KR20120116802A

KR20120116802A - 중계기를 이용한 무선 전력 전송 시스템 및 무선 전력 수신기

Info

Publication number: KR20120116802A
Application number: KR1020110034457A
Authority: KR
Inventors: 배수호; 이기민
Original assignee: 엘지이노텍 주식회사
Priority date: 2011-04-13
Filing date: 2011-04-13
Publication date: 2012-10-23
Also published as: WO2012141458A3; US20140035390A1; US9590454B2; WO2012141458A2

Abstract

본 발명은 자기 공진을 이용한 무선 전력 전송에서, 전력 송신기와 전력 수신기 사이가 아닌, 전력 송신기로부터 전력 수신기보다 더 먼 곳에 중계기를 설치하여 무선 전력 전송 효율을 높이는 방법을 제공한다.

Description

중계기를 이용한 무선 전력 전송 시스템 및 무선 전력 수신기{A WIRELESS POWER TRANSMISSION SYSTEM AND A WIRELESS POWER RECEIVER USING A RELAY DEVICE}

본 발명은 중계기를 이용한 무선 전력 전송 기술에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 자기 공진을 이용한 무선 전력 전송에서, 전력 송신기와 전력 수신기 사이가 아닌, 전력 송신기로부터 전력 수신기보다 더 먼 곳에 중계기를 설치하여 무선 전력 전송 효율을 높이는 방법을 제공한다.

무선으로 전기 에너지를 원하는 기기로 전달하는 무선전력전송 기술(wireless power transmission 또는 wireless energy transfer)은 이미 1800년대에 전자기유도 원리를 이용한 전기 모터나 변압기가 사용되기 시작했고, 그 후로는 라디오파나 레이저와 같은 전자파를 방사해서 전기에너지를 전송하는 방법도 시도되었다. 우리가 흔히 사용하는 전동칫솔이나 일부 무선면도기도 실상은 전자기유도 원리로 충전된다. 현재까지 무선 방식에 의한 에너지 전달 방식은 자기 유도, 자기 공진 및 단파장 무선 주파수를 이용한 원거리 송신 기술 등이 있다.

이 중 자기 공진을 이용한 무선 전력 전송에서는 교류 소스로부터 전력을 공급받아 송신 코일에 교류를 발생시키고, 상기 송신 코일에 공진 코일을 커플링시켜서 상기 공진 코일에 의해 전력을 송신하게 된다. 자기 공진에 의한 무선 전력 전송은 전자기 유도 방식보다 멀리까지 전력을 송신할 수 있지만 여전히 그 전송 가능 거리가 짧아서 많은 개선이 필요하다.

본 발명은 자기 공진에 의한 무선 전력 전송의 전송 효율을 높이는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템은, 제1 LC 회로를 포함하고, 자기 공진에 의해 무선으로 전력을 송신하는 전력 송신기; 상기 제1 LC 회로와 공진하는 제2 LC 회로를 포함하는 적어도 하나의 중계기; 및 상기 전력 송신기와 상기 중계기 사이에 배치되어 상기 제1 LC 및 상기 제2 LC 회로와 자기 공진하는 제3 LC 회로를 포함하고, 상기 전력 송신기 및 상기 중계기로부터 전력을 수신하는 전력 수신기로 구성된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 수신기는, 제1 LC 회로를 포함하고, 자기 공진에 의해 무선으로 전력을 송신하는 전력 송신기와, 상기 제1 LC 회로와 공진하는 제2 LC 회로를 포함하는 적어도 하나의 중계기 사이에 배치되고, 상기 제1 LC 및 상기 제2 LC 회로와 자기 공진하는 제3 LC 회로를 포함하고, 상기 전력 송신기 및 상기 적어도 하나의 중계기로부터 무선으로 전력을 수신한다.

본 발명에 따르면 자기 공진에 의한 무선 전력 전송의 전송 효율을 높일 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면 방이나 사무실과 같은 실내 공간에 전력 송신기와 중계기를 설치하여, 전력 수신기를 휴대폰 등의 모바일 장치에 장착한 경우 상기 실내 공간 내에 배치된 모바일 장치가 자동으로 충전되도록 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 구성을 나타낸다.
도 2의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 송신기(10)의 구성을 나타내고, (b)는 그 등가회로를 나타낸다.
도 3의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 중계기(20)의 구성을 나타내고, (b)는 그 등가회로를 나타낸다.
도 4의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 수신기(30)의 구성을 나타내고, (b)는 그 등가회로를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 LC 회로의 일 예로써, 솔레노이드 타입 코일을 나타내고, 도 6은 스파이럴 타입 코일을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 송신기(10), 전력 수신기(30) 및 중계기(20)를 한 공간에 배치한 구성을 나타낸다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 송신기(10), 전력 수신기(30) 및 중계기(20)를 한 공간에 배치한 구성을 나타낸다.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 보다 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 구성을 나타낸다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템은, 제1 LC 회로를 포함하고, 자기 공진에 의해 무선으로 전력을 송신하는 전력 송신기(10), 상기 제1 LC 회로와 공진하는 제2 LC 회로를 포함하는 중계기(20) 및 상기 전력 송신기(10)와 상기 중계기(20) 사이에 배치되어 상기 제1 LC 및 상기 제2 LC 회로와 자기 공진하는 제3 LC 회로를 포함하고, 상기 전력 송신기 및 상기 중계기로부터 전력을 수신하는 전력 수신기(30)로 구성된다.

전력 송신기(10)는 후술하는 바와 같이, 교류 전력을 제공하는 전력 소스, 송신 코일 및 송신용 공진 코일을 포함하며, 전력 소스에 의해 생성된 전력을 무선으로 방사한다. 상기 송신 코일 및 송신용 공진 코일은 상기 제1 LC 회로에 해당한다.

중계기(20)는 후술하는 바와 같이, 소정 주파수에서 상기 전력 송신기(10)의 제1 LC 회로와 공진을 이루는 제2 LC 회로를 포함하며, 상기 전력 송신기(10)로부터 전력을 수신하는 동시에 전력을 전송하는 역할도 한다.

전력 수신기(30)는 후술하는 바와 같이, 수신용 공진 코일과 수신 코일 및 정류 회로를 포함하며, 상기 전력 송신기(10) 및 중계기(20)로부터 전력을 수신하고, 수신한 전력을 정류하여 부하에 공급한다. 상기 수신용 공진 코일과 수신 코일은 상기 제3 LC 회로에 해당한다.

종래의 자기 공진에 의한 무선 전력 전송 기술에서는 중계기(20) 없이 전력 송신기(10)에서 직접 전력 수신기(30)로 전력을 전송하는 방식을 취하였으나, 실험결과 이들 사이에 또 다른 공진 회로를 포함하는 중계기를 삽입하면 무선 전력 전송 거리를 더 확장시킬 수 있는 것이 밝혀졌다. 그러나, 본 발명에서와 같이 중계기는 전력 송신기(10)와 전력 수신기(30) 사이가 아니라, 전력 송신기(10)로부터 전력 수신기(30)보다 더 멀리 위치해도 전력 전송 효율을 높여서 전송 거리를 넓힐 수 있는 것으로 실험 결과 밝혀졌다.

전력 송신기(10)에 포함된 제1 LC 회로는 전력 방사하지만, 특정 방향성을 갖지 않는다. 단지 소정 주파수에서 공진을 이루는 회로로 더 많은 전력이 전송되는것 뿐이다. 따라서, 전력 수신기(30)에서 수신하는 전력은 전력 송신기(10)에서 방사된 전력의 일부일 뿐이며, 다른 공간으로 방사되어 손실되는 전력이 많게 된다. 본 발명에 따라 중계기(20)는 이와 같이 다른 방향으로 방사되어 손실되는 전력을 수신하여 다시 전송해주는 역할을 한다. 재전송된 전력 중 일부가 전력 수신기(30)에 의해 수신됨으로써 전력 전송 효율을 높일 수 있는 것이다.

도 2의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 송신기(10)의 구성을 나타내고, (b)는 그 등가회로를 나타낸다.

전력 송신기(10)는 전력 소스(11), 송신 코일(12) 및 송신용 공진 코일(13)을 포함한다.

전력 소스(11)는 소정 주파수의 교류 전력을 제공하는 교류 전력 소스이다.

송신 코일(12)은 전력 소스(10)와 연결되며, 교류 전류가 흐르게 된다. 송신 코일(12)에 교류 전류가 흐르면, 전자기 유도에 의해 물리적으로 이격되어 있는 송신용 공진 코일(13)에도 교류 전류가 유도된다. 송신용 공진 코일(13)로 전달된 전력은 자기 공진에 의해 송신기(20)와 공진 회로를 이루는 수신기(30)로 전달된다.

자기 공진에 의한 전력 전송은 임피던스가 매칭된 2개의 LC 회로간에 전력이 전송되는 현상으로써, 전자기 유도에 의한 전력 전송보다 먼 거리까지 높은 효율로 전력을 전달할 수 있다.

도 2의 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른, 전력 송신기(10)의 등가회로이다. 송신 코일(12)과 송신용 공진 코일(13)은 각각 소정 인덕턴스 값과 캐패시턴스 값을 갖는 인덕터(L1,L2)와 캐패시터(C1,C2)로 구성될 수 있다.

도 3의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 중계기(20)의 구성을 나타내고, (b)는 그 등가회로를 나타낸다. 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 중계기(20)는 소정 LC값을 갖는 코일로 구성될 수 있으며, 그 등가회로는 (b)에 도시된 바와 같다.

도 4의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 수신기(30)의 구성을 나타내고, (b)는 그 등가회로를 나타낸다.

전력 수신기(30)는 수신용 공진 코일(31)과 수신 코일(32)로 구성된다. 송신용 공진 코일(13)에 의해 송신된 전력은 수신용 공진 코일(31)에 의해 수신되어 수신용 공진 코일(31)에 교류 전류가 흐르게 된다. 수신용 공진 코일(31)로 전달된 전력은 전자기 유도에 의해 수신 코일(32)로 전달된다. 수신코일(32)로 전달된 전력은 정류 회로(33)를 통해 정류되어 부하(34)로 전달된다.

도 4의 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른, 수신용 공진 코일(31), 수신 코일(32), 평활 회로(33) 및 부하(34)의 등가회로를 나타낸다.

도 4에 도시된 바와 같이 수신용 공진 코일(31)과 수신 코일(32)은 각각 소정 인덕턴스 값과 캐패시턴스 값을 갖는 인덕터(L4,L5)와 캐패시터(C4,C5)로 구성될 수 있다. 평활 회로(33)는 다이오드(D1)와 평활 캐패시터(C6)로 구성될 수 있으며, 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 출력한다. 부하(34)는 1.3V의 직류 전원으로 표시되어 있으나, 직류 전력을 필요로 하는 임의의 충전지 또는 장치일 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 LC 회로의 일 예로써, 솔레노이드 타입 코일을 나타내고, 도 6은 스파이럴 타입 코일을 나타낸다. 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 솔레노이드 타입 코일은 코어(41) 상에 보빈(42)을 장착하고, 보빈(42)의 길이 방향으로 와이어(43)를 권선하여 형성된다. 스파이럴 타입 코일은 코어(51)를 중심으로 안에서 밖으로 와이어를 권선하여 형성된다.

도 5 및 도 6에 도시된 코일들을 각각 전력 송신기(10)의 송신 코일(12), 송신용 공진 코일(13), 중계기(20), 전력 수신기(30)의 수신용 공진 코일(31), 수신 코일(32)로 사용될 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 송신기(10), 전력 수신기(30) 및 중계기(20)를 한 공간에 배치한 구성을 나타낸다.

도 7에 도시된 바와 같이, 전력 송신기(10)를 한 공간, 예컨대 방이나 사무실의 벽에 고정 배치할 수 있다. 또한, 중계기(20)는 전력 송신기(10)와 마주보는 벽 또는 다른 벽에 고정 배치할 수 있다. 전력 수신기(30)는 휴대폰, 노트북, MP3 플레이어와 같은 모바일 장치에 내장될 수 있다. 전력 수신기(30)가 내장된 모바일 장치가 상기 공간 내에서 있는 중에는 사용자가 아무런 동작을 하지 않아도 충전이 이루어질 수 있다. 또한, 전력 수신기(30)는 TV, 오디오 장치, 데스크탑 컴퓨터 등 비모바일 전자 장치에도 탑재될 수도 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, 전력 수신기(30)는 전력 송신기(10)와 중계기(20) 사이의 공간에 존재하며, 전력 송신기(10)와 중계기(20)로부터 동시에 전력을 공급받게 된다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 송신기(10), 전력 수신기(30) 및 중계기(20)를 한 공간에 배치한 구성을 나타낸다.

도 8에 도시된 바와 같이, 중계기(20a,20b)를 한 공간에 복수개 배치할 수도 있으며, 이 경우 전력 수신기(30)는 전력 송신기(10) 및 복수의 중계기들(20a,20b)로부터 동시에 전력을 수신하게 된다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10 : 전력 송신기 20 : 중계기
30 : 전력 수신기 11 : 전력 소스
12 : 송신 코일 13 : 송신용 공진 코일
31 : 수신용 공진 코일 32 : 수신 코일
33 : 정류 회로 34 : 부하
40 : 솔레노이드 타입 코일 41 : 보빈
42 : 와이어 43 : 코어
50 : 스파이럴 타입 코일 51 : 코어
52 : 와이어

Claims

제1 LC 회로를 포함하고, 자기 공진에 의해 무선으로 전력을 송신하는 전력 송신기;
상기 제1 LC 회로와 공진하는 제2 LC 회로를 포함하는 적어도 하나의 중계기; 및
상기 전력 송신기와 상기 중계기 사이에 배치되어 상기 제1 LC 및 상기 제2 LC 회로와 자기 공진하는 제3 LC 회로를 포함하고, 상기 전력 송신기 및 상기 중계기로부터 전력을 수신하는 전력 수신기로 구성된 무선 전력 전송 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제1 LC 회로, 제2 LC 회로 및 제3 LC 회로는 적어도 하나의 솔레노이드 타입 코일을 포함하는 무선 전력 전송 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제1 LC 회로, 제2 LC 회로 및 제3 LC 회로는 적어도 하나의 스파이럴 타입 코일을 포함하는 무선 전력 전송 시스템.
제1항에 있어서,
상기 전력 송신기 및 중계기는 한 위치에 고정되고, 상기 전력 수신기는 이동 가능한 무선 전력 전송 시스템.
제1 LC 회로를 포함하고, 자기 공진에 의해 무선으로 전력을 송신하는 전력 송신기와, 상기 제1 LC 회로와 공진하는 제2 LC 회로를 포함하는 적어도 하나의 중계기 사이에 배치되고,
상기 제1 LC 및 상기 제2 LC 회로와 자기 공진하는 제3 LC 회로를 포함하고, 상기 전력 송신기 및 상기 적어도 하나의 중계기로부터 무선으로 전력을 수신하는 무선 전력 수신기.
제5항에 있어서,
상기 제1 LC 회로, 제2 LC 회로 및 제3 LC 회로는 적어도 하나의 솔레노이드 타입 코일을 포함하는 무선 전력 수신기.
제5항에 있어서,
상기 제1 LC 회로, 제2 LC 회로 및 제3 LC 회로는 적어도 하나의 스파이럴 타입 코일을 포함하는 무선 전력 수신기.
제5항에 있어서,
상기 전력 송신기 및 중계기는 한 위치에 고정되고, 상기 전력 수신기는 이동 가능한 무선 전력 수신기.