KR20130035205A - 수전 장치 및 비접촉 급전 시스템 - Google Patents

수전 장치 및 비접촉 급전 시스템 Download PDF

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KR20130035205A
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고이치로 가마타
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가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼
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Abstract

본 발명은 공명 방식의 비접촉 급전 시스템에서 효율적 및 안정적으로 급전한다.
공명 코일과, 전자기 결합 코일과, 정류 회로와, 평활화 회로와, 직류 전력의 전압값을 다른 전압값으로 변환하는 전압 변환 회로와, 상기 전압 변환 회로에 입력되는 직류 전력의 전압값 및 전류값을 취득하고 상기 취득된 전압값 및 전류값에 의거하여 임피던스를 계산하고 또 상기 전압 변환 회로의 출력 전압 및 출력 전류를 제어하는 펄스 폭 변조 신호를 생성하는 제어 회로와, 상기 전압 변환 회로의 출력 전압 및 출력 전류가 입력되는 부하를 갖고, 상기 제어 회로에 의하여 계산된 임피던스가 전송되는 교류 전력의 전송 효율이 최대가 되는 임피던스에 가깝게 되도록 상기 펄스 폭 변조 신호의 듀티비가 결정되는 수전 장치 및 상기 수전 장치를 갖는 비접촉 급전 시스템에 관한 것이다.

Description

수전 장치 및 비접촉 급전 시스템{POWER RECEIVING DEVICE AND CONTACTLESS POWER FEEDING SYSTEM}
기재되는 발명의 일 형태는 수전 장치 및 비접촉 급전 시스템에 관한 것이다.
다양한 전자 기기가 보급되고 있으며 다종다양한 제품이 시장에 출하되고 있다. 최근 휴대 전화 및 디지털 비디오 카메라 등의 휴대형 전자 기기의 보급이 현저하다. 또한, 전력에 의하여 동력을 얻는 전기 자동차 등의 전기 추진 이동체도 제품으로서 출시되기 시작하고 있다.
휴대 전화, 디지털 비디오 카메라, 또는 전기 추진 이동체에는 축전 수단인 배터리(축전지라고도 함)가 내장되어 있다. 현상에서는 상기 배터리의 대부분은 급전 수단인 가정용 교류 전원과 직접 접촉됨으로써 그것으로부터 충전된다. 또한, 현상에서는 배터리를 구비하지 않는 구성 또는 배터리에 충전된 전력을 사용하지 않는 구성일 때 배선 등을 통하여 가정용 교류 전원으로부터 직접 급전되어 동작한다.
한편, 비접촉으로 배터리의 충전 또는 부하로의 급전을 실시하는 방식에 대한 연구 개발도 진행되고 있으며, 대표적인 방식으로서 전자기 결합(electromagnetic coupling) 방식(전자기 유도 방식이라고도 함)(특허 문헌 1 참조), 전파 방식(마이크로파 방식이라고도 함), 공명 방식(공진 방식이라고도 함)(특허 문헌 2 내지 특허 문헌 4 참조)을 들 수 있다.
특허 문헌 2 내지 특허 문헌 4에 기재된 바와 같이, 공명 방식의 비접촉 급전 기술에서는 전력을 받는 측의 장치(이하, 수전 장치라고 함) 및 전력을 공급하는 측의 장치(이하, 송전 장치라고 함)가 각각 공명 코일을 갖는다. 또한, 수전 장치 및 송전 장치에는 각각 전자기 결합 코일이 설치되어 있다. 송전 장치에서는 전자기 결합 코일을 통하여 전원으로부터 공명 코일에 급전이 실시되고, 수전 장치에서는 전자기 결합 코일을 통하여 공명 코일로부터 부하에 급전이 실시된다.
송전 장치의 공명 코일 및 수전 장치의 공명 코일은 동일한 주파수 f0으로 공명(LC 공진) 현상이 발현하도록 조정되어 있다.
상기 송전 장치의 공명 코일 및 상기 수전 장치의 공명 코일이 대향하고, 공명(공진) 현상을 일으킴으로써, 상기 공명 코일들 사이의 거리가 떨어져 있는 상태라도 효율적인 전력 전송을 실현할 수 있다(비특허문헌 1 참조).
일본국 특개2002-101578호 공보 일본국 특개2010-193598호 공보 일본국 특개2010-239690호 공보 일본국 특개2010-252468호 공보
"와이어리스 급전 2010 비접촉 충전과 무선 전력 전송의 모든 것" 니케이 일렉트로닉스, 2010년 3월, pp.66-81
그러나, 공명 방식의 비접촉 급전 시스템에서는 상기 송전 장치의 공명 코일 및 수전 장치의 공명 코일이 적절한 위치 관계를 유지하지 않는 경우에는 전력 전송 효율이 저감된다.
즉 송전 장치의 공명 코일과 수전 장치의 공명 코일의 위치가 지나치게 먼 경우에는 전력 전송 효율이 저감된다. 또한, 송전 장치의 공명 코일과 수전 장치의 공명 코일의 위치가 지나치게 가까운 경우에도 전력 전송 효율이 저감되는 현상이 일어난다.
공명 방식의 비접촉 급전 시스템의 모식도를 도 3a에 도시하였고, 사시도를 도 3b에 도시하였고, 송전 장치의 공명 코일과 수전 장치의 공명 코일 사이의 거리 D를 변화시켰을 때의 주파수와 전력의 전송 효율의 관계를 도 4a 내지 도 4c에 도시하였다.
도 3a 및 도 3b에 도시된 공명 방식의 비접촉 급전 시스템은 송전 장치(1100) 및 수전 장치(1110)를 갖는다. 송전 장치(1100)는 교류 전원(1101), 전자기 결합 코일(1103), 공명 코일(1104)을 갖는다. 또한, 수전 장치(1110)는 부하(1111), 전자기 결합 코일(1112), 공명 코일(1113)을 갖는다. 또한, 도 3a 및 도 3b에서 송전 장치(1100)의 공명 코일(1104)과 수전 장치(1110)의 공명 코일(1113) 사이의 거리 D를 송전 장치(1100)와 수전 장치(1110) 사이의 거리로 한다.
또한, 도 3a 및 도 3b에서 송전 장치(1100)는 전자기 결합 코일(1103), 공명 코일(1104), 및 콘덴서(1105)(송전 소자(1151)라고 기재함), 및 수전 장치(1110)는 전자기 결합 코일(1112), 공명 코일(1113), 및 콘덴서(1115)(수전 소자(1152)라고 기재함)를 갖지만, 송전 소자(1151) 및 수전 소자(1152)로서 각각 헬리컬 안테나를 사용한 자계형 소자나 미앤더 라인 안테나를 사용한 전계형 소자를 사용하여도 좋다.
송전 장치(1100)에서 교류 전원(1101)으로부터 공명 코일(1104)로의 급전은 전자기 결합 코일(1103)을 통하여 전자기 결합 방식으로 행해진다. 송전 장치(1100)로부터 수전 장치(1110)로의 급전은 공명 코일(1104) 및 공명 코일(1113)이 전자기 공명함으로써 실시된다. 또한, 공명 코일(1113)로부터 부하(1111)로의 급전은 전자기 결합 코일(1112)을 통하여 전자기 결합 방식으로 행해진다.
도 4a 내지 도 4c는 공명 방식의 비접촉 급전 시스템에서 송전 장치(1100)의 공명 코일(1104)과 수전 장치(1110)의 공명 코일(1113) 사이의 거리 D를 변화시켰을 때의 전송 효율의 변화를 도시한 것이다.
우선, 도 4b는 상기 비접촉 급전 시스템이 주파수가 f0일 때 최대의 전송 효율이 되는, 송전 장치(1100)의 공명 코일(1104)과 수전 장치(1110)의 공명 코일(1113) 사이의 거리 D1의 경우를 도시한 것이다.
도 4a는 송전 장치(1100)의 공명 코일(1104)과 수전 장치(1110)의 공명 코일(1113) 사이의 거리 D가 거리 D1보다 짧은 경우(거리 D2)를 도시한 것이다. 이 때, 송전 장치(1100)의 공명 코일(1104)과 수전 장치(1110)의 공명 코일(1113)은 주파수가 f0일 때 공명하지만, 전송 효율은 도 4b보다 저감된다.
도 4c는 송전 장치(1100)의 공명 코일(1104)과 수전 장치(1110)의 공명 코일(1113) 사이의 거리 D가 거리 D1보다 긴 경우(거리 D3)를 도시한 것이다. 이 때, 송전 장치(1100)의 공명 코일(1104)과 수전 장치(1110)의 공명 코일(1113)의 전송 효율의 곡선은 2개로 나누어져 있고, 주파수가 f0일 때가 아니라 주파수가 f0'때 전송 효율은 최대가 된다. 따라서, 주파수가 f0일 때의 전송 효율은 도 4b의 경우보다 저감된다.
즉 공명 방식의 비접촉 급전 기술에서의 전송 효율은 송전 장치(1100)의 공명 코일(1104)과 수전 장치(1110)의 공명 코일(1113) 사이의 거리가 거리 D1보다 크거나 작거나 저감된다.
또한, 상기 공명 방식의 비접촉 급전 시스템에서는 공명 코일들 사이의 거리뿐만 아니라 급전의 대상이 되는 부하(도 3a 및 도 3b에서는 부하(1111))가 갖는 임피던스에 따라 전력 효율이 변화된다.
도 5a 및 도 5b는 송전 장치(1100)의 공명 코일(1104)과 수전 장치(1110)의 공명 코일(1113) 사이의 거리 D를 변화시킨 경우(도 5a는 거리 D가 짧은(예를 들어, 거리 D2) 경우를 도시한 것이고, 도 5b는 거리 D가 긴(예를 들어, 거리 D3) 경우를 도시한 것임)의 주파수와 전력 전송 효율의 변화를 도시한 것이다. 또한, 도 5a 및 도 5b 각각에 부하(1111)의 임피던스(도 5a 및 도 5b에서는 부하 저항에 해당함)에 의존하여 전력 전송 효율이 크게 변화된 상태를 도시하였다. 또한, 도 5a 및 도 5b에서 부하(1111)의 부하 저항(임피던스)은 20Ω, 35Ω, 50Ω, 100Ω로 하였다.
도 5a는 거리 D가 짧은 경우(예를 들어, 거리 D2) 즉 송전 장치(1100)의 공명 코일(1104)과 수전 장치(1110)의 공명 코일(1113)이 근접된 경우의 주파수와 전송 효율의 관계를 도시한 것이다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 거리 D가 짧은 경우에는 부하(1111)의 임피던스가 예를 들어 35Ω일 때 전송 효율이 최대가 된다.
또한, 도 5b는 거리 D가 긴 경우(예를 들어 거리 D3) 즉 송전 장치(1100)의 공명 코일(1104)과 수전 장치(1110)의 공명 코일(1113)이 멀리 떨어진 경우의 주파수와 전송 효율의 관계를 도시한 것이다.
도 5b에 도시된 바와 같이, 거리 D가 긴 경우에는, 부하(1111)의 임피던스가 예를 들어 20Ω일 때 전송 효율이 최대가 된다.
즉 송전 장치(1100)와 수전 장치(1110) 사이의 거리 D에 의존하여 전송 효율이 최대가 되는 임피던스는 변화된다.
도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이 최대 전송 효율은 거리 D 및 부하(1111)의 임피던스에 의존하여 변화된다.
상술한 바와 같이, 상기 공명 방식의 비접촉 급전 시스템에서는 송전 장치(1100)의 공명 코일(1104)과 수전 장치(1110)의 공명 코일(1113) 사이의 거리 D 및 부하(1111)의 임피던스에 의존하여 전송 효율이 변화된다. 급전의 대상인 부하(1111)는 예를 들어 배터리, 조명, 디스플레이, 전자 회로 등이고, 그 임피던스는 각각 고유의 값을 나타낸다. 부하(1111)로서 무엇이 사용되는지 알 수 없을 경우 또는 부하(1111)의 임피던스가 가변적인 경우에는 상기 공명 방식의 비접촉 급전 시스템에서 부하(1111)의 임피던스를 제어하기 어렵다.
상술한 바와 같이, 상기 공명 방식의 비접촉 급전 시스템에서는 고유의 값을 나타내는 부하(1111)의 임피던스를 제어하기 어렵기 때문에 효율적 및 안정적으로 급전할 수 없을 우려가 있다.
상술한 점을 감안하여 기재되는 발명의 일 형태에서는 공명 방식의 비접촉 급전 시스템에서 효율적 및 안정적으로 급전하는 것을 과제 중 하나로 한다.
기재되는 발명의 일 형태는 수전 장치, 송전 장치, 및 상기 수전 장치를 갖는 공명 방식의 비접촉 급전 시스템에 관한 것이다.
기재되는 발명의 일 형태에서 송전 장치는 교류 전원, 전자기 결합 코일, 공명 코일, 및 콘덴서를 갖는다.
기재되는 발명의 일 형태에서 수전 장치는 공명 코일, 콘덴서, 전자기 결합 코일, 정류 회로, 평활화 회로, 전압 변환 회로, 제어 회로, 및 부하를 갖는다.
기재되는 발명의 일 형태인 비접촉 급전 시스템에서는 전압 변환 회로에 입력되는 직류 전력의 전압값 및 전류값을 제어 회로가 취득한다. 제어 회로는 상기 취득된 전압값 및 전류값에 의거하여 임피던스를 계산한다.
상술한 바와 같이, 비접촉 급전 시스템의 송전 장치로부터 수전 장치로의 전력 전송에서 최대 전송 효율은 송전 장치와 수전 장치 사이의 거리 및 부하의 임피던스에 의존하여 변화된다.
그래서, 기재되는 발명의 일 형태인 비접촉 급전 시스템에서는 상기 제어 회로에 의하여 계산된 임피던스가 전송 효율이 최대가 되는 상기 임피던스에 가깝게 되도록 상기 전압 변환 회로에 입력되는 직류 전력의 전압값 및 전류값을 제어한다. 또한, 상기 전압 변환 회로에 입력되는 직류 전력의 전압값 및 전류값을 제어함과 동시에 상기 전압 변환 회로로부터 출력되는 직류 전력의 전압값 및 전류값을 제어한다.
상기 제어 회로가 계산하여 얻은 임피던스에 의거하여 제어 회로는 전압 변환 회로를 제어하는 펄스 폭 변조 신호를 생성한다. 상기 펄스 폭 변조 신호의 듀티비에 의하여 상기 전압 변환 회로에 입력되는 직류 전력의 전압값 및 전류값이 제어된다. 상기 전압 변환 회로에 입력되는 직류 전력의 전압값 및 전류값을 제어함으로써 임피던스도 제어할 수 있다.
상술한 바와 같이, 제어 회로가 생성하는 펄스 폭 변조 신호의 듀티비를 제어함으로써 부하의 임피던스에 상관없이 상기 전압 변환 회로의 입력 측의 임피던스를 전력 전송에서 전송 효율이 최대가 되는 임피던스로 할 수 있다.
상술한 바와 같이, 기재되는 발명의 일 형태에서는 공명 방식의 비접촉 급전 시스템에서 효율적 및 안정적으로 급전할 수 있다.
기재되는 발명의 일 형태는 교류 전력을 받는 수전 소자와, 상기 수전 소자가 받은 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 정류 회로와, 상기 정류 회로에서 변환된 직류 전력의 전류를 평활화하는 평활화 회로와, 상기 평활화된 직류 전력의 전압값을 다른 전압값으로 변환하는 전압 변환 회로와, 상기 전압 변환 회로에 입력되는 직류 전력의 전압값 및 전류값을 취득하고 상기 취득된 전압값 및 전류값에 의거하여 임피던스를 계산하고 또 상기 전압 변환 회로의 출력 전압 및 출력 전류를 제어하는 펄스 폭 변조 신호를 생성하는 제어 회로와, 상기 전압 변환 회로의 출력 전압 및 출력 전류가 입력되는 부하를 갖고, 상기 제어 회로에 의하여 계산된 임피던스가 상기 전송되는 교류 전력의 전송 효율이 최대가 되는 임피던스에 가깝게 되도록 상기 펄스 폭 변조 신호의 듀티비가 결정되는 것을 특징으로 하는 수전 장치에 관한 것이다.
기재되는 발명의 일 형태는 전자기 공명에 의하여 교류 전력이 전송되는 공명 코일과, 전자기 결합에 의하여 상기 공명 코일로부터 상기 교류 전력이 전송되는 전자기 결합 코일과, 상기 전자기 결합 코일에 전송된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 정류 회로와, 상기 정류 회로에서 변환된 직류 전력의 전류를 평활화하는 평활화 회로와, 상기 평활화된 직류 전력의 전압값을 다른 전압값으로 변환하는 전압 변환 회로와, 상기 전압 변환 회로에 입력되는 직류 전력의 전압값 및 전류값을 취득하고 상기 취득된 전압값 및 전류값에 의거하여 임피던스를 계산하고 또 상기 전압 변환 회로의 출력 전압 및 출력 전류를 제어하는 펄스 폭 변조 신호를 생성하는 제어 회로와, 상기 전압 변환 회로의 출력 전압 및 출력 전류가 입력되는 부하를 갖고, 상기 제어 회로에 의하여 계산된 임피던스가 상기 전송되는 교류 전력의 전송 효율이 최대가 되는 임피던스에 가깝게 되도록 상기 펄스 폭 변조 신호의 듀티비가 결정되는 것을 특징으로 하는 수전 장치에 관한 것이다.
기재되는 발명의 일 형태는 교류 전력을 생성하는 교류 전원, 상기 교류 전력을 송전하는 송전 소자를 갖는 송전 장치와, 상기 송전된 교류 전력을 받는 수전 소자, 상기 수전 소자가 받은 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 정류 회로, 상기 정류 회로에서 변환된 직류 전력의 전류를 평활화하는 평활화 회로, 상기 평활화된 직류 전력의 전압값을 다른 전압값으로 변환하는 전압 변환 회로, 상기 전압 변환 회로에 입력되는 직류 전력의 전압값 및 전류값을 취득하고 상기 취득된 전압값 및 전류값에 의거하여 임피던스를 계산하고 또 상기 전압 변환 회로의 출력 전압 및 출력 전류를 제어하는 펄스 폭 변조 신호를 생성하는 제어 회로, 상기 전압 변환 회로의 출력 전압 및 출력 전류가 입력되는 부하를 갖는 수전 장치를 갖고, 상기 제어 회로에 의하여 계산된 임피던스가 상기 전송되는 교류 전력의 전송 효율이 최대가 되는 임피던스에 가깝게 되도록 상기 펄스 폭 변조 신호의 듀티비가 결정되는 것을 특징으로 하는 비접촉 급전 시스템에 관한 것이다.
기재되는 발명의 일 형태는 교류 전력을 생성하는 교류 전원, 전자기 결합에 의하여 상기 교류 전력을 전송하는 제 1 전자기 결합 코일, 전자기 공명에 의하여 상기 제 1 전자기 결합 코일로부터 전송된 교류 전력을 전송하는 제 1 공명 코일을 갖는 송전 장치와, 전자기 공명에 의하여 상기 제 1 공명 코일로부터 상기 교류 전력이 전송되는 제 2 공명 코일, 전자기 결합에 의하여 상기 제 2 공명 코일로부터 상기 교류 전력이 전송되는 제 2 전자기 결합 코일, 상기 제 2 전자기 결합 코일에 전송된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 정류 회로, 상기 정류 회로로 변환된 직류 전력의 전류를 평활화하는 평활화 회로, 상기 평활화된 직류 전력의 전압값을 다른 전압값으로 변환하는 전압 변환 회로, 상기 전압 변환 회로에 입력되는 직류 전력의 전압값 및 전류값을 취득하고 상기 취득된 전압값 및 전류값에 의거하여 임피던스를 계산하고 또 상기 전압 변환 회로의 출력 전압 및 출력 전류를 제어하는 펄스 폭 변조 신호를 생성하는 제어 회로, 상기 전압 변환 회로의 출력 전압 및 출력 전류가 입력되는 부하를 갖는 수전 장치를 갖고, 상기 제어 회로에 의하여 계산된 임피던스가 상기 전송되는 교류 전력의 전송 효율이 최대가 되는 임피던스에 가깝게 되도록 상기 펄스 폭 변조 신호의 듀티비가 결정되는 것을 특징으로 하는 비접촉 급전 시스템에 관한 것이다.
기재되는 발명의 일 형태에서 상기 부하는 배터리이며, 상기 배터리로의 충전을 제어하는 충전 제어 회로를 갖는 것을 특징으로 한다.
기재되는 발명의 일 형태에 의하여 공명 방식의 비접촉 급전 시스템에서 효율적 및 안정적으로 급전할 수 있다.
도 1은 공명 방식의 비접촉 급전 시스템의 회로도.
도 2a 및 도 2b는 DC-DC 컨버터의 회로 구성을 도시한 도면.
도 3a는 공명 방식의 비접촉 급전 시스템의 회로도이고, 도 3b는 공명 방식의 비접촉 급전 시스템의 사시도.
도 4a 내지 도 4c는 전송 효율의 변화를 도시한 도면.
도 5a 및 도 5b는 전송 효율의 변화를 도시한 도면.
도 6은 공명 방식의 비접촉 급전 시스템의 회로도.
도 7은 제어 회로의 동작을 도시한 흐름도.
도 8은 도 1의 회로도의 일부를 확대한 도면.
본 명세서에 기재되는 발명의 실시형태에 대하여 도면을 참조하여 이하에 설명한다. 다만, 본 명세서에 기재되는 발명은 많은 다른 형태로 실시하는 것이 가능하고, 본 명세서에 기재되는 발명의 취지 및 그 범위에서 벗어남이 없이 그 형태 및 상세한 내용을 다양하게 변경할 수 있다는 것은 당업자라면 용이하게 이해할 수 있다. 따라서, 본 실시형태의 기재 내용에 한정하여 해석되는 것은 아니다. 또한, 이하에 도시한 도면에서 동일 부분 또는 같은 기능을 갖는 부분에는 동일 부호를 붙이고 반복 설명은 생략한다.
또한, 본 명세서에 기재되는 발명에서 반도체 장치란 반도체를 이용함으로써 기능하는 소자 및 장치 전반을 가리키고, 전자 회로, 표시 장치, 발광 장치 등을 포함한 전기 장치 및 그 전기 장치를 탑재한 전자 기기를 그 범주에 포함한다.
또한, 도면 등에 도시한 각 구성의 위치, 크기, 범위 등은 이해하기 쉽게 하기 위하여 실제의 위치, 크기, 범위 등을 나타내지 않는 경우가 있다. 따라서, 기재되는 발명은 반드시 도면 등에 기재된 위치, 크기, 범위 등에 한정되지 않는다.
또한, 본 명세서 등에 기재되는 “제 1” “제 2” “제 3” 등의 서수는 구성 요소의 혼동을 피하기 위하여 붙인 것이고, 개수를 한정하는 것은 아닌 것을 부기한다.
본 실시형태의 공명 방식의 비접촉 급전 시스템을 도 1에 도시하였다. 도 1의 비접촉 급전 시스템은 송전 장치(100) 및 수전 장치(110)를 갖는다.
송전 장치(100)는 교류 전원(107), 전자기 결합 코일(106), 공명 코일(108), 및 콘덴서(109)를 갖는다. 또한, 수전 장치(110)는 콘덴서(111), 공명 코일(112), 전자기 결합 코일(113), 정류 회로(115), 콘덴서(116), DC-DC 컨버터(118), 제어 회로(119), 및 부하(125)를 갖는다. 또한, DC-DC 컨버터(118) 및 제어 회로(119)의 접속부를 노드(120)로 한다.
교류 전원(107)은 고주파의 교류 전력을 출력하는 전원이다. 교류 전원(107)의 단자 중 하나는 전자기 결합 코일(106)의 단자 중 하나와 전기적으로 접속되어 있다. 교류 전원(107)의 단자 중 다른 하나는 접지되어 있다.
전자기 결합 코일(106)의 단자 중 하나는 교류 전원(107)의 단자 중 하나와 전기적으로 접속되어 있다. 전자기 결합 코일(106)의 단자 중 다른 하나는 접지되어 있다.
공명 코일(108)의 단자 중 하나는 콘덴서(109)의 단자 중 하나와 전기적으로 접속되어 있다. 공명 코일(108)의 단자 중 다른 하나는 콘덴서(109)의 단자 중 다른 하나와 전기적으로 접속되어 있다.
교류 전원(107)으로부터 공명 코일(108)로의 급전은 전자기 결합 코일(106)을 통하여 전자기 결합 방식을 이용하여 실시된다.
송전 장치(100)의 전자기 결합 코일(106) 및 후술하는 수전 장치(110)의 전자기 결합 코일(113)은 예를 들어 약 한 바퀴 감긴 코일이며, 송전 장치(100)의 공명 코일(108) 및 후술하는 수전 장치(110)의 공명 코일(112)은 예를 들어 몇 바퀴 정도 감긴 코일이다.
송전 장치(100)의 공명 코일(108) 및 후술하는 수전 장치(110)의 공명 코일(112)은 양단이 개방된 코일이다. 상기 공명 코일(108) 및 공명 코일(112)은 부유 용량으로 인한 콘덴서(도 1의 콘덴서(109) 및 콘덴서(111)에 상당함)를 갖는다. 이로써, 상기 공명 코일(108) 및 공명 코일(112)은 LC 공진 회로가 된다. 또한, 콘덴서는 부유 용량 방식에 한정되지 않고, 코일의 양단에 콘덴서를 접속하여 LC 공진 회로를 실현하여도 좋다.
또한, 코일을 사용한 전력 전송 기술에서 높은 전송 효율을 나타내는 지표가 되는 파라미터로서 k×Q(k는 결합 계수, Q는 공명 코일의 Q값)가 있다. 결합 계수 k는 급전 측의 공명 코일과 수전 측의 공명 코일의 결합 정도를 나타내는 계수다. 또한 Q값은 공진 회로의 공진 피크의 날카로움을 나타내는 값이다. 공명 방식의 비접촉 급전 기술에서는 높은 전송 효율을 실현하기 위하여 상기 공명 코일(108) 및 상기 공명 코일(112)로서 Q값이 매우 높게 설정된 공명 코일(예를 들어 Q가 100보다 큼(ｋ×Q가 1보다 큼))을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 도 1에서 송전 장치(100)는 전자기 결합 코일(106), 공명 코일(108), 및 콘덴서(109)(송전 소자(151)라고 기재함)를 갖고, 수전 장치(110)는 전자기 결합 코일(113), 공명 코일(112), 및 콘덴서(111)(수전 소자(152)라고 기재함)를 갖지만, 이것에 한정되지 않는다. 송전 소자(151) 및 수전 소자(152)는 각각 헬리컬 안테나를 사용한 전계형 소자나 미앤더 라인 안테나를 사용한 전계형 소자를 사용하여도 좋다.
송전 소자(151)는 교류 전원(107)과 전기적으로 접속되어 있고, 교류 전원(107)에서 생성된 교류 전력을 송전하는 기능을 갖는다. 또한, 수전 소자(152)는 정류 회로(115)와 전기적으로 접속되어 있고, 상기 송전된 교류 전력을 받는 기능을 갖는다.
수전 장치(110)에서 공명 코일(112)의 단자 중 하나는 콘덴서(111)의 단자 중 하나와 전기적으로 접속되어 있다. 공명 코일(112)의 단자 중 다른 하나는 콘덴서(111)의 단자 중 다른 하나와 전기적으로 접속되어 있다.
전자기 결합 코일(113)의 단자 중 하나는 정류 회로(115)의 제 1 단자와 전기적으로 접속되어 있다. 전자기 결합 코일(113)의 단자 중 다른 하나는 정류 회로(115)의 제 2 단자와 전기적으로 접속되어 있다.
정류 회로(115)는 4개의 다이오드로 구성된 정류 브리지다. 정류 회로(115)는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 교류-직류 변환기(AC-DC 컨버터, AC-DC 어댑터라고도 함)로서 기능한다. 정류 회로(115)의 제 1 단자는 전자기 결합 코일(113)의 단자 중 하나와 전기적으로 접속되어 있다. 정류 회로(115)의 제 2 단자는 전자기 결합 코일(113)의 단자 중 다른 하나와 전기적으로 접속되어 있다. 정류 회로(115)의 제 3 단자는 콘덴서(116)의 단자 중 하나, DC-DC 컨버터(118)의 제 1 단자, 및 제어 회로(119)의 제 1 단자와 전기적으로 접속되어 있다. 정류 회로(115)의 제 4 단자는 접지되어 있다.
콘덴서(116)는 정류 회로(115)로부터 출력된 직류 전력을 축적하고 또 방출함으로써 상기 직류 전력을 평활화하는 기능을 갖는다. 즉 콘덴서(116)는 직류 전력을 평활화하는 평활화 회로라고 할 수도 있다. 콘덴서(116)의 단자 중 하나는 정류 회로(115)의 제 3 단자, DC-DC 컨버터(118)의 제 1 단자, 및 제어 회로(119)의 제 1 단자와 전기적으로 접속되어 있다. 콘덴서(116)의 단자 중 다른 하나는 접지되어 있다.
DC-DC 컨버터(118)는 직류 전력의 전압값을 다른 전압값으로 변환하는 전압 변환 회로다. DC-DC 컨버터(118)는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 정류 회로(115) 및 상기 직류 전력을 평활화하는 기능을 갖는 콘덴서(116)와 부하(125) 사이에 설치되어 있다.
DC-DC 컨버터(118)의 제 1 단자는 콘덴서(116)의 단자 중 하나, 정류 회로(115)의 제 3 단자, 및 제어 회로(119)의 제 1 단자와 전기적으로 접속되어 있다. DC-DC 컨버터(118)의 제 2 단자는 제어 회로(119)의 제 2 단자와 전기적으로 접속되어 있다. DC-DC 컨버터(118)의 제 3 단자는 부하(125)의 단자 중 하나와 전기적으로 접속되어 있다.
또한, DC-DC 컨버터(118)의 제 1 단자 및 제어 회로(119)의 제 1 단자에 인가되는 전압을 입력 전압 Vin으로 하고, DC-DC 컨버터(118)의 제 1 단자에 입력되는 전류를 입력 전류 Iin으로 한다. 또한, DC-DC 컨버터(118)의 제 3 단자로부터 출력되는 전압을 출력 전압 Vout로 하고, 출력되는 전류를 출력 전류 Iout로 한다.
또한, DC-DC 컨버터(118)의 제 1 단자 및 제어 회로(119)의 제 1 단자에 인가되는 전압을 입력 전압 Vin으로 하고, DC-DC 컨버터(118)에 입력되는 전류를 입력 전류 Iin으로 한다는 것은 노드(120)에 인가되는 전압이 입력 전압 Vin이고, 노드(120)를 흐르는 전류가 입력 전류 Iin이라는 것이다. 또한, 본 실시형태에서는 제어 회로(119)를 흐르는 입력 전류 Iin은 거의 없는 것으로 한다. 입력 전류 Iin의 전류값을 취득하는 방법에 대해서는 후술한다.
또한, 제어 회로(119)의 제 2 단자로부터 DC-DC 컨버터(118)의 제 2 단자에 입력되는 신호를 펄스 폭 변조 신호 PWM(PWM: Pulse Width Modulation)으로 한다. 펄스 폭 변조 신호 PWM에 대해서는 후술한다.
DC-DC 컨버터(118)의 구체적인 회로 구성을 도 2a 및 도 2b에 도시하였다. 도 2a는 승압형 DC-DC 컨버터의 예이고, 도 2b는 강압형 DC-DC 컨버터의 예다.
도 2a에 도시된 승압형 DC-DC 컨버터는 코일(132), 다이오드(133), 및 트랜지스터(135)를 갖는다.
코일(132)의 단자 중 하나는 입력 전압 Vin이 인가되는 단자(131)와 전기적으로 접속되어 있다. 코일(132)의 단자 중 다른 하나는 다이오드(133)의 입력 단자 및 트랜지스터(135)의 소스 및 드레인 중 하나와 전기적으로 접속되어 있다.
다이오드(133)의 입력 단자는 코일(132)의 단자 중 다른 하나 및 트랜지스터(135)의 소스 및 드레인 중 하나와 전기적으로 접속되어 있다. 다이오드(133)의 출력 단자는 출력 전압 Vout를 출력하는 단자(134)와 전기적으로 접속되어 있다.
트랜지스터(135)의 게이트에는 제어 회로(119)에서 생성된 펄스 폭 변조 신호 PWM이 입력된다. 트랜지스터(135)의 게이트에 입력된 펄스 폭 변조 신호 PWM의 듀티비에 의거하여 트랜지스터(135)가 온 상태가 되는 시간을 제어할 수 있다. 이로써, 출력 전압 Vout를 제어할 수 있다.
트랜지스터(135)의 소스 및 드레인 중 하나는 다이오드(133)의 입력 단자 및 코일(132)의 단자 중 다른 하나와 전기적으로 접속되어 있다. 트랜지스터(135)의 소스 및 드레인 중 다른 하나는 접지 전압 GND가 입력되는 단자(136) 및 단자(137)와 전기적으로 접속되어 있다. 즉 트랜지스터(135)의 소스 및 드레인 중 다른 하나는 접지되어 있다.
또한, 도 1에 도시된 DC-DC 컨버터(118)로서 도 2a에 도시된 승압형 DC-DC 컨버터를 사용한 경우에는, DC-DC 컨버터(118)의 제 1 단자는 단자(131)에 상당하고, DC-DC 컨버터(118)의 제 2 단자는 트랜지스터(135)의 게이트에 상당하고, DC-DC 컨버터(118)의 제 3 단자는 단자(134)에 상당한다.
도 2b에 도시된 강압형 DC-DC 컨버터는 코일(142), 다이오드(143), 및 트랜지스터(145)를 갖는다.
트랜지스터(145)의 게이트에는 제어 회로(119)에서 생성된 펄스 폭 변조 신호 PWM이 입력된다. 트랜지스터(145)의 게이트에 입력되는 펄스 폭 변조 신호 PWM의 듀티비에 의거하여 트랜지스터(145)가 온 상태가 되는 시간을 제어할 수 있다. 이로써, 출력 전압 Vout를 제어할 수 있다.
트랜지스터(145)의 소스 및 드레인 중 하나는 입력 전압 Vin이 입력되는 단자(141)와 전기적으로 접속되어 있다. 트랜지스터(145)의 소스 및 드레인 중 다른 하나는 다이오드(143)의 출력 단자 및 코일(142)의 단자 중 하나와 전기적으로 접속되어 있다.
다이오드(143)의 입력 단자는 접지 전압 GND가 인가되는 단자(146) 및 단자(147)와 전기적으로 접속되어 있다. 즉 다이오드(143)의 입력 단자는 접지되어 있다. 다이오드(143)의 출력 단자는 트랜지스터(145)의 소스 및 드레인 중 다른 하나 및 코일(142)의 단자 중 하나와 전기적으로 접속되어 있다.
코일(142)의 단자 중 하나는 다이오드(143)의 출력 단자 및 트랜지스터(145)의 소스 및 드레인 중 다른 하나와 전기적으로 접속되어 있다. 코일(142)의 단자 중 다른 하나는 출력 전압 Vout를 출력하는 단자(144)와 전기적으로 접속되어 있다.
또한, 도 1에 도시된 DC-DC 컨버터(118)로서 도 2b에 도시된 강압형 DC-DC 컨버터를 사용한 경우에는, DC-DC 컨버터(118)의 제 1 단자는 단자(141)에 상당하고, DC-DC 컨버터(118)의 제 2 단자는 트랜지스터(145)의 게이트에 상당하고, DC-DC 컨버터(118)의 제 3 단자는 단자(144)에 상당한다.
부하(125)의 단자 중 하나는 DC-DC 컨버터(118)의 제 3 단자와 전기적으로 접속되어 있다. 부하(125)의 단자 중 다른 하나는 접지되어 있다. 부하(125)의 단자 중 하나에는 DC-DC 컨버터(118)의 제 3 단자로부터 DC-DC 컨버터(118)의 출력 전압 Vout 및 출력 전류 Iout가 입력된다.
도 7은 제어 회로(119)의 동작을 도시한 것이다. 제어 회로(119)는 DC-DC 컨버터(118)에 입력되는 입력 전압 Vin의 전압값 및 입력 전류 Iin의 전류값을 취득한다(S101). 취득된 입력 전류 Iin의 전류값 및 입력 전압 Vin의 전압값에 의거하여 노드(120)의 임피던스(전압값/전류값)를 계산한다(S102). 이러한 제어 회로(119)로서 예를 들어 마이크로 프로세서가 사용된다.
입력 전류 Iin의 전류값을 취득하는 방법의 일례에 대하여 도 8을 사용하여 설명한다. 도 8은 도 1에 도시된 회로도를 확대한 것이다. 도 8에서 노드(120) 및 DC-DC 컨버터(118)의 제 1 단자 사이에는 기지의 저항값 R을 갖는 저항(126)이 설치되어 있다. 또한, 저항값 R은 DC-DC 컨버터(118)에 입력되는 전압을 저하시키지 않기 위하여 가능한 한 작은 것이 바람직하다. 또한, 저항(126)의 단자 중 하나는 노드(120)와 전기적으로 접속되어 있고, 저항(126)의 단자 중 다른 하나는 DC-DC 컨버터(118)의 제 1 단자 및 제어 회로(119)와 전기적으로 접속되어 있다. 여기서, 저항(126)의 단자 중 다른 하나와 제어 회로(119)의 접속부를 노드(127)로 하고, 노드(127)의 전압을 전압 V2로 한다.
상술한 바와 같이, 기지의 저항값 R을 갖는 저항(126)을 설치하면, Iin=(Vin-V2)/R이기 때문에 입력 전류 Iin의 전류값을 취득할 수 있다.
제어 회로(119)에서는 계산으로 얻어진 노드(120)의 임피던스와 전송 효율이 최대가 되는 임피던스를 비교하고(S103), 계산으로 얻어진 노드(120)의 임피던스가 전송 효율이 최대가 되는 임피던스에 가깝게 되도록 펄스 폭 변조 신호 PWM의 듀티비를 결정한다(S104). 상기 듀티비가 결정된 펄스 폭 변조 신호 PWM이 DC-DC 컨버터(118)의 트랜지스터(135) 또는 트랜지스터(145)에 입력된다(S105).
상기 듀티비가 결정된 펄스 폭 변조 신호 PWM에 의하여 DC-DC 컨버터(118)에 입력되는 입력 전압 Vin 및 입력 전류 Iin이 제어된다. 즉 펄스 폭 변조 신호 PWM의 듀티비에 의거하여 입력 전압 Vin 및 입력 전류 Iin이 결정된다. 펄스 폭 변조 신호 PWM의 듀티비가 변화되면, 입력 전압 Vin의 전압값 및 입력 전류 Iin의 전류값도 변화된다(S106).
상기 듀티비가 결정된 펄스 폭 변조 신호 PWM에 의하여 DC-DC 컨버터(118)에서 생성되는 출력 전압 Vout 및 출력 전류 Iout가 제어된다. 즉 펄스 폭 변조 신호 PWM의 듀티비에 의거하여 출력 전압 Vout 및 출력 전류 Iout가 결정된다. 펄스 폭 변조 신호 PWM의 듀티비가 변화되면, 출력 전압 Vout의 전압값 및 출력 전류 Iout의 전류값도 변화된다.
상술한 바와 같이, 노드(120)의 임피던스는 입력 전압 Vin을 입력 전류 Iin으로 나누어 얻은 값이기 때문에, 입력 전압 Vin의 전압값과 입력 전압 Iin의 전류값이 변화됨으로써 노드(120)의 임피던스도 변화된다(S107). 상술한 바와 같이, 펄스 폭 변조 신호 PWM의 듀티비에 의하여 노드(120)의 임피던스를 제어할 수 있다.
이로써, 부하(125)의 임피던스에 의존하지 않고 노드(120)의 임피던스를 일정값으로 유지할 수 있다.
상술한 바와 같이, 수전 장치(110)의 부하(125)의 임피던스에 의존하지 않고 노드(120)의 임피던스를 일정값으로 유지할 수 있으므로 최대의 전송 효율로 전력을 전송할 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이, 송전 장치(100)와 수전 장치(110) 사이의 거리 D에 의존하여 전송 효율이 최대가 되는 임피던스는 변화된다. 그러나, 본 실시형태의 비접촉 급전 시스템에서는 노드(120)의 임피던스를 일정값으로 유지할 수 있으므로, 송전 장치(100)와 수전 장치(110) 사이의 거리 D에 의존하지 않고 최대의 전송 효율로 전력을 전송할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 실시형태의 비접촉 급전 시스템은 효율적 및 안정적으로 급전할 수 있다.
또한, DC-DC 컨버터(118)는 예를 들어 배터리로의 충전 등 급전의 대상에 따라서는 강압형에만 대응하는 DC-DC 컨버터라도 좋다. 본 실시형태의 비접촉 급전 시스템에서 급전의 대상이 배터리인 경우에는, 급전(충전)이 진행됨에 따라 배터리의 임피던스는 변화된다. 그러나, 배터리의 임피던스가 변화되더라도 노드(120)의 임피던스를 일정값으로 유지할 수 있으므로 급전 도중에 급전 효율이 저하될 우려가 생기지 않는다.
도 1의 부하(125)로서 배터리를 사용한 비접촉 급전 시스템을 도 6에 도시하였다. 도 6의 비접촉 급전 시스템은 송전 장치(100) 및 수전 장치(130)를 갖는다.
수전 장치(130)는 콘덴서(111), 공명 코일(112), 전자기 결합 코일(113), 정류 회로(115), 콘덴서(116), DC-DC 컨버터(118), 제어 회로(119), 충전 제어 회로(121), 및 배터리(122)를 갖는다. 또한, DC-DC 컨버터(118)와 제어 회로(119)의 접속부를 노드(120)로 한다.
수전 장치(130)는 수전 장치(110)의 부하(125)를 배터리(122)로 바꾸고, 배터리(122)로의 충전을 제어하는 충전 제어 회로(121)를 더 추가한 것이다.
상술한 바와 같이, 급전(충전)이 진행될수록 배터리(122)의 임피던스는 변화된다. 그러나, 도 6의 비접촉 급전 시스템에서는 배터리(122)의 임피던스가 변화되더라도 노드(120)의 임피던스를 일정값으로 유지할 수 있으므로 급전 도중에 급전 효율이 저하될 우려가 생기지 않는다.
상술한 바와 같이, 본 실시형태의 비접촉 급전 시스템은 효율적 및 안정적으로 급전할 수 있다.
100: 송전 장치 106: 전자기 결합 코일
107: 교류 전원 108: 공명 코일
109: 콘덴서 110: 수전 장치
111: 콘덴서 112: 공명 코일
113: 전자기 결합 코일 115: 정류 회로
116: 콘덴서 118: DC-DC 컨버터
119: 제어 회로 120: 노드
121: 충전 제어 회로 122: 배터리
125: 부하 126: 저항
127: 노드 130: 수전 장치
131: 단자 132: 코일
133: 다이오드 134: 단자
135: 트랜지스터 136: 단자
137: 단자 141: 단자
142: 코일 143: 다이오드
144: 단자 145: 트랜지스터
146: 단자 147: 단자
151: 송전 소자 152: 수전 소자
1100: 송전 장치 1101: 교류 전원
1103: 전자기 결합 코일 1104: 공명 코일
1105: 콘덴서 1110: 수전 장치
1111: 부하 1112: 전자기 결합 코일
1113: 공명 코일 1115: 콘덴서
1151: 송전 소자 1152: 수전 소자

Claims (8)

  1. 수전 장치에 있어서,
    교류 전력을 받는 수전 소자와;
    상기 수전 소자가 받은 상기 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 정류 회로와;
    상기 정류 회로에 의하여 변환된 상기 직류 전력의 전류를 평활화하는 평활화 회로와;
    상기 평활화된 직류 전력의 전압값을 다른 전압값으로 변환하는 전압 변환 회로와;
    상기 전압 변환 회로에 입력되는 직류 전력의 전압값 및 전류값을 취득하고 상기 취득된 전압값 및 전류값에 의거하여 임피던스를 계산하고 상기 전압 변환 회로의 출력 전압 및 출력 전류를 제어하는 펄스 폭 변조 신호를 생성하는 제어 회로와;
    상기 전압 변환 회로의 상기 출력 전압 및 상기 출력 전류가 입력되는 부하를 포함하고,
    상기 제어 회로에 의하여 계산된 상기 임피던스가 상기 교류 전력의 전송에서 전송 효율이 최대가 되는 임피던스에 가깝게 되도록 상기 펄스 폭 변조 신호의 듀티비가 결정되는, 수전 장치.
  2. 수전 장치에 있어서,
    전자기 공명에 의하여 교류 전력이 전송되는 공명 코일과;
    전자기 결합에 의하여 상기 공명 코일로부터 상기 교류 전력이 전송되는 전자기 결합 코일과;
    상기 전자기 결합 코일에 전송된 상기 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 정류 회로와;
    상기 정류 회로에 의하여 변환된 상기 직류 전력의 전류를 평활화하는 평활화 회로와;
    상기 평활화된 직류 전력의 전압값을 다른 전압값으로 변환하는 전압 변환 회로와;
    상기 전압 변환 회로에 입력되는 직류 전력의 전압값 및 전류값을 취득하고 상기 취득된 전압값 및 전류값에 의거하여 임피던스를 계산하고 상기 전압 변환 회로의 출력 전압 및 출력 전류를 제어하는 펄스 폭 변조 신호를 생성하는 제어 회로와;
    상기 전압 변환 회로의 상기 출력 전압 및 상기 출력 전류가 입력되는 부하를 포함하고,
    상기 제어 회로에 의하여 계산된 상기 임피던스가 상기 교류 전력의 전송에서 전송 효율이 최대가 되는 임피던스에 가깝게 되도록 상기 펄스 폭 변조 신호의 듀티비가 결정되는, 수전 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    충전 제어 회로를 더 포함하고,
    상기 부하는 배터리이고,
    상기 충전 제어 회로는 상기 배터리의 충전을 제어하는, 수전 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    충전 제어 회로를 더 포함하고,
    상기 부하는 배터리이고,
    상기 충전 제어 회로는 상기 배터리의 충전을 제어하는, 수전 장치.
  5. 비접촉 급전 시스템에 있어서,
    교류 전력을 생성하는 교류 전원과, 상기 교류 전력을 전송하는 송전 소자를 포함하는 송전 장치와;
    제 1 항에 따른 수전 장치를 포함하는, 비접촉 급전 시스템.
  6. 비접촉 급전 시스템에 있어서,
    교류 전력을 생성하는 교류 전원과, 전자기 결합에 의하여 상기 교류 전력을 전송하는 제 1 전자기 결합 코일과, 전자기 공명에 의하여 상기 제 1 전자기 결합 코일로부터 전송된 상기 교류 전력을 전송하는 제 1 공명 코일을 포함하는 송전 장치와;
    제 2 항에 따른 수전 장치를 포함하는, 비접촉 급전 시스템.
  7. 제 5 항에 있어서,
    충전 제어 회로를 더 포함하고,
    상기 부하는 배터리이고,
    상기 충전 제어 회로는 상기 배터리의 충전을 제어하는, 비접촉 급전 시스템.
  8. 제 6 항에 있어서,
    충전 제어 회로를 더 포함하고,
    상기 부하는 배터리이고,
    상기 충전 제어 회로는 상기 배터리의 충전을 제어하는, 비접촉 급전 시스템.
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