KR101235356B1 - 무선 전력 수신 장치 및 방법 - Google Patents

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KR101235356B1
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변영재
김영수
황민휘잉
최윤호
이승규
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국립대학법인 울산과학기술대학교 산학협력단
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Abstract

자기 공진형 무선 전력 전송 시스템의 무선 전력 수신 장치는 수신 코일에 흐르는 전류를 측정하여서 자기 공진하는 두 코일간 거리를 확인하고, 두 코일간 거리에 따라서 교류 전압의 주파수를 변경한다.

Description

무선 전력 수신 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR RECIVING A WIRELESS POWER}
본 발명은 무선 전력 수신 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 자기 공진형 무선 전력 전송 시스템의 무선 전력 수신 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 소형 멀티미디어 기기에 전력선 없이도 전원을 공급할 수 있는 무선 전력 전송(Wireless power transmission) 기술에 대한 관심이 높아지고 있다. 특히, 휴대용 기기 및 가정용 전자 제품이 다양해짐에 따라 수십 센티미터(cm) 정도의 거리에서 전력을 공급하는 시스템에 대한 수요가 증가하고 있다.
유도 결합(Inductively coupled) 방식의 무선 전력 전송 시스템은 최대 80%의 매우 높은 효율을 가지며 차량 배터리 충전 시스템을 포함한 광범위한 어플리케이션을 위해 개발되었다. 그러나 유도 결합은 시스템의 동작 범위가 제한되어 있다.
2007년 MIT 팀은 40% 효율로 2미터 이상의 비교적 장거리에서 무선으로 에너지를 전송하는 새로운 방법을 제안했으며, 이 방법은 전자기 공진(Electromagnetic resonant)을 바탕으로 중거리 범위의 전자 장치를 충전할 수 있는 가능성을 제공하고 있다.
전자기 공진형 무선 전력 전송 시스템은 송신부와 수신부가 같은 주파수로 공진할 경우에 전자파가 자기장을 통해 송신부에서 수신부로 이동하는 공진 결합 방식에 기반을 두고 있다.
전자기 공진형 무선 전력 전송 시스템은 비접촉식(Inductive coupling) 방식보다 진화된 방식으로, 주파수 대역에 대한 제한이 없고 중거리 무선 전력 전송에 강인하며, 자기 공진의 이용으로 이론상 인체에 무해한 특성을 가지므로, 그 활용도가 높아질 것으로 예상된다.
이러한 전자기 공진형 무선 전력 전송 시스템에서 무선 전력의 전송 효율은 매우 중요한 기술적 요소이다. 따라서, 자기 공진형 무선 전력 전송 시스템에서는 전송 효율을 높일 수 있는 기술이 필수적으로 요구된다.
일본공개특허공보 특개 2011-166994호 (공개일: 2011.08.25.) 일본공개특허공보 특개 2010-252446호 (공개일: 201.11.04.)
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 전송 효율을 높일 수 있는 무선 전력 수신 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 한 실시 예에 따르면, 자기 공진하는 송신 코일과 소정 주파수의 교류 전압을 인가 받아 상기 송신 코일로 전달하는 전원 코일을 포함하는 무선 전력 송신 장치로부터, 무선으로 전력을 수신하는 장치가 제공된다. 무선 전력 수신 장치는 수신 코일, 부하 코일, 그리고 제어부를 포함한다. 상기 수신 코일은 상기 송신 코일과 동일한 공진 주파수에서 공진하여 상기 무선 전력 송신 장치로부터 상기 교류 전압을 수신한다. 상기 부하 코일은 상기 수신 코일로부터 상기 교류 전압을 수신하여 부하에 공급한다. 그리고 상기 제어부는 상기 수신 코일에 흐르는 전류로부터 상기 송신 코일과 상기 수신 코일간의 공진 거리를 확인하고, 상기 공진 거리에 따라서 상기 교류 전압의 주파수를 제어한다.
상기 무선 전력 수신 장치는 상기 수신 코일의 양단에 연결되어 있는 제1 가변 커패시터, 그리고 상기 부하 코일의 양단에 연결되어 있는 제2 가변 커패시터를 더 포함할 수 있고, 상기 제어부는 상기 교류 전압의 주파수에서 공진하도록 상기 제1 및 제2 가변 커패시터의 값을 제어할 수 있다.
상기 전원 코일의 양단에 제3 가변 커패시터가 연결되어 있고, 상기 송신 코일의 양단에 제4 가변 커패시터가 연결되어 있을 수 있으며, 상기 제어부는 상기 교류 전압의 주파수에서 공진하도록 상기 제3 및 제4 가변 커패시터의 값을 제어할 수 있다.
상기 제어부는 상기 수신 코일에 흐르는 전류를 측정하는 전류 센서, 그리고 상기 전류 센서에 의해 측정된 전류에 대응하는 전압으로부터 상기 송신 코일과 상기 수신 코일간의 거리를 확인하는 거리 확인부를 포함할 수 있다.
상기 전류 센서에 의해 측정된 전류는 차동의 신호일 수 있고, 상기 제어부는 상기 차동의 신호의 전압의 차를 증폭하여 상기 거리 확인부로 출력하는 차동 증폭기를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 무선 전력 수신 장치에서, 소정 주파수의 교류 전압이 인가되는 전원 코일과 자기 공진으로 상기 교류 전압을 전송하는 송신 코일을 포함하는 무선 전력 송신 장치로부터 무선으로 전력을 수신하는 방법이 제공된다. 무선 전력 수신 방법은 상기 송신 코일과 동일한 공진 주파수에서 공진하는 수신 코일을 통해서 교류 전압을 수신하는 단계, 상기 교류 전압을 부하 코일을 통해서 부하에 전달하는 단계, 상기 수신 코일에 흐르는 전류로부터 상기 송신 코일과 상기 수신 코일간 거리를 확인하는 단계, 그리고 상기 송신 코일과 상기 수신 코일간 거리로부터 상기 교류 전압의 주파수를 제어하는 단계를 포함한다.
상기 제어하는 단계는, 상기 송신 코일과 상기 수신 코일간 거리에 따라서 상기 교류 전압의 주파수를 결정하는 단계, 그리고 결정한 주파수로 상기 교류 전압의 주파수를 변경하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 변경하는 단계는, 상기 교류 전압의 주파수에서 공진하도록 상기 전원 코일, 상기 송신 코일, 상기 수신 코일 및 상기 부하 코일의 양단에 각각 연결된 제1 내지 제4 가변 커패시터의 값을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 의하면, 송신측에서 공진을 일으키는 송신 코일과 수신측에서 공진을 일으키는 수신 코일간의 거리에 따라서, 교류 전압의 주파수와 전원 코일, 송신 코일, 수신 코일 및 부하 코일의 양단에 각각 연결되어 있는 가변 커패시터의 값을 제어함으로써, 자기 공진형 무선 전력 전송 시스템에서 무선 전력의 전송 효율을 안정화시킬 수 있다.
도 1은 일반적인 자기 공진형 무선 전력 전송 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 자기 공진형 무선 전력 전송 시스템의 등가 회로의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 3은 자기 공진형 무선 전력 전송 시스템에서 k23, S21 및 주파수의 관계를 나타낸 그래프도이다.
도 4는 자기 공진형 무선 전력 전송 시스템에서 결합 계수(k23)과 주파수와의 관계를 나타낸 그래프도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 자기 공진형 무선 전력 전송 시스템의 등가 회로를 나타낸 도면이다.
도 6은 도 5에 도시된 제어부의 동작을 설명한 흐름도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 및 청구범위 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이제 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 수신 장치 및 방법에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.
도 1은 일반적인 자기 공진형 무선 전력 전송 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참고하면, 자기 공진형 무선 전력 전송 시스템은 무선 전력 송신 장치(100)와 무선 전력 수신 장치(200)를 포함한다.
무선 전력 송신 장치(100)는 자기 공진을 통해 무선 전력 수신 장치(200)로 전력을 무선 전송한다. 무선 전력 수신 장치(200)는 무선 전력 송신 장치(100)로부터 전력을 수신하여 전력을 소모하는 장치에 공급할 수 있다. 여기서, 전력을 소모하는 장치는 예를 들면, 배터리로 동작하는 이동통신 단말기일 수 있다.
무선 전력 송신 장치(100)는 전력 생성부(110), 전원 코일(120) 및 송신 코일(130)을 포함하며, 무선 전력 수신 장치(200)는 수신 코일(210), 부하 코일(220) 및 부하(230)를 포함한다.
전력 생성부(110)는 교류 전력 예를 들면, 10MHz의 전력 신호를 생성하여 전원 코일(120)로 전달한다. 전력 생성부(110)는 생성한 교류 전력을 증폭할 수도 있다.
전원 코일(120)은 전력 생성부(110)로부터 수신한 교류 전력을 전자기 유도 방식으로 송신 코일(130)에 전달한다.
송신 코일(130)은 고유의 공진 주파수로 자기 공진을 일으켜 교류 전력을 무선 전력 수신 장치(200)로 전달한다. 즉, 송신 코일(130)은 공진 주파수로 자기 공진을 일으켜 교류 전력을 저장하고 있다가 송신 코일(130)과 같은 공진 주파수로 무선 전력 수신 장치(200)의 수신 코일(210)이 공진할 때 공진 결합 방식을 통해 저장하고 있는 교류 전력을 무선 전력 수신 장치(200)의 수신 코일(210)로 전달한다.
무선 전력 수신 장치(200)에서, 수신 코일(210)은 송신 코일(130)와 동일한 공진 주파수로 자기 공진을 일으켜 송신 코일(130)로부터 교류 전력을 수신하고, 이를 부하 코일(220)로 전달한다.
송신 코일(130) 및 수신 코일(210)은 각각 자기 공진을 일으키므로, 송신 코일(130) 및 수신 코일(210)가 각각 무선 전력 송신 장치(100) 및 무선 전력 수신 장치(200)에서의 공진부(130a, 210a)를 형성한다.
부하 코일(220)은 송신 코일(130)로부터 교류 전력을 수신하여서 부하(230)에 공급한다.
부하(230)는 도 1과 달리 무선 전력 수신 장치(200)의 외부에 설치되어 있을 수도 있다.
이와 같이 자기 공진형 무선 전력 전송 시스템은 종래의 유도 결합 방식에서 와 같이 2개의 코일을 사용하는 것이 아니라 4개의 즉, 전원 코일(120), 송신 코일(130), 수신 코일(210) 및 부하 코일(220)이 사용된다. 4개의 코일로 이루어진 자기 공진형 무선 전력 전송 시스템은 각각의 코일이 서로 각각의 결합 계수로 결합(coupling)되어 있는 형태로 해석될 수 있으며, 등가 회로로 모델링하면 도 2와 같을 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 자기 공진형 무선 전력 전송 시스템의 등가 회로의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 2를 참고하면, 전력 생성부(110)는 교류 전원(Vs) 및 교류 전원(Vs)의 저항 성분인 저항(Rs)으로 모델링될 수 있으며, 부하(230)는 부하 저항(RL)으로 모델링될 수 있다. 그리고 전원 코일(120)은 저항(R1), 인덕터(L1) 및 커패시터(C1)의 회로로 모델링할 수 있으며, 나머지 송신 코일(130), 수신 코일(210) 및 부하 코일(220) 또한 각각 저항(R2, R3, R4), 인덕터(L2, L3, L4) 및 커패시터(C1, C2, C4)의 회로로 모델링할 수 있다. 이때, 인덕터(L1, L2)가 결합 계수(k12)로 결합되고, 인덕터(L2, L3)가 결합 계수(k23)로 결합되며, 인덕터(L3, L4)가 결합 계수(k34)로 결합된다.
이 회로 모델은 자기 공진형 무선 전력 전송 시스템의 특성을 분석할 수 있는 편리한 방법을 제공한다. 키르히호프의 전압 법칙(Kirchhoff's Voltage Law)을 자기 공진형 무선 전력 전송 시스템의 등가 회로에 적용하면, 전원 코일(120), 송신 코일(130), 수신 코일(210) 및 부하 코일(220)에 흐르는 전류(I1, I2, I3, T4)와 전원 코일(120)에 걸리는 전압(Vs)의 관계를 구할 수 있다. 전류(I1, I2, I3, T4)와 전압(Vs) 사이의 관계는 수학식 1과 같은 행렬로 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112011072789504-pat00001
수학식 1에서, Z1, Z2, Z3 및 Z4는 각각 전원 코일(120), 송신 코일(130), 수신 코일(210) 및 부하 코일(220)의 임피던스이며, Z1, Z2, Z3 및 Z4는 각각 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다. 또한 M12는 전원 코일(120)과 송신 코일(130) 사이의 상호 인덕턴스(mutual inductance)이고, M23는 송신 코일(130)과 수신 코일(210) 사이의 상호 인덕턴스이며, M34는 수신 코일(210)과 부하 코일(220) 사이의 상호 인덕턴스이다. 그리고
Figure 112011072789504-pat00002
이다.
[수학식 2]
Figure 112011072789504-pat00003
수학식 2에서, Rs, R1, R2, R3 및 R4는 각각 저항(Rs, R1, R2, R3, R4)의 저항 값이고, L1, L2, L3 및 L4는 각각 인덕터(L1, L2, L3, L4)의 인덕턴스이며, C1, C2, C3 및 C4는 각각 커패시터(C1, C2, C3, C4)의 커패시턴스이다.
수학식 2를 수학식 1에 대입하면, 부하 코일(220)에 흐르는 전류(I4)는 수학식 3과 같이 주어질 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112011072789504-pat00004
부하 코일(220)에 걸리는 전압(VL)은 VL= -i4RL이고, 전원 코일(110)에 입력되는 전압(Vs)과 부하 코일(220)에 걸리는 전압(VL)은 VL/Vs의 관계가 성립된다.
자기 공진형 무선 전력 전송 시스템의 회로 모델은 두 개의 포트 네트워크로 간주할 수 있다. 이러한 시스템의 특성을 분석하기 위해, S(scattering)-변수가 사용된다. S-변수는 주파수 분포 상에서 입력 전압 대비 출력 전압의 비율을 의미한다. S-변수 중 S21은 입력 포트에서 입력한 전압과 출력 포트에서 출력된 전압의 비율을 의미한다. 자기 공진형 무선 전력 전송 시스템에서 무선 전력 송신 장치(100)와 무선 전력 수신 장치(200)의 전력 관계를 보기 위해, S21이 사용된다. 자기 공진형 무선 전력 전송 시스템의 전송 효율이 |S21|2에 비례하기 때문에 실제로 S21은 매우 중요한 변수이다. S21은 수학식 4와 같이 계산될 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112011072789504-pat00005
수학식 4에서, VL은 부하 코일(220)에 걸리는 전압을 의미한다.
Figure 112011072789504-pat00006
이므로, 수학식 3 및 수학식 4를 통해 S21은 수학식 5과 같이 주어질 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112011072789504-pat00007
예를 들어서, 자기 공진형 무선 전력 전송 시스템의 등가 회로에서 각 변수는 표 1과 같이 주어질 수 있다.
[표 1]
Figure 112011072789504-pat00008
표 1에 도시한 바와 같이, 자기 공진형 무선 전력 전송 시스템의 전송 효율을 결정짓는 변수 즉, S21은 결합 계수(k23)와 주파수(f)의 함수로 정의될 수 있다. 결합 계수(k23)는 환경의 변화에 따라 변하는 변수이다. 예를 들면, 일정치 않은 공진부(130a, 210a)간의 거리(이하, "공진 거리"라 함)는 결합 계수(k23)를 변하게 한다. 이때, 공진 거리와 두 코일(130, 210)의 감쇠 사이의 상호 인덕턴스 때문에 공진 거리가 증가하면 결합 계수(k23)는 낮아지는 특성이 있다.
도 3은 자기 공진형 무선 전력 전송 시스템에서 k23, S21 및 주파수의 관계를 나타낸 그래프도이다.
도 3은 자기 공진형 무선 전력 전송 시스템이 표 1의 변수 값을 가진 상태에서 k23, S21 및 주파수를 측정한 결과를 나타낸다.
도 3에 도시한 바와 같이, 공진 거리가 극히 멀어져서 결합 계수(k23)가 절대적으로 작아지면 S21도 낮아진다. 한편, 공진 거리가 가까워지면서 결합 계수(k23)가 증가하면, S21도 높아진다. 그러나 S21은 일정 수준까지 증가하며, 결합 계수(k23)가 계속 증가하더라도 S21은 일정 수준 이상으로 증가하지 않는다.
또한, 실질적으로 자기 공진형 무선 전력 전송 시스템의 전송 효율을 감소시키는 원인으로 주파수 분할(frequency splitting) 문제가 있다. 주파수 분할 현상은 수학식 5로부터 증명될 수 있다. 도 3을 통해 알 수 있듯이, 가까운 거리[결합 계수(k23) 증가]에서 위의 설명과 같이 주파수 분할 현상이 발생한다.
공진 주파수(예를 들면, 13.3 MHz)의 편차가 발생하는 시점은 시스템에 매우 중요한 역할을 한다. 이 시점은 시스템의 성능이 최고가 되는 두 공진부(130a, 210a)의 상대적 위치를 나타낸다. 따라서, 공진 거리가 두 공진부(130a, 210a)의 상대적 위치의 범위보다 길어지면, 전송 효율은 낮아진다. 반면, 공진 주파수의 피크가 두 개의 공진 주파수의 피크로 분리되면 전송 효율은 실제로 여전히 높다.
또한 주파수 분할 현상 때문에 원래 원하던 주파수에서의 전송 효율은 감소하게 된다. 이는 S21이 기존의 공진 주파수에서 낮은 값을 갖는 이유이다. S21은 두 공진부(130a, 210a) 사이에서의 효율을 의미하는 값으로, S21이 높으면 높을수록 높은 전송 효율을 가지게 된다. S21은 두 공진부(130a, 210a) 사이에서의 효율을 의미하는 값으로, S21이 높으면 높을수록 높은 전송 효율을 가지게 된다.
따라서, 주파수를 원하는 주파수로 조정할 수 있다면 시스템이 최대 전송 효율을 가질 수 있게 된다. 즉, 주파수를 조정하여 도 3에서의 다른 높은 효율을 갖는 주파수로 전력을 전송하게 되면 높은 효율을 얻을 수 있다.
이와 같이, 자기 공진형 무선 전력 전송 시스템에서, 전송 효율과 밀접한 관계가 있는 S21은 공진 거리가 멀어짐에 따라 상대적으로 작아지고, 공진 거리가 가까워짐에 따라 일정 수준까지 증가한 후 더 이상 증가하지 않는다. 또한 자기 공진형 무선 전력 전송 시스템에서, 주파수 분할 현상은 시스템의 성능을 저하시킨다. 그렇기 때문에, 자기 공진형 무선 전력 전송 시스템에서는 전송 효율을 향상시키기 위해 주파수 제어에 기반한 효율성 최적 제어 구조가 필요하다.
일반적으로, 주파수의 제어 범위는 코일의 특성과 낮은 효율성으로 인해 제한되어 있다. 주파수의 제어 범위에서 주파수가 결정 및 조정될 수 있다.
즉, 코일의 단면(cross-section), 코일의 턴 수, 코일의 반경 및 코일간 거리와 같은 회로 설정 사양이 주어지고, 수학식 5에서 거의 모든 구성 요소의 값이 정해져 있으므로, 전송 효율은 공진 거리에 따른 결합 계수와 주파수에 따라 달라지는 것을 알 수 있다. 이러한 분석은 주어진 효율성을 달성하기 위해 주파수 조정이 필수적임을 제안하게 된다. 예를 들면, S21은 0.6으로 제안한다. 회로 값은 표 1에 나타낸 바와 같고, 이 상황에서 수학식 5를 분석하였을 때 공진 거리가 가까워짐에 따라 주파수 분할 현상으로 인하여 0.6의 효율을 얻기가 힘들어진다. 이에 주파수를 변환함으로써, 지속적으로 S21이 0.6인 결과를 얻을 수 있으며, 그 결과 결합 계수(k23)과 주파수 f의 간계는 도 4와 같이 나타난다.
도 4는 자기 공진형 무선 전력 전송 시스템에서 결합 계수(k23)과 주파수와의 관계를 나타낸 그래프도이다.
도 4를 보면, 공진 거리를 나타내는 결합 계수(k23)가 0.0015에서 0.008로 증가함에 따라서 주파수 또한 약 8MHz에서 19MHz까지 증가한다. 특히, 공진 거리가 더 멀어지는 경우(결합 계수가 0.0012 이하)에는 두 개의 주파수가 존재한다.
앞에서 살펴본 분석 결과를 이용하여 자기 공진형 무선 전력 전송 시스템의 전송 효율을 안정화시키기 위한 실시 예에 대하여 도 5 및 도 6을 참고로 자세하게 설명한다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 자기 공진형 무선 전력 전송 시스템의 등가 회로를 나타낸 도면이고, 도 6은 도 5에 도시된 제어부의 동작을 설명한 흐름도이다.
도 5를 참고하면, 무선 전력 송신 장치(100')는 전원 코일(120)과 송신 코일(130)의 양단에 각각 연결되어 있는 가변 커패시터(Ct1, Ct2)을 더 포함하고, 무선 전력 수신 장치(200')는 수신 코일(210)과 부하 코일(220)의 양단에 각각 연결되어 있는 가변 커패시터(Ct3, Ct4) 및 제어부(240)를 더 포함한다.
제어부(240)는 송신 코일(130)과 수신 코일(210)간 거리 즉, 공진 거리에 따라서 교류 전압(Vs)의 주파수와 가변 커패시터(Ct1, Ct2, Ct3, Ct4)를 제어한다.
제어부(240)는 전류 센서(241), 차동 증폭기(242), 거리 확인부(243), 주파수 조정부(244) 및 커패시터 조정부(245)를 포함한다.
도 6을 보면, 전류 센서(241)는 수신 코일(210)에 흐르는 전류를 측정하고(S610), 이를 차동 증폭기(242)로 출력한다. 수신 코일(210)은 접지단에 연결되어 있지 않기 때문에 전류 센서(241)에 의해 측정된 전류는 차동 신호의 개념이 된다.
차동 증폭기(242)는 두 개의 입력 단자와 한 개 또는 두 개의 출력 단자를 가지며, 두 개의 입력 단자를 통해 입력되는 전류에 대응하는 전압의 차를 증폭하여 출력 단자를 통해 출력한다(S620).
거리 확인부(243)는 차동 증폭기(242)의 출력 전압(Vd)으로부터 공진 거리(D)를 확인한다(S630). 공진 거리(D)는 사실상 결합 계수(k23)에 대응한다. 주파수 조정부(244)는 공진 거리(D)에 따라서 교류 전압(Vs)의 주파수를 설정된 전송 효율(또는 최적의 전송효율)을 유지할 수 있는 주파수(ft)로 결정하고(S640), 결정한 주파수(ft)로 교류 전압(Vs)의 주파수를 변경한다(S650). 이때, 주파수(ft)는 수학식 6에 의해 결정될 수 있다
[수학식 6]
Figure 112011072789504-pat00009
수학식 6에서, i는 1부터 4의 값일 수 있으며, Ctotal_i는 커패시터(Ci)의 커패시턴스와 커패시터(Cti)의 커패시턴스의 합을 나타낸다.
공진 거리(D)가 일정 이상의 거리를 벗어나게 되면 주파수 분할 현상은 일어나지 않는다. 따라서, 수학식 6은 특별한 현상이 없는 무선 전력 전송의 공진 주파수를 결정하는 식으로, i는 1부터 4 중 하나만 사용되어도 된다. 이와 같이, 무선 전력 수신 장치(200')가 무선 전력 송신 장치(100')로부터 멀리 이동할 수 있기 때문에 교류 전압(Vs)의 주파수 조정이 가능해지면, 제어부(240)는 공진 주파수를 조정하고, 공진 주파수를 추적할 수 있다.
그리고 커패시터 조정부(245)는 주파수(ft)에서 공진하는 모든 코일을 제어하기 위해 가변 커패시터(Ct1, Ct2, Ct3, Ct4)의 커패시턴스(Cti)를 변경한다(S660). 이때, 커패시턴스(Cti)는 수학식 7에 의해 결정될 수 있다.
[수학식 7]
Figure 112011072789504-pat00010
수학식 7에서, i는 1부터 4의 값을 가진다.
즉, 커패시턴스(Cti)가 변하면 결과적으로 공진 주파수가 변하게 된다. 따라서 만약 주파수 분할 현상이 일어나면 전송 효율이 좋은 주파수를 찾고 가변 커패시터(Ct1, Ct2, Ct3, Ct4)의 커패시턴스(Cti)를 변경함으로써 해당 주파수로 조정하여 좋은 전송 효율을 유지할 수 있게 된다.
이와 같이, 주파수 조정부(244) 및 커패시터 조정부(245)에서 공진 거리(D)에 따라서 교류 전압(Vs)의 주파수를 변경함으로써, 자기 공진형 무선 전력 전송 시스템의 성능을 향상시킬 수 있게 된다.
본 발명의 실시 예는 이상에서 설명한 장치 및/또는 방법을 통해서만 구현되는 것은 아니며, 본 발명의 실시 예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시 예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.

Claims (12)

  1. 자기 공진하는 송신 코일과 소정 주파수의 교류 전압을 인가 받아 상기 송신 코일로 전달하는 전원 코일을 포함하는 무선 전력 송신 장치로부터, 무선으로 전력을 수신하는 장치에서,
    상기 송신 코일과 동일한 공진 주파수에서 공진하여 상기 무선 전력 송신 장치로부터 상기 교류 전압을 수신하는 수신 코일,
    상기 수신 코일로부터 상기 교류 전압을 수신하여 부하에 공급하는 부하 코일,
    상기 수신 코일의 양단에 연결되어 있는 제1 가변 커패시터,
    상기 부하 코일의 양단에 연결되어 있는 제2 가변 커패시터, 그리고
    상기 수신 코일에 흐르는 전류로부터 상기 송신 코일과 상기 수신 코일간의 공진 거리를 확인하고, 상기 공진 거리에 따라서 상기 교류 전압의 주파수를 제어하는 제어부
    를 포함하며,
    상기 전원 코일의 양단에 제3 가변 커패시터가 연결되어 있고, 상기 송신 코일의 양단에 제4 가변 커패시터가 연결되어 있으며,
    상기 제어부는 상기 교류 전압의 주파수에서 공진하도록, 다음의 계산식
    Figure 112012106126249-pat00011

    여기서, i는 1부터 4의 값을 가지며, 상기 1부터 4는 각각 상기 수신 코일, 상기 부하 코일, 상기 전원 코일 및 상기 송신 코일을 나타내고, t1 내지 t4는 각각 상기 제1 내지 제4 가변 커패시터를 나타내며, Ctotal-i는 Ci와 Cti의 합을 나타냄.
    에 의해 상기 제1 내지 제4 가변 커패시터의 값을 결정하는 무선 전력 수신 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에서,
    상기 제어부는 다음의 계산식
    Figure 112012106126249-pat00012

    여기서, Li는 해당 코일의 인덕턴스 값임.
    에 의해 상기 교류 전압의 주파수를 결정하는 무선 전력 수신 장치.
  6. 제1항에서,
    상기 제어부는,
    상기 수신 코일에 흐르는 전류를 측정하는 전류 센서, 그리고
    상기 전류 센서에 의해 측정된 전류에 대응하는 전압으로부터 상기 송신 코일과 상기 수신 코일간의 거리를 확인하는 거리 확인부를 포함하는 무선 전력 수신 장치.
  7. 제6항에서,
    상기 전류 센서에 의해 측정된 전류는 차동의 신호이고,
    상기 제어부는,
    상기 차동의 신호의 전압의 차를 증폭하여 상기 거리 확인부로 출력하는 차동 증폭기를 더 포함하는 무선 전력 수신 장치.
  8. 무선 전력 수신 장치에서, 소정 주파수의 교류 전압이 인가되는 전원 코일과 자기 공진으로 상기 교류 전압을 전송하는 송신 코일을 포함하는 무선 전력 송신 장치로부터 무선으로 전력을 수신하는 방법에서,
    상기 송신 코일과 동일한 공진 주파수에서 공진하는 수신 코일을 통해서 교류 전압을 수신하는 단계,
    상기 교류 전압을 부하 코일을 통해서 부하에 전달하는 단계,
    상기 수신 코일에 흐르는 전류로부터 상기 송신 코일과 상기 수신 코일간 거리를 확인하는 단계, 그리고
    상기 송신 코일과 상기 수신 코일간 거리에 따라서 상기 교류 전압의 주파수를 변경하는 단계를 포함하며,
    상기 변경하는 단계는,
    상기 교류 전압의 주파수에서 공진하도록 상기 전원 코일, 상기 송신 코일, 상기 수신 코일 및 상기 부하 코일의 양단에 각각 연결된 제1 내지 제4 가변 커패시터의 값을 다음의 계산식
    Figure 112012106126249-pat00013

    여기서, i는 1부터 4의 값을 가지며, 상기 1부터 4는 각각 상기 전원 코일, 상기 송신 코일, 상기 수신 코일 및 상기 부하 코일을 나타내고, t1 내지 t4는 각각 상기 제1 내지 제4 가변 커패시터를 나타내며, Ctotal-i는 Ci와 Cti의 합을 나타냄.
    에 따라서 변경하는 단계를 포함하는 무선 전력 수신 방법.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제8항에서,
    상기 확인하는 단계는,
    상기 수신 코일에 흐르는 전류를 전압으로 변환하는 단계, 그리고
    상기 전압으로부터 상기 송신 코일과 상기 수신 코일간 거리를 구하는 단계를 포함하는 무선 전력 수신 방법.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015018334A1 (en) * 2013-08-06 2015-02-12 The University Of Hong Kong Methods for parameter identification, load monitoring and output power control in wireless power transfer systems
CN111416445A (zh) * 2019-01-04 2020-07-14 上海卡珀林智能科技有限公司 基于特殊发射端线圈的双共振式无线电能传输系统及方法
CN111416447A (zh) * 2019-01-04 2020-07-14 上海卡珀林智能科技有限公司 接收端线圈可调的双共振式无线电能传输系统及方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010239769A (ja) * 2009-03-31 2010-10-21 Fujitsu Ltd 無線電力供給システム
JP2010252446A (ja) * 2009-04-13 2010-11-04 Nippon Soken Inc 非接触給電設備、非接触受電装置および非接触給電システム
JP2011166994A (ja) * 2010-02-12 2011-08-25 Toyota Motor Corp 給電装置および車両給電システム

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010239769A (ja) * 2009-03-31 2010-10-21 Fujitsu Ltd 無線電力供給システム
JP2010252446A (ja) * 2009-04-13 2010-11-04 Nippon Soken Inc 非接触給電設備、非接触受電装置および非接触給電システム
JP2011166994A (ja) * 2010-02-12 2011-08-25 Toyota Motor Corp 給電装置および車両給電システム

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015018334A1 (en) * 2013-08-06 2015-02-12 The University Of Hong Kong Methods for parameter identification, load monitoring and output power control in wireless power transfer systems
US10224751B2 (en) 2013-08-06 2019-03-05 The University Of Hong Kong Methods for parameter identification, load monitoring and output power control in wireless power transfer systems
CN111416445A (zh) * 2019-01-04 2020-07-14 上海卡珀林智能科技有限公司 基于特殊发射端线圈的双共振式无线电能传输系统及方法
CN111416447A (zh) * 2019-01-04 2020-07-14 上海卡珀林智能科技有限公司 接收端线圈可调的双共振式无线电能传输系统及方法

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