KR101986050B1 - 무선전력전송 시스템에 포함된 임피던스 매칭 장치 및 그 동작 방법 - Google Patents

무선전력전송 시스템에 포함된 임피던스 매칭 장치 및 그 동작 방법 Download PDF

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이범선
부승현
김준환
김건영
김용욱
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경희대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 무선전력전송 시스템에 포함된 임피던스 매칭 장치 및 그 동작 방법을 개시한다. 본 발명의 일실시예에 따르면 무선전력을 전송하는 송신기 및 상기 전송된 무선전력을 수신하는 수신기를 포함하는 무선전력전송 시스템에 포함된 임피던스 매칭 장치는 상기 수신기로부터 상기 수신된 무선전력을 전달받는 적어도 하나 이상의 피딩 루프를 포함하는 피딩 루프부, 상기 전달된 무선전력을 직류 변환하는 정류부, 상기 직류 변환된 무선 전력의 크기를 감지하는 전력 정보 감지 및 상기 감지된 무선 전력의 크기에 기초하여, 상기 적어도 하나 이상의 피딩 루프를 회전시켜 상기 송신기와 상기 수신기 사이의 임피던스 매칭을 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.

Description

무선전력전송 시스템에 포함된 임피던스 매칭 장치 및 그 동작 방법{IMPEDANCE MATCHING APPARATUS INCLUDED IN WIRELESS POWER TRANSMISSION SYSTEM AND OPERATING METHOD THEREOF}
본 발명은 무선 전력 전송에서 임피던스 매칭을 수행하는 기술적 사상에 관한 것으로, 수신기와 피딩 루프(feeding loop)의 거리 조절이 아닌 피딩 루프를 회전하여 임피던스 매칭을 제어하는 임피던스 매칭 장치 및 그 동작 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 무선전력은 마그네틱 커플링을 통해 무선 전력 전송 장치로부터 무선 전력 수신 장치로 전달되는 에너지를 지칭한다.
따라서, 무선전력 전송 시스템은 전력을 무선으로 전송하는 송신기와 전력을 무선으로 수신하는 수신기를 포함할 수 있다.
무선 환경의 특성 상, 송신기와 수신기 사이의 거리가 변할 경우 송신기와 수신기 사이의 임피던스 매칭 조건이 변할 수 있다.
즉, 현재 개발되고 있는 자기 공진 방식의 무선전력전송에서 가장 큰 문제점은 송, 수신기간 거리가 변함에 따라 전력 전송 효율을 최대로 하게하는 최적부하저항도 함께 변화한다.
소형화를 위해 일반적으로 사용되는 LC매칭의 경우 L자체의 내부저항 때문에 완벽히 매칭을 하더라도 효율이 상당히 감소할 수 있다.
따라서, 전력 전송 효율성을 보완하기 위하여 피딩 루프(feeding loop)가 이용되고 있다.
일반적으로, 피딩 루프는 수신기에서 바라보는 입력저항을 피딩 루프의 크기와 거리 변화로 조절하여 매칭을 하는 방식에 이용된다.
다만, 이러한 방식은 수신기의 크기가 상당히 커져야 하기 때문에 상용화 되기 어렵다는 문제점이 있다.
한국등록특허 제10-1338690호, "무선전력전송의 적응적 임피던스 정합을 위한 방법 및 장치" 한국등록특허 제10-1318742호, "임피던스 매칭 조건을 고려한 무선 전력 전송 시스템 및 무선전력 전송 방법" 한국공개특허 제10-2015-0045755호, "무선 전력 전송 시스템에서의 고립 공진기를 이용한 임피던스 매칭 방법 및 장치"
본 발명은 자기 공진 방식의 무선전력전송에서 송신기와 수신기의 거리 또는 자세 변화에 따라 최대 전송 효율을 가지도록 임피던스 매칭을 제어하는 것을 목적으로 할 수 있다.
본 발명은 임피던스 매칭에서 피딩 루프를 회전하여 수신기의 전체 크기를 소형화 시키는 것을 목적으로 할 수 있다.
본 발명은 임피던스 매칭의 효율성을 향상시킴으로써 무선전력 전송 효율성을 극대화하는 것을 목적으로 할 수 있다.
본 발명은 임피던스 매칭 회로의 손실(loss)로 인하여 무선전력 전송 효율성의 감소 문제를 해결하는 것을 목적으로 할 수 있다.
본 발명은 동적(dynamic) 환경에서 피딩 루프의 회전을 이용하여 실시간 최적부하저항을 구현하는 것을 목적으로 할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 무선전력을 전송하는 송신기 및 상기 전송된 무선전력을 수신하는 수신기를 포함하는 무선전력전송 시스템에 포함된 임피던스 매칭 장치는 상기 수신기로부터 상기 수신된 무선전력을 전달받는 적어도 하나 이상의 피딩 루프를 포함하는 피딩 루프부, 상기 전달된 무선전력을 직류 변환하는 정류부, 상기 직류 변환된 무선 전력의 크기를 감지하는 전력 정보 감지부 및 상기 감지된 무선 전력의 크기에 기초하여, 상기 적어도 하나 이상의 피딩 루프를 회전시켜 상기 송신기와 상기 수신기 사이의 임피던스 매칭을 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 상기 적어도 하나 이상의 피딩 루프는 고정된 크기로서, 상기 수신기와 고정된 거리를 갖는 중심 축을 기준으로 회전될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 상기 제어부는 상기 피딩 루프부에 연결된 모터를 제어하여 상기 적어도 하나 이상의 피딩 루프를 회전시키고, 상기 전력 정보 감지부는 상기 회전된 적어도 하나 이상의 피딩 루프를 통하여 전달된 무선 전력의 크기 변화를 감지하고, 상기 제어부는 상기 감지된 크기 변화에 기초하여 상기 회전된 적어도 하나 이상의 피딩 루프를 통하여 전달된 무선 전력의 크기가 증가된 경우, 상기 모터의 회전 방향을 유지할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 상기 제어부는 상기 감지된 크기 변화에 기초하여 상기 회전된 적어도 하나 이상의 피딩 루프를 통하여 전달된 무선 전력의 크기가 감소된 경우, 상기 모터의 회전 방향을 반대 방향으로 변경할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 상기 제어부는 상기 모터를 제어하여 상기 적어도 하나 이상의 피딩 루프를 회전시킴으로써 상기 수신기와 상기 피딩 루프부 사이의 결합 계수(coupling coefficient)를 제어하고, 상기 제어된 결합 계수(coupling coefficient)에 기초하여 상기 임피던스 매칭을 제어할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 상기 제어부는 상기 적어도 하나 이상의 피딩 루프를 회전시켜 상기 적어도 하나 이상의 피딩 루프의 전달 각도를 결정함으로써, 상기 결정된 전달 각도에 따라 상기 수신기와 상기 피딩 루프부 사이의 임피던스를 결정할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 상기 전력 정보 감지부는 상기 송신기와 상기 수신기 사이의 거리 변화 또는 상기 적어도 하나 이상의 피딩 루프의 회전에 따라 상기 정류부에서 직류 변환된 무선 전력의 크기 변화와 관련된 전력 정보를 감지할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 상기 적어도 하나의 피딩 루프는 전기적으로 닫혀 있는 루프 구조로 구성되고, 상기 루프 구조는 원형 구조, 삼각형 구조, 사각형 구조, 또는 다각형 구조 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 상기 제어부는 상기 적어도 하나 이상의 피딩 루프를 회전시켜 상기 송신기와 상기 수신기 사이의 전압정재파비(Voltage Standing Wave Ratio)가 기준 값보다 작은 값으로 유지되도록 상기 임피던스 매칭을 제어할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 상기 제어부는 상기 송신기와 상기 수신기 사이의 임피던스 변화에 따라 적응적으로(adaptively) 상기 임피던스 매칭을 제어하고, 상기 기준 값을 충전 전력의 전송 효율에 기초하여 결정할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 임피던스 매칭 방법은 피딩 루프부에서, 수신기로부터 적어도 하나 이상의 피딩 루프를 통해 무선전력을 전달받는 단계, 정류부에서, 상기 전달된 무선전력을 직류 변환하는 단계, 전력 정보 감지부에서, 상기 직류 변환된 무선 전력의 크기를 감지하는 단계 및 제어부에서, 상기 감지된 무선 전력의 크기에 기초하여, 상기 적어도 하나 이상의 피딩 루프를 회전시켜 상기 송신기와 상기 수신기 사이의 임피던스 매칭을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 상기 적어도 하나 이상의 피딩 루프를 회전시켜 상기 송신기와 상기 수신기 사이의 임피던스 매칭을 제어하는 단계는, 상기 피딩 루프부에 연결된 모터를 제어하여 상기 적어도 하나 이상의 피딩 루프를 회전시키는 단계, 상기 회전된 적어도 하나 이상의 피딩 루프를 통하여 전달된 무선 전력의 크기 변화를 감지하는 단계, 상기 감지된 크기 변화에 기초하여 상기 회전된 적어도 하나 이상의 피딩 루프를 통하여 전달된 무선 전력의 크기가 증가된 경우, 상기 모터의 회전 방향을 유지하는 단계 및 상기 감지된 크기 변화에 기초하여 상기 회전된 적어도 하나 이상의 피딩 루프를 통하여 전달된 무선 전력의 크기가 감소된 경우, 상기 모터의 회전 방향을 반대 방향으로 변경하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 상기 적어도 하나 이상의 피딩 루프를 회전시켜 상기 송신기와 상기 수신기 사이의 임피던스 매칭을 제어하는 단계는, 상기 제어부는 상기 모터를 제어하여 상기 적어도 하나 이상의 피딩 루프를 회전시킴으로써 상기 수신기와 상기 피딩 루프부 사이의 결합 계수(coupling coefficient)를 제어하는 단계 및 상기 제어된 결합 계수(coupling coefficient)에 기초하여 상기 임피던스 매칭을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명은 자기 공진 방식의 무선전력전송에서 송신기와 수신기의 거리 또는 자세 변화에 따라 최대 전송 효율을 가지도록 임피던스 매칭을 제어할 수 있다.
본 발명은 임피던스 매칭에서 피딩 루프를 회전하여 수신기의 전체 크기를 소형화시킬 수 있다.
본 발명은 임피던스 매칭의 효율성을 향상시킴으로써 무선전력 전송 효율성을 극대화할 수 있다.
본 발명은 임피던스 매칭 회로의 손실(loss)로 인하여 무선전력 전송 효율성의 감소 문제를 해결할 수 있다.
본 발명은 동적(dynamic) 환경에서 피딩 루프의 회전을 이용하여 실시간 최적부하저항을 구현할 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 일실시예에 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 일실시예에 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 도 2에서 마이크로파 전력 전송부의 다른 구성 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 도 10에 도시된 마이크로파 전력 전송부의 빔 형성 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 임피던스 매칭 장치의 구성 요소를 설명하는 도면이다.
도 13 및 도 14는 본 발명의 일실시예에 따르면 임피던스 매칭 방법과 관련된 흐름도를 설명하는 도면이다.
도 15 및 도 16은 본 발명의 일실시예에 따르면 임피던스 매칭 방법에 따른 효율 변화를 설명하는 도면이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기장 발생 장치의 블록도이다.
도 18는 도 17에 도시된 자기장 발생 장치의 형상 및 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 19는 도 17에 도시된 자기장 발생 장치의 어레이를 나타내는 도면이다.
도 20은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 자기장 발생 장치의 블록도이다.
도 20은 도 20에 도시된 자기장 발생 장치의 형상 및 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 22는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 자기장 발생 장치의 블록도이다.
도 23은 도 22에 도시된 자기장 발생 장치의 형상과 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 24는 도 22에 도시된 자기장 발생 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 25는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기장 발생 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 마이크로파 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 1을 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.
일실시예에 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 일실시예에 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, 일실시예에 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 6을 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 일실시예에 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 도 11에 도시된 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 112018062723913-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, 근접장 또는 중간거리 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. 또한, 제어부(240)는 수학식 2에 기초하여 근거리부터 원거리까지 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 112018062723913-pat00002
수학식 2에서, 송신단의 방사소자와 수신안테나 사이의 거리의 평균을 수학식 3과 같이 정의할 수 있고, 일실시예에 따른 전력 전송 효율 계산 방식은 수학식 4와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112018062723913-pat00003
[수학식 4]
Figure 112018062723913-pat00004
도 10은 도 2에서 마이크로파 전력 전송부의 다른 구성 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 10에 도시된 마이크로파 전력 전송부는 배열 안테나(도시 되지 않음)를 이용하여 다중 빔 형성을 제어할 수 있다.
확인부(1010)는 전파 시뮬레이션(full-wave simulation)을 통해 배열 안테나의 방사패턴에 대한 정보를 확인한다. 예를 들어, 전파 시뮬레이션은 HFSS(High Frequency Structure Simulator)를 사용할 수 있다.
확인부(1010)는 배열 안테나를 구성하는 단일 안테나 각각의 방사패턴을 확인한다. 방사패턴은 배열 안테나의 배열 위치와 주변 단일 안테나와의 간섭에 의해 변형된 방사패턴일 수 있다.
확인부(1010)는 확인된 배열 안테나를 구성하는 단일 안테나들의 방사패턴의 평균 값을 계산하여 배열 안테나의 방사패턴에 대한 정보를 생성한다.
확인부(1010)는 배열 안테나를 구성하는 단일 안테나 중 적어도 어느 하나의 방사패턴만을 확인할 수도 있다.
배열 안테나의 방사패턴에 대한 정보는 배열 안테나를 구성하는 임의의 단일 안테나 하나의 방사패턴 값일 수도 있고, 배열 안테나를 구성하는 단일 안테나 중 적어도 둘 이상의 평균 값일 수도 있으며, 배열 안테나를 구성하는 단일 안테나 전부의 평균 값일 수도 있다.
확인부(1010)는 배열 안테나의 방사패턴에 대한 정보를 확인하기 전에 배열 안테나의 방사특성에 대한 정보를 확인할 수 있다.
방사특성에 대한 정보는 주 빔의 수, 빔 폭, 눌(null) 구간, 조향각, 조향 범위, 단일 안테나 간 간격 등에 대한 정보를 포함할 수 있다.
예를 들면, 사용자가 세 개의 주 빔 형성을 필요로 하는 경우, 세 개의 주 빔 형성에 대한 정보를 포함할 수 있다.
확인부(1010)는 방사특성에 대한 정보를 사용자로부터 본 발명의 일실시예에 따른 다중 빔 형성 제어 장치와 연결된 입력장치를 통해 입력 받을 수 있다.
확인부(1010)는 배열 안테나의 방사특성에 대한 정보에 기초하여 단일 안테나들의 방사패턴을 전파 시뮬레이션을 통해 확인할 수도 있다.
결정부(1020)는 방사패턴에 대한 정보(AEP)에 기초하여 배열 인수(AF, Array Factor)를 결정한다.
배열 인수(AF)는 최적의 이득과 조향 성능을 갖도록 결정될 수 있다.
배열 인수(AF)는 방사패턴에 대한 정보(AEP)의 역수 형태를 가진다.
배열 인수(AF)는 배열 안테나가 N 개의 단일 안테나로 구성된 경우 하기 수학식 5로 표현될 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112018062723913-pat00005
여기서, An은 n 번째 단일 안테나의 진폭, AEP는 방사패턴에 대한 정보,
Figure 112018062723913-pat00006
는 조향 각도, d는 단일 안테나 간 간격,
Figure 112018062723913-pat00007
는 전파 상수,
Figure 112018062723913-pat00008
는 인접한 단일 안테나 사이의 위상차를 나타낸다.
파워 계산부(1030)는 배열 인수에 기초하여 배열 안테나를 구성하는 단일 안테나 각각의 진폭과 위상을 계산할 수 있다.
배열 안테나를 구성하는 단일 안테나 각각의 진폭(
Figure 112018062723913-pat00009
)과 위상(
Figure 112018062723913-pat00010
)의 계산은 하기 수학식 6으로 표현될 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112018062723913-pat00011
여기서, AF는 배열 인수, AEP는 방사패턴에 대한 정보,
Figure 112018062723913-pat00012
는 조향 각도, n은 단일 안테나의 인덱스, d는 단일 안테나 간 간격,
Figure 112018062723913-pat00013
는 전파 상수,
Figure 112018062723913-pat00014
는 n 번째 단일 안테나의 진폭,
Figure 112018062723913-pat00015
는 n 번째 단일 안테나의 위상,
Figure 112018062723913-pat00016
는 인접한 단일 안테나 사이의 위상차를 나타낸다.
제어부(1040)는 계산된 각각의 진폭(
Figure 112018062723913-pat00017
)과 위상(
Figure 112018062723913-pat00018
)에 기초하여 단일 안테나 각각을 제어한다.
제어부(1040)는 단일 안테나 각각이 계산된 진폭(
Figure 112018062723913-pat00019
)과 위상(
Figure 112018062723913-pat00020
)이 입력되도록 단일 안테나 각각을 제어한다.
따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 다중 빔 형성 제어 장치는 방사패턴에 대한 정보(AEP)가 고려된 배열 인수(AF)를 이용해 단일 안테나 각각의 진폭과 위상을 계산 및 제어하여 오차를 최소화하고, 다양한 빔 형태를 더욱 정밀하게 형성할 수 있다.
또한, 마이크로파 무선전력전송에서 전력전송 효율에 직접적인 영향을 미치는 조향 및 멀티 빔 형성 시 이득 개선도 가능하다.
이는 마이크로파 무선전력전송의 전력전송 효율을 개선할 뿐만 아니라 다중 장비의 동시 충전 및 회피 기술의 개선을 의미한다.
도 11은 도 10에 도시된 마이크로파 전력 전송부의 빔 형성 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 11에서 (a)는 종래 기술에 따른 빔 형성 방식을 도 11에서 (b)는 본 발명의 실시예에 따른 빔 형성 방식을 설명한다.
도 11을 참조하면, 배열 안테나의 전계패턴(Radiation Pattern)은 방사패턴에 대한 정보(AEP)와 배열 인수(AF)의 곱으로 나타내어진다.
여기서, 전계패턴(Radiation Pattern)은 단일 안테나 각각의 방사패턴이 결합된 배열 안테나 전체의 방사패턴을 의미한다.
종래 기술은 방사패턴(1111)과 배열 인수(1112)를 곱하여 전계패턴(Radiation Pattern)(1113)을 계산한다. 이 경우 배열 안테나의 배열 위치와 주변 단일 안테나와의 간섭에 의해 변형된 방사 패턴이 고려되지 않아 이득 감소 및 빔 조향 각의 오차가 발생할 수 있다.
하지만, 본 발명의 실시예에 따른 방법은 배열 인수(AF)에 방사패턴(AEP)의 역수를 곱하고 방사패턴의 역수가 곱해진 배열 인수(1122)에 방사패턴(1121)을 곱함으로써 전계패턴(Radiation Pattern) (1123)을 계산한다.
이 경우 두 조향 각(
Figure 112018062723913-pat00021
,
Figure 112018062723913-pat00022
)에서 모두 같은 크기 값을 가지며 다중 빔을 형성함을 확인할 수 있다.
이처럼 원하는 조향각에서 이득이 개선된 다중 빔을 형성할 수 있다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 임피던스 매칭 장치의 구성 요소를 설명하는 도면이다.
도 12를 참고하면, 무선전력 전송 시스템(1200)은 송신기(1210) 및 수신기(1220)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 송신기(1210)는 무선전력을 전송하고, 수신기(1220)는 무선전력을 수신할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 수신기(1220)는 피딩 루프부(1221), 정류부(1222), 전력 정보 감지부(1223) 및 제어부(1224)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 피딩 루프부(1221)는 수신기로부터 무선전력을 전달받는 적어도 하나 이상의 피딩 루프를 포함할 수 있다.
일례로, 적어도 하나 이상의 피딩 루프는 전기적으로 닫혀 있는 루프 구조를 갖을 수 있다.
예를 들어, 루프 구조는 원형 구조, 삼각형 구조, 사각형 구조, 또는 다각형 구조 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 적어도 하나 이상의 피딩 루프는 메탈물질의 특성을 가질 수 있다.
여기서, 메타물질이란 자연에서 발견될 수 없는 특별한 전기적 성질을 갖는 물질로서, 인공적으로 설계된 구조를 갖을 수 있다.
자연계에 존재하는 모든 물질들의 전자기 특성은 고유의 유전율 또는 투자율을 가지며, 대부분의 물질들은 양의 유전율 및 양의 투자율을 갖을 수 있다.
일반적으로, 수신기(1220)와 적어도 하나 이상의 피딩 루프 사이의 거리 또는 적어도 하나 이상의 피딩 루프의 크기를 조절하여 수신기(1220)와 적어도 하나 이상의 피딩 루프 사이의 임피던스를 결정할 수 있다.
또한, 무선 전력 전송 시스템의 임피던스 파라미터는 주로 피딩 루프의 크기, 피딩 루프와 수신기(1220) 사이의 거리, 송신기(1210)와 수신기(1220) 사이의 거리에 따른 부하와 관련될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 정류부(1222)는 무선전력을 직류 변환할 수 있다.
일례로, 정류부(1222)는 적어도 하나 이상의 피딩 루프를 통해서 전달되는 교류전력을 직류전력을 변환할 수 있다.
예를 들어, 직류 변환된 무선 전력은 특정 임피던스에 상응할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 전력 정보 감지부(1223)는 직류 변환된 무선 전력의 크기를 감지할 수 있다.
일례로, 전력 정보 감지부(1223)는 회전된 적어도 하나 이상의 피딩 루프를 통하여 전달된 무선 전력의 크기 변화를 감지할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 전력 정보 감지부(1223)는 송신기와 수신기 사이의 거리 변화에 따라 정류부에서 직류 변환된 무선 전력의 크기 변화와 관련된 전력 정보를 감지할 수 있다.
일례로, 전력 정보 감지부(1223)는 또는 상기 적어도 하나 이상의 피딩 루프의 회전에 따라 정류부에서 직류 변환된 무선 전력의 크기 변화와 관련된 전력 정보를 감지할 수 있다.
일례로, 전력 정보 감지부(1223)는 적어도 하나의 피딩 루프를 지나 정류부(1222)에서 출력되는 전력의 정보를 감지할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 제어부(1224)는 감지된 무선 전력의 크기에 기초하여, 적어도 하나 이상의 피딩 루프를 회전시켜 송신기와 수신기 사이의 임피던스 매칭을 제어할 수 있다.
일례로, 제어부(1224)는 피딩 루프부(1221)에 연결된 모터(1225)를 제어하여 적어도 하나 이상의 피딩 루프를 회전시킬 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 제어부(1224)는 전력 정보 감지부(1223)에서 감지된 크기 변화에 기초하여 적어도 하나 이상의 피딩 루프의 회전에 따라 피딩 루프를 통하여 전달된 무선 전력의 크기가 증가된 경우, 모터(1225)의 회전 방향을 유지할 수 있다.
일례로, 제어부(1224)는 감지된 크기 변화에 기초하여 적어도 하나 이상의 피딩 루프의 회전에 따라 피딩 루프를 통하여 전달된 무선 전력의 크기가 감소된 경우, 모터(1225)의 회전 방향을 반대 방향으로 변경할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 제어부(1224)는 모터(1225)를 제어하여 적어도 하나 이상의 피딩 루프를 회전시킴으로써 수신기(1220)와 피딩 루프부(1221) 사이의 결합 계수(coupling coefficient)를 제어하고, 제어된 결합 계수(coupling coefficient)에 기초하여 임피던스 매칭을 제어할 수 있다.
예를 들어, 제어부(1224)는 적어도 하나 이상의 피딩 루프를 회전시킴으로써 결합 계수의 설정 값이 변경되도록 결합 계수를 제어할 수 있다.
본 발명은 임피던스 매칭에서 피딩 루프를 회전하여 수신기의 전체 크기를 소형화시킬 수 있다.
즉, 본 발명은 임피던스 매칭에서 피딩 루프의 크기를 조절하지 않고, 피딩 루프의 회전을 통해 임피던스 매칭을 제어함에 따라 수신기에 포함되는 피딩 루프의 크기를 변경하지 않을 수 있다. 따라서, 수신기의 전체 크기를 상대적으로 소형화할 수 있다.
예를 들어, 피딩 루프는 정류부에 교류 전력을 공급할 수 있다.
또한, 본 발명은 임피던스 매칭의 효율성을 향상시킴으로써 무선전력 전송 효율성을 극대화할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 제어부(1224)는 적어도 하나 이상의 피딩 루프를 회전시켜 적어도 하나 이상의 피딩 루프의 전달 각도를 결정함으로써, 결정된 전달 각도에 따라 수신기와 상기 피딩 루프부 사이의 임피던스를 결정할 수 있다.
일례로, 제어부(1224)는 적어도 하나 이상의 피딩 루프를 회전시켜 송신기(1210)와 수신기(1220) 사이의 전압정재파비(Voltage Standing Wave Ratio, VSWR)가 기준 값보다 작은 값으로 유지되도록 임피던스 매칭을 제어할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 제어부(1224)는 송신기(1210)와 수신기(1220) 사이의 임피던스 변화에 따라 적응적으로(adaptively) 임피던스 매칭을 제어하고, 기준 값을 충전 전력의 전송 효율에 기초하여 결정할 수 있다.
따라서, 본 발명은 동적(dynamic) 환경에서 피딩 루프의 회전을 이용하여 실시간 최적부하저항을 구현할 수 있다.
일례로, 제어부(1224)는 모터(1225)를 제어하여 적어도 하나의 피딩 루프를 일정 방향으로 먼저 회전하게 한 후, 수신 전력이 증가한다면, 다시 감소하기 시작하는 지점까지 계속 회전토록 모터(1225)를 제어할 수 있다.
또한, 제어부(1224)는 수신 전력이 감소한다면 반대로 회전시키는 방식을 통하여 임피던스 매칭을 제어할 수 있다.
본 발명은 자기 공진 방식의 무선전력전송에서 송신기와 수신기의 거리 또는 자세 변화에 따라 최대 전송 효율을 가지도록 임피던스 매칭을 제어할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면 송신기(1210)는 실시간 매칭부(1211)를 포함할 수 있다.
일례로, 실시간 매칭부(1211)는 임피던스 매칭 조건을 고려하여 송신기내 출력 임피던스와 입력 임피던스의 비율에 따라 송신기와 수신기 사이의 임피던스 매칭을 실시간으로 제어할 수 있다.
상술한 설명에서는 수신기(1220) 측의 피딩 루프와 관련하여 설명하였으나, 피딩 루프의 회전을 통한 임피던스 매칭 제어는 송신기(1210) 측에서 송신기(1210)와 송신기(1210) 측 피딩 루프에도 동일하게 적용될 수 있다.
도 13는 본 발명의 일실시예에 따르면 임피던스 매칭 방법과 관련된 흐름도를 설명하는 도면이다.
구체적으로, 도 13은 피딩 루프를 회전시켜 임피던스 매칭을 제어하는 절차를 예시한다.
도 13을 참고하면, 단계(1301)에서 임피던스 매칭 방법은 수신기로부터 무선전력을 전달받을 수 있다.
즉, 임피던스 매칭 방법은 수신기가 송신기로부터 수신한 무선전력을 적어도 하나의 피딩 루프로 전달할 수 있다.
단계(1302)에서 임피던스 매칭 방법은 무선전력을 직류 변환할 수 있다.
즉, 임피던스 매칭 방법은 적어도 하나 이상의 피딩 루프를 통해서 전달되는 교류전력을 직류전력을 변환할 수 있다.
단계(1303)에서 임피던스 매칭 방법은 무선 전력의 크기를 감지할 수 있다.
즉, 임피던스 매칭 방법은 적어도 하나 이상의 피딩 루프를 통하여 전달된 무선 전력의 크기 변화를 감지할 수 있다.
단계(1304)에서 임피던스 매칭 방법은 피딩 루프를 회전시켜 임피던스 매칭을 제어할 수 있다.
즉, 임피던스 매칭 방법은 감지된 무선 전력의 크기에 기초하여, 적어도 하나 이상의 피딩 루프를 회전시켜 송신기와 수신기 사이의 임피던스 매칭을 제어할 수 있다.
따라서, 본 발명은 임피던스 매칭 회로의 손실(loss)로 인하여 무선전력 전송 효율성의 감소 문제를 해결할 수 있다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따르면 임피던스 매칭 방법과 관련된 흐름도를 설명하는 도면이다.
구체적으로, 도 14는 피딩 루프를 통과한 수신 전력의 변화에 따라 임피던스 매칭을 제어하는 절차를 예시한다.
도 14를 참고하면, 단계(1401)에서 임피던스 매칭 방법은 피딩 루프를 회전 시킨다.
즉, 임피던스 매칭 방법은 피딩 루프를 통해 전달되는 무선 전력의 크기에 기초하여 송신기와 수신기 사이의 거리 변화를 인식하고, 피딩 루프를 특정 방향으로 회전 시킬 수 있다. 여기서, 무선 전력의 크기는 수신 전력의 크기로도 지칭될 수 있다.
단계(1402)에서 임피던스 매칭 방법은 수신 전력의 크기 증가 여부를 판단할 수 있다.
즉, 임피던스 매칭 방법은 피딩 루프를 회전 시킨 후, 회전된 피딩 루프를 통해 전달되는 무선 전력의 크기를 판단하고, 수신 전력의 크기가 증가한 경우 단계(1403)로 진행하고, 수신 전력의 크기가 감소된 경우 단계(1404)로 진행할 수 있다.
단계(1403)에서 임피던스 매칭 방법은 단계(1401)에서 피딩 루프를 회전시키던 이전 회전 방향으로 회전을 유지할 수 있다.
즉, 임피던스 매칭 방법은 수신 전력이 다소 감소하기 시작하는 지점까지 피딩 루프를 지속적으로 회전 시키기 위해 회전을 유지할 수 있다.
단계(1404)에서 임피던스 매칭 방법은 회전 방향을 변경할 수 있다.
즉, 임피던스 매칭 방법은 수신 전력이 감소하는 경우 피딩 루프를 회전 시키는 방향을 반대로 회전시킬 수 있다.
단계(1405)에서 임피던스 매칭 방법은 수신 전력이 기준 값에 상응하는지 판단할 수 있다.
즉, 임피던스 매칭 방법은 피딩 루프의 회전 방향을 변경한 후 수신 전력의 크기가 일정 기준 값에 수렴하는지 여부를 판단할 수 있다.
일례로, 임피던스 매칭 방법은 수신 전력의 크기가 일정 기준 값에 수렴할 경우, 단계(1406)로 진행할 수 있다.
한편, 임피던스 매칭 방법은 수신 전력의 크기가 일정 기준 값에 수렴하지 않을 경우, 단계(1404)로 돌아가서, 피딩 루프를 더 회전시킬 수 있다.
단계(1406)에서 임피던스 매칭 방법은 피딩 루프의 전달 각도를 결정할 수 있다.
즉, 임피던스 매칭 방법은 수신 전력의 크기가 일정 기준 값에 수렴할 때 피딩 루프의 각도를 전달 각도로 결정하고, 임피던스 매칭을 제어할 수 있다.
도 15는 본 발명의 일실시예에 따르면 임피던스 매칭 방법에 따른 효율 변화를 설명하는 도면이다.
구체적으로, 도 15는 본 발명의 일실시예에 따라 피딩 루프를 회전할 경우 무선전력 전송 효율과 결합계수를 설명한다.
도 15를 참고하면, 그래프의 세로축 중 좌측은 효율성을 나타낼 수 있고, 우측은 결합 계수를 나타낼 수 있다. 또한, 그래프의 가로축은 피딩 루프의 각도를 나타낼 수 있다.
여기서, 수신기와 송신기의 피딩 루프의 반지름은 약 30cm일 수 있고, 수신기와 송신기 사이 거리는 1m일 수 있다.
도 16은 본 발명의 일실시예에 따르면 임피던스 매칭 방법에 따른 효율 변화를 설명하는 도면이다.
구체적으로, 도 16은 본 발명의 일실시예에 따라 피딩 루프를 회전할 경우송신기와 수신기 사이의 거리에 대비한 효율성을 설명한다.
도 16을 참고하면, 그래프의 세로축은 효율성을 나타낼 수 있고, 가로축은 송신기와 수신기 사이의 거리를 나타낼 수 있다.
여기서, 수신기와 송신기의 피딩 루프의 반지름은 약 30cm일 수 있다.
도 17 내지 도 25는 도 2의 근접장 전력 전송부(220) 또는 마이크로파 전력 전송부(230)에 적용될 수 있는 자기장 발생 장치와 관련된 내용일 수 있다.
도 17 내지 도 25를 참조하여 설명하는 자기장 발생 장치는 근거리 전력 전송뿐만 아니라 원거리 전력 전송에 사용될 수 있다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기장 발생 장치의 블록도이다.
도 17을 참조하면, 자기장 발생 장치(1700)는 코일부(1710)와, 제1 페라이트 부재(1720)와, 제2 페라이트 부재(1730)를 포함한다.
코일부(1710)는 무선전력을 공급받을 타켓으로 송신하는 자기장을 발생시킬 수 있다.
코일부(1710)는 제1 페라이트 부재(1720)의 외주 면 주위로 감기는 코일일 수 있다.
코일부(1710)는 전력소스에 연결되어 전력을 공급받고, 자기장을 발생시켜 타켓으로 무선전력을 전송할 수 있다.
여기서, 자기장은 전자기파나 무선전력 신호를 의미할 수 있다.
타켓은 무선전력을 공급받을 무선 충전 대상 디바이스일 수 있다.
예를 들면, 타켓은 스마트폰, 노트북, 무선청소기, LEDTV 등일 수 있다.
타켓은 수신코일을 포함할 수 있다.
타켓은 자기장 발생 장치(1700)로부터 발생한 자기장을 수신하여 전력을 공급 받을 수 있다.
제1 페라이트 부재(1720)는 코일부(1710)에 인접하여 봉 형상으로 연장되고, 코일부(1710)의 내주 면을 관통할 수 있다.
제1 페라이트 부재(1720)는 자기장을 일 방향으로 빔포밍 시킬 수 있다.
제1 페라이트 부재(1720)는 강자성 재료로 형성될 수 있다.
제1 페라이트 부재(1720)는 페라이트 재료로 형성될 수 있다.
일 방향은 제1 페라이트 부재(1720)의 연장 방향과 동일 할 수 있다.
제2 페라이트 부재(1730)는 코일부(1710)에 인접하여 돔 형상으로 연장되고, 코일부(1710)를 둘러싸며 자기장 송신 경로를 따라 개방부가 형성될 수 있다.
제2 페라이트 부재(1730)는 코일부(1710)의 주변 자기장을 차폐 시킬 수 있다.
제2 페라이트 부재(1730)는 제1 페라이트 부재(1720)과 연결되어 형성될 수 있다.
제2 페라이트 부재(1730)는 강자성 재료로 형성될 수 있다.
제2 페라이트 부재(1730)는 페라이트 재료로 형성될 수 있다.
제1 페라이트 부재(1720) 및 제2 페라이트 부재(1730)는 자기장이 잘 유기되는 물질을 사용할 수 있다.
주변 자기장은 코일부(1710)의 주변으로 퍼지는 자기장을 의미할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자기장 발생 장치(1700)는 타켓 추적부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
타겟 추적부는 타켓을 감지하여 자기장이 타켓을 향하도록 제1 및 제2 페라이트 부재(1720, 1730)를 구동할 수 있다.
타켓 추적부는 타켓 감지 센서와 방향 구동부를 포함할 수 있다.
타켓 감지 센서는 타켓의 위치를 감지할 수 있다.
예를 들면, 타켓 감지 센서는 이미지 센서일 수 있다.
타켓 감지 센서는 자기장 발생 장치(1700) 주변의 이미지 또는 영상에 의해 타켓의 위치를 감지할 수 있다.
방향 구동부는 코일부(1710), 제1 페라이트 부재(1720) 및 제2 페라이트 부재(1730)를 움직여 자기장이 타켓을 향하도록 할 수 있다.
방향 구동부는 제1 페라이트 부재(1720) 및 제2 페라이트 부재(1730)의 하단에 연결되어 배치될 수 있다.
도 18는 도 17에 도시된 자기장 발생 장치의 형상 및 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 18를 참조하면, 자기장 발생 장치는 코일부(1810)와, 제1 페라이트 부재(1820)와 제2 페라이트 부재(1830)을 포함한다.
제1 페라이트 부재(1820)와 제2 페라이트 부재(1830)는 연결되어 형성될 수 있다.
제1 페라이트 부재(1820)는 기 설정된 길이를 가지는 봉 형상으로 형성될 수 있다.
예를 들면, 기 설정된 길이는 코일부(1810)가 발생시킨 자기장(1850)을 빔포밍 시키는 기능을 갖도록 하는 최소 길이를 의미할 수 있다.
제1 페라이트 부재(1820)가 연장되는 방향은 자기장(1850)이 빔포밍 되는 일 방향과 동일 할 수 있다.
코일부(1810)는 제1 페라이트 부재(1820)의 외주 면에 둘러싸는 형태로 형성된 코일일 수 있다.
제2 페라이트 부재(1830)는 코일부(1810)에 인접하여 돔 형상으로 연장될 수 있다.
따라서, 제2 페라이트 부재(1830)는 일 방향이 아닌 다른 방향으로 전송되는 자기장을 줄일 수 있다.
다시 말해서, 제2 페라이트 부재(1830)는 코일부(1810)의 주변 자기장을 차폐 시키고, 일 방향으로 자기장을 집중시킬 수 있다.
제2 페라이트 부재(1830)는 제1 페라이트 부재(1820)의 연장 방향으로 발생된 자기장을 전송할 수 있도록 개방부(1831)를 포함할 수 있다.
제1 페라이트 부재(1820)는 개방부(1831)를 통해 형성될 수 있다.
자기장(1850)은 제1 페라이트 부재(1820)을 따라 개방부(1831)를 통해 전송될 수 있다.
수신코일(1840)은 빔포밍된 자기장(1850)을 수신할 수 있다.
도 19는 도 17에 도시된 자기장 발생 장치의 어레이를 나타내는 도면이다.
도 19를 참조하면, 자기장 발생 장치의 어레이는 제1 자기장 발생 장치(1910)와 제2 자기장 발생 장치(1920)와 제3 자기장 발생 장치(1930)을 포함할 수 있다.
자기장 발생 장치의 어레이를 구성하는 제1 내지 제3 자기장 발생 장치들(1910, 1920, 1930)은 수신코일(1940)로 자기장을 집중 시켜 보다 많은 무선 전력을 전송할 수 있다.
도 19에 도시된 자기장 발생 장치의 어레이는 3개의 자기장 발생 장치들(1910, 1920, 1930)로 구성되나, 2개의 자기장 발생 장치들 또는 4개 이상의 자기장 발생 장치들로 구성될 수 있다.
또한, 도 20 내지 도 24의 자기장 발생 장치도 어레이로 구성될 수 있다.
도 20은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 자기장 발생 장치의 블록도이다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 자기장 발생 장치(2000)는 코일부(2010)와, 페라이트 빔포밍부(2020)와, 페라이트 차폐부(2030)을 포함한다.
코일부(2010)는 무선전력을 공급받을 타켓으로 송신하는 자기장을 발생시킬 수 있다.
페라이트 빔포밍부(2020)는 코일부(2010)에 수직 방향으로 연장되며 봉 형상을 가질 수 있다.
페라이트 빔포밍부(2020)는 자기장을 일 방향으로 빔포밍 시킬 수 있다.
페라이트 차폐부(2030)는 페라이트 빔포밍부(2020)의 일정 지점으로부터 연장되어 코일부(2010)를 돔 형상으로 둘러쌀 수 있다.
페라이트 차폐부(2030)는 코일부(2010)의 주변 자기장을 차폐 시킬 수 있다.
페라이트 차폐부(2030)는 페라이트 빔포밍부(2020)와 연결되어 형성될 수 있다.
페라이트 빔포밍부(2020) 및 페라이트 차폐부(2030)는 강자성 재료로 형성될 수 있다.
페라이트 빔포밍부(2020) 및 페라이트 차폐부(2030)는 페라이트 재료로 형성될 수 있다.
페라이트 빔포밍부(2020) 및 페라이트 차폐부(2030)는 자기장이 잘 유기되는 물질을 사용할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 자기장 발생 장치는 타켓 추적부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
페라이트 빔포밍부(2020)는 도 17에 도시된 자기장 발생 장치의 제 1 페라이트 부재와 형상만 달리할 뿐 재료 및 기능 등이 동일할 수 있다.
페라이트 차폐부(2030)는 도 17에 도시된 자기장 발생 장치의 제2 페라이트 부재와 형상만 달리할 뿐 재료 및 기능 등이 동일할 수 있다.
타켓 추적부는 타켓을 감지하여 자기장이 타켓을 향하도록 페라이트 빔포밍부(2020) 및 페라이트 차폐부(2030)를 구동할 수 있다.
도 20에 도시된 자기장 발생 장치(2000)의 이외 사항은 도 17에 도시된 자기장 발생 장치(1700)와 동일하므로 이외 상세한 설명은 생략한다.
도 20은 도 20에 도시된 자기장 발생 장치의 형상 및 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 21을 참조하면, 자기장 발생 장치는 코일부(2110)와 페라이트 빔포밍부(2120)와 페라이트 차폐부(2130)을 포함한다.
페라이트 빔포밍부(2120) 및 페라이트 차폐부(2130)는 연결되어 형성될 수 있다.
페라이트 빔포밍부(2120)는 기 설정된 길이를 가지는 봉 형상으로 형성될 수 있다.
예를 들면, 기 설정된 길이는 코일부(2110)가 발생시킨 자기장을 빔포밍 시킬 수 있는 최소 길이를 의미할 수 있다.
자기장이 빔포밍되는 일 방향은 페라이트 빔포밍부(2120)가 연장되는 방향과 동일 할 수 있다.
페라이트 빔포밍부(2120)는 코일부(2110)와 수직 방향으로 연장될 수 있다.
페라이트 빔포밍부(2120)는 봉 형상 내부에 관통 홀(1221)이 형성될 수 있다.
자기장은 페라이트 빔포밍부(2120)의 관통 홀(1221)을 통해 일 방향으로 빔포밍 되어 전송될 수 있다.
코일부(2110)는 페라이트 빔포밍부(2120)의 끝 단 아래 형성될 수 있다.
페라이트 차폐부(2130)는 페라이트 빔포밍부(2120)의 일정 지점(2131)으로부터 연장되어 코일부(2110)를 둘러싸는 형상을 가질 수 있다.
일정 지점(2131)은 코일부(2110)으로부터 발생된 자기장이 다른 방향으로 전송되는 것을 막고, 페라이트 빔포밍부(2120)를 통해 일 방향으로 집중될 수 있도록 하는 최적의 지점일 수 있다.
다시 말해서, 페라이트 차폐부(2130)는 이와 같은 형상을 통해 코일부의 주변 자기장을 차폐 시키고 일 방향으로 자기장을 집중 시킬 수 있다.
이때, 주변 자기장은 일 방향이 아닌 다른 방향으로 전송되는 자기장을 의미할 수 있다.
도 22는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 자기장 발생 장치의 블록도이다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 자기장 발생 장치(2200)는 코일부(2210)와, 페라이트 빔포밍부(2220)와, 페라이트 차폐부(2230)를 포함한다.
코일부(2210)는 무선전력을 공급받을 타켓으로 송신하는 자기장을 발생시킬 수 있다.
페라이트 빔포밍부(2220)는 코일부(2210)에 인접하여 봉 형상으로 연장될 수 있다.
페라이트 빔포밍부(2220)는 자기장을 일 방향으로 빔포밍 시킬 수 있다.
페라이트 차폐부(2230)는 제1 회전축을 중심으로 페라이트 빔포밍부(2220)를 회전 가능하도록 개방부를 형상하고, 코일부(2210)를 돔 현상으로 둘러싸고, 제1 회전축과 수직을 이루는 제2 회전축을 중심으로 회전 가능할 수 있다.
페라이트 차페부(2230)는 코일부(2210)의 주변 자기장을 차폐 시킬 수 있다.
페라이트 빔포밍부(2220)는 페라이트 차폐부(2230)와 연결되어 형성될 수 있다.
페라이트 빔포밍부(2220) 및 페라이트 차폐부(2230)는 강자성 재료로 형성될 수 있다.
페라이트 빔포밍부(2220) 및 페라이트 차폐부(2230)는 자기장이 잘 유기되는 물질을 사용할 수 있다.
페라이트 빔포밍부(2220)와 페라이트 차폐부(2230)는 페라이트 재료로 형성될 수 있다.
페라이트 빔포밍부(2220)는 도 17에 도시된 자기장 발생 장치의 제 1 페라이트 부재와 형상만 달리할 뿐 재료 및 기능 등이 동일할 수 있다.
페라이트 차폐부(2230)는 도 17에 도시된 자기장 발생 장치의 제2 페라이트 부재와 형상만 달리할 뿐 재료 및 기능 등이 동일할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 다른 자기장 발생 장치(2200)는 타켓 추적부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
타켓 추적부는 센서를 통해 타켓을 감지하고, 자기장이 타켓을 향하도록 페라이트 빔포밍부(2220) 및 페라이트 차폐부(2230)의 회전을 구동할 수 있다.
타켓 추적부는 센서와 회전 구동부를 포함할 수 있다.
센서는 타켓의 위치를 감지할 수 있다.
예를 들면, 센서는 이미지 센서일 수 있다.
센서는 자기장 발생 장치(2200) 주변의 이미지 또는 영상에 의해 타켓의 위치를 감지할 수 있다.
회전 구동부는 제1 회전축을 중심으로 페라이트 빔포밍부(2220)를 회전 시키고, 제2 회전축을 중심으로 페라이트 차폐부(2230)를 회전 시킬 수 있다.
회전 구동부는 센서의 타켓 감지에 의해 페라이트 빔포밍부(2220)와 페라이트 차폐부(2230)을 회전 구동 시켜 자기장을 타켓에 집중시킬 수 있다.
도 22에 도시된 자기장 발생 장치(2200)의 이외 사항은 도 17에 도시된 자기장 발생 장치(1700)와 동일하므로 이외 상세한 설명은 생략한다.
도 23은 도 22에 도시된 자기장 발생 장치의 형상과 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 23을 참조하면, 자기장 발생 장치는 코일부(2310)와 페라이트 빔포밍부(2320)와 페라이트 차폐부(2330)을 포함한다.
페라이트 빔포밍부(2320)는 기 설정된 길이의 봉 형상으로 연장될 수 있다.
예를 들면, 기 설정된 길이는 코일부(2310)로부터 발생된 자기장(2340)을 빔포밍 시키도록 기능하게 하는 최소 길이를 의미할 수 있다.
페라이트 빔포밍부(2320)는 봉 형상의 내부로 자기장이 통과하는 관통 홀(1421)을 가질 수 있다.
페라이트 빔포밍부(2320)는 코일부(2310)에 인접하여 코일부(2310)에 수직으로 형성될 수 있다.
페라이트 빔포밍부(2320)는 자기장(2340)을 일 방향으로 빔포밍 시킬 수 있다.
자기장(2340)이 빔포밍 되는 일 방향은 페라이트 빔포밍부(2320)가 봉 형상으로 연장되는 방향과 동일할 수 있다.
페라이트 차폐부(2330)는 코일부(2310)를 둘러싸는 돔 형상으로 형성될 수 있다.
따라서, 페라이트 차폐부(2330)는 코일부(2310)의 주변 자기장(2350)을 차폐시킬 수 있다.
주변 자기장(2350)은 일 방향이 아닌 다른 방향으로 전송되는 자기장일 수 있다.
페라이트 차폐부(2330)는 페라이트 빔포밍부(2320)가 제1 회전축을 중심으로 회전 가능하도록 개방부를 형성할 수 있다.
도 23에 도시된 자기장 발생 장치의 위치에서 제1 회전축은 가로 방향의 직선일 수 있다.
페라이트 빔포밍부(2320)는 개방부를 통해 상하로 회전할 수 있다.
이때, 페라이트 빔포밍부(2320)의 회전 시, 코일부(2310)도 페라이트 빔포밍부(2320)와 수직을 이루도록 페라이트 빔포밍부(2320)의 끝 단에 인접하여 움직일 수 있다.
다시 말해서, 코일부(2310)는 자기장(2340)이 페라이트 빔포밍부(2320)에 의해 집중될 수 있도록 페라이트 빔포밍부(2320)의 움직임에 따라 이동할 수 있다.
페라이트 차폐부(2330)는 제2 회전축을 중심으로 회전 가능할 수 있다.
제2 회전축은 제1 회전축과 수직을 이룰 수 있다.
도 23에 도시된 자기장 발생 장치의 위치에서 제2 회전축은 세로 방향의 직선일 수 있다.
따라서, 코일부(2310)로부터 발생된 자기장(2340)은 페라이트 빔포밍부(2320)를 통해 제1 회전축을 따라 빔포밍 될 수 있고, 페라이트 차폐부(2330)를 통해 제2 회전축을 따라 빔포밍 될 수 있다.
도 24는 도 22에 도시된 자기장 발생 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 24(a)를 참조하면, 충전 대상 디바이스(2420)는 자기장 발생 장치(2410)의 상부에 위치할 수 있다.
페라이트 빔포밍부(2412)는 앞쪽에서 뒤쪽 방향으로 또는 뒤쪽에서 앞쪽 방향으로 회전할 수 있다.
자기장 발생 장치(2410)는 충전 대상 디바이스(2420)의 위치를 감지하고, 페라이트 차폐부(2413)를 제2 회전축을 중심으로 회전(2440)시키고, 개방부(2411)를 통해 페라이트 빔포밍부(2412)를 제1 회전축을 중심으로 타켓(2420)을 조준하도록 회전(1530)시켜 충전 대상 디바이스(2420)로 자기장을 집중시킬 수 있다.
도 24(b)를 참조하면, 충전 대상 디바이스(2420)는 자기장 발생 장치(2410)의 상부 오른쪽에 위치할 수 있다.
페라이트 빔포밍부(2412)는 도 24(a)에 도시된 개방부(2411)를 통해 왼쪽에서 오른쪽으로 또는 오른쪽에서 왼쪽으로 회전할 수 있다.
자기장 발생 장치(2410)는 충전 대상 디바이스(2420)의 위치를 감지하고, 도 24(a)에 도시된 방향을 기준으로 페라이트 차폐부(2413)를 오른쪽으로 회전(2460)시키고, 페라이트 빔포밍부(2412)를 오른쪽으로 회전(2450)시켜 충전 대상 디바이스(2420)로 자기장을 집중시킬 수 있다.
도 25는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기장 발생 방법의 흐름도이다.
도 25에 도시된 자기장 발생 방법은 도 17 내지 도 24에 도시된 자기장 발생 장치에 의해 수행될 수 있다.
도 25를 참조하면, 자기장 발생 장치는 S2510 단계에서, 무선전력을 공급받을 타켓을 감지할 수 있다.
자기장 발생 장치는 S2520 단계에서, 타켓의 방향으로 자기장을 송신하도록 제1 및 제2 회전축을 중심으로 회전할 수 있다.
자기장 발생 장치는 S2530 단계에서, 자기장을 발생시킬 수 있다.
자기장 발생 장치는 S2540 단계에서, 발생된 자기장이 페라이트 프레임을 통해 타켓의 방향으로 빔포밍 되어 무선전력을 공급할 수 있다.
도 25를 참조하여 설명한 자기장 발생 방법은 도 17 내지 도 24을 참조하여 설명한 자기장 발생 장치의 동작 방법과 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.
1200: 무선전력 전송 시스템 1210: 송신기
1211: 실시간 매칭부 1220: 수신기
1221: 피딩 루프부 1222: 정류부
1223: 전력 정보 감지부 1224: 제어부
1225: 모터

Claims (14)

  1. 무선전력을 전송하는 송신기 및 상기 전송된 무선전력을 수신하는 수신기를 포함하는 무선전력전송 시스템에 포함된 임피던스 매칭 장치에 있어서,
    상기 수신기로부터 상기 수신된 무선전력을 전달받는 적어도 하나 이상의 피딩 루프를 포함하는 피딩 루프부;
    상기 전달된 무선전력을 직류 변환하는 정류부;
    상기 직류 변환된 무선 전력의 크기를 감지하는 전력 정보 감지부; 및
    상기 감지된 무선 전력의 크기에 기초하여, 상기 적어도 하나 이상의 피딩 루프를 회전시켜 상기 송신기와 상기 수신기 사이의 임피던스 매칭을 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 전력 정보 감지부는 상기 송신기와 상기 수신기 사이의 거리 변화 및 상기 적어도 하나 이상의 피딩 루프의 회전에 따라 상기 정류부에서 직류 변환된 무선 전력의 크기 변화와 관련된 전력 정보를 감지하며,
    상기 제어부는 상기 감지된 전력 정보에 기초하여 상기 회전된 적어도 하나 이상의 피딩 루프를 통하여 전달된 무선 전력의 크기가 증가된 경우, 상기 적어도 하나 이상의 피딩 루프의 회전 방향을 유지하고, 상기 회전된 적어도 하나 이상의 피딩 루프를 통하여 전달된 무선 전력의 크기가 감소된 경우, 상기 적어도 하나 이상의 피딩 루프의 회전 방향을 반대 방향으로 변경하는
    임피던스 매칭 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나 이상의 피딩 루프는 고정된 크기로서, 상기 수신기와 고정된 거리를 갖는 중심 축을 기준으로 회전되는
    임피던스 매칭 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 피딩 루프부에 연결된 모터를 제어하여 상기 적어도 하나 이상의 피딩 루프를 회전시키고,
    상기 전력 정보 감지부는 상기 회전된 적어도 하나 이상의 피딩 루프를 통하여 전달된 무선 전력의 크기 변화를 감지하고,
    상기 제어부는 상기 감지된 크기 변화에 기초하여 상기 회전된 적어도 하나 이상의 피딩 루프를 통하여 전달된 무선 전력의 크기가 증가된 경우, 상기 모터의 회전 방향을 유지하는
    임피던스 매칭 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 감지된 크기 변화에 기초하여 상기 회전된 적어도 하나 이상의 피딩 루프를 통하여 전달된 무선 전력의 크기가 감소된 경우, 상기 모터의 회전 방향을 반대 방향으로 변경하는
    임피던스 매칭 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 모터를 제어하여 상기 적어도 하나 이상의 피딩 루프를 회전시킴으로써 상기 수신기와 상기 피딩 루프부 사이의 결합 계수(coupling coefficient)를 제어하고, 상기 제어된 결합 계수(coupling coefficient)에 기초하여 상기 임피던스 매칭을 제어하는
    임피던스 매칭 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 적어도 하나 이상의 피딩 루프를 회전시켜 상기 적어도 하나 이상의 피딩 루프의 전달 각도를 결정함으로써, 상기 결정된 전달 각도에 따라 상기 수신기와 상기 피딩 루프부 사이의 임피던스를 결정하는
    임피던스 매칭 장치.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 피딩 루프는 전기적으로 닫혀 있는 루프 구조로 구성되고,
    상기 루프 구조는 원형 구조, 삼각형 구조, 사각형 구조, 또는 다각형 구조 중 적어도 하나를 포함하는
    임피던스 매칭 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 적어도 하나 이상의 피딩 루프를 회전시켜 상기 송신기와 상기 수신기 사이의 전압정재파비(Voltage Standing Wave Ratio)가 기준 값보다 작은 값으로 유지되도록 상기 임피던스 매칭을 제어하는
    임피던스 매칭 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 송신기와 상기 수신기 사이의 임피던스 변화에 따라 적응적으로(adaptively) 상기 임피던스 매칭을 제어하고, 상기 기준 값을 충전 전력의 전송 효율에 기초하여 결정하는
    임피던스 매칭 장치.
  11. 피딩 루프부에서, 수신기로부터 적어도 하나 이상의 피딩 루프를 통해 무선전력을 전달받는 단계;
    정류부에서, 상기 전달된 무선전력을 직류 변환하는 단계;
    전력 정보 감지부에서, 상기 직류 변환된 무선 전력의 크기를 감지하는 단계; 및
    제어부에서, 상기 감지된 무선 전력의 크기에 기초하여, 상기 적어도 하나 이상의 피딩 루프를 회전시켜 송신기와 상기 수신기 사이의 임피던스 매칭을 제어하는 단계를 포함하고,
    상기 직류 변환된 무선 전력의 크기를 감지하는 단계는
    상기 송신기와 상기 수신기 사이의 거리 변화 및 상기 적어도 하나 이상의 피딩 루프의 회전에 따라 상기 정류부에서 직류 변환된 무선 전력의 크기 변화와 관련된 전력 정보를 감지하는 단계를 포함하고,
    상기 감지된 무선 전력의 크기에 기초하여, 상기 적어도 하나 이상의 피딩 루프를 회전시켜 송신기와 상기 수신기 사이의 임피던스 매칭을 제어하는 단계는
    상기 감지된 전력 정보에 기초하여 상기 회전된 적어도 하나 이상의 피딩 루프를 통하여 전달된 무선 전력의 크기가 증가된 경우, 상기 적어도 하나 이상의 피딩 루프의 회전 방향을 유지하는 단계; 및
    상기 회전된 적어도 하나 이상의 피딩 루프를 통하여 전달된 무선 전력의 크기가 감소된 경우, 상기 적어도 하나 이상의 피딩 루프의 회전 방향을 반대 방향으로 변경하는 단계를 포함하는
    임피던스 매칭 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 적어도 하나 이상의 피딩 루프는 고정된 크기로서, 상기 수신기와 고정된 거리를 갖는 중심 축을 기준으로 회전되는
    임피던스 매칭 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 적어도 하나 이상의 피딩 루프를 회전시켜 상기 송신기와 상기 수신기 사이의 임피던스 매칭을 제어하는 단계는,
    상기 피딩 루프부에 연결된 모터를 제어하여 상기 적어도 하나 이상의 피딩 루프를 회전시키는 단계;
    상기 회전된 적어도 하나 이상의 피딩 루프를 통하여 전달된 무선 전력의 크기 변화를 감지하는 단계;
    상기 감지된 크기 변화에 기초하여 상기 회전된 적어도 하나 이상의 피딩 루프를 통하여 전달된 무선 전력의 크기가 증가된 경우, 상기 모터의 회전 방향을 유지하는 단계; 및
    상기 감지된 크기 변화에 기초하여 상기 회전된 적어도 하나 이상의 피딩 루프를 통하여 전달된 무선 전력의 크기가 감소된 경우, 상기 모터의 회전 방향을 반대 방향으로 변경하는 단계를 포함하는
    임피던스 매칭 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 적어도 하나 이상의 피딩 루프를 회전시켜 상기 송신기와 상기 수신기 사이의 임피던스 매칭을 제어하는 단계는,
    상기 제어부는 모터를 제어하여 상기 적어도 하나 이상의 피딩 루프를 회전시킴으로써 상기 수신기와 상기 피딩 루프부 사이의 결합 계수(coupling coefficient)를 제어하는 단계; 및
    상기 제어된 결합 계수(coupling coefficient)에 기초하여 상기 임피던스 매칭을 제어하는 단계를 포함하는
    임피던스 매칭 방법.
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