KR101786945B1 - 전력 송신 장치 및 전력 수신 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 전력 송신 장치는 송수신 코일부 간의 거리 변화에 따른 수신 전력 상태 신호를 외부로부터 획득하는 신호 처리부, 수신 전력 상태 신호에 근거하여 최대 전력 전송 성능을 갖는 주파수 대역을 선택하기 위한 변조 주파수를 생성하는 변조 제어부, 전력 신호를 생성하는 전력 신호 생성부, 전력 신호를 변조 주파수에 응답하여 변조하는 변조부, 및 변조된 전력 신호를 송신하는 송신 코일부를 포함한다. 또한, 본 발명에 따른 전력 수신 장치는 전력 신호를 수신하는 수신 코일부, 수신 코일부로부터 전력 신호를 수신하여 전력을 생성하는 전력 생성부, 및 생성된 전력의 레벨에 따른 수신 전력 상태 신호를 생성하여 수신 코일부에 대응하는 송신 코일부로 전송하는 신호 생성부를 포함한다.

Description

전력 송신 장치 및 전력 수신 장치{POWER TRANSMISSION APPARATUS AND POWER RECEPTION APPARATUS}
본 발명은 전력 전송 시스템에 관한 것으로서, 특히 전력 전송 성능이 향상된 전력 송신 장치 및 전력 수신 장치에 관한 것이다.
전력 전송 시스템은 무선 방식으로 전력을 전송하는 기술을 사용한 시스템으로, 전력을 송신하는 전력 송신 장치와 전력을 수신하는 전력 수신 장치를 포함한다. 이러한 전력 송신 장치와 전력 수신 장치 간에는 무선으로 전력을 전송하기 위해서 공진 주파수를 일치시켜 송수신한다.
전력 송신 장치와 전력 수신 장치 간에 전력 전송하기 위한 거리가 일정한 경우에는 미리 결정된 공진 주파수를 사용하여 전력을 송수신할 수 있다. 하지만, 전력 송신 장치와 전력 수신 장치는 독립된 장치로 상호 간에 전력을 전송하기 위한 거리는 일정하지 않을 수 있다. 따라서, 전력 송신 장치와 전력 수신 장치, 일예로 전력을 송수신하는 코일들 간에 전력 전송 성능이 감소되지 않기 위해 공진 주파수 특성을 거리 변화에 따라 조절해야 한다. 하지만, 기존의 전력 전송 시스템에서 전력 송신 장치와 전력 수신 장치는 거리 변화에 따라 공진 주파수를 조절하지 못한다는 문제점이 있었다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 전력 송신 장치와 전력 수신 장치 간의 거리 변화에 따라 전력 전송 성능이 감소되지 않는 전력 송신 장치 및 전력 수신 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 전력 송신 장치는 송수신 코일부 간의 거리 변화에 따른 수신 전력 상태 신호를 외부로부터 획득하는 신호 처리부, 상기 수신 전력 상태 신호에 근거하여 최대 전력 전송 성능을 갖는 주파수 대역을 선택하기 위한 변조 주파수를 생성하는 변조 제어부, 전력 신호를 생성하는 전력 신호 생성부, 상기 전력 신호를 상기 변조 주파수에 응답하여 변조하는 변조부, 및 상기 변조된 전력 신호를 송신하는 송신 코일부를 포함한다.
이 실시예에 있어서, 상기 수신 전력 상태 신호는 수신된 전력의 전압과 전류 중 하나에 대한 정보를 포함한다.
이 실시예에 있어서, 상기 변조 제어부는 상기 수신 전력 상태 제어 신호에 근거하여 최대 전력 전송 성능을 갖지 못하면, 미리 결정된 주파수 범위 내에서 순차적으로 주파수들을 선택하는 주파수 선택부, 및 상기 선택된 주파수들에 따라 상기 전력 신호의 변조를 위한 변조 주파수를 생성하는 변조 주파수 생성부를 포함한다.
이 실시예에 있어서, 상기 주파수 선택부는 상기 미리 결정된 주파수 범위 내의 모든 주파수들을 사용하여 상기 전력 신호 변조를 완료하면, 상기 미리 결정된 주파수 범위 내에서 최대 전력 전송 성능을 갖는 주파수를 전력 전송을 위한 주파수로 선택한다.
이 실시예에 있어서, 상기 신호 처리부는 상기 수신 전력 상태 신호에 따라 임피던스 값을 변경해야 하면, 미리 결정된 임피던스 값을 갖도록 임피던스 값을 변경하는 임피던스 매칭부를 더 포함한다.
본 발명의 전력 수신 장치는 전력 신호를 수신하는 수신 코일부, 상기 수신 코일부로부터 상기 전력 신호를 수신하여 전력을 생성하는 전력 생성부, 및 상기 생성된 전력의 레벨에 따른 수신 전력 상태 신호를 생성하여 상기 수신 코일부에 대응하는 송신 코일부로 전송하는 신호 생성부를 포함한다.
이 실시예에 있어서, 상기 수신 전력 상태 신호는 수신된 전력의 전압과 전류 중 하나에 대한 정보를 포함한다.
이 실시예에 있어서, 상기 생성된 전력을 소모하는 부하, 및 상기 전력 신호를 상기 부하의 전력 소모에 따른 임피던스 매칭을 통해 상기 전력 생성부로 출력하는 임피던스 매칭부를 더 포함한다.
이 실시예에 있어서, 상기 임피던스 매칭부는 상기 부하로 인가되는 과전압을 보호하기 위한 과전압 보호 회로를 포함한다.
본 발명에 의하면, 전력 송신 장치와 전력 수신 장치는 상호 간의 거리 변화에 따라 공진 주파수 변화 또는 임피던스 매칭을 함으로서 전력 전송에 따른 전송 효율을 최대화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전력 전송 시스템을 도시한 도면,
도 2는 도 1에 도시된 변조 제어부를 예시적으로 도시한 도면,
도 3은 전력 전송 시스템의 거리 변화에 따라 공진 주파수의 변화를 예시적으로 도시한 그래프,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 전송 시스템을 도시한 도면,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 전송 시스템의 거리 변화에 따라 인피던스 값의 변화를 예시적으로 도시한 그래프, 및
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전력 송신 장치와 전력 수신 장치의 전력 전송 효율을 도시한 그래프이다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기의 설명에서는 본 발명에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전력 전송 시스템을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 전력 전송 시스템(10)은 전력 전송 장치(100)와 전력 수신 장치(200)를 포함한다.
전력 송신 장치(100)는 무선 방식으로 전력을 전력 수신 장치(200)로 송신할 수 있다. 전력 송신 장치(100)는 전력 신호 생성부(110), 변조부(120), 송신 코일부(130), 신호 처리부(140), 및 변조 제어부(150)를 포함한다.
전력 신호 생성부(110)는 내부 전원 또는 연결된 전원을 통해서 전력 신호를 생성한다. 전력 신호 생성부(110)는 생성된 전력 신호를 변조부(120)로 출력한다.
변조부(120)는 전력 신호를 수신하고, 수신된 전력 신호를 입력되는 변조 주파수를 이용하여 변조한다. 여기서, 변조 주파수는 미리 결정된 주파수 대역(일예로, 100kHz-13MHz 대역) 내에 포함될 수 있다. 변조부(120)는 변조 주파수에 의해 변조된 전력 신호를 송신 코일부(130)로 출력한다.
송신 코일부(130)는 수신된 전력 신호를 전력 수신 장치(200)로 송신한다. 송신 코일부(130)는 일예로, 두 개의 코일을 포함할 수 있다. 또한, 송신 코일부(130)는 전력 수신 장치(200)로부터 수신 전력 상태 신호를 수신한다. 송신 코일부(130)는 수신 전력 상태 신호를 신호 처리부(140)로 출력한다.
신호 처리부(140)는 수신 전력 상태 신호에 근거하여 수신 전력 상태 신호를 수신할 수 있다. 수신 전력 상태 신호는 전력 수신 장치(200)에서 수신된 전력 신호로부터 획득한 전압 또는 전류에 대한 정보를 포함한다. 따라서, 신호 처리부(140)는 수신 전력 상태 신호를 신호 처리하고, 신호 처리된 수신 전력 상태 신호를 변조 제어부(150)로 출력할 수 있다.
변조 제어부(150)는 전압 정보 또는 전류 정보를 수신하면, 공진 주파수를 변경할 필요가 있는지 판단한다. 예를 들어, 변조 제어부(150)는 전압 정보를 통해 기준 전압 범위를 초과하는 전압 정보에 대해 변조 주파수의 변경을 판단할 수 있다. 또한, 변조 제어부(150)는 전류 정보를 통해 기준 전류 범위를 초과하는 전류 정보에 대해 변조 주파수의 변경을 판단할 수 있다.
변조 주파수를 변경해야 하면, 변조 제어부(150)는 변조 주파수를 변경한다. 이때, 변조 제어부(150)는 미리 설정된 주파수 대역(일예로, 100kHz-13MHz 대역) 내에서 변조 주파수를 차례로 생성한다. 변조 제어부(150)는 차례로 생성된 주파수들을 변조부(150)로 제공한다. 이를 통해 변조 제어부(150)는 미리 설정된 범위 내의 변조 주파수들로 전력 신호를 변조할 수 있다.
또한, 변조 제어부(150)는 미리 결정된 범위 내의 주파수들을 사용하여 전력 신호를 변조하도록 변조 주파수들을 생성한다. 이후, 변조 제어부(150)는 송신 코일부(110)를 통해 수신되는 수신 전력 상태 신호들을 사용하여 최대 전력 전송 성능을 갖는 변조 주파수(즉, 공진 주파수)를 선택할 수 있다. 변조 제어부(150)는 선택된 최대 전력 전송 성능을 갖는 변조 주파수를 변조부(120)로 출력한다. 이로 인해, 변조 제어부(150)는 변조부(120)를 통해 최대 전력 전송 성능을 갖는 변조 주파수로 전력 신호를 변조할 수 있다.
전력 수신 장치(200)는 전력 송신 장치(100)로부터 전력을 수신하고, 연결된 부하(load)로 전력을 제공한다. 여기서, 연결된 부하는 전력을 소모하는 기기로 모바일 기기, 가전 기기, 산업용 기기, 및 전기 자동차 등을 포함할 수 있다. 그러므로 전력 수신 장치(200)는 전력을 소모하는 기기에 연결될 수도 있고, 전력을 소모하는 기기에 포함될 수도 있다. 전력 수신 장치(200)는 수신 코일부(210), 전력 생성부(220), 신호 생성부(230), 및 부하(240)를 포함한다.
수신 코일부(210)는 수신 코일을 포함한다. 수신 코일부(210)는 전력 송신 장치(100)로부터 송신되는 전력 신호를 수신한다. 수신 코일부(210)는 전력 신호를 전력 생성부(220)로 출력한다.
전력 생성부(220)는 수신된 전력 신호를 사용하여 부하(240)로 공급되는 전력을 생성할 수 있다. 전력 생성부(220)는 수신된 전력 신호를 직류(DC: Direct Current)의 전력으로 생성한다. 전력 생성부(220)는 생성된 전력을 부하(240)로 출력한다.
신호 생성부(230)는 전력 생성부(220)에서 생성된 전력으로부터 전압 정보 또는 전류 정보를 획득할 수 있다. 여기서, 전력의 전압 정보 또는 전류 정보는 전력 송신 장치(100)에서 전력 전송을 위한 변조 주파수(즉, 공진 주파수) 설정을 위해 사용될 수 있다. 신호 생성부(240)는 수신된 전력 신호로부터 획득된 전압 정보와 전류 정보를 포함한 수신 전력 상태 신호를 생성한다. 신호 생성부(230)는 수신 전력 상태 신호를 수신 코일부(210)로 출력함으로서, 수신 코일부(210)를 통해 수신 코일부(210)에 대응되는 전력 송신 장치(100)의 송신 코일부(130)로 송신한다.
상술한, 송신 코일부(130) 또는 수신 코일부(210)(또는, 전력 송신 장치(100)와 전력 수신 장치(200)) 상호 간에는 거리(d), 즉 이격 거리가 존재한다. 즉, 전력 송신 코일부(130) 또는 수신 코일부(210)는 상호 간에 가까이 위치할 수도 있고 상대적으로 상호 간에 멀리 떨어져 위치할 수도 있다. 본 발명에서, 전력 송신 장치(100)는 전력 수신 장치(200)로 전력을 전송하기 위해 공진 특성(일예로, 공진 주파수)을 이용한다. 이를 위해, 전력 송신 장치(100)는 전송할 전력을 공진 주파수로 변조시켜 전력 수신 장치(200)로 송신할 수 있다.
본 발명에서 전력 송신 장치(100)는 전력 수신 장치로부터 수신 전력 상태 신호를 수신하면, 수신 전력 상태 신호에 근거하여 미리 설정된 주파수 범위 내에서 최대 전력 전송 성능(전력 전송 손실이 가장 작은)을 갖는 공진 주파수를 탐색한다. 따라서, 송수신 코일부(130, 210) 간의 거리(d) 변화에 따라 전력 송신 장치(100)는 전력 수신 장치(200)로 안정적인 전력 전송을 할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 변조 제어부를 예시적으로 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 변조 제어부(150)는 주파수 선택부(151), 주파수 생성부(152)를 포함한다.
주파수 선택부(151)는 신호 처리된 수신 전력 상태 신호를 수신한다. 수신 전력 상태 신호에 따라 주파수 선택부(151)는 공진 주파수를 변경할지를 판단한다. 공진 주파수를 변경해야 하면, 주파수 선택부(151)는 미리 설정된 주파수 범위 내의 변조 주파수들을 순차적으로 선택한다. 주파수 선택부(151)는 선택된 변조 주파수들에 대한 정보를 주파수 생성부(162)로 출력한다.
주파수 생성부(162)는 선택된 변조 주파수들에 대한 정보를 차례로 수신하고, 대응되는 변조 주파수들을 생성한다. 주파수 생성부(162)는 생성된 변조 주파수들을 변조부(120)로 제공한다. 이와 같이 변조부(120)로 미리 설정된 주파수 범위 내의 변조 주파수들을 제공함으로서, 전력 송신 장치(100)는 해당 주파수 범위 내의 변조 주파수들로 전력 신호를 전송할 수 있다.
변조 주파수의 변경을 통해 수신되는 수신 전력 상태 신호를 통해 주파수 선택부(161)는 최대 전력 전송 성능을 갖는 변조 주파수, 즉 공진 주파수를 전력 전송을 위한 주파수로 선택할 수 있다.
도 3은 전력 전송 시스템의 거리 변화에 따라 공진 주파수의 변화를 예시적으로 도시한 그래프이다.
도 3을 참조하면, 그래프의 가로축은 거리(m)를 나타내고, 그래프의 세로축은 주파수(일예로 공진 주파수)(MHz)를 나타낸다.
송수신 코일부(130, 210)(또는 전력 송신 장치(100)와 전력 수신 장치(200)) 간의 거리(d)가 0.6m 내지 1.0m 구간에서는 2개의 공진 주파수에서 전력 전송 효율이 최대가 된다.
또한, 거리(d)가 1.1m 이상에서는 1개의 공진 주파수에서 전력 전송 효율이 최대가 된다. 한편, 거리(d)가 1.6m 이상의 구간에서는 약 9.1MHz 대역으로 공진 주파수가 수렴된다.
일예로, 거리(d)가 0.8m인 구간은 약 8.6MHz 대역과 약 9.2MHz 대역에서 전력 전송 효율이 최대가 되고, 거리(d)가 1.2m인 구간은 약 9.8MHz 대역에서 전력 전송 효율이 최대가 된다.
이와 같이, 송수신 코일부(130, 210) 간의 거리(d)에 따라 공진 주파수는 변화함을 확인할 수 있다.
본 발명의 전력 송신 장치(100)는 거리(d)의 변화에 따라 미리 설정된 주파수 대역 내에서 최대 전력 전송 성능을 갖는 공진 주파수들을 선택하여 사용할 수 있다.
본 발명에서, 전력 송신 장치(100)의 송신 코일부(140)와 전력 수신 장치(200)의 수신 코일부(120)는 각각 두 개의 코일(일예로, 두 개의 공진체)를 포함할 수 있다. 이때, 송신 코일부(130)와 수신 코일부(210)의 거리가 가까워지면(거리(d)가 감소하면), 두 개의 전송 주파수에서 최대 전력 전송 성능을 가질 수 있다. 이는 그래프에서 거리(d))가 0.6m 내지 1.0m 구간에 해당한다.
이때, 전력 송신 장치(100)의 주파수 선택부(151)는 두 개의 주파수 중에서 하나의 주파수를 선택할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 전송 시스템을 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 전력 전송 시스템(20)은 전력 전송 장치(300)와 전력 수신 장치(400)를 포함한다. 여기서, 전력 송신 장치(300)와 전력 수신 장치(400)는 도 1의 전력 송신 장치(100)와 전력 수신 장치(200)에 비해 임피던스 매칭을 위한 임피던스 매칭부를 추가로 각각 포함한다.
전력 송신 장치(300)는 무선 방식으로 전력을 전력 수신 장치(400)로 송신할 수 있다. 전력 송신 장치(300)는 전력 신호 생성부(310), 변조부(320), 임피던스 매칭부(330), 송신 코일부(340), 신호 처리부(350), 및 변조 제어부(360)를 포함한다.
전력 신호 생성부(310)는 내부 전원 또는 연결된 전원을 통해서 전력 신호를 생성한다. 전력 신호 생성부(310)는 전력 신호를 변조부(320)로 출력한다.
변조부(320)는 전력 신호를 수신하고, 수신된 전력 신호를 입력되는 변조 주파수를 이용하여 변조한다. 여기서, 변조 주파수는 미리 결정된 주파수 대역(일예로, 100kHz-13MHz 대역) 내에 포함될 수 있다. 변조부(320)는 변조 주파수에 의해 변조된 전력 신호를 임피던스 매칭부(330)로 출력한다.
임피던스 매칭부(330)는 변조된 전력 신호를 임피던스 매칭한다. 여기서, 임피던스 매칭은 전력 송신 장치(300)와 전력 수신 장치(400)에서의 임피던스 값을 일치시키는 것을 의미한다. 일예로, 임피던스 매칭부(330)는 임피던스 값을 50옴(Ohm)을 기준으로 매칭할 수 있다. 임피던스 매칭부는 임피던스 매칭된 전력 신호를 송신 코일부(340)로 출력한다.
송신 코일부(340)는 임피던스 매칭된 전력 신호를 전력 수신 장치(400)로 송신한다. 송신 코일부(340)는 일예로, 두 개의 코일을 포함할 수 있다. 또한, 송신 코일부(340)는 전력 수신 장치(400)로부터 수신 전력 상태 신호를 수신한다. 송신 코일부(340)는 수신 전력 상태 신호를 신호 처리부(350)로 출력한다.
신호 처리부(350)는 수신 전력 상태 신호에 근거하여 수신 전력 상태 신호를 수신할 수 있다. 수신 전력 상태 신호는 전력 수신 장치(400)에서 수신된 전력 신호로부터 획득한 전압 또는 전류에 대한 정보를 포함한다. 따라서, 신호 처리부(350)는 수신 전력 상태 신호를 신호 처리하고, 신호 처리된 수신 전력 상태 신호를 임피던스 매칭부(330)와 변조 제어부(360)로 각각 출력할 수 있다.
임피던스 매칭부(330)는 수신 전력 상태 신호를 수신하면, 전력 수신 장치(400)와의 거리가 변화함을 확인할 수 있다. 따라서, 임피던스 매칭부(330)는 임피던스 값의 변경 여부를 결정한다. 일예로, 임피던스 매칭부(330)는 전압 정보를 통해 기준 전압 범위를 초과하는 전압 정보에 대해 임피던스 값의 변경을 판단할 수 있다. 또한, 임피던스 매칭부(330)는 전류 정보를 통해 기준 전류 범위를 초과하는 전류 정보에 대해 임피던스 값의 변경을 판단할 수 있다.
임피던스 값을 변경해야 하면, 임피던스 매칭부(330)는 미리 설정된 임피던스 값의 범위 내에서 임피던스 값을 순차적으로 변경한다. 임피던스 매칭부(330)는 임피던스 값의 변경을 통해 최대 전력 전송 성능을 갖는 임피던스 매칭값을 획득할 수 있다. 임피던스 매칭부(330)는 임피던스 값의 변화시키기 위한 가변 저항 등을 포함할 수 있다.
변조 제어부(360)는 전압 정보 또는 전류 정보를 수신하면, 공진 주파수를 변경할 필요가 있는지 판단한다. 예를 들어, 변조 제어부(360)는 전압 정보를 통해 기준 전압 범위를 초과하는 전압 정보에 대해 변조 주파수의 변경을 판단할 수 있다. 또한, 변조 제어부(360)는 전류 정보를 통해 기준 전류 범위를 초과하는 전류 정보에 대해 변조 주파수의 변경을 판단할 수 있다.
변조 주파수를 변경해야 하면, 변조 제어부(360)는 변조 주파수를 변경한다. 이때, 변조 제어부(360)는 미리 설정된 주파수 대역(일예로, 100kHz-13MHz 대역) 내에서 변조 주파수를 차례로 생성한다. 변조 제어부(360)는 차례로 생성된 주파수들을 변조부(320)로 제공한다. 이를 통해 변조 제어부(360)는 미리 설정된 범위 내의 변조 주파수들로 전력 신호를 변조할 수 있다.
또한, 변조 제어부(360)는 미리 결정된 범위 내의 주파수들을 사용하여 전력 신호를 변조하도록 변조 주파수들을 생성한다. 이후, 변조 제어부(360)는 송신 코일부(310)를 통해 수신되는 수신 전력 상태 신호들을 사용하여 최대 전력 전송 성능을 갖는 변조 주파수(즉, 공진 주파수)를 선택할 수 있다. 변조 제어부(360)는 선택된 최대 전력 전송 성능을 갖는 변조 주파수를 변조부(320)로 출력한다. 이로 인해, 변조 제어부(350)는 변조부(320)를 통해 최대 전력 전송 성능을 갖는 변조 주파수로 전력 신호를 변조할 수 있다. 한편, 변조 제어부(360)는 도 2에서 설명된 변조 제어부(150)와 같은 구조를 가질 수 있다.
전력 수신 장치(400)는 전력 송신 장치(300)로부터 전력을 수신하고, 연결된 부하(load)로 전력을 제공한다. 여기서, 연결된 부하는 전력을 소모하는 기기로 모바일 기기, 가전 기기, 산업용 기기, 및 전기 자동차 등을 포함할 수 있다. 그러므로 전력 수신 장치(400)는 전력을 소모하는 기기에 연결될 수도 있고, 전력을 소모하는 기기에 포함될 수도 있다. 전력 수신 장치(400)는 수신 코일부(410), 임피던스 매칭부(420), 전력 생성부(430), 신호 생성부(440), 및 부하(450)를 포함한다.
수신 코일부(410)는 수신 코일을 포함한다. 수신 코일부(410)는 전력 송신 장치(300)로부터 송신되는 전력 신호를 수신한다. 수신 코일부(410)는 전력 신호를 임피던스 매칭부(420)로 출력한다.
임피던스 매칭부(420)는 부하(450)의 전력 소모에 따라 임피던스 값을 변화시킨다. 임피던스 매칭부(420)는 임피던스 매칭된 전력 신호를 전력 생성부(430)로 출력한다. 여기서, 임피던스 매칭부(420)는 과전압으로부터 전력 수신 장치를 보호하기 위한 과전압 보호 회로(미도시)를 포함할 수도 있다. 일예로, 과전압 보호 회로는 부하(450)로 제공될 전력이 필요하지 않은 경우, 전력 송신 장치(300)로 전력 신호의 송신을 중지시키기 위해 전력 송신 장치(300)로 송신하는 전원 차단 신호를 생성할 수 있다.
전력 생성부(430)는 임피던스 매칭된 전력 신호를 사용하여 부하(450)로 공급되는 전력을 생성할 수 있다. 전력 생성부(430)는 임피던스 매칭된 전력 신호를 직류(DC: Direct Current)의 전력으로 생성한다. 전력 생성부(430)는 생성된 전력을 부하(450)로 출력한다.
신호 생성부(440)는 전력 생성부(430)에서 생성된 전력으로부터 전압 정보 또는 전류 정보를 획득할 수 있다. 여기서, 전력의 전압 정보 또는 전류 정보는 전력 송신 장치(300)에서 공진 주파수 또는 임피던스 매칭을 위해 사용될 수 있다. 신호 생성부(440)는 수신된 전력 신호로부터 획득된 전압 정보와 전류 정보를 포함한 수신 전력 상태 신호를 생성한다. 신호 생성부(440)는 수신 전력 상태 신호를 수신 코일부(410)로 출력함으로서, 수신 코일부(410)를 통해 수신 코일부(410)에 대응되는 전력 송신 장치(300)의 송신 코일부(340)로 송신한다.
상술한, 송신 코일부(340) 또는 수신 코일부(410)(또는, 전력 송신 장치(300)와 전력 수신 장치(400)) 상호 간에는 거리(d), 즉 이격 거리가 존재한다. 즉, 전력 송신 코일부(340) 또는 수신 코일부(410)는 상호 간에 가까이 위치할 수도 있고 상대적으로 상호 간에 멀리 떨어져 위치할 수도 있다. 본 발명에서, 전력 송신 장치(300)는 전력 수신 장치(400)로 전력을 전송하기 위해 공진 특성(일예로, 공진 주파수)을 이용한다. 이를 위해, 전력 송신 장치(300)는 전송할 전력을 공진 주파수로 변조시켜 전력 수신 장치(400)로 송신할 수 있다.
본 발명에서 전력 송신 장치(300)는 전력 수신 장치로부터 수신 전력 상태 신호를 수신하면, 수신 전력 상태 신호에 근거하여 미리 설정된 주파수 범위 내에서 최대 전력 전송 성능(전력 전송 손실이 가장 작은)을 갖는 공진 주파수를 탐색한다. 따라서, 송수신 코일부(340, 410) 간의 거리(d) 변화에 따라 전력 송신 장치(100)는 전력 수신 장치(200)로 안정적인 전력 전송을 할 수 있다.
또한, 본 발명의 전력 송신 장치(300)와 전력 수신 장치(400)는 거리 변화에 따라 임피던스 값도 변화될 수 있다. 따라서, 전력 송신 장치(300)와 전력 수신 장치(400)는 내부에 임피던스 매칭부(330, 420)를 각각 구비함에 따라 최대 전력 전송 성능을 갖는 임피던스 매칭을 할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 전송 시스템의 거리 변화에 따라 인피던스 값의 변화를 예시적으로 도시한 그래프이다.
도 5를 참조하면, 그래프의 가로축은 거리(cm)를 나타내고 그래프의 세로축은 임피던스 값(R)을 나타낸다.
송수신 코일부(340, 410)(또는 전력 송신 장치(300)와 전력 수신 장치(400)) 간의 거리(d)가 0cm 이면, 임피던스 값은 약 14이다. 임피던스의 단위는 반사 계수(S11)의 실수값을 나타낸다. 거리(d)가 2cm이면, 임피던스 값은 약 16이다. 이와 같이 거리(d)가 3cm이면, 임피던스 값은 약 18이고, 거리(d)가 5cm이면, 임피던스 값은 약 25이다. 또한, 거리(d)가 8cm이면, 임피던스 값은 약 32이고, 거리(d)가 10cm이면, 임피던스 값은 약 42이다.
전력 송신 장치(300)와 전력 수신 장치(400)는 일예로, 50옴(Ohm)을 기준으로 임피던스를 각각 매칭할 수 있다.
전력 송신 장치(300)의 임피던스 값은 하기의 수학식 1과 같은 관계를 갖는다.
Figure 112011056633043-pat00001
여기서,
Figure 112011056633043-pat00002
는 거리에 대응되는 상수이고, 거리에 따라 0에서 1까지 변화한다. 따라서, 거리(d)가 증가할수록
Figure 112011056633043-pat00003
는 0에 가까워진다. 이때, 전력 송신 장치(300)의 임피던스값(
Figure 112011056633043-pat00004
)은 일정한 상수에 도달한다. 하지만, 거리(d)가 감소할수록
Figure 112011056633043-pat00005
는 1에 가까워진다. 이때, 전력 송신 장치(300)의 임피던스값(
Figure 112011056633043-pat00006
)은 감소한다. 따라서, 전력 송신 장치(300)의 임피던스 매칭부(330)는 거리(d)의 변화에 따라 변화되는 임피던스값을 일정한 임피던스값을 갖도록 임피던스 매칭을 한다.
전력 수신 장치(400)는 부하(450)에서 사용되는 전류 변화에 따라 임피던스값이 변화한다. 따라서, 전력 수신 장치(400)에 포함된 임피던스 매칭부(420)는 내부에 액티브 로드(active load)를 사용하여 전류를 항상 일정하게 유지하도록 하거나, 내부에 커패시턴스값을 변경할 수 있는 소자, 일예로, 가변 용량의 다이오드(바랙터(varactor))를 사용할 수 있다.
이와 같이, 송신 코일부(340)와 수신 코일부(410)의 거리(d)에 따라 임피던스 매칭을 위한 임피던스 값은 변화함을 확인할 수 있다. 따라서, 본 발명의 전력 송신 장치(300)와 전력 수신 장치(400) 각각은 거리 변화에 따라 적절한 임피던스 매칭을 할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전력 송신 장치와 전력 수신 장치의 전력 전송 효율을 도시한 그래프이다.
도 6을 참조하면, 그래프의 가로축은 주파수, 일예로 공진 주파수를 나타내고, 그래프의 세로축은 전송 효율을 나타낸다.
전력 송신 장치(100, 300)와 전력 수신 장치(200, 400) 간의 거리(d)가 0cm일 때와 10cm일 때의 전송 효율을 각각 도시한다.
0cm의 거리(d)에서, 전력 송신 장치(100)는 9.3MHz 대역의 주파수를 사용하여 전력 신호를 변조할 수 있다. 10cm의 거리(d)에서, 전력 송신 장치(100, 300)는 9.4MHz 대역의 주파수를 사용하여 전력 신호를 변조할 수 있다.
본 발명에서 전력 송신 장치는 일정한 주파수 대역 내에서 최대 전력 전송 성능을 갖는 주파수, 일예로 공진 주파수를 사용하여 전력 신호를 송신할 수 있다.
본 발명에서는 전력 송신 장치(100, 300)는 전력 수신 장치(200, 400)로부터 거리(d)의 변화에 따른 정보를 포함한 수신 전력 상태 신호를 사용하여 최대 전력 전송 성능을 갖는 공진 주파수로 전력을 전송할 수 있다. 추가적으로, 본 발명에서는 전력 송신 장치(100, 300)와 전력 수신 장치(200, 400)는 상호 간의 거리(d)의 변화에 따라 임피던스 매칭을 할 수 있다. 따라서, 본 발명의 전력 송신 장치(100, 300)와 전력 수신 장치(200, 400)는 거리의 변화에 따라 최대 전력 전송 성능을 유지할 수 있다.
한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 상술한 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 발명의 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
10: 전력 송수신 시스템 100, 300: 전력 송신 장치
200, 400: 전력 수신 장치 110, 310: 전력 신호 생성부
120, 320: 변조부 130, 340: 송신 코일부
140, 350: 신호 처리부 150, 360: 변조 제어부
151: 주파수 선택부 152: 주파수 생성부
210, 410: 수신 코일부 220, 430: 전력 생성부
230, 340: 신호 생성부 240, 350: 부하
330, 420: 임피던스 매칭부

Claims (8)

  1. 송수신 코일부 간의 거리 변화에 따라 변화하는 수신 전력 상태 신호를 외부로부터 획득하는 신호 처리부;
    상기 거리 변화에 따른 상기 수신 전력 상태 신호의 변화에 근거하여 최대 전력 전송 성능을 갖는 주파수 대역을 선택하기 위한 변조 주파수를 생성하는 변조 제어부;
    전력 신호를 생성하는 전력 신호 생성부;
    상기 전력 신호를 상기 변조 주파수에 응답하여 변조하는 변조부; 및
    상기 변조된 전력 신호를 송신하고, 상기 수신 전력 상태 신호를 수신하는 송신 코일부를 포함하는 전력 송신 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 수신 전력 상태 신호는 수신된 전력의 전압과 전류 중 하나에 대한 정보를 포함하는 전력 송신 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 변조 제어부는
    상기 수신 전력 상태 제어 신호에 근거하여 최대 전력 전송 성능을 갖지 못하면, 미리 결정된 주파수 범위 내에서 순차적으로 주파수들을 선택하는 주파수 선택부; 및
    상기 선택된 주파수들에 따라 상기 전력 신호의 변조를 위한 변조 주파수를 생성하는 변조 주파수 생성부를 포함하는 전력 송신 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 주파수 선택부는 상기 미리 결정된 주파수 범위 내의 모든 주파수들을 사용하여 상기 전력 신호 변조를 완료하면, 상기 미리 결정된 주파수 범위 내에서 최대 전력 전송 성능을 갖는 주파수를 전력 전송을 위한 주파수로 선택하는 전력 송신 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 신호 처리부는 상기 수신 전력 상태 신호에 따라 임피던스 값을 변경해야 하면, 미리 결정된 임피던스 값을 갖도록 임피던스 값을 변경하는 임피던스 매칭부를 더 포함하는 전력 송신 장치.
  6. 전력 신호를 수신하는 수신 코일부;
    상기 수신 코일부로부터 상기 전력 신호를 수신하여 전력을 생성하는 전력 생성부; 및
    상기 생성된 전력의 레벨에 따른 수신 전력 상태 신호를 생성하여 상기 수신 코일부에 출력하는 신호 생성부를 포함하고,
    상기 수신 코일부는 상기 전력 신호를 제공한 송신 코일부와의 거리 변화에 따라 변화하는 상기 수신 전력 상태 신호를 상기 송신 코일부로 송신하는 전력 수신 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 수신 전력 상태 신호는 수신된 전력의 전압과 전류 중 하나에 대한 정보를 포함하는 전력 수신 장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 생성된 전력을 소모하는 부하; 및
    상기 전력 신호를 상기 부하의 전력 소모에 따른 임피던스 매칭을 통해 상기 전력 생성부로 출력하는 임피던스 매칭부를 더 포함하는 전력 수신 장치.
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