KR20160017042A - 2 코일 디바이스를 위한 프라이머리 전력 공급 튜닝 네트워크 및 동작 방법 - Google Patents

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Abstract

이 개시물은 AC 소스를 부하에 연결 및 동작시키기 위한 시스템들, 방법들 및 장치를 제공한다. 하나의 양태에서, 특히 무선 전력 전송의 영역에서 사용될 수도 있는 전력 공급 토폴로지가 제공된다. 이 토폴로지는, 단일 소스로 하여금 제 1 필드를 생성하도록 구성된 하나 이상의 전도성 구조들을 에너자이징하도록 허용하여, 전력 수신기에의 전력 전송을 향상시킨다.

Description

2 코일 디바이스를 위한 프라이머리 전력 공급 튜닝 네트워크 및 동작 방법{PRIMARY POWER SUPPLY TUNING NETWORK FOR TWO COIL DEVICE AND METHOD OF OPERATION}
본 개시물은 일반적으로 무선 전력 전송에 관한 것이고, 보다 구체적으로는 배터리들을 포함하는 차량들과 같은 원격 시스템들로의 무선 전력 전송에 관련된 디바이스들, 시스템들, 및 방법들에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시물은 전력 소스로부터의 단일 구동 신호로 하여금 하나 이상의 전도성 구조들을 에너자이징하는 것을 허용하는 전력 공급기 토폴로지에 관한 것이다.
배터리와 같은 에너지 저장 디바이스로부터 수신된 전기로부터 도출된 로코모션 전력 (locomotion power) 을 포함하는 원격 시스템들, 예컨대 차량들이 도입되어 있다. 예를 들어, 하이브리드 전기 차량들은, 차량 제동 및 종래 모터들로부터의 전력을 사용하여 차량들을 충전하는 탑재형 충전기들을 포함한다. 오로지 전기 차량들은 일반적으로, 배터리들을 충전하기 위한 전기를 다른 소스들로부터 수신한다. 배터리 전기 차량들 (전기 차량들) 은 종종, 가정용 또는 상업용 AC 공급 소스들과 같은 유선 교류 (AC) 의 일부 타입을 통해 충전되도록 제안된다. 유선 충전 커넥션들은, 전력 공급기에 물리적으로 접속되는 케이블들 또는 다른 유사한 커넥터들을 요구한다. 케이블들 및 유사한 커넥터들은 종종 불편하거나 거추장스러우며, 다른 단점들을 가질 수도 있다. 전기 차량들을 충전하는데 사용될 전력을 (예를 들어, 무선 필드를 통해) 자유 공간에 전송하는 것이 가능한 무선 충전 시스템들은 유선 충전 솔루션들의 결점들 중 일부를 극복할 수도 있다. 이와 같이, 무선 전력을 효율적이고 안전하게 전송하는 시스템들 및 방법들이 필요하다.
무선 전력 전송 시스템들에서, 프라이머리 (primary) 송신 코일과 세컨더리 (secondary) 수신 코일의 상대적인 포지셔닝 (positioning) 은, 송신기 (transmitter) 로부터 수신기 (receiver) 로 전달되는 전력의 양 및 전력 전송의 효율 양자에 크게 영향을 미칠 수 있다. 가변적인 포지셔닝 문제에 대한 한 가지 해결책은 송신기로 하나보다 많은 송신 코일에 전력공급함으로써 자기 필드 (magnetic field) 를 발생시키는 것을 수반한다. 이것은 보다 큰 물리적 영역을 커버 (cover) 할 수도 있고, 송신 코일들로 하여금, 발생된 자기 필드를 "성형 (shape)" 하도록 포지셔닝되고 전력공급되며 수신 코일에 의해 보여지는 자기 플럭스 (magnetic flux) 를 증가시키기 위해 필드 강도를 변화시키는 것을 허용한다. 다중 코일 송신기를 완전히 제어하도록 하기 위해, 코일들을 통해 구동되는 전류의 크기 및 코일들 사이의 전류의 상대적인 위상 (phase) 을 조정하는 능력은 별개의 전력 소스들 (예컨대, 인버터 브릿지들) 및 튜닝 네트워크들 (tuning networks) 의 이용을 요구한다. 하지만, 다중 소스들 및 튜닝 네트워크들은 컴포넌트들의 수 및 양으로 인해 송신기의 물리적인 사이즈 및 금전적인 비용을 증가시킨다. 각 소스, 튜닝 네트워크, 및 다른 회로는 송신기의 전 전력을 위해 레이팅되어야 한다. 또한, 다중 소스들은 송신기의 제어 복잡성을 증가시킨다. 이와 같이, 본 개시는 소스로부터 프라이머리 코일들로 단일 구동 신호 (drive signal) 를 선택적으로 라우팅할 수도 있는 튜닝 네트워크에 관한 것이다. 튜닝 네트워크는 송신기의 동작 동안 프라이머리 코일들을 선택적으로 에너자이징하고 (energize) 또는 디스에이블 (disable) 하도록 재구성될 수도 있다.
첨부된 청구항들의 범위 내의 시스템들, 방법들, 및 디바이스들의 다양한 실시형태들은 여러 양태들을 각각 가지며, 이중 어느 하나도 단독으로 본원에서 설명되는 바람직한 속성들을 책임지지 않는다. 첨부된 청구항들의 범위를 벗어나지 않으면서 일부 두드러진 특징들이 본원에서 설명된다.
본 명세서에서 설명되는 본질의 하나 이상의 구현들의 상세는 첨부된 도면 및 하기의 상세한 설명에서 설명된다. 다른 특성들, 양태들, 및 이점들은 상세한 설명, 도면들, 및 특허청구범위로부터 명확해질 것이다. 다음의 도면들의 상대적인 치수들은 일정한 축척으로 그려지지 않을 수도 있음을 주목해야 한다.
본 개시의 하나의 양태는 무선 전력 송신기를 제공한다. 송신기는 제 1 필드 (field) 를 발생시키도록 구성된 제 1 전도성 구조 (conductive structure) 를 포함한다. 송신기는, 제 1 전도성 구조와 직렬이고 제 2 필드를 발생시키도록 구성된 제 2 전도성 구조를 더 포함한다. 송신기는, 구동 신호 (drive signal) 를 생성하도록 구성된 소스 (source) 를 더 포함한다. 송신기는, 제 1 전도성 구조 또는 제 2 전도성 구조 중 어느 일방에 또는 제 1 전도성 구조 및 제 2 전도성 구조 양방에 구동 신호를 선택적으로 라우팅하도록 구성되고, 구동 신호에 의해 구동되는 제 1 전도성 구조 및 제 2 전도성 구조 중 어느 일방 또는 양방의 튜닝을 유지하도록 더 구성되는 회로를 더 포함한다.
본 개시의 다른 양태는 무선으로 전력을 송신하는 방법을 제공한다. 이 방법은 소스로 구동 신호를 생성하는 단계를 포함한다. 이 방법은, 제 1 필드를 발생시키기 위해 제 1 전도성 구조를 에너자이징하는 것; 제 2 필드를 발생시키기 위해 제 2 전도성 구조를 에너자이징하는 것; 또는 제 3 필드를 발생시키기 위해 직렬인 제 1 전도성 구조 및 제 2 전도성 구조를 에너자이징하는 것 중 어느 것을 위해 전력 전송 동안 구동 신호를 동적으로 라우팅 (routing) 하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 또 다른 양태는 무선 전력 송신기를 제공한다. 이 송신기는, 구동 신호를 생성하기 위한 수단을 포함한다. 이 송신기는, 제 1 필드를 발생시키기 위해 제 1 수단을 에너자이징하는 것; 제 2 필드를 발생시키기 위해 제 2 수단을 에너자이징하는 것; 또는 제 3 필드를 발생시키기 위해 제 1 수단 및 제 2 수단의 양방을 에너자이징하는 것 중 어느 것을 위해 전력 전송 동안 구동 신호를 동적으로 라우팅하는 수단을 더 포함한다.
도 1 은 예시적인 무선 전력 전송 시스템의 기능 블록도이다.
도 2 는 도 1 의 무선 전력 전송 시스템에서 사용될 수도 있는 예시적인 무선 전력 송신기의 기능 블록도이다.
도 3 은 도 1 의 무선 전력 전송 시스템에서 사용될 수도 있는 예시적인 무선 전력 수신기의 기능 블록도이다.
도 4 는 LCL 공진 회로를 갖는 무선 전력 송신기의 단순화된 회로도이다.
도 5a 는 션트-스위치 토폴로지를 갖는 무선 전력 송신기의 일 실시형태의 단순화된 회로도이다.
도 5b 내지 도 5d 는 전도성 구조들의 어느 일방 또는 양방을 구동하도록 구성된 션트-스위치 토폴로지를 갖는 무선 전력 송신기의 일 실시형태의 단순화된 회로도들이다.
도 6 은 도 5c 에서 도시된 회로와 등가 회로도이다.
도 7a 내지 도 7d 는 도 5b 에서 도시된 회로의 시뮬레이션으로부터의 전압 전류 파형들이다.
도 7e 내지 도 7h 는 도 5c 에서 도시된 회로의 시뮬레이션으로부터의 전압 전류 파형들이다.
도 7i 는 도 5b 및 도 5c 의 구성으로부터의 시뮬레이션 결과들을 비교하는 2 개의 전류 파형들을 나타낸다.
도 8a 는 직렬-스위치 토폴로지를 갖는 무선 전력 송신기의 일 실시형태의 단순화된 회로도이다.
도 8b 내지 도 8d 는 전도성 구조들의 어느 일방 또는 양방을 구동하도록 구성된 직렬-스위치 토폴로지를 갖는 무선 전력 송신기의 일 실시형태의 단순화된 회로도들이다.
도 9a 및 도 9b 는 도 8c 에서 도시된 회로의 등가 회로도들이다.
도 10a 내지 도 10d 는 도 8b 에서 도시된 회로의 시뮬레이션으로부터의 전압 전류 파형들이다.
도 10e 내지 도 10h 는 도 8c 에서 도시된 회로의 시뮬레이션으로부터의 전압 전류 파형들이다.
도 11 은 예시적인 전기 차량에 배치된 교체 가능한 비접촉식 배터리를 나타내는 기능 블록도이다.
도 12 는 전기 차량을 충전하기 위한 예시적인 무선 전력 전송 시스템의 도이다.
도 13 은 전기 차량을 무선 충전하기 위해 이용가능할 수도 있는 예시적인 주파수들을 나타내는 주파수 스펙트럼의 차트이다.
도 14 는 무선으로 전력을 송신하는 예시적인 방법의 플로우차트이다.
도 15 는 예시적인 무선 전력 송신기의 기능 블록도이다.
도면들에 예시된 다양한 피처들은 일정한 축척으로 그려지지 않을 수도 있다. 따라서, 다양한 피처들의 치수들은 임의로 확장될 수도 있거나 명확함을 위해 축소될 수도 있다. 또한, 도면들 중 일부는 주어진 시스템, 방법 또는 디바이스의 컴포넌트들의 전부를 도시하지 않을 수도 있다. 마지막으로, 유사한 참조 부호들은 명세서 및 도면들에 걸쳐 유사한 피처들을 가리키는데 사용될 수도 있다.
첨부된 도면들과 연계하여 하기에 설명되는 상세한 설명은 본 발명의 예시적인 실시형태의 설명으로서 의도된 것으로, 본 발명이 실시될 수 있는 실시형태들 만을 나타내려고 의도된 것은 아니다. 본원 설명 전체에서 사용된 용어 "예시적인"은 "예, 경우, 또는 예시로서 기능하는"을 의미하며, 반드시 다른 예시적인 실시형태들보다 더 바람직하거나 유리한 것으로 해석되지는 않는다. 상세한 설명은 본 발명의 예시적인 실시형태들의 완전한 이해를 제공하기 위한 목적으로 특정 상세들을 포함한다. 일부 경우들에서, 일부 디바이스들은 블록도 형태로 도시된다.
전력을 무선으로 전송하는 것은 전기 필드들, 자기 필드들, 전자기 필드들과 연관된 임의의 형태의 에너지 또는 물리적 전기 도체들의 사용 없이 송신기로부터 수신기로 전송되는 다른 것들을 지칭할 수도 있다 (예를 들어, 전력은 자유 공간을 통해 전송될 수도 있다). 무선 필드 (예를 들어, 자기 필드) 내로 출력된 전력은 전력 전송을 달성하기 위한 "수신 코일"에 의해 수신되고, 캡처되거나, 커플링될 수도 있다.
도 1 은 예시적인 무선 전력 전송 시스템 (100) 의 기능 블록도이다. 입력 전력 (102) 이 무선 전력 송신기 (110) 에 제공되는데, 이 송신기는 에너지 전송을 제공하는 필드 (108) 를 생성하는 송신 회로를 구동시키기에 적합한 형태로 입력 전력 (102) 을 변환한다. 송신 회로는 전도성 구조 (105) 및 커패시터 (116) 를 포함할 수도 있다. 전도성 구조 (105) 는 교류에 의한 야기에 응답하여 시변 자기 필드 (108) 를 생성하도록 구성될 수도 있다. 수신 회로는 전도성 구조 (107) 및 커패시터 (121) 를 포함할 수도 있다. 전도성 구조 (107) 는 자기 필드 (108) 의 에너지를 통해 전도성 구조 (105) 에 커플링하여, 무선 전력 수신기 (120) 에 의해 정류 및 필터링되는 전압을 유도한다. 본원에 사용된 바와 같은 용어 "전도성 구조 (conductive structure)" 는 루프, 코일, 안테나, 또는 다른 구조일 수도 있다. 송신기와 연관된 전도성 구조는 수신기와 연관된 전도성 구조에 에너지를 무선으로 전달하는 자기 필드를 생성한다. 반대로, 수신기와 연관된 전도성 구조는 무선 전력 송신기와 연관된 전도성 구조와 연관된 전도성 구조에 의해 생성된 자기 필드로부터 에너지를 수신한다. 결과의 출력은 출력 전력 (130) 에 커플링된 디바이스 (미도시) 에 의한 소비 또는 저장을 위해 사용될 수도 있다. 전도성 구조 (105) 및 전도성 구조 (107) 양자 모두는 거리만큼 분리된다. 전도성 구조 (105) 및 전도성 구조 (107) 는 시스템의 동작 주파수에서 공진하도록 튜닝되어, 전력 전송의 효율성을 최적화한다. 전도성 구조 (107) 의 공진 주파수 및 전도성 구조 (105) 의 공진 주파수가 매우 가까운 경우, 전도성 구조 (105) 와 전도성 구조 (107) 간의 송신 손실들은, 자기 필드 (108) 의 플럭스 라인들의 대부분이 전도성 구조 (107) 부근 또는 이를 통과하는 영역에 전도성 구조 (107) 가 위치되는 경우 최소이다.
전도성 구조 (105) 및 전도성 구조 (107) 는 그것과 함께 연관될 애플리케이션들 및 디바이스들에 따라 사이즈가 정해질 수도 있다. 효율적인 에너지 전송은, 전자기파에서 에너지의 대부분을 원거리 필드로 전파하기 보다는 전도성 구조 (105) 의 필드의 에너지의 많은 부분을 전도성 구조 (107) 에 커플링함으로써 발생한다. 이 근거리 필드에 있는 경우, 커플링 (coupling) 모드는 전도성 구조 (105) 와 전도성 구조 (107) 사이에 전개될 수도 있다. 이 근거리 필드 커플링이 발생할 수도 있는 전도성 구조 (107) 및 전도성 구조 (105) 주변의 영역은 커플링 모드 영역으로서 본원에 지칭될 수도 있다.
도 1 에 도시된 바와 같이, 무선 전력 송신기 (110) 는 50/60 Hz 에서 유틸리티 전력 (102) 을 수신하고, 이것을 동작 주파수에서 교류 (AC) 로 변환하여 전도성 구조 (105) 를 구동시킬 수도 있다. 무선 전력 송신기 (110) 는 유틸리티 AC 전력을 맥동 (pulsating) DC 로 변환하는 정류기 (111) 를 포함할 수도 있다. 전기 차량 충전기와 같은 큰 부하들에 대해, 역률 (power factor) 보정 회로 (112) 가 사용되어 과도한 전류들이 유틸리티 그리드에서 유동하는 것을 방지하고 50/60 Hz 에서 유틸리티 전력 (102) 을 필터링할 수도 있다. 맥동 DC 는 큰 에너지 저장 엘리먼트 (113) 에 의해 일정한 DC 로 필터링될 수도 있다. DC 는 그 후, 인버터 회로 (114) 에 의해 구형파로 변환되고 필터 (115) 에 의해 사인파로 필터링될 수도 있다. 이 출력은 그 후, 송신 회로의 전도성 구조 (105) 에 접속될 수도 있다. 전도성 구조 (105) 에서 유동하는 AC 전류는 시변 자기 필드 (108) 를 생성할 수도 있다. 언급된 바와 같이, 송신 회로는 전도성 구조 (105) 및 커패시터 (116) 를 포함하여 동작 주파수에서 공진할 수도 있어서, 전도성 구조 (105) 와 전도성 구조 (107) 간의 향상된 자기 커플링을 생성한다.
수신 회로에서의 전도성 구조 (107) 는 자기 필드 (108) 를 통해 전도성 구조 (105) 에 커플링하고, 무선 전력 수신기 (120) 에 접속되는 AC 전력을 생성한다. 커패시터 (121) 및 전도성 구조 (107) 는 동작 주파수에서 공진 회로를 형성할 수도 있어서, 전도성 구조 (105) 와 전도성 구조 (107) 간에 더 좋은 자기 커플링을 생성한다. AC 전력은 정류기 (122) 에 의해 맥동 DC 로 변환된다. 에너지 저장 디바이스 (123) 가 포함되어, 맥동 DC 를 일정한 DC 로 평활화할 수도 있다. 스위치 모드 전력 공급기 (124) 가 포함되어, 출력 전력 (130) 을 통해 배터리 (미도시) 를 충전하기에 적합한 값으로 전압을 조정할 수도 있다. 무선 전력 송신기 (110) 및 무선 전력 수신기 (120) 는 자기 필드 (108) 를 변조함으로써, 또는 별개의 통신 채널 (132) (예를 들어, 블루투스, 지그비, 셀룰러, NFC 등) 을 통해 통신할 수도 있다.
언급된 바와 같이, 전도성 구조 (105) 와 전도성 구조 (107) 간의 효율적인 에너지 전송은 전도성 구조 (105) 와 전도성 구조 (107) 간의 매칭된 또는 거의 매칭된 공진 동안 발생하고, 그 주파수에서 무선 전력 송신기 (110) 에 의해 구동된다. 그러나, 전도성 구조 (105) 와 전도성 구조 (107) 간의 공진이 매칭되지 않더라도, 에너지는 전송될 수도 있지만, 효율성은 영향을 받을 수도 있다. 에너지의 전송은 전도성 구조 (105) 의 근거리 필드로부터, 전도성 구조 (105) 로부터 자유 공간으로 에너지를 전파하기 보다는 근거리 필드가 확립되는 이웃에 있는 전도성 구조 (107) 로 에너지를 커플링함으로써 발생한다. 근거리 필드는 전도성 구조 (105) 로부터 멀리 전력을 방출하지 않는 전도성 구조 (105) 에서의 전류들 및 전하들에서 기인하는 강한 리액티브 필드들이 존재하는 영역에 대응할 수도 있다. 일부 경우들에서, 근거리 필드는 이하에서 추가로 설명되는 바와 같이 전도성 구조 (105) 의 약 하나의 1/2π 파장 내에 있는 영역 (및 전도성 구조 (107) 에 대해서는 그 반대) 에 대응할 수도 있다.
도 2 는 도 1 의 무선 전력 전송 시스템 (100) 에서 사용될 수도 있는 예시적인 무선 전력 송신기 (200) 의 기능 블록도이다. 도 2 는 50/60 Hz 유틸리티 그리드 전력을, 전도성 구조 (205) 및 커패시터 (217) 를 포함하는 송신 회로를 구동시키는데 사용될 수도 있는 AC 로 변환하는데 필요한 기능성을 포함할 수도 있는 무선 전력 송신기의 예시적인 구성을 나타내지만, 다른 구성들이 다른 입력 전력 소스들에 대해 가능하다. 50/60 Hz 유틸리티 그리드 전력 (202) 은 라인 필터 (211) 에 의해 컨디셔닝되어, 잡음 및 손상 전압 스파이크들을 제거할 수도 있다. 정류기 (212) 는 50/60 Hz AC 를 맥동 DC 로 변환할 수도 있다.
유효 전력 팩터 (active power factor) 보정 회로 (213) 가 조정 목적을 위해 포함되어, 탈조 (out of phase) 전압 및 전류로 인한 유틸리티 그리드에서의 과도한 전류들 및 정류기 (212) 의 스위칭 액션으로 인한 고조파 왜곡을 방지할 수도 있다. 유효 전력 팩터 보정 회로 (213) 는 그 전압 출력을 실질적으로 일정하도록 조정할 수도 있다. 전력 팩터 보정 회로 (213) 는 그것이 유틸리티 그리드 전압을 뒤따르고 양호한 역률을 갖는 저항성 부하로서 나타나도록 유틸리티 그리드로부터 전류의 흐름을 조정할 수도 있다. 전력 팩터 보정 회로 (213) 는 유틸리티 그리드 전압 파형에 매칭하도록 변조되는 일련의 펄스들에서 유틸리티 그리드로부터 전류를 인출하는 스위치 모드 전력 공급기에 유사할 수도 있다.
에너지 저장 엘리먼트 (214) 가 포함될 수도 있고, 매우 큰 커패시터일 수도 있거나 또는 그것은 인덕터들 및 커패시터들로 구성될 수도 있다. 어느 하나의 경우에서, 컴포넌트들은 50/60 Hz 유틸리티 그리드 전력의 적어도 하나의 절반 사이클로 충분한 에너지를 저장하기 위해 클 수도 있다. 더 낮은 전력이 공급된 전력 공급기들은 에너지 저장 엘리먼트 (214) 를 생략할 수도 있지만, 송신 회로를 구동하는 결과의 AC 전력은 그 후, 더 높은 피크 전압들 및 전류들 및 더 높은 피크 자기 필드들을 초래하는, 인벨로프로서 중첩된 정류된 50/60 Hz 유틸리티 그리드 전력의 파형을 가질 수도 있다. 다양한 전력 레벨들에서 이것을 방지하는 것이 바람직할 수도 있다.
인버터 회로 (215) 는 이전의 컴포넌트들 (211 내지 214) 에 의해 생성된 정류 및 평활화된 DC 를 변환하는데 사용될 수도 있고, 평활화된 DC 를 송신 회로의 동작 주파수에서 구형파로 자를 (chop) 수도 있다. 예시적인 구현으로서, 이 주파수는 20 KHz 에 있을 수 있으나, 임의의 주파수가 사용되어 실제 사이즈의 송신 회로 및 수신 회로를 초래할 수 있다. 더 높은 주파수들은 더 작은 컴포넌트들이 무선 전력 송신기 (200) 에 사용되는 것을 허용할 수도 있는 한편, 더 낮은 주파수들은 더 낮은 스위칭 손실들로 인해 더 높은 효율성을 초래할 수도 있다. 충전 시스템들은 400 Hz 내지 1 MHz 의 범위에서 주파수들을 사용하도록 제안되고 있다.
매칭 회로 (216) 가 포함되어 인버터 회로 (215) 에 의해 생성된 구형파를 억제된 고조파들을 갖는 사인파로 변환하기 위한 필터로서 듀얼 듀티를 수행하고, 인버터 회로 (215) 의 임피던스를 송신 회로의 전도성 구조 (205) 및 커패시터 (217) 로 구성된 공진 회로에 매칭할 수도 있다. 매칭 회로 (216) 는 상대적으로 높은 주파수에서 동작하고 있기 때문에, 컴포넌트들은 상대적으로 작을 수도 있지만 바람직하게는 손실을 방지하기 위해 고 품질이다. 커패시터 (217) 는 송신 회로에서의 전도성 구조 (205) 와 병렬로 또는 직렬로 있을 수도 있지만, 임의의 경우에서 이 디바이스에서 유동하는 전류에는 공진 회로의 동작 Q 가 곱해지기 때문에 손실을 방지하도록 최고 품질일 수도 있다. 유사하게, 송신 회로에서의 전도성 구조 (205) 는 손실을 방지하기 위해 고 품질의 컴포넌트들로 구성될 수도 있다. 리츠선 (Litz wire) 이 배선에서 구리를 최대로 사용하고 표면적을 증가시키는데 사용될 수도 있다. 대안으로, 송신 회로의 전도성 구조 (205) 는 저항 손실들을 낮게 유지하기 위해 선택된 두께, 폭 및 금속 타입을 갖는 금속 스트립으로 제조될 수도 있다. 동작 주파수에서 포화, 에디 전류들 및 손실을 방지하기 위해 자기 회로에 사용된 페라이트 재료가 선택될 수도 있다.
무선 전력 송신기 (200) 는 송신 회로에 의해 생성된 자기 필드 (208) 부근에서 액티브 수신 코일들의 존재 또는 부존재를 검출하기 위해 부하 감지 회로 (미도시) 를 더 포함할 수도 있다. 예시적인 방식으로, 부하 감지 회로는 인버터 회로 (215) 로 유동하는 전류를 모니터링하고, 이것은 자기 필드 (208) 의 부근에서 적절히 정렬된 수신 코일의 존재 또는 부존재에 의해 영향을 받는다. 인버터 회로 (215) 상의 부하에 대한 변화들의 검출은, 에너지를 송신하기 위해 전력 팩터 보정 회로 (213) 를 인에이블할지와 액티브 수신기 코일과 통신할지의 여부를 결정하는데 사용하기 위해 제어기 (미도시) 에 의해 모니터링될 수도 있다. 인버터 회로 (215) 에서 측정된 전류는 또한, 송신 회로의 충전 영역 내에 무효한 오브젝트가 위치되는지 여부를 결정하는데 사용될 수도 있다.
도 3 은 도 1 의 무선 전력 전송 시스템 (100) 에서 사용될 수도 있는 예시적인 무선 전력 수신기 시스템 (300) 의 기능 블록도이다. 수신기 시스템 (300) 은 자기 필드 (308) 를, 배터리 (미도시) 또는 전력 디바이스 (미도시) 를 충전하는데 사용된 DC 전력 (330) 으로 변환되는 AC 전력으로 변환할 수도 있다. 수신 회로는 커패시터 (321) 와 함께 공진 회로를 형성하는 전도성 구조 (307) 를 포함한다. 도 2 를 참조하여 전술된 커패시터 (321) 및 전도성 구조 (307) 에 대한 컴포넌트 품질의 코멘트들이 또한 여기서 적용한다. 매칭 회로 (322) 는, 수신 회로에 의해 생성된 AC 전력이 정류기 (323) 에 임피던스 매칭되고 정류기 (323) 에 의해 생성된 고조파들이 수신 회로에 커플링되지 않는 경우 역방향으로만 매칭 회로 (213) 에 유사한 기능을 수행할 수도 있다. 정류기 회로 (323) 는 매칭 회로 (322) 에 대한 필터링 요건을 감소시키고 정류 액션에 의해 생성된 고조파들을 감소시키는데 사용될 수도 있다. 이것은 전력을 무선으로 수신하고 부하 (예를 들어, 충전을 위한 배터리) 에 그 전력을 제공하도록 전력 변환의 효율성을 증가시키기 위해 고 역률을 제공하는 것을 허용할 수도 있다.
에너지 저장 엘리먼트 (324) 가 사용되어, 맥동 DC 를 일정한 DC 로 평활화할 수도 있다. 에너지 저장 엘리먼트 (324) 는, 컴포넌트들이 더 작을 수도 있도록 (도 2 의 에너지 저장 엘리먼트 (214) 에 비해) 고 주파수들에서 동작할 수도 있다. 스위치 모드 전력 공급기 (325) 는 배터리 관리 시스템 (미도시) 에 응답하여 DC 전압 및 가능하게는 DC 전류를 조절하도록 사용될 수도 있다. 대안으로서, 스위치 모드 전력 공급기 (325) 의 조정 기능은 무선 전력 송신기 (200) 내에 제공될 수도 있지만, 이 접근법은 무선 전력 수신기 (300) 로부터 무선 전력 송신기 (200) 로의 빠르고 신뢰할 만한 통신 링크에 의존할 수도 있고 전체 시스템에 복잡성을 추가할 수도 있다.
도 4 는 LCL 공진 회로를 갖는 무선 전력 송신기의 단순화된 회로도이다. 도시된 바와 같이, 전도성 구조 (498) 는 자기 필드 (490) 를 생성하여 전력 전송을 위해 전도성 구조 (499) 에 유도적으로 커플링한다. 송신 측 상에서, 전도성 구조 (498) 는 전력 소스 (401) 에 의해 전력이 공급되는 LCL 공진 회로에서의 인덕터들 중 하나이다. 소스 (401) 는 LCL 공진 회로 이전의 회로부, 예를 들어 도 2 의 유틸리티 그리드 전력 (202), 라인 필터 (211), 정류기 (212), 전력 팩터 보정 회로 (213), 에너지 저장 엘리먼트 (214), 및 인버터 회로 (215), 또는 이들의 일부 서브세트를 대표한다. 수신 측에서, 전도성 구조 (499) 는 도 3 의 전도성 구조 (307) (예를 들어, 수신 회로의 일부) 일 수도 있다. 또한, 전도성 구조 (499) 는 도 3 의 커패시터 (321), 매칭 회로 (322), 정류기 (323), 에너지 저장 엘리먼트 (324), 스위치 모드 전력 공급기 (325) 에 접속되어 DC 전력 (330) 을 제공할 수도 있다. 전도성 구조들 (498 및 499) 은 느슨하게 커플링된 트랜스포머 (transformer) 의 프라이머리 코일 및 세컨더리 코일로서 각각 여겨질 수도 있다.
인덕터 (410), 커패시터 (420), 및 전도성 구조 (498) 를 포함하는 LCL 공진 회로는 다수의 기능들을 갖는다. 먼저, 도 2 의 매칭 회로 (216) 와 같이, LCL 공진 회로는 소스의 출력을 평활화할 수도 있다. 인버터 회로는 정류기의 DC 출력을 AC 신호로 변환한다. 이 AC 신호는 무선 전력 시스템의 동작 주파수 외의 주파수 컴포넌트들을 포함하고, 비-정현파 (예를 들어, 구형파) 를 가질 수도 있다. 그러나, 에너지 전송을 위해 시스템의 동작 주파수에서 송신 코일에 정현파 입력을 갖는 것이 바람직할 수도 있다. 따라서, LCL 공진 회로는 인버터 회로로부터 출력된 비-동작 주파수 컴포넌트들을 필터링하여, 공진 회로에 대한 정현파 여기 신호를 생성할 수도 있다. 두 번째, 전도성 구조 (498) 및 커패시터 (420) 는 송신 회로 (예를 들어, 도 2 에서의 전도성 구조 (205) 및 커패시터 (217)) 로서 역할을 한다. 따라서, LCL 공진 회로의 일부는 무선 전력 전송을 위한 송신 코일로서 역할을 하여, 전원과 공진 코일 사이의 다른 매칭 회로들을 구현하는 시스템들에 비해 시스템 복잡성을 감소시킨다. 시스템의 공진 주파수, 또는 무선 전력 송신기의 튜닝은 따라서, 전도성 구조 (498) 의 인덕턴스 (L) 및 커패시터 (420) 의 커패시턴스 (C) 에 의해 설정된다. 최종적으로, 수신 측 부하에 커플링될 때 LCL 공진 회로는 소스에 의해 보여진 임피던스가 효율적인 에너지 전송을 허용하도록 임피던스 변환을 수행한다. 보다 구체적으로, LCL 네트워크를 통한 임피던스 변환과 결합하여, 리액턴스 (Xc) 를 갖는 커패시터 (420) 및 유도성 리액턴스 (XL) 를 각각 갖는 인덕터 (410) 및 전도성 구조 (498) 를 이용하고 여기서 XL 는 XC 과 동일하며, 소스에 의해 보여질 때 임피던스는 전도성 구조들 (498 과 499) 사이의 유도 커플링을 통해 수신측 부하의 반영된 임피던스인 것으로 보여질 수 있다. 따라서, 수신 측 부하에서의 변화들이 소스에 반영되고 매칭 네트워크에서의 손실들이 최소화된다. 일부 실시형태들에서, 전도성 구조는 리액턴스 (XL) 를 갖는 단일 루프, 코일, 또는 안테나를 포함할 수도 있다. 다른 실시형태들에서, 전도성 구조는 리액턴스가 XL 이도록, 전기적 구성에서 복수의 루프들, 코일들, 또는 안테나를 포함할 수도 있다. 복수의 루프들, 코일들, 또는 안테나는 생성된 자기 필드를 조정하도록 공간에 상대적으로 위치될 수도 있다.
상기 논의된 바와 같이, 다중 코일 송신기에서 별개의 소스로 각 코일을 구동하는 것은 송신기의 비용, 사이즈, 및 복잡성을 증가시킨다. 따라서, 본 개시는, 전력 소스로부터의 단일 구동 신호로 하여금, 송신기의 튜닝을 유지하면서도 동작 동안 프라이머리 코일들을 선택적으로 에너자이징 또는 디스에이블하는 것을 허용하는 무선 전력 송신기에 대한 전력 공급 토폴로지 (topology) 에 관한 것이다. 프라이머리 코일들을 선택적으로 에너자이징함으로써, 발생된 자기 필드의 형상 및 강도는 프라이머리 코일(들)과 세컨더리 코일 사이의 커플링을 향상시키기 위해 변경될 수도 있다.
도 5a 는 션트-스위치 (shunt-switch) 토폴로지를 갖는 무선 전력 송신기의 일 실시형태의 단순화된 회로도이다. 이 실시형태에서, 소스 (502) 는 구동 신호를 통해 전도성 구조들 (512 및 516) 의 일방 또는 양방을 선택적으로 에너자이징할 수도 있다. 2 개의 전도성 구조들은 2 개의 프라이머리 코일들을 포함할 수도 있고, 각각의 코일은 자기 필드를 발생시킬 수 있다. LCL 공진 회로의 제 1 유도성 브랜치 (branch) 는 총 리액턴스가 j2X 의 임피던스로 유도성이도록 인덕터 (506) 및 커패시터 (504) 를 포함한다. 트랜스포머 (508) 는 LCL 공진 회로의 제 1 유도성 "L" 브랜치와 소스를 격리시키기 위해 선택적으로 포함될 수도 있다. LCL 공진 회로의 용량성 브랜치 상에서, 2 개의 커패시터들 (510 및 514) 이 직렬로 연결되고, 각 커패시터는 임피던스 -jX 를 갖는다. 마지막으로, LCL 공진 회로의 제 2 유도성 브랜치는 직렬로 연결된 2 개의 전도성 구조들 (512 및 516) 을 포함하고, 각 전도성 구조는 jX 의 임피던스를 갖는다. 전도성 구조들 및 커패시터들은 그 다음에 병렬로 연결되어, 무선 전력 송신기의 송신 회로를 형성한다. 도 4 의 송신 회로에 비해, 직렬 컴포넌트들은 LCL 공진 회로의 제 2 유도성 브랜치의 그리고 용량성 브랜치의 임피던스들을 나눈다.
도 5a 를 다시 참조하면, 스위치들 (518, 520, 및 522) 은 커패시터들 (510 및 514) 및 전도성 구조들 (512 및 516) 을 통하는 전도성 경로를 재구성 (reconfigure) 할 수도 있다. 스위치 상태에 따라, 전도성 구조들의 어느 일방, 양방, 또는 어느 것도 아닌 것이 에너자이징될 수도 있다. (스위치 (520) 와 함께) 스위치 (518) 는 커패시터 (510) 및 전도성 구조 (512) 주위의 전류를 직렬 커패시터들 및 전도성 구조들 사이에 위치된 노드로 선택적으로 션트하여 회로로부터 커패시터 (510) 및 전도성 구조 (512) 를 유효하게 제거할 수도 있다. 유사하게, (스위치 (520) 와 함께) 스위치 (522) 는 커패시터 (514) 및 전도성 구조 (516) 주위의 전류를 선택적으로 션트할 수도 있다. 스위치들 (518 및 522) 의 상태에 따라, 스위치 (520) 는 전도성 구조 (512) 또는 전도성 구조 (516) 중 어느 일방을 통해, 션트된 전류를 선택적으로 라우팅할 수도 있다. 닫힌 상태에서의 스위치들 (518 및 522) 로, 전류는 전도성 구조들을 바이패스 (bypass) 하여, 전력 전송을 디스에이블할 수도 있다.
전도성 구조들 (512 및 516) 은 물리적으로 동일하거나 구별될 수도 있고, 수신기에 대한 커플링을 향상시키도록 포지셔닝될 수도 있다. 예를 들어, 전도성 구조 (512) 는 유사한 전도성 구조 (516) 에 대해 직교하거나 인접하게 포지셔닝될 수도 있다. 또 다른 예로서, 전도성 구조 (512) 는 유사하지 않은 전도성 구조 (516) 와 동축으로 포지셔닝될 수도 있다.
도 5b 내지 도 5d 는 전도성 구조들의 어느 일방 또는 양방을 구동하도록 구성된 션트-스위치 토폴로지를 갖는 무선 전력 송신기의 단순화된 회로도들이다. 전류 흐름은 굵은 경로들에 의해 표시된다. 도 5b 를 참조하면, 스위치들 (518, 520, 및 522) 이 모두 개방 상태로, 2 개의 커패시터들 (510 및 514) 및 2 개의 전도성 구조들 (512 및 516) 은 송신 회로를 형성한다. 이 구성에서, 직렬 커패시터들은 -j2X 의 등가 임피던스를 가지고, 직렬 전도성 구조들은 j2X 의 등가 임피던스를 가져, 공진 송신 회로를 형성한다.
전도성 구조들 (512, 516) 에 대한 세컨더리 코일의 포지션은 각 전도성 구조를 통해 소스 (502) 에 의해 보여지는 임피던스에 영향을 미칠 수도 있다. 전도성 구조들 (512 및 516) 이 병렬로 연결되었다면, 세컨더리 코일과 더 나은 정렬을 갖는 전도성 구조는 다른 전도성 구조보다 더 높은 임피던스를 나타내었을 것이고, 보다 양호하게 정렬된 전도성 구조를 통과하는 전류 흐름을 감소시키고 전력 전송에 부정적으로 영향을 미쳤을 것이다. 하지만, 전도성 구조들이 직렬로 연결되기 때문에, 동일한 양의 전류가 양자를 통해 흐르고 불균형의 전도성 구조 임피던스들의 영향을 무효화시킨다. 도 4 에서와 같이, j2X 의 등가 임피던스를 갖는 제 1 유도성 브랜치로, LCL 공진 회로의 모든 3 개의 브랜치들은 등가 리액턴스 2X 를 가지고, LCL 공진 회로는 2X 의 특성 임피던스를 갖는다. 개별 인덕터들의 임피던스 및 LCL 공진 회로의 커패시터들은 2X 와 동일할 수 있고, 단일 네트워크의 임피던스의 2 배이다. 임피던스는 LCL 네트워크 회로의 "설계된" 임피던스일 수 있고, LCL 네트워크 회로의 부하 임피던스가 아니다.
도 5c 는, 스위치들 (520 및 522) 이 폐쇄된 상태에서, 회로로부터 커패시터 (514) 및 전도성 구조 (516) 를 유효하게 제거하는 구성을 나타낸다. 임피던스 -jX 를 갖는 커패시터 (510) 및 임피던스 jX 를 갖는 전도성 구조 (512) 가 송신 회로를 형성한다. 유사하게, 도 5d 는, 스위치들 (518 및 520) 이 폐쇄된 상태에서, 회로로부터 커패시터 (510) 및 전도성 구조 (512) 를 유효하게 제거하는 구성을 나타낸다. 임피던스 -jX 를 갖는 커패시터 (514) 및 임피던스 jX 를 갖는 전도성 구조 (516) 가 송신 회로를 형성한다. 커패시터의 커패시턴스와 전도성 구조의 인덕턴스가 도 8b 의 것 (-j2X 및 j2X) 에 대해 이들 구성들 (-jX 및 jX) 에서 비례를 유지하기 때문에, 송신기는 동일한 공진 주파수에 튜닝된 채로 유지된다. 또한, 이들 구성들에서, LCL 공진 회로의 특성 임피던스는 2X 에서부터 X 로 변화한다. 2X 및 X 의 값은 LCL 네트워크 회로의 등가 임피던스 (또는 특성 임피던스) 일 수 있다. 소스 (502) 전압이 일정하면, 감소된 임피던스는 도 5b 에서 도시된 구성에 대해 에너자이징된 전도성 구조를 통해 흐르는 전류를 2 배로 만든다. 전도성 구조를 통해 흐르는 전류의 실제 양은 LCL 공진 회로의 브랜치들의 불균형에 의해 영향을 받고, 도 6 에 대해 이하 논의된다.
도 6 은 도 5c 에서 도시된 회로의 등가 회로도이다. 트랜스포머 (508) 가 1:1 권선 비로 이상적이라고 가정하고, 션트된 커패시터 (514) 및 인덕터 (516) 를 제거함으로써, 도 5c 의 회로는 도 6 의 회로로 감소될 수 있다. 커패시터 (514) 및 전도성 구조 (516) 를 스위칭에 의해 제외함으로써, LCL 공진 회로의 3 개의 브랜치들은 더 이상 등가 임피던스들을 가지지 않는다. 그 결과로서, 소스 (502) 는 추가적인 리액티브 로딩을 보게 되고, 전도성 구조 (512) 를 통해 흐르는 전류의 위상 및 크기를 시프트하게 된다. 이것은 송신기에서의 리액티브 전력의 양을 증가시키고, 부하에 전달되는 실제 전력의 양을 감소시켜, 결과적으로 회로의 역률을 감소시키게 된다.
도 7a 내지 도 7d 는 도 5b 에서 도시된 회로의 시뮬레이션으로부터의 전압 전류 파형이다. 스위치들 (518, 520, 및 522) 이 개방 상태에서, 소스 (502) 는 양 전도성 구조들 (512 및 516) 을 에너자이징한다. 소스는 도 7a 및 도 7b 에서 전압 및 전류 파형에 의해 나타낸 바와 같이 비교적 일정한 양의 전력을 출력한다. 전도성 구조들의 직렬 구성으로 인해, 도 7c 및 도 7d 는 각각의 전도성 구조를 통과하는 전류는 동일한 것을 보여준다.
도 7e 및 도 7h 는 도 5c 에서 도시된 회로의 시뮬레이션으로부터의 전압 전류 파형이다. 스위치들 (520 및 522) 이 폐쇄된 상태에서, 소스 (502) 는 오직 전도성 구조 (512) 만을 에너자이징한다. 도 7e 및 도 7f 는, 소스가 도 7a 및 도 7b 에서 나타낸 출력에 비해 비교적 일정한 양의 전력을 출력하는 것을 계속하는 것을 보여준다. 이 구성에서 LCL 공진 회로의 특성 임피던스는 2X 로부터 X 로 감소되기 때문에, 전도성 구조 (512) 를 통해 흐르는 전류는 2 배로 되고, 전도성 구조 (516) 를 통해 흐르는 전류는 제로이다.
도 7i 는 도 5b 및 도 5c 의 구성들로부터의 시뮬레이션 결과들을 비교하는 2 개의 전류 파형들을 나타낸다. 논의된 바와 같이, 단일 전도성 구조를 에너자이징할 때, LCL 공진 회로에서의 브랜치들의 임피던스 미스매치 (mismatch) 로 인해 도입되는 추가적인 리액티브 성분은 에너자이징된 전도성 구조를 통해 흐르는 전류의 위상 및 크기가 양 전도성 구조들을 구동하는 것에 대해 변화하게 한다. 도 5b 및 도 5c 의 구성을 시뮬레이션함에 있어서, 소스는 대략 5 킬로와트의 전력을 전달하고 있었다. 도 7i 에서 도시된 바와 같이, 단일 전도성 구조 구성에서의 전류는, LCL 공진 회로의 제 1 브랜치의 추가적인 유도성 리액턴스로 인해 2 개의 전도성 구조에서의 전류에 대해 뒤로 지연되고 있다. 하지만, 프라이머리 전력 공급기로서의 사용을 위해 설계되는 LCL 공진 회로는 LCL 공진 회로의 제 1 직렬 인덕턴스의 미스튜닝 (mistuning) 에 대해 일반적으로 둔감하다. 따라서, 도입된 위상 지연 및 증가된 전류 크기는 비교적 작고, 따라서 전력 전송 효율 및 피크 전력 전송에 대한 영향은 무시가능하다.
션트-스위치 토폴로지는 몇몇 이점들을 갖는다. 첫 째로, 그것은 단일 전력 소스 (예컨대, 인버터) 가 양 전도성 구조들을 구동하는 것을 허용한다. 둘 째로, 전류를 이퀄라이징하는 것을 넘어, 2 개의 전도성 구조들의 직렬 구성은 그들의 크로스 커플링을 최소화한다. 셋 째로, 스위치 (520) 를 가로지르는 전압 차이는 2 개의 전도성 구조들 사이의 부하 불균형을 모니터링하기 위해 이용될 수도 있다. 부하 불균형은, 수신기 코일이 2 개의 전도성 구조들 (512, 516) 중 하나에 더 큰 커플링 계수를 가질 때 발생할 수도 있다. 따라서, 스위치 (520) 를 가로지르는 전압 차이를 모니터링함으로써, 제어기 (미도시) 는 전도성 구조들 중 하나를 스위치 온 또는 오프하는 것이 적절한지 여부를 결정할 수도 있다. 스위치 (520) 상의 전압 스트레스가 공통의 메인 전압 스트레스 레벨 아래인 조건들에서, 고 전압 애플리케이션들에 대해 특수화된 스위치는 일반적으로 이용되지 않는다.
도 8a 는 직렬-스위치 토폴로지를 갖는 무선 전력 송신기의 일 실시형태의 단순화된 회로도이다. 이 실시형태에서, 단일 소스 (802) 는 구동 신호를 통해 전도성 구조들 (812 및 816) 의 일방 또는 양방을 선택적으로 에너자이징할 수도 있다. 2 개의 전도성 구조들은 2 개의 프라이머리 코일들을 포함할 수도 있고, 각각의 코일은 자기 필드를 발생시킬 수 있다. LCL 공진 회로의 제 1 유도성 브랜치는, 총 리액턴스가 j2X 의 임피던스를 갖는 유도성이도록 인덕터 (806) 및 커패시터 (804) 를 포함한다. 트랜스포머 (808) 는 LCL 공진 회로의 제 1 유도성 "L" 브랜치와 소스를 격리시키기 위해 선택적으로 포함될 수도 있다. LCL 공진 회로의 용량성 브랜치 상에서, 2 개의 커패시터들 (810 및 814) 은 직렬로 연결되고, 각각의 커패시터는 임피던스 -jX 를 갖는다. 마지막으로, LCL 공진 회로의 제 2 유도성 브랜치는 직렬로 연결된 2 개의 전도성 구조들 (812 및 816) 을 포함하고, 각각의 전도성 구조는 jX 의 임피던스를 갖는다. 전도성 구조들 및 커패시터들은 그 다음, 병렬로 연결되어, 무선 전력 송신기의 송신 회로를 형성한다.
스위치들 (818, 820, 및 822) 은 커패시터들 (810 및 814) 및 전도성 구조들 (812 및 816) 을 통하는 전도성 경로를 재구성할 수도 있다. 스위치 상태에 따라, 전도성 구조들의 어느 일방, 양방, 또는 어느 것도 아닌 것이 에너자이징될 수도 있다. 스위치들 (818 및 820), 스위치들 (820 및 822), 또는 스위치들 (818 및 822) 중 어느 것을 닫음으로써, 전류는 전도성 구조 (812), 전도성 구조 (816), 또는 양 전도성 구조들 (812 및 816) 각각을 통해 흐를 수도 있다. 모든 3 개의 스위치들이 개방 상태에서, 어떤 전류도 어느 전도성 구조를 통해서도 흐르지 않고, 전력 전송을 디스에이블시킨다.
다시, 전도성 구조들 (812 및 816) 은 물리적으로 동일하거나 구분될 수도 있고, 수신기에 대한 커플링을 향상시키도록 포지셔닝될 수도 있다. 예를 들어, 전도성 구조 (812) 는 유사한 전도성 구조 (816) 에 대해 직교하거나 인접하게 포지셔닝될 수도 있다. 또 다른 예로서, 전도성 구조 (812) 는 유사하지 않은 전도성 구조 (816) 와 동축으로 포지셔닝될 수도 있다.
도 8b 내지 도 8d 는 전도성 구조들의 어느 일방 또는 양방을 구동하도록 구성된 직렬-스위치 토폴로지를 갖는 무선 전력 송신기의 단순화된 회로도들이다. 전류 흐름은 굵은 경로들에 의해 표시된다. 도 8b 를 참조하면, 스위치들 (812 및 822) 이 폐쇄된 상태이고 스위치 (820) 는 개방된 상태에서, 2 개의 커패시터들 (810 및 814) 및 2 개의 전도성 구조들 (812 및 816) 이 송신 회로를 형성한다. 이 구성에서, 직렬 커패시터들은 -j2X 의 등가 임피던스를 가지고, 직렬 전도성 구조들은 j2X 의 등가 임피던스를 가져, 공진 송신 회로를 형성한다.
전술한 바와 같이, 전도성 구조들 (812, 816) 에 대한 세컨더리 코일의 포지션은 각 전도성 구조를 통해 소스 (802) 에 의해 보여지는 임피던스에 영향을 미칠 수도 있다. 전도성 구조들이 직렬로 연결된 상태에서, 이 구성은, 도 5 에서의 구성과 같이, 동일한 양의 전류가 양 전도성 구조를 통해 흐르고 불균형의 전도성 구조 임피던스들의 영향을 무효화시킨다. 도 4 에서와 같이, j2X 의 등가 임피던스를 갖는 제 1 유도성 브랜치로, LCL 공진 회로의 모든 3 개의 브랜치들은 등가 리액턴스 2X 를 가지고, LCL 공진 회로는 2X 의 특성 임피던스를 갖는다.
도 8c 는, 스위치들 (818 및 820) 이 폐쇄된 상태에서, 회로로부터 전도성 구조 (816) 를 유효하게 제거하는 구성을 나타낸다. 임피던스 -jX 를 갖는 커패시터 (810) 및 임피던스 jX 를 갖는 전도성 구조 (812) 가 송신 회로를 형성한다. 유사하게, 도 8d 는, 스위치들 (820 및 822) 이 폐쇄된 상태이고 스위치 (818) 가 개방된 상태에서, 회로로부터 전도성 구조 (812) 를 유효하게 제거하는 구성을 나타낸다. 임피던스 -jX 를 갖는 커패시터 (814) 및 임피던스 jX 를 갖는 전도성 구조 (816) 가 송신 회로를 형성한다. 커패시터의 커패시턴스와 전도성 구조의 인덕턴스가 도 8b 의 것 (-j2X 및 j2X) 에 대해 이들 구성들 (-jX 및 jX) 에서 비례를 유지하기 때문에, 송신기는 동일한 공진 주파수에 튜닝된 채로 유지된다. 또한, 이들 구성들에서, LCL 공진 회로의 특성 임피던스는 2X 에서부터 X 로 변화한다. 소스 (802) 전압이 일정하면, 감소된 임피던스는 도 8b 에서 도시된 구성에 대해 에너자이징된 전도성 구조를 통해 흐르는 전류를 2 배로 만든다.
도 9a 및 도 9b 는 도 8c 에서 도시된 회로의 등가 회로도들이다. 션트-스위치 토폴로지에 비해, 스위치들 (818 및 820) 을 폐쇄하고 스위치 (822) 를 개방함으로써, 커패시터 (814) 는 전도성 구조 (812) 와 직렬로 스위칭된다. 그 결과로서, 커패시터 (814) 는, 양 전도성 구조들이 에너자이징될 때 튜닝 커패시터로서 작용하는 것으로부터, LCL 공진 회로의 입력 브랜치 상에서 추가적인 용량성 리액턴스로서 작용하는 것으로 스위칭된다. 유사하게, 스위치들 (820 및 822) 을 폐쇄하고 스위치 (818) 를 개방함으로써, 커패시터 (810) 는 전도성 구조 (816) 와 직렬로 스위칭되고, 다시, 양 전도성 구조들이 에너자이징될 때 튜닝 커패시터로서 작용하는 것으로부터, LCL 공진 회로의 입력 브랜치 상에서 추가적인 용량성 리액턴스로서 작용하는 것으로 스위칭된다. j2X 의 결합된 임피던스를 갖는 인덕터 (806) 및 커패시터 (804) 와 직렬로, -jX 의 임피던스를 갖는 커패시터 (810) 또는 커패시터 (814) 중 어느 일방은, jX 의 등가 임피던스를 갖는 LCL 공진 회로에 대한 입력 브랜치를 초래한다. 션트-스위치 토폴로지에 비해, 직렬-스위치 토폴로지에서의 LCL 공진 회로의 3 개의 브랜치들은 동일한 임피던스들을 가지고, 추가적인 리액티브 부하를 도입하지 않고, 에너자이징된 전도성 구조를 통해 흐르는 전류의 위상 및 크기에 어떤 시프트 (shift) 도 도입되지 않는다. 따라서, 소스 (802) 에 의해 전달되는 전력 출력의 전체 양은 부하를 구동하기 위해 사용되어, 2 개의 에너자이징된 전도성 구조 구성에 유사한 역률을 달성한다.
도 10a 내지 도 10d 는 도 8b 에서 도시된 회로의 시뮬레이션으로부터의 전압 전류 파형들이다. 스위치들 (818 및 822) 이 폐쇄된 상태이고, 스위치 (820) 가 개방된 상태에서, 소스 (802) 는 양 전도성 구조들 (812 및 816) 을 에너자이징한다. 소스는, 도 10a 및 도 10b 에서의 전압 및 전류 파형들에 의해 나타낸 바와 같이 비교적 일정한 양의 전력을 출력한다. 전도성 구조들의 직렬 구성으로 인해, 도 10c 및 도 10d 는 각 전도성 구조를 통해 흐르는 전류는 동일한 것을 나타낸다.
도 10e 내지 도 10h 는 도 8c 에서 도시된 회로의 시뮬레이션으로부터의 전압 전류 파형들이다. 스위치들 (818 및 820) 이 폐쇄된 상태이고, 스위치 (822) 가 개방된 상태에서, 소스 (802) 는 전도성 구조 (812) 만을 에너자이징한다. 도 10e 및 도 10f 는, 소스가, 도 10a 및 도 10b 에서 도시된 출력에 비해 비교적 일정한 양의 전력을 출력하는 것을 계속하는 것을 나타낸다. 이 구성에서의 LCL 공진 회로의 특성 임피던스는 이제 절반으로 되기 때문에, 전도성 구조 (812) 를 통해 흐르는 전류는 2 배로 되고, 전도성 구조 (816) 를 통한 전류는 제로가 된다.
직렬-스위치 토폴로지는 몇몇 이점들을 갖는다. 첫 째로, 그것은 단일 전력 소스 (예컨대, 인버터) 가 양 전도성 구조들을 구동하는 것을 허용한다. 둘 째로, 전류를 이퀄라이징하는 것을 넘어, 2 개의 전도성 구조들의 직렬 구성은 그들의 크로스 커플링을 최소화한다. 셋 째로, 스위치 (820) 를 가로지르는 전압 차이는 상기 논의된 바와 같이 2 개의 전도성 구조들 사이의 부하 불균형을 모니터링하기 위해 이용될 수도 있다. 마지막으로, 전도성 구조 (812) 또는 전도성 구조 (816) 중 어느 일방을 에너자이징할 때, 직렬-스위치 토폴로지는, 디스에이블된 전도성 구조와 연관된 커패시터를, 튜닝 커패시터로서 작용하는 것으로부터 LCL 공진 회로의 입력 브랜치 상에서 추가적인 용량성 리액턴스로서 작용하는 것으로 스위칭하고, LCL 브랜치들의 임피던스를 균형맞추고, 션트-스위치 토폴로지에서 보여지는 임의의 추가적인 리액티브 로딩의 도입을 회피한다.
무선 전력 송신기는, 션트-스위치 또는 직렬-스위치 토폴로지로 스위치들의 상태를 제어하기 위한 제어기를 포함할 수도 있다. 제어기는, 다양한 신호들의 크기 및/또는 위상들을 측정하기 위해 송신기 내에 위치된 하나 이상의 전압 및/또는 전류 센서들에 연결될 수도 있다. 예를 들어, 센서는 에너자이징된 전도성 구조를 통하는 전류 또는 그 양단의 전압을 모니터링하기 위해 이용될 수도 있다. 측정치들은 무선 전력 수신기가 존재하는지 여부를, 그리고, 만약 존재한다면, 무선 전력 전송에 대한 최적의 스위치 구성을 결정하도록 각 전도성 구조에 대한 부하의 정도를 평가하기 위해 이용될 수도 있다. 제어기는 또한, 전력 송신 동안 최적의 스위치 구성을 동적으로 결정하기 위해 별개의 통신 채널을 통해 무선 전력 수신기로부터 전송된 정보를 이용할 수도 있다. 최적의 구성은 무선 전력 송신기의 소망되는 동작에 따라 변화할 수도 있다. 예를 들어, 제어기는 무선 전력 수신기에 전달되는 전력의 양, 무선 전력 수신기로부터 무선 전력 송신기로의 전력 전송의 효율을 최대화할 수도 있고, 또는, 소스에 의해 생성된 구동 신호로부터 양 전도성 구조들을 연결해제하거나 바이패스함으로써 전력 전송을 디스에이블할 수도 있다.
전술된 전력 공급기 토폴로지들의 하나의 예시적인 애플리케이션은 전기 차량 시스템들의 전개에 있어서 무선 전력 송신기들 내에 있다. 전기 차량이 본원에 사용되어 원격 시스템을 설명하고, 이것의 예는 그 로코모션 능력들의 부분으로서 충전 가능한 에너지 저장 디바이스 (예를 들어, 하나 이상의 재충전 가능한 전자화학 셀들 또는 다른 타입의 배터리) 로부터 유도된 전기 전력을 포함하는 비히클이다. 비-제한의 예들로서, 일부 전기 차량들은 전기 모터들 외에, 다이렉트 로코모션을 위한 또는 차량의 배터리를 충전하기 위한 통상의 연소 기관을 포함하는 하이브리드 전기 차량들일 수도 있다. 다른 전기 차량들은 전기 전력으로부터 모든 로코모션 능력을 인출할 수도 있다. 전기 차량은 자동차에 제한되지 않고, 모터사이클들, 카트들, 스쿠터들, 컨베이어 디바이스들 등을 포함할 수도 있다. 비제한의 예시로서, 원격 시스템은 전기 차량 (EV) 의 형태로 본원에 설명된다. 또한, 충전 가능한 에너지 저장 디바이스를 사용하여 적어도 부분적으로 전력 공급될 수도 있는 다른 원격 시스템들이 또한, 고려된다 (예를 들어, 개인 컴퓨팅 디바이스들 등과 같은 전자 디바이스들).
무선 전력 전송 시스템은 재충전 가능한 또는 교체 가능한 배터리들을 포함하는 다양한 전기 차량들과 사용될 수도 있다. 도 11 은 전기 차량 (1112) 에 배치된 교체 가능한 비접촉 배터리를 나타내는 예시적인 기능 블록도이다. 낮은 배터리 포지션은 무선 전력 인터페이스 (예를 들어, 충전기-대-배터리 무선 인터페이스 (1126)) 를 통합하고 그라운드에 임베딩되거나 차량 아래의 무선 전력 송신기 (미도시) 로부터 전력을 수신할 수도 있는 전기 차량 배터리 유닛에 대해 유용할 수도 있다. 도 11 에서, 전기 차량 배터리 유닛은 재충전 가능한 배터리 유닛일 수도 있고, 배터리 격실 (1124) 에 수용될 수도 있다. 전기 차량 배터리 유닛은 또한, 공진 전도성 구조를 포함하는 전체 전기 차량 무선 전력 수신기를 통합할 수도 있는 무선 전력 인터페이스 (1126), 전력 변환 회로부, 및 무선 전력 송신기와 전기 차량 배터리 유닛 (도 1 및 도 3 참조) 간의 효율적이고 안전한 무선 에너지 전송에 필요한 바와 같은 다른 제어 및 통신 기능들을 제공한다. 본원에 개시된 전력 공급기 토폴로지를 통합하고 전기 차량 애플리케이션에서 사용된 바와 같은 무선 전력 전송 시스템은 양방향 전력 전송을 용이하게 할 수도 있으며, 따라서 전도성 구조는 수신 또는 송신 에너지로 작용할 수도 있다. 이것은 EV 오너가, 고 유틸리티 전력 수요의 시간들에서 (예를 들어, 낮 동안) 저장된 에너지를 팔고, 저 유틸리티 전력 수요의 시간들에서 (예를 들어, 밤 동안) 에너지를 구매하는 것을 가능하게 한다.
돌출 부분들이 존재하지 않도록 지정된 그라운드-대-차량 바디 클리어런스가 유지될 수 있도록 전기 차량 전도성 구조가 전기 차량 배터리 유닛 또는 차량 바디의 하부 측과 같은 높이로 통합되는 것이 유용할 수도 있다. 이 구성은 전기 차량 무선 전력 수신기에 전용된 전기 차량 배터리 유닛에서의 일부 룸에서 필요로 할 수도 있다. 전기 차량 배터리 유닛 (1122) 은 또한, 전기 차량 (1112) 과 무선 전력 송신기 간에 비접촉 전력 및 통신을 제공하는 충전기-대-배터리 무선 인터페이스 (1126), 및 배터리-대-EV 무선 인터페이스 (1128) 를 포함할 수도 있다.
도 12 는 전기 차량 (1212) 을 충전하기 위한 예시적인 무선 전력 전송 시스템 (1200) 의 도면이다. 무선 전력 전송 시스템 (1200) 은, 전기 차량 (1212) 이 베이스 (1202a) 근처에 주차되어 있는 동안 전기 차량 (1212) 의 충전을 가능하게 한다. 2 개의 전기 차량들에 대한 공간들은 대응하는 베이스 (1202a 및 1202b) 를 통해 주차되도록 주차 영역에 예시된다. 배전 센터 (distribution center; 1230) 는 전력 백본 (1232) 에 접속되고, 다른 컴포넌트들 (예를 들어, 도 2 의 라인 필터 (211) 및 정류기 (212)) 의 위치선정 (siting) 에 따라, 전력 링크 (1210) 를 통해 교류 (AC) 또는 직류 (DC) 를 베이스 (1202a) 에 제공하도록 구성될 수도 있다. 베이스 (1202a) 는 또한, 전력을 무선으로 전송 또는 수신하기 위한 전도성 구조들 (1204a 및 1206a) 을 포함한다. 이 특정 그림에서, 2 개의 전도성 구조들은 서로 인접한다. 전기 차량 (1212) 은 배터리 유닛 (1218), 전기 차량 전도성 구조 (1216), 및 전기 차량 무선 충전 시스템 (1214) 을 포함할 수도 있다. 베이스 (1202a) 에 대한 전기 차량 전도성 구조 (1216) 의 정렬에 의존하여, 향상된 효율 또는 전력 스루풋 (throughput) 이 베이스 전도성 구조들 (1204a 및 1206a) 의 어느 일방 또는 양방을 에너자이징하는 것으로부터 초래될 수도 있다. 예를 들어, 제어기가, 전기 차량 전도성 구조 (1216) 와 베이스 전도성 구조 (1206a) 가 약하게 커플링된다고 결정하는 경우에, 상기 기술된 직렬- 또는 션트-스위치 토폴로지들이 소스, 여기서는 배전 센터 (1230) 로부터 소싱된 전류의 전부를 베이스 전도성 구조 (1204a) 로 다이렉팅하기 위해 이용될 수도 있다. 그 다음, 전기 차량 전도성 구조 (1216) 는 베이스 전도성 구조 (1204a) 에 의해 생성된 전자기 필드의 영역을 통해 베이스 전도성 구조 (1204a) 와 상호작용할 수도 있다.
전기 차량 전도성 구조 (1216) 는, 전기 차량 전도성 구조 (1216) 가 베이스 전도성 구조들 (1204a 및 1206a) 중 어느 일방 또는 양방에 의해 생성된 에너지 필드에 위치되는 경우 전력을 수신할 수도 있다. 필드는, 베이스 전도성 구조들 (1204a, 1206a) 에 의해 출력된 에너지가 전기 차량 전도성 구조 (1216) 에 의해 캡처될 수도 있는 영역에 대응한다. 예를 들어, 베이스 전도성 구조들 (1204a, 1206a) 에 의해 출력된 에너지는 전기 차량 (1212) 을 충전하거나 전력을 공급하기에 충분한 레벨에 있을 수도 있다. 일부 경우들에서, 필드는 베이스 전도성 구조들 (1204a, 1206a) 의 "근거리 필드 (near field)" 에 대응할 수도 있다. 근거리 필드는 각각의 베이스 전도성 구조들 (1204a, 1206a) 로부터 멀리 전력을 방출하지 않는 베이스 전도성 구조들 (1204a, 1206a) 에서의 전류들 및 전하들에서 기인하는 강한 리액티브 필드들이 존재하는 영역에 대응할 수도 있다. 일부 경우들에서, 근거리 필드는 이하에서 추가로 설명되는 바와 같이 베이스 전도성 구조들 (1204a, 1206a) 의 동작 주파수에서의 파장의 약 1/2π 내에 있는 영역 (및 전기 차량 전도성 구조 (1216) 에 대해서는 그 반대) 에 대응할 수도 있다.
로컬 배전 (1230) 은 외부 소스들 (예를 들어, 전력 그리드) 과 그리고 베이스 (1202a) 와 하나 이상의 통신 링크들 (미도시) 를 통해 통신하도록 구성될 수도 있다.
전기 차량 전도성 구조 (1216) 는 베이스 전도성 구조들 (1204a, 1202a) 과 정렬될 수도 있고, 따라서 베이스 전도성 구조들 (1204a, 1206a) 에 대해 정확하게 전기 차량 (1212) 을 포지셔닝하는 드라이버에 의해 단순히 근거리 필드 영역 내에 위치될 수도 있다. 베이스 전도성 구조들 (1204a, 1206a) 은 정렬에서의 보다 큰 에러를 허용할 뿐만 아니라, 그들은, 전기 차량 전도성 구조 (1216) 를 통과하는 자기 플럭스를 증가시키기 위해 자기 필드를 "성형 (shaping)" 하거나 필드 강도를 조정함으로써 단일 전도성 구조에 비해 전체 전력 전송을 향상시킬 수도 있다. 정렬을 돕기 위해, 드라이버에는 시각적 피드백, 청각 피드백, 또는 이들의 조합들이 제공되어 전기 차량 (1212) 이 무선 전력 전송을 위해 적절히 배치되는 때를 결정할 수도 있다. 대안으로, 전기 차량 (1212) 은 오토파일롯 시스템에 의해 포지셔닝될 수도 있는데, 이 시스템은 정렬 에러가 허용 가능한 값에 도달할 때까지 전기 차량 (1212) 을 앞뒤로 (예를 들어, 지그-재그 이동들) 이동시킬 수도 있다. 이것은, 전기 차량 (1212) 에 서보 스티어링 휠, 초음파 센서들, 및 지능이 구비되어 차량을 조정하는 경우, 운전자 중재 없이 또는 최소의 운전자 중재로만 전기 차량 (1212) 에 의해 자동으로 그리고 자체적으로 수행될 수도 있다. 대안으로, 전기 차량 전도성 구조 (1216), 베이스 전도성 구조들 (1204a, 1206a), 또는 이들의 조합은 전도성 구조들 (1216, 1204a, 및 1206a) 을 서로에 대해 변위시키고 이동시켜 그들을 더 정확하게 배향시키고 더 효율적인 송신기-수신기 커플링을 전개하기 위한 기능을 가질 수도 있다.
베이스 (1202a) 는 다양한 로케이션들에 위치될 수도 있다. 비-제한의 예들로서, 일부 적합한 로케이션들은 EV 오너의 집에서 주차 영역, 종래의 석유-기반 주유소들 후에 모델링된 전기 차량 무선 충전을 위해 예약된 주차 영역들, 및 쇼핑 센터들 및 근무처들과 같은 다른 로케이션들에서 주차장들을 포함한다.
전기 차량들을 무선으로 충전하는 것은 다수의 이점들을 제공할 수도 있다. 예를 들어, 충전은, 사실상 드라이버 중재 및 조작들 없이 자동으로 수행되어, 사용자에 대한 편의를 개선시킬 수도 있다. 또한, 노출된 전기적 콘택트들 및 기계적 마모가 없을 수도 있어, 이에 의해 무선 전력 전송 시스템 (1200) 의 신뢰성을 향상시킨다. 케이블들 및 커넥터들과의 조작들이 필요하지 않을 수도 있고, 야외 환경에서 습기 및 물에 노출될 수도 있는 케이블들, 플러그들, 또는 소켓들이 존재하지 않을 수도 있고, 이에 의해 안정성을 향상시킨다. 또한, 가시적이거나 액세스 가능한 소켓들, 케이블들, 및 플러그들이 존재하지 않을 수도 있고, 이에 의해 전력 충전 디바이스들의 잠재적 반달리즘 (vandalism) 을 감소시킨다. 또한, 전기 차량 (1212) 은 분배형 저장 디바이스들로서 사용되어 전력 그리드를 안정화시키기 때문에, 도킹-투-그리드 솔루션이 차량-투-그리드 (V2G) 동작에 대한 차량들의 이용 가능성을 증가시키는데 사용될 수도 있다.
도 12 를 참조하여 설명된 바와 같은 무선 전력 전송 시스템 (1200) 은 또한, 미적 및 비-장애 이점들을 제공할 수도 있다. 예를 들어, 차량들 및/또는 보행자들에 대해 방해가될 수도 있는 충전 컬럼들 및 케이블들이 존재하지 않을 수도 있다.
차량-대-그리드 능력의 추가의 설명으로서, 무선 전력 송신 및 수신 능력들은, 예를 들어 에너지 부족 시에, 베이스 (1202a) 가 전력을 전기 차량 (1212) 으로 전송하고 전기 차량 (1212) 이 전력을 베이스 (1202a) 로 전송하도록 상호적으로 구성될 수도 있다. 이 능력은 재생 가능한 에너지 생산 (예를 들어, 바람 또는 태양) 에서 수요 또는 부족을 통해 야기된 에너지 부족 시에 전체 분배 시스템에 전기 차량들이 전력을 기여하는 것을 허용함으로써 전력 분배 그리드를 안정화시키기 위해 유용할 수도 있다.
도 12 를 계속해서 참조하면, 베이스 전도성 구조들 (1204a, 1206a) 및 전기 차량 전도성 구조 (1216) 는 고정된 포지션에 있을 수도 있고, 전도성 구조들은 베이스 (1202a) 에 대한 전기 차량 전도성 구조 (1216) 의 전체 배치에 의해 근접-필드 커플링 영역 내로 들어오게 된다. 그러나, 에너지 전송을 빠르게, 효율적으로 그리고 안전하게 수행하기 위해서, 베이스 전도성 구조들 (1204a, 1206a) 과 전기 차량 전도성 구조 (1216) 간의 거리는 커플링을 향상시키기 위해 감소될 필요가 있을 수도 있다. 따라서, 베이스 전도성 구조들 (1204a, 1206a) 및/또는 전기 차량 전도성 구조 (1216) 는 전개 가능 및/또는 이동 가능하여, 이들을 더 좋은 정렬로 유입할 수도 있다.
도 12 를 계속해서 참조하면, 전술된 충전 시스템들은 전기 차량 (1212) 을 충전하기 위해 또는 전력을 다시 전력 그리드로 전송하기 위해 다양한 로케이션들에서 사용될 수도 있다. 예를 들어, 전력의 전송은 주차장 환경에서 발생할 수도 있다. "주차 영역" 은 또한, 본원에서 "주차 공간" 으로서 지칭될 수도 있다. 차량 무선 전력 전송 시스템 (1200) 의 효율성을 강화시키기 위해, 전기 차량 (1212) 은 X 방향 및 Y 방향을 따라 정렬되어 전기 차량 (1212) 내의 전기 차량 전도성 구조 (1216) 이 연관된 주차 영역 내에서 베이스 (1202a) 와 적절히 정렬되게 할 수도 있다.
또한, 개시된 실시형태들은 하나 이상의 주차 공간들 또는 주차 영역들을 갖는 주차장들에 적용 가능하고, 여기서 주차장 내의 적어도 하나의 주차 공간은 베이스 (1202a) 를 포함할 수도 있다. 가이던스 (guidance) 시스템들 (미도시) 이 사용되어 차량 오퍼레이터가 주차 영역에서 전기 차량 (1212) 을 위치시키는 것을 도와서 전기 차량 (1212) 내의 전기 차량 전도성 구조 (1216) 가 베이스 (1202a) 와 정렬하게 할 수도 있다. 가이던스 시스템들은 전자 기반 접근법들 (예를 들어, 무선 포지셔닝, 방향 찾기 원리들, 및/또는 광학, 유사 광학 (quasi-optical) 및/또는 초음파 감지 방법들) 또는 기계-기반 접근법들 (예를 들어, 차량 휠 가이드들, 트랙들 또는 스톱들), 또는 이들의 임의의 조합을, 전기 차량 오퍼레이터가 전기 차량 (1212) 을 포지셔닝하는 것을 돕기 위해 포함하여, 전기 차량 (1212) 내의 전도성 구조 (1216) 가 충전 베이스 (예를 들어, 베이스 (1202a)) 내의 충전 전도성 구조와 적절히 정렬하게 할 수도 있다.
전술된 바와 같이, 전기 차량 충전 시스템 (1214) 은 베이스 (1202a) 로 전력을 송신하고 이로부터 전력을 수신하기 위해 전기 차량 (1212) 의 아래에 배치될 수도 있다. 예를 들어, 전기 차량 전도성 구조 (1216) 는 EM 노출에 관하여 최대 안전성 거리를 제공하고 전기 차량의 전방 및 후방 주차를 허용하는 센터 포지션 부근의 바람직하게는 하부에서 차량들 안에 통합될 수도 있다.
도 13 은 무선 전력 전송 시스템에서 전기 차량을 무선 충전하기 위해 사용될 수도 있는 예시적인 주파수들을 나타내는 주파수 스펙트럼의 차트이다. 도 13 에 도시된 바와 같이, 전기 차량들로의 무선 고 전력 전송을 위한 포텐셜 주파수 범위들은 다음을 포함할 수도 있다: 3 kHz 내지 30 kHz 대역에서 VLF, (ISM-형 애플리케이션들) 일부를 제외한 30 kHz 내지 150 kHz 대역에서의 더 낮은 LF, HF 6.78 MHz (ITU-R ISM-Band 6.765 - 6.795 MHz), HF 13.56 MHz (ITU-R ISM-Band 13.553 - 13.567), 및 HF 27.12 MHz (ITU-R ISM-Band 26.957 - 27.283).
도 15 는 무선으로 전력을 송신하는 예시적인 방법 (1500) 의 플로우차트이다. 방법 (1500) 은 도 5a 내지 도 5d, 도 8a 내지 도 8d, 및 도 12 를 참조하여 설명된 시스템들 중 임의의 것과 관련하여 사용될 수도 있다. 블록 1502 에서, 소스를 구동 신호를 생성한다. 블록 1504 에서, 제 1 필드를 발생시키기 위해 제 1 전도성 구조를 에너자이징; 제 2 필드를 발생시키기 위해 제 2 전도성 구조를 에너자이징; 또는 제 3 필드를 발생시키기 위해 직렬의 제 1 및 제 2 전도성 구조들의 양방을 에너자이징하는 것 중 어느 것을 행하기 위해 전력 전송 동안 구동 신호가 선택적으로 동적으로 라우팅된다. 전도성 구조들의 어느 일방 또는 양방을 선택적으로 에너자이징함으로써, 발생된 자기 필드는, 무선 전력 수신기의 세컨더리 코일과의 커플링 효율을 향상시키기 위해서 또는 무선 전력 수신기에 의해 수신되는 전력의 양을 최대화하기 위해서 "성형" 될 수도 있다.
도 16 은 예시적인 무선 전력 송신기의 기능 블록도이다. 무선 전력 송신기는, 구동 신호를 생성하기 위한 수단 (1802), 및 제 1 필드를 발생시키기 위한 제 1 수단을 에너자이징; 제 2 필드를 발생시키기 위한 제 2 수단을 에너자이징; 또는 제 3 필드를 발생시키기 위해, 발생시키기 위한 제 1 및 제 2 수단들의 양방을 에너자이징하는 것 중 어느 것을 행하기 위해 전력 전송 동안 구동 신호를 동적으로 라우팅하기 위한 수단 (1804) 을 포함한다. 구동신호를 생성하기 위한 수단은 소스들 (401, 501, 601, 또는 1230) 을 포함할 수도 있다. 도 2 를 참조하면, 이들 소스들은 LCL 공진 회로 이전의 회로, 예컨대, 도 2 의 유틸리티 그리드 전력 (202), 라인 필터 (211), 정류기 (212), 전력 팩터 보정 회로 (213), 에너지 저장 엘리먼트 (214), 및 인버터 회로 (215), 또는 이들의 몇몇 서브셋트를 나타낸다. 전력 전송 동안 구동 신호를 동적으로 라우팅하기 위한 수단 (1804) 은 상기 기술된 바와 같이 그리고 도 5a 내지 도 5d 및 도 8a 내지 도 8d 의 단순화된 회로에서 묘사된 바와 같이 션트-스위치 토폴로지 또는 직렬-스위치 토폴로지 중 어느 일방의 LCL 공진 회로를 포함할 수도 있다. 이것은, 전도성 구조들 (512, 516, 812, 816, 1204a, 1206a, 1204b, 1206b), 커패시터들 (504, 804, 510, 514, 810, 814), 트랜스포머들 (508, 808), 인덕터들 (506, 806), 및 스위치들 (518, 520, 522, 818, 820, 822) 을 포함할 수도 있다.
상기의 다양한 전기적 특성들 (예컨대, 인덕턴스, 리액턴스) 의 기술들은 이상적인 컴포넌트들 (예컨대, 인덕터들, 커패시터들, 트랜스포머들) 을 가정한다. 물론, 어떤 실제의 구현도 이상적인 컴포넌트들을 포함하지 않을 것이다. 이상적인 구성은 LCL 공진 회로에서 사용되는 컴포넌트들의 리액턴스에 매칭할 수도 있지만, 송신 회로에서의 것들을 포함하여, 실제의 전기적 컴포넌트 특성 값들은 5%, 10%, 15%, 20%, 또는 25% 만큼 변화할 수도 있다.
본 명세서에서 개시된 높은 Q (품질) 팩터의 송신 회로들을 갖는 것이 바람직할 수도 있고, Q 팩터는 회로의 중심 주파수가 회로의 -3dB 대역폭에 의해 나누어진 것이다. 바람직하게는, 송신 회로의 Q 팩터는 100, 200, 300, 400, 500, 또는 1000 일 수도 있다. 더 높은 Q 팩터는 공진 회로에서의 전력 손실들을 감소시키고, 다른 구조들과의 송신 안테나의 상호작용을 최소화한다.
정보 및 신호들은 다양한 상이한 기술들 및 기법들 중 임의의 것을 사용하여 표현될 수도 있다. 예를 들어, 상기 설명을 통해 참조될 수도 있는 데이터, 명령들, 커맨드들, 정보, 신호들, 비트들, 심볼들, 및 칩들은 전압들, 전류들, 전자기파들, 자기장들 또는 자기 입자들, 광학 필드들 또는 입자들, 이들의 임의의 조합에 의해 표현될 수도 있다.
통상의 기술자라면, 본원에서 개시된 실시형태들과 연계하여 설명된 다양한 예시적인 논리 블록들, 모듈들, 회로들, 및 알고리즘 단계들이 전자 하드웨어, 컴퓨터 소프트웨어, 또는 이들 양자 모두의 조합들로서 구현될 수도 있다. 하드웨어와 소프트웨어의 이러한 상호교환성을 명확하게 설명하기 위해, 다양한 예시적인 컴포넌트들, 블록들, 모듈들, 회로들, 및 단계들이 그들의 기능성에 대해 전반적으로 전술되었다. 그러한 기능이 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되는지 여부는 특정 애플리케이션 및 전체 시스템에 부과되는 설계 제약들에 따라 달라진다. 설명된 기능성은 각각의 특정 애플리케이션에 대한 다양한 방식들로 구현될 수도 있으나, 이러한 구현 결정들이 본 발명의 실시형태들의 범위를 벗어나게 하는 것으로 해석되서는 안 된다.
본원에서 개시된 실시형태들과 연계하여 설명된 다양한 예시적인 블록들, 모듈들, 및 회로들은 범용 프로세서, 디지털 신호 프로세서 (DSP), 주문형 반도체 (ASIC), 필드 프로그래머블 게이트 어레이 (FPGA) 또는 다른 프로그래머블 로직 디바이스, 이산 게이트 또는 트랜지스터 로직, 이산 하드웨어 컴포넌트들, 또는 본원에 설명된 기능들을 수행하도록 설계된 것들의 임의의 조합에 의해 구현되거나 수행될 수도 있다. 범용 프로세서는 마이크로프로세서일 수도 있지만, 대안으로 프로세서는 임의의 종래의 프로세서, 제어기, 마이크로제어기, 또는 상태 머신일 수도 있다. 프로세서는 또한 컴퓨팅 디바이스들의 조합, 예를 들면, DSP와 마이크로프로세서의 조합, 복수의 마이크로프로세서들, DSP 코어와 연계한 하나 이상의 마이크로프로세서들, 또는 임의의 다른 그러한 구성으로 구현될 수도 있다.
본원에서 개시된 실시형태들과 연계하여 설명된 방법 또는 알고리즘 및 기능들의 단계들은 하드웨어에서, 프로세서에 의해 실행되는 소프트웨어 모듈에서, 또는 이들 둘의 조합에서 직접적으로 구현될 수도 있다. 소프트웨어로 구현되는 경우, 기능들은 하나 이상의 명령들 또는 코드로서 유형의 컴퓨터 판독 가능한 매체 상에 저장되거나 또는 전송될 수도 있다. 소프트웨어 모듈은 RAM(Randdom Access Memory), 플래시 메모리, ROM(Read Only Memory), EPROM(Electrically Programmable ROM), EEPROM(Electrically Erasable Programmable ROM), 레지스터, 하드디스크, 착탈형 디스크, CD-ROM, 또는 종래 기술에서 공지된 임의의 다른 형태의 저장 매체 내에 있을 수도 있다. 저장 매체는 프로세서에 커플링되어, 프로세가 저장 매체로부터 정보를 판독하거나 저장 매체에 정보를 기입할 수 있다. 대안으로, 저장 매체는 프로세서에 통합될 수도 있다. 본원에서 사용된 디스크 (disk) 및 디스크 (disc) 는 컴팩트 디스크 (CD), 레이저 디스크, 광학 디스크, DVD (digital versatile disc), 플로피 디스크, 및 블루 레이 디스크를 포함하며, 여기서 디스크 (disk) 들은 보통 데이터를 자기적으로 재생하는데 반해, 디스크 (disc) 들은 레이저를 이용하여 데이터를 광학적으로 재생한다. 위의 조합들도 컴퓨터 판독가능 매체들의 범위 내에 포함되어야 한다. 프로세서와 저장 매체는 ASIC 내에 있을 수도 있다. ASIC 는 사용자 단말기 내에 있을 수도 있다. 대안으로, 프로세서와 저장 매체는 사용자 단말기에서 개별 컴포넌트들로 있을 수도 있다.
본 개시물을 요약할 목적으로, 본 발명들의 소정의 양태들, 이점들, 및 신규한 특징들이 본원에 설명되었다. 반드시 모든 이러한 이점들이 본 발명의 임의의 특정 실시형태에 따라 달성될 필요가 없을 수도 있음이 이해될 것이다. 따라서, 본 발명은 반드시 본원에 사상되거나 제시된 다른 이점들을 달성하지 않으면서도 본원에서 교시된 바와 같은 하나의 이점 또는 한 그룹의 이점들을 달성하거나 최적화하는 방식으로 구현되거나 이행될 수도 있다.
전술된 구현들의 다양한 변형들이 자명할 것이고, 본원에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 사상 또는 범위로부터 벗어남 없이 다른 실시형태들에도 적용될 수도 있다. 따라서, 본 발명은 본원에 도시된 실시형태들로 제한되도록 의도된 것은 아니며 본원의 개시된 원칙들과 신규의 특징들과 일치하는 최광의 범위를 제공하기 위한 것이다.

Claims (24)

  1. 무선 전력 송신기로서,
    제 1 필드를 발생시키도록 구성된 제 1 전도성 구조;
    상기 제 1 전도성 구조와 직렬이고 제 2 필드를 발생시키도록 구성된 제 2 전도성 구조;
    구동 신호를 생성하도록 구성된 소스; 및
    상기 구동 신호를, 상기 제 1 전도성 구조 또는 상기 제 2 전도성 구조 중 어느 일방에 또는 상기 제 1 전도성 구조 및 상기 제 2 전도성 구조 양방에 선택적으로 라우팅하도록 구성되고, 상기 구동 신호에 의해 구동되는 상기 제 1 전도성 구조 및 상기 제 2 전도성 구조 중 어느 일방 또는 양방의 튜닝을 유지하도록 더 구성되는 회로를 포함하는, 무선 전력 송신기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전도성 구조 및 상기 제 2 전도성 구조 양방에 상기 구동 신호를 라우팅하는 것은 제 3 필드를 발생시키는, 무선 전력 송신기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 회로는 복수의 튜닝 엘리먼트들 및 복수의 스위치들을 포함하고, 상기 복수의 스위치들 중의 스위치는 상기 복수의 튜닝 엘리먼트들 중의 튜닝 엘리먼트를 상기 제 1 전도성 구조와 병렬인 것과 바이패스되는 것 사이에서 스위칭하도록 구성되는, 무선 전력 송신기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 회로는 LCL 튜닝 네트워크를 포함하는, 무선 전력 송신기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 회로에 커플링되고, 전력 전송 동안 상기 구동 신호의 라우팅을 동적으로 조정하도록 구성되는 제어기를 더 포함하는, 무선 전력 송신기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 회로는 복수의 튜닝 엘리먼트들 및 복수의 스위치들을 포함하고, 상기 복수의 스위치들 중의 스위치는 상기 복수의 튜닝 엘리먼트들 중의 튜닝 엘리먼트를 상기 제 1 전도성 구조와 병렬로 연결되는 것과 상기 제 2 전도성 구조와 직렬로 연결되는 것 사이에서 스위칭하도록 구성되는, 무선 전력 송신기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 복수의 튜닝 엘리먼트들 중의 상기 튜닝 엘리먼트 및 상기 제 2 전도성 구조는 트랜스포머의 세컨더리 코일과 추가로 직렬인, 무선 전력 송신기.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 회로는 LCL 튜닝 네트워크를 포함하고, 상기 복수의 튜닝 엘리먼트들 중의 상기 튜닝 엘리먼트 및 상기 제 2 전도성 구조는 상기 LCL 튜닝 네트워크의 입력 브랜치의 유도성 리액턴스와 추가로 직렬인, 무선 전력 송신기.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 튜닝 엘리먼트는, 상기 제 1 상태에서 상기 송신기를 동작 주파수로 튜닝하고 상기 제 2 상태에서 상기 송신기의 역률을 보정하도록 작용하는 커패시터인, 무선 전력 송신기.
  10. 제 8 항에 있어서,
    커패시터 및 상기 제 1 전도성 구조는 적어도 100 의 품질 팩터 및 동작 주파수에서 중심 주파수를 갖는 송신 회로를 형성하는, 무선 전력 송신기.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 회로는, 복수의 스위치들의 각각의 스위치 상태에 기초하여 적어도 제 1 구성, 제 2 구성, 및 제 3 구성으로 구성가능한 복수의 튜닝 엘리먼트들을 포함하는, 무선 전력 송신기.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 구성에서 상기 구동 신호는 상기 제 1 전도성 구조를 에너자이징하고, 상기 제 2 구성에서 상기 구동 신호는 상기 제 2 전도성 구조를 에너자이징하며, 상기 제 3 구성에서 상기 구동 신호는 상기 제 1 전도성 구조 및 상기 제 2 전도성 구조의 양방을 에너자이징하는, 무선 전력 송신기.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 전도성 구조는 상기 제 1 구성에서 동작 주파수로 튜닝되고, 상기 제 2 전도성 구조는 상기 제 2 구성에서 상기 동작 주파수로 튜닝되며, 상기 제 1 전도성 구조 및 상기 제 2 전도성 구조의 양방은 상기 제 3 구성에서 상기 동작 주파수로 튜닝되는, 무선 전력 송신기.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 구동 신호가 상기 제 1 전도성 구조 및 상기 제 2 전도성 구조의 양방을 바이패스하는 제 4 구성을 더 포함하는, 무선 전력 송신기.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 소스는 상기 제 1 구성, 상기 제 2 구성, 및 상기 제 3 구성에서 상기 제 1 전도성 구조 또는 상기 제 2 전도성 구조의 적어도 일방을 통해 실질적으로 일정한 전류를 제공하는, 무선 전력 송신기.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제 1 구성에서 상기 제 1 전도성 구조를 통해서 그리고 상기 제 2 구성에서 상기 제 2 전도성 구조를 통해서 흐르는 상기 전류는 상기 제 3 구성에서 상기 제 1 전도성 구조 및 상기 제 2 전도성 구조의 양방을 통해서 흐르는 전류의 양의 2 배인, 무선 전력 송신기.
  17. 무선으로 전력을 송신하는 방법으로서,
    소스로 구동 신호를 생성하는 단계; 및
    제 1 필드를 발생시키기 위해 제 1 전도성 구조를 에너자이징하는 것;
    제 2 필드를 발생시키기 위해 제 2 전도성 구조를 에너자이징하는 것; 또는
    제 3 필드를 발생시키기 위해 직렬인 상기 제 1 전도성 구조 및 상기 제 2 전도성 구조를 에너자이징하는 것
    중 어느 하나를 위해 전력 전송 동안 상기 구동 신호를 동적으로 라우팅하는 단계를 포함하는, 무선으로 전력을 송신하는 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 제 1 전도성 구조 또는 상기 제 2 전도성 구조 중 어느 일방을 에너자이징하는 것은 회로의 튜닝 엘리먼트를 바이패스하는 것을 포함하는, 무선으로 전력을 송신하는 방법.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 제 1 전도성 구조 및 상기 제 2 전도성 구조의 양방을 바이패스하도록 상기 구동 신호를 라우팅하는 단계를 더 포함하는, 무선으로 전력을 송신하는 방법.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 제 1 전도성 구조를 에너자이징하는 것은 상기 제 1 전도성 구조와 직렬로 회로의 튜닝 엘리먼트를 스위칭하는 것을 포함하고, 상기 제 2 전도성 구조 또는 상기 제 1 전도성 구조 및 상기 제 2 전도성 구조의 양방 중 어느 하나를 에너자이징하는 것은 상기 제 2 전도성 구조와 병렬로 상기 튜닝 엘리먼트를 스위칭하는 것을 포함하는, 무선으로 전력을 송신하는 방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 제 2 전도성 구조와 병렬인 상기 튜닝 엘리먼트로 무선 전력 송신기를 동작 주파수로 튜닝하는 단계; 및
    상기 제 1 전도성 구조와 직렬인 상기 튜닝 엘리먼트로 상기 무선 전력 송신기의 역률을 보정하는 단계를 더 포함하는, 무선으로 전력을 송신하는 방법.
  22. 제 17 항에 있어서,
    상기 제 1 전도성 구조, 상기 제 2 전도성 구조, 또는 상기 제 1 전도성 구조 및 상기 제 2 전도성 구조의 양방 중 어느 하나를 에너자이징하는 것은, 에너자이징된 상기 전도성 구조를 통해 실질적으로 일정한 전류를 제공하는 것을 포함하는, 무선으로 전력을 송신하는 방법.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 제 1 전도성 구조 및 상기 제 2 전도성 구조의 양방을 통해 제공되는 전류는 상기 제 1 전도성 구조 또는 상기 제 2 전도성 구조의 어느 일방을 통해 제공되는 전류의 절반인, 무선으로 전력을 송신하는 방법.
  24. 무선 전력 송신기로서,
    구동 신호를 생성하기 위한 수단; 및
    제 1 필드를 발생시키기 위해 제 1 수단을 에너자이징하는 것;
    제 2 필드를 발생시키기 위해 제 2 수단을 에너자이징하는 것; 또는
    제 3 필드를 발생시키기 위해 상기 제 1 수단 및 상기 제 2 수단의 양방을 에너자이징하는 것
    중 어느 하나를 위해 전력 전송 동안 상기 구동 신호를 동적으로 라우팅하는 수단을 포함하는, 무선 전력 송신기.
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