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전차선 상태 검측장비 충전용 원거리 무선전력전송시스템 개발

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초록

보고서 요약서

요 약 문

SUMMARY

제1장 연구개발과제의 개요

제2장 국내외 기술 개발 현황

제3장 연구 개발 수행 내용 및 결과

제4장 목표 달성도 및 관련분야에의 기여도

제5장 연구개발결과의 활용계획

제6장 참고문헌

초록
○ 25kV 가압된 전차선의 상태 모니터링 위해 설치된 장비의 경우 기존에는 고압선의 절연 문제 때문에 지상에서 전선을 이용한 전원공급이 불가능해 배터리를 장착하여 전원 공급 했으며 주기적으로 배터리 교체함. ○ 하지만 배터리 교체 비용이 매회 약 1000만원이며, 연간 약 20억 가량의 유지 보수비용이 발생함. ○ 이러한 전차선 상태 전원 공급 위해 60cm ~ 1m의 거리에 30W 이상의 출력을 가지는 원거리 무선 전력 전송 시스템 개발이 연구 목표임. ○ 본 연구를 통해 직경 30cm 의 급집전 코일 개발을 완료해 코일간 전력전송 효율 43% 및 출력 전력 41W 달성 확인함 ○ 무선 급전 시스템의 옥외 설치 위한 방수 방진 패키지 개발했으며, 모의 전철주 및 가동 브라켓 제작하여 전력 전송 시험 함.Ⅳ. Research results ㆍ Completed the development of the specifications and designs of the large air-gap wireless power transfer system ㆍ Experimentally demonstrated a 40W power transfer at 60 cm distance ㆍ Working on the development of the resonant inverter and battery charger ㆍ Completed the development of the plastic package for outdoor installation

초록

○ 25kV 가압된 전차선의 상태 모니터링 위해 설치된 장비의 경우 기존에는 고압선의 절연 문제 때문에 지상에서 전선을 이용한 전원공급이 불가능해 배터리를 장착하여 전원 공급 했으며 주기적으로 배터리 교체함.
○ 하지만 배터리 교체 비용이 매회 약 1000만원이며, 연간 약 20억 가량의 유지 보수비용이 발생함.
○ 이러한 전차선 상태 전원 공급 위해 60cm ~ 1m의 거리에 30W 이상의 출력을 가지는 원거리 무선 전력 전송 시스템 개발이 연구 목표임.
○ 본 연구를 통해 직경 30cm 의 급집전 코일 개발을 완료해 코일간 전력전송 효율 43% 및 출력 전력 41W 달성 확인함
○ 무선 급전 시스템의 옥외 설치 위한 방수 방진 패키지 개발했으며, 모의 전철주 및 가동 브라켓 제작하여 전력 전송 시험 함.Ⅳ. Research results
ㆍ Completed the development of the specifications and designs of the large air-gap wireless power transfer system
ㆍ Experimentally demonstrated a 40W power transfer at 60 cm distance
ㆍ Working on the development of the resonant inverter and battery charger
ㆍ Completed the development of the plastic package for outdoor installation

보고서 요약서
보고서 요약서2015.01.01. ~ 당해연도 2015.01.01. ~과제코드 PK1506C5 총연구기간2016.12.31 연구기간 2015.12.31연 구 사 업 명 한국철도기술연구원 주요사업기술 이전 및 실용화 촉진을 위한 산업계 연계 기술개발대과제명연구과 제명전차선 상태 검측장비 충전용 원거리 무선전력전송시스템 개발세부과제명해당단계 총 : 6 명정부: 405,000천원해당단계기업: 135,000천원연구책 임자 이승환 참 여 내부 : 5 명연 구 비계: 540,000천원연구원수 외부 : 1 명연구기관명 및 한국철도기술연구원참여기업명 다현씨엔아이소속부 서명 광역도시교통연구본부국제공동연구 상대국명 : 상대국연구기관명 :위 탁 연 구 연구기관명 : 연구책임자 :요약(연구결과를 중심으로 개조식 500자 이내) 보고서면수 145¡ 25kV 가압된 전차선의 상태 모니터링 위해 설치된 장비의 경우 기존에는 고압선의 절연 문제 때문에 지상에서 전선을 이용한 전원공급이 불가능해 배터리를 장착하여 전원 공급 했으며 주기적으로 배터리 교체함.¡ 하지만 배터리 교체 비용이 매회 약 1000만원이며, 연간 약 20억 가량의 유지 보수비용이 발생함.¡ 이러한 전차선 상태 전원 공급 위해 60cm ~ 1m의 거리에 30W 이상의 출력을 가지는 원거리 무선 전력 전송 시스템 개발이 연구 목표임.¡ 본 연구를 통해 직경 30cm 의 급집전 코일 개발을 완료해 코일간 전력전송효율 43% 및 출력 전력 41W 달성 확인함¡ 무선 급전 시스템의 옥외 설치 위한 방수 방진 패키지 개발했으며, 모의 전철주 및 가동 브라켓 제작하여 전력 전송 시험 함.색 인 어 한 글 무선 전력 전송, 공진, 코일, 원거리, 인버터영 어 Wireless power transfer, resonant, coil, large air-gap, ZVS(각 5개 이상)- iii -- iv -

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보고서 요약서2015.01.01. ~ 당해연도 2015.01.01. ~과제코드 PK1506C5 총연구기간2016.12.31 연구기간 2015.12.31연 구 사 업 명 한국철도기술연구원 주요사업기술 이전 및 실용화 촉진을 위한 산업계 연계 기술개발대과제명연구과 제명전차선 상태 검측장비 충전용 원거리 무선전력전송시스템 개발세부과제명해당단계 총 : 6 명정부: 405,000천원해당단계기업: 135,000천원연구책 임자 이승환 참 여 내부 : 5 명연 구 비계: 540,000천원연구원수 외부 : 1 명연구기관명 및 한국철도기술연구원참여기업명 다현씨엔아이소속부 서명 광역도시교통연구본부국제공동연구 상대국명 : 상대국연구기관명 :위 탁 연 구 연구기관명 : 연구책임자 :요약(연구결과를 중심으로 개조식 500자 이내) 보고서면수 145¡ 25kV 가압된 전차선의 상태 모니터링 위해 설치된 장비의 경우 기존에는 고압선의 절연 문제 때문에 지상에서 전선을 이용한 전원공급이 불가능해 배터리를 장착하여 전원 공급 했으며 주기적으로 배터리 교체함.¡ 하지만 배터리 교체 비용이 매회 약 1000만원이며, 연간 약 20억 가량의 유지 보수비용이 발생함.¡ 이러한 전차선 상태 전원 공급 위해 60cm ~ 1m의 거리에 30W 이상의 출력을 가지는 원거리 무선 전력 전송 시스템 개발이 연구 목표임.¡ 본 연구를 통해 직경 30cm 의 급집전 코일 개발을 완료해 코일간 전력전송효율 43% 및 출력 전력 41W 달성 확인함¡ 무선 급전 시스템의 옥외 설치 위한 방수 방진 패키지 개발했으며, 모의 전철주 및 가동 브라켓 제작하여 전력 전송 시험 함.색 인 어 한 글 무선 전력 전송, 공진, 코일, 원거리, 인버터영 어 Wireless power transfer, resonant, coil, large air-gap, ZVS(각 5개 이상)- iii -- iv -

요 약 문
요 약 문Ⅰ. 제목Ÿ 전차선 상태 검측 장비 충전용 원거리 무선 전력 전송 시스템 개발Ⅱ. 연구개발의 목적 및 필요성Ÿ 전차선 상태 검측 장비는 전차선의 고압으로 인해 지상으로부터 직접 전원 공급이 불가능해 교체형 배터리 주로 이용.Ÿ 배터리 교체에 연간 20억 가량 필요해 검측 장비의 시장확장에 악영향Ÿ 절연 이격 거리 확보하며 충전가능한 60cm 이상 거리용 무선 전력 전송 시스템 개발 필요.Ⅲ. 연구개발의 내용 및 범위Ÿ 원거리(1m 이하) 무선전력전송 송수신 모듈 사양 도출 및 설계Ÿ 원거리(1m 이하) 무선전력전송 송수신 모듈 제작 및 Lab. 규모 성능시험Ÿ 지상 서버와 상태 정보 교환이 가능한 데이터 모니터링 장치 및 간이 부하용배터리 장치 제작Ⅳ. 연구개발결과Ÿ 원거리(1m 이하) 무선전력전송 송수신 모듈 사양 도출 및 설계 완료Ÿ 60cm 거리에서 출력 40W 전력 전송 시험 완료.Ÿ 급전 인버터 및 배터리 충전기 제작 및 시험 중Ÿ 송수신 모듈 패키지 제작 완료.Ⅴ. 연구개발결과의 활용계획Ÿ 원거리 무선전력전송 기술을 전차선 상태검측장비의 충전장치로의 적용을 통하여참여 중소기업으로의 기술 이전 및 신규 국가 R&D 사업 창출에 활용Ÿ 참여 중소기업의 철도 시장에서의 다양한 검측장비 관련 신 비즈니즈 모델 창출에활용- v -

요 약 문

요 약 문Ⅰ. 제목Ÿ 전차선 상태 검측 장비 충전용 원거리 무선 전력 전송 시스템 개발Ⅱ. 연구개발의 목적 및 필요성Ÿ 전차선 상태 검측 장비는 전차선의 고압으로 인해 지상으로부터 직접 전원 공급이 불가능해 교체형 배터리 주로 이용.Ÿ 배터리 교체에 연간 20억 가량 필요해 검측 장비의 시장확장에 악영향Ÿ 절연 이격 거리 확보하며 충전가능한 60cm 이상 거리용 무선 전력 전송 시스템 개발 필요.Ⅲ. 연구개발의 내용 및 범위Ÿ 원거리(1m 이하) 무선전력전송 송수신 모듈 사양 도출 및 설계Ÿ 원거리(1m 이하) 무선전력전송 송수신 모듈 제작 및 Lab. 규모 성능시험Ÿ 지상 서버와 상태 정보 교환이 가능한 데이터 모니터링 장치 및 간이 부하용배터리 장치 제작Ⅳ. 연구개발결과Ÿ 원거리(1m 이하) 무선전력전송 송수신 모듈 사양 도출 및 설계 완료Ÿ 60cm 거리에서 출력 40W 전력 전송 시험 완료.Ÿ 급전 인버터 및 배터리 충전기 제작 및 시험 중Ÿ 송수신 모듈 패키지 제작 완료.Ⅴ. 연구개발결과의 활용계획Ÿ 원거리 무선전력전송 기술을 전차선 상태검측장비의 충전장치로의 적용을 통하여참여 중소기업으로의 기술 이전 및 신규 국가 R&D 사업 창출에 활용Ÿ 참여 중소기업의 철도 시장에서의 다양한 검측장비 관련 신 비즈니즈 모델 창출에활용- v -

SUMMARY
SUMMARYⅠ. TitleŸ Development of the Long-range Wireless Power Transfer System for TelemetryMonitoring Devices on the Catenary SystemⅡ. PurposeŸ Conventional catenary monitoring systems use batteries instead of power cables because ofthe insulation issue between the high voltage at the catenary (25kV) and the ground.Ÿ It costs 2 million dollars/yr.Ÿ Therefore, an over 60cm (insulation distance) wireless power transfer is requiredin order to reduce the maintenance efforts and costs.Ⅲ. Research scopeŸ Development of the specifications and designs of the large air-gap wireless powertransfer system.Ÿ Experimental evaluation of the designed wireless power transfer system.Ÿ Development of a data monitoring system and a load for the laboratory test.Ⅳ. Research resultsŸ Completed the development of the specifications and designs of the large air-gapwireless power transfer systemŸ Experimentally demonstrated a 40W power transfer at 60 cm distanceŸ Working on the development of the resonant inverter and battery chargerŸ Completed the development of the plastic package for outdoor installation.ŸⅤ. ApplicationsŸ The know-how will be transferred to the medium and small-sized companies in orderto increase their share of the market.Ÿ The results of this research can be applied to any telemetry systems that needs largeair-gap wireless power transfer system.- vi -

SUMMARY

SUMMARYⅠ. TitleŸ Development of the Long-range Wireless Power Transfer System for TelemetryMonitoring Devices on the Catenary SystemⅡ. PurposeŸ Conventional catenary monitoring systems use batteries instead of power cables because ofthe insulation issue between the high voltage at the catenary (25kV) and the ground.Ÿ It costs 2 million dollars/yr.Ÿ Therefore, an over 60cm (insulation distance) wireless power transfer is requiredin order to reduce the maintenance efforts and costs.Ⅲ. Research scopeŸ Development of the specifications and designs of the large air-gap wireless powertransfer system.Ÿ Experimental evaluation of the designed wireless power transfer system.Ÿ Development of a data monitoring system and a load for the laboratory test.Ⅳ. Research resultsŸ Completed the development of the specifications and designs of the large air-gapwireless power transfer systemŸ Experimentally demonstrated a 40W power transfer at 60 cm distanceŸ Working on the development of the resonant inverter and battery chargerŸ Completed the development of the plastic package for outdoor installation.ŸⅤ. ApplicationsŸ The know-how will be transferred to the medium and small-sized companies in orderto increase their share of the market.Ÿ The results of this research can be applied to any telemetry systems that needs largeair-gap wireless power transfer system.- vi -

제1장 연구개발과제의 개요
제1장 연구개발과제의 개요제1절 연구 개발 배경 및 필요성1. 연구개발 배경Ÿ 철도 인프라에서 전차선/판토그래프 간의 압상량이나 아크 전류 검측장비와 같은다양한 상태 검측장비의 전원 공급 장치는 주로 배터리가 이용되고 있음.Ÿ 이러한 검측장비의 경우, 배터리를 유선으로 충전할 수 없는 경우가 대부분이므로24시간 연속적으로 검측을 해야 하는 장비의 경우 전원공급용 배터리의 사용에있어서 충전 방안에 대한 대책이 필요함.Ÿ 기존의 방식은 배터리를 분리하여 충전 후 재장착하는 방식과 태양광발전을 통한배터리 충전방식이 적용되고 있으나. 비용적 측면과 효율성 측면에서 사용자의만족을 얻지 못하고 있는 상황임.그림 1.1 교체형 배터리를 이용한 기존 전차선 상태 검측장치- 1 -그림 1.2 기존 시스템의 전원공급 방식 및 문제점2. 연구개발 필요성Ÿ 전차선의 다양한 상태 검측장비의 경우 측정 장비의 전원을 배터리를 사용하여공급하고 있음.Ÿ 검측장비의 배터리가 소진되었을 경우 전차선의 전원을 끄고 배터리를교환해야하기 때문에 유지보수에 있어서 많은 비용과 인력 및 장비가 필요한상황임. (1,000만원/1회 * 1회/2일 * 365일/년 = 18 억원/년) 이러한 전차선 상태검측 장비의 시장 확대를 위해서는 전력 공급 문제의 해결이 필수적임.Ÿ 일반적으로 전차선의 다양한 상태 검측장비의 외함은 전차선과 전기적으로 연결이되어 25kV가 접지로 활용되고 있으며, 검측장비의 DC 전원을 지상에서 공급하면지상접지와 검측장비의 접지 사이의 전압차 (25kV)가 발생하기 때문에 지상의안전 문제와 검측 장비의 손상이 발생할 수 있음.Ÿ 따라서 본 연구에서는 25kV 가압된 전차선의 다양한 상태 검측장비용 배터리를충전하기 위한 기술로써 원거리 무선전력전송 기술을 적용하고자 함.Ÿ 원거리 무선전력전송 방식을 이용하여 지상에서 검측장비로 전원을 공급하는기술을 개발하고자 하며, 특히 전차선의 다양한 상태 검측장비를 개발/납품하고- 2 -있는 중소기업을 지원하기 위해서는 안전한 비접촉 충전 기술을 획득하여야 하며이를 위해 원거리 무선전력전송 기술의 연구가 필요함.Ÿ 철도 인프라에서 사용되고 있는 다양한 상태 검측장비에 원거리 무선전력전송기술을 이용한 충전기술을 추가한다면 향후 다양한 상태 검측장비 관련 기술의판매에 있어서 시너지 효과가 있을 것으로 판단됨.Ÿ 기존 철도연에서 진행했던 무선 전력 전송을 이용한 대전력 전송 기술과의차별성은 다음과 같음.표 1.1 기존 대전력 무선 전송 기술과 원거리 무선 전력 전송 기술 차이점기존 철도차량용 무선전력전송 기술 원거리 무선전력전송 기술0.6 ~1m전송거리 (25kV 고압환경에서수 cm및 설정기준 애자절연거리가 0.6m 이상임. 이에절연거리를 고려하여 설정)공진주파수 20, 60kHz 3.68, 6.78MHzMHz급 주파수 대역을 사용하기특징 송수신모듈에 코어가 있는 구조 때문에 송수신모듈의 코어리스설계가 중요그림 1.3 기존의 전차선 상태검측장치에 원거리 무선전력전송 배터리 충전기술 적용 방안- 3 -제2절 연구 개발 목표1. 연구개발의 최종목표가. 최종목표Ÿ 전차선 상태 검측장비 충전용 원거리(1m 이하) 무선전력전송 모듈 개발 및현장적용 시험을 통한 신뢰성 확보- 무선전력 송수신거리 0.6∼1m- 송수신코일 직경 0.3m- 공진인버터 용량 100W- 전력전송 용량 30 W 이상- 전력전송 효율 30 % 이상그림 1.4 신규 전차선 상태 검측 장비용 원거리 무선 전력 전송 전원 공급 장치의 구성나. 기술준비수준(TRL, Technology Readiness Level)“개발전(현재) : 2단계 → 개발후(목표달성후) : 7단계”다. 연구개발과제의 핵심어(keyword)- 4 -핵심어 핵심어1 핵심어2 핵심어3 핵심어4 핵심어5국문 무선전력전송 원거리 공진형인버터 송수신코일 상태검측장비TransmissionWireless Telemetry영문 Resonant andpower Long-range monitoringinverter receivingtransfer devicecoil2. 연차별 연구목표 및 내용가. 연구목표 및 내용구 분 연구개발 목표 연구개발 내용 및 범위 연구비(백만원)□ 원거리(1m 이하) 무선전력전송 송수신 모듈 사양 도출 및 설계▪고주파(3.6MHz 또는 6.78MHz) 공진형 인버터 설계▪송수신 공진코일 구조 및 자기장 조절을위한 송수신 코어형상 설계▪전압 안정화 장치 설계▪성능 측정방법 도출§ 전차선 상태 검측장비 충전용 원거리(1m □ 원거리(1m 이하) 무선전력전송 송수신 모1차년도이하) 무선전력전송 듈 제작 및 Lab. 규모 성능시험 540(2015)송수신 모듈 제작 및 ▪고주파(3.6MHz 또는 6.78MHz) 공진형 인Lab. 규모 성능시험 버터 제작▪송수신 공진 코일 제작▪전압 안정화 장치 제작▪공진형 인버터와 배터리 Charger간 양방향 무선통신 모듈 제작▪전차선에 설치를 위한 무선전력전송 송수신 모듈의 패키지 구조 및 방수/방진 설계▪패키지형 원거리 무선전력전송 송수신 모- 5 -듈 설계 및 제작▪배터리 부하 활용 Lab. 규모 성능시험□ 데이터 모니터링 장치 및 간이부하용 배터리 장치 제작▪데이터 모니터링 장치 설계 및 제작▪간이부하용 배터리 장치 제작 □ 원거리 무선전력전송 송수신 시스템 보완및 실용 모델(안) 도출▪무선전력전송 시스템 용량 및 효율 개선▪전자계 Full-wave 해석 이용한 송수신코일 구조 및 인버터 효율 개선안 도출▪급집전 모듈간 무선 통신 이용한 제어기제거▪외기 영향 (태풍, 방수, 방진, 진동) 최소화 위한 패키지 구조 최적화▪가동 브라켓에 장착 위한 체결장치 제작▪최종 원거리 무선전력전송 송수신 시스템§ 전차선 상태 검측장 (안) 도출비 충전용 원거리(1m2차년도이하) 무선전력전송□ 부하용 전차선 상태 검측장비 제작송수신 모듈의 실 전 ▪ 486지상서버와 상태 정보교환이 가능한 부하(2016)차선 환경 적용 위한 용 전차선 상태 검측장비 설계/제작인증시험□ 원거리 무선전력전송시스템의 고압/온도/EMC 인증시험 수행▪25kV 이상 내전압 시험 수행▪저온/고온 조건에서의 동작 시험 수행▪EMC 인증 시험 수행□ 전차선 상태 검측장비 충전용 원거리 무선전력전송 송수신 모듈의 실용화위한 제반사항 준비▪ 공동 연구기관의 철도시설공단 시설성능검증 절차 진행 위한 기술 지원- 6 -나. 당해년도(2015년) 세부목표 및 내용□ 연구목표Ÿ 전차선 상태 검측장비 충전용 원거리(1m 이하) 무선전력전송 송수신 모듈 제작 및 Lab. 규모 성능시험□ 세부목표Ÿ 원거리(1m 이하) 무선전력전송 송수신 모듈 사양 도출 및 설계Ÿ Lab. 테스트용 원거리(1m 이하) 무선전력전송 송수신 모듈 제작 및 성능시험Ÿ 패키지형 원거리 무선전력전송 송수신 모듈 설계, 제작 및 Lab. 규모 성능시험Ÿ 데이터 모니터링 장치 및 간이 부하용 배터리 장치 제작□ 연구내용 및 범위Ÿ 원거리(1m 이하) 무선전력전송 송수신 모듈 사양 도출 및 설계- 고주파(3.6MHz 또는 6.78MHz) 공진형 인버터 설계- 송수신 공진코일 구조 및 자기장 조절을 위한 송수신 코어형상 설계- 전압 안정화 장치 설계- 성능 측정방법 도출Ÿ 원거리(1m 이하) 무선전력전송 송수신 모듈 제작 및 Lab. 규모 성능시험- 고주파(3.6MHz 또는 6.78MHz) 공진형 인버터 제작- 송수신 공진 코일 제작- 전압 안정화 장치 제작- 공진형 인버터와 배터리 Charger간 양방향 무선통신 모듈 제작- 전차선에 설치를 위한 무선전력전송 송수신 모듈의 패키지 구조 및 방수/방진설계- 패키지형 원거리 무선전력전송 송수신 모듈 설계 및 제작- 배터리 부하 활용 Lab. 규모 성능시험Ÿ 지상 서버와 상태 정보 교환이 가능한 데이터 모니터링 장치 및 간이 부하용- 7 -배터리 장치 제작- 지상 서버와 상태 정보 교환이 가능한 데이터 모니터링 장치 설계 및 제작- 간이 부하용 배터리 장치 제작□ 연구 성과물(품)Ÿ Lab. 테스트용 100W급 원거리(1m 이하) 무선전력전송 장치- 100W급 공진형 인버터, Dia. 300mm급 송수신 코일, 정류기 & 배터리ChargerŸ 패키지형 원거리 무선전력전송 송수신 모듈- 고주파(3.6MHz 또는 6.78MHz) 100W급 공진형 인버터- 송수신 공진코일(공극 1m 이하)- 100W급 정류기 & 배터리 Charger- 공진형 인버터와 배터리 Charger간 양방향 무선통신 모듈- 방수/방진 구조가 고려된 패키지형 구조Ÿ 데이터 모니터링 장치 및 간이 부하용 배터리 장치- 무선전력전송 송수신 모듈 및 전차선 상태검측장비에서의 검측데이터를 모니터링할 DAQ 장치- 12V 배터리를 포함한 간이 부하용 배터리 장치- 8 -그림 1.5 원거리 무선 전력 전송 송수신 모듈 구성품- 9 -제3절 연구 개발 내용 요약요약서 (총괄 연구개발목표)과 제 명 전차선 상태 검측장비 충전용 원거리 무선전력전송시스템 개발최종목표 전차선 상태 검측장비 충전용 원거리(1m 이하) 무선전력전송 모듈 개발 및 현장적용 시험을 통한 신뢰성 확보요약서 (연차별 목표 및 연구내용)구분 연구목표 연구개발 내용 및 범위 해당년도 □ 원거리(1m 이하) 무선전력전송 송수신 모듈 사양 도출 및 설계 ▪ 고주파(3.6MHz 또는 6.78MHz) 공진형 인버터 설계 ▪ 송수신 공진코일 구조 및 자기장 조절을 위한 송수신 코어형상 설계 ▪ 전압 안정화 장치 설계 ▪ 성능 측정방법 도출 □ 원거리(1m 이하) 무선전력전송 송수신 모듈 제작 및 Lab. 규모 성능시험1 ▪ 고주파(3.6MHz 또는 6.78MHz) 공진형 차 § 전차선 상태 검측장비 충전용 인버터 제작년 원거리(1m 이하) 무선전력전 ▪ 송수신 공진 코일 제작 송 송수신 모듈 제작 및 Lab. ▪ 전압 안정화 장치 제작 ○도 규모 성능시험 ▪ 공진형 인버터와 배터리 Charger간 양(2015) 방향 무선통신 모듈 제작 ▪ 전차선에 설치를 위한 무선전력전송 송수신 모듈의 패키지 구조 및 방수/방진 설계 ▪ 패키지형 원거리 무선전력전송 송수신 모듈 설계 및 제작 ▪ 배터리 부하 활용 Lab. 규모 성능시험 □ 데이터 모니터링 장치 및 간이부하용 배터리 장치 제작 ▪ 데이터 모니터링 장치 설계 및 제작 ▪ 간이부하용 배터리 장치 제작- 10 - □ 원거리 무선전력전송 송수신 시스템 보완 및 실용 모델(안) 도출 ▪ 무선전력전송 시스템 용량 및 효율 개선 ▪ 전자계 Full-wave 해석 이용한 송수신 코일 구조 및 인버터 효율 개선안 도출 ▪ 급집전 모듈간 무선 통신 이용한 제어기 제거 ▪ 외기 영향 (태풍, 방수, 방진, 진동) 최소화 위한 패키지 구조 최적화 ▪ 가동 브라켓에 장착 위한 체결장치 제작2 ▪ 최종 원거리 무선전력전송 송수신 시스차 § 전차선 상태 검측장비 충전용 템(안) 도출 년 원거리(1m 이하) 무선전력전송 송수신 모듈의 실 전차선 □ 부하용 전차선 상태 검측장비 제작도 환경 적용 위한 인증시험 ▪ 지상서버와 상태 정보교환이 가능한 부(2016) 하용 전차선 상태 검측장비 설계/제작□ 원거리 무선전력전송시스템의 고압/온도/EMC 인증시험 수행 ▪ 25kV 이상 내전압 시험 수행 ▪ 저온/고온 조건에서의 동작 시험 수행 ▪ EMC 인증 시험 수행□ 전차선 상태 검측장비 충전용 원거리 무선전력전송 송수신 모듈의 실용화위한 제반 사항 준비 ▪ 공동 연구기관의 철도시설공단 시설성능검증 절차 진행 위한 기술 지원- 11 -요약서 (성과목표/지표)유 형 지표구분 성과지표 1차(2015년) 목표 2차(2016년) 목표 최종 목표무선전력 송수신거리 0.6~1m 무선전력 송수신거리 0.6~1mLab. 테스트용 100W급 송수신코일 직경 0.3m 송수신코일 직경 0.3m원거리(1m 이하) 인버터 용량 100W 인버터 용량 100W무선전력전송 장치 개발 전력전송 용량 30 W 이상- 전력전송 용량 30 W 이상전력전송 효율 30 % 이상 전력전송 효율 30 % 이상(TRL 4) (TRL 4)기술혁신 무선전력 송수신거리 0.6~1m 5kV 패키지형 원거리 무선전력전송 송수신코일 직경 0.3m내전압 정격 75kV 내전압 정격 7온도 성능 –20~60℃송수신 모듈 개발 전력전송 용량 30 W 이상온도 성능 –20~60℃전력전송 효율 30 % 이상 실 현장테스트를 통한 신뢰성 확보 실 현장테스트를 통한 신뢰성 확보기술적 성과 (TRL 5 ~ 6) (TRL 7) (TRL 7)무선통신 적용 데이터 모니터링 장치 및 부하용 Wifi 2.4GHz 적용, 통신가능거리 6m 실 현장테스트를 통한 신뢰성 확보Wifi 2.4GHz 적용, 통신가능거리 6m전차선 상태검측장비 개발 (TRL 5 ~ 6) (TRL 7)실 현장테스트를 통한 신뢰성 확보 (TRL 7)국외 등록출원특허 (유․무상)기술이전BBB 이상 등록 1 1국내 BBB 이하 등록출원 2 2 4SCI(E) IF 상위 20% 1 1과학적 성과 논문 IF 상위 20% 미만 1 1국외 저널 심사지KCI 등재지 2 2 4경제적 성과 기술료 금액(백만원)사회적 성과 기술규격 철도표준규격 및 기술기준(건)정책효과 정책활용(건)언론매체 홍보건수성과확산 기술거래소 등록, MOU 체결기타 세미나 개최, 기타등기타 기타 성과들(학술대회 발표건은 적지말 것)- 12 -요약서 (연구성과 및 활용방안)<성과활용 방안>- 원거리 무선전력전송시스템의 핵심기술 개발을 통하여 성능 검증 및 효율적 활용에 대한 운영 모델로 활용- 향후 국내외에서 추진되고 있는 원거리 무선전력전송시스템을 위한 기초 기술 및 핵심장치 개발에 활용- 향후 국내외에서 추진되는 공진형 MHz 급 200W 이하급 모바일용 및 산업용 무선전력전송시스템 개발을 위한 기초 기술로 활용- 원거리 무선전력전송 기술을 전차선 상태검측장비의 충전장치로의 적용을 통하여 참여 중소기업으로의 기술 이전 및 신규 국가 R&D 사업 창출에 활용- 참여 중소기업의 철도 시장에서의 다양한 검측장비 관련 신 비즈니즈 모델 창출에 활용활용방안<성과확산 계획>- 전차선로 상태 검측장치 충전용 무선전력전송장치 기술 개발로 전차선로 상태 검측장치의 유지보수비를 대폭 줄일 수 있으므로, 이의 활용도에 대해 철도운영기관에 적극적 홍보를 통하여, 향후 제품 활용도를 더욱 확대시킬 계획임- 다양한 고속철도용 검측장치에 무선전력전송을 이용한 충전기술이 더해지므로써, 국외 고속철도용 검측시장에서 국내 개발 검측장치의 경쟁력을 더욱 높일 수 있으며, 이에 검측 기술의 해외 검측시장 선점이 가능할 것이므로, 국내 철도기관의 해외 진출 시 기술 우위를 선점하기 위한 보유 기술로 확대 활용- 고부가가치형 검측장치용 전력공급시스템으로서 산업체로의 기술이전 가능 및 기술 선점으로 수출 동력화 추진- 철도시스템 분야 국가 경쟁력 확보 및 철도차량 분야의 세계시장 선도에 기여- 2017년도에 약 10억불 정도에 달할 것으로 예상되며, 2020년에는 세계적으로 150억불에 달할 것으로 예상되는 무선 충전기 시장의 핵심 기술로 적용 가능함 (‘13년 MarketsandMarkets 및 ’12년 IMS 리서치). - 세계 시장의 50% (2020년에 80억불로 성장 예상)를 차지하는 기대효과 200W 이하급 모바일 및 산업용 무선 충전기 시장 적용 가능함.(기술적, 정량적 - 국내시장 검측기 수입 규모는 350억 [2003-2007 수입분] 정도이사회적, 기대효과 므로 전차선로가 건설비 대비 10% 정도인 점을 감안하여도 2020경제적) 년까지 [350억×10%(전차선로분야)] 35억 정도의 전차선로 검측기 수입 규모가 형성된다고 볼 수 있음. 따라서 전차선로 검측기에 비접촉 충전장치를 탑재한다면 35억 정도의 수입 규모 대체 효과 발생 가능함. - 배터리 교체 필요성 없어짐에 따라 연간 18억원 규모의 유지보수비 절감에 따른 검측기 시장 확대 가능함. (모터카+인건비 등의 배터리 교체 비용 = 1,000만원/회 * 1회/2일 * 365일/년)- 13 -- 국내 기술로 개발한 전차선로 상태 검측장치에 충전용 무선전력전송장치를 적용함으로써 전차선로 상태 검측장치의 신뢰성을 더욱 높일 수 있음. 정성적 - 전차선로 상태 검측장치 충전용 무선전력전송장치 기술 개발로 전기대효과 차선로 상태 검측장치의 유지보수비를 대폭 줄일 수 있으며, 이에 활용도를 더욱 확대시킬 수 있음.- 국외 고속철도용 검측시장에서 국내 개발 검측장치의 경쟁력을 더욱 높일 수 있으며, 이에 검측 기술의 해외 검측시장 선점이 가능함.요약서 (핵심어)핵심어 핵심어1 핵심어2 핵심어3 핵심어4 핵심어5국문 무선전력전송 원거리 공진형인버터 송수신코일 상태검측장비영문 Wireless mission Telemetry power transfer Long-rangeResonant Transinverter and receiving monitoring coil device- 14 -

제1장 연구개발과제의 개요

제1장 연구개발과제의 개요제1절 연구 개발 배경 및 필요성1. 연구개발 배경Ÿ 철도 인프라에서 전차선/판토그래프 간의 압상량이나 아크 전류 검측장비와 같은다양한 상태 검측장비의 전원 공급 장치는 주로 배터리가 이용되고 있음.Ÿ 이러한 검측장비의 경우, 배터리를 유선으로 충전할 수 없는 경우가 대부분이므로24시간 연속적으로 검측을 해야 하는 장비의 경우 전원공급용 배터리의 사용에있어서 충전 방안에 대한 대책이 필요함.Ÿ 기존의 방식은 배터리를 분리하여 충전 후 재장착하는 방식과 태양광발전을 통한배터리 충전방식이 적용되고 있으나. 비용적 측면과 효율성 측면에서 사용자의만족을 얻지 못하고 있는 상황임.그림 1.1 교체형 배터리를 이용한 기존 전차선 상태 검측장치- 1 -그림 1.2 기존 시스템의 전원공급 방식 및 문제점2. 연구개발 필요성Ÿ 전차선의 다양한 상태 검측장비의 경우 측정 장비의 전원을 배터리를 사용하여공급하고 있음.Ÿ 검측장비의 배터리가 소진되었을 경우 전차선의 전원을 끄고 배터리를교환해야하기 때문에 유지보수에 있어서 많은 비용과 인력 및 장비가 필요한상황임. (1,000만원/1회 * 1회/2일 * 365일/년 = 18 억원/년) 이러한 전차선 상태검측 장비의 시장 확대를 위해서는 전력 공급 문제의 해결이 필수적임.Ÿ 일반적으로 전차선의 다양한 상태 검측장비의 외함은 전차선과 전기적으로 연결이되어 25kV가 접지로 활용되고 있으며, 검측장비의 DC 전원을 지상에서 공급하면지상접지와 검측장비의 접지 사이의 전압차 (25kV)가 발생하기 때문에 지상의안전 문제와 검측 장비의 손상이 발생할 수 있음.Ÿ 따라서 본 연구에서는 25kV 가압된 전차선의 다양한 상태 검측장비용 배터리를충전하기 위한 기술로써 원거리 무선전력전송 기술을 적용하고자 함.Ÿ 원거리 무선전력전송 방식을 이용하여 지상에서 검측장비로 전원을 공급하는기술을 개발하고자 하며, 특히 전차선의 다양한 상태 검측장비를 개발/납품하고- 2 -있는 중소기업을 지원하기 위해서는 안전한 비접촉 충전 기술을 획득하여야 하며이를 위해 원거리 무선전력전송 기술의 연구가 필요함.Ÿ 철도 인프라에서 사용되고 있는 다양한 상태 검측장비에 원거리 무선전력전송기술을 이용한 충전기술을 추가한다면 향후 다양한 상태 검측장비 관련 기술의판매에 있어서 시너지 효과가 있을 것으로 판단됨.Ÿ 기존 철도연에서 진행했던 무선 전력 전송을 이용한 대전력 전송 기술과의차별성은 다음과 같음.표 1.1 기존 대전력 무선 전송 기술과 원거리 무선 전력 전송 기술 차이점기존 철도차량용 무선전력전송 기술 원거리 무선전력전송 기술0.6 ~1m전송거리 (25kV 고압환경에서수 cm및 설정기준 애자절연거리가 0.6m 이상임. 이에절연거리를 고려하여 설정)공진주파수 20, 60kHz 3.68, 6.78MHzMHz급 주파수 대역을 사용하기특징 송수신모듈에 코어가 있는 구조 때문에 송수신모듈의 코어리스설계가 중요그림 1.3 기존의 전차선 상태검측장치에 원거리 무선전력전송 배터리 충전기술 적용 방안- 3 -제2절 연구 개발 목표1. 연구개발의 최종목표가. 최종목표Ÿ 전차선 상태 검측장비 충전용 원거리(1m 이하) 무선전력전송 모듈 개발 및현장적용 시험을 통한 신뢰성 확보- 무선전력 송수신거리 0.6∼1m- 송수신코일 직경 0.3m- 공진인버터 용량 100W- 전력전송 용량 30 W 이상- 전력전송 효율 30 % 이상그림 1.4 신규 전차선 상태 검측 장비용 원거리 무선 전력 전송 전원 공급 장치의 구성나. 기술준비수준(TRL, Technology Readiness Level)“개발전(현재) : 2단계 → 개발후(목표달성후) : 7단계”다. 연구개발과제의 핵심어(keyword)- 4 -핵심어 핵심어1 핵심어2 핵심어3 핵심어4 핵심어5국문 무선전력전송 원거리 공진형인버터 송수신코일 상태검측장비TransmissionWireless Telemetry영문 Resonant andpower Long-range monitoringinverter receivingtransfer devicecoil2. 연차별 연구목표 및 내용가. 연구목표 및 내용구 분 연구개발 목표 연구개발 내용 및 범위 연구비(백만원)□ 원거리(1m 이하) 무선전력전송 송수신 모듈 사양 도출 및 설계▪고주파(3.6MHz 또는 6.78MHz) 공진형 인버터 설계▪송수신 공진코일 구조 및 자기장 조절을위한 송수신 코어형상 설계▪전압 안정화 장치 설계▪성능 측정방법 도출§ 전차선 상태 검측장비 충전용 원거리(1m □ 원거리(1m 이하) 무선전력전송 송수신 모1차년도이하) 무선전력전송 듈 제작 및 Lab. 규모 성능시험 540(2015)송수신 모듈 제작 및 ▪고주파(3.6MHz 또는 6.78MHz) 공진형 인Lab. 규모 성능시험 버터 제작▪송수신 공진 코일 제작▪전압 안정화 장치 제작▪공진형 인버터와 배터리 Charger간 양방향 무선통신 모듈 제작▪전차선에 설치를 위한 무선전력전송 송수신 모듈의 패키지 구조 및 방수/방진 설계▪패키지형 원거리 무선전력전송 송수신 모- 5 -듈 설계 및 제작▪배터리 부하 활용 Lab. 규모 성능시험□ 데이터 모니터링 장치 및 간이부하용 배터리 장치 제작▪데이터 모니터링 장치 설계 및 제작▪간이부하용 배터리 장치 제작 □ 원거리 무선전력전송 송수신 시스템 보완및 실용 모델(안) 도출▪무선전력전송 시스템 용량 및 효율 개선▪전자계 Full-wave 해석 이용한 송수신코일 구조 및 인버터 효율 개선안 도출▪급집전 모듈간 무선 통신 이용한 제어기제거▪외기 영향 (태풍, 방수, 방진, 진동) 최소화 위한 패키지 구조 최적화▪가동 브라켓에 장착 위한 체결장치 제작▪최종 원거리 무선전력전송 송수신 시스템§ 전차선 상태 검측장 (안) 도출비 충전용 원거리(1m2차년도이하) 무선전력전송□ 부하용 전차선 상태 검측장비 제작송수신 모듈의 실 전 ▪ 486지상서버와 상태 정보교환이 가능한 부하(2016)차선 환경 적용 위한 용 전차선 상태 검측장비 설계/제작인증시험□ 원거리 무선전력전송시스템의 고압/온도/EMC 인증시험 수행▪25kV 이상 내전압 시험 수행▪저온/고온 조건에서의 동작 시험 수행▪EMC 인증 시험 수행□ 전차선 상태 검측장비 충전용 원거리 무선전력전송 송수신 모듈의 실용화위한 제반사항 준비▪ 공동 연구기관의 철도시설공단 시설성능검증 절차 진행 위한 기술 지원- 6 -나. 당해년도(2015년) 세부목표 및 내용□ 연구목표Ÿ 전차선 상태 검측장비 충전용 원거리(1m 이하) 무선전력전송 송수신 모듈 제작 및 Lab. 규모 성능시험□ 세부목표Ÿ 원거리(1m 이하) 무선전력전송 송수신 모듈 사양 도출 및 설계Ÿ Lab. 테스트용 원거리(1m 이하) 무선전력전송 송수신 모듈 제작 및 성능시험Ÿ 패키지형 원거리 무선전력전송 송수신 모듈 설계, 제작 및 Lab. 규모 성능시험Ÿ 데이터 모니터링 장치 및 간이 부하용 배터리 장치 제작□ 연구내용 및 범위Ÿ 원거리(1m 이하) 무선전력전송 송수신 모듈 사양 도출 및 설계- 고주파(3.6MHz 또는 6.78MHz) 공진형 인버터 설계- 송수신 공진코일 구조 및 자기장 조절을 위한 송수신 코어형상 설계- 전압 안정화 장치 설계- 성능 측정방법 도출Ÿ 원거리(1m 이하) 무선전력전송 송수신 모듈 제작 및 Lab. 규모 성능시험- 고주파(3.6MHz 또는 6.78MHz) 공진형 인버터 제작- 송수신 공진 코일 제작- 전압 안정화 장치 제작- 공진형 인버터와 배터리 Charger간 양방향 무선통신 모듈 제작- 전차선에 설치를 위한 무선전력전송 송수신 모듈의 패키지 구조 및 방수/방진설계- 패키지형 원거리 무선전력전송 송수신 모듈 설계 및 제작- 배터리 부하 활용 Lab. 규모 성능시험Ÿ 지상 서버와 상태 정보 교환이 가능한 데이터 모니터링 장치 및 간이 부하용- 7 -배터리 장치 제작- 지상 서버와 상태 정보 교환이 가능한 데이터 모니터링 장치 설계 및 제작- 간이 부하용 배터리 장치 제작□ 연구 성과물(품)Ÿ Lab. 테스트용 100W급 원거리(1m 이하) 무선전력전송 장치- 100W급 공진형 인버터, Dia. 300mm급 송수신 코일, 정류기 & 배터리ChargerŸ 패키지형 원거리 무선전력전송 송수신 모듈- 고주파(3.6MHz 또는 6.78MHz) 100W급 공진형 인버터- 송수신 공진코일(공극 1m 이하)- 100W급 정류기 & 배터리 Charger- 공진형 인버터와 배터리 Charger간 양방향 무선통신 모듈- 방수/방진 구조가 고려된 패키지형 구조Ÿ 데이터 모니터링 장치 및 간이 부하용 배터리 장치- 무선전력전송 송수신 모듈 및 전차선 상태검측장비에서의 검측데이터를 모니터링할 DAQ 장치- 12V 배터리를 포함한 간이 부하용 배터리 장치- 8 -그림 1.5 원거리 무선 전력 전송 송수신 모듈 구성품- 9 -제3절 연구 개발 내용 요약요약서 (총괄 연구개발목표)과 제 명 전차선 상태 검측장비 충전용 원거리 무선전력전송시스템 개발최종목표 전차선 상태 검측장비 충전용 원거리(1m 이하) 무선전력전송 모듈 개발 및 현장적용 시험을 통한 신뢰성 확보요약서 (연차별 목표 및 연구내용)구분 연구목표 연구개발 내용 및 범위 해당년도 □ 원거리(1m 이하) 무선전력전송 송수신 모듈 사양 도출 및 설계 ▪ 고주파(3.6MHz 또는 6.78MHz) 공진형 인버터 설계 ▪ 송수신 공진코일 구조 및 자기장 조절을 위한 송수신 코어형상 설계 ▪ 전압 안정화 장치 설계 ▪ 성능 측정방법 도출 □ 원거리(1m 이하) 무선전력전송 송수신 모듈 제작 및 Lab. 규모 성능시험1 ▪ 고주파(3.6MHz 또는 6.78MHz) 공진형 차 § 전차선 상태 검측장비 충전용 인버터 제작년 원거리(1m 이하) 무선전력전 ▪ 송수신 공진 코일 제작 송 송수신 모듈 제작 및 Lab. ▪ 전압 안정화 장치 제작 ○도 규모 성능시험 ▪ 공진형 인버터와 배터리 Charger간 양(2015) 방향 무선통신 모듈 제작 ▪ 전차선에 설치를 위한 무선전력전송 송수신 모듈의 패키지 구조 및 방수/방진 설계 ▪ 패키지형 원거리 무선전력전송 송수신 모듈 설계 및 제작 ▪ 배터리 부하 활용 Lab. 규모 성능시험 □ 데이터 모니터링 장치 및 간이부하용 배터리 장치 제작 ▪ 데이터 모니터링 장치 설계 및 제작 ▪ 간이부하용 배터리 장치 제작- 10 - □ 원거리 무선전력전송 송수신 시스템 보완 및 실용 모델(안) 도출 ▪ 무선전력전송 시스템 용량 및 효율 개선 ▪ 전자계 Full-wave 해석 이용한 송수신 코일 구조 및 인버터 효율 개선안 도출 ▪ 급집전 모듈간 무선 통신 이용한 제어기 제거 ▪ 외기 영향 (태풍, 방수, 방진, 진동) 최소화 위한 패키지 구조 최적화 ▪ 가동 브라켓에 장착 위한 체결장치 제작2 ▪ 최종 원거리 무선전력전송 송수신 시스차 § 전차선 상태 검측장비 충전용 템(안) 도출 년 원거리(1m 이하) 무선전력전송 송수신 모듈의 실 전차선 □ 부하용 전차선 상태 검측장비 제작도 환경 적용 위한 인증시험 ▪ 지상서버와 상태 정보교환이 가능한 부(2016) 하용 전차선 상태 검측장비 설계/제작□ 원거리 무선전력전송시스템의 고압/온도/EMC 인증시험 수행 ▪ 25kV 이상 내전압 시험 수행 ▪ 저온/고온 조건에서의 동작 시험 수행 ▪ EMC 인증 시험 수행□ 전차선 상태 검측장비 충전용 원거리 무선전력전송 송수신 모듈의 실용화위한 제반 사항 준비 ▪ 공동 연구기관의 철도시설공단 시설성능검증 절차 진행 위한 기술 지원- 11 -요약서 (성과목표/지표)유 형 지표구분 성과지표 1차(2015년) 목표 2차(2016년) 목표 최종 목표무선전력 송수신거리 0.6~1m 무선전력 송수신거리 0.6~1mLab. 테스트용 100W급 송수신코일 직경 0.3m 송수신코일 직경 0.3m원거리(1m 이하) 인버터 용량 100W 인버터 용량 100W무선전력전송 장치 개발 전력전송 용량 30 W 이상- 전력전송 용량 30 W 이상전력전송 효율 30 % 이상 전력전송 효율 30 % 이상(TRL 4) (TRL 4)기술혁신 무선전력 송수신거리 0.6~1m 5kV 패키지형 원거리 무선전력전송 송수신코일 직경 0.3m내전압 정격 75kV 내전압 정격 7온도 성능 –20~60℃송수신 모듈 개발 전력전송 용량 30 W 이상온도 성능 –20~60℃전력전송 효율 30 % 이상 실 현장테스트를 통한 신뢰성 확보 실 현장테스트를 통한 신뢰성 확보기술적 성과 (TRL 5 ~ 6) (TRL 7) (TRL 7)무선통신 적용 데이터 모니터링 장치 및 부하용 Wifi 2.4GHz 적용, 통신가능거리 6m 실 현장테스트를 통한 신뢰성 확보Wifi 2.4GHz 적용, 통신가능거리 6m전차선 상태검측장비 개발 (TRL 5 ~ 6) (TRL 7)실 현장테스트를 통한 신뢰성 확보 (TRL 7)국외 등록출원특허 (유․무상)기술이전BBB 이상 등록 1 1국내 BBB 이하 등록출원 2 2 4SCI(E) IF 상위 20% 1 1과학적 성과 논문 IF 상위 20% 미만 1 1국외 저널 심사지KCI 등재지 2 2 4경제적 성과 기술료 금액(백만원)사회적 성과 기술규격 철도표준규격 및 기술기준(건)정책효과 정책활용(건)언론매체 홍보건수성과확산 기술거래소 등록, MOU 체결기타 세미나 개최, 기타등기타 기타 성과들(학술대회 발표건은 적지말 것)- 12 -요약서 (연구성과 및 활용방안)<성과활용 방안>- 원거리 무선전력전송시스템의 핵심기술 개발을 통하여 성능 검증 및 효율적 활용에 대한 운영 모델로 활용- 향후 국내외에서 추진되고 있는 원거리 무선전력전송시스템을 위한 기초 기술 및 핵심장치 개발에 활용- 향후 국내외에서 추진되는 공진형 MHz 급 200W 이하급 모바일용 및 산업용 무선전력전송시스템 개발을 위한 기초 기술로 활용- 원거리 무선전력전송 기술을 전차선 상태검측장비의 충전장치로의 적용을 통하여 참여 중소기업으로의 기술 이전 및 신규 국가 R&D 사업 창출에 활용- 참여 중소기업의 철도 시장에서의 다양한 검측장비 관련 신 비즈니즈 모델 창출에 활용활용방안<성과확산 계획>- 전차선로 상태 검측장치 충전용 무선전력전송장치 기술 개발로 전차선로 상태 검측장치의 유지보수비를 대폭 줄일 수 있으므로, 이의 활용도에 대해 철도운영기관에 적극적 홍보를 통하여, 향후 제품 활용도를 더욱 확대시킬 계획임- 다양한 고속철도용 검측장치에 무선전력전송을 이용한 충전기술이 더해지므로써, 국외 고속철도용 검측시장에서 국내 개발 검측장치의 경쟁력을 더욱 높일 수 있으며, 이에 검측 기술의 해외 검측시장 선점이 가능할 것이므로, 국내 철도기관의 해외 진출 시 기술 우위를 선점하기 위한 보유 기술로 확대 활용- 고부가가치형 검측장치용 전력공급시스템으로서 산업체로의 기술이전 가능 및 기술 선점으로 수출 동력화 추진- 철도시스템 분야 국가 경쟁력 확보 및 철도차량 분야의 세계시장 선도에 기여- 2017년도에 약 10억불 정도에 달할 것으로 예상되며, 2020년에는 세계적으로 150억불에 달할 것으로 예상되는 무선 충전기 시장의 핵심 기술로 적용 가능함 (‘13년 MarketsandMarkets 및 ’12년 IMS 리서치). - 세계 시장의 50% (2020년에 80억불로 성장 예상)를 차지하는 기대효과 200W 이하급 모바일 및 산업용 무선 충전기 시장 적용 가능함.(기술적, 정량적 - 국내시장 검측기 수입 규모는 350억 [2003-2007 수입분] 정도이사회적, 기대효과 므로 전차선로가 건설비 대비 10% 정도인 점을 감안하여도 2020경제적) 년까지 [350억×10%(전차선로분야)] 35억 정도의 전차선로 검측기 수입 규모가 형성된다고 볼 수 있음. 따라서 전차선로 검측기에 비접촉 충전장치를 탑재한다면 35억 정도의 수입 규모 대체 효과 발생 가능함. - 배터리 교체 필요성 없어짐에 따라 연간 18억원 규모의 유지보수비 절감에 따른 검측기 시장 확대 가능함. (모터카+인건비 등의 배터리 교체 비용 = 1,000만원/회 * 1회/2일 * 365일/년)- 13 -- 국내 기술로 개발한 전차선로 상태 검측장치에 충전용 무선전력전송장치를 적용함으로써 전차선로 상태 검측장치의 신뢰성을 더욱 높일 수 있음. 정성적 - 전차선로 상태 검측장치 충전용 무선전력전송장치 기술 개발로 전기대효과 차선로 상태 검측장치의 유지보수비를 대폭 줄일 수 있으며, 이에 활용도를 더욱 확대시킬 수 있음.- 국외 고속철도용 검측시장에서 국내 개발 검측장치의 경쟁력을 더욱 높일 수 있으며, 이에 검측 기술의 해외 검측시장 선점이 가능함.요약서 (핵심어)핵심어 핵심어1 핵심어2 핵심어3 핵심어4 핵심어5국문 무선전력전송 원거리 공진형인버터 송수신코일 상태검측장비영문 Wireless mission Telemetry power transfer Long-rangeResonant Transinverter and receiving monitoring coil device- 14 -

제2장 국내외 기술 개발 현황
제2장 국내외 기술 개발 현황제1절 국내외 기술 개발 현황 및 시장 동향1. 소용량 (1kW 이하 급) 무선전력전송 기술 개발 동향Ÿ 소용량 무선전력전송 기술은 전동칫솔이나 무선전화를 통하여 일찌감치 우리 생활깊숙이 자리 잡고 있었지만 무선전력전송 기술의 응용 확대에 대한 움직임은 더디게나타나고 있었음.Ÿ 하지만 2011년도에 들어와 휴대전화나 스마트폰을 비접촉으로 충전할 목적으로무선충전 기능을 탑재하는 사례가 전 세계에 잇따르기 시작하면서 소용량 무선전력전송기술의 응용범위가 크게 확대되기 시작했음.Ÿ 소용량 무선전력전송 기술을 적용한 무선충전 방식은 패드형 무선전력전송 베이스스테이션과 탈부착형 충전기기를 만들어서 사용하는 방법과 건물의 천정이나 가구 등에베이스 스테이션을 내장하는 방법으로 기술 개발이 이루어지고 있음.Ÿ 특히 베이스 스테이션을 내장하는 방법은 가정이나 사무 환경에서 모바일기기의무선충전, 차량에서 휴대폰/PDA/내비게이션 등의 무선충전, 지하철 같은공공장소에서의 무선충전을 효과적으로 실행할 수 있을 것으로 기대되어 관련 업계에서활발히 연구를 진행하고 있음.- 15 -표 2.1 국내외 소용량 무선전력전송 기술 동향기관명 분야 제 품 특 징 단 점- 초단거리 충전 가능- 용량 (최대) 72W, 효율- 모듈 당 1개씩만 충65%(급집전 연계)급전 전 가능- 집전모듈의 배치위치가- 급전모듈 위치가 제정해져 있음한적임와이즈파워- 용량 (최대) 72W, 효율65%(급집전 연계)- 박형구조(0.5mm)두께집전 - 충전 효율이 떨어짐- 휴대폰, E-book, 전자액자, 카메라용 급전모듈상용화- 효율 80%(급집전 연계)- 집전모듈 위치에 상관없- 초단거리만 충전 가급전 이 효율이 일정능- 2개 휴대기기 동시충전 가한림포스텍능- 적외선통신으로장애집전 효율 80%(급집전 단계)물 영향 많이 받음- 용량 15W, 효율 85% (급- 초단거리만 충전 가집전 연계)능- 크기 0.6x13x4.6 inch급전 - 단말 위치에 따라- 다중, 이종충전 지원효율성이 낮아짐- Pad 상 최적의 충전 위치Powermat표시- 용량 5W, 효율 85% (급집전 연계)집전- 단말 종류별로 리시버 모듈 판매- 용량 60W, 효율 40% - 모듈의 크기가 큼급전 @2m(급집전 연계) - 효율성이 낮음- 수 m거리 전송가능 - 기초연구 수준MIT- 효율 40%@2mWiTricity(급집전 연계)집전 - 기초연구 수준- TV용, 휴대폰용 시제품시연- 50cm 거리에서 60W 전력 공급 시스템급전 - 급/집전 효율 80%, 정류기를 포함하면 60%Sony- 자기 공명 방식- 송수신 사이에 중계 장치를 설치하면 급전 거리집전를 늘릴 수 있음 (50cm→80cm)- 16 -2. 대용량 (1kW 이상 급) 무선전력전송 기술 개발 동향Ÿ 대용량 무선전력전송 기술은 주로 교통시스템으로 적용범위를 확대하고 있으며, 교통분야의 무선전력전송 기술은 광범위하게 활용될 것이며, 버스나 트램과 같은 대중교통수단에서 가장 먼저 활용될 것으로 예상됨.Ÿ 충전 장치로써, 무선전력전송장치 중 송신부는 버스 정류장이나 운행 도로 아래에설치되며, 수신부는 차량의 하부에 설치가 되며, 향후 약 10년 이내에 대중화되어 많은곳에서 활용될 것으로 예상됨.Ÿ 국내 대용량 무선전력전송 기술은 KAIST 온라인 버스 기술을 시작으로 크게 발전하고있으며, KAIST에서는 자기 공진형 기술을 적용하여 기존의 자동차를 개조 제작한온라인 전기버스 실험모델을 개발하였으며(2009년 7월), 온라인 전기열차를 개발하여서울대공원에 적용하였음.Ÿ 국내 철도분야에서는 한국철도기술연구원의 주도로 트램용 180kW급 무선 전력 전송시스템(2013년) 및 1MW급 고속열차용 무선전력전송시스템(2014년) 개발을 진행하였음.Ÿ 해외에서도 대용량 무선전력전송 기술에 대한 연구 개발의 움직임이 활발하며, 특히독일, 프랑스, 영국 등을 포함하는 유럽연합에서는 2002년도부터 EVIAC(ElectricVehicle Inductive Automatic Charging)를 구성하여 전기자동차 및 경량전철에 활용할수 있는 자기 유도방식 기술을 공동 개발하고 있음.Ÿ 자기 유도방식 기술을 수송시스템에 적용한 사례로는 독일 Wampfler사의 뉴질랜드와카레와레 공원의 20kW급 순환용 자동차와 Italy의 Porto Antico의 60kW급 버스가있으며, 뉴질랜드의 경우, 오클랜드 대학에서 매입형 유도전력 급전장치와 차량 내충전기를 최소화하는 구동시스템 등을 개발하였음. 또한 환경 친화적인 도로전용유도급전 소형자동차 시험선을 구축하여 상용화 검증시험을 수행하였음.Ÿ 철도분야에서는 독일의 Bombardier를 제외하고는 아직 활발하게 연구가 진행되고 있는상황은 아니며, Bombardier의 PRIMOVE 시스템은 비접촉식 자기 유도방식을 적용하여연구개발을 추진하였음.- 17 -표 2.2 국내외 대용량 무선전력전송 기술 동향기관명 주요 기술/제품 기업 현황 및 기술개발 현황-자기공명 원리를 이용하여 전기를 무선으로 전달하는 기술로, MIT가 개발한 기술(특허)로 설립되었음-델파이 등 차량 부품회사와 공동으로 연구개발을 진행 중이WiT-3300WiTricity(美) 며, 全세계 무선급전 관련 135건 이상의 특허를 출원하였음Deployment Kit-145kHz에서 작동하고, 90%의 효율로 10-20cm 떨어져 충전할 수 있으며, 현재 자동 안내 차량의 무선 충전 인프라 개발을 추진하고 있음-전기자동차 유도전력전송(IPT)를 처음으로 상용화한 회사로,Auckland uniService(뉴질랜드 Auckland大 지적 재산권 업체)의 기술로 설립됨 (2010년 10월 이동 및 정지 자동차에 대HaloIPT Inductive Power 한 세계 최초 비접촉 충전 시스템을 출시)(영국/뉴질랜드) Transfer (IPT) -IPT 기술은 도로와 전기차 하부의 Pad를 통해 전력을 전송하는 기술로 이탈리아, 뉴질랜드 등에 설치되어 운영되고 있음-15개 이상의 특허를 보유하고 있으며, 대부분 급전, 전자커플링 등과 관련된 내용임Wireless Electric -무선 급전 장비의 개발 및 제조업체로, 영국정부, 런던교통부Qualcomm(美) Vehicle Charging 와 공동으로 무선 전기자동차의 충전의 동급 상용 시험을 첫(WEVC) 번째로 시행함-Brose Fahrz eugteile GmbH&Co.KG와 공동으로, 공진 변압Inductive ChargingSew-Eurodrive 기와 비슷한 20cm의 거리에서 효율적으로 전력을 전송하는Technology전기 자동차용 유도 충전 시스템을 개발하였음. 이 기술은 실제 VDE/DKE 코드 (VDE-AR-E 212 2-4-2) 표준에 따름-이 시스템은 전자 정류기와 하부 커버의 콜렉터 코일로 구성Automotive grade되어 있음Conductix charging system for-다른 기능적 측면은 인프라 및 자동차, 충전 코일 정렬을 통Wampfler(獨) Benz B-Class-E cell한 운전자 지원기능, 충전 자동시작 프로세스와 차량확인간의 무선통신을 포함함Siemens Inductive -BMW와 공동으로, 100km 주행거리를 단 15분에 충전 할 수Siemens(獨)Energy Transmission 있는 3.6KW DC 시스템 개발 중임-Witricity와 공동으로 3.3 KW 무선 충전 시스템을 개발, 이Wireless ChargingDelphi(美) 시스템은 날씨에 잘 견디고 20cm의 거리에 3.3KW 에너지System를 전송할 수 있음-온라인 전기자동차(OLEV)를 개발하고 있으며, 주행 및 정차시에 무선으로 차량 배터리를 충전하는 기술KAIST(韓)OLEV (On Line -무선 전력전송 (WPT)에 의한 도로 임베디드 파워트랙을 이(OLEVElectric Vehicle) 용하여 전기 자동차 충전기술로, 비교적 작은 온-보드 배터리Technologies)와 드라이브 트레인의 사용을 가능하게 하는 SMFIR (ShapedMagn etic Field In Resonance)의 개념을 기반으로 함- 18 -3. 국내외 시장동향Ÿ 세계 철도 시장은 2009년 기준 약 195조원 규모로 철도차량이 115조원으로 가장 큰비중을 차지하고 있으며, 인프라가 65조원, 시스템이 21조원 등으로 시장이 형성되어있음Ÿ 분야별로는 새로운 철도계획과 건설에 따른 철도시설(Infra Structure)관련 시장이지속적으로 성장할 것으로 전망Ÿ 철도 전력공급 분야 세계시장은 40억 유로 규모로 Siemens, Balfour Beatty Rail 등이시장을 주도하고 있으며, 2016년까지 연평균 3.0% 이상 성장할 것으로 예상됨(Worldwide Market for railway technology, 2012, 독일 SCI)표 2.3 ‘09 ~‘14년 철도 분야별 성장 전망‘09~‘14년기술분야 시장규모(조원)평균시장 성장률Infrastructure 62 4.2%System Technology 21 5.5%Rolling Stock 115 4.1%총 계 198 3.2%그림 2.1 Global Market Share by Supplier Electrification (2007~2011)- 19 -Ÿ 무선급전분야는 많은 잠재력을 가지고 있는 기술로서 현재 대규모의 시장이 형성되어있지는 않으나 개발 동향으로 볼 때 2012년을 기점으로 휴대용 기기를 필두로 다양한분야에 시장이 형성될 것으로 예상됨Ÿ 무선급전 관련 세계시장은 2012년에서 2017년까지 연평균 57.46%씩 성장할 것으로예상되며, 2011년 456백만 달러에서 2017년 7,161백만 달러까지 시장규모가 확대될것으로 예상됨 (※ 출처 : Wireless Charging Market (2012-2017) Global Forecast &Analysis ByTechnology, Products & Applications, Markets and Markets, April 2012)그림 2.2 무선전력전송 기술의 응용 가능 분야그림 2.3 무선전력전송 기술 분야의 세계시장 매출 예상- 20 -4. 기술 및 제품의 수요예측Ÿ 국내 수요- 국내 기술로 개발한 전차선로 상태 검측장치에 충전용 무선전력전송장치를 적용함으로써 전차선로 상태 검측장치의 신뢰성을 더욱 높일 수 있음.- 전차선로 상태 검측장치 충전용 무선전력전송장치 기술 개발로 전차선로 상태 검측장치의 유지보수비를 대폭 줄일 수 있으며, 이에 활용도를 더욱 확대시킬 수 있음.- 국내시장 검측기 수입 규모는 350억 [2003-2007 수입분] 정도이므로 전차선로가 건설비 대비10% 정도인 점을 감안하여도 2020년까지 [350억×10%(전차선로분야)] 35억 정도의 전차선로검측기 수입 규모가 형성된다고 볼 수 있음. 따라서 전차선로 검측기에 비접촉 충전장치를 탑재한다면 35억 정도의 수입 규모 대체 효과 발생 가능함.Ÿ 해외 수요 및 수출 가능성- 국외 고속철도용 검측시장에서 국내 개발 검측장치의 경쟁력을 더욱 높일 수 있으며, 이에 검측 기술의 해외 검측시장 선점이 가능함.- 2015년 해외 검측시장 규모 4,000억/년의 1% 수준인 40억/년 진출 가능함.제2절 국내외 특허 및 연구 동향 분석1. 원거리 무선 전력 전송 시스템의 특허 및 연구 동향 분석가. 국내외 특허 동향 분석(1) 특허 분석 기준- 21 -표 2.4 특허 분석 기준구 분 분석 기준특허검색 DB Thomson Innovation검색국가 미국 유럽 일본 한국 중국출원, 등록 출원, 등록 출원, 등록 출원, 등록 출원분석구간 1990.01.01.~2015.01.19검색범위 Title, Abstract, Claim(2) 기술분류 및 검색 조합식표 2.5 특허 검색 조합식기술구분 검색 조합식 검색 관련특허 특허A기술CTB=(((railway or railroad or locomotive or train1 or tram or (rolling adj stock) OR (rail near2 (vehicle or car)) or subway or metro* or vehicle or automobile or bus)) AND ((Contactless* or wireless or (non adj contact) or online)) AND (((Resonant) 316 302or (Resonant adj frequency) )) NEAR4 (power adj (supply or charg or transfer or feed* or collect* or coil or module or Impedance or Transmi* or receiv)));B기술CTB=(((railway or railroad or locomotive or train1 or tram or (rolling adj stock) OR (rail* near2 (vehicle or car)) or subway or metro* or vehicle or automobile or bus)) AND ((Contactless* 149 103or wireless or (non adj contact) or online)) AND (((Resonant) or (Resonant adj frequency))) AND (INVERTER));C기술CTB=(((railway or railroad or locomotive or train1 or tram or (rolling adj stock) OR (rail* near2 (vehicle or car)) or subway or metro* or vehicle or automobile or bus)) AND ((Contactless* or wireless or (non adj contact) or online)) AND (((Resonant) 979 409or (Resonant adj frequency))) AND (Rectifier or Converter or Regulator or (Load adj shar) or Battery or capacity or charger or (bi adj direction) or storag));D기술CTB=(((railway or railroad or locomotive or train1 or tram or (rolling adj stock) OR (rail near2 (vehicle or car)) or subway or metro* or vehicle or automobile or bus)) AND ((Contactless* or wireless or (non adj contact) or online)) AND (((Resonant) 58 21or (Resonant adj frequency))) AND (Waterproof or (heat adj radiat) or dustproof or (Weight near3 light) or lightweight or Lossless or (low near3 loss)));- 22 -(3) 출원년도 및 국가별 특허출원 동향Ÿ 전차선 상태 검측장비 충전용 원거리 무선전력전송시스템 기술 분야의 전체적인특허동향을 살펴보면, 1990년부터 현재까지 총 835건의 특허가 출원되고 있으며, 2008년이후 전반적으로 급격히 증가하는 추세를 보이고 있음Ÿ 국가별로는 일본이 28%(230건)로 최다이며, 미국, 중국, 한국, 유럽의 순으로 출원되고있음Ÿ 국가별 특허출원 추세를 보면, 모든 국가에서 2010년부터 최근 특허가 급격하게증가하고 있으며, 일본, 미국, 중국, 한국의 특허 출원이 유사한 수준으로 나타나고 있는등 기술성장과 경쟁이 가속화하고 있음Ÿ 우리나라의 경우 특허 건수는 일본, 미국, 중국에 비해 작지만, 2010년 이후부터 이들국가와 유사한 수준의 특허를 출원하고 있어 최근 관련 분야 관심이 증가하고 있다고판단할 수 있음 그림 2.4 출원년도 및 국가별 출원추이- 23 -(4) 세부기술별 특허출원 동향Ÿ 정류기 및 배터리 충전장치 (C기술) 및 무선전력전송 송수신 모듈(A기술) 분야에대부분의 특허가 출원되고 있으며, 최근에도 여전히 높은 수준의 특허가 출원되고 있는상황임Ÿ 공진 인버터(B기술) 분야는 C기술 및 A기술과 비교하여 특허 건수는 적은 편이지만,2010년 이후 특허가 크게 증가하고 있어 최근 관심이 증가하고 있는 분야로 판단할 수있음 그림 2.5 세부기술별 특허출원동향 (5) 주요 출원인 분석Ÿ 특허를 많이 출원한 상위 10개의 출원인을 분석해 보면, Toyota, Qualcomm, 삼성 등이많은 특허를 출원하고 있음Ÿ 대부분의 다출원 기관들이 3개 국가 이상에 특허를 출원하고 있는 것을 볼 때, 이 분야글로벌 특허기술 경쟁이 가속화하고 있는 것을 확인할 수 있음.- 24 - 그림 2.6 주요 출원인 동향Ÿ 주요 출원인의 연도별 특허출원을 보면, 모든 기관들이 2008년 이후 최근 특허출원이압도적으로 많이 나타나고 있음. 따라서 최근 기술경쟁의 가속화를 확인할 수 있음 그림 2.7 연도별 주요 출원인 동향(6) 국가별 기술 분포Ÿ 출원국가별 세부기술 특허분포를 살펴본 결과, 모든 국가에서 정류기 및 배터리충전장치 (C기술) 및 무선전력전송 송수신 모듈(A기술)에 대한 집중도가 높게 나타나고있음Ÿ 다만, 미국은 정류기 및 배터리 충전장치 (C기술)에 대한 집중도가 상대적으로 매우- 25 -크게 나타나고 있음Ÿ 한국의 경우에도, 정류기 및 배터리 충전장치 (C기술) 및 무선전력전송 송수신모듈(A기술)에 고르게 특허가 가장 많이 나타나고 있음. 상대적으로 기술경쟁이 약한분야인 B기술과 D기술 영역에 대한 경쟁력 확보도 필요할 것으로 판단됨그림 2.8 국가별 기술분포(방사형) 그림 2.9 기술별/국가별 기술분포(버블형)(7) 국가별 특허현황- 26 -Ÿ 국가별 출원특허에 대해 우선권국가가 자국인지 여부에 따라,기술시장의 개방성과 해외의존도를파악할 수 있음Ÿ 일본, 미국, 한국에서는 자국특허비중이 더 높게 나타나고 있음. 이기술 분야의 글로벌 특허경쟁이 아직그림 2.10 국가별 특허 점유현황치열하게 나타나지 않는 것으로보여짐Ÿ 유럽, 중국은 외국기관의 특허 비율이더 높게 나타나고 있음Ÿ 국가별 출원특허 건수와우선권보유건수를 비교하여, 기술의해외진출 수준을 파악할 수 있음Ÿ 일본, 미국은 우선권 보유건수가 더높게 나타나고 있어, 자국시장보다해외시장 진출노력을 확인 할 수있음. 반면에, 중국, 유럽, 한국은출원특허 건수가 더 높게 나타나, 그림 2.11 국가별 출원 특허 대비 우선권 특허 현황해외 진출노력이 많지 않은 것으로나타남(8) 우선권 국가 (Priority Country)별 특허분포 지수분석 (8-1) 시장확보지수 (PFS : Patent Family Size)Ÿ (지표 설명) 특정 국가에서 상업적인 이익 또는 기술경쟁 관계에 있을 때 해외에특허를 출원하므로, Family Patent 數가 많을 때 특허를 통한 시장성이 크다고판단되어 이를 시장확보력의 지표로 사용함- 27 -국가별출원특허대비우선권특허현황Ÿ (계산식) 국가별 시장확보지수(PFS) = ( ∑ 해당국가 특허別 패밀리 ) / 해당국가특허건수Ÿ (분석결과)- 미국의 시장확보지수(PFS)가 16.89로가장 높게 나타남- 미국 다음으로는 유럽, 일본의 순서로 시장확보력이 높게 나타남- 일본의 경우 특허 건수에 비해 시장확보력이 낮게 나타나고 있음- 우리나라는 특허건수 뿐만 아니라, 그림 2.12 국가별 출원건수 및 시장확보지수시장확보력에서도 낮은 수준을 보임 (8-2) 인용도지수 (CPP : Cites Per Patent)Ÿ (지표 설명) 특정 국가의 특허들이 이후 등록되는 특허들에 의해 인용되는 회수가많을수록 기술경쟁력이 높으므로, 인용도지수(CPP)가 클수록 원천특허/핵심특허를 많이보유한 정도를 나타내는 지표로 사용함Ÿ (계산식) 국가별 인용도 지수(CPP) = ( ∑ 해당국가 특허別 피인용수 ) / 해당국가특허건수Ÿ (분석결과) - 미국의 인용도지수(CPP)가 11.47로 가장 높아, 원천/핵심특허를 많이 보유한 것으로 판단할 수 있음- 반면, 일본은 특허건수에 비해 인용도지수(CPP)가 많이 낮아, 원천/핵심특허 비중이그림 2.13 국가별 인용도지수상대적으로 낮은 것으로 판단할 수 있음 (8-3) 영향력지수(PII : Patent Impact Index) 및 기술력지수(TS : Technology Strength) Ÿ (지표 설명) 영향력지수는 특정 국가가 소유한 기술의 질적수준을 측정하는 지수이며,기술력지수는 특정 국가의 기술보유 양적수준(특허건수)과 영향력지수(질적수준)을 함께나타냄- 28 -국가별출원건수및시장확보지수Ÿ (계산식)- 국가별 영향력 지수(PII) = 해당국가 특허 인용도지수 / 전체(모든국가) 특허인용도지수- 국가별 기술력 지수(TS) = 해당국가 특허건수 × 해당국가 영향력 지수Ÿ (분석결과) - 미국의 영향력지수(PII)가 2.23으로 가장높아 질적 수준에서 가장 우수한 것으로 보여짐- 또한, 양적 수준(특허건수)을 고려한 기술력지수(TS)에서도 미국이 607.08로 가장 높음- 우리나라는 영향력지수, 기술력 지수 모두최하위 수준으로, 향후 지속적인 기술역량그림 2.14 국가별 영향력지수 및 기술력지수강화가 필요함(9) Text mining을 통한 기술분야 특허 분포도Ÿ 전차선 상태 검측장비 충전용 원거리 무선전력전송시스템 기술 관련 검색결과 결과1,502건의 검색 특허 중 최종 835건의 유효 특허기술이 분포함Ÿ 등고선 꼭지점이 높은 Tank Circuit/Remote device/Primary wind 등의 기술에 특허가많이 분포하고 있어 관련 분야가 기술 집중도가 높은 기술임을 알 수 있음Ÿ 특히 최근 특허기술 분석결과 Power feeder, Wireless device 등이 많이 나타나고 있어관련기술이 최근 동향임을 알 수 있음- 29 -그림 2.15 특허 등고선 맵● 2010년 이후 ● 2000-2009 ● 1990-1999- 30 -(10) 주요 특허 현황표 2.6 주요 특허 현황 (피인용 順)공개번호 발명의 명칭 출원인 정리 피인용수(Forward)US7639514B2 Adaptive inductive power supply Access Business 83US7952322B2 Inductive power source and charging system Mojo Mobility 82US7522878B2 Adaptive inductive power supply with communication Access Business 79US20100225175A1 WIRELESS POWER BRIDGE FISHER P H 79US20110074347A1 WIRELESS ENERGY TRANSFER MIT 68US20110241618A1 METHODS AND SYSTEMS FOR WIRELESS POWER TRANSMISSION FISHER P H 64US20110227530A1 WIRELESS POWER TRANSMISSION FOR PORTABLE WIRELESS POWER CHARGING FISHER P H 64US8076801B2 Wireless energy transfer, including interference enhancement MIT 64US20110227528A1 ADAPTIVE MATCHING, TUNING, AND POWER TRANSFER OF WIRELESS POWER FISHER P H 63US20110074218A1 WIRELESS ENERGY TRANSFER MIT 62WIRELESS ENERGY TRANSFER WITH US20120235634A1 VARIABLE SIZE RESONATORS FOR MEDICAL CAMPANELLA A J 59APPLICATIONSUS20110181122A1 WIRELESSLY POWERED SPEAKER MIT 59US20110221278A1 POWER SUPPLY SYSTEM AND METHOD OF CONTROLLING POWER SUPPLY SYSTEM MIT 59US20100276995A1 Security for wireless transfer of electrical power MARZETTA T L 57Magnetic levitation transport system with US5467718A non-contact inductive power supply and battery DAIFUKU CO 56chargingMAGNETIC FIELD ANTENNA, AND WIRELESS JP2005192124A SYSTEM AND COMMUNICATION SYSTEM TODA KOGYO 56CONFIGURED BY EMPLOYING THE SAME US20120112691A1 WIRELESS ENERGY TRANSFER FOR VEHICLES CAMPANELLA A J 54 US20120119698A1 WIRELESS ENERGY TRANSFER FOR VEHICLES CAMPANELLA A J 53US20120235500A1 WIRELESS ENERGY DISTRIBUTION SYSTEM GANEM S J 53US20110254377A1 WIRELESS POWER TRANSMISSION IN ELECTRIC VEHICLES QUALCOMM 51- 31 -(11) 주요 핵심특허 심층 분석 (피인용 높은 특허사례)1 기술 무선전력전송 송수신기술 특허번호분류 (A기술) (출원번호) US2007684860A특허번호(공개번호) US7639514B2출원인 Access Business 출원일 2007-03-12 공개일 2009-12-29발명의 명칭 Adaptive inductive power supply대표도면주요 내용 비접촉형 무선전력 공급관련 탱크 회로, 인버터 주파수, 공진 주파수 변경에 관한 특허기술임SMART특허분석평가- 본 특허는 2007년 출원 후 현재까지 유지되고 있는 특허로, 피인용이 많아 기술성과 권리성이 우수하며, 활용성에서도 우수한 특허로 판단됨법적상태(회피전략) - 전체 미국 관련 등록특허 中 상위 0.9%에 위치하는 우수 특허로 피인용수가높고, 관련된 해외 특허출원이 387개나 되는 등 해외 시장성도 높게 평가되는좋은 특허로 보여짐- 32 -및 배터리 2 기술정류기 특허번호 호분류 충전장치(C기술) (출원번호)US2007669113A 특허번(공개번호) US7952322B2출원인 Mojo Mobility 출원일 2007-01-30 공개일 2011-05-31발명의 명칭 Inductive power source and charging system대표도면주요 내용 충전기와 수신기 사이의 전력 전송 효율을 향상시키며, 효율을 측정하는 것과 관련된 특허기술임SMART특허분석평가- 본 특허는 2007년 출원 후 현재까지 유지되고 있는 특허로, 피인용이 많아 권리성과 기술성이 우수한 특허로 판단됨. 다만, 활용성에서는 낮은 수법적상태 준으로 평가됨(회피전략) - 전체 미국 관련 등록특허 中 상위 74%에 위치하고 있는 특허임- 독립청구항이 세밀하게 작성되어 있지만, 권리의 제한 어구는 적은 편이고, 선행기술 조사 문헌 중에 외국특허와 논문이 존재하고 있음- 33 -3 기술 공진 인버터 기술 특허번호 허번호분류 (B기술) (출원번호) US2003689148A특(공개번호) US7522878B2출원인 Access Business 출원일 2003-10-20 공개일 2009-04-21발명의 명칭 Adaptive inductive power supply with communication대표도면주요 내용 적응적 유도성 안정기에 의해 구동 원격 장치와 통신 할 수 있도록 하는 기능과 관련된 특허기술임SMART특허분석평가- 본 특허는 2003년 출원 후 현재까지 유지되고 있는 특허로, 피인용이 법적상태 많아 기술성과 권리성이 우수하며, 활용성에서도 우수한 특허로 판단됨(회피전략) - 전체 미국 관련 등록특허 中 상위 0.5%에 위치하는 우수 특허로 피인용수가높고, 종속항이 계층적으로 구성되어 있음- 34 -나. 국내외 논문 및 연구 동향 분석(1) 논문 분석 범위표 2.8 논문 분석 기준구 분 분석 기준논문검색 DB Web of Science, Thomson Innovation분석구간 1990.01.01. ~ 2015.01.19검색범위 Title, Abstract(2) 기술분류 및 검색 조합식표 2.9 논문 검색 조합식기술구분 검색 조합식 검색 관련논문 논문A기술ALL=(((railway or railroad or locomotive or train1 or tram or (rolling adj stock) OR (rail near2 (vehicle or car)) or subway or metro* or vehicle or automobile or bus)) AND ((Contactless* or wireless or (non adj contact) or online)) AND (((Resonant) 25or (Resonant adj frequency) )) AND (power adj (supply or charg or transfer or feed* or collect* or coil or module or Impedance or Transmi* or receiv)));B기술ALL=(((railway or railroad or locomotive or train1 or tram or (rolling adj stock) OR (rail* near2 (vehicle or car)) or subway or metro* or vehicle or automobile or bus)) AND ((Contactless* 5or wireless or (non adj contact) or online)) AND (((Resonant) or (Resonant adj frequency))) AND (INVERTER));C기술 22ALL=(((railway or railroad or locomotive or train1 or tram or (rolling adj stock) OR (rail* near2 (vehicle or car)) or subway or metro* or vehicle or automobile or bus)) AND ((Contactless* or wireless or (non adj contact) or online)) AND (((Resonant) 17or (Resonant adj frequency))) AND (Rectifier or Converter or Regulator or (Load adj shar) or Battery or capacity or charger or (bi adj direction) or storag));D기술ALL=(((railway or railroad or locomotive or train1 or tram or (rolling adj stock) OR (rail near2 (vehicle or car)) or subway or metro* or vehicle or automobile or bus)) AND ((Contactless* or wireless or (non adj contact) or online)) AND (Waterproof 64or (heat adj radiat) or dustproof or (Weight near3 light) or lightweight or Lossless or (low near3 loss)));- 35 -(3) 논문 기술 동향Ÿ 전차선 상태 검측장비 충전용 원거리 무선전력전송시스템 기술의 논문 동향 분석을위해, 해당 기술을 특허와 마찬가지로 4개의 세부기술로 분류하여 검색하였음 < 논문 검색기술 분류 > - (A기술) 무선전력전송 송수신 모듈기술, (B기술) 공진 인버터 기술, (C기술) 정류기 및 배터리 충전장치 기술, (D기술) 무선전력전송 시스템 패키지화 기술Ÿ 분류된 기술별로 관련 논문을 검색한 결과, 총 22건의 논문만이 해당 기술과 관련이있는 유효 논문으로 확인되었음Ÿ 이에 따라, 표나 그래프 등으로 도식화하는 것이 불가능하여, 유효논문 목록만 표로표시하였음순번 논문 제목 발표년도 저널명 피인용수(Forward)IEEE-INST 1 Design considerations for a contactless ELECTRICAL electric vehicle battery charger 2005 ELECTRONICS 192ENGINEERS INCPower transfer capability and bifurcation IEEE-INST 2 phenomena of loosely coupled inductive 2004 ELECTRICAL power transfer systems ELECTRONICS 126ENGINEERS INCIEEE-INST 3 Narrow-Width Inductive Power Transfer System for Online Electrical Vehicles 2011ELECTRICAL ELECTRONICS 41ENGINEERS INC4 Inductive coupler for contactless power transmission 2008INST ENGINEERING TECHNOLOGY-IET 33IEEE-INST 5 Interphase Mutual Inductance in Polyphase ELECTRICAL Inductive Power Transfer Systems 2009 ELECTRONICS 32ENGINEERS INC6 Current sourced bi-directional inductive power transfer system 2011INST ENGINEERING TECHNOLOGY-IET 20A Power-Frequency Controller for IEEE-INST 7 Bidirectional Inductive Power Transfer 2013 ELECTRICAL Systems ELECTRONICS 15ENGINEERS INC- 36 -순번 논문 제목 발표년도 저널명 피인용수(Forward)IEEE-INST 8 High-Misalignment Tolerant Compensation ELECTRICAL Topology For ICPT Systems 2012 ELECTRONICS 15ENGINEERS INCImprovement in Efficiency of Wireless IEEE-INST 9 Power Transfer of Magnetic Resonant 2011 ELECTRICAL Coupling Using Magnetoplated Wire ELECTRONICS 14ENGINEERS INCCoil Design and Shielding Methods for a IEEE-INST 10 Magnetic Resonant Wireless Power 2013 ELECTRICAL 12Transfer System ELECTRONICS ENGINEERS INC11 Contactless power interface for plug-in electric vehicles in V2G systems 2011POLISH ACAD SCIENCES DIV IV 6A Novel Mat-Based System for IEEE-INST 12 Position-Varying Wireless Power Transfer to 2013 ELECTRICAL Biomedical Implants ELECTRONICS 2ENGINEERS INCIEEE-INST 13 A Bidirectional Wireless Power Transfer EV Charger Using Self-Resonant PWM 2015ELECTRICAL ELECTRONICS 0ENGINEERS INCResearch on Efficiency of High Power 14 Resonant Electric Vehicle Contactless 2014 HINDAWI PUBLISHING Power Transfer Charger CORPORATION0Compensate Capacitor Optimization for IEEE-INST 15 Kilowatt-Level Magnetically Resonant 2014 ELECTRICAL Wireless Charging System ELECTRONICS 0ENGINEERS INCDesign and analysis of an underwater 16 inductive coupling power transfer system for autonomous underwater vehicle docking 2014 ZHEJIANG UNIV 0applicationsDesign and Analysis of a Resonant Reactive IEEE-INST 17 Shield for a Wireless Power Electric 2014 ELECTRICAL Vehicle ELECTRONICS 0ENGINEERS INCIEEE-INST 18 Generalized Active EMF Cancel Methods for Wireless Electric Vehicles 2014ELECTRICAL ELECTRONICS 0ENGINEERS INC19 Large air-gap 6.6 kW wireless EV charger with self-resonant PWM 2014INST ENGINEERING TECHNOLOGY-IET 0Novel Core Structure and Iron-Loss 20 Modeling for Contactless Power Transfer 2013 WILEY-BLACKWELL 0System of Electric Vehicle- 37 -순번 논문 제목 발표년도 저널명 피인용수(Forward)21 Numerical Analysis and Design of Moving Contactless High Power Transformer 2011KOREAN MAGNETICS SOC 0Contactless power supply system with WYDAWNICTWO 22 bidirectional energy transfer for electric 2011 SIGMA-N O T SP Z O 0vehicle O2. 원거리 무선 전력 전송 시스템의 특허 및 연구 동향 분석 결론가. 특허 분석 결론Ÿ 전차선 상태 검측장비 충전용 원거리 무선전력전송시스템 기술 분야의 전체적인특허동향을 살펴보면, 1990년부터 현재까지 총 835건의 특허가 출원되고 있으며, 일본이28%(230건)로 최다이며, 미국, 중국, 한국, 유럽의 순으로 많이 출원되고 있음. 국가별특허출원 추세를 보면 모든 국가에서 2010년부터 최근 특허가 급격하게 증가하고있으며, 일본, 미국, 중국, 한국의 특허 출원이 유사한 수준으로 나타나고 있는 등기술성장과 경쟁이 가속화하고 있음Ÿ 세부 기술별로 보면, 정류기 및 배터리 충전장치 (C기술) 및 무선전력전송 송수신모듈(A기술) 분야에 대부분의 특허가 출원되고 있으며, 최근에도 여전히 높은 수준의특허가 출원되고 있음. 공진 인버터(B기술) 분야는 C기술 및 A기술과 비교하여 특허건수는 적은 편이지만, 2010년 이후 특허가 크게 증가하고 있어 최근 관심이 증가하고있는 분야로 판단할 수 있음Ÿ 특허를 출원한 상위 10개의 출원인을 보면, Toyoda, Qualcomm, 삼성 등이 특허를 많이출원하고 있는 것으로 나타나고 있음. 대부분의 다출원 기관들이 3개 국가 이상에특허를 출원한 것을 볼 때, 이 분야 글로벌 특허기술 경쟁이 가속화하고 있는 것을확인할 수 있음Ÿ 국가별 기술 분포를 보면, 모든 국가에서 정류기 및 배터리 충전장치 (C기술) 및무선전력전송 송수신 모듈(A기술)에 대한 집중도가 높게 나타나고 있음. 다만, 미국은정류기 및 배터리 충전장치 (C기술)에 대한 집중도가 상대적으로 매우 크게 나타나고- 38 -있음Ÿ 국가별로 보면 해외 특허 시장확보력을 의미하는 시장확보지수(PFI)와 출원건수 및원천/핵심 특허 보유와 관련이 높은 영향력지수(PII), 기술력지수(TS) 등 모든 지표에서미국이 가장 높게 나타나고 있음. 따라서, 미국 특허가 量的․質的으로 가장 경쟁력이높은 것으로 판단되며, 향후 연구를 진행함에 있어 미국 특허를 중심으로 세부선행기술에 대한 분석이 반드시 필요함Ÿ 한국의 경우 특허건수, 시장확보력, 인용도 등 기술영향력과 관계된 대부분의 지수에서가장 낮은 수준을 보이고 있어 관련 분야 기술 확보가 시급히 요구되는 상황임나. 논문 분석 결론Ÿ 전차선 상태 검측장비 충전용 원거리 무선전력전송시스템 기술의 전체적인 논문동향을살펴보면, 1990년부터 현재까지 총 22건의 논문에 불과함. 관련 분야 논문이 많이발표되지 않고 있음을 알 수 있음Ÿ 이는 무선급전기술이 최근 주목받고 있는 신기술 분야로 아직 관련 논문이 많이발표되지 않았기 때문이며, 또한 해당 기술이 핸드폰, 수송수단(자동차, 버스, 기차 등)등의 무선전력전송과 관계된 것으로 통신 장비업체, 자동차업체 등 산업계와 관련이높은 기술이기 때문에 선행기술인 논문 보다는 특허 위주로 기술이 개발되고 있기때문임Ÿ 다만, 검색된 많은 논문이 미국의 IEEE-INST ELECTRICAL ELECTRONICSENGINEERS INC 저널에 발표된 것으로, 향후 연구를 수행함에 있어 관련 저널에발표된 논문을 중심으로 선행기술을 면밀히 검토할 필요가 있음다. 시장 분석 결론Ÿ 무선급전(Noncontact/Wireless charging) 관련 세계시장은 현재 성장기에 있으며,- 39 -2012년에서 2017년까지 연평균 57.46%씩 성장할 것으로 예상되는 등 향후 급격하게확대될 것으로 예상됨Ÿ 이 중, 교통 분야 무선급전기술은 아직 대중화 되지 않았으나 향후 광범위 한 활용이예상되며, 자동차뿐 아니라 버스나 트램과 같은 대중 교통수단에서 활용이 증가될것으로 전망되고 있음Ÿ 이를 위해, 현재 WitriCITY, Evatran, Qualcomm, HaloIPT, KAIST 등 여러 기관에서관련 분야 R&D 및 상용화를 추진하고 있으며, 전력 전송의 효율성을 높이고 차량 이동중에도 전력공급이 가능한 새로운 분야의 기술 개발을 추진하고 있음Ÿ 이를 위해, 현재 우리나라의 경우 철도(연)에서 세계 최초로 대용량 고주파(60khz,180kw급) 무선 전력전송 기술을 트램에 적용하여 시험 주행을 하고 있으며,구미시에서는 세계 최초로 도로를 주행하면서 무선충전이 가능한 무선충전 전기버스를도입하여 운행 하고 있음Ÿ 이러한 여러 자료 등을 통해 볼 때 무선급전기술은 현재 全세계적으로 주목받고 있는새로운 기술 분야로 향후 시장규모가 크게 확대될 것으로 예상되며, 이에 따라 관련기술의 선점을 위해서 정부차원의 R&D 예산 지원이 시급하게 이루어져야 할 것으로판단됨- 40 -

제2장 국내외 기술 개발 현황

제2장 국내외 기술 개발 현황제1절 국내외 기술 개발 현황 및 시장 동향1. 소용량 (1kW 이하 급) 무선전력전송 기술 개발 동향Ÿ 소용량 무선전력전송 기술은 전동칫솔이나 무선전화를 통하여 일찌감치 우리 생활깊숙이 자리 잡고 있었지만 무선전력전송 기술의 응용 확대에 대한 움직임은 더디게나타나고 있었음.Ÿ 하지만 2011년도에 들어와 휴대전화나 스마트폰을 비접촉으로 충전할 목적으로무선충전 기능을 탑재하는 사례가 전 세계에 잇따르기 시작하면서 소용량 무선전력전송기술의 응용범위가 크게 확대되기 시작했음.Ÿ 소용량 무선전력전송 기술을 적용한 무선충전 방식은 패드형 무선전력전송 베이스스테이션과 탈부착형 충전기기를 만들어서 사용하는 방법과 건물의 천정이나 가구 등에베이스 스테이션을 내장하는 방법으로 기술 개발이 이루어지고 있음.Ÿ 특히 베이스 스테이션을 내장하는 방법은 가정이나 사무 환경에서 모바일기기의무선충전, 차량에서 휴대폰/PDA/내비게이션 등의 무선충전, 지하철 같은공공장소에서의 무선충전을 효과적으로 실행할 수 있을 것으로 기대되어 관련 업계에서활발히 연구를 진행하고 있음.- 15 -표 2.1 국내외 소용량 무선전력전송 기술 동향기관명 분야 제 품 특 징 단 점- 초단거리 충전 가능- 용량 (최대) 72W, 효율- 모듈 당 1개씩만 충65%(급집전 연계)급전 전 가능- 집전모듈의 배치위치가- 급전모듈 위치가 제정해져 있음한적임와이즈파워- 용량 (최대) 72W, 효율65%(급집전 연계)- 박형구조(0.5mm)두께집전 - 충전 효율이 떨어짐- 휴대폰, E-book, 전자액자, 카메라용 급전모듈상용화- 효율 80%(급집전 연계)- 집전모듈 위치에 상관없- 초단거리만 충전 가급전 이 효율이 일정능- 2개 휴대기기 동시충전 가한림포스텍능- 적외선통신으로장애집전 효율 80%(급집전 단계)물 영향 많이 받음- 용량 15W, 효율 85% (급- 초단거리만 충전 가집전 연계)능- 크기 0.6x13x4.6 inch급전 - 단말 위치에 따라- 다중, 이종충전 지원효율성이 낮아짐- Pad 상 최적의 충전 위치Powermat표시- 용량 5W, 효율 85% (급집전 연계)집전- 단말 종류별로 리시버 모듈 판매- 용량 60W, 효율 40% - 모듈의 크기가 큼급전 @2m(급집전 연계) - 효율성이 낮음- 수 m거리 전송가능 - 기초연구 수준MIT- 효율 40%@2mWiTricity(급집전 연계)집전 - 기초연구 수준- TV용, 휴대폰용 시제품시연- 50cm 거리에서 60W 전력 공급 시스템급전 - 급/집전 효율 80%, 정류기를 포함하면 60%Sony- 자기 공명 방식- 송수신 사이에 중계 장치를 설치하면 급전 거리집전를 늘릴 수 있음 (50cm→80cm)- 16 -2. 대용량 (1kW 이상 급) 무선전력전송 기술 개발 동향Ÿ 대용량 무선전력전송 기술은 주로 교통시스템으로 적용범위를 확대하고 있으며, 교통분야의 무선전력전송 기술은 광범위하게 활용될 것이며, 버스나 트램과 같은 대중교통수단에서 가장 먼저 활용될 것으로 예상됨.Ÿ 충전 장치로써, 무선전력전송장치 중 송신부는 버스 정류장이나 운행 도로 아래에설치되며, 수신부는 차량의 하부에 설치가 되며, 향후 약 10년 이내에 대중화되어 많은곳에서 활용될 것으로 예상됨.Ÿ 국내 대용량 무선전력전송 기술은 KAIST 온라인 버스 기술을 시작으로 크게 발전하고있으며, KAIST에서는 자기 공진형 기술을 적용하여 기존의 자동차를 개조 제작한온라인 전기버스 실험모델을 개발하였으며(2009년 7월), 온라인 전기열차를 개발하여서울대공원에 적용하였음.Ÿ 국내 철도분야에서는 한국철도기술연구원의 주도로 트램용 180kW급 무선 전력 전송시스템(2013년) 및 1MW급 고속열차용 무선전력전송시스템(2014년) 개발을 진행하였음.Ÿ 해외에서도 대용량 무선전력전송 기술에 대한 연구 개발의 움직임이 활발하며, 특히독일, 프랑스, 영국 등을 포함하는 유럽연합에서는 2002년도부터 EVIAC(ElectricVehicle Inductive Automatic Charging)를 구성하여 전기자동차 및 경량전철에 활용할수 있는 자기 유도방식 기술을 공동 개발하고 있음.Ÿ 자기 유도방식 기술을 수송시스템에 적용한 사례로는 독일 Wampfler사의 뉴질랜드와카레와레 공원의 20kW급 순환용 자동차와 Italy의 Porto Antico의 60kW급 버스가있으며, 뉴질랜드의 경우, 오클랜드 대학에서 매입형 유도전력 급전장치와 차량 내충전기를 최소화하는 구동시스템 등을 개발하였음. 또한 환경 친화적인 도로전용유도급전 소형자동차 시험선을 구축하여 상용화 검증시험을 수행하였음.Ÿ 철도분야에서는 독일의 Bombardier를 제외하고는 아직 활발하게 연구가 진행되고 있는상황은 아니며, Bombardier의 PRIMOVE 시스템은 비접촉식 자기 유도방식을 적용하여연구개발을 추진하였음.- 17 -표 2.2 국내외 대용량 무선전력전송 기술 동향기관명 주요 기술/제품 기업 현황 및 기술개발 현황-자기공명 원리를 이용하여 전기를 무선으로 전달하는 기술로, MIT가 개발한 기술(특허)로 설립되었음-델파이 등 차량 부품회사와 공동으로 연구개발을 진행 중이WiT-3300WiTricity(美) 며, 全세계 무선급전 관련 135건 이상의 특허를 출원하였음Deployment Kit-145kHz에서 작동하고, 90%의 효율로 10-20cm 떨어져 충전할 수 있으며, 현재 자동 안내 차량의 무선 충전 인프라 개발을 추진하고 있음-전기자동차 유도전력전송(IPT)를 처음으로 상용화한 회사로,Auckland uniService(뉴질랜드 Auckland大 지적 재산권 업체)의 기술로 설립됨 (2010년 10월 이동 및 정지 자동차에 대HaloIPT Inductive Power 한 세계 최초 비접촉 충전 시스템을 출시)(영국/뉴질랜드) Transfer (IPT) -IPT 기술은 도로와 전기차 하부의 Pad를 통해 전력을 전송하는 기술로 이탈리아, 뉴질랜드 등에 설치되어 운영되고 있음-15개 이상의 특허를 보유하고 있으며, 대부분 급전, 전자커플링 등과 관련된 내용임Wireless Electric -무선 급전 장비의 개발 및 제조업체로, 영국정부, 런던교통부Qualcomm(美) Vehicle Charging 와 공동으로 무선 전기자동차의 충전의 동급 상용 시험을 첫(WEVC) 번째로 시행함-Brose Fahrz eugteile GmbH&Co.KG와 공동으로, 공진 변압Inductive ChargingSew-Eurodrive 기와 비슷한 20cm의 거리에서 효율적으로 전력을 전송하는Technology전기 자동차용 유도 충전 시스템을 개발하였음. 이 기술은 실제 VDE/DKE 코드 (VDE-AR-E 212 2-4-2) 표준에 따름-이 시스템은 전자 정류기와 하부 커버의 콜렉터 코일로 구성Automotive grade되어 있음Conductix charging system for-다른 기능적 측면은 인프라 및 자동차, 충전 코일 정렬을 통Wampfler(獨) Benz B-Class-E cell한 운전자 지원기능, 충전 자동시작 프로세스와 차량확인간의 무선통신을 포함함Siemens Inductive -BMW와 공동으로, 100km 주행거리를 단 15분에 충전 할 수Siemens(獨)Energy Transmission 있는 3.6KW DC 시스템 개발 중임-Witricity와 공동으로 3.3 KW 무선 충전 시스템을 개발, 이Wireless ChargingDelphi(美) 시스템은 날씨에 잘 견디고 20cm의 거리에 3.3KW 에너지System를 전송할 수 있음-온라인 전기자동차(OLEV)를 개발하고 있으며, 주행 및 정차시에 무선으로 차량 배터리를 충전하는 기술KAIST(韓)OLEV (On Line -무선 전력전송 (WPT)에 의한 도로 임베디드 파워트랙을 이(OLEVElectric Vehicle) 용하여 전기 자동차 충전기술로, 비교적 작은 온-보드 배터리Technologies)와 드라이브 트레인의 사용을 가능하게 하는 SMFIR (ShapedMagn etic Field In Resonance)의 개념을 기반으로 함- 18 -3. 국내외 시장동향Ÿ 세계 철도 시장은 2009년 기준 약 195조원 규모로 철도차량이 115조원으로 가장 큰비중을 차지하고 있으며, 인프라가 65조원, 시스템이 21조원 등으로 시장이 형성되어있음Ÿ 분야별로는 새로운 철도계획과 건설에 따른 철도시설(Infra Structure)관련 시장이지속적으로 성장할 것으로 전망Ÿ 철도 전력공급 분야 세계시장은 40억 유로 규모로 Siemens, Balfour Beatty Rail 등이시장을 주도하고 있으며, 2016년까지 연평균 3.0% 이상 성장할 것으로 예상됨(Worldwide Market for railway technology, 2012, 독일 SCI)표 2.3 ‘09 ~‘14년 철도 분야별 성장 전망‘09~‘14년기술분야 시장규모(조원)평균시장 성장률Infrastructure 62 4.2%System Technology 21 5.5%Rolling Stock 115 4.1%총 계 198 3.2%그림 2.1 Global Market Share by Supplier Electrification (2007~2011)- 19 -Ÿ 무선급전분야는 많은 잠재력을 가지고 있는 기술로서 현재 대규모의 시장이 형성되어있지는 않으나 개발 동향으로 볼 때 2012년을 기점으로 휴대용 기기를 필두로 다양한분야에 시장이 형성될 것으로 예상됨Ÿ 무선급전 관련 세계시장은 2012년에서 2017년까지 연평균 57.46%씩 성장할 것으로예상되며, 2011년 456백만 달러에서 2017년 7,161백만 달러까지 시장규모가 확대될것으로 예상됨 (※ 출처 : Wireless Charging Market (2012-2017) Global Forecast &Analysis ByTechnology, Products & Applications, Markets and Markets, April 2012)그림 2.2 무선전력전송 기술의 응용 가능 분야그림 2.3 무선전력전송 기술 분야의 세계시장 매출 예상- 20 -4. 기술 및 제품의 수요예측Ÿ 국내 수요- 국내 기술로 개발한 전차선로 상태 검측장치에 충전용 무선전력전송장치를 적용함으로써 전차선로 상태 검측장치의 신뢰성을 더욱 높일 수 있음.- 전차선로 상태 검측장치 충전용 무선전력전송장치 기술 개발로 전차선로 상태 검측장치의 유지보수비를 대폭 줄일 수 있으며, 이에 활용도를 더욱 확대시킬 수 있음.- 국내시장 검측기 수입 규모는 350억 [2003-2007 수입분] 정도이므로 전차선로가 건설비 대비10% 정도인 점을 감안하여도 2020년까지 [350억×10%(전차선로분야)] 35억 정도의 전차선로검측기 수입 규모가 형성된다고 볼 수 있음. 따라서 전차선로 검측기에 비접촉 충전장치를 탑재한다면 35억 정도의 수입 규모 대체 효과 발생 가능함.Ÿ 해외 수요 및 수출 가능성- 국외 고속철도용 검측시장에서 국내 개발 검측장치의 경쟁력을 더욱 높일 수 있으며, 이에 검측 기술의 해외 검측시장 선점이 가능함.- 2015년 해외 검측시장 규모 4,000억/년의 1% 수준인 40억/년 진출 가능함.제2절 국내외 특허 및 연구 동향 분석1. 원거리 무선 전력 전송 시스템의 특허 및 연구 동향 분석가. 국내외 특허 동향 분석(1) 특허 분석 기준- 21 -표 2.4 특허 분석 기준구 분 분석 기준특허검색 DB Thomson Innovation검색국가 미국 유럽 일본 한국 중국출원, 등록 출원, 등록 출원, 등록 출원, 등록 출원분석구간 1990.01.01.~2015.01.19검색범위 Title, Abstract, Claim(2) 기술분류 및 검색 조합식표 2.5 특허 검색 조합식기술구분 검색 조합식 검색 관련특허 특허A기술CTB=(((railway or railroad or locomotive or train*1 or tram or (rolling adj stock) OR (rail* near2 (vehicle or car)) or subway or metro* or vehicle or automobile or bus)) AND ((Contactless* or wireless or (non adj contact) or on*line)) AND (((Resonant) 316 302or (Resonant adj frequency) )) NEAR4 (power adj (supply or charg* or transfer or feed* or collect* or coil or module or Impedance or Transmi* or receiv*)));B기술CTB=(((railway or railroad or locomotive or train*1 or tram or (rolling adj stock) OR (rail* near2 (vehicle or car)) or subway or metro* or vehicle or automobile or bus)) AND ((Contactless* 149 103or wireless or (non adj contact) or on*line)) AND (((Resonant) or (Resonant adj frequency))) AND (INVERTER));C기술CTB=(((railway or railroad or locomotive or train*1 or tram or (rolling adj stock) OR (rail* near2 (vehicle or car)) or subway or metro* or vehicle or automobile or bus)) AND ((Contactless* or wireless or (non adj contact) or on*line)) AND (((Resonant) 979 409or (Resonant adj frequency))) AND (Rectifier or Converter or Regulator or (Load adj shar*) or Battery or capacity or charger or (bi adj direction*) or storag*));D기술CTB=(((railway or railroad or locomotive or train*1 or tram or (rolling adj stock) OR (rail* near2 (vehicle or car)) or subway or metro* or vehicle or automobile or bus)) AND ((Contactless* or wireless or (non adj contact) or on*line)) AND (((Resonant) 58 21or (Resonant adj frequency))) AND (Waterproof or (heat adj radiat*) or dustproof or (Weight near3 light*) or light*weight or Lossless or (low near3 loss)));- 22 -(3) 출원년도 및 국가별 특허출원 동향Ÿ 전차선 상태 검측장비 충전용 원거리 무선전력전송시스템 기술 분야의 전체적인특허동향을 살펴보면, 1990년부터 현재까지 총 835건의 특허가 출원되고 있으며, 2008년이후 전반적으로 급격히 증가하는 추세를 보이고 있음Ÿ 국가별로는 일본이 28%(230건)로 최다이며, 미국, 중국, 한국, 유럽의 순으로 출원되고있음Ÿ 국가별 특허출원 추세를 보면, 모든 국가에서 2010년부터 최근 특허가 급격하게증가하고 있으며, 일본, 미국, 중국, 한국의 특허 출원이 유사한 수준으로 나타나고 있는등 기술성장과 경쟁이 가속화하고 있음Ÿ 우리나라의 경우 특허 건수는 일본, 미국, 중국에 비해 작지만, 2010년 이후부터 이들국가와 유사한 수준의 특허를 출원하고 있어 최근 관련 분야 관심이 증가하고 있다고판단할 수 있음 그림 2.4 출원년도 및 국가별 출원추이- 23 -(4) 세부기술별 특허출원 동향Ÿ 정류기 및 배터리 충전장치 (C기술) 및 무선전력전송 송수신 모듈(A기술) 분야에대부분의 특허가 출원되고 있으며, 최근에도 여전히 높은 수준의 특허가 출원되고 있는상황임Ÿ 공진 인버터(B기술) 분야는 C기술 및 A기술과 비교하여 특허 건수는 적은 편이지만,2010년 이후 특허가 크게 증가하고 있어 최근 관심이 증가하고 있는 분야로 판단할 수있음 그림 2.5 세부기술별 특허출원동향 (5) 주요 출원인 분석Ÿ 특허를 많이 출원한 상위 10개의 출원인을 분석해 보면, Toyota, Qualcomm, 삼성 등이많은 특허를 출원하고 있음Ÿ 대부분의 다출원 기관들이 3개 국가 이상에 특허를 출원하고 있는 것을 볼 때, 이 분야글로벌 특허기술 경쟁이 가속화하고 있는 것을 확인할 수 있음.- 24 - 그림 2.6 주요 출원인 동향Ÿ 주요 출원인의 연도별 특허출원을 보면, 모든 기관들이 2008년 이후 최근 특허출원이압도적으로 많이 나타나고 있음. 따라서 최근 기술경쟁의 가속화를 확인할 수 있음 그림 2.7 연도별 주요 출원인 동향(6) 국가별 기술 분포Ÿ 출원국가별 세부기술 특허분포를 살펴본 결과, 모든 국가에서 정류기 및 배터리충전장치 (C기술) 및 무선전력전송 송수신 모듈(A기술)에 대한 집중도가 높게 나타나고있음Ÿ 다만, 미국은 정류기 및 배터리 충전장치 (C기술)에 대한 집중도가 상대적으로 매우- 25 -크게 나타나고 있음Ÿ 한국의 경우에도, 정류기 및 배터리 충전장치 (C기술) 및 무선전력전송 송수신모듈(A기술)에 고르게 특허가 가장 많이 나타나고 있음. 상대적으로 기술경쟁이 약한분야인 B기술과 D기술 영역에 대한 경쟁력 확보도 필요할 것으로 판단됨그림 2.8 국가별 기술분포(방사형) 그림 2.9 기술별/국가별 기술분포(버블형)(7) 국가별 특허현황- 26 -Ÿ 국가별 출원특허에 대해 우선권국가가 자국인지 여부에 따라,기술시장의 개방성과 해외의존도를파악할 수 있음Ÿ 일본, 미국, 한국에서는 자국특허비중이 더 높게 나타나고 있음. 이기술 분야의 글로벌 특허경쟁이 아직그림 2.10 국가별 특허 점유현황치열하게 나타나지 않는 것으로보여짐Ÿ 유럽, 중국은 외국기관의 특허 비율이더 높게 나타나고 있음Ÿ 국가별 출원특허 건수와우선권보유건수를 비교하여, 기술의해외진출 수준을 파악할 수 있음Ÿ 일본, 미국은 우선권 보유건수가 더높게 나타나고 있어, 자국시장보다해외시장 진출노력을 확인 할 수있음. 반면에, 중국, 유럽, 한국은출원특허 건수가 더 높게 나타나, 그림 2.11 국가별 출원 특허 대비 우선권 특허 현황해외 진출노력이 많지 않은 것으로나타남(8) 우선권 국가 (Priority Country)별 특허분포 지수분석 (8-1) 시장확보지수 (PFS : Patent Family Size)Ÿ (지표 설명) 특정 국가에서 상업적인 이익 또는 기술경쟁 관계에 있을 때 해외에특허를 출원하므로, Family Patent 數가 많을 때 특허를 통한 시장성이 크다고판단되어 이를 시장확보력의 지표로 사용함- 27 -국가별출원특허대비우선권특허현황Ÿ (계산식) 국가별 시장확보지수(PFS) = ( ∑ 해당국가 특허別 패밀리 ) / 해당국가특허건수Ÿ (분석결과)- 미국의 시장확보지수(PFS)가 16.89로가장 높게 나타남- 미국 다음으로는 유럽, 일본의 순서로 시장확보력이 높게 나타남- 일본의 경우 특허 건수에 비해 시장확보력이 낮게 나타나고 있음- 우리나라는 특허건수 뿐만 아니라, 그림 2.12 국가별 출원건수 및 시장확보지수시장확보력에서도 낮은 수준을 보임 (8-2) 인용도지수 (CPP : Cites Per Patent)Ÿ (지표 설명) 특정 국가의 특허들이 이후 등록되는 특허들에 의해 인용되는 회수가많을수록 기술경쟁력이 높으므로, 인용도지수(CPP)가 클수록 원천특허/핵심특허를 많이보유한 정도를 나타내는 지표로 사용함Ÿ (계산식) 국가별 인용도 지수(CPP) = ( ∑ 해당국가 특허別 피인용수 ) / 해당국가특허건수Ÿ (분석결과) - 미국의 인용도지수(CPP)가 11.47로 가장 높아, 원천/핵심특허를 많이 보유한 것으로 판단할 수 있음- 반면, 일본은 특허건수에 비해 인용도지수(CPP)가 많이 낮아, 원천/핵심특허 비중이그림 2.13 국가별 인용도지수상대적으로 낮은 것으로 판단할 수 있음 (8-3) 영향력지수(PII : Patent Impact Index) 및 기술력지수(TS : Technology Strength) Ÿ (지표 설명) 영향력지수는 특정 국가가 소유한 기술의 질적수준을 측정하는 지수이며,기술력지수는 특정 국가의 기술보유 양적수준(특허건수)과 영향력지수(질적수준)을 함께나타냄- 28 -국가별출원건수및시장확보지수Ÿ (계산식)- 국가별 영향력 지수(PII) = 해당국가 특허 인용도지수 / 전체(모든국가) 특허인용도지수- 국가별 기술력 지수(TS) = 해당국가 특허건수 × 해당국가 영향력 지수Ÿ (분석결과) - 미국의 영향력지수(PII)가 2.23으로 가장높아 질적 수준에서 가장 우수한 것으로 보여짐- 또한, 양적 수준(특허건수)을 고려한 기술력지수(TS)에서도 미국이 607.08로 가장 높음- 우리나라는 영향력지수, 기술력 지수 모두최하위 수준으로, 향후 지속적인 기술역량그림 2.14 국가별 영향력지수 및 기술력지수강화가 필요함(9) Text mining을 통한 기술분야 특허 분포도Ÿ 전차선 상태 검측장비 충전용 원거리 무선전력전송시스템 기술 관련 검색결과 결과1,502건의 검색 특허 중 최종 835건의 유효 특허기술이 분포함Ÿ 등고선 꼭지점이 높은 Tank Circuit/Remote device/Primary wind 등의 기술에 특허가많이 분포하고 있어 관련 분야가 기술 집중도가 높은 기술임을 알 수 있음Ÿ 특히 최근 특허기술 분석결과 Power feeder, Wireless device 등이 많이 나타나고 있어관련기술이 최근 동향임을 알 수 있음- 29 -그림 2.15 특허 등고선 맵● 2010년 이후 ● 2000-2009 ● 1990-1999- 30 -(10) 주요 특허 현황표 2.6 주요 특허 현황 (피인용 順)공개번호 발명의 명칭 출원인 정리 피인용수(Forward)US7639514B2 Adaptive inductive power supply Access Business 83US7952322B2 Inductive power source and charging system Mojo Mobility 82US7522878B2 Adaptive inductive power supply with communication Access Business 79US20100225175A1 WIRELESS POWER BRIDGE FISHER P H 79US20110074347A1 WIRELESS ENERGY TRANSFER MIT 68US20110241618A1 METHODS AND SYSTEMS FOR WIRELESS POWER TRANSMISSION FISHER P H 64US20110227530A1 WIRELESS POWER TRANSMISSION FOR PORTABLE WIRELESS POWER CHARGING FISHER P H 64US8076801B2 Wireless energy transfer, including interference enhancement MIT 64US20110227528A1 ADAPTIVE MATCHING, TUNING, AND POWER TRANSFER OF WIRELESS POWER FISHER P H 63US20110074218A1 WIRELESS ENERGY TRANSFER MIT 62WIRELESS ENERGY TRANSFER WITH US20120235634A1 VARIABLE SIZE RESONATORS FOR MEDICAL CAMPANELLA A J 59APPLICATIONSUS20110181122A1 WIRELESSLY POWERED SPEAKER MIT 59US20110221278A1 POWER SUPPLY SYSTEM AND METHOD OF CONTROLLING POWER SUPPLY SYSTEM MIT 59US20100276995A1 Security for wireless transfer of electrical power MARZETTA T L 57Magnetic levitation transport system with US5467718A non-contact inductive power supply and battery DAIFUKU CO 56chargingMAGNETIC FIELD ANTENNA, AND WIRELESS JP2005192124A SYSTEM AND COMMUNICATION SYSTEM TODA KOGYO 56CONFIGURED BY EMPLOYING THE SAME US20120112691A1 WIRELESS ENERGY TRANSFER FOR VEHICLES CAMPANELLA A J 54 US20120119698A1 WIRELESS ENERGY TRANSFER FOR VEHICLES CAMPANELLA A J 53US20120235500A1 WIRELESS ENERGY DISTRIBUTION SYSTEM GANEM S J 53US20110254377A1 WIRELESS POWER TRANSMISSION IN ELECTRIC VEHICLES QUALCOMM 51- 31 -(11) 주요 핵심특허 심층 분석 (피인용 높은 특허사례)1 기술 무선전력전송 송수신기술 특허번호분류 (A기술) (출원번호) US2007684860A특허번호(공개번호) US7639514B2출원인 Access Business 출원일 2007-03-12 공개일 2009-12-29발명의 명칭 Adaptive inductive power supply대표도면주요 내용 비접촉형 무선전력 공급관련 탱크 회로, 인버터 주파수, 공진 주파수 변경에 관한 특허기술임SMART특허분석평가- 본 특허는 2007년 출원 후 현재까지 유지되고 있는 특허로, 피인용이 많아 기술성과 권리성이 우수하며, 활용성에서도 우수한 특허로 판단됨법적상태(회피전략) - 전체 미국 관련 등록특허 中 상위 0.9%에 위치하는 우수 특허로 피인용수가높고, 관련된 해외 특허출원이 387개나 되는 등 해외 시장성도 높게 평가되는좋은 특허로 보여짐- 32 -및 배터리 2 기술정류기 특허번호 호분류 충전장치(C기술) (출원번호)US2007669113A 특허번(공개번호) US7952322B2출원인 Mojo Mobility 출원일 2007-01-30 공개일 2011-05-31발명의 명칭 Inductive power source and charging system대표도면주요 내용 충전기와 수신기 사이의 전력 전송 효율을 향상시키며, 효율을 측정하는 것과 관련된 특허기술임SMART특허분석평가- 본 특허는 2007년 출원 후 현재까지 유지되고 있는 특허로, 피인용이 많아 권리성과 기술성이 우수한 특허로 판단됨. 다만, 활용성에서는 낮은 수법적상태 준으로 평가됨(회피전략) - 전체 미국 관련 등록특허 中 상위 74%에 위치하고 있는 특허임- 독립청구항이 세밀하게 작성되어 있지만, 권리의 제한 어구는 적은 편이고, 선행기술 조사 문헌 중에 외국특허와 논문이 존재하고 있음- 33 -3 기술 공진 인버터 기술 특허번호 허번호분류 (B기술) (출원번호) US2003689148A특(공개번호) US7522878B2출원인 Access Business 출원일 2003-10-20 공개일 2009-04-21발명의 명칭 Adaptive inductive power supply with communication대표도면주요 내용 적응적 유도성 안정기에 의해 구동 원격 장치와 통신 할 수 있도록 하는 기능과 관련된 특허기술임SMART특허분석평가- 본 특허는 2003년 출원 후 현재까지 유지되고 있는 특허로, 피인용이 법적상태 많아 기술성과 권리성이 우수하며, 활용성에서도 우수한 특허로 판단됨(회피전략) - 전체 미국 관련 등록특허 中 상위 0.5%에 위치하는 우수 특허로 피인용수가높고, 종속항이 계층적으로 구성되어 있음- 34 -나. 국내외 논문 및 연구 동향 분석(1) 논문 분석 범위표 2.8 논문 분석 기준구 분 분석 기준논문검색 DB Web of Science, Thomson Innovation분석구간 1990.01.01. ~ 2015.01.19검색범위 Title, Abstract(2) 기술분류 및 검색 조합식표 2.9 논문 검색 조합식기술구분 검색 조합식 검색 관련논문 논문A기술ALL=(((railway or railroad or locomotive or train*1 or tram or (rolling adj stock) OR (rail* near2 (vehicle or car)) or subway or metro* or vehicle or automobile or bus)) AND ((Contactless* or wireless or (non adj contact) or on*line)) AND (((Resonant) 25or (Resonant adj frequency) )) AND (power adj (supply or charg* or transfer or feed* or collect* or coil or module or Impedance or Transmi* or receiv*)));B기술ALL=(((railway or railroad or locomotive or train*1 or tram or (rolling adj stock) OR (rail* near2 (vehicle or car)) or subway or metro* or vehicle or automobile or bus)) AND ((Contactless* 5or wireless or (non adj contact) or on*line)) AND (((Resonant) or (Resonant adj frequency))) AND (INVERTER));C기술 22ALL=(((railway or railroad or locomotive or train*1 or tram or (rolling adj stock) OR (rail* near2 (vehicle or car)) or subway or metro* or vehicle or automobile or bus)) AND ((Contactless* or wireless or (non adj contact) or on*line)) AND (((Resonant) 17or (Resonant adj frequency))) AND (Rectifier or Converter or Regulator or (Load adj shar*) or Battery or capacity or charger or (bi adj direction*) or storag*));D기술ALL=(((railway or railroad or locomotive or train*1 or tram or (rolling adj stock) OR (rail* near2 (vehicle or car)) or subway or metro* or vehicle or automobile or bus)) AND ((Contactless* or wireless or (non adj contact) or on*line)) AND (Waterproof 64or (heat adj radiat*) or dustproof or (Weight near3 light*) or light*weight or Lossless or (low near3 loss)));- 35 -(3) 논문 기술 동향Ÿ 전차선 상태 검측장비 충전용 원거리 무선전력전송시스템 기술의 논문 동향 분석을위해, 해당 기술을 특허와 마찬가지로 4개의 세부기술로 분류하여 검색하였음 < 논문 검색기술 분류 > - (A기술) 무선전력전송 송수신 모듈기술, (B기술) 공진 인버터 기술, (C기술) 정류기 및 배터리 충전장치 기술, (D기술) 무선전력전송 시스템 패키지화 기술Ÿ 분류된 기술별로 관련 논문을 검색한 결과, 총 22건의 논문만이 해당 기술과 관련이있는 유효 논문으로 확인되었음Ÿ 이에 따라, 표나 그래프 등으로 도식화하는 것이 불가능하여, 유효논문 목록만 표로표시하였음순번 논문 제목 발표년도 저널명 피인용수(Forward)IEEE-INST 1 Design considerations for a contactless ELECTRICAL electric vehicle battery charger 2005 ELECTRONICS 192ENGINEERS INCPower transfer capability and bifurcation IEEE-INST 2 phenomena of loosely coupled inductive 2004 ELECTRICAL power transfer systems ELECTRONICS 126ENGINEERS INCIEEE-INST 3 Narrow-Width Inductive Power Transfer System for Online Electrical Vehicles 2011ELECTRICAL ELECTRONICS 41ENGINEERS INC4 Inductive coupler for contactless power transmission 2008INST ENGINEERING TECHNOLOGY-IET 33IEEE-INST 5 Interphase Mutual Inductance in Polyphase ELECTRICAL Inductive Power Transfer Systems 2009 ELECTRONICS 32ENGINEERS INC6 Current sourced bi-directional inductive power transfer system 2011INST ENGINEERING TECHNOLOGY-IET 20A Power-Frequency Controller for IEEE-INST 7 Bidirectional Inductive Power Transfer 2013 ELECTRICAL Systems ELECTRONICS 15ENGINEERS INC- 36 -순번 논문 제목 발표년도 저널명 피인용수(Forward)IEEE-INST 8 High-Misalignment Tolerant Compensation ELECTRICAL Topology For ICPT Systems 2012 ELECTRONICS 15ENGINEERS INCImprovement in Efficiency of Wireless IEEE-INST 9 Power Transfer of Magnetic Resonant 2011 ELECTRICAL Coupling Using Magnetoplated Wire ELECTRONICS 14ENGINEERS INCCoil Design and Shielding Methods for a IEEE-INST 10 Magnetic Resonant Wireless Power 2013 ELECTRICAL 12Transfer System ELECTRONICS ENGINEERS INC11 Contactless power interface for plug-in electric vehicles in V2G systems 2011POLISH ACAD SCIENCES DIV IV 6A Novel Mat-Based System for IEEE-INST 12 Position-Varying Wireless Power Transfer to 2013 ELECTRICAL Biomedical Implants ELECTRONICS 2ENGINEERS INCIEEE-INST 13 A Bidirectional Wireless Power Transfer EV Charger Using Self-Resonant PWM 2015ELECTRICAL ELECTRONICS 0ENGINEERS INCResearch on Efficiency of High Power 14 Resonant Electric Vehicle Contactless 2014 HINDAWI PUBLISHING Power Transfer Charger CORPORATION0Compensate Capacitor Optimization for IEEE-INST 15 Kilowatt-Level Magnetically Resonant 2014 ELECTRICAL Wireless Charging System ELECTRONICS 0ENGINEERS INCDesign and analysis of an underwater 16 inductive coupling power transfer system for autonomous underwater vehicle docking 2014 ZHEJIANG UNIV 0applicationsDesign and Analysis of a Resonant Reactive IEEE-INST 17 Shield for a Wireless Power Electric 2014 ELECTRICAL Vehicle ELECTRONICS 0ENGINEERS INCIEEE-INST 18 Generalized Active EMF Cancel Methods for Wireless Electric Vehicles 2014ELECTRICAL ELECTRONICS 0ENGINEERS INC19 Large air-gap 6.6 kW wireless EV charger with self-resonant PWM 2014INST ENGINEERING TECHNOLOGY-IET 0Novel Core Structure and Iron-Loss 20 Modeling for Contactless Power Transfer 2013 WILEY-BLACKWELL 0System of Electric Vehicle- 37 -순번 논문 제목 발표년도 저널명 피인용수(Forward)21 Numerical Analysis and Design of Moving Contactless High Power Transformer 2011KOREAN MAGNETICS SOC 0Contactless power supply system with WYDAWNICTWO 22 bidirectional energy transfer for electric 2011 SIGMA-N O T SP Z O 0vehicle O2. 원거리 무선 전력 전송 시스템의 특허 및 연구 동향 분석 결론가. 특허 분석 결론Ÿ 전차선 상태 검측장비 충전용 원거리 무선전력전송시스템 기술 분야의 전체적인특허동향을 살펴보면, 1990년부터 현재까지 총 835건의 특허가 출원되고 있으며, 일본이28%(230건)로 최다이며, 미국, 중국, 한국, 유럽의 순으로 많이 출원되고 있음. 국가별특허출원 추세를 보면 모든 국가에서 2010년부터 최근 특허가 급격하게 증가하고있으며, 일본, 미국, 중국, 한국의 특허 출원이 유사한 수준으로 나타나고 있는 등기술성장과 경쟁이 가속화하고 있음Ÿ 세부 기술별로 보면, 정류기 및 배터리 충전장치 (C기술) 및 무선전력전송 송수신모듈(A기술) 분야에 대부분의 특허가 출원되고 있으며, 최근에도 여전히 높은 수준의특허가 출원되고 있음. 공진 인버터(B기술) 분야는 C기술 및 A기술과 비교하여 특허건수는 적은 편이지만, 2010년 이후 특허가 크게 증가하고 있어 최근 관심이 증가하고있는 분야로 판단할 수 있음Ÿ 특허를 출원한 상위 10개의 출원인을 보면, Toyoda, Qualcomm, 삼성 등이 특허를 많이출원하고 있는 것으로 나타나고 있음. 대부분의 다출원 기관들이 3개 국가 이상에특허를 출원한 것을 볼 때, 이 분야 글로벌 특허기술 경쟁이 가속화하고 있는 것을확인할 수 있음Ÿ 국가별 기술 분포를 보면, 모든 국가에서 정류기 및 배터리 충전장치 (C기술) 및무선전력전송 송수신 모듈(A기술)에 대한 집중도가 높게 나타나고 있음. 다만, 미국은정류기 및 배터리 충전장치 (C기술)에 대한 집중도가 상대적으로 매우 크게 나타나고- 38 -있음Ÿ 국가별로 보면 해외 특허 시장확보력을 의미하는 시장확보지수(PFI)와 출원건수 및원천/핵심 특허 보유와 관련이 높은 영향력지수(PII), 기술력지수(TS) 등 모든 지표에서미국이 가장 높게 나타나고 있음. 따라서, 미국 특허가 量的․質的으로 가장 경쟁력이높은 것으로 판단되며, 향후 연구를 진행함에 있어 미국 특허를 중심으로 세부선행기술에 대한 분석이 반드시 필요함Ÿ 한국의 경우 특허건수, 시장확보력, 인용도 등 기술영향력과 관계된 대부분의 지수에서가장 낮은 수준을 보이고 있어 관련 분야 기술 확보가 시급히 요구되는 상황임나. 논문 분석 결론Ÿ 전차선 상태 검측장비 충전용 원거리 무선전력전송시스템 기술의 전체적인 논문동향을살펴보면, 1990년부터 현재까지 총 22건의 논문에 불과함. 관련 분야 논문이 많이발표되지 않고 있음을 알 수 있음Ÿ 이는 무선급전기술이 최근 주목받고 있는 신기술 분야로 아직 관련 논문이 많이발표되지 않았기 때문이며, 또한 해당 기술이 핸드폰, 수송수단(자동차, 버스, 기차 등)등의 무선전력전송과 관계된 것으로 통신 장비업체, 자동차업체 등 산업계와 관련이높은 기술이기 때문에 선행기술인 논문 보다는 특허 위주로 기술이 개발되고 있기때문임Ÿ 다만, 검색된 많은 논문이 미국의 IEEE-INST ELECTRICAL ELECTRONICSENGINEERS INC 저널에 발표된 것으로, 향후 연구를 수행함에 있어 관련 저널에발표된 논문을 중심으로 선행기술을 면밀히 검토할 필요가 있음다. 시장 분석 결론Ÿ 무선급전(Noncontact/Wireless charging) 관련 세계시장은 현재 성장기에 있으며,- 39 -2012년에서 2017년까지 연평균 57.46%씩 성장할 것으로 예상되는 등 향후 급격하게확대될 것으로 예상됨Ÿ 이 중, 교통 분야 무선급전기술은 아직 대중화 되지 않았으나 향후 광범위 한 활용이예상되며, 자동차뿐 아니라 버스나 트램과 같은 대중 교통수단에서 활용이 증가될것으로 전망되고 있음Ÿ 이를 위해, 현재 WitriCITY, Evatran, Qualcomm, HaloIPT, KAIST 등 여러 기관에서관련 분야 R&D 및 상용화를 추진하고 있으며, 전력 전송의 효율성을 높이고 차량 이동중에도 전력공급이 가능한 새로운 분야의 기술 개발을 추진하고 있음Ÿ 이를 위해, 현재 우리나라의 경우 철도(연)에서 세계 최초로 대용량 고주파(60khz,180kw급) 무선 전력전송 기술을 트램에 적용하여 시험 주행을 하고 있으며,구미시에서는 세계 최초로 도로를 주행하면서 무선충전이 가능한 무선충전 전기버스를도입하여 운행 하고 있음Ÿ 이러한 여러 자료 등을 통해 볼 때 무선급전기술은 현재 全세계적으로 주목받고 있는새로운 기술 분야로 향후 시장규모가 크게 확대될 것으로 예상되며, 이에 따라 관련기술의 선점을 위해서 정부차원의 R&D 예산 지원이 시급하게 이루어져야 할 것으로판단됨- 40 -

제3장 연구 개발 수행 내용 및 결과
제3장 연구 개발 수행 내용 및 결과제1절 원거리 무선 전력 전송용 코일의 개발1. 무선 전력 전송용 코일의 설계가. 무선 전력 전송용 코일 설계 시 고려조건Ÿ 무선 전력 전송 시스템의 코일 설계는 크게 효율 및 제어 안정성을 고려해야 함.Ÿ 논문 [1] 에 따르면 공진형 무선 전력 전송 시스템의 효율은 아래 수식 (3.1)과 같이나타남. .1)      (3Ÿ 여기서 Q , Q 는 TX, RX 코일의 자체 Quality factor 이며 Q = ωL /R , Q =TX RX TX TX TX TXωL /R 로 정의 됨. 이 때 ω = 2πf, f는 운전 주파수, L , L 는 TX, RX 코일의RX RX TX RXSelf-inductance, R , R 는 TX, RX 코일의 자체 저항임.TX RXŸ 또한, Q , Q 는 TX, RX 코일의 Loaded quality factor 이며, 이는 부하를 포함한p s시스템의 Quality factor를 의미함. Q , Q 는 RX coil 이 병렬 공진인 경우, Q =p s pω 2L /(a R ), Q = R /(ωL ) 같이 정의 되며 R 은 등가 부하 저항임. a 는 TX와 RXTX L s L RX L코일간 Transfer ratio를 의미하며 a = k√(L /L )와 같이 정의할 수 있으며, k는TX RXcoupling coefficient로 k = M/√(L L ) 같이 정의할 수 있음. RX 코일이 직렬TX RX공진이면, Q = ωL R /(ω 2M) , Q = (ωL ) /R 임.p TX L s RX LŸ 이 식 (3.1) 에서 알 수 있듯이, 전체 시스템의 효율은 Q Q 가 작아질수록, Q , Qp, s TX RX가 커질수록 개선됨. Q Q 는 코일의 자체 인덕턴스 대비 손실의 비율이므로 코일TX, RX자체의 손실 특성을 나타냄. 따라서 손실이 작은 코일을 제작하는 게 중요함.- 41 -Ÿ 또한, Q , Q 는 부하 저항과 코일의 리액턴스의 비를 나타내는 것으로 Q , Q 가p s p s작을수록 리액턴스 대비 부하가 크게 보인다는 것을 의미하Ï며ç 이 경우 부하 측으로전력 전달이 많이 되기 때문에 효율이 향상될 수 있다는 것을 보여줌.Ÿ 또한, Q , Q 에는 k 혹은 M 이 수식의 분모에 포함돼있어 k나 M 이 커질수록, (즉p s전력 전송 거리가 줄어들거나, 코일 크기가 커질수록) Q , Q 의 값이 작아져 효율이p s개선될 수 있다는 것을 보여줌.Ÿ 종합하면, 무선 전력 전송 시스템의 효율은 전력 전송 거리, 코일 크기, 턴 수, 코일의인덕터스, 손실, 부하 값 등에 의해서 영향을 받음. 따라서 전송 거리 및 부하 값에¡따라 적절한 코일의 형태를 찾아야 최대 효율을 얻을 수 있음.Ÿ 공진형 무선 전력 전송 시스템의 설계에 있어서 제어 안정성도 따져야 함 [1]Ÿ 코일 임피던스와 부하 간에 적절한 관계를 이루지 못하면 부하 값이 변동함에 따라 TX코일의 resonant pole 과 RX 코일의 resonant pole 이 가까워지며 서로 밀어내 공진주파수가 여러 개 생기게 되어 (Bifurcation) 제어가 불안정해질 수 있음 [2].Ÿ 만약 이처럼 제어 안정성 조건이 깨지면, 무선 전력 전송 시스템의 TX 코일 측에서는여러 개의 공진 주파수가 보이게 되고, 입력 인버터는 코일의 공진주파수에 맞춰서운전할 수 없게 되어, 고효율 시스템을 얻을 수 없음 [2].Ÿ 아래 식 (3.2)는 급집전 코일의 공진 형태에 따라 제어 안정성을 만족하기 위한조건들을 보여줌. ≻   for and (3.2)  ≺  for and  Ÿ 여기서 k = coupling coefficient 임. SS, SP, PS, PP 등은 Transmitter 및 Receiver의공진 형태를 나타내는 것으로 앞의 S 혹은 P는 TX 코일의 직렬(Series) 혹은 병렬(Parallel) 공진을 의미하며, 뒤의 S 혹은 P는 RX 코일의 직렬 혹은 병렬 공진을의미함.- 42 -나. 무선 전력 전송 시스템의 설계 방법Ÿ 원거리 무선 급전 시스템의 설계를 위해서 본 연구에서 제시하는 설계 방법에서는 TX코일과 RX 코일이 가질 수 있는 인덕턴스 값의 범위 (feasible inductance designspace) 를 먼저 찾고, 그 범위 내에서 효율을 극대화하는 동시에 제어 안정성을 가지는코일 형태를 제시함.Ÿ 먼저 Feasible design space는 TX 코일에 걸리는 전압/전류 및 RX 코일에 걸리는전압/전류의 최대치가 V , I , V , I 라고 가정했을 때, TX 코일LTX,max LTX,max LRX,max LRX,max및 RX 코일의 리액턴스 X , X 는 아래와 같은 부등식 (3.3)을 만족하는 것을TX RX이용해 정의 됨 [1]  max ≤  (3.3)   ≥     max   max ≤Ÿ 여기서 P 은 출력 전력, R 은 부하 저항, k 는 coupling coefficient 임. 여기서 전력out L전송 거리 및 출력 전력량, 출력 전압, V , I , V , I 등이 정해지면LTX,max LTX,max LRX,max LRX,maxk, P , R 등은 상수가 되어 X , X 사이의 관계를 정해주는 식이 됨.out L TX RXŸ 첫 번째 식은 TX 코일에 걸리는 전압이 V , 보다 작기 위해서는 X 가 X 에LTX,max TX RX일정 상수를 곱한 값보다 작아야 한다는 것을 의미하고 이는 X 를 y 축으로 하고TXX 를 x 축으로 하는 직교 평면상에 그렸을 때, 아래 그림 3.1 (a) 처럼 양의 기울기를RX가지는 직선의 밑 부분에 해당함.Ÿ 두 번째 식과 세 번째 식도 동일하게 X 와 X 의 직교 평면 상에 그리고 세TX RX부등식의 교차 영역을 표시하면 그림 3.1 (b) 과 같이 나타낼 수 있음.- 43 -Ÿ 따라서 TX 코일과 RX 코일의 리액턴스 값은 그림의 교차 영역 내에 존재하는 값을선택할 수 있으며 이러한 교차 영역이 존재하는 경우 이를 Feasible design space라부름.Ÿ 만약 운전 주파수가 고정되어 있으면 X 및 X 의 리액턴스를 운전 주파수로 나눌TX RX수 있고, 이 경우 Feasible design space는 식 (3.4)와 같이 나타나며, 그림 3.1 (c) 처럼L 와 L 의 평면상에 나타낼 수 있음.TX RXŸ TX 코일과 RX코일의 인덕턴스 값은 이러한 feasible design space 내의 값들의 조합을가질 수 있음.   max ≤  (3.4)   ≥   max  max ≤XTX X I VLT L VLTX limit X limit LTX TX ILTX limit TX limitVLTX limitXRX VLRX limit XRX VLRX limit LRXŸ 이렇게 Feasible design space를 찾으면, 이를 N by M 개의 grid로 쪼개서, L 와TXL 가 가질 수 있는 인덕턴스 값들을 정함. (그림 3.2 참조)RX그림 3.2 Feasible design space 및 grids 예- 44 -Ÿ 이 후 TX 와 RX 코일의 인덕턴스 값을 1번째부터 N 번째, 1부터 M 번째까지 변동시키며, 각 인덕턴스 값을 가지는 코일의 직경, 턴 수 등을 정해, 효율 및 제어안전성을 계산함.Ÿ 최종적으로는 효율이 극대화되며 동시에 제어 안정성을 가지는 TX 및 RX 코일의형태를 정한다. 이러한 설계 방법은 아래 그림 3.3에 잘 나타나있음.Ÿ 그림 3.3을 따르면 효율이 최대 이며, 동시에 제어 안정성을 만족하는 시스템을 설계할수 있음.그림 3.3 설계 방법에 관한 순서도- 45 -Ÿ 제안한 설계 방법에 따라 60cm 거리에 6.78MHz, 100W 전송이 가능한 직경 30cm이하의 코일을 설계 함.MHigh Frequency RV 1C1 CL 2 R2 Diode Resonant 1 L2 Rec V1 V2 tifier DC RLInverterŸ Receiver 코일 출력 전압은 효율은 50% 이상, 20V 출력, V = 5000V, I =Ltx,max Ltx,max30A, V = 5000V, I = 5A인 직렬-직렬 무선 전력 전송 시스템은 다음 그림Lrx,max Lrx,max3.5와 같은 feasible design space를 가짐.Ÿ 위에서 언급한 것처럼 운전 주파수가 6.78MHz 로 고정되어 있어 feasible designspace는 L 와 L 의 인덕턴스 평면상에 그려질 수 있음.TX RXŸ 위의 설계 절차를 따르면, L = 6 μH (직경 30cm, 4턴), L = 9 μH (직경 30cm,TX RX5턴) 일 때, 효율 55% 이며 stability 조건도 만족하는 것으로 나타남.ŸSpecifications Transmitter ReceiverDiameter of the loop [cm] 30 30Diameter of the cross-section [mm] 6.35 6.35Material Touch pitch copper tubeTurn-spacing [mm] 10 10Number of turns 4 5Current at rated operation [Arms] 10 3Self-inductance [μH] 6 9Equivalent series resistance @ 6.78MHz [Ω] 0.2 0.3Mutual-inductance [μH] 0.044Coupling coefficient 0.006- 46 -Ÿ 설계된 무선 급전 시스템은 finite element analysis를 이용해 시뮬레이션 했음.600 mm그림 3.7 FEA를 이용한 전력 전송 시뮬레이션 결과그림 3.8 FEA를 이용한 전력 전송 효율 시뮬레이션 결과Ÿ 위 그림에서 볼 수 있듯이 설계된 30cm 직경의 코일은 60cm, 100W 전송 시 약 최대효율 75%를 나타냈음.- 47 -300 mmŸ 6.78MHz 코일 제작위한 케이블 선정위해 다음 챕터와 같은 실험을 함.2. 무선 전력 전송용 코일 위한 케이블 선정Ÿ 6.78MHz 동작을 위한 Litz-wire, 인탈산 동관 (Phosphorous Deoxidized copper),터프피치 동관 (Touch pitch copper) 을 사용하여 30cm 직경의 5턴 코일을 만드는1)경우를 비교했음 [6].Ÿ 비교에 사용된 Litz-wire 및 동관의 종류는 아래 표 3.2과 같음.Ÿ Litz-wire의 선정은 Skin-depth 기준으로 선정했음. 6.78 MHz에서의 copper의skin-depth 는 아래 식 (3.5) 을 이용하여 계산하면 25 μm 임. 여기서 δ 는 skin-depth,μ은 진공의 permeability, μ은 copper의 permeability ( =1 ), σ 는 conductivity, f 는0 r주파수임 [3].  rf (3.5)Ÿ 따라서 Litz-wire는 skin-depth와 유사하며 현재 제작 가능한 최소 직경인 30 μm의2strand 1025 가닥 (유효 단면적 = 0.72 mm )과 skin-depth의 2배인 50 μm 직경의2strand 375 다발 (유효 단면적 = 0.74 mm )을 꼬아서 제작함.Ÿ 또한 Litz-wire는 제작시 1 미터당 전체 다발을 꼬는 횟수 (turns/m) 를 pitch라고 하며이 pitch에 따라 저항 값이 달라지기 때문에 같은 strand라도 pitch가 다른 2종류의전선을 시험함.Ÿ 두 번째 케이블 종류로 동관을 선정함. MHz 에서는 skin-effect 에 의해 유효 단면적이매우 작아져 케이블 내부에는 전류 밀도가 거의 0 이 됨. 따라서 케이블 내부의Conductor는 필요없음.1) 본 주요 사업을 통해 6.78MHz에서의 Litz-wire, 인탈산동관, 터프피치동관의 저항 및 이를 이용한 전력 전송 효율에 관한 연구는 2015년 11월 대한전기학회지에 게재됨. [6]- 48 -Ÿ 따라서 동관을 이용하면 가볍고, 코일 제작이 용이해 유리함. 인탈산 동관은 시중에서가장 흔하게 구할 수 있는 동관으로 냉장고/에어콘 등의 냉매 및 수도용 등으로 많이사용됨.Ÿ 100W, 6.78MHz 시스템 위해 OD 는 6.35 mm 이며 wall thickness 는 1 mm 인 동관을선정함.Ÿ 마지막으로 터프피치 동관 (TPC) 역시 이용함. 터프피치 동은 전기 전도도가 순수동과 같거나 우수해 전기 전도용 재질로 가장 많이 사용되는 동임. 아래 표 3.1에시험에 사용된 Litz-wire 및 동관의 형태를 정리함.표 3.2 시험에 사용된 케이블 종류Litz-wire 4종Specifications Litz-1 Litz-2 Litz-3 Litz-4Diameter of a strand [μm] 30 30 50 50Number of strands 1,025 1,025 375 375Pitch [turns/m] 125 37 125 37Cross-sectional diameter [mm] 2 2 2 2Net cross-sectional area [mm2] 0.72 0.72 0.74 0.74Current rating [Arms] 3동관 2종Specifications PDC-1 TPC-1Material 인탈산동 터프피치동Cross-sectional diameter [mm] 6.35 6.35Wall thickness [mm] 1 1Net cross-sectional area [mm2] 9.2 9.2Ÿ 동관의 MHz 에서의 손실은 skin-effect에 의한 손실과 proximity-effect에 의한 손실을고려해서 계산할 수 있음.Ÿ 동관의 skin-effect에 의한 손실은 동관의 직경이 skin-depth보다 매우 큰 경우 전류의대부분이 skin-depth 에 해당하는 도체 표면에 흐르기 때문에 아래 식 (3.6)와 같이근사할 수 있음.  where    (3.6)- 49 -Ÿ Proximity-effect에 의한 손실은 [3] 에 따르면 식 (3.7)과 같이 나타낼 수 있다. 는proximity effect에 의해서 발생하는 추가적인 손실을 나타내는 파라메터임.     (3.7)Ÿ 여기서 l 은 동관의 총 길이, σ 는 구리의 conductivity, r 은 cross-sectional radius,δ 는 skin-depth,  는 동관의 유효 단면적임. 식 (3.6), (3.7) 를 이용해 선정된 동관2종류의 6.78 MHz에서의 저항 값을 계산하면 다음 표 3.2와 같음.표 3.3 시험에 사용된 동관들의 이론적인 저항값PDC-1 TPC-1Analytical results 0.24 0.22FEA results 0.26 0.26Ÿ Finite element analysis (FEA) 를 이용한 경우의 저항 값이 analytical results 과유사함을 볼 수 있음.Ÿ 다음으로 Litz-wire의 저항값은 논문 [4] 에서 나온 식 (3.8)을 이용하여 구할 수 있음.         (3.8)                                ′′ where,  ′′ ′ ′        and          Ÿ 이 때, R , R , R 은 각각 strand 자체의 skin-effect에 의해서cond internal_induction external_induction발생하는 손실, 각 턴의 strands간에 발생하는 induction에 의해서 발생하는 손실,turn-to-turn의 induction에 의해서 발생하는 손실을 의미하며, n은 strand의 갯수, r 는0 0strand의 반경, ξ는 √(μ σω) 이며, σ는 conductivity, ω는 각주파수, a 는 코일의 각0 i턴의 반경이며, i=1..n 은 코일의 턴에 대한 index이며, r 는 Litz-wire의c- 50 -2 2 2cross-sectional radius 이며, ber, bei, ber’, bei’, ber ,bei , 는 Kelvin function, 는o,i한 strand에 대한 angular and radial 방향의 H-field의 squared average 임.Ÿ 위 식을 이용하여 표 3.1의 4개 종류의 Litz-wire의 6.78 MHz에서의 저항 값을계산하면 아래 표 3.3과 같음. 표 3.2와 표 3.3의 결과를 비교해 보면 중요한 사실을 알수 있음.Ÿ 2 2Litz-wire의 단면적이 0.74mm 로 동관 단면적보다 훨씬 작지만 (9.2mm ) 이론적인저항 값은 서로 비슷함. 이는 동관이 skin-effect에 의해 대부분의 전류가 동관 단면의225μm 에 해당하는 부분에 흐르기 때문에, 실질적인 유효 단면적은 0.51mm 로작아졌기 때문임. Skin-effect를 고려한 경우를 비교하면 두 도선의 유효단면적은 서로비슷함. 오히려 동관의 단면적이 더 작음에도 이론적인 저항 값은 더 작음.표 3.4 Litz-wire를 이용한 5턴 코일의 이론적인 저항 값 케이블 종류 Litz-1 Litz-2 Litz-3 Litz-4 PDC TPCAnalytical results 0.344 0.344 0.736 0.736 0.24 0.22Ÿ Litz-wire의 이러한 고주파에서의 손실은 식 (3.8)을 이용하면 Litz-wire의 strands 간의internal induction 에 의한 성분에서 기인함을 확인함. 이는 number of strands에비례해서 커지며, 전류의 제곱에 비례해서 커짐.Ÿ 따라서 Litz-wire 는 individual strand 자체의 skin-effect loss는 각 strand diameter를충분히 작게 해서 최소화 할 수 있지만, 전류 rating이 커져 number of strands 가커지는 경우, strand간의 induction에 의한 손실이 주로 발생해 동관보다 손실이 월등히커짐을 확인함.Ÿ 총 6가지의 전선들에 대한 6.78 MHz에서의 저항 값을 Impedance analyzer (Agilent4294A) 를 이용하여 측정하였음. 측정된 결과는 표 3.5 및 그림 3.10에 잘 나타나 있음.- 51 -그림 3.9 제작된 5턴 Litz-wire 코일의 저항을 측정하는 모습그림 3.10 케이블 6종을 이용한 5턴 코일들의 저항값 측정Ÿ 그림 3.10 에는 케이블 6종을 이용한 5턴 코일들의 저항 값을 나타냈음. Strand 직경이50 μm 인 Litz-3, 4의 경우 주파수에 따라 저항이 급격히 커졌으며 주파수의 3/2 승에비례하는 경향을 보였음. 30 μm 인 Litz-1, 2는 주파수의 제곱근에 비례하는 것으로보였다. Pitch가 큰 Litz-1가 Litz-2에 비해 근소하게 작은 저항 값을 가졌음.Ÿ 이 그래프에서 중요한 사실은 Litz-wire의 저항에 가장 큰 영향을 주는 인자는Strand의 직경이라는 것임. 또한, 이 그래프는 Litz-wire 들은 MHz 범위에서 Coppertube보다 손실이 커 적합하지 않다는 것을 보여줌.Ÿ 표 3.4 에서 중요한 점은 크게 4가지가 있음. 첫째, 실제 측정된 Litz-wire 의 저항값이- 52 -이론값 보다 2~4배 정도 큼. 이는 Litz-wire는 이론적으로는 모든 strand 가 단면상으로균일한 분포를 가지도록 꼬는 기술이 필요한데, strand가 많아질수록 구현이 어려워이론적인 저항 값과는 많은 차이가 나는 것임.Ÿ 둘째, strand 직경이 30 μm 인 케이블이 50 μm 인 케이블 보다 저항 값이 절반이하임. 이는 이론값에서도 보였던 특징으로 6.78 MHz에 동작하기 위해서는 직경 30μm strands를 이용해야 한다는 것을 보여줌.Ÿ 셋째, Litz-1 과 Litz-2, 또는 Litz-3 과 Litz-4를 비교해보면 Pitch가 클수록 즉 단위길이 당 많이 꼬을수록 저항 값이 낮기는 하지만 큰 차이가 나지는 않고, 10 ~ 20 %정도 개선되는 효과가 있는 것으로 보임..Ÿ 마지막으로 가장 중요한 점은 바로 동관의 저항값이 Litz-wire 보다 1.5 ~ 2배 이상작으며, conductivity 가 좋다고 알려진 TPC 가 가장 우수한 손실 특성을 보였다는것임.Ÿ 따라서 MHz application 에서는 Litz-wire 보다 copper tube 가 손실이 작고, 가격이월등히 싸기 때문에 더 적합할 것으로 보임.Ÿ 본 연구에서는 터프 피치 동을 이용하여 TX 및 RX 코일을 제작하였음.표 3.5 측정된 코일 저항 값 및 이론값과의 비교케이블 종류Litz-1 Litz-2 Litz-3 Litz-40.344 0.736Analytical results 0.344 0.7360.43 2.14Experimental results 0.64 2.09PDC TPC0.24Analytical results 0.220.32 0.30Experimental results3. 설계된 무선 전력 전송 코일의 제작Ÿ 설계된 시스템의 사양은 아래 표 3.5와 같음. 직경 6.35mm 의 터프피치 동관을 이용해모두 제작했음.- 53 -Ÿ 두 코일의 취부를 위해 아래와 같은 도면의 거치대를 제작함.그림 3.11 코일 취부 위한 거치대 설계 도면 (3차원 뷰) 그림 3.12 코일 취부 위한 거치대 설계 도면 (윗면 및 옆면) 그림 3.13 코일 취부 위한 거치대 설계 도면 (오른쪽)- 54 -Ÿ 거치대의 재질은 MHz 대역에서 턴 사이의 전기장에 의한 손실을 최소화하기 위해 losstangent 가 0.001 이하인 [5] Polyethylene (P.E.)를 사용했음.Ÿ 제작된 시스템은 아래 그림 3.14 과 같음. 직경 6.35mm 의 터프피치 동관을 이용해급집전 코일을 제작했음. 공진 튜닝을 위해 가변 캐패시터를 이용했음.ReceiverTransmitter그림 3.14 조립된 간이 무선 급전 시스템 테스트 베드 4. 제작된 무선 전력 전송 코일의 시험가. 무선 전력 전송 코일의 전력 전송 시험 위한 테스트 베드Ÿ 제작된 급집전 코일의 전력 전송 성능 시험을 위한 테스트 베드의 구성은 아래 그림3.15와 같음.Ÿ 6.78 MHz generation은 100W 출력용 HF transceiver를 이용했음.Ÿ HF transceiver의 출력은 50Ω 에 맞춰저 있으나 실험에 사용될 series-series공진시스템의 impedance는 약 1Ω 정도이므로 중간에 impedance tuner 사용함.Ÿ Impedance tuner의 matching range 가 6Ω ~ 3.2kΩ으로 높아 series-series 공진으로- 55 -직접 실험하지 못하고, 아래 그림처럼 excitation coil을 추가로 설치하여 inputimpedance를 200Ω 까지 올림.Ÿ 부하는 RF 저항을 사용하여 4Ω을 만들어줌.MHF R1 L1 L2Transceiver(6.78 MHz, Impedance Ltuner V1 0C R2 R100W C2 V2 L1generation)그림 3.16 HF Transceiver 및 tuner 사진ReceiverTransmitter그림 3.17 제작된 간이 무선 급전 시스템 테스트 베드 - 56 -나. 무선 전력 전송 코일의 전력 전송 시험 결과Ÿ 제작된 테스트 베드를 이용하여 코일 자체의 전력 전송 효율을 측정하였음. 이론적인계산 결과로는 60cm 전송 시 약 55%를 예상했으며 FEA 상으로는 약 75%의 전력전송효율 예상함.Ÿ 그림 3.20에 실제 측정한 코일 간 전력 전송 효율을 도시하였음. 여기서는 약 43% 정도나오는 것을 확인하였음. 이는 표 3.5에서 보이는 것처럼 이론적인 저항값 보다 실제측정한 코일의 저항 값이 약간 커 오차가 발생한 것으로 보임.Ÿ 특히 FEA의 결과보다 많이 낮았는데 이는 FEA (ANSYS MAXWELL) 의 특성상MHz의 고주파에서 발생하는 자기장에 의한 eddy current effect 및 전기장에 의해서발생하는 추가적인 손실에 대한 고려가 되지 않아서 인 것으로 판단됨. 코일간 전력전송 효율 개선 및 전력 전송 거리 증진을 위해서 2차 년도에는 Full-wave simulationsoftware 이용한 시뮬레이션 진행 필요할 것으로 보임.Ÿ 공진 인버터인 Class-E 인버터 효율이 85% 이상이며, 배터리 충전기 효율이 90%이상이면 전체 효율은 30% 이상을 이룰 수 있을 것으로 예상됨.그림 3.18 간이 무선 급전 테스트 베드를 이용한 코일 간 전력 전송 효율 측정 시험- 57 -제2절 MHz 용 급전 인버터의 개발1. MHz 용 급전 인버터의 설계Ÿ 본 연구에서 적용하고자 하는 MHz 용 인버터는 Class-E 인버터이며 이는 MHz에서많이 사용되는 효율이 높은 인버터 topology 임. 대개 효율 80% 이상 구현 가능한것으로 알려져 있음.Ÿ Class-E 인버터는 스위치 하나 만을 이용하기 때문에 Half-bridge나 full-bridge인버터와는 다르게 low-side gate driver만 필요해 제작에 어려움이 적음.Ÿ 이러한 Class-E 인버터의 전력 제어는 duty 로는 제어하기 어렵고, frequency 제어나입력 DC 링크 전압을 제어해야 함. 본 연구에서는 입력 DC 링크 전압을 제어할 수있는 컨버터를 적용하여 공진인버터의 출력 전력을 제어하도록 설계하였음.Ÿ 전체 시스템의 구성은 아래 그림 3.19와 같음.AC/DC Class-E 220V 컨버터 인버터 정류기센서 등 부하배터리 충전기배터리Ÿ 급전 인버터의 AC/DC 컨버터는 단상 220Vrms 전원을 입력받아, 출력 DC 전압을제어하는 역할을 하며, 아래와 같은 Buck type PFC를 이용해 구현함.가. Buck PFC 설계- 58 -그림 3.20 Buck 컨버터 블록도Ÿ PFC 회로의 출력 사양은 DC 50 ~ 100V, 최대2A를 공급하도록 설계 되었으며 역률보상 회로와 보조 출력 회로로 구성되어 있다. 브리지 다이오드로 전파 정류한 전원을벅 컨버터 방식의 역률 보상회로(스위칭주파수 100KHz)에 의해 고역률을 유지하며직류 출력을 만듬. 이때의 역률은 정격출력에서 90%이상의 고역률을 만드는데 있음.표 3.6 Buck 컨버터 설계 사양 입력전압 AC 220V입력주파수 60Hz출력전압 DC 50V ~ 100V출력전류 DC 2A출력전력 100W효율 >90% at full load스위칭 주파수 100kHz(1) 정류기(정류 브리지 다이오드) 설계1) 최대 입력 전류( )Ÿ 최대 입력 전류 ( )는 low line input AC voltage에서 이루어진다. 그러므로 AC전류의 사인파 곡선의 최대 값은 식 (3.9)와 같다.- 59 -  ×r msMAX (3.9) r msMAX  ×(3.10)2) 리플 전류Ÿ 리플 전류는 보편적으로 최대 전류의 10% ∼ 20%로 하는 것이 좋다.∆   × (3.11)3) 최대 입력 전력Ÿ 출력과 효율의 관계로부터 입력 전력을 구하면 식 (3.12)와 같다.   (3.12)(2) Buck converter 설계Ÿ 주 스위치의 선정에는 이 스위치가 OFF 상태일 때 스위치의 드레인과 소스 양단에걸리는 전압 max, ON 상태일 때 이 스위치에 흐르는 최대 전류 max, 전도 손실을최소로 하기 위한  등이 고려되어야 한다. OFF 상태 일 때 최대 전압은입력전압 으로 주어지므로 주 스위치의 최대 전압은 설계 사양으로부터 식 (3.13)과같음.  (3.13)Ÿ 주 스위치의 최대 전류도 역시 설계 사양으로부터 식 (3.14)와 같다. ∆    (3.14)Ÿ 스위치 모드 동작동안 손실은 MOSFET이 ON일 때 발생한다. 최소 실효 입력- 60 -전압일때 CCM 동작을 하는 벅 컨버터의 트랜지스터의 듀티사이클은 식 (3.15)와 같다.   (3.15)Ÿ 따라서 Power MOSFET의 선정에는 실제적인 요소로서 서지(surge) 전압 및 전류를고려하여 식 (3.13)과 (3.14)에서 주어진 값보다 높은 정격의 소자를 대상으로 해야한다.(3) 환류 다이오드Ÿ 다이오드는 최대 정격 전압 및 전류는 설계 사양으로부터 식 (3.16), 식 (3.17)와 같다.  (3.16) ∆   (3.17)(4) 인덕터 설계Ÿ 인덕터의 peak to peak 리플 전류는 최대 입력 전류의 20%로 하는 것이 일반적이다.또한 PFC 벅 인덕터를 설계하기 위한 설계 사양을 표 3.7에 나타내었다.표 3.7 Buck 용 인덕터 설계 사양 입력전압 AC 220V출력전압 DC 50V출력전류 2A출력전력 100W스위칭 주파수 100kHz효율 80%Ÿ 인덕터의 최대 전류는 인덕터에 흐르는 최대 라인 전류는 최소 입력 전압과 고주파의- 61 -리플 전류의 합으로 고주파 리플 전류의 Peak-to-Peak를 라 하면 최대 입력 전력과최소 출력 전압의 관계로부터 관계식을 유도하면 식 (3.18)과 같다.  · ·  (3.18) Ÿ k는 비교적 작은 값을 선택을 하며 보통 Peak-to-Peak 리플 전류는 최대 입력 전류의15%에서 25%의 범위에서 선택하는 것이 일반적이다.Ÿ 인덕터에 흐르는 최대 전류는 식 (3.19)와 같다.      (3.19)Ÿ 벅 인덕터 인덕턴스는 식 (3.20)과 같다.  · (3.20)·(5) 코어의 선정1) 인덕터의 권선Ÿ 인덕터 전류의 rms rms는 식 (3.21)처럼 구할 수 있다.            (3.21)2) 권선수 결정Ÿ 코어의 권선수는 식 (3.22)와 같이 구할 수 있다. (3.22)- 62 -(6) 출력 캐패시터Ÿ 출력 캐패시터는 출력전압의 리플로부터 식 (3.23)와 같이 구할 수 있다. · ·· (3.23)·∆Ÿ 하지만, 실제 캐패시터는 다음과 모델링 될 수 있다.그림 3.21 캐패시터의 등가회로 : 극판의 도체 손실 : 유전체의 절연저항 : 리드와 양극판 사이의 인덕턴스Ÿ 등가회로의  와 로 표시되는 캐패시터에 대한 유효 직렬 접속 저항으로 교류전류에 대한 저항을 의미하고 그림 3.22과 같이 나타낸다.그림 3.22 캐패시터의 ESRŸ ESR에 의해 컨버터의 출력 전압의 리플과 캐패시터 자체 전류의 허용 전류가제한된다. 따라서, 현실적으로 다음 식 (3.24), (3.25)를 고려해야 한다.∆    (3.24)∆  (3.25) - 63 -나. Buck PFC용 소자선정(1) 정류 브리지 다이오드Ÿ 다음의 사양을 충족하는 Shindengen사의 D5SBA를 선택하였다.  ×r msMAX ×  (3.26)  r msMAX × × (3.27)∆   × ×  (3.28)       (3.29)  : 최대 입력 전류r msMAX : 최대 입력 전류의 RMS 값∆ : 리플 전류 : 최대 입력 전력(2) Power MosfetŸ Infineon사의 IPP60R125CP (  = 650V,  = 25A, max=0.125 )를선정하였다.    (3.30) ∆       (3.31)- 64 -max : 스위치 최대 드레인-소스 전압max : 스위치 최대 드레인-소스 전류(3) 환류 다이오드Ÿ CREE사의 Schottky Diode (600V, 14A)인 C3D10060G를 선정 하였다.    (3.32)    (3.33)max : 최대 정격 전압max : 최대 정격 전류 : 다이오드 최대 연속 도통 전류(4) PFC 인덕턴스 선정Ÿ 형상은 E 코어로 선정하고 재질은 창성의 페라이트 재질인 CS330125를 선정한다. 또한코어의 크기는 앞서 결정된 인덕턴스 값과 권선의 굵기를 고려하여 CS330125로 하는것으로 한다.   ·  ×   (3.34)       (3.35) · × · ×× (3.36)- 65 -(5) 출력 벌크 캐패시턴스 선정 · ×  ·· ·∆ ×× ×× ×(3.37)다. 제작된 Buck PFCŸ 아래 그림 3.23에 제작된 Buck 컨버터와 3.24에 제작에 사용된 실 도면을 첨부하였다.Ÿ그림 3.23 제작된 Buck converter그림 3.24 Buck PFC 설계 도면- 66 -라. Class-E 공진형 인버터 설계(1) 기본구조그림 3.25 Class-E 공진형 인버터 CircuitŸ 그림 3.4는 Class-E 공진형 인버터의 기본회로이다. 회로는 한 개의 스위치 과  공진소자 , 으로 구성되어 있는데 서로 직렬 연결되어 있다. 스위치  는MOSFET와 내부 다이오드로 구성되었으며 구형파 전압(PWM)에 의하여 각각 드라이브 된다. 구형파 신호 는 스위치의 구동신호로서 스위치 를 턴 온, 턴  오프시킨다. 과 는 공진 주파수  을 결정하며 식 (3.38)에 주파수의 관계식을나타내었다.   (3.38)(2) Class-E 공진형 인버터 기본동작- 67 -그림 3.26 Class-E 공진형 인버터 동작 파형Ÿ    스위치 이 t=0에서 턴 온 될 때, 입력 전류 와 출력 전류 는 스위치 를 통해  의 전류가 흐르게 되고 스위치 에 병렬 연결된 에 흐르는 전류는 0이 된다.  스위치 이 턴 오프 될 때, 출력 전류  와 입력전류 는 스위치 과 병렬 연결된캐패시터    를 통해 흘러 캐패시터 전압을 충전 시키며, 과 의 공진에 의해 를  충·방전 시킨다. 과 의 공진에 의해 스위치 에 걸리는 전압은 0V가 되고, 이때스위치 을 턴온시켜 ZVS동작을 하게 된다.- 68 -그림 3.27 스위치 Turn ON시 등가회로도그림 3.28 스위치  OFF시 등가회로도- 69 -(3) Class-E 공진 인버터 설계 이론1) 쵸크 코일( )Ÿ Class-E 공진 인버터의 쵸크 코일을 구하는 식은 다음 식 (3.39)과 같다.  (3.39)2) 병렬 캐패시터( )Ÿ Class-E 공진 인버터의 병렬 캐패시터를 구하는 식은 다음 식 (3.40)과 같다.   (3.40)3) 공진 인덕터(L), 공진 캐패시터(C)Ÿ Class-E 공진 인버터의 공진 인덕터와 공진 캐패시터를 구하는 식은 다음 식 (3.41)과같다. (3.41)(4) Class-E 공진형 인버터 회로 설계표 3.8 회로 설계 사양입력 전압 50V입력 전압 범위 50~100V출력 전압 AC 35V출력 전류 AC 3A최대 동작 주파수 7.4MHz공진 주파수 6.78MHz부하 저항 12Ω- 70 -1) 쵸크 코일( )Ÿ Class-E 공진 인버터의 쵸크 코일을 구하면 다음 식 (3.42)과 같다.      (3.42)2) 병렬 캐패시터( )Ÿ Class-E 공진 인버터의 병렬 캐패시터를 구하면 다음 식 (3.43)과 같다.   (3.43)3) 공진 인덕터(L), 공진 캐패시터(C)Ÿ Class-E 공진 인버터의 공진 인덕터와 공진 캐패시터를 구하면 다음 식 (3.44)과 같다. (3.44)2. Class-E 공진형 인버터 제작 및 시험가. 공진형 인버터의 제작Ÿ Class-E 공진형 인버터 제작을 위해 사용된 주요 소자를 표 3.9에 나타내었다.표 3.9 Class-E 공진형 인버터에 사용된 주요 소자RF MOSFET DE275-501N16AGATE DRIVER IXRFD630- 71 -Ÿ IXYS사의 DE275×2-501N16A의 응용회로에 근거하여 회로(그림 3.27)를 구성 하였다.전류 및 전압 사양에 따라 각각의 부품을 선정 하였다.+5VJ2J111 2 +5V2 VDS_INPUT 3 R14 +15V 1K 1/4W C10.1UF 50VCON2CON40R21K 1/4W U1 L12 5D Q GATE_DRIVE_PULSE+3.3V L3L2 U2 SN74ACT74NSRU3 BEAD+5V 1 5 4 3 3 6VIN VOUT R3 SHORT/NC 3.3V OUT CLK QINDUCTOR 3 C2 R5C3 EN 2 12.2u T/T C GND NC500 12T(smd & dip)BEAD2.2u T/T C 2 4GND NC OSC 6.78Mhz R4 R6SG-210STF 6.7800ML 1K 1/4W 511 1/4WTPS73033 00 R7D10 1N4148W51.1 1/4WC427PF 100V0+15V1.0 1W TP TP1R8 VDS_INPUTVDS_INPUTC7 C5 C6 C80 L44.7uF/16V 3×0.01uF/1KVC9 C10 TP TP20 0 BEAD Vds L50 21uH C110.01uF/1KV 0.47uF/50V56pFC12 C13 C14U4 U51 6 1 6 27pF 27pFTP TP3Gate_Drive_Pulse VCC+ GND 2×1ohm TP TP4 SG1 SD156pFR9 Gate RESONANT_NETWORK_2 C15GATE_DRIVE_PULSE 2 5 2 5IN OUT R10 G D 56pF OUTPUTRESONANT_NETWORK_1 C16 C17 C183 4 3 4 C20+VCC GND1 SG2 SD2IXRFD630 DE275-501N16A C19 C21 100pF 100pF/2.5KV 100pF/2.5KV 100pF/2.5KV68pF 68pF C22C23 J30 0 C24 0.47uF/50V 100pF 1L6 RESONANT_NETWORK_1 20.01uF/1KVC25 CON20 BEAD J414.7uF/16V 0 RESONANT_NETWORK_2 2R111.0 1W CON2J5OUTPUT 12+15V 그림 3.29 Class-E 인버터 설계 도면CON2- 72 -+ +1 4/CLR PR7 14GND VCCClass-E인버터설계도면Ÿ 그림 3.30에 설계된 공진형 인버터의 부품 배치를 나타냈다. 왼쪽에는 주로 스위치구동을 위한 제어 회로를 배치하였고, 오른쪽에는 실제 스위치 및 공진 튜닝을 위한부품 들을 배치했다.그림 3.30 Class-E 공진형 인버터 부품 배치도그림 3.31 Class-E 인버터 PCB 전면부 패턴그림 3.32 Class-E 인버터 PCB 후면부 패턴- 73 -Ÿ 제작된 Class-E 인버터의 prototype은 아래와 같다.그림 3.33 Class-E 공진형 인버터(prototype) 나. 공진형 인버터의 시험Ÿ Class E 공진형 인버터에 송신코일을 직접 연결 하여 드레인-소스 전압과공진주파수를 확인 하였다. 그림 3.34은 Class E 공진형 인버터와 송신코일을 연결한단품 시험 구성을 나타낸다.Ÿ TX 측 코일만을 연결했을 때 CLASS-E 인버터의 DRAIN 전압 전류 파형이 그림3.35에 나타나 있다. 공진하는 전압/전류 파형을 가짐을 확인할 수 있었다.그림 3.34 인버터 단품 테스트 SET - 74 -그림 3.35 Voltage Waveform(위에서 아래순 : gate/drain-source/load)- 75 -제3절 집전용 정류기 및 전압안정용 배터리 충전 장치의 개발1. 집전용 정류기 및 전압안정용 배터리 충전 장치의 설계가. 정류기 설계(1) 최대 입력 전류( )Ÿ 최대 입력 전류 ( )는 low line input AC voltage에서 이루어진다. 그러므로 AC전류의 사인파 곡선의 최대값은 식 (3.45)와 같다.  ×r msMAX (3.45) r msMAX  (3.46)×(2) 리플 전류Ÿ 리플 전류는 보편적으로 최대 전류의 10% ∼ 20%로 하는 것이 좋다.∆   × (3.47)(3) 최대 입력 전력Ÿ 출력과 효율의 관계로부터 입력 전력을 구하면 식 (3.48)와 같다.   (3.48)- 76 -나. 전압 안정용 배터리 충전 장치 설계Ÿ 12V 배터리 충전기회로는 Buck-Boost 컨버터 회로를 적용하였다. 수신코일로 무선으로전송된 전력은 송,수신 코일간 거리와 주위 환경의 영향으로 인해 수신코일 입력전압은 넓은 범위를 가져야 한다.Ÿ 배터리 충전전압은 12~13V를 유지해야 하는데 수신코일의 전압이 13V 이상일 경우Buck 모드로 동작시켜 충전전압을 유지하고, 13V 미만일 경우 Boost 모드로 동작시켜충전전압을 유지 시켜야 한다. 또한, 정전압(CV), 정전류(CC) 제어를 하여 배터리가안정적으로 충전되도록 한다. 그림 3.12는 적용된 Buck-Boost 컨버터 회로도이다.그림 3.36 Buck-Boost 컨버터 회로도(1) Duty Cycle 계산Ÿ Buck과 Boost의 Duty Cycle 은 식 (3.49), (3.50)와 같이 나타낸다. ×  (3.49) ×  (3.50)- 77 - : 최대 입력 전압 : 최소 입력 전압 : 출력 전압 : Buck 모드 최대 듀티 : Boost 모드 최소 듀티 : 효율(2) 인덕터 계산1) Buck 모드 ×  (3.51)×× ×2) Boost 모드  ×   (3.52)××× : 리플 전류 의 양을 나타내는 추정 계수 : 스위칭 주파수(3) 최대 스위치 전류1) Buck모드∆    (3.53)∆ ×  (3.54)- 78 -∆   lim  (3.55) : 출력전류∆ : 인덕터에 흐르는 최대 리플 전류 : 최대 스위치 전류 : 인덕터2) Boost 모드∆    (3.56) ∆ ×   (3.57)   ∆ lim  × (3.58)(4) 출력 캐패시터1) Buck 모드  ×   × (3.59)×∆ × × (3.60) ×  ×  × (3.61)×∆- 79 - : 최소 출력 캐패시터 : 출력 리플 전압∆ : 출력 캐패시터 ESR에 의한 출력 리플 전압: 출력 캐패시터 등가 저항 : 요구하는 오버슛을 위한 최소 캐패시터2) Boost 모드 ×  (3.62)×∆∆ ×× ×   ×  (3.63)다. 소자선정 결과(1) 인덕턴스 계산1) Buck 모드 ×  ×  (3.64)×× × ××××2) Boost 모드  × ×  × (3.65)× × ×× ×× : 리플 전류 의 양을 나타내는 추정 계수 : 스위칭 주파수- 80 -(2) 최대 스위치 전류1) Buck모드∆      (3.66) ∆ × ×   (3. ×× 67)∆    lim    (3.68) : 출력전류∆ : 인덕터에 흐르는 최대 리플 전류 : 최대 스위치 전류 : 인덕터2) Boost 모드∆        (3.69)∆ × ×   ×(3.× 70)∆   lim  ×   ×  (3.71)(3) 출력 캐패시턴스 계산- 81 -1) Buck 모드 × × ×  (3.72)× ×× ×∆ ×  (3.73) × ×× × × ×××  ×  (3.74)×∆ ×× : 최소 출력 캐패시터 : 출력 리플 전압∆ : 출력 캐패시터 ESR에 의한 출력 리플 전압: 출력 캐패시터 등가 저항 : 요구하는 오버슛을 위한 최소 캐패시터2) Boost 모드 × ×   (3.75)×∆ × × ∆  ×× ×   × ×  ×× ×  (3.76)- 82 -+5V +VOUT+OUT 1 +OUT1+OUTR12.4K + C1 + C2 + C3 + C422uF/25V 22uF/25V 22uF/25V 220uF/25VRR2 -SE_GND 1 -OUT1R007 -OUTD1LED+VOUT +VOUTU1FAULT R3 VPullUP 1 24PGOOD BOOST1 C5+VOUTRpu D3 BO540W 0.22uFC6 2 23 TG1 Q10.022uF SS TG1Q2TG1 R4 AOD4184A TG1 R5 AOD4184AC7 3 22 SW1 1.0R D2C8 47pF SENSE+ SW11.0RSW1 SW1 B320A47pF 4 21SENSE- VIN C9 0.1uFTP1 C10 R65 20 Q3 SW10.01uF 100K I TH EXT VCCQ4BG1 R7 AOD4184A BG1 R8 AOD4184A1 R9 +/OUT 6 19VOSENSE INT VCC C11 1.0R 1.0R113K 4.7uFR10 7 18 BG1 F_GND F_GNDTP 14K SGND BG1 L1SW1 RUN 8 17SW SPST RUN PGNDRR1 F_GND 4.7uH/5AR007 BG2 R13 BG2 R14+5V R12 9 16 BG2FCB BG2 1.0R Q5 1.0R Q610K AOD4184A SW2R15 10 15AOD4184ASW210K PLLFLTR SW2 SW2 SW211 14 TG2PLL IN TG2 D5D4 BO540W TG2 R16 TG2 R17 B320A+2V 12 13STBYMD BOOST2 C12 1.0R Q7 1.0R Q80.22uF AOD4184A AOD4184AC13 LTC3780 F_GND0.01uFCSTBYMD R18100 +VIN +VINR19 +VIN100F1R20 1 +IN12R2 +INFUSE+ C14 + C15 + C16 + C173.3uF/50V 3.3uF/50V 3.3uF/50V 33uF/50V1 -IN1-INR2115MC18?uFU2 VR1 U3A78L05 200K LM358+VIN 3 1 2IN OUT +5V D6 VR21 +/OUT +OUT31N4148 500KC190.1uF +5V R23R22 -SE_GND 20K15M+5VC200.01uFD7+5V LED+5VR2475KU3BVR3+VIN 5 + 7 RUN500K 6그림 3.37 Buck--Boost 컨버터 회로도LM358 R2510KR26 R2736K 75K2. 집전용 정류기 및 배터리 충전 장치의 제작Ÿ 집전용 정류기는 NXP 사의 60V, 5A 급의 PMEG060V050EPD를 사용하여 제작하였다.Ÿ DC-DC BUCK-BOOST 컨버터 제작 사양은 다음과 같다.- 83 -2G4 8 8 4+-Buck-Boost컨버터회로도- 정전류, 정전압(CC-CV모드)- 입력전압 : 5 ~32V- 전압가변범위 : 1 ~ 30V- 최대전류 : 연속 7A (순간 10A)- 최대전력 : 80W (순간 130W)- 동작주파수 : 200kHz- 과전류 보호 기능그림 3.38 DC-DC BUCK-BOOST 컨버터 3. 집전용 정류기 및 충전 장치 시험가. 배터리 충전 장치의 시험Ÿ 배터리 충전 장치의 시험은 그림 3.39과 같이 구성하여 시험 하였다. 본 시험에서는배터리 충전기에 12V 배터리 부하를 연결하여 배터리 충전기 시험을 하였다. 배터리충전기 입력 전압은 12.3V이며 충전 전압은 13.2V, 충전 최대 출력 전류는 5A로설정하였다.- 84 -그림 3.39 배터리 충전 장치 시험Ÿ 배터리 충전 장치 시험에 앞서 그림 3.40와 같이 전자부하를 이용하여 배터리를 그림41 과 같이 11.28V까지 방전하였다. 표 3.10은 배터리 충전장치 시험조건을 나타낸다.그림 3.40 배터리 방전- 85 -그림 3.41 배터리 초기 전압표 3.10 배터리 충전장치 시험조건배터리 초기 전압 11.28V배터리 충전 장치 입력 전압 12.3V배터리 충전 전압 13.2V배터리 충전 전류(MAX) 5A배터리 사양 12V, 5AHŸ 배터리 충전 장치 시험은 2분 간격으로 입, 출력 값을 측정 하였다. 배터리 초기 전압은11.28V이며 배터리 충전 장치를 이용하여 13.2V로 충전 하였다. 배터리 충전시CC모드로 동작하여 4.71A로 충전된다. CC모드로 동작 후 배터리 전압과 충전전압의전위차가 줄어들면서 CV모드로 동작한다. CC-CV모드는 그림 3.42 3.43은 배터리 충전장치 출력 전압과 출력 전압으로 확인할 수 있다.- 86 -그림 3.42 배터리 충전 장치 출력전압 그래프그림 3.43 배터리 충전 장치 출력전류 그래프Ÿ 그림 3.44은 배터리 충전 장치로 배터리 충전시 입,출력 전력을 나타낸다. 초기 충전시약 60W 출력을 내며 충전 전압에 가까워질수록 출력전력은 줄어들어 90분에는 약 10W출력을 낸다. 효율은 89~93%가 나오며 그림 3.44에 나타냈다.- 87 -그림 3.44 배터리 충전 장치 입력전력, 출력전력 그래프그림 3.45 배터리 충전 장치 효율 그래프- 88 -제4절 옥외 설치 위한 패키지의 개발1. 옥외 설치 위한 패키지의 설계Ÿ 전철주 및 가선 브라켓에 설치되는 원거리 무선 전력 전송 시스템은 외부 환경에대하여 보호가 필요하기 때문에 패키지를 설계 및 제작했다.Ÿ 또한 패키지 내부에 공진 코일 및 인버터/정류기/충전기 등의 회로 구성품이 설치되야하기 때문에, 공진 코일에서 발생하는 전자기장에 의해 인버터/정류기/충전기 등의제품이 영향을 받지 않아야 한다.Ÿ 따라서 패키지는 전면에 코일을 취부할 수 있는 코일부, 중간에 자기장 차폐판을설치할 수 있는 차폐판부, 후면에 인버터/정류기 등의 PCB를 취부할 수 있는 PCB부로구성 했다.코일 취부부 차폐부 PCB 설치부가. 무선 전력 전송 시스템 패키지의 설계(1) 급집전 코일 취부부 설계Ÿ 코일 취부부에는 급집전 코일 및 가변 캐패시터의 고정을 위한 설계가 필요하다.- 89 -Ÿ 4턴의 급전 코일 및 5턴의 집전 코일의 턴 간격 및 형태를 유지하기 위해 그림 3.47에보이는 것처럼 패키지 전면 판에 코일을 삽입 할 수 있는 홈을 만들어 고정하였다.Ÿ 옥외 설치되는 시스템 특성상 전면부 테두리에는 방수, 방진을 위해 고무패킹을 삽입하였다.Ÿ 공진 캐패시터는 홈을 파서 자리 잡고 그림 3.48 와 같은 고정바를 이용해 고정할 수있게 했다.그림 3.47 코일부 도면그림 3.48 가변 캐패시터 고정바- 90 -(2) 자기장 차폐부 설계Ÿ 자기장 차폐부는 코일에 의해 발생한 전자기장이 후면에 위치할 PCB에 영향을최소화하기 위해서 차폐판을 취부하는 동시에 패키지의 강도를 유지하기 위한 설계를진행했다.차폐 부PCB 부 코일 부Ÿ 차폐부는 중간 부분에 차폐 판을 넣기 위해 상,하,좌,우가 분해되도록 설계 하였으며,차폐판 취부를 위해 중간에 홈을 팠다.Ÿ 상, 하, 좌, 우 패키지 틀은 그림 3.50 3.51 와 같이 설계 하였으며, 상부와 좌, 우 틀은방수, 방진을 위해 이음 부를 П 와 같이 설계하였다. 하부는 좌, 우틀이 덮어 방수,방진이 되도록 설계 하였다.- 91 -그림 3.50 패키지(상.하부 고정바) 도면그림 3.51 패키지(좌,우 고정바) 도면Ÿ 차폐판은 토다공업에서 만든 페라이트 시트 FLX-946 시리즈이며 페라이트 시트특성곡선은 그림 3.52과 같고, 사양은 표 3.11과 같다. 데이터시트에 따르면 FLX-946- 92 -시리즈는 고 투자율의 자성 시트로 6.78MHz에서 낮은 손실을 갖는다. 차폐판 도면은그림 3.53과 같으며 실제 페라이트 시트는 그림 3.54와 같다.그림 3.52 페라이트 시트 특성 곡선표 3.11 페라이트 시트 사양GRADE FLX-946Material Ni-Zn Cu FerriteSize(mm) 342×352Thickness(mm) 0.30u’@6.78MHz 200u’‘@6.78MHz 5Environment RoHS/Halogen freeŸ- 93 -그림 3.53 패키지(차폐판) 도면그림 3.54 차폐판(페라이트시트)(3) PCB 부 설계Ÿ 제작 설치될 PCB는 급전용은 PFC부와 Class E 인버터 부, 집전용은 정류기 및 배터리- 94 -충전부로 2개씩의 PCB가 되어 패키지 후면 판에 설치된다. 후면 판 상부는 Class E인버터 부를 설치하고 하부는 PFC와 제어기를 설치한다. PFC부에는 제어기가 함께들어 있어 알루미늄 차폐함을 추가 설치하여 이중 차폐를 하였다.Ÿ 그림 3.55는 PCB 설치판 도면이고, 그림 3.56은 PFC 차폐함 도면이다.그림 3.55 PCB 부 도면- 95 -그림 3.56 제어기 PCB 차폐용 알루미늄함나. 가동 브라켓 고정 방안 및 고속철의 풍압에 대한 영향 검토그림 3.57 고속철 주변의 공기 속도 분포 [10]Ÿ 고속철의 경우 위 그림 3.57에서 보는 것처럼 차량 지붕 위로 올라가면 급격히 바람의속도가 낮아지는 것을 알 수 있음.Ÿ 고속철의 속도 대비 20% 이내의 풍속을 가지는 것으로 예상됨. 따라서 300km/h =83m/s 인 경우 풍속은 16m/s 이내의 속도를 가질 것으로 예상됨.Ÿ 패키지가 0.4m x 0.4m 의 크기이므로, 고속철의 풍압에 의해 가해지는 압력은 최대 156Pa 이 될 것으로 보이며, 이러한 압력이 전체 면적에 대해 균일하게 분포한다고가정하면 최대 가해지는 힘은 약 25N에 달할 것으로 예상됨. 이는 약 2.5kg의 물체가지구 중력을 반하는 힘과 같음.- 96 -Ÿ 따라서 이러한 고속철 풍압에 의한 영향은 크게 없을 것으로 예상됨. 오히려 여름철태풍에 의한 영향이 클 것으로 예상됨.Ÿ 여름철 태풍에 의해서 최대 350N (60m/s 일 때) 의 힘이 작용할 수 있을 것으로예상되며, 가동 브라켓에 고정하기 위한 설계는 이러한 태풍에 대한 내구성 대비가필요할 것으로 보임.2. 설계된 패키지의 제작Ÿ 패키지의 전체 재질은 코일에 의해 발생하는 전기장에 의한 손실을 최소화 할 수있도록 loss tangent가 0.001이하인 폴리에틸렌(polyethylene, PE)이며, 패키지의 고정은플라스틱 볼트를 사용하였다.가. 코일부 제작 및 조립Ÿ 제작된 코일부 및 급전 코일을 조립한 상태의 사진을 그림 3.58에 나타냈다. 이그림에서 최외곽의 붉은색 선으로 나타는 것은 방수 방진을 위한 고무 패킹이며,내부에는 급전 코일과 공진 튜닝용 캐패시터가 실장되어 있다.그림 3.58 제작된 코일부 사진나. 자기장 차폐부 제작 및 조립- 97 -Ÿ 제작된 자기장 차폐부의 전면부와 측면부 사진은 그림 3.59와 3.60에 나타냈다.Ÿ 그림 3.61과 3.62에는 상부판 고정부와 하부판 고정부를 나타냈다. 방수 방진을 위해요철을 준 설계를 확인할 수 있다.Ÿ 또한, 그림 3.63에 자기장 차폐판 설치를 위한 홈을 나타냈으며 그림 3.64과 3.65에는차폐판을 홈에 장착한 후 사진을 보여준다.- 98 -자기장차폐부측면자기장차폐부정면그림 3.63 자기장 차폐판 설치용 홈- 99 -차폐부하부고정부차폐부상부고정부다. PCB 부 제작 및 조립Ÿ 후면의 PCB 부 역시 제작 및 조립한 사진을 그림 3.66에 나타냈다.그림 3.66 패키지(PCB 설치부)- 100 -차폐판조립후(측면)차폐판조립후(정면)제5절 모의 시험용 전철주 및 가동 브라켓 제작1. 전철주 및 가동 브라켓 설계Ÿ 원거리 무선전력 전송 시스템을 실제 현장에 직접 설치하여 시험하기에 앞서 현장과유사한 브라켓을 제작하여 충분한 시험으로 검증되어야 한다. 따라서 그림 3.67과 같은도면을 이용해 모의 전철주 및 브라켓을 설계 제작 하였다. 전체 시스템의 크기는 3mx 1.5m 이다.Ÿ 급집전 패키지의 고정을 위해 바닥으로부터 약 1.8m 지점에 패키지 고정용 홈을만들었다.그림 3.67 가동용 브라켓 및 전철주 설계도- 101 -2. 설계된 전철주 및 가동 브라켓의 제작Ÿ 설계된 시험용 전철주와 가동브라켓은 실제 전철주와 가동브라켓의 재질과 같은 철로제작하였다.Ÿ 제작된 시험용 전철주 및 브라켓은 그림 3.68와 같다. 또한, 중량이 약 700kg이기때문에 이동의 편의를 위해 바퀴를 설치하였다.그림 3.68 제작된 전철주 및 브라켓(측면)Ÿ 급집전 패키지 고정을 위해 아래 그림 3.69, 3.70 에 보이는 것처럼 받침대를제작하였다.- 102 -그림 3.69 송신부 설치 브라켓 그림 3.70 수신부 설치 브라켓- 103 -수신부설치브라켓제6절 데이터 모니터링 장치 및 간이 부하용 배터리 장치 제작1. 데이터 모니터링 장치 제작가. 데이터 모니터링 장치 사양결정Ÿ 지상 통신 서버 즉 데이터 모니터링 장치는 무선전력전송 송수신 모듈의 전차선 상태검측 장비 이하 간이부하장치에 공급할 전원의 전압, 전류를 지상에서 측정 모니터링하기 위한 목적으로 상부 간이부하장치와의 무선 통신을 이용해 측정하는 시스템으로검측 시스템과 무선통신 모듈로 제작하기 위한 사양을 결정한다.(1) 하부 모니터링 장치 구성 및 사양Ÿ 하부 모니터링 장치는 데이터 모니터링을 위한 지상 통신서버로 구성되며 모니터링을위한 검측 시스템 이하 서버PC와 무선 통신모듈로 구성하여 제작한다.그림 3.71 데이터 모니터링 및 부하용 측정장치 구성도(가) 모니터링 검측 시스템 사양- 104 -Ÿ 무선전격전송 검측을 위한 상부 간이부하장치의 데이터를 사용자 인터페이스로 구성된프로그램을 통해 측정 및 모니터링 할 수 있는 사양으로 제작한다.표 3.12 모니터링 검측 시스템 장치 사양모니터링 검측 시스템 사양Platform 최대 8chMemory DDR3L 2GBStorage cMMC 64GBLAN Realtek RTL8111G Gigabit Fast Ethernet ControllerUSB USB 2.0 , USB 3.0Wireless WiFi 802.11 a/b/g/nOS Support Window 8.1(나) 무선 통신 모듈 사양Ÿ 무선 통신 모듈은 모니터링 검측 시스템 내부에 내장되어 상부 간이부하검측장치와의통신환경을 제공하며 통신을 통한 상부 측정 데이터를 수신 할 수 있는 기능을제공한다.표 3.13 무선 통신 모듈 사양무선 통신 모듈 사양표준규격 IEEE802.11 b/g/n/e/k/i , 10Base-T, 100Base-T메인칩셋 RTL8196C+RTL8192CE주파수 범위 2.4GHz (13채널)안테나 2.4GHz 7dBi 무지향성Wireless WiFi 802.11 b/g/nOS Support Window 8.1(2) 하부 모니터링 장치 기능Ÿ 하부 모니터링 장치용 데이터 모니터링 시스템은 상부 전원부 송수신 장치의 전압,전류등 측정된 데이터를 무선으로 수신 모니터링 하며 지상 송신부와 통신 인터페이스를통해 전력 및 품질과 관련된 데이터를 수신하는 기능과 지상부에서 송수신 전원부의사용 여부에 따른 전원 제어 기능을 제공한다.- 105 -(가) 모니터링 검측 시스템 기능Ÿ 모니터링 검측 시스템은 상부검측시스템과 연결되어 종합적인 측정 및 저장이가능하도록 아래와 같은 기능을 포함한다.§ 상부 간이부하측정 장치 무선 플랫폼 인터페이스 연결 및 통신§ 전류/전압 센서 데이터 무선 측정§ 실시간 모니터링 및 저장§ 무선송수신 장치 전원 제어(나) 무선통신 모듈 기능Ÿ 무선통신 모듈은 상부 검측장치와 무선으로 연결하여 측정 할 수 있는 아래와 같은기능을 포함한다.§ 상부 간입하 측정 장치 플랫폼 인터페이스 연결§ 데이터 측정 기반 인터페이스 제공 (무선AP 기능)(다) 지상부 전원 제어 기능Ÿ 열차가 운행하지 않거나 상부 검측 시스템의 측정을 하지 않는 경우를 감안하여불필요한 전원 사용을 방지하기 위해 지상부 모니터링 시스템에서 전원을 제어할 수있도록 한다.§ 송수신 무선급전 모듈 전원 ON/OFF 스위칭나. 데이터 모니터링 장치 설계Ÿ 데이터 모니터링 장치는 케이싱 장치 설계를 통해 모니터링 검측 시스템과 무선통신모듈을 포함할 수 있는 구조로 설계한다. 옥외 설치 및 운영할 수 있는 구조로서방수/방진이 가능한 구조로 외부 결선이 가능한 구조로 설계하였다.(1) 하부 모니터링 케이싱 장치 설계- 106 -(가) 시스템 설계그림 3.72 하부 모니터링 케이싱 장치 설계도(나) 측정 채널 및 측정 방법Ÿ 하부 데이터 모니터링 시스템의 경우 상부에서 측정하는 무선급전 송/수신 단의 입력전원과 관련된 채널을 측정할 수 있도록 프로그램 적으로 제공하여 각 채널별 측정 및모니터링 인터페이스를 제공한다.① 측정채널- 무선급전 수신부 입력/출력전압- 무선급전 수신부 출력전류- 지상부 송신 패키지 정보 측정② 측정방법- 전압센서 출력 측정 : DC ±10 Range 이내- 전류센서 출력 측정 : DC ±10 Range 이내- 지상부 송 신패키지 통신 프로토콜(TCP/IP) 이용 측정- 107 -(2) 하부 모니터링 프로그램 기능Ÿ 하부 모니터링 프로그램의 경우 사용자 인터페이스를 가진 프로그램을 통해 측정하는채널의 보정이 가능한 스케일 적용과 모니터링 및 전원 제어등의 기능을 제공한다.(가) 프로그램 주요 기능① 모니터링 기능- 채널 보정- 상부 검측 시스템 데이터 수신- 데이터 모니터링- 데이터 저장- 측정 데이터 분석② 제어 기능- 하부 무선급전 송/수신단 전원 제어③ 상부 검측 시스템 통신 설정 및 접속다. 데이터 모니터링 장치 제작Ÿ 데이터 모니터링 장치는 가압부 상부 검측 시스템에 무선으로 연결되어 모니터링 할 수있는 구조로서 별도의 전원장치로 구동할 수 있는 구조로 제작하였다. 상부의 측정한데이터를 모니터링 및 설치된 프로그램을 통해 측정, 저장 할 수 있도록 사용자인터페이스를 현시하는 모니터를 연결하여 모니터링 할 수 있는 포트 제공한다.(1) 하부 모니터링 장치(지상서버) 제작Ÿ 하부 모니터링 장치는 검측시스템과 무선통신 모듈을 포함한 케이싱 구조로 제작하여측정 구간에 따른 이동성을 용이하게 하고 유지보수 시 기능별 점검이 가능한 구조로제작하였다.(가) 검측 시스템- 108 -§ 검측 및 제어 장치 구성 및 조립§ 전원 및 제어부 배선 및 결선그림 3.73 검측 시스템 제작(나) 무선 통신 모듈 팩그림 3.74 무선통신모듈팩(다) 통합 하부 모니터링 장치§ 검측 시스템 및 통신 모듈팩 결선§ 통합 케이싱 제작 및 조립- 109 -그림 3.75 검측시스템 및 통신모듈 결선그림 3.76 통합 케이싱 제작 및 조립(2) 하부 모니터링 장치 프로그램 제작Ÿ 하부 모니터링 장치용 프로그램은 사용자 인터페이스를 통해 직관적으로 측정하고자- 110 -하는 채널의 확인 및 보정, 실시간 모니터링 기능을 기본적으로 제공하고 측정 및저장한 데이터를 확인할 수 있는 측정데이터 분석 기능을 포함하여 제작하였다.(가) 채널설정Ÿ 채널설정 기능은 상부 검측장치에서 측정하는 전압 및 전류데이터의 물리적 스케일보정 및 채널별 실시간 데이터 확인 기능을 제공하며 통합 모니터링시 사용한 측정샘플링 설정을 통해 측정 채널 특성에 맞는 샘플링 설정에 용이하도록 구성한다.그림 3.77 채널설정 사용자 인터페이스(나) 통합 모니터링Ÿ 통합 모니터링 프로그램은 채널설정 정보를 통해 측정할 채널의 실시간 모니터링 및저장 기능을 제공하며 사용자 인터페이스를 통해 측정 데이터를 그래프로 현시하며저장 시 저장 중인 파일의 경로를 확인할 수 있다.- 111 -그림 3.78 통합 모니터링 프로그램 사용자 인터페이스(다) 측정 데이터 분석Ÿ 측정 데이터 분석 프로그램은 통하 모니터링을 통해 저장된 데이터를 읽어 그래프 현시및 구간별 확대 분석 등의 기능을 제공하여 저장된 데이터를 즉시 확인할 수 있으며측정 채널에 대한 최대, 최소, 평균 등 기본 통계 값을 제공한다.- 112 -그림 3.79 측정 데이터 분석 사용자 인터페이스(라) 개발환경 및 실행환경표 3.14 하부 모니터링 프로그램 개발환경 및 실행환경구분 내용프로그래밍 언어 LABVIEW운영체제 Window 8종류 무선급전 모니터링 프로그램통신 Local Host IP(3) 하부 모니터링 장치 Lab.테스트(가) 간이부하장치 통신 설정- 113 -Ÿ 간이부하장치의 측정 데이터를 하부 모니터링 장치에서 측정하기 위해서는 상부 간이부하장치의 측정 플랫폼과 자동 연결을 위한 무선 통신 설정이 필요하다. 측정플랫폼과의 통신 설정 이후에는 설정에 따라 전원이 공급되면 자동으로 연결되어측정이 가능하다. 테스트를 위해 우선적으로 상부 간이 측정장치의 측정 플랫폼과 통신설정을 한다.그림 3.80 측정 플랫폼 통신 설정 그림 3.81 측정 플랫폼 모듈 통신 설정(나) 측정 데이터 모니터링Ÿ 측정 데이터 모니터링을 위해 하부 측정 모니터링 장치와 상부 간이부하장치를구성하여 임의 데이터를 입력하여 상부 간이부하장치를 통해 전송된 데이터를 수신하여측정데이터 모니터링 동작 여부를 확인하였다.- 114 -그림 3.82 측정 데이터 모니터링 구성 및 테스트그림 3.83 측정 데이터 수신 및 그래프 현시 확인2. 간이부하장치 제작가. 간이부하장치 사양결정Ÿ 간이부하장치와 배터리 팩 장치는 전차선 상부 가압부에 설치되어 무선급전 시스템의송수신된 전원 공급을 통해 장비를 운영하고 공급되는 전원에 대한 측정을 통해- 115 -무선급전 송수신 시스템의 충전 효율을 확인할 수 있는 목적으로 가압부 경관 설치에용이 한 구조로 제작하기 위한 사양을 결정한다.(1) 간이부하장치 사양Ÿ 간이부하장치는 지상부 모니터링 시스템과 연결이 용이한 측정 측정 플랫폼을 통해측정 DAQ 시스템을 구성하고 무선급전 송수신을 통한 전원에 대한 전압, 전류데이터를 측정할 수 있도록 측정 채널을 제공할 수 있어야 한다. 간이부하장치를제작하기 위해서는 측정할 채널의 수와 정보, 배터리 사양, 측정용 센서의 사양이결정되어야 한다.① 측정 DAQ 시스템 사양표 3.15 상부계측장치 DAQ 장치 사양상부 계측장치 DAQ 장치 사양측정 채널 수 최대 8chADC 분해능 12 bit최대 샘플 속도 500kS/s측정 범위 ± 10V핫스압 가능 O과전압 보호 기능 OIsolation O작동 온도 -40 ~ 70℃통신 이더넷 또는 IEEE 802.11 WiFi 통신② 측정 채널§ 무선급전 송수신단 입력전압§ 무선급전 송수신단 출력전압§ 무선급전 송수신단 출력전류③ 측정 정보§ 무선급전 송수신단 입력전압 : 입력 50V 이내, 출력 ±5V 이내§ 무선급전 송수신단 출력전압 : 입력 50V 이내, 출력 ±5V 이내§ 무선급전 송수신단 출력전류 : 입력 40A 이내, 출력 ±04V 이내- 116 -④ 배터리 팩 사양표 3.16 배터리 사양간이부하 장치 배터리 사양배터리 타입 연납 축전 배터리용량 및 사이즈 12V, 12Ah무게 4 Kg사용 시간 약 1일⑤ 측정 센서- 전류센서표 3.17 전류센서 사양전류센서 사양 내용Ratng Current 40AOutput Voltage ±04V±1% at IfOffset Voltage ±20mV maxxPower Supply ±12V or 15V (±5%)Insulation Resistance 500[MΩ]Min. at 500V DC 관통부 내측-신호핀 간Operating Condition -10℃ ~80℃- 117 -- 전압센서표 3.18 전압센서 사양전압센서 사양 내용정격전압 50 V출력신호 ±5V, PS 12V DC[Vp]공급전원 DC ±12V주파수대역 DC ~ AC20[kHz], 50[kHz Max]정확도 < ± 1.0%⑥ 통신용 지향성 안테나표 3.19 무선 통신용 지향성 안테나 사양지향성 안테나 사양Frequency 2400~2500 MHzPolarization VerticalGain 9.0 ± 0.5 dBiImpedence 50 ΩHorozental : ≥ 50 ºBean WidthVertical : ≥ 40 ºConnector N(F)- 118 -(2) 간이부하장치 기능§ 무선급전 송수신단 입력전류, 출력전류, 출력전압 측정§ 하부 데이터 모니터링 시스템 데이터 전송나. 간이부하장치 설계Ÿ 간이부하장치는 전차선 경관에 설치하여 측정하는 구조로서 고압선에 안전하게 절연될수 있는 케이싱 설계와 무선급전 공급 전원의 부하자치의 역할을 하는 측정 플랫폼 및배터리 팩을 내장할 수 있는 구조로 설계한다. 옥외 설치 및 운영하는 구조로방수/방진이 가능한 구조로 외부 측정 신호의 결선이 용이한 구조로 유지보수가용이하도록 설계하였다.Ÿ 간이부하장치는 측정하는 상부 측정 컨트롤 부분과 공급 전원을 사용할 수 있는 배터리팩 전원부 구조로 구성하여 통합 패키징을 통해 상부 전차선 경관에 설치 될 수 있도록설계한다. 하부 데이터 모니터링 장치와의 무선 통신을 위해 지향성 안테나를 포함한구조로 장착을 위한 장착 지그 결선 부를 포함한 케이싱 설계로 탈부착이 가능하고시건장치를 통해 유지보수를 위한 개폐가 용이하게 설계하였다.- 119 -그림 3.84 간이부하장치 상부 계측 컨트롤부 설계도그림 3.85 간이부하장치 상부 전원부 배터리 팩 설계도다. 간이부하장치 제작- 120 -Ÿ 간이부하장치는 무선급전 송수신 장치로부터 공급받은 전원의 전압,전류 신호를 측정할수 있도록 전차선 상부 고압선 경관에 설치되는 구조로 간이부하장치의 측정 시스템과전원 공급장치 배터리 팩으로 구성되어 서로 결합하여 설치될 수 있는 구조로제작하였다. 기능별로 제작하여 결합하므로 유지보수가 용이하고 설치 및 탈착이용이한 구조로 제작한다.(1) 간이부하장치 제작Ÿ 상부 간이부하장치는 하부 데이터 모니터링 장치와 통신이 가능하도록 지향성 안테나를포함한 구조로 측정할 무선급전 데이터 결선이 용이한 구조로 외부에 입력 포트를제공하고 경관 설치시 지그 장착이 용이하도록 제작하였다.(가) 측정 플랫폼 컨트롤부§ 측정 플랫폼 장착 및 측정 모듈 장착§ 전원부 측정 채널 입력부 배선 및 결선§ 지향성 안테나 장착§ 통합 케이싱 조립그림 3.86 측정 플랫폼 컨트롤부 제작- 121 -그림 3.87 측정 플랫폼 컨트롤부 통합 케이싱 #1그림 3.88 통합 케이싱 안테나#2그림 3.89 통합 케이싱 센싱부 #3- 122 -(나) 전원부 배터리 팩§ 배터리 충전 컨트롤러 장착§ 배터리 팩 장착§ 입력 전압 측정용 전압센서 장착§ 입력 전류 측정용 전류센서 장착§ 센서부 및 전원 배터리 부 배선 및 결선§ 통합 케이싱 조립그림 3.90 전원부 배터리 팩 제작그림 3.91 전원부 배터리 팩 케이싱- 123 -그림 3.92 전원부 배터리 팩 입력 단그림 3.93 전원부 배터리 팩 측정부 연결단(다) 간이부하 장치 및 전원부 배터리팩 통합§ 현장 장착을 위한 통합 조립- 124 -§ 배터리 팩 및 측정 플랫폼 결선용 케이블 제작그림 3.94 간이부하장치 통합 조립 #1그림 3.95 간이부하장치 통합 조립 #2- 125 -그림 3.96 간이부하장치 측정부 및 전원부 연결 케이블(2) 간이부하장치 구동테스트Ÿ 측정 플래폼 장치와 전원부 배터리 팩 장치의 케이블 결선 및 측정할 입력 데이터를구성하여 동작 테스를 진행하였다. 하부 데이터 모니터링 장치와의 무선 통신 결선또한 구성하여 종합적인 구동 테스트를 준비하고 전압발생기를 통해 전압 신호를입력하고 열풍기의 전류를 측정하기 위해 열풍기 전원부에 센서를 연결하여 구동테스트를 진행하여 정상적인 동작 상태를 확인하였다.그림 3.97 간이부하장치 구성 및 구동 테스트- 126 -제7절 모의 부하를 이용한 통합 시험 결과1. 전력 전송 시험 및 측정된 효율Ÿ 아래 그림 3.98처럼 60cm 만큼 두 개의 코일을 떨어뜨린 후 전력 전송 시험 진행함.Ÿ 그림 3.97에는 전력 전송 시험 결과 파형을 나타냈으며, 인버터 출력은 79W, 집전출력은 32W 였음. 이때 인버터 출력에서 정류기까지의 효율은 약 40% 정도 나오는것을 확인할 수 있었음.Ÿ 인버터의 효율은 약 80%정도로 전체 시스템의 효율은 약 32% 였음.그림 3.98 전체 시스템 시험 사진 그림 3.99 전력 전송 시험 결과 파형- 127 -Ÿ 아래 그림3.98 에는 전력 전송 시험 결과 파형의 시간 축을 확대한 파형을 보여줌.Class-E 공진 인버터가 정상동작하는 것을 확인할 수 있음.그림 3.100 확대한 시험 파형2. 전철주 및 주변 금속에 의한 영향 검토Ÿ 알루미늄 판을 이용해 Receiver 코일 주변에 금속이 있을 경우 영향을 분석했음. 아래그림3.99에서 볼 수 있듯이 금속판이 receiver 코일의 옆에 있는 경우에는 약 2~4%정도의 효율 저감 영향이 있었으나 큰 영향을 미치지 않았음.Ÿ 알루미늄 판을 이용해 Receiver 코일 전면을 막으면 자기장이 전부 막혀 Receiver코일에 전력이 전혀 넘어오지 않았었음.- 128 -제8절 조가선 이용 유도 급전 장치의 가능성 검토1. 조가선 Energy Harvesting System 의 필요성Ÿ 본 연구에서는 지상에서 원거리 무선 전력 전송 기술을 이용한 전원 공급뿐만 아니라조가선에 흐르는 전류를 이용한 Energy harvesting system의 개발 가능성에 대한검토도 진행함.Ÿ 조가선 Energy Harvesting 시스템이란 지상에서 전력을 공급할 필요 없이 조가선에흐르는 전류가 발생하는 자기장을 이용해 센서 구동에 필요한 전력을 공급하도록 하는시스템을 말함.Ÿ 조가선 전류를 이용한 유도 급전 장치는 공개 특허 10-2008-0032419 [8]에 잘 나타나있으며 아래 그림 3.50과 같음.Ÿ 차량 운행시 전차선과 조가선은 두 선의 임피던스 비율에 따라서 부하 전류를 분담하게됨. 따라서 조가선에도 열차 운행시 많은 양의 전류가 흐르게 됨.Ÿ 이처럼 전류가 흐르는 조가선에서 발생하는 자기장을 이용하면 페러데이 법칙에 의해유도 기전력을 발생시킬 수 있음.Ÿ 이러한 유도 기전력을 이용하면 차량이 지나갈 때의 전류의 자기장을 이용해 모니터링시스템에 전원 공급 가능함.- 129 -2. Small-Scale Energy Harvesting System 제작Ÿ 실험실에서 60Hz, 2.2kW (220Vrms, 10Arms) 부하 이용해서 최대 10 Arms 흐를 때흐르는 유기 전력 측정함.Ÿ Ferrite core는 삼화전기의 UU 코어중 UU3356S 모델 이용함. 부하 장치의 전선의 굵기가 2mm 정도로 얇아 가장 작은 코어를 선정했음. 코어의 재질은 PL-11 이며, initialpermeability가 약 2700 정도임.그림 3.102 사용된 UU 코어의 사양Ÿ U코어는 11개씩 길이 방향으로 붙여 길이가 길어지도록 했고, U 코어의 3면에 각각100턴씩 권선을 감았음. 그림 3.103 참조.Ÿ UU 코어의 총 6개의 권선은 전부 병렬 연결하였음.Ÿ 총 무게는 약 1.15kg 이었음.- 130 -그림 3.103 제작된 Small-scale 조가선 유도 급전 장치 3. Small-Scale Energy Harvesting System 시험Ÿ 출력 저항은 12V 배터리를 30W 로 충전하기 위해서는 등가적으로 4.4Ω 으로 보이므로R = 4.4Ω 로 정해 연결했음.LŸ 아래 그림 3.104을 보면, 모의 조가선에 5A의 전류가 흐를 때 약 0.27Vrms의 전압이유기 되는 것을 볼 수 있음. 이는 16mW에 해당함.Ÿ 아래 그림 3.4을 보면, 모의 조가선에 10A의 전류가 흐를 때 약 0.58Vrms의 전압이유기 되는 것을 볼 수 있음. 이는 76mW에 해당함.Ÿ 파형은 나타내지 않았으나, 부하 저항을 제거했을 때 약 0.71Vrms의 전압이 유기 됨.자체 저항은 1.2Ω 으로 측정됨.Ÿ 본 실험의 결과 조가선에 흐르는 전류가 발생하는 자기장을 이용하면 센서에 필요한전력을 생산할 수 있을 것으로 보임.- 131 -C1：모의 조가선 전류 (5A/div)C2: 유기 전압 (0.5V/div)그림 3.104 모의 조가선 전류 5A 인 경우 유기 전압C1：모의 조가선 전류 (5A/div)C2: 유기 전압 (0.5V/div)그림 3.105 모의 조가선 전류 10A 인 경우 유기 전압4. 조가선 Energy harvesting system의 scalabilityŸ 이러한 Energy harvesting system 의 전력을 키우기 위해서는 다음과 같은 점들을고려해야 함.Ÿ 먼저 모니터링 시스템의 실시간 소비 전력은 연속 사용 시 288 Wh 배터리를 약 이틀(48h) 에 소진할 정도로 사용하므로 매 초당 6W 정도로 추정됨. (추후 측정 필요)- 132 -Ÿ 따라서 Energy harvesting system은 최소한 6W는 상시적으로 공급할 수 있어야하거나, 조가선에 전류 흐를 때 배터리 충전할 수 있도록 6W 이상의 전력을공급해줘야 함. 최소한 30W 이상은 공급할 필요가 있어 보임.Ÿ 따라서 Small-scale 실험시의 출력 전력인 76mW 보다 약 400배 많이 나와야 함. 이는출력 전압으로 보면 약 20배 더 나와야 함. 전류가 커질수록 자체 저항에 의한 전압강하 커지므로 실질적으로는 20배가 아닌 22 ~ 24배 정도 더 나와야 할 것으로 보임.Ÿ Energy harvesting system 의 출력 전압/전류는 조가선에 흐르는 전류, 턴수, 코어의permeability, 코어 단면적 등에 비례 함.Ÿ 2011년에 발표된 논문 [9]에 따르면 KTX가 지나갈 때 전차선에는 최대 57A의 전류가흐르는 것을 볼 수 있음. 이는 약 40 A 에 해당함. 즉 Small-scale 시스템 실험 시rms보다 약 4 배 정도 많이 흐를 것으로 예상됨. 이는 energy harvesting system의 출력전압이 약 4 배 이상 커질 것으로 보이며 출력 전력은 16 배 이상 커질 것으로 예상됨.따라서 턴 수, 코어 permeability, 코어 단면적 등을 5 ~ 6 배 정도 키우면 조가선전류가 40 A 일 때 30 W 급 출력이 될 수 있을 것으로 보임.rms그림 3.106 KTX 지나갈 때 전차선 및 조가선 전류 분포 Ÿ 개선하기 쉬운 parameter는 코어의 permeability 및 단면적임. permeability는 이번실험에서 사용한 것은 2700 이었으나, 8200정도 되는 재질인 SM-70S 등을 사용하면- 133 -됨. 또한, 코어 단면적은 현재 11개의 코어를 길이방향으로 연결하였으나, 20개~ 30개정도 연결하거나, 11개씩 2모듈을 만들어 직렬연결하면 됨.Ÿ 턴수는 현재의 100턴 혹은 그 이상으로 제작하면 됨. 턴수가 많아 pcb 패턴 등을이용해서 제작하면 균일하게 제작할 수 있을 것으로 보임.Ÿ 이러한 자기장을 이용한 energy harvesting system은 조가선에 전류가 흐를 때만 사용가능하므로, 해당 섹션에 열차가 운행하고 있을 때 전력 생산이 가능함.Ÿ 전차선은 한 섹션당 약 40~50km 정도이고, 열차가 300km/h 로 진행한다고 가정하면,열차가 한 섹션에 머무는 시간 즉 조가선에 전류가 흐르는 최대 시간은 10분임. 또한고속철의 배차 시간은 매 30분에 한 대씩이며 이때 조가선에 40A 씩 흐른다고rms가정하면 매 시간당 최대 20분 동안 30W의 전력 생산 가능함.Ÿ 전차선 모니터링 시스템은 평균적으로 6W 씩 소모하므로, 한 시간에 6Wh 만큼소비하며, 조가선 유도 급전 시스템은 매 시간당 30W1/3h = 10Wh의 전력을 생산가능해 매 시간당 4Wh씩의 전력 충전이 가능함.Ÿ 단 이 결과는 유도 급전 시스템이 해당 섹션의 변전소 측에 최대한 가까이 설치되어차량이 운행하는 10분 내내 전력을 생산할 수 있다고 가정했을 때 임.Ÿ 이러한 시스템을 이용할 때 한 가지 주의할 점은, 이러한 시스템을 조가선에 부착할경우 해당 조가선의 임피던스가 커져, 조가선과 전차선의 전류 분담 비율이 달라지고,전차선에 흐르는 전류량이 커질 가능성이 있어 전차선의 온도 상승 및 수명 단축을가져올 수 있어 향후 적용 여부 검토시 이러한 부분에 대한 검토 역시 필요함.- 134 -제9절 무선 급전 시스템을 위한 새로운 인버터 토폴로지 연구Ÿ 본 연구에서는 MHz 급 고주파 공진형 인버터로 오래 사용된 Class-E 인버터 외에새로운 고효율/소형 공진형 Full-bridge 인버터 토폴로지를 개발하기 위해 고주파DC/DC 컨버터를 전공한 미국 Northeastern Univ. 의 Amirabadi 교수에게 무선 급전위한 토폴로지 용역 연구 진행함.Ÿ 아래는 Amirabadi 교수팀에서 진행한 연구의 결과 보고서임.A Novel Reliable and Compact Inverter for Wireless Power Transfer1. IntroductionThe main objective of this project was to develop a novel inverter for wireless power transfer. In recent years wireless power transfer has gotten a tremendous attention.Fig. 1 shows the schematic of a classic wireless power transfer system. In a wirelesspower transfer system the transmitter (sender) circuit generates high frequency sinusoidal current and voltage waveforms so that the power can be transferred without wire. The receiver coil needs to converter the high frequency ac current/voltage into dc. Power electronic circuits, including inverters, rectifiers or ac-ac converters, are required for this purpose. Figure 1. Wireless power transfer systemThe efficiency of the wireless power transfer highly depends on the frequency of the sinusoidal voltage/current, size of the inductive coils and distance between the coils. Therefore, in this application inverter needs to have a very high switching frequency, which - 135 -can significantly reduce the efficiency. This project focuses on the inverter, and develops a highly compact and efficient inverter for wireless charging. This novel inverter can both step up and step down the voltage. It has very low Total Harmonic Distortion, and low losses.The state of the art wireless power transfer systems use Voltage Source Inverter (VSI) and Current Source Inverter (CSI), which are the most common types of inverters. Despite having simple configurations and control schemes, these inverters have several limitations. Among these limitations is limited voltage gain ratio.In this report the principles of the operation of the proposed inverter, design, analysis, simulation results, and experimental results are presented. 2. Principles of the OperationThe schematic of the proposed inverter is depicted in Fig. 2 (a). This inverter is an extension of a dc-dc Ćuk converter, and a series capacitor is responsible for transferring the power from input to output. This capacitor is first charged from the input, and then it is discharged into the output. To increase the efficiency of the inverter, an inductor can be added to the link to allow the switches benefit from zero current turn-off and soft turn-on. This configuration is depicted in Fig. 2 (b). (a) Hard-switching configuration(b) Soft-switching configurationThe principles of the operation isexplained for both the hard switching and soft switching configurations. - 136 -de-energizing modes. Switches So_2 and So_3 are on when Vo is positive, during both charging and discharging modes, and switches So_1 and So_4 are on when Vo is negative. Therefore, in each link cycle we only need to control the input-side switch. When the capacitor is being charged, the output side switches and diodes should provide a path for the link current as well as the load current. At this time, the input side switch should be open. During the de-energizing mode the input side switch is turned on to provide a path for the input current and the link current while the output side switches are controlled such that a negative current discharges the link capacitor. Link voltage is positive during both energizing and de-energizing modes; therefore, if the load voltage is positive switches So_2 and So_3 will be turned on, and if the output voltage is negative switches So_1 and So_4 will be turned on. Fig. 3 (e) depicts the link current and voltage. The inverter is controlled such that regardless of the operating point, it operates at the boundary of the continuous and discontinuous conduction modes. This results in a very small link capacitance.(a) Energizing when Vo is positive (b) De-energizing when Vo is positive(c) Energizing when Vo is negative (d) De-energizing when Vo is negativeIlink/1220-2-4-6Vlink4003002001000-1000.00368408 0.00368652 0.00368896 0.00369141Time (ms)(e) Link current and link voltageFigure 3. Principles of the operation of the proposed inverter (hard-switching configuration)- 137 -The principles of the operation of the soft-switching configuration is depicted in Fig. 4. For the soft-switching tropology a small inductor is connected in series with the link capacitor. In this case, between each power transfer mode, the link, which is formed by series capacitor and inductor, needs to be shorted to allow the switches to benefit from the zero current turn-off and soft turn-on. For both the positive and negativecycles of the output voltage, four modes are required in each cycle to transfer power from input to the output side. + V_Link - + V_Link -L L+ C So_1 So_2 + C So_1 So_2Si_1 Si_1 V_in V_in + + DCDCV_o V_o -So_3 So_4 So_ -So_3 4 - -(a) Mode 1 when Vo is positive (b) Mode 2 and second stage of mode 4 (4-2) when Vo is positive+ V_Link - + V_Link -L L+ C So_1 So_2 + C So_1So_2Si_1 Si_1 V_in V_in + + DC DCV_o V_o -So_3 So_4 So_4 - - - So_3 ((c) Mode 3 when Vo is positive d) First stage of mode 4 (4-1) when Vo is positive+ V_Link - + V_Link -L L+ C So_1So_2 So_1 So_2Si_1 + CSi_1 V_in + V_in DCV_o + DCSo_4 - V_oSo_4 - - So_3 ( - So_3 (f) e) Mode 1 when Vo is negative Mode 2 and second stage of mode 4 (4-2) when Vo is negative+ V_Link - + V_Link -L L+ C So_1So_2Si_1 + CSo_1 So_2Si_1 V_in V_in + + DC DCV_o V_oSo_3 So_4 - So_4 - - - So_3(g) Mode 3 when Vo is negative (h) First stage of mode 4 (4-1) when Vo is negativeSimilar to the hard switching configuration, the link capacitor is energized in the first mode. During this mode the input side switch (Si_1) is open and output side switches provide a path for the output current and the link current. The second mode starts by - 138 -turning on the input side switch, which initiates a resonating mode to provide soft switching. During this mode the link current decreases and its polarity changes. When the current of antiparallel diodes across (So_1) and (So_4) becomes zero, the link current becomes equal to the output current and discharging mode is initiated. During this mode the energy stored in the capacitor is delivered into the load. Again, the fourth mode is a resonating mode that starts by turning on all the switches. This results in the link current to increase to a maximum positive value, Ipeak,which is higher than the input current. When the link current becomes higher than the input current, switches (So_2) and (So_3) will be turned off. This initiates the second stage of mode 4, as shown in Fig. 4(b).The behavior of the converter when the output voltage is negative is shown in Fig. 4 (e) to (h).3. DesignThe output current and voltage of the inverter are expressed as follows: (1)Figure 5. link voltage in the proposed converter (2)- 139 -Using (1) and (2) the output power and input current can be expressed as follows: (3) (4)In (4), is the input voltage. To operate at the boundary of the CCM and DCM, as shown in Fig. 5, the following equations should be valid: (5) (6)The average of the unfiltered input and output voltages should also be equal to their instantaneous values, as follows:designed and simulated inverterParameter ValueInput voltage 200 VOutput voltage 40 V (rms)Output current 3 A (rms)Output frequency 100 kHzC 0.1 nFL 1 nH (7) (8)The link peak voltage, , can be calculated by (9): (9)It can be shown that the link capacitance is equal to: (10)where f is the link frequency at maximum power P. In the above equations the hard switching configuration is considered. For soft switching configuration, if the duration of the resonating mode is much shorter than that of the - 140 -Specificationofthedesignedandsimulatedinverterpower transfer modes, the above equations can be used. The link inductance should be selected such that the resonating frequency is much higher than the link frequency. 4. ControlWe have developed both closed loop and open loop control algorithms for the proposed inverter. These control algorithms can be implemented digitally using a microcontroller, or they can be implemented by an analog circuit. Using a microcontroller provides more flexibility; however, when the switching frequency is high an analog circuit is preferred. For high switching frequencies open loop control scheme will be more appropriate. 4.1. Closed loop controlThe block diagram of the closed loop control for the proposed inverter is depicted in microcontroller. This control method compares the link voltage by its reference value at each operating point that can be calculated by (9). This method requires sensing the link voltage.The soft switching configuration requires a current sensor as well for comparing the link current with input current, as discussed for mode 4 of the soft switching configuration. 4.2. Open-loop controlThe open loop control algorithm of the proposed inverter has also been developed. The implementation of this method will be easier. Using the above mentioned equations, the duty cycle of the input side switch can be expressed as: (11)Unlike a dc-dc converter, the duty cycle of the switches in the proposed inverter is not constant. Fig. 7 illustrates the duty cycle of the input-side switch over a full cycle of the output voltage.- 141 -V_link + And Not Sw_1 & Com Gate Gate Sw_4-Positive /Negative V_referCycle enceV_link + And Not Sw_2 & Com Gate Gate Sw_3-V_referenceI_in_ref +Com-I_inDD-flipflop Si_1 ClkOR I_link + Gate-I_in5. SimulationThe performance of the proposed inverter has been verified through simulations. A 100 W soft switching configuration with the parameters listed in Table I is considered here. Considering the high frequency of the load current, which necessitates switching of the switches at a much higher frequency, a soft switching configuration is chosen for this - 142 -If If Negative positiveComapplication. Another option, which is chosen for the experimental evaluation, is using wide bandgap semiconductor devices. Fig. 8depicts the load current and scaled output voltage. The dc side current is shown in Fig. 9, and Fig. 10 shows the unfiltered output voltage. Link voltage, link current, and unfiltered input and output voltages are shown in Fig. 11. Figs. 12 and 13 show the current and voltage across the input and output switches, which verifies soft switching has occurred.I_load Vload*.2151050-5-10-153.5e-005 4e-005 4.5e-005 5e-005Time (s)Figure 8. Load current and scaled load voltageIin1.41.210.80.60.40.203.25e-005 3.5e-005 3.75e-005 4e-005 4.25e-005 4.5e-005Time (s)Figure 9. Input currentVo_unfiltered1K0.5K0K-0.5K-1K2e-005 4e-005 6e-005Time (s)Figure 10. Unfiltered load voltage- 143 -Vlink8006004002000-200Ilink420-2-4Vin8006004002000-200Vo_unfiltered8006004002000-2005.3125e-005 5.34375e-005 5.375e-005Time (s)Figure 11. Link voltage and link current in the soft switching configurationV_Si_1/100 I_Si_1 V_Si_1/100 I(Si_1)88664 42200-2-4 -24.875e-005 4.90625e-005 4.9375e-005 5.322998e-005 5.3232422e-005 5.3234863e-005 5.3237305e-005Time (s) Time (s)Figure 12. Current and scaled voltage across the input side switch (Si_1)Vo_1/(-100) Io_1 Vo_1/(-100) Io_16 64 42 20 0-2 -25.25e-005 5.26563e-005 5.28125e-005 5.29688e-005 5.28125e-005 5.28516e-005 5.28906e-005 5.29297e-005Time (s) Time (s)Figure 13. Current and scaled voltage across the output side switch (So_1)6. Experimental Evaluation- 144 -To verify the performance of the proposed inverter experimentally a prototype has been fabricated. Both hard switching and soft switching configurations were considered for the experimental evaluation. A. Hard switching configuration In this experiment GaN semiconductors are used. Half bridge evaluation boards (GS66508T-EVBHB), as shown in Fig. 14, were purchased and used for fabricating the hard switching prototype.These boards have internal signal generator; however, since theduty cycle is not constant, we used a microcontroller for controlling the circuit.Figure 14. Half Bridge Evaluation Board (GS66508T-EVBHB)We initially used three half bridge boards: one for the input-side and two for the output side. However, we noticed that in these boards bootstrap method is used for gatedrivers, and given that our switching scheme is totally different from that of the conventional inverters, the bootstrap method can affect the performance of the inverter, and cause some problems. Therefore, we used isolated power supplies by making some modifications in the boards and used five boards for the prototype. The gate driver circuits used for bottom switches in all the boards have the same ground as the microcontroller; therefore, we could not isolate them, and only top switch on each board wasused. Fig. 15 shows the prototype.- 145 -Figure 15. PrototypeFigs. 16 to 20 show the experimental results corresponding to the hard switching configurationusing GaN semiconductors. seen in this figure the switching frequency of the output side switches is the same as output frequency, which is much lower than the switching frequency of the input-side switches. The unfiltered input and output voltages as well as the link voltage are depicted in Fig. 17. The unfiltered output voltage over a full load cycle is shown in Fig. 18. The output and input currents are illustrated in Figs. 19 and 20, respectively. - 146 -GatesignalsFigure 18. Unfiltered load voltage- 147 -Unfilteredoutputvoltage(pink),linkvoltage(darkblue),unfilteredinputvoltage(lightblue)Figure 19. Load currentFigure 20. Input currentB. Soft Switching ConfigurationFigs. 21 and 22 show experimental results corresponding to the soft switching configuration using IGBTs. - 148 -in soft switching configuration7. Publicationsl A conference paper was published based on the results of this project:- 149 -M. Chowdhury, M. Amirabadi, J. Baek "A Novel compact and reliable Inverter for Wireless Power Transfer", In Proc. IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), pp.3160-3166, 20-24 Sept. 2015l A journal paper is also under preparation, and will be submitted to IEEE Transactions in Power Electronics.8. References[1] Cheon, Sanghoon, Yong-Hae Kim, Seung-Youl Kang, Myung Lae Lee, Jong-Moo Lee, and Taehyoung Zyung. "Circuit-model-based analysis of a wireless energy-transfer system via coupled magnetic resonances." Industrial Electronics, IEEE Transactions on 58, no. 7 (2011): 2906-2914[2] Low, Zhen Ning, Raul Andres Chinga, Ryan Tseng, and Jenshan Lin. "Design and test of a high-power high-efficiency loosely coupled planar wireless power transfer system." Industrial Electronics, IEEE Transactions on 56, no. 5 (2009): 1801-1812.[3] Sallán, Jesús, Juan L. 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제3장 연구 개발 수행 내용 및 결과

제3장 연구 개발 수행 내용 및 결과제1절 원거리 무선 전력 전송용 코일의 개발1. 무선 전력 전송용 코일의 설계가. 무선 전력 전송용 코일 설계 시 고려조건Ÿ 무선 전력 전송 시스템의 코일 설계는 크게 효율 및 제어 안정성을 고려해야 함.Ÿ 논문 [1] 에 따르면 공진형 무선 전력 전송 시스템의 효율은 아래 수식 (3.1)과 같이나타남. .1)      (3Ÿ 여기서 Q , Q 는 TX, RX 코일의 자체 Quality factor 이며 Q = ωL /R , Q =TX RX TX TX TX TXωL /R 로 정의 됨. 이 때 ω = 2πf, f는 운전 주파수, L , L 는 TX, RX 코일의RX RX TX RXSelf-inductance, R , R 는 TX, RX 코일의 자체 저항임.TX RXŸ 또한, Q , Q 는 TX, RX 코일의 Loaded quality factor 이며, 이는 부하를 포함한p s시스템의 Quality factor를 의미함. Q , Q 는 RX coil 이 병렬 공진인 경우, Q =p s pω 2L /(a R ), Q = R /(ωL ) 같이 정의 되며 R 은 등가 부하 저항임. a 는 TX와 RXTX L s L RX L코일간 Transfer ratio를 의미하며 a = k√(L /L )와 같이 정의할 수 있으며, k는TX RXcoupling coefficient로 k = M/√(L *L ) 같이 정의할 수 있음. RX 코일이 직렬TX RX공진이면, Q = ωL R /(ω 2M) , Q = (ωL ) /R 임.p TX L s RX LŸ 이 식 (3.1) 에서 알 수 있듯이, 전체 시스템의 효율은 Q Q 가 작아질수록, Q , Qp, s TX RX가 커질수록 개선됨. Q Q 는 코일의 자체 인덕턴스 대비 손실의 비율이므로 코일TX, RX자체의 손실 특성을 나타냄. 따라서 손실이 작은 코일을 제작하는 게 중요함.- 41 -Ÿ 또한, Q , Q 는 부하 저항과 코일의 리액턴스의 비를 나타내는 것으로 Q , Q 가p s p s작을수록 리액턴스 대비 부하가 크게 보인다는 것을 의미하Ï며ç 이 경우 부하 측으로전력 전달이 많이 되기 때문에 효율이 향상될 수 있다는 것을 보여줌.Ÿ 또한, Q , Q 에는 k 혹은 M 이 수식의 분모에 포함돼있어 k나 M 이 커질수록, (즉p s전력 전송 거리가 줄어들거나, 코일 크기가 커질수록) Q , Q 의 값이 작아져 효율이p s개선될 수 있다는 것을 보여줌.Ÿ 종합하면, 무선 전력 전송 시스템의 효율은 전력 전송 거리, 코일 크기, 턴 수, 코일의인덕터스, 손실, 부하 값 등에 의해서 영향을 받음. 따라서 전송 거리 및 부하 값에¡따라 적절한 코일의 형태를 찾아야 최대 효율을 얻을 수 있음.Ÿ 공진형 무선 전력 전송 시스템의 설계에 있어서 제어 안정성도 따져야 함 [1]Ÿ 코일 임피던스와 부하 간에 적절한 관계를 이루지 못하면 부하 값이 변동함에 따라 TX코일의 resonant pole 과 RX 코일의 resonant pole 이 가까워지며 서로 밀어내 공진주파수가 여러 개 생기게 되어 (Bifurcation) 제어가 불안정해질 수 있음 [2].Ÿ 만약 이처럼 제어 안정성 조건이 깨지면, 무선 전력 전송 시스템의 TX 코일 측에서는여러 개의 공진 주파수가 보이게 되고, 입력 인버터는 코일의 공진주파수에 맞춰서운전할 수 없게 되어, 고효율 시스템을 얻을 수 없음 [2].Ÿ 아래 식 (3.2)는 급집전 코일의 공진 형태에 따라 제어 안정성을 만족하기 위한조건들을 보여줌. ≻   for and (3.2)  ≺  for and  Ÿ 여기서 k = coupling coefficient 임. SS, SP, PS, PP 등은 Transmitter 및 Receiver의공진 형태를 나타내는 것으로 앞의 S 혹은 P는 TX 코일의 직렬(Series) 혹은 병렬(Parallel) 공진을 의미하며, 뒤의 S 혹은 P는 RX 코일의 직렬 혹은 병렬 공진을의미함.- 42 -나. 무선 전력 전송 시스템의 설계 방법Ÿ 원거리 무선 급전 시스템의 설계를 위해서 본 연구에서 제시하는 설계 방법에서는 TX코일과 RX 코일이 가질 수 있는 인덕턴스 값의 범위 (feasible inductance designspace) 를 먼저 찾고, 그 범위 내에서 효율을 극대화하는 동시에 제어 안정성을 가지는코일 형태를 제시함.Ÿ 먼저 Feasible design space는 TX 코일에 걸리는 전압/전류 및 RX 코일에 걸리는전압/전류의 최대치가 V , I , V , I 라고 가정했을 때, TX 코일LTX,max LTX,max LRX,max LRX,max및 RX 코일의 리액턴스 X , X 는 아래와 같은 부등식 (3.3)을 만족하는 것을TX RX이용해 정의 됨 [1]  max ≤  (3.3)   ≥     max   max ≤Ÿ 여기서 P 은 출력 전력, R 은 부하 저항, k 는 coupling coefficient 임. 여기서 전력out L전송 거리 및 출력 전력량, 출력 전압, V , I , V , I 등이 정해지면LTX,max LTX,max LRX,max LRX,maxk, P , R 등은 상수가 되어 X , X 사이의 관계를 정해주는 식이 됨.out L TX RXŸ 첫 번째 식은 TX 코일에 걸리는 전압이 V , 보다 작기 위해서는 X 가 X 에LTX,max TX RX일정 상수를 곱한 값보다 작아야 한다는 것을 의미하고 이는 X 를 y 축으로 하고TXX 를 x 축으로 하는 직교 평면상에 그렸을 때, 아래 그림 3.1 (a) 처럼 양의 기울기를RX가지는 직선의 밑 부분에 해당함.Ÿ 두 번째 식과 세 번째 식도 동일하게 X 와 X 의 직교 평면 상에 그리고 세TX RX부등식의 교차 영역을 표시하면 그림 3.1 (b) 과 같이 나타낼 수 있음.- 43 -Ÿ 따라서 TX 코일과 RX 코일의 리액턴스 값은 그림의 교차 영역 내에 존재하는 값을선택할 수 있으며 이러한 교차 영역이 존재하는 경우 이를 Feasible design space라부름.Ÿ 만약 운전 주파수가 고정되어 있으면 X 및 X 의 리액턴스를 운전 주파수로 나눌TX RX수 있고, 이 경우 Feasible design space는 식 (3.4)와 같이 나타나며, 그림 3.1 (c) 처럼L 와 L 의 평면상에 나타낼 수 있음.TX RXŸ TX 코일과 RX코일의 인덕턴스 값은 이러한 feasible design space 내의 값들의 조합을가질 수 있음.   max ≤  (3.4)   ≥   max  max ≤XTX X I VLT L VLTX limit X limit LTX TX ILTX limit TX limitVLTX limitXRX VLRX limit XRX VLRX limit LRXŸ 이렇게 Feasible design space를 찾으면, 이를 N by M 개의 grid로 쪼개서, L 와TXL 가 가질 수 있는 인덕턴스 값들을 정함. (그림 3.2 참조)RX그림 3.2 Feasible design space 및 grids 예- 44 -Ÿ 이 후 TX 와 RX 코일의 인덕턴스 값을 1번째부터 N 번째, 1부터 M 번째까지 변동시키며, 각 인덕턴스 값을 가지는 코일의 직경, 턴 수 등을 정해, 효율 및 제어안전성을 계산함.Ÿ 최종적으로는 효율이 극대화되며 동시에 제어 안정성을 가지는 TX 및 RX 코일의형태를 정한다. 이러한 설계 방법은 아래 그림 3.3에 잘 나타나있음.Ÿ 그림 3.3을 따르면 효율이 최대 이며, 동시에 제어 안정성을 만족하는 시스템을 설계할수 있음.그림 3.3 설계 방법에 관한 순서도- 45 -Ÿ 제안한 설계 방법에 따라 60cm 거리에 6.78MHz, 100W 전송이 가능한 직경 30cm이하의 코일을 설계 함.MHigh Frequency RV 1C1 CL 2 R2 Diode Resonant 1 L2 Rec V1 V2 tifier DC RLInverterŸ Receiver 코일 출력 전압은 효율은 50% 이상, 20V 출력, V = 5000V, I =Ltx,max Ltx,max30A, V = 5000V, I = 5A인 직렬-직렬 무선 전력 전송 시스템은 다음 그림Lrx,max Lrx,max3.5와 같은 feasible design space를 가짐.Ÿ 위에서 언급한 것처럼 운전 주파수가 6.78MHz 로 고정되어 있어 feasible designspace는 L 와 L 의 인덕턴스 평면상에 그려질 수 있음.TX RXŸ 위의 설계 절차를 따르면, L = 6 μH (직경 30cm, 4턴), L = 9 μH (직경 30cm,TX RX5턴) 일 때, 효율 55% 이며 stability 조건도 만족하는 것으로 나타남.ŸSpecifications Transmitter ReceiverDiameter of the loop [cm] 30 30Diameter of the cross-section [mm] 6.35 6.35Material Touch pitch copper tubeTurn-spacing [mm] 10 10Number of turns 4 5Current at rated operation [Arms] 10 3Self-inductance [μH] 6 9Equivalent series resistance @ 6.78MHz [Ω] 0.2 0.3Mutual-inductance [μH] 0.044Coupling coefficient 0.006- 46 -Ÿ 설계된 무선 급전 시스템은 finite element analysis를 이용해 시뮬레이션 했음.600 mm그림 3.7 FEA를 이용한 전력 전송 시뮬레이션 결과그림 3.8 FEA를 이용한 전력 전송 효율 시뮬레이션 결과Ÿ 위 그림에서 볼 수 있듯이 설계된 30cm 직경의 코일은 60cm, 100W 전송 시 약 최대효율 75%를 나타냈음.- 47 -300 mmŸ 6.78MHz 코일 제작위한 케이블 선정위해 다음 챕터와 같은 실험을 함.2. 무선 전력 전송용 코일 위한 케이블 선정Ÿ 6.78MHz 동작을 위한 Litz-wire, 인탈산 동관 (Phosphorous Deoxidized copper),터프피치 동관 (Touch pitch copper) 을 사용하여 30cm 직경의 5턴 코일을 만드는1)경우를 비교했음 [6].Ÿ 비교에 사용된 Litz-wire 및 동관의 종류는 아래 표 3.2과 같음.Ÿ Litz-wire의 선정은 Skin-depth 기준으로 선정했음. 6.78 MHz에서의 copper의skin-depth 는 아래 식 (3.5) 을 이용하여 계산하면 25 μm 임. 여기서 δ 는 skin-depth,μ은 진공의 permeability, μ은 copper의 permeability ( =1 ), σ 는 conductivity, f 는0 r주파수임 [3].  rf (3.5)Ÿ 따라서 Litz-wire는 skin-depth와 유사하며 현재 제작 가능한 최소 직경인 30 μm의2strand 1025 가닥 (유효 단면적 = 0.72 mm )과 skin-depth의 2배인 50 μm 직경의2strand 375 다발 (유효 단면적 = 0.74 mm )을 꼬아서 제작함.Ÿ 또한 Litz-wire는 제작시 1 미터당 전체 다발을 꼬는 횟수 (turns/m) 를 pitch라고 하며이 pitch에 따라 저항 값이 달라지기 때문에 같은 strand라도 pitch가 다른 2종류의전선을 시험함.Ÿ 두 번째 케이블 종류로 동관을 선정함. MHz 에서는 skin-effect 에 의해 유효 단면적이매우 작아져 케이블 내부에는 전류 밀도가 거의 0 이 됨. 따라서 케이블 내부의Conductor는 필요없음.1) 본 주요 사업을 통해 6.78MHz에서의 Litz-wire, 인탈산동관, 터프피치동관의 저항 및 이를 이용한 전력 전송 효율에 관한 연구는 2015년 11월 대한전기학회지에 게재됨. [6]- 48 -Ÿ 따라서 동관을 이용하면 가볍고, 코일 제작이 용이해 유리함. 인탈산 동관은 시중에서가장 흔하게 구할 수 있는 동관으로 냉장고/에어콘 등의 냉매 및 수도용 등으로 많이사용됨.Ÿ 100W, 6.78MHz 시스템 위해 OD 는 6.35 mm 이며 wall thickness 는 1 mm 인 동관을선정함.Ÿ 마지막으로 터프피치 동관 (TPC) 역시 이용함. 터프피치 동은 전기 전도도가 순수동과 같거나 우수해 전기 전도용 재질로 가장 많이 사용되는 동임. 아래 표 3.1에시험에 사용된 Litz-wire 및 동관의 형태를 정리함.표 3.2 시험에 사용된 케이블 종류Litz-wire 4종Specifications Litz-1 Litz-2 Litz-3 Litz-4Diameter of a strand [μm] 30 30 50 50Number of strands 1,025 1,025 375 375Pitch [turns/m] 125 37 125 37Cross-sectional diameter [mm] 2 2 2 2Net cross-sectional area [mm2] 0.72 0.72 0.74 0.74Current rating [Arms] 3동관 2종Specifications PDC-1 TPC-1Material 인탈산동 터프피치동Cross-sectional diameter [mm] 6.35 6.35Wall thickness [mm] 1 1Net cross-sectional area [mm2] 9.2 9.2Ÿ 동관의 MHz 에서의 손실은 skin-effect에 의한 손실과 proximity-effect에 의한 손실을고려해서 계산할 수 있음.Ÿ 동관의 skin-effect에 의한 손실은 동관의 직경이 skin-depth보다 매우 큰 경우 전류의대부분이 skin-depth 에 해당하는 도체 표면에 흐르기 때문에 아래 식 (3.6)와 같이근사할 수 있음.  where    (3.6)- 49 -Ÿ Proximity-effect에 의한 손실은 [3] 에 따르면 식 (3.7)과 같이 나타낼 수 있다. 는proximity effect에 의해서 발생하는 추가적인 손실을 나타내는 파라메터임.     (3.7)Ÿ 여기서 l 은 동관의 총 길이, σ 는 구리의 conductivity, r 은 cross-sectional radius,δ 는 skin-depth,  는 동관의 유효 단면적임. 식 (3.6), (3.7) 를 이용해 선정된 동관2종류의 6.78 MHz에서의 저항 값을 계산하면 다음 표 3.2와 같음.표 3.3 시험에 사용된 동관들의 이론적인 저항값PDC-1 TPC-1Analytical results 0.24 0.22FEA results 0.26 0.26Ÿ Finite element analysis (FEA) 를 이용한 경우의 저항 값이 analytical results 과유사함을 볼 수 있음.Ÿ 다음으로 Litz-wire의 저항값은 논문 [4] 에서 나온 식 (3.8)을 이용하여 구할 수 있음.         (3.8)                                ′′ where,  ′′ ′ ′        and          Ÿ 이 때, R , R , R 은 각각 strand 자체의 skin-effect에 의해서cond internal_induction external_induction발생하는 손실, 각 턴의 strands간에 발생하는 induction에 의해서 발생하는 손실,turn-to-turn의 induction에 의해서 발생하는 손실을 의미하며, n은 strand의 갯수, r 는0 0strand의 반경, ξ는 √(μ σω) 이며, σ는 conductivity, ω는 각주파수, a 는 코일의 각0 i턴의 반경이며, i=1..n 은 코일의 턴에 대한 index이며, r 는 Litz-wire의c- 50 -2 2 2cross-sectional radius 이며, ber, bei, ber’, bei’, ber ,bei , 는 Kelvin function, 는o,i한 strand에 대한 angular and radial 방향의 H-field의 squared average 임.Ÿ 위 식을 이용하여 표 3.1의 4개 종류의 Litz-wire의 6.78 MHz에서의 저항 값을계산하면 아래 표 3.3과 같음. 표 3.2와 표 3.3의 결과를 비교해 보면 중요한 사실을 알수 있음.Ÿ 2 2Litz-wire의 단면적이 0.74mm 로 동관 단면적보다 훨씬 작지만 (9.2mm ) 이론적인저항 값은 서로 비슷함. 이는 동관이 skin-effect에 의해 대부분의 전류가 동관 단면의225μm 에 해당하는 부분에 흐르기 때문에, 실질적인 유효 단면적은 0.51mm 로작아졌기 때문임. Skin-effect를 고려한 경우를 비교하면 두 도선의 유효단면적은 서로비슷함. 오히려 동관의 단면적이 더 작음에도 이론적인 저항 값은 더 작음.표 3.4 Litz-wire를 이용한 5턴 코일의 이론적인 저항 값 케이블 종류 Litz-1 Litz-2 Litz-3 Litz-4 PDC TPCAnalytical results 0.344 0.344 0.736 0.736 0.24 0.22Ÿ Litz-wire의 이러한 고주파에서의 손실은 식 (3.8)을 이용하면 Litz-wire의 strands 간의internal induction 에 의한 성분에서 기인함을 확인함. 이는 number of strands에비례해서 커지며, 전류의 제곱에 비례해서 커짐.Ÿ 따라서 Litz-wire 는 individual strand 자체의 skin-effect loss는 각 strand diameter를충분히 작게 해서 최소화 할 수 있지만, 전류 rating이 커져 number of strands 가커지는 경우, strand간의 induction에 의한 손실이 주로 발생해 동관보다 손실이 월등히커짐을 확인함.Ÿ 총 6가지의 전선들에 대한 6.78 MHz에서의 저항 값을 Impedance analyzer (Agilent4294A) 를 이용하여 측정하였음. 측정된 결과는 표 3.5 및 그림 3.10에 잘 나타나 있음.- 51 -그림 3.9 제작된 5턴 Litz-wire 코일의 저항을 측정하는 모습그림 3.10 케이블 6종을 이용한 5턴 코일들의 저항값 측정Ÿ 그림 3.10 에는 케이블 6종을 이용한 5턴 코일들의 저항 값을 나타냈음. Strand 직경이50 μm 인 Litz-3, 4의 경우 주파수에 따라 저항이 급격히 커졌으며 주파수의 3/2 승에비례하는 경향을 보였음. 30 μm 인 Litz-1, 2는 주파수의 제곱근에 비례하는 것으로보였다. Pitch가 큰 Litz-1가 Litz-2에 비해 근소하게 작은 저항 값을 가졌음.Ÿ 이 그래프에서 중요한 사실은 Litz-wire의 저항에 가장 큰 영향을 주는 인자는Strand의 직경이라는 것임. 또한, 이 그래프는 Litz-wire 들은 MHz 범위에서 Coppertube보다 손실이 커 적합하지 않다는 것을 보여줌.Ÿ 표 3.4 에서 중요한 점은 크게 4가지가 있음. 첫째, 실제 측정된 Litz-wire 의 저항값이- 52 -이론값 보다 2~4배 정도 큼. 이는 Litz-wire는 이론적으로는 모든 strand 가 단면상으로균일한 분포를 가지도록 꼬는 기술이 필요한데, strand가 많아질수록 구현이 어려워이론적인 저항 값과는 많은 차이가 나는 것임.Ÿ 둘째, strand 직경이 30 μm 인 케이블이 50 μm 인 케이블 보다 저항 값이 절반이하임. 이는 이론값에서도 보였던 특징으로 6.78 MHz에 동작하기 위해서는 직경 30μm strands를 이용해야 한다는 것을 보여줌.Ÿ 셋째, Litz-1 과 Litz-2, 또는 Litz-3 과 Litz-4를 비교해보면 Pitch가 클수록 즉 단위길이 당 많이 꼬을수록 저항 값이 낮기는 하지만 큰 차이가 나지는 않고, 10 ~ 20 %정도 개선되는 효과가 있는 것으로 보임..Ÿ 마지막으로 가장 중요한 점은 바로 동관의 저항값이 Litz-wire 보다 1.5 ~ 2배 이상작으며, conductivity 가 좋다고 알려진 TPC 가 가장 우수한 손실 특성을 보였다는것임.Ÿ 따라서 MHz application 에서는 Litz-wire 보다 copper tube 가 손실이 작고, 가격이월등히 싸기 때문에 더 적합할 것으로 보임.Ÿ 본 연구에서는 터프 피치 동을 이용하여 TX 및 RX 코일을 제작하였음.표 3.5 측정된 코일 저항 값 및 이론값과의 비교케이블 종류Litz-1 Litz-2 Litz-3 Litz-40.344 0.736Analytical results 0.344 0.7360.43 2.14Experimental results 0.64 2.09PDC TPC0.24Analytical results 0.220.32 0.30Experimental results3. 설계된 무선 전력 전송 코일의 제작Ÿ 설계된 시스템의 사양은 아래 표 3.5와 같음. 직경 6.35mm 의 터프피치 동관을 이용해모두 제작했음.- 53 -Ÿ 두 코일의 취부를 위해 아래와 같은 도면의 거치대를 제작함.그림 3.11 코일 취부 위한 거치대 설계 도면 (3차원 뷰) 그림 3.12 코일 취부 위한 거치대 설계 도면 (윗면 및 옆면) 그림 3.13 코일 취부 위한 거치대 설계 도면 (오른쪽)- 54 -Ÿ 거치대의 재질은 MHz 대역에서 턴 사이의 전기장에 의한 손실을 최소화하기 위해 losstangent 가 0.001 이하인 [5] Polyethylene (P.E.)를 사용했음.Ÿ 제작된 시스템은 아래 그림 3.14 과 같음. 직경 6.35mm 의 터프피치 동관을 이용해급집전 코일을 제작했음. 공진 튜닝을 위해 가변 캐패시터를 이용했음.ReceiverTransmitter그림 3.14 조립된 간이 무선 급전 시스템 테스트 베드 4. 제작된 무선 전력 전송 코일의 시험가. 무선 전력 전송 코일의 전력 전송 시험 위한 테스트 베드Ÿ 제작된 급집전 코일의 전력 전송 성능 시험을 위한 테스트 베드의 구성은 아래 그림3.15와 같음.Ÿ 6.78 MHz generation은 100W 출력용 HF transceiver를 이용했음.Ÿ HF transceiver의 출력은 50Ω 에 맞춰저 있으나 실험에 사용될 series-series공진시스템의 impedance는 약 1Ω 정도이므로 중간에 impedance tuner 사용함.Ÿ Impedance tuner의 matching range 가 6Ω ~ 3.2kΩ으로 높아 series-series 공진으로- 55 -직접 실험하지 못하고, 아래 그림처럼 excitation coil을 추가로 설치하여 inputimpedance를 200Ω 까지 올림.Ÿ 부하는 RF 저항을 사용하여 4Ω을 만들어줌.MHF R1 L1 L2Transceiver(6.78 MHz, Impedance Ltuner V1 0C R2 R100W C2 V2 L1generation)그림 3.16 HF Transceiver 및 tuner 사진ReceiverTransmitter그림 3.17 제작된 간이 무선 급전 시스템 테스트 베드 - 56 -나. 무선 전력 전송 코일의 전력 전송 시험 결과Ÿ 제작된 테스트 베드를 이용하여 코일 자체의 전력 전송 효율을 측정하였음. 이론적인계산 결과로는 60cm 전송 시 약 55%를 예상했으며 FEA 상으로는 약 75%의 전력전송효율 예상함.Ÿ 그림 3.20에 실제 측정한 코일 간 전력 전송 효율을 도시하였음. 여기서는 약 43% 정도나오는 것을 확인하였음. 이는 표 3.5에서 보이는 것처럼 이론적인 저항값 보다 실제측정한 코일의 저항 값이 약간 커 오차가 발생한 것으로 보임.Ÿ 특히 FEA의 결과보다 많이 낮았는데 이는 FEA (ANSYS MAXWELL) 의 특성상MHz의 고주파에서 발생하는 자기장에 의한 eddy current effect 및 전기장에 의해서발생하는 추가적인 손실에 대한 고려가 되지 않아서 인 것으로 판단됨. 코일간 전력전송 효율 개선 및 전력 전송 거리 증진을 위해서 2차 년도에는 Full-wave simulationsoftware 이용한 시뮬레이션 진행 필요할 것으로 보임.Ÿ 공진 인버터인 Class-E 인버터 효율이 85% 이상이며, 배터리 충전기 효율이 90%이상이면 전체 효율은 30% 이상을 이룰 수 있을 것으로 예상됨.그림 3.18 간이 무선 급전 테스트 베드를 이용한 코일 간 전력 전송 효율 측정 시험- 57 -제2절 MHz 용 급전 인버터의 개발1. MHz 용 급전 인버터의 설계Ÿ 본 연구에서 적용하고자 하는 MHz 용 인버터는 Class-E 인버터이며 이는 MHz에서많이 사용되는 효율이 높은 인버터 topology 임. 대개 효율 80% 이상 구현 가능한것으로 알려져 있음.Ÿ Class-E 인버터는 스위치 하나 만을 이용하기 때문에 Half-bridge나 full-bridge인버터와는 다르게 low-side gate driver만 필요해 제작에 어려움이 적음.Ÿ 이러한 Class-E 인버터의 전력 제어는 duty 로는 제어하기 어렵고, frequency 제어나입력 DC 링크 전압을 제어해야 함. 본 연구에서는 입력 DC 링크 전압을 제어할 수있는 컨버터를 적용하여 공진인버터의 출력 전력을 제어하도록 설계하였음.Ÿ 전체 시스템의 구성은 아래 그림 3.19와 같음.AC/DC Class-E 220V 컨버터 인버터 정류기센서 등 부하배터리 충전기배터리Ÿ 급전 인버터의 AC/DC 컨버터는 단상 220Vrms 전원을 입력받아, 출력 DC 전압을제어하는 역할을 하며, 아래와 같은 Buck type PFC를 이용해 구현함.가. Buck PFC 설계- 58 -그림 3.20 Buck 컨버터 블록도Ÿ PFC 회로의 출력 사양은 DC 50 ~ 100V, 최대2A를 공급하도록 설계 되었으며 역률보상 회로와 보조 출력 회로로 구성되어 있다. 브리지 다이오드로 전파 정류한 전원을벅 컨버터 방식의 역률 보상회로(스위칭주파수 100KHz)에 의해 고역률을 유지하며직류 출력을 만듬. 이때의 역률은 정격출력에서 90%이상의 고역률을 만드는데 있음.표 3.6 Buck 컨버터 설계 사양 입력전압 AC 220V입력주파수 60Hz출력전압 DC 50V ~ 100V출력전류 DC 2A출력전력 100W효율 >90% at full load스위칭 주파수 100kHz(1) 정류기(정류 브리지 다이오드) 설계1) 최대 입력 전류( )Ÿ 최대 입력 전류 ( )는 low line input AC voltage에서 이루어진다. 그러므로 AC전류의 사인파 곡선의 최대 값은 식 (3.9)와 같다.- 59 -  ×r msMAX (3.9) r msMAX  ×(3.10)2) 리플 전류Ÿ 리플 전류는 보편적으로 최대 전류의 10% ∼ 20%로 하는 것이 좋다.∆   × (3.11)3) 최대 입력 전력Ÿ 출력과 효율의 관계로부터 입력 전력을 구하면 식 (3.12)와 같다.   (3.12)(2) Buck converter 설계Ÿ 주 스위치의 선정에는 이 스위치가 OFF 상태일 때 스위치의 드레인과 소스 양단에걸리는 전압 max, ON 상태일 때 이 스위치에 흐르는 최대 전류 max, 전도 손실을최소로 하기 위한  등이 고려되어야 한다. OFF 상태 일 때 최대 전압은입력전압 으로 주어지므로 주 스위치의 최대 전압은 설계 사양으로부터 식 (3.13)과같음.  (3.13)Ÿ 주 스위치의 최대 전류도 역시 설계 사양으로부터 식 (3.14)와 같다. ∆    (3.14)Ÿ 스위치 모드 동작동안 손실은 MOSFET이 ON일 때 발생한다. 최소 실효 입력- 60 -전압일때 CCM 동작을 하는 벅 컨버터의 트랜지스터의 듀티사이클은 식 (3.15)와 같다.   (3.15)Ÿ 따라서 Power MOSFET의 선정에는 실제적인 요소로서 서지(surge) 전압 및 전류를고려하여 식 (3.13)과 (3.14)에서 주어진 값보다 높은 정격의 소자를 대상으로 해야한다.(3) 환류 다이오드Ÿ 다이오드는 최대 정격 전압 및 전류는 설계 사양으로부터 식 (3.16), 식 (3.17)와 같다.  (3.16) ∆   (3.17)(4) 인덕터 설계Ÿ 인덕터의 peak to peak 리플 전류는 최대 입력 전류의 20%로 하는 것이 일반적이다.또한 PFC 벅 인덕터를 설계하기 위한 설계 사양을 표 3.7에 나타내었다.표 3.7 Buck 용 인덕터 설계 사양 입력전압 AC 220V출력전압 DC 50V출력전류 2A출력전력 100W스위칭 주파수 100kHz효율 80%Ÿ 인덕터의 최대 전류는 인덕터에 흐르는 최대 라인 전류는 최소 입력 전압과 고주파의- 61 -리플 전류의 합으로 고주파 리플 전류의 Peak-to-Peak를 라 하면 최대 입력 전력과최소 출력 전압의 관계로부터 관계식을 유도하면 식 (3.18)과 같다.  · ·  (3.18) Ÿ k는 비교적 작은 값을 선택을 하며 보통 Peak-to-Peak 리플 전류는 최대 입력 전류의15%에서 25%의 범위에서 선택하는 것이 일반적이다.Ÿ 인덕터에 흐르는 최대 전류는 식 (3.19)와 같다.      (3.19)Ÿ 벅 인덕터 인덕턴스는 식 (3.20)과 같다.  · (3.20)·(5) 코어의 선정1) 인덕터의 권선Ÿ 인덕터 전류의 rms rms는 식 (3.21)처럼 구할 수 있다.            (3.21)2) 권선수 결정Ÿ 코어의 권선수는 식 (3.22)와 같이 구할 수 있다. (3.22)- 62 -(6) 출력 캐패시터Ÿ 출력 캐패시터는 출력전압의 리플로부터 식 (3.23)와 같이 구할 수 있다. · ·· (3.23)·∆Ÿ 하지만, 실제 캐패시터는 다음과 모델링 될 수 있다.그림 3.21 캐패시터의 등가회로 : 극판의 도체 손실 : 유전체의 절연저항 : 리드와 양극판 사이의 인덕턴스Ÿ 등가회로의  와 로 표시되는 캐패시터에 대한 유효 직렬 접속 저항으로 교류전류에 대한 저항을 의미하고 그림 3.22과 같이 나타낸다.그림 3.22 캐패시터의 ESRŸ ESR에 의해 컨버터의 출력 전압의 리플과 캐패시터 자체 전류의 허용 전류가제한된다. 따라서, 현실적으로 다음 식 (3.24), (3.25)를 고려해야 한다.∆    (3.24)∆  (3.25) - 63 -나. Buck PFC용 소자선정(1) 정류 브리지 다이오드Ÿ 다음의 사양을 충족하는 Shindengen사의 D5SBA를 선택하였다.  ×r msMAX ×  (3.26)  r msMAX × × (3.27)∆   × ×  (3.28)       (3.29)  : 최대 입력 전류r msMAX : 최대 입력 전류의 RMS 값∆ : 리플 전류 : 최대 입력 전력(2) Power MosfetŸ Infineon사의 IPP60R125CP (  = 650V,  = 25A, max=0.125 )를선정하였다.    (3.30) ∆       (3.31)- 64 -max : 스위치 최대 드레인-소스 전압max : 스위치 최대 드레인-소스 전류(3) 환류 다이오드Ÿ CREE사의 Schottky Diode (600V, 14A)인 C3D10060G를 선정 하였다.    (3.32)    (3.33)max : 최대 정격 전압max : 최대 정격 전류 : 다이오드 최대 연속 도통 전류(4) PFC 인덕턴스 선정Ÿ 형상은 E 코어로 선정하고 재질은 창성의 페라이트 재질인 CS330125를 선정한다. 또한코어의 크기는 앞서 결정된 인덕턴스 값과 권선의 굵기를 고려하여 CS330125로 하는것으로 한다.   ·  ×   (3.34)       (3.35) · × · ×× (3.36)- 65 -(5) 출력 벌크 캐패시턴스 선정 · ×  ·· ·∆ ×× ×× ×(3.37)다. 제작된 Buck PFCŸ 아래 그림 3.23에 제작된 Buck 컨버터와 3.24에 제작에 사용된 실 도면을 첨부하였다.Ÿ그림 3.23 제작된 Buck converter그림 3.24 Buck PFC 설계 도면- 66 -라. Class-E 공진형 인버터 설계(1) 기본구조그림 3.25 Class-E 공진형 인버터 CircuitŸ 그림 3.4는 Class-E 공진형 인버터의 기본회로이다. 회로는 한 개의 스위치 과  공진소자 , 으로 구성되어 있는데 서로 직렬 연결되어 있다. 스위치  는MOSFET와 내부 다이오드로 구성되었으며 구형파 전압(PWM)에 의하여 각각 드라이브 된다. 구형파 신호 는 스위치의 구동신호로서 스위치 를 턴 온, 턴  오프시킨다. 과 는 공진 주파수  을 결정하며 식 (3.38)에 주파수의 관계식을나타내었다.   (3.38)(2) Class-E 공진형 인버터 기본동작- 67 -그림 3.26 Class-E 공진형 인버터 동작 파형Ÿ    스위치 이 t=0에서 턴 온 될 때, 입력 전류 와 출력 전류 는 스위치 를 통해  의 전류가 흐르게 되고 스위치 에 병렬 연결된 에 흐르는 전류는 0이 된다.  스위치 이 턴 오프 될 때, 출력 전류  와 입력전류 는 스위치 과 병렬 연결된캐패시터    를 통해 흘러 캐패시터 전압을 충전 시키며, 과 의 공진에 의해 를  충·방전 시킨다. 과 의 공진에 의해 스위치 에 걸리는 전압은 0V가 되고, 이때스위치 을 턴온시켜 ZVS동작을 하게 된다.- 68 -그림 3.27 스위치 Turn ON시 등가회로도그림 3.28 스위치  OFF시 등가회로도- 69 -(3) Class-E 공진 인버터 설계 이론1) 쵸크 코일( )Ÿ Class-E 공진 인버터의 쵸크 코일을 구하는 식은 다음 식 (3.39)과 같다.  (3.39)2) 병렬 캐패시터( )Ÿ Class-E 공진 인버터의 병렬 캐패시터를 구하는 식은 다음 식 (3.40)과 같다.   (3.40)3) 공진 인덕터(L), 공진 캐패시터(C)Ÿ Class-E 공진 인버터의 공진 인덕터와 공진 캐패시터를 구하는 식은 다음 식 (3.41)과같다. (3.41)(4) Class-E 공진형 인버터 회로 설계표 3.8 회로 설계 사양입력 전압 50V입력 전압 범위 50~100V출력 전압 AC 35V출력 전류 AC 3A최대 동작 주파수 7.4MHz공진 주파수 6.78MHz부하 저항 12Ω- 70 -1) 쵸크 코일( )Ÿ Class-E 공진 인버터의 쵸크 코일을 구하면 다음 식 (3.42)과 같다.      (3.42)2) 병렬 캐패시터( )Ÿ Class-E 공진 인버터의 병렬 캐패시터를 구하면 다음 식 (3.43)과 같다.   (3.43)3) 공진 인덕터(L), 공진 캐패시터(C)Ÿ Class-E 공진 인버터의 공진 인덕터와 공진 캐패시터를 구하면 다음 식 (3.44)과 같다. (3.44)2. Class-E 공진형 인버터 제작 및 시험가. 공진형 인버터의 제작Ÿ Class-E 공진형 인버터 제작을 위해 사용된 주요 소자를 표 3.9에 나타내었다.표 3.9 Class-E 공진형 인버터에 사용된 주요 소자RF MOSFET DE275-501N16AGATE DRIVER IXRFD630- 71 -Ÿ IXYS사의 DE275×2-501N16A의 응용회로에 근거하여 회로(그림 3.27)를 구성 하였다.전류 및 전압 사양에 따라 각각의 부품을 선정 하였다.+5VJ2J111 2 +5V2 VDS_INPUT 3 R14 +15V 1K 1/4W C10.1UF 50VCON2CON40R21K 1/4W U1 L12 5D Q GATE_DRIVE_PULSE+3.3V L3L2 U2 SN74ACT74NSRU3 BEAD+5V 1 5 4 3 3 6VIN VOUT R3 SHORT/NC 3.3V OUT CLK QINDUCTOR 3 C2 R5C3 EN 2 12.2u T/T C GND NC500 12T(smd & dip)BEAD2.2u T/T C 2 4GND NC OSC 6.78Mhz R4 R6SG-210STF 6.7800ML 1K 1/4W 511 1/4WTPS73033 00 R7D10 1N4148W51.1 1/4WC427PF 100V0+15V1.0 1W TP TP1R8 VDS_INPUTVDS_INPUTC7 C5 C6 C80 L44.7uF/16V 3×0.01uF/1KVC9 C10 TP TP20 0 BEAD Vds L50 21uH C110.01uF/1KV 0.47uF/50V56pFC12 C13 C14U4 U51 6 1 6 27pF 27pFTP TP3Gate_Drive_Pulse VCC+ GND 2×1ohm TP TP4 SG1 SD156pFR9 Gate RESONANT_NETWORK_2 C15GATE_DRIVE_PULSE 2 5 2 5IN OUT R10 G D 56pF OUTPUTRESONANT_NETWORK_1 C16 C17 C183 4 3 4 C20+VCC GND1 SG2 SD2IXRFD630 DE275-501N16A C19 C21 100pF 100pF/2.5KV 100pF/2.5KV 100pF/2.5KV68pF 68pF C22C23 J30 0 C24 0.47uF/50V 100pF 1L6 RESONANT_NETWORK_1 20.01uF/1KVC25 CON20 BEAD J414.7uF/16V 0 RESONANT_NETWORK_2 2R111.0 1W CON2J5OUTPUT 12+15V 그림 3.29 Class-E 인버터 설계 도면CON2- 72 -+ +1 4/CLR PR7 14GND VCCClass-E인버터설계도면Ÿ 그림 3.30에 설계된 공진형 인버터의 부품 배치를 나타냈다. 왼쪽에는 주로 스위치구동을 위한 제어 회로를 배치하였고, 오른쪽에는 실제 스위치 및 공진 튜닝을 위한부품 들을 배치했다.그림 3.30 Class-E 공진형 인버터 부품 배치도그림 3.31 Class-E 인버터 PCB 전면부 패턴그림 3.32 Class-E 인버터 PCB 후면부 패턴- 73 -Ÿ 제작된 Class-E 인버터의 prototype은 아래와 같다.그림 3.33 Class-E 공진형 인버터(prototype) 나. 공진형 인버터의 시험Ÿ Class E 공진형 인버터에 송신코일을 직접 연결 하여 드레인-소스 전압과공진주파수를 확인 하였다. 그림 3.34은 Class E 공진형 인버터와 송신코일을 연결한단품 시험 구성을 나타낸다.Ÿ TX 측 코일만을 연결했을 때 CLASS-E 인버터의 DRAIN 전압 전류 파형이 그림3.35에 나타나 있다. 공진하는 전압/전류 파형을 가짐을 확인할 수 있었다.그림 3.34 인버터 단품 테스트 SET - 74 -그림 3.35 Voltage Waveform(위에서 아래순 : gate/drain-source/load)- 75 -제3절 집전용 정류기 및 전압안정용 배터리 충전 장치의 개발1. 집전용 정류기 및 전압안정용 배터리 충전 장치의 설계가. 정류기 설계(1) 최대 입력 전류( )Ÿ 최대 입력 전류 ( )는 low line input AC voltage에서 이루어진다. 그러므로 AC전류의 사인파 곡선의 최대값은 식 (3.45)와 같다.  ×r msMAX (3.45) r msMAX  (3.46)×(2) 리플 전류Ÿ 리플 전류는 보편적으로 최대 전류의 10% ∼ 20%로 하는 것이 좋다.∆   × (3.47)(3) 최대 입력 전력Ÿ 출력과 효율의 관계로부터 입력 전력을 구하면 식 (3.48)와 같다.   (3.48)- 76 -나. 전압 안정용 배터리 충전 장치 설계Ÿ 12V 배터리 충전기회로는 Buck-Boost 컨버터 회로를 적용하였다. 수신코일로 무선으로전송된 전력은 송,수신 코일간 거리와 주위 환경의 영향으로 인해 수신코일 입력전압은 넓은 범위를 가져야 한다.Ÿ 배터리 충전전압은 12~13V를 유지해야 하는데 수신코일의 전압이 13V 이상일 경우Buck 모드로 동작시켜 충전전압을 유지하고, 13V 미만일 경우 Boost 모드로 동작시켜충전전압을 유지 시켜야 한다. 또한, 정전압(CV), 정전류(CC) 제어를 하여 배터리가안정적으로 충전되도록 한다. 그림 3.12는 적용된 Buck-Boost 컨버터 회로도이다.그림 3.36 Buck-Boost 컨버터 회로도(1) Duty Cycle 계산Ÿ Buck과 Boost의 Duty Cycle 은 식 (3.49), (3.50)와 같이 나타낸다. ×  (3.49) ×  (3.50)- 77 - : 최대 입력 전압 : 최소 입력 전압 : 출력 전압 : Buck 모드 최대 듀티 : Boost 모드 최소 듀티 : 효율(2) 인덕터 계산1) Buck 모드 ×  (3.51)×× ×2) Boost 모드  ×   (3.52)××× : 리플 전류 의 양을 나타내는 추정 계수 : 스위칭 주파수(3) 최대 스위치 전류1) Buck모드∆    (3.53)∆ ×  (3.54)- 78 -∆   lim  (3.55) : 출력전류∆ : 인덕터에 흐르는 최대 리플 전류 : 최대 스위치 전류 : 인덕터2) Boost 모드∆    (3.56) ∆ ×   (3.57)   ∆ lim  × (3.58)(4) 출력 캐패시터1) Buck 모드  ×   × (3.59)×∆ × × (3.60) ×  ×  × (3.61)×∆- 79 - : 최소 출력 캐패시터 : 출력 리플 전압∆ : 출력 캐패시터 ESR에 의한 출력 리플 전압: 출력 캐패시터 등가 저항 : 요구하는 오버슛을 위한 최소 캐패시터2) Boost 모드 ×  (3.62)×∆∆ ×× ×   ×  (3.63)다. 소자선정 결과(1) 인덕턴스 계산1) Buck 모드 ×  ×  (3.64)×× × ××××2) Boost 모드  × ×  × (3.65)× × ×× ×× : 리플 전류 의 양을 나타내는 추정 계수 : 스위칭 주파수- 80 -(2) 최대 스위치 전류1) Buck모드∆      (3.66) ∆ × ×   (3. ×× 67)∆    lim    (3.68) : 출력전류∆ : 인덕터에 흐르는 최대 리플 전류 : 최대 스위치 전류 : 인덕터2) Boost 모드∆        (3.69)∆ × ×   ×(3.× 70)∆   lim  ×   ×  (3.71)(3) 출력 캐패시턴스 계산- 81 -1) Buck 모드 × × ×  (3.72)× ×× ×∆ ×  (3.73) × ×× × × ×××  ×  (3.74)×∆ ×× : 최소 출력 캐패시터 : 출력 리플 전압∆ : 출력 캐패시터 ESR에 의한 출력 리플 전압: 출력 캐패시터 등가 저항 : 요구하는 오버슛을 위한 최소 캐패시터2) Boost 모드 × ×   (3.75)×∆ × × ∆  ×× ×   × ×  ×× ×  (3.76)- 82 -+5V +VOUT+OUT 1 +OUT1+OUTR12.4K + C1 + C2 + C3 + C422uF/25V 22uF/25V 22uF/25V 220uF/25VRR2 -SE_GND 1 -OUT1R007 -OUTD1LED+VOUT +VOUTU1FAULT R3 VPullUP 1 24PGOOD BOOST1 C5+VOUTRpu D3 BO540W 0.22uFC6 2 23 TG1 Q10.022uF SS TG1Q2TG1 R4 AOD4184A TG1 R5 AOD4184AC7 3 22 SW1 1.0R D2C8 47pF SENSE+ SW11.0RSW1 SW1 B320A47pF 4 21SENSE- VIN C9 0.1uFTP1 C10 R65 20 Q3 SW10.01uF 100K I TH EXT VCCQ4BG1 R7 AOD4184A BG1 R8 AOD4184A1 R9 +/OUT 6 19VOSENSE INT VCC C11 1.0R 1.0R113K 4.7uFR10 7 18 BG1 F_GND F_GNDTP 14K SGND BG1 L1SW1 RUN 8 17SW SPST RUN PGNDRR1 F_GND 4.7uH/5AR007 BG2 R13 BG2 R14+5V R12 9 16 BG2FCB BG2 1.0R Q5 1.0R Q610K AOD4184A SW2R15 10 15AOD4184ASW210K PLLFLTR SW2 SW2 SW211 14 TG2PLL IN TG2 D5D4 BO540W TG2 R16 TG2 R17 B320A+2V 12 13STBYMD BOOST2 C12 1.0R Q7 1.0R Q80.22uF AOD4184A AOD4184AC13 LTC3780 F_GND0.01uFCSTBYMD R18100 +VIN +VINR19 +VIN100F1R20 1 +IN12R2 +INFUSE+ C14 + C15 + C16 + C173.3uF/50V 3.3uF/50V 3.3uF/50V 33uF/50V1 -IN1-INR2115MC18?uFU2 VR1 U3A78L05 200K LM358+VIN 3 1 2IN OUT +5V D6 VR21 +/OUT +OUT31N4148 500KC190.1uF +5V R23R22 -SE_GND 20K15M+5VC200.01uFD7+5V LED+5VR2475KU3BVR3+VIN 5 + 7 RUN500K 6그림 3.37 Buck--Boost 컨버터 회로도LM358 R2510KR26 R2736K 75K2. 집전용 정류기 및 배터리 충전 장치의 제작Ÿ 집전용 정류기는 NXP 사의 60V, 5A 급의 PMEG060V050EPD를 사용하여 제작하였다.Ÿ DC-DC BUCK-BOOST 컨버터 제작 사양은 다음과 같다.- 83 -2G4 8 8 4+-Buck-Boost컨버터회로도- 정전류, 정전압(CC-CV모드)- 입력전압 : 5 ~32V- 전압가변범위 : 1 ~ 30V- 최대전류 : 연속 7A (순간 10A)- 최대전력 : 80W (순간 130W)- 동작주파수 : 200kHz- 과전류 보호 기능그림 3.38 DC-DC BUCK-BOOST 컨버터 3. 집전용 정류기 및 충전 장치 시험가. 배터리 충전 장치의 시험Ÿ 배터리 충전 장치의 시험은 그림 3.39과 같이 구성하여 시험 하였다. 본 시험에서는배터리 충전기에 12V 배터리 부하를 연결하여 배터리 충전기 시험을 하였다. 배터리충전기 입력 전압은 12.3V이며 충전 전압은 13.2V, 충전 최대 출력 전류는 5A로설정하였다.- 84 -그림 3.39 배터리 충전 장치 시험Ÿ 배터리 충전 장치 시험에 앞서 그림 3.40와 같이 전자부하를 이용하여 배터리를 그림41 과 같이 11.28V까지 방전하였다. 표 3.10은 배터리 충전장치 시험조건을 나타낸다.그림 3.40 배터리 방전- 85 -그림 3.41 배터리 초기 전압표 3.10 배터리 충전장치 시험조건배터리 초기 전압 11.28V배터리 충전 장치 입력 전압 12.3V배터리 충전 전압 13.2V배터리 충전 전류(MAX) 5A배터리 사양 12V, 5AHŸ 배터리 충전 장치 시험은 2분 간격으로 입, 출력 값을 측정 하였다. 배터리 초기 전압은11.28V이며 배터리 충전 장치를 이용하여 13.2V로 충전 하였다. 배터리 충전시CC모드로 동작하여 4.71A로 충전된다. CC모드로 동작 후 배터리 전압과 충전전압의전위차가 줄어들면서 CV모드로 동작한다. CC-CV모드는 그림 3.42 3.43은 배터리 충전장치 출력 전압과 출력 전압으로 확인할 수 있다.- 86 -그림 3.42 배터리 충전 장치 출력전압 그래프그림 3.43 배터리 충전 장치 출력전류 그래프Ÿ 그림 3.44은 배터리 충전 장치로 배터리 충전시 입,출력 전력을 나타낸다. 초기 충전시약 60W 출력을 내며 충전 전압에 가까워질수록 출력전력은 줄어들어 90분에는 약 10W출력을 낸다. 효율은 89~93%가 나오며 그림 3.44에 나타냈다.- 87 -그림 3.44 배터리 충전 장치 입력전력, 출력전력 그래프그림 3.45 배터리 충전 장치 효율 그래프- 88 -제4절 옥외 설치 위한 패키지의 개발1. 옥외 설치 위한 패키지의 설계Ÿ 전철주 및 가선 브라켓에 설치되는 원거리 무선 전력 전송 시스템은 외부 환경에대하여 보호가 필요하기 때문에 패키지를 설계 및 제작했다.Ÿ 또한 패키지 내부에 공진 코일 및 인버터/정류기/충전기 등의 회로 구성품이 설치되야하기 때문에, 공진 코일에서 발생하는 전자기장에 의해 인버터/정류기/충전기 등의제품이 영향을 받지 않아야 한다.Ÿ 따라서 패키지는 전면에 코일을 취부할 수 있는 코일부, 중간에 자기장 차폐판을설치할 수 있는 차폐판부, 후면에 인버터/정류기 등의 PCB를 취부할 수 있는 PCB부로구성 했다.코일 취부부 차폐부 PCB 설치부가. 무선 전력 전송 시스템 패키지의 설계(1) 급집전 코일 취부부 설계Ÿ 코일 취부부에는 급집전 코일 및 가변 캐패시터의 고정을 위한 설계가 필요하다.- 89 -Ÿ 4턴의 급전 코일 및 5턴의 집전 코일의 턴 간격 및 형태를 유지하기 위해 그림 3.47에보이는 것처럼 패키지 전면 판에 코일을 삽입 할 수 있는 홈을 만들어 고정하였다.Ÿ 옥외 설치되는 시스템 특성상 전면부 테두리에는 방수, 방진을 위해 고무패킹을 삽입하였다.Ÿ 공진 캐패시터는 홈을 파서 자리 잡고 그림 3.48 와 같은 고정바를 이용해 고정할 수있게 했다.그림 3.47 코일부 도면그림 3.48 가변 캐패시터 고정바- 90 -(2) 자기장 차폐부 설계Ÿ 자기장 차폐부는 코일에 의해 발생한 전자기장이 후면에 위치할 PCB에 영향을최소화하기 위해서 차폐판을 취부하는 동시에 패키지의 강도를 유지하기 위한 설계를진행했다.차폐 부PCB 부 코일 부Ÿ 차폐부는 중간 부분에 차폐 판을 넣기 위해 상,하,좌,우가 분해되도록 설계 하였으며,차폐판 취부를 위해 중간에 홈을 팠다.Ÿ 상, 하, 좌, 우 패키지 틀은 그림 3.50 3.51 와 같이 설계 하였으며, 상부와 좌, 우 틀은방수, 방진을 위해 이음 부를 П 와 같이 설계하였다. 하부는 좌, 우틀이 덮어 방수,방진이 되도록 설계 하였다.- 91 -그림 3.50 패키지(상.하부 고정바) 도면그림 3.51 패키지(좌,우 고정바) 도면Ÿ 차폐판은 토다공업에서 만든 페라이트 시트 FLX-946 시리즈이며 페라이트 시트특성곡선은 그림 3.52과 같고, 사양은 표 3.11과 같다. 데이터시트에 따르면 FLX-946- 92 -시리즈는 고 투자율의 자성 시트로 6.78MHz에서 낮은 손실을 갖는다. 차폐판 도면은그림 3.53과 같으며 실제 페라이트 시트는 그림 3.54와 같다.그림 3.52 페라이트 시트 특성 곡선표 3.11 페라이트 시트 사양GRADE FLX-946Material Ni-Zn Cu FerriteSize(mm) 342×352Thickness(mm) 0.30u’@6.78MHz 200u’‘@6.78MHz 5Environment RoHS/Halogen freeŸ- 93 -그림 3.53 패키지(차폐판) 도면그림 3.54 차폐판(페라이트시트)(3) PCB 부 설계Ÿ 제작 설치될 PCB는 급전용은 PFC부와 Class E 인버터 부, 집전용은 정류기 및 배터리- 94 -충전부로 2개씩의 PCB가 되어 패키지 후면 판에 설치된다. 후면 판 상부는 Class E인버터 부를 설치하고 하부는 PFC와 제어기를 설치한다. PFC부에는 제어기가 함께들어 있어 알루미늄 차폐함을 추가 설치하여 이중 차폐를 하였다.Ÿ 그림 3.55는 PCB 설치판 도면이고, 그림 3.56은 PFC 차폐함 도면이다.그림 3.55 PCB 부 도면- 95 -그림 3.56 제어기 PCB 차폐용 알루미늄함나. 가동 브라켓 고정 방안 및 고속철의 풍압에 대한 영향 검토그림 3.57 고속철 주변의 공기 속도 분포 [10]Ÿ 고속철의 경우 위 그림 3.57에서 보는 것처럼 차량 지붕 위로 올라가면 급격히 바람의속도가 낮아지는 것을 알 수 있음.Ÿ 고속철의 속도 대비 20% 이내의 풍속을 가지는 것으로 예상됨. 따라서 300km/h =83m/s 인 경우 풍속은 16m/s 이내의 속도를 가질 것으로 예상됨.Ÿ 패키지가 0.4m x 0.4m 의 크기이므로, 고속철의 풍압에 의해 가해지는 압력은 최대 156Pa 이 될 것으로 보이며, 이러한 압력이 전체 면적에 대해 균일하게 분포한다고가정하면 최대 가해지는 힘은 약 25N에 달할 것으로 예상됨. 이는 약 2.5kg의 물체가지구 중력을 반하는 힘과 같음.- 96 -Ÿ 따라서 이러한 고속철 풍압에 의한 영향은 크게 없을 것으로 예상됨. 오히려 여름철태풍에 의한 영향이 클 것으로 예상됨.Ÿ 여름철 태풍에 의해서 최대 350N (60m/s 일 때) 의 힘이 작용할 수 있을 것으로예상되며, 가동 브라켓에 고정하기 위한 설계는 이러한 태풍에 대한 내구성 대비가필요할 것으로 보임.2. 설계된 패키지의 제작Ÿ 패키지의 전체 재질은 코일에 의해 발생하는 전기장에 의한 손실을 최소화 할 수있도록 loss tangent가 0.001이하인 폴리에틸렌(polyethylene, PE)이며, 패키지의 고정은플라스틱 볼트를 사용하였다.가. 코일부 제작 및 조립Ÿ 제작된 코일부 및 급전 코일을 조립한 상태의 사진을 그림 3.58에 나타냈다. 이그림에서 최외곽의 붉은색 선으로 나타는 것은 방수 방진을 위한 고무 패킹이며,내부에는 급전 코일과 공진 튜닝용 캐패시터가 실장되어 있다.그림 3.58 제작된 코일부 사진나. 자기장 차폐부 제작 및 조립- 97 -Ÿ 제작된 자기장 차폐부의 전면부와 측면부 사진은 그림 3.59와 3.60에 나타냈다.Ÿ 그림 3.61과 3.62에는 상부판 고정부와 하부판 고정부를 나타냈다. 방수 방진을 위해요철을 준 설계를 확인할 수 있다.Ÿ 또한, 그림 3.63에 자기장 차폐판 설치를 위한 홈을 나타냈으며 그림 3.64과 3.65에는차폐판을 홈에 장착한 후 사진을 보여준다.- 98 -자기장차폐부측면자기장차폐부정면그림 3.63 자기장 차폐판 설치용 홈- 99 -차폐부하부고정부차폐부상부고정부다. PCB 부 제작 및 조립Ÿ 후면의 PCB 부 역시 제작 및 조립한 사진을 그림 3.66에 나타냈다.그림 3.66 패키지(PCB 설치부)- 100 -차폐판조립후(측면)차폐판조립후(정면)제5절 모의 시험용 전철주 및 가동 브라켓 제작1. 전철주 및 가동 브라켓 설계Ÿ 원거리 무선전력 전송 시스템을 실제 현장에 직접 설치하여 시험하기에 앞서 현장과유사한 브라켓을 제작하여 충분한 시험으로 검증되어야 한다. 따라서 그림 3.67과 같은도면을 이용해 모의 전철주 및 브라켓을 설계 제작 하였다. 전체 시스템의 크기는 3mx 1.5m 이다.Ÿ 급집전 패키지의 고정을 위해 바닥으로부터 약 1.8m 지점에 패키지 고정용 홈을만들었다.그림 3.67 가동용 브라켓 및 전철주 설계도- 101 -2. 설계된 전철주 및 가동 브라켓의 제작Ÿ 설계된 시험용 전철주와 가동브라켓은 실제 전철주와 가동브라켓의 재질과 같은 철로제작하였다.Ÿ 제작된 시험용 전철주 및 브라켓은 그림 3.68와 같다. 또한, 중량이 약 700kg이기때문에 이동의 편의를 위해 바퀴를 설치하였다.그림 3.68 제작된 전철주 및 브라켓(측면)Ÿ 급집전 패키지 고정을 위해 아래 그림 3.69, 3.70 에 보이는 것처럼 받침대를제작하였다.- 102 -그림 3.69 송신부 설치 브라켓 그림 3.70 수신부 설치 브라켓- 103 -수신부설치브라켓제6절 데이터 모니터링 장치 및 간이 부하용 배터리 장치 제작1. 데이터 모니터링 장치 제작가. 데이터 모니터링 장치 사양결정Ÿ 지상 통신 서버 즉 데이터 모니터링 장치는 무선전력전송 송수신 모듈의 전차선 상태검측 장비 이하 간이부하장치에 공급할 전원의 전압, 전류를 지상에서 측정 모니터링하기 위한 목적으로 상부 간이부하장치와의 무선 통신을 이용해 측정하는 시스템으로검측 시스템과 무선통신 모듈로 제작하기 위한 사양을 결정한다.(1) 하부 모니터링 장치 구성 및 사양Ÿ 하부 모니터링 장치는 데이터 모니터링을 위한 지상 통신서버로 구성되며 모니터링을위한 검측 시스템 이하 서버PC와 무선 통신모듈로 구성하여 제작한다.그림 3.71 데이터 모니터링 및 부하용 측정장치 구성도(가) 모니터링 검측 시스템 사양- 104 -Ÿ 무선전격전송 검측을 위한 상부 간이부하장치의 데이터를 사용자 인터페이스로 구성된프로그램을 통해 측정 및 모니터링 할 수 있는 사양으로 제작한다.표 3.12 모니터링 검측 시스템 장치 사양모니터링 검측 시스템 사양Platform 최대 8chMemory DDR3L 2GBStorage cMMC 64GBLAN Realtek RTL8111G Gigabit Fast Ethernet ControllerUSB USB 2.0 , USB 3.0Wireless WiFi 802.11 a/b/g/nOS Support Window 8.1(나) 무선 통신 모듈 사양Ÿ 무선 통신 모듈은 모니터링 검측 시스템 내부에 내장되어 상부 간이부하검측장치와의통신환경을 제공하며 통신을 통한 상부 측정 데이터를 수신 할 수 있는 기능을제공한다.표 3.13 무선 통신 모듈 사양무선 통신 모듈 사양표준규격 IEEE802.11 b/g/n/e/k/i , 10Base-T, 100Base-T메인칩셋 RTL8196C+RTL8192CE주파수 범위 2.4GHz (13채널)안테나 2.4GHz 7dBi 무지향성Wireless WiFi 802.11 b/g/nOS Support Window 8.1(2) 하부 모니터링 장치 기능Ÿ 하부 모니터링 장치용 데이터 모니터링 시스템은 상부 전원부 송수신 장치의 전압,전류등 측정된 데이터를 무선으로 수신 모니터링 하며 지상 송신부와 통신 인터페이스를통해 전력 및 품질과 관련된 데이터를 수신하는 기능과 지상부에서 송수신 전원부의사용 여부에 따른 전원 제어 기능을 제공한다.- 105 -(가) 모니터링 검측 시스템 기능Ÿ 모니터링 검측 시스템은 상부검측시스템과 연결되어 종합적인 측정 및 저장이가능하도록 아래와 같은 기능을 포함한다.§ 상부 간이부하측정 장치 무선 플랫폼 인터페이스 연결 및 통신§ 전류/전압 센서 데이터 무선 측정§ 실시간 모니터링 및 저장§ 무선송수신 장치 전원 제어(나) 무선통신 모듈 기능Ÿ 무선통신 모듈은 상부 검측장치와 무선으로 연결하여 측정 할 수 있는 아래와 같은기능을 포함한다.§ 상부 간입하 측정 장치 플랫폼 인터페이스 연결§ 데이터 측정 기반 인터페이스 제공 (무선AP 기능)(다) 지상부 전원 제어 기능Ÿ 열차가 운행하지 않거나 상부 검측 시스템의 측정을 하지 않는 경우를 감안하여불필요한 전원 사용을 방지하기 위해 지상부 모니터링 시스템에서 전원을 제어할 수있도록 한다.§ 송수신 무선급전 모듈 전원 ON/OFF 스위칭나. 데이터 모니터링 장치 설계Ÿ 데이터 모니터링 장치는 케이싱 장치 설계를 통해 모니터링 검측 시스템과 무선통신모듈을 포함할 수 있는 구조로 설계한다. 옥외 설치 및 운영할 수 있는 구조로서방수/방진이 가능한 구조로 외부 결선이 가능한 구조로 설계하였다.(1) 하부 모니터링 케이싱 장치 설계- 106 -(가) 시스템 설계그림 3.72 하부 모니터링 케이싱 장치 설계도(나) 측정 채널 및 측정 방법Ÿ 하부 데이터 모니터링 시스템의 경우 상부에서 측정하는 무선급전 송/수신 단의 입력전원과 관련된 채널을 측정할 수 있도록 프로그램 적으로 제공하여 각 채널별 측정 및모니터링 인터페이스를 제공한다.① 측정채널- 무선급전 수신부 입력/출력전압- 무선급전 수신부 출력전류- 지상부 송신 패키지 정보 측정② 측정방법- 전압센서 출력 측정 : DC ±10 Range 이내- 전류센서 출력 측정 : DC ±10 Range 이내- 지상부 송 신패키지 통신 프로토콜(TCP/IP) 이용 측정- 107 -(2) 하부 모니터링 프로그램 기능Ÿ 하부 모니터링 프로그램의 경우 사용자 인터페이스를 가진 프로그램을 통해 측정하는채널의 보정이 가능한 스케일 적용과 모니터링 및 전원 제어등의 기능을 제공한다.(가) 프로그램 주요 기능① 모니터링 기능- 채널 보정- 상부 검측 시스템 데이터 수신- 데이터 모니터링- 데이터 저장- 측정 데이터 분석② 제어 기능- 하부 무선급전 송/수신단 전원 제어③ 상부 검측 시스템 통신 설정 및 접속다. 데이터 모니터링 장치 제작Ÿ 데이터 모니터링 장치는 가압부 상부 검측 시스템에 무선으로 연결되어 모니터링 할 수있는 구조로서 별도의 전원장치로 구동할 수 있는 구조로 제작하였다. 상부의 측정한데이터를 모니터링 및 설치된 프로그램을 통해 측정, 저장 할 수 있도록 사용자인터페이스를 현시하는 모니터를 연결하여 모니터링 할 수 있는 포트 제공한다.(1) 하부 모니터링 장치(지상서버) 제작Ÿ 하부 모니터링 장치는 검측시스템과 무선통신 모듈을 포함한 케이싱 구조로 제작하여측정 구간에 따른 이동성을 용이하게 하고 유지보수 시 기능별 점검이 가능한 구조로제작하였다.(가) 검측 시스템- 108 -§ 검측 및 제어 장치 구성 및 조립§ 전원 및 제어부 배선 및 결선그림 3.73 검측 시스템 제작(나) 무선 통신 모듈 팩그림 3.74 무선통신모듈팩(다) 통합 하부 모니터링 장치§ 검측 시스템 및 통신 모듈팩 결선§ 통합 케이싱 제작 및 조립- 109 -그림 3.75 검측시스템 및 통신모듈 결선그림 3.76 통합 케이싱 제작 및 조립(2) 하부 모니터링 장치 프로그램 제작Ÿ 하부 모니터링 장치용 프로그램은 사용자 인터페이스를 통해 직관적으로 측정하고자- 110 -하는 채널의 확인 및 보정, 실시간 모니터링 기능을 기본적으로 제공하고 측정 및저장한 데이터를 확인할 수 있는 측정데이터 분석 기능을 포함하여 제작하였다.(가) 채널설정Ÿ 채널설정 기능은 상부 검측장치에서 측정하는 전압 및 전류데이터의 물리적 스케일보정 및 채널별 실시간 데이터 확인 기능을 제공하며 통합 모니터링시 사용한 측정샘플링 설정을 통해 측정 채널 특성에 맞는 샘플링 설정에 용이하도록 구성한다.그림 3.77 채널설정 사용자 인터페이스(나) 통합 모니터링Ÿ 통합 모니터링 프로그램은 채널설정 정보를 통해 측정할 채널의 실시간 모니터링 및저장 기능을 제공하며 사용자 인터페이스를 통해 측정 데이터를 그래프로 현시하며저장 시 저장 중인 파일의 경로를 확인할 수 있다.- 111 -그림 3.78 통합 모니터링 프로그램 사용자 인터페이스(다) 측정 데이터 분석Ÿ 측정 데이터 분석 프로그램은 통하 모니터링을 통해 저장된 데이터를 읽어 그래프 현시및 구간별 확대 분석 등의 기능을 제공하여 저장된 데이터를 즉시 확인할 수 있으며측정 채널에 대한 최대, 최소, 평균 등 기본 통계 값을 제공한다.- 112 -그림 3.79 측정 데이터 분석 사용자 인터페이스(라) 개발환경 및 실행환경표 3.14 하부 모니터링 프로그램 개발환경 및 실행환경구분 내용프로그래밍 언어 LABVIEW운영체제 Window 8종류 무선급전 모니터링 프로그램통신 Local Host IP(3) 하부 모니터링 장치 Lab.테스트(가) 간이부하장치 통신 설정- 113 -Ÿ 간이부하장치의 측정 데이터를 하부 모니터링 장치에서 측정하기 위해서는 상부 간이부하장치의 측정 플랫폼과 자동 연결을 위한 무선 통신 설정이 필요하다. 측정플랫폼과의 통신 설정 이후에는 설정에 따라 전원이 공급되면 자동으로 연결되어측정이 가능하다. 테스트를 위해 우선적으로 상부 간이 측정장치의 측정 플랫폼과 통신설정을 한다.그림 3.80 측정 플랫폼 통신 설정 그림 3.81 측정 플랫폼 모듈 통신 설정(나) 측정 데이터 모니터링Ÿ 측정 데이터 모니터링을 위해 하부 측정 모니터링 장치와 상부 간이부하장치를구성하여 임의 데이터를 입력하여 상부 간이부하장치를 통해 전송된 데이터를 수신하여측정데이터 모니터링 동작 여부를 확인하였다.- 114 -그림 3.82 측정 데이터 모니터링 구성 및 테스트그림 3.83 측정 데이터 수신 및 그래프 현시 확인2. 간이부하장치 제작가. 간이부하장치 사양결정Ÿ 간이부하장치와 배터리 팩 장치는 전차선 상부 가압부에 설치되어 무선급전 시스템의송수신된 전원 공급을 통해 장비를 운영하고 공급되는 전원에 대한 측정을 통해- 115 -무선급전 송수신 시스템의 충전 효율을 확인할 수 있는 목적으로 가압부 경관 설치에용이 한 구조로 제작하기 위한 사양을 결정한다.(1) 간이부하장치 사양Ÿ 간이부하장치는 지상부 모니터링 시스템과 연결이 용이한 측정 측정 플랫폼을 통해측정 DAQ 시스템을 구성하고 무선급전 송수신을 통한 전원에 대한 전압, 전류데이터를 측정할 수 있도록 측정 채널을 제공할 수 있어야 한다. 간이부하장치를제작하기 위해서는 측정할 채널의 수와 정보, 배터리 사양, 측정용 센서의 사양이결정되어야 한다.① 측정 DAQ 시스템 사양표 3.15 상부계측장치 DAQ 장치 사양상부 계측장치 DAQ 장치 사양측정 채널 수 최대 8chADC 분해능 12 bit최대 샘플 속도 500kS/s측정 범위 ± 10V핫스압 가능 O과전압 보호 기능 OIsolation O작동 온도 -40 ~ 70℃통신 이더넷 또는 IEEE 802.11 WiFi 통신② 측정 채널§ 무선급전 송수신단 입력전압§ 무선급전 송수신단 출력전압§ 무선급전 송수신단 출력전류③ 측정 정보§ 무선급전 송수신단 입력전압 : 입력 50V 이내, 출력 ±5V 이내§ 무선급전 송수신단 출력전압 : 입력 50V 이내, 출력 ±5V 이내§ 무선급전 송수신단 출력전류 : 입력 40A 이내, 출력 ±04V 이내- 116 -④ 배터리 팩 사양표 3.16 배터리 사양간이부하 장치 배터리 사양배터리 타입 연납 축전 배터리용량 및 사이즈 12V, 12Ah무게 4 Kg사용 시간 약 1일⑤ 측정 센서- 전류센서표 3.17 전류센서 사양전류센서 사양 내용Ratng Current 40AOutput Voltage ±04V±1% at IfOffset Voltage ±20mV maxxPower Supply ±12V or 15V (±5%)Insulation Resistance 500[MΩ]Min. at 500V DC 관통부 내측-신호핀 간Operating Condition -10℃ ~80℃- 117 -- 전압센서표 3.18 전압센서 사양전압센서 사양 내용정격전압 50 V출력신호 ±5V, PS 12V DC[Vp]공급전원 DC ±12V주파수대역 DC ~ AC20[kHz], 50[kHz Max]정확도 < ± 1.0%⑥ 통신용 지향성 안테나표 3.19 무선 통신용 지향성 안테나 사양지향성 안테나 사양Frequency 2400~2500 MHzPolarization VerticalGain 9.0 ± 0.5 dBiImpedence 50 ΩHorozental : ≥ 50 ºBean WidthVertical : ≥ 40 ºConnector N(F)- 118 -(2) 간이부하장치 기능§ 무선급전 송수신단 입력전류, 출력전류, 출력전압 측정§ 하부 데이터 모니터링 시스템 데이터 전송나. 간이부하장치 설계Ÿ 간이부하장치는 전차선 경관에 설치하여 측정하는 구조로서 고압선에 안전하게 절연될수 있는 케이싱 설계와 무선급전 공급 전원의 부하자치의 역할을 하는 측정 플랫폼 및배터리 팩을 내장할 수 있는 구조로 설계한다. 옥외 설치 및 운영하는 구조로방수/방진이 가능한 구조로 외부 측정 신호의 결선이 용이한 구조로 유지보수가용이하도록 설계하였다.Ÿ 간이부하장치는 측정하는 상부 측정 컨트롤 부분과 공급 전원을 사용할 수 있는 배터리팩 전원부 구조로 구성하여 통합 패키징을 통해 상부 전차선 경관에 설치 될 수 있도록설계한다. 하부 데이터 모니터링 장치와의 무선 통신을 위해 지향성 안테나를 포함한구조로 장착을 위한 장착 지그 결선 부를 포함한 케이싱 설계로 탈부착이 가능하고시건장치를 통해 유지보수를 위한 개폐가 용이하게 설계하였다.- 119 -그림 3.84 간이부하장치 상부 계측 컨트롤부 설계도그림 3.85 간이부하장치 상부 전원부 배터리 팩 설계도다. 간이부하장치 제작- 120 -Ÿ 간이부하장치는 무선급전 송수신 장치로부터 공급받은 전원의 전압,전류 신호를 측정할수 있도록 전차선 상부 고압선 경관에 설치되는 구조로 간이부하장치의 측정 시스템과전원 공급장치 배터리 팩으로 구성되어 서로 결합하여 설치될 수 있는 구조로제작하였다. 기능별로 제작하여 결합하므로 유지보수가 용이하고 설치 및 탈착이용이한 구조로 제작한다.(1) 간이부하장치 제작Ÿ 상부 간이부하장치는 하부 데이터 모니터링 장치와 통신이 가능하도록 지향성 안테나를포함한 구조로 측정할 무선급전 데이터 결선이 용이한 구조로 외부에 입력 포트를제공하고 경관 설치시 지그 장착이 용이하도록 제작하였다.(가) 측정 플랫폼 컨트롤부§ 측정 플랫폼 장착 및 측정 모듈 장착§ 전원부 측정 채널 입력부 배선 및 결선§ 지향성 안테나 장착§ 통합 케이싱 조립그림 3.86 측정 플랫폼 컨트롤부 제작- 121 -그림 3.87 측정 플랫폼 컨트롤부 통합 케이싱 #1그림 3.88 통합 케이싱 안테나#2그림 3.89 통합 케이싱 센싱부 #3- 122 -(나) 전원부 배터리 팩§ 배터리 충전 컨트롤러 장착§ 배터리 팩 장착§ 입력 전압 측정용 전압센서 장착§ 입력 전류 측정용 전류센서 장착§ 센서부 및 전원 배터리 부 배선 및 결선§ 통합 케이싱 조립그림 3.90 전원부 배터리 팩 제작그림 3.91 전원부 배터리 팩 케이싱- 123 -그림 3.92 전원부 배터리 팩 입력 단그림 3.93 전원부 배터리 팩 측정부 연결단(다) 간이부하 장치 및 전원부 배터리팩 통합§ 현장 장착을 위한 통합 조립- 124 -§ 배터리 팩 및 측정 플랫폼 결선용 케이블 제작그림 3.94 간이부하장치 통합 조립 #1그림 3.95 간이부하장치 통합 조립 #2- 125 -그림 3.96 간이부하장치 측정부 및 전원부 연결 케이블(2) 간이부하장치 구동테스트Ÿ 측정 플래폼 장치와 전원부 배터리 팩 장치의 케이블 결선 및 측정할 입력 데이터를구성하여 동작 테스를 진행하였다. 하부 데이터 모니터링 장치와의 무선 통신 결선또한 구성하여 종합적인 구동 테스트를 준비하고 전압발생기를 통해 전압 신호를입력하고 열풍기의 전류를 측정하기 위해 열풍기 전원부에 센서를 연결하여 구동테스트를 진행하여 정상적인 동작 상태를 확인하였다.그림 3.97 간이부하장치 구성 및 구동 테스트- 126 -제7절 모의 부하를 이용한 통합 시험 결과1. 전력 전송 시험 및 측정된 효율Ÿ 아래 그림 3.98처럼 60cm 만큼 두 개의 코일을 떨어뜨린 후 전력 전송 시험 진행함.Ÿ 그림 3.97에는 전력 전송 시험 결과 파형을 나타냈으며, 인버터 출력은 79W, 집전출력은 32W 였음. 이때 인버터 출력에서 정류기까지의 효율은 약 40% 정도 나오는것을 확인할 수 있었음.Ÿ 인버터의 효율은 약 80%정도로 전체 시스템의 효율은 약 32% 였음.그림 3.98 전체 시스템 시험 사진 그림 3.99 전력 전송 시험 결과 파형- 127 -Ÿ 아래 그림3.98 에는 전력 전송 시험 결과 파형의 시간 축을 확대한 파형을 보여줌.Class-E 공진 인버터가 정상동작하는 것을 확인할 수 있음.그림 3.100 확대한 시험 파형2. 전철주 및 주변 금속에 의한 영향 검토Ÿ 알루미늄 판을 이용해 Receiver 코일 주변에 금속이 있을 경우 영향을 분석했음. 아래그림3.99에서 볼 수 있듯이 금속판이 receiver 코일의 옆에 있는 경우에는 약 2~4%정도의 효율 저감 영향이 있었으나 큰 영향을 미치지 않았음.Ÿ 알루미늄 판을 이용해 Receiver 코일 전면을 막으면 자기장이 전부 막혀 Receiver코일에 전력이 전혀 넘어오지 않았었음.- 128 -제8절 조가선 이용 유도 급전 장치의 가능성 검토1. 조가선 Energy Harvesting System 의 필요성Ÿ 본 연구에서는 지상에서 원거리 무선 전력 전송 기술을 이용한 전원 공급뿐만 아니라조가선에 흐르는 전류를 이용한 Energy harvesting system의 개발 가능성에 대한검토도 진행함.Ÿ 조가선 Energy Harvesting 시스템이란 지상에서 전력을 공급할 필요 없이 조가선에흐르는 전류가 발생하는 자기장을 이용해 센서 구동에 필요한 전력을 공급하도록 하는시스템을 말함.Ÿ 조가선 전류를 이용한 유도 급전 장치는 공개 특허 10-2008-0032419 [8]에 잘 나타나있으며 아래 그림 3.50과 같음.Ÿ 차량 운행시 전차선과 조가선은 두 선의 임피던스 비율에 따라서 부하 전류를 분담하게됨. 따라서 조가선에도 열차 운행시 많은 양의 전류가 흐르게 됨.Ÿ 이처럼 전류가 흐르는 조가선에서 발생하는 자기장을 이용하면 페러데이 법칙에 의해유도 기전력을 발생시킬 수 있음.Ÿ 이러한 유도 기전력을 이용하면 차량이 지나갈 때의 전류의 자기장을 이용해 모니터링시스템에 전원 공급 가능함.- 129 -2. Small-Scale Energy Harvesting System 제작Ÿ 실험실에서 60Hz, 2.2kW (220Vrms, 10Arms) 부하 이용해서 최대 10 Arms 흐를 때흐르는 유기 전력 측정함.Ÿ Ferrite core는 삼화전기의 UU 코어중 UU3356S 모델 이용함. 부하 장치의 전선의 굵기가 2mm 정도로 얇아 가장 작은 코어를 선정했음. 코어의 재질은 PL-11 이며, initialpermeability가 약 2700 정도임.그림 3.102 사용된 UU 코어의 사양Ÿ U코어는 11개씩 길이 방향으로 붙여 길이가 길어지도록 했고, U 코어의 3면에 각각100턴씩 권선을 감았음. 그림 3.103 참조.Ÿ UU 코어의 총 6개의 권선은 전부 병렬 연결하였음.Ÿ 총 무게는 약 1.15kg 이었음.- 130 -그림 3.103 제작된 Small-scale 조가선 유도 급전 장치 3. Small-Scale Energy Harvesting System 시험Ÿ 출력 저항은 12V 배터리를 30W 로 충전하기 위해서는 등가적으로 4.4Ω 으로 보이므로R = 4.4Ω 로 정해 연결했음.LŸ 아래 그림 3.104을 보면, 모의 조가선에 5A의 전류가 흐를 때 약 0.27Vrms의 전압이유기 되는 것을 볼 수 있음. 이는 16mW에 해당함.Ÿ 아래 그림 3.4을 보면, 모의 조가선에 10A의 전류가 흐를 때 약 0.58Vrms의 전압이유기 되는 것을 볼 수 있음. 이는 76mW에 해당함.Ÿ 파형은 나타내지 않았으나, 부하 저항을 제거했을 때 약 0.71Vrms의 전압이 유기 됨.자체 저항은 1.2Ω 으로 측정됨.Ÿ 본 실험의 결과 조가선에 흐르는 전류가 발생하는 자기장을 이용하면 센서에 필요한전력을 생산할 수 있을 것으로 보임.- 131 -C1：모의 조가선 전류 (5A/div)C2: 유기 전압 (0.5V/div)그림 3.104 모의 조가선 전류 5A 인 경우 유기 전압C1：모의 조가선 전류 (5A/div)C2: 유기 전압 (0.5V/div)그림 3.105 모의 조가선 전류 10A 인 경우 유기 전압4. 조가선 Energy harvesting system의 scalabilityŸ 이러한 Energy harvesting system 의 전력을 키우기 위해서는 다음과 같은 점들을고려해야 함.Ÿ 먼저 모니터링 시스템의 실시간 소비 전력은 연속 사용 시 288 Wh 배터리를 약 이틀(48h) 에 소진할 정도로 사용하므로 매 초당 6W 정도로 추정됨. (추후 측정 필요)- 132 -Ÿ 따라서 Energy harvesting system은 최소한 6W는 상시적으로 공급할 수 있어야하거나, 조가선에 전류 흐를 때 배터리 충전할 수 있도록 6W 이상의 전력을공급해줘야 함. 최소한 30W 이상은 공급할 필요가 있어 보임.Ÿ 따라서 Small-scale 실험시의 출력 전력인 76mW 보다 약 400배 많이 나와야 함. 이는출력 전압으로 보면 약 20배 더 나와야 함. 전류가 커질수록 자체 저항에 의한 전압강하 커지므로 실질적으로는 20배가 아닌 22 ~ 24배 정도 더 나와야 할 것으로 보임.Ÿ Energy harvesting system 의 출력 전압/전류는 조가선에 흐르는 전류, 턴수, 코어의permeability, 코어 단면적 등에 비례 함.Ÿ 2011년에 발표된 논문 [9]에 따르면 KTX가 지나갈 때 전차선에는 최대 57A의 전류가흐르는 것을 볼 수 있음. 이는 약 40 A 에 해당함. 즉 Small-scale 시스템 실험 시rms보다 약 4 배 정도 많이 흐를 것으로 예상됨. 이는 energy harvesting system의 출력전압이 약 4 배 이상 커질 것으로 보이며 출력 전력은 16 배 이상 커질 것으로 예상됨.따라서 턴 수, 코어 permeability, 코어 단면적 등을 5 ~ 6 배 정도 키우면 조가선전류가 40 A 일 때 30 W 급 출력이 될 수 있을 것으로 보임.rms그림 3.106 KTX 지나갈 때 전차선 및 조가선 전류 분포 Ÿ 개선하기 쉬운 parameter는 코어의 permeability 및 단면적임. permeability는 이번실험에서 사용한 것은 2700 이었으나, 8200정도 되는 재질인 SM-70S 등을 사용하면- 133 -됨. 또한, 코어 단면적은 현재 11개의 코어를 길이방향으로 연결하였으나, 20개~ 30개정도 연결하거나, 11개씩 2모듈을 만들어 직렬연결하면 됨.Ÿ 턴수는 현재의 100턴 혹은 그 이상으로 제작하면 됨. 턴수가 많아 pcb 패턴 등을이용해서 제작하면 균일하게 제작할 수 있을 것으로 보임.Ÿ 이러한 자기장을 이용한 energy harvesting system은 조가선에 전류가 흐를 때만 사용가능하므로, 해당 섹션에 열차가 운행하고 있을 때 전력 생산이 가능함.Ÿ 전차선은 한 섹션당 약 40~50km 정도이고, 열차가 300km/h 로 진행한다고 가정하면,열차가 한 섹션에 머무는 시간 즉 조가선에 전류가 흐르는 최대 시간은 10분임. 또한고속철의 배차 시간은 매 30분에 한 대씩이며 이때 조가선에 40A 씩 흐른다고rms가정하면 매 시간당 최대 20분 동안 30W의 전력 생산 가능함.Ÿ 전차선 모니터링 시스템은 평균적으로 6W 씩 소모하므로, 한 시간에 6Wh 만큼소비하며, 조가선 유도 급전 시스템은 매 시간당 30W*1/3h = 10Wh의 전력을 생산가능해 매 시간당 4Wh씩의 전력 충전이 가능함.Ÿ 단 이 결과는 유도 급전 시스템이 해당 섹션의 변전소 측에 최대한 가까이 설치되어차량이 운행하는 10분 내내 전력을 생산할 수 있다고 가정했을 때 임.Ÿ 이러한 시스템을 이용할 때 한 가지 주의할 점은, 이러한 시스템을 조가선에 부착할경우 해당 조가선의 임피던스가 커져, 조가선과 전차선의 전류 분담 비율이 달라지고,전차선에 흐르는 전류량이 커질 가능성이 있어 전차선의 온도 상승 및 수명 단축을가져올 수 있어 향후 적용 여부 검토시 이러한 부분에 대한 검토 역시 필요함.- 134 -제9절 무선 급전 시스템을 위한 새로운 인버터 토폴로지 연구Ÿ 본 연구에서는 MHz 급 고주파 공진형 인버터로 오래 사용된 Class-E 인버터 외에새로운 고효율/소형 공진형 Full-bridge 인버터 토폴로지를 개발하기 위해 고주파DC/DC 컨버터를 전공한 미국 Northeastern Univ. 의 Amirabadi 교수에게 무선 급전위한 토폴로지 용역 연구 진행함.Ÿ 아래는 Amirabadi 교수팀에서 진행한 연구의 결과 보고서임.A Novel Reliable and Compact Inverter for Wireless Power Transfer1. IntroductionThe main objective of this project was to develop a novel inverter for wireless power transfer. In recent years wireless power transfer has gotten a tremendous attention.Fig. 1 shows the schematic of a classic wireless power transfer system. In a wirelesspower transfer system the transmitter (sender) circuit generates high frequency sinusoidal current and voltage waveforms so that the power can be transferred without wire. The receiver coil needs to converter the high frequency ac current/voltage into dc. Power electronic circuits, including inverters, rectifiers or ac-ac converters, are required for this purpose. Figure 1. Wireless power transfer systemThe efficiency of the wireless power transfer highly depends on the frequency of the sinusoidal voltage/current, size of the inductive coils and distance between the coils. Therefore, in this application inverter needs to have a very high switching frequency, which - 135 -can significantly reduce the efficiency. This project focuses on the inverter, and develops a highly compact and efficient inverter for wireless charging. This novel inverter can both step up and step down the voltage. It has very low Total Harmonic Distortion, and low losses.The state of the art wireless power transfer systems use Voltage Source Inverter (VSI) and Current Source Inverter (CSI), which are the most common types of inverters. Despite having simple configurations and control schemes, these inverters have several limitations. Among these limitations is limited voltage gain ratio.In this report the principles of the operation of the proposed inverter, design, analysis, simulation results, and experimental results are presented. 2. Principles of the OperationThe schematic of the proposed inverter is depicted in Fig. 2 (a). This inverter is an extension of a dc-dc Ćuk converter, and a series capacitor is responsible for transferring the power from input to output. This capacitor is first charged from the input, and then it is discharged into the output. To increase the efficiency of the inverter, an inductor can be added to the link to allow the switches benefit from zero current turn-off and soft turn-on. This configuration is depicted in Fig. 2 (b). (a) Hard-switching configuration(b) Soft-switching configurationThe principles of the operation isexplained for both the hard switching and soft switching configurations. - 136 -de-energizing modes. Switches So_2 and So_3 are on when Vo is positive, during both charging and discharging modes, and switches So_1 and So_4 are on when Vo is negative. Therefore, in each link cycle we only need to control the input-side switch. When the capacitor is being charged, the output side switches and diodes should provide a path for the link current as well as the load current. At this time, the input side switch should be open. During the de-energizing mode the input side switch is turned on to provide a path for the input current and the link current while the output side switches are controlled such that a negative current discharges the link capacitor. Link voltage is positive during both energizing and de-energizing modes; therefore, if the load voltage is positive switches So_2 and So_3 will be turned on, and if the output voltage is negative switches So_1 and So_4 will be turned on. Fig. 3 (e) depicts the link current and voltage. The inverter is controlled such that regardless of the operating point, it operates at the boundary of the continuous and discontinuous conduction modes. This results in a very small link capacitance.(a) Energizing when Vo is positive (b) De-energizing when Vo is positive(c) Energizing when Vo is negative (d) De-energizing when Vo is negativeIlink/1220-2-4-6Vlink4003002001000-1000.00368408 0.00368652 0.00368896 0.00369141Time (ms)(e) Link current and link voltageFigure 3. Principles of the operation of the proposed inverter (hard-switching configuration)- 137 -The principles of the operation of the soft-switching configuration is depicted in Fig. 4. For the soft-switching tropology a small inductor is connected in series with the link capacitor. In this case, between each power transfer mode, the link, which is formed by series capacitor and inductor, needs to be shorted to allow the switches to benefit from the zero current turn-off and soft turn-on. For both the positive and negativecycles of the output voltage, four modes are required in each cycle to transfer power from input to the output side. + V_Link - + V_Link -L L+ C So_1 So_2 + C So_1 So_2Si_1 Si_1 V_in V_in + + DCDCV_o V_o -So_3 So_4 So_ -So_3 4 - -(a) Mode 1 when Vo is positive (b) Mode 2 and second stage of mode 4 (4-2) when Vo is positive+ V_Link - + V_Link -L L+ C So_1 So_2 + C So_1So_2Si_1 Si_1 V_in V_in + + DC DCV_o V_o -So_3 So_4 So_4 - - - So_3 ((c) Mode 3 when Vo is positive d) First stage of mode 4 (4-1) when Vo is positive+ V_Link - + V_Link -L L+ C So_1So_2 So_1 So_2Si_1 + CSi_1 V_in + V_in DCV_o + DCSo_4 - V_oSo_4 - - So_3 ( - So_3 (f) e) Mode 1 when Vo is negative Mode 2 and second stage of mode 4 (4-2) when Vo is negative+ V_Link - + V_Link -L L+ C So_1So_2Si_1 + CSo_1 So_2Si_1 V_in V_in + + DC DCV_o V_oSo_3 So_4 - So_4 - - - So_3(g) Mode 3 when Vo is negative (h) First stage of mode 4 (4-1) when Vo is negativeSimilar to the hard switching configuration, the link capacitor is energized in the first mode. During this mode the input side switch (Si_1) is open and output side switches provide a path for the output current and the link current. The second mode starts by - 138 -turning on the input side switch, which initiates a resonating mode to provide soft switching. During this mode the link current decreases and its polarity changes. When the current of antiparallel diodes across (So_1) and (So_4) becomes zero, the link current becomes equal to the output current and discharging mode is initiated. During this mode the energy stored in the capacitor is delivered into the load. Again, the fourth mode is a resonating mode that starts by turning on all the switches. This results in the link current to increase to a maximum positive value, Ipeak,which is higher than the input current. When the link current becomes higher than the input current, switches (So_2) and (So_3) will be turned off. This initiates the second stage of mode 4, as shown in Fig. 4(b).The behavior of the converter when the output voltage is negative is shown in Fig. 4 (e) to (h).3. DesignThe output current and voltage of the inverter are expressed as follows: (1)Figure 5. link voltage in the proposed converter (2)- 139 -Using (1) and (2) the output power and input current can be expressed as follows: (3) (4)In (4), is the input voltage. To operate at the boundary of the CCM and DCM, as shown in Fig. 5, the following equations should be valid: (5) (6)The average of the unfiltered input and output voltages should also be equal to their instantaneous values, as follows:designed and simulated inverterParameter ValueInput voltage 200 VOutput voltage 40 V (rms)Output current 3 A (rms)Output frequency 100 kHzC 0.1 nFL 1 nH (7) (8)The link peak voltage, , can be calculated by (9): (9)It can be shown that the link capacitance is equal to: (10)where f is the link frequency at maximum power P. In the above equations the hard switching configuration is considered. For soft switching configuration, if the duration of the resonating mode is much shorter than that of the - 140 -Specificationofthedesignedandsimulatedinverterpower transfer modes, the above equations can be used. The link inductance should be selected such that the resonating frequency is much higher than the link frequency. 4. ControlWe have developed both closed loop and open loop control algorithms for the proposed inverter. These control algorithms can be implemented digitally using a microcontroller, or they can be implemented by an analog circuit. Using a microcontroller provides more flexibility; however, when the switching frequency is high an analog circuit is preferred. For high switching frequencies open loop control scheme will be more appropriate. 4.1. Closed loop controlThe block diagram of the closed loop control for the proposed inverter is depicted in microcontroller. This control method compares the link voltage by its reference value at each operating point that can be calculated by (9). This method requires sensing the link voltage.The soft switching configuration requires a current sensor as well for comparing the link current with input current, as discussed for mode 4 of the soft switching configuration. 4.2. Open-loop controlThe open loop control algorithm of the proposed inverter has also been developed. The implementation of this method will be easier. Using the above mentioned equations, the duty cycle of the input side switch can be expressed as: (11)Unlike a dc-dc converter, the duty cycle of the switches in the proposed inverter is not constant. Fig. 7 illustrates the duty cycle of the input-side switch over a full cycle of the output voltage.- 141 -V_link + And Not Sw_1 & Com Gate Gate Sw_4-Positive /Negative V_referCycle enceV_link + And Not Sw_2 & Com Gate Gate Sw_3-V_referenceI_in_ref +Com-I_inDD-flipflop Si_1 ClkOR I_link + Gate-I_in5. SimulationThe performance of the proposed inverter has been verified through simulations. A 100 W soft switching configuration with the parameters listed in Table I is considered here. Considering the high frequency of the load current, which necessitates switching of the switches at a much higher frequency, a soft switching configuration is chosen for this - 142 -If If Negative positiveComapplication. Another option, which is chosen for the experimental evaluation, is using wide bandgap semiconductor devices. Fig. 8depicts the load current and scaled output voltage. The dc side current is shown in Fig. 9, and Fig. 10 shows the unfiltered output voltage. Link voltage, link current, and unfiltered input and output voltages are shown in Fig. 11. Figs. 12 and 13 show the current and voltage across the input and output switches, which verifies soft switching has occurred.I_load Vload*.2151050-5-10-153.5e-005 4e-005 4.5e-005 5e-005Time (s)Figure 8. Load current and scaled load voltageIin1.41.210.80.60.40.203.25e-005 3.5e-005 3.75e-005 4e-005 4.25e-005 4.5e-005Time (s)Figure 9. Input currentVo_unfiltered1K0.5K0K-0.5K-1K2e-005 4e-005 6e-005Time (s)Figure 10. Unfiltered load voltage- 143 -Vlink8006004002000-200Ilink420-2-4Vin8006004002000-200Vo_unfiltered8006004002000-2005.3125e-005 5.34375e-005 5.375e-005Time (s)Figure 11. Link voltage and link current in the soft switching configurationV_Si_1/100 I_Si_1 V_Si_1/100 I(Si_1)88664 42200-2-4 -24.875e-005 4.90625e-005 4.9375e-005 5.322998e-005 5.3232422e-005 5.3234863e-005 5.3237305e-005Time (s) Time (s)Figure 12. Current and scaled voltage across the input side switch (Si_1)Vo_1/(-100) Io_1 Vo_1/(-100) Io_16 64 42 20 0-2 -25.25e-005 5.26563e-005 5.28125e-005 5.29688e-005 5.28125e-005 5.28516e-005 5.28906e-005 5.29297e-005Time (s) Time (s)Figure 13. Current and scaled voltage across the output side switch (So_1)6. Experimental Evaluation- 144 -To verify the performance of the proposed inverter experimentally a prototype has been fabricated. Both hard switching and soft switching configurations were considered for the experimental evaluation. A. Hard switching configuration In this experiment GaN semiconductors are used. Half bridge evaluation boards (GS66508T-EVBHB), as shown in Fig. 14, were purchased and used for fabricating the hard switching prototype.These boards have internal signal generator; however, since theduty cycle is not constant, we used a microcontroller for controlling the circuit.Figure 14. Half Bridge Evaluation Board (GS66508T-EVBHB)We initially used three half bridge boards: one for the input-side and two for the output side. However, we noticed that in these boards bootstrap method is used for gatedrivers, and given that our switching scheme is totally different from that of the conventional inverters, the bootstrap method can affect the performance of the inverter, and cause some problems. Therefore, we used isolated power supplies by making some modifications in the boards and used five boards for the prototype. The gate driver circuits used for bottom switches in all the boards have the same ground as the microcontroller; therefore, we could not isolate them, and only top switch on each board wasused. Fig. 15 shows the prototype.- 145 -Figure 15. PrototypeFigs. 16 to 20 show the experimental results corresponding to the hard switching configurationusing GaN semiconductors. seen in this figure the switching frequency of the output side switches is the same as output frequency, which is much lower than the switching frequency of the input-side switches. The unfiltered input and output voltages as well as the link voltage are depicted in Fig. 17. The unfiltered output voltage over a full load cycle is shown in Fig. 18. The output and input currents are illustrated in Figs. 19 and 20, respectively. - 146 -GatesignalsFigure 18. Unfiltered load voltage- 147 -Unfilteredoutputvoltage(pink),linkvoltage(darkblue),unfilteredinputvoltage(lightblue)Figure 19. Load currentFigure 20. Input currentB. Soft Switching ConfigurationFigs. 21 and 22 show experimental results corresponding to the soft switching configuration using IGBTs. - 148 -in soft switching configuration7. Publicationsl A conference paper was published based on the results of this project:- 149 -M. Chowdhury, M. Amirabadi, J. Baek "A Novel compact and reliable Inverter for Wireless Power Transfer", In Proc. IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), pp.3160-3166, 20-24 Sept. 2015l A journal paper is also under preparation, and will be submitted to IEEE Transactions in Power Electronics.8. References[1] Cheon, Sanghoon, Yong-Hae Kim, Seung-Youl Kang, Myung Lae Lee, Jong-Moo Lee, and Taehyoung Zyung. "Circuit-model-based analysis of a wireless energy-transfer system via coupled magnetic resonances." Industrial Electronics, IEEE Transactions on 58, no. 7 (2011): 2906-2914[2] Low, Zhen Ning, Raul Andres Chinga, Ryan Tseng, and Jenshan Lin. "Design and test of a high-power high-efficiency loosely coupled planar wireless power transfer system." Industrial Electronics, IEEE Transactions on 56, no. 5 (2009): 1801-1812.[3] Sallán, Jesús, Juan L. Villa, Andrés Llombart, and José Fco Sanz. "Optimal design of ICPT systems applied to electric vehicle battery charge." Industrial Electronics, IEEE Transactions on 56, no. 6 (2009): 2140-2149.[4] Hui, Shu Yuen Ron, Wenxing Zhong, and Chi Kwan Lee. "A critical review of recent progress in mid-range wireless power transfer." Power Electronics, IEEE Transactions on 29, no. 9 (2014): 4500-4511.[5] Y. Xue, L. Chang, S. B. Kjaer, J. Bordonau, and T. Shimizu, "Topologies of single-phase inverters for small distributed power generators: an overview," Power Electronics, IEEE Transactions on , vol.19, no.5, pp.1305,1314, Sept. 2004 J. Clerk Maxwell, A Treatise on Electricity and Magnetism, 3rd ed., vol. 2. Oxford: Clarendon, 1892, pp.68–73.[6] B. Cao and L. Chang, "A variable switching frequency algorithm to improve the total efficiency of single-phase grid-connected inverters," Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), 2013 Twenty-Eighth Annual IEEE , vol., no., pp.2310,2315, 17-21 March 2013.- 150 -

제4장 목표 달성도 및 관련분야에의 기여도
제4장 목표 달성도 및 관련분야에의 기여도유 형 지표구분 성과지표 목 표 실 적 달성율전력 전송 거리 전송 거리: 60cm 이상 60 cm 이상 100%코일직경 30cm 이하급 30cm 100%기술혁신 인버터용량 100W 100ㅉ 100%전력전송용량 30W 40W 133%산출(Output) 전력전송효율 30% 43% 133%지표- SCI급 논문 1건 - SCI급 논문: 2건논문 발표 - 국내저널: 2건 - 국내/외 저널: 1건 100%표준 지표특허 출원 - 국내특허 출원: 2건 - 국내특허 출원: 2건 100%- 151 -

제4장 목표 달성도 및 관련분야에의 기여도

제4장 목표 달성도 및 관련분야에의 기여도유 형 지표구분 성과지표 목 표 실 적 달성율전력 전송 거리 전송 거리: 60cm 이상 60 cm 이상 100%코일직경 30cm 이하급 30cm 100%기술혁신 인버터용량 100W 100ㅉ 100%전력전송용량 30W 40W 133%산출(Output) 전력전송효율 30% 43% 133%지표- SCI급 논문 1건 - SCI급 논문: 2건논문 발표 - 국내저널: 2건 - 국내/외 저널: 1건 100%표준 지표특허 출원 - 국내특허 출원: 2건 - 국내특허 출원: 2건 100%- 151 -

제5장 연구개발결과의 활용계획
제5장 연구개발결과의 활용계획1. 성과활용 계획Ÿ 원거리 무선전력전송시스템의 핵심기술 개발을 통하여 성능 검증 및 효율적 활용에대한 운영 모델로 활용Ÿ 향후 국내외에서 추진되고 있는 원거리 무선전력전송시스템을 위한 기초 기술 및핵심장치 개발에 활용Ÿ 참여 중소기업의 철도 시장에서의 다양한 검측장비 관련 신 비즈니즈 모델 창출에 활용2. 성과확산 계획Ÿ 전차선로 상태 검측장치 충전용 무선전력전송장치 기술 개발로 전차선로 상태검측장치의 유지보수비를 대폭 줄일 수 있으므로, 이의 활용도에 대해 철도운영기관에적극적 홍보를 통하여, 향후 제품 활용도를 더욱 확대시킬 계획임Ÿ 다양한 고속철도용 검측장치에 무선전력전송을 이용한 충전기술이 더해지므로써, 국외고속철도용 검측시장에서 국내 개발 검측장치의 경쟁력을 더욱 높일 수 있으며, 이에검측 기술의 해외 검측시장 선점이 가능할 것이므로, 국내 철도기관의 해외 진출 시기술 우위를 선점하기 위한 보유 기술로 확대 활용Ÿ 고부가가치형 검측장치용 전력공급시스템으로서 산업체로의 기술이전 가능 및 기술선점으로 수출 동력화 추진Ÿ 철도시스템 분야 국가 경쟁력 확보 및 철도차량 분야의 세계시장 선도에 기여- 152 -

제5장 연구개발결과의 활용계획

제5장 연구개발결과의 활용계획1. 성과활용 계획Ÿ 원거리 무선전력전송시스템의 핵심기술 개발을 통하여 성능 검증 및 효율적 활용에대한 운영 모델로 활용Ÿ 향후 국내외에서 추진되고 있는 원거리 무선전력전송시스템을 위한 기초 기술 및핵심장치 개발에 활용Ÿ 참여 중소기업의 철도 시장에서의 다양한 검측장비 관련 신 비즈니즈 모델 창출에 활용2. 성과확산 계획Ÿ 전차선로 상태 검측장치 충전용 무선전력전송장치 기술 개발로 전차선로 상태검측장치의 유지보수비를 대폭 줄일 수 있으므로, 이의 활용도에 대해 철도운영기관에적극적 홍보를 통하여, 향후 제품 활용도를 더욱 확대시킬 계획임Ÿ 다양한 고속철도용 검측장치에 무선전력전송을 이용한 충전기술이 더해지므로써, 국외고속철도용 검측시장에서 국내 개발 검측장치의 경쟁력을 더욱 높일 수 있으며, 이에검측 기술의 해외 검측시장 선점이 가능할 것이므로, 국내 철도기관의 해외 진출 시기술 우위를 선점하기 위한 보유 기술로 확대 활용Ÿ 고부가가치형 검측장치용 전력공급시스템으로서 산업체로의 기술이전 가능 및 기술선점으로 수출 동력화 추진Ÿ 철도시스템 분야 국가 경쟁력 확보 및 철도차량 분야의 세계시장 선도에 기여- 152 -

제6장 참고문헌
제6장 참고문헌[1] S.-H. Lee, “Design methodologies for low flux density, high efficiency, kW level wireless power transfer systems with large air gaps,” Ph.D. Dissertation, University of Wisconsin-Madison, 2013.[2] C. S. Wang, G. A. Covic, and O. H. Stielau, “Power transfer capability and bifurcation phenomena of loosely coupled inductive power transfer systems,” Ind. Electron. IEEE Trans., vol. 51, no. 1, pp. 148–157, 2004.[3] G. S. Smith, “Proximity Effect in Systems of Parallel Conductors*,” vol. 411, no. 1949, pp. 2196–2203, 1971.[4] J. Acero and P. Hernandez, “Simple resistance calculation in litz-wire planar windings for induction cooking appliances,” Magn. IEEE …, vol. 41, no. 4, pp. 1280–1288, 2005.[5] A. Whelan, Polymer Technology Dictionary. Springer Netherlands, 2012.[6] S.-H. Lee, B.-S. Lee, S.-M. Jung, and C.-B. Park, “Loss and Efficiency Dependence of a 6.78 MHz, 100 W, 30 cm Distance Wireless Power Transfer System on Cable Types,” Trans. Korean Inst. Electr. Eng., vol. 64, no. 11, p. 1~7, 2015.[7] E. Waffenschmidt and T. Staring, “Limitation of inductive power transfer for consumer applications,” in Power Electronics and Applications, 2009. EPE ’09. 13th European Conference on, 2009, pp. 1–10.[8] 권삼영, 이병송, 이형우, 조용현, 배창한, 박영, and 박현준, “전차선로 계측장비의 전력공급 시스템,” 10-2006-0098111, 2006.[9] 오석용, 박영, 조용현, 이기원, and 송준태, “전차선로 전기적 특성 평가 시스템 구현,” 전기전자재료학회논문지, vol. 24, no. 6, pp. 497–503, 2011.[10] E. Bjerklund and M. Öhman, “Stability of High Speed Train under Aerodynamic Excitations,” Chalmers University of Technology, 2009.- 153 -[11] Ektoras Bakalakos, “LED Buck Converter Design Using the IRS2505L”, APPLICATION NOTE AN-1214, INTERNATIONAL RECTIFIER, 2015[12] Joel Turchi, Dhaval Dalal, Patrick Wang, Laurent Jenck, “ Power Factor Correction Handbook”, ON Semiconductor, 2014 [13] “27.12 MHz, CLASS-E, 400W RF Generator using a Microsemi DRF1200 Driver/MOSFET Hybrid”, APPLICATION NOTE, Microsemi, 2014[14] Matthew W. Vanis, “PRF-1150 1KW 13.56MHz Class E RF Generator Evaluation Module”, APPLICATION NOTE, IXYS, 2002[15] Michael Green, “Design Calculations for Buck-Boost Converters”, APPLICATION REPORT, TEXAS INSTRUMENTS, 2012 - 154 -KRRI 연구 2015-122제 목발 행 인 김 기 환발 행 일 2015년 12월 31일발 행 처 한국철도기술연구원437-757 경기도 의왕시 월암동 360-1전화 : (031)460-5000 팩스 : (031)460-5029홈페이지 : http://www.krri.re.krISBN : 979-11-87144-19-9본 보고서의 내용은 無斷轉載․譯載․複寫를 금함.- 155 -

제6장 참고문헌

제6장 참고문헌[1] S.-H. Lee, “Design methodologies for low flux density, high efficiency, kW level wireless power transfer systems with large air gaps,” Ph.D. Dissertation, University of Wisconsin-Madison, 2013.[2] C. S. Wang, G. A. Covic, and O. H. Stielau, “Power transfer capability and bifurcation phenomena of loosely coupled inductive power transfer systems,” Ind. Electron. IEEE Trans., vol. 51, no. 1, pp. 148–157, 2004.[3] G. S. Smith, “Proximity Effect in Systems of Parallel Conductors*,” vol. 411, no. 1949, pp. 2196–2203, 1971.[4] J. Acero and P. Hernandez, “Simple resistance calculation in litz-wire planar windings for induction cooking appliances,” Magn. IEEE …, vol. 41, no. 4, pp. 1280–1288, 2005.[5] A. Whelan, Polymer Technology Dictionary. Springer Netherlands, 2012.[6] S.-H. Lee, B.-S. Lee, S.-M. Jung, and C.-B. Park, “Loss and Efficiency Dependence of a 6.78 MHz, 100 W, 30 cm Distance Wireless Power Transfer System on Cable Types,” Trans. Korean Inst. Electr. Eng., vol. 64, no. 11, p. 1~7, 2015.[7] E. Waffenschmidt and T. Staring, “Limitation of inductive power transfer for consumer applications,” in Power Electronics and Applications, 2009. EPE ’09. 13th European Conference on, 2009, pp. 1–10.[8] 권삼영, 이병송, 이형우, 조용현, 배창한, 박영, and 박현준, “전차선로 계측장비의 전력공급 시스템,” 10-2006-0098111, 2006.[9] 오석용, 박영, 조용현, 이기원, and 송준태, “전차선로 전기적 특성 평가 시스템 구현,” 전기전자재료학회논문지, vol. 24, no. 6, pp. 497–503, 2011.[10] E. Bjerklund and M. Öhman, “Stability of High Speed Train under Aerodynamic Excitations,” Chalmers University of Technology, 2009.- 153 -[11] Ektoras Bakalakos, “LED Buck Converter Design Using the IRS2505L”, APPLICATION NOTE AN-1214, INTERNATIONAL RECTIFIER, 2015[12] Joel Turchi, Dhaval Dalal, Patrick Wang, Laurent Jenck, “ Power Factor Correction Handbook”, ON Semiconductor, 2014 [13] “27.12 MHz, CLASS-E, 400W RF Generator using a Microsemi DRF1200 Driver/MOSFET Hybrid”, APPLICATION NOTE, Microsemi, 2014[14] Matthew W. Vanis, “PRF-1150 1KW 13.56MHz Class E RF Generator Evaluation Module”, APPLICATION NOTE, IXYS, 2002[15] Michael Green, “Design Calculations for Buck-Boost Converters”, APPLICATION REPORT, TEXAS INSTRUMENTS, 2012 - 154 -KRRI 연구 2015-122제 목발 행 인 김 기 환발 행 일 2015년 12월 31일발 행 처 한국철도기술연구원437-757 경기도 의왕시 월암동 360-1전화 : (031)460-5000 팩스 : (031)460-5029홈페이지 : http://www.krri.re.krISBN : 979-11-87144-19-9본 보고서의 내용은 無斷轉載․譯載․複寫를 금함.- 155 -