Wireless power transfer system based on magnetic resonance is transmitting power by using magnetic field, like magnetic induction, and its power transfer distance is longer than wireless power transfer based on magnetic induction. Most important factors in wireless power transfer are the power transfer efficiency, distance and stability. Wireless power transfer systems have a trade-off relationship between power transfer efficiency and distance so we should design the system to serve its purpose whether the wireless power transfer system should provide the higher power transfer efficiency or larger power transfer distance. However, there is a lack of research of stability of wireless power transfer system based on magnetic resonant technique. Although magnetic resonant technique provides the high power transfer efficiency over several meters, it has a critical problem that the power transfer efficiency of 2 coils wireless power transfer system is very sensitive to location or orientation of coil antennas. Therefore, magnetic resonant based wireless power transfer system can not be commercialized, although magnetic resonance technology has taken a spotlight recently. Therefore, we should address the critical problem that the wireless power transfer system is unstable.
To address the stability problem, we analyzed the 2 coils wireless power transfer system to verify why this system is unstable according to coupling coefficient. The traditional 2 coil wireless power transfer system has a optimal coupling coefficient. The transmitter coil and receiver coil are coupled with as much as optimal coupling coefficient, and this system provides highest power transfer efficiency. Therefore, power transfer efficiency was varied significantly because of coupling coefficient variation that is induced from locations or orientations of coils. The 3 coils relay based wireless power transfer system is a solution of stability problem of traditional wireless power transfer system. Therefore, we analyzed the 3 coils relay based wireless power transfer system to verify the stability property. To analyze this system, we used the two frameworks, one is coupled mode theory and another is circuit theory. We derived the power transfer efficiency by two modeling methods and derived the optimal coupling coefficients between adjacent coils. Unlike 2 coils wireless power transfer system, the optimal coupling coefficient doen not exist, therefore, we evaluated the power transfer efficiency versus coupling coefficient and verified the power transfer efficiency of 3 coils relay based wireless power transfer system is stable according to coupling coefficients between adjacent coil antennas. We verified the validity of system modeling by comparing the efficiencies for 3 coils wireless power transfer system of numerical evaluation and simulation. Then we verify again that the stability of power transfer efficiency for 3 coils wireless power transfer system by simulation.
기존의 전자파를 이용한 무선전력전송은 주로 위성에서 지상으로 전력을 보낼 때 사용하기 위하여 연구되었는데, 수 GHz 대역을 이용하여 높은 전력을 보냈다. 하지만 송신단과 수신단 사이에 어떠한 방해물질이 없어야 하며, 특히 사람에게 치명적이기 때문에 다양한 어플리케이션에 활용하기에는 제한조건이 많았다. 상용화가 가장 활발하게 된 자기유도방식의 무선전력전송은 근거리장에서 송신단과 수신단의 결합을 통해 높은 효율로 전송하는 방식이다. 하지만 자기유도방식은 전송거리가 수 mm에 달하며 이보다 멀어지게 되는경우 효율이 급감하는 문제가 있었다. 이와같은 이유로 무선전력전송에 대한 연구는 많은 연구자의 이목을 집중시키기에는 역부족이었다. 하지만 2007년 MIT의 Soljacic가 발표한 Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances 논문은 무선전력전송 시스템을 세계의 이목을 받게 하는데 성공하였다. 비방사성파를 자기공진방식으로 보내어 전력을 보내는 방식인데, 전송거리 1 m에서 효율이 약 80\%에 달하여 전송거리가 짧은 자기유도방식의 단점을 보완했으며 근거리장을 이용하여 전송하기 때문에 사람에게도 무해한 장점이 있었다.
Soljacic가 자기공진을 이용한 무선전력전송 기술을 발표한 이후, 많은 후속 연구들이 잇따랐다. 주로 효율을 향상시키기 위한 최적화 기법, 전송거리를 늘리기 위한 구조 및 디자인 기법등이 주를 이루었다. 하지만 자기공진을 이용한 무선전력전송에는 치명적인 단점이 있었다. 송신단이나 수신단의 위치가 변하게 되면 효율이 급감하게 된다는 점이다. 송신단이나 수신단의 위치가 고정되어 움직이지 않아야 한다면, 기존의 전력선에서 완전히 자유롭게 되는것은 아니다. 하지만 후속 연구들은 모두 위치가 변하게 되는 상황에서는 사용할 수 없는 연구들이 대부분이었으며 위치가 고정된 시나리오에서의 최적화 연구들이었다. 본 논문에서는 이와같은 안정성 문제를 해결하기 위하여 릴레이 기반 무선전력전송 시스템을 제안한다.
기존의 무선전력전송 시스템은 코일 안테나 사양에 따라 최대의 효율과 최적의 효율을 내주는 위치가 정해져있다. 최적의 위치에서 벗어나게 된다면, 심지어 가까워지더라도 효율이 급감하게 되는것을 확인 할 수 있었다. 이는 송신단에서 보낸 전력이 수신단을 거쳐 반사되면 원래의 송신전력의 반대 위상을 가지게 되어 오히려 송신 전력을 감소시키기 때문이다. 하지만 송신단과 수신단, 그리고 그 사이에 릴레이 코일을 이용하여 전력을 전송하는 릴레이 기반 무선전력전송 시스템은 릴레이 코일과 수신 코일의 위치에 따라 효율이 안정적으로 나오는 구간이 있다는 것을 확인할 수 있었다. 기존의 시스템과 반대로 송신단에서 보낸 전력이 수신단에서 반사된 전력이 같은 위상을 가지기 때문에, 반사된 전력이 원래의 송신전력을 증가시켜주기 때문에 가까운 거리에서의 효율감소현상이 없게 된다. 본 논문에서는 릴레이 기반 무선전력 전송 시스템을 수치적으로 분석하고, 시뮬레이션을 통하여 모델링의 정확성을 확인하였다.
