2021전방향성 무선전력전송 시스템의 자기적 구조 최적 설계

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    최근 무선전력전송 시스템에서 수신부의 위치 자유도와 이동성을 향상시키기 위해 전방향성 무선전력전송이 제안되었다. 그림 1에서 확인할 수 있듯이, 전방향성 무선전력전송에서 송신부는 법선 벡터가 각각 X, Y, Z축을 향하도록 배치된 세 원형 코일(three-orthgonal transmitter coils)로 구성되며, 송신부 중심의 합성 자속 밀도는 각 코일이 생성한 자속 밀도의 합과 일치한다. 따라서, 각 코일에 흐르는 전류의 크기 및 위상 제어를 통해 송신부가 생성하는 합성 자속 밀도의 방향을 자유롭게 변경할 수 있다. 이를 통해, 무선전력전송 시스템에서 수신부의 위치 자유도 및 이동성이 크게 개선되었지만 송신부의 부피가 크고 시스템 효율이 낮은 한계점이 있다.

그림 1. 전방향성 무선전력전송을 위한 three-orthogonal transmitter coils.


    전방향성 무선전력전송 시스템의 효율을 향상시키기 위해 사용되는 방법으로는 코일의 지름 또는 턴 수를 증가시키는 방법과 자기적 코어를 적용하는 방법이 있다. 코일의 직경과 턴 수를 증가시키는 방법은 송신부의 크기를 증가시키므로, 송신부의 크기 증가 없이 효율을 향상시키기 위해서는 자기적 코어의 사용이 요구된다.

    송신부의 크기 증가 없이 전방향성 무선전력전송 시스템의 효율을 향상시키기 위해 네 가지 자기적 구조가 제안되었고, 그 구조들은 그림 2에서 확인할 수 있다. spherical core와 cubical core는 송신부 내부의 자속 밀도를 전반적으로 향상시켜 높은 상호 인덕턴스를 달성할 수 있지만, 코어 부피가 크기 때문에 무겁고 제작 비용이 상승한다. Crossed bar core와 three orthogonal plane core는 송신부 내부에서 x, y, z축 근처의 자속밀도를 강화시켜 상호 인덕턴스를 향상시킨다. 이러한 구조들은 부피가 작기 때문에 송신부가 가볍고 제작 비용이 감소하지만, 앞 구조에 비해 낮은 상호 인덕턴스를 가진다.

그림 2. 자기적 구조의 후보들. (a) spherical core, (b) cubical core, (c) crossed bar core, (d) three-orthogonal plane core.


    최적의 자기적 구조를 선정하기 위해 자기적 구조에 따른 부피와 효율을 그래프로 나타내면 그림 3과 같다. 그림 3의 그래프에서 코어가 없는 송신부의 효율을 기준 효율이라고 가정하면, 기울기는 코어의 부피 대비 효율을 의미한다. 즉, 기울기가 큰 자기적 구조는 부피 대비 높은 효율을 가진다고 할 수 있다. 그림 3의 그래프에서 부피가 작은 crossed bar core들은 기울기는 크지만 코어가 없는 송신부에 비해 효율이 거의 개선되지 못했다. 반면, 부피가 가장 큰 spherical core는 기울기는 작지만 시스템 효율이 가장 높다. 그럼에도 불구하고, 이 구조는 부피가 너무 커서 송신부의 무게와 제작 비용이 증가하므로 최적 구조로는 적절하지 않다. 즉, 자기적 구조의 부피에 대한 효율은 최적 구조의 판단 기준으로 부적절하다.

그림 3. 자기적 구조의 부피에 대한 시스템 효율 그래프.


    자기적 구조의 최적 설계를 위해 다목적 최적화 설계 방법이 사용됐다. 이 다목적 최적화 설계에서 목적 변수는 자기적 구조의 부피와 효율이고, 설계 변수는 코어 파라미터이다. 단위가 다른 두 변수를 비교하기 위해 최대-최소 표준화를 사용하여 변수들을 표준화하면 그림 4와 같이 나타낼 수 있다. 그림 4의 그래프에서 최적 구조가 될 수 있는 16개의 pareto set이 결정된다. 이때 이상적인 구조는 원점에 해당하지만, 이는 실현 불가능하므로 체비쇼프 거리(Tchebycheff metric)가 가장 짧은 지름 130 mm 두께 10 mm의 three-orthogonal plane core를 적용한 송신부를 최적 송신부로 선정했다.

그림 4. 다목적 최적화 설계의 결과.


    다목적 최적화 설계를 통해 선정된 최적 자기적 구조의 성능을 검증하기 위해, 다양한 조건에서 전방향성 무선전력전송 시스템의 효율이 측정되었다. 그림 5는 다양한 수신부 위치에서 전력 전송 거리에 따른 시스템 효율을 보여준다. 최적 자기적 구조를 적용한 전방향성 무선전력전송 시스템의 효율은 모든 전송거리에서 개선되었다. 게다가, 전력 전송 거리가 220 mm일 때, 종래의 송신부를 적용한 시스템의 효율은 20 ~ 30 %로 감소하지만 최적 자기적 구조를 적용한 시스템은 50% 이상의 효율이 달성되었다.


그림 5. 다양한 수신부 위치에서 전력 전송 거리에 따른 시스템 효율 비교.


    그림 6은 전력 전송 거리가 150 mm 일 때, 수신부 위치에 따른 시스템 효율을 보여준다. 최적 자기적 구조를 적용한 전방향성 무선전력전송 시스템의 효율은 모든 수신부 위치에서 개선되었다. 방위각과 천정거리가 90도 일 때, 시스템 효율은 최대 18.6% 증가했다. 게다가, 최적 자기적 구조를 적용한 시스템은 3차원 공간에서 균일한 효율 분포를 달성하여, 전방향성 무선전력전송 시스템에서 수신부의 위치 자유도와 이동성이 개선되었다. 그림 5와 6의 다양한 실험 결과들을 통해 최적 자기적 구조의 성능이 검증되었다.


그림 6. 전력 전송 거리 150 mm에서 수신부 위치에 시스템 효율 비교.


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