초록

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본 논문은 자기유도 무선전력 전송하에 송수신부간 양방향 자기장 무선통신 시스템을 제안한다. 송수신부의 무선전력전송 중 양방향 무선통신은 수신부가 장착된 전자기기의 무선충전시 수신부의 안정적인 전력공급 측면에서 필수적이다. 제안하는 양방향 자기장 무선통신 시스템은 송수신부간 복잡한 IC 회로 또는 추가적인 무선통신회로 없이 단순 공진 필터 및 통신용 변압기만을 이용하여 외부환경에 강인하면서도 경제적인 무선통신이 가능하다. 본 논문에서는 제안하는 자기장 무선통신 시스템의 전력선 및 통신선 등가회로를 각각 분석하였고 실험 및 시뮬레이션을 통해 그 타당성을 검증하였다.

본 논문은 자기유도 무선전력 전송하에 송수신부간 양방향 자기장 무선통신 시스템을 제안한다. 송수신부의 무선전력전송 중 양방향 무선통신은 수신부가 장착된 전자기기의 무선충전시 수신부의 안정적인 전력공급 측면에서 필수적이다. 제안하는 양방향 자기장 무선통신 시스템은 송수신부간 복잡한 IC 회로 또는 추가적인 무선통신회로 없이 단순 공진 필터 및 통신용 변압기만을 이용하여 외부환경에 강인하면서도 경제적인 무선통신이 가능하다. 본 논문에서는 제안하는 자기장 무선통신 시스템의 전력선 및 통신선 등가회로를 각각 분석하였고 실험 및 시뮬레이션을 통해 그 타당성을 검증하였다.

AI 본문요약

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• 연구 주제
• 연구 방법
• 연구 결과

문제 정의

• 본 논문에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 자기유도 무선전력 시스템(IPTS, Inductive Power Transfer System)의 송수신부에 단순 공진 필터 및 통신 변압기만을 추가한 회로를 제안하였다. 제안하는 회로는 무선전력전송과 동시에 자기장 통신이 가능하며, 실험 및 시뮬레이션을 통해 그 타당성을 검증하였다.

가설 설정

• V_s는 전력선 입력전압의 기본파 성분, V_c1과 V_c2는 각각 통신선 입력 또는 출력전압, V_L은 전력선 출력전압이고, C1은 송신부 전력선 공진 커패시터, L_c1과 C_c1은 각각 통신선 공진회로용 인덕터 및 커패시터, L_m은 전력선 송수신단의 상호인덕턴스, C_cm1은 통신선 변압기 상호 인덕턴스다. 본 논문에서는 IPTS 모델 변압기와 통신용 변압기의 변압비를 1:1로 설계하였고, 송수신부의 공진소자 구성 및 크기가 동일하게 설계되므로 송신부 및 수신부의 공진 조건은 동일하다고 가정하였다.

제안 방법

• 제안하는 IPTS 기반 양방향 자기장 통신회로 실험세트를 그림 5와 같이 구성하였으며, 그림 1에 제시된 파라미터값을 표 1에 나타내었다. 그림 1의 전력선 입력전압 V_s는 고주파 동작 풀 브리지 인버터를 통해 구현하였고, 통신선 전압 V_c1 및 V_c2는 함수발생기와 전력증폭기를 통해 구현하였다. 무선통신 용 송수신부 변압기는 지름 3cm, 너비 1.
• 본 논문에서는 송신부에 통신선 입력전압 V_c1, 수신부에 통신선 출력전압 V_c2의 경우를 분석하였다. 통신선 등가회로 분석을 위한 회로는 그림 4(a)와 같이 전력선 전압원이 단락된 조건이며, 테브낭의 정리에 의해 그림4(b)와 같이 변환 가능하다.
• 본 논문에서는 일반적인 무선통신에 필요한 MCU, 통신용 IC 등의 추가적인 능동소자 없이 단순 공진 필터 및 통신용 소형 변압기만을 이용하여 양방향 자기장 무선통신을 구현하였다. 제안하는 IPTS 기반 양방향 무선통신 기술을 통해 송수신부간 안정적인 무선전력공급 외에 온습도 변화, 고주파 자기장 등의 환경에 강인한 무선통신 시스템을 경제적으로 구현할 수 있을 것으로 전망된다.

대상 데이터

• 그림 1의 전력선 입력전압 V_s는 고주파 동작 풀 브리지 인버터를 통해 구현하였고, 통신선 전압 V_c1 및 V_c2는 함수발생기와 전력증폭기를 통해 구현하였다. 무선통신 용 송수신부 변압기는 지름 3cm, 너비 1.5cm 수준의 소형 고주파 동작 원형 코어를 사용하였고, Tx 및 Rx 코어는 삼화전자社의 PL F2 페라이트 코어를 사용하였다. 전력선 및 통신선 동작 주파수 f_s와 f_c는 각각 20kHz, 500kHz이며, 공진 주파수 f_r은 식 (2)에 따라 240 kHz로 선정하였다.
• 제안하는 무선전력 기반 자기장 통신 회로는 그림 1과 같이 기존 다이폴 공진 코일 시스템 (DCRS, Dipole Coil R_esonant System)^{[3] [5]}에 동일한 자기장 통신용 회로가 각 송수신단에 추가되었다. V_s는 전력선 입력전압의 기본파 성분, V_c1과 V_c2는 각각 통신선 입력 또는 출력전압, V_L은 전력선 출력전압이고, C1은 송신부 전력선 공진 커패시터, L_c1과 C_c1은 각각 통신선 공진회로용 인덕터 및 커패시터, L_m은 전력선 송수신단의 상호인덕턴스, C_cm1은 통신선 변압기 상호 인덕턴스다.

성능/효과

• 이와 반대로 수신부의 통신선 입력전압 V_c2 및 송신부의 통신선 출력전압 V_c1의 실험 결과를 그림 7에 나타내었다. 동일한 상황하에 통신신호를 V_c2= 6.72V으로 를 송신하면, V_c1=0.68V로 수신됨을 확인하였다.
• 제안하는 IPTS 기반 양방향 무선통신 기술을 통해 송수신부간 안정적인 무선전력공급 외에 온습도 변화, 고주파 자기장 등의 환경에 강인한 무선통신 시스템을 경제적으로 구현할 수 있을 것으로 전망된다. 실험 결과, 약 2의 전력선 전압이득으로 무선전력전송시, 약 0.1의 통신선 전압이득으로 송수신부간 양방향 자기장 무선통신이 가능함을 실험적으로 확인하였다. 향후, 송수신부간 정렬 불량, 거리 변화 및 장애물 존재, 부하변동 등의 환경 하에서도 제안하는 시스템의 통신신호에 ASK(Amplitude Shift Keying) 통신기술을 적용한 제어기술을 통해 송수신부의 안정적인 전력전달을 구현하고자 한다.
• 의 실험 결과를 그림 6에 나타내었다. 전력선의 무선전력전송하에 통신선의 통신신호를 V_c1= 6.67V으로 송신하면, V_c2= 0.65V로 수신됨을 확인하였다. 이와 반대로 수신부의 통신선 입력전압 V_c2 및 송신부의 통신선 출력전압 V_c1의 실험 결과를 그림 7에 나타내었다.
• 제안하는 무선전력 기반 자기장 통신회로를 이용하여 RL = Rc = 100Ω 조건시 약 2의 전력선 전압이득으로 전력을 전달함과 동시에 약 0.1의 통신선 전압이득으로 통신신호가 양방향으로 전달됨을 실험적으로 확인하였다.
• 본 논문에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 자기유도 무선전력 시스템(IPTS, Inductive Power Transfer System)의 송수신부에 단순 공진 필터 및 통신 변압기만을 추가한 회로를 제안하였다. 제안하는 회로는 무선전력전송과 동시에 자기장 통신이 가능하며, 실험 및 시뮬레이션을 통해 그 타당성을 검증하였다.

후속연구

• 본 논문에서는 일반적인 무선통신에 필요한 MCU, 통신용 IC 등의 추가적인 능동소자 없이 단순 공진 필터 및 통신용 소형 변압기만을 이용하여 양방향 자기장 무선통신을 구현하였다. 제안하는 IPTS 기반 양방향 무선통신 기술을 통해 송수신부간 안정적인 무선전력공급 외에 온습도 변화, 고주파 자기장 등의 환경에 강인한 무선통신 시스템을 경제적으로 구현할 수 있을 것으로 전망된다. 실험 결과, 약 2의 전력선 전압이득으로 무선전력전송시, 약 0.
• 1의 통신선 전압이득으로 송수신부간 양방향 자기장 무선통신이 가능함을 실험적으로 확인하였다. 향후, 송수신부간 정렬 불량, 거리 변화 및 장애물 존재, 부하변동 등의 환경 하에서도 제안하는 시스템의 통신신호에 ASK(Amplitude Shift Keying) 통신기술을 적용한 제어기술을 통해 송수신부의 안정적인 전력전달을 구현하고자 한다.

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질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
수신부가 장착된 전자기기에 무선으로 전력전송시 발생할 수 있는 문제점	수신부가 장착된 전자기기에 무선으로 전력전송시 발생할 수 있는 문제점은 무엇이 있는가?	최근 모바일 기기, 사물 인터넷, 웨어러블 디바이스 등 차세대 전자기기에 전력을 안정적으로 공급할 수 있는 기술 중 무선전력전송이 새로운 대안으로 부상하고 있다. 수신부가 장착된 전자기기에 무선으로 전력전송시 발생할 수 있는 문제점으로 송수신 코일간 정렬 불량(Misalignment), 송수신부간 거리 변화 및 장애물 존재, 부하변동 등이 있다. 위 문제를 해결하기 위해서 송수신부간의 무선통신은 필수적이며, 적용 가능한 무선통신기술로 ZigBee, RFID, Bluetooth 등이 있다.
ZigBee, RFID, Bluetooth 등	무선전력전송에 ZigBee, RFID, Bluetooth 등을 사용한 무선통신기술을 구현할 때 어떤 문제점이 발생하는가?	위 문제를 해결하기 위해서 송수신부간의 무선통신은 필수적이며, 적용 가능한 무선통신기술로 ZigBee, RFID, Bluetooth 등이 있다.[1] [2] 그러나, 상기 무선통신 기술 구현을 위해서는 MCU, 제어 IC 및 다수의 능동소자, 무선통신회로용 전력공급장치 등의 부가적인 회로가 필요하므로 시스템이 복잡해지고, 무선전력전송간 자기장으로 인한 EMI 문제, 온습도 등 외부환경에 취약하며, 가격이 비싸지는 문제점이 있다.
수신부가 장착된 전자기기에 무선으로 전력전송시 발생할 수 있는 문제점	수신부가 장착된 전자기기에 무선으로 전력전송시 발생할 수 있는 문제점을 해결하기 위해서는 무엇이 필수인가?	수신부가 장착된 전자기기에 무선으로 전력전송시 발생할 수 있는 문제점으로 송수신 코일간 정렬 불량(Misalignment), 송수신부간 거리 변화 및 장애물 존재, 부하변동 등이 있다. 위 문제를 해결하기 위해서 송수신부간의 무선통신은 필수적이며, 적용 가능한 무선통신기술로 ZigBee, RFID, Bluetooth 등이 있다.[1] [2] 그러나, 상기 무선통신 기술 구현을 위해서는 MCU, 제어 IC 및 다수의 능동소자, 무선통신회로용 전력공급장치 등의 부가적인 회로가 필요하므로 시스템이 복잡해지고, 무선전력전송간 자기장으로 인한 EMI 문제, 온습도 등 외부환경에 취약하며, 가격이 비싸지는 문제점이 있다.

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