움직이는 장치에 적응적인 근거리 무선 전력전송 시스템의 설계와 구현

Abstract

본 연구에서는 무선전력전송 시스템에서의 송수신코일간의 거리변화와 수신기의 부하 임피던스 상태변화에 따른 전송 효율의 개선방법을 제안하였다. 위치변화와 상태 변화에 따른 무선전력전송 시스템의 변화를 이론적으로 분석하고 이것을 보상하기 위해서 기존의 주파수/임피던스 동조 시스템의 단점을 분석하였다. 코일간의 공간적인 위치가 변화하면 코일간의 결합계수 k가 변함을 수식적으로 보였고 배터리 상태 등의 수신기의 상태가 변화할 때 수신기QRx가 변화함을 보였다. 시간에 따라 위치변화나 상태변화가 생길 때 이를 보상하기 위해 주파수와 임피던스를 정합해주는 기존의 연구의 장단점을 분석하고 본 논문에서 제안한 구조와 비교 분석하였다. 무선전력전송 시 LF밴드에서 주파수 동조 시스템을 통하여 위치변화와 상태변화에 적응하는 시스템의 구현방법을 제안하였다. 먼저 무선 전력전송에 사용되는 기본적인 네 가지의 토폴로지에 대해서 알아보고 모든 토폴로지에 대하여 주파수 가변을 통한 송신기에 흐르는 전류의 변화를 검출하여 시스템의 k와 QRx을 검출하는 방법을 제안하였다. 위치변화와 상태변화를 검출 후에 그에 최적화된 최대효율을 가지는 전송 주파수로 정합해주는 알고리즘도 제안하였다 무선전력전송 시 HF밴드에서 임피던스 동조 시스템을 통하여 위치변화와 상태변화에 적응하는 시스템의 구현방법을 제안하였다. 먼저 무선 전력전송에 사용되는 기본적인 네 가지의 토폴로지에 대한 입력임피던스의 변화에 대해서 알아보고 모든 토폴로지에 대하여 반사계수 측정을 통한 시스템의 k와 QRx을 검출하는 방법을 제안하였다. 위치변화와 상태변화를 검출 후에 그에 최적화된 최대효율을 가지는 입력 임피던스로 정합해주는 알고리즘도 제안하였다. 제안한 시스템을 실험적으로 검증하기 위해서 2-포트 측정을 통해 두 코일 간의 결합계수를 측정하고 각 시스템에서 제안한 측정법(1-port)를 사용하여 결합계수를 측정할 수 있음을 실험적으로 검증하였고 기존의 주파수 동조 시스템과 임피던스 동조 시스템과 비교하여 효율개선이 가능하다는 것을 위치 변화와 상태변화에 각각 검증하였다. 상태변화와 위치변화를 주면서 제안한 방법과 기존의 주파수/임피던스 동조 시스템과 비교하였을 때 여러 가지 변화에 더 적응적인 효율개선이 가능함을 이론과 실험을 통해 검증하였다.