KR102661233B1 - 통합형 임피던스 매칭을 갖는 무선 전력 전송 시스템 및 그 사용 방법 - Google Patents

통합형 임피던스 매칭을 갖는 무선 전력 전송 시스템 및 그 사용 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR102661233B1
KR102661233B1 KR1020207024501A KR20207024501A KR102661233B1 KR 102661233 B1 KR102661233 B1 KR 102661233B1 KR 1020207024501 A KR1020207024501 A KR 1020207024501A KR 20207024501 A KR20207024501 A KR 20207024501A KR 102661233 B1 KR102661233 B1 KR 102661233B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
coil
capacitor
wireless power
power receiver
inductance
Prior art date
Application number
KR1020207024501A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20200108479A (ko
Inventor
사이 춘 탕
Original Assignee
인디고 테크놀로지스, 인크.
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 인디고 테크놀로지스, 인크. filed Critical 인디고 테크놀로지스, 인크.
Publication of KR20200108479A publication Critical patent/KR20200108479A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102661233B1 publication Critical patent/KR102661233B1/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
    • H02J50/10—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling
    • H02J50/12—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling of the resonant type
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L53/00—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles
    • B60L53/10—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles characterised by the energy transfer between the charging station and the vehicle
    • B60L53/12—Inductive energy transfer
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F38/00—Adaptations of transformers or inductances for specific applications or functions
    • H01F38/14—Inductive couplings
    • 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
    • H02J50/005—Mechanical details of housing or structure aiming to accommodate the power transfer means, e.g. mechanical integration of coils, antennas or transducers into emitting or 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
    • H02J50/40—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using two or more transmitting or receiving devices
    • H02J50/402—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using two or more transmitting or receiving devices the two or more transmitting or the two or more receiving devices being integrated in the same unit, e.g. power mats with several coils or antennas with several sub-antennas
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B5/00—Near-field transmission systems, e.g. inductive or capacitive transmission systems
    • H04B5/70—Near-field transmission systems, e.g. inductive or capacitive transmission systems specially adapted for specific purposes
    • H04B5/79—Near-field transmission systems, e.g. inductive or capacitive transmission systems specially adapted for specific purposes for data transfer in combination with power transfer
    • 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
    • H02J2207/00—Indexing scheme relating to details of circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J2207/50—Charging of capacitors, supercapacitors, ultra-capacitors or double layer capacitors
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/7072—Electromobility specific charging systems or methods for batteries, ultracapacitors, supercapacitors or double-layer capacitors
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/10—Technologies relating to charging of electric vehicles
    • Y02T90/14—Plug-in electric vehicles

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)
  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)
  • Current-Collector Devices For Electrically Propelled Vehicles (AREA)

Abstract

공진 유도 커플링에 기반한 종래의 무선 전력 전송(WPT) 시스템은 통상적으로 에너지 전송률의 희생으로 피크 전력 효율에서 작동한다. 임피던스 매칭 회로는 에너지 전송률을 증가시킬 수 있지만, WPT 시스템의 복잡성, 형태 인자, 및 중량을 증가시키는 경향이 있다. 이러한 한계를 극복하기 위해, 통합형 임피던스 매칭을 갖는 공진 회로를 포함하는 WPT 시스템이 본원에 기재되어 있다. 공진 회로는 제1 코일, 제1 코일과 직렬인 제1 커패시터, 제1 코일 및 제1 커패시터와 직렬인 제2 코일, 및 제1 코일과 제1 커패시터와 병렬인 제2 커패시터를 포함한다. 인덕터 코일 및 정전 용량은 전압 이득 및 이에 따라 에너지 전송률을 증가시키도록 조정된다. 인덕터 코일은 또한 전력을 송신 또는 수신하며, 이에 따라 에너지 전송률 및 전력 효율을 증가시킨다.

Description

통합형 임피던스 매칭을 갖는 무선 전력 전송 시스템 및 그 사용 방법
관련 특허 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 35 U.S.C. § 119(e) 하에, "이중 코일을 갖춘 무선 전력 전송 시스템(WPTS)(Wireless Power Transfer System (WPTS) with Dual Coils)"이라는 명칭으로 2018년 1월 26일에 출원된 미국 출원 제62/622,288호에 대한 우선권을 주장하며, 상기 출원은 본원에 전체적으로 참조로 포함된다.
무선 전력 전송(wireless power transfer, WPT) 시스템은 전자기파(electromagnetic wave) 방출과 흡수를 기반으로 송신기로부터 수신기로 전력을 전달한다. WPT 시스템 내의 송신기와 수신기가 물리적으로 연결될 필요가 없어서, 전자 장치 충전 및/또는 전력공급 시에 배선 필요성을 없앤다. WPT 시스템은 전기 차량, 기차 또는 버스에서의 배터리 충전; 조명, 텔레비전 및 날씨 제어 장치 같은 가정용 가전기기 전력공급; 자율 로봇 또는 드론 충전; 및 생체의료 기기, 특히 인체에 이식된 기기 전력공급을 포함하는 광범위한 적용분야에 유용성을 가지지만, 이에 한정되지는 않는다.
수년간, 다양한 유형의 WPT 시스템이 개발되었는데, 부분적으로는, 송신기가 수신기에 커플링되는 방법에 의해 구별된다. 예를 들어, WPT 시스템은, 유도 커플링(inductive coupling), 정전용량 커플링(capacitive coupling), 및 자기역학적 커플링(magnetodynamic coupling)에 기초하여 개발되었는데, 이들은 작동 주파수, 저전력/고전력 적합성, 및 작동 거리 면에서 상이한 장점과 단점을 갖는다. 유도 커플링에 기반한 WPT 시스템은 상업용 적용분야, 특히, 더욱 높은 에너지 전송률("전력 레벨"으로도 지칭됨)이 바람직한(예를 들어, 1Kw 초과인) 적용분야에서 가장 광범위하게 사용된다.
공진 유도 커플링(resonant inductive coupling)에 기반한 종래의 WPT 시스템은 통상적으로 상이한 작동 주파수에서 피크 에너지 전송률 및 피크 전력 효율을 나타낸다. 이것을 주파수 분할 효과라고 부른다. 주파수 분할 효과의 결과로서, 종래의 WPT 시스템은 동시에 피크 에너지 전송률과 피크 전력 효율 모두에서 작동할 수 없다. 일부 종래의 WPT 시스템에서는, 공진 주파수에서 작동될 때 주파수 분할 효과에 의해 야기되는 에너지 전송률 감소를 부분적으로 보상하기 위해 임피던스 매칭 회로가 사용된다. 그러나, 종래의 매칭 회로는 일반적으로 WPT 시스템의 복잡성, 크기 및 중량을 증가시키는 큰 벌크 회로 구성요소(예를 들어, 인덕터, 커패시터)를 포함한다.
따라서, 본 개시는 통합형 임피던스 매칭을 갖는 공진 회로를 이용하는 무선 전력 전송(WPT) 시스템에 관한 것이다. 공진 회로는 송신기 및/또는 수신기의 전압 이득을 증가시키고, 이에 따라 에너지 전송률을 증가시킴으로써 주파수 분할 효과를 보상하도록 구성되어 있는 인덕터 코일 및 커패시터를 포함한다. 전압 부스팅 기능을 공진 회로에 통합함으로써, WPT 시스템 내의 고전압 구성요소는 에너지를 송신 또는 수신하는데 사용되는 회로에 국한된다. 이는, 송신기 구동 회로, 배터리, 및 전기 연결부에 사용되는 임의의 배선 등의, WPT 시스템에 커플링된 다른 전기 구성요소들에 사용되는 (예를 들어, 종래의 전기 차량(EVs)의 400V에서 67V 미만으로) 전압을 실질적으로 감소시키고, 이에 따라 WPT 시스템의 전체적인 안전성을 개선한다.
인덕터 코일 또한 송신기와 수신기 사이의 에너지를 무선으로 교환하는 데 사용되어 에너지 전송률과 전력 효율 모두를 증가시킨다. 이러한 방식으로, 공진 회로는 WPT 시스템이 종래의 시스템보다 피크 전력 효율 및 더 높은 에너지 전송률로 작동할 수 있게 한다. 또한, 공진 회로에 의해 제공되는 통합된 기능은 WPT 시스템에 사용되는 이산적 구성요소들의 수를 감소시켜, 더 작은 형태 인자(form　factor)와 더 경량의 시스템을 가능하게 한다. WPT 시스템을 사용하기 위한 방법 또한 본 개시에서 설명된다.
하나의 예시적인 설계에서, 무선 전력 수신기는 공진 회로를 포함한다. 공진 회로는 제1 코일 및 제1 코일에 직렬로 커플링되어 있는 제1 커패시터를 포함한다. 공진 회로는 또한 제1 코일과 제1 커패시터에 직렬로 커플링되어 있는 제2 코일, 및 제1 코일과 제1 커패시터에 병렬로 커플링되어 있는 제2 커패시터를 포함한다. 제1 코일 및 제2 코일은 모두 임피던스 매칭을 제공해서 원하는 작동 주파수에서 공진 회로의 전압 이득을 증가시킬 수 있다. 제1 코일 및 제2 코일은 또한 송신기 내 하나 이상의 코일들로부터 에너지를 수신하도록 구성되어 있다. 무선 전력 수신기는 또한 송신기로부터 전력을 수신하는 부하에 전기적으로 커플링되어 있다.
예시적인 무선 전력 송신기는 전술한 무선 전력 수신기와 실질적으로 유사한 설계를 가질 수 있으며, 주요 차이점은 부하를 전원으로 교체하는 것이다. 송신기는 또한 송신기의 전압 이득을 증가시키도록 구성되어 있는 인덕터 코일 및 커패시터를 갖는 공진 회로를 포함할 수 있다. 송신기 내의 인덕터 코일은 또한 수신기 내의 제1 코일/제2 코일에 에너지를 전달할 수도 있다.
따라서 WPT 시스템은 무선 전력 수신기 및 무선 전력 송신기 중 하나 또는 모두를 포함할 수 있다. 하나의 예시적인 설계에서, 송신기와 수신기 모두의 인덕터 코일은 자기적으로 커플링될 수 있고, 이에 따라 에너지 전송률 및 전력 효율을 증가시킨다. 또한, 송신기 및/또는 수신기의 공진 주파수는 전력 효율을 증가시키기 위해 WPT 시스템의 작동 주파수에 매칭하도록 조정될 수 있다.
예시적인 무선 전력 수신기는 약 80kHz 내지 약 90kHz의 공진 주파수에서 약 1의 전압 이득 및 적어도 95%의 효율로 무선 자기 공명 충전을 통해 무선 전력 송신기로부터 전력을 수신하는 공진 회로를 포함할 수 있다. 공진 회로는 제1 코일, 제1 코일과 직렬로 커플링되어 있는 제2 코일 - 제1 코일 및 제2 코일은 전력을 수용하도록 구성되어 있음-, 제1 코일과 직렬로 커플링되어 있는 제1 커패시터, 및 제1 코일과 제1 커패시터와 병렬로 커플링되어 있는 제2 커패시터를 포함할 수 있다. 제1 코일 및 제2 코일은 무선 전력 송신기 내의 제3 코일 및 제4 코일로부터 에너지를 수신하도록 구성될 수 있다. 제1 코일은 약 0.1μH 내지 약 100μH의 인덕턴스를 가질 수 있고, 제1 커패시터는 약 0.01μF 내지 약 100μF의 정전 용량을 가질 수 있고, 제2 코일은 약 0.1μH 내지 약 100μH의 인덕턴스를 가질 수 있고, 제2 커패시터는 약 0.01μF 내지 약 100μF의 정전 용량을 가질 수 있다. 일부 설계에서, 제1 코일은 약 1μH 내지 약 20μH의 인덕턴스를 가질 수 있고, 제1 커패시터는 약 0.05μF 내지 약 2μF의 정전 용량을 가질 수 있고, 제2 코일은 약 1μH 내지 약 20μH의 인덕턴스를 가질 수 있고, 제2 커패시터는 약 0.05μF 내지 약 2μF의 정전 용량을 가질 수 있다.
전력을 무선으로 전달하는 예시적인 방법은, 약 80kHz 내지 약 90kHz의 공진 주파수, 약 1.0의 전압 이득, 및 적어도 95%의 효율로 제1 코일 및 제1 코일과 직렬인 제2 코일을 갖춘, 적어도 하나의 코일로부터 전력을 수신하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 상기 적어도 하나의 코일의 약 50mm 내에 상기 제1 코일을 위치시키는 단계를 더 포함할 수도 있다. 상기 방법 중의 적어도 하나의 코일은 제1 코일을 매칭하는 제3 코일 및 제3 코일과 직렬이고 제2 코일을 매칭하는 제4 코일을 포함할 수 있다. 상기 방법은 제3 코일 및 제4 코일을 통해 제1 전류를 흘리는 단계를 더 포함할 수 있으며, 여기서 제1 전류는 제1 코일과 제2 코일을 통해 흐르는 제2 전류를 유도한다. 제3 코일의 제1 전류와 제4 코일의 제1 전류 간의 위상차는 약 20도 미만 또는 약 10도 미만일 수 있다.
다른 예시적인 무선 전력 수신기는 제1 코일, 제1 코일과 직렬인 제2 코일, 제1 코일 및 제2 코일과 직렬인 제1 커패시터, 및 제1 코일 및 제1 커패시터와 병렬인 제2 커패시터를 포함할 수 있다. 무선 전력 수신기의 공진 주파수는 약 87kHz일 수도 있다. 무선 전력 수신기는 약 80kHz 내지 약 90kHz의 밴드에 걸쳐 약 1의 전압 이득을 가질 수 있다. 무선 전력 수신기는 약 80kHz 내지 약 90kHz의 밴드에 걸쳐 적어도 95%의 전력 전송 효율을 가질 수 있다. 제1 코일은 제2 코일과 동심일 수 있다. 제1 코일은 제2 코일과 동일 평면에 있을 수 있다. 제1 코일은 제2 코일 상에 적층될 수 있다. 제1 코일은 제1 평평한 나선형 코일일 수 있고, 제2 코일은 제2 평평한 나선형 코일일 수 있다. 제1 코일과 제2 코일은 각각 220mm 이하의 외부 직경을 가질 수 있다. 제2 코일은 제1 코일과 제1 커패시터 사이에 직렬로 연결될 수 있다. 제1 커패시터는 제1 코일과 제2 코일 사이에 직렬로 연결될 수 있다. 제1 코일은 약 0.1μH 내지 약 100μH의 인덕턴스를 가질 수 있고, 제1 커패시터는 약 0.01μF 내지 약 100μF의 정전 용량을 가질 수 있고, 제2 코일은 약 0.1μH 내지 약 100μH의 인덕턴스를 가질 수 있고, 제2 커패시터는 약 0.01μF 내지 약 100μF의 정전 용량을 가질 수 있다. 일부 설계에서, 제1 코일은 약 1μH 내지 약 20μH의 인덕턴스를 가질 수 있고, 제1 커패시터는 약 0.05μF 내지 약 2μF의 정전 용량을 가질 수 있고, 제2 코일은 약 1μH 내지 약 20μH의 인덕턴스를 가질 수 있고, 제2 커패시터는 약 0.05μF 내지 약 2μF의 정전 용량을 가질 수 있다.
아래에서 더욱 상세히 논의되는 전술한 개념 및 추가 개념의 모든 조합이(이들 개념이 상호 불일치하지 않는다면) 본원에 개시된 본 발명의 주제의 일부로서 고려됨을 이해해야 한다. 특히, 본 개시의 끝에서 나타나는 청구된 주제의 모든 조합은, 본원에 개시된 본 발명의 주제의 일부로서 간주된다. 또한 본원에 참조로서 통합된 임의의 개시에서 나타날 수도 있는 용어로서, 본원에서 명시적으로 사용된 용어에는, 본원에 개시된 특정 개념과 가장 일치하는 의미가 부여되어야 함을 또한 이해해야 한다.
당업자는, 도면들이 주로 예시적인 목적을 위한 것이며 본원에 기술된 본 발명의 주제의 범위를 제한하려는 것이 아님을 이해할 것이다. 도면은 반드시 일정한 비율은 아니며; 일부 경우에, 본원에 개시된 본 발명의 주제의 다양한 측면들은 도면에서 과장되거나 확대되어 상이한 특징의 이해를 용이하게 할 수 있다. 도면에서, 유사한 참조 부호는 일반적으로 유사한 특징(예: 기능적으로 유사한 요소 및/또는 구조적으로 유사한 요소)을 지칭한다.
도 1a는 종래의 무선 전력 전송(WPT) 시스템의 회로도를 도시한다.
도 1b는 도 1a의 종래의 WPT 시스템에 대한 전압 이득 대 주파수의 차트를 도시한다.
도 1c는 도 1a의 종래의 WPT 시스템에 대한 전력 효율 대 주파수의 차트를 도시한다.
도 2a는 π 매칭 네트워크를 갖는 종래의 WPT 시스템의 회로 모델을 도시한다.
도 2b는 LC 매칭 네트워크를 갖는 종래의 WPT 시스템의 회로 모델을 도시한다.
도 3a는 송신기 내의 2개의 에너지 커플링 및 매칭 코일 및 수신기 내의 2개의 에너지 커플링 및 매칭을 갖는 예시적인 WPT 시스템의 회로 모델을 도시한다.
도 3b는 공진 커패시터 및 공진 회로 내 제1 코일의 위치가 스위칭되는 다른 예시적인 WPT 시스템의 회로 모델을 도시한다. 이 회로 모델은 또한 탭핑된 인덕터 코일을 사용할 수도 있다.
도 3c는 도 3b의 회로 모델에 기초하여 탭핑된 인덕터 코일을 사용하는 또 다른 예시적인 WPT 시스템의 회로 모델을 도시한다.
도 4a는 예시적인 제1 코일 및 제2 코일을 평평한 나선형 코일로서 도시하고 있으며, 여기서 제2 코일은 제1 코일의 중심에 배치되어 있고 제1 코일과 동심이다.
도 4b는 예시적인 제1 코일 및 제2 코일을 평평한 나선형 코일로서 도시하고 있으며, 여기서 제1 코일은 제2 코일의 중심에 배치되어 있고 제2 코일과 동심이다.
도 4c는 예시적인 제1 코일 및 제2 코일을 평평한 나선형 코일로서 도시하고 있으며, 여기서 제2 코일은 제1 코일 상에 배치되어 있고 제1 코일과 동심이다.
도 5는 평평한 나선형 코일들로 구성되는 송신기와 수신기를 갖는 예시적인 WPT 시스템을 도시한다.
도 6a는 도 5에 도시된 예시적인 WPT 시스템의 전압 이득 대 주파수의 차트를 도시한다.
도 6b는 도 5에 도시된 예시적인 WPT 시스템의 전력 효율 대 주파수의 차트를 도시한다.
도 7a는 도 5에 도시된 예시적인 WPT 시스템에 대해, 반경방향 축을 따른 펑션 코일 오정렬(X)로서 전력 효율의 차트를 도시한다.
도 7b는 도 5에 도시된 예시적인 WPT 시스템에 대해, 축방향 축을 따른 코일 분리(Z) 함수로서 전력 효율의 차트를 도시한다.
유도 커플링에 기초한 종래의 WPT 시스템은 통상적으로 송신기 및 수신기에 각각 인덕터 코일을 포함하고, 이는 자기장 커플링을 통해 전력을 교환한다. 에너지 전송률, 전력 효율 및 작동 범위를 증가시키기 위해, WPT 시스템 내의 송신기와 수신기는 종종 공진으로 작동하도록 구성되어 있다.
도 1a는 공진 유도 커플링이 있는 종래의 WPT 시스템(100)을 도시한다. WPT 시스템(100)은 송신기(110) 및 수신기(120)를 포함한다. 송신기(110)는 전원(115)(Vi)에 직렬로 커플링된 에너지 커플링 코일(111) 및 공진 커패시터(112)(Ct)를 포함한다. 유사하게 수신기(120)는 부하(125)에 전기적으로 직렬로 커플링되어 있는 에너지 커플링 코일(121) 및 공진 커패시터(122)(Cr)를 포함한다. 에너지 커플링 코일들(111(121))은 권선 저항(Rt (Rr)) 및 인덕턴스(Lt (Lr))로 표시된다.
전원(115)은 에너지 커플링 코일(111)을 통해 전류를 구동하는 전압을 공급하며, 이에 따라 자기장을 발생시킨다. 그 다음, 자기장은 에너지 커플링 코일(121)에 의해 적어도 부분적으로 흡수되어, 부하(125)를 통해 흐르는 전류를 생성할 수 있다. 이러한 방식으로, 전력은 송신기(110)와 수신기(120) 사이에서 무선으로 전송된다. 공진 커패시터(112 및 122)는 통상적으로 입력 및 출력 임피던스를 실질적으로 감소시키도록 조정되며, 이에 따라 송신기(110)와 수신기(120) 사이의 에너지 전송률을 증가시킨다.
전형적인 WPT 시스템의 전력 효율은 다음과 같이 정의될 수 있다,
(1)
여기서 η은 전력 효율이고, P R 은 시간 간격(Δt)에 걸쳐 수신기(120) 내의 에너지 커플링 코일(121)에 의해 수신되는 총 에너지이고, 그리고 P T 는 시간 간격(Δt)에 걸쳐 송신기(110) 내의 에너지 커플링 코일(111)에 의해 송신되는 총 에너지이다. 에너지 전송률은 수신기(120) 내의 에너지 커플링 코일(121)에 의해 수신된, 전력, 또는 단위 시간당 에너지 전송률로서 정의될 수 있다. 따라서, 에너지 전송률의 크기는, 부분적으로, 에너지 커플링 코일(111)에 의해 송신되는 전력에 의존한다. 에너지 전송률은 송신기(110)와 수신기(120) 사이의 (부하(125)에서의 출력 전압(Vo)과 전원(115)에서의 입력 전압(Vi)의 비율로서 정의되는) 전압 이득에 비례한다. 따라서, 에너지 전송률 증가는 전압 이득 증가와 상관된다.
에너지 커플링 코일들(111 및 121) 사이의 커플링은 자기 커플링 계수(k)로 특징지어질 수 있다. 일반적으로, k는 에너지 커플링 코일들(111, 121)의 직경을 증가시키고 그리고/또는 에너지 커플링 코일들(111 및 121) 사이의 갭 또는 거리를 감소시킴으로써 증가할 수 있다. 자기 커플링 계수(k)가 증가할 때 및/또는 에너지 커플링 코일들(111, 121) 사이의 갭이 감소할 때, 전력 효율이 전형적으로 증가한다. 따라서, 에너지 커플링 코일(121)은 더 강한 커플링으로 인해 에너지 커플링 코일(111)에 의해 송신되는 에너지를 더 많이 수용할 수 있다. 그러나, 과-커플링(over-coupled) 조건 하에서, 에너지 전송률은 전형적으로 감소되는데, 이는 에너지 커플링 코일(111)에 의해 송신되는 에너지 양의 감소를 나타낸다.
수신기(120) 내의 에너지 커플링 코일(121)에 의해 야기되는, 송신기(110) 내의 에너지 커플링 코일(111)에서의 유도 전압은 송신기(110)와 수신기(120) 사이의 커플링이 증가함에 따라 증가한다. 이 유도 전압은 전원(115)으로부터 인가 전압에 대향하는 극성을 갖고, 이에 따라 송신기(110)를 통해 흐르는 입력 전류를 방해하여, 전압 이득과 에너지 전달율의 감소를 초래한다. 이러한 바람직하지 않은 전압은 에너지 커플링 코일(121)을 통해 흐르는 전류 및 자기 커플링 계수(k)에 비례하고 갭 크기에 반비례한다. 예를 들어, WPT 시스템(100)이 공진 주파수에서 작동하고 에너지 커플링 코일들(111 및 121) 사이의 갭이 감소하는 경우, 수신기(120)의 에너지 커플링 코일(121) 내의 전류가 증가한다. 이는 결과적으로, 에너지 커플링 코일(111)에서 더 큰 전압을 유도하여, 전압 이득과 에너지 전송률을 감소시킨다. 즉, 코일들 사이에 갭을 만드는 것은 전력 전송 효율을 증가시키고 에너지 전송률을 감소시킨다.
도 1a에 도시된 WPT 시스템(100)을 참조하면, WPT 시스템(100)은 에너지 커플링 코일(111) 및 공진 커패시터(112)(및 에너지 커플링 코일(121) 및 공진 커패시터(122))에 의해 형성된 직렬 LC 회로 내에서 공진 주파수를 지지하도록 구성될 수 있으며, 이는 WPT 시스템(100)의 작동 주파수로 조정될 수 있다. 도 1a에 도시된 바와 같이, Et는 수신 코일 전류에 의해 발생되는 자기장에 의해 유도되는 송신 코일에서의 전압을 나타낸다. Er은 송신 코일 전류에 의해 발생되는 자기장에 의해 유도되는 수신 코일에서의 전압을 나타낸다. 전술한 바와 같이, 더 강한 커플링(예를 들어, 더 높은 자기 커플링 계수(k))은 WPT 시스템(100)의 전력 효율을 증가시킬 수 있다. 그러나 더 강한 커플링은 또한 더 강한 주파수 분할 효과로 이어진다.
도 1b 및 도 1c는 자기 커플링 계수(k)의 다양한 값에서, WPT 시스템(100)의 전압 이득 및 전력 효율을 각각 도시한다. 도 1b에서, 전압 이득은 2개의 피크를 나타내고, 이는 짝수 및 홀수 모드로의 공진 모드 분할을 나타낸다. 도시된 바와 같이, 커플링 계수(k)가 증가함에 따라, 짝수/홀수 모드는 공진 주파수, f r 에 비해 더 작은/더 큰 주파수로 이동하고, 이는 공진 주파수에서 전압 이득의 감소로 이어진다. 도 1c에서, 전력 효율은 공진 주파수에서의 피크를 나타내며, 커플링 계수가 증가함에 따라 증가한다. 전력 효율은 짝수 및 홀수 모드에 대응하는 비공진(off-resonant) 주파수에서 감소하는 경향이 있다. 그 결과, 전압 인가에 의해 표시되는, 전력 효율 및 에너지 전송률은 상이한 주파수에서 발생하는 피크 값을 나타낸다. 따라서, 종래의 WPT 시스템(100)은 이러한 주파수 분할 효과로 인해 동시에 피크 에너지 전송률 및 피크 전력 효율 모두에서 작동할 수 없다.
WPT 시스템(100)에서 전술한 주파수 분할 효과를 극복하기 위한 노력으로 여러 가지 접근법이 개발되었다. 하나의 예에서, 에너지 커플링 코일들(111, 121)은, 자기 커플링 계수(k)를 감소시키기 위해 상이한 전기 특성들을 갖도록 의도적으로 구성되어 있으며, 이에 따라 에너지 커플링 코일(111) 내의 유도 전압을 감소시킨다. 구체적으로, 에너지 커플링 코일(121)의 직경은 에너지 커플링 코일(111)의 직경보다 실질적으로 작거나 크도록 선택해서 직경들의 비가 실질적으로 통일성에서 벗어나도록 했다. 그러나, 이러한 방식에서 자기 커플링 계수(k)의 감소는 WPT 시스템의 에너지 전송률 및 전력 효율을 감소시킨다.
다른 예에서, 능동 매칭 동조 회로(active matching tuning circuit)가 송신기(110) 내로 통합된다. 능동 매칭 동조 회로는 송신기(110)의 공진 주파수를 조정하여 WPT 시스템(100)의 작동 주파수에 매칭시키며, 이에 따라 WPT 시스템(100)이 피크 전력 효율에서 작동할 수 있게 한다. 그러나, 전압 이득과 이에 따른 에너지 전송률은 주파수 분할 효과로 인해 이 설계에서 희생된다. 또한, 고전압 및 고전류 작동을 위한 등급을 가진 스위치 및 커패시터가 공진 회로에 사용되며, 이는 WPT 시스템(100)의 비용, 크기, 중량, 복잡성, 및 전력 손실을 실질적으로 증가시킬 수 있다. 따라서, 이러한 접근법은, 특히 전기 차량(EV) 배터리 충전과 같은 고전력 적용분야에서는 바람직하지 않다.
또 다른 예에서, 피크 전력 효율에 매칭하기 위해 그 대신 공진 주파수에 매칭하도록 WPT 시스템(100)의 작동 주파수가 조정되는 주파수 추적 방법이 사용된다. 이 접근법은 가변 커패시터 또는 고전력 등급 조정 커패시터 및 스위치의 배열의 사용을 포함하지 않으며, 이에 따라 WPT 시스템(100)을 크게 단순화하고 비용을 절감한다. 그러나, 전압 이득과 이에 따른 에너지 전송률은 주파수 분할 효과로 인해 이 설계에서 재차 희생된다. 또한, 이 접근법은 작동 주파수가 공진 주파수를 포함하지 않는 특정 범위로 국한되는 적용분야에서는 실행 가능하지 않을 수 있다. 예를 들어, EV 배터리 충전용 WPT 시스템(100)은 81.38kHz 미만 또는 90kHz 초과의 공진 주파수로 81.38kHz 내지 90kHz 범위의 주파수에서 동작할 수 있다.
또 다른 예에서, 임피던스 매칭 회로가 에너지 전송률과 전력 효율 모두를 증가시키기 위해 송신기(110) 및/또는 수신기(120) 내로 통합될 수 있다. 도 2a는 송신기(210) 내의 제1 π 구성 임피던스 매칭 회로(217) 및 송신기(220) 내의 제2 π 구성 임피던스 매칭 회로(227)를 갖는 WPT 시스템(200)을 도시한다. 도 2b는 송신기(213) 내의 제1 LC 구성 임피던스 매칭 회로(219) 및 송신기(223) 내의 제2 LC 구성 임피던스 매칭 회로(229)를 갖는 WPT 시스템(202)을 도시한다.
각각의 매칭 회로(217, 219(227, 229))는 에너지 커플링 코일(211(221) 및 공진 커패시터(212(222))와 직렬인 인덕터 코일을 포함한다. 각각의 매칭 회로(217, 219(227, 229))는 에너지 커플링 코일(211(221) 및 공진 커패시터(212(222))와 병렬인, 회로 구성(예를 들어, π 구성, LC 구성)에 따라 하나 이상의 커패시터를 또한 포함할 수도 있다. 전원(215)은 송신기(210, 213)에서 직렬로 커플링되어 있고, 부하(225)는 수신기(220, 223)에서 직렬로 커플링되어 있다. 임피던스 매칭 회로(217(219) 및 227(229)) 내의 인덕터 및 커패시터는 공진 주파수에서 전압 이득을 증가시켜 주파수 분할 효과를 보상한다. 따라서, WPT 시스템(200 및 202)은 전압 이득과 에너지 전송률에 실질적인 감소 없이 피크 전력 효율을 매칭시키기 위해 공진 주파수에서 작동할 수 있다.
그러나, 이들 WPT 시스템(200 및 202)에서의 임피던스 매칭 회로들(217, 219, 227, 및 229)은 전형적으로 에너지 커플링 코일들(211 및 221) 및 별도의 배선을 갖는 공진 커패시터들(212 및 222)에 커플링되어 있는 이산적 전기 구성요소이다. 임피던스 매칭 회로들(217, 219, 227, 및 229)이 큰 중량의 인덕터 코일을 포함하는 것 또한 일반적이다. 따라서, 이들 임피던스 매칭 회로들(217, 219, 227, 및 229)은 WPT 시스템(200 및 202)의 크기, 복잡성 및 중량을 증가시키는 경향이 있다.
통합형 임피던스 매칭을 갖는 공진 회로를 구비한 WPT 시스템
WPT 시스템에 통합형 임피던스 매칭 회로를 사용하면 WPT 시스템의 크기 또는 형태 인자를 과도하게 증가시키지 않고 에너지 전송률과 전력 효율 모두를 증가시킨다. 회로는 전압 이득을 증가시키는 인덕터 코일 및 커패시터를 포함하며, 따라서, 전술한 주파수 분할 효과에 의해 야기되는 에너지 전송률 감소를 보상한다. 임피던스 매칭에 사용되는 인덕터 코일은 또한 서로에 근접하여 위치될 수 있거나, 각각 송신기와 수신기의 전력을 송신 및 수신하기 위해 단일 인덕터 코일(예를 들어, 탭핑된 인덕터 코일)로서 통합될 수도 있다. 공진 회로에 임피던스 매칭 기능을 통합함으로써, 종래의 WPT 시스템에 사용되는 임피던스 매칭 회로가 제거될 수 있고, 사용된 이산적 전기 구성요소의 개수 및 이에 따라 WPT 시스템의 형태 인자 및 중량을 실질적으로 감소시킬 수 있다.
본원에 기술되어 있는 WPT 시스템은 여러 가지 장점을 가질 수 있다. 예를 들어, WPT 시스템은 더 작은 작동 구역을 가질 수 있고, 이에 따라 송신기와 수신기 사이에 부주의하게 배치될 수 있는 물체의 바람직하지 않은 가열과 관련된 잠재적인 안전 위험을 감소시킨다. 더 작고 더 경량의 WPT 시스템은 또한 예컨대 EV 측면 패널 또는 범퍼, 드론 또는 로봇용 충전 플랫폼, 또는 차량 트레일러의 밀폐 공간과 같은, 엄격한 공간 및 중량 요건을 갖는 시스템 상에 설치 가능하게 할 수 있다. 하나의 예시적인 적용예에서, 하나 이상의 WPT 시스템이, EV의 언더캐리지, 측면 패널, 및/또는 전방/후방 범퍼에 설치될 수 있다. 이러한 WPT 시스템은 EV가 차고 또는 주차장에 주차되어 있을 때 또는 EV가 신호등에서 정지되어 있을 때 EV의 배터리를 충전하는데 사용될 수 있다. 또한, WPT 시스템은 또한 도로 상의 두 차량들 사이에서 전력을 전송하는 데 사용될 수 있다.
도 3a는 WPT 시스템(1000)에 대한 예시적인 설계를 도시한다. WPT 시스템(1000)은 송신기(1100) 및 수신기(1200)를 포함할 수 있다. 송신기(1100)는 제1 코일(1110), 상기 제1 코일(1110)에 직렬로 커플링되어 있는 제1 커패시터(1120)(Cb), 제1 코일(1110) 및 제1 커패시터(1120)에 직렬로 커플링되어 있는 제2 코일(1130), 및 제1 코일(1110) 및 제1 커패시터(1120)에 병렬로 커플링되어 있는 제2 커패시터(1140)(Ca)를 갖는 공진 회로(1102)를 포함할 수 있다. 공진 회로(1102)는 WPT 시스템(1000)에 에너지를 공급하는 전원(1150)에 전기적으로 커플링될 수 있다. 제1 코일(1110)은 권선 저항(Rb) 및 자체 인덕턴스(self-inductance)(Lb)로 나타낼 수 있다. 제2 코일(1130)은 권선 저항(Ra) 및 자체 인덕턴스(La)로 나타낼 수 있다. Ra 및 La는 전원(1150)을 제2 코일(1130)에 연결하는 와이어들의 저항 및 인덕턴스를 각각 포함할 수 있다.
유사하게, 수신기(1200)는 제3 코일(1210), 제3 코일(1210)에 직렬로 커플링되어 있는 제3 커패시터(1220)(Cd), 제3 코일(1210) 및 제3 커패시터(1220)에 직렬로 커플링되어 있는 제4 코일(1230) 및 제3 코일(1210) 및 제3 커패시터(1220)에 병렬로 커플링되어 있는 제4 커패시터(1240)(Cc)를 갖는 공진 회로(1202)를 포함할 수 있다. 공진 회로(1202)는 WPT 시스템(1000)에서 에너지를 수신하는 부하(1250)에 전기적으로 커플링될 수 있다. 제3 코일(1210)은 권선 저항(Rd) 및 자체 인덕턴스(Ld)로 나타낼 수 있다. 제4 코일(1230)은 권선 저항(Rc) 및 자체 인덕턴스(Lc)로 나타낼 수 있다. Rc 및 Lc는 부하(1250)를 제4 코일(1230)에 연결하는 와이어들의 저항 및 인덕턴스를 각각 포함할 수 있다.
WPT 시스템에서 전자 특성들의 상호 의존성
전력 전송 동안, WPT 시스템(1000) 내의 인덕터는 모두 서로 자기적으로 커플링될 수 있어, 시스템 내의 다른 인덕터 코일로부터의 기여로 인해 각 인덕터 코일에서 유도 전압들을 생성할 수 있다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 제1 코일(1110)에 걸친 전압 강하는 제2 코일(1130)(Eba), 제3 코일(1210)(Ebd) 및 제4 코일(1230)(E bc)을 통해 흐르는 전류 때문에 제1 코일(1110)에서 발생하는 유도 전압도 또한 포함한다. 유사하게, 제2 코일(1130)에 걸친 전압 강하는 제1 코일(1110)(Eab), 제3 코일(1210)(Ead) 및 제4 코일(1230)(Eac)로부터의 유도 전압들을 포함한다. 제3 코일(1210)에 걸친 전압 강하는 제1 코일(1110)(Edb), 제2 코일(1130)(Eda) 및 제4 코일(1230)(Edc)로부터의 유도 전압들을 포함한다. 마지막으로, 제4 코일(1230)에 걸친 전압 강하는 제1 코일(1110)(Ecb), 제2 코일(1130)(Eca) 및 제3 코일(1210)(Ecd)로부터의 유도 전압들을 포함한다.
WPT 시스템(1000) 내의 인덕터 코일이 서로 자기적으로 커플링되기 때문에, 인덕터 코일 및 커패시터의 전자 및 구조적 특성들은 상호 의존적이며, WPT 시스템(1000)의 에너지 전송률과 전력 효율 모두를 증가시키도록 총괄적으로 조정되어야 한다. 이는 송신기 또는 수신기에서 매칭 회로의 전자 특성들이 통상적으로 송신기 및 수신기의 다른 전자 구성요소와 독립적으로 조정되는 임피던스 매칭 회로를 갖는 종래의 WPT 시스템과 현저하게 대조적이다.
예를 들어, 송신기(1100) 내의 제1 코일(1110) 및 제2 코일(1130)은 제1 코일(1110)과 제2 코일(1130)을 통해 흐르는 전류들 사이의 위상차가 작도록 조정되어야 한다. 위상차가 작을수록 제1 코일(1110)과 제2 코일(1130)에 의해 발생된 자기장들 사이의 파괴적인 간섭이 적고, 이에 따라, 보다 큰 전력 전송에 상응한다. WPT 시스템(1000)의 경우, 제1 코일(1110)과 제2 코일(1130)(또는 수신기(1200) 내의 제3 코일(1210) 및 제4 코일(1230))을 통해 흐르는 전류들 사이의 위상차는 바람직하게는 약 20도 미만(예를 들어, 15도, 10도, 5도 등)이어야 한다.
다른 예에서, WPT 시스템(1000)은 송신기(1100) 및 수신기(1200) 내의 인덕터 코일들 사이의 특정 거리에서 작동하도록 설계될 수 있다. 제1 코일(1110)/제2 코일(1130) 및 제3 코일(1210)/제4 코일(1230)은 총괄적으로 조정되어 에너지 전송률 및 효율을 증가시킬 수 있다. 인덕터 코일이 특정 갭에 대해 조정되면, 갭(예를 들어, 더 크거나 또는 더 작은 갭)에 대한 후속 변화는 에너지 전송률을 감소시킬 수 있다.
WPT 시스템 내 작동 파라미터 및 전자 특성
WPT 시스템(1000)의 에너지 전송률 및 전력 효율은 일반적으로 공진 회로(1102 및 1202)에서의 구성요소의 전자 특성뿐만 아니라 WPT 시스템(1000) 상의 분리 갭 및 크기 제약과 같은 원하는 작동 조건들에 의존할 수 있다. WPT 시스템(1000)의 에너지 전송률은 저전력 및/또는 고전력 적용분야를 위해 조정될 수 있다. 원칙적으로, WPT 시스템(1000)은 임의의 전력 수준에서도 작동하도록 조정될 수 있다. 예를 들어, 에너지 전송률은 약 1W 내지 약 500Kw로 다양할 수 있다. 일반적으로, WPT 시스템(1000)의 전력 효율은 약 1% 내지 약 100%로 다양할 수 있다. WPT 시스템(1000) 내의 더 높은 전력 효율은, 일반적으로 부하(1250)의 충전 시간 감소(예, 배터리), 부하(1250)로의 더 많은 전력 공급(예를 들어, 모터), 및 전원(1150)에 의해 발생되는 전력량 감소를 포함하지만, 이에 한정되지 않는 여러 이유들로 인해 바람직하다. 그러나, 원하는 전력 효율도 적용분야에 따라 또한 다양할 수 있다. 예를 들어, 전기 차량을 충전하기 위해서는 적어도 85%(예를 들어, 90%, 95% 이상)의 전력 효율이 바람직하다.
송신기(1100)와 수신기(1200)의 인덕터 코일들 사이의 거리는 일반적으로 약 0.1cm 내지 약 1m로 다양할 수 있다. 일부 적용분야의 경우에, 분리 갭 범위는 실질적으로 더 작을 수도 있다. 예를 들어, 전기 차량에 사용되는 WPT 시스템(1000)은 약 10mm 내지 약 200mm 범위의 분리 갭을 가질 수 있다. 더 작은 분리 갭일수록 (1) 더 큰 자기 커플링 계수(k) 및 이에 따른 더 높은 전력 효율, (2) 인덕터 코일의 에지에서의 프린지 자기장으로 인한 환경에서의 더 적은 EM, 및 (3) 물체, 소아, 또는 동물이 송신기(1100)와 수신기(1200) 사이에 들어가는 것을 방지함에 의한 더 양호한 안전성을 포함하는 여러 장점들을 제공한다.
WPT 시스템(1000)의 작동 주파수는 또한 약 20kHz 내지 약 20MHz로 다양할 수 있다. 그러나, 일부 적용예에서, 작동 주파수는 산업 표준 가이드라인에 기초하여 특정 밴드로 국한될 수 있다. 예를 들어, EV에서, 작동 주파수는, 경량 플러그인/EV에서 무선 전력 전송을 위한 자동차 기술자 협회(SAE) 가이드라인에 의해 제시된 바와 같이 약 80kHz 내지 약 90kHz(예를 들어, 87.5kHz)의 범위일 수 있다.
전술한 바와 같이, WPT 시스템(1000)의 전자 특성들은 상호 의존적이며, 원하는 에너지 전송률, 전력 효율, 분리 갭, 및 작동 주파수와 같은 하나 이상의 작동 파라미터들에 기초하여 달라질 수 있다. 송신기(1100)의 경우, 제1 코일(1110)은 약 0.1μH 내지 약 100μH 범위의 인덕턴스를 가질 수 있다. 제2 코일(1130)은 약 0.1μH 내지 약 100μH 범위의 인덕턴스를 가질 수 있다. 제1 커패시터(1120)는 약 0.01μF 내지 약 100μF 범위의 정전 용량을 가질 수 있다. 제2 커패시터(1140)는 약 0.01μF 내지 약 100μF 범위의 정전 용량을 가질 수 있다.
수신기(1200) 또한 유사한 파라미터 범위를 나타낼 수 있다. 제3 코일(1210)은 약 0.1μH 내지 약 100μH 범위의 인덕턴스를 가질 수 있다. 제4 코일(1230)은 약 0.1μH 내지 약 100μH 범위의 인덕턴스를 가질 수 있다. 제3 커패시터(1220)는 약 0.01μF 내지 약 100μF 범위의 정전 용량을 가질 수 있다. 제4 커패시터(1240)는 약 0.01μF 내지 약 100μF 범위의 정전 용량을 가질 수 있다.
일부 적용예에서, 제1 코일(1110), 제2 코일(1130), 제3 코일(1210), 및 제4 코일(1230)의 인덕턴스는 각각 WPT 시스템(1000)에서 임의의 부유 인덕턴스(stray inductance) 보다 실질적으로 더 크도록 맞춰질 수 있다. 예를 들어, 제2 코일(1130)을 전원(1150)에 또는 제4 코일(1230)을 부하(1250)에 커플링하는 데 사용되는 배선은 WPT 시스템(1000)의 공진 주파수에 영향을 미칠 수 있는 부유 인덕턴스를 가질 수 있다. 제2 코일(1130) 및/또는 제4 코일(1230)의 인덕턴스가 부유 인덕턴스보다 실질적으로 더 크면(예를 들어, 코일의 인덕턴스가 부유 인덕턴스보다 10배 크면), 공진 주파수에 대한 효과는 무시해도 될 정도일 수 있다. 그러나, 후술하는 바와 같이, 큰 인덕턴스가 바람직하지 않은 전압 이득을 초래할 수 있으므로 과도하게 큰 인덕턴스 또한 바람직하지 않을 수도 있다.
제1 코일(1110), 제2 코일(1130), 제3 코일(1210), 및 제4 코일(1230)은, 공심(air cored) 인덕터, 철심(iron cored) 인덕터, 페라이트자심(ferrite cored) 인덕터, 보빈 기반 인덕터, 토로이드(toroidal) 인덕터, 평평한 나선형 인덕터, 다층 세라믹 인덕터, 및 통상 당업자에게 공지된 임의의 다른 인덕터를 포함하지만 이에 한정되지 않는 다양한 유형의 인덕터일 수도 있다. 일부 WPT 시스템(1000)의 경우, 제1 코일(1110), 제2 코일(1130), 제3 코일(1210), 및 제4 코일(1230)은 WPT 시스템(1000) 내의 하나 이상의 다른 인덕터 코일과 실질적으로 유사한 형상, 치수, 및/또는 인덕턴스를 가질 수 있다. 일부 WPT 시스템(1000)의 경우, 제1 코일(1110), 제2 코일(1130), 제3 코일(1210), 및 제4 코일(1230)은 각각 형상, 치수 및/또는 인덕턴스의 측면에서 실질적으로 상이할 수 있다.
제1 코일(1110), 제2 코일(1130), 제3 코일(1210), 및 제4 코일(1230)의 형상과 치수는 하부 지지 구조체의 형상에 일치하도록 달라질 수 있다. 예를 들어, EV의 언더캐리지에 설치되는 인덕터 코일은 실질적으로 평평할 수 있다. 다른 예에서, EV의 범퍼에 설치되는 인덕터 코일은 범퍼 또는 차량 프레임에 맞도록 만곡될 수 있다.
일부 WPT 시스템(1000)의 경우, 송신기(1100) 및/또는 수신기(1200)의 작동 구역은 코일의 형상 및 치수에 의해 결정된다. 일반적으로, 제1 코일(1110), 제2 코일(1130), 제3 코일(1210), 및 제4 코일(1230)은 약 100mm 내지 약 15m로 다양한 특징적인 치수(예를 들어, 직경)를 가질 수 있다. 일부 적용예들에서, 작동 구역과, 따라서 인덕터 코일의 크기가 제한될 수도 있다. 예를 들어, 인덕터 코일의 크기는 차량 내의 언더캐리지의 크기에 의해 제한될 수 있다.
제1 코일(1110), 제2 코일(1130), 제3 코일(1210), 및 제4 코일(1230)은 구리, 알루미늄, 전술한 것의 임의의 합금, 또는 통상 당업자에게 공지된 임의의 다른 전기 전도체를 포함하지만 이에 한정되지 않는 다양한 전기 전도체로부터 형성될 수 있다. 리츠 배선(Litz wiring), 멀티스트랜드 배선(multistrand wiring), 틴셀 배선(tinsel wiring), 또는 통상 당업자에게 공지된 임의의 다른 배선을 포함하지만 이에 한정되지 않는 다양한 유형의 인덕터 코일을 형성하는데 또한 사용될 수도 있다.
제1 커패시터(1120), 제2 커패시터(1140), 제3 커패시터(1220), 및 제4 커패시터(1240)는 각각 세라믹 커패시터, 필름 커패시터, 전해질 커패시터, 수퍼커패시터, 또는 통상 당업자에게 공지된 임의의 다른 커패시터를 포함하지만 이에 한정되지 않는 다양한 유형의 커패시터일 수 있다. 일부 WPT 시스템(1000)의 경우, 제1 커패시터(1120), 제2 커패시터(1140), 제3 커패시터(1220), 및 제4 커패시터(1240)는, 단일 커패시터에 대한 전압/전류 등급이 충분하지 않으면, (1) 공진 주파수 조정 및/또는 (2) 더 높은 에너지 전송률 지지를 위해서 직렬 및/또는 병렬로 커플링되는 둘 이상의 커패시터로 형성될 수 있다.
일부 WPT 시스템(1000)의 경우, 제1 커패시터(1120), 제2 커패시터(1140), 제3 커패시터(1220), 및 제4 커패시터(1240)는 WPT 시스템(1000) 내의 하나 이상의 다른 커패시터와 실질적으로 유사한 형상, 치수, 및/또는 인덕턴스를 가질 수 있다. 일부 WPT 시스템(1000)의 경우, 제1 커패시터(1120), 제2 커패시터(1140), 제3 커패시터(1220), 및 제4 커패시터(1240)는 각각 형상, 치수 및/또는 정전 용량의 맥락에서 실질적으로 상이할 수 있다.
WPT 시스템의 조정가능성
WPT 시스템(1000)의 공진 회로(1102, 1202)는 일반적으로 공진 주파수, 전압 이득, 에너지 전송률, 및 전력 효율을 포함하지만 이에 한정되지 않는 WPT 시스템(1000)에서의 다양한 작동 파라미터들을 조정하도록 조정될 수 있다. 조정은, 제1 코일(1110) 및/또는 제2 코일(1130)의 인덕턴스 및/또는 제1 커패시터(1120) 및/또는 제2 커패시터(1140)의 정전 용량을 조정함으로써 부분적으로 수행될 수 있다. 일부 WPT 시스템(1000)의 경우, 코일의 인덕턴스와 같이, 이들 전자 파라미터들 중 일부는 조립 동안 고정될 수 있으며 이에 따라 WPT 시스템(1000)이 완전히 조립되면 변경될 수 없으며, 이는 코일의 두께 및/또는 회전 수에 의해 결정될 수 있다. 그러나, 일부 WPT 시스템(1000)에서, 커패시터의 정전 용량과 같은, 이들 전자 파라미터는 WPT 시스템(1000)의 조립 후에 조정가능할 수 있다.
예를 들어, WPT 시스템(1000)은, 적용분야에 따라 작동 동안 변할 수 있는, 광범위한 작동 주파수에 걸쳐 작동하도록 구성될 수 있다. 제1 커패시터(1120) 및 제2 커패시터(1140)는 기계 또는 전자 방식으로 변경될 수 있는 정전 용량을 갖는 커패시터인, 가변성 커패시터일 수 있다. 따라서, LC 공진 주파수는, 고전력 효율을 유지하기 위해 WPT 시스템(1000) 내의 각각의 커패시터의 정전 용량을 조정하여 작동 주파수에 매칭함으로써 조정될 수 있다. 예를 들어, WPT 시스템(1000)은 수신기(1200)만을 포함할 수 있다. 수신기(1200)는 다른 주파수에서 작동할 수 있는, 다른 송신기(예를 들어, 전술한 종래의 송신기)로부터 전력을 수신할 수 있다. 고전력 효율 및 고에너지 전송률을 유지하기 위해, 수신기(1200)의 공진 주파수는 송신기의 작동 주파수에 매칭하도록 조정될 수 있다. 수신기(1200)가 송신기(1100)에 커플링되는 경우와 비교하여 에너지 전송률과 전력 효율이 더 낮을 수 있지만, 그럼에도 불구하고 수신기(1200)는 여전히 부하(1250)에 전력을 수신 및 전송할 수 있다.
다른 예에서, WPT 시스템(1000) 내의 전원(1150)과 부하(1250) 사이의 전압 이득은 적용분야에 따라 조정될 수 있다. 예를 들어, WPT 시스템(1000)은 약 0.01 내지 약 100 범위의 전압 이득을 제공할 수 있다. 전술한 바와 같이, 공진 회로(1102 및 1202)에서의 임피던스 매칭 기능성은 주파수 분할 효과를 보상하기 위해서 WPT 시스템(1000)에서의 전압 이득을 증가시키기 위해 사용된다. 그러나, 일부 적용예에서, WPT 시스템(1000)이 가능한 최고 전압 이득에서 작동시키는 것은 바람직하지 않을 수 있다. 예를 들어, 차량들 간의 무선 전력 전송을 포함하는 적용예에서, WPT 시스템(1000)은 바람직하게는 차량이 다른 차량에 대하여 동일한 전압 및 전류 레벨을 수신하거나 송신하는 대칭 시스템이어야 한다. 즉, 전압 이득은 바람직하게는 약 1.0이어야 한다. 다른 예에서, 차량은 벽 소켓으로부터 공급되는 전력을 사용하여 충전될 수 있다. 소켓 전압은 차량 배터리 전압보다 실질적으로 높을 수 있으며, 이에 따라 바람직한 전압 이득은 1.0 미만일 수 있다.
추가 고려사항
WPT 시스템(1000)은 또한 공기, 물, 소금물, 눈, 및 얼음을 포함하지만, 이에 한정되지 않는 송신기(1100)와 수신기(1200) 사이에 배치된 다양한 매질과 작동하도록 구성될 수 있다. 일부 WPT 시스템(1000)의 경우, 공진 회로(1102 및 1202)의 전자 특성들은 상이한 복소 유전율(Complex Dielectric Constant)을 갖는 상이한 매질을 수용하여 에너지 전송률 및 전력 효율의 바람직하지 않은 감소를 피하도록 맞춤화될 수 있다. 그 대신 일부 WPT 시스템(1000)은, WPT 시스템(1000)이 사용중일 때 송신기(1100)와 수신기(1200) 사이의 매질 변화에 비감응하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 송신기(1100)와 수신기(1200)의 인덕터 코일들 사이의 분리 갭은, 작동 중에 매질이 바뀌더라도 매질 내의 자기장 내의 임의의 강하가 무시할 수 있도록 충분히 작게 유지될 수 있다(예를 들어, 눈이나 얼음이 송신기(1100)와 수신기(1200) 사이에 축적된다). 매질의 복소 유전율은 일반적으로 주파수 종속적이다. 따라서, 작동 주파수 및 공진 주파수는 또한 매질에서의 손실이 더 낮고, 바람직하게는 무시할 수 있는 주파수에서 작동하도록 조정될 수 있다. 예를 들어, 얼음이 약 5-6kHz의 주파수에서 흡수 손실의 피크를 나타내는 데, 이는 5-6kHz 범위 밖의 더 낮은 주파수와 더 높은 주파수에서 단조 감소한다. 따라서, 작동 주파수 및 공진 주파수는, 더 낮은 손실을 갖는 주파수(예를 들어, 얼음을 위한 5-6kHz 범위 밖)로 조정될 수 있으며, 송신기(1100)와 수신기(1200) 사이의 갭, WPT 시스템(1000)에서의 수용 가능한 손실, 및 작동 주파수 범위 또는 공진 주파수 범위에 부과된 제약 사항들에 따라 달라질 수도 있다.
WPT 시스템(1000)은 일반적으로 도 3a에 도시된 공진 회로(1102 및 1202)에 이전에 기술된 회로 구성요소에 제한되지 않는다. 공진 회로(1102 및/또는 1202)는 일반적으로 WPT 시스템(1000)의 에너지 전송률 및/또는 전력 효율을 더 증가시키기 위해 추가 인덕터 및/또는 커패시터를 포함할 수 있다. 일부 WPT 시스템(1000)의 경우, 각각의 추가 인덕터는 대응하는 커패시터를 동반할 수 있다. 이들 추가적인 전자 구성요소들은, 도 3a에 도시된 설계에 비해 전압 이득을 더욱 증가시키고/하거나 더 많은 전력을 송신/수신하기 위해 사용될 수 있다.
전술한 바와 같이, 송신기(1100) 및/또는 수신기(1200)는 다른 수신기 및 송신기와 함께 각각 사용될 수 있다. 예를 들어, 일부 WPT 시스템(1000)은, 다양한 종래의 수신기와 함께 사용될 송신기(1100)만을 포함할 수 있다. 유사하게, 일부 WPT 시스템(1000)은 다양한 종래의 송신기와 함께 사용될 수신기(1200)만을 포함할 수 있다. 송신기(1100) 또는 수신기(1200)와 다른 시스템의 추가된 호환성은 현장에 이미 배치되어 있는 송신기 및 수신기를 이용함으로써 WPT 시스템(1000)의 보다 광범위한 사용을 허용할 수 있다. 에너지 전송률 및 전력 효율 증가는 송신기(1100)와 수신기(1200) 모두를 포함하는 WPT 시스템(1000)에 비해 크지 않을 수 있지만, 그럼에도 불구하고 송신기(1100) 또는 수신기(1200)는 다른 시스템으로부터 무선으로 전력을 공급하거나 수신할 수 있다. 전술한 바와 같이, 송신기(1100) 및 수신기(1200)는 각각 종래의 송신기 및 송신기를 수용하도록 조정될 수 있다. 예를 들어, 공진 주파수는 종래의 수신기 및 송신기의 작동 주파수에 매칭하도록 조정될 수 있다.
송신기(1100) 및 수신기(1200)는 전원(1150) 및 부하(1250)에 대한 그들의 연결에 의해서만 구별될 수 있다. 공진 회로(1102 및 1202)는, WPT 시스템(1000)이 양방향 방식으로 전력을 송신 및 수신할 수 있게 하는, 송신기 또는 수신기로서의 그들의 기능과 무관하다. 예를 들어, 공진 회로(1102)는 전원(1150)과 부하 사이에서 켜고 끄는 스위치에 전기적으로 커플링될 수 있다. 유사하게, 공진 회로(1202)는 부하(1250)와 전원 사이에서 켜고 끄는 스위치에 전기적으로 커플링될 수 있다. 다른 예에서, 전원(1150) 및 부하(1250)는 모두 작동 모드에 따라 전력을 공급하고/하거나 전력을 수신하도록 구성된 배터리 및/또는 수퍼커패시터일 수 있다. 하나의 작동 모드에서, 전력이 공진 회로(1102)로부터 공진 회로(1202)로 전송되도록 공진 회로(1102)는 전원(1150)에 커플링될 수 있고, 공진 회로(1202)는 부하(1250)에 커플링될 수 있다. 다른 작동 모드에서, 전력이 공진 회로(1202)로부터 공진 회로(1102)로 전송되도록 공진 회로(1102)는 부하에 커플링될 수 있고, 공진 회로(1202)는 전원에 커플링될 수 있다. 이러한 방식으로, 송신기 및 수신기에 상응하는 공진 회로의 지정은 전체적으로 WPT 시스템(1000)의 전적으로 작동 모드에 의존한다. 따라서 WPT 시스템(1000) 내의 공진 회로(1102 또는 1202)는 송신기 및 수신기 중 어느 하나로 사용될 수 있으며, 비용을 감소시키고 공간/중량을 절약할 수 있다.
WPT 시스템에 대한 예시적인 설계
도 3b 및 3c는 상이한 WPT 설계를 도시한다. 도 3b는 제1 커패시터(1120)가 전원(1150)과 제1 코일(1110) 사이에서 직렬로 커플링되어 있는 도 3a와 관련하여 대안적인 회로 배열을 갖는 WPT 시스템(1002)을 도시한다. 즉, 제1 커패시터(1120)와 제1 코일(1110)의 위치는 공진 회로(1102)에서 스위칭된다. 제3 커패시터(1220)는 또한 부하(1250)와 제3 코일(1210) 사이에 직렬로 커플링된다. 도 3b에 도시된 WPT 시스템(1002)은 도 3a에 도시된 WPT 시스템(1000)과 실질적으로 유사한 기능을 할 수 있다. 도 3b에 도시된 WPT 시스템(1002)은 또한 제1 코일(1110) 및 제2 코일(1130) 대신에 탭핑된(tapped) 인덕터 코일을 사용할 수도 있다.
도 3c는, 송신기(1100) 내의 제1 코일(1110) 및 제2 코일(1130)이 탭핑된 인덕터 코일(1160)로 교체되는 WPT 시스템(1003)을 도시한다. 인덕터 코일(1160) 내의 탭은 도 3c에 도시된 바와 같이 제2 커패시터(1140)에 커플링될 수 있다. 유사하게, 수신기(1200) 내의 제3 코일(1210) 및 제4 코일(1230)은 또한 제4 커패시터(1240)에 커플링되어 있는 탭을 갖는 탭핑된 인덕터 코일(1260)로 교체될 수 있다. 탭핑된 인덕터 코일을 사용하면 공진 회로(1102 및 1202)에서 별도의 인덕터 코일의 사용을 제거함으로써 WPT 시스템(1003)을 더욱 단순화한다.
송신기 및/또는 수신기를 위한 예시적인 코일 조립체
도 4a 내지 도 4c는 송신기(1100) 내의 제1 코일(1110) 및 제2 코일(1130)의 예시적인 조립체 및 설계를 도시한다. 이들 조립체 및 설계는 또한 수신기(1200) 내의 제3 코일(1210) 및 제4 코일(1230)에 적용될 수 있다. 도시된 바와 같이, 제1 코일(1110) 및 제2 코일(1130)은 각각 공심 코일의 일종인 평평한 나선형 코일일 수 있다. 평평한 나선형 코일은 하나 이상의 회전과 중심 개구를 갖는 나선형 형상을 형성하도록 굽어진 하나 이상의 와이어로 구성될 수도 있다. 나선형은 실질적으로 평평할 수 있다. 일부 WPT 시스템(1000)의 경우, 평평한 나선형 코일의 사용은 갭이 송신기(1100)와 수신기(1200) 사이에서 실질적으로 균일할 수 있게 한다(예를 들어, 송신기(1100) 및 수신기(1200)는 병렬 정렬이다). 이러한 방식으로 갭을 제한하는 것은 갭이 송신기(1100) 및 수신기(1200)의 구역에 걸쳐 공간적으로 가변하는 경우에 비해 공진 회로(1102)의 다른 구조적 및 전자적 특성들의 조율을 단순화할 수 있다.
도 4a 내지 도 4c에 도시된 바와 같이, 제1 코일(1110) 및 제2 코일(1130)은, 모든 인덕터 코일이 실질적으로 유사한 분리 갭에서 수신기에 전력을 송신할 수 있도록 하기 위해 서로 근접하게(예를 들어, 1mm 미만으로) 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 4a는 제2 코일(1130)이 제1 코일(1110)의 중심 개구에 배치되는 예시적인 조립체를 도시한다. 도 4b는 제1 코일(1110)이 제2 코일(1130)의 중심 개구에 배치되는 다른 예시적인 조립체를 도시한다. 도 4c는 제2 코일(1130)이 동심 방식으로 제1 코일(1110) 상에 적층되는 또 다른 예시적인 조립체를 도시한다. 일부 WPT 시스템(1000)의 경우, 제1 코일(1110) 및 제2 코일(1130)은 제1 코일(1110) 및 대응하는 제3 코일(1210)이 제2 코일(1130) 및 제4 코일(1230)보다 더 가깝도록 배열될 수 있다. 일부 WPT 시스템(1000)의 경우, 제1 코일(1110) 및 제3 코일(1210)은 제2 코일(1130) 및 제4 코일(1230)에 비해 더 멀리 이격될 수 있다. 이 조립체에서, 제1 코일(1110) 또는 제3 코일(1130)의 두께는 또한 송신기(1100)와 수신기(1200) 사이의 배열에 따라 분리 갭에 영향을 미칠 수 있다.
제1 코일(1110)과 제2 코일(1130)의 각각의 단부는 도 3a에 도시된 회로 개략도에 따라 전기적으로 커플링될 수 있다. 예를 들어, 도 3a에서, 제2 코일(1130)의 최내측 단부와 제1 코일(1110)의 최외측 단부는 전원(1150)에 커플링될 수 있다. 제2 코일(1103)의 최외측 단부와 제1 코일(1110)의 최내측 단부는 제1 커패시터(1120)와 제2 커패시터(1140) 둘 다에 커플링될 수 있다.
평평한 나선형 코일의 인덕턴스는 회전 수, 중심 개구의 내부 직경, 외부 직경, 나선의 인접 권선들 사이의 거리, 와이어의 직경/두께, 및 배선의 단면 형상을 포함하지만, 이에 한정되지 않는, 여러 조정가능한 구조 파라미터에 의존할 수 있다. 또한, 평평한 나선형 코일을 형성하는데 사용되는 배선은 하나 이상의 스트랜드(예를 들어, 멀티스트랜드 와이어, 리츠 와이어)를 포함할 수 있다. 다양한 전기 전도 재료는 또한 구리, 알루미늄, 전술한 것의 임의의 합금, 또는 통상 당업자에게 공지된 임의의 다른 전기 전도 재료를 포함하지만 이에 한정되지 않는, 평평한 나선형 코일을 형성하는 데 사용될 수도 있다. 도 4a 내지 도 4c는 실질적으로 원형인 것으로 제1 코일(1110) 및 제2 코일(1130)을 도시하지만, 타원형, 정사각형, 직사각형, 삼각형, 또는 통상 당업자에게 공지된 임의의 다른 다각형 형상을 포함하지만 이에 한정되지 않는 다른 형상을 사용할 수 있다.
이들 파라미터는 다양한 작동 범위에서 저전력 또는 고전력 적용분야를 지원하기 위해 조정될 수 있다. 예를 들어, 보다 큰 에너지 전송률을 지지하기 위해, 평평한 나선형 코일의 직경이 증가할 수 있고, 배선이 더 두꺼워질 수 있다. 이들 파라미터들은 또한 송신기(1100)와 수신기(1200) 사이의 더 큰 분리 갭에서도 작동할 수 있게 할 수 있다. 그러나, 더 큰 외부 직경 코일은 더 크고 더 무거운 WPT 시스템(1000)을 초래하며, 이는 공간 및 중량 절감이 중요한 특정 적용분야들에는 바람직하지 않을 수 있다.
평평한 나선형 코일을 사용하는 예시적인 WPT 시스템
도 5는 제1 코일(1110), 제2 코일(1130), 제3 코일(1210), 및 제4 코일(1230)이 모두 평평한 나선형 코일인 프로토타입 WPT 시스템(1000)의 예시를 도시한다. 이러한 예시적인 프로토타입에서, 제1 코일(1110)은 제2 코일(1130)의 중심 개구에 배치되어 있다. 유사하게, 제3 코일(1210)은 제4 코일(1230)의 중심 개구에 배치되어 있다. 도시된 바와 같이, 제2 코일(1130)과 제4 코일(1230)의 외부 직경은 215mm이다. 제1 코일(1110)과 제3 코일(1210)의 내부 직경은 110mm이다. 각각의 평평한 나선형 코일은 스킨 효과에 의해 야기되는 바람직하지 않은 전도성 손실을 감소시키기 위해 리츠 와이어로 형성되어 있다. 제1 코일(1110) 및 제3 코일(1210)에 사용되는 배선은 서로 병렬로 전기적으로 커플링되어 있는 2개의 와이어를 포함한다. 제2 코일(1130)과 제4 코일(1230)에 사용되는 배선은 병렬로 전기적으로 커플링되어 있는 4개의 와이어들을 포함한다. 리츠 와이어 내의 각각의 개별 섬유의 직경은 약 0.1mm이다. 다른 설계에서, 평평한 나선형 코일은 인쇄 회로 기판 또는 통상 당업자에게 공지된 다른 유형의 배선 상에 형성될 수 있다. 제1 코일(1110) 및 제2 코일(1130)은 분리 갭(Z)에 의해 제3 코일(1210) 및 제4 코일(1230)으로부터 분리되어 있다.
도시된 바와 같이, 제1 코일(1110) 및 제2 코일(1130)은 제3 코일(1210) 및 제4 코일(1230)과 동일하다. 따라서, 원칙적으로, 제1 코일(1110) 및 제2 코일(1130) 또는 제3 코일(1210) 및 제4 코일(1230)이 송신기 및 수신기로서 사용될 수 있다. 제1 코일(1110) 및 제2 코일(1130)은 도 3a 또는 도 3b에 도시된 회로 모델에 기초하여 제1 커패시터(1120)(미도시), 제2 커패시터(1140)(미도시), 및 전원(1150)(미도시)에 커플링되어 있다. 유사하게, 제3 코일(1210) 및 제4 코일(1230)은 도 3a에 도시된 바와 같이 제3 커패시터(1220)(미도시), 제4 커패시터(1240)(미도시), 및 부하(1250)(미도시)에 커플링되어 있다.
이러한 예시적인 설계를 위해, 인덕턴스 및 정전 용량을 50mm의 분리 갭 및 87kHz의 공진 주파수에 대하여 조정하였다. 제1 코일(1110)과 제2 코일(1130)의 인덕턴스는 각각 10μH 및 2μH이다. 제1 커패시터(1120) 및 제2 커패시터(1140)의 정전 용량는 각각 0.067μF 및 1μF이다. 유사하게, 제3 코일(1210)과 제4 코일(1230)의 인덕턴스는 각각 10μH 및 2μH이다. 제3 커패시터(1220) 및 제4 커패시터(1240)의 정전 용량는 각각 0.067μF 및 1μF이다. 인덕턴스는 이 설계에서 고정되지만, 정전 용량은 가변될 수 있어 공진 주파수의 조절 가능성을 허용한다.
도 6a 및 도 6b는 전술한 WPT 시스템(1000)에 대한 작동 주파수의 함수로서 전압 이득 및 전력 효율 각각을 도시한다. 도 6a에 도시된 바와 같이, 전압 이득은 87kHz의 공진 주파수에서 1보다 크다. 전압 이득의 3dB 대역폭은 약 31kHz이다. 이는 도 1b에 도시된 바와 같이 약 5kHz의 3dB 대역폭을 갖는, 자기 커플링 계수(k =0.05)를 갖는 종래의 WPT 시스템(100)보다 실질적으로 크다. 또한, 도 6b는 공진 주파수 및 31kHz 3dB 대역폭에 걸쳐서 95%보다 큰 전력 효율을 도시한다.
송신기(1100)와 수신기(1200) 사이의 정렬 및 분리 갭의 함수로서, 전력 효율 감도를 평가하기 위해 프로토타입 WPT 시스템(1000)에 대하여 추가 실험을 수행하였다. 이 실험들에서, 송신기(1100) 내의 제1 코일(1110) 및 제2 코일(1130)은 87kHz에서 작동하는 풀 브리지 전력 인버터에 의해 여기되었다. 제3 코일(1210)과 제4 코일(1230)에 유도된 AC 전압을 동기식 정류기에 의해 정류하였다. 수신기(1100) 내의 제1 코일(1110) 및 제2 코일(1130) 및 수신기(1200) 내의 제3 코일(1210) 및 제4 코일(1230)에 의해 발생된 자기장은 페라이트 및 금속 플레이트에 의해 차폐되었다.
도 7a 및 도 7b는 각각 코일 오정렬(X) 및 분리 갭(Z)의 함수로서 전력 효율을 도시한다. 코일 오정렬은 송신기(1100)와 수신기(1200)의 중심들 사이의 측방향 거리(동심 정렬로부터의 측방향 편차임)이다. 도 7a에 도시된 바와 같이, 전력 효율은 약 40mm 미만의 코일 오정렬(X)에 대해 91% 초과로 유지된다. 도 7b에 도시된 바와 같이, 전력 효율은 50mm의 바람직한 분리 갭을 중심으로 하는 피크를 나타낸다. 전술한 바와 같이, WPT 시스템(1000)의 인덕턴스 및 정전 용량은 특이적 분리 갭에 맞게 조정될 수 있다. 분리 갭이 바람직한 분리 갭으로부터 벗어날 때, 차선적인 유도 커플링이 발생하여 전력 효율을 감소시킬 수 있다. 그럼에도 불구하고, 도 7b에서의 전력 효율은 40mm 내지 70mm의, 분리 갭(Z)에 대해 91% 초과로 유지된다. 따라서, 이 데이터는, 송신기(1100) 및 수신기(1200) 내의 인덕터 코일이 오정렬되고 분리 갭이 바람직한 분리 갭으로부터 벗어날 때에도, 프로토타입 WPT 시스템(1000)이 고전력 효율을 달성할 수 있음을 보여준다. 또한, 프로토타입 WPT 시스템(1000)은, WPT 시스템(1000)의 크기, 중량 및 비용을 실질적으로 감소시키는, 고전력 적용분야용 등급을 갖는 동조 커패시터 및 스위치를 포함한다.
결론
본원에 기술된 모든 파라미터, 치수, 재료 및 구성은 예시적인 것으로 의도되며 실제 파라미터, 치수, 재료 및/또는 구성은 본 발명의 교시가 사용되는 특정 적용분야 또는 적용분야들에 따라 달라질 것이다. 전술한 구현예들은 주로 예로서 제시되고, 첨부된 청구범위 및 이에 동등한 범위 내에서, 본 발명의 구현예들이 구체적으로 기술되고 청구된 것과 다르게 실시될 수 있다는 것을 이해되어야 한다. 본 개시의 발명의 구현예는 본원에 기술된 각각의 개별적인 특징, 시스템, 물품, 재료, 키트 및/또는 방법에 관한 것이다. 또한, 이러한 특징, 시스템, 물품, 재료, 키트 및/또는 방법이 서로 일치하지 않는 경우, 둘 이상의 이러한 특징, 시스템, 물품, 재료, 키트 및/또는 방법의 임의의 조합이 본 개시의 발명의 범위 내에 포함된다.
또한, 다양한 본 발명의 개념이 하나 이상의 방법으로서 구현될 수 있으며, 그 중 적어도 하나의 예가 제공되었다. 본 방법의 일부로서 수행되는 동작들은 일부 경우에 상이한 방식으로 순서를 가질 수도 있다. 따라서, 본 발명의 일부 실시예에서, 주어진 방법의 각각의 동작은 구체적으로 도시된 것과 상이한 순서로 수행될 수 있으며, 이는 (이러한 동작이 예시적인 구현예에서 순차적인 동작으로 나타나더라도) 일부 동작을 동시에 수행하는 것을 포함할 수 있다.
본원에 언급된 모든 간행물, 특허 출원, 특허, 및 기타 참조문헌은 그 전체가 참고로 원용된다.
본원에 정의되고 사용된 모든 정의는, 사전적 정의, 참조로서 통합된 문서 내의 정의 및/또는 정의된 용어의 일반적인 의미를 통제하는 것으로 이해해야 한다.
본원에서 사용된 부정관사("a" 및 "an")는, 달리 명백히 나타내지 않는 한 "적어도 하나"라는 의미로 이해해야 한다.
본원에서 사용된 "및/또는"이라는 문구는, 본 명세서 및 청구범위에서, 접합된, 즉 어떤 경우에는 결합하여 존재하고 다른 경우에는 분리적으로 존재하는 요소들 중 "둘 중 하나 또는 둘 다"를 의미하는 것으로 이해해야 한다. "및/또는"으로 열거된 다중 요소는 동일한 방식으로, 즉, 접합된 요소 중 "하나 이상의"로 해석되어야 한다. "및/또는" 절에 의해 구체적으로 식별된 요소들, 구체적으로 식별된 요소와 관련이 있거나 관련이 없는 다른 요소 이외의 다론 요소가 선택적으로 존재할 수 있다. 따라서, 비한정적인 예로서, "포함하는"과 같은 개방형 언어와 함께 사용될 때, "A 및/또는 B"에 대한 언급은: 일 구현예에서 A만(선택적으로 B이외의 요소를 포함); 다른 구현예에서, B만(선택적으로 A이외의 요소를 포함); 또 다른 구현예에서는 A 및 B 둘 다(선택적으로 다른 요소를 포함); 등을 지칭할 수 있다.
본 명세서 및 청구범위에 있어서 본원에서 사용되는 바와 같이, "또는"은 위에 정의된 바와 같이 "및/또는"과 동일한 의미를 갖는 것으로 이해해야 한다. 예를 들어, 목록에서 물품을 분리할 때 "또는" 또는 "및/또는"은 포괄적인 것, 즉, 적어도 하나를 포함하되, 하나를 초과하는 숫자 또는 요소 목록, 및, 선택적으로, 추가적인 목록에 없는 물품 또한 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 반대로, 예컨대 "단지 하나의" 또는 "정확하게 하나의", 또는 청구범위에서 사용될 때, "구성되는"과 같이, 명확하게 지시된 용어들 만이, 숫자 또는 요소 목록에서 정확히 하나의 요소를 포함하는 것을 지칭할 것이다. 일반적으로, 본원에서 사용되는 용어 "또는"은, 예컨대 "어느 하나의," "중 하나의," "단지 하나의," 또는 "정확히 하나의" 와 같이 배타적인 용어가 앞에 올 때, 배타적 대안(즉, "하나 또는 다른 하나이되 둘 다는 아님")을 나타내는 것으로 해석되어야 한다. 청구범위에서 사용되는 경우, "본질적으로 이루어지는"은 특허법 분야에서 사용되는 바와 같이 통상적인 의미를 가질 것이다.
본 명세서 및 청구범위에 있어서 본원에서 사용되는 바와 같이, 하나 이상의 요소의 목록에 관하여 "적어도 하나의"라는 어구는, 요소 목록 내의 임의의 하나 이상의 요소로부터 선택된 적어도 하나의 요소를 의미하되, 요소 목록에 구체적으로 나열된 각 요소 및 모든 요소 중 적어도 하나를 반드시 포함하고, 요소 목록 내의 요소의 임의의 조합을 배제할 필요는 없다. 이러한 정의는, 또한, 구체적으로 식별된 요소 이외에 상응 요소가 구체적으로 식별된 요소와 관련이 있는지 여부와 상관없이, 문구 "적어도 하나"가 지칭하는 요소의 목록 내에 선택적으로 존재할 수 있게 한다. 따라서, 비한정적인 예로서, "A 및 B 중 적어도 하나"(또는, 등등하게 "A 또는 B 중 적어도 하나," 또는, 동등하게 "A 및/또는 B 중 적어도 하나")는: 일 구현예에서, B가 없이, 적어도 하나의 A, 선택적으로는 둘 이상(및 선택적으로 B외의 요소를 포함함); 다른 구현예에서, A가 없이, 적어도 하나의 B, 선택적으로 둘 이상(및 선택적으로 A외의 요소를 포함함); 또 다른 구현예에서, 적어도 하나의 A, 선택적으로 둘 이상, 및 적어도 하나의 B, 선택적으로 둘 이상(및 선택적으로 다른 요소를 포함함); 등을 지칭할 수 있다.
상기 명세서에서와 청구범위에서 "포함하는(comprising/including)", "갖는(carrying/having)", "함유하는(containing)", "포함되는(involving)", "보유하는(holding)", "구성되는(composed of)" 등과 같은 모든 전환구는, 개방형(open-ended)으로서, 즉, 포함하되 이에 한정되지 않음을 의미한다는 것을 이해해야 한다. "구성되는" 및 "본질적으로 구성되는(consisting essentially of)"의 전환구 만이, 미국 특허청 특허 심사 절차 매뉴얼 2111.03에 기술된 바와 같이, 폐쇄형 또는 반 폐쇄형 전환구에 상응한다.

Claims (23)

  1. 무선 전력 수신기로서,
    80kHz 내지 90kHz의 공진 주파수에서 1의 전압 이득 및 적어도 95%의 효율로 무선 자기 공명 충전을 통해 무선 전력 송신기로부터 전력을 수신하는 공진 회로를 포함하되, 상기 공진 회로는,
    제1 코일;
    상기 제1 코일과 동심이고 직렬로 커플링되며 상기 제1 코일 상에 적층되어 있는 제2 코일로서, 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일은, 상기 무선 전력 수신기의 작동 중에 공진 주파수에서 상기 무선 전력 송신기 내의 제3 코일 및 제4 코일로부터 전력을 수신하는 것인, 상기 제2 코일;
    상기 제1 코일과 직렬로 커플링되어 있는 제1 커패시터; 및
    상기 제1 코일과 상기 제1 커패시터와 병렬로 커플링되어 있는 제2 커패시터
    를 포함하고,
    상기 제1 코일은 상기 제2 코일에 자기적으로 커플링되고,
    상기 제1 코일 및 상기 제2 코일은, 상기 무선 전력 송신기와 물리적으로 정렬될 때, 상기 제3 코일 및 상기 제4 코일에 자기적으로 커플링되도록 작동 가능하고, 상기 제1 커패시터 및 상기 제2 커패시터는 상기 무선 전력 수신기의 작동 중에 개방 회로로서 작용하지 않는, 무선 전력 수신기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 코일은 0.1μH 내지 100μH의 인덕턴스를 가지고,
    상기 제1 커패시터는 0.01μF 내지 100μF의 정전 용량을 가지고,
    상기 제2 코일은 0.1μH 내지 100μH의 인덕턴스를 가지고, 그리고
    상기 제2 커패시터는 0.01μF 내지 100μF의 정전 용량을 갖는, 무선 전력 수신기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 코일은 1μH 내지 20μH의 인덕턴스를 가지고,
    상기 제1 커패시터는 0.05μF 내지 2μF의 정전 용량을 가지고,
    상기 제2 코일은 1μH 내지 20μH의 인덕턴스를 가지고, 그리고
    상기 제2 커패시터는 0.05μF 내지 2μF의 정전 용량을 갖는, 무선 전력 수신기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 코일 및 상기 제2 코일은, 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일을 통해 흐르는 전류들이 20도 미만의 위상차를 갖도록, 조정되는, 무선 전력 수신기.
  5. 무선 전력 수신기에 무선으로 전력을 전송하는 방법으로서,
    상기 무선 전력 수신기는,
    무선 자기 공명 충전을 통해 무선 전력 송신기로부터 전력을 수신하는 공진 회로를 포함하되, 상기 공진 회로는,
    제1 코일;
    상기 제1 코일과 동심이고 직렬이며 상기 제1 코일 상에 적층되어 있는 제2 코일로서, 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일은, 상기 무선 전력 송신기와 물리적으로 정렬되고, 상기 무선 전력 송신기의 제3 코일 및 제4 코일에 자기적으로 커플링되어 있는 것인, 상기 제2 코일;
    상기 제1 코일과 직렬로 커플링되어 있는 제1 커패시터; 및
    상기 제1 코일과 상기 제1 커패시터와 병렬로 커플링되어 있는 제2 커패시터
    를 포함하고,
    상기 제1 코일은 상기 제2 코일에 자기적으로 커플링되고,
    상기 제1 커패시터 및 상기 제2 커패시터는 상기 무선 전력 수신기의 작동 중에 개방 회로로서 작용하지 않고,
    상기 방법은,
    80kHz 내지 90kHz의 공진 주파수, 1.0의 전압 이득, 및 적어도 95%의 효율로, 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일을 이용하여, 상기 제3 코일 및 상기 제4 코일로부터, 전력을 수신하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제3 코일의 50mm 내에 상기 제1 코일을 위치시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    제1 전류를 상기 제3 코일 및 상기 제4 코일을 통해 흘리는 단계를 더 포함하되, 상기 제1 전류는 상기 제1 코일과 상기 제2 코일을 통해 흐르는 제2 전류를 유도하는, 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제3 코일에서의 상기 제1 전류와 상기 제4 코일에서의 상기 제1 전류 간의 위상차는 20도 미만인, 방법.
  9. 제7항에 있어서, 상기 제3 코일에서의 상기 제1 전류와 상기 제4 코일에서의 상기 제1 전류 간의 위상차는 10도 미만인, 방법.
  10. 무선 전력 수신기로서,
    제1 인덕턴스를 갖는 제1 코일;
    상기 제1 코일과 직렬이고 제1 정전 용량을 갖는 제1 커패시터로서, 상기 제1 코일과 상기 제1 커패시터는, 제1 노드에서 함께 연결되고, 병렬 회로의 제1 브랜치(branch)를 형성하는 것인, 상기 제1 커패시터;
    제2 정전 용량을 가지며, 상기 제1 브랜치와 병렬인 상기 병렬 회로의 제2 브랜치를 형성하는 제2 커패시터; 및
    상기 병렬 회로와 직렬이고, 상기 제1 코일과 동심이며, 제2 인덕턴스를 갖는 제2 코일
    을 포함하고,
    상기 제2 정전 용량과 상기 제2 인덕턴스의 곱은, 상기 제1 인덕턴스와 상기 제2 인덕턴스의 차이와 상기 제1 정전 용량의 곱과 같지 않고,
    상기 제1 코일 및 상기 제2 코일은, 무선 전력 송신기 내의 제3 코일 및 제4 코일에 의해 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일에 유도되는 전류들이 20도 미만의 위상차를 갖도록, 조정되는, 무선 전력 수신기.
  11. 제10항에 있어서, 상기 무선 전력 수신기의 공진 주파수는 87kHz인, 무선 전력 수신기.
  12. 제10항에 있어서, 상기 무선 전력 수신기는 80kHz 내지 90kHz의 밴드에 걸쳐 1의 전압 이득을 갖는, 무선 전력 수신기.
  13. 제10항에 있어서, 상기 무선 전력 수신기는 80kHz 내지 90kHz의 밴드에 걸쳐 적어도 95%의 전력 전송 효율을 갖는, 무선 전력 수신기.
  14. 제10항에 있어서, 상기 제1 코일은 상기 제2 코일과 동일 평면에 있는, 무선 전력 수신기.
  15. 제10항에 있어서, 상기 제1 코일은 상기 제2 코일 상에 적층되어 있는, 무선 전력 수신기.
  16. 제10항에 있어서, 상기 제1 코일은 제1 평평한 나선형 코일이고, 상기 제2 코일은 제2 평평한 나선형 코일인, 무선 전력 수신기.
  17. 제10항에 있어서, 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일은 220mm 이하의 외부 직경을 갖는, 무선 전력 수신기.
  18. 제10항에 있어서, 상기 제1 코일은 제2 노드에 연결되어 있고, 상기 제2 코일은 상기 제2 노드에 연결되어 있는, 무선 전력 수신기.
  19. 제10항에 있어서, 상기 제1 커패시터는 제2 노드에 연결되어 있고, 상기 제2 코일은 상기 제2 노드에 연결되어 있는, 무선 전력 수신기.
  20. 제10항에 있어서,
    상기 제1 코일은 0.1μH 내지 100μH의 인덕턴스를 가지고,
    상기 제1 커패시터는 0.01μF 내지 100μF의 정전 용량을 가지고,
    상기 제2 코일은 0.1μH 내지 100μH의 인덕턴스를 가지고, 그리고
    상기 제2 커패시터는 0.01μF 내지 100μF의 정전 용량을 갖는, 무선 전력 수신기.
  21. 제10항에 있어서,
    상기 제1 코일은 1μH 내지 20μH의 인덕턴스를 가지고,
    상기 제1 커패시터는 0.05μF 내지 2μF의 정전 용량을 가지고,
    상기 제2 코일은 1μH 내지 20μH의 인덕턴스를 가지고, 그리고
    상기 제2 커패시터는 0.05μF 내지 2μF의 정전 용량을 갖는, 무선 전력 수신기.
  22. 제10항에 있어서,
    상기 제1 코일은 상기 제2 코일에 자기적으로 커플링되고,
    상기 제1 코일 및 상기 제2 코일은, 상기 무선 전력 송신기와 물리적으로 정렬될 때, 상기 제3 코일 및 상기 제4 코일에 자기적으로 커플링되도록 작동 가능한, 무선 전력 수신기.
  23. 제10항에 있어서, 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일은, 상기 무선 전력 수신기의 작동 주파수에서 전압 이득을 증가시키기 위해 임피던스 매칭을 제공하도록 구성되는, 무선 전력 수신기.
KR1020207024501A 2018-01-26 2019-01-28 통합형 임피던스 매칭을 갖는 무선 전력 전송 시스템 및 그 사용 방법 KR102661233B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201862622288P 2018-01-26 2018-01-26
US62/622,288 2018-01-26
PCT/US2019/015352 WO2019148070A2 (en) 2018-01-26 2019-01-28 Wireless power transfer systems with integrated impedance matching and methods for using the same

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20200108479A KR20200108479A (ko) 2020-09-18
KR102661233B1 true KR102661233B1 (ko) 2024-04-25

Family

ID=67395699

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020207024501A KR102661233B1 (ko) 2018-01-26 2019-01-28 통합형 임피던스 매칭을 갖는 무선 전력 전송 시스템 및 그 사용 방법

Country Status (7)

Country Link
US (2) US11418062B2 (ko)
EP (1) EP3743981B1 (ko)
JP (1) JP2021511774A (ko)
KR (1) KR102661233B1 (ko)
CN (1) CN111869046A (ko)
CA (1) CA3089620A1 (ko)
WO (1) WO2019148070A2 (ko)

Families Citing this family (30)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10714960B2 (en) * 2015-12-22 2020-07-14 Intel Corporation Uniform wireless charging device
US20200328620A1 (en) * 2018-02-19 2020-10-15 Naptilus Technology Lab, S.L. Tuner and rectifier circuit for wireless power receiver
US20220416583A1 (en) * 2019-09-26 2022-12-29 Soreq Nuclear Research Center Wireless enhanced power transfer
KR20210069930A (ko) * 2019-12-04 2021-06-14 에스케이씨 주식회사 전기자동차용 무선전력 송수신장치 및 수신장치
EP4066352A1 (en) * 2020-02-12 2022-10-05 Google LLC Passive adapter for magnetic inductive wireless charging
WO2021222843A1 (en) * 2020-04-30 2021-11-04 Nucurrent, Inc. Wireless power transmitters and associated base stations for transmitting power at extended separation distances
US11482890B2 (en) 2020-04-30 2022-10-25 Nucurrent, Inc. Surface mountable wireless power transmitter for transmission at extended range
US11239709B2 (en) 2020-04-30 2022-02-01 Nucurrent, Inc. Operating frequency based power level altering in extended range wireless power transmitters
US11476722B2 (en) 2020-04-30 2022-10-18 Nucurrent, Inc. Precision power level control for extended range wireless power transfer
US11310934B2 (en) 2020-04-30 2022-04-19 Nucurrent, Inc. Multi-channel cooling for extended distance wireless power transmitter
WO2022055669A1 (en) * 2020-09-09 2022-03-17 Massachusetts Institute Of Technology Improved coreless power transformer design
NO346860B1 (en) * 2020-11-03 2023-01-30 Univ Of South Eastern Norway A coil structure for impedance matching in a wireless power transfer system
US11387684B1 (en) 2020-12-23 2022-07-12 Nucurrent, Inc. Wireless power transmitters and associated base stations for transmitting power at extended separation distances
US11757311B2 (en) 2020-12-23 2023-09-12 Nucurrent, Inc. Wireless power transmitters and associated base stations for transmitting power at extended separation distances
US11637459B2 (en) 2020-12-23 2023-04-25 Nucurrent, Inc. Wireless power transmitters for transmitting power at extended separation distances utilizing T-Core shielding
US11476711B2 (en) 2020-12-23 2022-10-18 Nucurrent, Inc. Wireless power transmitters and associated base stations for through-structure charging
US11387674B1 (en) 2020-12-23 2022-07-12 Nucurrent, Inc. Wireless power transmitters for transmitting power at extended separation distances utilizing concave shielding
US20220247217A1 (en) * 2021-02-02 2022-08-04 Nucurrent, Inc. Wireless Power Transmitters And Associated Base Stations For Transmitting Power Over Varying Horizontal Position
US11791667B2 (en) 2021-04-30 2023-10-17 Nucurrent, Inc. Power capability detection for wireless power transmission based on receiver power request
US11482891B1 (en) 2021-04-20 2022-10-25 Nucurrent, Inc. Timing verification in precision power level control systems for wireless power transmission
US11532956B2 (en) 2021-04-30 2022-12-20 Nucurrent, Inc. Power capability detection with verification load in power level control systems for wireless power transmission
US11942799B2 (en) 2021-04-30 2024-03-26 Nucurrent, Inc. False notification suppression in wireless power transfer system
US11539247B2 (en) 2021-04-30 2022-12-27 Nucurrent, Inc. Power capability detection in precision power level control systems for wireless power transmission
WO2023004346A1 (en) * 2021-07-20 2023-01-26 University Of Florida Research Foundation Hybrid electromechanical transformer
CN113629891B (zh) * 2021-08-17 2023-04-28 西南交通大学 一种电动汽车动态无线供电系统效率优化方法
US11967830B2 (en) 2021-10-12 2024-04-23 Nucurrent, Inc. Wireless power transmitters for transmitting power at extended separation distances with magnetic connectors
WO2023064402A1 (en) * 2021-10-12 2023-04-20 Nucurrent, Inc. Wireless power transmitters for transmitting power at extended separation distances with magnetic connectors
US11637448B1 (en) 2021-10-12 2023-04-25 Nucurrent, Inc. Wireless power transmitter with removable magnetic connector panel for vehicular use
CN113991892A (zh) * 2021-11-19 2022-01-28 宁波道充科技有限公司 用于无线电能传输的双线圈结构
KR102646120B1 (ko) * 2021-11-22 2024-03-11 홍익대학교 산학협력단 중계코일을 포함하고, 송신부 매칭 커패시터를 이용하여 주파수 분할 현상을 완화하는 무선 전력 전송 시스템 및 그 동작 방법

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012174727A (ja) * 2011-02-17 2012-09-10 Fujitsu Ltd ワイヤレス送電装置及びワイヤレス送電システム
US20130033118A1 (en) 2011-08-04 2013-02-07 Witricity Corporation Tunable wireless power architectures
US20150015197A1 (en) * 2013-07-11 2015-01-15 The Regents Of The University Of Michigan Double-sided lcc compensation method for wireless power transfer
JP2015128347A (ja) * 2013-12-27 2015-07-09 富士通コンポーネント株式会社 無線受電装置、無線送電装置
JP2017509290A (ja) * 2013-12-31 2017-03-30 エレクトリック ロード リミテッド 道路上の電気自動車に電力を供給するシステムおよび方法

Family Cites Families (28)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120091820A1 (en) 2008-09-27 2012-04-19 Campanella Andrew J Wireless power transfer within a circuit breaker
US8598743B2 (en) 2008-09-27 2013-12-03 Witricity Corporation Resonator arrays for wireless energy transfer
WO2012018268A1 (en) * 2010-08-05 2012-02-09 Auckland Uniservices Limited Inductive power transfer apparatus
US8653697B1 (en) 2010-10-22 2014-02-18 Nucleus Scientific, Inc. Inductive coupling for an electrical storage system
US9129743B1 (en) 2010-10-22 2015-09-08 Nucleus Scientific, Inc. Distributed architecture for uni-directional and bi-directional power transfer in an electrical storage system
US8970069B2 (en) 2011-03-28 2015-03-03 Tdk Corporation Wireless power receiver and wireless power transmission system
EP2744681A2 (en) 2011-08-16 2014-06-25 Nucleus Scientific Inc. Overhead power transfer system
KR101356623B1 (ko) * 2011-11-10 2014-02-03 주식회사 스파콘 전력전송코일 및 무선 전력전송장치
US9912197B2 (en) * 2012-08-03 2018-03-06 Mediatek Singapore Pte. Ltd. Dual-mode wireless power receiver
US10014104B2 (en) * 2012-11-02 2018-07-03 Qualcomm Incorporated Coil arrangements in wireless power transfer systems for low electromagnetic emissions
SG11201504742VA (en) 2012-12-18 2015-07-30 Nucleus Scient Inc Nonlinear system identification for optimization of wireless power transfer
JP6308371B2 (ja) * 2013-04-22 2018-04-11 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 無線電力伝送装置
JP2015146723A (ja) 2014-01-06 2015-08-13 日東電工株式会社 無線電力伝送装置
US9787102B2 (en) * 2014-02-12 2017-10-10 The University Of Hong Kong Auxiliary circuits for selection and enhancement of multi-frequency wireless power transfer to multiple loads
JP2015159650A (ja) * 2014-02-22 2015-09-03 有限会社日本テクモ 無接点給電装置
JP6164490B2 (ja) * 2014-02-28 2017-07-19 株式会社デンソー 非接触給電装置
JP2017005790A (ja) * 2015-06-05 2017-01-05 Tdk株式会社 ワイヤレス電力伝送システム
US9577349B2 (en) * 2015-06-29 2017-02-21 Near Field Magnetics, Inc. Near-field magnetic communication antenna
KR101773403B1 (ko) * 2015-11-20 2017-08-31 숭실대학교산학협력단 무선 충전기용 양면 lcc 컨버터 및 그 구현방법
US10144301B2 (en) * 2016-02-18 2018-12-04 Denso International America, Inc. Optimized compensation coils for wireless power transfer system
US10326314B2 (en) * 2016-04-13 2019-06-18 Mediatek Inc. Efficiency improvement for soft-switched wireless power transmitters
US10819152B2 (en) * 2016-09-12 2020-10-27 The Research Foundation For The State University Of New York Wireless power transfer systems and components thereof
US20180233961A1 (en) * 2017-02-14 2018-08-16 Aiguo Hu Inductive power transfer
US20180269726A1 (en) * 2017-03-15 2018-09-20 Apple Inc. Inductive Power Transmitter
US11018526B2 (en) * 2018-02-08 2021-05-25 Massachusetts Institute Of Technology Detuning for a resonant wireless power transfer system including cooperative power sharing
US10797506B2 (en) * 2018-04-05 2020-10-06 Witricity Corporation DC to AC power conversion using a wireless power receiver
US10811913B2 (en) * 2018-08-06 2020-10-20 Apple Inc. Wireless charging system with multiple communications modes
US11159056B2 (en) * 2019-09-12 2021-10-26 Spark Connected LLC Wireless power receiver circuit and method

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012174727A (ja) * 2011-02-17 2012-09-10 Fujitsu Ltd ワイヤレス送電装置及びワイヤレス送電システム
US20130033118A1 (en) 2011-08-04 2013-02-07 Witricity Corporation Tunable wireless power architectures
US20150015197A1 (en) * 2013-07-11 2015-01-15 The Regents Of The University Of Michigan Double-sided lcc compensation method for wireless power transfer
JP2015128347A (ja) * 2013-12-27 2015-07-09 富士通コンポーネント株式会社 無線受電装置、無線送電装置
JP2017509290A (ja) * 2013-12-31 2017-03-30 エレクトリック ロード リミテッド 道路上の電気自動車に電力を供給するシステムおよび方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN111869046A (zh) 2020-10-30
US11418062B2 (en) 2022-08-16
EP3743981B1 (en) 2024-05-29
EP3743981A2 (en) 2020-12-02
JP2021511774A (ja) 2021-05-06
WO2019148070A3 (en) 2020-07-23
US20210044150A1 (en) 2021-02-11
WO2019148070A2 (en) 2019-08-01
CA3089620A1 (en) 2019-08-01
KR20200108479A (ko) 2020-09-18
EP3743981A4 (en) 2021-11-10
US20230030041A1 (en) 2023-02-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102661233B1 (ko) 통합형 임피던스 매칭을 갖는 무선 전력 전송 시스템 및 그 사용 방법
Mohammad et al. Core design and optimization for better misalignment tolerance and higher range of wireless charging of PHEV
Chatterjee et al. Design optimisation for an efficient wireless power transfer system for electric vehicles
TWI600248B (zh) 無線電力供應系統
JP6288519B2 (ja) 無線電力伝送システム
KR20120079799A (ko) 자계 공명 방식의 비접촉 급전장치
JP6618006B2 (ja) 無線電力伝送システムおよび送電装置
EP2760697A2 (en) Power transmitting device, vehicle, and power transfer system
WO2013002240A1 (ja) 給電システムの設計方法及び給電システム
US20170324281A1 (en) Wireless power trnsfer device
JP6305728B2 (ja) コイルユニット及び電力伝送システム
Shehata Design of high efficiency low frequency wireless power transfer system for electric vehicle charging
Kudo et al. Contactless power transfer system suitable for low voltage and large current charging for EDLCs
US20230253947A1 (en) Matching Networks, Inductors, and Coupled-Inductor Capacitive Wireless Power Transfer Circuit and Related Techniques
JP2014217117A (ja) 非接触給電システム
KR101953571B1 (ko) 무선 전력 전송 코일을 구비한 차량용 반도체 변압기 및 그 무선 전력 전송 코일
US20170149292A1 (en) Resonant coil, wireless power transmitter using the same, wireless power receiver using the same
WO2019181376A1 (ja) 共振整合回路
Zahedi et al. Comparative study of self-compensated coil geometries for wireless power transfer system
JP2013081331A (ja) 非接触電力伝送装置
JP5847468B2 (ja) 給電システムの設計方法
WO2014069147A1 (ja) 送電機器及び非接触電力伝送装置
Yi et al. A Comparative Study on the Influence of Inductive Coupling WPT Using 6.78 MHz and 120kHz Dual Bands for Mobile Electronic Devices
Lee et al. Realization Assessment of Coaxial Symmetrical Coils for Two-to-One Inductive Power Transfer in Rail Charging Applications
WO2021053502A1 (en) Method and apparatus for transmission of electrical energy (embodiments)

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant