KR20150032570A - 무선 전력 전송 장치, 무선 전력 전송 장치의 발열 제어 방법 및 무선 전력 전송 장치의 제조 방법 - Google Patents

무선 전력 전송 장치, 무선 전력 전송 장치의 발열 제어 방법 및 무선 전력 전송 장치의 제조 방법 Download PDF

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다케조 하타나카
히사시 츠다
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닛토덴코 가부시키가이샤
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Abstract

정전류 충전으로부터 정전압 충전으로 이행하였을 때의 무선 전력 전송 장치에 입력되는 입력 전류를 조정하고, 무선 전력 전송 장치의 발열을 제어할 수 있도록 한다. 급전 모듈(2)로부터, 정전류 정전압 충전 방식에 의해 충전 가능한 리튬 이온 이차 전지(9)가 접속된 수전 모듈(3)에 대하여 공진 현상에 의해 전력을 공급하는 무선 전력 전송 장치(1)에 관하여, 급전 모듈(2)에 공급하는 전력의 구동 주파수에 대한 전송 특성의 값이, 쌍봉성의 특성을 갖도록, 급전 모듈 및 수전 모듈을 구성하는 가변 가능한 파라미터를 설정하고, 구동 주파수를 조정함으로써, 정전압 충전 시에 있어서의 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 임피던스 Zin의 값의 증감 경향을 설정하여 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 전류 Iin의 증감 경향을 조정하고, 그로써 무선 전력 전송 장치(1)의 발열을 제어 가능하게 한다.

Description

무선 전력 전송 장치, 무선 전력 전송 장치의 발열 제어 방법 및 무선 전력 전송 장치의 제조 방법 {WIRELESS POWER TRANSMISSION DEVICE, METHOD FOR CONTROLLING HEAT GENERATED BY WIRELESS POWER TRANSMISSION DEVICE, AND PRODUCTION METHOD FOR WIRELESS POWER TRANSMISSION DEVICE}
본 발명은, 무선 전력 전송 장치의 발열을 제어 가능한 무선 전력 전송 장치, 무선 전력 전송 장치의 발열 제어 방법 및 무선 전력 전송 장치의 제조 방법에 관한 것이다.
최근, 노트북형 PC, 태블릿형 PC, 디지털 카메라, 휴대 전화, 휴대 게임기, 이어폰형 음악 플레이어, 무선식 헤드셋, 보청기, 리코더 등 사람이 휴대하면서 사용할 수 있는 휴대형 전자 기기가 급속하게 보급되고 있다. 그리고, 이들 휴대형 전자 기기의 대부분에는 충전지가 탑재되어 있어, 정기적인 충전이 필요로 된다. 이 전자 기기의 충전지에의 충전 작업을 간이하게 하기 위해서, 급전 장치와 전자 기기에 탑재된 수전 장치 사이에서 무선에 의한 전력 전송을 이용한 급전 기술(자계를 변화시켜 전력 전송을 행하는 무선 전력 전송 기술)에 의해, 충전지를 충전하는 기기가 점점 증가하고 있다.
예를 들어, 무선 전력 전송 기술로서는, 코일간의 전자기 유도를 이용하여 전력 전송을 행하는 기술이나(예를 들어, 특허문헌 1 참조), 급전 장치 및 수전 장치가 구비하는 공진기(코일)간의 공진 현상(자계 공명 상태)을 이용하여 자장을 결합시킴으로써 전력 전송을 행하는 기술을 들 수 있다(예를 들어, 특허문헌 2 참조).
또한, 충전지(예를 들어, 리튬 이온 이차 전지 등)를 충전하는 방식에 관해서는, 정전류 정전압 충전 방식이 알려져 있다. 그리고, 상기 무선에 의한 전력 전송을 행하는 무선 전력 전송 장치에 의해, 리튬 이온 이차 전지를 정전류 정전압 충전 방식에 의해 충전하는 경우, 정전류 충전으로부터 정전압 충전으로 이행하였을 때, 충전지에 공급되는 전류값이 감쇠되고, 충전지를 포함한 피급전 기기(충전지, 안정 회로, 충전 회로 등)의 부하 임피던스값이 상승하는 것에 수반하여, 무선 전력 전송 장치에 입력되는 입력 전류의 값이 변동된다.
그렇게 하면, 무선 전력 전송 장치에 입력되는 입력 전류의 값이 변동됨으로써, 무선 전력 전송 장치에서 소비되는 전력이 변동되게 되어, 무선 전력 전송 장치 전체의 발열량도 변동되게 된다. 그리고, 무선 전력 전송 장치에서 발생하는 발열량이 커지면, 무선 전력 전송 장치를 구성하는 전자 부품의 수명을 단축시키게 되어 버린다.
상기 문제를 해결하기 위해서, 정전류 충전으로부터 정전압 충전으로 이행하였을 때, 무선 전력 전송 장치에 입력되는 입력 전류, 또는, 무선 전력 전송 장치의 입력 임피던스 Zin을 조정 가능하게 하기 위해서, 별개로 조정기 등을 설치하는 것이 생각된다.
일본 특허 제4624768호 공보 일본 특허 공개 제2010-239769호 공보
그러나, 별개로 조정기를 설치하는 것은, 휴대성ㆍ콤팩트화ㆍ저비용화가 요구되는 휴대 전자 기기에 있어서는 부품 개수가 많아져 버려 적합하지 않다.
바꾸어 말하면, 휴대 전자 기기에서 사용되는 무선 전력 전송 장치(급전 장치 및 수전 장치)에 있어서는, 새로운 기기를 추가하지 않고, 정전류 충전으로부터 정전압 충전으로 이행하였을 때의 무선 전력 전송 장치에 입력되는 입력 전류의 값이 조정되는 것이 바람직하다.
따라서, 본 발명의 목적은, 새로운 기기를 추가하지 않고, 정전류 충전으로부터 정전압 충전으로 이행하였을 때의 무선 전력 전송 장치에 입력되는 입력 전류를 조정하고, 그로써 무선 전력 전송 장치의 발열을 제어할 수 있도록 한 발열 제어 방법 등을 제공하는 것에 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 발명의 하나는, 적어도 급전 코일 및 급전 공진기를 구비한 급전 모듈로부터, 적어도 수전 공진기 및 수전 코일을 구비하고, 또한 정전류ㆍ정전압 충전 방식에 의해 충전 가능한 이차 전지를 포함하는 피급전 기기가 접속된 수전 모듈에 대하여 공진 현상에 의해 전력을 공급하는 무선 전력 전송 장치의 발열 제어 방법이며,
상기 급전 모듈에 공급하는 전력의 구동 주파수에 대한 전송 특성의 값이, 상기 급전 모듈 및 수전 모듈에 있어서의 공진 주파수보다 낮은 구동 주파수 대역 및 상기 공진 주파수보다 높은 구동 주파수 대역에 각각 피크를 갖는 쌍봉성의 특성을 갖도록, 상기 급전 모듈 및 상기 수전 모듈을 구성하는 가변 가능한 파라미터를 설정함으로써,
상기 구동 주파수를 조정함으로써, 상기 정전압 충전 시에 있어서의 당해 무선 전력 전송 장치의 입력 임피던스값의 증감 경향을 설정하여 당해 무선 전력 전송 장치의 입력 전류의 증감 경향을 조정하고, 그로써 무선 전력 전송 장치의 발열을 제어할 수 있도록 한 것을 특징으로 하고 있다.
상기 방법에 의하면, 공진 현상에 의해 전력을 공급하는 무선 전력 전송 장치를 사용하여, 정전류ㆍ정전압 충전 방식에 의해 충전 가능한 이차 전지에 충전을 행하는 경우에, 무선 전력 전송 장치에 있어서의 급전 모듈 및 수전 모듈을 구성하는 가변 가능한 파라미터를, 급전 모듈에 공급하는 전력의 구동 주파수에 대한 전송 특성의 값이 급전 모듈 및 수전 모듈에 있어서의 공진 주파수보다 낮은 구동 주파수 대역 및 공진 주파수보다 높은 구동 주파수 대역에 각각 피크를 갖는 쌍봉성의 특성을 갖도록 설정함으로써, 쌍봉성의 특성을 갖도록 설정된 무선 전력 전송 장치에 공급하는 전력의 구동 주파수를 조정함으로써, 정전압 충전 시에 있어서의 당해 무선 전력 전송 장치의 입력 임피던스값의 증감 경향을 설정하여 당해 무선 전력 전송 장치의 입력 전류의 증감 경향을 조정하고, 그로써 무선 전력 전송 장치의 발열의 제어를 할 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 발명의 하나는, 상기 무선 전력 전송 장치의 발열 제어 방법이며, 상기 급전 모듈에 공급하는 전력의 상기 구동 주파수를, 상기 급전 모듈 및 수전 모듈에 있어서의 상기 공진 주파수보다 낮은 구동 주파수 대역에 나타나는 전송 특성의 피크값에 대응하는 대역에 설정하여, 상기 정전압 충전 시에 있어서의 당해 무선 전력 전송 장치의 입력 임피던스값이 증가 경향으로 되도록 조정하는 것을 특징으로 하고 있다.
상기 방법에 의하면, 급전 모듈에 공급하는 전력의 구동 주파수를, 급전 모듈 및 수전 모듈에 있어서의 공진 주파수보다 낮은 구동 주파수 대역에 나타나는 전송 특성의 피크값에 대응하는 대역에 설정함으로써, 정전압 충전 시에 있어서의 무선 전력 전송 장치의 입력 임피던스값이 증가 경향으로 되도록 조정할 수 있다. 이에 의해, 정전압 충전 시에 있어서의 당해 무선 전력 전송 장치의 입력 전류를 저감시키고, 그로써 무선 전력 전송 장치의 발열을 저감시킬 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 발명의 하나는, 상기 무선 전력 전송 장치의 발열 제어 방법이며, 상기 급전 모듈에 공급하는 전력의 상기 구동 주파수를, 상기 급전 모듈 및 수전 모듈에 있어서의 상기 공진 주파수보다 높은 구동 주파수 대역에 나타나는 전송 특성의 피크값에 대응하는 대역에 설정하여, 상기 정전압 충전 시에 있어서의 당해 무선 전력 전송 장치의 입력 임피던스값이 증가 경향으로 되도록 조정하는 것을 특징으로 하고 있다.
상기 방법에 의하면, 급전 모듈에 공급하는 전력의 구동 주파수를, 급전 모듈 및 수전 모듈에 있어서의 공진 주파수보다 높은 구동 주파수 대역에 나타나는 전송 특성의 피크값에 대응하는 대역에 설정함으로써, 정전압 충전 시에 있어서의 무선 전력 전송 장치의 입력 임피던스값이 증가 경향으로 되도록 조정할 수 있다. 이에 의해, 정전압 충전 시에 있어서의 당해 무선 전력 전송 장치의 입력 전류를 저감시키고, 그로써 무선 전력 전송 장치의 발열을 저감시킬 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 발명의 하나는, 상기 무선 전력 전송 장치의 발열 제어 방법이며, 상기 급전 모듈에 공급하는 전력의 상기 구동 주파수를, 상기 급전 모듈 및 수전 모듈에 있어서의 상기 공진 주파수보다 낮은 구동 주파수 대역에 나타나는 전송 특성의 피크값과 상기 공진 주파수보다 높은 구동 주파수 대역에 나타나는 전송 특성의 피크값 사이의 골짜기에 대응하는 대역에 설정하여, 상기 정전압 충전 시에 있어서의 당해 무선 전력 전송 장치의 입력 임피던스값이 유지 또는 저하 경향으로 되도록 조정하는 것을 특징으로 하고 있다.
상기 방법에 의하면, 급전 모듈에 공급하는 전력의 구동 주파수를, 급전 모듈 및 수전 모듈에 있어서의 공진 주파수보다 낮은 구동 주파수 대역에 나타나는 전송 특성의 피크값과 공진 주파수보다 높은 구동 주파수 대역에 나타나는 전송 특성의 피크값 사이의 골짜기에 대응하는 대역에 설정함으로써, 정전압 충전 시에 있어서의 당해 무선 전력 전송 장치의 입력 임피던스값이 유지 또는 저하 경향으로 되도록 조정할 수 있다. 이에 의해, 정전압 충전 시에 있어서의 당해 무선 전력 전송 장치의 입력 전류를 유지 또는 증가시킬 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 발명의 하나는, 상기 무선 전력 전송 장치의 발열 제어 방법에 의해 조정된 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치이다.
상기 구성에 의하면, 무선 전력 전송 장치의 발열의 제어를, 급전 모듈에 공급하는 전력의 구동 주파수를 조정함으로써 실현할 수 있다. 즉, 무선 전력 전송 장치의 부품 개수를 증가시키지 않고, 무선 전력 전송 장치의 발열의 제어가 가능하게 된다.
상기 과제를 해결하기 위한 발명의 하나는, 적어도 급전 코일 및 급전 공진기를 구비한 급전 모듈로부터, 적어도 수전 공진기 및 수전 코일을 구비하고, 또한 정전류ㆍ정전압 충전 방식에 의해 충전 가능한 이차 전지를 포함하는 피급전 기기가 접속된 수전 모듈에 대하여 공진 현상에 의해 전력을 공급하는 무선 전력 전송 장치의 제조 방법이며,
상기 급전 모듈에 공급하는 전력의 구동 주파수에 대한 전송 특성의 값이, 상기 급전 모듈 및 수전 모듈에 있어서의 공진 주파수보다 낮은 구동 주파수 대역 및 상기 공진 주파수보다 높은 구동 주파수 대역에 각각 피크를 갖는 쌍봉성의 특성을 갖도록, 상기 급전 모듈 및 상기 수전 모듈을 구성하는 가변 가능한 파라미터를 설정하는 공정을 포함함으로써,
상기 구동 주파수를 조정함으로써, 상기 정전압 충전 시에 있어서의 당해 무선 전력 전송 장치의 입력 임피던스값의 증감 경향을 설정하여 당해 무선 전력 전송 장치의 입력 전류의 증감 경향을 조정하고, 그로써 무선 전력 전송 장치의 발열을 제어할 수 있도록 한 것을 특징으로 하고 있다.
상기 방법에 의하면, 무선 전력 전송 장치의 발열의 제어를, 급전 모듈에 공급하는 전력의 구동 주파수를 조정함으로써 실현 가능한 무선 전력 전송 장치를 제조할 수 있다. 즉, 무선 전력 전송 장치의 부품 개수를 증가시키지 않고, 무선 전력 전송 장치의 발열의 제어가 가능한 무선 전력 전송 장치를 제조할 수 있다.
새로운 기기를 추가하지 않고, 정전류 충전으로부터 정전압 충전으로 이행하였을 때의 무선 전력 전송 장치에 입력되는 입력 전류를 조정하고, 그로써 무선 전력 전송 장치의 발열을 제어할 수 있도록 한 발열 제어 방법 등을 제공할 수 있다.
도 1은 무선 전력 전송 장치의 개략 설명도이다.
도 2는 무선 전력 전송 장치의 등가 회로의 설명도이다.
도 3은 리튬 이온 이차 전지의 충전 특성을 나타내는 그래프이다.
도 4의 (A)는 정전류 정전압 충전 시의 리튬 이온 이차 전지에 입력되는 전류값과 무선 전력 전송 장치에 입력되는 전류의 값을 나타낸 그래프이고, 도 4의 (B)는 정전류 정전압 충전 시에 있어서의 무선 전력 전송 장치의 온도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5는 구동 주파수에 대한 전송 특성 『S21』의 관계를 나타낸 설명도이다.
도 6은 구동 주파수에 대한 입력 임피던스 Zin의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 7은 측정 실험 1에 관한 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 8은 측정 실험 2에 관한 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 9는 측정 실험 3에 관한 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 10은 무선 전력 전송 장치의 제조 방법을 설명하는 설명도이다.
도 11은 무선 전력 전송 장치를 포함하는 무선식 헤드셋 및 충전기의 설계 방법을 설명한 흐름도이다.
(실시 형태)
이하에 본 발명에 따른 무선 전력 전송 장치, 무선 전력 전송 장치의 발열 제어 방법 및 무선 전력 전송 장치의 제조 방법의 실시 형태에 대하여 설명한다. 먼저, 본 실시 형태에서 사용하는 무선 전력 전송 장치(1)에 대하여 설명한다.
(무선 전력 전송 장치(1)의 구성)
무선 전력 전송 장치(1)는, 도 1에 도시한 바와 같이, 급전 코일(21) 및 급전 공진기(22)를 구비하는 급전 모듈(2)과, 수전 코일(31) 및 수전 공진기(32)를 구비하는 수전 모듈(3)을 구비하고 있다. 그리고, 급전 모듈(2)의 급전 코일(21)에, 급전 모듈(2)에 공급하는 전력의 구동 주파수를 소정의 값으로 설정한 발진 회로를 구비한 교류 전원(6)을 접속하고, 수전 모듈(3)의 수전 코일(31)에, 수전된 교류 전력을 정류화하는 안정 회로(7) 및 과충전을 방지하는 충전 회로(8)를 통하여 리튬 이온 이차 전지(9)를 접속하고 있다. 또한, 본 실시 형태에서는, 안정 회로(7), 충전 회로(8) 및 리튬 이온 이차 전지(9)는 피급전 기기(10)에 상당한다.
급전 코일(21)은, 교류 전원(6)으로부터 얻어진 전력을 전자기 유도에 의해 급전 공진기(22)에 공급하는 역할을 한다. 이 급전 코일(21)은, 도 2에 도시한 바와 같이, 저항기 R1, 코일 L1 및 콘덴서 C1을 요소로 하는 RLC 회로를 구성하고 있다. 또한, 코일 L1 부분은, 구리선재(절연 피막을 구비함)를 사용하고, 코일 직경을 15㎜φ로 설정하고 있다. 또한, 급전 코일(21)을 구성하는 회로 소자가 갖는 합계의 임피던스를 Z1이라 하고, 본 실시 형태에서는, 급전 코일(21)을 구성하는 저항기 R1, 코일 L1 및 콘덴서 C1을 요소로 하는 RLC 회로(회로 소자)가 갖는 합계의 임피던스를 Z1이라 하고 있다. 또한, 급전 코일(21)에 흐르는 전류를 I1이라 한다. 또한, 전류 I1은 무선 전력 전송 장치(1)에 입력되는 입력 전류 Iin과 동의이다.
수전 코일(31)은, 급전 공진기(22)로부터 수전 공진기(32)에 자계 에너지로서 전송된 전력을 전자기 유도에 의해 수전하고, 안정 회로(7) 및 충전 회로(8)를 통해서 리튬 이온 이차 전지(9)에 공급하는 역할을 한다. 이 수전 코일(31)은, 급전 코일(21)과 마찬가지로, 도 2에 도시한 바와 같이, 저항기 R4, 코일 L4 및 콘덴서 C4를 요소로 하는 RLC 회로를 구성하고 있다. 또한, 코일 L4 부분은, 구리선재(절연 피막을 구비함)를 사용하고, 코일 직경 11㎜φ로 설정하고 있다. 또한, 수전 코일(31)을 구성하는 회로 소자가 갖는 합계의 임피던스를 Z4라 하고, 본 실시 형태에서는, 수전 코일(31)을 구성하는 저항기 R4, 코일 L4 및 콘덴서 C4를 요소로 하는 RLC 회로(회로 소자)가 갖는 합계의 임피던스를 Z4라 하고 있다. 또한, 수전 코일(31)에 접속된 피급전 기기(10)의 합계의 임피던스를 ZL이라 한다. 또한, 수전 코일(31)에 흐르는 전류를 I4라 한다. 또한, 피급전 기기(10)의 합계의 임피던스를 ZL이라 하고 있지만, 편의적으로 RL로 치환해도 된다.
급전 공진기(22)는, 도 2에 도시한 바와 같이, 저항기 R2, 코일 L2 및 콘덴서 C2를 요소로 하는 RLC 회로를 구성하고 있다. 또한, 수전 공진기(32)는, 도 2에 도시한 바와 같이, 저항기 R3, 코일 L3 및 콘덴서 C3을 요소로 하는 RLC 회로를 구성하고 있다. 그리고, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)는, 각각 공진 회로로 되고, 자계 공명 상태를 창출하는 역할을 한다. 여기서, 자계 공명 상태(공진 현상)란, 2개 이상의 코일이 공진 주파수에 있어서 공진(동조)하는 것을 말한다. 또한, 급전 공진기(22)를 구성하는 회로 소자가 갖는 합계의 임피던스를 Z2라 하고, 본 실시 형태에서는, 급전 공진기(22)를 구성하는, 저항기 R2, 코일 L2 및 콘덴서 C2를 요소로 하는 RLC 회로(회로 소자)가 갖는 합계의 임피던스를 Z2라 하고 있다. 또한, 수전 공진기(32)를 구성하는 회로 소자가 갖는 합계의 임피던스를 Z3이라 하고, 본 실시 형태에서는, 수전 공진기(32)를 구성하는, 저항기 R3, 코일 L3 및 콘덴서 C3을 요소로 하는 RLC 회로(회로 소자)가 갖는 합계의 임피던스를 Z3이라 하고 있다. 또한, 급전 공진기(22)에 흐르는 전류를 I2라 하고, 수전 공진기(32)에 흐르는 전류를 I3이라 한다.
또한, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)에 있어서의 공진 회로로서의 RLC 회로에서는, 인덕턴스를 L, 콘덴서 용량을 C라 하면, 수학식 1에 의해 정해지는 f가 공진 주파수로 된다. 그리고, 본 실시 형태에 있어서의 급전 코일(21), 급전 공진기(22), 수전 코일(31) 및 수전 공진기(32)의 공진 주파수는 970㎑로 하고 있다.
Figure pct00001
또한, 급전 공진기(22)는, 구리선재(절연 피막을 구비함)에 의해 구성한 코일 직경 15㎜φ의 솔레노이드형 코일을 사용하고 있다. 또한, 수전 공진기(32)는, 구리선재(절연 피막을 구비함)에 의해 구성한 코일 직경 11㎜φ의 솔레노이드형 코일을 사용하고 있다. 또한, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)에 있어서의 공진 주파수는 일치시키고 있다. 또한, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)는, 코일을 사용한 공진기라면, 스파이럴형이나 솔레노이드형 등의 코일이어도 된다.
또한, 급전 코일(21)과 급전 공진기(22) 사이의 거리를 d12라 하고, 급전 공진기(22)와 수전 공진기(32) 사이의 거리를 d23이라 하고, 수전 공진기(32)와 수전 코일(31) 사이의 거리를 d34라 하고 있다(도 1 참조).
또한, 도 2에 도시한 바와 같이, 급전 코일(21)의 코일 L1과 급전 공진기(22)의 코일 L2 사이의 상호 인덕턴스를 M12, 급전 공진기(22)의 코일 L2와 수전 공진기(32)의 코일 L3 사이의 상호 인덕턴스를 M23, 수전 공진기(32)의 코일 L3과 수전 코일(31)의 코일 L4 사이의 상호 인덕턴스를 M34라고 하고 있다. 또한, 무선 전력 전송 장치(1)에 있어서, 코일 L1과 코일 L2 사이의 결합 계수를 k12라 표기하고, 코일 L2와 코일 L3 사이의 결합 계수를 k23이라 표기하고, 코일 L3과 코일 L4 사이의 결합 계수를 k34라 표기하고 있다.
또한, 급전 코일(21)의 RLC 회로의 R1, L1, C1, 급전 공진기(22)의 RLC 회로의 R2, L2, C2, 수전 공진기(32)의 RLC 회로의 R3, L3, C3, 수전 코일(31)의 RLC 회로의 R4, L4, C4에 있어서의 저항값, 인덕턴스, 콘덴서 용량 및 결합 계수 k12, k23, k34는, 설계ㆍ제조 단계 등에서 변경 가능한 파라미터로서, 후술하는 수학식 4의 관계식을 만족시키도록 설정되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 구성에 의한 무선 전력 전송 장치(1)(안정 회로(7), 충전 회로(8) 및 리튬 이온 이차 전지(9)를 포함함)의 회로도를 나타내면 도 1의 아래의 도면과 같이 된다. 이것은, 무선 전력 전송 장치(1) 전체를 하나의 입력 임피던스 Zin으로 치환하여 나타낸 것이며, 무선 전력 전송 장치(1)에 인가하는 전압을 전압 Vin, 무선 전력 전송 장치(1)에 입력하는 전류를 Iin이라 하고 있다.
또한, 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 임피던스 Zin을 보다 상세하게 나타내기 위해서, 무선 전력 전송 장치(1)의 구성을 등가 회로에 의해 나타내면 도 2에 도시한 바와 같이 된다. 그리고, 도 2의 등가 회로로부터, 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 임피던스 Zin은, 수학식 2와 같이 표기할 수 있다.
Figure pct00002
그리고, 본 실시 형태에 있어서의 무선 전력 전송 장치(1)의 급전 코일(21), 급전 공진기(22), 수전 공진기(32) 및 수전 코일(31)에 있어서의 임피던스 Z1, Z2, Z3, Z4, ZL은, 각각 수학식 3과 같이 표기할 수 있다.
Figure pct00003
다음에, 수학식 2에 수학식 3을 도입하면, 수학식 4와 같이 된다.
Figure pct00004
상기 무선 전력 전송 장치(1)에 의하면, 급전 공진기(22)의 공진 주파수와 수전 공진기(32)의 공진 주파수를 일치시킨 경우, 급전 공진기(22)와 수전 공진기(32) 사이에 자계 공명 상태를 창출할 수 있다. 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)가 공진한 상태에서 자계 공명 상태가 창출되면, 급전 공진기(22)로부터 수전 공진기(32)에 전력을 자계 에너지로서 전송할 수 있다. 그리고, 수전 공진기(32)에 의해 수전된 전력이 수전 코일(31), 안정 회로(7) 및 충전 회로(8)를 통해서 리튬 이온 이차 전지(9)에 급전되어 충전된다.
(무선 전력 전송 장치의 발열 제어 방법)
상기 무선 전력 전송 장치(1)의 구성을 근거로 하여, 무선 전력 전송 장치(1)의 발열 제어 방법에 대하여 설명한다.
먼저, 본 실시 형태에 따른 무선 전력 전송 장치(1)를 사용한 전력의 급전처인 리튬 이온 이차 전지(9)의 충전 시에 있어서의 충전 특성을 근거로 한, 무선 전력 전송 장치(1)의 온도 상승 메커니즘 및 그 대처 방법에 대하여 설명한다.
본 실시 형태에서는, 전력이 급전되는 피급전 기기(10)의 하나로서 리튬 이온 이차 전지(9)를 사용하고 있다. 그리고, 일반적으로, 리튬 이온 이차 전지(9)를 충전하는 데에는, 정전류 정전압 충전 방식이 사용되고 있다. 이 정전류 정전압 충전 방식에 의한 리튬 이온 이차 전지(9)의 충전에서는, 도 3의 리튬 이온 이차 전지(9)의 충전 특성에 나타내는 바와 같이, 충전을 개시하고 나서 얼마 동안은, 리튬 이온 이차 전지(9)에 대하여 정전류(Ich)에 의한 충전이 행해진다(CC: 콘스턴트 커런트). 그리고, 정전류에 의한 충전이 행해지고 있는 동안에 리튬 이온 이차 전지(9)에 인가되는 전압(Vch)이, 소정의 상한 전압(본 실시 형태에서는, 4.2V)까지 상승한다. 전압(Vch)이 상한 전압까지 상승하면, 그 상한 전압으로 유지된 채로 정전압에 의한 충전이 행해진다(CV: 콘스턴트 볼티지). 정전압(CV)에 의한 충전이 행해지면, 리튬 이온 이차 전지(9)에 입력되는 전류값(Ich)이 감쇠되어 가고, 소정의 전류값, 또는 소정 시간 경과 후에 충전 완료된다.
그리고, 무선 전력 전송 장치(1)에 의해, 리튬 이온 이차 전지(9)를 상기 정전류 정전압 충전 방식에 의해 충전하는 경우, 정전류에 의한 충전(CC)으로부터 정전압에 의한 충전(CV)으로 이행하였을 때, 도 4의 (A)의 정전류 정전압 충전 시의 리튬 이온 이차 전지(9)에 입력되는 전류값(Ich)과 무선 전력 전송 장치(1)에 입력되는 전류 Iin의 값을 나타낸 그래프에 나타내는 바와 같이, 리튬 이온 이차 전지(9)에 입력되는 전류값(Ich)은 감쇠되어 가지만, 무선 전력 전송 장치(1)에 입력되는 전류 Iin의 값은 변하지 않는다.
한편, 도 4의 (B)의 정전류 정전압 충전 시에 있어서의 무선 전력 전송 장치(1)의 온도 변화의 그래프에 나타내는 바와 같이, 무선 전력 전송 장치(1)의 온도는, 정전류에 의한 충전(CC)으로부터 정전압에 의한 충전(CV)으로 이행하였을 때 상승해 버린다.
이것은, 정전압 충전(CV) 시에 있어서의 전류 Iin과 전류 Ich의 차(도 4의 (A)의 D2 참조)가, 정전류 충전(CC) 시에 있어서의 전류 Iin과 전류 Ich의 차(도 4의 (A)의 D1 참조)보다 넓어짐으로써, 차가 넓어진 만큼(D2-D1)이 무선 전력 전송 장치(1)에 있어서의 발열로서 소비되어, 무선 전력 전송 장치(1)의 온도 상승을 초래한 것이라 생각된다.
이와 같이 무선 전력 전송 장치(1)에서 발생하는 발열량이 커지면, 무선 전력 전송 장치(1)를 구성하는 전자 부품의 수명을 단축시키게 되어 버린다.
따라서, 무선 전력 전송 장치(1)를 사용하여 리튬 이온 이차 전지(9)에 정전류 정전압 충전을 행하는 경우에, 정전류에 의한 충전(CC)으로부터 정전압에 의한 충전(CV)으로 이행하였을 때의 무선 전력 전송 장치(1)의 발열량을 억제하여, 무선 전력 전송 장치(1)의 온도 상승을 억제할 것이 요구된다.
그리고, 무선 전력 전송 장치(1)에서 발생하는 열에너지 J(발열량)는, 무선 전력 전송 장치(1)에 전압 Vin을 가하고, 전류 Iin을 t초(sec) 흘렸다고 하면, 수학식 5로부터 구해진다(줄의 법칙).
Figure pct00005
그리고, 전류 Iin을 전압 Vin 및 입력 임피던스 Zin을 근거로 한 관계식으로 나타내면 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다(도 1 참조).
Figure pct00006
여기서, 본 실시 형태와 같이, 교류 전원(6)에 의해 무선 전력 전송 장치(1)에 인가하는 전압 Vin이 일정하게 유지되기 때문에(본 실시 형태에서는 실효값 5V), 수학식 5에 수학식 6을 대입하면, 수학식 7의 관계식으로 나타낼 수 있다.
Figure pct00007
상기 수학식 7로부터, 정전압 충전 시의 입력 임피던스 Zin의 값을 크게 할 수 있으면, 정전류에 의한 충전(CC)으로부터 정전압에 의한 충전(CV)으로 이행하였을 때의 무선 전력 전송 장치(1)의 발열량(무선 전력 전송 장치(1)에서 발생하는 열에너지 J)을 억제하여, 무선 전력 전송 장치(1)의 온도의 상승을 억제하는 것이 가능해지는 것을 알 수 있다.
(정전압 충전 시의 입력 임피던스 Zin의 증감 경향의 설정)
본 실시 형태에서는, 무선 전력 전송 장치(1)를 사용하여 리튬 이온 이차 전지(9)에 정전류 정전압 충전을 행하는 경우, 정전압 충전 시(CV)의 입력 임피던스 Zin의 값을 크게 하기 위해서, 후술하는 무선 전력 전송 장치(1)에 공급하는 전력의 구동 주파수에 대한 무선 전력 전송 장치(1)의 전송 특성 『S21』이 쌍봉성의 성질을 갖도록, 급전 코일(21)의 RLC 회로의 R1, L1, C1, 급전 공진기(22)의 RLC 회로의 R2, L2, C2, 수전 공진기(32)의 RLC 회로의 R3, L3, C3, 수전 코일(31)의 RLC 회로의 R4, L4, C4에 있어서의 저항값, 인덕턴스, 콘덴서 용량 및 결합 계수 k12, k23, k34 등의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)을 구성하는 변경 가능한 파라미터를 설정한다. 그리고, 무선 전력 전송 장치(1)에 공급하는 전력의 구동 주파수에 대한 무선 전력 전송 장치(1)의 전송 특성 『S21』을 쌍봉성의 성질을 갖도록 한 후, 무선 전력 전송 장치(1)에 공급하는 전력의 구동 주파수를 조정함으로써, 정전압 충전 시에 있어서의 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 임피던스값의 증감 경향을 설정하고, 무선 전력 전송 장치(1)의 발열량을 억제한다.
(측정 실험)
상기 무선 전력 전송 장치(1)에 공급하는 전력의 구동 주파수에 대한 무선 전력 전송 장치(1)의 전송 특성 『S21』을 쌍봉성의 성질을 갖도록 설정한 경우에, 무선 전력 전송 장치(1)에 공급하는 전력의 구동 주파수를 조정함으로써, 정전압 충전 시에 있어서의 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 임피던스값이 어떤 증감 경향을 나타내는지를, 측정 실험 1 내지 3에 의해 설명한다.
측정 실험 1 내지 3에서 사용하는 무선 전력 전송 장치(1)에서는, 급전 코일(21)은, 저항기 R1, 코일 L1, 콘덴서 C1을 요소로 하는 RLC 회로를 구성하고 있고, 코일 L1 부분은, 코일 직경을 15㎜φ로 설정하고 있다. 마찬가지로, 수전 코일(31)은, 저항기 R4, 코일 L4, 콘덴서 C4를 요소로 하는 RLC 회로를 구성하고 있고, 코일 L4 부분은, 코일 직경을 11㎜φ로 설정하고 있다. 또한, 급전 공진기(22)는, 저항기 R2, 코일 L2 및 콘덴서 C2를 요소로 하는 RLC 회로를 구성하고 있고, 코일 L2 부분은, 코일 직경 15㎜φ의 솔레노이드형 코일을 사용하고 있다. 또한, 수전 공진기(32)는, 저항기 R3, 코일 L3 및 콘덴서 C3을 요소로 하는 RLC 회로를 구성하고 있고, 코일 L3 부분은, 코일 직경 11㎜φ의 솔레노이드형 코일을 사용하고 있다. 그리고, 측정 실험 1 내지 3에 사용하는 무선 전력 전송 장치(1)에 있어서의 R1, R2, R3, R4의 값을 각각, 0.65Ω, 0.65Ω, 2.47Ω, 2.3Ω으로 설정하였다. 또한, L1, L2, L3, L4의 값을 각각, 3.1μH, 3.1μH, 18.4μH, 12.5μH로 설정하였다. 또한, 결합 계수 k12, k23, k34를 각각, 0.46, 0.20, 0.52로 설정하였다. 또한, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)에 있어서의 공진 주파수는 970㎑이다.
그리고, 측정 실험 1 내지 3에서는, 상기 구성에 의해, 무선 전력 전송 장치(1)를 쌍봉성의 성질로 설정한 후, 급전 모듈(2)에 공급하는 교류 전력의 구동 주파수를, 후술하는 동상 공진 모드(fL), 역상 공진 모드(fH) 및 공진 주파수(f0)의 3개의 상태(도 5, 도 6 참조)로 변화시켜, 리튬 이온 이차 전지(9)에 충전(급전)을 행하였을 때의 전류 Iin 및 입력 임피던스 Zin을 측정한다. 또한, 측정 실험 1 내지 3에서는, 무선 전력 전송 장치(1)에의 교류 전원(6)으로부터의 입력 전압 Vin=5V일 때의 충전 시간(Charging Time(min))에 대한 전류 Iin 및 입력 임피던스 Zin을 측정한다.
(쌍봉성의 성질)
여기서, 본 측정 실험에 있어서는, 무선 전력 전송 장치(1)에 공급하는 전력의 구동 주파수에 대한 무선 전력 전송 장치(1)의 전송 특성 『S21』이, 쌍봉성의 성질을 갖는 것으로 측정하고 있다. 그리고, 전송 특성 『S21』이란, 네트워크 애널라이저(애질런트 테크놀로지 가부시끼가이샤제의 E5061B 등)를 무선 전력 전송 장치(1)에 접속하여 계측되는 신호를 나타내고 있고, 데시벨 표시되며, 수치가 클수록 전력 전송 효율이 높은 것을 의미한다. 그리고, 무선 전력 전송 장치(1)에 공급하는 전력의 구동 주파수에 대한 무선 전력 전송 장치(1)의 전송 특성 『S21』은, 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3) 사이의 자계에 의한 결합 정도(자계 결합)의 강도에 따라, 단봉성의 성질을 갖는 것과 쌍봉성의 성질을 갖는 것으로 나누어진다. 그리고, 단봉성이란, 구동 주파수에 대한 전송 특성 『S21』의 피크가 하나이고, 그 피크가 공진 주파수 대역(f0)에 있어서 나타나는 것을 말한다(도 5의 파선(51) 참조). 한편, 쌍봉성이란, 구동 주파수에 대한 전송 특성 『S21』의 피크가 2개 있고, 그 2개의 피크가 공진 주파수보다 낮은 구동 주파수 대역(fL)과 공진 주파수보다 높은 구동 주파수 대역(fH)에 있어서 나타나는 것을 말한다(도 5의 실선(52) 참조). 더욱 상세하게 쌍봉성을 정의하면, 상기 네트워크 애널라이저에 무선 전력 전송 장치(1)를 접속하여 계측되는 반사 특성 『S11』이 2개의 피크를 갖는 상태를 말한다. 따라서, 구동 주파수에 대한 전송 특성 『S21』의 피크가 언뜻 보아 하나로 보였다고 해도, 계측되고 있는 반사 특성 『S11』이 2개의 피크를 갖는 경우에는, 쌍봉성의 성질을 갖는 것으로 한다. 또한, 전력 전송 효율이란, 급전 모듈(2)에 공급되는 전력에 대한, 수전 모듈(3)이 수전하는 전력의 비율을 말한다.
상기 단봉성의 성질을 갖는 무선 전력 전송 장치(1)에 있어서는, 도 5의 파선(51)으로 나타내는 바와 같이, 구동 주파수가 공진 주파수 f0에서 전송 특성 『S21』이 최대화된다(전력 전송 효율이 최대화된다).
한편, 쌍봉성의 성질을 갖는 무선 전력 전송 장치(1)에서는, 도 5의 실선(52)으로 나타내는 바와 같이, 전송 특성 『S21』은, 공진 주파수 f0보다 낮은 구동 주파수 대역(fL)과 공진 주파수 f0보다 높은 구동 주파수 대역(fH)에 있어서 최대화된다.
또한, 일반적으로, 급전 공진기와 수전 공진기 사이의 거리가 동일하면, 쌍봉성에 있어서의 전송 특성 『S21』의 최댓값(fL 또는 fH에서의 전송 특성 『S21』의 값)은, 단봉성에 있어서의 전송 특성 『S21』의 최댓값(f0에서의 전송 특성 『S21』의 값)보다 낮은 값으로 된다(도 5의 그래프 참조).
구체적으로는, 쌍봉성에 있어서의 저주파측의 피크 부근의 주파수 fL로, 급전 모듈(2)에 공급하는 교류 전력의 구동 주파수를 설정한 경우(동상 공진 모드), 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)가 동위상에서 공진 상태로 되어, 급전 공진기(22)에 흐르는 전류의 방향과 수전 공진기(32)에 흐르는 전류의 방향이 동일한 방향으로 된다. 그 결과, 도 5의 그래프에 나타내는 바와 같이, 전력 전송 효율의 최대화를 목적으로 한 일반적인 무선 전력 전송 장치에 있어서의 전송 특성 『S21』(파선(51))에는 미치지 못하지만, 구동 주파수를 급전 모듈(2)이 구비하는 급전 공진기(22) 및 수전 모듈(3)이 구비하는 수전 공진기(32)가 갖는 공진 주파수와 일치시키지 않은 경우라도, 전송 특성 『S21』의 값을 비교적 높은 값으로 할 수 있다. 여기서, 급전 모듈(2)에 있어서의 코일(급전 공진기(22))에 흐르는 전류의 방향과 수전 모듈(3)에 있어서의 코일(수전 공진기(32))에 흐르는 전류의 방향이 동일한 방향으로 되는 공진 상태를 동상 공진 모드라 부르기로 한다.
또한, 상기 동상 공진 모드에서는, 급전 공진기(22)의 외주측에 발생하는 자계와 수전 공진기(32)의 외주측에 발생하는 자계가 서로 상쇄됨으로써, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)의 외주측에, 자계에 의한 영향이 저감되어, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)의 외주측 이외의 자계 강도(예를 들어, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)의 내주측의 자계 강도)보다 작은 자계 강도를 갖는 자계 공간을 형성할 수 있다. 그리고, 이 자계 공간에 자계의 영향을 저감시키고 싶은 안정 회로(7)나 충전 회로(8)나 충전지(9) 등을 수납한 경우, 안정 회로(7)나 충전 회로(8)나 충전지(9) 등에 대하여, 자계에 기인하는 와전류의 발생을 저감·방지하여, 발열에 의한 악영향을 억제하는 것이 가능해진다.
한편, 쌍봉성에 있어서의 고주파측의 피크 부근의 주파수 fH로, 급전 모듈(2)에 공급하는 교류 전력의 구동 주파수를 설정한 경우(역상 공진 모드), 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)가 역위상에서 공진 상태로 되어, 급전 공진기(22)에 흐르는 전류의 방향과 수전 공진기(32)에 흐르는 전류의 방향이 반대 방향으로 된다. 그 결과, 도 5의 그래프에 나타내는 바와 같이, 전력 전송 효율의 최대화를 목적으로 한 일반적인 무선 전력 전송 장치에 있어서의 전송 특성 『S21』(파선(51))에는 미치지 못하지만, 구동 주파수를 급전 모듈(2)이 구비하는 급전 공진기(22) 및 수전 모듈(3)이 구비하는 수전 공진기(32)가 갖는 공진 주파수와 일치시키지 않은 경우라도, 전송 특성 『S21』의 값을 비교적 높은 값으로 할 수 있다. 여기서, 급전 모듈(2)에 있어서의 코일(급전 공진기(22))에 흐르는 전류의 방향과 수전 모듈(3)에 있어서의 코일(수전 공진기(32))에 흐르는 전류의 방향이 역방향으로 되는 공진 상태를 역상 공진 모드라 부르기로 한다.
또한, 상기 역상 공진 모드에서는, 급전 공진기(22)의 내주측에 발생하는 자계와 수전 공진기(32)의 내주측에 발생하는 자계가 서로 상쇄됨으로써, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)의 내주측에, 자계에 의한 영향이 저감되어, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)의 내주측 이외의 자계 강도(예를 들어, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)의 외주측의 자계 강도)보다 작은 자계 강도를 갖는 자계 공간을 형성할 수 있다. 그리고, 이 자계 공간에 자계의 영향을 저감시키고 싶은 안정 회로(7)나 충전 회로(8)나 충전지(9) 등을 수납한 경우, 안정 회로(7)나 충전 회로(8)나 충전지(9) 등에 대하여, 자계에 기인하는 와전류의 발생을 저감ㆍ방지하여, 발열에 의한 악영향을 억제하는 것이 가능해진다. 또한, 이 역상 공진 모드에 의해 형성되는 자계 공간은, 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)의 내주측에 형성되므로, 이 공간에 안정 회로(7)나 충전 회로(8)나 충전지(9) 등의 전자 부품을 내장함으로써 무선 전력 전송 장치(1) 자체의 콤팩트화ㆍ설계 자유도의 향상이 실현된다.
또한, 상기와 같이 무선 전력 전송 장치(1)에 공급하는 전력의 구동 주파수에 대한 무선 전력 전송 장치(1)의 전송 특성 『S21』이 쌍봉성의 성질을 갖는 경우, 급전 모듈(2)에 공급하는 교류 전력의 구동 주파수를 동상 공진 모드(fL), 또는, 역상 공진 모드(fH)로 설정하였을 때, 도 6에 도시한 바와 같이, 전력 전송 효율을 높은 값으로 유지한 상태에서, 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 임피던스 Zin의 값의 최대화를 도모할 수 있다(실선(55) 참조). 또한, 급전 모듈(2)에 공급하는 교류 전력의 구동 주파수를 공진 주파수(f0)로 설정하였을 때, 도 6에 도시한 바와 같이, 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 임피던스 Zin의 값의 최소화를 도모할 수 있다(실선(55) 참조). 그리고, 본 측정 실험 1 내지 3에서는, 급전 모듈(2)에 공급하는 교류 전력의 구동 주파수를 동상 공진 모드(fL), 역상 공진 모드(fH) 및 공진 주파수(f0)의 3개의 상태에서, 리튬 이온 이차 전지(9)에 충전(급전)을 행하였을 때의 전류 Iin 및 입력 임피던스 Zin을 측정하고 있다.
또한, 본 실시 형태에서는, 무선 전력 전송 장치(1)에 공급하는 전력의 구동 주파수에 대한 무선 전력 전송 장치(1)의 전송 특성 『S21』이 쌍봉성의 성질을 갖는 것이면, 급전 코일(21)의 RLC 회로의 R1, L1, C1, 급전 공진기(22)의 RLC 회로의 R2, L2, C2, 수전 공진기(32)의 RLC 회로의 R3, L3, C3, 수전 코일(31)의 RLC 회로의 R4, L4, C4에 있어서의 저항값, 인덕턴스, 콘덴서 용량 및 결합 계수 k12, k23, k34 등의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)을 구성하는 변경 가능한 파라미터의 설정ㆍ조합은 설계 사항이며 자유롭게 설정할 수 있다.
(측정 실험 1: 구동 주파수를 동상 공진 모드로 설정한 경우)
측정 실험 1에서는, 쌍봉성에 있어서의 저주파측의 피크 부근의 주파수 fL로, 급전 모듈(2)에 공급하는 교류 전력의 구동 주파수를 설정한 경우(동상 공진 모드: fL=870㎑)의 충전 시간(Charging Time(min))에 대한 입력 전류 Iin 및 입력 임피던스 Zin을 측정하고, 그 측정 결과를 도 7에 도시한다. 또한, 입력 전압 Vin은 5V(일정)이다.
도 7의 측정 결과로부터, 정전류에 의한 충전(CC)으로부터 정전압에 의한 충전(CV)으로 이행하고 난 후 입력 임피던스 Zin의 값이 증가 경향으로 되고 있음을 알 수 있다. 그리고, 입력 임피던스 Zin의 값이 증가 경향으로 되는 것에 수반하여, 입력 전류 Iin의 값이 감소 경향으로 되고 있음을 알 수 있다(수학식 6 참조).
상기 측정 실험 1로부터, 무선 전력 전송 장치(1)에 공급하는 전력의 구동 주파수에 대한 무선 전력 전송 장치(1)의 전송 특성 『S21』을 쌍봉성의 성질을 갖도록 설정한 후, 쌍봉성에 있어서의 저주파측의 피크 부근의 주파수 fL로, 급전 모듈(2)에 공급하는 교류 전력의 구동 주파수를 설정한 경우, 정전류에 의한 충전(CC)으로부터 정전압에 의한 충전(CV)으로 이행하고 난 후 입력 임피던스 Zin의 값을 증가 경향으로 할 수 있다. 이에 의해, 정전압 충전 시(CV)에 있어서의 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 전류 Iin을 저감시키고, 그로써 무선 전력 전송 장치(1)의 발열을 저감시킬 수 있음을 알 수 있다.
(측정 실험 2: 구동 주파수를 역상 공진 모드로 설정한 경우)
측정 실험 2에서는, 쌍봉성에 있어서의 고주파측의 피크 부근의 주파수 fH로, 급전 모듈(2)에 공급하는 교류 전력의 구동 주파수를 설정한 경우(역상 공진 모드: fH=1070㎑)의 충전 시간(Charging Time(min))에 대한 입력 전류 Iin 및 입력 임피던스 Zin을 측정하고, 그 측정 결과를 도 8에 도시한다. 또한, 입력 전압 Vin은 5V(일정)이다.
도 8의 측정 결과로부터, 정전류에 의한 충전(CC)으로부터 정전압에 의한 충전(CV)으로 이행하고 난 후 입력 임피던스 Zin의 값이 증가 경향으로 되고 있음을 알 수 있다. 그리고, 입력 임피던스 Zin의 값이 증가 경향으로 되는 것에 수반하여, 입력 전류 Iin의 값이 감소 경향으로 되고 있음을 알 수 있다(수학식 6 참조).
상기 측정 실험 2로부터, 무선 전력 전송 장치(1)에 공급하는 전력의 구동 주파수에 대한 무선 전력 전송 장치(1)의 전송 특성 『S21』을 쌍봉성의 성질을 갖도록 설정한 후, 쌍봉성에 있어서의 고주파측의 피크 부근의 주파수 fH로, 급전 모듈(2)에 공급하는 교류 전력의 구동 주파수를 설정한 경우, 정전류에 의한 충전(CC)으로부터 정전압에 의한 충전(CV)으로 이행하고 난 후 입력 임피던스 Zin의 값을 증가 경향으로 할 수 있다. 이에 의해, 정전압 충전 시(CV)에 있어서의 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 전류 Iin을 저감시키고, 그로써 무선 전력 전송 장치(1)의 발열을 저감시킬 수 있음을 알 수 있다.
(측정 실험 3: 구동 주파수를 공진 주파수로 설정한 경우)
측정 실험 3에서는, 쌍봉성에 있어서의 공진 주파수 f0으로, 급전 모듈(2)에 공급하는 교류 전력의 구동 주파수를 설정한 경우(공진 주파수: f0=970㎑)의 충전 시간(Charging Time(min))에 대한 입력 전류 Iin 및 입력 임피던스 Zin을 측정하고, 그 측정 결과를 도 9에 도시한다. 또한, 입력 전압 Vin은 5V(일정)이다.
도 9의 측정 결과로부터, 정전류에 의한 충전(CC)으로부터 정전압에 의한 충전(CV)으로 이행하고 난 후 입력 임피던스 Zin의 값이 감소 경향으로 되고 있음을 알 수 있다. 그리고, 입력 임피던스 Zin의 값이 감소 경향으로 되는 것에 수반하여, 입력 전류 Iin의 값이 증가 경향으로 되고 있음을 알 수 있다(수학식 6 참조).
상기 측정 실험 3으로부터, 무선 전력 전송 장치(1)에 공급하는 전력의 구동 주파수에 대한 무선 전력 전송 장치(1)의 전송 특성 『S21』을 쌍봉성의 성질을 갖도록 설정한 후, 쌍봉성에 있어서의 공진 주파수 f0으로, 급전 모듈(2)에 공급하는 교류 전력의 구동 주파수를 설정한 경우, 정전류에 의한 충전(CC)으로부터 정전압에 의한 충전(CV)으로 이행하고 난 후 입력 임피던스 Zin의 값을 감소 경향으로 할 수 있다.
상기 측정 실험 1 내지 3으로부터, 무선 전력 전송 장치(1)에 공급하는 전력의 구동 주파수에 대한 무선 전력 전송 장치(1)의 전송 특성 『S21』을 쌍봉성의 성질을 갖도록 설정한 후, 급전 모듈(2)에 공급하는 교류 전력의 구동 주파수를 조정함으로써, 정전압 충전 시에 있어서의 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 임피던스 Zin의 값의 증감 경향을 설정함과 함께, 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 전류 Iin의 증감 경향을 조정하고, 그로써 무선 전력 전송 장치(1)의 발열의 제어를 할 수 있음을 알 수 있다. 또한, 상기 측정 실험 1 내지 3으로부터, 급전 모듈(2)에 공급하는 교류 전력의 구동 주파수를, 동상 공진 모드 fL과 공진 주파수 f0 사이, 또는, 공진 주파수 f0과 역상 공진 모드 fH 사이에 있어서의 소정의 값으로 설정하면, 정전압 충전 시에 있어서의 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 임피던스 Zin의 값을 일정한 값으로 유지할 수도 있다.
이상에 설명한 바와 같이 상기 방법에 의하면, 공진 현상에 의해 전력을 공급하는 무선 전력 전송 장치(1)를 사용하여, 정전류ㆍ정전압 충전 방식에 의해 충전 가능한 리튬 이온 이차 전지(9)에 충전을 행하는 경우에, 무선 전력 전송 장치(1)에 있어서의 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)을 구성하는 가변 가능한 파라미터를, 급전 모듈(2)에 공급하는 전력의 구동 주파수에 대한 전송 특성의 값이 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)에 있어서의 공진 주파수(f0)보다 낮은 구동 주파수 대역(fL) 및 공진 주파수(f0)보다 높은 구동 주파수 대역(fH)에 각각 피크를 갖는 쌍봉성의 특성을 갖도록 설정함으로써, 쌍봉성의 특성을 갖도록 설정된 무선 전력 전송 장치(1)에 공급하는 전력의 구동 주파수를 조정함으로써, 정전압 충전 시에 있어서의 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 임피던스 Zin의 값의 증감 경향을 설정함과 함께, 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 전류 Iin의 증감 경향을 조정하고, 그로써 무선 전력 전송 장치(1)의 발열의 제어를 할 수 있다.
또한, 급전 모듈(2)에 공급하는 전력의 구동 주파수를, 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)에 있어서의 공진 주파수(f0)보다 낮은 구동 주파수 대역에 나타나는 전송 특성의 피크값(fL)에 대응하는 대역에 설정함으로써, 정전압 충전 시에 있어서의 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 임피던스 Zin의 값이 증가 경향으로 되도록 조정할 수 있다. 이에 의해, 정전압 충전 시에 있어서의 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 전류 Iin을 저감시키고, 그로써 무선 전력 전송 장치(1)의 발열을 저감시킬 수 있다.
또한, 급전 모듈(2)에 공급하는 전력의 구동 주파수를, 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)에 있어서의 공진 주파수(f0)보다 높은 구동 주파수 대역에 나타나는 전송 특성의 피크값(fH)에 대응하는 대역에 설정함으로써, 정전압 충전 시에 있어서의 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 임피던스 Zin의 값이 증가 경향으로 되도록 조정할 수 있다. 이에 의해, 정전압 충전 시에 있어서의 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 전류 Iin을 저감시키고, 그로써 무선 전력 전송 장치(1)의 발열을 저감시킬 수 있다.
또한, 급전 모듈(2)에 공급하는 전력의 구동 주파수를, 급전 모듈(2) 및 수전 모듈(3)에 있어서의 공진 주파수(f0)보다 낮은 구동 주파수 대역에 나타나는 전송 특성의 피크값(fL)과 공진 주파수(f0)보다 높은 구동 주파수 대역에 나타나는 전송 특성의 피크값(fH) 사이의 골짜기에 대응하는 대역에 설정함으로써, 정전압 충전 시에 있어서의 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 임피던스 Zin의 값이 유지 또는 저하 경향으로 되도록 조정할 수 있다. 이에 의해, 정전압 충전 시에 있어서의 무선 전력 전송 장치(1)의 입력 전류 Iin을 유지 또는 증가시킬 수 있다.
(제조 방법)
다음에, 무선 전력 전송 장치(1)를 제조하는 일 공정인, 설계 방법(설계 공정)에 대하여, 도 10 및 도 11을 참조하여 설명한다. 본 설명에서는, 무선 전력 전송 장치(1)를 탑재하는 휴대 기기로서 이어폰 스피커부(200a)를 구비한 무선식 헤드셋(200) 및 충전기(201)를 예로 들어 설명한다(도 10 참조).
본 설계 방법에 의해 설계되는 무선 전력 전송 장치(1)는, 도 10에 도시한 무선식 헤드셋(200) 및 충전기(201)에, 각각 수전 모듈(3)(수전 코일(31)ㆍ수전 공진기(32)) 및 급전 모듈(2)(급전 코일(21)ㆍ급전 공진기(22))로서 탑재되어 있다. 또한, 도 10에서는, 설명의 사정상, 안정 회로(7), 충전 회로(8) 및 리튬 이온 이차 전지(9)를 수전 모듈(3)의 밖에 기재하고 있지만, 실제로는, 수전 코일(31) 및 솔레노이드형 수전 공진기(32)의 코일 내주측에 배치되어 있다. 즉, 무선식 헤드셋(200)에는, 수전 모듈(3), 안정 회로(7), 충전 회로(8) 및 리튬 이온 이차 전지(9)가 탑재되어 있고, 충전기(201)에는 급전 모듈(2)이 탑재되어 있고, 급전 모듈(2)의 급전 코일(21)에 교류 전원(6)이 접속된 상태에서 사용된다.
(설계 방법)
먼저, 도 11에 도시한 바와 같이, 리튬 이온 이차 전지(9)의 용량 및 리튬 이온 이차 전지(9)의 충전에 필요로 되는 충전 전류로부터, 수전 모듈(3)이 수전하는 수전 전력량이 결정된다(S1).
다음에, 급전 모듈(2)과 수전 모듈(3) 사이의 거리를 결정한다(S2). 이것은, 수전 모듈(3)을 내장한 무선식 헤드셋(200)을, 급전 모듈(2)을 내장한 충전기(201)에 적재하였을 때의 급전 공진기(22)와 수전 공진기(32) 사이의 거리 d23이고, 사용 형태로서는 충전 중인 상태이다. 보다 상세하게는, 급전 공진기(22)와 수전 공진기(32) 사이의 거리 d23은, 무선식 헤드셋(200)과 충전기(201)의 형상· 구조를 고려하여 결정된다.
또한, 무선식 헤드셋(200)의 크기ㆍ형상ㆍ구조를 근거로 하여, 수전 모듈(3)에 있어서의 수전 코일(31) 및 수전 공진기(32)의 코일 직경이 결정된다(S3).
또한, 충전기(201)의 크기ㆍ형상ㆍ구조를 근거로 하여, 급전 모듈(2)에 있어서의 급전 코일(21) 및 급전 공진기(22)의 코일 직경이 결정된다(S4).
상기 S2 내지 S4의 수순을 거침으로써, 무선 전력 전송 장치(1)의 급전 공진기(22)(코일 L2)와 수전 공진기(32)(코일 L3) 사이의 결합 계수 k23과, 전력 전송 효율이 정해지게 된다.
상기 S1에서 결정한 수전 모듈(3)이 수전하는 수전 전력량 및 S2 내지 S4의 수순을 거쳐 결정된 전력 전송 효율로부터, 급전 모듈(2)에 급전하는 필요 최저한의 급전 전력량이 결정된다(S5).
그리고, 상기 수전 모듈(3)이 수전하는 수전 전력량, 전력 전송 효율 및 급전 모듈(2)에 급전하는 필요 최저한의 급전 전력량을 근거로 하여, 무선 전력 전송 장치(1)에 있어서의 입력 임피던스 Zin의 설계값의 범위가 정해진다(S6).
또한, 무선 전력 전송 장치(1)에 공급하는 전력의 구동 주파수에 대한 무선 전력 전송 장치(1)의 전송 특성 『S21』이 상술한 쌍봉성의 성질을 갖는 설계값의 범위가 정해진다(S7).
그리고, S6 및 S7에서 정해진 입력 임피던스 Zin 및 쌍봉성의 성질을 갖는 설계값을 만족시키도록 급전 코일(21)과 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)와 수전 코일(31)에 관한 최종적인 파라미터를 결정한다(S8). 여기서, 급전 코일(21)과 급전 공진기(22) 및 수전 공진기(32)와 수전 코일(31)에 관한 파라미터로서는, 급전 코일(21)의 RLC 회로의 R1, L1, C1, 급전 공진기(22)의 RLC 회로의 R2, L2, C2, 수전 공진기(32)의 RLC 회로의 R3, L3, C3, 수전 코일(31)의 RLC 회로의 R4, L4, C4에 있어서의 저항값, 인덕턴스, 콘덴서 용량이나, 결합 계수 k12, k23, k34나, 나아가, 급전 코일(21)과 급전 공진기(22) 사이의 거리 d12, 수전 공진기(32)와 수전 코일(31) 사이의 거리 d34 등을 들 수 있다.
상기 설계 방법을 포함하는 무선 전력 전송 장치(1)의 제조 방법에 의하면, 무선 전력 전송 장치(1)의 발열의 제어를, 급전 모듈(2)에 공급하는 전력의 구동 주파수를 조정함으로써 실현 가능한 무선 전력 전송 장치(1)를 제조할 수 있다. 즉, 무선 전력 전송 장치(1)의 부품 개수를 증가시키지 않고, 무선 전력 전송 장치(1)의 발열의 제어가 가능한 무선 전력 전송 장치(1)를 제조할 수 있다.
(그 밖의 실시 형태)
상기 제조 방법의 설명에서는, 무선식 헤드셋(200)을 예시하여 설명하였지만, 이차 전지를 구비한 기기라면, 태블릿형 PC, 디지털 카메라, 휴대 전화, 이어폰형 음악 플레이어, 보청기, 집음기 등에도 사용할 수 있다.
또한, 상기 설명에서는, 무선 전력 전송 장치(1)를 휴대형 전자 기기에 탑재한 경우를 상정하여 설명하였지만, 용도는 이들 소형의 것에 한하지 않고, 필요 전력량에 맞추어 사양을 변경함으로써, 예를 들어 비교적 대형의 전기 자동차(EV)에 있어서의 무선 충전 시스템이나, 보다 소형의 의료용 무선식 위(胃) 카메라 등에도 탑재할 수 있다.
이상의 상세한 설명에서는, 본 발명을 보다 용이하게 이해할 수 있도록, 특징적 부분을 중심으로 설명하였지만, 본 발명은, 이상의 상세한 설명에 기재하는 실시 형태ㆍ실시예에 한정되지 않고, 그 밖에 실시 형태ㆍ실시예에도 적용할 수 있고, 그 적용 범위는 가능한 한 넓게 해석되어야 한다. 또한, 본 명세서에 있어서 사용한 용어 및 어법은, 본 발명을 적확하게 설명하기 위해서 사용한 것이며, 본 발명의 해석을 제한하기 위해서 사용한 것은 아니다. 또한, 당업자라면 본 명세서에 기재된 발명의 개념으로부터, 본 발명의 개념에 포함되는 다른 구성, 시스템, 방법 등을 추고하는 것은 용이하다고 생각된다. 따라서, 청구 범위의 기재는, 본 발명의 기술적 사상을 일탈하지 않는 범위에서 균등한 구성을 포함하는 것으로 간주되어야 한다. 또한, 본 발명의 목적 및 본 발명의 효과를 충분히 이해하기 위해서, 이미 개시되어 있는 문헌 등을 충분히 참작할 것이 요망된다.
1: 무선 전력 전송 장치
2: 급전 모듈
3: 수전 모듈
6: 교류 전원
7: 안정 회로
8: 충전 회로
9: 리튬 이온 이차 전지
10: 피급전 기기
21: 급전 코일
22: 급전 공진기
31: 수전 코일
32: 수전 공진기
200: 무선식 헤드셋
201: 충전기

Claims (6)

  1. 적어도 급전 코일 및 급전 공진기를 구비한 급전 모듈로부터, 적어도 수전 공진기 및 수전 코일을 구비하고, 또한 정전류ㆍ정전압 충전 방식에 의해 충전 가능한 이차 전지를 포함하는 피급전 기기가 접속된 수전 모듈에 대하여 공진 현상에 의해 전력을 공급하는 무선 전력 전송 장치의 발열 제어 방법이며,
    상기 급전 모듈에 공급하는 전력의 구동 주파수에 대한 전송 특성의 값이, 상기 급전 모듈 및 수전 모듈에 있어서의 공진 주파수보다 낮은 구동 주파수 대역 및 상기 공진 주파수보다 높은 구동 주파수 대역에 각각 피크를 갖는 쌍봉성의 특성을 갖도록, 상기 급전 모듈 및 상기 수전 모듈을 구성하는 가변 가능한 파라미터를 설정함으로써,
    상기 구동 주파수를 조정함으로써, 상기 정전압 충전 시에 있어서의 당해 무선 전력 전송 장치의 입력 임피던스값의 증감 경향을 설정하여 당해 무선 전력 전송 장치의 입력 전류의 증감 경향을 조정하고, 그로써 무선 전력 전송 장치의 발열을 제어할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치의 발열 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 급전 모듈에 공급하는 전력의 상기 구동 주파수를, 상기 급전 모듈 및 수전 모듈에 있어서의 상기 공진 주파수보다 낮은 구동 주파수 대역에 나타나는 전송 특성의 피크값에 대응하는 대역에 설정하여, 상기 정전압 충전 시에 있어서의 당해 무선 전력 전송 장치의 입력 임피던스값이 증가 경향으로 되도록 조정하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치의 발열 제어 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 급전 모듈에 공급하는 전력의 상기 구동 주파수를, 상기 급전 모듈 및 수전 모듈에 있어서의 상기 공진 주파수보다 높은 구동 주파수 대역에 나타나는 전송 특성의 피크값에 대응하는 대역에 설정하여, 상기 정전압 충전 시에 있어서의 당해 무선 전력 전송 장치의 입력 임피던스값이 증가 경향으로 되도록 조정하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치의 발열 제어 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 급전 모듈에 공급하는 전력의 상기 구동 주파수를, 상기 급전 모듈 및 수전 모듈에 있어서의 상기 공진 주파수보다 낮은 구동 주파수 대역에 나타나는 전송 특성의 피크값과 상기 공진 주파수보다 높은 구동 주파수 대역에 나타나는 전송 특성의 피크값 사이의 골짜기에 대응하는 대역에 설정하여, 상기 정전압 충전 시에 있어서의 당해 무선 전력 전송 장치의 입력 임피던스값이 유지 또는 저하 경향으로 되도록 조정하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치의 발열 제어 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 발열 제어 방법에 의해 조정된 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  6. 적어도 급전 코일 및 급전 공진기를 구비한 급전 모듈로부터, 적어도 수전 공진기 및 수전 코일을 구비하고, 또한 정전류ㆍ정전압 충전 방식에 의해 충전 가능한 이차 전지를 포함하는 피급전 기기가 접속된 수전 모듈에 대하여 공진 현상에 의해 전력을 공급하는 무선 전력 전송 장치의 제조 방법이며,
    상기 급전 모듈에 공급하는 전력의 구동 주파수에 대한 전송 특성의 값이, 상기 급전 모듈 및 수전 모듈에 있어서의 공진 주파수보다 낮은 구동 주파수 대역 및 상기 공진 주파수보다 높은 구동 주파수 대역에 각각 피크를 갖는 쌍봉성의 특성을 갖도록, 상기 급전 모듈 및 상기 수전 모듈을 구성하는 가변 가능한 파라미터를 설정하는 공정을 포함함으로써,
    상기 구동 주파수를 조정함으로써, 상기 정전압 충전 시에 있어서의 당해 무선 전력 전송 장치의 입력 임피던스값의 증감 경향을 설정하여 당해 무선 전력 전송 장치의 입력 전류의 증감 경향을 조정하고, 그로써 무선 전력 전송 장치의 발열을 제어할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치의 제조 방법.
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