KR20130023955A - 주파수 스플리팅 특성을 이용한 무선전력 전송시스템 및 그 방법 - Google Patents

주파수 스플리팅 특성을 이용한 무선전력 전송시스템 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

주파수 스플리팅 특성을 이용한 무선전력 전송시스템 및 그 방법이 개시된다. 상기 주파수 스플리팅 특성을 이용한 무선전력 전송시스템은 소정의 주파수를 사용하여 수신시스템으로 무선전력 전송을 수행하기 위한 송신 장치 및 상기 송신장치가 사용하는 주파수를 제어할 수 있는 컨트롤러를 포함하며, 상기 컨트롤러는 주파수 스플리팅(splitting)이 발생하는 경우, 고유 공진 주파수에 기초하여 계산되는 스플리팅 주파수를 이용하여 상기 송신장치가 사용할 주파수를 트래킹(tracking) 하고, 트래킹 결과 결정된 결정 주파수로 전력을 전송하도록 상기 송신장치를 제어할 수 있다.

Description

주파수 스플리팅 특성을 이용한 무선전력 전송시스템 및 그 방법{Wireless power transmitting system using frequency splitting and method thereof}
본 발명은 주파수 스플리팅 특성을 이용한 무선전력 전송시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자기 공명식 전력전송에서 송신시스템과 수신시스템의 거리가 가까울 때 공진 주파수에서의 전송효율이 떨어지고 다른 주파수에서 최대 효율이 나타나게 되는 주파수 스플리팅(frequency splitting) 현상이 발생하게 되는데, 이러한 주파수 스플리팅 현상에서도 높은 전송효율을 갖는 주파수를 트래킹(tracking)하여 뛰어난 전송효율을 가질 수 있는 무선전력 전송시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
현대 사회에서는 많은 분야에서 무선 통신이 이용되고 있다. 하지만 전자기기의 전력공급은 여전히 전원선을 이용한 유선전력 전송이 주로 이용되고 있다.
예컨대, 벽걸이 TV를 벽에 부착하고자 하는 경우, 미관상 전원선을 벽 내로 매설하는 것이 바람직하지만 건물 자체에 변형을 가져올 수 있고, 공사 비용이 많이 드는 문제점이 있다. 또한 다양한 기기들은(예컨대, 전기밥솥, 전자레인지, 전기오븐, 커피포트 등) 해당 기기를 동작시키는 경우에만 전원선을 연결하는 것이 안전하지만, 기기 동작 때마다 전원장치(예컨대, 멀티탭(multi-tap) 등)을 끄고 키거나 콘센트에서 전원선을 꽂았다 뽑았다를 반복해야 하는 불편함이 있었다. 또한, 이러한 불편함으로 인해 계속 상기 기기들을 전원과 연결하고 있는 경우 대기 전력 소비 문제가 발생한다.
또한, 고급 멀티미디어 환경을 구축하기 위해 벽걸이 TV뿐만 아니라 5.1 채널 스피커 등을 설치하는 경우 또는 컴퓨터와 수많은 주변기기의 동작을 위해서 수많은 전원선을 멀티탭에 연결해야 하는 경우가 많고, 다수의 멀티탭을 사용할 때 과전류로 인한 화재 위험성도 존재한다. 따라서, 갈수록 무선전력 전송기술의 중요성이 커지고 있다.
무선전력 전송방식에는 자기유도식 전력전송과 자기공명식 전력전송 방법이 있다. 자기유도식 전력 전송방식은 전송효율은 높으나 접촉에 가까운 충전거리로 인하여 거리에 따라 효율이 급격하게 감소하는 문제점이 있다.
자기 공명식 전력전송 방식은 상대적으로 먼 거리(예컨대, 수 미터)에서 사용하기 위해 주로 사용되는 방식이며 가까운 거리에 대해서는 아직 구체적인 연구가 진행되지 않고 있다.
하지만, 상대적으로 먼 거리에서의 전력전송도 중요하지만 필요에 따라 동일한 시스템을 이용하여 가까운 거리에서도 전력전송을 해야 할 필요가 있을 수 있다. 자기유도식 전력전송 방식은 먼 거리에서 효율이 좋지 않기 때문에 거리와 무관하게 전력전송을 수행하기 위해서는 자기공명식 전력전송 방식을 사용해야 할 수 있다.
자기공명식 전력전송 방식은 가까운 거리에서는 오히려 효율이 떨어지는 주파수 스플리팅(Frequency splitting) 현상을 볼 수 있다. 이는 물리적으로 피할 수 없는 특성으로, 현재까지의 연구에서는 이 문제에 직면하지 않기 위해 먼 거리에서 성능을 검증하고 있다.
따라서 자기공명식 전력전송 방식에서 가까운 거리에서 발생하는 주파수 스플리팅으로 인해 전송효율이 떨어져도 전송효율을 일정수준 이상 보장해줄 수 있는 시스템 및 방법이 요구된다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적인 과제는 자기공명식 전력전송을 하면, 가까운 거리에서는 오히려 고유 공진 주파수에서 전송효율이 저하되고 최대 효율이 나타나는 주파수가 고유 공진 주파수를 중심으로 양쪽으로 벌어지는 주파수 스플리팅 현상이 일어나게 되는데, 이러한 주파수 스플리팅으로 인한 전송효율 저하를 보상해줄 수 있는 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 주파수 스플리팅 특성을 이용한 무선전력 전송시스템은 소정의 주파수를 사용하여 수신시스템으로 무선전력 전송을 수행하기 위한 송신 장치 및 상기 송신장치가 사용하는 주파수를 제어할 수 있는 컨트롤러를 포함하며, 상기 컨트롤러는 주파수 스플리팅(splitting)이 발생하는 경우, 고유 공진 주파수에 기초하여 계산되는 스플리팅 주파수를 이용하여 상기 송신장치가 사용할 주파수를 트래킹(tracking) 하고, 트래킹 결과 결정된 결정 주파수로 전력을 전송하도록 상기 송신장치를 제어할 수 있다.
상기 컨트롤러는 고유 공진 주파수로 전력을 전송하도록 상기 송신장치를 제어하다가, 주파수 스플리팅이 발생하면 상기 결정 주파수로 전력을 전송하도록 상기 송신장치를 제어할 수 있다.
상기 컨트롤러는 상기 수신시스템으로부터 커플링 계수(coupling coefficient)에 대한 정보를 수신하고, 수신된 정보 및 상기 고유 공진 주파수에 기초하여 상기 스플리팅 주파수를 계산할 수 있다.
상기 컨트롤러는 상기 계산된 상기 스플리팅 주파수를 이용하여 상기 수신시스템으로 전력을 전송하도록 상기 송신장치를 제어하고, 소정의 제1단위만큼 주파수를 변경하면서 변경 전의 주파수와 변경 후의 주파수 중 전송효율이 더 좋은 주파수를 선택하는 과정을 적어도 한 번 수행할 수 있다.
상기 컨트롤러는 상기 수신시스템으로부터 수신되는 소정의 제어정보에 기초하여 상기 변경 전의 주파수와 상기 변경 후의 주파수 중 전송효율이 더 좋은 주파수를 선택할 수 있다.
상기 컨트롤러는 상기 제1단위를 이용하여 트래킹 하는 중에 전송효율이 최대인 주파수가 결정되면, 상기 제1단위보다 작은 값을 갖는 제2단위만큼 주파수를 변경하여 상기 결정 주파수를 트래킹 하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 주파수 스플리팅 특성을 이용한 무선전력 전송시스템은 소정의 주파수를 사용하여 수신시스템으로 무선전력 전송을 수행하기 위한 송신 장치 및 상기 송신장치가 사용하는 주파수를 제어할 수 있는 컨트롤러를 포함하며,
상기 컨트롤러는 주파수 스플리팅이 발생하는지 여부에 따라 고유 공진 주파수, 상기 고유 공진 주파수에 기초하여 계산되는 스플리팅 주파수, 또는 상기 스플리팅 주파수에 기초하여 수행되는 주파수 트래킹 결과로 결정되는 결정 주파수 중 어느 하나로 전력을 전송하도록 상기 송신장치를 제어할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 주파수 스플리팅 특성을 이용한 무선전력 전송시스템은 소정의 주파수를 이용하여 전송되는 전력을 송신시스템으로부터 수신하기 위한 수신장치 및 상기 수신장치에 의해 수신된 전력의 전력크기를 확인하고, 확인된 전력크기에 기초하여 소정의 제어정보를 상기 송신시스템으로 전송하기 위한 컨트롤러를 포함하며, 상기 컨트롤러는 상기 송신시스템이 주파수를 변경하면서 전력을 전송하면, 변경 전의 주파수에 따른 전력의 크기와 변경 후의 주파수에 따른 전력의 크기를 비교하여 상기 송신시스템으로 출력할 제어정보를 결정할 수 있다.
상기 컨트롤러는 상기 수신장치의 임피던스를 선택적으로 변경하면서 상기 송신시스템으로 전송할 제어정보를 전송할 수 있다.
상기 컨트롤러는 상기 수신장치와 소정의 추가저항을 선택적으로 연결하기 위한 스위치를 제어하여 상기 수신장치의 임피던스를 선택적으로 변경할 수 있다.
상기 컨트롤러는 상기 송신시스템으로부터 고유 공진 주파수를 이용한 전력이 전송되면, 전송된 전력의 크기에 기초하여 커플링 계수를 산출하고, 산출된 커플링 계수에 대한 정보를 상기 송신시스템으로 전송할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 주파수 스플리팅 특성을 이용한 무선전력 전송방법은 송신시스템이 고유 공진 주파수를 이용하여 수신시스템으로 전력을 전송하는 단계, 상기 송신시스템이 상기 수신시스템으로부터 수신되는 커플링 계수에 대한 정보에 기초하여 스플리팅 주파수를 계산하고, 계산된 스플리팅 주파수를 이용하여 상기 수신시스템으로 전력을 전송하는 단계, 및 전송에 응답하여 상기 수신시스템으로부터 전송되는 제어정보에 기초하여 상기 송신시스템이 이용할 결정 주파수를 트래킹 하는 단계를 포함한다.
상기 수신시스템으로부터 전송되는 제어정보에 기초하여 상기 송신시스템이 이용할 결정 주파수를 트래킹 하는 단계는, 소정의 제1단위만큼 주파수를 변경하면서 변경 전의 주파수와 변경 후의 주파수 중 전송효율이 더 좋은 주파수를 선택하는 과정을 적어도 한 번 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 수신시스템으로부터 전송되는 제어정보에 기초하여 상기 송신시스템이 이용할 결정 주파수를 트래킹 하는 단계는 상기 제1단위를 이용하여 트래킹 하는 중에 전송효율이 최대인 주파수가 결정되면, 상기 제1단위보다 작은 값을 갖는 제2단위만큼 주파수를 변경하여 상기 결정 주파수를 트래킹 하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 주파수 스플리팅 특성을 이용한 무선전력 전송방법은 송신시스템이 주파수 스플리팅이 발생하였는지 여부를 판단하는 단계, 판단결과에 따라 상기 송신시스템이 스플리팅 주파수를 계산하는 단계, 계산된 상기 스플리팅 주파수에 기초하여 주파수 트래킹을 수행하여 결정 주파수를 확인하는 단계, 및 상기 송신시스템이 계산된 상기 스플리팅 주파수 또는 확인된 결정 주파수 중 어느 하나를 이용하여 수신시스템으로 전력을 전송하는 단계를 포함한다.
따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 주파수 스플리팅 특성을 이용한 무선전력 전송시스템 및 그 방법에 의하면, 주파수 스플리팅이 발생해도 전송효율이 뛰어난 주파수를 트래킹하여, 트래킹된 주파수를 이용하여 전력을 전송하므로 일정 수준이상의 전송효율을 보장할 수 있는 효과가 있다.
또한, 송신시스템과 수신시스템 간의 거리가 상대적으로 멀든지 또는 주파수 스플리팅이 발생할 정도의 가까운 거리인지 여부에 관계없이 동일한 시스템을 이용하여 무선전력 전송을 일정 수준 이상의 효율로 수행할 수 있는 효과가 있다.
또한, 주파수 트래킹을 위해 송신시스템과 수신시스템 간에 소정의 정보를 전송할 때, 임피던스 미스매치(impedance mismatch)를 이용할 수 있어서 상대적으로 저렴한 비용으로 주파수 트래킹을 수행할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1은 종래의 무선전력 전송시스템의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 자기공명식 무선전력 전송에서 거리가 가까운 경우의 주파수 스플리팅 현상을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따라 무선전력 전송시스템의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 수신시스템에 포함된 수신장치의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 무선전력 전송방법에 따라 송신시스템이 주파수를 트래킹하는 과정을 설명하기 위한 개략적인 플로우 챠트이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 무선전력 전송방법에 따라 주파수 트래킹을 하기 위한 수신시스템의 동작을 설명하기 위한 개략적인 플로우 챠트이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 무선전력 전송방법에서 주파수 스플리팅이 발생하는 경우의 전송효율을 주파수 및 커플링 계수와 연관하여 시뮬레이션한 결과를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 무선전력 전송방법을 적용했을 때의 성능을 시뮬레이션 한 결과를 나타내는 도면이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
또한, 본 명세서에 있어서는 어느 하나의 구성요소가 다른 구성요소로 데이터를 '전송'하는 경우에는 상기 구성요소는 상기 다른 구성요소로 직접 상기 데이터를 전송할 수도 있고, 적어도 하나의 또 다른 구성요소를 통하여 상기 데이터를 상기 다른 구성요소로 전송할 수도 있는 것을 의미한다.
반대로 어느 하나의 구성요소가 다른 구성요소로 데이터를 '직접 전송'하는 경우에는 상기 구성요소에서 다른 구성요소를 통하지 않고 상기 다른 구성요소로 상기 데이터가 전송되는 것을 의미한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 종래의 무선전력 전송시스템의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
종래의 무선전력 전송시스템은 도 1에 도시된 바와 같이 송신장치(10) 및 수신장치(20)를 포함할 수 있다.
상기 송신장치(10)는 송신 공진 코일부(11) 및 송신 코일부(12)를 포함할 수 있고, 상기 수신장치(20)는 수신 코일부(21) 및 수신 공진 코일부(22)를 포함할 수 있다.
이러한 무선전력 전송시스템은 널리 공지되어 있으므로 간략히만 설명하면, 송신 공진 코일부(11)는 소정의 교류 전력을 이용해 상기 송신 공진 코일(L1)에 전류를 인가하면, 인가된 전류로 인해 상기 송신 코일부(12)의 송신 코일(L2)에 전류가 유도되며, 그로 인해 자기장이 발생할 수 있다. 그러면, 수신장치의 수신 코일부(21)의 수신코일(L3) 및 수신 공진 코일부(22)의 수신 공진 코일(L4)에 순차적으로 전류가 유도되고, 결과적으로 로드저항(RL)에서 소정의 전력을 소모하게 된다.
도 1에서는 전력전송에 관계되는 상기 송신장치(10) 및 상기 수신장치(20)의 구성 즉, 저항(Rt, RL, r1, r2, r3, r4), 코일(L1, L2, L3, L4), 캐패시터(C1, C2, C3, C4), 및 전원만을 개략적으로 도시하였지만, 상기 송신장치(10) 및 수신장치(20)는 도 1에 도시된 구성 외에도, 상기 송신장치(10) 및 상기 수신장치(20)의 종류 및 기능에 따라 소정의 안테나부, 메모리부, 전력을 충전하여 저장하기 위한 충전부, 자기장 통신을 통해 데이터를 수신하고 수신된 데이터에 응답하여 메보리부에 저장된 정보를 전송하는 등의 전반적인 제어를 위한 컨트롤러 부 등이 더 구비될 수 있음을 본 발명의 기술분야의 평균적 전문가는 용이하게 추론할 수 있을 것이다.
한편, 상기 송신장치(10)가 사용하는 주파수에 따라 무선전력의 전송효율이 달라지게되며, 최대의 효율로 전력전송을 가능하게 하는 주파수는 공진 주파수이다. 공진 주파수는 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00001
Figure pat00002
여기서,
Figure pat00003
는 각각 상기 송신장치(10)와 수신장치(20)의 공진 주파수를 나타내며,
Figure pat00004
와
Figure pat00005
는 각각 송신장치(10)의 등가적인 인덕턴스(inductance)와 캐패시턴스(capacitance)이고,
Figure pat00006
와
Figure pat00007
은 각각 수신장치(20)의 등가적인 인덕턴스와 캐패시턴스를 나타낸다.
만약, 송신장치(10)와 수신장치(20)의 인덕턴스 및 캐패시턴스의 값이 같고, 따라서 고유 공진 주파수를 이용하여 전력전송을 하는 경우 송신장치(10)에서 소모되는 전력도 최소화할 수 있고, 동시에 수신장치(20)에서 소모되는 전력도 최소화할 수 있어 전송효율이 가장 좋게 된다.
상기 송신장치(10)와 상기 수신장치(20)의 거리가 상대적으로 먼 경우에는 뮤츄얼 인덕턴스(mutual inductance)의 값이 충분히 작아서 각각의 인덕턴스(
Figure pat00008
및
Figure pat00009
)에 거의 영향을 미치지 않지만, 거리가 가까워지는 경우에는 상기 송신장치(10)와 상기 수신장치(20)에 각각 포함된 코일 간의 뮤츄얼 인덕턴스로 인해 각각의 인덕턴스(
Figure pat00010
및
Figure pat00011
) 값이 변하게 된다. 이러한 이유로 전달되는 전력의 주파수 특성이 변경된다. 변경되는 주파수 특성은 도 2를 참조하여 설명하도록 한다.
도 2는 자기공명식 무선전력 전송에서 거리가 가까운 경우의 주파수 스플리팅 현상을 설명하기 위한 도면이다.
도 2에서 중앙의 실선은 커플링 계수(coupling coefficient, k)가 0.1인 경우, 즉 상대적으로 거리가 먼 경우의 주파수 및 이때의 전송효율(S21, 입력 전압 대비 출력 전압의 비)을 나타낸다. 또한, 다른 실선은 커플링 계수(coupling coefficient, k)가 0.01인 경우, 즉 상대적으로 두 장치(10, 20)의 거리가 일정 거리 이내로 가까운 경우의 주파수 및 이때의 전송효율을 나타낸다.
도 2를 참조하면, 상기 송신장치(10)와 상기 수신장치(20)의 거리가 상대적으로 먼 경우(k=0.1)에는 공진 주파수에서 전송효율이 가장 좋은 피크가 나타나게 된다.
하지만, 거리가 일정 거리 이내로 가까워져서 송신장치(10)와 수신장치(20) 각각에 포함된 코일에 영향을 주는 경우(k=0.01)에는 전송효율이 가장 좋은 피크가 상기 고유 공진 주파수를 기준으로 양쪽에 각각 하나씩 나타나게 된다. 이러한 현상을 주파수 스플리팅(frequency splitting)이라 한다.
결국, 이러한 주파수 스플리팅으로 인해 자기 공명식 무선전력 전송에서는 가까운 거리에서 고유 공진 주파수를 이용하게 되면 오히려 전송효율이 급격히 저하되게 되는 문제점이 있었다. 그리고 이로 인해 자기 공명식 무선전력 전송은 주로 상기의 주파수 스플리팅이 일어나지 않을 정도로 거리가 먼 상황에서만 주로 사용되어 왔다.
본 발명에서는 이러한 주파수 스플리팅이 발생하는 환경에서도 전송효율을 어느정도 보장할 수 있는 기술적 사상을 제공할 수 있다.
수학적으로 주파수 스플리팅이 발생한 두 개의 피크 각각의 주파수(이하, '스플리팅 주파수')를 구하면 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00012
여기서
Figure pat00013
는 회로의 고유 공진 주파수이며
Figure pat00014
는 저항 때문에 생기는 회로 고유의 디케이 레이트(decay rate)를 나타낸다. 또한,
Figure pat00015
는 커플링 계수이며 두 코일간에 얼마나 영향을 주는지에 대한 팩터(factor)로 사용된다. 이때 커플링 계수는 다음과 같은 수학식 3을 만족하게 된다.
Figure pat00016
따라서, 스플리팅 주파수 중 낮은 주파수와 높은 주파수는 각각 수학식 4와 5로 표현될 수 있다.
Figure pat00017
Figure pat00018
따라서, 본 발명의 기술적 사상에 의한 무선전력 전송시스템은 이러한 주파수 스플리팅이 발생하면, 새롭게 전력전송에 이용할 주파수(이하, '결정 주파수')를 트래킹(tracking)하여, 트래킹 결과에 따른 결정 주파수를 이용하여 전력을 전송함으로써 주파수 스플리팅이 발생하여도 일정 수준 이상의 전송효율을 보장하게 된다. 주파수를 트래킹한다고 함은 전송효율이 보다 좋은 주파수를 검색해나가는 일련의 과정을 의미할 수 있다.
상기 결정 주파수는 상술한 2 개의 스플리팅 주파수 중 어느 하나일 수 있다. 즉, 상기 무선전력 전송시스템은 수학식 4 및 5에 의해 계산될 수 있는 스플리팅 주파수 중 어느 하나를 바로 결정 주파수로 결정하여, 결정된 결정 주파수를 이용하여 전력전송을 수행할 수 있다.
하지만, 이론적으로는 상기 스플리팅 주파수에서 가장 전송효율이 좋을 수 있지만, 주위환경이나 기타 이유로 상기 스플리팅 주파수에서 전송효율이 최대가 되지 않을 수도 있다. 예컨대, 상기 커플링 계수(k)의 값이 부정확할 수도 있으며, 다양한 이유가 존재할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 무선전력 전송시스템은 스플리팅 주파수에 기초하여 전송효율이 보다 좋은 주파수를 트래킹 함으로써 상기 결정 주파수를 결정할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이 상기 무선전력 전송시스템은 2 개의 스플리팅 주파수들 중 어느 하나를 이용하여 주파수 트래킹을 할 수 있다. 일반적으로는 2 개의 스플리팅 주파수들 중 낮은 주파수에서 전송효율이 더 좋을 수 있으며, 상기 무선전력 전송시스템은 낮은 주파수를 기준으로 주파수 트래킹을 수행할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 의하면 주파수 트래킹을 위해 그래디언트 알고리즘(gradient algorithm)을 사용할 수 있다. 이러한 그래디언트 알고리즘의 일 예는 후술하도록 한다.
따라서, 본 발명의 기술적 사상에 의한 무선전력 전송시스템은 주파수 스플리팅이 발생하는 경우, 스플리팅 주파수를 기준으로 주파수 트래킹을 수행하여 새로운 주파수로 전력전송을 수행함으로써 전송효율의 저하를 보상할 수 있는 효과가 있다.
물론, 본 발명의 기술적 사상에 의한 무선전력 전송시스템은 주파수 스플리팅이 발생하지 않는 환경에서는 고유 공진 주파수를 이용하여 전력을 전송할 수 있다.
이러한 기술적 사상을 위한 본 발명의 실시 예에 따른 무선전력 전송시스템의 개략적인 구성은 도 3 및 도 4에 도시된다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따라 무선전력 전송시스템의 개략적인 구성을 나타내는 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 수신시스템에 포함된 수신장치의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 무선전력 전송시스템(1)은 송신시스템(100) 및 수신시스템(200)을 포함할 수 있다.
상기 송신시스템(100)은 송신 컨트롤러(110) 및 송신장치(120)를 포함할 수 있다.
상기 송신장치(120)는 도 1에 도시된 종래의 송신장치(10)와 동일하거나 유사한 구성을 포함하여 구현될 수 있다. 상기 송신 컨트롤러(110)는 상기 송신장치(120)가 전력을 전송할 때 이용하는 주파수를 제어할 수 있다. 또한, 상기 송신 컨트롤러(110)는 후술할 바와 같은 소정의 연산을 수행할 수 있다. 예컨대, 상기 송신 컨트롤러(110)는 소정의 마이크로 프로세서를 포함하여 구현될 수 있다. 물론, 상기 송신 컨트롤러(110)는 상기 송신시스템(100)의 종류나 기능에 따라 상기 송신시스템(100)의 다른 구성들을 더 제어할 수도 있다.
상기 수신시스템(200)은 수신 컨트롤러(210) 및 수신장치(220)를 포함할 수 있다. 상기 수신 컨트롤러(210)는 후술할 바와 같이 상기 수신장치(220)에 의해 수신된 전력의 크기를 검출할 수 있으며, 검출된 전력의 크기를 저장할 수 있다. 또한, 소정의 연산을 수행할 수 있다.
상기 수신장치(220)의 일 실시 예는 도 4에 도시된 바와 같을 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 상기 수신장치(220)는 도 1에 도시된 바와 같이 종래의 수신장치(20)에 포함된 수신 공진 코일부(22)에 소정의 추가저항(R'L, 222) 및 스위치(221)가 더 포함되도록 구현될 수 있다. 상기 추가저항(222)은 로드저항(RL)과 연결될 수 있으며, 상기 스위치(221)는 상기 로드저항(RL)과 상기 추가저항(222)을 선택적으로 연결할 수 있도록 구현될 수 있다. 상기 스위치(221)는 상기 수신 컨트롤러(210)의 제어에 의해 온오프(on/off)될 수 있다. 즉, 상기 수신장치(220)는 임피던스 미스매치(impedence mismatch)를 통해 소정의 정보를 상기 송신시스템(100)으로 전송할 수 있도록 구현될 수 있으며, 임피던스 미스매치를 수행하기 위한 다양한 변형 예가 가능함을 본 발명의 평균적 전문가는 용이하게 추론할 수 있을 것이다.
이처럼 본 발명의 기술적 사상에 의하면 간단히 추가저항(222)과 스위치(221)만을 추가로 구비하도록 하여 상기 수신시스템(200)이 상기 송신시스템(100)으로 본 발명의 기술적 사상을 구현하기 위한 소정의 정보를 전송하도록 할 수 있다. 상기 제어정보는 상기 송신시스템(100)이 주파수 트래킹을 수행하는데 이용되는 정보일 수 있다.
즉, 본 발명의 기술적 사상을 구현하기 위해서는 상기 수신시스템(200)에서 상기 송신시스템(100)으로 소정의 정보를 전송할 수 있어야 한다. 이를 위해 상기 수신시스템(200)에는 상기 송신시스템(100)으로 정보를 전송하기 위한 별도의 통신수단(미도시)이 구비될 수도 있다. 하지만, 이러한 경우에는 별도의 통신 수단을 구비하기 위한 비용 및 에너지 소모가 클 수 있으며, 상기 수신시스템(200)에 별도의 전력원이 구비되어야 할 수도 있다. 따라서, 도 4에 도시된 바와 같이 임피던스 미스매치를 수행할 수 있도록 구현되는 경우, 저렴한 비용으로 정보의 전송이 가능하다.
임피던스 미스매치는 RFID의 정보전송 방식에 주로 사용되는 방식인데, 본 발명의 기술적 사상에 따른 무선전력 전송시스템(1)에 적용되는 경우, 효율적으로 상기 수신시스템(200)에서 상기 송신시스템(100)으로 소정의 정보를 전송할 수 있게 된다. 상기 임피던스 미스매치를 통한 정보전송의 과정은 공지되어 있으므로 간략히만 설명하면, 상기 스위치(221)가 열린 상태에서는 상기 수신장치(220)는 상기 송신장치(120)와 임피던스 매치가 된 상태일 수 있다. 하지만, 상기 스위치(221)가 상기 수신 컨트롤러(210)의 제어에 의해 닫히게 되면, 상기 추가저항(222)이 연결되게 되어 상기 수신장치(220)의 전체 임피던스가 낮아지게 된다. 그러면, 상기 송신시스템(100)에서는 임피던스 매치가 되는 경우에 비해 낮은 크기의 신호가 검출될 수 있다. 따라서, 상기 스위치(221)의 제어에 의해 서로 다른 크기를 갖는 두 개의 신호가 상기 송신시스템(100)에 의해 검출될 수 있다. 즉, 상기 수신 컨트롤러(210)는 상기 스위치(221)를 제어함으로써 상기 송신시스템(100)으로 0과 1의 값을 갖는 디지털정보를 전송할 수 있게 된다. 따라서, 상기 수신시스템(200)은 상기 송신시스템(100)으로 이러한 임피던스 미스매치를 이용해 후술하는 바와 같은 정보를 전송할 수 있다.
이러한 구성을 가질 수 있는 본 발명의 실시 예에 따른 무선전력 전송시스템(1)이 주파수 스플리팅이 발생한 경우, 주파수를 트래킹하는 과정은 도 5 및 도 6을 참조하여 설명하도록 한다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 무선전력 전송방법에 따라 송신시스템이 주파수를 트래킹하는 과정을 설명하기 위한 개략적인 플로우 챠트이다. 또한, 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 무선전력 전송방법에 따라 주파수 트래킹을 하기 위한 수신시스템의 동작을 설명하기 위한 개략적인 플로우 챠트이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 상기 송신시스템(100)은 고유 공진 주파수(
Figure pat00019
)를 이용하여 상기 수신시스템(200)으로 전력을 전송할 수 있다(S100). 그러면, 상기 수신시스템(200)은 소정의 전력을 수신할 수 있다(S200). 그러면, 상기 수신시스템(200)은 수신된 전력의 크기에 기초하여 커플링 계수(k) 값을 산출하고, 이를 상기 송신시스템(100)으로 전송할 수 있다(S210, S110).
만약, 주파수 스플리팅이 발생하면, 상기 무선전력 전송시스템(1)은 발생여부를 판단할 수 있다. 예컨대, 상기 수신시스템(200)에서 수신되는 전력의 크기가 갑자기 줄어들게 되는 경우, 상기 수신시스템(200)은 주파수 스플리팅이 발생하였다고 판단하고, 이에 대한 정보를 상기 송신시스템(100)으로 전송할 수 있다.
그러면, 상기 송신시스템(100)은 커플링 계수(k) 값에 기초하여 소정의 스플리팅 주파수(예컨대, 낮은 주파수의 스플리팅 주파수)의 값을 계산하고, 계산된 상기 스플리팅 주파수를 이용하여 상기 수신시스템(200)으로 전력을 전송할 수 있다(S120, S220). 일 실시 예에 의하면, 상기 무선전력 전송시스템(1)은 주파수 스플리팅이 발생하는 경우, 상기 스플리팅 주파수로 계속 전력을 전송할 수도 있다. 이러한 경우에도 전송효율의 증가는 존재할 수 있다. 하지만, 전술한 바와 같이 상기 스플리팅 주파수가 주위환경 등에 의해 최대효율이 아닐 수 있다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상에 의하면, 상기 무선전력 전송시스템(1)은 상기 스플리팅 주파수에 기초하여 주파수 트래킹을 수행할 수 있다. 상기 주파수 트래킹은 소정의 그래디언트 알고리즘을 통해 수행될 수 있다.
예컨대, 상기 송신시스템(100)은 상기 스플리팅 주파수에서 소정의 제1단위만큼 주파수를 변경(예컨대, 제1단위만큼 감소)할 수 있다(S140). 물론, 이전에 상기 수신시스템(200)으로부터 소정의 확인신호(ack(nowledge) 신호)를 수신할 수도 있다(S240, S130). 그리고 변경된 주파수를 이용하여 전력을 전송할 수 있다(S150, S250). 그러면, 상기 송신시스템(100)은 변경 전의 주파수와 변경 후의 주파수 중 전송효율이 더 좋은 주파수를 선택할 수 있다. 이러한 선택은 상기 수신시스템(200)으로부터 수신되는 제어정보에 기초하여 수행될 수 있다(S160, S270, S280).
상기 수신시스템(200)은 상기 제어정보를 출력하기 위해 상기 송신시스템(100)으로부터 수신된 전력 값(전력의 크기)을 저장할 수 있다(S230). 그리고, 변경된 주파수로 전력을 수신하면(S250), 저장되어 있는 전력의 크기와 현재 수신된 전력의 크기를 비교할 수 있다(S260). 그리고 어떠한 전력이 더 큰지에 대한 정보를 나타내는 소정의 제어정보를 상기 송신시스템(100)으로 출력할 수 있다(S270, S280). 예컨대, 상기 제1제어정보는 현재 수신된 전력의 크기가 더 큼(즉, 전송효율이 더 좋음)을 나타내는 정보일 수 있다. 따라서, 상기 송신시스템(100)은 다시 소정의 단위만큼 변경(예컨대, 제1단위만큼 더 감소)할 수 있다. 그리고 다시 변경된 주파수를 이용하고(S170), 변경된 주파수로 전력전송을 수행하여 상기 수신시스템(200)으로 제어정보를 수신하는 과정(S150, S160)을 수행할 수 있다. 상기 제2제어정보는 현재 수신된 전력의 크기가 더 작은 경우를 나타낼 수 있다.
이처럼 상기 무선전력 전송시스템(1)은 상기 제1제어정보와 상기 제2제어정보에 기초하여 특정 방향(예컨대, 주파수를 감소하는 방향)으로 주파수를 소정의 제1단위만큼 변경해나가면서, 전송효율이 좋은 주파수를 트래킹하다가 더 이상 전송효율이 좋아지지 않는 소정의 주파수를 검출할 수 있다.
그러면, 상기 무선전력 전송시스템(1)은 검출된 주파수를 기준으로 상기 제1단위 보다 작은 값을 갖는 제2단위를 이용하여 다시 주파수 트래킹 과정(S140, S150, S250, S260, S270, S280, S170)을 수행할 수 있다. 주파수 트래킹은 트래킹에 이용되는 단위가 미리 정해진 값이 될때까지 수행될 수 있다.
이러한 과정을 반복함으로써 상기 무선전력 전송시스템(1)은 현재의 채널환경에서 전송효율이 상대적으로 좋은(또는 최대효율을 나타내는) 결정 주파수를 검출해낼 수 있다.
그러면, 상기 무선전력 전송시스템(1)은 검출된 상기 결정 주파수를 이용하여 전력전송을 수행할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 무선전력 전송방법에서 주파수 스플리팅이 발생하는 경우의 전송효율을 주파수 및 커플링 계수와 연관하여 시뮬레이션한 결과를 나타내는 도면이다.
도 7은 도 3 및 4에 도시된 바와 같은 구성을 이용한 시뮬레이션 결과를 나타내며, 송신장치(120)는 도 1에 도시된 송신장치(10)와 동일한 경우이다. 이때, Rt=RL=50, L1=L4=1uH, C1=C4=235pF, r1=r4=0.25, k12=k34=0.1, L2=L3=20uH, C2=C3=12.6pF, r2=r3=1으로 하였고, 송신장치(120)와 수신장치(220) 간의 커플링 계수는 0.001부터 0.3까지 변화시켰다. 이때 공진주파수 f0=10MHz이고 주파수는 8MHz부터 12MHz까지 변화시켰다.
이러한 환경에서 시뮬레이션을 수행하면, 두 회로의 거리가 멀어 상기 커플링 계수의 크기가 작으면 주파수 스플리팅이 일어나지 않지만, 거리가 가까워서 커플링 계수의 크기가 커지게 되면 주파수 스플리팅이 일어나는 것을 확인할 수 있다.
이러한 상황에서 본 발명의 실시 예에 따른 무선전력 전송방법을 수행하여 성능의 향상을 시뮬레이션한 결과는 도 8에 도시된다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 무선전력 전송방법을 적용했을 때의 성능을 시뮬레이션 한 결과를 나타내는 도면이다.
도 8은 전술한 바와 같이 공유 공진 주파수에서 낮은 스플리팅 주파수를 이용하여 전술한 바와 같은 그래디언트 알고리즘을 통해 주파수 트래킹을 수행한 결과를 나타낸다.
본 발명의 기술적 사상과 비교하기 위하여 전력공급원의 주파수를 고유 공진주파수로 고정시켰을 때의 전송효율을 같이 도시하면 도 8과 같다.
도 8에 도시된 바와 같이 거리가 상대적으로 멀어 서로 간섭이 적은 경우에는 전송효율에 큰 차이가 없지만 거리가 가까워 주파수 스플리팅이 일어나는 경우에는 본 발명의 기술적 사상에 따른 무선전력 전송방법이 전송효율을 상당히 향상 시킬 수 있음을 확인할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (15)

  1. 공진을 이용한 무선전력 전송 시스템에 있어서,
    소정의 주파수를 사용하여 수신시스템으로 무선전력 전송을 수행하기 위한 송신 장치; 및
    상기 송신장치가 사용하는 주파수를 제어할 수 있는 컨트롤러를 포함하며,
    상기 컨트롤러는,
    주파수 스플리팅(splitting)이 발생하는 경우, 고유 공진 주파수에 기초하여 계산되는 스플리팅 주파수를 이용하여 상기 송신장치가 사용할 주파수를 트래킹(tracking) 하고, 트래킹 결과 결정된 결정 주파수로 전력을 전송하도록 상기 송신장치를 제어하는 주파수 스플리팅 특성을 이용한 무선전력 전송시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    고유 공진 주파수로 전력을 전송하도록 상기 송신장치를 제어하다가, 주파수 스플리팅이 발생하면 상기 결정 주파수로 전력을 전송하도록 상기 송신장치를 제어하는 것을 특징으로 하는 주파수 스플리팅 특성을 이용한 무선전력 전송시스템.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    상기 수신시스템으로부터 커플링 계수(coupling coefficient)에 대한 정보를 수신하고, 수신된 정보 및 상기 고유 공진 주파수에 기초하여 상기 스플리팅 주파수를 계산하는 주파수 스플리팅 특성을 이용한 무선전력 전송시스템.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    상기 계산된 상기 스플리팅 주파수를 이용하여 상기 수신시스템으로 전력을 전송하도록 상기 송신장치를 제어하고, 소정의 제1단위만큼 주파수를 변경하면서 변경 전의 주파수와 변경 후의 주파수 중 전송효율이 더 좋은 주파수를 선택하는 과정을 적어도 한 번 수행하는 주파수 스플리팅 특성을 이용한 무선전력 전송시스템.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    상기 수신시스템으로부터 수신되는 소정의 제어정보에 기초하여 상기 변경 전의 주파수와 상기 변경 후의 주파수 중 전송효율이 더 좋은 주파수를 선택하는 주파수 스플리팅 특성을 이용한 무선전력 전송시스템.
  6. 제 4항에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    상기 제1단위를 이용하여 트래킹 하는 중에 전송효율이 최대인 주파수가 결정되면, 상기 제1단위보다 작은 값을 갖는 제2단위만큼 주파수를 변경하여 상기 결정 주파수를 트래킹 하는 것을 특징으로 하는 주파수 스플리팅 특성을 이용한 무선전력 전송시스템.
  7. 공진을 이용한 무선전력 전송 시스템에 있어서,
    소정의 주파수를 사용하여 수신시스템으로 무선전력 전송을 수행하기 위한 송신 장치; 및
    상기 송신장치가 사용하는 주파수를 제어할 수 있는 컨트롤러를 포함하며,
    상기 컨트롤러는,
    주파수 스플리팅이 발생하는지 여부에 따라 고유 공진 주파수, 상기 고유 공진 주파수에 기초하여 계산되는 스플리팅 주파수, 또는 상기 스플리팅 주파수에 기초하여 수행되는 주파수 트래킹 결과로 결정되는 결정 주파수 중 어느 하나로 전력을 전송하도록 상기 송신장치를 제어하는 주파수 스플리팅 특성을 이용한 무선전력 전송시스템.
  8. 공진을 이용한 무선전력 전송 시스템에 있어서,
    소정의 주파수를 이용하여 전송되는 전력을 송신시스템으로부터 수신하기 위한 수신장치; 및
    상기 수신장치에 의해 수신된 전력의 전력크기를 확인하고, 확인된 전력크기에 기초하여 소정의 제어정보를 상기 송신시스템으로 전송하기 위한 컨트롤러를 포함하며,
    상기 컨트롤러는,
    상기 송신시스템이 주파수를 변경하면서 전력을 전송하면, 변경 전의 주파수에 따른 전력의 크기와 변경 후의 주파수에 따른 전력의 크기를 비교하여 상기 송신시스템으로 출력할 제어정보를 결정하는 주파수 스플리팅 특성을 이용한 무선전력 전송시스템.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    상기 수신장치의 임피던스를 선택적으로 변경하면서 상기 송신시스템으로 전송할 상기 제어정보를 전송하는 주파수 스플리팅 특성을 이용한 무선전력 전송시스템.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    상기 수신장치와 소정의 추가저항을 선택적으로 연결하기 위한 스위치를 제어하여 상기 수신장치의 임피던스를 선택적으로 변경하는 주파수 스플리팅 특성을 이용한 무선전력 전송시스템.
  11. 제 8항에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    상기 송신시스템으로부터 고유 공진 주파수를 이용한 전력이 전송되면, 전송된 전력의 크기에 기초하여 커플링 계수를 산출하고, 산출된 커플링 계수에 대한 정보를 상기 송신시스템으로 전송하는 주파수 스플리팅 특성을 이용한 무선전력 전송시스템.
  12. 공진을 이용한 무선전력 전송방법에 있어서,
    송신시스템이 고유 공진 주파수를 이용하여 수신시스템으로 전력을 전송하는 단계;
    상기 송신시스템이 상기 수신시스템으로부터 수신되는 커플링 계수에 대한 정보에 기초하여 스플리팅 주파수를 계산하고, 계산된 스플리팅 주파수를 이용하여 상기 수신시스템으로 전력을 전송하는 단계; 및
    전송에 응답하여 상기 수신시스템으로부터 전송되는 제어정보에 기초하여 상기 송신시스템이 이용할 결정 주파수를 트래킹 하는 단계를 포함하는 주파수 스플리팅 특성을 이용한 무선전력 전송방법.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 수신시스템으로부터 전송되는 제어정보에 기초하여 상기 송신시스템이 이용할 결정 주파수를 트래킹 하는 단계는,
    소정의 제1단위만큼 주파수를 변경하면서 변경 전의 주파수와 변경 후의 주파수 중 전송효율이 더 좋은 주파수를 선택하는 과정을 적어도 한 번 수행하는 단계를 포함하는 주파수 스플리팅 특성을 이용한 무선전력 전송방법.
  14. 제 13항에 있어서, 상기 수신시스템으로부터 전송되는 제어정보에 기초하여 상기 송신시스템이 이용할 결정 주파수를 트래킹 하는 단계는,
    상기 제1단위를 이용하여 트래킹 하는 중에 전송효율이 최대인 주파수가 결정되면, 상기 제1단위보다 작은 값을 갖는 제2단위만큼 주파수를 변경하여 상기 결정 주파수를 트래킹 하는 단계를 더 포함하는 주파수 스플리팅 특성을 이용한 무선전력 전송방법.
  15. 공진을 이용한 무선전력 전송방법에 있어서,
    송신시스템이 주파수 스플리팅이 발생하였는지 여부를 판단하는 단계;
    판단결과에 따라 상기 송신시스템이 스플리팅 주파수를 계산하는 단계;
    계산된 상기 스플리팅 주파수에 기초하여 주파수 트래킹을 수행하여 결정 주파수를 확인하는 단계; 및
    상기 송신시스템이 계산된 상기 스플리팅 주파수 또는 확인된 결정 주파수 중 어느 하나를 이용하여 수신시스템으로 전력을 전송하는 단계를 포함하는 주파수 스플리팅 특성을 이용한 무선전력 전송방법.

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