KR101718715B1 - 무선 전력 전송 시스템에서 공진 대역폭의 제어 방법 및 장치 - Google Patents

무선 전력 전송 시스템에서 공진 대역폭의 제어 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

무선 전력 전송 시스템에서 공진 대역폭의 제어 방법 및 장치가 제공된다.
일 측면에 있어서, 무선 전력 전송 시스템에서 공진 대역폭(resonance bandwidth)의 제어 장치는 전자기(electromagnetic) 에너지를 타겟 공진기로 전달(transferring)하는 소스 공진기 및 상기 소스 공진기의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth)을 설정하는 소스 공진 대역폭 설정부를 포함한다.

Description

무선 전력 전송 시스템에서 공진 대역폭의 제어 방법 및 장치{Method and Apparatus of Controlling of Resonance Bandwidth in Wireless Power Transform System}
기술 분야는 무선 전력 전송 시스템에 관한 것으로서, 구체적으로는 무선 전력이 전달(transferring)되는 소스와 타겟 사이의 공진 대역폭의 제어 방법 및 장치에 관한 것이다.
최근 들어 IT기술 발전과 함께 다양한 휴대용 전자제품이 출시되었고, 이들의 보급도 늘고 있다. 휴대용 전자제품의 특성 상, 해당 휴대용 전자제품의 배터리 성능이 중요한 문제로 대두되고 있다. 휴대용 전자제품뿐 아니라 생활가전제품에서 데이터를 무선으로 전송하는 기능이 제공되고 있으나, 전력(power)은 전력선(power line)을 통하여 제공 받는다.
최근 들어 무선으로 전력을 공급할 수 있는 무선 전력 전송 기술 (wireless power transmission)이 연구되고 있다. 무선 환경의 특성 상, 전원 공진기(source resonator) 및 대상 공진기(target resonator) 사이의 거리가 시간에 따라 변할 가능성이 높고, 양 공진기의 매칭(matching) 조건 역시 변할 수 있다. 본 명세서에서는 이러한 가변 상황에서 무선 전송의 효율의 높일 수 있는 새로운 방안이 제시된다.
일 측면에 있어서, 무선 전력 전송 시스템에서 공진 대역폭(resonance bandwidth)의 제어 장치는 전자기(electromagnetic) 에너지를 타겟 공진기로 전달(transferring)하는 소스 공진기 및 상기 소스 공진기의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth)을 설정하는 소스 공진 대역폭 설정부를 포함하고, 여기서 상기 소스 공진기의 공진 대역폭은 상기 타겟 공진기의 공진 대역폭 보다 넓거나 좁게 설정됨으로써, 상기 소스 공진기의 BW-factor와 상기 타겟 공진기의 BW-factor는 서로 불평형(unbalance) 관계가 유지된다.
다른 일 측면에 있어서, 무선 전력 전송 시스템에서 공진 대역폭(resonance bandwidth)의 제어 장치는 소스 공진기로부터 전자기(electromagnetic) 에너지를 수신하는 타겟 공진기 및 상기 타겟 공진기의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth)을 설정하는 타겟 공진 대역폭 설정부를 포함하고, 여기서 상기 타겟 공진기의 공진 대역폭은 상기 소스 공진기의 공진 대역폭 보다 넓거나 좁게 설정됨으로써, 상기 타겟 공진기의 BW-factor와 상기 소스 공진기의 BW-factor는 서로 불평형(unbalance) 관계가 유지된다.
또 다른 일 측면에 있어서, 무선 전력 전송 시스템에서 공진 대역폭(resonance bandwidth)의 제어 장치는 전자기(electromagnetic) 에너지를 타겟 공진기로 전달(transferring)하는 소스 공진기와, 상기 소스 공진기의 임피던스 매칭 주파수를 설정하는 소스 매칭 주파수 설정부 및 상기 타겟 공진기의 임피던스 매칭 주파수를 설정하는 타겟 매칭 주파수 설정부를 포함하고, 여기서 상기 소스 공진기의 임피던스 매칭 주파수의 대역폭은 상기 타겟 공진기의 임피던스 매칭 주파수의 대역폭 보다 넓거나 좁게 설정됨으로써, 상기 소스 공진기의 BW-factor와 상기 타겟 공진기의 BW-factor는 서로 불평형(unbalance) 관계가 유지된다.
일 측면에 있어서, 무선 전력 전송 시스템에서 공진 대역폭(resonance bandwidth)의 제어 방법은 소스 공진기의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth) 및 타겟 공진기의 공진 대역폭을 설정하는 단계 및 상기 소스 공진기와 상기 타겟 공진기 사이의 마그네틱 커플링을 통해 전자기(electromagnetic) 에너지를 상기 소스 공진기로부터 상기 타겟 공진기로 전달(transferring)하는 단계를 포함하고, 여기서, 상기 소스 공진기의 공진 대역폭은 상기 타겟 공진기의 공진 대역폭 보다 넓거나 좁게 설정됨으로써, 상기 소스 공진기의 BW-factor와 상기 타겟 공진기의 BW-factor는 서로 불평형(unbalance) 관계가 유지된다.
무선 전력 전송 시스템, 예를 들어 공진 전력 전송 시스템에서 소스 장치와 타겟 장치 사이의 거리 변화에 따른 전력 전송 효율의 변화가 감소될 수 있다. 즉, 소스 공진기의 큐-펙터와 타겟 공진기의 BW-factor가 서로 불평형(unbalance) 관계가 유지됨으로써, 전력 전송 효율이 일정하게 유지될 수 있다.
공진 임피던스 변화에 따른 전력 전송 효율의 변화가 감소될 수 있다.
또한, 부하의 임피던스 변화에 따른 전력 전송 효율의 변화가 감소될 수 있다.
도 1은 예시적인 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 나타낸다.
도 2는 무선 전력 전송 시스템에서 무선 전력 전송 효율을 측정한 예를 나타낸다.
도 3은 Unbalance BW-factor matching의 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 무선 전력 전송 효율을 측정한 다른 예를 나타낸다.
도 5는 및 도 6은 임피던스 매칭 관점에서 Unbalance BW-factor matching을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 발명의 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
<소스-타겟 구조>
도 1은 예시적인 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 나타낸다.
도 1을 참조하면, 무선 전력 전송 시스템은 소스 장치(110)와 타겟 장치(120)를 포함하는 소스-타겟 구조를 갖는다. 무선 전력 전송 시스템은 공진 대역폭(resonance bandwidth)을 제어하기 위한 장치를 포함한다. 이때, 무선 전력 전송 시스템에서 공진 대역폭(resonance bandwidth)을 제어하기 위한 장치는 소스 장치(110) 및 타겟 장치(120)에 구비될 수 있다.
소스 장치(110)는 공진 전력을 생성하고, 생성된 공진 전력을 타겟 장치(120)로 전달한다. 소스 장치(110)는 소스부(111), 제1설정부(113) 및 소스 공진기(115)를 포함한다.
타겟 장치(120)는 타겟 공진기(121), 제2 설정부(123) 및 타겟부(125)를 포함한다.
소스부(111)는 외부의 전압 공급기로부터 에너지를 수신하여 공진 전력을 발생시킨다. 소스부(111)는 외부 장치로부터 입력되는 교류 신호의 신호 레벨을 원하는 레벨로 조정하기 위한 AC-AC Converter, AC-AC Converter로부터 출력되는 교류 신호를 정류함으로써 일정 레벨의 DC 전압을 출력하는 AC-DC Converter, AC-DC Converter(320)에서 출력되는 DC 전압을 고속 스위칭함으로써 수 MHz ~ 수십MHz 대역의 AC 신호를 생성하는 DC-AC Inverter를 포함할 수 있다.
제1설정부(113)는 소스 공진기의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth) 또는 소스 공진기의 임피던스 매칭 주파수를 설정한다. 제1설정부(113)는 소스 공진 대역폭 설정부(도시 되지 않음) 또는 소스 매칭 주파수 설정부(도시 되지 않음) 중 적어도 하나를 포함한다. 소스 공진 대역폭 설정부는 소스 공진기(115)의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth)을 설정한다. 소스 매칭 주파수 설정부는 소스 공진기(115)의 임피던스 매칭 주파수를 설정한다. 이때, 소스 공진기의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth) 또는 소스 공진기의 임피던스 매칭 주파수 설정에 따라서 소스 공진기(115)의 Q-factor가 결정될 수 있다.
소스 공진기(115)는 전자기(electromagnetic) 에너지를 타겟 공진기로 전달(transferring)한다. 즉, 소스 공진기(115)는 타겟 공진기(121)와의 마그네틱 커플링(101)을 통해 공진 전력을 타겟 장치(120)로 전달한다. 이때, 소스 공진기(115)는 설정된 공진 대역폭 내에서 공진한다.
타겟 공진기(121)는 소스 공진기(115)로부터 전자기(electromagnetic) 에너지를 수신한다. 이때, 타겟 공진기(121)는 설정된 공진 대역폭 내에서 공진한다.
제2 설정부(123)는 타겟 공진기(121)의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth) 또는 타겟 공진기(121)의 임피던스 매칭 주파수 중 적어도 하나를 설정한다. 제2 설정부(123)는 타겟 공진 대역폭 설정부(도시 되지 않음) 또는 타겟 매칭 주파수 설정부(도시 되지 않음) 중 적어도 하나를 포함한다. 타겟 공진 대역폭 설정부는 타겟 공진기(121)의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth)을 설정한다. 타겟 매칭 주파수 설정부는 타겟 공진기(121)의 임피던스 매칭 주파수를 설정한다. 이때, 타겟 공진기(121)의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth) 또는 타겟 공진기(121)의 임피던스 매칭 주파수 설정에 따라서 타겟 공진기(121)의 Q-factor가 결정될 수 있다.
타겟부(125)는 수신된 공진 전력을 부하로 전달한다. 이때, 타겟부(125)는 소스 공진기(115)로부터 타겟 공진기(121)로 수신되는 AC 신호를 정류하여 DC 신호를 생성하는 AC-DC Converter와, DC 신호의 신호 레벨을 조정함으로써 정격 전압을 부하로 공급하는 DC-DC Converter를 포함할 수 있다.
소스 공진기(115) 및 타겟 공진기(121)는 헬릭스(helix) 코일 구조의 공진기 또는 스파이럴(spiral) 코일 구조의 공진기, 또는 meta-structured 공진기로 구성될 수 있다.
도 1을 참조하면, 큐-펙터의 제어 과정은, 소스 공진기(115)의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth) 및 타겟 공진기(121)의 공진 대역폭을 설정하고, 소스 공진기(115)와 타겟 공진기(121) 사이의 마그네틱 커플링을 통해 전자기(electromagnetic) 에너지를 상기 소스 공진기(115)로부터 상기 타겟 공진기(121)로 전달(transferring)하는 것을 포함한다. 이때, 소스 공진기(115)의 공진 대역폭은 타겟 공진기(121)의 공진 대역폭 보다 넓거나 좁게 설정된다.
<통신을 통한 설정 정보 공유>
제1 설정부(113) 및 제2 설정부(123)에서 공진 대역폭의 설정 정보는 통신을 통해 공유되거나, 미리 설정된 값이 사용될 수 있다. 따라서, 제1 설정부(113) 및 제2 설정부(123) 각각은 소스 공진기의 공진 대역폭에 대한 정보 또는 타겟 공진기의 공진 대역폭에 대한 정보에 기초하여, 소스 공진기의 공진 대역폭 및 타겟 공진기의 공진 대역폭을 설정할 수 있다.
일 측면에 있어서, 소스 장치(110)는 타겟 장치(120)와의 통신을 수행하기 위한 제1 통신부(도시하지 않음) 및 소스 장치(110)의 전반적인 동작을 제어하기 위한 소스 제어부(도시 되지 않음)를 더 포함할 수 있다.
제1 통신부는 타겟 장치(120)로부터 타겟 장치(120)에서 필요한 수요 전력량에 관한 정보를 수신하고, 수신된 수요 전력량에 관한 정보를 소스 제어부로 전달할 수 있다. 또한, 제1 통신부는 소스 공진기(115)의 공진 대역폭에 대한 정보 또는 소스 공진기(115)의 임피던스 매칭 주파수에 대한 정보를 타겟 장치(120)로 전송할 수 있다. 또한, 제1 통신부는 타겟 공진기(121)의 공진 대역폭에 대한 정보 또는 타겟 공진기(121)의 임피던스 매칭 주파수에 대한 정보를 수신하고, 수신된 정보를 제1 설정부(113)로 제공할 수 있다. 이때, 제1 설정부는 제1 통신부로부터 제공된 정보에 기초하여, 소스 공진기(115)의 공진 대역폭 또는 소스 공진기(115)의 임피던스 매칭 주파수를 설정할 수 있다.
소스 제어부는 타겟 장치(120)에서 필요한 수요 전력량에 관한 정보에 기초하여, 타겟 장치(120)의 수요 전력을 확인하고, 타겟 장치(120)의 수요 전력을 설정값과 비교할 수 있다. 여기서, 설정값은 예를 들어 10Watt일 수 있으며, 이에 한정되지 않는다. 이때, 소스 제어부는 타겟 장치(120)의 수요 전력이 설정값 보다 작으면 소스 공진기(115)의 큐-펙터를 제1 범위(range) 내로 설정하도록 소스 공진 대역폭 설정부를 제어할 수 있다. 또한, 소스 제어부는 타겟 장치(120)의 수요 전력이 설정값 보다 크거나 같으면 상기 소스 공진기의 큐-펙터를 제2 범위(range) 내로 설정하도록 소스 공진 대역폭 설정부를 제어할 수 있다. 여기서, 제1 범위는 예를 들어 100 이하의 값이고, 제2 범위는 예를 들어 100 내지 3000 사이의 값일 수 있다. 즉, 타겟 장치(120)로부터 높은 전력(High Power)이 요구되는 경우, 소스 공진기(115)의 큐-펙터 QS는 100 보다 큰 값으로 설정될 수 있다. 또한, 타겟 장치(120)로부터 낮은 전력(Low Power)이 요구되는 경우, 소스 공진기(115)의 큐-펙터 QS는 100보다 작은 값으로 설정될 수 있다.
또한, 일 측면에 있어서, 타겟 장치(120)는 소스 장치(110)와의 통신을 수행하기 위한 제2 통신부(도시 되지 않음) 및 타겟 장치(120)의 전반적인 동작을 제어하기 위한 타겟 제어부(도시 되지 않음)를 더 포함할 수 있다.
제2 통신부는 소스 공진기(115)의 공진 대역폭에 대한 정보를 수신하여 타겟 공진 대역폭 설정부로 제공하고, 타겟 공진기(121)의 공진 대역폭에 대한 정보를 소스 장치(110)로 전송할 수 있다. 이때, 타겟 공진 대역폭 설정부는 소스 공진기(115)의 공진 대역폭에 대한 정보에 기초하여 타겟 공진기(121)의 공진 대역폭을 설정할 수 있다.
타겟 제어부는 부하에서 필요한 전력량 또는 미리 설정된 전력량 등을 계산하고, 계산된 값을 제2 통신부를 통해 소스 장치(110)로 전송할 수 있다.
<Unbalance BW(BandWidth)-factor matching>
무선 전력 전송 시스템의 성능을 나타내는 척도는, 공진 대역폭, 무선 전력 전송의 효율, Q-factor가 있다. 여기서, 공진 대역폭, 무선 전력 전송의 효율, Q-factor 각각은 서로 상관 관계를 갖는다. 따라서, 최적의 무선 전력 전송을 위하여, 공진 대역폭, 무선 전력 전송의 효율, Q-factor 간의 trade-off가 고려되어야 한다. 도 1에 도시된 소스-타겟 구조는 공진 방식의 무선 전력 전송을 수행한다. 여기서, 공진 방식의 무선 전력 전송은 일정한 공진 주파수 대역(frequency band) 내에서 전력을 전송하는 것이다. 따라서, 안정적인 공진 전력(resonance power) 전송을 위한 공진 주파수 대역 및 공진 대역폭이 필요하다.
공진 방식의 무선 전력 전송에서, 공진 대역폭은 중요한 factor이다. 소스 공진기(115)와 타겟 공진기(121) 사이의 거리 변화, 공진 임피던스의 변화, 임피던스 미스 매칭, 반사 신호 등을 모두 고려한 Q-factor를 Qt라 할 때, Qt는 수학식 1과 같이 공진 대역폭과 반비례 관계를 갖는다.
[수학식 1]
Figure 112010027598354-pat00001
수학식 1에서, f0는 중심주파수,
Figure 112010027598354-pat00002
는 대역폭,
Figure 112010027598354-pat00003
는 공진기 사이의 반사 손실, BWS는 소스 공진기(115)의 공진 대역폭, BWD는 타겟 공진기(121)의 공진 대역폭을 나타낸다. 본 명세서에서 BW-factor는 1/ BWS 또는 1/BWD를 의미한다.
한편, 무선 전력 전송에 있어서, 무선 전력 전송의 효율 U는 수학식 1과 같이 정의될 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112010027598354-pat00004
여기서, K는 소스 공진기(115)와 타겟 공진기(121) 사이의 에너지 커플링에 대한 결합 계수,
Figure 112010027598354-pat00005
는 소스 공진기(115)에서의 반사계수,
Figure 112010027598354-pat00006
는 타겟 공진기(121)에서의 반사계수,
Figure 112010027598354-pat00007
는 공진 주파수, M은 소스 공진기(115)와 타겟 공진기(121) 사이의 상호 인덕턴스, RS는 소스 공진기(115)의 임피던스, RD는 타겟 공진기(121)의 임피던스, QS는 소스 공진기(115)의 Q-factor, QD는 타겟 공진기(121)의 Q-factor, QK는 소스 공진기(115)와 타겟 공진기(121) 사이의 에너지 커플링에 대한 Q-factor이다.
상기 수학식 1을 참조하면, Q-factor는 무선 전력 전송의 효율과 관련이 높다.
따라서, 무선 전력 전송의 효율을 높이기 위하여 Q-factor는 높은 값으로 설정된다. 이때, QS 와 QD가 각각 지나치게 높은 값으로 설정된 경우, 에너지 커플링에 대한 결합 계수 K의 변화, 소스 공진기(115)와 타겟 공진기(121) 사이의 거리 변화, 공진 임피던스의 변화, 임피던스 미스 매칭 등에 의하여 무선 전력 전송의 효율이 감소하는 현상이 발생할 수 있다.
또한, 무선 전력 전송의 효율을 높이기 위해, 소스 공진기(115)와 타겟 공진기(121) 각각의 공진 대역폭을 지나치게 좁게(narrow) 설정하면, 외부의 작은 영향에도 임피던스 미스매칭 등이 쉽게 발생할 수 있다. 임피던스 미스 매칭을 고려하면, 수학식 1은 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112010027598354-pat00008
본 발명의 실시 예에 따른 공진 대역폭의 제어 방법 및 장치는 소스 공진기(115)와 타겟 공진기(121) 간의 공진 대역폭 또는 임피던스 매칭 주파수의 대역폭을 불평형(unbalance) 관계로 유지함으로써, 결합 계수 K의 변화, 소스 공진기(115)와 타겟 공진기(121) 사이의 거리 변화, 공진 임피던스의 변화, 임피던스 미스 매칭 등에 의하여 무선 전력 전송의 효율이 감소하는 현상을 방지한다. 수학식 1 및 수학식 3에 따르면, 소스 공진기(115)와 타겟 공진기(121) 간의 공진 대역폭 또는 임피던스 매칭 주파수의 대역폭을 불평형(unbalance) 관계로 유지하면, 소스 공진기(115)의 큐-펙터와 타겟 공진기(121)의 큐-펙터는 서로 불평형(unbalance) 관계가 유지된다.
도 2는 무선 전력 전송 시스템에서 무선 전력 전송 효율을 측정한 예를 나타낸다.
도 2의 예에서, 210은 소스 공진기(115)를 통해 전송되는 무선 전력과 타겟 공진기(121)를 통해 수신되는 무선 전력의 비율
Figure 112010027598354-pat00009
을 나타낸다. 도 2에서, 220은 소스 공진기(115)를 통해 전송되는 무선 전력과 반사 전력의 비율
Figure 112010027598354-pat00010
을 나타낸다. 도 2의 예에서, 1/BWS 와 1/BWD은 동일한 값으로 설정되고, QS 와 QD는 각각 100보다 크다고 가정한다. 도 2의 예에서, 무선 전력 전송 효율은 일정하지 못하고, 201과 203에서 높고 16MHz 부근에서 낮다. 즉, 1/BWS 와 1/BWD가 동일한 값으로 설정되고, QS 와 QD가 높은 값을 갖는 경우, 소스 공진기(115)와 타겟 공진기(121) 사이의 거리 변화, 공진 임피던스의 변화 등에 의하여 무선 전력 전송 효율이 감소할 수 있다.
제1 설정부(113) 및 제2 설정부(123)는 무선 전력 전송 효율을 일정하게 유지하기 위하여, "Unbalance BW-factor matching"을 수행한다. 여기서, "Unbalance BW-factor matching"은 소스 공진기(115)의 BW-factor와 타겟 공진기(121)의 BW-factor를 서로 불평형(unbalance) 관계가 유지되도록 하는 것이다. 예를 들어, 제1 설정부(113)는 소스 공진기(115)의 공진 대역폭을 타겟 공진기(121)의 공진 대역폭 보다 넓거나 좁게 설정함으로써, "Unbalance BW-factor matching"을 수행할 수 있다. 또한, 제1 설정부(113)는 소스 공진기(115)의 임피던스 매칭 주파수의 대역폭을 타겟 공진기(121)의 임피던스 매칭 주파수의 대역폭 보다 넓거나 좁게 설정함으로써, "Unbalance BW-factor matching"을 수행할 수 있다. 마찬가지로, 제2 설정부(123)는 타겟 공진기(121)의 공진 대역폭을 소스 공진기(115)의 공진 대역폭 보다 넓거나 좁게 설정함으로써, "Unbalance BW-factor matching"을 수행할 수 있다.
"Unbalance BW-factor matching"의 구체적인 예들은 도 3을 통해 상세히 설명된다.
도 3은 Unbalance BW-factor matching의 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 3에서, 310 및 320은 각각 소스 공진기(115)의 주파수 특성 또는 타겟 공진기(121)의 주파수 특성을 나타낸다. 즉, 소스 공진기(115)의 주파수 특성이 310인 경우, 타겟 공진기(121)의 주파수 특성은 320이 된다. 또한, 소스 공진기의 주파수 특성이 320인 경우, 타겟 공진기(121)의 주파수 특성은 310이다. 도 3에서, 310 및 320은 대역 통과 특성(Band-Pass characteristic)을 갖는다. 한편, 1/BWS 와 1/BWD은 수학식 4 또는 수학식 5와 같이 정의될 수 있다.
[수학식 4]
1/BWS = 1/(f2-f1) and 1/BWD = 1/(f4-f3)
수학식 4에서, fc는 소스 공진기(115)의 공진 대역폭의 중심 주파수, f1 및 f2는 각각 fc에서의 크기(amplitude)(311)의 -3dB ~ -10dB가 되는 두 개의 주파수일 수 있다. f3 및 f4는 각각 fc에서의 크기(amplitude)(321)의 -3dB ~ -10dB가 되는 두 개의 주파수일 수 있다. 수학식 4에 의하면, 소스 공진기(115)의 공진 대역폭은 f2-f1이다. 수학식 4에 의하면, 타겟 공진기(121)의 공진 대역폭은 f4-f3이다. 한편, 소스 장치(110)와 타겟 장치(120)는 공진 대역폭 내에서 통신을 수행할 수 있다. 이때, 통신을 수행하기 위한 대역폭은 fc에서의 크기(amplitude)(311)의 -3dB가 되는 두 개의 주파수로 결정될 수 있다. 이때, 통신을 수행하기 위한 대역폭은 fc에서의 크기(amplitude)(311)의 -3dB가 되는 두 개의 주파수로 설정하고, 공진 대역폭은 fc에서의 크기(amplitude)(311)의 -10dB가 되는 두 개의 주파수로 결정될 수 있다. 즉, 소스-타겟 구조는 통신을 수행하기 위한 대역폭은 넓게 설정하고, 공진 전력을 송수신하기 위한 공진 대역폭은 좁게 설정함으로써, 통신 및 전력 전달을 효율적으로 수행할 수 있다.
[수학식 5]
1/BWS = 1/(f4-f3) and 1/BWD = 1/(f2-f1)
수학식 5에 의하면, 소스 공진기(115)의 공진 대역폭은 f4-f3이고, 타겟 공진기(121)의 공진 대역폭 f2-f1이다.
한편, 도 3에서 f4-f3은 f2-f1보다 1.1배 이상 큰 값이라 가정한다. 따라서, 제1 설정부(113)는 소스 공진기(115)의 공진 대역폭 또는 임피던스 매칭 주파수의 대역폭을 중심 주파수 fc를 기준으로 f2-f1 또는 f4-f3으로 설정할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 1/BWS 와 1/BWD를 서로 불평형(unbalance) 관계가 유지되도록 제어함으로써, 결합 계수 K의 변화, 소스 공진기(115)와 타겟 공진기(121) 사이의 거리 변화, 공진 임피던스의 변화, 임피던스 미스 매칭 등에 의하여 무선 전력 전송의 효율이 감소하는 현상을 방지할 수 있다. 즉, Unbalance BW-factor matching을 통하여, QS를 또는 QD를 높게 설정하는 경우에도 안정적인 공진 전력 전송이 수행될 수 있다.
도 4는 무선 전력 전송 효율을 측정한 다른 예를 나타낸다.
도 4는 1/BWS 와 1/BWD가 서로 불평형(unbalance) 관계인 경우에, 무선 전력 전송 효율을 나타낸다. 도 4에서 410은 1/BWS 와 1/BWD가 서로 불평형(unbalance) 관계인 경우에, 소스 공진기(115)를 통해 전송되는 무선 전력과 타겟 공진기(121)를 통해 수신되는 무선 전력의 비율을 나타낸다. 도 4에서 420은 소스 공진기(115)를 통해 전송되는 무선 전력과 반사 전력의 비율을 나타낸다. 도 4를 참조하면, 1/BWS 와 1/BWD가 서로 불평형(unbalance) 관계가 유지되는 경우 f1~f2 사이의 효율은 일정하게 유지됨을 알 수 있다.
도 5는 및 도 6은 임피던스 매칭 관점에서 Unbalance BW-factor matching을 설명하기 위한 도면이다.
도 5에서, 503 및 505는 소스 공진기(115)의 임피던스 매칭 범위를 나타내고, 501은 임피던스 매칭 범위의 중심값을 나타낸다. 소스 공진기(115)의 임피던스 매칭 범위가 503 및 505로 설정되면, 타겟 공진기(121)의 임피던스 매칭 범위는 소스 공진기(115)의 임피던스 매칭 범위의 1/2 이하로 설정된다. 도 5에서, 510은 타겟 공진기(121)의 임피던스 매칭 범위가 501을 기준으로 낮은 범위인 경우를 의미하고, 520은 타겟 공진기(121)의 임피던스 매칭 범위가 501을 기준으로 높은 범위인 경우를 의미한다. 타겟 공진기(121)의 임피던스 매칭 범위가 510 또는 520으로 설정되는 경우 S파라미터인 S21은 최소가 된다. 도 5에서 530은 타겟 공진기(121)의 임피던스 매칭 범위가 501의 중심 부근으로 설정된 경우를 나타낸다. 이때, 타겟 공진기(121)의 임피던스 매칭 범위가 530으로 설정되는 경우, S파라미터인 S21은 최대가 된다. 즉, 타겟 공진기(121)의 임피던스 매칭 범위가 530으로 설정되는 경우 무선 전력 전송 효율은 최대가 된다.
도 6에서 603 및 605는 타겟 공진기(121)의 임피던스 매칭 범위를 나타내고, 601은 임피던스 매칭 범위의 중심값을 나타낸다. 타겟 공진기(121)의 임피던스 매칭 범위가 603 및 605로 설정되면, 소스 공진기(115)의 임피던스 매칭 범위는 타겟 공진기(121)의 임피던스 매칭 범위의 1/2 이하로 설정된다. 도 6에서, 610은 소스 공진기(115)의 임피던스 매칭 범위가 601을 기준으로 낮은 범위인 경우를 의미하고, 620은 소스 공진기(115)의 임피던스 매칭 범위가 601을 기준으로 높은 범위인 경우를 의미한다. 소스 공진기(115)의 임피던스 매칭 범위가 610 또는 620으로 설정되는 경우 S파라미터인 S21은 최소가 된다. 도 6에서 630은 소스 공진기(115)의 임피던스 매칭 범위가 601의 중심 부근으로 설정된 경우를 나타낸다. 이때, 소스 공진기(115)의 임피던스 매칭 범위가 630으로 설정되는 경우, S파라미터인 S21은 최대가 된다. 즉, 소스 공진기(115)의 임피던스 매칭 범위가 630으로 설정되는 경우 무선 전력 전송 효율은 최대가 된다.
한편, 소스 공진기(115) 및 타겟 공진기(121) 각각은 meta-structured 공진기로 구성될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 meta-structured 공진기를 나타낸 도면이다.
도 7을 참조하면, meta-structured 공진기는 전송 선로(710) 및 커패시터(720)를 포함한다. 여기서 커패시터(720)는 전송 선로(710)의 특정 위치에 직렬로 삽입되고, 전계(electric field)는 커패시터에 갇히게 된다.
또한, 도 7에 도시된 바와 같이 meta-structured 공진기는 3차원 구조의 형태를 갖는다. 도 7에 도시된 것과 달리 공진기는 전송 선로가 x, z평면에 배치된 2차원 구조로의 구현될 수 있다.
커패시터(720)는 집중 소자(lumped element 및 분산 소자(distributed element), 예를 들어 interdigital 커패시터나 높은 유전율을 갖는 기판을 가운데다 둔 gap 커패시터 등의 형태로 전송 선로(710)에 삽입된다. 커패시터(720)가 전송 선로(710)에 삽입됨에 따라 상기 공진기는 메타물질(metamaterial)의 특성을 가질 수 있다.
여기서, 메타물질이란 자연에서 발견될 수 없는 특별한 전기적 성질을 갖는 물질로서, 인공적으로 설계된 구조를 갖는다. 자연계에 존재하는 모든 물질들의 전자기 특성은 고유의 유전율 또는 튜자율을 가지며, 대부분의 물질들은 양의 유전율 및 양의 투자율을 갖는다. 대부분의 물질들에서 전계, 자계 및 포인팅 벡터에는 오른손 법칙이 적용되므로, 이러한 물질들을 RHM(Right Handed Material)이라고 한다. 그러나, 메타물질은 1보다 작은 유전율 또는 투자율을 가진 물질로서, 유전율 또는 튜자율의 부호에 따라 ENG(epsilon negative) 물질, MNG(mu negatvive) 물질, DNG(double negative) 물질, NRI(negative refractive index) 물질, LH(left-handed) 물질 등으로 분류된다.
이 때, 집중 소자로서 삽입된 커패시터의 커패시턴스가 적절히 정해지는 경우, 상기 공진기는 메타물질의 특성을 가질 수 있다. 특히, 커패시터의 커패시턴스를 적절히 조절함으로써, 공진기는 음의 투자율을 가질 수 있으므로, 본 발명의 일실시예에 따른 공진기는 MNG 공진기로 불려질 수 있다.
상기 MNG 공진기는 전파 상수(propagation constant)가 0일 때의 주파수를 공진 주파수로 갖는 영번째 공진(Zeroth-Order Resonance) 특성을 가질 수 있다. MNG 공진기는 영번째 공진 특성을 가질 수 있으므로, 공진 주파수는 MNG 공진기의 물리적인 사이즈에 대해 독립적일 수 있다. 즉, 아래에서 다시 설명하겠지만, MNG 공진기에서 공진 주파수를 변경하기 위해서는 커패시터를 적절히 설계하는 것으로 충분하므로, MNG 공진기의 물리적인 사이즈를 변경하지 않을 수 있다.
또한, 근접 필드(near field)에서 전계는 전송 선로(710)에 삽입된 직렬 커패시터(720)에 집중되므로, 직렬 커패시터(720)로 인하여 근접 필드에서는 자계(magnetic field)가 도미넌트(dominant)해진다.
또한, MNG 공진기는 집중 소자로의 커패시터(720)을 이용하여 높은 큐-팩터(Q-Factor)를 가질 수 있으므로, 전력 전송의 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, MNG 공진기는 임피던스 매칭을 위한 매칭기(730)를 포함할 수 있다. 이 때, 매칭기(730)는 MNG 공진기와의 결합을 위해 자계의 강도를 적절히 조절 가능(tunable)하고, 매칭기(730)에 의해 MNG 공진기의 임피던스는 조절된다. 그리고, 전류는 커넥터(740)를 통하여 MNG 공진기로 유입되거나 MNG 공진기로부터 유출된다.
또한, 도 7에 명시적으로 도시되지 아니하였으나, MNG 공진기를 관통하는 마그네틱 코어가 더 포함될 수 있다. 이러한 마그네틱 코어는 전력 전송 거리를 증가시키는 기능을 수행할 수 있다.
본 발명의 MNG 공진기가 갖는 특성들에 대해서는 아래에서 자세히 설명한다.
도 8은 도 7에 도시된 공진기의 등가 회로를 나타낸 도면이다.
도 7에 도시된 공진기는 도 8에 도시된 등가 회로로 모델링될 수 있다. 도 8의 등가 회로에서 CL은 도 7의 전송 선로의 중단부에 집중 소자의 형태로 삽입된 커패시터를 나타낸다.
이 때, 도 7에 도시된 무선 전력 전송을 위한 공진기는 영번째 공진 특성을 갖는다. 즉, 전파 상수가 0인 경우, 무선 전력 전송을 위한 공진기는
Figure 112010027598354-pat00011
를 공진 주파수로 갖는다고 가정한다. 이 때, 공진 주파수
Figure 112010027598354-pat00012
는 하기 수학식 6과 같이 표현될 수 있다. 여기서, MZR은 Mu Zero Resonator를 의미한다.
[수학식 1]
Figure 112010027598354-pat00013

상기 수학식 1을 참조하면, 공진기의 공진 주파수
Figure 112010027598354-pat00014
는
Figure 112010027598354-pat00015
에 의해 결정될 수 있고, 공진 주파수
Figure 112010027598354-pat00016
와 공진기의 물리적인 사이즈는 서로 독립적일 수 있음을 알 수 있다. 따라서, 공진 주파수
Figure 112010027598354-pat00017
와 공진기의 물리적인 사이즈가 서로 독립적이므로, 공진기의 물리적인 사이즈는 충분히 작아질 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (18)

  1. 무선 전력 전송 시스템에서 공진 대역폭(resonance bandwidth)의 제어 장치에 있어서,
    전자기(electromagnetic) 에너지를 타겟 공진기로 전달(transferring)하는 소스 공진기;
    상기 소스 공진기의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth)을 설정하는 소스 공진 대역폭 설정부; 및
    타겟 장치의 수요 전력을 확인하고, 상기 타겟 장치의 수요 전력이 설정값 보다 작으면 상기 소스 공진기의 큐-펙터를 제1 범위(range) 내로 설정하도록 상기 소스 공진 대역폭 설정부를 제어하고, 상기 타겟 장치의 수요 전력이 설정값 보다 크거나 같으면 상기 소스 공진기의 큐-펙터를 제2 범위(range) 내로 설정하도록 상기 소스 공진 대역폭 설정부를 제어하는, 소스 제어부
    를 포함하고,
    상기 소스 공진기의 공진 대역폭은 상기 타겟 공진기의 공진 대역폭 보다 넓거나 좁게 설정됨으로써, 상기 소스 공진기의 BW-factor와 상기 타겟 공진기의 BW-factor는 서로 불평형(unbalance) 관계가 유지되는,
    무선 전력 전송 시스템에서 공진 대역폭의 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 소스 공진 대역폭 설정부는 상기 소스 공진기의 공진 대역폭을 중심 주파수 fc를 기준으로 f4-f3로 설정하고, 여기서 f4-f3는 상기 타겟 공진기의 공진 대역폭의 1.1배 보다 큰 값인,
    무선 전력 전송 시스템에서 공진 대역폭의 제어 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 소스 공진 대역폭 설정부는 상기 소스 공진기의 공진 대역폭을 중심 주파수 fc 를 기준으로 f2-f1로 설정하고, 여기서, f2-f1는 상기 타겟 공진기의 공진 대역폭의 1/1.1보다 작은 값인,
    무선 전력 전송 시스템에서 공진 대역폭의 제어 장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 범위는 100 이하의 값이고, 상기 제2 범위는 100 내지 3000 사이의 값인,
    무선 전력 전송 시스템에서 공진 대역폭의 제어 장치.
  6. 무선 전력 전송 시스템에서 공진 대역폭(resonance bandwidth)의 제어 장치에 있어서,
    소스 공진기로부터 전자기(electromagnetic) 에너지를 수신하는 타겟 공진기;
    상기 타겟 공진기의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth)을 설정하는 타겟 공진 대역폭 설정부; 및
    상기 소스 공진기의 공진 대역폭에 대한 정보를 수신하여 상기 타겟 공진 대역폭 설정부로 제공하고, 상기 타겟 공진기의 공진 대역폭에 대한 정보를 소스 장치로 전송하는 통신부
    를 포함하고,
    상기 타겟 공진기의 공진 대역폭은 상기 소스 공진기의 공진 대역폭 보다 넓거나 좁게 설정됨으로써, 상기 타겟 공진기의 BW-factor와 상기 소스 공진기의 BW-factor는 서로 불평형(unbalance) 관계가 유지되고,
    상기 타겟 공진 대역폭 설정부는 상기 소스 공진기의 공진 대역폭에 대한 정보에 기초하여 상기 타겟 공진기의 공진 대역폭을 설정하는,
    무선 전력 전송 시스템에서 공진 대역폭의 제어 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 타겟 공진 대역폭 설정부는 상기 타겟 공진기의 공진 대역폭을 중심 주파수 fc를 기준으로 f4-f3로 설정하고, 여기서 f4-f3은 상기 소스 공진기의 공진 대역폭의 1.1배 보다 큰 값인,
    무선 전력 전송 시스템에서 공진 대역폭의 제어 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 타겟 공진 대역폭 설정부는 상기 타겟 공진기의 공진 대역폭을 중심 주파수 fc 를 기준으로 f2-f1로 설정하고, 여기서, f2-f1는 상기 소스 공진기의 공진 대역폭의 1/1.1보다 작은 값인,
    무선 전력 전송 시스템에서 공진 대역폭의 제어 장치.
  9. 삭제
  10. 무선 전력 전송 시스템에서 공진 대역폭(resonance bandwidth)의 제어 장치에 있어서,
    전자기(electromagnetic) 에너지를 타겟 장치로 전달(transferring)하는 소스 장치;
    상기 소스 장치의 임피던스 매칭 주파수를 설정하는 소스 매칭 주파수 설정부; 및
    상기 타겟 장치의 임피던스 매칭 주파수를 설정하는 타겟 매칭 주파수 설정부를 포함하고,
    상기 소스 장치의 임피던스 매칭 주파수의 대역폭은 상기 타겟 장치의 임피던스 매칭 주파수의 대역폭 보다 넓거나 좁게 설정됨으로써, 상기 소스 장치의 BW-factor와 상기 타겟 장치의 BW-factor는 서로 불평형(unbalance) 관계가 유지되고,
    상기 소스 장치는,
    전자기(electromagnetic) 에너지를 타겟 공진기로 전달(transferring)하는 소스 공진기;
    상기 소스 공진기의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth)을 설정하는 소스 공진 대역폭 설정부; 및
    타겟 장치의 수요 전력을 확인하고, 상기 타겟 장치의 수요 전력이 설정값 보다 작으면 상기 소스 공진기의 큐-펙터를 제1 범위(range) 내로 설정하도록 상기 소스 공진 대역폭 설정부를 제어하고, 상기 타겟 장치의 수요 전력이 설정값 보다 크거나 같으면 상기 소스 공진기의 큐-펙터를 제2 범위(range) 내로 설정하도록 상기 소스 공진 대역폭 설정부를 제어하는, 소스 제어부
    를 포함하는,
    무선 전력 전송 시스템에서 공진 대역폭의 제어 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 소스 매칭 주파수 설정부는 상기 소스 장치의 임피던스 매칭 주파수의 대역폭을 중심 주파수 fc를 기준으로 f2-f1로 설정하고, 여기서 f2-f1는 상기 타겟 장치의 임피던스 매칭 주파수의 대역폭의 2배 보다 큰 값인,
    무선 전력 전송 시스템에서 공진 대역폭의 제어 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 소스 매칭 주파수 설정부는 상기 소스 장치의 임피던스 매칭 주파수의 대역폭을 중심 주파수 fc를 기준으로 f2-f1로 설정하고, 여기서, f2-f1는 상기 타겟 장치의 공진 대역폭의 1/2보다 작은 값인,
    무선 전력 전송 시스템에서 공진 대역폭의 제어 장치.
  13. 무선 전력 전송 시스템에서 큐-펙터(Q-factor)의 제어 방법에 있어서,
    소스 공진기의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth) 및 타겟 공진기의 공진 대역폭을 설정하는 것; 및
    상기 소스 공진기와 상기 타겟 공진기 사이의 마그네틱 커플링을 통해 전자기(electromagnetic) 에너지를 상기 소스 공진기로부터 상기 타겟 공진기로 전달(transferring)하는 것을 포함하고,
    상기 소스 공진기의 공진 대역폭은 상기 타겟 공진기의 공진 대역폭 보다 넓거나 좁게 설정됨으로써, 상기 소스 공진기의 BW-factor와 상기 타겟 공진기의 BW-factor는 서로 불평형(unbalance) 관계가 유지되고,
    상기 설정하는 것은,
    타겟 장치의 수요 전력을 확인하는 것; 및
    상기 타겟 장치의 수요 전력이 설정값 보다 작으면 상기 소스 공진기의 큐-펙터가 제1 범위(range) 안에 있도록 상기 소스 공진기의 공진 대역폭을 설정하고, 상기 타겟 장치의 수요 전력이 설정값 보다 크거나 같으면 상기 소스 공진기의 큐-펙터가 제2 범위(range) 안에 있도록 상기 소스 공진기의 공진 대역폭을 설정하는 것을 포함하는,
    무선 전력 전송 시스템에서 공진 대역폭의 제어 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 소스 공진기의 공진 대역폭은 중심 주파수 fc를 기준으로 f2-f1로 설정되고, 여기서 f2-f1는 상기 타겟 공진기의 공진 대역폭의 2배 보다 큰 값인,
    무선 전력 전송 시스템에서 공진 대역폭의 제어 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 소스 공진기의 공진 대역폭은 중심 주파수 fc를 기준으로 f2-f1로 설정되고, 여기서, f2-f1는 상기 타겟 공진기의 공진 대역폭의 1/2보다 작은 값인,
    무선 전력 전송 시스템에서 공진 대역폭의 제어 방법.
  16. 삭제
  17. 제13항에 있어서,
    상기 제1 범위는 100 이하의 값이고, 상기 제2 범위는 100 내지 3000 사이의 값인,
    무선 전력 전송 시스템에서 공진 대역폭의 제어 방법.
  18. 제13항에 있어서,
    상기 설정하는 것은,
    통신을 통하여, 소스 장치와 타겟 장치 간에 상기 소스 공진기의 공진 대역폭에 대한 정보 및 타겟 공진기의 공진 대역폭에 대한 정보를 공유하는 것; 및
    상기 소스 공진기의 공진 대역폭에 대한 정보 및 타겟 공진기의 공진 대역폭에 대한 정보에 기초하여 상기 소스 공진기의 공진 대역폭 및 타겟 공진기의 공진 대역폭을 설정하는 것을 포함하는,
    무선 전력 전송 시스템에서 공진 대역폭의 제어 방법.
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