5 cm, d1=d2=15 cm, (c) 비 정렬과 회전. Fig. 4. Alignment of 3 coils. (a) aligned, (b) misaligned d=15 cm, d=30 cm, (c) misaligned and rotated.
그림 그림 3. (a) 실험에 사용된 3-코일 무선전력전송 시스템, (b) 수신코일 출력단에서의 신호. Fig. 3. (a) 3-coil wireless power transmission system used in the experiment, (b) signal at the output of the receiving coil.
그림 그림 5. 중계코일의 위치에 따른 효율. (a) 정렬 (b) 15 cm 비 정렬 (c) 30 cm 비 정렬. Fig. 5. Efficiency according to the position of the relay coil. (a) aligned, (b) 15 cm misaligned, (c) 30 cm misaligned.
표 표 2. 중계코일이 송수신 코일의 중앙에 있을 때 효율 Table 2. Efficiency when the relay coil is at the center between transmitting and receiving coil.
그림 그림 6. 17cm의 시멘트벽을 투과하여 에너지가 전송됨을 보여주는 실험. (a) 중계코일이 없는 경우, (b) 중계코일이 있는 경우 Fig. 6. Experiment showing that energy is transmitted through a 17cm cement wall. (a) without relay coil, (b) with relay coil.

AI 본문요약
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문제 정의

이때 송신 코일과 수신코일을 정확히 정렬시키는 어려움이 있다. 본 논문에서는 자기공진을 이용하여 전기자동차를 무선 충전할 때 송신코일과 수신코일의 위치 정렬이 에너지 전송효율에 미치는 영향을 알아보고, 송신 코일과 수신 코일의 비 정렬로 인하여 효율 손실이 있을 때 중계코일을 사용함으로써 보상 가능한지 알아보았다. 본 논문은 1장 서론에서 무선전력전송의 기존의 연구내용과 자기공진 무선전력전송시스템이 전기자동차의 충전시스템에 응용 가능함을 언급하고, 2장에서 3- 코일 자기공진 무선전력전송시스템의 전력효율을 코일의 양호도 Q와 코일 간의 결합계수 k의 수식으로 유도하고, 3장에서는 3-코일 자기공진 무선전력전송시스템의 실험방법과 내용을 설명하고 실험 결과에 대한 분석을 하였으며, 4장에서는 연구결과를 설명하는 결론으로 구성되어 있다.

가설 설정

Q₁, Q₂, Q₃는 3개 코일의 양호도이고 k₁₂, k₂₃는 송신코일과 중계코일, 중계코일과 수신코 일간의 결합계수이다. 송신코일과 수신코일의 결합계수 k₁₃는 결합계수가 거리에 반비례하므로 k₁₂, k₂₃에 비하여 시스템에 미치는 영향이 적다고 가정하고 무시하였다.
AB급 증폭기의 소모전력은 증폭기의 부하가 저항일 때 공급 전류값과 부하전압을 측정하여 공급전력에서 부하전력을 빼서 계산하였다. AB급 증폭기의 부하가 송신코일 일 경우에도 부하가 저항일 경우와 같은 공급전류가 증폭기에 흐른다면 두 경우에 증폭기의 소모전력은 같다고 가정하였다.

제안 방법

방향에 따라 전송효율이 떨어진다. 이러한 단점을 보완하기 위하여 1차 측과 2차 측에 각각 서로 직교하는 3개의 코일을 사용하여 코일의 기울기에 둔감한 무선전력전송 시스템을 구현하였고[2], 3차원 방사할 수 있도록 송신코일을 공 모양의 구형으로 제작하여 수신 코일이 어떤 방향에 위치하더라도 비슷한 수신 전력을 갖도록 하였다[3]. 또한, 송수신 코일 사이에 중계코일의 사용이 무선전력전송 시스템의 효율을 증가시키는 것은 이미 알려져 있다[4].
본 논문에서는 자기공진을 이용하여 전기자동차를 무선 충전할 때 송신코일과 수신코일의 위치 정렬이 에너지 전송효율에 미치는 영향을 알아보고, 송신 코일과 수신 코일의 비 정렬로 인하여 효율 손실이 있을 때 중계코일을 사용함으로써 보상 가능한지 알아보았다. 본 논문은 1장 서론에서 무선전력전송의 기존의 연구내용과 자기공진 무선전력전송시스템이 전기자동차의 충전시스템에 응용 가능함을 언급하고, 2장에서 3- 코일 자기공진 무선전력전송시스템의 전력효율을 코일의 양호도 Q와 코일 간의 결합계수 k의 수식으로 유도하고, 3장에서는 3-코일 자기공진 무선전력전송시스템의 실험방법과 내용을 설명하고 실험 결과에 대한 분석을 하였으며, 4장에서는 연구결과를 설명하는 결론으로 구성되어 있다.
사용주파수는 985 kHz 이며, 985 kHz 에서 공진하는 커패시턴스 값은 식 (8)을 이용하여 계산하였다. 계산된 커패시턴스 값을 갖는 커패시터를 구할 수 없어 계산 값과 가까운 값의 커패시턴스 사용하여 실험하였으며, 사용된 커패시터의 커패시턴스 값은 표 1에 보이는 바와 같다.
되었다. 입력신호는 RIGOL DG1022 파형발생기를 사용하여 985 kHz의 정현파를 발생시켜 AB급 증폭기로 증폭한 후 송신코일에 인가했으며, 출력코일의 부하로는 1000 Ω의 저항을 사용하였다.
식 (9)에서 파형 발생기부터의 입력전력은 작다고 가정하여 무시하였다. AB급 증폭기의 소모전력은 증폭기의 부하가 저항일 때 공급 전류값과 부하전압을 측정하여 공급전력에서 부하전력을 빼서 계산하였다. AB급 증폭기의 부하가 송신코일 일 경우에도 부하가 저항일 경우와 같은 공급전류가 증폭기에 흐른다면 두 경우에 증폭기의 소모전력은 같다고 가정하였다.
정렬되어있는 경우, 그림 4(b)와 같이 송신 코일과 수신 코일이 15 cm 비 정렬되어있고 그 중간에 중계코일이 있는 경우와 송신코일과 수신코일이 30 cm 비 정렬되어있고 그 중간에 중계코일이 있는 경우에 대하여 각각 중계코일을 송신코일로부터 수신코일 방향으로 5 cm씩 이동하면서 효율을 측정하였다. 추가로 송신코일과 수신코일이 비 정렬된 경우는 중계코일을 이동하는 각 위치에서 최대 효율이 나오도록 중계코일을 그림 4(c)와 같이 회전하여 효율을 측정하였다.
송신코일, 중계코일, 수신코일로 이루어지는 3-코일 자기공진방식 무선전력전송시스템을 등가회로 모델로 해석하였다. 시스템의 |S₂₁|을 3개 코일의 Q와송 신코 일과 중계코일, 중계코일과 수신코일 간 커플링 계수 k의 수식으로 유도하였다.

대상 데이터

실험에 사용된 AB급 증폭기의 회로도는 그림 2와 같으며 2SC₄₈83 트랜지스터를 사용하여 제작하였다. 구동전압은 ±10V를 사용하였고 입력신호는 9 V_p-p크기를 갖는 정현파를 사용하였다.
제작하였다. 구동전압은 ±10V를 사용하였고 입력신호는 9 V_p-p크기를 갖는 정현파를 사용하였다. 무선전력전송 시스템의 효율 계산은 AB급 증폭기의 소모전력을 제외하는, 식 (9)를 이용하여 계산하였다.
사진이다. 사진에서 보이는 파형의 크기는 3.36 V_p-p이며, 파형은 Agilent MSO₆₀12 오실로스코프를 이용하여 측정하였다.
것을 보여준다. 수신코일의 부하로 부하저항 대신에 LED를 사용하였다. 그림 6(a)는 중계코일이 없는 경우이고 그림 6(b)는 중계코일이 송신코일과 수신 코일의 중간에 있는 경우이다.

이론/모형

자기공진을 이용한 무선전력전송 시 4-코일 시스템은 구동코일, 송신코일, 수신코일, 부하코일로 구성되며, 이 시스템은 커플드 모드[1], 등가회로 모델[5, 6, 7] 을 이용하여 해석되었다.

성능/효과

이다. 이 결과는 중계코일이 송신코일과 수신코일의 중간에 위치하거나 중계코일을 중심으로 송신코일과 수신 코일이 대칭을 이룰 때 전력이 최대로 전송됨을 보여준다. 송신코일, 수신코일과 중계코일과의 관계를 알아보기 위하여 송신코일과 수신코일은 같은 k와 Q를 갖는다고 가정하면, 식 (4)는 식 (7)과 같이 간단해진다.
수동소자를 통한 에너지 전송이므로 |S₂₁|이 1보다 작음은 물리적으로 타당하다. 또한, 이 수식은 다른 논문에서 일반적으로 언급하듯이 코일의 Q 값이 크고 코일 간의 결합계수 k 값이 클수록 에너지 전달이 잘 됨을 보여준다.
중계코일의 위치에 따른 효율의 변화추세는 송수신 거리가 30 cm인 그림 5(a)와 40 cm인 그림 5(b)와 같다. 단, 송신코일과 수신코일의 중심이 15 cm 비 정렬되었을 때 효율이 증가, 감소한 후 다시 증가, 감소하였다. 이 이유 역시 코일 간 k 값이 중계코일의 위치와 회전에 따라 변화하기 때문으로 생각된다.
코일이 비 정렬되었을 때 코일을 회전시키면 효율은 크게 증가하였으며, 송신코일과 수신코일의 거리가 30 cm인 경우 15 cm 비 정렬에서 코일을 회전하였을 때의 효율은 정렬되었을 때의 효율 9 % 보다 큰 11.37 %이다. 자기공진의 경우 자속의 쇄교를 이용하는 것이 아니므로 코일의 거리나 위치보다도 코일의 Q 값과 코일 간 k 값이 더 큰 영향을 미친 것으로 보인다[9].
실험에서 효율의 최댓값은 코일 간 결합계수가 큰 경우는 송신 코일과 수신코일의 중앙에서 최대 효율을 얻고 코일간 결합계수가 적어지면 대부분 중앙에서 수신 코일로 조금 이동한 지점에서 최대 효율을 얻었다. 코일 간 거리가 가까워 결합계수가 큰 경우는 외부영향이나 다른 코일과의 결합계수의 영향이 적으나, 코일 간 결합계수가 적어지면 주변 환경이나 다른 코일 간의 결합계수 등이 영향을 주어 중앙에서 조금 이동한 곳에서 최댓값이 나온 것으로 보인다.
그림 6. 17cm의 시멘트벽을 투과하여 에너지가 전송됨을 보여주는 실험. (a) 중계코일이 없는 경우, (b) 중계코일이 있는 경우 Fig.
를 검증하였다. 송신코일과 수신코일이 비 정렬되어있을 때 중계코일의 회전이 효율을 크게 증가시켜 주는 것을 실험으로 보였다. 이는 자기공진방식의 경우 자기유도방식과는 다르게 자속의 쇄교에 비례하지 않으므로 코일을 회전하여 코일 간의 k 값이 증가하면 효율이 증가할 수 있음을 보여준다.

참고문헌 (9)

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상세보기
D. S. Lee, D. N. Lim, S. J. Jeon, "Wireless Power Transfer System Insensitive to Pickup's Posture", KIEE Trans., Vol. 63, No. 7, pp. 910-915, 2014.
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S. M. Baek, D. E. Kim, J. G. Shon, "Analysis of the Efficiency According to Resonant Repeater Application in Magnetic Resonant Wireless Power Transfer System", KIEE Trans., Vol. 67P, No. 4, pp. 221-226, Dec., 2018.
S. H. Jeon, Y. H. Kim, M. L. Lee, S. Y. Kang, "Circuit Model Based Analysis of a Wireless Energy Transfer System via Coupled Magnetic Resonances", KIPE Trans., Vol. 16, No. 2, pp. 137-144, April, 2011.
G. B. Lee, W. S, Y. Park, "Analysis and Comparison for 4-Coil Magnetic Resonance Wireless Power Transfer System", The Journal Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, Vol. 24, No. 2, pp. 168-179, Feb. 2013.
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상세보기
D. G. Kim, C. H. Seo, "Design of 3-Dimensional Magnetic Resonance Coil and DC-DC Buck Converter for Uniform Wireless Power Transmission of a Smartphone", Journal of The institute of Electronics and Information Engineers, Vol. 57, No. 12, pp. 935-940, Dec. 2020.
J. W. Kim, H. H. Ji, Y. G. Choi, Y. H. Yun, K. H. Kim, Y. J. Park, "Study on Arrangement of Self-Resonant Coils in Wireless Power Transfer System Based on Magnetic Resonance", The Journal Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, Vol. 21, No. 6, pp. 564-572, June. 2010.

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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