KR102646120B1 - 중계코일을 포함하고, 송신부 매칭 커패시터를 이용하여 주파수 분할 현상을 완화하는 무선 전력 전송 시스템 및 그 동작 방법 - Google Patents

중계코일을 포함하고, 송신부 매칭 커패시터를 이용하여 주파수 분할 현상을 완화하는 무선 전력 전송 시스템 및 그 동작 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR102646120B1
KR102646120B1 KR1020210161095A KR20210161095A KR102646120B1 KR 102646120 B1 KR102646120 B1 KR 102646120B1 KR 1020210161095 A KR1020210161095 A KR 1020210161095A KR 20210161095 A KR20210161095 A KR 20210161095A KR 102646120 B1 KR102646120 B1 KR 102646120B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
wireless power
value
power transmission
transmitter
equation
Prior art date
Application number
KR1020210161095A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20230074968A (ko
Inventor
이정해
이범선
최보희
남용현
Original Assignee
홍익대학교 산학협력단
경희대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 홍익대학교 산학협력단, 경희대학교 산학협력단 filed Critical 홍익대학교 산학협력단
Priority to KR1020210161095A priority Critical patent/KR102646120B1/ko
Publication of KR20230074968A publication Critical patent/KR20230074968A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102646120B1 publication Critical patent/KR102646120B1/ko

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/50—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using additional energy repeaters between transmitting devices and receiving devices
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/05—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using capacitive coupling
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/10—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H7/00—Multiple-port networks comprising only passive electrical elements as network components
    • H03H7/38—Impedance-matching networks

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Transmitters (AREA)

Abstract

본 발명의 무선 전력 전송 시스템은 송신부, 수신부, 및 상기 송신부 및 상기 송신부의 동작을 제어하는 제어부를 포함할 수 있다. 상기 송신부는 송신 전압이 인가되고, 송신 커패시턴스를 가지는 소스코일, 및 상기 소스코일과 전기적으로 분리되고, 중계 커패시턴스를 가지는 중계코일을 포함할 수 있다. 상기 중계코일은 상기 송신부와 상기 수신부 사이의 무선 전력 전송 거리를 증가시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 무선 전력 전송 시스템은 송신부 매칭 커패시터를 이용하여 무선 전력 전송 시스템에서 발생되는 주파수 분할 현상을 완화할 수 있다. 본 발명에 따르면, 무선 전력 전송 시스템은 중계코일을 이용하여 무선 전력 송수신의 위치 자유도를 향상시키고, 송신부 매칭 커패시터를 이용하여 주파수 분할 현상을 완화함으로써, 무선 전력 전송 효율을 증가시킬 수 있다.

Description

중계코일을 포함하고, 송신부 매칭 커패시터를 이용하여 주파수 분할 현상을 완화하는 무선 전력 전송 시스템 및 그 동작 방법{WIRELESS POWER TRANSFER SYSTEM INCLUDING RELAY COIL AND MITIGATING FREQUENCY SPLITTING PHENOMENA USING TRANSMITTER MATCHING CAPACITOR AND METHOD OF OPERATING THE SAME}
본 발명은 무선 전력 송신 시스템 및 그 동작 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 중계코일을 이용하여 무선 충전의 위치 자유도를 개선하고, 송신부 매칭 커패시터를 이용하여 무선 전력 전송 시스템에서 발생되는 주파수 분할 현상을 완화함으로써, 무선 전력 전송 효율을 향상시킨 무선 전력 전송 시스템 및 그 동작 방법에 관한 것이다.
최근 무선 전력 전송(wireless power transfer, WPT) 기술은 충전 구조의 단순화로 인하여 편의성과 안정성이 증가하여 휴대용 전자 기기, 의료 기기, 전기 자동차, 로봇 등 다양한 분야에서 개발 및 상용화가 진행되고 있다.
특히, 플랜트, 자동차, 기차 산업 등에서 사용되는 무인 운반 차(automated guided vehicles, AGVs) 등의 전기 자동차에서는 전력 전달 효율이 높은 수 kW 내지 수십 kW의 대 출력을 전달하는 무선 전력 전송 기술에 대한 연구가 진행되고 있다.
기존의 무선 전력 전송 시스템에서는 수신기의 위치가 충전 패드의 정확한 위치에 놓여야만 충전이 되며, 중심에서 일정 거리만큼 벗어나는 경우 전송 효율 저하로 발열이 일어나거나, 무선 전력 전송이 중단되어 충전이 불가능한 문제가 있었다.
따라서, 자기 공명 무선 전력 전송 시스템의 무선 전력 전송 효율을 높이기 위해서는 수신기의 위치가 중심에서 일정 거리만큼 벗어나는 경우에도 무선 전력 전송 또는 무선 충전이 가능하도록 무선 충전이 가능한 공간적 범위를 증가시킬 필요가 있다.
또한, 자기 공명 무선 전력 전송 시스템의 무선 전력 전송 효율을 높이기 위해서는 코일 크기를 늘리거나 에어 갭을 줄여 송신부(Tx)의 코일과 수신부(Rx)의 코일 간의 결합 계수(coupling coefficient)를 높여야 한다.
자기 결합을 이용하는 무선 전력 전송 시스템은 송신부의 코일과 수신부의 코일 간의 결합계수가 클수록 시스템의 효율이 향상된다.
그러나, 결합 계수를 높이면 송신부 코일과 수신부 코일 사이에 출력 전력이 크게 감소하는 주파수 분할 현상이 발생될 수 있다.
즉, 결합 계수가 클수록 송신부의 코일과 수신부의 코일이 결합되어 동작 주파수에서 전달 전력의 크기가 급격하게 줄어드는 주파수 분할 현상이 발생될 수 있다. 이러한 주파수 분할 현상은 시스템 작동 시에 여러 악영향을 끼친다.
종래기술들에 따른 무선 전력 전송 시스템은 송신부의 코일과 수신부의 코일 설계 시에 주파수 분할 현상이 발생하지 않도록 설계하나, 종래기술들의 방식은 시스템 효율 향상에 한계가 존재하고, 코일 설계에 제약이 발생된다.
즉, 종래 기술들의 주파수 분할 현상 제거에 대한 연구는 코일 구조가 결합 계수 값을 줄이기 위한 방향으로 설계되었기 때문에 무선 전력 전송의 효율을 떨어뜨리고 코일 설계의 자유도를 감소시키는 단점이 존재한다.
따라서, 무선 전력 전송 시스템에서는 무선 전령 전송 효율을 위해 무선 전력 송수신의 위치 자유도를 향상시키고, 주파수 분할 현상 완화를 위하여 송신부에 전류 센싱을 통해 무선 전력 전송 시스템의 동작 상태를 판단함으로써 비정상 동작일 경우 동작 주파수 튜닝이 가능한 기술이 요구되고 있다.
미국등록특허 제10637,292호, "CONTROLLING WIRELESS POWER TRANSFER SYSTEMS" 한국공개특허 제2020-0058808호, "무선 전력 송신기" 한국공개특허 제2020-0046313호, "무선 송신 코일 및 이를 포함하는 무선 전력 송신기" 한국등록특허 제1680997호, "무선 전력 전송 장치 및 그 방법"
본 발명은 무선 전력 송수신의 위치 자유도를 향상시킴으로써, 무선 전력 전송 효율을 증가시킨 무선 전력 전송 시스템 및 그 동작 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 송신부 매칭 커패시터를 이용하여 주파수 분할 현상을 완화하는 무선 전력 전송 시스템 및 그 동작 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 추가 회로 설계 없이 무선 전력 전송 시스템에서 설계되는 송신 커패시터 값만을 변경하여 무선 전력 전송 시스템의 주파수 분할 현상을 완화하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 무선 전력 전송 시 무선 전력 전송의 효율성 향상을 위해 결합 계수를 높이더라도 무선 전력 전송 시스템의 안정성을 확보하면서 높은 무선 전력 전송율을 달성하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 주파수 분할 현상을 완화하기 위해 시스템을 회로적으로 분석한 후, 분석을 바탕으로 주파수 분할 현상을 완화하기 위한 송신 커패시터 값의 범위를 결정하는 수학식을 이용하는 무선 전력 전송 시스템 및 그 동작 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예들에 따른 무선 전력 전송 시스템은 송신부, 수신부, 및 상기 송신부 및 상기 송신부의 동작을 제어하는 제어부를 포함할 수 있다. 상기 송신부는 송신 전압이 인가되고, 송신 커패시턴스를 가지는 소스코일, 및 상기 소스코일과 전기적으로 분리되고, 중계 커패시턴스를 가지는 중계코일을 포함할 수 있다. 상기 중계코일은 상기 송신부와 상기 수신부 사이의 무선 전력 전송 거리를 증가시킬 수 있다.
일 실시예에서, 상기 소스코일의 중심과 상기 중계코일의 중심은 일치하고, 상기 중계코일의 외경은 상기 소스코일의 외경보다 크고, 상기 중계코일은 상기 소스코일을 둘러싸고, 상기 소스코일의 외경은 42mm 내지 48mm이고, 상기 중계코일의 외경은 54mm 내지 60mm일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 소스코일의 중심과 상기 중계코일의 중심 사이의 거리는 8mm 내지 12mm이고, 상기 중계코일의 외경은 상기 소스코일의 외경과 동일하고, 상기 중계코일은 상기 소스코일과 상기 수신부의 수신코일 사이에 배치되고, 상기 소스코일의 외경은 42mm 내지 48mm일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 중계코일은 제1 중계코일 및 제2 중계코일을 포함하고, 상기 제1 중계코일의 중심은 상기 소스코일의 중심과 제1 방향으로 8mm 내지 12mm 이격되어 있고, 상기 제2 중계코일의 중심은 상기 소스코일의 중심과 상기 제1 방향과 반대되는 제2 방향으로 방향으로 8mm 내지 12mm 이격되어 있고, 상기 제1 중계코일 및 상기 제2 중계코일의 외경은 상기 소스코일의 외경과 동일하고, 상기 소스코일의 외경은 42mm 내지 48mm일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제어부는 상기 송신부 및 상기 수신부의 전기적 특성을 추출하고, 상기 추출된 전기적 특성을 이용하여 입력 임피던스의 미분 리액턴스 값이 0에 수렴하는 주파수 값을 계산하며, 상기 계산된 주파수 값을 이용하여 입력 임피던스의 리액턴스 값이 0보다 큰 값을 갖는 송신 커패시터 값을 계산하고, 상기 송신부의 기 설정된 송신 커패시터 값을 상기 계산된 송신 커패시터 값으로 변경할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제어부는 상기 입력 임피던스의 리액턴스 값을 계산하기 위한 수학식으로 다음 [수학식 6]을 이용하고, [수학식 6]에 상기 추출된 전기적 특성을 대입하고 미분하여 상기 미분 리액턴스 값이 0에 수렴하는 주파수 값을 계산할 수 있다.
[수학식 6]
일 실시예에서, 상기 제어부는 상기 입력 임피던스의 리액턴스 값을 계산하기 위한 수학식으로 다음 [수학식 6]을 이용하고, 다음 [수학식 6]에서 ω에 상기 계산된 주파수 값을 대입하고, C1을 미지수로 하며, X가 0 이상이 되는 C1의 범위를 결정할 수 있다.
[수학식 6]
일 실시예에서, 상기 제어부는 상기 송신 커패시터 값의 범위를 152.57 ㎋ 이상으로 계산할 수 있다.
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예들에 따른 무선 전력 전송 시스템의 동작 방법은 송신부 및 수신부의 전기적 특성을 추출하는 단계, 상기 추출된 전기적 특성을 이용하여 입력 임피던스의 미분 리액턴스 값이 0에 수렴하는 주파수 값을 계산하는 단계, 상기 계산된 주파수 값을 이용하여 입력 임피던스의 리액턴스 값이 0보다 큰 값을 갖는 송신 커패시터 값을 계산하는 단계 및 상기 송신부의 기 설정된 송신 커패시터 값을 상기 계산된 송신 커패시터 값으로 변경하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 추출된 전기적 특성을 이용하여 입력 임피던스의 미분 리액턴스 값이 0에 수렴하는 주파수 값을 계산하는 단계는 상기 입력 임피던스의 리액턴스 값을 계산하기 위한 수학식에 상기 추출된 전기적 특성을 대입하고 미분하여 상기 미분 리액턴스 값이 0에 수렴하는 주파수 값을 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 입력 임피던스의 리액턴스 값을 계산하기 위한 수학식에 상기 추출된 전기적 특성을 대입하고 미분하여 상기 미분 리액턴스 값이 0에 수렴하는 주파수 값을 계산하는 단계는, 상기 입력 임피던스의 리액턴스 값을 계산하기 위한 수학식을 다음 [수학식 6]을 이용하는 단계를 포함할 수 있다.
[수학식 6]
일 실시예에서, 상기 송신부 및 수신부의 전기적 특성을 추출하는 단계는, 상기 송신부의 송신 내부 저항, 송신 커패시턴스(capacitance) 및 송신 인덕턴스(inductance) 중 적어도 하나와 관련된 전기적 특성으로 추출하는 단계, 상기 수신부의 수신 내부 저항, 수신 커패시턴스(capacitance) 및 수신 인덕턴스(inductance) 및 부하 저항 중 적어도 하나와 관련된 전기적 특성으로 추출하는 단계 및 상기 송신 인덕턴스(inductance), 상기 수신 인덕턴스(inductance) 및 결합 계수(coupling coefficient)와 관련된 상호 인덕턴스와 관련된 전기적 특성을 추출하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 송신 커패시턴스(capacitance)와 관련된 전기적 특성은 상기 기 설정된 송신 커패시터 값에 대응될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 계산된 주파수 값을 이용하여 입력 임피던스의 리액턴스 값이 0보다 큰 값을 갖는 송신 커패시터 값을 계산하는 단계는 상기 입력 임피던스의 리액턴스 값을 계산하기 위한 수학식에 상기 추출된 전기적 특성 중 송신부의 커패시터 값을 제외한 나머지 전기적 특성과 상기 계산된 주파수 값을 대입하여 상기 입력 임피던스의 리액턴스 값이 0보다 큰 값을 갖는 상기 송신 커패시터 값의 범위를 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 입력 임피던스의 리액턴스 값을 계산하기 위한 수학식에 상기 추출된 전기적 특성 중 상기 송신부의 커패시터 값을 제외한 나머지 전기적 특성과 상기 계산된 주파수 값을 대입하여 상기 입력 임피던스의 리액턴스 값이 0보다 큰 값을 갖는 상기 송신 커패시터 값의 범위를 계산하는 단계는 상기 입력 임피던스의 리액턴스 값을 계산하기 위한 수학식으로 다음 [수학식 6]을 이용하고, 다음 [수학식 6]에서 ω에 상기 계산된 주파수 값을 대입하고, C1을 미지수로 하며, X가 0 이상이 되는 C1의 범위를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
[수학식 6]
일 실시예에서, 상기 계산된 주파수 값을 이용하여 입력 임피던스의 리액턴스 값이 0보다 큰 값을 갖는 송신 커패시터 값을 계산하는 단계는, 상기 송신 커패시터 값의 범위를 152.57 ㎋ 이상으로 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명은 중계코일을 이용하여 무선 전력 송수신의 위치 자유도를 향상시킴으로써 무선 전력 전송 효율을 증가시킨 무선 전력 전송 시스템 및 그 동작 방법을 제공할 수 있다.
본 발명은 송신부 매칭 커패시터를 이용하여 주파수 분할 현상을 완화하는 무선 전력 전송 시스템 및 그 동작 방법을 제공할 수 있다.
본 발명은 추가 회로 설계 없이 무선 전력 전송 시스템에서 설계되는 송신 커패시터 값만을 변경하여 무선 전력 전송 시스템의 주파수 분할 현상을 완화할 수 있다.
본 발명은 무선 전력 전송 시 무선 전력 전송의 효율성 향상을 위해 결합 계수를 높이더라도 무선 전력 전송 시스템의 안정성을 확보하면서 높은 무선 전력 전송율을 달성할 수 있다.
본 발명은 주파수 분할 현상을 완화하기 위해 시스템을 회로적으로 분석한 후, 분석을 바탕으로 주파수 분할 현상을 완화하기 위한 송신 커패시터 값의 범위를 결정하는 수학식을 이용하는 무선 전력 전송 시스템 및 그 동작 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 등가 회로를 설명하는 도면이다.
도 2a 내지 도 2c는 무선 전력 전송 시스템의 주파수 분할 현상을 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 동작 방법을 설명하는 도면이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 블록도를 설명하는 도면이다.
도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 블록도를 설명하는 도면이다.
도 4c 및 도 4d는 도 4b의 무선 전력 전송 시스템에서 송신부의 구조의 일 예시를 나타내는 도면이다.
도 4e 및 도 4f는 도 4b의 무선 전력 전송 시스템에서 송신부의 구조의 일 예시를 나타내는 도면이다.
도 4g 및 도 4h는 도 4b의 무선 전력 전송 시스템에서 송신부의 구조의 일 예시를 나타내는 도면이다.
도 4i 및 도 4j는 도 4c 내지 도 4h의 경우, 실시예들에 따른 무선 전력 전송 효율을 비교한 그래프이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 송신부 커패시터 매칭 결과를 설명하는 도면이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템에서 송신부 커패시터 값의 매칭 결과를 설명하는 도면이다.
본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만, 예를 들어 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 표현들, 예를 들어 "~사이에"와 "바로~사이에" 또는 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 특허출원의 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 등가 회로를 설명하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 무선 전력 전송 시스템의 등가 회로(100)는 송신부(110)와 수신부(120)를 포함할 수 있다.
송신부(110)는 송신 코일을 포함할 수 있고, 수신부(120)는 수신 코일을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 송신부(110)는 송신 전압(V1), 송신 전류(I1), 송신 커패시턴스(C1), 송신 저항(R1) 및 송신 인덕턴스(L1)에 따라 전기적 특성이 추출될 수 있다.
예를 들어, 송신부의 송신 인덕턴스(L1)는 5uH 내지 7uH의 값을 가질 수 있다. 다만, 이와 같은 범위는 송신 인덕턴스(L1) 값의 일 예시일 뿐, 본 발명의 송신 인덕턴스(L1)의 값을 제한하지는 않는다.
또한, 수신부(120)는 수신 전류(I2), 수신 커패시턴스(C2), 수신 저항(R2), 수신 인덕턴스(L2) 및 부하 저항(RL)에 따라 전기적 특성이 추출될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 송신부(110)와 수신부(120) 사이의 상호 인덕턴스(mutual inductance)는 하기 [수학식 1]을 통해 계산될 수 있다.
[수학식 1]
[수학식 1]에서, M은 상호 인덕턴스(mutual inductance)를 나타낼 수 있고, k는 커플링 계수(coupling coefficent)를 나타낼 수 있으며, L1은 송신부의 인덕턴스(inductance)를 나타낼 수 있고, L2는 수신부의 인덕턴스를 나타낼 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 입력 임피던스(Zin)는 송신부(110)와 수신부(120)에서의 키르히호프 법칙(Kirchhoff's circuit laws)에 따라 하기 [수학식 2]로 도출될 수 있다.
[수학식 2]
[수학식 2]에서, Zin은 입력 임피던스를 나타낼 수 있고, R1은 송신부의 내부 저항(internal resistance)을 나타낼 수 있으며, R2는 수신부의 내부 저항을 나타낼 수 있고, RL은 부하 저항(inductance resistance)을 나타낼 수 있으며, C1은 송신부의 커패시턴스(capacitance)를 나타낼 수 있고, C2는 수신부의 커패시턴스를 나타낼 수 있으며, L1은 송신부의 인덕턴스(inductance)를 나타낼 수 있고, L2는 수신부의 인덕턴스를 나타낼 수 있으며, ω는 각 진동수와 관련된 주파수를 나타낼 수 있고, M은 상호 인덕턴스(mutual inductance)를 나타낼 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 무선 전력 전송 시스템의 등가 회로(100)는 송신부의 내부 저항, 수신부의 내부 저항, 부하 저항(inductance resistance), 송신부의 커패시턴스(capacitance), 수신부의 커패시턴스(capacitance), 송신부의 인덕턴스(inductance), 수신부의 인덕턴스, ω는 각 진동수와 관련된 주파수 및 상호 인덕턴스(mutual inductance)와 관련된 적어도 하나의 전기적 특성을 제공할 수 있다.
예를 들어, 송신부의 커패시턴스(capacitance)가 주파수 분할 현상을 완화하기 위해 변경될 경우, 송신부의 커패시터가 변경될 수 있는데, 이 때 이용되는 커패시터가 송신부 매칭 커패시터일 수 있다.
입력 임피던스는 동작 주파수에서 증가될 경우, 동작 주파수에 인접한 주파수에서 임피던스가 감소하기 때문에 출력 전력은 동작 주파수에서 최대가 될 수 있다.
예를 들어, 동작 주파수는 공진 주파수로 지칭될 수 있고, 약 60 kHZ일 수 있다.
도 2a 내지 도 2c는 무선 전력 전송 시스템의 주파수 분할 현상을 설명하는 도면이다.
도 2a는 무선 전력 전송 시스템의 주파수 분할 현상과 관련하여 입력 임피던스의 위상과 극 주파수들을 비교 설명한다.
도 2a의 그래프(200)를 참조하면, 그래프(200)의 가로축은 주파수의 크기를 나타내고, 세로축은 입력 임피던스의 위상을 나타낼 수 있다.
그래프(200)에서 입력 임피던스의 위상은 동작 주파수에서 0이지만 동작 주파수 이전에는 유도성 영역(inductive region)에 위치하고, 동작 주파수 이후에는 용량성 영역(capacitance region)에 위치한다.
그래프(200)에서 제1 극 주파수(f1)와 제2 극 주파수(f2)가 입력 임피던스의 위상 값에서 0보다 크거나 0보다 작게 분할되는 주파수 분할 현상이 확인된다.
여기서, 동작 주파수를 기준으로 제1 극 주파수(f1)는 유도성 영역에 위치하고, 제2 극 주파수(f2)는 용량성 영역에 위치한다고 볼 수 있다.
즉, 제2 극 주파수(f2)에 해당하는 입력 임피던스의 위상 값이 0보다 작음에 따라 주파수 분할 현상이 발생될 수 있다.
한편, 도 2b는 무선 전력 전송 시스템의 주파수 분할 현상과 관련하여 입력 임피던스의 리액턴스와 극 주파수들을 비교 설명한다.
도 2a의 그래프(210)를 참조하면, 그래프(210)의 가로축은 주파수의 크기를 나타내고, 세로축은 입력 임피던스의 리액턴스를 나타낼 수 있다.
그래프(210)에서 입력 임피던스의 리액턴스는 동작 주파수에서 0이지만 동작 주파수 이전에는 유도성 영역(inductive region)에 위치하고, 동작 주파수 이후에는 용량성 영역(capacitance region)에 위치한다.
그래프(200)에서 제1 극 주파수(f1)와 제2 극 주파수(f2)가 입력 임피던스의 리액턴스 값에서 0보다 크거나 0보다 작게 분할되는 주파수 분할 현상이 확인된다.
여기서, 동작 주파수를 기준으로 제1 극 주파수(f1)는 유도성 영역에 위치하고, 제2 극 주파수(f2)는 용량성 영역에 위치한다고 볼 수 있다.
즉, 제2 극 주파수(f2)에 해당하는 입력 임피던스의 리액턴스 값이 0보다 작음에 따라 주파수 분할 현상이 발생될 수 있다.
다음으로, 도 2c는 주파수 분할 현상이 발생되지 않은 무선 전력 전송 시스템에서의 입력 임피던스의 위상 변화와 주파수 분할 현상이 발생된 무선 전력 전송 시스템에서의 입력 임피던스의 위상 변화를 비교 설명한다.
도 2c의 그래프(220)를 참조하면, 가로축은 주파수의 크기를 나타내고, 세로축은 입력 임피던스의 위상을 나타낼 수 있다.
지시선(221)은 주파수 분할 현상이 발생되지 않은 무선 전력 전송 시스템에서 입력 임피던스의 위상 변화를 나타내고, 지시선(222)는 무선 전력 전송 시스템에서 입력 임피던스의 위상 변화를 나타낼 수 있다.
인버터의 스위칭 주파수는 제로 전압 스위칭을 위한 동작 주파수보다 높게 선택하고 입력 임피던스의 제로 또는 유도 영역에 배치되어야 한다.
인버터의 스위칭 주파수가 입력 임피던스의 위상이 0 미만인 용량성 영역에서 작동하면 스위칭 손실이 발생하고 장치가 손상될 수 있다.
주파수 분할의 경우 위상이 동작 주파수 이후 용량성 영역으로 떨어지기 때문에 스위칭 주파수를 선택하기가 어렵다.
따라서, 인버터의 스위칭 주파수 선택 감도를 낮추고 시스템의 안정적인 동작을 보장하기 위해서는 동작 주파수 이후에도 입력 임피던스의 위상이 유도 성 영역에 있도록 무선 전력 전송 시스템의 설계가 요구된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 동작 방법을 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 송신부 매칭 커패시터를 이용하여 주파수 분할 현상을 완화하는 무선 전력 전송 시스템의 동작 방법이 추가 회로 설계 없이 송신 커패시터 값만을 변경하여 주파수 분할 현상을 완화하는 실시예를 설명한다.
구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 동작 방법은 수학식을 이용하여 송신부 매칭 커패시터 값을 계산하고, 송신부의 커패시터 값을 송신부 매칭 커패시터 값으로 변경하여 무선 전력 전송 시스템의 주파수 분할 현상을 완화한다.
단계(301)에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 동작 방법은 송신부 및 수신부의 전기적 특성을 추출한다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 동작 방법은 송신부의 송신 내부 저항, 송신 커패시턴스(capacitance) 및 송신 인덕턴스(inductance) 중 적어도 하나와 관련된 전기적 특성, 수신부의 수신 내부 저항, 수신 커패시턴스(capacitance) 및 수신 인덕턴스(inductance) 및 부하 저항 중 적어도 하나와 관련된 전기적 특성 및 송신 인덕턴스(inductance), 수신 인덕턴스(inductance) 및 결합 계수(coupling coefficient)와 관련된 상호 인덕턴스와 관련된 전기적 특성을 추출할 수 있다.
단계(302)에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 동작 방법은 단계(301)에서 추출된 전기적 특성을 이용하여 미분 리액턴스 값이 0에 수렴하는 주파수 값을 계산한다.
여기서, 무선 전력 전송 시스템의 동작 방법은 미분 리액턴스 값이 0에 수렴하는 주파수 값을 계산하기 위해 허수부와 실수부로 구성된 하기 [수학식 3]을 도출한다.
[수학식 3]
[수학식 3]은 식의 간략화를 위하여 괄호와 같이 문자(A, B, C, D, E, F)로 대체한다.
[수학식 3]에서 Zin은 입력 임피던스를 나타낼 수 있고, R1은 송신부의 내부 저항(internal resistance)을 나타낼 수 있으며, R2는 수신부의 내부 저항을 나타낼 수 있고, RL은 부하 저항(inductance resistance)을 나타낼 수 있으며, C1은 송신부의 커패시턴스(capacitance)를 나타낼 수 있고, C2는 수신부의 커패시턴스를 나타낼 수 있으며, L1은 송신부의 인덕턴스(inductance)를 나타낼 수 있고, L2는 수신부의 인덕턴스를 나타낼 수 있으며, ω는 주파수를 나타낼 수 있고, M은 상호 인덕턴스(mutual inductance)를 나타낼 수 있다.
[수학식 3]은 입력 임피던스의 레지스턴스와 리액턴스를 나타낼 수 있고, [수학식 3]에서 하기 [수학식 4]는 입력 임피던스의 위상을 나타낼 수 있고, [수학식 5]는 입력 임피던스의 리액턴스를 나타낼 수 있다.
[수학식 4]
[수학식 4]는 식의 간략화를 위하여 괄호와 같이 문자(A, B, C, D, E, F)로 대체한다.
[수학식 4]에서 phase of Zin은 입력 임피던스의 위상을 나타낼 수 있고, R1은 송신부의 내부 저항(internal resistance)을 나타낼 수 있으며, R2는 수신부의 내부 저항을 나타낼 수 있고, RL은 부하 저항(inductance resistance)을 나타낼 수 있으며, C1은 송신부의 커패시턴스(capacitance)를 나타낼 수 있고, C2는 수신부의 커패시턴스를 나타낼 수 있으며, L1은 송신부의 인덕턴스(inductance)를 나타낼 수 있고, L2는 수신부의 인덕턴스를 나타낼 수 있으며, ω는 주파수를 나타낼 수 있고, M은 상호 인덕턴스(mutual inductance)를 나타낼 수 있다.
[수학식 5]
[수학식 5]는 식의 간략화를 위하여 괄호와 같이 문자(A, B, C, D, E, F)로 대체한다.
[수학식 5]에서 X는 입력 임피던스의 리액턴스를 나타낼 수 있고, R1은 송신부의 내부 저항(internal resistance)을 나타낼 수 있으며, R2는 수신부의 내부 저항을 나타낼 수 있고, RL은 부하 저항(inductance resistance)을 나타낼 수 있으며, C1은 송신부의 커패시턴스(capacitance)를 나타낼 수 있고, C2는 수신부의 커패시턴스를 나타낼 수 있으며, L1은 송신부의 인덕턴스(inductance)를 나타낼 수 있고, L2는 수신부의 인덕턴스를 나타낼 수 있으며, ω는 주파수를 나타낼 수 있고, M은 상호 인덕턴스(mutual inductance)를 나타낼 수 있다.
[수학식 5]에서 간략화된 문자(A, B, C, D, E, F)를 식에 적용하면 하기 [수학식 6]이 도출될 수 있다.
[수학식 6]
[수학식 6]에서 X는 입력 임피던스의 리액턴스를 나타낼 수 있고, R1은 송신부의 내부 저항(internal resistance)을 나타낼 수 있으며, R2는 수신부의 내부 저항을 나타낼 수 있고, RL은 부하 저항(inductance resistance)을 나타낼 수 있으며, C1은 송신부의 커패시턴스(capacitance)를 나타낼 수 있고, C2는 수신부의 커패시턴스를 나타낼 수 있으며, L1은 송신부의 인덕턴스(inductance)를 나타낼 수 있고, L2는 수신부의 인덕턴스를 나타낼 수 있으며, ω는 각 진동수와 관련된 주파수를 나타낼 수 있고, M은 상호 인덕턴스(mutual inductance)를 나타낼 수 있다.
보다 구체적으로, 무선 전력 전송 시스템의 동작 방법은 입력 임피던스의 리액턴스 값을 계산하기 위한 수학식에 상기 추출된 전기적 특성을 대입하고 미분하여 상기 미분 리액턴스 값이 0에 수렴하는 주파수 값을 계산하되, 입력 임피던스의 리액턴스 값을 계산하기 위한 수학식을 상술한 [수학식 6]을 이용한다.
즉, 본 발명은 주파수 분할 현상을 완화하기 위해 시스템을 회로적으로 분석한 후, 분석을 바탕으로 주파수 분할 현상을 완화하기 위한 송신 커패시터 값의 범위를 구하는 [수학식 6]을 이용한다.
따라서, 본 발명은 추가 회로 설계 없이 기존의 고효율 공진형 무선 전력 전송 시스템에서 설계된 송신 커패시터 값만을 변경하여 주파수 분할 현상을 완화할 수 있다.
또한, 본 발명은 무선 전력 전송 시 높은 효율을 위해 결합 계수를 높이더라도 시스템이 안정적이고 높은 전력을 전달할 수 있다.
단계(303)에서 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 동작 방법은 단계(302)에서 계산된 주파수 값을 이용하여 리액턴스 값이 0보다 큰 값을 갖는 송신 커패시터 값을 계산한다.
즉, 무선 전력 전송 시스템의 동작 방법은 입력 임피던스의 리액턴스 값을 계산하기 위한 수학식에 추출된 전기적 특성 중 송신부의 커패시터 값을 제외한 나머지 전기적 특성과 계산된 주파수 값을 대입하여 입력 임피던스의 리액턴스 값이 0보다 큰 값을 갖는 송신 커패시터 값의 범위를 계산한다.
구체적으로, 무선 전력 전송 시스템의 동작 방법은 입력 임피던스의 리액턴스 값을 계산하기 위한 수학식으로 상술한 [수학식 6]을 이용하고, [수학식 6]에서 ω에 상기 계산된 주파수 값을 대입하고, C1을 미지수로 하며, X가 0 이상이 되는 C1의 범위를 결정하고, C1의 범위 중 시스템의 높은 효율을 위하여 C1의 범위에서 가장 작은 값을 송신 커패시터 값으로 결정한다.
예를 들어, 무선 전력 전송 시스템의 동작 방법은 송신 커패시터 값의 범위를 152.57 ㎋ 이상으로 계산할 수 있다.
단계(304)에서 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 동작 방법은 단계(303)에서 계산된 송신 커패시터 값으로 기 설정된 송신 커패시터 값을 대체한다.
즉, 무선 전력 전송 시스템의 동작 방법은 단계(303)에서 계산된 송신 커패시터 값에 해당하는 송신부 매칭 커패시터를 이용한다.
따라서, 본 발명은 추가 회로 설계 없이 무선 전력 전송 시스템에서 설계되는 송신 커패시터 값만을 변경하여 무선 전력 전송 시스템의 주파수 분할 현상을 완화할 수 있다.
또한, 본 발명은 무선 전력 전송 시 무선 전력 전송의 효율성 향상을 위해 결합 계수를 높이더라도 무선 전력 전송 시스템의 안정성을 확보하면서 높은 무선 전력 전송율을 달성할 수 있다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 블록도를 설명하는 도면이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 구성 요소를 예시한다.
도 4a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템(400)은 송신부(410), 수신부(420) 및 제어부(430)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템(400)은 추가 회로 설계 없이 송신 커패시터 값만을 변경하여 주파수 분할 현상을 완화하기 위해 송신부 매칭 커패시터의 커패시터 값에 해당하는 커패시터 값을 상술한 [수학식 6]을 이용하여 계산하고, 계산된 커패시터 값에 해당하는 송신부 매칭 커패시터를 선택적으로 사용하여 무선 전력 전송 시스템(400)에서의 주파수 분할 현상을 완화할 수 있다.
일례로, 송신부(410)는 무선 전력을 수신부(420)로 전송할 수 있다.
예를 들어, 송신부(410)는 송신 코일을 포함할 수 있고, 수신부(420)는 수신 코일을 포함할 수 있다.
도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 블록도를 설명하는 도면이다.
도 4b는 무선 전력 전송 시스템의 송신부(410)가 소스코일(411) 및 중계코일(412)을 포함하여 구성되는 경우를 예시한다.
도 4b를 참조하면, 상기 송신부(410)는 소스코일(411) 및 중계코일(412)을 포함할 수 있다. 상기 소스 코일(411)은 송신 전압이 인가되고, 송신 커패시턴스를 가질 수 있다. 상기 중계 코일(412)은 상기 소스코일과 전기적으로 분리되고, 중계 커패시턴스를 가질 수 있다.
기존의 무선 전력 전송 시스템에서는 수신부(420)의 위치가 충전 패드의 정확한 위치에 놓여야만 충전이 되며, 중심에서 일정 거리만큼 벗어나는 경우 전송 효율 저하로 발열이 일어나거나, 무선 전력 전송이 중단되어 충전이 불가능한 문제가 있다.
따라서, 무선 전력 전송 시스템의 무선 전력 전송 효율을 높이기 위해서는 수신부(420)의 위치가 중심에서 일정 거리만큼 벗어나는 경우에도 무선 전력 전송 또는 무선 충전이 가능하도록 무선 충전이 가능한 공간적 범위를 증가시킬 필요가 있다.
상기 송신부(410)는 중계코일(412)을 포함함으로써, 상기 수신부(420)로 전송하는 무선 전력의 전송 거리를 증가시킬 수 있다. 즉, 상기 중계코일(412)은 상기 송신부(410)와 상기 수신부(420) 사이의 무선 전력 전송 거리를 증가시킬 수 있다.
도 4c 및 도 4d는 도 4b의 무선 전력 전송 시스템에서 송신부(410a)의 구조의 일 예시를 나타내는 도면이다.
구체적으로, 도 4c는 송신부(410a)를 위에서 수평방향으로 바라본 평면도이고, 도 4d는 송신부(410a)를 옆에서 수직방향으로 바라본 단면도이다.
도 4c 및 4d를 참조하면, 상기 소스코일(411)은 상기 중계코일(412)에 둘러싸여 있을 수 있다. 상기 중계코일(412)은 상기 소스코일(411)과 동일한 층에 배치되고, 상기 소스코일(411)을 둘러싸는 형태로 배치될 수 있다.
예를 들어, 상기 소스코일(411)의 중심과 상기 중계코일(412)의 중심은 일치하고, 상기 중계코일(412)의 외경은 상기 소스코일(411)의 외경보다 클 수 있다.
일 실시예에서, 상기 소스코일(411)의 외경은 42mm 내지 48mm이고, 상기 중계코일(412)의 외경은 54mm 내지 60mm일 수 있다.
이와 같이, 중계코일(412)이 소스코일(411)을 둘러싸는 형태로 배치된 송신부(410a)의 구조에 따라, 송신부(410)가 단일한 소스코일로 구성된 경우보다 상기 송신부(410a)와 상기 수신부(420) 사이의 무선 전력 전송 거리가 증가할 수 있다.
따라서, 수신부의 위치가 중심에서 일정 거리만큼 벗어나는 경우에도 무선 전력 전송 또는 무선 충전이 가능하므로, 무선 전력 전송 시스템의 무선 전력 전송 효율이 전방향으로 증가할 수 있다.
도 4e 및 도 4f는 도 4b의 무선 전력 전송 시스템에서 송신부(410b)의 구조의 일 예시를 나타내는 도면이다.
구체적으로, 도 4e는 송신부(410b)를 위에서 수평방향으로 바라본 평면도이고, 도 4f는 송신부(410b)를 옆에서 수직방향으로 바라본 단면도이다.
도 4e 및 4f를 참조하면, 상기 중계코일(412)은 상기 소스코일(411)과 상기 수신부(420)의 수신코일 사이에 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 중계코일(412)은 상기 소스코일(411) 상부에 배치될 수 있다.
상기 중계코일(412)은 상기 소스코일(411)과 일정 거리만큼 어긋나는 형태로 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 소스코일(411)의 중심과 상기 중계코일(412)의 중심 사이의 거리는 8mm 내지 12mm일 수 있다.
상기 중계코일(412)의 외경은 상기 소스코일(411)의 외경과 동일할 수 있다. 예를 들어, 상기 소스코일(411)의 외경은 42mm 내지 48mm이고, 상기 중계코일(412)의 외경은 42mm 내지 48mm일 수 있다.
이와 같이, 중계코일(412)의 중심과 소스코일(411)의 중심이 일정 거리만큼 떨어지고, 중계코일(412)과 소스코일(411)의 크기가 동일한 형태로 배치된 송신부(410b)의 구조에 따라, 송신부(410)가 단일한 소스코일로 구성된 경우보다 상기 송신부(410b)와 상기 수신부(420) 사이의 무선 전력 전송 거리가 증가할 수 있다.
따라서, 수신부(420)의 위치가 중심에서 일정 거리만큼 벗어나는 경우에도 무선 전력 전송 또는 무선 충전이 가능하므로, 무선 전력 전송 시스템의 무선 전력 전송 효율이 일방향으로 증가할 수 있다.
도 4g 및 도 4h는 도 4b의 무선 전력 전송 시스템에서 송신부(410c)의 구조의 일 예시를 나타내는 도면이다.
구체적으로, 도 4g는 송신부(410c)를 위에서 수평방향으로 바라본 평면도이고, 도 4h는 송신부(410c)를 옆에서 수직방향으로 바라본 단면도이다.
도 4g 및 도 4h를 참조하면, 상기 중계코일(412)은 제1 중계코일 및 제2 중계코일을 포함할 수 있다.
상기 제1 중계코일 및 상기 제2 중계코일은 상기 소스코일(411)과 상기 수신부(420)의 수신코일 사이에 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 중계코일은 상기 소스코일(411) 상부에 배치될 수 있다. 상기 제2 중계코일은 상기 제1 중계코일 상부에 배치될 수 있다.
상기 제1 중계코일의 중심은 상기 소스코일(411)의 중심과 제1 방향으로 일정 거리만큼 떨어지고, 상기 제2 중계코일의 중심은 상기 소스코일(411)의 중심과 상기 제1 방향과 반대되는 제2 방향으로 일정 거리만큼 떨어질 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 중계코일의 중심은 상기 소스코일(411)의 중심과 제1 방향으로 8mm 내지 12mm 이격되어 있을 수 있다. 상기 제2 중계코일의 중심은 상기 소스코일(411)의 중심과 상기 제2 방향으로 방향으로 8mm 내지 12mm 이격되어 있을 수 있다.
상기 제1 중계코일 및 상기 제2 중계코일의 외경은 상기 소스코일(411)의 외경과 동일할 수 있다. 예를 들어, 상기 소스코일(411)의 외경은 42mm 내지 48mm이고, 상기 제1 중계코일의 외경 및 상기 제2 중계코일의 외경은 42mm 내지 48mm일 수 있다.
이와 같이, 제1 중계코일 및 제2 중계코일이 소스코일(411)의 중심을 기준으로 각각 수평 반대방향으로 이격되어 배치되고, 제1 중계코일 및 제2 중계코일의 크기가 소스코일(411)의 크기와 동일한 형태로 배치된 송신부(410c)의 구조에 따라, 송신부가 단일한 소스코일로 구성된 경우보다 상기 송신부(410c)와 상기 수신부(420) 사이의 무선 전력 전송 거리가 증가할 수 있다.
따라서, 수신부(420)의 위치가 중심에서 일정 거리만큼 벗어나는 경우에도 무선 전력 전송 또는 무선 충전이 가능하므로, 무선 전력 전송 시스템의 무선 전력 전송 효율이 제1 방향 및 제2 방향으로 증가할 수 있다.
도 4i 및 도 4j는 도 4c 내지 도 4h의 경우, 실시예들에 따른 무선 전력 전송 효율을 비교한 그래프이다.
구체적으로, 도 4i는 동작주파수 110kHz에서 각각의 송신부(410a, 410b, 410c)의 코일 구성에 따른 수신부와 송신부의 이격 거리에 따른 무선 전력 전송 효율의 변화를 나타내는 그래프이다. 도 4j는 동작주파수 140kHz에서 각각의 송신부(410a, 410b, 410c)의 코일 구성에 따른 수신부와 송신부의 이격 거리에 따른 무선 전력 전송 효율의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4i를 참조하면, 동작주파수 110kHz에서, 송신부가 단일한 소스코일로 구성된 경우, 수신부와 송신부의 이격 거리가 10mm이상이 되는 구간에서 무선 전력 전송 효율이 급격히 하락할 수 있다.
또한, 송신부가 단일한 소스코일로 구성된 경우, 이격 거리 15mm에서 송신부의 무선 전력 전송 효율이 약 70% 수준까지 큰 폭으로 감소할 수 있다.
반면, 중계코일이 소스코일을 둘러싸는 형태로 배치된 송신부(410a)의 구조의 경우, 수신부와 송신부의 이격 거리가 10mm일 때 무선 전력 전송 효율이 약 89%이고, 이격 거리가 15mm일 때 무선 전력 전송 효율이 80% 이상일 수 있다.
또한, 중계코일의 중심과 소스코일의 중심이 일정 거리만큼 떨어지고, 중계코일과 소스코일의 크기가 동일한 형태로 배치된 송신부(410b)의 구조의 경우, 수신부와 송신부의 이격 거리가 10mm일 때 무선 전력 전송 효율이 약 91%이고, 이격 거리가 15mm일 때 무선 전력 전송 효율이 약 86%으로 높게 유지될 수 있다.
또한, 제1 중계코일 및 제2 중계코일이 소스코일의 중심을 기준으로 각각 수평 반대방향으로 이격되어 배치되고, 제1 중계코일 및 제2 중계코일의 크기가 소스코일의 크기와 동일한 형태로 배치된 송신부(410c)의 구조의 경우, 수신부와 송신부의 이격 거리가 10mm일 때 무선 전력 전송 효율이 약 89%이고, 이격 거리가 15mm일 때 무선 전력 전송 효율이 80% 이상일 수 있다.
즉, 상기 송신부(410a, 410b, 410c)가 중계코일을 포함하는 경우, 동작주파수 110kHz에서 상기 송신부와 상기 수신부 사이의 무선 전력의 전송 거리가 증가되고, 송신부가 단일한 소스코일로 구성된 경우보다 무선 전력 전송 효율이 증가할 수 있다.
도 4j를 참조하면, 동작주파수 140kHz에서, 송신부가 단일한 소스코일로 구성된 경우, 수신부와 송신부의 이격 거리가 10mm이상이 되는 구간에서 무선 전력 전송 효율이 급격히 하락할 수 있다.
또한, 송신부가 단일한 소스코일로 구성된 경우, 이격 거리 약 13mm에서 송신부의 무선 전력 전송 효율이 약 73% 수준까지 큰 폭으로 감소할 수 있다. 같은 비율로 계산할 때, 이격거리 약 15mm에서 송신부의 무선 전력 전송 효율이 약 64% 이하까지 감소할 것으로 예상될 수 있다.
반면, 중계코일이 소스코일을 둘러싸는 형태로 배치된 송신부(410a)의 구조의 경우, 수신부와 송신부의 이격 거리가 10mm일 때 무선 전력 전송 효율이 약 86%이고, 이격 거리가 15mm일 때 무선 전력 전송 효율이 약 73%일 수 있다. 즉, 이 경우, 송신부가 단일한 소스코일로 구성된 경우에 비하여 무선 전력 전송 효율의 감소가 최소화될 수 있다.
또한, 중계코일의 중심과 소스코일의 중심이 일정 거리만큼 떨어지고, 중계코일과 소스코일의 크기가 동일한 형태로 배치된 송신부(410b)의 구조의 경우, 수신부와 송신부의 이격 거리가 10mm일 때 무선 전력 전송 효율이 약 92%이고, 이격 거리가 15mm일 때 무선 전력 전송 효율이 약 88%으로 높게 유지될 수 있다.
또한, 제1 중계코일 및 제2 중계코일이 소스코일의 중심을 기준으로 각각 수평 반대방향으로 이격되어 배치되고, 제1 중계코일 및 제2 중계코일의 크기가 소스코일의 크기와 동일한 형태로 배치된 송신부의 구조(410c)의 경우, 수신부와 송신부의 이격 거리가 10mm일 때 무선 전력 전송 효율이 약 87%이고, 이격 거리가 15mm일 때 무선 전력 전송 효율이 80% 이상일 수 있다.
즉, 상기 송신부(410a, 410b, 410c)가 중계코일을 포함하는 경우, 동작주파수 140kHz에서 상기 송신부와 상기 수신부 사이의 무선 전력의 전송 거리가 증가되고, 송신부가 단일한 소스코일로 구성된 경우보다 무선 전력 전송 효율이 증가할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제어부(430)는 송신부(410) 및 수신부(420)의 전기적 특성을 추출하고, 추출된 전기적 특성을 이용하여 입력 임피던스의 미분 리액턴스 값이 0에 수렴하는 주파수 값을 계산할 수 있다.
또한, 제어부(430)는 계산된 주파수 값을 이용하여 입력 임피던스의 리액턴스 값이 0보다 큰 값을 갖는 송신 커패시터 값을 계산하고, 송신부(410)의 기 설정된 송신 커패시터 값을 [수학식 6]을 이용하여 계산된 송신 커패시터 값으로 변경한다.
즉, 제어부(430)는 송신부 매칭 커패시터가 이용될 수 있도록 송신부 매칭 커패시터의 송신 커패시터 값을 계산하고, 계산된 송신 커패시터 값을 제시한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 제어부(430)는 입력 임피던스의 리액턴스 값을 계산하기 위한 수학식으로 [수학식 6]을 이용하고, [수학식 6]에 추출된 전기적 특성을 대입하고 미분하여 미분 리액턴스 값이 0에 수렴하는 주파수 값을 계산한다.
일례로, 제어부(430)는 입력 임피던스의 리액턴스 값을 계산하기 위한 수학식으로 [수학식 6]을 이용하고, [수학식 6]에서
Figure 112021134236321-pat00014
에 계산된 주파수 값을 대입하고, C1을 미지수로 하며, X가 0 이상이 되는 C1의 범위를 결정할 수 있다.
따라서, 제어부(430)는 송신 커패시터 값의 범위를 152.57 ㎋ 이상으로 계산할 수 있다.
상술한 송신 커패시터 값의 범위는 152.57 ㎋이상의 범위에서 효율성을 고려하여 선택적으로 결정 가능하다. 즉, 계산된 송신 커패시터 값은 152.57 ㎋이상으로 결정되면 된다.
다시 말해, 송신 커패시터 값은 무선 전력 전송 시스템의 효율성을 고려하여 계산된 송신 커패시터 값의 범위 내에서 최소 값으로 결정될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 제어부(430)는 송신 커패시터 값의 범위를 제공함에 따라 제공된 송신 커패시터 값을 갖는 송신부 매칭 커패시터를 이용한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 제어부(430)는 송신부(410)의 송신 내부 저항, 송신 커패시턴스(capacitance) 및 송신 인덕턴스(inductance) 중 적어도 하나와 관련된 전기적 특성으로 추출할 수 있다.
또한, 제어부(430)는 수신부(420)의 수신 내부 저항, 수신 커패시턴스(capacitance) 및 수신 인덕턴스(inductance) 및 부하 저항 중 적어도 하나와 관련된 전기적 특성으로 추출할 수 있다.
또한, 제어부(430)는 송신 인덕턴스(inductance), 수신 인덕턴스(inductance) 및 결합 계수(coupling coefficient)와 관련된 상호 인덕턴스와 관련된 전기적 특성을 추출할 수 있다.
따라서, 본 발명은 주파수 분할 현상을 완화하기 위해 시스템을 회로적으로 분석한 후, 분석을 바탕으로 주파수 분할 현상을 완화하기 위한 송신 커패시터 값의 범위를 결정하는 수학식을 이용하는 무선 전력 전송 시스템 및 그 동작 방법을 제공할 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 송신부 커패시터 매칭 결과를 설명하는 도면이다.
구체적으로, 도 5a 및 도 5b는 무선 전력 전송 시스템에서 송신부 매칭 커패시터를 이용함에 따라 주파수 분할 현상이 완화된 결과를 예시한다.
도 5a의 그래프(500)를 참조하면, 그래프(500)의 가로축은 주파수 변화를 나타내고, 세로축은 입력 임피던스의 위상 변화를 나타낸다.
그래프(500)는 송신 커패시터 값(C1)이 114 ㎋인 경우와 153 ㎋인 경우에서 입력 임피던스의 위상 변화를 비교한다.
그래프(500)를 참조하면, 송신 커패시터 값이 114 ㎋인 경우는 주파수 분할 현상이 발생되는 공진주파수를 고려하여 계산된 기존 송신 커패시터에 해당되고, 송신 커패시터 값이 153 ㎋인 경우는 본 발명의 일 실시예에 따라 송신부 매칭 커패시터 값이 이용된 경우에 해당될 수 있다.
송신 커패시터 값이 114 ㎋인 경우는 동작 주파수를 기준으로 주파수가 두 개의 극을 갖는 주파수 중 하나의 주파수에서 입력 임피던스의 위상이 0보다 낮다.
반면에, 송신 커패시터 값이 153 ㎋인 경우는 동작 주파수를 기준으로 두 개의 극을 갖는 주파수의 입력 임피던스의 위상이 모두 0보다 크다.
따라서, 송신 커패시터 값이 153 ㎋인 경우는 입력 임피던스의 위상이 0 미만인 용량성 영역에서 작동하지 않아서 스위칭 손실이 발생되지 않는다.
다시 말해, 송신 커패시터 값이 153 ㎋인 경우는 입력 임피던스의 위상이 0 아래로 내려가지 않아서 주파수 분할 현상이 완화된다.
한편, 도 5b의 그래프(510)를 참조하면, 그래프(510)의 가로축은 주파수 변화를 나타내고, 세로축은 입력 임피던스의 리액턴스 변화를 나타낸다.
그래프(510)는 송신 커패시터 값(C1)이 114 ㎋인 경우와 153 ㎋인 경우에서 입력 임피던스의 리액턴스 변화를 비교한다.
그래프(510)를 참조하면, 송신 커패시터 값이 114 ㎋인 경우는 주파수 분할 현상이 발생되는 기존 커패시터에 해당될 수 있고, 송신 커패시터 값이 153 ㎋인 경우는 본 발명의 일 실시예에 따라 송신부 매칭 커패시터 값이 이용된 경우에 해당될 수 있다.
송신 커패시터 값이 114 ㎋인 경우는 동작 주파수를 기준으로 두 개의 극을 갖는 주파수 중 하나의 주파수에서 입력 임피던스의 리액턴스가 0 보다 낮다.
반면에, 송신 커패시터 값이 153 ㎋인 경우는 동작 주파수를 기준으로 두 개의 극을 갖는 주파수 모두 입력 임피던스의 리액턴스가 0 보다 크다.
따라서, 송신 커패시터 값이 153 ㎋인 경우는 입력 임피던스의 리액턴스가 0 미만인 용량성 영역에서 작동하지 않아서 스위칭 손실이 발생되지 않는다.
다시 말해, 송신 커패시터 값이 153 ㎋인 경우는 송신 커패시터 값이 114 ㎋인 경우에 대비하여 주파수 분할 현상이 완화된다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템에서 송신부 커패시터 값의 매칭 결과를 설명하는 도면이다.
구체적으로, 도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템에서 송신부 커패시터 값에 따른 시뮬레이션 결과와 실제 측정 결과를 비교 설명한다.
도 6a를 참조하면, 그래프(600)는 무선 전력 전송 시스템의 송신부 커패시터 값이 108 ㎋인 경우를 예시하고, 가로축은 주파수 변화를 나타내고, 세로축은 입력 임피던스의 위상 변화를 나타낸다.
그래프(600)를 참조하면, 무선 전력 전송 시스템의 송신부 커패시터 값이 108 ㎋인 경우에 대하여 실제 측정 결과와 시뮬레이션 결과 모두 주파수 분할 현상이 발생됨을 확인시켜준다.
도 6b를 참조하면, 그래프(610)는 무선 전력 전송 시스템의 송신부 커패시터 값이 156 ㎋인 경우를 예시하고, 가로축은 주파수 변화를 나타내고, 세로축은 입력 임피던스의 위상 변화를 나타낸다.
그래프(610)를 참조하면, 무선 전력 전송 시스템의 송신부 커패시터 값이 185 ㎋인 경우에 대하여 실제 측정 결과와 시뮬레이션 결과 모두 주파수 분할 현상이 완화됨을 확인시켜준다.
예를 들어, 무선 전력 전송 시스템의 송신부 커패시터 값이 156 ㎋인 경우 시뮬레이션 결과는 코일 대 코일의 성능이 90.55%로 확인될 수 있고, 실제 측정 결과는 코일 대 코일의 성능이 92.47%로 확인될 수 있다.
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.
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.
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.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 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.
400: 무선 전력 전송 시스템
410: 송신부 411: 소스코일
412: 중계코일 420: 수신부
430: 제어부

Claims (16)

  1. 송신부 매칭 커패시터를 이용하여 주파수 분할 현상을 완화하는 무선 전력 전송 시스템에 있어서,
    송신부;
    수신부; 및
    상기 송신부 및 상기 송신부의 동작을 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 송신부는,
    송신 전압이 인가되고, 송신 커패시턴스를 가지는 소스코일; 및
    상기 소스코일과 전기적으로 분리되고, 중계 커패시턴스를 가지는 중계코일을 포함하고,
    상기 중계코일은,
    상기 송신부와 상기 수신부 사이의 무선 전력 전송 거리를 증가시키고,
    상기 제어부는 상기 송신부 및 상기 수신부의 전기적 특성을 추출하고, 상기 추출된 전기적 특성을 이용하여 입력 임피던스의 미분 리액턴스 값이 0에 수렴하는 주파수 값을 계산하며, 상기 계산된 주파수 값을 이용하여 입력 임피던스의 리액턴스 값이 0보다 큰 값을 갖는 송신 커패시터 값을 계산하고, 상기 송신부의 기 설정된 송신 커패시터 값을 상기 계산된 송신 커패시터 값으로 변경하는 것을 특징으로 하는,
    무선 전력 전송 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 소스코일의 중심과 상기 중계코일의 중심은 일치하고,
    상기 중계코일의 외경은 상기 소스코일의 외경보다 크고,
    상기 중계코일은 상기 소스코일을 둘러싸고,
    상기 소스코일의 외경은 42mm 내지 48mm이고,
    상기 중계코일의 외경은 54mm 내지 60mm인 것을 특징으로 하는,
    무선 전력 전송 시스템
  3. 제1항에 있어서,
    상기 소스코일의 중심과 상기 중계코일의 중심 사이의 거리는 8mm 내지 12mm이고,
    상기 중계코일의 외경은 상기 소스코일의 외경과 동일하고,
    상기 중계코일은 상기 소스코일과 상기 수신부의 수신코일 사이에 배치되고,
    상기 소스코일의 외경은 42mm 내지 48mm인 것을 특징으로 하는,
    무선 전력 전송 시스템
  4. 제1항에 있어서,
    상기 중계코일은 제1 중계코일 및 제2 중계코일을 포함하고,
    상기 제1 중계코일의 중심은 상기 소스코일의 중심과 제1 방향으로 8mm 내지 12mm 이격되어 있고,
    상기 제2 중계코일의 중심은 상기 소스코일의 중심과 상기 제1 방향과 반대되는 제2 방향으로 방향으로 8mm 내지 12mm 이격되어 있고,
    상기 제1 중계코일 및 상기 제2 중계코일의 외경은 상기 소스코일의 외경과 동일하고,
    상기 소스코일의 외경은 42mm 내지 48mm인 것을 특징으로 하는,
    무선 전력 전송 시스템
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 입력 임피던스의 리액턴스 값을 계산하기 위한 수학식으로 다음 [수학식 6]을 이용하고, 다음 [수학식 6]에 상기 추출된 전기적 특성을 대입하고 미분하여 상기 미분 리액턴스 값이 0에 수렴하는 주파수 값을 계산하는 것을 특징으로 하는
    무선 전력 전송 시스템.
    [수학식 6]
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 입력 임피던스의 리액턴스 값을 계산하기 위한 수학식으로 다음 [수학식 6]을 이용하고, 다음 [수학식 6]에서 ω에 상기 계산된 주파수 값을 대입하고, C1을 미지수로 하며, X가 0 이상이 되는 C1의 범위를 결정하는 것을 특징으로 하는
    무선 전력 전송 시스템.
    [수학식 6]
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 송신 커패시터 값의 범위를 152.57 ㎋ 이상으로 계산하는 것을 특징으로 하는
    무선 전력 전송 시스템.
  9. 중계코일을 이용하여 무선 전력 전송 거리를 증가시키는 무선 전력 전송 시스템의 동작 방법에 있어서,
    송신부 및 수신부의 전기적 특성을 추출하는 단계;
    상기 추출된 전기적 특성을 이용하여 입력 임피던스의 미분 리액턴스 값이 0에 수렴하는 주파수 값을 계산하는 단계;
    상기 계산된 주파수 값을 이용하여 입력 임피던스의 리액턴스 값이 0보다 큰 값을 갖는 송신 커패시터 값을 계산하는 단계; 및
    상기 송신부의 기 설정된 송신 커패시터 값을 상기 계산된 송신 커패시터 값으로 변경하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
    무선 전력 전송 시스템의 동작 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 추출된 전기적 특성을 이용하여 입력 임피던스의 미분 리액턴스 값이 0에 수렴하는 주파수 값을 계산하는 단계는
    상기 입력 임피던스의 리액턴스 값을 계산하기 위한 수학식에 상기 추출된 전기적 특성을 대입하고 미분하여 상기 미분 리액턴스 값이 0에 수렴하는 주파수 값을 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
    무선 전력 전송 시스템의 동작 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 입력 임피던스의 리액턴스 값을 계산하기 위한 수학식에 상기 추출된 전기적 특성을 대입하고 미분하여 상기 미분 리액턴스 값이 0에 수렴하는 주파수 값을 계산하는 단계는,
    상기 입력 임피던스의 리액턴스 값을 계산하기 위한 수학식을 다음 [수학식 6]을 이용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
    무선 전력 전송 시스템의 동작 방법.
    [수학식 6]
  12. 제11항에 있어서,
    상기 송신부 및 수신부의 전기적 특성을 추출하는 단계는,
    상기 송신부의 송신 내부 저항, 송신 커패시턴스(capacitance) 및 송신 인덕턴스(inductance) 중 적어도 하나와 관련된 전기적 특성으로 추출하는 단계;
    상기 수신부의 수신 내부 저항, 수신 커패시턴스(capacitance) 및 수신 인덕턴스(inductance) 및 부하 저항 중 적어도 하나와 관련된 전기적 특성으로 추출하는 단계; 및
    상기 송신 인덕턴스(inductance), 상기 수신 인덕턴스(inductance) 및 결합 계수(coupling coefficient)와 관련된 상호 인덕턴스와 관련된 전기적 특성을 추출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
    무선 전력 전송 시스템의 동작 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 송신 커패시턴스(capacitance)와 관련된 전기적 특성은 상기 기 설정된 송신 커패시터 값에 대응되는 것을 특징으로 하는
    무선 전력 전송 시스템의 동작 방법.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 계산된 주파수 값을 이용하여 입력 임피던스의 리액턴스 값이 0보다 큰 값을 갖는 송신 커패시터 값을 계산하는 단계는,
    상기 입력 임피던스의 리액턴스 값을 계산하기 위한 수학식에 상기 추출된 전기적 특성 중 송신부의 커패시터 값을 제외한 나머지 전기적 특성과 상기 계산된 주파수 값을 대입하여 상기 입력 임피던스의 리액턴스 값이 0보다 큰 값을 갖는 상기 송신 커패시터 값의 범위를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
    무선 전력 전송 시스템의 동작 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 입력 임피던스의 리액턴스 값을 계산하기 위한 수학식에 상기 추출된 전기적 특성 중 상기 송신부의 커패시터 값을 제외한 나머지 전기적 특성과 상기 계산된 주파수 값을 대입하여 상기 입력 임피던스의 리액턴스 값이 0보다 큰 값을 갖는 상기 송신 커패시터 값의 범위를 계산하는 단계는
    상기 입력 임피던스의 리액턴스 값을 계산하기 위한 수학식으로 다음 [수학식 6]을 이용하고, [수학식 6]에서 ω에 상기 계산된 주파수 값을 대입하고, C1을 미지수로 하며, X가 0 이상이 되는 C1의 범위를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
    무선 전력 전송 시스템의 동작 방법.
    [수학식 6]
  16. 제14항에 있어서,
    상기 계산된 주파수 값을 이용하여 입력 임피던스의 리액턴스 값이 0보다 큰 값을 갖는 송신 커패시터 값을 계산하는 단계는,
    상기 송신 커패시터 값의 범위를 152.57 ㎋ 이상으로 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
    무선 전력 전송 시스템의 동작 방법.
KR1020210161095A 2021-11-22 2021-11-22 중계코일을 포함하고, 송신부 매칭 커패시터를 이용하여 주파수 분할 현상을 완화하는 무선 전력 전송 시스템 및 그 동작 방법 KR102646120B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210161095A KR102646120B1 (ko) 2021-11-22 2021-11-22 중계코일을 포함하고, 송신부 매칭 커패시터를 이용하여 주파수 분할 현상을 완화하는 무선 전력 전송 시스템 및 그 동작 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210161095A KR102646120B1 (ko) 2021-11-22 2021-11-22 중계코일을 포함하고, 송신부 매칭 커패시터를 이용하여 주파수 분할 현상을 완화하는 무선 전력 전송 시스템 및 그 동작 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20230074968A KR20230074968A (ko) 2023-05-31
KR102646120B1 true KR102646120B1 (ko) 2024-03-11

Family

ID=86542779

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210161095A KR102646120B1 (ko) 2021-11-22 2021-11-22 중계코일을 포함하고, 송신부 매칭 커패시터를 이용하여 주파수 분할 현상을 완화하는 무선 전력 전송 시스템 및 그 동작 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102646120B1 (ko)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2021511774A (ja) * 2018-01-26 2021-05-06 インディゴ テクノロジーズ， インク．Ｉｎｄｉｇｏ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ， Ｉｎｃ． 統合されたインピーダンス整合を伴う無線電力伝達システム、およびそれを使用するための方法

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9473209B2 (en) 2008-08-20 2016-10-18 Intel Corporation Wireless power transfer apparatus and method thereof
KR20140087684A (ko) * 2012-12-31 2014-07-09 주식회사 케이더파워 공진기가 구비된 무선 충전기
KR101688158B1 (ko) * 2013-10-23 2016-12-20 엘지전자 주식회사 무선 전력 전송장치 및 무선 충전 시스템
KR20200046313A (ko) 2018-10-24 2020-05-07 엘지이노텍 주식회사 무선 송신 코일 및 이를 포함하는 무선 전력 송신기
KR20200058808A (ko) 2018-11-20 2020-05-28 엘지이노텍 주식회사 무선 전력 송신기

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2021511774A (ja) * 2018-01-26 2021-05-06 インディゴ テクノロジーズ， インク．Ｉｎｄｉｇｏ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ， Ｉｎｃ． 統合されたインピーダンス整合を伴う無線電力伝達システム、およびそれを使用するための方法

Also Published As

Publication number Publication date
KR20230074968A (ko) 2023-05-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Waters et al. Optimal coil size ratios for wireless power transfer applications
KR101438294B1 (ko) 자계 공명형 전력 전송 시스템에 있어서의 공진 주파수 제어 방법, 송전 장치, 및 수전 장치
US20180205265A1 (en) Wireless power transmitter
KR102109764B1 (ko) 전력 전송 장치에서 전력 수신 장치의 위치를 판단하는 방법 및 상기 방법을 수행하는 전력 전송 장치
JP2011142769A (ja) 磁気共鳴電力伝送方法及びその装置
Tan et al. Output power stabilisation of wireless power transfer system with multiple transmitters
KR20150004474A (ko) 중계 공진기를 포함하는 무선 전력 전송 방법 및 시스템
KR102646120B1 (ko) 중계코일을 포함하고, 송신부 매칭 커패시터를 이용하여 주파수 분할 현상을 완화하는 무선 전력 전송 시스템 및 그 동작 방법
Lee et al. Determination of the optimal resonant condition for multireceiver wireless power transfer systems considering the transfer efficiency and different rated powers with altered coupling effects
Wang et al. Development of a novel spindle‐shaped coil‐based wireless power transfer system for frequency splitting elimination
CN113696753B (zh) 用于电动汽车无线充电的异物检测系统及其控制方法
KR101714889B1 (ko) 무선전력전송을 위한 2차 코일 레이아웃 최적화 방법 및 시스템
KR20200064420A (ko) 다중 장치 무선전력전송 시스템에 대한 자기공진조건 탐색방법
Dong et al. Wireless power transfer based on current non‐linear PT‐symmetry principle
Dang et al. Range and misalignment tolerance comparisons between two-coil and four-coil wireless power transfer systems
KR102468941B1 (ko) 송신부 매칭 커패시터를 이용하여 주파수 분할 현상을 완화하는 무선 전력 전송 시스템 및 그 동작 방법
EP4088146A1 (en) Device movement detection in a multi-coil charging surface
Jolani et al. Electromagnetic modeling and optimization of magnetic resonant coupling wireless power transfer using coil array
Hadadtehrani et al. On the use of conical helix inductors in wireless power transfer systems
Zhang et al. Comparative studies between KVL and BPFT in magnetically‐coupled resonant wireless power transfer
KR102218447B1 (ko) 전도성 매질에서의 무선 전력 전송을 위한 자기 결합 코일의 등가 회로 모델링 방법 및 장치
US11502555B2 (en) System and method for wireless power transmission
KR102458631B1 (ko) 인덕티브 및 캐패시티브 무선 전력 전송 시스템
KR20190084388A (ko) 자기 공진 무선 전력 전송 다중 코일 시스템에서 최적의 송신단 코일 전류와 수신단 코일 그룹 선택 방법 및 시스템
Alexandru et al. Extending the horizontal transmission range of an inductive wireless power transfer system using passive elliptical resonators

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant