KR20180047900A - 효율 향상을 위해 다중 수신 코일들을 이용한 무선 전력 장치 및 이를 포함하는 시스템 - Google Patents

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KR20180047900A
KR20180047900A KR1020160144738A KR20160144738A KR20180047900A KR 20180047900 A KR20180047900 A KR 20180047900A KR 1020160144738 A KR1020160144738 A KR 1020160144738A KR 20160144738 A KR20160144738 A KR 20160144738A KR 20180047900 A KR20180047900 A KR 20180047900A
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Abstract

효율 향상을 위해 다중 수신 코일들을 이용한 무선 전력 장치 및 이를 포함하는 시스템이 개시된다. 일 실시예에 따른 무선 전력 장치는 부하 저항, 및 복수의 수신 코일들을 인터리브 방식으로 이용하여 전력을 변환함으로써, 상기 전력을 상기 부하 저항으로 전달하는 전력 변환기를 포함한다.

Description

효율 향상을 위해 다중 수신 코일들을 이용한 무선 전력 장치 및 이를 포함하는 시스템{AN WIRELESS POWER APPARATUSE USING MULTIPLE RECEIVING COILS FOR EFFICIENCY AND SYSTEM INCLUDING THE SAME}
아래 실시예들은 효율 향상을 위해 다중 수신 코일들을 이용한 무선 전력 장치 및 이를 포함하는 시스템에 관한 것이다.
무선전력전송 시스템의 전송 효율은 부하저항에 따라 무선전력전송 시스템의 각 구간에서 큰 폭으로 변화한다.
무선전력전송 시스템의 부하저항이 작을수록, 송신 코일에서 수신 코일까지의 전송 효율은 증가하지만, 수신 코일에서 부하까지의 전송 효율은 감소한다.
반대로 무선전력전송 시스템의 부하저항이 클수록, 수신 코일에서 부하까지의 전송 효율은 증가하지만, 송신 코일에서 수신 코일까지의 전송 효율은 감소하게 된다.
무선전력전송 시스템의 전체 전송 효율은 부하저항에 따라 각 구간의 전송 효율과 상관관계를 가진다. 이에, 무선전력전송 시스템의 전체 전송 효율은 송신 코일에서 부하까지 최대 전송 효율을 얻을 수 없는 문제점이 있다.
부하 변환 무선전력전송 시스템은 무선전력전송 시스템의 문제점을 개선하기 위해서 제안되었다.
하지만, 부하 변환 무선전력전송 시스템의 유효 부하 저항을 변환해도 전체 전송 효율의 개선은 제한적이다.
실시예들은 다중 수신 코일을 이용하는 인터리브 방식으로 무선전력전송 시스템의 송신 코일에서 부하 저항까지의 전체 전송 효율을 최대 전송 효율로 유지할 수 있는 기술을 제공할 수 있다.
또한, 실시예들은 듀티를 제어하여 무선전력전송 시스템의 최대 전송 효율을 유지할 수 있는 기술을 제공할 수 있다.
일 실시예에 따른 무선 전력 장치는 부하, 및 복수의 수신 코일들을 인터리브 방식으로 이용하여 전력을 변환함으로써, 상기 전력을 상기 부하로 전달하는 전력 변환기를 포함한다.
도 1은 무선전력전송 시스템의 개략적인 회로도를 나타낸다.
도 2는 부하 저항의 변동에 따른 무선전력전송 시스템의 개략적인 회로도를 나타낸다.
도 3은 부하 변환 무선전력전송 시스템의 개략적인 회로도를 나타낸다.
도 4는 부하 변환 무선전력전송 시스템에서 각 구간의 최대 전송 효율 부하 조건을 나타낸다.
도 5는 일 실시예에 따른 인터리브 무선전력전송 시스템의 개략적인 회로도를 나타낸다.
도 6은 인터리브 무선전력전송 시스템의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 인터리브 무선전력전송 시스템의 효율을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 일 실시예에 따른 인터리브 무선전력전송 시스템의 시뮬레이션 을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 시뮬레이션을 통해 생성된 시뮬레이션 파형의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 10은 시뮬레이션을 통해 생성된 시뮬레이션 파형의 다른 예를 나타내는 도면이다.
도 11은 일 실시예에 따른 인터리브 방식의 무선전력전송 시스템의 시뮬레이션 비교 파형을 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 출력 전력에 따른 효율 그래프를 나타낸다.
도 13은 결합 계수에 따른 전송 효율, 및 출력 전력 비교 그래프를 나타낸다.
도 14는 각각의 무선전력전송 시스템의 비교를 나타낸다.
본 명세서에서 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 변경들을 가할 수 잇고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만, 예를 들어 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 표현들, 예를 들어 "~사이에"와 "바로~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어를 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 특허출원의 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 무선전력전송 시스템의 개략적인 회로도를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 무선전력전송 시스템은 송신단 및 수신단을 포함한다.
송신단은 입력 전압 전원(Vac), 송신 코일(LTX), 및 송신 캐패시터(CTX)로 구성된다.
수신단은 수신 코일(LRX), 수신 캐패시터(CRX), 및 부하 저항(RL)으로 구성된다.
송신단 전류(I1)는 수신단에 유도 전압(jwMI1)을 발생시켜 수신단 전류(I-2)를 발생시킬 수 있다. 이때, 수신단 전류(I2)는 송신단에 유도 전압(jwMI2)을 발생시킬 수 있다.
무선전력전송 시스템에서 전력을 전송할 때, 송신단 전류(I1) 및 수신단 전류(I2)는 서로 관여될 수 있다.
무선전력전송 시스템의 상호 인덕턴스(M)는 송신 코일(LTX)과, 수신 코일(LRX)간의 거리와 위치에 따라 결정될 수 있다.
송신단에서 수신단까지 전송하는 전력량은 투영 저항(Rref)으로 모델링할 수 있다. 이때, 무선전력전송 시스템의 송/수신단의 공진주파수는 같을 수 있다.
투영 저항(Rref)은 수학식 1로 표현될 수 있다.
Figure pat00001
수학식 1의 결합 계수(k)는 송/수신단의 코일 자체 인덕턴스(LTX, LRX)와, 상호 인덕턴스(M)에 의해서 결정될 수 있다. 이때, 결합 계수(k)의 범위는 0<k<1 이다.
투영 저항(Rref)에서 소모되는 전력은 무선전력전송 시스템의 송신단에서 수신단까지 전달되는 전력과 같을 수 있다. 이에, 무선전력전송 시스템의 송신 코일(LTX)에서 수신 코일(LRX)까지의 전력 효율(
Figure pat00002
1,2)은 수학식 2로 표현될 수 있다.
Figure pat00003
무선전력전송 시스템의 수신 코일(LRX)에서 부하 저항(RL)까지의 전력 효율(
Figure pat00004
)은 수학식 3으로 표현될 수 있다.
Figure pat00005
따라서, 무선전력전송 시스템의 송신 코일(LTX)에서 부하 저항(RL)까지의 전체 전력 효율(
Figure pat00006
)은 수학식 4로 표현될 수 있다.
Figure pat00007
도 2는 부하 저항의 변동에 따른 무선전력전송 시스템의 개략적인 회로도를 나타낸다.
도 2를 참조하면, 도 2의 무선전력전송 시스템에서는 도 1과 달리 부하 저항(RL)이 변할 수 있다.
수학식 1에서, 무선전력전송 시스템의 부하 저항(RL)이 변하면, 투영 저항(Rref)은 변할 수 있다. 또한, 수학식 2에서, 무선전력전송 시스템의 투영 저항(Rref)이 변하면, 송신 코일(LTX)에서 수신 코일(LRX)까지의 전력 효율(
Figure pat00008
1,2)은 변할 수 있다.
즉, 무선전력전송 시스템의 전체 전송 효율()은 부하 저항(RL)의 변화에 의해 변화될 수 있다.
무선전력전송 시스템의 부하 저항(RL)이 커질 때(또는, 출력 전력(Pout)이 작을 때), 투영 저항(Rref)은 작아지며, 송신 코일(LTX)에서 수신 코일(LRX)까지 전송 효율(
Figure pat00010
1,2)은 낮아진다.
즉, 무선전력전송 시스템은 부하 저항(RL)이 커질 때, 송신 코일(LTX)에서 수신 코일(LRX)까지의 전송 효율(
Figure pat00011
1,2)이 낮아지는 문제점을 포함할 수 있다. 또한, 무선전력전송 시스템은 송신 코일(LTX)에서 수신 코일(LRX)까지의 낮은 전송 효율(
Figure pat00012
1,2)로 전력을 전송하는 문제점이 더 포함할 수 있다.
부하변환 무선전력전송 시스템은 무선전력전송 시스템의 문제점을 개선하고자 제안되었다.
도 3은 부하 변환 무선전력전송 시스템의 개략적인 회로도를 나타낸다.
도 3을 참조하면, 부하 변환 무선전력전송 시스템의 수신단에서 부하 저항(RL)으로 보이는 등가 저항은 듀티(duty; D)를 제어하여 유효 부하 저항(Reg)으로 나타낼 수 있다.
부하 변환 무선전력전송 시스템의 듀티(D)는 전력변환 스위치의 한 주기(TSW)동안의 스위치가 켜진 비율을 나타낼 수 있고, 스위치가 꺼진 비율은 (1-D)로 나타낼 수 있다. 또한, 듀티(D)의 범위는 0=D=1 이다.
유효 부하 저항(Reg)은 수학식 5로 표현될 수 있다.
Figure pat00013
부하 변환 무선전력전송 시스템의 유효 부하 저항(Reg)은 부하 저항(RL)이 크더라도 듀티(D)를 증가시키면, (1-D)2으로 감소할 수 있다.
부하 변환 무선전력전송 시스템의 유효 부하 저항(Reg)이 (1-D)2으로 감소하여 투영 저항(Rref)이 증가하게 될 때, 송신 코일(LTX)에서 수신 코일(LRX)까지의 전송 효율(
Figure pat00014
1,2)은 높아질 수 있다.
수신 코일(LRX)에서 부하 저항(RL)까지의 전송 효율(
Figure pat00015
)은 수신단 기생저항(RRX)과, 유효 부하 저항(Reg)의 저항비로 나타낼 수 있다.
부하 변환 무선전력전송 시스템에서 수신 코일(LRX)에서 부하 저항(RL)까지의 전송 효율(
Figure pat00016
)은 유효 부하 저항(Reg)이 작을수록 감소할 수 있다.
즉, 부하 변환을 하여 송신 코일(LTX)에서 부하 저항(RL)까지 전력을 전송하는 방식인 부하 변환 무선전력전송 시스템은 각각의 구간이 서로 관여될 수 있다.
부하 변환 무선전력전송 시스템의 전체 전송 효율(
Figure pat00017
) 개선은 제한적일 수 있다.
도 4는 부하 변환 무선전력전송 시스템에서 각 구간의 최대 전송 효율 부하 조건을 나타낸다.
도 4를 참조하면, 부하 변환 무선전력전송 시스템의 듀티(D)가 1일 때, 송신 코일(LTX)에서 수신 코일(LRX)까지의 전송 효율(
Figure pat00018
1,2)은 최대 전송 효율이 될 수 있다.
부하 변환 무선전력전송 시스템의 듀티(D)가 1이면, 유효 부하 저항(Reg)은 0(또는, 최소값)이 될 수 있다. 이때, 부하 변환 무선전력전송 시스템에서 투영 저항(Rref)은 최대가 될 수 있으며, 송신 코일(LTX)에서 수신 코일(LRX)까지의 전송 효율(
Figure pat00019
1,2)은 최대 전송 효율이 될 수 있다.
부하 변환 무선전력전송 시스템의 유효 부하 저항(Reg)이 0이면, 수신 코일(LRX)에서 부하 저항(RL)까지 전력이 전송되지 않는다. 이에, 수신 코일(LRX)에서 부하 저항(RL)까지의 전송 효율(
Figure pat00020
)은 0이 될 수 있다.
부하 변환 무선전력전송 시스템의 듀티(D)가 0이면, 유효 부하 저항(Reg)은 부하 저항(RL) (또는, 최대값)이 될 수 있다.
부하 변환 무선전력전송 시스템의 부하 저항(RL)이 클 경우, 송신 코일(LTX)에서 수신 코일(LRX)까지의 전송 효율(
Figure pat00021
1,2)은 최저 전송 효율이 될 수 있다.
부하 변환 무선전력전송 시스템의 듀티(D)가 0일 때, 수신 코일(LRX)에서 부하 저항(RL)까지의 전송 효율(
Figure pat00022
)은 최대 전송 효율이 될 수 있다.
부하 변환 무선전력전송 시스템에서 각 구간의 최대 전송 효율을 갖는 유효 부하 저항(Reg)의 조건은 서로 정반대이다.
따사서, 부하 변환 무선전력전송 시스템은 듀티(D)를 제어하여, 송신 코일(LTX)에서 부하 저항(RL)까지의 전체 전송 효율(
Figure pat00023
)을 최대 전송 효율로 얻을 수 없다.
이하에서는 일 실시예에 따른 인터리브 무선전력전송 시스템에 대해서 상세히 설명한다.
도 5는 일 실시예에 따른 인터리브 무선전력전송 시스템의 개략적인 회로도를 나타낸다.
도 5를 참조하면, 인터리브 무선전력전송 시스템(10)은 제1 무선전력장치(100) 및 제2 무선전력장치(200)를 포함한다.
제1 무선 전력 장치(100)는 전력을 제2 무선 전력 장치(200)로 전송할 수 있다. 제1 무선 전력 장치(100)는 무선 전력 전송 장치를 의미하고, 제2 무선 전력 장치(200)는 무선 전력 수신 장치를 의미한다.
제1 무선 전력 장치(100)는 제1 전력 변환기(110)를 포함한다.
제1 전력 변환기(110)는 송신 코일(LTX)을 포함한다.
제2 무선 전력 장치(200)는 제2 전력 변환기(210), 및 부하 저항(RL)을 포함한다.
제2 전력 변환기(210)는 복수의 수신 코일들(LRX1, 및 LRX2)을 포함한다. 또한, 제2 전력 변환기(210)는 복수의 스위치(S/W1, 및 S/W2)를 더 포함한다.
제1 전력 변환기(110)의 송신 코일(LTX)은 전력을 전송할 수 있다. 예를 들어, 제1 전력 변환기(110)의 송신 코일(LTX)은 전력을 제2 전력 변환기(210)의 복수의 수신 코일들(LRX1, 및 LRX2) 중에서 적어도 하나에게 전송할 수 있다.
제2 전력 변환기(210)의 복수의 수신 코일들(LRX1, 및 LRX2)은 전력을 수신 받을 수 있다.
제2 전력 변환기(210)의 복수의 수신 코일들(LRX1, 및 LRX2)은 부하 저항(RL)에게 전력을 전송할 수 있다.
제2 전력 변환기(210)의 복수의 수신 코일들(LRX1, 및 LRX2)은 인터리브 방식대로 교대로 이용될 수 있다.
제2 전력 변환기(210)의 복수의 스위치(S/W1, 및 S/W2)는 듀티(D) 제어를 할 수 있다.
제1 전력 변환기(110)의 송신 코일(LTX)에서 제2 전력 변환기(210)의 복수의 수신 코일들(LRX1, 및 LRX2)까지의 전송 효율(
Figure pat00024
1,2)은 부하 저항(RL)과 무관할 수 있다.
제1 전력 변환기(110)의 송신 코일(LTX)에서 제2 전력 변환기(210)의 복수의 수신 코일들(LRX1, 및 LRX2)까지의 전송 효율(
Figure pat00025
1,2)은 부하 저항(RL)과 무관 하게 최대 전송 효율이 될 수 있다.
제2 전력 변환기(210)의 복수의 수신 코일들(LRX1, 및 LRX2)에서 부하 저항(RL)까지의 전송 효율(
Figure pat00026
)은 최대 전송 효율이 될 수 있다.
제2 전력 변환기(210)의 복수의 수신 코일(LRX1, 및 LRX2)들을 인터리브 방식으로 이용하고, 복수의 스위치(S/W1, 및 S/W2)를 듀티(D) 제어에 이용함으로써, 제1 전력 변환기(110)의 송신 코일(LTX)에서 부하 저항(RL)까지의 전체 전송 효율(
Figure pat00027
)은 최대 전송 효율이 될 수 있으며, 유지될 수 있다.
따라서, 인터리브 무선전력전송 시스템(10)은 최대 전송 효율로 전력을 전송할 수 있다. 또한, 인터리브 무선전력전송 시스템(10)은 제1 전력 변환기(110)의 송신 코일(LTX)과, 제2 전력 변환기(210)의 복수의 수신 코일들간의 거리, 및 부하 변동에 무관할 수 있다.
도 6은 도 5에 도시된 인터리브 무선전력전송 시스템의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, 인터리브 무선전력전송 시스템(10)은 2단계 방식(Phase1, Phase2)으로 동작할 수 있다.
Phase1에서 수신 코일1(LRX1)의 스위치(S/W1)는 닫혀있다. 또한, Phase1에서 수신 코일2(LRX2)의 스위치(S/W2)는 열려있다.
Phase1에서 수신 코일1(LRX1)의 유효 부하 저항(Reg)은 최소값(또는, 0)이며, 송신 코일(LTX)에서 수신 코일1(LRX1)까지의 전송 효율(
Figure pat00028
1,2)은 최대 전송 효율이 될 수 있다.
Phase1에서 수신 코일2(LRX2)의 유효 부하 저항(Reg)은 최대값(또는, 부하 저항(RL))이며, 수신 코일2(LRX2)에서 부하 저항(RL)까지의 전송 효율(
Figure pat00029
)은 최대 전송 효율이 될 수 있다.
Phase1에서 수신 코일1(LRX1)의 전류1(IRX1)은 송신 코일(LTX)로부터 전력을 수신 받는 인덕터(LRX1)와, 캐패시터(CRX1)가 공진하기 때문에 점점 증가할 수 있다. 이때, 수신 코일2(LRX2)의 전류2(IRX2)는 부하 저항(RL)으로 전력을 전송하여 점점 감소할 수 있다.
Phase2에선 Phase1과 반대로, 수신 코일1(LRX1)의 스위치(S/W1)는 열려있고, 수신 코일2(LRX2)의 스위치(S/W2)는 닫혀있다.
Phase2에선 수신 코일1(LRX1)의 유효 부하 저항(Reg)은 최대값(또는, 부하 저항(RL))이며, 수신 코일1(LRX1)에서 부하 저항(RL)까지의 전송 효율(
Figure pat00030
)은 최대 전송 효율이 될 수 있다.
Phase2에선 수신 코일2(LRX2)의 유효 부하 저항(Reg)은 최소값(또는, 0)이며, 송신 코일(LTX)에서 수신 코일2(LRX2)까지의 전송 효율(
Figure pat00031
1,2)은 최대 전송 효율이 될 수 있다.
즉, Phase2의 수신 코일1(LRX1)에서는 Phase1 단계에서 송신 코일(LTX)에서 수신 받은 전력을 최대 전송 효율로 부하 저항(RL)에 전송할 수 있다. 이때, 수신 코일2(LRX2)에서는 송신 코일(LTX)로부터 최대 전송 효율로 전력을 전송 받을 수 있다.
인터리브 무선전력전송 시스템(10)의 각각의 수신 코일들(LRX1 및 LRX2)은 인터리브 방식대로 교대로 이용될 수 있다. 이때, 인터리브 무선전력전송 시스템의 각 구간의 전송 효율은 최대 전송 효율이 될 수 있다.
인터리브 무선전력전송 시스템은 각각의 수신 코일(LRX)들은 인터리브 방식대로 교대로 이용되여, 부하 저항(RL)에 무관하게 각 구간의 전력을 최대 전송 효율로 전송할 수 있다.
도 7은 도 5에 도시된 인터리브 무선전력전송 시스템의 효율을 설명하기 위한 도면이다.
도 7에서는 설명의 편의를 위해 인터리브 무선전력전송 시스템(10)의 각각의 수신 코일(LRX)들의 상호 인덕턴스(M1, M2), 자체 인덕턴스(LRX1, LRX2) 및 자체 캐패시턴스(CRX1, CRX2)는 계산의 용이성을 위해서 서로 같다고 가정한다.
도 7을 참조하면, 인터리브 무선전력전송 시스템(10)의 각각의 수신 코일(LRX)들의 상호 인덕턴스(M1, M2), 자체 인덕턴스(LRX1, LRX2), 그리고 자체 캐패시턴스(CRX1, CRX2)가 서로 같지 않지만 부하 저항(RL)>> 수신단 기생저항(RRX)일 때, 유도된 결과가 계산의 용이성을 위해서 서로 같다고 가정한 결과와 같다.
인터리브 무선전력전송 시스템(10)의 송신 코일(LTX)에서 수신 코일1(LRX1)까지의 전송 효율(
Figure pat00032
1,2)은 수학식 2로 나타낼 수 있다.
수학식 2의 투영 저항(Rref)은 제1 전력변환기(110)에 발생한 유도전압들에 의해 송신 코일(LTX)에 흐르는 전류(ITX)로 나타낼 수 있다. 또한, 제1 전력변환기(110)의 유도전압은 수신 코일(LRX)들에 흐르는 전류들(IRX1, IRX2)과 비례할 수 있다.
투영 저항(Rref)은 수학식 6으로 표현될 수 있다.
Figure pat00033
이때, 부하 저항(RL)>> 수신단 기생저항(RRX)이라면, 투영 저항(Rref)은 수학식 7로 표현될 수 있다.
Figure pat00034
수학식 7에서 인터리브 무선전력전송 시스템(10)에서 투영 저항(Rref)은 부하 저항(RL)과 무관하다는 것을 수학적으로 확인할 수 있다.
인터리브 무선전력전송 시스템(10)의 송신 코일(LTX)에서 수신 코일1(LRX1)까지의 전송 효율(
Figure pat00035
1,2)은 부하 저항(RL)과 무관하며, 최대 전송 효율이 될 수 있다.
인터리브 무선전력전송 시스템(10)의 수신 코일2(LRX2)에서 부하 저항(RL)까지의 전송 효율(
Figure pat00036
)은 수학식 3으로 나타낼 수 있다.
인터리브 무선전력전송 시스템(10)의 유효 부하 저항(Reg)은 부하 저항(RL)이며, 최대 전송 효율로 부하 저항(RL)에 전력을 전송할 수 있다.
인터리브 무선전력전송 시스템에서 Phase1 단계와, Phase2 단계는 수신 코일(LRX)들의 역할이 다를 뿐, 전체 전송 효율(
Figure pat00037
)은 동일할 수 있다.
따라서, 전체 전송 효율(
Figure pat00038
)은 수학식 8로 표현될 수 있다.
Figure pat00039
인터리브 무선전력전송 시스템(10)의 송신 코일(LTX)에서 수신 코일(LRX)까지의 전송 효율(
Figure pat00040
1,2)은 부하 저항(RL)과 무관하며, 최대 전송 효율일 수 있다. 또한, 송신 코일(LTX)에서 수신 코일(LRX)까지의 전력은 최대 전송 효율로 전송될 수 있다.
인터리브 무선전력전송 시스템(10)의 수신 코일(LRX)에서 부하 저항(RL)까지의 전송 효율(
Figure pat00041
)은 최대 전송 효율일 수 있고, 수신 코일(LRX)에서 부하 저항(RL)까지의 전력은 최대 전송 효율로 전송될 수 있다.
따라서, 인터리브 무선전력전송 시스템(10)의 송신 코일(LTX)에서 부하 저항(RL)까지의 전체 전송 효율(
Figure pat00042
)은 최대가 될 수 있고, 송신 코일(LTX)에서 부하 저항(RL)까지의 전력은 최대 전송 효율로 전송될 수 있다.
도 8은 일 실시예에 따른 인터리브 무선전력전송 시스템의 시뮬레이션 을 설명하기 위한 도면이고, 도 9는 도 8의 시뮬레이션을 통해 생성된 시뮬레이션 파형의 일 예를 나타내고, 도 10은 도 8의 시뮬레이션을 통해 생성된 시뮬레이션 파형의 다른 예를 나타낸다.
도 8에서, 상호 인덕턴스1(M1)은 송신 코일(LTX)와 수신 코일1(LRX1)사이의 인덕턴스를 의미하며, 상호 인덕턴스2(M2)는 송신 코일(LTX)와 수신 코일2(LRX2) 사이의 인덕턴스를 의미한다.
도 9를 참조하면, M1=M2, LRX1=LRX2, CRX1=CRX2일 때, 스위치1(S/W1)의 듀티(D1)와, 스위치2(S/W2)의 듀티(D2)는 동일하게 제어될 수 있다. 이때, 인터리브 무선전력전송 시스템(10)의 출력 전압(Vout)은 일정하게 유지될 수 있다.
인터리브 무선전력전송 시스템(10)의 Phase1 단계의 전류2(IRX2)는 정류된 전류(IREC)와 같다는 것을 확인할 수 있다.
인터리브 무선전력전송 시스템(10)의 Phase2 단계의 전류1(IRX1)은 정류된 전류(IREC)와 같다는 것을 확인할 수 있다.
도 10을 참조하면, M1≠M2, LRX1≠LRX2, CRX1≠CRX2일 때, 스위치1(S/W1)의 듀티(D1)와, 스위치2(S/W2)의 듀티(D2)는 각각 제어될 수 있다. 이때, 인터리브 무선전력전송 시스템(10)의 전체 전송 효율(
Figure pat00043
)은 최대 전송 효율이 될 수 있다.
도 11은 일 실시예에 따른 인터리브 방식의 무선전력전송 시스템의 시뮬레이션 비교 파형을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 동일한 조건에서 무선전력전송 시스템의 입/출력 전력(Pin, Pout)과, 전체 전송 효율(
Figure pat00044
total)을 나타낸다. 이때, 도 11의 동일한 조건은 같은 송/수신 코일(LTX, LRX), 입력 전압(Vin), 부하 저항(RL), 및 상호 인덕턴스(M)일 수 있다.
도 11을 참조하면, 기존 방식을 사용할 경우, 입력 전력(Pin)은 4.91W, 출력 전력(Pout)은 0.994W이며, 전체 전송 효율(
Figure pat00045
total)은 19%이다.
인터리브 방식을 사용할 경우, 기존 방식보다 송신 코일 전류(ITX)가 9.5A에서 3.88A로 줄어들어 입력 전력(Pin)이 2.47W로 낮아진다. 이때, 출력 전압(Vout)은 9.64V에서 13.43V로 올라가 출력 전력(Pout)이 0.944W에서 1.8W로 증가하게 되며, 전체 전송 효율(
Figure pat00046
total)은 19%에서 72.8%로 향상된다.
큰 부하 저항(RL=100)에서도 인터리브 무선전력전송 시스템(10)의 전체 전송 효율(
Figure pat00047
total)은 최대 전송 효율이 될 수 있다. 또한, 전체 전송 효율(
Figure pat00048
total)은 낮은 결합 계수(k=0.04)에서도 최대 전송 효율이 될 수 있다.
도 12는 출력 전력에 따른 효율 그래프를 나타낸다.
도 12를 참조하면, 출력 전력(Pout), 예를 들어 부하 저항(RL)에서 발생하는(또는 소비하는) 전력은 1W에서 10W(또는 100Ω에서 10Ω)까지 넓은 범위를 가질 수 있다.
부하 변환 방식은 넓은 출력 전력(Pout) 범위(1W~10W)에서 전송 효율이 50% 후반에서 76%로 일정하게 유지하는 것에 한계가 있을 수 있다.
인터리브 방식은 넓은 출력 전력(1W~10W)에서도 고효율(90%이상)로 전송 효율(
Figure pat00049
)을 일정하게 유지할 수 있다.
도 13은 결합 계수에 따른 전송 효율, 및 출력 전력 비교 그래프를 나타낸다.
인터리브 방식의 전송 효율(
Figure pat00050
)은 기본 방식보다 항상 높을 수 있다.
인터리브 방식은 송신 코일(LTX)과, 수신 코일(LRX)간의 거리가 크게 이격 되어있는 경우(또는, 결합 계수(k)=0.01)에도 무선전력전송이 가능할 수 있다.
도 14는 각각의 무선전력전송 시스템의 비교를 나타낸다.
인터리브 무선전력전송 시스템(10)은 전체 전송 효율(
Figure pat00051
)을 최대 전송 효율이 될 수 있으며, 결합 계수(k)가 작을 경우에도 무선전력전송이 가능할 수 있다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPGA(field programmable gate array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (1)

  1. 부하 저항; 및
    복수의 수신 코일들을 인터리브 방식으로 이용하여 전력을 변환함으로써, 상기 전력을 상기 부하 저항으로 전달하는 전력 변환기
    를 포함하는 무선 전력 장치.
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