KR100976231B1 - Wireless power providing control system - Google Patents
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Abstract
본 발명은 무선 전력 공급 제어 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 무선으로 전력을 공급하는 송전단에 근접하는 도전체(conductor)에의 부정적 영향을 최소화시킬 수 있고, 아울러 수전단에 무선 전력을 공급하는 경우에 불필요한 전력 소모를 방지할 수 있는 무선 전력 전송 제어 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a wireless power supply control system, and more particularly, it is possible to minimize the negative effect on the conductor (productor) in close proximity to the power supply terminal for supplying power wirelessly, and also to provide wireless power to the power receiver. The present invention relates to a wireless power transmission control system capable of preventing unnecessary power consumption.
본 명세서에서 개시하는 무선 전력 공급 제어 시스템의 일 태양은 무선 전력의 공급을 위해 송전단에서 송출시키는 전류의 송출 단자에 부착되는 커패시터; 및 상기 송전단과 자기 유도 결합되는 수전단의 수전 단자에 부착되는 인덕터를 포함하여, 상기 커패시터와 상기 인덕터의 조합으로 인한 전기공진(electrical resonance)이 발생하는 경우에만 상기 송전단으로부터 상기 수전단으로 무선 전력이 공급되게 하여 본 발명이 해결하고자 하는 과제를 해결한다. One aspect of the wireless power supply control system disclosed herein includes a capacitor attached to a discharging terminal of a current sent from a power transmitting end for supplying wireless power; And an inductor attached to a power receiving terminal of the power receiving end magnetically coupled to the power transmitting end, and wirelessly from the power transmitting end to the power receiving end only when electrical resonance occurs due to the combination of the capacitor and the inductor. Solving the problem to be solved by the present invention by supplying power.
Description
본 발명은 무선 전력 공급 제어 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 무선으로 전력을 공급하는 송전단에 근접하는 도전체(conductor)에의 부정적 영향을 최소화시킬 수 있고, 아울러 수전단에 무선 전력을 공급하는 경우에 불필요한 전력 소모를 방지할 수 있는 무선 전력 전송 제어 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a wireless power supply control system, and more particularly, it is possible to minimize the negative effect on the conductor (productor) in close proximity to the power supply terminal for supplying power wirelessly, and also to provide wireless power to the power receiver. The present invention relates to a wireless power transmission control system capable of preventing unnecessary power consumption.
유비쿼터스 시대가 도래하면서 전자기기들의 모바일화 경향이 증대하고 이에 발맞추어 전자기기에 무선으로 전력을 공급하는 방안에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이는 전력을 공급하는 송전단과 공급받는 전자기기(수전단) 간에 물리적인 접촉이 없이 자기 결합(inductive coupling), 용량 결합(capacitive coupling) 또는 안테나 등의 공진구조를 이용하여 공간을 통해 전력을 공급(전송)하는 것이다.With the advent of the ubiquitous era, the tendency of electronic devices to be mobile has been increasing, and the research on the method of supplying electric power wirelessly to electronic devices has been actively conducted. It uses a resonant structure such as inductive coupling, capacitive coupling, or antenna to supply power through space without physical contact between the power supply terminal and the supplied electronic device (receiver). Transmission).
무선 전력의 공급 방식은 주로 자기 결합 원리를 이용하는데, 이는, 도 1에 제시된 바와 같이, 간단한 코일(coil) 구조를 통해 구현할 수 있다. 즉, 송전단에 해당하는 1차 코일(1)과 수전단에 해당하는 2차 코일(2)간 상호 인덕턴스(Mutual inductance, M)로 인해 발생하는 자기 결합에 의해 유도 전류(I2)가 발생되며, 이 유도 전류(I2)에 의해 수전단에 전력이 공급된다.The method of supplying wireless power mainly uses a magnetic coupling principle, which can be implemented through a simple coil structure, as shown in FIG. 1. That is, induction current I 2 is generated by magnetic coupling generated due to mutual inductance (M) between the
이때 유도 전류(I2)의 크기는 1차 코일(1)의 중심부와 2차 코일(2)의 중심부와의 거리(O, misalignment), 양 코일의 분리 간격(d, separation)에 따라 변화하는데, 전자기학의 일반원칙에 따르면 이들 두 거리가 커질수록 작아진다. 왜냐하면 전원 소스로부터 1차 코일(1)에 인가되는 전류(I1, 송출 전류)에 의해 1차 코일(1) 주변에 자기장이 형성되고, 형성되는 자기장의 세기는 거리에 따라 감소하기 때문이다. 따라서 앙페르의 법칙(Ampere's law) 내지는 비오-사바르의 법칙(Biot-Savart's law)에 의해 상기 두 거리가 커질수록 1차 코일(1) 주변에 형성되는 자기장의 세기는 감소하며, 이렇게 형성되는 자기장으로부터 상호 인덕턴스에 의해 2차 코일(2) 주변에 유도되는 자기장의 세기도 감소하며, 2차 코일(2) 주변에 유도되는 자기장에 의해 유도되는 유도 전류(I2)의 크기도 작아지는 것이다.At this time, the magnitude of the induced current (I 2 ) changes depending on the distance (O, misalignment) between the center of the primary coil (1) and the center of the secondary coil (2), the separation distance (d, separation) of both coils. However, according to the general principles of electromagnetism, the larger these two distances, the smaller they become. This is because the magnetic field is formed around the
한편 전자기기의 활용이 무선 환경에서 점점 많이 이루어지는 현 추세에서, 전자파에 의한 유해성(부정적 영향) 논란은 끊임없이 제기되고 있다. 무선 전력 공급의 경우에도 전자파가 발생되며 따라서 이 논란에서 예외가 될 수 없는데, 기존의 무선 전력 공급에 관련된 여러 기술들은 도전체가 송전단에 근거리 접근하는 경우에 전자파가 도전체에 미치는 부정적 영향에 대한 고려가 없었다. 따라서 전자기기의 오동작과 전자파 간섭 현상 방지 및 특히 도전체의 하나로 취급할 수 있는 인 체에 대한 유해성 차단 기능은 배제되어 있다.On the other hand, in the current trend in which the use of electronic devices is increasingly used in the wireless environment, the debate (hazardous effects) caused by electromagnetic waves is constantly being raised. In the case of wireless power supply, electromagnetic waves are generated and thus cannot be an exception in this controversy. Existing technologies related to wireless power supply are concerned about the negative effects of electromagnetic waves on the conductor when the conductor is approaching the power station. There was no consideration. Therefore, the function of preventing malfunction of electromagnetic devices and electromagnetic interference and blocking of harmful effects on human beings, which can be treated as one of the conductors, are excluded.
아울러 기존의 무선 전력 공급에 관련된 여러 기술들은 송전단에 수전단이 근접하는 경우이건 아니건 간에 송전단에 인가되는 전원 소스(power source)가 항상 '온(on)'되어 있으면 송전단으로부터 항상 전력이 송출되므로, 불필요하게 전력을 낭비하는 문제점도 내포하고 있다.In addition, many technologies related to the existing wireless power supply are always powered from a power source when the power source applied to the power supply is always 'on', whether or not the power source is in close proximity to the power source. Since it is sent out, there is also a problem of unnecessary waste of power.
본 발명은 상기한 문제점 및 상황을 인식하여 창안된 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 무선 전력 전송 시스템에 있어서, 전력을 공급하는 송전단에 근접한 도전체에 미치는 부정적 영향 내지 유해성을 차단하고 아울러 수전단에 전력을 공급하는 경우 전력의 불필요한 낭비를 없앨 수 있는 무선 전력 전송 제어 시스템을 제공하는 것이다.The present invention was conceived by recognizing the above problems and situations, and the problem to be solved by the present invention is to block the negative effects or harmful effects on the conductors close to the power supply terminal in the wireless power transmission system. It is to provide a wireless power transmission control system that can eliminate unnecessary waste of power when supplying power to the power stage.
상기와 같은 과제를 해결하기 위해 본 명세서에서 개시하는 무선 전력 공급 제어 시스템은In order to solve the above problems, the wireless power supply control system disclosed herein
무선 전력을 공급하는 송전단으로 도전체가 접근하는지의 여부를 감지하는 접근 감지부; 및 상기 접근이 감지된 경우 상기 송전단으로부터 외부로의 무선 전력의 공급을 차단하는 공급 차단부를 포함하여 본 발명이 해결하고자 하는 과제를 해결한다.An access detector for detecting whether a conductor approaches a power transmission terminal that supplies wireless power; And if the approach is detected solves the problem to be solved by the present invention including a supply blocker for blocking the supply of wireless power to the outside from the power transmitter.
상기와 같은 과제를 해결하기 위해 본 명세서에서 개시하는 다른 무선 전력 공급 제어 시스템은Another wireless power supply control system disclosed herein to solve the above problems is
무선 전력의 공급을 위해 송전단에서 송출시키는 전류의 송출 단자에 부착되는 커패시터; 및 상기 송전단과 자기 유도 결합되는 수전단의 수전 단자에 부착되는 인덕터를 포함하여, 상기 커패시터와 상기 인덕터의 조합으로 인한 전기공진(electrical resonance)이 발생하는 경우에만 상기 송전단으로부터 상기 수전단으로 무선 전력이 공급되게 하여 본 발명이 해결하고자 하는 과제를 해결한다.A capacitor attached to a transmitting terminal of a current transmitted from a power transmitting end for supplying wireless power; And an inductor attached to a power receiving terminal of the power receiving end magnetically coupled to the power transmitting end, and wirelessly from the power transmitting end to the power receiving end only when electrical resonance occurs due to the combination of the capacitor and the inductor. Solving the problem to be solved by the present invention by supplying power.
상기와 같은 과제를 해결하기 위해 본 명세서에서 개시하는 또 다른 무선 전력 공급 제어 시스템은Another wireless power supply control system disclosed herein to solve the above problems is
무선 전력의 공급을 위해 송전단에서 송출시키는 전류의 송출 단자에 부착되는 인덕터; 및 상기 송전단과 자기 유도 결합되는 수전단의 수전 단자에 부착되는 커패시터를 포함하여, 상기 인덕터와 상기 커패시터의 조합으로 인한 전기공진(electrical resonance)이 발생하는 경우에만 상기 송전단으로부터 상기 수전단으로 무선 전력이 공급되게 하여 본 발명이 해결하고자 하는 과제를 해결한다.An inductor attached to a transmitting terminal of a current transmitted from a power transmitting end for supplying wireless power; And a capacitor attached to a power receiving terminal of the power receiving end which is magnetically inductively coupled to the power transmitting end, and wirelessly from the power transmitting end to the power receiving end only when electrical resonance occurs due to the combination of the inductor and the capacitor. Solving the problem to be solved by the present invention by supplying power.
상기와 같은 과제를 해결하기 위해 본 명세서에서 개시하는 또 다른 무선 전력 공급 제어 시스템은 송전단으로부터 상기 송전단과 자기 결합되는 수전단으로 무선 전력이 공급되는 조건을 만족하는지 판단하는 조건 판단부; 및 상기 조건을 만족하지 아니하는 경우에는 상기 무선 전력 공급 조건을 만족하도록 상기 송전단으로부터 송출되는 전류의 양을 조정하여, 무선 전력의 공급을 발생시키는 송출 전류 조정부를 포함하여 본 발명이 해결하고자 하는 과제를 해결한다.Another wireless power supply control system disclosed in the present disclosure to solve the above problems is a condition determination unit for determining whether to meet the condition that the wireless power is supplied from the power transmission end to the power receiving end is magnetically coupled to the power transmission end; And a transmission current adjusting unit for adjusting the amount of current transmitted from the power transmission end to satisfy the wireless power supply condition if the condition is not satisfied, thereby generating supply of wireless power. Solve the problem.
본 발명에 의한 무선 전력 전송 시스템에는 송전단의 1차 코일과 수전단의 2차 코일간에 전기공진 조건이 매칭되는 경우에만 송전단으로부터 전력이 공급되므로, 전기공진 조건이 매칭되지 않는 경우에 있어서는 송전단에 근접하는 도전체에의 전자파에 의한 부정적 영향을 방지할 수 있고 아울러 수전단에 전력을 공급하는 경우에도 전력 전송이 일어나지 아니하여 불필요한 전력의 낭비를 방지할 수 있는 이점을 가진다.In the wireless power transmission system according to the present invention, power is supplied from the power transmission stage only when the electric resonance condition is matched between the primary coil of the power transmission stage and the secondary coil of the power receiver. It is possible to prevent negative influences caused by electromagnetic waves on the conductors close to the stage, and also to prevent unnecessary waste of power since power transfer does not occur even when power is supplied to the power receiver.
본 발명에 관한 구체적인 내용의 설명에 앞서 이해의 편의를 위해 본 발명이 해결하고자 하는 과제의 해결 방안의 개요를 우선 제시한다.Prior to the description of the specific contents of the present invention, for the convenience of understanding, an outline of a solution of the problem to be solved by the present invention is first presented.
본 발명은 무선 전력 전송 시 송전단에 근접하는 도전체에 미치는 유해한 영향을 감소시키고 불필요한 전력 낭비를 막기 위한 무선 전력 공급 제어 방안을 제안한다. 이를 위해 본 발명은 전기공진(electrical resonance) 원리를 활용하여 본 발명의 목적을 달성하고자 한다. 즉, 송전단과 수전단에 간단한 회로를 삽입하여 양 단간 전기공진이 발생할 조건이 매칭(matching)되는 경우에만 전력의 공급(송출)이 발생되도록 하는 것이 본 발명이 해결하고자 하는 과제의 해결 방안의 개요이다.The present invention proposes a wireless power supply control method for reducing the harmful effect on the conductor close to the power transmitter during wireless power transmission and to prevent unnecessary power waste. To this end, the present invention intends to achieve the object of the present invention by utilizing the principle of electrical resonance (electric resonance). In other words, by inserting a simple circuit in the transmission and reception terminals so that the supply (discharge) of the power is generated only when the conditions for generating electric resonance between the two ends (matching) outline of the solution of the problem to be solved by the present invention to be.
이하, 본 발명이 해결하고자 하는 과제의 해결 방안을 명확하게 하기 위한 발명의 구성을 본 발명의 바람직한 실시예에 근거하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하되, 도면의 구성요소들에 참조번호를 부여함에 있어서 동일 구성요소에 대해서는 비록 다른 도면상에 있더라도 동일 참조번호를 부여하였으며 당해 도면에 대한 설명시 필요한 경우 다른 도면의 구성요소를 인용할 수 있음을 미리 밝혀둔다.Hereinafter, the configuration of the invention for clarifying the solution to the problem to be solved by the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, based on the preferred embodiment of the present invention, to give a reference numeral to the components of the drawings In the drawings, like reference numerals refer to like elements even though they are on different drawings, and it is to be noted that components of other drawings may be cited when necessary in describing the drawings.
도 2a와 도 2b는 본 발명의 일실시예의 동작을 설명하기 위해 제시한 도면이다.2A and 2B are diagrams for explaining the operation of an embodiment of the present invention.
도 2a와 도 2b에 제시된 본 발명의 일실시예는 1차 코일(1)로 상징되는 송전단에 도전체(3)가 근접하는 경우에 송전단에서 발생하는 전자파가 도전체에 미치는 유해성을 차단시키는 것이 그 주된 목적이다. 한편 1차 코일(1)은 루프(loop)를 형성하기만 하면 되므로 어떠한 형태의 모양으로도 구현이 가능하다. 즉, 도 2a에 제시된 바와 같은 원형뿐만이 아니라 사각형, Multi-turn 코일 등 어떠한 형태의 모양으로도 가능하며 이 사실은 이하에서 2차 코일을 포함에서도 마찬가지로 적용된다.One embodiment of the present invention shown in Figs. 2a and 2b is to block the harmful effects of electromagnetic waves generated at the power transmission stage when the conductor 3 is close to the power transmission terminal symbolized by the primary coil (1) It is the main purpose. Meanwhile, since the
접근 감지부(21)는 무선 전력을 공급하는 송전단에 도전체의 접근 여부를 감지하는 기능을 수행하는데, 접근의 감지는 소정의 거리 센서 즉, 도전체가 일정 거리내에 접근하는 경우 접근한 것으로 인식하는 신호를 발생시키는 센서 등의 채용으로 구현하는 것을 한 예로 들 수 있다. 공급 차단부(22)는 도전체의 접근이 감지된 경우 송전단으로부터 외부로의 무선 전력의 공급을 차단하는 기능을 수행하는데, 차단 기능의 수행은 다음과 같이 이루어진다.The
도 2a에 제시된 바와 같이 본 발명은 무선 전력의 공급을 위해 송전단(1차 코일(1))에서 송출시키는 I1의 송출 단자와 접지 단자 간에 가변 커패시터(variable capacitor)를 연결시키거나, 도 2b에 제시된 바와 같이 송전단의 송출 단자에 가변 인덕터(adjustable inductor)를 직렬 연결시켜 무선 전력의 공급을 차단시키는 기능을 수행한다. 보다 상세히 언급하면, 공급 차단부(22)는 가변 커패시터의 커패시턴스(capacitance, Ca)를 조절하거나 가변 인덕터의 인덕턴스(inductance, La)를 조절하여 송전단의 송출 단자로부터 송출되는 전류(I1)의 양을 제어하여 무선 전력의 공급을 제어할 수 있다.As shown in FIG. 2A, the present invention connects a variable capacitor between the output terminal of I 1 transmitted from the power transmission terminal (primary coil 1) and the ground terminal for supplying wireless power, or FIG. 2B. As shown in FIG. 2, an adjustable inductor is connected in series to the output terminal of the power transmission terminal to cut off the supply of wireless power. In more detail, the
도 2a의 회로 연결 관계에 의할 경우, 가변 커패시터의 용량 리액턴스(capacitive reactance, XCa)의 크기는 다음과 같다.Based on the circuit connection relationship of FIG. 2A, the magnitude of the capacitive reactance X Ca of the variable capacitor is as follows.
|XCa| = 1/(wCa). 여기에서 w는 전원 소스(Vs의 인가전압과 Is의 인가전류)의 주파수이고 그 단위는 [rad/sec]이다. 이 사실은 이하에서도 동일하다.| X Ca | = 1 / (wC a ). Where w is the frequency of the power source (the applied voltage of Vs and the applied current of Is) and its unit is [rad / sec]. This fact is also the same below.
이 식에서 판단할 수 있는 사실은 XCa의 크기는 w가 클수록, Ca가 클수록 작아진다는 사실이다. 도전체가 송전단에 접근했다고 판단되는 경우에는 I1을 감소시켜야 하는데, 이는 커패시터에 흐르는 전류의 양(IC)을 증가시켜야 함을 의미한다. 따라서 (XCa)의 크기를 감소시켜야 하는데, 이는 상기 식에서 알 수 있는 바와 같이 w를 증가시키거나 Ca을 증가시켜야 한다. 그런데 w는 상수(constant)인 경우가 대부분이므로 결국 공급 차단부(22)는 Ca을 증가시켜 IC의 증가를 야기하여(I1의 감소를 야기하여) 송전단으로부터 공급되는 무선 전력을 감소시킬 수 있는 것이다.The fact that this equation can be judged is that the size of X Ca decreases as the w is larger and the C a is larger. If it is determined that the conductor has approached the transmission end, I 1 must be reduced, which means that the amount of current I C flowing in the capacitor must be increased. Therefore, the size of (X Ca ) should be reduced, which should increase w or increase C a as can be seen in the above formula. However, since w is mostly a constant, the supply cut-off
한편, 도 2b의 회로 연결 관계에 의할 경우, 가변 인덕터의 유도 리액턴스(inductive reactance, XLa)의 크기는 다음과 같다.Meanwhile, according to the circuit connection relationship of FIG. 2B, the magnitude of the inductive reactance (X La ) of the variable inductor is as follows.
|XLa| = wLa.| X La | = wL a .
이 식에서 판단할 수 있는 사실은 XLa의 크기는 w가 클수록, La가 클수록 커진다는 사실이다. 도전체가 송전단에 접근했다고 판단되는 경우에는 I1(=IS)을 감소시켜야 한다. 따라서 (XLa)의 크기를 증가시켜야 하는데, 이는 상기 식에서 알 수 있는 바와 같이 w을 증가시키거나 La을 증가시켜야 한다. 그런데 w는 상수인 경우가 대부분이므로 결국 공급 차단부(22)는 La을 증가시켜 I1을 감소시키고 따라서 송전단으로부터 공급되는 무선 전력을 감소시킬 수 있는 것이다.The fact that can be judged from this equation is that the larger the size of X La is, the larger w is and the larger L a is. If it is determined that the conductor has approached the transmission end, I 1 (= I S ) shall be reduced. Therefore, the size of (X La ) must be increased, which must increase w or increase L a as can be seen from the above equation. However, since w is mostly a constant, the
한편 전원 소스가 직류 즉, w=0인 경우에는 도 2a와 도 2b의 회로 연결 관계는 변경되어야 함이 타당하다. w=0인 경우, 용량 리액턴스는 무한대이고 유도 리액턴스는 0이므로 도 2a와 도 2b의 회로를 그대로 사용하는 경우에는 소스로부터의 인가전류(IS)가 그대로 1차 코일(1)로 유입되므로 전력 공급을 차단시키는 아무런 효과가 발생하지 아니한다.On the other hand, when the power source is DC, that is, w = 0, it is reasonable that the circuit connection relations of FIGS. 2A and 2B should be changed. When w = 0, the capacitance reactance is infinite and the inductive reactance is 0, so that when the circuit of FIGS. 2A and 2B is used as it is, the applied current I S from the source is introduced into the
따라서 전원이 직류인 경우, 도 2a의 경우에는 커패시터 대신에 인덕터를 연결시키는 것이 그리고 도 2b의 경우에는 인덕터 대신에 커패시터를 연결시키는 것이 바람직한데, 이러한 연결이 인가전류(IS)가 1차 코일(1)로 유입되는 것을 막을 수 있어 전력 공급을 차단시킬 수 있다. 그러므로 어떠한 연결 형태를 가지는 회로를 사용하는지는 본 발명에 의해 공급되는 전원이 직류인지 교류인지에 따라 결정될 수 있는데, 통상적으로 전원은 고주파수의 교류로 많이 제공되므로 실질적으로는 도 2a 또는 도 2b의 회로가 많이 활용될 것이다.Therefore, when the power supply is a direct current, in the case of Figure 2a, the it is preferred that the case of it and Fig. 2b for connecting an inductor in place of the capacitor is connected to the capacitor in place of the inductor, such a connection is the applied current (I S) is the primary (1) can be prevented from entering the power supply can be cut off. Therefore, what kind of connection circuit is used may be determined depending on whether the power supplied by the present invention is direct current or alternating current. In general, since the power is provided in large amounts of high frequency alternating current, the circuit of FIG. Will be utilized a lot.
도 3a 내지 도 3h는 본 발명의 다른 일실시예의 동작을 설명하기 위해 제시한 도면이다.3A to 3H are diagrams for explaining the operation of another embodiment of the present invention.
본 발명의 다른 일실시예는 송전단으로부터 전자기기(수전단)에 무선으로 전력을 공급하는 경우, 특수한 조건이 매칭되는 경우에만 전력 공급이 발생토록 하는 것을 주된 목적으로 하는 것으로 여기서 말하는 특수한 조건이란 바로 전기공진(electric resonance)의 발생 조건을 의미한다.Another embodiment of the present invention is to provide power to the electronic device (receiver) wirelessly from the power transmission end, the main purpose is that the power supply is generated only when a special condition is matched with the special condition It means the condition of the occurrence of electric resonance (electric resonance).
즉, 무선 전력을 공급하는 송전단(1차 코일)의 송출 단자에는 커패시터를 부착하고 송전단과 자기 유도 결합되는 2차 코일(2)로 상징되는 수전단의 수전 단자에는 인덕터를 부착하여, 커패시터와 인덕터의 조합으로 인한 전기공진이 발생하는 경우에만 무선 전력이 공급되게 하는 것이다. 이때 인덕터와 커패시터의 부착 위치는 서로 바뀌어도 무방하다.That is, a capacitor is attached to the transmission terminal of the power transmission terminal (primary coil) for supplying wireless power, and an inductor is attached to the power receiving terminal of the power receiving terminal represented by the
전기공진이란 회로에 인가되는 전원의 주파수와 회로의 자연 주파수(natural frequency)가 일치하는 경우에 발생하는 현상으로 인덕터와 커패시터간에 에너지의 교환이 발생하는 것인데, 이는 특정 주파수에서 발생한다. 이 특정 주파수를 공진 주파수(resonant frequency)라 하며 공진 주파수 wo는 주지된 바와 같이 다음의 식 에 의해 구할 수 있다.Electric resonance is a phenomenon that occurs when the frequency of the power applied to the circuit and the natural frequency of the circuit coincide. An exchange of energy occurs between the inductor and the capacitor, which occurs at a specific frequency. This particular frequency is called the resonant frequency, and the resonant frequency w o can be obtained by the following equation, as is well known.
공진 주파수에서는 유도 리액턴스(XL)와 용량 리액턴스(XC)가 서로 상쇄되며, 아울러 공진 주파수에서의 신호의 이득(gain)은 다른 주파수에서의 신호의 이득보다 현저히 높다.At the resonant frequency, the inductive reactance X L and the capacitive reactance X C cancel each other out, and the gain of the signal at the resonant frequency is significantly higher than the gain of the signal at the other frequency.
이와 같은 사실에 기반하여 도 3a에 제시된 본 발명의 다른 실시예에 대한 기능을 설명하면 다음과 같다.Based on this fact, the function of another embodiment of the present invention shown in FIG. 3A will be described.
도 3a를 참조하면 1차 코일(1)과 2차 코일(2)은 상호 인덕턴스(mutual inductance) M으로 자기적으로 결합(magnetically coupling)되어 있으며, 수전단의 수전 단자에는 무선 전력을 공급받는 전자기기가 연결되어 있다. 배경기술에서 언급한 바와 같이 이러한 자기 결합으로 인해 송출 전류 I1에 의해 2차 코일(2)에 유도 전류 I2가 유도된다.Referring to FIG. 3A, the
다만, 본 발명이 상기에서 언급한 기존의 무선 전력 공급 방안과 다른 사실은 I1에 의해 I2가 언제나 유도되는 것이 아니라 송전단의 송출 단자에 커패시터, 수전단의 수전 단자에 인덕터가 부착되는 관계로 특수한 조건이 만족해야 I2가 유도되는데, 이 특수한 조건은 바로 커패시턴스 Ca를 갖는 커패시터와 인덕턴스 La를 갖는 인덕터의 조합으로 인한 전기공진이 발생하는 조건을 의미하는 것이다. 전기공 진은 상기한 바와 같이 커패시턴스 Ca와 인덕턴스 La를 상쇄시키는 주파수(공진 주파수)에서 발생하며, 따라서 인덕턴스 La가 커패시턴스 Ca를 상쇄시키는 값을 가져야만 전기공진이 발생한다. 그리고 공진 주파수에서의 전류 이득(I2/I1)은 다른 주파수에 비해 현저히 높으므로 전기공진이 발생하는 경우에만 유도 전류 I2가 유도되어 수전단에 무선 전력이 공급되는 것이다.However, the fact that the present invention is different from the conventional wireless power supply scheme mentioned above is that I 2 is not always induced by I 1 , but the inductor is attached to the output terminal of the power transmission terminal and the inductor of the power receiving terminal of the power receiving end. I 2 is derived only when a special condition is satisfied. This special condition refers to a condition in which electric resonance is generated by a combination of a capacitor having a capacitance C a and an inductor having an inductance L a . Electric resonance occurs as described above at a frequency (resonance frequency) that cancels capacitance C a and inductance L a , so that electric resonance occurs only when inductance L a has a value that cancels capacitance C a . In addition, since the current gain (I 2 / I 1 ) at the resonant frequency is significantly higher than other frequencies, the induced current I 2 is induced only when electric resonance occurs to supply wireless power to the power receiver.
도 3b 내지 도 3h는 본 발명의 다른 실시예에 의한 커패시터와 인덕터의 가능한 연결 관계의 모든 예를 도시하였는데, 각 연결 관계에서의 공진 주파수를 구하는 방식은 도 3a의 경우와 동일한 원리에 의해 구현되며 다만 연결 관계의 차이로 인해 전기공진이 발생하는 소자값(커패시턴스 또는 인덕턴스) 내지는 공진 주파수만이 다를 뿐이다.3B to 3H illustrate all examples of possible connection relationships between a capacitor and an inductor according to another embodiment of the present invention. The method of obtaining the resonance frequency in each connection relationship is implemented by the same principle as that of FIG. 3A. However, due to the difference in the connection relationship, only the device value (capacitance or inductance) or resonance frequency where electric resonance occurs is different.
도 4a 내지 도 4h는 본 발명의 또 다른 일실시예의 동작을 설명하기 위해 제시한 도면이다.4A to 4H are diagrams for explaining the operation of another embodiment of the present invention.
도 4a를 참조하면, 조건 판단부(41)는 송전단으로부터 수전단으로 무선 전력이 공급되는 조건을 만족하는지 판단하고, 송출 전류 조정부(42)는 이 조건을 만족하지 아니하는 경우에는 이 조건을 만족하도록 송전단으로부터 송출되는 전류(I1)의 양을 조정하는데 이는 결국 I1에 의해 유도되는 유도 전류(I2)의 양이 조절되는 결과를 가져오므로 무선 전력의 공급을 제어하는 것이다.Referring to FIG. 4A, the
조건 판단부(41)가 판단하는 무선 전력 공급 조건은, 도 3a 내지 도 3h에 제 시된 실시예에서와 마찬가지로, 송전단에 부착되는 가변 커패시터와 수전단에 부착되는 소정 인덕턴스를 갖는 인덕터의 조합으로 인한 전기공진이 발생되는 조건인데, 조건 판단부(41)는 현재 상태의 가변 커패시터가 수전단에 부착된 인덕터와의 조합으로 전기공진이 발생되는 조건의 충족 여부를 판단하는 것이다.The wireless power supply condition determined by the
송출 전류 조정부(42)는 전기공진 발생 조건의 충족 여부에 따라 가변 커패시터의 커패시턴스를 조절하는데, 현재 상태의 가변 커패시터가 전기공진 발생 조건의 충족하면 가변 커패시터의 커패시턴스를 그대로 유지시키고 충족하지 아니하면 전기공진 발생 조건을 만족하도록 가변 커패시터의 커패시턴스를 조절하여 송출 전류(I1)의 양을 제어한다. 전기공진이 발생하도록 송출 전류(I1)의 양을 제어하면 1차 코일(1)과 자기 결합된 2차 코일(2)에 유도되는 유도 전류(I2)의 양도 자동적으로 제어되며 따라서 무선 전력의 공급을 제어할 수 있다.The output
도 4b 내지 도 4h는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 커패시터와 인덕터의 가능한 연결 관계의 모든 예를 도시하였는데, 각 연결 관계에서의 공진 주파수를 구하는 방식은 도 4a의 경우와 동일한 원리에 의해 구현되며 다만 연결 관계의 차이로 인해 전기공진이 발생하는 소자값(커패시턴스 또는 인덕턴스) 내지는 공진 주파수만이 다를 뿐이다. 그리고, 송전단에 가변 인덕터가, 수전단에 커패시터가 부착된 경우에는 송출 전류 조정부(42)는 전기공진 발생 조건을 만족하도록 가변 인덕터의 인덕턴스를 조절하는 것이 차이가 날 뿐이다.4B to 4H show all examples of possible connection relationships between a capacitor and an inductor according to another embodiment of the present invention. The method of obtaining the resonance frequency in each connection relationship is implemented by the same principle as in the case of FIG. 4A. However, only the device value (capacitance or inductance) or resonant frequency at which electric resonance occurs due to the difference in the connection relationship is different. When the variable inductor is attached to the power transmission terminal and the capacitor is attached to the power receiving terminal, the output
도 4a 내지 도 4h에 제시된 실시예는 구현의 기본적인 원리가 도 3a 내지 도 3h에 제시된 실시예의 그것과 동일하며, 다만 도 3a 내지 도 3h에 제시된 실시예와는 달리 송전단에 가변 커패시터 또는 가변 인덕터가 부착되기 때문에 무선 전력을 공급받는 전자기기의 종류에 관계없이 활용할 수 있다. 즉, 도 3a 내지 도 3h에 제시된 실시예는 활용성이 '고정형'인 반면에 도 4a에 제시된 실시예는 활용성이 '가변형'인 것이다.The embodiment shown in FIGS. 4A-4H is the same as that of the embodiment shown in FIGS. 3A-3H, with the basic principle of implementation being different from the embodiment shown in FIGS. 3A-3H, but with a variable capacitor or variable inductor at the power stage. Because it is attached, it can be used regardless of the type of electronic devices that are supplied with wireless power. That is, the embodiment shown in Figs. 3a to 3h is 'fixed', while the embodiment shown in Fig. 4a is 'variable'.
도 5a는 본 발명의 일실시예에 의해 외부로 송출되는 공급 전력의 차단율을 제시한 그래프이다.Figure 5a is a graph showing the blocking rate of the power supplied to the outside according to an embodiment of the present invention.
도 5a에서 점선은 송전단에 커패시터 또는 인덕터가 부착되지 아니한 경우의 차단율을, 실선은 송전단에 커패시터 또는 인덕터가 부착되는 경우의 차단율을 나타낸다. 상기에서 언급한 바에 근거하여 송전단에 커패시터 또는 인덕터가 부착되지 아니한 경우는 외부로의 전력 공급을 차단시킬 수 없으므로 차단율이 5% 이하를 나타내는 반면, 본 발명의 일실시예에 의하면 송전단에 부착된 커패시터 또는 인덕터에 의해 송출 전류(I1)를 감소시킬 수 있으므로 차단율이 95% 이상을 나타내는 것을 확인할 수 있다.In FIG. 5A, a dotted line indicates a blocking rate when no capacitor or inductor is attached to the power transmission terminal, and a solid line indicates a blocking rate when a capacitor or inductor is attached to the power transmission terminal. When the capacitor or inductor is not attached to the power transmission terminal based on the above mentioned, since the power supply to the outside cannot be cut off, the blocking rate is 5% or less, but according to an embodiment of the present invention, Since the output current (I 1 ) can be reduced by the capacitor or inductor, it can be seen that the blocking rate is 95% or more.
도 5b는 본 발명의 다른 실시예에 의한 무선 전력 전송 제어 시스템의 전력 전송률을 제시한 그래프이다.5B is a graph showing a power transmission rate of a wireless power transmission control system according to another embodiment of the present invention.
송전단에는 소정의 커패시턴스를 갖는 커패시터를 부착하였으며, 수전단에는 인덕터가 부착되어 있는 경우와 없는 경우에의 전송률이 제시되어 있다. 도 5b에서 점선은 수전단에 인덕터가 부착되어 있지 아니한 경우인데, 전기공진 조건이 충족 되지 아니하므로 전송률이 거의 0%에 근접함을 확인할 수 있다. 도 5b에서 실선은 수전단에 인덕터가 부착되어 있는 경우인데, 특정의 주파수에서 전송률이 100%에 근접함을 확인할 수 있으며 나머지 주파수에서는 전송률이 매우 낮음을 확인할 수 있다. 이 특정 주파수가 바로 공진 주파수이며 따라서, 위에서 언급한 바와 같이, 전류 이득(I2/I1)이 최대가 되므로 전송률이 100%에 근접함을 확인할 수 있다.In the power transmission stage, a capacitor having a predetermined capacitance is attached, and in the power receiving stage, transmission rates with and without an inductor are shown. In FIG. 5B, the dotted line is a case in which the inductor is not attached to the power receiver, and since the electric resonance condition is not satisfied, it can be seen that the transmission rate is almost 0%. In FIG. 5B, the solid line is a case where an inductor is attached to the power receiver, and it can be seen that the transmission rate is close to 100% at a specific frequency, and the transmission rate is very low at the remaining frequencies. This particular frequency is the resonant frequency, and thus, as mentioned above, the current gain (I 2 / I 1 ) is the maximum, so it can be seen that the transmission rate is close to 100%.
도 5c는 본 발명의 다른 실시예 또는 또 다른 실시예에 따른 1차 코일과 2차 코일의 중심부 간의 거리(misalignment)에 따른 무선 전력 전송률이 제시된 그래프인데, 1차 코일과 2차 코일의 분리 간격(separation)은 일정하게 유지시킨 경우이다. 중심점 간의 거리가 증가함에 따라 전송률이 감소하는 현상을 확인할 수 있다. 다만 수전부에 인덕터가 부착된 경우와 그러하지 경우의 전력 전송률은 동일한 주파수에서 차이가 발생하는 것을 볼 수 있는데, 이는 전기공진 발생 여부에 따른 차이이다. 즉, 수전단에 인덕터가 부착되어 전기공진이 발생하는 경우에는 2차 코일에 유도되는 전류의 크기가 더 크므로 전력 전송이 보다 더 크게 이루어지기 때문이다.FIG. 5C is a graph showing a wireless power transmission rate according to a misalignment between a center of a primary coil and a secondary coil according to another embodiment or another embodiment of the present invention, wherein a separation interval between the primary coil and the secondary coil is shown. Separation is a case where it is kept constant. As the distance between the center points increases, the transmission rate decreases. However, when the inductor is attached to the receiving part and the power transmission rate in the case of the case can be seen that the difference occurs at the same frequency, which depends on whether or not the electric resonance occurs. In other words, when the inductor is attached to the receiving terminal and the electric resonance occurs, the current is induced in the secondary coil is larger, so the power transmission is made larger.
도 5d는 1차 코일과 2차 코일의 분리 간격(separation)에 따른 무선 전력 전송률이 제시된 그래프인데, 1차 코일과 2차 코일의 중심부 간의 거리(misalignment)는 일정하게 유지시킨 경우이다.FIG. 5D is a graph showing the wireless power transfer rate according to the separation between the primary coil and the secondary coil, where the misalignment between the center of the primary coil and the secondary coil is kept constant.
도 5b와 도 5c의 경우와 마찬가지로 송전단에는 소정의 커패시턴스를 갖는 커패시터를 부착하였으며, 실선은 수전단에 인덕터가 부착되어 있는 경우를 점선은 인덕터가 부착되어 있지 않는 경우를 나타낸다. 배경기술에서 언급한 바와 같이 분리 간격이 증가함에 따라 전송률이 감소하는 현상을 확인할 수 있다. 다만 수전부에 인덕터가 부착된 경우와 그러하지 경우의 전력 전송률은 동일한 주파수에서 차이가 발생하는 것을 볼 수 있는데, 이도 도 5c의 경우와 마찬가지로 전기공진 발생 여부에 따른 차이이다. 즉, 수전단에 인덕터가 부착되어 전기공진이 발생하는 경우에는 2차 코일에 유도되는 전류의 크기가 더 크므로 전력 전송이 보다 더 크게 이루어지기 때문이다.As in the case of FIGS. 5B and 5C, a capacitor having a predetermined capacitance is attached to the power transmission end, and a solid line indicates a case where an inductor is attached to the power receiver, and a dotted line indicates a case where no inductor is attached. As mentioned in the background art, it can be seen that the transmission rate decreases as the separation interval increases. However, when the inductor is attached to the power receiving unit and the power transmission rate in this case can be seen that the difference occurs at the same frequency, this is also the difference depending on whether or not the electric resonance occurs as in the case of FIG. In other words, when the inductor is attached to the receiving terminal and the electric resonance occurs, the current is induced in the secondary coil is larger, so the power transmission is made larger.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.The present invention has been described above with reference to preferred embodiments thereof. Those skilled in the art will appreciate that the present invention can be implemented in a modified form without departing from the essential features of the present invention.
그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.Therefore, the disclosed embodiments should be considered in descriptive sense only and not for purposes of limitation. The scope of the present invention is shown in the claims rather than the foregoing description, and all differences within the equivalent scope will be construed as being included in the present invention.
도 1은 기존의 무선 전력 전송 시스템의 일례를 제시한 도면이다.1 is a view showing an example of a conventional wireless power transmission system.
도 2a와 도 2b는 본 발명의 일실시예의 동작을 설명하기 위해 제시한 도면이다.2A and 2B are diagrams for explaining the operation of an embodiment of the present invention.
도 3a 내지 도 3h는 본 발명의 다른 일실시예의 동작을 설명하기 위해 제시한 도면이다.3A to 3H are diagrams for explaining the operation of another embodiment of the present invention.
도 4a 내지 도 4h는 본 발명의 또 다른 일실시예의 동작을 설명하기 위해 제시한 도면이다.4A to 4H are diagrams for explaining the operation of another embodiment of the present invention.
도 5a는 본 발명의 일실시예에 의해 외부로 송출되는 공급 전력의 차단율을 제시한 그래프이다.Figure 5a is a graph showing the blocking rate of the power supplied to the outside according to an embodiment of the present invention.
도 5b는 본 발명의 다른 실시예에 의한 무선 전력 전송 제어 시스템의 전력 전송률을 제시한 그래프이다.5B is a graph showing a power transmission rate of a wireless power transmission control system according to another embodiment of the present invention.
도 5c는 본 발명의 다른 실시예 또는 또 다른 실시예에 따른 1차 및 2차 코일의 중심부 간의 거리에 따른 무선 전력 전송률이 제시된 그래프이다.5C is a graph showing a wireless power transfer rate according to the distance between the centers of the primary and secondary coils according to another embodiment or another embodiment of the present invention.
도 5d는 1차 및 2차 코일의 분리 간격에 따른 무선 전력 전송률이 제시된 그래프이다.5D is a graph showing the wireless power transfer rate according to the separation interval of the primary and secondary coils.
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