KR102563553B1 - 효율적인 무선 전력 충전 장치 및 그 방법 - Google Patents

효율적인 무선 전력 충전 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 효율적인 무선 전력 충전 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 전원을 공급하는 전원부 및 상기 전원부로부터 제공된 전원을 이용하여 전력을 송신하며 하나의 캐패시터 및 하나의 인덕터를 포함하는 송신 공진부를 포함하는 송신단과; 공진 현상을 이용하여 상기 송신 공진부로부터 전송된 전력을 수신하며 하나의 캐패시터 및 하나의 인덕터를 포함하는 수신 공진부 및 수신된 전력을 이용하여 충전을 수행하는 부하를 각각 포함하는 복수의 수신단과; 상기 송신 공진부와 상기 각각의 수신 공진부 사이의 상호 인덕턴스 및 상기 각 수신단의 등가 부하 임피던스를 결정하고, 상기 각각의 상호 인덕턴스 및 상기 각 수신단의 등가 부하 임피던스를 이용하여 상기 송신단의 출력 전류를 결정하는 제어부를 포함하는 장치에 관한 것이다.

Description

효율적인 무선 전력 충전 장치 및 그 방법{EFFICIENT WIRELESS POWER CHARGING APPARATUS AND METHOD THEREOF}
본 발명은 효율적인 무선 전력 충전 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 최대 효율로 충전이 가능한 무선 전력 충전 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
무선 전력 전송은 유선 대신 무선으로 전자기기에 전원을 공급하는 것을 말하며, 전원이 필요한 장치를 전원 콘센트에 연결하지 않고도 무선으로 충전이 가능하여 관련 연구가 활발히 진행되고 있다. 무선 전력 전송 기술은 자기유도방식, 자기공진방식 및 마이크로파 방식 등이 연구되고 있다.
무선 전력 전송 장치는 무선으로 전력을 전송하는 송신단과 송신된 전력을 수신하는 수신단으로 구성된다. 송신단은 자기장을 생성하여 수신단에 복사하는 방식으로 전력을 수신단에 전달한다. 전력 전송을 위해 송신단과 수신단은 코일을 이용하는데, 동일한 공진 주파수를 가질 때 무선 전력 전송 장치에서 최대의 전력 전송이 발생할 수 있다.
송신단과 수신단에 포함된 코일은 자기 인덕턴스 뿐만 아니라 상호 인덕턴스를 가진다. 상호 인덕턴스는 전력 전송에 큰 영향을 미치기 때문에 최대의 무선 전송 효율을 얻기 위해서는 최적의 상호 인덕턴스 값을 결정하는 것이 중요하다. 또한, 전력을 수신한 수신단에서는 충전 인프라가 갖추어지면 무선으로 전력 충전이 가능하다. 다만, 무선 충전 효율은 충전 환경에 영향을 크게 받고 충전 환경은 다양한 환경적 요인이 존재하기 때문에 최대의 무선 충전 효율을 얻는 것이 어려운 문제가 있다.
본 발명은 효율적인 무선 전력 충전 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 최대 효율로 전력을 충전할 수 있는 무선 전력 충전 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
본 발명은 전원을 공급하는 전원부 및 상기 전원부로부터 제공된 전원을 이용하여 전력을 송신하며 하나의 캐패시터 및 하나의 인덕터를 포함하는 송신 공진부를 포함하는 송신단과; 공진 현상을 이용하여 상기 송신 공진부로부터 전송된 전력을 수신하며 하나의 캐패시터 및 하나의 인덕터를 포함하는 수신 공진부 및 수신된 전력을 이용하여 충전을 수행하는 부하를 각각 포함하는 복수의 수신단과; 상기 송신 공진부와 상기 각각의 수신 공진부 사이의 상호 인덕턴스 및 상기 각 수신단의 등가 부하 임피던스를 결정하고, 상기 각각의 상호 인덕턴스 및 상기 각 수신단의 등가 부하 임피던스를 이용하여 상기 송신단의 출력 전류를 결정하는 제어부를 포함하는 장치에 관한 것이다.
여기서, 본 발명은 송신단은 상기 전원부로부터 제공된 전원을 증폭하여 상기 송신 공진부에 공급하는 증폭부를 더 포함하고, 상기 복수의 수신단 각각은 상기 수신 공진부로부터 발생한 전류를 정류하는 정류부와 상기 부하에 공급되는 전압을 일정하게 유지하기 위한 변환부를 더 포함할 수 있다.
또한, 제어부는 상기 복수의 수신단 각각에 대하여 각 수신단에 대한 복수의 등가 부하 임피던스를 결정하고, 상기 각 수신단에 대한 복수의 등가 부하 임피던스를 이용하여 상기 각 수신단의 등가 부하 임피던스를 결정하며, 상기 각 수신단에 대한 복수의 등가 부하 임피던스는 상기 각 수신단의 미리 결정된 등가 부하 임피던스에 관한 제1 등가 부하 임피던스와 소정의 방법으로 결정되는 제2 등가 부하 임피던스를 포함할 수 있다.
또한, 제어부는 상기 각 수신단의 제2 등가 부하 임피던스가 상기 각 수신단의 제1 등가 부하 임피던스 보다 크거나 같으면 상기 제2 등가 부하 임피던스를 상기 각 수신단의 등가 부하 임피던스로 결정하고, 상기 각 수신단의 제2 등가 부하 임피던스가 상기 각 수신단의 제1 등가 부하 임피던스 보다 작으면 상기 제1 등가 부하 임피던스를 상기 각 수신단의 등가 부하 임피던스로 결정할 수 있다.
또한, 각 수신단에 대한 제1 등가 부하 임피던스는 상기 각 수신단의 부하 임피던스와 동일하게 할 수 있다.
또한, 제어부는 아래 수학식을 이용하여 상기 각 수신단에 대한 제2 등가 부하 임피던스를 결정할 수 있다.
이때, ZC,q 는 제q 수신단의 제2 등가 부하 임피던스
RS,q : 제q 수신단의 수신 공진부의 등가 내부 저항
RP : 송신 공진부의 등가 내부 저항
w0 : 공진 각주파수
M1q : 제q 수신단과 송신단 사이의 상호 인덕턴스
또한, 제어부는 아래 수학식을 이용하여 상기 복수의 수신단 각각에 대응하는 송신단의 출력 전류를 결정할 수 있다.
이때, Iopt,q는 제q 수신단에 대응하는 송신단의 출력 전류
Zopt,q 는 제q 수신단의 등가 부하 임피던스
RS,q : 제q 수신단의 수신 공진부의 등가 내부 저항
VOut,q : 제q 수신단의 부하의 충전 전압
w0 : 공진 각주파수
M1q : 제q 수신단과 송신단 사이의 상호 인덕턴스
RL,q : 제q 수신단의 부하 임피던스
또한, 제어부는 복수의 수신단 각각에 대응하는 송신단의 출력 전류 중에서 가장 큰 전류를 상기 복수의 수신단을 위한 송신단의 출력 전류로 결정할 수 있다.
한편, 하나의 캐패시터 및 하나의 인덕터를 포함하여 전력을 송신하는 송신 공진부 및 공진 현상을 이용하여 상기 송신 공진부로부터 전송된 전력을 수신하며 하나의 캐패시터 및 하나의 인덕터를 각각 포함하는 복수의 수신 공진부 사이의 상호 인덕턴스를 결정하는 과정과; 각각의 수신단이 하나의 수신 공진부 및 수신된 전력을 이용하여 충전을 수행하는 부하를 포함하는 복수의 수신단 각각에 대한 등가 부하 임피던스를 결정하는 과정과; 상기 상호 인덕턴스 및 상기 복수의 수신단 각각에 대한 등가 부하 임피던스를 이용하여 전원을 공급하는 전원부 및 상기 송신 공진부를 포함하는 송신단의 출력 전류를 결정하는 과정을 포함하는 방법에 관한 것이다.
여기서, 본 발명은 전원으로부터 제공된 전원을 증폭하여 상기 송신 공진부에 공급하는 과정과; 상기 복수의 수신단 각각에서 상기 수신 공진부로부터 발생한 전류를 정류하는 과정과; 상기 복수의 수신단 각각에서 상기 정류된 전류를 이용하여 발생한 전압을 일정하게 상기 부하에 공급하는 과정을 더 포함할 수 있다.
또한, 복수의 수신단 각각에 대한 등가 부하 임피던스를 결정하는 과정은, 상기 복수의 수신단 각각에 대하여 각 수신단에 대한 복수의 등가 부하 임피던스를 결정하는 과정과; 상기 각 수신단에 대한 복수의 등가 부하 임피던스를 이용하여 상기 복수의 수신단 각각에 대한 등가 부하 임피던스를 결정하는 과정을 포함하며,
상기 각 수신단에 대한 복수의 등가 부하 임피던스는 상기 각 수신단의 미리 결정된 등가 부하 임피던스에 관한 제1 등가 부하 임피던스와 소정의 방법으로 결정되는 제2 등가 부하 임피던스를 포함할 수 있다.
또한, 각 수신단에 대한 복수의 등가 부하 임피던스를 이용하여 상기 복수의 수신단 각각에 대한 등가 부하 임피던스를 결정하는 과정은, 상기 각 수신단의 제2 등가 부하 임피던스가 상기 각 수신단의 제1 등가 부하 임피던스 보다 크거나 같으면 상기 제2 등가 부하 임피던스를 상기 각 수신단의 등가 부하 임피던스로 결정하고, 상기 각 수신단의 제2 등가 부하 임피던스가 상기 각 수신단의 제1 등가 부하 임피던스 보다 작으면 상기 제1 등가 부하 임피던스를 상기 각 수신단의 등가 부하 임피던스로 결정할 수 있다.
또한, 제1 등가 부하 임피던스는 상기 각 수신단의 부하 임피던스와 동일하게 할 수 있다.
또한, 제2 등가 부하 임피던스는 아래 수학식을 이용하여 결정하는 과정을 포함할 수 있다.
이때, ZC,q 는 제q 수신단의 제2 등가 부하 임피던스
RS,q : 제q 수신단의 수신 공진부의 등가 내부 저항
RP : 송신 공진부의 등가 내부 저항
w0 : 공진 각주파수
M1q : 제q 수신단과 송신단 사이의 상호 인덕턴스
또한, 송신단의 출력 전류를 결정하는 과정은, 아래 수학식을 이용하여 상기 복수의 수신단 각각에 대응하는 송신단의 출력 전류를 결정하는 과정을 포함할 수 있다.
이때, Iopt,q는 제q 수신단에 대응하는 송신단의 출력 전류
Zopt,q 는 제q 수신단의 등가 부하 임피던스
RS,q : 제q 수신단의 수신 공진부의 등가 내부 저항
VOut,q : 제q 수신단의 부하의 충전 전압
w0 : 공진 각주파수
M1q : 제q 수신단과 송신단 사이의 상호 인덕턴스
RL,q : 제q 수신단의 부하 임피던스
또한, 송신단의 출력 전류를 결정하는 과정은, 복수의 수신단 각각에 대응하는 송신단의 출력 전류 중에서 가장 큰 전류를 상기 복수의 수신단을 위한 송신단의 출력 전류로 결정하는 과정을 포함할 수 있다.
본 발명은 전력을 송신하는 송신단의 출력 전류를 제어하여 충전 효율을 제어하므로 최대 효율로 무선 충전을 진행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 무선 전력 충전 장치의 구성도를 나타내는 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 무선 전력 충전 장치의 송신단 및 수신단을 설명하기 위한 도면.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 의한 무선 전력 충전 장치의 하나의 송신단 및 복수의 수신단의 연결 관계를 설명하기 위한 도면이며, 도 3b는 도 3a에서 설명한 무선 전력 충전 장치의 등가 회로를 나타내는 도면.
도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 일 실시예에 의한 무선 전력 충전 장치의 실험예를 나타내는 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 무선 전력 충전 장치의 전력 충전 방법을 설명하기 위한 순서도.
이하, 본 발명의 실시예를 도면과 함께 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 무선 전력 충전 장치(10)의 구성도를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 무선 전력 충전 장치(10)는 전원부(100), 증폭부(110), 통신부(120), 감지부(130), 공진부(140), 정류부(150), 변환부(160) 및 제어부(170)를 포함한다.
전원부(100)는 본 발명의 무선 전력 충전 장치(10)에 전원을 공급하며, 일 예로 AC(Alternating current) 또는 DC(Direct current) 전원을 공급한다.
증폭부(110)는 전원부(100)에서 공급된 전원을 증폭하며, 파워 앰프(Power amp)로 구성할 수 있다.
통신부(120)는 외부 장치 또는 본 발명의 무선 전력 충전 장치(10)의 내부에서의 통신을 위한 것으로, 블루투스(Bluetooth), 와이파이(Wi-fi) 등 근거리 통신 수단 또는 LTE, 5G(5th Generation) 등과 같은 다양한 이동 통신 규격에 따라 이동 통신망에 접속하여 통신할 수 있는 통신 수단을 포함할 수 있다.
감지부(130)는 본 발명의 무선 전력 충전 장치(10)의 소정의 위치에서의 전압 또는 전류 등을 감지하며, 다양한 센서를 포함할 수 있다.
공진부(140)는 코일 사이의 공진 현상에 의해 전력이 전송되도록 하며, 캐패시터 및 인덕터를 각각 포함하는 하나의 송신 공진부 및 복수의 수신 공진부를 포함한다.
정류부(150)는 교류 전류를 직류 전류로 변화하기 위한 것으로, 정류기(Rectifier)로 구성할 수 있다. 정류부(150)는 수신 공진부에서 발생한 전류를 정류한다.
변환부(160)는 충전을 위한 전압 조건을 충족하기 위해 충전을 위해 제공되는 전압을 일정하게 유지하기 위한 것으로, DC-DC 컨버터(Converter)로 구성할 수 있다. 변환부(160)는 전환 비율(conversion ratio)에 따라 전압을 조정할 수 있다.
제어부(140)는 무선 전력 충전이 최대 효율로 진행될 수 있도록 상호 인덕턴스, 수신단(210)의 등가 부하 임피던스, 전류 또는 전압 등을 결정하는 등 본 발명의 무선 전력 충전 장치(10)를 전체적으로 제어한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 무선 전력 충전 장치(10)의 송신단(200) 및 수신단(210)을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 무선 전력 충전 장치(10)는 전력을 전송하는 송신단(200) 및 충전이 가능하도록 전력을 수신하는 수신단(210)을 포함한다.
송신단(200)은 제어부(170), 전원부(100), 증폭부(110) 및 송신 공진부(220)를 포함하며, 수신단(210)은 수신 공진부(230), 정류부(150), 변환부(160) 및 부하(RL)를 포함한다. 도 2에서는 제어부(170)를 송신단(200)에 도시하였으나, 제어부(170)는 송신단(200) 뿐만 아니라 수신단(210)을 포함하여 본 발명의 무선 전력 충전 장치(10)를 전체적으로 제어하도록 구성할 수 있다.
또한, 도 2에서는 도시하지 않았으나 송신단(200) 및 수신단(210)은 감지부(130)를 통해 소정의 위치에서의 전압 또는 전류의 크기를 감지하며, 통신부(120)를 통해 상호 통신할 수 있다. 일 예로, 블루투스 통신을 통해 감지된 전류 또는 전압을 송수신하거나, 제어 정보를 송수신할 수 있다.
도 2에 도시된 각 문자에 대한 설명은 다음과 같다.
VP : 증폭부(110)의 출력 전압, IP : 송신단(200)의 출력 전류
CP : 송신 공진부(220)의 캐패시턴스, LP : 송신 공진부(220)의 자기 인덕턴스
M : 상호 인덕턴스, IS : 수신단(210)의 수신 전류
CS : 수신 공진부(230)의 캐패시턴스, LS : 수신 공진부(230)의 자기 인덕턴스
VR : 정류부(150)의 출력 전압, VOut : 수신단(210)의 부하의 충전 전압
RL : 수신단(210)의 부하 임피던스
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 의한 무선 전력 충전 장치(10)의 하나의 송신단(200) 및 복수의 수신단(210a,210b,210c)의 연결 관계를 설명하기 위한 도면이며, 도 3b는 도 3a에서 설명한 무선 전력 충전 장치(10)의 등가 회로를 나타내는 도면이다.
도 3a를 참조하면, 본 발명의 무선 전력 충전 장치(10)는 하나의 송신단(200) 및 제1 내지 제q 수신단(210a,210b,210c)으로 구성되어 하나의 송신단(200)에서 송신한 전력을 이용하여 제1 내지 제q 수신단(210a,210b,210c)에서 전력 충전이 진행될 수 있도록 한다. 이때, 제1 내지 제q 수신단(210a,210b,210c) 각각은 도2 에서 살펴본 수신단(201)과 동일 또는 유사한 구성을 포함할 수 있다. 또한, 제1 내지 제q 수신단(210a,210b,210c) 각각은 캐패시턴스, 인덕턴스, 임피던스 등 각 구성 소자의 크기를 다른 수신단과 동일하게 구성하거나 서로 상이하게 구성할 수 있다.
도 3b는 도 3a와 같이 구성된 무선 전력 충전 장치(10)의 등가 회로를 나타내는 도면이다.
도 3b를 참조하면, 본 발명의 무선 전력 충전 장치(10)의 등가 회로는 송신단(200)이 전류원(IP), 복수의 저항(RTx, RP), 캐패시턴스(CP)를 가지는 캐패시터 및 자기 인덕턴스( )를 가지는 인덕터 및 상호 인덕턴스(M11,M12,M1q)를 가지는 인덕터를 포함하여 구성된다. 이때, 전류원(IP), 복수의 저항(RTx, RP), 캐패시턴스(CP)를 가지는 캐패시터 및 자기 인덕턴스( )를 가지는 인덕터는 직렬 연결되며, 상호 인덕턴스(M11,M12,M1q)를 가지는 인덕터는 제1 내지 제q 수신단(210a,210b,210c) 사이에 연결될 수 있다.
또한, 제1 수신단(210a)은 자기 인덕턴스(LS1-M11)를 가지는 인덕터, 캐패시턴스(CS1)를 가지는 캐패시터, 저항(RS1), 임피던스(ZL1) 및 상호 인덕턴스(M11)을 가지는 인덕터를 포함하여 구성된다. 또한, 제2 수신단(210b)은 자기 인덕턴스(LS2-M12)를 가지는 인덕터, 캐패시턴스(CS2)를 가지는 캐패시터, 저항(RS2), 임피던스(ZL2) 및 상호 인덕턴스(M12)을 가지는 인덕터를 포함하여 구성된다. 또한, 제q 수신단(210c)은 자기 인덕턴스(LSq-M1q)를 가지는 인덕터, 캐패시턴스(CSq)를 가지는 캐패시터, 저항(RSq), 임피던스(ZLq) 및 상호 인덕턴스(M1q)을 가지는 인덕터를 포함하여 구성된다. 이때, 제1 수신단(210a)은 자기 인덕턴스(LS1-M11)를 가지는 인덕터, 캐패시턴스(CS1)를 가지는 캐패시터, 저항(RS1) 및 임피던스(ZL1)가 직렬 연결되며, 제2 수신단(210b)은 자기 인덕턴스(LS2-M12)를 가지는 인덕터, 캐패시턴스(CS2)를 가지는 캐패시터, 저항(RS2) 및 임피던스(ZL2)가 직렬 연결되고, 제q 수신단(210c)은 자기 인덕턴스(LSq-M1q)를 가지는 인덕터, 캐패시턴스(CSq)를 가지는 캐패시터, 저항(RSq) 및 임피던스(ZLq)가 직렬 연결될 수 있다.
도 3b에 도시된 각 문자에 대한 설명은 다음과 같다.
VT : 송신단(200)의 제어부(170)의 출력 전압, IP : 송신단(200)의 출력 전류
CP : 송신 공진부(220)의 캐패시턴스, LP : 송신 공진부(220)의 자기 인덕턴스
RP : 송신 공진부(220)의 등가 내부 저항, RTx : 증폭부(110)의 등가 내부 저항
w : 동작 각주파수, w0 : 공진부(140)의 공진 각주파수
f : 동작 주파수, f0 : 공진부(140)의 공진 주파수
M1q : 제q 수신단(210c)과 송신단(200) 사이의 상호 인덕턴스
ISq : 제q 수신단(210c)의 수신 전류,
LSq : 제q 수신단(210c)의 자기 인덕턴스
CSq : 제q 수신단(210c)의 캐패시턴스
VRq : 제q 수신단(210c)의 정류부(150)의 출력 전압
RSq : 제q 수신단(210c)의 수신 공진부(230)의 등가 내부 저항
ZLq : 제q 수신단(210c)의 등가 부하 임피던스,
RLq : 제q 수신단(210c)의 부하 임피던스
VOut,q : 제q 수신단(210c)의 부하의 충전 전압
ZCoil.SIMO : 송신단(200)의 증폭부(110)로부터 바라보는 임피던스
Zref,q : 송신단(200)의 송신 공진부(220)로부터 제q 수신단(210c)을 바라보는 임피던스
본 발명은 도 3a 및 도3b와 같이 구성된 상태에서 최대 효율로 무선 전력 충전이 진행될 수 있도록 한다. 무선 전력 충전을 진행함에 있어서는 제1 내지 제q 수신단(210a,210b,210c) 각각의 위치, 충전이 필요한 부하의 용량 등과 같은 충전 환경에 대응하여 송신단(200)의 출력 전류(IP) 값을 최적의 상태로 유지하는 것이 중요하다. 이에 본 발명은 충전 환경에 대응하여 송신단(200)의 출력 전류(IP) 값을 최적의 상태로 유지하여 최대 효율로 무선 충전이 진행될 수 있도록 한다.
본 발명에서 충전 환경에 대응하여 출력 전류(IP) 값을 최적의 상태로 유지하기 위한 방법을 살펴보면 다음과 같다.
이하에서, 편의상 제q수신단(210)에 관한 전류, 저항, 임피던스 등에 ','를 표시한 경우,','를 생략한 경우와 동일한 것으로 본다. 일예로 Isq = Is,q 등과 같다.
먼저, [수학식 1] 내지 [수학식 3]을 살펴보면 시스템 효율(η)은 제1 내지 제q 수신단(210a,210b,210c) 각각의 상호 인덕턴스 및 등가 부하 임피던스에 의해 변하게 되는 것을 알 수 있다.
[수학식 1]
[수학식 2]
[수학식 3]
제1 내지 제q 수신단(210a,210b,210c) 각각은 각 수신단 자체의 최대의 효율을 위한 최적의 임피던스가 존재하지만, 해당 임피던스는 송신단(200)의 출력 전류에 영향을 받기 때문에 제1 내지 제q 수신단(210a,210b,210c) 각각이 자체의 최대 효율을 위한 임피던스를 동시에 만족한 상태에서 충전을 진행하기는 어렵다. 따라서, 제1 내지 제q 수신단(210a,210b,210c) 전체적으로 최대 효율을 발생시킬 수 있는 송신단(200)의 출력 전류를 결정하는 것이 중요하다. 이를 위해 제어부(170)는 제1 내지 제q 수신단(210a,210b,210c) 각각이 최대의 효율을 가질 수 있는 크리티컬 포인트(Critical point)가 되는 각 수신단의 등가 부하 임피던스(ZC,q)를 [수학식 4]와 같이 결정한다.
[수학식 4]
이때, ZC,q 는 제q 수신단(210c)의 크리티컬 포인트가 되는 등가 부하 임피던스
다음으로 제어부(170)는 무선 충전 장치의 제한 조건을 고려한다. 일 예로, 제한 조건으로는 제1 내지 제q 수신단(210a,210b,210c) 각각은 충전을 수행하기 위한 최소의 전력이 필요하며, 각 수신단(210a,210b,210c)은 최소 등가 부하 임피던스(ZL,min,q)를 가진다는 것을 고려할 수 있다. 이때, 제1 내지 제q 수신단(210a,210b,210c)의 최소 등가 부하 임피던스(ZL,min,q)는 [수학식 5]와 같이 결정되며, 최소 등가 부하 임피던스(ZL,min,q)는 미리 결정될 수 있다.
[수학식 5]
이때, ZL,min,q는 제q 수신단(210c)의 최소 등가 부하 임피던스
이와 같은 제한 조건을 고려하여 제어부(170)는 제1 내지 제q 수신단(210a,210b,210c) 각각이 최대의 효율을 가질 수 있는 최적의 등가 부하 임피던스(Zopt,q)를 [수학식 6]과 같이 결정한다.
[수학식 6]
이때, Zopt,q 는 제q 수신단(210c)의 제한 조건을 고려한 최적의 등가 부하임피던스
제1 내지 제q 수신단(210a,210b,210c) 각각에 대한 최적의 등가 부하임피던스(Zopt,q)가 결정되면, 제어부(170)는 [수학식 7]을 이용하여 제1 내지 제q 수신단(210a,210b,210c) 각각에 최대의 효율을 제공할 수 있는 송신단(200)의 출력 전류(Iopt,q)를 결정한다.
[수학식 7]
이때, Iopt,q는 제q 수신단(210c)의 최대의 효율을 제공할 수 있는 송신단(200)의 출력 전류
RS,q : 제q 수신단(210c)의 수신 공진부의 등가 내부 저항
RL,q : 제q 수신단(210c)의 부하 임피던스
앞서 살펴본 바와같이 송신단(200)에서는 제1 내지 제q 수신단(210a,210b,210c) 각각에 대한 최대의 효율을 제공하기 위한 전류를 동시에 공급하는 것이 어렵기 때문에 제어부(170)는 [수학식 8]과 같이 제1 내지 제q 수신단(210a,210b,210c) 각각에 최대의 효율을 제공할 수 있는 송신단(200)의 출력 전류(Iopt,q) 중에서 가장 큰 전류를 송신단(200)의 출력 전류(Iopt,SIMO)로 결정한다.
[수학식 8]
이때, Iopt,SIMO는 제1 내지 제q 수신단(210a,210b,210c)에 대해 전체적으로 최대의 효율을 제공할 수 있는 송신단(200)의 출력 전류
한편, 제어부(170)는 출원번호 10-2019-0092894(출원일 : 2019.07.31)에서 설명한 방법을 통해 상호 인덕턴스를 결정할 수 있으며, 본 발명은 출원번호 10-2019-0092894에서 설명한 방법을 통해 결정된 상호 인덕턴스를 이용할 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 일 실시예에 의한 무선 전력 충전 장치(10)의 실험예를 나타내는 도면이다.
도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 일 실시예로서 송신단(200), 제1 수신단(210a) 및 제2 수신단(210b)인 경우에 대한 것이다. 또한, 상호 인덕턴스 M11=700nH, M12=400nH, f=f0=1MHz 인 경우이다.
도 4a를 참조하면, 수신단(210a,210b)의 개수만큼 등가 부하 임피던스가 존재하고, 이에 따라 효율이 변하며 최대의 효율을 가지는 임피던스가 존재하는 것을 나타내고 있다.
도 4b를 참조하면, 각 수신단(210a,210b)의 최대의 효율을 제공하는 최적의 임피던스가 송신단(200)의 출력 전류에 종속되어 있어서 각 수신단(210a,210b)의 최적의 임피던스를 동시에 만족하기 어렵다는 것을 나타내고 있다.
도 4c는 제1 수신단(210a)의 크리티컬 포인트가 되는 등가 부하 임피던스(ZC,1)가 제1 수신단(210a)의 최소 등가 부하 임피던스(ZL,min,1) 보다 크고, 제2 수신단(210b)의 크리티컬 포인트가 되는 등가 부하 임피던스(ZC,2)이 제2 수신단(210b)의 최소 등가 부하 임피던스(ZL,min,2) 보다 큰 경우 송신단(200)의 출력 전류(Iopt)를 결정하는 것을 나타내고 있다.
도 4d는 제1 수신단(210a)의 크리티컬 포인트가 되는 등가 부하 임피던스(ZC,1)가 제1 수신단(210a)의 최소 등가 부하 임피던스(ZL,min,1) 보다 작고, 제2 수신단(210b)의 크리티컬 포인트가 되는 등가 부하 임피던스(ZC,2)가 제2 수신단(210b)의 최소 등가 부하 임피던스(ZL,min,2) 보다 작은 경우 송신단(200)의 출력 전류(Iopt)를 결정하는 것을 나타내고 있다.
도 4e는 수신단(210a,210b)의 충전 환경 변화에 따라 수신단(210a,210b)의 최대 효율을 위한 송신단(200)의 출력 전류(Iopt,SIMO)를 결정하는 것을 나타내고 있다. 실험 조건은 LP = 6.53uH, LS = 9.17uH, RP = 0.9Ω, RS1 = RS2 = 0.7Ω, f0=1MHz 인 경우이다. 도 4e에서 MEPT(Maximum Efficiency Point Tracking)는 수신단(210a,210b)의 최대 효율을 위해 송신단(200)의 출력 전류(Iopt,SIMO)를 결정하는 것으로, 충전 환경 변화에 대응하여 적응적으로 결정되는 것을 나타내고 있다.
도 4f는 수신단(210a,210b)의 충전 환경 변화를 나타내는 것으로, 일 예로, 부하의 상태 및 개수 변화, 수신단의 위치 변화를 나타내고 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 무선 전력 충전 장치(10)의 전력 충전 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명은 전력 충전이 진행되지 않는 상태에서는 최소한의 전력 소모를 위하여 제어부(170)가 펄스 신호를 송신하여 부하의 존재 여부를 모니터링하는 대기모드를 진행한다(500). 부하의 존재를 확인하면(510의 예), 제어부(170)는 출원번호 10-2019-0092894(출원일 : 2019.07.31)에서 설명한 방법을 통해 상호 인덕턴스를 결정한다(520). 이후, 최대의 충전 효율을 제공하기 위하여 제1 내지 제q 수신단(210a,210b,210c) 각각이 최대의 효율을 가질 수 있는 최적의 등가 부하 임피던스(Zopt,q)를 [수학식 6]을 이용하여 결정한다(430). 구체적으로, 제1 내지 제q 수신단(210a,210b,210c)에서 충전을 수행하기 위해 필요한 최소한의 전력 및 제1 내지 제q 수신단(210a,210b,210c)의 각각의 최소 등가 부하 임피던스(ZL,min,q)와 관계없이 무선 충전을 위한 최대 효율을 제공할 수 있는 크리티컬 포인트가 되는 제1 내지 제q 수신단(210a,210b,210c)의 등가 부하 임피던스(ZC,q)를 [수학식 4]를 통해 결정하고, 제1 내지 제q 수신단(210a,210b,210c)의 최소 등가 부하 임피던스(ZL,min,q)를 [수학식 5]를 통해 결정하여 상호 비교한다.
최대의 충전 효율을 제공하기 위하여 제1 내지 제q 수신단(210a,210b,210c)의 등가 부하 임피던스(ZOpt,q)가 결정되면, 제어부(170)는 [수학식 8]를 이용하여 최대 효율을 제공하기 위한 송신단(200)의 출력 전류(Iopt,SIMO)를 결정한다(540). 구체적으로, 제어부(170)는 제1 내지 제q 수신단(210a,210b,210c) 각각에 최대의 효율을 제공할 수 있는 송신단(200)의 출력 전류(Iopt,q)를 [수학식 7]을 통해 결정하고, 제1 내지 제q 수신단(210a,210b,210c) 각각에 최대의 효율을 제공할 수 있는 송신단(200)의 출력 전류(Iopt,q) 중에서 가장 큰 전류를 송신단(200)의 출력 전류(Iopt,SIMO)로 결정한다.
또한, 충전 환경은 수많은 인자들이 작용할 수 있지만 [수학식 8]은 모든 환경적 요인을 적용하기 어렵기 때문에 제어부(170)는 결정된 송신단(200)의 출력 전류(IOpt,SIMO)를 조정한다(550). 일 예로, Hill-Climbing 최적화 기법을 이용할 수 있는데, 결정된 출력 전류(IOpt,SIMO)를 기준으로 소정 범위 내에 있는 전류를 이용하여 효율을 결정하고 결정된 출력 전류(IOpt,SIMO)에 대한 효율과 비교하여 최대의 효율을 제공할 수 있도록 결정된 출력 전류(IOpt,SIMO)를 조정한다.
송신단(200)의 출력 전류(IOpt,SIMO)가 확정되면 송신단(200)은 제1 내지 제q 수신단(210a,210b,210c)에 전력을 공급하여 충전이 진행될 수 있도록 한다(560). 이때, 충전 진행 중에 부하의 위치가 변경되는 등으로 충전 환경이 변화될 수 있으므로 제어부(170)는 주기적으로 충전 환경에 대해 모니터링을 진행하여 충전 환경에 변화가 있는 경우(570의 예) 상호 인덕턴스를 결정하는 과정부터 송신단(200)의 출력 전류(IOpt,SIMO)를 조정하는 과정까지 다시 진행한다.
한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다.
그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되지 않으며, 후술되는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: 전원부 110: 증폭부
120: 통신부 130: 감지부
140: 공진부 150: 정류부
160: 변환부 170: 제어부

Claims (16)

  1. 무선 전력 충전 장치에 있어서,
    전원을 공급하는 전원부 및 상기 전원부로부터 제공된 전원을 이용하여 전력을 송신하며 하나의 캐패시터 및 하나의 인덕터를 포함하는 송신 공진부를 포함하는 송신단과;
    공진 현상을 이용하여 상기 송신 공진부로부터 전송된 전력을 수신하며 하나의 캐패시터 및 하나의 인덕터를 포함하는 수신 공진부 및 수신된 전력을 이용하여 충전을 수행하는 부하를 각각 포함하는 복수의 수신단과;
    상기 송신 공진부와 상기 각각의 수신 공진부 사이의 상호 인덕턴스 및 상기 각 수신단의 등가 부하 임피던스를 결정하고, 상기 각각의 상호 인덕턴스 및 상기 각 수신단의 등가 부하 임피던스를 이용하여 상기 송신단의 출력 전류를 결정하는 제어부를 포함하며,
    상기 제어부는 상기 복수의 수신단 각각에 대하여 각 수신단에 대한 복수의 등가 부하 임피던스를 결정하고, 상기 각 수신단에 대한 복수의 등가 부하 임피던스를 이용하여 상기 각 수신단의 등가 부하 임피던스를 결정하며,
    상기 각 수신단에 대한 복수의 등가 부하 임피던스는 상기 각 수신단의 미리 결정된 등가 부하 임피던스에 관한 제1 등가 부하 임피던스와 아래 수학식을 이용하여 결정되는 제2 등가 부하 임피던스를 포함하는 장치.

    이때, ZC,q 는 제q 수신단의 제2 등가 부하 임피던스
    RS,q : 제q 수신단의 수신 공진부의 등가 내부 저항
    RP : 송신 공진부의 등가 내부 저항
    w0 : 공진 각주파수
    M1q : 제q 수신단과 송신단 사이의 상호 인덕턴스
  2. 제1항에 있어서,
    상기 송신단은 상기 전원부로부터 제공된 전원을 증폭하여 상기 송신 공진부에 공급하는 증폭부를 더 포함하고,
    상기 복수의 수신단 각각은 상기 수신 공진부로부터 발생한 전류를 정류하는 정류부와 상기 부하에 공급되는 전압을 일정하게 유지하기 위한 변환부를 더 포함하는 장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 각 수신단의 제2 등가 부하 임피던스가 상기 각 수신단의 제1 등가 부하 임피던스 보다 크거나 같으면 상기 제2 등가 부하 임피던스를 상기 각 수신단의 등가 부하 임피던스로 결정하고, 상기 각 수신단의 제2 등가 부하 임피던스가 상기 각 수신단의 제1 등가 부하 임피던스 보다 작으면 상기 제1 등가 부하 임피던스를 상기 각 수신단의 등가 부하 임피던스로 결정하는 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 각 수신단에 대한 제1 등가 부하 임피던스는 상기 각 수신단의 부하 임피던스와 동일한 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 아래 수학식을 이용하여 상기 복수의 수신단 각각에 대응하는 송신단의 출력 전류를 결정하는 장치.

    이때, Iopt,q는 제q 수신단에 대응하는 송신단의 출력 전류
    Zopt,q 는 제q 수신단의 등가 부하 임피던스
    RS,q : 제q 수신단의 수신 공진부의 등가 내부 저항
    VOut,q : 제q 수신단의 부하의 충전 전압
    w0 : 공진 각주파수
    M1q : 제q 수신단과 송신단 사이의 상호 인덕턴스
    RL,q : 제q 수신단의 부하 임피던스
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 복수의 수신단 각각에 대응하는 송신단의 출력 전류 중에서 가장 큰 전류를 상기 복수의 수신단을 위한 상기 송신단의 출력 전류로 결정하는 장치.
  9. 무선 전력 충전 방법에 있어서,
    하나의 캐패시터 및 하나의 인덕터를 포함하여 전력을 송신하는 송신 공진부 및
    공진 현상을 이용하여 상기 송신 공진부로부터 전송된 전력을 수신하며 하나의 캐패시터 및 하나의 인덕터를 각각 포함하는 복수의 수신 공진부 사이의 상호 인덕턴스를 결정하는 과정과;
    각각의 수신단이 하나의 수신 공진부 및 수신된 전력을 이용하여 충전을 수행하는 부하를 포함하는 복수의 수신단 각각에 대한 등가 부하 임피던스를 결정하는 과정과;
    상기 상호 인덕턴스 및 상기 복수의 수신단 각각에 대한 등가 부하 임피던스를 이용하여 전원을 공급하는 전원부 및 상기 송신 공진부를 포함하는 송신단의 출력 전류를 결정하는 과정을 포함하며,
    상기 복수의 수신단 각각에 대한 등가 부하 임피던스를 결정하는 과정은,
    상기 복수의 수신단 각각에 대하여 각 수신단에 대한 복수의 등가 부하 임피던스를 결정하는 과정과;
    상기 각 수신단에 대한 복수의 등가 부하 임피던스를 이용하여 상기 복수의 수신단 각각에 대한 등가 부하 임피던스를 결정하는 과정을 포함하며,
    상기 각 수신단에 대한 복수의 등가 부하 임피던스는 상기 각 수신단의 미리 결정된 등가 부하 임피던스에 관한 제1 등가 부하 임피던스와 아래의 수학식을 이용하여 결정되는 제2 등가 부하 임피던스를 포함하는 방법.

    이때, ZC,q 는 제q 수신단의 제2 등가 부하 임피던스
    RS,q : 제q 수신단의 수신 공진부의 등가 내부 저항
    RP : 송신 공진부의 등가 내부 저항
    w0 : 공진 각주파수
    M1q : 제q 수신단과 송신단 사이의 상호 인덕턴스
  10. 제9항에 있어서,
    상기 전원으로부터 제공된 전원을 증폭하여 상기 송신 공진부에 공급하는 과정과;
    상기 복수의 수신단 각각에서 상기 수신 공진부로부터 발생한 전류를 정류하는 과정과;
    상기 복수의 수신단 각각에서 상기 정류된 전류를 이용하여 발생한 전압을 일정하게 상기 부하에 공급하는 과정을 더 포함하는 방법.
  11. 삭제
  12. 제9항에 있어서,
    상기 각 수신단에 대한 복수의 등가 부하 임피던스를 이용하여 상기 복수의 수신단 각각에 대한 등가 부하 임피던스를 결정하는 과정은,
    상기 각 수신단의 제2 등가 부하 임피던스가 상기 각 수신단의 제1 등가 부하 임피던스 보다 크거나 같으면 상기 제2 등가 부하 임피던스를 상기 각 수신단의 등가 부하 임피던스로 결정하고, 상기 각 수신단의 제2 등가 부하 임피던스가 상기 각 수신단의 제1 등가 부하 임피던스 보다 작으면 상기 제1 등가 부하 임피던스를 상기 각 수신단의 등가 부하 임피던스로 결정하는 방법.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 제9항에 있어서,
    상기 송신단의 출력 전류를 결정하는 과정은,
    아래 수학식을 이용하여 상기 복수의 수신단 각각에 대응하는 송신단의 출력 전류를 결정하는 과정을 포함하는 방법.

    이때, Iopt,q는 제q 수신단에 대응하는 송신단의 출력 전류
    Zopt,q 는 제q 수신단의 등가 부하 임피던스
    RS,q : 제q 수신단의 수신 공진부의 등가 내부 저항
    VOut,q : 제q 수신단의 부하의 충전 전압
    w0 : 공진 각주파수
    M1q : 제q 수신단과 송신단 사이의 상호 인덕턴스
    RL,q : 제q 수신단의 부하 임피던스
  16. 삭제
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