KR101883684B1 - Apparatus and method for transmitting wireless power using resonant coupling therefor system - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전력 충전 장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히 공진 결합을 이용한 전력 충전 장치 및 방법에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은 공진 결합을 이용한 송신기의 무선 전력 전송 장치에 있어서, DC(Direct Current) 전력을 AC(Alternating Current) 전력으로 변환하는 송신 전력 변환부와, 상기 송신기에 장착된 코일을 포함하는 송신 공진기와, 상기 송신 공진기의 Q 팩터(factor)를 조절하여 상기 변환된 AC 전력의 주파수와 상기 송신 공진기의 공진 주파수의 매칭을 제어하는 제어부를 포함하며, 상기 제어부는, 상기 송신 공진기의 공진 주파수와 상기 코일의 인덕턴스를 곱하고, 곱해진 결과를 상기 송신 공진기의 저항에 기인한 방사 손실로 나누어 상기 Q 팩터를 조절하며, 상기 송신 공진기는 상기 Q 팩터가 조절된 이후, 상기 변환된 AC 전력을 무선으로 전송할 수 있다.The present invention relates to a power charging apparatus and method, and more particularly, to a power charging apparatus and method using resonance coupling.
To this end, the present invention provides a wireless power transmission apparatus for a transmitter using resonance coupling, comprising: a transmission power conversion unit for converting direct current (DC) power into alternating current (AC) power; And a control unit for controlling a Q factor of the transmission resonator to control a matching of a frequency of the converted AC power and a resonance frequency of the transmission resonator, wherein the control unit adjusts a resonance frequency of the transmission resonator, And the transmit resonator adjusts the Q factor by multiplying the inductance of the coil by the radiation loss resulting from the resistance of the transmit resonator, and the transmit resonator wirelessly converts the converted AC power after the Q factor is adjusted Lt; / RTI >

Description

공진 결합을 이용한 무선 전력 전송 장치 및 방법 그리고 이를 위한 시스템{APPARATUS AND METHOD FOR TRANSMITTING WIRELESS POWER USING RESONANT COUPLING THEREFOR SYSTEM}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a wireless power transmission apparatus and method using resonance coupling,

본 발명은 전력 전송 장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히 공진 결합을 이용한 무선 전력 전송 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a power transmission apparatus and method, and more particularly, to a wireless power transmission apparatus and method using resonance coupling.

일반적으로 무선 전력 충전 기술은 최근 많은 전자 기기에 활용되고 있다. 대표적으로 전동 칫솔, 전기 면도기, 휴대폰, 디지털 카메라 등이 있으며, 최근에는 전기 자동차 및 전철의 대형 배터리의 무선 충전에도 많은 연구가 이루어지고 있다.Generally, wireless power charging technology is used in many electronic devices in recent years. Electric toothbrushes, electric shavers, mobile phones, digital cameras, etc. Recently, many studies have been made on the wireless charging of large batteries of electric vehicles and electric trains.

무선 전력 충전 기술은 자기장 유도 결합(Inductive Coupling) 방식, 전기장 용량 결합(Capacitive Coupling) 방식, RF 방사(RF Wave Radiation) 방식 등, 크게 3가지 방식이 있으며, 현재 가장 효율적이고 많이 이용되고 있는 방식은 유도 결합 방식이다.There are three main types of wireless power charging technology, such as inductive coupling, capacitive coupling, and RF wave radiation. Currently, the most efficient and widely used method is Inductive coupling.

유도 결합 방식은 변압기의 기본 원리와 같으며, 무선 전력 충전 시스템에서는 변압기의 1차 코일(primary coil)과 2차 코일(secondary coil)을 분리하여, 1차 코일은 무선 전력 충전을 위한 송신기, 2차 코일은 전자 기기 내의 무선 전력을 충전하는 수신기에 탑재하여 사용한다. 특히, 유도 결합 방식 중에서도 1차 코일과 2차 코일의 공진 주파수를 전력 소스의 통작 주파수와 일치시키고, 각각의 코일의 Q 팩터를 높여서 무선 전력 전송의 거리를 증대시킨 방식을 공진 결합 방식이라 정의한다. 그리고, 1차 코일을 송신 공진기, 2차 코일을 수신 공진기라 한다. The inductive coupling method is the same as that of the transformer. In the wireless power charging system, the primary coil and the secondary coil of the transformer are separated. The primary coil is a transmitter for wireless power charging, The car coil is used by being mounted on a receiver that charges radio power in an electronic device. Particularly, in the inductive coupling method, a resonance coupling method is defined as a method in which the resonance frequencies of the primary coil and the secondary coil are matched with the operating frequency of the power source, and the Q factor of each coil is increased to increase the distance of the wireless power transmission . The primary coil is referred to as a transmission resonator, and the secondary coil is referred to as a reception resonator.

또한, 무선 전력 충전 시스템에서 효율적인 전력 충전을 위해 Tx 공진기와 Rx 공진기 간의 데이터 통신이 이루어지는데, 예를 들면 송신기와 수신기간의 인증 정보, 충전되는 전압, 전류등에 대한 정보, 수신기의 이상 상태에 대한 정보 등을 전송한다. 통신을 위한 대역은 무선 전력의 반송 주파수 대역을 이용하는 인밴드(In-band) 통신 방식과, 별도의 다른 대역을 이용하는 아웃밴드(Out-band) 통신 방식(예: 2.4GHz Zigbee)이 있다.In the wireless power charging system, data communication is performed between the Tx resonator and the Rx resonator for efficient power charging. For example, information on the authentication information of the transmitter and the reception period, information on the voltage and current to be charged, Information and so on. An in-band communication method using a carrier frequency band of radio power and an out-band communication method using a different band (for example, 2.4 GHz Zigbee) are available for communication.

유도 방식을 이용한 무선 전력 충전 기술의 경우 Tx 코일과 Rx 코일의 결합 효율(coupling efficiency)이 중요하며, Tx 코일과 Rx 코일이 서로 매우 근접해 있어야 높은 전력 충전 효율을 얻을 수 있다.The coupling efficiency between the Tx coil and the Rx coil is important for the wireless power charging technique using the induction method. The Tx coil and the Rx coil must be very close to each other to obtain a high power charging efficiency.

종래 유도 방식을 이용한 무선 전력 충전 기술은 영구 자석을 이용하여 Tx 코일과 Rx 코일을 정렬하거나, 전기 모터를 이용하여 Tx 코일과 Rx 코일을 정렬하거나, Tx 코일을 어래이 형태로 배치하고 Rx 코일이 장착된 단말가 인접되면, 가장 가까이에 있는 Tx 코일이 선택되어 Rx 코일로 무선 전력을 전송하하는 기술등이 있다.
Conventional induction-based wireless power charging technology uses a permanent magnet to align the Tx coil and the Rx coil, aligns the Tx coil and the Rx coil using an electric motor, arranges the Tx coil in an array, and mounts the Rx coil If the terminal is adjacent, the nearest Tx coil is selected and the radio power is transmitted to the Rx coil.

도 1은 종래 유도 방식을 이용한 무선 전력 충전을 나타낸 예시도이다.FIG. 1 is a diagram illustrating an example of wireless power charging using a conventional induction method.

도시된 바와 같이, 도 1a는 송신기 즉, 충전 패드를 나타내며, 도 1b는 수신기 즉, 이동 단말을 나타낸다. 그리고, 도 1c는 무선으로 전력을 충전하기 위한 바른 예시도이며, 도 1d 내지 도 1f는 무선 전력을 충전하는데 있어서, 잘못된 예시도이다이다. 송신기(110) 및 수신기(120)는 각각 코일(111, 112)이 장착되어 있다. 유도 방식을 이용하여 무선으로 전력을 충전하기 위해서는 도 1c와 같이, 송신기와 수신기간에 코일의 위치를 일치해야한다. 이와 같이, 송신기와 수신기간의 코일 정렬 상태가 좋으면 효율적인 무선 전력 전송이 가능하다. 그러나, 도 1d 내지 도 1f는 송신기의 Tx 코일과 수신기의 Rx 코일간의 정렬 상태가 좋지 않은 예시도로서, 이런 경우 무선 전력 전송이 잘 이루어지지 않는다.As shown, Figure 1A shows a transmitter, i.e., a charge pad, and Figure 1B shows a receiver, i.e., a mobile terminal. 1C is a right illustration for charging electric power by radio, and FIGS. 1D through 1F are false examples for charging electric power. The transmitter 110 and the receiver 120 are equipped with coils 111 and 112, respectively. In order to charge the electric power wirelessly using the induction method, as shown in FIG. 1C, the position of the coil must match the position of the transmitter and the receiving period. Thus, if the coil alignment state between the transmitter and the reception period is good, efficient wireless power transmission is possible. However, Figs. 1d to 1f show an example in which the alignment state between the Tx coil of the transmitter and the Rx coil of the receiver is poor, in which case the wireless power transmission is not performed well.

이와 같이, 무선 전력 충전 기술은 기본적으로 Tx 코일과 Rx 코일의 정확한 정렬이 요구될 뿐만 아니라, Tx 코일과 Rx 코일의 크기가 거의 같아야 하는 문제점이 있다. 또한, 태블릿 PC의 경우, 태블릿 PC 본체에 Rx 코일이 위치하게 되는데, 본체 내부의 설계상, Rx 코일이 정가운데 위치하지 못할 수 있다. 이러한 경우, Tx 코일과 Rx 코일의 정렬에 제약이 따르게 된다. 예를 들어, 태블릿 PC를 무선 충전 패드 위에 올려 놓을 때, 90도 회전시켜 올려놓거나, 태블릿 PC의 본체 일부가 무선 충전 패드로부터 벗어나 있게 올려 놓으면, 무선 충전 패드 내의 Tx 코일과 태블릿 PC 내의 Rx 코일의 정렬 상태가 좋지 않아 효율이 급격이 떨어지고, 무선 전력 전송 자체가 중단되는 문제점이 있다.As described above, the wireless power charging technique basically requires precise alignment of the Tx coil and the Rx coil, and also requires that the sizes of the Tx coil and the Rx coil are substantially the same. Also, in the case of a tablet PC, the Rx coil is located in the tablet PC body, but the Rx coil may not be located in the center of the body due to the design of the inside of the body. In this case, alignment of the Tx coil and the Rx coil is restricted. For example, if you place the Tablet PC on a wireless charging pad and turn it 90 degrees, or if you put a tablet PC away from the wireless charging pad, the Tx coil in the wireless charging pad and the Rx coil in the tablet PC There is a problem that the efficiency is deteriorated due to the poor alignment state, and the wireless power transmission itself is interrupted.

본 발명은 상술한 종래 문제점을 해결하기 위하여 공진 결합을 이용한 무선 전력 전송 장치 및 방법을 제공한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a wireless power transmission apparatus and method using resonance coupling to solve the above-described conventional problems.

상술한 바를 달성하기 위한 본 발명은 공진 결합을 이용한 송신기의 무선 전력 전송 장치에 있어서, DC(Direct Current) 전력을 AC(Alternating Current) 전력으로 변환하는 송신 전력 변환부와, 상기 송신기에 장착된 코일을 포함하는 송신 공진기와, 상기 송신 공진기의 Q 팩터(factor)를 조절하여 상기 변환된 AC 전력의 주파수와 상기 송신 공진기의 공진 주파수의 매칭을 제어하는 제어부를 포함하며, 상기 제어부는, 상기 송신 공진기의 공진 주파수와 상기 코일의 인덕턴스를 곱하고, 곱해진 결과를 상기 송신 공진기의 저항에 기인한 방사 손실로 나누어 상기 Q 팩터를 조절하며, 상기 송신 공진기는 상기 Q 팩터가 조절된 이후, 상기 변환된 AC 전력을 무선으로 전송할 수 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided a wireless power transmission apparatus for a transmitter using resonance coupling, comprising: a transmission power conversion unit for converting direct current (DC) power into alternating current (AC) power; And a control unit for controlling a Q factor of the transmission resonator to control a matching of the frequency of the converted AC power and a resonance frequency of the transmission resonator, And the transmission resonator adjusts the Q factor by dividing the result of the multiplication by the radiation loss due to the resistance of the transmission resonator, Power can be transmitted wirelessly.

또한, 상술한 바를 달성하기 위한 본 발명은 공진 결합을 이용한 송신기의 무선 전력 전송 방법에 있어서, DC(Direct Current) 전력을 AC(Alternating Current) 전력으로 변환하는 과정과, 상기 송신 공진기의 Q 팩터(factor)를 조절하여 상기 변환된 AC 전력의 주파수와 상기 송신기의 송신 공진기의 공진주파수의 매칭을 제어하는 과정과, 상기 Q 팩터가 조절된 이후, 상기 송신 공진기를 통해 상기 변환된 AC 전력을 수신기로 전송하는 과정을 포함하며, 상기 송신기에는 코일이 장착되고, 상기 Q 팩터는 상기 송신 공진기의 공진 주파수와 상기 코일의 인덕턴스를 곱하고, 곱해진 결과를 상기 송신 공진기의 저항에 기인한 방사 손실로 나누어 조절될 수 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of transmitting a wireless power of a transmitter using resonance coupling, the method comprising: converting direct current (DC) power to alternating current (AC) power; controlling the matching of the frequency of the converted AC power and the resonant frequency of the transmitter resonator of the transmitter by adjusting the Q factor, adjusting the converted AC power to the receiver through the transmission resonator, Wherein the Q factor is obtained by multiplying a resonance frequency of the transmission resonator by an inductance of the coil and dividing the multiplied result by a radiation loss caused by a resistance of the transmission resonator .

또한, 상술한 바를 달성하기 위한 본 발명은 공진 결합을 이용한 무선 전력 충전 시스템에 있어서, DC(Direct Current) 전력을 AC(Alternating Current) 전력으로 변환하고, 상기 변환된 AC 전력의 주파수와 송신 공진기의 공진주파수를 매칭하여 상기 변환된 AC 전력을 수신기로 무선 전송하며, 코일이 장착된 송신기와, 상기 수신된 AC 전력을 DC 전력으로 변환하여 배터리에 충전하는 수신기를 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a wireless power charging system using resonance coupling, the method comprising: converting direct current (DC) power to alternating current (AC) power; And a receiver for converting the received AC power into DC power and charging the battery by charging the AC power.

상술한 바와 같이, 본 발명은 높은 Q 팩터를 갖는 공진기를 설계하고, 적응적으로 임피던스를 매칭함으로써, 사용자가 이동 단말을 충전 패드에 자유롭게 위치시키더라도 효율적으로 무선 전력 전송을 가능하게 하여 사용자 편의성을 증대시킬 수 있다.As described above, the present invention designs a resonator having a high Q factor and adaptively matches the impedance, thereby enabling efficient wireless power transmission even if the user places the mobile terminal on the charging pad freely, Can be increased.

도 1은 종래 유도 방식을 이용한 무선 전력 충전을 나타낸 예시도.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 공진 결합을 이용한 무선 전력 충전 시스템을 나타낸 블록도.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 공진 결합을 이용한 무선 전력 충전 예시도를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 수신기가 송신기에 지지대에 의해 세워진 경우 무선 전력 충전 예시도.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 공진 결합을 이용한 무선 전력 충전 방법을 나타낸 순서도.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a diagram illustrating an example of wireless power charging using a conventional induction method; FIG.
2 is a block diagram of a wireless power charging system using resonant coupling according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram illustrating an example of wireless power charging using resonant coupling according to an embodiment of the present invention.
4 is an illustration of a wireless power charging case where a receiver in accordance with an embodiment of the present invention is erected by a support on a transmitter.
5 is a flowchart illustrating a wireless power charging method using resonance coupling according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 동작 원리를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 사용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
Hereinafter, the principle of operation of the preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear. The following terms are defined in consideration of the functions of the present invention and may vary depending on the user, intention or custom of the user. Therefore, the definition should be based on the contents throughout this specification.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 공진 결합을 이용한 무선 전력 충전 시스템을 나타낸 블록도이다. 도 2에서는 무선 전력을 전송하는 송신기(210)와, 무선 전력을 수신하여 충전하는 수신기(220)로 구성된다.FIG. 2 is a block diagram illustrating a wireless power charging system using resonance coupling according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. FIG. 2 shows a transmitter 210 for transmitting wireless power and a receiver 220 for receiving and charging wireless power.

도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 공진 결합을 이용한 무선 전력 충전을 위한 송신기(210)는 DC 전력을 AC 전력으로 변환하는 송신 전력 변환부(211)와, AC 전력을 통해서 전자기 필드를 발생하여 무선 전력을 수신기로 송신하기 위한 송신 공진을 발생시키는 Tx 공진기(212)와, 송신 전력의 효율성을 높이고, 변환된 AC 전력의 주파수에 Tx 공진기(212)의 공진 주파수를 매칭하기 위해 Q 팩터(Q factor)를 조절하고, 적응적 임피던스 매칭을 제어하는 제어부(213)를 포함한다. As shown in the figure, a transmitter 210 for wireless power charging using resonance coupling according to an embodiment of the present invention includes a transmission power conversion unit 211 for converting DC power into AC power, A Tx resonator 212 for generating a transmission resonance for transmitting the radio power to the receiver and a Tx resonator 212 for enhancing the efficiency of the transmission power and matching the resonance frequency of the Tx resonator 212 with the frequency of the converted AC power, And a controller 213 for adjusting the Q factor and controlling the adaptive impedance matching.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 공진 결합을 이용한 전력 충전을 위한 수신기(220)는 상기 송신기(210)의 Tx 공진기(212)와 공진 결합하여 무선 전력을 수신하는 Rx 공진기(214)와, 상기 Rx 공진기를 통해 수신되는 AC 전력을 DC 전력으로 변환하는 수신 전력 변환부(215)와, 수신 전력의 효율성을 높이기 위해 Q 팩터를 조절하고, 적응적 임피던스 매칭을 제어하는 제어부(216)와, 상기 변환된 DC 전력를 제어부(216)의 제어하에 충전하는 배터리(217)를 포함한다.In addition, the receiver 220 for power charging using the resonance coupling according to the embodiment of the present invention includes an Rx resonator 214 receiving the radio power by resonating with the Tx resonator 212 of the transmitter 210, A reception power converting unit 215 for converting the AC power received through the Rx resonator to DC power, a controller 216 for adjusting the Q factor and controlling the adaptive impedance matching to improve the efficiency of received power, And a battery 217 for charging the converted DC power under the control of the control unit 216. [

이하, 도 2를 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 공진 결합을 이용한 전력 충전 장치를 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a power charging apparatus using resonance coupling according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG.

본 발명의 실시 예에 따른 송신기 즉, 충전 패드의 송신 전력 변환부(211)는 DC 전력을 AC 전력으로 변환한다. 그리고, Tx 공진기(212)는 변환된 AC 전력을 통해서 전자기 필드를 발생하여 무선 전력을 수신기로 송신하기 위해 공진을 발생시킨다. 즉, Tx 공진기(212)는 송신 전력 변환부(211)로부터 변환된 AC 전력을 수신하여 유도 기전력을 발생시킨다. 상기 Tx 공진기(212)는 수신기와 접촉되는 면의 둘레에 공진기가 설치된다. 이러한, 공진기 설치는 송신기에 설치되며, 전력 전송의 효율성을 극대화하기 위해 설치된다.The transmitter, that is, the transmission power conversion unit 211 of the charging pad according to the embodiment of the present invention converts DC power into AC power. The Tx resonator 212 generates an electromagnetic field through the converted AC power and generates resonance to transmit the radio power to the receiver. That is, the Tx resonator 212 receives the converted AC power from the transmission power conversion unit 211 to generate an induced electromotive force. The Tx resonator 212 is provided with a resonator around the surface contacting the receiver. These resonator installations are installed in the transmitter and are installed to maximize the efficiency of power transmission.

그리고, 제어부(213)는 Tx 공진기(212)를 통해 송신되는 전력의 효율성을 높이기 위해 Q 팩터를 조절하고, 적응적 임피던스 매칭을 제어한다. 이하에서는 Q 팩터 조절과 적응적 임피던스 매칭에 대해서 보다 상세히 설명한다.The controller 213 adjusts the Q factor to control the adaptive impedance matching in order to increase the efficiency of the power transmitted through the Tx resonator 212. The Q factor control and adaptive impedance matching will be described in more detail below.

본 발명에 따른 무선 전력을 전송하기 위해서는 Tx 코일과 Rx 코일의 설계시, 높은 Q 팩터가 요구되고, 적응적 임피던스 매칭이 요구된다. 상기 제어부(213)는 이러한 기능을 담당한다. 즉, 송신 전력 변환부에 의해 변환된 AC 전력의 주파수와 송신 공진기의 공진주파수를 이용하여 송신 공진기의 Q 팩터를 조절하고 적응적 임피던스 매칭을 제어한다. 또한, 제어부(213)는 Q 팩터를 조절하고, 적응적 임피던스 매칭을 제어하여 AC 전력의 주파수에 송신 공진기의 공진 주파수를 매칭한다. 이러한, Q 팩터의 조절은 송신 공진기의 공진 주파수와 인덕턴스를 곱한 후, 방사 손실로 나누어 조절한다. 이러한 Q 팩터의 조절은 후술하는 <수학식 1> 및 <수학식 2>로 조절될 수 있다.In order to transmit the wireless power according to the present invention, a high Q factor is required in designing the Tx coil and the Rx coil, and adaptive impedance matching is required. The control unit 213 is responsible for these functions. That is, the Q factor of the transmission resonator is adjusted using the frequency of the AC power converted by the transmission power conversion unit and the resonance frequency of the transmission resonator, and the adaptive impedance matching is controlled. Also, the controller 213 adjusts the Q factor and controls the adaptive impedance matching to match the resonant frequency of the transmitting resonator with the frequency of the AC power. The adjustment of the Q factor is performed by multiplying the resonance frequency of the transmission resonator by the inductance, and then dividing by the radiation loss. The adjustment of the Q factor can be controlled by Equation (1) and Equation (2).

또한, 상기 제어부(213)는 송신기의 송신 공진기와 수신기의 수신 공진기간의 거리나 정렬에 따라서 변하게되는 공진 주파수를 송신 공진기의 인덕턴스 및 커패시턴스를 제어하고, AC 전력의 주파수에 매칭하여 적응적 임피던스 매칭을 제어한다.The control unit 213 controls the inductance and capacitance of the transmission resonator by changing the distance and the alignment of the transmission resonator of the transmitter and the reception period of the receiver so as to match the frequency of the AC power and performs adaptive impedance matching .

높은 Q 팩터를 갖는 Tx 코일과 Rx 코일은 특정 주파수에서 높은 전력 전송 효율을 갖게 된다. 그리고, Tx 코일과 Rx 코일은 각각 인덕턴스(L) 성분과 커패시턴스(C) 성분을 가지고 있기 때문에, 공진 주파수에서 LC 공진이 일어난다. 또한, Tx 공진기(212)와 Rx 공진기(214)의 Q 팩터를 높이면, 공진기 자체에서 발생되는 저항성 손실(ohmic loss)을 줄일 수 있다. 또한, Q 팩터를 높이면, 공진기에서 발생되는 전자기 필드가 인접한 필드 상에서 에너지를 보존하면서 방사(radiation)되어 손실되는 성분을 줄일 수 있다. 따라서, 결합효율은 0.1 정도로 낮더라도 높은 Q 팩터를 갖는 공진기 설계를 통해서 효율적인 무선 전송 전력을 할 수 있다. 이러한 Q 팩터는 아래 <수학식 1>로 나타낼 수 있다.Tx and Rx coils with high Q factors have high power transfer efficiencies at specific frequencies. Since the Tx coil and the Rx coil each have an inductance (L) component and a capacitance (C) component, LC resonance occurs at the resonance frequency. In addition, if the Q factor of the Tx resonator 212 and the Rx resonator 214 is increased, the ohmic loss generated in the resonator itself can be reduced. In addition, by increasing the Q factor, the electromagnetic field generated in the resonator can be radiation reduced while conserving energy on adjacent fields, thereby reducing components lost. Thus, even though the coupling efficiency is as low as 0.1, efficient radio transmission power can be achieved through a resonator design with a high Q factor. This Q factor can be expressed by Equation (1) below.

Figure 112012005458829-pat00001
Figure 112012005458829-pat00001

상기 <수학식 1>에서 ω=2πf이고, f는 공진 주파수를 나타내고, L은 인덕턴스를 나타내고, R은 방사 손실 성분을 나타낸다.In Equation (1),? = 2? F, f denotes a resonance frequency, L denotes an inductance, and R denotes a radiation loss component.

공진기를 구성하는 L과 C는 각각 ESR(Equivalent Series Resistance)를 갖고 있으며, 이러한 ESR을 줄일 수록, R은 작아지며, Q는 증가한다. 또한, 공진기에서 방사 손실이 클수록 R이 크다.L and C constituting the resonator each have ESR (Equivalent Series Resistance). As the ESR is reduced, R becomes smaller and Q increases. Also, the larger the radiation loss in the resonator, the larger the R is.

따라서, 본 발명에 따른 무선 전력 충전 장치는 Q 팩터를 높이기 위해 공진기 설계가 중요하며, 제어부(213)는 이러한 공진 설계를 한다.Therefore, in the wireless power charging apparatus according to the present invention, the resonator design is important for raising the Q factor, and the controller 213 performs such a resonance design.

또한, 제어부(213)는 공진 설계 뿐만 아니라, 적응적 임피던스 매칭을 한다. 이와 같이, 임피던스 매칭을 위한 Q 팩터는 아래 <수학식 2>와 같이 표현된다.In addition, the control unit 213 performs adaptive impedance matching as well as resonance design. As described above, the Q factor for impedance matching is expressed by Equation (2) below.

Figure 112012005458829-pat00002
Figure 112012005458829-pat00002

상기 <수학식 2>에서 fr은 공진 주파수를 나타내고, Δf는 3dB bandwidth를 나타낸다. 이러한, 3dB bandwidth는 전력이 최대치가 되는 공진 주파수의 전력보다 3dB 낮은 지점 간의 대역폭을 의미한다. In Equation (2), f r denotes a resonance frequency, and? F denotes a 3 dB bandwidth. This 3dB bandwidth means the bandwidth between the point where the power is 3dB lower than the power of the resonance frequency where the power is maximum.

상기 <수학식 2>를 통해서 3dB 대역폭이 작을 수록 Q 팩터가 높다. 이것은 물리적으로 특정 주파수에서 높은 효율로 무선 전력을 전송할 수 있음을 의미한다.Equation (2) indicates that the smaller the 3dB bandwidth is, the higher the Q factor is. This means that it is possible to physically transmit radio power at high efficiency at a specific frequency.

따라서, 공진기의 공진 주파수와 같은 주파수의 전력을 보낼 때, 가장 높은 효율의 무선 전력 전송이 가능하다. 그러나, 무선 전력 전송 시스템에서 공진 주파수는 하나의 값으로 고정되어 있지 않고, Tx 공진기와 Rx 공진기간의 거리나 정렬 상태에 따라서 공진 주파수가 변한다. 이와 같이, 공진 주파수가 변하는 이유는 상호 인덕턴스(mutual inductance) 또는 상호 커패시턴스(mutual capacitance)가 변하기 때문이다. Therefore, when the power of the same frequency as the resonance frequency of the resonator is transmitted, the highest efficiency of the wireless power transmission is possible. However, in a wireless power transmission system, the resonance frequency is not fixed to a single value, and the resonance frequency varies depending on the distance between the Tx resonator and the Rx resonance period or the alignment state. Thus, the reason why the resonance frequency is changed is because the mutual inductance or the mutual capacitance is changed.

이와 같이, 공진 주파수가 변하게 되면, 원래 정해진 전력의 주파수와 어긋나게 되고, 효율적인 전력 전송이 어렵게 된다. 특히, Q 팩터가 높은 공진기일수록 약간의 주파수 불일치에도 많은 효율 차이가 나기 때문에, 이러한 주파수 불일치를 줄여야한다. 그리고, 적응적 임피던스 매칭을 통해 공진 주파수의 값이 변경되었을 때, 적응적으로 전력의 주파수와 일치시킬 수 있으며, 높은 효율의 무선 전력 전송이 가능하다.As described above, when the resonance frequency is changed, the frequency of the power is deviated from the originally determined power, and efficient power transmission becomes difficult. In particular, since higher Q-factor resonators result in greater efficiency differences for some frequency mismatches, these frequency mismatches must be reduced. When the value of the resonance frequency is changed through the adaptive impedance matching, it can be adaptively matched with the frequency of the power, and high-efficiency wireless power transmission is possible.

그리고, 수신기(220)는 이동 단말로서, 무선 전력을 수신하는 Rx 공진기(214)와, 수신된 AC 전력을 DC로 변환하는 수신 전력 변환부(215)와, 변환된 DC 전력을 저장하는 배터리(217)와, 상기 송신기의 제어부(213)과 같은 동작을 수행하는 제어부(216)를 포함한다. 상기 제어부(216)의 동작은 송신기에서 설명되었기 때문에 생략한다.
The receiver 220 includes a Rx resonator 214 for receiving radio power, a reception power conversion unit 215 for converting the received AC power into DC, a battery (not shown) for storing the converted DC power And a controller 216 for performing the same operation as the controller 213 of the transmitter. The operation of the controller 216 is omitted because it is described in the transmitter.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 공진 결합을 이용한 무선 전력 충전 예시도를 나타낸 도면이다.3 is a diagram illustrating an example of wireless power charging using resonance coupling according to an embodiment of the present invention.

도시된 바와 같이, 도 3a는 본 발명의 실시 예에 따른 공진 결합을 이용한 무선 전력을 송신하는 송신기(310)를 나타내고, 도 3b는 본 발명의 실시 예에 따른 공진 결합을 이용한 무선 전력을 수신하는 수신기(320)를 나타낸다. 송신기 및 수신기 각각은 무선 전력을 송신 및 수신하기 위한 공진기(311, 321)가 장착되어 있다. 각 공진기들은 효율적으로 무선 전력 전송을 전송하기 위한 위치에 장착될 수 있다. 예를 들어, 송신기에 장착된 공진기(311)는 송신기 윗면의 상하좌우 테두리에 걸쳐서 설치될 수 있다. 이는 단지 본 발명의 실시 예일 뿐, 수신기가 쉽게 놓여질 수 있는 어느 위치에도 장착될 수 있다. 그리고, 도 3c는 송신기가 가로로 놓이고, 수신기가 세로로 놓여진 상태를 나타낸 예시도이고, 도 3d는 송신기가 가로로 놓이고, 수신기의 상하 위치가 바뀐 상태를 나타낸 예시도이고, 도 3e는 송신기가 가로로 놓이고, 수신기가 송신기의 방향에 비스듬하게 놓여진 상태를 나타낸 예시도이다.
As shown, FIG. 3A shows a transmitter 310 that transmits wireless power using resonant coupling according to an embodiment of the present invention, FIG. 3B illustrates a transmitter 310 that receives wireless power using resonant coupling according to an embodiment of the present invention Receiver &lt; / RTI &gt; Each of the transmitter and the receiver is equipped with a resonator 311, 321 for transmitting and receiving radio power. Each resonator can be mounted in a position to efficiently transmit the wireless power transmission. For example, the resonator 311 mounted on the transmitter may be installed over the upper, lower, left, and right edges of the upper surface of the transmitter. This is merely an embodiment of the present invention and can be mounted in any position where the receiver can be easily placed. FIG. 3C is an exemplary view showing a state where the transmitter is placed horizontally and a receiver is placed vertically, FIG. 3D is an exemplary view showing a state where the transmitter is placed horizontally and a vertical position of the receiver is changed, And the receiver is placed obliquely in the direction of the transmitter.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 수신기가 송신기에 지지대에 의해 세워진 경우 무선 전력 충전 예시도이다.4 is a diagram of a wireless power charging case where a receiver in accordance with an embodiment of the present invention is erected by a support on a transmitter.

도시된 바와 같이, 수신기(420)는 송신기(410) 위에서 지지대(430)에 의해 세워진 경우에도 송신기 즉, 충전 패트에 장착된 Tx 공진기를 통해 수신기의 Rx 공진기로 무선으로 전력을 송수신 할 수 있다. 수신기가 세워진 각도는 지지대에 의해서 결정될 수 있거나, 또는 사용자가 각도를 조절할 수 있다. 그리고, Tx 코일은 송신기의 측면 둘레에 걸쳐서 설치된다.
As shown, the receiver 420 can wirelessly transmit and receive power to the Rx resonator of the receiver through the transmitter, i.e., the Tx resonator mounted on the charging pad, even when erected by the support 430 on the transmitter 410. [ The angle at which the receiver is erected can be determined by the support, or the user can adjust the angle. The Tx coil is installed over the side surface of the transmitter.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 공진 결합을 이용한 무선 전력 충전 방법을 나타낸 순서도이다.5 is a flowchart illustrating a wireless power charging method using resonance coupling according to an embodiment of the present invention.

이하, 도 5를 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 공진 결합을 이용한 무선 전력 충전 방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a radio power charging method using resonance coupling according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG.

송신기는 DC 전력을 AC 전력으로 변환한다(S510).The transmitter converts DC power to AC power (S510).

변환된 AC 전력의 주파수에 송신 공진기의 공진 주파수를 매칭한다(S512). 보다 상세하게, 상기 변환된 AC 전력의 주파수와 송신 공진기의 공진 주파수를 이용하여 상기 송신 공진기의 Q 팩터를 조절하고, 적응적 임피던스 매칭에 제어한다. 이러한 제어는 상기 Q 팩터를 조절하고, 상기 적응적 임피던스 매칭을 제어하여 상기 AC 전력의 주파수에 상기 송신 공진기의 공진 주파수를 매칭한다. 그리고, 상기 제어는 송신 공진기의 공진 주파수와 인덕턴스를 곱한 후, 방사 손실로 나누어 상기 Q 팩터를 조절한다. 또한, 상기 제어는 상기 송신 공진기의 공진 주파수를 상기 변환된 AC 전력의 최대치보다 3dB 낮은 지점의 주파수로 나누어 상기 Q 팩터를 조절한다. 또한, 상기 제어는 상기 송신기의 송신 공진기와 상기 수신기의 수신 공진기간의 거리나 정렬에 따라서 변하게 되는 공진 주파수를 상기 송신 공진기의 인덕턴스 및 커패시턴스를 제어하고, 상기 AC 전력의 주파수에 매칭하고, 상기 적응적 임피던스 매칭을 제어한다.The resonance frequency of the transmission resonator is matched with the frequency of the converted AC power (S512). In more detail, the Q factor of the transmission resonator is adjusted using the frequency of the converted AC power and the resonance frequency of the transmission resonator, and the adaptive impedance matching is controlled. This control adjusts the Q factor and controls the adaptive impedance matching to match the resonant frequency of the transmit resonator to the frequency of the AC power. The control is performed by multiplying the resonance frequency of the transmission resonator by the inductance, and then dividing the resonance frequency by the radiation loss to adjust the Q factor. In addition, the control divides the resonant frequency of the transmission resonator by a frequency 3 dB lower than the maximum value of the converted AC power to adjust the Q factor. The control may further include controlling the inductance and the capacitance of the transmission resonator to match the frequency of the AC power and the resonance frequency of the transmission resonator of the transmitter, Thereby controlling the impedance matching.

그리고, 상기 송신기는 상기 공진 주파수가 매칭된 송신 공진기를 이용하여 상기 변환된 AC 전력을 무선으로 수신기로 전송한다(S514). 상기 수신기는 Rx 공진기(214)를 통해서 무선으로 전력을 수신하고, 수신 전력 변환부(215) 수신된 AC 전력을 DC 전력으로 변환하고, 배터리(217)에 저장한다.The transmitter transmits the converted AC power to the receiver wirelessly using the transmission resonator whose resonance frequency is matched (S514). The receiver receives the power wirelessly through the Rx resonator 214, converts the received AC power into DC power and stores it in the battery 217.

한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.While the invention has been shown and described with reference to certain preferred embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made without departing from the spirit and scope of the invention. Therefore, the scope of the present invention should not be limited by the illustrated embodiments, but should be determined by the scope of the appended claims and equivalents thereof.

211: 송신전력 변환부 212: Tx 공진기
213: 송신측 제어부 214: Rx 공진기
215: 수신전력 변환부 216: 수신측 제어부211 Transmission power conversion unit 212 Tx resonator
213: Transmitting-side control unit 214: Rx resonator
215: reception power conversion section 216: reception side control section

Claims (18)

공진 결합을 이용한 송신기의 무선 전력 전송 장치에 있어서,
DC(Direct Current) 전력을 AC(Alternating Current) 전력으로 변환하는 송신 전력 변환부와,
상기 송신기에 장착된 코일을 포함하는 송신 공진기와,
상기 송신 공진기의 Q 팩터(factor)를 조절하여 상기 변환된 AC 전력의 주파수와 상기 송신 공진기의 공진 주파수를 매칭하는 제어부를 포함하며,
상기 제어부는, 상기 송신 공진기의 공진 주파수와 상기 송신기에 장착된 코일의 인덕턴스를 곱하고, 곱해진 결과를 상기 송신 공진기의 저항에 기인한 방사 손실로 나눈 값에 근거하여 상기 Q 팩터를 조절하며,
상기 송신 공진기는 상기 Q 팩터가 조절된 이후, 상기 조절된 Q 팩터에 기반하여 상기 변환된 AC 전력을 수신기로 무선으로 전송하는 무선 전력 전송 장치.
In a wireless power transmission apparatus of a transmitter using resonance coupling,
A transmission power conversion unit for converting DC (Direct Current) power into AC (Alternating Current) power,
A transmission resonator including a coil mounted on the transmitter,
And a control unit for adjusting a Q factor of the transmission resonator to match a frequency of the converted AC power with a resonant frequency of the transmission resonator,
Wherein the control unit adjusts the Q factor based on a value obtained by multiplying a resonance frequency of the transmission resonator by an inductance of a coil mounted on the transmitter and dividing a result of the multiplication by a radiation loss caused by a resistance of the transmission resonator,
Wherein the transmit resonator wirelessly transmits the converted AC power to the receiver based on the adjusted Q factor after the Q factor is adjusted.
제1 항에 있어서, 상기 코일은
상기 송신기의 내부의 측면이나, 상기 송신기의 충전 패드 윗면에 장착되는 무선 전력 전송 장치.
2. The apparatus of claim 1,
Wherein the transmitter is mounted on an inner side of the transmitter or on a top surface of a charging pad of the transmitter.
제1 항에 있어서, 상기 제어부는
적응적 임피던스 매칭을 제어하는 무선 전력 전송 장치.
The apparatus of claim 1, wherein the control unit
A wireless power transmission apparatus for controlling adaptive impedance matching.
제1 항에 있어서, 상기 Q 팩터는 아래 <수학식 3>으로 계산되며,
<수학식 3>
Figure 112017007197321-pat00010

상기 <수학식 3>에서 ω=2πf이고, f는 상기 공진 주파수를 나타내고, L은 상기 코일의 인덕턴스를 나타내고, R은 상기 방사 손실을 나타내는 무선 전력 전송 장치.
2. The method of claim 1, wherein the Q factor is calculated by Equation (3)
&Quot; (3) &quot;
Figure 112017007197321-pat00010

In the above Equation (3),? = 2? F, f denotes the resonance frequency, L denotes the inductance of the coil, and R denotes the radiation loss.
제1 항에 있어서, 상기 제어부는
상기 송신 공진기의 공진 주파수를 상기 변환된 AC 전력의 최대치보다 3dB 낮은 지점의 주파수로 나누어 상기 Q 팩터를 조절하는 무선 전력 전송 장치.
The apparatus of claim 1, wherein the control unit
And the Q factor is adjusted by dividing a resonance frequency of the transmission resonator by a frequency 3 dB lower than a maximum value of the converted AC power.
제1 항에 있어서, 상기 Q 팩터는 아래 <수학식 4>로 계산되며,
<수학식 4>
Figure 112017007197321-pat00011

상기 <수학식 4>에서 fr은 상기 공진 주파수를 나타내며, Δf는 상기 변환된 AC 전력이 최대값이 되는 상기 공진 주파수의 전력보다 3dB 낮은 지점의 대역폭을 의미하는 무선 전력 전송 장치.
2. The method of claim 1, wherein the Q factor is calculated by Equation (4)
&Quot; (4) &quot;
Figure 112017007197321-pat00011

In Equation (4), f r denotes the resonance frequency, and? F denotes a bandwidth at a point 3 dB lower than the power of the resonance frequency at which the converted AC power becomes a maximum value.
제1 항에 있어서, 상기 제어부는
상기 송신기의 송신 공진기와 상기 수신기의 수신 공진기간의 거리나 정렬에 따라서 변하는 공진 주파수를 상기 AC 전력의 주파수에 매칭하여 상기 송신 공진기의 인덕턴스 및 커패시턴스를 제어하고, 적응적 임피던스 매칭을 제어하는 무선 전력 전송 장치.
The apparatus of claim 1, wherein the control unit
The inductance and capacitance of the transmission resonator are matched to the frequency of the AC power by changing a distance between the transmission resonator of the transmitter and a reception resonance period of the receiver, Transmission device.
공진 결합을 이용한 송신기의 무선 전력 전송 방법에 있어서,
DC(Direct Current) 전력을 AC(Alternating Current) 전력으로 변환하는 과정과,
송신 공진기의 Q 팩터(factor)를 조절하여 상기 변환된 AC 전력의 주파수와 상기 송신기의 송신 공진기의 공진주파수를 매칭하는 과정과,
상기 Q 팩터가 조절된 이후, 상기 조절된 Q 팩터에 기반하여 상기 변환된 AC 전력을 상기 송신 공진기를 통해 수신기로 전송하는 과정을 포함하며,
상기 송신기에는 코일이 장착되고, 상기 Q 팩터는 상기 송신 공진기의 공진 주파수와 상기 코일의 인덕턴스를 곱하고, 곱해진 결과를 상기 송신 공진기의 저항에 기인한 방사 손실로 나눈 값에 근거하여 조절되는 무선 전력 전송 방법.
A wireless power transmission method of a transmitter using resonance coupling,
Converting direct current (DC) power into alternating current (AC) power,
Matching a frequency of the converted AC power with a resonant frequency of a transmitting resonator of the transmitter by adjusting a Q factor of the transmitting resonator;
And transmitting the converted AC power to the receiver via the transmission resonator based on the adjusted Q factor after the Q factor is adjusted,
Wherein the transmitter is equipped with a coil, wherein the Q factor multiplies the resonance frequency of the transmission resonator by the inductance of the coil and multiplies the multiplied result by the radiation loss due to the resistance of the transmission resonator, Transmission method.
제8 항에 있어서,
적응적 임피던스 매칭을 제어하는 과정을 더 포함하는 무선 전력 전송 방법.
9. The method of claim 8,
And controlling the adaptive impedance matching.
제8 항에 있어서,
상기 Q 팩터는 상기 송신 공진기의 공진 주파수를 상기 변환된 AC 전력의 최대치보다 3dB 낮은 지점의 주파수로 나누어 조절되는 무선 전력 전송 방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the Q factor is adjusted by dividing a resonance frequency of the transmission resonator by a frequency 3 dB lower than a maximum value of the converted AC power.
제8 항에 있어서,
상기 송신기의 송신 공진기와 상기 수신기의 수신 공진기간의 거리나 정렬에 따라서 변하는 공진 주파수를 상기 AC 전력의 주파수에 매칭하여 상기 송신 공진기의 인덕턴스 및 커패시턴스를 제어하고, 적응적 임피던스 매칭을 제어하는 과정을 더 포함하는 무선 전력 전송 방법.9. The method of claim 8,
Matching the resonance frequency varying according to the distance and the alignment between the transmission resonator of the transmitter and the reception resonance period of the receiver to the frequency of the AC power to control the inductance and capacitance of the transmission resonator and controlling the adaptive impedance matching Lt; / RTI &gt; 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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