KR101611700B1 - 자기공명 빔조향 공진기를 이용한 무선 전력전송 시스템 - Google Patents

자기공명 빔조향 공진기를 이용한 무선 전력전송 시스템 Download PDF

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박병철
이정해
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홍익대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 자기공명 빔조향 공진기를 이용한 무선 전력전송 시스템이다. 본 발명에 따른 무선 전력전송 시스템은, 설계 주파수에 따라 무선으로 전력을 송신하는 소스 공진기; 상기 소스 공진기와 마그네틱 커플링에 의해 전력을 수신하여 중계하는 하나 이상의 중계 공진기; 상기 중계 공진기로부터 마그네틱 커플링에 의해 전력을 수신하여 부하로 공급하는 수신 공진기; 및 상기 설계 주파수에 따른 최대 효율 조건에서 상기 마그네틱 커플링에 따라 상기 소스 공진기 또는 상기 중계 공진기가 상기 수신 공진기에 마그네틱 빔을 조향하도록 상기 소스 공진기, 상기 중계 공진기 및 상기 수신 공진기 중에서 하나 이상의 공진기에 포함된 커패시터 값을 제어하는 빔조향 제어기를 포함하고, 상기 소스 공진기와 상기 중계 공진기는 일렬로 배열되거나 평면 형태로 배열된다.
이와 같이 본 발명에 따르면, 빔조향을 이용하여 수신기의 다양한 배치가 가능하다. 또한, 다수의 수신 공진기를 구비하여 선택적이고 집중적인 전력전송이 가능하다.

Description

자기공명 빔조향 공진기를 이용한 무선 전력전송 시스템{WIRELESS POWER TRANSPORT SYSTEM USING MAGNETIC RESONANCE BEAM STEERING RESONATORS}
본 발명은 무선 전력전송 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자기공명 방식의 빔조향이 가능한 공진기를 포함하는 무선 전력전송 시스템에 관한 것이다.
최근 무선으로 전력을 전송하는 기술에 관한 관심이 점차 증가하고 있다.
특히, 스마트폰, 태블릿PC, MP3 플레이어 등 다양한 유형의 모바일 디바이스들을 무선으로 충전할 수 있는 무접점 충전 크래들은 최근의 무선 전력전송 기술에 의한 실용적인 어플리케이션 중의 하나이다. 이러한 최근의 무선 전력전송 기술들 중 특징적인 하나는 RF 소자들의 공명(resonance) 특성을 이용하는 것이다.
공명 특성을 이용하는 무선 전력전송 시스템은 전력을 공급하는 송신부와 전력을 공급받는 수신부를 포함한다. 기존의 기술에서 송신부와 수신부를 위한 두 개의 공진기만을 이용하여 사용하여 왔으며, 이 경우에는 전력전송을 위한 거리 및 위치에 한계가 있다. 그러므로 거리 증대 및 위치의 자유도를 높이기 위한 여러 가지 방법에 대한 모색이 있었으며, 다수의 공진기를 이용하는 시스템이 제시되고 있다. 이러한 시스템은 송신부와 수신부 사이를 연결해 주는 하나 이상의 중계 공진기를 포함하거나, 다수의 수신기를 포함하여 전체를 하나의 전력전송 시스템으로 설계하는 것으로서 같은 거리에서 기존의 두 개의 공진기만을 포함하는 시스템에 비해 더욱 높은 전송 효율을 나타내거나 여러 개의 수신기에 대한 전송이 가능하다.
본 발명의 배경이 되는 기술은 대한민국 공개특허공보 제2011-0004321호(2011.01.13 공개)에 기재되어 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 자기공명 방식의 빔조향이 가능한 공진기를 포함하는 무선 전력전송 시스템을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 실시예에 따른 자기공명 빔조향 공진기를 이용한 무선 전력전송 시스템은, 설계 주파수에 따라 무선으로 전력을 송신하는 하나 이상의 소스 공진기; 상기 소스 공진기와 마그네틱 커플링에 의해 전력을 수신하여 중계하는 하나 이상의 중계 공진기; 상기 소스 공진기와 상기 중계 공진기로부터 마그네틱 커플링에 의해 전력을 수신하여 부하로 공급하는 하나 이상의 수신 공진기; 및 상기 설계 주파수에 따른 최대 효율 조건에서 상기 마그네틱 커플링에 따라 상기 소스 공진기 또는 상기 중계 공진기가 상기 수신 공진기에 마그네틱 빔을 조향하도록 상기 소스 공진기, 상기 중계 공진기 및 상기 수신 공진기 중에서 하나 이상의 공진기에 포함된 커패시터 값을 제어하는 빔조향 제어기를 포함하고, 상기 소스 공진기와 상기 중계 공진기는 일렬로 배열되거나 평면 형태로 배열된다.
또한, 상기 빔조향 제어기는, 다음의 수학식을 통하여 상기 소스 공진기, 중계 공진기 및 수신 공진기에 흐르는 전류의 크기를 연산할 수 있다:
Figure 112014059048713-pat00001
여기서, Vs는 상기 소스 공진기의 송신 전압, R1은 상기 소스 공진기 회로에 포함된 등가 저항, R2 내지 Rn -1 은 상기 중계 공진기 회로에 포함된 등가 저항, Rn 은 상기 수신 공진기 회로에 포함된 등가 저항을 나타내고, Mmn은 m번째 공진기와 n번째 공진기 사이의 상호 인덕턴스, ω는 상기 설계 주파수, RL은 상기 수신 공진기 회로에 포함된 부하를 나타내며, C1 내지 Cn은 n개의 공진기에 각각 포함된 커패시터 값, L1 내지 Ln은 n개의 공진기에 각각 포함된 인덕터 값, I1 내지 In은 n개의 공진기에 각각 흐르는 전류 값을 나타낸다.
또한, 상기 빔조향 제어기는, 상기 수학식을 이용하여 다음의 최대 효율 값을 연산하고, 효율이 상기 연산된 최대 효율이 되도록 유전 알고리즘(genetic algorithm)을 이용하여 상기 커패시터 값을 제어할 수 있다.
Figure 112014059048713-pat00002
또한, 상기 빔조향 제어기는, 상기 중계 공진기에 포함된 커패시터 값을 다음의 수학식 또는 유전 알고리즘(genetic algorithm)을 이용하여 하나의 커패시터 값으로 제어할 수 있다.
Figure 112014059048713-pat00003
여기서, CR은 상기 중계 공진기의 커패시터 값이다.
또한, 상기 빔조향 제어기는, 상기 소스 공진기의 커패시터(C1) 값을 다음의 수학식에 따라 입력 임피던스(Zin)의 허수부가 0이 되도록 제어할 수 있다.
Figure 112014059048713-pat00004
또한, 상기 빔조향 제어기는, 빔 조향 모드에 따른 공진기들의 커패시터 값이 저장되어 있으며 상기 수신 공진기의 위치 정보를 송신하여 그에 따라 공진기의 커패시터 값을 제어할 수 있다.
또한, 상기 소스 공진기, 상기 중계 공진기 및 상기 수신 공진기 각각은, 다각형 또는 원형의 폐루프 형태에 해당할 수 있다.
또한, 상기 폐루프는, 단일 루프, 다중 루프, 스파이럴 구조 및 헬릭스 구조 중에서 적어도 하나의 구조에 해당할 수 있다.
또한, 상기 빔조향 제어기는, 상기 수신 공진기가 상기 소스 공진기 또는 상기 중계 공진기 중에서 빔 조향되어 전력을 최종적으로 전달받는 하나의 공진기를 선택하도록 상기 커패시터 값을 제어할 수 있다.
또한, 상기 빔조향 제어기는, 상기 수신 공진기의 위치에 관한 정보를 이용하여 상기 빔조향을 위한 커패시터 값을 제어할 수 있다.
또한, 상기 수신 공진기는, 복수의 수신 공지기로서 상기 중계 공진기 또는 상기 소스 공진기로부터 직접적으로 전송받은 전체 전력을 상기 마그네틱 빔의 조향에 따라 복수의 수신 공진기가 서로 분할하여 전송받을 수 있다.
또한 상기 수신 공진기는, 공진 주파수를 가지는 커패시터 값을 가질 수 있다.
본 발명인 자기공명 빔조향 공진기를 이용한 무선 전력전송 시스템에 따르면, 빔조향을 이용하여 수신기의 다양한 배치가 가능하다. 또한, 다수의 수신 공진기를 구비하여 선택적이고 집중적인 전력전송이 가능하다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 무선 전력전송 시스템을 설명하기 위한 회로도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 개략적인 회로도이다.
도 3은 도2b의 회로도에 관한 마그네틱 빔의 시뮬레이션 분포도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 개략적인 회로도이다.
도 5는 도 4의 회로도에 관한 마그네틱 빔의 시뮬레이션 분포도이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 공진기의 평면 배열을 나타내는 개략적인 회로도이다.
도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 소스 공진기와 하나 이상의 중계 공진기의 3차원 배열을 나타내는 개략적인 회로도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미하며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 무선 전력전송 시스템은 하나의 소스 공진기와 하나 이상의 중계 공진기 및 하나 이상의 수신 공진기를 포함한다. 또한, 중계 공진기를 통하지 않고 소스 공진기와 하나 이상의 수신 공진기만을 포함할 수 있다.
각각의 소스 공진기, 중계 공진기 및 수신 공진기는 폐루프를 구성한다. 여기서, 폐루프는 원형 또는 다각형 형태일 수 있다. 또한, 폐루프는 단일 루프 구조, 다중 루프 구조, 스파이럴 구조 및 헬릭스 구조 중에서 적어도 하나의 구조에 해당될 수 있다. 또한, 각각의 공진기는 공통적으로 인덕턴스 성분과 커패시터 성분을 포함하며, 커패시터 성분을 나타내는 커패시터 소자는 회로에 대해 병렬 또는 직렬로 연결될 수 있다.
각각의 공진기는 다음의 수학식 1로 표현되는 공명 특성을 갖는다.
Figure 112014059048713-pat00005
여기서, f는 공진기의 공진 주파수, L은 공진기의 인덕턴스, C는 공진기에 연결된 커패시턴스다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 무선 전력전송 시스템을 설명하기 위한 회로도이다.
도 1에서, 본 발명의 하나의 실시예에 따른 무선 전력전송 시스템은 하나의 소스 공진기, 하나 이상의 중계 공진기, 수신 공진기 및 공진 제어기(미도시)를 포함한다. 여기서, 수신 공진기는 하나 또는 그 이상 구비될 수 있다.
먼저 소스 공진기는 설계 주파수에 따라 무선으로 전력을 송신하며, 소스 전원(Vs), 커패시터(C1). 저항(R1) 및 인덕터(L1)가 직접 연결된 폐쇄 회로 형태를 가진다.
복수의 중계 공진기는 소스 공진기로부터 수신된 전력을 마그네틱 커플링에 의해 후단에 설치된 수신 공진기로 전달하는 역할을 하며, 인덕터(L2, …, Ln -1), 저항(R2, …, Rn -1), 커패시터(C2, …, Cn -1)가 직렬 연결된 폐쇄 회로 형태를 가진다.
다음으로 수신 공진기는 중계 공진기로부터 전력을 수신하여 부하로 전력을 공급하며, 인덕터(Ln), 커패시터(Cn), 저항(Rn), 부하(RL)가 직렬 연결된 폐쇄 회로 형태를 가진다. 수신 공진기는 개수는 하나인 것이 바람직하나 전력을 배분하여 부하에 공급하는 경우 하나 이상의 수신 공진기가 구비될 수 있다.
소스 공진기, 하나 이상의 중계 공진기 및 수신 공진기는 상호 마그네트 커플링을 형성하며, 마그네틱 커플링을 통하여 전력을 송수신한다.
상기의 전력의 송수신을 위하여, 도 1에는 도시하지 않았으나, 빔조향(beam steering) 제어기는 설계 주파수에서 최대 전력 전달 효율이 되도록 그리고 중계 공진기에서 수신 공진기로 다양한 빔조향이 가능하도록 소스 공진기, 하나 이상의 중계 공진기 및 수신 공진기에 포함된 커패시터(C1, C2, …, Cn -1, Cn)의 값을 제어한다.
여기서, 커패시터(C1, C2, …, Cn -1, Cn)는 가변 커패시터로 구현되며, 빔조향 제어기(미도시)는 무선 통신을 통하여 소스 공진기, 하나 이상의 중계 공진기 및 수신 공진기에 포함된 커패시터(C1, C2, …, Cn -1, Cn)의 값을 조절한다.
다만, 수신 공진기는 공진 주파수를 가지는 커패시터 값(Cn)으로 고정될 수도 있다.
여기서, R1, R2, , Rn은 순차적으로 소스 공진기, 하나 이상의 중계 공진기 및 수신 공진기가 자체적으로 갖는 저항 성분이고, L1, L2, …, Ln은 인덕터의 인덕턴스 성분이고, C1, C2,…, Cn은 공진기에 연결된 커패시터의 커패시턴스 성분이다. 그리고 M12, M23, …, Mn -1,n은 공진기와 공진기 간의 상호 인덕턴스 성분을 나타내고, I1, I2, …, IN은 순차적으로 소스 공진기, 하나 이상의 중계 공진기 및 수신 공진기에 흐르는 전류를 나타낸다. 즉, 전체 공진기의 개수 N=5인 경우, 1은 소스 공진기, 2, 3, 4는 중계 공진기, 5는 수신 공진기의 첨자를 나타낸다.
빔조향 제어기에 의한 커패시턴스 제어에 따른 전력전송 과정에서 분배되는 전류 및 효율이 연산되는 과정은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
도 1의 회로도에 대해 KVL(Kirchhoff? Voltage Law)을 적용하여 계산한 식이 다음의 수학식 2이다.
Figure 112014059048713-pat00006
여기서 소스 공진기가 하나인 경우, Vs는 상기 소스 공진기의 송신 전압, R1은 상기 소스 공진기 회로에 포함된 등가 저항, R2 내지 Rn -1 은 상기 중계 공진기 회로에 포함된 등가 저항, Rn 은 상기 수신 공진기 회로에 포함된 등가 저항을 나타내고, Mmn은 m번째 공진기와 n번째 공진기 사이의 상호 인덕턴스, ω는 상기 설계 주파수, RL은 상기 수신 공진기 회로에 포함된 부하를 나타내며, C1 내지 Cn은 n개의 공진기에 각각 포함된 커패시터 값, L1 내지 Ln은 n개의 공진기에 각각 포함된 인덕터 값, I1 내지 In은 n개의 공진기에 각각 흐르는 전류량을 나타낸다.
수학식 2에서 조절 가능한 커패시터 값 C1 내지Cn 을 제외하고는 모두 설정된 값을 갖는다.
다음으로, 수학식 3을 이용하여 소스 공진기에서 수신 공진기에 전달되는 효율을 구할 수 있다.
Figure 112014059048713-pat00007
여기서, R1 내지 Rn 은 기설정되어 있는 고정된 값이며, I1 내지 In 은 상기 수학식 2를 통해 회로를 구성하는 회로 소자로 표현될 수 있다. 상기 수학식 3에서 RL 만이 변수로 되어 있으므로 상기 수학식 3을 RL 에 대하여 미분하여 그 도함수를 0으로 놓고, RL을 연산하면 상기 효율을 최대로 하는 최적 부하(RLmax)를 얻을 수 있다.
수학식 3의 효율식에서 효율을 계산하기 위해 수학식 2를 다음의 수학식 4와 같이 그리고 수학식 3을 다음의 수학식 4와 같이 변형할 수 있다.
Figure 112014059048713-pat00008
Figure 112014059048713-pat00009
Figure 112014059048713-pat00010
Figure 112014059048713-pat00011
수학식 5에서 각각의 등가 저항(R1 내지 Rn) 값은 도 1의 회로에서 측정 가능한 값이며, RL 값은 상기 수학식 3을 이용해 이미 연산된 최적 부하 값이며, 전류(I1 내지 In) 값은 수학식 4의 결과에 의하여 가변 소자인 커패시터 값(C2 내지 Cn)으로 표현되는 값이다. 수학식 5에 상기 측정된 등가 저항(R1 내지 Rn) 값과 연산된 전류(I1 내지 In) 값 및 연산된 최적 부하(RL) 값을 대입하여 정리하면 가변 소자인 커패시터(C2 내지 Cn) 값을 변수로 갖는 최대 효율식이 산출된다.
수학식 6에서 Zin 는 도 1 회로의 입력 임피던스를 나타낸다. 수학식 7에서 입력 임피던스의 허수부가 0이 되도록 소스 공진기의 커패시터 값(C1)이 정해진다.
본 발명에 따른 실시예에서 빔조향 제어기는 소스 공진기와 하나 이상의 중계 공진기의 커패시턴스(C1 내지 Cn -1) 값을 제어하여 전류 값 I1 내지 IN - 1 의 값을 조절할 수 있다. 즉, 전류를 조정한다는 것은 개별의 공진기에서 마그네틱 필드(Magnetic Field)를 조정한다는 의미이며, 이를 통해 빔조향(beam steering)이 가능하다. 또한, 빔조향 제어기는 전류 값을 조절하여 수신기에서 송신기로 전달되는 전력전송의 효율을 최대로 할 수 있다.
하나의 소스 공진기, 하나 이상의 중계 공진기 및 수신 공진기를 포함하는 본 발명의 실시예에 따른 전력전송 시스템에서 빔조향(beam steering) 제어기는 빔조향을 위한 최적의 커패시턴스를 유전 알고리즘(Genetic Algorithm)을 이용하여 찾을 수 있다.
유전 알고리즘이란 유전자적으로 우월한 성질의 인자를 찾아내어 시스템 최적화에 도움을 주는 확률 기반의 알고리즘이다. 개별 공진기들의 전류를 조절하고 수신기에서 송신기에 전달되는 전력 전송을 최대로 하기 위한 최적화된 커패시턴스의 값을 유전 알고리즘을 통하여 도출할 수 있다. 이 때 소스 공진기 및 하나 이상의 중계 공진기는 각각의 공진기의 공명 특성을 갖게 하는 커패시턴스 값이 아니라 빔조향 및 최대 효율에 최적화된 공진기마다 개별적인 커패시턴스 값을 갖게 되고 이 때 최대 전력전송 효율을 갖게 된다. 또한 다수의 중계 공진기의 커패시턴스 값은 1개의 값으로 일괄 통일하여도 전력전송 효율을 높게 유지할 수 있는데, 이 때의 커패시턴스 값은 유전 알고리즘을 이용하여 도출 할 수 있고, 수식을 통한 계산식으로도 도출이 가능하다. 이 때 수식은 다음의 수학식 6과 같다.
Figure 112014059048713-pat00012
이 때, CR은 중계 공진기의 커패시턴스고, 효율식을 CR로 미분하여서 효율이 0이 되는 값을 찾을 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 무선 전력전송 시스템의 다양한 실시예에 대하여 설명하다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 개략적인 회로도이다.
이하 개략적인 회로도에서 전원을 포함하는 소스 공진기, 부하에 해당하는 저항을 포함하는 수신 공진기 및 커패시터를 포함하는 중계 공진기를 간략하게 나타내었다.
도 2a 및 도 2b와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 무선 전력전송 시스템은 1개의 소스 공진기, 하나 이상의 중계 공진기를 포함한다. 그리고, 도 2a와 같이 수신 공진기는 1개로 이루어질 수도 있고, 도 2b와 같이 복수로 이루어질 수도 있다.
특히 도 2b와 같이 중계 공진기의 커패시터 값을 제어하여 중계 공진기에서 복수의 수신 공진기 주위로 형성되는 마그네틱 필드의 밀도를 조정함으로써 원하는 수신 공진기 쪽으로 빔 조향이 가능하게 된다.
즉, 빔조향 제어기는 빔 조향 모드에 따른 공진기들의 커패시터 값이 저장되어 있으며 수신 공진기의 위치 정보를 송신하여 그에 따라 공진기의 커패시터 값을 제어할 수 있다.
도 2b에서 우측 대비 좌측의 수신 공진기에 마그네틱 필드가 집중되도록 커패시터 값을 제어하였다.
도 3은 도 2b의 회로도에 관한 마그네틱 빔의 시뮬레이션 분포도이다. 도 3의 결과를 통하여 마그네틱 빔의 조향에 따라 좌측의 수신 공진기에 마그네틱 필드가 집중됨을 알 수 있다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 개략적인 회로도이다.
도 4에서, 본 발명의 하나의 실시예에 따른 무선 전력전송 시스템은 하나의 소스 공진기와 두 개의 수신 공진기를 포함하는 것으로 도시하였다. 도 4에서 소스 공진기에서 전송된 전력은 중계 공진기를 거치지 아니하고 직접 수신 공진기로 전송됨을 알 수 있다. 이 경우, 2개의 수신 공진기 각각은 마그네틱 빔 조향에 따라 전송된 전력을 분할하여 전송 받을 수 있다. 즉 2개의 수신기 각각에 5:5 로 전력이 분배된다. 또한, 2개의 수신기가 중계 공진기를 거쳐서 전력을 전달 받도록 실시예를 구성할 수도 있다.
도 5는 도 4의 회로도에 관한 마그네틱 빔의 시뮬레이션 분포도이다.
도 5의 분포도에서 동일한 분포의 마그네틱 필드가 좌측와 우측에 형성됨을 알 수 있다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 공진기의 평면 배열을 나타내는 개략적인 회로도이다.
도 6에서, 행렬 형태로 하나의 평면에 배치되는 소스 공진기와 중계 공진기의 배열이 나타나 있다. 이 경우, 일렬로 배열되는 공진기와 비교하여 복합적인 마그네틱 빔의 분포도가 형성될 수 있다.
도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 소스 공진기와 하나 이상의 중계 공진기의 3차원 배열을 나타내는 구성도이다.
도 7에서, 평면에 배치되는 수신 공진기와 중계 공진기의 셋트가 복수 개 구비되면서 3차원적으로 배치될 수 있다. 여기서, 수신 공진기는 컴퓨터, 휴대용 전화기 및 에어컨과 같은 부하에 전력을 전송 받아 공급한다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 빔조향 공진기를 이용한 무선 전력전송 시스템에 따르면, 빔조향을 이용하여 수신기의 다양한 배치가 가능하다. 또한, 다수의 수신 공진기를 구비하여 선택적이고 집중적인 전력전송이 가능하다.
이제까지 본 발명에 대하여 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 따라서 본 발명의 범위는 전술한 실시예에 한정되지 않고 특허청구범위에 기재된 내용 및 그와 동등한 범위 내에 있는 다양한 실시 형태가 포함되도록 해석되어야 할 것이다.

Claims (12)

  1. 설계 주파수에 따라 무선으로 전력을 송신하는 하나 이상의 소스 공진기;
    상기 소스 공진기와 마그네틱 커플링에 의해 전력을 수신하여 중계하는 하나 이상의 중계 공진기;
    상기 소스 공진기와 상기 중계 공진기로부터 마그네틱 커플링에 의해 전력을 수신하여 부하로 공급하는 복수의 수신 공진기; 및
    상기 설계 주파수에 따른 최대 효율 조건에서 상기 마그네틱 커플링에 따라 상기 소스 공진기 또는 상기 중계 공진기가 상기 수신 공진기에 마그네틱 빔을 조향하도록 상기 소스 공진기, 상기 중계 공진기 및 상기 수신 공진기 중에서 하나 이상의 공진기에 포함된 커패시터 값을 제어하는 빔조향 제어기를 포함하고,
    상기 소스 공진기와 상기 중계 공진기는 일렬로 배열되거나 평면 형태로 배열되며,
    상기 빔조향 제어기는,
    빔 조향 모드에 따른 공진기들의 커패시터 값이 저장되어 있으며 상기 수신 공진기의 위치 정보를 송신하여 그에 따라 공진기의 커패시터 값을 제어하고,
    상기 수신 공진기가 상기 소스 공진기 또는 상기 중계 공진기 중에서 빔 조향되어 전력을 최종적으로 전달받는 하나의 공진기를 선택하도록 상기 커패시터 값을 제어하며,
    상기 수신 공진기의 위치에 관한 정보를 이용하여 상기 빔조향을 위한 커패시터 값을 제어하고,
    상기 수신 공진기는,
    복수의 수신 공진기로서 상기 중계 공진기 또는 상기 소스 공진기로부터 직접적으로 전송받은 전체 전력을 상기 마그네틱 빔의 조향에 따라 복수의 수신 공진기가 서로 분할하여 전송받는 빔조향 공진기를 이용한 무선 전력전송 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 빔조향 제어기는,
    다음의 수학식을 통하여 상기 소스 공진기, 중계 공진기 및 수신 공진기에 흐르는 전류의 크기를 연산하는 자기공명 빔조향 공진기를 이용한 무선 전력전송 시스템.
    Figure 112016023269621-pat00013

    여기서, Vs는 상기 소스 공진기의 송신 전압, R1은 상기 소스 공진기 회로에 포함된 등가 저항, R2 내지 Rn-1 은 상기 중계 공진기 회로에 포함된 등가 저항, Rn 은 상기 수신 공진기 회로에 포함된 등가 저항을 나타내고, Mmn은 m번째 공진기와 n번째 공진기 사이의 상호 인덕턴스, ω는 상기 설계 주파수, RL은 상기 수신 공진기 회로에 포함된 부하를 나타내며, C1 내지 Cn은 n개의 공진기에 각각 포함된 커패시터 값, L1 내지 Ln은 n개의 공진기에 각각 포함된 인덕턴스, I1 내지 In은 n개의 공진기에 각각 흐르는 전류 값을 나타낸다.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 빔조향 제어기는,
    상기 수학식을 이용하여 다음의 최대 효율 값(η)을 연산하고, 효율이 상기 연산된 최대 효율이 되도록 유전 알고리즘(genetic algorithm)을 이용하여 상기 커패시터 값을 제어하는 자기공명 빔조향 공진기를 이용한 무선 전력전송 시스템.
    Figure 112016023269621-pat00014
  4. 제3항에 있어서,
    상기 빔조향 제어기는,
    상기 중계 공진기에 포함된 커패시터 값을 다음의 수학식 또는 유전 알고리즘(genetic algorithm)을 이용하여 하나의 커패시터 값으로 제어하는 빔조향 공진기를 이용한 무선전력전송 시스템.
    Figure 112016023269621-pat00015

    여기서, CR은 상기 중계 공진기의 커패시터 값이다.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 빔조향 제어기는,
    상기 소스 공진기의 커패시터(C1) 값을 다음의 수학식에 따라 입력 임피던스(Zin)의 허수부가 0이 되도록 제어하는 빔조향 공진기를 이용한 무선전력전송 시스템.
    Figure 112014059048713-pat00016
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 소스 공진기, 상기 중계 공진기 및 상기 수신 공진기 각각은,
    다각형 또는 원형의 폐루프 형태에 해당하는 자기공명 빔조향 공진기를 이용한 무선전력전송 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 폐루프는,
    단일 루프, 다중 루프, 스파이럴 구조 및 헬릭스 구조 중에서 적어도 하나의 구조에 해당하는 자기공명 빔조향 공진기를 이용한 무선전력전송 시스템.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제1항에서 있어서,
    상기 수신 공진기는,
    공진 주파수를 가지는 커패시터 값을 가지는 무선 전력전송 시스템.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101262641B1 (ko) * 2011-06-29 2013-05-08 엘지이노텍 주식회사 무선 전력 중계 장치 및 그 방법
KR101305833B1 (ko) * 2011-09-09 2013-09-06 엘지이노텍 주식회사 무선 전력 중계 장치 및 전송 시스템
JP2013223303A (ja) * 2012-04-13 2013-10-28 Furukawa Electric Co Ltd:The 電力伝送システム

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101262641B1 (ko) * 2011-06-29 2013-05-08 엘지이노텍 주식회사 무선 전력 중계 장치 및 그 방법
KR101305833B1 (ko) * 2011-09-09 2013-09-06 엘지이노텍 주식회사 무선 전력 중계 장치 및 전송 시스템
JP2013223303A (ja) * 2012-04-13 2013-10-28 Furukawa Electric Co Ltd:The 電力伝送システム

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