Abstract
Wireless charging has been considered an essential part of recent mobile devices. Moreover, various wireless charging systems have emerged through many studies. Among the systems, in the 2D flat coil system, the transmitter coil and receiver coil are arranged horizontally as close as possible to improve the charging efficiency. Nowadays, the 3D coil system has been proposed by adding some slope to flat 2D coils to reduce the volume. On the other hand, the 3D coil system has a lower charging efficiency than the 2D system that decreases rapidly with increasing distance. This paper proposes a new system that improves the low efficiency and charging freedom, which are the drawbacks of the existing 3D systems. The proposed system was designed in three-dimensions, and another transmitter coil was added to the transmitter coil to improve the transmission efficiency and flexibility. The measurement showed that the charging efficiency of the proposed system was 40.10% when the distance between coils was 8 mm, which is 20.5 % improvement over the existing one. The proposed method can be applied when new wireless charging systems are designed and improve charging efficiency can be improved.
무선충전 기술은 사용자가 선 없이 충전할 수 있는 편리함의 이점으로 많은 모바일 전자기기의 필수요소로 자리 잡게 되었고, 지속적인 연구 개발에 의해 다양한 무선충전 시스템이 제안되고 있다. 대표적인 무선충전 시스템으로는 송수신 코일의 배치와 충전효율의 상관관계를 고려하여, 송수신 코일을 근거리 평면에 배치한 2D 평면 코일 시스템이 주로 사용되어왔다. 최근에는 평면으로 넓은 공간을 차지하는 2D 코일시스템에 높이구배를 주어, 공간을 효율적으로 사용하기 위한 3차원 코일시스템이 제안되고 있다. 하지만, 3차원 코일시스템은 2D 코일시스템에 비해 충전효율이 낮고, 특히 송수신 코일간의 거리가 멀어질수록 전력전송 효율이 급격하게 저하되는 경향이 있다. 본 논문에서는 기존 3차원 코일시스템의 단점인 낮은 충전효율과 충전자유도를 개선하기 위해 새로운 무선충전 시스템 설계를 제안한다. 3차원 형상으로 송신코일과 수신코일을 설계하였고, 이때 송신코일 내부에 독립된 송신코일을 추가로 구성한 이중 송신코일 구조를 제안하여 전송효율과 자유도를 개선할 수 있었다. 측정실험 결과, 107 kHz 동작주파수에서 송수신 코일의 거리가 8 mm일 때 제안한 시스템의 효율은 40.10 %로 기존 코일의 최대전송효율인 20.5 %에 비해 크게 증가했다. 본 논문에서 제안한 3차원 이중송수신 코일시스템은 실제 무선충전 시스템 설계 시 다양한 디자인의 무선충전 시스템 설계 및 충전효율 개선에 기여할 것으로 기대된다.