KR101932383B1 - 메타물질과 루프 코일 어레이를 이용한 무선전력 전송 장치 및 그 방법 - Google Patents

메타물질과 루프 코일 어레이를 이용한 무선전력 전송 장치 및 그 방법 Download PDF

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김정호
이범선
이성수
조동호
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한국과학기술원
경희대학교 산학협력단
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Abstract

무선전력 전송 장치 및 무선전력 전송 방법을 개시한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 대역을 지원하는 무선전력 전송 장치는 다중 대역을 사용하는 무선전력 전송 환경에서 상기 다중 대역 중 고주파 대역의 무선전력 신호가 통과하는 경우 메타물질 특성에 의해 상기 고주파 대역의 무선전력 신호를 빔포밍시키는 제1 빔포밍부와, 상기 제1 빔포밍부와 평행하게 배치되어 상기 다중 대역 중 저주파 대역의 무선전력 신호가 통과하는 경우, 공진 주파수 특성에 의해 상기 저주파 대역의 무선전력 신호를 빔포밍시키는 제2 빔포밍부와, 상기 고주파 대역의 무선전력 신호 또는 상기 저주파 대역의 무선전력 신호를 생성하는 전력 소스부를 포함한다.

Description

메타물질과 루프 코일 어레이를 이용한 무선전력 전송 장치 및 그 방법{WIRELESS POWER TRANSFER APPARATUS USING METAMATERIAL AND LOOP COIL ARRAY AND METHOD THEREOF}
본 발명은 무선전력 전송에 관한 것으로, 보다 구체적으로 하이브리드 메타물질과 루프 코일 어레이를 이용하여 다중대역에서 고효율로 무선전력을 전송하고, 저전자계를 가지는 무선전력 전송 장치에 관한 것이다.
무선 전력 전송 시스템은 전기 에너지를 무선으로 전송하는 무선전력 전송장치와 무선전력 전송장치로부터 전기 에너지를 수신하는 무선전력 수신장치를 포함한다.
무선 전력 전송 시스템을 이용하면, 예를 들어 휴대폰을 별도의 충전 커넥터를 연결 하지 않고 단지 휴대폰을 충전 패드에 올려놓음으로써, 휴대폰의 배터리를 충전하는 것이 가능하다.
무선으로 전기 에너지를 전달하는 방식은, 전기 에너지를 전달하는 원리에 따라 자기 유도 방식, 자기 공진 방식 및 전자기파 방식으로 구분할 수 있다.
자기 유도 방식은 송신부 코일과 수신부 코일 사이에서 전기가 유도되는 현상을 이용하여 전기 에너지를 전달하는 방식이다.
자기 공진 방식은 송신부 코일에서 공진주파수로 진동하는 자기장을 생성하여 동일한 공진주파수로 설계된 수신부 코일에 에너지가 집중적으로 전달되는 방식이다.
전자기파 또는 마이크로파 방식은 송신부에서 발생된 전자기파를 수신부에서 단일 또는 복수의 안테나를 이용하여 전자기파를 수신하여 전기 에너지로 변환하는 방식이다.
한편, 무선 전력 전송 기술은 송신부 코일과 수신부 코일의 자기 공진 결합(magnetic resonant coupling)의 형태 내지 강도에 따라 유연하게 결합된 무선 전력 전송 기술(flexibly coupled wireless power transfer technology, 이하 'flexibly coupled technology')과 단단하게 결합된 무선 전력 전송 기술(tightly coupled wireless power transfer technology, 이하 'tightly coupled technology ')으로 구분될 수 도 있다.
이때, 'flexibly coupled technology'의 경우 하나의 송신부 공진기와 다수의 수신부 공진기들 사이에 자기 공진 결합이 형성될 수 있기 때문에, 동시 다중 충전(Concurrent Multiple Charging)이 가능할 수 있다.
이때, 'tightly coupled technology '는 단지 하나의 송신부 코일과 하나의 수신부 코일 간의 전력 전송(one-to-one power transmission) 만이 가능한 기술일 수 있다.
무선 전력 전송 시스템은 가정, 사무실, 공항, 열차 안 등 복잡한 무선채널 환경에서 적용될 수 있다.
또한, 무선 전력 전송 시스템은 3차원 공간에서 비콘 측위기술 등을 바탕으로 배열 안테나의 3차원 빔패턴을 합성하여 무선기기/IoT 디바이스/웨어러블 기기를 충전하는 환경에도 적용될 수 있다.
한편, 무선 전력 전송이 적용되는 제품들이 많아지고, 이 제품들은 다양한 주파수를 사용하고 있다.
따라서, 각각의 제품들에 맞는 전력 전송 효율과 누설 전자계를 해결할 필요성이 대두되고 있다.
하지만, 기존의 무선 전력 전송 시스템은 서로 다른 주파수에서의 효율과 전자계 문제를 해결하지 못하는 단일 주파수 시스템이 대부분이다.
한국공개특허 제10-2017-0125311호, "무선전력 송신장치 및 그 방법"(2017.11.14)
본 발명은 가정, 사무실, 공항, 열차 안 등 복잡한 무선채널 환경에서 적용될 수 있는 무선 전력 전송 시스템을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 하이브리드 메타물질을 사용하여 메가 헤르츠(MHz) 대역의 공진주파수를 사용하는 무선충전기기에 높은 효율로 무선전력을 전송하는 무선전력 전송 장치 및 전송 방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 공진주파수 특성을 이용하여 키로 헤르츠(kHz) 대역의 공진주파수를 사용하는 무선충전기기에 높은 효율로 무선전력을 전송하는 무선전력 전송 장치 및 전송 방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 낮은 누설 전자계를 가지는 무선전력 전송 장치 및 전송 방법을 제공하고자 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 대역을 지원하는 무선전력 전송 장치는 다중 대역을 사용하는 무선전력 전송 환경에서 상기 다중 대역 중 고주파 대역의 무선전력 신호가 통과하는 경우 메타물질 특성에 의해 상기 고주파 대역의 무선전력 신호를 빔포밍시키는 제1 빔포밍부와, 상기 제1 빔포밍부와 평행하게 배치되어 상기 다중 대역 중 저주파 대역의 무선전력 신호가 통과하는 경우, 공진 주파수 특성에 의해 상기 저주파 대역의 무선전력 신호를 빔포밍시키는 제2 빔포밍부와, 상기 고주파 대역의 무선전력 신호 또는 상기 저주파 대역의 무선전력 신호를 생성하는 전력 소스부를 포함한다.
또한, 상기 제1 빔포밍부는, 메타물질 특성에 의해 영의 투자율을 가지는 중앙 영역 및 음의 투자율을 가지는 외곽 영역을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 빔포밍부는, 평면 구조로 형성되며, 상기 고주파 대역의 무선전력 신호 중 상기 중앙 영역을 통과하는 무선전력 신호를 상기 평면 구조의 수직 방향으로 굴절시키고, 상기 고주파 대역의 무선전력 신호 중 상기 외곽 영역을 통과하는 무선전력 신호를 상기 중앙 영역의 방향으로 굴절시킬 수 있다.
또한, 상기 제2 빔포밍부는, 공진 주파수 특성에 의해 상기 저주파 대역의 무선전력 신호를 증폭시키는 중앙 영역 및 상기 저주파 대역의 무선전력 신호를 감쇄시키는 외곽 영역을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 빔포밍부는, 상기 저주파 대역의 무선전력 신호 중 상기 중앙 영역을 통과하는 무선전력 신호를 증폭시키고, 상기 저주파 대역의 무선전력 신호 중 상기 외곽 영역을 통과하는 무선전력 신호를 상쇄시킬 수 있다.
또한, 상기 고주파 대역은 6.78MHz 주파수를 포함할 수 있다.
또한, 상기 저주파 대역은 60kHz 주파수를 포함할 수 있다.
또한, 상기 전력 소스부는, 전기기기들로부터 충전 정보를 수신하여 상기 제1 및 제2 빔포밍부를 통과하는 상기 고주파 대역 또는 상기 저주파 대역의 무선전력 신호를 생성하는 전력 소스부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 전력 소스부는, 상기 고주파 대역의 무선전력 신호를 생성하는 제1 코일부와, 상기 저주파 대역의 무선전력 신호를 생성하는 제2 코일부와, 상기 전기기기들로부터 상기 충전 정보를 수신하는 수신부와, 상기 충전 정보에 기초하여 상기 제1 및 제2 코일부의 신호 생성을 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 다중 대역을 지원하는 무선전력 전송 장치의 무선전력 전송 방법은 다중 대역을 이용하는 무선전력 전송 환경에서 상기 다중 대역의 무선전력 신호를 생성하는 단계와, 상기 다중 대역 중 고주파 대역의 무선전력 신호를 메타물질 특성에 의해 빔포밍 시키거나, 상기 다중 대역 중 저주파 대역의 무선전력 신호를 공진 주파수 특성에 의해 빔포밍 시키는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, 가시 거리 및 비 가시거리 환경에서 3차원 선택적 공간에 대한 고효율 무선 전력 전송 시스템을 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, 하이브리드 메타물질을 사용하여 메가 헤르츠(MHz) 대역의 공진주파수를 사용하는 무선충전기기에 높은 효율로 무선전력을 전송하는 무선전력 전송 장치 및 전송 방법을 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, 공진주파수 특성을 이용하여 키로 헤르츠(kHz) 대역의 공진주파수를 사용하는 무선충전기기에 높은 효율로 무선전력을 전송하는 무선전력 전송 장치 및 전송 방법을 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, 낮은 누설 전자계를 가지는 무선전력 전송 장치 및 전송 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 무선 전력 전송 시스템이 적용되는 환경을 설명하기 위한 예시도이다.
도 2는 도 1과 같은 환경에서 다양한 방식으로 전력을 전송할 수 있는 무선 전력 전송 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 2에서 무선 충전 패드부의 구성 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 무선 충전 패드부의 무선 충전 패드의 구성예를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 도 4에 도시된 무선 충전 패드에 충전 대상 디바이스가 놓인 경우 무선 충전 패드의 동작 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 도 3에 도시된 구동 제어부 및 코일 구동부의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 7은 일 실시예에 따른 코일 구동부의 구성 예 및 소형 전력 전송 코일과 코일 구동부의 연결관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 도 2에서 근접장 전력 전송부의 구성 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 도 2에서 마이크로파 전력 전송부의 구성 및 동작 환경을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 전송 장치의 블록도이다.
도 11은 제1 빔포밍부의 구성 예를 나타내는 도면이다.
도 12는 도 11의 제1 빔포밍부의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 제2 빔포밍부의 구성 예를 나타내는 도면이다.
도 14는 일 실시예에 따른 무선전력 전송 장치의 무선전력 전송 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 전송 방법의 흐름도이다.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 명세서에서 사용되는 “실시예”, “예”, “측면”, “예시” 등은 기술된 임의의 양상(aspect) 또는 설계가 다른 양상 또는 설계들보다 양호하다거나, 이점이 있는 것으로 해석되어야 하는 것은 아니다.
또한, '또는' 이라는 용어는 배타적 논리합 'exclusive or' 이기보다는 포함적인 논리합 'inclusive or' 를 의미한다. 즉, 달리 언급되지 않는 한 또는 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 'x가 a 또는 b를 이용한다' 라는 표현은 포함적인 자연 순열들(natural inclusive permutations) 중 어느 하나를 의미한다.
또한, 본 명세서 및 청구항들에서 사용되는 단수 표현("a" 또는 "an")은, 달리 언급하지 않는 한 또는 단수 형태에 관한 것이라고 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 일반적으로 "하나 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 본 명세서 및 청구항들에서 사용되는 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
한편, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 무선 전력 전송 시스템이 적용되는 환경을 설명하기 위한 예시도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 무선 전력 전송 환경은 가정의 거실, 룸(room), 사무실, 공항, 열차와 같은 3차원 공간일 수 있다.
3차원 공간 상에서 전력 전송은 자기 유도 방식 또는 자기 공진 방식의 근접 장 전송(Near field Wireless Power Transform)을 사용할 수 있다. 또한, 전력 수신 장치의 위치나 종류에 따라 근거리 및 원거리를 커버할 수 있는 전자기파 방식이 사용될 수 있다.
한편, 전력 수신 장치는 통신 디바이스일 수 있고, 3차원 공간 상에는 전자기파로부터 에너지를 수집할 수 있는 RF Harvesting Device가 구비될 수 도 있다.
도 2는 도 1과 같은 환경에서 다양한 방식으로 전력을 전송할 수 있는 무선 전력 전송 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 전력 전송 장치는 무선 충전 패드부(210), 근접장 전력 전송부(220) 및 마이크로파 전력 전송부(230) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
다시 말해, 도 2에 무선 충전 패드부(210), 근접장 전력 전송부(220) 및 마이크로파 전력 전송부(230)가 모두 도시되어 있으나, 3차원 공간 환경에 따라 어느 하나의 전력 전송 방식을 사용하는 전력 전송 장치만이 구비될 수 도 있다.
따라서, 이하의 설명에서 무선 전력 전송 장치 또는 전력 전송 장치는 무선 충전 패드부(210), 근접장 전력 전송부(220) 및 마이크로파 전력 전송부(230) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제어부(240)는 무선 충전 패드부(210), 근접장 전력 전송부(220) 및 마이크로파 전력 전송부(230) 중 적어도 어느 하나의 동작을 제어할 수 있다.
제어부(240)는 3차원 공간의 환경을 모니터링할 수 있고, 모니터링 결과에 기초하여 무선 충전 패드부(210), 근접장 전력 전송부(220) 및 마이크로파 전력 전송부(230) 중 적어도 어느 하나의 동작을 제어할 수 있다.
예를 들어, 제어부(240)는 원거리 전송이 필요 없는 경우 무선 충전 패드부(210) 및 근접장 전력 전송부(220)를 동작하도록 하고, 마이크로파 전력 전송부(230)는 동작하지 않도록 제어 기능을 수행할 수 있다.
무선 충전 패드부(210)는 자기 유도 방식 또는 자기 공진 방식으로 전력을 전송할 수 있다.
근접장 전력 전송부(220)는 자기 공진 방식으로 3차원 공간에 전력을 전송할 수 있다.
마이크로파 전력 전송부(230)는 마이크로파 전력 전송 방식으로 3차원 공간에 전력을 전송할 수 있다.
한편, 원거리 장(Far Field)은 송수신단 사이의 거리가 '2x(안테나길이)2/파장' 이상인 경우로 정의될 수 있다.
도 3은 도 2에서 무선 충전 패드부의 구성 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 3에 도시된 장치는 무선 충전 패드(도시 되지 않음)와 무선 충전 패드 구동 장치(210)를 포함할 수 있다. 이때, 무선 충전 패드는 도 4와 같이 구성될 수 있다.
무선 충전 패드 구동장치는 구동 제어부(315) 및 코일 구동부(317)를 포함한다. 무선 충전 패드 구동장치는 코일 결정부(313) 및 스캐닝 제어부(311)를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 무선 충전 패드 구동장치는 복수의 소형 전력 전송 코일로 구성된 무선 충전 패드의 소형 전력 전송 코일들 각각을 독립적으로 구동 제어하는 구동 제어부(315) 및 구동 제어부(315)에서 입력되는 제1 제어 신호 또는 제2 제어 신호에 따라 복수의 소형 전력 전송 코일 각각을 구동하는 복수의 구동 모듈로 구성될 수 있다.
스캐닝 제어부(311)는 복수의 소형 전력 전송 코일들로 구성된 무선 충전 패드 위의 충전 대상 디바이스를 검출하기 위해 상기 무선 충전 패드를 스캐닝한다.
스캐닝 제어부(311)는 각각의 소형 전력 전송 코일들의 임피던스 변화, 압력 변화 중 적어도 어느 하나를 이용하여 해당 소형 전력 전송 코일 위에 충전 대상 디바이스가 놓여 있는지를 검출 할 수 있다.
코일 결정부(313)는 복수의 소형 전력 전송 코일 들 중 상기 충전 대상 디바이스의 하부에 위치하는 구동 대상 전력 전송 코일들을 확인하고, 상기 복수의 소형 전력 전송 코일 들 중 상기 구동 대상 전력 전송 코일들을 감싸는 주변 전력 전송 코일들을 확인한다.
구동 제어부(315)는 상기 구동 대상 전력 전송 코일들에 제1 위상을 갖는 제1 구동 전압을 인가하도록 제1 제어 신호를 생성하고, 상기 주변 전력 전송 코일들에 상기 제1 위상과 다른 위상을 갖는 제2 구동 전압을 인가하도록 제2 제어 신호를 생성할 수 있다.
이때, 구동 대상 전력 전송 코일은 충전 대상 디바이스에 매칭되는 소형 전력 전송 코일 일 수 있다. '충전 대상 디바이스에 매칭된다'는 것은 충전 대상 디바이스의 하부에 위치하거나 충전 대상 디바이스로 전력을 전송할 수 있도록 충전 대상 디바이스의 주변에 있는 것을 의미할 수 있다.
이때, 제1 제어 신호는 도 6 및 도 7에서 'A'로 표시한 신호와 'A' 신호와 위상이 반대인 'B' 신호 중 'A' 신호를 선택하도록 코일 구동부(317)를 제어하는 'Select' 신호 일 수 있다.
또한, 제2 제어 신호는 도 6 및 도 7에서 'A'로 표시한 신호와 'A' 신호와 위상이 반대인 'B' 신호 중 'B' 신호를 선택하도록 코일 구동부(317)를 제어하는 'Select' 신호 일 수 있다.
코일 구동부(317)는 상기 제1 구동 신호 및 상기 제2 구동 신호를 무선 충전 패드에 인가한다.
도 4는 일 실시예에 따른 무선 충전 패드부의 무선 충전 패드의 구성예를 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 복수의 소형 전력 전송 코일들(410)은 무선 충전 패드 상에 겹쳐지지 않는 구조인 테셀레이션(tesselation) 구조로 배치될 수 있다.
또한, 도 5는 무선 충전 패드상에 충전 대상 디바이스인 'DEVICE'가 놓여 있는 예를 나타낸다.
이때, 전체 소형 전력 전송 코일 들 중 'DEVICE'가 위치하고 있는 육각형 굵은 선 내부의 소형 전력 전송 코일 들만 동작 하도록 제어 될 수 있다.
도 5는 도 4에 도시된 무선 충전 패드에 충전 대상 디바이스가 놓인 경우 무선 충전 패드의 동작 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 3 및 도 5를 참조하면, 스캐닝 제어부(311)는 각각의 소형 전력 전송 코일들의 임피던스 변화, 압력 변화 중 적어도 어느 하나를 이용하여 해당 소형 전력 전송 코일 위에 충전 대상 디바이스가 놓여 있는지를 검출 할 수 있다.
예를 들어, 임피던스 변화를 이용하여 스캐닝하는 경우 충전 대상 디바이스가 놓인 코일의 경우 기 설정된 범위를 벗어나는 임피던스 변화가 발생하면 해당 코일 위에 충전 대상 디바이스가 놓인 것으로 판단할 수 있다.
또한, 각각의 소형 전력 전송 코일에 압력 감지 센서가 구비된 경우 충전 대상 디바이스가 놓인 압력 감지 센서는 압력 변화를 통해 디바이스를 검출 할 수 있다.
스캐닝 제어부(311)는 무선 충전 패드를 스캐닝함으로써, 10, 11, 12, 13, 17, 18, 19, 20, 21, 25, 26, 27, 28 코일들 위에 충전 대상 디바이스가 위치하고 있음을 검출할 수 있다.
스캐닝 제어부(311)에서 스캐닝을 수행한 결과, 충전 대상 디바이스가 놓인 위치의 하부에 구비된 코일들이 10, 11, 12, 13, 17, 18, 19, 20, 21, 25, 26, 27, 28 코일들로 검출된 경우, 코일 결정부(313)는 10, 11, 12, 13, 17, 18, 19, 20, 21, 25, 26, 27, 28 코일들 각각이 구동 대상 전력 전송 코일들임을 확인할 수 있다.
또한, 코일 결정부(313)는 복수의 소형 전력 전송 코일 들 중 상기 구동 대상 전력 전송 코일들인 10, 11, 12, 13, 17, 18, 19, 20, 21, 25, 26, 27, 28 코일들을 감싸는 2, 3, 4, 5, 6, 9, 14, 16, 22, 24, 29, 32, 33, 34, 35, 36번 코일들이 주변 전력 전송 코일들임을 확인할 수 있다.
도 5에 도시된 예에서, 시계 방향 화살표는 제1 위상을 의미하고, 반 시계 방향 화살표는 제2 위상을 의미한다.
코일 구동부(317)는 제1 제어 신호를 입력 받은 경우 제1 구동 신호를 해당 소형 전력 전송 코일로 출력하고, 제2 제어 신호를 입력 받은 경우 제2 구동 신호를 해당 소형 전력 전송 코일로 출력할 수 있다.
예를 들어, 코일 구동부(317)는 구동 대상 전력 전송 코일들인 10, 11, 12, 13, 17, 18, 19, 20, 21, 25, 26, 27, 28 코일들 각각에 제1 구동 신호를 출력하고, 주변 전력 전송 코일들인 2, 3, 4, 5, 6, 9, 14, 16, 22, 24, 29, 32, 33, 34, 35, 36 코일들 각각에 제2 구동 신호를 출력할 수 있다.
이와 같이, 충전 대상 디바이스가 위치한 곳에 놓인 코일들을 동작 시킴으로써 충전 대상 디바이스에 전력이 전송되도록 하고, 충전 대상 디바이스가 위치한 코일들 주변의 코일들은 반대 위상을 갖도록 동작 시킴으로써, 충전 대상 디바이스로 향하는 자기력 선이 증가하고 외부로 퍼지는 자기력 선은 감소시킬 수 있다.
따라서, 충전 대상 디바이스로 전송하는 전력을 증가시키는 경우에도 전력 전송 효율을 유지하고 외부에 자기력선이 미치는 영향을 줄일 수 있다.
도 6은 도 3에 도시된 구동 제어부 및 코일 구동부의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 6에 도시된 예는 하나의 구동 제어부(제1 구동 제어부, 631)가 4개의 구동 모듈들(642, 643, 645, 647)을 제어하는 예를 나타낸다.
다시 말해, 도 9에 도시되지는 않았지만, 구동 제어부는 제1 구동 제어부(931)외에 제2 구동 제어부 및 제3 구동 제어부 등 복수로 구비될 수 있다.
이때, 제1 구동 제어부(931)는 8개의 출력 신호 단자(601~908)를 갖는 쉬프트 레지스터일 수 있다.
따라서, 쉬프트 레지스터와 같은 제1 구동 제어부(931)를 캐스케이딩 형태로 연결하는 경우 소형 전력 전송 코일들을 개별적으로 구동시키기 위한 회로는 선형적으로 확장될 수 있다.
구동 모듈들(642, 643, 645, 647) 각각은 소형 전력 전송 코일에 연결 될 수 있다.
예를 들어, 제1 구동 모듈(642)은 제1 소형 전력 전송 코일에 연결되고, 제2 구동 모듈(643)은 제2 소형 전력 전송 코일에 연결되고, 제3 구동 모듈(645)은 제3 소형 전력 전송 코일에 연결되고, 제4 구동 모듈(647)은 제4 소형 전력 전송 코일에 연결될 수 있다.
따라서, 무선 충전 패드에 36개의 소형 전력 전송 코일이 구비된 경우, 무선 충전 구동 장치는 36개의 구동 모듈 및 9개의 구동 제어부를 포함할 수 있다.
따라서, 일 실시예에 따른 무선 충전 패드의 구동 장치는 복수의 소형 전력 전송 코일로 구성된 제1 무선 충전 모듈의 소형 전력 전송 코일들 각각을 독립적으로 구동 제어하는 제1 구동 제어부 및 복수의 소형 전력 전송 코일로 구성된 제2 무선 충전 모듈의 소형 전력 전송 코일들 각각을 독립적으로 구동 제어하는 제2 구동 제어부를 포함할 수 있다.
이때, 제2 구동 제어부의 일단은 상기 제1 구동 제어부에 연결되고, 상기 제2 구동 제어부의 타단은 제3 구동 제어부에 연결되어 무선 충전 모듈의 확장을 지원할 수 있다.
다시 도 9를 참조하면, 코일 구동부는 복수의 소형 전력 전송 코일들 각각에 연결되는 복수의 구동 모듈들(642, 643, 645, 647)을 포함한다.
또한, 코일 구동부는 제1 위상을 갖는 제1 스위칭 신호(A) 및 상기 제2 위상을 갖는 제2 스위칭 신호(B)를 상기 복수의 구동 모듈(642, 643, 645, 647) 각각에 인가하는 2개의 버스 라인을 포함할 수 있다.
제1 구동 제어부(631)는 각각의 구동 모듈로 해당 구동 모듈이 동작하도록 제어하는 인에이블(enable) 신호와 제1 제어 신호 또는 제2 제어 신호를 인가한다.
제1 구동 제어부(631)는 구동 대상 전력 전송 코일들 및 상기 주변 전력 전송 코일들 각각에 연결된 구동 모듈들에 인에이블(enable) 신호를 인가하고, 상기 제1 제어 신호 또는 상기 제2 제어 신호를 상기 인에이블(enable) 신호가 인가되는 구동 모듈들에 인가할 수 있다.
예를 들어, 제1 구동 모듈(642)이 구동 대상 전력 전송 코일에 연결된 구동 모듈인 경우, 참조부호 601단자로 인에이블 신호가 출력되고, 참조부호 602 단자로 제1 제어 신호가 출력될 수 있다.
예를 들어, 제4 구동 모듈(647)이 주변 전력 전송 코일에 연결된 구동 모듈인 경우, 참조부호 607단자로 인에이블 신호가 출력되고, 참조부호 608 단자로 제2 제어 신호가 출력될 수 있다.
도 7은 일 실시예에 따른 코일 구동부의 구성 예 및 소형 전력 전송 코일과 코일 구동부의 연결관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참조하면, 참조부호 710은 하나의 소형 전력 전송 코일의 등가 회로를 나타낸다.
소형 전력 전송 코일(710)의 일단은 구동전압 Vcc 가 연결되고 타 단은 코일 구동부 내에 구비된 스위칭 소자(720)에 연결될 수 있다.
이때, 코일 구동부는 소형 전력 전송 코일(710)에 연결되는 스위칭 소자(720), 멀티플렉서(750) 및 앤드 게이트(And gate) 소자(760)를 포함할 수 있다.
코일 구동부는 참조부호 730 단자를 통해 인에이블 신호를 입력 받고, 참조부호 740 단자를 통해 제어 신호를 입력 받을 수 있다.
이때, 멀티플렉서(750)는 740 단자를 통해 입력되는 제어신호가 제1 제어 신호인 경우 제1 스위칭 신호인 A 신호를 출력하고, 740 단자를 통해 입력되는 제어신호가 제2 제어 신호인 경우 제2 스위칭 신호인 B 신호를 출력할 수 있다.
앤드 게이트(And gate) 소자(760)는 730 단자를 통해 입력되는 인에이블 신호 및 멀티플렉서(750)의 출력신호를 입력 받아 스위칭 소자(720)를 제어할 수 있다.
예를 들어, 소형 전력 전송 코일(710)이 구동 대상 전력 전송 코일인 경우, 740 단자로 제1 제어 신호가 입력되고, 스위칭 소자(720)는 A 신호와 같은 스위칭 신호에 의해 온/오프(On/Off)될 수 있다.
스위칭 소자(720)의 온/오프(On/Off)에 따라 구동 전압 Vcc가 소형 전력 전송 코일(710)에 인가됨으로써, 소형 전력 전송 코일(710)은 제1 위상을 갖는 제1 구동 전압으로 동작하게 된다.
예를 들어, 스위칭 소자(720)가 NMOS 트랜지스터인 경우, NMOS 트랜지스터가 온(On)되는 시간 구간에서 소형 전력 전송 코일(710)의 캐패시터는 충전이 되고, NMOS 트랜지스터가 오프(Off)되는 시간 구간에서 소형 전력 전송 코일(710)의 캐패시터는 방전이 일어나게 되며, 이러한 충전 및 방전의 반복을 통해 인덕터의 자기장이 제어될 수 있다.
도 8은 도 2에서 근접장 전력 전송부의 구성 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 8을 참조하면, 근접장 전력 전송부는 복수의 전력 전송 코일을 포함하는 코일부(810), 전력 분배기(815), 제1 증폭부(820), 제2 증폭부(830), 위상 변위기(840) 및 제어부(850)을 포함할 수 있다.
코일부(810)는 자기 공진 방식으로 수신 코일로 무선 전력을 전송한다.
예를 들어, 코일부(810)는 2개의 자기 공진 코일(811, 813)을 포함할 수 있다.
제1 자기 공진 코일(811)과 제2 자기 공진 코일(813)은 각각 단일 수신 코일과 자기 결합을 형성함으로써, 무선으로 전력을 전송할 수 있다.
이와 같이 복수의 송신 코일과 단일 수신 코일로 구성되는 환경을 Multi Input Single Output(MISO) 시스템이라 표현할 수 있다.
한편, 단일 송신 코일 또는 단일 송신기와 단일 수신 장치로 구성되는 환경은 Single Input Single Output(SISO) 시스템이라 표현할 수 있다.
MISO 시스템은 SISO 시스템에 비해 효율적으로 전력을 전송할 수 있고, 전력 수신 장치가 이동하는 환경에서도 SISO 시스템에 비해 우수한 성능을 가질 수 있다.
다만, MISO 시스템도 송신 코일과 수신 코일의 정렬 상태에 따라 자기 결합이 크게 영향을 받을 수 있다.
제1 자기 공진 코일(811)과 제2 자기 공진 코일(813)로 공급되는 전류의 위상을 다르게 제어하는 경우, 송신 코일과 수신 코일의 정렬 상태에 크게 영향을 받지 않고 자기 결합이 형성될 수 있다.
전력 분배기(815)는 전원으로부터 공급되는 전력을 분배하고, 분배된 전력을 제1 증폭부(820)와 위상 변위기(840)로 출력할 수 있다.
위상 변위기(840)는 입력된 전력의 위상을 변경할 수 있다.
위상 변위기(840)는 입력 전류의 위상을 조정함으로써, 제2 증폭부(830)로 공급되는 전류의 위상을 조정할 수 있다.
따라서, 제1 자기 공진 코일(811)과 제2 자기 공진 코일(813)로 공급되는 전류의 위상은 다르게 조정될 수 있다.
예를 들어, 제1 자기 공진 코일(811)과 제2 자기 공진 코일(813)로 공급되는 전류의 위상차는 0~180도(degree)로 설정될 수 있다.
이러한 위상 제어를 통해 MISO 시스템에서 수신기의 움직임에 의한 효율 저하 문제를 해소할 수 있다.
도 9는 도 2에서 마이크로파 전력 전송부의 구성 및 동작 환경을 설명하기 위한 도면이다.
도 9를 참조하면, 마이크로파 전력 전송부는 복수의 안테나 소자(element1, element2,,,elementN)를 포함하는 어레이 안테나부(930)를 포함할 수 있다.
어레이 안테나부(930)는 복수의 안테나 소자들 각각에 대한 위상 및 분포 전류의 크기 등을 제어함으로써, 방사 특성을 조정할 수 있다.
이때, 각각의 방사 소자의 급전 위상을 조절하여, 수신 안테나의 위치에서 전기장이 동위상으로 더해지게 함으로써 수신 전력을 최대화 할 수 있다.
일반적으로, 배열 안테나로부터 수신 안테나 사이의 거리는 매우 먼 거리로 가정한다. 따라서, 안테나 사이의 전력 전송 효율은 배열 안테나의 각 안테나 소자로부터 수신 안테나 사이의 거리는 같다고 가정한 후에 수학식 1의 Friis 공식을 적용하여 계산될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112018061375960-pat00001
수학식 1에서, Pr은 수신 전력, Pt는 송신 전력, R은 송신 안테나와 수신 안테나 사이의 거리, Gt는 송신 안테나의 이득, Gr은 수신 안테나의 이득을 나타낸다.
그러나, 무선 전력 전송을 위한 환경에서 배열 안테나의 각 안테나 소자로부터 수신 안테나 사이의 거리는 서로 다르기 때문에 일반적인 Friis 공식을 적용할 수 없다.
따라서, 도 2의 제어부(240) 또는 마이크로파 전력 전송부(230)는 전력 전송 효율을 계산함에 있어서, 실제 무선 전력 전송을 위한 환경을 고려하여 전력 전송 효율을 계산한다.
도 2의 제어부(240) 또는 마이크로파 전력 전송부(230)는 전력 수신 장치와의 통신을 통해 수신 전력에 대한 정보를 수신하고, 하기 수학식 2에 기초하여 전력 전송 효율을 계산할 수 있다.
즉, 각 송신 방사소자에서 입력전력의 크기가 각각 P1, P2,…,PN이고 수신 안테나와 각각의 방사 소자 사이의 거리는 R1, R2,…,RN이며 각 방사소자가 동일한 이득 Gt0 를 갖고, 안테나 이득이 Gr인 수신 안테나로의 전력전송 효율은 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112018061375960-pat00002
수학식 2에서, 송신단의 방사소자와 수신안테나 사이의 거리의 평균을 수학식 3과 같이 정의할 수 있고, 일 실시예에 따른 전력 전송 효율 계산 방식은 수학식 4와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112018061375960-pat00003
[수학식 4]
Figure 112018061375960-pat00004
이하, 도 10 내지 도 15를 참조하여 설명하는 무선전력 전송 장치는 도 2에 도시된 근접장 전력 전송부의 다른 구성 예일 수 있다.
또한, 도 10 내지 도 15를 참조하여 설명하는 무선전력 전송 장치는 도 2에 도시된 마이크로파 전력 전송부의 다른 구성 예일 수 있다.
다시 말해, 도 10 내지 도 15를 참조하여 설명하는 무선전력 전송 장치는 근거리 또는 원거리 무선전력 전송에 사용할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 전송 장치의 블록도이다.
도 10을 참조하면, 다중 대역을 지원하는 무선전력 전송 장치(1000)는 전력 소스부(1010)와, 제1 빔포밍부(1020)와, 제2 빔포밍부(1030)를 포함한다.
제1 빔포밍부(1020)는 다중 대역을 사용하는 무선전력 전송 환경에서 다중 대역 중 고주파 대역의 무선전력 신호가 통과하는 경우 메타물질 특성에 의해 고주파 대역의 무선전력 신호를 빔포밍 시킬 수 있다.
다중 대역을 사용하는 무선전력 전송 환경은 단일 주파수가 복수의 주파수를 이용하는 무선전력 전송을 수행하는 환경일 수 있다.
다중 대역은 고주파 대역과 저주파 대역을 포함할 수 있다.
고주파 대역은 6.78 메가 헤르츠(MHz) 주파수를 포함할 수 있다.
저주파 대역은 60 키로 헤르츠(kHz) 주파수를 포함할 수 있다.
제1 빔포밍부(1020)는 메타물질 특성에 의해 영의 투자율을 가지는 중앙 영역 및 음의 투자율을 가지는 외곽 영역을 포함할 수 있다.
메타물질 특성은 소정의 주파수 구간에서 유전율(Permittivity) 및 투자율(Permeability) 중에서 하나 이상이 0 또는 음의 값을 갖는 특성을 의미할 수 있다.
메타물질(metamaterial)은 자연에서 발견될 수 없는 특별한 전기적 성질을 갖는 물질로서, 인공적으로 설계된 구조를 갖는다. 자연계에 존재하는 모든 물질들의 전자기 특성은 고유의 유전율 또는 투자율을 가지며, 대부분의 물질들은 양의 유전율 및 양의 투자율을 갖는다. 대부분의 물질들에서 전계, 자계 및 포인팅 벡터에는 오른손 법칙이 적용되므로, 이러한 물질들 RHM(Right Handed Material)이라고 한다. 그런, 메타물질은 자연계에 존재하지 않는 유전율 또는 투자율을 가진 물질로서, 유전율 또는 투자율의 부호에 따라 ENG(epsilon negative) 물질, MNG(mu negative) 물질, DNG(double negative) 물질, NRI(negative refractive index) 물질, LH(left-handed) 등으로 분류된다.
투자율이 조절된 메타물질은 무선전력 신호의 방향을 변화시킬 수 있다.
제1 빔포밍부(1020)는 평면 구조로 형성될 수 있다.
제1 빔포밍부(1020)의 중앙 영역은 영의 투자율을 가지는 메타물질로 구성할 수 있다.
제1 빔포밍부(1020)의 외곽 영역은 음의 투자율을 가지는 메타물질로 구성할 수 있다.
음의 투자율의 값은 무선전력 신호의 주파수, 굴절각 등에 의해 기 설정될 수 있다.
제1 빔포밍부(1020)는 평면 구조로 형성되며, 고주파 대역의 무선전력 신호 중 중앙 영역을 통과하는 무선전력 신호를 평면 구조의 수직 방향으로 굴절 시키고, 고주파 대역의 무선전력 신호 중 외곽 영역을 통과하는 무선전력 신호를 중앙 영역의 방향으로 굴절 시킬 수 있다.
제1 빔포밍부(1020)는 저주파 대역의 무선전력 신호는 통과 시킬 수 있다.
따라서, 제1 빔포밍부(1020)는 통과하는 고주파 대역의 무선전력 신호를 중앙으로 집중 시킬 수 있다.
다시 말해, 제1 빔포밍부(1020)는 고주파 대역의 무선전력 신호를 빔포밍 시킬 수 있다.
제2 빔포밍부(1030)는 제1 빔포밍부(1020)와 평행하게 배치되어 다중 대역 중 저주파 대역의 무선전력 신호가 통과하는 경우, 공진 주파수 특성에 의해 저주파 대역의 무선전력 신호를 빔포밍 시킬 수 있다.
제2 빔포밍부(1030)는 공진 주파수 특성에 의해 저주파 대역의 무선전력 신호를 증폭시키는 중앙 영역 및 저주파 대역의 무선전력 신호를 감쇄시키는 외곽 영역을 포함할 수 있다.
제2 빔포밍부(1030)는 평면 구조로 형성될 수 있다.
제2 빔포밍부(1030)는 중앙 영역과 외곽 영역을 포함할 수 있다.
제2 빔포밍부(1030)의 중앙 영역은 저주파 대역의 무선전력 신호 보다 높은 공진 주파수를 가지는 루프 코일로 구성될 수 있다.
제2 빔포밍부(1030)의 외곽 영역은 저주파 대역의 무선전력 신호 보다 낮은 공진 주파수를 가지는 루프 코일로 구성될 수 있다.
공진 주파수 특성은 무선전력 신호의 주파수가 공진 주파수보다 큰 경우 무선전력 신호를 증폭시키고, 공진 주파수보다 작은 경우 무선전력 신호를 감쇄시키는 특성을 의미할 수 있다.
제2 빔포밍부(1030)는 저주파 대역의 무선전력 신호 중 중앙 영역을 통과하는 무선전력 신호를 증폭시키고, 저주파 대역의 무선전력 신호 중 외곽 영역을 통과하는 무선전력 신호를 상쇄시킬 수 있다.
제2 빔포밍부(1030)는 고주파 대역의 무선전력 신호를 통과 시킬 수 있다.
따라서, 제2 빔포밍부(1030)는 중앙 영역으로 저주파 대역의 무선전력 신호를 집중 시킬 수 있다.
다시 말해, 제2 빔포밍부(1030)는 중앙 영역으로 저주파 대역의 무선전력 신호를 빔포밍 시킬 수 있다.
따라서, 무선전력 전송 장치(1000)는 제1 및 제2 빔포밍부(1020, 1030)에 의해 다중 대역의 무선전력 전송을 지원할 수 있다.
전력 소스부(1010)는 고주파 대역의 무선전력 신호 또는 저주파 대역의 무선전력 신호를 생성할 수 있다.
전력 소스부(1010)는 전기기기들로부터 충전 정보를 수신하여 제1 및 제2 빔포밍부(1020, 1030)를 통과하는 고주파 대역 또는 저주파 대역의 무선전력 신호를 생성할 수 있다.
전력 소스부(1010)는 제1 코일부와, 제2 코일부와, 수신부와, 제어부를 포함할 수 있다.
제1 코일부는 고주파 대역의 무선전력 신호를 생성할 수 있다.
제2 코일부는 저주파 대역의 무선전력 신호를 생성할 수 있다.
제1 및 제2 코일부에 의해 생성된 무선전력 신호들은 제1 빔포밍부(1020)와 제2 빔포밍부(1030)를 통과하여 전기기기들에 전송될 수 있다.
전기기기는 무선전력 신호를 수신하는 무선전력 충전대상 디바이스일 수 있다.
수신부는 전기기기들로부터 충전 정보를 수신할 수 있다.
충전 정보는 전기기기들의 무선 충전 주파수를 포함할 수 있다.
제어부는 충전 정보에 기초하여 제1 및 제2 코일부의 신호 생성을 제어할 수 있다.
예를 들면, 제어부는 전기기기의 무선 충전 주파수가 고주파 대역의 주파수인 경우, 제1 코일부가 해당 주파수의 무선전력 신호를 생성할 수 있도록 제1 코일부를 제어할 수 있다.
도 11은 제1 빔포밍부의 구성 예를 나타내는 도면이다.
도 11을 참조하면, 제1 빔포밍부(1100)는 중앙 영역(1110)과 외곽 영역(1120)을 포함할 수 있다.
중앙 영역(1110)은 제1 빔포밍부(1100)의 중심을 기준으로 기 설정된 일정 영역일 수 있다.
도 11에서는 중앙 영역(1110)이 사각 형태로 도시되어 있으나, 원 형태 등 다른 형태를 가질 수 있다.
외곽 영역(1120)은 제1 빔포밍부(1100)의 중앙 영역(1110)을 제외한 나머지 외곽 영역일 수 있다.
6. 78 메가 헤르츠(MHz) 주파수의 제1 빔포밍부(1100)는 가로, 세로 250.4밀리미터(mm)로 제작할 수 있다.
마찬가지로 도 11에서는 외곽 영역(1120)이 사각 형태로 도시되어 있으나, 원 형태 등 다른 형태를 가질 수 있다.
중앙 영역(1110)은 영의 투자율을 가지는 메타물질(1111)로 구성될 수 있다.
외곽 영역(1120)은 음의 투자율을 가지는 메타물질(1121)로 구성될 수 있다.
고주파 대역의 무선전력 신호는 중앙 영역(1110)을 통과 시, 제1 빔포밍부(1100)와 수직 방향으로 굴절되어 통과하고, 외곽 영역(1120)을 통과 시, 중앙 영역(1110) 방향으로 굴절되어 빔포밍될 수 있다.
도 12는 도 11의 제1 빔포밍부의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 12를 참조하면, 제1 빔포밍부는 외곽 영역(1220)과 중앙 영역(1230)을 포함할 수 있다.
고주파 대역의 무선전력 신호는 제1 빔포밍부(1220, 1230)를 통과하여 전송될 수 있다.
도 12(a)는 외곽 영역(1220)을 통과하는 고주파 대역의 무선전력 신호의 굴절을 나타낸 것이다.
도 12(a)를 참조하면, 고주파 대역의 무선 전력 신호는 투자율(
Figure 112018061375960-pat00005
)이 1인 물질(1210)을 통해 전송되다, 제1 빔포밍부의 외곽 영역(1220)을 통과할 수 있다.
고주파 대역의 무선전력 신호는 제1 빔포밍부(1220, 1230)의 면과 수직인 법선과
Figure 112018061375960-pat00006
의 각도를 이루며 전송될 수 있다.
고주파 대역의 무선전력 신호는 제1 빔포밍부(1220, 1230)의 외곽 영역(1220)을 통과하며
Figure 112018061375960-pat00007
의 각도로 굴절되어 중앙 영역 방향으로 집중될 수 있다.
외곽 영역(1220)의 투자율(
Figure 112018061375960-pat00008
)은 음의 값을 가질 수 있다.
중앙 영역 방향은 제1 빔포밍부(1220, 1230)의 중심 축 쪽의 방향일 수 있다.
도 12(b)는 중앙 영역(1230)을 통과하는 고주파 대역의 무선전력 신호의 굴절을 나타낸 것이다.
도 12(b)를 참조하면, 고주파 대역의 무선 전력 신호는 투자율(
Figure 112018061375960-pat00009
)이 1인 물질(1210)을 통해 전송되다, 제1 빔포밍부(1220, 1230)의 중앙 영역(1230)을 통과할 수 있다.
고주파 대역의 무선전력 신호는 제1 빔포밍부의 법선과
Figure 112018061375960-pat00010
의 각도를 이루며 전송될 수 있다.
고주파 대역의 무선전력 신호는 제1 빔포밍부의 중앙 영역(1230)을 통과하며 제1 빔포밍부와 수직 방향으로 굴절될 수 있다.
즉, 굴절각은
Figure 112018061375960-pat00011
일 수 있다.
도 13은 제2 빔포밍부의 구성 예를 나타내는 도면이다.
도 13을 참조하면, 제2 빔포밍부(1300)는 중앙 영역(1310)과 외곽 영역(1320)을 포함할 수 있다.
중앙 영역(1310)은 제2 빔포밍부(1300)의 중심을 기준으로 기 설정된 일정 영역일 수 있다.
도 13에서는 중앙 영역(1310)이 사각 형태로 도시되어 있으나, 원 형태 등 다른 형태를 가질 수 있다.
외곽 영역(1320)은 제2 빔포밍부(1300)의 중앙 영역(1310)을 제외한 나머지 외곽 영역일 수 있다.
마찬가지로 도 13에서는 외곽 영역(1320)이 사각 형태로 도시되어 있으나, 원 형태 등 다른 형태를 가질 수 있다.
중앙 영역(1310)은 저주파 대역의 무선전력 신호를 증폭시키는 루프 코일(1311)로 구성될 수 있다.
외곽 영역(1320)은 저주파 대역의 무선전력 신호를 감쇄시키는 루프 코일(1321)로 구성될 수 있다.
중앙 영역(1310)의 루프 코일(1311)은 저주파 대역의 무선전력 신호의 주파수보다 더 높은 공진 주파수를 가질 수 있다.
외곽 영역(1320)의 루프 코일(1321)은 저주파 대역의 무선전력 신호의 주파수 보다 더 낮은 공진 주파수를 가질 수 있다.
예를 들면, 저주파 대역의 주파수가 60 키로 헤르츠(kHz)인 경우, 중앙 영역(1310)의 루프 코일(1311)은 이보다 높은 공진주파수를 가지고, 외곽 영역(1320)의 루프 코일(1321)은 이보다 낮은 공지주파수를 가질 수 있다.
루프 코일들(1311, 1321)은 인덕터와 캐패시터로 구성될 수 있다.
루프 코일들(1311, 1321)의 공진 주파수는 인덕터와 캐패시터의 값을 변경하여 조절할 수 있다.
다시 말해, 루프 코일(1311, 1321)의 공진주파수는 캐패시터 값이나 릿츠 와이어의 턴 수를 조절하여 조절될 수 있다.
저주파 대역의 무선전력 신호는 중앙 영역(1310)을 통과하는 경우 증폭되고, 외곽 영역(1320)을 통과하는 경우 감쇄되어 중앙 영역(1310) 쪽으로 집중될 수 있다.
도 14는 일 실시예에 따른 무선전력 전송 장치의 무선전력 전송 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 14(a)는 고주파 대역의 전송 과정을 설명하고, 도 14(b)는 저주파 대역의 전송 과정을 설명한다.
도 14를 참조하면, 무선전력 전송 장치는 제1 빔포밍부(1440)와, 제2 빔포밍부(1430)와, 제1 코일부(1410)와, 제2 코일부(1420)와, 수신부(미도시)와, 제어부(미도시)를 포함한다.
도 14(a)를 참조하면, 고주파 대역의 무선전력 신호(1460)를 수신하는 전기기기는 수신코일(1450)을 포함할 수 있다.
무선전력 전송 장치는 수신부에 의해 전기기기로부터 6.78 메가 헤르츠(MHz)의 충전 정보를 수신할 수 있다.
무선전력 전송 장치는 제어부에 의해 제1 코일부(1410)이 6.78 메가 헤르츠(MHz)의 무선전력 신호(1460)를 생성하도록 할 수 있다.
무선전력 전송 장치는 제1 빔포밍부(1440)에 의해 6.78 메가 헤르츠(MHz)의 무선전력 신호(1460)를 빔포밍 시켜 수신코일(1450)에 전송할 수 있다.
도 14(b)를 참조하면, 저주파 대역의 무선전력 신호(1480)를 수신하는 전기기기는 수신코일(1470)을 포함할 수 있다.
무선전력 전송 장치는 수신부에 의해 전기기기로부터 60 키로 헤르츠(kHz) 의 충전 정보를 수신할 수 있다.
무선전력 전송 장치는 제어부에 의해 제2 코일부(1410)이 60 키로 헤르츠(kHz)의 무선전력 신호(1480)를 생성하도록 할 수 있다.
무선전력 전송 장치는 제2 빔포밍부(1430)에 의해 60 키로 헤르츠(kHz)의 무선전력 신호(1480)를 빔포밍 시켜 수신코일(1470)에 전송할 수 있다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 전송 방법의 흐름도이다.
도 15에 도시된 무선전력 전송 방법은 도 10 내지 14를 참조하여 설명한 무선전력 전송 장치에 의해 수행될 수 있다.
도 15를 참조하면, 무선전력 전송 장치는 S1510 단계에서, 다중 대역을 이용하는 무선전력 전송 환경에서 다중 대역의 무선전력 신호를 생성할 수 있다.
무선전력 전송 장치는 S1520 단계에서, 다중 대역 중 고주파 대역의 무선전력 신호를 메타물질 특성에 의해 빔포밍 시키거나, 다중 대역 중 저주파 대역의 무선전력 신호를 공진 주파수 특성에 의해 빔포밍 시킬 수 있다.
도 15에 도시된 무선전력 전송 방법은 도 10 내지 14를 참조하여 설명한 무선전력 전송 장치의 동작과 동일하므로 이외 상세한 설명은 생략한다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (10)

  1. 다중 대역을 사용하는 무선전력 전송 환경에서 상기 다중 대역 중 고주파 대역의 무선전력 신호가 통과하는 경우 메타물질 특성에 의해 상기 고주파 대역의 무선전력 신호를 빔포밍시키는 제1 빔포밍부;
    상기 제1 빔포밍부와 평행하게 배치되어 상기 다중 대역 중 저주파 대역의 무선전력 신호가 통과하는 경우, 공진 주파수 특성에 의해 상기 저주파 대역의 무선전력 신호를 빔포밍시키는 제2 빔포밍부; 및
    상기 고주파 대역의 무선전력 신호 또는 상기 저주파 대역의 무선전력 신호를 생성하는 전력 소스부를 포함하고,
    상기 제1 빔포밍부는,
    메타물질 특성에 의해 영의 투자율을 가지는 중앙 영역 및 음의 투자율을 가지는 외곽 영역을 포함하는
    다중 대역을 지원하는 무선전력 전송 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 빔포밍부는,
    평면 구조로 형성되며, 상기 고주파 대역의 무선전력 신호 중 상기 중앙 영역을 통과하는 무선전력 신호를 상기 평면 구조의 수직 방향으로 굴절시키고, 상기 고주파 대역의 무선전력 신호 중 상기 외곽 영역을 통과하는 무선전력 신호를 상기 중앙 영역의 방향으로 굴절시키는
    다중 대역을 지원하는 무선전력 전송 장치.
  4. 다중 대역을 사용하는 무선전력 전송 환경에서 상기 다중 대역 중 고주파 대역의 무선전력 신호가 통과하는 경우 메타물질 특성에 의해 상기 고주파 대역의 무선전력 신호를 빔포밍시키는 제1 빔포밍부;
    상기 제1 빔포밍부와 평행하게 배치되어 상기 다중 대역 중 저주파 대역의 무선전력 신호가 통과하는 경우, 공진 주파수 특성에 의해 상기 저주파 대역의 무선전력 신호를 빔포밍시키는 제2 빔포밍부; 및
    상기 고주파 대역의 무선전력 신호 또는 상기 저주파 대역의 무선전력 신호를 생성하는 전력 소스부를 포함하고,
    상기 제2 빔포밍부는,
    공진 주파수 특성에 의해 상기 저주파 대역의 무선전력 신호를 증폭시키는 중앙 영역 및 상기 저주파 대역의 무선전력 신호를 감쇄시키는 외곽 영역을 포함하는
    다중 대역을 지원하는 무선전력 전송 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2 빔포밍부는,
    상기 저주파 대역의 무선전력 신호 중 상기 중앙 영역을 통과하는 무선전력 신호를 증폭시키고, 상기 저주파 대역의 무선전력 신호 중 상기 외곽 영역을 통과하는 무선전력 신호를 상쇄시키는
    다중 대역을 지원하는 무선전력 전송 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 고주파 대역은 6.78MHz 주파수를 포함하는 다중 대역을 지원하는 무선전력 전송 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 저주파 대역은 60kHz 주파수를 포함하는 다중 대역을 지원하는 무선전력 전송 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전력 소스부는,
    전기기기들로부터 충전 정보를 수신하여 상기 제1 및 제2 빔포밍부를 통과하는 상기 고주파 대역 또는 상기 저주파 대역의 무선전력 신호를 생성하는 전력 소스부를 더 포함하는
    다중 대역을 지원하는 무선전력 전송 장치.
  9. 다중 대역을 사용하는 무선전력 전송 환경에서 상기 다중 대역 중 고주파 대역의 무선전력 신호가 통과하는 경우 메타물질 특성에 의해 상기 고주파 대역의 무선전력 신호를 빔포밍시키는 제1 빔포밍부;
    상기 제1 빔포밍부와 평행하게 배치되어 상기 다중 대역 중 저주파 대역의 무선전력 신호가 통과하는 경우, 공진 주파수 특성에 의해 상기 저주파 대역의 무선전력 신호를 빔포밍시키는 제2 빔포밍부; 및
    상기 고주파 대역의 무선전력 신호 또는 상기 저주파 대역의 무선전력 신호를 생성하는 전력 소스부를 포함하고,
    상기 전력 소스부는,
    전기기기들로부터 충전 정보를 수신하여 상기 제1 및 제2 빔포밍부를 통과하는 상기 고주파 대역 또는 상기 저주파 대역의 무선전력 신호를 생성하는 전력 소스부를 더 포함하며,
    상기 전력 소스부는,
    상기 고주파 대역의 무선전력 신호를 생성하는 제1 코일부;
    상기 저주파 대역의 무선전력 신호를 생성하는 제2 코일부;
    상기 전기기기들로부터 상기 충전 정보를 수신하는 수신부; 및
    상기 충전 정보에 기초하여 상기 제1 및 제2 코일부의 신호 생성을 제어하는 제어부를 포함하는
    다중 대역을 지원하는 무선전력 전송 장치.
  10. 전력 소스부에서 다중 대역을 이용하는 무선전력 전송 환경에서 상기 다중 대역의 무선전력 신호를 생성하는 단계; 및
    제1 빔포밍부에서 상기 다중 대역 중 고주파 대역의 무선전력 신호를 메타물질 특성에 의해 빔포밍시키거나, 제2 빔포밍부에서 상기 다중 대역 중 저주파 대역의 무선전력 신호를 공진 주파수 특성에 의해 빔포밍시키는 단계를 포함하고,
    상기 제1 빔포밍부는,
    메타물질 특성에 의해 영의 투자율을 가지는 중앙 영역 및 음의 투자율을 가지는 외곽 영역을 포함하는
    다중 대역을 지원하는 무선전력 전송 장치의 무선전력 전송 방법.
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DE102020210894A1 (de) 2020-08-28 2022-03-03 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein Sendevorrichtung und Energieübertragungssystem zum kontaktlosen Übertragen von elektrischer Energie

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