KR20150112597A - Resonance coupled wireless power transfer method and system - Google Patents

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이종욱
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경희대학교 산학협력단
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    • H02J50/90Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power involving detection or optimisation of position, e.g. alignment

Abstract

The present invention relates to a resonance-coupled wireless power transmitting method and a system thereof. According to an embodiment of the present invention, the wireless power transmitting method to match impedance by considering a distance of a load from a source side of the wireless power transmitting system includes a step (a) of storing a system parameter about the wireless power transmitting system - the system parameter includes at least one among a coil parameter, a coupling coefficient, and reflecting power by distance -; a step (b) of determining where to place the load in an over-coupled region or an under-coupled region by using the peak of the reflecting power reflected from the load side; a step (c) of primarily estimating a distance between the source and the load by using the system parameter and the determined region; a step (d) of determining a capacitor value of the source side according to the primarily estimated distance; and a step (e) of exploring for optimal impedance while changing the capacitor value, starting from the determined capacitor value.

Description

공진 결합 무선 전력 전송 방법 및 시스템{RESONANCE COUPLED WIRELESS POWER TRANSFER METHOD AND SYSTEM}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a resonance-

본 발명은 공진 결합 무선 전력 전송 방법 및 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 임피던스 매칭을 효율적으로 수행할 수 있는 방법 및 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a resonant-coupled wireless power transmission method and system, and more particularly, to a method and system capable of efficiently performing impedance matching.

충전이 필요한 무선 디바이스가 증가함에 따라 최근 무선 전력 전송에 대한 다양한 연구가 진행되고 있다. As the number of wireless devices requiring charging increases, various researches on wireless power transmission have been conducted recently.

무선 전력 전송은 유도 결합(inductive coupling) 방식 및 공진 결합 방식이 존재한다. The wireless power transmission has an inductive coupling method and a resonant coupling method.

유도 결합 방식과 공진 결합 방식은 근역장(reactive near-field)에서 코일 주위에 존재하는 비 방사형 감쇄교류 신호를 사용한다. Inductively coupled and resonant coupled systems use a nonradiative attenuated alternating current signal present around the coil at the reactive near-field.

주로 루프형 코일을 사용하기 때문에 근역장에서 대부분의 에너지가 자기 에너지로 존재하며, 에너지 전달 또한 자기 신호 또는 자기장을 매개로 이루어진다. 따라서, 두 방식 모두 자성체가 아닌 물체에 대한 투과력이 매우 우수하여, 지중 또는 수중에서도 활용할 수 있다.Most of the energy in the near field is present as magnetic energy because the loop type coil is mainly used, and the energy transfer is also mediated through the magnetic signal or the magnetic field. Therefore, both of these methods have very good permeability to an object other than a magnetic body, and can be utilized in the ground or water.

유도 결합 방식은 전송 전력에서는 수 밀리와트에서부터 수십 킬로와트 이상을 전송할 수 있으며, 전송 거리는 전송 용량에 따라 다르지만 수백 와트 이하에서는 수 센티미터 이하이다. 사용 주파수 대역은 수백 kHz 이하이다.Inductive coupling can transmit from a few milliwatts to several tens of kilowatts in transmission power, and the transmission distance depends on the transmission capacity, but it is several centimeters below several hundred watts. The frequency band used is several hundreds kHz or less.

유도 결합 방식에서도 전송 효율을 높이기 위하여 송수신부가 공진이 되도록 설계하지만, 일반적으로 송수신 코일의 품질 계수(quality factor)는 수십 이하로 낮다.In the inductive coupling system, the transmission / reception section is designed to resonate in order to increase the transmission efficiency. Generally, the quality factor of the transmission / reception coil is as low as several tens.

유도 결합 방식은 다양한 응용 분야에 적용되고 있다. 그러나 유도 결합 방식은 낮은 품질 계수를 갖는 공진 코일을 사용하고 있기에, 전송 효율을 높이기 위해 또는 송수신 코일의 결합 계수를 높이기 위하여 전송 거리를 작게 하고, 송수신 코일의 중심이 일치하도록 배치하는 것이 매우 중요하다. Inductive coupling is applied to various applications. However, since the inductive coupling method uses a resonance coil having a low quality factor, it is very important to increase the transmission efficiency or to reduce the transmission distance in order to increase the coupling coefficient of the transmission coil and the transmission coil so that the center of the transmission coil coincides .

이와 같이 유도 결합 방식은 송수신 코일 간의 위치에 대한 자유도가 매우 작다. As described above, the inductive coupling method has a very small degree of freedom in the position between the transmitting and receiving coils.

최근 무선전력컨소시엄(WPC, Wireless power consortium)에서는 유도 결합기술을 기반으로 한, 소출력 무선기기 무선 충전 제품 상용화를 위한 상호 호환성을 위하여 WPC 단체 표준을 제정하여 발표하였고, 이를 계기로 무선 충전 제품에 대한 시장이 매우 빠르게 형성되고 있으며, 시장 규모도 급속도로 성장하고 있다.Recently, the wireless power consortium (WPC) has announced the WPC group standard for interoperability for the commercialization of the wireless charging products of low power wireless devices based on the inductive coupling technology. The market is growing very rapidly, and the market size is growing rapidly.

공진 결합 방식은 전자기 유도와 달리 송수신 공진 코일의 품질 계수가 수백 이상으로 매우 높아, 송수신 공진 코일 사이의 거리가 멀어지거나 송수신 코일이 어긋나 상호 인덕턴스가 작아져도 공진 코일의 공진 현상으로 매우 높은 전송효율을 갖는다. 공진 결합 기술은 수 와트에서부터 1킬로와트 미만의 전송 전력을 수십 센티미터에서 수미터까지 전송할 수 있다. 이는 기존 유도 결합 방식과 비교하면, 전송거리를 매우 개선할 수 있을 뿐만 아니라 송수신 코일 배치에 대한 자유도가 매우 우수하고, 다중 기기 충전이 가능한 기술로 현재 활발하게 연구되고 있다. 또한, 동일한 공진 주파수를 갖는 기기 사이에만 전력 전송이 일어나기 때문에 전송 거리가 증가하여도 마이크로파 방식과 달리 송수신 공진 기 사이에 존재하는 이종의 전자기기나 인체에 영향을 주지 않는다. 최근에는 공진 결합 기술을 전기자동차 무선 충전에 적용하기 위하여 수 킬로와트 이상의 전력 전송 시스템에 대한 연구도 진행되고 있다.The resonance coupling method has a very high transmission efficiency due to the resonance phenomenon of the resonance coil even if the distance between the transmission and reception resonance coils is large or the mutual inductance is small due to the displacement of the transmission and reception coils. . The resonant coupling technique can transmit transmit power from a few watts to less than a kilowatt of a few tens of centimeters to a few meters. Compared to the conventional inductive coupling method, the transmission distance can be greatly improved, and the degree of freedom in arranging the transmitting and receiving coils is very high, and a technique capable of charging multiple devices has been actively studied. In addition, since power transmission occurs only between devices having the same resonance frequency, unlike the microwave method, even if the transmission distance increases, heterogeneous electronic devices and human bodies existing between transmission and reception resonators are not affected. In recent years, studies have been made on power transmission systems of several kilowatts or more in order to apply resonance coupling technology to wireless charging of electric vehicles.

그러나, 공진 결합 방식은 소스와 부하(무선 디바이스) 사이의 거리에 따라 임피던스 조정이 필요한데, 종래기술에 따르면 거리를 추정하지 않거나, 거리를 추정하더라도 상당한 시간이 소요되는 문제점이 있다. However, in the resonance coupling method, impedance adjustment is required according to the distance between the source and the load (wireless device). According to the related art, there is a problem in that it takes considerable time to estimate the distance or to estimate the distance.

이러한 시간 소요는 무선 디바이스의 위치를 실시간으로 자유롭게 움직이는데 상당한 제약 요소로 작용한다. This time requirement is a significant constraint on the freedom to move the location of the wireless device in real time.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 임피던스 매칭을 효율적으로 수행할 수 있는 공진 결합 무선 전력 전송 방법 및 시스템을 제안하고자 한다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and it is an object of the present invention to provide a resonant-coupled wireless power transmission method and system capable of effectively performing impedance matching.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 무선 전력 전송 시스템의 소스측에서 부하의 거리를 고려하여 임피던스를 매칭하는 방법으로서, (a) 상기 무선 전력 전송 시스템에 대한 시스템 파라미터를 저장하는 단계-상기 시스템 파라미터는 코일 파라미터, 커플링 계수 및 거리에 따른 반사 전력 중 적어도 하나를 포함함-; (b) 상기 부하측에서 반사되는 반사 전력의 피크를 이용하여 상기 부하가 오버 커플링 영역(over-coupled region) 또는 언더 커플링 영역(under-coupled region) 중 어느 영역에 위치하는지를 판단하는 단계; (c) 상기 판단된 영역 및 상기 시스템 파라미터를 이용하여 상기 소스와 부하의 거리를 1차적으로 추정하는 단계; (d) 상기 1차적으로 추정된 거리에 따른 소스측 캐패시터 값을 결정하는 단계; 및 (e) 상기 결정된 캐패시터 값을 시작 지점으로 하여 캐패시터 값을 변경하면서 최적 임피던스를 탐색하는 단계를 포함하는 무선 전력 전송 시스템의 임피던스 매칭 방법이 제공된다. According to a preferred embodiment of the present invention, there is provided a method of matching an impedance in consideration of a distance of a load at a source side of a wireless power transmission system, comprising the steps of: (a) Storing a parameter, the system parameter including at least one of a coil parameter, a coupling coefficient, and a reflected power according to distance; (b) determining whether the load is located in an over-coupled region or an under-coupled region using a peak of the reflected power reflected from the load side; (c) estimating a distance between the source and the load using the determined region and the system parameter; (d) determining a source-side capacitor value according to the primarily estimated distance; And (e) searching the optimum impedance while changing the capacitor value with the determined capacitor value as a starting point.

상기 소스는 소스 루프 및 상기 소스 루프에 인접하게 배치되는 제1 공진기를 포함하고, 상기 부하는 제2 공진기 및 상기 제2 공진기에 인접한 부하 루프를 포함하며, 상기 커플링 계수는 상기 제1 공진기 및 제2 공진기 사이의 커플링 계수일 수 있다. Wherein the source comprises a source loop and a first resonator disposed adjacent to the source loop, the load comprising a second resonator and a load loop adjacent to the second resonator, the coupling factor comprising a first resonator and a second resonator, Lt; RTI ID = 0.0 > resonant < / RTI >

상기 (b) 단계는 상기 반사 전력에 2개의 피크가 존재하는 경우에는 상기 부하가 오버 커플링 영역에 위치하는 것으로 판단하고, 하나의 피크가 존재하는 경우에는 상기 부하가 언더 커플링 영역에 위치하는 것으로 판단할 수 있다. In the step (b), when there are two peaks in the reflected power, it is determined that the load is located in the over-coupling region, and when there is one peak, the load is located in the under- .

상기 소스측은 복수의 제1 스위치를 포함하는 제1 캐패시터 뱅크 및 복수의 제2 스위치를 포함하는 제2 캐패시터 뱅크를 포함하며, 상기 1차적으로 추정된 거리에 따라 상기 복수의 제1 스위치 및 복수의 제2 스위치를 제어하여 상기 제1 캐패시터 뱅크의 제1 캐패시터 값 및 제2 캐패시터 뱅크의 제2 캐패시터 값을 결정할 수 있다. Wherein the source side comprises a first capacitor bank comprising a plurality of first switches and a second capacitor bank comprising a plurality of second switches, wherein the plurality of first switches and the plurality of The second switch may be controlled to determine a first capacitor value of the first capacitor bank and a second capacitor value of the second capacitor bank.

상기 (e) 단계는 힐-클라이밍(hill-climbing) 알고리즘을 이용하여 상기 최적 임피던스를 탐색할 수 있다. The step (e) may search for the optimal impedance using a hill-climbing algorithm.

상기 (e) 단계는 상기 제1 캐패시터 값을 행으로, 상기 제2 캐패시터 값을 열로 하는 행렬을 생성하고, 상기 (d) 단계에서 결정된 제1 캐패시터 값 및 제2 캐패시터 값을 시작 지점으로 하여 최적 임피던스를 탐색할 수 있다. Wherein the step (e) comprises: generating a matrix having the first capacitor value as a row and the second capacitor value as a column, and generating a matrix having a first capacitor value and a second capacitor value determined in the step (d) The impedance can be searched.

상기 (e) 단계는 현재 방문 지점에 인접한 8개의 지점 중 적어도 일부 지점에서 국부적인 최적 임피던스에 대응되는 후보 지점을 탐색하며, 상기 후보 지점에서의 임피던스가 변경되지 않는 경우, 상기 후보 지점에서의 임피던스를 최적 임피던스로 결정할 수 있다. Wherein the step (e) searches for a candidate point corresponding to a local optimum impedance at at least some of the eight points adjacent to the current landing point, and when the impedance at the candidate point does not change, the impedance at the candidate point Can be determined as the optimum impedance.

상기 (e) 단계는 현재 방문 지점에 인접한 8개의 지점 중 적어도 일부 지점에서 국부적인 최적 임피던스에 대응되는 후보 지점을 탐색하며, 상기 후보 지점에서의 임피던스가 변경되는 경우, 상기 제1 지점에서의 제1 및 제2 캐패시터 값을 시작 지점으로 하여 최적 임피던스를 탐색 과정을 다시 수행할 수 있다.Wherein the step (e) searches for a candidate point corresponding to a local optimal impedance at at least some of the eight points adjacent to the current landing point, and when the impedance at the candidate point changes, 1 < / RTI > and the second capacitor value as starting points.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기한 방법을 수행하는 프로그램이 기록된 컴퓨터 판독 가능한 기록매체가 제공된다.According to another aspect of the present invention, there is provided a computer-readable recording medium on which a program for performing the above-described method is recorded.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 소스측의 소스 루프 및 제1 공진기와 부하측의 제2 공진기 및 부하 루프를 포함하는 무선 전력 전송 시스템에 있어서, 복수의 제1 스위치를 포함하는 제1 캐패시터 뱅크 및 복수의 제2 스위치를 포함하는 제2 캐패시터 뱅크를 포함하는 튜너블 매칭 네트워크; 상기 튜너블 매칭 네트워크를 통해 미리 설정된 주파수의 신호가 상기 부하측으로 방사되도록 하고, 상기 부하측으로부터의 반사 전력을 수신하는 방향성 커플러; 상기 반사 전력에 따라 임피던스 조정을 위한 제어 신호를 생성하는 디지털 제어 유닛; 및 상기 제어 신호에 따라 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치의 온/오프를 수행하는 스위치 드라이버를 포함하되, 상기 디지털 제어 유닛은 상기 반사 전력의 피크를 이용하여 상기 부하가 오버 커플링 영역(over-coupled region) 또는 언더 커플링 영역(under-coupled region) 중 어느 영역에 위치하는지를 판단하고, 상기 판단된 영역 및 미리 저장된 시스템 파라미터를 이용하여 최적 임피던스를 탐색하는 무선 전력 전송 시스템이 제공된다. According to another aspect of the present invention, there is provided a wireless power transmission system including a source-side source loop and a first resonator, a second resonator on a load side, and a load loop, comprising: a first capacitor bank including a plurality of first switches; A tunable matching network comprising a second capacitor bank comprising a plurality of second switches; A directional coupler for causing a signal of a predetermined frequency to be radiated to the load side through the tunable matching network and receiving reflected power from the load side; A digital control unit for generating a control signal for impedance adjustment according to the reflected power; And a switch driver for performing on / off of the first switch and the second switch in accordance with the control signal, wherein the digital control unit uses the peak of the reflected power so that the load is over- coupled region and an under-coupled region, and searching for an optimal impedance using the determined region and the previously stored system parameters.

본 발명에 따르면, 소스와 부하 사이의 빠른 거리 추정을 통해 임피던스 매칭을 효율적으로 수행하여, 무선 디바이스의 위치를 실시간으로 자유롭게 움직이더라도 고효율의 무선 전력 전송이 가능한 장점이 있다. According to the present invention, impedance matching is efficiently performed through fast distance estimation between a source and a load, and high efficiency wireless power transmission can be performed even if the position of the wireless device moves freely in real time.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 과정의 순서도.
도 2는 공진 결합 무선 전력 전송 시스템을 도시한 도면.
도 3은 도 2의 무선 전력 전송 시스템의 등가 회로를 도시한 도면.
도 4는 서로 다른 k12(=k34)에 대해 거리 d의 함수로서 무선 전력 전송 시스템의

Figure pat00001
의 측정 결과를 나타낸 도면.
도 5는 d=15cm에서 측정된
Figure pat00002
을 도시한 도면.
도 6은 거리의 함수로서 입력 임피던스를 나타낸 도면.
도 7은 제1 및 제2 공진기의 코일 형상을 도시한 도면.
도 8a는 거리에 따른 주파수 스플리팅 및 주파수 스플리팅 현상이 일어나는 조건에서 거리에 따른
Figure pat00003
를 나타낸 도면.
도 9a는 미스얼라인먼트(mis-alignment) ρ가 없다고 가정할 때, d의 함수로서 측정된 커플링 계수와 계산된 커플링 계수를 비교한 도면이고, 도 9b는 d=15 및 30cm에서 ρ의 함수로서 k23 , Maxwell와 k23 , means를 비교한 도면.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 블록도.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 조정 가능한 인덕터 및 캐패시터 뱅크를 이용하여 구성된 임피던스 매칭 네트워크를 도시한 도면.
도 12는 d=15,40, 80cm에서 모의
Figure pat00004
를 도시한 도면.
도 13 내지 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 매칭을 위한 탐색 알고리즘을 도시한 도면.1 is a flowchart of a wireless power transmission process according to a preferred embodiment of the present invention;
2 illustrates a resonant coupled wireless power transmission system;
3 shows an equivalent circuit of the wireless power transmission system of Fig. 2; Fig.
Fig. 4 is a graph of the performance of a wireless power transmission system as a function of distance d for different k 12 (= k 34 )
Figure pat00001
Fig.
Figure 5 shows the measured values at d = 15 cm
Figure pat00002
Fig.
6 shows input impedance as a function of distance;
7 is a view showing coil shapes of first and second resonators;
FIG. 8A is a graph showing a relationship between a distance and a frequency in a condition where frequency splitting and frequency splitting phenomenon occur
Figure pat00003
Fig.
Fig. 9A is a view comparing the calculated coupling coefficient with the calculated coupling coefficient as a function of d, assuming that there is no mis-alignment rho, and Fig. K 23 , Maxwell and k 23 , means .
10 is a block diagram of a wireless power transmission system in accordance with an embodiment of the present invention.
Figure 11 illustrates an impedance matching network configured using adjustable inductors and capacitor banks in accordance with one embodiment of the present invention.
Fig. 12 is a graph showing the results of simulation at d = 15, 40,
Figure pat00004
Fig.
Figures 13 to 15 illustrate search algorithms for impedance matching according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. While the invention is susceptible to various modifications and alternative forms, specific embodiments thereof are shown by way of example in the drawings and will herein be described in detail. It should be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention. Like reference numerals are used for like elements in describing each drawing.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면 번호에 상관없이 동일한 수단에 대해서는 동일한 참조 번호를 사용하기로 한다.
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In order to facilitate a thorough understanding of the present invention, the same reference numerals are used for the same means regardless of the number of the drawings.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 과정의 순서도이다. 1 is a flowchart of a wireless power transmission process according to a preferred embodiment of the present invention.

도 1에 도시된 무선 전력 전송 과정은 소스와 부하(충전 대상 무선 디바이스)를 포함하는 무선 전력 전송 시스템에서 소스측을 제어하는 컴퓨팅 기기에서 수행될 수 있다. The wireless power transmission process shown in FIG. 1 may be performed in a computing device that controls the source side in a wireless power transmission system including a source and a load (a wireless device to be charged).

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 무선 전력 전송 과정은 시스템 보정(System Calibration, 단계 100), 코어스 탐색(Coarse Search, 단계 102) 및 정밀 탐색(Fine Search, 단계 104)을 포함할 수 있다. Referring to FIG. 1, the wireless power transmission process according to the present invention may include system calibration (step 100), coarse search (step 102), and fine search (step 104).

상기한 단계 100 내지 104는 소스와 부하의 거리를 추정하여 이에 상응하게 임피던스를 매칭하는 과정이다. The steps 100 to 104 are a process of estimating the distance between the source and the load and matching the impedance corresponding thereto.

일반적으로 임피던스 매칭 과정에서, 모든 지점에 대한 임피던스 탐색은 최적 임피던스 매칭을 보장할 수 있으나, 너무 많은 시간이 소요되는 문제점이 있다. 이러한 시간 소요는 무선 디바이스의 위치를 실시간으로 자유롭게 움직이는데 상당한 제약 요소로 작용한다. Generally, in the impedance matching process, the impedance search for all the points can guarantee the optimum impedance matching, but it takes too much time. This time requirement is a significant constraint on the freedom to move the location of the wireless device in real time.

이를 위해, 본 발명은 소스와 부하와의 빠른 거리 추정을 통한 효율적인 임피던스 매칭 과정을 제안한다. To this end, the present invention proposes an efficient impedance matching process by fast distance estimation of a source and a load.

단계 100에서, 무선 전력 전송 시스템의 파라미터가 결정된다. 여기서, 시스템 파라미터는 코일 파라미터, 커플링 계수(coupling parameter) 및 거리에 대한 반사 전력 등을 포함할 수 있다. In step 100, the parameters of the wireless power transmission system are determined. Here, the system parameters may include coil parameters, coupling parameters, and reflected power over distance.

또한, 단계 100은 시스템 파라미터를 계산 및 측정하는 과정일 수 있다. In addition, step 100 may be a process of calculating and measuring system parameters.

이들 시스템 파라미터에 대해서는 이하에서 다시 상술될 것이다 .These system parameters will be described below again.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 커플링 계수는 소정 수학식을 통해 계산될 수 있으며, 소스와 부하의 거리가 15cm에서 100cm까지 5cm 단위로 변경하면서 반사 전력이 측정될 수 있다 .According to one embodiment of the present invention, the coupling coefficient can be calculated through a predetermined equation, and the reflected power can be measured while changing the distance between the source and the load from 15 cm to 100 cm in 5 cm increments.

단계 100에서 결정된 시스템 파라미터는 테이블 형태로 미리 저장된다. The system parameters determined in step 100 are stored in advance in the form of a table.

단계 102는 단계 100에서 결정된 시스템 파라미터 및 소스에서 신호를 인가한 이후 부하에 의해 반사되는 신호를 이용하여 소스와 부하와의 거리를 개략적으로 추정하는 과정이다. Step 102 is a process of roughly estimating the distance between the source and the load using the system parameter determined in step 100 and the signal reflected by the load after applying the signal at the source.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 단계 102에서 반사 신호를 이용하여 부하가 오버-결합(over-coupled) 또는 언더-결합(under-coupled) 영역 중 어느 영역에 존재하는지를 판단한다. According to an embodiment of the present invention, in step 102, a reflection signal is used to determine whether the load is in an over-coupled or under-coupled region.

공진 결합 방식은 소스측의 송신 코일과 부하측의 수신 코일에 쌍을 이루는데, 단계 102는 수신 코일이 오버-결합 영역 또는 언더-결합 영역 중 어디에 위치하는지 여부를 판단하는 과정이다. The resonant coupling scheme is paired with the transmission coil on the source side and the reception coil on the load side. Step 102 is a process for determining whether the reception coil is located in the over-coupling region or the under-coupling region.

보다 상세하게, 단계 102에서 소스와 부하의 거리에 따른 커플링 계수가 획득될 수 있으며, 이를 위해, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 소스와 부하가 근거리에 위치하는 경우, 주파수 스플리팅(spliting)이 발생하는 점을 이용한다. More specifically, in step 102 coupling coefficients according to the distance of the source and the load can be obtained, and for this purpose, according to one embodiment of the present invention, when the source and the load are located close to each other, the frequency splitting splitting occurs.

주파수 스플리팅에 의해, 부하측이 오버-결합 영역에 위치하는 경우 2개의 피크가 검출되며, 그렇지 않은 경우에는 하나의 피크가 검출된다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 피크 검출을 통해 부하측의 수신 코일이 오버-결합 영역에 위치하는지, 아니면 언더-결합 영역에 위치하는지 여부를 판단한다. By frequency splitting, two peaks are detected when the load side is located in the over-coupling region, otherwise one peak is detected. According to an embodiment of the present invention, it is determined whether the receiving coil on the load side is located in the over-coupling region or the under-coupling region through peak detection.

단계 102에서 대략적인 거리가 탐색된 이후, 정밀 탐색 과정이 수행된다. After the approximate distance is searched in step 102, a fine search process is performed.

단계 104는 소스와 부하와의 최적 임피던스를 탐색하는 과정으로서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명에 개선한 힐-클라이밍(hill-climbing) 알고리즘을 통해 최적 임피던스 매칭 과정이 수행될 수 있다. Step 104 is a process of searching for the optimum impedance of the source and the load. According to an embodiment of the present invention, an optimal impedance matching process may be performed through the hill-climbing algorithm of the present invention .

본 발명의 일 실시예에 따르면, 소스측은 복수의 스위치 및 캐패시터를 포함하며, 소스와 부하의 거리에 따라 스위치를 조작하여 캐패시터 값을 조정할 수 있다. 단계 104에서의 정밀 탐색을 통해 소스와 부하와의 거리가 추정되면 스위치를 조작하여 캐패시터 값을 조정하고, 이를 통해 최적 임피던스 매칭을 수행하게 된다. According to one embodiment of the present invention, the source side includes a plurality of switches and capacitors, and the capacitor value can be adjusted by operating the switch according to the distance between the source and the load. If the distance between the source and the load is estimated through the precise search in step 104, the switch is operated to adjust the capacitor value, thereby performing optimum impedance matching.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템 및 임피던스 매칭 과정을 상세하게 살펴본다. Hereinafter, a wireless power transmission system and an impedance matching process according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도 2는 공진 결합 무선 전력 전송 시스템을 도시한 도면이고, 도 3은 도 2의 무선 전력 전송 시스템의 등가 회로를 도시한 도면이다. FIG. 2 is a diagram showing a resonance-coupled wireless power transmission system, and FIG. 3 is a diagram showing an equivalent circuit of the wireless power transmission system of FIG.

도 2 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 무선 전력 전송 시스템은 소스측의 소스 루프(200) 및 제1 공진기(202)와 수신측의 제2 공진기(204) 및 부하 루프(206)를 포함할 수 있다. 2 to 3, the wireless power transmission system includes a source loop 200 on the source side and a first resonator 202 and a second resonator 204 on the receive side and a load loop 206 .

도 2 내지 도 3에서, 신호 소스는 VS, 소스와 부하의 저항은 각각 RS 및 RL로 표기되며, 두 개의 공진기(202,204) 사이의 중심간 미스얼라인먼트(center-to-center misalignment)는 ρ로 표기된다. 2 to 3, the signal source is labeled V S , the source and load resistances are labeled R S and R L , respectively, and center-to-center misalignment between the two resonators 202 and 204 is ρ.

각 루프 및 공진기의 코일은 원형 나선으로 이루어지고, 소스 루프(200)와 부하 루프(206)는 제1 공진기(202) 및 제2 공진기(204)에 유도 결합되고, 스텝-업(step-up) 변압기를 형성한다. The source loop 200 and the load loop 206 are inductively coupled to the first resonator 202 and the second resonator 204 and the step-up (step-up) ) To form a transformer.

큰 권수비에 의해 RS 및 RL은 제1 및 제2 공진기(202,204)와 함께 큰 유효 저항으로 변환되며, 이는 높은 효율의 무선 전력 전송 시스템에서 요구되는 높은 품질 계수를 생성한다. Due to the large turn ratio, R S and R L are transformed into a large effective resistance together with the first and second resonators 202 and 204, which produces a high quality factor required in a high efficiency radio power transmission system.

이와 같은 시스템에서의 효율은 다양한 파라미터의 변화에 영향을 받으며, 주요 파라미터는 1) 코일 사이의 거리, 2) 중심간 얼라인먼트, 3) 부하 변화 및 4) 주위 환경 매질이다. Efficiency in such a system is affected by various parameter changes, and the main parameters are 1) the distance between the coils, 2) center-to-center alignment, 3) the load change, and 4) the ambient medium.

특히 이하에서는 1), 2), 3)에 대해 주로 살펴본다. In particular, 1), 2) and 3) will be mainly discussed below.

도 3에 도시된 바와 같이, 각 공진기 코일의 파라미터들은 집중정수 소사(lumped element) RiLiCi(i=1 내지 4, 1은 소스 루프, 2는 제1 공진기, 3은 제2 공진기, 4는 부하 루프)로 표기된다. As shown in FIG. 3, the parameters of each resonator coil are lumped elements R i L i C i (i = 1 to 4, 1 is a source loop, 2 is a first resonator, 3 is a second resonator , And 4 is a load loop).

서로 인접한 각 코일 사이의 커플링 계수(coupling coefficient)는 k12, k23, k34이며, 여기서 교차 커플링 계수(k13=k14=k24=0)는 무시한다. The coupling coefficients between adjacent coils are k 12 , k 23 , k 34 , where the cross coupling coefficient (k 13 = k 14 = k 24 = 0) is ignored.

Basic circuit theory 적용에 의해 다음의 수학식 1이 얻어진다. By applying Basic circuit theory, the following equation 1 is obtained.

Figure pat00005
Figure pat00005

RS 및 RL이 소스 루프(200) 및 부하 루프(206)에 연결될 때, 루프들의 품질 계수(quality factor)는 이들 저항의 영향을 받는다. 간략화를 위해, 모든 코일은 동일한 주파수 ω0=2πf0에서 공진하는 것으로 가정한다. When R S and R L are connected to the source loop 200 and the load loop 206, the quality factor of the loops is affected by these resistors. For the sake of simplicity, it is assumed that all the coils resonate at the same frequency ω 0 = 2πf 0 .

임피던스 값(passive and reciprocal)은 다음의 수학식 2와 같이 표현된다. The impedance value (passive and reciprocal) is expressed by the following equation (2).

Figure pat00006
Figure pat00006

여기서, Qi는 코일-i의 품질 계수이다. 수학식1을 풀어 소스 루프(200)에서의 전류 I1, 부하 루프(206)에서의 전류 I4가 얻어진다. Where Q i is the quality factor of coil-i. Equation 1 is solved to obtain the current I 1 in the source loop 200 and the current I 4 in the load loop 206.

아래의 수학식 3 및 4에 수학식 2를 적용함으로써 수학식 5 내지 6과 같이 이들 전류에 대한 정확한 표현을 얻는다. An accurate representation of these currents is obtained by applying Equation (2) to Equations (3) and (4) below as shown in Equations (5) to (6).

Figure pat00007
Figure pat00007

Figure pat00008
Figure pat00008

Figure pat00009
Figure pat00009

Figure pat00010
Figure pat00010

two-port network 이론을 이용하여 도 2 내지 도 3과 같은 시스템을 분석할 수 있기 때문에, 도 2 내지 도 3에 도시된 시스템의 전송 용량(transmission capability)이 포워드 전압 이득(

Figure pat00011
또는 전송 계수)를 이용하여 평가된다. 2 to 3 can be analyzed using the two-port network theory, the transmission capability of the system shown in FIGS.
Figure pat00011
Or transmission coefficient).

비록

Figure pat00012
이 전체 시스템의 효율을 정확하게 나타내는 것은 아닐지라도, 공진기의 손실, 이의 주파수 의존성은 벡터 네트워크에 의해 쉽게 추정될 수 있다. Although
Figure pat00012
Although this does not accurately represent the efficiency of the overall system, the loss of the resonator, its frequency dependence, can be easily estimated by the vector network.

공진 주파수에서의

Figure pat00013
가 수학식 6을 이용하여 수학식 7과 같이 얻어진다. At the resonant frequency
Figure pat00013
(7) using Equation (6).

Figure pat00014
Figure pat00014

또한,

Figure pat00015
의 사용은 네트워크가 양 포트에서 매칭되는 경우 전력 전송 효율의 계산이 가능하게 한다. Also,
Figure pat00015
Allows calculation of the power transfer efficiency when the network is matched at both ports.

RS 및 RL이 레퍼런스 임피던스(50Ω)과 같은 경우, 전력 전송 효율은

Figure pat00016
을 이용하여 계산될 수 있다. When R S and R L are equal to the reference impedance (50 OMEGA), the power transfer efficiency is
Figure pat00016
. ≪ / RTI >

커플링 인자 k는 d와 ρ의 함수이기 때문에

Figure pat00017
은 코일의 형상 및 위치에 의해 결정된다. Since the coupling factor k is a function of d and p
Figure pat00017
Is determined by the shape and position of the coil.

Figure pat00018
이 k23(제1 공진기 및 제2 공진기의 커플링 계수)의 함수이기 때문에 최적 효율에 도달하기 위한 최적 커플링 계수 k23, opt가 존재한다.
Figure pat00018
Since there is a function of k 23 (the coupling coefficient of the first resonator and the second resonator), there is an optimum coupling coefficient k 23 , opt for reaching the optimum efficiency.

주어진 거리(d)에서, 최적 효율에 도달하기 위한 공진기 파라미터의 조합이 명시된다. 이러한 조건을 찾기 위해, k23에 대하여 수학식 7의 도함수를 취하고, 이를 0으로 설정하여 아래의 결과를 도출한다. At a given distance d, the combination of resonator parameters to reach the optimum efficiency is specified. To find such a condition, the derivative of Equation (7) is taken for k 23 and set to 0 to derive the following result.

Figure pat00019
Figure pat00019

수학식 8은 주어진 품질 계수에 대해 하나의 최적 커플링 계수 또는 거리 d를 명시한다. Equation 8 specifies one optimal coupling coefficient or distance d for a given quality factor.

d가 변경될 때, k12 및/또는 k34 중 적어도 하나는 수학식 8을 만족시키기 위해 조정될 수 있다. When d is changed, at least one of k 12 and / or k 34 can be adjusted to satisfy equation (8).

도 4는 서로 다른 k12(=k34)에 대해 거리 d의 함수로서 무선 전력 전송 시스템의

Figure pat00020
의 측정 결과를 나타낸 것이다. Fig. 4 is a graph of the performance of a wireless power transmission system as a function of distance d for different k 12 (= k 34 )
Figure pat00020
. Fig.

d가 증가할 때,

Figure pat00021
를 증가시키기 위해, 더 작은 k12가 요구되는 것을 확인할 수 있다. As d increases,
Figure pat00021
, It can be seen that a smaller k 12 is required.

커플링 계수 k12 및/또는 k34의 값은 공진기와 루프 사이의 거리의 변경에 의해 조정될 수 있다. The values of the coupling coefficients k 12 and / or k 34 can be adjusted by changing the distance between the resonator and the loop.

그러나, 기계적 튜닝에 의한 k12 및/또는 k34의 변경은 비효율적이다. However, a change in k 12 and / or k 34 due to mechanical tuning is inefficient.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 기계적 튜닝을 피하기 위해, 무선 전력 전송 시스템의 입력 임피던스 ZIN을 조사한다. According to one embodiment of the present invention, the input impedance Z IN of the wireless power transmission system is investigated to avoid mechanical tuning.

수학식 5를 이용하여 입력 임피던스에 대한 다음의 식을 얻을 수 있다. The following expression for the input impedance can be obtained by using Equation (5).

Figure pat00022
Figure pat00022

루프들(200,206)에서의 낮은 저항 및 방사 손실에 따라,

Figure pat00023
Figure pat00024
를 이용하면 수학식 10을 얻을 수 있다. Depending on the low resistance and radiation loss in the loops 200, 206,
Figure pat00023
And
Figure pat00024
(10) can be obtained.

Figure pat00025
Figure pat00025

k23(또는 d)가 변화할 때, 수학식 10은 입력 임피던스(ZIN)도 이에 상응하게 비선형적으로 변경된다는 점을 보여준다. When k 23 (or d) changes, equation (10) shows that the input impedance (Z IN ) also changes nonlinearly correspondingly.

나아가, RS에 매칭된 입력 임피던스를 위한 조건으로부터 수학식 11이 얻어진다. Further, the equation (11) is obtained from the condition for the input impedance matching to the R S.

Figure pat00026
Figure pat00026

수학식 8과 11은 서로 유사하다. Equations (8) and (11) are similar to each other.

만일 모든 코일들이 매우 높은 품질 계수를 가지고 있다면, 즉,

Figure pat00027
Figure pat00028
이면, 수학식 8과 11은 거의 동일해진다. If all the coils have a very high quality factor, i. E.
Figure pat00027
And
Figure pat00028
, The equations (8) and (11) become almost equal.

이러한 등가성은 높은 품질 계수를 사용할 때 만족되며, 잘 디자인된 공진 결합 무선 전력 전송 시스템에서 유효하다. This equivalence is satisfied when using a high quality factor and is valid in a well-designed resonant coupled wireless power transmission system.

본 발명의 일 실시예에서는 모든 코일이 매우 높은 품질 계수를 가지는 것으로 가정하여 기계적 튜닝이 아닌 전기적 튜닝 접근 기법을 적용한다. In one embodiment of the present invention, an electrical tuning approach is applied, not mechanical tuning, assuming that all coils have a very high quality factor.

커플링 계수의 전기적 튜닝을 위해 도 2에 도시된 시스템을 간략화하는 것이 필요하며, 이를 위해, 충분히 먼 거리에서 교차 커플링(k13, k14 및 k24)은 무시되는 것으로 가정한다. It is necessary to simplify the system shown in Fig. 2 for the electrical tuning of the coupling coefficients, and for this, it is assumed that the cross coupling (k 13 , k 14 and k 24 ) is ignored at a sufficiently long distance.

도 5는 d=15cm에서 측정된

Figure pat00029
을 도시한 것으로서, 도 5에 도시된 바와 같이, 가까운 거리에서 교차 커플링 계수는 증가한다. Figure 5 shows the measured values at d = 15 cm
Figure pat00029
As shown in FIG. 5, the cross coupling coefficient increases at a close distance.

도 5를 참조하면, 교차 커플링이 낮고 높은 주파수에서 두 개의

Figure pat00030
피크 주파수를 시프트시키는 것을 확인할 수 있으며, 교차 커플링의 강도는 주파수 시프트의 양으로 결정할 수 있다. Referring to FIG. 5, if the cross coupling is low and two
Figure pat00030
It can be confirmed that the peak frequency is shifted, and the strength of the cross coupling can be determined by the amount of the frequency shift.

교차 커플링을 포함하는 시스템에서 입력 임피던스는 다음과 같이 표현될 수 있다. In a system that includes cross coupling, the input impedance can be expressed as:

Figure pat00031
Figure pat00031

도 6은 거리의 함수로서 입력 임피던스를 나타낸 것이다. Figure 6 shows the input impedance as a function of distance.

모의 데이터를 얻기 위해, 수학식 12를 사용하며 아래의 표 1과 같이 측정된 코일 파라미터를 이용한다. To obtain the simulation data, the measured coil parameters are used as shown in Table 1 below using Equation (12).

Inductance
(μH)
Inductance
(μH)
Resistance
(Ω)
Resistance
(Ω)
Resonance Freq.
(MHz)
Resonance Freq.
(MHz)
Q(unloaded)
@6.78MHz
Q (unloaded)
@ 6.78MHz
Source loopSource loop 1.331.33 0.50.5 6.756.75 113113 Resonator-2Resonator-2 40.140.1 5.55.5 6.766.76 311311 Resonator-3Resonator-3 39.539.5 5.25.2 6.786.78 324324 Load loopLoad loop 1.351.35 0.40.4 6.736.73 144144

도 6에 도시된 바와 같이, 넓은 거리 범위에서, 측정된 데이터와 모의 데이터가 서로 좋은 일치를 보여준다. As shown in FIG. 6, in a wide range of distance, the measured data and the simulated data show good agreement with each other.

또한, 입력 임피던스 ZIN가 거리에 따라 급격하게 변화한다는 점을 확인하였다. It is also confirmed that the input impedance Z IN changes rapidly with distance.

따라서, 소정 거리(또는 입력 임피던스)에서 만족되는 k23, match는 다른 거리에서는 적용할 수 없다. Therefore, k 23 satisfied at a predetermined distance (or input impedance) Match is not applicable at other distances.

이 결과는 넓은 거리 범위에서 높은 효율을 보장할 수 있는 입력 임피던스 매칭이 필요하다는 점을 알려준다. The results indicate that input impedance matching is required to ensure high efficiency over a wide range of distances.

커플링 계수 및 품질 계수는 전력 전송 효율을 결정하는데 중요한 요소이다. 소스 및 부하 루프(200,206)의 인덕턴스 Lloop는 다음의 식을 이용하여 얻어진다. Coupling coefficients and quality factors are important factors in determining power transfer efficiency. The inductance L loop of the source and load loops 200 and 206 is obtained using the following equation.

Figure pat00032
Figure pat00032

단일 루프 코일의 저항 Rloop는 오믹 저항 및 방사 저항의 합으로 다음의 식과 같이 표현된다. The resistance R loop of a single loop coil is the sum of the ohmic resistance and the radiation resistance expressed by the following equation.

Figure pat00033
Figure pat00033

여기서, r1은 루프의 반지름, a1은 와이어 단면 반지름, μ0는 자유 공간의 투자율(permeability)이고, σ는 구리의 전도도이고, vc는 빛의 속도

Figure pat00034
는 각주파수이다. Where r 1 is the radius of the loop, a 1 is the radius of the wire cross section, μ 0 is the permeability of free space, σ is the conductivity of copper, v c is the speed of light
Figure pat00034
Is the angular frequency.

도 7은 제1 및 제2 공진기의 코일 형상을 도시한 도면이다. Fig. 7 is a view showing the coil shapes of the first and second resonators. Fig.

복수회로 감긴 나선의 인덕턴스 Lspiral은 Wheeler formula를 이용하여 계산될 수 있다. The inductance L spiral of a spirally wound coil can be calculated using the Wheeler formula.

Figure pat00035
Figure pat00035

여기서, b는 와인딩의 깊이, rm은 평균 반지름, N은 감긴 횟수이고, 모든 단위는 인치(inch)이다. Where b is the depth of winding, r m is the average radius, N is the number of turns, and all units are inches.

본 실시예에서, 소스와 부하 루프의 코일 반지름은 20cm이고, 소스 및 부하 루프에서 외부 가변 캐패시터는 네트워크 분석기를 이용하여 주의 깊게 조정된다. In this embodiment, the coil radius of the source and load loops is 20 cm, and the external variable capacitors in the source and load loops are carefully tuned using a network analyzer.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 및 제2 공진기(202,204) 형상에 존재하는 자기-캐패시턴스(self-capasitance)를 이용한다. According to one embodiment of the present invention, self-capacitance is used which exists in the shape of the first and second resonators 202 and 204.

도 7에 도시된 공진기의 내부 반지름 rm=25cm, b=5cm, N=6이다. The inner radius r m of the resonator shown in Fig. 7 is 25 cm, b = 5 cm, and N = 6.

모든 코일은 2a1=0.3cm 지름의 구리 와이어로 제작된다. All coils are made of copper wire with a diameter of 2a 1 = 0.3 cm.

소스 루프(200) 및 부하 루프(206)는 제1 공진기(202) 및 제2 공진기(204)의 중심이 배치되고(k12=k34=0.27), ρ=0이다. The source loop 200 and the load loop 206 are centered on the first resonator 202 and the second resonator 204 (k 12 = k 34 = 0.27) and ρ = 0.

표 1은 Agilent 8714ES 네트워크 분석기를 이용하여 코일의 파라미터를 측정한 것이다. Table 1 shows the parameters of the coil using an Agilent 8714ES network analyzer.

수학식 13 및 15를 이용하여 계산된 인덕턴스는 4.5% 범위에서 측정된 데이터와 일치한다. The inductance calculated using equations (13) and (15) is consistent with the measured data in the 4.5% range.

수학식 14를 이용하여 추정된 무부하(unloaded) Q 값은 루프 코일 및 내부 공진기에 대해 각각 1130 및 4880이다. The unloaded Q values estimated using equation (14) are 1130 and 4880 for the loop coil and internal resonator, respectively.

Neumann formula를 이용함에 의해, 제1 공진기(202) 및 제2 공진기(204)사이의 커플링 계수(k23 , Neumann, 반지름 r2, r3 및 거리 d)는 다음의 식으로 얻어질 수 있다.By using the Neumann formula, the coupling coefficient (k 23 , Neumann , radius r 2 , r 3 and distance d) between the first resonator 202 and the second resonator 204 can be obtained by the following equation .

Figure pat00036
Figure pat00036

여기서, N2 및 N3는 감긴 횟수, L2 및 L3는 수학식 15를 이용하여 계산된 인덕턴스이다. Here, N 2 and N 3 are the number of turns, and L 2 and L 3 are the inductances calculated using Equation (15).

수학식 16에서, r2,r3≪d라는 근사화가 적용된다. In equation (16), the approximation r 2 , r 3 < d is applied.

커플링 계수의 보다 정확한 표현이 filament method(소위 맥스웰 method)를 이용하여 얻어진다. A more accurate representation of the coupling coefficient is obtained using the filament method (so-called Maxwell method).

두 개의 평행한 단일 코일의 상호 인덕턴스 M은 수학식 17과 같이 표현된다. The mutual inductance M of the two parallel single coils is expressed as: < EMI ID = 17.0 >

Figure pat00037
Figure pat00037

여기서, J0 및 J1은 0차 및 1차 베셀 함수(Beseel function)이다. Where J 0 and J 1 are the 0th and 1st order Bessel functions.

수학식 17은 와이어 반지름 a를 포함하지 않으며, a/r2 및 a/r3가 충분히 작은 것으로 가정된다. Equation 17 does not include the wire radius a, and it is assumed that a / r 2 and a / r 3 are sufficiently small.

수학식 17을 이용하여, 두 개의 복수 회 감긴 코일(제1 공진기 및 제2 공진기)의 커플링 계수 k23 , Maxwell는 다음과 같이 얻어진다. Using equation (17), the coupling coefficient k 23 , Maxwell of the two plural-wound coils (first resonator and second resonator) is obtained as follows.

Figure pat00038
Figure pat00038

여기서,

Figure pat00039
이고,
Figure pat00040
이다. here,
Figure pat00039
ego,
Figure pat00040
to be.

측정에 의해 커플링 계수 k23 , means를 추출하기 위해 다음과 같은 근거리에서 발생하는 주파수 스플리팅을 이용한다. To extract the coupling coefficient k 23 , means by measurement, we use the frequency splitting that occurs at the near distance as follows.

Figure pat00041
Figure pat00041

여기서, fH 및 fL은 각각 결합된 공진기의 더 높은(odd mode) 및 더 낮은(even mode) 스플리트 주파수이다. Where f H and f L are the higher (odd mode) and lower (even mode) split frequencies of the coupled resonator, respectively.

먼 거리에서, 커플링이 약해지며, 주파수 스플리팅이 사라진다. At long distances, the coupling weakens and frequency splitting disappears.

이러한 경우, 4에서 10MHz의 주파수 범위에서 측정된

Figure pat00042
이 이용되며, 측정된
Figure pat00043
에서 도 2의 시스템 모델을 조정함에 의해 k23 , means가 도출된다. In this case, the measured values in the frequency range of 4 to 10 MHz
Figure pat00042
Is used,
Figure pat00043
K 23 , means is derived by adjusting the system model of Fig.

도 8a는 거리에 따른 주파수 스플리팅을 도시한 도면이다. 8A is a diagram illustrating frequency splitting along a distance.

도 8a에서, 주파수 스플리팅의 범위는 5.92에서 8.13MHz이다. In Figure 8A, the range of frequency splitting is 5.92 to 8.13 MHz.

도 8b는 주파수 스플리팅 현상이 일어나는 조건에서 거리에 따른

Figure pat00044
를 나타낸 도면이고, fL=5.92, fH=8.13이고, f0=6.5MHz를 이용하여 측정된 거리에 따른
Figure pat00045
이다. FIG. 8B is a graph showing the relationship between the distance under the condition where the frequency splitting phenomenon occurs
Figure pat00044
And f L = 5.92, f H = 8.13, and f 0 = 6.5 MHz.
Figure pat00045
to be.

도 8을 참조하면, 40cm보다 가까운 거리에서, 주파수 스플리팅이 발생하며,

Figure pat00046
는 f0와 fH보다 fL에서 측정될 때 더 크다. Referring to Figure 8, at a distance of less than 40 cm, frequency splitting occurs,
Figure pat00046
Is larger when measured at f L than f 0 and f H.

도 9a는 미스얼라인먼트가 없다고 가정할 때, d의 함수로서 측정된 커플링 계수와 계산된 커플링 계수를 비교한 것이다. 9A compares the calculated coupling coefficient with the measured coupling coefficient as a function of d, assuming there is no misalignment.

수학식 16을 이용하여 계산된 k23 , Neumann은 실제 값보다 크고, 반면, 수학식 18을 이용하여 계산된 k23 , Maxwell은 측정된 데이터에 부합된다. K 23 , Neumann calculated using equation (16) is larger than the actual value, while k 23 , Maxwell calculated using equation (18) corresponds to the measured data.

모의 실험을 위해, 표 1의 파라미터가 도 2의 시스템에서 사용되었다. For the simulation, the parameters in Table 1 were used in the system of FIG.

도 9b는 d=15 및 30cm에서 ρ의 함수로서 k23 , Maxwell와 k23 , means를 비교한 도면이다. FIG. 9B is a diagram comparing k 23 , Maxwell and k 23 , means as a function of ρ at d = 15 and 30 cm.

수학식 17에서의 근사화에 의해 계산 값은 측정된 값보다 다소 크다. By the approximation in Equation 17, the calculated value is somewhat greater than the measured value.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명에 따른 무선 전력 전송 시스템의 구성을 상세하게 살펴본다. Hereinafter, a configuration of a wireless power transmission system according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 블록도이다. 10 is a block diagram of a wireless power transmission system in accordance with an embodiment of the present invention.

본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템은 전송부(1000), 수신부(1050), 코일 구조물(200 내지 206)를 포함할 수 있다. A wireless power transmission system according to an embodiment of the present invention may include a transmission unit 1000, a reception unit 1050, and coil structures 200 to 206. [

전송부(1000)는 소스측에 상응하는 구성으로서, 발진기(1002), 전력 증폭기(PA, 1004),방향성 커플러(1006), 튜너블 매칭 네트워크(1008), 디지털 제어 유닛(1014) 및 스위치 드라이버(1024)를 포함할 수 있다. The transmission unit 1000 includes an oscillator 1002, a power amplifier (PA) 1004, a directional coupler 1006, a tunable matching network 1008, a digital control unit 1014, Gt; 1024 < / RTI >

발진기(1002)는 소정 주파수의 신호를 생성하는 것으로서, 본 실시예에서는 6.78MHz의 단일 주파수가 사용될 수 있다. The oscillator 1002 generates a signal of a predetermined frequency. In this embodiment, a single frequency of 6.78 MHz can be used.

전력 증폭기(1004)는 발진기(1002)에서 출력된 신호를 증폭하여 방향성 커플러(1006)로 출력한다. The power amplifier 1004 amplifies the signal output from the oscillator 1002 and outputs the amplified signal to the directional coupler 1006.

방향성 커플러(1006)에 입력된 신호는 튜너블 매칭 네트워크(1008)를 거쳐 방사되며, 방향성 커플러(1006)는 수신측으로부터 반사 전력을 전력 검출기(1010)로 출력한다. The signal input to the directional coupler 1006 is radiated through the tunable matching network 1008 and the directional coupler 1006 outputs the reflected power from the receiving side to the power detector 1010.

전압 분주기(1012)는 반사 전력에 상응하는 전압 레벨을 디지털 제어 유닛(1014)에 포함된 ADC(1016)로 출력한다. The voltage divider 1012 outputs a voltage level corresponding to the reflected power to the ADC 1016 included in the digital control unit 1014. [

ADC(1016)로부터의 정보에 기초하여 디지털 프로그래머블 포텐시오미터(potentiometer, 1018) 및 DC-DC 컨버터(1020)의 제어에 의해 전력 증폭기(1004)를 위한 공급 전압이 조정된다. The supply voltage for the power amplifier 1004 is adjusted by control of a digital programmable potentiometer 1018 and a DC-DC converter 1020 based on the information from the ADC 1016. [

포락선 검출기(1022)로부터 수신된 정보는 수신부(1050)에서 일정한 정류 전압 VREC을 유지하기 위해 전송 전압 레벨을 변경하는데 사용된다. The information received from the envelope detector 1022 is used to change the transmission voltage level to maintain a constant rectified voltage V REC at the receiver 1050.

디지털 제어 유닛(1014)는 방향성 커플러(1006)를 통해 반사 전력을 모니터링하고, 튜너블 매칭 네트워크(1008)를 위해 스위치 드라이버(1024)로 제어 신호를 전송한다. The digital control unit 1014 monitors the reflected power through the directional coupler 1006 and transmits the control signal to the switch driver 1024 for the tunable matching network 1008. [

상기한 제어 신호에 따라 스위치 드라이버(1024)는 튜너블 매칭 네트워크의 캐패시터 값을 조정한다. In accordance with the control signal, the switch driver 1024 adjusts the capacitor value of the tunable matching network.

폐루프 제어 동작을 용이하게 하기 위해, 수신부(1050)는 로드 시프트 키잉 모듈레이터(LSK)에 의해 캡쳐된 전력에 대한 정보를 반환한다. To facilitate the closed loop control operation, the receiver 1050 returns information about the power captured by the load shift keying modulator (LSK).

수신부는 풀-브릿지-정류기(full-bridge rectifier, 1052), 레귤레이터(1054), LSK 모듈레이터(1056), 10-bit ADC(1058) 및 마이크로 컨트롤러(1060)를 포함할 수 있다.
The receiver may include a full-bridge rectifier 1052, a regulator 1054, an LSK modulator 1056, a 10-bit ADC 1058, and a microcontroller 1060.

도 11은 조정 가능한 인덕터 및 캐패시터 뱅크를 이용하여 구성된 임피던스 매칭 네트워크를 도시한 도면이다. 11 is a diagram illustrating an impedance matching network configured using an adjustable inductor and a capacitor bank.

조정 가능한 인덕터를 구현하기 위해, 고정된 인덕터 및 가변 캐패시터를 병렬로 배치한다. 정확한 임피던스 매칭을 위해, 우선 보드 및 스위치 내에서 기생 성분을 식별한다. To implement an adjustable inductor, a fixed inductor and a variable capacitor are placed in parallel. For accurate impedance matching, first identify parasitics in the board and switch.

이러한 측정은 보드 내에서 Lfix 직렬 결합에서 기생 인덕터는 Lpar=60nH이고, 각 릴레이 스위치(단선(open) 상태)에서 기생 캐패시턴스는 Cpar=15pF이다. These measurements are for L par inductors in the L fix series combination in the board, L par = 60nH, and in each relay switch (open state) the parasitic capacitance is C par = 15pF.

이들 기생 성분을 설명할 때, 등가 인덕턴스(equivalent inductance, Leq)는 다음과 같다. When describing these parasitic components, the equivalent inductance (L eq ) is as follows.

Figure pat00047
Figure pat00047

여기서,

Figure pat00048
은 병렬 LC 회로의 공진 주파수이고, Leq의 동작 주파수(w)
Figure pat00049
이다. here,
Figure pat00048
Is the resonant frequency of the parallel LC circuit, and L eq is the operating frequency (w)
Figure pat00049
to be.

임피던스를 미세 조정하기 위해, 작은 Lfix가 바람직하다. 그러나, 작은 Lfix는 튜닝 범위에서 좁은 인덕턴스를 야기한다. In order to fine-tune the impedance, a small L fix is preferred. However, a small L fix causes narrow inductance in the tuning range.

본 실시예에 따른 설계에서 15 내지 100cm 범위에서 거리가 변화하고, 반사 계수의 크기가 0.24 내지 0.91 사이에서 변화한다. In the design according to the present embodiment, the distance varies between 15 and 100 cm, and the magnitude of the reflection coefficient varies between 0.24 and 0.91.

도달 가능한 임피던스 범위와 최소 임피던스 스텝 사이의 트레이드-오프(trade-off)를 고려하여, Lfix=440nH로 설정하였다. In consideration of the trade-off between the attainable impedance range and the minimum impedance step, L fix was set to 440nH.

그리고, Cvar1이 10에서 1000pF 범위내에서 10pF 단위로 변경될 때 Leq는 505에서 5398nH 범위에서 가변된다. And, when C var1 is changed in 10 pF increments within the range of 10 to 1000 pF, L eq varies in the range of 505 to 5398 nH.

캐패시터 뱅크(10,20,40,50,100,200,400 및 500pF) 셋을 이용하여 캐패시터 값 Cvar1과 Cvar2는 10에서 1320pF까지 10pF 단위로 가변된다. Using a set of capacitor banks (10, 20, 40, 50, 100, 200, 400 and 500 pF), the capacitor values C var1 and C var2 vary from 10 to 1320 pF in 10 pF increments.

이들 캐패시터는 100V rating을 갖는 표면 실장 타입이고, 스위치는 60W(125VA)까지 스위치 전력으로 조작될 수 있는 전기 제어 릴레이를 이용하여 구현된다. These capacitors are surface mount types with a rating of 100V, and the switches are implemented using electrical control relays that can be operated with switch power up to 60W (125VA).

이들의 셋 및 릴리즈 시간은 5V 동작 전압으로 3ms 및 2ms이다. Their set and release times are 3ms and 2ms with 5V operating voltage.

캐패시터 값을 제어하기 위해, Cvar1과 Cvar2를 위해 사용된 16개의 스위치(SWS1~SWS8 및 SWP1~SWP8)와 함께 20개의 스위치를 사용한다. To control the capacitor value, 20 switches are used with 16 switches (SW S1 to SW S8 and SW P1 to SW P8 ) used for C var1 and C var2 .

4개의 스위치, SW1 내지 SW4는 매칭 네트워크를 구현하는데 유연성을 제공한다. The four switches, SW 1 to SW 4 , provide flexibility in implementing a matching network.

SW2=SW3=1이고, SW1=SW4=0 일때, 매칭 네트워크는 바이패스 되며, SW1=SW3=1이고, SW2=SW4=0 일때, 직렬-L/단락-C 배치(series-L/shunt-C configuration)가 된다. When SW 2 = SW 3 = 1 and SW 1 = SW 4 = 0, the matching network is bypassed, and when SW 1 = SW 3 = 1 and SW 2 = SW 4 = (Series-L / shunt-C configuration).

ZIN이 거리 또는 얼라인먼트 변화에 의해 변경될 때, 튜너블 매칭 네트워크는 임피던스가 RS에 도달할 수 있도록 하는 Cvar1과 Cvar2를 탐색한다. When Z IN is changed by a distance or alignment change, the tunable matching network searches for C var1 and C var2 to allow the impedance to reach R S.

직렬-L/단락-C 배치에서, Leq 및 Cvar2는 다음의 식으로 얻어진다. In the serial-L / short-C arrangement, Leq and C var2 are obtained by the following equations.

Figure pat00050
Figure pat00050

Figure pat00051
Figure pat00051

Figure pat00052
Figure pat00052

Figure pat00053
Figure pat00053

상기한 수학식 21 또는 23을 이용하여 Cvar2를 위해 요구되는 값을 찾을 수 있다. The value required for C var2 can be found using Equation (21) or (23) above.

Figure pat00054
Figure pat00054

임피던스 매칭을 위한 적절한 탐색 알고리즘 선택을 위해, Cvar1 및 Cvar2에 의존하는

Figure pat00055
의 특성을 살펴본다. For proper search algorithm selection for impedance matching, it is possible to use C var1 and C var2
Figure pat00055
.

도 11에서 캐패시터 Csn 및 Cpn(n=1~8)의 조합을 선택하기 위해 Cvar1 및 Cvar2를 변경한다. In Fig. 11, C var1 and C var2 are changed to select the combination of the capacitors C sn and C pn (n = 1 to 8).

이들 캐패시터 값들의 조합은 임피던스 매칭 지점과 일치한다. The combination of these capacitor values matches the impedance matching point.

도 12는 d=15,40, 80cm에서 모의

Figure pat00056
이다. Fig. 12 is a graph showing the results of simulation at d = 15, 40,
Figure pat00056
to be.

도 12를 통해 튜너블 매칭 네트워크가 모든 캐피시터 값을 통해 스윕(sweep)할 때 각 d에 대해 하나의 피크가 나타나는 것을 확인할 수 있다.It can be seen from FIG. 12 that one peak appears for each d when the tunable matching network sweeps through all of the capacitor values.

80cm까지의 넓은 거리 범위까지, 하나의 피크

Figure pat00057
가 나타나는 것을 확인할 수 있다. Up to 80 cm wide range, one peak
Figure pat00057
Is displayed.

모든 임피던스 매칭 지점의 조사는 최적 임피던스 매칭을 보장할 수 있으나, 너무 많은 시간이 소요된다. Investigation of all impedance matching points can guarantee optimal impedance matching, but it takes too much time.

이는 릴레이 스위치의 속도가 매우 느리기 때문이며, 임피던스 탐색 지점이 132x312인 경우 8분이 넘게 소요된다. This is because the relay switch is very slow and takes more than 8 minutes if the impedance seek point is 132x312.

이에, 본 발명에 따르면, 효율적인 임피던스 매칭 방법을 제안한다. Thus, according to the present invention, an efficient impedance matching method is proposed.

도 13 내지 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 매칭을 위한 탐색 알고리즘을 도시한 도면이다. 13 to 15 are diagrams illustrating a search algorithm for impedance matching according to an embodiment of the present invention.

도 13 내지 도 15는 도 1의 각 단계를 상세하게 도시한 것이다. Figs. 13 to 15 show the respective steps of Fig. 1 in detail.

우선, 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템 보정 과정으로서, Ri, Li, Ci, RS, RL이 측정된다(단계 1300). 13 is a system calibration process according to an embodiment of the present invention in which R i , L i , C i , R S , and R L are measured (step 1300).

또한, 거리에 따른 커플링 계수(k, d23)가 수학식 18을 통해 계산되고, 계산 결과가 테이블 형태로 저장된다(단계 1302).Further, the coupling coefficients k and d23 along the distance are calculated through Equation (18), and the calculation results are stored in the form of a table (Step 1302).

또한, 거리에 대한 DC 전압(반사 전력에 따른 전압)이 측정되며(단계 1304,1306), 이때 가까운 거리(strong region)에서의 전압과 먼 거리(weak region)에서의 전압이 각각 측정된다. Further, a DC voltage (voltage according to the reflected power) with respect to the distance is measured (steps 1304 and 1306), and the voltage at the strong region and the voltage at the far region are measured respectively.

다음으로, 바이패스 배치(SW2=SW3=1(ON))되고, 다른 스위치는 OFF)의 매칭 네트워크에서 거리 15 내지 100cm까지 5cm 단위로 변경하면서 반사 전력이 측정된다(단계 1308). Next, the reflected power is measured (step 1308) while changing the distance from 15 to 100 cm in 5 cm increments in the matching network of the bypass arrangement (SW2 = SW3 = 1 (ON) and the other switch is OFF).

상기한 단계 1300 내지 1308을 통해 모든 시스템 파라미터가 계산 및 측정되며, 이때 시스템 파라미터가 정확할수록 코어스 탐색을 위한 더 좋은 시작 지점을 제공할 수 있다. All of the system parameters are calculated and measured through steps 1300 to 1308, wherein the more accurate the system parameters, the better the starting point for the coarse search.

도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 코어스 탐색 과정을 상세하게 도시한 도면이다. FIG. 14 is a detailed view illustrating a coarse search process according to an embodiment of the present invention.

도 14를 참조하면, 단계 1308에서 측정된 반사 전력에 관한 정보가 5.5에서 8.5MHz 범위 내에서 미리 저장된다(단계 1400). 코어스 탐색 과정에서 5.5에서 8.5MHz 범위 내에서 주파수 스캐닝을 수행한다. Referring to FIG. 14, information on the measured reflected power in step 1308 is prestored within a range of 5.5 to 8.5 MHz (step 1400). Frequency scanning is performed in the range of 5.5 to 8.5 MHz in the coarse search process.

보다 상세하게, f=f0으로 설정한 후 주파수 스캐닝을 수행하고(단계 1402), 주파수 스캐닝을 하는 동안 현재 반사 전력에 따른 전압을 읽는다(단계 1404). More specifically, frequency scanning is performed after setting f = f0 (step 1402), and voltage corresponding to the current reflected power is read during frequency scanning (step 1404).

이후 반사 전력에 따른 전압을 저장하고(단계 1406), 반사 전력에 2개의 피크가 존재하는지 여부를 판단한다(단계 1408). Thereafter, the voltage corresponding to the reflected power is stored (step 1406), and it is determined whether there are two peaks in the reflected power (step 1408).

두 개의 피크가 존재하는 경우, 부하가 over-coupled 영역(strong region)에 있는 것으로 판단하고 단계 1304에서 측정된 데이터를 참조한다(단계 1410). If two peaks are present, it is determined that the load is in an over-coupled region (Strong Region) and the measured data is referenced at Step 1304 (Step 1410).

그렇지 않고 피크가 하나 존재하는 경우에는 부하가 under-coupled 영역(weak region)에 있는 것으로 판단하고 단계 1306에서 측정된 데이터를 참조한다(단계 1412).Otherwise, if there is one peak, it is determined that the load is in an under-coupled region (weak region), and reference is made to the measured data in Step 1306 (Step 1412).

상기한 단계 1410 또는 1412를 통해 소스와 부하와의 거리를 추정한다(단계 1414). The distance between the source and the load is estimated through the above-described step 1410 or 1412 (step 1414).

추정된 거리 및 단계 1302에서의 테이블을 참조하여(단계 1416), 커플링 계수를 추정한다(단계 1418).Referring to the estimated distance and the table at step 1302 (step 1416), the coupling coefficient is estimated (step 1418).

다음으로, 추정된 커플링 계수에 따른 입력 임피던스(ZIN)을 계산한다(단계 1420).Next, the input impedance Z IN according to the estimated coupling coefficient is calculated (step 1420).

단계 1420는 표 1에서의 시스템 파라미터와의 조합을 통해 수학식 12의 Z-파라미터를 계산하는 과정이다. Step 1420 is a process of calculating the Z-parameter of Equation (12) in combination with the system parameters in Table 1.

다음으로서, Rin이 RS보다 작은지 여부를 판단하며(단계 1422), 작은 경우에는 S1 및 S3를 OFF, S2 및 S4를 ON 시키고(단계 1424), 반대의 경우에는 S1 및 S3를 ON, S2 및 S4를 OFF 시킨다(단계 1426).Next, it is judged whether R in is smaller than R S (step 1422). If it is small, S1 and S3 are turned OFF, S2 and S4 are turned ON (step 1424), and in the opposite case, S1 and S3 are turned ON, S2 and S4 are turned OFF (step 1426).

이후, L-네트워크에서의 값을 계산한다(단계 1428).Then, the value in the L-network is calculated (step 1428).

단계 1428은 수학식 12를 이용하여 입력 임피던스를 계산하고, 또한 수학식 21 내지 25를 이용하여 Cvar1 및 Cvar2를 계산하는 과정이다. Step 1428 is a process of calculating input impedance using equation (12) and calculating C var1 and C var2 using equations (21) to (25).

도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 정밀 탐색 과정의 순서도이다. FIG. 15 is a flowchart of a fine search process according to an embodiment of the present invention.

정밀 탐색에서 계속적으로 반사 전력을 최소화하는 방향에서의 이웃 지점을 피크 지점이 발견될 때까지 평가하는 과정이 수행되며, 탐색 속도를 높이기 위해 이미 방문된 지점은 제거된다. In the fine search, a process of evaluating a neighboring point in the direction of minimizing the reflected power is performed until the peak point is found, and the already visited point is removed to increase the search speed.

또한, Cvar1 및 Cvar2의 조합을 사각행렬 Z의 s행 및 p열에 매칭시키고, 여기서, s와 p는 1 내지 80 범위에서 변경되며, Cvar1 및 Cvar2는 10 내지 1320pF 범위에서 변경된다. Also, the combination of C var1 and C var2 is matched to the s row and p column of the square matrix Z, where s and p vary in the range of 1 to 80, and C var1 and C var2 vary in the range of 10 to 1320 pF.

도 15를 참조하면, 상기한 단계 1428에서 계산된 Cvar1 및 Cvar2를 이용하여 시작 매칭 지점(

Figure pat00058
)을 설정한다(단계 1500).Referring to FIG. 15, using C var1 and C var2 calculated in the step 1428, a start matching point (
Figure pat00058
(Step 1500).

다음으로, 리스트 L에 현재 위치 z을 부가한다(단계 1502).Next, the current position z is added to the list L (step 1502).

이후, 현재 위치를 기준으로 8개의 인접 지점(A(z))을 결정한다(단계 1504).Thereafter, eight adjacent points A (z) are determined based on the current position (step 1504).

여기서, A(z)는 다음과 같다. Here, A (z) is as follows.

Figure pat00059
Figure pat00059

A(z)와 리스트 L을 참조하여 방문되지 않은 인접 지점 R(z)를 찾는다(단계 1506).A (z) and the list L are looked up to find an unvisited adjacent point R (z) (step 1506).

다음, 방향성 커플러에서 검출된 전압(반사 전력)을 이용하여 R(z)의 8개의 인접 지점 중 최적 지점, zopt를 찾는다(단계 1508).Next, the optimum point, z opt , of the eight adjacent points of R (z) is found using the voltage (reflected power) detected at the directional coupler (step 1508).

단계 1508에서 탐색된 zopt가 변경되는지 여부를 판단하며(단계 1510), 가 변경되지 않고 유지되면 정밀 탐색 과정을 종료한다. It is determined whether z opt searched in step 1508 is changed (step 1510), and if it remains unchanged, the fine search process is terminated.

단계 1508은 현재 방문 지점에 인접한 8개의 지점 중 적어도 일부 지점에서 후보 지점을 탐색하며, 후보 지점에서의 임피던스가 변경되지 않는 경우, 상기 후보 지점에서의 임피던스를 최적 임피던스로 결정하는 과정이다. Step 1508 searches for a candidate point at at least some of the eight points adjacent to the current landing point, and when the impedance at the candidate point does not change, the impedance at the candidate point is determined as the optimum impedance.

현재 방문 지점을 중심으로 주위에 8개의 인접 지점이 존재할 수 있으며, 이때, 적어도 3개의 지점은 이전에 방문된 지점일 수 있으며, 이러한 경우, 인접 지점 중 5개의 지점에서 임피던스 측정 과정이 수행될 수 있다. There may be eight adjacent points around the current landing point, where at least three points may be previously visited, in which case impedance measurements may be performed at five of the adjacent points. have.

만일 zopt가 변경된다면 이미 조사된 지점 R(z)를 리스트 L에 부가하고(단계 1512), 국부 최적 지점(zopt)을 새로운 시작 지점으로 할당하고(단계 1514), 단계 1504로 복귀한다. If z opt is changed, the already examined point R (z) is added to the list L (step 1512), the local optimal point z opt is assigned as a new starting point (step 1514), and the process returns to step 1504.

본 발명의 실시예들은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 일 실시예들의 동작을 수행하기 위해 적어도 하나의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.Embodiments of the present invention may be implemented in the form of program instructions that can be executed on various computer means and recorded on a computer readable medium. The computer-readable medium may include program instructions, data files, data structures, and the like, alone or in combination. The program instructions recorded on the medium may be those specially designed and configured for the present invention or may be available to those skilled in the art of computer software. Examples of computer-readable media include magnetic media such as hard disks, floppy disks and magnetic tape; optical media such as CD-ROMs and DVDs; magnetic media such as floppy disks; Examples of program instructions, such as magneto-optical and ROM, RAM, flash memory and the like, can be executed by a computer using an interpreter or the like, as well as machine code, Includes a high-level language code. The hardware devices described above may be configured to operate as at least one software module to perform operations of one embodiment of the present invention, and vice versa.

상기한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.It will be apparent to those skilled in the relevant art that various modifications, additions and substitutions are possible, without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. The appended claims are to be considered as falling within the scope of the following claims.

Claims (15)

무선 전력 전송 시스템의 소스측에서 부하의 거리를 고려하여 임피던스를 매칭하는 방법으로서,
(a) 상기 무선 전력 전송 시스템에 대한 시스템 파라미터를 저장하는 단계-상기 시스템 파라미터는 코일 파라미터, 커플링 계수 및 거리에 따른 반사 전력 중 적어도 하나를 포함함-;
(b) 상기 부하측에서 반사되는 반사 전력의 피크를 이용하여 상기 부하가 오버 커플링 영역(over-coupled region) 또는 언더 커플링 영역(under-coupled region) 중 어느 영역에 위치하는지를 판단하는 단계;
(c) 상기 판단된 영역 및 상기 시스템 파라미터를 이용하여 상기 소스와 부하의 거리를 1차적으로 추정하는 단계;
(d) 상기 1차적으로 추정된 거리에 따른 소스측 캐패시터 값을 결정하는 단계; 및
(e) 상기 결정된 캐패시터 값을 시작 지점으로 하여 캐패시터 값을 변경하면서 최적 임피던스를 탐색하는 단계를 포함하는 무선 전력 전송 시스템의 임피던스 매칭 방법.
A method of matching an impedance in consideration of a distance of a load at a source side of a wireless power transmission system,
(a) storing system parameters for the wireless power transmission system, the system parameters including at least one of a coil parameter, a coupling coefficient, and a reflected power according to distance;
(b) determining whether the load is located in an over-coupled region or an under-coupled region using a peak of the reflected power reflected from the load side;
(c) estimating a distance between the source and the load using the determined region and the system parameter;
(d) determining a source-side capacitor value according to the primarily estimated distance; And
(e) searching the optimum impedance while changing the capacitor value with the determined capacitor value as a starting point.
제1항에 있어서,
상기 소스는 소스 루프 및 상기 소스 루프에 인접하게 배치되는 제1 공진기를 포함하고, 상기 부하는 제2 공진기 및 상기 제2 공진기에 인접한 부하 루프를 포함하며,
상기 커플링 계수는 상기 제1 공진기 및 제2 공진기 사이의 커플링 계수인 무선 전력 전송 시스템의 임피던스 매칭 방법.
The method according to claim 1,
The source comprising a source loop and a first resonator disposed adjacent the source loop, the load comprising a second resonator and a load loop adjacent to the second resonator,
Wherein the coupling coefficient is a coupling coefficient between the first resonator and the second resonator.
제1항에 있어서,
상기 (b) 단계는 상기 반사 전력에 2개의 피크가 존재하는 경우에는 상기 부하가 오버 커플링 영역에 위치하는 것으로 판단하고, 하나의 피크가 존재하는 경우에는 상기 부하가 언더 커플링 영역에 위치하는 것으로 판단하는 무선 전력 전송 시스템의 임피던스 매칭 방법.
The method according to claim 1,
In the step (b), when there are two peaks in the reflected power, it is determined that the load is located in the over-coupling region, and when there is one peak, the load is located in the under- The impedance matching method of the wireless power transmission system.
제1항에 있어서,
상기 소스측은 복수의 제1 스위치를 포함하는 제1 캐패시터 뱅크 및 복수의 제2 스위치를 포함하는 제2 캐패시터 뱅크를 포함하며, 상기 1차적으로 추정된 거리에 따라 상기 복수의 제1 스위치 및 복수의 제2 스위치를 제어하여 상기 제1 캐패시터 뱅크의 제1 캐패시터 값 및 제2 캐패시터 뱅크의 제2 캐패시터 값을 결정하는 무선 전력 전송 시스템의 임피던스 매칭 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the source side comprises a first capacitor bank comprising a plurality of first switches and a second capacitor bank comprising a plurality of second switches, wherein the plurality of first switches and the plurality of And controlling the second switch to determine a first capacitor value of the first capacitor bank and a second capacitor value of the second capacitor bank.
제1항에 있어서,
상기 (e) 단계는 힐-클라이밍(hill-climbing) 알고리즘을 이용하여 상기 최적 임피던스를 탐색하는 무선 전력 전송 시스템의 임피던스 매칭 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the step (e) searches for the optimal impedance using a hill-climbing algorithm.
제4항에 있어서,
상기 (e) 단계는 상기 제1 캐패시터 값을 행으로, 상기 제2 캐패시터 값을 열로 하는 행렬을 생성하고, 상기 (d) 단계에서 결정된 제1 캐패시터 값 및 제2 캐패시터 값을 시작 지점으로 하여 최적 임피던스를 탐색하는 무선 전력 전송 시스템의 임피던스 매칭 방법.
5. The method of claim 4,
Wherein the step (e) comprises: generating a matrix having the first capacitor value as a row and the second capacitor value as a column, and generating a matrix having a first capacitor value and a second capacitor value determined in the step (d) Method of impedance matching in a wireless power transmission system seeking an impedance.
제6항에 있어서,
상기 (e) 단계는 현재 방문 지점에 인접한 8개의 지점 중 적어도 일부 지점에서 국부적인 최적 임피던스에 대응되는 후보 지점을 탐색하며, 상기 후보 지점에서의 임피던스가 변경되지 않는 경우, 상기 후보 지점에서의 임피던스를 최적 임피던스로 결정하는 무선 전력 전송 시스템의 임피던스 매칭 방법.
The method according to claim 6,
Wherein the step (e) searches for a candidate point corresponding to a local optimum impedance at at least some of the eight points adjacent to the current landing point, and when the impedance at the candidate point does not change, the impedance at the candidate point To an optimum impedance.
제6항에 있어서,
상기 (e) 단계는 현재 방문 지점에 인접한 8개의 지점 중 적어도 일부 지점에서 국부적인 최적 임피던스에 대응되는 후보 지점을 탐색하며, 상기 후보 지점에서의 임피던스가 변경되는 경우, 상기 제1 지점에서의 제1 및 제2 캐패시터 값을 시작 지점으로 하여 최적 임피던스를 탐색 과정을 다시 수행하는 무선 전력 전송 시스템의 임피던스 매칭 방법.
The method according to claim 6,
Wherein the step (e) searches for a candidate point corresponding to a local optimal impedance at at least some of the eight points adjacent to the current landing point, and when the impedance at the candidate point changes, 1 < / RTI > and a second capacitor value as starting points. The method of claim < RTI ID = 0.0 > 1, < / RTI >
제1항에 따른 방법을 수행하는 프로그램이 기록된 컴퓨터 판독 가능한 기록매체. A computer-readable recording medium on which a program for performing the method according to claim 1 is recorded. 소스측의 소스 루프 및 제1 공진기와 부하측의 제2 공진기 및 부하 루프를 포함하는 무선 전력 전송 시스템에 있어서,
복수의 제1 스위치를 포함하는 제1 캐패시터 뱅크 및 복수의 제2 스위치를 포함하는 제2 캐패시터 뱅크를 포함하는 튜너블 매칭 네트워크;
상기 튜너블 매칭 네트워크를 통해 미리 설정된 주파수의 신호가 상기 부하측으로 방사되도록 하고, 상기 부하측으로부터의 반사 전력을 수신하는 방향성 커플러;
상기 반사 전력에 따라 임피던스 조정을 위한 제어 신호를 생성하는 디지털 제어 유닛; 및
상기 제어 신호에 따라 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치의 온/오프를 수행하는 스위치 드라이버를 포함하되,
상기 디지털 제어 유닛은 상기 반사 전력의 피크를 이용하여 상기 부하가 오버 커플링 영역(over-coupled region) 또는 언더 커플링 영역(under-coupled region) 중 어느 영역에 위치하는지를 판단하고, 상기 판단된 영역 및 미리 저장된 시스템 파라미터를 이용하여 최적 임피던스를 탐색하는 무선 전력 전송 시스템.
A radio power transmission system comprising a source-side source loop and a first resonator and a load-side second resonator and a load loop,
A tunable matching network comprising a first capacitor bank comprising a plurality of first switches and a second capacitor bank comprising a plurality of second switches;
A directional coupler for causing a signal of a predetermined frequency to be radiated to the load side through the tunable matching network and receiving reflected power from the load side;
A digital control unit for generating a control signal for impedance adjustment according to the reflected power; And
And a switch driver for performing on / off of the first switch and the second switch according to the control signal,
The digital control unit determines whether the load is located in an over-coupled region or an under-coupled region using the peak of the reflected power, And searching for an optimal impedance using the pre-stored system parameters.
제10항에 있어서,
상기 디지털 제어 유닛은 상기 판단된 영역 및 상기 시스템 파라미터를 이용하여 상기 소스와 부하의 거리를 1차적으로 추정하고, 상기 1차적으로 추정된 거리에 따른 소스측의 제1 캐패시터 값 및 제2 캐패시터 값을 결정하며, 상기 결정된 제1 및 제2 캐패시터 값을 시작 지점으로 하여 캐패시터 값을 변경하면서 최적 임피던스를 탐색하는 무선 전력 전송 시스템.
11. The method of claim 10,
Wherein the digital control unit primarily estimates a distance between the source and the load using the determined region and the system parameter, and estimates a first capacitor value at a source side and a second capacitor value at a source side according to the primarily estimated distance, And searches the optimum impedance while changing the capacitor value with the determined first and second capacitor values as starting points.
제10항에 있어서,
상기 시스템 파라미터는 코일 파라미터, 커플링 계수 및 거리에 따른 반사 전력 중 적어도 하나를 포함하는 무선 전력 전송 시스템.
11. The method of claim 10,
Wherein the system parameter comprises at least one of a coil parameter, a coupling coefficient, and a reflected power according to distance.
제12항에 있어서,
상기 소스는 소스 루프 및 상기 소스 루프에 인접하게 배치되는 제1 공진기를 포함하고, 상기 부하는 제2 공진기 및 상기 제2 공진기에 인접한 부하 루프를 포함하며,
상기 커플링 계수는 상기 제1 공진기 및 제2 공진기 사이의 커플링 계수인 무선 전력 전송 시스템.
13. The method of claim 12,
The source comprising a source loop and a first resonator disposed adjacent the source loop, the load comprising a second resonator and a load loop adjacent to the second resonator,
Wherein the coupling coefficient is a coupling coefficient between the first resonator and the second resonator.
제10항에 있어서,
상기 디지털 제어 유닛은 상기 반사 전력에 2개의 피크가 존재하는 경우에는 상기 부하가 오버 커플링 영역에 위치하는 것으로 판단하고, 하나의 피크가 존재하는 경우에는 상기 부하가 언더 커플링 영역에 위치하는 것으로 판단하는 무선 전력 전송 시스템.
11. The method of claim 10,
The digital control unit determines that the load is located in the over-coupling region when there are two peaks in the reflected power, and when the peak exists, the load is located in the under-coupling region Wireless power transmission system.
상기 디지털 제어 유닛은 힐-클라이밍(hill-climbing) 알고리즘을 이용하여 상기 최적 임피던스를 탐색하는 무선 전력 전송 시스템.
Wherein the digital control unit searches for the optimal impedance using a hill-climbing algorithm.
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