1. 서 론

현재 선박 제조사와 같은 야외 산업현장 작업을 위해 산업용 LED조명이 사용되는 경우, 유선 케이블에 의하여 AC 전원을 LED조명등에 공급하고 있다. 유선 케이블 작업등은 전력케이블 길이의 한계나 케이블 꼬임의 문제가 있으며, 케이블 소손으로 인해 교류 전원이 단락되어 산업 재해가 발생하기도 한다. 또한 습한 장마철에는 감전 및 아크 방전의 위험도 존재한다. 전원 공급지로부터 작업 범위가 커져서 케이블의 길이가 길어지면, 작업자의 육체적 피로가 높아지며 이는 안전에도 영향을 준다^{[1, 2]}.

따라서 야외 산업 현장과 같이 복잡한 환경에서 전력장비의 이동이 필요한 경우 무선전력전송(WPT: Wireless Power Transfer) 기술^{[3, 4]}을 적용하면, 전력 케이블이 없어도 작업자가 자유로이 이동할 수 있어서 작업 능률과 안전도가 향상 될 수 있다^[5].

WPT기술은 전자기유도 현상을 이용하여 무선으로 전원을 공급하는 기술이며, 이는 니콜라 테슬라^[6]에 의해 제안된 이후 지금까지 연구가 되어 왔다. WPT기술은 자기유도 방식, 자기공명 방식, 전자기파 전송 방식으로 구분할 수 있다[3,4,7]. 특히 송·수신 코일 간에 전자기유도 현상을 이용하여 무선으로 전력을 전송하는 자기유도 무선전력 전송 방식은 근거리 WPT구현에 용이하므로 5W급 소형 저전력 가전제품이나 핸드폰 무선 충전기에 많이 적용되고 있다^[4].

본 연구에서는 5W급 소형 가전제품에 사용하는 WPT기술을 응용하여 산업 현장에서 사용되는 50W급의 무선 충전 LED조명등^[8-10]을 개발하였다. 이를 위하여 WPT기술의 핵심인 자속 집중형 송·수신 코일을 유한요소법 (FEM : Finite Element Method) 해석 툴인 Ansoft사의 MAXWELL^[11]을 이용하여 자속 분포와 자속 방향을 시뮬레이션하였다.

본 연구의 무선 충전 LED조명등의 전력변환 과정은 다음과 같다. AC 전원을 정류한 후 푸쉬풀(Push-pull) DC-DC 컨버터^[12-14]에 의하여 24V DC전압으로 변환하고 배터리 관리 (BM : Battery Management)컨버터에 의해 배터리 팩을 충전한다. 배터리 팩은 2차 전지로서 LED 광원부 모듈과 정전류 구동 LED 드라이버와 함께 LED조명등에 내장된다. 본 연구에서 개발된 무선 충전 LED조명등의 광 효율, 배터리 사용시간, 전력변환 모듈의 효율, 방수 등급, WPT효율, 출력 전압 리플 등 6가지 정량적인 성능을 측정하여 본 연구의 타당성을 입증하였다.

2. 이 론

Fig. 1은 본 논문에서 개발하고자 하는 50W급 산업용 무선 충전 LED 조명등 시스템의 구성도이다. LED 조명등 시스템은 220V/60 Hz전원을 DC로 정류하는 정류기, 송신부에서 수신부로 DC 전력을 전송하기 위한 WPT 푸쉬풀 DC-DC컨버터, 배터리 잔존용량에 따라 출력을 제어하기 위한 배터리 관리 BM 컨버터로 구성되어 있다.

송신 코일을 포함한 WPT 푸쉬풀 컨버터는 충전 모듈부에 있으며, 수신 코일을 포함한 WPT 푸쉬풀 컨버터의 정류기와 BM컨버터는 LED조명등 모듈부에 탑재된다.

Fig. 2는 송·수신 코일이 있는 푸쉬풀 DC-DC 컨버터 ^[12-14]를 나타낸다. 입력 전원$V_{i}$에서 배터리 부하에 정전류$I_{o}$를 공급하기 위하여 인덕터$L_{1}$,$L_{2}$는 스위치 $Sw_{1}$과 $Sw_{2}$와 연결되고, 동작 주파수 $f_{o}$에 따른 공진 동작은 인덕터$L_{p}$와 커패시터$C_{p}$가 담당한다. 전자기유도방식 WPT를 위해서 고주파(HF) 변압기는 자속 집중형 송·수신 코일이 사용되며, 이를 통하여 송신부와 수신부가 분리된다. 전파 정류 브리지는 DC-DC컨버터의 고주파 출력전압으로부터 일정한 DC 전압을 얻게 한다.

식 (1)의 HF변압기^[11]의 1차측 송신부와 2차측 수신부 간의 코일의 상호 결합계수 $k_{ps}$가 1이면 1차 코일과 2차 코일는 완전 결합 상태이고, 1 이하는 무선전력 전송상태이다.

여기서 $L_{p}$와 $L_{s}$는 1차 코일과 2차 코일의 자기 인덕턴스이고 M은 상호 인덕턴스를 나타낸다.

WPT 자기 공진 방법은 송·수신 코일 사이의 거리가 증가하거나, 송·수신 코일의 변화로 인해 HF변압기의 결합계수 $k_{ps}$가 작더라도 높은 효율을 유지할 수 있다. 또한 송·수신 코일 사이의 거리 변동이나 코일 정렬의 변화로 인해 커플링이 감소하더라고, WPT 전송 효율은 급격하게 저하되지 않는다.

본 연구에서는 LED 조명등 개발이 주 목적이므로 컨버터의 동작 특성은 다루지 않기로 한다.

Fig. 3은 LED 조명등 시스템에 적용된 송·수신 코일의 유한요소모델 (FEM)^[11]이다. 휴대폰용 5W급 소형 저전력 무선 충전기는 원형 및 각형의 코일^[7]이 사용되나, 권선 변경이나 에너지 전달 효율성이 떨어지기 때문에 본 연구에서는 자속 집중형 코일로 대체하기로 한다.

인덕턴스$L$과 저항$r$은 식 (2)와 (3)으로 계산된다.

여기서 n은 권선비, $l$은 권선길이, $A$는 단면적, $\sigma$는 도전율을 의미한다.

$V_{o\max}$가 최대 출력전압이고 $D$가 듀티비인 경우, 송신부의 권선 수 $N_{p}$와 수신부의 권선 수 $N_{s}$는 (4)와 (5)로 계산할 수 있다^[1].

여기서 최대 허용자속밀도 $B_{\max}=\dfrac{V_{i}}{k_{f}N_{s}A f_{o}}$이고 $V_{i}$는 입력전압, $k_{f}$는 정현파인 경우 4.44이고 구형파는 4를 의미한다.

이러한 송·수신 코일의 포화 및 권선 수 변경에 따른 특성 분석을 위하여 FEM해석을 하였다. WPT에 적용되는 송·수신 코일은 FEM의 정밀도 향상을 위해서 Fig. 4와 같이 코일의 공극 부분의 Mesh해석을 세밀하게 하였다.

Fig. 5는 자속 분포와 자로 방향을 나타내며, 최대 전압이 유기되어도 자속의 포화가 발생되지 않고 있다.

Fig. 6은 송·수신 코일의 권선 수 변화에 대한 유기 전압 $V_{s}$파형을 나타낸다. 송·수신 코일의 포화 및 권선 수 변경에 대한 특성 분석을 위해 FEM 해석을 실시하였으며, 이때 입력 전원은 정현파 기준 24V이며, 송신 측 30턴에 대하여 수신 측은 각각 30턴, 36턴, 42턴으로 하였다. 기본 권선 수 30:36(1:1.2)의 경우 안정적으로 전압이 유기되고 있으며, 권선 수에 따른 전압 범위를 확인하였다.

Fig. 7은 FEM 해석에 의하여 결정된 권선 수에 따라 푸쉬풀 DC-DC컨버터의 송·수신 코일을 제작한 것이다. 본 연구에서는 기본 권선 수로 36턴을 채택하였다.

3. 실험 결과 및 고찰

Fig. 8은 개발한 50W급 산업용 무선 충전 LED 조명등 시스템이며, Table 1은 개발 시스템의 전기회로 파라미터를 나타낸다. 스위칭 손실 및 수동 소자의 크기를 고려하여 동작 주파수는 $f_{o}$=23kHz로 설정하였다. 앞에서 이미 언급한 바와 같이, 개발한 무선 충전 LED 조명등 시스템은 DC WPT용 자속 집중형 송·수신 모듈, 2차 전지 배터리 팩, LED드라이버와 LED 광원부로 구성되어 있다. LED 조명등은 송·수신 모듈을 이용하여 무선으로 에너지를 전달하고 전달받은 에너지를 배터리 팩에 충전하며, LED 드라이버를 통해 LED 모듈에 정전류를 공급하도록 구성하였다.

Fig. 9는 제작된 송·수신 코일의 공극의 변화에 대한 출력 전력을 나타내고 있다. 22mm이하 공극에서는 최대출력 50W를 유지하다가 25mm부터는 출력이 감소하는데, 본 연구에서 적용한 공극은 Table 1에서 제시한 바와 같이 6mm로 설정하였다.

본 연구에서 LED조명등의 전원으로 사용하는 충전용 배터리 팩은 3.7V 배터리 7개로 구성된다. Fig. 10은 시험용 전자부하장치를 조절하여 $I_{o}$를 0A에서 2.5A로 상승시키거나 2.5A에서 0A로 감소시켜도 배터리 팩의 전압은 24V로 거의 일정함을 나타낸다.

Fig. 11은 DC-DC컨버터의 송·수신 코일의 송신측 공진 전압$V_{p}$와 공진 전류 $I_{p}$를 보여준다. Fig. 12는 출력 전압$V_{o}$가 24V로 잘 조절됨을 보이며, 이 $V_{o}$은 LED조명등에 공급된다. 좋은 LED조명등의 $V_{o}$는 전압 리플이 낮아야 하는데, 본 연구의 리플은 4.55%로서 성능 목표 5%를 만족하고 있다.

Fig. 13은 WPT의 배터리 팩의 총 소모 시간을 나타낸다. $V_{o}$=24V로 충전된 배터리는 대략 1시간부터 부하 전류 $I_{o}$는 약간 증가하다가 2시간이 지나면 감소하기 시작하고 2시간 30분부터는 0.5A이하로 방전된다. Fig. 14와 Fig. 15는 WPT 배터리 팩의 충방전 전류에 따른 $V_{o}$와 $I_{o}$을 나타낸 것이다. 충방전 테스트에 필요한 장비는 데이터 레코더 기능을 갖는 전력분석계(WT3000)와 전자 부하이다.

먼저 Fig. 14는 충전 테스트 결과를 나타낸 것이다. 충전 전류 $I_{o}$를 높일수록 배터리 전압 $V_{o}$는 25V로 완전 충전되는데 걸리는 시간은 약 2배 정도 감소된다. 배터리 전압이 충전되는 도중에는 충전 전류는 일정하며 충전이 완료되면 충전 전류는 감소되어 1시간 50분이 되면 대부분 0.5A에 도달된다.

Fig. 15는 방전 전류의 크기에 따른 25V 전압으로 충전된 배터리의 $V_{o}$와 $I_{o}$을 측정한 것이다. 방전 전류가 클수록 방전 전압 18V에 도달하는 데 걸리는 시간이 더 짧다는 것을 알 수 있다. 방전 전류 조건이 1.18A인 경우, 배터리 전압이 18V에 도달 시까지의 배터리 사용 시간은 2시간 09분이다.

Table 2는 개발된 시스템의 주요 정량 지표를 나타내고 있다. 목표치(Target)와 도달치(Achievement)를 비교해 보면, 개발된 시스템의 성능을 정량적으로 확인할 수 있다.

5W 무선 충전 LED조명등의 광 효율은 126lm/W이고 전력변환효율은 90%이상이며, WPT효율은 공극6mm조건에서 85%이상이다. 또한 전력전송 효율은 85.5%이며, 출력 전압 리플은 4.55%로서 안정된 DC전압을 무선 충전 LED조명에 공급이 가능하다. 일반적으로 산업용 LED조명등은 작업환경이 열악하므로 방수에 강해야 한다. 본 개발 시스템은 방수 등급인 IP X5를 만족하고 있다.

Table 3은 종전의 케이블 방법과 개발된 무선 충전 방법을 비교한 것이다. 종전의 방법은 220V AC전원과 30m범위의 연결 케이블이 필요하지만, 개발된 방식은 AC전원 또는 DC전원 중 하나를 선택하여 작동할 수 있으며 연결 케이블도 불필요하다. 또한 개발된 방식은 종전의 방식에 비하여 초기 가격의 면에서는 불리하지만, 고장이 없고 광 효율이 높아 유지 보수가 불필요하여 장시간 사용이 가능하다. 또한 개발된 방법은 기계적 접촉이 없으므로 감전과 부식의 위험이 적어 안전성의 측면에서 종전의 방법보다 유리하다.

4. 결 론

본 연구에서는 무선 충전이 가능한 50W급 산업용 무선 충전 LED조명등을 개발하였다. LED 배터리팩의 충전은 Push-Pull DC-DC 컨버터를 이용하였고, 무선 충전을 위한 송·수신 코일은 자속 집중형을 선택하였다. MAXWELL에 의하여 자속 분포와 자속 방향을 분석하였고 설계된 권선 수에 의하여 송·수신 코일을 제조하였다.

본 연구의 타당성은 50W급 무선 충전 LED 조명등 실험 세트에 의하여 6가지 정량적 성능 지표를 검증하였다. 검증 결과 LED조명등의 광 효율은 126lm/W이고 전력변환 효율은 90%이상이며, WPT효율은 공극6mm조건에서 85%이상이었다. 산업용 LED조명등의 작업환경이 열악하므로 방수에 강해야 하는 데, 개발된 시스템은 방수 등급인 IP X5를 만족하고 있다. 출력 전압 리플은 4.55%로서 안정된 DC전압을 LED조명등에 공급 가능하였다.

본 연구의 결과로 개발된 50W급 무선 충전 LED조명등은 산업용 LED작업등 뿐 만 아니라 실내 및 실외 조명으로 활용 가능하고 다양한 색감의 LED가 적용되면 경관 조명으로 응용이 기대된다.