보조송신코일을 이용한 자기공진형 무선전력전송의 효율 향상 연구 = A Study on the Efficiency Enhancement of Magnetic Resonant Wireless Power Transfer System using Auxiliary Transmitter Coil
저자
발행사항
서울 : 건국대학교 대학원, 2017
학위논문사항
학위논문(석사)-- 건국대학교 대학원 : 스마트ICT융합(학과간)학과 스마트ICT융합전공 2017. 2
발행연도
2017
작성언어
한국어
주제어
발행국(도시)
서울
형태사항
42 ; 26 cm
일반주기명
지도교수: 구현철
소장기관
Recently, the wireless power transmission technology based on magnetic induction and magnetic resonance has been applied to various fields starting from the wireless charging of the smartphone. The magnetic resonance method has a merit that the power transmission distance is longer than that of the magnetic induction method. However, when the distance between the transmitter and the receiver reaches a certain distance or more, the power transmission efficiency is greatly reduced.
This article studies about the magnetic resonance method which includes the auxiliary transmitter to solve this decreasing efficiency of the power transmission. The variation of the power efficiency delivered according to the vertical distance between the transmitter and receiver was measured by varying the signal amplitude of the sine wave applied to the main transmitter and auxiliary transmitter. Experimental efficiency and maximum efficiency conditions were similar to simulation results based on equivalent circuit analysis.
In addition to the above experiments, we compared the efficiency performance of a wireless power transmission system based on a magnetic resonance method with one transmitter by vertical distance. The one-to-one system showed high efficiency when the transmitter and receiver were very close, but the power efficiency was drastically decreased in the under-coupling section. On the other hand, in the system including the auxiliary transmitter, since the receiver regards the main transmitter and the auxiliary transmitter as one coil, the variation of the power efficiency is linearly changed so that the power efficiency is improved. When the distance is close, the magnetic fields generated by the main transmitter and the auxiliary transmitter are coupled to each other to transmit power to the receiver.
The coupling coefficient between the main transmitter and the receiver decreases and the transmitted power decreases. However, since the auxiliary transmitter is in the receiver region, the coupling coefficient between the two coils is constant irrespective of the vertical distance. Therefore, the power transmitted from the auxiliary transmitter to the receiver is not reduced but transmitted constantly. Therefore, the wireless power transmission system including the auxiliary transmitter with the optimum efficiency technique has shown that the distance constraint can be solved because the auxiliary transmitter can supply power even when the vertical distance between the transmitter and the receiver is long.
최근 자기유도방식 및 자기공진방식 기반 무선전력전송 기술이 스마트폰 무선 충전을 시작으로 여러 분야에 본격적으로 적용되기 시작하면서 관련 제품의 가격 하락 및 보급이 확대되고 있다. 자기공명방식은 자기유도방식에 비해 전력 전송 거리가 길다는 장점을 가지고 있어서, 전기자동차 뿐만 아니라 가전기기 및 다양한 웨어러블 기기에서도 활발한 연구가 진행되고 있다. 그러나 송신부와 수신부 간의 거리가 일정거리 이상이 되었을 때, 전력 전송효율은 크게 감소하는 문제가 있다.
본 논문에서는 이러한 문제점을 보완하기 위하여 보조송신 코일을 포함한 자기공명방식 기반 무선전력전송 시스템의 효율을 향상시키기 위한 기법에 대하여 연구하였다. 전력전송 효율을 측정하기 위하여 보조송신 코일을 포함한 85kHz 대역 자기공명 방식의 무선전력전송 시스템을 제작하였다. 주송신 코일과 보조송신 코일에 인가되는 정현파의 신호 크기 및 보조송신 코일에 위치를 다르게 하여 송신부와 수신부의 수직 거리의 변화에 따라 전달되는 전력효율 변화를 측정하였다. 실험을 통한 전력전송 효율 값은 등가회로 기반으로 모의실험을 통해 도출되었던 결과와 유사하였다.
위의 실험과 함께 한 개의 송신 코일을 갖는 자기공명방식 기반 무선전력전송 시스템과 수직 거리별 효율 성능을 비교하였다. 송신 코일과 수신 코일이 매우 근접하였을 때는 일대일 시스템이 높은 효율을 보였지만 임계결합구간 이후부터는 효율이 급격하게 감소하였다. 반면에 보조송신 코일을 포함하는 시스템에서는 수신부가 주송신 코일과 보조송신 코일을 하나의 코일로 보기 때문에 전력 효율의 변화량이 선형적으로 변하도록 유지하였고, 임계영역 구간이 확장되어서 전력전송 효율이 일대일 시스템에 비해 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 보조송신 코일을 포함하는 무선전력전송 시스템 중에서도 수신 코일 영역에 보조송신 코일을 위치하였을 때 가장 높은 효율을 보였다. 송신부와 수신부의 거리가 가까우면 주송신 코일과 보조송신 코일에서 발생되는 자기장이 서로 결합하여 수신 코일로 전력을 전달하게 된다. 거리가 멀어졌을 때 주송신 코일과 수신 코일간의 결합계수가 감소하게 되어 전달되는 전력이 감소하지만, 보조송신 코일은 수신 코일 영역 안에 있어서 두 코일간의 결합계수는 수직 거리에 상관없이 일정하기 때문에 보조송신 코일에서 수신 코일로 전달되는 전력은 감소하지 않고 일정하게 전달하게 된다. 따라서 최적 효율 기법이 적용된 보조송신 코일을 포함하는 무선전력전송 시스템은 송신 코일과 수신 코일 간의 수직 거리가 멀어지더라도 보조송신 코일에서 전력을 공급할 수 있기 때문에 거리의 제약성을 해결할 수 있음을 보여주었다.
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