KR20130085640A - Apparatus and method for transmitting wireless power using resonant coupling therefor system - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: Wireless power transmission apparatus is provided to design a resonator, which has high Q factor, and adaptively match impedance, thereby effectively conducting wireless power transmission even when user freely positions a mobile terminal on a charging pad. CONSTITUTION: Wireless power transmission apparatus comprises; a transmission electric power converting section (211) which converts direct current (DC) power into alternating current (AC) power; a control unit (213) which adjusts a Q factor of a transmission resonator by using the frequency of the transformed AC power and resonant frequency of a transmission resonator, and controls adaptive impedance matching; a transmission resonator (212) which wirelessly transmits the transformed AC power to a receiver through the controlled adaptive impedance matching and the adjusted Q factor; and a transmission resonator (212) which has a coil installed in the transmitter. [Reference numerals] (211) Transmission electric power converting section; (212) Tx resonator; (213,216) Control unit; (214) Rx resonator; (215) Receiving electric power converting section; (217) Battery

Description

공진 결합을 이용한 무선 전력 전송 장치 및 방법 그리고 이를 위한 시스템{APPARATUS AND METHOD FOR TRANSMITTING WIRELESS POWER USING RESONANT COUPLING THEREFOR SYSTEM}Wireless power transmission apparatus and method using resonant coupling and system therefor {APPARATUS AND METHOD FOR TRANSMITTING WIRELESS POWER USING RESONANT COUPLING THEREFOR SYSTEM}

본 발명은 전력 전송 장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히 공진 결합을 이용한 무선 전력 전송 장치 및 방법에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to a power transmission apparatus and method, and more particularly, to a wireless power transmission apparatus and method using resonance coupling.

일반적으로 무선 전력 충전 기술은 최근 많은 전자 기기에 활용되고 있다. 대표적으로 전동 칫솔, 전기 면도기, 휴대폰, 디지털 카메라 등이 있으며, 최근에는 전기 자동차 및 전철의 대형 배터리의 무선 충전에도 많은 연구가 이루어지고 있다.In general, wireless power charging technology has recently been used in many electronic devices. Representative examples include electric toothbrushes, electric shavers, mobile phones, and digital cameras. Recently, much research has been conducted on wireless charging of large batteries of electric vehicles and trains.

무선 전력 충전 기술은 자기장 유도 결합(Inductive Coupling) 방식, 전기장 용량 결합(Capacitive Coupling) 방식, RF 방사(RF Wave Radiation) 방식 등, 크게 3가지 방식이 있으며, 현재 가장 효율적이고 많이 이용되고 있는 방식은 유도 결합 방식이다.There are three types of wireless power charging technology: magnetic inductive coupling, capacitive coupling, and RF wave radiation. The most efficient and widely used methods are currently Inductive coupling.

유도 결합 방식은 변압기의 기본 원리와 같으며, 무선 전력 충전 시스템에서는 변압기의 1차 코일(primary coil)과 2차 코일(secondary coil)을 분리하여, 1차 코일은 무선 전력 충전을 위한 송신기, 2차 코일은 전자 기기 내의 무선 전력을 충전하는 수신기에 탑재하여 사용한다. 특히, 유도 결합 방식 중에서도 1차 코일과 2차 코일의 공진 주파수를 전력 소스의 통작 주파수와 일치시키고, 각각의 코일의 Q 팩터를 높여서 무선 전력 전송의 거리를 증대시킨 방식을 공진 결합 방식이라 정의한다. 그리고, 1차 코일을 송신 공진기, 2차 코일을 수신 공진기라 한다. The inductive coupling method is the same as the basic principle of the transformer. In the wireless power charging system, the primary coil and the secondary coil of the transformer are separated, so that the primary coil is a transmitter for wireless power charging, 2 The primary coil is mounted on a receiver for charging wireless power in an electronic device. In particular, a resonance coupling method is defined as a method in which the resonance frequency of the primary coil and the secondary coil is matched with the operating frequency of the power source, and the distance of wireless power transmission is increased by increasing the Q factor of each coil. . The primary coil is called a transmission resonator and the secondary coil is called a reception resonator.

또한, 무선 전력 충전 시스템에서 효율적인 전력 충전을 위해 Tx 공진기와 Rx 공진기 간의 데이터 통신이 이루어지는데, 예를 들면 송신기와 수신기간의 인증 정보, 충전되는 전압, 전류등에 대한 정보, 수신기의 이상 상태에 대한 정보 등을 전송한다. 통신을 위한 대역은 무선 전력의 반송 주파수 대역을 이용하는 인밴드(In-band) 통신 방식과, 별도의 다른 대역을 이용하는 아웃밴드(Out-band) 통신 방식(예: 2.4GHz Zigbee)이 있다.In addition, in the wireless power charging system, data communication is performed between the Tx resonator and the Rx resonator for efficient power charging. Send information and more. The band for communication includes an in-band communication method using a carrier frequency band of wireless power and an out-band communication method (for example, 2.4 GHz Zigbee) using another band.

유도 방식을 이용한 무선 전력 충전 기술의 경우 Tx 코일과 Rx 코일의 결합 효율(coupling efficiency)이 중요하며, Tx 코일과 Rx 코일이 서로 매우 근접해 있어야 높은 전력 충전 효율을 얻을 수 있다.In the wireless power charging technology using the induction method, the coupling efficiency of the Tx coil and the Rx coil is important, and high power charging efficiency can be obtained only when the Tx coil and the Rx coil are very close to each other.

종래 유도 방식을 이용한 무선 전력 충전 기술은 영구 자석을 이용하여 Tx 코일과 Rx 코일을 정렬하거나, 전기 모터를 이용하여 Tx 코일과 Rx 코일을 정렬하거나, Tx 코일을 어래이 형태로 배치하고 Rx 코일이 장착된 단말가 인접되면, 가장 가까이에 있는 Tx 코일이 선택되어 Rx 코일로 무선 전력을 전송하하는 기술등이 있다.
Conventional induction wireless charging technology uses permanent magnets to align Tx coils and Rx coils, aligns Tx coils and Rx coils using an electric motor, or arranges Tx coils in an array and mounts Rx coils. When the terminal is adjacent to each other, the nearest Tx coil is selected to transmit wireless power to the Rx coil.

도 1은 종래 유도 방식을 이용한 무선 전력 충전을 나타낸 예시도이다.1 is an exemplary view showing wireless power charging using a conventional induction method.

도시된 바와 같이, 도 1a는 송신기 즉, 충전 패드를 나타내며, 도 1b는 수신기 즉, 이동 단말을 나타낸다. 그리고, 도 1c는 무선으로 전력을 충전하기 위한 바른 예시도이며, 도 1d 내지 도 1f는 무선 전력을 충전하는데 있어서, 잘못된 예시도이다이다. 송신기(110) 및 수신기(120)는 각각 코일(111, 112)이 장착되어 있다. 유도 방식을 이용하여 무선으로 전력을 충전하기 위해서는 도 1c와 같이, 송신기와 수신기간에 코일의 위치를 일치해야한다. 이와 같이, 송신기와 수신기간의 코일 정렬 상태가 좋으면 효율적인 무선 전력 전송이 가능하다. 그러나, 도 1d 내지 도 1f는 송신기의 Tx 코일과 수신기의 Rx 코일간의 정렬 상태가 좋지 않은 예시도로서, 이런 경우 무선 전력 전송이 잘 이루어지지 않는다.As shown, FIG. 1A shows a transmitter or charging pad, and FIG. 1B shows a receiver or mobile terminal. 1C is a diagram showing a correct example for charging power wirelessly, and FIGS. 1D to 1F are diagrams showing a wrong example in charging wireless power. The transmitter 110 and the receiver 120 are mounted with coils 111 and 112, respectively. In order to charge the power wirelessly using the induction method, as shown in FIG. As such, when the coil alignment between the transmitter and the receiver is good, efficient wireless power transmission is possible. However, FIGS. 1D to 1F are examples of poor alignment between the Tx coils of the transmitter and the Rx coils of the receiver. In this case, wireless power transmission may not be performed well.

이와 같이, 무선 전력 충전 기술은 기본적으로 Tx 코일과 Rx 코일의 정확한 정렬이 요구될 뿐만 아니라, Tx 코일과 Rx 코일의 크기가 거의 같아야 하는 문제점이 있다. 또한, 태블릿 PC의 경우, 태블릿 PC 본체에 Rx 코일이 위치하게 되는데, 본체 내부의 설계상, Rx 코일이 정가운데 위치하지 못할 수 있다. 이러한 경우, Tx 코일과 Rx 코일의 정렬에 제약이 따르게 된다. 예를 들어, 태블릿 PC를 무선 충전 패드 위에 올려 놓을 때, 90도 회전시켜 올려놓거나, 태블릿 PC의 본체 일부가 무선 충전 패드로부터 벗어나 있게 올려 놓으면, 무선 충전 패드 내의 Tx 코일과 태블릿 PC 내의 Rx 코일의 정렬 상태가 좋지 않아 효율이 급격이 떨어지고, 무선 전력 전송 자체가 중단되는 문제점이 있다.As such, the wireless power charging technology basically requires precise alignment of the Tx coil and the Rx coil, and also has a problem in that the sizes of the Tx coil and the Rx coil should be about the same. In addition, in the case of a tablet PC, the Rx coil is located in the tablet PC main body, and due to the design inside the main body, the Rx coil may not be located at the center. In this case, there is a constraint on the alignment of the Tx coil and the Rx coil. For example, when placing a tablet PC on a wireless charging pad, rotate it 90 degrees or place a portion of the tablet PC's body away from the wireless charging pad. There is a problem that the efficiency is sharply dropped due to poor alignment, and the wireless power transmission itself is interrupted.

본 발명은 상술한 종래 문제점을 해결하기 위하여 공진 결합을 이용한 무선 전력 전송 장치 및 방법을 제공한다.The present invention provides a wireless power transmission apparatus and method using a resonance coupling to solve the above-mentioned conventional problems.

상술한 바를 달성하기 위한 본 발명은 공진 결합을 이용한 송신기의 무선 전력 전송 장치에 있어서, DC(Direct Current) 전력을 AC(Alternating Current) 전력으로 변환하는 송신 전력 변환부와, 상기 변환된 AC 전력의 주파수와 송신 공진기의 공진주파수를 이용하여 상기 송신 공진기의 Q 팩터(factor)를 조절하고, 적응적 임피던스 매칭을 제어하는 제어부와, 상기 조절된 Q 팩터 및 상기 제어된 적응적 임피던스 매칭을 통해서 상기 변환된 AC 전력을 수신기로 무선 전송하며, 상기 송신기에 코일이 장착된 송신 공진기를 포함한다.In accordance with another aspect of the present invention, there is provided a wireless power transmitter of a transmitter using resonance coupling, comprising: a transmission power converter configured to convert direct current (DC) power into alternating current (AC) power; A control unit that adjusts a Q factor of the transmission resonator by using a frequency and a resonant frequency of the transmission resonator, controls an adaptive impedance matching, and converts the conversion through the adjusted Q factor and the controlled adaptive impedance matching. And a transmission resonator wirelessly transmitting the AC power to the receiver, wherein the transmitter is equipped with a coil.

또한, 상술한 바를 달성하기 위한 본 발명은 공진 결합을 이용한 송신기의 무선 전력 전송 방법에 있어서, DC(Direct Current) 전력을 AC(Alternating Current) 전력으로 변환하는 과정과, 상기 변환된 AC 전력의 주파수와 송신 공진기의 공진주파수를 이용하여 상기 송신 공진기의 Q 팩터(factor)를 조절하고, 적응적 임피던스 매칭을 제어하는 과정과, 상기 조절된 Q 팩터 및 상기 제어된 적응적 임피던스 매칭을 통해서 상기 변환된 AC 전력을 수신기로 무선 전송하는 과정을 포함하며, 상기 송신기에 코일이 장착되는 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention for achieving the above-described wireless power transmission method of the transmitter using a resonance coupling, the process of converting DC (Direct Current) power into alternating current (AC) power, and the frequency of the converted AC power And controlling the Q factor of the transmission resonator by using the resonant frequency of the transmission resonator, controlling the adaptive impedance matching, and performing the converted Q factor and the controlled adaptive impedance matching. Wireless transmission of AC power to the receiver, characterized in that the coil is mounted on the transmitter.

또한, 상술한 바를 달성하기 위한 본 발명은 공진 결합을 이용한 무선 전력 충전 시스템에 있어서, DC(Direct Current) 전력을 AC(Alternating Current) 전력으로 변환하고, 상기 변환된 AC 전력의 주파수와 송신 공진기의 공진주파수를 매칭하여 상기 변환된 AC 전력을 수신기로 무선 전송하며, 코일이 장착된 송신기와, 상기 수신된 AC 전력을 DC 전력으로 변환하여 배터리에 충전하는 수신기를 포함한다.In addition, the present invention for achieving the above-described wireless power charging system using a resonant coupling, converts the direct current (DC) power into alternating current (AC) power, and the frequency of the converted AC power and the transmission resonator Matching the resonant frequency and wirelessly transmits the converted AC power to the receiver, and a coil-mounted transmitter, and a receiver for converting the received AC power into DC power to charge the battery.

상술한 바와 같이, 본 발명은 높은 Q 팩터를 갖는 공진기를 설계하고, 적응적으로 임피던스를 매칭함으로써, 사용자가 이동 단말을 충전 패드에 자유롭게 위치시키더라도 효율적으로 무선 전력 전송을 가능하게 하여 사용자 편의성을 증대시킬 수 있다.As described above, the present invention designs a resonator having a high Q factor and adaptively matches an impedance, thereby enabling efficient wireless power transmission even if the user freely positions the mobile terminal on the charging pad, thereby improving user convenience. You can increase it.

도 1은 종래 유도 방식을 이용한 무선 전력 충전을 나타낸 예시도.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 공진 결합을 이용한 무선 전력 충전 시스템을 나타낸 블록도.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 공진 결합을 이용한 무선 전력 충전 예시도를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 수신기가 송신기에 지지대에 의해 세워진 경우 무선 전력 충전 예시도.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 공진 결합을 이용한 무선 전력 충전 방법을 나타낸 순서도.1 is an exemplary view showing wireless power charging using a conventional induction method.
2 is a block diagram showing a wireless power charging system using a resonance coupling according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram illustrating an example of wireless power charging using resonance coupling according to an exemplary embodiment of the present invention.
4 is an exemplary diagram of wireless power charging when a receiver is erected by a support in a transmitter according to an exemplary embodiment of the present invention.
5 is a flowchart illustrating a method for charging wireless power using resonance coupling according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 동작 원리를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 사용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the operating principle of the preferred embodiment of the present invention. In the following description of the present invention, detailed descriptions of well-known functions or configurations will be omitted if it is determined that the detailed description of the present invention may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention. In addition, terms to be described below are terms defined in consideration of functions in the present invention, and may be changed according to a user, a user's intention or custom. Therefore, the definition should be based on the contents throughout this specification.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 공진 결합을 이용한 무선 전력 충전 시스템을 나타낸 블록도이다. 도 2에서는 무선 전력을 전송하는 송신기(210)와, 무선 전력을 수신하여 충전하는 수신기(220)로 구성된다.2 is a block diagram illustrating a wireless power charging system using a resonance coupling according to an exemplary embodiment of the present invention. In FIG. 2, the transmitter 210 includes a transmitter 210 for transmitting wireless power and a receiver 220 for receiving and charging the wireless power.

도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 공진 결합을 이용한 무선 전력 충전을 위한 송신기(210)는 DC 전력을 AC 전력으로 변환하는 송신 전력 변환부(211)와, AC 전력을 통해서 전자기 필드를 발생하여 무선 전력을 수신기로 송신하기 위한 송신 공진을 발생시키는 Tx 공진기(212)와, 송신 전력의 효율성을 높이고, 변환된 AC 전력의 주파수에 Tx 공진기(212)의 공진 주파수를 매칭하기 위해 Q 팩터(Q factor)를 조절하고, 적응적 임피던스 매칭을 제어하는 제어부(213)를 포함한다. As shown, the transmitter 210 for wireless power charging using the resonance coupling according to an embodiment of the present invention and the transmission power conversion unit 211 for converting the DC power into AC power, and the electromagnetic field through the AC power Tx resonator 212 that generates and generates a transmission resonance for transmitting wireless power to the receiver, and a Q factor for increasing the efficiency of the transmission power and matching the resonance frequency of the Tx resonator 212 to the frequency of the converted AC power. And a controller 213 for adjusting the Q factor and controlling the adaptive impedance matching.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 공진 결합을 이용한 전력 충전을 위한 수신기(220)는 상기 송신기(210)의 Tx 공진기(212)와 공진 결합하여 무선 전력을 수신하는 Rx 공진기(214)와, 상기 Rx 공진기를 통해 수신되는 AC 전력을 DC 전력으로 변환하는 수신 전력 변환부(215)와, 수신 전력의 효율성을 높이기 위해 Q 팩터를 조절하고, 적응적 임피던스 매칭을 제어하는 제어부(216)와, 상기 변환된 DC 전력를 제어부(216)의 제어하에 충전하는 배터리(217)를 포함한다.In addition, the receiver 220 for power charging using the resonant coupling according to an embodiment of the present invention is the Rx resonator 214 for receiving the wireless power by resonance coupling with the Tx resonator 212 of the transmitter 210, and A reception power converter 215 for converting AC power received through the Rx resonator into DC power, a control unit 216 for adjusting the Q factor to increase the efficiency of the reception power, and controlling adaptive impedance matching; The battery 217 charges the converted DC power under the control of the controller 216.

이하, 도 2를 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 공진 결합을 이용한 전력 충전 장치를 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a power charging device using a resonance coupling according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG. 2.

본 발명의 실시 예에 따른 송신기 즉, 충전 패드의 송신 전력 변환부(211)는 DC 전력을 AC 전력으로 변환한다. 그리고, Tx 공진기(212)는 변환된 AC 전력을 통해서 전자기 필드를 발생하여 무선 전력을 수신기로 송신하기 위해 공진을 발생시킨다. 즉, Tx 공진기(212)는 송신 전력 변환부(211)로부터 변환된 AC 전력을 수신하여 유도 기전력을 발생시킨다. 상기 Tx 공진기(212)는 수신기와 접촉되는 면의 둘레에 공진기가 설치된다. 이러한, 공진기 설치는 송신기에 설치되며, 전력 전송의 효율성을 극대화하기 위해 설치된다.The transmission power converter 211 of the transmitter, that is, the charging pad, according to an embodiment of the present invention converts DC power into AC power. The Tx resonator 212 generates an electromagnetic field through the converted AC power to generate resonance for transmitting wireless power to the receiver. That is, the Tx resonator 212 receives the converted AC power from the transmission power converter 211 to generate induced electromotive force. The Tx resonator 212 is provided with a resonator around a surface in contact with the receiver. This resonator installation is installed in the transmitter, and is installed to maximize the efficiency of power transmission.

그리고, 제어부(213)는 Tx 공진기(212)를 통해 송신되는 전력의 효율성을 높이기 위해 Q 팩터를 조절하고, 적응적 임피던스 매칭을 제어한다. 이하에서는 Q 팩터 조절과 적응적 임피던스 매칭에 대해서 보다 상세히 설명한다.The controller 213 adjusts the Q factor and controls adaptive impedance matching to increase the efficiency of the power transmitted through the Tx resonator 212. Hereinafter, Q factor adjustment and adaptive impedance matching will be described in more detail.

본 발명에 따른 무선 전력을 전송하기 위해서는 Tx 코일과 Rx 코일의 설계시, 높은 Q 팩터가 요구되고, 적응적 임피던스 매칭이 요구된다. 상기 제어부(213)는 이러한 기능을 담당한다. 즉, 송신 전력 변환부에 의해 변환된 AC 전력의 주파수와 송신 공진기의 공진주파수를 이용하여 송신 공진기의 Q 팩터를 조절하고 적응적 임피던스 매칭을 제어한다. 또한, 제어부(213)는 Q 팩터를 조절하고, 적응적 임피던스 매칭을 제어하여 AC 전력의 주파수에 송신 공진기의 공진 주파수를 매칭한다. 이러한, Q 팩터의 조절은 송신 공진기의 공진 주파수와 인덕턴스를 곱한 후, 방사 손실로 나누어 조절한다. 이러한 Q 팩터의 조절은 후술하는 <수학식 1> 및 <수학식 2>로 조절될 수 있다.In order to transmit the wireless power according to the present invention, in designing the Tx coil and the Rx coil, a high Q factor is required and adaptive impedance matching is required. The controller 213 is responsible for this function. That is, the Q factor of the transmission resonator is adjusted by using the frequency of the AC power converted by the transmission power converter and the resonance frequency of the transmission resonator, and the adaptive impedance matching is controlled. In addition, the controller 213 adjusts the Q factor and controls adaptive impedance matching to match the resonant frequency of the transmission resonator to the frequency of the AC power. The Q factor is adjusted by multiplying the resonance frequency of the transmission resonator by the inductance and dividing by the radiation loss. The adjustment of the Q factor may be controlled by Equations 1 and 2, which will be described later.

또한, 상기 제어부(213)는 송신기의 송신 공진기와 수신기의 수신 공진기간의 거리나 정렬에 따라서 변하게되는 공진 주파수를 송신 공진기의 인덕턴스 및 커패시턴스를 제어하고, AC 전력의 주파수에 매칭하여 적응적 임피던스 매칭을 제어한다.In addition, the control unit 213 controls the inductance and capacitance of the transmission resonator by varying the resonant frequency according to the distance or alignment of the transmission resonator of the transmitter and the reception resonance period of the receiver, and matches the frequency of the AC power to adaptive impedance matching. To control.

높은 Q 팩터를 갖는 Tx 코일과 Rx 코일은 특정 주파수에서 높은 전력 전송 효율을 갖게 된다. 그리고, Tx 코일과 Rx 코일은 각각 인덕턴스(L) 성분과 커패시턴스(C) 성분을 가지고 있기 때문에, 공진 주파수에서 LC 공진이 일어난다. 또한, Tx 공진기(212)와 Rx 공진기(214)의 Q 팩터를 높이면, 공진기 자체에서 발생되는 저항성 손실(ohmic loss)을 줄일 수 있다. 또한, Q 팩터를 높이면, 공진기에서 발생되는 전자기 필드가 인접한 필드 상에서 에너지를 보존하면서 방사(radiation)되어 손실되는 성분을 줄일 수 있다. 따라서, 결합효율은 0.1 정도로 낮더라도 높은 Q 팩터를 갖는 공진기 설계를 통해서 효율적인 무선 전송 전력을 할 수 있다. 이러한 Q 팩터는 아래 <수학식 1>로 나타낼 수 있다.Tx coils and Rx coils with high Q factors will have high power transfer efficiency at specific frequencies. Since the Tx coil and the Rx coil each have an inductance (L) component and a capacitance (C) component, LC resonance occurs at the resonance frequency. In addition, by increasing the Q factors of the Tx resonator 212 and the Rx resonator 214, ohmic losses generated in the resonator itself may be reduced. In addition, by increasing the Q factor, the electromagnetic field generated in the resonator can reduce the component lost due to radiation while conserving energy on the adjacent field. Therefore, even if the coupling efficiency is as low as 0.1, efficient wireless transmission power can be achieved through the resonator design having a high Q factor. This Q factor may be represented by Equation 1 below.

Figure pat00001
Figure pat00001

상기 <수학식 1>에서 ω=2πf이고, f는 공진 주파수를 나타내고, L은 인덕턴스를 나타내고, R은 방사 손실 성분을 나타낸다.In Equation 1, ω = 2πf, f represents a resonance frequency, L represents an inductance, and R represents a radiation loss component.

공진기를 구성하는 L과 C는 각각 ESR(Equivalent Series Resistance)를 갖고 있으며, 이러한 ESR을 줄일 수록, R은 작아지며, Q는 증가한다. 또한, 공진기에서 방사 손실이 클수록 R이 크다.Each of the resonators L and C has an ESR (Equivalent Series Resistance). As the ESR decreases, R decreases and Q increases. Also, the larger the radiation loss in the resonator, the larger R is.

따라서, 본 발명에 따른 무선 전력 충전 장치는 Q 팩터를 높이기 위해 공진기 설계가 중요하며, 제어부(213)는 이러한 공진 설계를 한다.Therefore, in the wireless power charging device according to the present invention, the resonator design is important to increase the Q factor, and the control unit 213 makes such a resonance design.

또한, 제어부(213)는 공진 설계 뿐만 아니라, 적응적 임피던스 매칭을 한다. 이와 같이, 임피던스 매칭을 위한 Q 팩터는 아래 <수학식 2>와 같이 표현된다.In addition to the resonance design, the controller 213 performs adaptive impedance matching. As such, the Q factor for impedance matching is expressed by Equation 2 below.

Figure pat00002
Figure pat00002

상기 <수학식 2>에서 fr은 공진 주파수를 나타내고, Δf는 3dB bandwidth를 나타낸다. 이러한, 3dB bandwidth는 전력이 최대치가 되는 공진 주파수의 전력보다 3dB 낮은 지점 간의 대역폭을 의미한다. In Equation 2, f r represents a resonance frequency and Δf represents a 3 dB bandwidth. This 3dB bandwidth refers to the bandwidth between the points 3dB lower than the power of the resonance frequency at which the power is the maximum.

상기 <수학식 2>를 통해서 3dB 대역폭이 작을 수록 Q 팩터가 높다. 이것은 물리적으로 특정 주파수에서 높은 효율로 무선 전력을 전송할 수 있음을 의미한다.In Equation 2, the smaller the 3dB bandwidth, the higher the Q factor. This means that it can physically transmit wireless power at high efficiency at certain frequencies.

따라서, 공진기의 공진 주파수와 같은 주파수의 전력을 보낼 때, 가장 높은 효율의 무선 전력 전송이 가능하다. 그러나, 무선 전력 전송 시스템에서 공진 주파수는 하나의 값으로 고정되어 있지 않고, Tx 공진기와 Rx 공진기간의 거리나 정렬 상태에 따라서 공진 주파수가 변한다. 이와 같이, 공진 주파수가 변하는 이유는 상호 인덕턴스(mutual inductance) 또는 상호 커패시턴스(mutual capacitance)가 변하기 때문이다. Therefore, when transmitting power of the same frequency as the resonant frequency of the resonator, wireless power transmission of the highest efficiency is possible. However, in the wireless power transmission system, the resonant frequency is not fixed to one value, and the resonant frequency changes according to the distance or alignment state between the Tx resonator and the Rx resonant period. As such, the reason why the resonant frequency changes is because mutual inductance or mutual capacitance changes.

이와 같이, 공진 주파수가 변하게 되면, 원래 정해진 전력의 주파수와 어긋나게 되고, 효율적인 전력 전송이 어렵게 된다. 특히, Q 팩터가 높은 공진기일수록 약간의 주파수 불일치에도 많은 효율 차이가 나기 때문에, 이러한 주파수 불일치를 줄여야한다. 그리고, 적응적 임피던스 매칭을 통해 공진 주파수의 값이 변경되었을 때, 적응적으로 전력의 주파수와 일치시킬 수 있으며, 높은 효율의 무선 전력 전송이 가능하다.As such, when the resonant frequency is changed, the frequency is shifted from the frequency of the originally determined power, which makes it difficult to efficiently transmit power. In particular, the higher the Q factor, the greater the difference in efficiency even with a slight frequency mismatch, so this frequency mismatch should be reduced. In addition, when the value of the resonance frequency is changed through adaptive impedance matching, it is possible to adaptively match the frequency of power, and high efficiency wireless power transmission is possible.

그리고, 수신기(220)는 이동 단말로서, 무선 전력을 수신하는 Rx 공진기(214)와, 수신된 AC 전력을 DC로 변환하는 수신 전력 변환부(215)와, 변환된 DC 전력을 저장하는 배터리(217)와, 상기 송신기의 제어부(213)과 같은 동작을 수행하는 제어부(216)를 포함한다. 상기 제어부(216)의 동작은 송신기에서 설명되었기 때문에 생략한다.
In addition, the receiver 220 is a mobile terminal, which includes an Rx resonator 214 for receiving wireless power, a reception power converter 215 for converting received AC power into DC, and a battery for storing the converted DC power ( 217, and a controller 216 performing the same operation as the controller 213 of the transmitter. Since the operation of the controller 216 has been described in the transmitter, it is omitted.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 공진 결합을 이용한 무선 전력 충전 예시도를 나타낸 도면이다.3 is a diagram illustrating an example of wireless power charging using resonance coupling according to an exemplary embodiment of the present invention.

도시된 바와 같이, 도 3a는 본 발명의 실시 예에 따른 공진 결합을 이용한 무선 전력을 송신하는 송신기(310)를 나타내고, 도 3b는 본 발명의 실시 예에 따른 공진 결합을 이용한 무선 전력을 수신하는 수신기(320)를 나타낸다. 송신기 및 수신기 각각은 무선 전력을 송신 및 수신하기 위한 공진기(311, 321)가 장착되어 있다. 각 공진기들은 효율적으로 무선 전력 전송을 전송하기 위한 위치에 장착될 수 있다. 예를 들어, 송신기에 장착된 공진기(311)는 송신기 윗면의 상하좌우 테두리에 걸쳐서 설치될 수 있다. 이는 단지 본 발명의 실시 예일 뿐, 수신기가 쉽게 놓여질 수 있는 어느 위치에도 장착될 수 있다. 그리고, 도 3c는 송신기가 가로로 놓이고, 수신기가 세로로 놓여진 상태를 나타낸 예시도이고, 도 3d는 송신기가 가로로 놓이고, 수신기의 상하 위치가 바뀐 상태를 나타낸 예시도이고, 도 3e는 송신기가 가로로 놓이고, 수신기가 송신기의 방향에 비스듬하게 놓여진 상태를 나타낸 예시도이다.
As shown, FIG. 3A shows a transmitter 310 for transmitting wireless power using resonance coupling according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3B shows wireless power using resonance coupling according to an embodiment of the present invention. Represent the receiver 320. Each of the transmitter and the receiver is equipped with resonators 311 and 321 for transmitting and receiving wireless power. Each resonator may be mounted in a position to efficiently transmit wireless power transfer. For example, the resonator 311 mounted to the transmitter may be installed over the top, bottom, left, and right edges of the transmitter. This is merely an embodiment of the invention and can be mounted in any position where the receiver can be easily placed. 3C is an exemplary view illustrating a state where the transmitter is placed horizontally and a receiver is placed vertically, and FIG. 3D is an exemplary view illustrating a state where the transmitter is placed horizontally and the vertical position of the receiver is changed. It is an exemplary view showing a state in which the transmitter is placed horizontally and the receiver is placed obliquely in the direction of the transmitter.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 수신기가 송신기에 지지대에 의해 세워진 경우 무선 전력 충전 예시도이다.4 is an exemplary diagram of wireless power charging when the receiver is erected by a support in a transmitter according to an exemplary embodiment of the present invention.

도시된 바와 같이, 수신기(420)는 송신기(410) 위에서 지지대(430)에 의해 세워진 경우에도 송신기 즉, 충전 패트에 장착된 Tx 공진기를 통해 수신기의 Rx 공진기로 무선으로 전력을 송수신 할 수 있다. 수신기가 세워진 각도는 지지대에 의해서 결정될 수 있거나, 또는 사용자가 각도를 조절할 수 있다. 그리고, Tx 코일은 송신기의 측면 둘레에 걸쳐서 설치된다.
As shown, the receiver 420 may wirelessly transmit and receive power to the Rx resonator of the receiver through the Tx resonator mounted on the transmitter, that is, the charging pad, even when the supporter 430 is standing on the transmitter 410. The angle at which the receiver is standing may be determined by the support, or the user may adjust the angle. And the Tx coil is installed over the side circumference of the transmitter.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 공진 결합을 이용한 무선 전력 충전 방법을 나타낸 순서도이다.5 is a flowchart illustrating a method of charging wireless power using resonance coupling according to an embodiment of the present invention.

이하, 도 5를 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 공진 결합을 이용한 무선 전력 충전 방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the wireless power charging method using the resonance coupling according to an embodiment of the present invention with reference to Figure 5 in detail as follows.

송신기는 DC 전력을 AC 전력으로 변환한다(S510).The transmitter converts the DC power into AC power (S510).

변환된 AC 전력의 주파수에 송신 공진기의 공진 주파수를 매칭한다(S512). 보다 상세하게, 상기 변환된 AC 전력의 주파수와 송신 공진기의 공진 주파수를 이용하여 상기 송신 공진기의 Q 팩터를 조절하고, 적응적 임피던스 매칭에 제어한다. 이러한 제어는 상기 Q 팩터를 조절하고, 상기 적응적 임피던스 매칭을 제어하여 상기 AC 전력의 주파수에 상기 송신 공진기의 공진 주파수를 매칭한다. 그리고, 상기 제어는 송신 공진기의 공진 주파수와 인덕턴스를 곱한 후, 방사 손실로 나누어 상기 Q 팩터를 조절한다. 또한, 상기 제어는 상기 송신 공진기의 공진 주파수를 상기 변환된 AC 전력의 최대치보다 3dB 낮은 지점의 주파수로 나누어 상기 Q 팩터를 조절한다. 또한, 상기 제어는 상기 송신기의 송신 공진기와 상기 수신기의 수신 공진기간의 거리나 정렬에 따라서 변하게 되는 공진 주파수를 상기 송신 공진기의 인덕턴스 및 커패시턴스를 제어하고, 상기 AC 전력의 주파수에 매칭하고, 상기 적응적 임피던스 매칭을 제어한다.The resonance frequency of the transmission resonator is matched with the frequency of the converted AC power (S512). More specifically, the Q factor of the transmission resonator is adjusted by using the converted AC power frequency and the resonant frequency of the transmission resonator and controlled for adaptive impedance matching. This control adjusts the Q factor and controls the adaptive impedance matching to match the resonant frequency of the transmission resonator to the frequency of the AC power. The control multiplies the resonance frequency of the transmission resonator by the inductance and then divides the radiation loss to adjust the Q factor. In addition, the control adjusts the Q factor by dividing the resonance frequency of the transmission resonator by the frequency at a point 3 dB lower than the maximum value of the converted AC power. The control may further include controlling the inductance and capacitance of the transmission resonator to match the frequency of the AC power, adjusting the resonance frequency, which varies according to the distance or alignment of the transmission resonator of the transmitter and the reception resonance period of the receiver. Control the impedance matching.

그리고, 상기 송신기는 상기 공진 주파수가 매칭된 송신 공진기를 이용하여 상기 변환된 AC 전력을 무선으로 수신기로 전송한다(S514). 상기 수신기는 Rx 공진기(214)를 통해서 무선으로 전력을 수신하고, 수신 전력 변환부(215) 수신된 AC 전력을 DC 전력으로 변환하고, 배터리(217)에 저장한다.In operation S514, the transmitter wirelessly transmits the converted AC power to a receiver using a transmission resonator with which the resonance frequency is matched. The receiver wirelessly receives power through the Rx resonator 214, converts the received AC power into DC power, and stores the received AC power in the battery 217.

한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.While the invention has been shown and described with reference to certain preferred embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made without departing from the spirit and scope of the invention. Therefore, the scope of the present invention should not be limited by the illustrated embodiments, but should be determined by the scope of the appended claims and equivalents thereof.

211: 송신전력 변환부 212: Tx 공진기
213: 송신측 제어부 214: Rx 공진기
215: 수신전력 변환부 216: 수신측 제어부211: transmission power converter 212: Tx resonator
213: transmitting side controller 214: Rx resonator
215: reception power conversion unit 216: reception side control unit

Claims (18)

공진 결합을 이용한 송신기의 무선 전력 전송 장치에 있어서,
DC(Direct Current) 전력을 AC(Alternating Current) 전력으로 변환하는 송신 전력 변환부와,
상기 변환된 AC 전력의 주파수와 송신 공진기의 공진주파수를 이용하여 상기 송신 공진기의 Q 팩터(factor)를 조절하고, 적응적 임피던스 매칭을 제어하는 제어부와,
상기 조절된 Q 팩터 및 상기 제어된 적응적 임피던스 매칭을 통해서 상기 변환된 AC 전력을 수신기로 무선 전송하며, 상기 송신기에 코일이 장착된 송신 공진기를 포함하는 무선 전력 전송 장치.
In the wireless power transmission apparatus of the transmitter using the resonance coupling,
A transmission power converter for converting DC (direct current) power into alternating current (AC) power;
A control unit for controlling a Q factor of the transmission resonator by using the converted AC power frequency and the resonant frequency of the transmission resonator and controlling adaptive impedance matching;
And a transmission resonator wirelessly transmitting the converted AC power to a receiver through the adjusted Q factor and the controlled adaptive impedance matching, wherein the transmitter is coiled.
제1 항에 있어서, 상기 코일은
상기 송신기의 내부의 측면이나, 상기 송신기의 충전 패드 윗면에 장착되는 무선 전력 전송 장치.
The method of claim 1, wherein the coil
Wireless power transmission device mounted on the side of the inside of the transmitter, or the top of the charging pad of the transmitter.
제1 항에 있어서, 상기 제어부는
상기 Q 팩터를 조절하고, 상기 적응적 임피던스 매칭을 제어하여 상기 AC 전력의 주파수에 상기 송신 공진기의 공진 주파수를 매칭하는 무선 전력 전송 장치.
The apparatus of claim 1, wherein the control unit
And adjusting the Q factor and controlling the adaptive impedance matching to match the resonant frequency of the transmission resonator to the frequency of the AC power.
제3 항에 있어서, 상기 제어부는
상기 송신 공진기의 공진 주파수와 인덕턴스를 곱한 후, 방사 손실로 나누어 상기 Q 팩터를 조절하는 무선 전력 전송 장치.
The method of claim 3, wherein the control unit
And multiplying the resonant frequency and inductance of the transmission resonator and dividing by the radiation loss to adjust the Q factor.
제4 항에 있어서, 상기 Q 팩터는 아래 <수학식 3>으로 계산되며,
<수학식 3>
Figure pat00003

상기 <수학식 3>에서 ω=2πf이고, f는 공진 주파수를 나타내고, L은 인덕턴스를 나타내고, R은 방사 손실 성분을 나타내는 무선 전력 전송 장치.
The method of claim 4, wherein the Q factor is calculated by Equation 3 below.
&Quot; (3) &quot;
Figure pat00003

In Equation 3, ω = 2πf, f represents a resonance frequency, L represents an inductance, and R represents a radiation loss component.
제3 항에 있어서, 상기 제어부는
상기 송신 공진기의 공진 주파수를 상기 변환된 AC 전력의 최대치보다 3dB 낮은 지점의 주파수로 나누어 상기 Q 팩터를 조절하는 무선 전력 전송 장치.
The method of claim 3, wherein the control unit
And controlling the Q factor by dividing a resonance frequency of the transmission resonator by a frequency at a point 3 dB lower than the maximum value of the converted AC power.
제4 항에 있어서, 상기 Q 팩터는 아래 <수학식 4>로 계산되며,
<수학식 4>
Figure pat00004

상기 <수학식 4>에서 fr은 공진 주파수를 나타내며, Δf는 상기 변환된 AC 전력이 최대값이 되는 공진 주파수의 전력보다 3dB 낮은 지점의 대역폭을 의미하는 무선 전력 전송 장치.
The method of claim 4, wherein the Q factor is calculated by Equation 4 below.
&Quot; (4) &quot;
Figure pat00004

In Equation 4, f r denotes a resonance frequency, and Δf denotes a bandwidth of 3 dB lower than the power of the resonance frequency at which the converted AC power is a maximum value.
제3 항에 있어서, 상기 제어부는
상기 송신기의 송신 공진기와 상기 수신기의 수신 공진기간의 거리나 정렬에 따라서 변하게되는 공진 주파수를 상기 송신 공진기의 인덕턴스 및 커패시턴스를 제어하고 상기 AC 전력의 주파수에 매칭하고 상기 적응적 임피던스 매칭을 제어하는 무선 전력 전송 장치.
The method of claim 3, wherein the control unit
A radio frequency controlling the inductance and capacitance of the transmission resonator, matching the frequency of the AC power, and controlling the adaptive impedance matching according to the distance or alignment of the transmission resonator of the transmitter and the reception resonance period of the receiver. Power transmission device.
공진 결합을 이용한 송신기의 무선 전력 전송 방법에 있어서,
DC(Direct Current) 전력을 AC(Alternating Current) 전력으로 변환하는 과정과,
상기 변환된 AC 전력의 주파수와 송신 공진기의 공진주파수를 이용하여 상기 송신 공진기의 Q 팩터(factor)를 조절하고, 적응적 임피던스 매칭을 제어하는 과정과,
상기 조절된 Q 팩터 및 상기 제어된 적응적 임피던스 매칭을 통해서 상기 변환된 AC 전력을 수신기로 무선 전송하는 과정을 포함하며, 상기 송신기에 코일이 장착되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 방법.
In the wireless power transmission method of the transmitter using the resonance coupling,
Converting direct current (DC) power to alternating current (AC) power;
Adjusting the Q factor of the transmission resonator by using the converted AC power frequency and the resonance frequency of the transmission resonator, and controlling adaptive impedance matching;
Wirelessly transmitting the converted AC power to a receiver through the adjusted Q factor and the controlled adaptive impedance matching, wherein the transmitter is equipped with a coil.
제9 항에 있어서, 상기 제어 과정은
상기 Q 팩터를 조절하고, 상기 적응적 임피던스 매칭을 제어하여 상기 AC 전력의 주파수에 상기 송신 공진기의 공진 주파수를 매칭하는 무선 전력 전송 방법.
The method of claim 9, wherein the control process
Adjusting the Q factor and controlling the adaptive impedance matching to match the resonant frequency of the transmission resonator to the frequency of the AC power.
제10 항에 있어서, 상기 제어 과정은
상기 송신 공진기의 공진 주파수와 인덕턴스를 곱한 후, 방사 손실로 나누어 상기 Q 팩터를 조절하는 과정을 포함하는 무선 전력 전송 방법.
The method of claim 10, wherein the control process
And multiplying the resonance frequency of the transmission resonator by the inductance and dividing by the radiation loss to adjust the Q factor.
제10 항에 있어서, 상기 제어 과정은
상기 송신 공진기의 공진 주파수를 상기 변환된 AC 전력의 최대치보다 3dB 낮은 지점의 주파수로 나누어 상기 Q 팩터를 조절하는 과정을 더 포함하는 무선 전력 전송 방법.
The method of claim 10, wherein the control process
And adjusting the Q factor by dividing the resonant frequency of the transmission resonator by a frequency at a point 3 dB lower than the maximum value of the converted AC power.
제10 항에 있어서, 상기 제어 과정은
상기 송신기의 송신 공진기와 상기 수신기의 수신 공진기간의 거리나 정렬에 따라서 변하게되는 공진 주파수를 상기 송신 공진기의 인덕턴스 및 커패시턴스를 제어하고, 상기 AC 전력의 주파수에 매칭하고, 상기 적응적 임피던스 매칭을 제어하는 과정을 더 포함하는 무선 전력 전송 방법.
The method of claim 10, wherein the control process
The inductance and capacitance of the transmission resonator are controlled according to the distance or alignment of the transmission resonator of the transmitter and the reception resonance period of the receiver, matched to the frequency of the AC power, and the adaptive impedance matching is controlled. Wireless power transmission method further comprising the step of.
공진 결합을 이용한 무선 전력 충전 시스템에 있어서,
DC(Direct Current) 전력을 AC(Alternating Current) 전력으로 변환하고, 상기 변환된 AC 전력의 주파수와 송신 공진기의 공진주파수를 매칭하여 상기 변환된 AC 전력을 수신기로 무선 전송하며, 코일이 장착된 송신기와,
상기 수신된 AC 전력을 DC 전력으로 변환하여 배터리에 충전하는 수신기를 포함하는 무선 전력 충전 시스템.
In the wireless power charging system using the resonance coupling,
Transmitting direct current (DC) power to alternating current (AC) power, matching the frequency of the converted AC power with the resonant frequency of the transmission resonator to wirelessly transmit the converted AC power to a receiver, and a coil-mounted transmitter Wow,
And a receiver for converting the received AC power into DC power and charging the battery.
제14 항에 있어서, 상기 코일은
상기 송신기의 내부의 측면이나, 상기 송신기의 충전 패드 윗면에 장착되는 무선 전력 충전 시스템.
The method of claim 14, wherein the coil is
Wireless power charging system mounted on the side of the inside of the transmitter, or the top of the charging pad of the transmitter.
제14 항에 있어서, 상기 송신기는
상기 변환된 AC 전력의 주파수와 송신 공진기의 공진 주파수를 이용하여 상기 송신 공진기의 Q 팩터(factor)를 조절하고, 적응적 임피던스 매칭을 제어하고, 상기 조절된 Q 팩터 및 상기 제어된 적응적 임피던스 매칭을 통해서 상기 변환된 AC 전력을 상기 수신기로 무선 전송하는 무선 전력 충전 시스템.
15. The apparatus of claim 14, wherein the transmitter is
Using the converted AC power frequency and the resonant frequency of the transmission resonator to adjust the Q factor of the transmission resonator, control the adaptive impedance matching, the adjusted Q factor and the controlled adaptive impedance matching Wireless power charging system for wirelessly transmitting the converted AC power to the receiver through.
제16 항에 있어서, 상기 Q 팩터는
상기 송신 공진기의 공진 주파수와 인덕턴스를 곱한 후, 방사 손실로 나누어 조절되는 무선 전력 충전 시스템.
The method of claim 16 wherein the Q factor is
And multiplying the resonance frequency of the transmission resonator by the inductance and dividing by the radiation loss.
제16 항에 있어서, 상기 Q 팩터는
상기 송신 공진기의 공진 주파수를 상기 변환된 AC 전력의 최대치보다 3dB 낮은 지점의 주파수로 나누어 조절되는 무선 전력 충전 시스템.The method of claim 16 wherein the Q factor is
Wireless power charging system that is adjusted by dividing the resonant frequency of the transmission resonator by a frequency of 3dB lower than the maximum value of the converted AC power.
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