KR20110116854A - 전자기 공진을 이용한 무선전력 전송장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무선 전력 전송 장치에 있어서, 제 1 공진기 및 상기 제 1 공진기와 공진하여 유도 전력이 발생되는 제 2 공진기와 상기 제 1 공진기간의 전송효율을 변화시키기 위해 상기 제 1 공진기의 임피던스 값을 조절하는 조절부를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치를 제공한다.

Description

전자기 공진을 이용한 무선전력 전송장치{Apparatus for transferring Wireless power using Electromagnetic Resonance Coupling}

본 발명은 무선 전력 전송 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 무선전력 전송 방식인 전자기 공진 기술(Electromagnetic Resonance Coupling)을 이용하는 무선 전력 전송 장치에 관한 것이다.

본 발명은 한국전자통신연구원 및 고려대학교 산학협력단의 IT 원천기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다.[과제관리번호: 2008-F-014-02, 과제명: U-사회 전파환경 보호를 위한 전자파양립성연구].

무선 전력 전송(Wireless Power Transfer)은 전기 에너지(전력)를 무선 전송에 유리한 마이크로파로 변환시켜 전력을 전달하는 새로운 개념의 전력전송방식이다. 전선과 같은 매체가 없이도 전력을 공간을 통해 보낼 수 있으며, 라디오나 무선전화 등과 같이 무선통신방식에서 이용하는 신호의 개념이 아닌 전력을 보내는 것으로, 보통의 통신이 반송파에 신호를 변조하여 보내는 것이라면 무선전력전송은 반송파만 보낸다.

전기 에너지를 전송하는 반송파는 진폭과 주파수를 가지고 있는데, 주파수가 높을수록 자유공간 사이에 무선으로 전송할 수 있는 전파(Radio Frequency)의 성질을 갖는다. 따라서 주파수가 높은 마이크로파는 파장이 짧기 때문에 빛과 같이 직진성을 가지게 되어 한곳으로 전기 에너지를 모아 보낼 수가 있다.

종래의 무선전력전송기술은 크게 2가지로 분류되는데, 코일을 이용한 전자기 유도(electromagnetic induction coupling)방식과 마이크로파 수신 변환기술(microwave radiation and rectification)로 분류될 수 있다.

전자기 유도 방식은 근거리에서 상대적으로 높은 전력 전송에 유리하고, 충전배터리를 이용하는 단말기에 적용 가능한 장점이 있으나, 최대 전송거리가 매우 짧은 단점이 있다.

마이크로파 수신 변환기술은 중장거리 전력에 적합하고, 높은 전력까지 전송이 가능한 장점이 있지만, 시야 거리 환경이 확보되어야 하며, 전자파 방사에 의한 경로손실 때문에 전송효율이 매우 낮은 단점이 있다. 또한 높은 전력이 인체에 노출시 안전성 등의 문제가 발생할 잠재적 요소가 있다.

본 발명은 무선 전력 전송 방식에 있어서 전자기 공진 기술(Electromagnetic Resonance Coupling)을 이용하여 안정적으로 전력을 전송하는 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적 및 장점은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 무선 전력 전송 장치에 있어서, 제 1 공진기 및 상기 제 1 공진기와 공진하여 유도 전력이 발생되는 제 2 공진기와 상기 제 1 공진기간의 전송효율을 변화시키기 위해 상기 제 1 공진기의 임피던스 값을 조절하는 조절부를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력 전력장치를 제공한다.

현재 국내에서 무선 전력 전송 기술은 개발 초기단계지만, 군용 및 민간 무인항공기에서 적용할 때에 그 파급 효과가 광범위할 것으로 기대된다.

예를 들어, 무인항공기에 무선전력 전송장치를 이용하면, 유선으로 충전하는 경우와 달리 전력 충전에 필요한 전선들이 제거되기 때문에, 비용적인 측면에서 유리하며, 전력 전송에서 발생하는 전력 손실을 제거할 수 있다.

즉, 전선들이 모두 제거되고, 전기에너지가 전달되는 영역 내에서 자유롭게 이동하여 사용할 수 있다면 시간과 비용 절약이 기대된다.

또한 전자기 공진 기술을 이용한 무인 항공기 무선전력전송의 전환 효율은 종전의 방식에 비해 높을 것으로 기대되며, 무선전력 전송장치 즉, 파워 스테이션을 무인 항공기 착륙지점에 설치한다면 자동으로 계속 충전되는 효과가 있다.

그리고 무선전력 전송장치를 통해 무인항공기가 자동으로 충전이 되면, 사람이 직접 충전함으로써 드는 운영비용이 줄어들 것이며, 전쟁 시에도 무인항공기운영 인원이 줄어들어 줄어든 인원을 다른 필요로 하는 곳에 활용할 수 있다.

마지막으로 사람이 없는 낙도나 산골지역에서도 무선전력 전송장치를 통해 무인항공기에 무선으로 전력을 공급할 수 있게 되어 작전시간 증가와 작전지역이 커질 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 착륙중인 무인 항공기로 전력을 보내는 무선 전력 전송장치를 설명하기 위한 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 LC 공진기와 유전체 공진기의 전자기 공진현상을 나타내는 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 무선전력 전송장치를 이용하여 비행중인 무인 항공기를 충전하는 것을 나타내는 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 유전체 공진기를 이용한 무선전력 전송장치를 통해, 무인 항공기를 충전하는 것을 나타내는 도면이다.

이하 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이며, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.

본 발명은 전자기 공진 기술(Electromagnetic Resonance Coupling)을 이용하는 무선전력 전송장치에 대한 것으로, 무인 항공기(Unmanned Aerial Vehicle)를 일 실시예로 이하 설명하겠다.

일반적으로 무인 항공기에 전력을 전송하는 기술은 전자기 유도방식을 이용한 방법과 마이크로파 수신 변환기술이 이용된다.

전자기 유도방식은 전력전송효율이 뛰어나지만, 밀착된 형태에서만 충전이 이루어지기 때문에, 착륙중인 경우 무선으로 무인 항공기의 전력을 충전하는 것은 가능하지만, 무인항공기가 비행 중인 경우에는 충전이 불가능하다.

이에 반해 마이크로파 수신 변환기술을 이용한 무인 항공기의 전력전송기술은 Canada's Communications Research Center 에서 지상에서 상공으로 무선전력을 공급하여 무인 비행기를 가동시키는 실험을 하여 성공했다.

또한 SHARP는 1987년 지상에서 5.8 GHz의 주파수로 전송한 전력을 사용하여 지상 21 Km 상공에서 1시간 동안 2Km의 반경을 비행하였다.

마이크로파 수신 변환방식에서 기존의 원거리 전송은 거리를 고려하여 대부분 2.45 GHz 또는 5.8 GHz 대역 마이크로파를 사용한다. 그러나 고주파 대역을 사용하고 변환효율이 낮기 때문에 높은 전력을 이용하게 되고, 인체에는 매우 위험한 방식이라 할 수 있다.

따라서 마이크로파 수신 변환방식을 이용한 무선전력송수신 시스템은 사람이 없는 특정 지역에 제한된 형태로 이루어지며, 대개는 지향성 antenna array를 사용하는 대규모 시스템으로 구현되어 있어 그 효용가치가 떨어지며, 비용적인 측면에서 문제가 발생한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 착륙중인 무인 항공기로 전력을 보내는 무선전력 전송장치(100)를 설명하기 위한 도면이다.

송신 공진기(110)-제 1 공진기-는 지상에서 설치되며, 무인 항공기(150)에는 수신 공진기(130)-제 2 공진기-가 장착되어 송신 공진기(110)에 의해 유도전력이 발생한다. 송신 공진기(110)와 수신 공진기(130)가 공진하여 발생된 유도 전력은 무인 항공기(150)에 장착된 배터리(140)에 충전된다.

상기 송신 공진기(110)와 수신 공진기(130)간의 전송효율을 변화시키기 위해 무선 전력 전송 장치(100)에는 상기 송신 공진기의 임피던스 값을 조절하는 조절부(120)를 포함할 수 있다.

임피던스 값을 조절할 수 있는 조절부(120)를 포함함으로써, 송신 공진기(110)와 수신 공진기(130)간의 높은 효율의 전력 전송이 가능하다.

송신 공진기(110)와 수신 공진기(130)는 유전체 공진기 또는 LC 공진기로 구현이 가능하며, 도 2a와 같이 LC공 진기를 사용할 경우 자기장에 의한 전자기 공진현상이 발생하며, 유전체 공진기를 사용할 경우, 전기장에 의한 전자기 공진현상이 발생하므로, 두 가지 경우 모두 무선 전력 전송 장치(100)에 적용이 가능한 소형의 형태로 구현될 수 있다.

송신 공진기(110)와 수신 공진기(130)가 LC공진기의 경우, 도 2b와 같이 두 개의 코일에 유도되는 기전력에 의해 각 코일에 전력이 전송된다. 이는 전자기유도와 같은 현상이지만, 조절부(120) 직렬 C(캐패시턴스)값에 의해 공진 주파수를 변화시킬 수 있으며, C(캐패시턴스)값을 변화시킴으로써 S21 즉, 송신 공진기(110)에서 수신 공진기(130)로의 전송효율의 조절이 가능하다.

즉, 조절부(120)에서 공진기의 C(캐패시턴스)값을 변화시키면 송수신 공진기의 특성을 변화시킬 수 있고, 전력전송이 이루어지며, 그 양은

로 나타낼 수 있다.

따라서 상기 전송 효율, S21은 상기 수식과 같이 무선전력 전송장치(100)의 조절부(120)에서 Z21을 증가시키거나, Z11을 작게함으로써 높은 전송효율을 결정할 수 있다.

상기 전송 효율,

는

(Microwave engineering, D.M.Pozar 저)

ABCD 파라미터라고 불리는 상기 행렬식을 Scattering parameter 즉, S-parameter로 변환시켜서 추출한 것이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 무선전력 전송장치(100)를 이용하여 비행중인 무인 항공기(150)를 충전하는 것을 나타내는 도면이다.

B(310)는 무인항공기(150)로 전송되는 전력의 양이며, 그 효율은 배터리(140)와 무선 전력 전송 장치(100)의 조절부(120)에서 입력저항을 통해서 조절한다. 즉, 비행 중 수신 공진기(130)와 송신 공진기(110) 간의 거리가 달라지더라도 높은 효율을 유지할 수 있다.

송신 공진기(110)와 수신 공진기(130)는 무선전력 전송장치(100)의 조절부(120)에서 송신 공진기(130)의 직렬 C(캐패시턴스)를 조절하여, 입력 저항 Z11을 변화시킴으로써 코일간 전송효율 K를 최적으로 만든다.

따라서 무선전력 전송장치(100)는 수신 공진기(130)과 송신 공진기(110)의 동작 거리가 고정된 상태에서 무선 전력의 전송이 가능할 뿐만 아니라 조절부(120)에서 가변형 C(캐패시턴스)를 적용함으로써 거리의 가변성이 있더라도 고효율의 전력전송이 가능하다.

마이크로파 수신 변환방식의 경우에 무선 전력 전송을 통상적으로 수 미터 에서 십 수 미터에 한정되어 있는데, 이 전송거리를 높이려면 수신전력은 거리 제곱에 반비례하기 때문에, 높은 전력으로 마이크로파를 보내줘야 한다.

그러나 높은 전력의 마이크로파는 인간에게 매우 유해하므로, 본 발명은 수십 MHz 정도의 주파수나 휴대폰에서 사용하는 수백MHz 정도의 주파수를 사용하여 상대적으로 원거리의 경우에도 안전하게 무선으로 전력 전송이 가능하다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 유전체 공진기를 이용한 무선전력 전송장치(100)를 통해, 무인 항공기(150)를 충전하는 것을 나타내는 도면이다.

송신 공진기(110)와 수신 공진기(130)가 유전체 공진기로 구현이 된 경우로서, 전기장에 의한 전자기 공진기술(Electromagnetic Resonance Coupling)을 이용하여 안정적으로 전력을 전송하게 된다.

유전체란 전기를 통하지 않는 절연체의 또 다른 표현이며, 외부 전기장에 반응하여 유도 쌍극자를 만드는 물질을 뜻하며, 유전율이란 어떤 물질에 외부 전기장을 가했을 때 쌍극자가 얼마나 잘 유도되느냐를 나타내는 척도이다.

유전체 공진기는 고주파에서도 공진 특성이 우수하고, 주파수의 온도 안정성이 높을 뿐만 아니라 높은 동작파워를 견딜 수 있다는 장점이 있다.

유전체 공진기를 이용한 무선 전력 전송 장치의 경우, 수십 MHz 정도의 주파수나 휴대폰에서 사용하는 수백MHz 정도의 주파수를 사용하므로 무선 전력 전송 장치의 전송 효율을 높이기 위해서 상대적으로 다양한 유전체의 선택이 가능하다.

본 발명은 전자기 공진기술을 이용한 무선전력 전송장치(100)를 통해 무인 항공기(150)에 무선으로 전력을 전송하는 것을 일 실시예로 설명되었으나, 무선전력 전송장치(100)를 통해 복수의 무인 항공기에 대해서도 동일한 방식으로 무선 전력 전송이 가능하다.

또한 본 발명에서 무선전력 전송장치(100)는 송신 공진기(110) 및 상기 송신 공진기(130)와 공진하여 유도 전력이 발생되는 수신 공진기(130)와 상기 송신 공진기(110)간의 전송효율을 변화시키기 위해 상기 송신 공진기(110)의 임피던스 값을 조절하는 조절부(120)를 포함하는 것을 특징으로 하나,

송신 공진기(110)와 공진하여 유도 전력이 발생하는 수신 공진기(130) 및 상기 송신 공진기(110)에 의해 유도 전력이 발생하는 수신 공진기(130)와 상기 송신 공진기(110)간의 전송효율을 변화시키기 위해 상기 수신 공진기(130)의 임피던스 값을 조절하는 조절부를 포함하는 무선 전력 수신 장치로도 구현이 가능하다.

또한 송신 공진기(110)와 수신 공진기(130)가 LC 공진기를 이용한 경우와 유전체 공진기를 이용한 경우로 각각 구별하여 설명하였으나 상기 송신 공진기(110)와 수신 공진기(130)에 유전체 공진기와 LC 공진기를 동시에 채용하여 전기장과 자기장에 의한 최적의 무선 전송 장치를 구현할 수 있다.

또한 전자기 공진 기술을 이용한 무선전력 전송장치(100)는 유선을 이용하여 충전을 하거나 종래의 전자기 유도방식이나 마이크로파 수신 변환기술을 이용하여 전력을 무선으로 전송하는 장치들을 대체할 수 있다.

본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (1)

1. 제 1 공진기; 및
   상기 제 1 공진기와 공진하여 유도 전력이 발생되는 제 2 공진기와 상기 제 1 공진기간의 전송효율을 변화시키기 위해 상기 제 1 공진기의 임피던스 값을 조절하는 조절부
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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