KR101988009B1 - 공진 주파수를 조정해서 커플링 효율을 높이는 무전전력 전송 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

공진 주파수를 조정해서 커플링 효율을 높이는 무전전력 전송 시스템 및 방법이 제공된다. 일 측면에 따른 타겟 장치에서 공진 주파수를 조정해서 커플링 효율을 높이는 무전전력 전송 시스템은 전송 효율을 계산하고, 전송 효율이 기설정된 기준 효율 보다 높지 않으면 소스 장치, 중계 장치 및 타겟 장치 각각의 조정된 공진 주파수를 설정하고, 각각의 조정된 공진 주파수 정보를 해당 장치로 송신하는 소스 장치와, 상기 소스 장치에 의해 제어되는 공진 주파수로 커플링해서 무선 전력을 중계하는 상기 중계 장치 및 상기 소스 장치에 의해 제어되는 공진 주파수로 커플링해서 무선 전력을 수신하고 수신한 전력량 정보를 상기 소스 장치로 송신하는 상기 타겟 장치를 포함한다.

Description

공진 주파수를 조정해서 커플링 효율을 높이는 무전전력 전송 시스템 및 방법{Wireless power transmission system and method that controls resonance frequency and increases coupling efficiency}
기술 분야는 중계장치는 가지는 무선전력 전송 시스템에서 무선 전력 전송 효율을 높이는 방법에 관한 것이다.
최근 들어 전선을 사용하지 않고 전력을 공급할 수 있는 무선전력전송기술 (wireless power transmission)이 관심을 받고 있다. 무선 전력전송기술이 실용화가 된다면 현재 사용되고 있는 유선 충전 시스템에 대해서 에너지를 쉽게 공급할 수 있게 된다. 전력전송의 무선화는 곧 언제 어디서나 급전 및 충전이 가능한 환경이란 의미이며 전원이 없어도 장치 간 전원 공유가 가능한 환경으로 가는 첫 걸음이다
무선 전력은, 마그네틱 커플링을 통해 무선 전력 전송 장치로부터 무선 전력 수신 장치로 전달되는 에너지를 의미한다. 따라서, 무선 전력 충전 시스템은, 전력을 무선으로 전송하는 소스 장치와 전력을 무선으로 수신하는 타겟 장치를 포함한다. 이때, 소스 장치는 무선 전력 전송 장치라 칭할 수 있다. 또한, 타겟 장치는 무선 전력 수신 장치라 칭할 수 있다.
소스 장치는 소스 공진기(source resonator)를 구비하고, 타겟 장치는 타겟 공진기(target resonator)를 구비한다. 소스 공진기와 타겟 공진기 사이에 마그네틱 커플링 또는 공진 커플링이 형성될 수 있다.
그러나 소스 장치와 타겟 장치 사이의 거리가 먼 경우 등에서 만족할 만한 커플링 효율이 확보되지 않는 경우에 있어서는 소스 공진기와 타겟 공진기 사이에 1개 이상의 중계(relay) 공진기를 삽입하여 전체 효율을 상승시킬 수도 있다. 이때, 중계 공진기를 구비한 장치를 중계 장치라 한다. 기존의 연구에서는 소스 공진기, 타겟 공진기, 삽입되는 중계 공진기의 공진 주파수(self-resonant frequency)를 모두 같은 주파수로 설정해서 사용하였다.
이러한 경우 각 공진기 사이의 간격, 각 공진기 사이의 정렬 상태, 각 공진기의 상이한 성질요소(Quality factor) 등으로 인하여 최적의 커플링 효율을 보장하기 어렵다. 　
일 측면에 있어서, 가변 캐패시터를 포함하고 커플링을 통해 무선전력을 송신하는 소스 공진기와, 중계 장치와 타겟 장치와 데이터를 송수신하는 통신부 및 전송 효율을 계산하고, 상기 전송 효율이 기설정된 기준 효율 보다 높지 않으면 소스 장치, 상기 중계 장치 및 상기 타겟 장치 각각에 대한 조정된 공진 주파수 정보들을 확인해서 각각의 조정된 공진 주파수 정보를 상기 통신부를 통해 송신하고, 상기 소스 장치의 상기 조정된 공진 주파수로 무선 전력을 전송하도록 제어하는 제어부를 포함하는 공진 주파수를 조정해서 커플링 효율을 높이는 무전전력 전송 시스템의 소스 장치가 제공된다.
이때, 상기 제어부는, 상기 전송 효율이 상기 기준 효율 보다 높을 때까지, 상기 전송 효율을 계산하고, 상기 소스 장치, 상기 중계 장치 및 상기 타겟 장치 각각에 대한 조정된 공진 주파수 정보를 확인하고, 상기 소스 장치의 상기 조정된 공진 주파수로 무선 전력을 전송하도록 제어할 수 있다.
이때, 소스 장치는 출력 전류 및 전압을 검출하고, 검출된 상기 전류 및 상기 전압에 대한 정보를 상기 제어부를 전달하는 전력 검출부를 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 전력 검출부로부터 수신하는 상기 전류 및 상기 전압에 대한 정보를 이용해서 송신한 전력량을 계산하고, 상기 타겟 장치에서 수신한 전력량 정보를 상기 타겟 장치로부터 수신해서 상기 수신한 전력량과 상기 송신한 전력량을 이용해서 상기 전송 효율을 계산할 수 있다.
이때, 상기 제어부는, 실험에 의해 기설정된 조정 리스트에 포함된 상기 소스 장치, 상기 중계 장치 및 상기 타겟 장치 각각에 대한 기설정된 변경 정보를 상기 소스 장치, 상기 중계 장치 및 상기 타겟 장치 각각의 현재 공진 주파수에 적용해서 상기 소스 장치, 상기 중계 장치 및 상기 타겟 장치 각각에 대한 상기 조정된 공진 주파수 정보들을 확인할 수 있다.
이때, 상기 제어부는, 상기 가변 캐패시터의 캐패시턴스 값을 조정해서 상기 공진 주파수를 조정할 수 있다.
일 측면에 있어서, 가변 캐패시터를 포함하고 커플링을 통해 무선전력을 수신하는 타겟 공진기와, 상기 타게 공진기를 통해 수신하는 교류 전압을 정류함으로써, DC 전압을 생성하는 정류부와, 중계 장치와 타겟 장치와 데이터를 송수신하는 통신부 및 상기 정류부에서 출력되는 상기 DC 전압으로 수신한 전력량을 계산해서 전력량 정보를 상기 통신부를 통해 소스 장치로 송신하고, 상기 소스 장치로부터 공진 주파수 조정 메시지를 수신하면, 상기 공진 주파수 조정 메시지에 포함된 공진 주파수 정보를 확인해서 공진 주파수를 조정하도록 제어하는 제어부를 포함하는 공진 주파수를 조정해서 커플링 효율을 높이는 무전전력 전송 시스템의 타겟 장치가 제공된다.
이때, 상기 제어부는, 상기 가변 캐패시터의 캐패시턴스 값을 조정해서 상기 공진 주파수를 조정할 수 있다.
일 측면에 있어서, 커플링을 통해 무선 전력을 전송하는 단계와, 전송 효율을 계산하는 단계와, 상기 전송 효율이 기설정된 기준 효율 보다 높지 않으면 소스 장치, 중계 장치 및 타겟 장치 각각에 대한 조정된 공진 주파수 정보들을 확인하는 단계와, 상기 중계 장치의 상기 조정된 공진 주파수를 상기 중계 장치로 송신하고 상기 타겟 장치의 상기 조정된 공진 주파수를 상기 타겟 장치로 송신하는 단계 및 상기 소스 장치의 상기 조정된 공진 주파수로 무선 전력을 전송하는 단계를 포함하는 무전전력 전송 시스템의 소스 장치에서 공진 주파수를 조정해서 커플링 효율을 높이는 방법이 제공된다.
이때, 상기 전송 효율을 계산하는 단계에서 상기 소스 장치의 상기 조정된 공진 주파수로 무선 전력을 전송하는 단계를 상기 전송 효율이 상기 기준 효율 보다 높을 때까지 반복한다.
이때, 상기 전송 효율을 계산하는 단계는, 상기 타겟 장치에서 수신한 전력량 정보를 상기 타겟 장치로부터 수신해서 상기 수신한 전력량과 송신한 전력량을 이용해서 계산할 수 있다.
이때, 상기 소스 장치, 상기 중계 장치 및 상기 타겟 장치 각각에 대한 조정된 공진 주파수 정보들을 확인하는 단계는, 실험에 의해 기설정된 조정 리스트에 포함된 상기 소스 장치, 상기 중계 장치 및 상기 타겟 장치 각각에 대한 기설정된 변경 정보를 상기 소스 장치, 상기 중계 장치 및 상기 타겟 장치 각각의 현재 공진 주파수에 적용해서 확인할 수 있다.
일 측면에 있어서, 무선 전력을 수신하는 단계와, 수신한 전력량을 계산해서 전력량 정보를 소스 장치로 송신하는 단계 및 상기 소스 장치로부터 공진 주파수 조정 메시지를 수신하면, 상기 공진 주파수 조정 메시지에 포함된 공진 주파수 정보를 확인해서 공진 주파수를 조정하는 단계를 포함하는 무전전력 전송 시스템의 타겟 장치에서 공진 주파수를 조정해서 커플링 효율을 높이는 방법이 제공된다.
일 측면에 있어서, 전송 효율을 계산하고, 전송 효율이 기설정된 기준 효율 보다 높지 않으면 소스 장치, 중계 장치 및 타겟 장치 각각의 조정된 공진 주파수를 설정하고, 각각의 조정된 공진 주파수 정보를 해당 장치로 송신하는 소스 장치와, 상기 소스 장치에 의해 제어되는 공진 주파수로 커플링해서 무선 전력을 중계하는 상기 중계 장치 및 상기 소스 장치에 의해 제어되는 공진 주파수로 커플링해서 무선 전력을 수신하고 수신한 전력량 정보를 상기 소스 장치로 송신하는 상기 타겟 장치를 포함하는 타겟 장치에서 공진 주파수를 조정해서 커플링 효율을 높이는 무전전력 전송 시스템이 제공된다.
이때, 상기 소스 장치는, 상기 타겟 장치에서 수신한 전력량 정보를 상기 타겟 장치로부터 수신해서 상기 수신한 전력량과 송신한 전력량을 이용해서 계산할 수 있다.
이때, 상기 소스 장치는, 실험에 의해 기설정된 조정 리스트에 포함된 상기 소스 장치, 상기 중계 장치 및 상기 타겟 장치 각각에 대한 기설정된 변경 정보를 상기 소스 장치, 상기 중계 장치 및 상기 타겟 장치 각각의 현재 공진 주파수에 적용해서 상기 소스 장치, 상기 중계 장치 및 상기 타겟 장치 각각에 대한 상기 조정된 공진 주파수 정보들을 확인할 수 있다.
본 발명은 소스 장치, 중계 장치 및 타겟 장치 각각의 공진 주파수를 조정하는 무전전력 전송 시스템에 관한 것으로, 소스 장치, 중계 장치 및 타겟 장치의 공진 주파수를 각각 조정함으로써 커플링 효율을 높일 수 있다.
도 1은 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 나타낸다.
도 2는 일 실시 예에 따른 공진 주파수를 변경해서 커플링 효율을 높이는 무선전력 시스템의 구성을 나타낸다.
도 3은 일 실시 예에 따른 무선전력 시스템의 소스 장치에서 공진 주파수를 조정하면서 무선 전력을 전송하는 흐름들 나타낸다.
도 4는 일 실시 예에 따른 무선전력 시스템의 중계 장치에서 공진 주파수를 조정하면서 무선 전력을 중계하는 흐름들 나타낸다.
도 5는 일 실시 예에 따른 무선전력 시스템의 타겟 장치에서 공진 주파수를 조정하면서 무선 전력을 수신하는 흐름들 나타낸다.
도 6은 일 실시예에 따른 공진기 및 피더에서 자기장의 분포를 나타낸다.
도 7은 일 실시예에 따른 공진기 및 피더의 구성을 나타낸 도면이다.
도 8는 일 실시예에 따른 피딩부의 피딩에 따른 공진기의 내부에서 자기장의 분포를 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 나타낸다.
도 1을 참조하면, 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 및 충전 시스템은 소스 장치(110) 및 타겟 장치(120)를 포함한다.
소스 장치(110)는 AC/DC 컨버터(111), Power Detector(113), 전력변환부(114), 제어 및 통신부(115) 및 소스 공진기(116)을 포함한다.
타겟 장치(120)는 타겟 공진기(121), 정류부(122), DC/DC 컨버터(123), 스위치부(124), 디바이스 로드(Device load)(125) 및 제어 및 통신부(126)를 포함한다.
AC/DC 컨버터(111)는 Power Supply(112)로부터 출력되는 수십 Hz 대역의 AC 전압을 정류하여 DC 전압을 생성한다. AC/DC 컨버터(111)는 일정한 레벨의 DC 전압을 출력하거나, 제어 및 통신부(115)의 제어에 따라 DC 전압의 출력 레벨을 조정할 수 있다.
Power Detector(113)는 AC/DC 컨버터(111)의 출력 전류 및 전압을 검출하고, 검출된 전류 및 전압에 대한 정보를 제어 및 통신부(115)로 전달한다. 또한, Power Detector(113)는 전력변환부(114)의 입력 전류 및 전압을 검출할 수 도 있다.
전력변환부(114)는 공진 주파수를 이용하여 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 트래킹 전력 또는 동작 전력을 생성한다. 즉, 전력변환부(114)는 공급 받는 전압 및 기준 공진 주파수를 사용하여, 공진 주파수의 트래킹을 위한 트래킹 전력(tracking power) 또는 타겟 장치의 동작을 위한 동작 전력(operation power)을 생성한다. 또한, 전력변환부(114)는 상기 전력 전송 효율 및 상기 타겟 장치(120)의 소비 전력량(dissipation power)을 고려하여, 상기 동작 전력을 생성한다.
전력변환부(114)는 수십 KHz ~ 수십 MHz 대역의 스위칭 펄스 신호에 의하여 일정한 레벨의 DC 전압을 AC 전압으로 변환함으로써 전력을 생성할 수 있다. 즉, 전력변환부(114)는 공진 주파수를 이용하여 직류 전압을 교류 전압으로 변환함으로써, 타겟 장치에서 사용되는 "트래킹 전력" 또는 "충전 전력 또는 동작 전력"을 생성할 수 있다. 여기서, 트래킹 전력은 0.1~1mWatt의 작은 전력을 의미하고, 충전 전력 또는 동작 전력은 타겟 장치로 전송되는 1mWatt~200Watt의 큰 전력을 의미한다.
본 명세서에 있어서, “충전”이라는 용어는 전력을 충전하는 유닛(unit) 또는 요소(element)에 전력을 공급하는 의미로 사용될 수 있다. 또한, “충전”이라는 용어는 전력을 소비하는 유닛(unit) 또는 요소(element)에 전력을 공급하는 의미로도 사용될 수 있다. 예를 들어, “충전 전력”은 타겟 장치의 배터리를 충전하는데 필요한 전력 또는 타겟 장치의 동작에 소비되는 전력을 의미한다. 여기서, 유닛(unit) 또는 요소(element)는 예를 들어 배터리, 디스플레이, 음성 출력 회로, 메인 프로세서, 각종 센서들을 포함한다.
한편, 본 명세서에서 “기준 공진 주파수”는 소스 장치(110)가 기본적으로 사용하는 공진 주파수의 의미로 사용된다. 또한, “트래킹 주파수”는 기 설정된 방식에 따라 조정된 공진 주파수의 의미로 사용된다.
제어 및 통신부(115)는 무선 전력 전송에 대한 전력 전송 효율이 기 설정된 값 이상이 되는 공진 주파수를 결정하고, 상기 타겟 장치의 수신 전력량이 기 설정된 범위 안에서 유지되도록 전력 제어를 수행한다.
제어 및 통신부(115)는 "트래킹 전력" 또는 "충전용 전력"에 대한 반사파를 검출하고, 검출된 반사파에 기초하여 상기 타겟 공진기(121)와 상기 소스 공진기(116) 사이의 미스매칭(mismatching)을 검출한다. 제어 및 통신부(115)는 반사파의 엔벨롭(envelop)을 검출함으로써, 미스 매칭을 검출하거나 반사파의 전력량을 검출함으로써 미스 매칭을 검출할 수 있다.
또한, 제어 및 통신부(115)는 스위칭 펄스 신호의 주파수를 조정할 수 있다. 제어 및 통신부(115)의 제어에 의하여 스위칭 펄스 신호의 주파수가 결정될 수 있다. 제어 및 통신부(115)는 전력변환부(114)를 제어함으로써, 타겟 장치(120)에 전송하기 위한 변조 신호를 생성할 수 있다. 즉, 제어 및 통신부(115)는 인-밴드 통신"을 통해 상기 타겟 장치에 다양한 메시지를 전송할 수 있다. 또한, 제어 및 통신부(115)는 반사파를 검출하고, 반사파의 포락선을 통해 타겟 장치로부터 수신되는 신호를 복조할 수 있다.
제어 및 통신부(115)는 다양한 방법을 통해, 인-밴드 통신을 수행하기 위한 변조 신호를 생성할 수 있다. 제어 및 통신부(115)는 스위칭 펄스 신호를 온/오프 함으로써, 변조신호를 생성할 수 있다. 또한, 제어 및 통신부(115)는 델타-시그마 변조를 수행하여, 변조신호를 생성할 수 있다. 제어 및 통신부(115)는 일정한 포락선을 가지는 펄스폭 변조신호를 생성할 수 있다.
한편, 제어 및 통신부(115)는 통신 채널을 이용하는 아웃-밴드 통신을 수행할 수 도 있다. 제어 및 통신부(115)는 Zigbee, Bluetooth 등의 통신 모듈을 포함할 수 있다. 제어 및 통신부(115)는 아웃-밴드 통신을 통해 타겟 장치(120)와 데이터를 송수신 할 수 있다.
소스 공진기(116)는 전자기(electromagnetic) 에너지를 타겟 공진기(121)로 전달(transferring)한다. 즉, 소스 공진기(116)는 타겟 공진기(121)와의 마그네틱 커플링을 통해 "트래킹 전력" 또는 "동작 전력"을 타겟 장치(120)로 전달한다.
타겟 공진기(121)는 소스 공진기(116)로부터 전자기(electromagnetic) 에너지를 수신한다. 즉, 타겟 공진기(121)는 소스 공진기(116)와의 마그네틱 커플링을 통해 소스 장치(110)로부터 "트래킹 전력" 또는 "동작 전력"을 수신한다. 또한, 타겟 공진기(121)는 인-밴드 통신을 통해 상기 소스 장치로부터 다양한 메시지를 수신할 수 있다.
정류부(122)는 교류 전압을 정류함으로써, DC 전압을 생성한다. 즉, 정류부(122)는 타겟 공진기(121)에 수신된 교류 전압을 정류한다.
DC/DC 컨버터(123)는 정류부(122)에서 출력되는 DC 전압의 레벨을 디바이스 로드(Device load)(125)의 용량에 맞게 조정한다. 즉, DC/DC 컨버터(123)는 정류부(122)에서 출력되는 DC 전압의 레벨을 조정하고, 레벨이 조정된 DC 전압을 디바이스 로드(device load)(125)로 제공한다. 예를 들어, DC/DC 컨버터(123)는 정류부(122)에서 출력되는 DC 전압의 레벨을 3~10Volt로 조정할 수 있다.
스위치부(124)는 제어 및 통신부(126)의 제어에 따라 온/오프 된다. 스위치부(124)가 오프되는 경우, 소스 장치(110)의 제어 및 통신부(115)는 반사파를 검출하게 된다. 즉, 스위치부(124)가 오프되는 경우, 소스 공진기(116)와 타겟 공진기(121) 사이의 마그네틱 커플링이 제거 될 수 있다.
디바이스 로드(Device load)(125)는 배터리를 포함할 수 있다. 디바이스 로드(Device load)(125)는 DC/DC 컨버터(123)로부터 출력되는 DC 전압을 이용하여 배터리를 충전할 수 있다.
제어 및 통신부(126)는 수신된 트래킹 전력의 전력량, 상기 디바이스 로드의 소비 전력량 및 상기 수신된 동작 전력의 전력량에 대한 정보를 상기 소스 장치로 전송한다. 이때, 수신된 동작 전력의 전력량은 기 설정된 범위 안에서 유지된다. 제어 및 통신부(126)는 충전용 배터리의 충전 상태에 대한 정보를 검출하고, 상기 충전 상태에 대한 정보를 상기 소스 장치로 전송할 수 있다. 이때, 충전 상태에 대한 정보는 배터리로 흐르는 전류량 및 배터리에 걸리는 전압일 수 있다.
제어 및 통신부(126)는 공진 주파수를 이용하여 데이터를 송수신하는 인-밴드 통신을 수행할 수 있다. 이때, 제어 및 통신부(126)는 타겟 공진기(121)과 정류부(122) 사이의 신호를 검출하여 수신 신호를 복조하거나, 정류부(122)의 출력 신호를 검출하여 수신 신호를 복조할 수 있다. 즉, 제어 및 통신부(126)는 인-밴드 통신을 통해 수신된 메시지를 복조할 수 있다. 또한, 제어 및 통신부는 타겟 공진기(121)의 임피던스를 조정함으로써, 소스 장치(110)에 전송하는 신호를 변조할 수 있다. 또한, 제어 및 통신부는 스위치부(124)의 온/오프를 통해 소스 장치(110)에 전송하는 신호를 변조할 수 도 있다. 간단한 예로, 제어 및 통신부(126)는 타겟 공진기(121)의 임피던스를 증가 시킴으로써, 소스 장치(110)의 제어 및 통신부(115)에서 반사파가 검출되도록 할 수 있다. 반사파의 발생 여부에 따라, 소스 장치(110)의 제어 및 통신부(115)는 이진수 “0” 또는 “1”을 검출할 수 있다.
제어 및 통신부(126)는 “해당 타겟 장치의 제품의 종류”, “해당 타겟 장치의 제조사 정보”, “해당 타겟 장치의 모델명”, “해당 타겟 장치의 Battery type”, “해당 타겟 장치의 충전 방식”, “해당 타겟 장치의 Load의 임피던스 값”, “해당 타겟 장치의 Target 공진기의 특성에 대한 정보”, “해당 타겟 장치의 사용 주파수 대역에 대한 정보”, “해당 타겟 장치의 소요되는 전력량”, “해당 타겟 장치의 고유의 식별자”, 또는 “해당 타겟 장치의 제품의 버전 또는 규격 정보”를 포함하는 응답 메시지를 상기 무선 전력 전송 장치로 전송할 수 있다.
한편, 제어 및 통신부(126)는 통신 채널을 이용하는 아웃-밴드 통신을 수행할 수 도 있다. 제어 및 통신부(126)는 Zigbee, Bluetooth 등의 통신 모듈을 포함할 수 있다. 제어 및 통신부(126)는 아웃-밴드 통신을 통해 소스 장치(110)와 데이터를 송수신 할 수 있다.
도 2는 일 실시 예에 따른 공진 주파수를 변경해서 커플링 효율을 높이는 무선전력 시스템의 구성을 나타낸다.
도 2를 참조하면, 무선전력 전송 시스템은 소스 장치(210), 중계 장치(220) 및 타겟 장치(230)를 포함한다.
소스 장치(210)는 AC/DC 컨버터(211), Power Detector(213), 전력변환부(214), 소스 공진기(216), 제어부(217) 및 통신부(218)를 포함한다. 이때, 소스 공진기(216)는 가변 케페시터(215)를 포함한다.
중계 장치(220)는 가변 캐페시터(221)를 구비하는 중계 공진기(222), 제어부(223) 및 통신부(224)를 포함한다.
타겟 장치(230)는 가변 캐페시터(232)를 구비하는 타겟 공진기(321), 정류부(233), DC/DC 컨버터(234), 스위치부(235), 디바이스 로드(Device load)(236) 및 제어부(237) 및 통신부(238)를 포함한다.
도 2에서 AC/DC 컨버터(211), Power Detector(213), 전력변환부(214), 정류부(233), DC/DC 컨버터(234), 스위치부(235) 및 디바이스 로드(Device load)(236)는 상술한 도 1과 동일하게 동작함으로 상세한 설명을 생략한다.
소스 장치(210)의 통신부(218), 중계 장치(220)의 통신부(224) 및 타겟 장치(230)의 통신부(238)는 통신 채널을 이용하는 아웃-밴드 통신을 수행할 수 도 있다. 통신부(218, 224, 238)들은 Zigbee, Bluetooth 등의 통신 모듈을 포함할 수 있다 통신부(218, 224, 238)들은 아웃-밴드 통신을 통해 소스 장치(210)와 중계 장치(220) 간, 소스 장치(210)와 타겟 장치(230), 중계 장치(220)와 타겟 장치(230) 간의 데이터를 송수신 할 수 있다.
소스 장치(210)의 제어부(217)는 전송 효율을 계산하고, 전송 효율이 기설정된 기준 효율 보다 높지 않으면 소스 장치(210), 중계 장치(220) 및 타겟 장치(230) 각각의 공진 주파수를 조정하고, 각각의 조정된 공진 주파수들을 통신부(218)을 이용해서 중계 장치(220)와 타겟 장치(230)로 송신한다.
제어부(217)는 소스 장치(210)의 공진 주파수가 조정된 경우, 소스 공진기(216)에 포함된 가변 캐페시터(215)를 조정해서 소스 공진기(216)의 공진 주파수를 조정된 공진 주파수로 조정한다.
제어부(217)는 전송 효율이 기설정된 기준 효율 보다 높을 때까지 소스 장치(210), 중계 장치(220) 및 타겟 장치(230) 각각의 공진 주파수를 조정하고 전송효율을 계산한다.
제어부(217)는 통신부(218)를 통해 타겟 장치(230)로부터 타겟 장치(230)에서 수신한 전력량을 나타내는 전력량 정보를 수신하고, 전력량 정보와 송신한 전력량을 이용해서 전송 효율을 계산한다.
제어부(217)는 중계 장치(220)와 타겟 장치(230)로 각각의 조정된 공진 주파수들을 송신할 때, 공진 주파수 조정 메시지에 조정된 공진 주파수 정보를 포함시켜서 중계 장치(220)와 타겟 장치(230)로 송신한다.
제어부(217)는 공진 주파수의 조정을 조정 리스트에 포함된 기설정된 조정 정보에 따라 조정한다. 조정 리스트에 포함된 기설정된 조정 정보는 기준 공진 주파수를 기준으로 소스 장치(210), 중계 장치(220) 및 타겟 장치(230) 각각에 대한 공진 주파수의 변화량을 나타내는 정보이다. 따라서, 소스 장치(210), 중계 장치(220) 및 타겟 장치(230) 각각에 대한 조정된 공진 주파수들은 서로 동일할 수도 있고, 일부만 동일할 수도 있고, 전부 다를 수도 있다.
한편, 소스 장치(210)의 제어부(217)는 조정 리스트에 포함된 모든 조건들 각각에 따라 공진 주파수를 조정해서 무선전력 전송을 수행해서 조정 리스트에 포함된 모든 조건들에 따른 전송 효율을 계산해서 전송 효율이 가장 좋은 조건으로 소스 장치(210), 중계 장치(220) 및 타겟 장치(230) 각각의 공진 주파수들을 조정하도록 할 수도 있다.
중계 장치(220)의 제어부(223)는 기준 공진 주파수로 무선 전력을 중계하다가 소스 장치(210)로부터 조정된 공진 주파수를 수신하면, 조정된 공진 주파수로 무선 전력을 중계하도록 제어한다.
제어부(223)는 중계 장치(220)의 공진 주파수가 조정된 경우, 중계 공진기(222)에 포함된 가변 캐페시터(221)를 조정해서 중계 공진기(222)의 공진 주파수를 조정된 공진 주파수로 조정한다.
제어부(223)는 조정된 공진 주파수의 수신을 통신부(224)를 통해 조정된 공진 주파수 정보를 포함하는 공진 주파수 조정 메시지를 수신함으로써 확인할 수 있다.
타겟 장치(230)의 제어부(237)는 기준 공진 주파수로 무선 전력을 수신하고 수신한 전력량을 계산해서 소스 장치(210)로 송신한다.
제어부(237)는 조정된 공진 주파수를 수신하면, 조정된 공진 주파수로 무선 전력을 수신하도록 제어하고, 공진 주파수가 조정될 때마다 수신하는 전력량을 계산해서 소스 장치(210)로 송신한다.
제어부(237)는 타겟 장치(230)의 공진 주파수가 조정된 경우, 타게 공진기(231)에 포함된 가변 캐페시터(232)를 조정해서 타게 공진기(231)의 공진 주파수를 조정된 공진 주파수로 조정한다.
제어부(237)는 조정된 공진 주파수의 수신을 통신부(238)를 통해 조정된 공진 주파수 정보를 포함하는 공진 주파수 조정 메시지를 수신함으로써 확인할 수 있다.
도 3은 일 실시 예에 따른 무선전력 시스템의 소스 장치에서 공진 주파수를 조정하면서 무선 전력을 전송하는 흐름들 나타낸다.
도 3을 참조하면, 소스 장치(210)는 310단계에서 기설정된 기준 공진 주파수로 무선 전력을 전송한다.
그리고, 소스 장치(210)는 312단계에서 타겟 장치(230)로부터 수신한 전력량 정보를 수신한다.
그리고, 소스 장치(210)는 314단계에서 수신한 전력량 정보를 이용해서 무선전력 전송의 전송 효율을 계산한다.
그리고, 소스 장치(210)는 316단계에서 전송 효율과 기설정된 기준 효율을 비교해서 전송 효율이 기준 효율 보다 큰지 여부를 확인한다.
316단계의 확인결과 계산한 전송 효율이 기준 효율보다 높지 않으면, 소스 장치(210)는 318단계에서 소스 장치(210), 중계 장치(220) 및 타겟 장치(230) 각각의 공진 주파수를 조정한다. 조정 리스트에 포함된 기설정된 조정 정보에 따라 조정한다. 조정 리스트에 포함된 기설정된 조정 정보는 기준 공진 주파수를 기준으로 소스 장치(210), 중계 장치(220) 및 타겟 장치(230) 각각에 대한 공진 주파수의 변화량을 나타내는 정보이다.
그리고, 소스 장치(210)는 320단계에서 조정된 공진 주파수를 중계 장치와 타겟 장치로 송신
그리고, 소스 장치(210)는 322단계에서 조정된 공진 주파수로 무선 전력 송신하고 312단계로 돌아간다.
312단계에서 322단계는 316단계의 확인결과 계산한 전송 효율이 기준 효율보다 높을 때까지 반복한다.
도 4는 일 실시 예에 따른 무선전력 시스템의 중계 장치에서 공진 주파수를 조정하면서 무선 전력을 중계하는 흐름들 나타낸다.
도 4를 참조하면, 중계 장치(220)는 410단계에서 중계 장치(220)의 공진기를 기설정된 기준 공진 주파수로 설정한다.
그리고, 중계 장치(220)는 412단계에서 기준 공진 주파수로 소스 장치(210)와 타겟 장치(230) 간의 무선 전력을 중계한다. 중계 장치가 다수개 인 경우 소스 장치와 다른 중계 장치, 다른 중계 장치와 또 다른 중계 장치 또는 다른 중계 장치와 타겟 장치 간의 무선 전력을 중계 할 수도 있다.
그리고, 중계 장치(220)는 414단계에서 소스 장치(210)로부터 공진 주파수 조정 메시지를 수신하는지 확인한다.
414단계의 확인결과 소스 장치(210)로부터 공진 주파수 조정 메시지를 수신하면, 중계 장치(220)는 416단계에서 공진 주파수 조정 메시지에 포함된 공진 주파수 정보를 확인해서 공진 주파수 정보에 따라 중계 장치(220)의 공진 주파수를 조정한다.
그리고, 중계 장치(220)는 410단계에서 조정된 공진 주파수로 무선 전력을 중계한다.
도 5는 일 실시 예에 따른 무선전력 시스템의 타겟 장치에서 공진 주파수를 조정하면서 무선 전력을 수신하는 흐름들 나타낸다.
도 5를 참조하면, 타겟 장치(230)는 510단계에서 타겟 장치(230)의 공진기를 기설정된 기준 공진 주파수로 설정한다.
그리고, 타겟 장치(230)는 512단계에서 무선 전력을 수신한다.
그리고, 타겟 장치(230)는 514단계에서 수신한 전력량을 계산해서 전력량 정보를 소스 장치(210)로 송신한다.
그리고, 타겟 장치(230)는 516단계에서 소스 장치(210)로부터 공진 주파수 조정 메시지를 수신하는지 확인한다.
516단계의 확인결과 소스 장치(210)로부터 공진 주파수 조정 메시지를 수신하면, 타겟 장치(230)는 518단계에서 공진 주파수 조정 메시지에 포함된 공진 주파수 정보를 확인해서 공진 주파수 정보에 따라 타겟 장치(230)의 공진 주파수를 조정한다.
그리고, 타겟 장치(230)는 512단계로 돌아가 무선 전력을 수신한다.
도 6은 일 실시예에 따른 공진기 및 피더에서 자기장의 분포를 나타낸다.
별도의 피더를 통해 공진기가 전력을 공급받는 경우에는 피더에서 자기장이 발생하고, 공진기에서도 자기장이 발생한다.
도 6의 (a)를 참조하면, 피더(610)에서 입력 전류가 흐름에 따라 자기장(630)이 발생한다. 피더(610) 내부에서 자기장의 방향(631)과 외부에서 자기장의 방향(633)은 서로 반대 위상을 가진다. 피더(610)에서 발생하는 자기장(630)에 의해 공진기(620)에서 유도 전류가 발생한다. 이때 유도 전류의 방향은 입력 전류의 방향과 반대이다.
유도 전류에 의해 공진기(620)에서 자기장(640)이 발생한다. 자기장의 방향은 공진기(620)의 내부에서는 동일한 방향을 가진다. 따라서, 공진기(620)에 의해 피더(610)의 내부에서 발생하는 자기장의 방향(641)과 피더(610)의 외부에서 발생하는 자기장의 방향(643)은 동일한 위상을 가진다.
결과적으로 피더(610)에 의해서 발생하는 자기장과 공진기(620)에서 발생하는 자기장을 합성하면, 피더(610)의 내부에서는 자기장의 세기가 약화되고, 피더(610)의 외부에서는 자기장의 세기가 강화된다. 따라서, 도 14와 같은 구조의 피더(610)를 통해 공진기(620)에 전력을 공급하는 경우에, 공진기(620) 중심에서 자기장의 세기가 약하고, 외곽에서 자기장의 세기가 강하다. 공진기(620) 상에서 자기장의 분포가 균일(uniform)하지 않은 경우, 입력 임피던스가 수시로 변화하므로 임피던스 매칭을 수행하는 것이 어렵다. 또한, 자기장의 세기가 강한 부분에서는 무선 전력 전송이 잘되고, 자기장의 세기가 약한 부분에서는 무선 전력 전송이 잘 되지 않으므로, 평균적으로 전력 전송 효율이 감소한다.
도 6에서 (b)는 공진기(650)와 피더(660)가 공통의 접지를 가진 무선 전력 전송 장치의 구조를 나타낸다. 공진기(650)는 캐패시터(651)를 포함할 수 있다. 피더(660)는 포트(661)를 통하여, RF 신호를 입력 받을 수 있다. 피더(660)에는 RF 신호가 입력되어, 입력 전류가 생성될 수 있다. 피더(660)에 흐르는 입력 전류는 자기장을 생성하고, 상기 자기장으로부터 공진기(650)에 유도 전류가 유도된다. 또한, 공진기(650)를 흐르는 유도 전류로부터 자기장이 발생한다. 이때, 피더(660)에 흐르는 입력 전류의 방향과 공진기(650)에 흐르는 유도 전류의 방향은 서로 반대 위상을 가진다. 따라서, 공진기(650)와 피더(660) 사이의 영역에서, 입력 전류에 의해 발생하는 자기장의 방향(671)과 유도 전류에 의해 발생하는 자기장의 방향(673)은 동일한 위상을 가지므로, 자기장의 세기가 강화된다. 반면에, 피더(660)의 내부에서는, 입력 전류에 의해 발생하는 자기장의 방향(681)과 유도 전류에 의해 발생하는 자기장의 방향(683)은 반대 위상을 가지므로, 자기장의 세기가 약화된다. 결과적으로 공진기(650)의 중심에서는 자기장의 세기가 약해지고, 공진기(650)의 외곽에서는 자기장의 세기가 강화될 수 있다.
피더(660)는 피더(660) 내부의 면적을 조절하여, 입력 임피던스를 결정할 수 있다. 여기서 입력 임피던스는 피더(660)에서 공진기(650)를 바라볼 때, 보이는 임피던스를 의미한다. 피더(660) 내부의 면적이 커지면 입력 임피던스는 증가하고, 내부의 면적이 작아지면 입력 임피던스는 감소한다. 그런데, 입력 임피던스가 감소하는 경우에도, 공진기(650) 내부의 자기장 분포는 일정하지 않으므로, 타겟 디바이스의 위치에 따라 입력 임피던스 값이 일정하지 않다. 따라서, 전력 증폭기의 출력 임피던스와 상기 입력 임피던스의 매칭을 위해 별도의 매칭 네트워크가 필요하다. 입력 임피던스가 증가하는 경우에는 큰 입력 임피던스를 작은 출력 임피던스에 매칭시키기 위해 별도의 매칭 네트워크가 필요할 수 있다.
도 7은 일 실시예에 따른 공진기 및 피더의 구성을 나타낸 도면이다.
도 7의 (a)를 참조하면, 공진기(710)는 캐패시터(711)를 포함할 수 있다. 피딩부(720)는 캐패시터(711)의 양단에 전기적으로 연결될 수 있다.
(b)는 (a)의 구조를 좀 더 구체적으로 표시한 도면이다. 이때, 공진기(710)는 제1 전송선로, 제1 도체(741), 제2 도체(742), 적어도 하나의 제1 캐패시터(750)를 포함할 수 있다.
제1 캐패시터(750)는 제1 전송 선로에서 제1 신호 도체 부분(731)과 제2 신호 도체 부분(732) 사이에 위치에 직렬로 삽입되며, 그에 따라 전계(electric field)는 제1 캐패시터(750)에 갇히게 된다. 일반적으로, 전송 선로는 상부에 적어도 하나의 도체, 하부에 적어도 하나의 도체를 포함하며, 상부에 있는 도체를 통해서는 전류가 흐르며, 하부에 있는 도체는 전기적으로 그라운드 된다(grounded). 본 명세서에서는 제1 전송 선로의 상부에 있는 도체를 제1 신호 도체 부분(731)과 제2 신호 도체 부분(732)로 나누어 부르고, 제1 전송 선로의 하부에 있는 도체를 제1 그라운드 도체 부분(733)으로 부르기로 한다.
(b)에 도시된 바와 같이, 공진기는 2 차원 구조의 형태를 갖는다. 제1 전송 선로는 상부에 제1 신호 도체 부분(731) 및 제2 신호 도체 부분(732)을 포함하고, 하부에 제1 그라운드 도체 부분(733)을 포함한다. 제1 신호 도체 부분(731) 및 제2 신호 도체 부분(732)과 제1 그라운드 도체 부분(733)은 서로 마주보게 배치된다. 전류는 제1 신호 도체 부분(731) 및 제2 신호 도체 부분(732)을 통하여 흐른다.
또한, (b)에 도시된 바와 같이 제1 신호 도체 부분(731)의 한쪽 단은 제1 도체(741)와 접지(short)되고, 다른 쪽 단은 제1 캐패시터(750)와 연결된다. 그리고, 제2 신호 도체 부분(732)의 한쪽 단은 제2 도체(742)와 접지되며, 다른 쪽 단은 제1 캐패시터(750)와 연결된다. 결국, 제1 신호 도체 부분(731), 제2 신호 도체 부분(732) 및 제1 그라운드 도체 부분(733), 도체들(741, 742)은 서로 연결됨으로써, 공진기는 전기적으로 닫혀 있는 루프 구조를 갖는다. 여기서, '루프 구조'는 원형 구조, 사각형과 같은 다각형의 구조 등을 모두 포함하며, '루프 구조를 갖는다고 함은' 전기적으로 닫혀 있다는 것을 의미한다.
제1 캐패시터(750)는 전송 선로의 중단부에 삽입된다. 보다 구체적으로, 제1캐패시터(750)는 제1 신호 도체 부분(731) 및 제2 신호 도체 부분(732) 사이에 삽입된다. 이 때, 제1 캐패시터(750)는 집중 소자(lumped element) 및 분산 소자(distributed element) 등의 형태를 가질 수 있다. 특히, 분산 소자의 형태를 갖는 분산된 캐패시터는 지그재그 형태의 도체 라인들과 그 도체 라인들 사이에 존재하는 높은 유전율을 갖는 유전체를 포함할 수 있다.
제1 캐패시터(750)가 전송 선로에 삽입됨에 따라 소스 공진기는 메타물질(metamaterial)의 특성을 가질 수 있다. 여기서, 메타물질이란 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 물질들을 RHM(Right Handed Material)이라고 한다. 그러나, 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) 물질 등으로 분류된다.
이 때, 집중 소자로서 삽입된 제1 캐패시터(750)의 캐패시턴스가 적절히 정해지는 경우, 소스 공진기는 메타물질의 특성을 가질 수 있다. 특히, 제1 캐패시터(750)의 캐패시턴스를 적절히 조절함으로써, 소스 공진기는 음의 투자율을 가질 수 있으므로, 소스 공진기는 MNG 공진기로 불려질 수 있다. 제1 캐패시터(750)의 캐패시턴스를 정하는 전제(criterion)들은 다양할 수 있다. 소스 공진기가 메타물질(metamaterial)의 특성을 가질 수 있도록 하는 전제(criterion), 소스 공진기가 대상 주파수에서 음의 투자율을 갖도록 하는 전제 또는 소스 공진기가 대상 주파수에서 영번째 공진(Zeroth-Order Resonance) 특성을 갖도록 하는 전제 등이 있을 수 있고, 상술한 전제들 중 적어도 하나의 전제 아래에서 제1 캐패시터(750)의 캐패시턴스가 정해질 수 있다.
MNG 공진기는 전파 상수(propagation constant)가 0일 때의 주파수를 공진 주파수로 갖는 영번째 공진(Zeroth-Order Resonance) 특성을 가질 수 있다. MNG 공진기는 영번째 공진 특성을 가질 수 있으므로, 공진 주파수는 MNG 공진기의 물리적인 사이즈에 대해 독립적일 수 있다. 즉, 아래에서 다시 설명하겠지만, MNG 공진기에서 공진 주파수를 변경하기 위해서는 제1 캐패시터(750)를 적절히 설계하는 것으로 충분하므로, MNG 공진기의 물리적인 사이즈를 변경하지 않을 수 있다.
또한, 근접장(near field)에서 전계는 전송 선로에 삽입된 제1 캐패시터(750)에 집중되므로, 제1 캐패시터(750)로 인하여 근접 필드에서는 자기장(magnetic field)이 도미넌트(dominant)해진다. 그리고, MNG 공진기는 집중 소자의 제1 캐패시터(750)를 이용하여 높은 큐-팩터(Q-Factor)를 가질 수 있으므로, 전력 전송의 효율을 향상시킬 수 있다. 참고로, 큐-팩터는 무선 전력 전송에 있어서 저항 손실(ohmic loss)의 정도 또는 저항(resistance)에 대한 리액턴스의 비를 나타내는데, 큐-팩터가 클수록 무선 전력 전송의 효율이 큰 것으로 이해될 수 있다.
또한, (b)에 도시되지 아니하였으나, MNG 공진기를 관통하는 마그네틱 코어가 더 포함될 수 있다. 이러한 마그네틱 코어는 전력 전송 거리를 증가시키는 기능을 수행할 수 있다.
(b)를 참조하면, 피딩부(720)는 제2 전송선로, 제3 도체(771), 제4 도체(772), 제5 도체(781) 및 제6 도체(782)를 포함할 수 있다.
제2 전송 선로는 상부에 제3 신호 도체 부분(761) 및 제4 신호 도체 부분(762)을 포함하고, 하부에 제2 그라운드 도체 부분(763)을 포함한다. 제3 신호 도체 부분(761) 및 제4 신호 도체 부분(762)과 제2 그라운드 도체 부분(763)은 서로 마주보게 배치된다. 전류는 제3 신호 도체 부분(761) 및 제4 신호 도체 부분(762)을 통하여 흐른다.
또한, (b)에 도시된 바와 같이 제3 신호 도체 부분(761)의 한쪽 단은 제3 도체(771)와 접지(short)되고, 다른 쪽 단은 제5 도체(781)와 연결된다. 그리고, 제4 신호 도체 부분(762)의 한쪽 단은 제4 도체(772)와 접지되며, 다른 쪽 단은 제6 도체 (782)와 연결된다. 제5 도체(781)는 제1 신호 도체 부분(731)과 연결되고, 제6 도체 (782)는 제2 신호 도체 부분(732)과 연결된다. 제5 도체(781)와 제6 도체(782)는 제1 캐패시터(750)의 양단에 병렬로 연결된다. 이때, 제5 도체(781) 및 제6 도체(782)는 RF신호를 입력받는 입력 포트로 사용될 수 있다.
결국, 제3 신호 도체 부분(761), 제4 신호 도체 부분(762) 및 제2 그라운드 도체 부분(763), 제3 도체(771), 제4 도체(772), 제5 도체(781), 제6 도체(782) 및 공진기(710)는 서로 연결됨으로써, 공진기(710) 및 피딩부(720)는 전기적으로 닫혀 있는 루프 구조를 갖는다. 여기서, '루프 구조'는 원형 구조, 사각형과 같은 다각형의 구조 등을 모두 포함한다. 제5 도체(781) 또는 제6 도체(782)를 통하여 RF 신호가 입력되면, 입력 전류는 피딩부(720) 및 공진기(710)에 흐르게 되고, 입력 전류에 의해 발생하는 자기장에 의하여, 공진기(710)에 유도 전류가 유도 된다. 피딩부(720)에서 흐르는 입력 전류의 방향과 공진기(710)에서 흐르는 유도 전류의 방향이 동일하게 형성됨으로써, 공진기(710)의 중앙에서는 자기장의 세기가 강화되고, 공진기(710)의 외곽에서는 자기장의 세기가 약화된다.
공진기(710)와 피딩부(720) 사이 영역의 면적에 의해 입력 임피던스가 결정될 수 있으므로, 전력 증폭기의 출력 임피던스와 상기 입력 임피던스의 매칭을 수행하기 위해 별도의 매칭 네트워크는 필요하지 않다. 매칭 네트워크가 사용되는 경우에도, 피딩부(720)의 크기를 조절함으로써, 입력 임피던스를 결정할 수 있기 때문에, 매칭 네트워크의 구조는 단순해질 수 있다. 단순한 매칭 네트워크 구조는 매칭 네트워크의 매칭 손실을 최소화한다.
제2 전송 선로, 제3 도체(771), 제4 도체(772), 제5 도체(781), 제6 도체(782) 는 공진기(710)와 동일한 구조를 형성할 수 있다. 즉, 공진기(710)가 루프 구조인 경우에는 피딩부(720)도 루프 구조일 수 있다. 또한, 공진기(710)가 원형 구조인 경우에는 피딩부(720)도 원형 구조일 수 있다.
도 8는 일 실시예에 따른 피딩부의 피딩에 따른 공진기의 내부에서 자기장의 분포를 나타낸 도면이다.
무선 전력 전송에서 피딩은, 소스 공진기에 전력을 공급하는 것을 의미한다. 또한, 무선 전력 전송에서 피딩은, 정류부에 AC 전력을 공급하는 것을 의미할 수 있다. 도 8의 (a)는 피딩부에서 흐르는 입력 전류의 방향 및 소스 공진기에서 유도되는 유도 전류의 방향을 나타낸다. 또한, (a)는 피딩부의 입력 전류에 의해 발생하는 자기장의 방향 및 소스 공진기의 유도 전류에 의해 발생하는 자기장의 방향을 나타낸다. (a)는 도 7의 공진기(710) 및 피딩부(720)를 좀 더 간략하게 표현한 도면이다. (b)는 피딩부와 공진기의 등가회로를 나타낸다.
(a)를 참조하면, 피딩부의 제5 도체 또는 제6 도체는 입력 포트(810)로 사용될 수 있다. 입력 포트(810)는 RF 신호를 입력 받는다. RF 신호는 전력 증폭기로부터 출력될 수 있다. 전력 증폭기는 타겟 장치의 필요에 따라 RF 신호의 진폭을 증감시킬 수 있다. 입력 포트(810)에서 입력된 RF 신호는 피딩부에 흐르는 입력 전류의 형태로 표시될 수 있다. 피딩부를 흐르는 입력 전류는 피딩부의 전송선로를 따라 시계방향으로 흐른다. 그런데, 피딩부의 제5 도체는 공진기와 전기적으로 연결된다. 좀 더 구체적으로, 제5 도체는 공진기의 제1 신호 도체 부분과 연결된다. 따라서 입력 전류는 피딩부 뿐만 아니라 공진기에도 흐르게 된다. 공진기에서 입력 전류는 반시계 방향으로 흐른다. 공진기에 흐르는 입력 전류에 의하여 자기장이 발생하고, 상기 자기장에 의해 공진기에 유도 전류가 생성된다. 유도 전류는 공진기에서 시계방향으로 흐른다. 이때 유도 전류는 공진기의 캐패시터에 에너지를 전달할 수 있다. 또한, 유도 전류에 의해 자기장이 발생한다. (a)에서 피딩부 및 공진기에 흐르는 입력 전류는 실선으로 표시되고, 공진기에 흐르는 유도 전류는 점선으로 표시되었다.
전류에 의해 발생하는 자기장의 방향은 오른나사의 법칙을 통해 알 수 있다. 피딩부 내부에서, 피딩부에 흐르는 입력 전류에 의해 발생한 자기장의 방향(821)과 공진기에 흐르는 유도 전류에 의해 발생한 자기장의 방향(823)은 서로 동일하다. 따라서, 피딩부 내부에서 자기장의 세기가 강화된다.
또한, 피딩부와 공진기 사이의 영역에서, 피딩부에 흐르는 입력 전류에 의해 발생한 자기장의 방향(833)과 소스 공진기에 흐르는 유도 전류에 의해 발생한 자기장의 방향(831)은 서로 반대 위상이다. 따라서, 피딩부와 공진기 사이의 영역에서, 자기장의 세기는 약화된다.
루프 형태의 공진기에서는 일반적으로 공진기의 중심에서는 자기장의 세기가 약하고, 공진기의 외곽부분에서는 자기장의 세기가 강하다. 그런데 (a)를 참조하면, 피딩부가 공진기의 캐패시터 양단에 전기적으로 연결됨으로써 공진기의 유도 전류의 방향과 피딩부의 입력 전류의 방향이 동일해 진다. 공진기의 유도 전류의 방향과 피딩부의 입력 전류의 방향이 동일하기 때문에, 피딩부의 내부에서는 자기장의 세기가 강화되고, 피딩부의 외부에서는 자기장의 세기가 약화된다. 결과적으로 루프 형태의 공진기의 중심에서는 피딩부로 인하여 자기장의 세기가 강화되고, 공진기의 외곽부분에서는 자기장의 세기가 약화될 수 있다. 그러므로 공진기 내부에서는 전체적으로 자기장의 세기가 균일해질 수 있다.
한편, 소스 공진기에서 타겟 공진기로 전달되는 전력 전송의 효율은 소스 공진기에서 발생하는 자기장의 세기에 비례하므로, 소스 공진기의 중심에서 자기장의 세기가 강화됨에 따라 전력 전송 효율도 증가할 수 있다.
(b)를 참조하면, 피딩부(840) 및 공진기(850)는 등가회로로 표현될 수 있다. 피딩부(840)에서 공진기 측을 바라볼 때 보이는 입력 임피던스 Zin은 다음의 수식과 같이 계산될 수 있다.
Figure 112012023714127-pat00001
여기서, M은 피딩부(840)와 공진기(850) 사이의 상호 인덕턴스를 의미하고, ω 는 피딩부(840)와 공진기(850) 간의 공진 주파수를 의미하고, Z는 공진기(850)에서 타겟 장치 측을 바라볼 때 보이는 임피던스를 의미한다. Zin은 상호 인덕턴스 M에 비례한다. 따라서, 피딩부(840)와 공진기(850) 사이에 상호 인덕턴스를 조절함으로써 Zin을 제어할 수 있다. 상호 인덕턴스 M은 피딩부(840)와 공진기(850) 사이 영역의 면적에 따라 조절될 수 있다. 피딩부(840)의 크기에 따라 피딩부(840)와 공진기(850) 사이 영역의 면적이 조절될 수 있다. Zin은 피딩부(840)의 크기에 따라 결정될 수 있으므로, 전력 증폭기의 출력 임피던스와 임피던스 매칭을 수행하기 위해 별도의 매칭 네트워크가 필요하지 않다.
무선 전력 수신 장치에 포함된 타겟 공진기 및 피딩부도 위와 같은 자기장의 분포를 가질 수 있다. 타겟 공진기는 소스 공진기로부터 마그네틱 커플링을 통하여 무선 전력을 수신한다. 이때 수신되는 무선 전력을 통하여 타겟 공진기에서는 유도 전류가 생성될 수 있다. 타겟 공진기에서 유도 전류에 의해 발생한 자기장은 피딩부에 다시 유도 전류를 생성할 수 있다. 이때, (a)의 구조와 같이 타겟 공진기와 피딩부가 연결되면, 타겟 공진기에서 흐르는 전류의 방향과 피딩부에서 흐르는 전류의 방향은 동일해진다. 따라서, 피딩부의 내부에서는 자기장의 세기가 강화되고, 피딩부와 타겟 공진기 사이의 영역에서는 자기장의 세기가 약화될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 방법들은 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 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (15)

  1. 가변 캐패시터를 포함하고, 소스 장치의 조정된 공진 주파수에 기초하여 무선전력을 송신하는 소스 공진기;
    중계 장치와 타겟 장치로부터 정보를 수신하고, 상기 중계 장치의 조정된 공진 주파수의 정보를 상기 중계 장치로 송신하고, 상기 타겟 장치의 조정된 공진 주파수의 정보를 상기 타겟 장치로 송신하는 통신부; 및
    전력 전송 효율을 계산하고, 상기 전력 전송 효율이 기설정된 기준 효율 보다 높지 않으면, 상기 전력 전송 효율이 기설정된 기준 효율 보다 높아질 때까지 상기 소스 장치, 상기 중계 장치 및 상기 타겟 장치의 공진 주파수의 조정을 반복하도록 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 소스 장치의 조정된 공진 주파수, 상기 중계 장치의 조정된 공진 주파수 및 상기 타겟 장치의 조정된 공진 주파수 중에서 적어도 하나는 나머지 장치와 다른 공진 주파수를 가지는
    공진 주파수를 조정해서 커플링 효율을 높이는 무전전력 전송 시스템의 소스 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    출력 전류 및 전압을 검출하고, 검출된 상기 전류 및 상기 전압에 대한 정보를 상기 제어부를 전달하는 전력 검출부를 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 전력 검출부로부터 수신하는 상기 전류 및 상기 전압에 대한 정보를 이용해서 송신한 전력량을 계산하고, 상기 타겟 장치에서 수신한 전력량 정보를 상기 타겟 장치로부터 수신해서 상기 수신한 전력량과 상기 송신한 전력량을 이용해서 상기 전송 효율을 계산하는
    공진 주파수를 조정해서 커플링 효율을 높이는 무전전력 전송 시스템의 소스 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    기설정된 조정 리스트에 포함된 상기 소스 장치, 상기 중계 장치 및 상기 타겟 장치 각각에 대한 기설정된 변경 정보를 상기 소스 장치, 상기 중계 장치 및 상기 타겟 장치 각각의 현재 공진 주파수에 적용해서 상기 소스 장치, 상기 중계 장치 및 상기 타겟 장치 각각에 대한 상기 조정된 공진 주파수 정보들을 확인하는
    공진 주파수를 조정해서 커플링 효율을 높이는 무전전력 전송 시스템의 소스 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 가변 캐패시터의 캐패시턴스 값을 조정해서 상기 공진 주파수를 조정하는
    공진 주파수를 조정해서 커플링 효율을 높이는 무전전력 전송 시스템의 소스 장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 소스 장치의 조정된 공진 주파수에 기초하여 무선 전력을 전송하는 단계;
    전력 전송 효율을 계산하는 단계;
    상기 전력 전송 효율이 기설정된 기준 효율 보다 높지 않으면, 상기 전력 전송 효율이 기설정된 기준 효율 보다 높아질 때까지 상기 소스 장치, 중계 장치 및 타겟 장치의 공진 주파수의 조정을 반복하는 단계를 포함하고,
    상기 전송 효율을 계산하는 단계는,
    상기 타겟 장치에서 수신한 전력량 정보를 상기 타겟 장치로부터 수신해서 상기 수신한 전력량과 송신한 전력량을 이용해서 계산하고,
    상기 소스 장치의 조정된 공진 주파수, 상기 중계 장치의 조정된 공진 주파수 및 상기 타겟 장치의 조정된 공진 주파수 중에서 적어도 하나는 나머지 장치와 다른 공진 주파수를 가지는
    무전전력 전송 시스템의 소스 장치에서 공진 주파수를 조정해서 커플링 효율을 높이는 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전송 효율을 계산하는 단계에서 상기 소스 장치의 상기 조정된 공진 주파수로 무선 전력을 전송하는 단계를 상기 전송 효율이 상기 기준 효율 보다 높을 때까지 반복하는
    무전전력 전송 시스템의 소스 장치에서 공진 주파수를 조정해서 커플링 효율을 높이는 방법.
  10. 삭제
  11. 제8항에 있어서,
    상기 소스 장치, 상기 중계 장치 및 상기 타겟 장치 각각에 대한 조정된 공진 주파수 정보들을 확인하는 단계는,
    실험에 의해 기설정된 조정 리스트에 포함된 상기 소스 장치, 상기 중계 장치 및 상기 타겟 장치 각각에 대한 기설정된 변경 정보를 상기 소스 장치, 상기 중계 장치 및 상기 타겟 장치 각각의 현재 공진 주파수에 적용해서 확인하는
    무전전력 전송 시스템의 소스 장치에서 공진 주파수를 조정해서 커플링 효율을 높이는 방법.
  12. 삭제
  13. 소스 장치, 중계 장치 및 타겟 장치를 포함하는 무선전력 전송 시스템에 있어서,
    상기 소스 장치는
    상기 소스 장치의 조정된 공진 주파수에 기초하여 무선전력을 송신하는 소스 공진기;
    상기 중계 장치와 상기 타겟 장치로부터 정보를 수신하고, 상기 중계 장치의 조정된 공진 주파수의 정보를 상기 중계 장치로 송신하고, 상기 타겟 장치의 조정된 공진 주파수의 정보를 상기 타겟 장치로 송신하는 통신부; 및
    전력 전송 효율을 계산하고, 상기 전력 전송 효율이 기설정된 기준 효율 보다 높지 않으면, 상기 전력 전송 효율이 기설정된 기준 효율 보다 높아질 때까지 상기 소스 장치, 상기 중계 장치 및 상기 타겟 장치의 공진 주파수의 조정을 반복하도록 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 중계 장치는,
    상기 중계 장치의 조정된 공진 주파수에 기초하여 무선전력을 중계하고,
    상기 타겟 장치는,
    상기 타겟 장치의 조정된 공진 주파수에 기초하여 무선전력을 수신하고,
    상기 소스 장치의 조정된 공진 주파수, 상기 중계 장치의 조정된 공진 주파수 및 상기 타겟 장치의 조정된 공진 주파수 중에서 적어도 하나는 나머지 장치와 다른 공진 주파수를 가지는
    무전전력 전송 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 소스 장치는,
    상기 타겟 장치에서 수신한 전력량 정보를 상기 타겟 장치로부터 수신해서 상기 수신한 전력량과 송신한 전력량을 이용해서 계산하는
    무전전력 전송 시스템.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 소스 장치는,
    기설정된 조정 리스트에 포함된 상기 소스 장치, 상기 중계 장치 및 상기 타겟 장치 각각에 대한 기설정된 변경 정보를 상기 소스 장치, 상기 중계 장치 및 상기 타겟 장치 각각의 현재 공진 주파수에 적용해서 상기 소스 장치, 상기 중계 장치 및 상기 타겟 장치 각각에 대한 상기 조정된 공진 주파수 정보들을 확인하는
    무전전력 전송 시스템.
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