무선전력 전송효율 음영영역 제거와 최대효율 전송을 위한 3D 스캐닝 MR-WPT 시스템

송신 코일과 수신 코일 간 특정 각도에서 부정합이 생긴다면 상호 인덕턴스가 감소하여 효율이 0 %로 되는 전송효율 음영영역이 생긴다. 그림 1은 송수신 코일간 부정합에 따른 코일의 자속 변화와 전송효율 음영영역 제거 방법에 대한 개념도이다. 그림 2는 송수신 코일간 거리가 부정합 거리에 따른 전송 효율 변화와 전송효율 음영영역 제거 그래프이다. 수신 코일이 D0에 위치할 때 결합되는 자속이 많아 효율이 높지만 D1을 거쳐 D2가 되었을 때 결합되는 자속이 줄어들게 되어 효율이 0 %에 가깝게 된다. 그리고 D3에 위치하게 되면 결합되는 자속이 다시 증가하여 효율이 증가하게 된다. D2에 수신 코일이 위치할 때 결합 계수가 감소하는 문제점을 해결하기 위해 본 논문에서는 송신 코일을 회전해서 결합되는 자속을 증가시켜 전송효율 음영영역을 제거하는 방법을 제안한다.

그림 1. | Fig. 1. 송수신 코일간 부정합에 따른 자속 변화와 전송효율 음영영역 제거 방법에 대한 개념도 | Conceptual diagram of the elimination method for the transmission efficiency dead-zone and magnetic flux variation according to Tx to Rx coil mismatch.

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그림 2. | Fig. 2. 송수신 코일간 부정합 거리에 따른 전송 효율 변화와 전송효율 음영영역 제거 과정 그래프 | Graph of the transmission efficiency variation according to Tx to Rx coil mismatch distortion and dead-zone eliminiation process.

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그림 3은 3D 스캐닝 MR-WPT(magnetic resonance wireless power transfer) 시스템 블록 다이어그램이다^[5]. 송신부(power transfer unit)의 회로는 전압 제어 발진기, 전력증폭기 그리고 임피던스 정합 회로로 구성하였다. 송신 코일은 Pan-Tilt 모터와 함께 연결되어 있고, PC와 MCU를 통하여 모터의 움직임을 제어한다. 수신부(power receiving unit)에 전달된 RF 전력은 정류기를 거쳐 DC 전압으로 변환하고, DC-DC 컨버터를 통하여 최종적으로 사용할 수 있는 DC 전력으로 변환한다. 수신부에 연결된 모듈을 통하여 직류 전압을 측정한다. 측정한 결과를 Wi-Fi 통신으로 전송하여 PC에서 수신한 데이터를 확인한다.

그림 3. | Fig. 3. 3D 스캐닝 MR-WPT 시스템의 블록다이어그램 | Block diagram of the 3D scanning MR-WPT system.

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그림 4는 3D 스캐닝 MR-WPT 시스템의 제어 흐름도이다. Pan-Tilt 모터를 제어하여 송신 안테나의 각도를 제어하고, 수신부의 통신모듈에서 각도에 따른 수신 전압을 PC로 전송한다. 수신한 데이터에서 가장 높은 전압값을 찾아 전송효율 음영영역을 제거시키는 최적화된 송신 코일의 각도를 찾는다. 그 후 수신부의 위치가 바뀌어 수신 전압이 크게 줄어든다면 알고리즘을 통하여 최적화된 각도를 찾아 지속적인 전력 전송이 가능하게 한다. 그림 5는 제작한 3D 스캐닝 MR-WPT 시스템 결합상태이다.

그림 4. | Fig. 4. 3D 스캐닝 MR-WPT 시스템의 제어 흐름도 | Control flow chart of the 3D scanning MR-WPT system.

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그림 5. | Fig. 5. 3D 스캐닝 MR-WPT 시스템 사진 | Photograph of the 3D scanning MR-WPT system.

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본 논문에서는 3D 스캐닝 무선 전력 전송시스템에서 전송 효율 음영 영역이 제거된 최대 전송 효율을 얻기 위한 송신 코일 제어 알고리즘인 존기반 최대 효율 탐색(zone-based maximal transmission efficiency searching process) 알고리즘을 제안한다. 이를 간단히 존기반 스캔(zone-based scan)이라 부른다. 그 개념도를 그림 6에 보이고 있으며, 알고리즘 step은 다음과 같다.

그림 6. | Fig. 6. 존기반 최대전송효율 탐색 알고리즘의 개념도 | Conceptual diagram of the zone-based maximal transmission efficiency search algorithm.

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Pan과 Tilt의 각도 범위는 각각 45°～120°와 60°～105°라고 설정한 후 각도 분해능을 5°로 설정한 각도를 모두 전체스캔을 한다면 총 198번을 스캔을 해야 한다. 존-기반 스캔을 한다면 횟수는 총 18번으로 전체를 스캔방식과 비교하여 스캔 시간이 11배 빨라졌으며, 정확도 또한 높은 것을 측정을 통하여 알 수 있다.

전송효율 음영영역과 그 제거방법에 대한 시뮬레이션을 진행하였다. 그림 7은 시뮬레이션에서 사용한 송수신 코일의 구조이다. 가로와 세로의 길이는 각각 172.5 mm이며, spiral 코일 구조를 가진다. 그림 8은 진행한 시뮬레이션의 환경이다. 송수신 코일 간 수직 거리를 15 cm로 설정하였다. 수신 코일을 수평으로 이동 시 송신 코일과 수신코일 간의 부정합이 나타나게 되는데, 수신 코일에 결합되는 자속이 줄어들어 효율이 감소된다. 이때 송신 코일을 회전시킨다면 결합되는 자속이 증가하여 효율이 감소되는 전송효율 음영영역을 제거할 수 있다. 그림 9는 시뮬레이션 결과이고, 그림 10은 실제 측정 결과이다. 송수신 코일간 거리를 15 cm로 설정하고, 부정합 거리가 특정 거리 이상일 때 효율이 급격하게 줄어들게 되는데, 이때 송신코일의 각도를 60° 회전시켜 수신 코일에 결합되는 자속을 증가시켜 효율이 증가된 것을 확인할 수 있다.

그림 7. | Fig. 7. 송수신 코일의 구조 | Structure of the Tx and Rx coil.

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그림 8. | Fig. 8. 시뮬레이션 환경 | Simulation environment.

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그림 9. | Fig. 9. 전송효율 음영영역과 제거 방법에 대한 시뮬레이션 결과 | HFSS simulation result of the dead-zone elimniation method result.

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그림 10. | Fig. 10. 전송효율 음영영역과 제거 방법에 대한 실제 측정결과(송수신 코일 간 수직 거리 15 cm) | Measured result of the dead-zone elimniation method.

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그림 11은 송수신 코일간의 수직 거리가 10 cm이고, 부정합 상태일 때 5° 전체 스캔 결과의 전압을 측정하여 MATLAB으로 동 전압에 대한 등고선도이다. 표 1은 그림 11 등고선도의 존기반 스캔 측정 데이터를 나타내고 있다. 5° 전체 스캔 결과 전압이 최대인 구역과 최대 전압은 Pan: 105°, Tilt: 5°, 전압: 2.28 V이었다. 존기반 스캔 결과 전압이 최대인 구역과 최대전압은 Pan: 112°, Tilt: 90°, 전압: 2.28 V이었다. 그리고 15° 분해능으로 전체 스캔 측정 시 전압이 최대인 구역과 최대 전압은 Pan: 105°, Tilt: 90°, 전압: 2.25 V로 측정되었다. 각도 분해능에 따라 스캔 정확도가 달라진다. 15° 전체 스캔을 할 시 5° 전체 스캔의 결과와 오차가 발생하였지만 존기반 스캔을 했을 경우 5° 전체 스캔했을 때의 전압과 같게 측정되었다.

그림 11. | Fig. 11. 송수신 코일 배치에 따른 존-기반 최대 전송 효율 탐색 알고리즘 측정 결과(송수신 코일 간 수직 거리 10 cm) | Measured result of the zone-based maximal transmission effciency search alogrithm.

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본 논문에 기록 데이터에서는 15° 전체 스캔 결과와 5° 전체 스캔 결과의 오차가 크지는 않지만 15° 전체 스캔을 했을 경우 오차가 10 % 이상 측정된 경우도 있었다. 존기반 스캔을 할 경우, 본 논문처럼 15° 전체 스캔 결과보다 정확도가 5° 전체 스캔 결과와의 오차가 1 % 이내로 정확도가 높은 것을 측정을 통하여 알 수 있다.