KR20160048468A - 무선 전력 송신 장치 및 무선 전력 전송 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 적어도 하나 이상의 무선 전력 수신 장치에 자기장을 통해 전력을 무선으로 전송하는 무선 전력 송신 장치에 관한 것이다.

Description

무선 전력 송신 장치 및 무선 전력 전송 시스템{Wireless power transmission apparatus and wireless power transmission system}
본 발명의 실시예는 무선 전력 송신 장치 및 무선 전력 전송 시스템에 관한 것이다.
무선 전력 전송이란 종래의 유선으로 된 전력선 대신 무선으로 가전기기나 전기자동차에 전원을 공급하는 기술을 말하며, 전원 케이블을 이용하여 전원이 필요한 장치를 전원 콘센트에 연결하지 않고도 무선으로 충전이 가능하다는 장점 때문에 관련 연구가 활발히 진행되고 있다.
무선 전력 전송 기술에는 크게 자기유도방식, 자기공진방식 및 마이크로파 방식이 있다. 자기유도방식은 근접한 코일 간의 자기유도결합을 이용한 기술로서, 2 개의 송수전 코일 간의 거리는 수 cm 이내이며 두 코일의 배열 조건에 의해서 전송 효율이 크게 좌우된다. 자기공진방식은 공진 결합(resonant coupling)에 의해 서로 떨어진 두 공진기 간에 비방사형 자기장 에너지가 전달되는 기술로서, 송수전 코일 간의 거리가 1~2m 정도에서 무선전력전송이 가능하며, 자기유도방식에 비해 비교적 두 코일의 정렬이 유연하고, 중계 방식을 이용하여 무선충전 가능범위를 확장할 수 있다는 장점이 있다. 마이크로파 방식은 마이크로파와 같은 초고주파의 전자파를 안테나를 통해 방사시켜서 전력을 전송하는 기술로서, 장거리 무선전력전송이 가능하지만 전자파에 의한 안전문제가 고려되어야 한다.
무선 전력 전송 시스템은 무선으로 전력을 전송하는 무선 전력 송신 장치와 상기 전력을 무선으로 수신하는 무선 전력 수신 장치로 이루어진다. 일반적으로 무선 전력 송신 장치와 무선 수신 장치가 동일한 공진 주파수를 가질 때 무선 전력 전송 시스템에서 최대 전력 전송이 일어날 수 있다.
상기 공진 주파수는 무선 전력 송신 장치와 무선 전력 수신 장치의 거리 또는 위치에 따라 달라진다. 즉, 무선 전력 전송 시스템에서 최대 전력 전송이 발생하기 위해서는 무선 전력 송신 장치와 무선 전력 수신 장치가 동일한 공진 주파수를 갖는 조건, 예를 들면 무선 전력 송신 장치와 무선 전력 수신 장치의 특정 거리 또는 위치를 만족하여야 한다. 무선 전력 송신 장치와 무선 전력 수신 장치의 거리 또는 위치가 변화하여 무선 전력 송신 장치에서 무선 전력 수신 장치로 최대 전력이 전송되는 조건을 만족하지 못하는 경우에는 무선 전력 송신 장치 내에서 무효 전력이 증가하고 이에 따라 무선 전력 전송 효율이 감소하게 된다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위해 한국공개특허 제2012-0129821호에서는 무선 전력 송신 장치의 공진 주파수를 변경하여 전력을 전송하였다. 그러나, 공진 주파수 자체를 변경하는 경우 외부 전원의 변화없이는 무선 전력 수신 장치에서 요구하는 전력을 전송할 수 없다는 문제점이 있었다.
또한, 1대의 무선 전력 송신 장치와 2대 이상의 무선 전력 수신 장치로 이루어진 무선 전력 전송 시스템에서 1대의 무선 전력 송신 장치가 2대 이상의 무선 전력 수신 장치에 무선 전력을 전송하는 경우 무선 전력 송신 장치 측에서는 부하가 증가하게 되어 부하에 전송하여야할 전력량이 된다.
무선 전력 송신 장치가 복수 개의 무선 전력 수신 장치들의 요구 전력을 전송하기 위해서는 송전 코일의 Q 팩터, 전압, 회로 효율, 인덕턴스 등 무선 전력 송신 장치의 여러 가지 파라메터를 변화시켜야 한다. 그 중에서 무선 전력 송신 장치의 송전 코일을 가변하여 복수 개의 무선 전력 수신 장치들의 요구 전력을 전송하기 위해서는 송전 코일의 Q 팩터를 증가시키거나 송전 코일 자체의 크기를 증가시켜야 한다. 즉, 무선 전력 송신 장치의 송전 코일의 Q 팩터나 크기를 증가시키면 무선 전력 송신 장치가 무선 전력 수신 장치에 전송할 수 있는 전력을 증가시킬 수 있다.
그러나, 무선 전력 송신 장치는 디자인이나 소비자의 요구 등에 따라 그 크기 정해져 있어서 송전 코일의 크기를 제한없이 증가시킬 수 없다. 또한, 일정값이상의 Q 팩터를 갖는 송전 코일을 제조하는 것이 곤란하며, Q 팩터가 높은 송전 코일은 가격이 비싸므로 무선 전력 송신 장치의 제조 단가를 증가시키는 문제점이 있다.
또한, 각각의 무선 전력 수신 장치들과 무선 전력 송신 장치들 사이의 공진 조건이 상이하여 무선 전력 수신 장치들에 최적화된 무선 전력 전송이 이루어지지 않는다. 이에 따라 무선 전력 송신 장치 또는 무선 전력 수신 장치들에 발열이 발생할 수 있으며, 심한 경우 상기 장치의 폭발 위험이 있다.
한국공개특허 제2012-0129821호, "무선 전력 전송 및 충전 시스템, 무선전력 전송 및 충전 시스템의 임피던스 제어 방법"
본 발명의 주된 목적은, 무선 전력 송신 장치가 복수 개의 무선 전력 수신 장치에 무선 전력을 전송하는 경우, 송전 코일의 변화없이도 복수 개의 무선 전력 수신 장치의 요구 전력을 전송할 수 있는 무선 전력 송신 장치 및 무선 전력 전송 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치는, 적어도 하나 이상의 무선 전력 수신 장치에 자기장을 통해 전력을 무선으로 전송하는 무선 전력 송신 장치에 있어서, 상기 자기장을 발생시키는 송전부와, 상기 송전부가 공진 주파수를 갖도록 임피던스를 조정할 수 있는 임피던스 매칭부와, 상기 무선 전력 송신 장치와 상기 무선 전력 수신 장치 사이의 거리 또는 위치가 변화하는 경우, 기 설정된 공진 주파수를 유지하면서 상기 무선 전력 수신 장치로의 전력 전송 효율이 최대가 되도록 상기 임피던스 매칭부의 임피던스를 변경시키도록 상기 임피던스 매칭부를 제어하는 제어부를 구비하며, 상기 임피던스 매칭부는, 커패시터 또는 인덕터로 이루어지며, 상기 송전부에 대해 직렬로 연결되는 복수 개의 제1회로와, 커패시터 또는 인덕터로 이루어지며, 상기 송전부에 대해 병렬로 연결되는 복수 개의 제2회로와, 상기 제2 회로와 직렬로 연결되는 매칭 인덕터와, 상기 제1회로들 및 상기 제2회로들 각각에 배치되어 이들을 개폐시키는 복수 개의 스위치로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 무선 전력 송신 장치가 복수 개의 무선 전력 수신 장치에 무선 전력을 전송하는 경우, 송전 코일의 변화없이도 복수 개의 무선 전력 수신 장치의 요구 전력을 전송할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 개략적으로 나타내는 구성도이다.
도 2는 도 1의 무선 전력 전송 시스템에서 무선 전력 송신 장치와 복수 개의 무선 전력 수신 장치간의 충전 동작의 일례를 설명하기 위한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 개략적으로 나타내는 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치를 개략적으로 나타내는 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 등가 회로를 나타내는 회로도이다.
도 6은 도 4의 제어부를 개략적으로 나타내는 구성도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치를 개략적으로 나타내는 구성도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 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.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제1, 제2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.
또한, 본 명세서에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "접속된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결되거나 또는 직접 접속될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결되거나 또는 접속될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서, 충전 기기는 충전 가능한 배터리를 장착하고 이동 가능한 장치로서, 휴대폰, 스마트 폰(smart phone), 노트북 컴퓨터(laptop computer), 디지털방송용 단말기, PDA(Personal Digital Assistants), PMP(Portable Multimedia Player), 내비게이션 등이 포함될 수 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 개략적으로 나타내는 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 무선전력 전송 장치는 무선 전력 송신 장치(10)와 무선 전력 수신 장치들(20, 30, 40) 간에 자기 유도 방식 또는 자기 공명 방식으로 전력을 전송할 수 있다. 도 1에는 3개의 무선 전력 수신 장치들(20, 30, 40)이 도시되어 있으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며 적어도 하나 이상의 무선 전력 수신 장치에 무선 전력을 전송할 수 있다.
무선 전력 송신 장치(10)는 외부의 입력 전원(13)으로부터 입력된 AC 전원을 정류부(미도시), 전압 증폭부(미도시) 등의 무전 전력 송신 회로(11)를 통해 전자파 신호로 변환한 후, 송전부(12)를 통해 무선 전력 수신 장치들(20, 30, 40)로 전송할 수 있다.
무선 전력 수신 장치들(20, 30, 40) 각각은 무선 전력 송신 장치(10)로부터 전송된 전자파 신호를 수신한다. 이를 위하여 무선 전력 수신 장치들(20, 30, 40) 은 수전부(22, 32, 42)를 구비할 수 있다.
자기 공명 방식의 경우, 송전부(12)와 수전부(22, 32, 42)의 공진 주파수는 동일하거나 거의 동일한 것이 바람직하다. 이 경우, 송전부(12)와 수전부(22, 32, 42)간에는 공진 결합(resonant coupling)에 의해 에너지 전달 채널이 형성된다. 송전부(12)로부터 방출된 전자파는 에너지 전달 채널을 통해 수전부(22, 32, 42)로 전송되며, 수전부(22, 32, 42)를 통해 입력된 전자파는 무선 전력 수신 장치(20) 내부에서 임피던스 매칭부(미도시), 정류부(미도시) 등의 무선 전력 수신 회로(21)를 통해 전력으로 변환될 수 있다. 변환된 전력은 무선 전력 수신 회로(21)에 연결된 부하 기기(23, 33, 43)로 전달되어 부하 기기(23, 33, 43)를 충전시키거나 구동 전력을 제공할 수 있다.
자기 유도 방식을 이용하는 경우에는 송전부(12)와 수전부(22, 32, 42)의 공진 주파수가 거의 동일한 주파수일 필요는 없지만, 송전부(12)와 수전부(22, 32, 42)의 공진 주파수를 거의 동일하게 매칭시킴으로써 양단간의 전력 전송 효율을 향상시킬 수 있다.
도 2는 도 1의 무선 전력 전송 시스템에서 무선 전력 송신 장치와 복수 개의 무선 전력 수신 장치간의 충전 동작의 일례를 설명하기 위한 사시도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 1개의 무전 전력 송신 장치(10)는 복수 개의 무선 전력 수신 장치에 무선 전력을 전송하여 무선 전력 수신 장치들(20, 30, 40)을 충전시킬 수 있다. 무선 전력 수신 장치(20, 30, 40)와 무선 전력 송신 장치(10) 사이에서 최대 전력이 전송되는 공진 주파수 서로 상이하다. 일반적으로 제조사에서는 사용자의 사용 빈도가 가장 높은 거리(또는 위치)에서 무선 전력 송신 장치(10)와 무선 전력 수신 장치(20, 30, 40)를 임피던스 매칭하여 공진 주파수를 동일하게 한다. 예를 들면, 무선 전력 송신 장치(10)와 무선 전력 수신 장치(20)사이의 거리(t0)인 경우 무선 전력 송신 장치(10)와 무선 전력 수신 장치(20)는 각각 임피던스 매칭되어 최대 전력 전송이 일어날 수 있다.
그러나, 또 다른 사용자가 다른 무선 전력 수신 장치(30 또는 40)를 위치(t0)가 아니 임의로 위치(t1)이나 위치(t2)로 배치할 수 있다.
이 경우, 무선 전력 송신 장치(10)와 무선 전력 수신 장치(20)는 더 이상 임피던스 매칭 상태가 아닐 수 있으며, 무선 전력 송신 장치(10)와 다른 무선 전력 수신 장치들(30, 40)과도 임피던스 매칭 상태가 아닐 수 있다. 즉, 1개의 무선 전력 송신 장치(10)에 복수 개의 무선 전력 수신 장치(20, 30, 40)가 충전되는 경우에는 무선 전력 송신 장치(10)와 무선 전력 수신 장치들(20, 30, 40) 사이에 임피던스 매칭 오류가 발행하게 되고 무선 전력 송신 장치(10)는 이로 인하여 무효 전력이 증가하고 무선 전력 수신 장치들(20, 30, 40)에 수신되는 전력이 감소하여 전력 전송 효율이 약화된다.
또한, 무선 전력 송신 장치 주변에 위치하는 무선 전력 수신 장치들이 증가함에 따라 무선 전력 송신 장치(10)에 대한 요구 전력(무선 전력 송신 장치가 무전 전력을 전송하여하는 무선 전력 수신 장치들의 전력 총량)이 증가하게 되므로, 무선 전력 송신 장치(10)는 복수 개의 무선 전력 수신 장치들(20, 30, 40)로의 무선 전력 전송량을 증가시켜야 하며, 상기 무선 전력 전송량을 증가시키기 위해서는 무선 전력 송신 장치(10) 송전 코일의 Q 팩터, 전압, 회로 효율, 인덕턴스 등 무선 전력 송신 장치(10)의 여러 가지 파라메터를 변화시켜야 한다. 그 중에서 무선 전력 송신 장치(10)의 송전 코일을 가변하여 복수 개의 무선 전력 수신 장치들(20, 30, 40)의 요구 전력을 전송하기 위해서는 송전 코일의 Q 팩터를 증가시키거나 송전 코일 자체의 크기를 증가시켜야 한다. 즉, 무선 전력 송신 장치(10)의 송전 코일의 Q 팩터나 크기를 증가시키면 무선 전력 송신 장치(10)가 무선 전력 수신 장치들(20, 30, 40)에 전송할 수 있는 총 전력을 증가시킬 수 있다.
그러나, 무선 전력 송신 장치(10)는 설계 상의 문제, 디자인, 또는 소비자의 요구 등 여러가지 이유에 의해 그 크기가 정해져 있어서 송전 코일의 크기를 제한없이 증가시킬 수 없다. 또한, 일정값 이상의 Q 팩터를 갖는 송전 코일을 제조하는 것이 곤란하며, Q 팩터가 높은 송전 코일은 가격이 비싸므로 무선 전력 송신 장치의 제조 단가를 증가시키는 문제점이 있다.
이를 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 시스템은 무선 전력 송신 장치(10)가 1대의 무선 전력 수신 장치가 아닌 복수 개의 무선 전력 수신 장치들(20, 30, 40)을 충전시키는 경우에도 송전 코일의 크기나 Q 팩터의 변화없이도 무선 전력 수신 장치들(20, 30, 40)의 요구 전력을 전송할 수 있으며, 충전 가능한 무선 전력 수신 장치의 개수가 변하는 경우에도 최적의 효율로 무선 전력 송신 장치(10)에서 무선 전력 수신 장치들(20, 30, 40)로 전력을 전송하기 위해 무선 전력 송신 장치(10)에서 발생하는 무효 전력을 최소화할 수 있다. 이에 대해 후술한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 개략적으로 나타내는 구성도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치(100)는 무선 전력 송신 회로부(130), 임피던스 매칭부(140), 제어부(150), 통신부(160), 송전부(180)를 구비할 수 있으며, 복수 개의 무선 전력 수신 장치들(200, 300, 400) 각각은 무선 전력 수신 회로부(230, 330, 430) 및 수전부(280, 380, 480)를 구비할 수 있다.
무선 전력 송신 장치(100)에 외부 전원이 제공된다. 외부 전원은 정류부(110)로 입력되어 직류 전원으로 변환되고, 변환된 직류 전원은 전압 증폭부(120)에 의해 임의의 전압으로 변환될 수 있다.
임피던스 매칭부(140)는 송전부(180)와 무선 전력 송신 회로부(130) 사이에 배치되어 송전부(180)와 무선 전력 송신 회로부(130)의 임피던스를 매칭할 수 있다. 구체적으로, 임피던스 매칭부(140)는 송전부(180)의 전단에 위치하여, 송전부(180)와 임피던스 매칭부(140) 전단의 임피던스를 매칭시킬 수 있다. 이를 위하여, 임피던스 매칭부(140)는 가변 인덕터나 가변 커패시터를 포함하거나, 또는 커패시터와 FET(Field effect transistor) 스위치가 직접 연결된 회로가 병렬로 다수 연결된 병렬 어레이 구조를 포함할 수 있다. 이때, 상기의 가변 커패시터 또는 병렬 어레이는 송전부(180)와 직렬 연결되거나 또는 병렬 연결되어 임피던스 매칭부(140)의 커패시턴스 값을 변경함으로써 임피던스 매칭을 시킬 수 있다.
또한, 임피던스 매칭부(140)는 송전부(180)와 병렬로 연결되는 매칭 인덕터(도 4의 143)를 더 구비할 수 있다. 무선 전력 송신 장치(10)는 매칭 인덕터(143)에 의해 송전부(180)의 변경없이도 복수 개의 무선 전력 수신 장치들의 요구 전력을 전송할 수 있다. 이에 대해서는 후술한다.
무선 전력 송신 장치(100)와 무선 전력 수신 장치(200)의 거리 또는 위치가 변하거나 무선 전력 송신 장치(100)가 전력을 송신하여야 할 무선 전력 수신 장치(200, 300, 400)의 개수가 늘어나는 경우 최대 전력 전송이 일어나는 공진 주파수가 변할 뿐만 아니라, 무선 전력 송신 장치(100)에는 무효 전력이 발생할 수 있다. 이 경우, 기 설정된 무선 전력 송신 장치(100)의 공진 주파수는 변경하지 않으면서 임피던스 매칭부(140)의 임피던스를 조절하여 무선 전력 송신 장치(100)의 무효 전력을 제거하고, 또한 무선 전력 수신 장치(200)가 요구하는 유효 전력을 전달할 수 있다. 이에 대해서는 후술한다.
제어부(150)는 무선 전력 송신 장치(100)와 무선 전력 수신 장치(200) 사이의 거리 또는 위치가 변화하는 경우, 또는 무선 전력 송신 장치(100)가 전력을 송신하여야 할 무선 전력 수신 장치(200, 300, 400)의 개수가 늘어나는 경우, 무선 전력 송신 장치(100)와 무선 전력 수신 장치(200) 사이에 기 설정된 공진 주파수를 유지하면서 무선 전력 수신 장치(200)로의 전력 전송 효율이 최대가 되는 임피던스를 갖도록 임피던스 매칭부(140)를 제어할 수 있다.
상기 기 설정된 공진 주파수는 무선 전력 송신 장치(100)와 무선 전력 수신 장치(200)가 특정 위치에서 공진 상태가 되는 주파수를 의미한다. 상술한 바와 같이, 제조사에서는 사용자의 사용 빈도가 가장 높은 거리(또는 위치)에서 무선 전력 송신 장치(100)와 무선 전력 수신 장치(200)를 임피던스 매칭하여 공진 주파수를 동일하게 하며, 상기 특정 위치에서의 공진 주파수가 기 설정된 공진 주파수이다.
무선 전력 송신 장치(100)와 무선 전력 수신 장치(200) 사이의 거리 또는 위치가 변화하는 경우, 또는 무선 전력 송신 장치(100)가 전력을 송신하여야 할 무선 전력 수신 장치(200)의 개수가 늘어나는 경우에는 송전부(180)와 수전부(280) 사이의 상호 인덕턴스의 영향으로 임피던스 매칭 오류가 발생하고, 이에 따라 무선 전력 송신 장치(100)에서 무효 전력이 발생하여 무선 전력 송신 장치(100)에 발열이 발생하고 전력 전송 효율이 감소하게 된다.
이와 같이 임피던스 매칭 오류가 발생하는 경우 종래에는 무선 전력 송신 장치의 공진 주파수 자체를 변경하여 전력을 전송하였다. 그러나, 공진 주파수 자체를 변경하는 경우 외부 전원의 변화없이는 무선 전력 수신 장치에서 요구하는 전력을 전송할 수 없다는 문제점이 있다. 즉, 무선 전력 송신 장치의 공진 주파수를 변경하여 무효 전력을 최소화하는 경우 유효 전력 또한 감소하게 되어 외부 전원의 증가 없이는 무선 전력 수신 장치로의 수신 전력 역시 감소하게 된다.
그러나, 본 발명에 일 실시예에 따르면, 제어부(150)는 송전 조건이 변화하는 경우(무선 전력 송신 장치(100)와 무선 전력 수신 장치(200) 사이의 거리 또는 위치가 변화하는 경우, 또는 무선 전력 송신 장치(100)가 전력을 송신하여야 할 무선 전력 수신 장치(200, 300, 400)의 개수가 늘어나는 경우)에 기 설정된 공진 주파수를 유지하도록 하면서 무선 전력 송신 장치(100)의 무효 전력이 최소가 되고 전력 전송 효율이 최대가 되는 임피던스를 갖도록 임피던스 매칭부(140)를 제어할 수 있다. 이에 따라 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치(100)는 충전 조건이 변화하는 경우에도 무선 전력 수신 장치(200)가 요구하는 전력을 전송할 수 있다.
또한, 무선 전력 송신 장치(100)가 전력을 송신하여야 할 무선 전력 수신 장치(200, 300, 400)의 개수가 증가한 경우에는 무선 전력 송신 장치 측에서는 부하가 증가하게 되어 부하에 전송하여야할 전력량이 증가된다.
무선 전력 수신 장치들로의 무선 전력 전송량을 증가시키기 위해 종래에는 송전 코일의 Q 팩터, 전압, 회로 효율, 인덕턴스 등 무선 전력 송신 장치의 여러 가지 파라메터를 변화시켰다. 그 중에서 무선 전력 송신 장치의 송전 코일을 가변하여 복수 개의 무선 전력 수신 장치들의 요구 전력을 전송하기 위해서는 송전 코일의 Q 팩터를 증가시키거나 송전 코일 자체의 크기를 증가시켜야 한다. 즉, 무선 전력 송신 장치의 송전 코일의 Q 팩터나 크기를 증가시키면 무선 전력 송신 장치가 무선 전력 수신 장치에 전송할 수 있는 전력을 증가시킬 수 있다.
그러나, 무선 전력 송신 장치는 디자인이나 소비자의 요구 등에 따라 그 크기 정해져 있어서 송전 코일의 크기를 제한없이 증가시킬 수 없다. 또한, 일정값이상의 Q 팩터를 갖는 송전 코일을 제조하는 것이 곤란하며, Q 팩터가 높은 송전 코일은 가격이 비싸므로 무선 전력 송신 장치의 제조 단가를 증가시키는 문제점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 매칭 인덕터(144)를 송전부(180)의 송전 코일과 병렬로 연결하고, 매칭 인덕터(144)를 포함한 임피던스 매칭부(140)의 임피던스를 조절함으로써 송전부(180)의 송전 코일의 변경없이도 복수 개의 무선 전력 수신 장치(200, 300, 400)에 요구 전력을 전송할 수 있다.
통신부(160)는 무선 전력 수신 장치둘(200, 300, 400)로부터 수신 전력에 대한 정보를 수신할 수 있다. 즉, 통신부(160)는 무선 전력 송신 장치(100)에서 무선 전력 수신 장치들(200, 300, 400)로 전송되는 전력(수신 전력)에 대한 정보, 수전부(180)의 전류, 전압에 대한 정보를 실시간으로 무선 전력 수신 장치들(200, 300, 400)로부터 수신할 수 있다. 통신부(160)에서 수신된 수신 전력에 대한 정보는 제어부(150)로 전송되고, 제어부(150)는 상기 정보에 따라 전력 전송 효율을 산출하고 무효 전력을 최소화할 수 있는 임피던스를 구하며, 이를 토대로 임피던스 매칭부(140)를 제어할 수 있다. 이에 대해서는 후술한다.
송전부(180)는 무선으로 전력을 송전할 수 있다. 일 예로서, 송전부(180)는 후술할 제어부(160)의 제어 신호에 따라 무선 전력 수신 장치(200)로 전력을 송신할 수 있다. 이때, 전송되는 전력은 RF(Radio frequency) 에너지 신호의 형태로 전송될 수 있다. 또한, 송전부(180)와 수전부는 동일하거나 근사한 공진 주파수를 가지는 것이 바람직하다. 송전부(180)와 수전부가 동일한 공진 주파수를 가지는 경우 최대 전력 전송이 일어날 수 있다.
송전부(180)의 구성은 무선 전력 전송 방식에 따라 다양할 수 있다. 예를 들어, 무선 전력 전송 시스템이 자기 유도 방식으로 구현되는 경우에는 송전부(180)는 단일의 루프 안테나로 구성될 수 있다. 반면에, 무선 전력 전송 시스템이 자기 공명 방식으로 구현되는 경우에는 송전부(180)는 송전 코일과 송전용 공진 코일의 쌍으로 구성될 수 있다. 또한, 송전부(180)는 루프 형태로 구현될 수 있다. 예를 들어, 송전부(180)는 스파이럴 루프 또는 헬리컬 루프의 형태일 수 있다.
송전 조건이 변화하는 경우, 특히 무선 전력 송신 장치(100)가 전력을 송신하여야 할 무선 전력 수신 장치(200, 300, 400)의 개수가 늘어나는 경우에는 무선 전력 송신 장치(100)가 전송하여야 하는 전력량이 증가하며, 이에 따라 송전부(180)의 송전 코일 또한 크기를 증가시키거나 보다 높은 Q 팩터를 가져야 하지만, 매칭 인덕터(144)를 송전부(180)의 송전 코일과 병렬로 연결하고 임퍼던스 매칭을 하는 경우에는 송전부(180)의 송전 코일의 변경없이도 무선 전력 송신 장치(100)는 무선 전력 수신 장치들(200, 300, 400)의 요구 전력을 전송할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치를 개략적으로 나타내는 구성도이며, 도 5는 도 4의 제어부를 개략적으로 나타내는 구성도이고, 도 6은 도 4의 무선 전력 송신 장치의 일 변형예를 개략적으로 나타내는 구성도이다.
도 4 및 6를 참조하면, 임피던스 매칭부(140)는 제1회로(141), 제2회로(142), 매칭 인덕터(144), 및 스위치들(도 6의 141S1, 141S2, ..., 141Sn, 143P1, 143P2, ..., 143Pn)로 이루어질 수 있다.
제1회로(141)는 송전부(180)에 직렬로 연결되며, 적어도 하나 이상의 커패시터 또는 인덕터로 이루어질 수 있다. 상기 커패시터 또는 인덕터는 직렬 또는 병렬로 다양한 형태로 연결될 수 있다.
제2회로(142)는 송전부(180)에 병렬로 연결되며, 적어도 하나 이상의 커패시터 또는 인덕터로 이루어질 수 있다. 상기 커패시터 또는 인덕터는 직렬 또는 병렬로 다양한 형태로 연결될 수 있다.
매칭 인덕터(144)는 제2회로(142)와 직렬로 연결되어 송전부(180)와는 병렬 관계를 갖는다.
제1회로(141)와 제2회로(142) 각각은 제1회로(141) 및 제2회로(142) 각각을 개폐시키는 복수 개의 스위치를 구비할 수 있다. 스위치는 제1회로(141)와 제2회로(142) 각각을 구성하는 커패시터 또는 인덕터 각각에 연결되어 이들을 단락 또는 단선시킬 수 있다.
제어부(150)는 상기 스위치를 단락 또는 단선시키는 것을 제어하여 전체 임피던스 매칭부(140)의 임피던스를 제어할 수 있다. 상세하게는 제어부(150)는 기 설정된 공진 주파수를 유지하면서 전력 전송 효율이 최대가 될 수 있도록 제1회로(141)의 임피던스와 제2회로(142)의 임피던스를 제어하되, 제1회로(141)의 임피던스, 제2회로(142)의 임피던스, 매칭 임피더스(144)의 합이 일정하게 유지되도록 제어할 수 있다.
예를 들어, 제1회로(141)와 제2회로(142)가 모두 커패시터로 이루어진 경우, 제1회로(141)의 총 커패시턴스를 Cs, 제2회로(142)의 총 커패시턴스를 Cp, 매칭 인덕터(144)를 Lp라고 하면, 제어부(150)는 다음과 수학식 1을 만족하도록 제1회로(141)와 제2회로(142)를 제어할 수 있다.
Figure pat00001
여기서, w는 기 설정된 공진 주파수이고, k는 커플링 계수(Coupling Coefficient)이다.
제어부(150)는 상기 수학식 1을 만족하면서, 무선 전력 수신 장치들(200, 300, 400)로부터 무선 전력 송신 장치(100)에서의 수신 전력에 대한 정보를 수신하고, 상기 수신 전력에 대해 전력 전송 효율이 최대가 되는 임피던스를 구하고, 상기 임피던스를 임피던스 매칭부(140)를 제어할 수 있다.
제어부(150)는 제2회로(142)의 임피던스를 제어함으로써 무선 전력 수신 장치들(200, 300, 400)에서 요구되는 수신 전력을 제어할 수 있다. 즉, 제2회로(142)는 송전부(180)에 병렬로 연결되는바, 유효 전력은 제2회로(142)의 임피던스 값에 비례한다. 따라서, 제어부(150)는 제2회로(142)의 임피던스 값을 제어하여 유효 전력을 제어할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 등가 회로를 나타낸다. 즉, 도 5는 도 4의 무선 전력 송신 장치의 등가 회로(100)와 2개의 무선 전력 수신 장치의 등가 회로(200, 300)를 나타낸다.
도 5를 참조하면, Cs는 제1회로(도 4의 141)의 총 커패시턴스이고, Cp는 제2회로(도4의 142)의 총 커패시턴스이며, Lp는 매칭 인덕터(144)이며, Ld1와 Rs1은 수전부(도3의 280)의 등가 회로이고, Ld2와 Rs2은 수전부(도3의 380)의 등가 회로이며, Rs1, Cs1, Rac1은 무선 전력 수신 회로부(도 3의 230)의 등가 회로이고, Rs2, Cs2, Rac2은 무선 전력 수신 회로부(도 3의 330)의 등가 회로이다.
매칭 인덕터(144)의 인덕턴스(Lp)가 다음의 수학식2를 만족하는 경우, 송전부(180)의 송전 코일의 변경없이도 복수 개의 무선 전력 수신 장치(200, 300, 400)에 요구 전력을 전송할 수 있다.
Figure pat00002
여기서,
Figure pat00003
이며, Qs는 송전부 코일(Ls)의 Q 팩터이고, QD는 수전부 코일(Ld1, Ld2)의 Q 팩터이다. 또한, Vin은 무선 전력 송신 장치(100)에 입력되는 DC 전압이고, Preq는 무선 전력 수신 장치(200)의 요구 전력이며, Q는 Qs와 동일하다.
또한, 매칭 인덕터(144)의 인덕턴스(Lp)가 상기 수학식2를 만족하는 경우에는 무선 전력 송신 장치(100)에 매칭 인덕터(144)가 구비되지 않은 경우보다 무선 전력 송신 장치(100)와 무선 전력 수신 장치(200, 300) 사이의 결합계수가 더 커진다. 결합계수는 무선 전력 송신 장치(100)와 무선 전력 수신 장치(200, 300) 사이의 거리에 반비례하므로 무선 전력 송신 장치(100)와 무선 전력 수신 장치(200, 300)가 근접한 거리에 있는 경우에도 최대 전력 전송 효율을 가지면서 무선 충전이 가능다.
보다 상세하게는 무선 전력 송신 장치(100)에 매칭 인덕터(144)가 구비되지 않은 경우 무선 전력 송신 장치(100)와 무선 전력 수신 장치(200, 300) 사이의 결합계수가 소정의 값 이상이 되면 임피던스 매칭부(140)를 제어하여도 무선 전력 송신 장치(100)와 무선 전력 수신 장치(200, 300) 사이에 임피던스 매칭이 발생하지 않아서 무선 전력 송신 장치(100)에서 무선 전력 수신 장치(200, 300)로의 전력 전송 효율이 악화된다. 결합계수는 거리에 반비례하므로 결합계수가 소정의 값 이상이 된다고 하는 것은 무선 전력 송신 장치(100)와 무선 전력 수신 장치(200, 300) 사이의 거리가 일정 거리 이내가 된다는 의미하는바, 무선 전력 송신 장치(100)와 무선 전력 수신 장치(200, 300) 사이의 거리가 일정 거리 이내에서는 임피던스 매칭부(140)를 제어하여도 무선 전력 송신 장치(100)와 무선 전력 수신 장치(200, 300) 사이에 임피던스 매칭이 발생하지 않는다. 즉, 무선 전력 송신 장치(100)에서 무선 전력 수신 장치(200, 300)로의 전력 전송 효율이 악화된다.
이에 반하여, 본 발명의 일 실시예와 같이 무선 전력 송신 장치(100)에 매칭 인덕터(144)가 구비된 경우에는 무선 전력 송신 장치(100)에 매칭 인덕터(144)가 구비되지 않은 경우보다 더 큰 결합계수를 가지면서 무선 전력 송신 장치(100)와 무선 전력 수신 장치(200, 300) 사이에 임피던스 매칭이 된다. 즉, 무선 전력 송신 장치(100)와 무선 전력 수신 장치(200, 300)가 보다 가까운 거리에 있는 경우에서도 임피던스 매칭을 이루어지 최대 전력 전송 효율을 가질 수 있다.
도 6은 도 4의 제어부를 개략적으로 나타내는 구성도이다.
도 6을 참조하면, 제어부(150)는 모니터링부(151), 연산부(152), 및 스위치 조작부(143)로 이루어질 수 있다.
모니터링부(151)는 무선 전력 수신 장치(200)로부터 수신된 수신 전력에 대한 정보와 무선 전력 송신 장치(100)에서 송신되는 송신 전력에 대한 정보로부터 전력 전송 효율의 변화를 모니터링할 수 있다. 즉, 모니터링부(151)는 수신 전력과 송신 전력을 실시간으로 전송받고 송신 전력을 수신 전력을 나누어 전력 전송 효율을 산출할 수 있다.
연산부(152)는 모니터링부(151)에서 산출된 전력 전송 효율을 이용하여 전력 전송 효율이 최대될 수 있는 임피던스 매칭부(140)의 임피던스를 구할 수 있다. 연산부(152)는 기 설정된 공진 주파수를 유지하면서 매칭 인덕터(144), 제1회로(141)의 임피던스, 및 제2회로(142)의 임피던스가 수학식1을 만족하도록 임피던스 매칭부(140)의 임피던스를 구할 수 있다.
스위치 조작부(153)는 전력 전송 효율이 최대가 되는 임피던스를 임피던스 매칭부(140)가 갖도록 임피던스 매칭부(140)의 제1회로(141) 또는 제2회로(142)의 스위치를 제어할 수 있다.
도 7은 제1회로(141)와 제2회로(142)의 일 변형예를 나타내는 도면이다.
도 7을 참조하면, 제1회로(141)는 각각 병렬로 연결된 복수 개의 임피던스(141S1, 141S2, ..., 141Sn)와 이들 각각에 직렬로 연결되어 이들을 단락 또는 단선시키는 스위치(142S1, 142S2, ...,142Sn)로 이루어질 수 있으며, 제2회로(142)는 각각 병렬로 연결된 복수 개의 임피던스(143P1, 143P2, ..., 143Pn)와 이들 각각에 직렬로 연결되어 이들을 단락 또는 단선시키는 스위치(144P1, 144P2, ...,144Pn)로 이루어질 수 있다. 제어부(150)는 스위치(142S1, 142S2, ...,142Sn) 및 스위치(144P1, 144P2, ...,144Pn)를 제어함으로써 제1회로(141)와 제2회로(142)의 임피던스를 제어할 수 있다.
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 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
110: 정류부 120: 전압 증폭부
130: 임피던스 매칭부 160: 제어부

Claims (1)

  1. 적어도 하나 이상의 무선 전력 수신 장치에 자기장을 통해 전력을 무선으로 전송하는 무선 전력 송신 장치에 있어서,
    상기 자기장을 발생시키는 송전부;
    상기 송전부가 공진 주파수를 갖도록 임피던스를 조정할 수 있는 임피던스 매칭부; 및
    상기 무선 전력 송신 장치와 상기 무선 전력 수신 장치 사이의 거리 또는 위치가 변화하는 경우, 기 설정된 공진 주파수를 유지하면서 상기 무선 전력 수신 장치로의 전력 전송 효율이 최대가 되도록 상기 임피던스 매칭부의 임피던스를 변경시키도록 상기 임피던스 매칭부를 제어하는 제어부; 를 구비하며,
    상기 임피던스 매칭부는, 커패시터 또는 인덕터로 이루어지며, 상기 송전부에 대해 직렬로 연결되는 복수 개의 제1회로와, 커패시터 또는 인덕터로 이루어지며, 상기 송전부에 대해 병렬로 연결되는 복수 개의 제2회로와, 상기 제2 회로와 직렬로 연결되는 매칭 인덕터와, 상기 제1회로들 및 상기 제2회로들 각각에 배치되어 이들을 개폐시키는 복수 개의 스위치를 갖는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신 장치.
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