KR101905882B1

KR101905882B1 - 무선전력 송신장치, 무선전력 수신장치, 무선전력 전송 시스템 및 무선전력 전송 방법

Info

Publication number: KR101905882B1
Application number: KR1020130027537A
Authority: KR
Inventors: 배수호
Original assignee: 엘지이노텍 주식회사
Priority date: 2013-03-14
Filing date: 2013-03-14
Publication date: 2018-11-28
Also published as: KR20130102511A

Abstract

본 발명의 실시 예에 따른 무선전력 송신장치로부터 무선으로 전력을 수신하는 무선전력 수신장치는 상기 무선전력 송신장치의 송신 코일로부터 공진을 이용하여 교류 전력을 수신하는 수신 코일 및 상기 송신 코일과 상기 수신 코일의 결합상태에 기초하여 상기 수신 코일과 커플링되어 전력을 수신하는 코일의 임피던스를 변경시키는 임피던스 가변부를 포함한다.
본 발명의 다양한 실시 예에 따르면, 송신 공진 코일과 수신 공진 코일 간 결합계수를 검출하여 전력전송 효율을 증가시킬 수 있고, 송신 공진 코일과 수신 공진 코일 간 결합계수를 검출하고, 검출된 결합계수에 따라 수신 유도 코일의 인덕턴스를 가변시켜 전력전송 효율을 극대화시킬 수 있다.

Description

무선전력 송신장치, 무선전력 수신장치, 무선전력 전송 시스템 및 무선전력 전송 방법{APPARATUS FOR TRANSMITTING WIRELESS POWER, APPARATUS FOR RECEIVING WIRELESS POWER, SYSTEM FOR TRANSMITTING WIRELESS POWER AND METHOD FOR TRANSMITTING WIRELESS POWER}

본 발명은 무선전력 송신장치, 무선전력 수신장치, 무선전력 전송 시스템 및 무선전력 전송 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 무선전력 송신장치 및 무선전력 수신장치 간 전력 전송 효율을 극대화시킬 수 있는 무선전력 송신장치, 무선전력 수신장치, 무선전력 전송 시스템 및 무선전력 전송 방법에 관한 것이다.

무선으로 전기 에너지를 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 시도 되었다. 우리가 흔히 사용하는 전동칫솔이나 일부 무선면도기도 실상은 전자기유도 원리로 충전된다. 전자기 유도는 도체의 주변에서 자기장을 변화시켰을 때 전압이 유도되어 전류가 흐르는 현상을 말한다. 전자기 유도 방식은 소형 기기를 중심으로 상용화가 빠르게 진행되고 있으나, 전력의 전송 거리가 짧은 문제가 있다.

현재까지 무선 방식에 의한 에너지 전달 방식은 전자기 유도 이외에 자기 공진 및 단파장 무선 주파수를 이용한 원거리 송신 기술 등이 있다.

최근에는 이와 같은 무선 전력 전송 기술 중 자기 공진을 이용한 에너지 전달 방식이 많이 사용되고 있다.

자기 공진을 이용한 무선전력 전송 시스템은 송신 측과 수신 측에 형성된 전기신호가 코일을 통해 무선으로 전달되기 때문에 사용자는 휴대용 기기와 같은 전자기기를 손쉽게 충전할 수 있다.

그러나, 종래에는 전력 전송 효율을 높이는데 한계가 있었다.

이와 관련한 선행특허문헌으로는 대한민국 공개특허공보 제10-2006-0031526호가 있다.

본 발명은 송신 공진 코일과 수신 공진 코일 간 결합계수를 검출하여 전력전송 효율을 증가시킬 수 있는 무선전력 송신장치, 무선전력 수신장치, 무선전력 전송 시스템 및 무선전력 전송 방법의 제공을 목적으로 한다.

본 발명은 송신 공진 코일과 수신 공진 코일 간 결합계수를 검출하고, 검출된 결합계수에 따라 수신 유도 코일의 인덕턴스를 가변시켜 전력전송 효율을 극대화시킬 수 있는 무선전력 송신장치, 무선전력 수신장치, 무선전력 전송 시스템 및 무선전력 전송 방법의 제공을 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 무선전력 송신장치로부터 무선으로 전력을 수신하는 무선전력 수신장치는 송신 공진 코일을 포함하는 상기 무선전력 송신장치의 송신 공진 코일부로부터 공진을 이용하여 교류 전력을 수신하는 수신 공진 코일을 포함하는 수신 공진 코일부; 상기 송신 공진 코일과 상기 수신 공진 코일의 결합 계수를 검출하는 검출부; 상기 송신 공진 코일과 상기 수신 공진 코일의 결합계수에 기초하여 인덕턴스를 변경시키는 인덕턴스 가변부; 및 상기 결합계수와 상기 인덕턴스를 대응시켜 저장하는 저장부를 포함하고, 상기 검출부는 입력 임피던스 및 출력 임피던스를 검출하고, 상기 입력 임피던스는 상기 전력 소스에서 상기 무선전력 송신장치 측을 바라보았을 때 측정되는 제1 입력 임피던스, 상기 무선전력 송신장치에서 상기 무선전력 수신장치 측을 바라보았을 때 측정되는 제2 입력 임피던스 및 상기 수신 공진 코일부에서 상기 부하단을 바라보았을 때 측정되는 제3 입력 임피던스를 포함하고, 상기 출력 임피던스는 상기 인덕턴스 가변부에서 부하단을 바라보았을 때 측정된 임피던스이고, 상기 인덕턴스 가변부는 직렬로 연결된 복수의 인덕터 및 각 인덕터에 병렬 연결된 스위치를 포함하고, 상기 인덕턴스 가변부는 상기 스위치를 개방 또는 단락시켜 상기 결합계수에 대응하는 값으로 상기 인덕턴스를 변경시키고, 상기 결합계수와 대응되는 상기 인덕턴스를 상기 저장부에서 검색하고, 상기 검색된 인덕턴스에 따라 상기 인덕턴스를 변경하도록 상기 인덕턴스 가변부를 제어한다.

삭제

본 발명의 실시 예에 따르면, 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 송신 공진 코일과 수신 공진 코일 간 결합계수를 검출하여 전력전송 효율을 증가시킬 수 있다.

둘째, 송신 공진 코일과 수신 공진 코일 간 결합계수를 검출하고, 검출된 결합계수에 따라 수신 유도 코일의 인덕턴스를 가변시켜 전력전송 효율을 극대화시킬 수 있다.

한편 그 외의 다양한 효과는 후술될 본 발명의 실시 예에 따른 상세한 설명에서 직접적 또는 암시적으로 개시될 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 자기 공진형 무선전력 전송 시스템(1000)의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 자기 공진형 무선전력 전송 시스템(1000)의 등가 회로도이다.
도 3은 결합계수(K2)가 0.1인 경우, 주파수-전력전송 효율간 그래프를 도시한 도면이다.
도 4는 결합계수(K2)가 0.05인 경우, 주파수-전력전송 효율간 그래프를 도시한 도면이다.
도 5는 결합계수(K2)가 0.03인 경우, 주파수-전력전송 효율간 그래프를 도시한 도면이다.
도 6은 결합계수(K2)가 0.01인 경우, 주파수-전력전송 효율간 그래프를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 무선전력 전송 시스템(1000)의 등가 회로도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 인덕턴스 가변부(313)의 예시이다.
도 9는 결합계수(K2)가 0.1이고, 인덕턴스 가변부(313)의 인덕턴스가 20uH인 경우, 주파수-전력전송 효율간 그래프를 도시한 도면이다.
도 10은 결합계수(K2)가 0.05이고, 인덕턴스 가변부(313)의 인덕턴스가 5uH인 경우, 주파수-전력전송 효율간 그래프를 도시한 도면이다.
도 11은 결합계수(K2)가 0.03이고, 인덕턴스 가변부(313)의 인덕턴스가 4uH인 경우, 주파수-전력전송 효율간 그래프를 도시한 도면이다.
도 12는 도 11은 결합계수(K2)가 0.03이고, 인덕턴스 가변부(313)의 인덕턴스가 1.5uH인 경우, 주파수-전력전송 효율간 그래프를 도시한 도면이다.
도 13은 인덕턴스 가변부(313)의 인덕턴스를 고정시킨 경우와 가변시킨 경우, 각각의 결합계수(K2)에 따른 전력전송 효율(E)의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선전력 전송 시스템의 무선전력 전송 방법에 대한 흐름도이다.

이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 자기 공진형 무선전력 전송 시스템(1000)의 구성도이다.

도 1을 참고하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 자기 공진형 무선전력 전송 시스템(1000)은 전력소스(100), 무선전력 송신장치(200), 무선전력 수신장치(300), 부하단(400)을 포함한다.

전력소스(100)에서 생성된 전력은 무선전력 송신장치(200)로 전달되고, 무선전력 송신장치(200)로 전달된 전력은 자기 공진 현상에 의해 무선전력 송신장치(200)와 공진을 이루는 무선전력 수신장치(300)로 전달된다. 무선전력 수신장치(300)로 전달된 전력은 정류회로(미도시)를 거쳐 부하단(400)으로 전달된다.

일 실시 예에서 부하단(400)은 무선전력 수신장치(300)에 포함될 수도 있으나, 이하에서 부하단(400)은 무선전력 수신장치(300)와 별도로 구비되는 것을 가정하여 설명한다. 부하단(400)은 충전지 또는 기타 전력을 필요로 하는 임의의 장치를 의미할 수 있다.

도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 자기 공진형 무선전력 전송 시스템(1000)의 등가 회로도이다.

도 2를 참고하면, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 자기 공진형 무선전력 전송 시스템(1000)은 전력소스(100), 무선전력 송신장치(200), 무선전력 수신장치(300), 부하단(400)을 포함한다.

전력 소스(100)는 소정 주파수의 교류 전력을 제공하는 교류 전력 소스일 수 있다.

무선전력 송신장치(200)는 송신부(210), 검출부(220)를 포함할 수 있다.

송신부(210)는 송신 유도 코일부(211), 송신 공진 코일부(212)를 포함할 수 있다.

송신 유도 코일부(211)는 전력소스(100)의 일단과 타단에 연결된다.

송신 유도 코일부(211)은 송신 유도 코일(L1)과 캐패시터(C1)를 포함한다. 여기서, 캐패시터(C1)의 캐패시턴스는 고정된 값일 수 있다.

캐패시터(C1)의 일단은 전력소스(100)의 일단에 연결되고, 캐패시터(C1)의 타단은 송신 유도 코일(L1)의 일단에 연결된다. 송신 유도 코일(L1)의 타단은 전력소스(100)의 타단에 연결된다.

송신 공진 코일부(212)는 송신 공진 코일(L2), 캐패시터(C2), 저항(R2)을 포함한다. 송신 공진 코일(L2)은 캐패시터(C2)의 일단에 연결된 일단과 저항(R2)의 일단에 연결된 타단을 포함한다. 저항(R2)의 타단은 캐패시터(C2)의 타단에 연결된다. 저항(R2)는 송신 공진 코일(L2)에서 전력손실로 발생하는 양을 저항으로 나타낸 것이다.

송신 유도 코일부(211)는 전력소스(100)로부터 소정 주파수를 갖는 교류전력을 공급받을 수 있다.

송신 공진 코일부(212)는 전자기 유도에 의해 송신 유도 코일부(211)로부터 전력을 공급받을 수 있다. 즉, 송신 공진 코일부(212)는 송신 유도 코일부(211)에 교류전류가 흐르면, 전자기 유도에 의해 물리적으로 이격되어 있는 송신 공진 코일부(212)에도 교류전류가 유도되어 전력을 공급받을 수 있다.

송신 공진 코일부(212)는 공급받은 전력을 자기 공진을 이용하여 무선전력 수신장치(300)로 전송할 수 있다. 자기 공진에 의한 전력 전송은 전자기 유도에 의한 전력 전송보다 더 먼 거리까지 전력 전송이 가능하고, 더 높은 전력 전송 효율로 전력 전송이 가능한 이점이 있다.

검출부(220)는 제1 입력 임피던스(Z1) 및 제2 입력 임피던스(Z2)를 검출할 수 있다. 제1 입력 임피던스(Z1)는 전력소스(100)에서 무선전력 송신장치(200) 측을 바라보았을 때 측정되는 임피던스를 의미할 수 있고, 제2 입력 임피던스(Z2)는 무선전력 송신장치(200)에서 무선전력 수신장치(300) 측을 바라보았을 때 측정되는 임피던스를 의미할 수 있다.

후술하겠지만, 제1 입력 임피던스(Z1) 및 제2 입력 임피던스(Z2)는 무선전력 수신장치(300) 내에 있는 검출부(320)를 통해 검출될 수도 있다.

검출부(220)는 송신 공진 코일(L2)와 수신 공진 코일(L3)간 결합계수(K2)를 검출할 수 있다.

후술하겠지만, 송신 공진 코일(L2)와 수신 공진 코일(L3)간 결합계수(K2)는 무선전력 수신장치(300) 내에 있는 검출부(320)를 통해 검출될 수도 있다.

결합계수(K2)는 송신 공진 코일(L2)와 수신 공진 코일(L3)간의 전자기적 결합의 정도를 표시하는 것으로, 무선전력 송신장치(200) 및 무선전력 수신장치(300) 간의 거리, 방향, 위치 중 적어도 어느 하나에 의해 달라질 수 있는 값이다.

무선전력 수신장치(300)는 수신부(310), 검출부(320)를 포함할 수 있다.

수신부(310)는 수신 공진 코일부(311)와 수신 유도 코일부(312)를 포함할 수 있다.

수신 공진 코일부(311)는 수신 공진 코일(L3), 캐패시터(C3), 저항(R3)을 포함한다. 수신 공진 코일(L3)은 캐패시터(C3)의 일단에 연결된 일단과 저항(R3)의 일단에 연결된 타단을 포함한다. 저항(R3)의 타단은 캐패시터(C2)의 타단에 연결된다. 저항(R3)은 수신 공진 코일(L3)에서 전력손실로 발생하는 양을 나타낸 것이다.

수신 유도 코일부(312)는 양단이 각각 부하단(400)의 양단에 연결되는 수신 유도 코일(L4) 및 캐패시터(C4)를 포함할 수 있다. 수신 유도 코일(L4)의 인덕턴스 및 캐패시터(C4)의 캐패시턴스는 고정된 값일 수 있다.

수신 공진 코일부(311)는 송신 공진 코일부(212)와 공진주파수에서 자기 공진 상태를 유지한다. 즉, 수신 공진 코일부(311)는 송신 공진 코일부(212)와 커플링(coupling)되어 비방사(Non-Radiative) 방식으로 전력을 수신할 수 있다.

수신 공진 코일부(311)는 송신 공진 코일부(212)로부터 수신한 전력을 수신 유도 코일부(321)에 전달한다.

수신 유도 코일부(312)는 전자기 유도에 의해 수신 공진 코일부(311)로부터 전력을 전달받는다.

수신 유도 코일부(312)로 전달된 전력은 정류회로(미도시)를 거쳐 부하단(400)으로 전달된다.

정류회로는 수신 유도 코일부(312)로부터 전달받은 교류전력을 직류전력으로 변환할 수 있다.

정류회로는 정류기 및 평활회로를 포함할 수 있다.

정류기는 수신된 교류전력을 직류전력으로 변환하는 정류기능을 수행한다. 본 발명의 실시 예에서 전력은 전압 또는 전류와 비례하므로 편의상 전력과 전압, 전류는 같은 개념임을 가정한다. 정류기능은 전류를 한 방향으로만 통과시키는 기능을 의미한다. 즉, 정류기는 순방향 저항은 작고, 역방향 저항은 충분히 커서 한쪽 방향으로만 전류를 통과시킬 수 있다.

평활 회로는 정류기에서 출력된 직류전력에서 리플 성분을 제거하여 완전한 직류전력을 출력할 수 있다.

검출부(320)는 송신 공진 코일(L2)와 수신 공진 코일(L3)간 결합계수(K2)를 검출할 수 있다.

송신 공진 코일(L2)와 수신 공진 코일(L3)간 결합계수(K2)를 검출하는 이유를 설명한다.

자기 공진형 무선전력 전송 시스템(1000)에서는 결합계수(K2)의 변화로 인해 전력전송 효율이 변화될 수 있다. 즉, 무선전력 송신장치(200)가 고정이 되어 있다 하더라도, 전력을 수신하는 무선전력 수신장치(300)의 위치, 방향, 거리가 항상 변할 수 있으므로, 결합계수(K2)는 항상 변화될 수 있다.

따라서, 결합계수(K2)를 검출하여 그에 따라 적절한 조치를 취하는 것이 중요하다.

이하에서는, 결합계수(K2)에 따라 전력전송 효율이 변할 수 있음을 수식과 그래프를 통해 살펴본다.

우선, 제1,2,3 입력 임피던스(Z1, Z2, Z3) 및 제1,2,3 전류(I1, I2, I3)에 관한 수학식을 표현해 보기로 한다.

제3 입력 임피던스(Z3)는 수신 공진 코일부(311)에서 부하단(400)을 바라보았을 때 측정되는 임피던스를 의미하고, [수학식 1]과 같이 표현될 수 있다.

[수학식 1]

여기서, w는 송신 공진 코일(L2)과 수신 공진 코일(L3)간 공진될 때의 공진주파수이고, M3는 수신 공진 코일(L3)와 수신 유도 코일(L4)간 상호 인덕턴스를 의미한다. 또한, ZL은 출력 임피던스이고, 출력 임피던스는 수신 유도 코일부(312)에서 부하단(400)을 바라보았을 때 측정되는 임피던스를 의미할 수 있다. 송신 공진 코일(L2)의 인덕턴스, 수신 공진 코일(L3)의 인덕턴스 및 상호 인덕턴스 M3의 값은 설계 시 고정된 값이다.

검출부(320)는 제3 입력 임피던스(Z3) 및 출력 임피던스(ZL)를 검출할 수 있다. 또한, 검출부(320)는 제1 입력 임피던스(Z1) 및 제2 입력 임피던스(Z2)를 검출할 수도 있다.

[수학식 1]은 주파수 영역을 기준으로 한 수식이고, 이하의 수식들도 주파수 영역을 기준으로 한다.

제2 입력 임피던스(Z2)는 무선전력 송신장치(200)에서 무선전력 수신장치(300)를 바라보았을 때 측정되는 임피던스를 의미하고, [수학식 2]와 같이 표현될 수 있다.

[수학식 2]

여기서, M2는 송신 공진 코일(L2)과 수신 공진 코일(L3)간의 상호 인덕턴스를 의미하고, C3는 수신 공진 코일부(311)를 등가회로로 변환시 표현되는 캐패시터를 의미한다. 또한, R3는 수신 공진 코일(L3)에서 전력손실로 발생하는 량을 저항으로 나타낸 것을 의미한다.

캐패시터(C3), 누설저항(R3)는 고정된 값일 수 있으나, 상호 인덕턴스(M2)는 송신 공진 코일(L2)과 수신 공진 코일(L3)간의 결합계수(K2)에 따라 변화될 수 있는 값이다.

검출부(320)는 제2 입력 임피던스(Z2)를 검출할 수 있다.

제1 입력 임피던스(Z1)는 전력소스(100)에서 무선전력 송신장치(200) 측을 바라보았을 때 측정되는 임피던스를 의미하고, [수학식 3]과 같이 표현될 수 있다.

[수학식 3]

여기서, M1은 송신 유도 코일(L1)과 송신 공진 코일(L2)간 상호 인덕턴스를 의미한다.

검출부(320)는 제1 입력 임피던스(Z1)를 검출할 수 있다.

[수학식 1]을 [수학식 2]에 대입한 후, [수학식 2]를 [수학식 3]에 대입하면 제1 입력 임피던스(Z1)는 상호 인덕턴스(M2)에 관한 식으로 표현될 수 있다.

검출부(320)는 상호 인덕턴스(M2)에 관한 식으로 정리된 [수학식 3]과 후술할 [수학식 10]을 이용하여 결합계수(K2)를 계산하여, 검출할 수 있다.

수신 공진 코일부(311)에 흐르는 전류를 I3라고 하면, I3는 [수학식 4]와 같이 표현될 수 있다.

[수학식 4]

여기서, RL은 부하단(400)의 부하저항을 의미하고, IL은 부하저항(RL)에 흐르는 전류를 의미한다.

검출부(320)는 전류(I3)를 검출할 수 있다.

송신 공진 코일부(212)에 흐르는 전류를 I2라고 하면, I2는 [수학식 5]와 같이 표현될 수 있다.

[수학식 5]

검출부(320)는 전류(I2)를 검출할 수 있다.

송신 유도 코일부(211)에 흐르는 전류를 I1이라고 하면, I1은 [수학식 6]과 같이 표현될 수 있다.

[수학식 6]

여기서, M1은 송신 유도 코일(L1)과 송신 공진 코일(L2)간의 상호 인덕턴스를 의미하고, C2는 송신 공진 코일부(212)를 등가회로로 변환시 표현되는 캐패시터를 의미한다. 또한, R2는 송신 공진 코일(L2)에서 전력손실로 발생하는 량을 저항으로 나타낸 것을 의미한다.

검출부(320)는 전류(I1)를 검출할 수 있다.

무선전력 전송 시스템(1000)의 전력전송 효율을 측정하기 위해서는 입력 전력(P1)과 부하저항(RL)에서 소모하는 출력 전력(PL)을 구해야 한다.

입력 전력(P1)은 [수학식 7]과 같이 표현될 수 있다.

[수학식 7]

전류(I1)는 [수학식 4]을 [수학식 5]에 대입하고, 그 후, [수학식 5]를 [수학식 6]에 대입한 후, 얻어진 결과이다. 전류(I1)는 부하저항(RL)에 흐르는 전류(IL) 및 송신 공진 코일(L2)과 수신 공진 코일(L3) 간 상호 인덕턴스(M2)에 관한 식으로 표현될 수 있다.

제1 입력 임피던스(Z1)는 [수학식 1]을 [수학식 2]에 대입하고, 그 후, [수학식 2]를 [수학식 3]에 대입한 후, 얻어진 결과이다. 제1 입력 임피던스(Z1)는 송신 공진 코일(L2)과 수신 공진 코일(L3) 간 상호 인덕턴스(M2)에 관한 식으로 표현될 수 있다.

전류(I1)와 제1 입력 임피던스(Z1)를 [수학식 7]에 대입하면, 입력 전력(P1)을 구할 수 있다.

검출부(320)는 입력 전력(P1)을 검출할 수 있다.

부하저항(RL)에서 소모하는 출력 전력(PL)은 [수학식 8]과 같이 표현될 수 있다.

[수학식 8]

검출부(320)는 출력 전력(PL)을 검출할 수 있다.

전력전송 효율(E)은 입력 전력(P1)과 출력 전력(PL)을 통해 [수학식 9]와 같이 계산될 수 있다.

[수학식 9]

송신 유도 코일부(211)에 흐르는 전류(I1) 및 제1 입력 임피던스(Z1)는 위에서 살펴보듯 상호 인덕턴스(M2)에 관한 식으로 표현될 수 있고, 상호 인덕턴스(M2)가 변함에 따라 가변될 수 있다. 상호 인덕턴스(M2)이외의 나머지 변수들은 고정된 값이기 때문이다.

상호 인덕턴스(M2)는 [수학식 10]과 같이 표현될 수 있다.

[수학식 10]

결과적으로, 전력전송 효율(E)는 송신 공진 코일(L2)과 수신 공진 코일(L3) 간 결합계수(K2)에 의해서 변화될 수 있다.

이번에는 결합계수(K2)에 따라 전력전송 효율(E)이 가변할 수 있음을 실험 그래프를 통해 살펴본다.

다음으로 도 3 내지 도 6에서 결합계수(K2)의 변화에 따른 주파수-전력전송 효율간 그래프를 설명한다.

도 3 내지 도 6에서 수신 유도 코일(L4)의 인덕턴스는 5uH이고, 공진주파수는 308MHz이다. 공진주파수는 송신 공진 코일부(212)와 수신 공진 코일부(311)가 자기 공진을 이룰 때의 주파수를 의미한다.

또한, 도 3 내지 도 6에서 가로축은 주파수(단위: MHz), 세로축은 무선전력 송신장치(200)와 무선전력 수신장치(300) 간 전력 전송 효율을 의미한다.

도 3은 결합계수(K2)가 0.1인 경우, 주파수-전력전송 효율간 그래프를 도시한 도면이다.

도 3을 참고하면, 공진 주파수(308MHz)에서 전력전송 효율은 대략 58%임을 보여주고 있다.

도 4는 결합계수(K2)가 0.05인 경우, 주파수-전력전송 효율간 그래프를 도시한 도면이다.

도 4를 참고하면, 공진 주파수(308MHz)에서 전력 전송 효율은 대략 75%임을 보여주고 있다. 공진 주파수(308MHz)보다 작은 주파수에서 주파수가 커짐에 따라 전력 전송 효율이 증가되고 있고, 공진 주파수(308MHz)이후에도 전력 전송 효율이 일정하게 유지되고 있다.

도 5는 결합계수(K2)가 0.03인 경우, 주파수-전력전송 효율간 그래프를 도시한 도면이다.

도 5를 참고하면, 공진 주파수(308MHz)에서 전력 전송 효율은 대략 68%임을 보여주고 있다. 또한, 주파수가 커짐에 따라 전력 전송 효율이 증가하나, 공진 주파수(308MHz)를 기준으로 주파수가 커지면, 전력 전송 효율이 감소한다.

도 6은 결합계수(K2)가 0.01인 경우, 주파수-전력전송 효율간 그래프를 도시한 도면이다.

도 6을 참고하면, 공진 주파수(308MHz)에서 전력 전송 효율은 대략 27%임을 보여주고 있다. 또한, 주파수가 커짐에 따라 전력 전송 효율이 증가하나, 공진 주파수(308MHz)를 기준으로 주파수가 커지면, 전력 전송 효율이 감소한다. 다만, 이 경우, 전력 전송 효율은 전반적으로 낮다.

도 3 내지 도 6의 그래프를 비교해 보면, 도 4의 결합계수(K2)가 0.01인 경우, 공진 주파수(308MHz)에서 전력 전송 효율이 가장 크다.

그러나, 송신 공진 코일(L2)과 수신 공진 코일(L3) 간 결합계수(K2)은 항상 변할 수 있으므로, 결합계수(K2)가 변하더라도 전력 전송 효율을 높일 수 있는 방법이 필요하다.

다음으로 도 7에서 결합계수(K2)가 변화되더라도 수신 유도 코일부(313)의 인덕턴스를 가변시켜 전력 전송 효율을 높일 수 있는 방법에 대해 설명한다.

도 7은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 무선전력 전송 시스템(1000)의 등가 회로도이다.

도 7을 참고하면, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 자기 공진형 무선전력 전송 시스템(1000)은 전력소스(100), 무선전력 송신장치(200), 무선전력 수신장치(300), 부하단(400)을 포함한다.

전력소스(100), 무선전력 송신장치(200), 부하단(400)은 도 1 및 도 2에서 설명한 내용과 같으므로 자세한 설명은 생략한다.

무선전력 수신장치(300)는 수신부(310), 검출부(320), 저장부(330), 제어부(340)를 포함할 수 있다.

검출부(320)는 송신 공진 코일(L2)와 수신 공진 코일(L3) 간 결합계수를 검출할 수 있다.

수신부(310)는 수신 공진 코일부(311)와 인덕턴스 가변부(313)를 포함할 수 있다.

인덕턴스 가변부(313)는 전자기 유도에 의해 수신 공진 코일부(311)로부터 전력을 전달받는다.

인덕턴스 가변부(313)는 복수의 인덕터 및 복수의 스위치를 포함할 수 있다. 일 실시 예에서 인덕터의 개수가 4개인 경우, 스위치의 개수는 4개일 수 있다. 여기서, 4개는 예시에 불과하다. 4개의 인덕터 각각은 4개의 스위치 각각과 병렬로 연결될 수 있다.

인덕턴스 가변부(313)는 검출부(320)에서 검출된 송신 공진 코일(L2)과 수신 공진 코일(L3)간 결합계수(K2)에 대응하는 인덕턴스를 갖도록 인덕턴스 가변부(313)의 인덕턴스를 가변시킬 수 있다. 즉, 인덕턴스 가변부(313)는 복수의 스위치 중 적어도 하나 이상의 스위치를 개방 또는 단락시켜 인덕턴스 가변부(313)의 전체 인덕턴스를 가변시킬 수 있다.

인덕턴스 가변부(313)는 결합계수(K2)에 대응하는 적절한 값을 갖도록 인덕턴스를 가변시켜 무선전력 송신장치(200)와 무선전력 수신장치(300) 간 전력 전송 효율을 극대화시킬 수 있다.

저장부(330)는 결합계수(K2)와 인덕턴스를 대응시켜 저장할 수 있다. 저장부(330)는 결합계수(K2)와 인덕턴스를 대응관계를 룩업 테이블의 형태로 저장할 수 있다.

제어부(340)는 무선전력 수신장치(300)의 동작을 전반적으로 제어할 수 있다.

제어부(340)는 인덕턴스 가변부(313)의 인덕턴스가 검출부(320)에서 검출된 결합계수(K2)에 대응하는 값을 갖도록 인덕턴스 가변부(313)의 스위치에 제어신호를 인가할 수 있다. 일 실시 예에서 상기 제어신호는 적어도 하나의 스위치에 전달하는 개방 또는 단락 신호일 수 있다.

도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 인덕턴스 가변부(313)의 예시이다.

도 8을 참고하면, 인덕턴스 가변부(313)는 4개의 인덕터(313a) 및 4개의 스위치(313b)를 포함할 수 있다. 여기서, 4개는 예시에 불과하다. 인덕터(313a)는 소정의 인덕턴스를 갖도록 설계될 수 있다.

4개의 인덕터(313a) 각각은 직렬 연결될 수 있고, 스위치(313b)는 각 인덕터(313a)와 병렬 연결될 수 있다.

검출부(320)는 송신 공진 코일(L2)과 수신 공진 코일(L3)간 결합계수(K2)를 검출할 수 있고, 제어부(340)는 인덕턴스 가변부(313)의 인덕턴스가 검출된 결합계수(K2)에 대응하는 값을 갖도록 스위치(313b)에 개방 또는 단락 신호를 전송할 수 있다. 적어도 하나 이상의 스위치(313b)는 상기 제어신호에 의해 개방 또는 단락될 수 있고, 그에 따라 인덕턴스 가변부(313)의 전체 인덕턴스는 가변될 수 있다.

다음으로 도 9 내지 도 12에서 결합계수(K2)의 변화에 따라 인덕턴스 가변부(313)의 인덕턴스를 가변시킨 경우, 주파수-전력전송 효율 간 그래프를 도시한 도면이다.

도 9 내지 도 12에서 공진주파수는 308MHz이고, 공진주파수는 송신 공진 코일부(212)와 수신 공진 코일부(311)가 자기 공진을 이룰 때의 주파수를 의미한다.

또한, 도 9 내지 도 12에서 가로축은 주파수(단위: MHz), 세로축은 무선전력 송신장치(200)와 무선전력 수신장치(300) 간 전력 전송 효율을 의미한다.

도 9는 결합계수(K2)가 0.1이고, 인덕턴스 가변부(313)의 인덕턴스가 20uH인 경우, 주파수-전력전송 효율간 그래프를 도시한 도면이다.

도 9를 참고하면, 공진 주파수(308MHz)에서 전력 전송 효율은 대략 85%임을 보여주고 있고, 공진 주파수(308MHz) 근처의 주파수 대역에서의 전력 전송 효율 또한, 거의 일정하게 유지되고 있다. 도 3의 그래프와 비교하면, 인덕턴스 가변부(313)의 인덕턴스가 5uH에서 20uH로 변경됨에 따라 공진 주파수(308MHz)에서 전력 전송 효율이 대략 58%에서 대략 85%로 증가함을 확인할 수 있다.

도 10은 결합계수(K2)가 0.05이고, 인덕턴스 가변부(313)의 인덕턴스가 5uH인 경우, 주파수-전력전송 효율간 그래프를 도시한 도면이다.

도 10을 참고하면, 공진 주파수(308MHz)에서 전력 전송 효율은 대략 75%임을 보여주고 있다. 공진 주파수(308MHz)보다 작은 주파수에서 주파수가 커짐에 따라 전력 전송 효율이 증가되고 있고, 공진 주파수(308MHz)이후에도 전력 전송 효율이 일정하게 유지되고 있다.

이 경우는 도 4의 경우와 같다.

도 11은 결합계수(K2)가 0.03이고, 인덕턴스 가변부(313)의 인덕턴스가 4uH인 경우, 주파수-전력전송 효율간 그래프를 도시한 도면이다.

도 11을 참고하면, 공진 주파수(308MHz)에서 전력전송 효율은 대략 68%임을 보여주고 있다. 도 5의 그래프와 비교하면, 공진 주파수(308MHz)에서 전력전송 효율은 큰 차이가 없다.

도 12는 도 11은 결합계수(K2)가 0.03이고, 인덕턴스 가변부(313)의 인덕턴스가 1.5uH인 경우, 주파수-전력전송 효율간 그래프를 도시한 도면이다.

도 12를 참고하면, 공진 주파수(308MHz)에서 전력 전송 효율은 대략 34%임을 보여주고 있다. 도 6의 그래프와 비교하면, 인덕턴스 가변부(313)의 인덕턴스가 5uH에서 1.5uH로 변경됨에 따라 공진 주파수(308MHz)에서 전력 전송 효율이 대략 27%에서 대략 34%로 증가함을 확인할 수 있다.

도 13은 인덕턴스 가변부(313)의 인덕턴스를 고정시킨 경우와 가변시킨 경우, 각각의 결합계수(K2)에 따른 전력전송 효율(E)의 변화를 설명하기 위한 도면이다.

그래프(A)의 경우, 인덕턴스 가변부(313)의 인덕턴스가 5uH로 고정된 경우, 결합계수(K2)가 변화됨에 따른 전력전송 효율(E)의 변화를 보여주고 있고, 그래프(B)의 경우, 인덕턴스 가변부(313)의 인덕턴스가 결합계수(K2)에 따라 가변되는 경우, 결합계수(K2)에 따른 전력전송 효율(E)의 변화를 보여주고 있다.

도 13에서 볼 수 있듯, 결합계수(K2)가 변화됨에 따라 인덕턴스 가변부(313)의 인덕턴스를 가변시킨 경우, 인덕턴스 가변부(313)의 인덕턴스를 고정시킨 경우에 비해 전력전송 효율(E)이 더 좋아 짐을 확인할 수 있다.

도 14는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선전력 전송 시스템의 무선전력 전송 방법에 대한 흐름도이다.

무선전력 전송 시스템(1000)의 구성은 도 7에서 설명한 것과 같으므로 자세한 설명은 생략한다.

먼저, 무선전력 송신장치(200)는 전력소스(100)로부터 공급받은 전력을 송신 공진 코일(L2)을 통해 비방사 방식으로 수신 공진 코일(L3)에 전송한다. 송신 공진 코일(L2)은 자기 공진을 이용해 정해진 공진 주파수에서 수신 공진 코일(L3)에 전력을 전송한다.

그 후, 검출부(320)는 입력 임피던스를 측정한다(S101). 일 실시 예에서 입력 임피던스는 전력소스(100)에서 무선전력 송신장치(200)를 바라본 임피던스를 의미할 수 있고, 또는 전력소스(100)에서 부하단(400)을 바라본 임피던스를 의미할 수 있다. 위 두 가지는 같은 값을 갖는다.

그 후, 검출부(320)는 측정된 입력 임피던스를 기초로 송신 공진 코일(L2)과 수신 공진 코일(L3)간 결합계수(K2)를 검출한다(S103). 결합계수(K2)를 검출하는 방법은 도 2에서 설명한 것과 같다.

그 후, 인덕턴스 가변부(313)는 검출된 결합계수에 따른 인덕턴스를 갖도록 인덕턴스 가변부(313)의 인덕턴스를 가변시킨다(S105). 인덕턴스 가변부(313)는 복수의 인덕터 및 복수의 스위치를 포함할 수 있다. 일 실시 예에서 인덕터의 개수가 4개인 경우, 스위치의 개수는 4개일 수 있다. 여기서, 4개는 예시에 불과하다. 4개의 인덕터 각각은 4개의 스위치 각각과 병렬로 연결될 수 있다.

그 후, 인덕턴스 가변부(313)는 가변된 인덕턴스를 기초로 수신 공진 코일(L3)로부터 전자기 유도에 의해 수신한 전력을 부하단(400)에 전달한다(S107).

상술한 본 발명에 따른 무선전력 전송 시스템의 무선전력 전송 방법은 컴퓨터에서 실행되기 위한 프로그램으로 제작되어 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체에 저장될 수 있으며, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다.

컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고, 상기 방법을 구현하기 위한 기능적인(function) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 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 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해 되어서는 안될 것이다.

100: 전력 소스
200: 무선전력 송신장치
210: 송신부
211: 송신 공진 코일부
212: 송신 유도 코일부
220: 검출부
300: 무선전력 수신장치
310: 수신부
311: 수신 공진 코일부
312: 수신 유도 코일부
313: 인덕턴스 가변부
320: 검출부
330: 제어부
400: 부하단

Claims

무선전력 송신장치로부터 무선으로 전력을 수신하는 무선전력 수신장치로서,
송신 공진 코일을 포함하는 상기 무선전력 송신장치의 송신 공진 코일부로부터 공진을 이용하여 교류 전력을 수신하는 수신 공진 코일을 포함하는 수신 공진 코일부;
상기 송신 공진 코일과 상기 수신 공진 코일의 결합 계수를 검출하는 검출부;
상기 송신 공진 코일과 상기 수신 공진 코일의 결합계수에 기초하여 인덕턴스를 변경시키는 인덕턴스 가변부; 및
상기 결합계수와 상기 인덕턴스를 대응시켜 저장하는 저장부를 포함하고,
상기 검출부는 입력 임피던스 및 출력 임피던스를 검출하고,
상기 입력 임피던스는 전력 소스에서 상기 무선전력 송신장치 측을 바라보았을 때 측정되는 제1 입력 임피던스, 상기 무선전력 송신장치에서 상기 무선전력 수신장치 측을 바라보았을 때 측정되는 제2 입력 임피던스 및 상기 수신 공진 코일부에서 부하단을 바라보았을 때 측정되는 제3 입력 임피던스를 포함하고,
상기 출력 임피던스는 상기 인덕턴스 가변부에서 부하단을 바라보았을 때 측정된 임피던스이고,
상기 인덕턴스 가변부는 직렬로 연결된 복수의 인덕터 및 각 인덕터에 병렬 연결된 스위치를 포함하고,
상기 인덕턴스 가변부는 상기 스위치를 개방 또는 단락시켜 상기 결합계수에 대응하는 값으로 상기 인덕턴스를 변경시키고,
상기 결합계수와 대응되는 상기 인덕턴스를 상기 저장부에서 검색하고, 상기 검색된 인덕턴스에 따라 상기 인덕턴스를 변경하도록 상기 인덕턴스 가변부를 제어하는 무선전력 수신장치.
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