KR101232806B1 - 전송 효율을 높일 수 있는 무선전력 전송시스템 및 그 방법 - Google Patents

전송 효율을 높일 수 있는 무선전력 전송시스템 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

전송 효율을 높일 수 있는 무선전력 전송시스템 및 그 방법이 개시된다. 상기 전송 효율을 높일 수 있는 무선전력 전송시스템은 자기 공진을 이용해 무선 전력 전송을 수행할 수 있는 복수의 송신장치들 및 상기 복수의 송신장치들 중 적어도 하나로부터 전력을 수신하는 수신장치를 포함하며, 상기 복수의 송신장치들 중 상기 수신장치로 전력을 전송하는 선택 송신장치는 상기 복수의 송신장치들 각각이 상기 수신장치에 대해 갖는 전력 전송효율에 기초하여 선택되는 것을 특징으로 한다.

Description

전송 효율을 높일 수 있는 무선전력 전송시스템 및 그 방법{System and method for wireless power transmitting system capable to increase transmitting efficiency}
본 발명은 전송 효율을 높일 수 있는 무선전력 전송시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 무선 전력 전송에서 송신장치 및 수신장치 각각에 포함된 코일 간의 각도 틀어짐으로 인해 발생하는 효율 저하를 효과적인 송신 코일 선택을 통해 보상할 수 있는 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
무선으로 전력을 전송하는 방식에는 크게 전기장(RF)을 이용한 무선 전력 전송, 자기 유도 (magnetic induction)를 이용한 무선 전력 전송, 자기 공진(magnetic resonance)을 이용한 무선 전력 전송으로 나눌 수 있다.
전기장(RF)을 이용한 무선 전력 전송은 장거리에서 큰 전력을 전송할 수 있으나 송신 안테나와 수신 안테나 사이에 장애물이 있는 경우 전력 전송의 효율이 극히 나빠지며, 생명체에 위험을 줄 수 있는 단점이 있다.
자기 유도(magnetic induction)를 이용한 무선 전력 전송은 현재 전동 칫솔 등의 충전에 사용 중이나 충전 거리가 매우 짧은(예컨대, 수 mm) 단점이 있다.
이러한 단점을 보완하기 위해 자기 공진(magnetic resonance)를 이용한 무선 전력 전송 방식이 공지된 바 있다.(참고 논문 [1], A. Kurs, A. Karalis, R. Moffatt, J.D. Joannopoulos, P. Fisher, M. Soljacic. “Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances”, Science, volume 317, pp. 83-86, (2007))
상기의 논문에서는 송신장치에 포함된 송신 코일과 수신장치에 포함된 수신코일 간의 공진 특성을 이용하여 반지름 30cm 안테나를 사용하여 2m 에서 40%의 무선 전력 전송 효율을 보였다. 이 후 자기 공진을 이용한 무선 전력 전송에 대한 연구가 매우 활발히 진행되었다.
하지만 대부분의 자기 공진을 이용한 무선 전력 전송 연구에서는 송신 코일과 수신 코일이 일직선상에 위치한 최적 송수신 코일 배치 환경만을 다루고 있다. 송신 코일과 수신 코일이 일직선상에 위치할 경우 최적의 효율을 얻을 수 있으나 송신 코일과 수신 코일 간의 각도 틀어짐이 발생할 경우 서로 간의 뮤츄얼 인덕턴스(mutual inductance)가 작아지게 되어 효율이 줄어들게 된다.
한편, 다른 공지의 기술적 사상으로는 자기 공진을 이용한 무선 전력 전송에서 송수신 코일 간의 각도 틀어짐 및 중심점 불일치의 경우에 대한 연구가 있었다.(참고논문 [2], YoundoTak; Jongmin Park; Sangwook Nam; , "Mode-Based Analysis of Resonant Characteristics for Near-Field Coupled Small Antennas,"　Antennas and Wireless Propagation Letters , IEEE　, vol.8, no., pp.1238-1241, 2009) 하지만, 이러한 연구에서는 각도 틀어짐에 의한 임피던스 변화 및 공진 주파수 변화에 초점을 두고 있어 무선 전력 전송의 효율 저하 및 이의 해결 방안에 대한 기술적 사상은 제시하지 못하고 있다.
따라서, 송신장치 및 수신장치에 포함된 송신코일과 수신 코일 간의 각도 틀어짐에 의한 무선전력 전송의 효율 저하를 상대적으로 완화할 수 있는 기술적 사상이 요구된다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적인 과제는 송신장치 및 수신장치에 포함된 송신코일과 수신코일 간의 각도 틀어짐에 의한 무선전력 전송의 효율 저하를 상대적으로 완화할 수 있는 시스템 및 그 방법을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 전송 효율을 높일 수 있는 무선전력 전송시스템은 자기 공진을 이용해 무선 전력 전송을 수행할 수 있는 복수의 송신장치들 및 상기 복수의 송신장치들 중 적어도 하나로부터 전력을 수신하는 수신장치를 포함하며, 상기 복수의 송신장치들 중 상기 수신장치로 전력을 전송하는 선택 송신장치는 상기 복수의 송신장치들 각각이 상기 수신장치에 대해 갖는 전력 전송효율에 기초하여 선택되는 것을 특징으로 한다.
상기 복수의 송신장치들 각각이 상기 수신장치에 대해 갖는 전력 전송효율은 상기 복수의 송신장치들 각각과 상기 수신장치 간의 뮤츄얼 인덕턴스(Mutual Inductance)에 기초하여 판단되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 무선전력 전송시스템은 상기 복수의 송신장치들 중 적어도 하나에 선택적으로 전력을 공급하기 위한 전력 관리시스템을 더 포함할 수 있다.
상기 전력 관리시스템은 상기 복수의 송신장치들 각각의 각도정보 또는 상기 수신장치의 각도정보 중 적어도 하나에 기초하여 상기 선택 송신장치를 결정할 수 있다.
상기 전력 관리시스템은 상기 수신장치의 각도정보에 따른 각도정보별 선택 송신장치에 대한 정보를 미리 저장하며, 저장된 정보에 기초하여 상기 선택 송신장치를 결정할 수 있다.
상기 전력 관리시스템은 상기 수신장치와 상기 복수의 송신장치들 각각이 이루는 틀어짐 각도들에 대한 정보를 확인하고, 확인된 상기 틀어짐 각도들에 대한 정보에 기초하여 상기 선택 송신장치를 결정할 수 있다.
상기 전력 관리시스템은 상기 복수의 송신장치들 중 가장 전력 전송효율이 좋은 송신장치 하나를 상기 선택 송신장치로 선택하며, 선택된 하나의 상기 선택 송신장치로 가능한 전력을 모두 공급하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 전송 효율을 높일 수 있는 무선전력 전송시스템은 자기 공진을 이용해 무선 전력 전송을 수행할 수 있는 복수의 송신장치들 및 상기 복수의 송신장치들 중 적어도 하나로부터 전력을 수신하는 수신장치를 포함하며, 상기 복수의 송신장치들 중 상기 수신장치로 전력을 전송하는 선택 송신장치는 상기 복수의 송신장치들 각각의 각도정보 또는 상기 수신장치의 각도정보 중 적어도 하나에 기초하여 선택되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 복수의 송신장치들은 고정되고 상기 수신장치는 회전가능한 경우, 상기 선택 송신장치는 상기 수신장치의 각도정보에 기초하여 선택될 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 전송 효율을 높일 수 있는 무선전력 전송시스템은 자기 공진을 이용해 수신장치로 무선 전력 전송을 수행할 수 있는 복수의 송신장치들 중 적어도 하나로 전력을 공급하기 위한 전력 공급부 및 상기 전력 공급부를 제어하여 상기 복수의 송신장치들 중 선택 송신장치로 선택적으로 전력을 공급하기 위한 제어부를 포함하며, 상기 제어부는 상기 복수의 송신장치들 각각과 상기 수신장치와의 뮤츄얼 인덕턴스(Mutual Inductance)에 기초하여 상기 선택 송신장치를 선택하거나, 상기 복수의 송신장치들 각각의 각도정보 또는 상기 수신장치의 각도정보 중 적어도 하나에 기초하여 상기 선택 송신장치를 선택할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 전송 효율을 높일 수 있는 무선전력 전송방법은 전력 관리시스템이 자기 공진을 이용해 무선 전력 전송을 수행할 수 있는 복수의 송신장치들 각각의 수신장치에 대한 전력 전송효율의 순서를 확인하는 단계, 상기 전력 관리시스템이 확인한 결과에 기초하여 상기 복수의 송신장치들 중 상기 수신장치로 전력을 전송할 선택 송신장치를 선택하는 단계, 및 상기 전력 관리시스템이 선택된 상기 선택 송신장치로 전력을 공급하는 단계를 포함하며, 상기 전력 관리시스템으로부터 전력을 공급받은 상기 선택 송신장치는 상기 수신장치로 전력을 공급하는 것을 특징으로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 전송 효율을 높일 수 있는 무선전력 전송방법은 전력 관리시스템이 자기 공진을 이용해 무선 전력 전송을 수행할 수 있는 복수의 송신장치들 각각의 각도정보 또는 수신장치의 각도정보 중 적어도 하나를 확인하는 단계, 상기 전력 관리시스템이 확인한 결과에 기초하여 상기 복수의 송신장치들 중 상기 수신장치로 전력을 전송할 선택 송신장치를 선택하는 단계, 및 상기 전력 관리시스템이 선택된 상기 선택 송신장치로 전력을 공급하는 단계를 포함하며, 상기 전력 관리시스템으로부터 전력을 공급받은 상기 선택 송신장치는 상기 수신장치로 전력을 공급하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 전력 관리시스템이 자기 공진을 이용해 무선 전력 전송을 수행할 수 있는 복수의 송신장치들 각각의 각도정보 또는 수신장치의 각도정보 중 적어도 하나를 확인하는 단계는, 상기 복수의 송신장치들은 고정되고 상기 수신장치는 회전가능한 경우, 상기 전력 관리시스템이 상기 수신장치의 각도정보에 기초하여 상기 선택 송신장치를 선택하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 전송 효율을 높일 수 있는 무선전력 전송방법은 상기 수신장치의 각도정보별 선택 송신장치에 대한 정보를 저장하는 단계를 더 포함하며, 상기 전력 관리시스템이 상기 수신장치의 각도정보에 기초하여 상기 선택 송신장치를 선택하는 단계는 미리 저장된 상기 각도정보별 선택 송신장치에 대한 정보에 기초하여 상기 선택 송신장치를 선택하는 단계를 포함할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 전송 효율을 높일 수 있는 무선전력 전송시스템 및 그 방법에 의하면 복수의 송신장치를 통해 전력을 공급함으로써 수신장치의 각도가 회전되는 경우에도 전송효율의 저하를 어느 정도 완화하는 효과가 있다.
또한, 복수의 송신장치를 통해 전력을 공급할 때 송신코일과 수신코일 간의 뮤츄얼 인덕턴스를 고려하여 전력의 전송효율이 상대적으로 좋은 송신장치를 통해 전력을 전송함으로써 전송효율이 좋지 않은 송신장치로는 전력전송을 하지 않고, 전송효율이 좋은 송신장치를 통해 전력전송을 수행하도록 함으로써 상대적으로 전송효율의 저하를 완화시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 미리 수신장치 및/또는 송신장치의 각도정보에 따라 어떠한 송신장치를 통해 전력을 전송할지에 대한 정보를 저장하고 이를 이용하여 전력을 전송할 송신장치를 선택할 수 있으므로, 매번 뮤츄얼 인덕턴스의 연산을 수행할 필요가 없이 빠른 시간에 전력전송이 가능한 효과가 있다.
본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 전송 효율을 높일 수 있는 무선전력 전송시스템의 개략적인 구성을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 전송 효율을 높일 수 있는 무선전력 전송 방법을 위해 송신코일과 수신코일 간의 틀어짐 각도를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따라 뮤츄얼 인덕턴스와 전송효율의 상관관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전송 효율을 높일 수 있는 무선전력 전송방법을 위해 3개의 송신코일을 이용하는 경우를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 전송 효율을 높일 수 있는 무선전력 전송방법에서 수신장치의 각도정보를 이용하여 송신장치를 선택하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 전송 효율을 높일 수 있는 무선전력 전송방법의 성능을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
또한, 본 명세서에 있어서는 어느 하나의 구성요소가 다른 구성요소로 데이터를 '전송'하는 경우에는 상기 구성요소는 상기 다른 구성요소로 직접 상기 데이터를 전송할 수도 있고, 적어도 하나의 또 다른 구성요소를 통하여 상기 데이터를 상기 다른 구성요소로 전송할 수도 있는 것을 의미한다.
반대로 어느 하나의 구성요소가 다른 구성요소로 데이터를 '직접 전송'하는 경우에는 상기 구성요소에서 다른 구성요소를 통하지 않고 상기 다른 구성요소로 상기 데이터가 전송되는 것을 의미한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 전송 효율을 높일 수 있는 무선전력 전송시스템의 개략적인 구성을 나타낸다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 전송 효율을 높일 수 있는 무선전력 전송시스템(이하, 무선전력 전송시스템(1))은 수신장치(100), 복수의 송신장치(200~250)를 포함한다. 상기 무선전력 전송시스템(1)은 전력 관리시스템(300)을 더 포함할 수 있다. 즉, 본 발명의 기술적 사상은 수신장치(100)로 전력을 전송할 수 있는 송신장치(예컨대, 200)가 하나인 경우, 수신장치(100)와 송신장치(예컨대, 200)의 각도 틀어짐에 의한 전력전송 효율의 저하를 방지할 수 없으므로, 복수의 송신장치들(예컨대, 200~250)을 통해 전력을 전송하는 기술적 사상을 제공한다.
도 1에서는 설명의 편의를 위해 수신장치(100) 및 각각의 송신장치들(예컨대, 200~250)의 구성 중 코일만 도시하였지만, 수신장치(100) 및 각각의 송신장치들(예컨대, 200~250)은 도 1에 도시된 코일 외에도, 상기 수신장치(100) 또는 상기 송신장치들(예컨대, 200~250)의 종류 및 기능에 따라 소정의 안테나부, 메모리부, 전력을 충전하여 저장하기 위한 충전부, 자기장 통신을 통해 데이터를 수신하고 수신된 데이터에 응답하여 메보리부에 저장된 정보를 전송하는 등의 전반적인 제어를 위한 컨트롤러 부 등이 더 구비될 수 있음을 본 발명의 기술분야의 평균적 전문가는 용이하게 추론할 수 있을 것이다.
또한, 도 1에서는 송신장치들(예컨대, 200~250) 각각과 상기 수신장치(100)의 거리는 일정하다는 가정을 한다. 만약, 각각의 송신장치들(예컨대, 200~250)과 상기 수신장치(100)와의 거리가 일정하지 않은 경우에는, 본 명세서에서 고려하는 송신코일과 수신코일의 틀어짐 각도와 함께 거리에 따라 변화되는 커플링 계수(coupling coefficent)를 더 고려하여 송신장치들(예컨대, 200~250) 중 전송효율이 좋은 송신장치를 통해 상기 수신장치(100)로 전력을 전송할 수 있다.
또한, 본 명세서에서는 소정의 송신장치(예컨대, 200)와 수신장치(100) 간에 형성하는 각도는 상기 송신장치(예컨대, 200)와 수신장치(100) 각각에 포함된 송신코일과 수신코일 간에 형성하는 각도를 의미하는 것으로 해석될 수 있다.
상기 복수의 송신장치들(예컨대, 200~250) 각각은 상기 전력 관리시스템(300)에 연결되어 전력을 공급받을 수 있다. 또한, 상기 복수의 송신장치들(예컨대, 200~250) 중 상기 전력 관리시스템(300)으로부터 전력을 공급받는 송신장치(예컨대, 200)는 상기 수신장치(100)로 무선전력 전송을 수행할 수 있다. 상기 전력 관리시스템(300)은 선택적으로 상기 복수의 송신장치들(예컨대, 200~250) 중 적어도 하나에 전력을 공급할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 의하면, 상기 복수의 송신장치들(예컨대, 200~250) 각각의 위치 및 방향(예컨대, 코일 중심축의 방향)은 고정되어 있을 수 있다. 또한, 상기 수신장치(100)의 방향은 회전가능할 수 있다. 상기 복수의 송신장치들(예컨대, 200~250) 각각의 방향은 상기 수신 코일을 향하도록 설치될 수 있다.
이처럼 상기 복수의 송신장치들(예컨대, 200~250)의 위치 및 방향이 고정된 경우에는 상기 전력 관리시스템(300)은 상기 수신장치(100)의 각도정보(즉, 코일의 방향)만 확인함으로써, 상기 복수의 송신장치들(예컨대, 200~250) 중 전력을 공급할 송신장치(예컨대, 200) 즉, 선택 송신장치를 선택할 수 있다.
만약, 상기 송신장치들(예컨대, 200~250)의 방향이 회전가능한 경우에는 상기 전력 관리시스템(300)은 상기 수신장치(100)의 각도정보뿐만 아니라, 상기 송신장치들(예컨대, 200~250)의 방향도 확인할 수 있는 것이 바람직하다. 즉, 본 발명에서는 수신장치(100)와 송신장치들(예컨대, 200~250) 간의 거리는 일정한 환경을 가정하였으므로, 상기 수신장치(100)와 상기 송신장치들(예컨대, 200~250) 각각의 각도정보를 통해 뮤츄얼 인덕턴스(mutual inductance)를 확인 또는 연산할 수 있다. 그리고 수신장치와 각각의 송신장치들(예컨대, 200~250) 간의 뮤츄얼 인덕턴스에 기초하여 선택 송신장치를 선택할 수 있다.
상기 전력 관리시스템(300)은 제어부(310) 및 전력 공급부(320)를 포함할 수 있다. 상기 제어부(310)는 상기 복수의 송신장치들(예컨대, 200~250) 중에서 전력을 공급할 선택 송신장치를 선택할 수 있다. 그러면, 상기 제어부(310)는 상기 전력 공급부(320)를 제어하여 상기 선택 송신장치로 전력을 공급할 수 있다.
상기 전력 관리시스템(300)은 반드시 하나의 물리적 장치로 구현될 필요는 없다. 즉, 복수의 물리적 장치가 필요한 정보를 송수신하면서 본 명세서에서 정의되는 상기 전력 관리시스템(300)의 기능을 수행할 수 있다.
상기 제어부(310)는 상기 복수의 송신장치들(예컨대, 200~250) 중 어느 하나만 선택 송신장치로 선택할 수 있다. 이때의 선택 송신장치는 상기 복수의 송신장치들(예컨대, 200~250) 중 가장 전력 전송 효율이 높은 송신장치일 수 있다. 구현 예에 따라서는 상기 제어부(310)는 복수의 선택 송신장치를 선택할 수도 있다. 예컨대, 전송 효율이 높은 순서대로 소정 개수의 송신장치를 선택하고, 선택된 송신장치로 전력을 균등 또는 소정의 비율로 공급할 수 있다. 이러한 경우에도 모든 송신장치들(예컨대, 200~250)에 전력을 공급하는 것에 비해 전력 전송 효율은 높게 됨을 알 수 있다.
상기 제어부(310)는 상기 선택 송신장치를 선택하기 위해 상기 수신장치(100)의 각도정보를 확인할 수 있다. 상기 수신장치(100)의 각도정보만으로 상기 선택 송신장치를 선택하기 위해서는 상기 복수의 송신장치들(예컨대, 200~250) 각각의 방향은 도 1에 도시된 바와 같이 고정되어 있는 것이 바람직하다. 이러한 경우에는 후술할 바와 같이 상기 수신장치(100)의 각도정보별 선택 송신장치에 대한 정보(예컨대, 도 5에 도시된 표)를 이용하여 간편하게 선택 송신장치를 선택할 수 있다.
만약, 상기 복수의 송신장치들(예컨대, 200~250)의 방향이 회전 가능한 경우에는 상기 제어부(310)는 상기 복수의 송신장치들(예컨대, 200~250) 각각의 각도정보를 확인할 수 있는 것이 바람직하다. 그리고 상기 복수의 송신장치들(예컨대, 200~250) 각각의 각도정보 및 상기 수신장치(100)의 각도정보를 이용하여 틀어짐 각도를 계산하고, 계산된 틀어짐 각도를 이용하여 뮤츄얼 인덕턴스를 계산할 수 있다. 이러한 계산을 위한 소정의 연산장치가 상기 제어부(310)에 포함될 수 있음은 물론이다.
상기 제어부(310)가 상기 수신장치(100) 및/또는 상기 복수의 송신장치들(예컨대, 200~250) 각각의 각도정보를 확인하는 방식은 다양할 수 있다. 예컨대, 상기 수신장치(100) 및/또는 상기 복수의 송신장치들(예컨대, 200~250) 각각의 각도정보를 모니터링하는 소정의 모니터링 수단(미도시)이 별도로 상기 무선전력 전송시스템(1)에 구비되고, 상기 제어부(310)는 상기 모니터링 수단으로부터 각각의 각도정보를 수신할 수 있다. 구현 예에 따라 상기 수신장치(100) 및/또는 상기 복수의 송신장치들(예컨대, 200~250) 각각에 각도정보를 확인할 수 있는 소정의 장치(예컨대, 자이로 센서 등)가 구비될 수 있고, 이러한 경우, 상기 제어부(310)는 상기 수신장치(100) 및/또는 상기 복수의 송신장치들(예컨대, 200~250)로부터 각각의 각도정보를 수신할 수도 있다. 기타 상기 수신장치(100) 및/또는 상기 복수의 송신장치들(예컨대, 200~250) 각각의 각도정보를 확인하기 위한 다양한 실시 예가 가능할 수 있음을 본 발명의 기술분야의 평균적 전문가는 용이하게 추론할 수 있을 것이다.
한편, 상기 전력 공급부(320)는 전력을 직접 생산할 수도 있고, 외부로부터 전력을 수신할 수도 있다. 그러면, 상기 전력 공급부(320)는 전력을 선택 송신장치로 제공할 수 있다. 이때에는 유선으로 전력을 공급할 수 있지만 이에 한정되지는 않는다.
상기 복수의 송신장치들(예컨대, 200~250)과 상기 수신장치(100)는 서로 공진을 이루도록 구현될 수 있다.
상기 전력 관리시스템(300)에 의해 공진 주파수를 따르는 전력이 선택 송신장치에 인가되면, 선택 송신장치에 포함된 송신코일과 수신장치(100)에 포함된 수신코일의 공진 현상에 의해 수신장치(100)로 전력이 무선 전송될 수 있다.
이와 같은 공진을 이용한 무선 전력 전송의 효율은 참고논문 [1]에 개시된 바와 같이 수학식 1과 같을 수 있다.
Figure 112011067557545-pat00001
여기서
Figure 112011067557545-pat00002
과
Figure 112011067557545-pat00003
는 각각 송신코일과 수신코일에 저장된 에너지를 의미하며
Figure 112011067557545-pat00004
,
Figure 112011067557545-pat00005
,
Figure 112011067557545-pat00006
는 각각 송신코일, 수신코일, 수신부하의 흡수(absorption) 및 라디에이티드 로스(radiated loss)에 따른 인트린직 디케이 레이트(intrinsic decay rate)를 의미한다. 또한,
Figure 112011067557545-pat00007
는 송신 코일과 수신 코일 간의 커플링 계수(coupling coefficient)를 의미하며 수학식 2와 같이 정의될 수 있다.
Figure 112011067557545-pat00008
여기서
Figure 112011067557545-pat00009
는 공진 주파수를 의미하며
Figure 112011067557545-pat00010
은 mutual inductance 를 의미한다.
Figure 112011067557545-pat00011
및
Figure 112011067557545-pat00012
는 각각 송신 코일과 수신 코일의 인덕턴스(inductance) 값을 의미한다.
수학식 1은 송신코일과 수신코일의 방향(즉, 중심축의 방향)이 정확히 일직선상에 위치하여 각도의 틀어짐이 없을 때의 효율을 나타낸다. 만약, 송신코일과 수신코일의 방향이 틀어져서 틀어짐 각도가 발생하면, 송신코일과 수신코일 간의 뮤츄얼 인덕턴스의 값이 변하게 된다. 상기 틀어짐 각도는 도 2에 도시된 바와 같이 송신코일과 수신코일의 방향이 일직선상에 위치한 상태에서 어느 하나의 코일이 회전된 각도(
Figure 112011067557545-pat00013
)를 의미할 수 있다.
이처럼 틀어진 각도가 발생한 경우, 송신코일과 수신코일 간의 뮤츄얼 인덕턴스는 수학식 3과 같이 근사화될 수 있다. 이러한 근사화 과정은 참고논문 [3](Zhi Sun; Akyildiz, I.F.; , "Underground Wireless Communication Using Magnetic Induction,"　Communications, 2009. ICC '09. IEEE International Conference on　, vol., no., pp.1-5, 14-18 June 2009)에 상세히 개시되어 있으므로 상세한 설명은 생략한다.
Figure 112011067557545-pat00014
여기서
Figure 112011067557545-pat00015
과
Figure 112011067557545-pat00016
는 각각 송신 코일과 수신 코일의 감은 횟수를 의미하며
Figure 112011067557545-pat00017
과
Figure 112011067557545-pat00018
는 각각 송신 코일과 수신 코일의 반지름을 의미한다.
Figure 112011067557545-pat00019
는 매질의 유전율을 의미하며
Figure 112011067557545-pat00020
은 송신 코일과 수신 코일 간의 거리를 의미한다. 위의 수학식 3에서 볼 수 있듯이 송신 코일과 수신 코일 간의 틀어짐 각도에 따라 뮤츄얼 인덕턴스 값이 달라지며 이는 전력 전송효율에 영향을 미치게 된다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따라 뮤츄얼 인덕턴스와 전송효율의 상관관계를 설명하기 위한 도면인데, 수학식 1 및 수학식 2에서 알 수 있듯이 전력 전송 효율은 커플링 계수(
Figure 112011067557545-pat00021
)에 영향을 받으며 커플링 계수(
Figure 112011067557545-pat00022
)는 뮤츄얼 인덕턴스에 비례하게 된다. 따라서, 뮤츄얼 인덕턴스와 전력 전송효율을 도식화 해보면 도 3에 도시된 바와 같이 나타날 수 있다. 따라서, 뮤츄얼 인덕턴스 값이 커질수록 전력 전송효율이 좋아짐을 알 수 있다.
따라서, 상기 수신장치(100)와 상기 복수의 송신장치들(예컨대, 200~250) 각각 간의 뮤츄얼 인덕턴스를 확인함으로써, 상기 전력 관리시스템(300)은 선택 송신장치를 선택할 수 있다. 이러한 경우, 상기 전력 관리시스템(300)은 상기 복수의 송신장치들(예컨대, 200~250) 각각의 각도정보와 상기 수신장치(100)의 각도정보를 확인하고, 그에 따른 틀어짐 각도를 계산하여 상기 뮤츄얼 인덕턴스를 수학식 3과 같이 연산할 수 있다.
한편, 전술한 바와 같이 상기 복수의 송신장치들(예컨대, 200~250) 각각의 위치와 방향이 고정되어 있고, 상기 복수의 송신장치들(예컨대, 200~250) 각각의 방향에 대한 정보를 미리 상기 전력 관리시스템(300)이 알고 있는 경우라면, 상기 전력 관리시스템(300)은 상기 수신장치(100)의 각도정보만 확인함으로써 간편하게 상기 복수의 송신장치들(예컨대, 200~250) 중 상기 수신장치(100)에 대해 전력 전송효율이 좋은 순서를 판단할 수 있다. 이는 도 4를 참조하여 설명하도록 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전송 효율을 높일 수 있는 무선전력 전송방법을 위해 3개의 송신코일을 이용하는 경우를 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 무선전력 전송시스템(1)은 도 4에 도시된 바와 같이 수신장치(100), 3개의 송신장치(예컨대, 200~220), 및 전력 관리시스템(300)을 포함할 수 있다.
상기 송신장치들(예컨대, 200~220) 각각의 방향은 상기 수신장치(100)를 향하도록 배치될 수 있다. 상기 수신장치(100)의 각도정보는 상기 제1송신장치(200)와 수신장치(100)의 방향이 일직선상에 위치하는 경우, 상기 각도정보는 (
Figure 112011067557545-pat00023
일 수 있다.
상기 각도정보가 0도인 경우, 상기 제1송신장치(200)와 수신장치(100) 간의 뮤츄얼 인덕턴스가 다른 송신 장치(제2송신장치(210) 및 제3송신장치(220))와 상기 수신장치(100) 간의 뮤츄얼 인덕턴스 보다 크게 되어 제1송신장치(200)로부터 전력 전송을 받을 때의 효율이 가장 좋을 수 있다. 따라서 본 발명의 일 실시 예에 의하면, 상기 전력 관리시스템(300)은 제2송신장치(210) 및 제3송신장치(220)에는 전력을 공급하지 않고 모든 전력을 상기 제1송신장치(200)에 공급하여 상기 수신장치(100)가 효율적으로 전력을 전송받을 수 있도록 할 수 있다.
한편, 상기 수신장치(100)의 각도정보(
Figure 112011067557545-pat00024
가 커짐에 따라 상기 수신장치(100)와 상기 제1송신장치(200) 및 제3송신장치(220)간의 뮤츄얼 인덕턴스가 감소하게 되고, 제2송신장치(210)와 상기 수신장치(100) 간의 뮤츄얼 인덕턴스가 증가하게 된다.
상기 수신장치(100)의 각도정보가
Figure 112011067557545-pat00025
일 경우, 상기 제1송신장치(200)와 상기 수신장치(100) 간의 뮤츄얼 인덕턴스와 상기 제2송신장치(210)와 상기 수신장치(100) 간의 뮤츄얼 인덕턴스가 같아지게 된다.
상기 수신장치(100)의 각도정보가
Figure 112011067557545-pat00026
인 경우, 상기 제2송신장치(210)와 상기 수신장치(100) 간의 뮤츄얼 인덕턴스 값이 가장 크게 되므로 전력 관리시스템(300)은 모든 전력을 제2송신장치(210)로 공급하여 수신장치(100)가 상기 제2송신장치(210)로부터 전력 공급을 받을 수 있도록 할 수 있다.
이와 같은 방식으로 상기 전력 관리시스템(300)에는 상기 수신장치(100)의 각도정보별로 선택할 선택 송신장치에 대한 정보를 미리 저장해둘 수 있으며, 이러한 정보의 일 예는 도 5에 도시된 바와 같을 수 있다..
본 발명의 다른 실시 예에 의하면, 상기 전력 관리시스템(300)은 뮤츄얼 인덕턴스가 큰 순서대로 복수 개의 선택 송신장치를 선택할 수도 있다. 이러한 경우에도 본 발명의 기술적 사상을 적용하지 않는 것에 비해서는 전력 전송효율의 증가가 존재할 수 있다.
이처럼, 상기 송신장치들(예컨대, 200~220)의 방향이 고정되어 있는 경우에는, 미리 상기 전력 관리시스템(300)은 상기 수신장치(100)의 각도정보에 따라 선택될 선택 송신장치에 대한 정보를 저장할 수 있다. 그리고 상기 수신장치(100)의 각도정보만 확인하면 상기 선택 송신장치를 선택할 수 있으므로, 송신장치들(예컨대, 200~220) 각각에 대한 뮤츄얼 인덕턴스(또는 각각의 틀어짐 각도)를 연산하는 것에 비해 빠른 시간 내에 선택 송신장치를 선택할 수 있는 효과가 있다. 물론, 송신장치들(예컨대, 200~220)의 방향이 회전가능한 경우에는, 뮤츄얼 인덕턴스(또는 각각의 틀어짐 각도)를 연산하여 상기 선택 송신장치를 선택할 수도 있다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 전송 효율을 높일 수 있는 무선전력 전송방법의 성능을 설명하기 위한 도면이다.
도 6의 점선은 하나의 송신장치를 이용해 상기 송신장치를 고정하고 수신장치가 회전하면서 전력 공급을 받는 경우의 전력 전송효율을 나타내며, 실선은 도 4에 도시된 바와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 전력 전송효율을 나타낸다.
도 6에서의 시뮬레이션은 송신장치의 송신코일 및 수신장치의 수신코일의 반지름은 0.3m, 각각 5.25번씩 감겨 있는 동일 구조의 코일 상황을 가정하였다. 중심 주파수는 10MHz를 사용하였다.
도 6에서 확인할 수 있듯이 종래의 방식의 경우(즉, 점선의 경우), 송신장치와 수신장치의 방향이 일직선에 있을 경우 (
Figure 112011067557545-pat00027
효율이 최대가 되며 송신장치와 수신장치 간에 틀어짐 각도가 발생하면, 상기 틀어짐 각도가 커질수록 전력 전송 효율이 낮아지는 것을 알 수 있다. 특히 송신 코일과 수신 코일의 방향이 직교하는 경우 (
Figure 112011067557545-pat00028
효율이 최소가 되는 것을 알 수 있다.
이에 반해 본 발명의 기술적 사상에 의하면 수신장치의 각도정보가 변경됨에 따라 전력 전송효율이 가장 좋은 송신장치를 선택함으로써 수신장치가 임의의 방향으로 회전하는 경우에도 일정 수준 이상의 전력 전송효율을 가질 수 있음을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명의 기술적 사상에 의하면, 전력을 전송받을 수신장치의 방향을 임의로 배치할 수 있어서 수신장치의 배치에 노력과 비용을 줄일 수 있는 효과도 있다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (14)

  1. 자기 공진을 이용해 무선 전력 전송을 수행할 수 있는 복수의 송신장치들;
    상기 복수의 송신장치들 중 적어도 하나로부터 전력을 수신하는 수신장치; 및
    상기 복수의 송신장치들 중 상기 수신장치로 전력을 전송하는 선택 송신장치에 선택적으로 전력을 공급하기 위한 전력 관리시스템을 포함하며,
    상기 복수의 송신장치들은 고정되고, 상기 수신장치는 고정된 위치에서 회전가능하며,
    상기 선택 송신장치는,
    상기 복수의 송신장치들 각각이 상기 수신장치에 대해 갖는 전력 전송효율에 기초하여 선택되며,
    상기 전력 관리시스템은,
    상기 수신장치의 각도정보별 선택 송신장치에 대한 정보를 미리 저장하며,
    상기 수신장치와 상기 복수의 송신장치들이 이루는 틀어짐 각도에 대한 정보를 확인하고,
    저장된 상기 각도정보별 선택 송신장치에 대한 정보 및 확인된 상기 틀어짐 각도에 대한 정보에 기초하여 상기 선택 송신장치를 결정하는 것을 특징으로 하는 전송 효율을 높일 수 있는 무선전력 전송시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 복수의 송신장치들 각각이 상기 수신장치에 대해 갖는 전력 전송효율은,
    상기 복수의 송신장치들 각각과 상기 수신장치 간의 뮤츄얼 인덕턴스(Mutual Inductance)에 기초하여 판단되는 것을 특징으로 하는 전송 효율을 높일 수 있는 무선전력 전송시스템.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1항에 있어서, 상기 전력 관리시스템은
    상기 복수의 송신장치들 중 가장 전력 전송효율이 좋은 송신장치 하나를 상기 선택 송신장치로 선택하며,
    선택된 하나의 상기 선택 송신장치로 가능한 전력을 모두 공급하는 것을 특징으로 하는 전송 효율을 높일 수 있는 무선전력 전송시스템.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 자기 공진을 이용해 수신장치로 무선 전력 전송을 수행할 수 있는 복수의 송신장치들 중 적어도 하나로 전력을 공급하기 위한 전력 공급부; 및
    상기 전력 공급부를 제어하여 상기 복수의 송신장치들 중 선택 송신장치로 선택적으로 전력을 공급하기 위한 제어부를 포함하며,
    상기 복수의 송신장치들은 고정되고, 상기 수신장치는 고정된 위치에서 회전가능하며,
    상기 제어부는,
    상기 수신장치의 각도정보에 따른 각도정보별 선택 송신장치에 대한 정보를 미리 저장하며,
    상기 수신장치와 상기 복수의 송신장치들이 이루는 틀어짐 각도에 대한 정보를 확인하고,
    저장된 상기 각도정보별 선택 송신장치에 대한 정보 및 확인된 상기 틀어짐 각도에 대한 정보에 기초하여 상기 선택 송신장치를 결정하는 전송 효율을 높일 수 있는 무선전력 전송시스템.
  11. 삭제
  12. 전력 관리시스템이 수신장치의 각도정보에 따른 각도정보별 선택 송신장치에 대한 정보를 저장하는 단계;
    상기 전력 관리시스템이 상기 수신장치의 각도정보를 확인하는 단계;
    상기 전력 관리시스템이 확인한 각도정보 및 미리 저장된 상기 각도정보별 선택 송신장치에 대한 정보에 기초하여 복수의 송신장치들 중 상기 수신장치로 전력을 전송할 선택 송신장치를 선택하는 단계; 및
    상기 전력 관리시스템이 선택된 상기 선택 송신장치로 전력을 공급하는 단계를 포함하며,
    상기 복수의 송신장치들은 고정되고, 상기 수신장치는 고정된 위치에서 회전가능하며,
    상기 전력 관리시스템으로부터 전력을 공급받은 상기 선택 송신장치는 자기 공진을 이용해 무선 전력 전송을 수행할 수 있는 것을 특징으로 하는 전송 효율을 높일 수 있는 무선전력 전송방법.
  13. 삭제
  14. 삭제
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