KR101420563B1 - 3차원 무선전력전송을 위한 공진기, 공진기 모드 선택 방법 및 시스템 - Google Patents

3차원 무선전력전송을 위한 공진기, 공진기 모드 선택 방법 및 시스템 Download PDF

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KR101420563B1
KR101420563B1 KR1020130008427A KR20130008427A KR101420563B1 KR 101420563 B1 KR101420563 B1 KR 101420563B1 KR 1020130008427 A KR1020130008427 A KR 1020130008427A KR 20130008427 A KR20130008427 A KR 20130008427A KR 101420563 B1 KR101420563 B1 KR 101420563B1
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resonator
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power transmission
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dimensional
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박병철
김주희
이정해
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홍익대학교 산학협력단
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Abstract

무선전력전송을 위한 3차원 공진기, 모드 선택 방법 및 시스템이 제공된다. 무선전력전송을 위한 3차원 공진기는 다른 공진기와 공진하기 위해 3차원 공간적으로 배치되는 적어도 2개의 싱글 루프를 포함하고, 싱글 루프는, 3차원 공진기의 중심축을 기준으로 각 싱글 루프의 평면이 다른 싱글 루프의 평면과 이루는 각이 미리 정한 각도 간격이 되도록 배치된다.

Description

3차원 무선전력전송을 위한 공진기, 공진기 모드 선택 방법 및 시스템{RESONATOR FOR 3D WIRELESS POWER TRANSFER, METHOD OF SELECTING RESONATOR MODE AND SYSTEM}
3차원 공진기의 모드를 선택함으로써 전방향에 대해 고효율로 무선전력전송을 할 수 있는 3차원 공진기, 모드 선택 방법 및 시스템이 개시된다.
자기공명을 이용한 무선전력전송은 2007년 MIT에 의해 제안되었다. 기본적인 원리는 같은 공진주파수를 가지는 두 개의 공진기를 이용하여 공진 현상을 일으키는 것이다. 여기서 각각의 공진기는 스파이럴(spiral) 구조 혹은 헬릭스(helix) 구조 등을 이용하여 자기장이 도미넌트(dominant)한 필드 분포를 가진다.
이때 각각의 공진기는 자기장 커플링이 가능하도록 배치된다. 만약 송수신기의 공진기가 서로 90도를 이루고 있다면 자기장의 커플링이 일어나지 않으므로 무선전력전송은 불가능하다.
이를 극복하기 위해 이미 바이오메디컬 분야에서는 여러 가지 입체적인 형태의 루프가 제안된바 있다. 그러나 바이오메디컬 분야에서는 루프 형태를 입체적인 형태로 구성한 후, 단순히 선택적으로 일부 루프를 동작시켜 전력을 전송한다. 그리고 인덕티브 커플링(inductive coupling)을 이용하기 때문에 접촉식 전력전송에 적합하며 수십 cm정도 떨어진 거리의 전력전송은 불가능하다.
일 실시예에 따른 3차원 공진기는 자기공명을 사용하는 장거리 무선전력전송을 제공할 수 있다.
일 실시예에 따르면 입력 임피던스가 최대인 모드를 선택하는 새로운 형태의 모드 선택 알고리즘을 사용하는 3차원 공진기를 제공할 수 있다.
일 실시예에 따르면 여러 개의 싱글 루프를 3차원 공간에 배치하여 각각의 루프가 만들어 내는 자기장의 합을 특정 방향으로 하는 모드 선택적 방법을 사용한 무선전력전송용 공진기를 제공할 수 있다.
일 실시예에 따르면 다른 공진기와 공진하기 위해 3차원 공간적으로 배치되는 적어도 2개의 싱글 루프를 포함하고, 싱글 루프는, 3차원 공진기의 중심축을 기준으로 각 싱글 루프의 평면이 다른 싱글 루프의 평면과 이루는 각이 미리 정한 각도 간격이 되도록 배치되는, 무선전력전송용 3차원 공진기가 제공될 수 있다.
다른 일 실시예에 따르면 미리 정한 각도 간격은, 각 싱글 루프의 평면이 다른 싱글 루프의 평면과 이루는 각이 동등한 각도 간격인, 무선전력전송용 3차원 공진기가 제공될 수 있다.
또 다른 일 실시예에 따르면 중심축에 수직인 평면과 평행하게 배치되는 싱글 루프를 더 포함하는 무선전력전송용 3차원 공진기가 제공될 수 있다.
또 다른 일 실시예에 따르면 중심축이 다른 공진기에 대해 평행하게 배치되는, 무선전력전송용 3차원 공진기가 제공될 수 있다.
또 다른 일 실시예에 따르면 싱글 루프는, 싱글 루프의 개수에 따라 결정되는 모드(mode)를 선택하기 위해 싱글 루프에 부착되는 집중 소자를 포함하는 무선전력전송용 3차원 공진기가 제공될 수 있다.
또 다른 일 실시예에 따르면 집중 소자는, 3차원 공진기에서 선택된 모드에 따라 집중 캐패시터 또는 집중 인덕터를 포함하는 무선전력전송용 3차원 공진기가 제공될 수 있다.
또 다른 일 실시예에 따르면 집중 소자는, 전기적 스위치 또는 기계적인 스위치를 포함하는 무선전력전송용 3차원 공진기가 제공될 수 있다.
또 다른 일 실시예에 따르면 모드는, 모드에 해당하는 집중 소자의 값이 임피던스 매트릭스 연산으로 구해지는, 무선전력전송용 3차원 공진기가 제공될 수 있다.
또 다른 일 실시예에 따르면 모드는, 싱글 루프에 흐르는 전류의 크기와 방향에 따라 결정되는, 무선전력전송용 3차원 공진기가 제공될 수 있다.
또 다른 일 실시예에 따르면 전류의 크기 비는, 싱글 루프의 크기에 따라 결정되는, 무선전력전송용 3차원 공진기가 제공될 수 있다.
또 다른 일 실시예에 따르면 싱글 루프는, 원형, 삼각형, 사각형 또는 다각형 구조인, 무선전력전송용 3차원 공진기가 제공될 수 있다.
일 실시예에 따르면 3차원 공진기의 각 모드에 대한 입력 임피던스를 측정하는 단계, 입력 임피던스가 최대인 모드를 검색하는 단계, 모드를 구현하기 위한 집중 소자를 선택하는 단계, 3차원 공진기에 대한 임피던스 매칭을 수행하는 단계 및 임피던스 매칭이 완료되면 무선전력전송을 수행하는 단계를 포함하는 무선전력전송용 3차원 공진기 모드 선택 방법이 제공될 수 있다.
다른 일 실시예에 따르면 3차원 공진기의 각 모드에 대한 입력 임피던스를 측정하는 단계는, 무선 전송 시스템이 언 매칭 임피던스 상태가 되면 각 모드에 대한 입력 임피던스를 측정하는 단계를 포함하는 무선전력전송용 3차원 공진기 모드 선택 방법이 제공될 수 있다.
또 다른 일 실시예에 따르면 3차원 공진기의 각 모드에 대한 입력 임피던스를 측정하는 단계는, 입력 임피던스를 3차원 공진기의 각 모드에 걸리는 전압과 전류의 비로 측정하는 단계를 포함하는 무선전력전송용 3차원 공진기 모드 선택 방법이 제공될 수 있다.
또 다른 일 실시예에 따르면 무선 전송 시스템에서 3차원 공진기에 대한 임피던스 매칭을 수행하는 단계는, 집중 소자를 이용한 LC 매칭을 수행하는 단계 또는 다중 루프를 이용한 적응적 매칭을 수행하는 단계를 포함하는 무선전력전송용 3차원 공진기 모드 선택 방법이 제공될 수 있다.
일 실시예에 따르면 다른 공진기와 공진하기 위해 3차원 공간적으로 배치되는 적어도 2개의 싱글 루프를 포함하고, 싱글 루프는 3차원 공진기의 중심축을 기준으로 각 싱글 루프의 평면이 다른 싱글 루프의 평면과 이루는 각이 미리 정한 각도 간격이 되도록 배치되는 3차원 공진기 및 3차원 공진기에서 선택된 모드에 따라 임피던스 매칭을 수행하여 무선전력전송을 수행하도록 하는 모드선택기를 포함하는 3차원 무선전력전송 시스템이 제공될 수 있다.
일 실시예에 따르면 기존의 방법인 정육면체와 같은 3차원 형태의 루프 구성과 달리 접촉식 전력전송 외에 비교적 먼 거리에 대해서도 고효율의 무선전력전송이 제공될 수 있다.
일 실시예에 따른 3차원 공진기는 인덕티브 커플링(inductive coupling) 방식보다 장거리의 무선전력전송을 제공할 수 있다.
일 실시예에 따르면 3차원 공진기의 최적 모드(mode)를 사용함으로써 3차원 공간 상의 원하는 방향으로 고효율의 무선전력전송이 가능할 수 있다.
일 실시예에 따르면 3차원 공진기의 다양한 모드 선택을 통해 다양한 방향으로의 무선전력전송 송수신이 이루어 지므로 방향에 상관 없이 자유롭게 실질적인 무선전력전송을 제공할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 3차원 공진기의 구조를 도시한 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 무선전력전송 시뮬레이션을 위해 기존 공진기 및 3차원 공진기를 배치한 모습을 도시한 도면이다.
도 3은 다른 일 실시예에 따른 무선전력전송 시뮬레이션을 위해 기존 공진기 및 3차원 공진기를 배치한 모습을 도시한 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 3차원 공진기의 각 모드(mode)에서 각 싱글 루프에 흐르는 전류 방향을 도시한 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 3차원 공진기의 각 모드 별로 결합계수를 도시한 그래프이다.
도 6은 일 실시예에 따른 3차원 공진기의 각 모드 별로 무선전력전송 효율을 도시한 그래프이다.
도 7은 일 실시예에 따른 3차원 공진기에서 각 모드의 고효율 구간을 모드 결합(mode combine)한 결과를 도시한 그래프이다.
도 8은 다른 일 실시예에 따른 3차원 공진기의 구조를 도시한 도면이다.
도 9는 일 실시예에 따른 3차원 공진기의 무선전력전송 기본 등가회로를 도시한 회로도이다.
도 10은 일 실시예에 따른 3차원 공진기의 모드를 선택하기 위한 방법을 도시한 흐름도이다.
이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 일 실시예에 따른 3차원 공진기의 구조를 도시한 도면이다. 예를 들어, 3차원 공진기는 도 1에 도시된 바와 같이 3개의 싱글 루프(110, 120, 130)가 미리 정한 각도 간격, 예를 들면 120도의 동등한 각도 간격으로 배치될 수 있다. 구체적으로 싱글 루프는, 3차원 공진기의 중심축을 기준으로 싱글 루프의 평면이 다른 싱글 루프의 평면과 이루는 각이 미리 정한 각도 간격이 되도록 배치될 수 있다. 여기서 각 싱글 루프는 캐패시터(131, 132, 133)를 포함할 수 있다. 이를테면 각 싱글 루프의 높이(102) L은 10cm, 폭(101)은 L/2로 가정할 수 있다. 그러나 모든 싱글 루프의 크기가 동일한 것으로 한정하는 것은 아니고 경우에 따라 각 싱글 루프의 크기 및 구조가 달라질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 도 1에 도시된 싱글 루프의 개수는 예시적인 것으로서, 3차원 공진기는 N개(이하 N은 2이상의 정수)의 싱글 루프를 가질 수 있다. N개의 싱글 루프로 구성된 3차원 공진기는 각 싱글 루프의 흐르는 전류크기가 같은 경우
Figure 112013007294628-pat00001
개의 사용 가능한 모드(mode)를 가질 수 있다. 각각의 모드를 사용하기 위해서는 먼저 각 싱글 루프의 자체 인덕턴스(self-inductance)와 싱글 루프들 간의 상호 인덕턴스(mutual-inductance)를 알아야 할 수 있다. 그리고 모드를 조절하기 위해 각각의 싱글 루프는 집중 소자로서 임의의 리액티브 부하(reactive load)를 가질 수 있다. 이 경우, 리액티브 부하는 캐패시터 또는 인덕턴스가 될 수 있다.
일 실시예에 따르면 3차원 공진기는 모드 별로 각각의 싱글 루프에 흐르게 될 전류 비를 적용하고 싱글 루프들의 자체 인덕턴스와 상호 인덕턴스를 하기 수학식 1에 따른 임피던스 매트릭스(matrix) 연산에 적용하여 각 모드에 해당되는 리액티브 부하의 값을 구할 수 있다. 그리고 각각의 모드들은 다양한 유효(effective) 전류 방향을 가지므로 그것에 적합하도록 모드 선택 알고리즘을 이용하여 고효율로 무선전력전송을 수행할 수 있다.
일 실시예에 따르면 기본적으로 여러 개의 싱글 루프를 3차원 공간에 배치하여 각각의 싱글 루프가 만들어 내는 자기장의 합이 어떤 원하는 방향으로 무선전력전송이 가능하도록 모드 선택적 방법을 사용할 수 있다. 최적의 모드(mode)를 사용함으로써 원하는 방향으로 고효율의 무선전력전송이 가능할 수 있다.
일 실시예에 따르면 도 1에 도시된 바와 같이 설계되는 3차원 공진기는 적어도 2개 이상, N개의 싱글 루프로 구성되며 각각의 싱글 루프는 모드 선택을 위한 집중 소자로서 집중 캐패시터 혹은 집중 인덕터를 가질 수 있다. 예를 들어 집중 소자는 리액티브 부하를 의미할 수 있다.
여기서 집중 캐패시터 또는 집중 인덕터는 3차원 공진기의 다양한 모드에 대응하기 위해 전기적 스위치(electrical switch) 또는 기계적인 스위치(mechanical switch)가 부착될 수 있다. 예를 들어, 전기적 스위치는 PIN diode, MEMS, 릴레이(relay) 스위치를 포함할 수 있고, 기계적 스위치는 토글 스위치, 슬라이드 스위치를 포함할 수 있다.
또한, 각 싱글 루프는 원형, 삼각형, 사각형 및 기타 다각형 구조를 가질 수 있다. 그리고 3차원 공진기의 각 싱글 루프는 도 1에 도시된 바와 같이 중심축에 수직인 XY 평면에 수직이면서 각 싱글 루프의 평면이 이루는 각도가 360도/N이 되도록 배치될 수 있다.
다른 일 실시예에 따르면 하기 도 8에 도시된 바와 같이 싱글 루프의 평면이 XY 평면과 나란한 싱글 루프를 추가적으로 더 배치할 수 있다. 또한 3차원 공진기의 중심축이 다른 공진기에 대해 평행하도록 여러 싱글 루프를 배치할 수 있다. 예를 들면, XZ 평면 혹은 YZ 평면 상에 대해서도 도 1에 도시된 것과 유사한 방식으로 동등한 각도 간격으로 배치할 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 무선전력전송 시뮬레이션을 위해 기존 공진기(290) 및 3차원 공진기(200)를 배치한 모습을 도시한 도면이다. 여기서 시뮬레이션 설정은 도 2에 도시된 바와 같이 기존 공진기(290)의 폭 W는 8cm, 높이 L은 20cm로 가정할 수 있다.
도 3은 다른 일 실시예에 따른 무선전력전송 시뮬레이션을 위해 기존 공진기(390) 및 3차원 공진기를 배치한 모습을 도시한 도면이다. 도 3은 도 2에 도시된 기존 공진기(390)와 일 실시예에 따른 3차원 공진기의 배치를 위에서 본 탑뷰(top view)로 도시한 것일 수 있다. 일 실시예에 따르면 3차원 무선전력전송 시스템에 사용된 주파수는 13.56 MHz일 수 있다.
여기서 3차원 공진기는 3개의 싱글 루프(310, 320, 330)를 포함할 수 있고, 유효 전류 방향은 기존 공진기(390)와 이루는 각도
Figure 112013007294628-pat00002
(303)로 나타날 수 있으며, 기존 공진기(390)와 3차원 공진기 사이의 거리(393)는 D로 나타날 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 3차원 공진기의 각 모드(mode)에서 각 싱글 루프에 흐르는 전류 방향을 도시한 도면이다. 예를 들어, 3차원 공진기가 3개의 싱글 루프로 구성되는 경우 하기 표 1과 같이 4개의 고유 모드를 가질 수 있고, 도 4는 공진기의 각 모드에서 흐르는 전류 벡터를 도시한 것일 수 있다. 여기서 전류 벡터는 탑뷰로 볼 때 전류가 흐르는 방향을 의미할 수 있다.
제1 모드 제2 모드 제3 모드 제4 모드
유효 전류 방향
Figure 112013007294628-pat00003
Figure 112013007294628-pat00004
Figure 112013007294628-pat00005
X
캐패시턴스 값
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Figure 112013007294628-pat00007
Figure 112013007294628-pat00008
Figure 112013007294628-pat00009
상술한 표 1에 따르면, 4개의 모드 중 도 4a에 도시된 제1 모드(Mode 1)의 전류 벡터(411, 421, 431)의 합에 따른 유효 전류 방향은 0도 또는 180도일 수 있다. 도 4b에 도시된 제2 모드(Mode 2)의 전류 벡터(412, 422, 432)의 합에 따른 유효 전류 방향은 60도 또는 240도일 수 있다. 도 4c에 도시된 제3 모드(Mode 3)의 전류 벡터(413, 423, 433)의 합에 따른 유효 전류 방향은 120도 또는 300도일 수 있다. 다만, 도 4d에 도시된 제4 모드(Mode 4)의 경우는 전류 벡터(414, 424, 434)의 합에 따른 전류 방향이 각 싱글 루프에 대해 상쇄되는 방향이므로 유효 전류 방향이 존재하지 않아 무선전력전송 효율이 좋지 않기 때문에 사용되지 않을 수 있다. 따라서 사용 가능한 모드는 3개일 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 3차원 공진기의 각 모드 별로 결합계수를 도시한 그래프이다. 그리고 도 6은 일 실시예에 따른 3차원 공진기의 각 모드 별로 무선전력전송 효율을 도시한 그래프이다. 일 실시예에 따르면 공진기 간의 거리 D가 20cm인 경우, 30cm인 경우, 40cm인 경우를 도시한 것일 수 있다. 구체적으로는 도 5 및 도 6의 각 모드에서 최대 결합계수 및 최대 무선전력전송 효율이 가장 크게 나타나는 그래프는 공진기 간의 거리가 20cm인 경우, 중간인 그래프는 30cm인 경우, 가장 작은 경우는 40cm인 경우를 도시한 것일 수 있다.
이 때, 도 5에 도시된 결합계수인 카파(kappa)는 특별한 단위가 없고, 도 6에 도시된 무선전력전송 효율의 단위는 %일 수 있다.
여기서 상술한 도 2 및 도 3에 의해 설정된 시뮬레이션 결과로서 각 모드에 대한 결합계수 및 무선전력전송 효율에 대한 그래프가 나타날 수 있다. 도 5a 및 도 6a는 제1 모드, 도 5b 및 도 6b는 제2 모드, 도 5c 및 도 6c는 제3 모드, 도 5d 및 도 6d는 제4 모드에 대한 결과 그래프일 수 있다.
일 실시예에 따른 제1 모드의 경우 유효 전류 방향은 0도 또는 180도이지만, 공진기 간의 결합계수인 카파 및 무선전력전송 효율이 0이 되는 각도는 90도 및 270도로서, 90도 차이가 날 수 있다. 나머지 제2 모드 및 제3 모드에 대해서도 유효 전류 방향과 무선전력전송 효율이 0이 되는 각도는 90도 차이가 날 수 있다. 따라서 각각의 모드의 유효 전류 방향이 나타내는 각은 무선전력전송 효율이 0이 되는 각도와 90도 차이가 날 수 있다. 또한 제4 모드의 경우는 전류 벡터가 상쇄되어 모든 방향에 대해 무선전력전송 효율이 0이 되므로 사용할 수 없는 모드일 수 있다.
도 7은 일 실시예에 따른 3차원 공진기에서 각 모드의 고효율 구간을 모드 결합(mode combine)한 결과를 도시한 그래프이다. 일 실시예에 따른 원하는 방향으로 고효율의 무선전력전송을 수행하는 경우로서, 도 7a는 공진기 간의 거리 D가 20cm인 경우, 도 7b는 D가 30cm인 경우, 도 7c는 D가 40cm인 경우의 시뮬레이션 결과를 도시한 그래프일 수 있다. 구체적인 결과는 하기 표 2와 같이 나타날 수 있다.
D(cm) 20 30 40
평균 효율(%) 78.32 55.73 31.74
최소-최대 효율(%) 70.41-81.56 46.34-59.36 23.83-35.45
여기서 도 7a에 도시된 거리 D가 20cm인 경우, 표 2에 나타난 바와 같이 최소 효율 및 최대 효율은 70.41% 및 81.56%로 비교적 안정적인 바 전방향으로 무선전력전송이 가능할 수 있다.
도 8은 다른 일 실시예에 따른 3차원 공진기의 구조를 도시한 도면이다. 상술한 도 1 내지 도 7에 따른 3차원 공진기는 2차원 무선전력전송의 예로서, 이를 3차원 무선전력전송으로 확장하기 위해서는 3차원 공진기의 중심축인 Z축 방향으로 전송 가능하도록 적어도 하나 이상의 싱글 루프가 더 필요할 수 있다.
일 실시예에 따르면 도 8에 도시된 바와 같이 중심축 방향으로 필드를 형성하는 싱글 루프(840)를 추가함으로써 기존의 싱글 루프들(810, 820, 830)과 유효 전류 방향의 합을 구하였을 때 중심축에 대응하는 Z축 성분이 발생하므로, 3차원 무선전력전송이 가능할 수 있다. 여기서 각 싱글 루프들(810, 820, 830, 840)은 임피던스 매칭을 위한 집중 캐패시터(811, 821, 831, 841)를 포함할 수 있다. 구체적인 3차원 공진기 설계 및 3차원 공진기의 모드 선택 알고리즘은 하기 도 9 내지 도 10에서 상세히 설명한다.
상술한 도 3에 도시된 바와 같은 탑뷰에서 3차원 공진기의 유효 전류 방향은 각 모드마다 도 4에 도시된 바와 같을 수 있다. 일 실시예에 따르면 사용 가능한 모드의 숫자는
Figure 112013007294628-pat00010
개일 수 있다.
여기서 상술한 유효 전류 방향은 3차원 공진기의 싱글 루프의 개수가 증가할수록 다양한 각도를 가지므로 다양한 3차원 방향에 대해 고효율 무선전력전송이 가능할 수 있다. 일 실시예에 따른 각각의 모드를 구현하기 위해서는 각 모드에 해당하는 캐패시턴스 혹은 인덕턴스를 다음 수학식 1의 임피던스 매트릭스 연산을 통해 구할 수 있다.
Figure 112013007294628-pat00011
상술한 수학식 1의 매트릭스에서 X_1 내지 X_N은 각 싱글 루프에 부착된 리액티브 부하(reactive load)이며, 경우에 따라 캐패시터 혹은 인덕터로 구현될 수 있다. 그리고 X_11부터 X_NN까지 X_AB로 표현되는 요소는 기본적으로 각 싱글 루프들의 자체 인덕턴스 및 상호 인덕턴스를 의미할 수 있다. 이를테면 A와 B의 숫자가 같은 경우 각 싱글 루프의 자체 인덕턴스에 해당되는 임피던스, A와 B의 숫자가 다른 경우에는 싱글 루프의 자체 인덕턴스를 제외한 상호 인덕턴스에 해당되는 임피던스를 의미할 수 있다.
일 실시예에 따르면 임피던스는 인덕턴스와 각주파수(w)의 곱으로 나타날 수 있는 바, 예를 들면 X_12=jwM_12와 같이 나타날 수 있다. 여기서 모드를 선택하는 방법은 전류의 크기 및 전류 방향을 나타내는 +, - 부호로 결정될 수 있다. 일 실시예에 따른 시뮬레이션에서 기본적으로 각 싱글 루프의 전류 크기는 동등한 1로 설정할 수 있다. 다른 일 실시예에 따라 각 싱글 루프의 크기가 다른 경우에는 각 싱글 루프에 흐르는 전류는 다른 전류 크기 비로 설정될 수 있다.
예를 들어 도 4에 도시된 제1 모드는 전류 크기 비가 1:1:1 이고 전류 방향은 [+, -, -]로 나타날 수 있다. 여기서 전류 방향을 나타내는 부호는 상대적인 것으로서 도 4에서는 탑뷰에서 전류가 중심축으로 흐르는 방향을 +로 설정한 것일 수 있다.
따라서 상술한 수학식 1의 매트릭스의 전류 부분에 [1, -1, -1]을 대입하여 X_1, X_2, X_3을 구할 수 있다. 여기서 X_1, X_2, X_3는 리액티브 부하로서 부호가 +인 경우에는 인덕터, 부호가 -인 경우에는 캐패시터로 변환되어 해당되는 값을 가질 수 있다. 만약 각 싱글 루프의 크기가 다르다면 다른 전류 크기 비, 예를 들어 [1, -0.8, -0.7] 과 같은 전류 비를 사용할 수 있다.
일 실시예에 따르면 도 8에 도시된 바와 같이 싱글 루프가 3차원 공진기의 중심축과 평행한 XY 평면 무선전력전송만을 위한 것이 아니고, 3차원 무선전력전송을 위해 XY 평면에 나란하게 추가적인 싱글 루프를 중심축에 수직이 되도록 배치를 한 경우라면, 유효 전류 방향이 XY 평면 성분 외에도 Z축 성분을 가지게 되므로 3차원 무선전력전송이 가능할 수 있다.
도 9는 일 실시예에 따른 3차원 공진기의 무선전력전송 기본 등가회로를 도시한 회로도이다. 기본적으로 무선전력전송 등가회로는 도 9에 도시된 바와 같으며, 도 9에서 R_s, L_s, C_s는 한 방향으로만 전송이 가능한 기존 공진기의 저항, 인덕턴스, 캐패시턴스를 의미할 수 있다. 또한 3차원 공진기는 R_D, L_D, C_D 및 R_Load로 표현이 가능하며 기존 공진기와 3차원 공진기는 상호 인덕턴스 M으로 결합될 수 있다.
Figure 112013007294628-pat00012
일 실시예에 따르면 입력 임피던스는 상술한 수학식 2와 같이 나타날 수 있으며, 수학식 2에 따르면 M의 값이 증가할 수록 입력 임피던스의 값도 증가할 수 있다. 상술한 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같은 시뮬레이션 설정에서 변수는 오로지 M이 되므로 입력 임피던스가 모드 선택에 가장 큰 영향을 미치는 기준이 될 수 있다. 이어서 모드 선택 알고리즘은 하기 도 10에서 상세히 설명한다.
도 10은 일 실시예에 따른 3차원 공진기의 모드를 선택하기 위한 방법을 도시한 흐름도이다. 여기서 모드 선택 방법은 3차원 공진기를 포함하는 무선전력전송 시스템의 모드선택기에 의해 수행될 수 있다.
단계(1010)에서는 3차원 공진기의 각 모드에 대한 입력 임피던스를 측정할 수 있다. 여기서 모드 선택을 위해 일 실시예에 따른 3차원 공진기의 모든 모드에 대해 각각 입력 임피던스 Z_in을 구할 수 있다. 이를테면 입력 임피던스는 전압과 전류의 비로 측정될 수 있다.
그리고 단계(1020)에서는 모드선택기의 프로세서가 3차원 공진기의 각 모드 중 최대 입력 임피던스를 가지는 모드를 검색할 수 있다. 여기서 모든 모드에 대해 가장 크게 측정된 Z_in이 어떤 모드에서 측정되었는지 검색할 수 있다.
이어서 단계(1030)에서는 검색된 모드를 구현하기 위한 집중 소자를 선택할 수 있다. 여기서 집중 소자는 집중 캐패시턴스 또는 집중 인덕턴스를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면 최대 입력 임피던스가 측정된 모드를 구현하기 위한 집중 캐패시턴스 값 또는 집중 인덕턴스 값을 선택할 수 있다.
그리고 단계(1040)에서는 모드선택기의 프로세서가 무선전력전송을 위해 3차원 공진기에 대한 임피던스 매칭을 수행할 수 있다. 구체적인 임피던스 매칭 방법은 집중 소자를 이용한 LC매칭, 다중 루프를 이용한 적응적 매칭 또는 무선전력전송 시스템 내에서 3차원 공진기에 대한 임피던스를 매칭하는 방법 등이 사용될 수 있다.
여기서 다중 루프를 이용한 적응적 매칭은, 다중 루프를 구성하는 적어도 두 개 이상의 싱글 루프에 스위치가 부착되고, 각 스위치의 온 오프를 통해 다중 루프에서 작동되는 싱글 루프의 개수를 조절하여 임피던스를 매칭하는 방법일 수 있다.
이어서 임피던스 매칭이 완료되면 3차원 무선전력전송 시스템에서 무선전력전송이 수행될 수 있다. 일 실시예에 따르면 무선전력전송을 수행하는 중 임피던스 매칭이 틀어진다면 상술한 단계들(1010, 1020, 1030, 1040)을 반복할 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에 따른 3차원 공진기를 포함하는 무선전력전송 시스템에서 임피던스의 언 매칭이 발생하면 상술한 3차원 공진기의 모든 모드에 대한 입력 임피던스를 측정하는 단계부터 다시 수행할 수 있다.
일 실시예에 따르면 3차원 무선전력전송 시스템은 3차원 공진기 및 모드선택기를 포함할 수 있다. 3차원 무선전력전송 시스템의 모드선택기는 3차원 공진기의 모드를 선택하는 방법의 단계들을 수행하도록 하는 명령어가 포함된 적어도 하나 이상의 프로그램을 저장하는 저장장치를 포함할 수 있다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
200: 3차원 공진기
290: 기존 공진기

Claims (16)

  1. 다른 공진기와 공진하기 위해 3차원 공간적으로 배치되는 적어도 2개의 싱글 루프; 및
    상기 싱글 루프의 개수에 따라 결정되는 모드(mode)를 선택하기 위해 상기 싱글 루프에 부착되는 집중 소자
    를 포함하고,
    상기 싱글 루프는,
    3차원 공진기의 중심축을 기준으로 각 싱글 루프의 평면이 다른 싱글 루프의 평면과 이루는 각이 미리 정한 각도 간격이 되도록 배치되며,
    상기 집중 소자는,
    전기적 스위치 또는 기계적인 스위치
    를 포함하는 무선전력전송용 3차원 공진기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 미리 정한 각도 간격은,
    각 싱글 루프의 평면이 다른 싱글 루프의 평면과 이루는 각이 동등한 각도 간격인,
    무선전력전송용 3차원 공진기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 중심축에 수직인 평면과 평행하게 배치되는 싱글 루프
    를 더 포함하는 무선전력전송용 3차원 공진기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 중심축이 상기 다른 공진기에 대해 평행하게 배치되는,
    무선전력전송용 3차원 공진기.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 집중 소자는,
    상기 3차원 공진기에서 선택된 모드에 따라 집중 캐패시터 또는 집중 인덕터
    를 포함하는 무선전력전송용 3차원 공진기.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 모드는,
    상기 모드에 해당하는 상기 집중 소자의 값이 임피던스 매트릭스 연산으로 구해지는,
    무선전력전송용 3차원 공진기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 모드는,
    상기 싱글 루프에 흐르는 전류의 크기와 방향에 따라 결정되는,
    무선전력전송용 3차원 공진기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 전류의 크기 비는,
    상기 싱글 루프의 크기에 따라 결정되는,
    무선전력전송용 3차원 공진기.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 싱글 루프는,
    원형, 삼각형, 사각형 또는 다각형 구조인,
    무선전력전송용 3차원 공진기.
  12. 3차원 공진기의 각 모드에 대한 입력 임피던스를 측정하는 단계;
    입력 임피던스가 최대인 모드를 검색하는 단계;
    상기 모드를 구현하기 위한 집중 소자를 선택하는 단계;
    상기 3차원 공진기에 대한 임피던스 매칭을 수행하는 단계; 및
    상기 임피던스 매칭이 완료되면 무선전력전송을 수행하는 단계
    를 포함하는 무선전력전송용 3차원 공진기 모드 선택 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 3차원 공진기의 각 모드에 대한 입력 임피던스를 측정하는 단계는,
    상기 무선 전송 시스템이 언 매칭 임피던스 상태가 되면 각 모드에 대한 입력 임피던스를 측정하는 단계
    를 포함하는 무선전력전송용 3차원 공진기 모드 선택 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 3차원 공진기의 각 모드에 대한 입력 임피던스를 측정하는 단계는,
    상기 입력 임피던스를 상기 3차원 공진기의 각 모드에 걸리는 전압과 전류의 비로 측정하는 단계
    를 포함하는 무선전력전송용 3차원 공진기 모드 선택 방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 무선 전송 시스템에서 상기 3차원 공진기에 대한 임피던스 매칭을 수행하는 단계는,
    상기 집중 소자를 이용한 LC 매칭을 수행하는 단계; 또는
    다중 루프를 이용한 적응적 매칭을 수행하는 단계
    를 포함하는 무선전력전송용 3차원 공진기 모드 선택 방법.
  16. 다른 공진기와 공진하기 위해 3차원 공간적으로 배치되는 적어도 2개의 싱글 루프를 포함하고, 상기 싱글 루프는 3차원 공진기의 중심축을 기준으로 각 싱글 루프의 평면이 다른 싱글 루프의 평면과 이루는 각이 미리 정한 각도 간격이 되도록 배치되는 3차원 공진기; 및
    상기 3차원 공진기에서 선택된 모드에 따라 임피던스 매칭을 수행하여 무선전력전송을 수행하도록 하는 모드선택기
    를 포함하는 3차원 무선전력전송 시스템.
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