KR102568851B1 - 무선 전력 전송 시스템 - Google Patents

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KR102568851B1
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임용석
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한국전자기술연구원
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Abstract

본 발명은, 외부 이물질을 검출하는 무선 전력 전송 시스템으로서, 교류 전력을 송전하는 송전 코일과, 송전 코일과 이격되며 송전 코일이 송전한 교류 전력을 수전하는 수전 코일과, 저항, 검출 코일 및 커패시터가 직렬로 연결되며, 송전 코일 및 수전 코일 사이에 위치한 외부 이물질을 검출하는 검출 회로와, 검출 코일 및 커패시터가 공진되는 공진 주파수를 갖는 제1 교류 전압을 검출 회로에 공급하는 제1 교류 전원포함하는 무선 전력 전송 시스템을 제공한다.

Description

무선 전력 전송 시스템{SYSTEM FOR WIRELESS POWER TRANSMISSION}
본 발명은 무선 전력 전송 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 비교적 작은 외부 이물질을 검출할 수 있는 검출 회로를 포함하는 무선 전력 전송 시스템에 관한 것이다.
전기 자동차, AGV(Automated Guided Vehicle) 및 로봇 등의 전기 충전 시스템에는 배터리가 장착되어 전력을 공급 받는다. 이 때, 배터리 잔량이 일정 수준 이하가 되면 배터리 충전이 필요하게 되며, 배터리 충전을 위해 전기 자동차 등이 충전 스테이션으로 이동하여 전력 수신용 케이블을 전기 자동차 등에 연결하여 전력을 공급받게 된다.
그러나, 이와 같은 충전 방식은 배터리 충전을 위해 충전 스테이션으로 이동해야 하며, 충전을 위해 케이블을 연결 해야 하는 불편함이 존재한다.
이에 따라, 전기 자동차 등이 운행 중에도 전력을 공급받을 수 있으며, 전기 충전 스테이션으로 이동하는 경우에도 충전을 위한 케이블 연결 없이 자동으로 전력을 충전할 수 있는 비접촉의 충전 시스템의 요구가 높아지고 있다.
이와 같은 비접촉에 의해 전력을 전송 받기 위해서는 무선 충전 기술이 필요하다. 무선 충전 기술은 송전 코일이 전기 자동차 등에 구비된 수전 코일에 무선으로 전력을 전송하는 기술로서, 이러한 송전 코일 및 수전 코일 사이에는 일정 거리 이상의 유격 공간이 존재한다.
이 때, 무선 전력 전송 시, 송전 코일 및 수전 코일의 유격 공간에 외부 이물질(Foreign Object)이 존재하게 되면, 무선 충전 시스템의 오동작을 유발할 뿐만 아니라 외부 이물질의 발열로 인해 화재가 발생할 수 있다.
이와 같은 문제를 해결하기 위한 종래의 기술로는 송전 코일 및 수전 코일 사이에 검출 코일을 배치하여 검출 코일에 유도된 전압을 감지함으로써, 송전 코일 및 수전 코일 사이에 외부 이물질이 존재하는지 판단하는 기술이 있다.
그러나, 종래의 기술은, 외부 이물질의 크기가 동전과 같이 비교적 작은 크기일 경우 검출 코일에 유도된 전압은 매우 작기 때문에, 비교적 작은 크기의 외부 이물질을 검출하는데 있어 한계가 있다.
이와 같은 한계점을 극복하기 위해, 유도된 전압을 증폭하여 외부 이물질을 검출하는 기술이 제안되고 있으나, 이 경우 노이즈(noise)까지 증폭되기 때문에 외부 이물질을 정확히 검출하기 어려움이 있다.
상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은, 동전과 같이 비교적 작은 크기의 외부 이물질을 검출할 수 있는 무선 전력 전송 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
전술한 과제를 해결하기 위해, 본 발명은, 외부 이물질을 검출하는 무선 전력 전송 시스템으로서, 교류 전력을 송전하는 송전 코일과, 송전 코일과 이격되며 송전 코일이 송전한 교류 전력을 수전하는 수전 코일과, 저항, 검출 코일 및 커패시터가 직렬로 연결되며, 송전 코일 및 수전 코일 사이에 위치한 외부 이물질을 검출하는 검출 회로와, 검출 코일 및 커패시터가 공진되는 공진 주파수를 갖는 제1 교류 전압을 검출 회로에 공급하는 제1 교류 전원포함하는 무선 전력 전송 시스템을 제공한다.
여기서, 검출 코일은 송전 코일 및 수전 코일 사이에 배치될 수 있다.
또한, 본 발명의 무선 전력 전송 시스템은, 제1 교류 전압의 위상과 직렬로 연결된 검출 코일 및 커패시터의 양단 전압의 위상의 위상차를 검출하고, 위상차를 기초로 송전 코일 및 수전 코일 사이에 위치한 외부 이물질을 검출하는 검출부를 더 포함할 수 있다.
또한, 검출부는, 위상차가 기준 위상 이상이면 송전 코일 및 수전 코일 사이에 외부 이물질이 위치하는 것으로 판단할 수 있다.
또한, 검출 코일은, 복수 개로 이루어져, 송전 코일 상에 복수의 열 또는 행으로 배열되거나, 서로 교차하며 복수의 열 및 행으로 배열될 수 있다.
또한, 본 발명의 무선 전력 전송 시스템은, 공진 주파수와 다른 송전 주파수를 갖는 제2 교류 전압을 송전 코일에 공급하는 제2 교류 전원을 더 포함할 수 있다.
또한, 검출 코일은, 복수의 열로 배열되는 제1 검출 코일 및 제1 검출 코일과 교차하여 복수의 행으로 배열되는 제2 검출 코일을 포함할 수 있다.
또한, 검출 회로는, 제1 검출 코일 및 제2 검출 코일을 이용해 외부 이물질의 위치를 검출할 수 있다.
또한, 제1 검출 코일 및 제2 검출 코일은 인덕턴스가 서로 다를 수 있다.
또한, 제1 교류 전원은, 제1 검출 코일 및 제2 검출 코일에 서로 다른 공진 주파수를 갖는 제1 교류 전압을 인가할 수 있다.
또한, 검출부는, 제1 교류 전압을 제1 디지털 신호로 변환하고, 직렬로 연결된 검출 코일 및 커패시터의 양단 전압을 제2 디지털 신호로 변환하는 신호 변 환부와, 제1 및 제2 디지털 신호의 제로 교차점을 검출하여 상기 위상차를 검출하는 위상 검출부를 포함할 수 있다.
또한, 위상 검출부는, 제1 및 제2 디지털 신호를 인터폴레이션 필터링하여 제로 교차점을 검출할 수 있다.
또한, 검출부는, 제1 교류 전압을 제1 디지털 신호로 변환하고, 직렬로 연결된 검출 코일 및 커패시터의 양단 전압을 제2 디지털 신호로 변환하는 신호 변환부와, 제1 및 제2 디지털 신호를 곱한 후 로우 패스 필터링하여 위상차를 검출하는 위상 검출부를 포함할 수 있다.
또한, 검출부는, 제1 교류 전압과 직렬로 연결된 검출 코일 및 커패시터의 양단 전압의 주파수를 혼합하여 주파수 혼합 신호를 출력하는 주파수 믹서와, 주파수 혼합 신호를 로우 패스 필터링하여 위상차를 검출하는 위상 검출부를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 검출 코일 및 커패시터의 공진을 이용하여 교류 전원의 전압 위상과 검출 코일 및 커패시터의 양단 전압 간 위상차를 검출하고, 검출된 위상차를 기초로 외부 이물질을 검출함으로써, 기존 전압 비교 방식으로 검출하는 방식 대비 동전과 같이 비교적 작은 크기의 외부 이물질도 검출할 수 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 무선 충전 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 개략적인 블록도이다.
도 3은 도 2의 송전부 및 수전부의 구체적인 불록도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 검출 회로의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 검출 회로의 구성도이다.
도 6은 도 4의 검출 회로에 외부 이물질이 존재하지 않는 경우의 등가 회로도이다.
도 7은 도 4의 검출 회로에 외부 이물질이 존재하는 경우의 등가 회로도이다.
도 8은 도 6의 검출 회로의 임피던스와 도 7의 검출 회로의 임피던스의 페이저 다이어그램이다.
도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 외부 이물질을 검출하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 외부 이물질을 검출하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템에서 외부 이물질의 위치를 판단하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라, 여러 가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예에 대한 설명은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 구성요소는 설명의 편의를 위하여 그 크기를 실제보다 확대하여 도시한 것이며, 각 구성요소의 비율은 과장되거나 축소될 수 있다.
'제1', '제2' 등의 용어는 다양한 구성요소를 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소는 위 용어에 의해 한정되어서는 안 된다. 위 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 '제1구성요소'는 '제2구성요소'로 명명될 수 있고, 유사하게 '제2구성요소'도 '제1구성요소'로 명명될 수 있다. 또한, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 표현하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어는 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 무선 충전 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 송전부(Tx Unit)는 지면에 설치되고, 수전부(Rx Unit)는 전기 자동차 및 AGV(Automated Guided Vehicle) 등의 하부에 설치될 수 있다. 여기서, 전기 자동차 및 AGV 등이 송전부(Tx Unit)가 설치된 지면으로 이동할 경우, 송전부(Tx Unit) 및 수전부(Rx Unit)는 일정 거리 이상 이격되며 대향 배치될 수 있다.
이에 따라, 수전부(Rx Unit)는 송전부(Tx Unit)로부터 전력을 무선으로 전송 받을 수 있게 된다.
이 때, 도 1의 (a)에 도시한 바와 같이, 송전부(Tx Unit)는 지면의 특정 영역에만 설치될 수 있다. 이에 따라, 수전부(Rx Unit)는, 전기 자동차 및 AGV 등이 그 특정 영역으로 이동한 이후 정지된 상태에서 송전부(Tx Unit)로부터 전력을 무선으로 전송 받을 수 있다.
또한, 도 1의 (b)에 도시한 바와 같이, 송전부(Tx Unit)는 전기 자동차 및 AGV 등이 이동하는 경로를 따라 설치될 수 있다. 이에 따라, 수전부(Rx Unit)는, 전기 자동차 및 AGV 등이 이동하는 중에 송전부(Tx Unit)로부터 전력을 무선으로 전송 받을 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 개략적인 블록도이고, 도 3은 도 2의 송전부 및 수전부의 구체적인 불록도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 무선 전력 전송 시스템은, 송전 코일(110), 검출 코일(120), 수전 코일(130), 송전부(210), 검출부(220) 및 수전부(230)을 포함하여 구성될 수 있다.
송전부(210)는 제1 제어부(11), 인버터(12) 및 제1 통신부(13)를 포함하고, 수전부(220)는 제2 제어부(21), 컨버터(22), 제2 통신부(23) 및 배터리(24)를 포함하여 구성될 수 있다.
수전부(230)의 제2 제어부(21)는 수전부(230)의 배터리(24)로부터 배터리(24) 정보를 획득할 수 있다. 그리고, 수전부(230)의 제2 통신부(23)는 송전부(210)의 제1 통신부(23)로 배터리(24) 정보를 전송할 수 있다.
송전 코일(110)은 배터리(24) 정보의 전송에 필요한 통신 전력을 수전 코일(120)로 송전할 수 있다. 이에 따라, 수전부(230)의 배터리(24)가 완전 방전된 경우에도 수전부(230)가 배터리(24) 정보를 송전부(210)로 전송할 수 있다.
여기서, 배터리(24) 정보는 인 밴드(In-Band) 통신 방식으로 송신될 수 있다. 여기서, 인 밴드 통신 방식은 무선 전력 전송 주파수와 동일한 주파수 대역을 사용하는 통신 방식이다.
송전부(210)의 제1 제어부(11)는, 수신부(230)의 배터리(24) 정보를 기초로 송전부(210)의 인버터(12)를 제어할 수 있다.
인버터(12)는 입력 받은 직류 전력(Input Power)을 교류 전력으로 변환할 수 있다. 그리고, 송전 코일(110)은 인버터(12)에 의해 변환된 교류 전력을 수전 코일(120)로 송전할 수 있다.
송전부(210)는 인버터(12)를 구비하지 않고 대신 송전 코일(110)에 직접 교류 전압을 인가하는 교류 전원(미도시)을 포함할 수 있다.
수전 코일(120)은, 송전 코일(110)과 일정 거리 이격되며, 송전 코일(110)로부터 교류 전력을 수전할 수 있다. 그리고, 수전부(20)의 컨버터(22)는 교류 전력을 직류 전력으로 변환할 수 있고, 수전부(20)의 제2 제어부(21)는 변환된 직류 전력을 이용해 수전부(20)의 배터리(24)를 충전시킬 수 있다.
검출 코일(130)은, 송전 코일(110) 및 수전 코일(120) 사이에 배치되며, 송전 코일(110) 및 수전 코일(120) 사이에 위치한 외부 이물질(Foreign Object; FO)을 검출할 수 있다. 여기서, 외부 이물질은 톱, 망치 및 동전 등의 금속성 물질이거나 고양이 및 쥐 등의 생명체일 수 있다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 검출 회로의 구성도이고, 도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 검출 회로의 구성도이다.
도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이, 검출 회로(225)는 저항(160), 검출 코일(120) 및 커패시터(140)가 직렬로 연결될 수 있다.
도 4에 도시한 바와 같이, 검출 회로(225)는 복수 개로 이루어져 복수의 열 또는 행으로 배열될 수 있다. 그리고, 복수 개의 검출 회로(225)는 병렬로 연결될 수 있다. 여기서, 복수 개의 검출 코일(120)은 송전 코일(110) 상에 배열될 수 있다.
복수 개의 검출 회로(225)는 교류 전원(150)으로부터 교류 전원을 공급받을 수 있다. 여기서, 교류 전압은 검출 코일(120) 및 커패시터(140)가 공진되는 공진 주파수(fd)를 가질 수 있다.
제1 교류 전압의 공진 주파수(fd)는 아래의 수학식1에 의해 정의될 수 있다.
여기서, Ld는 검출 코일(120)의 인덕턴스이고, Cd는 커패시터(140)의 커패시턴스이다.
한편, 송전 코일(110) 및 검출 코일(120)에서 서로 다른 목적으로 출력되는 전력 신호들이 상호 간섭되는 것을 최소화하기 위해, 교류 전원(150)이 공급하는 교류 전압의 공진 주파수(fd)는 전술한 송전부(210)의 교류 전원(미도시)이 송전 코일(110)에 공급하는 교류 전압의 송전 주파수와 상이한 것이 바람직하다.
도 5에 도시한 바와 같이, 검출 회로(225)는, 복수 개로 이루어져 서로 교차하며 복수의 열 및 행으로 배열될 수 있다. 즉, 검출 회로(225)는 복수의 열로 배열되는 제1 검출 회로 및 복수의 행으로 배열되는 제2 검출 회로를 포함할 수 있다.
여기서, 제1 검출 회로는 복수의 열로 배열되는 제1 검출 코일(161)을 포함하고, 제2 검출 회로는 제1 검출 코일(121)과 교차하여 복수의 행으로 배열되는 제2 검출 코일(122)을 포함할 수 있다.
또한, 복수 개의 제1 검출 코일(121)은 복수 개의 제1 저항(161) 및 제1 커패시터(141)와 직렬로 연결되고, 복수 개의 제2 검출 코일(122)은 복수 개의 제2 저항(162) 및 제2 커패시터(142)와 직렬로 연결될 수 있다.
제1 검출 회로는, 병렬로 연결되어 제1 교류 전원(151)으로부터 제1 교류 전원을 공급받을 수 있다. 여기서, 제1 교류 전압은 제1 검출 코일(121) 및 제1 커패시터(141)가 공진되는 공진 주파수를 가질 수 있다.
제2 검출 회로는, 병렬로 연결되어 제2 교류 전원(152)으로부터 제2 교류 전원을 공급받을 수 있다. 여기서, 제2 교류 전압은 제2 검출 코일(122) 및 제2 커패시터(142)가 공진되는 공진 주파수를 가질 수 있다.
제1 검출 코일(121)은 송전 코일(110) 상에 복수의 열로 배열되고, 제2 검출 코일(122)은 송전 코일(110) 상에 복수의 행으로 배열되기 때문에, 송전 코일(110)의 가로 및 세로 길이가 다를 경우, 송전 코일(110) 전체를 커버하기 위해 제1 검출 코일(121) 및 제2 검출 코일(122)은 그 길이를 다르게 형성될 수 있다. 따라서, 제1 검출 코일(121) 및 제2 검출 코일(122)은 인덕턴스가 서로 다를 수 있다.
이에 따라, 제1 교류 전원(151)이 제1 검출 회로에 공급하는 제1 교류 전압과 제2 교류 전원(152)이 제2 검출 회로에 공급하는 제2 교류 전압은 서로 다른 공진 주파수를 가질 수 있다.
도 6은 도 4의 검출 회로에 외부 이물질이 존재하지 않는 경우의 등가 회로도이고, 도 7은 도 4의 검출 회로에 외부 이물질이 존재하는 경우의 등가 회로도이다. 그리고, 도 8은 도 6의 검출 회로의 임피던스와 도 7의 검출 회로의 임피던스의 페이저 다이어그램이다.
도 7에서 외부 이물질은 저항(RM), 인덕터(LM) 및 커패시터(CM)가 직렬로 연결된 폐회로로 나타내었고, 검출 회로(225)가 하나인 경우를 가정하였다.
도 6을 참조하면, 송전 코일(110) 및 수전 코일(120) 사이에 외부 이물질이 존재하지 않는 경우, 저항(160)(RN, 여기서N은 1이상의 정수), 검출 코일(120)(LN) 및 커패시터(140)(CN)가 직렬로 연결된 검출 회로(225)에 공진 주파수(fd)를 갖는 교류 전압(VAC)이 인가되기 때문에, 검출 회로(225) 양단의 임피던스는 검출 코일(120)(LN) 및 커패시터(140)(CN)의 공진으로 인해 리액턴스 성분은 0이 되고, 레지스턴스 성분만 남게 된다. 따라서, 검출 코일(120)(LN) 및 커패시터(140)(CN)의 양단 전압의 위상은 교류 전압(VAC)의 위상과 동일하다.
이와 달리, 도 7을 참조하면, 송전 코일(110) 및 수전 코일(120) 사이에 외부 이물질이 존재하는 경우, 저항(160)(R1), 검출 코일(120)(L1) 및 커패시터(140)(C1)가 직렬로 연결된 검출 회로(225) 양단의 임피던스(ZW)는 아래의 수학식 2에 의해 정의될 수 있다.
여기서, ZM은 외부 이물질의 임피던스를 의미하고, M은 검출 코일(120)(L1) 및 외부 이물질의 인덕터(LM) 간 상호 인덕턴스를 의미한다.
그리고, 검출 코일(120)(L1) 및 커패시터(140)(C1) 양단의 임피던스(Z1W)는 아래의 수학식3에 의해 정의될 수 있다.
여기서, ZM은 외부 이물질의 임피던스를 의미하고, M은 검출 코일(120)(L1) 및 외부 이물질의 인덕터(LM) 간 상호 인덕턴스를 의미한다.
도 8의 (a)에 도시한 바와 같이, 외부 이물질이 존재하지 않는 경우, 검출 회로(225) 양단의 임피던스(ZW)는 전술한 바와 같이 검출 코일(120) 및 커패시터(140)의 공진으로 인해 리액턴스 성분은 0이 되고, 레지스턴스 성분만 남게된다.
그러나, 도 8의 (b)에 도시한 바와 같이, 외부 이물질이 존재하는 경우, 검출 회로(225)의 임피던스는 레지스턴스 성분은 증가하고 리액턴스 성분은 감소한다. 따라서, 검출 회로(225)의 임피던스는 외부 이물질이 존재하지 않는 경우 대비 위상차(θ)가 발생한다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 검출부(220)는, 교류 전원(150)이 공급하는 교류 전압의 위상과 직렬로 연결된 검출 코일(120) 및 커패시터(140)의 양단 전압의 위상의 위상차를 검출하고, 위상차를 기초로 송전 코일(110) 및 수전 코일(130) 사이에 외부 이물질이 존재하는지 판단할 수 있다.
여기서, 검출부(220)는 위상차가 기준 위상 이상이면 송전 코일(110) 및 수전 코일(130) 사이에 외부 이물질이 위치하는 것으로 판단할 수 있다.
도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 외부 이물질을 검출하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 9를 참조하면, 검출부(220)는 신호 변환부(230) 및 위상 검출부(235)를 포함하여 구성될 수 있다.
신호 변환부(230)는 교류 전원(150)의 교류 전압(VAC)을 제1 디지털 신호로 변환하고, 직렬로 연결된 검출 코일(120)(LN, 여기서, N은 1 이상의 정수) 및 커패시터(CN)의 양단 전압(VN)을 제2 디지털 신호로 변환할 수 있다.
위상 검출부(235)는 제1 및 제2 디지털 신호의 제로(0) 교차점을 검출하여 교류 전원(150)이 공급하는 교류 전압(VAC)의 위상과 직렬로 연결된 검출 코일(120) 및 커패시터(140)의 양단 전압(VN)의 위상의 위상차를 검출할 수 있다.
또한, 위상 검출부(235)는, 제1 디지털 신호 및 제2 디지털 신호를 인터폴레이션(Interpolation) 필터링하여 제로 교차점을 검출할 수 있다.
여기서, 인터폴레이션이란 알려진 지점 값 사이(중간)에 위치한 값을 알려진 지점 값으로부터 추정하는 것을 의미한다.
이와 같이, 인터폴레이션 필터링을 통해 제로 교차점을 검출하면, 샘플링 간격 보다 더 세밀하게 위상차를 검출할 수 있다.
또한, 위상 검출부(235)는, 제1 디지털 신호 및 제2 디지털 신호를 곱한 후 로우 패스(Low Pass) 필터링하여 위상차를 검출할 수 있다.
구체적으로, 제1 디지털 신호(cos(ωtn)) 및 제2 디지털 신호((cos(ωtn+фn))를 곱하면 아래의 수학식 4와 같이 표현할 수 있다.
여기서, фn은 제1 디지털 신호 및 제2 디지털 신호의 위상차를 의미한다.
상기 수학식 4의 결과값을 로우 패스 필터(Low Pass Filter)에 통과시키면, 2ω 성분이 제거되어 결국 위상차 성분(cos(фn))만 남게 된다. 이에 따라, 제1 디지털 신호 및 제2 디지털 신호의 위상차를 검출할 수 있다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 외부 이물질을 검출하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 10을 참조하면, 검출부(220)는 주파수 믹서(240), 로우 패스 필터(250) 및 위상 검출부(235)를 포함하여 구성될 수 있다.
주파수 믹서(240)는 교류 전원(150)의 교류 전압(VAC)을 제1 디지털 신호로 변환하고, 직렬로 연결된 검출 코일(120)(LN, 여기서, N은 1 이상의 정수) 및 커패시터(140)(CN)의 양단 전압(VN)을 제2 디지털 신호로 변환할 수 있다.
주파수 믹서(240)는 교류 전원(150)의 교류 전압(VAC)과 직렬로 연결된 검출 코일(120)(LN, 여기서, N은 1 이상의 정수) 및 커패시터(140)(CN)의 양단 전압(VN)의 주파수를 혼합하여 주파수 혼합 신호를 출력한다.
그리고, 주파수 믹서(240)에서 출력된 주파수 혼합 신호가 로우 패스 필터(250)(Low Pass Filter)를 통과하면 주파수 혼합 신호 중 낮은 주파수 대의 신호가 걸러져 결국 위상차 성분만 남게 된다. 이에 따라, 위상 검출부(235)는 교류 전압(VAC)과 직렬로 연결된 검출 코일(120)(LN) 및 커패시터(140)(CN)의 양단 전압(VN)의 위상차를 검출할 수 있다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템에서 외부 이물질의 위치를 판단하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 11을 참조하면, 검출 코일(120)은, 복수 개로 이루어져 서로 교차하며 복수의 열 및 행으로 배열될 수 있다. 즉, 검출 코일(120)는 복수의 열로 배열되는 제1 검출 코일(121) 및 복수의 행으로 배열되는 제2 검출 코일(122)를 포함할 수 있다.
여기서, 검출부(220)는, 복수의 제1 검출 코일(121)에서 발생된 전압 위상차(L1, L2, L3,…, R3, R2, R1)와 복수의 제2 검출 코일(122)에서 발생된 전압 위상차(T1, T2, T3,…, B3, B2, B1)를 각각 검출할 수 있다.
검출부(220)는 복수의 제1 검출 코일(121) 및 제2 검출 코일에 발생된 전압 위상차들을 상호 비교함으로써, 송전 코일(110) 및 수전 코일(120) 사이에 존재하는 외부 이물질(1)의 위치를 판단할 수 있다.
예를 들어, 검출부(220)는 복수의 제1 검출 코일(121)에서 발생된 위상차(L1, L2, L3,…, R3, R2, R1) 중 L2가 기준 위상 보다 큰 경우 외부 이물질(1)이 L2가 발생된 제1 검출 코일에 위치한 것으로 판단할 수 있다. 그리고, 복수의 제2 검출 코일(121)에서 발생된 위상차(T1, T2, T3,…, B3, B2, B1) 중 T3가 기준 위상 보다 큰 경우 외부 이물질(1)이 T3가 발생된 제2 검출 코일에 위치한 것으로 판단할 수 있다. 이에 따라, 검출부(220)는 외부 이물질(1)이 L2 및 T3의 교차 지점에 위치하는 것으로 판단할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템은, 검출 코일(120) 및 커패시터(140)의 공진을 이용하여 교류 전원의 전압 위상과 검출 코일(120) 및 커패시터(140)의 양단 전압 간 위상차를 검출하고, 검출된 위상차를 기초로 외부 이물질을 검출함으로써, 기존 전압 비교 방식으로 검출하는 방식 대비 동전과 같이 비교적 작은 크기의 외부 이물질(1)도 검출할 수 있다.
이에 따라, 비교적 작은 크기의 외부 이물질(1)로 인해 발생할 수 있는 화재와 무선 전력 전송 시스템의 오동작을 사전에 방지할 수 있다.
본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관하여 설명하였으나 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되지 않으며, 후술되는 청구범위 및 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
110: 송전 코일
120: 수전 코일
130: 검출 코일
140: 커패시터
160: 저항
210: 송전부
220: 검출부
225: 검출회로
230: 수전부

Claims (14)

  1. 외부 이물질을 검출하는 무선 전력 전송 시스템으로서,
    교류 전력을 송전하는 송전 코일;
    상기 송전 코일과 이격되며 상기 송전 코일이 송전한 상기 교류 전력을 수전하는 수전 코일;
    저항, 검출 코일 및 커패시터가 직렬로 연결되며, 상기 송전 코일 및 수전 코일 사이에 위치한 외부 이물질을 검출하는 검출 회로;
    상기 검출 코일 및 커패시터가 공진되는 공진 주파수를 갖는 제1 교류 전압을 상기 검출 회로에 공급하는 제1 교류 전원; 및
    상기 제1 교류 전압의 위상과 직렬로 연결된 상기 검출 코일 및 커패시터의 양단 전압의 위상의 위상차를 검출하고, 상기 위상차를 기초로 상기 송전 코일 및 수전 코일 사이에 위치한 외부 이물질을 검출하는 검출부를 포함하고,
    상기 검출부는
    상기 제1 교류 전압을 제1 디지털 신호로 변환하고, 직렬로 연결된 상기 검출 코일 및 커패시터의 양단 전압을 제2 디지털 신호로 변환하는 신호 변환부; 및
    상기 제1 및 제2 디지털 신호의 제로 교차점을 검출하여 상기 위상차를 검출하는 위상 검출부를 포함하는
    무선 전력 전송 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 검출 코일은
    상기 송전 코일 및 수전 코일 사이에 배치되는
    무선 전력 전송 시스템.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 검출부는
    상기 위상차가 기준 위상 이상이면 상기 송전 코일 및 수전 코일 사이에 외부 이물질이 위치하는 것으로 판단하는
    무선 전력 전송 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 검출 코일은
    복수 개로 이루어져, 상기 송전 코일 상에 복수의 열 또는 행으로 배열되거나, 서로 교차하며 복수의 열 및 행으로 배열되는
    무선 전력 전송 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 공진 주파수와 다른 송전 주파수를 갖는 제2 교류 전압을 상기 송전 코일에 공급하는 제2 교류 전원을 더 포함하는
    무선 전력 전송 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 검출 코일은
    복수의 열로 배열되는 제1 검출 코일 및 상기 제1 검출 코일과 교차하여 복수의 행으로 배열되는 제2 검출 코일을 포함하는
    무선 전력 전송 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 검출 회로는
    상기 제1 검출 코일 및 제2 검출 코일을 이용해 상기 외부 이물질의 위치를 검출하는
    무선 전력 전송 시스템.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제1 검출 코일 및 제2 검출 코일은 인덕턴스가 서로 다른
    무선 전력 전송 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1 교류 전원은
    상기 제1 검출 코일 및 제2 검출 코일에 서로 다른 공진 주파수를 갖는 제1 교류 전압을 인가하는
    무선 전력 전송 시스템.
  11. 삭제
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 위상 검출부는
    상기 제1 및 제2 디지털 신호를 인터폴레이션 필터링하여 상기 제로 교차점을 검출하는
    무선 전력 전송 시스템.
  13. 외부 이물질을 검출하는 무선 전력 전송 시스템으로서,
    교류 전력을 송전하는 송전 코일;
    상기 송전 코일과 이격되며 상기 송전 코일이 송전한 상기 교류 전력을 수전하는 수전 코일;
    저항, 검출 코일 및 커패시터가 직렬로 연결되며, 상기 송전 코일 및 수전 코일 사이에 위치한 외부 이물질을 검출하는 검출 회로;
    상기 검출 코일 및 커패시터가 공진되는 공진 주파수를 갖는 제1 교류 전압을 상기 검출 회로에 공급하는 제1 교류 전원; 및
    상기 제1 교류 전압의 위상과 직렬로 연결된 상기 검출 코일 및 커패시터의 양단 전압의 위상의 위상차를 검출하고, 상기 위상차를 기초로 상기 송전 코일 및 수전 코일 사이에 위치한 외부 이물질을 검출하는 검출부를 포함하고,
    상기 검출부는
    상기 제1 교류 전압을 제1 디지털 신호로 변환하고, 직렬로 연결된 상기 검출 코일 및 커패시터의 양단 전압을 제2 디지털 신호로 변환하는 신호 변환부; 및
    상기 제1 및 제2 디지털 신호를 곱한 후 로우 패스 필터링하여 상기 위상차를 검출하는 위상 검출부를 포함하는
    무선 전력 전송 시스템.
  14. 외부 이물질을 검출하는 무선 전력 전송 시스템으로서,
    교류 전력을 송전하는 송전 코일;
    상기 송전 코일과 이격되며 상기 송전 코일이 송전한 상기 교류 전력을 수전하는 수전 코일;
    저항, 검출 코일 및 커패시터가 직렬로 연결되며, 상기 송전 코일 및 수전 코일 사이에 위치한 외부 이물질을 검출하는 검출 회로;
    상기 검출 코일 및 커패시터가 공진되는 공진 주파수를 갖는 제1 교류 전압을 상기 검출 회로에 공급하는 제1 교류 전원; 및
    상기 제1 교류 전압의 위상과 직렬로 연결된 상기 검출 코일 및 커패시터의 양단 전압의 위상의 위상차를 검출하고, 상기 위상차를 기초로 상기 송전 코일 및 수전 코일 사이에 위치한 외부 이물질을 검출하는 검출부를 포함하고,
    상기 검출부는
    상기 제1 교류 전압과 직렬로 연결된 상기 검출 코일 및 커패시터의 양단 전압의 주파수를 혼합하여 주파수 혼합 신호를 출력하는 주파수 믹서; 및
    상기 주파수 혼합 신호를 로우 패스 필터링하여 상기 위상차를 검출하는 위상 검출부를 포함하는
    무선 전력 전송 시스템.
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