KR20170002257A - 무선전력전송을 위한 2차 코일 레이아웃 최적화 방법 및 시스템 - Google Patents

무선전력전송을 위한 2차 코일 레이아웃 최적화 방법 및 시스템 Download PDF

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Abstract

무선전력전송을 위한 2차 코일 레이아웃 최적화 방법 및 장치가 제시된다. 무선전력전송을 위한 2차 코일 레이아웃 최적화 방법에 있어서, 설계 영역을 반영한 고정격자를 기반으로 2차 코일을 재구성하여 상기 고정격자 각각에 대한 상대 턴수를 설정하고, 상기 2차 코일의 질량과 유도 전압 중 적어도 하나 이상을 구하여 상기 2차 코일의 레이아웃(layout)을 최적화하는 단계; 최적화된 상기 2차 코일의 레이아웃에 실효 턴수(effective turn)를 적용하여 후처리를 수행하는 단계; 및 상기 2차 코일에 대한 실제 코일의 레이아웃을 도출하는 단계를 포함하고, 상기 실효 턴수는 동일 위치에 존재하는 상기 상대 턴수 간의 차를 반영한다.

Description

무선전력전송을 위한 2차 코일 레이아웃 최적화 방법 및 시스템{Method and System for Layout Optimization of Secondary Coil for Wireless Power Transfer}
아래의 실시예들은 무선전력전송을 위한 2차 코일 레이아웃 최적화 방법 및 시스템에 관한 것이다.
무선전력전송은 1차 코일(송신부)에 공급된 전기에너지가 자계에너지를 유도하고, 유도된 자계에너지가 2차 코일(수신부)에서 다시 전기에너지를 유도하는 비접촉 전력전송 기술이다. 무선전력전송은 활발한 연구가 진행되고 있으며, 저전력 휴대용 전자기기부터 대전력 전기열차까지 다양한 제품 분야에 적용되고 있다.
최근, 무선전력전송의 효율성 향상과 안정성 보장을 위한 다수의 송신 코일 기반 무선전력전송 시스템 및 다수의 기기를 동시에 충전시키기 위한 다수의 수신 코일 기반 무선전력전송 시스템에 많은 관심이 기울여지고 있다. 이에, 많은 소비자들은 다수의 휴대용 전자기기를 동시에 빠른 속도로 충전하는 기능을 요구하고 있다.
다수의 기기에 대한 무선전력전송의 성능을 충족시키기 위해서는, 1차 및 2차 코일에 대한 최적의 레이아웃 선정을 통해 자계 에너지의 효율적인 전송이 확보되어야 한다.
기존의 무선전력전송 시스템용 코일 레이아웃 설계는 대부분 설계자의 경험과 직관에 의해 수행되어 왔다. 다만, 이는 다수의 송, 수신 시스템이 존재하고 다수의 요구 조건(전송용량, 전송효율, 시스템 질량, 인체 유해성 기준 등)을 만족시켜야 하는 최신의 무선전력전송 시스템의 코일 레이아웃 설계방법으로는 적합하지 않다.
따라서, 최근 새로이 요구되고 있는 무선전력전송 기능(muti-source 및 multi-device 기반의 무선전력전송) 구현을 위해서는, 기존 설계 방식과는 차별화된 체계적이고 효율적인 코일 레이아웃 설계방법이 요구되고 있다.
현재 활발히 연구가 진행되고 있는 무선전력전송 시스템의 효율성 향상은 인덕턴스, 커패시턴스, 입력주파수의 조정을 바탕으로 한 자기공진방식에 기반을 두고 있다.
다만, 자기공진방식의 경우, 1차와 2차의 오정렬(misalignment)과 환경 변화(온도 등)에 따른 인덕턴스의 변화가 공진주파수의 변화(입력 주파수와 시스템 주파수의 불일치)를 야기할 수 있으며, 이에 따라 시스템의 급격한 효율 저하와 같은 불안정성이 발생할 수 있다.
무선전력전송 시스템의 효율 향상과 안정성 확보 측면에서, 일정한 자기장(결합 계수 및 자기인덕턴스)을 생성 및 유지할 수 있는 1차 및 2차 코일의 레이아웃을 설계하기 위해 아래와 같은 접근법이 사용되어 왔다.
경험적 설계 방법(empirical design approaches)에 따르면, 무선전력전송 시스템의 효율성 향상을 위해 코일의 형상 및 위상, 개수, 치수 등을 임의로 변경시키고, 이에 따른 영향을 분석하는 방향으로 연구가 진행되고 있다.
종래 기술에 코일의 형상, 위상과 치수의 변경에 관한 기술을 기재하고 있으나, 경험적 설계 방법은 설계자의 지식과 직관에 의존하기 때문에 보다 체계적이고 효과적인 설계 방법론이 요구되고 있다.
설계 영역 탐색 방법(design domain search)에 따르면, 다수의 설계 변수 중, 1개 또는 2개의 설계 변수에 대한 전 영역 탐색(full design domain search)을 통해 시스템의 성능을 파악하고, 이를 향상시키기 위한 연구가 진행되고 있다.
종래 기술에 상호인덕턴스, 특성 임피던스, 내부 저항, 공진주파수의 전 영역 탐색에 관한 기술을 기재하고 있다. 설계 영역 탐색법은 경험적 설계 방법 대비 체계적인 설계를 수행하는 반면, 계산 상의 비효율성이 발생한다.
이와 같이 경험적 설계 방법과 설계 영역 탐색 방법은 다수의 제한 조건(전송용량, 전송효율, 질량, 인체 유해성 기준 등)을 만족시키지 못하는 한계점을 가지고 있다. 그리고, 다수의 송, 수신 시스템을 포함한 무선전력전송 시스템과 같이 설계 변수가 많을 경우 상호 간의 결합 효과(Coupling effects)를 모두 고려하지 못한다.
실시예들은 무선전력전송을 위한 2차 코일 레이아웃 최적화 방법 및 시스템에 관하여 기술하며, 보다 구체적으로 무선전력전송 시스템을 위한 2차 코일 레이아웃의 최적화를 위해, 고정격자 기반의 코일 표현과 실효 턴수를 제시하는 기술을 제공한다.
실시예들은 무선전력전송 시스템에 요구되는 모든 제한 조건(질량, 전송용량, 및 전송효율, 유도 전압, 인체 유해성 기준 등)을 만족시키면서 주어진 성능값(유도 전압, 전송용량 및 전송효율, 질량 등)을 최적화하는 최적의 2차 코일을 결정할 수 있는 무선전력전송을 위한 2차 코일 레이아웃 최적화 방법 및 시스템을 제공하는데 있다.
일 실시예에 따른 무선전력전송을 위한 2차 코일 레이아웃 최적화 방법에 있어서, 설계 영역을 반영한 고정격자를 기반으로 2차 코일을 재구성하여 상기 고정격자 각각에 대한 상대 턴수를 설정하고, 상기 2차 코일의 전자기적 측정치(전송효율, 전송용량, 유도 전압, 자기장 세기(EMF) 등)와 물리적 측정치(질량, 부피, 크기 등) 중 적어도 하나 이상을 구하여 상기 2차 코일의 레이아웃(layout)을 최적화하는 단계; 최적화된 상기 2차 코일의 레이아웃에 실효 턴수(effective turn)와 경계 조건의 코일 재현(smooth boundary representation)을 적용하여 후처리를 수행하는 단계; 및 상기 2차 코일에 대한 실제 코일의 레이아웃을 도출하는 단계를 포함하고, 상기 실효 턴수는 동일 위치에 존재하는 상기 상대 턴수 간의 차를 반영한다.
여기서, 상기 2차 코일의 전자기적 측정치(전송효율, 전송용량, 유도 전압, 자기장 세기(EMF) 등)와 물리적 측정치(질량, 부피, 크기 등) 중 적어도 하나 이상을 최대화 및 최소화 하는 목적 함수를 구하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 2차 코일의 전자기적 측정치(전송효율, 전송용량, 유도 전압, 자기장 세기(EMF) 등)와 물리적 측정치(질량, 부피, 크기 등)의 상한 및 하한 중 적어도 하나 이상을 포함하는 제한 조건을 구하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 2차 코일의 레이아웃을 최적화하는 단계는, 상기 설계 영역을 반영하여 상기 고정격자를 형성하는 단계; 상기 2차 코일을 상기 고정격자 기반으로 재구성하여 상기 고정격자 각각에 대한 상기 상대 턴수를 설정하여 실제 코일 턴수를 구하는 단계; 및 상기 2차 코일의 전자기적 측정치(전송효율, 전송용량, 유도 전압, 자기장 세기(EMF) 등)와 물리적 측정치(질량, 부피, 크기 등)를 구하여 상기 2차 코일의 레이아웃을 최적화하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 2차 코일의 레이아웃을 최적화하는 단계는, 실효 턴수(effective turn)을 통해 상기 2차 코일의 물리적 측정치(질량, 부피, 크기 등)을 계산하고, 맥스웰 방정식(비오-사바르의 법칙(Biot-Savart's law), 패러데이의 법칙(Faraday's law) 등)을 통해 상기 2차 코일의 전자기적 측정치(전송효율, 전송용량, 유도 전압, 자기장 세기(EMF) 등)을 계산하여 상기 2차 코일의 레이아웃을 최적화할 수 있다.
상기 실효 턴수를 적용하여 후처리를 수행하는 단계는, 상기 실효 턴수를 적용하여 상기 2차 코일의 물리적 측정치(질량, 부피, 크기 등)을 평가하는 단계; 및 상기 실효 턴수를 적용하여 상기 2차 코일의 전자기적 측정치(전송효율, 전송용량, 유도 전압, 자기장 세기(EMF) 등) 중 적어도 하나 이상을 평가하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 실효 턴수를 적용하여 후처리를 수행하는 단계는, 고정 격자 기반의 코일 재현과 실제 코일 구현 사이의 오차를 최소화 하기 위해, 경계 조건의 코일 재현(smooth boundary representation)을 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
다른 실시예에 따른 무선전력전송을 위한 2차 코일 레이아웃 최적화 시스템에 있어서, 설계 영역을 반영한 고정격자를 기반으로 2차 코일을 재구성하여 상기 고정격자 각각에 대한 상대 턴수를 설정하고, 상기 2차 코일의 전자기적 측정치(전송효율, 전송용량, 유도 전압, 자기장 세기(EMF) 등)와 물리적 측정치(질량, 부피, 크기 등) 중 적어도 하나 이상을 구하여 상기 2차 코일의 레이아웃을 최적화하는 최적화 모듈; 및 최적화된 상기 2차 코일의 레이아웃에 동일 위치에 존재하는 상기 상대 턴수 간의 차를 반영한 실효 턴수(effective turn)와 경계 조건의 코일 재현(smooth boundary representation)을 적용하여 후처리를 수행하는 분석 모듈을 포함하고, 최적화된 상기 2차 코일의 레이아웃을 후처리하여 상기 2차 코일에 대한 실제 코일의 레이아웃을 도출한다.
여기서, 상기 최적화 모듈은, 상기 2차 코일의 전자기적 측정치(전송효율, 전송용량, 유도 전압, 자기장 세기(EMF) 등)와 물리적 측정치(질량, 부피, 크기 등) 중 적어도 하나 이상을 최대화 및 최소화하는 목적 함수를 구하는 목적 함수 설정부를 포함할 수 있다.
상기 최적화 모듈은, 상기 2차 코일의 전자기적 측정치(전송효율, 전송용량, 유도 전압, 자기장 세기(EMF) 등)와 물리적 측정치(질량, 부피, 크기 등)의 상한 및 하한 중 적어도 하나 이상을 포함하는 제한 조건을 구하는 제한 조건 설정부를 포함할 수 있다.
상기 최적화 모듈은, 상기 설계 영역을 반영하여 상기 고정격자를 형성하는 고정격자 생성부; 상기 2차 코일을 상기 고정격자 기반으로 재구성하여 상기 고정격자 각각에 대한 상기 상대 턴수를 설정하여 실제 코일 턴수를 구하는 상대 턴수 설정부; 및 상기 2차 코일의 전자기적 측정치(전송효율, 전송용량, 유도 전압, 자기장 세기(EMF) 등)와 물리적 측정치(질량, 부피, 크기 등)을 구하여 상기 2차 코일의 레이아웃을 최적화하는 레이아웃부를 포함할 수 있다.
상기 최적화 모듈은, 실효 턴수(effective turn)을 통해 상기 2차 코일의 물리적 측정치(질량, 부피, 크기 등)을 계산하고, 맥스웰 방정식(비오-사바르의 법칙(Biot-Savart's law), 패러데이의 법칙(Faraday's law) 등)을 통해 상기 2차 코일의 전자기적 측정치(전송효율, 전송용량, 유도 전압, 자기장 세기(EMF) 등)을 계산하여 상기 2차 코일의 레이아웃을 최적화할 수 있다.
상기 분석 모듈은, 상기 2차 코일의 물리적 측정치(질량, 부피, 크기 등)을 계산하는 물리적 측정치 평가부; 및 상기 실효 턴수를 적용하여 상기 2차 코일의 전자기적 측정치(전송효율, 전송용량, 유도 전압, 자기장 세기(EMF) 등) 중 적어도 하나 이상을 평가하는 전자기적 측정치 평가부를 포함할 수 있다.
상기 전자기적 측정치 평가부는, 상기 실효 턴수에 기반하여 등가의 코일을 나타내어 등가의 유도 전압을 계산할 수 있다.
실시예들에 따르면 무선전력전송 시스템에 요구되는 모든 제한 조건(질량, 전송용량 및 효율, 인체 유해성 기준 등)을 만족시키면서 주어진 성능값(유도 전압, 질량 등)을 최적화하는 최적의 2차 코일을 결정할 수 있는 무선전력전송을 위한 2차 코일 레이아웃 최적화 방법 및 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 실시예들에 따르면 도출된 레이아웃을 실효 턴수(effective turn)와 경계 조건의 코일 재현(smooth boundary representation) 개념을 통해 후처리 함으로써, 실제 사용 가능한 코일 형태를 획득할 수 있는 무선전력전송을 위한 2차 코일 레이아웃 최적화 방법 및 시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 무선전력전송을 위한 2차 코일 레이아웃 최적화를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 고정격자 기반의 코일 표현을 나타내는 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 개별 선분(line segment)을 설명하기 위한 도면이다.
도 4은 일 실시예에 따른 고정격자 기반의 코일 표현을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 실효 턴수의 개념을 기반으로 코일의 질량을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 일 실시예에 따른 실효 턴수에 기반한 등가의 코일을 나타내는 도면이다.
도 7은 일 실시예에 따른 무선전력전송을 위한 2차 코일 레이아웃 최적화 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 8은 일 실시예에 따른 무선전력전송을 위한 2차 코일 레이아웃 최적화 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 9는 일 실시예에 따른 2차 코일 레이아웃 최적화의 적용 예를 나타내는 도면이다.
도 10은 일 실시예에 따른 2차 코일 레이아웃 최적화의 결과를 나타내는 도면이다.
도 11 및 도 12는 일 실시예에 따른 2차 코일 레이아웃 최적화에 대한 실험 검증 결과를 나타내는 도면이다.
도 13 및 도 14는 다른 실시예에 따른 4개의 1차 코일 존재 시 공극 변화에 따른 2차 코일 레이아웃의 최적설계 결과를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 설명한다. 그러나, 기술되는 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시예들에 의하여 한정되는 것은 아니다. 또한, 여러 실시예들은 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
실시예들은 무선전력전송 시스템을 위한 2차 코일 레이아웃(layout)의 최적화를 위해 고정격자 기반의 코일 표현과 실효 턴수를 제시함으로써, 무선전력전송 시스템의 성능을 극대화시킬 수 있는 2차 코일 레이아웃 최적화 방법 및 시스템을 제공한다.
또한, 실시예들은 최적설계를 무선전력전송 시스템에 적용하여, 다수의 설계 변수(코일과 페라이트의 구조 정보 등) 및 다양한 제한 조건(전송효율, 전송용량, 인체 유해성 기준 등)을 만족시키는 동시에 목적 함수(질량, 전송효율 등)를 최소화 또는 최대화함으로써, 주어진 조건하에서 무선전력전송 시스템의 성능을 극대화시킬 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 무선전력전송을 위한 2차 코일 레이아웃 최적화를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 무선전력전송은 1차 코일(송신부)에 공급된 전기에너지가 자계에너지를 유도하고, 유도된 자계에너지가 2차 코일(수신부)에서 다시 전기에너지를 유도하는 비접촉 전력전송 기술이다. 다수의 기기에 대한 무선전력전송의 성능을 충족시키기 위해서는, 1차 및 2차 코일에 대한 최적 레이아웃 선정을 통해 자계 에너지의 효율적인 전송이 확보되어야 한다.
실시예에 따르면 1차 코일에 대한 레이아웃은 기설정된 상태이고 2차 코일에 대한 레이아웃은 정해지지 않은 상태에서, 무선전력전송을 위한 2차 코일 레이아웃의 최적화를 구현할 수 있다.
단계(100)에서, 무선전력전송을 위한 2차 코일 레이아웃(layout) 최적화 시스템(아래에서 간단히 '최적화 시스템'이라 한다.)은 초기의 설계 변수 정보가 제공될 수 있다. 예를 들어, 초기의 설계 변수 정보는 1차 코일(101), 공극(Air-gap), 공간 좌표 정보(103), 코일의 질량(104), 전력의 전송효율 및 용량(105), EMF(electromagnetic field) 회로 정보(106) 등이 될 수 있다. 여기서, 공극(Air-gap)은 1차 코일(101)과 2차 코일(102) 사이의 이격된 공간을 의미할 수 있다.
최적화 시스템을 통해 설계 영역 상의 개별 고정격자의 상대 턴수를 설정하여 설계 변수를 설정할 수 있다.
또한, 최적화 시스템은 목적 함수 및 제한 조건을 설정할 수 있다. 일례로, 2차 코일의 유도 전압의 최대화와 2차 코일의 질량의 최소화 등의 목적 함수를 설정할 수 있다. 다른 예로, 2차 코일 질량의 상한과 2차 유도전압의 하한 또는 정격 전압 유지, 자기장 세기(인체 유해성)의 상한 등의 제한 조건을 설정할 수 있다.
단계(110)에서, 최적화 시스템은 전체 설계 영역과 같은 형상과 크기를 가진 고정격자를 생성할 수 있다.
단계(120)에서, 최적화 시스템은 고정격자에 코일을 재구성함으로써, 고정격자 기반의 코일 표현(Fixed grid-based coil representation)을 통해 최적화된 코일을 레이아웃 할 수 있다.
단계(130)에서, 최적화 시스템은 도출된 최적화된 코일 레이아웃에 실효 턴수를 기반으로 등가의 코일 레이아웃을 획득할 수 있다. 즉, 실효 턴수에 의해 내부가 삭제되어 코일의 외부 루프(outer loop)만 남은 등가의 코일을 얻을 수 있다.
마지막으로, 단계(140)에서, 최적화 시스템은 등가의 코일을 통해 2차 코일에 대한 설계안을 확보할 수 있고, 최종적으로 코일을 감은 형태를 구현할 수 있다.
따라서, 최적으로 에너지를 전송 받을 수 있는 2차 코일의 형상을 구현할 수 있다.
이와 같이 실시예들을 통해 무선전력전송 시스템에 요구되는 모든 제한 조건(질량, 전송용량 및 전송효율, 인체 유해성 기준 등)을 만족시키는 동시에, 주어진 목적 함수(유도 전압, 질량 등)를 최적화하는 최적의 2차 코일을 결정할 수 있는 무선전력전송을 위한 2차 코일 레이아웃 최적화 방법 및 시스템을 제공할 수 있다.
아래에서는 고정격자 기반의 코일 표현(Fixed grid-based coil representation)에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
도 2는 일 실시예에 따른 고정격자 기반의 코일 표현을 나타내는 도면이다.
코일 레이아웃의 최적화를 위해, 전체 설계 영역을 같은 형상과 크기를 가지는 고정 격자로 세분화할 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 실제 코일의 형상은 고정격자 기반으로 재구성될 수 있다. 예를 들어, 도 2의 (a)와 같이 원형의 코일이 있는 경우, (b)에 도시된 바와 같이 고정격자 기반의 코일 표현(Fixed grid-based coil representation)으로 나타낼 수 있다.
고정격자의 크기를 충분히 작게 설정할 경우, 임의의 코일 레이아웃(형상, 크기 등)에 대해서도 고정격자 기반으로 재구성 가능하다.
고정격자 기반의 코일 표현(Fixed grid-based coil representation)을 위해, 아래와 같은 설계 변수를 설정할 수 있다.
개별 고정격자의 실제 코일 턴수(Physical coil turn)(N (i, j) )는 상대 턴수(n (i, j) ), 기준 턴수(N 0 ), 페널티 지수(γ)를 기반으로 다음 수학식 1과 같이 표현할 수 있다.
Figure pat00001
여기서, n (i, j) 는 상대 턴수(relative turn)(i.e. 0 < n min = n (i, j) = 1)이고, N 0 는 기준 턴수(reference turn)이며, γ는 1 이상의 페널티 지수(penalty exponent)가 될 수 있다.
고정격자를 표현하는 개별 선분(line segment)은 맥스웰 방정식(Maxwell equations)(비오-사바르의 법칙(Biot-Savart's law), 패러데이의 법칙(Faraday's law) 등)과 관련한 기본 구성 모듈이 될 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 개별 선분(line segment)을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 고정격자를 복수의 선분(line segment)으로 구성될 수 있으며, 이러한 고정격자를 나타내는 개별 선분(line segment)을 하나의 예를 이용하여 설명할 수 있다.
예를 들어, 비오-사바르의 법칙(Biot-Savart's law)을 이용하여 개별 선분(line segment)을 설명할 수 있다.
이러한 개별 선분(line segment)에 대해 다음의 수학식 2와 같이 단위 벡터들(Unit vectors)로 나타낼 수 있다.
Figure pat00002
이 때, p에서의 자기장 강도는 다음의 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00003
따라서, 모든 선분의 전체 자기장 강도는 수학식 4와 같이 표현할 수 있다.
Figure pat00004
도 4은 일 실시예에 따른 고정격자 기반의 코일 표현을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 일례로 패러데이의 법칙(Faraday's law)을 이용하여 고정격자 기반의 코일 표현(Fixed grid-based coil representation)을 설명할 수 있다. 고정격자 기반의 코일 표현(Fixed grid-based coil representation)을 이용하여, 패러데이의 법칙에서 각 격자로 유도 전압을 결정할 수 있으며 다음의 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00005
여기서, A는 고정격자의 면적이고, ds는 극소 영역의 표면 벡터를 나타낸다.
이 때, 설계 영역은 미세하게 격자로 나누어져 있으므로, 각각의 개별 고정격자에서의 자기장은 균일한 것으로 가정할 수 있다. 예를 들어, 고정격자에서 각각의 격자 내 중심점(center point)과 주변부의 자기장의 차이가 크지 않으므로 중심점의 자기장의 구한 후 면적을 곱하여 표현할 수 있다. 따라서 유도 전압을 다음의 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00006
그리고, 총 유도 전압은 각 고정격자의 유도 전압의 합산에 의해 구할 수 있으며, 다음의 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00007
계속해서 실효 턴수(effective turns)에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
도 5는 일 실시예에 따른 실효 턴수의 개념을 기반으로 코일의 질량을 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 역방향 전류를 가진 2개의 선분(line segment)이 같은 위치에 존재할 경우, 각각의 상대 턴수의 차이가 코일의 질량, 자기장 등의 결정시 실질적인 영향을 미칠 수 있다. 즉, 같은 위치에 전류 방향이 서로 다른 2개의 선분(line segment)가 위치하는 경우, 효과적인 면에서 전류가 서로 상쇄될 수 있다. 여기서, 실효 턴수는 동일 위치에 존재하는 상대 턴수 간의 차이를 나타낼 수 있다.
이러한 실효 턴수를 활용하여 등가의 코일 질량 및 유도 전압을 계산할 수 있다.
격자의 (i, j)에서 코일의 실효 질량은 실효 턴수의 관점에서 평가되고 다음의 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00008
여기서, p는 코일의 선분 밀도를 나타내고, l은 고정격자의 측면 길이를 나타낸다.
도 6은 일 실시예에 따른 실효 턴수에 기반한 등가의 코일을 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 실효 턴수에 기반하여 등가의 코일(Equivalent closed loop)을 나타낼 수 있다. 앞에서 언급한 바와 같이, 역방향 전류를 가진 2개의 선분(line segment)이 같은 위치에 존재할 경우, 각각의 상대 턴수의 차이가 코일의 질량, 자기장 등의 결정시 실질적인 영향을 미칠 수 있다. 이러한 실효 턴수를 활용하여 등가의 유도 전압을 계산할 수 있다.
고정격자 기반의 코일 표현(Fixed grid-based coil representation)에서의 유도 전압은 다음 수학식 9와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00009
상기의 값은 등가의 코일(Equivalent closed loop)에서의 유도 전압과 동일하며, 다음의 수학식 10과 같이 표현할 수 있다.
Figure pat00010
이와 같이, 실효 턴수에 기반하여 유도 전압이 동일한 외부 루프(outer loop)만 남은 등가의 코일(Equivalent closed loop)로 나타낼 수 있다.
도 7은 일 실시예에 따른 무선전력전송을 위한 2차 코일 레이아웃 최적화 방법을 나타내는 흐름도이다.
2차 코일 레이아웃에 대한 최적설계를 위해서 무선전력전송을 위한 2차 코일 레이아웃 최적화 시스템이 사용될 수 있다. 이러한 무선전력전송을 위한 2차 코일 레이아웃 최적화 시스템은 최적화 모듈 및 분석 모듈을 포함할 수 있다.
단계(710)에서, 최적화 모듈은 설계 영역을 반영한 고정격자를 기반으로 2차 코일을 재구성하여 고정격자 각각에 대한 상대 턴수를 설정할 수 있다. 그리고, 2차 코일의 전자기적 측정치와 물리적 측정치 중 적어도 하나 이상을 구하여 2차 코일의 레이아웃을 최적화할 수 있다. 여기서, 전자기적 측정치는 상기 2차 코일의 전송효율, 전송용량, 유도 전압, 자기장 세기(EMF) 중 적어도 하나 이상을 포함하며, 물리적 측정치는 상기 2차 코일의 질량, 부피, 크기 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
한편, 2차 코일의 레이아웃을 최적화 하기 이전에 초기 설계 변수의 정보가 제공될 수 있다(700).
최적화 모듈에서 2차 코일의 레이아웃을 최적화 하는 방법을 더 구체적으로 살펴보면, 먼저 최적화 모듈은 설계 영역을 반영하여 고정격자를 형성할 수 있다. 그리고 최적화 모듈은 상기의 고정격자에 2차 코일을 고정격자 기반으로 재구성할 수 있다. 여기서, 고정격자 각각에 대한 상대 턴수를 설정하고 실제 코일 턴수를 구할 수 있다. 이에 따라 최적화 모듈은 2차 코일의 질량과 유도 전압 등을 구하여 2차 코일의 레이아웃을 최적화할 수 있다.
일례로, 실효 턴수(effective turn)를 통해 2차 코일의 물리적 측정치(질량, 부피, 크기 등)을 계산할 수 있다. 또한, 맥스웰 방정식(비오-사바르의 법칙(Biot-Savart's law), 패러데이의 법칙(Faraday's law) 등)을 통해 2차 코일의 전자기적 측정치(전송효율, 전송용량, 유도 전압, 자기장 세기(EMF) 등)를 계산함으로써, , 2차 코일의 레이아웃을 최적화할 수 있다. 여기서, 비오-사바르의 법칙 및 패러데이의 법칙은 전자기적 측정치를 계산하는 방법 중 하나로, 이에 한정되지는 않는다.
단계(720)에서, 분석 모듈은 최적화된 2차 코일의 레이아웃에 동일 위치에 존재하는 상대 턴수 간의 차를 반영한 실효 턴수(effective turn)를 적용하여 후처리를 수행할 수 있다.
더 구체적으로, 단계(721)에서 분석 모듈은 실효 턴수를 적용하여 2차 코일의 질량, 부피, 크기 등을 포함하는 물리적 측정치중 적어도 하나 이상을 평가할 수 있다. 그리고 단계(722)에서, 분석 모듈은 실효 턴수를 적용하여 2차 코일의 전송효율, 전송용량, 유도 전압, 자기장 세기(EMF) 등을 포함하는 전자기적 측정치 중 적어도 하나 이상을 평가할 수 있다.
분석 모듈은 고정 격자 기반의 코일 재현과 실제 코일 구현 사이의 오차를 최소화하기 위해, 경계 조건의 코일 재현(smooth boundary representation)을 계산할 수 있다.
그리고 후처리에 기반하여 등가의 코일을 나타내어 등가의 전자기적 측정치자기장 세기를 계산할 수 있다.
예를 들어 실효 턴수와 경계 조건의 코일 재현을 적용하여 후처리를 수행하기 위해, 분석 모듈은 실효 턴수와 경계 조건의 코일 재현에 기반하여 등가의 코일을 나타내어 등가의 유도 전압을 계산함으로써 유도 전압을 분석할 수 있다.
분석 모듈에서 분석된 결과는 다음의 목적 함수 및 제약 조건과 대응 감도를 계산하기 위해 최적화 모듈로 전달될 수 있다.
단계(730)에서, 최적화 모듈과 분석 모듈은 서로 연결되어 정보를 전달함으로써 2차 코일에 대한 실제 코일의 레이아웃을 도출할 수 있다. 다시 말하면, 최적화 모듈은 분석 모듈에서 평가한 정보를 전달 받아 목적 함수 및 제약 조건을 구하고(731), 대응 감도를 계산할 수 있다(732). 전자기적 측정치(전송효율, 전송용량, 유도 전압, 자기장 세기(EMF) 등)와 물리적 측정치(질량, 부피, 크기 등)의 분석적 감도는 보다 높은 계산적 효율성을 얻을 수 있다.
그리고 실제 코일의 레이아웃을 도출하는 단계는, 고정격자로　구성된　상기 2차 코일을　상기　실효　턴수를　바탕으로　매끄러운　경계를　가진　코일로　후처리 하고, 이후, 매끄러운　경계로　표현된　상기 2차　코일의　물리적　특성치　및　전자기적　특성치를　계산할 수 있다. 여기서, 물리적 특성치는 2차 코일의 질량, 부피, 크기 등을 포함할 수 있고, 전자기적 특성치는 2차 코일의 전송효율, 전송용량, 유도 전압, 자기장 세기(EMF) 등을 포함할 수 있다.
한편, 최적화 모듈은 목적 함수 및 제한 조건을 설정할 수 있다. 예를 들어, 2차 코일의 유도 전압의 최대화와 2차 코일의 질량의 최소화 중 적어도 하나 이상 포함하는 목적 함수가 설정될 수 있다. 다른 예로, 2차 코일의 질량의 상한과 2차 코일의 유도 전압의 하한 중 적어도 하나 이상을 포함하는 제한 조건이 설정될 수 있다.
그리고 목적 함수와 설계 변수를 분석하여 기설정된 값 이내일 경우 2차 코일 레이아웃 최적화 프로세스를 종료할 수 있다(733). 예를 들어, 두 개의 연속적인 반복 사이의 목적 함수 및 설계 변수의 상대적인 변화는 각각 0.001 및 0.0001 인 경우, 최적화 프로세스는 종료할 수 있다.
그렇지 않은 경우에는 최적화 모듈은 설계 변수를 갱신하고, 절차를 반복한다. 최적화 프로세스가 종료되면 2차 코일의 최적화된 레이아웃을 결정할 수 있다.
따라서 최적화 모듈에서 2차 코일의 질량과 유도 전압을 구하여 2차 코일의 레이아웃을 최적화하고, 분석 모듈에서 2차 코일의 질량과 유도 전압을 평가함으로써, 보다 정확한 2차 코일에 대한 실제 코일의 레이아웃을 도출할 수 있다.
이에 따라, 일 실시예에 따르면 무선전력전송 시스템에 요구되는 모든 제한 조건(질량, 전송용량, 전송효율, 인체 유해성 기준 등)을 만족시키는 동시에, 주어진 목적 함수(전송효율, 유도 전압, 질량 등)를 최적화하는 최적의 2차 코일을 결정할 수 있는 무선전력전송을 위한 2차 코일 레이아웃 최적화 방법을 제공할 수 있다.
아래에서는 일 실시예에 따른 무선전력전송을 위한 2차 코일 레이아웃 최적화 시스템을 하나의 예를 들어 설명하기로 한다.
도 8은 일 실시예에 따른 무선전력전송을 위한 2차 코일 레이아웃 최적화 시스템을 나타내는 블록도이다. 이러한 무선전력전송을 위한 2차 코일 레이아웃 최적화 시스템은 도 7에서 설명한 무선전력전송을 위한 2차 코일 레이아웃 최적화 방법을 통해 구현될 수 있다.
도 8을 참조하면, 무선전력전송을 위한 2차 코일 레이아웃 최적화 시스템은 최적화 모듈(810)과 분석 모듈(820)로 이루어질 수 있다.
최적화 모듈(810)은 설계 영역을 반영한 고정격자를 기반으로 2차 코일을 재구성하여 고정격자 각각에 대한 상대 턴수를 설정하고, 2차 코일의 질량과 유도 전압 중 적어도 하나 이상을 구하여 2차 코일의 레이아웃을 최적화할 수 있다.
이러한 최적화 모듈(810)은 고정격자 생성부(811), 상대 턴수 설정부(812), 및 레이아웃부(813)를 포함하여 이루어질 수 있다.
고정격자 생성부(811)는 설계 영역을 반영하여 고정격자를 형성할 수 있다.
상대 턴수 설정부(812)는 2차 코일을 고정격자 기반으로 재구성하여 고정격자 각각에 대한 상대 턴수를 설정하여 실제 코일 턴수를 구할 수 있다.
레이아웃부(813)는 2차 코일의 질량과 유도 전압 등을 구하여 2차 코일의 레이아웃을 최적화할 수 있다.
또한, 최적화 모듈(810)은 실효 턴수를 통해 2차 코일의 질량 등을 계산할 수 있다. 그리고, 최적화 모듈(810)은 맥스웰 방정식(Maxwell equations)(비오-사바르의 법칙(Biot-Savart's law), 패러데이의 법칙(Faraday's law) 등)을 통해 2차 코일의 유도 전압 등을 계산하여 2차 코일의 레이아웃을 최적화할 수 있다.
최적화 모듈(810)은 분석 모듈(820)로부터 후처리 결과를 전달 받아, 2차 코일의 질량 등을 포함하는 물리적 측정치와 유도 전압을 포함하는 전자기적 측정치 중 적어도 하나 이상을 분석하여 2차 코일에 대한 실제 코일의 레이아웃을 도출할 수 있다.
즉, 최적화 모듈(810)은 분석 모듈(820)에서 평가한 정보를 전달 받아 목적 함수 및 제약 조건을 구하고, 대응 감도를 계산할 수 있다. 전송효율, 전송용량, 유도 전압, 자기장의 세기, 코일의 질량 등의 분석적 감도는 보다 높은 계산적 효율성을 얻을 수 있다.
예를 들어, 최적화 모듈(810)의 목적 함수 설정부(814)에서 2차 코일의 유도 전압의 최대화와 2차 코일의 질량 최소화 중 적어도 하나 이상 포함하는 목적 함수를 설정할 수 있다.
그리고 최적화 모듈(810)은 2차 코일의 전자기적 측정치와 물리적 측정치의 상한 및 하한 중 적어도 하나 이상을 포함하는 제한 조건을 구하는 제한 조건 설정부(815)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 최적화 모듈(810)의 제한 조건 설정부(815)에서 2차 코일의 질량 상한과 2차 코일의 유도 전압 하한 중 적어도 하나 이상을 포함하는 제한 조건을 설정할 수 있다.
그리고, 최적화 모듈(810)은 목적 함수와 설계 변수를 분석하여 기설정된 값 이내일 경우 2차 코일 레이아웃 최적화 프로세스를 종료할 수 있다. 예를 들어, 두 개의 연속적인 반복 사이의 목적 함수 및 설계 변수의 상대적인 변화는 각각 0.001 및 0.0001 인 경우, 최적화 프로세스는 종료할 수 있다.
그렇지 않은 경우에는 최적화 모듈(810)은 설계 변수를 갱신하고, 절차를 반복한다. 최적화 프로세스가 종료되면 2차 코일의 최적화된 레이아웃을 결정할 수 있다.
분석 모듈(820)은 최적화된 2차 코일의 레이아웃에 동일 위치에 존재하는 상대 턴수 간의 차를 반영한 실효 턴수(effective turn)를 적용하여 후처리를 수행할 수 있다. 예를 들어, 분석 모듈(820)은 그래프 등을 통해 유도 전압이 포화되는 지점을 확인하여 평가 및 시스템을 최적화할 수 있다.
더 구체적으로, 분석 모듈(820)은 전자기적 측정치 평가부(821) 및 물리적 측정치 평가부(822)를 포함함으로써 이루어질 수 있다.
전자기적 측정치 평가부(821)는 실효 턴수를 적용하여 2차 코일의 전송효율, 전송용량, 유도 전압, 자기장 세기 중 적어도 하나 이상을 평가할 수 있다.
이러한 전자기적 측정치 평가부(821)는 상기의 후처리에 기반하여 등가의 코일을 나타내어 등가의 전자기적 측정치를 계산할 수 있다. 또한, 전자기적 측정치 평가부는 전송효율, 전송용량, 유도 전압, 자기장 세기에 한정되지 않는다.
물리적 측정치 평가부(822)는 실효 턴수를 적용하여 2차 코일의 실효 질량 등의 물리적 측정치를 평가할 수 있다.
일례로, 분석 모듈(820)은 특정 위치에서 전자파 차단을 위해 특정 위치에서의 전자파의 제한 수치를 설정할 수 있다.
이와 같이 최적화 모듈(810)과 분석 모듈(820)은 서로 연결되어 정보를 전달함으로써, 최적화된 2차 코일의 레이아웃을 도출하고, 이러한 2차 코일의 레이아웃을 후처리 하여 2차 코일에 대한 실제 코일의 레이아웃을 도출할 수 있다.
도 9는 일 실시예에 따른 2차 코일 레이아웃 최적화의 적용 예를 나타내는 도면이다.
도 9를 참조하면 2차 코일 레이아웃 최적화의 적용 예를 나타내는 것으로, 1차 코일 정보는 기 설정될 수 있다. 이 때, 2차 코일 레이아웃 최적화를 위해 초기의 설계 변수 정보가 제공될 수 있다. 예를 들어, 초기의 설계 변수 정보는 1차 코일의 사이즈 및 턴수에 대한 정보, 공진 주파수, 2차 코일을 위한 설계 영역 등을 포함할 수 있다.
도 10은 일 실시예에 따른 2차 코일 레이아웃 최적화의 결과를 나타내는 도면이다.
도 10을 참조하면, 제안 발명을 활용하여 동일한 최적설계 수식 하에서 3개의 공극(Air-gap) 조건에 대한 2차 코일 레이아웃의 설계안을 도출할 수 있다.
도 10의 (a)는 3개의 공극 조건에서 반복 횟수에 따라 목적 함수 값을 비교하여 2차 코일 레이아웃의 설계안을 도출할 수 있고, (b)는 3개의 공극 조건에서 반복 횟수에 따라 질량 제한 조건을 비교하여 2차 코일 레이아웃의 설계안을 도출할 수 있다. 여기서, 질량 제한 조건은 음수로 주어질 수 있다.
도 10의 (c)는 3개의 공극 조건에서의 계산적 결과를 나타내며, (d)에 도시된 바와 같이 3개의 공극 조건에서 반복에 따라 영역이 점차 최적을 찾아감으로써 2차 코일 레이아웃의 최적화 결과를 확인할 수 있다.
도 11 및 도 12는 일 실시예에 따른 2차 코일 레이아웃 최적화에 대한 실험 검증 결과를 나타내는 도면이다.
도 11 및 도 12을 참조하면, 예를 들어 공극 10mm 및 40mm에서의 실험을 통한 검증을 할 수 있다.
도 11에 도시된 바와 같이, 2개의 공극(10mm, 40mm)에 대한 최적설계 결과를 후처리하여 실제 코일 형태를 도출하고, 이를 적용하여 동일한 조건 하에서 실험을 수행할 수 있다. 다시 말하면 각각의 공극 조건에서 최적설계를 수행하고, 실효 턴수를 적용함으로써 내부는 삭제되고 외부 루프(outer loop)만 남게 되어, 이를 통해 최종적인 실제 코일 형태를 도출할 수 있다.
도 12에 도시된 바와 같이 실험 회로를 설계할 수 있으며, 각 공극 별로 수치 결과와 실험 결과의 전자기적 측정치 및 물리적 측정치를 비교하여 오차 범위를 확인할 수 있다. 이와 같이, 수치 결과와 실험 결과의 오차 범위를 고려함으로써 타당성 및 유효성이 검증될 수 있다.
도 13 및 도 14는 다른 실시예에 따른 4개의 1차 코일 존재 시 공극 변화에 따른 2차 코일 레이아웃의 최적설계 결과를 나타내는 도면이다.
도 13을 참조하면, 4개의 1차 코일 존재 시 공극 변화에 따른 2차 코일 레이아웃의 최적설계 결과를 확인할 수 있다.
도 14를 참조하면, 4개의 1차 코일이 존재 하는 경우에도 2차 코일 레이아웃의 최적설계에 실효 턴수를 적용한 등가의 코일을 구할 수 있다. 여기서, 최적설계에서 내부는 삭제되고 외부 루프(outer loop)와 내부 루프(inner loop)가 남아, 이를 통해 최종적인 실제 코일 형태를 도출할 수 있다.
실시예들은 고정격자 기반의 코일 표현과 실효 턴수 개념을 도입하여 무선전력전송 시스템의 코일 레이아웃을 최적화하는 방법으로서, 기존에 시도된 바 없었던 새로운 패러다임의 방법이다.
또한, 실시예들은 다수의 설계 변수를 포함하는 복잡한 무선전력전송 시스템을 대상으로, 다수의 제한 조건들을 만족시키면서 주어진 목적 함수를 최적화(혹은 최소화)시킬 수 있는 최적의 코일 레이아웃을 도출할 수 있다. 이를 통해 주어진 조건하에서 무선전력전송 시스템의 성능을 극대화시킬 수 있다.
더욱이 강건 최적설계(robust optimization) 방법을 추가적으로 적용할 경우 송, 수신 시스템의 오정렬(misalignment)과 온도 변화에 따른 재질 특성 변화 등이 야기하는 인덕턴스 변화 및 이로 인한 시스템의 불안정성을 최소화할 수 있다. 이에 따라 무선전력전송 시스템의 안정성을 극대화시킬 수 있다.
실시예들은 설계자의 직관과 경험에 의존하는 기존 설계 방식과 달리, 최적설계에 기반하여 최적의 코일 레이아웃을 결정하기 때문에 제품 개발 과정에서 발생하는 시행착오(trial and error)를 대폭 줄일 수 있다. 이는 곧 제품 개발에 소요되는 시간 및 비용의 감소를 의미할 수 있다.
이러한 실시예들에 따른 무선전력전송을 위한 2차 코일 레이아웃 최적화 방법 및 시스템은 저전력 휴대용 전자기기부터 대전력 전기자동차까지 다양한 무선전력전송 분야에 적용이 가능하며, 개별 제품의 경쟁력 강화에 크게 기여할 것으로 기대된다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (15)

  1. 설계 영역을 반영한 고정격자를 기반으로 2차 코일을 재구성하여 상기 고정격자 각각에 대한 상대 턴수를 설정하고, 상기 2차 코일의 전자기적 측정치와 물리적 측정치 중 적어도 하나 이상을 구하여 상기 2차 코일의 레이아웃(layout)을 최적화하는 단계;
    최적화된 상기 2차 코일의 레이아웃에 실효 턴수(effective turn)를 적용하여 후처리를 수행하는 단계; 및
    상기 2차 코일에 대한 실제 코일의 레이아웃을 도출하는 단계
    를 포함하고,
    상기 전자기적 측정치는 상기 2차 코일의 전송효율, 전송용량, 유도 전압, 자기장 세기(EMF) 중 적어도 하나 이상을 포함하며, 상기 물리적 측정치는 상기 2차 코일의 질량, 부피, 크기 중 적어도 하나 이상을 포함하고,
    상기 실효 턴수는 동일 위치에 존재하는 상기 상대 턴수 간의 차를 반영한 것을 특징으로 하는 무선전력전송을 위한 2차 코일 레이아웃 최적화 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 2차 코일의 상기 전자기적 측정치와 상기 물리적 측정치 중 적어도 하나 이상을 최대화 또는 최소화하는 목적 함수를 구하는 단계
    를 더 포함하는 무선전력전송을 위한 2차 코일 레이아웃 최적화 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 2차 코일의 상기 전자기적 측정치와 상기 물리적 측정치의 상한 및 하한 중 적어도 하나 이상을 포함하는 제한 조건을 구하는 단계
    를 더 포함하는 무선전력전송을 위한 2차 코일 레이아웃 최적화 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 2차 코일의 레이아웃을 최적화하는 단계는,
    상기 설계 영역을 반영하여 상기 고정격자를 형성하는 단계;
    상기 2차 코일을 상기 고정격자 기반으로 재구성하여 상기 고정격자 각각에 대한 상기 상대 턴수를 설정하여 실제 코일 턴수를 구하는 단계; 및
    상기 2차 코일의 상기 전자기적 측정치와 상기 물리적 측정치를 구하여 상기 2차 코일의 레이아웃을 최적화하는 단계
    를 포함하는 무선전력전송을 위한 2차 코일 레이아웃 최적화 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 2차 코일의 레이아웃을 최적화하는 단계는,
    상기 실효 턴수(effective turn)를 통해 상기 2차 코일의 상기 물리적 측정치를 계산하고, 맥스웰 방정식(Maxwell equations)을 통해 상기 2차 코일의 상기 전자기적 측정치를 계산하여 상기 2차 코일의 레이아웃을 최적화하는 것
    을 특징으로 하는 무선전력전송을 위한 2차 코일 레이아웃 최적화 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 실효 턴수를 적용하여 후처리를 수행하는 단계는,
    상기 실효 턴수를 적용하여 상기 2차 코일의 상기 물리적 측정치를 계산하는 단계; 및
    상기 실효 턴수를 적용하여 상기 2차 코일의 상기 전자기적 측정치를 평가하는 단계
    를 포함하는 무선전력전송을 위한 2차 코일 레이아웃 최적화 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 실효 턴수를 적용하여 후처리를 수행하는 단계는,
    상기 고정격자 기반의 코일 재현과 상기 실제 코일 구현 사이의 오차를 최소화하기 위해, 경계 조건의 코일 재현(smooth boundary representation)을 계산하는 단계
    를 포함하는 무선전력전송을 위한 2차 코일 레이아웃 최적화 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 실제 코일의 레이아웃을 도출하는 단계는,
    상기 고정격자로　구성된　상기 2차 코일을　상기　실효　턴수를　바탕으로　매끄러운　경계를　가진　코일로　후처리 하는　단계;　및
    매끄러운　경계로　표현된　상기 2차　코일의　물리적　특성치　및　전자기적　특성치를　계산하는　단계
    를 포함하는 무선전력전송을 위한 2차 코일 레이아웃 최적화 방법.
  9. 설계 영역을 반영한 고정격자를 기반으로 2차 코일을 재구성하여 상기 고정격자 각각에 대한 상대 턴수를 설정하고, 상기 2차 코일의 전자기적 측정치와 물리적 측정치 중 적어도 하나 이상을 구하여 상기 2차 코일의 레이아웃을 최적화하는 최적화 모듈; 및
    최적화된 상기 2차 코일의 레이아웃에 동일 위치에 존재하는 상기 상대 턴수 간의 차를 반영한 실효 턴수(effective turn)를 적용하여 후처리를 수행하는 분석 모듈
    을 포함하고,
    상기 전자기적 측정치는 상기 2차 코일의 전송효율, 전송용량, 유도 전압, 자기장 세기(EMF) 중 적어도 하나 이상을 포함하며, 상기 물리적 측정치는 상기 2차 코일의 질량, 부피, 크기 중 적어도 하나 이상을 포함하고,
    상기 최적화 모듈은 상기 분석 모듈로부터 후처리 결과를 전달 받아, 상기 2차 코일의 상기 전자기적 측정치와 상기 물리적 측정치 중 적어도 하나 이상을 분석하여 상기 2차 코일에 대한 실제 코일의 레이아웃을 도출하는 것을 특징으로 하는 무선전력전송을 위한 2차 코일 레이아웃 최적화 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 최적화 모듈은,
    상기 2차 코일의 상기 전자기적 측정치와 상기 물리적 측정치중 적어도 하나 이상을 최대화 및 최소화하는 목적 함수를 구하는 목적 함수 설정부
    를 포함하는 무선전력전송을 위한 2차 코일 레이아웃 최적화 시스템.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 최적화 모듈은,
    상기 2차 코일의 상기 전자기적 측정치와 상기 물리적 측정치의 상한 및 하한 중 적어도 하나 이상을 포함하는 제한 조건을 구하는 제한 조건 설정부
    를 포함하는 무선전력전송을 위한 2차 코일 레이아웃 최적화 시스템.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 최적화 모듈은,
    상기 설계 영역을 반영하여 상기 고정격자를 형성하는 고정격자 생성부;
    상기 2차 코일을 상기 고정격자 기반으로 재구성하여 상기 고정격자 각각에 대한 상기 상대 턴수를 설정하여 실제 코일 턴수를 구하는 상대 턴수 설정부; 및
    상기 2차 코일의 상기 전자기적 측정치와 상기 물리적 측정치를 구하여 상기 2차 코일의 레이아웃을 최적화하는 레이아웃부
    를 포함하는 무선전력전송을 위한 2차 코일 레이아웃 최적화 시스템.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 최적화 모듈은,
    상기 실효 턴수(effective turn)을 통해 상기 2차 코일의 상기 물리적 측정치를 계산하고, 맥스웰 방정식(Maxwell equations)을 통해 상기 2차 코일의 상기 전자기적 측정치를 계산하여 상기 2차 코일의 레이아웃을 최적화하는 것
    을 특징으로 하는 무선전력전송을 위한 2차 코일 레이아웃 최적화 시스템.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 분석 모듈은,
    상기 실효 턴수를 적용하여 상기 2차 코일의 상기 물리적 측정치를 계산하는 물리적 측정치 평가부; 및
    상기 실효 턴수를 적용하여 상기 2차 코일의 상기 전자기적 측정치를 평가하는 전자기적 측정치 평가부
    를 포함하는 무선전력전송을 위한 2차 코일 레이아웃 최적화 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 전자기적 측정치 평가부는,
    상기 후처리에 기반하여 등가의 코일을 나타내어 등가의 상기 전자기적 측정치를 계산하는 것
    을 특징으로 하는 무선전력전송을 위한 2차 코일 레이아웃 최적화 시스템.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102085010B1 (ko) * 2019-02-26 2020-03-05 광주과학기술원 무선전력전송 시스템용 형상 설계 시스템 및 방법
WO2020111418A1 (ko) * 2018-11-29 2020-06-04 한국과학기술원 다중 장치 무선전력전송 시스템에 대한 자기공진조건 탐색방법
CN113569365A (zh) * 2021-07-27 2021-10-29 久瓴(江苏)数字智能科技有限公司 供电装置的布置方法、装置及电子设备
KR20220023249A (ko) * 2020-08-20 2022-03-02 광주과학기술원 전자약의 무선충전시스템 설계장치 및 설계방법

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012504387A (ja) * 2008-09-27 2012-02-16 ウィトリシティ コーポレーション 無線エネルギー伝達システム
KR20140090530A (ko) * 2013-03-08 2014-07-17 주식회사 케이더파워 무선충전기
KR20150035512A (ko) * 2012-03-20 2015-04-06 오클랜드 유니서비시즈 리미티드 무선 전력 전송 시스템들에서의 권선 배열들

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012504387A (ja) * 2008-09-27 2012-02-16 ウィトリシティ コーポレーション 無線エネルギー伝達システム
KR20150035512A (ko) * 2012-03-20 2015-04-06 오클랜드 유니서비시즈 리미티드 무선 전력 전송 시스템들에서의 권선 배열들
KR20140090530A (ko) * 2013-03-08 2014-07-17 주식회사 케이더파워 무선충전기

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
휴대장치의 무선 전력전송 시스템에 대한 최적화(2014년도 대한전기학회 하계학술대회 논문집, 이승법 외2인, 2014.7월 발행) *

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020111418A1 (ko) * 2018-11-29 2020-06-04 한국과학기술원 다중 장치 무선전력전송 시스템에 대한 자기공진조건 탐색방법
KR102085010B1 (ko) * 2019-02-26 2020-03-05 광주과학기술원 무선전력전송 시스템용 형상 설계 시스템 및 방법
WO2020175912A1 (ko) * 2019-02-26 2020-09-03 광주과학기술원 무선전력전송 시스템용 형상 설계 시스템 및 방법
US11677277B2 (en) 2019-02-26 2023-06-13 Gwangju Institute Of Science And Technology Shape design system and method for wireless power transmission system
KR20220023249A (ko) * 2020-08-20 2022-03-02 광주과학기술원 전자약의 무선충전시스템 설계장치 및 설계방법
CN113569365A (zh) * 2021-07-27 2021-10-29 久瓴(江苏)数字智能科技有限公司 供电装置的布置方法、装置及电子设备
CN113569365B (zh) * 2021-07-27 2024-02-27 久瓴(江苏)数字智能科技有限公司 供电装置的布置方法、装置及电子设备

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