KR20110051144A - 공명형 비접촉 전력 전송 장치 - Google Patents

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Abstract

공명 시스템을 포함하는 공명형 비접촉 충전 시스템이 개시된다. 공명 시스템은 1차측 공명 코일, 2차측 공명 코일, DC/DC 컨버터를 갖는 전력 변환부 및 배터리를 갖는다. 충전 시스템은 DC/DC 컨버터를 제어하는 제어부를 갖는다. 제어부는 DC/DC 컨버터의 듀티 사이클을 제어하여, 공명 주파수에서의 공명 시스템의 입력 임피던스와 고주파 전원의 출력 임피던스가 정합되도록 한다.

Description

공명형 비접촉 전력 전송 장치{RESONANCE TYPE NON-CONTACT CHARGING APPARATUS}
본 발명은 공명형 비접촉 전력 전송 장치에 관한 것이다.
도 5는 제1 구리선 코일(51)로부터 전자기장의 공명을 통해 제1 구리선 코일(51)로부터 소정의 거리에 위치한 제2 구리선 코일(52)로 전력을 전송하는 공명형 비접촉 전력 전송 장치를 개략적으로 나타낸다. 이러한 장치는, 예를 들어, 2007년 12월 3일에 발행된 니케이 일렉트로닉스 117~128페이지와, 국제특허공보 No. WO/2007/008646에 개시된다. 도 5에서, AC 전원(53)에 연결된 1차 코일(54)에서 발생된 자기장이, 제1 및 제2 구리선 코일(51, 52)의 자기장 공명을 통해 증폭된다. 제2 구리선 코일(52)의 주위의 증폭된 자기장으로 인한 전자기 유도에 의해, 2차 코일(55)에서 전력이 발생한다. 그리고, 발생한 전력은 부하(56)에 공급된다. 지름이 30cm인 제1 및 제2 구리선 코일(51, 52)이 2m 떨어져 있을 때, 부하로서 60watt의 전기 램프를 밝힐 수 있다는 것이 관찰되었다.
이러한 공명형 비접촉 전력 전송 장치에 있어서, AC 전원(53)의 출력을 부하(56)에 효율적으로 공급하기 위해, AC 전원(53)의 출력을 공명 시스템(제1 및 제2 구리선 코일(51, 52)과 1차 및 2차 코일(54, 55))에 효율적으로 공급할 필요가 있다. 그러나, 상기 인용된 문헌들에는, AC 전원(53)으로부터 공명 시스템에 출력을 효율적으로 공급하는 공명형 비접촉 전력 전송 장치를 얻기 위해 어떻게 해야 하는지가 구체적으로 개시되어 있지 않다.
제1 구리선 코일(51)과 제2 구리선 코일(52) 간의 거리와 부하(56)가 일정할 때, 공명 시스템의 공명 주파수를 실험에 의해 사전에 얻는다. 얻어진 공명 주파수를 갖는 AC 전압을 AC 전원(53)으로부터 1차 코일(54))로 공급한다. 그러나, 제1 구리선 코일(51)과 제2 구리선 코일(52) 간의 거리와 부하(56)의 임피던스 중 적어도 하나가 변화하면, 공명 주파수에서의 공명 시스템의 입력 임피던스가 변화한다. 따라서, AC 전원(53)의 출력 임피던스와 공명 시스템의 입력 임피던스는 정합(matching)되지 않게 된다. 이로 인해, 공명 시스템으로부터 AC 전원(53)으로 반사되는 전력이 증가하여, AC 전원(53)으로부터 부하(56)로의 출력 전력이 효율적으로 공급되기 어려워진다. 본 명세서에서, 공명 시스템의 공명 주파수란 전력 전송 효율(η)이 최대가 되는 주파수를 말한다.
예를 들어, 공명형 비접촉 전력 전송 장치가 배터리를 충전하기 위해 사용될 때, 배터리의 부하는 배터리의 충전 상태에 따라 변화한다. 이로 인해, 공명 시스템의 입력 임피던스가 변화하여, AC 전원으로의 반사 전력이 증가하게 된다.
따라서, 본 발명은, AC 전원의 AC 전압의 주파수를 변화시키지 않고도, AC 전원으로부터 부하에 전력을 효율적으로 공급할 수 있는 공명형 비접촉 전력 전송 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 실시형태에 따라, 공명형 비접촉 전력 전송 장치가 제공된다. 이 공명형 비접촉 전력 전송 장치는, AC 전원, 1차측 공명 코일, 2차측 공명 코일, 전력 변환부, 부하 및 제어부를 포함한다. 1차측 공명 코일은 AC 전원으로부터 전력을 수신한다. 2차측 공명 코일은 1차측 공명 코일로부터 자기적(magnetic) 공명을 통해 전력을 수신한다. 전력 변환부는 DC/DC 컨버터를 가지며, 2차측 공명 코일로부터 전력을 입력받는다. 부하는 전력 변환부에 연결된다. 제어부는 DC/DC 컨버터를 제어한다. 1차측 공명 코일, 2차측 공명 코일, 전력 변환부 및 부하는 공명 시스템을 형성한다. 제어부는, 공명 주파수에서의 공명 시스템의 입력 임피던스와 AC 전원의 출력 임피던스가 정합되도록, DC/DC 컨버터의 듀티 사이클(duty cycle)을 제어한다.
첨부 도면과 함께 현재의 바람직한 실시형태에 대한 하기의 설명을 참조함으로써, 본 발명의 목적과 이점 등이 잘 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 공명형 비접촉 전력 전송 장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시형태에 따른 공명형 비접촉 전력 전송 장치를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시형태에 따른 공명형 비접촉 전력 전송 장치를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 변형된 실시형태에 따른 공명형 비접촉 전력 전송 장치를 나타내는 도면이다.
도 5는 종래 기술의 비접촉 전력 전송 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
본 명세서에서, “AC 전원”이란, AC 전압을 출력하는 전원을 말한다. “공명 시스템의 입력 임피던스”란, 공명 시스템의 1차측 코일의 양단에서 측정한 공명 시스템 전체의 임피던스를 말한다. 예를 들어, 공명 시스템의 1차측이 1차 코일과 1차측 공명 코일을 가질 때, “공명 시스템의 입력 임피던스”란, 1차 코일의 양단에서 측정한 공명 시스템 전체의 임피던스를 의미한다. 공명 시스템의 1차측이 1차측 공명 코일만을 가질 때에는, “공명 시스템의 입력 임피던스”는 1차측 공명 코일의 양단에서 측정한 공명 시스템 전체의 임피던스를 의미한다.
본 발명의 여타의 실시형태와 장점은, 발명의 원리를 일예로써 나타내는 첨부 도면과 관련하여, 후술하는 발명의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
이하, 도 1을 참조하여, 본 발명의 제1 실시형태에 따른 공명형 비접촉 전력 전송 장치를 설명키로 한다. 본 발명의 공명형 비접촉 전력 전송 장치는 차량에 장착된 배터리(24)를 접촉 없이 충전하는 공명형 비접촉 충전 시스템에서 사용된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 공명형 비접촉 충전 시스템은 전송측 장비(10)와 차량 탑재 장비(on-vehicle equipment; 20)를 포함한다. 전송측 장비(10)는 AC 전원으로서 기능하는 고주파 전원(11), 고주파 전원(11)에 연결된 1차 코일(12), 1차측 공명 코일(13)과, 전원측 제어기(14)를 포함한다. 차량 탑재 장비(20)는 2차측 공명 코일(21), 2차 코일(22), 2차 코일(22)에 연결된 전력 변환부(23), 전력 변환부(23)에 연결된 부하로서의 배터리(24) 및 제어부로서 기능하는 차량 탑재 제어기(25)를 포함한다. 1차측 공명 코일(13)과 2차측 공명 코일(21)의 각각에는 커패시터(C)가 연결되어 있다. 1차 코일(12), 1차측 공명 코일(13), 2차측 공명 코일(21), 2차 코일(22), 전력 변환부(23), 배터리(24) 및 두 개의 커패시터(C)는 공명 시스템을 형성한다. 전원측 제어기(14)와 차량 탑재 제어기(25)는 무선 통신하도록 구성되어 있다.
고주파 전원(11)은 전원측 제어기(14)로부터 전력 ON/OFF 신호를 수신하여 꺼지거나 켜진다. 고주파 전원(11)은, 주파수가 공명 시스템의 소정의 공명 주파수와 동일한 AC 전력, 예를 들어, 수 MHz의 고주파 전력을 출력한다. 고주파 전원(11)은 1차측 공명 코일(13)으로부터 반사되는 전력을 검출하는 반사 전력 검출부(15)와 1차측 공명 코일(13)로 출력되는 전력을 측정하는 미도시의 출력 전력 측정부를 포함한다. 전원(11)은 반사되는 전력값과 출력되는 전력값을 전원측 제어기(14)로 송신한다.
전력 변환부(23)는 2차 코일(22)로부터의 AC 전류를 DC 전류로 변환하는 정류 회로(26)와, 정류 회로(26)로부터의 DC 전압을 배터리(24)를 충전하는데 적합한 전압으로 변환하는 DC/DC 컨버터(27)를 포함한다. 전력 변환부(23)는 정류 회로(26)로부터 DC/DC 컨버터(27)에 전송된 전류를 검출하는 전류 센서(28)와, 정류 회로(26)로부터 DC/DC 컨버터(27)에 전송된 전압을 검출하는 전압 센서(29)를 포함한다. DC/DC 컨버터(27)는 차량 탑재 제어기(25)에 의해 제어된다.
차량 탑재 제어기(25)는 전류 센서(28) 및 전압 센서(29)로부터의 검출 신호를 수신한다. 이 신호에 기초하여, 차량 탑재 제어기(25)는 DC/DC 컨버터(27)에 입력된 전압값과 전류값의 비율, 즉, 임피던스를 검출한다. 전류 센서(28), 전압 센서(29) 및 차량 탑재 제어기(25)는 임피던스 검출부를 형성한다.
차량 탑재 제어기(25)는 DC/DC 컨버터(27)의 듀티 사이클을 제어하여, 공명 주파수에서의 공명 시스템의 입력 임피던스와 고주파 전원(11)의 출력 임피던스를 정합시킨다. 특히, 차량 탑재 제어기(25)는, 고주파 전원(11)에 있어서 1차측 공명 코일(13)로부터 반사되는 전력값을 전원측 제어기(14)로부터 수신하고, DC/DC 컨버터(27)의 듀티 사이클을 제어하여 반사되는 전력이 소정의 문턱값 이하가 되도록 한다. 예를 들어, 그 이상에서는 충전이 효율적으로 행해지지 않는 반사되는 전력값은 사전에, 예를 들어, 실험에 의해 얻는다. 문턱값은 이 얻은 값보다 작게 설정한다.
이하, 상기와 같이 구성된 공명형 비접촉 충전 시스템의 동작을 설명키로 한다.
1차측 공명 코일(13)과 2차측 공명 코일(21) 간의 거리가 일정한 소정의 충전 위치에 차량이 정지된 상태에서 배터리(24)는 충전된다. 차량이 충전 위치에 정지된 후, 차량 탑재 제어기(25)는 전원측 제어기(14)에 충전 요청 신호를 전송한다. 차량 탑재 제어기(25)로부터 충전 요청 신호를 수신하면, 전원측 제어기(14)는 고주파 전원(11)을 제어하여 공명 시스템의 공명 주파수와 동일한 주파수의 AC 전력, 예를 들어, 수 MHz의 고주파 전력을 출력하게 한다.
그러면, 고주파 전원(11)이 공명 시스템의 공명 주파수의 AC 전압을 1차 코일(12)에 출력하여, 자기장이 1차 코일(12)에서 발생한다. 1차 코일(12)에서 발생한 자기장은 1차측 공명 코일(13)과 2차측 공명 코일(21)의 자기장 공명에 의해 증폭되고, 2차측 공명 코일(21)의 증폭된 자기장의 전자기 유도로 인해 2차 코일(22)에서 AC 전력이 발생한다. 발생한 AC 전력은 전력 변환부(23)에 공급된다. 전력 변환부(23)에 입력된 AC 전력은 정류 회로에 의해 DC 전력으로 변환되고, DC/DC 컨버터(27)에 의해 배터리(24)를 충전하기에 적합한 전압이 된다. 이어서, 전력은 배터리(24)로 공급되어, 배터리(24)가 충전된다.
공명 시스템의 입력 임피던스는 배터리(24)의 충전 상태에 따라 변화한다. 따라서, 고주파 전원(11)이 일정한 주파수에서 AC 전력을 출력하면, 최소의 반사 전력에서 충전을 시작했더라도, 반사되는 전력은 배터리(24)의 충전 상태에 따라 증가하게 된다. 전원측 제어기(14)는 고주파 전원(11)의 반사 전력 검출부(15)를 통해 반사되는 전력을 모니터한다. 반사되는 전력을 전원측 제어기(14)로부터 차량 탑재 제어기(25)가 수신하고, DC/DC 컨버터(27)의 듀티 사이클을 제어하여, 반사되는 전력이 소정의 문턱값 이하가 되도록 한다. 예를 들어, DC/DC 컨버터(27)의 ON 기간이 감소하면, DC/DC 컨버터(27)의 출력 전압은 증가하고, 출력 전류는 감소한다. 이로 인해, 공명 시스템의 입력 임피던스는 증가한다. 또한, DC/DC 컨버터(27)의 ON 기간이 증가하면, DC/DC 컨버터(27)의 출력 전압이 낮아지고, 입력 전류는 증가한다. 이로 인해, 공명 시스템의 입력 임피던스는 감소한다. 결과적으로, 배터리(24)의 충전 상태가 변화하더라도, 공명 시스템의 입력 임피던스와 고주파 전원(11)의 출력 임피던스의 정합이 유지된다.
본 실시형태는 다음의 이점을 갖는다.
(1) 본 실시형태에 따른 공명형 비접촉 전력 전송 장치는 AC 전원(고주파 전원(11)), AC 전원에 연결된 1차 코일(12), 1차측 공명 코일(13), 2차측 공명 코일(21), 2차 코일(22) 및 2차 코일(22)에 연결된 전력 변환부(23)를 포함한다. 2차측 공명 코일(21)은 1차측 공명 코일(13)과 함께 작동하여 1차 코일(12)에서 발생한 자기장을 증폭시킨다. 전력 변환부(23)는 DC/DC 컨버터(27)를 포함한다. 본 발명의 공명형 비접촉 전력 전송 장치는 또한, 전력 변환부(23)에 연결된 부하(배터리(24)) 및 DC/DC 컨버터(27)를 제어하는 제어부(차량 탑재 제어기(25))를 포함한다. 1차 코일(12), 1차측 공명 코일(13), 2차측 공명 코일(21), 2차 코일(22), 전력 변환부(23) 및 부하(배터리(24))는 공명 시스템을 형성한다. 제어부(차량 탑재 제어기(25))는 DC/DC 컨버터(27)의 듀티 사이클을 제어하여, 공명 주파수에서의 공명 시스템의 입력 임피던스와 AC 전원(고주파 전원(11))의 출력 임피던스를 정합시킨다. 따라서, AC 전원(고주파 전원(11))의 AC 전압의 주파수를 변화시키지 않으면서, AC 전원(고주파 전원(11))의 전력을 부하에 효율적으로 공급할 수 있다.
(2) 본 실시형태의 공명형 비접촉 전력 전송 장치는, DC/DC 컨버터(27)에 입력되는 전류와 전압의 비율을 검출하는 임피던스 검출부(전류 센서(28)와 전압 센서(29))를 포함한다. 제어부(차량 탑재 제어기(25))는, 임피던스 검출부의 검출 결과를 기초로 DC/DC 컨버터(27)의 듀티 사이클을 제어한다. 따라서, DC/DC 컨버터(27)의 듀티 사이클은, 1차측 공명 코일(13)로부터 AC 전원(고주파 전원(11))으로 반사되는 전력의 변화에 직접적으로 영향을 미치는, DC/DC 컨버터(27)에 입력되는 전류와 전압의 비율의 변화에 기초하여 제어된다. 즉, 듀티 사이클은 임피던스의 변화에 기초하여 제어된다. 따라서, 공명 시스템의 입력 임피던스와 AC 전원(고주파 전원(11))의 출력 임피던스는 적절하게 정합되게 된다.
(3) AC 전원(고주파 전원(11))은 1차측 공명 코일(13)로부터 AC 전원(고주파 전원(11))으로의 반사 전력 검출부(15)를 포함한다. 제어부(차량 탑재 제어기(25))는 DC/DC 컨버터(27)의 듀티 사이클을 제어하여, 반사되는 전력이 소정의 문턱값 이하가 되도록 한다. 따라서, 반사되는 전력이 실제로 검출되어 문턱값 이하로 제어된다. 이로 인해, AC 전원(고주파 전원(11))은 부하(배터리(24))에 신뢰성있게 전력을 공급할 수 있다.
(4) 본 실시형태의 공명형 비접촉 전력 전송 장치는 차량에 탑재된 배터리(24)를 접촉 없이 충전하는 시스템에서 사용된다. 충전하는 동안 배터리(24)의 충전 상태가 변화하더라도, 1차측 공명 코일(13)로부터 AC 전원(고주파 전원(11))으로 반사되는 전력은, 임피던스 정합 회로와 같은 특별한 회로 없이도, 억제된다. 따라서, 배터리(24)가 효율적으로 충전될 수 있다. 배터리를 충전하는 장치는 일반적으로 전원으로부터 공급된 전압을, 배터리를 충전하기에 적합한 전압으로 변환하는 전압 변환부(전력 변환부)를 갖는다. 이러한 전력 변환부는 본 실시형태에서 이용될 수 있다.
(5) 1차측 공명 코일(13)과 2차측 공명 코일(21)의 각각에는 커패시터(C)가 연결된다. 이로 인해, 1차측 공명 코일(13)이나 2차측 공명 코일(21)의 권선수를 증가시키지 않고도, 공명 시스템의 공명 주파수를 낮출 수 있다. 공명 주파수가 동일하다면, 커패시터(C)가 연결되어 있지 않는 경우에 비하여, 1차측 공명 코일(13)과 2차측 공명 코일(21)의 크기를 줄일 수 있다.
이하, 도 2를 참조하여, 본 발명의 제2 실시형태를 설명한다. 본 실시형태의 공명형 비접촉 전력 전송 장치(공명형 비접촉 충전 시스템)는, 부하(배터리(24))의 상태를 검출하는 부하 상태 검출부를 포함한다. 부하 상태 검출부의 검출 결과에 기초하여, 차량 탑재 제어기(25)는 DC/DC 컨버터(27)의 듀티 사이클을 제어한다. 본 실시형태는 이러한 차이점을 제외하고는 제1 실시형태와 동일하며, 제1 실시형태의 대응하는 구성 요소와 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일하거나 유사한 도면 부호를 부여함으로써, 상세한 설명을 생략한다.
본 실시형태의 차량 탑재 장비(20)는 전류 센서(28) 또는 전압 센서(29)를 갖지 않으나, 부하 상태 검출부로서 기능하는 배터리 레벨 센서(30)가 포함된다. 배터리 레벨 센서(30)는 배터리(24)의 충전량을 검출하여 차량 탑재 제어기(25)에 검출된 신호를 전송한다.
본 실시형태의 차량 탑재 제어기(25)는, 맵(map) 또는 관계식으로서, 배터리의 충전량과 반사되는 전력 간의 관계를 나타내는 데이터를 DC/DC 컨버터(27)의 적절한 듀티 사이클과 함께 저장한다. 이 데이터는 사전에 실험에 의해 얻어진다. 차량 탑재 제어기(25)는, 배터리 레벨 센서(30)의 검출 신호와 전원측 제어기(14)로부터의 반사 전력값에 기초하여, 적절한 DC/DC 컨버터(27)의 듀티 사이클을 계산하고, 계산된 듀티 사이클을 이용하여 DC/DC 컨버터(27)를 제어한다. 결과적으로, DC/DC 컨버터(27)의 듀티 사이클이, 공명 주파수에서의 공명 시스템의 입력 임피던스와 고주파 전원(11)의 출력 임피던스가 정합되도록 제어된다.
따라서, 본 실시형태는 제1 실시형태의 장점 (1), (3)~(5)를 가질 뿐 아니라, 다음의 장점을 추가로 갖는다.
(6) 본 실시형태의 공명형 비접촉 전력 전송 장치는 부하(배터리(24))의 상태를 검출하는 부하 상태 검출부(배터리 레벨 센서(30))를 포함한다. 부하 상태 검출부(배터리 레벨 센서(30))의 검출 결과에 기초하여, 차량 탑재 제어기(25)는, DC/DC 컨버터(27)의 듀티 사이클을 제어한다. 부하(배터리(24))의 상태와 공명 시스템의 입력 임피던스 간에는 일정한 관계가 있으며, 이러한 관계는 사전에 실험을 통해 얻는다. 또한, DC/DC 컨버터(27)의 듀티 사이클이, 공명 시스템의 입력 임피던스가 부하의 상태에 적합한 임피던스가 되도록 제어된다. 따라서, 공명 시스템의 입력 임피던스와 고주파 전원(11)의 출력 임피던스가 적절하게 서로 정합될 수 있다.
(7) 본 실시형태의 공명형 비접촉 전력 전송 장치는 전류 센서(28) 또는 전압 센서(29)를 필요로 하지 않는다. 이로 인해, 제1 실시형태의 공명형 비접촉 전력 전송 장치에 비해 구성이 간단해진다.
이하, 도 3을 참조하여, 본 발명의 제3 실시형태를 설명한다. 본 실시형태의 공명형 비접촉 전력 전송 장치(공명형 비접촉 충전 시스템)는, 전송측 장비(10)가 1차 코일(12)를 갖지 않고, 차량 탑재 장비(20)가 2차 코일(22)을 갖지 않는다는 점에서 제1 실시형태와 상이하다. 이러한 차이를 제외하고, 본 실시형태는 제1 실시형태와 동일하며, 제1 실시형태의 대응하는 구성 요소와 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일하거나 유사한 도면 부호를 부여함으로써, 상세한 설명을 생략한다.
고주파 전원(11)에는 1차측 공명 코일(13)이 연결된다. 즉, 1차측 공명 코일(13)은 1차 코일(12)을 통하지 않고, 고주파 전원(11)으로부터 직접 전력을 수신한다. 정류 회로(26)에는 2차측 공명 코일(21)이 연결된다. 즉, 전력 변환부(23)는 2차 코일(22)을 통하지 않고, 2차측 공명 코일(21)에 의해 수신된 전력을 2차측 공명 코일(21)로부터 직접 수신한다. 본 실시형태에서, 1차측 공명 코일(13), 2차측 공명 코일(21), 전력 변환부(23) 및 배터리(24)는 공명 시스템을 구성한다.
고주파 전원(11)은 공명 시스템의 소정의 공명 주파수와 동일한 주파수의 AC 전력, 예를 들어, 수 MHz의 고주파 전력을 출력한다. 본 실시형태에서, 공명 시스템은 1차 코일(12) 또는 2차 코일(22)을 갖지 않으며, 공명 주파수는 제1 실시형태와 다르다. 차량 탑재 제어기(25)는, 공명 주파수에서의 공명 시스템의 입력 임피던스와 고주파 전원(11)의 출력 임피던스가 정합되도록, DC/DC 컨버터(27)의 듀티 사이클을 제어한다.
본 실시형태의 고주파 전원(11)은 공명 시스템의 공명 주파수를 갖는 AC 전력을 1차측 공명 코일(13)에 출력한다. 1차측 공명 코일(13)에 전송된 AC 전력은, 1차측 공명 코일(13)과 2차측 공명 코일(21)에 의한 자기장 공명에 의해, 2차측 공명 코일(21)에 전송된다. 2차측 공명 코일(21)은 AC 전력을 수신하며, 이 AC 전력은 전력 변환부(23)에 공급된다. 전력 변환부(23)에 입력된 AC 전력은 정류 회로(26)에 의해 DC 전력으로 변환되고, 그 전력의 전압은, DC/DC 컨버터(27)에 의해 배터리(24)를 충전하기에 적합한 전압으로 변환된다. 그리고 이 전력은 배터리(24)에 공급되어, 배터리(24)가 충전된다.
따라서, 본 실시형태는 제1 실시형태의 장점 (2) 내지 (5)뿐 아니라, 다음의 장점도 갖게 된다.
(8) 본 실시형태에 따른 공명형 비접촉 전력 전송 장치는 AC 전원(고주파 전원(11)), AC 전원에 연결된 1차측 공명 코일(13), 2차측 공명 코일(21) 및 2차측 공명 코일(21)에 연결된 전력 변환부(23)를 포함한다. 2차측 공명 코일(21)은 고주파 전원(11)로부터 1차측 공명 코일(13)에 출력된 AC 전력을, 1차측 공명 코일(13)과 2차측 공명 코일(21)에 의한 자기장 공명을 통해 수신한다. 전력 변환부(23)는 DC/DC 컨버터(27)를 포함한다. 또한, 본 발명의 공명형 비접촉 전력 전송 장치는, 전력 변환부(23)에 연결된 부하(배터리(24))와, DC/DC 컨버터(27)를 제어하는 제어부(차량 탑재 제어기(25))를 포함한다. 1차측 공명 코일(13), 2차측 공명 코일(21), 전력 변환부(23) 및 부하(배터리(24))는 공명 시스템을 형성한다. 제어부(차량 탑재 제어기(25))는 DC/DC 컨버터(27)의 듀티 사이클을 제어하여 공명 주파수에서의 공명 시스템의 입력 임피던스와 AC 전원(고주파 전원(11))의 출력 임피던스가 정합되도록 한다. 따라서, AC 전원(고주파 전원(11))의 AC 전압의 주파수를 변화시키지 않으면서, AC 전원(고주파 전원(11))으로부터의 전력이 부하(배터리(24))에 효율적으로 공급될 수 있다.
(9) 본 실시형태의 공명형 비접촉 전력 전송 장치는 1차 코일(12) 또는 2차 코일(22)을 필요로 하지 않는다. 이로 인해, 제1 실시형태의 공명형 비접촉 전력 전송 장치에 비해 구조가 단순해진다.
본 발명은 상기의 실시형태에 제한되지 않으며, 다음과 같이 변형될 수도 있다.
1차 코일(12) 또는 2차 코일(22)를 갖지 않는, 제3 실시형태에 따른 공명형 비접촉 전력 전송 장치(공명형 비접촉 충전 시스템)에 있어서, 2차측 공명 코일(21)과 정류 회로(26) 간에 매칭 박스(matching box; 31)가 연결될 수 있다. 매칭 박스(31)는, 예를 들어, 가변 커패시터와 인덕터를 포함한다. 매칭 박스(31)의 임피던스는, 가변 커패시터의 커패시턴스를 조정함으로써 조정된다. 이 경우, 1차측 공명 코일(13), 2차측 공명 코일(21), 매칭 박스(31), 전력 변환부(23) 및 배터리(24)가 공명 시스템을 형성한다. 1차 코일(12) 또는 2차 코일(22)을 갖지 않는 공명형 비접촉 전력 전송 장치(공명형 비접촉 충전 시스템)에 있어서, 공명 시스템은, 1차 코일(12)과 2차 코일(22)을 갖는 구조보다 공명 상태로 되기가 어렵다. 그러나, 2차측 공명 코일(21)과 정류 회로(26) 간에 매칭 박스(31)가 연결되면, 공명 시스템은, 매칭 박스(31)를 조정함으로써, 용이하게 공명 상태로 될 수 있다. 또한, 매칭 박스(31)가 설치되면, 커패시터(C)의 크기가, 매칭 박스(31)가 제공되지 않는 경우에 비하여 축소될 수 있다.
부하(배터리(24))의 상태를 검출하는 부하 상태 검출부를 포함하여, 부하 상태 검출부의 검출 결과에 기초하여 DC/DC 컨버터(27)의 듀티 사이클을 제어하는, 제2 실시형태에 따른 공명형 비접촉 전력 전송 장치에 있어서, 1차 코일(12)과 2차 코일(22)은 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 생략될 수도 있다.
제2 실시형태에 있어서, 반사 전력 검출부(15)를 이용하여 반사 전력을 검출하는 목적은, DC/DC 컨버터(27)의 듀티 사이클이 적절하게 제어되는지 즉, 반사 전력이 증가되지는 않는지를 모니터하기 위함이다. 따라서, 반사 전력 검출부(15)는 생략될 수도 있다.
배터리 레벨 센서(30) 대신에, 배터리(24)의 내부 저항을 검출하기 위해, 부하 상태 검출부로서, 검출부가 제공될 수도 있다.
부하 상태 검출부가 부하인 배터리(24)의 상태를 검출할 때, 부하의 상태와, DC/DC 컨버터(27)에 입력되는 전류 또는 전압 중 어느 하나 간의 관계를 사전에 실험에 의해 얻는다. 이 관계에 기초한 데이터는 차량 탑재 제어기(25)의 메모리에 저장된다. DC/DC 컨버터(27)에 입력되는 전류 또는 전압 중 어느 하나가 검출된다. DC/DC 컨버터(27)의 듀티 사이클은, 검출 결과와 부하인 배터리(24)의 상태에 기초하여 반사 전력을 추정함으로써 제어될 수 있다.
제1, 제3 실시형태 또는 도 4에 도시된 실시형태에 있어서, 반사 전력 검출부(15)는 생략될 수도 있으며, DC/DC 컨버터(27)의 듀티 사이클은, 임피던스 검출부를 형성하는 전류 센서(28)과 전압 센서(29)의 검출 결과만에 기초하여 제어될 수도 있다. 예를 들어, 배터리(24)의 통상의 충전시, 배터리(24)의 충전 상태는 시간에 따라 변화한다. 따라서, 임피던스가 서로 어긋나게(displaced) 되어, 반사 전력이 변화한다. 반사 전력의 이러한 변화는 사전에 실험을 통해 얻어지며, 차량 탑재 제어기(25)의 메모리에 저장된다. 차량 탑재 제어기(25)는, 전류 센서(28)와 전압 센서(29)의 검출 신호에 기초하여, DC/DC 컨버터(27)에 입력된 전력을 계산하여, 충전을 시작한 이후로 경과한 시간과 전력의 변화에 기초하여 반사 전력의 변화를 추정한다. 차량 탑재 제어기(25)는, 반사 전력이 문턱값을 넘지 않도록, DC/DC 컨버터(27)의 듀티 사이클을 제어한다. 반사 전력이 증가하면, DC/DC 컨버터(27)에 입력되는 전력이 감소한다. 따라서, DC/DC 컨버터(27)에 입력되는 전력의 변화에 기초하여 반사 전력을 추정하면, 추정의 오차는 제어가 어렵게 될 정도로 과도해지지는 않는다.
전술한 각 실시형태에 있어서, 공명형 비접촉 전력 전송 장치는, 차량에 탑재된 배터리(24)를 접촉 없이 충전하는 시스템에 한정되지 않는다. 예를 들어, 본 발명은, 선박, 자체 추진 로봇과 같은 이동체의 배터리나, 휴대폰, 휴대용 컴퓨터와 같은 휴대용 전자 기기의 배터리를 접촉 없이 충전하는 어떠한 시스템에도 적용될 수 있다.
상기 각 실시형태에 있어서, 공명형 비접촉 전력 전송 장치는, 공명형 비접촉 충전 시스템에만 이용되는 것으로 한정되지 않는다. 대신에, 공명형 비접촉 전력 전송 장치는, 부하가 단계적으로 변화하는 전자 기기를 부하로서 사용하는 경우 또는, 다른 값의 부하를 갖는 복수의 전자 기기 중 어느 하나에 선택적으로 전력을 공급하는 경우에 적용될 수도 있다.
상기 각 실시형태에 있어서, 1차측 공명 코일(13)과 2차측 공명 코일(21)에 연결되는 커패시터(C)는 생략될 수도 있다. 그러나, 커패시터(C)가 있는 구성은 커패시터(C)가 없는 구성에 비해 공명 주파수가 낮다. 공명 주파수가 동일하다면, 1차측 공명 코일(13)과 2차측 공명 코일(21)은, 커패시터(C)가 생략된 경우에 비해, 크기가 축소될 수 있다.
상기 각 실시형태에 있어서, 전력 변환부(23)는 정류 회로(26)와 DC/DC 컨버터(27)를 갖는 단일 모듈이다. 이와는 달리, 전력 변환부(23)는 정류기와 DC/DC 컨버터(27)에 의해 형성될 수도 있다.
상기 각 실시형태에 있어서, 고주파 전원(11)은, AC 전압의 주파수가 가변적이거나 또는 비가변적이도록 구성될 수도 있다.
상기 각 실시형태에 있어서, 1차 코일(12), 1차측 공명 코일(13), 2차측 공명 코일(21) 및 2차 코일(22)의 형태는 단면이 원형일 필요는 없다. 예를 들어, 그 형태는 사각형, 육각형 및 삼각형일 수도 있다. 또는, 그 형태는 타원형일 수도 있다. 또한, 1차 코일(12), 1차측 공명 코일(13), 2차측 공명 코일(21) 및 2차 코일(22)의 외형은 좌우 대칭일 필요는 없으며, 비대칭이라도 좋다.
1차측 공명 코일(13)과 2차측 공명 코일(21)은 전선을 원기둥형으로 감아서 형성되는 코일에 한하지 않으며, 전선을 단일 평면에 나선형으로 감아 형성할 수도 있다.
1차 코일(12), 1차측 공명 코일(13), 2차측 공명 코일(21) 및 2차 코일(22)을 선(wire)으로 형성하는 대신에, 기판 상에 패턴을 배선함으로써 이러한 코일을 형성할 수도 있다.

Claims (7)

  1. AC 전원;
    상기 AC 전원으로부터 전력을 수신하는 1차측 공명 코일;
    상기 1차측 공명 코일로부터 자기적 공명을 통해 전력을 수신하는 2차측 공명 코일;
    DC/DC 컨버터를 가지며, 상기 2차측 공명 코일로부터 전력을 입력받는 전력 변환부;
    상기 전력 변환부에 연결되는 부하; 및
    상기 DC/DC 컨버터를 제어하는 제어부
    를 포함하고,
    상기 1차측 공명 코일, 상기 2차측 공명 코일, 상기 전력 변환부 및 상기 부하는 공명 시스템을 형성하며,
    상기 제어부는 상기 DC/DC 컨버터의 듀티 사이클을 제어하여, 공명 주파수에서의 상기 공명 시스템의 입력 임피던스와 상기 AC 전원의 출력 임피던스를 서로 정합시키는 것을 특징으로 하는 공명형 비접촉 전력 전송 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 AC 전원에 연결되는 1차 코일과, 상기 전력 변환부에 연결되는 2차 코일을 더 포함하고,
    상기 1차측 공명 코일은, 상기 AC 전원으로부터 상기 1차 코일을 통해 전력을 수신하며,
    상기 2차 코일은 상기 2차측 공명 코일로부터 전력을 수신하고,
    상기 전력 변환부는 상기 2차측 공명 코일에 의해 수신된 전력을 상기 2차 코일을 통해 수신하는 것을 특징으로 하는 공명형 비접촉 전력 전송 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 DC/DC 컨버터에 입력되는 전류와 전압의 비를 검출하는 임피던스 검출부를 더 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 임피던스 검출부의 검출 결과에 기초하여, 상기 DC/DC 컨버터의 듀티 사이클을 제어하는 것을 특징으로 하는 공명형 비접촉 전력 전송 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 부하의 상태를 검출하는 부하 상태 검출부를 더 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 부하 상태 검출부의 검출 결과에 기초하여, 상기 DC/DC 컨버터의 듀티 사이클을 제어하는 것을 특징으로 하는 공명형 비접촉 전력 전송 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 AC 전원에 있어서, 상기 1차측 공명 코일로부터 반사되는 전력을 검출하는 반사 전력 검출부를 더 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 DC/DC 컨버터의 듀티 사이클을 제어하여, 상기 반사 전력이 소정의 문턱값 이하가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 공명형 비접촉 전력 전송 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 1차측 공명 코일은 상기 AC 전원에 연결되고, 상기 2차측 공명 코일은 상기 전력 변환부에 연결되는 것을 특징으로 하는 공명형 비접촉 전력 전송 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 부하는 이동체에 탑재된 배터리이고,
    상기 장치는 상기 배터리를 충전하는 공명형 비접촉 충전 시스템에서 사용되며,
    상기 2차측 공명 코일, 상기 전력 변환부, 상기 배터리 및 상기 제어부는 상기 이동체에 탑재되는 것을 특징으로 하는 공명형 비접촉 전력 전송 장치.
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