세미나 필기 | 2020 9월 2일 Research Trends in E-field coupled Wireless Power Transmission
울산대의 최성진 교수님(?) 께서 발표해주셨다.
세미나 요약 정리
아래 나오는 내용의 저작권은 당연히 최성진 교수님께 있다
capacity power transfer (CPT) technology에 관한 세미나이다.
1. Technology overview
wireless power technology의 motivation
- 사용성(편리성)과 durability를 위하여 와이어를 제거하고자 함
- 유선으로 자동차를 충전한다고 치자. 일단 사용하기가 불편하고, wire 자체도 오염될 수 있다. 하지만 무선으로 한다면 스마트폰으로 빠르게 계산하고 나서 자동차 아래의 패드 등을 이용하여 간편하게 충전할 수 있다.
- 반복되는 plug-in, plug-out에 의해 닳지 않는다.( contact가 없기 때문에 )
- 습한 환경, 전쟁 등의 거친 환경에서도 robust하게 작동할 수 있다.
WPT application breadth
- 근거리(거리<<파장) 으로 개발된다는 것 같다.
WPT의 전형적인 구조:
WPT의 분류:
우리는 이중에서 capacitive power transfer에 대하여 설명을 들었다.
M-field or E-field?
coil(magnetic coupler)를 사용하거나, plate을 사용하여 전력을 전송하게 된다.
두 시스템은 어떻게 보면 비슷하지만, 서로 다른 challenge를 가지고 있다!
system configuration(CPT)
여기에 물리적인 insulator? dieletric 웅앵웅 뭔가가 들어간다고 그랬던것같다
말하자면 캐패시터 같은 것이다. 물론 저렇게 직사각형일 필요는 없다(모양은 상관이 없다고 한다)
DC voltage를 AC로 바꿔서... 전송한뒤... 다시 DC로 바꿔서... 그렇다고 한다
2. CPT vs. IPT
CPT의 장점
첫째, IPT에서는 커플러의 바깥쪽으로 원치 않는 자기장이 샐 수밖에 없기때문에 EMI 문제가 있다.
그래서 뮤값이 큰 재료로 EMI에 영향을 받을 수 있는 예민한 부품 등을 막아줘야 한다. (ferrite sheet 등)
그러나 CPT에서는 fringing effect가 일어나더라도 대부분의 flux가 두 primary/secondary 플레이트 사이에 confine된다.
둘째, IPT는 primary와 secondary coil 사이에 금속이 들어가면 magnetic path에 왜곡이 일어난다.
게다가 에디 전류에 의해 발열(과 전류 손실)이 일어나므로 fire hazard가 생길 수 있고 장비에 손상도 줄 수 있다.
그러나 CPT에서는 플레이트 사이에 금속이 들어가도 괜찮고, 에디전류도 일어나지 않은ㄴ다
물론 두 기술 다 실질적으로는 FOD (foreign object detection) 기술이 필요하다
셋째, IPT는 와이어를 여러 번 감아야 해서 bulky해지고,
skin effect가 생기고 (Litz wire가 뭐지?) ferrite core와 shield material이 필요하다
두 기술의 비교
air gap power dencity가 IPT가 CPT보다 400배나 크다.
그럼 왜 CPT를 쓰나? IPT 커플러 크기가 갭 크기보다 훨씬 커서 공간효율이 나쁘기 때문이다.
많은 학자들이 연구한 바로, gap space가 작을수록 IPT가 유리하고 넓을수록 CPT가 유리하다. (?? 반대인가?? ?????반대인것같다????? )
IPT와 CPT를 선택하는 기준은 gap distance 1mm라고 한다
(1mm에서 오버랩됨, 그 1mm에 해당하는 기술은 바로 휴대폰 충전이다...
1mm 이하 갭의 예시로는 르노의 1980년 특허인 wireless-powering for robot arms 등의 예시를 들어주셨다. 관절부가 회전해야 하므로 contact가 없는 wireless power 기술이 필요했나봄..
Q. 우리는 1mm의 한계를 넘어설 수 있는가? 넘어서는 것의 효용이 있는가? 효용이 있다고 한다. 잘 이해는 못했다.)
3. Research Trends
1. capacitive coupler
커플러의 모양과 크기는 application에 따라 다른데, 플레이트 뿐만 아니라 원통형이나 디스크나 matrix 형태도 가능하다. 이러한 커플러의 캐패시턴스를 증가시키고 공간효율을 높이고 parasitic 캐패시턴스를 활용하는 방법으로 연구가 진행되고 있다.
Dielectric medium
A와 d가 제한되어있으므로 우리는 입실론(엡실론? 뭐더라) 을 조절할 수밖에 없다.
TiO2, BaTiO3, PZT 등 코팅을 사용하려고 하는데, 결국에는 이들 코팅도 두 플레이트 사이의 공기와 직렬로 연결되어있으므로 공기의 입실론값에 크게 좌우될수밖에 없다.
air gap이 좌우하는 것.
그러나 자동차 충전에는 에어 갭을 1mm 이하로 줄이기가 쉽지 않다.
그래서 자동차의 후드 아래에 세컨더리 서킷을 놓고, 부드러운 범퍼 형태의 충전기(프라이머리 서킷)에 직접 부딪히게 하여 에어 갭을 줄이는 등의 연구가 있다.
또한 유리가 아주 입실론이 높기때문에 자동차 유리를 사이에 두고 ITO(인듐 틴 옥사이드, 투명하다고 하다)를 사용하여 충전을 시키는 특허가 있다고.
또한 커플러의 alignment(position의 자유)도 이슈인데,
여러 플레이트 사이에 크로스 커플링 캐패시턴스가 엄청 많이 생긴다고 한다. 그래서 좋은건지 나쁜건지 이해를 못했다 그게 핵심인거같은데...
여러 연구들
네 개의 플레이트(프라이머리, 세컨더리 두개씩)을 보통은 평행하게 두는데(lateral)
vertical하게 두는 연구도 있다. 이렇게 하면 커플링 캐패시턴스가 아주 강해진다고 한다. 공간적으로도 효율적이고 misalignment, rotation에 robust 하게 된다. 단, parasitic 커패시턴스 문제가 생기기는 한다. 그런데 150mm 에어갭이 있다...!!!!
여기에 전기장을 가두기 위해 (fringing을 막는것인가보다) shielding을 한다.
리피터를 통해 거리가 멀어도 파워를 강화하여 전송할 수 있는 거리를 늘리는 연구도 있나보다. 다만 효율은 낮다고. 파워가 낮으면 나쁘지 않다고 한다.
2. circuit topology and matching networks
????
아무튼 요지는 여러가지 제한점을 compensate하기 위해 여러가지 topology가 연구되고 있다는 것이다.
(파워쪽 학생들은 다 알아듣겠지? 머신러닝 토픽 세미나도 빨리 나와서 나도 좀 알아들어보고 싶다.)
3. control
효율성과 커플러의 민감도를 줄이기 위하여 많은 종류의 연구가 진행되고 있다고 한다.
misalignment tracking, maximum power transfer tracking, met(maximum efficiency tracking) 등...
트래킹이 뭘까...?
4. hybridization between IPT & CPT
두가지 같이 쓰는 연구가 있다고 한다... 시간이 3분밖에 안남아서 빛의속도로 넘어감
4. Safety Issue
주요한 위험요소:
플레이트의 고전압 스트레스,
주변환경으로의 EF emission,
외부 물체 영향
MPE(maximum possible exposure)에 대해 frequency range, electric field strength 등에 관한 regulation 이 있다고 한다.
(사실 안지키면 인체에 어떤 영향이 있는지 교수님도 잘 모르신다고 함)
5. Conclusion
CPT는 IPT에 비해 구조가 단순하고 EMI를 적게 방출하며 금속물체 장애물 문제가 적다
그러나 small-link capacitance가 많은 문제를 만든다.
(나는 아직도 small-link capacitance가 뭔지 모른다)
질의응답
Q. If the two plates are touched to each other, is it faulted?
질문이 되게 좋았는데 교수님 말씀을 1도 못알아들었기 때문에 쓸 수가 없어서 아쉽다
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