KR20130123082A - 무선 전력 송신기 및 무선 전력 수신기 - Google Patents

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Abstract

적어도 하나의 무선 전력 수신기에 무선 전력을 송신하는 무선 전력 송신기가 개시된다. 본 발명에 의한 무선 전력 송신기는, 기설정된 전압 또는 전류 값을 가지는 직류 형태의 무선 전력을 제공하는 전력 제공부, 전력 제공부로부터 입력되는 무선 전력을 공진을 위한 교류 형태로 변환하는 전력 변환부 및 변환된 전력을 적어도 하나의 무선 전력 수신기로 공진을 이용하여 송신하며, 적어도 하나의 무선 전력 수신기 각각과 약하게 결합되어(loosely coupled) 적어도 하나의 무선 전력 수신기의 배치 위치, 배치 방향 및 개수의 변경에도 실질적으로 동일한 효율로 무선 전력을 송신하는 공진부를 포함한다.

Description

무선 전력 송신기 및 무선 전력 수신기 { WIRELESS POWER TRANSMITTER AND WIRELESS POWER RECEIVER }
본 발명은 무선 전력 송신기 및 무선 전력 수신기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 기설정된 방식으로 무선 전력을 송수신할 수 있는 무선 전력 송신기 및 무선 전력 수신기에 관한 것이다.
휴대전화 또는 PDA(Personal Digital Assistants) 등과 같은 이동 단말기는 그 특성상 재충전이 가능한 배터리로 구동되며, 이러한 배터리를 충전하기 위해서는 별도의 충전 장치를 이용하여 이동단말기의 배터리에 전기 에너지를 공급한다. 통상적으로 충전장치와 배터리에는 외부에 각각 별도의 접촉 단자가 구성되어 있어서 이를 서로 접촉시킴으로 인하여 충전장치와 배터리를 전기적으로 연결한다.
하지만, 이와 같은 접촉식 충전방식은 접촉 단자가 외부에 돌출되어 있으므로, 이물질에 의한 오염이 쉽고 이러한 이유로 배터리 충전이 올바르게 수행되지 않는 문제점이 발생한다. 또한 접촉 단자가 습기에 노출되는 경우에도 충전이 올바르게 수행되지 않는다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 근래에는 무선 충전 또는 무접점 충전 기술이 개발되어 최근 많은 전자 기기에 활용되고 있다.
이러한 무선충전 기술은 무선 전력 송수신을 이용한 것으로서, 예를 들어 휴대폰을 별도의 충전 커넥터를 연결하지 않고, 단지 충전 패드에 올려놓기만하면 자동으로 배터리가 충전이 될 수 있는 시스템이다. 일반적으로 무선 전동 칫솔이나 무선 전기 면도기 등으로 일반인들에게 알려져 있다. 이러한 무선충전 기술은 전자제품을 무선으로 충전함으로써 방수 기능을 높일 수 있고, 유선 충전기가 필요하지 않으므로 전자 기기 휴대성을 높일 수 있는 장점이 있으며, 다가오는 전기차 시대에도 관련 기술이 크게 발전할 것으로 전망된다.
이러한 무선 충전 기술에는 크게 코일을 이용한 전자기 유도방식과, 공진(Resonance)을 이용하는 공진 방식과, 전기적 에너지를 마이크로파로 변환시켜 전달하는 전파 방사(RF/Micro Wave Radiation) 방식이 있다.
현재까지는 전자기 유도를 이용한 방식이 주류를 이루고 있으나, 최근 국내외에서 마이크로파를 이용하여 수십 미터 거리에서 무선으로 전력을 전송하는 실험에 성공하고 있어, 가까운 미래에는 언제 어디서나 전선 없이 모든 전자제품을 무선으로 충전하는 세상이 열릴 것으로 보인다.
전자기 유도에 의한 전력 전송 방법은 1차 코일과 2차 코일 간의 전력을 전송하는 방식이다. 코일에 자석을 움직이면 유도 전류가 발생하는데, 이를 이용하여 송신단에서 자기장을 발생시키고 수신단에서 자기장의 변화에 따라 전류가 유도되어 에너지를 만들어 낸다. 이러한 현상을 자기 유도 현상이라고 일컬으며 이를 이용한 전력 전송 방법은 에너지 전송 효율이 뛰어나다.
공진 방식은, 2005년 MIT의 Soljacic 교수가 Coupled Mode Theory로 공진 방식 전력 전송 원리를 사용하여 충전장치와 몇 미터(m)나 떨어져 있어도 전기가 무선으로 전달되는 시스템을 발표했다. MIT팀의 무선 충전시스템은 공명(resonance)이란 소리굽쇠를 울리면 옆에 있는 와인잔도 그와 같은 진동수로 울리는 물리학 개념을 이용한 것이다. 연구팀은 소리를 공명시키는 대신, 전기 에너지를 담은 전자기파를 공명시켰다. 공명된 전기 에너지는 공진 주파수를 가진 기기가 존재할 경우에만 직접 전달되고 사용되지 않는 부분은 공기 중으로 퍼지는 대신 전자장으로 재흡수되기 때문에 다른 전자파와는 달리 주변의 기계나 신체에는 영향을 미치지 않을 것으로 보고 있다.
한편, 종래의 무선 전력 송신기 및 무선 전력 수신기 사이에서는 각각의 코일들 사이의 정렬 상태가 무선 충전 효율에 큰 영향을 미쳤다. 예를 들어, 무선 전력 송신기 및 무선 전력 수신기 각각의 코일들의 정렬 상태가 불안정한 경우에는 무선 충전 효율이 감소하며, 이에 따라 무선 전력 수신기를 무선 전력 송신기의 특정 지점에 특정한 방향으로 배치하여야하는 불편함이 발생하였다. 특히 복수 개의 무선 전력 수신기가 무선 충전을 수행하는 경우에는, 무선 전력 송신기가 각각의 무선 전력 수신기에 대응하는 코일을 복수 개 구비하여야 하는 문제점이 존재한다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 무선 전력 수신기가 임의의 방향 및 위치에 배치되어도 고효율로 무선 전력을 송신할 수 있는 무선 전력 송신기 및 무선 전력 수신기를 제공하는 것에 있다. 아울러, 본 발명은 무선 전력 송신기가 단일 코일을 포함하더라도, 복수 개의 무선 전력 수신기에 고효율로 무선 전력을 송신할 수 있는 무선 전력 송신기 및 무선 전력 수신기를 제공하는 것에 있다.
상술한 바를 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 적어도 하나의 무선 전력 수신기에 무선 전력을 송신하는 무선 전력 송신기는, 기설정된 전압 또는 전류 값을 가지는 직류 형태의 무선 전력을 제공하는 전력 제공부; 상기 전력 제공부로부터 입력되는 무선 전력을 공진을 위한 교류 형태로 변환하는 전력 변환부; 및 상기 변환된 전력을 상기 적어도 하나의 무선 전력 수신기로 공진을 이용하여 송신하며, 상기 적어도 하나의 무선 전력 수신기 각각과 약하게 결합되어(loosely coupled) 상기 적어도 하나의 무선 전력 수신기의 배치 위치, 배치 방향 및 개수의 변경에도 실질적으로 동일한 효율로 상기 무선 전력을 송신하는 공진부;를 포함한다.
아울러, 본 발명의 다른 실시 예에 의한 전력 송신용 공진부를 포함하는 무선 전력 송신기로부터 무선 전력을 수신하는 무선 전력 수신기는, 상기 전력 송신용 공진부와 공진하여, 상기 무선 전력을 수신하는 공진부; 상기 수신된 무선 전력을 교류형태 파형에서 직류형태 파형으로 정류하는 정류부; 상기 정류된 무선 전력을 기설정된 일정한 효율로 출력하도록 레귤레이팅하는 레귤레이터부; 및 상기 레귤레이팅된 무선 전력을 저장하는 배터리;를 포함하며, 상기 공진부는, 상기 전력 송신용 공진부와 약하게 결합되어(loosely coupled) 상기 무선 전력 수신기의 배치 위치 및 배치 방향 중 적어도 하나의 변경에도 실질적으로 동일한 효율로 상기 무선 전력을 수신할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시 예들에 의하여, 무선 전력 수신기가 임의의 방향 및 위치에 배치되어도 고효율로 무선 전력을 송신할 수 있는 무선 전력 송신기 및 무선 전력 수신기가 제공된다. 이에 따라, 무선 전력 수신기의 사용자가 무선 전력 수신기를 임의의 방향 및 위치에 배치하여도, 고효율로 무선 충전이 수행됨에 따라서 사용자 편의가 극대화될 수 있다.
아울러, 무선 전력 송신기가 단일 코일을 포함하더라도, 복수 개의 무선 전력 수신기에 고효율로 무선 전력을 송신할 수 있는 무선 전력 송신기 및 무선 전력 수신기를 제공될 수 있다. 이에 따라, 무선 전력 송신기가 단일 코일을 포함할 수 있어, 제작 비용의 감축, 제작 과정의 간편화 및 경량화 등의 효과가 창출될 수 있다.
도 1은 무선 충전 시스템 동작 전반을 설명하기 위한 개념도이다.
도 2a 내지 2d는 본 발명에 대한 비교 예에 대한 개념도이다.
도 3은 본 발명에 의한 무선 전력 송신기 및 무선 전력 수신기의 배치 상태를 설명하기 위한 개념도이다.
도 4는 본 발명에 의한 무선 전력 송신기 및 무선 전력 수신기의 배치 상태를 설명하기 위한 개념도이다.
도 5a 및 5b는 본 발명에 의한 무선 전력 송신기 및 무선 전력 수신기의 배치 상태를 설명하기 위한 개념도이다.
도 6은 본 발명에 의한 무선 전력 송신기 및 무선 전력 수신기의 배치 상태를 설명하기 위한 개념도이다.
도 7a 내지 7c는 본 발명의 다양한 실시 예들에 따른 무선 전력 송신기 및 무선 전력 수신기의 회로도들이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 송신기 및 무선 전력 수신기의 블록도이다.
이하에서는, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명하도록 한다. 도면들 중 동일한 구성 요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의하여야 한다. 하기 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 무선 충전 시스템 동작 전반을 설명하기 위한 개념도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 무선 충전 시스템은 무선 전력 송신기(100) 및 적어도 하나의 무선 전력 수신기(110)를 포함한다.
무선 전력 송신기(100)는 적어도 하나의 무선 전력 수신기(110)에 무선으로 전력을 송신할 수 있다. 더욱 상세하게는, 무선 전력 송신기(100)는 소정의 인증 절차를 수행한 인증된 무선 전력 수신기에 대하여서만 무선으로 전력을 송신할 수 있다.
무선 전력 송신기(100)는 무선 전력 수신기(110)와 전기적 연결을 형성할 수 있다. 예를 들어, 무선 전력 송신기(100)는 무선 전력 수신기(110)로 전자기파 형태의 무선 전력을 송신할 수 있다.
한편, 무선 전력 송신기(100)는 무선 전력 수신기(110)와 양방향 통신을 수행할 수 있다. 여기에서 무선 전력 송신기(100) 및 무선 전력 수신기(110)는 소정의 프레임으로 구성된 패킷을 처리하거나 송수신할 수 있다. 무선 전력 수신기는 특히, 이동통신단말기, PDA, PMP, 스마트폰 등으로 구현될 수 있다.
무선 전력 송신기(100)는 복수 개의 무선 전력 수신기(110)로 무선으로 전력을 제공할 수 있다. 예를 들어 무선 전력 송신기(100)는 공진 방식을 통하여 무선 전력 수신기(110)에 전력을 전송할 수 있다. 무선 전력 송신기(100)가 공진 방식을 채택한 경우, 무선 전력 송신기(100)와 무선 전력 수신기(110) 사이의 거리는 바람직하게는 30m 이하일 수 있다. 또한 무선 전력 송신기(100)가 전자기 유도 방식을 채택한 경우, 전력제공장치(100)와 복수 개의 무선 전력 수신기(110) 사이의 거리는 바람직하게는 10cm 이하일 수 있다.
무선 전력 수신기(110)는 무선 전력 송신기(100)로부터 무선 전력을 수신하여 내부에 구비된 배터리의 충전을 수행할 수 있다. 또한 무선 전력 수신기(110)는 무선 전력 전송을 요청하는 신호나, 무선 전력 수신에 필요한 정보, 무선 전력 수신기 상태 정보 또는 무선 전력 송신기(100) 제어 정보 등을 무선 전력 송신기(100)에 송신할 수 있다. 상기의 송신 신호의 정보에 관하여서는 더욱 상세하게 후술하도록 한다.
또한 무선 전력 수신기(110)는 각각의 충전상태를 나타내는 메시지를 무선 전력 송신기(100)로 송신할 수 있다.
무선 전력 송신기(100)는 디스플레이와 같은 표시수단을 포함할 수 있으며, 무선 전력 수신기(110) 각각으로부터 수신한 메시지에 기초하여 무선 전력 수신기(110) 각각의 상태를 표시할 수 있다. 아울러, 무선 전력 송신기(100)는 각각의 무선 전력 수신기(110)가 충전이 완료되기까지 예상되는 시간을 함께 표시할 수도 있다.
무선 전력 송신기(100)는 무선 전력 수신기(110) 각각에 무선 충전 기능을 디스에이블(disabled)하도록 하는 제어 신호를 송신할 수도 있다. 무선 전력 송신기(100)로부터 무선 충전 기능의 디스에이블 제어 신호를 수신한 무선 전력 수신기는 무선 충전 기능을 디스에이블할 수 있다.
도 2a는 본 발명에 대한 비교 예에 대한 개념도이다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 무선 전력 송신기(210)는 무선 전력 송신용 코일(211)을 포함하며, 무선 전력 수신기(220)는 무선 전력 수신용 코일(222)을 포함할 수 있다. 무선 전력 송신기(210)의 무선 전력 송신용 코일(211) 및 무선 전력 수신기(220)의 무선 전력 수신용 코일(221)은 소정의 상호 인덕턴스를 형성할 수 있다. 무선 전력 송신용 코일(211)은 무선 전력 수신용 코일(221)에 무선 전력을 송신할 수 있다. 한편, 본 발명의 비교 실시 예에 따른 무선 전력 수신기(220)는 무선 전력 송신기(210)의 소정의 위치에 소정의 방향으로 정렬되어야 한다.
예를 들어, 도 2a와 같이 무선 전력 수신기(220)는 전력 수신용 코일(221)이 전력 송신용 코일(211)과 대응되는 위치 및 방향으로 배치되어야 한다. 이는, 전력 송신용 코일(211) 및 전력 수신용 코일(221) 사이의 거리가 증가함에 따라서 무선 전력 송수신 효율이 급격하게 저하되는 것으로부터 기인한다. 이에 따라, 비교 예에 의한 무선 전력 송신기(210)는 무선 전력 수신기(220)가 특정한 방향 및 위치에 배치되도록 인도하는 하우징(housing) 또는 고정부재 등을 더 포함하였다. 아울러,
도 2b 내지 2d는 본 발명에 대한 비교 예에서, 전력 송신용 코일(211) 및 전력 수신용 코일(221)이 서로 정렬되지 않는 것을 설명하기 위한 개념도들이다.
도 2b에서 도시된 바와 같이, 사용자는 무선 전력 수신기(220)를 무선 전력 송신기(210)와 정렬방향이 상이하게 배치시킬 수 있으며, 이러한 경우에는 전력 송신용 코일(211) 및 전력 수신용 코일(221)이 기설정된 거리 이상으로 배치되어 무선 전력 송수신 효율이 급격하게 저하되게 된다. 아울러, 사용자는 도 2c 또는 도 2d와 같이 무선 전력 수신기(220)를 무선 전력 송신기(210)와 정렬방향이 상이하게 배치시킬 수 있다. 이러한 경우들에서도, 전력 송신용 코일(211) 및 전력 수신용 코일(221)이 기설정된 거리 이상으로 배치되어 무선 전력 송수신 효율이 급격하게 저하되게 된다. 상기의 비교 예들에서, 사용자는 언제나 무선 전력 송신기(210) 및 무선 전력 수신기(220)를 특정 위치 및 특정 방향으로 배치시켜야하는 불편함이 초래된다.
도 3은 본 발명에 의한 무선 전력 송신기 및 무선 전력 수신기의 배치 상태를 설명하기 위한 개념도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 무선 전력 송신기(300)는 무선 전력 수신기(310,320)의 배치 위치 및 배치 방향에 구애받지 않으면서도 고효율로 무선 전력을 송신할 수 있다. 여기에서, 고효율이라는 의미는 특정한 효율을 의미하는 것이라기보다는, 무선 전력 송신기(300)와 무선 전력 수신기(310,320)가 이상적으로 정렬되어 전송되는 최대 효율과 실질적으로 동일한 효율이라는 의미일 수 있다. 즉, 본원 발명에 의한 무선 전력 송신기(300)는 무선 전력 수신기(310,320)가 배치 위치 및 배치 방향이 변경되어도, 실질적으로 최대 효율로 무선 전력을 송신할 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 무선 전력 수신기(310)가 무선 전력 송신기(300)와 정렬 방향이 상이한 경우와 무선 전력 수신기(320)가 무선 전력 송신기(300)와 정렬 방향이 동일한 경우에도 실질적으로 동일한 효율로 무선 전력을 송신할 수 있다. 아울러,무선 전력 수신기(310)는 무선 전력 송신기들(310,320)의 배치 위치가 상이한 경우에도 실질적으로 동일한 효율로 무선 전력을 송신할 수 있다.
한편, 무선 전력 송신기(300)는 무선 전력 수신기(310,320)들을 지지할 수 있는 지지대(302)를 포함할 수도 있다. 지지대(302)는 각도의 변경이 가능할 수 있으며, 바람직하게는 지지대(302)와 무선 전력 송신 플랫폼(301) 사이의 각도가 0° 내지 90°를 형성할 수 있으며, 예를 들어 10° 단위로 조정될 수 있다.
무선 전력 송신 플랫폼(301)은 지지대(302)의 일면에 연결될 수 있다. 무선 전력 송신 플랫폼(301)은 내부에 무선 전력을 위한 전력 송신용 코일을 비롯한 각종 회로 또는 소자를 포함할 수 있으며, 상기 회로 또는 소자들을 격납할 수 있는 격납 수단을 포함할 수 있다. 무선 전력 송신 플랫폼(301)의 내부에 포함되는 구성 요소에 대하여서는 더욱 상세하게 후술하도록 한다.
도 4는 본 발명에 의한 무선 전력 송신기 및 무선 전력 수신기의 배치 상태를 설명하기 위한 개념도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 무선 전력 송신기(300)는 무선 전력 수신기(310)에 무선 전력을 송신할 수 있다. 무선 전력 송신기(300)는 기결정된 효율로 무선 전력을 송신할 수 있다. 한편, 사용자는 무선 전력 수신기(310)의 배치 위치를 무선 전력 송신기(300)의 지지대가 연장된 방향의 우(311) 또는 좌(312)로 변경할 수 있다. 본 발명에 의한 무선 전력 송신기(300)는 무선 전력 수신기(310)의 배치 위치가 변경되어도, 상기 기결정된 효율과 실질적으로 동일한 효율로 무선 전력을 송신할 수 있다.
도 5a 및 5b는 본 발명에 의한 무선 전력 송신기 및 무선 전력 수신기의 배치 상태를 설명하기 위한 개념도이다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 무선 전력 송신기(300)는 무선 전력 수신기(310)에 무선 전력을 송신할 수 있다. 무선 전력 송신기(300)는 기결정된 효율로 무선 전력을 송신할 수 있다. 한편, 사용자는 무선 전력 수신기(310)의 배치 방향을 변경할 수 있다. 무선 전력 수신기(310)는 무선 전력 송신기(300)의 지지대의 연장 방향과 동일한 방향 또는 직교하는 방향으로 배치될 수 있다. 도 5a는 무선 전력 수신기(310)는 무선 전력 송신기(300)의 지지대의 연장 방향과 동일한 방향으로 배치된 개념도이다. 도 5b는 무선 전력 수신기(310)는 무선 전력 송신기(300)의 지지대의 연장 방향과 직교하는 방향으로 배치된 개념도이다. 본 발명에 의한 무선 전력 송신기(300)는 무선 전력 수신기(310)의 배치 방향이 변경되어도, 상기 기결정된 효율과 실질적으로 동일한 효율로 무선 전력을 송신할 수 있다.
도 6은 본 발명에 의한 무선 전력 송신기 및 무선 전력 수신기의 배치 상태를 설명하기 위한 개념도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 무선 전력 송신기(300) 상에는 복수 개의 무선 전력 수신기(310,320,330)가 배치될 수 있다. 무선 전력 송신기(300)는 복수 개의 무선 전력 수신기(310,320,330) 각각에 무선 전력을 송신할 수 있다.
한편, 본 발명에 의한 무선 전력 송신기(300)는 각각의 무선 전력 수신기(310,320,330)에 대응하는 전력 송신용 코일을 포함하지 않을 수 있다. 즉, 본 발명에 의한 무선 전력 송신기(300)는 예를 들어 하나의 전력 송신용 코일을 포함할 수 있으며, 하나의 전력 송신용 코일로도 각각의 무선 전력 수신기(310,320,330)에게 실질적으로 동일한 효율로 무선 전력을 송신할 수 있다.
한편, 무선 전력 수신기(310,320,330) 각각은 서로 종류가 다를 수 있다. 예를 들어, 무선 전력 수신기(310,320,330)는 수신하는 무선 전력의 전력량이 상이할 수 있다. 본 발명에 의한 무선 전력 송신기(300)는 무선 전력 수신기(310,320,330)의 종류가 상이한 경우에도, 각각의 무선 전력 수신기(310,320,330)에 대하여 실질적으로 동일한 효율로 무선 전력을 송신할 수 있다.
도 7a 내지 7c는 본 발명의 다양한 실시 예들에 따른 무선 전력 송신기 및 무선 전력 수신기의 회로도들이다.
도 7a에 도시된 바와 같이, 무선 전력 송신기는 전력 제공부(701), 커패시터부(702), 저항부(703), 코일부(704) 및 접지부(705)를 포함할 수 있다. 아울러, 무선 전력 수신기는 코일부(711), 저항부(712), 커패시터부(713), 부하 저항부(714) 및 접지부(715)를 포함할 수 있다.
전력 제공부(701)는 기설정된 크기(V1)의 교류 형태의 전력을 제공할 수 있다. 전력은 소정의 크기(I1)의 전류를 가질 수 있다. 전력 제공부(701)의 일단은 커패시터부(702)의 일단에 연결될 수 있다. 커패시터부(702)는 C1의 용량을 가질 수 있다. 커패시터부(702)의 타단은 저항부(703)의 일단에 연결될 수 있다. 저항부(703)는 코일부(704)의 ESR(equivalent series resistance)이며, R1의 저항 값을 가질 수 있다. 저항부(703)의 타단은 코일부(704)의 일단에 연결될 수 있다. 코일부(704)는 L1의 인덕턴스를 가질 수 있다. 코일부(704)의 타단은 접지부(705)에 연결될 수 있으며, 전력 제공부(701)의 타단도 접지부(705)에 연결될 수 있다.
한편, 무선 전력은 코일부(704)에서 발진하여 다른 코일부(711)에서 수신할 수 있다. 여기에서 코일부(711)는 L2의 인덕턴스를 가질수 있다. 코일부(711)의 일단은 저항부(712)의 일단에 연결될 수 있다. 저항부(712)는 코일부(711) 또는 커패시터부(713)이 가지는 ESR(equivalent series resistance)이며, R2의 저항 값을 가질 수 있다. 저항부(712)의 타단은 커패시터부(713)의 일단에 연결될 수 있다. 커패시터부(713)는 C2의 용량을 가질 수 있다. 커패시터부(713)의 타단은 부하 저항부(714)의 일단에 연결될 수 있다. 부하 저항부(714)는 RL의 저항 값을 가질 수 있다. 부하 저항부(714)의 타단은 접지부(715)에 연결될 수 있다. 한편 코일부(711)의 타단도 접지부(715)에 연결될 수 있다.
여기에서, 두 개의 코일부(704,711)는 약하게 결합(loosely coupled)될 수 있다. 여기에서, 약하게 결합되었다는 것의 의미는 예를 들어 결합 효율이 0.3이하로 결정되는 것을 의미할 수 있다. 두 개의 코일부(704,711)가 약하게 결합됨에 따라서, 두 개의 코일부(704,711) 각각은 사이즈에 대한 제약없이 무선 전력을 송수신할 수 있다.
두 개의 코일부(704,711)가 약하게 결합되기 위하여서, 두 개의 코일부(704,711) 각각은 높은 양호도(quality factor)를 가진다. 예를 들어, 코일부(704)는 100 이상의 양호도를 가질 수 있으며, 코일부(711)는 50 이상의 양호도를 가질 수 있다. 두 개의 코일부(704,711)가 높은 양호도를 가짐에 따라서, 공진기 자체 금속에서 발생되는 저항 손실(ohmic loss)가 감소될 수 있다. 아울러, 공진기에서 발생되는 자기장이 근거리 상에서 에너지를 보존하면서 방사되어 손실되는 성분 도한 감소될 수 있다. 한편, 양호도에 대한 식은 수학식 1과 같이 표현된다.
Figure pat00001
수학식 1에서, ω는 2πf이며, f는 공진 주파수이다. L은 코일의 인덕턴스, R은 손실 성분이다.
공진기를 구성하는 L 및 C는 각각 ESR(equivlaent series resistance)를 가지며, 상기 ESR로 인하여 저항 손실이 발생될 수 있다. 본원 발명에 의한 무선 전력 송신기는 상기 저항 손실을 감소시켜 전체 손실 성분을 감소시킬 수 있으며, 이에 따라 양호도가 증가될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 무선 전력 송신기는 방사 손실(radiation loss)을 감소시켜 양호도를 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 무선 전력 송신기는 공진기를 오드 노멀 모드 주파수(odd normal mode frequency)에서 공진이 발생하도록 설계될 수 있으며, 이에 따라 방사 손실을 감소시켜 양호도를 증가시킬 수 있다. 한편, 상술한 양호도 증가 방법들은 단순히 예시적인 것이며, 당업자는 공지된 양호도 증가 방법의 다양한 예시를 적용하여 변경 실시함을 용이하게 이해할 수 있을 것이다. 본원 발명의 권리범위가 상술한 양호도 증가 방법들에 의하여 제한되는 것은 아니다.
한편, 상술한 바와 같이 무선 전력 수신기 또한 50 이상의 양호도를 가지며, 무선 전력 수신기의 공진부 또한 상기의 방법 및 다양한 방법에 따라 양호도가 증가될 수 있다.
무선 전력 송신기는 임피던스 매칭회로를 더 포함할 수 있다. 우선, 도 7a에서의 무선 전력 송신기에 대한 회로 해석은 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00002
수학식 2에서, ω는 공진 각 주파수이다. 아울러, M은 코일부(704) 및 코일부(711) 사이의 상호 인덕턴스이다.
여기에서, 수학식 2의
Figure pat00003
는 Z11으로 표시할 수 있다.
한편, 무선 전력 수신기에서의 회로 해석은 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00004
여기에서, 수학식 3의
Figure pat00005
는 Z22로 표시할 수 있다.
수학식 2 및 3으로부터, 수학식 4가 유도될 수 있다.
Figure pat00006
여기에서, Zr은
Figure pat00007
이다.
무선 전력 송신기에서, 공진은 Z11 + Zr이 최소가 될 때 발생될 수 있다. 다만, 상호 인덕턴스 M이 무선 전력 송신기 및 무선 전력 수신기의 배열 상태 및 개수에 따라 변경될 수 있다. 이에 따라 무선 전력 송신기는 임피던스 매칭회로를 더 포함하여 적응적으로 Z11 + Zr이 최소가 되도록 제어할 수 있다.
도 7b 및 7c는 본 발명의 다양한 실시 예에 따른 임피던스 매칭회로를 더 포함하는 무선 전력 송신기 및 무선 전력 수신기의 회로도이다.
도 7b와 같이, 무선 전력 송신기는 가변 커패시터부(706)를 포함할 수 있다. 여기에서, 가변 커패시터부(706)의 커패시턴스(Cm)는 제어부(미도시)의 제어에 따라 변경될 수 있다. 가변 커패시터부(706)의 커패시턴스의 변경에 따라 Z11의 C1이 변경될 수 있다. 이에 따라 M 및 RL의 변경에도 Z11 + Zr이 최소 상태를 유지할 수 있다. 한편, 가변 커패시터부(706)은 도 7a의 커패시터부(702)의 위치에 배치될 수 있다.
한편, 도 7c와 같이, 무선 전력 송신기는 가변 코일부(707)를 포함할 수 있다. 여기에서, 가변 코일부(707)의 인덕턴스(Lm)는 제어부(미도시)의 제어에 따라 변경될 수 있다. 가변 코일부(706)의 인던턴스의 변경에 따라 Z11의 L1이 변경될 수 있다. 이에 따라 M 및 RL의 변경에도 Z11 + Zr이 최소 상태를 유지할 수 있다. 한편, 가변 코일부(707)은 도 7a의 코일부(704)의 위치에 배치될 수 있다.
예를 들어, 제어부(미도시)는 무선 전력 송신기의 특정 지점에서의 임피던스를 모니터링할 수 있으며, 모니터링 결과에 따라 무선 전력 송신기의 커패시턴스 또는 인덕턴스를 변경하여 임피던스를 최소로 유지할 수 있다. 제어부(미도시)는 예를 들어, 모니터링 결과 및 소자 변경 수치에 대한 룩업테이블에 기초하여 커패시턴스 또는 인덕턴스를 변경할 수 있다.
상술한 바와 같이, 무선 전력 송신기는 높은 양호도를 가질 수 있으며, 무선 전력 수신기와 약하게 결합할 수 있다. 아울러, 무선 전력 송신기는 임피던스 매칭회로를 가져, 임피던스를 최소 상태로 유지할 수 있다. 이에 따라서, 무선 전력 송신기는 무선 전력 수신기의 배치 위치 또는 배치 방향에 구애받지 않으면서 무선 전력을 송신할 수 있다. 아울러, 무선 전력 송신기는 무선 전력 수신기의 개수에 구애받지 않으면서 무선 전력을 송신할 수 있다. 즉, 무선 전력 송신기는 하나의 코일을 구비하면서도, 복수 개의 무선 전력 수신기에 무선 전력을 송신할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 송신기 및 무선 전력 수신기의 블록도이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 무선 전력 송신기(800)는 전력 제공부(801), 전력 변환부(802), 공진부(803), 제어부(804) 및 임피던스 매칭회로부(805)를 포함할 수 있다. 무선 전력 수신기(850)는 공진부(851), 정류부(852), 레귤레이터부(853), 배터리(854) 및 제어부(855)를 포함할 수 있다.
전력 제공부(801)는 기설정된 전압을 가지는 직류 형태의 전력을 출력할 수 있다. 전력 변환부(802)는 전력 변환부(802)는 전력 제공부(802)로부터 입력받은 직류 형태의 전력을 공진을 위한 교류 형태로 변환한다. 제어부(804)는 무선 전력 송신기(800)의 임의의 지점의 임피던스를 모니터링할 수 있으며, 임피던스 모니터링의 결과가 항상 최솟값을 가지도록 임피던스 매칭회로부(805)를 제어할 수 있다.
임피던스 매칭회로부(805)는 제어부(804)에 기초하여 예를 들어 수학식 4의 Z11 + Zr이 최소가 되도록 임피던스 매칭을 수행할 수 있다. 임피던스 매칭회로부는 예를 들어 적어도 하나의 커패시터 및 적어도 하나의 코일의 조합에 기초하여 구현될 수 있다.
한편, 공진부(803)는 입력된 교류 형태의 전력을 다른 공진부(851)로 송신할 수 있다.
공진부(851)는 무선 전력 송신기(800)로부터 무선 전력을 수신할 수 있다. 공진부(851)는 무선 전력 공급기로부터 핑(ping) 신호를 수신할 수 있으며, 상기 핑 신호를 수신하면 핑 신호의 에너지를 이용하여 구동을 개시할 수 있다. 공진부(851)의 사이즈는 공진부(803)의 사이즈의 70% 이하로 구현될 수 있다.
정류부(852)는 수신한 교류 파형의 수신 신호에 대하여 정류 작업을 수행하여 직류 파형의 수신 신호로 변환할 수 있다. 정류부(852)는 공지된 정류 수단, 예를 들어 다이오드와 같은 수단으로 구현될 수 있으며, 정류를 할 수 있는 수단이라면 제한이 없음은 당업자가 용이하게 이해할 수 있을 것이다.
레귤레이터부(853)는 정류된 무선 전력을 일정한 효율로 배터리(854)로 전달할 수 있다. 레귤레이터부(853)는 배터리(854)에 단기간에 과도한 전압 또는 전류가 인가되지 않도록 전원의 송달 비율을 적절하게 조절할 수 있다. 또한 배터리(854)에서 요구하는 전압 또는 전류로, 상기 수신 신호의 전압 또는 전류를 강하 또는 상승시킬 수도 있다.
배터리(854)는 실제로 전력을 이용 또는 저장하는 수단일 수 있으며, 무선 전력 수신기(850)가 휴대폰, 또는 스마트폰인 경우에 있어서는 배터리 등으로 구현될 수 있다.
한편, 도시되지는 않았으나, 배터리(854)가 유용하는 전압으로 전압을 컨터팅하는 컨버팅 수단이 더 포함될 수도 있다.
제어부(855)는 무선 전력 수신기(850)의 동작 전반을 제어할 수 있다. 제어부(855)는 저장부(미도시)로부터 독출한 알고리즘, 프로그램 또는 어플리케이션에 기초하여 동작을 제어할 수 있다.
저장부(미도시)는 제어부(855)에서 이용하는 무선 전력 수신기(850)의 동작 전반을 제어하기 위한 알고리즘, 프로그램 또는 어플리케이션을 저장할 수 있다. 저장부(308)는 SSD(Solid State Disk), 플래시 메모리 카드(flash memory card), ROM (Read Only Memory) 등과 같은 비휘발성 메모리(Non- Volatile Memory: NVM), RAM(Random Access Memory) 등과 같은 휘발성 메모리 등일 수 있다.
한편, 무선 전력 송신기(800)의 공진부(803)는 예를 들어 100 이상의 양호도를 가질 수 있으며, 무선 전력 수신기의 공진부(851)는 50 이상의 양호도를 가질 수 있다. 결국, 무선 전력 송신기(800) 및 무선 전력 수신기(850)는 0.3 이하의 결합 효율을 가질 수 있어, 약하게 결합될 수 있다. 이에 따라, 무선 전력 송신기(800)는 무선 전력 수신기(850)의 배치 위치, 배치 방향, 개수의 변경에도 실질적으로 동일한 효율을 유지하면서 무선 전력을 송신할 수 있다.
아울러, 무선 전력 송신기(800)는 임피던스 매칭회로부(805)를 포함함에 따라서, 높은 양호도에도 실질적으로 동일한 효율을 유지하면서 무선 전력을 송신할 수 있다.
무선 전력 송신기(800)에 포함된 상기의 구성 요소들은 무선 전력 송신 플랫폼의 내부에 포함될 수 있다. 한편, 무선 전력 송신기(800)는 무선 전력 수신기(850)를 지지하기 위한 지지대를 더 포함할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 누구든지 본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않는 범주 내에서 본 발명의 바람직한 실시 예를 다양하게 변경할 수 있음은 물론이다. 따라서 본 발명은 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어나지 않는다면 다양한 변형 실시가 가능할 것이며, 이러한 변형 실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

Claims (16)

  1. 적어도 하나의 무선 전력 수신기에 무선 전력을 송신하는 무선 전력 송신기에 있어서,
    기설정된 전압 또는 전류 값을 가지는 직류 형태의 무선 전력을 제공하는 전력 제공부;
    상기 전력 제공부로부터 입력되는 무선 전력을 공진을 위한 교류 형태로 변환하는 전력 변환부; 및
    상기 변환된 전력을 상기 적어도 하나의 무선 전력 수신기로 공진을 이용하여 송신하며, 상기 적어도 하나의 무선 전력 수신기 각각과 약하게 결합되어(loosely coupled) 상기 적어도 하나의 무선 전력 수신기의 배치 위치, 배치 방향 및 개수의 변경에도 실질적으로 동일한 효율로 상기 무선 전력을 송신하는 공진부;를 포함하는 무선 전력 송신기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 공진부는, 적어도 100의 양호도(quality factor)를 가져서 상기 적어도 하나의 무선 전력 수신기 각각과 약하게 결합되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 공진부는, 상기 적어도 하나의 무선 전력 수신기 각각과 0.3 미만의 결합 효율로 결합되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전력 제공부, 상기 전력 변환부 및 상기 공진부를 격납하는 무선 전력 송신 플랫폼; 및
    상기 무선 전력 송신 플랫폼의 일면에 연결되며, 상기 적어도 하나의 무선 전력 수신기를 기계적으로 지지하는 지지대;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 공진부는, 상기 적어도 하나의 무선 전력 수신기의 상기 지지대가 연장된 방향으로의 위치 변경에도 실질적으로 동일한 효율로 상기 무선 전력을 송신하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신기.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 공진부는, 상기 적어도 하나의 무선 전력 수신기의 상기 지지대가 연장된 방향을 기준으로의 방향 변경에도 실질적으로 동일한 효율로 상기 무선 전력을 송신하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 공진부는, 상기 적어도 하나의 무선 전력 수신기가 수신하는 무선 전력의 전력량과 무관하게 실질적으로 동일한 효율로 상기 무선 전력을 송신하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 무선 전력 송신기의 일 지점에서의 임피던스를 모니터링하는 제어부; 및
    상기 제어부의 제어에 기초하여 상기 일 지점에서의 임피던스를 최소로 유지하도록 임피던스 매칭을 수행하는 임피던스 매칭회로부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신기.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 임피던스 매칭회로부는, 적어도 하나의 커패시터 및 적어도 하나의 코일 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신기.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 공진부는 커패시터 및 코일을 포함하며, 상기 커패시터 및 상기 코일 각각의 ESR(equivalent series resistance)이 기설정된 수치 미만을 가지게 되어 약한 결합을 형성하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신기.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 공진부는 오드 노멀 모드 주파수(odd normal mode frequency)에서 공진함에 따라 방사 손실(radiation loss)을 감소시켜, 약한 결합을 형성하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신기.
  12. 전력 송신용 공진부를 포함하는 무선 전력 송신기로부터 무선 전력을 수신하는 무선 전력 수신기에 있어서,
    상기 전력 송신용 공진부와 공진하여, 상기 무선 전력을 수신하는 공진부;
    상기 수신된 무선 전력을 교류형태 파형에서 직류형태 파형으로 정류하는 정류부;
    상기 정류된 무선 전력을 기설정된 일정한 효율로 출력하도록 레귤레이팅하는 레귤레이터부; 및
    상기 레귤레이팅된 무선 전력을 저장하는 배터리;를 포함하며,
    상기 공진부는, 상기 전력 송신용 공진부와 약하게 결합되어(loosely coupled) 상기 무선 전력 수신기의 배치 위치 및 배치 방향 중 적어도 하나의 변경에도 실질적으로 동일한 효율로 상기 무선 전력을 수신하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 수신기.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 공진부는, 적어도 50의 양호도(quality factor)를 가져서 상기 전력 송신용 공진부와 약하게 결합되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 수신기.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 공진부는, 상기 전력 송신용 공진부와 0.3 미만의 결합 효율로 결합되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 수신기.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 공진부는 커패시터 및 코일을 포함하며, 상기 커패시터 및 상기 코일 각각의 ESR(equivalent series resistance)이 기설정된 수치 미만을 가지게 되어 약한 결합을 형성하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 수신기.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 공진부는 오드 노멀 모드 주파수(odd normal mode frequency)에서 공진함에 따라 방사 손실(radiation loss)을 감소시켜, 약한 결합을 형성하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 수신기.
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