새로운 전력 시스템이 무선 충전을 개선하는 방법

무선 충전 시스템의 증가가 놀랍지는 않습니다. 이러한 장치는 유선 대비 더 큰 편리함과 유연성을 제공합니다. 그러나 여러 제한 요인으로 인해 무선 충전기가 업계 표준으로 자리 잡지 못하고 있습니다.

특히, 인천대학교 엔지니어 팀이 최근 무선 충전 솔루션을 크게 개선할 잠재력을 가진 새로운 전력 관리 시스템을 소개했습니다. 이 새로운 시스템은 안정적인 전력을 제공하고 간섭을 감소시킵니다. 여기에서 알아야 할 내용은 다음과 같습니다.

무선 충전은 어떻게 작동하나요?

스마트폰이나 스마트워치를 무선 충전 스테이션에 올려놓을 때 배경에서 많은 일이 일어납니다. 이러한 장치는 플러그 없이 전자기 유도를 통해 무선 전력 전송(WPT)을 수행합니다.

무선 전송 코일이 충전 스테이션에 위치하고 수신 코일 근처에 접근하면 전자기 유도가 무선으로 발생합니다. 이 상황은 수신 코일의 전자를 진동시켜 두 코일 사이에 전자기장을 형성하고, 이를 통해 기기가 충전됩니다.

공명 회로

무선 충전 시스템의 핵심 구성 요소 중 하나는 공명 회로입니다. 이 회로는 수신 코일의 인덕턴스를 조정하여 주파수 공명을 달성합니다. 또한 전력 전송을 증폭하고 회로 임피던스를 낮추는 중요한 역할을 합니다.

공명 튜닝

간섭과 시스템 전력을 제어하기 위해 공명 튜닝이 사용됩니다. 이러한 조정은 종종 병렬 보상 수신기를 활용하여 시스템 작동 주파수를 조절합니다. 흥미롭게도, 이 조정이 변조된 주파수와 공명 주파수 사이에 불일치를 발생시켜 성능 저하를 초래합니다.

오늘날 무선 충전 시스템의 문제점

현재 무선 충전에는 몇 가지 심각한 단점이 있습니다. 예를 들어, 케이블 방식보다 훨씬 느립니다. 또한 대부분의 충전 시스템이 제대로 작동하려면 기기가 매우 가까이 있어야 합니다.

전자기 간섭

오늘날 무선 충전 스테이션에 사용되는 전원 공급 시스템과 공명 회로는 주변 다른 장치의 공명 회로와 간섭할 수 있습니다. 이러한 전자기 간섭은 무선 충전 스테이션의 효율성과 성능을 감소시킵니다.

시스템 효율 저하

전통적인 무선 충전 시스템은 갑작스럽고 예기치 않은 전력 손실을 겪을 수 있습니다. 이러한 전력 급감의 주요 원인은 공명 회로의 급격한 주파수 변화입니다. 이로 인해 기기가 과열되고 충전 속도가 느려집니다.

공명기 튜닝 솔루션

무선 충전이 시장에 등장한 이후 여러 튜닝 솔루션이 도입되었습니다. 특히, 이들 모두는 추가 하드웨어를 필요로 합니다. 문제는 이러한 장치들이 복잡성, 전력 요구량 및 전체 크기를 증가시킨다는 점입니다. 또한 비용이 많이 들고 복잡한 제어 설정을 다루기 위해 전문가가 필요할 수 있습니다.

Qi 무선 충전 표준

현재 가장 널리 사용되는 무선 충전 표준은 Qi 표준입니다. 이 유형의 충전 스테이션은 약 4cm 거리에서 기기에 무선 에너지를 공급할 수 있습니다. 작동 주파수는 110~205kHz 사이이며 동시에 여러 기기를 충전할 수 있습니다.

출처 – Torro

Qi는 인기가 있지만 효율적이지 않습니다. 충전 속도가 느리고 기기가 과열될 수 있습니다. 기기가 뜨거워지면 시간이 지남에 따라 배터리 성능이 저하될 수 있습니다. 따라서 보다 안정적이고 효율적인 무선 충전 솔루션이 직접적으로 필요합니다. 다행히도 해결책이 다가오고 있습니다.

향상된 무선 충전 연구

인천대학교 엔지니어들은 이번 달 IEEE Transactions on Industrial Electronics 학술지에 “Resonant Tuning Rectifier for Parallel Compensated Receivers in Wireless Power Transfer”라는 연구를 발표했습니다. 이 연구는 안정적인 무선 전력을 제공하고 시장을 혁신할 수 있는 새로운 공명 튜닝 정류기 솔루션을 소개합니다.

공명 튜닝 정류기 (RTR)

공명 튜닝 정류기(RTR)는 스펙트럼 확산 주파수 변조 중에 발생하는 병렬 보상 수신기(RX)의 공명 불일치를 보정하는 데 도움을 줍니다. 이를 위해 장치는 자동으로 유효 정전용량을 조정합니다.

이 단계는 RTR가 제어 신호와 시스템 전류를 동기화하여 공명 주파수를 조정할 수 있게 합니다. 동기화가 완료되면 장치는 고유 공명과 변조 주기 사이의 불일치를 보정하기 시작합니다.

구체적으로, 연구자는 정류기 MOSFET의 차단 시점을 1차 전류의 제로 교차점과 동기화함으로써 튜닝을 달성했습니다. 시스템은 통합 센서 코일을 활용해 위상 정보를 추출하고 출력 신호를 1차 전류와 동기화합니다.

향상된 무선 충전 테스트

향상된 무선 충전 시스템을 테스트하기 위해 엔지니어들은 2.2kW 전기차 충전 스테이션 프로토타입을 제작했습니다. 이 자동차 충전 스테이션은 여러 테스트 단계를 거쳤으며, 시험 동안 팀은 성능, 효율성, 간섭 수준, 안정성 및 배터리 영향에 대한 데이터를 수집했습니다. 결과는 인상적이었습니다.

향상된 무선 충전 테스트 결과

새로운 전원 공급 설정은 충전 스테이션 전반에 걸쳐 성능을 향상시켰습니다. 예를 들어, 80~90kHz 사이의 작동 주파수 변조를 유지했습니다. 이 주파수 덕분에 스테이션은 일정한 출력 전력을 제공할 수 있었습니다.

엔지니어들은 업그레이드된 장치를 사용할 때 효율성이 3.5%~8.1% 향상된 것을 확인했습니다. 새로운 시스템은 자동화 시스템과 제로 전압 스위칭(ZVS) 켜기 및 낮은 dv/dt 끄기 기능을 통해 추가 효율을 달성했습니다. 이 기능은 스위칭으로 인한 전력 손실을 방지합니다.

향상된 무선 충전 연구의 장점

이 무선 충전 연구가 시장에 도입하는 장점이 많이 있습니다. 첫째, 기존 방식을 대체하는 저비용 옵션을 제공하면서 성능을 향상시킵니다. 또한, 미니멀한 설계는 실시간 사용 사례에 맞춰 조정할 수 있는 더 많은 제어 설정을 제공합니다.

안정적인 전력 공급

업그레이드된 충전 솔루션이 제공하는 주요 이점은 신뢰할 수 있고 안정적인 전력 공급입니다. 이 이점은 보다 효율적이고 유용한 전자기기를 만드는 데 필수적입니다. 업그레이드된 시스템은 이전 모델보다 뛰어나며 최소한의 에너지 손실로 안정적인 전력 흐름을 제공합니다.

전력 부품 불필요

이 연구의 또 다른 주요 장점은 추가 전력 부품이 필요 없다는 것입니다. 새로운 RTR는 복잡한 시스템이나 추가 배터리, 커패시터, 기타 부피가 큰 전력 부품을 필요로 하지 않아 장치의 형태를 늘리지 않습니다.

제어 로직 불필요

같은 맥락에서, 업그레이드된 RTR는 복잡한 피드백 회로를 통합할 필요성을 없앱니다. 이를 통해 많은 에너지와 공간을 절약하고 송수신기 통신 시스템이 필요 없어집니다. 결과적으로 장치는 더 작고 내구성이 향상됩니다.

향상된 무선 충전 시스템 적용 분야

고성능 무선 충전 시스템은 거의 무한에 가까운 적용 분야를 가지고 있습니다. 전기차, 휴대폰, 시계를 충전하는 것 외에도, 이 장치는 컴퓨터, 센서 및 다양한 기기에 전력을 공급하여 수십억 사람들의 삶을 간소화할 수 있습니다. 다음은 고성능 무선 충전 스테이션의 잠재적 적용 사례 중 일부입니다.

의료

의료 산업은 이 기술을 활용해 보다 효과적인 모니터링 및 치료 과정을 만들 수 있습니다. 이러한 장치는 환자에게 24시간 연속적인 지원을 제공할 수 있습니다. 이미 엔지니어들은 웨어러블, 임플란트 및 기타 핵심 의료 기기가 이 기술을 활용해 기능을 향상시킬 수 있는 방안을 검토하고 있습니다.

물류

무선 충전 기능이 향상된 혜택을 받을 수 있는 또 다른 산업은 물류 분야입니다. 물류 부문은 이 연구를 활용해 IoT 기기를 포함한 추적 시스템을 개선할 수 있습니다. 이러한 기기는 무선 충전 솔루션을 이용해 전혀 새로운 수준의 24시간 모니터링을 제공할 수 있습니다. 앞으로는 창고, 트럭 및 매장의 IoT 센서가 물품을 안전하게 보호하게 될 것입니다.

향상된 무선 충전 시스템 연구자들

무선 충전 연구는 한국 인천의 인천대학교 연구진이 주도했으며, 뉴질랜드 오클랜드의 오클랜드 대학교 팀이 협력했습니다. 구체적으로 Saidul Alam Chowdhury, Seongmin Kim, Sangwon Kim, Inkui Cho, Duk Ju Ahn이 논문에 기여했습니다. 이제 팀은 충전 시스템의 기능을 확대하고 비용을 낮춰 대규모 통합을 가능하게 하려 하고 있습니다.

무선 충전을 선도하는 기업들

무선 충전 옵션의 증가로 여러 기업이 시장에서 주도적인 위치를 차지하게 되었습니다. 이들 기업은 연구개발에 특화되어 보다 성능이 뛰어나고 저렴한 장치를 지속적으로 출시하고 있습니다. 여기서는 업계의 주요 기술 혁신으로 인해 상당한 투자수익률(ROI)을 확보할 수 있는 한 기업을 소개합니다.

Energous Corporation

Energous Corporation (WATT )은 2012년에 시장에 진입했습니다. 캘리포니아 주 산호세에서 설립된 이후 무선 충전 시스템 분야의 선두 공급업체로 성장했습니다. 현재 이 회사는 전통적인 패드부터 장거리 창고 무선 충전 솔루션에 이르기까지 다양한 무선 충전 솔루션을 제공하고 있습니다.

Energous Corporation의 주요 제품은 WattUp 무선 전력 네트워크입니다. 이 장치는 IoT 유닛과 함께 작동하여 장거리 스마트 충전을 제공합니다. 라디오 주파수 기반 충전을 활용하며 방대한 IoT 기기 및 기타 전자제품과 호환됩니다.

WATT는 여러 주요 이유로 포트폴리오에 강력한 추가 요소로 평가됩니다. 첫째, 최근 주가가 긍정적인 움직임을 보였습니다. 무선 충전 분야에서 회사의 선도적인 역할과 약속된 기술 업데이트가 이 성장을 견인하고 있습니다.

현재 WATT의 시가총액은 1,079만 달러이며 52주 가격 범위는 0.2800~2.7000입니다. 신뢰할 수 있는 충전 스테이션 제조업체를 찾는 분들은 Energous Corp와 그 제품에 대해 더 많은 연구를 고려해야 합니다.

Energous Corporation 최신 소식

무선 충전은 결국 표준이 될 것입니다.

무선 충전이 유선 대안을 따라잡는 순간 표준이 될 것이라는 점은 의심의 여지가 없습니다. 비용 절감, 편리함, 유연성은 무선 충전을 사용자와 제조업체 모두에게 선호되는 선택으로 만들고 있습니다. 따라서 곧 충전 케이블이나 배터리를 찾을 필요가 없게 될 수도 있습니다.

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연구 참고:

^{1. Chowdhury, S. A., Kim, S., Kim, S., Cho, I., & Ahn, D. (2024). 무선 전력 전송에서 병렬 보상 수신기를 위한 공명 튜닝 정류기. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 71(12), 15664–15673. https://doi.org/10.1109/TIE.2024.3390737}