진정한 무선 전력 기술의 약속 실현

우리는 이어폰 충전기 및 인덕션 호브와 같은 다양한 애플리케이션에서 무선 인터페이스를 통해 에너지를 전달하는 데 점점 더 익숙해지고 있지만 이 기술이 우리를 어디까지 데려갈 수 있을까요? 케이블을 연결하지 않고 자동차를 충전하거나 철탑을 심고 도랑을 파지 않고 먼 곳까지 그리드 전력을 사용할 수 있을까요?

무선 전력 공급에는 두 가지 주요 형태가 있습니다. 첫 번째는 송신기와 수신기 사이에 전기장 또는 자기장을 형성하여 송신기와 수신기를 밀접하게 결합한 다음 이를 사용하여 에너지를 서로 전달하는 것입니다. 밀접하게 결합된 일부 전력 전송 방식은 전기장을 사용하여 두 개의 전극을 결합합니다. 인덕션 호브, 전동 칫솔, 무선 전화 충전기와 같은 더 많은 것들은 송신기에서 전자기장을 생성한 다음 그 필드를 사용하여 근처의 수신기에서 전류를 유도하면 배터리 충전과 같은 조치를 취할 수 있습니다.

두 번째 주요 접근 방식은 가능한 많은 에너지를 포착하도록 고도로 조정된 수신기에 종종 고주파 라디오파 형태의 에너지 빔을 보내는 것을 포함하는 복사 결합입니다.

발신자와 수신자의 정렬은 효율적인 에너지 전달을 위해 매우 중요합니다. (이미지:Molex Ventures)

각 접근 방식에는 장점과 한계가 있으며 에너지 전달의 효율성과 전송 범위가 가장 중요한 장점 척도입니다. 밀접하게 결합된 방식의 경우, 송신기와 수신기 간의 정렬은 효율적인 에너지 전달을 위해 매우 중요합니다. 인덕션 호브를 사용해 본 사람이라면 링의 표시된 중앙에서 팬을 옮기면 팬이 즉시 가열을 멈추기 때문에 이것을 본능적으로 알 수 있습니다. 무선 충전 퍽이 전화기의 수신기 코일과 완벽하게 정렬되도록 하기 위해 최신 스마트폰 뒷면에 수많은 자석이 내장되어 있는 것을 보셨을 것입니다. 충전 시간은 새 휴대전화의 유용성을 인식하는 데 매우 중요하므로 무선 충전이 가능한 한 효과적인지 확인하는 것은 엔지니어링 노력과 단위당 제조 비용의 가치가 있습니다.

우리는 전기 자동차의 무선 충전을 위한 표준을 개발하려는 노력과 함께 훨씬 더 큰 규모로 유사한 문제를 보고 있습니다. 몰렉스가 최근 자동차 회사를 대상으로 실시한 설문조사에 따르면 응답자의 36%가 2030년까지 무선 충전이 표준 기능이 될 것이라고 생각하는 것으로 나타났습니다. 휴대폰에서 충전 속도는 수십 와트로 측정됩니다. 그러나 전기 자동차(EV)는 장거리 여행을 위한 내연 기관 차량의 실용적인 대안이 되기 위해 50KW~250KW의 충전 속도가 필요합니다. 지상의 전송 코일과 차 아래의 픽업 코일 사이의 정렬을 맞추는 것은 매우 중요할 것입니다. 결국 정렬 불량으로 인한 몇 퍼센트의 전송 손실은 수백 와트의 전력이 충전기의 전송 코일과 차량의 수신기 사이의 인터페이스에서 불필요한 열로 소산된다는 것을 의미할 수 있습니다.

전기차 무선충전 레인의 개념은? (이미지:Molex Ventures)

SAE International은 무선 차량 충전과 관련된 많은 문제를 해결하기 위해 이미 표준(J2954_202010)을 발표했습니다. 이것은 경량 플러그인 EV에 사용하기 위한 무선 전력 전송 시스템의 상호 운용성, 전자기 호환성, EMF, 성능, 안전 및 테스트에 대한 기준을 설정합니다. 이 사양은 고정 충전 애플리케이션에 사용하기 위한 것이지만 향후 동적 애플리케이션이 고려될 수 있습니다. 현재 형태에서는 지상 충전 패드로 제한되며 매립형 설치에는 적용되지 않습니다.

SAE J2954 표준은 또한 효율적인 에너지 전달을 보장하기 위해 운전자가 차량을 충전 패드와 정렬하는 데 도움이 되는 정렬 방식을 정의하고 미래에 자동차가 이를 자율적으로 수행할 수 있는 인프라를 제공합니다. 그러나 무선 충전이 마치 주유소에 있는 것처럼 단순히 자동차에 플러그를 꽂는 일상적인 사용자 행동을 대체하는 데 필요한 만큼 쉽고 빠르게 무선 충전을 보장하려면 우수한 엔지니어링과 많은 사용자 훈련이 필요합니다.

자동차의 휴대폰 무선 충전은 오늘날 무선 전력 전송의 불확실한 약속을 가장 잘 보여주는 예일 것입니다. 결론:송신기와 수신기 코일 사이의 강력한 정렬을 보장하기 위해 전화기를 특정 위치에 놓을 때만 작동합니다.

다양한 형태의 충전 패드. 왼쪽에서 오른쪽으로:무선 충전 랙, 무선 충전 패드, 무선 충전 컵 홀더(이미지:Molex Ventures)

휴대 전화 사용자는 그렇게 관대하지 않습니다. 그래서 최신 스마트폰은 케이스 뒤에 강력한 자석이 있어 정렬이 잘 됩니다. 그러나 이러한 종류의 무선 충전은 여전히 ​​부분적으로 테더링된 경험입니다. 충전 패드가 있는 곳으로 가야 합니다. 더 나은 사용자 경험은 충전 코일에 대한 긴밀한 결합 및 정밀한 정렬 없이도 지정된 볼륨의 어느 곳에서나 장치를 충전할 수 있는 것과 관련됩니다. Molex Ventures의 자금 지원을 받는 Ossia라는 신생 기업은 첨단 WiFi 및 5G 시스템에 사용되는 MIMO 안테나 어레이와 비슷한 전략을 사용하여 정확히 이를 수행합니다.

Ossia의 접근 방식에서 전력 송신기는 안테나에서 일반 신호를 보내 근처의 호환 장치와 동기화합니다. 그런 다음 각 수신기는 자신의 존재와 전력 요구 사항을 알리는 비콘 신호를 다시 보냅니다. 전력 송신기는 각 비콘 신호의 위상을 측정하고 이를 사용하여 가장 효율적인 에너지 전달을 위해 전력을 보내야 하는 방향을 계산합니다.

이 접근 방식은 단일 안테나 송신기에서 작동하지만 다중 안테나가 있는 전력 송신기는 각각에 도달하는 비콘 신호의 약간 다른 위상을 측정하여 가장 효율적인 전송 경로를 보다 정확하게 설정할 수 있습니다. 그러면 전력 송신기는 수신기로 일관된 에너지 빔을 조종하기 위해 각 안테나의 위상 및 전력 출력을 조정할 수 있습니다. 그리고 이 경로는 가시선에 있을 필요가 없습니다. 전력 수신기에서 보낸 비콘 신호가 송신기로 가는 도중에 벽에서 반사되면 전력 송신기는 동일한 경로를 따라 빔을 다시 보내게 됩니다.

Ossia Cota 전력 수신기가 활성화된 장치는 비콘 신호를 보내 Cota 전력 송신기를 찾은 다음 동일한 경로를 통해 무선으로 전력을 전달합니다. (이미지:Molex Ventures)

트랜스미터는 볼륨 내에서 여러 장치를 지원할 수도 있습니다. 해당 볼륨 내의 각 수신기는 필요한 전력량을 측정하고 이 정보를 요청으로 송신기에 보냅니다. 그런 다음 송신기는 서비스 중인 수신기의 모든 요청을 비교하고 필요에 따라 각 수신기에 무선 전력 펄스를 할당합니다.

회사는 이 접근 방식의 가능성이 일단 이러한 방식으로 에너지를 전달할 수 있게 되면 환경에서 장치에 전력을 공급하는 방법에 대한 모든 종류의 가정을 재고할 수 있다고 주장합니다. 무선 충전에서 무선 전력 공급으로 패러다임이 바뀝니다. 예를 들어 천장형 화재 경보기는 새 배터리가 필요하지 않으며 로봇 청소기는 부피가 큰 도킹 스테이션으로 돌아갈 필요 없이 제 역할을 수행합니다.

휴대폰은 우리에게 휴대용 장치에서 모든 것에 접근할 수 있다는 것을 가르쳐 주었습니다. 이 시설은 대역폭에 대한 접근과 적절한 수준의 배터리 충전에 의해서만 제한됩니다. 무선 에너지 전송은 전화나 자동차의 연결을 피하는 데 유용한 방법처럼 보이지만 결국에는 여전히 충전기 위치에 묶여 있습니다. 정의된 볼륨 내에 있는 모든 장치에 무선으로 전원을 공급하는 것이 현실화된다면 유선에서 스마트폰으로 이동할 때와 마찬가지로 기회와 행동이 변화하는 것을 볼 수 있습니다.

궁극적으로 이러한 변화는 정렬 문제를 지원하는 센서 또는 고전력 충전을 용이하게 하는 열 관리 솔루션과 같은 지원 기술의 발전과 함께 올 것입니다. 이를 위해서는 점점 더 연결되고 있지만 연결되지 않은 세상으로 가는 길을 제공하는 전문 지식이 필요합니다.

>> 이 기사는 원래 다음 날짜에 게시되었습니다. 자매 사이트인 EE Times Europe.

관련 콘텐츠:

• 차량 내 무선 전력 설계 문제 해결
• 무선 충전 기본 사항 이해
• 무선 충전 해결
• 무선 충전 솔루션으로 계속 발전하는 드론
• 무선 기술의 10가지 주요 트렌드
• 전기 자동차 전력 관리를 향상시키는 새로운 솔루션

더 많은 Embedded를 보려면 Embedded의 주간 이메일 뉴스레터를 구독하세요.