KR101312532B1 - 공진형 무선전력전송 시스템을 위한 커패시티브 및 트랜스포머 커플링 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 부하와 전송거리에 따라 달라지는 임피던스 매칭을 용이하게 수행할 수 있는 커패시티브 및 트랜스포머 커플링을 도입한 공진형 무선전력전송 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 일면에 따른, 송신부의 코일로부터 생성되는 시변 자기장을 수신하는 수신부를 포함하는 무선전력전송 시스템은, 상기 송신부 또는 상기 수신부는 트랜스포머를 포함하고, 상기 트랜스포머의 1차 코일 또는 2차 코일의 양단에 연결된 나선형(helical)의 공진 코일을 포함한다.

Description

공진형 무선전력전송 시스템을 위한 커패시티브 및 트랜스포머 커플링 방법{Capacitive and Transformer Coupling Method for Resonance based Wireless Power Transfer}
본 발명은 공진형 무선전력전송 방법 및 시스템에 관한 것으로서, 특히, 부하와 전송거리에 따라 달라지는 임피던스 매칭을 용이하게 수행할 수 있는 커패시티브 및 트랜스포머 커플링을 도입한 공진형 무선전력전송 시스템에 관한 것이다.
국제특허 PCT/KR2005/002468호 (WO 2006/011769 A1)에 개시된 병렬 공진을 이용한 무선전력전송 방법에서는, 간단하게 소스/부하와 공진 코일 사이의 커플링을 위하여 magnetic inductive coupling을 사용하며, 미국공개특허번호 제2009-0224856호에 개시된 병렬 공진을 이용한 무선전력전송 방법에서는, 공진 코일과 커플링을 위하여 magnetic inductive coupling만을 사용한다.
이와 같이 기존의 병렬 공진을 이용한 무선전력전송 방식에서는, 소스/부하와 공진 코일 사이의 전력전송을 위하여 magnetic inductive coupling을 사용한다. 즉, 소스측에서는 소스와 소스 공진 코일 사이에 소스 코일이 위치하고, 수신측에서는 부하와 수신 공진 코일 사이에 부하코일 (또는 디바이스 코일)이 위치한다. 이러한 방식에서 임피던스 매칭 및 역률 (power factor)을 개선하기 위해서는 소스 코일 또는 디바이스 코일과 공진 코일 사이의 거리를 조절하거나, 코일의 모양을 변경하여, 소스 코일/디바이스 코일과 공진 코일간의 상호 결합 값을 조정하여 매칭 및 역률 개선한다. 이 경우 가장 어려운 것은 소스/디바이스 코일과 공진 코일 사이의 정확한 상호 인덕턴스 유도가 매우 어려워, 실제 시스템 제작에 있어서는 실행과 반복 과정을 거쳐야 하기 때문에 다양한 문제가 야기된다.
또한, 소스/디바이스 코일을 물리적으로 위치를 옮기거나, 구조를 변경하여 시스템이 임피던스 매칭을 이루도록 조정해야 하기 때문에, 정확한 매칭이 매우 어렵다. 특히, 수신측의 위치가 변경될 경우 거리의 변화 및 부하의 변동에 따라 임피던스 달라지며, 변경 시마다 소스/디바이스 코일이 위치를 변경하거나 구조를 변경하여 매칭을 수행해야 하는 어려움이 있다.
수신측의 정류 회로에서는 공진 코일을 통과한 수진 전류와 전압의 위상이 바뀌며, 이러한 현상은 수신측의 역률을 떨어뜨린다. 이에 따라 수신 전류와 전압의 역률을 개선하는 방법도 또한 요구되고 있다.
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 소스/부하와 공진 코일 사이에 트랜스포머를 사용하며, 특히, 트랜스포머의 1차측은 소스/부하에 연결되어 있고, 2차측은 공진 코일에 연결되어, 1차측에 유기된 교류 신호가 2차측에 교류 신호를 유기하여 공진코일로 인가되도록 하고, 1차측과 2차측의 감은 수 비를 조정하여 인덕턴스를 변경하여, 시스템의 적응형(adaptive) 임피던스 매칭 및 역률 조건을 최적화하여 무선 전력을 전송할 수 있는 공진형 무선전력전송 시스템을 제공하는 데 있다.
또한, 소스/부하와 공진 코일 사이에 커패시터를 사용하는 커패시티브 커플링을 사용하며, 특히, 소스와 커패시터는 직접 연결하고, 공진코일과 커플링 되는 면적에 따라 송신부/수신부의 커패시턴스를 변경하여, 임피던스 매칭 및 역률을 개선함으로써, 상호 인덕턴스의 변화 및 부하의 변동에 따라 변화되는 시스템의 임피던스 매칭 조건을 최적화하여 무선 전력을 전송할 수 있는 공진형 무선전력전송 시스템을 제공하는 데 있다.
그리고, 수신부의 정류 회로에서는 연속(continuous) 모드를 만들기 위해 인덕터를 사용하여 역률을 개선할 수 있는 병렬 공진형 무선전력전송 시스템을 제공하는 데 있다.
먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른, 송신부의 소스로부터 생성되는 시변 자기장을 무선으로 송신하고, 수신부의 수신 공진기를 이용하여 전달하는 공진형 무선전력전송 시스템은, 상기 송신부 또는 상기 수신부는 트랜스포머를 포함하고, 상기 트랜스포머의 1차 코일 또는 2차 코일의 양단에 연결된 자기 공진(self resonance) 코일을 포함한다.
상기 1차 코일 또는 상기 2차 코일의 권선수에 의하여 인덕턴스 값을 조정하여 임피던스 매칭과 역률 개선이 이루어진다.
상기 송신부의 송신 공진 코일 및 상기 수신부의 수신 공진 코일 사이의 거리 증가에 따라 상기 1차 코일의 권선수가 감소하도록 미리 결정한 권선수로 상기 1차 코일이 권선될 수 있다.
입력 소스의 양단이 상기 송신부의 트랜스포머의 1차 코일의 양단에 연결되며, 상기 송신부의 트랜스포머의 2차 코일의 양단에 송신 공진 코일이 연결된다.
상기 입력 소스의 한 단자와 상기 송신부의 트랜스포머의 1차 코일의 한 단자 사이에 추가 커패시터를 더 포함할 수 있다.
상기 수신부의 트랜스포머의 2차 코일의 양단에 수신 공진 코일이 연결되며, 상기 수신부의 트랜스포머의 1차 코일의 양단에 정류회로 또는 부하가 직접 연결된다.
상기 수신부의 트랜스포머의 1차 코일의 한 단자와 상기 정류회로의 한 단자 사이에 추가 커패시터를 더 포함할 수 있다.
그리고, 본 발명의 다른 일면에 따른, 송신부의 코일로부터 생성되는 시변 자기장을 수신하는 수신부를 포함하는 공진형 무선전력전송 시스템은, 상기 송신부 또는 상기 수신부는 평판 커패시터를 포함하고, 상기 평판 커패시터에 연결된 공진 코일을 포함하되, 상기 평판 커패시터는 제1 양쪽 금속판 사이에 제2 양쪽 금속판을 구비하며, 상기 제2 양쪽 금속판의 양단에 상기 공진 코일의 양단이 연결된다.
상기 제1 양쪽 금속판의 각 금속판과 상기 제2 양쪽 금속판의 해당 마주보는 금속판 사이에 형성되는 커패시턴스에 의하여 임피던스 매칭과 역률 개선이 이루어진다.
입력 소스의 양단이 상기 송신부의 평판 커패시터의 제1 양쪽 금속판과 연결되고, 상기 송신부의 평판 커패시터의 제2 양쪽 금속판과 단일 루프 코일 형태의 송신 공진 코일의 양단이 연결된다.
상기 수신부의 평판 커패시터의 제2 양쪽 금속판과 단일 루프 코일 형태의 수신 공진 코일의 양단이 연결되며, 상기 수신부의 평판 커패시터의 제1 양쪽 금속판이 정류회로의 양단과 연결된다.
상기 정류회로는 직류변환회로와 출력단 사이에 연결된 인덕터를 포함한다.
상기 인덕터의 용량(L), 상기 직류변환회로에서 본 입력 저항(R), 및 상기 직류 변환회로로 들어오는 입력전류의 각주파수(ω) 사이에 수학식 L > R/3ω을 만족한다.
본 발명에 따른 공진형 무선전력전송 방법 및 시스템에 따르면, 커패시티브 커플링과 트랜스포머 커플링은 부하의 변동과 거리의 변동에 따라 변동되는 임피던스 및 나빠진 역률을 쉽게 보상할 수 있다. 즉, 커패시티브 커플링은 공진 코일과의 커패시턴스를 변경하여 보상이 가능하며, 트랜스포머 커플링은 1차와 2차 측 코일의 감은 수만을 변경하면 된다. 이를 통하여 공진형 무선전력전송 시스템의 거리 및 부하의 변동에 따라 변경되는 임피던스에 의한 전송 효율을 개선할 수 있다.
또한, 트랜스포머 방식은 임피던스 매칭 뿐만 아니라 송수신부의 전압과 전류를 조정할 수 있다. 즉, 일반적으로 사용되는 코일은 허용 전류와 전압의 한계가 있으나, 트랜스포머를 활용하여 적합한 전류와 전압의 조정이 가능하다.
그리고, 송수신뿐만 아니라, 수신부의 정류회로에서도 역률을 개선하여 전체 시스템의 전송 효율을 개선할 수 있다.
도 1a는 공진형 무선전력전송 시스템의 일 실시 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 1b는 도 1a의 등가회로이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 공진형 무선전력전송 시스템에 적용을 위한 트랜스포머와 공진코일을 설명하기 위한 도면이다.
도 2b는 도 2a의 트랜스포머와 공진코일을 송신부와 수신부에 적용할 때의 등가회로이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 공진형 무선전력전송 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 4a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 공진형 무선전력전송 시스템에 적용을 위한 커패시터와 공진코일을 설명하기 위한 도면이다.
도 4b는 도 4a의 커패시터와 공진코일을 송신부와 수신부에 적용할 때의 등가회로이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 공진형 무선전력전송 시스템에 사용되는 정류회로를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 도 5의 정류회로에서 인덕터가 없는 경우를 설명하기 위한 정류회로의 입출력 파형도이다.
도 7은 도 5의 정류회로에서 인덕터가 있는 경우를 설명하기 위한 정류회로의 입출력 파형도이다.
도 8은 도 2a의 트랜스포머의 자성체 코어를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 도 8의 토로이달 코어를 적용한 트랜스포머의 등가회로이다.
도 10은 본 발명의 송신부(Tx)의 트랜스포머와 송신 공진 코일, 수신부(Rx)의 트랜스포머와 수신 공진 코일을 이용한 전력 전송 효율을 측정하기 위해 제작된 시스템을 나타낸다.
도 11은 본 발명의 트랜스포머의 1차 코일 권선수에 따른 커플링 계수 및 인덕턴스의 변화를 측정한 값을 나타낸다.
도 12는 본 발명의 송수신 공진 코일 간의 거리에 따른 상호 인덕턴스와 임피던스 매칭을 위한 코일 권선수의 변화를 측정한 값을 나타낸다.
도 13은 본 발명의 송수신 공진 코일 간의 거리에 따른 효율 계산값 및 측정값을 최대 효율값과 함께 나타낸 것이다.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
도 1a는 공진형 무선전력전송 시스템의 일 실시예를 설명하기 위한 도면이다. 도 1b는 도 1a의 등가회로이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 공진형 무선전력전송 시스템은, 송신부(Tx) 및 수신부(Rx)를 포함할 수 있다. 송신부(Tx)는 입력 소스 (Vs)(시변 자기장 소스)와 연결되는 소스 코일(등가 회로의 Rs, Ls), 소스 코일과 자계 유도 커플링(커플링 계수 Ks)을 이루는 송신 공진 코일(등가 회로의 R1, L1, C1)을 포함하고, 수신부(Rx)는 송신 공진 코일과 공진에 의한 강한 자계 커플링(상호 인덕턴스 M)을 이루는 수신 공진 코일(등가 회로의 R2, L2, C2), 수신 공진 코일과 자계 유도 커플링(커플링 계수 KL)을 이루는 디바이스 코일(등가 회로의 RL, LL), 디바이스 코일로부터 입력되는 교류 입력을 정류하는 정류회로, 정류 회로로부터 전력을 공급받는 부하 또는 DC-to-DC 컨버터를 포함한다.
이와 같이 공진형 무선전력전송 시스템은, 소스 코일에서 발생되는 시변 자기장이 송신 공진 코일로 유도되고, 자계 유도 커플링(magnetic induction coupling)을 통해 수신 공진 코일과 디바이스 코일로 유도되는 교류 신호를 정류하여 부하 또는 DC-to-DC 컨버터로 전력을 공급하게 된다.
그러나, 이와 같은 구조에서 소스 코일, 송신 공진 코일, 수신 공진 코일, 디바이스 코일 간에 환경이 변화될 경우, 예를 들어, 거리 및 코일의 방향이 변경될 경우 해당 부분에서 상호 인덕턴스가 변경되며, 최대 전력 전송을 위한 임피던스 매칭 조건 및 최대 역률 환경이 변화되며, 새로운 환경에 적합한 최적의 매칭 및 역률을 얻기 위하여는 코일들의 위치를 물리적으로 조절하는 방법을 사용한다.
이하 송신부(Tx) 또는 수신부(Rx)에 트랜스포머 또는 커패시터를 이용하여 시스템의 임피던스 매칭 조건을 최적화하여 무선 전력을 전송할 수 있고, 수신부의 정류 회로에서 인덕터를 사용하여 연속(continuous) 모드 조건을 만족시킴으로써 역률을 개선할 수 있는 본 발명의 무선전력전송 시스템의 실시예들을 설명한다.
도 2a는 본 발명의 일실시예에 따른 공진형 무선전력전송 시스템을 설명하기 위한 도면이다. 도 2b는 도 2a의 트랜스포머와 공진코일을 송신부와 수신부에 적용할 때의 등가회로이다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 공진형 무선전력전송 시스템은, 도 2a와 같이 페라이트 자성체 코어에 1차 코일과 2차 코일을 감은 트랜스포머, 및 트랜스포머의 1차 코일 또는 2차 코일의 양단에 나선형(helical)의 자기공진코일(self-resonance coil)을 송신 또는 수신 공진 코일로서 연결한 구조를 송신부(Tx) 또는 수신부(Rx)에 적용한 구조를 포함한다. 트랜스포머의 1차 코일과 2차 코일은 중첩으로 감겨질 수 있다. 여기서, 나선형(helical)의 자기공진코일을 트랜스포머에 연결한 예를 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 나선형(helical)의 코일을 변형하여 다양한 형태의 자기공진코일(self-resonance coil)이 이용될 수 있다.
도 2b와 같이, 입력 소스(Vs)(시변 자기장 소스)의 양단이 송신부(Tx) 트랜스포머의 1차 코일(등가 회로 Rs, Ls)의 양단에 연결되고, 송신부(Tx) 트랜스포머의 2차 코일(등가 회로 RT1, LT1)의 양단에 송신 공진 코일(등가 회로 R1, L1, C1')이 연결된다. 또한, 수신 공진 코일(등가 회로 R2, L2, C2')는 수신부(Rx) 트랜스포머의 2차 코일(등가 회로 RT2, LT2)의 양단에 연결되며, 수신부(Rx) 트랜스포머의 1차 코일(등가 회로 RL, LL)의 양단이 정류회로에 연결될 수 있다.
이와 같은 트랜스포머 커플링 구조에서, 일반적으로 트랜스포머의 2차 측 인덕턴스가 (송신/수신) 공진 코일의 인덕턴스보다 훨씬 더 크기 때문에 트랜스포머에 의한 공진 주파수 이동은 거의 없다. 또한, 공진 구조에서는 높은 전압 (높은 전류)가 유기되고, 큰 전력을 전송 시에는 코일 사이에 매우 높은 전압 (높은 전류)가 유기되어, 절연이 파괴된다. 이러한 절연 파괴를 회피하기 위하여, 트랜스포머를 이용하여 공진기에 유기되는 전압과 전류를 조정할 수도 있다. 특히, 수신부(Rx)에서 부하로서 배터리 충전을 위하여 일정 전압 이상이 전달되어야 할 경우도 트랜스포머를 이용하여 조정이 가능하다. 또한, 트랜스포머를 사용할 경우 입출력 부의 임피던스 조정이 간단하게 트랜스포머의 턴수를 변경함으로서 얻어질 수 있어, 참고문헌 [A. Kurs, A. Karalis, R. Moffatt, J. D. Joannopoulos, P. Fisher, and M. Soljacic, “Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances”, Science express, vol. 317, pp. 83-86, July 2007]에서와 같이 커플링 코일의 물리적인 이동에 의한 매칭이 필요 없다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 공진형 무선전력전송 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 3과 같이, 입력 소스(Vs)의 한 단자와 송신부(Tx) 트랜스포머의 1차 코일(등가 회로 Rs, Ls)의 한 단자 사이에 추가 커패시터(Cs)를 부가할 수도 있으며, 수신부(Tx) 트랜스포머의 1차 코일(등가 회로 RL, LL)의 한 단자와 정류회로의 한 단자 사이에 추가 커패시터(CL)를 부가할 수도 있다. 이에 따라 송신부(Tx) 트랜스포머의 1차 코일(등가 회로 Rs, Ls)을 통한 송신측 입력 임피던스의 리액턴스 성분을 최소화시키고, 수신부(Tx) 트랜스포머의 1차 코일(등가 회로 RL, LL)을 통한 수신측 출력 임피던스의 리액턴스 성분을 최소화시켜서, 결과적으로 역률(power factor)을 개선시켜 보다 높은 전력효율을 얻을 수 있게 된다.
도 4a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 공진형 무선전력전송 시스템에 적용을 위한 커패시터와 공진코일을 설명하기 위한 도면이다. 도 4b는 도 4a의 커패시터와 공진코일을 송신부와 수신부에 적용할 때의 등가회로이다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 공진형 무선전력전송 시스템은, 도 4a와 같이 평행 평판 커패시터에 단일 루프 코일을 송신 또는 수신 공진 코일로서 연결한 구조를 송신부(Tx) 또는 수신부(Rx)에 적용한 구조를 포함한다. 평행 평판 커패시터는 포트가 되는 제1 양쪽 금속판 사이에 제2 양쪽 금속판을 구비하며, 제2 양쪽 금속판은 제1 양쪽 금속판의 가장자리 이상으로 연장되어 있다. 제2 양쪽 금속판의 양단에 단일 루프 코일의 양단이 각각 연결된다. 제2 양쪽 금속판 사이에 소정 유전체(εr2)가 채워질 수 있으며, 제1 양쪽 금속판의 각 금속판과 제2 양쪽 금속판의 해당 마주보는 금속판 사이에도 소정 유전체(εr1)가 채워질 수 있다. 여기서, 단일 루프 코일을 평행 평판 커패시터에 연결한 예를 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 단일 루프 코일을 변형하여 다양한 형태의 자기공진코일이 이용될 수 있다.
도 4b와 같이, 입력 소스(Vs)의 양단과 단일 루프 코일 형태의 송신 공진 코일(등가 회로 R1, L1, C1) 양단 사이에 각각 도 4a와 같은 평행 평판 커패시터가 연결될 수 있다. 즉, 입력 소스(Vs)의 양단이 송신측 평행 평판 커패시터의 제1 양쪽 금속판과 연결될 수 있고, 도 4a와 같은 송신측 평행 평판 커패시터의 제2 양쪽 금속판과 단일 루프 코일 형태의 송신 공진 코일(등가 회로 R1, L1, C1)의 양단이 연결될 수 있다. 또한, 정류회로의 양단과 단일 루프 코일 형태의 수신 공진 코일(등가 회로 R2, L2, C2) 양단 사이에 각각 도 4a와 같은 평행 평판 커패시터가 연결될 수 있다. 즉, 단일 루프 코일 형태의 수신 공진 코일(등가 회로 R1, L1, C1)의 양단이 도 4a와 같은 수신측 평행 평판 커패시터의 제2 양쪽 금속판과 연결될 수 있고, 수신측 평행 평판 커패시터의 제1 양쪽 금속판이 정류회로의 양단과 연결될 수 있다.
이와 같은 커패시티브 커플링 구조에서, 포트(제1 양쪽 금속판)에 인가된 전압은 커패시티브 커플링을 통하여 공진 코일의 커패시터에 인가된다. 도 4a와 같은 평행 평판 커패시터에 유전체(εr2) 또는 유전체(εr1)가 반드시 채워져야 하는 것은 아니며, 공기일 수도 있고, 이와 같은 평행 평판 커패시터는 인쇄기판회로를 이용하여 쉽게 제작이 가능하다. 이에 따라 기존의 magnetic inductive coupling처럼 송신 코일 또는 디바이스 코일의 위치를 옮겨가며 임피던스 매칭을 하지않아도 되며, 도 4a와 같은 평행 평판 커패시터의 커플링 커패시턴스의 양을 조정하여 매칭을 수행하기 때문에 매칭 제어가 수월하고 역률을 개선하기도 수월하다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 공진형 무선전력전송 시스템에 사용되는 정류회로를 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 공진형 무선전력전송 시스템에 사용되는 정류회로는 직류 변환회로, 직류 변환회로의 양단 사이에 직렬 연결된 인덕터(L)와 커패시터(C)를 포함하며, 커패시터(C)의 양단(출력단)으로부터 부하 또는 DC-to-DC 커버터에 전력을 공급할 수 있다.
도 5와 같이, 직류 변환회로는 MOSFET, Diode, Thyristor등 스위치 역할을 할 수 있는 소자로 구성될 수 있으며, 예를 들어, 브리지 다이오드를 이용할 수 있다. 직류 변환회로에 연결된 평활소자인 인덕터(L)을 통하여 역률을 개선하고 보다 안정된 직류전압을 얻을 수 있다. 즉, 평활소자인 인덕터(L)를 연결하여 교류성분의 크기를 줄여주게 되어 출력전압의 맥동률을 낮출 수 있다.
도 5의 정류회로에서 인덕터가 없는 경우, 도 6과 같이 직류 변환회로로 들어오는 입력전류 Is의 기본 주파수 성분 Is . h1과 입력전압 VS 간에 위상차가, 입력전류 Is, 인덕터 전압 VL, 인덕터 전류 IL의 파형에서 볼 수 있듯이 발생하여 역률이 낮아진다. 그러나, 도 5의 정류회로에서 인덕터가 있는 경우, 도 7과 같이 역률을 보상할 수 있으며 이 때 필요한 인덕터의 용량(L)과 직류 변환회로에서 본 입력 저항(임피던스) R과 입력전류 Is의 각주파수 ω(2πf: f는 입력 신호의 주파수)간에 [수학식 1]을 만족해야 한다.
[수학식 1]
L > R/3ω
[수학식 1]을 만족하지 못할 경우, 인덕터를 연결하지 않았을 경우와 유사하게 파형이 형성되며 결과적으로 [수학식 1]를 만족하는 인덕터를 연결했을 시와 비교해 낮은 역률을 갖게 된다.
한편, 임피던스 매칭을 위한 도 2a의 트랜스포머의 코일의 권선수와 자기공진코일(송신 또는 수신 공진 코일)과의 관계를 좀 더 자세히 설명한다.
도 8은 도 2a의 트랜스포머의 자성체 코어를 설명하기 위한 도면이다. 보통 트랜스포머에는 자기장을 집속시키기 위해서 페라이트와 같은 고자성체 물질이 사용된다. 자성체는 사용하고자 하는 주파수에서 자성체 손실이 적어야 한다. 그리고 시스템에 맞는 1 차, 2 차 코일의 인덕턴스를 구현할 수 있는 지를 확인해야 한다. 도 8과 같이 토로이달 형태의 자성체 코어를 트랜스포머에 사용할 때, S는 토로이달 자성체의 단면적 (폭W x 높이 h), rin은 토로이달 코어의 내부 반지름이며, rin은 토로이달 코어의 포화 자속 밀도에 맞게 설계해주면 된다. ℓ1 turn은 1회 권선하였을 때 도선의 길이, μ0는 진공에서의 투자율, μr은 자성체의 상대 투자율을 나타낸다. 코어의 크기와 투자율이 주어지면 도선을 1회 권선할 때의 인덕턴스 AL이 [수학식 2]와 같이 주어진다. AL이 주어지면 N회 권선한 코일의 인덕턴스는 [수학식 3]과 같이 구할 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112011083083750-pat00001
[수학식 3]
Figure 112011083083750-pat00002
도 9는 도 8의 토로이달 코어를 적용한 트랜스포머의 등가회로이다. 코어에서 생기는 손실은 없고, 1, 2 차 코일 사이에서의 inter-winding 커패시턴스는 시스템에 큰 영향을 주지 않아서 고려하지 않았다. 그리고 1 차 코일의 자기 커패시턴스(self-capacitance)는 보통 1차 코일의 턴 수가 많지 않아서 작은 값을 가지기 때문에 무시하였다. 도 9에서 RS과 Ll1는 트랜스포머 1차 코일의 저항 성분과 누설 인덕턴스(leakage inductance)를 나타낸다. RT와 Ll2는 트랜스포머 2차 코일의 저항 성분과 누설 인덕턴스를 나타낸다. Lp는 1차 코일의 자화 인덕턴스이고, N1과 N2는 각각 1차 코일과 2차 코일의 권선수이다. CT는 트랜스포머 2차 코일에서 자체적으로 생기는 자기 커패시턴스이다.
도 10은 본 발명의 송신부(Tx)의 트랜스포머와 송신 공진 코일(Tx resonant coil), 수신부(Rx)의 트랜스포머와 수신 공진 코일(Rx resonant coil)을 이용한 전력 전송 효율을 측정하기 위해 제작된 무선전력전송 시스템을 나타낸다. 기본 원리는 도 2b/도 3에서 설명한 바와 같다.
도 10과 같이, 트랜스포머 커플링을 이용한 무선전력전송 시스템을 검증하기 위하여, 각 공진 코일은 가로 62 cm, 세로 33 cm, 높이 4 cm인 직사각형 형태의 헬리컬 코일로 14AWG 리츠 와이어를 사용하여 19회 감아서 제작하였다. Tx와 Rx 트랜스포머는 토로이달 코어를 이용하여 1, 2 차 코일이 감겨진 형태이다(도 8, 9 참조). 이 때, W=1.2 cm, H=3.7 cm, rin=2.7 cm이고 상대 투자율이 350인 Ni-Zn 재질의 토로이달 코어를 사용하였다. 페라이트 코어를 그대로 사용하면 상대 투자율이 커서 권선수에 따른 인덕턴스가 커지기 때문에 코어 사이에 공극(air gap)을 주어 유효 투자율을 낮추어 사용하였다. 이 때, 공극을 주기 위해서 절연 테잎을 이용하였다. 페라이트 코어는 투자율의 공정 오차가 ±25%가 될 정도로 크기 때문에 코어의 투자율에 맞게 공극을 적절하게 조정하였다. 제작한 Tx와 Rx 트랜스포머의 AL 값은 각각 0.56, 0.53이다. 공진 주파수를 맞추기 위해서 Tx 트랜스포머 2차 코일은 91회, Rx 트랜스포머 2차 코일은 94회로 권선하였다. 공진 코일과 병렬로 연결되는 lumped 커패시터는 1 nF의 high-Q 커패시터를 사용하였다.
아래 표는 도 10과 같이 제작한 시스템의 파라미터 측정 값을 나타낸다. 측정 결과 송수전부의 공진 주파수(fr1/fr2)가 약 257 kHz로 거의 동일함을 확인할 수 있었다. 각 파라미터 측정에는 벡터 회로망 분석기 (Agilent 4395A)와 LCR 미터(GWInstek LCR 8110G)를 이용하였다.
Figure 112011083083750-pat00003
도 11은 본 발명의 트랜스포머의 1차 코일 권선수에 따른 커플링 계수 및 인덕턴스의 변화를 측정한 값을 나타낸다.
도 11과 같이, 제작한 트랜스포머의 커플링 계수와 1 차 코일의 인덕턴스 값을 권선수에 따라 나타내는 경우, 커플링 계수는 송수신부 트랜스포머 모두 1 차 코일의 권선수에 따라 큰 변화 없이 약 0.9 정도의 일정한 값을 나타내었다. 1 차 코일의 권선수에 따라 인덕턴스는 약 2.5 μH에서 25 μH까지 증가하였다.
도 12는 본 발명의 송수신 공진 코일 간의 거리에 따른 상호 인덕턴스와 임피던스 매칭을 위한 코일 권선수의 변화를 측정한 값을 나타낸다.
송수신 공진 코일 사이의 간격(D) 변화에 따라서 임피던스 매칭 조건이 달라지는데, 트랜스포머 1 차 코일의 권선수를 바꾸면서 조정할 수 있다. 도 12와 같이, 간격(D)이 40 cm에서 100 cm까지 변화할 때, 공진 코일들 사이의 상호 인덕턴스(M12)와 그 때의 트랜스포머 1 차 코일의 매칭 권선수(Nm)가 감소하며, 특히, 임피던스 매칭을 위한 1 차 코일의 권선수(Nm)는 6 회에서 2 회로 줄어듦을 확인할 수 있었다. 즉, 공진 코일 사이의 상호 인덕턴스(M12)가 작을수록 1 차 코일의 권선수를 줄이는 방법으로 임피던스를 쉽게 매칭 할 수 있다.
도 13은 본 발명의 송수신 공진 코일 간의 거리(D)에 따른 효율 계산값 및 측정값을 최대 효율값과 함께 나타낸 것이다.
도 13과 같이, 각 파라미터를 추출한 것을 바탕으로 회로 해석을 통해 구한 효율 계산값(calculation)과 실제로 Network Analyzer를 이용하여 측정한 효율 측정값(measurement)이 거의 일치함을 확인할 수 있다. 도 13에서 다이아몬드 마크를 갖는 최대 효율값(maximum efficiency)은 참고 문헌 [A. Kurs, A. Karalis, R. Moffatt, J. D. Joannopoulos, P. Fisher, and M. Soljacic, “Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances”, Science express, vol. 317, pp. 83-86, July 2007.]에서 제시한 최대 효율식 (effmax = fom2/(1+(1+fom2)0.5)2, fom=ωM12/(R1R2)0.5)을 이용해 계산 효율값이다. 트랜스포머의 권선수/비를 조정하여 최대 효율값(maximum efficiency)을 낼 수 있는 임피던스 매칭이 잘 이루어졌음을 알 수 있다. 이로써, 본 발명에서 제시한 트랜스포머 커플링 방식은 등가 회로를 통해 시스템을 모델링할 수 있고, 공진 코일 간의 거리(D) 40 cm에서 약 90%, 100 cm에서는 약 55%라는 높은 효율을 가질 수 있음을 확인하였다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
송신부(TX)
수신부(RX)
소스 코일(등가 회로의 Rs, Ls)
송신 공진 코일(등가 회로의 R1, L1, C1)
수신 공진 코일(등가 회로의 R2, L2, C2)
디바이스 코일(등가 회로의 RL, LL)

Claims (13)

  1. 송신부의 송신 공진 코일로부터 자계 유도 커플링(magnetic induction coupling)을 통해 수신부의 수신 공진 코일로 시변 자기장 형태로 전력을 송신하기 위한 공진형 무선전력전송 시스템으로서,
    상기 송신부는,
    상기 송신 공진 코일; 및 1차 코일의 양단에 입력 소스가 연결되고 2차 코일의 양단에 상기 송신 공진 코일이 연결된 트랜스포머를 포함하고,
    상기 트랜스포머의 1차 코일과 2차 코일의 권선수에 의하여 임피던스 매칭 및 역률을 개선하기 위한 것을 특징으로 하는 공진형 무선전력전송 시스템.
  2. 송신부의 송신 공진 코일로부터 자계 유도 커플링(magnetic induction coupling)을 통해 수신부의 수신 공진 코일로 시변 자기장 형태로 전력을 송신하기 위한 공진형 무선전력전송 시스템으로서,
    상기 수신부는,
    상기 수신 공진 코일; 및 1차 코일의 양단에 정류회로가 연결되고 2차 코일의 양단에 상기 수신 공진 코일이 연결된 트랜스포머를 포함하고,
    상기 트랜스포머의 1차 코일과 2차 코일의 권선수에 의하여 임피던스 매칭 및 역률을 개선하기 위한 것을 특징으로 하는 공진형 무선전력전송 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 송신 공진 코일과 상기 수신 공진 코일 사이의 거리 증가에 따라 상기 트랜스포머의 1차 코일의 권선수가 감소하도록 미리 결정한 권선수로 해당 1차 코일을 권선한 것을 특징으로 하는 공진형 무선전력전송 시스템.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 입력 소스의 한 단자와 상기 트랜스포머의 1차 코일의 한 단자 사이에 커패시터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공진형 무선전력전송 시스템.
  6. 삭제
  7. 제2항에 있어서,
    상기 트랜스포머의 1차 코일의 한 단자와 상기 정류회로의 한 단자 사이에 커패시터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공진형 무선전력전송 시스템.
  8. 송신부의 시변 자기장을 무선으로 수신부에 송신하는 공진형 무선전력전송 시스템에 있어서,
    상기 송신부는,
    단일 루프 코일 형태의 송신 공진 코일; 및 제1 양쪽 금속판 사이에 제2 양쪽 금속판을 구비하는 평판 커패시터를 포함하고,
    입력 소스의 양단이 상기 제1 양쪽 금속판과 연결되고, 상기 송신 공진 코일의 양단이 상기 제2 양쪽 금속판에 연결되며,
    상기 제1 양쪽 금속판의 각 금속판과 상기 제2 양쪽 금속판의 해당 마주보는 금속판 사이에 형성되는 커패시턴스에 의하여 임피던스 매칭 및 역률을 개선하기 위한 것을 특징으로 하는 공진형 무선전력전송 시스템.
  9. 송신부의 시변 자기장을 무선으로 수신부에 송신하는 공진형 무선전력전송 시스템에 있어서,
    상기 수신부는,
    단일 루프 코일 형태의 수신 공진 코일; 및 제1 양쪽 금속판 사이에 제2 양쪽 금속판을 구비하는 평판 커패시터를 포함하고,
    정류회로의 양단이 상기 제1 양쪽 금속판과 연결되고, 상기 수신 공진 코일의 양단이 상기 제2 양쪽 금속판에 연결되며,
    상기 제1 양쪽 금속판의 각 금속판과 상기 제2 양쪽 금속판의 해당 마주보는 금속판 사이에 형성되는 커패시턴스에 의하여 임피던스 매칭 및 역률을 개선하기 위한 것을 특징으로 하는 공진형 무선전력전송 시스템.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제9항에 있어서,
    상기 정류회로는 직류변환회로와 출력단 사이에 연결된 인덕터를 포함하는 것을 특징으로 하는 공진형 무선전력전송 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 인덕터의 용량(L), 상기 직류변환회로에서 본 입력 저항(R), 및 상기 직류 변환회로로 들어오는 입력전류의 각주파수(ω) 사이에 수학식 L > R/3ω을 만족하는 것을 특징으로 하는 공진형 무선전력전송 시스템.
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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101445082B1 (ko) * 2012-11-16 2014-10-07 한국전기연구원 시스템 성능 지수와 다수의 송신 코일을 이용한 적응형 매칭 기술에 기반한 무선 전력전송 시스템
CN103134998B (zh) * 2013-01-31 2015-09-30 广西电网公司电力科学研究院 基于共振耦合的无线能量传输中线圈匝数选择方法
JP6538628B2 (ja) * 2016-09-05 2019-07-03 株式会社東芝 フィルタ回路及びワイヤレス電力伝送システム
KR102162859B1 (ko) * 2019-08-22 2020-10-20 한국전기연구원 다중기기의 자유 위치 무선 충전을 위한 무선 전력 송신 및 수신 장치
KR102439634B1 (ko) * 2020-08-27 2022-09-05 에스케이씨 주식회사 무선 전력 수신 장치, 무선 전력 송신 장치 및 무선 전력 송수신 장치
CN118091257B (zh) * 2024-04-26 2024-07-23 天津大学 测量磁流体角振动传感器的敏感回路电阻的系统及方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100259110A1 (en) * 2008-09-27 2010-10-14 Kurs Andre B Resonator optimizations for wireless energy transfer

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100259110A1 (en) * 2008-09-27 2010-10-14 Kurs Andre B Resonator optimizations for wireless energy transfer

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