KR101544345B1 - 무선 전력 전송에 의한 다중화 전송 시스템 및 송신측 다중화 전송 장치 - Google Patents

무선 전력 전송에 의한 다중화 전송 시스템 및 송신측 다중화 전송 장치 Download PDF

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Abstract

단일 주파수의 전력을 공급하는 1차 송신 전원(1)과 1차 송신 전원(1)으로부터의 전력을 무선 전송하는 복수 계통의 송신 안테나(5) 및 쌍을 이루는 송신 안테나(5)로부터의 전력을 수신하는 복수 계통의 수신 안테나(6)로 이루어지는 송수신부(3)와, 쌍을 이루는 송신 안테나(5)의 공진 조건을 성립시키는 복수 계통의 송신 전원 회로(2)와, 쌍을 이루는 수신 안테나(6)의 공진 조건을 성립시키는 복수 계통의 수신 전원 회로(4)를 구비하되, 각 송신 전원 회로(2)는, 인접하는 계통 간의 송신 안테나(5)에의 각 전력에 대해, 전압 또는 전류의 위상을 어긋나게 하여, 파가 겹치는 기간이 없는 반파 공진 파형을 출력한다.

Description

무선 전력 전송에 의한 다중화 전송 시스템 및 송신측 다중화 전송 장치{MULTIPLEXED TRANSMISSION SYSTEM BY MEANS OF WIRELESS ELECTRICAL POWER TRANSMISSION, AND TRANSMITTING-SIDE MULTIPLEXED TRANSMISSION DEVICE}
본 발명은, 비접촉으로 전력을 다중화하여 전송하는 무선 전력 전송에 의한 다중화 전송 시스템 및 송신측 다중화 전송 장치에 관한 것이다.
종래부터, 무선 전력 전송 장치에 있어서, 공진 자계의 위상차를 90도 이상 180도 이하의 범위로 어긋나게 하여 전송하는 복수의 전력 전송부를 구비함으로써, 승압하면서 전력 전송을 가능하게 하는 구성이 알려져 있다(예를 들면 특허 문헌 1 참조).
국제 공개 WO2012/046453호
그렇지만, 특허 문헌 1의 장치에서는, 전압의 승압화를 목적으로 하고 있어, 다중화 전송에 의한 문제가 고려되어 있지 않다. 즉, 이 장치에서는, 각 계통의 안테나간에 있어 공유 자속이 발생하기 때문에, 복수의 안테나간에 상호 간섭을 일으킨다고 하는 과제가 있다. 또, 공진 자계의 위상차가 180도에 가까워짐에 따라, 안테나간의 자속 방향이 반전하여 지워지기 때문에, 전력을 전송할 수 있는 에너지량이 작아진다고 하는 과제도 있다.
그 때문에, 종래의 장치에 있어서 다중화 전송을 실시하는 경우에는, 각 계통의 안테나간의 거리를 가깝게 하는 것이 곤란하다. 그리고, 안테나간의 상호 간섭의 영향을 작게 하기 위해서는, 각 계통을 전송 거리 이상 이격하여 설치하거나, 각 계통의 자속을 분리하기 위한 자기(磁氣) 실드 대책을 행할 필요가 있다. 따라서, 무선 전력 전송 시스템으로서 소형화할 수 없고, 또한, 자기 실드 대책 등의 비용이 든다고 하는 과제가 있었다.
본 발명은, 상기와 같은 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 소형이고 염가의 구성으로, 비접촉으로 전력을 다중화하여 전송할 수 있는 무선 전력 전송에 의한 다중화 전송 시스템 및 송신측 다중화 전송 장치를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
본 발명에 따른 무선 전력 전송에 의한 다중화 전송 시스템은, 단일 주파수의 전력을 공급하는 1차 송신 전원과, 1차 송신 전원으로부터의 전력을 무선 전송하는 복수 계통의 송신 안테나 및 쌍을 이루는 송신 안테나로부터의 전력을 수신하는 복수 계통의 수신 안테나로 이루어지는 송수신부와, 쌍을 이루는 송신 안테나의 공진 조건을 성립시키는 복수 계통의 송신 전원 회로와, 쌍을 이루는 수신 안테나의 공진 조건을 성립시키는 복수 계통의 수신 전원 회로를 구비하고, 각 송신 전원 회로는, 인접하는 계통 간의 송신 안테나로의 각 전력에 대해, 전압 또는 전류의 위상을 어긋나게 하여, 파가 겹치는 기간이 없는 반파 공진 파형을 출력하는 것이다.
본 발명에 따르면, 상기와 같이 구성했으므로, 고정한 하나의 송신 주파수에 의해 고효율의 다중화 전력 전송이 가능해지고, 전파법의 규제를 만족한 설계를 행하는 것이 용이하게 가능해진다. 그 결과, 송신 전력의 대전력화나 전자 쉴드 구조의 간이화 등이 가능해지고, 복잡한 설계를 필요로 하지 않는 저비용의 제품화를 실현할 수 있다. 또, 각 계통 간의 안테나 거리를 가깝게 하는 것에 의한 상호 간섭의 문제를 막는 것이 가능하게 되기 때문에, 장치를 소형화하는 것이 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시의 형태 1에 따른 무선 전력 전송에 의한 다중화 전송 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시의 형태 1에 있어서의 송신 안테나의 전압/전류 파형의 예를 나타내는 모식도이다.
도 3은 본 발명의 실시의 형태 1에 있어서의 계통마다의 송신 안테나 및 수신 안테나간의 자속 방향의 예를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시의 형태 1에 있어서의 송신 안테나의 전압/전류 파형의 다른 예를 나타내는 모식도이다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명하기 위해서, 본 발명을 실시하기 위한 형태에 대해서, 첨부의 도면에 따라서 설명한다.
실시의 형태 1.
도 1은 본 발명의 실시의 형태 1에 따른 무선 전력 전송에 의한 다중화 전송 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
무선 전력 전송에 의한 다중화 전송 시스템은, 전기 신호를 포함한 복수 계통의 전력을 병렬로 무선 전송하는 장치이다. 이 무선 전력 전송에 의한 다중화 전송 시스템은, 도 1에 나타내는 바와 같이, 1차 송신 전원(1), 송신 전원 회로(2), 송수신부(3) 및 수신 전원 회로(4)로 구성되어 있다. 또, 송수신부(3)는, 송신 안테나(5) 및 수신 안테나(6)를 가지고 있다. 그리고, 다중화 전송 시스템은, 다중화 전송을 행하기 위해, 송신 전원 회로(2), 송신 안테나(5), 수신 안테나(6) 및 수신 전원 회로(4)를 각각 복수 계통 가지고 있다(도 1의 예에서는 2 계통 마련했을 경우를 나타내고, 각 기능부의 부호에 접미 기호 a, b를 부여하고 있다). 도 1에 나타내는 다중화 전송 시스템에 있어서, 1차 송신 전원(1), 송신 전원 회로(2) 및 송신 안테나(5)는 송신측 다중화 전송 장치를 구성하고, 수신 안테나(6) 및 수신 전원 회로(4)는 수신측 다중화 전송 장치를 구성한다.
1차 송신 전원(1)은, 각 송신 전원 회로(2)를 거쳐서 각 송신 안테나(5)에 대해, 단일 주파수의 전력을 공급하는 것이다.
송신 전원 회로(2)는, 1차 송신 전원(1)과 송신 안테나(5) 사이에 배치되고, 공명 임피던스 제어에 의해, 쌍을 이루는 송신 안테나(5)의 공진 조건을 성립시키는 것이다. 이때, 공진 주파수에의 동조(同調)를 행하는 것과 아울러, 송신 안테나(5)에 입력되는 전력의 파형 제어를 행한다. 이 파형 제어의 상세한 것에 대하여는 후술한다.
송신 안테나(5)는, 쌍을 이루는 송신 전원 회로(2)를 거쳐서 1차 송신 전원(1)으로부터 공급된 전력을, 수신 안테나(6)에 무선 전송하는 것이다.
수신 안테나(6)는, 쌍을 이루는 송신 안테나(5)로부터의 전력을 수신하는 것이다. 이 수신 안테나(6)에 의해 수신된 전력은 수신 전원 회로(4)를 거쳐서 부하 기기 등(미도시)에 공급된다.
수신 전원 회로(4)는, 수신 안테나(6)와 부하 기기 등의 사이에 배치되고, 입력 임피던스 제어에 의해, 쌍을 이루는 수신 안테나(6)의 공진 조건을 성립시키는 것이다. 이때, 공진 주파수(도 1에 나타내는 fo1=fo2)의 동조를 행한다.
또, 송수신부(3)의 무선 전송 방식은 특별히 한정되는 것이 아니고, 자계 공명에 의한 방식, 전계 공명에 의한 방식, 전자 유도에 의한 방식 중 어느 하나이어도 좋다.
다음에, 송신 전원 회로(2)에 의한 전력의 파형 제어에 대해 도 2, 3을 이용하여 설명한다. 도 2는 본 발명의 실시의 형태 1에 있어서의 송신 안테나(5)에 입력되는 전력의 전압/전류 파형의 예를 나타내는 모식도이며, 도 3은 그때의 계통마다의 송신 안테나(5)와 수신 안테나(6) 간의 자속 방향의 예를 나타내는 도면이다.
각 송신 전원 회로(2)는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 인접하는 계통 간에 있어서, 1차 송신 전원(1)으로부터 각 송신 안테나(5)로의 전력에 대해, 전압 또는 전류의 위상을 어긋나게 하여, 파가 겹치는 기간이 없는(즉, 데드 타임이 0% 이상이다) 반파 공진 파형으로 되도록 파형 제어를 행한다. 또, 이것과 함께, 진폭 제어 및 듀티 제어를 행함으로써 전력 레벨의 조정을 행한다. 또, 도 2에 나타내는 예에서는, 제 1 계통의 송신 안테나(5a)로의 전력에 대해서는 정(正)방향의 반파 공진 파형으로 하고, 제 2 계통의 송신 안테나(5b)로의 전력에 대해서는 부(負)방향의 반파 공진 파형으로 하고 있다.
이것에 의해, 도 3에 나타내는 바와 같이, 제 1 계통의 자속 방향과 제 2 계통의 자속 방향이 반대 방향으로 된다. 또, 데드 타임이 0% 이상으로 제어되기 때문에, 에너지 전송시에 양 계통에서 자속이 발생하지 않고, 자속의 소거도 발생하지 않는다. 따라서, 각 계통에 있어서의 상호 간섭을 회피할 수 있어, 다중화 전력 전송이 가능해진다.
또, 도 2의 예에서는, 서로 방향이 다른 반파 공진 파형으로 한 경우를 나타냈지만, 도 4에 나타내는 바와 같이, 동일 방향의 반파 공진 파형을 이용하도록 해도 좋다. 다만, 이 경우에는, 계통 간의 상호 간섭은 회피할 수 있지만, 도 2의 경우와 비교해서 계통 간의 안테나 거리를 가깝게 하는 것은 곤란해진다.
이상과 같이, 이 실시의 형태 1에 따르면, 각 송신 전원 회로(2)에서, 인접하는 계통 간의 송신 안테나(5)로의 각 전력에 대해, 전압 또는 전류의 위상을 어긋나게 하여, 파가 겹치는 기간이 없는 반파 공진 파형으로 하도록 구성했으므로, 고정한 하나의 송신 주파수에 의해 고효율의 다중화 전력 전송이 가능해져, ISM대 등을 사용함으로써 전파법의 규제를 만족한 설계를 행하는 것이 용이하게 가능해진다. 그 결과, 송신 전력의 대전력화나 전자 쉴드 구조의 간이화 등이 가능해지고, 복잡한 설계를 필요로 하지 않는 저비용의 제품화를 실현할 수 있다. 또, 계통 간의 안테나 거리를 가깝게 하는 것에 의한 상호 간섭의 문제를 막는 것이 가능하게 되기 때문에, 장치를 소형화하는 것이 가능하다. 추가로, 단일 계통의 무선 전력 전송 장치를 근거리에 복수개 설치하는 경우에 있어서도, 각 송신 전원 간의 전압과 전류의 위상 제어를 마찬가지로 행함으로써, 각 계통에 있어서의 상호 간섭의 문제를 회피하는 것이 가능하다.
또, 실시의 형태 1에서는, 송신 안테나(5) 및 수신 안테나(6)를 각각 단일의 코일로 구성하는 경우에 대해 나타냈다. 그렇지만, 이것에 한정되는 것이 아니고, 각 코일을, 각각 예를 들면 급전용 코일 및 공명용 코일로 구성해도 좋고, 2개 이상의 코일로 구성하도록 해도 좋다.
또, 수신 안테나(6)에서는, 쌍을 이루는 송신 안테나(5) 간의 거리나 부하 전류·부하 임피던스 등에 의해서 공진 조건이 변화한다. 그래서, 수신측 회로(4)에서, 이러한 전송 상황의 변화에 따라서, 수신 안테나(6)에 대해서 성립시키는 공진 조건을 가변으로 하는 기능을 추가해도 좋다. 또 마찬가지로, 송신측 회로(2)에서 송신 안테나(5)의 공진 조건을 가변으로 하는 기능을 추가하도록 해도 좋다. 추가로, 양 회로(2, 4)에 각 안테나(5, 6)의 공진 조건을 가변으로 하는 기능을 추가하도록 해도 좋다.
또, 본원 발명은 그 발명의 범위 내에서, 실시의 형태의 임의의 구성 요소의 변형, 혹은 실시의 형태의 임의의 구성 요소의 생략이 가능하다.
(산업상의 이용 가능성)
본 발명에 따른 무선 전력 전송에 의한 다중화 전송 시스템은, 각 송신 전원 회로에서, 인접하는 계통 간의 송신 안테나로의 각 전력에 대해, 전압 또는 전류의 위상을 어긋나게 하여, 파가 겹치는 기간이 없는 반파 공진 파형으로 하도록 구성하고, 고정한 하나의 송신 주파수에 의해 고효율의 다중화 전력 전송이 가능해지므로, ISM대 등을 사용하는 무선 전력 전송이나 소형의 장치를 이용한 무선 전력 전송에 이용하는데 적합하다.
1 : 1차 송신 전원 2, 2a, 2b : 송신 전원 회로
3 : 송수신부 4, 4a, 4b : 수신 전원 회로
5, 5a, 5b : 송신 안테나 6, 6a, 6b : 수신 안테나

Claims (8)

  1. 단일 주파수의 전력을 공급하는 1차 송신 전원과,
    상기 1차 송신 전원으로부터의 전력을 무선 전송하는 복수 계통의 송신 안테나 및 쌍을 이루는 상기 송신 안테나로부터의 전력을 수신하는 복수 계통의 수신 안테나로 이루어지는 송수신부와,
    쌍을 이루는 상기 송신 안테나의 공진 조건을 성립시키는 복수 계통의 송신 전원 회로와,
    쌍을 이루는 상기 수신 안테나의 공진 조건을 성립시키는 복수 계통의 수신 전원 회로
    를 구비하되,
    상기 각 송신 전원 회로는, 인접하는 상기 계통 간의 송신 안테나로의 각 전력에 대해, 전압 또는 전류의 위상을 어긋나게 하여, 파가 겹치는 기간이 없는 반파 공진 파형을 출력하는
    것을 특징으로 하는 무선 전력 전송에 의한 다중화 전송 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 송수신부는, 자계 공명에 의해 무선 전송을 행하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송에 의한 다중화 전송 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 송수신부는, 전계 공명에 의해 무선 전송을 행하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송에 의한 다중화 전송 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 송수신부는, 전자 유도에 의해 무선 전송을 행하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송에 의한 다중화 전송 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 송신 안테나 및 상기 수신 안테나는, 각각 2개 이상의 코일로 구성되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송에 의한 다중화 전송 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 수신 전원 회로는, 상기 수신 안테나의 전송 상황에 따라 상기 수신 안테나의 공진 조건을 가변하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송에 의한 다중화 전송 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 송신 전원 회로는, 상기 송신 안테나의 전송 상황에 따라 상기 송신 안테나의 공진 조건을 가변하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송에 의한 다중화 전송 시스템.
  8. 단일 주파수의 전력을 공급하는 1차 송신 전원과,
    상기 1차 송신 전원으로부터의 전력을 무선 전송하는 복수 계통의 송신 안테나와,
    쌍을 이루는 상기 송신 안테나의 공진 조건을 성립시키는 복수 계통의 송신 전원 회로
    를 구비하되,
    상기 각 송신 전원 회로는, 인접하는 전기 계통 간의 송신 안테나로의 각 전력에 대해, 전압 또는 전류의 위상을 어긋나게 하여, 파가 겹치는 기간이 없는 반파 공진 파형을 출력하는
    것을 특징으로 하는 무선 전력 전송에 의한 송신측 다중화 전송 장치.
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