KR20110061874A - 무선 전력 전송 시스템 - Google Patents

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KR20110061874A
KR20110061874A KR1020090118408A KR20090118408A KR20110061874A KR 20110061874 A KR20110061874 A KR 20110061874A KR 1020090118408 A KR1020090118408 A KR 1020090118408A KR 20090118408 A KR20090118408 A KR 20090118408A KR 20110061874 A KR20110061874 A KR 20110061874A
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transmission
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전상훈
김용해
강승열
이명래
이종무
정태형
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한국전자통신연구원
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Abstract

본 발명은 하이브리드 및 전기 자동차의 충전 시스템에 관한 것으로, 코일로 구성된 무선 전력 전송 시스템을 주차장에 구현하는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템은 전력을 발생하는 전력 발생 모듈, 전력이 입력되는 전원코일, 고유의 공진 주파수를 가지고 전원코일과의 자기 유도에 의해 공진을 일으켜 비방사형 전자파를 발생하는 전송코일, 비방사형 전자파를 받아 전송코일과 동일한 주파수에서 공진을 일으키는 수신코일, 수신 코일의 모양을 물리적으로 변형시켜 수신코일의 고유의 공진 주파수를 조정하는 공진 주파수 조정수단, 수신코일에 저장된 에너지를 수신하는 부하코일, 및 부하코일에 의해 수신된 전력을 전달받는 전력수신 모듈을 포함한다.
무선(wireless), 전력전송(energy transfer), 공진(resonance)

Description

무선 전력 전송 시스템 {Wireless Energy Transfer System}
본 발명은 하이브리드 자동차와 전기자동차와 같이 대용량 전력의 전송을 필요로 하는 기기에 사용될 수 있는 무선 전력 전송 시스템에 관한 것이다.
최근 가전 제품을 포함한 전자제품의 소형화와 휴대화가 급속히 진행되고 있다. 모든 정보와 신호가 무선으로 처리되면서 기기와 연결된 선이 거의 없어지고 있고, 가전기기의 경우 전력도 무선으로 전송하려는 시도가 이루어 지고 있다. 무선으로 전력을 전송하는 방법으로는 자기유도가 가장 상업화되어 전동 칫솔 등에 사용되고 있다. 그러나, 거리가 조금만 떨어져도 전송 효율이 떨어지고, 불필요하고 위험한 발열을 일으킬 수 있는 단점이 있다. 최근 연구되고 있는 자기공명형 무선 전력 전송 방식은 수 미터 거리에서도 높은 효율을 나타내고, 또한 공진기를 이용하기 때문에 불필요한 전력 유출과 발열을 막을 수 있다.
자기 공명형 무선 전력전송 시스템은 전송부와 수신부에 특정한 주파수에서 공진을 일으키는 공진기가 하나씩 포함되어 있는데, 이 두 공진기의 공진 주파수가 정확히 맞아야 높은 효율의 전송이 가능하다. 실제 시스템을 구성할 경우 두 공진기의 공진 주파수가 조금씩 달라지게 되므로, 이를 조정하기 위해 송신부 또는 수 신부에 공진 주파수를 조정할 수 있는 가변 캐패시터가 들어가게 된다. 이때 코일의 양단에 매우 큰 전압이 발생하기 때문에 캐패시터의 항복 전압이 매우 커야 한다.
유가의 급등으로 관심이 증가하고 있는 하이브리드 자동차와 전기자동차의 경우도 충전을 위해 전력 전송이 필수적으로 필요하다. 현재 플러그 형태의 유선을 이용한 충전 방식을 사용하고 있지만, 이는 매우 불편하고, 충전시간이 길기 때문에 아파트와 같은 공간에서는 충전이 어려울 수 밖에 없다.
자동차는 가전 제품과 달리 매우 큰 전력이 필요하므로, 큰 전력이 무선 전력 전송 시스템을 통과 하게 된다. 전송, 수신 코일에는 매우 큰 전압이 걸리게 되고, 주파수 조정을 위해 필요한 캐패시터는 이 전압을 견디기 어렵게 된다. 구체적으로, 도 2에는 1kW와 100W를 전송할 때 코일 양단에 걸리는 전압이 나타나 있다.
본 발명의 실시예에 따른 자기공명형 무선 전력 전송 방식은 이런 자동차의 충전 방식으로 가장 적합한 방법으로 기대된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 하이브리드 자동차와 전기 자동차와 같은 대형 기기에 사용할 수 있는 무선전력 전송 시스템을 효과적으로 구현하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 무선전력 전송 시 스템은, 전력을 발생하는 전력 발생 모듈, 전력이 입력되는 전원코일, 고유의 공진 주파수를 가지고 전원코일과의 자기 유도에 의해 공진을 일으켜 비방사형 전자파를 발생하는 전송코일, 고유의 공진 주파수를 조정하는 공진 주파수 조정수단을 가지고, 비방사형 전자파를 받아 전송코일과 동일한 주파수에서 공진을 일으키는 수신코일, 수신코일에 저장된 에너지를 수신하는 부하코일, 및 부하코일에 의해 수신된 전력을 전달받는 전력수신 모듈을 포함한다.
공진 주파수 조정수단은 수신 코일의 모양을 물리적으로 변형시켜 수신코일의 고유의 공진 주파수를 조정한다. 공진 주파수 조정수단은 수신코일의 감겨진 코일간의 간격을 조정하여 수신코일의 고유의 공진 주파수를 조정한다. 공진 주파수 조정수단은 수신코일의 감긴 방향과 수직한 방향으로 수신코일을 늘림/압축을 통해 수신코일의 감겨진 코일간의 간격을 조정한다. 공진 주파수 조정수단은 수신 코일의 감은 수를 조정하여 수신코일의 고유의 공진 주파수를 조정한다. 공진 주파수 조정수단은 수신코일을 수신코일을 감은 방향으로 당기거나 밀어 수신코일의 감은 수를 조정한다. 전력을 수신하는 전력 수신 모듈과의 통신을 통해 전력을 전송 받는 기기를 인식하여 송신 전력의 비용을 부과 할 수 있는 시스템을 포함한다. 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차의 충전을 위해, 전송코일은 주차장의 바닥에 설치되고, 수신코일은 자동차에 설치된다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템은 전력을 발생하는 전력 발생 모듈, 전력이 입력되는 전원코일, 고유의 공진 주파수를 조정하는 공진주파수 조정수단을 가지고, 전원코일과의 자기 유도에 의해 공진을 일으켜 비방사형 전자파를 발생하는 전송코일, 고유의 공진 주파수를 가지고, 비방사형 전자파를 받아, 전송코일과 동일한 주파수에서 공진을 일으키는 수신코일, 수신코일에 저장된 에너지를 수신하는 부하코일, 및 부하코일에 의해 수신된 전력을 전달받는 전력수신 모듈을 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 전자기기는 특정한 주파수에서 공진을 일으켜 비방사형 전자파를 발생하는 전송코일로부터 발생한 비방사형 전자파를 받아, 전송코일과 동일한 주파수에서 공진을 일으키는 수신코일, 수신코일에 저장된 에너지를 수신하는 부하코일 및 부하코일에 의해 수신된 전력을 수신하는 전력수신 모듈을 포함하고, 수신코일은 수신코일 고유의 공진 주파수를 조정하는 공진 주파수 조정수단을 포함하고, 공진 주파수 조정수단은 전송코일의 모양을 물리적으로 변형시켜 수신코일의 고유의 공진 주파수를 조정한다.
상술한 본 발명에 따른 무선 전력 전송 시스템은 자동차에 사용할 수 있는 높은 전력을 높은 효율로 전송할 수 있다. 또한 블루투스 등의 통신 설치와 같이 연동하여 자동차를 식별할 수 있게 하면, 무선으로 전력을 충전하고 이의 비용을 자동적을 부과 할 수 있는 방법을 제공할 수 있다. 이는 최근 이슈화 되고 있는 스마트 빌딩의 주차장에 응용될 수 있다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상 세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
도 1은 무선 전력 전송 시스템의 기본구조를 도시한 도면이다. 도 1을 참조하면, 무선 전력 전송 시스템은 전력을 공급하는 전력 발생 모듈(106), 전력 발생 모듈(106)에서 발생된 전력을 공급받고, 발생된 전자파를 전송코일(104)로 전달하기 위한 전원코일(102), 그리고 전송코일(104)의 공진 주파수를 조절하는 가변 캐패시터(108)를 포함하는 전력전송부(100)을 포함한다. 또한, 무선 전력 전송 시스템은, 고유의 공진 주파수를 가지고 전원코일과의 자기 유도에 의해 공진을 일으켜 비방사형 전자파를 발생하는 전송코일(104), 전송코일(104)에 의해 발생된 비방사형 전자파를 받아 동일한 주파수에서 공진을 일으키는 수신코일(112), 수신코일에 저장된 에너지를 수신하는 부하코일(114) 그리고 부하코일에 의해 수신된 전력을 전달받는 전력수신 모듈(116)을 포함하는 전력 수신부(110)을 포함한다.
상기 실시 예에서, 무선으로 전력을 전송하는 거리는 전송코일(104)과 수신코일(112)의 거리에 해당하게 되고, 전원코일(102)과 전송코일(104)의 간격과 수신코일(112)과 부하코일(114)의 간격은 전송 거리에 따라 최적의 값을 가져야 한다. 이 간격은 통상적으로 크지 않기 때문에 송신 모듈과 수신 모듈의 크기에 큰 영향을 미치지는 않는다.
자기공명형 방식은 자기유도방식과 다르게 코일의 공진 주파수에서 전력을 발생시키고 전송을 한다. 이러한 특성으로 인해 와류전류에 의한 불필요한 발열을 막을 수 있지만, 전송코일(104)과 수신코일(112)의 공진주파수를 정확히 맞추어야 높은 효율을 얻을 수 있어, 코일의 공진주파수 미세조정을 위한 추가적인 장치가 필요하게 된다. 도 1에 나타나 있듯이 가변 캐패시터(108)를 이용하여 이를 구현할 수 있다. 전송코일과 캐패시터가 LC 공진이 일어나도록 하고, 캐패시터의 값을 조정하여 공진주파수를 조정하게 된다.
대전력을 전송할 때에는 전송코일(104)과 수신코일(112)에 매우 큰 전압이 발생하게 되고, 이 전압은 바로 공진주파수 조정을 위한 가변 캐패시터(108)에 걸리게 된다. 시뮬레이션을 통해 코일에 발생하는 전압을 나타낸 것이 도2에 나타나 있다. 1kW의 전력을 전송할 때 약 14,000 volt의 전압이 캐패시터에 걸리게 되고, 이 전압에 의해 캐패시터의 파괴가 일어날 수 있다. 낮은 전력을 전송할 때에는 문제가 없을 수 있지만, 자동차의 충전과 같은 대전력 전송이 필요한 기기를 충전하는 경우 공진주파수 조정을 하기 위해서는 다른 방법이 필요하다. 이러한 한계를 극복하기 위한 방법을 본 발명의 실시예에서 제공한다.
도 3a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 구조를 도시한다. 도 3a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템은 전력을 공급하는 전력 발생 모듈(306), 전력 발생 모듈(306)에서 발생된 전력을 공급받고, 발생된 전자파를 전송코일(304)로 전달하기 위한 전원코일(302)을 포함하는 전력 전송부(300)을 포함한다. 또한, 무선 전력 전송 시스템은, 고유의 공진 주파수를 가지고 전원코일과의 자기 유도에 의해 공진을 일으켜 비방사형 전자파를 발 생하는 전송코일(304), 전송코일(304)에 의해 발생된 비방사형 전자파를 받아 동일한 주파수에서 공진을 일으키는 수신코일(312), 수신코일에 저장된 에너지를 수신하는 부하코일(314) 그리고 부하코일에 의해 수신된 전력을 전달받는 전력수신 모듈(316)을 포함하는 전력 수신부(310)을 포함한다. 그리고, 전력 전송부(300)에는 전송코일(304)의 공진 주파수를 조절하는 공진 주파수 조정수단(308)이 마련된다.
도 3b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 구조를 도시한다. 기본적인 구성은 도 3a에서 나타난 무선 전력 전송 시스템과 동일하며 아래에서는 차이점만 설명한다. 도 3b의 무선 전력 전송 시스템은 전송코일(304)에 마련된 공진 주파수 조정수단(308) 대신에 수신코일(312)의 공진 주파수를 조절하는 공진 주파수 조정수단(318)이 마련된다.
도3a, 3b의 도면에서는 전송코일(304)과 수신코일(312)에 공진 주파수 조정수단(308, 318)이 마련된 것을 개시하지만, 전송코일(304)과 수신코일(312)에 모두 공진 주파수 조정수단(308, 318)이 마련될 수 있다.
공진 주파수 조정수단(308, 318)은 가변 캐패시터를 사용하는 것 대신에 전송코일(304) 또는 수신코일(312)의 물리적인 형상을 변형시켜서 코일 고유의 공진 주파수를 조정할 수 있다. 즉, 코일의 물리적인 모양을 변형하여, 코일의 값을 조정하고, 공진주파수를 조절할 수 있는 것이다.
구체적으로, 코일의 모양을 변형하는 것의 실시예는 아래에서 설명된다.
도 4a 내지 도4c는 본 발명에 따라 코일의 간격을 조정하여 전송 주파수를 미세 조정하는 실시 예를 보여주는 도면이다. 즉, 가변 캐패시터를 사용하지 않고, 코일의 간격을 기계적인 장치를 이용해 늘이는 방법을 사용한다. 이렇게 할 경우 대 전력 전송시 코일 양단에 걸리는 전압이 커지는 것에 상관없이 공진주파수를 조정할 수 있다.
즉, 공진 주파수 조정수단(308, 318)은 전송코일(304)이나, 수신코일(312)의 감겨진 코일간의 간격을 조정하여 상기 전송코일의 고유의 공진 주파수를 조정 가능한 것이다. 구체적으로는, 공진 주파수 조정수단(308, 318)은 코일의 감긴 방향과 수직한 방향으로 코일을 늘림/압축을 통해 코일의 감겨진 코일간의 간격을 조정할 수 있다.
도 7a에는 코일 간격에 따른 주파수 특성이 나타나 있다. 도 7a를 참조하면, 코일의 간격이 증가함에 따라 공진주파수가 커짐을 알 수 있다.
도 5a 내지 도5c는 본 발명에 따라 코일의 감은 수를 조정하여 전송 주파수를 미세 조정하는 실시 예를 보여주는 도면이다. 코일의 한쪽 끝단을 가만히 두고, 다른 한쪽 끝단을 코일의 감는 방향인 화살표 방향으로 잡아당겨서, 코일의 감은횟수를 증가시킨다. 또는, 반대로 코일의 한쪽 끝단을 코일의 감는 방향과 반대방향으로 코일의 한 끝단에 힘을 가하여 코일의 감은 횟수를 줄일 수도 있다.
도 5a 내지 도 5c에서는 코일의 한쪽 끝단만 잡아당기고 있지만, 코일의 양쪽 끝단을 모두 잡아당겨도 된다. 이러한 방법의 경우 역시 가변 캐패시터를 사용하지 않고, 코일의 감은 수를 기계적인 장치에 의해 조정하게 된다. 앞의 방법과 마찬가지로 코일 양단에 걸리는 전압의 크기에 상관없이 공진 주파수를 조정할 수 있다.
즉, 공진 주파수 조정수단은 코일의 감은 수를 조정하여 코일의 고유의 공진 주파수를 조정 가능하다. 구체적으로는 공진 주파수 조정수단은 코일을 감은 방향으로 당기거나 밀어 코일의 감은 수를 조정 가능하여 코일의 고유의 공진 주파수를 조정할 수 있다.
도 7b에 코일의 감은 수에 따른 주파수 특성이 나타나 있다. 도 7b를 참조하면, 코일의 감은 수가 늘어남에 따라 공진주파수가 낮아짐을 알 수 있다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전기 자동차용 충전 장치의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, 전기 자동차(600)는 수신코일(312)과 부하코일(314)을 포함하며, 전기 자동차(600)가 주차된 주차장(610)은 전원코일(302), 전송코일(304)을 포함한다. 그리고, 전기 자동차(600)는 수신코일(312)의 고유의 주파수를 조정하는 공진 주파수 조정 수단(318)을 더 포함할 수 있다. 그리고, 주차장(610)에는 주차장에 전력을 전송 받는 기기를 인식하고, 송신 전력의 비용을 부과 할 수 있는 비용부과시스템(620)을 더 포함할 수 있다.
현재 유선의 플러그를 이용하여 충전을 하고 있지만, 차를 세울 때 마다 유선의 플러그를 꽂아야 되고, 충전시간 또한 매우 길기 때문에 실용적이지 않다. 그리고, 전기 자동차나 하이브리드의 전기 자동차(600)의 경우 매우 큰 전력의 충전이 필요한 전기기기의 경우 공진주파수 조절을 캐패시터로 하는 것이 불가능하다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 공진 주파수 조정 수단(318)가 마련된 전기 자동차(600)를 사용하여 상기의 문제를 해결할 수 있다.
그리고, 주차장(610)에 전송 받는 기기를 인식하여 송신 전력의 비용을 부과 할 수 있는 비용부과시스템(620)이 마련되는 경우, 손쉽게 요금을 부과할 수 있다. 또한 비용부과시스템(620)이 블루투스 등의 통신시스템을 이용하는 경우, 주차장이 있는 곳 어디에서나 자동차의 ID를 인식하고 충전요금을 부과 할 수 있고, 이러한 시스템은 스마트 빌딩의 한 표준으로 자리 잡을 수 있을 것이다.
또한, 주차장(610)에도 본 발명의 실시예에 따른 공진 주파수 조정수단(308)이 마련될 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 공진 주파수 조정수단은 주차장(610)이나 전기 자동차(600)중 하나 둘 모두에 설치 가능하다.
만약 본 발명의 실시예에 의한 시스템을 통해 큰 전력을 송신할 때 발생하는 큰 전압 문제를 해결하고, 전기 자동차의 충전을 위해 주차장에 본 시스템을 설치한다면, 이는 전기자동차의 실제 사용을 폭발적으로 증가 시킬 수 있는 환경을 제공하게 될 것이다.
본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지로 변형할 수 있다. 그러므로 본 발명의 범위는 상술한 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허 청구범위뿐만 아니라 이 발명의 특허 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
도 1은 무선전력 전송 시스템의 기본 구조를 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 무선 전력 전송 시스템에서 전송 코일의 양단에 걸리는 전압을 나타낸 그래프이다.
도 3a, 3b은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 4a 내지 도4c는 본 발명에 따라 코일의 간격을 조정하여 전송 주파수를 미세 조정하는 실시 예를 보여주는 도면이다
도 5a 내지 도5c는 본 발명에 따라 코일의 감은 수를 조정하여 전송 주파수를 미세 조정하는 실시 예를 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전기 자동차용 충전 장치의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 7a, 7b는 코일의 간격 또는 코일의 감은 수를 조정함에 따라 전송의 주파수 특성이 변함을 나타내는 그래프이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
100: 전력 전송부 102: 전원 코일
104: 전송 코일 106: 전력 발생 모듈
108: 가변 캐패시터 110: 전력 수신부
112: 수신 코일 114: 부하 코일
116: 전력 수신 모듈 300: 전력 전송부
302: 전원 코일 304: 전송 코일
306: 전력 발생 모듈 308: 공진 주파수 조정수단
310: 전력 수신부 312: 수신 코일
314: 부하 코일 316: 전력 수신 모듈
318: 공진 주파수 조정수단 600: 전기 자동차
610: 주차장 620: 비용부과시스템

Claims (1)

  1. 전력을 발생하는 전력 발생 모듈
    상기 전력이 입력되는 전원코일
    고유의 공진 주파수를 가지고 상기 전원코일과의 자기 유도에 의해 공진을 일으켜 비방사형 전자파를 발생하는 전송코일
    상기 비방사형 전자파를 받아 상기 전송코일과 동일한 주파수에서 공진을 일으키는 수신코일
    상기 수신 코일의 모양을 물리적으로 변형시켜 상기 수신코일의 고유의 공진 주파수를 조정하기 위한 공진 주파수 조정수단
    상기 수신코일에 저장된 에너지를 수신하는 부하코일 및
    상기 부하코일에 의해 수신된 전력을 전달받는 전력수신 모듈을 포함하는 무선 전력 전송 시스템.
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