Ever since Nikola Tesla presented the patent of the wireless power transfer (WPT) in 1914, the interest in wireless power transfer had not been much. After Marin Soljacic and his team at MIT experimentally demon-strated WPT using strongly coupled magnetic resonances, many researchers have been studying WPT world-wide. The patents related with magnetic resonance and inductive coupling methods have been also applied for commercial merchandise. Optimization researches for improving WPT systems, however, have been less high-lighted yet. Most of them have been carried out to obtain the optimal designs by engineers’ intuition and experi-ence. Some studies were conducted to improve the performance of WPT systems by investigating the effects of one or two design variables on the objective function. The coupling effects of design variables have not been considered and thus the system has not been optimized in the systematic way. Therefore, it is necessary to develop the optimization framework for real-world WPT systems considering design variables and objective and constraints function.
In this paper, we presented the structural optimization framework for wireless power transfer systems. For the purpose of accomplishing the framework, first, we selected commercial software, Maxwell, for the elec-tromagnetic analysis and validated it by comparison with analytical approach. Then, we built the optimization framework for WPT which can connect the Maxwell and an optimization module. After validation with simple examples, we applied the framework to the wireless charger for a cellphone and KAIST On-Line Electric Vehicle (OLEV). In the case of a cellphone, the thickness of a pick-up device as an objective function was significantly reduced from the initial value while satisfying constraints. As the second case-study, the application to OLEV was also successful. The mass of a pick-up module as an objective function gradually decreased to the optimum from initial values in the feasible domain.
In this study, we took the first step to overcome the limitations of the previous researches for designing optimal wireless power transfer systems by developing the structural optimization framework. The proposed framework is flexible enough to be applied to both low-power systems such as a cellphone and high-power sys-tems like OLEV. In the further work, we would establish the multi-objective, robust optimization to improve a system by achieving higher performance and robustness simultaneously.
20세기 초반에 Nikola Tesla가 무선전력전송개념에 대한 특허를 제출한 이래로, 무선전력전송에 대한 관심은 그렇게 높지 않았다. 최근 MIT Soljacic교수의 연구팀이 강력한 자계공진결합을 이용하여 60W를 2m거리에서 40%의 효율로 전송하는데에 성공함으로써, 무선전력전송에 대한 관심은 다시금 급격히 증가하였다. 또한, 자기공진과 유도결합을 이용한 무선전력전송 특허는 상업화를 위해서 많이 출헌되고 있다. 그러나, 이러한 많은 연구에도 무선전력전송시스템에 대한 최적화 연구는 활발히 이루어지고 있지않다. 무선전력전송 최적화와 관련된 대부분의 연구는 연구자의 경험이나 실험을 통하여 최적의 값을 찾고 있고, 최적화와 관련된 설계변수도 하나에서 두개로 제한적이어서 설계변수들간의 결합효과를 고려할 수도 없다. 그러므로, 다수의 설계변수가 존재하는 시스템에서 제한조건을 만족하면서 목적함수를 최대화 최소화 할 수 있는 최적화 방법론 연구가 필요하다.
본 논문에서는 최적화 방법론에 사용될 전자기장해석용 프로그램인 Maxwell을 수학적 접근법인 Matlab결과와의 비교를 통하여 검증하고, 검증된 Maxwell과 최적화 프로그램인 DOT와의 연계를 통하여, 무선전력전송시스템을 최적화 할 수 있는 방법론을 제안한다. 완성된 방법론은 전영역해석을 통한 Maxwell결과값과 비교를 통하여서 제한조건이 있든 없든 잘 동작하는 것을 검증한다. 핸드폰 무선충전기와 OLEV(on-line electric vehicle)에 적용을 통하여 두 시스템에서 목적함수로 정한값을 최적화 할 수 있는 설계변수와 목적함수의 결과값을 제시함으로써, 두 시스템을 최적화 시킨다.
본 연구에서는 무선전력전송시스템을 최적화하기 위한 이전 연구들의 한계점들을 극복할 수 있는 최적설계 방법론을 제시하였다. 또한, 핸드폰과 같은 소전력에서부터 OLEV 시스템과 같은 대전력까지 제안된 최적설계 방법론은 적용의 유연성을 가지고 있다. 마지막으로, 시스템의 다양한 성능을 동시에 고려하면서, 시스템의 강건성을 확보할 수 있는 다목적강건최적설계 방법론을 구축할 수 있는 기본틀을 구축하였다는데 의미가 있다.
