KR20170047707A - 고효율 무선전력 전송을 위한 고정임피던스 수신기기 전력 시스템 및 충전 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고효율 무선전력 전송을 위한 고정임피던스 수신기기 전력 시스템 및 충전 방법에 관한 것으로, 충전기(10)와; 배터리 1의 충전전류를 제어하는 제 1 충전전류 제어기(20)와; 배터리 2의 충전전류를 제어하는 제 2 충전전류 제어기(20')와; 배터리 1(30)과; 배터리 2(30') 및; 상기 배터리 1,2(30, 30')로부터 동시에 전력을 공급하는 시스템(40)으로 구성되어 본 발명은 수신 부하에서 임피던스의 변화를 보상하는 것이 아니고, 수신측의 임피던스의 변화가 없도록 하여 부하 변동에 따른 EMI 특성이 우수하여 CV(Contant Voltage) 기간 동안에도 고효율을 유지할 수 있고, 배터리 충전에 있어서 모바일 기기의 경우 충전방법은 CV(Contant Voltage)가 60% 이상 충전시간을 차지하여 이 기간 동안 효율이 급격히 안좋아져 전체 전력 사용량이 너무 많이 소요되지 않도록 하여 CV(Contant Voltage) 기간 동안에도 고효율을 유지함으로써 배터리를 분리함에 따라 용량을 증대시킬 수 있는 각별한 장점이 있는 유용한 발명이다.

Description

고효율 무선전력 전송을 위한 고정임피던스 수신기기 전력 시스템 및 충전 방법{Power apparatus and charging algorihm with fixed impedance for high efficiency wireless power transfer}

본 발명은 고효율 무선전력 전송을 위한 고정임피던스 수신기기 전력 시스템 및 충전 방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는 수신 부하에서 임피던스의 변화를 보상하는 것이 아니고, 수신측의 임피던스의 변화가 없도록 하여 CV(Contant Voltage) 기간 동안에도 고효율을 유지할 수 있는 고효율 무선전력 전송을 위한 고정임피던스 수신기기 전력 시스템 및 충전 방법에 관한 것이다.

최근 들어 휴대용 전자기기 및 무선형 가전제품의 사용이 크게 증가하면서, 배터리를 유선으로 충전해야 하는 번거로움을 없애기 위해 무선 전력 전송 기술 역시 빠른 속도로 발전하고 있다. 자기 유도(MI: Magnetic Induction) 방식과 자기 공진(MR: Magnetic Resonance) 방식의 무선 전력 전송 기술은 최근 시장을 주도하고 있는 무선 충전 기술이다.

자기 유도 방식의 무선 충전 기술은 송신단 코일에 전류를 흘려 자기장을 발생시키고, 수신단 코일에 자기장을 유도하여 발생되는 전류로 충전을 하는 방식이다. 종래 전동 칫솔이나 면도기 등에 주로 사용되었던 충전 기술로서, 근거리 내에서 매우 높은 충전 효율을 얻을 수 있는 장점이 있다. 충전 효율이 높아 휴대폰이나 노트북 등에 무선 충전을 시도하는 등으로 개발이 진행되고 있다. 그러나, 송신단과 수신단간 거리가 벌어질 경우 충전 효율이 급격하게 떨어진다.

자기 공진 방식의 무선 충전 기술은 2007년 MIT Marin Soljacic 교수팀에서 처음 선보인 기술로, 근거리 자기장 내에서 송수신 코일 간의 주파수가 공진할 때 감쇄파 결합에 의하여 에너지가 전달되는 현상을 이용하여 충전을 하는 방식이다. 자기 공진 무선 충전 기술은 자기 유도 방식과 비교하여 원거리에서 전력 전송이 가능하며, 공진 송수신 코일의 크기 및 특성에 따라 수십 cm에서 수 m에 이르는 거리까지 전력 전송이 가능한 장점이 있다.

또한, 자기 공진 방식의 무선 충전 기술은 충전 반경 내에 위치한 기기들의 공진 주파수가 일치하는 경우, 하나의 송신 코일을 이용하여 다수의 기기에 전력을 전송할 수 있는 장점이 있다.

그런데, 자기 공진 방식의 무선 전력 전송에 있어서, 송신기기와 수신기기 사이에 물체가 존재하는 경우, 자기장에 의해 물체에 영향을 끼칠 수 있어 인체가 무선 충전 반경 내에 위치하는 경우 인체에 미치는 영향을 최소화할 필요가 있다.

대한민국 특허공개 제10-2013-0068921호는 무선 전력 전송 시에 발생되는 자기장이 인체에 미치는 영향을 최소화하는 방법을 제시하고 있다. 동 선행문헌은 무선 전력 전송 장치 주위에 존재하는 인체를 검출하고, 수신 전력이 인체에 미치는 영향을 판단하고, 판단 결과에 기반하여 송신하는 전력의 크기를 조절하는 것으로, 자기 공진 방식의 무선 전력 전송에 따른 인체에의 영향을 최소화하는 방법을 개시하고 있다.

하지만, 송신단과 인체간의 거리를 정확하게 검출하지 못하거나, 적절한 전력 조절 제어에 실패할 경우, 인체가 유해한 자기장에 노출될 우려가 있다. 무엇보다 가정 내에서 이러한 문제점이 발생 될 경우, 가족 구성원이 치명적인 위험에 빠질 수 있으므로 가정 내 무선 충전 시스템 도입에 상당한 어려움으로 작용된다.

이와 같이 현재 개발되어 있는 일반적인 무선 전력 송신은 도 1에 도시한 바와 같은 구조를 가지게 된다. 입력 전압을 받아 공진형 DC-AC 인버터를 통해 AC 전압을 생성 후 부하 임피던스에 따라 전력을 효율적으로 전달하기 위한 임피던스 매칭 회로와 송신 인덕터 또는 공진기가 송신기를 구성하게 된다. 송신 공진기를 통해 전달된 전력은 수신 공진기를 거쳐 정류기를 지난 다음 시스템에 필요한 전압으로 변환하기 위한 DC-DC 컨버터를 거쳐 출력 전압을 생성하게 된다.

한편, 자기장을 이용하는 무선 전력 송신시스템은 도 2에 나타낸 바와 같이 배터리 충전을 하는 모바일 기기에서는 충전 전류가 감소함에 따라 효율이 급격하게 떨어지게 된다. 보통 리튬 이온이나 리튬 폴리머를 사용하는 모바일 기기의 경우 충전 방법은 CC(Constant Current)로 충전을 하다가 CV(Contant Voltage)로 충전을 하게 되는데, CV 모드 기간이 통상 CC 모드 보다 2 ∼ 3배 길게 되며, 이는 충전 전류가 계속 감소하게 된다.

충전 전류가 감소하게 되면, 도 2에 나타낸 바와 같이 전송 효율이 감소하게 되는데 이는 부하 저항에 계속 비뀌는 즉, 임피던스의 변화가 생기게 되는 것이다. 이르 보상하기 위해 송신이나 수신측에서의 임피던스 매칭 회로를 부하 정보에 따라 Adaptive 하게 변화하게 되는데, 매 순간 순간 마다 연속적으로 매칭 회로를 변화하기에는 무리가 따르고 효율 또한 낮아지게 된다.

이와 같이 종래의 전송방식 기술인 자기유도방식과 자기 공진 방식은 기술적 가능성이나 완성도는 높아진 단계이다. 하지만 아직 상용화되고 있지 못하는 여러 가지 이유가 있겠지만, 무선 전력 전송을 이용한 충전 방법은 유선 충전에 비하여 효율이 낮다는 단점이 있다. 이도 도 2에서 보는 바와 같이 무선 전력 전송을 이용한 충전은 대부분의 시간을 큰부하 조건이 아니고 경부하 조건이다. 각 부하 조건에 따라 외부 회로를 이용하여 고효율을 얻기 위한 알고리즘이 필요한 데 이는 회로의 복잡성 및 효율을 크게 증대하기는 어렵다.

특허문헌 1: 특허공개 제2013-0068921호 공보,

본 발명은 상기한 실정을 감안하여 종래 무선 전력 전송 기술에서 야기되는 여러 가지 결점 및 문제점들을 해결하고자 발명한 것으로서, 그 목적은 수신 부하에서 임피던스의 변화를 보상하는 것이 아니고, 수신측의 임피던스의 변화가 없도록 하여 부하 변동에 따른 EMI 특성이 우수하여 CV(Contant Voltage) 기간 동안에도 고효율을 유지할 수 있는 고효율 무선전력 전송을 위한 고정임피던스 수신기기 전력 시스템 및 충전 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 배터리 충전에 있어서 모바일 기기의 경우 충전방법은 CV(Contant Voltage)가 60% 이상 충전시간을 차지하여 이 기간동안 효율이 급격히 안좋아져 전체 전력 사용량이 너무 많이 소요되지 않도록 하여 CV(Contant Voltage) 기간 동안에도 고효율을 유지함으로써 배터리를 분리함에 따라 용량을 증대시킬 수 있는 고효율 무선전력 전송을 위한 고정임피던스 수신기기 전력 시스템 및 충전 방법을 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명 고효율 무선전력 전송을 위한 고정임피던스 수신기기 전력 시스템은 충전기(10)와; 배터리 1의 충전전류를 제어하는 제 1 충전전류 제어기(20)와; 배터리 2의 충전전류를 제어하는 제 2 충전전류 제어기(20')와; 배터리 1(30)과; 배터리 2(30') 및; 상기 배터리 1,2(30, 30')로부터 동시에 전력을 공급하는 시스템(40)으로 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명은 수신 부하에서 임피던스의 변화를 보상하는 것이 아니고, 수신측의 임피던스의 변화가 없도록 하여 부하 변동에 따른 EMI 특성이 우수하여 CV(Contant Voltage) 기간 동안에도 고효율을 유지할 수 있고, 배터리 충전에 있어서 모바일 기기의 경우 충전방법은 CV(Contant Voltage)가 60% 이상 충전시간을 차지하여 이 기간 동안 효율이 급격히 안좋아져 전체 전력 사용량이 너무 많이 소요되지 않도록 하여 CV(Contant Voltage) 기간 동안에도 고효율을 유지함으로써 배터리를 분리함에 따라 용량을 증대시킬 수 있는 각별한 장점이 있다.

도 1은 종래 일반적인 무선 전력 전속 시스템의 개념도,
도 2는 충전 전류의 감소에 따는 전송효율의 급격한 저하를 보여주는 도면,
도 3은 본 발명 고효율 무선전력 전송을 위한 고정임피던스 수신기기 전력 시스템에서의 전력 전송 개념도,
도 4는 본 발명에 따른 배터리 분리로 충전전류의 제어 및 특성을 설명하기 위한 도면,
도 5는 본 발명에 따른 배터리 2개에 의한 전류공급 방법을 설명하기 위한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명 고효율 무선전력 전송을 위한 고정임피던스 수신기기 전력 시스템 및 충전 방법을 바람직한 실시예로서 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명 고효율 무선전력 전송을 위한 고정임피던스 수신기기 전력 시스템에서의 전력 전송 개념도, 도 4는 본 발명에 따른 배터리 분리로 충전전류의 제어 및 특성을 설명하기 위한 도면, 도 5는 본 발명에 따른 배터리 2개에 의한 전류공급 방법을 설명하기 위한 도면으로서, 본 발명 고효율 무선전력 전송을 위한 고정임피던스 수신기기 전력 시스템은 충전기(10)와; 배터리 1의 충전전류를 제어하는 제 1 충전전류 제어기(20)와; 배터리 2의 충전전류를 제어하는 제 2 충전전류 제어기(20')와; 배터리 1(30)과; 배터리 2(30') 및; 상기 배터리 1,2(30, 30')로부터 동시에 전력을 공급하는 시스템(40)으로 구성되어 있다.

상기 제 1, 2 충전전류 제어기(20, 20')가 각각 시간차를 두고 배터리 1,2(30, 30')를 충전하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 배터리 1,2(30, 30')로부터 동시에 시스템(40)으로 전력을 공급하는 부하공유(Load share) 방식 또는 상기 배터리 1,2(30, 30')로부터 교대로 시스템(40)으로 전력을 공급하는 핫스와프(Hot swap) 방식으로 전력을 공급한다.

다음에는 상기한 바와 같이 구성된 본 발명 고효율 무선전력 전송을 위한 고정임피던스 수신기기 전력 충전 시스템 및 충전방법의 작용을 상세하게 설명한다.

도 4는 본 발명에 따른 배터리 분리로 충전전류의 제어 및 특성을 설명하기 위한 도면으로서, 무선 전력 전송을 이용한 충전방법은 도 1에서의 충전 전압을 도 3에서 충전기(10)의 입력 전압으로 받아 충전기(10)는 전류(Ic)로 CC(Contant current) 제어로 충전을 하게 된다. 제 1 충전전류 제어기(20; CCC1)에서는 t₀까지 배터리 1(30)을 전류(Ic)로 충전하도록 제어하며, 이때, 제 2 충전전류 제어기(20')는 배터리 2(30')를 충전하지 않는다.

배터리 1(30)이 CV(Contant voltage) 모드로 들어가게 되면, 제 1 충전전류 제어기(20; CCC1)는 서서히 충전 전류를 줄이기 시작하고 동시에 제 2 충전전류 제어기(20'; CCC2)는 전류를 천천히 증가시키면서 배터리 2(30')의 충전을 시작하게 된다. 이때 앞의 충전기(10)의 동작에는 변함이 없다.

배터리 1(30)이 충전이 완료되면, 제 1 충전전류 제어기(20; CCC1)는 연결을 끊게 되고, 다시 제 2 충전전류 제어기(20'; CCC2)는 CC(Contant current) 모드로 로 배터리 2(30')를 충전하게 된다.

배터리 2(30')도 충전을 완료하게 되면, 상기 제 1, 2 충전전류 제어기(20, 20')는 모두 동작을 멈추게 된다.

도 4의 아래 도면에 도시한 바와 같이 기존 무선 전력 전송을 이용한 충전방법은 배터리 충전 전압이 올라감에 따라 임피던스가 계속 변화하게 되지만, 본 발명에서는 임피던스 변화가 없다. 따라서 무선 전력 전송 효율을 높은 상태로 일정하게 유지할 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 배터리 2개에 의한 전류공급 방법을 설명하기 위한 도면으로서, 두 배터리 1,2(30, 30')에서 일정하게 반씩 전류를 시스템(40)으로 공급하는 부하공유(Load share) 방식과, 서로 교번으로 전력을 시스템(40)으로 공급하는 핫스와프(Hot swap) 방식 두 방식이 모두 가능하다.

지금까지 본 발명을 바람직한 실시예로서 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 발명의 요지를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있음은 물론이다.

10 : 충전기 20 : 제 1 충전전류 제어기
20' : 제 2 충전전류 제어기 30 : 배터리 1
30' : 배터리 2 40 : 시스템

Claims (4)

1. 충전기(10)와; 배터리 1의 충전전류를 제어하는 제 1 충전전류 제어기(20)와; 배터리 2의 충전전류를 제어하는 제 2 충전전류 제어기(20')와; 배터리 1(30)과; 배터리 2(30') 및; 상기 배터리 1,2(30, 30')로부터 동시에 전력을 공급하는 시스템(40)으로 구성된 고효율 무선전력 전송을 위한 고정임피던스 수신기기 전력 시스템.
2. 충전기(10)로 제 1, 2 충전전류 제어기(20, 20')를 통해 배터리 1,2(30, 30')를 충전하는 고효율 무선전력 전송을 위한 고정임피던스 수신기기 충전 방법에 있어서; 상기 제 1, 2 충전전류 제어기(20, 20')가 각각 시간차를 두고 배터리 1,2(30, 30')를 충전하는 고효율 무선전력 전송을 위한 고정임피던스 수신기기 충전 방법.
3. 제 2항에 있어서; 상기 배터리 1,2(30, 30')로부터 부하공유(Load share) 방식을 이용하여 동시에 시스템(40)으로 전력을 공급하는 것을 특징으로 하는 고효율 무선전력 전송을 위한 고정임피던스 수신기기 충전 방법.
4. 제 2항에 있어서; 상기 배터리 1,2(30, 30')로부터 핫스와프(Hot swap) 방식을 이용하여 교대로 시스템(40)으로 전력을 공급하는 것을 특징으로 하는 고효율 무선전력 전송을 위한 고정임피던스 수신기기 충전 방법.

Images