JP6370906B2 - 無線電力送信装置 - Google Patents

Description

本発明は、無線電力伝送技術に関する。

無線で電気エネルギーを所望の機器に伝達する無線電力伝送技術（ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｐｏｗｅｒ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ又はｗｉｒｅｌｅｓｓ ｅｎｅｒｇｙ ｔｒａｎｓｆｅｒ）は、既に１８００年代に電磁気誘導原理を用いた電気モータや変圧器が使用され始めており、その後には、ラジオ波やレーザーのような電磁波を放射して電気エネルギーを伝送する方法も試みられた。

私達がよく使用する電動歯ブラシや一部の無線カミソリも、実際は電磁気誘導原理で充電される。電磁気誘導は、導体の周辺で磁場を変化させたとき、電圧が誘導されて電流が流れる現象をいう。

電磁気誘導方式は、小型機器を中心に商用化が急速に進んでいるが、電力の伝送距離が短いという問題がある。今まで、無線方式によるエネルギー伝達方式は、電磁気誘導以外に共振及び短波長無線周波数を用いた遠距離送信技術などがある。

最近は、このような無線電力伝送技術のうち、共振を用いたエネルギー伝達方式も多く使用されている。共振を用いた無線電力伝送システムは、送信側と受信側のコイルを介して電力が無線で伝達されるので、ユーザは、携帯用機器のような電子機器を容易に充電することができる。

特に、電子機器は、無線電力送信装置上に位置して無線で充電が行われるが、従来には、無線電力送信装置が一つの送信コイルのみを含んで電力を伝送するため、電子機器に備えられた受信コイルの位置が変化することにより、電力伝送効率が低下するという問題があった。

すなわち、無線電力送信装置に一つの送信コイルのみが備えられた場合、受信コイルの位置によって磁束が相殺される領域が発生して電力伝送が円滑に行われないという問題があった。

本発明は、複数の送信コイルを使用することによって、無線電力受信装置に備えられた受信コイルの位置が変わっても電力伝送効率を極大化させることができる無線電力送信装置の提供を目的とする。

本発明の実施例に係る無線電力受信装置に無線で電力を伝送する無線電力送信装置は、前記無線電力受信装置に磁場を介して電力を伝送する第１送信コイル、及び前記無線電力受信装置に磁場を介して電力を伝送し、前記第１送信コイルの内側に配置された第２送信コイルを含み、前記無線電力送信装置は、前記無線電力送信装置と前記無線電力受信装置との結合状態に基づいて、前記第１送信コイル及び前記第２送信コイルのうち１つのコイルを介して前記無線電力受信装置に電力を伝送する。

前記無線電力送信装置は、前記第１送信コイルと前記無線電力受信装置に備えられた受信コイルとの間の磁気的結合と、前記第２送信コイルと前記受信コイルとの間の磁気的結合とを比較して、磁気的結合がさらに良いコイルを介して前記無線電力受信装置に電力を伝送する。

前記無線電力送信装置と前記無線電力受信装置との結合状態を感知する電力伝送状態感知部をさらに含み、前記電力伝送状態感知部は、前記無線電力送信装置の内部に流れる電流を測定して前記結合状態を確認する。

前記無線電力送信装置は、前記第１送信コイル及び前記第２送信コイルを交互に動作させ、前記無線電力送信装置の内部に流れる電流を測定する。

前記無線電力送信装置は、前記第１送信コイル及び前記第２送信コイルのうち、前記測定された電流の大きさがさらに大きい方に該当するコイルを介して前記無線電力受信装置に電力を伝送するようにする。

前記無線電力送信装置は、交流信号及び直流電力を用いて交流電力を生成する交流電力生成部をさらに含み、前記交流電力生成部は、前記生成された交流電力を前記第１送信コイルに出力する第１増幅部、及び前記生成された交流電力を前記第２送信コイルに出力する第２増幅部を含む。

前記無線電力送信装置は、前記第１増幅部を活性化させ、前記第２増幅部を非活性化させた場合に測定された電流と、前記第１増幅部を非活性化させ、前記第２増幅部を活性化させた場合に測定された電流とを比較し、前記第１送信コイル及び前記第２送信コイルのうち１つのコイルを電力伝送のためのコイルとして決定する。

前記結合状態は、前記第１送信コイルと前記無線電力受信装置に備えられた受信コイルとの間の結合係数、または前記第２送信コイルと前記無線電力受信装置に備えられた受信コイルとの間の結合係数を示す。

前記第１送信コイルと前記第２送信コイルの大きさは、前記第１送信コイルと前記無線電力受信装置の受信コイルとの間の結合係数が最小となる地点と、前記第２送信コイルと前記受信コイルとの間の結合係数が極大点になる地点とが一致するように設定される。

本発明の一実施例に係る無線電力伝送システムを説明するための図である。 本発明の一実施例に係る送信誘導コイルの等価回路図である。 本発明の一実施例に係る電力供給装置及び無線電力送信装置の等価回路図である。 本発明の一実施例に係る無線電力受信装置の等価回路図である。 本発明の一実施例に係る電力供給装置の構成図である。 本発明の一実施例に係る無線電力送信装置の電力伝送方法を説明するためのフローチャートである。 無線電力送信装置が一つの送信コイルを備えた場合、送信コイルと受信コイルとの配置を説明する図である。 送信コイルの中心と受信コイルの中心との間の距離による結合係数の測定結果を示す図である。 本発明の一実施例によって２つの送信コイルが配置された無線電力送信装置の構成を示す図である。 本発明の実施例によって、第１送信コイルと受信コイルの中心間距離、第２送信コイルと受信コイルの中心間距離による結合係数の変化を説明するための図である。 本発明の一実施例によって、電流測定を通じて、受信コイルに電力伝送を行う送信コイルを決定する過程を説明するための図である。 本発明の更に他の実施例によって、電流測定を通じて、受信コイルに電力伝送を行う送信コイルを決定する過程を説明するための図である。

以下では、添付の図面を参照して、本発明の好ましい実施例について、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施例に係る無線電力伝送システムを説明するための図である。

図１を参照すると、無線電力伝送システムは、電力供給装置１００、無線電力送信装置２００、無線電力受信装置３００、及び負荷４００を含むことができる。

一実施例において、電力供給装置１００は無線電力送信装置２００に含まれてもよい。

無線電力送信装置２００は、送信誘導コイル２１０及び送信共振コイル２２０を含むことができる。

無線電力受信装置３００は、受信共振コイル３１０、受信誘導コイル３２０、及び整流部３３０を含むことができる。

電力供給装置１００の両端は、送信誘導コイル２１０の両端と接続される。

送信共振コイル２２０は、送信誘導コイル２１０と一定の距離を置いて配置されてもよい。

受信共振コイル３１０は、受信誘導コイル３２０と一定の距離を置いて配置されてもよい。

受信誘導コイル３２０の両端は整流部３３０の両端と接続され、負荷４００は整流部３３０の両端に接続されてもよい。一実施例において、負荷４００は無線電力受信装置３００に含まれてもよい。

電力供給装置１００で生成された電力は無線電力送信装置２００に伝達され、無線電力送信装置２００に伝達された電力は、共振現象によって無線電力送信装置２００と共振をなす、すなわち、共振周波数値が同一である無線電力受信装置３００に伝達され得る。

以下では、より具体的に電力伝送過程を説明する。

電力供給装置１００は、所定の周波数を有する交流電力を生成して無線電力送信装置２００に伝達することができる。

送信誘導コイル２１０と送信共振コイル２２０とは誘導結合されていてもよい。すなわち、送信誘導コイル２１０は、電力供給装置１００から供給された電力によって交流電流が流れると、電磁気誘導によって物理的に離隔している送信共振コイル２２０にも交流電流が誘導され得る。

その後、送信共振コイル２２０に伝達された電力は、共振によって無線電力送信装置２００と共振回路をなす、無線電力受信装置３００に伝達され得る。

インピーダンスがマッチングされた２つのＬＣ回路の間は、共振によって電力が伝送され得る。このような共振による電力伝送は、電磁気誘導による電力伝送よりさらに遠い距離まで、さらに高い効率で電力伝達を可能にする。

受信共振コイル３１０は、送信共振コイル２２０から共振によって電力を受信することができる。受信された電力により受信共振コイル３１０には交流電流が流れることができ、受信共振コイル３１０に伝達された電力は、電磁気誘導によって受信共振コイル３１０と誘導結合された受信誘導コイル３２０に伝達され得る。受信誘導コイル３２０に伝達された電力は、整流部３３０を介して整流されて負荷４００に伝達され得る。

一実施例において、送信誘導コイル２１０、送信共振コイル２２０、受信共振コイル３１０、及び受信誘導コイル３２０は、スパイラルまたはヘリカル構造のいずれかの構造を有することができるが、これに限定されるものではない。

無線電力送信装置２００の送信共振コイル２２０は、磁場を介して無線電力受信装置３００の受信共振コイル３１０に電力を伝送することができる。

具体的に、送信共振コイル２２０と受信共振コイル３１０は、共振周波数で動作するように共振結合され得る。

送信共振コイル２２０と受信共振コイル３１０との共振結合により、無線電力送信装置２００と無線電力受信装置３００との間の電力伝送効率を大幅に向上させることができる。

一実施例において、無線電力伝送システムが電磁気誘導をベースとして電力伝送を行う場合、無線電力送信装置２００は送信共振コイル２２０を含まず、無線電力受信装置３００は受信共振コイル３１０を含まなくてもよい。

無線電力伝送において、品質指数（Ｑｕａｌｉｔｙ Ｆａｃｔｏｒ）と結合係数（Ｃｏｕｐｌｉｎｇ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）は重要な意味を有する。すなわち、電力伝送効率は、品質指数及び結合係数が大きい値を有するほど向上することができる。

品質指数は、無線電力送信装置２００または無線電力受信装置３００の付近に蓄積できるエネルギーの指標を意味し得る。

品質指数は、動作周波数（ｗ）、コイルの形状、寸法、素材などによって変わり得る。品質指数は、数式で、Ｑ＝ｗ＊Ｌ／Ｒのように表現することができる。Ｌは、コイルのインダクタンスであり、Ｒは、コイル自体で発生する電力損失量に該当する抵抗を意味する。

品質指数は、０から無限大の値を有することができ、品質指数が大きいほど、無線電力送信装置２００と無線電力受信装置３００との間の電力伝送効率が向上することができる。

結合係数は、送信側コイルと受信側コイルとの磁気的結合の程度を意味するもので、０から１の範囲を有する。

結合係数は、送信側コイルと受信側コイルの相対的な位置や距離などによって変わり得る。

図２は、本発明の一実施例に係る送信誘導コイル２１０の等価回路図である。

図２に示したように、送信誘導コイル２１０は、インダクタＬ１とキャパシタＣ１で構成することができ、これらによって、適切なインダクタンスとキャパシタンス値を有する回路で構成することができる。

送信誘導コイル２１０は、インダクタＬ１の両端がキャパシタＣ１の両端に接続された等価回路で構成されてもよい。すなわち、送信誘導コイル２１０は、インダクタＬ１とキャパシタＣ１が並列に接続された等価回路で構成され得る。

キャパシタＣ１は可変キャパシタであってもよく、キャパシタＣ１のキャパシタンスが調節されることによってインピーダンスマッチングが行われてもよい。送信共振コイル２２０、受信共振コイル３１０、受信誘導コイル３２０の等価回路図も、図２に示されたものと同一であってもよい。

図３は、本発明の一実施例に係る電力供給装置１００及び無線電力送信装置２００の等価回路図である。

図３に示したように、送信誘導コイル２１０と送信共振コイル２２０はそれぞれ、所定のインダクタンス値とキャパシタンス値を有するインダクタＬ１，Ｌ２とキャパシタＣ１，Ｃ２で構成されてもよい。

図４は、本発明の一実施例に係る無線電力受信装置３００の等価回路図である。

図４に示したように、受信共振コイル３１０と受信誘導コイル３２０は、それぞれ、所定のインダクタンス値とキャパシタンス値を有するインダクタＬ３，Ｌ４とキャパシタＣ３，Ｃ４で構成されてもよい。

整流部３３０は、受信誘導コイル３２０から伝達された交流電力を直流電力に変換し、変換された直流電力を負荷４００に伝達することができる。

具体的に、整流部３３０は整流器及び平滑回路を含むことができる。

一実施例において、整流器はシリコン整流器を使用することができ、図４に示したように、ダイオードＤ１によって等価化することができる。

整流器は、受信誘導コイル３２０から伝達された交流電力を直流電力に変換することができる。

平滑回路は、整流器で変換された直流電力に含まれた交流成分を除去し、滑らかな直流電力を出力することができる。一実施例において、平滑回路は、図４に示されたように、整流キャパシタＣ５が使用されてもよいが、これに限定されるものではない。

負荷４００は、直流電力を必要とする任意の充電池または装置であってもよい。例えば、負荷４００はバッテリーを意味し得る。

無線電力受信装置３００は、携帯電話、ノートパソコン、マウスなどの電力を必要とする電子機器に装着できる。これによって、受信共振コイル３１０及び受信誘導コイル３２０は、電子機器の形態に合う形状を有することができる。

無線電力送信装置２００は、無線電力受信装置３００とインバンド（Ｉｎｂａｎｄ）またはアウトオブバンド（ｏｕｔ ｏｆ ｂａｎｄ）通信を用いて情報を交換することができる。

インバンド（Ｉｎ ｂａｎｄ）通信は、無線電力伝送に使用される周波数を有する信号を用いて、無線電力送信装置２００と無線電力受信装置３００との間の情報を交換する通信を意味し得る。無線電力受信装置３００は、スイッチをさらに含むことができ、前記スイッチのスイッチング動作を通じて、無線電力送信装置２００から送信される電力を受信したり受信しなくてもよい。これによって、無線電力送信装置２００は、無線電力送信装置２００で消耗される電力量を検出して、無線電力受信装置３００に含まれたスイッチのオン又はオフ信号を認識することができる。

具体的に、無線電力受信装置３００は、抵抗とスイッチを用いて、抵抗で吸収する電力量を変化させ、無線電力送信装置２００で消耗される電力を変更させることができる。無線電力送信装置２００は、前記消耗される電力の変化を感知して無線電力受信装置３００の状態情報を獲得することができる。スイッチと抵抗は直列に接続されてもよい。一実施例において、無線電力受信装置３００の状態情報は、無線電力受信装置３００の現在の充電量、充電量の推移に関する情報を含むことができる。

より具体的に説明すると、スイッチが開放されると、抵抗が吸収する電力は０となり、無線電力送信装置２００で消耗される電力も減少する。

スイッチが短絡されると、抵抗が吸収する電力は０より大きくなり、無線電力送信装置２００で消耗される電力は増加する。無線電力受信装置でこのような動作を繰り返すと、無線電力送信装置２００は、無線電力送信装置２００で消耗される電力を検出して無線電力受信装置３００とデジタル通信を行うことができる。

無線電力送信装置２００は、上記のような動作によって無線電力受信装置３００の状態情報を受信し、それに適した電力を送信することができる。

これとは反対に、無線電力送信装置２００側に抵抗とスイッチを備え、無線電力送信装置２００の状態情報を無線電力受信装置３００に伝送することも可能である。一実施例において、無線電力送信装置２００の状態情報は、無線電力送信装置２００が伝送できる最大供給電力量、無線電力送信装置２００が電力を提供している無線電力受信装置３００の数、及び無線電力送信装置２００の可用電力量に関する情報を含むことができる。

次に、アウトオブバンド通信について説明する。

アウトオブバンド通信は、共振周波数帯域ではなく別途の周波数帯域を用いて電力伝送に必要な情報を交換する通信のことをいう。無線電力送信装置２００と無線電力受信装置３００は、アウトオブバンド通信モジュールを装着して、電力伝送に必要な情報を交換することができる。前記アウトオブバンド通信モジュールは電力供給装置に装着されてもよい。一実施例において、アウトオブバンド通信モジュールは、ブルートゥース（登録商標）、ジグビー、無線ＬＡＮ、ＮＦＣ（Ｎｅａｒ Ｆｉｅｌｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）のような近距離通信方式を用いることができるが、これに限定されるものではない。

次に、図５を参照して、本発明の実施例に係る電力供給装置の構成を説明する。図５を説明するために図１乃至図４を参照する。

図５は、本発明の一実施例に係る電力供給装置の構成図である。

図５を参照すると、電力供給装置１００は、電源供給部１１０、発振器１３０、電力伝送状態感知部１４０、交流電力生成部１５０、及び制御部１７０を含むことができる。

電力供給装置１００は、無線電力送信装置２００に含まれてもよく、逆に、無線電力送信装置２００を含むこともできる。

電源供給部１１０は、電力供給装置１００の各構成要素に直流電力を供給することができる。

電力供給装置１００は、電源供給部１１０から伝達された直流電力を交流電力に変換して無線電力送信装置２００に供給することができる。

一実施例において、無線電力送信装置２００が共振を用いて無線電力受信装置３００に電力を伝送する場合であれば、無線電力送信装置２００は送信誘導コイル２１０及び送信共振コイル２２０を含むが、電磁気誘導を用いて無線電力受信装置３００に電力を伝送する場合であれば、無線電力送信装置２００は送信誘導コイル２１０のみを含むことができる。

発振器１３０は、所定の周波数を有する交流信号を生成し、生成された交流信号を交流電力生成部１５０に出力することができる。

一実施例において、無線電力送信装置２００が共振を用いて無線電力受信装置３００に電力を伝送する場合、前記所定の周波数は共振周波数であってもよい。すなわち、発振器１３０は、無線電力送信装置２００と無線電力受信装置３００が共振周波数で電力伝送が可能なように、共振周波数を有する交流信号を生成して交流電力生成部１５０に出力することができる。

一実施例において、無線電力送信装置２００が電磁気誘導を用いて無線電力受信装置３００に電力を伝送する場合、発振器１３０は、周波数を調節して、無線電力送信装置２００に供給する電力を調節することができる。すなわち、無線電力送信装置２００が、無線電力受信装置３００に伝達される電力を減少または増加させなければならない場合、発振器１３０は、周波数が調節された交流信号を生成して交流電力生成部１５０に出力することができる。電磁気誘導によって電力伝送が行われる場合、発振器１３０は、周波数を調節して、無線電力送信装置２００に供給する電力を調節することができ、これによって、無線電力受信装置３００に伝達される電力が調節され得る。

電力伝送状態感知部１４０は、無線電力送信装置２００と無線電力受信装置との間の電力伝送状態を感知することができる。一実施例において、電力伝送状態感知部１４０は、電力伝送状態を感知して、無線電力送信装置２００と無線電力受信装置との結合状態を感知することができる。ここで、結合状態は、無線電力送信装置２００と無線電力受信装置との離隔距離、位置及び方向のうちの少なくとも１つを示す状態であってもよい。

一実施例において、電力伝送状態感知部１４０は、電力供給装置１００の内部に流れる電流を通じて電力伝送状態を感知することができ、そのために、電流センサを使用することができる。電流センサは、電力供給装置１００の内部に流れる電流を測定することができ、測定された電流を通じて無線電力送信装置２００と無線電力受信装置との結合状態を把握することができる。結合状態は、無線電力送信装置２００の送信共振コイル２２０と無線電力受信装置の受信共振コイルとの間の結合係数（Ｃｏｕｐｌｉｎｇ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）で表すことができる。

電流センサは、交流電力生成部１５０に入力される電流を感知し、感知された電流の強度を測定することができる。しかし、これに限定されるものではなく、電流センサは、交流電力生成部１５０から出力される電流など、電力供給装置１００の内部に流れる電流を測定することができる。

また、電流センサとして変流器（ＣＴ：Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）が使用されてもよい。電流センサが測定する電流の強度は、無線電力送信装置２００と無線電力受信装置３００との間の電力伝送状態によって変更され得る。一実施例において、電力伝送状態は、無線電力送信装置２００と無線電力受信装置３００との距離、方向が変わることによって電力伝送効率が変更される状態であり得る。

また、電流センサが測定する電流の強度は、無線電力送信装置２００の送信共振コイル２２０と無線電力受信装置３００の受信共振コイル３１０との間の結合係数と関連し得る。結合係数は、送信共振コイル２２０と受信共振コイル３１０との間の電磁気的結合の程度を意味するもので、０から１までの範囲を有する。

もちろん、共振ではなく電磁気誘導を介して電力伝送が行われる場合、電流センサが測定する電流の強度は、送信誘導コイル２１０と受信誘導コイル３２０との間の結合係数と関連し得る。

一例として、交流電力生成部１５０に印加される電流の強度が大きくなるほど、無線電力送信装置２００と無線電力受信装置３００との間の距離が近くなる状態であり得る。このとき、結合係数は、測定された電流の強度が大きくなるほど増加し得る。逆に、交流電力生成部１５０に印加される電流の強度が小さくなるほど、無線電力送信装置２００と無線電力受信装置３００との間の距離が遠くなっている状態を意味し得る。このとき、結合係数は、測定された電流の強度が小さくなるほど減少し得る。

交流電力生成部１５０は、電源供給部１１０から供給された直流電力を、発振器１３０から出力された交流信号を用いて交流電力を生成し、生成された交流電力を無線電力送信装置２００に供給することができる。

交流電力生成部１５０は、発振器１３０から出力された交流信号を増幅して出力することができる。発振器１３０から出力された交流信号の大きさは小さいことがあるので、交流電力生成部１５０は、増幅バッファをさらに含むことによって、発振器１３０から出力された交流信号を所定の大きさだけ増幅させることができる。

交流電力生成部１５０は、プッシュプルタイプ（ｐｕｓｈ−ｐｕｌｌ ｔｙｐｅ）の構造を有することができる。プッシュプルタイプは、ペアで存在するスイッチ、トランジスタまたは任意の回路ブロックが互いに交互に動作して、出力部分で両方の応答が交互に現れる構造をいう。ペアで存在する回路ブロックが交互に動作する形態が、互いに押したり引いたりするように見えるため、プッシュプル構造と呼ばれる。

制御部１７０は、電力供給装置１００の全般的な動作を制御することができる。特に、制御部１７０は、無線電力送信装置２００が２つの送信コイルを含む場合、無線電力送信装置２００と無線電力受信装置３００との結合状態に基づいて、２つの送信コイルのうち、無線電力受信装置３００に電力を伝送するコイルを選択することができる。制御部１７０の具体的な動作については詳細に後述する。

次に、図６乃至図１２を参照して、本発明の一実施例に係る無線電力送信装置の電力伝送方法を説明する。

図６は、本発明の一実施例に係る無線電力送信装置の電力伝送方法を説明するためのフローチャートである。以下では、図６を説明するために、図１乃至図５の内容を参照し、図５で説明した電力供給装置１００は無線電力送信装置２００に含まれることを仮定する。

図６を参照すると、無線電力送信装置２００の電力伝送状態感知部１４０は、無線電力送信装置２００と無線電力受信装置３００との結合状態を感知する（Ｓ１０１）。電力伝送状態感知部１４０は、無線電力送信装置２００と無線電力受信装置３００との間の電力伝送状態を感知することができる。具体的に、電力伝送状態感知部１４０は、電力伝送状態を感知して、無線電力送信装置２００と無線電力受信装置３００との結合状態を感知することができる。

一実施例において、無線電力送信装置２００と無線電力受信装置３００との結合状態は、無線電力送信装置２００と無線電力受信装置３００との磁気的結合の程度を示すことができ、無線電力送信装置２００と無線電力受信装置３００との離隔距離、角度、配置位置のうちの少なくとも１つによって変わり得る状態を意味し得る。

また、無線電力送信装置２００と無線電力受信装置３００との結合状態は、無線電力送信装置２００の送信コイル２３０と無線電力受信装置３００の受信コイル３５０との間の結合係数（Ｃｏｕｐｌｉｎｇ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）で表すことができる。一実施例において、無線電力送信装置２００の送信コイル２３０と無線電力受信装置３００の受信コイル３５０との間の結合係数が大きくなる場合、無線電力送信装置２００と無線電力受信装置３００との間の結合状態がさらに良くなることを意味し、無線電力送信装置２００の送信コイル２３０と無線電力受信装置３００の受信コイル３５０との間の結合係数が小さくなる場合、無線電力送信装置２００と無線電力受信装置３００との間の結合状態がさらに悪くなることを意味し得る。

一実施例において、電力伝送状態感知部１４０は、電力供給装置１００の内部に流れる電流を通じて、無線電力送信装置２００と無線電力受信装置３００との結合状態を感知することができ、そのために、電流センサを使用することができる。電流センサは、電力供給装置１００の内部に流れる電流を測定することができ、測定された電流を通じて、無線電力送信装置２００と無線電力受信装置３００との結合状態を把握することができる。電流センサは、交流電力生成部１５０に入力される電流、または交流電力生成部１５０から出力される電流を測定することができる。

電流センサが測定した電流の大きさと、無線電力送信装置２００と無線電力受信装置３００との間の結合係数とは比例し得る。具体的に、電流センサが測定した電流の大きさが大きくなるほど、無線電力送信装置２００と無線電力受信装置３００との間の距離が近くなり、これによって、結合係数も大きくなり得る。逆に、電流センサが測定した電流の大きさが小さくなるほど、無線電力送信装置２００と無線電力受信装置３００との間の距離が遠くなり、これによって、結合係数も小さくなり得る。

制御部１７０は、感知された結合状態に基づいて、複数の送信コイルのうち、電力伝送のための送信コイルを決定する（Ｓ１０３）。一実施例において、無線電力送信装置２００は、複数の送信コイルを含むことができ、第１送信コイル２７０及び第２送信コイル２９０の２つの送信コイルを含むことができる。

無線電力送信装置２００の制御部１７０は、感知された結合状態に基づいて、２つの送信コイルのうち、無線電力送信装置２００と無線電力受信装置３００との間の結合状態がさらに良く示される送信コイルを決定することができる。ステップＳ１０１乃至ステップＳ１０３については、図７乃至図１０を参照して説明する。

図７及び図８は、送信コイル２３０と受信コイル３５０との配置によって結合係数が変わり得ることを説明するための図であり、図９及び図１０は、本発明の一実施例によって、受信コイル３５０の位置を確認し、活性化させる送信コイルを選択する過程を説明する図である。

特に、図７は、無線電力送信装置２００が一つの送信コイル２３０を備えた場合、送信コイル２３０と受信コイル３５０との配置を説明する図であり、図７の（ａ）は、平面から見た無線電力送信装置２００と端末機５００の配置関係を示し、図７の（ｂ）は、正面から見た無線電力送信装置２００と端末機５００の配置関係を示す。

図７の（ａ）及び（ｂ）を参照すると、無線電力送信装置２００上に、受信コイル３５０が備えられた無線電力受信装置３００を配置することができ、受信コイル３５０は、無線電力送信装置２００の送信コイル２３０から無線で電力を受信することができる。

一実施例において、受信コイル３５０は、送信コイル２３０から電磁気誘導を用いて電力を受信してもよく、共振を用いて電力を受信してもよい。もし、受信コイル３５０が送信コイル２３０から共振を用いて電力を受信する場合、送信コイル２３０は、図３で説明した送信共振コイル２２０であってもよく、受信コイル３５０は、図４で説明した受信共振コイル３１０であってもよい。また、無線電力送信装置２００は送信誘導コイル２１０を、無線電力受信装置３００は受信誘導コイル３２０をそれぞれさらに含むことができる。

送信コイル２３０は送信パッド２５０上に配置されてもよく、送信パッド２５０は、磁性体を含む四角形の形状を有してもよいが、これに限定されるものではない。

受信コイル３５０は端末機５００の内部に配置することができ、端末機５００は、携帯電話、スマートフォン（ｓｍａｒｔ ｐｈｏｎｅ）、ラップトップコンピュータ（ｌａｐｔｏｐ ｃｏｍｐｕｔｅｒ）、デジタル放送用端末機、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔｓ）、ＰＭＰ（Ｐｏｒｔａｂｌｅ Ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ Ｐｌａｙｅｒ）、ナビゲーションなどのような移動端末機であってもよい。

送信コイル２３０と受信コイル３５０との位置は、送信コイル２３０が形成する円の中心Ｏ１と受信コイル３５０が形成する円の中心Ｏ３との距離ｆで表すことができる。無線電力送信装置２００が固定された状態で配置されていれば、受信コイル３５０の位置が変わることにより、磁気的結合の程度が変更され、送信コイルと受信コイル３５０との間の結合係数が変わり得る。

これについては、図８を参照して説明する。

図８は、送信コイル２３０の中心と受信コイル３５０の中心との距離による結合係数の測定結果を示す。

送信コイル２３０と受信コイル３５０との間の結合係数は、送信コイル２３０で発生した磁束量が受信コイル３５０の内側を貫通する磁束量に比例する。これは、送信コイル２３０で発生した磁束量において受信コイル３５０の内側を貫通する磁束量が多くなる場合、磁気的結合の程度が増加するためである。

もし、図７の（ａ）で、送信コイル２３０が形成する円の面積と、受信コイル３５０が形成する円の面積とが重なる領域をＡ領域、受信コイル３５０が形成する円の面積において送信コイル２３０が形成する面積と重ならない領域をＢ領域とする。すると、Ａ領域の面積が増加するほど、送信コイル２３０で発生した磁束量において受信コイル３５０を貫通する磁束量が増加し、送信コイル２３０と受信コイル３５０との結合係数は大きくなり得る。逆に、Ａ領域の面積が減少し、Ｂの面積が増加するほど、送信コイル２３０で発生した磁束量において受信コイル３５０を貫通する磁束量が減少し、送信コイル２３０と受信コイル３５０との結合係数は小さくなり得る。

すなわち、図８に示したように、送信コイル２３０と受信コイル３５０の中心間距離が増加するほど、結合係数は減少することを確認できる。結合係数が減少するということは、無線電力送信装置２００と無線電力受信装置３００との間の電力伝送効率が低下するという意味であるので、２つの送信コイルを選択的に使用することによって、送信コイル２３０と受信コイル３５０の中心間距離が変わっても結合係数を増加させることができる方案が必要である。

そのために、本発明の実施例では、２つの送信コイルを使用することによって、受信コイルの位置が変わっても結合係数を増加させようとする。

図９は、本発明の一実施例によって、２つの送信コイルが配置された無線電力送信装置の構成を示す。

図９を参照すると、無線電力送信装置２００は、送信パッド２５０、第１送信コイル２７０及び第２送信コイル２９０を含むことができる。これに加えて、無線電力送信装置２００は、図５で説明した電力供給装置１００の構成である電力伝送状態感知部１４０、交流電力生成部１５０及び制御部１７０をさらに含むことができる。

第１送信コイル２７０及び第２送信コイル２９０は送信パッド２５０上に配置することができる。無線電力送信装置２００は、固定された状態で配置されてもよい。

第１送信コイル２７０及び第２送信コイル２９０は、ヘリカルタイプ、スパイラルタイプのいずれか１つであってもよい。また、第１送信コイル２７０及び第２送信コイル２９０は、円形、四角形などの形状に作製されてもよい。

第１送信コイル２７０が形成する円の半径は、第２送信コイル２９０が形成する円の半径よりも大きくすることができる。これによって、第１送信コイル２７０が形成する円の面積は、第２送信コイル２９０が形成する円の面積よりも大きくなり得る。第２送信コイル２９０は、第１送信コイル２７０の内側に配置されてもよい。

第１送信コイル２７０及び第２送信コイル２９０は、第１送信コイル２７０が形成する円の中心と、第２送信コイル２９０が形成する円の中心とが一致するように配置されてもよいが、これに限定されるものではなく、第１送信コイル２７０が形成する円の中心と、第２送信コイル２９０が形成する円の中心とは一致しなくてもよい。

電力伝送状態感知部１４０は、無線電力送信装置２００と、無線電力送信装置２００上に配置できる無線電力受信装置３００（または無線電力受信装置３００が備えられた端末機）との結合状態を感知することができる。

制御部１７０は、電力伝送状態感知部１４０で感知された結合状態に基づいて、第１送信コイル２７０及び第２送信コイル２９０のうち、無線電力受信装置の受信コイルに電力を伝送するコイルを決定することができる。

交流電力生成部１５０は、制御部１７０の制御によって、第１送信コイル２７０及び第２送信コイル２９０のうち決定された送信コイルに交流電力を提供することができる。

すなわち、交流電力生成部１５０は、発振器から印加された交流信号及び電源供給部１１０から伝達された直流電力を用いて交流電力を生成し、生成された交流電力を前記決定された送信コイルに提供することができる。

以下では、図１０乃至図１２を参照して、無線電力送信装置２００が、感知された結合状態に基づいて、無線電力受信装置に電力を伝送する送信コイルを決定する過程を説明する。

まず、図１０は、第１送信コイルと受信コイルの中心間距離、第２送信コイルと受信コイルの中心間距離による結合係数の変化を説明するための図である。

図１０で、第１送信コイル２７０が形成する円の半径は２３ｍｍであり、第２送信コイル２９０が形成する円の半径は１０ｍｍである。

図１０を参照すると、Ｋは、第１送信コイル２７０が形成する円の中心と受信コイルが形成する円の中心との距離による結合係数の変化を示すグラフであり、Ｈは、第２送信コイル２９０が形成する円の中心と受信コイルが形成する円の中心との距離による結合係数の変化を示すグラフである。

ｘ軸は、送信コイルと受信コイルの中心間距離（単位：ｍｍ）であり、ｙ軸は、送信コイルと受信コイルとの間の結合係数である。

中心間距離の範囲が０ｍｍ〜３ｍｍ以下である場合、第２送信コイル２９０を介して電力を伝送したときの結合係数が、第１送信コイル２７０を介して電力を伝送したときの結合係数よりも大きいので、無線電力送信装置２００は、第２送信コイル２９０を電力伝送のためのコイルとして決定できる。しかし、結合係数が０．５以上である場合に、電力伝送効率にはあまり差がないので、無線電力送信装置２００は、０ｍｍ〜３ｍｍ以下である場合にも、第１送信コイル２７０を電力伝送のためのコイルとして決定できる。

中心間距離の範囲が３ｍｍ以上〜１６ｍｍ以下である場合、第１送信コイル２７０を介して電力を伝送したときの結合係数が、第２送信コイル２９０を介して電力を伝送したときの結合係数よりも大きいので、無線電力送信装置２００は、第１送信コイル２７０を電力伝送のためのコイルとして決定できる。

もし、中心間距離の範囲が１６ｍｍ超過〜３０ｍｍ未満である場合、第２送信コイル２９０を介して電力を伝送したときの結合係数が、第１送信コイル２７０を介して電力を伝送したときの結合係数よりも大きいので、無線電力送信装置２００は、第２送信コイル２９０を電力伝送のためのコイルとして決定できる。

同様に、中心間距離の範囲が３０ｍｍ以上３６ｍｍ以下である場合、第１送信コイル２７０を介して電力を伝送したときの結合係数が、第２送信コイル２９０を介して電力を伝送したときの結合係数よりも大きいので、無線電力送信装置２００は、第１送信コイル２７０を電力伝送のためのコイルとして決定できる。

結論的に、図１０の無線電力送信装置２００は、Ｃ区間で第１送信コイル２７０を介して受信コイルに電力を伝送し、Ｄ区間で第２送信コイル２９０を介して受信コイルに電力を伝送し、Ｅ区間で第１送信コイル２７０を介して受信コイルに電力を伝送することができる。

一実施例において、第１送信コイル２７０が形成する円の半径及び第２送信コイル２９０が形成する円の半径は、第１送信コイル２７０と受信コイルとの間の結合係数値が最小となる地点Ｉと、第２送信コイル２９０と受信コイルとの間の結合係数値が極大点（最大点）になる地点Ｊとが一致するように設定され得る。図１０の実施例では、この地点は、第１送信コイル２７０と受信コイルとの中心間距離、第２送信コイル２９０と受信コイルとの中心間距離が２５ｍｍとなる地点である。理由は、第２送信コイル２９０が形成する円の半径と、第１送信コイル２７０が形成する円の半径との差が小さくなるほど、ＨグラフはＫグラフに近くなり、２つの送信コイルを使用する意味がなくなり、第２送信コイル２９０が形成する円の半径と、第１送信コイル２７０が形成する円の半径との差が大きくなるほど、Ｈグラフはｘ軸の左側に移動するはずなので、第１送信コイル２７０と受信コイルとの結合係数が最小となる地点で、第２送信コイル２９０と受信コイルとの間の結合係数が減少するためである。

これと同様の原理で、第２送信コイル２９０が形成する円の半径は、第１送信コイル２７０が形成する円の半径と一定の割合の範囲を有することができる。具体的に、第２送信コイル２９０が形成する円の半径は、第１送信コイル２７０が形成する円の半径の１／３〜２／３の間の割合を有することができる。なぜなら、第２送信コイル２９０が形成する円の半径と、第１送信コイル２７０が形成する円の半径との差がなくなると、２つの送信コイルを使用する理由がなくなり、第２送信コイル２９０が形成する円の半径と、第１送信コイル２７０が形成する円の半径との差が大きくなりすぎると、第１送信コイル２７０と受信コイルとの間の結合係数が最小となる地点で、結合係数が小さくなるためである。

また、本発明の実施例では、送信コイル及び受信コイルが円形の形状を有することを例示したが、四角形の形状を有することもできるなど、様々な形状に作製することができる。

送信コイルと受信コイルとの間の結合係数は、電流センサが測定した電流の大きさに比例し得るので、電流センサが測定した電流の大きさが大きくなるほど、結合係数も大きくなり得、電流センサが測定した電流の大きさが小さくなるほど、結合係数も小さくなり得る。

結合係数と測定された電流との比例関係を用いれば、第１送信コイル２７０を介して受信コイルに電力を伝送する場合、電流センサが測定した電流は、図１０のＫグラフと類似の形態を有し、第２送信コイル２９０を介して受信コイルに電力を伝送する場合、電流センサが測定した電流は、図１０のＨグラフと類似の形態を有する。

結局、第１送信コイル２７０及び第２送信コイル２９０のうち、結合係数がさらに大きいコイルを決定するためには、電力供給装置の内部に流れる電流を測定する必要があり、これについては、図１１を参照して説明する。

図１１は、本発明の一実施例によって、電流の測定を通じて、受信コイルに電力伝送を行う送信コイルを決定する過程を説明するための図である。

図１１を参照すると、電力伝送状態感知部１４０は電流センサを含むことができ、交流電力生成部１５０は第１増幅部１５２及び第２増幅部１５４を含むことができる。

電流センサは、交流電力生成部１５０に印加される電流を測定することができる。

第１増幅部１５２及び第２増幅部１５４は、交流電力生成部１５０が交流信号及び直流電力を用いて交流電力を増幅することによって増幅された交流電力を出力することができる。

制御部１７０は、第１送信コイル２７０及び第２送信コイル２９０のうち、受信コイルに電力を伝送するコイルを決定するために、次のような動作を行うことができる。

まず、制御部１７０は、第１増幅部１５２を活性化（ｅｎａｂｌｅ）させ、第２増幅部１５４を非活性化（ｄｉｓａｂｌｅ）させることができる。第１送信コイル２７０は、交流電力生成部１５０の第１増幅部１５２を介して交流電力の提供を受け、受信コイルに無線で電力を伝送することができる。このとき、電流センサは、交流電力生成部１５０に印加される第１電流の大きさを測定し、測定された第１電流の大きさを制御部１７０に伝達することができる。

その後、制御部１７０は、第１増幅部１５２を非活性化（ｄｉｓａｂｌｅ）させ、第２増幅部１５４を活性化（ｅｎａｂｌｅ）させることができる。第２送信コイル２９０は、交流電力生成部１５０の第２増幅部１５４を介して交流電力の提供を受け、受信コイルに無線で電力を伝送することができる。このとき、電流センサは、交流電力生成部１５０に印加される第２電流の大きさを測定し、測定された第２電流の大きさを制御部１７０に伝達することができる。

制御部１７０は、測定された第１電流の大きさ及び第２電流の大きさを用いて、第１送信コイル２７０及び第２送信コイル２９０のうち、受信コイルに電力伝送を行うコイルを決定できる。図１０で説明したように、図１０は、中心間距離による結合係数の関係を示し、結合係数は電流の大きさに比例するので、制御部１７０は、第１電流の大きさと第２電流の大きさとを比較し、さらに大きい値が測定された送信コイルを電力伝送のためのコイルとして決定できる。すなわち、第１電流の大きさと第２電流の大きさとを比較して、さらに大きい値が測定された送信コイルが、結合係数がさらに大きいということを意味する。

次に、図１２は、本発明の更に他の実施例によって、電流測定を通じて、受信コイルに電力伝送を行う送信コイルを決定する過程を説明するための図である。

図１２を参照すると、無線電力送信装置２００はスイッチ部１８０をさらに含むことができる。

スイッチ部１８０は、第１スイッチ１８１及び第２スイッチ１８３を含むことができる。

電力伝送状態感知部１４０は電流センサを含むことができ、交流電力生成部１５０は一つの増幅部１５７を含むことができる。

電流センサは、交流電力生成部１５０に印加される電流を測定することができる。

増幅部１５７は、交流電力生成部１５０が交流信号及び直流電力を用いて交流電力を増幅することによって増幅された交流電力を出力することができる。

制御部１７０は、第１送信コイル２７０及び第２送信コイル２９０のうち、受信コイルに電力を伝送するコイルを決定するために、次のような動作を行うことができる。

まず、制御部１７０は、第１スイッチ１８１を短絡させ、第２スイッチ１８３を開放させることができる。第１送信コイル２７０は、増幅部１５７を介して交流電力の提供を受け、受信コイルに無線で電力を伝送することができる。このとき、電流センサは、交流電力生成部１５０に印加される第１電流の大きさを測定し、測定された第１電流の大きさを制御部１７０に伝達することができる。

その後、制御部１７０は、第１スイッチ１８１を開放させ、第２スイッチ１８３を短絡させることができる。第２送信コイル２９０は、増幅部１５７を介して交流電力の提供を受け、受信コイルに無線で電力を伝送することができる。このとき、電流センサは、交流電力生成部１５０に印加される第２電流の大きさを測定し、測定された第２電流の大きさを制御部１７０に伝達することができる。

制御部１７０は、測定された第１電流の大きさ及び第２電流の大きさを用いて、第１送信コイル２７０及び第２送信コイル２９０のうち、受信コイルに電力伝送を行うコイルを決定できる。図１０で説明したように、図１０は、中心間距離による結合係数の関係を示し、結合係数は、電流の大きさに比例するので、制御部１７０は、第１電流の大きさと第２電流の大きさとを比較し、さらに大きい値が測定された場合の送信コイルを電力伝送のためのコイルとして決定できる。すなわち、第１電流の大きさと第２電流の大きさとを比較して、さらに大きい値が測定された送信コイルが、結合係数がさらに大きいということを意味する。

本発明の実施例によれば、無線電力送信装置２００は、受信コイルの位置が変わっても、第１送信コイル２７０及び第２送信コイル２９０のうち結合係数がさらに良くなる送信コイルを介して受信コイルに電力を伝送できるので、電力伝送効率を極大化させることができる。また、これに加えて、電力伝送が円滑に行われない領域を最小化し、無線電力受信装置の充電領域を拡大することができる。

再び図６を説明する。

無線電力送信装置２００は、活性化された送信コイル２３０を介して無線電力受信装置の受信コイル３５０に電力を伝送する（Ｓ１０５）。

その後、無線電力送信装置２００は、ステップＳ１０１〜ステップＳ１０５を継続して繰り返すことができる。

本発明の実施例によれば、無線電力送信装置２００は、受信コイルの位置が変わっても、第１送信コイル２７０及び第２送信コイル２９０のうち結合係数がさらに良くなる送信コイルを介して受信コイルに電力を伝送できるので、電力伝送効率を極大化させることができる。また、これに加えて、電力伝送が円滑に行われない領域を最小化し、無線電力受信装置の充電領域を拡大することができる。

以上では、本発明の好ましい実施例について図示し説明したが、本発明は、上述した特定の実施例に限定されず、特許請求の範囲で請求する本発明の要旨から逸脱せずに当該発明の属する技術分野における通常の知識を有する者によって様々な変形実施が可能であるということは勿論であり、このような変形実施は、本発明の技術的思想や展望から個別的に理解してはならない。

本発明の実施例に係る無線電力受信装置３００は、携帯電話、スマートフォン（ｓｍａｒｔ ｐｈｏｎｅ）、ラップトップコンピュータ（ｌａｐｔｏｐ ｃｏｍｐｕｔｅｒ）、デジタル放送用端末機、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔｓ）、ＰＭＰ（Ｐｏｒｔａｂｌｅ Ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ Ｐｌａｙｅｒ）、ナビゲーションなどのような移動端末機に装着されてもよい。

しかし、本明細書に記載された実施例による構成は、移動端末機にのみ適用可能な場合を除いては、デジタルＴＶ、デスクトップコンピュータなどのような固定端末機にも適用可能であることを、本技術分野の当業者であれば容易に理解できるであろう。

本発明において、電磁気誘導により電力を伝送する方式は、Ｑ値が相対的に低く、密着したカップリング（ｔｉｇｈｔｌｙ ｃｏｕｐｌｉｎｇ）を意味し、共振により電力を伝送する方式は、Ｑ値が相対的に高く、緩いカップリング（ｌｏｏｓｅｌｙ ｃｏｕｐｌｉｎｇ）を意味し得る。

本発明は、無線で電力を送受信する装置に用いることができる。

Claims (7)

1. 無線電力受信装置に無線で電力を伝送する無線電力送信装置であって、
   前記無線電力受信装置に磁場を介して電力を伝送する第１送信コイルと、
   前記無線電力受信装置に磁場を介して電力を伝送し、前記第１送信コイルの内側に配置された第２送信コイルとを含み、
   前記無線電力送信装置は、
   前記無線電力送信装置と前記無線電力受信装置との結合状態に基づいて、前記第１送信コイル及び前記第２送信コイルのうち１つのコイルを介して前記無線電力受信装置に電力を伝送し、
   前記結合状態は、
   前記第１送信コイルと、前記無線電力受信装置に備えられた受信コイルとの間の結合係数、または前記第２送信コイルと、前記無線電力受信装置に備えられた受信コイルとの間の結合係数を示し、
   前記第１送信コイルと前記第２送信コイルの大きさは、
   前記第１送信コイルと前記無線電力受信装置の受信コイルとの間の結合係数が最小となる地点と、前記第２送信コイルと前記受信コイルとの間の結合係数が極大点になる地点とが一致するように設定された、無線電力送信装置。
2. 前記無線電力送信装置は、
   前記第１送信コイルと前記無線電力受信装置に備えられた受信コイルとの間の磁気的結合と、前記第２送信コイルと前記受信コイルとの間の磁気的結合とを比較して、磁気的結合がさらに良いコイルを介して前記無線電力受信装置に電力を伝送する、請求項１に記載の無線電力送信装置。
3. 前記無線電力送信装置と前記無線電力受信装置との結合状態を感知する電力伝送状態感知部をさらに含み、
   前記電力伝送状態感知部は、
   前記無線電力送信装置の内部に流れる電流を測定して前記結合状態を確認する、請求項２に記載の無線電力送信装置。
4. 前記無線電力送信装置は、
   前記第１送信コイル及び前記第２送信コイルを交互に動作させ、前記無線電力送信装置の内部に流れる電流を測定する、請求項３に記載の無線電力送信装置。
5. 前記無線電力送信装置は、
   前記第１送信コイル及び前記第２送信コイルのうち、前記測定された電流の大きさがさらに大きい方に該当するコイルを介して前記無線電力受信装置に電力を伝送するようにする、請求項４に記載の無線電力送信装置。
6. 交流信号及び直流電力を用いて交流電力を生成する交流電力生成部をさらに含み、
   前記交流電力生成部は、
   前記生成された交流電力を前記第１送信コイルに出力する第１増幅部、及び前記生成された交流電力を前記第２送信コイルに出力する第２増幅部を含む、請求項４に記載の無線電力送信装置。
7. 前記無線電力送信装置は、
   前記第１増幅部を活性化させ、前記第２増幅部を非活性化させた場合に測定された電流と、前記第１増幅部を非活性化させ、前記第２増幅部を活性化させた場合に測定された電流とを比較し、前記第１送信コイル及び前記第２送信コイルのうち１つのコイルを電力伝送のためのコイルとして決定する、請求項６に記載の無線電力送信装置。

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