KR20140081877A - 광전지 패널을 위한 무선 에너지 전송 - Google Patents
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Abstract
광전지 패널을 수반하는 무선 전력 전송을 위한 개선된 구성이 본 명세서에서 설명된다. 광전지 모듈로부터의 전기 에너지를 사용함으로써 적어도 하나의 무선 에너지 소스에 전원공급하여 무선 에너지 전송을 위한 진동 자기장을 생성하는 방법 및 디자인이 설명된다. 소스는 광발전 모듈에 임피던스를 제공하도록 구성되고 튜닝되는데, 상기 임피던스는 상기 광발전 모듈로부터의 에너지의 실질적인 추출을 가능하게 한다.
Description
관련 출원들에의 상호-참조
본 출원은 2011 년 10 월 18 일에 출원된 미국 가특허출원 제 61/548,521 호에 대하여 그리고 또한 2011 년 10 월 19 일에 출원된 미국 특허 출원 제 13/277,083 호에 대하여 우선권을 주장한다.
앞선 출원들은 그들의 전체로서 원용에 의해 본 명세서에 포함된다.
분야:
본 개시물은 이러한 전송, 및 애플리케이션을 달성하기 위한 무선 에너지 전송, 방법, 시스템 및 장치에 관련된다.
관련 기술의 설명
에너지 또는 전력은, 예를 들어 동일인 소유의, 미국 특허 번호 제 2010/0237709 호로서 2010 년 9 월 23 일에 공개되며 발명의 명칭이 "RESONATOR ARRAYS FOR WIRELESS ENERGY TRANSFER"인 미국 특허 출원 번호 제 12/789,611 호, 미국 특허 번호 제 2010/0181843 호로서 2010 년 7 월 22 일에 공개되며 발명의 명칭이 "WIRELESS ENERGY TRANSFER FOR REFRIGERATOR APPLICATION"인 미국 특허 출원 번호 제 12/722,050 호, 2010 년 12 월 9 일에 제 2010/0308939 호로서 공개되며 발명의 명칭이 "Integrated Resonator-Shield Structures"인 미국 특허 출원 제 12/860,375 호, 2012 년 3 월 15 일에 제 2012/0062345 호로서 공개되며 발명의 명칭이 "Low Resistance Electrical Conductor"인 미국 특허 출원 제 13/222,915 호, _월 _일에 제 __ 호로서 공개되며 발명의 명칭이 "Multi-Resonator Wireless Energy Transfer for Lighting"인 미국 특허 출원 제 13/283,811 호, 및 _월 _일에 제 __ 호로서 공개되는 미국 특허 출원 제 13/534,966 호에서 상세하게 설명되는 다양한 기법을 사용하여 무선으로 전송될 수도 있는데, 이들의 내용은 본 명세서에 완전하게 진술되는 것과 같이 그들의 전체로서 통합된다. 선행 기술의 무선 에너지 전송 시스템은, 사용자 안전성에 대한 우려, 낮은 에너지 전송 효율 및 에너지 서플라이 및 싱크 컴포넌트에 대한 제한적인 물리적 근접성/정렬 공차를 포함하는 다양한 인자에 의하여 제한되었다.
통상적인 주거용 및 상업용 태양 광전지(PV) 패널 설비를 채택하는 것이 이러한 태양 전력 시스템의 높은 비용에 의하여 저해되어 왔다는 것이 일반적으로 확인된다. 최근의 추정은, 시스템 비용의 50% 까지가 태양 PV 패널 설치 프로세스와 연관된다고 암시한다. 태양 PV 패널 설비의 고 비용을 상승시키는 인자는:
지붕의 위험성: 설치 작업은 일반적으로 지붕 위에서 수행되고, 이러한 작업은 그 내재적인 위험성 때문에 책임 보험 및 작업자 보상 보험에 대한 큰 할증료를 수반할 수도 있다.
고숙련의 노동력: 태양 PV 패널 설치의 복잡성이 고도로 숙련된 판매원(tradesmen)(루퍼(roofers), 목수(carpenters), 및 전기공), 도급자(contractors), 및 전문 엔지니어의 조합을 요구할 수도 있는데, 이들은 할증료를 요구한다.
현장-특이적 디자인: 각각의 설비는 각각의 지붕 피치(roof pitch), 태양 지향(solar orientation), 및 다른 건물 특이적 피쳐를 수용하기 위하여 패널 위치, 스트링 디자인, 및 배선 구성을 최적화하는 현장-특이적 엔지니어링을 요구할 수도 있다. 상이한 조명 레벨을 가지는 패널 또는 스트링을 포함하는 설비는 에너지를 그러한 지역 내의 PV 패널로부터 효율적으로 추출하기 위한 전용 최대 전력 포인트 추적기(maximum power point tracker; MPPT) 회로를 요구할 수도 있다. 그러면 MPPT 회로의 출력은 서로 배선되거나 또는 개별적으로 내부 메인 인버터 또는 배터리 충전기로 배선될 필요가 있다. 이러한 현장-특이적 최적화가 없으면, 출력 효율은 기대한 것보다 훨씬 더 떨어질 수도 있다.
지붕 및 건물 침투: 지붕 구조 또는 외부 벽을 관통하여 설치된 배선은 고가이며 잠재적으로 문제점에 취약한 동작일 수도 있고, 건물의 날씨 견고성(weather tightness)을 위태롭게 한다.
높은 고정된 비용: 설치 비용은 높은 고정된 비용 컴포넌트를 가질 수도 있는데, 이것은 PV 설비의 스케일이 설치 비용을 분할상환하기에 충분히 커야 한다(흔히 2kW-3kW)는 것을 의미한다. 결과적으로, 통상적 주거용 태양 PV 시스템은 $20,000 까지의 비용이 들 수도 있고, 20 년을 초과하는 보조금이 없는 상환 기간을 가질 수도 있다.
높은 설치 비용에 추가하여, 통상적인 유선 PV 패널은 재구성하기가 어렵고 신뢰성이 떨어질 수도 있다. 이러한 패널은 고정된 위치에 영구적으로 연결될 필요가 있을 수도 있는데, 이것은 구성에서의 변경 또는 위치변경하는 것이 재배선 및 전기적 배선의 연장을 요구할 수도 있기 때문에 골치 아프게 만든다. 추가적으로 유선 연결은 내후성(weatherproofing) 및 PV 시스템 내의 와이어, 커넥터 및 회로 컴포넌트를 밀봉하는 것을 더 어렵게 할 수도 있고, 결과적으로 극단적인 온도, 높은 바람, 강우, 높은 자외선 복사, 및 기타 등등을 포함하는 극단적인 환경적 상태에 노출될 수도 있는 설치된 시스템 내에 더 많은 고장 포인트들이 발생하도록 초래할 수도 있다.
그러므로 PV 패널의 배선과 연관된 비용 및 복잡성을 감소시키는 방법 및 디자인에 대한 필요성이 존재한다.
어느 지역을 통한 이동하는 디바이스 또는 흔히 위치변경될 수도 있는 디바이스로의 에너지 분배는 유선 연결로는 비실용적이다. 이동하고 변동하는 디바이스는 와이어 꼬임, 트리핑 위험(tripping hazards), 및 기타 등등의 가능성이 생기게 한다. 더 큰 지역을 통한 무선 에너지 전송은 디바이스가 제공될 수도 있는 영역 또는 지역이 그 디바이스의 크기와 비교하여 클 수도 있는 경우에 곤란해질 수도 있다. 소스 및 디바이스 무선 에너지 캡쳐 모듈에서의 큰 불일치는 충분한 에너지를 디바이스로 그 구현형태를 실용적으로 만들기에 충분히 높은 효율로 전달하는 데에 곤란하게 할 수도 있고, 또는 구현하기가 어려울 수도 있다.
그러므로 많은 가정용 그리고 산업용 디바이스에 전력을 공급하기에 실용적인 충분한 전력을 공급하면서 무선이지만 설치하기가 용이하고 구성가능한 에너지 분배 용 방법 및 디자인에 대한 필요성이 존재한다.
공진기 및 공진기 어셈블리가 패키징 애플리케이션에서 더 넓은 영역을 통해 무선 에너지를 분배하기 위하여 포지셔닝될 수도 있다. 사용될 수도 있는 무선 에너지 전송 공진기 및 컴포넌트는, 예를 들어 동일인 소유의, 2010 년 9 월 23 일에 미국 특허 번호 제 2010/0237709 호로서 공개되고 발명의 명칭이 "RESONATOR ARRAYS FOR WIRELESS ENERGY TRANSFER"인 미국 특허 출원 번호 제 12/789,611 호 및 2010 년 7 월 22 일에 미국 특허 번호 제 2010/0181843 호로서 공개되고 발명의 명칭이 "WIRELESS ENERGY TRANSFER FOR REFRIGERATOR APPLICATION"인 미국 특허 출원 번호 제 12/722,050 호에서 설명되었으며, 이들의 콘텐츠는 그 전체로서 본 명세서에서 완전하게 설명되는 것처럼 포함된다.
예시적이고 비한정적인 실시예에 따르면 포장된 제품은 제품, 이 제품을 적어도 부분적으로 덮는 제품 패키징, 무선 에너지를 소스 공진기로부터 수신하기 위하여 제품 패키징과 통합된 디바이스 공진기 및 무선 에너지를 디바이스 공진기로부터 수신하기 위하여 디바이스 공진기에 커플링된 전기 컴포넌트를 포함한다.
다른 예시적이고 비한정적인 실시예에 따르면, 방법은, 적어도 하나의 소스 공진기를 제공하는 단계, 무선 에너지를 적어도 소스 공진기로부터 수신하기 위한 디바이스 공진기 및 무선 에너지를 디바이스 공진기로부터 수신하기 위하여 디바이스 공진기에 커플링된 전기 컴포넌트를 각각 포함하는 복수의 포장된 제품을 제공하는 단계, 및 복수 개의 포장된 제품 중 두 개 이상이 무선 에너지를 수신하기 위하여 적어도 하나의 소스 공진기에 충분히 근접하도록 복수 개의 포장된 제품을 정렬하는 단계를 포함한다.
다른 예시적이고 비한정적인 실시예에 따르면 시스템은 적어도 하나의 소스 공진기 및 각각 제품을 포함하는 복수 개의 포장된 제품을 포지셔닝하기 위한 유지 디바이스(retaining device), 제품을 적어도 부분적으로 덮는 제품 패키징, 무선 에너지를 소스 공진기로부터 수신하기 위하여 제품 패키징과 통합된 디바이스 공진기 및 무선 에너지를 디바이스 공진기로부터 수신하기 위하여 디바이스 공진기에 커플링된 전기 컴포넌트를 포함한다.
커플링된 공진기를 사용하는 무선 에너지 전송의 기능을 PV 패널에 추가하면, 태양 패널 설비 프로세스의 비용 및 복잡성을 크게 감소시킬 수도 있다. 실시예들에서, 연관된 MPPT 회로 및 연관된 무선 에너지 소스가 있는 개개의 패널은 지붕 위에 배치될 수 있다. 대응하는 무선 에너지 캡쳐 디바이스는 지붕 아래에 위치될 수도 있다. 이러한 구성은 태양 PV 패널 설치의 높은 비용을 상승시키는 인자를 완화시킬 수도 있다. 예를 들어, 지붕 위의 전기적 배선에 대한 그리고 연관된 지붕 관통에 대한 필요성이 더 적을 수도 있다. 더 적은 설치 인력이 지붕-상단 작업을 위하여 훈련받거나 보험가입될 필요가 있을 수도 있다. 그리고 PV 패널은 전기적 피드스루(feedthroughs) 및 연관된 날씨 시일(weather seal)을 요구하지 않을 수도 있다.
무선 에너지 전송을 PV 패널에 적용하는 데에 있어서 하나의 특정한 문제점은, 최대 전기 에너지를 PV 패널 또는 패널들의 스트링으로부터 추출하는 성능을 열화시키지 않으면서 무선 에너지 전송을 최적화하는 문제이다. PV 패널의 전류 및 전압 특성은 조명 레벨, PV 패널 온도, 및 PV 패널에 연결된 전기적 회로에 따라 변동하는 복잡한 관련성을 가진다. 종래의 MPPT 시스템은 PV 패널의 출력을 샘플링하고, 조명 및 온도를 포함하는 임의의 주어진 환경적 상태에 대한 최대 전력을 획득하는 등가 부하 저항을 적용한다. 문제점은, 등가 부하 저항이 환경적 상태가 변화할 때 변동한다는 것이고, 임의의 주어진 시간에서의 저항은 무선 에너지 전송을 위하여 유용하지 않을 수도 있다.
일 실시예에서, 예를 들어 PV 패널은 PV 에너지 추출을 최대화하지만 변동하는 전류 및 전압 특성을 무선 에너지 소스로 제공하는 MPPT 회로를 가질 수도 있다. 무선 에너지 소스의 입력에서의 전류 또는 전압의 변동은 무선 에너지 캡쳐 디바이스로의 무선 에너지 전송의 효율을 열화시킬 수도 있다. 다른 실시예들에서, 무선 에너지 소스로의 출력을 조절하는 추가적 회로부가 MPPT 회로에 추가될 수도 있다. 그러나 추가적 회로부는 무선 전송 용의로 의도된 에너지 중 일부를 흡수할 수도 있다.
다른 실시예에서, 전기 에너지를 PV 패널로부터 무선 전송을 위하여 의도된 에너지의 큰 부분을 상실하지 않으면서 추출하는 것은, 등가 부하 저항을 역시 최적의 에너지 추출을 위하여 PV 패널에 적용하면서 공진기들 사이의 에너지 전송을 위하여 구성될 수 있는 무선 에너지 소스로써 달성된다. 이러한 무선 소스는 PV 패널로부터의 에너지를 현재 가능한 것보다 더 넓은 환경적 상태의 범위를 통하여 무선 캡쳐 디바이스로 효율적으로 전송할 수 있다. 이러한 무선 에너지 소스는 본 명세서에서 "무선 에너지 최대 전력 포인트 추적기(wireless energy maximum power point tracker; WEMPPT)"라고 지칭된다.
실시예들에서, WEMPPT 구성은 스위칭 증폭기를 포함하는 무선 에너지 소스에서 스위칭 시간의 자동 조절을 추가함으로써 구현될 수도 있다. 다른 실시예들에서, WEMPPT 구성은 커패시터, 인덕터, 및 저항과 같은 회로 소자를 포함하는 무선 에너지 소스에서 변화하는 환경적 상태에 응답하여 상기 회로 소자의 자동 조절을 추가함으로써 실현될 수도 있다.
태양 PV 패널에 추가하여, 전기 에너지를 발생시키는 다른 방법은 풍력 발전기, 수력 발전기, 열전기 발전기, 및 열광발전 발전기(thermophotovoltaic generator)를 포함한다. 또한 이러한 방법은 환경적 상태에 따라 변동하는 전기적 출력을 제공하고, 종래의 MPPT 회로가 에너지 추출을 최대화하기 위하여 사용될 수 있다. 당업자들은 WEMPPT 구성의 피쳐가 범용이며 광범위한 전기 에너지 발전기에 적용될 수도 있다는 특성을 이해할 것이다.
다양한 실시예들에서, 다양한 시스템 및 프로세스는 커플링된 공진기를 사용한 무선 에너지 전송을 제공한다. 몇 가지 실시예들에서, 무선 에너지 전송 시스템은 소스 및 무선 에너지의 싱크를 검증 및 인증하는 성능을 요구하거나 이를 사용할 수도 있다. 이러한 실시예의 피쳐는 범용이며 본 명세서에서 논의되는 특정한 예들과 무관하게 광범위한 공진에 적용될 수도 있다.
실시예들에서, 자기적 공진기는 인덕터 및 커패시터의 몇몇 조합을 포함할 수도 있다. 커패시터, 인덕터, 저항, 스위치, 및 기타 등등과 같은 추가적 회로 소자가 자기적 공진기 및 전력 소스 사이에, 및/또는 자기적 공진기 및 전력 부하 사이에 삽입될 수도 있다. 본 개시물에서, 공진기의 고-Q 유도성 루프를 포함하는 도전 코일은 인덕터 및/또는 유도성 부하라고 지칭될 수도 있다. 또한 유도성 부하는 이것이 다른 시스템 또는 외부 오브젝트에 무선으로 커플링(상호 인덕턴스를 통하여)되는 경우 인덕터를 지칭할 수도 있다. 본 개시물에서, 유도성 부하가 아닌 회로 소자는 임피던스 매칭 네트워크 또는 IMN의 일부인 것으로 지칭될 수도 있다. 임피던스 매칭 네트워크의 일부인 것으로 지칭된 소자들 모두 또는 일부가 자기적 공진기의 일부일 수도 있으며 이들 중 어느 것도 자기적 공진기의 일부가 아닐 수도 있다는 것이 이해되어야 한다. 어떤 소자가 공진기의 일부인지 그리고 어떤 것들이 공진기와는 별개인지는 특정한 자기적 공진기 및 무선 에너지 전송 시스템 디자인에 의존할 것이다.
일 양태에서, 에너지를 무선 에너지 소스에 접속된 광전지 디바이스로부터 전송하는 방법은 상기 소스를 공진기들 사이의 에너지 전송을 위하여 구성하는 단계를 포함할 수도 있다. 적어도 하나의 공진기가 무선 에너지 캡쳐 디바이스에 연결될 수도 있다. 상기 소스는 임피던스를 광전지 디바이스에 제공할 수도 있다. 상기 임피던스는 상기 광전지 디바이스로부터의 에너지의 실질적 추출을 가능하게 할 수도 있다. 임피던스는 광전지 디바이스 상의 조도에서의 변화에 응답하여 조절될 수도 있다. 인덕턴스, 커패시턴스, 저항, 또는 스위칭 시간과 같은 하나 이상의 회로 파라미터는 무선 에너지 소스에서 조절될 수도 있다. 인덕턴스, 커패시턴스, 저항, 또는 스위칭 시간과 같은 하나 이상의 회로 파라미터는 무선 에너지 캡쳐 디바이스에서 조절될 수도 있다.
다른 양태에서, 에너지를 무선 에너지 소스에 연결된 광전지 디바이스로부터 전송하는 방법은 상기 소스를 공진기들 사이의 에너지 전송을 위하여 구성하는 단계를 포함하는데, 여기에서 적어도 하나의 공진기는 무선 에너지 캡쳐 디바이스로 연결될 수도 있다. 상기 캡쳐 디바이스는 부하로 전류를 출력할 수도 있다. 상기 전류는 세트포인트로 제어될 수도 있다. 상기 소스는 임피던스를 광전지 디바이스에 제공할 수도 있다. 상기 임피던스는 광전지 디바이스 상의 조도에서의 변화에 응답하여 조절될 수도 있다. 복수 개의 무선 에너지 캡쳐 디바이스는 근사적으로 동일한 세트포인트를 가질 수도 있고 직렬 연결로 구성될 수도 있다. 세트포인트는 직렬 연결 양단에 기대된 전압을 유지하도록 조절될 수도 있다.
다른 양태에서, 에너지를 무선 에너지 소스에 연결된 광전지 디바이스로부터 전송하는 방법은 상기 소스를 공진기들 사이의 에너지 전송을 위하여 구성하는 단계를 포함하는데, 여기에서 적어도 하나의 공진기는 무선 에너지 캡쳐 디바이스로 연결될 수도 있다. 상기 캡쳐 디바이스는 부하로 전압을 출력할 수도 있다. 상기 전압은 세트포인트로 제어될 수도 있다. 상기 소스는 임피던스를 광전지 디바이스에 제공할 수도 있다. 임피던스는 광전지 디바이스 상의 조도에서의 변화에 응답하여 조절될 수도 있다. 복수 개의 무선 에너지 캡쳐 디바이스는 근사적으로 동일한 세트포인트를 가질 수도 있고 병렬 연결로 구성될 수도 있다. 세트포인트는 병렬 연결 양단에 기대된 전류를 유지하도록 조절될 수도 있다.
다른 양태에서, 무선 에너지 전송 시스템은 데이터 및 파라미터의 교환을 위한 안전한 대역외 통신 링크 및 대역내 시그널링 성능을 가지는데, 여기에서 상기 시스템은 광전지 디바이스에 연결된다. 대역내 시그널링 성능은 무선 전력 전송을 위하여 사용되는 자기장을 변경시키는 것 또는 변조하는 것에 기초할 수도 있다. 대역내 시그널링 성능은 자기 에너지의 소스 또는 목적지를 인증하기 위하여 이차 통신 채널로서 사용될 수도 있다. 대역외 시그널링 성능은 에너지 전송의 파라미터를 조절하기 위한 정보를 교환하고, 에너지 전송의 파라미터를 모니터링하며, 에너지 전송의 기대된 파라미터 및 이에 대한 모니터링된 변동을 비교하기 위하여 사용될 수도 있다.
달리 표시되지 않는 한, 본 개시물은 광발전 패널, 광전지 모듈, 광전지 디바이스, 태양 패널, 및 기타 등등의 용어들을 상호 교환가능하도록 사용한다. 당업자들은 다양한 시스템 아키텍처가 본 출원에서 설명되는 광범위한 광전지 시스템 디자인 및 기능성에 의하여 지원될 수도 있다는 것을 이해할 것이다.
달리 표시되지 않는 한, 본 개시물은 무선 에너지 전송, 무선 전력 전송, 무선 전력 송신, 및 기타 등등의 용어를 상호 교환가능하도록 사용한다. 당업자들은 다양한 시스템 아키텍처가 본 출원에서 설명되는 광범위한 무선 시스템 디자인 및 기능성에 의하여 지원될 수도 있다는 것을 이해할 것이다.
본 명세서에서 설명되는 무선 에너지 전송 시스템에서, 전력은 적어도 두 개의 공진기들 사이에서 무선으로 교환될 수도 있다. 공진기는 에너지를 공급, 수신, 유지(hold), 및 분배할 수도 있다. 무선 전력의 소스는 소스 또는 서플라이라고 지칭될 수도 있고 무선 전력의 수신기는 디바이스, 수신기 및 전력 부하라고 지칭될 수도 있다. 공진기는 소스, 디바이스, 또는 동시에 이들 모두일 수도 있고, 또는 제어된 방식으로 기능마다 달라질 수도 있다. 전력 공급부 또는 전력 드레인으로의 배선된 접속을 가지지 않는 에너지를 유지하고 분배하도록 구성되는 공진기는 리피터라고 불릴 수도 있다.
본 발명의 무선 에너지 전송 시스템의 공진기는 전력을 공진기 자체의 크기에 비교하여 큰 거리를 통해 전송할 수 있다. 즉, 만일 공진기 사이즈가 공진기 구조를 밀봉할 수 있는 최소의 구의 반경에 의하여 특성지어진다면, 본 발명의 무선 에너지 전송 시스템은 전력을 공진기의 특성 사이즈 보다 더 큰 거리를 통해 전송할 수 있다. 이러한 시스템은 에너지를 공진기들 사이에서 교환할 수 있는데, 이러한 공진기는 상이한 특성 사이즈를 가지며 공진기의 유도성 소자는 상이한 사이즈, 상이한 형상을 가지고 상이한 물질로 구성되거나 이와 유사하다.
본 발명의 무선 에너지 전송 시스템은 커플링 지역, 전원공급된 영역 또는 볼륨을 가지는 것으로 설명될 수도 있는데, 이들 모두는 에너지가 서로 분리된 공진 오브젝트들 사이에서 전송될 수도 있다는 것을 설명하며, 이들은 서로로부터 가변 거리를 가질 수도 있고 서로 상대적으로 이동할 수도 있다. 몇 가지 실시예들에서, 에너지가 전송될 수 있는 영역 또는 볼륨은 활성 필드 영역 또는 볼륨이라고 지칭된다. 추가적으로, 무선 에너지 전송 시스템은 전력 소스, 전력 부하, 이들 모두에 각각 커플링되거나 이들 중 어느 것에도 커플링되지 않을 수도 있는 세 개 이상의 공진기를 포함할 수도 있다.
무선으로 공급된 에너지는 전기 또는 전자 장비, 재충전 배터리 또는 전하 에너지 스토리지 유닛에 전력을 공급하기 위하여 사용될 수도 있다. 여러 개의 디바이스들은 동시에 충전되거나 전력공급될 수도 있고, 또는 다중 디바이스로의 전력 전달은 하나 이상의 디바이스가 전력을 소정 시간 기간 동안 수신하고 그 이후에 전력 전달이 다른 디바이스로 스위칭될 수도 있게 직렬화될 수도 있다. 다양한 실시예들에서, 다중 디바이스들은 하나 이상의 소스로부터의 전력을 하나 이상의 다른 디바이스와, 동시에, 또는 시간 다중화된 방식으로, 또는 주파수 다중화된 방식으로, 또는 공간적으로 다중화된 방식으로, 또는 방향 다중화된 방식으로, 또는 시간 및 주파수 및 공간적 및 방향 다중화의 임의의 조합으로 공유할 수도 있다. 다중 디바이스들은, 적어도 하나의 디바이스가 연속적으로, 간헐적으로, 주기적으로, 때때로, 또는 일시적으로 무선 전력 소스로서 동작하도록 재구성되면서, 서로 전력을 공유할 수도 있다. 당업자들은 본 명세서에서 설명되는 기술 및 애플리케이션에 적용가능한 디바이스에 전력을 공급하고 및/또는 충전하기 위한 다양한 방법이 존재한다는 것을 이해할 것이다.
본 개시물은 커패시터, 인덕터, 저항, 다이오드, 변압기, 스위치 및 기타 등등과 같은 어떤 개개의 회로 컴포넌트 및 소자; 네트워크, 토폴로지, 회로, 및 기타 등등과 같은 이러한 소자들의 조합; 및 커패시턴스 또는 인덕턴스가 전체 오브젝트에 걸쳐 분포되는(또는 오직 집중되는 것에 반대로서 부분적으로 분포되는) 내재적 특성을 가지는 오브젝트, 예컨대 "자기-공진" 오브젝트를 참조한다. 회로 또는 네트워크 내의 가변 컴포넌트를 조절하고 제어하는 것이 그 회로 또는 네트워크의 성능을 조절할 수도 있다는 것 그리고 그러한 조절이 일반적으로 튜닝, 조절, 매칭, 정정, 및 기타 등등으로서 설명될 수도 있다는 것이 당업자에게 이해될 것이다. 무선 전력 전송 시스템의 동작 포인트를 튜닝 또는 조절하기 위한 다른 방법은 독자적으로, 또는 인덕터 및 커패시터, 또는 인덕터 및 커패시터의 뱅크와 같은 튜닝가능 컴포넌트를 조절하는 것에 추가하여 사용될 수도 있다. 당업자들은 본 개시물에서 논의되는 특정 토폴로지가 다양한 다른 방법으로 구현될 수 있다는 것을 인식할 것이다.
달리 정의되지 않으면, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 개시물이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하는 것과 동일한 의미를 가진다. 본 명세서에서 언급되거나 원용에 의하여 통합된 공개, 특허 출원, 특허, 및 다른 참조 문헌과의 충돌이 있는 경우, 정의를 포함하여 본 명세서가 우선할 것이다.
달리 표시되지 않는 한, 본 개시물은 무선 에너지 전송, 무선 전력 전송, 무선 전력 송신, 및 기타 등등의 용어를 상호 교환가능하도록 사용한다. 당업자들은 다양한 시스템 아키텍처가 본 출원에서 설명되는 광범위한 무선 시스템 디자인 및 기능성에 의하여 지원될 수도 있다는 것을 이해할 것이다.
본 개시물은 커패시터, 인덕터, 저항, 다이오드, 변압기, 스위치 및 기타 등등과 같은 어떤 개개의 회로 컴포넌트 및 소자; 네트워크, 토폴로지, 회로, 및 기타 등등과 같은 이러한 소자들의 조합; 및 커패시턴스 또는 인덕턴스가 전체 오브젝트에 걸쳐 분포되는(또는 오직 집중되는 것에 반대로서 부분적으로 분포되는) 내재적 특성을 가지는 오브젝트, 예컨대 "자기-공진" 오브젝트를 참조한다. 회로 또는 네트워크 내의 가변 컴포넌트를 조절하고 제어하는 것이 그 회로 또는 네트워크의 성능을 조절할 수도 있다는 것 그리고 그러한 조절이 일반적으로 튜닝, 조절, 매칭, 정정, 및 기타 등등으로서 설명될 수도 있다는 것이 당업자에게 이해될 것이다. 무선 전력 전송 시스템의 동작 포인트를 튜닝 또는 조절하기 위한 다른 방법은 독자적으로, 또는 인덕터 및 커패시터, 또는 인덕터 및 커패시터의 뱅크와 같은 튜닝가능 컴포넌트를 조절하는 것에 추가하여 사용될 수도 있다. 당업자들은 본 개시물에서 논의되는 특정 토폴로지가 다양한 다른 방법으로 구현될 수 있다는 것을 인식할 것이다.
달리 정의되지 않으면, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 개시물이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하는 것과 동일한 의미를 가진다. 본 명세서에서 언급되거나 원용에 의하여 통합된 공개, 특허 출원, 특허, 및 다른 참조 문헌과의 충돌이 있는 경우, 정의를 포함하여 본 명세서가 우선할 것이다.
위에서 설명된 피쳐들 중 임의의 것은 본 개시물의 범위를 벗어나지 않으면서 독자적으로 사용되거나 조합하여 사용될 수도 있다. 본 명세서에서 개시된 시스템 및 방법들의 다른 피쳐, 오브젝트, 및 장점은 후속하는 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용 및 도면으로부터 명백해질 것이다.
도 1 은 무선 에너지 전송 구성의 시스템 블록도이다.
도 2a 내지 도 2e 는 간단한 공진기 구조의 예시적인 구조 및 도해이다.
도 3 은 싱글엔드(single-ended) 증폭기를 가진 무선 소스의 블록도이다.
도 4 는 차동 증폭기를 가진 무선 소스의 블록도이다.
도 5a 및 도 5b 는 감지 회로의 블록도이다.
도 6a, 도 6b, 및 도 6c 는 무선 소스의 블록도이다.
도 7 은 증폭기의 파라미터에 대한 듀티 사이클의 영향을 보여주는 그래프이다.
도 8 은 스위칭 증폭기가 있는 무선 전력 소스의 단순화된 회로도이다.
도 9 는 무선 전력 소스의 파라미터의 변화의 효과의 그래프를 도시한다.
도 10 은 무선 전력 소스의 파라미터의 변화의 효과의 그래프를 도시한다.
도 11a, 도 11b, 도 11c, 및 도 11c 는 무선 전력 소스의 파라미터의 변화의 효과의 그래프를 도시한다.
도 12 는 무선 전력 소스의 파라미터의 변화의 효과의 그래프를 도시한다.
도 13 은 스위칭 증폭기가 있는 무선 전력 소스 및 무선 전력 디바이스를 포함하는 무선 에너지 전송 시스템의 단순화된 회로도이다.
도 14 는 무선 전력 소스의 파라미터의 변화의 효과의 그래프를 도시한다.
도 15 는 자성 물질의 타이들 사이의 비정규적 스페이싱에 기인하여 발생할 수 있는 불균일한 자기장 분포를 나타내는, 공진기의 도면이다.
도 16 은 자성 물질 블록 내의 핫스팟을 감소시킬 수도 있는, 자성 물질의 블록 내의 타일의 정렬을 가지는 공진기 이다.
도 17a 는 더 작은 개개의 타일을 포함하는 자성 물질의 블록이 있는 공진기이고, 도 17b 및 도 17c 는 열 관리를 위하여 사용되는 열전도성 물질의 추가적 스트립이 있는 공진기이다.
도 18 은 다중소스 시스템에서의 통신 및 에너지 전송의 도면이다.
도 19a 및 도 19b 는 에너지 검증을 위한 방법을 나타내는 도면이다.
도 20 은 여러 집적된 공진기가 있는 태양 PV 패널의 도면이다.
도 21 은 케이블에 의하여 부착된 외부 공진기가 있는 태양 PV 패널의 도면이다.
도 22 는 무선 전력 전송 기능이 있는 태양 PV 패널을 가진 차량의 도면이다.
도 23 은 전력을 우산 아래의 디바이스로 제공할 수 있는 무선 전력 공진기가 있는 태양 PV 패널을 가진 양산의 도면이다.
도 24 는 무선 전력 전송 기능이 있는 루프탑 태양 PV 패널의 일 실시예의 도면이다.
도 25 는 독립형 공진기가 있는 루프탑 태양 PV 패널 시스템의 도면이다.
도 26 은 패널들 간의 무선 전력 전송 기능이 있는 루프탑 태양 PV 패널 시스템의 도면이다.
도 27 은 전력을 여러 태양 PV 패널로부터 하나의 공진기로 무선으로 전송하는 연결 스트립이 있는 루프탑 태양 PV 패널 시스템의 도면이다.
도 28a 는 일련의 PV 패널에 대한 회로 모델을 도시하고 도 28b 는 통상적 PV 패널 동작 특성을 도시한다.
도 29 는 어레이 전압 대 어레이 전류의 그래프를 도시한다.
도 30 은 PV 패널 저항 및 전류 특성을 도시한다.
도 31a 내지 도 31c 는 PV 패널에 대해 적응된 무선 에너지 전송 시스템의 블록도를 도시한다.
도 32 는 함께 결합된 패널들의 다중 출력을 도시하는 도면이다.
도 33 은 PV 패널이 있는 무선 에너지 전송 시스템의 도면이다.
도 34 는 PV 패널이 있는 무선 에너지 전송 시스템 용 증폭기의 도면이다.
도 35a 및 도 35b 는 증폭기의 동작 도중의 전압 및 전류 다이어그램을 도시한다.
도 36 은 무선 소스의 임피던스의 특성을 도시한다.
도 37a 및 도 37b 는 무선 소스의 임피던스의 특성을 도시한다.
도 38 은 PV 셀이 있는 무선 에너지 전송 소스를 도시한다.
도 39 는 PV 패널과 함께 사용하기 위하여 소스를 튜닝하기 위한 프로시저를 도시한다.
도 40 은 PV 패널이 있는 무선 에너지 전송 시스템의 다이어그램을 도시한다.
도 40 은 PV 패널이 있는 무선 에너지 전송 시스템의 다이어그램을 도시한다.
도 41 은 PV 패널이 있는 무선 에너지 전송 시스템의 다이어그램을 도시한다.
도 42 는 무선 에너지 전송이 가능한 패키징의 도면이다.
도 43 은 무선 에너지 전송이 가능한 패키징의 도면이다.
도 44 는 무선 에너지 전송이 가능한 패키지들의 스택의 도면이다.
도 45 는 디튜닝(detuning) 패치가 있는, 무선 에너지 전송이 가능한 패키징의 도면이다.
도 46 은 무선 에너지 전송이 가능한 패키징의 도면이다.
도 2a 내지 도 2e 는 간단한 공진기 구조의 예시적인 구조 및 도해이다.
도 3 은 싱글엔드(single-ended) 증폭기를 가진 무선 소스의 블록도이다.
도 4 는 차동 증폭기를 가진 무선 소스의 블록도이다.
도 5a 및 도 5b 는 감지 회로의 블록도이다.
도 6a, 도 6b, 및 도 6c 는 무선 소스의 블록도이다.
도 7 은 증폭기의 파라미터에 대한 듀티 사이클의 영향을 보여주는 그래프이다.
도 8 은 스위칭 증폭기가 있는 무선 전력 소스의 단순화된 회로도이다.
도 9 는 무선 전력 소스의 파라미터의 변화의 효과의 그래프를 도시한다.
도 10 은 무선 전력 소스의 파라미터의 변화의 효과의 그래프를 도시한다.
도 11a, 도 11b, 도 11c, 및 도 11c 는 무선 전력 소스의 파라미터의 변화의 효과의 그래프를 도시한다.
도 12 는 무선 전력 소스의 파라미터의 변화의 효과의 그래프를 도시한다.
도 13 은 스위칭 증폭기가 있는 무선 전력 소스 및 무선 전력 디바이스를 포함하는 무선 에너지 전송 시스템의 단순화된 회로도이다.
도 14 는 무선 전력 소스의 파라미터의 변화의 효과의 그래프를 도시한다.
도 15 는 자성 물질의 타이들 사이의 비정규적 스페이싱에 기인하여 발생할 수 있는 불균일한 자기장 분포를 나타내는, 공진기의 도면이다.
도 16 은 자성 물질 블록 내의 핫스팟을 감소시킬 수도 있는, 자성 물질의 블록 내의 타일의 정렬을 가지는 공진기 이다.
도 17a 는 더 작은 개개의 타일을 포함하는 자성 물질의 블록이 있는 공진기이고, 도 17b 및 도 17c 는 열 관리를 위하여 사용되는 열전도성 물질의 추가적 스트립이 있는 공진기이다.
도 18 은 다중소스 시스템에서의 통신 및 에너지 전송의 도면이다.
도 19a 및 도 19b 는 에너지 검증을 위한 방법을 나타내는 도면이다.
도 20 은 여러 집적된 공진기가 있는 태양 PV 패널의 도면이다.
도 21 은 케이블에 의하여 부착된 외부 공진기가 있는 태양 PV 패널의 도면이다.
도 22 는 무선 전력 전송 기능이 있는 태양 PV 패널을 가진 차량의 도면이다.
도 23 은 전력을 우산 아래의 디바이스로 제공할 수 있는 무선 전력 공진기가 있는 태양 PV 패널을 가진 양산의 도면이다.
도 24 는 무선 전력 전송 기능이 있는 루프탑 태양 PV 패널의 일 실시예의 도면이다.
도 25 는 독립형 공진기가 있는 루프탑 태양 PV 패널 시스템의 도면이다.
도 26 은 패널들 간의 무선 전력 전송 기능이 있는 루프탑 태양 PV 패널 시스템의 도면이다.
도 27 은 전력을 여러 태양 PV 패널로부터 하나의 공진기로 무선으로 전송하는 연결 스트립이 있는 루프탑 태양 PV 패널 시스템의 도면이다.
도 28a 는 일련의 PV 패널에 대한 회로 모델을 도시하고 도 28b 는 통상적 PV 패널 동작 특성을 도시한다.
도 29 는 어레이 전압 대 어레이 전류의 그래프를 도시한다.
도 30 은 PV 패널 저항 및 전류 특성을 도시한다.
도 31a 내지 도 31c 는 PV 패널에 대해 적응된 무선 에너지 전송 시스템의 블록도를 도시한다.
도 32 는 함께 결합된 패널들의 다중 출력을 도시하는 도면이다.
도 33 은 PV 패널이 있는 무선 에너지 전송 시스템의 도면이다.
도 34 는 PV 패널이 있는 무선 에너지 전송 시스템 용 증폭기의 도면이다.
도 35a 및 도 35b 는 증폭기의 동작 도중의 전압 및 전류 다이어그램을 도시한다.
도 36 은 무선 소스의 임피던스의 특성을 도시한다.
도 37a 및 도 37b 는 무선 소스의 임피던스의 특성을 도시한다.
도 38 은 PV 셀이 있는 무선 에너지 전송 소스를 도시한다.
도 39 는 PV 패널과 함께 사용하기 위하여 소스를 튜닝하기 위한 프로시저를 도시한다.
도 40 은 PV 패널이 있는 무선 에너지 전송 시스템의 다이어그램을 도시한다.
도 40 은 PV 패널이 있는 무선 에너지 전송 시스템의 다이어그램을 도시한다.
도 41 은 PV 패널이 있는 무선 에너지 전송 시스템의 다이어그램을 도시한다.
도 42 는 무선 에너지 전송이 가능한 패키징의 도면이다.
도 43 은 무선 에너지 전송이 가능한 패키징의 도면이다.
도 44 는 무선 에너지 전송이 가능한 패키지들의 스택의 도면이다.
도 45 는 디튜닝(detuning) 패치가 있는, 무선 에너지 전송이 가능한 패키징의 도면이다.
도 46 은 무선 에너지 전송이 가능한 패키징의 도면이다.
위에서 설명된 바와 같이, 본 개시물은 커플링된 전자기 공진기를 사용한 무선 에너지 전송에 관련된다. 그러나, 이러한 에너지 전송은 전자기 공진기로 한정되지 않으며, 본 명세서에서 설명되는 무선 에너지 전송 시스템은 더 범용이고 매우 다양한 공진기 및 공진 오브젝트를 사용하여 구현될 수도 있다.
당업자들이 인식할 바와 같이, 공진기-기초 전력 전송의 중요한 고려사항은 공진기 효율 및 공진기 커플링을 포함한다. 이러한 이슈, 예를 들어 커플링된 모드 이론(coupled mode theory; CMT), 커플링 계수 및 인자, 품질 인자(Q-인자라고도 지칭됨), 및 임피던스 매칭의 폭넓은 논의는, 예를 들어 2010 년 9 월 23 일에 US 20100237709 로서 공개되고 발명의 명칭이 "RESONATOR ARRAYS FOR WIRELESS ENERGY TRANSFER"인 미국 특허 출원 제 12/789,611 호 및 2010 년 7 월 22 일에 US 20100181843 으로서 공개되고 발명의 명칭이 "WIRELESS ENERGY TRANSFER FOR REFRIGERATOR APPLICATIONN" 이며 원용에 의해 그 전체로서 마치 본 명세서에서 완전하게 진술되는 것처럼 통합되는 미국 특허 출원 제 12/722,050 호에서 제공된다.
공진기는 에너지를 적어도 두 개의 상이한 형태로 저장할 수 있고, 저장된 에너지가 두 개의 형태 사이에서 발진하는 공진 구조로서 정의될 수도 있다. 공진 구조는 공진(모달(modal)) 주파수, 
, 및 공진(modal) 필드가 있는 특정한 진동 모드를 가질 것이다. 각 공진 주파수 ω 는 ω=2πf로서 정의될 수도 있고, 공진 주기 T는 T=1/f=2π/ω로서 정의될 수도 있으며, 공진 파장 λ는 λ=c/f로 정의될 수도 있는데, 여기에서 c는 연관된 필드 파(전자기 공진기에서는 빛)의 속도이다. 손실 매커니즘, 커플링 매커니즘 또는 외부 에너지 공급 또는 소모 매커니즘이 없을 경우, 공진기에 의하여 저장되는 에너지의 총량 W 는 고정된 상태로 유지될 것인데, 에너지의 형태는 공진기에 의하여 지원되는 두 개의 형태 사이에서 발진할 것이고, 여기에서 하나의 형태는 다른 것이 최소일 때에 최대가 될 것이며 그 반대의 경우도 마찬가지이다.
예를 들어, 공진기는 저장된 에너지의 두 개의 형태가 자기 에너지 및 전기 에너지가 되도록 구성될 수도 있다. 더 나아가, 공진기는 전기장에 의하여 저장되는 전기 에너지가 그 구조 내부에서 주로 제한되는 반면에 자기장에 의하여 저장되는 자기 에너지는 주로 공진기 주위의 지역 내에 있도록 구성될 수도 있다. 다르게 말하면, 총 전기 및 자기 에너지는 동일할 것이지만, 그들의 국부화(localization)는 상이할 것이다. 이러한 구조를 사용하면, 적어도 두 개의 구조들 사이에서의 에너지 교환은 적어도 두 개의 공진기의 공진 자기적 근거리-장에 의하여 조정될 수도 있다. 공진기의 이러한 타입은 자기적 공진기라고 지칭될 수도 있다.
무선 전력 송신 시스템에서 사용되는 공진기의 중요한 파라미터는 공진기의 품질 인자, 또는 Q-인자, 또는 Q인데, 이것은 에너지 감쇄를 특징짓고 공진기의 에너지 손실에 반비례한다. 이것은 Q=ω*W/P 로서 정의될 수도 있는데, 여기에서 P는 정상 상태에서의 시간-평균화된 전력 손실이다. 즉, 고-Q를 가진 공진기는 상대적으로 낮은 내재적 손실을 가지며 에너지를 상대적으로 긴 시간 동안 저장할 수 있다. 공진기가 에너지를 자신의 내재적 감쇄 레이트 2Γ에서 잃기 때문에, 이것의 Q(이것의 내재적 Q라고도 지칭됨)는 Q=ω/2Γ에 의하여 주어진다. 또한 품질 인자는 공진기 내의 에너지가 
의 인자에 의하여 감쇄하는데 소요되는 진동 주기 T의 개수를 역시 나타낸다. 공진기의 품질 인자 또는 내재적 품질 인자 또는 Q가 내재적 손실 매커니즘에만 이와 같이 기인한다는 것에 주의한다. 전력 발전기 g 또는 부하 l에 연결되거나 커플링된 공진기의 Q는 "유부하 품질 인자( loaded quality factor )" 또는 "유부하 Q"라고 불릴 수도 있다. 에너지 전송 시스템의 일부가 되도록 의도되지 않는 외래 오브젝트의 존재 시의 공진기의 Q는 "외란 품질 인자( perturbed quality factor )" 또는 "외란 Q"라고 불릴 수도 있다.
그들의 근거리-장의 임의의 부분을 통해 커플링된 공진기는 상호작용하고 에너지를 교환할 수도 있다. 이러한 에너지 전송의 효율은 만일 공진기가 실질적으로 동일한 공진 주파수에서 동작한다면 크게 향상될 수 있다. 제한이 아닌 일 예로서, Q s 를 가진 소스 공진기 및 Q d 를 가진 디바이스 공진기를 가정한다. 고-Q 무선 에너지 전송 시스템은 고-Q를 가진 디바이스 공진기를 이용할 수도 있다. 각각의 공진기의 Q는 높을 수도 있다. 공진기 Q들의 기하 평균인 
가 역시 또는 그 대신에 높을 수도 있다.
커플링 인자 
는 0≤|k|≤1 사이의 숫자이며, 이것은 소스 및 디바이스 공진기가 서브-파장 거리에 배치되는 경우 이들의 공진 주파수로부터 독립적(또는 거의 독립적)일 수도 있다. 오히려 커플링 인자 k는 상대적인 기하학적 구조 및 소스 및 디바이스 공진기 사이의 거리에 의하여 거의 결정될 수도 있고, 여기에서 그들의 커플링을 조율하는 필드의 물리적 감쇄-법칙이 고려된다. CMT에서 사용되는 커플링 계수 
는 공진 주파수, 및 공진기 구조의 다른 성질의 강한 함수일 수도 있다. 공진기의 근거리-장을 이용하는 무선 에너지 전송을 위한 애플리케이션에서는, 공진기의 크기가 공진 파장보다 훨씬 더 작게 함으로써, 복사에 의하여 손실되는 전력이 감소되도록 하는 것이 바람직하다. 몇 가지 실시예들에서, 고-Q 공진기는 서브-파장 구조이다. 몇몇 전자기 실시예에서, 고-Q 공진기 구조는 100 kHz보다 더 높은 공진 주파수를 가지도록 설계된다. 다른 실시예들에서, 공진 주파수는 1 GHz보다 적을 수도 있다.
예시적인 실시예에서, 이러한 서브 파장 공진기에 의하여 원거리-장으로 방사되는 전력은, 공진기의 공진 주파수 및 시스템의 동작 주파수를 낮춤으로써 더욱 감소될 수도 있다. 다른 실시예들에서, 원거리 필드 복사는 두 개 이상의 공진기의 원거리 필드들이 원거리 필드에서 상쇄 간섭하도록 배치함으로써 감소될 수도 있다.
무선 에너지 전송 시스템에서 공진기는 무선 에너지 소스, 무선 에너지 캡쳐 디바이스, 리피터 또는 이들의 조합으로서 사용될 수도 있다. 실시예들에서 공진기는 에너지 전송하기, 에너지 수신하기 또는 에너지 릴레이하기 사이에서 교번할 수도 있다. 무선 에너지 전송 시스템에서 하나 이상의 자기적 공진기는 에너지 소스에 커플링되고 전원공급되어 진동하는 자기적 근거리-장을 생성할 수도 있다. 진동 자기적 근거리-장 내에 있는 다른 공진기는 이러한 필드를 캡쳐하고 이 에너지를 부하에 전력을 공급하거나 충전시키기 위하여 사용될 수도 있는 전기 에너지로 변환하고, 이를 통하여 유용한 에너지의 무선 전송을 가능하게 할 수도 있다.
유용한 에너지 교환에서의 소위 "유용한" 에너지는 디바이스를 수락가능한 레이트에서 전력공급하거나 충전하기 위하여 이것으로 전달되어야 하는 에너지 또는 전력이다. 유용한 에너지 교환에 대응하는 전송 효율은 시스템 또는 애플리케이션-의존적일 수도 있다. 예를 들어, 킬로와트의 전력을 전송하는 고 전력 차량 충전 애플리케이션은 전송 시스템의 다양한 컴포넌트를 크게 가열하지 않고 차량 배터리를 재충전하기에 충분한 유용한 에너지 교환을 초래하는 전력의 유용한 양을 공급하기 위하여 적어도 80% 효율일 필요가 있을 수도 있다. 몇몇 소비자 전자제품 애플리케이션에서, 유용한 에너지 교환은 10% 또는 재충전가능 배터리를 "뚜껑 개방(topped off)"한 상태에서 긴 시간 기간 동안 동작하도록 유지하기 위하여 수락가능한 임의의 다른 양보다 더 큰 임의의 에너지 전송 효율을 포함할 수도 있다. 이식된 의학 디바이스 애플리케이션에서, 유용한 에너지 교환은 환자에게 해를 입히지 않지만 배터리의 수명을 연장하거나 센서 또는 모니터 또는 자극기를 웨이크업하게 하는 임의의 교환일 수도 있다. 이러한 애플리케이션에서, 전력의 100 mW 또는 그 미만이 유용할 수도 있다. 분산된 감지 애플리케이션에서, 마이크로와트의 전력 전송이 유용할 수도 있고, 전송 효율은 1% 보다 많이 아래일 수도 있다.
전력공급 또는 재충전 애플리케이션에서의 무선 에너지 전송에 대한 유용한 에너지 교환은, 낭비되는 에너지 레벨, 열 소모, 및 연관된 필드 강도가 허용가능(tolerable)한 한계 내에 있으며 비용, 가중치, 사이즈, 및 기타 등등과 같은 관련된 인자와 적합하게 균형을 이룬다면, 효율적이거나, 매우 효율적이거나, 또는 충분히 효율적일 수도 있다.
공진기는 소스 공진기, 디바이스 공진기, 제 1 공진기, 제 2 공진기, 리피터 공진기, 및 기타 등등으로 지칭될 수도 있다. 구현형태는 3 개의(3) 또는 그 이상의 공진기를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 단일 소스 공진기는 에너지를 다중 디바이스 공진기 또는 다중 디바이스로 전송할 수도 있다. 에너지는 제 1 디바이스로부터 제 2 디바이스로, 그리고 이제 제 2 디바이스로부터 제 3 디바이스로, 그리고 이런 식으로 전달될 수도 있다. 다중 소스는 에너지를 단일 디바이스로 또는 단일 디바이스 공진기에 연결된 다중 디바이스로 또는 다중 디바이스 공진기에 연결된 다중 디바이스로 전송할 수도 있다. 공진기는 대안적으로 또는 동시에 소스, 디바이스로서 역할을 할 수도 있고, 및/또는 이들은 전력을 한 위치에 있는 소스로부터 다른 위치에 있는 디바이스로 릴레이하기 위하여 사용될 수도 있다. 중간 전자기 공진기가 무선 에너지 전송 시스템의 거리 범위를 연장하기 위하여 및/또는 밀집된 자기적 근거리-장의 영역을 생성하기 위하여 사용될 수도 있다. 다중 공진기는 함께 체인형으로(daisy-chained) 결합되어, 에너지를 연장된 거리를 통하여 그리고 광범위한 소스 및 디바이스와 교환할 수도 있다. 예를 들어, 소스 공진기는 전력을 여러 리피터 공진기를 통하여 디바이스 공진기로 전송할 수도 있다. 소스로부터의 에너지는 제 1 리피터 공진기로 전달될 수도 있고, 제 1 리피터 공진기는 전력을 제 2 리피터 공진기로 전달될 수도 있으며, 제 2 리피터 공진기는 제 3 리피터 공진기로, 그리고 최종 리피터 공진기가 자신의 에너지를 디바이스 공진기로 전송할 때까지 계속될 수도 있다. 이런 점에서 무선 에너지 전송의 범위 또는 거리는 리피터 공진기를 추가함으로써 연장되고 및/또는 조정될 수도 있다. 고 전력 레벨은 다중 소스들 사이에서 분할되고, 다중 디바이스로 전송되며 원격 위치에서 재조합될 수도 있다.
공진기들은 커플링된 모드 이론 모델, 회로 모델, 전자기장 모델, 및 기타 등등을 사용하여 설계될 수도 있다. 공진기들은 튜닝가능한 특성 사이즈(characteristic size)를 가지도록 설계될 수도 있다. 공진기는 상이한 전력 레벨을 다루도록 설계될 수도 있다. 예시적인 실시예에서, 고 전력 공진기는 더 낮은 전력 공진기보다 더 큰 도체 및 더 높은 전류 또는 전압 등급을 요구할 수도 있다.
도 1 은 무선 에너지 전송 시스템의 예시적인 구성 및 장치의 다이어그램을 도시한다. 무선 에너지 전송 시스템은 에너지 소스(102)에 커플링된 적어도 하나의 소스 공진기(R1; 104)(선택적으로 R6(112) 및 선택적으로 센서 및 제어 유닛(108)을 포함할 수도 있다. 에너지 소스는 소스 공진기(104)를 구동하기 위하여 사용될 수도 있는 전기 에너지로 변환될 수 있는 에너지의 임의의 타입의 소스 일 수도 있다. 에너지 소스는 배터리, 태양 패널, 전기적 메인부(mains), 풍력 또는 수력 터빈, 전자기 공진기, 발전기, 및 기타 등등일 수도 있다. 자기적 공진기를 구동하기 위하여 사용되는 전기 에너지는 공진기에 의하여 진동 자기장으로 변환된다. 진동 자기장은 에너지 드레인(110)으로 선택적으로 커플링되는 디바이스 공진기(R2; 106, R3; 116) 일 수도 있는 다른 공진기에 의하여 캡쳐될 수도 있다. 진동하는 필드는 무선 에너지 전송 지역을 연장하거나 조정하기 위하여 구성되는 리피터 공진기(R4, R5)에 선택적으로 커플링될 수도 있다. 디바이스 공진기는 소스 공진기(들), 리피터 공진기 및 다른 디바이스 공진기 근방의 자기장을 캡쳐하고 이들을 에너지 드레인에 의하여 사용될 수도 있는 전기 에너지로 변환할 수도 있다. 에너지 드레인(110)은 전기 에너지를 수신하도록 구성되는 전기적, 전자적, 기계적 또는 화학적 디바이스 등일 수도 있다. 리피터 공진기는 소스, 디바이스 및 리피터 공진기(들) 근방에서 자기장을 캡쳐할 수도 있고 에너지를 다른 공진기로 전달할 수도 있다.
무선 에너지 전송 시스템은 에너지 소스(102)에 커플링된 단일 소스 공진기(104) 및 에너지 드레인(110)에 커플링된 단일 디바이스 공진기(106)를 포함할 수도 있다. 실시예들에서 무선 에너지 전송 시스템은 하나 이상의 에너지 소스에 커플링된 다중 소스 공진기를 포함할 수도 있고 하나 이상의 에너지 드레인에 커플링된 다중 디바이스 공진기를 포함할 수도 있다.
실시예들에서 에너지는 직접적으로 소스 공진기(104) 및 디바이스 공진기(106) 사이에서 전송될 수도 있다. 다른 실시예들에서 에너지는 하나 이상의 소스 공진기(104, 112)로부터 하나 이상의 디바이스 공진기(106, 116)로 디바이스 공진기, 소스 공진기, 리피터 공진기, 및 기타 등등일 수도 있는 임의의 개수의 중간 공진기를 통하여 전송될 수도 있다. 에너지는 토큰 링, 메시, 애드 혹, 및 기타 등등과 같은 토폴로지들의 임의의 조합으로 구현된 서브네트워크(118, 120)를 포함하는, 공진기(114)의 네트워크 또는 배치를 통하여 전송될 수도 있다.
실시예들에서 무선 에너지 전송 시스템은 집중형 감지 및 제어 시스템(108)을 포함할 수도 있다. 실시예들에서 공진기, 에너지 소스, 에너지 드레인의 파라미터, 네트워크 토폴로지, 동작 파라미터, 등은 제어 프로세서로부터 시스템의 특정한 동작 파라미터를 만족시키기 위하여 모니터링되고 조절될 수도 있다. 중앙 제어 프로세서는 시스템의 개개의 컴포넌트의 파라미터를 조절하여 글로벌 에너지 전송 효율을 최적화하고, 전송된 전력량을 최적화하며, 및 기타 등등을 할 수도 있다. 다른 실시예들은 실질적으로 분산형 감지 및 제어 시스템을 가지도록 설계될 수도 있다. 감지 및 제어는 각각의 공진기 또는 공진기, 에너지 소스, 에너지 드레인 등의 그룹 내에 통합될 수도 있고, 그룹 내의 개별 컴포넌트들의 파라미터를 조절하여 전달된 전력을 최적화하고, 그 그룹 내의 에너지 전송 효율을 최대화하며 기타 등등을 하도록 구성될 수도 있다.
실시예들에서, 무선 에너지 전송 시스템의 컴포넌트는 디바이스, 소스, 리피터, 전력 소스, 공진기, 등과 같은 다른 컴포넌트로의 무선 또는 배선된 데이터 통신 링크를 가질 수도 있고 분산되거나 집중된 감지 및 제어를 가능하기 위하여 사용될 수 있는 데이터를 송신 또는 수신할 수도 있다. 무선 통신 채널은 무선 에너지 전송 채널로부터 분리될 수도 있고, 또는 이것은 동일할 수도 있다. 일 실시예에서, 전력 교환을 위하여 사용되는 공진기는 정보를 교환하기 위해서도 사용될 수도 있다. 몇 가지 경우들에서, 정보는 소스 또는 디바이스 회로 내의 컴포넌트를 변조하고 그 변화를 포트 파라미터 또는 다른 모니터링 장비로써 감지함으로써 교환될 수도 있다. 공진기는 시스템 내의 다른 공진기의 반사 임피던스에 영향을 줄 수도 있는 공진기의 임피던스와 같은 공진기 파라미터를 튜닝, 변경, 변동, 디더링 및 기타 등등을 함으로써 서로 시그널링할 수도 있다. 본 명세서에서 설명되는 시스템 및 방법은 무선 전력 송신 시스템 내의 공진기들 사이의 전력 및 통신 신호의 동시 송신을 가능하게 할 수도 있고, 또는 이것은 상이한 시간 기간 동안에 또는 상이한 주파수에서, 무선 에너지 전송 도중에 사용되는 동일한 자기장을 사용하여 전력 및 통신 신호의 송신을 가능하게 할 수도 있다. 다른 실시예들에서 무선 통신은 WiFi, 블루투스, 적외선, 및 기타 등등과 같은 개별 무선 통신 채널로써 이네이블될 수도 있다.
실시예들에서, 무선 에너지 전송 시스템은 다중 공진기를 포함할 수도 있고 전체 시스템 성능은 시스템 내의 다양한 소자의 제어에 의하여 개선될 수도 있다. 예를 들어, 더 낮은 전력 요구 사항을 가진 디바이스는 그들의 공진 주파수를 전력을 더 높은 전력 요구 사항을 가진 디바이스로 공급하는 고-전력 소스의 공진 주파수로부터 멀어지게 튜닝할 수도 있다. 이러한 방식으로, 저 및 고 전력 디바이스들은 안전하게 동작하거나 단일 고 전력 소스로부터 충전할 수도 있다. 추가적으로, 충전 존 내의 다중 디바이스들은 그들에게 가용인 전력이 FCFS(First-Come-First-Serve), BE(Best Effort), GP(Guaranteed Power) 등과 같은 다양한 소비 제어 알고리즘 중 임의의 것에 따라 조절되는 것을 발견할 수도 있다. 전력 소비 알고리즘은 성질 상 어떤 사용자 또는 타입의 디바이스에 우선순위를 주는 계층성을 가질 수도 있고, 또는 이것은 소스에서 가용인 전력을 균등하게 공유함으로써 임의의 명수의 사용자들을 지원할 수도 있다. 전력은 본 개시물에서 설명된 다중화 기법들 중 임의의 것에 의하여 공유될 수도 있다.
실시예들에서 전자기 공진기는 형상, 구조, 및 구성의 조합을 사용하여 실현되거나 구현될 수도 있다. 전자기 공진기는 유도성 소자, 분산형 인덕턴스, 또는 총 인덕턴스 
를 가지는 인덕턴스의 조합, 및 용량성 소자, 분산형 커패시턴스, 또는 총 커패시턴스 
를 가지는 커패시턴스의 조합을 포함할 수도 있다. 커패시턴스, 인덕턴스 및 저항을 포함하는 전자기 공진기의 최소의 회로 모델이 도 2f 에 도시된다. 공진기는 유도성 소자(238) 및 용량성 소자(240)를 포함할 수도 있다. 초기 에너지, 예컨대 커패시터(240) 내에 저장된 전기장 에너지가 제공되면, 커패시터가 에너지를 인덕터(238) 내에 저장된 자기장 에너지로 전송하면서 방전하고 이것은 이제 에너지를 커패시터(240) 내에 저장된 전기장 에너지로 전송할 때 시스템은 발진할 것이다. 이러한 전자기 공진기 내의 내재적 손실은 유도성 및 용량성 소자 내의 저항에 기인하고 그리고 복사 손실에 기인하며 도 2f 에서 저항 R(242)로 표시된 손실을 포함한다.
도 2a 는 예시적인 자기적 공진기 구조의 단순화된 도면을 도시한다. 자기적 공진기는 도체 루프의 단부에서 유도성 소자(202) 및 용량성 소자(204)로서 역할을 하는 도체의 루프를 포함할 수도 있다. 전자기 공진기의 인덕터(202) 및 커패시터(204)는 벌크 회로 소자일 수도 있고, 또는 인덕턴스 및 커패시턴스는 분산될 수도 있으며 그리고 도체가 구조 내에서 형성되고 성형되며 포지셔닝되는 방식으로부터 유래할 수도 있다.
예를 들어, 인덕터(202)는 도 2a 에 도시된 바와 같이 표면적을 밀폐하도록 도체를 성형함으로써 실현될 수도 있다. 공진기의 이러한 타입은 용량성-부하 루프 인덕터라고 지칭될 수도 있다. 우리가 범용적으로 임의의 형상 및 차원의 표면을 밀폐하며 임의의 권선수를 가지는 도전 구조(와이어, 튜브, 스트립, 등)를 표시하기 위하여 "루프" 또는 "코일"이라는 용어를 사용할 수도 있다는 것에 주의한다. 도 2a 에서, 밀폐된 표면적은 원형인데, 하지만 표면은 매우 다양한 다른 형상 및 사이즈 중 임의의 것일 수도 있고 특정 시스템 성능 사양을 획득하도록 설계될 수도 있다. 실시예들에서 인덕턴스는 인덕터 소자, 분산형 인덕턴스, 네트워크, 어레이, 인덕터 및 인덕턴스의 직렬 및 병렬 조합, 및 기타 등등을 사용하여 실현될 수도 있다. 인덕턴스는 고정되거나 가변일 수도 있고 임피던스 매칭 및 공진 주파수 동작 조건을 변경하기 위하여 사용될 수도 있다.
공진기 구조에 대한 원하는 공진 주파수를 획득하기 위하여 요구되는 커패시턴스를 실현하기 위한 광범위한 방법이 존재한다. 커패시터 플레이트(204)는 도 2a 에 도시된 바와 같이 형성되고 실현될 수도 있고, 또는 커패시턴스는 분산되고 멀티-루프 도체의 인접한 권취들 사이에서 실현될 수도 있다. 커패시턴스는 커패시터 소자, 분산형 커패시턴스, 네트워크, 어레이, 커패시턴스의 직렬 및 병렬 조합, 및 기타 등등을 사용하여 실현될 수도 있다. 커패시턴스는 고정되거나 가변일 수도 있고 임피던스 매칭 및 공진 주파수 동작 조건을 변경하기 위하여 사용될 수도 있다.
자기적 공진기 내에서 사용되는 유도성 소자는 두 개 이상의 루프를 포함할 수도 있고 내향 또는 외향적이거나 상향 또는 하향이거나 또는 방향의 몇몇 조합으로 나선형을 그릴 수도 있다. 일반적으로, 자기적 공진기는 다양한 형상, 사이즈 및 권선수를 가질 수도 있고 이들은 다양한 유익한(conducing) 물질로 구성될 수도 있다. 도체(210)는 예를 들어 와이어, 리츠(Litz) 와이어, 리본, 파이프, 도전성 잉크, 페인트, 젤, 등으로 또는 회로 기판 상에 인쇄된 단일 또는 다중 트레이스로 형성된 트레이스일 수도 있다. 유도성 루프를 형성하는 기판(208) 상의 트레이스 패턴의 예시적인 실시예가 도 2b 에서 묘사된다.
실시예들에서 유도성 소자는 임의의 사이즈, 형상 두께, 및 기타 등등을 가지는 자성 물질, 및 광범위한 투과도 및 손실 값을 가지는 물질을 사용하여 형성될 수도 있다. 이러한 자성 물질은 고체 블록일 수도 있고, 이들은 중공 볼륨을 밀폐시킬 수도 있으며, 이들은 함께 조각붙임되거나(tiled) 적층된 자성 물질의 많은 작은 조각들로부터 형성될 수도 있고, 그리고 이들은 고도전성 물질로 제작된 도전 시트 또는 엔클로저와 통합될 수도 있다. 도체들은 자성 물질 주위에서 래핑되어(wrapped) 자기장을 생성할 수도 있다. 이러한 도체는 구조의 두 개 이상의 축 주위에서 래핑될 수도 있다. 다중 도체들이 자성 물질 주위에서 래핑되고 병렬로 또는 직렬로 또는 스위치를 통하여 결합되어 맞춤화된 근거리-장 패턴을 형성하고 및/또는 구조의 쌍극자 모멘트를 지향(orient)시킬 수도 있다. 자성 물질을 포함하는 공진기의 예들이 도 2c, 도 2d, 및 도 2e 에 묘사된다. 도 2d 에서 공진기는 자성 물질(222)의 코어 주위에서 래핑된 도체(224)의 루프를 포함하여 도체(224)의 루프의 축에 평행한 자기적 쌍극자 모멘트(228)를 가지는 구조를 생성한다. 공진기는 자성 물질(214) 주위에서 직교 방향으로 래핑되어 어떻게 도체들이 구동되는지에 의존하여 도 2c 에서 묘사되는 바와 같이 두 개 이상의 방향으로 지향될 수도 있는 자기적 쌍극자 모멘트(218, 220)가 있는 공진기를 형성하는 도체(216, 212)의 다중 루프를 포함할 수도 있다.
전자기 공진기는 이것의 물리적 성질에 의하여 결정되는 특성, 자연, 또는 공진 주파수를 가질 수도 있다. 이러한 공진 주파수는 공진기에 의하여 저장된 에너지가 공진기의 전기장에 의하여 저장된 것 WE(WE=q2/2C, 여기에서 q는 커패시터 C 상의 전하) 및 자기장에 의하여 저장된 것 WB(WB=Li2/2, 여기에서 i 는 인덕터 L을 통과하여 흐르는 전류) 사이에서 발진하는 주파수이다. 이러한 에너지가 교환되는 주파수는 공진기의 특성 주파수, 자연 주파수, 또는 공진 주파수라고 불릴 수도 있고, ω에 의하여 주어진다,
공진기의 공진 주파수는 공진기의 인덕턴스 L 및/또는 커패시턴스 C를 튜닝함으로써 변경될 수도 있다. 일 실시예에서, 시스템 파라미터들은 최적의 동작 조건에 가능한 한 근접하도록 달성하기 위하여 동적으로 조절가능하거나 튜닝가능하다. 그러나, 위의 논의에 기초하여, 충분히 효율적인 에너지 교환은 심지어 몇몇 시스템 파라미터들이 가변이 아니거나 컴포넌트들이 동적 조절을 할 수 있지 않아도 실현가능할 수도 있다.
실시예들에서 공진기는 커패시터 및 회로 소자의 네트워크 내에 정렬된 두 개 이상의 커패시터에 커플링된 유도성 소자를 포함할 수도 있다. 실시예들에서 커패시터 및 회로 소자의 커플링된 네트워크가 공진기의 두 개 이상의 공진 주파수를 정의하기 위하여 사용될 수도 있다. 실시예들에서 공진기는 두 개 이상의 주파수에서 공진하거나 또는 부분적으로 공진할 수도 있다.
실시예들에서, 무선 전력 소스는 전력 공급부에 커플링된 적어도 하나의 공진기 코일을 포함할 수도 있는데, 이것은 클래스-D 증폭기 또는 클래스-E 증폭기 또는 이들의 조합과 같은 스위칭 증폭기일 수도 있다. 이러한 경우에서, 공진기 코일은 실효적으로 전력 공급부로의 전력 부하이다. 실시예들에서, 무선 전력 디바이스는 전력 부하에 커플링된 적어도 하나의 공진기 코일을 포함할 수도 있는데, 이것은 클래스-D 또는 클래스-E 정류기 또는 이들의 조합과 같은 스위칭 정류기일 수도 있다. 이러한 경우에, 공진기 코일은 실효적으로 전력 부하에 대한 전력 공급부이고, 부하의 임피던스는 또한 공진기 코일로부터의 부하의 작업-소모 레이트(work-drainage rate)에 직접적으로 관련된다. 전력 공급부 및 전력 부하 사이의 전력 송신의 효율은 전력 소스의 출력 임피던스가 부하의 입력 임피던스에 얼마나 근접하게 매칭되는지에 의하여 영향받을 수도 있다. 부하의 입력 임피던스가 전력 공급부의 내부 임피던스의 공액복소수와 같은 경우 전력은 최대 가능한 효율에서 전달될 수도 있다. 최대 전력 송신 효율을 획득하기 위하여 전력 공급부 또는 전력 부하 임피던스를 설계하는 것은 흔히 "임피던스 매칭"이라고 불리며, 시스템 내의 유용한-대- 손실된 전력의 비율을 최적화하는 것으로서 지칭될 수도 있다. 임피던스 매칭은 커패시터, 인덕터, 변압기, 스위치, 저항, 및 기타 등등과 같은 소자의 네트워크 또는 세트를 추가하여 임피던스 매칭 네트워크를 전력 공급부 및 전력 부하 사이에 형성함으로써 수행될 수도 있다. 실시예들에서, 소자 포지셔닝에서의 기계적 조절 및 변화가 임피던스 매칭을 획득하기 위하여 사용될 수도 있다. 변동하는 부하에 대하여, 임피던스 매칭 네트워크는 전력 공급부 단자에서 부하를 바라보는 임피던스 및 전력 공급부의 특성 임피던스가 심지어 동적 환경 및 동작 시나리오에서도 서로 실질적으로 공액복소수인 상태로 남는 것을 보장하기 위하여 동적으로 조절되는 가변 컴포넌트를 포함할 수도 있다.
실시예들에서, 임피던스 매칭은 전력 공급부의 구동 신호의 듀티 사이클, 및/또는 위상, 및/또는 주파수를 튜닝함으로써 또는 전력 공급부 내의 물리적 컴포넌트, 예컨대 커패시터를 튜닝함으로써 달성될 수도 있다. 이러한 튜닝 매커니즘은 이것이 튜닝가능 임피던스 매칭 네트워크의 사용이 없이, 또는 예를 들어 더 적은 튜닝가능 컴포넌트를 가지는 것과 같은 단순화된 튜닝가능 임피던스 매칭 네트워크를 가지고 전력 공급부 및 부하 사이에 임피던스 매칭을 허용할 수도 있기 때문에 이로울 수도 있다. 실시예들에서, 전력 공급부로의 구동 신호의 듀티 사이클, 및/또는 주파수, 및/또는 위상을 튜닝하는 것은 연장된 튜닝 범위 또는 정밀도를 가지고, 더 높은 전력, 전압 및/또는 전류 성능을 가지며, 더 빠른 전자적 제어를 가지고, 더 적은 외부 컴포넌트를 가지는 등의 동적 임피던스 매칭 시스템을 제공할 수도 있다.
몇몇 무선 에너지 전송 시스템에서 인덕턴스와 같은 공진기의 파라미터는 주위 오브젝트, 온도, 지향, 다른 공진기들의 개수 및 위치 등과 같은 환경적 조건에 의하여 영향받을 수도 있다. 공진기의 동작 파라미터에서의 변화는 특정 시스템 파라미터, 예컨대 무선 에너지 전송에서 전송된 전력의 효율을 변화시킬 수도 있다. 예를 들어, 공진기 근처에 위치된 고-전도성 물질은 공진기의 공진 주파수를 천이시키고 이것을 다른 공진 오브젝트로부터 디튜닝할 수도 있다. 몇 가지 실시예들에서, 자신의 주파수를 리액티브 소자(예를 들어, 유도성 소자 또는 용량성 소자)를 변경시킴으로써 정정하는 공진기 피드백 매커니즘이 채용된다. 수락가능한 매칭 상태를 달성하기 위하여, 시스템 파라미터들 중 적어도 몇몇은 동적으로 조절가능하거나 튜닝가능할 필요가 있을 수도 있다. 모든 시스템 파라미터들은 근사적으로 최적의 동작 조건을 획득하기 위하여 동적으로 조절가능하거나 튜닝가능할 수도 있다. 그러나, 효율적 충분한 에너지 교환은 시스템 파라미터들 모두 또는 일부가 가변이 아닌 경우에도 실현될 수도 있다. 몇 가지 예들에서, 디바이스의 적어도 몇몇은 동적으로 조절될 수 없을 수도 있다. 몇 가지 예들에서, 소스의 적어도 몇몇은 동적으로 조절될 수 없을 수도 있다. 몇 가지 예들에서, 중간 공진기의 적어도 몇몇은 동적으로 조절될 수 없을 수도 있다. 몇 가지 예들에서, 시스템 파라미터 중 어느 것도 동적으로 조절될 수 없을 수도 있다.
몇 가지 실시예들에서 컴포넌트의 파라미터에서의 변화는, 동작 환경 또는 동작 포인트에서의 차이에 노출될 경우 상보적이거나 또는 반대 방법 또는 방향으로 변화하는 특성을 가지는 컴포넌트를 선택함으로써 완화될 수도 있다. 실시예들에서, 시스템은 온도, 전력 레벨, 주파수, 및 기타 등등에 기인한 반대의 의존성 또는 파라미터를 가지는 커패시터와 같은 컴포넌트들로써 설계될 수도 있다. 몇 가지 실시예들에서, 온도의 함수로서의 컴포넌트 값들은 시스템 마이크로콘트롤러 내의 룩업 테이블에 저장될 수도 있고, 온도 센서로부터의 판독치가 온도 유도된 컴포넌트 값 변화를 보상하기 위하여 다른 파라미터들을 조절하기 위하여 시스템 제어 피드백 루프에서 사용될 수도 있다.
몇 가지 실시예들에서 컴포넌트의 파라미터 값에서의 변화는 튜닝가능 컴포넌트들을 포함하는 능동 튜닝 회로로써 보상될 수도 있다. 컴포넌트 및 시스템의 동작 환경 및 동작 포인트를 모니터링하는 회로가 설계에 통합될 수도 있다. 모니터링 회로는 컴포넌트의 파라미터들에서의 변화를 능동적으로 보상하기 위하여 필요한 신호들을 제공할 수도 있다. 예를 들어, 온도 판독치가 시스템의 커패시턴스에서의 기대된 변화를 계산하거나 이것의 이전에 측정된 값을 표시하기 위하여 사용되어, 다른 커패시터 또는 튜닝 커패시터를 스위치인(switch in)하여 온도의 범위에서 원하는 커패시턴스를 유지하는 것을 허용할 수도 있다. 실시예들에서, RF 증폭기 스위칭 파형이 시스템 내의 컴포넌트 값 또는 부하 변화를 보상하기 위하여 조절될 수도 있다. 몇 가지 실시예들에서 컴포넌트의 파라미터에서의 변화는 능동 냉각, 가열, 능동 환경 컨디셔닝, 및 기타 등등으로써 보상될 수도 있다.
파라미터 측정 회로부는 시스템 내의 몇 몇 전력, 전압, 및 전류, 신호를 측정하거나 모니터링할 수도 있고, 프로세서 또는 제어 회로는 몇 몇 셋팅 또는 동작 파라미터를 그러한 측정에 기초하여 조절할 수도 있다. 추가적으로, 시스템 전체에 걸쳐 전압 및 전류 신호의 크기 및 위상, 및 전력 신호의 크기가 시스템 성능을 측정하고 모니터링하기 위하여 액세스될 수도 있다. 본 개시물 전체에 걸쳐 언급되는 측정된 신호는 포트 파라미터 신호, 및 전압 신호, 전류 신호, 전력 신호, 온도 신호 및 기타 등등의 임의의 조합일 수도 있다. 이러한 파라미터는 아날로그 또는 디지털 기법을 사용하여 측정될 수도 있고, 이들은 샘플링되고 처리될 수도 있으며, 이들은 다수 개의 공지된 아날로그 및 디지털 처리 기법을 사용하여 디지털화되고 변환될 수도 있다. 실시예들에서, 어떤 측정된 양들의 프리셋 값은 시스템 제어기 또는 메모리 위치에 로딩되고 다양한 피드백 및 제어 루프에서 사용된다. 실시예들에서, 측정된, 모니터링된, 및/또는 프리셋 신호의 임의의 조합은 공진기 및/또는 시스템의 동작을 제어하기 위하여 피드백 회로 또는 시스템에서 사용될 수도 있다.
조절 알고리즘이 자기적 공진기의 주파수, Q 및/또는 임피던스를 조절하기 위하여 사용될 수도 있다. 알고리즘들은 입력으로서 시스템에 대한 원하는 동작 포인트로부터의 편차의 정도에 관련된 참조 신호를 취할 수도 있고, 시스템의 가변 또는 튜닝가능 소자를 제어하며 그 편차에 관련된 정정 또는 제어 신호를 출력하여 시스템을 다시 원하는 동작 포인트 또는 포인트들로 가져다 놓을 수도 있다. 자기적 공진기에 대한 참조 신호들은 공진기들이 무선 전력 송신 시스템 내에서 전력을 교환하는 동안 획득될 수도 있고, 또는 이들은 시스템 동작 도중에 회로 외부에서 스위칭될 수도 있다. 시스템에 대한 정정은 연속적으로, 주기적으로, 임계점의 교차 시에, 디지털적으로, 아날로그 방법을 사용하여, 및 기타 등등으로 적용되거나 수행될 수도 있다.
실시예들에서, 유손실 외래 물질 및 오브젝트는 무선 전력 송신 시스템의 공진기의 자기적 및/또는 전기 에너지를 흡수함으로써 효율에서의 잠재적인 감소를 도입할 수도 있다. 다양한 실시예들에서 그러한 영향들은 유손실 외래 물질 및 오브젝트의 효과를 최소화하도록 공진기를 포지셔닝함으로써 그리고 구조적 필드 형성 소자(예를 들어, 도전성 구조, 플레이트 및 시트, 자성 물질 구조, 플레이트 및 시트, 및 이들의 조합)를 그들의 효과를 최소화하도록 배치함으로써 완화될 수도 있다.
공진기에 대한 유손실 물질의 효과를 감소시키는 한 가지 방법은 고-전도성 물질, 자성 물질, 또는 이들의 조합을 사용하여 공진기 필드가 유손실 오브젝트를 회피하도록 이를 형성하는 것이다. 예시적인 실시예에서, 고-전도성 물질 및 자성 물질의 층상 구조는 공진기의 전자기 필드를 조율, 형성, 디렉팅, 재정렬 등을 함으로써 이들이 필드를 편향시켜서 그들 근방의 유손실 오브젝트를 회피하게 할 수도 있다. 도 2d 는 자성 물질 아래에 도체(226)의 시트를 가진 공진기의 상면도인데, 이것은 공진기의 필드가 도체(226)의 시트 아래에 있을 수도 있는 유손실 오브젝트를 회피하도록 공진기의 필드를 조율하기 위하여 사용될 수도 있다. 층 또는 양호한 도체(226)의 시트는 주어진 애플리케이션에 대하여 가장 적합한 것과 같은, 구리, 은, 알루미늄과 같은 임의의 고전도성 물질을 포함할 수도 있다. 특정 실시예들에서, 계층 또는 양호한 도체의 시트는 공진기 동작 주파수에서의 그 도체의 표피 깊이(skin depth)보다 더 두껍다. 도체 시트는 바람직하게는 공진기의 물리적 경계를 넘어서 연장하면서 공진기의 사이즈보다 더 클 수도 있다.
송신되는 전력의 양이 활성 필드 공간 내에 침입할 수도 있는 사람 또는 동물에게 안전 위험이 될 수 있는 환경 및 시스템에서는, 안전성 조치가 시스템에 포함될 수도 있다. 전력 레벨이 특정 안전성 조치를 요구하는 실시예들에서, 공진기의 패키징, 구조, 재료가 자기적 공진기 내의 도전 루프로부터 간격 또는 "안전 이격(keep away)" 존을 제공하도록 설계될 수도 있다. 추가적 보호를 제공하기 위하여, 고-Q 공진기 및 전력 및 제어 회로부가 그 엔클로저 내로 높은 전압 또는 전류를 한정하고, 공진기 및 전기 컴포넌트를 날씨, 수분, 모래, 먼지, 및 다른 외부 소자로부터, 그리고 영향, 진동, 긁힘, 폭발, 및 다른 타입의 기계적 충격으로부터 보호하는 엔클로저 내에 위치될 수도 있다. 이러한 엔클로저는 전기 컴포넌트 및 공진기에 대한 수락가능한 동작 온도 범위를 유지하기 위하여 열 소모와 같은 다양한 인자에 주의를 기울이도록 요구한다. 실시예들에서, 엔클로저는 합성물, 플라스틱, 나무, 콘트리트, 등과 같은 비-손실 물질로 구성될 수도 있고, 유손실 오브젝트로부터 공진기 컴포넌트들로의 최소 거리를 제공하기 위하여 사용될 수도 있다. 금속 오브젝트, 염수(salt water), 오일 및 기타 등등을 포함할 수도 있는 유손실 오브젝트 또는 환경으로부터의 최소 분리 거리는 무선 에너지 전송의 효율을 개선할 수도 있다. 실시예들에서, "안전 이격" 존은 공진기 또는 공진기의 시스템의 외란(perturbed) Q를 증가시키기 위하여 사용될 수도 있다. 실시예들에서 최소 분리 거리는 공진기의 더 신뢰가능하거나 더 일정한 동작 파라미터를 제공할 수도 있다.
실시예들에서, 공진기 및 그들의 개별적인 센서 및 제어 회로부는 다른 전자적 및 제어 시스템 및 서브시스템과의 집적의 다양한 레벨을 가질 수도 있다. 몇 가지 실시예들에서 전력 및 제어 회로부 및 디바이스 공진기는 현존 시스템으로의 최소의 통합을 가지는 완전히 별개의 모듈 또는 엔클로저로서, 전력 출력 및 제어 및 진단 인터페이스를 제공한다. 몇 가지 실시예들에서 디바이스는 공진기 및 회로 어셈블리를 엔클로저 내의 캐비티 안에 하우징하거나, 또는 디바이스의 하우징 또는 엔클로저에 통합되게 하도록 구성된다.
예시적인 공진기 회로부
도 3 및 도 4 는 무선 에너지 전송 시스템의 예시적인 소스에 대한 전력 생성, 모니터링, 및 제어 컴포넌트를 묘사하는 고수준 블록도들이다. 도 3 은 하프-브릿지 스위칭 전력 증폭기 및 일부 연관된 측정, 튜닝, 및 제어 회로부를 포함하는 소스의 블록도이다. 도 4 는 풀-브릿지 스위칭 증폭기 및 일부 연관된 측정, 튜닝, 및 제어 회로부를 포함하는 소스의 블록도이다.
도 3 에서 묘사되는 하프 브릿지 시스템 토폴로지는 제어 알고리즘(328)을 실행하는 처리 유닛을 포함할 수도 있다. 제어 알고리즘(328)을 실행하는 중인 처리 유닛은 마이크로콘트롤러, 애플리케이션 특정한 회로, 필드 프로그램가능 게이트 어레이, 프로세서, 디지털 신호 프로세서, 및 기타 등등일 수도 있다. 처리 유닛은 단일 디바이스 일 수도 있고 또는 이것은 디바이스의 네트워크일 수도 있다. 제어 알고리즘은 처리 유닛의 임의의 부분에서 실행할 수도 있다. 알고리즘은 특정 애플리케이션에 대하여 맞춤화될 수도 있고 아날로그 및 디지털 회로 및 신호의 조합을 포함할 수도 있다. 마스터 알고리즘은 전압 신호 및 레벨, 전류 신호 및 레벨, 신호 위상, 디지털 카운트 셋팅, 및 기타 등등을 측정하고 조절할 수도 있다.
시스템은 선택적인 소스/디바이스 및/또는 무선 통신 회로부(312)에 커플링된 소스/다른 공진기 통신 제어기(332)를 포함할 수도 있다. 선택적인 소스/디바이스 및/또는 소스/다른 공진기 통신 제어기(332)는 마스터 제어 알고리즘을 실행하는 동일한 처리 유닛의 일부일 수도 있고, 이것은 마이크로콘트롤러(302)의 일부 또는 그 내부의 회로일 수도 있으며, 이것은 무선 전력 송신 모듈 외부에 있을 수도 있고, 이것은 유선으로 전력이 공급되거나 배터리에 의하여 공급되는 애플리케이션에서 사용되는 통신 제어기와 실질적으로 유사하지만 무선 전력 송신을 향상시키거나 지원하기 위하여 몇몇 신규하거나 상이한 기능성을 포함하도록 적응될 수도 있다.
시스템은 적어도 두 개의 트랜지스터 게이트 드라이버(334)에 커플링된 PWM 발전기(306)를 포함할 수도 있고 제어 알고리즘에 의하여 제어될 수도 있다. 두 개의 트랜지스터 게이트 드라이버(334)는 임피던스 매칭 네트워크 컴포넌트(342)를 통하여 소스 공진기 코일(344)을 구동하는 두 개의 전력 트랜지스터(336)에 직접적으로 또는 게이트 드라이브 변압기를 통하여 커플링될 수도 있다. 전력 트랜지스터(336)는 조절가능한 DC 서플라이(304)와 커플링되고 이에 의하여 전력공급될 수도 있고 조절가능한 DC 서플라이(304)는 가변 버스 전압 Vbus에 의하여 제어될 수도 있다. Vbus 제어기는 제어 알고리즘(328)에 의하여 제어될 수도 있고 마이크로콘트롤러(302) 또는 다른 집적 회로의 일부이거나 이것에 통합될 수도 있다. Vbus 제어기(326) 증폭기의 전력 출력 및 공진기 코일(344)로 공급된 전력을 제어하기 위하여 사용될 수도 있는 조절가능한 DC 서플라이(304)의 전압 출력을 제어할 수도 있다. 다른 실시예들에서, PWM 발전기(306)는 부하를 통과하는 전류 파형 및 증폭기로부터의 전력 출력 및 공진기 코일(344)로 공급되는 전력을 제어하기 위하여 사용될 수도 있는 전력 트랜지스터(336)의 스위칭 시간 사이의 위상각을 제어할 수도 있다. 다른 실시예들에서, PWM 발전기(306)는 스위치 닫힘 시간의 듀티 사이클을 제어하여 그 증폭기로부터의 전력 출력 및 공진기 코일(344)로 공급된 전력을 제어할 수도 있다.
시스템은 신호를 프로세서 및/또는 예를 들어 아날로그-디지털 컨버터(ADC; 314, 316)와 같은 컨버터로의 그들의 입력 이전에 성형하고, 수정하며, 필터링하고, 처리하고, 버퍼링 등을 할 수도 있는 신호 필터링 및 버퍼링 회로(318, 320)를 포함하는 감지 및 측정 회로부를 포함할 수도 있다. 프로세서 및 ADC(314, 316)와 같은 컨버터는 마이크로콘트롤러(302)에 통합될 수도 있고 또는 처리 코어(330)로 커플링될 수도 있는 별개의 회로일 수도 있다. 측정된 신호에 기초하여, 제어 알고리즘(328)은 PWM 발전기(306), 통신 제어기(332), Vbus 제어(326), 소스 임피던스 매칭 제어기(338), 필터/버퍼링 소자,(318, 320), 컨버터,(314, 316), 공진기 코일(344) 중 임의의 것의 동작을 생성, 제한, 개시, 중단(extinguish), 제어, 조절, 또는 변경할 수도 있고, 마이크로콘트롤러(302)의 일부이거나 이것에 통합되거나 또는 별개의 회로일 수도 있다. 임피던스 매칭 네트워크(342) 및 공진기 코일(344)은 본 명세서에서 설명된 바와 같은 커패시터, 스위치, 인덕터, 및 기타 등등과 같은 전기적으로 제어가능한 가변 또는 튜닝가능 컴포넌트를 포함할 수도 있고, 이러한 컴포넌트는 소스 임피던스 매칭 제어기(338)로부터 수신된 신호에 따라서 그들의 컴포넌트 값 또는 동작 포인트가 조절되게 할 수도 있다. 컴포넌트들은 공진기로 그리고 이에 의하여 공급되는 전력, 공진기의 공진 주파수, 공진기의 임피던스, 공진기, 및 임의의 다른 커플링된 시스템의 Q 및 기타 등등을 포함하는 공진기의 동작 및 특성을 조절하도록 튜닝될 수도 있다. 공진기는 용량적으로 유부하 루프 공진기, 자성 물질을 포함하는 평면(planer) 공진기 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는, 본 명세서에서 설명되는 임의의 타입 또는 구조의 공진기일 수도 있다.
도 4 에서 묘사되는 풀 브릿지 시스템 토폴로지는 마스터 제어 알고리즘(328)을 실행하는 처리 유닛을 포함할 수도 있다. 제어 알고리즘(328)을 실행하는 중인 처리 유닛은 마이크로콘트롤러, 애플리케이션 특정한 회로, 필드 프로그램가능 게이트 어레이, 프로세서, 디지털 신호 프로세서, 및 기타 등등일 수도 있다. 시스템은 소스/디바이스 및/또는 무선 통신 회로부(312)에 커플링된 소스/다른 공진기 통신 제어기(332)를 포함할 수도 있다. 소스/디바이스 및/또는 소스/다른 공진기 통신 제어기(332)는 그 마스터 제어 알고리즘을 실행하는 동일한 처리 유닛의 일부일 수도 있고, 이것은 마이크로콘트롤러(302)의 일부 또는 그 내부의 회로일 수도 있으며, 이것은 무선 전력 송신 모듈 외부에 있을 수도 있고, 이것은 유선으로 전력이 공급되거나 배터리에 의하여 공급되는 애플리케이션에서 사용되는 통신 제어기와 실질적으로 유사하지만 무선 전력 송신을 향상시키거나 지원하기 위하여 몇몇 신규하거나 상이한 기능성을 포함하도록 적응될 수도 있다.
시스템은 마스터 제어 알고리즘에서 생성된 신호들에 의하여 제어될 수도 있는 적어도 4 개의 트랜지스터 게이트 드라이버(334)에 커플링된 적어도 두 개의 출력을 가진 PWM 발전기(410)를 포함할 수도 있다. 4 개의 트랜지스터 게이트 드라이버(334)는 직접적으로 또는 임피던스 매칭 네트워크(342)를 통하여 소스 공진기 코일(344)을 구동할 수도 있는 게이트 드라이브 변압기를 통하여 4 개의 전력 트랜지스터(336)에 커플링될 수도 있다. 전력 트랜지스터(336)는 조절가능한 DC 서플라이(304)와 커플링되고 이에 의하여 전력공급될 수도 있고 조절가능한 DC 서플라이(304)는 마스터 제어 알고리즘에 의하여 제어될 수도 있는 Vbus 제어기(326)에 의하여 제어될 수도 있다. Vbus 제어기(326) 증폭기의 전력 출력 및 공진기 코일(344)로 공급된 전력을 제어하기 위하여 사용될 수도 있는 조절가능한 DC 서플라이(304)의 전압 출력을 제어할 수도 있다. 다른 실시예들에서, PWM 발전기(410)는 부하를 통과하는 전류 파형 및 증폭기로부터의 전력 출력 및 공진기 코일(344)로 공급되는 전력을 제어하기 위하여 사용될 수도 있는 전력 트랜지스터(336)의 스위칭 시간 사이의 브리지의 절반 두 개에 대한 상대적인 위상각을 제어할 수도 있다. 다른 실시예들에서, PWM 발전기(410)는 스위치 닫힘 시간의 듀티 사이클을 제어하여 그 증폭기로부터의 전력 출력 및 공진기 코일(344)로 공급된 전력을 제어할 수도 있다.
시스템은 신호를 프로세서 및/또는 아날로그-디지털 컨버터(ADC; 314, 316)와 같은 컨버터로 입력되기 이전에 성형하고, 수정하며, 필터링하고, 처리하고, 버퍼링 등을 할 수도 있는 신호 필터링 및 버퍼링 회로(318, 320) 및 차동/싱글엔드 변환 회로부(402, 404)를 포함하는 감지 및 측정 회로부를 포함할 수도 있다. 프로세서 및/또는 ADC(314, 316)와 같은 컨버터는 마이크로콘트롤러(302)에 통합될 수도 있고 또는 처리 코어(330)로 커플링될 수도 있는 별개의 회로일 수도 있다. 측정된 신호에 기초하여, 마스터 제어 알고리즘은 PWM 발전기(410), 통신 제어기(332), Vbus 제어기(326), 소스 임피던스 매칭 제어기(338), 필터/버퍼링 소자,(318, 320), 차동/싱글엔드 변환 회로부(402, 404) 컨버터,(314, 316), 공진기 코일(344) 중 임의의 것의 동작을 생성, 제한, 개시, 중단(extinguish), 제어, 조절, 또는 변경할 수도 있고, 마이크로콘트롤러(302)의 일부이거나 이것에 통합되거나 또는 별개의 회로일 수도 있다.
임피던스 매칭 네트워크(342) 및 공진기 코일(344)은 본 명세서에서 설명된 바와 같은 커패시터, 스위치, 인덕터, 및 기타 등등과 같은 전기적으로 제어가능한 가변 또는 튜닝가능 컴포넌트를 포함할 수도 있고, 이러한 컴포넌트는 소스 임피던스 매칭 제어기(338)로부터 수신된 신호에 따라서 그들의 컴포넌트 값 또는 동작 포인트가 조절되게 할 수도 있다. 컴포넌트들은 공진기로 그리고 이에 의하여 공급되는 전력, 공진기의 공진 주파수, 공진기의 임피던스, 공진기, 및 임의의 다른 커플링된 시스템의 Q 및 기타 등등을 포함하는 공진기의 동작 및 특성의 조절을 가능하게 하도록 튜닝될 수도 있다. 공진기는 용량적으로 유부하 루프 공진기, 자성 물질을 포함하는 평면 공진기 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는, 본 명세서에서 설명되는 임의의 타입 또는 구조의 공진기일 수도 있다.
임피던스 매칭 네트워크는 커패시터, 인덕터, 및 본 명세서에서 설명된 바와 같은 컴포넌트들의 네트워크와 같은 고정 값 컴포넌트를 포함할 수도 있다. 임피던스 매칭 네트워크의 일부인 A, B 및 C는 인덕터, 커패시터, 변압기, 및 본 명세서에서 설명된 바와 같은 이러한 컴포넌트의 직렬 및 병렬 조합을 포함할 수도 있다. 몇 가지 실시예들에서, 임피던스 매칭 네트워크의 일부인 A, B, 및 C는 비어있을 수도 있다(단락됨). 몇 가지 실시예들에서, 부분 B는 인덕터 및 커패시터의 직렬 조합을 포함하고, 부분 C는 비어있다.
풀 브리지 토폴로지는 등가 하프 브릿지 증폭기와 동일한 DC 버스 전압을 사용하여 더 높은 출력 전력 레벨에서의 동작을 허용할 수도 있다. 도 3 의 하프 브릿지 예시적 토폴로지는 싱글엔드(single-ended) 구동 신호를 제공할 수도 있는 반면에 도 4 의 예시적 풀 브리지 토폴로지는 소스 공진기(308)로 차동 구동을 제공할 수도 있다. 임피던스 매칭 토폴로지 및 컴포넌트 및 공진기 구조는 본 명세서에서 논의된 바와 같이 두 개의 시스템에 대하여 상이할 수도 있다.
도 3 및 도 4 에서 묘사되는 예시적인 시스템은 소스 증폭기 내의 마이크로콘트롤러의 셧다운을 트리거링하거나 증폭기의 동작을 변경하거나 인터럽트하기 위하여 사용될 수도 있는 결함 검출 회로부(340)를 더 포함할 수도 있다. 이러한 보호 회로부는 증폭기 반환 전류, DC 서플라이(304)로부터의 증폭기 버스 전압(Vbus), 전압 소스 공진기(308) 및/또는 선택적인 튜닝 보드 양단의 전압, 또는 시스템 내의 컴포넌트에 손상을 야기할 수도 있거나 바람직하지 않은 동작 상태를 제공할 수도 있는 임의의 다른 전압 또는 전류 신호를 모니터링하기 위한 고속 비교기 또는 비교기들을 포함할 수도 있다. 바람직한 실시예는 상이한 애플리케이션들과 연관된 잠재적으로 바람직하지 않은 동작 모드에 의존할 수도 있다. 몇 가지 실시예들에서, 보호 회로부는 구현되지 않을 수도 있고, 회로는 파퓰레이션되지 않을 수도 있다. 몇 가지 실시예들에서, 시스템 및 컴포넌트 보호는 마스터 제어 알고리즘 및 다른 시스템 모니터링 및 제어 회로의 일부분으로서 구현될 수도 있다. 실시예들에서, 전용 결함 회로부(340)는 시스템 셧다운, 출력 전력의 감소(예를 들어 Vbus의 감소), PWM 발전기로의 변경, 동작 주파수에서의 변화튜닝 소자로의 변경, 또는 동작 포인트 모드를 조절하고, 시스템 성능을 개선하며, 및/또는 보호를 제공하기 위하여 제어 알고리즘(328)에 의하여 구현될 수도 있는 임의의 다른 타당한 액션을 트리거링할 수도 있는 마스터 제어 알고리즘(328)에 커플링된 출력(미도시)을 포함할 수도 있다.
도 3 및 도 4 에서 묘사되는 예시적인 시스템은 스위치로 공급된 DC(또는 천천히 변동하는 AC) 전력이 변동하는 전력 및/또는 출력 임피던스를 가진 전력 소스로부터 얻어질 수 있도록 구성될 수도 있다. 예를 들어, DC 서플라이(304)는 모두 배터리 전하 상태의 함수로서 변동하는 출력 전압 및 출력 저항을 가진 배터리를 포함할 수도 있다. 또는, DC 서플라이(304)는 태양 조명 및 온도와 같은 환경적 상태의 함수로서 변동할 수도 있는 전압 및/또는 전류를 가진 광발전 패널을 포함할 수도 있다. 실시예들에서, Vbus 제어기(326)는 효율적 무선 에너지 전송이 가능하도록 가변 전력 소스의 출력 임피던스의 튜닝을 허용할 수도 있다. 다른 실시예들에서, PWM 발전기는 트랜지스터(336)를 스위칭하기 위한 위상각의 조절을 허용함으로써 최적 전력이 가변 전력 소스로부터 추출될 수 있게 할 수도 있다. 예를 들어, 스위칭 시간은 증폭기의 입력 임피던스가 가변 전력 소스의 출력 임피던스와 매칭하도록 선택될 수도 있다. 다른 예들에서, 예컨대 광발전 패널에 대해서는, 스위칭 시간은 임피던스가 광전지 패널로부터의 에너지 추출을 최적화하는 광전지 패널의 출력에 인가되도록 선택될 수도 있다. 당업자들은 이러한 일반적 원리가 풍력 발전기, 열병합(heat-powered) 발전기, 수력 발전기, 연료 셀, 배터리, 및 기타 등등을 포함하는 다른 가변 전력 소스에 적용된다는 것을 이해할 것이다.
본 명세서에서 설명된 바와 같이, 무선 전력 전송 시스템 내의 소스는 소스 공진기 코일(344)을 구동하는 임피던스 매칭 네트워크(342)의 입력 임피던스의 측정치를 마스터 제어 알고리즘의 일부일 수도 있는 시스템 제어 루프에 대한 에러 또는 제어 신호로서 사용할 수도 있다. 예시적인 실시예에서, 3 개의 파라미터의 임의의 조합에서의 변동은, 환경적 상태에서의 변화, 커플링에서의 변화, 디바이스 전력 수요에 대한 변화, 모듈, 회로, 컴포넌트 또는 서브시스템 성능에서의 변화, 시스템 내의 소스, 디바이스, 또는 리피터의 개수에서의 증가 또는 감소, 사용자에 의하여 개시된 변화, 및 기타 등등을 보상하기 위해서 무선 전력 소스를 튜닝하기 위하여 사용될 수도 있다. 예시적인 실시예에서, 증폭기 듀티 사이클로의, 가변 커패시터 및 인덕터와 같은 가변 전기 컴포넌트의 컴포넌트 값으로의, 그리고 DC 버스 전압으로의 변화가 무선 소스의 동작 포인트 또는 동작 범위를 변경시키고 몇몇 시스템 동작 값을 개선하기 위하여 사용될 수도 있다. 상이한 애플리케이션들에 대하여 채용된 제어 알고리즘들의 세부 사항은 원하는 시스템 성능 및 거동에 의존하여 변동할 수도 있다.
본 명세서에서 설명된 바와 같으며 도 3 및 도 4 에서 도시되는 임피던스 측정 회로부는 2-채널 동시 샘플링 ADC를 사용하여 구현될 수도 있고 이러한 ADC는 마이크로콘트롤러 칩에 통합될 수도 있으며 또는 별개의 회로의 일부일 수도 있다. 소스 공진기의 임피던스 매칭 네트워크로의 입력에서의 및/또는 소스 공진기에서의 전압 및 전류 신호의 동시 샘플링은 전류 및 전압 신호의 위상 및 크기 정보를 제공할 수도 있고 또한 공지된 신호 처리 기법을 사용하여 처리되어 복소 임피던스 파라미터를 제공할 수도 있다. 몇 가지 실시예들에서, 전압 신호만을 또는 전류 신호만을 모니터링하는 것도 충분할 수도 있다.
본 명세서에서 설명되는 임피던스 측정은 몇몇 다른 공지된 샘플링 방법보다 상대적으로 더 간단할 수도 있는 직접적 샘플링 방법을 사용할 수도 있다. 실시예들에서, 측정된 전압 및 전류 신호는 ADC로 입력되기 이전에 필터링/버퍼링 회로부에 의하여 컨디셔닝되고, 필터링되며, 스케일링될 수도 있다. 실시예들에서, 필터/버퍼링 회로부는 다양한 신호 레벨 및 주파수에서 동작하도록 조절될 수도 있고, 필터 형상 및 폭과 같은 회로 파라미터는 제어 신호에 응답하여 마스터 제어 알고리즘, 및 기타 등등에 의하여 수동으로, 전자적으로, 자동으로 조절될 수도 있다. 필터/버퍼링 회로의 예시적인 실시예가 도 3, 도 4, 및 도 5 에 도시된다.
도 5 는 필터/버퍼링 회로부 내에서 사용될 수도 있는 예시적인 회로 컴포넌트의 더 상세한 도면을 도시한다. 실시예들에서, 그리고 시스템 디자인에서 사용되는 ADC의 타입에 의존하여, 싱글엔드 증폭기 토폴로지는 시스템, 서브시스템, 모듈 및/또는 컴포넌트 성능을 특징짓기 위하여 사용되는 아날로그 신호 측정 경로의 복잡성을 차동 포맷으로부터 싱글엔드 신호 포맷으로 변환시키기 위한 하드웨어에 대한 필요성을 제거함으로써 감소시킬 수도 있다. 다른 구현형태들에서는, 차동 신호 포맷이 바람직할 수도 있다. 도 5 에 도시되는 구현형태는 예시적인 것이며, 본 명세서에서 설명된 기능성을 구현하기 위한 가능한 유일한 방법인 것으로 해석되어서는 안된다. 오히려 아날로그 신호 경로가 상이한 입력 요구 사항을 가지는 컴포넌트들을 채용할 수 있으며, 따라서 상이한 신호 경로 아키텍처를 가질 수도 있다는 것이 이해되어야 한다.
싱글엔드 및 차동 증폭기 토폴로지 모두에서, 공진기 코일(344)을 구동하는 임피던스 매칭 네트워크(342)로의 입력 전류는 커패시터(324) 양단의, 전압을 측정함으로써, 또는 몇몇 타입의 전류 센서를 통하여 획득될 수도 있다. 도 3 에서의 예시적인 싱글엔드 증폭기 토폴로지에 대하여, 전류는 임피던스 매칭 네트워크(342)로부터의 접지 반환 경로 상에서 감지될 수도 있다. 도 4 에서 묘사되는 예시적인 차동 전력 증폭기에서, 공진기 코일(344)을 구동하는 임피던스 매칭 네트워크(342)로의 입력 전류는 커패시터(324)의 단자 양단의 차동 증폭기를 사용하여 또는 몇몇 타입의 전류 센서를 통하여 측정될 수도 있다. 도 4 의 차동 토폴로지에서, 커패시터(324)는 소스 전력 증폭기의 음의 출력 단자에서 반복될 수도 있다.
양자의 토폴로지에서, 소스 공진기 및 임피던스 매칭 네트워크로의 입력 전압 및 전류를 나타내는 싱글엔드 신호가 획득된 이후에, 이 신호는 필터링(502)되어 신호 파형의 원하는 부분을 획득할 수도 있다. 실시예들에서, 신호는 필터링되어 신호의 기본 컴포넌트를 획득할 수도 있다. 실시예들에서, 수행된 필터링의 타입, 예컨대 저역 통과, 대역통과, 노치, 및 기타 등등, 및 사용된 필터 토폴로지, 예컨대 타원형, 체비세프(Chebyshev), 버터워스(Butterworth), 및 기타 등등은 시스템의 특정한 요구 사항에 의존할 수도 있다. 몇 가지 실시예들에서는 필터링이 요구되지 않을 것이다.
전압 및 전류 신호는 선택적인 증폭기(504)에 의하여 증폭될 수도 있다. 선택적인 증폭기(504)의 이득은 고정되거나 가변일 수도 있다. 증폭기의 이득은 제어 신호, 및 기타 등등에 응답하여 수동으로, 전자적으로, 자동으로 제어될 수도 있다. 증폭기의 이득은 제어 알고리즘에 응답하여, 마스터 제어 알고리즘에 따라 및 기타 등등에 의해 피드백 루프에서 조절될 수도 있다. 실시예들에서, 증폭기에 대한 요구된 성능 사양은 신호 강도 및 원하는 측정 정확도에 의존할 수도 있고, 상이한 애플리케이션 시나리오 및 제어 알고리즘에 대해 상이할 수도 있다.
측정된 아날로그 신호는 이들에 가산된 DC 오프셋을 가질 수도 있는데(506), 이것은 신호를 몇몇 시스템에서는 0 내지 3.3V일 수도 있는 ADC의 입력 전압 범위 내로 이동시키기 위하여 요구될 수도 있다. 몇몇 시스템에서는 이러한 스테이지는 사용되는 특정 ADC의 사양에 의존하여 요구되지 않을 수도 있다.
위에서 설명된 바와 같이, 전력 발전기 및 전력 부하 사이의 전력 송신의 효율은 발전기의 출력 임피던스가 부하의 입력 임피던스에 얼마나 근접하게 매칭되는지에 의하여 영향받을 수도 있다. 도 6a 에 도시된 바와 같은 예시적인 시스템에서, 부하(604)의 입력 임피던스가 전력 발전기 또는 전력 증폭기(602)의 내부 임피던스의 공액복소수와 같은 경우 전력은 최대 가능한 효율에서 전달될 수도 있다. 높은 및/또는 최대 전력 송신 효율을 획득하기 위하여 발전기 또는 부하 임피던스를 설계하는 것은 "임피던스 매칭"이라고 불릴 수도 있다. 임피던스 매칭은, 도 6b 에 도시된 바와 같이, 커패시터, 저항, 인덕터, 변압기, 스위치, 및 기타 등등과 같은 소자의 적합한 네트워크 또는 세트를 추가하여 임피던스 매칭 네트워크(606)를 전력 발전기(602) 및 전력 부하(604) 사이에 형성함으로써 수행될 수도 있다. 다른 실시예들에서, 소자 포지셔닝에서의 기계적 조절 및 변화가 임피던스 매칭을 획득하기 위하여 사용될 수도 있다. 변동하는 부하에 대하여 위에서 설명된 바와 같이, 임피던스 매칭 네트워크(606)는 발전기 단자에서 부하를 바라보는 임피던스 및 발전기의 특성 임피던스가 심지어 동적 환경 및 동작 시나리오에서도 서로 실질적으로 공액복소수인 상태로 남는 것을 보정하기 위하여 동적으로 조절되는 가변 컴포넌트를 포함할 수도 있다. 실시예들에서, 도 6c 에 묘사된 바와 같이, 동적 임피던스 매칭은 전력 발전기의 구동 신호의 듀티 사이클, 및/또는 위상, 및/또는 주파수를 튜닝함으로써 또는 전력 발전기 내의 물리적 컴포넌트, 예컨대 커패시터를 튜닝함으로써 달성될 수도 있다. 이러한 튜닝 매커니즘은 이것이 튜닝가능 임피던스 매칭 네트워크의 사용이 없이, 또는 예를 들어 더 적은 튜닝가능 컴포넌트를 가지는 것과 같은 단순화된 튜닝가능 임피던스 매칭 네트워크(606)를 가지고 전력 발전기(608) 및 부하 사이에 임피던스 매칭을 허용할 수도 있기 때문에 이로울 수도 있다. 실시예들에서, 전력 발전기로의 구동 신호의 듀티 사이클, 및/또는 주파수, 및/또는 위상을 튜닝하는 것은 연장된 튜닝 범위 또는 정밀도를 가지고, 더 높은 전력, 전압 및/또는 전류 성능을 가지며, 더 빠른 전자적 제어를 가지고, 더 적은 외부 컴포넌트를 가지는 등의 동적 임피던스 매칭 시스템을 제공할 수도 있다. 아래에서 설명되는 임피던스 매칭 방법, 아키텍처, 알고리즘, 프로토콜, 회로, 측정, 제어, 및 기타 등등은 전력 발전기가 고-Q 자기적 공진기를 구동하는 시스템에서 그리고 본 명세서에서 설명된 바와 같은 고-Q 무선 전력 송신 시스템에서 유용할 수도 있다. 무선 전력 전송 시스템에서 전력 발전기는, 가끔 소스 공진기라고 불리며 전력 증폭기로의 부하일 수도 있는 공진기를 구동하는 전력 증폭기일 수도 있다. 무선 전력 애플리케이션에서, 전력 증폭기 및 공진기 부하 사이의 임피던스 매칭을 제어하여 전력 증폭기로부터 공진기로의 전력 전달의 효율을 제어하는 것이 바람직할 수도 있다. 임피던스 매칭은 공진기를 구동하는 전력 증폭기의 구동 신호의 듀티 사이클, 및/또는 위상, 및/또는 주파수를 튜닝하거나 조절함으로써 달성되거나 또는 부분적으로 달성될 수도 있다.
스위칭 증폭기의 효율
스위칭 증폭기, 예컨대 클래스 D, E, F 증폭기, 및 기타 등등 또는 이들의 임의의 조합은 전력이 증폭기의 스위칭 소자 내에서 거의 소모되지 않는 경우에 스위칭 소자에서 부하로 전력을 전달한다. 이러한 동작 조건은 가장 치명적인(즉 스위칭 손실로 가장 많이 유도할 것으로 보이는) 스위칭 동작이 스위칭 소자 양단의 전압 및 스위칭 소자를 통과하는 전류 모두가 거의 제로일 경우에 완료되도록 시스템을 설계함으로써 달성될 수도 있다. 이러한 조건은 각각 제로 전압 스위칭(ZVS) 및 제로 전류 스위칭(ZCS) 조건이라고 지칭될 수도 있다. 증폭기가 ZVS 및 ZCS에서 동작하는 경우, 스위칭 소자 양단의 전압 또는 스위칭 소자를 통과하는 전류 중 어느 하나는 제로이고, 따라서 전압은 스위치에서 소모될 수 없다. 스위칭 증폭기가 DC(또는 매우 저 주파수 AC) 전력을 특정한 주파수 또는 주파수들의 범위에서 AC 전력으로 변환할 수도 있기 때문에, 필터가 부하 이전에 도입되어 스위칭 프로세스에 의하여 생성될 수도 있는 원치 않는 고조파가 부하에 도달하거나 거기에서 소모되는 것을 방지할 수도 있다. 실시예들에서, 스위칭 증폭기는 품질 인자(예를 들어 Q>5)를 가지고 특정한 임피던스 
인 공진 부하에 연결되는 경우 전력 변환의 최대 효율에서 동작하도록 설계될 수도 있는데, 이것은 동시적 ZV 및 ZCS를 야기한다. 우리는 
를 증폭기의 특성 임피던스라고 정의하며, 따라서 최대 전력 송신 효율을 획득하는 것은 공진 부하를 증폭기의 특성 임피던스에 임피던스 매칭시키는 것과 등가이다.
스위칭 증폭기에서, 스위칭 소자의 스위칭 주파수 f switch 및 스위칭 소자의 ON 스위치-상태 지속기간의 듀티 사이클 dc는 증폭기의 모든 스위칭 소자에 대하여 동일할 수도 있는데, 여기에서 f switch =
이다. 본 명세서, 우리는 "클래스 D"라는 용어를 클래스 D 및 클래스 DE 증폭기, 즉 dc<=50%인 스위칭 증폭기를 나타내기 위하여 사용할 것이다.
증폭기의 특성 임피던스의 값은 동작 주파수, 증폭기 토폴로지, 및 스위칭 소자의 스위칭 시퀀스에 의존할 수도 있다. 몇 가지 실시예들에서, 스위칭 증폭기는 하프-브릿지 토폴로지이고, 몇 가지 실시예들에서는 풀-브리지 토폴로지일 수도 있다. 몇 가지 실시예들에서, 스위칭 증폭기는 클래스 D일 수도 있고, 몇 가지 실시예들에서는 클래스 E일 수도 있다. 위의 실시예들 중 임의의 것에서 브릿지의 소자들이 대칭적이라고 가정하면, 스위칭 증폭기의 특성 임피던스는 수학식 1 의 형태를 가진다.
수학식 1 에서 dc는 스위칭 소자의 ON 스위치-상태의 듀티 사이클이고, 함수 
및 
가 도 7 에서 도시되며(클래스 D 및 E 모두에 대해서), 
는 스위칭 소자가 스위칭되는 주기이고, 그리고 
이고 
는 각각의 스위치 양단의 커패시턴스로서, 트랜지스터 출력 커패시턴스 및 스위치와 병렬로 배치된 가능한 외부 커패시터를 포함하는 값이고, 여기에서 풀 브리지에 대하여 
이고 하프 브릿지에 대하여 
이다. 클래스 D에 대하여, 수학식 2 의 해석적 수학식을 쓸 수 있다
여기에서 
이고, 이것은 클래스 D 증폭기의 특성 임피던스 레벨이 듀티 사이클 dc가 50%를 향하여 증가할 때에 감소한다는 것을 표시한다. dc=50%인 클래스 D 증폭기 동작에 대하여, ZVS 및 ZCS를 획득하는 것은 스위칭 소자들이 실질적으로 출력 커패시턴스를 가지지 않고(
) 부하가 정확하게 공진하는 상태에 있을 경우에만(
) 가능한데, 하지만 
는 임의의 것일 수 있다.
임피던스 매칭 네트워크
애플리케이션들에서, 구동된 부하는 이것에 연결되는 외부 구동 회로의 특성 임피던스로부터 매우 상이한 임피던스를 가질 수도 있다. 더욱이, 구동된 부하는 공진 네트워크가 아닐 수도 있다. 임피던스 매칭 네트워크(IMN)는 도 6b 에 도시된 바와 같이, IMN 회로 및 부하로 이루어진 네트워크의 입력에서 바라본 임피던스를 조절하기 위하여 부하 앞에 연결될 수도 있는 회로 네트워크 이다. IMN 회로는 구동 주파수에 근접한 공진을 생성함으로써 이러한 조절을 통상적으로 획득할 수도 있다. 이러한 IMN 회로가 발전기로부터 부하로의 전력 송신 효율을 최대화(공진 및 임피던스 매칭 - 스위칭 증폭기에 대한 ZVS 및 ZCS)하기 위하여 필요한 모든 조건들을 달성하기 때문에, 실시예들에서 IMN 회로가 구동 회로 및 부하 사이에서 사용될 수도 있다.
도 6b 에 도시되는 장치에서, 임피던스 매칭 네트워크(IMN) 회로 및 부하(이제부터는 함께 IMN+load로 표시됨)로 이루어진 네트워크의 입력 임피던스를 
라고 한다. 특성 임피던스 
를 가진 외부 회로로의 이러한 네트워크의 임피던스 매칭 조건은 그러면 
, 
가 된다.
가변 부하의 튜닝가능 임피던스 매칭을 위한 방법
부하들이 가변일 수도 있는 실시예들에서, 부하 및 외부 구동 회로, 예컨대 선형 또는 스위칭 전력 증폭기 사이의 임피던스 매칭은 변동하는 부하를 외부 회로의 고정된 특성 임피던스 
로 매칭시키도록 조절될 수도 있는 IMN 회로 내의 조절가능/튜닝가능 컴포넌트들을 사용함으로써 달성될 수도 있다(도 6b). 임피던스의 실수 및 허수 부분 모두를 매칭시키기 위하여 IMN 회로 내에 두 개의 튜닝가능/가변 소자가 필요할 수도 있다.
실시예들에서, 부하는 임피던스 
를 가지는 유도성(공진기 코일과 같은)일 수도 있으며, 따라서 IMN 회로 내의 두 개의 튜닝가능 소자는 두 개의 튜닝가능 커패시턴스 네트워크이거나 하나의 튜닝가능 커패시턴스 네트워크 및 하나의 튜닝가능 인덕턴스 네트워크이거나 또는 하나의 튜닝가능 커패시턴스 네트워크 및 하나의 튜닝가능 상호 인덕턴스 네트워크일 수도 있다.
부하가 가변일 수도 있는 실시예들에서, 부하 및 구동 회로, 예컨대 선형 또는 스위칭 전력 증폭기 사이의 임피던스 매칭은 증폭기의 특성 임피던스 
를 IMN 회로 및 부하(IMN+load)로 이루어진 네트워크의 변동하는(부하 변동에 기인함) 입력 임피던스에 매칭시키기 위하여 조절될 수도 있는 증폭기 회로 내의 조절가능/튜닝가능 컴포넌트 또는 파라미터를 사용함으로써 달성될 수도 있는데, 여기에서 IMN 회로도 역시 튜닝가능할 수도 있다(도 6c). 임피던스의 실수 및 허수 부분 모두를 매칭시키기 위하여, 증폭기 및 IMN 회로 내에 증폭기 및 IMN 회로가 필요할 수도 있다. 개시된 임피던스 매칭 방법은 IMN 회로 내에 튜닝가능/가변 소자의 요구되는 개수를 감소시키거나, 심지어는 IMN 회로 내의 튜닝가능/가변 소자에 대한 요구를 완전히 제거시킬 수 있다. 몇 가지 예들에서, 전력 증폭기 내의 하나의 튜닝가능 소자 및 IMN 회로 내의 하나의 튜닝가능 소자가 사용될 수도 있다. 몇 가지 예들에서, 전력 증폭기 내의 두 개의 튜닝가능 소자가 사용되고 및 IMN 회로 내의 튜닝가능 소자는 사용되지 않을 수도 있다.
실시예들에서, 전력 증폭기 내의 튜닝가능 소자 또는 파라미터는 트랜지스터, 스위치, 다이오드 및 기타 등등에 인가되는 구동 신호의 주파수, 진폭, 위상, 파형, 듀티 사이클 등일 수도 있다.
실시예들에서, 튜닝가능 특성 임피던스를 가지는 전력 증폭기는 클래스 D, E, F의 튜닝가능 스위칭 증폭기 또는 임의의 이들의 조합일 수도 있다. 수학식 1 및 수학식 2 를 결합하면, 이러한 네트워크에 대한 임피던스 매칭 조건은
이다.
튜닝가능 스위칭 증폭기의 몇 가지 예들에서, 하나의 튜닝가능 소자는 커패시턴스 
일 수도 있으며, 이것은 스위칭 소자와 병렬로 배치된 외부 커패시터를 튜닝함으로써 튜닝될 수도 있다.
튜닝가능 스위칭 증폭기의 몇 가지 예들에서, 하나의 튜닝가능 소자는 듀티 증폭기의 스위칭 소자의 ON 스위치-상태의 사이클 dc일 수도 있다. 듀티 사이클 dc를 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation; PWM)를 통하여 조절하는 것이 출력 전력 제어를 획득하기 위하여 증폭기를 스위칭하는 데에 사용되어 왔다. 본 명세서에서, 우리는 PWM이 임피던스 매칭을 획득하고, 즉 수학식 3 을 만족시키고, 따라서 증폭기 효율을 최대화하기 위하여 역시 사용될 수도 있다는 것을 개시한다.
튜닝가능 스위칭 증폭기의 몇 가지 예들에서 하나의 튜닝가능 요소는 스위칭 주파수인데, 이것도 역시 IMN+load 네트워크의 구동 주파수 이고 IMN+load 네트워크의 공진 주파수에 거의 근접하도록 설계될 수도 있다. 스위칭 주파수를 튜닝하는 것은 증폭기의 특성 임피던스 및 IMN+load 네트워크의 임피던스를 변화시킬 수도 있다. 증폭기의 스위칭 주파수는 수학식 3 이 만족되도록 다른 하나의 튜닝가능 파라미터와 함께 적절하게 튜닝될 수도 있다.
동적 임피던스 매칭을 위하여 증폭기의 듀티 사이클 및/또는 구동 주파수를 튜닝하는 것의 장점은, 이러한 파라미터들이 전자적으로, 신속하게, 및 넓은 범위에 걸쳐 튜닝될 수 있다는 것이다. 이에 반해, 예를 들어 큰 전압을 유지할 수 있고 충분히 큰 튜닝가능 범위 및 품질 인자를 가지는 튜닝가능 커패시터는 고가이고, 저속이거나, 또는 필요한 컴포넌트 사양에 대해서는 이용불가능할 수도 있다.
가변 부하의 튜닝가능 임피던스 매칭을 위한 방법의 예
클래스 D 전력 증폭기(802), 임피던스 매칭 네트워크(804) 및 유도성 부하(806)의 회로 레벨 구조를 나타내는 단순화된 회로도가 도 8 에 도시된다. 이 도면은 스위칭 증폭기(804)를 가지며 전력 소스(810), 스위칭 소자(808), 및 커패시터를 포함하는 시스템의 기본적인 컴포넌트를 도시한다. 임피던스 매칭 네트워크(804)는 인덕터 및 저항으로서 모델링된 인덕터 및 커패시터, 및 부하(806)를 포함한다.
이러한 진보적인 튜닝 기법의 예시적인 실시예는 스위칭 주파수 f에서 동작하며 저-손실 유도성 소자 
를 도 8 에 도시된 바와 같이 IMN을 통하여 구동하는 하프-브릿지 클래스-D 증폭기를 포함한다.
몇 가지 실시예들에서 
는 튜닝가능할 수도 있다. 
은 인덕터 상의 가변 태핑 포인트에 의하여 또는 튜닝가능 커패시터를 인덕터에 직렬로 또는 병렬로 연결시킴으로써 튜닝될 수도 있다. 몇 가지 실시예들에서 
는 튜닝가능할 수도 있다. 하프 브릿지 토폴로지에 대하여, 
는 커패시터 
중 하나 또는 두 개 모두를 변경함으로써 튜닝될 수도 있는데, 이것은 이러한 커패시터들의 병렬 합만이 증폭기 동작을 위하여 중요하기 때문이다. 풀 브리지 토폴로지에 대하여, 
는 커패시터 
중 하나, 두 개, 세 개, 또는 모두를 변경함으로써 튜닝될 수도 있는데, 이것은 이들의 조합(브릿지의 두 개의 절반들과 연관된 두 개의 병렬 합들의 직렬 합)만이 증폭기 동작을 위하여 중요하기 때문이다.
튜닝가능 임피던스 매칭의 몇 가지 실시예들에서, IMN의 컴포넌트 중 두 개가 튜닝가능할 수도 있다. 몇 가지 실시예들에서, 
및 
가 튜닝될 수도 있다. 그러면, 도 9 는 임피던스 매칭을 획득하기 위하여 필요한 두 개의 튜닝가능 컴포넌트의 값들을 유도성 소자의 변동하는 R 및 L의 함수로서, 그리고 
, 
, 
및 
에 대한 증폭기의 출력 전력(주어진 DC 버스 전압에서의)의 연관된 변동을 보여준다. IMN이 증폭기의 고정된 특성 임피던스로 조절되기 때문에, 출력 전력은 유도성 소자가 변동할 때 언제나 일정하다.
튜닝가능 임피던스 매칭의 몇 가지 실시예들에서, 스위칭 증폭기 내의 소자들도 역시 튜닝가능할 수도 있다. 몇 가지 실시예들에서 커패시턴스 
와 함께 IMN 커패시터 
가 튜닝될 수도 있다. 그러면, 도 10 은 임피던스 매칭을 획득하기 위하여 필요한 두 개의 튜닝가능 컴포넌트의 값들을 유도성 소자의 변동하는 R 및 L의 함수로서, 그리고 
, 
, 
및 
에 대한 증폭기의 출력 전력(주어진 DC 버스 전압에서의)의 연관된 변동을 보여준다. 도 10 으로부터, 
가 주로 
에서의 변동에 응답하여 튜닝될 필요가 있다는 것 그리고 출력 전력은 
이 증가함에 따라 감소한다는 것이 유추될 수 있다.
튜닝가능 임피던스 매칭의 몇 가지 실시예들에서, 듀티 사이클 dc는 IMN 커패시터 
와 함께 튜닝될 수도 있다. 그러면, 도 11d 는 임피던스 매칭을 획득하기 위하여 필요한 두 개의 튜닝가능 파라미터들의 값들을 유도성 소자의 변동하는 R 및 L의 함수로서, 그리고 
, 
, 
및 
에 대한 증폭기의 출력 전력(주어진 DC 버스 전압에서의)의 연관된 변동을 보여준다. 도 11d 로부터, 
가 주로 
에서의 변동에 응답하여 튜닝될 필요가 있다는 것 그리고 출력 전력은 
이 증가함에 따라 감소한다는 것이 유추될 수 있다.
튜닝가능 임피던스 매칭의 몇 가지 실시예들에서, 커패시턴스 
는 IMN 인덕터 
와 함께 튜닝될 수도 있다. 그러면, 도 11a 는 임피던스 매칭을 획득하기 위하여 필요한 두 개의 튜닝가능 컴포넌트의 값들을 유도성 소자의 변동하는 R의 함수로서, 그리고 
, 
, 
및 
에 대한 증폭기의 출력 전력(주어진 DC 버스 전압에서의)의 연관된 변동을 보여준다. 도 11a 로부터 출력 전력은 
가 증가함에 따라서 감소한다는 것이 유추될 수 있다.
튜닝가능 임피던스 매칭의 몇 가지 실시예들에서, 듀티 사이클 dc는 IMN 인덕터 
와 함께 튜닝될 수도 있다. 그러면, 도 11b 는 임피던스 매칭을 획득하기 위하여 필요한 두 개의 튜닝가능 파라미터들의 값들을 유도성 소자의 변동하는 R의 함수로서, 그리고 
, 
, 
및 
에 대한 증폭기의 출력 전력(주어진 DC 버스 전압에서의)의 연관된 변동을 유도성 소자의 변동하는 R의 함수로서 보여준다. 도 11b 로부터 출력 전력은 
가 증가함에 따라서 감소한다는 것이 유추될 수 있다.
튜닝가능 임피던스 매칭의 몇 가지 실시예들에서, IMN 내에는 튜닝가능 소자가 없고 스위칭 증폭기 내의 소자들만이 튜닝가능할 수도 있다. 몇 가지 실시예들에서 듀티 사이클 dc와 함께 커패시턴스 
가 튜닝될 수도 있다. 그러면, 도 11a 는 임피던스 매칭을 획득하기 위하여 필요한 두 개의 튜닝가능 파라미터들의 값들을 유도성 소자의 변동하는 R의 함수로서, 그리고 
, 
, 
및 
에 대한 증폭기의 출력 전력(주어진 DC 버스 전압에서의)의 연관된 변동을 보여준다. 도 11c 로부터 출력 전력이 
의 비-단조 함수라는 것이 유추될 수 있다. 이러한 실시예는 L(및 따라서 공진 주파수)에서의 변동이 적은 경우에 동적 임피던스 매칭을 획득할 수 있을 수도 있다.
몇 가지 실시예들에서, IMN 내의 고정된 소자가 있고, 또한 
이 이미 설명된 바와 같이 크게 변동하는 경우의 동적 임피던스 매칭은, 외부 주파수 f의 구동 주파수(예를 들어 스위칭 증폭기의 스위칭 주파수)를 변경하여 이것이 공진기의 변동하는 공진 주파수를 추종하도록 함으로써 달성될 수도 있다. 스위칭 주파수 f 및 스위치 듀티 사이클 dc를 두 개의 가변 파라미터로서 사용함으로써, 풀 임피던스 매칭이 
및 
이 임의의 가변 컴포넌트의 필요가 없이 변동할 때 획득될 수 있다. 그러면, 도 12 는 임피던스 매칭을 획득하기 위하여 필요한 두 개의 튜닝가능 파라미터들의 값들을 유도성 소자의 변동하는 R 및 L의 함수로서, 그리고 
, 
, 
및 
에 대한 증폭기의 출력 전력(주어진 DC 버스 전압에서의)의 연관된 변동을 보여준다. 도 12 로부터, 주파수 
가 이미 설명된 바와 같이 주로 
에서의 변동에 응답하여 튜닝될 필요가 있다는 것이 유추될 수 있다.
무선 전력 송신의 시스템에 대한 튜닝가능 임피던스 매칭
무선 전력 전송의 애플리케이션들에서, 저-손실 유도성 소자는 하나 이상의 디바이스 공진기 또는 다른 공진기, 예컨대 예를 들어 리피터 공진기에 커플링된 소스 공진기의 코일 일 수도 있다. 유도성 소자의 임피던스 
은 소스 공진기의 코일 상의 다른 공진기의 반사 임피던스를 포함할 수도 있다. 유도성 소자의 
및 
의 변동은 소스 공진기 및/또는 다른 공진기 근방에서의 외부 외란 또는 컴포넌트의 열적 드리프트(thermal drift)에 기인하여 발생할 수도 있다. 유도성 소자의 
및 
의 변동은 디바이스 및 다른 공진기의 소스에 대한 상대적인 모션에 기인하여 무선 전력 송신 시스템의 정상 사용 도중에도 역시 발생할 수도 있다. 이러한 디바이스들 및 다른 공진기의 소스에 대한 상대적인 모션, 또는 다른 소스들의 상대적인 모션 또는 포지션은 소스로의 디바이스의 변동하는 커플링(및 따라서 변동하는 반사 임피던스)을 초래할 수도 있다. 더욱이, 유도성 소자의 
및 
의 변동도 역시 다른 커플링된 공진기 내의 변화, 예컨대 그들의 부하의 전력 드로(power draw)에서의 변화에 기인하여 무선 전력 송신 시스템의 정상 사용 도중에도 발생할 수도 있다. 지금까지 개시된 모든 방법 및 실시예도 역시 이것을 구동하는 외부 회로에 대한 이러한 유도성 소자의 동적 임피던스 매칭을 달성하기 위하여 이러한 케이스에 적용된다.
무선 전력 송신 시스템에 대한 현재 개시된 동적 임피던스 매칭 방법을 시연하기 위하여, 저항성 부하를 구동하는 디바이스 공진기로 유도성 커플링된 저-손실 소스 코일을 포함하는 소스 공진기를 고려한다.
몇 가지 실시예들에서, 동적 임피던스 매칭은 소스 회로에서 획득될 수도 있다. 몇 가지 실시예들에서, 동적 임피던스 매칭은 디바이스 회로에서도 역시 획득될 수도 있다. 풀 임피던스 매칭이 획득되는 경우(소스 및 디바이스 모두에서), 소스 유도성 소자의 실효 저항(즉 소스 코일의 저항 
더하기 디바이스로부터의 반사 임피던스)은 
이다. (이와 유사하게 디바이스 유도성 소자의 실효 저항은 
인데, 여기에서 
는 디바이스 코일의 저항이다.) 모션에 기인한 코일들 사이의 상호 인덕턴스의 동적 변동은 결과적으로 
의 동적 변동을 초래한다. 그러므로, 소스 및 디바이스 모두가 동적으로 튜닝되는 경우, 상호 인덕턴스의 변동은 소스 회로측에서 소스 유도성 소자 저항 R의 변동인 것으로 보인다. 이러한 타입의 변동에서, 공진기의 공진 주파수는 크게 변동하지 않을 수도 있는데, 이것은 L이 변화하지 않을 수도 있기 때문이다. 그러므로, 동적 임피던스 매칭에 대해서 제공된 모든 방법 및 예가 무선 전력 송신 시스템의 소스 회로에 대하여 사용될 수도 있다.
저항 
이 소스 코일 및 디바이스 코일의 소스 코일로의 반사된 임피던스 모두를 나타내기 때문에, 도 9 내지 도 12 에서는 
이 증가하는 U에 기인하여 증가할 때, 연관된 무선 전력 송신 효율이 증가한다. 몇 가지 실시예들에서, 거의 일정한 전력이 디바이스 회로부에 의하여 구동되는 부하에서 요구될 수도 있다. 디바이스로 송신되는 전력의 일정한 레벨을 획득하기 위하여, 소스 회로의 요구된 출력 전력은 
가 증가할 때 감소할 필요가 있을 수도 있다. 만일 동적 임피던스 매칭이 증폭기 파라미터 중 일부의 튜닝을 통하여 획득된다면, 증폭기의 출력 전력도 이에 상응하여 변동할 수도 있다. 몇 가지 실시예들에서, 출력 전력의 자동 변동은 
과 함께 단조 감소함으로써, 이것이 일정한 디바이스 전력 요구 사항에 맞도록 하는 것이 바람직하다. 출력 전력 레벨이 전력 발전기의 DC 구동 전압을 조절함으로써 달성되는 실시예들에서, 
에 대해 단조 감소하는 출력 전력을 초래하는 튜닝가능 파라미터의 임피던스 매칭 세트를 사용하는 것은, 일정한 전력이 DC 구동 전압의 적당한 조절만 있으면 디바이스 내의 전력 부하에서 유지될 수 있다는 것을 암시할 것이다. 출력 전력 레벨을 조절하기 위한 "노브"가 듀티 사이클 dc 또는 스위칭 증폭기 또는 임피던스 매칭 네트워크 내의 컴포넌트의 위상인 실시예들에서, 
에 대해 단조 감소하는 출력 전력을 초래하는 튜닝가능 파라미터의 임피던스 매칭 세트를 사용하는 것은, 일정한 전력이 전력 "노브"의 적당한 조절만 있으면 디바이스 내의 전력 부하에서 유지될 수 있다는 것을 암시할 것이다.
도 9 내지 도 12 의 예에서, 만일 
이라면, 범위 
은 근사적으로 
에 대응한다. 이러한 값에 대하여, 도 14 에서, 우리는 쇄선으로 소스 및 디바이스 모두가 동적으로 임피던스 매칭될 때 일정한 전력 레벨을 부하에서 유지하기 위하여 요구되는 출력 전력(DC 전압의 제곱으로 정규화됨)을 나타낸다. 실선 및 쇄선 사이의 유사한 경향은 출력 전력의 이러한 변동을 가진 튜닝가능 파라미터의 세트가 왜 바람직할 수도 있는지를 설명한다.
몇 가지 실시예들에서, 동적 임피던스 매칭이 소스 회로에서 획득될 수도 있는데, 하지만 임피던스 매칭은 디바이스 회로에서는 획득될 수 없거나 또는 부분적으로만 획득될 수도 있다. 소스 및 디바이스 코일 사이의 상호 인덕턴스가 변동함에 따라, 디바이스의 소스로의 변동하는 반사된 임피던스는 소스 유도성 소자의 실효 저항 R 및 실효 인덕턴스 L 모두의 변동을 초래할 수도 있다. 동적 임피던스 매칭을 위하여 지금까지 제공된 방법은 무선 전력 송신 시스템의 튜닝가능 소스 회로에 대하여 적용가능하고 이를 위하여 사용될 수 있다.
일 예로서, 도 14 의 회로를 고려하는데, 여기에서 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
및 
이고, 여기에서 s 및 d는 각각 소스 및 디바이스 공진기를 표시하고 시스템은 
에서 매칭된다. 스위칭 증폭기의 듀티 사이클 dc 및 커패시터 
를 튜닝하는 것은 비-튜닝가능 디바이스가 소스에 상대적으로 이동 중이어서 소스 및 디바이스 사이의 상호 인덕턴스 
을 변경시킬 때에 소스를 동적으로 임피던스 매칭하기 위하여 사용될 수도 있다. 도 14 에서, 우리는 튜닝가능 파라미터의 요구된 값을 증폭기의 DC 전압 당 출력 전력과 함께 나타낸다. 다시 말하건대 쇄선은 부하에서의 전력이 일정한 값이 되도록 하기 위하여 필요할 수 있는 증폭기의 출력 전력을 표시한다.
몇 가지 실시예들에서, 소스 구동 회로의 구동 주파수 
를 튜닝하는 것은 소스 및 하나 이상의 디바이스 사이의 무선 전력 송신의 시스템의 소스에서 동적 임피던스 매칭을 획득하기 위하여 여전히 사용될 수도 있다. 이미 설명된 바와 같이, 이러한 방법은, 심지어 소스 인덕턴스 
그리고 따라서 소스 공진 주파수에 변동이 존재하는 경우에도 소스의 풀 동적 임피던스 매칭을 가능하게 한다. 소스로부터 디바이스로의 효율적 전력 송신을 위하여, 디바이스 공진 주파수는 매칭된 구동 및 소스-공진 주파수를 추종하도록 튜닝되어야 한다. 디바이스 커패시턴스(예를 들어, 도 13 의 실시예에서는 
또는 
)를 튜닝하는 것은, 소스 또는 디바이스 공진기 중 어느 하나의 공진 주파수에 변동이 있을 경우에 필요할 수도 있다. 사실, 다중 소스 및 디바이스를 가지는 무선 전력 전송 시스템에서, 구동 주파수를 튜닝하는 것은 오직 하나의 소스-오브젝트 공진 주파수를 튜닝할 필요성을 완화하는데, 하지만 오브젝트들의 나머지 모두는 그들의 공진 주파수를 구동 주파수에 매칭하도록 튜닝하기 위한 매커니즘(예컨대 튜닝가능 커패시턴스)을 필요로 할 수도 있다.
공진기 열 관리
무선 에너지 전송 시스템에서, 무선 전송 프로세스 도중에 손실되는 에너지의 어느 부분은 열로서 소모된다. 에너지는 공진기 컴포넌트 자체에서 소모될 수도 있다. 예를 들어, 심지어 고-Q 도체 및 컴포넌트도 어느 정도의 손실 또는 저항을 가지고, 이러한 도체 및 컴포넌트는 전류 및/또는 전자기 필드가 이들을 통과하여 흐를 때 가열될 수도 있다. 에너지는 공진기 주위의 물질 및 오브젝트에서 소모될 수도 있다. 예를 들어, 불완전한 도체 또는 유전체 주위 또는 인근 공진기에서 소모된 에디 전류는 그러한 오브젝트를 가열할 수도 있다. 그러한 오브젝트들의 물성에 영향을 주는 것에 추가하여, 이러한 열은 전도 복사(radiative), 또는 대류 프로세스를 통하여 공진기 컴포넌트로 전달될 수도 있다. 이러한 가열 효과들 중 임의의 것이 공진기 Q, 임피던스, 주파수, 등, 및 그러므로 무선 에너지 전송 시스템의 성능에 영향을 줄 수도 있다.
자성 물질의 블록 또는 코어를 포함하는 공진기에서, 열은 히스테리시스 손실에 기인하여 및 유도된 에디 전류로부터 초래된 저항성 손실에 기인하여 자성 물질 내에서 생성될 수도 있다. 양자의 효과는 물질 내의 자속 밀도에 의존하며, 이들 모두는 자속 밀도 또는 에디 전류가 집중되거나 국부화될 수도 있는 지역에서 특히 상당한 양의 열을 생성할 수 있다. 자속 밀도에 추가하여, 진동 자기장의 주파수, 자성 물질 조성 및 손실, 및 자성 물질의 주변 또는 동작 온도 모두가 어떻게 히스테리시스 및 저항성 손실이 물질을 가열하는 지에 영향을 줄 수도 있다.
실시예들에서, 자성 물질의 성질, 예컨대 물질의 타입, 블록의 치수, 및 기타 등등, 및 자기장 파라미터가 특정한 동작 전력 레벨 및 환경에 대하여 선택되어 자성 물질의 가열을 최소화할 수도 있다. 몇 가지 실시예들에서, 자성 물질의 블록 내의 변화, 크랙, 또는 불완전성이 손실 및 무선 전력 송신 애플리케이션 내의 자성 물질의 가열을 증가시킬 수도 있다.
불완전성을 가진 블록, 또는 더 큰 유닛으로 정렬된 자성 물질의 더 작은 사이즈 타일 또는 조각으로 이루어진 것에 대하여, 블록 내의 손실은 균일하지 않을 수도 있고 비균질성이 있거나 자성 물질의 인접한 타일 또는 조각들 사이의 상대적으로 좁은 갭이 있는 지역에 집중될 수도 있다. 예를 들어, 비정규적 갭이 물질의 자기적 블록 내에 존재한다면, 물질을 통과하는 다양한 자속 경로의 실효 자기 저항(reluctance)은 크게 비정규적일 수도 있고 자기장은 자기적 자기 저항이 가장 낮은 블록의 부분에 더욱 집중될 수도 있다. 몇 가지 경우들에서, 실효 자기 저항은 타일 또는 조각들 사이의 갭이 가장 좁은 곳 또는 불완전성의 밀도가 가장 낮은 곳에서 가장 낮을 수도 있다. 자성 물질이 자기장을 유도하기 때문에, 자속 밀도는 블록에 걸쳐 실질적으로 균일하지 않을 수도 있고, 오히려 상대적으로 더 낮은 자기 저항을 제공하는 지역 내에 집중될 수도 있다. 자성 물질의 블록 내의 자기장의 비정규적 집중은 이것들이 물질 내의 비균일한 손실 및 열 소모를 초래할 수도 있기 때문에 바람직하지 않을 수도 있다.
예를 들어, 도 15 에서 묘사되는 바와 같이 도체(1506) 루프의 축에 수직인 심(1508)을 형성하도록 결합되는 자성 물질의 두 개의 개개의 타일(1502, 1504)로 이루어진 자성 물질의 블록을 감싸는 도체(1506)를 포함하는 자기적 공진기를 고려한다. 자성 물질의 타일들(1502, 1504) 사이의 심(1508) 내의 비정규적 갭은 공진기 내의 자기장(1512)(개략적으로 쇄선 자기력선으로 표시됨)이 자성 물질의 단면의 서브 지역(1510) 내에 집중하도록 강제할 수도 있다. 자기장이 최소 자기 저항의 경로를 따를 것이기 때문에, 자성 물질의 두 개의 조각 사이의 에어 갭의 포함하는 경로는 자성 물질의 폭을 자성 물질의 조각이 접촉하거나 더 작은 에어 갭을 가지는 포인트에서 횡단하는 것보다 실효적으로 더 높은 자기 저항 경로를 생성할 수도 있다. 그러므로 자속 밀도는 바람직하게는 자성 물질의 상대적으로 작은 교차 영역을 통해 흐르고, 결과로서 그 작은 영역(1510) 내에 자속의 높은 집중을 초래한다.
관심 대상인 많은 자성 물질에서, 자속 밀도 분포가 더 비균질해지면 더 높은 전체 손실을 초래한다. 더욱이, 더 비균질한 플럭스 분포는 포화를 초래하고 그 자속이 밀집된 영역의 국부화된 가열을 야기할 수도 있다. 국부화된 가열은 자성 물질의 성질을 변경하고, 몇 가지 경우들에서는 손실을 악화시킬 수도 있다. 예를 들어, 몇몇 물질의 동작의 관련된 레짐(regime)에서, 히스테리시스 및 저항성 손실은 온도와 함께 증가한다. 만일 물질을 가열시키는 것이 물질 손실을 증가시켜서, 결과적으로 추가적 가열을 초래한다면, 물질의 온도는 계속하여 증가하고 이를 정정하는 액션이 취해지지 않는다면 심지어 과열될 수도 있다. 몇 가지 실례들에서, 온도는 100 도 이상에 도달할 수도 있고 자성 물질의 성질 및 무선 전력 전송의 성능을 열화시킬 수도 있다. 몇 가지 실례들에서, 자성 물질은 손상될 수도 있고, 또는 주위의 전자적 컴포넌트, 패키징 및/또는 엔클로저가 과도한 열에 의해 손상될 수도 있다.
실시예들에서, 자성 물질의 블록의 타일 또는 조각들 사이의 변동 또는 비정규성은, 타일 또는 조각의 에지를 머시닝, 연마, 그라인딩, 및 기타 등등하여 자성 물질의 타일들 사이의 타이트한 맞춤을 보장하여 자성 물질의 블록의 전체 단면에 걸쳐 실질적으로 더 균일한 자기 저항을 보장함으로써 최소화될 수도 있다. 실시예들에서, 자성 물질의 블록은 타일들 사이에 압축력을 제공하여 타일들이 갭이 없이 서로 타이트하게 눌려지게 보장하기 위한 수단을 요구할 수도 있다. 실시예들에서, 접착제가 타일들 사이에서 사용되어 이들이 타이트한 콘택을 유지하는 것을 보장할 수도 있다.
자성 물질의 인접한 타일들의 비정규적 스페이싱은 자성 물질의 인접한 타일들 사이에 의도적 갭을 추가함으로써 감소될 수도 있다. 실시예들에서 의도적 갭은 균일하거나 또는 정규적인 분리를 자성 물질 타일 또는 조각들 사이에 보장하기 위한 스페이서로서 사용될 수도 있다. 가요성 물질의 의도적 갭들도 역시 타일 이동 또는 진동에 기인한 스페이싱에서의 비정규성을 감소시킬 수도 있다. 실시예들에서, 자성 물질의 인접한 타일의 에지들은 전기적 절연체로써 태이핑되고(taped), 디핑되며(dipped), 코팅되어 에디 전류가 그 블록의 감소된 단면 영역을 통과하여 흐르는 것을 방지하며, 따라서 물질 내의 에디 전류 손실을 낮출 수도 있다. 실시예들에서 분리기(separator)가 공진기 패키징 내에 통합될 수도 있다. 스페이서는 1mm 이하의 스페이싱을 제공할 수도 있다.
실시예들에서, 타일들 사이의 스페이서의 기계적 성질은 내재적 효과(예를 들어, 자기 변형(자기 변형), 열팽창, 및 기타 등등) 및 외부 충격 및 진동에 기인한 타일의 치수 및/또는 형상에서의 변화와 같은 기계적 효과에 대한 전체 구조의 공차를 개선하기 위하여 선택될 수도 있다. 예를 들어, 스페이서는 개개의 타일의 확대 및/또는 축소를 수용하기 위한 원하는 양의 기계적 여유(give)를 가질 수도 있고, 타일들이 기계적 진동에 노출될 경우 타일 상의 스트레스를 감소시키는 것을 도와서 자성 물질 내의 크랙 및 다른 결함의 발생을 감소시키는 것을 도울 수도 있다.
실시예들에서, 자성 물질의 블록을 포함하는 개개의 타일을 공진기의 쌍극자 모멘트에 수직인 타들 사이의 심 또는 갭의 개수를 최소화하기 위하여 정렬하는 것이 바람직할 수도 있다. 실시예들에서 공진기를 포함하는 도체의 루프에 의하여 형성되는 축에 수직인 타일들 사이의 갭을 최소화하기 위하여 자성 물질의 타일들을 정렬하고 방향결정하는 것이 바람직할 수도 있다.
예를 들어, 도 16 에서 묘사되는 공진기 구조를 고려한다. 공진기는 3 x 2 어레이로 정렬된 6 개의 별개의 개개의 타일(1602)을 포함하는 자성 물질의 블록 주위에 둘러진 도체(1604)를 포함한다. 타일들의 배치는 자성 물질의 블록을 일 방향에서 횡단할 때에는 두 개의 타일 심(1606, 1608)을 초래하며, 자성 물질의 블록을 직교 방향에서 횡단할 때에는 오직 하나의 타일 심(1610)을 초래한다. 실시예들에서, 도체 와이어(1604)를 공진기의 쌍극자 모멘트가 타일 심의 최소 개수에 수직이 되도록 자성 물질의 블록 주위에 둘러싸는 것이 바람직할 수도 있다. 발명자들은 공진기의 쌍극자 모멘트에 평행인 심 및 갭(1606, 1608) 주위에 유도되는 상대적으로 더 적은 가열이 존재한다는 것을 관찰했다. 공진기의 쌍극자 모멘트에 수직으로 진행하는 심 및 갭은 또한 임계 심 또는 임계 심 영역이라고 지칭될 수도 있다. 그러나, 에디 전류 손실을 감소시키기 위하여 공진기의 쌍극자 모멘트에 평행하게 진행하는 갭(예컨대 1606 및 1608)을 전기적으로 절연시키는 것도 여전히 바람직할 수도 있다. 이러한 평행 갭에 의하여 분리된 타일들 사이의 불균일한 콘택은 에디 전류가 좁은 콘택 포인트를 통과하여 흐르게 함으로써 이러한 포인트에서 큰 손실을 야기할 수도 있다.
실시예들에서, 스페이싱에서의 비정규성은 임계 심 영역의 적당한 냉각으로써 용인(tolerate)되어 자성 물질이 가열될 때 물질 성질의 국부화된 열화를 방지할 수도 있다. 자성 물질의 온도를 임계 온도 아래로 유지하면 상당히 높은 온도에 의하여 야기되는 과열 효과를 방지할 수도 있다. 임계 심 영역을 적합하게 냉각시키면, 무선 에너지 전송 성능은 타일들 간의 비정규적 스페이싱, 크랙, 또는 갭에 기인한 추가적 손실 및 가열 효과에도 불구하고 만족스러울 수도 있다.
자성 물질의 과도한 국부화된 가열을 방지하기 위한 공진기 구조의 효과적인 열 싱킹(heat sinking)은 여러 도전 거리들을 제기한다. 히트 싱크 및 열 전도를 위하여 통상적으로 사용되는 금속성 물질은 공진기에 의한 무선 에너지 전송을 위하여 사용되는 자기장과 상호작용하고 시스템의 성능에 영향을 줄 수 있다. 이들의 위치, 사이즈, 지향, 및 사용은 이러한 히트 싱킹 물질의 존재 시에 공진기의 외란 Q를 과도하게 낮추지 않도록 설계되어야 한다. 추가적으로, 페라이트와 같은 자성 물질의 상대적으로 열악한 열 전도성에 기인하여, 히트 싱크 및 자성 물질 사이의 상대적으로 큰 콘택 면적이 자기적 공진기에 인접한 상당한 양의 유손실 물질의 배치를 요구될 수도 있는 적당한 냉각을 제공하기 위하여 요구될 수도 있다.
실시예들에서, 공진기의 적당한 냉각은 열전도성 물질의 전략적 배치에 의하여 무선 에너지 전송 성능에 최소한의 영향만 주면서 획득될 수도 있다. 실시예들에서, 열전도성 물질의 스트립은 도체 와이어의 루프들 사이에 그리고 자성 물질의 블록과의 열적 콘택 내에 배치될 수도 있다.
열전도성 물질의 스트립 이 있는 공진기의 하나의 예시적인 실시예가 도 17 에서 묘사된다. 도 17a 는 도전 스트립이 없으며 갭 또는 심을 형성하는 자성 물질의 더 작은 타일을 포함하는 자성 물질의 블록이 있는 공진기 구조를 도시한다. 열전도성(1708) 물질의 스트립은 도 17b 및 도 17c 에서 묘사된 바와 같이 도체(1702)의 루프 사이에 그리고 자성 물질(1704)의 블록과의 열적 콘택 내에 배치될 수도 있다. 공진기의 파라미터에의 스트립의 영향을 최소화하기 위하여, 몇 가지 실시예들에서 스트립들을 도체의 루프에 평행하게 또는 공진기의 쌍극자 모멘트에 수직으로 정렬하는 것이 바람직할 수도 있다. 도체의 스트립들은 타일들 사이에서 가능한 한 크거나 가능한 한 많은 심 또는 갭을 커버하도록, 특히 공진기의 쌍극자 모멘트에 수직인 타일들 사이의 심들을 커버하도록 배치될 수도 있다.
실시예들에서 열전도성 물질은 포함 구리, 알루미늄, 동, 열 에폭시, 페이스트, 패드, 및 기타 등등을 포함할 수도 있고, 공진기 내의 자성 물질의 그것과 적어도 같은 열 전도성(몇몇 상용 페라이트 물질에 대하여 ~5W/(K-m))을 가지는 임의의 물질일 수도 있다. 열전도성 물질이 전기적으로 도전성인 실시예들에서, 물질은 자성 물질 또는 공진기의 도체의 루프들을 단락시키는 것 및 이것과의 직접적 전기적 콘택을 방지하기 위하여 전기적 절연체의 층 또는 코팅을 요구할 수도 있다.
실시예들에서 열전도성 물질의 스트립들은 열을 공진기 구조로부터 열 에너지를 안전하게 소산시킬 수 있는 구조 또는 매체로 전도하기 위하여 사용될 수도 있다. 실시예들에서 열전도성 스트립은 도체의 스트립 상에 위치되며 열 에너지를 주위로의 수동 또는 강제 대류, 복사, 또는 전도를 사용하여 소산시킬 수 있는 대형 플레이트와 같은 히트 싱크에 연결될 수도 있다. 실시예들에서 시스템은 공진기 구조에 외부 또는 내부일 수도 있고 열 에너지를 열 전도성 스트립으로부터 소산할 수 있으며 액체 냉각 시스템, 강제 에어 시스템, 및 기타 등등을 포함할 수도 있는 임의의 개수의 능동 냉각 시스템을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 열 전도성 스트립은 중공형이거나 자성 물질을 냉각시키기 위하여 펌핑되거나 강제로 순환될 수도 있는 냉각제를 위한 채널을 포함할 수도 있다. 실시예들에서, 양호한 전기적 도체(구리, 은, 알루미늄, 및 기타 등등과 같음)로 제작된 필드 편향기는 히트 싱킹 장치의 일부로서 두 배가 될 수도 있다. 열적으로 및 전기적으로 전도성인 스트립들을 자성 물질 및 필드 편향기 사이의 공간에 추가시키는 것은 외란 Q에 한계 효과(marginal effect)를 가질 수도 있는데, 이것은 그 공간 내의 전자기장이 통상적으로 필드 편향기의 존재에 의하여 억제되기 때문이다. 이러한 도전 스트립은 자성 물질 및 필드 편향기 모두에 열적으로 연결되어 상이한 스트립들 사이의 온도 분포를 더 균질하게 만들 수도 있다.
실시예들에서 열 전도성 스트립들은 도체의 적어도 하나의 루프가 자성 물질 주위를 감싸도록 이격된다. 실시예들에서 열전도성 물질의 스트립들은 자성 물질의 갭 또는 심에서만 포지셔닝될 수도 있다. 다른 실시예들에서, 스트립들은 자신의 완전한 길이의 실질적으로 전체에 걸쳐 자성 물질과 접촉하도록 포지셔닝될 수도 있다. 다른 실시예들에서, 스트립들은 자성 물질 내의 자속 밀도에 매칭하도록 분포될 수도 있다. 공진기의 정상 동작 하에서 더 높은 자속 밀도를 가질 수도 있는 자성 물질의 영역은 열전도성 스트립의 콘택과의 더 높은 밀도를 가질 수도 있다. 예를 들어 도 17a 에서 묘사되는 실시예들에서, 자성 물질 내의 최고 자속 밀도는 자성 물질의 블록의 중심을 향하여 관찰될 수도 있고 더 낮은 밀도는 공진기의 쌍극자 모멘트의 방향에서 그 블록의 단부를 향해 관찰될 수도 있다.
열 전도성 스트립을 사용하는 것이 자성 물질 내의 전체 온도 및 잠재적 핫 스팟에서의 온도를 감소시키는 것을 어떻게 돕는지 나타내기 위하여, 발명자들은 도 17c 에서 묘사되는 것과 유사한 공진기 구조의 유한 요소 시뮬레이션(finite element simulation)을 수행했다. 그 구조는 235 kHz의 주파수에서 동작하며, 각각 40 A의 피크 전류를 운반하고 50 cm x 50 cm x 4 mm 필드 편향기에 그 중앙 축들이 그 구조의 대칭면으로부터 -75mm, 0 mm, 및 +75 에 배치된 알루미늄(합금 6063)의 3 개의 ~3 x 3/4 x 1' 중공 정방형 튜브(1/8" 벽 두께)를 사용하여 열적으로 연결되는 10 회의 리츠 와이어(그 구조의 대칭면으로부터 25 mm, 40 mm, 55 mm, 90 mm 및 105 mm에 대칭적으로 배치됨)에 의하여 여기되는 치수가 30 cm x 30 cm x 5 mm인 EPCOS N95 자성 물질의 블록을 포함하여 시뮬레이션되었다. 필드 편향기 및 중공 튜브에 기인한 외란 Q는 1400인 것으로 발견되었다(중공 튜브가 없는 동일한 구조에 대한 1710과 비교). 쉴드 및 튜브에서 소산된 전력은 35.6 W인 것으로 계산되었으며, 반면에 자성 물질에서 소산된 것은 58.3 W였다. 이 구조가 공기 대류 및 복사에 의하여 냉각되며 주변 온도는 24 ˚C라고 가정하면, 이 구조에서의 최대 온도는 85 ˚C 였는데(중공 튜브들 사이에서 거의 절반에 위치하는 자성 물질이 내의 포인트에서), 반면에 중공 튜브와 접촉한 자성 물질의 부분에서의 온도는 약 68 ˚C 였다. 비교에 의하여, 열 전도성 중공 튜브가 없는 동일한 공진기는 40 W 피크의 동일한 여기 전류에 대하여 자성 물질 내에서 62.0 W를 소산했으며, 자성 물질 내의 최대 온도는 111 ˚C인 것으로 발견되었다.
도전 스트립의 장점은, 튜브와 양호한 열적 콘택 상태에 있는 자성 물질의 일부에 결함을 도입한다면 더욱 명백해진다. 10 cm x 0.5 mm 길이이고 자성 물질의 중심에 배치되고 쌍극자 모멘트에 수직으로 지향되는 에어 갭은 자성 물질 내에서 소산되는 전력을 69.9 W로 증가시키는데(갭 근방에 크게 집중된 이전에 논의된 무결함 예에 대해서 11.6W가 추가됨), 하지만 도전 튜브는 자성 물질 내의 최대 온도는 11 ˚C 내지 96 ˚C의 상대적인 적은 증가만을 가진다는 것을 보장한다. 이에 반해, 도전 튜브가 없는 동일한 결함은 결함 근처에서 161 ˚C의 최대 온도를 초래한다. 대류 및 복사 이외의 냉각 솔루션, 예컨대 도전 튜브 몸체를 큰 열용량에 열적으로 연결시키거나 이들을 능동적으로 냉각시키는 것은, 동일한 전류 레벨에서 이러한 공진기에 대해 더 낮은 동작 온도를 초래할 수도 있다.
실시예들에서 물질의 열전도성 스트립은 자성 물질 내에 비정규적 갭을 야기할 수도 있는 크랙을 생성할 최고 확률을 가지는 영역에 포지셔닝될 수도 있다. 이러한 영역은 그 물질 상의 높은 스트레스 또는 압박의 영역이거나, 또는 공진기의 패키징으로부터 열악한 지지 또는 배킹(backing)을 받는 영역일 수도 있다. 전략적으로 포지셔닝된 열전도성 스트립은 크랙 또는 비정규적 갭이 자성 물질 내에서 생성될 때, 자성 물질의 온도가 이것의 임계 온도 아래에서 유지될 것이라는 것을 보장할 수도 있다. 임계 온도는 자성 물질의 퀴리 온도, 또는 공진기의 특성이 원하는 성능 파라미터를 넘어 열화되어 버린 임의의 온도로서 정의될 수도 있다.
실시예들에서 히트 싱킹 구조는 자성 물질로의 기계적인 지지를 제공할 수도 있다. 실시예들에서 히트 싱킹 구조는 공진기에게 이것의 요소들의 내재적 치수에서의 변화(열팽창, 자기 변형, 및 기타 등등에 기인함) 및 외부 충격 및 진동에 대한 더 큰 양의 공차를 제공하기 위하여 그리고 크랙 및 다른 결함의 형성을 방지하기 위하여, 원하는 양의 기계적 여유를 가지도록(예를 들어, 구조의 상이한 요소들을 열적으로 연결하기 위한 적합한 기계적 성질을 가지는 에폭시, 열적 패드 등을 사용하여) 설계될 수도 있다.
공진기가 자성 물질의 주위에 둘러진 직교 권취를 포함하는 실시예들에서, 도전 물질의 스트립은 인접한 루프의 두 개의 직교 세트에 의하여 제한된 영역들 내에서 자성 물질과의 열적 콘택을 이루도록 조율될 수도 있다. 실시예들에서 스트립은 적어도 하나의 포인트에서 자성 물질과의 열적 콘택을 이루면서, 적어도 하나의 직교 권취의 도체 주위에 맞춤되기 위한 적절한 요면(indentations)을 포함할 수도 있다. 실시예들에서 자성 물질은 인접한 루프들 사이에 배치된 다수 개의 열 전도성 블록들과 열적 콘택을 이룰 수도 있다. 열 전도성 블록은 양호한 열 전도체에 의하여 서로 차례대로 열적으로 접속되거나 및/또는 히트 싱킹될 수도 있다.
이러한 설명 전체에서 비록 물질의 열전도성 스트립이라는 용어가 어떤 물질의 형상의 예시적인 종류로서 사용되었지만, 임의의 형상 및 컨투어가 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않으면서 대체될 수도 있다는 것이 이해되어야 한다. 사각형, 타원, 스트립, 도트, 길쭉한 형상, 등 모두가 본 발명의 사상 내에 포함될 것이다.
무선 에너지 전송 시스템에서의 통신
무선 에너지 전송 시스템은 에너지가 지정된 소스로부터 지정된 디바이스로 전송되는 중이라는 것을 보장하기 위한 검증 단계를 요구할 수도 있다. 무선 에너지 전송 시스템, 소스 및 디바이스는 물리적 콘택을 요구하지 않으며 수 센티미터 이상의 거리에 의하여 분리될 수도 있다. 서로의 무선 전력 전송 범위 내에 있는 다중 소스 또는 다중 디바이스를 가지는 몇몇 구성들에서, 이들 사이에 전력을 전송하고 있는 소스 및 디바이스를 결정하는 것이 필요할 수도 있다.
에너지 전송의 검증은 대역외 통신 채널이 무선 에너지 전송 시스템에서 사용되는 경우에는 중요할 수도 있다. 대역외 통신 채널은 데이터를 무선 에너지 전송 시스템의 상이한 컴포넌트들 사이에서 전송하기 위하여 사용될 수도 있다. 소스 및 디바이스 사이의 또는 다중 디바이스, 소스, 등 사이의 통신은 무선 전력 전송을 조정하기 위하여 또는 효율, 전력 전달 등을 최적화하기 위하여 무선 에너지 전송 시스템의 파라미터를 조절하기 위하여 사용될 수도 있다.
몇 가지 실시예들에서 시그널링 및 통신 모두는 에너지 전송을 위하여 사용되는 것과 동일한 필드를 사용하는 대역내 통신 채널을 사용하여 수행될 수도 있다. 오직 대역내 통신 채널만을 사용하는 것은 별개의 검증 단계를 요구하지 않는 장점을 가질 수도 있다. 그러나, 몇 가지 실시예들에서는 별개의 대역외 통신 채널이 더 바람직할 수도 있다. 대역외 통신 채널은 덜 고가이며 더 높은 데이터 레이트를 지원할 수도 있다. 근거리-장 통신을 사용하지 않는 대역외 통신 채널은 공진기 발견을 허용하는 더 긴 거리를 지원할 수도 있다. 이와 유사하게 개별 대역외 통신 채널은 공진기 및 통신에 인가될 전력을 요구하지 않을 수도 있고 이와 유사하게 통신은 전력 전송의 중단 없이 발생할 수도 있다.
대역외 통신 채널은 공진기에 의한 에너지 전송을 위하여 사용되는 자기장을 사용하지 않는 채널이다. 통신 채널은 별개의 안테나 및 에너지 전송 공진기 및 자기장으로부터 서로 다른 별개의 시그널링 프로토콜을 사용할 수도 있다. 공진기를 사용하지 않거나 에너지 전송을 위하여 사용되는 필드를 변조하는 대역외 통신 채널은 시스템의 효과적인 또는 유용한 에너지 전송 범위가 아닌 상이한 범위 또는 유효 거리를 가질 수도 있다. 대역외 통신 채널은 블루투스, WiFi, 지그비 기술 등을 사용하거나 이에 기초할 수도 있고, 무선 에너지 전송이 수 센치미터 또는 심지어 30 센치미터 이상의 유효 거리를 가질 수도 있는 반면에 수 미터 또는 심지어 수백 미터 이상에서 유효할 수도 있다. 범위, 성능, 또는 성능에서의 이러한 차이가 무선 에너지 전송 시스템의 조종(coordination)에 영향을 줄 수도 있다.
예를 들어, 도 18 에 도시되며 각각 대역외 통신 모듈(1804, 1818)을 개별적으로 가지는 두 개의 디바이스 공진기(1802, 1816) 및 각각 자기 자신의 대역외 통신 모듈(1808, 1812)을 개별적으로 가지는 두 개의 소스 공진기(1806, 1810)를 포함하는 무선 에너지 시스템의 배치를 고려한다. 시스템은 에너지 전송을 조절하고 조정하기 위하여 대역외 통신 채널을 사용할 수도 있다. 통신 채널은 근방에 있는 공진기를 발견하거나 찾기 위하여, 전력 전송을 개시하기 위하여, 그리고 개별 공진기의 전력 출력, 임피던스, 주파수, 등과 같은 동작 파라미터의 조절을 통신하기 위하여 사용될 수도 있다.
몇 가지 상황들에서 디바이스 공진기는 부정확하게 하나의 소스와 통신하지만 에너지는 다른 소스 공진기로부터 수신할 수도 있다. 에너지 전송 채널 및 통신 채널 간의 불일치는 성능, 안전성, 및 신뢰성 이슈를 생성할 수도 있는데, 이것은 에너지 전송을 조정하기 위하여, 즉 공진기의 동작 포인트 조절을 통신하기 위하여 사용되는 통신이 무선 에너지 전송 채널의 파라미터에 아무런 영향도 주지 않을 수도 있기 때문이다.
일 실례에서 디바이스 공진기(1802)는 도 18 에 도시된 바와 같은 소스 공진기(1806)들 중 오직 하나로의 강한 커플링 및 디바이스 공진기(1802)로부터 더 멀리 위치된 다른 소스 공진기(1810)로의 약한 커플링을 가지며 가까운 근방에 있을 수도 있다. 몇 가지 실례들에서, 간섭, 방해 등에 기인하여, 대역외 통신 신호는 공진기들 사이의 더 약한 커플링을 가진 소스(1810) 및 디바이스(1802) 쌍에 대해서 보다 에너지 전송을 위하여 사용되는 공진기들 사이의 더 강한 커플링을 가진 소스(1806) 및 디바이스(1802) 쌍에 대하여 역할을 하지 못하고 있을 수도 있다. 만일 다른 디바이스(1816)가 소스(1806)와 무선 에너지 전송을 개시한다면, 디바이스(1802)는 더 멀리 있는 소스(1810)와의 대역외 통신 채널(1814)을 가지면서 근접성(1806) 내의 무선 에너지 전송로부터 전력을 수신할 수도 있다. 그러므로 에너지 전송을 조절하기 위한 디바이스(1802)에 의한 임의의 시도는 성공적이지 못할 것인데, 이것은 디바이스(1802)가 이것이 에너지를 수신하고 있는 소스와의 통신을 가지지 않기 때문이다.
통신 및 제어 채널 및 에너지 전송 채널 간의 이러한 단절에 기인하여 다른 시스템 레벨 신뢰성 및 제어 문제점들이 대두될 수도 있고 보안 및 안정성의 취약성을 초래할 수도 있다. 무선 에너지 전송 채널의 개별 검증 단계에 대한 필요성이 존재할 수도 있다. 당업자들이 인식할 바와 같이, 이 예는 이러한 필요성을 예시하는 오직 하나의 예이며, 시스템의 많은 구성 및 배치가 에너지 전송 검증 단계로부터 명시적으로 또는 묵시적으로 이익을 볼 수도 있다.
실시예들에서, 이러한 잠재적 문제점들은 소스 또는 디바이스에 의하여 사용되는 에너지 전송 채널 및 통신 채널이 동일한 외부 소스 또는 디바이스와 연관된다는 것을 보장하는 추가적 검증 단계를 제공함으로써 회피될 수도 있다.
실시예들에서 검증 단계는 무선 에너지 전송 채널을 통한 정보 교환 또는 시그널링을 포함할 수도 있다. 에너지 전송 채널 또는 에너지 전송 채널의 필드를 사용하는 통신 또는 정보 교환을 포함하는 검증 단계는, 대역외 통신 채널의 대응하는 정확도를 검증하기 위하여 사용될 수도 있다.
대역외 통신 채널이 있는 실시예들에서 검증 단계는 묵시적 또는 명시적일 수도 있다. 몇 가지 실시예들에서 검증은 묵시적일 수도 있다. 실시예들에서 에너지 전송 채널은 에너지 전송 채널을 모니터링하고 대역외 정보 교환에 응답하여 기대된 거동 또는 파라미터와 비교함으로써 묵시적으로 검증될 수도 있다. 에너지 전송 채널은 에너지 전송 채널의 거동 및 파라미터를 대역외 통신에 응답하여 모니터링함으로써 묵시적으로 검증될 수도 있다. 예를 들어, 에너지 전송을 증가시키도록 기대되는 대역외 통신 교환 이후에 무선 에너지 전송을 위하여 사용되는 무선 에너지 전송 채널 및 공진기의 파라미터가 모니터링될 수도 있다. 디바이스에서의 전달된 전력의 관찰된 증가는 대역외 통신 채널 및 에너지 전송 채널이 정확하게 식별되었다는 것을 유추하기 위하여 사용될 수도 있다.
실시예들에서 묵시적 검증 단계는 무선 에너지 전송의 임의의 개수의 파라미터 또는 무선 에너지 전송에서 사용되는 공진기 및 컴포넌트의 파라미터를 모니터링하는 것을 수반할 수도 있다. 실시예들에서 전류, 전압, 임피던스, 주파수, 효율, 온도, 등이 모니터링되고 대역외 통신 교환의 결과로서의 기대된 값, 경향, 변화 등과 비교될 수도 있다.
실시예들에서 소스 또는 디바이스 유닛은 측정된 파라미터 및 통신 교환의 결과로서의 이러한 파라미터에 대한 기대된 값, 경향, 변화의 테이블을 보유할 수도 있다. 디바이스의 소스는 에너지 전송 채널을 검증하기 위하여 사용될 수도 있는 통신의 이력 및 관찰된 파라미터 변화를 저장할 수도 있다. 몇 가지 경우들에서 통신 교환에 기인하는 기대되지 않은 단일 파라미터 변화는 대역외 채널이 부정확하게 쌍을 이루는지를 결정하기에 충분하게 결정적이지 않을 수도 있다. 몇 가지 실시예들에서 파라미터 변화의 이력이 검증을 수행하기 위하여 수 개의 또는 많은 통신 교환들 동안에 스캐닝되거나 모니터링될 수도 있다.
대역외 통신을 사용하는 무선 에너지 전송 시스템 내의 에너지 전송 채널을 묵시적으로 검증하기 위하여 사용될 수도 있는 일련의 단계를 보여주는 일 예시적인 알고리즘이 도 19a 에 도시된다. 제 1 단계(1902)에서 소스 및 디바이스 사이의 대역외 통신 채널이 확립된다. 다음 단계(1904)에서 소스 및 디바이스는 무선 에너지 전송의 파라미터를 조절하는 것에 또는 무선 에너지 전송을 위하여 사용되는 컴포넌트의 파라미터에 관련되는 정보를 교환할 수도 있다. 대역외 통신 채널 상에서의 정보 교환은 에너지 전송을 제어하고 조절하기 위한 시스템의 정상 동작에서 사용되는 정상 교환일 수도 있다. 몇몇 시스템에서 대역외 통신 채널은 도청(eavesdropping), 사칭(impersonation), 및 기타 등등을 방지하면서 암호화될 수도 있다. 다음 단계(1906)에서 소스 및 디바이스 또는 소스만 또는 디바이스만은 무선 에너지 전송의 파라미터에 대한 임의의 변화 또는 에너지 전송에서 사용되는 컴포넌트 내의 파라미터에서의 임의의 변화를 모니터링하고 추적할 수도 있다. 추적된 변화는 임의의 대역외 통신 교환의 결과로서 파라미터에 기대되는 변화에 대해 비교될 수도 있다. 인증은 파라미터 내의 하나의 또는 많은 관찰된 변화가 파라미터 내의 기대된 변화에 대응하지 않는 경우 실패한 것으로 간주될 수도 있다.
무선 에너지 전송 시스템의 몇 가지 실시예들에서 검증은 명시적일 수도 있다. 실시예들에서 소스 또는 디바이스는 무선 에너지 전송의 파라미터들 또는 무선 에너지 전송에서 사용되는 공진기의 파라미터들을 변경하고, 디더링하며, 변조하는 등을 하여 에너지 전송 채널을 통하여 소스 또는 디바이스로 검증가능 신호(verifiable signal)를 통신하거나 제공할 수도 있다. 명시적 검증은 검증의 명시적 목적을 위하여 무선 에너지 전송의 일부 파라미터들 또는 에너지 전송에서 사용되는 공진기 및 컴포넌트의 파라미터들을 변화시키고, 변경하며, 변조하는 등을 수반할 수도 있고 에너지 전송을 최적화, 조정, 또는 조절하는 것과 연관되지 않을 수도 있다.
다른 무선 에너지 공진기 또는 컴포넌트들에 시그널링하거나 통신하는 목적을 위하여 무선 에너지 전송의 일부 파라미터들 또는 에너지 전송에서 사용되는 공진기 및 컴포넌트들의 파라미터들을 변화시키고, 변경하며, 조정하는 등을 하는 것은 대역내 통신이라고 지칭될 수도 있다. 대역내 통신은 에너지 전송을 위하여 사용되는 필드 또는 구조를 이것이 사용하는 것으로 특징지어질 수도 있다. 실시예들에서, 대역내 통신 채널은 무선 에너지 전송을 위하여 사용되는 자기장 또는 공진기의 파라미터를 변조함으로써 무선 에너지 전송 공진기 및 컴포넌트의 일부로서 구현될 수도 있다. 정보는 공진기의 파라미터들을 변화시킴으로써 한 공진기로부터 다른 것으로 송신될 수도 있다. 인덕턴스, 임피던스, 저항, 등과 같은 파라미터들은 한 공진기에 의하여 디더링되거나 변화될 수도 있다. 임피던스에서의 이러한 변화는 시그널링 공진기 주위의 다른 공진기의 임피던스, 저항, 또는 인덕턴스에 영향을 줄 수도 있다. 변화는 검출되고 메시지들로 디코딩될 수도 있는 공진기 상의 전압, 전류 등의 대응하는 디더(dithers)와 같이 스스로 명백할 수도 있다. 실시예들에서 대역내 통신은 에너지 전송을 위하여 사용되는 자기장의 전력 레벨, 주파수, 등을 변경하고, 변화시키며, 변조하는 등을 수반할 수도 있다.
일 실시예에서, 명시적 대역내 검증이 대역외 통신 채널이 확립된 이후에 수행될 수도 있다. 대역외 통신 채널을 사용하면서, 소스 및 디바이스는 전력 전송 성능 및 대역내 시그널링 성능에 대한 정보를 교환할 수도 있다. 그러면 소스 및 디바이스 사이의 무선 에너지 전송이 개시될 수도 있다. 소스 또는 디바이스는 대역외 및 통신 채널 및 에너지 전송 채널 사이의 연결을 검증하기 위하여, 대역내 통신 채널을 사용하여 시그널링하도록 다른 소스 또는 디바이스에 요청하거나 도전할 수도 있다. 채널은 대역외 통신 채널에서 설립된 합의된 시그널링이 대역내 통신 채널에서 관찰되는 경우 검증된다.
실시예들에서 검증은 에너지 전송 기동의 동안과 같이 에너지 프로토콜의 특정한 또는 선-결정된 시간 동안에만 수행될 수도 있다. 다른 실시예들에서 명시적 검증 단계는 무선 에너지 전송 시스템의 정상 동작 도중에 주기적으로 수행될 수도 있다. 검증 단계는 물리적 방위가 변경되었다는 것을 시그널링할 수도 있는 무선 전력 전송의 효율 또는 특성이 변화할 경우 트리거될 수도 있다. 실시예들에서 통신 제어기는 에너지 전송 특성의 이력을 유지하고, 특성에서의 변화가 관찰되는 경우에 공진기를 사용하는 시그널링을 포함하는 전송의 검증을 개시할 수도 있다. 에너지 전송 특성에서의 변화는 에너지 전송의 효율에서, 공진기 또는 공진기의 컴포넌트 및 전력 및 제어 회로부의 임피던스, 전압, 전류 등에서 관찰될 수도 있다.
당업자들은 메시지를 송신할 수 있는 시그널링 및 통신 채널이 임의의 개수의 암호화, 인증, 및 보안 알고리즘으로써 보안화될 수도 있다는 것을 인정할 것이다. 실시예들에서 대역외 통신은 암호화될 수도 있고 보안화된 통신 채널은 검증을 위한 랜덤 시퀀스를 대역내 채널에서 송신하기 위하여 사용될 수도 있다. 실시예들에서 대역내 통신 채널은 임의의 공지된 보안 및 암호화 프로토콜 및 알고리즘에 의하여 암호화, 랜덤화, 또는 보안화될 수도 있다. 보안 및 암호화 알고리즘은 소스 및 디바이스의 호환성을 인증 및 검증하기 위하여 사용될 수도 있고 인가 및 인증을 위하여 공개 키 기반구조(public key infrastructure; PKI) 및 이차 통신 채널을 사용할 수도 있다.
소스 및 디바이스 사이의 에너지 전송 시스템의 실시예들에서 디바이스는 에너지 전송 채널을 검증하여 이것이 원하는 또는 가정된 소스로부터 에너지 전송을 수신하고 있다는 것을 보장할 수도 있다. 소스는 에너지 전송 채널을 검증하여 에너지가 원하는 또는 가정된 소스로 전송되는 중이라는 것을 보장할 수도 있다. 몇 가지 실시예들에서 검증은 양방향일 수도 있고 소스 및 디바이스는 그들의 에너지 전송 채널 모두를 하나의 단계 또는 프로토콜 동작에서 검증할 수도 있다.
대역외 통신을 사용하는 무선 에너지 전송 시스템 내의 에너지 전송 채널을 명시적으로 검증하기 위하여 사용될 수도 있는 일련의 단계를 보여주는 일 예시적인 알고리즘이 도 19b 에 도시된다. 제 1 단계(1908)에서 소스 및 디바이스 사이의 대역외 통신 채널이 확립된다. 다음 단계(1910)에서 소스 및 디바이스는 무선 에너지 전송 채널을 통하여 송신될 수도 있는 프로토콜, 방법, 기법, 등을 조정하거나 이에 합의할 수도 있다. 도청을 방지하고 보안을 제공하기 위하여 대역외 통신 채널이 암호화될 수도 있고 소스 및 디바이스는 임의의 개수의 공지된 암호화 인증 프로토콜을 따를 수도 있다. 암호화 프로토콜이 가능한 시스템에서 검증 코드는 추가적 레벨의 보안 및 인증 성능을 제공할 수도 있는 도전-응답 타입 교환을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 디바이스는 소스가 이것이 대역외 통신 채널을 통하여 전송하는 랜덤 검증 코드를 공유된 비밀 암호화 키 또는 개인 키를 사용하여 암호화하도록 할 수도 있다. 그러면 대역외 통신 채널에서 송신되는 검증 코드는 대역내 통신 채널을 통하여 시그널링(1912)될 수도 있다. 소스 및 디바이스가 암호화 프로토콜이 가능한 경우에는, 대역내 통신 채널 내에서 시그널링되는 검증 코드는 전송자가 더욱 인증하게 하고 대역내 통신 채널이 대역외 통신 채널과 연관된 동일한 소스 또는 디바이스와 링크되었음을 검증하도록 허용하는 가역 암호화 함수로써 전송자에 의하여 암호화되거나 변경될 수도 있다.
검증이 실패하는 경우, 무선 에너지 전송 시스템은 인증을 재시도하려고 시도할 수도 있다. 몇 가지 실시예들에서 시스템은 대역내 통신 채널을 사용한 재시그널링을 위하여 다른 검증 시퀀스를 교환함으로써 무선 에너지 전송 채널을 재인증하도록 시도할 수도 있다. 몇 가지 실시예들에서 시스템은 대역내 통신 채널이 실패했다는 것을 로부터의할 시도 이후에 대역내 통신 채널을 검증하기 위하여 사용되는 정보의 시퀀스 또는 타입을 변화시키거나 변경할 수도 있다. 시스템은 대역내 통신 검증 코드의 시그널링의 타입, 프로토콜, 길이, 복잡성 등을 변화시킬 수도 있다.
몇 가지 실시예들에서, 대역내 통신 채널 및 그러므로 에너지 전송 채널의 검증이 실패한 경우, 시스템은 대역내 통신 채널에서의 시그널링 방법의 전력 레벨, 변조의 강도, 변조의 주파수를 조절할 수도 있다. 예를 들어, 디바이스에 의한 소스의 검증의 실패 시에, 시스템은 검증을 더 높은 에너지 전송 레벨에서 수행하려고 시도할 수도 있다. 시스템은 더 강한 자기장을 생성하며 소스의 전력 출력을 증가시킬 수도 있다. 다른 예에서, 디바이스에 의한 소스의 검증의 실패 시에, 검증 코드를 자신의 소스 공진기의 임피던스를 변화시킴으로써 디바이스로 통신했던 소스는 시그널링을 위하여 소스 공진기의 임피던스의 변화의 양을 증가시키거나 심지어는 두 배로 할 수도 있다.
실시예들에서 에너지 전송 채널의 검증의 실패 시에, 시스템은 대역외 통신 채널을 사용하여 다른 가능한 소스 또는 디바이스를 탐지, 탐색 또는 발견하려고 시도할 수도 있다. 실시예들에서 대역외 통신 채널은 무선 에너지 전송을 위한 다른 가능한 후보를 찾기 위하여 사용될 수도 있다. 몇 가지 실시예들에서 시스템은 대역외 통신 채널의 범위를 변화시키거나 조절하여 잘못된 페어링을 최소화하는 것을 도울 수도 있다.
대역외 통신 채널은 수 개의 모드를 가지도록 전력 변조될 수도 있는데, 장 거리 모드는 소스를 검출하기 위한 것이고 단거리 또는 저전력 모드는 통신이 매우 근방에 위치한 다른 디바이스 또는 소스와 함께 일어나는 것을 보장하기 위한 것이다. 실시예들에서 대역외 통신 채널은 각각의 애플리케이션에 대한 무선 채널의 범위에 매칭될 수도 있다. 에너지 전송 채널 출력의 검증의 실패 시에, 대역외 통신 채널의 전력은 무선 에너지 전송을 위한 다른 가능한 소스 또는 디바이스를 찾기 위하여 천천히 증가될 수도 있다. 위에서 논의된 바와 같이, 대역외 통신 채널은 에너지 전송 채널의 간섭 및 방해와는 상이할 수도 있는 간섭 및 방해를 드러낼 수도 있고, 대역외 통신을 위하여 더 높은 전력 레벨을 요구할 수도 있는 소스 및 디바이스는 무선 에너지 전송을 허용하기 위한 충분한 근접성 내에 위치할 수도 있다.
몇 가지 실시예들에서 대역외 통신 채널은 쉴드 또는 포지셔닝을 사용하여 디렉팅, 정렬, 포커싱되어 제한된 영역(즉, 차량 아래)에서만 유효하게 됨으로써, 이것이 에너지 전송을 위하여 충분한 근접성, 포지션, 및 지향에 있는 다른 소스 또는 디바이스하고만 통신을 설립할 수 있다는 것을 보장할 수도 있다.
실시예들에서 시스템은 대역외 통신 채널을 확립하기 위하여 또는 대역내 에너지 전송 채널을 검증하기 위하여 정보의 하나 이상의 보충적 소스를 사용할 수도 있다. 예를 들어, 대역외 통신 채널의 초기 확립 도중에, 소스 또는 디바이스의 위치는 공지된 또는 매핑된 위치 또는 무선 소스 또는 디바이스의 위치의 데이터베이스와 비교됨으로써, 성공적 에너지 전송을 위한 가장 가능한 쌍을 결정할 수도 있다. 대역외 통신 채널 발견은 GPS 수신기로부터의 GPS 데이터, 포지셔닝 센서로부터의 데이터 및 기타 등등에 의하여 보완될 수도 있다.
무선 에너지 전송 기능이 있는 광발전(PV) 패널
우리는 소스 공진기, 및 캡쳐 공진기를 외부 태양 PV 패널로부터의 전력을 내부 캡쳐 모듈로 또는 다른 태양 PV 패널로 무선으로 전송하기 위하여 사용할 수도 있다. 실시예들에서 태양 PV 패널은 태양에 의해 생성된 전력을 태양 PV 패널로부터 다른 태양 PV 패널의 일부일 수도 있고, 또는 건물, 차량, 보트, 및 기타 등등의 내부에 또는 패널의 탑재 구조체의 일부일 수도 있는 하나 이상의 공진기로 전송하는 하나 이상의 공진기를 가진다.
실시예들에서 하나 이상의 공진기는 태양 PV 패널 어셈블리 내로 통합될 수도 있다. 공진기는 패널의 둘레 내로 집적될 수도 있고 또는 이들은 패널의 광전지 소자 하부에 맞춤되도록 설계될 수도 있다. 공진기는 PV 패널의 평면에 실질적으로 수직인 자기장을 생성하도록 설계되고 지향됨으로써 패널 내부에 배치될 수도 있는 공진기와의 효율적 커플링을 허용할 수도 있다. 실시예들에서 PV 패널 내의 집적된 공진기는 자기장이 패널의 표면에 실질적으로 평행함으로써 패널의 측면에 위치한 유사한 공진기와의 효율적 커플링을 허용하게 설계되고 포지셔닝될 수도 있다. 다른 실시예들에서 공진기들은 실질적으로 무지향성인 자기장을 생성하도록 설계되고 지향될 수도 있다. 집적된 공진기가 있는 실시예들에서, 물리적 또는 직접적 전기적 콘택이 요구되지 않는다.
도 20 은 여러 가능한 공진기 방위 및 위치를 나타내는 3 개의 집적된 공진기의 개요선들이 있는 사각형 PV 패널(2002)의 다이어그램을 도시한다. 공진기는 패널의 둘레(2001) 내로 통합될 수도 있다. 공진기 PV 패널의 내부에 또는 뒤에서 임의의 위치(2003)에 배치될 수도 있고 자기장이 패널의 코너 외부로 디렉팅되도록 지향되는 공진기(2004)와 같이 다양한 크기 및 지향을 가질 수도 있다. 비록 도면에는 도시되지 않지만, 공진기는 적합한 쉴드 및 자기장 가이드를 포함하여 외란 및 공진기로부터의 손실을 감소시킬 수도 있다.
실시예들에서 PV 패널의 공진기는 메인 패널 몸체 어셈블리의 외부에 있을 수도 있다. 케이블 또는 유선 커넥터가 PV 패널을 공진기에 부착시킬 수도 있다. 이러한 실시예에서, 공진기의 위치 및 방위는 PV 패널의 포지션과 독립적으로 선택되고 변경될 수도 있고 시스템의 탑재 및 포지셔닝 시에 더 많은 유연성을 허용할 수도 있다. 이러한 실시예에서, PV 패널의 공진기는 PV 패널을 이동시킬 필요가 없이 수신하는 공진기와 정렬될 수도 있다. 도 21 은 PV 패널에 배선된(2102) 외부 공진기(2101)를 가지는 PV 패널(2103)의 일 실시예를 도시한다.
실시예들에서 PV 패널은 두 개 이상의 공진기를 포함할 수도 있다. PV 패널은 하나 이상의 내부 공진기를 포함할 수도 있고 하나 이상의 외부 공진기를 가질 수도 있다. 공진기는 상이한 방위에서 정렬되고 포지셔닝되어 PV 패널에 상대적인 다양한 방위 및 포지션에 있는 공진기 위치로의 에너지 전송을 허용할 수도 있다. 실시예들에서 PV 패널의 다중 공진기는 동시에 전력을 전송하고 다른 공진기로부터 수신하도록 사용될 수도 있다. 예를 들어, PV 패널의 하나의 공진기는 전력을 다른 PV 패널로부터 수신하기 위하여 사용되고 자신의 다른 공진기들 중 하나를 전력을 건물 내의 디바이스 또는 공진기로 전송하기 위하여 사용할 수도 있다. PV 패널 시스템은 각각 가능한 다른 공진기 구성을 가지는 다양한 패널 디자인을 채용할 수도 있다.
집적된 공진기가 있는 패널에서 패널은 홀, 피드스루, 배선, 또는 커넥터를 요구하지 않을 수도 있다. PV 패널 및 공진기를 제어하는 전자 장치 모두가 패널 내에 집적될 수도 있다. 따라서 패널은 완전히 밀폐되고 방수로 제작되어 수분, 먼지, 오물, 곤충 및 기타 등등에 대한 완벽한 보호를 제공할 수도 있다. 몇 가지 실시예들에서 PV 패널의 엔클로저는 바람직하게는 투자성 물질로 부분적으로 또는 완전히 제조되어 효율적 자기적 커플링을 허용하고 에너지 전송에서의 손실을 최소화할 수도 있다. 몇 가지 실시예들에서, 자석이 투자성 물질을 제 자리에 유지하기 위하여 사용될 수도 있다. PV 패널은 임의의 사이즈, 형상, 및 치수를 가질 수도 있고 도시된 기하학적 구조로 제한되지 않는다. 공진기 및 PV 패널은 임의의 기하학적 구조를 가질 수도 있고, 예를 들어 이들은 차량의 컨투어를 따르도록 성형될 수도 있다. 공진기 및 PV 패널은 가요성을 가지거나 힌지부착될 수도 있고 이들이 튜브 형태로 펼쳐지거나 사용되지 않는 경우에는 접힐 수 있도록 설계될 수도 있다.
본 발명에 따르면 전력은 PV 패널 공진기로부터 디바이스에 전력공급하는 공진기로 또는 건물, 차량, 및 기타 등등의 전기 네트워크로 커플링되는 공진기로 무선으로 전송될 수도 있다.
일 실시예에서, 공진기들이 있는 PV 패널이 디바이스에 전력을 직접적으로 및 무선으로 공급하기 위하여 사용될 수도 있다. PV 패널의 자기적 공진기에 커플링될 수 있는 디바이스는 무선으로 에너지를 수신하여 그들의 전자 장치에 전력을 공급하거나 배터리를 재충전할 수 있다. 디바이스 공진기는 PV 패널의 공진기로 커플링되도록 튜닝될 수 있다. 무선 전력 전송을 위한 집적된 또는 외부 공진기가 있는 PV 패널은 많은 환경 및 애플리케이션에서 배치될 수도 있다. PV 패널은 영구적으로 또는 일시적으로 차량, 건물, 툴 박스, 평면, 및 다른 구조에 부착 또는 배치되어 무선 전력을 태양 에너지로부터 제공할 수도 있다. 무선 전력 전송이 있으면 디바이스를 PV 패널로 연결하기 위하여 배선이 필요하지 않고, 그러므로 PV 패널은 전력이 필요한 지역 내에 용이하게 설치되거나 배치될 수 있다.
예를 들어, 도 22 에 도시된 바와 같이 설명된 무선 전력 전송 공진기가 있는 PV 패널은 차량의 지붕(2202), 트렁크(2203), 사이드 패널(2204), 또는 후드(2201)에 부착될 수도 있다. PV 패널로부터의 에너지는 차량의 지붕, 트렁크, 사이드 패널, 또는 후드를 통과하여 PV 패널의 공진기에 의하여 차량 내부로 무선으로 전송되어 차량 내부의 전자 장치에 전력을 공급하거나 충전할 수도 있다. 공진기가 있는 디바이스는 PV 패널의 공진기에 직접적으로 커플링되고 전력을 수신할 수 있다. 모바일 핸드셋, 랩탑, 게이밍 콘솔, GPS 디바이스, 전기적 툴 등과 같은 디바이스는 디바이스가 배선을 요구하지 않으면서 차량의 어둡고 밀폐된 공간 내에 위치하는 것과 무관하게 태양 에너지로부터 유도된 에너지에 의하여 무선으로 충전되거나 전력 공급될 수 있다. 무선 전력 전송 기능이 있는 PV 패널은 예를 들어 픽-업 트럭의 상단 또는 베드(bed) 상부에 부착되어, 트럭의 뒤에 저장될 수도 있는 배터리 또는 배터리에 의해 전력이 공급되는 툴의 무선 충전을 허용할 수도 있다.
다른 예에서, PV 패널은 차량의 외부에 탑재될 수도 있다. 차량 내부에서, 차량의 지붕, 후드, 또는 트렁크 아래 있으며 차량의 전기 시스템에 커플링되는 캡쳐 공진기는 PV 패널의 공진기로부터의 에너지를 캡쳐할 수 있다. 태양 에너지는 차량에 전력을 공급하고, 배터리를 재충전하며, 또는 차량의 다른 주변 장치에 전력을 공급하기 위하여 사용될 수 있다. 무선 전력 전송이 있으면 PV 패널은 패널 및 차량 사이에 임의의 하드-유선 접속을 이룰 필요가 없이 차량에 탑재되거나 맞춤될 수 있어서 설비를 단순화하고 필요한 경우 신속한 제거를 허용한다.
다른 예에서, 무선 전력 송신 기능이 있는 PV 패널은 도 23 에 도시된 바와 같이 차양 또는 양산 상부에 통합될 수도 있다. 내부 또는 외부 공진기를 가지며 우산(2303, 2304, 2305, 2306) 상단에 있는 PV 패널은 전력을 우산 또는 차양 아래의 그늘에 위치된 랩탑(2302) 또는 모바일 핸드셋(2301)과 같은 이네이블된 디바이스로 전력을 전송할 수도 있다.
다른 실시예들에서, 무선 전력 전송 기능이 있는 PV 패널은 외부 PV 패널 및 내부 전기 시스템 사이에 임의의 직접 콘택을 요구하지 않으면서, 전력을 주택, 차량 등의 유선 전력 분배 또는 전기 시스템에 직접적으로 커플링된 공진기로 전송하기 위하여 사용될 수도 있다. 예를 들어, 위에서 설명된 공진기가 있는 태양 PV 패널은 건물, 차량, 및 기타 등등의 외부에 직접적으로 탑재될 수도 있다. 공진기는 구조의 전기 시스템에 연결될 수 있는 건물, 차량 등 내부에 탑재될 수도 있다. 내부에 있는 공진기는 전력을 외부의 PV 패널로부터 수신하고 에너지를 그 구조의 전기 시스템으로 전송하여 전력 시스템에 연결된 디바이스에 전력을 공급하는 것을 허용할 수 있다. 실시예들에서, 공진기에 의하여 PV 패널로부터 수신된 전력은 이것이 전기 그리드로 전송되도록 허용하는 방식으로 컨디셔닝될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 캡쳐 공진기는 전력을 인버터로 제공할 수도 있고, 그러면 상기 인버터는 전력을 전기 그리드로 제공한다.
예를 들어, 도 24 의 도면에서 도시된 바와 같이, 무선 전력 전송 기능이 있는 PV 패널은 건물의 외부 지붕 상에 탑재될 수도 있다. 건물의 전기 시스템에 커플링된 공진기는 PV 패널 뒤의 지붕 아래의 내부에 탑재될 수도 있다. 전력은 배선을 위하여 건물에 임의의 구멍 뚫기 또는 관통하는 것을 요구하지 않으면서 외부 PV 패널로부터 건물의 내부 전기 시스템으로 전송될 수도 있다. 그러면 PV 패널로부터의 태양 전력은 건물의 유선 전기 시스템에 연결된 전기 디바이스에 의하여 사용될 수도 있다. PV 패널로부터의 캡쳐된 전기 에너지는 또한 전기 그리드에 부착될 수도 있는 브레이커(breaker) 패널로 제공될 수도 있다.
무선 전력 전송 기능이 있는 PV 패널은 다중 PV 패널의 설치 및 연결을 단순화할 수도 있다. 무선 전력 전송이 연결을 위하여 이용될 수도 있고 시스템의 일부일 수도 있는 여러 PV 패널로부터 전력을 캡쳐할 수도 있다.
다중 PV 패널이 있는 일 실시예에서, 각각의 패널은 전력을 디바이스로 또는 유선 전기 시스템에 커플링된 대응하는 공진기로 송신하는 하나 이상의 공진기를 가질 수도 있다. 예를 들어, 건물의 외부 지붕에 배치된 PV 패널은 각각 건물의 내부에 전기 시스템에 커플링된 대응하는 캡쳐 공진기를 가질 수도 있다. 예를 들어, 차량의 외부에 배치된 PV 패널은 각각 차량 내부의 다양한 디바이스 공진기로 전력 커플링될 수도 있다. 이러한 실시예에서, 각각의 PV 패널은 다른 PV 패널과는 독립적이다. 이러한 시스템의 일 예시적인 루프탑 구성의 다이어그램이 도 25 에 도시된다. 도면에서 각각의 PV 패널(2502)은 에너지를 지붕(2501)으로부터 건물(미도시) 내에 탑재된 공진기로 직접적으로 송신할 수 있는 공진기(2503)를 가진다.
다중 PV 패널이 있는 다른 실시예에서, 패널은 서로 사이에서 무선 전력 전송을 이용하여 지정된 패널 중 하나 이상으로 전력을 공급하거나 이로부터 전력을 수집할 수도 있다. 이러한 실시예에서는 오직 몇 개의 지정된 패널만이 전력을 전기 시스템에 커플링된 디바이스 또는 공진기로 송신할 수 있다. 에너지는 하나의 또는 여러 포인트에서 수집되고 송신된다. 이러한 실시예에서, 인접한 PV 패널들은 서로 의존적인데, 하지만 패널 또는 전기 시스템 사이에 배선이 요구되지 않기 때문에 고장 시에는 용이하게 설치되거나 교체될 수도 있다. 이러한 시스템의 일 예시적인 루프탑 구성의 다이어그램이 도 26 에 도시된다. 하나 이상의 패널(2606)은 에너지를 건물 내부의 공진기로 전송할 수 있는 공진기(2605)를 가진다. 다른 공진기로부터의 에너지는 에너지를 건물 내로 송신할 수 있는 패널에 도달할 때까지 패널마다 무선으로 전달될 수도 있다. 예를 들어 도 26 에서, 패널(2601)은 에너지를 그들의 커플링된 공진기(2607, 2608)를 통하여 자신의 인접한 패널(2602)로 전송할 수도 있다. 이와 유사하게 패널(2602)은 자신의 에너지 및 패널(2601)로부터의 에너지를 커플링된 공진기(2603, 2604)를 통하여 패널(2606)로 전송할 수도 있다. 그러면 패널(2606)은 패널(2601, 2602, 2606)로부터 유래된 에너지를 건물(미도시) 내부의 공진기로 전송할 수도 있다.
다중 PV 패널이 있는 다른 실시예에서, 다중 패널로부터의 전력을 무선으로 수신하는 추가적 연결 구조가 사용될 수 있다. 공진기들의 구조는 PV 패널 아래에 또는 옆에 배치된 탑재 스트립 내부로 탑재될 수도 있다. PV 패널의 공진기는 그들의 에너지를 스트립 상의 공진기로 무선으로 전송할 수도 있다. 스트립에 연결된 하나 또는 수 개의 공진기들은 모든 패널로부터의 전력을 디바이스로 또는 전자 시스템에 커플링된 내부 공진기로 전송하기 위하여 사용될 수 있다. 이러한 시스템에서, 공진기 스트립이 설치되면 패널은 제거되거나 패널을 연결 구조 상에 또는 근처에 고정시킴으로써 시스템에 추가될 수도 있다. 이러한 시스템의 일 예시적인 루프탑 구성의 다이어그램이 도 27 에 도시된다. 평평한 길쭉한 스트립으로서 성형된 공진기(2702)의 구조가 건물의 지붕에 부착될 수도 있다. 공진기(2703)가 있는 PV 패널(2701)은 에너지를 스트립으로 전송할 수도 있다. 그러면 스트립은 건물(미도시) 내부의 공진기에 커플링된 단일 공진기(2705)를 사용하여 모든 패널의 에너지를 배선 없이 내부로 전송할 수도 있다. 패널은 패널을 스트립의 상단에 단순하게 배치함으로써 추가되거나 시스템으로부터 제거될 수도 있다.
또 다른 실시예에서, 다중 패널은 그들의 전력을 무선으로 건물 또는 차량의 내부에 있는 다른 공진기에 배선되거나 커플링된 디바이스로 무선으로 송신할 수 있는 공진기로 서로 물리적으로 배선될 수 있다.
무선 전력 전송을 사용하는 위의 구성들 모두를 사용하면, PV 패널의 훨씬 더 간단한 설치가 가능한데, 이것은 모든 외부 배선, 커넥터, 및 도관, 및 구조의 지붕 또는 벽을 관통하는 임의의 홀 모두를 제거하면서 전력이 패널로부터 무선으로 건물 또는 차량 내의 캡쳐 공진기로 송신될 수도 있기 때문이다. 태양 셀과 함께 사용되는 무선 전력 전송은 이것이 패널, 스트링, 및 정션 박스를 상호접속하기 위하여 전기 기술자가 지붕 위에서 작업할 필요성을 제거하기 때문에 지붕 위험(roof danger)을 감소시킬 수 있다는 점에서 이점을 가질 수도 있다. 무선 전력 전송 기능이 통합된 태양 패널의 설치는 더 적은 전기적 콘택이 이루어지면 되기 때문에 덜 숙련된 노동력을 요구할 수도 있다. 이 기술이 설치자에게 각각의 태양 PV 패널을 개별적으로 최적화하고 및 포지셔닝할 능력을 제공하여 고가의 엔지니어링 및 패널 레이아웃 서비스에 대한 필요성을 크게 감소시키기 때문에, 무선 전력 전송이 있으면 더 적은 현장 특정 디자인이 요구될 수도 있다.
무선 전력 전송이 있으면, PV 패널은 일시적으로 설치되고, 나중에 주위 구조에 영구적 변경을 남기지 않으면서 이동되고 제거될 수도 있다. 예를 들어, 이들은 햇볕이 좋은 날에는 마당 밖에 배치되고, 태양을 따라 이동되고, 또는 세척 또는 저장을 위하여 다시 안으로 들여보내질 수도 있다. 백야드(backyard) 또는 모바일 태양 PV 애플리케이션에 대하여, 무선 에너지 캡쳐 디바이스가 있는 연장 코드는 땅에 던져지거나 태양 유닛 근처에 배치될 수도 있다. 캡쳐 연장 코드는 소자로부터 완전히 밀봉되고 및 전기적으로 고립됨으로써, 이것이 임의의 실내 또는 실외 환경에서 사용될 수도 있게 할 수 있다.
무선 전력 전송이 있으면 PV 태양 패널에 와이어 또는 외부 접속이 필요하지 않을 수도 있고 이들은 완전히 날씨에 대해서 밀봉될 수 있다. 태양 PV 전력 생성 및 송신 회로부 내의 전기 컴포넌트의 상당히 개선된 신뢰성 및 수명이 기대되는데, 이것은 날씨-밀봉된 엔클로저가 컴포넌트를 UV 복사, 습기, 날씨, 먼지, 및 기타 등등으로부터 보호할 수 있기 때문이다. 무선 전력 전송 및 날씨-밀봉된 엔클로저가 있으면 더 저렴한 컴포넌트를 사용하는 것을 가능하게 할 수도 있는데, 이것은 이들이 더 이상 외부 인자 및 날씨 요소에 직접적으로 노출되지 않을 것이며 이것이 PV 패널의 비용을 낮출 수도 있기 때문이다. 이와 유사하게 무선 전력 전송 기능이 있는 PV 패널은 일반적이며 더 휴대성이 좋을 수 있는데, 이것은 PV 패널이 고정된 하드와이어드 연결을 요구하지 않기 때문이다.
실시예들에서 PV 패널 및 건물 또는 차량 내부의 캡쳐 공진기 사이의 전력 전송은 양방향성일 수도 있다. 에너지는 주택 그리드로부터 PV 패널로 송신되어 패널들이 자기 교정, 정렬, 또는 유지보수 태스크를 위하여 충분한 에너지를 가지지 않는 경우 전력을 제공할 수도 있다. 리버스 전력 흐름이 패널로부터 눈을 녹일 수 있는 가열 소자, 또는 패널을 광원에 대하여 더 바람직한 포지션에 포지션시킬 전력 모터에 전력을 공급하기 위하여 사용될 수 있다. 눈이 녹거나 패널이 재포지셔닝되면, 에너지는 PV 패널로부터 전송될 수도 있다.
몇 가지 실시예들에서, 소스 공진기에 커플링된 소스 전자 제품은 적어도 하나의 하프-브릿지 또는 풀-브리지 스위칭 증폭기를 포함할 수도 있다. 캡쳐 공진기에 커플링된 캡쳐 전자 제품은 전력 트랜지스터를 더 포함하는 적어도 하나의 하프-브릿지 또는 풀-브리지 정류기를 포함할 수도 있다. 이러한 실시예는 소스 전자 제품에 연결된 에너지 소스로부터의 무선 전력 전송이 캡쳐 전자 제품에 연결된 부하로 공급되도록 허용한다. 소스 및 캡쳐 전자 제품 모두가 하프-브릿지 또는 풀-브리지 스위칭 회로를 채용한다는 것에 주의한다. 그러므로, 이러한 실시예는 역방향에서 무선 전력 전송을 허용하는데, 여기에서 캡쳐 전자 제품에 연결된 에너지 소스는 에너지를 소스 전자 제품에 연결된 부하로 전송할 수 있다. 예를 들어, 이것은 에너지를 무선으로 전송하고 배터리, 플라이 휠, 커패시터, 인덕터, 및 기타 등등과 같은 에너지 스토리지 매체로부터 취출하는 것을 가능하게 한다. 이것은 또한 위에서 설명된 바와 같이 눈을 녹이기 위하여 무선으로 이네이블된 PV 패널로의 리버스 전력 흐름을 가능하게 한다.
공진기 및 무선 전력 전송 회로부는 튜닝 및 안전성 매커니즘을 포함할 수도 있다. 실시예들에서 무선 전력 전송 기능이 있는 PV 패널은 설치 시에 자기-튜닝 기능을 포함하여 무선 콜렉터로의 최대 및 효율적 전력 전송을 보장할 수도 있다. 예를 들어, 지붕을 구성하는 물질에서의 변동 또는 PV 패널 및 상이한 설치 위치에 있는 무선 전력 콜렉터 간의 거리에서의 변동은 성능에 영향을 주거나 무선 전력 전송의 공진기의 성질을 동요시킬 수도 있다. 설치 복잡성을 감소시키기 위하여, 무선 전력 전송 컴포넌트는 그들의 동작 포인트를 자동적으로 조절하여 물질 또는 거리에 기인한 임의의 효과를 보상하는 튜닝 기능을 포함할 수도 있다. 주파수, 임피던스, 커패시턴스, 인덕턴스, 듀티 사이클, 전압 레벨 등이 효율적이고 안전한 전력 전송을 보장하기 위하여 조절될 수도 있다.
공진기 및 무선 전력 전송 회로부는 PV 패널로부터의 최대 전력 추출 및 추출된 전력의 효율적 무선 전송을 보장하는 튜닝을 포함할 수도 있다. 실시예들에서, 무선 전력 전송 회로부는 공진기들 사이의 에너지 전송을 위하여 구성될 수도 있는 반면에 또한 등가 부하 저항을 최적의 에너지 추출을 위하여 PV 패널에 적용시킨다. 이러한 무선 소스는 PV 패널로부터의 에너지를 현재 가능한 것보다 더 넓은 환경적 상태의 범위를 통하여 무선 캡쳐 디바이스로 효율적으로 전송할 수 있다. 예를 들어, 태양 조명 레벨(또는 등가적으로 조도)이 아침 동안에 증가함에 따라 PV 패널의 출력에 적용된 임피던스는 PV 패널로부터의 전력 추출을 최대화시키는 방식으로 감소할 것이다. 이러한 무선 에너지 소스는 본 명세서에서 "무선 에너지 최대 전력 포인트 추적기(wireless energy maximum power point tracker; WEMPPT)"라고 지칭된다. 예를 들어, 도 28a 는 직렬로 연결된 복수 개의 광전지 정션을 포함하는 태양 패널을 묘사한다. 간결성을 위하여, 각각의 광전지 정션은 전류원 및 다이오드의 병렬 조합에 의하여 표현된다. 더 실제적인 모델은 직렬 및 션트 저항, 다이오드 변동, 및 기타 등등을 포함할 것이다. 패널에 의하여 생성된 전압 V 및 전류 I는 부분적으로 태양 조도에 그리고 패널의 출력에 제시된 등가 저항 R에 의존한다. 도 28b 는 R 및 상이한 태양 조명 레벨의 파라미터 변동에 대한 여러 예시적인 곡선을 도시한다. 또한 도 28b 에는 최대 전력이 PV 패널로부터 주어진 부하 저항 R에 의하여 추출될 수 있는 곡선의 포인트들이 묘사된다. 이것은 최대 전력 포인트 추적기(MPPT)가 패널에 제공해야 하는 R의 값이다.
도 28a 에서 묘사되는 회로 모델에 대하여, 저항 R로 흘러들어가는 전류는 
이고, 여기에서 Isolar는 태양-발전 전류이고, V는 전압 패널 양단의 전압이며, N은 패널 내의 셀의 개수이고, I s 는 리버스 포화 전류이고, V th 는 온도 25C에서 근사적으로 0.026 V이다. 패널로부터 추출되고 무선으로 전송될 수 있는 전력은 간단히 
이다. V에 대한 전력의 도함수의 루트는 최대 전력 포인트 전압:
을 유도하는데, 여기에서 W(z)는 
에 대한 반전 함수에 의하여 정의되는 람베르트(Lambert) W-함수 또는 곱-대수(product-log) 함수이다. 도 29 는 최대 전력 포인트 전압의 그래프를 PV 패널 또는 어레이 전류의 함수로서 도시한다. 이러한 예에 대하여, WEMPPT에 의하여 PV 패널로 제공되어야 하는 최대 전력을 위한 저항은 도 29 에 도시되는 곡선의 기울기이다. 도 30 은 이러한 저항 및 60 개의 셀, 1 m2 면적, 및 실온 동작에서의 예시적인 패널에 대한 태양 조명에 따라 이것이 어떻게 변동하는지를 보여준다. 예를 들어, 1 kW/m2 조도가 주어지면, 어레이 전류는 근사적으로 8 A이고 최적 저항은 4 Ω일 것이다. 만일 조도가 0.2 kW/m2 로 떨어지게 된다면, 최적 저항은 12.5 Ω이 될 것이다. 일 실시예에서, 무선 전력 소스는 고정된 저항만을 PV 패널로 제공할 수도 있다. 그러면 효율의 손실이 발생할 수도 있다. 위의 예의 경우, 0.2 kW/m2 의 효율에서 조도는 1 kW/m2 에 대해서보다 4 의 인자 이상으로 더 낮을 것이다 - 이것은 추출된 전력에서 20 의 인자 이상의 감소를 초래할 것이다. 다른 실시예에서, WEMPPT 구성을 사용하는 것은 이 예에서, 조도에 대한 효율을 보존함으로써 추출된 전력이 태양 조도에 실질적으로 비례하도록 할 것이다.
실시예들에서, 무선 에너지 소스는 DC-DC 컨버터를 포함할 수도 있고 PV 패널에 연결되는 종래의 MPPT 회로의 출력에 연결될 수 있다. 도 31a 는 하나의 이러한 실시예를 도시한다. 이러한 실시예에서, 시스템 효율의 손실은 MPPT 회로 및 무선 에너지 소스 모두에서의 전력 소모 때문에 발생할 수도 있다. 도 31b 는 더 효율적인 실시예를 도시하는데, 여기에서 무선 에너지 소스는 개별 MPPT 회로의 추가적 효율 손실을 야기함이 없이 별개의 MPPT 회로의 동작을 흉내낼 수 있다. 도 31c 는 다른 실시예를 도시하는데 여기에서 무선 에너지 캡쳐 회로는 제공 효율적 무선 에너지 캡쳐 및 전류 또는 전압의 제어된 출력 레벨을 제공한다. 실시예들에서, 도 31c 에서 "DC 전류 또는 전압 변환이 있는 정류기 "라고 명명되는 이러한 회로는 하프-브릿지 또는 풀-브리지 스위칭 회로로써 실현될 수 있다. 실시예들에서, 정류기는 디바이스(및/또는 소스) 내의 PWM 파형의 듀티 사이클 및/또는 위상각을 조절하여 무선 에너지 캡쳐 및 전압 또는 전류 조절에 영향을 준다. 또한 정류기는 디바이스 공진기를 통해 흐르는 진동 전류에 상대적으로 스위치의 스위칭 시간을 조절하여 무선 에너지를 효율적으로 캡쳐하고 또한 전압 또는 전류 제어를 유지할 수도 있다.
WEMPPT가 있는 PV 패널은 패널의 스트링의 설치를 단순화할 수도 있는데, 여기에서 스트링 내의 상이한 패널은 조도의 상이한 레벨 또는 상이한 환경적 상태를 경험한다. 직렬-연결된 PV 패널의 스트링은 단일 패널이 제공할 수 있는 것보다 더 높은 출력 전압을 생성하기 위하여 유용하다. 높은 출력 전압은 그리드-타이(grid-tied) 인버터, 오프-그리드 인버터, 배터리 충전기용 충전 제어기 및 기타 등등과 같은 부하 디바이스와 더욱 호환가능할 수도 있다. 실시예들에서, 각각 연관된 WEMPPT가 있는 복수 개의 PV 패널은 지붕 상단 또는 다른 외부 표면에 배치될 수도 있고 패널들 사이에서 변동하는 레벨의 조명에 노출될 수도 있다. 지붕아래에서 또는 내부 표면에서, 복수 개의 에너지 캡쳐 디바이스는 무선 에너지를 소스들로부터 수신할 수도 있고, 그들의 출력이 결합되게 할 수도 있다. 도 32 는 무선 에너지를 PV 셀(3202, 3204, 3206, 3208, 3210)의 소스 공진기로부터 수신하고 있는 디바이스 공진기(3224, 3226, 3228, 3230, 3232)의 출력 이 지붕 아래의 스트링에 통합되는 일 실시예를 묘사한다. 실시예들에서, 캡쳐 디바이스의 출력은 직렬로 결합되어 순 전압을 부스팅한다. 실시예들에서, 캡쳐 디바이스는 전류 또는 전압 조정(regulation; 3212, 3214, 3216, 3218, 3220)을 포함하고, 그들의 출력은 직렬로 결합되어 조절된 전류 또는 전압(3222)을 가진 더 높은 전압을 생성한다. 실시예들에서, 캡쳐 디바이스는 전류 또는 전압 조정(regulation; 3212, 3214, 3216, 3218, 3220)을 포함하고, 그들의 출력은 병렬로 결합되어 조절된 전류 또는 전압(3222)을 가진 더 높은 전류를 생성한다.
실시예들에서, WEMPPT 구성은 증폭기 내의 트랜지스터에 대한 스위칭 시간의 위상각의 자동 조절 기능이 있는 스위칭 증폭기를 포함하는 무선 에너지 소스 내에서 실현될 수도 있다. 스위치가 열릴 때 및 스위치를 통해 흐르는 전류가 방향을 변경하는 때 사이의 시간에서의 관련성이 하나의 위상각을 결정하는 것이며, 이것은 본 명세서에서 φ라고 지칭된다. 본 명세서에서 γ라고 지칭되는 다른 위상각은 스위치를 션팅하는 다이오드가 도통되는 때 및 스위치가 닫히는 때 사이의 관련성을 기술한다. 이것은 에너지 소스의 특성을 PV 패널로부터의 에너지 추출 및 상기 추출된 에너지의 효율적 무선 송신 모두를 위하여 이로운 방식으로 조절하는 2 의 자유도를 제공한다. 좀 더 구체적으로는, 도 33 에서 묘사되는 증폭기는 실질적으로 매칭된 AC 출력 임피던스를 임피던스 매칭 네트워크(IMN)로 동시에 제공하는 동안 최적 저항 Rdc를 PV 패널로 제공할 수 있다. 이것은 추출된 에너지가 소스 루프를 통하여 디바이스 루프로 그리고 디바이스 IMN을 통하여 정류기로 효율적으로 전송되도록 한다.
도 34 는 최적 저항 Rdc를 PV 패널로 제공하기 위하여 사용될 수 있는 하프-브릿지 증폭기의 일 예를 도시한다. 이러한 증폭기의 예시적인 파형은 스위치 S1 및 S2를 작동시키기 위한 두 개의 상이한 타이밍 구성에 대하여 도 35a 및 도 35b 에서 묘사된다. 도 35a 는 고-효율 AC 파형을 실현하기 위한 타이밍 구성의 일 예를 도시한다. 전류 iac가 부호를 바꿀 때 그리고 또한 전압 vac가 Vdc/2에 도달할 때의 정밀 순간에서 스위치 S1 이 어떻게 닫히는지에 주의한다. 닫히는 동안, 스위치 S1 은 제로-전류 및 제로-전압 스위칭을 경험한다고 일컬어진다. φ/ω로서 정의되는 그 전의 짧은 시간에 스위치 S2 는 열려있었고 제로-전압 스위칭을 경험했다. S2 가 열린 이후의 반주기(half-period)에 S1 이 열리고 또한 제로-전압 스위칭을 경험한다. 이러한 조건은 스위치에서의 거의 제로의 소모를 초래한다. 고-효율 스위칭은 무선 에너지 송신을 위한 다양한 ac 부하에 대한 자유도를 제공하면서 φ/ω의 다양한 값을 가지는 상이한 디자인에 대하여 실현될 수 있다. PV 패널에 제공된 dc 저항을 조절하기 위하여 추가적 자유도가 요구된다. 하나의 이러한 자유도는 도 35b 에서 묘사되며 이것은 어떻게 S2 가 도 35a 에서 묘사되는 것보다 다소 일찍 열릴 수 있는지를 보여준다. 그러면 vac의 값은 S1 이 닫히기 이전에 Vdc/2 에 도달하고, 전류 iac는 이제 전류가 제로를 통과할 때까지 다이오드 D1 을 통해 흐른다(이것을 턴온시킴). 다이오드 D1 는 γ/ω 동안 온 상태로 유지되고, 이 때에 스위치 S1 은 거의 제로-전압 조건 아래에서 닫힌다. 비록 근접-제로-전압 스위칭이 다이오드 때문에 보존되지만, 제로-전류 스위칭이 희생된다는 것에 주의한다. 이것은 여전히 고-효율 동작을 초래한다. γ/ω의 값을 조절하는 것은 PV 패널에 제공된 dc 저항을 조절하기 위한 추가적 자유도를 제공한다. 도 36 은 어떻게 dc 저항이 위상 γ의 값을 위상 φ의 고정된 값에 대해서 조절함으로써 4 의 인자만큼 변경될 수 있는지의 특정한 예를 도시한다. 도 34 에서 묘사되는 회로에 대하여, dc 저항을 위상 γ에 대하여 관련시키는 수학식은 다음과 같이 쓰여진다
위상 γ가 조절될 때 증폭기의 AC 출력 임피던스 역시 변화한다. 도 37a 는 위상 φ에 대한 출력 임피던스의 의존성을 도시한다.도 37b 는 어떻게 출력 임피던스가 추가적으로 위상 γ에 의존하는지를 도시한다. 실시예들에서, 위상 φ 및 γ는 PV 패널로 제공되는 Rdc 및 임피던스 매칭 네트워크로 제공되는 AC 임피던스를 최적화하는 조합에서 선택된다. 실시예들에서, 위상 γ는 임피던스 매칭 네트워크 내의 커패시터, 인덕터, 및 저항과 같은 회로 소자와 조합하여 조절됨으로써 PV 패널에 제공된 Rdc 및 소스 공진기로 제공된 AC 임피던스를 최적화한다.
다른 실시예들에서, WEMPPT 구성은 커패시터, 인덕터, 및 저항과 같은 회로 소자를 포함하는 무선 에너지 소스에서 변화하는 환경적 상태에 응답하여 상기 회로 소자의 자동 조절을 추가함으로써 실현될 수도 있다. 상기 회로 소자는 증폭기, 임피던스 매칭 네트워크, 및/또는 공진기 중 임의의 것의 일부일 수도 있다. 다른 실시예들에서, WEMPPT 구성은 튜닝될 수 있는 회로 소자 및 조절될 수 있는 트랜지스터에 대한 스위칭 시간을 포함할 수도 있다. 도 38 은 마스터 제어 알고리즘이 있는 하나의 예시적인 실시예를 묘사한다. 마스터 제어 알고리즘은 임피던스 매칭 네트워크 및 소스 코일 조합을 통해 흐르는 전류 및 전압 파형과 같은 입력을 평가한다. 이 알고리즘은 상기 입력의 처리를 사용하여, 예를 들어 PV 셀로 제공할 더 최적의 DC 임피던스 및/또는 임피던스 매칭 네트워크로 제공할 더 유리한 AC 임피던스를 결정한다. 이 알고리즘은 PWM 파형을 조절하는 수단 및/또는 튜닝 네트워크를 조절하는 수단을 포함함으로써 더 최적인 임피던스가 실현될 수도 있게 한다.
도 39 는 제어 알고리즘의 예시적인 실시예를 묘사한다. n의 타입-스텝 동안에, 알고리즘은 임피던스 양단의 매칭 네트워크 양단의 AC 전압 및 전류를 측정한다. 알고리즘은 또한 PV 패널 양단의 DC 전압을 측정한다. 그러면 이 알고리즘은 튜닝 네트워크 내의 튜닝가능 커패시턴스에 대한 새 세트포인트를 계산하고, 그 변화를 작동시킨다. 전압 및 전류는 다음 타임-스텝에서 측정되고 조절 루프는 원하는 커패시턴스 상태가 획득될 때까지 계속한다. 다음으로, PV 패널로부터 추출된 전력이 이전의 타임-스텝에서 추출된 전력과 비교되고, 차분의 부호가 계산된다. 그러면 차분의 부호가 알고리즘이 어떻게 트랜지스터 스위치의 스위칭 시간의 듀티 사이클을 조절하는지를 결정한다. 듀티 사이클은 위상각 φ 또는 γ 중 하나를 위에서 설명된 바와 같이 변경시킴으로써 조절될 수도 있다.
태양 PV 패널에 추가하여, 전기 에너지를 발생시키는 다른 방법은 풍력 발전기, 수력 발전기, 열전기 발전기, 열광발전 발전기(thermophotovoltaic generator)를 포함한다. 또한 이러한 방법은 환경적 상태에 따라 변동하는 전기적 출력을 제공하고, 종래의 MPPT 회로가 에너지 추출을 최대화하기 위하여 사용될 수 있다. 당업자들은 WEMPPT 구성의 피쳐가 범용이며 광범위한 전기 에너지 발전기에 적용될 수도 있다는 특징을 이해할 것이다.
실시예들에서 무선 전력 전송 시스템은 안전성 인터록 및 센서를 포함할 수도 있다. PV 패널 및 공진기는 포함 온도, 전력, 임피던스, 및 전압 센서 및 패널이 허용될 수 있는 한계 내에서 동작한다는 것을 보장하기 위한 마이크로콘트롤러 또는 프로세서를 포함할 수도 있다. 무선 전력 전송 시스템은 누적된 전하에 대한 방전 경로를 제공하기 위한 접지 연결을 포함할 수도 있다. 무선 전력 전송 시스템은 누적된 전하의 검출을 가능하게 하는 전압 센서를 포함할 수도 있다. 만일 지면으로의 연결이 무선 전력 전송 기능이 있는 PV 패널에 가용하지 않다면, 패널은 PV 패널의 케이스가 접지로서 취급되는 접지-결함 인터럽트 센서를 포함할 수도 있다.
실시예들에서 PV 패널 및 공진기는 공진기 정렬을 돕기 위한 센서 및 시각적, 청각적, 및 진동 피드백을 포함하여 외부 PV 패널 및 내부 캡쳐 공진기 사이의 효율적 전력 전송을 보장할 수도 있다. 예를 들어, 공진기 중 하나가 공진기들 사이의 공진 커플링에서의 증가 또는 감소를 감지함으로써 다른 공진기의 포지션을 감지하기 위하여 사용될 수도 있다. 대안적으로는, 공진기들 사이의 상호 인덕턴스에서의 증가 또는 감소가 공진기의 상대적인 포지션을 결정하기 위하여 사용될 수도 있다.
다중 PV 패널 또는 다중 공진기가 있는 실시예들에서, 시스템의 공진기들은 간섭을 피하기 위하여 상이한 주파수로 튜닝될 수도 있다. 다양한 공진기의 튜닝된 주파수들은 시간 또는 주파수 다중화될 수도 있다. 다른 실시예들에서, 소스 및 캡쳐 공진기는 소스 및 캡쳐 공진기가 구성 정보를 교환하게 허용하는 통신 성능을 포함할 수도 있다. 다른 실시예들에서, 이러한 소스 및 캡쳐 공진기는 초기 교정을 위하여 또는 전력의 교환이 의도된 공진기들 사이에서 발생하고 있다는 것을 검증하기 위하여 필요한 정보를 교환할 수도 있다. 통신은 위에서 설명된 바와 같이 대역내 또는 대역외일 수 있다.
도 40 은 건물의 지붕에 설치된 태양 PV 패널의 예에 대한 WEMPPT 구성의 바람직한 실시예를 도시한다. PV 패널은 좌측에 직렬-접속된 복수 개의 태양 셀들로서 묘사되는데, 여기에서 각각의 셀은 위에서 설명된 바와 같이 전류원 및 다이오드를 포함하는 단순화된 등가 회로에 의하여 표현된다. 커패시터는 PV 패널 단자 양단의 커패시턴스를 나타낸다. 다음으로, PV 패널 단자는 위에서 설명된 클래스 DE 모드에서 동작할 수 있는 풀-브리지 스위칭 증폭기에 연결된다. S1 내지 S4 에 대한 스위칭 시간 및 듀티 사이클 및 위상각 φ및 γ와 같은 관련된 파라미터는 소스 제어기에 의하여 조절될 수 있다. 다음으로, 스위칭 증폭기의 AC 출력은 커패시터와 같은 조절가능한 회로 소자가 있는 임피던스 매칭 네트워크(IMN)에 연결된다. 본 명세서에서 설명된 바와 같이, 스위칭 시간 파라미터 및 회로 소자의 조합은 PV 패널로부터의 전력의 추출 및 다양한 환경적 및 태양 조도 조건에 대한 지붕 베리어를 통과하는 전력의 무선 전송 모두를 최적화하는 방식으로 조절될 수 있다. 조절을 수행하기 위한 바람직한 알고리즘은 PV 패널로부터의 DC 전류 및 DC 전압 중 적어도 하나의 측정된 값 및 IMN 내의 또는 소스 코일의 AC 전류 및 AC 전압 중 적어도 하나의 측정된 값을 사용한다.
도 40 의 우측은 WEMPPT 구성의 전력 캡쳐 부분의 구성을 도시한다 - 이것은 이러한 예에서, 건물 내부이다. 알고리즘은 두 개의 기능을 수행하는 캡쳐 제어기에서 구현될 수 있다. 첫째, 상기 제어기는 정류기로의 캡쳐 코일의 임피던스 매칭을 최적화한다. 둘째, 상기 제어기는 DC 전류, DC 전압, 및/또는 정류기로부터의 전력 출력을 조정한다. 지붕-상단 태양 예에 대한 바람직한 알고리즘은 캡쳐 코일로부터의 AC 전류 및 AC 전압 중 적어도 하나 및 정류기로부터의 DC 전압 또는 DC 전류 중 적어도 하나를 측정한다. 그러면 S5 내지 S8 에 대한 스위칭 시간은 고-효율 정류를 유지하기 위하여 조절될 수 있다. IMN 내의 가변 커패시터와 같은 다른 조절가능한 파라미터와 커플링되면, 스위칭 시간 및 가변 커패시터는 임피던스 매칭을 최적화하고, 고-효율 정류를 유지하며, 및 정류기로부터의 출력 DC 전류 또는 전압 또는 전력을 조정하기 위하여 조절될 수 있다.
지붕 위에 복수 개의 PV 패널이 있는 예에 대한 바람직한 실시예에서, 각각의 PV 패널은 대응하는 캡쳐 회로를 가질 수도 있는데 여기에서 각각의 캡쳐 회로는 자신의 DC 출력 전류를 공통 값 I dc 로 조정한다. 그러면 복수 개의 PV 패널이 도 41 에서 묘사되는 바와 같이 직렬로 전기적으로 접속될 수 있다. 각각의 PV 패널은 전압 V dc_i 를 생성할 수도 있는데 여기에서 i는 i번째 PV 패널에 대응하는 인덱스이다. 상이한 PV 패널이 상이한 조도를 경험하는 경우, 그들의 전력 캡쳐 회로는 I dc 의 공통 전류 값에서 상이한 DC 전압을 생성할 수도 있다. 상이한 DC 전압의 합 V string 이 인버터 또는 배터리 충전기에게 이용가능하다. 인버터 또는 충전기로 공급되는 전력의 양은 
이다. 패널 P로부터의 주어진 양의 전력에 대하여, V string 의 값은 직렬-접속된 캡쳐 회로를 통해서 흐르는 I dc 의 값에 의하여 결정된다. 이것은 V string 의 거의-일정한 값을 인버터 또는 충전기의 입력에서 유지하기 위하여 유리하다 - 이것은 인버터 또는 충전기가 자신의 피크 효율 근처에서 동작하게 하는 조건이다. 거의-일정한 V string 을 실현하기 위하여, 인버터 또는 충전기는 전력 캡쳐 회로의 각각에 대하여 공통 전류 값 I dc 를 설정할 수도 있다. 통신 링크가 인버터 또는 충전기 및 전력 캡쳐 회로 사이에서 설립되어 공통 전류 값을 설정할 수 있다. 링크는 DC 배선을 사용할 수 있고 또는 이것은 무선 통신을 사용할 수 있다.
통신 링크는 또한 진단의 정보, 성능, 또는 다른 상태 정보를 인버터 또는 충전기 및 전력 캡쳐 회로 사이에서 통신하기 위하여 사용될 수 있다. 전력 캡쳐 회로의 각각이 자신의 대응하는 PV 패널에 대한 정보를 위에서 설명된 바와 같은 대역내 또는 대역외 통신 중 하나를 사용하여 획득하는 것이 역시 가능하다. 그러면 PV 패널에 대한 정보는 내부 통신 링크에 걸쳐 공유될 수 있다. 이것은 자신의 대응하는 PV 패널이 있는 전력 캡쳐 회로의 상대적인 정렬에 대한 정보를 포함할 수 있다. 상대적인 정렬은 유도성 감지, 자기장-강도 감지, 용량성 감지, 열적 감지, 또는 지붕 관통을 요구하지 않는 다른 모달리티(modalities)를 포함하는 다양한 기법에 의하여 전력 캡쳐 회로로부터 모니터링될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 상대적인 정렬은 소스 및 캡쳐 코일 사이의 상호 유도 결합에 민감한 방법으로써 모니터링된다.
비록 태양 PV 패널의 콘텍스트에서 설명되었지만, 당업자는 설명된 기법 및 방법이 풍력 터빈, 수력 터빈, 열 교환기, 및 기타 등등과 같은 다른 에너지 수확 디바이스와 함께 사용될 수도 있다는 것을 인정할 것이다. 예를 들어, 건물의 지붕에 탑재된 에너지 생산 풍력 터빈은 PV 패널에 대하여 설명된 바와 유사한 방식으로 무선 전력 전송으로부터 도움을 받을 수도 있다. 다른 에너지 수확 디바이스가 환경적 조건에 의존하여 변동하기 때문에, 위에서 설명된 WEMPPT 기능성이 PV 패널이 아닌 실시예들에서 사용될 수도 있다. 풍력 터빈으로부터의 전력은 지붕 또는 벽에 홀 또는 관통구를 만들 필요가 없이 건물의 외부로부터 내부로 전송될 수도 있다. 이와 유사하게 조류, 파도 등과 같은 워터 모션(water motion)을 사용하여 에너지를 생성하는 보트 또는 다른 구조 내의 수력 터빈이 무선 전력 전송으로부터 도움을 받을 수도 있다. 보트 또는 밀봉된 수중(submerged) 구조의 선체를 통과하는 배선을 위한 드릴링이 이러한 애플리케이션에 대해서는 바람직하지 않다. 무선 전력 송신이 있으면, 수중 터빈 및 에너지 수확기는 완전히 밀봉되고 격리되어 이러한 디바이스를 더 신뢰가능하게 하고 교체 또는 보수하기가 더 용이하게 할 수도 있는데, 이것은 이들이 연결의 재밀봉을 요구하지 않고 제거되고 교체될 수 있기 때문이다.
패키징에 대한 무선 에너지 전송
무선 에너지 전송은 에너지를 제품 패키징, 포장된 제품, 및 기타 등등으로 전송하기 위하여 사용될 수도 있다. 전력은 패키지가 소매 환경 내의 선반 상에, 스토리지 환경에, 창고 환경에, 냉장고 환경에, 배송 환경에, 및 기타 등등에 있는 경우에 패키징 또는 포장된 제품으로 전송될 수도 있다. 패키지에 의하여 캡쳐된 무선 에너지는 패키징의 일부를 밝히거나, 전자 제품 또는 센서 또는 패키징에 전력을 공급하거나, 패키징의 온도를 제어하거나, 전력을 패키징 내의 디바이스 또는 배터리로 공급하거나, 전력을 패키징 상의 디스플레이로 제공하거나 등등을 하기 위하여 사용될 수도 있다.
제품 패키징은 포함 박스, 백, 병, 스티커, 통, 디스플레이, 래핑(wrappings), 병뚜껑, 표지(signs), 플라이어(flyers), 부착물, 및 기타 등등을 포함할 수도 있다. 제품 패키징은 사용되기 이전에 제거되는 제품의 일회용 외부 래퍼(wrapper)일 수도 있다. 제품 패키징은 제거되지 않으며 그 제품의 영구적인 일부인 제품의 본질적 부분을 의미할 수도 있다.
예시적이고 비한정적인 실시예에 따르면, 디바이스 공진기 및 전자 제품이 패키징 내에 통합될 수도 있고, 패키징 내에 위치될 수도 있으며, 또는 패키징의 외부에 부착되고 무선 에너지를 선반 상에, 복도 상에, 천정 내에, 벽 등의 내부에 에너지를 소스 공진기로부터 디바이스 공진기로 전송하기 위한 포지션에 위치된 소스 공진기로부터 수신할 수도 있다.
예시적이고 비한정적인 실시예에 따르면, 디바이스 공진기에 의하여 캡쳐된 에너지는 등, 버저, 모터, 진동기, 디스플레이, 유기 물질, 도전성 잉크 또는 페인트, 또는 제품의 외관을 향상시키고, 정보를 운반하며, 또는 소비자의 주의를 끄기 위하여 사용될 수도 있는 임의의 다른 시각적, 청각적, 또는 촉각적 자극기에 전원을 공급하기 위하여 사용될 수도 있다.
예시적이고 비한정적인 실시예에 따르면, 디바이스 공진기에 의하여 캡쳐된 에너지는 직접적으로 포장된 제품에 의하여 사용될 수도 있다. 에너지는 포장된 디바이스의 배터리를 재충전하기 위하여 사용되어, 디바이스가 구입되고 포장이 벗겨지면 디바이스의 배터리가 즉시 사용가능하도록 충분히 충전되어 있을 것을 보장할 수도 있다.
예시적이고 비한정적인 실시예에 따르면, 디바이스 공진기에 의하여 캡쳐된 에너지는 패키징 내의 환경 상태를 유지 또는 모니터링하기 위하여 사용될 수도 있다. 온도, 광, 습기, 제품 신선도, 제품 품질, 패키징 무결성, 등과 같은 파라미터들이 모니터링되고, 기록되며, 및 사용자 또는 소비자에게 보고될 수도 있다.
무선 에너지 전송 시스템이 있는 제품 패키징의 하나의 예시적인 실시예가 도 42 에서 묘사된다. 집적된 디바이스 공진기(4208) 및 선택적인 디바이스 전자 제품(미도시)을 가지는 패키지(4202)는 소스 전자 제품(미도시)에 커플링된 소스 공진기(4204) 근처에 배치될 수도 있다. 디바이스 공진기에 의하여 캡쳐된 에너지는 배선된(4206) 전기적 연결을 통하여 패키징의 광 방출 피쳐(4210)에 전원을 공급하기 위하여 사용될 수도 있다. 실시예들에서, 광 방출 피쳐는 패키징 내에 직접적으로 부착, 집적 및/또는 리세싱될 수도 있는 LED, 전구, 형광 전구, 광 방출 페인트, 디스플레이의 일부, 및 기타 등등일 수도 있다.
예시적이고 비한정적인 실시예에 따르면, 소스 및 디바이스 공진기(4204, 4208)는 상이한 사이즈를 가질 수도 있다. 예시적이고 비한정적인 실시예에 따르면, 소스 공진기(4204)가 디바이스 공진기(4208) 보다 더 크게 함으로써 더 큰 이동의 자유 및 디바이스 공진기(4208)의 소스 공진기(4204) 근방에의 배치를 허용하는 것이 바람직할 수도 있다.
예시적이고 비한정적인 실시예에 따르면, 소스 및 디바이스 공진기(4204, 4208)는 본 명세서에서 설명되는 임의의 공진기 타입을 가질 수도 있고 평면형 공진기, 인쇄 회로 보드 공진기, 및 기타 등등을 포함할 수도 있다. 예시적인 실시예에서, 공진기(4204, 4206)의 코일은 패키징 상에 직접적으로 또는 패키징에 부착되는 삽입물 또는 스티커 상에 인쇄된 전기적 도체를 포함할 수도 있다.
예시적이고 비한정적인 실시예에 따르면, 디바이스 공진기(4208)는 패키징의 상이한 면 및 페이스에 맞춤되도록 적응될 수도 있다. 예시적이고 비한정적인 실시예에 따르면, 디바이스 공진기(4208)는 도 43 에서 묘사되는 바와 같은 둥근 패키징에 맞춤되도록 적응될 수도 있는데, 여기에서 공진기 코일(4316)은 원통형 패키지(4314)의 둘레 주위에 맞춤되고 패키지의 조명 로고(4312)에 전력을 공급한다.
실시예들에서, 포장된 제품은 몇몇 포장된 제품이 직접적으로 소스 공진기(4204)의 옆에 있지 않을 수도 있고 소스 공진기(4204)로부터 하나 이상의 다른 패키지 또는 제품에 의하여 분리될 수도 있는 구성으로 적층되거나 정렬될 수도 있다. 에너지를 수신하기 위하여 포장된 제품은 에너지를 하나 이상의 포장된 제품으로부터 수신할 필요가 있을 수도 있다. 예를 들어, 도 44 에서 묘사되는 바와 같이 정사각형 패키지(4422)는 선반 상에 3 차원의 어레이로 적층될 수도 있다. 어레이는 모든 방향에서 4 개 이상의 패키지 만큼의 깊이일 수도 있다. 결과적으로, 선반(4428)의 상단, 후면(4424), 또는 하단(4426)에 배치된 소스 공진기(4204)는 에너지를 패키지(4422)의 각각에 대응하는 디바이스 공진기(4208)로 제공하기 위하여 어레이 내의 패키지들 모두와 접촉하거나 근처에 있을 필요가 없을 수도 있다.
예시적이고 비한정적인 실시예에 따르면, 제품의 적층 또는 어레이의 최대 치수 및 거리는 공진기의 사이즈, 소스 공진기로부터의 전력 출력, 및 제품의 전력 요구 사항에 기초하여 제한될 수도 있다. 패키지는 소스로부터의 최대 이격 및 그러므로 최대 적층 높이에 대해서 등급화될 수도 있다.
예시적이고 비한정적인 실시예에 따르면, 소스 및 디바이스의 적층 높이 또는 분리 거리는 리피터 공진기에 의하여 증가될 수도 있다. 큰 리피터 공진기가 적층된 패키징의 층들 사이에 배치되어 디바이스 및 소스 내의 공진기들의 커플링 강도를 증가시킬 수도 있다. 예를 들어, 하단 소스 공진기(4426)에 의하여 전원공급되는 도 44 에 도시되는 구성에 대하여, 큰 리피터 공진기(4430)가 패키지의 제 1 및 제 2 층 사이에 추가되어 무선 에너지 전송 범위를, 예를 들어 패키지의 제 2 또는 제 3 행까지 연장할 수도 있다. 리피터 공진기(4430)는 또한 제 2 및 제 3 행 및 임의의 추가적 행들 사이에 삽입될 수도 있다.
예시적이고 비한정적인 실시예에 따르면, 무선 에너지 전송의 범위 및 포장된 제품의 적층 높이는 각각의 패키지에 통합되거나 부착된 리피터 공진기에 의하여 개선될 수도 있다. 리피터 공진기는 소스 공진기로의 커플링을 개선하기 위하여 패키지에 추가될 수도 있다. 리피터 공진기가 있는 패키지의 일 예가 도 45 에서 묘사된다. 패키지(4534)는 에너지를 패키징에 제공하는 디바이스 공진기(4538) 및 디바이스 공진기보다 더 크며 디바이스 공진기와 동일한 또는 상이한 면 또는 페이스 상에 부착되거나 통합되는 리피터 공진기(4536)를 포함한다. 이러한 구성에서 다중 패키지는 소스 공진기가 패키지의 후면에 있는 상태로 전면에서 후면으로 적층될 수도 있다.
예시적이고 비한정적인 실시예에 따르면, 적층의 중앙에 있거나 적층의 후면에 있을 수도 있는 패키지를 턴오프하거나 이에 전원을 공급하는 것을 방지하는 것이 바람직할 수도 있다. 예를 들어, 소비자의 주의를 끌도록 설계된 패키지를 조명하는 것은 패키지가 소비자에게 보일 경우에만 유용할 수도 있다. 적층의 후면에 있는 패키지는 가시적이지 않을 수도 있고 패키지에 전원을 공급하면 에너지를 낭비하고, 회로의 신뢰성을 감소시키며, 잠재적으로 디바이스 고장에 이르게 할 수도 있다. 실시예들에서, 패키지는 이들이 디스플레이의 전면에 있거나 또는 이들이 소비자에게 가시적인 경우에만 전원공급하거나 턴온하도록 구성될 수도 있다.
예시적이고 비한정적인 실시예에 따르면, 패키지는 적합한 패키징을 결정하고 활성화시키기 위하여 사용될 수도 있는 센서, 예컨대 광 센서, RFID 센서 등을 가질 수도 있다.
예시적이고 비한정적인 실시예에 따르면, 패키징은 디스플레이의 전면에 있지 않는 디바이스 공진기를 선택적으로 디튜닝하도록 구성될 수도 있다. 소스 공진기의 공진 주파수로부터 디튜닝된 공진기는 소스로부터 에너지를 효율적으로 수신하지 않을 수도 있고 사실상 디스에이블될 수도 있다. 공진기의 선택적 디튜닝은 패키지들이 함께 접촉될 때 유손실 물질을 결합 페이스로 도입함으로써 달성될 수도 있다. 전기적 도체의 시트와 같은 물질은 디바이스 공진기의 근방으로 이동될 때 디바이스 공진기를 충분히 디튜닝할 수도 있다. 실시예들에서 패키징은 유손실 물질이 패키지 적층의 전면에 있지 않는 디바이스 공진기를 디튜닝할 수도 있도록 포지셔닝된 유손실 물질의 작은 면적으로써 설계될 수도 있다.
예를 들어, 도 45 에서 묘사되고 디바이스 공진기(4538) 및 리피터 공진기(4536)를 포함하는 패키징(4534)을 다시 고려한다. 패키징은 유손실 물질(4540)의 패치 또는 시트를 디바이스 공진기의 반대면 상에 가지도록 설계됨으로써, 두 개의 패키지들이 함께 적층되는 경우 유손실 물질이 각각의 패키지의 리피터 공진기에는 영향을 미치지 않고 후면에 있는 패키지의 디바이스 공진기를 로딩 및 디튜닝할 수도 있게 하여, 에너지가 리피터 공진기를 통해서 전면 패키지로 통과하도록 허용할 수도 있다.
두 패키지들이 있는 구성이 도 46 에 도시된다. 이러한 구성은 소스 공진기(4646) 및 각각 자기 자신의 리피터 공진기(4650, 4644) 및 디바이스 공진기(4654, 4648)를 개별적으로 가지는 두 개의 패키지(4643 및 4652)를 포함한다. 또한 각각의 패키지는 유손실 물질(4656, 4658)의 패치를 가질 수도 있다. 유손실 물질은 이것이 이것의 뒤에 있는 박스의 디바이스 공진기에 영향을 주도록 포지셔닝된다. 예를 들어, 패치(4658)는 더 큰 리피터 공진기(4644, 4650)와 전면 패키지(15854)의 디바이스 공진기에 영향을 주지 않으면서 뒤에 있는 디바이스 공진기(4648) 또는 박스를 디튜닝하도록 포지셔닝된다. 그러므로 무선 에너지는 소스 공진기(4646)로부터 전면 박스(4654)의 디바이스 공진기로 후면 박스(4644)의 리피터 공진기를 통하여 후면 박스의 디바이스 공진기(4648)에 크게 전원을 공급함이 없이 통과할 수도 있다.
실시예들에서, 효율적 에너지 전송은 소스 및/또는 리피터 공진기의 Q가 상대적으로 높고 패키징 내에 통합된 디바이스 공진기의 Q가 상대적으로 낮은 경우에 실현될 수도 있다. 이러한 더 낮은 Q 공진기는 인쇄된 도체, 도전 잉크, 페인트 및 기타 등등을 포함하는 유도성 소자를 포함할 수도 있다. 제조하기에 용이하고 처분하기에 안전한 유도성 소자는 이러한 소자의 손실이 일 예로서 전자 제품 등급 구리보다 더 높은 경우에도 패키징 애플리케이션에서 바람직할 수도 있다. 탄소 트레이스 및/또는 더 낮은 전도성이지만 인쇄가능한 도체를 포함하는 더 높은 손실 도체는 효율적 전력 전송이 더 높은 Q 소스 및 리피터 공진기 중 하나 또는 이들 모두를 사용하여 실현될 수도 있기 때문에 이러한 애에 대하여 적절할 수도 있다.
실시예들에서, 전체 새로운 마크 및 통신 성능은 이러한 진보적인 무선 전력 전송 기법을 사용하여 실현가능할 수도 있다. 예를 들어, 제품 패키징으로의 무선 전력 전송을 가능하게 함으로써, 패키징 자체는 새 기능성을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 패키징은 디스플레이된 가격이 무선 통신 링크를 통하여 갱신되도록 허용하는 통신 기능성을 포함할 수도 있다. 소매 환경에서, 패키지는 지나가는 소비자의 셀 폰과 통신하고, 그 제품이 특정 가격에 나왔거나, 개선되었거나, 또는 리뷰된 바 있다는 사실에 대해 그 소비자에게 경고하기 위하여 그 폰이 울리거나 진동하거나 가청 톤을 방출하도록 야기할 수도 있다. 창고 환경에서, 패키지는 집중형 데이터베이스와 통신하여 이것의 위치가 용이하게 식별될 수 있게 할 수도 있다. 예를 들어, UPS 드라이버는 그의 패키지를 더 이상 스캔할 필요가 없을 수도 있는데, 이것은 패키지가 무선으로 창고 내의, 트럭 내의 추적 소프트웨어와 통신할 수 있을 것이고, 더 나아가 GPS 추적 기법으로써 더욱 통합되어, 단지 "상차(on truck)"라고 말하는 대신에 포장된 것이 주어진 시간에서의 그 트럭의 거리에서의 위치로까지 추적될 수 있게 할 것이기 때문이다. 아마도 트럭 루트가 더 정확한 추정된 도달 시간과 함께 디스플레이될 수 있다.
무선 통신 기능성은 또한 다중 패키지의 애드 혹 네트워크를 형성하기 위하여 사용될 수도 있고, 무선 전력 전송에 의하여 가능해지는 디스플레이 성능 또는 조명(light-up) 성능이 다중 패키지를 수반하는 동기화된 디스플레이를 생성함으로써 더욱 향상될 수도 있다. For 예, 조명 기능성은 동기화되어 점멸 광 디스플레이, 또는 빛이 "패키징 주위에서 진행하는" 디스플레이를 생성할 수도 있다. 등에 추가하여, 무선 전력은 가청 톤에 전력을 공급하기 위하여 또는 마케팅 앱들을 무선 링크를 통하여 전달하기 위하여 사용될 수도 있다.
무선 통신은 소비자에게 캐리지의 콘텐츠의 비용을 디스플레이하는 "캐리지 내(in-carriage)" 시스템과 커플링될 수 있다. 캐리지는 전력을 카트 내의 패키지로 공급하기 위한 무선 전력 성능을 가질 수 있다. 캐리지는 캐리지가 캐리지 스탠드에 놓여질 때에 무선으로 재충전되는 재충전가능 배터리에 의하여 전력공급될 수 있고 또는 캐리지는 캐리지가 가게 주위에서 밀려서 돌아다닐 때 마루 내의 소스 코일로부터 전력이 공급될 수 있다. 엘모 인형(tickle me elmo) 또는 아이폰과 같은 고속 판매 아이템에 대하여, 소비자는 그들이 얼마나 많은 제품이 임의의 주어진 스토어에서 구입 가능한지의 숫자를 즉시 획득하도록 허용하는 앱을 그들의 전화기에 다운로드할 수 있다.
무선 전력 앱은 전력 소스의 맵, 전력 관리 및 공유를 포함할 수 있고, 당신이 다른 사람이 당신의 전력 중 일부를 가지도록 허용한다면 청구하는데(그들의 신용 카드가 당신의 전력을 공유하기 이전에 당신에게 지불할 수 있으며, 또는 당신은 이것을 무료로 교환하도록 선택할 수 있음), 이것은 심지어 당신이 알지 못해도 발생할 수도 있다. 당신은 당신이 적어도 50% 충전되는 한 언제나 비용을 지불하는 고객과 당신이 전력을 공유하도록 당신의 전화기를 설정할 수 있다. 당신은 또한 당신의 충전 상태가 어떤 레벨 아래로 떨어지는 임의의 시각에 특정 가격을 이용가능한 전력이 있는지 핑(pinging)하도록 당신의 전화기를 설정할 수 있다. 당신은 당신이 어떤 임계 전력 레벨에 도달하면 전력에 대해 더 지불하도록 설정할 수 있다. 앱은 판매, 쿠폰, 등, 무선으로 전력공급되는 디바이스에 의하여 무선으로 송신된 정보로써 조정될 수도 있다. 앱은 어떤 제품을 레시피 또는 소비자 리뷰와 링크시키거나 사용자가 다른 앱 사용자에게 이용가능하게 될 수 있는 코멘트를 하거나 데이터를 입력하도록 할 수도 있다. 시금치가 현재 세균성 대장균 발병(e-coli outbreak)의 원인으로 의심되고 있다는 것 같은 경고가 디스플레이될 수 있다. 리콜될 필요가 있는 음식 또는 제품은 선반 위에서 스스로 식별될 수도 있어서 이들이 상점 점원에 의하여 식별되고 제거되거나 소비자에 의하여 회피되게 할 수도 있다.
본 발명은 특정한 바람직한 실시예들과 연계하여 설명되었지만, 다른 실시예들이 당업자에게 이해될 것이고 본 개시물의 범위 내에 속하도록 의도되며, 이것들은 법률에 의해 허용될 수 있는 넓은 의미로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 언급된 모든 문헌은 참조에 의해 그 전체 내용이 본 명세서에서 완전하게 설명되는 것과 같이 원용된다.
Claims (25)
- 광전지 모듈로부터 무선 에너지 소스에 전원공급하는 방법으로서,
상기 광발전 모듈로부터의 전기 에너지를 사용하여 적어도 하나의 무선 에너지 소스에 전원공급하여 진동 자기장(oscillating magnetic field)을 생성하는 단계, 및
임피던스를 광전지 모듈로 제공하도록 상기 소스를 구성하는 단계로서, 상기 임피던스는 상기 광전지 모듈로부터의 에너지의 추출을 가능하게 하는, 단계를 포함하는, 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 진동 자기장을 무선 에너지 전송 소스로부터 원위에 포지셔닝되고 전기적으로 결선되지 않는 무선 에너지 캡쳐 디바이스를 사용하여 전기 에너지로 변환하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 소스를 상기 광전지 모듈에 대한 환경적 상태에서의 변화에 응답하여 조절하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제 2 항에 있어서,
상기 소스의 임피던스를 상기 광전지 모듈의 전기적 파라미터에서의 변화에 응답하여 구성하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제 4 항에 있어서,
상기 소스의 임피던스를 상기 광전지 모듈로부터의 전류에서의 증가에 응답하여 감소시키는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제 4 항에 있어서,
상기 소스의 임피던스를 상기 광전지 모듈로부터의 전류에서의 감소에 응답하여 증가시키는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제 4 항에 있어서,
상기 소스의 임피던스를 광전지 패널로부터의 전압에서의 증가에 응답하여 감소시키는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제 4 항에 있어서,
상기 소스의 임피던스를 광전지 패널로부터의 전압에서의 감소에 응답하여 증가시키는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제 4 항에 있어서,
상기 임피던스를 구성하는 단계는, 상기 무선 에너지 소스의 스위칭 시간을 조절하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제 4 항에 있어서,
상기 소스를 구성하는 단계는, 상기 무선 에너지 전송 소스의 인덕턴스, 커패시턴스, 저항, 또는 스위칭 시간 중 두 개 이상을 조절하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제 4 항에 있어서,
상기 소스를 구성하는 단계는, 상기 무선 에너지 캡쳐 디바이스의 인덕턴스, 커패시턴스, 저항, 또는 스위칭 시간 중 하나 이상을 조절하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 무선 에너지 전송 기능이 있는 광발전 에너지 시스템으로서,
전기 에너지를 생성하는 광전지 모듈, 및
진동 자기장을 생성하는 무선 에너지 소스로서, 상기 광전지 모듈에 연결되고 상기 전기 에너지에 의하여 전력공급되는, 무선 에너지 소스를 포함하고,
상기 무선 에너지 소스의 임피던스는 상기 광전지 모듈에게 특정한 임피던스를 제공하도록 구성되는, 시스템. - 제 12 항에 있어서,
무선 에너지 디바이스를 더 포함하고,
상기 무선 에너지 디바이스는 진동 자기장을 캡쳐하고 상기 자기장의 에너지를 소정 전압에서 전류로 변환하도록 구성되는, 시스템. - 제 13 항에 있어서,
상기 무선 에너지 디바이스는 상기 디바이스의 출력에서 특정 전류를 획득하도록 조절가능한, 시스템. - 제 13 항에 있어서,
상기 무선 에너지 디바이스는 상기 디바이스의 출력에서 특정 전압을 획득하도록 조절가능한, 시스템. - 제 13 항에 있어서,
상기 소스의 임피던스는 상기 광전지 모듈의 전기적 파라미터에서의 변화에 응답하여 구성가능한, 시스템. - 제 14 항에 있어서,
유사한 출력 전류를 가지는 복수 개의 무선 에너지 캡쳐 디바이스들이 직렬 연결로 구성되는, 시스템. - 제 17 항에 있어서,
상기 출력 전류는 상기 직렬 연결 양단에 기대된 전압을 유지하도록 조절가능한, 시스템. - 제 15 항에 있어서,
유사한 출력 전류를 가지는 복수 개의 무선 에너지 캡쳐 디바이스들이 병렬 연결로 구성되는, 시스템. - 제 19 항에 있어서,
상기 출력 전압은 상기 병렬 연결로부터의 기대된 전류를 유지하도록 조절가능한, 시스템. - 무선 에너지 소스에 연결된 재생가능 에너지 시스템(renewable energy system)으로부터 에너지를 전송하는 방법으로서,
공진기들 사이의 에너지 전송을 위하여 상기 소스를 구성하는 단계로서, 적어도 하나의 공진기는 상기 무선 에너지 캡쳐 디바이스에 연결되는 단계, 및
임피던스를 재생가능 에너지 시스템으로 제공하도록 상기 소스를 더 구성하는 단계로서, 상기 임피던스는 상기 재생가능 에너지 시스템으로부터의 에너지의 추출을 가능하게 하는, 단계를 포함하는, 방법. - 제 21 항에 있어서,
상기 재생가능 에너지 시스템에 대한 환경적 상태에서의 변화에 응답하여 상기 임피던스를 조절하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제 22 항에 있어서,
상기 재생가능 에너지 시스템은 풍력 터빈을 포함하는, 방법. - 제 22 항에 있어서,
상기 재생가능 에너지 시스템은 수력 터빈을 포함하는, 방법. - 제 22 항에 있어서,
상기 재생가능 에너지 시스템은 열 교환기를 포함하는, 방법.
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