3차원 구조 코일을 이용한 무선 충전의 효율 개선에 대한 연구

Abstract

무선 충전 시스템은 최근 스마트폰, 스마트워치와 같은 웨어러블 기기의 대중화 및 전기자동차의 발전에 의해 그 수요가 더 커질 것으로 예상된다. 이러한 무선 충전 시스템에서 충전 효율을 높이기 위해 종래에는 송신기와 수신기를 자력에 의해 밀착시키거나, 자동으로 밀착 이동시키거나, 다수 코일 어레이를 이용하는 등의 2차원적인 접근 방법이 주로 모색되었다. 또는 송신기 코일의 형태 변형 및 송신기 코일 개수 증가 등의 다양한 시도들이 이루어져 왔다. 본 연구는 자기 유도 방식을 이용한 무선 충전 시스템에 있어서 2차원 평면 구조에서의 무선 충전의 충전 효율에 비해 3차원 구조 코일이 무선 충전 효율에 미치는 영향을 분석하였다. 3차원 입체 구조 코일을 이용한 무선 충전 시스템은 차량 내부에 구비된 컵홀더 등에 적용하여 휴대폰 무선 충전에 사용할 수도 있다. 본 논문을 위한 실험 측정을 위하여 3차원 입체 구조의 무선 충전용 수신 안테나 (receiving antenna)를 3차원 입체 공간을 기준으로 해서 3차원 입체 공간 내에서 상하좌우의 수평 이동 및 수직 이동을 통하여 무선 충전 효율을 측정하였다. 실험 결과를 살펴본 결과 2차원 평면에서의 정중앙 지점을 기준으로 하였을 때 2차원 평면 구조에서는 무선 충전 수신 안테나가 Z축 방향의 이동에 따른 거리가 멀어질수록 무선 충전 효율이 지속적으로 감소하였다. 그러나 3차원 입체 구조 내에서는 가운데 수신 안테나의 충전 효율이 조금 더 좋고, Z축 방향으로 점점 더 이격시킬수록 2차원 평면 구조보다 충전 효율이 더 좋아졌다. 또한, 2차원 구조보다 충전효율이 좋은 3차원 구조에서 수신 안테나의 회전각에 의해 충전 효율이 회전각의 주기성이 나타났으며 수신 안테나의 회전 각도가 0도, 180도일 경우가 충전 효율이 가장 좋았다. 2차원 평면 구조보다는 3차원 입체 구조의 충전 효율이 더 좋고, 3차원 구조 충전시 2차원 구조보다 더 충전 효율을 좋게 하기 위해서는 바닥에서 일정 거리 이격시키고, 회전각은 0도 또는 180도에 맞추되, 틸트각은 작을수록 충전효율이 더 좋아졌다. 또한, 3차원 구조에서는 중앙의 ANT 2의 충전효율이 ANT1 또는 ANT 3의 충전 효율과 대등하였다. 본 실험을 통하여 2차원 평면 구조에서의 무선 충전 효율의 단점을 개선하기 위해서는 3차원 공간 내의 무선 충전 효율을 개선하기 위한 3차원 구조의 무선 충전 구조가 필요함을 제시할 수 있었으며, 이에 대한 최적 환경 구성과 3차원 무선 충전 구조의 상관관계를 수치해석 및 추가적인 실험측정이 필요함을 확인할 수 있었다.