KR20150060827A

KR20150060827A - 무선 전력 송신을 위한 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20150060827A
Application number: KR1020157010323A
Authority: KR
Inventors: 이오아니스 트잔니디스; 우마르 아자드; 슈리다 라자고팔
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2012-09-21
Filing date: 2013-09-23
Publication date: 2015-06-03
Also published as: CN104704708A; EP2898588A4; WO2014046504A1; EP2898588A1; US20140084688A1

Abstract

무선 전력 송신 방법은 코디네이팅(coordinating) 송신기와 각 수신기 간의 각 무선 통신 링크를 수립하는 것을 포함한다. 상기 방법은 또한 상기 코디네이팅 송신기에 전압을 적용하고 상기 적용된 전압에 응답하여 각 수신기가 유도 전류를 측정하도록 구성함으로써 상기 코디네이팅 송신기와 각 수신기 간의 각 상호 임피던스(mutual impedance)를 측정하는 것을 포함한다. 상기 방법은 상응하는 상호 임피던스를 기반으로 상기 코디네이팅 송신기와 각 수신기에 대한 각 정합 임피던스를 계산한다. 상기 방법은 각 수신기가 상기 각 정합 임피던스를 가지도록 조정하는 것을 가능하게 하기 위해 상기 각 정합 임피던스를 각 수신기로 송신한다. 상기 방법은 상기 코디네이팅 송신기가 상기 각 정합 임피던스를 가지도록 조정한다.

Description

무선 전력 송신을 위한 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR WIRELESS POWER TRANSMISSION}

본 개시(present disclosure)는 자기 공진(magnetic resonance)을 사용하는 무선 전력 전달 네트워크들에 관한 것으로서, 특히 최적 전력 전달 효율성을 개선시키기 위해 정보를 공유하는 디바이스(device)들간의 무선 통신 링크를 가지는 무선 전력 전달 네트워크들에 관한 것이다.

무선 에너지 전달 혹은 무선 충전이라고도 칭해지는 전자 디바이스들에 대한 무선 전력 전달은 관심이 증대되고 있는 영역이다.

송신기들, 수신기들, 리피터(repeater)들과 같은 다수의 디바이스들로 구성되는 무선 전력 전달 네트워크들에서, 과제들 중 하나는 개선된 전력 전달 효율성들을 성취하기 위해 상기 디바이스들을 임피던스 튜닝(impedance tuning)하는 것에 있다.

무선 전력 송신 방법은 코디네이팅(coordinating) 송신기와 각 수신기 간의 각 무선 통신 링크를 수립하는 것을 포함한다. 상기 방법은 상기 코디네이팅 송신기에 전압을 적용하고 상기 적용된 전압에 응답하여 각 수신기가 유도 전류를 측정하도록 구성함으로써 상기 코디네이팅 송신기와 각 수신기 간의 각 상호 임피던스(mutual impedance)를 측정하는 것을 포함한다. 상기 방법은 또한 상응하는 상호 임피던스를 기반으로 상기 코디네이팅 송신기와 각 수신기에 대한 각 정합 임피던스를 계산한다. 상기 방법은 각 수신기로 상기 각 정합 임피던스를 송신하여 각 수신기가 상기 각 정합 임피던스를 가지도록 조정하는 것을 이네이블(enable)시킨다. 상기 방법은 상기 코디네이팅 송신기가 상기 각 정합 임피던스를 가지도록 조정한다.

무선 전력 송신을 위한 코디네이팅(coordinating) 송신기는 상기 송신기와 각 수신기 간의 각 무선 통신 링크를 수립하도록 구성되는 프로세싱 회로를 포함한다. 상기 회로는 상기 코디네이팅 송신기에 전압을 적용하고 상기 적용된 전압에 응답하여 각 수신기가 유도 전류를 측정하도록 구성함으로써 코디네이팅 송신기와 각 수신기 간의 각 상호 임피던스(mutual impedance)를 측정하도록 구성된다. 상기 회로는 상응하는 상호 임피던스를 기반으로 상기 코디네이팅 송신기와 각 수신기에 대한 각 정합 임피던스를 계산하도록 구성된다. 상기 회로는 각 수신기로 상기 각 정합 임피던스를 송신하여 각 수신기가 상기 각 정합 임피던스를 가지도록 조정하는 것을 이네이블(enable)시키도록 구성된다. 상기 회로는 상기 코디네이팅 송신기가 상기 각 정합 임피던스를 가지도록 조정하도록 구성된다.

무선 전력 전달 네트워크에서 무선 전력 송신 방법은 코디네이팅(coordinating) 송신기와 적어도 하나의 수신기를 포함하는 디바이스들간에 각 무선 통신 링크를 수립하는 것을 포함한다. 상기 방법은 각 디바이스가 스테이트-1(State-1)로 스위치하고 다른 디바이스(들)가 스테이트-4(State-4)로 스위치하도록 구성하여 각 디바이스의 셀프-임피던스(self-impedance)들을 측정하고, 여기서 상기 디바이스는 전압을 상기 디바이스의 유도 공진기에 적용하고 각 전류를 측정하고, 상기 다른 디바이스의 유도 공진기는 개회로식(open circuited)이다. 상기 방법은 각 페어(pair)의 하나의 디바이스를 스테이트-2(State-2)로 스위칭시키고 각 페어의 다른 디바이스를 스테이트-3(State-3)으로 스위칭시킴으로써 상기 디바이스들의 상호 임피던스들을 페어들로 측정하고, 여기서 상기 디바이스는 전압을 상기 디바이스의 유도 공진기에 적용하고, 상기 디바이스는 상기 디바이스의 유도 공진기로 유도되는 전류를 상기 하나의 디바이스의 유도 공진기에 적용되는 전압의 결과로서 측정하고, 상기 무선 전력 전달 네트워크에 포함되어 있는 비-페어(non-paired) 디바이스는 스테이트-4로 스위치되고, 상기 비-페어 디바이스의 유도 공진기는 개회로식이다. 상기 방법은 상기 수신기들이 상기 각 적용된 전압과 측정된 유도 전류를 상기 코디네이팅 송신기로 송신하도록 구성한다. 상기 방법은 상기 코디네이팅 송신기가 각 디바이스로부터 상기 무선 통신 링크를 통해 상기 각 전압과 측정된 유도 전류를 수신하는 것을 포함한다. 상기 방법은 상응하는 셀프-임피던스와 상호 임피던스를 기반으로 상기 코디네이팅 송신기와 각 수신기에 대한 각 정합 임피던스를 계산한다. 상기 방법은 상기 각 정합 임피던스를 각 수신기로 송신하여 각 수신기가 상기 각 정합 임피던스를 가지도록 조정하도록 인에이블(enable)시킨다. 상기 방법은 상기 코디네이팅 송신기가 상기 각 정합 임피던스를 가지도록 조정한다. 적어도 하나의 수신기는 상기 송신기와 상기 다른 수신기(들) 사이에 위치되는 리피터(repeater)이다. 적어도 하나의 리피터가 상기 송신기와 상기 수신기(들) 사이에 위치된다.

하기의 본 개시의 구체적인 설명 부분을 처리하기 전에, 이 특허 문서를 통해 사용되는 특정 단어들 및 구문들에 대한 정의들을 설정하는 것이 효과적일 수 있다: 상기 용어들 "포함하다(include)" 및 "포함하다(comprise)"과 그 파생어들은 한정없는 포함을 의미하며; 상기 용어 "혹은(or)"은 포괄적이고 '및/또는'을 의미하고; 상기 구문들 "~와 연관되는(associated with)" 및 ""~와 연관되는(associated therewith)"과 그 파생어들은 포함하고(include), ~내에 포함되고(be included within), ~와 서로 연결되고(interconnect with), 포함하고(contain), ~내에 포함되고(be contained within), ~에 연결하거나 혹은 ~와 연결하고(connect to or with), ~에 연결하거나 혹은 ~와 연결하고(couple to or with), ~와 통신 가능하고(be communicable with), ~와 협조하고(cooperate with), 인터리빙하고(interleave), 병치하고(juxtapose), ~로 가장 근접하고(be proximate to), ~로 ~할 가능성이 크거나 혹은 ~와 ~할 가능성이 크고(be bound to or with), 가지고(have), 소유하고(have a property of) 등과 같은 것을 의미하고; 상기 용어 "제어기"는 적어도 하나의 동작을 제어하는 임의의 디바이스, 시스템, 혹은 그 부분을 의미하고, 상기와 같은 디바이스는 하드웨어, 펌웨어 혹은 소프트웨어, 혹은 상기 하드웨어, 펌웨어 혹은 소프트웨어 중 적어도 2개의 몇몇 조합에서 구현될 수 있다. 어떤 특정 제어기와 연관되는 기능성이라도 집중화되거나 혹은 분산될 수 있으며, 국부적이거나 원격적일 수도 있다는 것에 주의해야만 할 것이다. 특정 단어들 및 구문들에 대한 정의들은 이 특허 문서에 걸쳐 제공되고, 해당 기술 분야의 당업자는 많은 경우, 대부분의 경우가 아니라고 해도, 상기와 같은 정의들이 종래 뿐만 아니라 상기와 같이 정의된 단어들 및 구문들의 미래의 사용들에도 적용된다는 것을 이해해야만 할 것이다.

본 개시 및 본 개시의 이점들의 보다 완벽한 이해를 위해서, 이제부터는 유사 참조 번호들이 같은 파트들을 나타내는 첨부 도면들과 함께 하기의 설명이 참조로 될 것이다:
도 1은 본 개시의 실시 예들에 따른 무선 전력 송신 네트워크의 하이 레벨(high-level) 블록 다이아그램이다;
도 2a 및 도 2b는 본 개시의 실시 예들에 따른 송신기 및 수신기를 포함하는 무선 전력 전달 네트워크를 도시하고 있는 도면들이다;
도 3a, 도 3b, 도 3c, 도 3d 및 도 3e는 본 개시의 실시 예들에 따른 상기 다양한 무선 전력 전달 네트워크들을 도시하고 있는 도면들이다;
도 4는 본 개시의 실시 예들에 따른 다양한 유도 공진기들을 도시하고 있는 도면이다;
도 5a 및 도 5b는 본 개시의 실시 예들에 따른 예제 루프 공진기들을 도시하고 있는 도면들이다;
도 6a 및 도 6b는 본 개시의 실시 예들에 따른 리피터 공진기들의 등가 전자 회로들을 도시하고 있는 도면들이다;
도 7a, 도 7b, 도 7c, 및 도 7d는 본 개시의 실시 예들에 따른 상기 참여 디바이스들의 유도 공진기들의 임피던스를 튜닝하기 위한 몇몇 기술들을 도시하고 있는 도면들이다;
도 8은 본 개시의 실시 예들에 따른 튜닝 동작에 대한 시그널링 프로세스를 도시하고 있는 하이-레벨 플로우 차트이다;
도 9a, 도 9b, 도 9c, 및 도 9d는 각각 본 개시의 실시 예들에 따른 스테이트-1(State-1), 스테이트-2(State-2), 스테이트-3(State-3), 스테이트-4(State-4)에서 상기 디바이스들의 등가 전자 회로들이다;
도 10a, 도 10b, 도 10c, 및 도 10d는 본 개시의 실시 예들에 따른 상기 다양한 무선 전력 전달 네트워크들에서 수립되어 있는 무선 통신 링크들을 도시하고 있는 도면들이다;
도 11은 본 개시의 실시 예들에 따른 리피터를 가지지 않는 송신기 및 수신기를 포함하는 상기 무선 전력 송신 네트워크를 도시하고 있는 도면이다;
도 12는 본 개시의 실시 예들에 따른 최적 전력 송신 효율성 대

을 도시하고 있는 그래프를 도시하고 있는 도면이다;
도 13은 본 개시의 실시 예들에 따른 송신기와 두 개의 커플링되지 않은 수신기들을 포함하는 상기 무선 전력 송신 네트워크를 도시하고 있는 도면이다;
도 14는 본 개시의 실시 예들에 따른 송신기와 두 개의 커플링되지 않은 수신기들에 대한 무선 전력 송신 효율성의 그래프를 도시하고 있는 도면이다;
도 15a, 도 15b, 및 도 15c는 각각 본 개시의 실시 예들에 따른 수신기들 Rx₂, Rx₃에서의 효율성 및 상기 네트워크의 전체 효율성에 대한 등고선들을 도시하고 있는 도면들이다;
도 16은 본 개시의 실시 예들에 따른 단일 송신기와 다수의 커플링 되지 않은 수신기들을 포함하는 상기 무선 전력 송신 네트워크를 도시하고 있는 도면이다;
도 17은 본 개시의 실시 예들에 따른, 송신기, 수신기, 상기 송신기와 수신기간의 리피터를 포함하는 무선 전력 송신 네트워크를 도시하고 있는 도면이다;
도 18은 본 개시의 실시 예들에 따른 송신기와 수신기간의 단일 리피터로 구성되는 무선 전력 전달 네트워크에 대한 효율성 등고선들을 도시하고 있는 도면이다;
도 19는 본 개시의 실시 예들에 따른 리피터를 가지지 않는 경우 대비 리피터를 가지는 경우에 제공되는 효율성 그래프들을 도시하고 있는 도면이다;
도 20은 본 개시의 실시 예들에 따른 송신기, 수신기, 다수의 리피터들을 포함하는 무선 전력 송신 네트워크를 도시하고 있는 도면이다;
도 21은 본 개시의 실시 예들에 따른 송신기, 두 개의 커플링된 수신기들을 포함하는 상기 무선 전력 송신 네트워크를 도시하고 있는 도면이다.

하기에서 설명되는, 도 1 내지 도 21과 이 특허 문서에서 본 개시의 원리들을 설명하기 위해 사용되는 상기 다양한 실시 예들은 오직 도시만을 위한 것이며, 본 개시의 범위를 제한하는 방식으로 이해되어서는 안 된다. 해당 기술 분야의 당업자는 본 개시의 원리들이 적합하게 배열되는 어떤 무선 전력 전달 네트워크에서라도 구현될 수 있다는 것을 이해할 것이다.

하기의 문서들 및 스탠다드들 설명들은 이로써 완전히 설명되는 바와 같이 여기서 본 개시에 포함된다: 유도 커플링 무선 전력 전달 네트워크(Inductively coupled wireless power transfer network)들이 드릴 머신(drill machine)들(Thierry Bieler, Marc Perrottet, Valeie Nguyen, and Yves Perriard, "Contactless Power and Information Transmission", IEEE transactions on industry applications, vol.38, No.5, September-October 2002), 삽입형 디바이스(implantable device)들(K. Chen, Z. Yang, L. Hoang, J. Weiland, M. Humayun, and W. Liu, "An Integrated 256-Channel Epiretinal Prosthesis ", IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 45, no. 9,pp. 1946-1956, Sep. 2010), RFID들(K. Finkenzeller, RFID Handbook, Fundamentals and Applications in Contactless Smart Cards and Identifications, 2nd edition, John Wiley & Sons, 2003), 건강 모니터링 디바이스(health monitoring device)들(S. Esko, K. Jouni, P. Juha, Y. Arto and K. Ilkka, "Application of Near Field Communication for Health Monitoring in Daily Life", IEEE Annual International Conference on Engineering in Medicine and Biology Society, pp.3246-3249, Aug. 2006), 셀룰라 전화기들의 배터리 충전기(C. Kim, D. Seo, J. Park, and B. Cho, "Design of a Contactless Battery Charger for Cellular Phone", IEEE transaction on Industrial Electronics, vol. 48, no. 6, pp. 1238-1247, Dec. 2001), 휴대용 소비자 전자 장치(S. Hui and W. Ho, "A new Generation of Universal Contactless Battery Charging Platform for Portable Consumer Electronic Equipment", IEEE Transaction on Power Electronics., vol. 20, no. 3, pp. 620-627, May 2005) 및 전기 자동차들(J. G. Bolger, F. A. Kirsten and L. S. Ng, "Inductive Power Coupling for an Electric Highway System", IEEE Vehicular Technology Conference, 29th, 1978)에 이르기까지 많은 어플리케이션(application)들에서 사용된 바 있다. 상기에서 설명한 바와 같은 어플리케이션들에서는 상기 송신되는 전력과 그에 따른 근처에서의 다른 전자 디바이스들과의 간섭을 최소화시키고, 자기장들을 인체 노출 안전 제한들 내에서 유지시키고(IEEE Standards for Safety Levels With Respect to Human Exposure to Radio Frequency Electromagnetic Fields, 3 kHz to 300 GHz, IEEE standard C95.1, 1999), 상기 송신기에서의 과열 생성을 방지하기 위해 높은 전력 전달 효율성이 요구된다.

단일 송신기 및 수신기로 구성되는 무선 전력 전달 네트워크의 효율성에는 상위 제한이 존재한다. 이런 제한은 상기 공진기들의 품질 팩터(factor) 및 상기 공진기들간의 커플링(coupling) 계수에 의해 정의된다. 몇몇 접근 방식들은 다음들을 따르고 있다: 상기 커플링 모드 원리(Andre Kurs, Aristeidis Karalis, Robert Moffatt, J. D. Joannopoulos, Peter Fisher and Marin Soljacic, "Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances", Science express, vol.317.no.5834,pp.83-86,6 July 2007), 등가 회로 모델(Mehdi Kiani and Maysam Ghovanloo, "The Circuit Theory Behind Coupled-Mode Magnetic Resonance-Based Wireless Power Transmission", IEEE Transactions on Circuits and Systems, vol. 59, No. 8, August 2012) 및 TE10/TM10 구 모드(spherical mode)들의 측면에서 두 개의 소형 안테나들간의 상호 작용을 설명하고 있는 Z-파라미터들(JaeChun Lee, Sangwook Nam, "Fundamental Aspects of Near-Field Coupling Small Antennas for Wireless Power Transfer", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 58, issue 11, pp. 3442-3449, Nov. 2010).

상기 소스(source)로부터 상기 부하(load)로의 전력 전달 효율성을 최대화시키는 수신 디바이스들에 대한 최적 부하 임피던스(impedance) 및 송신 디바이스들에 대한 소스 임피던스가 존재한다. 충전 도크 단말기(charging dock station), 혹은 충전 패드(일 예로, 충전 매트)와 같은 일반적인 고정 충전 어플리케이션들에서, 최적 전력 전달을 위한 임피던스 정합(impedance matching)은 선험적으로 수행될 수 있다.

즉, 수신기들을 충전하는 동안 각 디바이스에 대해 허여되는 제한된 이동성으로 인해서, 상기 송신 및 수신 디바이스들 간의 커플링에는 제한된 변경이 존재한다. 따라서, 상기 소스 및 부하의 최적 임피던스는 미리 알려질 수 있고, 상기 소스 및 부하의 정합 네트워크들의 설계 시에 포함된다.

하지만, 상기 송신 및 수신 디바이스들의 위치, 방향, 커플링이 변경되거나, 혹은 다수의 디바이스들이 상기 네트워크로 진입하고, 상기 네트워크를 종료하는 무선 전력 전달 네트워크와 같은 다이내믹(dynamic) 충전 환경에서, 임피던스들에서의 큰 변화가 초래될 수 있다. 따라서, 적응적 임피던스 튜닝(tuning)에 대한 필요성이 커지고 있다. 무선 전력 전달 네트워크에 포함되어 있는 모든 디바이스들에 대한 최적 임피던스 설정을 인식하는 것은 상기 임피던스 정합 네트워크들을 설계하고, 상기 송신 디바이스들에서의 전력 증폭기 효율성에 대한 영향을 평가하고, 상기 수신 디바이스들에서 상기 레귤레이터(regulator)들의 전압 범위를 결정하는 데 유용하다.

상기 소스로부터 상기 소스에 연결되어 있는 공진기로의 전력 전달 효율성을 개선시키기 위한 구성이 U.S. 특허 출원 12/986,018에서 제안되었으며, 상기 소스 디바이스 공진기를 구동시키는 스위칭 전력 증폭기의 사용율(duty cycle)을 변경시키는 상기 U.S. 특허 출원 12/986,018의 컨텐츠는 여기에 참조로 포함된다. 하지만, 무선 전력 전달 네트워크 설계의 중요한 측면은 다수의 송신기들, 수신기들, 리피터(repeater)들을 포함하는 무선 전력 전달 네트워크에 대한 커플링을 사용하여 최대 효율성 및 그 변화를 발생시키는 최적 소스 및 부하 임피던스들을 인식하는 것이다.

도 1은 본 개시의 실시 예들에 따른 무선 전력 전달 네트워크(100)의 하이 레벨(high-level) 블록 다이아그램이다. 상기 실시 예들에서, 상기 무선 전력 전달 네트워크(100)는 코디네이팅 송신기(coordinating transmitter)(105)와, 비-코디네이팅 송신기(non-coordinating transmitter)(106)와 수신기들(150-1~150-n)을 포함한다. 도 1에 도시되어 있는 상기 무선 전력 전달 네트워크의 실시 예는 단지 도시만을 위한 것이다. 상기 무선 전력 전달 네트워크의 다른 실시 예들은 본 개시의 범위를 벗어남이 없이 사용될 수 있다. 상기 무선 전력 전달 네트워크는 적어도 하나의 코디네이팅 송신기와 하나의 수신기를 포함한다. 특정 실시 예들에서, 상기 무선 전력 전달 네트워크는 비-코디네이팅 송신기(들)와, 리피터(들) 및/혹은 수신기(들)를 추가할 수 있다.

상기 무선 전력 전달 네트워크(100)는 코디네이팅 송신기(105)와 비-코디네이팅 송신기(106)와 수신기들(150-1~150-n)을 포함한다. 근거리 영역 자기장은 상기 송신기들(105, 106)과 상기 수신기들(150-1~150-n) 간에 형성되고, 에너지는 상기 근거리 자기장을 통해 상기 송신기로부터 상기 수신기로 전달된다.

상기 송신기들(105, 106)은 전력 소스(power source)(110)와 임피던스를 조정하는 정합 회로(115)와 근거리 영역 자기장을 형성하는 송신(transmit: Tx) 유도 공진기(120)를 포함한다. 일 예로, 상기 유도 공진기는 인덕터(inductor)를 형성하는 폐루프 컨덕터(conductor)와 특정 주파수에서 공진을 생성하기 위해 사용되는 외부 캐패시터(capacitor)를 포함한다. 상기 송신기들(105, 106)은 또한 상기 튜닝 알고리즘(turning algorithm)의 각 스테이지(stage)에서 상기 송신기들의 스테이트(state)들을 스위치하는 스테이트 스위치(state switch)(125)를 포함한다. 상기 무선 통신 유닛(130)은 상기 네트워크에 포함되어 있는 다른 디바이스들과 무선 통신 링크를 수립한다.

상기 코디네이팅 송신기(105)는 디바이스들 간의 상기 무선 통신을 조정하고, 상기 스테이트 스위치를 제어하고, 메모리(140)에 저장되어 있는 상기 튜닝 알고리즘에 따라 상기 네트워크에 포함되어 있는 상기 디바이스들에 대한 정합 임피던스들을 계산하는 제어기(135c)를 포함한다. 상기 통신 유닛(130c)은 상기 스테이트 신호들과 상기 임피던스들을 상기 네트워크에 포함되어 있는 상기 다른 디바이스들로 송신한다.

상기 수신기들(150-1~150-N)은 공진기(165), 정합 네트워크(180), 부하(load)(175)를 포함한다. 상기 수신기들은 상기 자기장이 존재하는 곳에서 공진하여 전력을 수신하고 상기 전력을 부하(175)로 전달하여 상기 수신기들에 전기적으로 연결되어 있는 디바이스의 배터리 혹은 전력을 충전한다. 상기 무선 통신 유닛(155)은 상기 코디네이팅 송신기(105)와 무선 통신 링크를 수립하여 일 예로, 셀프-임피던스(self-impedance) 및 상호 임피던스에 관한 정보를 상기 코디네이팅 송신기(105)로 피드백하고 상기 임피던스를 수신하여 상기 정합 네트워크(180)를 조정하고, 따라서 최적 충전 조건들(일 예로 전류, 전압)이 배터리 혹은 충전하는 디바이스와 같은 부하(175)에서 생성될 수 있도록 한다.

상기 수신기들(150-1~150-N)은 상기 튜닝 알고리즘의 각 스테이지에서 상기 수신기의 스테이트들을 스위치하는 스테이트 스위치(170)를 더 포함한다.

도 2a 및 도 2b는 본 개시의 실시 예들에 따른 송신기(210) 및 수신기(250)를 포함하는 상기 무선 전력 전달 네트워크를 도시하고 있는 도면들이다. 도 2a 및 도 2b에 도시되어 있는 바와 같은 상기 무선 전력 전달 네트워크의 실시 예들은 오직 도시만을 위한 것이다. 상기 무선 전력 전달 네트워크의 다른 실시 예들은 본 개시의 범위를 벗어남이 없이 사용될 수 있다.

도 2a는 본 개시의 실시 예들에 따른 커플링(coupling)되어 있는 Tx 공진기(211)와 Rx 공진기(251) 간의 자기 공진 커플링을 도시하고 있는 도면이다. 도2b는 상기 송신기(210) 및 상기 수신기(250)의 등가 회로 모델을 도시하고 있는 도면이다. 외부 캐패시터들 C₁, C₂는 유도 공진기들 L₁, L₂에 부가되고, 따라서 송신기(210) 및 수신기(250)는 최적 커플링 민감도를 가지도록 하기 위해서 동일한 공진 주파수에서 공진한다. 추가적으로 공진 커플링 효율성을 계산하기 위해 상기 Tx 공진기에 의해 보여지는 상기 송신기 임피던스 R_source 는 R_s로 변환되고, 상기 Rx 공진기에 의해 보여지는 상기 수신기 임피던스 R_Rx는 상기 부하 임피던스 R_L로 변형된다.

도3a, 도 3b, 도 3c, 도 3d 및 도 3e는 본 개시의 실시 예들에 따른 다양한 무선 전력 전달 네트워크들을 도시하고 있는 도면들이다. 도3a, 도 3b, 도 3c, 도 3d 및 도 3e에 도시되어 있는 바와 같은 상기 무선 전력 전달 네트워크의 실시 예들은 오직 도시만을 위한 것이다. 상기 무선 전력 전달 네트워크의 다른 실시 예들은 본 개시의 범위를 벗어남이 없이 사용될 수 있을 것이다.

송신기와 수신기 간의 상기 무선 전력 송신은 다수의 디바이스들로 구성되는 무선 전력 전달 네트워크로 확장될 수 있다. 도 3a에 도시되어 있는 상기 예제에서, 상기 네트워크는 도 2a 및 도 2b를 참조하여 설명한 바와 같이, 리피터를 가지지 않는, 단일 송신기 및 단일 수신기를 포함한다. 도 3b에 도시되어 있는 상기 예제에서, 단일 송신기 및 단일 수신기는 상기 단일 송신기와 상기 단일 수신기 간의 리피터에 커플링되고, 송신기는 리피터 및 수신기 각각에 무선으로 링크될 수 있다. 도 3c에 도시되어 있는 상기 예제에서, 송신기 및 수신기는 상기 송신기와 상기 수신기간의 리피터 1 및 리피터 2에 커플링되고, 상기 송신기는 리피터 1 및 수신기 2 각각에 무선으로 링크될 수 있다. 도 3d에 도시되어 있는 상기 예제에서, 네트워크는 코디네이팅 송신기 Tx₁, 비 코디네이팅 송신기 Tx₂ ~ Tx₄, 수신기들 Rx₁ ~ Rx₄을 포함한다. 도 3e에 도시되어 있는 상기 예제에서, 네트워크는 다수의 송신기들, 다수의 수신기들, 다수의 리피터들을 포함한다. 본 개시의 실시 예들에 따른 상기 튜닝 알고리즘은 어떤 타입의 유도 공진기들에라도 적용될 수 있다.

도 4는 본 개시의 실시 예들에 따른 다양한 유도 공진기들을 도시하고 있는 도면이다. 도 4에 도시되어 있는 상기 무선 전력 전달 네트워크의 실시 예들은 오직 도시만을 위한 것이다. 무선 전력 전달 네트워크의 다른 실시 예들은 본 개시의 범위를 벗어남이 없이 사용될 수 있을 것이다. 도 4의 (A)내지 (D)를 참조하면, 상기 유도 공진기는 비방향성(orientation-free) 무선 전력 전달에 대해, 동일한 및/혹은 다른 위상에서 제공되는 루프, 유도 공진기, 혹은 다수의 루프들 및/ 혹은 유도 공진기들 중 하나를 포함할 수 있다.

유도 공진기는 일부 인덕턴스에 대해서 제공하는 임의의 모양의 자기 코어(magnetic core)를 가지거나 혹은 가지지 않는 폐루프 컨덕터를 포함할 수 있다. 외부 캐패시터는 상기 인덕터 단자(terminal)들에 직렬 혹은 병렬로 연결되어 상기 폐루프의 인덕턴스 및 상기 외부 캐패시터의 값에 의해 결정되는 특정 주파수에서 공진을 생성한다. 도 5a에 도시되어 있는 바와 같이, 페라이트 코어(ferrite core)(501)는 상기 루프의 축 방향에서 상기 자기장의 세기를 향상시키기 위해 사용되고, 이에 반해 도 5b에서 페라이트 시트(ferrite sheet)(503)는 상기 금속 시트에서 형성되는 와전류(eddy current)로 인해 열화되는 상기 루프의 품질 팩터(factor)를 개선시키기 위해 루프(505)와 상기 금속 기판(metallic backplane)(507) 간에 위치된다.

도 6a 및 도 6b는 리피터 공진기들의 등가 전자 회로들을 도시하고 있는 도면들이다. 상기 무선 전력 전달의 범위를 증가시키기 위해서, 리피터들이라고 칭해지는 패시브 공진기(passive resonator)들은 상기 송신기 및 수신기 공진기들 간에 위치될 수 있다. 상기 리피터 공진기는 도4에 도시되어 있는 바와 같은, 유도 공진기 모양들 중 어떤 것이라도 가질 수 있다. 또한, 상기 리피터 공진기는 외부 캐패시터들을 가지도록 혹은 가지지 않도록 설계되고, 도6a 및 도6b 각각에 도시되어 있는 바와 같은 외부 부하 임피던스(jX)를 가지도록 혹은 가지지 않도록 설계될 수 있다.

도 7a, 도 7b, 도 7c, 및 도 7d는 본 개시의 실시 예들에 따른 참여 디바이스들의 공진기들의 임피던스를 튜닝하기 위한 몇몇 기술들을 도시하고 있는 도면들이다. 도 7d에서, 송신기 Tx₄는 상기 소스(741)의 동작 주파수를 변경시킴으로써 상기 송신기 Tx₄의 임피던스를 튜닝한다. 도 7a에서, 송신기 Tx₁은 상기 유도 공진기(705)와 상기 소스(701) 사이에 연결되어 있는 변환기(703)의 튜닝 비율을 변경함으로써 상기 송신기 Tx₁의 임피던스를 튜닝한다. 도 7c에서, 송신기 Tx₃는 보조 튜너 루프 공진기(723)와 상기 유도 공진기(705) 간의 커플링을 변경시킴으로써 상기 송신기 Tx₃의 임피던스를 튜닝한다. 도 7b에서, 송신기 Tx₂는 인덕터들 및 캐패시터들의 직렬 및/혹은 병렬 조합들의 네트워크(713)을 사용하여 상기 송신기 Tx₂의 임피던스를 튜닝하고, 상기 네트워크(713)은 상기 유도 공진기(705)와 상기 소스(701) 간에 연결된다.

다수의 송신기들 및 수신기들로 구성되는 무선 전력 전달 네트워크에서, 전체 효율성은 각 수신기의 웨이트된(weighted) 개별 효율성들의 합으로 정의될 수 있다. 상기 수신기 디바이스의 개별 효율성은 상기 부하 임피던스에서 수신되는 전력 대 상기 소스(들)에 의해 유용한 전체 전력의 비이다. 상기 무선 전력 전달 네트워크의 효율성을 최적화시킬 때, 일부 수신기의 개별 효율성 혹은 하기 수학식 1에 의해 주어지는 상기 네트워크의 전체 효율성을 최적화시키도록 선택할 수 있을 것이다:

<수학식 1>

상기 수학식 1에서, α, β, γ, δ는 웨이팅 팩터(weighting factor)들이고, η1, η2,η3,...,ηn은 상기 개별 수신기 효율성들이다. 상기 웨이트된 팩터들은 일 예로 디바이스들의 충전 우선 순위들을 기반으로 결정된다. 일 예로, 배터리 레벨(battery level)이 심각하게 낮은 디바이스는 보다 높은 충전 우선 순위들을 가질 수 있다. 이와는 달리, 사용자는 상기 무선 전력 네트워크에서 일 예로 상기 웨이팅 팩터들을 사용하여 상기 충전 우선 순위들을 수동으로 구성할 수 있다.

도 8은 본 개시의 실시 예들에 따른 튜닝 동작을 도시하고 있는 하이-레벨 플로우 차트이다. 상기 플로우 차트가 일련의 순차적인 동작들을 도시하고 있을 지라도, 명백하게 설명되지 않는 한, 특정 순서의 수행에 관한 시퀀스, 동시 혹은 오버랩 방식 보다는 순차적인 동작들 혹은 부분들의 수행, 사이 혹은 중간의 동작들의 발생이 명백하게 없이 설명되는 동작들의 수행으로부터는 어떤 추론도 도출되어서는 안 된다.

상기 튜닝 동작(800)은 동작 810에서 상기 무선 전력 전달 네트워크에 포함되어 있는 상기 디바이스들에 대한 임피던스 정합 프로세스를 개시시키는 적어도 하나의 트리거 이벤트(trigger event)를 모니터링(monitoring)하는 것을 시작한다. 특정 실시 예에서, 상기 트리거 이벤트는 새로운 수신기가 상기 네트워크로 진입하여 상기 송신기로부터의 충전을 요구할 경우, 혹은 기존 디바이스가 상기 무선 전력 전달 네트워크에서 벗어나서 상기 송신기로부터의 해제를 요구할 경우를 포함한다. 특정 실시 예들에서, 기존 수신기가 이동하거나 혹은 외부의 대상이 상기 네트워크 내에 위치되고, 따라서 상기 네트워크의 임피던스 특성들이 영향을 받게 된다. 상기와 같은 변화들은 각 디바이스의 유도 공진기의 단자들에서의 상기 임피던스, 혹은 반사 계수, 혹은 전압 정재 파비(Voltage Standing Wave Ratio: VSWR)를 모니터링함으로써 검출될 수 있다. 임계값을 초과하는 변화를 검출하는 것에 대한 응답으로, 상기 동작은 상기 튜닝 프로세스를 개시하여 상기 최적 임피던스 값들을 위해 제공하는 상기 임피던스 정합 네트워크들을 조정한다. 특정 실시 예들에서, 상기 튜닝 동작은 특정 수신기가 충전되는 것을 감소시킨다.

그리고 나서, 상기 코디네이팅 송신기는 상기 무선 전력 전달 네트워크에 포함되어 있는 각 디바이스와 통신 링크를 수립한다. 상기 통신 링크는 일 예로 지그-비(ZIG-BEE), 적외선, 블루투스(BLUETOOTH), 혹은 어떤 적합한 근거리 혹은 원거리 통신 링크들을 통해서라도 수립될 수 있다.

상기 실시 예에서, 상기 무선 전력 전달 네트워크에 포함되어 있는 상기 디바이스들의 개수는 N이다. 상기 정합 알고리즘은 세 개의 단계들: 동작 815 및 동작 820으로 구성되고, 임피던스 행렬 Z의 대각 엘리먼트(diagonal element)들을 획득하는 단계-1과; 동작 825 및 동작 830으로 구성되고, 임피던스 행렬 Z의 비대각 엘리먼트(off-diagonal element)들을 획득하는 단계-2와; 동작 840으로 구성되고, 특정 효율성 목적(일 예로, 전체 효율성)을 최대화시키는 각 디바이스에 대한 최적 임피던스 설정을 계산하고, 최적 임피던스 설정을 반영하기 위해 각 디바이스의 정합 네트워크들을 조정하는 단계-3을 포함한다. 특정 실시 예들에서, 상기 셀프-임피던스가 코디네이팅 송신기에게 알려져 있을 경우, 단계-1은 생략될 수 있다.

동작 815에서 상기 네트워크에 포함되어 있는 각 디바이스의 셀프-임피던스들이 측정된다. 이런 측정을 수행하기 위해서, 각 디바이스는 두 개의 스테이트들: 스테이트-1 및 스테이트-4 간을 스위치하는 것이 필요로 된다. 특히, 상기 코디네이팅 송신기는 도 9a에 도시되어 있는 바와 같이, 순차적으로 각 디바이스에게 상기 각 디바이스의 단자들에 걸쳐 전압을 적용하고, 스테이트-1에서 상기 상응하는 복소 전류(complex current)를 측정한다. 각 디바이스가 스테이트-1로 번갈아 가면서 진입하기 때문에, 상기 모든 디바이스들은 도9d에 도시되어 있는 바와 같이, 일 예로 스위치를 사용하여 스테이트-4에서 상기 유도 공진기들로부터 상기 모든 디바이스들의 부하들을 연결 해제하도록 시그널링되어 오픈 회로 스테이트(open-circuit state)로 진입한다. 상기 스테이트-1을 통해 상기 디바이스들은 상기 적용된 전압에 상응하는 전류를 측정한다.

동작 820에서, 상기 디바이스들은 상기 셀프-임피던스에 관한 정보를 송신한다. 특정 실시 예들에서, 각 디바이스는 적용된 전압 및 측정된 전류, 혹은 셀프-임피던스 값을 상기 무선 통신 링크를 통해 상기 코디네이팅 송신기로 송신한다. 상기 코디네이팅 송신기는 각 디바이스의 상기 셀프-임피던스 z_ii (i=1?, M = N) 에 관한 것이고, Z-행렬의 대각 엘리먼트들을 구성하는, 상기 무선 전력 전달 네트워크에 포함되어 있는 각 디바이스의 인덕턴스, 손실 저항, 혹은 품질 팩터와 같은 정보로부터 추출될 수 있는 정보를 수집한다.

특정 실시 예들에서, 각 디바이스의 스테이트-1(State-1)과 스테이트-4 (State-4)간의 스위칭은 상기 코디네이팅 송신기로부터 송신되는 별도의 순차적인 신호들을 사용하여 발생할 수 있고, 따라서 상기 신호 10000···0는 "1"에 상응하는 디바이스가 스테이트-1로 진입한다는 것을 의미할 것이고, 이에 반해 "0"에 상응하는 다른 수신기들은 스테이트-4로 진입한다는 것을 의미할 것이다. 이와는 달리, 송신기는 상기 수신기들로 단일 신호를 송신할 수 있고, 따라서 상기 수신기들은 상기 신호에 관해 상기 수신기들 고유의 시간 오프셋으로 스테이트-1에서 상기 측정을 수행하고 스테이트-4로 스위치한다.

동작 825에서, 상기 프로세스는 상기 Z-행렬의 비대각 엘리먼트들로 구성되는, 상기 네트워크에 포함되어 있는 상기 디바이스들의 상호 임피던스들 z_ij (i,j = 1...M, i≠j, M ≤ N)을 결정한다. 이를 수행하기 위해서, 각 디바이스는 도 9a 내지 도 9d에 도시되어 있는 바와 같은, 세 개의 스테이트들 간을 스위치 해야만 한다. 특히, 상기 코디네이팅 송신기는 각 디바이스로 특정 스테이트로 스위치하도록 별도로 시그널링하거나, 혹은 상기에서 설명한 바와 같이, 각 디바이스에 할당된 타임 오프셋에 관한 단일 신호를 별도로 시그널링하여 스테이트들 간의 사전 설명된 스위칭을 따르도록 할 수 있다.

일 예로, 페어링 디바이스(pairing device) 1과 페어링 디바이스 2 간의 상호 임피던스 z₁₂와 이에 따른 커플링 계수 K₁₂를 측정하기 위해서, 디바이스 1에게는 스테이트-2로 스위치되도록 시그널링되고, 여기서 디바이스 1은 도 9b에서 도시되어 있는 바와 같이 전압을 인덕터의 단자들에 적용한다. 이와 동시에, 디바이스 2는 스테이트-3으로 스위치되고, 여기서 디바이스 2는 도 9c에 도시되어 있는 바와 같이, 상기 디바이스 2의 인덕터의 단자들에서 유도되는 전류를 측정한다. 이와 동시에, 상기 무선 전력 전달 네트워크에 포함되어 있는 모든 다른 디바이스들은 스테이트-4로 스위치되도록 시그널링된다. 디바이스1 및 디바이스2는 무선 통신 링크를 통해 상기 코디네이팅 송신기로 상기 상응하는 전압 및 전류 측정 값을 송신한다. 이런 방식으로, 상기 코디네이팅 송신기는 상기 네트워크에 포함되어 있는 모든 디바이스 페어들 간의 상호 임피던스들에 관한 정보를 수집한다(z_ij=z_ji인 상호 네트워크(reciprocal network)들의 경우에 있어서는, 고유 디바이스 페어들 간의 상호 임피던스만 측정된다. 즉, 상기 상호 무선 전력 전달 네트워크들에 대해서는, z_ij = z_ji 이고, 따라서 오직 상기 Z-행렬의 메인(main) 대각선 위의(혹은 아래의) 엘리먼트들을 측정하는 것은 충분하다. 따라서, 우리는 이런 요구 사항을 j>i 로 변경시킴으로써 단계-2를 보다 빠르게 만들 수 있다).

상기 각 페어의 상호-임피던스 측정 후에, 상기 두 개의 디바이스들은 동작 830에서 상기 코디네이팅 송신기로 상기 각 적용된 전압 및 측정된 유도 전류를 송신한다. 상기 코디네이팅 송신기는 모든 디바이스 페어들 간의 상호 임피던스를 계산하고, 디바이스들의 모든 페어들 간의 상기 커플링 계수들 및 상호 임피던스들과 같은 다른 정보를 추출한다. 상기 코디네이팅 송신기가 페어에 포함되어 있는 특정 실시 예에서, 상기 페어에 포함되어 있는 다른 디바이스는 상기 코디네이팅 송신기가 상기 적용된 전압을 이미 알고 있기 때문에 측정된 유도 전류 혹은 상기 다른 디바이스의 상호 임피던스를 송신할 수 있다.

동작 840에서 상기 수집된 정보를 기반으로, 상기 코디네이팅 송신기는 수학식 28과 같은 분석적 수학식들을 사용하여 상기 네트워크에 포함되어 있는 각 디바이스에 대한 상기 요구되는 최적 임피던스들을 계산하고, 특정 최적 전력 전달 효율성(최대 총 효율성과 같은)을 산출하기 위해 상기 무선 통신 링크를 통한 피드백을 상기 디바이스들로 제공하여 정합 네트워크들을 통해 상기 디바이스들의 임피던스를 조정한다. 상기 무선 네트워크의 부분인 상기 코딩 송신기는 또한 상기의 절차를 따라 상기 코딩 송신기 자신의 임피던스를 조정하고, 따라서 상기 코딩 송신기 자신의 임피던스가 최적으로 정합되도록 한다.

도 10a, 도 10b, 도 10c, 및 도 10d는 본 개시의 실시 예들에 따른 상기 다양한 무선 전력 전달 네트워크들에서 수립되어 있는 무선 통신 링크들을 도시하고 있는 도면들이다. 도 10a, 도 10b, 도 10c, 및 도 10d에 도시되어 있는 바와 같은 상기 무선 전력 전달 네트워크들의 실시 예들은 오직 도시만을 위한 것이다. 무선 전력 전달 네트워크의 다른 실시 예들은 본 개시의 범위로부터 벗어남이 없이 사용될 수 있을 것이다.

튜닝 알고리즘은 최적 커플링 효율성을 성취하기 위해 소스 및 부하 임피던스들을 조정하는 핸드 쉐이킹(handshaking) 셋업에 대해 상기 디바이스들 간의 우선 통신 링크를 요구한다. 상기 무선 통신 링크들을 사용하여, 상기 송신기는 모든 디바이스 페어들 간의 상기 커플링 계수들 뿐만 아니라 상기 손실 저항들, 상기 무선 전력 전달 네트워크에 포함되어 있는 모든 디바이스들의 유도 공진기들의 인덕턴스들 및 품질 팩터들에 대한 정보를 포함하는 상기 무선 전력 전달 네트워크의 상기 Z-행렬(혹은 Z-행렬로부터 연산되는 S-행렬)을 필수적으로 측정한다. 상기 코디네이팅 송신기는 각 디바이스에 대한 유효 시간 시그널링을 생성하고, 또한 상기 측정값들을 기록하고, 상기 계산들을 수행하여 최적화된 임피던스 조건들을 검출한다. 그 후에, 상기에서 설명한 바와 같은 측정 데이터가 하기에서 제공되는 임피던스 수학식들(일 예로, 수학식 29)을 사용하여 후처리될 수 있고, 상기 디바이스들에서의 최대 총 효율성과 같은 특정 요구 전력 전달 효율성을 성취하기 위해 상기 각 디바이스의 정합 네트워크를 상기 최적화된 임피던스로 조정하도록 사용될 수 있다.

도 10a에 도시되어 있는 바와 같이, 상기 네트워크는 리피터를 가지지 않는, 단일 송신기 Tx 및 단일 수신기 Rx를 포함할 수 있고, 여기서 상기 송신기 Tx는 상기 수신기 Rx에 일 예로 ZIG-BEE, 적외선, 블루투스, 혹은 가능한 근거리 혹은 원거리 통신 링크들을 통해 무선으로 링크된다. 도 10b는 송신기 Tx 및 수신기 Rx 간에 리피터를 가지는, 상기 송신기 Tx 및 수신기 Rx를 도시하고 있는 도면이며, 여기서 상기 송신기 Tx는 상기 리피터 및 상기 수신기 Rx 각각과 무선으로 링크될 수 있다. 도 10c는 두 개의 리피터들 리피터 1 및 리피터 2를 가지는, 송신기 Tx 및 수신기 Rx를 도시하고 있는 도면이고, 여기서 상기 송신기 Tx는 상기 리피터 1 및 상기 수신기 2 각각과 무선으로 링크될 수 있다. 도 10d는 송신기 Tx 및 다수의 수신기들 수신기 Rx₁ 내지 수신기 Rx₄를 도시하고 있는 도면이며, 여기서 상기 송신기는 상기 수신기 Rx₁ 내지 수신기 Rx₄ 각각에 무선으로 링크된다.

도 11은 본 개시의 실시 예들에 따른 리피터를 가지지 않는, 송신기(1110) 및 수신기(1120)를 포함하는 상기 무선 전력 송신 네트워크를 도시하고 있는 도면이다. 도 11에 도시되어 있는 상기 무선 전력 송신 네트워크의 실시 예는 오직 도시만을 위한 것이다. 무선 전력 전달 네트워크의 다른 실시 예들은 본 개시의 범위로부터 벗어남이 없이 사용될 수 있을 것이다.

일반적으로, 소형 유도 공진기들은 직렬 RL 회로들로서 모델링될 수 있다. 이런 모델은 실질적으로 소형 공진기 사이즈들에 대해서만(즉, 안테나의 최대 차원이 상기 동작 주파수에서의 파장과 비교하여 실질적으로 작을 경우) 정확하다는 것에 유의하여야 할 것이다. 이후, 상기 최대 효율성 제한의 편차는 리피터를 가지지 않는 단일 송신기 및 수신기에 대한 등가 회로 접근 방식을 기반으로 제시될 것이다. 이런 모델은 안테나 사이즈가 증가할 경우 더 높은 차수(order)의 방사 구 모드(radiated spherical mode)들을 포함하지 않는다.

도 11을 참조하면, L₁, R_L1 은 각각 소스 유도 공진기의 상기 인덕턴스 및 저항이고, L₂, R_L2 는 각각 부하 유도 공진기의 상기 인덕턴스 및 저항이다. 캐패시터 C₁및 캐패시터 C₂는 최대 전력 전달을 위해 동일한 공진 주파수

에서 송신기 및 수신기를 공진시키기 위해 추가된다. R_s및 R_L 은 각각 상기 소스 및 부하 저항이다.

코디네이팅 송신기(1110)는 상기 무선 전력 전달 네트워크에서 ZIG-BEE, 적외선, 블루투스, 혹은 근거리 혹은 원거리 통신(near or far field communication: NFC) 링크를 통해 상기 수신기와 통신 링크를 수립한다.

코디네이팅 송신기(1110)는 수신기(1120)에게 스테이트-1로 진입할 것을 시그널링한다. 이와 동시에, 코디네이팅 송신기는 스테이트-4로 진입한다(또한, 수신기(1120)을 제외한, 상기 무선 충전 네트워크에 참여하고 있는 다른 디바이스들이 될 것이다). 수신기(1120)은 상기 수신기(1120)의 유도 공진기의 단자들에 전압을 적용하고, 상기 상응하는 전류를 측정한다. 상기 적용된 전압 및 측정된 전류를 기반으로, 상기 수신기(1120)의 상기 셀프-임피던스 z₂₂ = R_L2 + jωL₂가 계산될 수 있다. 수신기(1120)는 무선 통신 링크를 통해 상기 코디네이팅 송신기(1110)로 상기 적용된 전압 및 측정된 전류를 송신한다. 상기 코디네이팅 송신기(1110)는 상기 정보를 수신하고, 상기 수신기(1120)는 유도 공진기의 셀프-임피던스를 계산할 수 있고, 또한, 일 예로 수신기(1120)의 유도 공진기의 인덕턴스 및 손실 저항 L₂, R_L2 (및 품질 팩터 Q_int2)에 관한 정보를 추출할 수 있다.

이런 방식으로, 상기 코디네이팅 송신기는 상기 셀프-임피던스들 및 이에 따른 Z행렬의 대각 엘리먼트들을 구성하는 모든 유도 공진기들(상기 코디네이팅 송신기 자신을 포함하는)의 인덕턴스들 및 저항들에 대한 정보를 수집한다.

상기 코디네이팅 송신기의 유도 공진기와 상기 수신기(1120)의 유도 공진기 간의, 무선 전력 전달 시스템의 상기 Z-행렬의 비대각 엘리먼트들을 구성하는 상기 상호 임피던스 z₁₂ 및 이에 따른 상기 상호 인덕턴스 M을 결정하기 위해서, 상기 코디네이팅 송신기(1110)는 스테이트-2로 스위치하고, 전압을 상기 코디네이팅 송신기(1110)의 유도 공진기의 단자들에 걸쳐 적용하고, 이와 동시에 수신기(1120)로 스테이트-3으로 스위치하도록 시그널링하고, 여기서 수신기(1120)는 상기 수신기(1120)의 유도 공진기의 단자들에서 유도되는 전류를 측정한다. 이와 동시에, 상기 무선 충전 네트워크에 참여하는 모든 다른 디바이스들에게는 스테이트-4로 진입하도록 시그널링된다. 이런 측정의 마지막에서, 상기 수신기(1120)는 무선 통신 링크를 통해 상기 코디네이팅 송신기로 상기 측정된 전류의 값을 송신한다. 상기 각 적용된 전압 및 유도 전류를 기반으로, 상기 코디네이팅 송신기는 상기 코디네이팅 송신기(1110)와 수신기(1120) 간의 상호 임피던스를 계산하고, 상기 두 개의 디바이스들 간의 상호 인덕턴스 M과 커플링 계수 k에 관한 정보를 추출한다. 특정 실시 예들에서, 수신기(1120)는 상호 임피던스를 결정하고 상기 송신기(1110)로 상기 상호 임피던스를 제공한다. 이와는 달리, 송신기(1110)는 수신기(1120)에서의 상기 측정값을 기반으로 두 개의 디바이스들 간의 상기 상호 임피던스를 계산할 수 있다.

하기의 실시 예들에서, 우리는 상기 분석을 제시하고 무선 전력 전달 네트워크에 포함되어 있는 상기 디바이스들에 대한 최적 임피던스 조건들을 결정하기 위해 사용되는 분석적 수학식들을 추론한다. 하기의 수학식들은 특정 무선 전력 전달 네트워크들에 대해서 도출되지만 그와 같은 특정 네트워크들로만 본 발명의 범위가 제한되어서는 안 된다.

상기와 같은 동작들을 통해 수집된 정보들을 기반으로, 코디네이팅 송신기(소스)와 수신기(부하)로 구성되는 두 개의 디바이스들 네트워크의 경우에서, 상기 공진 커플링 효율성 η, 소스에서의 입력 임피던스

, 부하에서의 출력 임피던스

는 다음과 같이 도출된다:

<수학식 2>

<수학식 3>

<수학식 4>

상기 효율성 수학식 2는 상기 소스 저항 R_s 및 부하 저항 R_L 에 관해 미분되고, 상기 도함수(derivative)들은 0으로 설정되어 최대 효율성을 산출하는 소스 및 부하 저항 값들을 획득할 수 있다. 그리고 나서, R_s 및 R_L 은 하기 수학식 5 및 수학식 6에 나타낸 바와 같이 주어진다:

<수학식 5>

<수학식 6>

수학식 5 및 수학식 6은 최적 효율성을 산출하는 소스 및 부하 저항들은 소스 및 부하 각각에 의해 보여지는 상기 입력 임피던스 및 출력 임피던스와 동일하다는 것을 나타낸다. 이런 수학식들은 동시에 풀어져서 하기 수학식 7 및 수학식8에 나타낸 바와 같이 주어지는, 소스 저항 R_L1 및 유도 공진기 저항 R_L2만의 함수로 소스 및 부하 저항들을 나타낸다:

<수학식 7>

<수학식 8>

다른 유도 공진기 저항들을 가지는 유도 공진기들에 대해서, 소스 및 부하 저항들의 비 R_S/R_L 은 하기 수학식 9에 나타낸 바와 같이 주어지는 각 유도 공진기 저항들의 비 R_L1/R_L2와 동일해야만 한다:

<수학식 9>

또한, 단일 송신기 및 수신기로 구성되는 무선 전력 전달 네트워크에 대한 최적 효율성을 제공하기 위해서, 상기 소스 저항 대 소스 유도 공진기 저항의 비 R_s/R_L1 및 부하 대 부하 유도 공진기 저항의 비 R_L/R_L2는 하기 수학식 10에 나타낸 바와 같은 조건을 따른다:

<수학식 10>

여기서,

이다.

상기 소스 및 부하에서의 동시 임피던스 정합 하에서의 상기 상응하는 최적 효율성은 하기 수학식 11에 나타낸 바와 같다:

<수학식 11>

등가 회로 모델을 기반으로 하는 상기 최적 효율성 표현이 도 12에 그래프로 도시되어 있다. 커플링된 모드 원리를 기반으로 도출되는 효율성에서의 상위 바운드(bound)는 등가 회로 모델을 사용하여 도출되는 효율성에서의 상위 바운드와 동일하다는 것이 관찰된다. 주어진 품질 팩터를 사용하는 유도 공진기들 간의 특정 커플링에 대하서, 이 곡선은 최대 성취 가능 효율성에서의 제한을 설정한다.

도 12는

와 동일한, 최적 효율성 대

을 그래프로 도시하고 있는 도면이다. 도시되어 있는 바와 같이,

의 값이 커질수록 효율성도 높아 진다. 이는 무선 전력 전달에서 사용되는 유도 공진기들이 매우 작은 손실 저항을 가지는 것이 바람직하기 때문이다. 따라서, 상기 시스템을 공진시키기 위해 사용되는 상기 캐패시터들의 상기 등가 직렬 저항(equivalent series resistance: ESR), 혹은 유선들 및 솔더(solder)를 상호 연결시키는 것으로 인해 도입되는 추가적인 저항들은 상기 시스템 효율성을 더욱 감소시킬 것이다.

상기 시스템이 더 낮은

값들에서 동작하고 있을 경우 효율성은 더욱 열화된다. 일 예로서, 유도 공진기들이

= 4와 같이 되도록 설계된다고 가정할 경우, 도 12에서 볼 수 있는 바와 같이 상기 최대 효율성은 60%가 될 것이라고 기대된다.

하지만, 캐패시터의 ESR, 송신기 및 수신기 둘 다에서의 가능한 상호 연결들 혹은 솔더링(soldering)이 상기 유도 공진기 저항과 동일한 저항을 추가시킬 경우, 상기

의 값은 4에서 2로 떨어지고, 상기 상응하는 효율성은 60%에서 40%로 떨어진다.

상기 효율성이 결정되면, 상기 송신기는 수학식 10과 같은 분석적 수학식들을 사용하여 상기 요구되는 임피던스를 계산하고, 상기 수신기로 피드백을 제공하여 최적 커플링 효율성을 산출하기 위해 상기 모든 부하들에서의 정합 네트워크들을 통해 상기 임피던스를 조정한다. 마지막으로, 상기 송신기는 상기와 같은 절차를 따라 상기 송신기의 임피던스를 조정하고, 따라서 상기 송신기는 최적으로 정합되어 상기 결정된 전력 송신 효율성을 달성한다.

도 13은 본 개시의 특정 실시 예들에 따른, 코디네이팅 송신기 Tx 와 두 개의 커플링되지 않은 수신기들 Rx₂ 및 Rx₃을 포함하는(k₁₂ ²Q₁Q₂<<1, 여기서 k₁₂는 상기 두 개의 수신기들 간의 커플링 계수이고, Q₁, Q₂는 상기 두 개의 수신기들의 품질 팩터들이다) 상기 무선 전력 송신 네트워크(1300)를 도시하고 있는 도면이다. 도 13에 도시되어 있는 무선 전력 송신 네트워크의 실시 예는 오직 도시만을 위한 것이다. 무선 전력 전달 네트워크의 다른 실시 예들은 본 개시의 범위로부터 벗어남이 없이 사용될 수 있을 것이다.

상기 효율성 제한은 두 개의 수신기들을 포함하는 무선 전력 전달 네트워크에 대해서 평가된다. 상기의 수신기들 둘 다는 상기 코디네이팅 송신기에 연결되고; 하지만 간략성을 위해서, 수신기들 간의 커플링이 무시할 수 있을 정도로 작다고 가정하기로 한다. 이는 도 13에 도시되어 있는 바와 같이, 큰 송신기와 작은 수신기들, 혹은 상기 송신기의 반대 측 상에 작은 수신기들이 존재할 경우이다.

상기 무선 전력 전달 네트워크에서 상기 수신기들과 통신 링크를 수립한 후, 순차적으로 상기 코디네이팅 송신기 Tx는 각 수신기 Rx₂ 및 Rx₃에게 상기 각 수신기 Rx₂ 및 Rx₃의 단자들에 걸쳐 전압을 적용하고 상기 상응하는 전류를 측정하도록 요구한다. 번갈아 가면서 수신기가 스테이트-1로 진입하고, 다른 수신기 및 코디네이팅 송신기는 스테이트-4로 진입하고, 상기 코디네이팅 송신기 Tx는 Z-행렬의 대각 엘리먼트들을 구성하는 두 개의 수신기들 Rx₂ 및 Rx₃의 유도 공진기의 인덕턴스 및 저항에 대한 정보를 수집한다.

따라서, 상기 네트워크는 상기 Z-행렬의 비대각 엘리먼트를 구성하는 상기 송신기 Tx와 상기 두 개의 수신기들 Rx₂ 및 Rx₃간의 상호 임피던스를 결정한다. 상기 실시 예에서의 특정 튜닝 알고리즘은 상기에서 설명한 바와 유사하고, 따라서 반복되는 설명은 생략된다.

상기에서 설명한 바와 같은 측정 동작들을 통해서, 상기 송신기 Tx와 두 개의 커플링 되지 않은 수신기들 Rx₂ 및 Rx₃로 구성되는 상기 무선 전력 전달 네트워크는 다음과 같은 행렬 형태로 표현된다:

<수학식 12>

여기서, R_S, R₂, R₃은 소스 및 부하 저항들이고, R_L1 _, R_L2, R_L3은 소스 및 부하 유도 공진기 저항들이고, M₁₂ 및 M₁₃은 소스 유도 공진기, 제1 수신기 유도 공진기 및 제2 수신기 유도 공진기 간의 상호 인덕턴스들이다. 상기 송신기 및 두 개의 수신기들을 통한 전류는 각각 i₁, i₂, i₃이다. 상기 송신기 및 수신기들에 의해 보여지는 입력 임피던스들은 각각 다음과 같다:

<수학식 13>

<수학식 14>

<수학식 15>

특정 실시 예들에서, 소스 임피던스는 상기 입력 임피던스에 정합되어 상기 소스에 대한 반영들을 최소화시키고, 상기 임피던스 정합된 소스 가정 하에서 최적 효율성을 발생시키는 상기 부하 임피던스들이 계산된다. 상기 송신기에서의 전력 레벨들이 상기 수신기에서의 전력 레벨들의 다수 배이기 때문에, 상기 소스 측에서의 오정합은 과도한 열 생성을 발생시킬 것이다. 이와는 달리, 오정합된 수신기는 전력을 수신하지 않을 것이다. 이와는 달리, 특정 실시 예들은 동시에 상기 송신기와 두 개의 수신기들을 정합시킨다.

수학식 12에서의 행렬 모델을 사용하는 상기 수신기들 Rx₂ 및 Rx₃ 에 대한 각 효율성들

은 다음과 같다:

<수학식 16>

<수학식 17>

상기 소스 저항 R_S를 상기 소스 포트 R_source에서 보여지는 입력 임피던스에 정합시킬 경우, 상기 수학식 16 및 수학식 17에 의해 주어지는 효율성 표현들은 다음과 같이 쓰여질 수 있다:

<수학식 18>

<수학식 19>

여기서,

이고,

이다.

상기 총 효율성은 다음과 같이 Rx₂ 및 Rx₃에서 상기 효율성들

을 부가시킴으로써 획득된다:

<수학식 20>

특정 실시 예들에서, 웨이팅/비용 함수 값은 충전의 우선 순위들에 따라 각 수신기에게 곱해질 수 있다. 특정 실시 예에서, 긴급 충전의 필요를 가지는 수신기는 상기 네트워크에 포함되어 있는 다른 수신기들에 비해 더 높은 우선 순위를 가진다.

수학식 20에 의해 주어지는 총 효율성 표현은 α및 β에 대해 미분되고, 도함수는 0으로 설정된다. 두 개의 수학식들이 동시에 풀려지고, 최적 효율성 성능을 산출하는 α및 β 값들은 다음과 같다:

<수학식 21>

최적 효율성 성능에 대한 α및 β를 수학식 13으로 대체할 경우, 소스 저항 대 소스 유도 공진기 저항의 비 R_S/R_L1, 부하 저항 대 부하 유도 공진기 저항의 비들 R₂/R_L2 및 R₃/R_L3는 하기 수학식 22에 명시된 바와 같은 값과 동일하다:

<수학식 22>

이에 따라, 최적 효율성은 상기 소스 저항 대 소스 유도 공진기 저항의 비, 부하 저항들 대 각 부하 유도 공진기 저항들의 비가 동일하고, 단일 송신기와 수신기로 구성되는 무선 전력 전달 네트워크에 대한 관찰과 일치하는 수학식 22에 명시된 바와 같은 값과 동일하다.

상기 두 개의 수신기들에서의 상응하는 효율성은 다음과 같다:

<수학식 23>

<수학식 24>

상기 결과들을 인증하기 위해서, 수학식 23, 수학식 24, 및 수학식 20 각각에 의해 주어지는 Rx₂ 및 Rx₃에서의 효율성 및 총 효율성은 도 14에서 송신기 Tx와 수신기 Rx₃ 간의 고정된 커플링에 대해서, 수학식 22에 의해 주어지는 최적 소스 및 부하 조건들 하에서 그래프로 도시된다. 상기 송신기 Tx 및 수신기들 Rx₂ 및 Rx₃ 간의 커플링들은 변경될 수 있다. 상기 효율성들은 또한 진보된 설계 시스템(Advanced Design System: ADS) 소프트웨어에서의 등가 회로 모델로부터 계산되고, 상기 결과들은 서로에게 정확하게 상응한다. 상기 수신기들 중 어느 하나가 나머지 수신기와 비교하여 상기 송신기에 매우 강력하게 커플링되어 있을 경우, 거의 모든 전력은 상기 강력하게 커플링된 수신기로 전달된다는 것이 관찰된다. 두 개의 수신기들이 상기 송신기에 동일하게 커플링되어 있을 경우, 상기 두 개의 수신기들은 상기 수신된 전력을 동일하게 공유한다. 수신기들 Rx₂, Rx₃에서의 효율성 및 상기 네트워크의 총 효율성에 대한 효율성 등고선들이 도 15 A 내지 도15c 에 각각 그래프로 도시되어 있다.

도 16은 본 개시의 특정 실시 예에 따른, 단일 송신기 Tx와 다수의 커플링 되지 않은(non-coupled) 수신기들 Rx2 내지 Rx5를 포함하는 상기 무선 전력 송신 네트워크(1600)를 도시하고 있는 도면이다. 도 16에 도시되어 있는 상기 무선 전력 송신 네트워크의 실시 예는 오직 도시만을 위한 것이다. 무선 전력 전달 네트워크의 다른 실시 예들은 본 개시의 범위를 벗어남이 없이 사용될 수 있을 것이다.

상기 효율성 분석은 상기 송신기에 직접 연결되고, 다수의 수신기들의 상호 커플링들이 무시되는 상기 다수의 수신기들로 확장될 수 있다. 단일 송신기와 (n-1)개의 커플링되지 않은 수신기들로 구성되는 상기와 같은 무선 전력 전달 네트워크가 도 16에 도시되어 있다.

상기 코디네이팅 송신기 Tx는 상기 무선 전력 전달 네트워크에 포함되어 있는 상기 네 개의 수신기들 Rx₂ 내지 Rx₅와 통신 링크를 수립하고, 상기 네트워크에 포함되어 있는 상기 수신기들의 셀프-임피던스들에 관한 정보를 수집한다. 특히, 상기 송신기 Tx는 순차적으로 각 수신기에게 상기 각 수신기의 단자들에 걸쳐 전압을 적용하고, 상기 상응하는 전류를 측정하도록 요구한다. 번갈아 가면서 각 수신기가 스테이트-1로 진입하기 때문에, 다른 모든 수신기들은 일 예로 스위치를 사용하여 상기 유도 공진기들로부터 그 부하들을 연결 해제하고, 스테이트-4로 진입하도록 시그널링될 수 있다.

따라서, 상기 송신기는 상기 Z-행렬의 비대각 엘리먼트들을 구성하는 상기 네트워크에서 상호 임피던스들에 관한 정보를 수집한다. 특히, 상기 송신기 Tx는 별도로 각 수신기에게 상기 각 수신기의 스테이트를 지시하도록 시그널링하거나 혹은 상기에서 설명한 바와 같이 각 디바이스에게 할당된 상응하는 일련 번호 및 타임 슬럿을 가지는 단일 신호를 시그널링하여 스테이트들 간의 사전에 설명된 스위칭을 따르도록 할 수 있다.

상기 송신기 Tx 및 상기 수신기들 Rx₂ 내지 Rx₅에 의해 보여지는 입력 임피던스들은 다음과 같다:

<수학식 25>

<수학식 26>

<수학식 27>

<수학식 28>

상기 최적 효율성은 소스 저항 대 소스 유도 공진기 저항의 비 R_s/R_L1 과 부하 대 부하 유도 공진기 저항의 비 R_n/R_Ln가 하기 수학식 29에 나타낸 바와 같은 조건을 따를 경우 획득된다:

<수학식 29>

여기서,

이다.

상기 소스 저항 대 소스 유도 공진기 저항의 비는 부하 저항들 대 상응하는 부하 유도 공진기 저항들의 비와 동일해야만 한다.

소스 및 부하들에서의 최적 효율성 조건들 하에서 각 수신기에 대한 효율성 표현들은 다음과 같다:

<수학식 30>

<수학식 31>

<수학식 32>

도 17은 본 개시의 실시 예들에 따른, 송신기(1705), 수신기(1715), 그리고 송신기(1705)와 수신기(1715)간의 리피터(1710)를 포함하는 무선 전력 송신 네트워크(1700)를 도시하고 있는 도면이다. 도 17에 도시되어 있는 상기 무선 전력 송신 네트워크의 실시 예는 오직 도시만을 위한 것이다. 무선 전력 전달 네트워크의 다른 실시 예들은 본 개시의 범위로부터 벗어남이 없이 사용될 수 있을 것이다. 리피터(1710)는 송신기와 수신기간에서 사용되어 송신기(1705)로부터 수신기(1715)로의 상기 전력 전달 효율성 및 상기 송신 거리를 향상시킨다.

어떤 추가적인 저항도 상기 리피터(1710)에서의 전력 손실을 증가시키지 않기 때문에, 상기 리피터(1710)는 오직 상기 리피터(1710)에 첨부되는 외부 저항 없이 상기 송신기(1705) 및 수신기(1710)의 공진 주파수에서 공진되는 유도 공진기가 되어야만 한다는 것이 관찰된다. 상기 송신기(1705)와 수신기(1715) 간의 직접 커플링은 간단성을 위해서 무시된다.

송신기(1705)는 리피터(1710) 및 수신기(1715)와 통신 링크를 수립하고, 상기 네트워크에서 리피터(1710) 및 수신기(1715)의 내부-임피던스들에 관한 정보를 수집한다. 특히, 송신기(1705)는 순차적으로 리피터(1710) 및 수신기(1715)에게 상기 리피터(1710) 및 수신기(1715)의 단자들에 걸쳐 전압을 적용하고, 상기 상응하는 전류들을 측정하도록 요구한다(스테이트-1). 번갈아 가면서, 각 수신기는 스테이트-1로 진입하고, 다른 모든 디바이스들에게는 일 예로 스위치를 사용하여 상기 유도 공진기로부터 상기 다른 모든 디바이스들의 부하를 연결 해제하고 스테이트-4로 천이하도록 시그널링 될 수 있다. 이런 방식으로, 상기 송신기(1705)는 Z-행렬의 대각 엘리먼트들을 구성하는 상기 네트워크에서 리피터(1710) 및 수신기(1715)의 인덕턴스들, 손실 저항들(혹은 유도 공진기 저항들) 및 품질 팩터들에 관한 정보를 수집한다.

상기와 같은 수집된 정보를 기반으로, 무선 전력 전달 네트워크(1700)는 다음 행렬에 의해 표현될 수 있다:

<수학식 33>

상기 소스는 상기 입력 임피던스에 정합되고, 따라서 상기 유도 공진기로 피드백 되는 전력은 상기 송신기에 다시 영향을 주지 않는다.

<수학식 34>

상기 소스에서의 임피던스 정합의 조건 하에서 상기 수신기 전력 전달 효율성은 다음과 같다:

<수학식 35>

여기서, β는 수신기에서 상기 유도 공진기의 부하 대 손실 저항의 비이다. 가장 높은 공진 커플링 효율성을 발생시키는 최적 부하를 검색하기 위해서, 상기와 같은 표현은 β로 미분되고, 상기 도함수는 0으로 설정된다.

<수학식 36>

송신기-리피터 및 리피터-수신기간의 주어진 페어의 커플링에 대해 상기 효율성을 부여하는 상기 송신기 Tx와 수신기 Rx 간의 리피터로 구성되는 무선 전력 전달 네트워크에 대한 효율성 등고선들이 도 18에 그래프로 도시되어 있다. 상기 반복기가 송신기와 수신기 간의 정확하게 위치될 필요는 없다는 것에 유의하여야 할 가치가 있다.

다른 흥미 있는 비교는 리피터를 가지지 않는 단일 송신기 및 수신기의 경우에 대한 성능과 리피터가 송신기와 수신기 간에 정확하게 존재할 경우에 대한 성능간의 비교이다. 상기 송신기와 수신기간의 커플링은 유도 공진기의 개별 반경들보다 더 큰 거리들에 대해 1/R³로 감소된다. 상기 유도 공진기들의 반경에 대해 비교 가능한 거리들에 대해서, 상기 커플링 계수는 대략 1/R²로 감소된다. 리피터가 없는 경우에 비해 상기 리피터에 의해 제공되는 효율성에서의 개선이 도 19에 도시되어 있다.

도 20은 본 개시의 실시 예들에 따른, 송신기(2005), 수신기(2015), 송신기(2005)와 수신기(2010) 간의 다수의 리피터들(2010-1 ~ 2010-(n-1))을 포함하는 무선 전력 송신 네트워크(2000)를 도시하고 있는 도면이다. 도 20에 도시되어 있는 상기 무선 전력 송신 네트워크의 실시 예는 오직 도시만을 위한 것이다. 무선 전력 전달 네트워크의 다른 실시 예들은 본 개시의 범위로부터 벗어남이 없이 사용될 수 있을 것이다. 각 리피터는 상기 송신기 및 상기 수신기의 공진 주파수에서 공진되는 유도 공진기를 포함할 수 있다. 상기 유도 공진기 저항은 오직 상기 리피터들에서 손실의 소스이다.

도 17에 도시되어 있는 바와 같은 단일 리피터를 가지는 상기 무선 전력 송신 네트워크의 실시 예와 연관되는 분석은 도 20에 도시되어 있는 바와 같이 송신기와 수신기 간에 삽입되어 있는 다수의 리피터들을 가지는 무선 전력 송신 네트워크로 확장될 수 있다. 송신기(2005), 수신기(2015), 근접하지 않은 리피터들 간의 다이렉트 커플링(direct coupling)은 간략성을 위해 무시된다.

송신기(2005)는 리피터들(2010-1 ~ 2010-(n-1)) 및 수신기(2015)와 통신 링크를 수립하고, 상기 네트워크에 포함되어 있는 상기 리피터들 및 수신기의 셀프-임피던스들에 관한 정보를 수집한다. 특히, 송신기(2005)는 순차적으로 각 리피터 및 수신기(2015)에게 상기 각 리피터 및 수신기(2015)의 단자들에 전압을 적용하고, 상기 상응하는 전류들을 측정하도록 요구한다(스테이트-1). 번갈아 가면서 각 디바이스가 스테이트-1로 진입하고, 다른 모든 디바이스들에게는 일 예로 스위치를 사용하여 상기 다른 모든 디바이스들의 유도 공진기로부터 상기 다른 모든 디바이스들의 부하를 연결 해제하도록 시그널링 될 수 있다(스테이트-4). 이런 방식으로, 상기 송신기(2005)는 Z-행렬의 대각 엘리먼트들을 구성하는, 상기 네트워크에 포함되어 있는 리피터들(2010-1 ~ 2010-(n-1)) 및 수신기(2015)의 유도 공진기들 셀프-임피던스들(인덕턴스들, 손실 저항들 및 품질 팩터들)에 관한 정보를 수집한다. 상기 실시 예에서 상기 무선 전력 전달 네트워크에 포함되어 있는 모든 디바이스 페어들간의 상호-임피던스들을 획득하기 위한 구체적인 튜닝 알고리즘은 상기에서 설명한 바와 유사하고, 따라서 반복되는 설명은 생략된다.

상기와 같은 수집된 정보를 기반으로, 도 20에 도시되어 있는 상기 무선 전력 전달 네트워크는 다음과 같은 행렬에 의해 표현될 수 있다:

<수학식 37>

상기 소스는 상기 입력 임피던스에 정합되고, 따라서 상기 소스 유도 공진기로 피드백 되는 전력은 하기 수학식 38에 나타낸 바와 같이 상기 송신기에 다시 영향을 주지 않는다:

<수학식 38>

상기 소스에서의 임피던스 정합 조건 하에서의 상기 수신기 커플링 효율성은 다음과 같다:

<수학식 39>

여기서,

이다.

상기 단일 리피터에 대한 효율성을 최대화시키는 상기 β 값은 수학식 36에 의해 주어진다. 상기 두 개의 수신기들에 대한 효율성을 최대화시키는 상기 β 값은 다음과 같다:

<수학식 40>

상기 'n-2' 개의 리피터들의 일반적인 경우에 대한 효율성을 최대화시키는 상기 β 값은 다음과 같다:

<수학식 41>

여기서,

이다.

도 21은 본 개시의 실시 예들에 따른, 송신기, 두 개의 커플링된 수신기를 포함하는 상기 무선 전력 송신 네트워크(2100)를 도시하고 있는 도면이다. 도 21에 도시되어 있는 상기 무선 전력 송신 네트워크의 실시 예는 오직 도시만을 위한 것이다. 무선 전력 전달 네트워크의 다른 실시 예들은 본 개시의 범위로부터 벗어남이 없이 사용될 수 있을 것이다.

상기 수신기 디바이스들간의 상호 커플링으로 인해, 부하들뿐만 아니라 상기 소스에 의해 보여지는 임피던스는 복소수일 것이다, 즉, 다음과 같이 허수 파트 뿐만 아니라 실수 파트를 가질 것이다:

<수학식 42>

<수학식 43>

<수학식 44>

다수의 수신기들의 경우, 상기 상호 임피던스 텀(term)들이 유도 공진기들/루프들(시계 방향/반 시계 방향)의 상대적 위치 및 감지(sense)를 기반으로 양이거나 혹은 음일 수 있기 때문에, 수신기들 뿐만 아니라 송신기에 의해 보여지는 임피던스의 리액티브 파트(reactive part)는 양이거나 혹은 음일 수 있다. 이에 따라, 소스 및 부하 디바이스 들에서의 상기 임피던스 정합 네트워크 뿐만 아니라, 가변 캐패시터 및 인덕터가 양 및 음의 리액턴스(reactance) 각각을 공진시키는 것이 필요로 될 것이다.

상기와 같은 실시 예들에서의 컴퍼넌트(component)들 중 적어도 일부는 소프트웨어로 구현될 수 있고, 이에 반해 다른 컴퍼넌트들은 구성 가능 하드웨어, 혹은 소프트웨어 및 구성 가능 하드웨어의 혼합으로 구현될 수 있다. 상기 구성 가능 하드웨어는 단일 FPGA 디바이스, 프로세서, 혹은 ASIC, 혹은 그들의 조합 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

또한, 상기 실시 예들의 특정 특징들 및 측면들의 다양한 조합들 혹은 서브-조합들이 이루어질 수 있고, 첨부되는 청구항들의 범위 내에서 여전히 존재한다는 것이 고려될 수 있다. 일 예로, 일부 실시 예들에서, 상기 특징들, 구성들, 혹은 상기 실시 예들 중 일부에 관해서 여기서 참조로 설명되거나 혹은 포함되는 다른 구체적인 사항들이 다른 특징들, 구성들, 혹은 다른 실시 예들에 관해서 여기서 개시되는 구체적인 사항들과 조합 가능하고, 따라서 여기서 명백하게 설명되지 않는 새로운 실시 예들을 형성할 수 있다. 특징들 및 구성들의 조합들을 가지는 상기와 같은 실시 예들 모두는 본 개시의 일부로서 고려된다. 또한, 별도로 언급되지 않는 한, 여기에서 개시되는 상기 스텐트(stent) 혹은 커넥터(connector) 실시 예들 중 어느 하나의 특징들 혹은 구체적인 사항들은 여기서 명백하게 필요로 되거나 혹은 필수적이라고 설명되지 않는 한, 여기서 개시되는 실시 예들 중 하나에 필요로 되거나 혹은 필수적이라는 것을 의미하지는 않는다.

본 개시가 바람직한 실시 예를 참조하여 설명되었다고 할 지라도, 다양한 변경들 및 수정들이 해당 기술 분야의 당업자에게 제안될 수 있다. 본 개시는 상기 첨부되는 청구항들의 범위 내에 존재하는 상기와 같은 변경들 및 수정들을 포함한다는 것을 의도한다.

Claims

무선 전력 송신 방법에 있어서,
코디네이팅(coordinating) 송신기와 각 수신기 간의 각 무선 통신 링크를 수립하는 과정;
상기 코디네이팅 송신기에 전압을 적용하고 상기 적용된 전압에 응답하여 각 수신기가 유도 전류를 측정하도록 구성함으로써 상기 코디네이팅 송신기와 각 수신기 간의 각 상호 임피던스(mutual impedance)를 측정하는 과정;
상응하는 상호 임피던스를 기반으로 상기 코디네이팅 송신기와 각 수신기에 대한 각 정합 임피던스를 계산하는 과정;
각 수신기가 상기 각 정합 임피던스를 가지도록 조정하는 것을 가능하게 하기 위해 각 수신기로 상기 각 정합 임피던스를 송신하는 과정; 및
상기 코디네이팅 송신기가 상기 각 정합 임피던스를 가지도록 조정하는 과정을 포함하는 무선 전력 송신 방법.
제 1 항에 있어서,
각 수신기를 각 수신기에 전압을 적용하여 각 수신기의 각 셀프-임피던스(self-impedance)를 측정하도록 구성하는 과정을 더 포함하는 무선 전력 송신 방법.
제 1 항에 있어서,
각 셀프 임피던스에서의 특성들을 측정하는 동안, 각 수신기는 순차적으로 전압을 상기 각 수신기의 유도 공진기에 적용하고 상응하는 전류를 측정하도록 구성되고, 상기 다른 디바이스들은 상기 다른 디바이스들의 유도 공진기들로부터 상기 다른 디바이스들의 부하(load)들을 연결 해제하도록 구성되는 무선 전력 송신 방법.
제 3 항에 있어서,
상기 코디네이팅 송신기는 각 디바이스에 대한 신호들을 송신하여 상기 코디네이팅 송신기의 유도 공진기로 전압을 적용하거나, 혹은 상기 코디네이팅 송신기의 유도 공진기로부터 상기 코디네이팅 송신기의 부하를 연결 해제 하도록 구성되는 무선 전력 송신 방법.
제 4 항에 있어서,
상기 신호들은 상기 각 수신기에 대한 일련 번호들, 혹은 각 디바이스가 상기 각 디바이스의 회로에 전압을 적용하거나 혹은 상기 각 디바이스의 유도 공진기로부터 상기 각 디바이스의 부하를 연결 해제하기 위해 상기 각 디바이스에 할당되는 타임 슬롯(time slot)들을 포함하는 무선 전력 송신 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 각 상호 임피던스를 측정하는 동안, 상기 코디네이팅 송신기는 상기 코디네이팅 송신기의 유도 공진기로 전압을 적용하도록 구성되고, 각 수신기는 순차적으로 다른 디바이스들이 상기 다른 디바이스들의 유도 공진기들로부터 상기 다른 디바이스들의 부하(load)를 연결 해제시키는 동안 상응하는 전류를 측정하도록 구성되는 무선 전력 송신 방법.
제 6 항에 있어서,
상기 코디네이팅 송신기는 각 수신기에 대한 신호들을 송신하여 전압을 상기 각 수신기의 유도 공진기로 적용하거나, 혹은 상기 각 수신기의 유도 공진기로부터 상기 각 수신기의 부하를 연결 해제하도록 구성되는 무선 전력 송신 방법.
제 7 항에 있어서,
상기 신호들은 상기 각 수신기에 대한 일련 번호들, 혹은 각 디바이스가 상기 각 디바이스의 유도 공진기에 전압을 적용하거나 상기 각 디바이스의 유도 공진기로부터 상기 각 디바이스의 부하를 연결 해제하기 위해 상기 각 디바이스에 할당되는 타임 슬롯(time slot)들을 포함하는 무선 전력 송신 방법.
제 1 항에 있어서,
임피던스 정합 동작을 개시시키는 적어도 하나의 트리거 이벤트(trigger event)를 검출하는 과정을 더 포함하는 무선 전력 송신 방법.
제 9 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 트리거 이벤트는 새로운 수신기가 상기 무선 전력 전달 네트워크로 진입하는 것을 포함하는 무선 전력 송신 방법.
제 10 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 트리거 이벤트는 상기 코디네이팅 송신기에서의 전압 정재파 비(Voltage Standing Wave Ratio: VSWR)의 변화의 양이 임계값을 초과하는 것을 포함하는 무선 전력 송신 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 정합 임피던스들은 요구되는 전력 전달 효율성을 성취하도록 계산되는 무선 전력 송신 방법.
제 1 항에 있어서,
소스(source) 저항 대 소스 유도 공진기 손실 저항의 비 R_s/R_L1과 부하(load) 저항 대 부하 유도 공진기 손실 저항의 비 R_n/R_Ln은 하기와 같은 수학식을 따르는 무선 전력 송신 방법,

여기서,
임.
제 13 항에 있어서,
최적 전력 전달 효율성은 각 수신기의 웨이트된(weighted) 개별 전력 전달 효율성들의 합인 무선 전력 송신 방법.
제 1 항에 있어서,
적어도 하나의 수신기는 상기 송신기와 상기 다른 수신기(들) 사이에 위치되는 리피터(repeater)인 무선 전력 송신 방법.
무선 전력 송신을 위한 코디네이팅(coordinating) 송신기에 있어서,
상기 코디네이팅 송신기는:
상기 송신기와 각 수신기 간의 각 무선 통신 링크를 수립하고;
상기 코디네이팅 송신기에 전압을 적용하고 상기 적용된 전압에 응답하여 각 수신기가 유도 전류를 측정하도록 구성함으로써 코디네이팅 송신기와 각 수신기 간의 각 상호 임피던스(mutual impedance)를 측정하고;
상응하는 상호 임피던스를 기반으로 상기 코디네이팅 송신기와 각 수신기에 대한 각 정합 임피던스를 계산하고;
각 수신기가 상기 각 정합 임피던스를 가지도록 조정하는 것을 가능하게 하기 위해 각 수신기로 상기 각 정합 임피던스를 송신하고;
상기 코디네이팅 송신기가 상기 각 정합 임피던스를 가지도록 조정하도록 구성되는 프로세싱 회로를 포함하는 코디네이팅 송신기.
제 16 항에 있어서,
상기 코디네이팅 송신기는 청구항 2 내지 청구항 15 중 어느 하나에 따라 동작하도록 적용된 코디네이팅 송신기.
무선 전력 송신을 위한 수신기에 있어서,
상기 수신기는:
코디네이팅(coordinating) 송신기와 무선 통신 링크를 수립하고;
상기 코디네이팅 송신기가 전압을 상기 코디네이팅 송신기의 회로에 적용할 경우 유도 전류를 측정함으로써 상호 임피던스(mutual impedance)에 관련되는 정보를 획득하고;
상기 코디네이팅 송신기로 상기 상호 임피던스에 관련되는 정보를 송신하고;
상기 코디네이팅 송신기로부터 정합 임피던스를 수신하고;
상기 수신기가 상기 정합 임피던스를 가지도록 조정하도록 구성되는 프로세싱 회로를 포함하는 수신기.
제 18 항에 있어서,
상기 프로세싱 회로는 전압을 상기 수신기에 적용하여 셀프-임피던스(self-impedance)를 측정하도록 구성되는 수신기.
제 18 항에 있어서,
상기 수신기는 청구항 4 내지 청구항 12 중 어느 하나에 따라 동작하도록 적용된 수신기.
제 18 항에 있어서,
소스(source) 저항 대 소스 유도 공진기 저항의 비 R_s/R_L1과 부하(load) 저항 대 부하 유도 공진기 저항의 비 R_n/R_Ln은 다음 수학식을 따르는 수신기,

상기 수학식에서,
임.
제 18 항에 있어서,
최적 유도 커플링(coupling) 효율성은 각 수신기의 웨이트된(weighted) 개별 유도 커플링 효율성들의 합인 수신기.
제 18 항에 있어서,
적어도 하나의 리피터(repeater)가 상기 송신기와 각 수신기 사이에 위치되는 수신기.
무선 전력 전달 네트워크에서 무선 전력 송신 방법에 있어서,
코디네이팅(coordinating) 송신기와 적어도 하나의 수신기를 포함하는 디바이스들간에 각 무선 통신 링크를 수립하는 과정;
각 디바이스가 스테이트-1(State-1)로 스위치하고 다른 디바이스(들)가 스테이트-4(State-4)로 스위치하도록 구성하여 각 디바이스의 셀프-임피던스(self-impedance)들을 측정하는 과정, 여기서 상기 디바이스는 전압을 상기 디바이스의 유도 공진기에 적용하고 각 전류를 측정하고, 상기 다른 디바이스의 유도 공진기는 개회로식이고(open circuited);
각 페어(pair)의 하나의 디바이스를 스테이트-2(State-2)로 스위칭시키고 각 페어의 다른 디바이스를 스테이트-3(State-3)으로 스위칭시킴으로써 상기 디바이스들의 상호 임피던스들을 페어들로 측정하는 과정, 여기서 상기 디바이스는 전압을 상기 디바이스의 유도 공진기에 적용하고, 상기 디바이스는 상기 디바이스의 유도 공진기로 유도되는 전류를 상기 하나의 디바이스의 유도 공진기에 적용되는 전압의 결과로서 측정하고, 상기 무선 전력 전달 네트워크에 포함되어 있는 비-페어(non-paired) 디바이스는 스테이트-4로 스위치되고, 상기 비-페어 디바이스의 유도 공진기는 개회로식이고;
상기 수신기들이 상기 각 적용된 전압과 측정된 유도 전류를 상기 코디네이팅 송신기로 송신하도록 구성하는 과정;
상기 코디네이팅 송신기가 각 디바이스로부터 상기 무선 통신 링크를 통해 상기 각 전압과 측정된 유도 전류를 수신하는 과정;
상응하는 셀프-임피던스와 상호 임피던스를 기반으로 상기 코디네이팅 송신기와 각 수신기에 대한 각 정합 임피던스를 계산하는 과정;
각 수신기가 상기 각 정합 임피던스를 가지도록 조정하는 것을 가능하게 하기 위해 상기 각 정합 임피던스를 각 수신기로 송신하는 과정; 및
상기 코디네이팅 송신기가 상기 각 정합 임피던스를 가지도록 조정하는 과정을 포함하는 무선 전력 전달 네트워크에서 무선 전력 송신 방법.