KR20140070705A - 시스템 성능 지수와 다수의 송신 코일을 이용한 적응형 매칭 기술에 기반한 무선 전력전송 시스템 - Google Patents

시스템 성능 지수와 다수의 송신 코일을 이용한 적응형 매칭 기술에 기반한 무선 전력전송 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR20140070705A
KR20140070705A KR1020120130382A KR20120130382A KR20140070705A KR 20140070705 A KR20140070705 A KR 20140070705A KR 1020120130382 A KR1020120130382 A KR 1020120130382A KR 20120130382 A KR20120130382 A KR 20120130382A KR 20140070705 A KR20140070705 A KR 20140070705A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
coil
source
load
wireless power
receiver
Prior art date
Application number
KR1020120130382A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101445082B1 (ko
Inventor
박영진
김관호
김진욱
Original Assignee
한국전기연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국전기연구원 filed Critical 한국전기연구원
Priority to KR1020120130382A priority Critical patent/KR101445082B1/ko
Publication of KR20140070705A publication Critical patent/KR20140070705A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101445082B1 publication Critical patent/KR101445082B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/10—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q5/00—Arrangements for simultaneous operation of antennas on two or more different wavebands, e.g. dual-band or multi-band arrangements
    • H01Q5/30—Arrangements for providing operation on different wavebands
    • H01Q5/307—Individual or coupled radiating elements, each element being fed in an unspecified way
    • H01Q5/314—Individual or coupled radiating elements, each element being fed in an unspecified way using frequency dependent circuits or components, e.g. trap circuits or capacitors
    • H01Q5/335—Individual or coupled radiating elements, each element being fed in an unspecified way using frequency dependent circuits or components, e.g. trap circuits or capacitors at the feed, e.g. for impedance matching

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Near-Field Transmission Systems (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)

Abstract

본 발명은 시스템 성능 지수와 다수의 송신 코일을 이용해, 부하의 임피던스 변동, 무선 전력 송수신기 사이의 거리 변동 및 부하 변동에 적응하여, 무선 전력 송신기에서 공간상 고정형 또는 이동형 부하를 갖는 수신기로 최대 전력을 전달할 수 있는 근거리 무선 전력전송 시스템에 관한 것이다.

Description

시스템 성능 지수와 다수의 송신 코일을 이용한 적응형 매칭 기술에 기반한 무선 전력전송 시스템 {Wireless Power Transfer System Based on Adaptive Matching Scheme using System Figure-of-Merit and Multiple Transmitting Coils}
본 발명은 무선 전력전송 시스템에 관한 것으로서, 특히, 시스템 성능 지수와 다수의 송신 코일을 이용해, 부하의 임피던스 변동, 무선 전력 송수신기 사이의 거리 변동 및 부하 변동에 적응하여, 무선 전력 송신기에서 공간상 고정형 또는 이동형 부하를 갖는 수신기로 최대 전력을 전달할 수 있는 근거리 무선 전력전송 시스템에 관한 것이다.
도 1은 송수신기의 각각의 공진코일을 사용한 일반적인 전자기 유도 방식 무선 전력전송 시스템의 등가회로이다. 송신 코일(Tx coil)의 자기 인덕턴스 L1, 저항은 R1, 공진을 위한 정전용량은 C1이고, 수신 코일(Rx coil)의 자기 인덕턴스 L2, 저항은 R2, 공진을 위한 정전용량은 C2일 때, 교류 소스 신호(Vs)를 받는 송신 코일(Tx coil)의 전력이 상호 인덕턴스 M12에 따른 자기장 커플링에 따라 수신 코일(Rx coil)의 부하(ZL)로 전력이 전달될 수 있다. 송신 코일(Tx coil)을 포함한 송전부는 전력 송신을 위한 송신기 장치에 구비되며, 수신 코일(Rx coil)을 포함한 수전부는 스마트폰, 아이패드 등 전력을 사용하는 각종 전자기기에 구비되고, 송전부에 가까이 전자기기를 위치시켜 놓고 전자기기의 부하(예, 배터리, 동작 회로 등)에 무선으로 전력이 공급되도록 할 수 있다.
그런데, 이와 같은 무선 전력전송 시스템에서, 위와 같은 코일(Tx coil, Rx coil)의 Q인자(Quality factor)가 증가하고 커플링 계수가 높아질수록 송수신 코일의 거리가 증가하며, 이로 인해 송수신 코일 사이의 거리 변화에 따라 최대 전력전달 임피던스 매칭 조건이 달라진다. 또한, 수전부가 고정되어 있지 않거나 이동 시 등 부하의 임피던스가 변하는 경우 최대 전력전달 임피던스 매칭 조건이 변동되어 최대 전력전달이 어렵게 된다.
최대 전력 전달을 위한 종래의 무선 전력전송 기술과 관련하여, 다양한 문헌들이 존재하지만 그 중 다음과 같은 4가지 문헌들을 소개한다.
(1) A. Kurs, A. Karalis, R. Moffatt, J. D. Joannopoulos, P. Fisher, and M. Soljacic, “Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances,” Science, vol. 317, pp. 83?86, July 2007.
(2) J. Park, Y. Tak, Y. Kim, Y. Kim, S. Nam, “Investigation of adaptive matching methods for near-field wireless power transfer,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 59, pp. 1769-1773, May 2011.
(3) A. J. Stratakos, S. R. Sanders, and R. W. Brodersen, “A low-voltage CMOS DC-DC converter for a portable battery-operated system,” IEEE 25th Power Electronics Specialists Conference (PESC94)1994, vol. 1, pp. 619-626, Jun 1994.
(4) W. -S. Lee, H. L. Lee, K. -S. Oh, and J. -W. Yu, “Switchable distance-based impedance matching networks for a tunable HF system,” Progress in Electromagnetics Research, vol. 128, pp. 19-34, 2012.
위의 문헌(1)에서는 송수신 공진 코일에 추가적으로 송수신 커플링 코일을 사용하여 거리의 변동에 따라 달라지는 최대 전력전달 조건을 만족하도록 하였다. 이 방법은 송수신 커플링 코일을 물리적으로 움직여야 하기 때문에 제한된 공간에서의 무선 전력 송수신에는 적용이 어렵다.
위의 문헌(2)에서는 송수신 공진 코일의 거리에 따라, 최대 전력 전달을 위하여 최적 주파수를 트래킹하는 방법을 개시한다. 이는 거리에 따라 커플링이 달라지면서 나타나는 송수신 투과 특성의 분할(Splitting) 현상을 이용하는 것이다. 그러나, 근거리 무선전력전송을 위한 주파수가 고정된 경우 이러한 주파수 트래킹 방법을 사용하기는 어렵다.
위의 문헌(3)에서는 수전부에 DC/DC 컨버터를 사용한 방법을 개시한다. 성능지수 변화에 따라 펄스폭 변조(PWM) 방식으로 듀티(duty) 비를 바꾸어 부하 임피던스 매칭을 하는 방식이다. 하지만 DC/DC 컨버터로 인한 변환 손실이 10% 이상 될 수 있고, 수전부가 구비된 기기에 추가적인 아날로그 회로가 삽입되어야 하므로 시스템을 복잡하게 만든다. 또한, 이 방식은 부하 임피던스 매칭에만 적용될 수 있고, 입력 임피던스 매칭에는 적용할 수 없는 단점이 있다.
위의 문헌(4)에서는 거리의 변화에 따른 입력과 부하 임피던스를 매칭하기 위하여 스위치를 사용한다. 그러나, 이 경우 각 코일마다 공진을 위하여 집중 커패시터(Lumped Capacitor)를 사용해야 하는 단점이 있다.
따라서, 본 발명에서는 자기장을 이용한 근거리 무선전력전송에 있어, 부하의 변동이나 거리의 변화 등에 따라 달라지는 최대 전력전달 조건을 만족하면서 적응적으로 전력을 송수신할 수 있도록 하기 위한 기술을 제시하고자 한다.
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 자기장을 이용한 근거리 무선전력전송을 위한 최대 전력전달을 위한 임피던스 매칭 방법에 관한 것으로서, 전력을 수신하는 수전부의 부하에 대한 임피던스 매칭을 위하여 시스템의 성능지수를 먼저 결정하고, 사용하고자 하는 성능 지수 범위를 결정하여, 선택된 성능지수에 가장 적합한 값으로 매칭한 후, 전력을 송신하는 송전부에서 송신 소스 신호의 반사를 최소화 시키기 위하여 다수의 커플링 코일을 활용하여 송신함으로써, 부하의 임피던스 변동, 무선 전력 송수신기 사이의 거리 변동 및 부하 변동에 적응하여, 무선 전력 송신기에서 공간상 고정형 또는 이동형 부하를 갖는 수신기로 최대 전력을 전달할 수 있는 근거리 무선 전력전송 시스템을 제공하는 데 있다.
먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 본 발명의 일면에 따른 무선 전력전송 시스템은, 자기 결합에(magnetic coupling) 의한 송신기의 송신 코일과 수신기의 수신 코일 간의 전력 송수신을 위한 무선 전력전송 시스템에 있어서, 상기 수신기는, 최대 전력 전달 효율(ηmod)을 위한 시스템 성능 지수(α12)의 범위를 만족하도록 하기 위한 임피던스 매칭 수단을 포함하고, 상기 임피던스 매칭 수단으로서 상기 수신기의 부하에 연결된 부하 코일이, 상기 부하 코일과 상기 수신 코일 사이의 상호 인덕턴스(ML)와 연관된 특정 성능 지수(β12)가 고정되도록 하나 이상의 코일로 제작된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 일면에 따른 무선 전력전송 시스템은, 자기 결합에(magnetic coupling) 의한 송신기의 송신 코일과 수신기의 수신 코일 간의 전력 송수신을 위한 무선 전력전송 시스템에 있어서, 상기 송신기는, 상기 송신 코일로부터 상기 수신 코일로의 소스 신호의 반사를 최소화하기 위한 임피던스 매칭 수단을 포함하고, 상기 임피던스 매칭 수단으로서 복수의 소스 코일이 전압원이나 전류원 소스, 또는 전력소스와 상기 송신 코일 사이에 배치되고, 반사 계수가 일정 범위 이하가 되도록 상기 복수의 소스 코일 중 어느 하나가 선택적으로 연결되는 것을 특징으로 한다.
상기 부하의 임피던스 변동, 상기 송신기와 상기 수신기 사이의 거리 변동, 또는 상기 부하의 종류 변동에 적응하여, 상기 소스 신호의 반사를 최소화하고 상기 반사 계수가 일정 범위에서 유지되도록 하기 위한 것을 특징으로 한다.
상기 송신기는 상기 소스 코일과 상기 송신 코일 간의 상호 인덕턴스(MS)가 미리 정해진 범위의 값을 가지도록 제어 회로의 제어에 따라 상기 복수의 소스 코일 중 어느 하나의 소스 코일을 상기 소스와 연결시키는 스위치를 포함하고, 상기 스위치의 동작에 따라 상기 송신 코일로 바라보는 입력 임피던스(Zin)가 매칭되도록 하기 위한 것을 특징으로 한다.
상기 제어회로는 상기 부하에 전달된 전력 또는 상기 송신 코일에서 반사되는 전력을 측정한 값을 기초로 상기 스위치를 제어한다.
상기 스위치를 통해서 상기 소스와 선택적으로 연결되는 해당 소스 코일을 통해서 상기 MS를 변동시키기 위한 것을 특징으로 한다.
상기 MS가 다음 수학식의 최적 값 MS opt로 제어되고,
Figure pat00001
을 만족하며, 여기서, Z0 는 상기 복수의 소스 코일 중 선택된 소스 코일의 특성 임피던스, Rr1은 상기 송신 코일의 저항, ω=2πf, f는 상기 소스 신호의 주파수이다.
상기 ML과 ηmod가 다음의 수학식을 만족하며,
Figure pat00002
Figure pat00003
여기서, ZL은 상기 부하코일의 임피던스, Rr2는 상기 수신 코일의 저항, ω=2πf, f는 상기 소스 신호의 주파수이다.
상기 β12가 임의로 선택되어 설계된 해당 부하 코일에 대하여 상기 α12가 미리 정해진 범위를 갖도록 하기 위한 것을 특징으로 한다.
상기 부하코일과 상기 수신 코일 간의 공진 주파수는, 상기 송신 코일과 상기 수신 코일 간의 공진 주파수와 같을 수도 있고, 다를 수도 있다.
본 발명에 따른 근거리 무선 전력전송 시스템에 따르면, 사용하고자 하는 성능 지수 범위를 만족하는 선택된 시스템 성능지수에 따른 수전부의 부하에 대한 임피던스 매칭을 사용하고, 송전부의 다수의 커플링 코일을 사용한 송신 소스 신호의 반사를 최소화함으로써, 부하의 임피던스 변동, 무선 전력 송수신기 사이의 거리 변동 및 부하 변동에 적응하여, 무선 전력 송신기에서 공간상 고정형 또는 이동형 부하를 갖는 수신기로 최대 전력을 전달할 수 있는 근거리 무선 전력전송 방법 및 시스템을 제공하는 데 있다.
도 1은 송수신기의 각각의 공진코일을 사용한 일반적인 전자기 유도 방식 무선 전력전송 시스템의 등가회로이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력전송 시스템의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 도 2의 무선 전력전송 시스템의 수신기를 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 도 2의 무선 전력전송 시스템의 송신기와 수신기를 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 도 4의 실제 구현 예이다.
도 6은 특정 성능 지수 β12 로 고정될 경우 도 5에서 제시된 시스템의 성능 지수(Figure of merit: FOM) α12에 따른 전송 효율에 대한 그래프이다.
도 7은 도 5 시스템의 성능 지수(Figure of merit: FOM)를 송수신 공진 코일 중심의 위치를 옮겨가며 측정한 결과이다.
도 8은 특정 성능 지수 β12=40로 고정될 경우 시스템의 성능 지수(Figure of merit: FOM)에 따른 송신기측 입력 임피던스에 대한 그래프이다.
도 9는 수신기의 β12=40으로 고정되었고, 도 8을 기반으로 제작된 세 개의 소스 코일을 이용하여 송신과 수신 코일의 위치를 옮겨가며 측정한 최대 전력 전달 효율 측정값이다.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력전송 시스템의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 2와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력전송 시스템은, 교류 소스 신호(Vs)를 받는 송신기(Transmitter)의 송신 (공진) 코일(Tx coil)(등가회로에서 자기 인덕턴스 L1, 저항은 R1, 공진을 위한 정전용량은 C1)이, 수신기(Receiver)의 수신 (공진) 코일(Rx coil)(등가회로에서 자기 인덕턴스 L2, 저항은 R2, 공진을 위한 정전용량은 C2)로 상호 인덕턴스 M12 따른 전자기 유도 방식(또는 자기장 커플링)으로 최대의 전력을 전송할 수 있도록, 송수신기에 임피던스 매칭을 위한 매칭 유닛(Tx matching unit, Rx matching unit)을 구비한다.
하기하는 바와 같이, 송신기의 매칭 유닛(Tx matching unit)은 송신 코일(Tx coil)에 커플링되는 복수의 소스 코일과 소스 코일 선택을 위한 스위치를 포함하고, 송신 코일(Tx coil)로 바라보는 입력 임피던스(Zin)를 매칭시켜서 송신되는 소스 신호의 반사를 최소화한다.
수신기의 매칭 유닛(Rx matching unit)은 부하(임피던스 ZL)에 대한 임피던스 매칭 효과를 얻기 위한 수단으로서, 수신 코일(Rx coil)에 대향하여 커플링되는 부하 코일(Load coil)(등가회로에서 자기 인덕턴스 LL, 저항은 RL, 공진을 위한 정전용량은 CL)을 포함하고, 일정 상호 인덕턴스로 커플링되는 수신 코일(Rx coil)과 부하 코일(Load coil)은, 하기하는 바와 같이 사용하고자 하는 성능 지수 범위를 만족하여 최대 전력 전달 효율을 갖도록 선택된 소정의 시스템 성능지수에 의한 관계를 갖도록 설계된다.
이에 따라, 송신기(Transmitter)는 스마트폰, 아이패드 등 전력을 사용하는 각종 전자기기에 장착된 위와 같은 수신기(Receiver)로 최대 전력 전달 효율로 무선 전력을 공급할 수 있으며, 무선 전력 송신기(Transmitter)에서 공간상 고정형 또는 이동형 부하(예, 배터리, 기기 동작 회로 등)를 갖는 수신기(Receiver)로의 전력 전송에 있어서, 부하의 임피던스 변동, 무선 전력 송수신기 사이의 거리 변동 및 부하 변동 등에 적응하여, 안정적이고 빠른 속도로 기기의 배터리를 충전하거나 기기를 작동시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 도 2의 무선 전력전송 시스템의 수신기를 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 3과 같이, 송신기의 매칭 유닛(Tx matching unit)이 없는 경우에 교류 소스 신호(Vs)(전압원, 전류원, 또는 전력소스)를 받는 송신기(Transmitter)의 송신 (공진) 코일(Tx coil)(등가회로에서 자기 인덕턴스 LTx, 저항은 RTx, 공진을 위한 정전용량은 CTx)이, 상호 인덕턴스 M12 따라 커플링되는 수신기(Receiver)의 수신 (공진) 코일(Rx coil)(등가회로에서 자기 인덕턴스 Lr2, 저항은 Rr2, 공진을 위한 정전용량은 Cr2)로 전력을 전송하고, 수신 코일(Rx coil)은 상호 인덕턴스 ML 따라 커플링되는 부하 코일(Load coil)(등가회로에서 자기 인덕턴스 LL, 저항은 RL, 공진을 위한 정전용량은 CL)로 전력을 전송하여, 최종적으로 부하 코일(Load coil)에 연결된 공간상 고정형 또는 이동형 부하(예, 배터리, 기기 동작 회로 등)에 전력이 전달되도록 한다.
여기서, 부하(임피던스 ZL)에 대한 임피던스 매칭 효과를 얻어 최대 전력 전달 조건을 맞추기 위한 수신기의 매칭 유닛(Rx matching unit)으로서, 부하 코일(Load coil)이 사용되며, 수신 코일(Rx coil)과 부하 코일(Load coil) 간의 상호 인덕턴스 ML 가 소정의 값을 갖도록 설계된다. 하기하는 바와 같이)(도 6 ~ 도 7 참조) 사용하고자 하는 성능 지수 범위를 만족하여 최대 전력 전달 효율을 갖도록 소정의 시스템 성능지수를 선택함으로써 위와 같은 최대 전력 전달 조건을 맞출 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 도 2의 무선 전력전송 시스템의 송신기와 수신기를 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 4와 같이, 송신기의 매칭 유닛(Tx matching unit)으로서, 임피던스 Z0의 교류 소스 신호(Vs)(전압원, 전류원, 또는 전력소스)와 송신 (공진) 코일(Tx coil)(등가회로에서 자기 인덕턴스 Lr1, 저항은 Rr1, 공진을 위한 정전용량은 Cr1) 사이에, 송신 코일(Tx coil)에 커플링되는 복수의 소스 코일(multiple source coil)과 소스 코일 선택을 위한 스위치(switch)를 사용한다. 도면과 같이 등가회로 상 자기 인덕턴스 LSn, 저항은 RSn, 공진을 위한 정전용량은 CSn으로 나타낸 n개(n은 2이상의 자연수)의 소스 코일들이 구비될 수 있다.
이에 따라, 최적 전력 전달 조건에 맞도록 소정의 제어회로가 스위치를 제어하여 선택된 소스 코일(특성 임피던스 Z0)이 교류 소스 신호(Vs)를 받아 상호 인덕턴스 MS 따라 커플링되는 송신 코일(Tx coil)로 전력을 전송하고, 송신 코일(Tx coil)은 상호 인덕턴스 M12 따라 커플링되는 수신기(Receiver)의 수신 (공진) 코일(Rx coil)(등가회로에서 자기 인덕턴스 Lr2, 저항은 Rr2, 공진을 위한 정전용량은 Cr2)로 전력을 전송하고, 수신 코일(Rx coil)은 상호 인덕턴스 ML 따라 커플링되는 부하 코일(Load coil)(등가회로에서 자기 인덕턴스 LL, 저항은 RL, 공진을 위한 정전용량은 CL)로 전력을 전송하여, 최종적으로 부하 코일(Load coil)에 연결된 공간상 고정형 또는 이동형 부하(예, 배터리, 기기 동작 회로 등)에 전력이 전달되도록 한다. 부하 코일(Load coil)과 수신 코일(Rx coil) 간의 공진 주파수는, 송신 코일(Tx coil)과 수신 코일(Rx coil) 간의 공진 주파수와 같을 수도 있고 다를 수도 있다. 하기하는 바와 같이 고정된 값을 갖는 특정 성능지수(β12)를 만족시키기 위하여 수신 코일(Rx coil)은 복수개로 구성될 수도 있다.
하기하는 바와 같이(도 8 ~ 도 9 참조), 송신기의 매칭 유닛(Tx matching unit)로 사용되는 복수의 소스 코일과 스위치를 사용하고, 제어회로를 통해 부하에 전달된 전력을 측정하여, 소스 코일에서의 특성 임피던스(Z0)와 교류 소스 신호(Vs) 측에서의 입력 임피던스(Zin)가 매칭되도록 하는 최적의 소스 코일이 선택되도록 스위치를 제어함으로써, 상호 인덕턴스 MS 이 최적으로 조정되고, 부하의 임피던스 변동, 무선 전력 송수신기 사이의 거리 변동 및 부하 변동 등에 적응하여, 송신되는 소스 신호의 반사를 최소화하면서 안정적이고 빠른 속도로 수신기의 부하로 전력을 전달할 수 있다.
도 5는 도 4의 실제 구현 예이다. 송신 공진 코일, 3개의 소스 코일, 수신 공진 코일, 부하 코일로 구성되어 있다. 송수신 공진 코일 제작을 위하여 2.4mm 직경을 갖는 구리 파이프를 사용하였다. 부하 코일 및 소스 코일을 위하여 1.8mm 직경을 갖는 구리 파이프를 사용하였다. 각 코일의 크기 및 사양은 아래 [표]와 같다.
[표]
Figure pat00004
위와 같이 본 발명은 설계된 무선 전력전송 시스템의 성능 지수를 알고, 이를 활용하여 최적 전력을 전달할 수 있도록 하기 위한 것으로서, 일반적으로 근거리 무선전력전송의 경우는 일정 이상의 성능 지수를 요구한다. 이 경우 임의의 성능 지수에 대하여 항상 최적의 수신기측 임피던스 매칭을 시킬 필요가 없다. 즉, 특정 성능 지수에 고정하여 임피던스 매칭을 시키더라도 일정 범위의 성능 지수를 갖는 시스템에서는 최적 임피던스 매칭 조건과 동일한 효율을 얻을 수 있다. 본 발명과 같이 제안된 방법을 통하여 수신기측의 복잡도를 줄일 수 있으며, 전송 효율 또한 개선할 수 있다.
위에서도 기술한 바와 같이, 소스 코일(source coil)에서의 특성 임피던스(Z0)와 입력 임피던스(Zin)를 매칭시켜서 송신되는 소스 신호의 반사를 최소화하기 위한 송신기의 매칭 유닛(Tx matching unit)으로서, 송신 코일(Tx coil)에 커플링되는 복수의 소스 코일과 소스 코일 선택을 위한 스위치가 사용되고, 제어회로를 통해 부하에 전달된 전력 또는 송신 코일에서 반사되는 전류 또는 전압(제어회로의 측정 회로부는 그림에는 나타나있지 않음)을 측정하여, 소스 코일에서의 특성 임피던스(Z0)와 교류 소스 신호(Vs) 측에서의 입력 임피던스(Zin)가 매칭되도록 하는 최적의 소스 코일이 선택되도록 스위치를 제어함으로써, 상호 인덕턴스 MS 가 최적으로 조정될 수 있다. 또한, 부하(임피던스 ZL)에 대한 임피던스 매칭 효과를 얻기 위한 수신기의 매칭 유닛(Rx matching unit)으로서, 수신 코일(Rx coil)에 대향하여 커플링되는 부하 코일(Load coil)이 사용되고 일정 상호 인덕턴스로 커플링되는 수신 코일(Rx coil)과 부하 코일(Load coil)은, 하기하는 바와 같이 사용하고자 하는 성능 지수 범위를 만족하여 최대 전력 전달 효율을 갖도록 선택된 소정의 시스템 성능지수에 의한 관계를 갖도록 설계된다.
이는 송수기측에서 최대 전력전달 조건을 만족할 경우 송신에서는 반사가 없고, 수신에서는 부하 쪽으로 바라보는 임피던스의 공액 매칭(conjugate matching) 조건이 성립되면 된다는 원리에 기반을 둔다. 이때 최대 전력전달 효율 η(전송한 전력에 대한 부하에 전달된 전력의 비율)는 [수학식1]과 같이 잘 알려져 있다.
[수학식1]
Figure pat00005
Figure pat00006
Figure pat00007
여기서 [수학식1]에서 최대 전력전달 효율을 갖기 위해서는 α12(시스템 성능지수)에 따라 [수학식2]와 같이 αL 중 최적의 αL opt을 만족해야 한다.
[수학식2]
Figure pat00008
만약 α12 = β12로 고정된 경우의 [수학식2]의 aL은 [수학식3]과 같이 쓸 수 있다.
[수학식3]
Figure pat00009
이 때 [수학식3]을 만족하기 위해서 수신기의 수신 (공진) 코일(Rx Coil)과 부하 코일(Load Coil) 사이의 상호 인덕턴스 ML는 [수학식4]와 같이 정의된다. ω=2πf, f는 소스 신호(Vs)의 주파수.
[수학식4]
Figure pat00010
또한 이때 α12 = β12로 고정된 β12에 의한 수정된 [수학식1]의 최대 전력전달 효율 η이 수정된 효율 ηmod 는 [수학식5]와 같다.
[수학식5]
Figure pat00011
위와 같이 특정 성능 지수 α12 = β12 로 고정될 경우, [수학식5]를 이용하여, 시스템의 성능 지수(Figure of merit: FOM) α12에 따른 전력전달 효율 ηmod 에 대한 관계는 도 6과 같다.
도 6과 같이, 특정 성능 지수 α12 = β12는 이론적으로 최대 효율을 가진다. [수학식1]과 같이
Figure pat00012
이다. 시스템의 성능 지수(FOM) α12가 일정한 범위에서는 특정 성능 지수 β12로 수신기측을 고정해도 이론적으로 일정 이상의 최대 효율을 얻을 수 있다. 예를 들어 α12 가 30 이상인 영역에서는 β12 가 40인 고정 값을 가져도 전체 시스템 효율은 93% 이상으로 거의 동일함을 알 수 있다. 이와 같이 β12가 임의로 선택되어 설계된 해당 부하 코일에 대하여 최대 효율을 갖도록 α12가 미리 정해진 범위를 갖도록 할 수 있다. 고정된 값을 갖는 β12를 만족시키기 위하여 수신 코일(Rx coil)은 복수개로 구성될 수도 있다.
도 7은 도 5 시스템의 성능 지수(Figure of merit: FOM) α12를 송수신 공진 코일의 위치를 옮겨가며 측정한 결과이다. 송수신 공진 코일(Tx Coil, Rx Coil) 간의 높이는 4.3cm로 하였다. 도면에서처럼 송수신 공진 코일의 중심 대 중심이 일치하는 점(x=0, y=0)에서 시스템의 성능 지수 α12가 최대의 값을 가지며, 그 중심 대 중심 사이의 거리가 멀어질수록(높이는 일정하다고 가정) 시스템의 성능 지수 α12 값이 작아진다. 예를 들어, 도 6으로부터 시스템의 성능 지수(FOM) α12 가 40이상에서 효율95% 이상을 얻기 위해서는 β12=40이하이면 된다. 또한, 시스템의 성능 지수(FOM) α12 가 30이상에서도 β12=40의 경우가 이론적 최대 효율과 유사함을 알 수 있다.
한편, 위에서도 기술한 바와 같이, 송신기의 매칭 유닛(Tx matching unit)은 송신 코일(Tx coil)에 커플링되는 복수의 소스 코일과 소스 코일 선택을 위한 스위치를 포함하고(도 4참조), 소스 코일에서의 특성 임피던스(Z0)와 입력 임피던스(Zin)를 매칭시켜서 송신되는 소스 신호의 반사를 최소화한다.
[수학식4]와 같이 수신기측의 상호 인덕턴스 ML과 관련된 특정 성능 지수 β12가 고정되도록 시스템이 설계되어 수신기측의 상호 인덕턴스 ML이 해당 값을 가지는 경우에, 최대 전력전달 조건을 만족하기 위하여는 송신기측에서는 신호 송신 시에 반사가 없어야 한다(반사 계수=0).
이를 해석하기 위하여, 소스 신호(Vs)에서 바라보는 입력 임피던스(Zin)를 계산하면 [수학식6]과 같이 정의될 수 있다.
[수학식6]
Figure pat00013
이 때 반사 계수(전송 전력에 대한 반사 전력의 비율)가 0이 되기 위해서는 입력 임피던스 Zin 와 소스 코일의 특성 임피던스Z0가 동일해야 한다. 즉, Zin = Z0. 따라서, 이를 만족하는 송신 코일(Tx coil)과 소스 코일(Source coil) 사이의 상호인덕턴스 MS의 최적 값 MS opt은 [수학식7]과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식7]
Figure pat00014
도 8은 특정 성능 지수 β12=40로 고정될 경우 시스템의 성능 지수(Figure of merit: FOM)에 따른 송신기측 입력 임피던스 Zin 에 대한 그래프이다. 도 8의 빗금친 부분과 같이, 시스템의 성능 지수(FOM) α12 의 변화에 따라 Ms를 변동하여야 반사계수를 -15dB이하로 맞출 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 시스템의 성능 지수(FOM) α12 이 25이상의 범위에서 반사 계수가 -15dB이하가 되도록 하기 위하여, 소스 코일과 공진 코일 사이의 상호 인덕턴스 Ms는 그림과 같이 FoM에 따라 3개의 값을 가져야 한다. 즉, 송신 소스 코일 3개를 활용하면 입력 임피던스 매칭이 되고, 반사계수는 -15dB이하가 됨을 알 수 있다.
도 9는 수신기의 β12=40으로 고정되었고, 도 8을 기반으로 제작된 세 개의 소스 코일을 이용하여 송신과 수신 코일의 위치를 옮겨가며 측정한 최대 전력 전달 효율 측정값이다. 그림에서처럼 측정 효율이 도 6의 최대 효율과 유사하게 나타남을 알 수 있다.
이와 같은 원리에 따라, 도 4의 시스템에서, 부하의 임피던스 변동, 무선 전력 송수신기 사이의 거리 변동 및 부하 변동 등에 따라, [수학식7]과 같은 상호인덕턴스 MS의 값이 변동될 때, 제어회로는 스위치를 제어해 복수의 소스 코일 중 도 8과 같이 반사 계수가 -15dB이하가 되도록 하기 위한 소스 코일이 선택되도록 제어할 수 있다. 송신 공진 코일(Tx coil)에서 입력신호가 최소가 되도록 입력 임피던스(Zin)가 매칭되도록 하는 최적의 소스 코일이 선택될 수 있으며, 이를 위하여 제어회로는 부하에 전달된 전력을 측정하여 측정한 값에 대한 소정의 임계 범위들에 따라 최적의 소스 코일이 선택되도록 스위치를 조절할 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (11)

  1. 자기 결합에(magnetic coupling) 의한 송신기의 송신 코일과 수신기의 수신 코일 간의 전력 송수신을 위한 무선 전력전송 시스템에 있어서,
    상기 수신기는, 최대 전력 전달 효율(ηmod)을 위한 시스템 성능 지수(α12)의 범위를 만족하도록 하기 위한 임피던스 매칭 수단을 포함하고,
    상기 임피던스 매칭 수단으로서 상기 수신기의 부하에 연결된 부하 코일이, 상기 부하 코일과 상기 수신 코일 사이의 상호 인덕턴스(ML)와 연관된 특정 성능 지수(β12)가 고정되도록 하나 이상의 코일로 제작된 것을 특징으로 하는 무선 전력전송 시스템.
  2. 자기 결합에(magnetic coupling) 의한 송신기의 송신 코일과 수신기의 수신 코일 간의 전력 송수신을 위한 무선 전력전송 시스템에 있어서,
    상기 송신기는, 상기 송신 코일로부터 상기 수신 코일로의 소스 신호의 반사를 최소화하기 위한 임피던스 매칭 수단을 포함하고,
    상기 임피던스 매칭 수단으로서 복수의 소스 코일이 전압원이나 전류원 소스 또는 전력소스와 상기 송신 코일 사이에 배치되고, 반사 계수가 일정 범위 이하가 되도록 상기 복수의 소스 코일 중 어느 하나가 선택적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 무선 전력전송 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 부하의 임피던스 변동, 상기 송신기와 상기 수신기 사이의 거리 변동, 또는 상기 부하의 종류 변동에 적응하여, 상기 소스 신호의 반사를 최소화하고 상기 반사 계수가 일정 범위에서 유지되도록 하기 위한 것을 특징으로 하는 무선 전력전송 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 송신기는 상기 소스 코일과 상기 송신 코일 간의 상호 인덕턴스(MS)가 미리 정해진 범위의 값을 가지도록 제어 회로의 제어에 따라 상기 복수의 소스 코일 중 어느 하나의 소스 코일을 상기 소스와 연결시키는 스위치를 포함하고,
    상기 스위치의 동작에 따라 상기 송신 코일로 바라보는 입력 임피던스(Zin)가 매칭되도록 하기 위한 것을 특징으로 하는 무선 전력전송 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어회로는 상기 부하에 전달된 전력 또는 상기 송신 코일에서 반사되는 전력을 측정한 값을 기초로 상기 스위치를 제어하는 것을 특징으로 하는 무선 전력전송 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 스위치를 통해서 상기 소스와 선택적으로 연결되는 해당 소스 코일을 통해서 상기 MS를 변동시키기 위한 것을 특징으로 하는 무선 전력전송 시스템.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 MS가 다음 수학식의 최적 값 MS opt로 제어되고,
    Figure pat00015

    을 만족하며, 여기서, Z0 는 상기 복수의 소스 코일 중 선택된 소스 코일의 특성 임피던스, Rr1은 상기 송신 코일의 저항, ω=2πf, f는 상기 소스 신호의 주파수인 것을 특징으로 하는 무선 전력전송 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 ML과 ηmod가 다음의 수학식을 만족하며,
    Figure pat00016

    Figure pat00017

    여기서, ZL은 상기 부하코일의 임피던스, Rr2는 상기 수신 코일의 저항, ω=2πf, f는 상기 소스 신호의 주파수인 것을 특징으로 하는 무선 전력전송 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 β12가 임의로 선택되어 설계된 해당 부하 코일에 대하여 상기 α12가 미리 정해진 범위를 갖도록 하기 위한 것을 특징으로 하는 무선 전력전송 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 부하코일과 상기 수신 코일 간의 공진 주파수는, 상기 송신 코일과 상기 수신 코일 간의 공진 주파수와 같은 것을 특징으로 하는 무선 전력전송 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 부하코일과 상기 수신 코일 간의 공진 주파수는, 상기 송신 코일과 상기 수신 코일 간의 공진 주파수와 다른 것을 특징으로 하는 무선 전력전송 시스템.
KR1020120130382A 2012-11-16 2012-11-16 시스템 성능 지수와 다수의 송신 코일을 이용한 적응형 매칭 기술에 기반한 무선 전력전송 시스템 KR101445082B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120130382A KR101445082B1 (ko) 2012-11-16 2012-11-16 시스템 성능 지수와 다수의 송신 코일을 이용한 적응형 매칭 기술에 기반한 무선 전력전송 시스템

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120130382A KR101445082B1 (ko) 2012-11-16 2012-11-16 시스템 성능 지수와 다수의 송신 코일을 이용한 적응형 매칭 기술에 기반한 무선 전력전송 시스템

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20140070705A true KR20140070705A (ko) 2014-06-11
KR101445082B1 KR101445082B1 (ko) 2014-10-07

Family

ID=51125350

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020120130382A KR101445082B1 (ko) 2012-11-16 2012-11-16 시스템 성능 지수와 다수의 송신 코일을 이용한 적응형 매칭 기술에 기반한 무선 전력전송 시스템

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101445082B1 (ko)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017043925A1 (ko) * 2015-09-09 2017-03-16 삼성전자 주식회사 무선 전력 전송 방법 및 장치
CN106981933A (zh) * 2017-04-25 2017-07-25 东北大学 无线电能传输系统及基于距离自适应的驱动线圈配置方法
KR20180074627A (ko) * 2018-06-14 2018-07-03 수원과학대학산학협력단 고온 초전도 마그넷을 사용한 초전도 자기부상열차용 무선충전 시스템 및 장치
KR102108919B1 (ko) * 2018-12-10 2020-05-12 경희대학교 산학협력단 무선전력의 전송 효율을 개선하는 장치 및 그 방법
KR102243495B1 (ko) * 2019-11-15 2021-04-22 경희대학교 산학협력단 무선전력 및 정보의 동시 전송을 위한 시스템 및 그 방법
US12003119B2 (en) 2021-05-12 2024-06-04 Samsung Electronics Co., Ltd. Electronic device and method for transmitting power based on multiple coils

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10491026B2 (en) * 2016-03-31 2019-11-26 Intel Corporation Impedance matching multiple coils in an electronic device

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5515659B2 (ja) 2008-12-01 2014-06-11 株式会社豊田自動織機 非接触電力伝送装置
KR101312532B1 (ko) * 2010-10-29 2013-09-30 한국전기연구원 공진형 무선전력전송 시스템을 위한 커패시티브 및 트랜스포머 커플링 방법

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017043925A1 (ko) * 2015-09-09 2017-03-16 삼성전자 주식회사 무선 전력 전송 방법 및 장치
US10291074B2 (en) 2015-09-09 2019-05-14 Samsung Electronics Co., Ltd. Method and apparatus for transmitting wireless power
CN106981933A (zh) * 2017-04-25 2017-07-25 东北大学 无线电能传输系统及基于距离自适应的驱动线圈配置方法
CN106981933B (zh) * 2017-04-25 2024-02-06 东北大学 无线电能传输系统及基于距离自适应的驱动线圈配置方法
KR20180074627A (ko) * 2018-06-14 2018-07-03 수원과학대학산학협력단 고온 초전도 마그넷을 사용한 초전도 자기부상열차용 무선충전 시스템 및 장치
KR102108919B1 (ko) * 2018-12-10 2020-05-12 경희대학교 산학협력단 무선전력의 전송 효율을 개선하는 장치 및 그 방법
KR102243495B1 (ko) * 2019-11-15 2021-04-22 경희대학교 산학협력단 무선전력 및 정보의 동시 전송을 위한 시스템 및 그 방법
US12003119B2 (en) 2021-05-12 2024-06-04 Samsung Electronics Co., Ltd. Electronic device and method for transmitting power based on multiple coils

Also Published As

Publication number Publication date
KR101445082B1 (ko) 2014-10-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101445082B1 (ko) 시스템 성능 지수와 다수의 송신 코일을 이용한 적응형 매칭 기술에 기반한 무선 전력전송 시스템
US9923417B2 (en) Wireless power feeding system
JP5957342B2 (ja) 無線電力を用いる通信装置及び方法並びにシステム
JP5798474B2 (ja) 給電装置の駆動方法
CN101667754B (zh) 电磁共振型非接触电力传输装置
US8482159B2 (en) Wireless power apparatus and wireless power-receiving method
US9030052B2 (en) Apparatus and method for using near field communication and wireless power transmission
CN101849342B (zh) 无线功率磁谐振器中的高效率和功率转移
US8952654B2 (en) Feed system, feed apparatus, and electronic device
EP2761724B1 (en) Wireless power transmitter
KR101304314B1 (ko) 임피던스 매칭이 가능한 무선 전력 송신장치
KR20130033867A (ko) 무선 전력 전송 시스템
KR101171937B1 (ko) 자기공진유도 방식을 이용한 멀티노드 무선 전력 전송 시스템 및 무선 충전기기
US9287041B2 (en) Coil device, and wireless power transmitter and wireless power receiver having the same
US10381859B2 (en) Wireless power supply system, power transmitter, and power transmission method
CN104253491A (zh) 电力发送设备、非接触供电系统及控制方法
JP2011223739A (ja) 給電装置、受電装置、およびワイヤレス給電システム
TWI555294B (zh) A wireless power supply system and a wireless power supply method
EP3032701B1 (en) Wireless power transmission device
KR101173947B1 (ko) 멀티노드 무선충전 스위칭 명령 전송 방법
KR20160126743A (ko) 무선 전력 송신기 및 그 제어 방법
KR20150006499A (ko) 무선 충전 관리 서버, 무선 통신 충전 장치, 무선 충전 시스템 및 무선 충전 방법
US10454317B2 (en) Wireless power transmission device and wireless power transmission system for wireless power transmission without a power transmission coil change
EP3537616A1 (en) Wireless device
JP5939637B2 (ja) 電力伝送システムの電力効率制御方法及び電力効率制御プログラム

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170922

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180918

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190918

Year of fee payment: 6