1. 서 론

근래에 들어 공장 자동화에 따른 무인화가 가능하고 24시간 연속 가동됨에 따라 공장 내부를 자유롭게 이동하며 충전하는 자동운반차량 (AGV : Automated Guided Vehicle)^{[1, 2]}의 이용이 확대되고 있다. AGV는 주로 공장 바닥에 매설된 마그네틱 라인을 따라 이동하며 주어진 장소에서 무선전력전송에 의해 무선충전을 하게 된다. 종래의 전동식 AGV는 주로 케이블을 이용하여 금속 접촉 충전^{[3, 4]}을 하므로 감전 및 스파크 위험이 있다. 또한 케이블 접점부의 마모로 인해 교환이 빈번하며 충전 효율은 접점부에 따라 결정된다.

이러한 문제점은 배터리의 수명 연장 및 저비용 인력 절감이 가능한 배터리 전원 충전장치^[5]에 무선으로 전력을 전달하여 충전하는 기법(WPT: Wireless Power Transfer)^[6-8]으로 해결 가능하다. 이 방식은 휴대폰, 소형전동기기 등 소형 가전기기에서 저전력용에 사용되고 있다.

본 연구에서는 저전력 WPT기술을 적용한 2kW급 WPT기반의 AGV시스템을 개발하고자 한다. 본 연구에 개발한 AGV시스템은 지상 충전기의 송신부와 AGV의 배터리를 충전하기 위한 수신부^[9]로 구성되며, 여기에 사용되는 WPT를 위한 고주파 변압기(HF : High Frequency Transformer)^[10]를 설계하고 공진형 DC-DC 컨버터^[11]에 적용하여 그 충전 특성을 분석하였다. 제안한 AGV는 마그네틱 테스트 벤치를 주행하기 위한 BLDC 모터와 장애물 및 마그네틱 감지 센서 그리고 공진형 DC-DC 컨버터와 DSP제어부로 구성하였다. 끝으로 테스트 벤치를 구성하여 제안한 AGV를 주행하고 10mm간격의 송 수신 유효거리에서의 AGV 충전부의 입출력 파형과 충전 효율을 분석하였다.

2. 제안한 AGV 시스템

Fig. 1(a)는 WPT기반의 제안한 AGV시스템을 나타낸다. AGV시스템은 충전을 위해 지상에 설치된 송신 패드와 AGV의 배터리를 충전하기 위한 수신 패드^{[9, 12]}로 구성되어 있다.

우선, 송신 패드에 있는 DSP1은 송신 패드에 설치된 공진형 DC-DC컨버터를 제어하며, 수신 패드에 있는 DSP2는 AGV의 배터리 충전과 BLDC모터 구동 및 장애물 센서와 마그네틱 감지 기능을 한다. Fig. 1(b)는 AGV의 이동 경로를 모사한 테스트 벤치의 구성도이다. AGV는 바닥에 설치된 마그네틱을 감지하여 경로를 자동으로 주행하며, 급작스런 장애물은 초음파 센서 활용하여 DSP2에 설정된 일정거리 범위로 회피 기동하도록 AGV의 BLDC모터를 구동한다.

Fig. 2는 기계적 접촉 충전 방식의 AGV를 나타낸다. 접촉식의 AGV는 충전기가 설치된 특정 장소로 이동하여 기계적인 접촉으로 충전한다. 접촉식은 충전하는 동안에는 물건을 내리거나 적재할 수가 없으며, 기계식이므로 감전 및 스파크 발생 우려가 있으며 접촉자 마모에 따른 유지 보수가 필요하다.

Fig. 3은 WPT충전 방식 AGV를 나타낸다. 이 방식은 별도의 충전 장소가 없이 이동 경로에서 물건을 내리거나 적재하는 정지 시간 동안에 무선 충전한다. 금속 접촉이 아닌 WPT에 의한 전자기 유도 충전이므로 감전 및 스파크의 위험이 없으며, 비 접촉 방식이므로 접점부의 마모 및 교환이 없다. 접촉 충전의 충전 효율은 접점부의 정도에 의존하지만, 무선 충전 방법은 충전 효율이 상대적으로 우수하다. 무선 충전은 충전시 기계적인 결합이 거의 없으므로 유지 보수 면에서 유리하고 사고로 인한 배터리 방전이 적다. 납 축전지, 리튬 이온 배터리 등 배터리의 종류에 관계 없이 사용이 가능하다. 10A∼100A범위의 충전에 대응할 정도로 충전 전력이 크며, 24시간 연속 가동도 가능하다. 접촉식 AGV의 일부분을 교체하면 WPT기반의 충전 방식으로 간단히 개조가 가능하다.

Fig. 1. Proposed AGV system based on WPT

Fig. 2. Mechanical contact type AGV

Fig. 3. AGV based on WPT

3. 제안한 무선전력전송(WPT)

3.1 WPT 자기공진시스템

Fig. 4는 본 연구의 AGV를 위한 WPT 자기공진충전시스템을 나타낸다. 지상에 설치된 $v_{i}$=220V/60Hz AC전원은 PWM컨버터에 의하여 $V_{i}$=200V로 제어 정류되어 공진형 DC-DC 컨버터의 1차측 코일(송신 패드)에 전송되고, 이는 AGV의 측면에 설치된 2차측 코일(수신 패드)과 자기 공진된다. 여기서 송신 코일과 수신 코일은 HF 변압기에 의하여 자기 결합되어 있다. 자기 공진된 고주파 전력은 센터탭 정류기에 의하여 정류되며, 충전 제어기는 AGV의 배터리를 24V로 일정 충전한다. 지상의 WPT 충전회로에서 AGV로 전력을 보내기 위한 송신 패드와 AGV의 수신 패드는 무선으로 자기 결합된다.

Fig. 5는 동작 주파수 $f_{o}$=80kHz인 풀-브리지 공진형 DC-DC 컨버터를 이용한 WPT 충전회로를 나타낸다. 상용전원 $v_{i}$=220V/60Hz로부터 제어정류된 $V_{i}$=200V인 공진형 DC-DC 컨버터와 AGV의 충전기를 연결하는 공극을 중심으로 1차측(송신측)에서 발생된 고주파 스위칭 전력은 2차측(수신측)으로 자기적으로 공진 결합되고 센터탭 정류회로와 충전회로에 의하여 AGV배터리를 $V_{o}$=24V로 충전한다.

본 연구에서는 비 접촉 HF 변압기 1, 2차측 누설 인덕턴스$L_{lk}$와 공진 커패시터$C_{r}$와의 공진으로 등가저항이 변동되어도 이득 특성에 영향을 주지 않기 때문에 동작 주파수$f_{0}$를 공진 주파수 $f_{r}$로 설정한다. 또한 본 연구는 AGV시스템 개발이 주 목적이므로 공진형 DC-DC 컨버터 회로 동작 모드나 수치적 해석은 주안점이 아니므로 다루지 않기로 한다.

WPT 자기공진 방법은 송 수신 공진 코일 사이의 거리가 증가하거나, 송 수신 공진 코일의 변화로 인해 HF 변압기의 결합 계수 $k_{ps}$가 작더라도 높은 효율을 유지할 수 있다. 또한 송 수신 코일 사이의 거리 변동이나 코일의 배열의 변화로 인해 커플링이 감소하더라고, WPT 자기 공진 방법의 전송 효율은 급격하게 저하되지 않는다.

Fig. 4. Battery charging system of WPT-based AGV

Fig. 5. Schemetic diagram of WPT charging system

3.2 고주파변압기(HF Transformwer)

Fig. 6은 풀-브리지 공진형 DC-DC 컨버터에서 사용되는 WPT용 HF변압기의 코어 형상을 나타내며, Table 1은 설계에 사용된 회로 정수이다. Fig. 6과 같이, HF 변압기 1차 2차의 공극에 의하여 자기적으로 결합되며, 권수 n과 코일의 단면적 A를 이용하여 회로 정수 산출이 가능하다. HF 변압기의 적층 길이는 송신부와 수신부의 평균치인 70mm이며, 권선을 감는 방향은 동일하다.

공진 회로의 인덕턴스$L_{r}$과 저항$R$은 다음으로 계산된다. 여기서 n은 권선비, $l$은 권선길이, $A$ 는 단면적, $\sigma$는 도전율을 의미한다.

(1)

$L_{r=}\dfrac{n^{2}}{R}$

(2)

$R=\dfrac{l(m)}{\sigma A(r)}$

Fig. 7은 Table 1의 HF 변압기 회로 상수와 Table 2의 $V_{i}$=200V, $f_{o}$=80kHz, $V_{o}$=24V의 조건으로 WPT 공진형 DC-DC 컨버터의 유한요소 해석(FEM)^[10] 등가 회로 모델을 나타낸 것이다.

식 (3)의 HF 변압기의 1차측과 2차측 간의 코일의 상호 결합계수 $k_{ps}$를 고려한 동작 주파수 $f_{r}$는 식 (4)와 같다. $k_{ps}$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 인덕턴스를 나타낸다.

(3)

$k_{ps}=\dfrac{M}{\sqrt{L_{p}L_{s}}}$

(4)

$f_{r}=\dfrac{1}{2\pi\sqrt{(1-k_{ps})L_{r}C_{r}}}$

또한, $k_{ps}$가 변동하더라도 출력 전압의 크기를 유지하기 위한 $f_{r}$의 범위는 식 (5)와 식 (6)과 같다. 이미 언급한 바와 같이 본 연구에서는 비 접촉 HF 변압기 누설 인덕턴스$L_{lk}$와 공진 커패시터$C_{r}$와의 공진으로 등가저항이 변동되어도 이득 특성에 영향을 주지 않기 때문에 동작 주파수$f_{0}$를 공진 주파수 $f_{r}$로 설정한다.

(5)

$f_{r\min}=\dfrac{1}{2\pi\sqrt{(1-k_{ps\min})L_{r}C_{r}}}$

(6)

$f_{r\max}=\dfrac{1}{2\pi\sqrt{(1-k_{ps\max})L_{r}C_{r}}}$

Fig. 8은 전자기 해석 프로그램인 맥스웰 이용하여 1차측 권선과 2차측 공진 권선과 정류측 HF 변압기 권선 비 n = 23 : 12 : 2 (강압형)과 1차와 2차 공극 간격 10mm 조건으로 설계된 송수신 패드용 HF 변압기의 형상과 자속 라인 및 자속 분포를 나타낸다. 절연지 추가로 인한 공극 생성 영향은 없어서 무시하였다. 설계된 HF 변압기는 공진형 DC-DC 컨버터에 필요한 공진 요소인 누설 인덕턴스를 증가시키고 1차측 및 2차측 권선의 열적 스트레스를 줄이는 요소를 고려하였다.

Fig. 9는 설계된 HF 변압기의 1차에 80kHz 고주파 정현파 신호를 인가한 경우, 2차측의 출력신호를 나타낸다. 2차측에는 80kHz의 고주파 정현파가 출력되는데 고주파 동작으로 인해 이득이 50% 감쇄되어 있다.

Fig. 10은 3D로 설계된 AGV에 적용할 WPT시스템의 HF 변압기를 나타낸다. 송신부 코어에는 공진형 DC-DC 컨버터의 1차측 코일을 감고 수신 코어에는 공진 코일과 2차측 코일을 감는다. 송신과 수신 패드의 유효 거리는 10mm 정도이며, 각 패드에는 기본적으로 4mm의 플라스틱의 두께의 공극이 포함되어져 있다.

Fig. 11은 제어해석 프로그램인 MATLAB을 이용해 설계된 WPT시스템의 전압이득, 주파수 응답, 위상 특성을 시뮬레이션한 결과이다. 부하 80Ω의 경우, 이득이 가장 크며 이때의 동작 주파수$f_{o}$는 80kHz이다.

Fig. 6. Core shape of a HF transformer

Fig. 7. FEM(Finite Element Method) equivalent circuit model

Fig. 8. Shape and magnetic flux distribution of the designed

Fig. 9. Maxwell simulation of a HF transformer under no-load condition($f_{0}$=80kHz)

Fig. 10. 3D core shape of transformer

Fig. 11. Voltage gain, frequency response, and phase characteristics between primary and second pads of the HF transformer for load changes

Table 1. Specification of a high frequency transformer

Items	Primary	Secondary
	Transmitter	Receiver
		Resonance	Rectifier
Turn ratio, n Cross section, A	23turn /2.7mm	12turn /5.7mm	2turn /4.5mm
Self inductance,$L$	$L_{p}$=32uH	$L_{r}$=32uH	2.38uH
Leakage inductance, $L_{lk}$	$L_{plk}$=20.3uH	$L_{rlk}$=1.56uH
Magnetizing inductance, $L_{m}$	$L_{pm}$=11.6uH	$L_{r m}$=31uH
Winding resistance, R	79.5mΩ	4.9mΩ	3.4mΩ
Air-gap	10mm(∼50mm)
Coupling Coefficient $K_{ps}$	0.586
Capacitance, $C_{r}$	-	97.73nF	-
VA rating	200V, 2kW	24V, 2kW	24V, 2kW

Table 2. Specification of WPT system

Items	Value
DC Input voltage $V_{i}$	DC 200V
DC output volltage $V_{o}$	DC 24V
VA rating	2.5kW
Operating frequency ($f_{o\min}<f_{o}< f_{o\max}$)	80kHz ∼ 90kHz

4. 실험 결과

Fig. 12는 본 연구에서 개발된 AGV시스템을 나타낸다. Fig. 12(a)는 제작된 AGV 프로토 타입을 보여주고 있다.

이미 언급한 바와 같이 지상에 설치된 AC상용전원220V/60Hz으로부터 제어 정류된 200V DC전압은 공진형 DC-DC 컨버터의 자기 공진과 정류회로에 의하여 AGV의 24V 배터리를 충전한다. 지상에 설치된 HF 변압기의 송신 패드에 AGV의 수신 패드가 10mm∼50mm 범위로 근접하면 수신 패드의 2차측 코일에 무선으로 자기 공진되어 AGV의 배터리를 충전한다.

Fig. 12(b)는 제어기로서 AGV와 공진형 DC-DC 컨버터의 충전 제어는 통신 및 신호 입출력이 가능한 TI사의 TMS320F28335 DSP를 사용하였으며, 본 시스템은 PWM 전용 칩을 적용하지 않고 메인 마이크로프로세서에서 전체 AGV와 컨버터 시스템의 제어를 위해 단일 칩을 사용하여 AGV충전 및 구동시스템을 간소하였다.

Fig. 13은 개발된 AGV시스템을 위한 HF 변압기의 완성품을 나타낸다. 자계 결합도 향상을 위하여 송 수신 HF 변압기에는 페라이트 코어를 적용하였고, 설계된 HF 변압기의 사양은 Table 1에서 제시하였고, 전기적인 사양은 Table 3에 제시하였다.

Fig. 14는 WPT의 1차 패드와 2차 패드 사이의 유효거리 (10mm)를 테스트하는 과정을 나타내며, 이 데이터를 기준으로 테스트 벤치의 송 수신패드 사이의 기준을 설정할 수 있다.

Fig. 15는 공진형 DC-DC 컨버터의 WPT 측정시스템을 나타낸다. 우선 WPT 시스템용 송 수신 HF 변압기의 기본적인 입 출력 신호 특성을 확인하기 위하여, Fig. 14와 같이 유효 거리를 측정하고 고주파 정현파를 HF 변압기로 인가하였다.

Fig. 16은 29.5kHz와 83kHz의 정현파를 HF 변압기에 인가하였을 때의 결과이다. HF 변압기는 80∼90kHz대역으로 설계되었으며, 29.5kHz에서 출력 신호는 매우 감쇄되고 왜형되지만, 83kHz에서는 입력$V_{p}$의 50% 정현파 $V_{s}$가 출력된다. 이는 Fig. 9의 맥스웰 시뮬레이션과 비슷한 결과를 보인다.

Fig. 17은 $f_{0}$=83kHz에서 동작하는 공진형 DC-DC 컨버터의 (a) 스위칭 디바이스의 신호 (b) 입력 전압 $V_{i}$, 1차측 전압$V_{p}$, 그리고 공진 전압$V_{r}$과 전류 파형$I_{r}$과 (c) $V_{i}$=200V에 대한 출력 전압$V_{o}$=24V을 나타내고 있다. 입력 전압은 공진형 DC-DC 컨버터를 거쳐서 배터리 충전을 위한 출력 전압 24V를 일정하게 출력하고 있다.

Table 4는 테스트 벤치에서의 AGV WPT 충전 효율을 나타낸다. 개발된 AGV는 1, 2차 패드간 10mm∼50mm범위로 WPT을 할 수 있으며, 근접 유효거리인 10mm에서 87.78%의 비교적 높은 충전 효율을 보였다.

Fig. 12. Developed AGV prototype

Fig. 13. Prototype pad of transmitter and receiver

Fig. 14. Measure the effective distance(10mm) between the primary and secondary pads of the HF transformer

Fig. 15. WPT experiment of the resonant converter

Fig. 16. The primary and secondary waveforms of the HF transformer

Fig. 17. DC input and output waveforms of the resonant converter

5. 결 론

본 논문에서는 종전의 기계 접촉식 AGV의 단점을 해결하고자 WPT기반의 자동운반차량(AGV)을 개발하고 공진형 DC-DC 컨버터의 입 출력 파형과 테스트 벤치 충전 효율을 고찰하였다. 제안한 AGV는 지상의 송신 패드와 AGV의 수신 패드, 배터리 그리고 장애물 및 마그네틱 감지 센서와 BLDC모터 조향장치로 구성하여 제작하였고, BLDC모터 조향장치는 일반 전기차와 유사한 모터 제어 기법을 적용하였다.

본 연구에서는 특히 제안한 AGV의 배터리 충전을 위한 공진형 DC-DC 컨버터의 HF 변압기를 설계하고 AGV의 배터리 충전용 공진형 DC-DC 컨버터에 적용하였다. 이를 통하여 AGV의 컨버터 시스템의 출력 전압을 24V로 적절하게 유지하였으며, 테스트 벤치에서 AGV의 충전 효율을 87%이상으로 높였다. 송·수신부인 1, 2차 코일의 사이즈 감소를 위하여 스위칭 주파수를 83kHz로 설정하였다. DSP제어에 의한 비접촉식 충전으로 AGV에 24V DC전압을 안정하게 공급하여 AGV의 신뢰성을 높일 수 있었다.