본문내용
1. 무선 전력 전송/충전 기술
1.1. 서론
1.1.1. 연구배경 및 목표
졸업 작품을 제작하면서 전시회를 위한 일회성 작품이 아닌 개발 가능성과 실생활에 적용 시 인류 사회의 편리성을 한 층 더 발전시킬 수 있는 실용적인 졸업 작품을 만들고 싶었다. 현대 사회는 '무선 사회'로 진입하고 있다고 해도 과언이 아니다. 핸드폰에 블루투스 이어폰을 연결하여 노래를 듣기도 하고 배터리 충전 시 무선 충전 방식으로 편리성을 도모하고 있다. 더욱이 나아가 무선 충전 방식의 단점을 보완한다면 탄소 배출 저감 문제의 해결책이 될 수도 있다. 세계적으로 저탄소 정책이 필수로 대두됨에 따라 전기자동차, 전기자전거 이용이 늘어나고 있다. 전기 배터리의 가장 큰 문제점은 충전의 시간과 편리성이다. 문제점들을 100% 해결할 수 없지만, 주파수 공진 방식의 무선 충전 방식을 채택하면서 충전의 편리성을 증진하는 것이 졸업 작품의 목적이다.
1.1.2. 개요
작품의 방향은 크게 원리, 효율로 정하였다. 기존의 자기유도방식의 장, 단점을 파악하고 비교할 수 있어야 두 충전방식을 비교할 수 있었다. 자기유도는 코일 간 전자기 유도 현상을 원리로 소형화와 근거리 전송이 가능하지만 자기유도방식은 자기공진현상을 이용하여 코일설계가 어렵다는 단점을 가지고 있다. 자기공진 방식은 현재 효율이 낮고 전자파 문제가 발생한다. 두 번째로 거리에 따른 효율은 자기공진 방식의 치명적 단점이다. 자기공진 방식은 1차 코일에 흐르는 전류에서 발생하는 자기장이 2차 코일을 통과해 유도 전류가 발생한다는 점에서는 자기유도 방식과 비슷하다. 하지만 1차 코일과 2차 코일의 공진주파수가 같아야 하며 두 코일 간의 공진모드 에너지 결합을 통해 1차 코일에서 발생한 에너지가 2차 코일로 전달되는 방식이라는 점이 다르다. 자기공진방식은 일정 거리에서 여러 제품을 동시에 충전하지만 전송효율이 낮고 이에 아크릴판을 사용하여 거리에 따른 효율을 측정해보았다. 이러한 거리에 따른 효율 문제가 해결 된다면 자기공진방식이 더욱 크게 발전하지 않을까 생각한다.
1.1.3. 추진일정 및 역할 분담표
'1.1.3. 추진일정 및 역할 분담표'에 따르면 학부(과) 별로 다음과 같은 임무 분담이 이루어졌다.
전기공학과 소속 학생들은 효율 측정, 실험 연구 및 분석, 외관 제작 및 이론 정리 등의 임무를 맡았다. 이들의 참여도는 각각 100%로 나타났다.
프로젝트의 추진일정은 주제 선정, 이론 정리, H/W 설계 및 구성, 실험 연구 및 분석, 테스트 등의 순으로 2020년 1월부터 8월까지 진행되었다.
이처럼 제시된 추진일정과 역할 분담을 통해 팀원들이 각자의 전공 지식과 능력을 발휘하여 체계적이고 협력적으로 졸업 작품 제작에 임했음을 알 수 있다.
1.2. 무선충전방식 비교
자기유도 방식과 자기공진 방식은 모두 무선으로 전력을 전송하는 기술이지만 원리와 특성이 다르다. 자기유도 방식은 1차 코일과 2차 코일 간의 자기유도 현상을 이용하여 소형화와 근거리 전송이 가능하다. 하지만 코일 간 거리가 매우 가까워야 하며 지기유도방식은 자기공진현상을 이용하여 코일설계가 어렵다는 단점을 가지고 있다. 자기공진 방식은 현재 효율이 낮고 전자파 문제가 발생하지만 일정 거리에서 여러 제품을 동시에 충전할 수 있다는 장점이 있다. 반면 전송효율이 거리에 따라 크게 떨어지는 치명적 단점이 있다.
자기유도 방식은 코일 간 전자기 유도 현상을 이용하므로 수 mm 이내의 근접거리에서 90% 이상의 높은 효율로 전력을 전송할 수 있다. 그러나 코일 간 거리에 매우 민감하고 Rx 코일의 위치정합성에도 영향을 받는다는 단점이 있다.
자기공진 방식은 송수신 안테나 간의 공진현상을 이용하여 1m 거리까지 약 90% 효율로 전력을 전송할 수 있다. 그러나 거리가 늘어날수록 효율이 크게 떨어져 2m에서는 약 40% 수준으로 낮아진다. 이러한 거리에 따른 효율 문제가 자기공진 방식의 가장 큰 단점이라고 할 수 있다.
최근 무선충전 기술의 발전으로 스마트폰, 노트북 등 다양한 모바일 기기에 무선충전 기능이 적용되고 있다. 특히 자기공진 방식의 무선충전이 주목받고 있는데, 이는 자기공진 방식이 자기유도 방식에 비해 충전 거리가 크고 호환성이 좋기 때문이다. 하지만 자기공진 방식의 낮은 효율과 전자파 문제는 여전히 해결해야 할 과제로 남아있다.
1.3. 작품 구상도
작품 구상도에는 데모용으로 제작된 무선 충전 시스템과 e-bike의 부하 충전을 위해 만들어진 무선 전력 시스템이 포함되어 있다.
데모용으로 제작된 무선 충전 시스템은 전력 송신부와 전력 수신부로 나뉘며, 전력은 코일을 통해 전달된다. 동작부는 RC카를 이용하여 무선으로 받은 전력을 이용하여 동작하도록 구성되어 있다.
e-bike용으로 제작된 무선 전력 시스템 역시 전력 송신부와 코일 전력 수신부로 나뉜다. 100w~200w급의 전력을 출력할 수 있으며, 220V의 입력 전압을 36V로 변환한 뒤 6.78MHz의 주파수를 이용하여 공진방식으로 전력을 전달한다. 전력 수신부에서는 이 전력을 DC로 변환하여 배터리를 충전한다.
이처럼 무선 충전 시스템의 구상도를 통해 전력 송신부와 수신부의 구조 및 작동 원리를 확인할 수 있다.
1.4. 재료의 선정 및 관련이론
작품을 만들기 위해 선정한 주요 재료는 변압기, 인버터, 브릿지 다이오드, 컨버터 등이다. 변압기는 220V의 입력 전압을 35V로 감압하는 역할을 하며, 인버터는 최근 개발된 고성능 반도체 소자인 GaN(질화갈륨)을 사용하여 높은 효율성을 가지도록 선정하였다. 브릿지 다이오드와 컨버터 역시 신뢰성 높은 제품을 선택하였다.
이 중에서 특히 GaN 소자인 EPC9065에 대해 자세히 살펴보면 다음과 같다. GaN 소자는 실리콘 반도체 대비 밴드갭이 크고 전자 이동도가 높아 고속 스위칭이 가능하며, 낮은 온-저항으로 높은 전류 구동이 가능하다. 또한 소형경량의 특징으로 기존 시스템과의 호환성도 우수하다. EPC9065는 6.78MHz의 고주파 출력을 내며, Zero Voltage Switching(ZVS) 특성을 가져 전력 변환 효율이 높다.
한편 무선 충전의 핵심 원리인 주파수 공진과 코일 공진에 대한 이론을 정리하면 다음과 같다. 주파수 공진 방식은 송수신 코일의 공진주파수를 같게 하여 에너지를 전달하는 방식으로, 거리에 제약이 적지만 효율이 낮은 단점이 있다. 반면 코일 공진 방식은 송수신 코일이 근접해야 하지만 효율이 높은 편이다. 공진주파수는 인덕턴스(L)와 커패시턴스(C)의 곱에 반비례하여 결정되므로, 이를 조절하여 원하는 공진주파수를 만들어낼 수 있다.
이처럼 무선 충전 기술의 핵심 재료와 원리를 이해하고 선정한 것이 이번 작품 제작의 기반이 되었다.
1.5. 작품 동작
작품 구성은 크게 전력 송신부와 전력 수신부로 나눌 수 있다. e-bike용으로 제작된 무선 전력 시스템은 100w~200w급의 전력을 출력 할 수 있으며 동작은 다음과 같다.
입력 전압 220V를 받아 변압기로 36V로 변환한 후에 전력 송신부에서 브릿지 다이오드를 이용하여 AC전압을 DC전압으로 변경시킨다. 변환된 DC전압은 EPC를 이용하여 AC로 변환하여 6.78MHz의 주파수를 만들어서 코일을 통하여 수신부로 전력을 전달한다. 이때 사용한 방식은 공진 방식으로써 자기유도 방식보다 먼 거리에서 높은 효율로 보낼 수 있다.
전력 수신부는 공진방식을 이용하여 전달받은 전력을 컨버터를 이용하여 DC로 변환한 후에 DC전압을 이용하여 배터리를 충전한다. 이때의 거리는 10cm의 거리까지 전력을 송신할 수 있다.
데모용으로 제작된 무선 전력 시스템은 15w급으로 전력 송신부가 220V의 전압을 견딜 수 있게 제작된 것으로 220V의 전압을 받아 코일을 통하여 수신부로 전력을 전달하며 거리는 2mm~10mm까지 전달할 수 있다. 이때 전달받은 전력을 통하여 동작부의 RC카를 움직인다.
1.6. 작품 구현
전력 송신부와 수신부의 구현
전력 송신부는 220V의 입력 전압을 받아 변압기를 이용하여 36V로 변환한 후 브릿지 다이오드를 통해 AC 전압을 DC 전압으로 변환시킨다. 그 후 EPC 9065 인버터를 이용하여 6.78MHz의 주파수를 가진 AC 전압으로 변환하고, 이를 송신 코일에 전달한다. 주파수 공진 방식을 활용하여 수신부로 전력을 전달하게 된다.
전력 수신부는 공진 방식으로 전달받은 전력을 컨버터를 이용하여 DC로 변환한 뒤 배터리를 충전하는 역할을 한다. 이때 거리는 10cm까지 전력을 송신할 수 있다.
데모용으로 제작된 무선 전력 시스템은 15W급으로 전력 송신부가 220V의 전압을 견딜 수 있게 제작되었다. 220V의 전압을 받아 코일을 통해 수신부로 전력을 전달하며, 거리는 2mm~10mm까지 전력을 전달할 수 있다. 전달받은 전력은 동작부의 RC카를 움직이는데 사용된다.
이처럼 전력 송신부와 수신부를 각각 구현하여 무선으로 전력을 전달할 수 있도록 하였다. 거리에 따른 전력 전송 효율을 높이기 위해 주파수 공진 방식을 활용하였으며, 다양한 부품들을 선정하여 회로를 구성하였다.
1.7. 실험 결과
작품 구성은 크게 전력 송신부와 전력 수신부로 나눌 수 있다. e-bike용으로 제작된 무선 전력 시스템은 100w~200w급의 전력을 출력할 수 있으며 동작은 입력 전압 220V를 받아 변압기로 36V로 변환한 후에 전력 송신부에서 브릿지 다이오드를 이용하여 AC전압을 DC전압으로 변경시켜준다. 변환된 DC전압은 EPC를 이용하여 AC로 변환 6.78MHz의 주파수를 만들어서 코일을 통하여 수신부로 전력을 전달한다. 이때 사용한 방식은 공진 방식으로써 자기유도 방식보다 먼 거리에서 높은 효율로 보낼 수 있다. 전력 수신부는 공진방식을 이용하여 전달받은 전력을 컨버터를 이용하여 DC로 변환한 후에 DC전압을 이용하여 배터리를 충전한다. 이때의 거리는 10cm의 거리까지 전력을 송신할 수 있다.
데모용으로 제작된 무선 전력 시스템은 15w급으로 전력 송신부가 220V의 전압을 견딜 수 있게 제작된 것으로 220V의 전압을 받아 코일을 통하여 수신부로 전력을 전달하며 거리는 2mm~10mm까지 전달할 수 있다. 이때 전달받은 전력을 통하여 동작부의 RC카를 움직인다.
자기유도방식은 1차 코일과 2차 코일간의 자기유도 현상을 이용하는 것으로 코일이 근접거리에 위치해야 가능한 방식이다. 실험은 RX코일과 TX코일간의 사이 거리를 2mm~10mm까지 2mm간격으로 측정하였다. 거리에 따른 주파수는 2mm일 때 154.202KHz였으며 RX코일과 TX코일간의 거리가 멀어질수록 점점 감소하였고 10mm일때는 125.044KHz까지 감소하였다. 거리에 따른 효율의 평균은 68.5%였으며 RX코일과 TX코일간의 거리가 8mm일때의 효율이 71.5%로 가장 높았다.
1.8. 결론
1.8.1. 느낀점
최근 무선충전 기술의 연구가 활발해지면서 국내외 기업들도 경쟁적으로 기술을 출시하고 있어 그 기술력이...
