무선 전력 전송 : 작동 원리, 이점 및 응용, 그리고 현재 적용되는 제품들

무선 전력 전송 : 작동 원리, 이점 및 응용, 그리고 현재 적용되는 제품들

 

1890 년대 니콜라스 테슬라가 처음 시연한 무선 전력 전송(wireless power transfer, WPT)은 소비자 및 산업 전자 시장의 주요 영역으로 적용되고 있습니다. WPT의 다양한 형태로는 태양 에너지, 전자 레인지 및 자기 에너지가 있습니다.

 

                                                                      < 단순한 무선 충전의 구성>

 

1. 작동 원리

 

무선 전력 전송은 기존의 변압기에서 볼 수 있듯이 유도 전력 전달 원리에서 작동합니다. 유일한 차이점은 변압기에서 2 개의 코일이 매우 근접해 있고 커플링을 증가시키기 위해 페라이트 재질을 포함하고 있는 반면, 유도 충전기는 두 코일 사이에 공간을 가지고 있다는 것입니다. 프로세스는 다음과 같습니다.

 

• 주전원 전압은 교류로 변환되며, 이상적으로는 고주파 AC가 더 나음

• 이 전류 (고주파 AC)는 트랜스미터 회로를 통해 코일로 전송됨.  이 AC는 송신기 코일에 자기장을 유도함.

• 유도 자기장은 인접한 수신기 코일에 전류를 생성함.

 

 

그러나 이전 어플리케이션에서는 자기장의 세기가 거리에 따라 감소하는 난관에 부딪혔습니다. 강도 감소는 전원로부터의 거리의 제곱에 비례합니다. 이로 인해 전력을 조절하고 에너지 효율을 낮추는 것이 어려워졌습니다.

이를 해결하기 위해 설계자들은 공진을 적용했습니다. 코일의 끝 부분에 부착된 플레이트의 커패시턴스에 코일 인덕턴스를 곱하여 공진을 얻습니다.

 

소스 및 수신기 코일에 동일한 주파수를 갖는 공진기를 각각 도입하면 두 시스템이 자기적으로 결합하여 높은 에너지 전달 효율을 달성할 수 있습니다.  이것은 전력 전달이 금속 또는 다른 재료 연결을 필요로 하지 않으면서도 공간을 통해 가능하도록 만들었습니다.

이를 위해 송신기와 수신 코일 모두 동일한 주파수에서 공진해야 합니다. 생성된 AC는 배터리를 충전하기 위해 직류로 변환됩니다.

그러나 두 물체가 멀리 떨어져있는 경우에도 동일한 주파수에서 두 개의 코일을 공진시킴으로써 전력 전달을 계속 수행 할 수 있습니다. 따라서 완벽한 정렬이 필요 없습니다.

더 큰 전력 전달 거리는 두 구성 요소 사이에 공진 중계기를 추가하여 더 넓게 만들 수 있습니다.

 

 

2. 장점

• 여러 장치를 충전 할 수 있습니다. 이는 코일 형상을 변경하고 테이블 상단 및 충전대와 같은 대형 충전 표면 영역을 할당하여 이루어집니다.

• 높은 충전 속도 : 무선 충전이 유선 옵션보다 느린 충전 속도를 제공하는 순간에는 공진 및 유도 기술의 발전으로 인해 충전률이 증가하고 향후 효율이 향상 될 것입니다

• 무선 전력 전송을 통해 전원과 장치 사이의 공간을 보다 자유롭게 확장 할 수 있습니다. 이것은 두 가지가 힘 전달을 위해 정확하게 정렬 될 필요가 없다는 것을 의미합니다.

• 충전 코드를 제거하면 엔지니어는 소형 및 방수 장치를 만들 수 있으므로 심해 응용 프로그램과 같이 안전성과 다양한 용도에 사용될 수 있습니다.

• 기계적 커넥터 및 유선 접촉을 제거하여, 부식 및 스파크 방지가 가능합니다.

• 기계적 커넥터 유지 관리 및 교체와 관련된 비용 절감이 됩니다.

 

 

3. 응용 분야

산업 응용 분야 : 주요 용도로는 회전 샤프트에 무선 센서, 무선 장비 충전 및 전원 공급, 충전 코드 제거를 통한 안전 및 방수 장비가 있습니다

해저 응용 분야 : 해저 차량이 자체 탐색 할 수는 있지만 전원 공급에는 인력 지원이 필요합니다. 거리뿐만 아니라 거친 지형으로 인해 케이블이 달린 도체가 문제가 될 수 있습니다. 이 경우 WPT가 유용합니다.

모바일 장치, 무인 항공기, 가전 제품 및 전기 자동차 충전 : 충전 패드 및 전원 벤치 형태로 제공되어, 사용자가 휴대 전화 및 전동 칫솔 등을 놓아 두고 충전을 시킬 수 있습니다. 전기 자동차에도 적용될 수 있습니다.

피하 약물 공급 장치, 맥박 조정기 및 기타 임플란트와 같은 의료용 임플란트 충전 및 작동 : WPT는 특히 고공진을 사용하여 빈번한 수술 및 외부 충전 포트의 필요 없이 이러한 제품들을 편리하게 연속 충전할 수 있습니다.

웨어러블 충전 : 웨어러블의 편의성은 이동성과 편리함에 있습니다. 무선 전력 전송은 케이블 및 커넥터에 대한 요구 사항을 제거함으로써 충전을 편리하게 만듭니다.

 

4. 단점 및 현재 적용 분야

단, 여전히 전력 효율 및 충전 시간에 대한 문제가 남아 있어, 대중화에 걸림돌이 되고 있습니다.

웨어러블이나 의료장비 같이 사람이 직접 착용하거나 작동하는 장치의 경우, 전자파 문제에서 자유로울 수 없습니다.

특히, 전력이 높은 제품의 공진시의 전자파는 일상의 전자파에 비해 월등히 높음으로, 현재 이러한 공진형 무선 충전의 경우 사람이 없는 공장 등에서 적용으로 한정되는 경우가 많습니다. 

 

 

기타 설명도