KR20130033867A - 무선 전력 전송 시스템 - Google Patents

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KR20130033867A
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윤영석
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윤정호
이현석
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김응주
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삼성전기주식회사
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Abstract

본 발명은 배터리를 충전하기 위한 전력을 생성하여 전송하는 송신부, 전송된 전력을 수신하여 배터리를 충전하는 수신부 및 송신부에서의 전력 전송 시 송신부와 수신부 간의 거리에 따라 자기 유도 방식과 자기 공명 방식이 선택적으로 사용되도록 제어하는 송신 제어부를 포함하는 무선 전력 전송 시스템으로 무선 전력 전송 시스템의 효율성을 높일 수 있다.

Description

무선 전력 전송 시스템{Wireless power transmission system}
본 발명은 무선 전력 전송 시스템에 관한 것으로, 전자기기를 구동하기 위한 배터리를 무선으로 충전하는 무선 전력 전송 시스템에 관한 것이다.
무선 통신 기술의 발달로 언제 어디서나 누구나 원하는 모든 정보를 주고 받을 수 있는 유비쿼터스 정보 환경이 되고 있다. 하지만, 아직까지 통신 정보 기기들은 대부분 배터리에 의존하고 있고, 유선 전원 코드에 의한 전원을 공급받아 통신 정보 기기의 사용이 제한을 받고 있다.
따라서, 무선 정보 네트워크 환경은 단말기 전원에 대한 문제를 해결하지 않고서는 진정으로 자유로워질 수 없다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 무선으로 전력을 전달하기 위한 많은 방식이 개발되고 있는데, 전파(Microwave)를 이용한 전파 수신형 방식, 자기장을 이용한 자기 유도 방식 또는 자기장과 전기장의 에너지 전환에 의한 자기 공명 방식 등이 대표적이다.
여기서, 전파 수신형 방식은 안테나를 통해 전파를 공기 중으로 방사함으로써 먼 거리까지 전력 전송 가능한 장점이 있으나, 공기 중에서 소모되는 방사 손실(Radiation loss)이 매우 커서 전력 전송의 효율성에 한계가 있다.
또한, 자기 유도 방식은 송신기로 1차 코일을 사용하고, 수신기로 2차 코일을 사용하여 1차 및 2차 코일에 의한 자기 에너지 결합을 이용한 기술로 높은 전력 전송의 효율성을 갖는 장점이 있으나, 전력 전송을 위해서 1차 및 2차 코일이 수 ㎜ 정도의 짧은 거리에 인접해 있어야 하며, 1차 및 2차 코일의 정렬에 따라 전력 전송의 효율성이 급격하게 변하는 단점이 있다.
따라서, 최근에 자기 유도 방식과 유사하나 코일형의 인덕터(L)와 커패시터(C)에 의한 특정 공진 주파수에 에너지가 집중되게 하여 자기 에너지 형태로 전력을 송신하는 자기 공명 방식이 개발되고 있다. 이러한 자기 공명 방식은 비교적 큰 에너지를 수 미터까지 보낼 수 있다는 장점이 있으나, 높은 공진 특성(High quality factor)을 요구하고 있다. 즉, 자기 공명 방식은 임피던스 정합 여부, 공진 주파수 일치 여부에 따라 효율이 급격하게 변하는 단점이 있다.
이에 따라, 당 기술 분야에서는 송수신 코일 간의 거리가 짧은 경우에는 자기 유도 방식이 유리하고, 송수신 코일 간의 거리가 긴 경우에는 자기 공명 방식이 유리한 점을 활용하여 자기 유도 방식의 장점과 자기 공명 방식의 장점이 혼합된 무선 전력 전송 시스템이 제안되고 있다.
본 발명의 사상은 송수신 코일 간의 거리(자기 결합력)에 따라 자기 유도 방식과 자기 공명 방식을 선택적으로 사용하여 무선 전력 전송 시스템의 효율성을 높일 수 있는 무선 전력 전송 시스템을 제공함에 있다.
이를 위해 본 발명의 일실시예에 의한 전력 증폭 시스템은 배터리를 충전하기 위한 전력을 생성하여 전송하는 송신부; 상기 전송된 전력을 수신하여 상기 배터리를 충전하는 수신부; 상기 송신부에서의 전력 전송 시 상기 송신부와 상기 수신부 간의 거리에 따라 자기 유도 방식과 자기 공명 방식이 선택적으로 사용되도록 제어하는 송신 제어부를 포함한다.
여기서, 상기 송신 제어부는 상기 송신부에서의 전력 전송 시 상기 송신부와 상기 수신부 간의 거리가 사전에 설정된 기준 거리 미만이면, 자기 유도 방식이 사용되도록 제어하고, 상기 송신부와 상기 수신부 간의 거리가 상기 기준 거리 이상이면, 자기 공명 방식이 사용되도록 제어할 수 있다.
또한, 상기 송신부는 상기 배터리를 충전하기 위한 전력을 생성하는 전력 생성기; 상기 생성된 전력을 전송하는 전력 전송기를 포함할 수 있다.
이때, 상기 전력 전송기는 인가되는 제어 신호에 따라 커패시턴스가 가변하는 가변 커패시터; 송신 인덕터를 포함하고, 상기 가변 커패시터는 병렬로 연결된 복수 개의 커패시터; 상기 각 커패시터와 직렬로 연결된 복수 개의 스위치를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 송신 제어부는 상기 송신부에서의 전력 전송 시 상기 송신부와 상기 수신부 간의 거리에 상응하는 자기 결합력을 검출하는 검출기; 상기 검출된 자기 결합력에 따라 자기 유도 방식과 자기 공명 방식이 선택적으로 사용되도록 제어하는 송신 제어기를 포함할 수 있다.
또, 상기 검출기는 상기 송신 인덕터로 전달되는 전력량을 검출하는 전력 센서 및 상기 송신 인덕터에 흐르는 전류를 검출하는 전류 센서 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
게다가, 상기 송신 제어기는 상기 전력 센서에서 검출된 전력량 또는 상기 전류 센서에서 검출된 전류를 이용하여 상기 송신부와 상기 수신부 간의 거리에 상응하는 자기 결합력을 검출하고, 상기 검출된 자기 결합력에 따라 자기 유도 방식과 자기 공명 방식이 선택적으로 사용되도록 제어할 수 있다.
이때, 상기 자기 결합력은 상기 전력 센서에서 검출된 전력량 또는 상기 전류 센서에서 검출된 전류의 크기와 반비례한다.
아울러, 상기 송신 제어기는 상기 검출된 자기 결합력에 따라 상기 가변 커패시터의 커패시턴스를 가변시키고, 상기 가변된 가변 커패시터의 커패시턴스에 따라 상기 자기 유도 방식과 자기 공명 방식이 선택적으로 사용되도록 제어할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 송신 제어기는 상기 검출된 자기 결합력이 기준 결합력보다 작으면, 상기 가변 커패시터의 커패시턴스를 기준 커패시턴스보다 작게 가변시켜 상기 자기 공명 방식이 사용되도록 제어하고, 상기 검출된 자기 결합력이 상기 기준 결합력 이상이면, 상기 가변 커패시터의 커패시턴스를 상기 기준 커패시턴스보다 크게 가변시켜 상기 자기 유도 방식이 사용되도록 제어할 수 있다.
그리고, 상기 송신 제어기는 상기 검출된 자기 결합력에 따라 상기 가변 커패시터의 커패시턴스를 가변시키기 위해 상기 복수 개의 스위치를 선택적으로 연결하기 위한 제어 신호를 출력할 수 있다.
한편, 상기 전력 전송기는 인가되는 제어 신호에 따라 1차 또는 2차 턴 수를 가변시키는 가변 트랜스포머; 상기 가변 트랜스포머의 후단에 위치한 송신 커패시터; 송신 인덕터를 포함할 수 있다.
이때, 상기 가변 트랜스포머는 복수 개의 1차 및 2차 권선; 상기 1차 또는 2차 권선 각각에 직렬로 연결된 복수 개의 스위치를 포함할 수 있다.
게다가, 상기 송신 제어부는 상기 송신부에서의 전력 전송 시 상기 송신부와 상기 수신부 간의 거리에 상응하는 자기 결합력을 검출하는 검출기; 상기 검출된 자기 결합력에 따라 자기 유도 방식과 자기 공명 방식이 선택적으로 사용되도록 제어하는 송신 제어기를 포함할 수 있다.
또한, 상기 송신 제어기는 상기 검출된 자기 결합력에 따라 상기 가변 트랜스포머의 1차 또는 2차 턴 수를 가변시키고, 상기 가변된 가변 트랜스포머의 1차 또는 2차 턴 수에 따라 상기 자기 유도 방식과 자기 공명 방식이 선택적으로 사용되도록 제어할 수 있다.
또, 상기 송신 제어기는 상기 검출된 자기 결합력이 기준 결합력보다 작으면, 상기 가변 트랜스포머의 1차 턴 수를 작게 가변시켜 상기 자기 공명 방식이 사용되도록 제어하고, 상기 검출된 자기 결합력이 상기 기준 결합력 이상이면, 상기 가변 트랜스포머의 1차 턴 수를 크게 가변시켜 상기 자기 유도 방식이 사용되도록 제어할 수 있다.
아울러, 상기 송신 제어기는 상기 검출된 자기 결합력이 기준 결합력보다 작으면, 상기 가변 트랜스포머의 2차 턴 수를 크게 가변시켜 상기 자기 공명 방식이 사용되도록 제어하고, 상기 검출된 자기 결합력이 상기 기준 결합력 이상이면, 상기 가변 트랜스포머의 2차 턴 수를 작게 가변시켜 상기 자기 유도 방식이 사용되도록 제어할 수 있다.
그리고, 상기 송신 제어기는 상기 검출된 자기 결합력에 따라 상기 가변 트랜스포머의 1차 또는 2차 턴 수를 가변시키기 위해 상기 복수 개의 스위치를 선택적으로 연결하기 위한 제어 신호를 출력할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 일실시예에 의한 무선 전력 전송 시스템에 따르면, 송수신 코일 간의 거리(자기 결합력)에 따라 자기 유도 방식과 자기 공명 방식을 적절하게 사용하여 무선 전력 전송 시스템의 효율성을 높일 수 있는 장점이 있다.
보다 구체적으로는, 송수신 코일 간의 거리가 짧은 경우에는 자기 유도 방식을 사용하고, 송수신 코일 간의 거리가 긴 경우에는 자기 공명 방식을 사용하여 위치의 자유도를 증가시키고, 효율의 성능을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
이로 인해, 무선 전력 전송 시스템의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 무선 전력 전송 시스템의 구성도이다.
도 2는 송수신부 간의 거리에 따른 자기 결합력의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 3은 자기 유도 방식에서의 자기 결합력에 따른 전력 전달 특성을 보여주는 그래프이다.
도 4는 자기 공명 방식에서의 자기 결합력에 따른 전력 전달 특성을 보여주는 그래프이다.
도 5는 도 1에 도시한 가변 커패시터의 내부 구성도이다.
도 6은 자기 유도 방식과 자기 공명 방식을 선택적으로 사용하기 위한 가변 커패시터의 상세 구성도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 의한 무선 전력 전송 시스템의 구성도이다.
도 8은 도 7에 도시한 1차 권선에 스위치가 구비된 가변 트랜스포머의 상세 구성도이다.
도 9는 도 7에 도시한 2차 권선에 스위치가 구비된 가변 트랜스포머의 상세 구성도이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 무선 전력 전송 시스템의 구성도를 나타낸다.
도 1에 도시한 바와 같이, 무선 전력 전송 시스템(100)은 크게 배터리(180)를 충전하기 위한 전력을 생성하여 전송하는 송신부(120) 및 송신부(120)에서 전송된 전력을 수신하여 배터리(180)에 충전하는 수신부(140)를 포함하여 구성된다.
이 중에서 송신부(120)는 전력 생성기(122) 및 전력 전송기(124)로 이루어질 수 있다.
전력 생성기(122)는 배터리(180)를 충전하기 위한 전력을 생성하여 출력하는데, 수십 ㎑ ~ 수십 M㎐ 정도의 고주파 전력을 생성하여 출력할 수 있다.
전력 전송기(124)는 전력 생성기(122)에서 생성된 전력을 수신부(140)에 무선으로 전송하기 위한 수단으로서, 인가되는 제어 신호(P1)에 따라 커패시턴스(capacitance)가 가변하는 가변 커패시터(125) 및 송신 인덕터(126)를 포함할 수 있다.
여기서, 가변 커패시터(125)는 병렬로 연결된 복수 개의 커패시터(125a1~125an) 및 각 커패시터(125a1~125an)와 직렬로 연결된 복수 개의 스위치(125b1~125bn)로 구성될 수 있다. 상기와 같은 가변 커패시터(125)의 상세한 동작 과정에 대해서는 하기에서 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
수신부(140)는 전력 수신기(142) 및 구동기(144)로 이루어질 수 있다.
여기서, 전력 수신기(142)는 송신부(120)에서 전송된 전력을 수신하기 위한 수신 커패시터(142a) 및 수신 인덕터(142b)를 포함하며, 구동기(144)는 전력 수신기(142)에서 수신된 전력을 배터리(180)에 바로 전송하거나 전력의 레벨을 변환시켜 배터리(180)에 전송하도록 구성될 수 있다.
한편, 무선 전력 전송 시스템(100)은 송신부(120)에서의 전력 전송 시 송신부(120)와 수신부(140) 간의 거리에 따라 자기 유도 방식과 자기 공명 방식이 선택적으로 사용되도록 제어하는 송신 제어부(160)를 더 포함하여 구성된다.
여기서, 송신 제어부(160)는 송신부(120)와 수신부(140) 간의 거리가 사전에 설정된 기준 거리 미만이면, 자기 유도 방식이 사용되도록 제어하고, 송신부(120)와 수신부(140) 간의 거리가 기준 거리 이상이면, 자기 공명 방식이 사용되도록 제어한다.
보다 구체적으로는, 송신 제어부(160)는 송신부(120)와 수신부(140) 간의 거리에 상응하는 자기 결합력(Magnetic coupling coefficient : K)을 검출하고, 송신부(120)에서의 전력 전송 시 검출된 자기 결합력에 따라 자기 유도 방식과 자기 공명 방식이 선택적으로 사용되도록 제어한다.
이하에서는 자기 결합력에 따라 자기 유도 방식과 자기 공명 방식을 선택적으로 사용하여 전력을 전송할 수 있는 동작 원리에 대하여 설명하도록 한다.
도 2는 송수신부 간의 거리에 따른 자기 결합력의 변화를 보여주는 그래프, 도 3은 자기 유도 방식에서의 자기 결합력에 따른 전력 전달 특성을 보여주는 그래프 및 도 4는 자기 공명 방식에서의 자기 결합력에 따른 전력 전달 특성을 보여주는 그래프를 나타낸다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 전력(에너지)을 전송하는 송신부(120)와 송신부(120)에서 전송된 전력(에너지)을 수신하는 수신부(120) 사이의 거리에 따라 결합되는 에너지에 차이가 발생하고, 이에 따라 상호 인덕턴스(Mutual inductance : M)가 달라지게 된다.
그리고, 이러한 원리를 설명하기 위해 아래의 [수학식 1] 내지 [수학식 4]를 이용하여 송신부(120)의 입력 임피던스(Zin)를 계산할 수 있다.
Figure pat00001
Figure pat00002
Figure pat00003
Figure pat00004
여기서, Ct1은 송신 커패시터, Lt1은 송신 인덕터, Cr1은 수신 커패시터, Lr1은 수신 인덕터, M은 상호 인덕턴스 및 K는 자기 결합력이다.
수신부(140)에서 위치의 변위가 발생할 경우, [수학식 1] 내지 [수학식 4]에서와 같이 공진 주파수에 의해 LC 값이 결정되면, 입력 임피던스(Zin)는 상호 인덕턴스(M)에 영향을 받게 되며, 상호 인덕턴스(M)는 자기 결합력(K)에 의해 결정되므로 입력 임피던스(Zin)는 결국 자기 결합력(K)에 의한 함수가 된다.
그리고, 도 2에 도시한 바와 같이, 송신부(120)와 수신부(140) 간의 거리가 멀어질수록 자기 결합력(K)은 작아지게 되며, 이에 따라 입력 임피던스(Zin)는 낮아지게 된다.
이와 같이, 송신부(120)와 수신부(140) 간의 거리에 따라 자기 결합력이 바뀌게 되면, 송신 인덕터 및 수신 인덕터의 위치에 따라 임피던스가 변하게 되어 에너지 전달력이 변하게 되는 것이다.
도 3을 참조하면, 자기 유도 방식은 자기 결합력이 작아질수록 에너지 전달 특성이 급격하게 감소하기 때문에 송신부(120)와 수신부(140) 간의 거리가 사전에 설정된 기준 거리 미만일 경우 즉, 자기 결합력이 큰 경우에 유리하며, 도 4에 도시한 바와 같이, 자기 공명 방식은 자기 결합력이 작아져도 비교적 전력 전달 특성이 완만하게 감소하기 때문에 송신부(120)와 수신부(140) 간의 거리가 사전에 설정된 기준 거리 이상일 경우 즉, 자기 결합력이 작은 경우에도 유리한 것을 알 수 있다.
그리고, 자기 결합 방식에 따라 자기 유도 방식과 자기 공명 방식을 선택적으로 사용하여 전력을 전송하기 위해 송신 제어부(160)는 검출기(162) 및 송신 제어기(164)를 포함할 수 있다.
이때, 검출기(162)는 송신부(120)와 수신부(140) 간의 거리에 상응하는 자기 결합력을 검출하는 수단으로서, 송신 인덕터(126)로 전달되는 전력량을 검출하는 전력 센서나 송신 인덕터(126)에 흐르는 전류를 검출하는 전류 센서 중 선택된 어느 하나로 이루어질 수 있다.
여기서, 검출기(162)가 전력 센서일 경우, 전력 센서에서 검출된 전력량이 큰 경우에는 송신부(120)로부터 수신부(140)가 먼 거리에 위치하여 송신부(120)에서 수신부(140)로 전력이 전달되지 않는 경우이고, 전력 센서에서 검출된 전력량이 작은 경우에는 송신부(120)와 수신부(140)가 인접하게 위치하여 송신부(120)에서 수신부(140)로 전력이 전달되는 경우를 말한다.
또한, 검출기(162)가 전류 센서일 경우, 전력 센서와 마찬가지로 전류 센서에서 검출된 전류가 큰 경우에는 송신부(120)로부터 수신부(140)가 먼 거리에 위치하여 송신부(120)에서 수신부(140)로 전력이 전달되지 않는 경우이고, 전류 센서에서 검출된 전류가 작은 경우에는 송신부(120)와 수신부(140)가 인접하게 위치하여 송신부(120)에서 수신부(140)로 전력이 전달되는 경우를 말한다.
송신 제어기(164)는 검출기(162)에서 검출된 자기 결합력에 따라 자기 유도 방식과 자기 공명 방식이 선택적으로 사용되도록 제어한다.
보다 구체적으로는, 송신 제어기(164)는 전력 센서에서 검출된 전력량이 큰 경우에는 송신부(120)로부터 수신부(140)가 먼 거리에 위치하여 송신부(120)에서 수신부(140)로 전력이 전달되지 않기 때문에 자기 결합력은 작아지고, 이에 따라 자기 공명 방식으로 전력을 전송시키고, 전력 센서에서 검출된 전력량이 작은 경우에는 송신부(120)와 수신부(140)가 인접하게 위치하여 송신부(120)에서 수신부(140)로 전력이 잘 전달되기 때문에 자기 결합력은 커지고, 이에 따라 자기 유도 방식으로 전력을 전송시키는 것이 바람직하다.
그리고, 송신 제어기(164)에서는 자기 유도 방식과 자기 공명 방식을 선택적으로 사용하기 위해 아래와 같은 제어를 수행한다.
도 5는 도 1에 도시한 가변 커패시터의 내부 구성도 및 도 6은 자기 유도 방식과 자기 공명 방식을 선택적으로 사용하기 위한 가변 커패시터의 상세 구성도를 나타낸다.
송신 제어기의 동작을 설명하기에 앞서, 도 5 및 도 6을 참조하여 가변 커패시터에 대하여 보다 구체적으로 설명하면, 도 5에 도시한 바와 같이, 제1 및 제2 커패시터(Cp1)(Cp2)는 공진 주파수 기능을 하고, 제3 커패시터(Cs)는 자기 유도 방식과 자기 공명 방식을 선택적으로 사용하기 위한 기능을 수행할 수 있다. 그러나, 이에 한정되지 않으며, 제2 커패시터(Cp2)에서 자기 유도 방식과 자기 공명 방식을 선택적으로 사용하기 위한 기능을 수행할 수 있다. 또한, 커패시터로서 바렉터 커패시터를 사용하는 것도 가능하다.
그리고, 제3 커패시터(Cs)는 도 6에 도시한 바와 같이, 병렬로 연결된 복수 개의 커패시터(125a1~126an) 및 각 커패시터(125a1~126an)와 직렬로 연결된 복수 개의 스위치(126b1~126bn)로 구성될 수 있다.
이러한 가변 커패시터(125)의 내부 구성을 바탕으로 송신 제어기(164)의 제어 동작에 관하여 설명하면, 송신 제어기(164)는 검출된 자기 결합력에 따라 가변 커패시터(125)의 커패시턴스를 가변시키고, 가변된 가변 커패시터(125)의 커패시턴스에 따라 자기 유도 방식과 자기 공명 방식이 선택적으로 사용되도록 제어한다.
보다 자세하게 설명하면, 송신 제어기(164)는 검출된 자기 결합력이 기준 결합력보다 작으면, 가변 커패시터(125)의 커패시턴스를 기준 커패시턴스보다 작게 가변시켜 자기 공명 방식이 사용되도록 제어하고, 검출된 자기 결합력이 기준 결합력 이상이면, 가변 커패시터(125)의 커패시턴스를 기준 커패시턴스보다 크게 가변시켜 자기 유도 방식이 사용되도록 제어한다.
즉, 송신 제어기(164)는 검출된 자기 결합력에 따라 가변 커패시터(125)의 커패시턴스를 가변시키기 위해 복수 개의 스위치(126b1~126bn)를 선택적으로 연결하기 위한 제어 신호(P1)를 출력할 수 있다.
만약, 송신 제어기(164)는 검출된 자기 결합력이 기준 결합력(일례로, 0.5)보다 작으면, 복수 개의 스위치(126b1~126bn)를 연결하지 않거나 소수의 스위치만 연결하기 위한 제어 신호(P1)를 출력하여 가변 커패시터(125)의 커패시턴스를 기준 커패시턴스보다 작게 가변시키고, 검출된 자기 결합력이 기준 결합력(일례로, 0.5) 이상이면, 복수 개의 스위치(126b1~126bn)를 모두 연결하거나 일정 이상의 스위치를 연결하기 위한 제어 신호(P1)를 출력하여 가변 커패시터(125)의 커패시턴스를 기준 커패시턴스보다 크게 가변시킨다.
이하에서는 본 발명의 다른 실시예에 의한 무선 전력 전송 시스템에 대하여 설명하도록 한다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 의한 무선 전력 전송 시스템의 구성도, 도 8은 도 7에 도시한 1차 권선에 스위치가 구비된 가변 트랜스포머의 상세 구성도 및 도 9는 도 7에 도시한 2차 권선에 스위치가 구비된 가변 트랜스포머의 상세 구성도를 나타낸다.
도 7 내지 도 9를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 의한 무선 전력 전송 시스템(200)은 크게 배터리(280)를 충전하기 위한 전력을 생성하여 전송하는 송신부(220) 및 송신부(220)에서 전송된 전력을 수신하여 배터리(280)에 충전하는 수신부(240)를 포함하여 구성된다.
이 중에서 송신부(220)는 전력 생성기(222) 및 전력 전송기(224)로 이루어질 수 있다.
전력 생성기(222)는 배터리(280)를 충전하기 위한 전력을 생성하여 출력하는데, 수십 ㎑ ~ 수십 M㎐ 정도의 고주파 전력을 생성하여 출력할 수 있다.
전력 전송기(224)는 전력 생성기(222)에서 생성된 전력을 수신부(240)에 무선으로 전송하기 위한 수단으로서, 인가되는 제어 신호(P2)에 따라 1차 또는 2차 턴 수를 가변시키는 가변 트랜스포머(225), 가변 트랜스포머(225)의 후단에 위치한 송신 커패시터(226) 및 송신 인덕터(227)를 포함할 수 있다.
이때, 가변 트랜스포머(225)는 임피던스를 매칭시키는 역할을 수행하며, 복수 개의 1차 및 2차 권선(225 : 225a1~225an)(225b : 225b1~225bn)와, 1차 또는 2차 권선(225 : 225a1~225an)(225b : 225b1~225bn) 각각에 직렬로 연결된 복수 개의 스위치(225c)로 이루어질 수 있다.
수신부(240)는 전력 수신기(242) 및 구동기(244)로 구성된다.
여기서, 전력 수신기(242)는 송신부(220)에서 전송된 전력을 수신하기 위한 수신 커패시터(242a) 및 수신 인덕터(242b)를 포함하며, 구동기(244)는 전력 수신기(242)에서 수신된 전력을 배터리(280)에 바로 전송하거나 전력의 레벨을 변환시켜 배터리(280)에 전송하도록 구성될 수 있다.
한편, 무선 전력 전송 시스템(200)은 송신부(220)에서의 전력 전송 시 송신부(220)와 수신부(240) 간의 거리에 따라 자기 유도 방식과 자기 공명 방식이 선택적으로 사용되도록 제어하는 송신 제어부(260)를 더 포함하여 구성된다.
송신 제어부(260)는 검출기(262) 및 송신 제어기(264)를 구비한다.
이 중에서 검출기(262)는 송신부(220)와 수신부(240) 간의 거리에 상응하는 자기 결합력을 검출한다.
이때, 검출기(262)는 송신부(220)와 수신부(240) 간의 거리에 상응하는 자기 결합력을 검출하는 수단으로서, 송신 인덕터(227)로 전달되는 전력량을 검출하는 전력 센서나 송신 인덕터(227)에 흐르는 전류를 검출하는 전류 센서 중 선택된 어느 하나로 이루어질 수 있다.
송신 제어기(264)는 검출된 자기 결합력에 따라 자기 유도 방식과 자기 공명 방식이 선택적으로 사용되도록 제어한다. 즉, 송신 제어기(264)는 검출된 자기 결합력에 따라 가변 트랜스포머(225)의 1차 또는 2차 턴 수(225 : 225a1~225an)(225b : 225b1~225bn)를 가변시키고, 가변된 가변 트랜스포머(225)의 1차 또는 2차 턴 수(225 : 225a1~225an)(225b : 225b1~225bn)에 따라 자기 유도 방식과 자기 공명 방식이 선택적으로 사용되도록 제어한다.
보다 구체적으로는, 도 8에 도시한 바와 같이, 송신 제어기(264)는 검출된 자기 결합력이 기준 결합력보다 작으면, 가변 트랜스포머(225)의 1차 턴 수(225 : 225a1~225an)를 작게 가변시켜 자기 공명 방식이 사용되도록 제어하고, 검출된 자기 결합력이 기준 결합력 이상이면, 가변 트랜스포머(225)의 1차 턴 수(225 : 225a1~225an)를 크게 가변시켜 자기 유도 방식이 사용되도록 제어한다.
또한, 도 9에 도시한 바와 같이, 송신 제어기(264)는 검출된 자기 결합력이 기준 결합력보다 작으면, 가변 트랜스포머(225)의 2차 턴 수(225b : 225b1~225bn)를 크게 가변시켜 자기 공명 방식이 사용되도록 제어하고, 검출된 자기 결합력이 기준 결합력 이상이면, 가변 트랜스포머(225)의 2차 턴 수(225b : 225b1~225bn)를 작게 가변시켜 자기 유도 방식이 사용되도록 제어한다.
그리고, 송신 제어기(264)는 검출된 자기 결합력에 따라 가변 트랜스포머(225)의 1차 또는 2차 턴 수(225 : 225a1~225an)(225b : 225b1~225bn)를 가변시키기 위해 복수 개의 스위치를 선택적으로 연결하기 위한 제어 신호(P2)를 출력할 수 있다. 즉, 송신 제어기(264)는 검출된 자기 결합력에 따라 가변 트랜스포머(225)의 1차 턴 수(225 : 225a1~225an)를 가변시키기 위해 복수 개의 제1 스위치(225c11~225c1n)를 선택적으로 연결하고, 검출된 자기 결합력에 따라 가변 트랜스포머(225)의 2차 턴 수(225b : 225b1~225bn)를 가변시키기 위해 복수 개의 제2 스위치(225c21~225c2n)를 선택적으로 연결한다.
이와 같이, 송신부와 수신부 간의 자기 결합력에 따라 자기 유도 방식이나 자기 공명 방식을 적절하게 사용하여 송신부와 수신부 간의 거리(위치)에 상관없이 무선 전력 전송 시스템의 효율성을 항상 높일 수 있는 장점이 있다.
본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
100, 200. 무선 전력 전송 시스템
120, 220. 송신부 140, 240. 수신부
160, 260. 송신 제어부
162, 262. 검출기
164, 264. 송신 제어기

Claims (19)

  1. 배터리를 충전하기 위한 전력을 생성하여 전송하는 송신부;
    상기 전송된 전력을 수신하여 상기 배터리를 충전하는 수신부;
    상기 송신부에서의 전력 전송 시 상기 송신부와 상기 수신부 간의 거리에 따라 자기 유도 방식과 자기 공명 방식이 선택적으로 사용되도록 제어하는 송신 제어부;
    를 포함하는 무선 전력 전송 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 송신 제어부는,
    상기 송신부에서의 전력 전송 시 상기 송신부와 상기 수신부 간의 거리가 사전에 설정된 기준 거리 미만이면, 자기 유도 방식이 사용되도록 제어하고,
    상기 송신부와 상기 수신부 간의 거리가 상기 기준 거리 이상이면, 자기 공명 방식이 사용되도록 제어하는 무선 전력 전송 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 송신부는,
    상기 배터리를 충전하기 위한 전력을 생성하는 전력 생성기;
    상기 생성된 전력을 전송하는 전력 전송기를 포함하는 무선 전력 전송 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 전력 전송기는,
    인가되는 제어 신호에 따라 커패시턴스가 가변하는 가변 커패시터;
    송신 인덕터를 포함하는 무선 전력 전송 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 가변 커패시터는,
    병렬로 연결된 복수 개의 커패시터;
    상기 각 커패시터와 직렬로 연결된 복수 개의 스위치를 포함하는 무선 전력 전송 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 송신 제어부는,
    상기 송신부에서의 전력 전송 시 상기 송신부와 상기 수신부 간의 거리에 상응하는 자기 결합력을 검출하는 검출기;
    상기 검출된 자기 결합력에 따라 자기 유도 방식과 자기 공명 방식이 선택적으로 사용되도록 제어하는 송신 제어기를 포함하는 무선 전력 전송 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 검출기는,
    상기 송신 인덕터로 전달되는 전력량을 검출하는 전력 센서 및 상기 송신 인덕터에 흐르는 전류를 검출하는 전류 센서 중에서 선택된 어느 하나인 무선 전력 전송 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 송신 제어기는,
    상기 전력 센서에서 검출된 전력량 또는 상기 전류 센서에서 검출된 전류를 이용하여 상기 송신부와 상기 수신부 간의 거리에 상응하는 자기 결합력을 검출하고, 상기 검출된 자기 결합력에 따라 자기 유도 방식과 자기 공명 방식이 선택적으로 사용되도록 제어하는 무선 전력 전송 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 자기 결합력은,
    상기 전력 센서에서 검출된 전력량 또는 상기 전류 센서에서 검출된 전류의 크기와 반비례하는 무선 전력 전송 시스템.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 송신 제어기는,
    상기 검출된 자기 결합력에 따라 상기 가변 커패시터의 커패시턴스를 가변시키고, 상기 가변된 가변 커패시터의 커패시턴스에 따라 상기 자기 유도 방식과 자기 공명 방식이 선택적으로 사용되도록 제어하는 무선 전력 전송 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 송신 제어기는,
    상기 검출된 자기 결합력이 기준 결합력보다 작으면, 상기 가변 커패시터의 커패시턴스를 기준 커패시턴스보다 작게 가변시켜 상기 자기 공명 방식이 사용되도록 제어하고,
    상기 검출된 자기 결합력이 상기 기준 결합력 이상이면, 상기 가변 커패시터의 커패시턴스를 상기 기준 커패시턴스보다 크게 가변시켜 상기 자기 유도 방식이 사용되도록 제어하는 무선 전력 전송 시스템.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 송신 제어기는,
    상기 검출된 자기 결합력에 따라 상기 가변 커패시터의 커패시턴스를 가변시키기 위해 상기 복수 개의 스위치를 선택적으로 연결하기 위한 제어 신호를 출력하는 무선 전력 전송 시스템.
  13. 제 3 항에 있어서,
    상기 전력 전송기는,
    인가되는 제어 신호에 따라 1차 또는 2차 턴 수를 가변시키는 가변 트랜스포머;
    상기 가변 트랜스포머의 후단에 위치한 송신 커패시터;
    송신 인덕터를 포함하는 무선 전력 전송 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 가변 트랜스포머는,
    복수 개의 1차 및 2차 권선;
    상기 1차 또는 2차 권선 각각에 직렬로 연결된 복수 개의 스위치를 포함하는 무선 전력 전송 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 송신 제어부는,
    상기 송신부에서의 전력 전송 시 상기 송신부와 상기 수신부 간의 거리에 상응하는 자기 결합력을 검출하는 검출기;
    상기 검출된 자기 결합력에 따라 자기 유도 방식과 자기 공명 방식이 선택적으로 사용되도록 제어하는 송신 제어기를 포함하는 무선 전력 전송 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 송신 제어기는,
    상기 검출된 자기 결합력에 따라 상기 가변 트랜스포머의 1차 또는 2차 턴 수를 가변시키고, 상기 가변된 가변 트랜스포머의 1차 또는 2차 턴 수에 따라 상기 자기 유도 방식과 자기 공명 방식이 선택적으로 사용되도록 제어하는 무선 전력 전송 시스템.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 송신 제어기는,
    상기 검출된 자기 결합력이 기준 결합력보다 작으면, 상기 가변 트랜스포머의 1차 턴 수를 작게 가변시켜 상기 자기 공명 방식이 사용되도록 제어하고,
    상기 검출된 자기 결합력이 상기 기준 결합력 이상이면, 상기 가변 트랜스포머의 1차 턴 수를 크게 가변시켜 상기 자기 유도 방식이 사용되도록 제어하는 무선 전력 전송 시스템.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 송신 제어기는,
    상기 검출된 자기 결합력이 기준 결합력보다 작으면, 상기 가변 트랜스포머의 2차 턴 수를 크게 가변시켜 상기 자기 공명 방식이 사용되도록 제어하고,
    상기 검출된 자기 결합력이 상기 기준 결합력 이상이면, 상기 가변 트랜스포머의 2차 턴 수를 작게 가변시켜 상기 자기 유도 방식이 사용되도록 제어하는 무선 전력 전송 시스템.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 송신 제어기는,
    상기 검출된 자기 결합력에 따라 상기 가변 트랜스포머의 1차 또는 2차 턴 수를 가변시키기 위해 상기 복수 개의 스위치를 선택적으로 연결하기 위한 제어 신호를 출력하는 무선 전력 전송 시스템.
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