KR101897021B1 - 무선전력 송신장치 및 그 방법 - Google Patents

무선전력 송신장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 무선전력 송신장치는 교류 전원을 생성하는 전원; 상기 교류 전원에 기초하여 무선전력을 무선전력 수신장치로 송신하는 송신 코일; 상기 송신 코일의 입력 임피던스를 감지하는 측정부;를 포함하고, 상기 입력 임피던스는 실수(real) 성분과 허수(imaginary) 성분을 포함하고, 상기 무선전력 송신장치는 상기 입력 임피던스의 상기 허수(imaginary) 성분이 일정 범위를 유지하도록 제어한다.

Description

무선전력 송신장치 및 그 방법{WIRELESS POWER TRANSMITTING APPARATUS AND MEATHOD THEREOF}
본 실시 예는 무선전력 송신장치 및 그 방법에 관한 것이다.
일상 생활에서 사용하는 거의 모든 가전 제품, 휴대기기와 사무용 기기 그리고 산업용 기기들은 발전소에서 유선으로 공급되는 전기에너지를 사용하고있다. 지금까지는 유선으로 전력을 공급하는 것에 큰 불편함을 느끼지 못하였으나 최근 다양한 휴대기기의 발달과 광범위한 사용은 유선 전력 공급이 휴대기기에 적합한 전력공급원이 아님을 보여주고 있다. 예를 들어, 앞서 언급한 바와 같이 배터리를 이용하여 전력 공급을 받는 경우, 일정한 충전용량의 배터리의 경우 휴대기기의 기능 향상은 재충전 주기를 빠르게 하고, 이를 보완하기 위해 충전용량을 키우는 경우 휴대기기의 무게가 늘어나 휴대성이 떨어지게 된다. 더구나, 이제 일상 생활의 필수품이 된 휴대폰의 경우 배터리를 모두 소모한 경우 쉽게 아무 곳에서나 충전하기가 어려운 문제도 발생한다. 또한, laptop computer의 사용이 늘어나면서 이러한 전력공급의 문제는 더욱 부각되어 가고 있다.
무선으로 전기 에너지를 전력원에서 원하는 기기로 전달하는 무선전력전송 기술(wireless power transmission 또는 wireless energy transfer)은 이미 1800년대에 전자기유도 원리를 이용한 전기 모터나 변압기가 사용되기 시작했고, 그 후로는 라디오파나 레이저와 같은 전자파를 방사해서 전기에너지를 전송하는 방법도 시도되었다. 우리가 흔히 사용하는 전동칫솔이나 일부 무선면도기도 실상은 전자기유도 원리로 충전된다. 무선 방식에 의한 에너지 전달 방식은 아래와 같은 종류가 있다.
첫째, 자기 유도(magnetic induction) 방식에 의한 전자기 유도 방식이 있다. 하나의 코일에서 다른 코일로 자기장을 통해 전류를 유도하는 자기 유도는 양 코일의 상대적 위치와 거리, 부하 전력이 정확해야만 하는 제한적 조건이 있다. 그러나, 최근 몇몇 업체에서는 전자기유도를 이용하여 핸드폰이나 PDA, MP3 플레이어, 노트북컴퓨터까지 충전할 수 있는 새로운 무선충전제품들을 선보이기 시작했다.
둘째, 근접장 효과를 이용한 비방사성 무선 전송 기술이 있다. 이 기술은 두 매체가 같은 주파수로 공진할 경우에 전자파가 근거리 전자장(near electromagnetic field)을 통해 한 매체에서 다른 매체로 이동하는 감쇄파 결합(evanescent wave coupling)에 기반을 두고 있다. 전원에 연결된 충전 스테이션이 이러한 전자장을 형성하게 하고, 이 전자장 내에 MHz 대역의 동일한 공진 주파수로 설계된 수신기를 부착한 휴대용 기기를 접근시키면 두 매체 간에 일종의 에너지 터널이 형성되어 수 미터 거리에 있는 휴대용 기기를 충전시킬 수 있다. 특히, 이 에너지는 "비방사형(non-radiative)"이며 자기장을 기반으로 하고 있으므로, 공진 주파수를 가진 기기가 존재할 때에만 기기로 직접 전달되고, 사용되지 않은 부분은 공기 중으로 퍼지는 대신 전자장으로 재흡수되기 때문에 다른 전자파와는 달리 주변의 다른 기계나 신체에는 영향을 미치지 않는 장점이 있다.
셋째, 전자파 범위내의 단파장 무선 주파수를 이용한 원거리 전송 기술이 있다. 이 방식은 2.45 또는 5.8 GHz 대역의 microwave를 사용하는 전자기파 방사형(electromagnetic radiation) 방식으로서 인체에 치명적인 단점이 있다.
본 발명이 제안하는 무선 전력 기술은 둘째 방식이고, 자기장 공진기를 이용한 무선 전력 전송 장치로서 일반적으로 도 1의 구성을 가질 수 있다. 교류 신호 발생기(10)에서 발생한 전력은, 송신 코일(21)에 의해 자기장이 발생되고, 송신용 공진 코일(22)에 에너지가 전달되면 송신용 공진 코일(22)에서 공진을 일으키는 방식으로 자기장을 증폭한다. 증폭된 자기장은 일반적인 자기장 유도 방식의 전력 전송보다도 훨씬 멀리 에너지를 전달할 수 있다. 수신용 공진 코일(31)에서도 마찬가지로 전달된 자기장을 공진시켜 증폭하는 역할을 하여 효율적으로 에너지를 수신하도록 하는 방식이다. 결과적으로 먼거리에서 효율적으로 에너지를 전달할 수 있다.
한편, 자기장 공진 방식에서는 주위 환경의 변화나 에너지 전달 경로에 사물(50)이 존재할 경우 송수신용 공진 코일(12, 20)의 공진 주파수가 변화될 수 있다. 이 경우 에너지 증폭율이 감소되어 소정 거리에서의 에너지 전달 효율에 영향이 생긴다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여, 공진 주파수의 변화를 감지하여 에너지의 전송효율이 유지될 수 있도록 교류 신호 발생기의 주파수를 조절하는 방법을 제안한다.
본 발명에 따른 무선전력 송신장치는 교류 전원을 생성하는 전원; 사기 교류 전원에 기초하여 무선전력을 무선전력 수신장치로 송신하는 송신 코일; 및 상기 송신 코일의 입력 임피던스를 감지하는 측정부;를 포함하고 상기 무선전력 송신장치는 상기 송신 코일의 입력 임피던스의 허수(imaginary) 성분의 변화를 임계값과 비교하고, 상기 송신 코일의 입력 임피던스의 상기 허수(imaginary)성분이 일정 범위를 유지하도록 제어하는 무선전력 송신장치.
또한, 본 발명에 따른 무선전력 전송 방법은 교류 전원을 생성하는 단계;상기 교류 전원에 기초하여 송신 코일을 통해 무선전력을 무선전력 수신장치로 송신하는 단계; 상기 송신 코일의 입력 임피던스를 감지하는 단계; 상기 송신 코일의 입력 임피던스의 허수(imaginary) 성분의 변화를 임계값과 비교하는 단계; 및 상기 송신 코일의 임피던스의 허수(imaginary) 성분이 일정 범위를 유지하도록 제어하는 단계;를 포함한다.
본 발명에 따르면 외부 환경의 변화에 따라 공진 주파수가 받는 영향을 보완할 수 있어 안정적으로 에너지가 전달될 수 있도록 한다.
도 1은 본 종래 무선 에너지 전달 방식을 위한 구성의 개략도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 에너지 전달 장치의 구성에 대한 블록도를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 에너지 전달 장치의 구성에 대한 블록도를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 에너지 전달 장치의 간략화된 구성에 대한 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 에너지 전달 방법의 순서도이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 단순히 본 명세서 작성의 용이함을 고려하여 부여되는 것으로서, 상기 "모듈" 및 "부"는 서로 혼용되어 사용될 수도 있다.
나아가, 이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 이는 당분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 관례 또는 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 명세서에서 사용되는 용어는, 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 실질적인 의미와 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 함을 밝혀두고자 한다.
도 1 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 에너지 전달 장치의 구성에 대한 블록도를 나타낸다.
도 1을 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 에너지 전달 장치(100)는 전원부(10)를 포함할 수 있다. 전원부(10)는 소정 주파수
Figure 112017108987926-pat00001
에 따른 교류 전원을 발생할 수 있다. 소정 주파수
Figure 112017108987926-pat00002
는 디폴트 주파수 를 가질 수 있다. 디폴트 주파수
Figure 112017108987926-pat00004
는 어떠한 간섭 대상(50)도 없는 상태에서의 공진 주파수일 수 있다. 또는, 디폴트 주파수
Figure 112017108987926-pat00005
는 타겟 대상의 에너지 소비 장치(40)를 도 1에서와 같이 장착하였을 때의 이상적(ideal) 공진 주파수일 수 있다. 소정 주파수
Figure 112017108987926-pat00006
는 주기적으로, 또는 외부 요인에 의해 변경될 수 있고 또는 임의적으로 조절될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무선 에너지 전달 장치(100)는 송신부(20)를 포함할 수 있다. 송신부(20)는 송신 코일(21) 및 송신용 공진 코일(22)을 포함할 수 있다. 송신 코일(21)에서 자기장이 발생되면 송신용 공진 코일(22)에 에너지가 전달된다. 송신용 공진 코일(22)에서 공진을 일으키는 방식으로 자기장이 증폭될 수 있다. 증폭된 자기장은 공간을 거쳐 수신부(30)에 전달될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무선 에너지 전달 장치(100)는 수신부(30)를 포함할 수 있다. 수신부(30)는 송신부(20)에서와 동일한 방식으로, 증폭된 자기장을 수신용 공진 코일(31)에서 전달받아 자기장을 증폭시키고, 수신 코일(32)을 경유하여 에너지 소비 장치(40)에 전달시킬 수 있다.
한편, 간섭 대상(50)에 의해 자기장이 영향받지 않는 상태에서 전원부(10)에서 디폴트 주파수
Figure 112017108987926-pat00007
에 따른 전원이 발생되면, 디폴트 주파수
Figure 112017108987926-pat00008
의 전원에 따라 공진이 발생되고, 이후 증폭되어 에너지 소비 장치(40)에 전달될 수 있다. 그러나, 주위 환경 변화나 송신부(20) 또는 수신부(30)에서의 에너지 전달 경로 상에 변화가 생기면 공진 주파수는 디폴트 주파수
Figure 112017108987926-pat00009
와 달라질 수 있다. 이때, 공진 주파수의 변화를 감지하여 전원부(10)의 주파수를 조절할 수 있다.
본 발명에 따른 무선 에너지 전달 장치(100)는 공진 주파수의 변화를 감지하는 측정부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 에너지 전달 장치의 구성 회로도를 나타낸다. 도 3을 참조하면 송신 코일(21)은 자기 인덕턴스(self inductance) L1을 갖는 코일을 포함할 수 있다. 송신 코일(21)은 전원부(10)에서 발생된 전원을 전달받아 자기장을 발생시키고 상호 인덕턴스(mutual inductance) M1을 가진 송신용 공진 코일(22)에 전달할 수 있다. 송신용 공진 코일(22)에서 증폭된 자기장은 공간상에 전달될 수 있다. 이후, 자기장은 상호 인덕턴스 M2를 가진 수신부(30)에 전달된 후 저항 R을 가진 에너지 소비 장치(40)에 전달될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 에너지 전달 장치(100)는 송신부의 전압-전류간 위상차이를 측정할 수 있다. 송신 코일(21)로 입력되는 전압-전류 간 위상 차이를 측정하기 위하여, 송신 코일(21)의 a-a` 단자 사이에 측정부를 장착하여 위상차이를 측정할 수 있다.
측정부는 위상 차이를 측정하기 위하여 입력 전압(input voltage) 및 외부 전압(external voltage) 등을 측정할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 에너지 전달 장치의 구성에 대한 블록도를 나타낸다. 도 1 및 도 2에서는 각각 하나의 송신부 및 수신부로 구성된 에너지 전달 장치가 예시되었다. 도 3을 참조하면 2개 이상의 수신부가 순차적으로 연속함으로써 에너지가 전달될 수 있다. 구체적으로, 송신부(25)에서 발생, 증폭된 자기장 에너지는 수신부1(35) 및 수신부2(45)를 경유하여 에너지 소비 장치(40)에 전달될 수 있다. 이 경우에도 측정부는 송신부(25)의 입력단으로부터 전압-전류간 위상 차이를 구할 수 있다. 즉, 수신부의 개수, 형태, 에너지 소비 장치의 구성 또는 개수에 상관 없이 송신부의 입력단에서의 위상 차이를 측정하는 것만으로 변경된 공진 주파수를 간단하게 측정할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 에너지 전달 장치의 간략화된 구성에 대한 회로도이다. 도 4는 도 2에서 예시되는 회로와 등가화된 회로이다. 즉, 전체적인 시스템상에서, 도 1 및 도 2의 전원부, 송신부, 수신부 및 에너지 소비 장치는 도 4의 병렬 회로로서 등가화될 수 있다. 도 4에서 예시되는 등가화된 회로상에서, a-a` 단은 송신 코일(20)의 입력단과 동일하고, 송신 코일의 입력단에서 측정되는 시스템의 전체 입력 저항(resistor)은 Ra, 전체 입력 인덕턴스는 La, 전체 입력 용량(Capacitance)은 Ca를 가진다.
도 4에서 예시되는 전체 시스템상에서 공진이 발생할 경우에는 시스템의 전체 임피던스(impedance)값은 real 성분만 남기 때문에 a-a`에서 측정되는 전압-전류간 위상차이는 O이다. 그러나, 도 1에서 설명한 바와 같이 외부 환경 등의 영향으로 시스템의 전체 인덕턴스 등이 변경될 수 있고, 이 경우, 도 4의 회로에서의 전체 임피던스 값은 변경될 수 있다.즉, 송신 코일의 입력단에서 측정되는 전압-전류 간 위상차이는 real 뿐만 아니라 imaginary 성분도 생기게 된다. 즉, 전체 임피던스는 resistor 및 reactance 를 모두 포함하게 된다.
시스템의 전체 어드미턴스(admittance) Y(1/Z)는,
Figure 112017108987926-pat00010
이 되고, 복소식은
Figure 112017108987926-pat00011
이 될 수 있다. 어드미턴스 Y의 위상은 송신단에서 바라보는 전압-전류간 위상차이의 반전값으로서 위상 차이θa 구해보면,
Figure 112017108987926-pat00012
주파수
Figure 112017108987926-pat00013
를 구해보면,
Figure 112017108987926-pat00014
Figure 112017108987926-pat00015
즉, 수학식 5에서 구해진 주파수로서 전원부(10)의 주파수를 재조절하면 전체 시스템이 다시 공진할 수 있다.
도 4에서는 전체 시스템의 등가회로를 병렬회로로 예시하고 있지만 이에 한정되지 않고 직렬회로로 등가화될 수 있다. 전원부(10)는, 소정 주기마다, 또는 외부의 환경 변화 등으로 공진 주파수가 달라짐을 감지할 때, 또는 사용자 입력 등에 의해 주파수를 재조절할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 에너지 전달 방법의 순서도이다.
단계(S11)에서, 전원부에서 소정 주파수 ω0로 교류 전원을 발생한다.
단계(S12)에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 전달 장치는 발생한 교류 전원을 이용하여 자기장을 발생시켜 에너지 소비 장치에 전달한다. 에너지 소비 장치에 전달하는 데에 송신부 및 수신부 등을 경유할 수 있다.
단계(S13)에서, 송신부에서 전압-전류간 위상차이를 측정한다. 위상 차이는 송신부의 입력단에서 측정될 수 있다.
단계(S14)에서, 측정한 위상 차이를 기반으로 공진 주파수가 변경되었는지 판단한다. 측정한 위상이 0보다 큰 위상을 갖는 경우, 즉, 시스템의 전체 임피던스가 변경되어 임피던스가 리액턴스 값을 포함하는 경우인지를 판단한다.
다른 예로, 측정한 위상이 소정 위상차 임계값보다 큰지를 판단하여 공진 주파수가 변경되었는지를 판단할 수 있다. 소정 위상차 임계값이 예컨대 -0.1 radian 내지 +0.1 radian 내에 속하는 경우는 공진 주파수가 변경되지 아니한 것으로 판단할 수 있다. 공진 주파수가 변경되지 아니한 경우에는 전원부는 주파수를 재조절 또는 변경하지 않고 소정 주파수 ω0 로 유지한다.
단계(S15)에서, 공진 주파수가 변경한 것으로 판단한 경우에는 측정한 위상차이를 기초로 공진 주파수
Figure 112017108987926-pat00016
를 소정 주파수 ω0 로부터 재조절할 수 있다.
본 발명에 따른 에너지 전달 장치 및 방법은 상기한 바와 같이 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
한편, 본 발명의 에너지 전달 장치 및 방법은 tv, 컴퓨터, 휴대폰, 스마트폰, 태블릿 컴퓨터 등에 구비된 프로세서가 읽을 수 있는 기록매체에 프로세서가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 프로세서가 읽을 수 있는 기록매체는 프로세서에 의해 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 프로세서가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있으며, 또한, 인터넷을 통한 전송 등과 같은 캐리어 웨이브의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한, 프로세서가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 프로세서가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
10 : 전원부
20 : 송신부
30 : 수신부
40 : 에너지 소비 장치
50 : 간섭 대상
100 : 에너지 전달 장치

Claims (14)

  1. 무선전력 송신장치에 있어서,
    교류 전원을 생성하는 전원;
    상기 교류 전원에 기초하여 무선전력을 무선전력 수신장치로 송신하는 송신 코일;
    상기 송신 코일의 입력 임피던스를 감지하는 측정부;를 포함하고,
    상기 무선전력 송신장치는,
    상기 송신 코일의 상기 입력 임피던스의 허수(imaginary) 성분의 변화가 임계 범위 내에 있는지를 확인하고,
    상기 송신 코일의 상기 입력 임피던스의 상기 허수 성분의 변화가 상기 임계 범위를 벗어나는 경우, 상기 송신 코일의 상기 입력 임피던스의 상기 허수 성분이 상기 임계 범위 이내로 유지되도록 상기 교류 전원의 주파수를 조절하는 무선전력 송신장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 송신 코일의 전압-전류간 위상차를 측정하여 상기 입력 임피던스를 감지하는 무선전력 송신장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 무선전력 송신장치는
    상기 무선전력 수신장치와 공진 조건을 만족하도록 제어하는 무선전력 송신장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 무선전력 송신장치는
    복수개의 상기 무선전력 수신장치에 전력을 전송하는 무선전력 송신장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 무선전력 송신장치는
    상기 송신 코일의 상기 입력 임피던스의 변화를 통해 상기 무선전력 송신장치의 환경 변화를 판단하는 무선전력 송신장치.
  8. 무선전력 송신 방법에 있어서,
    교류 전원을 생성하는 단계;
    상기 교류 전원에 기초하여 송신 코일을 통해 무선전력을 무선전력 수신장치로 송신하는 단계;
    상기 송신 코일의 입력 임피던스를 감지하는 단계;
    상기 송신 코일의 상기 입력 임피던스의 허수 성분의 변화가 임계 범위 내에 있는지를 확인하는 단계; 및
    상기 송신 코일의 상기 입력 임피던스의 상기 허수 성분의 변화가 상기 임계 범위를 벗어나는 경우, 상기 송신 코일의 임피던스의 상기 허수 성분이 상기 임계 범위 이내로 유지되도록 상기 교류 전원의 주파수를 조절하는 단계;를 포함하는 무선전력 송신 방법.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제8항에 있어서,
    상기 감지되는 입력 임피던스에 기초하여 상기 무선전력 수신장치와 공진 조건을 만족하도록 제어하는 단계;를 포함하는 무선전력 송신 방법.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 무선전력은 복수개의 무선전력 수신장치에 전송되는 무선전력 송신 방법.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 감지되는 입력 임피던스에 기초하여 상기 송신 코일의 상기 입력 임피던스의 변화를 통해 무선전력 송신장치의 환경 변화를 판단하는 무선전력 송신 방법.
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