KR20160017626A - 임피던스 정합을 이용한 무선전력전송 장치 및 시스템 - Google Patents

임피던스 정합을 이용한 무선전력전송 장치 및 시스템 Download PDF

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KR20160017626A
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김진욱
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한국전기연구원
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Abstract

본 발명은 무선전력전송을 이용한 전지 충전 시스템으로서, 무선전력전송을 위한 전원을 공급하는 전원공급부; 적어도 하나 이상의 전력 송신 코일을 구비하여, 전지를 충전하기 위한 전력을 무선 전송하는 전력 송신부; 및 상기 전원공급부와 전력 송신부 간의 임피던스를 매칭하는 송신 임피던스 정합부를 포함하는 충전전력 공급장치와; 하나 이상의 전지마다 개별적으로 대응되는 전력 수신 코일을 통해 상기 충전전력 공급장치로부터 무선 전송되는 전력을 수신하여 상기 전지를 충전하는 전지 충전 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력전송을 이용한 전지 충전 시스템이며, 이와 같은 본 발명에 의하면 하나의 충전전력 공급장치, 즉 하나의 송신 모듈로 여러 개의 단위 전지 전체를 동시에 충전할 수 있으며, 이러한 이점으로 여러 전지셀을 전선없이 무선으로 동시에 충전할 수 있을뿐만 아니라 급속 충전이 가능하게 된다.

Description

임피던스 정합을 이용한 무선전력전송 장치 및 시스템 {Apparatus and system for wireless power transfer using impedance matching}
본 발명은 무선전력전송 장치 및 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 하나 이상의 전력 송신 코일과 그에 대한 송신 임피던스 정합회로를 구비하는 무선전력 송신장치 및 전력 수신 코일과 그에 대한 수신 임피던스 정합회로를 구비하여 상기 무선전력 송신장치로부터 무선전송된 전력을 수신하는 무선전력 수신장치를 포함하여 구성되며, 수신된 전력이 공급되는 이차 전지 등 부하의 상태에 따라 상기 송신 임피던스 정합회로 및 수신 임피던스 정합회로를 조절하여 줌으로써 하나 이상의 이차 전지 등 부하에 전력을 효율적으로 배분하여 공급할 수 있는 임피던스 정합을 이용한 무선전력전송 장치 및 시스템에 대한 것이다.
최근 스마트폰을 포함한 모바일 정보 통신 기기 및 휴대용 모바일 헬스 케어 단말 등 무선 단말의 사용이 급격히 증가하고 있다. 이러한 무선 단말 기기들은 통상 기기에 내장된 이차 전지를 이용하여 전원을 공급받게 되는데, 일반적으로 이차 전지 용량이 적어 1회 충전으로 장시간 사용할 수 없고, 이에 따라 충전을 주기적으로 해주어야 하는 불편함이 있다.
일반적으로 충전을 위해서는 직류 어댑터를 이용한 유선 충전 방식이 보편적으로 사용되고 있으나, 이 경우 사용자가 직접 무선 단말과 유선 어댑터를 유선으로 연결해 주어야 하는 불편함이 따른다. 특히, 스마트 와치와 같은 웨어러블 기기는 단말이 작아, 유선 충전을 위한 연결 작업이 더욱 어렵다. 또한, 유선 충전의 경우 다수의 전지 또는 부하를 동시에 충전시키기 위해서는 여러 개의 유선 충전 어댑터를 사용해야 하기 때문에 충전기 비용이 증가하고, 충전이 복잡해질 수 있다. 따라서, 여러 개의 어댑터를 사용하지 않고도 간편하게 다양한 무선 단말 기기를 동시에 충전할 수 있는 방안이 요구되고 있다.
최근 자기 공진형 무선전력전송(magnetic coupled resonant wireless power transfer) 기술이 주목을 받고 있다. 자기 공진형 무선전력전송 기술은 기본적으로 근거리에서 시변 자기장 결합을 이용하여 전력을 전달하게 되며, 송수신부에 수십 이상의 높은 품질 계수(quality factor, Q-factor)를 갖는 독립적인 자기 공진기(self resonator)를 사용하거나, 송수신 자기 공진 코일의 자기 인덕턴스(self-inductance)를 증가시키고 저항을 낮추어 송수신 코일의 품질 계수가 최소 수십 이상을 갖도록 한다. 이러한 기술을 기반으로 할 경우, 충전이 가능한 유효 전력 전송 거리를 개선할 수 있으며, 공간상의 일정 범위 내에 존재하는 임의의 부하에 자유 위치 (free positioning) 충전이 가능하다. 특히, 자기 공진형 무선전력전송 기술은 다중 부하에 동시에 전력을 전달할 수 있다는 장점을 가진다.
그런데, 다중 부하에 전력을 전달하고자 할 경우, 부하의 위치 및 충전 상태에 따라 최적 임피던스 매칭 조건이 변경되게 된다. 이에 따라 최적 임피던스 정합 조건이 변경되면, 각 부하에 전달되는 전력 전송 효율이 떨어지는 문제가 생긴다. 또한, 다중 부하의 경우는 각 부하마다 각각 충전 전류 또는 전압이 전지의 상태에 따라 변경되기 때문에 각 전지를 효율적으로 충전하기 위해서는 개별 전지에서 필요로 하는 전력을 최대한 적절히 공급해 주는 방법이 필요하게 된다. 예를 들어, 하나의 입력으로 두 개의 부하를 동시에 충전 할 경우, 한 부하에서 전력을 많이 요구하고, 다른 부하에서는 상대적으로 전력을 작게 필요로 할 경우에, 상기 각 부하의 상태를 고려하여 각 부하에 대한 전력 공급을 조절하는 것이 보다 바람직하게 된다.
이에 따라, 전지 등 각 부하의 상태를 고려하여 각 부하에 대한 전력 공급을 제어함으로써 각 부하에 대하여 적절하게 전력을 배분하고, 나아가 복수의 전지를 효율적으로 충전하는 등 복수의 부하에 대한 전력 공급을 최적화할 수 있는 방안이 요구되고 있으나, 아직 이에 대한 적절한 대안이 제시되지 못하고 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로서, 무선 전력전송 기술을 이용하여 다양한 종류의 이차 전지를 동시에 효과적으로 충전하는 등 다양한 부하에 전력을 효과적으로 배분하여 전송할 수 있는 무선전력전송 장치 및 시스템을 제공하고자 한다.
특히, 본 발명에서는 다양한 종류의 이차 전지에 대한 개별 특성을 고려하면서 하나의 충전전력 공급장치를 사용하여 복수의 이차 전지 등 부하로 동시에 효율적으로 전력을 공급할 수 있는 방안을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명에서는 유효 무선 충전 공간 내에 존재하는 독립된 전지들을 갖는 다수의 전자 및 전기기기 부하들이 존재하는 환경에서 부하의 상태에 맞게 효율적으로 전력을 전달할 수 있는 임피던스 정합 방안을 제공하고자 한다.
나아가, 본 발명에서는 임피던스가 적절히 정합되지 못하거나 또는 개별 부하에 맞는 적절한 전력 공급이 되지 않을 경우 나타날 수 있는 발열 문제 및 전자파 장애(Electromagnetic interference: EMI)를 방지할 수 있는 방안을 제공하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 한 측면에 따른 무선전력전송을 이용한 전지 충전 시스템은 무선전력전송을 위한 전원을 공급하는 전원공급부; 적어도 하나 이상의 전력 송신 코일을 구비하여, 전지를 충전하기 위한 전력을 무선 전송하는 전력 송신부; 및 상기 전원공급부와 전력 송신부 간의 임피던스를 매칭하는 송신 임피던스 정합부를 포함하는 충전전력 공급장치와; 하나 이상의 전지마다 개별적으로 대응되는 전력 수신 코일을 통해 상기 충전전력 공급장치로부터 무선 전송되는 전력을 수신하여 상기 전지를 충전하는 전지 충전 장치를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 송신 임피던스 정합부는, 상기 전원공급부와 직렬 연결된 송신 제1 커패시터; 및 상기 전원공급부와 직렬 연결된 상기 송신 제1 커패시터에병렬 연결된 송신 제2 커패시터를 포함할 수 있다.
또한, 상기 송신 임피던스 정합부는, 상기 전원공급부와 병렬 연결된 송신 제1 커패시터; 및 상기 전원공급부와 병렬 연결된 상기 송신 제1 커패시터에 직렬 연결된 송신 제2 커패시터를 포함할 수 있다.
또한, 상기 전력 송신부는, 상기 송신 임피던스 정합부의 출력단에 각각 연결된 두 개 이상의 전력 송신 코일을 포함할 수도 있다.
바람직하게는, 상기 송신 임피던스 정합부는, 상기 송신 제2 커패시터의 출력단에 연결된 송신 결합 코일을 더 포함하고, 상기 전력 송신 코일은 상기 송신 결합 코일과의 자기 결합을 통해 전력을 상기 전력 수신 코일로 전달하는 송신 자기 공진 코일을 포함하여 구성되며, 상기 송신 결합 코일은 인덕턱스 성분으로 기능하여 임피던스 정합에 기여할 수 있다.
여기서, 상기 전력 송신부는, 상기 송신 자기 공진 코일에 연결되어 공진 주파수를 조정하는 송신 제3 커패시터를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 송신 결합 코일은, 상기 송신 자기 공진 코일과의 상호 인덕턴스 조절을 위해 코일의 크기, 턴수 또는 상기 송신 자기 공진 코일과의 이격 거리가 조절될 수 있다.
또한, 상기 전력 송신부는, 하나의 상기 송신 결합 코일에 대응하는 복수개의 송신 자기 공진 코일을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 전력 송신부는, 복수개의 상기 송신 자기 공진 코일 각각에 연결되어 공진 주파수를 조정하는 복수개의 송신 제3 커패시터를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 무선전력전송을 이용한 전지 충전 시스템은, 적어도 하나 이상의 전력 송신 코일을 통해 전력을 무선 전송하는 충전전력 공급장치와; 상기 충전전력 공급장치로부터 무선 전송되는 전력을 수신하는 전력 수신 코일을 구비한 전력 수신부; 전지의 잔여 충전량을 확인하고 상기 전력 수신부로부터 전달받은 전력을 상기 전지에 공급하는 전지 충전부; 및 상기 전력 수신부와 상기 전지 충전부 간의 임피던스 매칭을 수행하는 수신 임피던스 정합부를 포함하는 전지 충전 장치를 포함하여 구성되며, 상기 전지 충전 장치의 상기 전력 수신부, 수신 임피던스 정합부 및 전지 충전부는 하나 이상의 전지마다 개별적으로 구비된 것을 특징으로 하는 전지 충전 장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 수신 임피던스 정합부는, 상기 전력 수신부와 직렬 연결된 수신 제1 커패시터; 및 상기 전력 수신부와 직렬 연결된 상기 수신 제1 커패시터에 병렬 연결된 수신 제2 커패시터를 포함할 수 있다.
또한, 상기 수신 임피던스 정합부는, 상기 전력 수신부와 병렬 연결된 수신 제1 커패시터; 및 상기 전력 수신부와 병렬 연결된 상기 수신 제1 커패시터에 직렬 연결된 수신 제2 커패시터를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 충전전력 공급장치의 송신 임피던스 정합부에 대한 송신 제2 커패시터와 송신 제2 커패시터에 대한 연결 구조가 선택적으로 적용될 수 있다.
바람직하게는, 상기 수신 임피던스 정합부는 임피던스 매칭을 위한 수신 커패시터; 및 상기 수신 커패시터의 입력단에 연결된 수신 결합 코일을 포함하며, 상기 전력 수신 코일은, 상기 충전전력 공급장치로부터 전력을 수신하여, 상기 수신 결합 코일과의 자기 결합을 통해 수신된 전력을 상기 수신 임피던스 정합부로 전달하는 수신 자기 공진 코일을 포함하여 구성되고, 상기 수신 결합 코일은 인덕턱스 성분으로 기능하여 임피던스 정합에 기여할 수 있다.
이때, 상기 수신 결합 코일은, 상기 수신 자기 공진 코일과의 상호 인덕턴스 조절을 위해 코일의 크기, 턴수 또는 상기 수신 자기 공진 코일과의 이격 거리가 조절될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 무선전력전송을 이용한 전지 충전 시스템은, 적어도 하나 이상의 전력 송신 코일을 구비하여 전지를 충전하기 위한 전력을 무선 전송하되, 무선 전송되는 전력을 조절 및 제어하는 송신 제어부를 포함하는 충전전력 공급장치; 및 복수개의 전지 각각에 개별적으로 대응되는 전력 수신 코일을 통해 상기 충전 전력 공급장치로부터 무선 전송되는 전력을 수신하여 상기 전지를 충전하되, 각각의 전지에 충전되는 전력을 조절 및 제어하는 수신 제어부를 포함하는 전지 충전 장치를 포함하여 구성되며, 상기 송신 제어부와 상기 수신 제어부는 상호 연동하여 무선 전송되는 전력과 충전되는 전력을 조절하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 수신 제어부는, 복수개의 전지 각각에 개별적으로 대응되어 복수개로 구성될 수 있다.
이때, 상기 송신 제어부는 상기 수신 제어부와의 유무선 통신을 위한 송신 통신부를 포함하고, 상기 수신 제어부는 상기 송신 제어부와의 유무선 통신을 위한 수신 통신부를 포함하며, 상기 송신 제어부는 상기 수신 제어부로부터의 충전 상태 정보를 기초로 송신 전력량을 제어할 수 있다.
또한, 상기 충전전력 공급장치에서, 상기 송신 제어부는 임피던스 매칭을 조절하여 상기 전력 송신 코일에 공급되는 전력을 제어할 수 있다.
또한, 상기 전지 충전 장치에서, 상기 수신 제어부는 각 전지에 대한 임피던스 매칭을 조절하여 상기 각 전지에 충전되는 전력을 제어할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 무선전력전송을 이용한 전지 충전 시스템은 적어도 하나 이상의 전력 송신 코일을 구비하며 하나 이상의 전지 충전 장치로 동시에 전력을 무선 전송할 수 있는 충전전력 공급장치와; 상기 충전전력 공급장치로부터 무선 전송되는 전력을 수신하는 전력 수신 코일을 구비한 전력 수신부; 상기 전력 수신부로부터 전달받은 전력을 전지에 공급하는 전지 충전부; 및 상기 전력 수신부와 상기 전지 충전부 간의 임피던스 매칭을 수행하는 수신 임피던스 정합부를 포함하는 전지 충전 장치를 포함하여 구성되며, 상기 수신 임피던스 정합부는 상기 전력 수신부와 병렬 연결된 수신 제1 커패시터; 및 상기 전력 수신부와 병렬 연결된 상기 수신 제1 커패시터에 직렬 연결된 수신 제2 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 전지 충전 장치에는, 상기 수신 임피던스 정합부의 임피던스 매칭을 조절하여 상기 각 전지에 충전되는 전력을 제어하는 제어부가 더 포함될 수 있다.
이때, 상기 제어부는, 상기 수신 임피던스 정합부의 임피던스 매칭을 조절하여 상기 전력 수신부에서 바라보는 상기 전지 충전부 측 입력 임피던스를 낮추어 줌으로써, 상기 충전전력 공급장치에서 전송되는 전력 중 상기 전지 충전부로 공급되는 전력의 비중을 높일 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 복수의 전지 충전부로부터 복수의 전지에 대한 상태 정보를 수집한 후, 상기 상태 정보를 고려하여 하나 이상의 전지 충전부에 대한 임피던스 매칭을 조절하여 줌으로써, 상기 충전전력 공급장치에서 전송되는 전력 중 상기 하나 이상의 전지 충전부로 공급되는 전력의 비중을 높일 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 무선전력전송을 이용한 전지 충전 시스템은, 적어도 하나 이상의 전력 송신 코일을 구비하며 하나 이상의 전지 충전 장치로 동시에 전력을 무선 전송할 수 있는 충전전력 공급장치와; 상기 충전전력 공급장치로부터 무선 전송되는 전력을 수신하는 전력 수신 코일을 구비한 전력 수신부; 상기 전력 수신부로부터 전달받은 전력을 전지에 공급하는 전지 충전부; 및 상기 전력 수신부와 상기 전지 충전부 간의 임피던스 매칭을 수행하는 수신 임피던스 정합부를 포함하는 전지 충전 장치를 포함하여 구성되며, 상기 수신 임피던스 정합부는 상기 전력 수신부와 직렬 연결된 수신 제1 커패시터; 및 상기 전력 수신부와 직렬 연결된 상기 수신 제1 커패시터에 병렬 연결된 수신 제2 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 무선전력 송신장치는 무선전력전송 시스템에서 하나 이상의 무선전력 수신 장치로 전력을 무선 전송할 수 있는 무선전력 송신장치로서, 적어도 하나 이상의 전력 송신 코일을 구비하여, 상기 무선전력 수신장치로 전력을 송출하는 전력 송신부; 상기 전력 송신부로 전원을 공급하는 전원 공급부; 및 상기 전원 공급부와 상기 전력 송신부 사이의 임피던스를 매칭하는 송신 임피던스 정합부를 포함하여 구성되며, 상기 무선전력 수신장치는 각 무선전력 수신장치마다 개별적으로 구비되는 전력 수신 코일을 통해 상기 무선전력 송신장치로부터 무선 전송되는 전력을 수신하는 장치인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 무선전력 수신장치는, 무선전력전송 시스템에서 하나 이상의 무선전력 수신장치로 전력을 무선 전송할 수 있는 무선전력 송신장치로부터 전력을 수신하는 무선전력 수신장치로서, 상기 무선전력 송신장치로부터 무선 전송되는 전력을 수신하는 전력 수신 코일을 구비한 전력 수신부; 상기 전력 수신부로부터 전달받은 전력을 다른 모듈로 공급하는 모듈 전력 공급부; 및 상기 전력 수신부와 상기 모듈 전력 공급부 간의 임피던스 매칭을 수행하는 수신 임피던스 정합부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 수신 임피던스 정합부는 하나 이상의 수신 커패시터 및 상기 전력 수신 코일과 자기 결합을 통해 수신된 전력을 수신 임피던스 정합부로 전달하는 수신 자기 공진 코일을 포함하여 구성되며, 상기 수신 결합 코일은 인덕턱스 성분으로 기능하여 임피던스 정합에 기여할 수 있다.
또한, 상기 수신 임피던스 정합부에서의 임피던스 정합을 제어하여 상기 모듈 전력 공급부로 공급되는 전력을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제어부는 상기 모듈 전력 공급부에서 측정된 상기 모듈의 상태를 고려하여, 상기 수신 임피던스 정합부에서의 임피던스 정합을 제어할 수 있다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 하나의 충전전력 공급장치, 즉 하나의 송신 모듈로 여러 개의 이차 전지를 동시에 충전할 수 있으며, 이러한 이점으로 여러 전지를 전선없이 무선으로 동시에 충전이 가능하게 된다. 나아가, 본 발명이 반드시 이차 전지의 충전 등에 한정되는 것은 아니며, 이외에도 다양한 모듈에 대한 무선 전력 전송을 효과적으로 구현할 수 있게 된다.
나아가, 본 발명에 따른 임피던스 정합 방법을 통하여 개별 전지 및 복수개의 전지 또는 부하에 효율적으로 전력을 전달할 수 있어, 시스템의 전력전송 효율을 개선할 수 있다. 또한, 임피던스 부정합로 야기되는 시스템의 발열 문제, 시스템 불안정 문제, 전자파 장애 문제들이 해결될 수 있다.
그리고, 다수의 개별 전지를 유선의 어댑터 없이 동시에 충전할 수 있어, 유선으로 개별 전지를 충전시키는 방식에 비해 충전 비용이 훨씬 더 저렴하다.
나아가, 본 발명에 의하면, 충전전력 공급장치로부터 무선 전송으로 전력을 공급받는 하나 이상의 전지 충전 장치에서 전력 수신부와 전지 충전부 간의 수신 임피던스 정합부를 상기 전력 수신부와 병렬 연결되는 수신 제1 커패시터와 이에 직렬 연결되는 수신 제2 커패시터를 포함하여 구성함으로써, 복수의 전지 중 상대적으로 다량의 충전이 요구되는 전지로 보다 많은 전력이 배분되어 고속 충전이 가능해지게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 무선전력전송을 이용한 복수의 전지 충전 시스템의 일실시예에 대한 구성도를 도시하며,
도 2는 상기 도 1의 본 발명에 따른 무선전력전송을 이용한 전지 충전 시스템의 제1 실시예에서 충전전력 공급장치를 기준으로 한 등가회로를 나타내며,
도 3은 상기 도 1의 본 발명에 따른 무선전력전송을 이용한 전지 충전 시스템의 제1 실시예에서 전지 충전 장치의 i번째 전지에 대응되는 구성을 기준으로 한 등가회로를 나타내며,
도 4는 본 발명에 따른 무선전력전송을 이용한 전지 충전 시스템의 제2 실시예에 대한 충전전력 공급장치의 구성을 도시하며,
도 5는 본 발명에 따른 무선전력전송을 이용한 전지 충전 시스템의 제2 실시예에 대한 충전전력 공급장치의 변형 구성의 등가회로를 나타내며,
도 6은 본 발명에 따른 무선전력전송을 이용한 전지 충전 시스템의 제2 실시예에 대한 전지 충전 장치의 i번째 전지에 대응되는 구성을 기준으로 한 등가회로를 도시하며,
도 7은 본 발명에 따른 무선전력전송을 이용한 전지 충전 시스템의 제3 실시예를 도시하며,
도 8은 본 발명에 따른 무선전력전송을 이용한 전지 충전 시스템의 제2 실시예와 제3 실시예를 결합한 충전전력 공급장치의 변형 구성을 나타내며,
도 9는 본 발명에 따른 무선전력전송을 이용한 전지 충전 시스템의 제1 내지 제3 실시예에 대한 구현예를 도시하며,
도 10은 본 발명에 따른 무선전력전송을 이용한 복수 전지 충전 시스템의 제4 실시예에 대한 구성도를 도시하며,
도 11은 본 발명에 따른 무선전력전송을 이용한 전지 충전 시스템의 제4 실시예에 대한 변형 구성도를 도시하며,
도 12는 본 발명에 따른 무선전력전송을 이용한 전지 충전 시스템의 실험을 위해 구현예를 도시하며,
도 13은 상기 도 1, 도2, 도3에 따라 제작된 전력 송신 코일과 전력 수신 코일 및 임피던스 정합 회로를 나타내며,
도 14 내지 도 17은 상기 도 12와 도 13에서 충전전력 공급장치의 송신 임피던스 정합부와 전지 충전 장치의 수신 임피던스 정합부를 조합하여 실험한 전력전송 효율을 나타낸다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 설명하기 위하여 이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하고 이를 참조하여 살펴본다.
먼저, 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니며, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 또한 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명에서는 하나의 실시예로서 하나 이상의 전력 송신 코일을 구비하는 충전 전력공급부가 복수의 전지마다 개별적으로 구비된 전력 수신 코일로 충전 전력을 무선 전송하여 복수의 전지에 대한 각각의 특성을 고려하여 충전을 동시에 수행할 수 있는 전지 충전 시스템을 개시한다.
특히 서로 다른 종류의 전자 디바이스의 경우에 다른 특성을 갖는 충전지를 구비할 수 있으므로 충전지마다의 충전 특성을 고려하여 다양한 종류의 여러 전자 디바이스를 동시에 효율적으로 충전시킬 수 있는 방안을 제시한다.
또한, 충전 영역 내에 독립된 전지를 갖는 다수의 부하들을 간편하고, 효율적으로 충전할 수 있는 방안을 제시한다.
나아가, 본 발명은 상기 복수의 전지에 대한 충전 시스템에 한정되지 아니하며, 본 발명의 일 실시예로서 복수의 부하에 대하여 그 상태 및 특성을 고려하여 전력을 무선 전송할 수 있는 무선전력 전송 시스템을 제시한다.
도 1은 본 발명에 따른 무선전력전송을 이용한 전지 충전 시스템의 제1 실시예에 대한 구성도를 도시한다.
상기 도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 무선전력전송을 이용한 전지 충전 시스템은 개략적으로 충전전력 공급장치(100)와 전지 충전 장치(200)를 포함하여 구성될 수 있다.
충전전력 공급장치(100)와 전지 충전 장치(200) 간은 상기 도 1에서와 같이 무선 전력 전송이 이루어지는데, 여기서 무선 전력전송에 관한 다양한 방법, 예를 들어, 자기 공진 또는 자기 유도 방식 등 무선전력전송을 위한 모든 방법이 적용될 수 있다.
충전전력 공급장치(100)는 외부 전원을 인가받아 다양한 전지 특성과 충전 상황을 고려하여 충전에 적합한 전력으로 생성하여 이를 무선 송신하며, 전지 충전 장치(200)는 충전 대상 전지의 특성과 충전 상황을 판단하고 충전전력 공급장치(100)로부터 무선 전송되는 전력을 수신하여 해당 전지를 충전한다.
각 구성을 좀더 살펴보자면, 먼저 충전전력 공급장치(100)는 전원 공급부(110), 송신 임피던스 정합부(130) 및 전력 송신부(150)를 포함하여 구성될 수 있다.
전원 공급부(110)는 무선전력전송을 위하여 외부 전원 등을 인가받아 전력 송신부(150)로 공급하는데, 예를 들어 스위칭 인버터를 이용한 교류 신호 발생시키거나, 또는 DC(Direct Current) 전원을 공급받고, 발진기 및 증폭기 등의 회로를 이용하여 송전에 필요한 교류 신호(예, 수십kHz~수백MHz)를 발생시킬 수 있다.
송신 임피던스 정합부(130)는 전원 공급부(110)와 연결되어 전송할 무선 전력에 대한 최대전력 전송을 위한 임피던스 매칭을 수행하며, 전원 공급부(110)에서 발생된 교류 신호에 따른 전력을 유선 또는 무선으로 전력 송신부(150)로 전달한다.
전력 송신부(150)는 송신 임피던스 정합부(130)를 거쳐 수신한 교류 신호를 시변 자기장 또는 시변 전기장으로 변환하는 장치이다. 근거리 자기 결합 무선전력전송을 위해 전력 송신부에서 만들어지는 시변 자기장 또는 시변 전기장은 공간으로 가능한 방사(radiation)하지 않는 것이 좋다. 무선 전력 전송을 위해서 전력 송신부(150)는 하나 이상의 전력 송신 코일(151)을 구비한다. 또한, 전력 송신부는 전력송신 코일(151)에 회로를 구성하여 전력 송신 코일(151)이 원하는 주파수에 공진이 되도록 구현하며, 공진 주파수는 전력 송신부를 조절하여 가변될 수 있다.
여기서 임피던스 매칭 방법으로서 송신 임피던스 정합부(130)에서 전원 공급부(110)를 바라보는 임피던스와 전력 송신부(150)를 바라보는 임피던스가 공액 복소수(complex conjugate)가 되도록 조절할 수 있다.
나아가, 상기 전원 공급부(110) 및 전력 송신부(150)에서의 전압 및 전류를 각각 측정하고 이를 기반으로 임피던스 정합 상태를 판단한 후, 이를 고려하여 임피던스 정합을 조정하도록 할 수 있으며, 이를 위한 제어 회로를 추가할 수도 있다.
다음으로 전지 충전 장치(200)는 전력 수신부(210), 수신 임피던스 정합부(230) 및 전지 충전부(250)를 포함하여 구성될 수 있다. 바람직하게는 상기 도 1에 도시된 바와 같이 복수의 전지(10)마다 개별적으로 대응되는 전력 수신부(210), 수신 임피던스 정합부(230) 및 전지 충전부(250)가 구성될 수 있다. 각각의 전력 수신부는 수신 코일에 회로를 구성하여 전력 수신 코일(211)이 원하는 주파수에서 공진이 되도록 구현되며, 공진 주파수는 전력 수신부를 조절하여 가변될 수 있다.
전력 수신부(210)는 충전전력 공급장치(100)로부터 무선 전송되는 전력을 수신하기 위한 전력 수신 코일(211)을 포함하는데, 전력 수신 코일(211)은 시변 자기장 결합으로 결합된 충전전력 공급장치(100)의 전력 송신 코일(151)로부터 자기 결합(magnetic coupling)하여 교류 전압을 발생시킨다.
수신 임피던스 정합부(230)는 최대 전력 수신을 위한 임피던스 매칭을 수행하며, 전력 수신부(210)가 발생시킨 전력 또는 전압, 전류를 전지 충전부(250)로 전달한다.
여기서 수신 임피던스 매칭 방법으로서 수신 임피던스 정합부(230)에서 전지 충전부(250)를 바라보는 임피던스와 전력 수신부(210)를 바라보는 임피던스가 공액 복소수(complex conjugate)가 되도록 조절할 수 있다.
나아가, 상기 전지 충전부(250) 및 전력 수신부(210)에서의 전압 또는 전류를 측정하고 이를 기반으로 임피던스 정합 상태를 판단한 후, 이를 고려하여 임피던스 정합을 조정하도록 할 수 있으며, 이를 위한 제어 회로를 추가할 수도 있다.
이때, 전지 충전부(250)는 정류회로를 포함할 수 있으며, 수신 임피던스 정합부(230)에서 전달된 교류 신호를 직류로 변환하며, 또한 정전압 또는 정전류 방식에 따른 충전 회로를 포함하여, 직류 전류를 처리하여 해당 전지(10)를 충전한다. 나아가서 전지 충전부(250)는 해당 전지(10)의 잔여 충전량을 확인하여 이를 전지(10)의 충전 상태 정보로 이용할 수도 있다.
또한, 상기와 같이, 측정된 전지(10)의 충전 상태를 고려하여, 상기 수신 임피던스 정합부(230)에서 임피던스 정합을 조정함으로써, 상기 전지(10)에 공급되는 전력을 제어할 수도 있다.
여기서 전지(10)는 모바일 기기와 같은 전자 디바이스에 개별적으로 장착되어 독립된 전지일 수도 있다.
도 2는 상기 도 1의 본 발명에 따른 무선전력전송을 이용한 전지 충전 시스템의 제1 실시예에서 충전전력 공급장치(100)를 기준으로 한 등가회로를 나타낸다.
전원 공급부(110a, 110b)에서 Vs는 특정 주파수를 갖는 교류 신호 발생기이며, Zs는 교류신호 발생기(신호증폭기 포함)의 특성 임피던스(characteristic impedance)를 나타내며, 송신 임피던스 정합부(130a, 130b)에서 Tx IMN은 송신 임피던스 정합 네트워크(Impedance Matching Network)를 나타낸다. 전력 송신부(150)에서 Ct, Rt 및 Lt는 전력 송신 코일의 자기 커패시턴스(Self capacitance), 손실 저항 및 자기 인덕턴스(Self inductance)를 나타낸다. 그리고 Zref_i는 전지 충전 장치(200)에서 복수의 전지에 대응되는 구성의 등가 반사 임피던스(equivalent reflected impedance)를 나타낸다.
상기 도 2에 도시된 충전전력 공급장치(100)에서는 송신 임피던스 정합부(130a, 130b)는 커패시티브 소자들로만 구성되는데, 상기 도 2의 (a)는 커패시터가 직렬(Cst)-병렬(Cpt)로 구성된 SP 타입(Series-parallel)으로서, 전원 공급부(110a)와 송신 제1 커패시터(Cst)가 직렬로 연결되고, 전원 공급부(110a)와 송신 제1 커패시터(Cst)의 직렬 연결에 송신 제2 커패시터(Cpt)가 병렬로 연결된 구성을 나타낸다. 그리고 상기 도 2의 (b)는 커패시터가 병렬(Cpt)-직렬(Cst)로 구성된 PS 타입(parallel-series)으로서, 전원 공급부(110b)와 송신 제1 커패시터(Cpt)가 병렬로 연결되고, 전원 공급부(110b)와 송신 제1 커패시터(Cpt)의 병렬 연결에 송신 제2 커패시터(Cst)가 직렬로 연결된 구성을 나타낸다.
Cpt와 Cst는 초기에는 수신기의 임의 부하에 최적으로 정합이 되어 있으나, 송수신 코일 사이의 상호인덕턴스가 변화되거나, 수신부의 부하가 변동될 경우 Cpt와 Cst는 송신부로부터 수신부까지 최대 전력전달을 위해 그 값이 변동될 수 있다. 예로, Cpt의 경우는 병렬 연결된 여러 커패시터로 구성할 수 있으며, 병렬 연결된 커패시터는 전력 전송 제어를 위한 제어부와 연결된 스위치와 연결되어, 상호 인덕턴스와 수신 부하의 변동에 따라 스위치를 제어하여 적합한 커패시턴스 값을 얻을 수 있다.
이와 같이 본 발명에서는 충전전력 공급장치(100)의 송신 임피던스 정합부(130)를 커패시터로만 구성하면서 상황에 따라 SP 타입 또는 PS 타입으로 구성할 수 있다.
도 3은 상기 도 1의 본 발명에 따른 무선전력전송을 이용한 전지 충전 시스템의 제1 실시예에서 전지 충전 장치(200)에서 i번째 전지에 대응되는 구성을 기준으로 한 등가회로를 나타낸다.
전력 수신부(210a, 210b)에서 Rr_i와 Lr_i는 전력 수신 코일의 손실 저항 및 자기 인덕턴스를 나타내고, Cr_i는 수신 코일의 자기 커패시터를 나태낸다.
그리고 수신 임피던스 정합부(230a, 230b)에서 Rx IMN은 임피던스 매칭 네트워크(Impedance Matching Network)를 나타내며, 상기 도 2에서와 마찬가지로 커패시티브 소자들로만 구성될 수 있다. 상기 도 3의 (a)는 커패시터가 직렬(Cs_i)-병렬(Cp_i)로 구성된 SP 타입(series-parallel)으로서, 전력 수신부(210a)와 수신 제1 커패시터(Cs_i)가 직렬로 연결되고, 전력 수신부(210a)와 수신 제1 커패시터(Cs_i)의 직렬 연결에 수신 제2 커패시터(Cp_i)가 병렬로 연결된 구성을 나타낸다. 그리고 상기 도 3의 (b)는 커패시터가 병렬(Cp_i)-직렬(Cs_i)로 구성된 PS 타입(Parallel-series)으로서, 전력 수신부(210b)와 수신 제1 커패시터(Cp_i)가 병렬로 연결되고, 전력 수신부(210b)와 수신 제1 커패시터(Cp_i)의 병렬 연결에 수신 제2 커패시터(Cs_i)가 직렬로 연결된 구성을 나타낸다.
이때 전력 수신부(210a, 210b)의 자기 커패시턴스(Self-capacitance) Cr_i는 수신 임피던스 정합부(230a, 230b)의 Rx IMN에서 사용된 커패시터보다 일반적으로 용량이 작게 구성된다.
Cs_i 와 Cp_i는 송신부의 임피던스 정합부와 마찬가지로 초기에는 송수신부 사이의 임의의 상호인턱던스 값과 부하의 임피던스에 정합되어 있으나, 실제 충전시에는 개별 수신 부하의 임피던스가 변동되고가 송수신 부의 상호 인덕턴스가 변동될 경우 최적 값이 변동되어야 한다.
상기 도 3에서는 수신 임피던스 정합부(230a, 230b)에 특징이 있으므로 이후 전지 충전부(250)와 해당 전지(10)는 부하 ZL __i로 도시하였으며, 앞서 전지 충전부(250)에 대하여 살펴본 구성들에 대해서는 생략하기로 한다.
이와 같이 본 발명에서는 전지 충전 장치(200)의 수신 임피던스 정합부(230)를 커패시터로만 구성하면서 상황에 따라 SP 타입 또는 PS 타입으로 구성할 수 있으며, 앞서 살펴본 충전전력 공급장치(100)의 송신 임피던스 정합부(130)의 SP 타입 또는 PS 타입이 상황에 따라서 선택적으로 동시에 고려되어 구성될 수 있다.
나아가서 본 발명에서는 충전전력 공급장치와 전지 충전 장치를 다양한 형태로 변형시킬 수 있는데, 특히 2개 이상의 전지에 대한 충전이 동시에 이루어지는 경우에, 앞서 살펴본 송신 임피던스 정합부(130a, 130b)와 수신 임피던스 정합부(230a, 230b)를 커패시터로만 구성시켜서는 적절한 임피던스 매칭이 이루어지지 않을 수 있다. 가령, 전력 송신부에서 송신 코일로 바라보는 임피던스의 허수부가 음의 값을 가지거나, 수신 임피던스 정합부에서 전력 수신부로 바라보는 임피던스의 허수부가 음의 값을 가질 경우는 커패시터와 인덕터의 조합으로 구현되어야 한다.
또한, 상기 임피던스 정합을 위한 인덕터로서 집중형 소자(lumped element) 또는 분포형 소자(distributed element)가 사용될 수 있으며, 나아가 복수의 코일 간의 상호 인덕턴스(mutual inductance)를 활용하는 것도 가능하다.
따라서 본 발명에서는 충전전력 공급장치와 전지 충전 장치에서 보다 적절한 임피던스 매칭이 이루어질 수 있도록 송신 임피던스 정합부와 수신 임피던스 정합부에 인덕턴스 요소를 추가 구성시킬 수 있는데, 이하에서는 실시예를 통해 이에 대하여 살펴보기로 한다.
도 4는 본 발명에 따른 무선전력전송을 이용한 전지 충전 시스템의 제2 실시예에 대한 충전전력 공급장치의 구성을 도시한다.
상기 도 4에 도시된 충전전력 공급장치(300)에서는 송신 임피던스 정합부(330)에 송신 결합 코일(335)을 추가적으로 도입하고, 전력 송신부(350)의 전력 송신 코일을 송신 자기 공진 코일(351)로 구성하였다.
송신 결합 코일(335)과 송신 자기 공진 코일(351)은 물리적으로 분리되어 있으며 동일 평면에 구현될 수 있다. 임피던스 매칭 회로(331)에 연결된 송신 결합 코일(335)은 송신 자기 공진 코일(351)로 자기 결합(magnetic coupling)을 통해 전력을 전달한다. 여기서 Mc는 송신 결합 코일(335)과 송신 자기 공진 코일(351) 사이의 상호 인덕턴스(mutual inductance)를 나타낸다. 이 상호 인덕턴스를 변화 시키면 임피던스 매칭 회로에서 송신 결합 코일로 바라보는 전체 임피던스가 변화되며, 전원 공급부와 송신 자기 공진 코일 사이의 임피던스 매칭을 할 수 있다.
이와 같이 송신 결합 코일(335)과 송신 자기 공진 코일(351) 사이의 상호 인덕턴스 Mc를 조절하여 임피던스 매칭을 수행할 수 있다. 이를 위해서 송신 결합 코일(335)의 크기를 조절하거나 턴수를 조절할 수도 있으며 또한 송신 결합 코일(335)과 송신 자기 공진 코일(351) 간의 이격 거리를 조절할 수도 있다.
나아가서 전력 송신부(350)는 공진 주파수를 조정하기 위해서 송신 제3 커패시터 Ct1을 포함할 수 있으며, 송신 제3 커패시터 Ct1은 송신 자기 공진 코일(351)에 연결될 수 있다.
한걸음 더 나아가서 송신 임피던스 정합부(330)에서 송신 결합 코일(335)이 연결되는 임피던스 매칭 회로(331)는 임피던스 매칭을 위한 단순 직렬 커패시턴스로 구성될 수도 있지만, 바람직하게는 보다 효과적으로 적절하게 임피던스 매칭을 하기 위해 앞서 살펴본 상기 도 2에서 Tx IMN의 SP 타입 또는 PS 타입이 선택적으로 구성될 수도 있는데, 도 5는 본 발명에 따른 무선전력전송을 이용한 전지 충전 시스템의 제2 실시예에 대한 충전전력 공급장치의 변형 구성의 등가회로를 나타낸다.
상기 도 5의 (a)에서는 송신 임피던스 정합부(330a)에 SP 타입의 Tx IMN(331a)을 구성하였는데, SP 타입의 Tx IMN(331a)는 상기 도 2의 (a)에 도시된 구성과 동일하다. 그리고 SP 타입의 Tx IMN(331a)의 출력단에 송신 결합 코일(335a)이 연결되며 송신 결합 코일(335a)은 전력 송신부(350)의 송신 자기 공진 코일로 자기 결합을 통해 전력을 전달하면서 송신 결합 코일(335a)과 송신 자기 공진 코일 사이의 상호 인덕턴스 Mc로 임피던스 매칭을 수행할 수 있다.
상기 도 5의 (b)는 송신 임피던스 정합부(330b)에 PS 타입의 Tx IMN(331b)을 구성하였는데, PS 타입의 Tx IMN(331b)는 상기 도 2의 (b)에 도시된 구성과 동일하며, PS 타입의 Tx IMN(331b)의 출력단에 송신 결합 코일(335b)이 연결된다. 그리고 상기 도 5의 (a)와 마찬가지로 송신 결합 코일(335b)은 전력 송신부(350)의 송신 자기 공진 코일로 자기 결합을 통해 전력을 전달하면서 송신 결합 코일(335b)과 송신 자기 공진 코일 사이의 상호 인덕턴스 Mc로 임피던스 매칭을 수행할 수 있다.
다음으로 도 6은 본 발명에 따른 무선전력전송을 이용한 전지 충전 시스템의 제2 실시예에 대한 전지 충전 장치의 i번째 전지에 대응되는 구성을 기준으로 한 등가회로를 도시한다.
상기 도 6에 도시된 전지 충전 장치(400)에서는 수신 임피던스 정합부(430)에 수신 결합 코일을 추가적으로 도입하고, 전력 수신부(410)의 전력 수신 코일을 수신 자기 공진 코일로 구성하였다.
여기서 Lm_i는 i번째 수신 결합 코일의 자기 인덕턴스이고, Mr은 수신 자기 공진 코일과 수신 결합 코일 사이의 상호 인덕턴스를 나타내며, Cm_i는 임피던스 매칭을 위한 직렬 커패시터를 나타낸다. 앞서 상기 도 5에서 살펴본 바와 유사하게 수신 결합 코일과 수신 자기 공진 코일은 물리적으로 분리되어 있으며 동일 평면에 구현될 수 있으며, 수신 결합 코일은 수신 자기 공진 코일로 자기 결합을 통해 전력을 전달하면서, 상호 인덕턴스 Mr을 조절하여 임피던스 매칭을 수행할 수 있다. 이를 위해서 수신 결합 코일의 크기를 조절하거나 턴수를 조절할 수도 있으며, 또한 수신 결합 코일과 수신 자기 공진 코일 간의 이격 거리를 조절할 수도 있다.
수신 결합 코일과 수신 자기 공진 코일 간의 자기 결합을 통한 전력 전달과 상호 인덕턴스에 따른 임피던스 매칭은 앞서 상기 도 5에서 살펴본 내용과 유사하다.
한걸음 더 나아가서 상기 도 6에서와 같이 수신 임피던스 정합부(430)에 수신 결합 코일에 연결되어 임피던스 매칭을 위한 단순 직렬 커패시턴스 Cm_i로 수신 커패시터를 구성할 수도 있지만, 바람직하게는 보다 효과적으로 적절하게 임피던스 매칭을 하기 위해 앞서 살펴본 상기 도 3에서 Rx IMN의 SP 타입 또는 PS 타입이 선택적으로 수신 커패시터 Cm_i를 대체하여 구성될 수도 있다. 즉, 수신 결합 코일에 SP 타입 또는 PS 타입의 Rx IMN을 연결하여 수신 임피던스 정합부(430)가 구성될 수도 있다.이와 같이 본 발명에 따른 충전전력 공급장치에서의 송신 임피던스 정합부와 수신 임피던스 정합부는 임피던스 매칭 회로의 커패시턴스 성분과 송신 결합 코일 또는 수신 결합 코일을 추가적으로 채용함으로써 송신 결합 코일과 송신 자기 공진 코일 사이의 상호 인덕턴스 성분 또는 수신 결합 코일과 수신 자기 공진 코일 사이의 상호 인덕턴스 성분을 동시에 활용하여 다수의 부하 또는 개별 전지에 대한 무선 충전 시스템을 구현할 수 있다.
바람직하게는 상기 도 5의 송신 임피던스 정합부와 상기 도 6의 수신 임피던스 정합부는 동시에 구성될 수도 있지만 필요에 따라 어느 한쪽만 선택적으로 조합되어 구성될 수 있다.
나아가서 많은 수의 전지에 대한 동시 충전이 필요한 경우에 보다 넓은 영역으로 무선 전력 전송이 이루어질 필요가 있으며, 넓은 영역에 걸쳐서 무선 전력 전송을 수행하는 경우에 각각의 전지마다 효과적으로 무선 충전을 수행할 수 있도록 본 발명에서는 충전전력 공급장치가 복수의 전력 송신 코일을 구비할 수도 있는데, 이하에서는 이에 대하여 살펴보기로 한다.
도 7은 본 발명에 따른 무선전력전송을 이용한 전지 충전 시스템의 제3 실시예를 도시한다.
상기 도 7의 제3 실시예에서는 충전전력 공급장치(500)의 전력 송신부(550)에 두 개의 전력 송신 코일(551, 555)을 채용한 구성으로서, 전력 송신 코일은 상황에 따라 더 많은 수로 구성될 수도 있다.
이와 같이 전력 송신 코일(551, 555)을 복수개로 구성하여 전력을 무선 전송하는 경우에, 다수의 전력 수신부(210a, 210b, 210b)마다 원활한 전력 전송이 이루어질 수 있으며, 나아가서 복수의 전력 송신 코일(551, 555)이 전력을 무선 전송하는 영역이 구분될 수 있다. 즉, 상기 도 7에서 보는 바와 같이 첫번째 전력 송신 코일(551)은 첫번째 전력 수신부(210a)와 두번째 전력 수신부(210b)로 전력 전송이 가능하며, 두번째 전력 송신 코일(555)은 두번째 전력 수신부(210b)와 세번째 전력 수신부(210c)로 전력 전송이 가능하다. 특히 전력 송신 코일(551, 555)을 기준으로 외각에 위치되는 두번째 전력 수신부(210b)의 경우에 첫번째 전력 송신 코일(551)을 기준으로 볼 때 외각에 위치됨에 따라 첫번째 전력 송신 코일(551)로부터 전송되는 전력은 상대적으로 약하지만 첫번째 전력 송신 코일(551)뿐만 아니라 두번째 전력 송신 코일(555)로부터도 전력이 전송됨에 따라 상대적으로 약한 전송 전력들이 합산되어 충분한 충전 전력을 이룰 수 있게 된다.
나아가서 상기 도 7의 제3 실시예에서는 복수의 전력 송신 코일(551, 555)이 모두 하나의 송신 임피던스 정합부(530)와 전원 공급부(510)로 연결되어 있는데, 필요에 따라서는 각각의 전력 송신 코일(551, 555)마다 개별적으로 송신 임피던스 정합부가 구성될 수 있고 또한 전원 공급부도 개별적으로 구성될 수도 있다.
한걸음 더 나아가서 상기 도 7의 제3 실시예에 보다 적절한 임피던스 매칭을 위해서 앞서 살펴본 송신 결합 코일이 구성될 수도 있는데, 도 8은 본 발명에 따른 무선전력전송을 이용한 전지 충전 시스템의 제2 실시예와 제3 실시예를 결합한 충전전력 공급장치의 변형 구성을 나타낸다.
상기 도 8을 참조하면, 충전전력 공급장치(600)의 송신 임피던스 정합부(630)는 송신 결합 코일(635)을 구비하고, 복수의 전력 송신 코일을 송신 자기 공진 코일(651, 655)로 적용하여 임피던스 매칭 회로(631)에 연결된 송신 결합 코일(635)과의 자기 결합(magnetic coupling)을 통해 복수의 송신 자기 공진 코일(651, 655)로 전력을 전달하면서 상호 인덕턴스 Mc를 조절하여 임피던스 매칭을 수행할 수 있다.
여기서 송신 자기 공진 코일(651, 655)은 복수개로 구성되지만, 송신 결합 코일(635)은 하나로 구성되어 하나의 송신 결합 코일(635)을 통해 각각의 송신 자기 공진 코일(651, 655)에 대한 전력 전달과 임피던스 매칭이 수행될 수 있다.
또한 전력 송신부(650)는 각각의 송신 자기 공진 코일(651, 655)에는 공진 주파수를 조정하기 위한 송신 제3 커패시터(Ct1, Ct2)를 각각 구비할 수도 있다.
도 9는 앞서 살펴본 본 발명에 따른 무선전력전송을 이용한 전지 충전 시스템의 각 실시예에 대한 구현예를 도시한다.
상기 도 9의 (a)는 상기 도 1 및 도 2의 제1 실시예에 따른 충전전력 공급장치(100)를 적용하여 전력 송신부(150)에서 하나의 전력 송신 코일(Tx coil)로 각각의 전지(10)마다 구비된 전지 충전 장치(200)의 전력 수신부(210)의 전력 수신 코일(Rx coil)에 무선 전력을 송신하여 복수의 전지(10)를 동시 충전하는 구현예이다.
상기 도 9의 (b)는 상기 도 7의 제3 실시예에 따른 충전전력 공급장치(500)를 적용하여 전력 송신부(550)에서 복수의 전력 송신 코일(Tx coil)로 각각의 전지(10)마다 구비된 전지 충전 장치(200)의 전력 수신부(210)의 전력 수신 코일(Rx coil)에 무선 전력을 송신하여 복수의 전지(10)를 동시 충전하는 구현예이다.
상기 도 9의 (c)는 상기 도 8의 제2 실시예와 제3 실시예를 결합한 충전전력 공급장치(600)를 적용하여 송신 결합 코일(Tx coupling coil)과 송신 자기 공진 코일(Tx resonant coil)을 구성하여 각각의 전지(10)마다 구비된 전지 충전 장치(200)의 전력 수신부(210)의 전력 수신 코일(Rx coil)에 무선 전력을 송신하여 복수의 전지(10)를 동시 충전하는 구현예이다.
상기 도 9에서 전지 충전 장치(200)의 경우도 앞서 살펴본 다양한 실시예를 적용하여 변형할 수 있다.
이상에서 살펴본 본 발명에 따른 무선전력전송을 이용한 전지 충전 시스템을 통해 복수의 전지에 대하여 동시에 무선 충전이 가능한데, 보다 효과적인 전지 충전을 위해서 복수의 전지마다 요구되는 충전량을 고려할 필요가 있으며, 또한 상이한 전자 디바이스에 장착된 각각의 충전지 특성을 고려하여 충전을 수행할 필요가 있다. 이를 위해서 본 발명에서는 충전 상황을 제어할 수 있는 구성을 제시하는데, 이하에서 실시예를 통해 살펴보기로 한다.
도 10은 본 발명에 따른 무선전력전송을 이용한 전지 충전 시스템의 제4 실시예에 대한 구성도를 도시한다.
상기 도 10의 기본적인 구성은 앞서 살펴본 상기 도 1의 제1 실시예와 동일 또는 유사하므로 중복된 구성에 대해서는 설명을 생략하기로 한다.
상기 도 10의 제4 실시예에서 전지 충전 장치(200)에는 각각의 전지(10)마다 충전 상황을 제어하는 수신 제어부(270)가 구비되며, 수신 제어부(270)에는 충전전력 공급장치(100)와의 통신을 위한 수신 통신부(275)가 구비된다.
전지 충전 장치(200)의 전지 충전부(250)는 해당 전지(10)에 충전 전력을 공급할뿐만 아니라 해당 전지(10)의 잔여 충전량 등을 확인하고 해당 전지(10)의 충전을 수행하거나 중단할 수 있다.
전지 충전부(250)에서 해당 전지(10)에 대한 잔여 충전량 등의 정보는 수신 제어부(270)로 전달되며, 수신 제어부(270)에서는 이를 기초로 복수의 전지(10) 각각 또는 전체에 대한 충전 상태 정보를 생성하고 상기 충전 상태 정보를 기초로 전지 충전부(250)를 제어하여 각각의 전지(10)에 대한 충전을 제어할 수 있다.
바람직하게는 무선 전송되는 충전 전력을 조절 및 제어하기 위해 충전전력 공급장치(100)에 송신 제어부(170)가 구비되며, 충전 상태 정보에 기초하여 충전전력 공급장치(100)와 전지 충전 장치(200)가 상호 연동하여 효과적으로 충전을 수행하기 위해서 송신 제어부(170)에는 수신 제어부(270)의 수신 통신부(275)와 유무선 통신이 가능한 송신 통신부(175)가 구비될 수 있다.
일례로서, 수신 제어부(270)는 미리 설정한 충전 상한 전압까지만 전지 충전부(250)가 단위 전지를 충전하도록 제어한다. 즉, 수신 제어부(270)는 단위 전지에 충전이 이루어지는 동안 단위 전지의 전압을 체크하여 충전 상한 전압(또는 고유 충전 용량)이 되면 전지 충전부(250)가 단위 전지의 충전을 중지하도록 제어할 수 있다. 이때, 전지 충전부(250)가 단위 전지의 충전을 중지하는 동안, 또는 전지 충전 장치(200)의 전력 수신부(210)가 충전전력 공급장치(100)로부터 전송되는 무선 전력을 수신하지 않는 동안에는, 수신 제어부(270)는 해당 전지에 대응되는 전지 충전 장치(200)의 각 구성이 단위 전지의 부하로 작용하지 않도록 제어할 수 있다. 즉, 전지 충전부(250)는 단위 전지 측으로만 전력을 공급하는 회로로 구성되며, 단위 전지의 전력에 의한 부하로 작용하지 않도록 해야한다. 이를 위하여 수신 제어부(270)는 위와 같이 전지 충전부(250)가 단위 전지측으로 전력을 공급하지 않는 동안에는 전지 충전부(250)의 소정의 스위치를 오프시켜 단위 전지측으로부터 전지 충전부(250)측으로 전류가 흐르지 않게 전류흐름의 차단을 제어할 수 있다.
나아가서 도 11은 본 발명에 따른 무선전력전송을 이용한 전지 충전 시스템의 제4 실시예에 대한 변형 구성도를 도시한다.
상기 도 10에서는 복수의 전지에 각각 대응되는 전지 충전부(250) 등의 구성을 하나의 수신 제어부(270)가 일괄적으로 관리 및 제어하도록 구성하였으나, 복수의 다양한 이종 전자 디바이스에 대한 충전 특성을 보다 정확하게 고려하여 효과적으로 동시에 충전을 수행하기 위해서 상기 도 11에서는 각각의 전지(10)에 대응되는 전지 충전부(250) 등의 구성마다 개별적으로 수신 제어부(270a, 270b,… 270n)를 구성하였으며, 각각의 수신 제어부(270a, 270b,… 270n)의 수신 통신부(275a, 275b,… 275n)가 개별적으로 해당 전지에 대한 충전 상태 정보를 수신 제어부(170)로 전달하도록 구성하였다.
이와 같이 상기 도 10 및 도 11의 제4 실시예를 통해 실시간 충전 상황에 따라 충전전력 공급장치의 송신 제어부는 무선 전송될 충전 전력을 조절 및 제어하며, 전지 충전 장치의 수신 제어부는 각각의 전지 충전부를 제어하여 해당 전지의 충전 수행을 관리할 수 있다.
본 발명은 앞서 살핀 전지 충전 시스템에 한정되지 않으며, 나아가 무선전력전송을 위한 무선전력 송신장치 및 수신장치로 구현될 수도 있다. 보다 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 송신장치는, 무선전력전송 시스템에서 하나 이상의 무선전력 수신 장치로 전력을 무선 전송할 수 있는 무선전력 송신장치로서, 적어도 하나 이상의 전력 송신 코일을 구비하여, 상기 무선전력 수신 장치로 전력을 송출하는 전력 송신부; 상기 전력 송신부로 전원을 공급하는 전원 공급부; 및 상기 전원 공급부와 상기 전력 송신부 사이의 임피던스를 매칭하는 송신 임피던스 정합부를 포함하여 구성될 수 있으며, 이때 상기 무선전력 수신장치는 각 무선전력 수신장치마다 개별적으로 구비되는 전력 수신 코일을 통해 상기 충전전력 공급장치로부터 무선 전송되는 전력을 수신하는 장치가 된다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선전력 수신장치는, 하나 이상의 무선전력 수신장치로 전력을 동시에 무선 전송할 수 있는 무선전력 송신장치로부터 전력을 수신하는 무선전력 수신장치로서, 상기 충전전력 공급장치로부터 무선 전송되는 전력을 수신하는 전력 수신 코일을 구비한 전력 수신부; 상기 전력 수신부로부터 전달받은 전력을 다른 모듈로 공급하는 모듈 전력 공급부; 및 상기 전력 수신부와 상기 모듈 전력 공급부 간의 임피던스 매칭을 수행하는 수신 임피던스 정합부를 포함하여 구성될 수 있다.
나아가, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 송신장치 및 수신장치는 앞서 살핀 전지 충전 시스템의 경우와 유사한 구성을 부가하여 다양한 실시예로 구현될 수 있다.
예를 들어, 상기 수신 임피던스 정합부는 하나 이상의 수신 커패시터 및 상기 전력 수신 코일과 자기 결합을 통해 수신된 전력을 수신 임피던스 정합부로 전달하는 수신 자기 공진 코일을 포함하여 구성될 수 있으며, 이때 상기 수신 결합 코일에 의한 인덕턱스와 수신 공진코일 과의 상호 인덕턴스를 조절하여 임피던스 정합에 기여할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 수신장치는 수신 임피던스 정합부에서의 임피던스 정합을 제어하여 상기 모듈 전력 공급부로 공급되는 전력을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있으며, 무선전력 공급장치도 이와 유사하게 송신 임피던스 정합부의 임피던스 정합을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 수신장치에서 상기 제어부는 상기 모듈 전력 공급부에서 측정된 상기 모듈의 상태를 고려하여, 상기 수신 임피던스 정합부에서의 임피던스 정합을 제어할 수도 있다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 무선전력 송신장치 및 수신장치는 모듈로 공급되는 전력 등을 고려하여 임피던스 정합을 조정함으로써 각 무선전력 수신장치 별로 무선 전송되어 모듈 별로 배분되는 전력을 적절하게 제어할 수 있게 된다.
이하에서는 본 발명에 따른 무선전력전송을 이용한 전지 충전 시스템의 구현을 통한 실험 결과를 살펴보기로 한다.
도 12는 충전전력 공급장치의 전력 송신부에 한 개의 전력 송신 코일을 사용하고, 전지 충전 장치의 전력 수신부를 두 개로 하여 제1 전력 수신부와 제2 전력 수신부를 구성하여 두 개의 전력 수신 코일을 사용한 경우에 대한 본 발명에 따른 무선전력전송을 이용한 전지 충전 시스템을 구성도를 나타낸다.
상기 도 12에 따른 전지 충전 시스템의 동작 측정을 위해 벡터 회로망 분석기(Vector network analyzer:VNA)를 사용하였다. 충전전력 공급장치의 송신 임피던스 정합부에 Tx IMN을 적용하고, 전지 충전 장치의 수신 임피던스 정합부에 Rx IMN을 적용하여, SP 타입과 PS 타입을 조합하여 실험을 수행하였다. VNA는 2포트 측정기로 두 개의 수신 측정을 위하여 측정하지 않는 전지 충전 장치의 구성을 측정 임피던스 ZL2로 설정하였다. 또한, 일반적으로 VNA 포트의 특성 임피던스는 50Ω이다.
이와 같이 본 발명에 따른 무선전력전송을 이용한 전지 충전 시스템에 대하여 도 13은 제작된 전력 송신 코일과 전력 수신 코일 및 임피던스 매칭 회로를 나타낸다. 여기서 전력 송신 코일로는 4턴의 스파이럴 코일을 사용하였으며, 전력 송신 코일의 반지름은 90mm, 도선간의 간격은 3mm이다. 그리고 전력 수신 코일은 10턴 스파이럴 코일이며, 반지름은 23.5mm이다.
SP와 PS 타입의 임피던스 매칭을 위해 사용한 커패시턴스는 하기 표 1과 같다. 최적 커패시턴스는 두개의 부하 ZL1 과 ZL2 모두 50Ω인 경우이다.

 Tx Rx
Cst Cpt Cs_i Cp_i
SP 56.50pF 25.81pF 297.78pF 659.15pF
PS 89.90pF 498.06pF 136.60pF 97.15pF
도 14는 두 가지 임피던스 정합 구성 조합에 대한 결과를 나타내는데, 여기서 SP-SP는 충전전력 공급장치의 송신 임피던스 정합부에 SP 타입을 적용하였고, 전지 충전 장치의 수신 임피던스 정합부에도 SP 타입을 적용한 경우이며, PS-SP는 충전전력 공급장치의 송신 임피던스 정합부에 PS 타입을 적용하였고, 전지 충전 장치의 수신 임피던스 정합부에 SP 타입을 적용한 경우이다.
그리고 상기 도 14는 ZL1/Z0에 대하여 전력전송 효율을 나타낸 것이다. 여기서 ZL2는 전지 충전 장치의 부하를 나타내는데, 그 값은 0.48*Z0로 고정하였으며, Z0=50Ω으로 설정하였다.
이와 같은 설정 조건에서 상기 도 14에서 시뮬레이션 계산 결과는 실선으로 표시되어 있으며, 측정 결과는 ZL1/Z0가 0.5, 1, 2, 3에서 측정한 값이다. 이 경우를 실제 충전 시나리오와 비교하면, 송수신 부하가 충전 상태에 따라 서로 달라지는 경우이다.
전지 충전 장치의 두 개의 전력 수신부 중 제1 전력 수신부의 경우에 대한 효율은 hrx _1, 제2 전력 수신부에 대한 효율은 hrx _2로 표시하였으며, 두 부하의 효율을 합친 전체 효율은 h로 표시하였다.
그리고 도 15는 상기 도 13과 동일한 구성을 적용하지만, ZL2를 2Z0로 고정했을 경우에 대한 ZL1/Z0의 전송 효율을 나타낸다.
상기 도 14와 도 15의 결과로부터 판단해보면 충전전력 공급장치의 송신 임피던스 정합부는 SP 타입과 PS 타입의 선택에 상관없이 동일한 결과값이 나타났다. 또한, ZL1과 ZL2가 동일할 경우 두 부하의 효율은 동일한 것을 알 수 있다. 그러나, 임피던스 정합을 위해 사용된 최적 커패시터는 ZL1=ZL2=Z0=50Ω인 경우이기 때문에, 부하의 변동에 따라 최대 전송효율 보다는 전송효율이 낮다. 특히, ZL1이 증가할수록 효율은 떨어진다. 이는 ZL1과 ZL2의 임피던스에 맞는 최적의 커패시터 값을 사용하여, 최대 전송효율을 얻을 수 있다.상기 도 14와 도 15의 결과로부터 판단해 보건데, 전지 충전 장치의 수신 임피던스 정합부에 SP 타입을 적용한 경우, 제1 전력 수신부와 제2 전력 수신부의 부하 임피던스 변동에 따라, 제 1 전력 수신부와 제 2 전력 수신부의 수신 효율은 45%를 기준으로 약±10%이내이다. 이러한 결과는 수신부에서 SP타입을 적용할 경우, 임의의 부하 또는 충전 중인 전지를 포함한 수신 회로의 임피던스가 변화되더라도 일정 효율 범위 내에서 충전이 된다는 것을 알 수 있다. 따라서, 송신부에서 PS, SP 매칭 구조를 사용할 경우, 개별 부하의 변동이 크거나 부하의 변동에 대해서도 일정 비율로 전력을 전달하고자 할 경우, 수신기에서 SP 커패시티브 매칭 구조를 사용하는 것이 적합하다.
이에 대하여, 도 16과 도 17은 전지 충전 장치의 수신 임피던스 정합부를 PS 타입으로 적용한 경우로서, 여기서 SP-PS는 충전전력 공급장치의 송신 임피던스 정합부에 SP 타입을 적용하였고, 전지 충전 장치의 수신 임피던스 정합부에 PS 타입을 적용한 경우이며, PS-PS는 충전전력 공급장치의 송신 임피던스 정합부에 PS 타입을 적용하였고, 전지 충전 장치의 수신 임피던스 정합부에 PS 타입을 적용한 경우이다.
도 16은 ZL1/Z0에 대하여 전력전송 효율을 나타낸 것으로서, ZL2는 수신부의 부하를 나타내며, 그 값은 0.48Z0로 고정하였다. 여기서 Z0는 50Ω으로 설정하였다. 시뮬레이션 계산 결과는 실선으로 표시되어 있으며, 측정 결과는 ZL1/Z0가 0.5, 1, 2, 3에서 측정한 값이다.
두 개의 전력 수신부 중 제1 전력 수신부에 대한 효율은 hrx _1, 제2 전력 수신부에 대한 효율은 hrx _2로 표시하였으며, 두 부하의 효율을 합친 전체 효율은 h로 표시하였다.
도 17은 도 16과 동일한 구성을 사용하지만, ZL2를 2Z0로 고정했을 경우에 대한 ZL1/Z0에 대한 전송 효율을 나타낸다.
상기 도 16과 도 17의 결과로부터 판단해보면 충전전력 공급장치의 송신 임피던스 정합부는 SP 타입과 PS 타입의 선택에 상관없이 동일한 결과값이 나타났다. 또한, 수신부 정합부가 SP인 경우와 유사하게 ZL1과 ZL2가 동일할 경우 두 부하의 효율은 동일한 것을 알 수 있다.
그러나, ZL1/ ZL2의 비에 따라, 각 부하에서의 전력전송 효율은 크게 차이가 난다. 즉, ZL1/ ZL2이 1보다 작을수록 제 1전력 수신부의 효율이 점점 더 증가하고, 1보다 큰 경우는 제 2전력 수신부의 효율이 점점 더 증가한다.
상기 도 16과 도 17의 결과로부터 판단해 보건데, 전지 충전 장치의 수신 임피던스 정합부에 PS 타입을 적용한 경우, 제1 전력 수신부와 제2 전력 수신부의 부하 임피던스에 따라 전력전송 효율이 크게 달라짐을 알 수 있다.
예를 들어 ZL2가 2Z0인 상기 도 17에서 ZL1/Z0가 0.5인 경우를 살펴보면, 제1 전력 수신부의 임피던스가 낮고, 전송 전력이 제2 전력 수신부보다 많음을 알 수 있다. 이러한 특징은 복수개의 부하 및 전지 충전에 있어 매우 유익하다. 즉, 일반적인 전지 충전 방식은 충전량이 작을 경우 정전압 모드이며, 충전이 많이 되었을 경우 정전류 모드로 변환된다. 이 경우 정전압 모드에서는 많은 전력을 수신하여 충전하는 것이 바람직하며, 정전류 모드에서는 작은 전력을 받아 충전시키는 것이 바람직하다. 정전압 모드에서는 전압대 전류비를 보면 전압은 고정되어 있으나, 전류가 증가하는 형태이므로 임피던스가 낮고, 정전류 모드는 반대이다.
따라서, 송신부에서 PS, SP 매칭 구조를 사용할 경우, 개별 부하의 임피던스 비에(수신 회로를 바라볼 때의 임피던스가 더 낮은 곳에 더 많은 전력이 공급됨)따라 전력 전송량을 제어하고자 할 때에는, 수신기에서 PS 커패시티브 매칭 구조를 사용하는 것이 적합하다. 이상에서 살펴본 상기 도 14 내지 도 17에 나타난 실험 결과를 기초로 충전전력 공급장치의 송신 임피던스 정합부는 SP 타입과 PS 타입 중 어느 타입을 선택해도 영향을 미치지 않아 무방하지만, 전지 충전 장치의 수신 임피던스 정합부는 SP 타입과 PS 타입 중 어느 타입을 선택하는가에 따라 충전 특성이 달라지게 된다.
즉, 전지 충전 장치의 수신 임피던스 정합부를 SP 타입으로 구성하는 경우에 충전이 요구되는 복수의 전지에 대한 충전 요구량이나 고유 특성 등에 상관없이 동등한 충전이 이루어질 수 있고, 전지 충전 장치의 수신 임피던스 정합부를 PS 타입으로 구성하는 경우에는 충전이 요구되는 복수의 전지에 대하여 충전 요구량이나 고유 특성 등에 따라 상이하게 충전이 이루어질 수 있다.
반면, 전지 충전 장치의 수신 임피던스 정합부를 PS 타입으로 구성하는 경우, 복수의 전지 또는 부하 중 상대적으로 완전 충전을 위한 충전 요구량이 높은 전지의 경우에 다른 전지들과 대비하여 상대적으로 급속하게 충전이 이루어질 수 있다는 장점을 가질 수 있게 된다.
따라서, 본 발명의 일 실시예로서, 적어도 하나 이상의 전력 송신 코일을 구비하며 하나 이상의 전지 충전 장치로 동시에 전력을 무선 전송할 수 있는 충전전력 공급장치와, 상기 충전전력 공급장치로부터 무선 전송되는 전력을 수신하는 전력 수신 코일을 구비한 전력 수신부, 상기 전력 수신부로부터 전달받은 전력을 전지에 공급하는 전지 충전부 및 상기 전력 수신부와 상기 전지 충전부 간의 임피던스 매칭을 수행하는 수신 임피던스 정합부를 포함하는 전지 충전 장치를 포함하여 구성되는 무선전력전송을 이용한 전지 충전 시스템을 구성하는 것이 가능하며, 이때 상기 수신 임피던스 정합부는 상기 전력 수신부와 병렬 연결된 수신 제1 커패시터 및 상기 전력 수신부와 병렬 연결된 상기 수신 제1 커패시터에 직렬 연결된 수신 제2 커패시터를 포함하여 구성(즉 PS 타입으로 구성)할 수 있다.
나아가, 상기 전지 충전 장치에는 상기 수신 임피던스 정합부의 임피던스 매칭을 조절하여 상기 각 전지에 충전되는 전력을 제어하는 제어부가 더 포함될 수 있으며, 특히 상기 제어부는 상기 수신 임피던스 정합부의 임피던스 매칭을 조절하여 상기 전력 수신부에서 바라보는 상기 전지 충전부 측 입력 임피던스를 낮추어 줌으로써, 상기 충전전력 공급장치에서 전송되는 전력 중 상기 전지 충전부로 공급되는 전력의 비중을 높일 수 있게 된다.
또한, 상기 제어부는 복수의 전지 충전부로부터 복수의 전지에 대한 상태 정보를 수집한 후, 상기 상태 정보를 고려하여 충전 전력을 집중하여 배분할 하나 이상의 전지 충전부를 선정한 후, 상기 하나 이상의 전지 충전부에 대응하는 수신 임피던스 정합부의 임피던스 매칭을 조절하여 상기 전력 수신부에서 바라보는 상기 전지 충전부 측 입력 임피던스를 낮추어 줌으로써, 상기 충전전력 공급장치에서 전송되는 전력 중 상기 하나 이상의 전지 충전부로 공급되는 전력의 비중을 높여 줄 수 있게 된다.
이에 따라, 전지 충전 장치에 PS 타입의 구조를 적용하는 경우 충전전력 공급장치로부터 전송되는 입력 전력을 전지 충전 장치의 수신 임피던스 정합부를 조정하면서 각 부하에 분배되는 전력을 제어할 수 있게 된다. 이를 위하여 상기 수신 임피던스 정합부의 커패시터 값을 조절하는 방법 등이 사용될 수 있다. 덧붙여, 상기 PS 타입의 구조를 적용함에 있어, 앞서 살핀 바와 같이 수신 자기 공진 코일과 수신 결합 코일이 함께 사용될 수도 있다.
예를 들어, 태블릿 피씨와 스마트 와치를 동시에 충전할 경우 일반적으로 태블릿 피씨는 충전에 많은 전력을 필요로 하는 반면, 스마트 와치는 상대적으로 작은 전력만을 필요로 하게 된다. 또한 충전 상태가 서로 다른 복수의 동일 종류의 단말을 충전하는 경우를 생각해 보면, 하나의 단말의 전지는 거의 충전이 된 상태일 수 있지만, 다른 단말의 전지는 충전량이 매우 적은 상태일 수 있다. 이러한 경우에는 충전량이 매우 적은 단말의 전지에 더 많은 전력 전달이 되는 것이 바람직하다.
따라서, 위와 같은 경우 PS 타입의 구조를 적용하여 전지 충전 장치를 구성함으로써 부하의 임피던스에 따라 전력을 자동으로 분배하도록 할 수 있으며, 더 나아가 필요에 따라서는 수신 임피던스 정합부의 커패시터 값을 조절하여 줌으로써 부하에서 요구하는 전력을 고려하여 전력을 적절하게 공급하여 줄 수도 있다.
이와 달리, 전지 충전 장치를 구성함에 있어 SP 타입의 구조를 적용한다면, 충전전력 공급장치로부터 전송되는 전력은 특성이 서로 다른 부하들을 동시에 충전해야 할 경우 제일 낮은 전력을 요구하는 부하에 맞추어서 전력을 송신해야 하므로 보다 높은 전력을 요구하는 부하를 충전하는 관점에서 매우 효율이 떨어질 수 있다. 유사하게, 동일한 종류의 단말 등 동종 부하를 충전하는 경우에도 제일 낮은 전력을 필요하는 부하 상태에 맞추어 충전전력 공급장치로부터 전송되는 전체 전력을 결정하여야 한다. 즉, 충전량이 가장 높은 전지를 기준으로 각 전지에 전력을 공급하게 된다. 따라서, 동시에 충전하게 되는 충전량이 부족한 전지의 경우 충전 효율이 크게 떨어질 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예로서 SP 타입의 구조가 적용된 전지 충전 장치를 포함하여 무선전력전송을 이용한 전지 충전 시스템을 구성하는 것도 가능하다.
이에 따라 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력전송을 이용한 전지 충전 시스템은 적어도 하나 이상의 전력 송신 코일을 구비하며 하나 이상의 전지 충전 장치로 동시에 전력을 무선 전송할 수 있는 충전전력 공급장치와, 상기 충전전력 공급장치로부터 무선 전송되는 전력을 수신하는 전력 수신 코일을 구비한 전력 수신부, 상기 전력 수신부로부터 전달받은 전력을 전지에 공급하는 전지 충전부 및 상기 전력 수신부와 상기 전지 충전부 간의 임피던스 매칭을 수행하는 수신 임피던스 정합부를 포함하는 전지 충전 장치를 포함하여 구성될 수 있다.
이때 상기 수신 임피던스 정합부는 상기 전력 수신부와 직렬 연결된 수신 제1 커패시터 및 상기 전력 수신부와 직렬 연결된 상기 수신 제1 커패시터에 병렬 연결된 수신 제2 커패시터를 포함하여 구성(즉 SP 타입으로 구성)될 수 있다.
상기 전지 충전 장치에 SP 타입의 구조를 적용하는 방식도 그에 따른 장점을 가진다. 예를 들어, 전지 충전 장치에서 전지의 상태에 따라 전지 충전부의 입력 임피던스의 변화가 매우 큰 경우라면 SP 타입의 구조를 전지 충전 장치에 적용함으로써 전지 충전부의 입력 임피던스의 변화에도 불구하고 전력이 일정하게 공급되도록 할 수 있게 된다. 이에 따라, 복수의 부하들의 임피던스를 수배의 범위내로 조정하는 경우, 전지 충전 장치에서는 전력을 거의 일정하게 공급할 수 있게 된다.
충전전력 공급장치가 전지 충전 장치로 필요한 전력보다 너무 많은 전력을 공급하게 되면, 전지 충전 장치는 발열 또는 오동작 등의 문제가 나타날 수 있으므로, 상기와 같이 적용 분야에 따라 PS 타입 또는 SP 타입의 구조를 적절하게 선택하여 적용함으로써 다양한 충전 조건에 대하여 보다 효율적이고 안정적으로 충전을 수행할 수 있게 된다.
이상에서 살펴본 본 발명에 따른 무선전력전송을 이용한 전지 충전 시스템은 하나의 충전전력 공급장치, 즉 하나의 송신 모듈로 여러 개의 단위 전지 및 부하들을 동시에 충전할 수 있다. 특히, 커패시티브 정합 구조를 이용하여 수신 임피던스 정합부를 PS 타입으로 구성함으로써, 부하의 임피던스 변동에 따라 낮은 임피던스를 갖는 수신기에 더 많은 전력을 자동적으로 전송하는 것이 가능하게 된다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상이 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10 : 전지,
100, 300, 500, 600 : 충전전력 공급장치,
110, 110a, 110b, 310, 510, 610 : 전원 공급부,
130, 130a, 130b, 330, 330a, 330b, 530, 630 : 송신 임피던스 정합부,
150, 150a, 150b, 350, 550, 650 : 전력 송신부,
170 : 송신 제어부,
175 : 송신 통신부,
200, 400 : 전지 충전 장치,
210, 210a, 210b, 410 : 전력 수신부,
230, 230a, 230b, 430 : 수신 임피던스 정합부,
250 : 전지 충전부,
270, 270a, 270b, 270n : 송신 제어부,
275, 275a, 275b, 275n : 송신 통신부.

Claims (29)

  1. 무선전력전송을 위한 전원을 공급하는 전원공급부;
    적어도 하나 이상의 전력 송신 코일을 구비하여, 전지를 충전하기 위한 전력을 무선 전송하는 전력 송신부; 및
    상기 전원공급부와 전력 송신부 간의 임피던스를 매칭하는 송신 임피던스 정합부를 포함하는 충전전력 공급장치와;
    하나 이상의 전지마다 개별적으로 대응되는 전력 수신 코일을 통해 상기 충전전력 공급장치로부터 무선 전송되는 전력을 수신하여 상기 전지를 충전하는 전지 충전 장치를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 무선전력전송을 이용한 전지 충전 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 송신 임피던스 정합부는,
    상기 전원공급부와 직렬 연결된 송신 제1 커패시터; 및
    상기 전원공급부와 직렬 연결된 상기 송신 제1 커패시터에 병렬 연결된 송신 제2 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력전송을 이용한 전지 충전 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 송신 임피던스 정합부는,
    상기 전원공급부와 병렬 연결된 송신 제1 커패시터; 및
    상기 전원공급부와 병렬 연결된 상기 송신 제1 커패시터에 직렬 연결된 송신 제2 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력전송을 이용한 전지 충전 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전력 송신부는,
    상기 송신 임피던스 정합부의 출력단에 각각 연결된 두 개 이상의 전력 송신 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력전송을 이용한 전지 충전 시스템.
  5. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 송신 임피던스 정합부는,
    상기 송신 제2 커패시터의 출력단에 연결된 송신 결합 코일을 더 포함하고,
    상기 전력 송신 코일은 상기 송신 결합 코일과의 자기 결합을 통해 전력을 상기 전력 수신 코일로 전달하는 송신 자기 공진 코일을 포함하여 구성되며,
    상기 송신 결합 코일은 인덕턱스 성분으로 기능하여 임피던스 정합에 기여하는 것을 특징으로 하는 무선전력전송을 이용한 전지 충전 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 전력 송신부는,
    상기 송신 자기 공진 코일에 연결되어 공진 주파수를 조정하는 송신 제3 커패시터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력전송을 이용한 전지 충전 시스템.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 송신 결합 코일은,
    상기 송신 자기 공진 코일과의 상호 인덕턴스 조절을 위해 코일의 크기, 턴수 또는 상기 송신 자기 공진 코일과의 이격 거리가 조절된 것을 특징으로 하는 무선전력전송을 이용한 전지 충전 시스템.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 전력 송신부는,
    하나의 상기 송신 결합 코일에 대응하는 복수개의 송신 자기 공진 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력전송을 이용한 전지 충전 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 전력 송신부는,
    복수개의 상기 송신 자기 공진 코일 각각에 연결되어 공진 주파수를 조정하는 복수개의 송신 제3 커패시터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력전송을 이용한 전지 충전 시스템.
  10. 적어도 하나 이상의 전력 송신 코일을 통해 전력을 무선 전송하는 충전전력 공급장치와;
    상기 충전전력 공급장치로부터 무선 전송되는 전력을 수신하는 전력 수신 코일을 구비한 전력 수신부;
    전지의 잔여 충전량을 확인하고 상기 전력 수신부로부터 전달받은 전력을 상기 전지에 공급하는 전지 충전부; 및
    상기 전력 수신부와 상기 전지 충전부 간의 임피던스 매칭을 수행하는 수신 임피던스 정합부를 포함하는 전지 충전 장치를 포함하여 구성되며,
    상기 전지 충전 장치의 상기 전력 수신부, 수신 임피던스 정합부 및 전지 충전부는 하나 이상의 전지마다 개별적으로 구비된 것을 특징으로 하는 전지 충전 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력전송을 이용한 전지 충전 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 수신 임피던스 정합부는,
    상기 전력 수신부와 직렬 연결된 수신 제1 커패시터; 및
    상기 전력 수신부와 직렬 연결된 상기 수신 제1 커패시터에 병렬 연결된 수신 제2 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력전송을 이용한 전지 충전 시스템.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 수신 임피던스 정합부는,
    상기 전력 수신부와 병렬 연결된 수신 제1 커패시터; 및
    상기 전력 수신부와 병렬 연결된 상기 수신 제1 커패시터에 직렬 연결된 수신 제2 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력전송을 이용한 전지 충전 시스템.
  13. 제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수신 임피던스 정합부는 임피던스 매칭을 위한 수신 커패시터; 및
    상기 수신 커패시터의 입력단에 연결된 수신 결합 코일을 포함하며,
    상기 전력 수신 코일은, 상기 충전전력 공급장치로부터 전력을 수신하여, 상기 수신 결합 코일과의 자기 결합을 통해 수신된 전력을 상기 수신 임피던스 정합부로 전달하는 수신 자기 공진 코일을 포함하여 구성되고,
    상기 수신 결합 코일은 인덕턱스 성분으로 기능하여 임피던스 정합에 기여하는 것을 특징으로 하는 무선전력전송을 이용한 전지 충전 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 수신 결합 코일은,
    상기 수신 자기 공진 코일과의 상호 인덕턴스 조절을 위해 코일의 크기, 턴수 또는 상기 수신 자기 공진 코일과의 이격 거리가 조절된 것을 특징으로 하는 무선전력전송을 이용한 전지 충전 시스템.
  15. 적어도 하나 이상의 전력 송신 코일을 구비하여 하나 이상의 전지를 동시에 충전하기 위한 전력을 무선 전송하되, 무선 전송되는 전력을 조절 및 제어하는 송신 제어부를 포함하는 충전전력 공급장치; 및
    복수개의 전지 각각에 개별적으로 대응되는 전력 수신 코일을 통해 상기 충전 전력 공급장치로부터 무선 전송되는 전력을 수신하여 상기 전지를 충전하되, 각각의 전지에 충전되는 전력을 조절 및 제어하는 수신 제어부를 포함하는 전지 충전 장치를 포함하며,
    상기 송신 제어부와 상기 수신 제어부는 상호 연동하여 무선 전송되는 전력과 충전되는 전력을 조절하는 것을 특징으로 하는 무선전력전송을 이용한 전지 충전 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 수신 제어부는,
    복수개의 전지 각각에 개별적으로 대응되어 복수개로 구성된 것을 특징으로 하는 무선전력전송을 이용한 전지 충전 시스템.
  17. 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서,
    상기 송신 제어부는 상기 수신 제어부와의 유무선 통신을 위한 송신 통신부를 포함하고,
    상기 수신 제어부는 상기 송신 제어부와의 유무선 통신을 위한 수신 통신부를 포함하여 구성되며,
    상기 송신 제어부는 상기 수신 제어부로부터의 충전 상태 정보를 기초로 송신 전력량을 제어하는 것을 특징으로 하는 무선전력전송을 이용한 전지 충전 시스템.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 충전전력 공급장치에서,
    상기 송신 제어부는 임피던스 매칭을 조절하여 상기 전력 송신 코일에 공급되는 전력을 제어하는 것을 특징으로 하는 무선전력전송을 이용한 전지 충전 시스템.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 전지 충전 장치에서,
    상기 수신 제어부는 각 전지에 대한 임피던스 매칭을 조절하여 상기 각 전지에 충전되는 전력을 제어하는 것을 특징으로 하는 무선전력전송을 이용한 전지 충전 시스템.
  20. 적어도 하나 이상의 전력 송신 코일을 구비하며 하나 이상의 전지 충전 장치로 동시에 전력을 무선 전송할 수 있는 충전전력 공급장치와;
    상기 충전전력 공급장치로부터 무선 전송되는 전력을 수신하는 전력 수신 코일을 구비한 전력 수신부;
    상기 전력 수신부로부터 전달받은 전력을 전지에 공급하는 전지 충전부; 및
    상기 전력 수신부와 상기 전지 충전부 간의 임피던스 매칭을 수행하는 수신 임피던스 정합부를 포함하는 전지 충전 장치를 포함하여 구성되며,
    상기 수신 임피던스 정합부는 상기 전력 수신부와 병렬 연결된 수신 제1 커패시터; 및
    상기 전력 수신부와 병렬 연결된 상기 수신 제1 커패시터에 직렬 연결된 수신 제2 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력전송을 이용한 전지 충전 시스템.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 전지 충전 장치에는,
    상기 수신 임피던스 정합부의 임피던스 매칭을 조절하여 상기 각 전지에 충전되는 전력을 제어하는 제어부가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 무선전력전송을 이용한 전지 충전 시스템.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 수신 임피던스 정합부의 임피던스 매칭을 조절하여 상기 전력 수신부에서 바라보는 상기 전지 충전부 측 입력 임피던스를 낮추어 줌으로써, 상기 충전전력 공급장치에서 전송되는 전력 중 상기 전지 충전부로 공급되는 전력의 비중을 높이는 것을 특징으로 하는 무선전력전송을 이용한 전지 충전 시스템.
  23. 제21항에 있어서,
    상기 제어부는,
    복수의 전지 충전부로부터 복수의 전지에 대한 상태 정보를 수집한 후, 상기 상태 정보를 고려하여 하나 이상의 전지 충전부에 대한 임피던스 매칭을 조절하여 줌으로써, 상기 충전전력 공급장치에서 전송되는 전력 중 상기 하나 이상의 전지 충전부로 공급되는 전력의 비중을 높이는 것을 특징으로 하는 무선전력전송을 이용한 전지 충전 시스템
  24. 적어도 하나 이상의 전력 송신 코일을 구비하며 하나 이상의 전지 충전 장치로 동시에 전력을 무선 전송할 수 있는 충전전력 공급장치와;
    상기 충전전력 공급장치로부터 무선 전송되는 전력을 수신하는 전력 수신 코일을 구비한 전력 수신부;
    상기 전력 수신부로부터 전달받은 전력을 전지에 공급하는 전지 충전부; 및
    상기 전력 수신부와 상기 전지 충전부 간의 임피던스 매칭을 수행하는 수신 임피던스 정합부를 포함하는 전지 충전 장치를 포함하여 구성되며,
    상기 수신 임피던스 정합부는 상기 전력 수신부와 직렬 연결된 수신 제1 커패시터; 및
    상기 전력 수신부와 직렬 연결된 상기 수신 제1 커패시터에 병렬 연결된 수신 제2 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력전송을 이용한 전지 충전 시스템.
  25. 무선전력전송 시스템에서 하나 이상의 무선전력 수신장치로 전력을 무선 전송할 수 있는 무선전력 송신장치에 있어서,
    적어도 하나 이상의 전력 송신 코일을 구비하여, 상기 무선전력 수신장치로 전력을 송출하는 전력 송신부;
    상기 전력 송신부로 전원을 공급하는 전원 공급부; 및
    상기 전원 공급부와 상기 전력 송신부 사이의 임피던스를 매칭하는 송신 임피던스 정합부를 포함하여 구성되며,
    상기 무선전력 수신장치는 각 무선전력 수신장치마다 개별적으로 구비되는 전력 수신 코일을 통해 상기 무선전력 송신장치로부터 무선 전송되는 전력을 수신하는 장치인 것을 특징으로 하는 무선전력 송신장치.
  26. 무선전력전송 시스템에서 하나 이상의 무선전력 수신장치로 전력을 무선 전송할 수 있는 무선전력 송신장치로부터 전력을 수신하는 무선전력 수신장치에 있어서,
    상기 무선전력 송신장치로부터 무선 전송되는 전력을 수신하는 전력 수신 코일을 구비한 전력 수신부;
    상기 전력 수신부로부터 전달받은 전력을 다른 모듈로 공급하는 모듈 전력 공급부; 및
    상기 전력 수신부와 상기 모듈 전력 공급부 간의 임피던스 매칭을 수행하는 수신 임피던스 정합부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 무선전력 수신장치.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 수신 임피던스 정합부는 하나 이상의 수신 커패시터 및 상기 전력 수신 코일과 자기 결합을 통해 수신된 전력을 수신 임피던스 정합부로 전달하는 수신 자기 공진 코일을 포함하여 구성되며,
    상기 수신 결합 코일은 인덕턱스 성분으로 기능하여 임피던스 정합에 기여하는 것을 특징으로 하는 무선전력 수신장치.
  28. 제26항에 있어서,
    상기 수신 임피던스 정합부에서의 임피던스 정합을 제어하여 상기 모듈 전력 공급부로 공급되는 전력을 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력 수신장치.
  29. 제28항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 모듈 전력 공급부에서 측정된 상기 모듈의 상태를 고려하여,
    상기 수신 임피던스 정합부에서의 임피던스 정합을 제어하는 것을 특징으로 하는 무선전력 수신장치.
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