KR101360550B1 - 무선전력 송신장치, 무선전력 수신장치, 무선전력 전송 시스템 및 무선전력 전송 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 실시 예인 자기 공진형의 무선전력 송신장치가 자기 유도형의 무선전력 수신장치에 전력을 전송하는 무선전력 전송 시스템은, 전력소스로부터 전력을 공급받아 송신 공진 코일을 통해 비방사 방식으로 전력을 전송하는 송신부와 상기 송신 공진 코일과 커플링되는 수신 코일을 통해 전력을 수신하는 수신부 및 상기 송신 공진 코일과 상기 수신 코일의 결합계수 값을 검출하는 검출부를 포함한다.
본 발명의 다양한 실시 예에 따르면, 무선전력 수신장치의 구성이 간단하므로 모바일 기기와 같은 소형화가 필요한 전자기기에 활용도를 높일 수 있고, 송신 공진 코일과 수신 코일 간의 결합계수가 변경되더라도 무선전력 수신장치에 일정한 전력을 공급할 수 있다.

Description

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

본 발명은 무선전력 송신장치, 무선전력 수신장치, 무선전력 전송 시스템 및 무선전력 전송 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 송신 측은 자기 공진 방식, 수신 측은 자기 유도 방식을 이용한 에너지 전달 방식이 많이 사용되고 있다.

그러나, 상기와 같은 에너지 전달 방식은 송신 공진 코일과 수신 코일 간의 결합계수가 변경에 따라 수신 측에 일정한 전력을 공급하지 못하는 문제가 있다.
이와 관련된 선행특허문헌으로는 대한민국 공개특허공보 제10-2010-0116556호가 있다.

본 발명은 송신 공진 코일과 수신 코일 간의 결합계수가 변경되어도 수신 측에 일정한 전력의 공급이 가능하도록 하는 무선전력 송신장치, 무선전력 수신장치, 무선전력 전송 시스템 및 무선전력 전송 방법의 제공을 목적으로 한다.

본 발명의 실시 예에 따른 자기 유도형의 무선전력 수신장치에 무선으로 전력을 전송하는 자기 공진형의 무선전력 송신장치는 전력 소스에서 생성된 교류 전력을 전송하는 송신 코일과 상기 송신 코일로부터 전달받은 교류 전력을 상기 무선전력 수신장치에 전송하는 송신 공진 코일 및 상기 무선전력 송신장치의 입력 임피던스를 이용하여 상기 무선전력 송신장치와 상기 무선전력 수신장치의 결합상태를 검출하는 검출부를 포함한다.

본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 자기 공진형의 무선전력 송신장치로부터 무선으로 전력을 수신하는 자기 유도형의 무선전력 수신장치는 상기 무선전력 송신장치과 상기 무선전력 수신장치의 결합상태에 따라 조절된 전력을 수신하는 수신 코일 및 상기 수신한 전력을 부하에 제공하는 정류회로를 포함한다.

본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 자기 공진형의 무선전력 송신장치와 자기 유도형의 무선전력 수신장치를 포함하는 무선전력 전송 시스템의 전력 전송 방법은 상기 무선전력 송신장치의 입력 임피던스를 측정하는 단계 및 상기 측정된 입력 임피던스를 이용하여 상기 무선전력 송신장치와 상기 무선전력 수신장치의 결합상태를 검출하는 단계를 포함한다.

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본 발명의 실시 예에 따르면, 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 무선전력 수신장치의 구성이 간단하므로 모바일 기기와 같은 소형화가 필요한 전자기기에 활용도를 높일 수 있다.

둘째, 송신 공진 코일과 수신 코일 간의 결합계수가 변경되더라도 무선전력 수신장치에 일정한 전력을 공급할 수 있다.

한편 그 외의 다양한 효과는 후술될 본 발명의 실시 예에 따른 상세한 설명에서 직접적 또는 암시적으로 개시될 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선전력 전송 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른, 무선전력 전송 시스템의 등가회로도 이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선전력 전송 방법의 흐름도이다.

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

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템(1000)의 구성도이다.

도 1을 참고하면, 무선전력 전송 시스템(1000)은 전력 소스(100), 무선전력 송신장치(200), 무선전력 수신장치(300), 부하단(400)을 포함한다. 무선전력 수신장치(300)로 전달된 전력은 정류회로(320)를 거쳐 부하단(400)으로 전달된다. 부하단(400)은 충전지 또는 기타 전력을 필요로 하는 임의의 장치를 의미할 수 있고, 본 발명의 실시 예에서는 부하저항을 RL로 나타낸다. 일 실시 예에서 부하단(400)은 무선전력 수신장치(300)에 포함될 수 있다.

무선전력 송신장치(200)는 송신부(210), 검출부(230), 전력 조절부(240)를 포함한다.

송신부(210)는 송신 유도 코일부(211), 송신 공진 코일부(212)를 포함한다.

무선전력 수신장치(300)는 수신부(310), 정류회로(320)를 포함한다.

수신부(310)는 수신 코일부(311)를 포함한다.

전력 소스(100)에서 생성된 전력은 무선전력 송신장치(200)로 전달되고, 무선전력 송신장치(200)에 전달된 전력은 전자기 유도 현상에 의해 무선전력 수신장치(300)로 전달된다.

보다 구체적으로 살펴보면, 전력 소스(100)는 소정 주파수의 교류 전력을 제공하는 교류 전력 소스이다.

송신부(210)는 전력 소스(100)와 연결되며, 전력소스(100)로부터 전력을 공급받아 교류 전류가 흐르게 된다. 송신 유도 코일부(211)에 교류 전류가 흐르면, 전자기 유도에 의해 물리적으로 이격되어 있는 송신 공진 코일부(212)에도 교류 전류가 유도된다. 송신 공진 코일부(212)로 전달된 전력은 자기 유도에 의해 무선전력 수신장치(300)로 전달된다.

수신부(310)는 수신 코일부(311)를 통해 전력을 수신하고, 수신 코일부(311)로 전달된 전력은 정류 회로(320)를 통해 정류되어 부하(400)로 전달된다.

자기 공진형의 무선전력 송신장치(200)와 자기 유도형의 무선전력 수신장치(300)를 포함하는 무선전력 전송 시스템(1000)은 무선전력 수신장치(300)의 구성이 간단하므로 모바일 기기와 같은 소형화가 필요한 전자기기에 활용도를 높일 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른, 무선전력 전송 시스템(1000)의 등가회로도 이다.

도 2를 참고하면, 송신 유도 코일부(211)는 송신 유도 코일(L1)과 캐패시터(C1)를 포함한다. 여기서, 캐패시터(C1)의 캐패시턴스는 고정된 값일 수 있다.

캐패시터(C1)의 일단은 전력소스(100)의 일단에 연결되고, 캐패시터(C1)의 타단은 송신 유도 코일(L1)의 일단에 연결된다. 송신 유도 코일(L1)의 타단은 전력소스(100)의 타단에 연결된다.

송신 공진 코일부(212)는 송신 공진 코일(L2), 캐패시터(C2), 저항(R2)를 포함한다. 송신 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 송신 공진 코일(L2)에서 전력손실로 발생하는 양을 저항으로 나타낸 것이다.

검출부(230)는 송신 공진 코일(L2)과 수신 코일(L3)의 결합계수 값을 검출할 수 있다. 결합계수는 송신 공진 코일(L2)과 수신 코일(L3)간의 전자기적 결합의 정도를 표시하는 것으로, 송신 공진 코일부(212)와 수신 코일부(311)의 거리, 방향, 위치 중 적어도 어느 하나에 의해 달라질 수 있는 값이다.

검출부(230)는 전력소스(100)에서 송신부(210)를 바라본 제1 입력 임피던스(Z1)를 측정하고, 측정된 제1 입력 임피던스(Z1)에 기초하여 결합계수 값을 검출할 수 있다.

검출부(230)는 송신부(210)에서 수신부(310)를 바라본 제2 입력 임피던스(Z2)를 측정하고, 제2 입력 임피던스(Z2)를 이용하여 제1 입력 임피던스(Z1)를 측정한 후, 측정된 제1 입력 임피던스(Z1)에 기초하여 결합계수 값을 검출할 수 있다.

전력 조절부(240)는 상기 검출된 결합계수 값을 기초로 무선전력 수신장치(300)에 전달되는 전력을 조절할 수 있다.

전력 조절부(240)는 전력소스(100)를 제어하여 무선전력 송신장치(200)에 전달하는 전력을 조절하고, 이에 따라 무선전력 수신장치(300)에 전달하는 전력을 조절한다.

전력 조절부(240)는 결합계수 값의 변경에 따라 무선전력 수신장치(300)에 전달되는 전력이 일정하도록 전력소스(100)를 제어할 수 있다.

이하에서는, 검출부(230)를 통해 송신 공진 코일(L2)과 수신 코일(L3)의 결합계수 값을 검출하고, 전력 조절부(240)를 통해 검출된 결합계수 값에 따라 무선전력 수신장치(300)에 전력이 전송되는 과정을 설명한다.

먼저, 송신 공진 코일(L2)과 수신 코일(L3)의 결합계수 값을 검출하는 과정을 살펴본다.

먼저, 검출부(230)는 무선전력 송신장치(200)에서 무선전력 수신장치(300)를 바라보았을 때 측정되는 제2 입력 임피던스(Z2)를 측정할 수 있다. 제2 입력 임피던스(Z2)는 [수학식 1]과 같이 표현될 수 있다.

[수학식 1]

여기서, w는 공진주파수이고, [수학식 2]와 같이 표현될 수 있다.

[수학식 2]

여기서, C2는 송신 공진 코일부(212)를 등가회로로 변환시 표현되는 캐패시터를 의미한다.

[수학식 1]에서 M2는 송신 공진 코일(L2)와 수신 코일(L3)간 상호 인덕턴스를 의미하고, RL은 부하저항을 의미한다. [수학식 1]은 주파수 영역을 기준으로 한 수식이고, 이하의 수식들도 주파수 영역을 기준으로 한다. 상호 인덕턴스 M2는 송신 공진 코일(L2)와 수신 코일(L3)간의 결합계수(K2)에 따라 변화될 수 있는 값이다.

결합계수(K2)는 송신 공진 코일(L2)와 수신 코일(L3)간의 전자기적 결합의 정도를 표시하는 것으로, 송신 공진 코일(L2) 및 수신 코일(L3)간의 거리, 방향, 위치 중 적어도 어느 하나에 의해 달라질 수 있는 값이다.

검출부(230)는 측정된 제2 입력 임피던스(Z2)를 이용해 제1 입력 임피던스(Z1)를 측정할 수 있다. 제1 입력 임피던스(Z1)는 전력소스(100)에서 송신부(210)를 바라본 임피던스이다. 제1 입력 임피던스(Z1)는 [수학식 3]과 같이 표현될 수 있다.

[수학식 3]

여기서, M1은 송신 유도 코일(L1)과 송신 공진 코일(L2)간의 상호 인덕턴스를 의미하고, 또한, R2는 송신 공진 코일(L2)에서 전력손실로 발생하는 량을 저항으로 나타낸 것이다.

캐패시터(C2), 누설저항(R2)는 고정된 값일 수 있으나, 상호 인덕턴스 M1은 송신 유도 코일(L1)과 송신 공진 코일(L2)간의 결합계수(K1)에 따라 변화될 수 있는 값이다. 결합계수(K1)는 고정된 값을 갖는다.

[수학식 3]은 [수학식 2]를 통해 다음의 [수학식 4]로 표현될 수 있다.

[수학식 4]

송신 공진 코일부(212)에서 양호도(Q)가 우수하다고 가정하여, R2의 값을 0으로 놓고, [수학식 1]을 [수학식 4]에 대입하면, [수학식 5]와 같이 정리될 수 있다.

[수학식 5]

여기서, 상호 인덕턴스 M1과 M2는 각각 [수학식 6]과 [수학식 7]과 같이 표현될 수 있다.

[수학식 6]

[수학식 7]

[수학식 5]에 [수학식 6] 및 [수학식 7]을 대입하면, [수학식 8]과 같이 정리될 수 있다.

[수학식 8]

여기서, 다시 공진주파수 w를 [수학식 9]처럼 정한다.

[수학식 9]

[수학식 9]을 [수학식 8]에 대입하면, [수학식 10]과 같이 정리될 수 있다.

[수학식 10]

결합계수(K1)는 고정된 값이고, 결합계수(K2)는 송신 공진 코일(L2)과 수신 코일(L3) 간의 거리, 위치, 방향에 따라 가변 되는 값이다. L1, L3, RL의 값은 회로 설계 시 정해지는 고정된 값을 갖는다. 결합계수(K2)는 제1 입력 임피던스(Z1)를 측정하면, [수학식 10]을 통해 결합계수(K2) 값이 검출될 수 있다. 검출부(230)는 제1 입력 임피던스(Z1)를 측정할 수 있다. 제1 입력 임피던스(Z1)는 전력소스(100)로부터 무선전력 송신장치(200)에 입력되는 입력전압과 입력전류의 rms 값을 측정하면, [수학식 11]을 이용해 계산될 수 있다.

[수학식 11]

여기서, Vrms는 전력소스(100)로부터 무선전력 송신장치(200)에 입력되는 rms 입력전압이고, Irms는 전력소스(100)로부터 무선전력 송신장치(200)에 입력되는 rms 입력전류이다.

만약, 무선전력 송신장치(200)와 무선전력 수신장치(300) 간 거리가 멀어져 결합계수(K2)값이 작아지면, 제1 입력 임피던스(Z1)가 커지고, 그에 따라 입력전류가 작아지게 되어 전력소스(100)에서 무선전력 송신장치(200)에 전달되는 송신전력이 작아진다. 송신전력이 작아지면, 무선전력 수신장치(300)가 수신하는 전력도 작아지므로 무선전력 수신장치(300)에 일정한 전력을 공급하도록 입력전압을 조절할 필요가 있다.

이하에서는 입력전압을 조절하여 무선전력 수신장치(300)에 일정한 전력을 공급하는 과정을 설명한다.

먼저, 결합계수(K2)에 따른 송신전력은 [수학식 12]와 같이 표현될 수 있고,

[수학식 12]

[수학식 12]를 통해 입력전압에 관한 [수학식 13]을 얻을 수 있다.

[수학식 13]

또한, 무선전력 수신장치(300)가 수신하는 수신전력은 송신전력과 전송효율의 곱으로 표현된다. 전력 조절부(240)는 무선전력 수신장치(300)에 일정한 전력이 공급되도록 [수학식 13]의 입력전압을 변경시킬 수 있다. 입력전압이 변경되면, 송신전력 또한, 변경되어 수신전력 또한 일정하게 유지될 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선전력 전송 시스템(1000)의 무선전력 전송 방법의 흐름도이다.

먼저, 검출부(230)는 제1 입력 임피던스를 측정한다(S101). 제1 입력 임피던스는 전력소스(100)에서 송신부(210)를 바라보았을 때 측정되는 임피던스이다.

그 후, 검출부(230)는 측정된 제1 입력 임피던스에 기초하여 결합계수 값을 검출할 수 있다(S103). 구체적으로, 검출부(230)는 송신부(210)에서 수신부(310)를 바라본 제2 입력 임피던스(Z2)를 측정하고, 제2 입력 임피던스(Z2)를 이용하여 제1 입력 임피던스(Z1)를 측정한 후, 측정된 제1 입력 임피던스(Z1)에 기초하여 결합계수 값을 검출할 수 있다.

그 후, 전력 조절부(240)는 검출된 결합계수 값을 기초로 전력소스(100)를 제어하여 무선전력 수신장치(300)에 전달되는 전력을 조절할 수 있다(S105). 일 실시 예에서 전력 조절부(240)는 결합계수 값의 변경에 따라 무선전력 수신장치(300)에 전달되는 전력이 일정하도록 전력소스(100)를 조절할 수 있다.

그 후, 송신부(210)는 전력 조절부(240)에 의해 조절된 전력을 무선전력 수신장치(300)에 전송할 수 있다(S107). 전력전송 방식은 자기 공진 현상에 기초할 수 있다.

또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 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.

100: 전력 소스
200: 무선전력 송신장치
300: 무선전력 수신장치
400: 부하단

Claims (22)

1. 무선전력 수신장치에 무선으로 전력을 송신하는 무선전력 송신장치에 있어서,
   전력 소스의 교류 전력을 이용하여 상기 무선전력 수신장치에 송신 전력을 송신하는 송신부;
   상기 전력 소스로부터 상기 무선전력 송신장치를 바라본 입력 임피던스를 측정하고, 상기 입력 임피던스를 바탕으로 상기 무선전력 송신장치와 상기 무선전력 수신장치 사이의 결합 계수를 검출하는 검출부; 및
   상기 송신 전력이 일정해지도록 상기 검출된 결합 계수를 바탕으로 상기 전력 소스의 입력 전압을 조절하는 전력 조절부를 포함하는 무선전력 송신장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 송신부는,
   상기 전력 소스의 교류 전력을 전송하는 송신 유도 코일; 및
   상기 송신 코일로부터의 교류 전력을 상기 송신전력으로 상기 무선전력 수신장치에 송신하는 자기 공진 코일을 포함하는 무선전력 송신장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 결합계수는,
   상기 송신 공진 코일과 상기 무선전력 수신장치의 수신 코일 간의 결합상태인 무선전력 송신장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 무선전력 수신장치는,
   상기 송신 공진 코일과 상기 수신 코일 간의 전력을 중계하는 중계 코일을 포함하지 않는 무선전력 송신장치.
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 제1항에 있어서,
   상기 전력 조절부는 상기 결합계수가 작아지는 경우 상기 전력 소스의 입력전압이 증가되도록 조절하는 무선전력 송신장치.
9. 삭제
10. 제1항에 있어서,
    상기 입력 임피던스는 상기 전력 소스로부터 상기 무선전력 송신장치를 바라본 임피던스인 무선전력 송신장치.
11. 제1항에 있어서,
    상기 결합계수는 상기 무선전력 송신장치와 상기 무선전력 수신장치 간의 거리, 방향 및 위치 중 적어도 하나에 의해 가변되는 무선전력 송신장치.
12. 무선전력 수신장치에 무선으로 연결되는 무선전력 송신장치에서의 전력 송신 방법에 있어서,
    전력 소스에서 상기 무선전력 송신장치를 바라본 제1 입력 임피던스를 측정하는 단계;
    상기 무선전력 송신장치에서 상기 무선전력 수신장치를 바라본 제2 입력 임피던스를 측정하는 단계;
    상기 제1 및 제2 입력 임피던스를 이용하여 상기 무선전력 송신장치와 상기 무선전력 수신장치의 결합 계수를 검출하는 단계; 및
    상기 무선전력 수신장치로 송신되는 전력이 일정해지도록 상기 검출된 결합 계수를 바탕으로 상기 전력 소스의 입력 전압을 조절하는 단계를 포함하는 무선전력 송신장치에서의 전력 송신 방법.
13. 제12항에 있어서,
    상기 결합계수가 작아지는 경우 상기 전력 소스의 입력전압이 증가되도록 조절되는 무선전력 송신장치의 전력 송신 방법.
14. 제1항 내지 제4항, 제8항, 제10항, 제11항 중 한 항의 송신장치에 의해 조절되는 전력을 수신하는 무선전력 수신장치.
15. 삭제
16. 삭제
17. 삭제
18. 삭제
19. 삭제
20. 삭제
21. 삭제
22. 삭제

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