KR20110136015A - 무선 전력 전송 시스템에서 전자기 간섭 감소를 위한 적응적 주파수 호핑 장치 및 방법 - Google Patents

무선 전력 전송 시스템에서 전자기 간섭 감소를 위한 적응적 주파수 호핑 장치 및 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20110136015A
KR20110136015A KR1020100055770A KR20100055770A KR20110136015A KR 20110136015 A KR20110136015 A KR 20110136015A KR 1020100055770 A KR1020100055770 A KR 1020100055770A KR 20100055770 A KR20100055770 A KR 20100055770A KR 20110136015 A KR20110136015 A KR 20110136015A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
wireless power
frequency hopping
transmission
power
frequency
Prior art date
Application number
KR1020100055770A
Other languages
English (en)
Inventor
황찬수
Original Assignee
삼성전자주식회사
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 삼성전자주식회사 filed Critical 삼성전자주식회사
Priority to KR1020100055770A priority Critical patent/KR20110136015A/ko
Publication of KR20110136015A publication Critical patent/KR20110136015A/ko

Links

Images

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
    • 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
    • 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
    • H02J50/80—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power involving the exchange of data, concerning supply or distribution of electric power, between transmitting devices and receiving devices
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H7/00—Multiple-port networks comprising only passive electrical elements as network components
    • H03H7/38—Impedance-matching networks
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B5/00—Near-field transmission systems, e.g. inductive or capacitive transmission systems
    • H04B5/20—Near-field transmission systems, e.g. inductive or capacitive transmission systems characterised by the transmission technique; characterised by the transmission medium
    • H04B5/22—Capacitive coupling
    • 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
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00—Printed circuits
    • H05K1/02—Details
    • H05K1/0213—Electrical arrangements not otherwise provided for
    • H05K1/0216—Reduction of cross-talk, noise or electromagnetic interference

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)

Abstract

무선 전력을 전송할 때, 전력수신을 원하지 않는 주변기기로의 전자기 간섭 발생문제를 해결하기 위한 적응적 주파수 호핑 장치 및 방법을 제공한다. 전자기 간섭 감소를 위한 적응적 주파수 호핑 무선 전력 전송 장치는 무선 전력 전송에 사용되는 N개의 공진 주파수 각각에 대한 송전 전력과 반사 전력의 양을 비교하여 송전 성능을 측정하는 송전 성능 측정부, 상기 측정된 송전 성능에 기초하여 상기 반사 전력을 감소시키는 매칭 파라미터를 결정하는 매칭 파라미터 결정부 및 상기 매칭 파라미터에 기초하여 현재 무선 전력 전송에 사용되는 공진 주파수를 일정 패턴에 따라 임의로 설정된 시간마다 변경하는 공진 주파수 호핑부를 포함한다.

Description

무선 전력 전송 시스템에서 전자기 간섭 감소를 위한 적응적 주파수 호핑 장치 및 방법{ADAPTIVE FREQUENCY HOPPING APPARATUS AND METHOD FOR ELECTROMAGNETIC INTERFERENCE SUPPRESSION IN WIRELESS POWER TRANSMISSION SYSTEMS}
기술분야는 무선 전력을 전송할 때, 전력수신을 원하지 않는 주변기기로의 전자기 간섭 발생문제를 해결하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
무선 전력전송에 대한 연구는 휴대기기를 포함한 다양한 전기기기의 폭발적 증가로 인한 유선전력공급의 불편함 증가 및 기존 battery 용량의 한계 봉착 등을 극복하기 위해 시작되었다. 하지만, 무선 전력전송 시스템에서 전력송신기로부터 나오는 전자기 관련 신호는 전력수신을 원하지 않는 주변기기에 전자기 간섭효과를 발생시킬 수 있다.
즉, 전력송신기로부터 방출되는 자계 등 전자기 관련 에너지장이 전력을 수신하고자 하는 전력수신기뿐만 아니라 전력수신을 원하지 않는 주변기기들에게도 영향을 미칠 수 있다. 이렇게 전자기 에너지로 인해 주변기기에 미치는 간섭을 전자기 간섭 (Electromagnetic Interference, EMI, 전자파 장애) 이라고 한다. 전자기 간섭은 주변기기의 정상적인 동작을 방해하거나 원하지 않는 전력수신, 잡음 및 여러가지 장애현상을 일으키게 된다. 구체적으로 전력송신기로부터 방출되는 자장(magnetic field)의 변화는 정지한 주변기기의 도체에 전자기 유도현상으로 인한 전류를 발생시켜 비정상적인 동작을 일으킬 수 있다. 또한 전력송신기에서 발생된 static한 자장은 휴대기기 등이 자장의 주변을 이동하는 경우에도 휴대기기에 전류를 발생시켜 장애현상이 발생할 수 있다. 또한 전력송신기와 전력수신을 원하지 않는 주변기기가 공진조건이 비슷하게 되면 자계 공진 커플링(magnetic resonance coupling)이 발생할 수도 있어, 주변기기에 오동작을 일으킬 수 있다.
일 측면에 있어서, 전자기 간섭 감소를 위한 적응적 주파수 호핑 무선 전력 전송 장치는 무선 전력 전송에 사용되는 N개의 공진 주파수 각각에 대한 송전 전력과 반사 전력의 양을 비교하여 송전 성능을 측정하는 송전 성능 측정부, 상기 측정된 송전 성능에 기초하여 상기 반사 전력을 감소시키는 매칭 파라미터를 결정하는 매칭 파라미터 결정부 및 상기 매칭 파라미터에 기초하여 현재 무선 전력 전송에 사용되는 공진 주파수를 일정 패턴에 따라 임의로 설정된 시간마다 변경하는 공진 주파수 호핑부를 포함한다.
상기 공진 주파수 호핑부는 상기 N개의 공진 주파수에 대하여 측정된 송전 성능을 비교하여 상기 N개의 공진 주파수 중에서도 상기 송전 성능의 평균값 이상을 가지는 공진 주파수의 선택 빈도를 높일 수 있다.
상기 공진 주파수 호핑부는 상기 N개의 공진 주파수에 대하여 측정된 송전 성능을 비교하여 상기 송전 성능의 평균값 이상을 가지는 공진 주파수 간에 호핑시킬 수 있다.
상기 공진 주파수 호핑부는 복수개의 스위치와 복수개의 에너지 저장 컴포넌트가 션트(shunt) 구조로 구성된, meta-structured 공진기에서 생성된 공진 주파수를 호핑시킬 수 있다.
다른 일 측면에 있어서, 전자기 간섭 감소를 위한 적응적 주파수 호핑 무선 전력 전송 장치는 상기 일정 패턴에 따라 임의로 설정된 시간마다 주파수 호핑 방식으로 상기 공진 주파수가 변경되는 경우, 주기적으로 상기 무선 전력을 수신하는 수신기와 동기 신호를 교환하며 동기를 유지하는 재동기화부를 더 포함할 수 있다.
일 측면에 있어서, 전자기 간섭 감소를 위한 적응적 주파수 호핑 무선 전력 수신 장치는 무선 전력 전송에 사용되는 N개의 공진 주파수 각각에 대한 수신 전력을 측정하고, 송전 전력 대비 전송 효율을 계산하는 전송 효율 측정부, 상기 측정된 N개의 공진 주파수 각각에 대한 수신 전력들 중에서 상기 수신 전력량이 평균값 보다 작은 경우의 공진 주파수를 제외하는 방식으로 주파수 호핑 패턴을 결정하는 주파수 호핑 패턴 결정부, 상기 무선 전력을 송전하는 송전기의 임피던스와 정합되도록 내부 임피던스를 매칭시키는 임피던스 매칭부 및 상기 무선 전력을 송전하는 송전기에서 일정 패턴에 따라 호핑되는 상기 공진 주파수에 기초하여 상기 무선 전력을 수신하는 수신기의 공진 주파수를 매칭시키는 공진 주파수 매칭부를 포함한다.
다른 일 측면에 있어서, 전자기 간섭 감소를 위한 적응적 주파수 호핑 무선 전력 수신 장치는 상기 결정된 주파수 호핑 패턴 정보를 상기 무선 전력을 송전하는 송전기에 전송하는 통신부를 더 포함할 수 있다.
일 측면에 있어서, 전자기 간섭 감소를 위한 적응적 주파수 호핑 무선 전력 전송 방법은 무선 전력 전송에 사용되는 N개의 공진 주파수 각각에 대한 송전 전력과 반사 전력의 양을 비교하여 송전 성능을 측정하는 단계, 상기 측정된 송전 성능에 기초하여 상기 반사 전력을 감소시키는 매칭 파라미터를 결정하는 단계 및 상기 매칭 파라미터에 기초하여 현재 무선 전력 전송에 사용되는 공진 주파수를 일정 패턴에 따라 임의로 설정된 시간마다 변경하는 단계를 포함한다.
상기 공진 주파수를 변경하는 단계는 상기 N개의 공진 주파수에 대하여 측정된 송전 성능을 비교하여 상기 N개의 공진 주파수 중에서도 상기 송전 성능의 평균값 이상을 가지는 공진 주파수의 호핑 빈도를 높일 수 있다.
상기 공진 주파수를 변경하는 단계는 상기 N개의 공진 주파수에 대하여 측정된 송전 성능을 비교하여 상기 송전 성능의 평균값 이상을 가지는 공진 주파수 간에 호핑시킬 수 있다.
상기 공진 주파수를 변경하는 단계는 복수개의 스위치와 복수개의 에너지 저장 컴포넌트가 션트(shunt) 구조로 구성된, meta-structured 공진기에서 생성된 공진 주파수를 호핑시킬 수 있다.
일 측면에 있어서, 전자기 간섭 감소를 위한 적응적 주파수 호핑 무선 전력 수신 방법은 무선 전력 전송에 사용되는 N개의 공진 주파수 각각에 대한 수신 전력을 측정하고, 송전 전력 대비 전송 효율을 계산하는 단계, 상기 측정된 N개의 공진 주파수 각각에 대한 수신 전력들 중에서 상기 수신 전력량이 평균값 보다 작은 경우의 공진 주파수를 제외하는 방식으로 주파수 호핑 패턴을 결정하는 단계, 상기 무선 전력을 송전하는 송전기의 임피던스와 정합되도록 내부 임피던스를 매칭시키는 단계 및 상기 무선 전력을 송전하는 송전기에서 일정 패턴에 따라 호핑되는 상기 공진 주파수에 기초하여 상기 무선 전력을 수신하는 수신기의 공진 주파수를 매칭시키는 단계를 포함한다.
다른 일 측면에 있어서, 전자기 간섭 감소를 위한 적응적 주파수 호핑 무선 전력 수신 방법은 상기 결정된 주파수 호핑 패턴 정보를 상기 무선 전력을 송전하는 송전기에 전송하는 단계를 더 포함할 수 있다.
무선전력전송 시스템에서, 무선전력송신기가 주변의 전기기기들에게 미칠 수 있는 전자기 간섭 현상을 감소 및 제거하여, 주변기기에 미치는 불필요한 오동작이나 원하지 않는 전력수신, 잡음 및 장애현상 발생을 방지한다.
또한, N개의 공진 주파수 중에서 특정 주파수만 주변 시스템과 공진이 발생하므로, 주파수 호핑을 이용함으로써 주변 시스템에 전자기 간섭을 발생시킬 확률을 1/N로 줄일 수 있다.
또한, 임의의 설정된 시간마다 일정 패턴에 따라 공진 주파수가 변경되므로 주변 시스템의 에너지 저장 수단에 저장되었던 에너지가 방전되고, 전자기 간섭을 발생시키기 위해 필요한 임계값 이하로 저장 에너지가 감소함에 따라 전자기 간섭의 발생확률을 감소시킬 수 있다.
도 1은 일측에 따른 무선 전력전송 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 일측에 따른 무선 전력전송 시스템에서 전자기 간섭을 나타낸 도면이다.
도 3은 일측에 따른 전자기 간섭 감소를 위한 적응적 주파수 호핑 무선 전력 전송 장치의 블록도이다.
도 4는 일측에 따른 전자기 간섭 감소를 위한 적응적 주파수 호핑 무선 전력 수신 장치의 블록도이다.
도 5는 일측에 따른 무선 전력 전송 시스템에서 전자기 간섭 감소를 위해 적응적으로 주파수 호핑을 수행하는 것을 나타낸 도면이다.
도 6은 일측에 따른 meta-structured 공진기를 나타낸 도면이다.
도 7은 도 6에 도시된 공진기의 등가 회로를 나타낸 도면이다.
도 8은 다른 일측에 따른 meta-structured 공진기를 나타낸 도면이다.
도 9는 도 8의 커패시터의 삽입 위치를 상세하게 나타낸 도면이다.
도 10은 또 다른 일측에 따른 meta-structured 공진기를 나타낸 도면이다.
도 11은 도 10에 도시된 커패시터의 등가 회로를 나타낸 도면이다.
도 12는 일측에 따른 전자기 간섭 감소를 위한 적응적 주파수 호핑 무선 전력 전송 방법의 흐름도이다.
도 13은 일측에 따른 전자기 간섭 감소를 위한 적응적 주파수 호핑 무선 전력 수신 방법의 흐름도이다.
이하, 일측에 따른 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
먼저, 무선 전력전송 시스템에 이용되는 무선 전력전송 기술을 설명한다. 무선전력전송 기술은 크게 전자기 유도 방식, 전파 수신 방식, 전장 혹은 자장의 공진방식 등 3가지 방식으로 구분할 수 있다.
첫째, 전자기 유도 방식은 서로 다른 두 개의 코일을 가까이 접근 시킨 후 한쪽 코일에 교류 전류를 흐르게 하면 자속이 발생하게 되고 이를 통해 다른 코일 한쪽에도 기전력이 발생하는 현상을 이용한다. 전자기 유도방식은 전력 이용 효율이 대략 60~98%에 이르는 등 고효율 및 실용화가 가장 많이 진행되어 있다.
둘째, 전파 수신 방식은 전파 에너지를 안테나로 수신하여 이용하는 것으로 교류 전파 파형을 정류회로를 통해 직류로 변환하여 전력을 얻는다. 전파수신방식은 가장 긴 거리간(수 m 이상) 무선전력전송이 가능하다.
셋째, 공진방식은 전장 혹은 자장의 공진을 이용한 것으로 기기간에 동일 주파수로 공진하여 에너지를 전달한다. 자장의 공진을 이용하는 경우 LC공진기 구조를 활용한 자계공진(magnetic resonance coupling)을 이용하여 전력을 발생시킨다. 자계공진방식은 사용 주파수의 파장에 비해 짧은 거리의 근접장(near field)효과를 이용하는 기술로써, 전파 수신 방식과는 달리 비방사형(non-radiative) 에너지 전송이며, 송수신부간의 공진주파수를 일치시켜 전력을 전송한다. 자계공진방식을 통해 전력 전송효율은 약 50~60% 정도로 높아지며, 이 정도의 효율은 전파 방사를 통한 전파 수신형 보다 상당히 높은 것이다. 송수신기간 거리는 약 수 m로써, 비록 전파 수신 방식보다는 근거리에서 사용되는 기술이나, 수 mm 이내의 전자 유도형 방식보다는 매우 먼 거리에서도 전력 전송이 가능하게 된다.
도 1은 일측에 따른 무선 전력전송 시스템을 나타낸 도면이다.
도 1의 예에서, 무선 전력 전송 시스템을 통해 전송되는 무선 전력은 공진 전력(resonance power)이라 가정한다.
도 1을 참조하면, 무선 전력 전송 시스템은 소스와 타겟으로 구성되는 소스-타겟 구조이다. 즉, 무선 전력 전송 시스템은 소스에 해당하는 공진 전력 전송 장치(110)와 타겟에 해당하는 공진 전력 수신 장치(120)를 포함한다.
공진 전력 전송 장치(110)는 외부의 전압 공급기로부터 에너지를 수신하여 공진 전력을 발생시키는 소스부(111) 및 소스 공진기(115)를 포함한다. 이때, 외부의 전압 공급원은 AC, DC 및 배터리 등이 될 수 있다. 또한, 공진 전력 전송 장치(110)는 공진주파수 또는 임피던스 매칭을 수행하는 매칭 제어부(Matching control)(113)를 더 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 공진 전력 전송 장치(110)는 공진 주파수 대역을 이용하여 공진 전력 수신 장치(120)에 데이터를 전송할 수 있다. 또한, 공진 전력 전송 장치(110)는 외부의 전압 공급원으로부터 무선 전력을 전송하는 안테나로 전달되는 전력이 최대가 되도록 하는 매칭 네트워크부(도시 되지 않음)를 더 포함할 수 있다. 이때 안테나로 인가된 전력은 안테나를 통해 전송되는 전송 전력과 다시 반사되어 돌아오는 반사 전력으로 구분된다. 전송 효율을 높이기 위해서는 반사 전력을 최소화하여야 하므로, 공진 전력 전송 장치(110)는 반사 전력을 측정할 수 있는 센싱부(도시 되지 않음) 및 반사 전력이 최소가 되도록 매칭 파라미터를 결정하는 프로세서부(도시 되지 않음)를 더 포함할 수 있다.
소스부(111)는 외부의 전압 공급기로부터 에너지를 수신하여 공진 전력을 발생시킨다. 소스부(111)는 외부 장치로부터 입력되는 교류 신호의 신호 레벨을 원하는 레벨로 조정하기 위한 AC-AC Converter, AC-AC Converter로부터 출력되는 교류 신호를 정류함으로써 일정 레벨의 DC 전압을 출력하는 AC-DC Converter, AC-DC Converter에서 출력되는 DC 전압을 고속 스위칭함으로써 수 MHz ~ 수십MHz 대역의 AC 신호를 생성하는 DC-AC Inverter를 포함할 수 있다. 또한, 소스부(111)는 고정된 위치에 있는 것이 아니라 움직이는 이동체를 통하여 이동하면서 타겟부(125)에 공전 전력을 전송할 수 있다. 예를 들면, 소스부(111)는 이동하는 로봇장치에 포함될 수 있다.
매칭 제어부(Matching control)(113)는 소스 공진기(115)의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth) 또는 소스 공진기(115)의 임피던스 매칭 주파수를 설정한다. 매칭 제어부(Matching control)(113)는 소스 공진 대역폭 설정부(도시 되지 않음) 또는 소스 매칭 주파수 설정부(도시 되지 않음) 중 적어도 하나를 포함한다. 소스 공진 대역폭 설정부는 소스 공진기(115)의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth)을 설정한다. 소스 매칭 주파수 설정부는 소스 공진기(115)의 임피던스 매칭 주파수를 설정한다. 이때, 소스 공진기의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth) 또는 소스 공진기의 임피던스 매칭 주파수 설정에 따라서 소스 공진기(115)의 Q-factor가 결정될 수 있다.
소스 공진기(115)는 전자기(electromagnetic) 에너지를 타겟 공진기로 전달(transferring)한다. 즉, 소스 공진기(115)는 타겟 공진기(121)와의 마그네틱 커플링(101)을 통해 공진 전력을 타겟 장치(120)로 전달한다. 이때, 소스 공진기(115)는 설정된 공진 대역폭 내에서 공진한다.
공진 전력 수신 장치(120)는 타겟 공진기(121), 공진주파수 또는 임피던스 매칭을 수행하는 Matching control부(123) 및 수신된 공진 전력을 부하로 전달하기 위한 타겟부(125)를 포함한다. 또한, 공진 전력 수신 장치(120)는 공진 주파수 대역을 이용하여 공진 전력 전송 장치(110)로부터 데이터를 전송받을 수 있다.
타겟 공진기(121)는 소스 공진기(115)로부터 전자기(electromagnetic) 에너지를 수신한다. 이때, 타겟 공진기(121)는 설정된 공진 대역폭 내에서 공진한다.
Matching control부(123)는 타겟 공진기(121)의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth) 또는 타겟 공진기(121)의 임피던스 매칭 주파수 중 적어도 하나를 설정한다. Matching control부(123)는 타겟 공진 대역폭 설정부(도시 되지 않음) 또는 타겟 매칭 주파수 설정부(도시 되지 않음) 중 적어도 하나를 포함한다. 타겟 공진 대역폭 설정부는 타겟 공진기(121)의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth)을 설정한다. 타겟 매칭 주파수 설정부는 타겟 공진기(121)의 임피던스 매칭 주파수를 설정한다. 이때, 타겟 공진기(121)의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth) 또는 타겟 공진기(121)의 임피던스 매칭 주파수 설정에 따라서 타겟 공진기(121)의 Q-factor가 결정될 수 있다.
타겟부(125)는 수신된 공진 전력을 부하로 전달한다. 이때, 타겟부(125)는 소스 공진기(115)로부터 타겟 공진기(121)로 수신되는 AC 신호를 정류하여 DC 신호를 생성하는 AC-DC Converter와, DC 신호의 신호 레벨을 조정함으로써 정격 전압을 디바이스(device) 또는 부하(load)로 공급하는 DC-DC Converter를 포함할 수 있다. 상기 공진 전력을 수신할 수 있는 부하에는 디지털 액자, 스피커, 청소기, 드라이기, 면도기 등을 비롯한 다양한 가전제품, 노트북 PC, 컴퓨터 및 그 주변기기, 그리고 휴대폰, 디지털 카메라, 캠코더, MP3 player, PDA 등 각종 휴대기기, 이밖에 펨토셀 기지국, 다양한 센서 및 조명기기 등이 포함될 수 있다.
소스 공진기(115) 및 타겟 공진기(121)는 헬릭스(helix) 코일 구조의 공진기 또는 스파이럴(spiral) 코일 구조의 공진기, 또는 meta-structured 공진기로 구성될 수 있다. meta-structured 공진기에 대한 설명은 도 6이하에서 상세히 설명한다.
도 1을 참조하면, 큐-펙터의 제어 과정은, 소스 공진기(115)의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth) 및 타겟 공진기(121)의 공진 대역폭을 설정하고, 소스 공진기(115)와 타겟 공진기(121) 사이의 마그네틱 커플링을 통해 전자기(electromagnetic) 에너지를 상기 소스 공진기(115)로부터 상기 타겟 공진기(121)로 전달(transferring)하는 것을 포함한다. 이때, 소스 공진기(115)의 공진 대역폭은 타겟 공진기(121)의 공진 대역폭 보다 넓거나 좁게 설정될 수 있다. 즉, 소스 공진기(115)의 공진 대역폭이 타겟 공진기(121)의 공진 대역폭 보다 넓거나 좁게 설정됨으로써, 소스 공진기의 BW-factor와 상기 타겟 공진기의 BW-factor는 서로 불평형(unbalance) 관계가 유지된다.
공진 방식의 무선 전력 전송에서, 공진 대역폭은 중요한 factor이다. 소스 공진기(115)와 타겟 공진기(121) 사이의 거리 변화, 공진 임피던스의 변화, 임피던스 미스 매칭, 반사 신호 등을 모두 고려한 Q-factor를 Qt라 할 때, Qt는 수학식 1과 같이 공진 대역폭과 반비례 관계를 갖는다.
[수학식 1]
Figure pat00001
수학식 1에서, f0는 중심주파수,
Figure pat00002
는 대역폭,
Figure pat00003
는 공진기 사이의 반사 손실, BWS는 소스 공진기(115)의 공진 대역폭, BWD는 타겟 공진기(121)의 공진 대역폭을 나타낸다. 본 명세서에서 BW-factor는 1/ BWS 또는 1/BWD를 의미한다.
한편, 소스 공진기(115)와 타겟 공진기(121) 간의 거리가 달라지거나, 둘 중 하나의 위치가 변하는 등의 외부 영향에 의하여, 소스 공진기(115)와 타겟 공진기(121) 간의 임피던스 미스 매칭이 발생할 수 있다. 임피던스 미스 매칭은 전력 전달의 효율을 감소시키는 직접적인 원인이 될 수 있다. 매칭 제어부(Matching control)(113)는 전송신호의 일부가 반사되어 돌아오는 반사파를 감지함으로써, 임피던스 미스 매칭이 발생한 것으로 판단하고, 임피던스 매칭을 수행할 수 있다. 또한, 매칭 제어부(Matching control)(113)는 반사파의 파형 분석을 통해 공진 포인트를 검출함으로써, 공진 주파수를 변경할 수 있다. 여기서, 매칭 제어부(Matching control)(113)는 반사파의 파형에서 진폭(amplitude)이 최소인 주파수를 공진 주파수로 결정할 수 있다.
즉, 공진 전력 전송 장치(110)는 공진 전력 수신 장치 (120)와 전력뿐만 아니라 데이터의 교환도 가능하며 전력전송용 주파수대역을 동시에 같이 사용할 수도 있고 별도의 독립적인 주파수대역을 사용할 수도 있다. 공진 전력 수신 장치(120)는 전력을 수신하여 부하에 공급하게 된다. 이때 공진 전력 전송 장치(110)에서 방출된 에너지 장은 주변 시스템에 여러 가지 불필요한 영향을 줄 수 있다.
도 2는 일측에 따른 무선 전력 전송 시스템에서 전자기 간섭을 나타낸 도면이다.
도 2는 무선 전력 전송 장치에서 주변기기에 미치는 전자기 간섭 및 상기 전자기 간섭을 해결하기 위한 데이터 교환을 나타낸다. 무선 전력 전송 장치는 무선 전력 전송에 사용하는 공진 주파수를 일정 패턴에 따라 변경함으로써 주변기기에 미치는 전자기 간섭을 감소시킬 수 있다. 일정 패턴에 대해서는 도 4에서 자세히 설명한다. 여기서 주변기기는 무선 전력 전송 장치로부터 직, 간접적으로 전자기 간섭을 받는 전기기기를 의미한다.
도 3은 일측에 따른 전자기 간섭 감소를 위한 적응적 주파수 호핑 무선 전력 전송 장치의 블록도이다
도 3을 참조하면, 적응적 주파수 호핑 무선 전력 전송 장치는 송전 성능 측정부(310), 매칭 파라미터 결정부(320), 공진 주파수 호핑부(330)를 포함한다.
송전 성능 측정부(310)는 무선 전력 전송에 사용되는 N개의 공진 주파수 각각에 대한 송전 전력과 반사 전력의 양을 비교하여 송전 성능을 측정한다. 따라서, 송전 성능 측정부(310)는 반사 신호를 커플링하기 위한 커플러 회로 및 커플러 회로에 의해 커플링된 반사 신호의 전력 양을 계산하기 위한 프로세서를 포함하여 구성될 수 있다. 무선 전력 전송 장치는 안테나를 통해 자기장을 생성하는데, 이때 안테나에 입력된 전력 중의 일부는 송전 전력이 되고, 나머지 일부는 반사 전력이 된다. 송전 성능은 안테나에 입력된 전력과 송전 전력의 비율을 통해 알 수도 있고, 반사 전력의 양이 크기를 통해서도 알 수 있다. 이 때, 송전 성능의 측정은 공진 주파수만을 변경하고, 입력 전력이 동일한 상태에서 이루어진다.
매칭 파라미터 결정부(320)는 측정된 송전 성능에 기초하여 반사 전력을 감소시키는 매칭 파라미터를 결정한다. 매칭 파라미터 결정부(320)는 송전 성능을 높이기 위해 반사 전력을 감소시킬 수 있도록 매칭 파라미터를 결정한다. 여기서 매칭 파라미터는 임피던스 또는 공진 주파수를 포함할 수 있다.
공진 주파수 호핑부(330)는 매칭 파라미터 결정부(320)에서 결정된 매칭 파라미터에 기초하여 현재 무선 전력 전송에 사용되는 공진 주파수를 일정 패턴에 따라 임의로 설정된 시간마다 변경한다. 공진 주파수 호핑부(330)는 현재 사용되고 있는 공진 주파수를 기 설정된 일정 패턴에 따라 다른 공진 주파수로 변경함으로써 주변기기에 미치는 전자기 간섭(EMI)을 감소 또는 제거할 수 있다. 임의의 설정된 시간은 주기적인 시간이 될 수도 있고, 전자기 간섭이 발생하는 경우 및 전자기 간섭의 크기를 고려하여 호핑되는 간격을 조절하여 설정할 수 있다. 전자기 간섭은 무선 전력 전송 장치의 공진 주파수와 주변기기의 동작 주파수 간에 자기 공진(magnetic resonance coupling)이 발생하여 생기는 것이므로, 무선 전력 전송 장치의 공진 주파수를 변경함으로써 전자기 간섭을 감소 또는 제거할 수 있다. 공진 주파수는 매칭 파라미터의 변경에 의하여 변경될 수 있으므로 공진 주파수의 변경은 매칭 파라미터의 변경에 기초할 수 있다.
또한, 공진 주파수 호핑부(330)는 일정 패턴에 따라 공진 주파수를 계속해서 변경하므로 주변기기의 에너지 저장수단에 저장되어 있는 에너지는 계속해서 충전되지 않고, 공진 주파수가 변경되면 방전되기 시작한다. 따라서, 주변기기는 전자기 간섭이 발생하기 위해 요구되는 임계 에너지 값을 만족시키지 못하여 전자기 간섭이 발생하지 않을 수 있다. 여기서 기 설정된 일정 패턴은 기존 무선 통신 시스템에서 사용된 여러 호핑 패턴일 수 있다. 기존 무선 통신 시스템에서 사용된 호핑 패턴은 사용하는 주파수의 대역폭을 설정하고, 설정된 대역폭에서 주파수를 일정 간격으로 pseudo-random 방식을 통해 나열하는 것이다.
또한, 공진 주파수 호핑부(330)는 N개의 공진 주파수에 대하여 측정된 송전 성능을 비교하여 상기 N개의 공진 주파수 중에서도 상기 송전 성능의 평균값 이상을 가지는 공진 주파수에 대하여 선택 빈도를 높일 수 있다. 공진 주파수 호핑부(330)는 송전 성능이 평균 값보다 높은 경우의 공진 주파수로 적응적으로 공진 주파수를 자주 변경함으로써 송전 성능을 높일 수 있다. 또한, 공진 주파수 호핑부(330)는 N개의 공진 주파수 중에서도 송전 성능의 평균값 이상을 가지는 공진 주파수간에만 적응적으로 주파수를 변경함으로써 송전 성능을 높일 수 있다.
또한, 공진 주파수 호핑부(330)는 복수개의 스위치와 복수개의 에너지 저장 컴포넌트가 션트(shunt) 구조로 구성된, meta-structured 공진기에서 생성된 공진 주파수를 호핑시킬 수 있다. 여기서 에너지 저장 컴포넌트는 커패시터, 인덕터를 포함할 수 있다. 션트(shunt) 구조는 스위치와 에너지 저장 컴포넌트가 직렬로 연결되고, 스위치와 에너지 저장 컴포넌트가 직렬 연결된 구조 간에는 병렬로 연결되는 구성을 포함한다. 도 10과 11에서 상세하게 설명한다.
또한, 일측에 따른 전자기 간섭 감소를 위한 적응적 주파수 호핑 무선 전력 전송 장치는 일정 패턴에 따라 임의로 설정된 시간마다 공진 주파수가 변경되는 경우, 주기적으로 무선 전력을 수신하는 수신기와 동기 신호를 교환하며 동기를 유지하는 재동기화부를 더 포함할 수 있다. 무선 전력 전송 장치는 주파수 호핑을 통해 공진 주파수를 변경하는 동안에도 기 설정된 시간마다 무선 전력 수신 장치와 주파수 및 매칭 파라미터를 동기화하여 송전 성능을 유지할 수 있다. 여기서 기 설정된 시간은 송전 성능에 따라 주기를 조절할 수 있다.
도 4는 일측에 따른 전자기 간섭 감소를 위한 적응적 주파수 호핑 무선 전력 수신 장치의 블록도이다.
도 4를 참조하면, 적응적 주파수 호핑 무선 전력 수신 장치는 전송 효율 측정부(410), 주파수 호핑 패턴 결정부(420), 임피던스 매칭부(430), 공진 주파수 매칭부(440)를 포함한다.
전송 효율 측정부(410)는 무선 전력 전송에 사용되는 N개의 공진 주파수 각각에 대한 수신 전력을 측정하고, 송전 전력 대비 전송 효율을 계산한다. 전송 효율 측정부(410)는 무선 전력 전송 장치로부터 전송되는 전력 중 무선 전력 수신 장치로 수신되는 전력을 측정하여 전송 효율을 계산한다. 여기서 사용되는 N개의 공진 주파수는 공진 주파수의 대역폭이 결정되면 대역폭 안에서 일정 간격에 따라 결정될 수 있다.
주파수 호핑 패턴 결정부(420)는 측정된 N개의 공진 주파수 각각에 대한 수신 전력들 중에서 상기 수신 전력량이 평균값 보다 작은 경우의 공진 주파수를 제외하는 방식으로 주파수 호핑 패턴을 결정한다. 무선 전력 전송 장치에서 일정하게 전력을 전송하고 있다고 가정하는 경우, 주변기기에 전자기 간섭을 발생시키는 경우에는 무선 전력 수신 장치에 수신되는 수신 전력량이 감소한다. 따라서, 주파수 호핑 패턴 결정부(420)는 수신 전력의 변화량이 커서 N개의 공진 주파수 각각을 적용하여 측정된 수신 전력량이 평균값 보다 작은 경우, 이때 적용된 공진 주파수는 제외하고 나머지 주파수간에 호핑을 시키도록 패턴을 결정할 수 있다. 즉, 주파수 호핑 패턴 결정부(420)는 주변기기에 전자기 간섭이 큰 공진 주파수를 제외하도록 주파수 호핑 패턴을 결정할 수 있다.
임피던스 매칭부(430)는 무선 전력을 송전하는 송전기의 임피던스와 정합되도록 내부 임피던스를 매칭시킨다. 임피던스 매칭부(430)는 무선 전력 전송 장치에서 전력이 전송되면 최대 전력을 전송받기 위해 송전기의 임피던스와 매칭이 되도록 무선 전력 수신 장치의 내부 임피던스를 매칭시킨다.
공진 주파수 매칭부(440)는 무선 전력을 송전하는 송전기에서 일정 패턴에 따라 호핑되는 공진 주파수에 기초하여 상기 무선 전력을 수신하는 수신기의 공진 주파수를 매칭시킨다. 즉, 공진 주파수 매칭부(440)는 무선 전력 전송 장치에서 주파수 호핑을 통해 공진 주파수가 변경이 되면 최대 전력을 전송받기위해 호핑된 공진 주파수와 일치하도록 무선 전력 수신 장치의 주파수를 매칭시킨다.
또한, 일측에 따른 전자기 간섭 감소를 위한 적응적 주파수 호핑 무선 전력 수신 장치는 결정된 주파수 호핑 패턴 정보를 무선 전력을 송전하는 송전기에 전송하는 통신부를 더 포함할 수 있다. 무선 전력 수신 장치에서 주파수 호핑 패턴이 결정되는 경우, 통신부는 호핑 패턴에 관한 정보를 무선 전력 전송 장치에 전송함으로써 무선 전력 전송 장치가 상기 정보에 기초하여 주파수를 변경할 수 있도록 한다.
도 5는 일측에 따른 무선 전력 전송 시스템에서 전자기 간섭 감소를 위해 적응적으로 주파수 호핑을 수행하는 것을 나타낸 도면이다.
무선 전력 전송·수신 장치(510)는 무선 전력 전송을 위해 동기화 된 후, 전력 전송을 시작한다. 무선 전력 전송은 전송 장치와 수신 장치간의 자기 공진에 의해 이루어지므로, 전송 장치와 주변기기간에 공진 주파수가 일치하여 자기 공진이 이루어지면 전자기 간섭이 발생한다. 따라서, 공진 주파수를 한 개만 사용하는 것이 아니라 N개의 공진 주파수를 설정하고, 일정 패턴을 통하여 주기적으로 공진 주파수를 변경하면 전자기 간섭의 효과를 최소화할 수 있다. 여기서 일정 패턴은 주파수 2에서 주파수 1, 주파수 3, 주파수 4 또는 주파수 N으로 무작위로 결정(520)될 수도 있고, 전송 효율을 기준으로 전송 효율이 평균값보다 높은 경우의 공진 주파수 간에만 변경되도록 결정될 수도 있다. 무선 전력 전송은 주파수 호핑 방식으로 공진 주파수가 주기적으로 변경되면서 수신 장치가 요구하는 전력량이 충전될 때까지 이루어지고, 목적한 전력량이 충전되는 경우 송전은 완료된다(530).
도 6는 일측에 따른 meta-structured 공진기를 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, meta-structured 공진기는 전송 선로(610) 및 커패시터(620)를 포함한다. 여기서 커패시터(620)는 전송 선로(610)의 특정 위치에 직렬로 삽입되고, 전계(electric field)는 커패시터에 갇히게 된다.
또한, 도 6에 도시된 바와 같이 meta-structured 공진기는 3차원 구조의 형태를 갖는다. 도 6에 도시된 것과 달리 공진기는 전송 선로가 x, z평면에 배치된 2차원 구조로의 구현될 수 있다.
커패시터(620)는 집중 소자(lumped element 및 분산 소자(distributed element), 예를 들어 interdigital 커패시터나 높은 유전율을 갖는 기판을 가운데다 둔 gap 커패시터 등의 형태로 전송 선로(610)에 삽입된다. 커패시터(620)가 전송 선로(610)에 삽입됨에 따라 상기 공진기는 메타물질(metamaterial)의 특성을 가질 수 있다.
여기서, 메타물질이란 자연에서 발견될 수 없는 특별한 전기적 성질을 갖는 물질로서, 인공적으로 설계된 구조를 갖는다. 자연계에 존재하는 모든 물질들의 전자기 특성은 고유의 유전율 또는 투자율을 가지며, 대부분의 물질들은 양의 유전율 및 양의 투자율을 갖는다. 대부분의 물질들에서 전계, 자계 및 포인팅 벡터에는 오른손 법칙이 적용되므로, 이러한 물질들을 RHM(Right Handed Material)이라고 한다. 그러나, 메타물질은 1보다 작은 유전율 또는 투자율을 가진 물질로서, 유전율 또는 투자율의 부호에 따라 ENG(epsilon negative) 물질, MNG(mu negative) 물질, DNG(double negative) 물질, NRI(negative refractive index) 물질, LH(left-handed) 물질 등으로 분류된다.
이 때, 집중 소자로서 삽입된 커패시터의 커패시턴스가 적절히 정해지는 경우, 상기 공진기는 메타물질의 특성을 가질 수 있다. 특히, 커패시터의 커패시턴스를 적절히 조절함으로써, 공진기는 음의 투자율을 가질 수 있으므로, 본 발명의 일실시예에 따른 공진기는 MNG 공진기로 불려질 수 있다.
상기 MNG 공진기는 전파 상수(propagation constant)가 0일 때의 주파수를 공진 주파수로 갖는 영번째 공진(Zeroth-Order Resonance) 특성을 가질 수 있다. MNG 공진기는 영번째 공진 특성을 가질 수 있으므로, 공진 주파수는 MNG 공진기의 물리적인 사이즈에 대해 독립적일 수 있다. 즉, 아래에서 다시 설명하겠지만, MNG 공진기에서 공진 주파수를 변경하기 위해서는 커패시터를 적절히 설계하는 것으로 충분하므로, MNG 공진기의 물리적인 사이즈를 변경하지 않을 수 있다.
또한, 근접 필드(near field)에서 전계는 전송 선로(610)에 삽입된 직렬 커패시터(620)에 집중되므로, 직렬 커패시터(620)로 인하여 근접 필드에서는 자계(magnetic field)가 도미넌트(dominant)해진다.
또한, MNG 공진기는 집중 소자로의 커패시터(620)을 이용하여 높은 큐-팩터(Q-Factor)를 가질 수 있으므로, 전력 전송의 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, MNG 공진기는 임피던스 매칭을 위한 매칭기(630)를 포함할 수 있다. 이 때, 매칭기(630)는 MNG 공진기와의 결합을 위해 자계의 강도를 적절히 조절 가능(tunable)하고, 매칭기(630)에 의해 MNG 공진기의 임피던스는 조절된다. 그리고, 전류는 커넥터(640)를 통하여 MNG 공진기로 유입되거나 MNG 공진기로부터 유출된다.
또한, 도 6에 명시적으로 도시되지 아니하였으나, MNG 공진기를 관통하는 마그네틱 코어가 더 포함될 수 있다. 이러한 마그네틱 코어는 전력 전송 거리를 증가시키는 기능을 수행할 수 있다.
본 발명의 MNG 공진기가 갖는 특성들에 대해서는 아래에서 자세히 설명한다.
도 7은 도 6에 도시된 공진기의 등가 회로를 나타낸 도면이다.
도 6에 도시된 공진기는 도 7에 도시된 등가 회로로 모델링될 수 있다. 도 7의 등가 회로에서 CL은 도 6의 전송 선로의 중단부에 집중 소자의 형태로 삽입된 커패시터를 나타낸다.
이 때, 도 6에 도시된 무선 전력 전송을 위한 공진기는 영번째 공진 특성을 갖는다. 즉, 전파 상수가 0인 경우, 무선 전력 전송을 위한 공진기는
Figure pat00004
를 공진 주파수로 갖는다고 가정한다. 이 때, 공진 주파수
Figure pat00005
는 하기 수학식 2와 같이 표현될 수 있다. 여기서, MZR은 Mu Zero Resonator를 의미한다.
[수학식 2]
Figure pat00006
상기 수학식 2를 참조하면, 공진기의 공진 주파수
Figure pat00007
는
Figure pat00008
에 의해 결정될 수 있고, 공진 주파수
Figure pat00009
와 공진기의 물리적인 사이즈는 서로 독립적일 수 있음을 알 수 있다. 따라서, 공진 주파수
Figure pat00010
와 공진기의 물리적인 사이즈가 서로 독립적이므로, 공진기의 물리적인 사이즈는 충분히 작아질 수 있다.
도 8은 다른 일측에 따른 meta-structured 공진기를 나타낸 도면이다.
도 8을 참조하면, meta-structured 공진기는 전송선로부(810) 및 커패시터(820)를 포함한다. 또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 공진기는, 피딩부(830)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
전송선로부(810)는 복수의 전송 선로 쉬트(Sheet)가 병렬로 배치된다. 복수의 전송 선로 쉬트가 병렬로 배치되는 구성은, 도 9를 통하여 보다 상세하기 설명하기로 한다.
커패시터(820)는, 전송선로부(810)의 특정 위치에 삽입된다. 이때, 커패시터(820)는 전송선로부(810)의 중단에 직렬로 삽입될 수 있다. 이때, 공진기에 생성되는 전계(electric field)는 커패시터(820)에 갇히게 된다.
커패시터(820)는 집중 소자(lumped element 및 분산 소자(distributed element), 예를 들어 interdigital 커패시터나 높은 유전율을 갖는 기판을 가운데다 둔 gap 커패시터 등의 형태로 전송선로부(810)에 삽입될 수 있다. 커패시터(820)가 전송선로부(810)에 삽입됨에 따라, 공진기는 메타물질(metamaterial)의 특성을 가질 수 있다.
피딩부(830)는 MNG 공진기에 전류를 공급(feeding)하는 기능을 수행할 수 있다. 이때, 피딩부(830)는, 공진기로 공급되는 전류를 복수의 전송 선로 쉬트로 균등하게 분배되도록 설계될 수 있다.
도 9는 도 8의 커패시터(820)의 삽입 위치를 상세하게 나타내는 도면이다.
도 9를 참조하면, 커패시터(820)는 전송선로부(810)의 중단부에 삽입된다. 이때, 전송선로부(810)의 중단부는 커패시터(820)가 삽입될 수 있도록 오픈(open)된 형태일 수 있으며, 각각의 전송 선로 쉬트들(810-1, 810-2, 810-n)은 중단부에서 서로 병렬 연결된 형태로 구성될 수 있다.
도 10은 또 다른 일측에 따른 meta-structured 공진기를 나타낸 도면이다.
도 10을 참조하면 meta-structured 공진기는 무선 전력 전송에서 안테나로 사용될 수 있으며, 도 9와 달리 커패시터 복수개가 병렬로 연결되어 있다. 여기서 커패시터는 공진 주파수를 형성하는데 사용되며, 커패시터 뿐만 아니라 에너지 저장 수단이 될 수 있는 인덕터도 사용 가능하다. 커패시터의 병렬연결을 통해 생성 가능한 공진 주파수는 도 11의 예를 통해 설명한다.
도 11은 도 10에 도시된 커패시터의 등가 회로를 나타낸 도면이다.
도 11을 참조하면, 스위치1, 2와 커패시터1, 2가 각각 직렬로 연결되고, 커패시터1, 2는 병렬로 연결되어 있다. 스위치가 열리고 닫힘에 따라 커패시터의 동작 여부가 결정되고, 스위치의 동작 여부에 따른 회로 전체의 커패시터 값이 표 1에 나타나있다.
스위치 1 스위치 2 C
1 0 C1
0 1 C2
1 1 C1 + C2
스위치 1만 동작하는 경우의 커패시터값은 C1이고, 스위치 2만 동작하는 경우의 커패시터값은 C2, 스위치 1, 2 모두 동작하는 경우의 커패시터값은 C1 + C2, 스위치 1, 2 모두 동작하지 않는 경우의 커패시터값은 0이다. 즉 스위치와 커패시터가 2개인 경우 총 4가지 경우의 주파수가 결정될 수 있다. 따라서, N개의 스위치와 N개의 커패시터로 공진기가 구성되면 2N개의 서로 다른 공진 주파수가 결정될 수 있다. 예를 들면, 주파수 호핑에 사용되는 주파수가 32인 경우 필요한 커패시터는 5개가 된다.
도 12는 일측에 따른 전자기 간섭 감소를 위한 적응적 주파수 호핑 무선 전력 전송 방법의 흐름도이다.
무선 전력 전송 시스템은 소스에 해당하는 무선 전력 전송 장치와 타겟에 해당하는 무선 전력 수신 장치를 포함한다.
1210단계에서, 소스는 무선 전력 전송에 사용되는 N개의 공진 주파수 각각에 대한 송전 전력과 반사 전력의 양을 비교하여 송전 성능을 측정한다. 송전 성능은 안테나에 입력된 전력과 송전 전력의 비율을 통해 알 수도 있고, 반사 전력의 양이 크기를 통해서도 알 수 있다.
1220단계에서, 소스는 측정된 송전 성능에 기초하여 반사 전력을 감소시키는 매칭 파라미터를 결정한다. 소스는 송전 성능을 높이기 위해 반사 전력을 감소시킬 수 있도록 매칭 파라미터를 결정한다.
1230단계에서, 소스는 매칭 파라미터에 기초하여 현재 무선 전력 전송에 사용되는 공진 주파수를 일정 패턴에 따라 임의로 설정된 시간마다 변경한다. 임의의 설정된 시간은 주기적인 시간이 될 수도 있고, 전자기 간섭이 발생하는 경우 및 전자기 간섭의 크기를 고려하여 호핑되는 간격을 조절하여 설정할 수 있다. 또한, 소스는 N개의 공진 주파수에 대하여 측정된 송전 성능을 비교하여 상기 N개의 공진 주파수 중에서도 상기 송전 성능의 평균값 이상을 가지는 공진 주파수에 대하여 선택 빈도를 높일 수 있다. 또한, 소스는 N개의 공진 주파수 중에서도 송전 성능의 평균값 이상을 가지는 공진 주파수간에만 적응적으로 주파수를 변경함으로써 송전 성능을 높일 수 있다. 또한, 소스는 복수개의 스위치와 복수개의 에너지 저장 컴포넌트가 션트(shunt) 구조로 구성된, meta-structured 공진기에서 생성된 공진 주파수를 호핑시킬 수 있다. 또한, 소스는 일정 패턴에 따라 임의로 설정된 시간마다 공진 주파수가 변경되는 경우, 주기적으로 무선 전력을 수신하는 수신기와 동기 신호를 교환하며 동기를 유지하는 단계를 더 포함할 수 있다.
도 13은 일측에 따른 전자기 간섭 감소를 위한 적응적 주파수 호핑 무선 전력 수신 방법의 흐름도이다.
무선 전력 전송 시스템은 소스에 해당하는 무선 전력 전송 장치와 타겟에 해당하는 무선 전력 수신 장치를 포함한다.
1310단계에서, 타겟은 무선 전력 전송에 사용되는 N개의 공진 주파수 각각에 대한 수신 전력을 측정하고, 송전 전력 대비 전송 효율을 계산한다. 여기서 사용되는 N개의 공진 주파수는 공진 주파수의 대역폭이 결정되면 대역폭 안에서 일정 간격에 따라 결정될 수 있다.
1320단계에서, 타겟은 측정된 N개의 공진 주파수 각각에 대한 수신 전력들 중에서 상기 수신 전력의 변화량이 평균값 보다 큰 경우의 공진 주파수를 제외하는 방식으로 주파수 호핑 패턴을 결정한다. 즉, 타겟은 주변기기에 전자기 간섭이 큰 공진 주파수를 제외하도록 주파수 호핑 패턴을 결정할 수 있다.
1330단계에서, 타겟은 무선 전력을 송전하는 송전기의 임피던스와 정합되도록 내부 임피던스를 매칭시킨다. 타겟은 무선 전력 전송 장치에서 전력이 전송되면 최대 전력을 전송받기 위해 송전기의 임피던스와 매칭이 되도록 무선 전력 수신 장치의 내부 임피던스를 매칭시킨다.
1340단계에서, 타겟은 무선 전력을 송전하는 송전기에서 일정 패턴에 따라 호핑되는 공진 주파수에 기초하여 상기 무선 전력을 수신하는 수신기의 공진 주파수를 매칭시킨다. 즉, 타겟은 무선 전력 전송 장치에서 주파수 호핑을 통해 공진 주파수가 변경이 되면 최대 전력을 전송받기위해 호핑된 공진 주파수와 일치하도록 무선 전력 수신 장치의 주파수를 매칭시킨다. 또한, 타겟은 결정된 주파수 호핑 패턴 정보를 무선 전력을 송전하는 송전기에 전송하는 단계를 더 포함할 수 있다.
종래 주파수 호핑 방식이 적용되는 경우는 동일한 주파수 대역을 사용하는 통신 방식간에 간섭이 발생하는 경우를 극복하기 위한 것이고, 데이터 전송 과정 중에 발생하는 간섭을 극복하기 위한 것이었으나, 일측에 따른 전자기 간섭 감소를 위한 적응적 주파수 호핑 무선 전력 송수신 방법은 무선 전력 전송 장치가 주변기기에 미치는 전자기 간섭의 영향을 감소시키기 위한 것이고, 전력 전송에 사용되는 주파수 호핑이라는 점에서 차이가 있다.
상술한 방법들은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (14)

  1. 무선 전력 전송에 사용되는 N개의 공진 주파수 각각에 대한 송전 전력과 반사 전력의 양을 비교하여 송전 성능을 측정하는 송전 성능 측정부;
    상기 측정된 송전 성능에 기초하여 상기 반사 전력을 감소시키는 매칭 파라미터를 결정하는 매칭 파라미터 결정부; 및
    상기 매칭 파라미터에 기초하여 현재 무선 전력 전송에 사용되는 공진 주파수를 일정 패턴에 따라 임의로 설정된 시간마다 변경하는 공진 주파수 호핑부
    를 포함하는 전자기 간섭 감소를 위한 적응적 주파수 호핑 무선 전력 전송 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 공진 주파수 호핑부는
    상기 N개의 공진 주파수에 대하여 측정된 송전 성능을 비교하여 상기 N개의 공진 주파수 중에서 상기 송전 성능의 평균값 이상을 가지는 공진 주파수의 선택 빈도를 높이는 것을 특징으로 하는 전자기 간섭 감소를 위한 적응적 주파수 호핑 무선 전력 전송 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 공진 주파수 호핑부는
    상기 N개의 공진 주파수에 대하여 측정된 송전 성능을 비교하여 상기 송전 성능의 평균값 이상을 가지는 공진 주파수 간에 호핑시키는 것을 특징으로 하는 전자기 간섭 감소를 위한 적응적 주파수 호핑 무선 전력 전송 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 공진 주파수 호핑부는
    복수개의 스위치와 복수개의 에너지 저장 컴포넌트가 션트(shunt) 구조로 구성된, meta-structured 공진기에서 생성된 공진 주파수를 호핑시키는 것을 특징으로 하는 전자기 간섭 감소를 위한 적응적 주파수 호핑 무선 전력 전송 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 일정 패턴에 따라 임의로 설정된 시간마다 상기 공진 주파수가 변경되는 경우, 주기적으로 상기 무선 전력을 수신하는 수신기와 동기 신호를 교환하며 동기를 유지하는 재동기화부
    를 더 포함하는 전자기 간섭 감소를 위한 적응적 주파수 호핑 무선 전력 전송 장치.
  6. 무선 전력 전송에 사용되는 N개의 공진 주파수 각각에 대한 수신 전력을 측정하고, 송전 전력 대비 전송 효율을 계산하는 전송 효율 측정부;
    상기 측정된 N개의 공진 주파수 각각에 대한 수신 전력들 중에서 상기 수신 전력량이 평균값 보다 작은 경우의 공진 주파수를 제외하는 방식으로 주파수 호핑 패턴을 결정하는 주파수 호핑 패턴 결정부;
    상기 무선 전력을 송전하는 송전기의 임피던스와 정합되도록 내부 임피던스를 매칭시키는 임피던스 매칭부; 및
    상기 무선 전력을 송전하는 송전기에서 일정 패턴에 따라 호핑되는 상기 공진 주파수에 기초하여 상기 무선 전력을 수신하는 수신기의 공진 주파수를 매칭시키는 공진 주파수 매칭부
    를 포함하는 전자기 간섭 감소를 위한 적응적 주파수 호핑 무선 전력 수신 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 결정된 주파수 호핑 패턴 정보를 상기 무선 전력을 송전하는 송전기에 전송하는 통신부
    를 더 포함하는 전자기 간섭 감소를 위한 적응적 주파수 호핑 무선 전력 수신 장치.
  8. 무선 전력 전송에 사용되는 N개의 공진 주파수 각각에 대한 송전 전력과 반사 전력의 양을 비교하여 송전 성능을 측정하는 단계;
    상기 측정된 송전 성능에 기초하여 상기 반사 전력을 감소시키는 매칭 파라미터를 결정하는 단계; 및
    상기 매칭 파라미터에 기초하여 현재 무선 전력 전송에 사용되는 공진 주파수를 일정 패턴에 따라 임의로 설정된 시간마다 변경하는 단계
    를 포함하는 전자기 간섭 감소를 위한 적응적 주파수 호핑 무선 전력 전송 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 공진 주파수를 변경하는 단계는
    상기 N개의 공진 주파수에 대하여 측정된 송전 성능을 비교하여 상기 N개의 공진 주파수 중에서도 상기 송전 성능의 평균값 이상을 가지는 공진 주파수의 호핑 빈도를 높이는 것을 특징으로 하는 전자기 간섭 감소를 위한 적응적 주파수 호핑 무선 전력 전송 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 공진 주파수를 변경하는 단계는
    상기 N개의 공진 주파수에 대하여 측정된 송전 성능을 비교하여 상기 송전 성능의 평균값 이상을 가지는 공진 주파수 간에 호핑시키는 것을 특징으로 하는 전자기 간섭 감소를 위한 적응적 주파수 호핑 무선 전력 전송 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 공진 주파수를 변경하는 단계는
    복수개의 스위치와 복수개의 에너지 저장 컴포넌트가 션트(shunt) 구조로 구성된, meta-structured 공진기에서 생성된 공진 주파수를 호핑시키는 것을 특징으로 하는 전자기 간섭 감소를 위한 적응적 주파수 호핑 무선 전력 전송 방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 일정 패턴에 따라 임의로 설정된 시간마다 상기 공진 주파수가 변경되는 경우, 주기적으로 상기 무선 전력을 수신하는 수신기와 동기 신호를 교환하며 동기를 유지하는 단계
    를 더 포함하는 전자기 간섭 감소를 위한 적응적 주파수 호핑 무선 전력 전송 방법.
  13. 무선 전력 전송에 사용되는 N개의 공진 주파수 각각에 대한 수신 전력을 측정하고, 송전 전력 대비 전송 효율을 계산하는 단계;
    상기 측정된 N개의 공진 주파수 각각에 대한 수신 전력들 중에서 상기 수신 전력량이 평균값 보다 작은 경우의 공진 주파수를 제외하는 방식으로 주파수 호핑 패턴을 결정하는 단계;
    상기 무선 전력을 송전하는 송전기의 임피던스와 정합되도록 내부 임피던스를 매칭시키는 단계; 및
    상기 무선 전력을 송전하는 송전기에서 일정 패턴에 따라 호핑되는 상기 공진 주파수에 기초하여 상기 무선 전력을 수신하는 수신기의 공진 주파수를 매칭시키는 단계
    를 포함하는 전자기 간섭 감소를 위한 적응적 주파수 호핑 무선 전력 수신 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 결정된 주파수 호핑 패턴 정보를 상기 무선 전력을 송전하는 송전기에 전송하는 단계
    를 더 포함하는 전자기 간섭 감소를 위한 적응적 주파수 호핑 무선 전력 수신 방법.
KR1020100055770A 2010-06-14 2010-06-14 무선 전력 전송 시스템에서 전자기 간섭 감소를 위한 적응적 주파수 호핑 장치 및 방법 KR20110136015A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020100055770A KR20110136015A (ko) 2010-06-14 2010-06-14 무선 전력 전송 시스템에서 전자기 간섭 감소를 위한 적응적 주파수 호핑 장치 및 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020100055770A KR20110136015A (ko) 2010-06-14 2010-06-14 무선 전력 전송 시스템에서 전자기 간섭 감소를 위한 적응적 주파수 호핑 장치 및 방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20110136015A true KR20110136015A (ko) 2011-12-21

Family

ID=45502716

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020100055770A KR20110136015A (ko) 2010-06-14 2010-06-14 무선 전력 전송 시스템에서 전자기 간섭 감소를 위한 적응적 주파수 호핑 장치 및 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20110136015A (ko)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014007415A1 (en) * 2012-07-06 2014-01-09 Lg Electronics Inc. Method and apparatus for periodically changing frequency in wireless power transfer
CN105826997A (zh) * 2016-05-20 2016-08-03 西安交通大学 一种用于蓄电池全范围充电的闭环控制方法
JP2019161866A (ja) * 2018-03-13 2019-09-19 株式会社東芝 送電装置および電力伝送システム
CN113472390A (zh) * 2021-07-07 2021-10-01 哈尔滨工程大学 一种基于深度学习的跳频信号参数估计方法

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014007415A1 (en) * 2012-07-06 2014-01-09 Lg Electronics Inc. Method and apparatus for periodically changing frequency in wireless power transfer
US9843226B2 (en) 2012-07-06 2017-12-12 Lg Electronics Inc. Method and apparatus for periodically changing frequency in wireless power transfer
CN105826997A (zh) * 2016-05-20 2016-08-03 西安交通大学 一种用于蓄电池全范围充电的闭环控制方法
CN105826997B (zh) * 2016-05-20 2018-07-17 西安交通大学 一种用于蓄电池全范围充电的闭环控制方法
JP2019161866A (ja) * 2018-03-13 2019-09-19 株式会社東芝 送電装置および電力伝送システム
JP7002372B2 (ja) 2018-03-13 2022-01-20 株式会社東芝 送電装置および電力伝送システム
CN113472390A (zh) * 2021-07-07 2021-10-01 哈尔滨工程大学 一种基于深度学习的跳频信号参数估计方法
CN113472390B (zh) * 2021-07-07 2022-08-02 哈尔滨工程大学 一种基于深度学习的跳频信号参数估计方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101744162B1 (ko) 소스-타겟 구조의 매칭을 제어하는 장치 및 방법
US9543766B2 (en) Wireless power transmission system, and method of controlling transmission and reception of resonance power
AU2011332142B2 (en) Wireless power utilization in a local computing environment
JP6023785B2 (ja) 無線電力送信の制御方法、及び無線電力送信装置
KR101718715B1 (ko) 무선 전력 전송 시스템에서 공진 대역폭의 제어 방법 및 장치
US8633615B2 (en) Wireless power transmission/reception apparatus and method
KR101640772B1 (ko) 무선 전력 수신기의 송전 영역 유도 장치 및 방법
KR101718723B1 (ko) 무선 전력 전송 기능을 구비한 랩탑 컴퓨터 시스템
JP2017163834A (ja) ローカルコンピューティング環境でのワイヤレス電力の利用
KR101851590B1 (ko) 무선 전력 전송 시스템 및 무선 전력 전송 시스템에서 다중 모드 공진기
KR20110135540A (ko) 무선 전력 수신을 위한 수신기 및 그의 무선 전력 수신 방법
KR20120019578A (ko) 다중 대역으로 공진전력을 전송하는 무선전력전송 장치 및 방법
US20120025626A1 (en) Wireless feeding system
KR20110131954A (ko) 무선 전력 전송 장치 및 그 방법
KR20110136015A (ko) 무선 전력 전송 시스템에서 전자기 간섭 감소를 위한 적응적 주파수 호핑 장치 및 방법
KR20120005112A (ko) 무선 전력 전송 시스템에서 이동체를 위한 적응적 무선 전력 전송 장치 및 방법
KR20110134969A (ko) 무선 전력 전송 시스템에서 전자기 간섭 감소를 위한 적응적 전송 전력 조절 장치 및 방법
KR101635972B1 (ko) 무선 전력 전송 장치 및 그 방법, 무선 전력 수신을 위한 모바일 단말기 및 그의 무선 전력 수신 방법
KR20110134971A (ko) 무선 전력 전송 시스템에서 부 송신기를 이용한 송신전력 빔포밍 장치 및 방법
KR101587546B1 (ko) 무선 전력 전송 장치 및 그 방법
US10491027B2 (en) Wireless power transmission
KR20120005113A (ko) 인 밴드 무선 전력 전송 장치 및 방법
KR20110135541A (ko) 무선 전력 수신 방법 및 무선 전력 수신 장치
KR20170054362A (ko) 공진 전력 전송 시스템, 공진 전력 전송 및 수신 제어 방법
WO2021140344A1 (en) Electrical resonators

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right