[논문 리뷰] Wireless Power Transfer for High-precision Position Detection of Railroad Vehicles

Hyun-Gyu Ryu, Dongsoo Har|arXiv (Cornell University)|2015. 08. 31.

Wireless Power Transfer Systems참고 문헌 4인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 궤도 슬립에 통합된 피아스티브 RFID 유사 태그를 사용하여 철도 차량에서 고정밀 위치 검출을 위한 무선 전력 전송(WPT) 시스템을 제안한다. 자기유도와 페라이트 기반 자기비트 형상 조절을 활용하여 기차와 궤도의 페로마그네틱 재료로 인한 간섭에도 불구하고 전력 전송 효율을 향상시켜 독자 코ils로부터 몇 웃의 전력으로도 태그의 신뢰성 있는 작동을 달성한다.

ABSTRACT

Detection of vehicle position is critical for successful operation of intelligent transportation system. In case of railroad transportation systems, position information of railroad vehicles can be detected by GPS, track circuits, and so on. In this paper, position detection based on tags onto sleepers of the track is investigated. Position information stored in the tags is read by a reader placed at the bottom of running railroad vehicle. Due to limited capacity of battery or its alternative in the tags, power required for transmission of position information to the reader is harvested by the tags from the power wirelessly transferred from the reader. Basic mechanism in wireless power transfer is magnetic induction and power transfer efficiency according to the relative location of the reader to a tag is discussed with simulation results. Since power transfer efficiency is significantly affected by the ferromagnetic material (steel) at the bottom of the railroad vehicle and the track, magnetic beam shaping by ferrite material is carried out. With the ferrite material for magnetic beam shaping, degradation of power transfer efficiency due to the steel is substantially reduced. Based on the experimental results, successful wireless power transfer to the tag coil is possible when transmitted power from the reader coil is close to a few watts.

연구 동기 및 목표

• 궤도 슬립에 통합된 피아스티브 태그를 사용하여 철도 차량에서 고정밀 위치 검출을 가능하게 한다.
• 독자로부터 전력 수확을 통해 태그의 배터리 수명 제한 문제를 해결한다.
• 기차 및 궤도 구조물의 페로마그네틱 재료(강철)로 인한 전력 전송 효율 저하 문제를 완화한다.
• 페라이트 재료를 사용한 자기비트 형상 조절을 통해 전력 전송 효율을 최적화한다.
• 실용적인 전력 수준에서 시스템의 타당성을 실험적으로 검증한다.

제안 방법

• 기차의 독자 코ils와 궤도 슬립에 통합된 태그 코ils 사이에서 자기유도를 이용해 무선 전력 전송을 수행한다.
• 자기장 형상 조절을 위해 페라이트 재료를 사용하여 유속 누설과 인근 강철 부품에 의한 간섭을 감소시킨다.
• 시뮬레이션을 통해 독자 코ils와 태그 코ils 간의 상대적 위치에 따른 전력 전송 효율을 분석한다.
• 독자 코ils로부터 몇 웃의 전력으로 전송되는 프로토타입 시스템을 설계하고 테스트한다.
• 강철 구조물이 존재하는 실제 환경 조건에서 태그 코ils에서 수신된 전력을 측정하여 성능을 평가한다.
• 실험 결과를 통해 실용적인 전력 수준에서 성공적인 전력 수확이 가능함을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기차와 궤도에 존재하는 페로마그네틱 재료가 무선 전력 전송 효율에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 페라이트 기반 자기비트 형상 조절이 강철 부품으로 인한 효율 저하를 효과적으로 완화할 수 있는가?
• RQ3 태그의 안정적인 작동을 위해 독자로부터 필요한 전송 전력 수준은 어느 정도인가?
• RQ4 독자와 태그 간의 상대적 위치가 전력 전송 효율에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ5 실제 철도 환경에서 피아스티브 위치 검출 태그를 구동하기 위해 무선 전력 전송이 타당한가?

주요 결과

• 페라이트 기반 자기비트 형상 조절은 기차 및 궤도의 페로마그네틱 재료로 인한 전력 전송 효율 저하를 크게 감소시킨다.
• 독자가 몇 웃의 전력을 전송할 경우에도 태그의 안정적인 작동을 위한 충분한 전력 전송 효율을 유지한다.
• 시뮬레이션 및 실험 결과를 통해 실생활 조건에서 피아스티브 태그에 안정적이고 충분한 전력 공급이 이루어짐을 확인한다.
• 태그의 배터리 교체 없이도 지속적이고 고정밀한 위치 검출이 가능하다.
• 실험적으로 성공적인 무선 전력 전송이 이루어져 제안된 접근 방식의 실생활 철도 응용 타당성이 검증되었다.