KR101824929B1 - 무선 에너지 분산 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 출원 신청서에 기술된 내용은 정의된 구역의 무선 에너지 전달 분산에 대한 것이다. 에너지는 복수의 중계기, 소스 및 장비 공진자를 통해 구역에 분산될 수 있다. 구역 내 공진자는 동조할 수 있으며 구역 내 에너지 또는 자기장 분산은 장비 위치 또는 전력 요구량에 따라 환경 설정이 가능하다.
Description
다음과 같은 미국 특허 출원 또한 전체로서 참고 문헌에 포함된다. 미국 특허 출원 번호 12/789,611, 출원 일자: 2010년 5월 28일; 미국 특허 출원 번호 12/770,137, 출원 일자: 2010년 4월 29일; 미국 가출원 번호 61/173,747 출원 일자: 2009년 4월 29일; 미국 특허 출원 번호 12/767,633, 출원 일자: 2010년 4월 26일; 미국 가출원 번호 61/172,633, 출원 일자: 2009년 4월 24일; 미국 특허 출원 번호 12/759,047, 출원 일자: 2010년 4월 13일, 미국 특허 출원 번호 12/757,716, 출원 일자 2010년 4월 9일; 미국 특허 출원 번호 12/749,571, 출원 일자: 2010년 3월 30일; 미국 특허 출원 번호 12/639,489, 출원 일자: 2009년 12월 16일; 미국 특허 출원 번호 12/647,705, 출원 일자: 2009년 12월 28일, 및 미국 특허 출원 번호 12/567,716, 출원 일자: 2009년 9월 25일. 미국 특허 출원 번호 61/100,721, 출원 일자: 2008년 9월 27일. 미국 특허 출원 번호 61/108,743, 출원 일자: 2008년 10월 27일; 미국 특허 출원 번호 61/147,386, 출원 일자: 2009년 1월 26일; 미국 특허 출원 번호 61/152,086, 출원 일자: 2009년 2월 12일; 미국 특허 출원 번호 61/178,508, 출원 일자: 2009년 5월 15일; 미국 특허 출원 번호 61/182,768, 출원 일자: 2009년 6월 1일; 미국 특허 출원 번호 61/121,159, 출원 일자: 2008년 12월 9일; 미국 특허 출원 번호 61/142,977, 출원 일자: 2009년 1월 7일; 미국 특허 출원 번호 61/142,885, 출원 일자: 2009년 1월 6일; 미국 특허 출원 번호 61/142,796, 출원 일자: 2009년 1월 6일; 미국 특허 출원 번호 61/142,889, 출원 일자: 2009년 1월 6일; 미국 특허 출원 번호 61/142,880, 출원 일자: 2009년 1월 6일; 미국 특허 출원 번호 61/142,818, 출원 일자: 2009년 1월 6일; 미국 특허 출원 번호 61/142,887, 출원 일자: 2009년 1월 6일; 미국 특허 출원 번호 61/156,764, 출원 일자: 2009년 3월 2일; 미국 특허 출원 번호 61/143,058, 출원 일자: 2009년 1월 7일; 미국 특허 출원 번호 61/163,695, 출원 일자: 2009년 3월 26일; 미국 특허 출원 번호 61/172,633, 출원 일자: 2009년 4월 24일; 미국 특허 출원 번호 61/169,240, 출원 일자: 2009년 4월 14일, 미국 특허 출원 번호 61/173,747, 출원 일자: 2009년 4월 29일; 미국 특허 출원 번호 12/721,118, 출원 일자: 2010년 3월 10일; 미국 특허 출원 번호 12/705,582, 출원 일자: 2010년 2월 13일; 미국 특허 가출원 번호 61/152,390, 출원 일자: 2009년 2월 13일.
본 공개 특허 공보는 무선 에너지 전달, 방법, 시스템 및 그러한 전달을 수행하기 위한 장치, 및 애플리케이션에 관한 것이다.
관련 논문 설명:
한 구역에서 종종 위치가 이동할 수 있는 이동 중인 장비 또는 장비들로의 유선 연결을 이용한 에너지 분산은 비실용적이다. 장비 이동 및 변경으로 인해 선 꼬임, 전력 소스 개폐 등과 같은 상황이 발생할 수 있다. 보다 넓은 구역에 걸친 무선 에너지 전달은 장비가 있을 수 있는 구역 또는 지역이 장비 크기에 비해 클 수 있을 경우 어려울 수 있다. 소스 및 장비 무선 에너지 포착 모듈 간의 불일치가 크면 실용적으로 이행할 수 있게 하는 데 충분히 높은 효율성으로 장비에 충분한 에너지를 전달하는 데 어려움이 있을 수 있거나 배치가 어려울 수 있다.
따라서 무선이되 쉽게 배치하고 환경을 설정할 수 있으면서도 다수의 가정용 및 산업용 장비에 실용적으로 전력을 공급하기에 충분한 전력을 전달할 수 있는 에너지 분산 방법 및 설계에 대한 요구가 존재한다.
보다 넓은 구역으로 무선 에너지를 분산하도록 공진자 및 공진자 조립 부품을 배치시킬 수 있다. 사용할 수 있는 무선 에너지 전달 공진자 및 부품은 공동 보유한 미국 특허 공개 번호 2010/0237709, 제목 "무선 에너지 전달을 위한 공진자 배열" 미국 특허 출원 번호 12/789,611(공개 일자: 2010년 9월 23일)과 미국 특허 공개 번호 2010/0181843, 제목 "냉장고 응용 분야를 위한 무선 에너지 전달"인 미국 특허 출원 번호 12/722,050(공개 일자: 2010년 6월 22일)에 기술되어 있다. 이들 특허의 내용은 본 문서에 빠짐없이 명시되어 있는 바와 같이 전체로서 포함되어 있다.
발명의 한 측면에서 중계기 공진자는 정해진 구역의 하나 이상의 소스 공진자 주변에 위치한다. 하나 이상의 소스는 하나의 에너지 소스로 결합하여 진동 자기장을 생성하여 소스 주변의 중계기 공진자로 전달될 수 있으며, 중계기 공진자는 이 자기장을 그 주변의 다른 중계기로 전달하여 그에 따라 정해진 구역에 걸쳐 에너지를 확장할 수 있다. 구현 에너지는 10cm2 또는 2m2 이상의 구역에 걸쳐 확장될 수 있다.
여러 개의 소스를 가진 분산 시스템에서 소스의 주파수와 위상을 동기화할 수 있다.
발명의 또 다른 측면에서 분산 시스템은 동조 공진 주파수 또는 다른 매개 변수를 가질 수 있는 동조 중계기를 사용할 수 있다. 중계기의 매개 변수를 동적으로 또는 정기적으로 조정하여 정해진 구역 내에서 자기장 분산을 변경할 수 있다. 구현에서 공진자 및 시스템 구성 부품에는 통신 기능이 있어서 공진자 및 시스템 구성 부품의 동조와 매개 변수 조정을 조율하여 정해진 구역의 특정 구역으로 에너지 경로를 설정하거나 에너지를 분산할 수 있으며 또는 네트워크 라우팅 알고리즘과 기타 방법을 사용하여 계산할 수 있는 공진자의 특정 경로를 따라 에너지 경로를 설정할 수 있다.
또 다른 측면에서 시스템의 구성 부품은 타일과 같은 바닥 자재로 통합하여 실내 바닥 또는 벽 또는 천장에 분산할 수 있다.
또 하나의 추가적 측면에서 복수의 공진자 및 전력 소스와 제어 회로망을 하나의 시트로 통합할 수 있으며 원하는 규격에 맞도록 다듬거나 잘라낼 수 있다.
여러 별도로 명시하지 않는 한, 본 특허 공개에서는 무선 에너지 전달, 무선 전력 전달, 무선 송전 등과 같은 용어를 돌아가며 사용한다. 통상적 기술자는 본 애플리케이션에 기술된 광범위한 무선 시스템 설계 및 기능이 다양한 시스템 아키텍처를 지원할 수 있다는 것을 이해할 것이다.
이 공개 특허 공보에는 특정 개별 회로 구성 부품 및 정전체, 인덕터, 저항기, 2극 진공관, 변압기, 스위치 등과 같은 요소, 네트워크, 토폴로지, 회로 등과 같은 이러한 요소의 조합, 대상 전체에 걸쳐 분산된(또는 단독 집중과는 반대로 부분적으로 분산된) 정전 또는 유도 용량을 갖는 "자체 공진" 대상과 같은 고유한 특성을 갖는 대상들이 언급되어 있다. 통상적 기술자라면 회로 또는 네트워크 내에서의 다양한 구성 부품의 조정 및 제어로 해당 회로 또는 네트워크의 성능을 조정하고 그러한 조정은 일반적으로 동조, 조정, 매칭, 보정 등과 같이 기술할 수 있음을 이해하고 있을 것이다. 무선 전력 전달 시스템의 작동 지점을 동조 또는 조정하는 다른 방법을 단독으로, 또는 인덕터 및 정전체와 같은 동조용 구성품, 또는 인덕터와 정전체 조합 조정에 추가하여 사용할 수 있다. 통상적 기술자라면 본 공개 특허 공보에서 논의한 특정 토폴로지를 다양한 다른 방법으로 구현할 수 있음을 인지할 것이다.
별도로 정의하지 않는 한 본 공개 특허 공보에서 사용한 모든 기술 및 학술 용어는 본 공개 특허 공보를 소유하는 통상적 기술자가 일반적으로 이해하는 바와 동일한 의미를 갖는다. 간행물, 특허 출원, 특허, 및 기타 본 공개 특허 공보에 언급되었거나 포함된 기타 참고문헌 간에 상충이 발생할 경우, 본 명세서(정의 포함)를 우선 적용한다.
위에서 기술한 일체의 기능은 본 공개 특허 공보의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 단독 또는 조합하여 사용할 수 있다. 그 밖의 기능, 대상, 또는 본 공개 특허 공보에서 공개한 시스템 및 방법의 이점은 다음의 상세한 설명과 도면에 분명하게 나와 있다.
도 1은 무선 에너지 전달 환경 설정의 시스템 블록 도해이다.
도 2a-2e는 단순 공진자 구조의 예시적 구조 및 개략도이다.
도 3은 단일 접지 증폭기를 갖춘 무선 소스의 블록 도해이다.
도 4는 차등 증폭기를 갖춘 무선 소스의 블록 도해이다.
도 5a와 5b는 감지 회로의 블록 도해이다.
도 6a, 6b 및 6c는 무선 소스의 블록 도해이다.
도 7은 증폭기 매개 변수의 작동 주기의 효과를 보여주는 도표이다.
도 8은 스위칭 증폭기를 갖춘 무선 전력 소스를 단순화하여 나타낸 회로 도해이다.
도 9는 무선 전력 소스 매개 변수의 변경 효과를 보여주는 도표이다.
도 10은 무선 전력 소스 매개 변수의 변경 효과를 보여주는 도면이다.
도 11a, 11b 및 11c는 무선 전력 소스 매개 변수의 변경 효과를 보여주는 도면이다.
도 12는 무선 전력 소스 매개 변수의 변경 효과를 보여주는 도면이다.
도 13은 스위칭 증폭기 및 무선 전력 소스 장치를 갖춘 무선 전력 소스를 구성하는 무선 에너지 전달 시스템을 단순화하여 나타낸 회로 도해이다.
도 14는 무선 전력 소스 매개 변수의 변경 효과를 보여주는 도면이다.
도 15는 자성체 타일 간의 불규칙한 공간 배치로 인한 불균일 자기장 분산 가능성을 보여주는 공진자 도해이다.
도 16은 자성체 블록의 전파 열점을 감소시킬 수 있도록 자성체 블록에 타일을 배열한 공진자이다.
도 17a는 보다 소형의 개별 타일로 구성된 자성체 블록을 갖춘 공진자이고 17b와 17c는 열 관리에 사용되는 열 전도성 물질을 추가로 배열한 공진자이다.
도 18은 대역 내 및 대역 외 통신 채널을 갖춘 무선 에너지 전달 시스템의 블록 도해이다.
도 19a와 도 19b는 대역 외 통신 채널을 사용하여 에너지 전달 채널을 확인하는 데 사용할 수 있는 단계이다.
도 20은 다수의 도체 쉘로 구성된 도체 전선을 등각 투영도이다.
도 21은 다수의 도체 쉘로 구성된 도체 전선을 등각 투영도이다.
도 22는 단선 도체 전선용 전류 분산을 보여주는 개략도이다.
그림23은 25개의 도체 쉘로 구성된 도체 전선용 전류 분산을 보여주는 개략도이다.
도 24는 25개의 도체 쉘로 구성된 도체 전선용 전류 분산을 보여주는 개략도이다.
도 25는 직경이 동일한 단선 도체의 AC 저항 감지 회로에 대하여 최적화된 도체 쉘의 저항율이 전체적으로 1mm임을 보여주는 개략도이다.
도 26은 직경이 동일한 단선 도체의 DC 저항 감지 회로에 대한 최적화된 도체 쉘의 저항율을 보여주는 개략도이다(21.6mΩ/m).
도 27은 요소의 수는 동일하나, 쉘은 동심 주변의 두께가 균일한 (최적화된) 저항에 대하여 최적화된 도체 쉘의 저항율이 전체적으로 1mm임을 보여주는 개략도이다.
도 28a 및 도 28b는 무선 전력으로 가동되는 바닥 타일 구현 도해이다.
그림29는 무선 전력으로 가동되는 바닥 타일 구현 블록 도해이다.
도 30은 무선 전력으로 가동되는 바닥 타일 구현 도해이다.
도 31은 절단 가능한 공진자 박판 도해이다.
도 2a-2e는 단순 공진자 구조의 예시적 구조 및 개략도이다.
도 3은 단일 접지 증폭기를 갖춘 무선 소스의 블록 도해이다.
도 4는 차등 증폭기를 갖춘 무선 소스의 블록 도해이다.
도 5a와 5b는 감지 회로의 블록 도해이다.
도 6a, 6b 및 6c는 무선 소스의 블록 도해이다.
도 7은 증폭기 매개 변수의 작동 주기의 효과를 보여주는 도표이다.
도 8은 스위칭 증폭기를 갖춘 무선 전력 소스를 단순화하여 나타낸 회로 도해이다.
도 9는 무선 전력 소스 매개 변수의 변경 효과를 보여주는 도표이다.
도 10은 무선 전력 소스 매개 변수의 변경 효과를 보여주는 도면이다.
도 11a, 11b 및 11c는 무선 전력 소스 매개 변수의 변경 효과를 보여주는 도면이다.
도 12는 무선 전력 소스 매개 변수의 변경 효과를 보여주는 도면이다.
도 13은 스위칭 증폭기 및 무선 전력 소스 장치를 갖춘 무선 전력 소스를 구성하는 무선 에너지 전달 시스템을 단순화하여 나타낸 회로 도해이다.
도 14는 무선 전력 소스 매개 변수의 변경 효과를 보여주는 도면이다.
도 15는 자성체 타일 간의 불규칙한 공간 배치로 인한 불균일 자기장 분산 가능성을 보여주는 공진자 도해이다.
도 16은 자성체 블록의 전파 열점을 감소시킬 수 있도록 자성체 블록에 타일을 배열한 공진자이다.
도 17a는 보다 소형의 개별 타일로 구성된 자성체 블록을 갖춘 공진자이고 17b와 17c는 열 관리에 사용되는 열 전도성 물질을 추가로 배열한 공진자이다.
도 18은 대역 내 및 대역 외 통신 채널을 갖춘 무선 에너지 전달 시스템의 블록 도해이다.
도 19a와 도 19b는 대역 외 통신 채널을 사용하여 에너지 전달 채널을 확인하는 데 사용할 수 있는 단계이다.
도 20은 다수의 도체 쉘로 구성된 도체 전선을 등각 투영도이다.
도 21은 다수의 도체 쉘로 구성된 도체 전선을 등각 투영도이다.
도 22는 단선 도체 전선용 전류 분산을 보여주는 개략도이다.
그림23은 25개의 도체 쉘로 구성된 도체 전선용 전류 분산을 보여주는 개략도이다.
도 24는 25개의 도체 쉘로 구성된 도체 전선용 전류 분산을 보여주는 개략도이다.
도 25는 직경이 동일한 단선 도체의 AC 저항 감지 회로에 대하여 최적화된 도체 쉘의 저항율이 전체적으로 1mm임을 보여주는 개략도이다.
도 26은 직경이 동일한 단선 도체의 DC 저항 감지 회로에 대한 최적화된 도체 쉘의 저항율을 보여주는 개략도이다(21.6mΩ/m).
도 27은 요소의 수는 동일하나, 쉘은 동심 주변의 두께가 균일한 (최적화된) 저항에 대하여 최적화된 도체 쉘의 저항율이 전체적으로 1mm임을 보여주는 개략도이다.
도 28a 및 도 28b는 무선 전력으로 가동되는 바닥 타일 구현 도해이다.
그림29는 무선 전력으로 가동되는 바닥 타일 구현 블록 도해이다.
도 30은 무선 전력으로 가동되는 바닥 타일 구현 도해이다.
도 31은 절단 가능한 공진자 박판 도해이다.
위에서 설명한 바와 같이 본 공개 특허 공보는 결합된 전자기 공진자를 이용한 무선 에너지 전달에 관한 것이다. 그러나 이러한 에너지 전달은 전자기 공진자로 제한되지 않으면, 본 공개 특허 공보에서 설명한 무선 에너지 전달 시스템은 보다 일반적이고 광범위한 다양한 공진자 및 공진 대상을 이용하여 구현할 수 있다.
통상적 기술자라면 알 수 있는 바와 같이 공진자 기반 전력 전달에 대한 중요한 고려 사항에는 공진자 효율 및 공진자 결합이 포함된다. 예를 들어 미국 특허 공개 번호 2010/0237709, 제목 무선 에너지 전달을 위한 공진자 배열인 미국 특허 출원 번호 12/789,611(공개 일자: 2010년 9월 23일)과 미국 특허 공개 번호 2010/0181843, 제목 냉장고 응용 분야를 위한 무선 에너지 전달인 미국 특허 출원 번호 12/722,050(공개 일자: 2010년 6월 22일)과 결합 모드 이론(CMT), 결합 계수 및 특성치, 품질 특성치(Q-특성치라고도 함), 및 임피던스 매칭과 같은 주제에 대한 광범위한 논의가 수록되어 있으며, 본 자료에 명시한 바와 같이 본 공개 특허 공보에 그 내용 전체가 참고문헌으로 포함되어 있다.
공진자는 최소한 두 가지 다른 형태로 에너지를 저장할 수 있으며, 그 두 가지 형태 사이에서 진동하는 에너지를 저장하는 공진 구조로 정의할 수 있다. 공진 구조에는 공진(모달) 주파수, f, 및 공진(모달) 필드로 구성된 특정 진동을 갖는다. 직렬 공진 주파수, ω는 ω = 2πf, 공진 기간 T는 T = 1/f = 2π/ω로 정의할 수 있으며, 공진 파장 λ는 λ = c/f로 정의할 수 있다. 이 때, c는 관련 파동(전자기 공진자의 경우, 조명)의 속도를 나타낸다. 손실 기제, 결합 기제 또는 외부 에너지 공급이나 배출 기제가 없을 경우, 공진자 W가 저장한 에너지 총량은 고정된 상태를 유지하나 에너지 형태는 공진자가 지탱시켜 주는 두 가지 형태 사이를 진동한다. 이 때 한 형태가 최대가 되면 다른 한 형태는 최소가 되며 그 반대의 경우도 마찬가지이다.
예를 들면, 저장된 두 가지 형태의 에너지가 자기 에너지와 전기 에너지가 되도록 공진자를 구축할 수 있다. 또한, 전기장에서 저장한 전기 에너지는 우선적으로 구조물 내에 가두고 자기장이 저장한 자기 에너지는 공진자 주변 지역에 우선적으로 가두도록 공진자를 구축할 수 있다. 다시 말해서, 전체 전기 및 자기 에너지는 동량이 되나 그 위치는 다른 것이다. 이러한 구조물을 이용하여 최소한 두 개의 공진자의 공진 자기 근접장으로 최소한 두 가지 구조물 간의 에너지 교환을 중재할 수 있다. 이러한 유형의 공진자를 자기 공진자로 칭할 수 있다.
무선 송전에 사용되는 공진자의 중요한 매개 변수는 에너지 감쇠의 특징을 규정하며 공진자의 에너지 손실과 반비례하는 품질 특성치, 또는 Q- 특성치, 또는 공진자의 Q이다. 이 요소는 Q = ω*W/P로 정의할 수 있다. 이 때 P는 정상 상태에서의 시간 평균적 전력 손실을 나타낸다. 즉, Q가 높은 공진자는 상대적으로 진성 손실이 낮으며 상대적으로 장시간 에너지를 저장할 수 있다. 공진자는 진성 손실률 2Γ에서 에너지를 잃기 때문에 그 Q 또한 진성 Q로 칭하며, 공식은 Q = ω/2Γ이다. 품질 특성치는 또한 진동 기간 T의 횟수를 나타내기도 하는데, 이로 인해 공진자 내에서 에너지가 e-2π요소로 감쇠하게 된다. 품질 특성치 또는 진성 품질 특성치 또는 공진자의 Q는 오직 진성 손실 기제로 인한 것임을 유념해야 한다. 발전기 g 또는 부하 l에 연결되거나 이와 결합된 공진자의 Q는 부하 품질 특성치 또는 부하 Q라고 칭할 수 있다. 에너지 전달 시스템의 일부와는 상관없는 외부 대상이 있을 때 공진자의 Q는 "섭동 품질 특성치 " 또는 "섭동 Q"라고 할 수 있다.
일체의 근접장 부분을 통해 결합된 공진자는 상호 작용하고 에너지를 교환할 수 있다. 이러한 에너지 전달의 효율성은 공진자가 실질적으로 동일한 공진 주파수에서 작동할 경우 대폭 향상될 수 있다. 예를 들어 Q s 인 소스 공진자와 Q d 인 장치 공진자가 있다고 생각해 보자(이것만 있는 것은 아니다). Q가 높은 무선 에너지 전달 시스템은 Q가 높은 공진자를 활용할 수 있다. 각 공진자의 Q가 높을 수 있다. 공진자 Q의 기하학적 평균값인 
또한 그 대신 높을 수 있다.
결합 특성치인 k는 0≤|k|≤1 사이의 수이며, 장치 공진자를 보조 파장 거리에 배치했을 때 소스의 공진 주파수 및 장치 공진자와는 별개(또는 거의 별개)일 수 있다. 오히려 결합 특성치 k는 결합을 중재하는 필드의 물리적 감쇠 법칙을 고려할 경우 대부분 상대 기하학 및 장치 공진자 간의 거리로 결정할 수 있다. CMT에서 사용되는 결합 계수인 
는 공진 주파수는 물론 공진자 구조의 다른 속성의 강력한 함수일 수 있다. 공진자의 근접장을 이용하는 무선 에너지 전달에 응용할 때는 복사로 인한 전력 손실이 줄어들도록 공진자의 크기를 공진 파장보다 훨씬 작게하는 것이 바람직하다. 일부 구현에서 Q가 높은 공진자는 보조 파장 구조물이다. 일부 전자기 구현에서 Q가 높은 구조물은 100kHz 이상의 주파수를 갖도록 설계되었다. 기타 구현에서 공진 주파수는 1GHz 미만일 수 있다.
구현 예에서 공진자의 공진 주파수와 시스템의 작동 주파수를 낮춤으로써 이 보조 파장 공진자가 원거리 장으로 복사하는 전력을 더욱 감소시킬 수 있다. 다른 구현에서는 두 개 이상의 공진자의 원거리 장이 원거리 장에서 파괴적으로 간섭하도록 배열함으로써 원거리 장 복사를 줄일 수 있다.
무선 에너지 전달 시스템에서 공진자는 무선 에너지원, 무선 에너지 포착 장치, 중계기 또는 그 조합으로 사용될 수 있다. 구현에서 공진자는 에너지 전달, 에너지 수용 또는 에너지 계전 간을 변경시킬 수 있다. 무선 에너지 시스템에서 하나 이상의 자기 공진자를 에너지원과 결합시켜 진동 자기 근접장을 생성하도록 에너지를 공급할 수 있다. 진동 자기 근접장 내에 위치한 다른 공진자는 이러한 장을 포착하여 전기 에너지로 에너지를 전환하여 이를 통해 유용한 에너지를 무선으로 전달할 수 있게 하여 전력 소스를 공급하거나 부하를 충전하는 데 사용할 수 있다.
유용한 에너지 교환에서 소위 유용한 에너지란 허용 가능한 비율로 장비에 전력 소스를 공급하거나 충전하기 위해 장비에 전달해야 하는 에너지 또는 전력이다. 유용한 에너지 교환에 해당하는 전달 효율성은 시스템 또는 응용 장비에 따라 다를 수 있다. 예를 들면, 수 킬로와트의 전력을 전달하는 고출력 차량 충전 응용 장비는 유용한 전력량을 공급하여 전달 시스템의 다양한 부품을 과도하게 가열하지 않고 차량 배터리를 재충전하는 데 충분하도록 유용한 에너지를 교환하는 결과를 얻기 위해서 최소한 80%의 효율성을 필요로 할 수 있다. 일부 가전 제품의 경우, 유용한 에너지 교환에는 10% 이상의 일체의 에너지 전달 효율성, 또는 충전용 배터리가 최대한 충전 상태를 유지하고 장시간 동안 작동시키기 위해 허용되는 다른 일체의 전력량이 포함될 수 있다. 이식 의료 장비 제품의 경우, 유용한 에너지 교환은 환자에게는 해를 끼치지 않으면서 배터리 수명은 연장하거나 센서 또는 모니터 또는 자극 장치는 자극하는 일체의 교환이 될 수 있다. 이러한 응용 제품에서 100mW 이하의 전력이 유용할 수 있다. 분산 감지 응용 제품의 경우, 수 마이크로와트의 전력 전달이 유용할 수 있으며, 전달 효율성은 1% 훨씬 미만일 수 있다.
전력 공급 또는 재충전 제품에서 무선 에너지 전달을 위한 유용한 에너지 교환은 에너지 낭비 수준, 열 소실, 및 관련 전계 강도가 허용 한도를 벗어나지 않고 비용, 중량, 규격 등과 같은 관련 요소와 적절하게 균형을 이루는 한 효율적이거나, 고도로 효율적이거나, 충분히 효율적일 수 있다.
공진자는 소스 공진자, 장치 공진자, 1차 공진자, 2차 공진자, 중계기 공진자 등과 같이 칭할 수 있다. 구현에서 세(3) 개 이상의 공진자를 포함시킬 수 있다. 예를 들면, 단일 소스 공진자는 다수의 장치 공진자 또는 다수의 장치에 에너지를 전달할 수 있다. 에너지는 1차 장치에서 2차 장치로, 2차 장치에서 3차 장치로, 등등 계속해서 에너지를 전달할 수 있다. 여러 개의 소스가 단일 장치 또는 단일 장치 공진자에 연결된 복수의 장치나 복수의 장치 공진자에 연결된 복수의 장치에 에너지를 전달할 수 있다. 공진자는 소스, 장치로서 별도로 또는 동시에 사용될 수 있으며/있거나 한 지점의 소스에서 다른 지점의 장치로 전력을 계전시키는 데 사용할 수 있다. 중간 전자기 공진자는 무선 에너지 전달 시스템의 거리 범위를 확장시키고/시키거나 응축 자기 근접장 구역을 생성하는 데 이용할 수 있다. 여러 개의 공진자를 함께 연속적으로 연결하여, 확장된 거리에 걸쳐 광범위한 소스 및 장치와 에너지를 교환할 수 있다. 예를 들면, 소스 공진자는 다수의 중계기 공진자를 통해 장치 공진자에 전력을 전달할 수 있다. 소스에서 나온 에너지를 1차 중계기 공진자로 전달하고, 1차 중계기 공진자는 2차 중계기 공진자로 전력을 전달할 수 있으며 2차 중계기 공진자에서 3차 중계기 등으로 최종 중계기 공진자가 장치 공진자에 에너지를 전달할 때까지 계속해서 전력을 전달할 수 있다. 이 점에 있어서 무선 에너지 전달 범위 또는 거리는 중계기 공진자를 추가함으로써 확장 및/또는 맞춤화할 수 있다. 여러 개의 소스 간에 고출력 정도를 분할하여 여러 개의 장치로 전달하고 원거리 지점에서 재조합할 수 있다.
공진자는 결합 모드 이론 모델, 회로 모델, 전자기장 모델 등을 이용하여 설계할 수 있다. 공진자는 동조 특성 규격을 갖도록 설계할 수 있다. 공진자는 각기 다른 전력 수준을 취급하도록 설계할 수 있다. 구현의 예에서, 고출력 공진자는 저출력 공진자에 비해 보다 큰 도체와 보다 높은 전류 또는 전압을 가진 부품을 필요로 할 수 있다.
도 1에는 무선 에너지 전달 시스템의 환경 설정 및 배열 예시 도해가 나와 있다. 무선 에너지 전달 시스템에는 에너지원 102 및 선택적으로 하나의 센서 및 제어 단위 108과 결합된 최소한 하나의 소스 공진자(R1) 104(선택 사항 R6, 112)가 포함될 수 있다. 에너지원은 소스 공진자 104를 구동시키는 데 사용할 수 있는 전기 에너지로 전환시킬 수 있는 모든 유형의 에너지원이 될 수 있다. 에너지원은 배터리, 태양 전지판, 전기 장비, 풍력 또는 수력 터빈, 전자기 공진기, 발전기 등과 같은 것이 있다. 자기 공진자를 구동하는 데 사용되는 전기 에너지는 공진기를 통해 진동 자기장으로 변환된다. 진동 자기장은 선택에 따라 에너지 유출 110과 결합된 장치 공진기(R2) 106, (R3) 116이 될 수 있는 다른 공진기로 포착할 수 있다. 진동 필드는 무선 에너지 전달 지역을 확대하거나 맞춤식으로 정하도록 환경이 설정된 중계기 공진자(R4, R5)에 선택적으로 결합할 수 있다. 장치 공진자는 소스 공진자(들), 중계기 공진자 및 기타 장치 공진자 인근의 자기장을 포착하여 이를 에너지 유출에서 사용할 수 있는 전기 에너지로 변환할 수 있다. 에너지 유출 110은 전기 에너지를 수용하도록 설정된 전기, 전자, 기계 또는 화학적 장비일 수 있다. 중계기 공진자는 소스, 장치 및 중계기 공진자(들) 인근의 자기장을 포착하여 다른 공진자로 에너지를 전달할 수 있다.
무선 에너지 전달 시스템은 에너지원 102와 결합된 단일 소스 공진자 104와 에너지 유출 110과 결합된 단일 장치 공진자 106으로 구성될 수 있다. 구현에서 무선 에너지 전달 시스템은 하나 이상의 에너지원과 결합된 복수의 소스 공진자로 구성될 수 있으며 하나 이상의 에너지 유출과 결합된 복수의 장치 공진자로 구성될 수 있다.
구현에서 소스 공진자 104와 장치 공진자 106 간에 직접 에너지가 전달될 수 있다. 다른 구현에서는 공진자, 소스 공진자, 중계기 공진자 등, 갯수에 관계 없이 중간 공진자를 통해 하나 이상의 소스 공진자 104, 112에서 하나 이상의 장치 공진자인 106, 116으로 에너지가 전달될 수 있다. 에너지는 토큰 링, 격자망, 임시망 등과 같은 일체의 토폴로지 조합으로 배열된 하위 네트워크 118, 120을 포함할 수 있는 공진자 네트워크 또는 배열 114을 통해 에너지가 전달될 수 있다.
구현에서 무선 에너지 전달 시스템은 중앙 집중식 감지 및 제어 시스템 108을 구성할 수 있다. 구현에서 공진자, 에너지원, 에너지 유출, 네트워크 토폴로지, 작동 매개 변수 등의 배개 변수를 제어 프로세서에서 모니터링하고 조정하여 시스템의 구체적 작동 매개 변수를 충족시킬 수 있다. 중앙 제어 프로세서는 시스템의 개별 구성 부품의 매개 변수를 조정하여 전반적 에너지 전달 효율성을 최적화하고, 전달된 전력량 등을 최적화할 수 있다. 상당하게 분산된 감지 및 제어 시스템을 갖도록 다른 구현을 설계할 수 있다. 감지 및 제어는 각 공진자 또는 공진자, 에너지원, 에너지 유출 그룹 등에 통합시킬 수 있으며 그룹의 개별 구성 요소의 매개 변수를 조정하여 전달 전력을 극대화 또는 최소화시키고, 해당 그룹의 에너지 전달 효율성 등을 극대화시키도록 설정할 수 있다.
구현에서, 무선 에너지 전달 시스템의 구성 요소에는 장치, 소스, 중계기, 전력 소스, 공진자 등과 같은 기타 구성 요소와 무선 또는 유선 데이터 통신의 연결이 있을 수 있으며 분산 또는 집중식 감지 및 제어를 가능하게 하는 데 사용할 수 있는 데이터를 전송하거나 수신할 수 있다. 무선 통신 채널은 무선 에너지 전달 채널과 별개의 것이거나 동일한 것일 수 있다. 하나의 구현에서 전력 교환에 사용되는 공진자는 또한 정보 교환에도 사용될 수 있다. 경우에 따라서는 소스 또는 장치 회로의 구성 요소를 변조하고 포트 매개 변수 또는 다른 모니터링 장비의 변경을 감지하여 정보를 교환할 수 있다. 공진자는 시스템 내 다른 공진자의 반영된 임피던스에 영향을 미칠 수 있는 공진자 임피던스와 같은 공진자 매개 변수를 동조, 변경, 교류, 진동시켜 서로 신호를 보낼 수 있다. 본 공개 특허 공보에 기술된 시스템 및 방법은 무선 송전 시스템 내 공진자 간의 전력 및 통신 신호의 동시 전송을 가능하게 하거나, 각기 다른 기간 또는 각기 다른 주파수로 무선 에너지 전달 과정 중에 사용되는 동일한 자기장을 이용하여 전력 및 통신 신호를 전송할 수 있게 할 수 있다. 다른 구현에서 와이파이, 블루투스, 적외선, NFC 등과 같은 별도의 무선 통신 채널로 무선 통신이 가능해 질 수 있다.
구현에서, 무선 에너지 전달 시스템에는 복수의 공진자가 포함될 수 있으며 시스템 내 다양한 요소를 제어함으로써 전체 시스템 성능이 개선될 수 있다. 에를 들면, 저출력 요건의 장치는 고출력 요건의 장치에 전력 소스를 공급하는 고출력 소스의 공진 주파수와는 다른 공진 주파수를 동조할 수 있다. 또 다른 예를 들면, 저출력을 요하는 장치는 소스에서 저출력을 끌어 내도록 정류 회로룰 조정할 수 있다. 이런 방식으로 저출력 및 고출력 장치를 안전하게 작동시키거나 단일 고출력 소스에서 충전할 수 있다. 또한, 복수의 장치는 충전 구역에서 선입 선출, 최대 효과, 전력 보장 등과 같은 다양한 소비 제어 알고리즘에 따라 조절된 장치에 사용할 수 있는 전력을 찾을 수 있다. 전력 소비 알고리즘은 속성상 계층적이므로 특정 사용자 또는 장치 유형에 우선권을 부여하거나, 소스에서 사용할 수 있는 전력을 균일하게 분할함으로써 사용자 수에 관계 없이 사용자를 지원할 수 있다. 전력은 본 공개 특허 공보에 기술된 일체의 다중화 기법으로 분할할 수 있다.
구현에서 전자기 공진자는 형태, 구조 및 환경 설정 조합을 이용하여 실현 또는 구현할 수 있다. 전자기 공진자에는 유도 요소, 분산 유도, 또는 전체 유도와 유도의 조합 L, 및 정전 요소, 분산 정전, 또는 전체 정전과 정전의 조합 C가 포함될 수 있다. 도 2F에 정전, 유도 및 저항으로 구성된 전자기 공진자의 최소 회로 모델이 나와 있다. 공진자에는 유도 요소 238과 정전 요소 240이 포함될 수 있다. 정전체 240에 저장된 전기장 에너지와 같은 초기 에너지와 함께 제공되므로, 시스템은 정전체가 유도체 238에 저장된 자기장 에너지로 전달 에너지를 방출하면 진동하게 되고 그 다음 유도체는 정전체 240에 저장된 전기장 에너지로 에너지를 다시 전송한다. 이러한 전자기 공진자의 진성 손실에는 유도 및 정전 요소의 저항과 복사 손실로 인한 손실이 포함되며, 도 2F의 저항기 R, 242로 표현된다.
도 2A에 예시적 자기 공진자 구조를 단순화한 개략도가 나와 있다. 자기 공진자에는 도체 루프 말단에서 유도 요소 202와 정전 요소 204로 작용하는 도체 루프가 포함될 수 있다. 전자기 공진자의 유도체 202와 정전체 204는 일괄 회로 요소일 수 있거나, 유도 및 정전을 분산하여 구조물 내에서 도체가 형성되거나 형태를 갖추거나 위치를 잡는 방법을 도출할 수 있다.
예를 들면, 유도체 202는 도 2A에서와 같이 도체가 표면 구역을 폐쇄하는 형태를 갖추도록 하여 실현할 수 있다. 이러한 유형의 공진기는 정전적으로 부하된 루프 유도체라고 칭할 수 있다. 루프 또는 코일이라는 용어는 형태와 규격에 관계 없이, 또는 회전 수에 관계 없이 일반적으로 표면을 폐쇄하는 모든 도체 구조(전선, 튜브, 끈 등)를 지칭하는 데 사용할 수 있음을 유념해야 한다. 도 2A에 표시된 폐쇄된 구역은 원형이나 표면은 광범위하고 다양한 형태와 크기를 갖출 수 있으며 특정 시스템 성능 규격을 달성하도록 설계할 수 있다. 구현에서 유도 요소, 분산 유도, 네트워크, 배열, 유도체와 유도의 직렬 및 병렬 조합 등을 이용하여 유도를 실현할 수 있다. 유도는 고정적이거나 가변적일 수 있으며 임피던스 매칭 및 공진 주파수 작동 조건을 다양화하는 데 사용될 수 있다.
공진 구조물에 대하여 원하는 공진 주파수를 얻는 데 필요한 정전을 실현하기 위한 다양한 방법이 있다. 도 2A에서와 같이 축전판 204를 조성하여 활용하거나, 복수의 루프 도체에 인접한 권선 간에 정전을 분산시켜 실현할 수 있다. 정전 요소, 분산 정전, 네트워크, 배열, 정전의 직렬 및 병렬 조합 등을 이용하여 정전을 실현할 수 있다. 정전은 고정적이거나 가변적일 수 있으며 임피던스 매칭 및 공진 주파수 작동 조건을 다양화하는 데 사용될 수 있다.
자기 공진자에 사용되는 유도 요소에는 하나 이상의 루프가 포함될 수 있으며 내외부로 또는 상하로 또는 그 밖의 방향 조합으로 선회할 수 있다. 일반적으로 자기 공진자는 형태, 규격 및 회전수가 다양할 수 있으며 다양한 도체로 구성될 수 있다. 예를 들어, 도체 210은 전선, 리츠 와이어, 리본, 파이프, 전도성 잉크로 형성된 흔적, 페인트, 젤과 같은 것 또는 회로기판에 인쇄된 단일 또는 보수의 흔적일 수 있다. 도 2B에 유도 루프를 형성하는 기질 208의 흔적 패턴의 예를 보여주는 구현물이 묘사되어 있다.
구현에서 유도 요소는 크기, 형태, 두께 등에 관계 없이, 그리고 광범위한 투과성과 손실 값을 갖는 재료인 자성체를 사용하여 형성할 수 있다. 이들 자성체는 고체 블록일 수 있으며, 중공 부피를 폐쇄할 수 있고, 다수의 크기가 작은 타일형 또는 적재형 자성체로 형성할 수 있고, 높은 전도체로 만든 전도판이나 구획에 통합시킬 수 있다. 도체로 자성체 둘레를 감싸 자기장을 생성할 수 있다. 이러한 도체로 구조물의 하나 이상의 축 둘레를 감쌀 수 있다. 자성체 둘레를 병렬 또는 직렬로 조합하여, 혹은 사용자 정의 근접장 패턴을 형성하도록 변환하고/하거나 구조물의 이중 극자를 가리키도록 하여 감쌀 수 있다. 도 2C, 2D, 2E에 자성체로 구성된 공진자의 예가 묘사되어 있다. 도 2D의 공진자는 자성체 222의 중심부를 감싸 자기 이중 극자 228을 갖는 구조물이 된 도체 224로 구성되어 있으며, 이중 극자는 도체 224의 루프 축과 평행이다. 공진자는 자성체 214 둘레를 직각 방향으로 감싼 복수의 도체 루프 216, 212로 구성되어 자기 이중 극자 218, 220을 갖춘 공진자를 형성할 수 있다. 이중 극자는 도 2C에 묘사된 바와 같이 도체 구동 방식에 따라 하나 이상의 방향을 가리킬 수 있다.
전자기 공진자는 그 물리적 속성으로 결정되는 특성, 속성, 또는 공진 주파수를 가질 수 있다. 이 공진 주파수는 공진자가 공진자의 전기장 W E (W E = q2/2C, 이 때 q는 정전체 C의 충전)와 자기장 W B ,(W B = Li2/2, 이 때 i는 유도체 L을 관통하는 전류) 사이를 진동하여 에너지를 저장하는 주파수이다. 이 에너지가 교환되는 주파수는 특성 주파수, 속성 주파수, 또는 공진자의 공진 주파수라고 칭할 수 있으며 다음의 ω 공식에 따라 결정된다.
공진자의 공진 주파수는 공진자의 유도 L 및/또는 정전 C를 동조하여 변경할 수 있다. 하나의 구현에서 시스템 매개 변수는 가능한 한 최적의 작동 조건에 가깝도록 동적으로 조정 또는 변조할 수 있다. 그러나 위에서 논의한 바를 바탕으로 일부 시스템 매개 변수가 가변적이지 않거나 구성 요소가 동적 조정 능력이 없더라도 효율적인 에너지교환을 실현할 수 있다.
구현에서 공진자는 정전체 및 회로 요소 네트워크에 배열된 하나 이상의 정전체와 결합된 유도 요소를 구성할 수 있다. 구현에서 정전체 및 회로 요소 결합 네트워크를 이용하여 공진자의 하나 이상의 공진 주파수를 정의할 수 있다. 구현에서 공진자는 하나 이상의 주파수에서 공진하거나 부분적으로 공진할 수 있다.
구현에서, 무선 전력 소스는 전력 소스와 결합한 최소한 하나의 공진자 코일로 구성되며, 이 때 전력 소스는 D-등급 진폭기 또는 E-등급 진폭기 또는 그 조합과 같은 스위칭 진폭기일 수 있다. 이 경우, 공진자 코일은 전력 소스에 대한 효율적 전력 부하이다. 구현에서, 무선 전력 소스 장치는 전력 부하와 결합한 최소한 하나의 공진자 코일로 구성될 수 있으며, 전력 부하는 D-등급 정류기 또는 E-등급 정류기 또는 그 조합과 같은 스위칭 정류기일 수 있다. 이 경우, 공진자 코일은 전력 소스에 대한 효율적 전력 부하이며, 부하 임피던스는 공진자 코일로부터의 부하 작업 유출 속도와도 관련이 있다. 전력 공급 및 전력 부하 간의 송전 효율성은 전력 소스의 출력 임피던스가 부하의 입력 임피던스와 얼마나 밀접하게 일치하는가에 따라 영향을 받을 수 있다. 부하의 입력 임피던스가 전력 공급의 내부 임피던스의 복잡한 결합과 동일할 때, 전력은 최대로 가능한 효율성으로 부하에 전달될 수 있다. 최대 송전 효율성을 얻도록 전력 공급 또는 전력 부하 임피던스를 설계하는 것을 일컬어 종종 임피던스 매칭이라고 하며, 또한 시스템의 유용 전력 대 손실 전력비를 최적화라고도 한다. 임피던스 매칭은 네트워크 또는 정전체, 유도체, 변환기, 스위치, 저항기 등과 같은 일련의 요소를 추가하여 전력 공급과 전력 부하 간의 임피던스 매칭 네트워크를 형성함으로써 실행할 수 있다. 구현에서 기계적 조정 및 요소 배치 변경을 이용하여 임피던스 매칭을 달성할 수 있다. 각기 다른 부하에 있어서, 임피던스 매칭 네트워크에는 전력 공급 단말기에서 부하 및 전력 공급의 특성 임피던스가 동적 환경과 작동 시나리오의 경우에도 상호 간에 상당히 복잡한 결합 상태를 계속해서 유지하게 하도록 동적으로 조정되는 다양한 구성 요소가 포함될 수 있다.
구현에서, 임피던스 매칭은 작동 주기, 및/또는 위상, 및/또는 전력 공급의 구동 신호 주파수 동조 또는 정전체와 같이 전력 공급 내 물리적 구성 요소를 동조하여 달성할 수 있다. 이러한 동조 기제는 동조가 가능한 임피던스 매칭 네트워크를 사용하지 않고도, 또는 이를테면 보다 적은 수의 동조 가능 구성 요소를 갖는 것과 같은 단순 동조 가능 임피던스 매칭 네트워크를 통해 전력 공급 및 부하 간에 임피던스 매칭을 가능하게 할 수 있기 때문에 유리할 수 있다. 구현에서, 작동 주기, 및/또는 주파수, 및/또는 전력 공급에 전달하는 구동 신호 위상을 동조하면 보다 광범위한 동조 범위 또는 정밀성, 고출력, 고전압 및/또는 고전류 능력, 보다 빠른 전자 제어, 보다 적은 수의 외부 구성 요소 등을 갖춘 동적 임피던스 매칭 시스템을 도출할 수 있다.
일부 무선 에너지 전달 시스템에서 인덕턴스와 같은 공진자 매개 변수는 주변 사물, 온도, 방향, 다른 공진자의 갯수 및 위치 등과 같은 환경적 조건의 영향을 받을 수 있다. 공진자 작동 매개 변수를 변경하면 무선 에너지 전달에서 전달된 전력의 효율성과 같은 특정 시스템 매개 변수를 변경할 수 있다. 예를 들면, 공진자 주변에 위치한 높은 전도성 물체는 공진자의 공진 주파수를 변동시키고 다른 공진 물체로부터 이를 이조시킬 수 있다. 일부 구현에서, 반응 요소(예: 유도 요소 또는 정전 요소)를 변경함으로써 주파수를 보정하는 공진자 피드백 기제를 채용한다. 허용 가능한 매칭 조건을 얻으려면 최소한 시스템 매개 변수 일부가 동적으로 조정 또는 동조가능한 것이어야 할 수 있다. 모든 시스템 매개 변수는 동적으로 조정 또는 동조가 가능하여 최적의 작동 조건을 대략적으로 달성할 수 있다. 그러나 전체 또는 일부 시스템 매개 변수가 가변적이지 않더라도 충분히 효율적인 에너지 교환을 실현할 수 있다. 일부 예를 보면, 최소한 장치 일부를 동적으로 조정할 수 없다. 일부 예를 보면, 최소한 소스 일부를 동적으로 조정할 수 없다. 일부 예를 부면, 최소한 중간 공진자 일부는 동적으로 조정할 수 없다. 일부 예를 보면, 시스템 매개 변수 중 동적으로 조정할 수 있는 것이 아무 것도 없다.
일부 구현에서 작동 환경 또는 작동 지점이 차이가 날 경우 보완적 또는 반대되는 방법 또는 방향으로 변화하는 특성을 가진 구성 요소를 선택함으로써 구성 요소 매개 변수 변경을 완화할 수 있다. 구현에서, 정전체와 같이 온도, 전력 수준, 주파수 등으로 인한 상반된 의존성이나 매개 변수 변동을 가진 구성 요소를 갖춘 시스템을 설계할 수 있다. 일부 구현에서, 온도 함수로서의 구성 요소 값을 시스템 마이크로 제어기의 참조 도표에 저장할 수 있으며 시스템 제어 피드백 루프에 온도 센서 판독을 이용하여 구성 요소 값 변경을 유도한 온도를 보완하기 위한 다른 매개 변수를 조정할 수 있다.
일부 구현에서 구성 요소의 매개 변수 값 변동은 동조 가능 구성 요소로 구성된 능동적인 동조 회로로 보충할 수 있다. 구성 요소 및 시스템의 작동 환경과 작동 지점을 모니터링하는 회로를 설게에 통합시킬 수 있다. 모니터링 회로는 구성 요소 매개 변수 변경을 능동적으로 보완하는 데 필요한 신호를 제공할 수 있다. 예를 들면, 온도 판독을 이용하여 예상 변경 사항을 계산하거나, 이전에 측정한 값, 온도 범위에서 원하는 정전 용량을 유지하기 위해 다른 정전체로 전환하거나 정전체를 동조하여 보완하게 해주는 시스템의 정전 용량을 표시할 수 있다. 구현에서, RF 증폭기 스위칭 파형을 조정하여 시스템 내 구성 요소 값 또는 부하 변화를 보완할 수 있다. 일부 구현에서 구성 요소의 매개 변수를 냉각, 가열, 적극적 환경 조건 설정 등으로 보완할 수 있다.
매개 변수 측정 회로망은 시스템의 특정 전력, 전압 및 전류 신호를 측정하거나 모니터링할 수 있으며, 프로세서 또는 제어 회로는 이러한 측정치를 토대로 특정 설정 또는 작동 매개 변수를 조정할 수 있다. 또한 전압 및 전류 신호의 세기 및 위상, 그리고 시스템 전체에 걸친 전력 신호의 세기에 접근하여 시스템 성능을 측정하거나 모니터링할 수 있다. 본 공개 특허 공보 전반에 걸쳐 언급된 측정된 신호는 포트 매개 변수 신호 및 전압 신호, 전류 신호, 전력 신호, 온도 신호 등의 일체의 조합이 될 수 있다. 이러한 매개 변수는 아날로그 또는 디지털 기법을 사용하여 측정할 수 있으며, 표본을 추출하고 처리할 수 있고, 다수의 알려진 아날로그 및 디지털 처리 기법을 사용하여 디지털화하거나 변환될 수 있다. 구현에서, 특정 측정량의 사전 설정 값을 시스템 제어기 또는 메모리 위치에 탑재하여 다양한 피드백 및 제어 루프에 사용한다. 구현에서, 측정된 신호, 모니터링한 신호 및/또는 사전 설정 신호의 모든 조합을 피드백 회로나 시스템에 사용하여 공진자 및/또는 시스템 작동을 제어할 수 있다.
조정 알고리즘을 사용하여 주파수, Q 및/또는 자기 공진자의 임피던스를 조정할 수 있다. 이 알고리즘은 시스템의 원하는 작동 지점으로부터의 편차 정도와 관련이 있는 입력 기준 신호로 간주할 수 있으며 원하는 작동 지점 또는 지점들로 시스템을 회귀시키기 위해 시스템의 가변 또는 동조 요소를 제어하는 편차와 관련이 있는 보정 또는 제어 신호를 출력할 수 있다. 자기 공진자용 기준 신호는 공진자가 무선 송전 시스템에서 전력을 교환하거나, 시스템 작동 중 회로 밖으로 전환될 수 있을 때 얻을 수 있다. 시스템 보정은 지속적으로, 주기적으로, 아날로그 방법 등을 이용하여 디지털식으로 허용 한계값이 초과할 때 적용하거나 수행할 수 있다.
구현에서, 손실되는 외부 재료와 물체는 무선 송전 시스템 공진자의 자기 및/또는 전기 에너지를 흡수함으로써 효율성을 감소시킬 잠재성을 유발할 수 있다. 다양한 구현에서 손실되는 외부 자료 및 물체의 영향을 최소화하기 위해 공진자를 배치하고 구 효과를 최소화하기 위해 구조적 장 형상 요소(예: 전도성 구조물, 플레이트 및 전도판, 자성체 구조물, 플레이트 및 판, 및 그 조합)를 설치하여 그와 같은 영향을 완화시킬 수 있다.
공진자의 손실되는 재료의 영향을 감소시키는 한 가지 방법은 고전도체, 고자성체 또는 그 조합을 이용하여 공진장이 손실되는 물체를 피하도록 형태를 갖추게 하는 것이다. 예시적 구현에서, 고전도체 및 고자성체의 구조를 계층화하여 공진자의 전자기장이 장을 편향시켜 인근의 손실되는 물체를 피하도록 공진자 전자기장을 사용자 정의에 맞추고, 형태를 갖추고, 방향을 지시하고 방향을 재설정 하게 할 수 있다. 도 2D에 공진자가 전도판 226 아래에 있을 수 있는 손실되는 물체를 피하도록 공진자 장을 맞춤화하는 데 사용할 수 있는 자성체 아래의전도판 226을 갖춘 공진자 상면도가 나와 있다.
양호한 226 전도층 또는 전도판은 임의의 응용 제품에 대하여 가장 적절할 수 있는 구리, 은, 알루미늄과 같은 고전도성 재료 일체로 구성될 수 있다. 특정 구현에서, 양호한 전도층 또는 전도판은 공진자 작동 주파수에서 도체의 표면 깊이보다 두껍다. 전도판은 공진자 크기보다 커서 공진자의 물리적 범위를 벗어나도록 확대되는 것이 바람직하다.
전송 중인 전력량이 활성 필드 용적으로 진입할 수 있는 사람 또는 동물에게 안전 위험을 노정할 수 있는 환경과 시스템에서는 시스템에 안전 조치를 포함시킬 수 있다. 전력 수준에 특별한 안전 조치가 필요한 구현에서는 공진자의 포장, 구조 등을 자기 공진기의 도체 루프에 공간을 제공하거나 그와 떨어진 구역을 제공하도록 설계할 수 있다. 추가 보호를 위해서 Q가 높은 공진자와 전력 및 제어 회로망을 구획 안에 설치하여, 이 구획 안으로 고전압 또는 고전류를 가두어, 공진자 및 전기 부품을 기후, 습기, 모래, 먼지, 및 기타 외부 요소와 충격, 진동, 긁힘, 폭발 및 기타 기계적 충격 유형으로부터 보호할 수 있다. 이러한 구획을 마련하려면 전기 부품 및 공진자의 허용 가능 작동 온도 범위를 유지하기 위해 열 손실과 같은 다양한 요소에 주의를 기울여야 한다. 구현에서, 구획은 합성물, 플라스틱, 목재, 콘크리트 등과 같은 비손실성 자재로 지을 수 있으며 손실되는 물체로부터 공진자 부품까지 최소한의 거리를 제공하는 데 사용할 수 있다. 손실되는 물체 또는 금속 물체, 염수, 기름 등을 포함할 수 있는 환경으로부터의 최소한 분리되는 거리를 유지하면 무선 에너지 전달의 효율성을 개선할 수 있다. 구현에서, 떨어진 구역을 이용하여 공진자 또는 공진자 시스템의 동섭 Q를 증가시킬 수 있다. 구현에서 공진자의 보다 신뢰할 수 있거나 보다 일정한 작동 매개 변수에 최소 분리 거리를 제공할 수 있다.
구현에서, 공진기 및 그 각각의 센서와 제어 회로망과 다른 전자 및 제어 시스템 및 하부 시스템과의 통합 정도는 다양할 수 있다. 일부 구현에서 전력 및 제어 회로망과 장치 공진자는 전력 출력과 제어 및 진단 인터페이스를 제공하는 기존 시스템에 최소한으로 통합된 완전히 개별적인 모듈이거나 구획이다. 일부 구현에서 장치는 구획 내 공동에 공진자 및 회로 조립을 수용하도록 구성되거나, 장치 케이스 또는 구획으로 통합되어 있다.
공진자
회로망의
예
도 3과 4에 무선 에너지 전달 시스템의 예시적 소스에 대한 발전, 모니터링, 및 제어 구성 요소를 묘사한 높은 수준의 블록 도해가 나와 있다. 도 3은 반 브리지 전력 스위칭 증폭기와 관련 측정, 동조 및 제어 회로망 일부로 구성된 소스 블록 도해이다. 도 4는 전체 브리지 전력 스위칭 증폭기와 관련 측정, 동조 및 제어 회로망 일부로 구성된 소스 블록 도해이다.
도 3에 묘사된 반 브리지 시스템 토폴로지는 제어 알고리즘 328을 실행하는 처리 단위로 구성될 수 있다. 제어 알고리즘 328을 실행하는 처리 단위는 마이크로 제어기, 응용 제품 고유 회로, 필드 프로그램용 게이트 배열, 프로세서, 디지털 신호 처리기 등이 될 수 있다. 처리 단위는 단일 장치이거나 장치 네트워크일 수 있다. 제어 알고리즘은 처리 단위의 모든 부분에서 실행할 수 있다. 특정 응용 제품에 맞추어 알고리즘을 사용자 정의할 수 있으며 아날로그 및 디지털 회로와 신호 조합으로 구성될 수 있다. 표준 알고리즘은 전압 신호 및 수준, 전류 신호 및 수준, 신호 위상, 디지털 계수 설정 등을 측정하고 조정할 수 있다.
시스템은 무선 통신 회로망 312에 결합된 선택적 소스/장치 또는 소스/기타 공진자 통신 제어기 332로 구성될 수 있다. 선택적 소스/장치 또는 소스/기타 공진자 통신 제어기 332는 표준 제어 알고리즘을 실행하는 동일한 처리 단위의 일부일 수 있으며, 마이크로 제어기 302 내의 일부이거나 회로일 수 있고, 무선 송전 모듈 외부에 있을 수 있으며, 유선으로 전력 소스를 공급하거나 배터리로 전력 소스를 공급하는 응용 제품에 사용되는 통신 제어기와 상당히 유사할 수 있으나 무선 송전을 향상 또는 지원하기 위해 일부 새로운 또는 다른 기능을 포함하도록 개조된 것일 수 있다.
시스템은 최소한 두 개의 트랜지스터 게이트 드라이버 334에 결합된 PWM 발전기 306으로 구성될 수 있으며 제어 알고리즘으로 제어될 수 있다. 두 개의 트랜지스터 게이트 드라이버 334는 임피던스 매칭 네트어크 구성 요소 342를 통해 소스 공진자 코일 344를 구동하는 두 개의 전력 소스 트랜지스터 336에 직접 또는 게이트 드라이브 변환기를 통해 결합시킬 수 있다. 전력 소스 트랜지스터 336은 조정 가능 DC 전력 소스 공급 304에 결합되어 전력을 공급받을 수 있으며 조정 가능 DC 전력 소스 공급 304는 다양한 버스 전압인 Vbus로 제어할 수 있다. Vbus 제어기는 제어 알고리즘 328로 제어할 수 있으며 마이크로 제어기 302 또는 기타 통합된 회로의 일부이거나 그에 통합되어 있을 수 있다. Vbus 제어기 326은 증폭기 전력 출력과 공진자 코일 344에 전달되는 전력을 제어하는 데 사용할 수 있는 조정 가능 DC 전력 소스 공급 304의 전압 출력을 제어할 수 있다.
시스템은 예를 들면 아날로그-디지털 변환기(ADC) 314, 316과 같은 처리기 및/또는 변환기에 입력하기 전에 신호를 형성하고, 수정하고, 여과하고, 처리하고, 완충 등을 할 수 있는 신호
여과 및 완충 회로 318, 320을 비롯한 감지 및 측정 회로망으로 구성될 수 있다. ADC 314, 316과 같은 처리기와 변환기는 마이크로 제어기 302에 통합되거나 처리 핵심 330에 결합될 수 있는 별도 회로일 수 있다. 측정된 신호를 바탕으로 제어 알고리즘 328은 PWM 발전기 306, 통신 제어기 332, Vbus 제어 326, 소스 임피던스 매칭 제어기 338, 여과/완충 요소 318, 320, 변환기 314, 316, 공진자 코일 344 일체의 작동 생성, 제한, 시작, 중단, 제어, 조정 또는 수정을 할 수 있으며, 마이크로 제어기 302의 일부이거나 그에 통합되거나 별도의 회로일 수 있다. 임피던스 매칭 네트워크 342와 공진자 코일 344에는 본 공개 특허 공보에 기술된 정전체, 스위치, 유도체 등과 같이, 전기적으로 제어할 수 있거나, 가변적이거나, 동조할 수 있는 구성 요소가 포함될 수 있으며, 이들 구성 요소들에는 소스 임피던스 매칭 제어기 338에서 수신한 신호에 따라 조정한 구성 값 또는 작동 지점이 있을 수 있다. 구성 요소는 공진자에 전달되고 공진자가 전달하는 전력, 공진자의 공진 주파수, 공진자의 임피던스, 공진자의 Q 및 기타 일체의 결합 시스템 등을 비롯한 공진자의 작동 및 특성을 조정하기 위해 동조할 수 있다. 공진자는 정전적으로 부하된 루프 공진자, 자성체로 구성된 평면 공진자 또는 그 일체의 조합을 비롯하여 본 공개 특허 공보에 기술된 모든 유형 또는 구조의 공진자가 될 수 있다.
도 4에 묘사된 전체 브리지 시스템 토폴로지는 제어 알고리즘 328을 실행하는 처리 단위로 구성될 수 있다. 제어 알고리즘 328을 실행하는 처리 단위는 마이크로 제어기, 응용 제품 고유 회로, 필드 프로그램용 게이트 배열, 프로세서, 디지털 신호 처리기 등이 될 수 있다. 시스템은 무선 통신 회로망 312에 결합된 소스/장치 또는 소스/기타 공진자 통신 제어기 332로 구성될 수 있다. 소스/장치 또는 소스/기타 공진자 통신 제어기 332는 표준 제어 알고리즘을 실행하는 동일한 처리 단위의 일부일 수 있으며, 마이크로 제어기 302 내의 일부이거나 회로일 수 있고, 무선 송전 모듈 외부에 있을 수 있으며, 유선으로 전력 소스를 공급하거나 배터리로 전력 소스를 공급하는 응용 제품에 사용되는 통신 제어기와 상당히 유사할 수 있으나 무선 송전을 향상 또는 지원하기 위해 일부 새로운 또는 다른 기능을 포함하도록 개조된 것일 수 있다.
시스템은 최소한 네 개의 트랜지스터 게이트 드라이버 334에 결합된 최소한 두 개의 출력의 출력을 가진 PWM 발전기 410으로 구성될 수 있으며 트랜지스터 게이트 드라이버는 표준 제어 알고리즘으로 제어될 수 있다. 네 개의 트랜지스터 게이트 드라이버 334는 네 개의 전력 소스 트랜지스터 336에 직접 또는 임피던스 매칭 네트워크 342를 통해 소스 공진자 코일을 구동하는 게이트 드라이브 변환기를 통해 결합시킬 수 있다. 전력 소스 트랜지스터 336은 조정 가능 DC 전력 소스 공급 304에 결합되어 전력을 공급받을 수 있으며 조정 가능 DC 전력 소스 공급 304는 표준 제어 알고리즘으로 제어할 수 있는 다양한 Vbus 326으로 제어할 수 있다. Vbus 제어기 326은 증폭기 전력 출력과 공진자 코일 344에 전달되는 전력을 제어하는 데 사용할 수 있는 조정 가능 DC 전력 소스 공급 304의 전압 출력을 제어할 수 있다.
시스템은 아날로그-디지털 변환기(ADC) 314, 316과 같은 처리기 및/또는 변환기에 입력하기 전에 신호를 형성하고, 수정하고, 여과하고, 처리하고, 완충 등을 할 수 있는 신호 여과 및 완충 회로 318, 320 및 차등/단일 끝점 변환 회로망 402, 404를 비롯한 감지 및 측정 회로망으로 구성될 수 있다. ADC 314, 316과 같은 처리기와 변환기는 마이크로 제어기 302에 통합되거나 처리 핵심 330에 결합될 수 있는 별도 회로일 수 있다. 측정된 신호를 바탕으로 표준 제어 알고리즘은 PWM 발전기 410, 통신 제어기 332, Vbus 제어 326, 소스 임피던스 매칭 제어기 338, 여과/완충 요소 318, 320, 차등/단일 끝점 변환 회로망 402, 404, 변환기 314, 316, 공진자 코일 344 일체의 작동 생성, 제한, 시작, 중단, 제어, 조정 또는 수정을 할 수 있으며, 마이크로 제어기 302의 일부이거나 그에 통합되거나 별도의 회로일 수 있다.
임피던스 매칭 네트워크 342와 공진자 코일 344에는 본 공개 특허 공보에 기술된 정전체, 스위치, 유도체 등과 같이, 전기적으로 제어할 수 있거나, 가변적이거나, 동조할 수 있는 구성 요소가 포함될 수 있으며, 이들 구성 요소들에는 소스 임피던스 매칭 제어기 338에서 수신한 신호에 따라 조정한 구성 값 또는 작동 지점이 있을 수 있다. 구성 요소는 공진자에 전달되고 공진자가 전달하는 전력, 공진자의 공진 주파수, 공진자의 임피던스, 공진자의 Q 및 기타 일체의 결합 시스템 등을 비롯한 공진자의 작동 및 특성을 조정하기 위해 동조할 수 있다. 공진자는 정전적으로 부하된 루프 공진자, 자성체로 구성된 평면 공진자 또는 그 일체의 조합을 비롯하여 본 공개 특허 공보에 기술된 모든 유형 또는 구조의 공진자가 될 수 있다.
임피던스 매칭 네트워크는 정전체, 유도체, 및 본 공개 특허 공보에 기술된 구성 요소 네트워크와 같은 고정 값 구성 요소로 구성될 수 있다. 임피던스 매칭 네트워크의 부분인 A, B, C는 유도체, 정전체, 변환기, 및 본 공개 특허 공보에 기술된 바와 같이 이러한 고성 요소의 직렬 및 병렬 조합으로 구성될 수 있다. 일부 구현에서, 임피던스 매칭 네트워크 A, B, C의 일부는 비어있을 수 있다(단락). 일부 구현에서 B 부분은 유도체 및 정전체 직렬 조합으로 구성되며, C 부분은 비어 있다.
전체 브리지 토폴로지로 동일한 DC 버스 전압을 등가 반 브리지 증폭기로 사용하여 보다 높은 출력 수준에서 작동하게 할 수 있다. 도 3에서 예로 든 반 브리지 토폴로지는 단일 끝점 구동 신호를 제공하는 한편, 도 4에서 예로 든 전체 브리지 토폴로지는 소스 공진자 308에 차등 구동을 제공할 수 있다. 임피던스 매칭 토폴로지 및 구성 요소와 공진자 구조는 본 공개 특허 공보에서 논의한 바와 같이 두 가지 시스템에 대해 상이할 수 있다.
도 3과 4에서 예로 들어 묘사한 시스템에는 또한 소스 증폭기 내 마이크로 제어기를 정지시키거나 증폭기 작동을 변경시키거나 방해하는 데 사용할 수 있는 결함 감지 회로망 340이 포함될 수 있다. 이 보호 회로망은 DC 전력 소스 공급 304로부터의 증폭기 회귀 전류, 증폭기 버스 전압(Vbus), 소스 공진자 308 전체의 전압 및/또는 선택적 동조기판, 또는 시스템 구송 요소 손상을 유발할 수 있거나 원하지 않는 작동 조건을 도출할 수 있는 기타 일체의 전압 또는 전류 신호를 모니터링하기 위한 고속 비교 측정기 또는 비교 측정기로 구성될 수 있다. 바람직한 구현은 각기 다른 응용 제품과 관련된 잠재적으로 바람직하지 않은 작동 모드에 따라 다를 수 있다. 일부 구현에서는 보호 회로망을 이행하거나 회로를 이식할 수 없다. 일부 구현에서 시스템 및 구성 요소 보호는 표준 제어 알고리즘 및 기타 시스템 모니터링과 제어 회로의 일환으로 이행할 수 있다. 구현에서, 전용 결함 회로망 340에는 시스템 중단, 출력 전력 감소(예: Vbus 감소), PWM 발전기 변동, 작동 주파수 변경, 동조 요소 변경, 또는 작동 지점 모드 조정, 시스템 성능 개선 및/또는 보호 제공을 조정하기 위하여 제어 알고리즘 328이 이행할 수 있는 기타 일체의 합리적 조치를 시작할 수 있는 표준 제어 알고리즘 328에 결합된 출력(표시되지 않음)이 포함될 수 있다.
본 공개 특허 공보에 기술된 바와 같이, 무선 전력 전달 시스템의 소스는 표준 제어 알고리즘의 일부일 수 있는 시스템 제어 루프를 위한 오류 또는 제어 신호로서 소스 공진자 코일 344를 구동하는 임피던스 매칭 네트워크 342의 입력 임피던스 측정을 사용할 수 있다. 예시적 구현에서, 3가지 매개 변수의 모든 다양한 조합을 이용하여 환경 조건의 변화, 결합 변화, 장치 전력 요구량 변화, 모듈, 회로, 구성 요소 또는 하부 시스템 승능 변화, 시스템 내 소스, 장치, 또는 중계기 숫자의 증감, 사용자가 도입한 변경 등을 보완하기 위해 무선 전력 소스를 동조시킬 수 있다. 예시적 구현에서, 증폭기 작동 주기, 다양한 정전체 및 유도체와 같은 다양한 전기적 구성 요소의 구성 요소 값, 그리고 DC 버스 전압 변경을 무선 소스의 작동 지점 또는 작동 범위를 변경하고 일부 시스템 작동 값을 개선시키는 데 이용할 수 있다. 각기 다른 응용 제품에 활용하는 제어 알고리즘의 구체성은 원하는 시스템 성능 및 거동에 따라 상이할 수 있다.
본 공개 특허 공보에 기술된 바와 같이, 그리고 도 3과 4와 같이 임피던스 측정 회로망은 2채널 동시 샘플링 ADC를 사용하여 이행할 수 있으며 이 ADC는 마이크로 제어기 칩에 통합되거나 별도 회로의 일부일 수 있다. 소스 공진자의 임피던스 매칭 네트워크 및/또는 소스 공진자에 입력 시 전압 및 전류 신호를 동시에 샘플링함으로써 전류 및 전압 신호의 위상과 세기 정보를 도출할 수 있으며 알려진 신호 처리 기법을 사용하여 처리하여 복잡한 임피던스 매개 변수를 도출할 수 있다. 일부 구현에서는 전압 신호 또는 전류 신호만 모니터링하는 것으로 충분할 수 있다.
본 공개 특허 공보에 기술된 바와 같이 임피던스 측정에는 다른 알려진 샘플링 방법보다 상대적으로 단순할 수 있는 직접 샘플링 방법을 사용할 수 있다. 구현에서, 측정된 전압 및 전류 신호는 ADC로 입력하기 전에 여과/완충 회로망으로 조절하고, 여과하고 비율을 조정할 수 있다. 구현에서 여과/완충 회로망은 다양한 신호 수준 및 주파수에서 작동하도록 조정할 수 있으며, 필터 형태 및 폭과 같은 회로 매개 변수는 제어 신호에 대응하여, 표준 제어 알고리즘 등으로 수동, 전자, 자동으로 조정할 수 있다. 도 3, 4, 5에 여과/완충 회로를 구현한 예가 나와 있다.
도 5에 여과/완충 회로망에 사용할 수 있는 회로 구성 요소의 예가 상세한 도면으로 표시되어 있다. 구현에서, 그리고 시스템 설게에 사용된 ADC의 유형에 따라 단일 끝점 증폭기 토폴로지가 단일 끝점 신호 형식에 대한 격차를 변환하기 위한 하드웨어의 필요성을 제거함으로써 시스템, 하부 시스템, 모듈 및/또는 구성 요소 성능의 특성을 규정하는 데 사용한 아날로그 신호 측정 경로의 복잡성을 감소시킬 수 있다. 다른 구현에서는 차등 신호 형식이 더 바람직할 수 있다. 도 5에 표시된 구현은 예시적인 것이며, 본 공개 특허 공보에서 기술한 기능을 이행하는 데 유일하게 사용 가능한 방법으로 해석되어서는 안 된다. 그 보다는 아날로그 신호 경로가 각기 다른 입력 요건을 갖춘 구성 요소를 활용할 수 있으며 따라서 상이한 신호 경로 아키텍처를 갖출 수 있는 것으로 이해해야 한다.
단일 끝점 및 차등 증폭기 토폴로지 모두에서 공진자 코일 344를 구동하는 임피던스 매칭 네트워크 342에 입력되는 전류는 정전체 324 전체의 전압을 측정함으로써, 또는 일부 유형의 전류 센서를 통해 얻을 수 있다. 도 3에서 예로 든 단일 끝점 증폭기 토폴로지의 경우, 전류를 임피던스 매칭 네트워크 342로부터의 접지 회귀 경로에서 감지할 수 있다. 도 4에서 예를 들어 묘사한 차등적 전력 증폭기의 경우, 공진자 코일 344를 구동하는 임피던스 매칭 네트워크342로의 입력 전류는 정전체 324의 단말기에 걸친 차등적 증폭기를 사용하거나 일부 유형의 전류 센서를 통해 측정할 수 있다. 도 4의 차등적 토폴로지에서 정전체 324는 소스 전력 증폭기의 음극 출력 단자에서 복제할 수 있다.
두 토폴로지 모두에서, 소스 공진자 및 임피던스 매칭 네트워크에 대한 입력 전압 및 전류를 나타내는 단일 끝점 신호를 입수한 뒤, 원하는 신호 파장 부분을 얻기 위해 신호를 여과 502할 수 있다. 구현에서, 신호를 여과하여 신호의 기본 구성 요소를 얻을 수 있다. 구현에서, 저주파 통과, 대역 통과, 노치 등과 같이 수행하는 여과 유형과 타원형, Chebyshev, Butterworth 등과 같이 사용하는 여과 토폴리지는 시스템 명세 요건에 따라 다를 수 있다. 일부 구현에서는 여과가 전혀 필요 없다.
전압 및 전류 신호는 선택적 증폭기 504로 증폭할 수 있다. 선택적 증폭기 504의 증가폭은 제어 신호 등에 대응하여 수동, 전자, 자동으로 제어할 수 있다. 증폭기의 증가폭은 제어 알고리즘에 대응하여, 표준 제어 알고리즘 등으로 피드백 루프에서 조정할 수 있다. 구현에서, 증폭기에 필요한 성능 명세는 신호 세기와 원하는 측정 정확도에 따라 다를 수 있으며, 각기 다른 응용 제품 시나리오와 제어 알고리즘에 따라 다를 수 있다.
측정한 아날로그 신호에는 신호에 추가된 DC 상계치 506이 있을 수 있으며, 이 상계치는 신호를 0~3.3V일 수 있는 일부 시스템에 대한 ADC 입력 전압 범위로 신호를 불러 오는 데 필요할 수 있다. 일부 시스템에서 이 단계는 사용한 특정 ADC 명세에 따라 필요하지 않을 수도 있다.
위에서 설명한 바와 같이, 발전기와 전력 부하 간의 송전 효율성은 발전기의 출력 임피던스가 부하의 입력 임피던스와 얼마나 밀접하게 일치하는가의 영향을 받을 수 있다. 도 6A에서 예로 든 시스템에서 부하의 입력 임피던스 604가 발전기 또는 전력 증폭기 602의 내부 임피던스의 복잡한 결합과 동일할 때 전력이 가능한 최대 효율성으로 부하에 전달될 수 있다. 높고/높거나 최대의 송전 효율성을 얻기 위한 발전기 또는 부하 임피던스 설계를 임피던스 매칭이라고 할 수 있다. 임피던스 매칭은 도 6B에 표시된 바와 같이 발전기 602와 전력 부하 604 간에 임피던스 매칭 네트워크 606을 형성하기 위해 정전체, 저항기, 유도체, 변환기, 스위치 등으로 구성된 적절한 네트워크 또는 일련의 요소를 삽입하여 실행할 수 있다. 다른 구현에서, 요소 배치의 기계적 조정 및 변경을 사용하여 임피던스 매칭을 달성할 수 있다. 다양한 부하에 대하여 위에서 설명한 바와 같이, 임피던스 매칭 네트워크 606에는 동적 환경과 작동 시나리오의 경우에도 상호 간에 상당히 복잡한 결합 상태를 계속해서 유지하게 하도록 동적으로 조정되는 다양한 구성 요소가 포함될 수 있다. 구현에서, 동적 임피던스 매칭은 작동 주기, 및/또는 위상, 및/또는 전력 공급의 구동 신호 주파수 동조 또는 도 6C에 묘사된 정전체와 같이 전력 공급 내 물리적 구성 요소를 동조하여 달성할 수 있다. 이러한 동조 기제는 동조가 가능한 임피던스 매칭 네트워크를 사용하지 않고도, 또는 이를테면 보다 적은 수의 동조 가능 구성 요소를 갖는 것과 같은 단순 동조 가능 임피던스 매칭 네트워크 606을 통해 발전기 608 및 부하 간에 임피던스 매칭을 가능하게 할 수 있기 때문에 유리할 수 있다. 구현에서, 작동 주기, 및/또는 주파수, 및/또는 전력 공급에 전달하는 구동 신호 위상을 동조하면 보다 광범위한 동조 범위 또는 정밀성, 고출력, 고전압 및/또는 고전류 능력, 보다 빠른 전자 제어, 보다 적은 수의 외부 구성 요소 등을 갖춘 동적 임피던스 매칭 시스템을 도출할 수 있다. 아래에 기술된 임피던스 매칭 방법, 아키텍처, 알고리즘, 프로토콜, 회로, 측정, 제어 등은 본 공개 특허 공보에서 기술한 바와 같이 발전기가 Q가 높은 자기 공진자를 구동하고 Q가 높은 무선 송전 시스템에서 구동하는 시스템에 유용하다. 무선 전력 전달 시스템에서 발전기는 공진자를 구동하는 전력 증폭기일 수 있으며, 때때로 전력 증폭기에 대한 부하일 수 있는 소스 공진자로 일컫기도 한다. 무선 응용 제품에서는 전력 증폭기에서 공진자로의 전력 전달 효율성을 제어하려면 전력 증폭기와 공진자 부하 간의 임피던스 매칭을 제어하는 것이 바람직할 수 있다. 임피던스 매칭은 작동 주기, 및/또는 위상, 및/또는 공진자를 구동하는 전력 증폭기의 구동 신호 주파수를 동조하거나 조정함으로써 완수하거나 부분적으로 완수할 수 있다.
스위칭 증폭기의 효율
D, E, F 등급 증폭기와 같은 스위칭 증폭기와 이러한 증폭기의 조합은 증폭기의 스위칭 요소에 거의 아무런 전력이 소요되지 않을 때에도 최대의 효율성으로 부하에 전력을 전달한다. 이 작동 조건은 스위칭 요소 전체에 걸친 전압과 스위칭 요소를 관통하는 전압 중 하나 또는 모두가 거의 0일 때에도 가장 중대한(즉 스위칭 손실로 이어질 가능성이 가장 큰) 스위칭 작동이 이루어지도록 시스템을 설계함으로써 달성할 수 있다. 이러한 조건을 각각 무전압 스위칭(ZVS)와 무전류 스위칭(ZCS) 조건이라고 칭할 수 있다. ZVS 및/또는 ZCS에서 증폭기를 작동시킬 때 스위칭 요소 전체에 걸친 전압이나 스위칭 요소를 관통하는 전류 중 하나는 0이며 따라서 스위치로 일체 전력이 소모되지 않는다. 스위칭 증폭기는 특정 주파수 또는 주파수 범위에서 DC(또는 주파수가 매우 낮은 AC) 전력을 AC 전력으로 변환하므로 스위칭 프로세스로 원하지 않는 고조파가 부하에 도달하여 그곳에서 소모되는 것을 방지하기 위해 부하 전에 여과를 시작할 수 있다. 구현에서, 품질 특성치(즉 Q>5)와 ZVS와 ZCS로 동시에 유도되는 특정 임피던스 Z* 0 = R0 + jX0으로 공진자 부하에 연결되었을 때 최대 전력 변환 효율성으로 작동하도록 스위칭 증폭기를 설계할 수 있다. 최대 송전 효율성 달성이 증폭기의 특성 임피던스에 대한 임피던스 매칭 공진자 부하와 동일하도록 Z0 = R0 - jX0를 증폭기의 특성 임피던스로 정의한다.
스위칭 증폭기에서, 스위칭 요소의 스위칭 주파수 f switch (f switch = ω/2π)와 스위칭 요소의 ON 스위치 상태 지속 기간의 작동 주기 dc는 증폭기의 모든 스위칭 요소에 대해 동일 할 수 있다. 이 명세에서는 D 등급이라는 용어를 D 등급 및 DE 등급 증폭기 모두를 표시하는 데 사용하기로 한다. 즉 스위칭 증폭기는 dc<=50%이다.
증폭기의 특성 임피던스 값은 작동 주파수, 증폭기 토폴로지, 및 스위칭 요소의 스위칭 순서에 따라 다를 수 있다. 일부 구현에서, 스위칭 증폭기는 반 브리지 토폴로지일 수 있으며, 일부 구현에서는 전체 브리지 토폴로지일 수 있다. 일부 구현에서, 스위칭 증폭기는 D 등급일 수 있으며, 일부 구현에서는 E 등급일 수 있다. 상기의 일체의 구현에서, 브리지 요소는 대칭적인 것으로 가정하면 스위칭 증폭기의 특성 임피던스의 공식은 다음과 같다.
R 0 = F R ( dc ) / ω C a , X 0 = F x ( dc ) / ω C a (1)
이 때 dc는 스위칭 요소의 ON 스위치 상태의 작동 주기이며, 함수 FR ( dc )와 Fx ( dc )는 도 7(D 등급 및 E 등급 모두에 대하여)에 나와 있고, 는 스위칭 요소가 스위치되는 주파수를 나타내고, C a = n a C switc 에서 C switc 는 트랜지스터 출력 정전과 스위치와 병렬로 배치된 가능한 외부 정전체 모두를 포함하여, 각 스위치 전체에 걸친 정전 용량을 나타내며, na = 1은 전체 브리지를 na = 2는 반 브리지를 나타낸다. D 등급의 경우, 다음과 같이 분석적 표현으로 묘사할 수 있다.
F R ( dc )= sin 2 u /π, Fx ( dc ) = (u - sinu * cosu ) / π, (2)
이 때 u = π(1-2 * dc )로, 작동 주기인 dc가 50% 증가하면 D 등급 증폭기의 특성 임피던스 수준이 감소함을 나타낸다. dc=50%일 때 D 등급 증폭기가 작동하려면 스위칭 요소에 실질적으로 아무런 출력 정전 용량이 없고(C a = 0) 부하가 정확히 공진자에 위치하는 한편(X0 = 0), R0가 임의일 수 있을 때에만 ZVS와 ZCS를 구할 수 있다.
매칭
네트워크의 임피던스
응용 제품에서, 구동된 부하는 구동된 부하가 연결된 외부 구동 회로의 특성 임피던스와는 매우 다른 임피던스를 가질 수 있다. 게다가, 구동된 부하는 공진 네트워크가 아닐 수 있다. 임피던스 매칭 네트워크(IMN)는 IMN 회로와 부하로 구성된 네트워크 입력세어 보이는 임피던스를 조절하기 위하여 도 6b에서와 같이 부하 전에 연결될 수 있다. IMN 회로는 보통 구동 주파수 가까이 공진을 생성하여 이러한 조절을 달성할 수 있다. 이러한 IMN은 발전기에서 부하로의 송전 효율성을 극대화하는 데 필요한 모든 조건을 완수하므로(공진 및 임피던스 매칭 스위칭 증폭기에는 ZVS와 ZCS), 구현 시 IMN 회로를 구동 회로 및 부하 간에 사용할 수 있다.
도 6b에 표시된 배열에 대하여 임피던스 매칭 네트워크(IMN) 회로와 부하(이하 합하여 IMN + 부하로 표시)로 구성되는 네트워크의 입력 임피던스를 Z l = R l (ω) + jX l (ω)로 하기로 한다. 특성 임피던스가 Z 0 = R 0 - jX 0 인 외부 회로에 대한 이 네트워크의 임피던스 매칭 조건은 따라서 R l (ω) = R 0 , X l (ω) = X 0 이다.
다양한 부하의 동조 가능 임피던스
매칭
방법
부하가 다양할 수 있는 구현에서 부하 및, 선형 또는 스위칭 전력 증폭기와 같은 외부 구동 회로 간의 임피던스 매칭은 외부 회로의 고정 특성 임피던스 Z 0 에 다양한 부하를 매칭하도록 조정할 수 있는 IMN 회로의 조정/동조 가능 구성 요소를 이용하여 달성할 수 있다(도 6b). 임피던스의 실제 및 가상 부분 모두를 매칭하려면 IMN 회로에 두 개의 동조/가변 요소가 필요하다.
구현에서, 부하는 임피던스 R + jωL의 유도성(공진자 코일)일 수 있으므로, IMN 회로 내 두 개의 동조 요소는 두 개의 동조 가능 정전 용량 네트워크 또는 하나의 동조 가능 정전 용량 네트워크와 하나의 동조 가능 유도 용량 네트워크 또는 하나의 동조 가능 정전 용량 네트워크와 하나의 동조 가능 상호 유도 용량 네트워크가 될 수 있다.
[00119] 부하가 다양할 수 있는 구현에서 부하 및, 선형 또는 스위칭 전력 증폭기와 같은 구동 회로 간의 임피던스 매칭은 IMN 회로와 부하(IMN + 부하)로 구성된 네트워크의 (부하의 다양성으로 인한) 다양한 입력 임피던스에 증폭기의 특성 임피던스 Z 0 를 매칭시키도록 조정할 수 있는 증폭기 회로의 조정/동조 가능 요소 또는 매개 변수를 이용하여 달성할 수 있다(도 6c). 임피던스의 실제 및 가상 부분 모두를 매칭하려면 증폭기와 IMN 회로에 모두 두 개의 동조/가변 요소 또는 매개 변수가 필요하다. 공개된 임피던스 매칭 방법은 IMN 회로 내 동조/가변 요소의 갯수를 줄이거나 심지어 IMN 회로 내 동조/가변 요소 요건을 완전히 제거할 수도 있다. 일부 예에서는 전력 증폭기에서 하나의 동조 가능 요소와 IMN 회로에서 하나의 동조 가능 요소를 사용할 수 있다. 일부 예에서는, 전력 증폭기 내에서는 두 개의 동조 가능 요소를 사용하고 IMN 회로에서는 동조 가능 요소를 전혀 사용하지 않을 수 있다.
구현에서, 전력 증폭기의 동조 가능 요소 또는 매개 변수는 트랜지스터, 스위치, 2극 진공관 등에 적용되는 구동 신호의 주파수, 진폭, 위상, 파장, 작동 주기 등과 같은 것일 수 있다.
구현에서, 동조 가능 특성 임피던스를 갖춘 전력 증폭기는 D, E, F 등급의 동조 가능 스위칭 증폭기이거나 그 일체의 조합일 수 있다. 방정식 (1)과 (2)를 결합한 이 네트워크의 임피던스 매칭 조건은
R l (ω) = F R (dc) /ωC a , X l (ω) = F x ( dc )/ω C a 이다. (3)
동조 가능 스위칭 증폭기의 일부 예에서, 하나의 동조 가능 요소는 스위칭 요소와 병렬 배치된 외부 정전체를 동조하여 동조할 수 있는 정전 용량 C a 일 수 있다.
동조 가능 스위칭 증폭기의 일부 예에서, 하나의 동조 가능 요소는 증폭기 스위칭 요소의 ON 스위치 상태의 작동 주기 dc일 수 있다. 스위칭 증폭기에 펄스 폭 변조(PWM)을 통한 작동 주기 dc조정을 사용하여 임피던스 매칭을 달성, 즉 방정식 (3)을 충족시킬 수 있으며, 따라서 증폭기 효율을 극대화할 수 있다.
동조 가능 스위칭 증폭기의 일부 예에서, 하나의 동조 가능 요소는 또한 IMN+부하 네트워크의 구동 주파수인 스위칭 주파수일 수 있으며 IMN+부하 네트워크의 공진 주파수에 상당히 근접하게 설계할 수 있다. 스위칭 주파수를 동조하여 증폭기의 특성 임피던스 및 IMN+부하 네트워크의 임피던스를 변경할 수 있다. 증폭기의 스위칭 주파수는 하나 이상의 동조 가능 매개 변수로 적절하게 동조할 수 있어 방정식 (3)을 충족시킬 수 있다.
동적 임피던스 매칭을 위한 증폭기 작동 주기 및/또는 구동 주파수 동조의 이점은 이 매개 변수들이 전자적으로, 신속하게, 광범위하게 동조될 수 있다는 것이다. 반면, 예를 들어 대규모 전압을 지속시킬 수 있고 충분히 넓은 동조 가능 범위와 품질 특성치를 가진 동조 가능 정전체는 비싸거나, 느리거나 필수 구성품 사양이 없을 수 있다.
다양한 부하의 동조 가능 임피던스
매칭
방법의 예
도 8에 D 등급 전력 증폭기 802의 회로 수준 구조, 임피던스 매칭 네트워크 804 및 유도 부하 806을 나타낸 단순 회로 도해가 나와 있다. 이 도해에는 전력 소스 810, 스위칭 요소 808, 및 정전체로 구성된 스위칭 증폭기 804를 갖춘 기분 시스템 구성 요소가 표시되어 있다. 유도체 및 정전체로 구성된 임피던스 매칭 네트워크 804, 및 유도체와 저항기로 모델화된 부하 806이 있다.
본 발명의 동조 계획의 예시적 구현은 도 8에 표시된 바와 같이 스위칭 주파수 f에서 작동되고 IMN을 통해 저손실 유도 요소인 R + jωL을 구동하는 반 브리지 D 등급 전력 증폭기로 구성된다.
일부 구현에서는 L'를 동조할 수 있다. L'는 유도체의 다양한 탭 지점 또는 동조 가능 정전체를 유도체에 직렬 또는 병렬로 연결하여 동조할 수 있다. 일부 구현에서는C a 를 동조할 수 있다. 반 브리지 토폴로지의 경우, 정전체 C switc 하나 또는 두 개를 모두 다양화하여 C a 를 동조할 수 있는데 이는 이 정전체의 병렬 총계만 증폭기 작동에 중요하기 때문이다. 전체 브리지 토폴로지의 경우, 정전체 C switc 하나, 두 개, 세 개 또는 모두를 다양화하여 C a 를 동조할 수 있는데, 이는 그 조합(두 개의 반 브리지와 연관된 두 개의 병렬 총계의 직렬 총계)만 증폭기 작동에 중요하기 때문이다.
동조 가능 임피던스 매칭의 일부 구현에서는 IMN의 요소 두 가지를 동조할 수 있다. 일부 구현에서는 L'과 C 2 를 동조할 수 있다. 그 다음, 도 9에 f = 250kHz, dc = 40%, C a = 640pF, C1 = 10nF에 대한 유도 요소의 다양한 R 및 L의 기능으로서 임피던스 매칭을 달성하는 데 필요한 두 개의 동조 가능 요소의 값과 증폭기의 출력 전력(주어진 DC 버스 전압에서)의 관련 변수가 나와 있다. IMN은 항상 증폭기의 고정 특성 임피던스를 조정하므로 출력 전력은 유도 요소가 다양해도 항상 일정하다.
동조 가능 임피던스 매칭의 일부 구현에서, 스위칭 증폭기의 요소도 동조할 수 있다. 일부 구현에서는 정전 용량 C a 를 IMN 정전체 C 2 와 함께 동조할 수 있다. 그 다음, 도 10에 f = 250kHz, dc = 40%, C1 = 10nF , ω L' = 1000Ω에 대한 유도 요소의 R 및 L의 기능 편차로서 임피던스 매칭을 달성하는 데 필요한 두 개의 동조 가능 요소의 값과 증폭기의 출력 전력(주어진 DC 버스 전압에서)의 관련 변수가 나와 있다. 도 10에서 L의 가변성에 대응하여 C 2 를 동조해야 하고 R이 증가하면 출력 전압은 감소하는 것으로 추론할 수 있다.
동조 가능 임피던스 매칭의 일부 구현에서, 작동 주기 dc를 IMN 정전체 C 2 와 함께 동조할 수 있다. 그 다음, 도 11에 f = 250kHz, C a = 640pF , C1 = 10nF , ω L' = 1000Ω에 대한 유도 요소의 R 및 L의 기능 편차로서 임피던스 매칭을 달성하는 데 필요한 두 개의 동조 가능 요소의 값과 증폭기의 출력 전력(주어진 DC 버스 전압에서)의 관련 변수가 나와 있다. 도 11에서 L의 가변성에 대응하여 C 2 를 동조해야 하고 R이 증가하면 출력 전압은 감소하는 것으로 추론할 수 있다.
동조 가능 임피던스 매칭의 일부 구현에서, 정전 용량 C a 를 IMN 정전체 L와 함께 동조할 수 있다. 그 다음, 도 11a에 f = 250kHz, dc = 40%, C1 = 10nF , C2 = 7.5nF에 대한 유도 요소의 R의 기능 편차로서 임피던스 매칭을 달성하는 데 필요한 두 개의 동조 가능 요소의 값과 증폭기의 출력 전력(주어진 DC 버스 전압에서)의 관련 변수가 나와 있다. 도 11a에서 R이 증가하면 출력 전압은 감소하는 것으로 추론할 수 있다.
동조 가능 임피던스 매칭의 일부 구현에서, 작동 주기 dc를 IMN 정전체 L와 함께 동조할 수 있다. 그 다음 도 11b에 f = 250kHz, C a = 640pF , C1 = 10nF , C2 = 7.5nF에 대한 유도 요소의 다양한 R의 기능으로서 임피던스 매칭을 달성하는 데 필요한 두 개의 동조 가능 요소의 값과 증폭기의 출력 전력(주어진 DC 버스 전압에서)의 관련 변수가 나와 있다. 도 11B에서 R이 증가하면 출력 전압은 감소하는 것으로 추론할 수 있다.
동조 가능 임피던스 매칭의 일부 구현에서, IMN에 동조 가능한 요소가 하나도 없이 스위칭 증폭기의 요소만 동조할 수 있다. 일부 구현에서는 작동 주기 dc를 정전 용량 C a 와 함께 동조할 수 있다. 그 다음 도 11c에 f = 250kHz, C1 = 10nF, C2 = 7.5nF , ω L' = 1000Ω에 대한 유도 요소의 다양한 R의 기능으로서 임피던스 매칭을 달성하는 데 필요한 두 개의 동조 가능 요소의 값과 증폭기의 출력 전력(주어진 DC 버스 전압에서)의 관련 변수가 나와 있다. 도 11C에서 출력 전력은 R의 비단조 기능임을 추론할 수 있다. 이러한 구현은 L의 변수가 적당할 때(따라서 공진 주파수도 적당할 때) 동적 임피던스 매칭을 달성할 수 있다.
일부 구현에서 IMN 내에 고정 요소를 가진 동적 임피던스 매칭 또한 L이 앞서 설명한 바와 같이 매우 다양할 때 외부 주파수 (예: 스위칭 증폭기의 스위칭 주파수)의 구동 주파수를 다양하게 하여 공진자의 다양한 공진 주파수를 따르도록 함으로써 달성할 수 있다. 스위칭 주파수와 스위치 작동 주기 dc를 두 개의 가변 매개 변수로 사용하여 R과 L이 다양한 구성 요소의 필요성 없이도 다양하므로 전체 임피던스 매칭을 달성할 수 있다. 그 다음 도 12에 C a = 640pF, C1 = 10nF , C2 = 7.5nF, L = 637H에 대한 유도 요소의 R과 L의 기능 편차로서 임피던스 매칭을 달성하는 데 필요한 두 개의 동조 가능 요소의 값과 증폭기의 출력 전력(주어진 DC 버스 전압에서)의 관련 변수가 나와 있다. 도 12에서 주파수 는 앞서 설명한 바와 같이 주로 L의 가변성에 대응하여 동조해야 하는 것으로 추론할 수 있다.
무선 송전 시스템을 위한 동조 가능 임피던스
매칭
무선 전력 전달 응용 제품에서 저손실 유도 요소는 하나 이상의 장치 공진자 또는 이를테면 중계기 공진자와 같은 다른 공진자에 결합된 소스 공진자의 코일일 수 있다. 유도 요소 R + jωL의 임피던스에는 소스 공진자의 코일에 위치한 다른 공진자에 반영된 임피던스가 포함될 수 있다. 또한 장치의 상대적 동작과 소스와 관련된 다른 공진자의 상대적 동작으로 인해 무선 송전 시스템의 정상적 사용 중에 유도 요소의 R과 L의 편차가 발생할 수 있다. 이러한 장치와 소스 관련 다른 공진자의 상대적 동작으로 장치를 다양하게 소스에 결합시킬 수 있다(따라서 반영된 임피던스도 다양하다). 또한 부하의 전력 유출 변동과 같이 다른 결합된 공진자 내의 변동으로 인해 무선 송전 시스템의 정상적 사용 중에 유도 요소의 R과 L의 편차가 발생할 수 있다. 지금까지 공개한 모든 방법과 구현은 또한 이 유도 요소를 구동하는 외부 회로에 이 유도 요소의 동적 임피던스 매칭을 달성하기 위해 이 경우에도 적용된다.
현재 공개된 무선 송전 시스템을 위한 동적 임피던스 매칭 방법을 입증하려면 저항 부하를 구동하는 장치 공진자의 장치 코일과 유도적으로 결합된 저손실 소스 코일을 비롯한 소스 공진자를 고려해야 한다.
일부 구현에서, 동적 임피던스 매칭은 소스 회로에서 달성할 수 있다. 일부 구현에서, 동적 임피던스 매칭은 또한 장치 회로에서 달성할 수 있다. 전체 임피던스 매칭을 달성하면(소스 및 장치 모두에서), 소스 유도 요소의 효과적 저항(즉 소스 코일 R s + 장치로부터 반영된 임피던스)은 
이다. (마찬가지로 장치 유도 요소의 효과적 저항은 
이다. 이 때 R d 는 장치 코일의 저항이다.) 동작으로 인한 코일 간 상호 유도 용량의 동적 편차로 인해 
의 동적 편차를 도출한다. 따라서, 소스와 장치를 모두 동적으로 동조할 때 소스 회로측에서 소스 유도 요소 저항 R의 편차로서 상호 유도 용량의 편차가 관찰된다. 이러한 유형의 편차에서는 L이 변하지 않기 때문에 공진자의 공진 주파수는 그다지 변경될 수 없음을 유념해야 한다. 그러므로, 동적 임피던스 매칭에 대하여 소개한 모든 방법과 예를 무선 송전 시스템의 소스 회로에 사용할 수 있다.
도 9~12에서 저항 R은 소스 코일과 소스 코일에 대한 장치 코일의 반영 임피던스 모두를 나타내는 것이므로 R이 증가하는 U로 인해 증가하면 관련된 무선 전송 효율성도 증가한다는 것을 유념해야 한다. 일부 구현에서, 장치 회로망으로 구동되는 부하에 대략 일정한 전력이 필요할 수 있다. 장치에 전달되는 일정한 수준의 전략을 얻으려면 필요한 소스 회로의 출력 전력은 U가 증가하면 감소해야 한다. 증폭기 매개 변수 일부를 동조시킴으로써 동적 임피던스 매칭을 달성할 경우, 증폭기의 출력 전력은 그에 따라 상이할 수 있다. 일부 구현에서는 출력 전력이 일정한 장치 전력 요건과 일치하도록 출력 전력의 자동 편차는 R과 함께 단조적으로 감소하는 것이 바람직하다. 발전기의 DC 구동 전압을 조정하여 출력 전력 수준을 달성하는 구현에서, 단조적으로 감소하는 출력 전력으로 이어지는 동조 가능 매개 변수의 임피던스 매칭 세트 사용 대 R은 DC 구동 전압을 약간만 조정한 정치의 전력 부하에서 일정한 전력을 유지할 수 있음을 암시한다. 출력 전력을 조정하기 위한 손잡이가 작동 주기 dc 또는 스위칭 증폭기의 위상 또는 임피던스 매칭 네트워크 내부 구성 요소인 구현에서, 단조적으로 감소하는 출력 전력으로 이어지는 동조 가능 매개 변수의 임피던스 매칭 세트 사용 대 R은 이 전력 손잡이를 약간만 조정한 정치의 전력 부하에서 일정한 전력을 유지할 수 있음을 암시한다.
도 9~12의 예에서 저항 R s = 0.19Ω이면 범위 R = 0.2 - 2Ω은 대략 U sd = 0.3 - 10.5에 해당한다. 도 14의 이러한 값에 있어서, 소스와 장치 모두를 동적으로 임피던스 매칭했을 때 부하에서 일정한 전력 수준을 유지하는 데 필요한 출력 전력(결정된 DC 전압으로 정상화)을 파선으로 표시하였다. 실선 및 파선 간의 유사한 동향이 그러한 출력 전력 편차가 있는 일련의 동조 매개 변수가 바람직할 수 있는 이유를 설명한다.
일부 구현에서, 소스 회로에서 동적 임피던스 매칭을 달성할 수 있으나 장치 회로에서는 임피던스 매칭을 달성할 수 없거나 부분적으로만 달성할 수 있다. 소스 및 장치 코일 간의 상호 임피던스는 상이하므로 소스에 대한 장치의 다양한 반영 임피던스로 인해 소스 유도 요소의 유효 저항 R과 유효 유도 용량 L 모두의 편차를 야기할 수 있다. 동적 임피던스 매칭에 대하여 지금까지 소개한 방법은 무선 송전 시스템의 동조 가능 소스 회로에 적용하고 사용할 수 있다.
한 예로서, f = 250kHz, C a = 640pF , R s = 0.19Ω, L s = 100μH, C1s = 10nF , ωL' s = 1000Ω, R d = 0.3Ω, L d = 40μH, C1d = 87.5nF , C 2d = 13nF , ω L' d = 400Ω, Z l = 50Ω인 도 14의 회로를 고려해 보기로 한다. 여기에서 s와 d는 각각 소스 및 장치 공진자를 표시하고 시스템은 U sd = 3에서 매칭된다. 비동조 장치는 소스 및 장치 간의 상호 유도 용량 M을 변화시키는 소스에 따라 이동하므로 스위칭 증폭기와 정전체 C 2s 의 작동 주기 dc 동조를 동적으로 임피던스를 소스에 매칭시키는 데 이용할 수 있다. 도 14에 증폭기의 DC 전압당 출력 전력과 함께 동조 가능 매개 변수의 필요 값이 표시되어 있다. 다시 한 번 파선은 부사 전력이 일정한 값이 되도록 하는 데 필요한 증폭기의 출력 전력을 나타낸다.
일부 구현에서, 소스 및 하나 이상의 장치 간의 무선 송전 시스템을 위해 소스에서 동적 임피던스 매칭을 달성하는 데에도 소스 구동 회로의 구동 주파수 동조를 사용할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 이 방법으로 소스 유도 용량 L s 의 편차가 있고 따라서 소스 공진 주파수가 있는 경우에도 소스의 완전한 동적 임피던스 매칭이 가능해진다. 소스에서 장치로의 효율적으로 송전하려면, 정치 공진 주파수는 반드시 매칭한 구동 및 소스-공진 주파수의 편차에 따라 동조시켜야 한다. 소스 또는 장치 공진자의 공진 주파수에 편차가 있을 경우, 장치 정전 용량(예를 들면 도 13의 구현의 C 1d 또는 C 2d )을 반드시 동조시켜야 할 수 있다. 사실, 복수의 소스 및 장치를 갖춘 무선 전력 전달 시스템에서는 구동 주파수를 동조시킴으로써 단 하나의 소스-대상 공진 주파수로 동조시켜야 할 필요성을 완화시켜 준다. 그러나 나머지 모든 대상은 구동 주파수와 일치하려면 그 공진 주파수를 동조시키기 위한 기제(동조 가능 저장 용량 등)가 필요할 수 있다.
공진자
열 관리
무선 에너지 전달 시스템에서, 무선 전달 프로세스 과정에서 잃은 에너지 일부는 열로 손실된다. 에너지는 공진자 구성 요소 자체로 손실될 수 있다. 예를 들면, Q가 높은 도체 및 구성 요소에도 일부 손실 또는 저항이 있으며, 이러한 도체와 구성 요소는 전기 전류 및/또는 전가지장이 도체를 관통하여 흐를 때 가열될 수 있다. 에너지는 공진자 주변의 물질 및 물체에서 소실될 수 있다. 예를 들면, 공진자 둘레 또는 주변의 불완전한 도체 또는 유전체에서 손실된 와상 전류는 이와 같은 물체를 가열할 수 있다. 이와 같은 물체의 재료 속성에 영향을 미치는 것 외에도 이 열은 전도, 복사 또는 대류 프로세스를 통해 공진자 구성 요소로 전달될 수 있다. 이러한 가열 효과는 모두 공진자 Q, 임피던스, 주파수 등에 영향을 미칠 수 있으며 따라서 무선 에너지 전달 시스템의 성능에도 영향을 미칠 수 있다.
자기장 블록 또는 핵심을 구성하는 공진자에서는 이력 손실 및 유도된 와상 전류로 발생한 저항 손실로 인해 자기장에 열이 발생될 수 있다. 두 효과 모두 재료의 자속 밀도에 따라 다르며, 특히 유속 밀도나 와상 전류가 집중되거나 분산되는 구역에서 모두 상당한 양의 열을 생성할 수 있다. 유속 밀도 외에, 진동 자기장 주파수, 자성체 구조 및 손실, 및 자성체의 주변 온도나 작동 온도 등이 모두 이력 및 저항 손실이 재료를 가열하는 방식에 영향을 미칠 수 있다.
구현에서, 자성체의 가열을 최소화하기 위해 특정 작동 전력 수준과 환경에 대하여 재료 유형, 블록 규격과 같은 자성체 속성과 자기장 매개 변수를 선택할 수 있다. 일부 구현에서, 자성체 블록의 변화, 균열 또는 결함이 무선 송전 응용 제품의 자성체 손실과 가열을 증가시킬 수 있다.
결함이 있거나, 보다 큰 단위에 배열된 보다 작은 크기의 타일이나 자성체 조각이 있는 자기 블록의 경우, 블록의 손실은 불균일할 수 있으며 인접 타일 또는 자성체 조각이 불균질하거나 그 사이에 상대적으로 좁은 간극이 있는 구역에 집중될 수 있다. 예를 들면, 재료의 자기 블록에 불규칙한 간극이 있을 경우, 재료를 관통하는 다양한 자속 경로의 유효 저항은 상당히 불규칙할 수 있으며 자기장은 자기 저항이 가장 낮은 블록 부분에 보다 많이 집중되리 수 있다. 경우에 따라서는 타일 또는 조각 간의 간극이 가장 좁거나 결함 밀도가 가장 낮은 곳에서 유효 저항이 가장 낮을 수 있다. 자성체가 자기장을 유도하기 때문에 자속 밀도는 블록 전체에 걸쳐 상당히 균일하지 않을 수 있으나 상대적으로 낮은 저항을 보이는 구역에 집중될 수 있다. 자성체 블록 내에서 자기장의 불규칙하게 집중되면 재료의 불균일한 손실과 열 손실을 초래할 수 있으므로 이러한 집중은 바람직하지 않을 수 있다.
도 15에 묘사된 바와 같이 도체 1506 루프의 축과 직교하는 경계면 1508을 형성하도록 결합시킨 자성체의 두 개의 개별 타일 1502, 1504로 구성된 자성체 블록 주위를 감싼 도체 1506을 구성하는 자기 공진자를 예로 들어 보자. 자성체 타일 1502, 1504 간의 경계면 1508의 불규칙한 간극은 공진자의 자기장 1512(개략도에 파선으로 그린 자기장으로 표시)로 하여금 자성체 단면의 하위 구역 1510에 집중하게 할 수 있다. 자기장은 최소 저항 경로를 따르기 때문에 자성체의 두 조각 간의 공극을 비롯한 경로는 자성체 조각이 닿거나 그 보다 공극이 작은 지점에서의 자성체 폭을 가로 지르는 것보다 훨씬 더 높은 저항 경로를 생성할 수 있다. 그러므로 자속 밀도는 작은 구역 1510에서의 높은 자속 밀도를 야기하는 자성체의 상대적으로 작은 횡단면을 관통하는 것이 바람직할 수 있다.
다수의 중요한 자성체에서 보다 불균질한 유속 분산은 보다 높은 전반적 손실로 이어진다. 또한, 보다 불균질한 유속 분산은 재료 포화를 야기하고 자속이 집중되는 구역의 국지적 가열을 유발할 수 있다. 국지적 가열은 자성체의 속성을 변경시킬 수 있으며, 경우에 따라서는 손실을 약화시킨다. 예를 들면, 일부 재료의 타당한 작동 체제에서, 온도가 상승하면 이력 및 저항 손실도 증가한다. 재료 가열이 재료 손실을 증가시켜 더욱 가열되는 결과가 초래되면, 재료의 온도는 계속해서 상승할 수 있으며 시정 조치를 취하지 않으면 자성을 잃게 되기도 한다. 어떤 경우에는 온도가 100C 이상 상승할 수 있으며 자성체의 속성과 무선 전력 전달 성능을 악화시킬 수도 있다. 어떤 경우에는 자성체가 손상되거나, 주변 전자 구성 요소, 포장 및/또는 구획이 과도한 열로 손상될 수 있다.
구현에서 자성체 타일 사이를 꼭 맞추어 자성체 블록의 전체 횡단면에 상당히 균일한 조항을 제공하도록 타일 또는 조각의 가장 자리의 가공하고, 연마, 연삭 등으로 자성체 타일 자성체 블록의 타일 또는 조각 간의 편차나 불규칙성을 최소화할 수 있다. 구현에서, 자성체 블록에는 타일이 간극 없이 서로 꼭 맞게 압착되도록 타일 사이에 압축력을 제공하는 방법이 필요할 수 있다. 구현에서, 타일이 단단히 접착된 상태를 유지하도록 타일 사이에 접착제를 사용할 수 있다.
구현에서 자성체의 인접한 타일 간의 불규칙한 공간은 자성체의 인접 타일 간에 의도적인 간극을 두어 감소시킬 수 있다. 구현에서 의도적인 간극은 자성체 타일 또는 조각 사이를 균일하거나 규칙적으로 분리하기 위한 간격으로 이용할 수 있다. 탄성 재료의 의도적 간극 또한 타일 움직임이나 진동으로 인한 불규칙한 간격을 감소시킬 수 있다. 구현에서, 와상 전류가 블록의 감소된 횡단면 구역을 관통하여 흐르는 것을 방지하여, 재료의 와상 전료 손실을 낮추기 위해 자성체의 인접 타일 가장 자리는 전기 절연체로 테이프 처리하고, 도금하고, 코팅할 수 있다. 구현에서 분리기를 공진자 포장에 통합시킬 수 있다. 간격은 1mm 이하의 공간을 제공할 수 있다.
구현에서, 진성 효과(예: 자기 변형, 열 팽창 등)와 외부 충격 및 진동으로 인한 타일 규격 및/또는 형태의 변화와 같은 기계적 영향에 대한 전체적 구조의 내성을 개선하도록 타일 간 간격의 기계적 속성을 선택할 수 있다. 예를 들면, 간격은 개별 타일의 팽창 및/수축을 수용하기 위한 원하는 양의 기계적 속성을 가질 수 있으며, 타일에 기계적 진동이 가해질 때 타일에 대한 응력을 감소시키는 데 일조하여 자성체의 외관상 균열과 기타 하자를 감소시키는 데 도움이 된다.
구현에서, 자성체 블록을 구성하는 개별 타일을 경계면 또는 공진자의 이중 극자와 교차하는 타일 간의 간극의 수를 최소화하도록 배열하는 것이 바람직할 수 있다. 구현에서 공진자로 구성된 도체의 루프로 형성된 축과 교차하는 타일 간의 간극을 최소화하도록 자성체 타일을 배열하고 방향을 정하는 것이 바람직할 수 있다.
도 16에 묘사된 공진자 구조를 예로 들어 보자. 이 공진자는 3개 X 2개씩 배열된 여섯 개의 분리된 개별 타일 1602로 구성된 자성체 블록 주변을 감싼 도체 1604로 구성된 공진자이다. 이러한 타일 배열로 한 방향으로 자성체 블록을 통과시킬 때 두 개의 타일 경계면 1606, 1608이 생기고, 직각 방향으로 자성체 블록을 통과시킬 때 단 한 개의 타일 경계면 1610이 생긴다. 구현에서, 공진자의 이중 극자가 가장 적은 수의 타일 경계면과 직각을 이루도록 도선 1604로 자성체 블록 둘레를 감싸는 것이 바람직할 것이다. 발명가들은 공진자의 이중 극자와 평행하는 경계면 및 간극 1606, 1608 주변으로 유도되는 열이 상대적으로 적다는 것을 관찰하였다. 공진자의 이중 극자와 교차하는 경계면과 간극은 또한 임계 경계면 또는 임계 경계면 구역으로 칭할 수 있다. 그러나 와상 전류 손실을 감소시키기 위해서는 공진자의 이중 극자와 평행하는 간극(1606 및 1608 등)을 전기적으로 절연하는 것이 여전히 바람직할 수 있다. 이러한 평행 간극으로 분리된 타일 간의 불규칙한 접촉은 와상 전료가 좁은 접촉 지점을 관통하여 흐르게 하여 그 지점에서 상당한 손실로 이어지게 할 수 있다.
구현에서, 불규칙한 간격은 자성체가 가열될 때 자성체의 부분적 성능 저하를 방지하기 위해 임계 경계면 구역을 적절하게 냉각시킴으로써 허용할 수 있다. 자성체 온도를 임계 온도 미만으로 유지하면 충분히 높은 온도로 인해 유발된 탈주 효과를 방지할 수 있다. 임계 경계면 구역을 적절하게 냉각시키면 타일 간의 불규칙한 간격, 균열, 또는 간극으로 인한 추가적 손실 및 열 효과에도 불구하고 무선 에너지 전달 성능이 만족스러울 수 있다.
자성체의 과도한 부분적 가열을 방지하기 위한 공진자 구조의 효과적 열 제거에는 몇 가지 어려움을 노정한다. 보통 열 제거 및 열 전도에 사용되는 금속 재료는 공진자로 무선 에너지를 전달하는 데 사용되는 자기장과 상호 작용하여 시스템 성능에 영향을 미칠 수 있다. 이러한 열 제거 재료가 있는 곳에서 공진자의 동섭 Q를 과도하게 낮추지 않도록 그 위치, 크기, 방향 및 용도를 설계해야 한다. 또한 페라이트와 같은 자성체의 상대적으로 취약한 열 전도성으로 인해 열 제거 재료 및 자성체 간의 상대적으로 넓은 접촉면은 자성 공진자 가까이에 상당량의 손실성 재료 배치를 요할 수 있는 적절한 냉각을 제공해야 할 수 있다.
구현에서, 열 전도 재료를 전략적으로 배치하여 무선 에너지 전달 성능에 미치는 효과를 최소화하여 공진자를 적절하게 냉각시킬 수 있다. 구현에서, 도선 루프 사이 및 자성체 블록의 열 접촉면에 열 전도 재료의 띠를 배치할 수 있다.
도 17에 열 전도 재료의 띠를 배치한 구현의 예가 묘사되어 있다. 도 17A에는 유도 띠는 없고 간극 또는 경계면을 형성하는 자성체의 보다 작은 타일로 구성된 자성체 블록이 있는 공진자 구조가 나와 있다. 도 17b와 17c에 묘사된 바와 같이 열 전도 1708 재료의 띠는 도체 1702의 루프 사이와 자성체 블록 1704와의 열 접촉면에 배치할 수 있다. 공진자 매개 변수에 미치는 띠의 영향을 최소화하기 위하여 일부 구현에서는 띠를 도체 로프와 평행을 이루도록 또는 공진자의 이중 극자와는 직각을 이루도록 배열하는 것이 바람직할 수 있다. 도체 띠는 특히 공진자의 이중 극자와 직각을 이루는 타일 간의 경계면에서, 타일 간의 경계면이나 간극의 가능한 한 많은 면적이나 가능한 한 많은 수를 덮도록 배치할 수 있다.
구현에서 열 전도 재료는 구리, 알루미늄, 청동, 열 에폭시, 풀, 패드 등으로 구성될 수 있으며, 최소한 공진자의 자성체의 열 전도체와 같은 열 전도체를 가진 모든 재료가 될 수 있다(일부 시판 페라이트 재료의 경우 (~5W/(K-m). 열 전도 재료가 전기적으로도 전도되는 구현에서, 재료는 단락 또는 자성체 또는 공진자 전도체의 루프와의 직접 접촉을 방지하도록 전기 절연체의 층 또는 코팅이 필요할 수 있다.
구현에서 열 전도 재료의 띠를 사용하여 공진자 구조의 열을 열 에너지를 안전하게 소모할 수 있는 구조 또는 매체로 전도할 수 있다. 구현에서 열 전도 띠는 수동 또는 강제 대류, 복사, 또는 유도를 이용하여 주변으로 열 에너지를 소모할 수 있는 도체 띠 위에 위치한 대형 플레이트와 같은 열 제거 장치로 연결할 수 있다. 구현에서 시스템에는 열 전도 띠의 에너지를 소모할 수 있는 공진자 구조물의 외부 또는 내부에 있을 수 있는 능동적 냉각 시스템이 갯수에 관계 없이 포함될 수 있으며 액체 냉각 시스템, 강제 배기 시스템 등과 같은 것이 포함될 수 있다. 예를 들면, 열 전도 띠는 자성체를 냉각시키기 위하여 냉각제를 펌프하거나 강제로 통과시킬 수 있는 공동이거나 그러한 채널로 구성될 수 있다. 구현에서 양호한 전기 도체(구리, 은, 알루미늄 등과 같은)로 만들어진 필드 변류기는 열 제거 장치의 일부로 중복 사용할 수 있다. 자성체와 필드 변류기 사이의 공간에 열 전도 띠와 전기 전도 띠를 추가하면 필드 변류기가 있음으로 인해 보통 그 공간의 전자기장이 억제되므로 동섭 Q에 사소한 영향을 미칠 수 있다. 이와 같은 전도 띠는 자기장과 필드 변류기 모두에 열로 연결되어 각기 다른 띠 사이에 더욱 균일하게 열을 분산하게 해줄 수 있다.
구현에서는 최소한 하나의 도체 루프가 자성체 둘레를 감쌀 수 있도록 배치한다. 구현에서 열 전도 재료의 띠는 자성체의 간극 또는 경계면에만 배치할 수 있다. 다른 구현에서는 실질적으로 자성체 전체 길이와 접촉하도록 띠를 배치할 수 있다. 다른 구현에서는 자성체 내의 유속 밀도와 일치하도록 띠를 분산할 수 있다. 공진자를 정상적으로 작동되는 자성체 구역은 자속 밀도가 보다 높을 수 있으며 열 전도 띠와의 접촉 밀도가 더 높을 수 있다. 예를 들면 도 17a에 묘사된 구현에서, 자성체 블록의 중심 부분을 향해 자성체의 최고 자속 밀도가 관찰되고 공진자의 이중 극자 방향에서 블록 끝부분으로 보다 낮은 밀도가 관찰될 수 있다.
열 전도 띠 사용이 자성체의 전반적 온도와 잠재적 과열점에서의 온도를 어떻게 낮추는가를 보여주기 위하여 발명가들은 도 17c에 묘사된 것과 유사한 공진자 구조의 유한 요소 시뮬레이션을 실시하였다. 이 구조는 주파수 235kHz에서 작동시켜 시뮬레이션 하였으며 각각 최대 전류 40A를 통과시키는 리츠 전선(구조 대칭 평면에서 25mm, 40mm, 55mm, 90mm, 105mm에 대칭적으로 배치)을 10회전시켜 여기하고, 중심 축이 구조의 대칭 평면에서 75mm, 0mm, +75에 위치한 3개의 3 x 3/4 x 1의 알루미늄(합금 6063) 공동 사각관(벽 두께 1/8")으로 50cm x 50cm x4mm의 필드 변류기에 연결한 30cm x 30cm x 5mm 규격의 EPCOS N95 자성체 블록으로 구성되어 있다. 필드 변류기 및 공동관으로 인한 동섭 Q는 (공동관이 없는 동일한 구조의 1710에 비해) 1400인 것으로 나타났다. 차폐물과 관에서 손실되는 전력은 35.6W로 계산된 반면, 자성체에서 손실된 전력은 58.3W였다. 이 구조를 공기 대류 및 복사로 24C의 실온에서 냉각한다고 가정했을 때 구조의 최대 온도는 85℃인 반면(공동관 사이의 대략 중간 쯤의 자성체 지점) 공동관과 접한 자성체 부분의 온도는 약 68℃였다. 그에 비해, 열 전도 공동관이 없는 동일한 공진자는 40W의 동일한 최대 여기 전류에 대하여 자성체에서 62.0W를 손실하였고 자성체 최대 온도는 111℃인 것으로 나타났다.
튜브와 양호한 열 접촉 상태인 자성체 부분에 하자를 일으켜도 전도 띠의 이점은 여전히 더욱 분명해진다. 자성체 중앙에 0.5mm 간격으로 이중 극자와 직각 방향으로 배치한 길이 10cm의 공극은 자성체에서 손실되는 전력을 69.9W까지 증가시켰으나(앞서 논의한 무결점 예에 비해 11.6W가 증가한 것은 간극 주변에 고도로 집중되었기 때문) 전도관 덕분에 자성체 최대 온도는 11C에서 96C로 상대적으로 보통 정도로만 증가하였다. 반면, 전도관이 없는 동일한 하자를 일으켰을 때 하자 부근의 최대 온도는 161℃에 달한다. 열 용량이 큰 전도관에 열성으로 연결하거나 전도관을 능동적으로 냉각시키는 것과 같이, 대류 및 복사 이외의 냉각 솔루션은 동일한 전류 수준에서 이 공진자의 작동 온도를 더욱 더 낮추어 줄 수 있다.
구현에서 재료의 열 전도 띠는 자성체에 불규칙한 간극을 유발할 수 있는 균열을 발생시킬 가능성이 가장 높을 수 있는 부분에 배치할 수 있다. 이 부분은 재료에 대한 응력 또는 변형률이 높은 부분이거나, 공진자 포장의 지탱 또는 지지력이 약한 부분일 수 있다. 전략적으로 배치한 열 전도 띠는 자성체에서 균열 또는 불규칙한 간극이 발생할 경우 자성체 온도가 임계 온도 미만으로 유지되도록 보장한다. 임계 온도는 자성체의 퀴리 온도, 또는 공진자 특성이 원하는 성능 매개 변수를 초과하여 악화되는 모든 온도로 정의할 수 있다.
구현에서 열 제거 구조는 자성체에 기계적 보조를 제공할 수 있다. 구현에서 열 제거 구조는 공진자에 그 요소의 진성 규격의 변화(열 팽창, 자기 변형 등으로 인한)와 외부 충격 및 진동에 대한 최대 허용량을 제공하고, 균열 및 다른 하자 발생을 방지하기 위하여 원하는 양의 기계적 속성(예: 구조의 각기 다른 요소를 열로 연결하기 위한 적절한 기계적 속성을 갖는 에폭시, 열 패드 등을 이용하는 것)을 갖도록 설계할 수 있다.
공진자가 자성체 둘레를 둘러 싼 직각 방향의 권선으로 구성되는 구현에서 전도성 재료의 띠는 두 개의 직각 방향의 인접 루프 세트로 구획되는 구역 내에서 자성체와 열 접촉하도록 맞춤화할 수 있다. 구현에서 띠에는 최소한 하나의 직각 방향 권선의 도체 주변에 맞고 최소한 하나의 지점에서 자성체와 열 접촉하게 하는 적절한 압흔이 포함될 수 있다.구현에서 자성체는 인접한 루프 사이에 배치된 다수의 열 전도 블록과 열 접촉한 상태일 수 있다. 이어서 열 전도 블록은 양호한 열 전도체 및/또는 열 제거 방법으로 상호 간에 열로 연결되어 있을 수 있다.
이 설명 전체에 걸쳐 재료의 열 전도 띠라는 용어를 재료 형태의 예시적 표본으로 사용하였지만 통상적 기술자라면 어떤 형태와 윤곽이든 발명의 취지에서 벗어나지 않고 대체할 수 있음을 잘 알고 있을 것이다. 사각, 타원, 띠, 점, 길쭉한 형태 등이 모두 본 발명의 취지에 해당한다.
무선 에너지 전달 시스템 내 통신
무선 에너지 전달 시스템은 에너지가 지정된 공진자 간에 반드시 전달되도록 하기 위한 확인 단계를 필요로 할 수 있다. 예를 들면, 무선 에너지 전달 시스템에서 소스 공진자, 장치 공진자 및 중계기 공진자는 에너지를 교환하는 데 서로 물리적 접촉을 할 필요가 없으며, 이들 공진자는 시스템 내 공진자의 크기와 수에 따라 수 센티미터 또는 수 미터의 간격을 두고 서로 분리되어 있을 수 있다. 일부 환경 설정에서는 여러 개의 공진자가 전력을 발생시키거나 수신하는 위치에 있을 수 있으나 이들 공진자 중 지정된 공진자는 두 개 또는 일부 뿐이다.
무선 에너지 전달 시스템의 공진자 간 정보 전달을 이용하여 공진자를 지정할 수 있다. 공진자 간 정보 전달은 대역 내 또는 대역 외 통신이나 통신 채널을 이용하여 구현할 수 있다. 전력 교환에 사용된 자기 공진자의 최소한 일부를 정보 교환에도 사용할 경우, 그리고 정보 교환 반송 주파수가 전력 교환에 사용된 공진 주파수와 근사할 경우, 이 통신을 대역 내 통신이라 칭한다. 자기 공진자 간의 기타 일체의 통신 유형은 대역 외 통신으로 칭한다. 모든 대역 외 통신 채널은 안테나 및, 에너지 전달 공진자와 자기장과는 분리된 신호 프로토콜을 사용할 수 있다. 대역 외 통신 채널은 블루투스, 와이파이, Zigbee, NFC 기술 등을 사용하거나 이러한 기술을 기반으로 할 수 있다.
무선 에너지 전달을 조율하거나 무선 에너지 전달 시스템의 매개 변수를 조정하고, 가용 전력 소스 및 장치를 식별하여 인증하고, 효율성, 전력 전달 등을 극대화하고, 에너지 사용자 정의, 사용 등을 추적 및 청구하고, 시스템 성능, 배터리 상태, 차량 건전성, 이물질이라고 하는 외부 물체 등을 모니터링하는 데 공진자 간 통신을 사용할 수 있다. 에너지 전달을 위한 공진자 지정 및 확인 방법은 대역 내 및 대역 외 통신을 사용할 때 상이할 수 있다. 그 이유는 대역 외 기법을 사용하여 통신 신호를 교환할 수 있는 거리는 전력 신호를 교환할 수 있는 거리를 훨씬 초과할 수 있기 때문이다. 또한, 대역 외 통신 신호의 대역폭은 대역 내 통신 신호보다 클 수 있다. 통신 범위 및 성능의 이와 같은 차이점은 무선 에너지 전달 시스템 조율에 용향을 미칠 수 있다. 예를 들면, 대역 외 통신을 이용하여 처리할 수 있는 공진자의 수는 매우 클 수 있으며 통신 공진자는 효율적으로 에너지를 전달할 수 있는 범위보다 훨씬 더 멀리 떨어져 있을 수 있다.
일부 구현에서 대역 내 통신 채널을 이용하여 모든 신호 전달 및 통신 작업을 수행할 수 있고 에너지 전달에 사용되는 필드에서 신호를 변조할 수 있다. 다른 구현에서, 대역 내 통신은 에너지 전달에 사용되는 것과 실질적으로 동일한 주파수 범위를 사용할 수 있으나 유용한 에너지 용량이 전송되지 않는 동안에 통신이 이루어 질 수 있다. 별도 또는 복수의 확인 단계가 문제가 될 경우에는 대역 내 통신 채널만 사용하는 것이 바람직하다. 그 이유는 통신 범위가 전력 교환과 같은 범위로 제한될 수 있거나 정보가 전력 신호 자체에 대한 변조로 도착하기 때문이다. 그러나 일부 구현에서는 별도의 대역 외 통신 채널이 보다 바람직할 수 있다. 예를 들면, 대역 외 통신 채널은 구현 비용이 보다 저렴할 수 있으며 보다 높은 데이터 전송 속도를 지원할 수 있다. 대역 외 통신을 장거리 통신 지원에 이용하여 공진자를 발견하고 전력 시스템을 매핑할 수 있다. 대역 외 통신 채널은 전력 전달이 진행 중이든 아니든 관계 없이 운영할 수 있으며 전력 전달을 중단시키지 않고도 운영할 수 있다.
도 18에 무선 에너지 시스템의 구현 예가 나와 있다. 이 구현 에는 각각 대역 외 통신 모듈 1808, 1812와 연결되어 있는 두 개의 장치 공진자 1802, 1816과 각각 자체 대역 외 모듈 1808, 1812에 연결되어 있는 두 개의 소스 공진자 1806, 1810으로 구성되어 있다. 시스템은 대역 외 통신 채널을 사용하여 에너지 전달을 조정하고 조율할 수 있다. 통신 채널은 부근의 공진자를 발견 또는 검색하고, 전력 전달을 시작하고, 개별 공진자의 전력 출력, 임피던스, 주파수 등과 같은 작동 매개 변수 조정을 전달하는 데 사용될 수 있다.
일부 상황에서 장치 공진자는 하나의 소스와 잘못 통신할 수 있으나 다른 소스 공진자로부터 에너지를 수신할 수 있다. 예를 들어, 장치 1802가 대역 외 통신 신호를 보내 소스에 전력을 요청한다고 가정해 보자. 소스 1810은 이에 응답하고 장치 1802에 전력 공급을 시작할 수 있다. 장치 1816 또한 대역 외 통신 신호를 보내 소스에 전력을 요청하고 이 소스 1806은 이에 응답하여 장치 1816에 전력을 공급하기 시작한다고 가정해 보자. 장치 1802가 소스 1806 부근에 있기 때문에 장치 1802가 소스 1806에서 보낸 전력 일부 또는 대부분을 수신할 수 있다. 장치 1802가 수신한 전력량이 너무 높을 경우, 장치 1802는 장치 1802로 전송하는 전력을 줄이기 위해 소스 1810에 대역 외 통신 신호를 보낼 수 있다. 그러나 장치 1802는 소스 1806으로부터 전략을 수신하고 있으나 이 소스 1806으로 제어 신호를 전달하지 않고 있기 대문에 여전히 너무 많은 전력을 수신하고 있을 수 있다.
그러므로, 에너지 전달 채널과 통신 채널을 분리하면 무선 에너지 전달 시스템에 성능, 제어, 안전, 보안, 신뢰성과 같은 문제가 발생할 수 있다. 구현에서, 무선 에너지 전달 시스템의 공진자는 반드시 함께 전력을 교환하는 일체의 모든 공진자를 식별/지정하고 확인해야 한다. 통상적 기술자라면 표 18에 표시된 예는 단순히 하나의 예에 불과하며 명시적 또는 암묵적 에너지 전달 확인 단계의 이점을 누릴 수 있는 무선 송전 시스템의 환경 설정과 배열은 다양하다는 것을 잘 알고 있을 것이다.
구현에서, 한 쌍의 공진자가 사용하는 에너지 전달 채널과 통신 채널이 동일한 쌍의 공진자와 반드시 연관되도록 최소한 하나의 확인 단계를 제공함으로써 잠재적 성능, 제어, 안전, 보안, 신뢰도 등과 같은 문제들을 피할 수 있다.
구현에서 확인 단계는 무선 에너지 전달 채널을 통한 몇 가지 추가 정보 교환 또는 신호 전달로 구성될 수 있다. 에너지 전달 채널, 또는 에너지 전달 채널 필드를 이용한 통신 또는 정보 교환으로 구성되는 확인 단계를 이용하여 대역 외 통신 채널이 에너지를 교환하고 있거나 교환하게 될 동일한 두 개의 공진자 간에 정보를 교환하고 있음을 확인할 수 있다.
대역 외 통신 채널을 이용한 구현에서 확인 단계는 암묵적이거나 명시적일 수 있다. 일부 구현에서는 확인이 암묵적일 수 있다. 구현에서 에너지 전달 채널은 대역 외 정보 교환에 대응하여 예상되는 거동 또는 매개 변수에 준하여 에너지 전달 채널의 거동을 모니터링하고 비교하여 암묵적으로 확인할 수 있다. 예를 들면, 대역 외 통신 채널을 설정한 후, 장치는 무선 소스가 전송하는 전력의 양을 증가시킬 것을 요청할 수 있다. 동시에, 무선 에너지 전달 채널과 공진자의 매개 변수를 모니터링할 수 있다. 장치에 전달된 전력량 증가가 관찰되면 대역 외 통신 채널과 에너지 전달 채널이 정확하게 지정된 공진자와 연동되어 있음을 추론할 수 있다.
구현에서 암묵적 확인 단계는 무선 에너지 전달 횟수 일체 또는 무선 에너지 전달에 사용된 공진자와 구성 요소 매개 변수 모니터링 작업이 될 수 있다. 구현에서 공진자 및 그 구동 회로의 전류, 전압, 임피던스, 주파수, 효율성, 온도 등을 대역 외 통신 교환에 따른 예상 값, 동향, 변화 등에 준하여 모니터링하고 비교할 수 있다.
구현에서 공진자는 측정된 매개 변수 도표와 예상 값, 동향 및/또는 이들 매개 변수에 대한 변동을 통신 교환의 결과로 저장할 수 있다. 공진자는 통신 이력 및 관찰된 매개 변수 변동을 저장하여 에너지 전달 채널을 확인하는 데 사용할 수 있다. 경우에 따라 통신 교환으로 인한 예상치 못한 단일 매개 변수 변경은 대역 외 채널이 잘못 짝지워졌다고 판단하기에 충분히 확정적이지 않을 수 있다. 일부 구현에서 확인 작업 수행을 위해 다수의 또는 다양한 통신 교환을 면밀히 검토하거나 모니터링할 수 있다.
도 19A에 대역 외 통신을 이용하여 무선 에너지 전달 시스템에서의 에너지 전달 채널을 암묵적으로 확인하는 데 사용할 수 있는 일련의 단계를 나타낸 알고리즘 예가 나와 있다. 첫 단계 1902에서 소스와 장치 간에 대역 외 통신 채널이 수립된다. 다음 단계 1904에서는 소스와 장치가 무선 에너지 전달 매개 변수 또는 무선 에너지 전달에 사용되는 구성 요소의 매개 변수 조정에 관한 정보를 교환할 수 있다. 대역 외 통신 채널에서의 정보 교환은 에너지 전달을 제어하고 조정하기 위한 시스템의 정상 작동에 사용되는 정상적 교환일 수 있다. 일부 시스템에서는 대역 외 통신 채널을 부호화하여 도청, 사칭 등과 같은 것을 방치한다. 다음 단계 1906에서는 소스와 장치 또는 소스만 또는 장치만 모니터링하여 무선 에너지 전달 매개 변수 변동 또는 에너지 전달에 사용되는 구성 요소 매개 변수의 변동 일체를 추적한다. 추적된 변동 사항을 일체의 대역 외 통신 교환의 결과로서 예상 매개 변수 변동에 준하여 비교할 수 있다. 매개 변수에서 관찰된 하나 또는 다수의 변동이 예상 매개 변수 변동과 일치하지 않으면 검증이 실패한 것으로 간주할 수 있다.
일부 무선 에너지 전달 시스템 구현에서는 확인이 명시적인 것일 수 있다. 구현에서 소스 또는 장치는 무선 에너지 전달 매개 변수 또는 무선 에너지 전달에 사용되는 공진자의 매개 변수를 수정하고, 디더링하고, 변조하여 에너지 전달 채널을 통해 소스 또는 장치에 확인 가능한 신호를 전달하거나 제공할 수 있다. 명시적 확인은 명확한 확인 목적으로 무선 에너지 전달의 일부 매개 변수 또는 에너지 전달에 사용되는 공진자와 구성 요소 매개 변수를 변경하고, 수정하고, 변조하는 것과 같은 작업이 될 수 있으며 에너지 전달 최적화, 동조 또는 조정과는 무관할 수 있다.
무선 에너지 전달 매개 변수 일부 또는 다른 무선 에너지 공진자 또는 구성 요소와의 신호 전달 또는 통신 목적으로 에너지 전달에 사용되는 공진자와 구성 요소 매개 변수의 변경, 수정, 변조 등은 대역 내 통신으로도 칭할 수 있다. 구현에서, 대역 내 통신 채널은 무선 에너지 전달 공진자 및 구성 요소의 일부로 구현할 수 있다. 공진자 매개 변수를 변경하여 한 공진자에서 다른 공진자로 정보를 전송할 수 있다. 유도 용량, 임피던스, 저항 등과 같은 매개 변수는 하나의 공진자로 디더링하거나 변경할 수 있다. 이러한 변동은 신호를 보내는 공진자 주변의 다른 공진자의 임피던스, 저항 또는 유도 용량에 영향을 미칠 수 있다. 변동은 감지하여 메시지로 복호할 수 있는 공진자의 전압, 전류 등에 상응하는 디터로서 자체적으로 표현될 수 있다. 구현에서, 대역 내 통신은 에너지 전달에 사용되는 자기장의 전력 수준, 진폭, 위상, 방향, 주파수 등의 수정, 변경, 변조 등으로 구성될 수 있다.
하나의 구현에서 대역 외 통신 채널 수립 후 명시적인 대역 내 확인을 실시할 수 있다. 대역 외 통신 채널을 이용하여 소스와 장치는 전력 전달 능력 및 대역 내 신호 전달 능력에 대한 정보를 교환할 수 있다. 그 다음 소스와 장치 간의 무선 에너지 전달이 시작될 수 있다. 소스 또는 장치는 다른 소스 또는 장비에 대역 내 통신 채널을 사용하여 대역 외 통신 채널과 에너지 전달 채널 간의 연결 관계를 확인하라는 요청을 하거나 이의를 제기할 수 있다. 대역 내 통신 채널에서 대역 내 통신 채널에 합의된 신호 전달이 수립되었음이 관찰되면 채널이 확인된 것이다.
구현에서 에너지 전달을 시작하는 동안과 같이 에너지 교환 프로토콜에 대한 특정 또는 사전 결정한 시간 동안에만 확인 작업을 실시할 수 있다. 다른 구현에서는 무선 에너지 전달 시스템이 정상 작동되는 동안에 주기적으로 명시적 확인 단계를 실행할 수 있다. 무선 전력 전달 효율성 또는 특성이 변경되어 물리적 방향이 변경되었다는 신호를 보낼 수 있게 되면 확인 단계를 시작할 수 있다. 구현에서 통신 제어기는 에너지 전달 특성 이력을 유지 관리하고 특성 변화가 관찰될 때 공진자를 이용한 신호 전송을 비롯한 전달 확인을 시작할 수 있다. 공진자, 또는 공진자 구성요소와 전력 및 제어 회로망의 에너지 전달, 임피던스, 전압, 전류 등의 효율성의 변동으로 에너지 전달 특성의 변동이 관찰될 수 있다.
숙련된 기술자라면 메시지를 전송할 수 있는 신호 전송 및 통신 채널을 횟수에 관계 없이 부호화, 인증, 및 보안 알고리즘을 통해 확보할 수 있음을 잘 알고 있을 것이다. 구현에서 대역 외 통신을 부호화하고 대역 내 채널을 이용한 확인 작업을 위해 무작위 순서로 전송하는 데 보안 처리된 통신 채널을 사용할 수 있다. 구현에서 대역 내 통신 채널을 일체의 알려진 보안 및 암호화 프로토콜과 알고리즘으로 부호화, 무작위 추출, 또는 보안 처리할 수 있다. 보안 및 암호화 알고리즘을 이용하여 공진자 간의 호환성을 인증하고 확인할 수 있으며 인증 및 검증에 공개 키 기반 구조(PKI)와 보조 통신 채널을 사용할 수 있다.
공진자와 장치 간 에너지 전달 시스템 구현에서 장치는 장치가 원하는 소스 또는 예정 소스에서 에너지를 수신하고 있음을 확인하기 위해 에너지 전달 채널을 확인할 수 있다. 소스는 에너지가 원하는 소스 또는 예정된 소스로 전달되고 있는지 확인하기 위해 에너지 전달 채널을 확인할 수 있다. 일부 구현에서 확인 작업은 양방향으로 실행할 수 있으며 소스와 장치는 모두 1단계 또는 프로토콜 운영에서 각각의 에너지 전달 채널을 확인할 수 있다. 구현에서, 두 개 이상이 공진자가 있을 수 있으며 여러 개의 중계기 공진자가 있을 수 있다. 여러 개의 공진자 구현에서, 통신 및 제어는 하나 또는 소수의 공진자로 집중시키거나 통신 및 제어를 네트워크 상의 다수, 대부분 또는 전체 공진자에 걸쳐 분산시킬 수 있다. 구현에서, 통신 및/또는 제어는 다른 무선 에너지 전달 구성 요소에 결합된 하나 이상의 반도체 칩이나 마이크로 제어기의 영향을 받을 수 있다.
도 19B에 대역 외 통신을 이용하여 무선 에너지 전달 시스템에서의 에너지 전달 채널을 명시적으로 확인하는 데 사용할 수 있는 일련의 단계를 나타낸 알고리즘 예가 나와 있다. 첫 단계 1908에서 소스와 장치 간에 대역 외 통신 채널이 수립된다. 다음 단계 1910는 , 계획 통신 채널이 수립된다. 다음 단계 1910에서는 소스와 장치가 무선 에너지 전달 채널을 통해 전송될 수 있는 신호 프로토콜, 방법, 계획 등을 조율하거나 합의한다. 도청을 방지하고 보안을 제공하기 위하여 대역 외 통신 채널을 암호화하고 소스와 장치는 알려진 모든 수의 암호화 인증 프로토콜을 따를 수 있다. 암호화 프로토콜이 활성화된 시스템에서 확인 코드는 한층 향상된 수준의 보안 및 인증 능력을 제공할 수 있는 시도-응답 유형의 교환으로 구성될 수 있다. 예를 들면 장치는 소스에 장치가 공유 암호화 키 또는 비공개 키를 사용하여 대역 외 통신 채널을 통해 소스에 보낸 무작위 확인 코드를 암호화하라는 요청을 할 수 있다. 대역 외 통신 채널로 전송된 확인 코드는 그 다음 대역 내 통신 채널을 통해 신호가 전송 1912된다. 소스와 장치가 암호화 프로토콜로 활성화되어 있는 경우 대역 내 통신 채널로 신호가 전송된 확인 코드는 암호 역해독 기능을 갖춘 발신자가 암호화하거나 수정하여 수신자가 추후 발신자를 인증할 수 있게 해주고 대역 내 통신 채널이 대역 외 통신 채널과 관련된 동일한 소스나 장치에 연결되어 있는지 확인한다.
확인 작업에 실패한 상황에서는 무선 에너지 전달 시스템이 검증 절차를 반복하려 할 수 있다. 일부 구현에서 시스템은 대역 내 통신 채널을 이용하여 다른 신호 재전송 확인 순서를 교환하여 무선 에너지 전달 채널을 재검증하려 할 수 있다. 일부 구현에서 시스템은 대역 내 통신 채널 확인 시도가 실패한 후 대역 내 통신 채널을 확인하는 데 사용되는 정보 순서 또는 유형을 변경하거나 수정할 수 있다. 시스템은 대역 내 통신 확인 코드의 신호 전송, 프로토콜, 길이, 복잡성 유형과 같은 것을 변경할 수 있다.
일부 구현에서, 대역 내 통신 채널 확인에 실패하고 그에 따라 에너지 전달 채널 확인도 실패하면 시스템은 대역 내 통신 채널 신호 전송 방법의 전력 수준, 변조 강도, 변조 주파수 등을 조정할 수 있다. 예를 들면, 장치가 소스 확인에 실패할 경우, 시스템은 보다 높은 에너지 전달 수준에서 확인 작업을 시도할 수 있다. 시스템은 소스의 전력 출력을 증가시켜 보다 강력한 자기장을 생성할 수 있다. 또 다른 예를 들면, 장치가 소스 확인에 실패할 경우, 소스의 임피던스를 변경하여 장치에 확인 코드를 전달한 소스는 신호 전송용 소스 공진자의 임피던스 변화량을 증가시키거나 두 배로 증가도시킬 수 있다.
구현에서, 에너지 전달 채널 확인에 실패하면 시스템은 대역 외 통신 채널을 이용하여 다른 가능한 소스 또는 장치를 탐색, 검색 또는 찾아내려 할 수 있다. 구현에서 대역 외 통신 채널을 이용하여 다른 가능한 무선 에너지 전달 후보를 검색할 수 있다. 일부 구현에서 시스템은 대역 외 통신 채널의 출력 전력 또는 범위를 변경하거나 조정하여 잘못된 짝짓기를 최소화하게 해줄 수 있다.
대역 외 통신 채널은 다수의 모드, 즉 소스와 짧은 범위를 감지하기 위한 긴 범위 모드나 통신이 특정 거리 안에 위치한 다른 장치 또는 소스와 이루어지는지 확인하는 저전력 모드를 갖도록 변조된 전력일 수 있다. 구현에서 대역 외 통신 채널은 각 응용 제품의 무선 채널 범위와 매칭될 수 있다. 에너지 전달 채널 확인에 실패한 후 무선 에너지 전달을 위한 다른 가능한 소스 또는 장치를 찾기 위해 대역 외 통신 채널의 출력 전력을 서서히 증가시킬 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 대역 외 통신 채널은 에너지 전달 채널의 간섭 및 방해와는 다를 수 있는 간섭 및 방해를 표시할 수 있으며 대역 외 통신에 보다 높은 전력 수준을 필요로 할 수 있는 소스와 장치는 무선 에너지 전달에 충분히 가까운 곳에 위치할 수 있다.
일부 구현에서 대역 외 통신 채널은 에너지 전달에 충분히 가까운 곳에 위치, 배치 및 방향을 정한 다른 소스 또는 장치와의 통신만 수립하도록 폐쇄된 공간(즉, 차량 아래)에서만 작동하도록 차폐 또는 배치를 이용하여 방향 설정, 배열, 집중할 수 있다.
구현에서 시스템은 하나 이상의 추가 정보 소스를 사용하여 대역 외 통신 채널을 수립하거나 대역 내 에너지 전달 채널을 확인할 수 있다. 예를 들면, 대역 외 통신 채널을 최초로 수립하는 동안 소스 또는 장치의 위치를 무선 소스 또는 장치의 알려진 위치나 매핑한 위치 또는 그 위치의 데이터베이스와 비교하여 성공적으로 에너지를 전달할 가능성이 가장 높은 짝을 결정할 수 있다. 대역 외 통신 채널은 하나 이상의 GPS 수신기로부터 수신한 GPS 데이터, 위치 센서, 관성 유도 시스템 등에서 수신한 데이터를 추가로 활용하여 찾을 수 있다.
소스 및 장치로 구성된 시스템에 대한 확인 구현의 예를 설명하였지만 숫자에 관계 없이 모든 소스, 장치 또는 중계기를 갖춘 시스템을 대상으로 확인 작업을 실시할 수 있다는 것을 알아야 한다. 단일 소스로 복수의 장치를 확인할 수 있다. 일부 구현에서 복수의 소스는 하나 이상의 장치에 동시에 전력을 제공할 수 있으며 각 장치는 상이할 수 있다. 구현에서 중계기로 확인 작업을 수행할 수 있다. 일부 구현에서는 중계를 통해 확인 작업을 수행할 수 있다. 중계기 공진자를 통해 소스에서 전력을 공급받는 장치는 중계기로부터의 전력 소스를 확인할 수 있다. 중계기 공진자를 통해 소스에서 전력 소스를 공급받는 장치는 중계기를 통한 에너지 소스를 확인할 수 있다. 즉, 대역 내 통신은 중계를 관통하여 확인 대상 소스로 통과할 수 있다. 숙련된 기술자라면 이러한 모든 구성과 다른 구성이 발명의 범위에 해당하는 것을 분명히 알 것이다.
저저항
전기 전도체
앞서 설명한 바와 같이, 무선 에너지 전달에 사용된 공진자 구조에는 고주파수 진동 전류를 전도하는 도선이 포함될 수 있다. 일부 구조에서 전도체의 유효 저항은 공진자 구조의 품질 특성치에 영향을 미칠 수 있으며 저손실 또는 저저항 도체가 바람직할 수 있다. 발명가들은 단선 도체 또는 동일한 전선 규격(직경)의 리츠 와이어 도체에 비하여 높은 주파수에서 도선의 유효 저항을 감소시키기 위한 새로운 구조를 발견하였다.
구현에서, 집중식 원통형 도체 쉘로 구성된 구조는 비슷한 크기의 단선 도체 또는 시중에서 구할 수 있는 리츠 전선보다 MHz 단위 주파수가 훨씬 낮은 전기 저항을 갖도록 설계할 수 있다. 위와 같은 주파수에서 전선 저항은 표피 깊이 효과(인접 효과라고도 함)가 압도적인 영향을 미치는데, 이는 전기 전류가 전선 단면에 걸쳐 균일하게 분산되는 것을 방지한다. 저주파수에서 표피 깊이 효과는 여러 개의 가는 절연 전선 가닥으로 이루어진 하나의 묶음으로 분할하여(예: 리츠 전선) 완화시킬 수 있다. 이 때 절연 가닥의 직경은 중요한 작동 주파수에서의 도체 표피 깊이와 관련이 있다. MHz 단위 주파수 범위에서 구리와 같은 일반적 도체의 표피 깊이는 10m이므로 종래의 리츠 와이어 구현은 비실용적인 것이 되었다.
발명가들은 전선을 여러 개의 적절하게 설계한 집중식 절연 도체 쉘로 전선을 투입하면 1MHz를 초과하는 주파수에 대한 표피 깊이 효과를 완화시킬 수 있다는 것을 알게 되었다. 구현에서, 10개 미만의 동축 쉘로 구성된 전선은 단선에 비해 3가지 이상의 특성치로 AC 저항을 감소시킬 수 있다.
구현에서, 얇은 집중 쉘로 구성된 전선 또는 도체는 전기 도금, 전착, 박막 증착, 및 이전에 광섬유 제조에 적용된 공정과 같은 여러 공정으로 제조할 수 있다.
구현에서, 중첩된 원통형 도체로 구성된 전도 구조는 준정적 맥스웰 방정식을 이용하여 분석할 수 있다. 이러한 전도 구조 설계의 특별한 중요성 중에서도 각 도체 쉘이 자기장을 통해 다른 도체에 유발한 근접 손실를 고려해야 한다. 모델화 도구를 이용하여 도체 쉘의 갯수, 도체 쉘의 규격 및 형태, 주어진 전도체 직경에 대한 절연재의 유형 및 두께, 작동 주파수 및 환경, 비용 등을 최적화할 수 있다.
도체 구조는 N개의 집중식 도체 쉘로 구성하여 구현된다. 이러한 구조는 유사한 규격의 단선 또는 꼰 전선이나 시중에서 구입할 수 있는 리츠 전선보다 10MHz 범위 주파수에서 AC 저항이 훨씬 낮도록 설계할 수 있다.
도체 쉘로 구성된 전선 또는 전도체는 전기 절연재로 분리한 최소한 두 개의 집중식 도체 쉘로 구성하여 구현할 수 있다. 도 20에 네 개의 도체 쉘을 가진 전기 전도체 구현의 예가 나와 있다. 전도체는 z축을 따라 길이가 무제한이 될 수 있음을 유념해야 한다. 즉, z축을 따른 길이는 전선 또는 도체의 길이이다. 또한, 전선 또는 도체는 다른 동일한 규격 또는 두께의 전도체와 마찬가지로 얼마든지 휘거나, 굽히거나, 비틀 수 있다(표시되지 않음). 또한 쉘의 횡단면이 환상이거나 거의 환상이나 마찬가지인 구현에서 쉘은 그에 따라 원통형이거나 거의 원통형이 되어야 한다는 것도 유념해야 한다. 횡단면 형태에 대해서는 제한이 없으며 따라서 그에 따른 3차원 구조의 형태도 마찬가지이다. 예를 들면 직사경형의 횡단면 형태로 구현할 수도 있다.
도 20에 나와 있는 구현은 z축을 따라 도선 전체 길이를 통하여 연장되는 전기 도체의 네 개의 집중식 쉘 2008, 2006, 2004, 2002로 구성되어 있다. 도체 쉘은 중앙 또는 가장 안쪽 도체 쉘을 기준으로 각각의 위치에 따라 칭할 수 있다. 편의상, 가장 안쪽 쉘을 첫 번째 쉘이라고 하고, 그 다음 순서대로 각각 두 번째 쉘, 세 번째 쉘 등으로 부를 수 있다. 순차적 쉘은 또한 중첩 집중식 쉘이라고도 할 수 있다. 예를 들어 도 20에 나와 있는 구현에서 도체 쉘 2002를 첫 번째 쉘 또는 가장 안쪽 쉘이라고 칭할 수 있으며, 도체 2004는 두 번째 쉘, 도체 2006은 세 번째 쉘, 도체 2008은 네 번째 쉘 또는 가장 바깥쪽 쉘이라고 칭할 수 있다. 가장 안쪽 쉘과 가장 바깥쪽 쉘을 제외한 각 쉘은 두 개의 인접 쉘인 가장 안쪽 쉘과 가장 바깥쪽 쉘과 직접적으로 인접해 있다. 가장 안쪽 쉘은 외부에 인접한 쉘이 하나 분이며, 가장 바깥쪽 쉘은 내부에 인접한 쉘이 하나 분이다. 예를 들면, 세 번째 쉘 2006에는 두 개의 인접한 쉘, 안쪽으로는 두 번째 쉘 2004, 바깥쪽으로는 네 번째 쉘 2008이 있다. 구현에서 안쪽 쉘은 단선(구현에서, 내부 직경이 0인 원통형)일 수 있다. 혹은, 내부 직경이 한정되어 있고 절연재 등으로 만들어진 핵심을 감싸고 있을 수 있다.
구현에서 순차적인 각 쉘은 도체의 z축을 따라 늘어선 내부 인접 쉘을 감싼다. 각 쉘은 도체 말단에 노출되어 있는 각 쉘의 단면을 제외하고 내부 인접 쉘을 둘레를 둘러싸고 있다. 예를 들면, 도 20에 나와 있는 구현에서 쉘 2002는 그 외부 인접 쉘인 2004으로 둘러 싸여 있으며 쉘 2004는 2006으로 둘러 싸여 있으며 이런 식으로 계속된다.
구현에서 순차적 각 쉘은 원통 기하 구조에 맞게 형태를 갖춘 하나 이상의 전도체 띠로 구성될 수 있다. 구현에서 각 쉘의 띠는 상호 절연되며 주기적으로 인접 쉘의 띠로 연결되어 쉘 및/또는 띠의 입력 임피던스가 자연스럽게 전류를 분산시키도록 하여 구조의 저항을 최소화한다. 구현에서 각 쉘의 띠는 특정 동작 속도로 감길 수 있다. 각기 다른 쉘의 동작 속도는 전체 구조의 임피던스 매칭을 보조하기 위해 상이할 수 있다.
도 20에 전도 층을 선명하게 묘사한 나선식으로 형성된 전도층을 가진 도체의 말단면이 나와 있다. 도면의 나선식 층을 도체의 이상적 마감으로 간주해서는 안 된다. 여러 개의 쉘로 구성된 도체는 도 20에서 묘사한 바와 같이 동일한 평면 또는 다른 나선식 평면에서 끝나는 모든 쉘로 마감할 수 있다.
구현에서, 가장 안쪽의 도체 쉘 2002는 도 20에서와 같이 단선일 수 있다. 구현에서 가장 안쪽 도체 쉘은 도체의 z축을 따라 길이로 나있는 구멍 또는 공동으로 정의되는 공동일 수 있다.
구현에서 인접한 쉘은 인접 층이 서로 전기적으로 접촉하지 않도록 전기 절연체 층으로 서로 분리시킬 수 있다. 절연층의 두께와 재료는 전압, 전류, 및 각 인접 쉘 간의 상대적 전압 전위에 따라 다를 수 있다. 일반적으로 절연체는 파괴 전압이 인접한 도체 쉘 간의 전압 전위를 초과하도록 선택해야 한다. 구현에서 가장 바깥쪽 쉘 2010의 외부는 전기 안전, 내구성, 방수용 등으로 추가 전기 절연체 또는 보호 케이스로 감쌀 수 있다. 구현에서 각기 다른 쉘과 절연층의 두께는 응용 제품, 주파수, 전력 수준 등에 따라 다를 수 있다.
도 21에 네 개의 쉘로 구성된 도체 구현의 또 다른 횡단면도가 나와 있다. 이 도면에는 도체 쉘 2102, 2104, 2106, 2108로 구성된 도체 쉘의 z축과 수직으로 자른 횡단면이 나와 있다. 이 도면과 도 20에서 절연층이 명확하게 보이지는 않으나 다양한 쉘 간에 절연층이 있는 것으로 이해해야 하므로 주의한다. 구현에서, 절연층의 두께는 극단적으로 얇을 수 있는데, 특히 도체 쉘의 두께와 비교하면 더욱 그러하다.
전선으로 통과되는 전압 및/또는 전류 수준, 공진자의 작동 주파수, 공진자의 규격, 중량 및 유연성 요건, 필요한 Q 값, 시스템 효율성, 비용 등과 같은 구체적 기준에 대하여 집중식 도체 쉘의 두께, 상대적 두께, 규격, 구성, 형태, 갯수, 총 통과 전류의 부분 등을 선택하거나 최적화할 수 있다. 도체의 적절한 규격, 갯수, 간격 등은 시뮬레이션, 시행착오 등을 통해 분석적으로 결정할 수 있다.
집중식 쉘 설계의 장점은 직경은 유사하나 도체 배열을 다른 도체의 전류 분산을 비교해 보면 알 수 있다. 예를 들면, 도 22-24에 두 개의 집중식 쉘 도체 구조와 하나의 단선 도체에 흐르는 전류 분산 계산이 나와 있다. 도면에는 x=0, y=0인 좌표를 중심으로 대칭을 이루는 전도체가 있는 도체의 횡단면의 이 묘사되어 있다. 도면에 외부 직경(OD)이 1mm이고 최대 통과 전류가 1A인 구리 도체의 10MHz에서의 전류 밀도가 나와 있다. 도면 오른쪽의 범례에서 설명한 바와 같이 보다 어둡게 표시된 부분은 전류 밀도가 높다는 것을 나타낸다.
도 22에 직경이 1mm인 하나의 구리 단선 핵심으로 이루어진 전선의 전류 분산이 묘사되어 있다. 전류가 단선 도체의 외부 경계에 집중되어 전류가 분산되는 구역을 제한하고, 도출되는 유효 저항이 265.9mΩ/m임에 주목하도록 한다. 이 거동은 알려진 근접 효과를 나타내는 것이다.
도 23에 24개의 상호 절연된 5.19μm의 집중식 도체 쉘이 가장 안쪽의 단선 구리 쉘을 둘러 싸 모두 25개의 도체 쉘 요소로 구성된 직경 1mm의 구현체에 대한 전류 분산이 묘사되어 있다. 이 구조에서 선택적 전류 밀도(즉, 쉘 간에 전류를 분산하여 AC 저항 최소화, 숙련된 기술자에게 익숙한 수학적 기법을 사용한 일체의 구조에서 찾아볼 수 있음)가 보다 균일하게 분산되어 전류가 흐르는 횡단면은 증가하고, 전선의 유효 저항은 55.2mΩ/m으로 감소한다. 집중식 도체 쉘로 이루어진 이 전선의 AC 저항은 비슷한 크기의 단선 도선보다 약 5배 낮다는 점에 주목해야 한다.
도 24에 전체 저항을 최소화하기 위해 각 쉘의 두께를 달리한 25개의 도체 쉘(가장 안쪽의 단선 핵심 포함)로 구성된 직경 1mm의 전선 구현체에 대한 전류 분산이 묘사되어 있다. 각 쉘은 얇기 면에서 각기 두께가 다르면 가는 쉘일수록 전선 바깥을 향하고 있다. 이 구현에서, 쉘의 두께는 16.3μm에서 3.6μm까지이다(가장 안쪽 단선 쉘은 제외). 도 24의 상세도에서 쉘 간의 인터페이스가 방사상으로 위치해 있음을 알 수 있다. 도 24에서와 같이 각기 다른 두께의 쉘로 구성된 전선의 유효 저항은 51.6mΩ/m이다. 도 22-24에 나와 있는 전도 구조의 유효 저항은 A. Kurs, M. Kesler, S.G. Johnson, Optimized design of a low-resistance electrical conductor for multimegahertz range, Appl. Phys. Lett. 98, 172504 (2011) 및 미국 특허 가출원 번호 61/411,490(출원 일자: 2010년 11월 9일)에 기술된 방법을 이용하여 분석적으로 계산한 것이다. 이 자료는 본 공개 특허 공보에 그 전문이 참고문헌으로 수록되어 있다. 편의상, 각 구조에 대한 쉘 간의 절연 간극은 무시해도 좋을 만큼 작은 것으로 간주한다.
도 23-24에 구현된 모델은 가장 안쪽의 단선 도체 쉘로 구성되어 있지만 이 쉘을 따라 흐르는 전류는 대부분 이 가장 안쪽 쉘의 외부층으로 한정된다는 데 주목한다. 다른 구현에서는 이 가장 안쪽의 단선 쉘을 공동 또는 절연체로 충진된, 구조의 AC 저항을 거의 증가시키지 않으면서 표피 깊의 두께를 갖는 쉘로 대체할 수 있다.
도 25-27에 OD가 1mm인 집중식 도체 쉘과 동일한 전도체로 만들어진 OD가 1mm인 단선 핵심 전선에서 얻을 수 있는 최저 AC 저항(쉘의 갯수 N 및 작동 주파수 f로 이루어진 함수) 비율을 비교하는 개략도가 나와 있다.
도 25에서 최적화된 원통형 쉘 도체가 OD가 동일한 단선 도체보다 훨씬 더 성능이 뛰어날 수 있음을 알 수 있다. 또한 도 25에서 최적화된 집중식 쉘 도체가 소수의 요소 또는 쉘로만 구성된 구조에 비해 상대적으로 훨씬 더 개선됨을 알 수 있다. 예를 들면, 10개의 집중식 도체 쉘로 구성된 전선은 전체 2-20MHz 범위에서 비슷한 크기의 단선에 비해 AC 저항이 3배 낮다. 마찬가지로, kD ≫ 1(k는 표피 깊이 , D는 도체의 직경)일 때 단선 도체의 저항은 1 /D로 측정되므로 열 개의 쉘로 구성된 도체는 쉘로 구성된 전선보다 직경이 3.33배 이상 큰(또한 횡단면이 대략 10배 이상 큰) 직경을 갖는 단선과 단위 길이당 저항이 같아지게 된다.
쉘의 갯수를 20개 및 30개로 늘리면 AC 저항은 4배 이상 감소하고, 비슷한 크기의 단선 전선의 AC 저항보다는 5배 낮아진다.
구조물을 여러 개의 도체 쉘로 구성할 경우, 전류 분산을 최적화하기 위해 임피던스가 반드시 각 쉘과 매칭되어야 할 수 있다는 점을 주목해야 한다. 그러나 대부분의 응용 제품에 대한 쉘 도체의 수가 상대적으로 소수이기 때문에(<40) 최적의 전류 분산을 달성하기 위한 각 쉘의 임피던스를 개별적으로 매칭하는(예: 집중 상수 매칭 네트워크) 억지 접근법을 이행할 수 있다(훨씬 낮은 주파수에서이긴 하지만 다층 구조, 높은 Tc의 초전도 전력 케이블에 대하여 유사한 임피던스 매칭을 고려. (H. Noji, Supercond. Sci. Technol. 10,552 (1997) 및 S. Mukoyama, K. Miyoshi, H. Tsubouti, T. Yoshida, M. Mimura, N. Uno, M. Ikeda, H. Ishii, S. Honjo, Y. Iwata, IEEE Trans. Appl. Supercondd. 9, 1269 (1999) 참조). 이 문헌의 내용은 본 공개 특허 공보에 기술된 바와 같이 전문이 수록됨).
구현에서, 전선의 집중식 도체 쉘은 원통형 또는 원형 단면을 갖는 것이 바람직할 수 있으나, 다른 형태도 고려하고 있으며 단선 도체에 비해 상당한 개선을 제공할 수 있다. 형태가 타원형, 직사각형, 삼각형 또는 기타 비정형 형태인 집중식 도체 쉘도 본 발명의 범위에 해당한다. 각 횡단면 형태의 실용성과 유용성은 응용 제품, 제조 원가 등에 따라 다를 수 있다.
공개 특허 공보의 본 섹션에서 발명가들은다수의 도체 쉘로 구성된 전선 구조를 언급하였다. 전선이라는 용어는 구조의 특정 또는 최종 형상 인자를 의미하는 것으로 제한되어서는 안 된다는 것을 이해해야 한다. 구현에서 구조는 기존 전선을 교체하는 데 사용할 수 있는 독립형 도체로 구성될 수 있다. 구현에서 여러 개의 쉘로 구성된 구조를 다층 인쇄 회로 기판 또는 기판 위에 제조하거나 식각할 수 있다. 구조는 웨이퍼, 기판 등에 식각하거나 도장할 수 있다. 구현에서 다양한 공정(전기 도금, 전착 도장, 증기 도장, 또는 광섬유 제조에 사용되는 공정)으로 얇은 집중식 쉘을 제조할 수 있다.
도체 구조는 무선 에너지 전달에 사용되는 많은 공진자 또는 코일 구조에 활용할 수 있다. 복수의 쉘 구조는 도 2A-2E에 나와 있는 것과 같은 공진자의 부분으로 사용할 수 있다. 저손실 도체는 자성체 주변을 감싸 저손실 평면 공진자를 형성할 수 있다. 저손실 도체는 인쇄 회로 기판에 식각하거나 인쇄하여 인쇄된 코일 등이 될 수 있다.
무선 에너지 분산 시스템
중계기 공진자를 이용하여 임의의 구역에 무선 에너지를 분산할 수 있다. 구현에서 바닥, 천장, 벽, 탁자 위, 표면, 선반, 본체, 구역 등과 같은 전체 구역에 일련의 중계기 공진자와 소스 공진자를 배치하거나 부착하여 무선으로 에너지를 공급할 수 있다. 일부 구현에서 공진자로 구성된 물체 그룹은 상호 간에 전력을 공유할 수 있으며, 그룹 내 다양한 물체들로 및/또는 다양한 물체들을 통해 무선으로 전력을 전송할 수 있다. 한 구현의 예를 보면, 다수의 차량을 한 구역에 주차할 수 있으며 그 중 일부만이 소스 공진자로부터 직접 무선 전력을 수신하는 곳에 위치해 있을 수 있다. 이러한 구현에서, 특정 차량은 소스에서 직접 무선 전력을 수신하는 위치에 주차되어 있지 않은 차량에 무선 전력 일부를 재전송 및/또는 중계할 수 있다. 구현에서, 차량 충전 소스로 공급되는 전력은 중계기를 사용하여 차량에 전력을 전송하여 휴대폰, 컴퓨터, 화면, 탐색 장비, 통신 장비 등과 같은 장치에 전력을 공급할 수 있다. 일부 구현에서, 무선 전력 소스 주변에 주차된 차량이 수신하는 전력량과 부근의 다른 차량으로 재전송 또는 중계하는 전력량의 비율은 상이할 수 있다. 구현에서 직렬 연결 방식으로 하나의 소스에서 여러 장치로 순서대로 무선 전력을 전송할 수 있다. 구현에서 특정 장치는 수신하는 전력의 양과 전달하는 전력의 양을 자체 평가할 수 있다. 구현에서, 다양한 장치 및/또는 중계기 간의 전력 분산은 표준 노드 또는 집중식 제어기로 제어할 수 있다.
일부 중계기 공진자를 하나 이상의 소스 공진자 부근에 배치할 수 있다. 소스의 에너지를 소스에서 중계기로 전달할 수 있으며, 이 중계기에서 다른 중계기로, 그 다음 또 다른 중계기로 계속해서 전달할 수 있다. 그러므로 작은 규모의 소스를 이용하여 상대적으로 넓은 구역에 무선으로 에너지를 전달할 수 있으며 외부 에너지 소스로 물리적 또는 무선 접근이 필요한 유일한 요소는 이 작은 규모의 소스 뿐이다.
구현에서 복수의 중계기 공진자와 최소한 하나의 소스를 이용하여 한 구역에 에너지를 분산할 때는 손쉬운 설치, 환경 설정 가능성, 제어, 효율성, 적응력, 비용 등을 포함한 많은 잠재적 이점이 있다. 예를 들면, 중계기 간 또는 소스와 중계기를 연결하거나 전선으로 연결할 필요 없이 중계기 공진자를 약간 늘리기만 하면 해당 구역에 에너지를 전달할 수 있으므로 복수의 중계기 공진자를 이용하면 설치가 더욱 손쉬워진다. 마찬가지로, 보다 소형의 중계기 코일을 여러 개 사용하면 배치 유연성이 대폭 커져 불규칙한 형태의 구역에도 배열하고 적용할 수 있다. 또한, 중계기 공진자는 구역 내 자기장 분산 변경에 맞추어 쉽게 이동하거나 재배치할 수 있다. 일부 구현에서 중계기와 소스는 동조 또는 조정이 가능하여 중계기 공진자를 소스 공진자에 동조하거나 이조할 수 있고 시스템 구성 요소를 물리적으로 이동하지 않고도 중계기가 담당하는 구역 내에서 에너지 전달 또는 자기장 분산의 독적 재구성이 가능해 진다.
하나의 구현을 예로 들면, 중계기 공진자와 무선 에너지 소스는 바닥에 포함되거나 통합될 수 있다. 구현에서, 공진자는 바닥 또는 카페트 타일과 같은 바닥재에 통합되어 해당 구역, 방, 특정 지점, 다수의 지점 등에 무선 전력을 공급할 수 있다. 중계기 공진자, 소스 공진자, 또는 장치 공진자를 바닥에 통합하여 바닥에 있는 하나의 소스에서 에너지를 전송하는 일련의 중계기 공진자를 통해 바닥에 있는 하나 이상의 소스에서 하나 이상의 장치로 무선 전력을 분산할 수 있다.
다양한 바닥 유형, 형태, 그리고 카페트, 세라믹 타일, 목재 보드, 목재 패널 등을 비롯한 자재에 기법, 시스템 설계, 방법을 적용할 수 있음을 이해해야 한다. 숙련된 기술자는 각 자재 유형에 대하여 각기 다른 기법을 사용하여 바닥재에 공진자를 통합하거나 부착할 수 있다는 것을 알 것이다. 예를 들어 카페트 타일의 경우에는 공진자를 밑면에 박아 넣거나 부착할 수 있는 반면 세라믹 타일의 경우 타일을 통합하는 데 시멘트 유형의 자재, 에폭시, 석고 등이 필요할 수 있다. 일부 구현에서 공진자는 바닥재에는 통합시키지 못하지만 바닥 아래 또는 바닥 위에는 통합할 수 있다. 예를 들면 공진자는 바닥 아래에 위치한 충전재로 포장되어 올 수 있다. 일부 구현에서 소스, 장치, 및 중계기 공진자가 포함될 수 있는 일련의 공진자 또는 공진자 배열 또는 공진자 패턴을 크기에 맞게 절단하거나 다듬을 수 있는 자재 또는 바닥의 큰 조각에 통합시킬 수 있다. 대형 자재는 절단 작업을 방해하거나 손상을 입히지 않고 개별 공진자 간에 다듬에 맞춰 넣을 수 있다.
이제 개별 카페트 타일로 구성된 무선 바닥 구현의 예로 돌아가서, 개별 바닥 타일은 타일이나 타일 아래에 자기 공진자를 통합시키거나 삽입하여 작동될 수 있는 무선 전력이 될 수 있다. 구현에서 공진자는 리츠 전선과 같은 양호한 도체로 이루어진 하나의 루프 또는 다수의 루프로 구성되어 범위가 10KHz에서 100MHz인 특정 공진 주파수를 제공하는 정전 요소에 결합시킬 수 있다. 구현에서 공진자는 품질 특성치가 100 이상인 높은 Q의 공진자일 수 있다. 숙련된 기술자는 본 공개 특허 공보에 기술된 평면 공진자, 정전 부하 루프 공진자, 인쇄 전도 루프 등과 같은 공진자에 다양한 설계, 형태, 및 방법을 사용하여 바닥 타일 또는 기타 바닥재와 통합하거나 조합할 수 있음을 알 수 있을 것이다.
도 28a와 28b에 무선 전력으로 활성화된 바닥 타일 구현의 예가 묘사되어 있다. 바닥 타일 2802에는 타일 둘레를 감싼 전기 도체 2804의 루프가 포함될 수 있다. 구현에서 공진자의 도체 2804는 정전체, 전력 및 제어 회로망, 통신 회로망 등과 같은 추가 전기 또는 전자 구성 요소 2806과 결합할 수 있다. 다른 구현에서 타일에는 이를테면 일련의 다양한 크기의 코일, 크기 조절이 가능한 코일 등과 같이 본 공개 특허 공보에 기술된 바와 같은 배열 또는 정교한 패턴으로 배열할 수 있는 하나 이상의 공진자와 하나 이상의 도체 루프가 포함될 수 있다.
구현에서 타일에 통합된 코일과 공진자에는 자기장이 포함될 수 있다. 자성체를 이용하여 도 2c 또는 도 2e에 묘사된 평면 공진자 구조를 구축할 수 있다. 구현에서 바닥 아래나 바닥 주변에 있을 수 있는 손실되는 물체로부터 공진자 코일을 차폐하는 데도 자성체를 사용할 수 있다. 일부 구현에서 구조에는 또한 자성체 아래에 양호한 전기 도체층 또는 도체판이 포함되어 본 공개 특허 공보에 기술된 자성체의 차폐 능력을 향상시킬 수 있다.
공진자가 있는 타일에는 코일 또는 공진자 구조에 결합된 제어 회로망, 통신 회로망, 감지 회로망 등에 따라 다양한 기능과 능력이 있을 수 있다. 무선 전력이 공급되는 바닥 구현에서 시스템에는 각기 다른 능력을 가진 다양한 유형의 무선으로 활성화되는 타일이 포함될 수 있다. 한 가지 유형의 바닥 타일은 한 개의 자기 공진자로만 구성되어 직접 또는 무선 전력 소스 또는 무선 전력 유출이 일체 없이 하나의 공진자에서 다른 공진자로 무선으로 전력을 전달하는 고정식 동조 중계기 공진자로 기능하다.
또 다른 유형의 바닥 타일은 이를테면 공진자의 정전 용량, 유도 용량 등을 조정하여 공진자의 공진 주파수를 동적으로 변경하거나 조정할 수 있는 전자 장치를 제어하기 위해 결합된 공진자로 구성될 수 있다. 또한 이 타일에는 활성화된 다른 통신 타일과 정보를 교환할 수 있도록 대역 내 또는 대역 외 통신 성능이 포함될 수도 있다. 그 다음 이 타일은 통신 채널에서 수신한 신호에 대응하여 공진 주파수와 같은 작동 매개 변수를 조정할 수 있다.
또 다른 유형의 바닥 타일은 온도 센서, 압력 센서, 유도 센서, 자기 센서 등을 포함할 수 있는 통합 센서에 결합된 공진자로 구성될 수 있다. 공진자가 포착하는 전력 일부 또는 전체를 사용하여 장치 또는 부분적으로는 중계기로 기능할 수 있는 센서와 공진자에 무선으로 전력을 공급할 수 있다.
무선 전력으로 활성화되는 또 다른 유형의 바닥 타일은 공진자 구동에 필요한 증폭기 및 유선 전력 연결을 포함하고 무선 전력 소스와 같은 기능을 할 수 있는 전력 및 제어 회로망을 갖춘 공진자로 구성될 수 있다. 설계상의 특정 제약을 충족시키기 위해 각 타일의 특징, 기능, 성능을 선택할 수 있으며 공진자, 전력 및 제어 회로망, 증폭기, 센서, 통신 성능 등의 각기 다른 일체의 조합이 특징일 수 있다.
도 29에 공진자 타일로 구성된 구성 요소의 블록 도해가 나와 있다. 타일에서 공진자 2902를 선택적으로 전력 및 제어 회로망 2906에 결합하여 전력 및 전력 장치 또는 선택적 센서 2904를 수신할 수 있다. 추가 선택적 통신 회로만 2908은 전력 및 제어 회로망에 연결하여 수신 신호를 토대로 공진자의 매개 변수를 제어할 수 있다.
각기 다른 기능과 성능을 가진 타일과 공진자를 사용하여 다양한 기능과 성능을 갖춘 무선 에너지 전달 시스템을 구축할 수 있다. 시스템 구현에는 소스 및 고정된 동조 중계기 공진자 타일만 포함될 수 있다. 또 다른 시스템은 통신 성능을 갖춘 고정식 및 동조 가능 공진자 타일 조합으로 구성될 수 있다. 각기 다른 유형의 바닥 타일로 얻을 수 있는 시스템 성능의 차이점 일부를 설명하기 위해 발명가들은 무선 바닥 시스템의 구현을 예로 들어 설명하기로 한다.
무선 바닥 시스템 구현의 첫 번째 예에는 소스 및 고정된 동조 중계기 공진자 타일만 포함될 수 있다. 이 첫 번째 구현에서 복수의 고정된 동조 공진자 타일을 바닥에 배치하여 소스에서 한 구역으로 또는 한 지점으로 또는 다음 타일로 전력을 전달하고 타일 상단, 타일 아래, 또는 타일 옆에 배치할 수 있는 정치에 무선 전력을 전달할 수 있다. 중계기 공진자는 소스 주파수와 근사한 고정 주파수에 고정 동조할 수 있다. 도 30에 첫 번째 구현 예의 배열도가 나와 있다. 타일 3002는 타일 3010에 통합되거나 벽 3006에 부착할 수 있고 전력 소스에 유선으로 3012 연결된 최소한 하나의 소스 공진자와 함께 배열되어 있다. 일부 중계기 타일은 소스 공진자 옆에 배치하고 하나 이상의 추가 중계기 공진자를 통해 소스에서 원하는 지점으로 전력을 전달하도록 배열할 수 있다.
자체 장치 공진자와 장치 전력에 통합 또는 연결된 장치에 전력을 전달하고 타일 상단 또는 부근에 배치된 전자 장치를 제어하는 데 사용할 수 있는 중계기 공진자가 탑재된 타일을 사용하여 소스 공진자에서 멀리 떨어진 다른 타일과 공진자에 에너지를 전달할 수 있다. 예를 들면, 소스 공진자 3006의 전력을 인테리어 타일 3022와 소스 3006 사이에 위치한 복수의 중계기 공진자 3014, 3016, 3018, 3020을 통해 인테리어 구역 또는 인테리어 타일 3022로 무선으로 전달할 수 있다. 그 다음 인테리어 타일 3022는 전등 받침대 3008에 장착된 공진자와 같은 장치로 전력을 전달할 수 있다. 중계기 공진자가 있는 타일은 바닥 전체 구역으로 무선 에너지 전달을 확장하도록 배치하여 바닥 상단의 장치가 구역 내에서 자유롭게 이동할 수 있게 해준다. 이를테면 추가 중계기 공진자 타일 3024, 3206, 3028을 전등 3008 주변에 설치하여 전등을 배치할 수 있는 제한된 전력 구역(타일 3014, 3016, 3018, 3020, 3022, 3024, 3026, 3028)을 조성하여 중계기 타일을 통해 소스에서 에너지를 수신할 수 있다. 전력이 분산되는 제한된 구역은 최소한 하나의 다른 중계기 또는 소스 타일 부근에 더욱 많은 중계기 타일을 추가하여 변경할 수 있다. 타일은 사용자가 옮기고 구성할 수 있어 필요에 따라 또는 실내 구조 변경에 따라 전력 분산을 변경할 수 있다. 유선으로 연결된 소스 또는 에너지를 필요로 할 수 있는 소스 공진자가 있는 몇 개의 타일을 제외하고, 각 타일은 완전히 무선이 될 수 있으며 사용자 또는 소비자가 구성하거나 이동하여 무선 전력 바닥 시스템을 조정할 수 있다.
무선 바닥 시스템의 두 번째 구현에는 소스와 하나 이상의 동조 가능 중계기 공진자 타일이 포함될 수 있다. 구현에서 각 타일 또는 일부 타일의 공진자에는 제어 회로망이 포함되어 공진자의 작동 매개 변수를 동적으로 또는 정기적으로 조정할 수 있다. 구현에서 제어 회로망은 다양한 정전체를 조정하거나 정전체 조합을 변경하여 공진자의 공진 주파수를 변경할 수 있다.
무선으로 작동되는 다수의 타일 시스템에서 전력 전달의 최대 효율성을 얻거나 특정 전략 전달 분산을 얻으려면 각 공진자의 작동 지점을 조절해야 할 수 있으며 각 공진자를 각기 다른 작동 지점에 동조시킬 수 있다. 예를 들면, 일부 상황 또는 응용 제품은 배열의 한 쪽 끝에는 높은 전력이 필요하고 배열 반대편 끝에는 낮은 전력이 필요하므로 비균일적이어야 할 수 있다. 필요한 곳에 무선 에너지를 분산하기 위해 공진자의 주파수를 시스템의 공진 주파수와 다르게 약간 이조시킴으로써 이와 같이 분산할 수 있다.
예를 들어 도 30에 묘사된 바와 같이 단일 소스 공진자 3006이 탑재된 36개의 동조 가능 중계기 공진자 타일로 구성된 타일 배열을 생각해 보자. 전등 3008과 같이 전력을 필요로 하는 유일한 하나의 장치를 바닥에 설치할 경우, 바닥 타일 배열 중 단 하나의 섹션에만 에너지가 필요할 때 모든 타일에 에너지를 분산하는 것은 비효율적일 수 있다. 구현에서 배열상 에너지 전달 분산을 변경하는 데 개별 타일 동조를 이용할 수 있다. 단일 전등 장치 3008의 예에서, 소스 공진자 3006에서 장치 3022에 가까운 타일까지의 직접 경로 내에 있지 않은 중계기 타일을 소스 주파수에서 완전히 또는 부분적으로 이조시킬 수 있다. 사용하지 않는 중계기를 이조시키면 진동 자기장이 있는 공진자와의 상호 작용이 감소하여 바닥 구역의 자기장 분산이 변경된다. 동조 가능 중계기 타일이 있는 두 번째 장치는 타일 배열 내에 배치하거나 전등 장치 3008을 현재 위치 3022에서 다른 타일, 즉 3030으로 옮기면 소스 3006에서 새 지점 3030까지의 경로에 위치한 타일을 재동조하여 타일 구역 내 자기장 분산을 변경할 수 있다.
구현에서 전력 분산 및 공진자 동조를 조율하는 데 도움이 되도록 공진자에 통신 성능이 포함될 수 있다. 각 공진자는 하나 이상의 인접 타일 또는 타일 중 어느 것과도 무선으로 통신할 능력이 있어 특정 장치 배열에 대한 적절한 자기장 분산을 수립할 수 있다.
구현에서 타일이 담당하는 구역에서 원하는 자기장 분산을 생성하기 위해 하나의 소스 또는 하나의 명령 타일에서 집중 방식으로 개별 공진자의 작동 지점을 동조 또는 조정을 수행할 수 있다. 이러한 구성에서 중심 타일은 전력 요건과 각 공진자 및 각 타일의 상태를 무선 통신 또는 각 타일의 대역 내 통신을 통해 수집하여 시스템의 원하는 전략 분산 또는 작동 지점에 대한 각 공진자의 가장 적절한 작동 지점을 계산할 수 있다. 추가 무선 통신 채널 또는 전력 전달에 사용되는 자기장 변조를 통하여 각 개별 타일에 무선으로 정보를 전달할 수 있다. 통신 시스템에 사용하는 것과 유사한 프로토콜을 사용하여 전력을 분산하거나 계량할 수 있다. 예를 들면, 최소 보장 전력을 얻는 장치가 있는가 하면 최대 노력 전력을 얻는 장치도 있을 수 있다. 탐욕 알고리즘에 딸, 또는 토큰 시스템을 이용하여 전략을 분산할 수 있다. 정보 네트워크 자원 공유에 채택된 많은 프로토콜을 무선 전력 자원 공유에도 채택할 수 있다.
다른 구현에서는 분산 방식으로 개별 공진자의 작동 지점 동조 또는 조정을 수행할 수 있다. 각 타일은 전력 요건 또는 인접한 타일 공진자의 상태를 토대로 자체적으로 공진자 작동 지점을 조정할 수 있다.
집중 배열 및 분산 배열 모두에서 횟수에 관계 없이 네트워크 기반 집중 및 분산 라우팅 프로토콜을 사용할 수 있다. 예를 들면, 각 타일은 네트워크 및 최단 경로, 가장 빠른 경로, 중복 경로 등에서 노드로 간주될 수 있으며, 알고리즘을 사용하여 하나 이상의 장치에 전력을 전달하기 위한 가장 적절한 공진자 동조를 결정할 수 있다.
구현에서 다양한 집중 및 분산 라우팅 알고리즘을 사용하여 시스템의 공진자를 동조 및 이조하여 손실되는 물체 주변의 중계기 공진자를 통해 전력을 전달할 수 있다. 손실되는 재료로 구성된 물체를 타일 일부에 배치할 경우 타일에서 전력을 불필요하게 유출시키거나 타일이 소스와 대상 타일 간의 경로에 있을 경우에는 에너지 전송을 중단시킬 수 있다. 구현에서 중계기 타일을 선택적으로 동조하여 타일에 있을 수 있는 손실되는 물체를 우회할 수 있다. 라우팅 프로토콜을 이용하여 전력이 손실되는 물체를 둘러서 통과하도록 중계기 공진자를 동조할 수 있다.
구현에서 타일에 센서가 포함될 수 있다. 타일에는 타일 위의 물체, 에너지 포착 장치, 사람들 3034 등을 감지하기 위해 타일에 탑재한 공진자로 포착한 자기 에너지로부터 무선으로 수신한 전력인 센서가 포함될 수 있다. 센서에서 수신한 정보를 이용하여 최상 또는 만족스러운 자기장 분산을 계산하거나 결정하여 장치에 전략을 전달할 수 있으며 적절한 공진자 이조에 사용할 수도 있다. 구현에서 타일은 금속 물체를 탐지하는 센서로 구성될 수 있다. 구현에서 손실되는 물체가 있는지 여부는 공진자의 매개 변수를 모니터링하여 감지할 수 있다. 손실되는 물체는 공진 주파수, 유도 용량 등과 같은 공진자 매개 변수에 영향을 미칠 수 있으며 금속 물체 탐지에 사용할 수 있다.
구현에서 무선으로 전력이 공급되는 바닥 시스템에는 타일의 일부이며, 벽 또는 바닥 공진자에 결합된 가구에 위치한 하나 이상의 소스 및 소스 공진자가 있을 수 있다. 다수의 소스 및 소스 공진자를 이용한 구현에서 소스 위치를 이용하여 바닥 내 전력 분산을 조정하거나 변경할 수 있다. 예를 들면 방의 한 면에는 보다 큰 전력을 필요로 하고 보다 많은 소스가 장치에 가까이 있어야 하는 장치가 있을 수 있다. 구현에서 복수의 타일로 구성된 바닥의 전력 분산은 각 소스의 출력 전력(자기장 세기), 각 소스의 위상(진동 자기장의 상대적 위상) 등을 조정하여 조정할 수 있다.
구현에서 공진자 타일은 중계기 공진자를 통해 하나 이상의 소스에서 장치로 에너지를 전송하도록 환경을 설정할 수 있다. 공진자를 동조 또는 이조하여 하나 이상의 소스 공진자에서 하나 이상의 장치 또는 타일로 에너지를 전달할 수 있다.
여러 개의 소스를 이용한 구현에서는 각기 다른 소스와 각기 다른 스를 구동하는 아마도 각기 다른 증폭기를 주파수 및/또는 위상에서 반드시 동기화하도록 하는 것이 바람직할 수 있다. 약간 다른 주파수 및/또는 위상에서 작동하는 소스는 동적으로 변동하는 진폭 및 공간 분산과 더불어 자기장을 생성할 수 있다(진동 소스 간의 맥놀이 효과로 인해). 구현에서 복수의 소스 공진자를 소스 또는 외부 제어 단위가 생성할 수 있는 유선 또는 무선 동기화 신호로 동기화할 수 있다. 일부 구현에서 하나의 소스 공진자를 다른 공진자에 주파수와 위상을 지시하는 표준본 소스 공진자로 설계할 수 있다. 표준 공진자는 공칭 주파수에서 작동하는 반면 다른 소스 공진자는 표준 소스가 생성한 자기장의 주파수와 위상을 탐지하여 그 신호를 표준 소스의 신호와 동기화할 수 있다.
구현에서 바닥으로부터 수직 방향으로 무선 에너지 전달 범위를 확장시킬 수 있는 가구 및 탁자에 추가 중계기 공진자를 통합시켜 바닥 타일의 무선 전력을 탁자 표면, 선반, 가구 등으로 전달할 수 있다. 예를 들면, 무선으로 전력이 공급되는 바닥의 일부 구현에서, 타일이 전달한 전력은 무선으로 전력이 공급되는 타일에서 2-3피트 정도 위에 위치한 탁자 위에 놓여 있을 수 있는 전화기 또는 전자 장치에 직접 부하를 전달하기에 불충분할 수 있다. 탁자 아랫쪽과 같은 탁자 표면 주위에 대형 중계기 공진자를 설치하여 탁자 표면에 있는 전자 장치의 소형 공진자와 타일의 공진자 결합을 개선할 수 있다. 상대적으로 큰 탁자의 중계기 공진자는 타일의 공진자와 양호하게 결합하며, 인접성으로 인해 탁자 표면의 전자 장치의 공진자 간의 양호한 결합으로 결합이 개선되고 타일 공진자와 탁자 위 장치의 공진자 간 무선 전력 전달이 개선된다.
숙련된 기술자라면 여기에 기술한 각기 다른 구현의 특징과 성능을 다른 구성으로 재배열하거나 조합할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 시스템에는 공진자 유형, 소스, 장치가 갯수에 관계 없이 포함되리 수 있으며, 바닥, 천장, 벽, 책상 등에 배치될 수 있다. 바닥 타일에 관하여 기술된 시스템은 예를 들면 벽에 배치되어 전력을 수신하고 다양한 응용 제품과 구성을 활성화하기 위해 부착하거나 배치할 벽이나 천장에 무선 전력을 분산할 수 있다. 시스템 기법은 탁자 위, 표면, 선반, 본체, 차량, 기계, 의류, 가구 등에 걸쳐 분산된 복수의 공진기에 적용할 수 있다. 구현 예에서 본 공개 특허 공보의 이론을 토대로 각기 다른 구성으로 배열할 수 있는 타일 또는 개별 중계기 공진자에 대하여 기술하였지만 숙련된 기술자는 여러 개의 중계기 또는 소스 공진자를 별도의 물리적 타일이나 판에 부착하거나 배치할 수 없다는 것을 분명하게 알아야 한다. 복수의 중계기 공진자, 소스, 장치, 그리고 그와 관련된 전력 및 제어 회로판은 하나의 타일, 판, 기판 등에 부착, 인쇄, 식각할 수 있다. 예를 들면 도 31에 묘사된 바와 같이, 중계기 공진자 배열 3104는 하나의 단일 판 3102에 인쇄, 부착 또는 내장할 수 있다. 단일판 3102는 마찬가지로 위에서 설명한 타일로 배치할 수 있다. 공진자판은 판 또는 판의 부분을 통해 무선 에너지를 분산하기 위해 소스 공진자 부근, 위 또는 아래에 둘 수 있다. 공진지판은 예를 들어 도 31과 같이 선 3106을 따라 각기 다른 공진자 사이에 판을 절단하거나 다듬어 넣을 수 있도록 크기 조절이 가능한 중계기 공진자로 사용할 수 있다.
구현에서 중계기 공진자판은 데스크탑 환경에서 사용할 수 있다. 중계기 공진자판은 책상 상단 또는 책상 일부에 맞고, 서랍 안에 들어갈 수 있는 크기로 절단할 수 있다. 소스 공진자는 중계기 공진자판 옆 또는 상단에 배치할 수 있고 컴퓨터, 컴퓨터 주변 기기, 휴대용 전자 장치, 전화기 등과 같은 장치에 중계기를 통해 전력을 공급할 수 있다.
구현에서 바닥 타일이나 카페트에 내장된 공진기를 이용하여 바닥의 복사 난방을 위한 에너지를 포착할 수 있다. 각 타일의 공진자는 비정류 AC를 통해 고저항 난방 요소에 직접 연결하고, 개별 센서와 연결하여 일정한 바닥 온도를 유지할 수 있다.
본 발명을 특정 우선 구현과 관련하여 설명하였지만 숙련된 기술자는 다른 구현도 이해할 것이며 그러한 구현도 본 공개 특허 공보의 범위에 해당한다. 본 공보는 법에서 허용하는 가장 광범위한 취지에 따라 해석해야 한다.
본 공개 특허 공보에 언급된 모든 문서는 본 공개 특허 공보에 전문이 수록된 바와 같이 전체로서 참고문헌으로 여기에 포함되어 있다.
Claims (27)
- 지정 영역에 무선 에너지를 분배하기 위한 시스템에 있어서,
에너지 소스에 결합되어 있고, 구동 주파수를 갖는 진동 자기장을 생성하는 소스 공진기;
상기 지정 영역에서, 상기 소스 공진기에 근접하여 배치되고, 공진 주파수를 갖는 중계기(repeater) 공진기; 및
상기 지정 영역에 배치된 적어도 2개의 다른 중계기 공진기로서, 상기 적어도 2개의 다른 중계기 공진기의 각각은 적어도 하나의 다른 중계기 공진기에 근접하여 배치되고, 공진 주파수를 갖는 적어도 2개의 다른 중계기 공진기를 포함하고,
상기 소스 공진기는 상기 지정 영역에서 상기 중계기 공진기를 통해 출력을 무선 전송하도록 구성되어 있고,
상기 시스템은 상기 지정 영역 내의 출력 분배량을 조정하기 위해 상기 소스 공진기의 구동 주파수로부터 상기 중계기 공진기중 적어도 하나의 공진 주파수를 디튜닝(detune)하도록 구성되어 있고,
상기 중계기 공진기중 적어도 하나를 디튜닝하는 단계는 라우팅 알고리즘에 따라 실행되고,
상기 중계기 공진기중 적어도 하나는 제어 회로 및 가변 커패시터를 포함하고, 상기 제어 회로는 상기 중계기 공진기중 적어도 하나의 공진 주파수를 변경하기 위해 상기 가변 커패시터를 조정하도록 구성되고,
상기 시스템은 상기 지정 영역의 구역 내의 출력 분배량을 증가시키기 위해 상기 가변 커패시터를 조정함으로써 상기 중계기 공진기중 적어도 하나의 공진 주파수를 디튜닝하도록 구성된 것을 특징으로 하는 무선 에너지 분배 시스템. - 제1항에 있어서, 상기 구동 주파수를 갖는 진동 자기장을 생성하는 적어도 하나의 추가 소스 공진기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 에너지 분배 시스템.
- 제2항에 있어서, 상기 시스템의 상이한 소스 공진기에 의해 생성된 진동 자기장의 상대 위상이 조정가능한 것을 특징으로 하는 무선 에너지 분배 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 중계기 공진기중 적어도 하나는 용량성 부하 도전 루프를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 에너지 분배 시스템.
- 삭제
- 삭제
- 지정 영역에 무선 에너지를 분배하기 위한 시스템에 있어서,
에너지 소스에 결합되어 있고, 구동 주파수를 갖는 진동 자기장을 생성하는 소스 공진기;
상기 지정 영역에서, 상기 소스 공진기에 근접하여 배치되고, 공진 주파수를 갖는 중계기(repeater) 공진기; 및
상기 지정 영역에 배치된 적어도 2개의 다른 중계기 공진기로서, 상기 적어도 2개의 다른 중계기 공진기의 각각은 적어도 하나의 다른 중계기 공진기에 근접하여 배치되고, 공진 주파수를 갖는 적어도 2개의 다른 중계기 공진기를 포함하고,
상기 소스 공진기는 상기 지정 영역에서 상기 중계기 공진기를 통해 출력을 무선 전송하도록 구성되어 있고,
상기 시스템은 상기 지정 영역 내의 출력 분배량을 조정하기 위해 상기 소스 공진기의 구동 주파수로부터 상기 중계기 공진기중 적어도 하나의 공진 주파수를 디튜닝(detune)하도록 구성되어 있고,
상기 중계기 공진기중 적어도 하나를 디튜닝하는 단계는 라우팅 알고리즘에 따라 실행되고,
상기 중계기 공진기중 적어도 하나는 제어 회로 및 가변 커패시터를 포함하고, 상기 제어 회로는 상기 중계기 공진기중 적어도 하나의 공진 주파수를 변경하기 위해 상기 가변 커패시터를 조정하도록 구성되고,
상기 시스템의 공진기 사이에 통신 채널을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 에너지 분배 시스템. - 제7항에 있어서, 상기 통신 채널은 상기 출력 분배량을 조정하도록 상기 중계기 공진기의 가변 커패시터를 조정함으로써 상기 시스템의 중계기 공전기의 디튜닝을 조절하는데 사용되는 것을 특징으로 하는 무선 에너지 분배 시스템.
- 제7항에 있어서, 상기 통신 채널은 와이파이, 블루투쓰 및 근거리 통신(near field communication)으로 구성된 그룹으로부터 선택된 통신에 기초하는 것을 특징으로 하는 무선 에너지 분배 시스템.
- 제8항에 있어서,
상기 중계기 공진기의 각각의 제어 회로는 상기 소스 공진기의 제어 회로에 상태 정보를 전송하도록 구성되어 있고,
상기 소스 공진기의 제어 회로는 상기 중계기 공진기의 각각에 대한 동작 정보를 계산하도록 그리고 상기 통신 채널을 통해 상기 중계기 공진기의 각각의 중계기 공진기의 제어 회로로 출력 분배량을 조정하는데 사용되는 동작 정보를 전송하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 무선 에너지 분배 시스템. - 제8항에 있어서, 상기 중계기 공진기의 각각의 제어 회로는 그 상태 정보를 상기 통신 채널을 통해 다른 중계기 공진기의 제어 회로에 전송하도록 구성되어 있고, 상기 상태 정보는 상기 시스템의 중계기 공진기의 디튜닝을 조절하는데 사용되는 것을 특징으로 하는 무선 에너지 분배 시스템.
- 삭제
- 지정 영역에 무선 에너지를 분배하기 위한 시스템에 있어서,
에너지 소스에 결합되어 있고, 구동 주파수를 갖는 진동 자기장을 생성하는 소스 공진기;
상기 지정 영역에서, 상기 소스 공진기에 근접하여 배치되고, 공진 주파수를 갖는 중계기(repeater) 공진기; 및
상기 지정 영역에 배치된 적어도 2개의 다른 중계기 공진기로서, 상기 적어도 2개의 다른 중계기 공진기의 각각은 적어도 하나의 다른 중계기 공진기에 근접하여 배치되고, 공진 주파수를 갖는 적어도 2개의 다른 중계기 공진기를 포함하고,
상기 소스 공진기는 상기 지정 영역에서 상기 중계기 공진기를 통해 출력을 무선 전송하도록 구성되어 있고,
상기 시스템은 상기 지정 영역 내의 출력 분배량을 조정하기 위해 상기 소스 공진기의 구동 주파수로부터 상기 중계기 공진기중 적어도 하나의 공진 주파수를 디튜닝(detune)하도록 구성되어 있고,
상기 중계기 공진기중 적어도 하나를 디튜닝하는 단계는 라우팅 알고리즘에 따라 실행되고,
상기 중계기 공진기중 적어도 하나는 압력 센서를 포함하고, 상기 중계기 공진기의 적어도 하나는 상기 출력 분배량을 변경하도록 상기 압력 센서로부터의 출력에 기초하여 상기 중계기 공진기중 적어도 하나의 동작 파라미터를 변경하도록 구성된 것을 특징으로 하는 무선 에너지 분배 시스템. - 제13항에 있어서, 상기 중계기 공진기의 적어도 하나는 Q>100의 Q 팩터를 갖는 것을 특징으로 하는 무선 에너지 분배 시스템.
- 지정 영역에 무선 에너지를 분배하기 위한 시스템에 있어서,
에너지 소스에 결합되어 있고, 구동 주파수를 갖는 진동 자기장을 생성하는 소스 공진기;
상기 지정 영역에서, 상기 소스 공진기에 근접하여 배치되고, 공진 주파수를 갖는 중계기(repeater) 공진기; 및
상기 지정 영역에 배치된 적어도 2개의 다른 중계기 공진기로서, 상기 적어도 2개의 다른 중계기 공진기의 각각은 적어도 하나의 다른 중계기 공진기에 근접하여 배치되고, 공진 주파수를 갖는 적어도 2개의 다른 중계기 공진기를 포함하고,
상기 소스 공진기는 상기 지정 영역에서 상기 중계기 공진기를 통해 출력을 무선 전송하도록 구성되어 있고,
상기 시스템은 상기 지정 영역 내의 출력 분배량을 조정하기 위해 상기 소스 공진기의 구동 주파수로부터 상기 중계기 공진기중 적어도 하나의 공진 주파수를 디튜닝(detune)하도록 구성되어 있고,
상기 중계기 공진기중 적어도 하나를 디튜닝하는 단계는 라우팅 알고리즘에 따라 실행되고,
상기 지정 영역은 플로어이고,
상기 공진기는 플로어링 재료와 일체화되는 것을 특징으로 하는 무선 에너지 분배 시스템. - 삭제
- 지정 영역에 무선 에너지를 분배하기 위한 시스템에 있어서,
에너지 소스에 결합되어 있고, 구동 주파수를 갖는 진동 자기장을 생성하는 소스 공진기;
상기 지정 영역에서, 상기 소스 공진기에 근접하여 배치되고, 공진 주파수를 갖는 중계기(repeater) 공진기; 및
상기 지정 영역에 배치된 적어도 2개의 다른 중계기 공진기로서, 상기 적어도 2개의 다른 중계기 공진기의 각각은 적어도 하나의 다른 중계기 공진기에 근접하여 배치되고, 공진 주파수를 갖는 적어도 2개의 다른 중계기 공진기를 포함하고,
상기 소스 공진기는 상기 지정 영역에서 상기 중계기 공진기를 통해 출력을 무선 전송하도록 구성되어 있고,
상기 시스템은 상기 지정 영역 내의 출력 분배량을 조정하기 위해 상기 소스 공진기의 구동 주파수로부터 상기 중계기 공진기중 적어도 하나의 공진 주파수를 디튜닝(detune)하도록 구성되어 있고,
상기 중계기 공진기중 적어도 하나를 디튜닝하는 단계는 라우팅 알고리즘에 따라 실행되고,
상기 시스템은 무선 에너지 전달 플로어링 시스템이고,
상기 시스템의 공진기 사이에 통신 채널을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 에너지 분배 시스템. - 제17항에 있어서, 상기 통신 채널은 상기 출력 분배량을 조정하기 위해 상기 중계기 공진기의 가변 커패시터를 조정함으로써 상기 시스템의 중계기 공진기의 디튜닝을 조절하는데 사용되는 것을 특징으로 하는 무선 에너지 분배 시스템.
- 지정 영역에 무선 에너지를 분배하기 위한 시스템에 있어서,
에너지 소스에 결합되어 있고, 구동 주파수를 갖는 진동 자기장을 생성하는 소스 공진기;
상기 지정 영역에서, 상기 소스 공진기에 근접하여 배치되고, 공진 주파수를 갖는 중계기(repeater) 공진기; 및
상기 지정 영역에 배치된 적어도 2개의 다른 중계기 공진기로서, 상기 적어도 2개의 다른 중계기 공진기의 각각은 적어도 하나의 다른 중계기 공진기에 근접하여 배치되고, 공진 주파수를 갖는 적어도 2개의 다른 중계기 공진기를 포함하고,
상기 소스 공진기는 상기 지정 영역에서 상기 중계기 공진기를 통해 출력을 무선 전송하도록 구성되어 있고,
상기 시스템은 상기 지정 영역 내의 출력 분배량을 조정하기 위해 상기 소스 공진기의 구동 주파수로부터 상기 중계기 공진기중 적어도 하나의 공진 주파수를 디튜닝(detune)하도록 구성되어 있고,
상기 중계기 공진기중 적어도 하나를 디튜닝하는 단계는 라우팅 알고리즘에 따라 실행되고,
상기 시스템은 무선 에너지 전달 플로어링 시스템이고,
상기 공진기는 플로어링 재료와 일체화되는 것을 특징으로 하는 무선 에너지 분배 시스템. - 지정 영역에 무선 에너지를 분배하기 위한 시스템에 있어서,
에너지 소스에 결합되어 있고, 구동 주파수를 갖는 진동 자기장을 생성하는 소스 공진기;
상기 지정 영역에서, 상기 소스 공진기에 근접하여 배치되고, 공진 주파수를 갖는 중계기(repeater) 공진기; 및
상기 지정 영역에 배치된 적어도 2개의 다른 중계기 공진기로서, 상기 적어도 2개의 다른 중계기 공진기의 각각은 적어도 하나의 다른 중계기 공진기에 근접하여 배치되고, 공진 주파수를 갖는 적어도 2개의 다른 중계기 공진기를 포함하고,
상기 소스 공진기는 상기 지정 영역에서 상기 중계기 공진기를 통해 출력을 무선 전송하도록 구성되어 있고,
상기 시스템은 상기 지정 영역 내의 출력 분배량을 조정하기 위해 상기 소스 공진기의 구동 주파수로부터 상기 중계기 공진기중 적어도 하나의 공진 주파수를 디튜닝(detune)하도록 구성되어 있고,
상기 중계기 공진기중 적어도 하나를 디튜닝하는 단계는 라우팅 알고리즘에 따라 실행되고,
상기 시스템은 무선 에너지 전달 플로어링 시스템이고,
상기 시스템의 상이한 소스 공진기에 의해 생성된 진동 자기장의 상대 위치는 조정가능한 것을 특징으로 하는 무선 에너지 분배 시스템. - 지정 영역에 무선 에너지를 분배하기 위한 시스템에 있어서,
에너지 소스에 결합되어 있고, 구동 주파수를 갖는 진동 자기장을 생성하는 소스 공진기;
상기 지정 영역에서, 상기 소스 공진기에 근접하여 배치되고, 공진 주파수를 갖는 중계기(repeater) 공진기; 및
상기 지정 영역에 배치된 적어도 2개의 다른 중계기 공진기로서, 상기 적어도 2개의 다른 중계기 공진기의 각각은 적어도 하나의 다른 중계기 공진기에 근접하여 배치되고, 공진 주파수를 갖는 적어도 2개의 다른 중계기 공진기를 포함하고,
상기 소스 공진기는 상기 지정 영역에서 상기 중계기 공진기를 통해 출력을 무선 전송하도록 구성되어 있고,
상기 시스템은 상기 지정 영역 내의 출력 분배량을 조정하기 위해 상기 소스 공진기의 구동 주파수로부터 상기 중계기 공진기중 적어도 하나의 공진 주파수를 디튜닝(detune)하도록 구성되어 있고,
상기 중계기 공진기중 적어도 하나를 디튜닝하는 단계는 라우팅 알고리즘에 따라 실행되고,
상기 시스템은 무선 에너지 전달 플로어링 시스템이고,
상기 시스템은 상기 지정 영역의 구역 내의 출력 분배량을 증가시키기 위해 상기 중계기 공진기중 하나 이상의 가변 커패시터를 조정함으로써 상기 중계기 공진기중 하나 이상의 공진 주파수를 디튜닝하도록 구성된 것을 특징으로 하는 무선 에너지 분배 시스템. - 지정 영역에 무선 에너지를 분배하기 위한 시스템에 있어서,
에너지 소스에 결합되어 있고, 구동 주파수를 갖는 진동 자기장을 생성하는 소스 공진기;
상기 지정 영역에서, 상기 소스 공진기에 근접하여 배치되고, 공진 주파수를 갖는 중계기(repeater) 공진기; 및
상기 지정 영역에 배치된 적어도 2개의 다른 중계기 공진기로서, 상기 적어도 2개의 다른 중계기 공진기의 각각은 적어도 하나의 다른 중계기 공진기에 근접하여 배치되고, 공진 주파수를 갖는 적어도 2개의 다른 중계기 공진기를 포함하고,
상기 소스 공진기는 상기 지정 영역에서 상기 중계기 공진기를 통해 출력을 무선 전송하도록 구성되어 있고,
상기 시스템은 상기 지정 영역 내의 출력 분배량을 조정하기 위해 상기 소스 공진기의 구동 주파수로부터 상기 중계기 공진기중 적어도 하나의 공진 주파수를 디튜닝(detune)하도록 구성되어 있고,
상기 중계기 공진기중 적어도 하나를 디튜닝하는 단계는 라우팅 알고리즘에 따라 실행되고,
상기 시스템은 무선 에너지 전달 플로어링 시스템이고,
상기 중계기 공진기중 적어도 하나의 공진 주파수를 디튜닝하는 것은 라우팅 알고리즘에 따라 실행되는 것을 특징으로 하는 무선 에너지 분배 시스템. - 지정 영역에 무선 에너지를 분배하기 위한 시스템에 있어서,
에너지 소스에 결합되어 있고, 구동 주파수를 갖는 진동 자기장을 생성하는 소스 공진기;
상기 지정 영역에서, 상기 소스 공진기에 근접하여 배치되고, 공진 주파수를 갖는 중계기(repeater) 공진기; 및
상기 지정 영역에 배치된 적어도 2개의 다른 중계기 공진기로서, 상기 적어도 2개의 다른 중계기 공진기의 각각은 적어도 하나의 다른 중계기 공진기에 근접하여 배치되고, 공진 주파수를 갖는 적어도 2개의 다른 중계기 공진기를 포함하고,
상기 소스 공진기는 상기 지정 영역에서 상기 중계기 공진기를 통해 출력을 무선 전송하도록 구성되어 있고,
상기 시스템은 상기 지정 영역 내의 출력 분배량을 조정하기 위해 상기 소스 공진기의 구동 주파수로부터 상기 중계기 공진기중 적어도 하나의 공진 주파수를 디튜닝(detune)하도록 구성되어 있고,
상기 중계기 공진기중 적어도 하나를 디튜닝하는 단계는 라우팅 알고리즘에 따라 실행되고,
상기 시스템은 무선 에너지 전달 플로어링 시스템이고,
상기 중계기 공진기중 적어도 하나는 압력 센서를 포함하고, 상기 출력 분배량을 조정하기 위해 상기 압력 센서로부터의 출력에 기초하여 상기 중계기 공진기중 적어도 하나의 동작 파라미터를 변경하도록 구성된 것을 특징으로 하는 무선 에너지 분배 시스템. - 적어도 하나의 소스 공진기로부터 튜닝가능한 중계기 공진기를 갖는 영역 내의 특정 위치로 무선 에너지를 분배하는 방법에 있어서,
소스 공진기로부터 중계기 공진기로 출력을 전달하는 단계;
상기 중계기 공진기로부터 하나 이상의 중계기 공진기로 출력을 전달하는 단계; 및
상기 하나 이상의 중계기 공진기로부터 적어도 하나의 장치 공진기로 적어도 하나의 다른 중계기 공진기를 통해 출력을 전달하는 단계를 포함하고,
적어도 하나의 장치 공진기에 출력을 전달하는 단계는,
특정 위치에 대한 최근접 중계기 공진기를 결정하는 단계,
상기 소스 공진기로부터 상기 최근접 중계기 공진기로의 에너지 전달 경로를 제공하기 위해 상기 중계기 공진기의 공진 주파수를 튜닝하는 단계를 포함하고,
상기 방법은 영역 내의 출력 분배량을 조정하기 위해 상기 중계기 공진기중 적어도 하나의 공진 주파수를 디튜닝하는 단계를 더 포함하고,
상기 소스 및 리피더 공진기는 상기 영역 내에 배치되고,
상기 중계기 공진기중 적어도 하나를 디튜닝하는 단계는 라우팅 알고리즘에 따라 실행되는 것을 특징으로 하는 무선 에너지 분배 방법. - 제24항에 있어서,
상기 영역의 구역을 결정하는 단계; 및
상기 중계기 공진기중 적어도 하나의 가변 커패시터를 조정함으로써 상기 중계기 공진기중 적어도 하나의 공진 주파수를 디튜닝하여 상기 구역 내의 출력 분배량을 증가시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 에너지 분배 방법. - 제24항에 있어서,
상기 중계기 공진기의 각각으로부터 정보를 통신 채널을 통해 무선 수신하는 단계;
출력 정보를 생성하기 위해 상기 수신된 정보에 기초하여 출력 분배량을 계산하는 단계; 및
상기 출력 정보를 상기 통신 채널을 통해 상기 중계기 공진기에 무선 통신하는 단계를 더 포함하고,
상기 중계기 공진기중 적어도 하나의 공진 주파수를 디튜닝하는 단계는 상기 출력 정보에 기초하여 상기 중계기 공진기중 적어도 하나의 가변 커패시터를 조정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 에너지 분배 방법. - 제24항에 있어서, 상기 출력 분배량을 조정하기 위해 상기 중계기 공진기중 적어도 하나의 압력 센서로부터의 출력에 기초하여 상기 중계기 공진기중 적어도 하나의 동작 파라미터를 변경하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 에너지 분배 방법.
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