Development of a 7.5 kW Wireless Power Transfer System for AGV and AMR Applications

AGV 및 AMR 적용을 위한 7.5 kW 무선전력전송 시스템 개발

Abstract

This paper proposes a 7.5 kW resonant wireless power transfer (WPT) system for AGV (Automated Guided Vehicle) and AMR (Autonomous Mobile Robot) applications and experimentally validates the feasibility of a simulation-based design methodology. The proposed system consists of a transmitter inverter with a resonant network, planar spiral TX (transmitter) and RX (receiver) coils, and a receiver-side rectifier. The TX/RX coils are designed using finite element method (FEM)-based electromagnetic simulations, through which the self- and mutual-inductance parameters are extracted. These electromagnetic parameters are then applied to circuit simulations to analyze the system operation and efficiency under no-load and full-load conditions. Based on the simulation results, a hardware prototype is implemented, and performance tests are conducted. Experimental results show that the proposed system achieves a system efficiency of 93.8% at an input power of approximately 7.58 kW. The results demonstrate that the proposed simulation-based design approach provides a reliable and practical method for designing high-power resonant WPT systems and verifies the performance validity of the proposed 7.5 kW WPT system.

본 논문에서는 AGV(Automated Guided Vehicle) 및 AMR(Autonomous Mobile Robot) 적용을 위한 7.5 kW급 공진형 무선전력전송(Wireless Power Transfer, WPT) 시스템을 제안하고, 시뮬레이션 기반 설계 절차의 타당성을 실험적으로 검증하였다. 시스템은 TX(Transmitter, 송신) 인버터(Inverter) 및 공진 회로, 평면 스파이럴 구조의 TX 코일, RX(Receiver, 수신) 코일, RX 정류기(Filter)로 구성된다. TX/RX 코일은 유한요소법 기반 전자기 시뮬레이션을 통해 자기·상호 인덕턴스 파라미터를 도출하였으며, 이를 회로 시뮬레이션에 적용하여 무부하 및 전부하 조건에서 동작 특성과 효율을 분석하였다. 이후 실제 하드웨어를 구현하여 성능시험을 수행한 결과, 약 7.58 kW 입력 조건에서 93.8%의 시스템 효율을 확인하였다. 결론적으로, 제안하는 시스템의 시뮬레이션 기반 설계 및 실험 검증을 통해 7.5 kW급 공진형 WPT 시스템의 AGV/AMR 무선충전 적용 가능성을 확인하였다.

1. 서론

최근 물류 자동화 및 스마트 제조 환경의 확산으로 AGV(Automated Guided Vehicle) 및 AMR(Autonomous Mobile Robot)의 활용이 급격히 증가하고 있다. 이들 이동체는 반복적인 충전이 필수적이며, 기존 접촉식 충전 방식은 커넥터 마모, 정렬 오차, 분진 및 습기에 따른 신뢰성 저하 문제를 가진다. 이에 따라 유지보수가 용이하고 자동화 환경에 적합한 무선전력전송(Wireless Power Transfer, WPT) 기술이 대안으로 주목받고 있다. IPT/WPT 시스템의 구조와 설계 요소는 Covic와 Boys [1]에 의해 체계화되었으며, 차량 응용 환경에서의 기술적 과제는 Patil 등 [2]과 Li와 Mi [3]에서 정리되었다. 또한 자기공진 기반 전력전달 개념은 Kurs 등 [5] 이후 고출력 응용으로 확장되었다.

AGV/AMR의 운용 효율 확보를 위해서는 수 kW급 고출력 무선충전이 요구되며, 고출력 IPT 설계에서는 효율, 열 특성, 공극 허용범위 등을 동시에 고려해야 한다. Bosshard 등 [7]은 다목적 최적화 기반 고출력 설계 접근을 제시하였고, Zhang과 Mi [8]는 보상 토폴로지 선택이 시스템 출력 특성에 미치는 영향을 분석하였다. 또한 낮은 결합계수 환경에서의 설계 고려사항 [11]과 누설 자계 저감 기법 [10], 최대 효율 추종 제어 전략 [15] 등이 보고되었다. 그러나 기존 연구는 주로 EV 충전 시스템 중심으로 수행되었으며, 반복 도킹 환경에 노출되는 AGV/AMR 특성을 충분히 반영하지 못한 한계가 있다.

특히 고출력 공진형 WPT에서는 코일 형상에 따른 상호 인덕턴스 변화와 공진 정합 특성이 복합적으로 작용하므로, 단순 이론 해석만으로는 실제 성능 예측에 제약이 따른다. Luo와 Wei [12]는 다층 매질 환경에서의 코일 해석 필요성을 제시하였으며, Moon 등 [13]과 Park 등 [14]은 넓은 공극 조건에서의 운전 특성 및 출력 제어 기법을 제안하였다. 이는 전자기 해석과 회로 해석을 연계한 통합 설계 접근의 필요성을 시사한다. 본 연구에서는 7.5 kW급 AGV/AMR용 공진형 무선충전 시스템을 대상으로, 전자기ㆍ회로 시뮬레이션 기반 설계 그리고 실제 하드웨어 구현 및 실험을 통해 시스템 효율 특성을 분석한다.

2. 연구 방법

2.1 무선충전기 시스템 구성방법

본 연구에서 제안하는 7.5 kW급 무선충전 시스템은 AGV/AMR 적용을 목적으로 한 공진형 무선전력전송 구조로 설계되었으며, 입력 전원부부터 부하 측 충전부까지 단계적으로 전력 변환이 이루어지는 구조를 가지며 크게 TX(송전부), RX(수전부)로 나뉜다. TX는 PFC (역률 보정 회로, Power Factor Correction, PFC), 공진회로 및 TX 인버터 (TX Inverter), 이물질 감지회로, TX 코일(TX Coil)로 구성되어 있으며, RX는 RX 코일(RX Coil), 공진회로 및 RX 정류기(RX Filter), DC-DC Charger 및 부하(배터리팩)로 구성된다.

PFC는 3상 380V 교류 전원을 입력으로 하며, 입력 전원의 역률을 개선하고 안정적인 DC 링크 전압을 형성하는 역할을 한다. TX 인버터 와 공진회로는 PFC로 부터 전달받은 DC 전력을 고주파 교류 전력으로 변환하여 TX 코일을 구동하며, 이때 생성된 교번 자기장은 TX 코일과 RX 코일 간 자기 결합을 통해 무선으로 전력이 전달된다.

TX 코일로부터 RX 코일로 전달된 교류 전력은 RX 필터를 통해 정류 과정을 거쳐 직류 전력으로 변환되며, 이후 DC–DC Charger를 통해 AGV/AMR의 부하 충전 요구 조건에 맞게 조정되어 공급된다. 무선 충전 과정에서 발생할 수 있는 금속성 이물질에 의한 발열 및 안전 문제를 고려하여, TX 인버터 및 TX 코일 사이에 이물질 감지(Foreign Object Detection, FOD) 회로가 포함된 시스템 구조를 고려하였다. 이물질 감지 회로는 송신부 측 전압·전류 및 전력 전달 특성 변화를 기반으로 이상 상태를 판단하는 역할을 수행한다. 그림 1은 본 연구에서 제안하는 무선충전 시스템의 전체 구성 및 전력 흐름을 나타내는 개념적 블록도 이다.

그림 1. 무선 충전 시스템 개념 블록도

Fig. 1. Conceptual block diagram of the wireless charging system

본 논문은 무선전력전송부의 전력 전달 특성과 효율 분석에 집중하였으며, 시스템의 부가 기능인 이물질 감지 회로는 본 논문의 검증에는 고려하지 않았다. 또한 또한 PFC 대신 DC Power Supply를 사용하고, DC-DC 컨버터와 부하를 모사하기 위해 전자 부하를 구성하여 실험 검증을 수행하였다.

2.2 전자기 시뮬레이션을 통한 TX/RX 코일 설계

2.1.1 TX/RX 코일 구조 및 파리미터 산출

본 연구에서는 7.5 kW급 무선전력전송 시스템에 적용하기 위한 TX 코일 및 RX 코일 코일을 설계하고, 전자기 시뮬레이션을 통해 전기적 특성을 도출하였다. TX 및 RX 코일은 모두 정사각 평면 스파이럴(square planar spiral) 구조로 설계되었다.

TX 코일의 외곽 면적은 350 mm × 350 mm, RX 코일의 외곽 면적은 320 mm × 320 mm로 설정하였고, 두 코일 모두 15 turns의 동일한 권선 수를 적용하였으며, 권선 간 피치는 사용된 도체의 번들 직경과 절연 여유를 반영하여 설정했다.

2.1.2 도체 모델링

고주파 대전력 운전 조건에서의 도체 손실을 저감하기 위해, 코일 도체로 리츠선(Litz wire)을 적용하였다. 사용된 리츠선은 직경 0.05 mm의 소선 2625 가닥으로 구성된 번들 구조이며, 전체 번들 외경은 4.2 mm 이다. 시뮬레이션 모델에서는 해당 리츠선을 등가 전도체로 모델링 하였으며, 자가 인덕턴스 및 상호 인덕턴스 산출 시에는 도체의 재질 특성보다는 코일의 기하학적 배치와 권선 구조가 지배적으로 반영되도록 설정하였다.

2.1.3 전자기 시뮬레이션 및 인덕턴스 산출 방법

TX 및 RX 코일의 전기적 파라미터는 Ansys 사의 Ansys Maxwall 프로그램을 활용한 유한요소법(Finite Element Method, FEM) 기반 전자기 시뮬레이션을 통해 도출하였으며, 모든 시뮬레이션은 동일한 공극 100mm 조건에서 좌우 편차가 없는 TX–RX 배치 조건에서 수행되었고, 이후 공진 보상 회로 설계에 활용하였다. 결합계수(k)는 수식 (1)을 이용하여 도출되었다. 그림 2는 설계된 코일의 형상을 보여준다.

그림 2. TX 코일, RX 코일 설계

Fig. 2. Design of the TX and RX Coils

\(\begin{align}k=\frac{M}{\sqrt{L_{t x} \cdot L_{r x}}}\end{align}\)       (1)

2.1.4 전자기 시뮬레이션 결과

전자기 시뮬레이션을 통해 도출된 Tx 및 Rx 코일의 전기적 파라미터는 다음 표 1과 같다

표 1. 전자기 시뮬레이션 결과

Table 1. Results of the electromagnetic simulation

Tx 코일은 Rx 코일 대비 외곽 면적이 크기 때문에 평균 권선 길이 및 유효 면적이 증가하여, 자가 인덕턴스가 상대적으로 크게 도출되었으며 이러한 결과는 평면 스파이럴 코일에서 인덕턴스가 권선 수 및 평균 면적에 비례하는 이론적 특성과 일치한다. 결합계수는 상호 인덕턴스와 자가 인덕턴스의 함수로 정의되며, 본 연구에서는 상호 인덕턴스 M이 22.6 µH, k = 0.29로 도출되었다.

3. 결과

3.1 시뮬레이션 검증

3.1.1 회로 시뮬레이션 셋업

전자회로 시뮬레이션을 수행하여 무선전력전송 시스템의 동작 특성을 분석하였다. 회로 시뮬레이션은 PSIM 소프트웨어를 활용하여 공진형 무선전력전송(WPT) 시스템 전체를 모델링하는 방식으로 수행하였다. 전자회로 모델은 입력 전원부, 고주파 TX 인버터, TX 공진 회로, 무선 결합부, RX 공진 회로, RX 정류부 및 부하로 구성하였으며, 무선 결합부는 TX/RX 코일 간 자기 결합을 고려할 수 있도록 결합 인덕터 모델로 구현하였다.

시뮬레이션은 무부하 및 전부하 조건에서 수행되었으며, 입력 전압, 출력 전압, 전달 전력, 송신부 전류 및 시스템 효율을 주요 분석 항목으로 설정하여 정상 상태 특성을 평가하였다. 다음 그림 3은 PSIM회로 시뮬레이션 구성이다.

그림 3. PSIM 회로 시뮬레이션 구성

Fig. 3. Configuration of the PSIM circuit simulation

3.1.2 회로 시뮬레이션 결과

전자회로 시뮬레이션은 TX/RX 코일의 전자기적 파라미터 (LTX = 82.1 µH, LRX = 75.1 µH, M = 22.6 µH, k = 0.29)를 기반으로 수행되었으며, 도출된 시뮬레이션 결과는 표 2 와 같다.

표 2. 회로 시뮬레이션 결과

Table 2. Results of the circuit simulation

무부하 조건에서 출력 전압이 상대적으로 높게 형성되었으나, 전부하 조건에서는 출력 전압이 안정화되면서 목표 출력 전력에 근접한 전력 전달이 확인되었다.

또한 송신부 전류가 27.4 A로 유지되고, 시스템 효율이 95.7%로 도출됨에 따라, 설정된 TX/RX 코일 파라미터 조합이 7.5 kW급 무선전력전송 시스템에 적합한 전기적 특성을 제공함을 확인하였다.

4. 실험 검증

4.1 시스템 H/W 구현 결과

도출된 코일 및 회로 시뮬레이션 결과를 바탕으로 TX/RX 코일, TX Inverter 와 RX Filter를 구현하였으며 각각 그림 4, 그림 5와 같다.

그림 4. 제작된 RX 코일, TX 코일

Fig. 4. Fabricated TX and RX coils

그림 5. 제작된 TX Inverter(왼쪽), RX Filter(오른쪽)

Fig. 5. Fabricated TX inverter (left) and RX filter (right)

4.2 실험 셋업

제안된 무선전력전송 시스템의 실제 성능을 확인하기 위해 출력 효율을 평가하는 성능시험을 수행하였다. 실험 구성은 DC 전원공급장치(DC Power supply, 회사 : Keysight, 제품명 : Autoranging System DC Power Supply, N8948A), TX 인버터, 오실로스코프(Oscilloscope, 회사 : Keysight, 제품명 : DSO-X 3014A), TX 코일, RX 코일, RX 필터, 전자부하(Electronic load, 회사 : Chroma, 모델명 : Programmable Bidirectional DC Power Supply)로 구성했다. 전자 부하는 송신 코일을 통해 수신 코일로 전달된 전력을 부하 조건에서 소모하며, 출력 전력 측정을 위한 용도로 사용되었다. 실험은 TX 코일과 RX 코일을 공극 100mm에서 좌우 위치 편차 없이 마주 보는 상태에서 전력을 인가 후 입력부에서 공급된 전력과 수신부 출력 전력을 각각 측정하여 각 값을 효율을 구했다. 다음 그림 6. 은 성능시험 구성에 대한 사진이다.

그림 6. 성능실험 구성

Fig. 6. Configuration of the performance test setup

4.3 성능시험 결과

그림 7은 DC 전원공급장치에서 입력 중인 전압, 전류, 전력값을 나타내며 그림 8은 전자로드에서 측정되는 출력 전압, 전류, 전력값을 나타낸다. 성능시험 결과, DC 전원공급장치로부터 7,580 W의 입력 전력을 인가하였을 때, 전자부하에서 약 7.11 kW의 출력 전력이 측정되었다. 이를 바탕으로 입력 전력 대비 출력 전력의 비율로 정의된 시스템 효율은 약 93.8%로 계산되었다.

그림 7. DC 전원 공급장치 전압, 전류, 전력

Fig. 7. Voltage, current, and power measured at the DC power supply

그림 8. 전자로드 전압, 전류, 전력

Fig. 8. Voltage, current, and power measured at the electronic load

두 결과 간 약 1.9%p의 효율 차이는 시뮬레이션 모델에서 실제 시스템의 비이상성(non-idealities)을 충분히 반영하지 못한 데에서 기인한 것으로 판단된다. 시뮬레이션에서는 전력 반도체 소자 및 수동 소자가 이상적인 특성을 갖는 것으로 가정되었으나, 실제 하드웨어에서는 인버터 및 정류기의 스위칭·도통 손실, 코일 권선의 AC 저항 증가, 배선 및 접속부에서 발생하는 기생 손실 등이 복합적으로 작용한다. 또한 측정 장비의 정확도와 실험 환경에 따른 기생 성분 역시 효율 저하 또는 측정 오차 요인으로 작용할 수 있다.

그럼에도 불구하고 시뮬레이션과 실험 결과 간 효율 차이는 제한적인 수준으로 유지되었으며, 이는 시뮬레이션 단계에서 도출된 코일 및 회로 설계 파라미터가 실제 하드웨어 구현 시에도 시스템 성능을 합리적으로 예측할 수 있음을 시사한다. 특히 고출력 무선전력전송 시스템에서 수 퍼센트 이내의 효율 오차는 모델링 단순화 및 실험 환경 차이를 고려할 때 수용 가능한 범위로 판단된다.

4. 결론

본 연구에서는 7.5 kW급 무선전력전송 시스템을 위한, 시뮬레이션 기반 설계 접근법을 통해 TX/RX 코일 및 전력 변환 회로를 설계하고, 이를 실제 하드웨어로 구현하여 성능을 검증하였다. 먼저 전자기 시뮬레이션을 통해 TX/RX 코일의 전자기적 파라미터를 도출하였으며, 해당 파라미터를 적용한 전자회로 시뮬레이션을 수행하여 시스템 동작 특성과 효율을 예측하였다. 도출된 시뮬레이션 결과를 바탕으로 TX/RX 코일과 TX 인버터 및 RX 필터를 제작하고, 구성된 무선전력전송 시스템에 대해 실험을 수행하였다. 그 결과, 입력 전력 대비 출력 전력을 기준으로 약 93.8%의 시스템 효율이 확인되었으며, 이는 시뮬레이션에서 예측된 효율(95.7%)과 비교하여 비교적 작은 차이를 보였다. 이러한 차이는 실제 하드웨어에서 발생하는 스위칭 손실, 도체 손실 및 측정 환경에 따른 요인에 기인한 것으로 판단된다.

기존 무선전력전송(WPT) 연구는 주로 EV 충전 시스템 중심으로 발전해 왔으나, 반복 도킹과 정렬 편차가 빈번한 AGV/AMR 운용 환경을 충분히 반영하지 못한 한계가 있다. 또한 전자기 해석과 회로 해석을 분리 수행하거나 이상적 결합계수를 가정하는 설계 방식은 실제 하드웨어 구현 시 효율 예측 오차를 초래할 수 있으며, 실험적 검증이 부족한 경우도 존재한다. 본 연구는 AGV/AMR 적용을 목표로 7.5 kW급 공진형 WPT 시스템을 설계하고, FEM 기반 전자기 해석과 회로 시뮬레이션을 연계한 통합 설계 절차를 적용하였다. 그 결과, 시뮬레이션 효율(95.7%)과 실험 효율(93.8%) 간 편차를 2%p 이내로 검증함으로써 설계 예측의 신뢰성을 확보하였다. 이는 고출력 AGV/AMR 무선충전 시스템 설계에 있어 통합 모델 기반 접근의 실효성을 제시한다.

본 연구 결과는 시뮬레이션을 통해 도출된 코일 및 회로 설계 파라미터를 통해 실제 하드웨어를 성공적으로 구현했으며 이는 제안된 설계 및 해석 절차가 고출력 무선전력전송 시스템 설계에 적용 가능함을 시사한다. 향후 연구에서는 공극 변화 및 정렬 오차에 따른 성능 분석, 장시간 운전에 따른 열 특성 평가, 그리고 시스템 제어 기법을 포함한 종합적인 성능 검증을 통해 제안된 시스템의 성능 안정성을 확보하고 제품화할 예정이다.