KR101428360B1 - 무선으로 전력을 전송하는 방법, 시스템 및 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체 - Google Patents

무선으로 전력을 전송하는 방법, 시스템 및 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 무선으로 전력을 전송하는 방법, 시스템 및 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 관한 것이다. 본 발명의 일 태양에 따르면, 무선으로 전력을 전송하는 시스템으로서, 송신 안테나, 상기 송신 안테나와의 사이의 거리가 변화하는 것을 특징으로 하는 수신 안테나, 및 상기 송신 안테나에 전력을 공급하는 D형 전력 증폭기로 구성되는 것을 특징으로 하는 소스를 포함하는 시스템이 제공된다. 본 발명에 의하면, 무선 전력 전송 시스템의 동작 주파수가 고정되어 있고 송신 안테나와 수신 안테나 사이의 거리가 변화는 환경에서도, D형 전력 증폭기 또는 부하 임피던스에 대한 간단한 제어를 수행하는 것만으로 높은 전력 전송 효율을 유지할 수 있게 되는 효과가 달성된다.

Description

무선으로 전력을 전송하는 방법, 시스템 및 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체{METHOD, SYSTEM AND COMPUTER-READABLE RECORDING MEDIUM FOR WIRELESS POWER TRANSFER}
본 발명은 무선으로 전력을 전송하는 방법, 시스템 및 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 구동 전압이 조절될 수 있는 D급 전력 증폭기를 소스(source)로서 사용하는 무선 전력 전송 시스템을 구현함으로써 동작 주파수(operating frequency)가 고정되어 있고 송신 안테나와 수신 안테나 사이의 거리가 변하는 환경에서 높은 전력 전송 효율을 유지할 있는 방법, 시스템 및 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 관한 것이다.
근래에 들어, 공진 커플링(resonant coupling)을 이용하는 무선 전력 전송 시스템(WPTS: Wireless Power Transfer System)에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 공진 커플링을 이용한 무선 전력 시스템의 개발에 있어서 주요 이슈는 안테나의 위치가 변하는 환경, 즉, 송신 안테나와 수신 안테나 사이의 거리가 변하는 환경에서의 적응적인 매칭 기술이라고 할 수 있다. 안테나의 위치가 변할 때에는 최대 전력 전송 효율을 달성하기 위해 필요한 최적 임피던스 역시 극단적으로 변할 수 있기 때문에, 무선 전력 전송 시스템의 임피던스를 조절하여 안테나의 위치에 맞는 최적 임피던스를 안테나 위치의 변화 시점과 동시에 구현한다는 것은 매우 어려운 일이다.
위와 같은 이슈를 해결하기 위한 종래기술로서 적응적인 매칭을 위한 주파수 트래킹 기술이 소개된 바 있다. 이러한 종래기술에 따르면, 오직 무선 전력 전송 시스템의 소스(source)의 주파수만 조절함으로써 안테나의 위치 변화 시점과 거의 동시에 적응적인 매칭을 수행할 수 있게 된다. 하지만, 위와 같은 종래기술에 의하면, 무선 전력 전송 시스템의 동작 주파수가 중심 주파수로부터 10 내지 20 퍼센트 정도 변할 수 있기 때문에, 허용되는 동작 주파수의 범위를 중심 주파수로부터 1 퍼센트 내외로 엄격하게 정해 놓은 대다수 산업 분야의 주파수 규정에 부합하기 어렵다는 문제점이 있다.
이에, 본 발명자는 동작 주파수가 고정되고 송신 안테나와 수신 안테나 사이의 거리가 변하는 환경에서 효율적인 무선 전력 전송을 가능하게 하는 방법, 시스템 및 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체를 고안하였다.
본 발명은 상술한 문제점을 모두 해결하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 커플링된 송신 안테나와 수신 안테나의 특성을 분석하고 무선 전력 전송 시스템의 소스로서 D형 전력 증폭기를 사용함으로써, 동작 주파수가 고정되어 있고 안테나 사이의 거리가 변하는 환경에서 효율적인 무선 전력 전송을 가능하게 하는 방법, 시스템 및 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체를 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 대표적인 구성은 다음과 같다.
본 발명의 일 태양에 따르면, 무선으로 전력을 전송하는 시스템으로서, 송신 안테나, 상기 송신 안테나와의 사이의 거리가 변화하는 것을 특징으로 하는 수신 안테나, 및 상기 송신 안테나에 전력을 공급하는 D형 전력 증폭기로 구성되는 것을 특징으로 하는 소스를 포함하는 시스템이 제공된다.
본 발명의 다른 태양에 따르면, 무선으로 전력을 전송하는 방법으로서 - 상기 무선 전력 전송은 송신 안테나, 상기 송신 안테나와의 사이의 거리가 변화하는 것을 특징으로 하는 수신 안테나 및 상기 송신 안테나에 전력을 공급하는 D형 전력 증폭기로 구성되는 것을 특징으로 하는 소스에 의하여 수행됨 - , (a) 상기 D형 전력 증폭기의 구동 전압 및 부하 임피던스 중 적어도 하나를 조절하는 단계, 및 (b) 상기 조절을 수행함으로써 상기 송신 안테나와 상기 수신 안테나 사이의 거리가 변화하는 경우에 전력 전송 효율이 기설정된 목표 범위 내에서 유지되도록 하는 것을 특징으로 하는 방법이 제공된다.
이 외에도, 본 발명을 구현하기 위한 방법, 시스템, 및 상기 방법을 실행하기 위한 컴퓨터 프로그램을 기록하기 위한 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체가 더 제공된다.
본 발명에 의하면, 무선 전력 전송 시스템의 동작 주파수가 고정되어 있고 송신 안테나와 수신 안테나 사이의 거리가 변화는 환경에서도, D형 전력 증폭기 또는 부하 임피던스에 대한 간단한 제어를 수행하는 것만으로 높은 전력 전송 효율을 유지할 수 있게 되는 효과가 달성된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 무선 전력 전송에 포함되는 안테나의 구성을 예시적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 도 1에 도시된 안테나의 등가회로를 예시적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 송신 안테나의 저항과 수신 안테나의 저항에 따른 전력 전송 효율을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 D형 전력 증폭기의 효율 및 출력을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템(500)의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 본 시뮬레이션과 실험에 사용된 송신 안테나, 수신 안테나, D형 전력 증폭기의 구성을 예시적으로 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 송신 안테나와 수신 안테나 사이의 거리에 따른 상호 리액턴스와 상호 저항을 나타내는 도면이다.
도 9의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따라 송신 안테나와 수신 안테나 사이의 거리가 변함에 따른 총 전력 전송 효율을 나타내는 도면이다. 도 9의 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따라 송신 안테나와 수신 안테나 사이의 거리에 따른 부하에 전달되는 전력을 나타내는 도면이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일 또는 유사한 기능을 지칭한다.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
본 명세서에 있어서, 도면 및 수학식에 기재된 Tx는 송신 안테나를 가리키고, Rx는 수신 안테나를 가리키는 것으로 이해되어야 한다.
무선 전력 전송 시스템의 안테나
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 무선 전력 전송에 포함되는 안테나의 구성을 예시적으로 나타내는 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 1에 도시된 바와 같이 공진하는 두 개의 안테나가 서로 커플링되어 있는 경우에, 각각의 안테나는 집중 정수 회로(lumped circuit)로 표현될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 도 1에 도시된 안테나의 등가 회로를 예시적으로 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 송신 안테나는 임피던스 성분인 RTx, LTx 및 CTx의 결합으로 표현될 수 있고, 수신 안테나는 임피던스 성분인 RRx, LRx 및 CRx의 결합으로 표현될 수 있으며, 소스 저항은 RS로 표현될 수 있다.
일반적으로, 무선 전력 전송 시스템은 매우 낮은 주파수에서 동작하기 때문에, 무선 전력 전송 시스템에 사용되는 안테나의 전기적인 크기(electrical size)는 매우 작다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 무선 전력 전송 시스템에 사용되는 안테나가 유사-CMS(quasi-Canonical Minimum Scattering) 안테나인 것으로 가정할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전기적으로 작은(electrically small) 송신 안테나와 수신 안테나는 주로 TE10 모드 또는 TM10 모드의 구면파 신호를 기설정된 비중 이상으로 주로 발생시키고, 단일하고 동일한 구면파 모드의 신호를 발생시키는 것으로 가정할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 무선 전력 전송 시스템에 포함되는 송신 안테나와 수신 안테나는 전기적으로 가까운 거리에서 사용되는데, 이와 같이 커플링된 송신 안테나와 수신 안테나가 접촉은 하지 않으면서 충분히 가깝게 위치해 있는 경우에 커플링된 송신 안테나와 수신 안테나 사이의 상호 리액턴스는 상호 저항에 비하여 지배적이기 때문에, 송신 안테나와 수신 안테나 사이의 커플링은 상호 리액턴스(X21)에 의하여 특정될 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 송신 안테나와 수신 안테나의 공진 주파수는 무선 전력 전송 시스템의 동작 주파수로 설정되기 때문에, 송신 안테나와 수신 안테나의 임피던스는 각각 송신 안테나 저항(RTx) 및 수신 안테나 저항(RRx)과 같은 순수한 저항 성분으로만 표현될 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 전력 전송 효율(PTE: Power Transfer Efficiency)은 아래의 수학식 1과 같이 정의될 수 있다.
<수학식 1>
Figure 112013007105258-pat00001

그리고, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 송신 안테나의 전류와 수신 안테나의 전류 사이의 관계는 아래의 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
<수학식 2>
Figure 112013007105258-pat00002

위의 수학식 1과 수학식 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 전력 전송 효율은 아래의 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
<수학식 3>
Figure 112013007105258-pat00003

위의 수학식 3에서, R'Load는 유효한 부하 저항이 상호 임피던스에 의하여 변환된 것을 의미하는데, 이를 수식으로 나타내면 아래의 수학식 4와 같다.
<수학식 4>
Figure 112013007105258-pat00004

한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 최대 전력 전송 효율을 달성하기 위한 최적의 부하 임피던스는 아래의 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.
<수학식 5>
Figure 112013007105258-pat00005

위의 수학식 5에서 보여지는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전력 전송 효율이 최대가 되도록 하기 위해서는, 부하 저항이 상호 커플링의 변화에 맞추어 변화되어야 한다. 또한, 위의 수학식 3을 참조하면, 전력 전송 효율이 최대가 되기 위해서는 송신 안테나의 저항(RTx)과 수신 안테나의 저항(RRx)이 상대적으로 매우 작아야 한다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 무선 전력 전송 시스템의 전력 전송 효율이 최대가 되도록 하기 위한 송신 안테나 저항(RTx), 수신 안테나 저항(RRx), 부하 저항(RLOAD) 및 상호 커플링(X21)의 조건은 아래의 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.
<수학식 6>
Figure 112013007105258-pat00006

위의 수학식 6은 만약 송신 안테나의 저항(RTx)이 상호 임피던스에 의해 변환된 부하 저항(R'Load)과 비교하여 기설정된 수준(또는 비율) 이하로 작다는 조건을 의미하는데, 이러한 조건을 만족하면 송신 안테나에서의 전송 손실은 무시할만할 수준으로 작아질 수 있다. 이와 비슷하게, 위의 수학식 6은 만약 수신 안테나의 저항(RRx) 부하 저항(RLoad)과 비교하여 기설정된 수준(또는 비율) 이하로 작다는 조건도 포함하는데, 이러한 조건을 만족하면 수신 안테나에서의 전송 손실 역시 무시할만할 수준으로 작아질 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 위와 같은 조건이 만족할 경우에 커플링된 송신 안테나와 수신 안테나 사이의 네트워크는 마치 무손실 네트워크인 것처럼 동작할 수 있게 된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 송신 안테나의 저항과 수신 안테나의 저항에 따른 전력 전송 효율을 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 송신 안테나 저항이 작거나 수신 안테나 저항이 작을수록 전력 전송 효율이 높아지는 것을 확인할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전력 전송 효율을 높이는 목적을 달성하기 위한 조건으로서 송신 안테나 저항 및 수신 안테나 저항과 상호 커플링의 관계를 아래의 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.
<수학식 7>
Figure 112013007105258-pat00007

본 발명의 일 실시예에 따르면, 위의 수학식 7의 조건이 만족될 때, 저항들 간의 관계는 아래의 수학식 8과 같이 나타낼 수 있고, 이때 최대 전력 전송 효율은 아래의 수학식 9와 같이 나타낼 수 있다.
<수학식 8>
Figure 112013007105258-pat00008

<수학식 9>
Figure 112013007105258-pat00009

한편, 위의 수학식 7 및 9를 참조하고 2010년 11월 이재천 외 1인이 저술하고 IEEE Transactions on Antennas and Propagation에 게재된 "Fundamental aspects of near-field coupling antennas for wireless power transfer"라는 논문을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 송신 안테나와 수신 안테나 사이의 최대 전기 거리(maximum electrical distance)(kr0 max)는 아래의 수학식 10과 같이 나타낼 수 있다.
<수학식 10>
Figure 112013007105258-pat00010

위의 수학식 10에서, η은 안테나의 방사 효율(radiation efficiency)을 가리킨다. 수학식 10을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 송신 안테나와 수신 안테나 사이의 최대 전기 거리는 안테나의 방사 효율, 목표 전력 전송 효율 및 수신 안테나의 상대적인 위치에 의하여 결정될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전송 안테나에서의 입력 저항(Rin)은 아래의 수학식 11과 같이 나타낼 수 있다.
<수학식 11>
Figure 112013007105258-pat00011

수학식 11을 참조하면, 송신 안테나와 수신 안테나 사이의 거리가 변할 때 입력 임피던스 역시 변하게 됨을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 입력 임피던스(또는 부하 임피던스)가 변하는 조건 하에서 무선 전력 전송 시스템에 적합한 소스의 유형을 고려할 필요가 있다.
무선 전력 전송 시스템의 소스
앞서 안테나의 특성과 관련하여 살펴본 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템은 입력 임피던스가 변하는 경우에도 높은 전력 전송 효율을 달성할 수 있는 소스를 사용해야 하는데, 이를 위해서는 입력 임피던스(또는 부하 임피던스)의 변화에 민감하지 않은 전력 증폭기를 소스로서 사용할 필요가 있다.
다양한 유형의 전력 증폭기 가운데, A형, B형, AB형 전력 증폭기와 같은 선형(linear) 전력 증폭기는 제한된 효율을 가지고 있기 때문에 본 발명에 따른 무선 전력 전송 시스템에 적합하지 않으며, 높은 효율을 갖는 비선형(nonlinear) 전력 증폭기가 본 발명에 따른 무선 전력 전송 시스템에 적합할 수 있다.
비선형 전력 증폭기 중 E형 전력 증폭기에서는, 이론적인 효율이 최적 분로(shunt) 캐패시턴스 및 부하 임피던스에 의하여 결정되기 때문에, 임피던스가 변하는 경우에는 효율이 급격하게 저하되는 경우가 발생할 수 있다. 이와는 달리, 비선형 전력 증폭기 중 D형(Class-D) 전력 증폭기의 효율은 부하 저항의 변화에 민감하지 않고 부하 저항의 변화가 심한 경우에도 어느 정도 수준으로 유지될 수 있다. 따라서, D형 전력 증폭기는 입력 임피던스(또는 부하 임피던스)가 변하는 환경에서 사용되는 본 발명에 따른 무선 전력 전송 시스템에 적합하다고 할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 D형 전력 증폭기의 효율 및 출력을 나타내는 도면이다. 참고로, 도 4에 도시된 D형 전력 증폭기는 구동 전압(VDC)이 1V이고 CS와 LS가 각각 58pF과 15μH인 것으로 설정되었다.
도 4를 참조하면, 안테나의 입력 임피던스가 4.6Ω에서 400Ω까지 큰 폭으로 변화하는 동안에도 높은 D형 전력 증폭기의 효율이 높게 유지되는 것을 확인할 수 있다.
무선 전력 전송 시스템의 구성
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템(500)의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 무선 전력 전송 시스템(500)은 송신 안테나(510), 송신 안테나(510)와의 사이의 거리가 변화할 수 있는 수신 안테나(520) 및 송신 안테나(510)에 전력을 공급하고 D형 전력 증폭기(530)로 구성되는 소스를 포함할 수 있다. 무선 전력 전송 시스템(500)에 포함되는 송신 안테나(510), 수신 안테나(520) 및 D형 전력 증폭기(530)와 관련하여서는 이미 앞서 충분히 설명한 바 있기 때문에 자세한 설명은 생략하기로 한다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 무선 전력 전송 시스템(500)은 안테나 특성 분석부(540) 및 전력 전송 효율 제어부(550)를 더 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 안테나 특성 분석부(540) 및 전력 전송 효율 제어부(550)는 외부 시스템(미도시됨)과 통신하는 프로그램 모듈들일 수 있다. 이러한 프로그램 모듈들은 운영 시스템, 응용 프로그램 모듈 및 기타 프로그램 모듈의 형태로 무선 전력 전송 시스템(500)에 포함될 수 있으며, 물리적으로는 여러 가지 공지의 기억 장치 상에 저장될 수 있다. 또한, 이러한 프로그램 모듈들은 무선 전력 전송 시스템(500)과 통신 가능한 원격 기억 장치에 저장될 수도 있다. 한편, 이러한 프로그램 모듈들은 본 발명에 따라 후술할 특정 업무를 수행하거나 특정 추상 데이터 유형을 실행하는 루틴, 서브루틴, 프로그램, 오브젝트, 컴포넌트, 데이터 구조 등을 포괄하지만, 이에 제한되지는 않는다.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 안테나 특성 분석부(540)는 송신 안테나(510)와 수신 안테나(520)의 특성을 분석하여 목표 전력 전송 효율을 달성하기 위하여 필요한 정보를 산출하는 기능을 수행할 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 특성 분석부(540)는 송신 안테나(510)와 수신 안테나(520) 사이의 거리 및 부하 임피던스에 따른 전력 전송 효율과 송신 안테나(510)와 수신 안테나(520) 사이의 거리 및 부하 임피던스에 따른 부하에 전달되는 전력을 산출하는 기능을 수행할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전력 전송 효율 제어부(550)는 D형 전력 증폭기(530)의 구동 전압(VDC)을 조절하여 부하에 전달되는 전력을 제어할 수 있으며, 이로써 송신 안테나(510)와 수신 안테나(520) 사이의 거리가 변함에 따라 입력 임피던스가 변하는 경우에도 무선 전력 전송 시스템(500)의 전력 전송 효율이 기설정된 목표 범위 내에서(예를 들면, 70% 이상으로) 유지될 수 있도록 하는 기능을 수행할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전력 전송 효율 제어부(550)는 부하 임피던스 값이 변경될 수 있는 경우에 부하 임피던스 값을 적절하게 조절 혹은 선택하여 부하 임피던스 값이 송신 안테나(510)와 수신 안테나(520) 사이의 거리에 대한 최적의 값을 갖도록 할 수도 있으며, 이로써 송신 안테나(510)와 수신 안테나(520) 사이의 거리가 변하는 경우에도 무선 전력 전송 시스템(500)의 전력 전송 효율이 기설정된 목표 범위 내에서(예를 들면, 70% 이상으로) 유지될 수 있도록 하는 기능을 수행할 수 있다.
한편, 도 5에서 본 발명에 따른 무선 전력 전송 시스템(500)에 송신 안테나(510), 송신 수신 안테나(520), D형 전력 증폭기(530), 안테나 특성 분석부(540) 및 전력 전송 효율 제어부(550)가 모두 포함되어 있는 것으로 도시되어 있기는 하지만, 본 발명에 따른 무선 전력 전송 시스템(500)의 구성이 반드시 도 5에 도시된 바에 한정되는 것은 아니며, 본 발명에 따른 무선 전력 전송 시스템(500)는 안테나 특성 분석부(540) 및 전력 전송 효율 제어부(550) 중 적어도 하나를 포함하지 않은 채 구성될 수도 있음을 밝혀 둔다.
시뮬레이션 및 실험 결과
이하에서는, 본 발명에 따른 무선 전력 전송 시스템을 이용하여 시뮬레이션과 실제 실험을 수행한 결과를 도면들을 참조하여 설명하기로 한다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 시뮬레이션과 실험에 사용된 송신 안테나, 수신 안테나, D형 전력 증폭기의 구성을 예시적으로 나타내는 도면이다.
시뮬레이션 및 실험에서, FEKO라는 상용 소프트웨어 패키지가 사용되었다. 또한, 시뮬레이션 및 실험에서 사용된 송신 안테나와 수신 안테나는 모두 나선형 루프의 형태(반지름: 10cm, 높이: 5cm, 도선 두께: 1mm, 감은 수: 10회, 공진 주파수: 5.69MHz)로 구성되어 동일 직선 상에 배치되었는데, 시뮬레이션 상 고립된 안테나의 저항은 송신 안테나와 수신 안테나에서 모두 4.1Ω으로 설정되었고, 실험 상 고립된 안테나의 저항은 송신 안테나와 수신 안테나에서 각각 4.2Ω과 3.75Ω으로 설정되었으며, 송신 안테나와 수신 안테나의 방사 효율이 10- 4 이고 벌룬(balun)의 효율은 95%인 것으로 설정되었다. 한편, 시뮬레이션 및 실험에서, D형 전력 증폭기가 무선 전력 전송 시스템의 소스로서 사용되었고, 부하에 전달된 전력은 오실로스코프(oscilloscope)에 의하여 측정되었다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 송신 안테나와 수신 안테나 사이의 거리에 따른 상호 리액턴스와 상호 저항의 시뮬레이션 값과 실험 값을 나타내는 도면이다.
도 8을 참조하면, 송신 안테나와 수신 안테나 사이의 상호 리액턴스(X21)는 상호 저항(R21)에 비하여 지배적으로 크게 나타남을 확인할 수 있다. 또한, 도 8과 위의 수학식 11을 참조하면, 부하 임피던스가 작아질수록 입력 임피던스가 커지는 것을 확인할 수 있다.
도 9의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따라 송신 안테나와 수신 안테나 사이의 거리가 변함에 따른 총 전력 전송 효율(total power transfer efficiency)을 나타내는 도면이다. 도 9의 (a)에 나타난 총 전력 전송 효율은 아래의 수학식 12와 같이 산출될 수 있다.
<수학식 12>
Figure 112013007105258-pat00012

위의 수학식 5와 도 8의 결과를 참조하면, 송신 안테나와 수신 안테나 사이의 거리가 20cm, 30cm 및 50cm일 때 최적의 부하 저항 값은 각각 5Ω, 25Ω 및 68Ω인 것으로 결정될 수 있다. 또한, 송신 안테나와 수신 안테나 사이의 거리가 20cm 이상이고 30cm 이하인 구간에서는 부하 저항이 25Ω인 경우에만 위의 수학식 6의 조건을 만족시킬 수 있다. 또한, 위의 수학식 10을 참조하면, 벌룬 손실까지 감안한 전력 전송 효율이 70% 이상이 되도록 하는 송신 안테나와 수신 안테나 사이의 최대 거리는 약 30cm인 것으로 확인되었다.
계속하여, 도 9의 (a)를 참조하면, 최적의 부하 임피던스 값을 갖는 경우에 가장 높은 전력 전송 효율을 얻을 수 있었던 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 9의 (a)를 참조하면, 송신 안테나와 수신 안테나 사이의 거리가 가까울 때 부하 임피던스 값이 25Ω인 경우가 부하 임피던스 값이 5Ω 또는 68Ω인 경우보다 높은 전력 전송 효율을 달성할 수 있었던 것을 확인할 수 있다.
위의 수학식 11과 도 4 및 도 8로부터, 송신 안테나와 수신 안테나 사이의 거리가 멀어지고 부하 임피던스가 커질 때 D형 전력 증폭기의 효율은 감소하지만 D형 전력 증폭기의 출력 전력은 증가하는 것으로 추론될 수 있다.
다음으로, 도 9의 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따라 송신 안테나와 수신 안테나 사이의 거리에 따른 부하에 전달되는 전력을 나타내는 도면이다.
도 9의 (a) 및 (b)를 참조하면, 총 전력 전송 효율과 D형 전력 증폭기의 출력 전력은 송신 안테나와 수신 안테나 사이의 거리가 변함에 따른 변화 양상이 서로 상반되는 경향으로 나타난 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 9의 (b)를 참조하면, 본 발명에 따른 무선 전력 전송 시스템에서는 소스로서 포함되는 D형 전력 증폭기의 구동 전압(VDC)을 조절하는 것만으로 부하에 전달되는 전력을 목표로 하는 수준으로 유지할 수 있다. 나아가, 본 발명에 따른 무선 전력 전송 시스템에서는 송신 안테나와 수신 안테나 사이의 거리가 20cm 이상 30cm 이하인 경우에 70% 이상의 전력 전송 효율을 보장할 수 있다.
한편, 도 9의 (a) 및 (b)에 있어서, D형 전력 증폭기 자체의 효율 때문에 시뮬레이션 결과와 실제 실험 결과 사이에 약간의 차이가 있는 것으로 나타나기는 했지만, 시뮬레이션에서 계산된 값과 실제 실험에서 측정된 값이 대체로 일치하는 모습을 보여 주었다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의하면 송신 안테나와 수신 안테나 사이의 거리가 변하는 경우에도 근접장(near-field)을 통하여 효율적으로 전력을 전송할 수 있게 된다. 즉, 본 발명에 따르면, 커플링된 송신 안테나와 수신 안테나의 특성을 분석하고, 효율적인 무선 전력 전송을 위한 부하 저항과 상호 커플링에 관한 조건을 산출하고, 무선 전력 전송 시스템의 소스로서 D형 전력 증폭기를 사용함으로써, 효율적인 무선 전력 전송 시스템을 구현할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따른 무선 전력 전송 시스템은 안테나의 특성을 분석하여 전력 전송 효율과 부하에 전달되는 전력을 산출하는 안테나 특성 분석부 또는 D형 전력 증폭기의 구동 전압 또는 조절하고 부하 저항을 조절하는 전력 전송 효율 제어부를 더 포함함으로써, 최적의 부하 임피던스를 갖는 경우와 거의 동일한 수준의 높은 전력 전송 효율을 달성할 수 있다.
이상 설명된 본 발명에 따른 실시예들은 다양한 컴퓨터 구성요소를 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령어의 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체는 프로그램 명령어, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록되는 프로그램 명령어는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 분야의 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체의 예에는, 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 ROM, RAM, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령어를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령어의 예에는, 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드도 포함된다. 상기 하드웨어 장치는 본 발명에 따른 처리를 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상에서 본 발명이 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있다.
따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
500: 무선 전력 전송 시스템
510: 송신 안테나
520: 수신 안테나
530: D형 전력 증폭기
540: 안테나 특성 분석부
550: 전력 전송 효율 제어부

Claims (13)

  1. 삭제
  2. 무선으로 전력을 전송하는 시스템으로서,
    송신 안테나,
    상기 송신 안테나와의 사이의 거리가 변화하는 것을 특징으로 하는 수신 안테나, 및
    상기 송신 안테나에 전력을 공급하는 D형 전력 증폭기로 구성되는 것을 특징으로 하는 소스
    를 포함하고,
    상기 D형 전력 증폭기의 구동 전압 및 부하 임피던스 중 적어도 하나를 조절함으로써 상기 송신 안테나와 상기 수신 안테나 사이의 거리가 변화하는 경우에 전력 전송 효율이 기설정된 목표 범위 내에서 유지되도록 하는 전력 전송 효율 제어부
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  3. 무선으로 전력을 전송하는 시스템으로서,
    송신 안테나,
    상기 송신 안테나와의 사이의 거리가 변화하는 것을 특징으로 하는 수신 안테나, 및
    상기 송신 안테나에 전력을 공급하는 D형 전력 증폭기로 구성되는 것을 특징으로 하는 소스
    를 포함하고,
    상기 송신 안테나 및 상기 수신 안테나의 크기는 상기 송신 안테나 및 상기 수신 안테나에서 발생되는 신호 중 TE10 모드의 신호 또는 TM10 모드의 신호의 비중이 기설정된 수준 이상이 될 수 있는 범위 내에서 결정되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  4. 제2항 및 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 송신 안테나와 상기 수신 안테나는 나선형 루프의 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  5. 무선으로 전력을 전송하는 시스템으로서,
    송신 안테나,
    상기 송신 안테나와의 사이의 거리가 변화하는 것을 특징으로 하는 수신 안테나, 및
    상기 송신 안테나에 전력을 공급하는 D형 전력 증폭기로 구성되는 것을 특징으로 하는 소스
    를 포함하고,
    상기 송신 안테나의 저항이 RTx이고, 상기 수신 안테나의 저항이 RRx이고, 부하 임피던스가 RLoad이고, 상기 송신 안테나와 상기 수신 안테나 사이의 상호 리액턴스가 X21일 때, 전력 전송 효율을 최대화하기 위한 조건은,
    Figure 112014005649980-pat00013

    인 것을 특징으로 하는 시스템.
  6. 무선으로 전력을 전송하는 시스템으로서,
    송신 안테나,
    상기 송신 안테나와의 사이의 거리가 변화하는 것을 특징으로 하는 수신 안테나, 및
    상기 송신 안테나에 전력을 공급하는 D형 전력 증폭기로 구성되는 것을 특징으로 하는 소스
    를 포함하고,
    상기 송신 안테나 및 상기 수신 안테나의 특성을 분석하여 상기 송신 안테나와 상기 수신 안테나 사이의 거리 또는 부하 임피던스에 따른 전력 전송 효율 및 상기 송신 안테나와 상기 수신 안테나 사이의 거리 또는 부하 임피던스에 따른 부하에 전달되는 전력 중 적어도 하나를 산출하는 안테나 특성 분석부
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  7. 무선으로 전력을 전송하는 방법으로서 - 상기 무선 전력 전송은 송신 안테나, 상기 송신 안테나와의 사이의 거리가 변화하는 것을 특징으로 하는 수신 안테나 및 상기 송신 안테나에 전력을 공급하는 D형 전력 증폭기로 구성되는 것을 특징으로 하는 소스에 의하여 수행됨 - ,
    (a) 상기 D형 전력 증폭기의 구동 전압 및 부하 임피던스 중 적어도 하나를 조절하는 단계, 및
    (b) 상기 조절을 수행함으로써 상기 송신 안테나와 상기 수신 안테나 사이의 거리가 변화하는 경우에 전력 전송 효율이 기설정된 목표 범위 내에서 유지되도록 하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 송신 안테나와 상기 수신 안테나 사이의 거리가 변화함에 따라 입력 임피던스가 변화하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 송신 안테나 및 상기 수신 안테나의 크기는 상기 송신 안테나 및 상기 수신 안테나에서 발생되는 신호 중 TE10 모드의 신호 또는 TM10 모드의 신호의 비중이 기설정된 수준 이상이 될 수 있는 범위 내에서 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 송신 안테나와 상기 수신 안테나는 나선형 루프의 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 송신 안테나의 저항이 RTx이고, 상기 수신 안테나의 저항이 RRx이고, 부하 임피던스가 RLoad이고, 상기 송신 안테나와 상기 수신 안테나 사이의 상호 리액턴스가 X21일 때, 전력 전송 효율을 최대화하기 위한 조건은,
    Figure 112013007105258-pat00014

    인 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 (a) 단계는,
    (a1) 상기 송신 안테나 및 상기 수신 안테나의 특성을 분석하여 상기 송신 안테나와 상기 수신 안테나 사이의 거리 또는 부하 임피던스에 따른 전력 전송 효율 및 상기 송신 안테나와 상기 수신 안테나 사이의 거리 또는 부하 임피던스에 따른 부하에 전달되는 전력 중 적어도 하나를 산출하는 단계, 및
    (a2) 상기 산출 결과를 참조로 하여 상기 D형 전력 증폭기의 구동 전압 및 부하 임피던스 중 적어도 하나를 조절하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제7항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 방법을 실행하기 위한 컴퓨터 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체.
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