KR20100083846A - 무선 전력 브리지 - Google Patents

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KR20100083846A
KR20100083846A KR1020107013212A KR20107013212A KR20100083846A KR 20100083846 A KR20100083846 A KR 20100083846A KR 1020107013212 A KR1020107013212 A KR 1020107013212A KR 20107013212 A KR20107013212 A KR 20107013212A KR 20100083846 A KR20100083846 A KR 20100083846A
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Abstract

벽과 같은 고체 장벽을 통해 에너지의 자기 송신을 허용하는 무선 전력 브리지가 제공된다. 그 동작을 제어하기 위한 회로가 설명된다.

Description

무선 전력 브리지{WIRELESS POWER BRIDGE}
종종, 벽 또는 윈도우에 의해 메인으로 전력공급된 영역들로부터 분리된 영역에 전기 전력을 제공하는 것이 바람직하다. 그 벽 또는 윈도우는, 이러한 전력을 제공하기 위한 확장 코드 (extension cord) 의 사용을 덜 실용적으로 만든다. 예를 들어, 확장 코드는, 윈도우 또는 도어가 그 코드로 하여금 그들을 관통하게 하기 위해 개방된 상태로 유지하는 것을 요구할 수도 있다.
예를 들어, 전기 소켓이 존재하지 않는 발코니 또는 테라스에서 랩탑 PC를 사용하는 것이 편리할 수도 있다. 예를 들어, 강도 알람 또는 텔레비전 모니터에 전력을 공급하기 위해, 집의 외부에 센서들을 배치하는 것이 유용할 수도 있다. 텔레비전을 외부로 가져오는 것이 바람직할 수도 있다.
이것을 행하기 위한 일 방식은 새로운 영역을 와이어링 (wire) 하는 것이며, 즉, 예를 들어, 벽에 구멍을 뚫는 것이다. 그러나, 이것은, 예를 들어, 임대 아파트 또는 콘도에서는 허용되지 않을 수도 있다. 그것은 비용이 매우 높고/높거나 불편할 수도 있다. 또한, 단순히 사용자가 그것을 행하기를 원치않을 수도 있다.
본 출원은, 고체 블록킹 엘리먼트, 예를 들어, 고체 벽 또는 닫힌 윈도우를 통해 무선으로 전력을 안내하게 하는 무선 전력 브리지를 설명한다.
AC 전력의 소스 주변에 존재하는 엘리먼트의 일측에 전력이 인가된다. 그 전력은, 제 1 튜닝된 안테나를 통해 제 2 튜닝된 안테나에 무선으로 송신된다. 제 2 안테나는 고체 오브젝트에 의해 제 1 안테나로부터 분리될 수 있다. 제 2 안테나는 전력을 수신하고, 전력 아웃렛 (outlet) 을 제공한다.
무선 전력 브리지는 AC 전력 또는 DC 전력에 대해 전력 아웃렛을 제공할 수도 있다.
일 실시형태에서, 송신 서브시스템은 고체 오브젝트를 통해 연장하는 로컬 전력 핫스팟을 생성하며, 여기서, 무선 전력이 수신될 수 있다. 그 로컬 전력 핫스팟의 타측상의 수신기에 의해 무선 전력이 수신된다.
다음으로, 이들 및 다른 양태들은 첨부한 도면들을 참조하여 설명될 것이다.
도 1은 저전력 DC 출력을 사용하는 시스템의 가능한 배열을 도시한다.
도 2는 표준 AC 전압 출력 (예를 들어, 110VAC/60Hz) 을 사용하는 시스템의 가능한 배열을 도시한다.
도 3은 벽 및 윈도우들을 통한 송신을 도시한다.
도 4는 송신 서브시스템을 도시한다.
도 5는 수신 서브시스템을 도시한다.
도 6은 안테나의 클로우즈-업 세부사항을 도시한다.
도 1은, 무선 전력 브리지의 일 실시형태를 도시한다. 이러한 실시형태에서, 전력 출력은, 예를 들어, 표준 110VAC/60Hz 출력을 생성하는 AC 전력 출력이다. 또 다른 실시형태는 상이한 전압 출력, 예를 들어, 208V 또는 임의의 다른 표준 AC 전압을 생성할 수도 있다.
실시형태는, 와이어를 통해 표준 AC 전력 소스에 부착함으로써 송신측 (100) 상에 전력을 생성한다. 그 전력은 송신 안테나 (110) 에 커플링되며, 수신 안테나 (120) 와 커플링된 자기장을 통해 무선으로 전송된다.
무선 전력 브리지의 바람직한 실시형태는 커플링된 공진에 기초한다. 따라서, 송신 및 수신 안테나들은, 실질적으로 공진인, 예를 들어, 동작 주파수의 10%, 15%, 또는 20% 의 부분 대역폭내의 공진 주파수인 공진 안테나인 것이 바람직하다. 안테나들의 동작 및 포메이션은, 명칭이 "Wireless Apparatus and Methods" 이고 2008년 1월 22일자로 출원된 미국 특허 출원 제 12/018,069호에 설명된 바와 같을 수도 있다.
송신은 50Hz 이하인 실질적으로 변조되지 않은 캐리어 주파수인 것이 바람직하다. 예를 들어, 바람직한 주파수는 20kHz 와 135kHz 사이일 수도 있다.
또 다른 실시형태는 훨씬 더 낮은 주파수를 사용할 수도 있다. 예를 들어, 60Hz의 표준 AC 전력 주파수가 무선 전달에 사용가능할 수도 있다.
일 실시형태는, 그의 근접장 (near field) 에서 자기적으로 에너지를 저장하는 송신기, 및 그 근접장으로부터 에너지를 제거하는 수신 안테나의 영역에서 근접장을 생성할 수도 있다.
도 1의 실시형태는, 본질적으로 비금속인 벽을 통한 전력 전달을 허용한다. 차례로, 안테나의 사이즈는, 전력이 송신될 수 있는 벽의 두께를 셋팅한다. 예를 들어, 벽은 수 밀리미터만큼 얇을 수도 있거나 40cm (16인치) 만큼 두꺼울 수도 있다.
또한, 전력 전달의 효율도 및 양은 안테나의 사이즈에 의존한다. 커플링된 공진에 기초한 시스템에서, 안테나들은 공진 안테나들이며, 통상적으로, 높은 Q 펙터, 예를 들어, 200보다 더 큰 Q 펙터를 갖는다. 적절히 디멘션된 엘리먼트들로 및 여기에 설명된 기술들을 사용하여, 예를 들어, 100W 의 출력 소켓 (130) 또는 DC 잭 (232) 을 통한 전력 전달이 획득가능할 수도 있다.
실시형태는, 표준 AC 전력, 예를 들어, 110V AC/60Hz 또는 220V AC/50Hz 에 접속하기 위해 AC 코드 (99) 를 이용한다. 그 전력은 송신 전력 변환기 (101) 에 커플링된다. 변환기 (101) 는, 표준 AC 전압 및 주파수를 또 다른 전압 및 또 다른 주파수로 변환하며, 통상적으로, 주파수를 50Hz 보다 더 큰 주파수 값으로 상향변환한다. 이러한 더 높은 주파수는, 자기적으로 커플링된 무선 송신에 사용하기에 더 적절할 수도 있다.
상술된 바와 같이, 대안적인 실시형태에서, 50 또는 60Hz 의 표준 AC 전력 주파수가 무선 전력 송신에 또한 사용될 수도 있다.
송신 안테나 (110) 는, 변환기 유닛 (101) 에 의해 생성된 동작 주파수로 실질적으로 공진하는 평판 (flat-panel) 안테나인 것이 바람직하다. 또한, 수신 안테나 (120) 는, 그 셋팅된 동작 주파수에서 공진을 달성하기 위해, 유도성 루프, 예를 들어, 단일 또는 멀티 턴 인덕터, 및 커패시터를 사용하는 평판 유닛인 것이 바람직하다. 그 공진 안테나들 사이에서 에너지가 전달된다.
수신 안테나로부터의 전력은, 제 1 실시형태에서 AC-AC 주파수 변환기를 통합하는 수신 전력 변환기 유닛 (130) 에 커플링된다. 이것은, 50Hz 또는 60Hz AC 전력을 생성하도록 동작한다. 또한, 이것은 원하는 전압, 예를 들어, 110 또는 220V AC 로 전압을 조정 및 안정화시킬 수도 있다.
도 2에 도시된 대안적인 실시형태는, 그의 출력에서, 예를 들어, 12V DC를 생성하는 상이한 스타일의 수신 전력 변환기 유닛 (230) 을 사용한다. 이것은 간단히 정류기 및 DC-DC 변환기를 사용할 수도 있다.
도 3a는 벽을 통해 전력을 전달하기 위해 안테나를 사용하는 일 배열을 도시한다. 도 3a의 벽은, 예를 들어, 5cm 와 40cm 사이 (2 내지 16인치) 일 수도 있다.
송신 안테나와 수신 안테나 사이의 커플링 펙터는, 상이한 재료 및 두께의 벽에 대해 상당히 상이할 수도 있다. 따라서, 수신측의 전력 요건을 충족시키고 전체 전달 효율도를 최대화하기 위해 자동적으로 적응하도록 제어 시스템이 사용될 수도 있다. 도 3b는, 예를 들어, 두께가 5 내지 40mm (0.2 내지 1.6 인치) 인 윈도우를 통한 송신을 도시한다.
송신 및 수신 안테나들이 동축으로 위치되거나 서로 병렬로 위치될 경우 전력 전달 효율도가 최대화될 수 있다. 도 3a 및 도 3b는, 이들 안테나들이 동축으로 정렬된 단면도를 도시한다. 그러나, 실제로, 이러한 동축 정렬은 윈도우와 같은 투명 장벽에 대해 합당하게 용이할 수도 있지만, 벽과 같은 고체 장벽에 대해서는 더 어려울 수도 있다. 또 다른 실시형태에서, 예를 들어, 미스매칭 및 디튜닝 (detuning) 효과들을 회피하기 위해 서로 오프셋되도록 안테나들의 상대적인 위치결정을 변경하는 것이 바람직할 수도 있다.
일 실시형태는 송신 전력 변환기 유닛 (101) 및/또는 수신 전력 변환기 유닛 (130 또는 230) 의 일부로서 표시기를 사용할 수도 있다. 바람직한 실시형태에서, 그 표시기는 수신 전력 변환기 유닛 (130 또는 230) 의 일부일 수도 있다. 도 2 및 도 3에서 표시기는 도면부호 (131) 로서 도시되어 있다. 그것은, 수신 전력 변환기 유닛 (130 또는 230) 에 고유한 센서들에 의해 제공된 측정값들의 세트 및 공지된 시스템 파라미터들로부터 전달 효율도를 연속적으로 계산하는 시스템에 의해 제어된다. 표시기가 광 센서이면, 표시기는, 시스템이 더 효율적으로 동작하여 더 높은 전력을 전달할 수 있을 경우 더 밝게 빛을 낼 수도 있고, 전달 효율도가 더 낮게 되어 더 낮은 전력 전달 능력을 제공할 경우 덜 밝게 빛을 낼 수도 있다. 이것은, 표시기의 밝기를 증가시킴으로써 수신 안테나의 최적의 위치를 정의하는 것을 보조할 수 있다. 시스템의 사용자는 안테나들 중 하나 또는 다른 안테나를 이동시킬 수 있으며, 그 안테나들이 이동함에 따라 표시기가 더 밝게 또는 덜 밝게 빛나는 지를 관찰할 수 있다.
또 다른 실시형태는, 전자적으로 디스플레이되는 바 또는 기계적인 니들 및 비례수 (relative number) 를 갖는 수치 (numerical) 디스플레이 또는 아날로그 표시자 다이얼을 사용할 수 있다. 바 또는 니들은, 예를 들어, 안테나가 동축으로 정렬된다는 것을 나타내도록 이동한다.
또 다른 실시형태는, 예를 들어, 안테나 정렬의 시간 동안 턴 온되고, 안테나들의 정렬을 나타내도록 피치 및/또는 강도를 변경시키는 사운드를 방출하는 가청 톤을 사용할 수도 있다.
도 4는 송신 전력 변환기 유닛 (101) 을 포함하는 송신 서브시스템을 도시한다. AC 전력 (99) 은, 송신 전력 변환기 유닛 (10) 을 동작시키기 위한 DC 전압을 생성하는 정류기 및 필터 (400) 에 입력된다. DC-DC 변환기 (405) 는, 전력 스테이지, 여기에서는, 하프 브리지 인버터 (415) 및 송신 전력 변환기 유닛 (101) 의 다른 부분들을 에너자이징하기 위한 전력을 제공한다. 변환기 (405) 는, 입력 전압보다 더 낮은 출력 DC 전압을 제공하고, 전력 및 효율도 제어의 목적을 위해 제어될 수 있는 스텝-다운 변환기일 수도 있다. 또한, 보조 DC-DC 변환기 (410) 는, 주파수 생성 및 제어 유닛과 같은 제어 시스템들에 대해 또 다른 고정된 DC 전압을 공급하도록 사용될 수도 있다. 단일 고정 전압 (예를 들어, 12V) 은, 단일 변환기 (405) 만이 사용되도록 허용하는 모든 시스템들에 대해 사용될 수도 있다.
또 다른 실시형태는, DC-DC 변환기 (405) 를 생략할 수도 있다. 이러한 경우, 전력 스테이지, 여기에서 하프 브리지 인버터 (415) 는 정류기 및 필터 (400) 로부터 직접 공급받을 수도 있다.
여기에 개시된 바람직한 실시형태에 따르면, 전체 시스템은 기본적인 전력 변환과 관련된 것을 변압기들 없이 동작시킨다. 변압기들은, 존재하는 자성 잡음의 양을 감소시키고/거나 중량 및/또는 볼륨을 감소시키고, 연속하는 가변 출력 전압을 생성하기 위해, AC 전류 센서들의 일부로서 사용될 수도 있다. 여기에 설명된 바와 같이, 일 실시형태는, 모든 주요한 전력 변환이 전자 스위칭-모드 전력 변환에 의해 수행되게 하며, 또한, 예를 들어, 전하 펌핑 등을 포함할 수도 있다.
튜닝 네트워크 (420) 는, 최고의 가능한 전달 효율도를 유지하기 위해 동작 주파수를 매칭하도록 송신 안테나 시스템의 공진 주파수를 정밀하게 튜닝하는데 사용될 수도 있다.
또한, 안테나 전류는, 인터페이스 D에서의 출력을 생성하는 전류 센서 (425) 에 의해 측정될 수도 있다. 이러한 출력은, 전력 및 효율도 제어를 위해 필요할 수도 있는 안테나 전류의 크기 및 위상 양자를 나타낼 수도 있다.
주파수 생성 및 제어 서브유닛 (430) 은, 송신 전력 변환기 유닛 (101) 의 동작들을 동기화 및 제어할 수도 있다. 일 실시형태에서 및 도 4에 도시된 바와 같이, 다수의 상이한 기능들 중 몇몇은 주파수-제어된다. 주파수 생성 및 제어 서브유닛은, 송신 전력 변환기 유닛 (101) 의 이들 기능들을 제어하기 위해 하나 또는 다수의 주파수들을 생성할 수도 있다. 예를 들어, 하나 또는 수 개의 주파수 출력들은, 정류기/필터 (400) 에 의해 사용된 주파수; DC-DC 변환기 (405) 에 의해 사용된 주파수; 및 인버터 (415) 에 의해 사용된 주파수를 각각 제어하기 위해 생성될 수 있다. 안테나 전류 측정 출력 (인터페이스 D) 은, 송신 안테나의 공진 주파수를 최적으로 조정하기 위하여 주파수 생성 및 제어 유닛 (430) 에 의해 사용될 수 있다.
100W 를 전달하기 위해 디멘션된 무선 전력 브리지의 송신 전력 변환기 유닛 (101) 은, 3인치 x 6인치 x 1인치의 직사각형 형태 펙터를 가질 수도 있으며, 랩탑 컴퓨터에 대해 외부 전원과 유사하게 보일 수도 있다.
무선 전력 송신을 위해 사용되는 바와 같은 전력 캐리어를 생성하는 전력 스테이지는 하프 브리지 인버터 (415) 인 것이 바람직하다. 이것은 푸쉬 풀 구성에서 2개의 전자 전력 스위치들, 예를 들어, FET 또는 트랜지스터들을 사용할 수도 있다. 주파수 생성 및 제어 서브유닛 (430) 은 인터페이스 B를 통해 구동 스위칭 파형을 제공하며, 그에 의해, 무선 전력 전달을 위해 사용되는 동작 주파수뿐만 아니라 안테나 전류를 셋팅한다. 이러한 스위칭 파형은, 예를 들어, 수신 서브시스템의 감지된 특성들 및 그의 작동 패턴에 기초하여 조정될 수도 있다.
주파수 생성 및 제어 서브유닛 (430) 은 전력 스테이지의 DC 공급 전압을 변경시키기 위한 파라미터들, 및 인버터 (415) 에 대한 스위칭 파형의 듀티 사이클/펄스폭을 변형시킬 수도 있다. DC-DC 변환기가 사용되지 않는 일 실시형태에서, 스위칭 파형의 듀티 사이클은 전력 및 전달 효율도를 변경시키기 위해 사용될 수도 있다. 예를 들어, 표준 AC 전력 주파수가 무선 전력 송신을 위해 사용되는 일 실시형태에서, 전력 스테이지는, 주파수 생성 및 제어 서브유닛 (430) 에 의해 제어되는 위상 제어된 변조기로 형성될 수 있다.
튜닝 네트워크 (420) 는, 무선 전력 브리지의 동작 주파수에서 송신 안테나의 공진 주파수를 유지하기 위해 사용된다. 바람직한 실시형태에서, 이러한 동작 주파수는 고정되며, 결정 안정된 (crystal stabilized) 오실레이터로부터 유도된다. 이러한 방법은, 송신 주파수가 송신 안테나의 공진 주파수에 적응되는 솔루션과는 대조적이다. 여기에서의 이러한 방법은, 다른 시스템들에 대한 유해한 간섭의 위험을 감소시킬 뿐만 아니라, 조정 컴플리안스 (regulatory compliance) 를 달성하는데 유리한 것으로 고려된다. 또한, 튜닝 네트워크는, 디튜닝 효과들 및 컴포넌트 허용오차 (component tolerance) (예를 들어, 인덕터, 커패시터, 안테나 피더 케이블 등) 를 보상할 수도 있다. 디튜닝 효과들은, 디튜닝된 수신 안테나뿐만 아니라, 송신 안테나에 인접한 외부 오브젝트들에 의해 야기될 수도 있다. 또한, 전력 스테이지의 소스 임피던스에서의 리액턴스 컴포넌트가 디튜닝을 야기할 수도 있다. 컴포넌트들의 허용오차는, 컴포턴트들의 노화뿐만 아니라 제조 허용오차에 기여할 수도 있다. 튜닝 네트워크는, 인터페이스 C를 통해 주파수 생성 및 제어 서브유닛에 의해 제어된다.
또한, 주파수 생성 및 제어 서브유닛 (430) 은, 전력 스테이지, 여기에서는 하프 브리지 인버터를 구동시키기 위해 주파수 및 스위칭 파형들을 생성한다. 또한, 전류 감지 엘리먼트 (425) 에 의해 감지된 전류를 사용하여 송신 안테나 전류를 측정 또는 모니터링할 수도 있다. 예를 들어, 제어 유닛 (430) 은, 적절한 알고리즘을 실행시키고, 또한, 미리 저장된 데이터 (룩업 테이블) 를 사용하는 프로세서 또는 마이크로제어기일 수 있다. 룩업 테이블은 정의된 교정 루틴을 사용함으로써 생성될 수도 있다. 이러한 알고리즘은, 임의의 커플링 펙터들에 대해 최대 전달 효율도에 수렴하는 방식, 및 가능하다면, 수신 서브시스템 AC 또는 DC 출력에서 요구된 전압 및 전력을 충족시키는 방식으로 설계된다.
수신기가 검출될 수 없거나 이러한 수신기에 대한 커플링이 너무 작으면, 송신 서브시스템은 자동적으로 대기 모드에 진입할 수도 있으며, 여기서, 감소된 전력 레벨 또는 단지 수신기의 존재를 검출하는데 충분한 간헐적인 송신으로 동작한다. 수신기의 존재 검출은, 수신기의 특성들 및 그의 작동 패턴을 자극 및 감지함으로써 달성될 수 있다.
특정한 파라미터들을 수동으로 변형시키기 위해, 예를 들어, 송신 서브시스템을 수동으로 활성화/비활성화시키고 전력 전달에 대한 제한들을 셋팅하기 위해, 송신 전력 변환기 유닛 (101) 의 일부로서의 휴먼 인터페이스가 또한 제공될 수 있다.
송신 안테나 유닛 (110) 은, 송신 전력 변환기 유닛 (101) 으로부터 피더 케이블 (102) 을 통해 피딩되는 순수한 패시브 디바이스이다. 이러한 피더 케이블은, 예를 들어, 길이가 1m 일 수 있으며, 표준 110V/220V AC 전력 코드에서 사용되는 것과 유사한 값들로 전압 및 전류를 운반하도록 사이징될 수 있다. 송신 안테나 그 자체는, 고전압 커패시터 (443) 와 직렬로 단일 또는 멀티-턴 루프 (442) 를 포함할 수도 있다. 이것은, 송신 전력 변환기 유닛 (101) 에 의해 지시된 동작 주파수에 튜닝된 공진 시스템인 LC 탱크 회로를 형성한다.
안테나 루프는, 최악의 경우의 분석에서 발생할 수 있는 안테나 전압을 견디도록 사이징된 절연물을 갖는 절연된 구리 와이어로 형성되는 것이 바람직하다. 몇몇 설계에서, 이러한 안테나의 RMS 전압은, 실제 전력 레이팅 및 최대 송신 거리에 의존하여 1000V 이상일 수도 있다. 20kHz 와 135kHz 사이의 동작 주파수를 가정하면, "리츠 와이어 (litz wire)" 로 또한 지칭되는 스트랜드된 와이어 (stranded wire) 는, 스킨 및 근접 효과와 같이 에디 전류에 의해 초래되는 임의의 손실을 감소시키도록 사용될 수도 있다. 또한, 이것은 송신 안테나의 언로드 Q 펙터를 최대화시킬 수도 있다.
유사한 방식으로, 커패시터는, 시스템의 실제 전력 레이팅 및 최대 송신 거리에 의존하여 1000V 보다 큰 RMS 전압을 견딜 필요가 있을 수도 있다.
안테나 실시형태가 도 6에 도시되어 있다. 고전압 커패시터 (610) 는, 공간을 절약하고, 소정의 외부 윤곽 형태 펙터에 대해 최대 루프 사이즈를 허용하기 위해, 루프의 내부에 탑재될 수도 있다. 도면부호 (600) 으로서 도시된 다수의 동축 및 절연 안테나 루프들은, 안테나 피더 케이블 (102) 에 의해 피딩된다. 고전압 커패시터 (443) 는, 높은 Q 펙터를 갖는 공진으로부터 발생하는 고전압이 안테나의 내부에서 유지되게 하고, 피더 케이블 (102) 또는 송신 전력 변환기 유닛 (101) 상에 나타나지 않게 하는 방식으로, 안테나 유닛의 일부로서 통합된다. 이것은, 설계를 간략화할 수도 있고, 특정한 요건들을 완화시킬 수도 있다.
송신 및 수신 안테나 유닛 양자는, 그의 탑재를 간략화하는 특정한 고정물들을 제공할 수도 있다. 흡입 컵 (620) 이 임시적인 탑재를 위해 제공될 수도 있다. 도면부호 (621) 로서 도시된 서스펜션 핸들은, 예를 들어, 대부분의 시간에서 적소에 유지될 수도 있는 아이템 상에서의 더 영구적인 탑재 또는 임시적이지만 되풀이되는 탑재를 위해 제공될 수도 있다.
수신 서브시스템은 도 5에 상세히 도시되어 있다. 이것은 도 4의 송신 서브시스템과 유사한 구조를 포함한다. 수신 안테나 유닛 (120) 은 단일 또는 멀티-턴 루프 (502) 및 고전압 커패시터 (504) 로 형성된다. 수신 안테나 유닛으로부터의 출력은, 수신 전력 변환기 유닛 (510) 에 피딩하는 안테나 피더 케이블 (121) 을 통해 커플링된다. 일반적으로, 이러한 변환기 유닛은, 안테나 전류 감지 디바이스 (510), 튜닝 및 매칭 네트워크 (530), 정류기 (540), DC-DC 또는 DC-AC 변환기 (550), 보조 DC-DC 변환기 (551), 부가적인 전류 감지 및 전압 감지 구조 (560), 및 주파수 생성 및 제어 서브유닛 (570) 모두 또는 그들 중 일부를 포함하는, 도 4의 구조와 유사한 구조를 사용할 수도 있다.
수신 안테나 유닛 (120) 이 송신 주파수에서의 공진을 위해 조정되고, 정류기 (540) 입력 임피던스가 수신 안테나 유닛 소스 임피던스 (120) 에 최적으로 매칭되는 것을 보장하기 위해 튜닝 및 매칭 네트워크 (530) 가 필요할 수도 있다. 튜닝 및 매칭 네트워크 (530) 는, 인터페이스 C를 통해 주파수 생성 및 제어 서브유닛 (570) 에 의해 제어된다.
정류기 (540) 는, 수신 안테나 유닛 (120) 에 의해 수신되는 바와 같은 AC 전압을 정류 및 필터링하여, 다음의 스테이지들에 의해 요구되는 DC를 제공한다. 정류기 (540) 는, 낮은 입력 전압의 경우에서 전력 손실을 최소화하기 위해, 표준 다이오드 회로 대신 동기식 정류에 기초할 수도 있다. 정류기 (540) 는, 제어 인터페이스 A를 통해 주파수 생성 및 제어 서브유닛에 의해 제어될 수도 있다.
DC-DC 또는 DC-AC 변환기 (550) 는 스텝-다운 또는 스텝-업 변환기일 수도 있으며, 각각, 수신 서브시스템에 접속된 외부 로드의 요건들을 충족시키는 출력 전압 및 전류를 제공한다. 일반적으로, DC-DC 또는 DC-AC 변환기 (550) 에 의해 생성된 출력 전압 또는 전류는 가변이며, 제어 인터페이스 B를 통해 주파수 생성 및 제어 서브유닛 (570) 에 의해 제어된다. 또 다른 실시형태에서, 이러한 변환기 (550) 가 생략될 수도 있다. 그것은, 외부 로드가 정류기 (540) 에 의해 직접 피딩된다는 것을 의미한다. 표준 AC 주파수가 무선 전력 송신을 위해 직접 사용되었던 경우, 변환기 (550) 는, 위상 제어된 변조기에 의해 대체될 수도 있다.
부가적인 전압 및 전류 감지 (560) 는, 특정된 DC 또는 AC 출력 전압을 유지하고, 수신 전력 변환기 유닛 (510) 의 로딩을 모니터링하기 위하여 주파수 생성 및 제어 서브유닛 (570) 에 의해 사용된다.
주파수 생성 및 제어 서브유닛 (570) 은, 외부 로드의 전압 및 전류 요건들을 충족시키고 에너지 전달 효율도를 최대화하기 위해 수신 서브시스템의 모든 관련 기능들 및 파라미터들을 자동적으로 제어 및 모니터링하며, 수신 전력 변환기 유닛 (510) 을 동작시키도록 요구되는 모든 주파수 신호들 및 파형들을 생성한다. 필요하다면, 외부 로드에 의해 요구되는 바와 같이 표준 AC 주파수를 생성하고, 이러한 주파수를 제어 인터페이스 B를 통해 DC-AC 변환기 (550) 에 피딩한다. 또한, 안테나 전류 감지 (520) 에 의해 안테나 전류를, 및 전압 및 전류 감지 (560) 에 의해 DC 또는 AC 출력 전압 및 전류를, 각각, 측정한다. 이들 측정치들에 기초하여, 외부 로드에 의한 전압 및 전력 요구를 충족시키고 에너지 전달 효율도를 최대화하기 위해, 수신 전력 변환기 유닛 (510) 의 관련 동작 파라미터들 및 구성들을 계산 및 조정한다. 수신 서브시스템들은 송신 서브시스템과는 독립적으로 작동하며, 외부 로드에 의한 전력 요구를 충족시키려고 시도하면서, 최대 전달 효율도로 수렴하는 방식으로 수신측에서 동작 파라미터들을 최적화시킨다.
일 실시형태에서, 시스템은, 100% 또는 90% 에 근접한 커플링 펙터와 1% 만큼 낮은 최소 커플링 펙터 사이의 상이한 레벨의 커플링 펙터들에 적응시킬 수 있다. 이것은, 이들 커플링 펙터들에 기초하여 회로의 부분들을 자동적으로 조정할 수도 있다.
수신 전력 변환기 유닛 (510) 은, 파라미터들 또는 구성들을 수동으로 변형시키기 위해 수신 전력 변환기 유닛 (510) 을 활성화/비활성화시키기 위한 휴먼 인터페이스, 및 상술된 바와 같이 수신 안테나의 최적의 위치결정을 위한 표시기를 제공할 수도 있다.
몇몇 실시형태들만이 상세히 개시되었지만, 다른 실시형태들이 가능하며, 발명자들은 그들이 이러한 명세서내에 포함되도록 의도한다. 명세서는, 또 다른 방식으로 달성될 수도 있는 더 일반적인 목적을 달성하기 위해 특정한 예들을 설명한다. 이러한 개시물은 예시적인 것으로 의도되며, 청구항들은 당업자에게는 예측가능할 수도 있는 임의의 변형 또는 대안을 커버링하도록 의도된다.
일 실시형태에서, 인버터가 생략될 수도 있으며, 그 후, 그 하프 브리지 인버터 (420) 는 정류기 및 필터에 의해 직접 공급받을 수 있다.
예를 들어, 다른 안테나 형태 및 선택이 사용될 수 있다. 여기에 사용된 바와 같은 "전력" 이라는 용어는, 임의의 종류의 에너지, 임의의 타입의 전력 또는 힘 전달을 지칭할 수 있다.
수신 소스는, 컴퓨터 또는 주변장치, 통신기, 자동자, 또는 임의의 다른 디바이스를 포함하는, 저장된 에너지로부터 동작하는 임의의 디바이스일 수 있다.
또한, 발명자는, "하는 수단" 이라는 단어를 사용하는 이들 청구항들만이 35 USC 112 제 6 장 하에서 해석되는 것으로 의도한다. 또한, 명세서로부터의 제한들은, 그들 제한들이 청구항에서 명시적으로 포함되지 않는 한, 임의의 청구항에서 판독되는 것으로 의도되지 않는다.
여기에 설명된 동작들 및/또는 흐름도는 컴퓨터 상에서 또는 수동으로 수행될 수도 있다. 컴퓨터 상에서 수행되면, 그 컴퓨터는 임의의 종류의 컴퓨터, 범용 컴퓨터 또는 워크스테이션과 같은 일부 특정한 목적의 컴퓨터일 수도 있다. 컴퓨터는, 윈도우 XP 또는 리눅스를 구동시키는 인텔 (예를 들어, 펜티엄 또는 코어 2 듀오) 또는 AMD 기반 컴퓨터일 수도 있거나, 매킨토시 컴퓨터일 수도 있다. 또한, 컴퓨터는, PDA, 셀전화기, 또는 랩탑과 같은 휴대용 컴퓨터일 수도 있다. 또한, 여기에 설명된 방법 단계들 및 동작들은, 이들 기능들을 행하는 전용 머신 상에서 수행될 수 있다.
프로그램은, C 또는 파이썬 (python), 또는 자바, 브루 또는 임의의 다른 프로그래밍 언어로 기입될 수도 있다. 프로그램은, 저장 매체, 예를 들어, 자성 또는 광학적, 예를 들어, 컴퓨터 하드 드라이브, 메모리 스틱 또는 SD 미디어와 같은 착탈형 디스크 또는 미디어, 유선 또는 무선 네트워크 기반 또는 블루투스 기반 네트워크 부착된 저장부 (NAS), 또는 다른 착탈형 매체 또는 다른 착탈형 매체 상에 상주할 수도 있다. 또한, 프로그램은, 예를 들어, 로컬 머신으로 신호들을 전송하는 서버 또는 다른 머신을 갖는 네트워크 상에서 구동될 수도 있으며, 이는, 로컬 머신이 여기에 설명된 동작들을 수행하게 한다.
특정한 수치값이 여기에 언급되었지만, 몇몇 상이한 범위가 명시적으로 언급되지 않는 한, 본 발명의 애플리케이션의 교시내에 여전히 있으면서 그 값이 20%만큼 증가 또는 감소될 수도 있음을 고려해야 한다. 특정된 로지컬 감지가 사용되었지만, 반대의 로지컬 감지가 포함되도록 또한 의도된다.

Claims (28)

  1. 고체 오브젝트의 일측 상에 송신 안테나를 위치시키는 단계로서, 상기 고체 오브젝트는, 고체 벽 또는 고체 윈도우로 이루어진 그룹으로부터의 오브젝트인, 상기 송신 안테나를 위치시키는 단계;
    상기 고체 오브젝트의 타측 상에 수신 안테나를 위치시키는 단계;
    상기 송신 안테나의 제 1 위치를 상기 수신 안테나의 제 2 위치와 정렬시키는 단계; 및
    자기장을 생성하기 위해 상기 송신 안테나를 사용하며, 상기 자기장을 수신하고, 상기 수신한 자기장에 기초한 전력을 포함하는 출력을 생성하기 위해 상기 수신 안테나를 사용하는 단계를 포함하는, 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 송신 안테나 및 상기 수신 안테나 각각은 실질적인 공진을 위해 튜닝된 공진 안테나인, 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 고체 오브젝트는 꿰뚫어볼 수 없으며,
    상기 정렬을 결정하기 위해 상기 안테나들 중 하나와 관련된 표시기를 사용하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    송신 회로가 AC 전력 소스로부터 AC 전력을 수신하고 상기 송신 안테나에 의해 자기장으로서 송신될 수 있는 형태로 상기 전력을 변환하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    수신 회로가 상기 수신 안테나로 유도된 전력을 수신하고 상기 전력을 전기 전력으로 변환하고 상기 전력을 전력 출력 잭에 커플링시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 전력 출력 잭은 AC 전력을 제공하는, 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 전력 출력 잭은 DC 전력을 제공하는, 방법.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 송신 회로의 전력 변환기는 변압기 없이 동작하는, 방법.
  9. 제 4 항에 있어서,
    상기 송신 회로는, 전력 송신을 나타내는 적어도 하나의 감지된 파라미터를 감지하고, 상기 감지된 파라미터에 기초하여 변할 수 있는 적어도 하나의 제어 신호를 생성하는 제어 시스템을 포함하는, 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제어 신호는 상기 송신 회로의 적어도 하나의 엘리먼트의 동작을 제어하는, 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    적어도 하나의 전력 변환 엘리먼트를 더 포함하며,
    상기 전력 변환 엘리먼트는 상기 주파수 생성 및 제어 유닛으로부터의 적어도 하나의 주파수에 의해 구동되는, 방법.
  12. 근접장에서 에너지를 저장하는 AC 자기장을 생성하도록 최적화된 송신 안테나;
    상기 송신 안테나에 커플링되며, AC 접속부로부터 전력을 수신하고, 상기 송신 안테나에 커플링되고 실질적인 공진 상태로 상기 송신 안테나를 구동시키는 출력 전력을 생성하도록 동작하는 송신 회로;
    고체 벽 또는 고체 윈도우 중 하나인 실질적인 고체 오브젝트를 통하여 상기 송신 안테나에 의해 송신된 상기 AC 자기장으로부터 전력을 수신하도록 최적화된 수신 안테나; 및
    상기 수신 안테나에 의해 수신된 전력을 수신하고, 상기 수신 안테나에 의한 상기 수신에 기초하여 출력 전력을 생성하도록 커플링된 수신 회로를 포함하는, 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 수신 안테나 및/또는 상기 송신 안테나 중 적어도 하나는, 상기 송신 안테나와 상기 수신 안테나 사이의 정렬을 나타내는 정보를 검출하는 검출부를 포함하는, 시스템.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 송신 안테나 및 상기 수신 안테나 각각은 200보다 큰 Q 값을 갖는, 시스템.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 송신 안테나 및 상기 수신 안테나 각각은, 적어도 1000V 를 견딜 수 있는 절연물을 갖는 와이어를 갖춘, 시스템.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 송신 회로는,
    주파수 값을 갖고 상기 송신 안테나에 커플링된 파형을 생성하는 인버터, 및
    상기 송신 안테나의 공진 주파수를 변경하는 튜닝 회로를 포함하는, 시스템.
  17. 제 9 항에 있어서,
    적어도 하나의 튜닝 네트워크를 더 포함하며,
    상기 튜닝 네트워크는 상기 주파수 생성 및 제어 유닛으로부터의 적어도 하나의 제어 신호에 의해 구동되는, 방법.
  18. AC 전력을 수신하고, AC-AC 전력 변환을 수행하며, 송신 안테나를 포함하는 송신 유닛;
    상기 송신 유닛과는 분리되고, 상기 송신 유닛에 커플링된 공진 송신 안테나 유닛으로서, 상기 공진 송신 안테나 유닛은, 실질적인 공진을 달성하기 위해 필요한 바와 같은 기본 커패시터 (principle capacitor) 및 적어도 하나의 와이어 루프로 이루어지는, 상기 공진 송신 안테나 유닛;
    실질적인 공진을 달성하기 위해 또 다른 기본 커패시터 및 적어도 하나의 와이어 루프로 이루어진 공진 수신 안테나 유닛; 및
    상기 공진 수신 안테나 유닛과는 분리되고 전력 변환을 수용하며, 수신 안테나의 공진 주파수를 튜닝하고 상기 수신 안테나의 소스 임피던스에 수신 전력 변환을 매칭하기 위한 안테나 튜닝 및 매칭 회로를 갖는 수신 유닛을 포함하며,
    상기 송신 유닛은 상기 송신 안테나의 공진 주파수를 튜닝하기 위한 안테나 튜닝 회로를 포함하는, 무선 전력 브리지.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 송신 유닛은, 전력을 제어할 수 있으며, 수신기 및 그의 작동 패턴의 특성들을 자극 및 감지함으로써, 상기 수신 유닛과 상기 송신 유닛 사이의 부가적인 통신의 필요성없이 전달 효율도를 최대화할 수 있는, 무선 전력 브리지.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 수신 유닛은, 전력을 제어할 수 있으며, 상기 송신 유닛과 상기 수신 유닛 사이의 부가적인 통신의 필요성없이 상기 송신 유닛과는 완전히 독립적으로 전달 효율도를 최대화할 수 있는, 무선 전력 브리지.
  21. 제 18 항에 있어서,
    상기 수신 유닛은 전력 변환 손실들을 최소화하기 위해 동기식 정류기를 포함하는, 무선 전력 브리지.
  22. 제 18 항에 있어서,
    상기 송신 유닛은, 수신기가 검출될 수 없거나 상기 수신기로의 커플링이 특정 레벨 미만인 경우, 대기 모드로 자동적으로 진입하며,
    상기 대기 모드에 있는 동안, 상기 송신 유닛은 수신기의 존재를 검출하는데 충분한 감소된 전력 레벨로 동작하는, 무선 전력 브리지.
  23. 제 18 항에 있어서,
    상기 송신 유닛은, 수신기 및 그의 작동 패턴의 특성을 자극 및 감지함으로써 수신기의 존재를 검출하는, 무선 전력 브리지.
  24. 제 18 항에 있어서,
    상기 송신 유닛은 무선 전력 전달을 위한 고정된 주파수를 사용하며,
    상기 주파수는 상기 송신 안테나의 실제 공진 주파수에 적응되지 않는, 무선 전력 브리지.
  25. 제 18 항에 있어서,
    상기 안테나들은 더블 와이어 전력 코드를 통해 커플링되는, 무선 전력 브리지.
  26. 고체 오브젝트의 제 1 측 상에서 제 1 전력 송신 디바이스에 AC 아웃렛으로부터의 전력을 인가하는 단계로서, 상기 고체 오브젝트는 고체 벽 또는 고체 윈도우로 이루어진 그룹으로부터의 오브젝트인, 상기 전력을 인가하는 단계;
    상기 제 1 전력 송신 디바이스로부터 자기 신호를 무선 송신하는 단계;
    상기 고체 오브젝트의 제 2 측 상에서 상기 자기 신호를 수신하는 단계; 및
    무선 송신된 전력에 기초하여, 제 2 전력 수신 디바이스에서, 상기 고체 오브젝트의 제 2 측 상의 전력 출력을 생성하는 단계를 포함하는, 방법.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 제 1 전력 송신 디바이스 상의 제 1 부분, 및 상기 제 2 전력 수신 디바이스의 제 2 부분을 더 포함하며,
    전력 송신의 효율도는 상기 제 1 부분과 상기 제 2 부분 사이의 정렬에 의존하는, 방법.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 고체 오브젝트는 꿰뚤어볼 수 없으며,
    상기 정렬을 결정하기 위해 상기 부분들 중 하나와 관련된 표시자를 사용하는 단계를 더 포함하는, 방법.
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