KR101305898B1

KR101305898B1 - 무선전력 송신장치, 무선전력 수신장치, 무선전력 전송 시스템 및 임피던스 조절 방법

Info

Publication number: KR101305898B1
Application number: KR1020110099415A
Authority: KR
Inventors: 배수호
Original assignee: 엘지이노텍 주식회사
Priority date: 2011-09-29
Filing date: 2011-09-29
Publication date: 2013-09-09
Also published as: KR20130035138A

Abstract

본 발명의 실시 예에 따른 부하단에 전력을 전달하는 무선전력 수신장치에 자기 공진을 이용하여 무선으로 전력을 송신하는 무선전력 송신장치는 전력 소스에서 생성된 교류 전력을 송신 공진 코일에 전달하는 송신 코일부와 상기 송신코일과 물리적으로 이격하여 상기 송신 코일부로부터 전달된 교류 전력을 상기 무선전력 수신장치에 전달하는 송신 공진 코일부 및 상기 무선전력 송신장치의 입력 임피던스를 이용하여 상기 무선전력 송신장치와 상기 무선전력 수신장치의 결합상태를 검출하는 검출부를 포함한다.

Description

무선전력 송신장치, 무선전력 수신장치, 무선전력 전송 시스템 및 임피던스 조절 방법{APPARATUS FOR TRANSMITTING WIRELESS POWER, APPARATUS FOR RECEIVING WIRELESS POWER, SYSTEM FOR TRANSMITTING WIRELESS POWER AND METHOD FOR CONTROLING IMPEDENCE}

본 발명은 무선전력 송신장치, 무선전력 수신장치, 무선전력 전송 시스템 및 임피던스 조절 방법에 관한 것이다.

무선으로 전기 에너지를 원하는 기기로 전달하는 무선전력전송 기술(wireless power transmission 또는 wireless energy transfer)은 이미 1800년대에 전자기유도 원리를 이용한 전기 모터나 변압기가 사용되기 시작했고, 그 후로는 라디오파나 레이저와 같은 전자파를 방사해서 전기에너지를 전송하는 방법도 시도되었다. 우리가 흔히 사용하는 전동칫솔이나 일부 무선면도기도 실상은 전자기유도 원리로 충전된다. 현재까지 무선 방식에 의한 에너지 전달 방식은 자기 유도, 자기 공진 및 단파장 무선 주파수를 이용한 원거리 송신 기술 등이 있다.

최근에는 이와 같은 무선 전력 전송 기술 중 자기 공진을 이용한 에너지 전달 방식이 많이 사용되고 있다.

자기 공진을 이용한 무선전력 전송 시스템은 송신부와 수신부에 형성된 전기신호가 코일을 통해 무선으로 전달되기 때문에 사용자는 휴대용 기기와 같은 전자기기를 손쉽게 충전할 수 있다.

그러나, 송신부와 수신부간 코일의 전자적 결합에 의한 결합계수(K) 값은 주위상황에 의해 변할 수 있는 값이고, 일반적으로 수신부에 연결된 부하저항 값은 고정된 값이므로 결합계수(K) 값이 변함에 따라 전력전송 효율은 일정치 않고, 균일하지 못한 특성을 갖는다.
이와 관련된 선행특허문헌으로는 대한민국 공개특허공보 제10-2010-0116556호가 있다.

본 발명은 결합계수에 따라 부하단의 임피던스를 변경시켜 주파수-전력 효율간 특성을 개선시키는 무선전력 송신장치, 무선전력 수신장치, 무선전력 전송 시스템 및 임피던스 조절 방법의 제공을 목적으로 한다.

본 발명의 실시 예에 따른 부하단에 전력을 전달하는 무선전력 수신장치에 자기 공진을 이용하여 무선으로 전력을 송신하는 무선전력 송신장치는 전력 소스에서 생성된 교류 전력을 송신 공진 코일에 전달하는 송신 코일부와 상기 송신코일과 물리적으로 이격하여 상기 송신 코일부로부터 전달된 교류 전력을 상기 무선전력 수신장치에 전달하는 송신 공진 코일부 및 상기 무선전력 송신장치의 입력 임피던스를 이용하여 상기 무선전력 송신장치와 상기 무선전력 수신장치의 결합상태를 검출하는 검출부를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 송신 코일부와 송신 공진 코일부를 포함하는 무선전력 송신장치로부터 자기 공진을 이용하여 무선으로 수신한 전력을 부하단에 전달하는 무선전력 수신장치는 상기 무선전력 송신장치로부터 수신한 전력을 상기 부하단에 전달하는 수신 코일부 및 상기 수신 코일부 및 상기 부하단 사이에 위치하여, 상기 부하단의 전류 또는 전압을 조절함으로써 상기 수신 코일부에서의 출력 임피던스를 조절하는 임피던스 조절부를 포함하며, 상기 임피던스 조절부는 상기 무선전력 송신장치와 상기 무선전력 수신장치의 결합 상태에 기초하여 상기 수신 코일부에서의 출력 임피던스를 조절하는 것을 특징으로 한다.

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본 발명의 실시예에 따르면, 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 결합계수에 따라 부하단의 임피던스를 변경시켜 전력전달 효율을 향상시킬 수 있다.

둘째, 결합계수에 따라 부하단의 임피던스를 변경시켜 주파수-전력효율간 그래프의 평탄도 특성을 향상시키고, 대량 생산시에도 균일한 특성을 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 전송 시스템의 등가회로를 나타낸다.
도 2는 무선전력 전송 시스템에 검출부와 임피던스 조절부를 적용하지 않은 경우, 결합계수(K) 값에 따른 주파수-전력전송 효율간 그래프를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 무선전력 전송 시스템의 구성을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 부하단 양단의 임피던스를 조절하는 방법을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 무선전력 전송 시스템에 검출부와 임피던스 조절부를 적용한 경우, 결합계수(K) 값에 따른 주파수-전력전송 효율간 그래프를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 임피던스 조절 방법을 도시한 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 임피던스 조절 방법을 도시한 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 임피던스 조절 방법을 도시한 흐름도이다.

이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 전송 시스템의 등가회로를 나타낸다.

도 1을 참조하면, 무선전력 전송 시스템(100)은 전력 소스(10), 송신부(20), 수신부(30), 부하단(40)을 포함한다.

전력 소스(10)에서 생성된 전력은 송신부(20)로 전달되고, 자기 공진 현상에 의해 송신부(20)와 공진을 이루는 수신부(30)로 전달된다. 수신부(30)로 전달된 전력은 정류회로(미도시)를 거쳐 부하단(40)으로 전달된다. 부하단(40)은 충전지 또는 기타 전력을 필요로 하는 임의의 장치를 의미할 수 있고, 본 발명의 실시예에서는 부하저항을 RL로 나타낸다.

보다 구체적으로 살펴보면, 전력 소스(10)는 소정 주파수의 교류 전력을 제공하는 교류 전력 소스이다.

송신부(20)는 송신 코일부(21)와 송신용 공진 코일부(22)로 구성된다. 송신 코일부(21)는 전력 소스(10)와 연결되며, 교류 전류가 흐르게 된다. 송신 코일부(21)에 교류 전류가 흐르면, 전자기 유도에 의해 물리적으로 이격되어 있는 송신용 공진 코일부(22)에도 교류 전류가 유도된다. 송신용 공진 코일부(22)로 전달된 전력은 자기 공진에 의해 송신부(20)와 공진 회로를 이루는 무선전력 수신장치(30)로 전달된다.

송신 코일부(21)는 양단이 각각 전력 소스(10)의 양단에 각각 연결되는 양단이 각각 전력 소스(10)의 양단에 각각 연결되는 송신 코일(L1)을 포함한다. 송신 코일부(21)는 캐패시터(미도시)를 추가로 포함할 수 있으며, 적절한 인덕턴스와 캐패시턴스 값을 갖는 회로를 형성한다. 여기서 캐패시턴스는 고정된 값일 수 있다.

송신용 공진 코일부(22)는 송신용 공진 코일(L2), 캐패시터(C2), 저항(R2)를 포함한다. 송신용 공진 코일(L2)은 캐패시터(C2)의 일단에 연결된 일단과 저항(R2)의 일단에 연결된 타단을 포함한다. 저항(R2)의 타단은 캐패시터(C2)의 타단에 연결된다. 저항(R2)는 송신용 공진 코일(L2)에서 전력손실로 발생하는 량을 저항으로 나타낸 것을 의미한다.

수신부(30)는 수신용 공진 코일부(31)와 수신 코일부(32)로 구성된다.

수신용 공진 코일부(31)는 송신용 공진 코일부(22)와 공진주파수에서 자기 공진 상태를 유지한다. 즉, 수신용 공진 코일부(31)는 송신용 공진 코일부(22)와 커플링(coupling)되어 교류전류가 흐르게 되고, 비방사(Non-Radiative) 방식으로 수신부(30)측에 전력을 전달할 수 있다.

수신 코일부(32)는 전자기 유도에 의해 수신용 공진 코일부(31)로부터 전력을 수신하고, 수신 코일부(32)로 전달된 전력은 정류회로(미도시)를 통해 정류되어 부하단(40)으로 전달된다.

수신용 공진 코일부(31)는 수신용 공진 코일(L3), 캐패시터(C3), 저항(R3)을 포함한다. 수신용 공진 코일(L3)은 캐패시터(C3)의 일단에 연결된 일단과 저항(R3)의 일단에 연결된 타단을 포함한다. 저항(R3)의 타단은 캐패시터(C2)의 타단에 연결된다. 저항(R3)는 수신용 공진 코일(L3)에서 전력손실로 발생하는 량을 저항으로 나타낸 것을 의미한다.

수신 코일부(32)는 양단이 각각 부하저항 RL의 양단에 연결되는 수신 코일(L4)을 포함한다. 수신 코일부(32)는 캐패시터(미도시)를 추가로 포함할 수 있으며, 적절한 인덕턴스와 캐패시턴스 값을 갖는 회로를 형성한다.

임피던스가 매칭된 2개의 LC 회로 사이는 자기 공진에 의해 전력이 전송될 수 있다. 이와 같은 자기 공진에 의한 전력 전송은 전자기 유도에 의한 전력 전송보다 더 먼 거리까지 더 높은 효율로 전력 전달이 가능하게 한다.

송신용 공진 코일부(22)가 수신용 공진 코일부(31)에 전력을 송신하면 수신용 공진 코일부(31)에 교류 전류가 흐른다. 수신용 공진 코일부(31)는 송신용 공진 코일부(22)로부터 수신한 전력을 전자기 유도에 의해 수신 코일부(32)로 전달한다. 수신 코일부(32)는 수신용 공진 코일부(31)로부터 수신한 전력을 정류 회로(미도시)를 통해 부하단(40)으로 전달한다.

무선전력 전송 시스템의 전력전송 효율은 입력 전력(P1)과 부하단(40)에서 소모하는 출력 전력(PL)에 의해 계산될 수 있으며, 이는 제1 입력 임피던스(Z1), 제2 입력 임피던스(Z2), 제3 입력 임피던스(Z3), 제1 전류(I1), 제2 전류(I2) 및 제3 전류(I3)를 이용하여 구할 수 있다.

이하에서는 제1,2,3 입력 임피던스(Z1,Z2,Z3) 및 제1,2,3 전류(I1,I2,I3)에 관한 수학식을 표현해 보기로 한다.

제3 입력 임피던스(Z3)는 수신용 공진 코일(L3)에서 부하단(40)을 바라보았을 때 측정되는 임피던스를 의미하고, [수학식 1]과 같이 표현될 수 있다.

[수학식 1]

여기서, w는 송신용 공진 코일(L2)와 수신용 공진 코일(L3)간 공진될 때의 공진주파수이고, M3는 수신용 공진 코일(L3)와 수신 코일(L4)간 상호 인덕턴스를 의미한다. 또한, RL은 부하저항을 의미한다. 송신용 공진 코일(L2)의 인덕턴스, 수신용 공진 코일(L3)의 인덕턴스 및 상호 인덕턴스 M3의 값은 고정된 값일 수 있다.

[수학식 1]은 주파수 영역을 기준으로 한 수식이고, 이하의 수식들도 주파수 영역을 기준으로 한다.

제2 입력 임피던스(Z2)는 송신부(20)에서 수신부(30)를 바라보았을 때 측정되는 임피던스를 의미하고, [수학식 2]와 같이 표현될 수 있다.

[수학식 2]

여기서, M2는 송신용 공진 코일(L2)와 수신용 공진 코일(L3)간의 상호 인덕턴스를 의미하고, C3는 수신용 공진 코일부(31)를 등가회로로 변환시 표현되는 캐패시터를 의미한다. 또한, R3는 수신용 공진 코일(L3)에서 전력손실로 발생하는 량을 저항으로 나타낸 것을 의미한다.

캐패시터 C3, 누설저항 R3는 고정된 값일 수 있으나, 상호 인덕턴스 M2는 송신용 공진 코일(L2)와 수신용 공진 코일(L3)간의 결합계수(K)에 따라 변화될 수 있는 값이다.

제1 입력 임피던스(Z1)는 전력소스(10)에서 송신부(20) 측을 바라보았을 때 측정되는 임피던스를 의미하고, [수학식 3]과 같이 표현될 수 있다.

[수학식 3]

여기서, M1은 송신 코일(L1)과 송신용 공진 코일(L2)간 상호 인덕턴스를 의미한다.

수신용 공진 코일부(32)에 흐르는 전류를 I3이라고 하면, I3는 [수학식 4]와 같이 표현될 수 있다.

[수학식 4]

여기서, IL은 부하저항 RL에 흐르는 전류를 의미한다.

송신용 공진 코일부(22)에 흐르는 전류를 I2라고 하면, I2는 [수학식 5]와 같이 표현될 수 있다.

[수학식 5]

송신 코일부(21)에 흐르는 전류를 I1이라고 하면, I1은 [수학식 6]과 같이 표현될 수 있다.

[수학식 6]

여기서, M1은 송신 코일(L1)과 송신용 공진 코일(L2)간의 상호 인덕턴스를 의미하고, C2는 송신용 공진 코일부(22)를 등가회로로 변환시 표현되는 캐패시터를 의미한다. 또한, R2는 송신용 공진 코일(L2)에서 전력손실로 발생하는 량을 저항으로 나타낸 것을 의미한다.

무선전력 전송 시스템에서 전력전송 효율을 측정하기 위해 입력 전력(P1)과 부하저항에서 소모하는 출력 전력(PL)을 [수학식1] 내지 [수학식 6]을 이용하여 구할 수 있다.

입력 전력(P1)은 [수학식 7]과 같이 표현될 수 있다.

[수학식 7]

송신 코일부(21)에 흐르는 전류 I1은 [수학식 6]을 이용하여 구할 수 있고, 제1 입력 임피던스(Z1)은 [수학식 3]을 이용하여 구하기 가능하므로, 이 두 값을 통해 입력 전력 (P1)을 얻을 수 있다.

부하저항 RL에서 소모하는 출력 전력(PL)은 [수학식 8]과 같이 표현될 수 있다.

[수학식 8]

여기서, 부하저항 RL에 흐르는 전류(IL)은 [수학식 4]를 이용하여 구할 수 있고, 부하저항 RL은 고정된 값이므로, 이 두 값을 통해 출력 전력(PL)을 구할 수 있다.

이와같이 계산된 입력 전력(P1)과 출력 전력(PL)을 통해 전력전송 효율(E)을 [수학식 9]와 같이 계산할 수 있다.

[수학식 9]

송신 코일부(21)에 흐르는 전류 I1은 [수학식 5] 및 [수학식 6]에 의해 상호 인덕턴스 M2의 값에 따라 변할 수 있는 값이고, 제1 입력 임피던스(Z1) 역시, [수학식 2] 및 [수학식 3]에 의해 상호 인덕턴스 M2의 값에 따라 변할 수 있는 값이다.

그런데, 상호 인덕턴스 M2는 [수학식 10]과 같이 표현될 수 있다.

[수학식 10]

여기서, 결합계수(K)는 송신용 공진 코일(L2)와 수신용 공진 코일(L3)간의 전자기적 결합의 정도를 표시하는 것으로, 무선전력 전송 시스템(100)의 송신부(20) 및 수신부(30) 간의 거리, 방향, 위치 중 적어도 어느 하나에 의해 달라질 수 있는 값이다.

결과적으로, 도 1에 도시된 본 발명의 한 실시예에 따르더라도 결합계수(K)에 의해 전력전송 효율이 여전히 변화될 수 있다.

도 2는 무선전력 전송 시스템에 검출부와 임피던스 조절부를 적용하지 않은 경우, 결합계수(K) 값에 따른 주파수-전력전달 효율간 그래프를 도시한 도면이다.

여기서, 부하저항 RL은 100ohm으로 고정된 값이고, 송신부(20)와 수신부(30)의 자기 공진 현상을 일으킬 때의 공진 주파수는 250KHz 인 경우를 예로 들어 설명한다.

도 2의 (a)는 결합계수 K가 0.5이고, 부하저항 RL은 100ohm인 경우이고, 도 2의 (b)는 결합계수 K가 0.3이고, 부하저항 RL은 100ohm인 경우, 주파수-전력전송 효율간 그래프를 나타낸다. 도 2의 (a) 그래프를 살펴보면, 과결합(over-coupling)으로 인하여 극점(pole)이 2개 발생한 것으로 공진주파수 250KHz에서 전력전송 효율이 대략 43%로 높지 않은 효율을 보인다. 도 2의 (b) 그래프 또한, 과결합(over-coupling)으로 인하여 극점(pole)이 2개 발생한 것으로 공진주파수 250KHz에서 전력전송 효율이 대략 80%로 높지 않은 효율을 보인다.

물론, 극점(pole)주파수에서는 전력전송 효율이 높을 수 있으나, 평탄도 특성이 좋지 않고, 극점(pole)주파수를 예측하기 쉽지 않기 때문에 대량 생산 시 균일한 특성을 얻기 힘들다.

도 2의 (c)는 결합계수 K=0.15이고, 부하저항 RL은 100ohm인 경우, 주파수-전력전송 효율간 그래프를 나타낸다. 도 2의 (c) 그래프를 살펴보면, 공진주파수 250KHz에서 전력전송 효율이 대략 95%로 높은 효율을 보이며, 공진주파수 근처에서 일정한 전력전송 효율을 갖는 평탄도 특성도 우수하다. 평탄도 특성이 우수하기 때문에 대량 생산 시에도 균일한 특성을 얻을 수 있다.

도 2의 (d)는 결합계수 K=0.05이고, 부하저항 RL은 100ohm인 경우, 주파수-전력전송 효율간 그래프를 나타낸다. 도 2의 (d) 그래프를 살펴보면, 공진주파수 250KHz에서 전력전송 효율은 높으나, 효율이 높은 주파수 대역폭이 좁기 때문에 평탄도 특성이 좋지 않다.

이와 같이 부하저항 RL이 고정된 값을 갖는 경우, 결합계수(K)는 송신부(20) 및 수신부(30)간의 거리, 방향, 위치 중 적어도 어느 하나에 의해 달라질 수 있는 값이므로 도 2의 (c)처럼, 공진주파수 근처에서 전력전송 효율을 높이려면, 부하단(40)의 임피던스 값을 조절하는 방법을 생각할 수 있다. 즉, 결합계수(K)에 따라 부하단(40)의 임피던스 값을 변경시켜 전력전송 효율을 높이는 방안이 필요하다. 또한, 이를 위해서는 결합계수(K) 값을 알아야 하므로 결합계수(K) 값을 측정하는 방법이 필요하다.

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 무선전력 전송 시스템의 구성을 나타낸다.

본 발명의 제1 실시예인 무선전력 전송 시스템(200)은 전력 소스(110), 무선전력 송신장치(120), 무선전력 수신장치(130), 부하단(140)을 포함한다.

무선전력 송신장치(120)는 송신부(121), 검출부(122)를 포함할 수 있다.

무선전력 수신장치(130)는 수신부(131), 임피던스 조절부(132)를 포함할 수 있다.

전력 소스(110), 송신부(121), 수신부(131), 부하단(140)은 도 1에서 설명한 것과 같으므로 자세한 설명은 생략한다.

임피던스 조절부(132)는 도 4에서 상세히 설명한다.

검출부(122)는 송신용 공진 코일(L2)과 수신용 공진 코일(L3)의 결합계수(K) 값을 검출할 수 있다.

검출부(122)는 다음의 두 가지 방법을 이용하여 결합계수(K) 값을 검출할 수 있다.

첫 번째 방법을 설명한다.

검출부(122)는 전력소스(110)에서 상기 송신부(121)를 바라본 제1 입력 임피던스(Z1)를 측정하고, 제1 입력 임피던스(Z1)에 기초하여 결합계수 값을 검출할 수 있다.

검출부(122)는 제1 입력 임피던스(Z1)를 이용하여 송신부(121)에서 수신부(131)를 바라본 제2 입력 임피던스(Z2)를 계산하고, 수신용 공진 코일(L3)에서 부하단(140)을 바라본 제3 입력 임피던스(Z3)를 계산하며, 제2 입력 임피던스(Z2) 및 상기 제3 입력 임피던스(Z3)에 기초하여 결합계수 값을 검출할 수 있다.

구체적으로, 검출부(122)는 측정된 제1 입력 임피던스(Z1) 및 [수학식 3]을 이용하여 제2 입력 임피던스(Z2)를 계산할 수 있고, 제3 입력 임피던스(Z3)를 [수학식 1]을 이용하여 계산할 수 있다. 검출부(122)는 제2 입력 임피던스(Z2) 및 상기 제3 입력 임피던스(Z3)에 기초하여 [수학식 2]를 이용해 상호 인덕턴스 M2에 관한 식을 유도하여 M2를 구할 수 있고, [수학식 10]을 통해 결합계수(K)를 검출할 수 있다.

검출부(122)는 제1,2,3 입력 임피던스(Z1,Z2,Z3)와 상호 인덕턴스 M2, 결합계수 K간 lookup table을 만들어 결합계수 K를 구할 수도 있다.

두 번째 방법을 설명한다.

두 번째 방법은 첫 번째 방법을 개선한 것으로, 부하단(140)의 부하저항을 개방시키고, 전력소스(110)에서 송신부(121)를 바라본 제1 입력 임피던스(Z1)를 측정하며, 제1 입력 임피던스(Z1)에 기초하여 결합계수 값을 검출하는 방법이다.

검출부(122)는 부하단(140)의 부하저항 RL을 개방시키는 제어신호를 부하단(140)에 전송한다. 부하단(140)의 부하저항 RL은 무한대 값을 갖는 것으로 해석할 수 있다. 그러면, [수학식 1]에서 아래와 같이 제3 입력 임피던스(Z3) 값은 0이 된다.

제3 입력 임피던스 Z3이 0이 되면, 제2 입력 임피던스 Z2는 [수학식 2]를 통해 아래와 같이 정리되고,

제1 입력 임피던스 Z1은 [수학식 3]을 통해 다음과 같이 정리된다.

검출부(122)는 제2 입력 임피던스(Z2) 및 제3 입력 임피던스(Z3)에 기초하여 [수학식 2]를 이용해 상호 인덕턴스 M2에 관한 식을 유도하여 M2를 구할 수 있고, [수학식 10]을 통해 결합계수(K)를 검출할 수 있다.

두 번째 방법은 사용되는 변수의 개수를 줄일 수 있어서 정확성을 높일 수 있고, 계산 속도를 향상시킬 수 있다.

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 무선전력 전송 시스템의 구성을 나타낸다.

본 발명의 제2 실시예인 무선전력 전송 시스템(200)은 전력 소스(110), 무선전력 송신장치(120), 무선전력 수신장치(130), 부하단(140)을 포함한다.

무선전력 송신장치(120)는 송신부(121)를 포함할 수 있다.

무선전력 수신장치(130)는 수신부(131), 검출부(122), 임피던스 조절부(132)를 포함할 수 있다.

임피던스 조절부(132)는 도 4에서 상세히 설명한다.

검출부(122)는 다음의 방법을 이용하여 송신용 공진 코일(L2)과 수신용 공진 코일(L3)의 결합계수(K) 값을 검출할 수 있다.

검출부(122)는 송신부(121)가 특정범위의 주파수 신호에 일정한 전력을 포함하여 무선전력 수신장치(130)에 전송하도록 제어할 수 있다. 특정한 범위의 주파수 신호는 100KHz 이상이 되는 주파수 신호일 수 있다.

검출부(122)는 수신부(131)에서 수신된 전력을 측정할 수 있다.

검출부(122)는 상기 송신부(121)에서 송신한 전력과 상기 수신부(131)에서 수신한 전력을 이용하여 결합계수(K) 값을 검출할 수 있다.

구체적으로, 검출부(122)는 송신된 전력과 수신된 전력의 비율을 통해 전력전송 효율을 구할 수 있다. 위에서 구한 전력전송 효율은 주파수에 따른 전력전송 효율 관계를 나타내는 그래프로 표현될 수 있다. 표현된 그래프와 도 2의 그래프를 비교하여 결합계수 K값을 검출할 수 있다.

여기서, 주파수-전력전송 효율간 그래프는 도 2의 그래프에 있는 것에 한정되지 않고, 결합계수 K값에 따른 여러가지 그래프의 형태를 더 포함할 수 있다.

검출부(122)는 검출된 결합계수 값에 따라 상기 부하단(140)의 임피던스 값을 결정한다.

검출부(122)는 결정된 임피던스 값에 기초하여 상기 수신부(131)가 수신한 전력을 부하단(140)에 전송하도록 임피던스 조절부(132)를 제어한다.

이와 같이 결합계수에 따라 부하단(140)의 임피던스를 변경시켜 주파수-전력효율간 그래프의 평탄도 특성을 향상시키고, 대량 생산시에도 균일한 특성을 얻을 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 부하단 양단의 임피던스를 조절하는 방법을 도시한 도면이다.

임피던스 조절부(132)는 위와 같은 방법으로 검출된 결합계수(K) 값에 따라 부하단(140)의 임피던스 값을 변경시킬 수 있다. 부하단(140)의 임피던스 값을 변경시키는 임피던스 조절부(132)는 다음의 두 가지 방법이 사용될 수 있다.

첫 번째, 임피던스 조절부(132)에 배터리 관리 소자(Battery Management IC, BMIC)(132a)를 위치하고, 배터리 관리 소자(132a)를 통해 부하단(140)의 임피던스 값을 변경시키는 방법이다.

배터리 관리 소자(132a)는 배터리에 흐르는 전류량을 조정해주는 소자이다.

도 5의 (a)를 참조하면, 부하단(140)의 임피던스는 [수학식 11]과 같이 표현될 수 있다.

[수학식 11]

여기서, Ic는 BMIC(Battery Management IC)(132a)를 통해 조절되는 전류이고, Vc는 부하저항 RL에 걸리는 전압이다. 부하저항 RL은 배터리 장치일 수 있다.

부하저항 RL에 입력되는 전류 Ic는 BMIC(Battery Management IC)(132a)를 통해 조절될 수 있고, Vc를 알고 있다면, 부하단(140)의 임피던스를 변경시킬 수 있다.

두 번째는, 임피던스 조절부(132)에 직류-직류 컨버터(DC-DC Converter)(132b)를 위치시키고, 직류-직류 컨버터(132b)를 통해 부하단(140)의 임피던스 값을 변경시키는 방법이다.

직류-직류 컨버터(Converter)(132b)는 직류전압을 다른 직류전압으로 변환하는 역할을 하는 컨버터이고, 리니어 방식과 스위칭 방식이 사용될 수 있으나, 바람직하게는 스위칭 방식의 DC-DC 컨버터(Converter)가 사용될 수 있다. 스위칭 방식은 교류전류에서 정류된 비안정적인 직류를 스위칭 회로에 의해 펄스전류로 변환하여 출력 측에서 적절한 직류를 얻는 방식이다.

도 5의 (b)를 참조하면, 부하단(140)의 임피던스는 [수학식 12]와 같이 표현될 수 있다.

[수학식 12]

여기서, Ed는 DC-DC 컨버터(132b)의 효율을 의미하고, Vout은 부하저항 RL(142)에 걸리는 전압을 의미하고, Vin은 부하단(140)에 걸리는 전압을 의미하고, Rin은 부하단(140)의 임피던스를 의미한다.

일반적으로, DC-DC 컨버터(132b)의 효율인 Ed, 부하단(140)에 걸리는 전압 Vin, 부하저항 RL은 고정된 값이므로, 직류-직류 컨버터(132b)를 통해 부하저항 RL에 걸리는 전압을 변화시킴으로써 부하단(140)의 임피던스 값을 변화시킬 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 무선전력 전송 시스템에 검출부와 임피던스 조절부를 적용한 경우, 결합계수(K) 값에 따른 주파수-전력전달 효율간 그래프를 도시한 도면이다.

여기서, 부하저항 RL은 결합계수 K에 따라 변경된 값이고, 송신부(121)와 수신부(131)의 자기 공진 현상을 일으킬 때의 공진 주파수는 250KHz 인 경우를 예로 들어 설명한다.

도 6의 (a)는 결합계수 K가 0.5이고, 부하단의 임피던스 ZL은 20ohm인 경우이고, 도 6의 (b)는 결합계수 K가 0.3이고, 부하단의 임피던스 ZL은 100ohm인 경우이고, 도 6의 (c)는 결합계수 K가 0.15이고, 부하단의 임피던스 ZL은 100ohm인 경우이고, 도 6의 (d)는 결합계수 K가 0.05이고, 부하단의 임피던스 ZL은 400ohm인 경우, 주파수-전력전송 효율간 그래프를 나타낸다.

부하단의 임피던스 값은 검출부(122)에서 검출된 결합계수 K에 따라 전력전송 효율이 높아지도록 임피던스 조절부(132)를 통해 변경된 값이다. 도 6의 (a) 내지 (d)를 살펴보면, 도 2처럼 부하저항 RL의 값을 고정하였을 경우보다 결합계수 K에 따라 부하단의 임피던스 ZL를 변경시킨 경우, 공진주파수 250KHz 근처에서 전력전송 효율이 높음을 알 수 있다.

도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 임피던스 조절 방법을 도시한 흐름도이다.

검출부(122)는 송신부(121)가 특정한 범위의 주파수 신호에 일정한 전력을 포함하여 수신부(131)에 전송하도록 제어한다(S11). 특정한 범위의 주파수 신호는 100KHz 이상이 되는 주파수 신호일 수 있다.

검출부(122)는 수신부(131)에서 수신된 주파수 신호 및 전력을 측정한다(S12).

검출부(122)는 송신부(121)에서 송신한 전력과 수신부(131)에서 수신된 전력을 이용하여 결합계수 값을 검출한다(S13). 구체적으로, 검출부(122)는 송신된 전력과 수신된 전력의 비율을 측정하여 전력효율을 구할 수 있고, 주파수에 따른 전력전송 효율 관계를 이용하여 결합계수 값을 검출한다.

검출부(122)는 검출된 결합계수 값에 따라 부하단(140)의 임피던스 값을 결정할 수 있다(S14).

검출부(122)는 결정된 임피던스 값에 기초하여 상기 부하단(140)에 전력을 전송하도록 상기 임피던스 조절부(132)를 제어할 수 있다(S15).

임피던스 조절부(132)는 검출부(122)의 제어에 따라 부하단(140)의 임피던스 값을 변경시킨다. 부하단(140)의 임피던스 값을 변경시키는 방법은 직류-직류 컨버터(DC-DC Converter)를 이용하는 방법과 배터리 관리 소자를 이용하는 방법이 있고, 각각의 방법은 도 5에서 설명한 것과 같다.

이와 같이 검출된 결합계수 값에 따라 부하단의 임피던스를 변경시킨다면, 무선전력 송신장치(120)와 무선전력 수신장치(130)간의 거리, 방향, 위치에 맞추어 전력전달 효율을 향상시킬 수 있다.

도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 임피던스 조절 방법을 도시한 흐름도이다.

검출부(122)는 제1 입력 임피던스를 측정한다(S21). 제1 입력 임피던스는 전력소스(110)에서 송신부(121)를 바라보았을 때 측정되는 임피던스이다.

검출부(122)는 측정된 제1 입력 임피던스를 이용하여 결합계수 값을 검출할 수 있다(S22).

구체적으로, 검출부(122)는 제1 입력 임피던스(Z1)를 이용하여 송신부(121)에서 수신부(131)를 바라본 제2 입력 임피던스(Z2)를 계산하고, 수신용 공진 코일(L3)에서 부하단(140)을 바라본 제3 입력 임피던스(Z3)를 계산하며, 제2 입력 임피던스(Z2) 및 상기 제3 입력 임피던스(Z3)에 기초하여 결합계수 값을 검출할 수 있다.

더 구체적으로, 검출부(122)는 측정된 제1 입력 임피던스(Z1) 및 [수학식 3]을 이용하여 제2 입력 임피던스(Z2)를 계산할 수 있고, 제3 입력 임피던스(Z3)를 [수학식 1]을 이용하여 계산할 수 있다. 검출부(122)는 제2 입력 임피던스(Z2) 및 상기 제3 입력 임피던스(Z3)에 기초하여 [수학식 2]를 이용해 상호 인덕턴스 M2에 관한 식을 유도하여 M2를 구할 수 있고, [수학식 10]을 통해 결합계수(K)를 검출할 수 있다.

검출부(122)는 검출된 결합계수 값에 따라 부하단(140)의 임피던스 값을 결정할 수 있다(S23).

검출부(122)는 결정된 임피던스 값에 기초하여 상기 부하단(140)에 전력을 전송하도록 상기 임피던스 조절부(132)를 제어할 수 있다(S24).

도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 임피던스 조절 방법을 도시한 흐름도이다.

검출부(122)는 부하저항 RL을 개방시키는 제어신호를 부하단(140)에 전송한다(S31).

검출부(122)는 제1 입력 임피던스를 측정한다(S32). 제1 입력 임피던스는 전력소스(110)에서 송신부(121)를 바라보았을 때 측정되는 임피던스이다.

검출부(122)는 측정된 제1 입력 임피던스를 이용하여 결합계수 값을 검출할 수 있다(S33).

검출부(122)는 검출된 결합계수 값에 따라 부하단(140)의 임피던스 값을 결정할 수 있다(S34).

검출부(122)는 결정된 임피던스 값에 기초하여 상기 부하단(140)에 전력을 전송하도록 상기 임피던스 조절부(132)를 제어할 수 있다(S35).

이 방법을 이용하면, 변수의 개수를 줄일 수 있어서 정확성을 높일 수 있고, 계산 속도를 향상시킬 수 있다.

또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해 되어서는 안될 것이다.

110 : 전력 소스
120 : 무선전력 송신장치
121 : 송신부
121a : 송신 코일부
121b : 송신용 공진 코일부
122 : 검출부
130 : 무선전력 수신장치
131 : 수신부
131a : 수신용 공진 코일부
131b : 수신 코일부
132 : 임피던스 조절부
140 : 부하단

Claims

부하단에 전력을 전달하는 무선전력 수신장치에 자기 공진을 이용하여 무선으로 전력을 송신하는 무선전력 송신장치로서,
전력 소스에서 생성된 교류 전력을 송신 공진 코일부에 전달하는 송신 코일부;
상기 송신 코일부와 물리적으로 이격하여 상기 송신 코일부로부터 전달된 교류 전력을 상기 무선전력 수신장치에 전달하는 송신 공진 코일부; 및
상기 무선전력 송신장치의 입력 임피던스를 이용하여 상기 무선전력 송신장치와 상기 무선전력 수신장치의 결합상태를 검출하는 검출부를 포함하는
무선전력 송신장치.
제1항에 있어서,
상기 검출부는
상기 무선전력 송신장치의 입력 임피던스 및 상기 무선전력 수신장치의 부하단의 임피던스를 이용하여 상기 결합상태를 검출하는 무선전력 송신장치.
제1항에 있어서,
상기 검출부는
상기 무선전력 수신장치에서 부하단의 저항이 개방된 후, 상기 무선전력 송신장치의 입력 임피던스를 이용하여 상기 결합상태를 검출하는 무선전력 송신장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 무선전력 송신장치는
상기 결합상태에 관한 정보를 상기 무선전력 수신장치의 부하단의 임피던스를 변경하기 위한 정보로서 상기 무선전력 수신장치에 송신하는
무선전력 송신장치.
제4항에 있어서,
상기 무선전력 수신장치는
상기 송신 공진 코일부로부터 교류 전력을 전달받는 수신 공진 코일부와 상기 수신 공진 코일부와 물리적으로 이격하여 상기 수신 공진 코일부로부터 전력을 전달받는 수신 코일부를 포함하며,
상기 결합 상태는
상기 송신 공진 코일부과 상기 수신 공진 코일부의 결합 상태인 것을 특징으로 하는
무선전력 송신장치.
송신 코일부와 송신 공진 코일부를 포함하는 무선전력 송신장치로부터 자기 공진을 이용하여 무선으로 수신한 전력을 부하단에 전달하는 무선전력 수신장치로서,
상기 무선전력 송신장치로부터 수신한 전력을 상기 부하단에 전달하는 수신 코일부; 및
상기 수신 코일부 및 상기 부하단 사이에 위치하여, 상기 부하단의 전류 또는 전압을 조절함으로써 상기 수신 코일부에서의 출력 임피던스를 조절하는 임피던스 조절부를 포함하며,
상기 임피던스 조절부는 상기 무선전력 송신장치와 상기 무선전력 수신장치의 결합 상태에 기초하여 상기 수신 코일부에서의 출력 임피던스를 조절하는 것을 특징으로 하는
무선전력 수신장치.
제6항에 있어서,
상기 결합 상태는 상기 무선전력 송신장치의 입력 임피던스를 이용하여 검출된 것을 특징으로 하는 무선전력 수신장치.
제7항에 있어서,
상기 무선전력 송신장치는
송신 코일부 및 상기 송신 코일부와 물리적으로 이격하여 상기 송신 코일부로부터 교류 전력을 전달받는 송신 공진 코일부를 포함하며,
상기 무선전력 수신장치는
상기 송신 공진 코일부로부터 송신된 전력을 공진을 이용하여 수신하여 물리적으로 이격된 상기 수신 코일부로 전달하는 수신 공진 코일부를 포함하며,
상기 결합 상태는
상기 송신 공진 코일부과 상기 수신 공진 코일부의 결합 상태인 것을 특징으로 하는
무선전력 수신장치.
제6항에 있어서,
상기 임피던스 조절부는 배터리 관리 소자(BMIC)인 무선전력 수신장치.
제6항에 있어서,
상기 임피던스 조절부는 직류-직류 컨버터인 무선전력 수신장치.
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