KR102235673B1 - 이중 루프 동위상 급전을 이용한 무선 전력 전송 방법 및 장치 - Google Patents

이중 루프 동위상 급전을 이용한 무선 전력 전송 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

이중 루프 동위상 급전을 이용한 무선 전력 전송 방법 및 장치를 제공한다. 무선 전력 전송 장치는 RF(Radio Frequency) 신호를 발생하는 발생기, 상기 발생된 RF 신호를 증폭하는 증폭기, 상기 증폭기에 연결되어 임피던스(impedance) 정합을 수행하는 정합회로, 상기 정합회로에 연결되는 제1 급전루프를 포함하고, 상기 제1 급전루프를 통해 공급되는 신호를 이용하여 무선 전력을 전송하는 제1 공진기 및 상기 정합회로에 연결되는 제2 급전루프를 포함하고, 상기 제2 급전루프를 통해 공급되는 신호를 이용하여 무선 전력을 전송하는 제2 공진기를 포함하고, 상기 제1 급전루프와 상기 제2 급전루프는 상기 제1 공진기에 의해 발생되는 자기장과 상기 제2 공진기에 의해 발생되는 자기장이 동일한 방향으로 여기(excitation)되며 동위상을 가지도록 형성될 수 있다.

Description

이중 루프 동위상 급전을 이용한 무선 전력 전송 방법 및 장치{WIRELESS POWER TRASMISSION METHOD USING INPHASE FEEDING WITH DUAL LOOPS AND APPARATUS USING THE METHOD}
본 발명의 실시예들은 무선 전력 전송 시스템의 전력 전송 효율을 높일 수 있고 수신 공간을 넓힐 수 있는 이중 루프 동위상 급전을 이용한 무선 전력 전송 방법 및 장치에 관한 것이다.
무선 전력 전송에 있어서 전력 효율이 높은 수신 공간을 넓히는 기술은 매우 중요하다. 왜냐하면 그 만큼 수전기에게 위치 자율도를 제공할 수 있고, 송신코일과 수신코일 간의 위치 오차로 인해 전력 전송 효율이 저하되는 문제를 개선할 수 있기 때문이다.
종래의 무선 전력 전송 방식은 송전기와 수전기가 각각 하나의 공진코일을 갖는 단일 급전 방식이었기 때문에 수전기가 무선 전력을 수신할 수 있는 공간이 좁을 수 밖에 없었다. 따라서 이를 개선하기 위한 기술 중 하나로 한국공개특허공보 제10-2013-0099576호(공개일 2013년 9월 6일) "무선 전력 전송 장치"에서는 무선 전력 전송 장치가 송신 피딩 루프를 구비하며 상기 송신 피딩 루프를 이용하여 임피던스 정합과 전력을 전달받아 송신하는 송신 공진기 및 상기 송신 공진기와 동일한 공진 주파수를 가지며 상기 송신 공진기와의 공진 특성을 통해 상호 공명 현상을 발생시켜 소정 공간 내에 에너지를 저장하는 중계 공진기를 이용하여 상기 소정 공간 내에 저장된 에너지를 적어도 하나 이상의 수신 공진기로 전달하는 것이 제시되어 있다.
그러나, 상술한 무선 전력 전송 장치는 두 개의 송신공진코일을 수신공진코일 양측에 설치하되, 하나는 급전루프를 단락시키고 다른 한편만 급전루프를 통해 급전시키는 이중루프 단일 급전 방식이다. 따라서, 양측의 송신공진코일이 넓은 간격으로 설치되는 경우, 급전루프를 가진 송신공진코일을 통해 수신공진코일을 여기시키면 상기 수신공진코일이 반대편에 설치된 단락루프를 가진 송신코일을 여기시키는 순차적인 여기로 인해 수신공진코일이 급전루프가 단락된 송신공진코일에 가깝게 위치할수록 전송효율이 급격하게 감소하게 되므로 수신 공간에 제약이 있는 문제가 있다.
본 발명의 기술적 과제는 전송효율이 높은 수신 공간을 보다 넓게 제공할 수 있는 이중 루프 동위상 급전을 이용한 무선 전력 전송 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 기술적 과제는 전송효율이 높은 수신 공간을 보다 넓게 제공할 수 있는 이중 루프 동위상 급전을 이용한 무선 전력 전송 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 무선 전력 전송 장치는 RF(Radio Frequency) 신호를 발생하는 발생기, 상기 발생된 RF 신호를 증폭하는 증폭기, 상기 증폭기에 연결되어 임피던스(impedance) 정합을 수행하는 정합회로, 상기 정합회로에 연결되는 제1 급전루프를 포함하고, 상기 제1 급전루프를 통해 공급되는 신호를 이용하여 무선 전력을 전송하는 제1 공진기 및 상기 정합회로에 연결되는 제2 급전루프를 포함하고, 상기 제2 급전루프를 통해 공급되는 신호를 이용하여 무선 전력을 전송하는 제2 공진기를 포함하고, 상기 제1 급전루프와 상기 제2 급전루프는 상기 제1 공진기에 의해 발생되는 자기장과 상기 제2 공진기에 의해 발생되는 자기장이 동일한 방향으로 여기(excitation)되며 동위상을 가지도록 형성될 수 있다.
일측에 따르면, 상기 제1 급전루프 및 상기 제2 급전루프에는 동일한 방향으로 전류가 흐를 수 있다.
다른 측면에 따르면, 상기 제1 공진기와 상기 제2 공진기 사이에는 충전 영역이 형성될 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 제1 공진기 및 상기 제2 공진기는 상기 정합회로에 병렬로 연결되고, 상기 제1 급전루프와 상기 제2 급전루프로 공급되는 RF 신호가 분리되는 지점으로부터 상기 제1 급전루프까지의 거리 및 상기 지점으로부터 상기 제2 급전루프까지의 거리는 서로 동일할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 제1 공진기, 상기 제2 공진기 및 상기 정합회로는 각각 "T" 형태의 연결자로 연결될 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 제1 공진기 및 상기 제2 공진기는 상기 정합회로에 직렬로 연결될 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 제1 공진기 및 상기 제2 공진기 중 적어도 하나는 공진코일을 포함할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 무선 전력 수신 장치로부터 수신한 정보를 기반으로 상기 제1 공진기 및 상기 제2 공진기에서 전송되는 무선 전력의 세기를 제어하는 제어기를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 무선 전력 전송 장치에 의한 무선 전력 전송 방법은 RF 신호를 발생하는 단계, 상기 발생된 RF 신호를 증폭하는 단계, 상기 증폭된 신호에 대해 임피던스 정합을 수행하는 단계, 상기 임피던스 정합이 수행된 신호를 제1 급전루프를 이용하여 제1 공진기로 공급하고 제2 급전루프를 이용하여 제2 공진기로 공급하는 단계 및 상기 제1 공진기와 상기 제2 공진기를 이용하여 무선 전력 수신 장치로 무선 전력을 전송하는 단계를 포함하고, 상기 제1 급전루프와 상기 제2 급전루프는 상기 제1 공진기에 의해 발생되는 자기장과 상기 제2 공진기에 의해 발생되는 자기장이 동일한 방향으로 여기되며 동위상을 가지도록 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 무선 전력 수신 장치는 자기 공진을 기반으로 무선 전력 전송 장치로부터 무선 전력을 수신하는 복수개의 공진기, 상기 복수개의 공진기에 연결되어 임피던스 정합을 수행하는 정합회로 및 상기 정합회로를 통해 입력되는 전력을 정류하는 정류기를 포함하고, 상기 복수개의 공진기는 각 공진기에 의해 발생되는 자기장이 서로 동일한 방향으로 여기되고 동위상을 가지도록 형성될 수 있다.
수신코일이 송신코일로부터 멀리 위치하거나 송수신 입출력 임피던스가 고정되더라도 높은 전력 전송 효율을 제공할 수 있다.
무선 전력 전송 장치의 위치에 대한 무선 전력 수신 장치의 자율도가 높아질 수 있으며, 무선 전력 수신 장치의 위치 오차에 따라 저하되는 전력 전송 효율이 개선됨으로써 보다 넓은 영역에서 자유롭게 전력 전송이 가능하다.
도 1은 기존의 이중루프 단일 급전 방식을 이용하는 무선 전력 전송 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 2는 이중루프 단일 급전 방식을 이용하는 경우 수신코일의 위치에 따른 전력 전송 효율을 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 이중루프 동위상 급전 방식을 이용하는 무선 전력 전송 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 병렬형 이중루프 동위상 급전 방식을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 직렬형 이중루프 동위상 급전 방식을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 이중루프 동위상 급전 방식을 이용하는 경우 수신코일의 위치에 따른 전력 전송 효율을 나타내는 그래프이다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이중루프 동위상 급전 방식을 이용하는 무선 전력 전송 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 전송 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 수신 방법을 나타내는 흐름도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. 또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 기존의 이중루프 단일 급전 방식을 이용하는 무선 전력 전송 시스템을 나타내는 블록도이고, 도 2는 이중루프 단일 급전 방식을 이용하는 경우 수신코일의 위치에 따른 전력 전송 효율을 나타내는 그래프이다.
무선 전력 전송 시스템은 도 1에 도시된 것과 같이 일반적으로 무선 전력 전송 장치(100)과 무선 전력 수신 장치(200)로 구성된다. 본 명세서에서 무선 전력이란 용어는 무선으로 전송되는 전력을 의미할 수 있다.
무선 전력 전송 장치(100)는 무선 신호를 발생시키는 발생기(110), 발생기(110)에서 발생된 무선 신호를 증폭시키는 증폭기(120), 증폭기(120)에서 증폭된 무선 전력의 전달 효율을 높이기 위하여 임피던스(impedance) 정합을 수행하는 정합회로(130), 무선 전력 수신 장치(200)로 전력이 제대로 전송되었는지 혹은 무선 전력 수신 장치(200)가 필요한 전력이 얼마인지 등에 대한 정보를 무선 전력 수신 장치(200)와 교환하고 무선 전력의 전송을 제어하는 제어기(140) 및 공간으로 무선 전력을 복사하는 송신소자부(150, 160)를 포함한다. 여기서, 상기 무선 신호는 RF(Radio Frequency) 신호, 전력 신호 등으로 불릴 수 있다.
무선 전력 수신 장치(200)는 상기 공간을 통해 무선 전력을 수신하는 수신소자부(210), 무선 전력의 전달 효율을 높이기 위해 임피던스 정합을 수행하는 정합회로(220), 수신된 전력을 정류하는 정류기(230), 무선 전력 전송 장치(100)와 정보를 교환하고 부하(250)로 공급되는 전력을 제어하는 제어기(240) 및 무선 전력 전송 장치(100)로부터 수신한 전력을 사용하는 부하(250)를 포함할 수 있다.
이러한 무선 전력 전송 시스템에 있어서 도 1에 도시된 것과 같은 "이중루프 단일 급전 방식"은 송신소자부(150, 160)가 각각 급전루프(151, 161) 및 송신공진코일(152, 162)로 구성되며, 이때 제1 송신소자부(150)의 급전루프(151)는 무선 전력 전송 장치(100)로부터 제공되는 전력이 전송될 수 있도록 케이블(170)을 통해 급전되며, 제2 송신소자부(160)의 급전루프(161)는 단락된다. 또한, 각 송신소자부(150, 160)는 소정 거리(D) 이격되어 설치되며, 수신소자부(210)는 송신소자부(150, 160) 사이에 형성되는 충전 영역 내에서 무선 전력을 수신할 수 있다. 그러나, 이러한 구조에서는 수신소자부(210)가 송신소자부(160)로 가까이 갈수록(즉, D0와 D 간의 차이 값이 0에 근접할수록) 급전이 이루어진 송신공진코일(152)에서 여기(excitation)되는 자기장의 세기가 감소되어 결국 임피던스 정합이 이루어지지 못하게 된다.
도 2에는 급전이 이루어진 송신공진코일(152)과 수신공진코일 간의 이격 거리(D0)에 따른 송수신 전력전송 특성을 나타내는 S12 파라미터가 주파수 별로 도시되어 있다. 도 2에는 일 예로, 송신공진코일과 수신공진코일 간의 거리(D) 즉, 수신공진코일이 위치할 수 있는 공간의 길이가 2m인 경우의 전송특성을 나타낸다. 도 2를 참조하면 급전이 이루어진 송신공진코일(152)과 수신공진코일 간의 이격 거리(D0)가 0.8m 이상일 때 송수신 특성이 저하되는 현상을 볼 수가 있다. 이는 급전이 이루어진 송신공진코일(152)로부터 발생되는 자기장이 수신공진코일을 여기시킨 후 상기 수신공진코일로부터 발생되는 자기장이 다시 단락된 송신공진코일(162)를 여기시키는 과정에서 상기 수신공진코일이 위치하는 지점의 자기장의 세기가 급격히 감쇠되어 송신공진코일(152)로부터 발생되는 자기장이 상기 수신공진코일을 충분히 여기시키지 못하였기 때문이다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 송신공진코일(152, 162) 양측을 동시에 급전하되, RF 스위치를 설치하여 제1 송신공진코일(152)을 먼저 여기시켜 수신공진코일의 수신상태를 파악해보고, 이후 제2 송신공진코일(162)을 여기시켜 수신공진코일의 수신상태를 파악한 후 이에 대한 정보를 다시 무선 전력 수신 장치(200)에 보내 가장 큰 전력이 수신되는 방향에 위치한 송신공진코일에 대해서는 급전하고 반대 방향에 위치한 송신공진코일에 대해서는 단락시키는 방법을 고려할 수 있다. 하지만 이러한 방식은 스위칭 과정에서 많은 전력손실이 발생하게 된다. 따라서, 이하에서는 이러한 문제점을 해결할 수 있는 "이중루프 동위상 급전 방식"을 이용한 무선 전력 전송 방법에 대해 설명한다. 여기서 "동위상"이라 함은 급전루프 사이의 중앙 영역에서 자기장이 동위상의 특성을 유지하는 것을 의미한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 이중루프 동위상 급전 방식을 이용하는 무선 전력 전송 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 3을 참조하면, 무선 전력 전송 시스템은 무선 전력 전송 장치(300) 및 무선 전력 수신 장치(400)를 포함한다.
무선 전력 전송 장치(300)는 발생기(310), 증폭기(320), 정합회로(330), 제어기(340), 복수개의 공진기(360, 370)를 포함할 수 있다. 이하에서는 무선 전력 전송 장치(300)가 도 3에 도시된 것과 같이 두 개의 공진기(제1 공진기(360) 및 제2 공진기(370))를 포함하는 경우에 대해 예를 들어 설명하지만, 본 발명에 따른 무선 전력 전송 장치(300)는 필요에 따라 복수개의 공진기를 포함할 수도 있다.
발생기(310)는 RF(Radio Frequency) 신호를 발생한다. 여기서, 상기 RF 신호는 무선 신호, 전력 신호 등으로 불릴 수 있다.
증폭기(320)는 발생기(310)에서 발생된 RF 신호를 증폭한다.
정합회로(330)는 증폭기(320)에서 증폭된 무선 전력의 전달 효율을 높이기 위한 것으로, 증폭기(320)에 연결되어 임피던스(impedance) 정합을 수행한다. 일 예로, 정합회로(330)는 가변 캐패시터(capacitor), 병령형 캐패시터, 인덕턴스(inductance) 회로 등으로 구현될 수 있다. 정합회로(330)는 상기 인피던 정합을 위하여 공진 주파수를 조절할 수도 있고, 공진 주파수를 고정시킨 채로 캐패시턴스(capacitance)를 조절할 수도 있다.
제어기(340)는 무선 전력 수신 장치(400)로부터 수신한 정보를 기반으로 제1 공진기(360) 및 제2 공진기(370)에서 전송되는 무선 전력의 세기를 제어한다. 이를 위하여 제어기(340)는 인밴드(in band) 또는 아웃밴드(out band) 통신을 통해 무선 전력 수신 장치(400)와 다양한 정보를 교환할 수 있다. 무선 전력 전송 장치(300)와 무선 전력 수신 장치(400)가 교환하는 정보는 일 예로, 해당 장치의 능력(capability)에 대한 정보, 고유 식별자 정보, 충전 상태 정보, 충전 제어 정보 등을 포함할 수 있다. 또한, 제어기(340)는 소정 신호를 기반으로 무선 전력 수신 장치(400)의 접근을 감지할 수도 있으며, 충전 영역 상에 이물질이 존재하는지를 검출할 수도 있다.
제1 공진기(360)는 케이블(350)을 통해 정합회로(330)에 연결되는 제1 급전루프(361)를 포함한다. 제1 공진기(360)는 제1 급전루프(361)를 통해 공급되는 신호를 이용하여 무선 전력 수신 장치(400)로 무선 전력을 전송한다.
제2 공진기(370)는 케이블(350)을 통해 정합회로(330)에 연결되는 제2 급전루프(371)를 포함하며, 제1 공진기(360)와 마찬가지로, 제2 급전루프(371)를 통해 공급되는 신호를 이용하여 무선 전력 수신 장치(400)로 무선 전력을 전송한다.
제1 공진기(360) 및 제2 공진기(370)는 필요에 따라 공진코일(362, 372)를 포함하거나 포함하지 않을 수 있다. 제1 공진기(360) 및 제2 공진기(370)에는 충전 영역이 형성될 수 있다.
케이블(350)은 무선 전력 전송 장치(300)에서 발생되는 전력을 각 급전루프(또는 공진코일)에 전달하기 위한 것으로서, 2개의 케이블로 분리되어 하나는 제1 급전루프(361)에 연결되고 다른 하나는 제2 급전루프(371)에 연결될 수 있다. 이때, 분리된 케이블의 길이는 서로 같을 수 있다. 케이블(350)은 케이블이 분리되는 지점에서 전력이 동위상으로 분리되도록 각 급전루프(361, 371)에 연결되며, 제1 급전루프(361)와 제2 급전루프(371)가 동위상으로 급전되도록 할 수 있다. 또한, 제1 급전루프(361)와 제2 급전루프(371)는 수신공진기(무선 전력 수신 장치의 공진기)가 위치하는 영역에서 양측 공진기(360, 370)에 의해 발생되는 자기장이 동일한 방향으로 여기(excitation)되며 동위상을 가지도록 형성될 수 있다. 이를 위하여 제1 급전루프(361) 및 제2 급전루프(371)에는 동일한 방향으로 전류가 흐를 수 있다.
일 예로, 제1 공진기(360) 및 제2 공진기(370)는 정합회로(330)에 병렬로 연결되거나 직렬로 연결될 수 있으며, 병렬로 연결되는 경우 제1 급전루프(371)와 제2 급전루프(372)로 공급되는 RF 신호가 분리되는 지점으로부터 제1 급전루프(371)까지의 거리 및 상기 지점으로부터 제2 급전루프(372)까지의 거리는 서로 동일할 수 있다. 제1 공진기(360) 및 제2 공진기(370)는 정합회로(330)에 동축 케이블을 통해 병렬로 연결되는 경우, 제1 공진기(360), 제2 공진기(370) 및 정합회로(330)는 각각 "T" 형태의 연결자로 연결될 수 있다.
본 발명에 따른 무선 전력 전송 장치(300)는 상술한 구조로 인해 수신 공진기(410)가 송신 공진기(360, 370) 사이 중에서 어디에 위치하는지에 따라 각 공진기(360, 370)로 전달되는 전력이 변하게 된다. 즉, 수신 공진기(410)가 제1 송신 공진기(360)에 근접할수록(즉, D0가 0에 근접할수록) 자동적으로 제1 송신 공진기(360)에서 제2 송신 공진기(370) 보다 많은 전력이 전송되게 되며, 반대로 수신 공진기(420)가 제2 송신 공지기(370)에 근접할수록(즉, D0가 D에 근접할수록) 자동적으로 제2 송신 공진기(370)에서 제1 송신 공진기(360) 보다 많은 전력이 전송되게 된다.
한편, 무선 전력 수신 장치(400)는 적어도 하나의 공진기(410), 정합회로(420), 정류기(430), 제어기(440) 및 부하(450)를 포함할 수 있다.
공진기(410)는 자기 공진을 기반으로 무선 전력 전송 장치(300)로부터 무선 전력을 수신한다.
정합회로(420)는 공진기(410)에 연결되어 임피던스 정합을 수행한다. 정합회로(420)는 가변 캐패시터, 병령형 캐패시터, 인덕턴스 회로 등으로 구현될 수 있다. 정합회로(420)는 공진기(410) 및 정류기(430) 사이에 위치할 수 있다.
정류기(430)는 정합회로(420)를 통해 입력되는 전력을 정류한다. 정류기(430)는 일 예로 AC(Alternating Current)/DC(Direct Current) 변환기로 구현되어 공진기(410)를 통해 수신된 AC 전력을 부하(450)가 사용할 수 있도록 DC 전력을 변환할 수 있다.
제어기(440)는 무선 전력 전송 장치(300)와 정보를 교환하고 부하(450)로 공급되는 전력을 제어한다. 제어기(440)는 인밴드 또는 아웃밴드 통신을 통해 무선 전력 전송 장치(300)와 전력 제어를 위한 다양한 정보를 교환할 수 있다.
부하(250)는 무선 전력 전송 장치(300)로부터 수신한 전력을 사용하는 것으로서, 도 4에는 일 예로 무선 전력 수신 장치(400)가 부하(450)를 포함하는 것으로 도시되어 있으나, 부하(450)는 필요에 따라 무선 전력 수신 장치(400)에 포함되지 않고 USB(Universal Serial Bus) 등을 통해 무선 전력 수신 장치(400)와 연결될 수도 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 병렬형 이중루프 동위상 급전 방식을 나타내는 도면이다. 이하, 도 4를 참조하여 병렬형 이중루프 동위상 급전 방식에 대해 보다 상세히 설명한다.
병렬형 이중루프 동위상 급전 방식을 이용하는 경우, 무선 전력 전송 장치(300)의 제1 급전루프(361)와 제2 급전루프(371)는 케이블(350)을 통해 병렬로 연결될 수 있다. 이때, 각 급전루프(361, 371) 간의 중앙 영역(충전 영역의 중심부)에서 여기되는 자기장이 동일한 방향으로 여기되도록 하기 위하여 각 급전루프(361, 371)에는 전류가 동일한 방향으로 흐르도록 급전될 수 있다. 도 4에 도시된 것과 같은 병렬형 이중루프 동위상 급전 방식을 이용되는 경우에 있어서, 케이블(350)로서 동축 케이블이 사용되는 경우 케이블(350)은 "T" 연결자를 통해 각 급전루프(361, 371)에 연결될 수 있다. 또한, 전력이 분배되는 지점에서 각 급전루프(361, 371)의 거리는 동일할 수 있다. 이 경우, 각 급전루프(361, 371)는 어느 정도의 범주(+/- 20도) 내에서 설치되어도 동위상의 효과를 얻을 수가 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 직렬형 이중루프 동위상 급전 방식을 나타내는 도면이다. 이하, 도 5를 참조하여 병렬형 이중루프 동위상 급전 방식에 대해 보다 상세히 설명한다.
직렬형 이중루프 동위상 급전 방식을 이용하는 경우, 무선 전력 전송 장치(300)의 제1 급전루프(361)와 제2 급전루프(371)는 도 5에 도시된 것과 같이 케이블(350)을 이용하여 직렬로 연결될 수 있다. 이 경우에도 각 급전루프(361, 371) 간의 중앙 영역(충전 영역의 중심부)에서 여기되는 자기장이 동일한 방향으로 여기되도록 하기 위하여 각 급전루프(361, 371)에는 전류가 동일한 방향으로 흐르도록 급전될 수 있다. 이러한 방식으로 급전루프(361, 371)이 구성되는 경우, 수신공진기(무선 전력 수신 장치의 공진기)가 양측 송신공진기(무선 전력 송신 장치의 공진기) 사이에서 어느쪽에 위치해도 송수신공진기 간의 공진이 발생될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 이중루프 동위상 급전 방식을 이용하는 경우 수신코일의 위치에 따른 전력 전송 효율을 나타내는 그래프이다.
도 6에는 일 예로, 본 발명에 따른 병렬형 이중루프 동위상 급전 방식을 이용하는 경우 송신공진기와 수신공진기 간의 이격 거리(D0)에 따른 송수신 전력전송 특성을 나타내는 S12 파라미터가 주파수 별로 도시되어 있다. 각 공진기에는 도 2에서 사용된 송수신소자와 동일한 공진소자가 사용되었다.
도 6을 참조하면, 전송공간(D)이 2미터이고 급전루프와 공진코일 간의 이격 거리가 고정되어 있는 50오옴(ohm) 무선 전력 전송 시스템을 구현하는 경우, 수신 공진기가 공신 공진기 사이에서 어디에 위치하던지 임피던스 정합이 잘 이루어져 우수한 전력전송 효율을 가짐을 알 수 있다. 직렬형 이중루프 동위상 급전 방식 또한 병렬형 이중루프 동위상 급전 방식과 유사한 특성을 가진다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이중루프 동위상 급전 방식을 이용하는 무선 전력 전송 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 7에는 무선 전력 전송 장치(300)의 공진기가 공진코일 없이 급전루프(361, 371)를 포함하는 경우가 도시되어 있다. 이러한 구조에서도 본 발명에 따른 이중루프 동위상 급전 방식을 이용하는 무선 전력 전송 시스템은 기존의 이중루프 단일 급전 방식을 이용하는 무선 전력 전송 시스템보다도 높은 전력전송효율을 가지며, 보다 넓은 수신공간을 제공할 수 있다. 이러한 구조는 송신 공진기에 공진코일이 있는 경우보다도 인접 전기장 및 자기장의 세기가 낮기 때문에 인체영향에 있어 유리한 효과를 가진다.
도 8에는 무선 전력 수신 장치(400)의 공진기가 공진코일 없이 급전루프(412)를 포함하는 경우가 도시되어 있다. 이러한 구조에서도 기존의 이중루프 단일 급전 방식을 이용하는 무선 전력 전송 시스템보다도 높은 전력전송효율과 보다 넓은 수신공간을 제공할 수 있다. 이러한 구조는 무선 전력 수신 장치(400)에 공진코일이 없기 때문에 무선 전력 수신 장치(400)를 가볍고 얇게 제작할 수 있는 효과를 가진다.
도 9에는 본 발명에 의한 이중루프 동위상 급전 방식의 다른 실시예가 도시되어 있는데, 도 3의 방식에서 송신 공진기과 수신 공진기의 역할을 서로 바꾸는 경우도 가능함을 나타낸다. 이러한 관계는 도 4, 도 5, 도 7 및 도 8에 따른 실시예에도 적용 가능하다.
예를 들어 도 9의 실시예를 따르는 경우, 무선 전력 수신 장치(950)는 자기 공진을 기반으로 무선 전력 전송 장치로부터 무선 전력을 수신하는 복수개의 공진기(951, 952), 상기 복수개의 공진기에 연결되어 임피던스 정합을 수행하는 정합회로(미도시) 및 상기 정합회로를 통해 입력되는 전력을 정류하는 정류기(미도시)를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 복수개의 공진기(951, 952)는 각 공진기(951, 952)에 의해 발생되는 자기장이 서로 동일한 방향으로 여기되고 동위상을 가지도록 형성될 수 있다. 이를 위하여, 상기 복수개의 공진기(951, 952)에는 서로 동일한 방향으로 전류가 흐를 수 있다. 또한, 상기 복수개의 공진기는 상기 정합회로에 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다. 상기 복수개의 공진기(951, 952)가 상기 정합회로에 병렬로 연결되는 경우, 상기 정합회로와 각각의 공진기(951, 952)를 연결하는 케이블의 길이는 서로 동일할 수 있다.
이 경우, 무선 전력 전송 장치(900)는 하나의 공진기(901)를 포함할 수 있으며, 상기 하나의 공진기(901)는 상기 복수개의 공진기(951, 952)로 전력을 전송할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 전송 방법을 나타내는 흐름도이다. 이하, 도 10을 참조하여 본 발명에 따른 무선 전력 전송 장치가 무선 전력을 전송하는 방법에 대해 설명한다.
무선 전력 전송 장치의 발생기에 의해 RF 신호를 발생되면(S1010), 상기 발생된 RF 신호는 무선 전력 전송 장치의 증폭기에 의해 증폭된다(S1020). 이후, 무선 전력 전송 장치는 소정의 정합회로를 이용하여 상기 증폭된 신호에 대해 임피던스 정합을 수행하고(S1030), 상기 임피던스 정합이 수행된 신호를 제1 급전루프를 이용하여 제1 공진기로 공급하고 제2 급전루프를 이용하여 제2 공진기로 공급한다(S1030). 그러면, 상기 제1 공진기와 상기 제2 공진기에서 무선 전력 수신 장치로 무선 전력이 전송되며(S1040), 무선 전력 전송 장치는 무선 전력 수신 장치와의 정보 교환을 통해 전송되는 무선 전력의 세기를 제어한다. 이때, 상기 제1 급전루프와 상기 제2 급전루프는 상기 제1 공진기에 의해 발생되는 자기장과 상기 제2 공진기에 의해 발생되는 자기장이 동일한 방향으로 여기되며 동위상을 가지도록 형성될 수 있다. 이를 위하여 상기 제1 급전루프 및 상기 제2 급전루프에는 동일한 방향으로 전류가 흐를 수 있다. 또한, 상기 제1 공진기와 상기 제2 공진기 사이에는 충전 영역이 형성된다.
상기 제1 공진기 및 상기 제2 공진기는 정합회로에 병렬로 연결될 수 있으며, 이 경우 상기 제1 급전루프와 상기 제2 급전루프로 공급되는 RF 신호가 분리되는 지점으로부터 상기 제1 급전루프까지의 거리 및 상기 지점으로부터 상기 제2 급전루프까지의 거리는 서로 동일할 수 있다. 상기 제1 공진기 및 상기 제2 공진기가 동축 케이블로 정합회로에 병렬로 연결되는 경우, 상기 제1 공진기, 상기 제2 공진기 및 상기 정합회로는 각각 "T" 형태의 연결자를 통해 연결될 수 있다. 그러나, 상기 제1 공진기 및 상기 제2 공진기는 상기 임피던스 정합을 수행하는 정합회로에 직렬로 연결될 수도 있다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 수신 방법을 나타내는 흐름도이다.
무선 전력 수신 장치는 무선 전력 전송 장치로부터 무선 전력이 수신되면(S1110), 수신된 무선 전력을 부하에서 사용 가능하도록 정류하고(S1120), 정류된 무선 전력을 부하에 공급한다(S1130). 이때, 무선 전력 수신 장치의 제어기는 부하에 공급되는 전류 및/또는 전압을 측정하여 이에 대한 정보를 무선 전력 전송 장치로 전송할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
300: 무선 전력 전송 장치
310: 발생기
320: 증폭기
330: 정합회로
340: 제어기
350: 케이블
360: 제1 공진기
361: 제1 급전루프
362: 제1 공진코일
370: 제2 공진기
371: 제2 급전루프
372: 제2 공진코일
400: 무선 전력 전송 장치
410: 공진기
411: 공진코일
412: 급전루프
420: 정합회로
430: 정류기
440: 제어기
450: 부하

Claims (20)

  1. RF(Radio Frequency) 신호를 발생하는 발생기;
    상기 발생된 RF 신호를 증폭하는 증폭기;
    상기 증폭기에 연결되어 임피던스(impedance) 정합을 수행하는 정합회로;
    상기 정합회로에 연결되는 제1 급전루프를 포함하고, 상기 제1 급전루프를 통해 공급되는 신호를 이용하여 무선 전력을 전송하는 제1 공진기; 및
    상기 정합회로에 연결되는 제2 급전루프를 포함하고, 상기 제2 급전루프를 통해 공급되는 신호를 이용하여 무선 전력을 전송하는 제2 공진기
    를 포함하고,
    상기 제1 공진기와 제2 공진기는 이중 루프 동위상 급전 방식에 따라 배치되며,
    상기 제1 급전루프와 상기 제2 급전루프는 상기 제1 공진기에 의해 발생되는 자기장과 상기 제2 공진기에 의해 발생되는 자기장이 동일한 방향으로 여기(excitation)되며 동위상을 가지도록 형성되기 위해, 상기 제1 급전루프 및 상기 제2 급전루프에는 동일한 방향으로 전류가 흐르고,
    상기 제1 급전루프와 상기 제2 급전루프로 공급되는 RF 신호가 분리되는 지점으로부터 상기 제1 급전루프까지의 거리 및 상기 지점으로부터 상기 제2 급전루프까지의 거리는 서로 동일하고,
    상기 전류는,
    상기 제1 급전 루프를 통해 제1 방향으로 흐른 후, RF 신호가 분리되는 지점을 거쳐 제2 급전 루프를 진입하여 제2 급전 루프에서 제1 방향으로 흐르는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 공진기와 상기 제2 공진기 사이에는 충전 영역이 형성되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 공진기 및 상기 제2 공진기는 상기 정합회로에 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 공진기, 상기 제2 공진기 및 상기 정합회로는 각각 "T" 형태의 연결자로 연결되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 공진기 및 상기 제2 공진기는 상기 정합회로에 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 공진기 및 상기 제2 공진기 중 적어도 하나는 공진코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    무선 전력 수신 장치로부터 수신한 정보를 기반으로 상기 제1 공진기 및 상기 제2 공진기에서 전송되는 무선 전력의 세기를 제어하는 제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  9. 무선 전력 전송 장치에 의한 무선 전력 전송 방법에 있어서,
    RF(Radio Frequency) 신호를 발생하는 단계;
    상기 발생된 RF 신호를 증폭하는 단계;
    상기 증폭된 신호에 대해 임피던스(impedance) 정합을 수행하는 단계;
    상기 임피던스 정합이 수행된 신호를 제1 급전루프를 이용하여 제1 공진기로 공급하고 제2 급전루프를 이용하여 제2 공진기로 공급하는 단계; 및
    상기 제1 공진기와 상기 제2 공진기를 이용하여 무선 전력 수신 장치로 무선 전력을 전송하는 단계
    를 포함하고,
    상기 제1 공진기와 제2 공진기는 이중 루프 동위상 급전 방식에 따라 배치되며,
    상기 제1 급전루프와 상기 제2 급전루프는 상기 제1 공진기에 의해 발생되는 자기장과 상기 제2 공진기에 의해 발생되는 자기장이 동일한 방향으로 여기(excitation)되며 동위상을 가지도록 형성되기 위해 상기 제1 급전루프 및 상기 제2 급전루프에는 동일한 방향으로 전류가 흐르고,
    상기 제1 급전루프와 상기 제2 급전루프로 공급되는 RF 신호가 분리되는 지점으로부터 상기 제1 급전루프까지의 거리 및 상기 지점으로부터 상기 제2 급전루프까지의 거리는 서로 동일하고,
    상기 전류는,
    상기 제1 급전 루프를 통해 제1 방향으로 흐른 후, RF 신호가 분리되는 지점을 거쳐 제2 급전 루프를 진입하여 제2 급전 루프에서 제1 방향으로 흐르는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 방법.
  10. 삭제
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제1 공진기와 상기 제2 공진기 사이에는 충전 영역이 형성되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 제1 공진기 및 상기 제2 공진기는 상기 임피던스 정합을 수행하는 정합회로에 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 공진기, 상기 제2 공진기 및 상기 정합회로는 각각 "T" 형태의 연결자로 연결되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 방법.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 제1 공진기 및 상기 제2 공진기는 상기 임피던스 정합을 수행하는 정합회로에 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 방법.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 제1 공진기 및 상기 제2 공진기 중 적어도 하나는 공진코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 방법.
  16. 제9항에 있어서,
    무선 전력 수신 장치로부터 수신한 정보를 기반으로 상기 제1 공진기 및 상기 제2 공진기에서 전송되는 무선 전력의 세기를 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 방법.
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 삭제
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