KR20130130160A

KR20130130160A - 자기 공명 전력전송 장치

Info

Publication number: KR20130130160A
Application number: KR1020120019195A
Authority: KR
Inventors: 오연미; 오상환
Original assignee: 오연미
Priority date: 2012-02-24
Filing date: 2012-02-24
Publication date: 2013-12-02
Also published as: WO2013125926A1

Abstract

본 발명은 무선 전력전송 코일 주위에 발생하는 감쇄파의 자기 공진(또는 공명)을 이용한 자기 공명 전력전송 장치에 관한 것으로, 특히 수전부 공진 코일을 송전부 공진 코일과 동일한 주파수로 공진할 경우, 송신 공진 코일과 수신 공진 코일간에 전자파가 근거리 자기장을 통하여 송전부와 수전부로 이동하는 감쇄파 결합이 일어나도록 구성하여 무선에 의하여 전력전송이 이루어지도록 할 수 있는 자기 공명 전력전송 장치에 관한 것이다.
본 발명의 자기 공명 전력전송 장치는 자기공명에 의하여 무선으로 전력을 전송하기 위한 전원을 공급하는 전원공급부, 상기 전원공급부에서 공급된 전원을 입력받아 자기공명에 의하여 전력을 송신하기 위한 무선전력 송신부, 상기 무선전력 송신부에서 자기공명이 발생되도록 제어하는 자기공명신호 발생부, 상기 무선전력 송신부에서 전송된 전력을 수신하는 무선전력 수신부, 및 상기 무선전력 수신부에서 수신된 전력에 의하여 동작하는 부하로 구성된 자기공명 전력전송 장치에 있어서, 상기 무선전력 송신부 및 무선전력 수신부는 각각 코일 및 캐패시터가 병렬접속으로 이루어져 무선으로 전력을 송수신하는 것에 기술적 특징이 있다.

Description

자기 공명 전력전송 장치{Apparatus for transmitting magnetic resonance power}

본 발명은 무선 전력전송 코일 주위에 발생하는 감쇄파의 자기 공진(또는 공명)을 이용한 자기 공명 전력전송 장치에 관한 것으로, 특히 수전부 공진 코일을 송전부 공진 코일과 동일한 주파수로 공진할 경우, 송신 공진 코일과 수신 공진 코일간에 전자파가 근거리 자기장을 통하여 송전부와 수전부로 이동하는 감쇄파 결합이 일어나도록 구성하여 무선에 의하여 전력전송이 이루어지도록 할 수 있는 자기 공명 전력전송 장치에 관한 것이다.

일반적으로 저주파 대역에서 전자기 유도를 이용한 무선전력전송에 대한 연구가 많이 이루어지고 있지만, 전자기 유도 방식은 송신과 수신 코일의 배열이 일치하지 않은 경우 효율이 급격히 떨어지기 때문에 무선전력전송 시스템의 활용에 많은 애로사항들이 있다.

기존의 전자기 유도현상을 이용하는 무선전력전송 기술은 근역장(near field)에서 코일 주위에 존재하는 비 방사형 감쇄교류를 이용하여 구동하기 때문에 송신코일과 수신코일이 x,y,z의 좌표상에 반드시 일치해야 하며, 감쇄교류를 사용하기에 수 mm 내외로 코일이 인접해야 전기에너지가 유도되는 치명적인 단점이 존재한다.

대한민국등록특허 제10-0809461호는 도1에 도시된 바와 같이 전원공급부(24)와 송신코일(25)로 구성된 송신부(21), 중계코일(26)과 캐패시터(27)로 구성된 중계기(22) 및 수신코일(28)과 캐패시터(29)로 구성된 수신모듈(23)로 구성되어 무선으로 전력전송이 가능하도록 하고 있다.

또한, 대한민국 공개특허 2011-0049659호는 도2에 도시한 바와 같이 자기공진 무선전력전송 시스템은 송전부(50) 및 수전부(60)를 포함하고, 송전부(50)는 소스(51), 매칭회로(52), 소스 코일(53) 및 송전부 공진 코일(54)을 포함하며, 수전부(60)는 수전부 공진 코일(61), 디바이스 코일(62), 정류 회로(63), 및 부하(64)를 포함한다.

그러나, 상기의 선행문헌들은 전자기 유도 방식에서 소스코일과 부하코일사이에 두 개의 자기 공진 코일이 추가되어 모두 자기유도와 자기공명 현상을 모두 이용하고 있다.

자기공명 현상을 일으키는 구성들이 송신과 수신을 중계하기 위한 것으로 코일과 캐패시터로 구성된 폐회로를 사용하고 있어서 회로의 구성이 복잡하며, 중간에 무선전력을 구현하기 위한 회로가 포함되어 있어 에너지 생성 자체에 불필요한 에너지 손실을 초래 할수 있는 단점이 있다.

상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은 무선전력전송을 위하여 자기유도와 자기공명 현상을 모두 이용하지 않고 자기공명 현상만을 이용하여 회로의 구성이 복잡하지 않으면서 무선으로 전력을 전송하기 위한 목적이 있다.

또한, 자기공명 현상만을 이용하여 저주파수 대역에서의 전력전송이 가능하고 코일들의 방향성 영향을 최소화하기 위한 것뿐만 아니라, 무선전력 전송과 수신을 1:1에서 1:다수의 전송 방식을 구현하는데 또 다른 목적이 있다.

본 발명의 상기 목적은 자기공명에 의하여 무선으로 전력을 전송하기 위한 전원을 공급하는 전원공급부, 상기 전원공급부에서 공급된 전원을 입력받아 자기공명에 의하여 전력을 송신하기 위한 무선전력 송신부, 상기 무선전력 송신부에서 자기공명이 발생되도록 제어하는 자기공명신호 발생부, 상기 무선전력 송신부에서 전송된 전력을 수신하는 무선전력 수신부 및 상기 무선전력 수신부에서 수신된 전력에 의하여 동작하는 부하로 구성된 자기공명 전력전송 장치에 있어서, 상기 무선전력 송신부 및 무선전력 수신부는 각각 코일 및 캐패시터가 병렬접속으로 이루어져 무선으로 전력을 송수신하는 것을 특징으로 하는 자기 공명 전력전송 장치에 의해 달성된다.

따라서, 본 발명의 자기 공명 전력전송 장치는 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은 무선전력전송을 위하여 자기유도와 자기공명 현상을 모두 이용하지 않고 자기공명 현상만을 이용하여 회로의 구성이 복잡하지 않으면서 무선으로 전력을 전송할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 자기공명 현상만을 이용하여 저주파수 대역에서의 전력전송이 가능하도록 할 수 있을 뿐만 아니라, 코일들의 방향성 영향을 최소화하는 효과가 있다.

도 1은 종래의 기술에 따른 송신부, 중계기 및 수신모듈 회로,
도 2는 종래의 기술에 따른 공간 적응형 자기공진 무선전력전송 시스템의 등가회로,
도 3은 본 발명에 따른 자기 공명 전력전송 장치의 구성도,
도 4는 본 발명에 따른 자기 공명 전력전송 장치의 전원공급부의 구성도,
도 5는 본 발명에 따른 자기 공명신호 발생부의 설명도,
도 6는 본 발명에 따른 자기 공명 전력전송 장치의 전력 수신부의 구성도이다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 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 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명에 따른 본 발명에 따른 자기 공명 전력전송 장치의 구성도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 무선으로 전력을 송신하기 위하여 상용전원 또는 직류전원의 입력에 의하여 자기공명 현상을 만들도록 구동하고 이를 이용하여 무선으로 전력을 전송하기 위한 전원을 공급하는 전원공급부(110)와, 상기 전원공급부(110)에서 공급된 전원을 입력받아 자기공명에 의하여 전력을 송신하기 위한 무선전력 송신부(120) 및 상기 무선전력 송신부(120)에서 자기공명이 발생되도록 제어하는 자기공명신호 발생부(130)로 구성되어 무선으로 전력을 송신한다.

상기 무선전력 송신부(120)에서 무선으로 전송된 전력을 수신하기 위한 무선전력 수신부(210)와 상기 무선전력 수신부에서 수신된 전력에 의하여 동작하는 부하(220)로 구성된다.

종래의 기술에서 무선 전력송신을 위하여 자기유도 현상과 자기공명 현상을 모두 이용하고 있으며, 종래의 기술에서 송신과 수신을 중계하기 위하여 코일과 캐패시터로 구성된 폐회로를 이용하고 있는 것과 달리, 본 발명에서는 무선전력을 직접 송수신하는 무선전력 송신부(120) 및 무선전력 수신부(210)가 각각 코일 및 캐패시터가 병렬접속으로 이루어져 무선전력 송신부(120)과 무선전력 수신부(210)가 LC병렬을 Direct로 Signal Driving하여 LC공명상태를 보유하며, 자기공명 현상만을 이용하여 무선으로 전력을 송신 및 수신함으로써, 저주파수 대역에서 무선으로 전력전송이 가능하도록 할 수 있을 뿐만 아니라, 코일들의 방향성 영향을 최소화할 수 있도록 하고 있다.

LC공진회로에서 직렬공진인 경우 공진 주파수 신호를 인가하게 되면, 인덕턴스와 캐패시턴스의 크기는 같지만 주파수 특성이 정반대이기 때문에 임피던스는 최소가 되고 반대로 인가되는 신호는 최대가 되어 전류가 최대치에 이루고, LC공진회로에서 병렬공진인 경우 공진주파수에서 임피던스는 무한대가 되어 전류가 최소치를 이루고 전압이 증폭된다.

상기와 같이 LC병렬 공진을 이용하는 경우에 있어서, 저주파수 대역에서의 무선 전력전송 및 코일의 방향성 영향이 가능한 것은, 일반적인 자기공명 현상을 이용하는 무선 전력전송기술에서 채택하는 코일과 캐패시터가 직렬로 구성되어 대역통과(Bandpass)를 이용하는 것과 달리 본 발명에서는 무선전력 송신부(120)과 무선전력 수신부(210)를 각각 코일과 캐패시터가 병렬로 접속되어 대역저지(Bandstop)를 사용하고 있기 때문이다.

이는, 다른 주파수들은 차단하면서 특정주파수만을 선택하여 통과시킨다는 것이며, 반대로 LC병렬 공진이면 임피던스가 최대가 되어 특정 주파수 대역만을 차단시키고 다른 대역의 주파수는 통과 시키게 된다. 이를 각각 대역통과 또는 대역저지의 표현을 사용한다.

일반적으로 코일(인덕터)은 주파수가 낮을수록 캐패시터는 주파수가 높을 수로 신호를 잘 통과시키며, 이들 코일과 캐패시터를 병렬로 접속하여 구동시키면 같은 주파수에서 코일은 신호를 통과하지 못하게 캐패시터는 신호를 통과할 수 있도록 구동되며, 이 둘중 어느 것이 강한가에 따라 특정주파수에서의 통과 특성이 결정된다.

본 발명의 무선전력 송신부(120)에서 코일과 캐패시터를 병렬접속하여 대역저지 효과로 공진점 전압을 입력보다 상승시켜 진동주파수를 만들며 저주파수대의 공진주파수를 구현하여 이를 코일과 캐패시터가 병렬접속된 무선전력 수신부(210)에 전송하여 무선으로 전력을 전송할 수 있도록 한다.

도 4는 본 발명에 따른 자기 공명 전력전송 장치의 전원공급부의 구성도를 나타낸 것이다.

도4에 도시된 바와 같이, 자기 공명에 의한 무선전력 전송의 경우 전원공급부(110)으로 공급되는 전원은 직류전원 또는 교류전원중 어떠한 전원이어도 무관하다.

만약, 전원공급부(110)에 공급되는 전원이 직류전원인 경우 상기 전원공급부(110)로 공급되는 전원은 정류부(111) 및 보조전원부(112)가 포함되어 있다고 하더라도, 상기 정류부(111) 및 보조전원부(112)가 직류전원에 대하여 별 다른 동작을 하지 않게 되어 무선전력 송신부(120) 및 자기공명신호 발생부(130)로 직류전원이 그대로 공급되게 된다.

그러나, 전원공급부(110)에 공급되는 전원이 교류전원인 경우 상기 전원공급부(110)에서는 상기 전원공급부(110)로 공급된 교류전원을 반파정류, 전파정류 또는 브릿지 정류하여 무선전력 송신부(120)로 전송하는 정류부(111)를 더 포함하며, 또한 전원공급부(110)로 공급된 교류전원을 정류하여 자기공명 신호발생부(130)의 온-오프 구동을 위한 스탠바이(대기) 전원을 공급하게 되는 보조전원부(11)를 구비하게 된다.

또한, 전원공급부(110)에는 전원공급부(110)으로 공급되는 전원에 포함된 전원 노이즈를 제거하기 위하여 노이즈 필터(113)이 추가로 포함될 수 있다. 이러한 노이즈 필터(113)는 커먼모드(common mode) 필터, 디퍼런셜 모드(differential mode) 필터 또는 컨쥬게이트 모드(conjugate mode) 필터 중 어느 하나 이상으로 구성될 수 있다.

도 5은 본 발명에 따른 자기 공명신호 발생부의 설명도이다.

도5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 자기 공명신호 발생부는 무선전력 송신부(120)에 입력되는 전력의 듀티비를 제어하기 위한 듀티비 제어부인 것이 바람직하다.

자기 공명신호 발생부(130)는 듀티비를 정확하게 정밀하게 제어하는 가장 중요한 기능을 담당하며, 자기 공명신호 발생부(130)에 과부하 방지회로를 부가하여 자기 공명신호 발생부(130)의 오동작을 방지하는 것도 가능하다.

도 5에서 도시한 바와 같이 듀티비라고 하면 온-듀티비를 가리키는 경우가 대부분이며, 이는 한 주기에 대해서 펄스가 온 상태인 시간의 비율을 의미하며, 여기서, T는 주기, t1과 t2는 각 펄스가 온인 상태의 시간과 오프인 상태의 시간을 나타내며, 이때 온-듀티비는 t1/T이며, 오프-듀티비는 t2/T이다.

상기의 자기공명 신호발생부(130)은 부하(220)의 사용전력량에 따라 듀티비를 가변하여 제어하도록 하며, 무선 전력전송을 위한 듀티비는 용량에 맞는 설정이 필요하며, 낮은 전송전력에서는 듀티비가 80% 미만이어야 하며, 높은 전송전력에서는 5% 이상이어야 한다.

이 경우 듀티비가 80%을 초과하는 경우 스위칭 소자의 데드 타임(Dead time)이 존재하지 않아 지속적인 사용이 불가능할 수 있어서 듀티비를 80% 미만으로 설정하는 것이 바람직하다.

상기의 듀티비는 자기 공명신호 발생부(130)의 스위칭에 따른 스위칭 소자에서의 발열과 무선전력 송신부(120) 코일의 발열량을 비교하여 듀티비를 조절하는 것도 가능하다.

여기에서, 부하(220)의 사용전력량은 상기 부하(220)의 용량에 맞게 송신측의 용량을 설계하는 것이 가장 바람직하며, 그러나, 상기 부하(220)의 용량을 알고 있지 못한 경우 상기 부하(220)의 대기 전력 소비량을 기준으로 사용전력량을 추정할 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 자기 공명 전력전송 장치의 전력 수신부의 구성도이다.

본 발명에 따른 자기 공명 전력전송 장치는 도 3에 도시된 바와 같이, 무선전력 수신부(210)에 수신된 전력을 부하(220)로 직접 전송하는 것이 가능하지만, 도 6에 도시된 바와 같이 상기 부하(220)의 사용전압 또는 사용전류값이 무선전력 수신부(210)의 전압 또는 전류와 일치되지 않는 경우 정전압 방식과 정전류 방식을 선택적으로 각각 구현하거나 정전압 및 정전류 방식을 동시에 구현하는 것이 가능하다.

이에 상기 부하(220)의 사용 전압 또는 전류에 따른 전압 또는 전류값에 따라 각각 형성하거나, 동시에 형성하기 위하여 기준전압/전류값을 지정하기 위한 기준전압/전류 설정부(213)를 더 포함한다.

또한, 상기 전압/전류 조정부(214)는 상기 기준전압/전류 설정부(213)에서 복수의 설정값을 입력받아 사용전압 또는 전류가 상이한 복수의 부하(220)에 따른 기준값을 발생하여 부하(220)가 단일 구동 전압 또는 전류값일 때 뿐만이 아니라, 복수의 구동 전압 또는 전류값에 의해 복수의 부하가 구동될 수 있도록 복수의 기준 전압 또는 전류값을 설정하는 것이 가능하다. 상기의 전압/전류 조정부(214)는 컨버터 또는 인버터중 어느 하나 이상을 포함하여 구성되며, 상기 컨버터 또는 인버터의 출력값을 리니어 또는 펄스폭 제어하는 기능을 한다.

또한, 상기 부하(220)가 상기 부하가 직류전원에 의하여 구동되는 부하인 경우, 상기 부하(220)에 직류전원을 공급하기 위하여 무선전력 수신부(210)에서 수신된 전력을 직류로 변환는 직류변환부(212)를 더 포함하는 것이 가능하다.

또한, 상기 무선전력 수신부(210)에서 수신된 전력에 포함된 노이즈를 제거한 후 직접 부하(220)으로 전송하거나, 필요에 따라서는 전압조정부(214) 또는 직류변환부(212)로 전송하기 위하여 노이즈 필터(211)을 더 포함하는 것이 바람직하며, 이 경우 상기 노이즈 필터(211)는 커먼모드(common mode) 필터, 디퍼런셜 모드(differential mode) 필터 또는 컨쥬게이트 모드(conjugate mode) 필터 중 어느 하나 이상으로 구성될 수 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.

110 : 전원공급부 111 : 정류부
112 : 보조전원부 113, 211 : 노이즈 필터
120 : 무선전력 송신부 130 : 자기 공명신호 발생부
210 : 무선전력 수신부 212 : 직류변환부
213 : 기준 전압/전류 설정부 214 : 전압/전류 조정부
220: 부하

Claims

자기공명에 의하여 무선으로 전력을 전송하기 위한 전원을 공급하는 전원공급부;
상기 전원공급부에서 공급된 전원을 입력받아 자기공명에 의하여 전력을 송신하기 위한 무선전력 송신부;
상기 무선전력 송신부에서 자기공명이 발생되도록 제어하는 자기공명신호 발생부;
상기 무선전력 송신부에서 전송된 전력을 수신하는 무선전력 수신부; 및
상기 무선전력 수신부에서 수신된 전력에 의하여 동작하는 부하로 구성된 자기공명 전력전송 장치에 있어서,
상기 무선전력 송신부 및 무선전력 수신부는 각각 코일 및 캐패시터가 병렬접속으로 이루어져 무선으로 전력을 송수신하는 것을 특징으로 하는 자기 공명 전력전송 장치.
제1항에 있어서,
상기 자기공명신호 발생부는 무선전력 송신부에 입력되는 전력의 듀티비를 제어하기 위한 듀티비 제어부인 것을 특징으로 하는 자기 공명 전력전송 장치.
제1항에 있어서,
상기 전원공급부로 공급되는 전원은 직류전원 또는 교류전원중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 자기 공명 전력전송 장치.
제3항에 있어서,
상기 전원공급부로 공급되는 전원이 교류전원인 경우, 상기 전원공급부는 교류전원을 반파정류, 전파정류 또는 브릿지 정류하여 무선전력 송신부로 전송하는 정류부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 공명 전력전송 장치.
제3항에 있어서,
상기 전원공급부로 공급되는 전원이 교류전원인 경우, 상기 전원공급부는 교류전원을 반파정류, 전파정류 또는 브릿지 정류하여 무선전력 송신부로 전송하는 정류부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 공명 전력전송 장치.
제1항에 있어서,
상기 전원공급부에는 전원에서 공급되는 전원 노이즈를 제거하여 상기 무선전력 전송 송신부로 공급하기 위한 노이즈 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 공명 전력전송 장치.
제1항에 있어서,
상기 전원공급부에는 전원에서 공급되는 전원 노이즈를 제거하여 상기 무선전력 전송 송신부로 공급하기 위한 노이즈 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 공명 전력전송 장치.
제7항에 있어서,
상기 듀티비 제어부의 부하의 사용전력량에 따른 듀티비는 상기 사용전력량에 따라 5 내지 80%의 범위내에서 제어되는 것을 특징으로 하는 자기 공명 전력전송 장치.
제1항에 있어서,
상기 부하가 직류전원에 의하여 구동되는 부하인 경우, 상기 무선전력 수신부에서 수신된 전력을 직류로 변환하여 상기 부하에 전력을 공급하기 위한 직류변환부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 공명 전력전송 장치.
제1항에 있어서,
상기 부하의 사용전압에 따른 전압 또는 전류값중 어느 하나 이상을 형성하기 위하여 값을 지정하기 위한 기준전압/전류 설정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 공명 전력전송 장치.
제10항에 있어서,
상기 기준전압/전류 설정부에서 설정된 값을 입력받아 상기 설정된 값과 다른 설정 값을 발생시키기 위한 전압/전류 조정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 공명 전력전송 장치.
제11항에 있어서,
상기 전압/전류 조정부는 컨버터 또는 인버터중 어느 하나 이상을 포함하여 상기 컨버터 또는 인버터의 출력값을 리니어 또는 펄스폭 제어하는 것을 특징으로 하는 자기 공명 전력전송 장치.
제1항에 있어서,
상기 무선전력 수신부에서 수신된 전력에 포함된 노이즈를 제거하여 부하로 전송하기 위한 노이즈 필터를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 공명 전력전송 장치.
제6항 또는 제13항에 있어서,
상기 노이즈 필터는 커먼모드(common mode) 필터, 디퍼런셜 모드(differential mode) 필터 또는 컨쥬게이트 모드(conjugate mode) 필터 중 어느 하나 이상으로 구성되는 것을 특징으로 하는 자기 공명 전력전송 장치.