변압기를 적용한 자기 공진 방식의 무선전력전송 시스템의 전송거리 최적화

Abstract

무선전력전송은 전선을 사용하지 않고 공간을 통해 전력을 전송하는 방법으로, 통신이 아닌 전력전달을 목적으로 한다. 전동 면도기, 전동 칫솔 및 전기 커피포트에 사용되던 이 기술은 최근 휴대폰 및 웨어러블 기기에 적용되어 사용되었다. 배터리를 사용하는 기기의 증가로 충전이 빈번하게 이루어지고 있어, 충전에 편리한 무선전력전송을 적용한 기기가 많이 개발되고 있다. 무선전력전송 시스템은 자기 유도 방식과 자기 공진 방식이 있다. 자기 유도 방식의 무선전력전송은 높은 효율과 제작이 쉬운 장점이 있다. 하지만 전송거리가 매우 짧고, 코일의 중심축이 맞지 않으면 효율이 급격하게 떨어지는 단점이 있다. 자기 공진 방식의 무선전력전송은 중거리 전력전송이 가능하다. 자기 공진 방식은 자기 유도 방식과 비교하였을 때 코일 정렬에 어느 정도의 자유도가 있는 방식이다. 그러나 특정 전송거리에서만 전력전송 효율이 높은 단점이 있다. 또한 전송거리에 비해 송수신 코일의 크기가 크며 임피던스 매칭이 쉽지 않아 시스템 제작이 어려운 점이 있다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해서 변압기를 적용한 중거리 무선전력전송 시스템을 제안하였다. 이 시스템은 두 개의 코일과 두 개의 변압기를 사용하였으며, 변압기의 회로 분리 특성을 사용하여 송수신 코일과 전원과 부하를 각각 분리하여 코일의 Q-factor를 높여 중거리 전력전송이 가능하게 하였다. 또한 변압기의 고정된 결합계수를 사용하여 임피던스 매칭을 쉽게 하였다. 제안한 시스템의 회로 모델링 분석을 사용하여 변압기의 인덕턴스 변화로 인한 전송거리 변경을 확인하였으며, 실험을 통해 검증하였다. 제안한 모델을 이용함에 따라 소형화와 전송거리의 변경이 가능한 무선전력전송 시스템의 개발을 기대 할 수 있다.