백승명
(Seung-Myung Baek)
1
김동은
(Dong-Eun Kim)
1
손진근
(Jin-Geun Shon)
2†iD
-
(Dept. of Electrical Engineering, Gachon University, Korea)
-
(Dept. of Electrical Engineering, Gachon University, Korea)
Copyright © The Korean Institute of Electrical Engineers(KIEE)
Key words
Energy-IT technology, Magnetic resonance, Resonance repeater, Wireless power transfer system
1. 서론
최근 화석연료의 과다사용과 자원고갈과 같은 문제를 해결하는 것이 주목적인 에너지 분야와 정보의 생산과 응용을 기반으로 한 IT 분야를 융합하는 에너지-IT
기술에 대한 관심이 증가하고 있는 추세에 있다. 이러한 에너지-IT 기술의 다양한 분야 중에서 유선으로 전력공급을 하지 않고 무선으로 가전기기 또는
전기자동차와 같은 기기에 전력을 공급하는 무선전력전송기술과 실생활에 많이 사용되고 있는 RFID(Radio Frequency Identification)
기술 등이 에너지-IT 기술의 대표적인 기술이라 할 수 있다
(1-3).
최근의 무선전력전송 기술의 개발은 상당히 진행 중에 있으며 이 기술의 발전으로 수 십 [W] 또는 그 이상의 전력을 높은 효율로 전송할 수 있다면
에너지-IT 기술 성장에 높은 활용가치를 제공할 수 있을 것으로 판단되며 이를 위한 에너지 하베스팅 기술에 접목을 위한 연구도 진행 중에 있다[4].
무선전력전송기술은 현재까지 자기유도방식, 자기공진방식, 전자기파방식 등이 개발되고 있다
(2,3). 자기유도방식은 코일 간 전자기 유도현상을 이용하는 기술이며 근접거리에서 높은 시스템 효율을 나타내는 특징이 있다. 자기유도방식에 의한 무선전력전송은
국제 표준화를 위해 WPC(Wireless Power Consortium)를 구성하고 기술 개발과 표준화를 진행하려 노력하고 있으나 이의 자기유도방식은
전력을 전달할 수 있는 거리가 수 [mm] 정도이기 때문에 전력 전송 거리가 짧다는 단점을 갖고 있다
(4,5).
또한 자기공진방식은 이러한 자기유도방식의 단점을 보완할 수 있는 방식으로 공진이라는 현상을 사용하면서 공진이란 특정 진동수를 가진 물체에 같은 진동수의
힘이 외부에서 가해질 때 진폭이 커지며 에너지가 증가하는 현상을 응용하는 방식이다. 이를 이용한 방식을 자기공진방식이라 하며 이는 상대적으로 전송거리가
길고, 공진기의 정렬에 덜 민감한 특징을 갖기 때문에 자기유도방식의 단점을 보완할 수 있다. 현재 MIT, Qualcomm, 삼성전자, LG전자 등의
여러 기관과 기업에서 상용화를 위해 개발 중에 있지만 전송효율이 자기유도방식에 비해 상대적으로 높지 않기 때문에 이에 대한 연구가 더욱 필요한 상황이다
(2,5).
기타 전자기파방식은 인체에 끼치는 영향이 검증이 되지 않은 높은 주파수 (2.4G[Hz], 5.8G[Hz]) 대역에서 고출력의 마이크로파를 사용하여
전송하는 방식이기 때문에 현재까지 상용화에는 만족할 만한 성과가 미흡한 실정으로 오직 수 mW의 전력 전송이 필요한 RFID만 상용화되고 있다
(6,7).
본 논문에서는 자기공진방식의 무선전력전송 시스템에서 전력전송 효율의 향상과 전송거리 증가를 목적으로 중계기를 설치하여 이에 대한 효과를 분석하고자
하였다. 중계기 사용에 따른 효율을 극대화하기 위하여 중계기 또한 공진방식을 적용하였으며 자기공진방식 무선전력전송 시스템
(8-12)에서 송신부와 수신부 사이에 공진 중계기를 배치하여 이에 따른 효율을 비교 분석하는 실험을 수행하였다.
공진주파수의 형성 및 비형성에 따른 전력전송의 효율과 전송 거리를 비교 실험하였으며, 이를 바탕으로 전력전송 거리와 효율을 증가시키는 공진 중계기의
효과를 확인할 수 있는 실험을 수행하였다. 이의 실험 결과를 통하여 공진 중계기의 적용 여부가 자기공진방식 무선전력전송 시스템의 효율 및 거리 증가에
얼마만큼의 효과를 갖는지에 대한 기초 연구 자료로 활용할 수 있을 것이라 예상된다.
2. 자기공진방식 무선전력전송의 시스템 구성과 공진 중계기의 설계
2.1 자기공진방식 무선전력전송의 전체 시스템의 구성
본 논문에서 공진 중계기를 적용한 자기공진방식의 무선전력전송 시스템에 대한 전체 구성은
그림. 1과 같다. 교류전력을 생산할 수 있는 발진기를 송신부에 사용하였으며 이는 공진코일1(resonant coil 1)로 연결하였다. 수신부에는 공진코일2(resonant
coil 2)에 정류기와 부하를 연결하였고 정류기를 통해 직류전력을 얻을 수 있도록 하였으며 송신부와 수신부 사이에는 전력전송의 효율과 거리를 증가시키기
위해 공진 중계기를 적용하였다.
그림. 1. 공진 중계기를 적용한 자기공진방식 무선전력전송 시스템의 전체 구성도
Fig. 1. Block diagram of the resonant WPT(Wireless Power Transfer) system using resonant
repeater
2.2 구성된 무선전력전송 시스템의 송·수신부 회로
자기공진방식의 무선전력전송을 위한 시스템의 송·수신부는
그림. 2와 같다. 송신부에 직류 전력을 공급하면 송신부의 발진회로는 직류전력을 교류전력으로 변환한다. 발진회로 구성을 위해 사용된 소자는 R
1, R
2=10[kΩ], R
3, R
4=390[Ω], C
1=47[nF], L
1=0.57452[mH], L
2=0.59351[mH]이며, 다이오드는 IN4004, 스위칭 소자는 IRFP450A를 사용하였다.
그림. 2. 구성된 송·수신부 회로도
Fig. 2. Schematic of transmitter and receiver
송신부와 수신부의 공진코일은 두께 0.8[mm]의 에나멜선을 지름(D) 12[cm]로 30턴(N) 감아 구성하였다.
그림. 3은 송신부, 수신부에 사용되는 코일의 구조와 제작된 상태를 보여준다.
그림. 3. 공진코일의 구조와 제작된 형태
Fig. 3. resonant coil structure and fabricated form
아래의 코일 값은 제작한 공진 코일의 값을 나타내며 코일 값과 커패시터의 값을 통해 공진주파수를 도출해내기 때문에 코일의 정확한 값을 측정하는 것이
중요하다.
Resonant coil 1=0.0291[mH], Resonant coil 2=0.02965[mH]
수신부는 공진코일2와 정류기 및 부하로 구성되어있으며 정류기를 구성하기 위해 사용된 다이오드는 PS154이고 커패시터 C
o는 2200[μF]을 사용하였으며 전체 시스템의 부하는 500[Ω]으로 고정하여 설계하였다. 공진코일2와 함께 구성된 커패시터 C
R은 거리에 따라 주파수가 달라지는 송신부의 특성 때문에 이에 맞는 공진주파수를 맞춰야하므로 가변커패시터를 사용하여 거리에 따라 C
R의 값을 변경해줄 수 있도록 하였다.
2.3 송·수신부의 설계를 위한 공진주파수의 특성
인덕터는 전류가 흐르게 되면 주변에 자기장이 형성되며 신호의 흐름을 자기장으로 저장하는 성질이 있고 커패시터는 끊어진 금속 사이의 유전체가 분극을
하면서 전기장으로 신호의 흐름을 저장하는 성질을 갖는다. 이러한 소자로 구성된 회로에 인덕터와 커패시터는 인가되는 주파수에 따라 정반대의 특성을 갖는다
(7). 주파수가 인가되면 인덕터는 흐름을 방해하는 특성을 갖고 커패시터는 흐름이 멈추는 것을 저지하는 특성을 가지며, 에너지 저장성 때문에 손실이 발생하게
된다. 그러나 인덕터와 커패시터의 특성이 비슷하게 되는 특정 주파수를 인가하게 되면 상호 에너지 저장 특성이 평형을 이루게 되고 이 현상이 발생되는
특정(공진) 주파수에서는 에너지가 인덕터와 커패시터 소자를 지날 때 손실 없이 지나게 된다
(8,9).
공진주파수를 수식적으로 나타내면 임피던스의 허수부가 0이 되는 주파수에서 에너지 손실이 없다고 표현할 수 있으며
식(1)에서 Z는 임피던스를 의미하고 j는 허수부를 나타낸다. 공진주파수는 허수부의 리액턴스 X가 0이 될 때의 주파수를 의미한다.
식(1)을 사용하여
식(2)와 같은 공진주파수 식을 유도할 수 있다. 아래의 식을 사용하여 시스템의 각 공진기는 동일한 공진주파수를 갖고 전력 전송을 위한 동작주파수를 형성한다.
2.4 공진 중계기의 구성 및 설계
그림. 2와 같이 회로에 무선전력전송의 효율을 증가시키기 위하여 송신부와 수신부 사이에 공진 중계기를 적용하였다. 송신부와 수신부 사이에 위치하는 공진 중계기는
송신부의 자기장을 수신하여 이를 수신부에 전달하며 중계기가 없는 경우에 비해 전력 전송 효율과 전송 거리를 향상시키기에 용이하다.
그림. 4는 공진 중계기를 배치한 등가회로를 나타낸다. C
1, C
2, C
3과 L
s, L
REP, L
R은 공진 주파수를 맞추기 위한 소자이며 R
IR.1, R
IR.2, R
IR.3은 코일에 존재하는 내부 저항을 의미한다. 공진 중계기의 L
REP는 공진 코일1·2와 지름 및 턴 수가 같으며 이를 구성하기 위한 코일의 두께는 0.5[mm]이고 공진 중계기의 코일 값은 다음과 같다.
Repeater Coil=0.46312[mH]
그림. 4. 공진 중계기가 적용된 무선전력전송 시스템의 등가회로
Fig. 4. Equivalent circuit of a WPT system with resonant repeater
그림. 4와 같이 송신기와 수신기 사이에 배치되어 있는 공진 중계기의 효율을 극대화하기 위해서는
식(3)의 성립이 필요하다
(10).
식(3)의 w
res는 각 위상을 나타내며 중계기와 수신부의 L,C를 사용하여 적절한 공진 주파수를 맞춘다
(11,12). 따라서 공진 중계기는 송·수신부와 같은 공진 주파수를 맞추었기 때문에 전력전송의 효율과 거리를 최대화 할 수 있다.
3. 자기공진방식 무선전력전송 시스템의 실험과 공진 중계기 적용의 실험
3.1 공진주파수를 형성하지 않았을 때의 실험 및 분석
공진 중계기 사용에 따른 무선전력전송 시스템의 전력전송 효율과 거리 증가에 대한 내용을 분석하기 전에 공진주파수가 형성되었을 때와 형성되지 않았을
때의 실험 결과를 비교하여 공진주파수 사용에 대한 효과를 실험 수행하였다.
공진주파수가 형성되지 않았을 때의 실험과 공진주파수가 형성되었을 때의 실험 모두
그림. 5와 같이 진행되며 실험은 공진코일간의 거리가 1[cm]∼10[cm]만큼 떨어져 있을 때로 진행하였고 거리는 각 1[cm] 씩 간격을 두었다. 실험의
신뢰성을 위해 수신부의 주파수가 공진주파수가 아닌 94.83[kHz]일 때와 238[kHz]일 때인 두 가지 경우를 갖고 실험을 진행하였으며 결과는
그림. 6의 그래프와 같다.
그림. 5. 자기공진방식의 무선전력전송 실험
Fig. 5. Magnetic resonant WPT experiment
그림. 6. 공진주파수가 형성되지 않았을 때의 결과
Fig. 6. Result when resonant frequency is not formed
3.2 공진주파수가 형성되었을 때의 실험 및 분석
수신부와의 거리에 따라 변하는 상호 인덕턴스로 인해 송신부의 공진주파수는 변하고 이에 따라 달라지는 공진주파수를 조절하기 위해 수신부의 가변커패시터인
C
R을 조절한다.
그림. 7과
표 1은 송·수신부의 공진주파수가 형성되었을 때의 무선전력전송 실험결과이다. 이때 공진 중계기는 사용하지 않았으며 실험에 대한 결과 파형의 예로 송신부와
수신부 사이의 거리가 3[cm]일 때의 파형을
그림. 7에 나타내었다.
그림. 7의 첫 번째 파형은 송신 전압과 전류를 나타내고 두 번째 파형은 수신 전압과 전류, 정류기를 거친 직류 전압 파형을 보여준다. 공진주파수가 형성되었을
때의 실험 결과는
표 1과 같으며 이는 거리에 따른 송·수신부의 주파수와 측정되는 전력을 나타낸다.
그림. 7. 송·수신부 사이의 거리가 3[cm]일 때의 파형 (a) 송신부 전압, 전류 (b) 수신부 전압, 전류
Fig. 7. Waveform when the distance between transmitter and receiver is 3[cm] (a) Transmitter
voltage, current, (b) Receiver voltage, current
표 1. 자기공진방식 무선전력전송 시스템의 송·수신부의 주파수 및 전력 측정 값
Table 1. Value of transmitter and receiver of magnetic resonant WTP
|
Distance[cm]
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
8
|
9
|
10
|
|
Transmitter frequency[kHz]
|
85.567
|
92.42
|
91.8
|
102.19
|
104.057
|
115.409
|
114.7
|
120.11
|
119.5
|
121.1
|
|
Transmit power[W]
|
6.427
|
6.62
|
7.324
|
7.529
|
7.405
|
7.122
|
7.235
|
7.214
|
7.178
|
7.167
|
|
Receiver frequency[kHz]
|
92.428
|
97.428
|
92.428
|
110.47
|
110.47
|
119.325
|
119.325
|
119.325
|
120.332
|
121.365
|
|
Received power[W]
|
1.281
|
1.18
|
0.9
|
0.593
|
0.542
|
0.312
|
0.341
|
0.245
|
0.213
|
0.164
|
|
Power after rectification[W]
|
1.11
|
1.092
|
0.854
|
0.538
|
0.53
|
0.288
|
0.331
|
0.228
|
0.202
|
0.151
|
실험 결과는 공진주파수를 맞췄을 때의 효율과 공진주파수를 맞추지 않았을 때의 효율을
그림. 8과 같은 그래프를 통해 비교하여 나타내었다.
그림. 8. 공진주파수 형성에 따른 효율 비교 그래프
Fig. 8. Graph of efficiency according to resonant frequency formation
그림. 8의 그래프 결과에 따라 공진주파수가 형성되었을 시 전력전송 효율은 공진주파수가 형성되지 않은 경우보다 평균 12[%] 이상 높다는 것을 확인할 수
있었으며 이는 공진주파수 형성이 그렇지 아니한 경우보다 더 높은 효율을 얻을 수 있다는 것을 의미한다.
3.3 공진 중계기 적용 시 무선전력전송 실험
자기공진방식 무선전력전송의 전력전송 효율과 거리를 증가시키기 위하여 공진 중계기를 적용하여 실험을 진행하였다.
그림. 9와 같이 공진 중계기를 배치하여 실험을 진행하였으며 이 중 하나의 예로 송·수신부 사이의 간격이 10[cm]일 때 공진 중계기의 사용 유무에 따라
나타나는 파형을
그림. 10과 같이 나타냈다. (a)는 공진 중계기를 적용하지 않았을 때이며 (b)는 공진 중계기를 적용했을 때의 파형이다. (a)의 결과로 수신부가 얻는 전력은
0.158[W]이지만 공진 중계기를 적용한 (b)의 결과는 0.411[W]이다.
그림. 10. 송·수신부 사이의 거리가 10[cm]일 때의 전압, 전류 파형 (a) 공진 중계기 미적용, (b) 공진 중계기 적용
Fig. 10. Voltage and current waveform when the distance between transmitter and receiver
is 10[cm](a) Does not apply the resonant repeater, (b) Apply the resonant repeater
공진 중계기를 적용하기 위해서는 송·수신부 사이에 충분한 간격이 필요하기 때문에 송·수신부 간의 간격이 5[cm]이상일 때부터 적용하여 실험을 진행하였다.
5[cm]~10[cm]까지의 효율은 그래프를 통해 나타내었고 11[cm]~20[cm]까지의 효율은
표 2에 나타내었다. 그래프의 결과를 통해 공진 중계기를 적용하였을 경우 전력전송의 효율이 평균 5.8[%] 이상 더 높다는 결과를 도출할 수 있다.
표 2. 자기공진방식 무선전력전송 시스템의 송·수신부의 전력 측정 값
Table 2. Value of transmitter and receiver of magnetic resonant WTP
|
Distance[cm]
|
11
|
12
|
13
|
14
|
15
|
16
|
17
|
18
|
19
|
20
|
|
Transmit power[W]
|
7.163
|
7.169
|
7.161
|
7.174
|
7.171
|
7.176
|
7.179
|
7.192
|
7.195
|
7.162
|
|
Received power[W]
|
0.52
|
0.395
|
0.386
|
0.325
|
0.18
|
0.188
|
0.117
|
0.146
|
0.059
|
0.053
|
|
Efficiency[%]
|
7.26
|
5.51
|
5.39
|
4.53
|
2.51
|
2.62
|
1.63
|
2.03
|
0.82
|
0.74
|
공진 중계기를 적용함에 따라 전력전송의 효율이 증가할 뿐만 아니라 전송할 수 있는 거리 또한 증가하는 것을 표 2를 통해 확인할 수 있다. 공진 중계기
적용 시 간격 11[cm]의 효율은 7.26[%]이고 이는 중계기를 사용하지 않았을 때의 5[cm] 효율보다 높은 것을 확인할 수 있으며 공진 중계기
적용에 따른 최대 효율 상승은 약 36.23[%]임을 알 수 있다. 또한 공진 중계기 사용으로 인해 전력전송 거리는 약 10[cm] 확장했음을 알
수 있다.
그림. 11. 공진 중계기 적용에 따른 효율 비교 그래프
Fig. 11. Graph of efficiency according to resonant repeater
4. 결 론
본 논문은 자기공진방식의 무선전력전송 시스템에서 공진 중계기 적용 여부에 따른 전력전송 효율을 비교 분석 하였다. 공진 중계기 사용에 앞서 공진주파수가
형성되었을 시 전력전송의 효율과 전송 거리를 공진주파수가 형성되지 않았을 때와의 비교를 통해서 이에 대한 효과를 검증한 후 송·수신부 사이에 공진
중계기를 적용하여 이에 대한 실험을 진행하였다. 실험결과로 무선전력전송의 최대 효율 상승은 약 36.23[%]이며 전력전송 거리는 20[cm] 이상
까지 확장된 결과를 얻었다.
이번 실험에서는 공진 중계기를 하나만 사용하여 실험을 진행하였지만 한 개 이상의 중계기를 사용한다면 전력전송 효율과 거리 모두 증가할 것으로 예상되며
이에 따른 경제성도 동시에 양호한 평가가 될 수 있으리라 예상 판단된다. 이번 실험을 통하여 공진 중계기 배치에 따라 전력전송 효율과 거리 이격 효과
모두 증가시킬 수 있다는 결과를 얻을 수 있었으며 이를 공진 중계기 사용의 기초 연구 자료로 활용될 수 있으리라 예상된다.
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저자소개
숭실대학교 대학원 전기공학과 졸업
현재. 비엠씨이 주식회사 대표이사/NCS기업현장 교수/한국 폴리텍 대학 전기과 초빙교수
가천대학교 대학원 전기공학과 박사과정
E-mail :
bieksm@hanmail.net
2017년~현재 가천대학원 전기공학과 석사과정
E-mail :
dong6038@gc.gachon.ac.kr
1990년 숭실대학교 전기공학과 졸업
1992/1997년 동 대학원 전기공학과 졸업(석사/박사)
2002.01~2003.02 일본 가고시마대학 전기전자공학과(한국과학재단) Post-doc.
2009. 01~2010. 02 미시건 주립대학교 전력전자연구실 Visiting Scholar
1997~현재, 가천대학교 전기공학과 교수
E-mail :
shon@gachon.ac.kr