KR20220065610A - Wireless power transfer system and operating method of mitigating frequency splitting phenomena occurring in wireless power transfer system using a matching capacitor in transmitter - Google Patents

Wireless power transfer system and operating method of mitigating frequency splitting phenomena occurring in wireless power transfer system using a matching capacitor in transmitter Download PDF

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Abstract

The present invention relates to the technical concept of mitigating a frequency division phenomenon occurring in a wireless power transmission system by using a matching capacitor of a transmission unit, and more particularly, to a technology for mitigating a frequency division phenomenon occurring in a wireless power transmission system by calculating a value of a transmission unit capacitor for mitigating a frequency division phenomenon occurring in an over-coupled state of a wireless power transmission unit through circuit analysis, and using a matching capacitor of the transmission unit with the calculated value of the transmission unit capacitor. According to one embodiment of the present invention, a method for operating a wireless power transmission system for mitigating a frequency division phenomenon by using a matching capacitor of a transmission unit includes: extracting electrical characteristics of the transmission unit and a reception unit; calculating a frequency value at which a differential reactance value of an input impedance converges to 0 by using the extracted electrical characteristics; calculating a transmission capacitor value at which a reactance value of the input impedance is greater than 0 by using the calculated frequency value; and changing a preset transmission capacitor value into the calculated transmission capacitor value.

Description

송신부 매칭 커패시터를 이용하여 주파수 분할 현상을 완화하는 무선 전력 전송 시스템 및 그 동작 방법{WIRELESS POWER TRANSFER SYSTEM AND OPERATING METHOD OF MITIGATING FREQUENCY SPLITTING PHENOMENA OCCURRING IN WIRELESS POWER TRANSFER SYSTEM USING A MATCHING CAPACITOR IN TRANSMITTER}A wireless power transmission system that alleviates frequency division by using a transmitter matching capacitor and an operating method thereof

본 발명은 송신부 매칭 커패시터를 이용하여 무선 전력 전송 시스템에서 발생되는 주파수 분할 현상을 완화하는 기술적 사상에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 회로 분석을 통해 무선 전력 송신부의 과결합 상태에서 발생하는 주파수 분할 현상을 완화하기 위한 송신부 커패시터의 값을 계산하고, 계산된 송신부 커패시터의 값으로 송신부 매칭 커패시터를 이용함에 따라 무선 전력 전송 시스템에서 발생되는 주파수 분할 현상을 완화하는 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a technical idea for alleviating a frequency division phenomenon occurring in a wireless power transmission system by using a transmitter matching capacitor, and more specifically, a frequency division phenomenon occurring in an over-coupled state of a wireless power transmission unit through circuit analysis. It relates to a technique for alleviating a frequency division phenomenon occurring in a wireless power transmission system by calculating a value of a transmitter capacitor for mitigation and using a transmitter matching capacitor as the calculated value of the transmitter capacitor.

최근 무선 전력 전송(wireless power transfer, WPT) 기술은 충전 구조의 단순화로 인하여 편의성과 안정성이 증가하여 휴대용 전자 기기, 의료 기기, 전기 자동차, 로봇 등 다양한 분야에서 개발 및 상용화가 진행되고 있다.Recently, wireless power transfer (WPT) technology has been developed and commercialized in various fields, such as portable electronic devices, medical devices, electric vehicles, and robots, due to the increase in convenience and stability due to the simplification of the charging structure.

특히, 플랜트, 자동차, 기차 산업 등에서 사용되는 무인 운반 차(automated guided vehicles, AGVs) 등의 전기 자동차에서는 전력 전달 효율이 높은 수 kW 내지 수십 kW의 대 출력을 전달하는 무선 전력 전송 기술에 대한 연구가 진행되고 있다.In particular, in electric vehicles such as automated guided vehicles (AGVs) used in plants, automobiles, and train industries, research on wireless power transmission technology that delivers high power transmission efficiency of several kW to several tens of kW is in progress

자기 공명 무선 전력 전송 시스템의 무선 전력 전송 효율을 높이기 위해서는 코일 크기를 늘리거나 에어 갭을 줄여 송신부(Tx)의 코일과 수신부(Rx)의 코일 간의 결합 계수(coupling coefficient)를 높여야 한다.In order to increase the wireless power transmission efficiency of the magnetic resonance wireless power transmission system, it is necessary to increase a coil size or reduce an air gap to increase a coupling coefficient between the coil of the transmitter Tx and the coil of the receiver Rx.

자기 결합을 이용하는 무선 전력 전송 시스템은 송신부의 코일과 수신부의 코일 간의 결합계수가 클 수록 시스템의 효율이 향상된다.In a wireless power transmission system using magnetic coupling, the higher the coupling coefficient between the coil of the transmitter and the coil of the receiver, the higher the efficiency of the system.

그러나, 결합 계수를 높이면 송신부 코일과 수신부 코일 사이에 과 결합으로 인해 출력 전력이 크게 감소하는 주파수 분할 현상이 발생될 수 있다.However, when the coupling coefficient is increased, a frequency division phenomenon in which the output power is greatly reduced due to overcoupling between the transmitter coil and the receiver coil may occur.

즉, 결합 계수가 클 수록 송신부의 코일과 수신부의 코일이 과 결합되어 동작 주파수에서 전달 전력의 크기가 급격하게 줄어드는 주파수 분할 현상이 발생될 수 있다.That is, as the coupling coefficient increases, the coil of the transmitter and the coil of the receiver are coupled to , and a frequency division phenomenon in which the magnitude of the transmitted power is rapidly reduced at the operating frequency may occur.

구체적으로, 주파수 분할 현상은 시스템 작동 시에 여러 악영향을 끼친다.Specifically, the frequency division phenomenon has several adverse effects on system operation.

하나는 위에서 언급한 것과 같이 출력 전압의 피크 값이 무선 전력 전송 시스템의 동작 주파수 대신 동작 주파수의 양쪽으로 근접한 두 주파수에서 최대 전력이 전달되어 동작 주파수에서 전달 전력이 감소하는 것이다.One is that, as mentioned above, the maximum power is transmitted at two frequencies where the peak value of the output voltage is adjacent to both sides of the operating frequency instead of the operating frequency of the wireless power transmission system, so that the transmitted power is reduced at the operating frequency.

또 다른 악영향은 주파수 분할 현상이 발생하면 시스템의 입력 임피던스가 공진주파수 이전에 0이상의 값을 갖는 유도성 영역에 위치한다.Another adverse effect is that when the frequency division phenomenon occurs, the input impedance of the system is located in the inductive region having a value greater than zero before the resonant frequency.

그리고 공진 주파수 이후 위상은 0 이하의 용량성 영역으로 이동한 후 다시 유도성 영역으로 이동하는데 이러한 특성은 무선전력전송 시스템 중 하나인 인버터의 안정성을 저하시킨다.And after the resonant frequency, the phase moves to the capacitive region below zero and then moves back to the inductive region, and this characteristic degrades the stability of the inverter, which is one of the wireless power transmission systems.

시스템의 안정성을 확보하기 위해서는 공진 주파수 이후에 위상이 0 이하로 감소해서는 안된다.In order to ensure the stability of the system, the phase should not decrease below zero after the resonant frequency.

종래 기술들에 따른 무선 전력 전송 시스템은 송신부의 코일과 수신부의 코일 설계 시에 주파수 분할 현상이 발생하지 않도록 설계하며 이에 따라 시스템 효율 향상에 한계가 존재하고, 코일 설계에 제약이 발생된다.The wireless power transmission system according to the prior art is designed so that the frequency division phenomenon does not occur when designing the coil of the transmitter and the coil of the receiver, and thus, there is a limit in improving system efficiency, and there is a limitation in coil design.

구체적으로, 종래 기술1에서는 주파수 분할은 회로 이론에 의해 분석되고, 결합 계수에 대한 각 주파수의 분할 점을 시스템 매개 변수에 관련시키기 위한 방정식이 도출한다.Specifically, in the prior art 1, frequency division is analyzed by circuit theory, and an equation for relating the division point of each frequency to a coupling coefficient to a system parameter is derived.

그리고, 주파수 분할이 출력 전력 및 전압 전달 비율에 미치는 악영향에 대하여 연구한다.And, the adverse effect of frequency division on output power and voltage transfer ratio is studied.

또 다른 종래 기술인 종래 기술2에서는 주파수 분할을 제거하여 출력 전력 감소 효과를 감소시키는 코일 설계 방법을 제안한다.Another prior art, Prior Art 2, proposes a coil design method that reduces the effect of reducing the output power by removing the frequency division.

그러나, 주파수 분할 분석에 대한 이전 작업은 출력 전력에 초점을 맞추고 있고, 주파수 분할 현상 제거에 대한 연구는 코일 구조가 결합 계수 값을 줄이기 위한 방향으로 설계되었기 때문에 무선 전력 전송의 효율을 떨어뜨리고 코일 설계의 자유도를 감소시키는 단점이 존재한다.However, previous work on frequency division analysis has focused on the output power, and studies on eliminating the frequency division phenomenon have reduced the efficiency of wireless power transmission and coil design because the coil structure is designed in the direction to reduce the coupling coefficient value. There is a disadvantage of reducing the degree of freedom.

주파수 분할 현상의 발생이 불가피한 무선 전력 전송 시스템에서는 주파수 분할 현상 완화를 위하여 송신부에 전류 센싱을 통해 무선 전력 전송 시스템의 동작 상태를 판단하고, 비정상 동작일 경우 동작 주파수 튜닝이 가능한 회로 추가가 요구되고 있다.In a wireless power transmission system in which the occurrence of frequency division is unavoidable, in order to alleviate the frequency division phenomenon, the operating state of the wireless power transmission system is determined through current sensing in the transmitter, and in case of abnormal operation, it is required to add a circuit capable of tuning the operating frequency. .

미국등록특허 제10637,292호, "CONTROLLING WIRELESS POWER TRANSFER SYSTEMS"US Patent No. 10637,292, "CONTROLLING WIRELESS POWER TRANSFER SYSTEMS" 한국공개특허 제2020-0058808호, "무선 전력 송신기"Korean Patent Publication No. 2020-0058808, "Wireless Power Transmitter" 한국공개특허 제2020-0046313호, "무선 송신 코일 및 이를 포함하는 무선 전력 송신기"Korean Patent Application Laid-Open No. 2020-0046313, "Wireless transmission coil and wireless power transmitter including same" 한국등록특허 제1680997호, "무선 전력 전송 장치 및 그 방법"Korean Patent No. 1680997, "Wireless power transmission device and method"

본 발명은 송신부 매칭 커패시터를 이용하여 주파수 분할 현상을 완화하는 무선 전력 전송 시스템 및 그 동작 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a wireless power transmission system for alleviating a frequency division phenomenon using a transmitter matching capacitor and an operating method thereof.

본 발명은 추가 회로 설계 없이 무선 전력 전송 시스템에서 설계되는 송신 커패시터 값만을 변경하여 무선 전력 전송 시스템의 주파수 분할 현상을 완화하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to alleviate the frequency division phenomenon of the wireless power transmission system by changing only the value of the transmission capacitor designed in the wireless power transmission system without additional circuit design.

본 발명은 무선 전력 전송 시 무선 전력 전송의 효율성 향상을 위해 결합 계수를 높이더라도 무선 전력 전송 시스템의 안정성을 확보하면서 높은 무선 전력 전송율을 달성하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to achieve a high wireless power transmission rate while securing stability of a wireless power transmission system even when a coupling coefficient is increased to improve efficiency of wireless power transmission during wireless power transmission.

본 발명은 주파수 분할 현상을 완화하기 위해 시스템을 회로적으로 분석한 후, 분석을 바탕으로 주파수 분할 현상을 완화하기 위한 송신 커패시터 값의 범위를 결정하는 수학식을 이용하는 무선 전력 전송 시스템 및 그 동작 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention provides a wireless power transmission system using an equation for circuitly analyzing a system in order to alleviate the frequency division phenomenon and then determining the range of the transmit capacitor value for alleviating the frequency division phenomenon based on the analysis, and a method for operating the same is intended to provide

본 발명의 일실시예에 따른 송신부 매칭 커패시터를 이용하여 주파수 분할 현상을 완화하는 무선 전력 전송 시스템의 동작 방법은 송신부 및 수신부의 전기적 특성을 추출하는 단계, 상기 추출된 전기적 특성을 이용하여 입력 임피던스의 미분 리액턴스 값이 0에 수렴하는 주파수 값을 계산하는 단계, 상기 계산된 주파수 값을 이용하여 입력 임피던스의 리액턴스 값이 0보다 큰 값을 갖는 송신 커패시터 값을 계산하는 단계 및 상기 송신부의 기 설정된 송신 커패시터 값을 상기 계산된 송신 커패시터 값으로 변경하는 단계를 포함할 수 있다.An operating method of a wireless power transmission system for alleviating a frequency division phenomenon by using a transmitter matching capacitor according to an embodiment of the present invention includes extracting electrical characteristics of a transmitting unit and a receiving unit; Calculating a frequency value at which a differential reactance value converges to 0, calculating a transmission capacitor value having a reactance value of input impedance greater than 0 using the calculated frequency value, and a preset transmission capacitor of the transmitter changing the value to the calculated value of the transmit capacitor.

상기 추출된 전기적 특성을 이용하여 입력 임피던스의 미분 리액턴스 값이 0에 수렴하는 주파수 값을 계산하는 단계는 상기 입력 임피던스의 리액턴스 값을 계산하기 위한 수학식에 상기 추출된 전기적 특성을 대입하고 미분하여 상기 미분 리액턴스 값이 0에 수렴하는 주파수 값을 계산하는 단계를 포함할 수 있다.Calculating the frequency value at which the differential reactance value of the input impedance converges to 0 using the extracted electrical characteristic substituting the extracted electrical characteristic into the equation for calculating the reactance value of the input impedance and differentiating the The method may include calculating a frequency value at which the differential reactance value converges to zero.

상기 입력 임피던스의 리액턴스 값을 계산하기 위한 수학식에 상기 추출된 전기적 특성을 대입하고 미분하여 상기 미분 리액턴스 값이 0에 수렴하는 주파수 값을 계산하는 단계는, 상기 입력 임피던스의 리액턴스 값을 계산하기 위한 수학식을 다음 [수학식 6]을 이용하는 단계를 포함할 수 있다.The step of calculating a frequency value at which the differential reactance value converges to 0 by substituting and differentiating the extracted electrical characteristics into the equation for calculating the reactance value of the input impedance comprises: for calculating the reactance value of the input impedance It may include the step of using the following equation [Equation 6].

[수학식 6][Equation 6]

Figure pat00001
Figure pat00001

상기 송신부 및 수신부의 전기적 특성을 추출하는 단계는, 상기 송신부의 송신 내부 저항, 송신 커패시턴스(capacitance) 및 송신 인덕턴스(inductance) 중 적어도 하나와 관련된 전기적 특성으로 추출하는 단계, 상기 수신부의 수신 내부 저항, 수신 커패시턴스(capacitance) 및 수신 인덕턴스(inductance) 및 부하 저항 중 적어도 하나와 관련된 전기적 특성으로 추출하는 단계 및 상기 송신 인덕턴스(inductance), 상기 수신 인덕턴스(inductance) 및 결합 계수(coupling coefficient)와 관련된 상호 인덕턴스와 관련된 전기적 특성을 추출하는 단계를 포함할 수 있다.The step of extracting the electrical characteristics of the transmitter and the receiver may include: extracting as an electrical characteristic related to at least one of a transmit internal resistance, a transmit capacitance, and a transmit inductance of the transmitting unit, receive internal resistance of the receiving unit, extracting as an electrical characteristic related to at least one of a reception capacitance and a reception inductance and a load resistance, and a mutual inductance related to the transmission inductance, the reception inductance, and a coupling coefficient It may include the step of extracting the related electrical characteristics.

상기 송신 커패시턴스(capacitance)와 관련된 전기적 특성은 상기 기 설정된 송신 커패시터 값에 대응될 수 있다.An electrical characteristic related to the transmission capacitance may correspond to the preset transmission capacitor value.

상기 계산된 주파수 값을 이용하여 입력 임피던스의 리액턴스 값이 0보다 큰 값을 갖는 송신 커패시터 값을 계산하는 단계는 상기 입력 임피던스의 리액턴스 값을 계산하기 위한 수학식에 상기 추출된 전기적 특성 중 송신부의 커패시터 값을 제외한 나머지 전기적 특성과 상기 계산된 주파수 값을 대입하여 상기 입력 임피던스의 리액턴스 값이 0보다 큰 값을 갖는 상기 송신 커패시터 값의 범위를 계산하는 단계를 포함할 수 있다.Calculating the transmit capacitor value having the reactance value of the input impedance greater than 0 by using the calculated frequency value is a capacitor of the transmitter among the extracted electrical characteristics in the equation for calculating the reactance value of the input impedance. The method may include calculating the range of the value of the transmission capacitor in which the reactance value of the input impedance has a value greater than 0 by substituting the calculated frequency value and the remaining electrical characteristics except for the value.

상기 입력 임피던스의 리액턴스 값을 계산하기 위한 수학식에 상기 추출된 전기적 특성 중 상기 송신부의 커패시터 값을 제외한 나머지 전기적 특성과 상기 계산된 주파수 값을 대입하여 상기 입력 임피던스의 리액턴스 값이 0보다 큰 값을 갖는 상기 송신 커패시터 값의 범위를 계산하는 단계는 상기 입력 임피던스의 리액턴스 값을 계산하기 위한 수학식으로 다음 [수학식 6]을 이용하고, 다음 [수학식 6]에서

Figure pat00002
에 상기 계산된 주파수 값을 대입하고, C1을 미지수로 하며, X가 0 이상이 되는 C1의 범위를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.By substituting the calculated frequency value and the remaining electrical characteristics excluding the capacitor value of the transmitter among the extracted electrical characteristics in the equation for calculating the reactance value of the input impedance, the reactance value of the input impedance is greater than 0. In the step of calculating the range of the value of the transmit capacitor having the following [Equation 6] as an equation for calculating the reactance value of the input impedance,
Figure pat00002
Substituting the calculated frequency value into , C 1 being an unknown, and determining the range of C 1 in which X is 0 or more.

[수학식 6][Equation 6]

Figure pat00003
Figure pat00003

상기 계산된 주파수 값을 이용하여 입력 임피던스의 리액턴스 값이 0보다 큰 값을 갖는 송신 커패시터 값을 계산하는 단계는, 상기 송신 커패시터 값의 범위를 152.57 ㎋ 이상으로 계산하는 단계를 포함할 수 있다.Calculating the transmit capacitor value having the reactance value of the input impedance greater than 0 using the calculated frequency value may include calculating the range of the transmit capacitor value to be 152.57 kHz or more.

본 발명의 일실시예에 따른 송신부 매칭 커패시터를 이용하여 주파수 분할 현상을 완화하는 무선 전력 전송 시스템은 송신부, 수신부 및 제어부를 포함하고, 상기 제어부는 상기 송신부 및 상기 수신부의 전기적 특성을 추출하고, 상기 추출된 전기적 특성을 이용하여 입력 임피던스의 미분 리액턴스 값이 0에 수렴하는 주파수 값을 계산하며, 상기 계산된 주파수 값을 이용하여 입력 임피던스의 리액턴스 값이 0보다 큰 값을 갖는 송신 커패시터 값을 계산하고, 상기 송신부의 기 설정된 송신 커패시터 값을 상기 계산된 송신 커패시터 값으로 변경할 수 있다.A wireless power transmission system for alleviating a frequency division phenomenon using a transmitter matching capacitor according to an embodiment of the present invention includes a transmitter, a receiver, and a controller, wherein the controller extracts electrical characteristics of the transmitter and the receiver, and Calculate the frequency value at which the differential reactance value of the input impedance converges to 0 using the extracted electrical characteristics, and calculate the transmit capacitor value having the reactance value of the input impedance greater than 0 using the calculated frequency value, , a preset value of the transmission capacitor of the transmitter may be changed to the calculated value of the transmission capacitor.

상기 제어부는 상기 입력 임피던스의 리액턴스 값을 계산하기 위한 수학식으로 다음 [수학식 6]을 이용하고, [수학식 6]에 상기 추출된 전기적 특성을 대입하고 미분하여 상기 미분 리액턴스 값이 0에 수렴하는 주파수 값을 계산할 수 있다.The control unit uses the following [Equation 6] as an equation for calculating the reactance value of the input impedance, substitutes the extracted electrical characteristics into [Equation 6] and differentiates it so that the differential reactance value converges to 0 frequency values can be calculated.

[수학식 6][Equation 6]

Figure pat00004
Figure pat00004

상기 제어부는 상기 입력 임피던스의 리액턴스 값을 계산하기 위한 수학식으로 다음 [수학식 6]을 이용하고, 다음 [수학식 6]에서

Figure pat00005
에 상기 계산된 주파수 값을 대입하고, C1을 미지수로 하며, X가 0 이상이 되는 C1의 범위를 결정할 수 있다.The control unit uses the following [Equation 6] as an equation for calculating the reactance value of the input impedance, and in the following [Equation 6]
Figure pat00005
By substituting the calculated frequency value in , C 1 may be an unknown, and the range of C 1 in which X is 0 or more may be determined.

[수학식 6][Equation 6]

Figure pat00006
Figure pat00006

상기 제어부는 상기 송신 커패시터 값의 범위를 152.57 ㎋ 이상으로 계산할 수 있다.The control unit may calculate the range of the value of the transmission capacitor to be 152.57 ㎋ or more.

본 발명은 송신부 매칭 커패시터를 이용하여 주파수 분할 현상을 완화하는 무선 전력 전송 시스템 및 그 동작 방법을 제공할 수 있다.The present invention may provide a wireless power transmission system for alleviating a frequency division phenomenon using a transmitter matching capacitor and an operating method thereof.

본 발명은 추가 회로 설계 없이 무선 전력 전송 시스템에서 설계되는 송신 커패시터 값만을 변경하여 무선 전력 전송 시스템의 주파수 분할 현상을 완화할 수 있다.The present invention can alleviate the frequency division phenomenon of the wireless power transmission system by changing only the value of the transmission capacitor designed in the wireless power transmission system without additional circuit design.

본 발명은 무선 전력 전송 시 무선 전력 전송의 효율성 향상을 위해 결합 계수를 높이더라도 무선 전력 전송 시스템의 안정성을 확보하면서 높은 무선 전력 전송율을 달성할 수 있다.The present invention can achieve a high wireless power transmission rate while securing the stability of the wireless power transmission system even if the coupling coefficient is increased to improve the efficiency of wireless power transmission during wireless power transmission.

본 발명은 주파수 분할 현상을 완화하기 위해 시스템을 회로적으로 분석한 후, 분석을 바탕으로 주파수 분할 현상을 완화하기 위한 송신 커패시터 값의 범위를 결정하는 수학식을 이용하는 무선 전력 전송 시스템 및 그 동작 방법을 제공할 수 있다.The present invention provides a wireless power transmission system using an equation for circuitly analyzing a system in order to alleviate the frequency division phenomenon and then determining the range of the transmit capacitor value for alleviating the frequency division phenomenon based on the analysis, and a method for operating the same can provide

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 등가 회로를 설명하는 도면이다.
도 2a 내지 도 2c는 무선 전력 전송 시스템의 주파수 분할 현상을 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 동작 방법을 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 블록도를 설명하는 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 송신부 커패시터 매칭 결과를 설명하는 도면이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템에서 송신부 커패시터 값의 매칭 결과를 설명하는 도면이다.
1 is a diagram for explaining an equivalent circuit of a wireless power transmission system according to an embodiment of the present invention.
2A to 2C are diagrams for explaining a frequency division phenomenon of a wireless power transmission system.
3 is a view for explaining a method of operating a wireless power transmission system according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram for explaining a block diagram of a wireless power transmission system according to an embodiment of the present invention.
5A and 5B are diagrams for explaining a result of matching a transmitter capacitor of a wireless power transmission system according to an embodiment of the present invention.
6A and 6B are diagrams for explaining a result of matching a transmitter capacitor value in a wireless power transmission system according to an embodiment of the present invention.

본 명세서에 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.Specific structural or functional descriptions of the embodiments according to the concept of the present invention disclosed herein are only exemplified for the purpose of explaining the embodiments according to the concept of the present invention, and the embodiment according to the concept of the present invention These may be embodied in various forms and are not limited to the embodiments described herein.

본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 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.Since the embodiments according to the concept of the present invention may have various changes and may have various forms, the embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail herein. However, this is not intended to limit the embodiments according to the concept of the present invention to specific disclosed forms, and includes changes, equivalents, or substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

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.Terms such as first or second may be used to describe various elements, but the elements should not be limited by the terms. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from other components, for example, without departing from the scope of rights according to the concept of the present invention, a first component may be named a second component, Similarly, the second component may also be referred to as the first component.

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 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.When an element is referred to as being “connected” or “connected” to another element, it is understood that it may be directly connected or connected to the other element, but other elements may exist in between. it should be On the other hand, when it is said that a certain element is "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that the other element does not exist in the middle. Expressions describing the relationship between elements, for example, “between” and “between” or “directly adjacent to”, etc. should be interpreted similarly.

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 용어는 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.The terminology used herein is used only to describe specific embodiments, and is not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In the present specification, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate that the described feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof exists, and includes one or more other features or numbers, It should be understood that the possibility of the presence or addition of steps, operations, components, parts or combinations thereof is not precluded in advance.

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.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in the present specification. does not

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.Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the scope of the patent application is not limited or limited by these embodiments. Like reference numerals in each figure indicate like elements.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 등가 회로를 설명하는 도면이다.1 is a diagram for explaining an equivalent circuit of a wireless power transmission system according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참고하면, 무선 전력 전송 시스템의 등가 회로(100)는 송신부(110)와 수신부(120)를 포함한다.Referring to FIG. 1 , the equivalent circuit 100 of the wireless power transmission system includes a transmitter 110 and a receiver 120 .

송신부(110)는 송신 코일로 지칭될 수 있고, 수신부(120)는 수신 코일로 지칭될 수 있다.The transmitter 110 may be referred to as a transmit coil, and the receiver 120 may be referred to as a receive coil.

본 발명의 일실시예에 따르면 송신부(110)는 송신 전압(V1), 송신 전류(I1), 송신 커패시턴스(C1), 송신 저항(R1) 및 송신 인덕턴스(L1)가 전기적 특성으로 추출될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the transmitter 110 has a transmit voltage (V 1 ), a transmit current (I 1 ), a transmit capacitance (C 1 ), a transmit resistance (R 1 ), and a transmit inductance (L 1 ) Electrical characteristics can be extracted as

일례로, 수신부(120)는 수신 전류(I2), 수신 커패시턴스(C2), 수신 저항(R2), 수신 인덕턴스(L2) 및 부하 저항(RL)가 전기적 특성으로 추출될 수 있다.As an example, the receiving unit 120 receives the current (I 2 ), the receiving capacitance (C 2 ), the receiving resistance (R 2 ), the receiving inductance (L 2 ), and the load resistance (R L ) can be extracted as electrical characteristics. .

본 발명의 일실시예에 따르면 송신부(110)와 수신부(120) 사이의 상호 인덕턴스(mutual inductance)는 하기 [수학식 1]을 통해 계산될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the mutual inductance between the transmitter 110 and the receiver 120 may be calculated through the following [Equation 1].

[수학식 1][Equation 1]

Figure pat00007
Figure pat00007

[수학식 1]에서, M은 상호 인덕턴스(mutual inductance)를 나타낼 수 있고, k는 커플링 계수(coupling coefficent)를 나타낼 수 있으며, L1은 송신부의 인덕턴스(inductance)를 나타낼 수 있고, L2는 수신부의 인덕턴스를 나타낼 수 있다.In [Equation 1], M may represent a mutual inductance (mutual inductance), k may represent a coupling coefficient (coupling coefficent), L 1 may represent the inductance (inductance) of the transmitter, L 2 may represent the inductance of the receiver.

본 발명의 일실시예에 따르면 입력 임피던스(Zin)는 송신부(110)와 수신부(120)에서의 키르히호프 법칙(Kirchhoff's circuit laws)에 따라 하기 [수학식 2]로 도출될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the input impedance Z in may be derived by the following [Equation 2] according to Kirchhoff's circuit laws in the transmitter 110 and the receiver 120.

[수학식 2][Equation 2]

Figure pat00008
Figure pat00008

[수학식 2]에서, Zin은 입력 임피던스를 나타낼 수 있고, R1은 송신부의 내부 저항(internal resistance)을 나타낼 수 있으며, R2는 수신부의 내부 저항을 나타낼 수 있고, RL은 부하 저항(inductance resistance)을 나타낼 수 있으며, C1은 송신부의 커패시턴스(capacitance)를 나타낼 수 있고, C2는 수신부의 커패시턴스를 나타낼 수 있으며, L1은 송신부의 인덕턴스(inductance)를 나타낼 수 있고, L2는 수신부의 인덕턴스를 나타낼 수 있으며,

Figure pat00009
는 각 진동수와 관련된 주파수를 나타낼 수 있고, M은 상호 인덕턴스(mutual inductance)를 나타낼 수 있다.In [Equation 2], Z in may represent the input impedance, R 1 may represent the internal resistance (internal resistance) of the transmitter, R 2 may represent the internal resistance of the receiver, R L is the load resistance may represent (inductance resistance), C 1 may represent the capacitance of the transmitter, C 2 may represent the capacitance of the receiver, L 1 may represent the inductance of the transmitter, L 2 may represent the inductance of the receiver,
Figure pat00009
may represent a frequency related to each frequency, M may represent a mutual inductance (mutual inductance).

본 발명의 일실시예에 따르면 무선 전력 전송 시스템의 등가 회로(100)는 송신부의 내부 저항, 수신부의 내부 저항, 부하 저항(inductance resistance), 송신부의 커패시턴스(capacitance), 수신부의 커패시턴스(capacitance), 송신부의 인덕턴스(inductance), 수신부의 인덕턴스,

Figure pat00010
는 각 진동수와 관련된 주파수 및 상호 인덕턴스(mutual inductance)와 관련된 적어도 하나의 전기적 특성을 제공할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the equivalent circuit 100 of the wireless power transmission system includes the internal resistance of the transmitter, the internal resistance of the receiver, the load resistance (inductance resistance), the capacitance of the transmitter, the capacitance of the receiver, The inductance of the transmitter, the inductance of the receiver,
Figure pat00010
may provide at least one electrical characteristic related to frequency and mutual inductance related to each frequency.

예를 들어, 송신부의 커패시턴스(capacitance)가 주파수 분할 현상을 완화하기 위해 변경될 경우, 송신부의 커패시터가 변경될 수 있는데, 이때 이용되는 커패시터가 송신부 매칭 커패시터일 수 있다.For example, when capacitance of the transmitter is changed to alleviate the frequency division phenomenon, the capacitor of the transmitter may be changed, and the capacitor used in this case may be a matching capacitor of the transmitter.

일례로, 입력 임피던스는 동작 주파수에서 증가될 경우, 동작 주파수에 인접한 주파수에서 임피던스가 감소하기 때문에 출력 전력은 동작 주파수에서 최대가 될 수 있다.For example, when the input impedance is increased at the operating frequency, the output power may be maximized at the operating frequency because the impedance decreases at a frequency adjacent to the operating frequency.

예를 들어, 동작 주파수는 공진 주파수로 지칭될 수 있고, 약 60 kHZ일 수 있다.For example, the operating frequency may be referred to as the resonant frequency and may be about 60 kHz.

도 2a 내지 도 2c는 무선 전력 전송 시스템의 주파수 분할 현상을 설명하는 도면이다.2A to 2C are diagrams for explaining a frequency division phenomenon of a wireless power transmission system.

도 2a는 무선 전력 전송 시스템의 주파수 분할 현상과 관련하여 입력 임피던스의 위상과 극 주파수들을 비교 설명한다.FIG. 2A compares and describes the phase and pole frequencies of the input impedance in relation to the frequency division phenomenon of the wireless power transmission system.

도 2a의 그래프(200)를 참고하면, 그래프(200)의 가로축은 주파수의 크기를 나타내고, 세로축은 입력 임피던스의 위상을 나타낼 수 있다.Referring to the graph 200 of FIG. 2A , the horizontal axis of the graph 200 may indicate the magnitude of the frequency, and the vertical axis may indicate the phase of the input impedance.

그래프(200)에서 입력 임피던스의 위상은 동작 주파수에서 0이지만 동작 주파수 이전에는 유도성 영역(inductive region)에 위치하고, 동작 주파수 이후에는 용량성 영역(capacitance region)에 위치한다.In the graph 200 , the phase of the input impedance is 0 at the operating frequency, but is located in the inductive region before the operating frequency and is located in the capacitive region after the operating frequency.

그래프(200)에서 제1 극 주파수(f1)와 제2 극 주파수(f2)가 입력 임피던스의 위상 값에서 0보다 크거나 0보다 작게 분할되는 주파수 분할 현상이 확인된다.In the graph 200 , a frequency division phenomenon in which the first pole frequency f 1 and the second pole frequency f 2 are divided greater than or less than 0 in the phase value of the input impedance is confirmed.

여기서, 동작 주파수를 기준으로 제1 극 주파수(f1)는 유도성 영역에 위치하고, 제2 극 주파수(f2)는 용량성 영역에 위치한다고 볼 수 있다.Here, based on the operating frequency, it can be seen that the first pole frequency f 1 is located in the inductive region, and the second pole frequency f 2 is located in the capacitive region.

즉, 제2 극 주파수(f2)에 해당하는 입력 임피던스의 위상 값이 0보다 작음에 따라 주파수 분할 현상이 발생될 수 있다.That is, as the phase value of the input impedance corresponding to the second pole frequency f 2 is less than 0, a frequency division phenomenon may occur.

한편, 도 2b는 무선 전력 전송 시스템의 주파수 분할 현상과 관련하여 입력 임피던스의 리액턴스와 극 주파수들을 비교 설명한다.On the other hand, FIG. 2B compares and describes the reactance of the input impedance and the pole frequencies in relation to the frequency division phenomenon of the wireless power transmission system.

도 2a의 그래프(210)를 참고하면, 그래프(210)의 가로축은 주파수의 크기를 나타내고, 세로축은 입력 임피던스의 리액턴스를 나타낼 수 있다.Referring to the graph 210 of FIG. 2A , the horizontal axis of the graph 210 may indicate the magnitude of the frequency, and the vertical axis may indicate the reactance of the input impedance.

그래프(210)에서 입력 임피던스의 리액턴스는 동작 주파수에서 0이지만 동작 주파수 이전에는 유도성 영역(inductive region)에 위치하고, 동작 주파수 이후에는 용량성 영역(capacitance region)에 위치한다.In the graph 210 , the reactance of the input impedance is 0 at the operating frequency, but is located in the inductive region before the operating frequency and is located in the capacitive region after the operating frequency.

그래프(200)에서 제1 극 주파수(f1)와 제2 극 주파수(f2)가 입력 임피던스의 리액턴스 값에서 0보다 크거나 0보다 작게 분할되는 주파수 분할 현상이 확인된다.In the graph 200 , a frequency division phenomenon in which the first pole frequency f 1 and the second pole frequency f 2 are divided greater than or less than 0 in the reactance value of the input impedance is confirmed.

여기서, 동작 주파수를 기준으로 제1 극 주파수(f1)는 유도성 영역에 위치하고, 제2 극 주파수(f2)는 용량성 영역에 위치한다고 볼 수 있다.Here, based on the operating frequency, it can be seen that the first pole frequency f 1 is located in the inductive region, and the second pole frequency f 2 is located in the capacitive region.

즉, 제2 극 주파수(f2)에 해당하는 입력 임피던스의 리액턴스 값이 0보다 작음에 따라 주파수 분할 현상이 발생될 수 있다.That is, as the reactance value of the input impedance corresponding to the second pole frequency f 2 is less than 0, a frequency division phenomenon may occur.

다음으로, 도 2c는 주파수 분할 현상이 발생되지 않은 무선 전력 전송 시스템에서의 입력 임피던스의 위상 변화와 주파수 분할 현상이 발생된 무선 전력 전송 시스템에서의 입력 임피던스의 위상 변화를 비교 설명한다.Next, FIG. 2C compares and describes a phase change of the input impedance in the wireless power transmission system in which the frequency division phenomenon does not occur and the phase change of the input impedance in the wireless power transmission system in which the frequency division phenomenon occurs.

도 2c의 그래프(220)를 참고하면, 가로축은 주파수의 크기를 나타내고, 세로축은 입력 임피던스의 위상을 나타낼 수 있다.Referring to the graph 220 of FIG. 2C , the horizontal axis may indicate the magnitude of the frequency, and the vertical axis may indicate the phase of the input impedance.

일례로, 지시선(221)은 주파수 분할 현상이 발생되지 않은 무선 전력 전송 시스템에서 입력 임피던스의 위상 변화를 나타내고, 지시선(222)은 무선 전력 전송 시스템에서 입력 임피던스의 위상 변화를 나타낸다.For example, the leader line 221 indicates a phase change of input impedance in a wireless power transmission system in which a frequency division phenomenon does not occur, and the leader line 222 indicates a phase change of input impedance in a wireless power transmission system.

인버터의 스위칭 주파수는 제로 전압 스위칭을위한 동작 주파수보다 높게 선택하고 입력 임피던스의 제로 또는 유도 영역에 배치되어야 한다.The switching frequency of the inverter should be selected higher than the operating frequency for zero voltage switching and placed in the zero or inductive region of the input impedance.

인버터의 스위칭 주파수가 입력 임피던스의 위상이 0 미만인 용량성 영역에서 작동하면 스위칭 손실이 발생하고 장치가 손상될 수 있다.If the inverter's switching frequency operates in the capacitive region where the input impedance is less than zero in phase, switching losses may occur and damage the device.

주파수 분할의 경우 위상이 동작 주파수 이후 용량성 영역으로 떨어지기 때문에 스위칭 주파수를 선택하기가 어렵다.In the case of frequency division, it is difficult to select a switching frequency because the phase falls into the capacitive domain after the operating frequency.

따라서, 인버터의 스위칭 주파수 선택 감도를 낮추고 시스템의 안정적인 동작을 보장하기 위해서는 동작 주파수 이후에도 입력 임피던스의 위상이 유도 성 영역에 있도록 무선 전력 전송 시스템의 설계가 요구된다.Therefore, in order to lower the switching frequency selection sensitivity of the inverter and ensure stable operation of the system, the design of the wireless power transmission system is required so that the phase of the input impedance remains in the inductive region even after the operating frequency.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 동작 방법을 설명하는 도면이다.3 is a view for explaining a method of operating a wireless power transmission system according to an embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 송신부 매칭 커패시터를 이용하여 주파수 분할 현상을 완화하는 무선 전력 전송 시스템의 동작 방법이 추가 회로 설계 없이 송신 커패시터 값만을 변경하여 주파수 분할 현상을 완화하는 실시예를 설명한다.3 is an exemplary embodiment in which the operating method of the wireless power transmission system for alleviating the frequency division phenomenon by using the transmitter matching capacitor according to an embodiment of the present invention reduces the frequency division phenomenon by changing only the transmission capacitor value without additional circuit design. Explain.

구체적으로, 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 동작 방법은 수학식을 이용하여 송신부 매칭 커패시터 값을 계산하고, 송신부의 커패시터 값을 송신부 매칭 커패시터 값으로 변경하여 무선 전력 전송 시스템의 주파수 분할 현상을 완화한다.Specifically, the operating method of the wireless power transmission system according to an embodiment of the present invention calculates the value of the transmitter matching capacitor using the equation, and changes the capacitor value of the transmitter to the value of the transmitter matching capacitor to change the frequency of the wireless power transfer system alleviate the splitting phenomenon.

단계(301)에서, 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 동작 방법은 송신부 및 수신부의 전기적 특성을 추출한다.In step 301, the operating method of the wireless power transmission system according to an embodiment of the present invention extracts the electrical characteristics of the transmitter and the receiver.

즉, 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 동작 방법은 송신부의 송신 내부 저항, 송신 커패시턴스(capacitance) 및 송신 인덕턴스(inductance) 중 적어도 하나와 관련된 전기적 특성, 수신부의 수신 내부 저항, 수신 커패시턴스(capacitance) 및 수신 인덕턴스(inductance) 및 부하 저항 중 적어도 하나와 관련된 전기적 특성 및 송신 인덕턴스(inductance), 수신 인덕턴스(inductance) 및 결합 계수(coupling coefficient)와 관련된 상호 인덕턴스와 관련된 전기적 특성을 추출할 수 있다.That is, the operating method of the wireless power transmission system according to an embodiment of the present invention is an electrical characteristic related to at least one of transmission internal resistance, transmission capacitance, and transmission inductance of the transmission unit, reception internal resistance of the reception unit, reception To extract electrical characteristics related to at least one of capacitance and reception inductance and load resistance and electrical characteristics related to mutual inductance related to transmission inductance, reception inductance, and coupling coefficient. can

단계(302)에서, 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 동작 방법은 단계(301)에서 추출된 전기적 특성을 이용하여 미분 리액턴스 값이 0에 수렴하는 주파수 값을 계산한다.In step 302, the operating method of the wireless power transmission system according to an embodiment of the present invention calculates a frequency value at which the differential reactance value converges to zero using the electrical characteristics extracted in step 301.

여기서, 무선 전력 전송 시스템의 동작 방법은 미분 리액턴스 값이 0에 수렴하는 주파수 값을 계산하기 위해 허수부와 실수부로 구성된 하기 [수학식 3]을 도출한다. Here, the operating method of the wireless power transmission system derives the following [Equation 3] composed of an imaginary part and a real part in order to calculate a frequency value at which the differential reactance value converges to zero.

[수학식 3][Equation 3]

Figure pat00011
Figure pat00011

Figure pat00012
Figure pat00012

[수학식 3]은 식의 간략화를 위하여 괄호와 같이 문자(A, B, C, D, E, F)로 대체한다.[Equation 3] is replaced with letters (A, B, C, D, E, F) like parentheses for the sake of simplification of the expression.

[수학식 3]에서 Zin은 입력 임피던스를 나타낼 수 있고, R1은 송신부의 내부 저항(internal resistance)을 나타낼 수 있으며, R2는 수신부의 내부 저항을 나타낼 수 있고, RL은 부하 저항(inductance resistance)을 나타낼 수 있으며, C1은 송신부의 커패시턴스(capacitance)를 나타낼 수 있고, C2는 수신부의 커패시턴스를 나타낼 수 있으며, L1은 송신부의 인덕턴스(inductance)를 나타낼 수 있고, L2는 수신부의 인덕턴스를 나타낼 수 있으며,

Figure pat00013
는 주파수를 나타낼 수 있고, M은 상호 인덕턴스(mutual inductance)를 나타낼 수 있다.In [Equation 3], Z in may represent the input impedance, R 1 may represent the internal resistance of the transmitter, R 2 may represent the internal resistance of the receiver, and R L is the load resistance ( inductance resistance), C 1 may represent the capacitance of the transmitter, C 2 may represent the capacitance of the receiver, L 1 may represent the inductance of the transmitter, and L 2 is It can represent the inductance of the receiver,
Figure pat00013
may represent a frequency, and M may represent a mutual inductance.

[수학식 3]은 입력 임피던스의 레지스턴스와 리액턴스를 나타낼 수 있고, [수학식 3]에서 하기 [수학식 4]는 입력 임피던스의 위상을 나타낼 수 있고, [수학식 5]는 입력 임피던스의 리액턴스를 나타낼 수 있다.[Equation 3] may represent the resistance and reactance of the input impedance, the following [Equation 4] in [Equation 3] may represent the phase of the input impedance, and [Equation 5] is the reactance of the input impedance can indicate

[수학식 4][Equation 4]

Figure pat00014
Figure pat00014

Figure pat00015
Figure pat00015

[수학식 4]는 식의 간략화를 위하여 괄호와 같이 문자(A, B, C, D, E, F)로 대체한다.[Equation 4] is replaced with letters (A, B, C, D, E, F) like parentheses for simplification of the expression.

[수학식 4]에서 phase of Zin은 입력 임피던스의 위상을 나타낼 수 있고, R1은 송신부의 내부 저항(internal resistance)을 나타낼 수 있으며, R2는 수신부의 내부 저항을 나타낼 수 있고, RL은 부하 저항(inductance resistance)을 나타낼 수 있으며, C1은 송신부의 커패시턴스(capacitance)를 나타낼 수 있고, C2는 수신부의 커패시턴스를 나타낼 수 있으며, L1은 송신부의 인덕턴스(inductance)를 나타낼 수 있고, L2는 수신부의 인덕턴스를 나타낼 수 있으며,

Figure pat00016
는 주파수를 나타낼 수 있고, M은 상호 인덕턴스(mutual inductance)를 나타낼 수 있다.In [Equation 4], phase of Z in may represent the phase of the input impedance, R 1 may represent the internal resistance of the transmitter, R 2 may represent the internal resistance of the receiver, R L may represent the load resistance (inductance resistance), C 1 may represent the capacitance (capacitance) of the transmitter, C 2 may represent the capacitance of the receiver, L 1 may represent the inductance (inductance) of the transmitter, , L 2 may represent the inductance of the receiver,
Figure pat00016
may represent a frequency, and M may represent a mutual inductance.

[수학식 5][Equation 5]

Figure pat00017
Figure pat00017

Figure pat00018
Figure pat00018

[수학식 5]는 식의 간략화를 위하여 괄호와 같이 문자(A, B, C, D, E, F)로 대체한다.[Equation 5] is replaced with letters (A, B, C, D, E, F) like parentheses for the sake of simplification of the expression.

[수학식 5]에서 X는 입력 임피던스의 리액턴스를 나타낼 수 있고, R1은 송신부의 내부 저항(internal resistance)을 나타낼 수 있으며, R2는 수신부의 내부 저항을 나타낼 수 있고, RL은 부하 저항(inductance resistance)을 나타낼 수 있으며, C1은 송신부의 커패시턴스(capacitance)를 나타낼 수 있고, C2는 수신부의 커패시턴스를 나타낼 수 있으며, L1은 송신부의 인덕턴스(inductance)를 나타낼 수 있고, L2는 수신부의 인덕턴스를 나타낼 수 있으며,

Figure pat00019
는 주파수를 나타낼 수 있고, M은 상호 인덕턴스(mutual inductance)를 나타낼 수 있다.In [Equation 5], X may represent the reactance of the input impedance, R 1 may represent the internal resistance of the transmitter, R 2 may represent the internal resistance of the receiver, R L is the load resistance may represent (inductance resistance), C 1 may represent the capacitance of the transmitter, C 2 may represent the capacitance of the receiver, L 1 may represent the inductance of the transmitter, L 2 may represent the inductance of the receiver,
Figure pat00019
may represent a frequency, and M may represent a mutual inductance.

[수학식 5]에서 간략화된 문자(A, B, C, D, E, F)를 식에 적용하면 하기 [수학식 6]이 도출될 수 있다.When the simplified letters (A, B, C, D, E, F) in [Equation 5] are applied to the equation, the following [Equation 6] can be derived.

[수학식 6][Equation 6]

Figure pat00020
Figure pat00020

[수학식 6]에서 X는 입력 임피던스의 리액턴스를 나타낼 수 있고, R1은 송신부의 내부 저항(internal resistance)을 나타낼 수 있으며, R2는 수신부의 내부 저항을 나타낼 수 있고, RL은 부하 저항(inductance resistance)을 나타낼 수 있으며, C1은 송신부의 커패시턴스(capacitance)를 나타낼 수 있고, C2는 수신부의 커패시턴스를 나타낼 수 있으며, L1은 송신부의 인덕턴스(inductance)를 나타낼 수 있고, L2는 수신부의 인덕턴스를 나타낼 수 있으며,

Figure pat00021
는 각 진동수와 관련된 주파수를 나타낼 수 있고, M은 상호 인덕턴스(mutual inductance)를 나타낼 수 있다.In [Equation 6], X may represent the reactance of the input impedance, R 1 may represent the internal resistance of the transmitter, R 2 may represent the internal resistance of the receiver, R L is the load resistance may represent (inductance resistance), C 1 may represent the capacitance of the transmitter, C 2 may represent the capacitance of the receiver, L 1 may represent the inductance of the transmitter, L 2 may represent the inductance of the receiver,
Figure pat00021
may represent a frequency related to each frequency, M may represent a mutual inductance (mutual inductance).

보다 구체적으로, 무선 전력 전송 시스템의 동작 방법은 입력 임피던스의 리액턴스 값을 계산하기 위한 수학식에 상기 추출된 전기적 특성을 대입하고 미분하여 상기 미분 리액턴스 값이 0에 수렴하는 주파수 값을 계산하되, 입력 임피던스의 리액턴스 값을 계산하기 위한 수학식을 상술한 [수학식 6]을 이용한다.More specifically, the operating method of the wireless power transmission system calculates a frequency value at which the differential reactance value converges to 0 by substituting and differentiating the extracted electrical characteristics into the equation for calculating the reactance value of the input impedance, The above-mentioned [Equation 6] is used for the equation for calculating the reactance value of the impedance.

즉, 본 발명은 주파수 분할 현상을 완화하기 위해 시스템을 회로적으로 분석한 후, 분석을 바탕으로 주파수 분할 현상을 완화하기 위한 송신 커패시터 값의 범위를 구하는 [수학식 6]을 이용한다.That is, the present invention uses [Equation 6] to obtain the range of the transmit capacitor value for alleviating the frequency division phenomenon based on the analysis after circuitly analyzing the system to alleviate the frequency division phenomenon.

따라서, 본 발명은 추가 회로 설계 없이 기존의 고효율 공진형 무선 전력 전송 시스템에서 설계된 송신 커패시터 값만을 변경하여 주파수 분할 현상을 완화할 수 있다.Therefore, the present invention can alleviate the frequency division phenomenon by changing only the value of the transmission capacitor designed in the existing high-efficiency resonant wireless power transmission system without additional circuit design.

또한, 본 발명은 무선 전력 전송 시 높은 효율을 위해 결합 계수를 높이더라도 시스템이 안정적이고 높은 전력을 전달할 수 있다. In addition, according to the present invention, even if the coupling coefficient is increased for high efficiency in wireless power transmission, the system can stably and transmit high power.

단계(303)에서 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 동작 방법은 단계(302)에서 계산된 주파수 값을 이용하여 리액턴스 값이 0보다 큰 값을 갖는 송신 커패시터 값을 계산한다.In step 303, the method of operating a wireless power transmission system according to an embodiment of the present invention calculates a transmit capacitor value having a reactance value greater than zero by using the frequency value calculated in step 302.

즉, 무선 전력 전송 시스템의 동작 방법은 입력 임피던스의 리액턴스 값을 계산하기 위한 수학식에 추출된 전기적 특성 중 송신부의 커패시터 값을 제외한 나머지 전기적 특성과 계산된 주파수 값을 대입하여 입력 임피던스의 리액턴스 값이 0보다 큰 값을 갖는 송신 커패시터 값의 범위를 계산한다.That is, in the operating method of the wireless power transmission system, the reactance value of the input impedance is obtained by substituting the calculated frequency value and the remaining electrical characteristics excluding the capacitor value of the transmitter among the extracted electrical characteristics in the equation for calculating the reactance value of the input impedance. Calculate the range of transmit capacitor values with values greater than zero.

구체적으로, 무선 전력 전송 시스템의 동작 방법은 입력 임피던스의 리액턴스 값을 계산하기 위한 수학식으로 상술한 [수학식 6]을 이용하고, [수학식 6]에서

Figure pat00022
에 상기 계산된 주파수 값을 대입하고, C1을 미지수로 하며, X가 0 이상이 되는 C1의 범위를 결정하고, C1의 범위 중 시스템의 높은 효율을 위하여 C1의 범위에서 가장 작은 값을 송신 커패시터 값으로 결정한다.Specifically, the operating method of the wireless power transmission system uses the above-mentioned [Equation 6] as an equation for calculating the reactance value of the input impedance, and in [Equation 6]
Figure pat00022
Substitute the calculated frequency value into , make C 1 an unknown, determine the range of C 1 where X is 0 or more, and the smallest value in the range of C 1 for high system efficiency among the ranges of C 1 is determined as the transmit capacitor value.

예를 들어, 무선 전력 전송 시스템의 동작 방법은 송신 커패시터 값의 범위를 152.57 ㎋ 이상으로 계산할 수 있다.For example, the operating method of the wireless power transmission system may calculate the range of the value of the transmission capacitor to be 152.57 ㎋ or more.

단계(304)에서 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 동작 방법은 단계(303)에서 계산된 송신 커패시터 값으로 기 설정된 송신 커패터시 값을 대체한다.In the operation method of the wireless power transmission system according to an embodiment of the present invention in step 304, a preset transmission capacitance value is replaced with the transmission capacitor value calculated in step 303.

즉, 무선 전력 전송 시스템의 동작 방법은 단계(303)에서 계산된 송신 커패시터 값에 해당하는 송신부 매칭 커패시터를 이용한다.That is, the operating method of the wireless power transmission system uses the transmission unit matching capacitor corresponding to the transmission capacitor value calculated in step 303 .

따라서, 본 발명은 추가 회로 설계 없이 무선 전력 전송 시스템에서 설계되는 송신 커패시터 값만을 변경하여 무선 전력 전송 시스템의 주파수 분할 현상을 완화할 수 있다.Accordingly, the present invention can alleviate the frequency division phenomenon of the wireless power transmission system by changing only the value of the transmission capacitor designed in the wireless power transmission system without additional circuit design.

또한, 본 발명은 무선 전력 전송 시 무선 전력 전송의 효율성 향상을 위해 결합 계수를 높이더라도 무선 전력 전송 시스템의 안정성을 확보하면서 높은 무선 전력 전송율을 달성할 수 있다.In addition, the present invention can achieve a high wireless power transmission rate while securing the stability of the wireless power transmission system even if the coupling coefficient is increased to improve the efficiency of wireless power transmission during wireless power transmission.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 블록도를 설명하는 도면이다.4 is a diagram for explaining a block diagram of a wireless power transmission system according to an embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 구성 요소를 예시한다.4 illustrates components of a wireless power transmission system according to an embodiment of the present invention.

도 4를 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템(400)은 송신부(410), 수신부(420) 및 제어부(430)를 포함한다.Referring to FIG. 4 , the wireless power transmission system 400 according to an embodiment of the present invention includes a transmitter 410 , a receiver 420 , and a controller 430 .

본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템(400)은 추가 회로 설계 없이 송신 커패시터 값만을 변경하여 주파수 분할 현상을 완화하기 위해 송신부 매칭 커패시터의 커패시터 값에 해당하는 커패시터 값을 상술한 [수학식 6]을 이용하여 계산하고, 계산된 커패시터 값에 해당하는 송신부 매칭 커패시터를 선택적으로 사용하여 무선 전력 전송 시스템(400)에서의 주파수 분할 현상을 완화할 수 있다.[Equation] 6], and the frequency division phenomenon in the wireless power transmission system 400 can be alleviated by selectively using the transmitter matching capacitor corresponding to the calculated capacitor value.

일례로, 송신부(410)는 무선 전력을 수신부(420)로 전송한다.For example, the transmitter 410 transmits wireless power to the receiver 420 .

예를 들어, 송신부(410)는 송신 코일에 해당될 수 있고, 수신부(420)는 수신 코일에 해당될 수 있다.For example, the transmitter 410 may correspond to a transmitting coil, and the receiver 420 may correspond to a receiving coil.

본 발명의 일실시예에 따르면 제어부(430)는 송신부(410) 및 수신부(420)의 전기적 특성을 추출하고, 추출된 전기적 특성을 이용하여 입력 임피던스의 미분 리액턴스 값이 0에 수렴하는 주파수 값을 계산한다.According to an embodiment of the present invention, the control unit 430 extracts electrical characteristics of the transmitting unit 410 and the receiving unit 420, and using the extracted electrical characteristics, a frequency value at which the differential reactance value of the input impedance converges to zero. Calculate.

또한, 제어부(430)는 계산된 주파수 값을 이용하여 입력 임피던스의 리액턴스 값이 0보다 큰 값을 갖는 송신 커패시터 값을 계산하고, 송신부(410)의 기 설정된 송신 커패시터 값을 [수학식 6]을 이용하여 계산된 송신 커패시터 값으로 변경한다.In addition, the controller 430 calculates a transmit capacitor value having a reactance value of the input impedance greater than 0 using the calculated frequency value, and calculates a preset transmit capacitor value of the transmitter 410 using [Equation 6]. Change to the calculated transmit capacitor value using

즉, 제어부(430)는 송신부 매칭 커패시터가 이용될 수 있도록 송신부 매칭 커패시터의 송신 커패시터 값을 계산하고, 계산된 송신 커패시터 값을 제시한다.That is, the controller 430 calculates the transmit capacitor value of the transmitter matching capacitor so that the transmitter matching capacitor can be used, and presents the calculated transmit capacitor value.

본 발명의 일실시예에 따르면 제어부(430)는 입력 임피던스의 리액턴스 값을 계산하기 위한 수학식으로 [수학식 6]을 이용하고, [수학식 6]에 추출된 전기적 특성을 대입하고 미분하여 미분 리액턴스 값이 0에 수렴하는 주파수 값을 계산한다.According to an embodiment of the present invention, the control unit 430 uses [Equation 6] as an equation for calculating the reactance value of the input impedance, and substitutes the extracted electrical characteristics in [Equation 6] and differentiates it Calculate the frequency value at which the reactance value converges to zero.

일례로, 제어부(430)는 입력 임피던스의 리액턴스 값을 계산하기 위한 수학식으로 [수학식 6]을 이용하고, [수학식 6]에서

Figure pat00023
에 계산된 주파수 값을 대입하고, C1을 미지수로 하며, X가 0 이상이 되는 C1의 범위를 결정할 수 있다.As an example, the controller 430 uses [Equation 6] as an equation for calculating the reactance value of the input impedance, and in [Equation 6]
Figure pat00023
By substituting the calculated frequency value into C 1 , it is possible to determine the range of C 1 in which X is 0 or more.

따라서, 제어부(430)는 송신 커패시터 값의 범위를 152.57 ㎋ 이상으로 계산할 수 있다.Accordingly, the controller 430 may calculate the range of the transmit capacitor value to be 152.57 kHz or more.

상술한 송신 커패시터 값의 범위는 152.57 ㎋이상의 범위에서 효율성을 고려하여 선택적으로 결정 가능하다. 즉, 계산된 송신 커패시터 값은 152.57 ㎋이상으로 결정되면 된다.The range of the above-described transmit capacitor value can be selectively determined in consideration of efficiency in the range of 152.57 ㎋ or more. That is, the calculated value of the transmission capacitor may be determined to be 152.57 ㎋ or more.

다시 말해, 송신 커패시터 값는 무선 전력 전송 시스템의 효율성을 고려하여 계산된 송신 커패시터 값의 범위 내에서 최소 값으로 결정될 수 있다.In other words, the transmit capacitor value may be determined as a minimum value within the range of the calculated transmit capacitor value in consideration of the efficiency of the wireless power transmission system.

본 발명의 일실시예에 따르면 제어부(430)는 송신 커패시터 값의 범위를 제공함에 따라 제공된 송신 커패시터 값을 갖는 송신부 매칭 커패시터를 이용한다.According to an embodiment of the present invention, the controller 430 uses a transmitter matching capacitor having a transmitted capacitor value provided as a range of the transmit capacitor value is provided.

본 발명의 일실시예에 따르면 제어부(430)는 송신부(410)의 송신 내부 저항, 송신 커패시턴스(capacitance) 및 송신 인덕턴스(inductance) 중 적어도 하나와 관련된 전기적 특성으로 추출할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the control unit 430 may extract an electrical characteristic related to at least one of a transmission internal resistance, a transmission capacitance, and a transmission inductance of the transmission unit 410 .

또한, 제어부(430)는 수신부(420)의 수신 내부 저항, 수신 커패시턴스(capacitance) 및 수신 인덕턴스(inductance) 및 부하 저항 중 적어도 하나와 관련된 전기적 특성으로 추출할 수 있다.Also, the control unit 430 may extract the reception internal resistance, reception capacitance, and electrical characteristics related to at least one of reception inductance and load resistance of the reception unit 420 .

또한, 제어부(430)는 송신 인덕턴스(inductance), 수신 인덕턴스(inductance) 및 결합 계수(coupling coefficient)와 관련된 상호 인덕턴스와 관련된 전기적 특성을 추출할 수 있다.Also, the controller 430 may extract electrical characteristics related to a mutual inductance related to a transmission inductance, a reception inductance, and a coupling coefficient.

따라서, 본 발명은 주파수 분할 현상을 완화하기 위해 시스템을 회로적으로 분석한 후, 분석을 바탕으로 주파수 분할 현상을 완화하기 위한 송신 커패시터 값의 범위를 결정하는 수학식을 이용하는 무선 전력 전송 시스템 및 그 동작 방법을 제공할 수 있다.Accordingly, the present invention provides a wireless power transmission system using an equation for circuitly analyzing the system to alleviate the frequency division phenomenon, and then determining the range of the transmit capacitor value for alleviating the frequency division phenomenon based on the analysis, and its A method of operation may be provided.

도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 송신부 커패시터 매칭 결과를 설명하는 도면이다.5A and 5B are diagrams for explaining a result of matching a transmitter capacitor of a wireless power transmission system according to an embodiment of the present invention.

구체적으로, 도 5a 및 도 5b는 무선 전력 전송 시스템에서 송신부 매칭 커패시터를 이용함에 따라 주파수 분할 현상이 완화된 결과를 예시한다.Specifically, FIGS. 5A and 5B illustrate a result in which the frequency division phenomenon is alleviated by using the transmitter matching capacitor in the wireless power transmission system.

도 5a의 그래프(500)를 참고하면, 그래프(500)의 가로축은 주파수 변화를 나타내고, 세로축은 입력 임피던스의 위상 변화를 나타낸다.Referring to the graph 500 of FIG. 5A , the horizontal axis of the graph 500 represents the frequency change, and the vertical axis represents the phase change of the input impedance.

그래프(500)는 송신 커패시터 값(C1)이 114 ㎋인 경우와 153 ㎋인 경우에서 입력 임피던스의 위상 변화를 비교한다.The graph 500 compares the phase change of the input impedance when the transmission capacitor value C1 is 114 kHz and 153 kHz.

그래프(500)를 참고하면, 송신 커패시터 값이 114 ㎋인 경우는 주파수 분할 현상이 발생되는 공진주파수를 고려하여 계산된 기존 송신 커패시터에 해당되고, 송신 커패시터 값이 153 ㎋인 경우는 본 발명의 일실시예에 따라 송신부 매칭 커패시터 값이 이용된 경우에 해당될 수 있다.Referring to the graph 500, when the transmission capacitor value is 114 ㎋, it corresponds to the existing transmission capacitor calculated in consideration of the resonance frequency at which the frequency division phenomenon occurs, and when the transmission capacitor value is 153 ㎋, it is one of the present invention According to an embodiment, it may correspond to a case where the value of the transmitter matching capacitor is used.

송신 커패시터 값이 114 ㎋인 경우는 동작 주파수를 기준으로 주파수가 두 개의 극을 갖는 주파수 중 하나의 주파수에서 입력 임피던스의 위상이 0보다 낮다.When the transmission capacitor value is 114 ㎋, the phase of the input impedance is lower than 0 at one of the frequencies having two poles based on the operating frequency.

반면에, 송신 커패시터 값이 153 ㎋인 경우는 동작 주파수를 기준으로 두 개의 극을 갖는 주파수의 입력 임피던스의 위상이 모두 0보다 크다.On the other hand, when the value of the transmission capacitor is 153 ㎋, all phases of the input impedance of the frequency having two poles are greater than zero with respect to the operating frequency.

따라서, 송신 커패시터 값이 153 ㎋인 경우는 입력 임피던스의 위상이 0 미만인 용량성 영역에서 작동하지 않아서 스위칭 손실이 발생되지 않는다.Therefore, when the value of the transmission capacitor is 153 ㎋, it does not operate in the capacitive region in which the phase of the input impedance is less than 0, so that switching loss does not occur.

다시 말해, 송신 커패시터 값이 153 ㎋인 경우는 입력 임피던스의 위상이 0 아래로 내려가지 않아서 주파수 분할 현상이 완화된다.In other words, when the value of the transmission capacitor is 153 ㎋, the phase of the input impedance does not go below 0, so that the frequency division phenomenon is alleviated.

한편, 도 5b의 그래프(510)를 참고하면, 그래프(510)의 가로축은 주파수 변화를 나타내고, 세로축은 입력 임피던스의 리액턴스 변화를 나타낸다.Meanwhile, referring to the graph 510 of FIG. 5B , the horizontal axis of the graph 510 indicates a frequency change, and the vertical axis indicates a reactance change of the input impedance.

그래프(510)는 송신 커패시터 값(C1)이 114 ㎋인 경우와 153 ㎋인 경우에서 입력 임피던스의 리액턴스 변화를 비교한다.The graph 510 compares the reactance change of the input impedance in the case where the transmission capacitor value (C 1 ) is 114 ㎋ and 153 ㎋.

그래프(510)를 참고하면, 송신 커패시터 값이 114 ㎋인 경우는 주파수 분할 현상이 발생되는 기존 커패시터에 해당될 수 있고, 송신 커패시터 값이 153 ㎋인 경우는 본 발명의 일실시예에 따라 송신부 매칭 커패시터 값이 이용된 경우에 해당될 수 있다.Referring to the graph 510, when the transmission capacitor value is 114 ㎋, it may correspond to the existing capacitor in which the frequency division phenomenon occurs, and when the transmission capacitor value is 153 ㎋, the transmission unit matching according to an embodiment of the present invention This may be the case when capacitor values are used.

송신 커패시터 값이 114 ㎋인 경우는 동작 주파수를 기준으로 두 개의 극을 갖는 주파수 중 하나의 주파수에서 입력 임피던스의 리액턴스가 0 보다 낮다.When the value of the transmission capacitor is 114 ㎋, the reactance of the input impedance is lower than 0 at one of the frequencies having two poles based on the operating frequency.

반면에, 송신 커패시터 값이 153 ㎋인 경우는 동작 주파수를 기준으로 두 개의 극을 갖는 주파수 모두 입력 임피던스의 리액턴스가 0 보다 크다.On the other hand, when the value of the transmission capacitor is 153 ㎋, the reactance of the input impedance is greater than zero at both frequencies having two poles based on the operating frequency.

따라서, 송신 커패시터 값이 153 ㎋인 경우는 입력 임피던스의 리액턴스가 0 미만인 용량성 영역에서 작동하지 않아서 스위칭 손실이 발생되지 않는다.Therefore, when the value of the transmission capacitor is 153 ㎋, it does not operate in the capacitive region where the reactance of the input impedance is less than 0, so that switching loss does not occur.

다시 말해, 송신 커패시터 값이 153 ㎋인 경우는 송신 커패시터 값이 114 ㎋인 경우에 대비하여 주파수 분할 현상이 완화된다.In other words, when the value of the transmission capacitor is 153 ㎋, the frequency division phenomenon is alleviated compared to the case where the value of the transmission capacitor is 114 ㎋.

도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템에서 송신부 커패시터 값의 매칭 결과를 설명하는 도면이다.6A and 6B are diagrams for explaining a result of matching a transmitter capacitor value in a wireless power transmission system according to an embodiment of the present invention.

구체적으로, 도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템에서 송신부 커패시터 값에 따른 시뮬레이션 결과와 실제 측정 결과를 비교 설명한다.Specifically, FIGS. 6A and 6B compare and describe a simulation result and an actual measurement result according to a transmitter capacitor value in a wireless power transmission system according to an embodiment of the present invention.

도 6a를 참고하면, 그래프(600)는 무선 전력 전송 시스템의 송신부 커패시터 값이 108 ㎋인 경우를 예시하고, 가로축은 주파수 변화를 나타내고, 세로축은 입력 임피던스의 위상 변화를 나타낸다.Referring to FIG. 6A , the graph 600 exemplifies a case where the transmitter capacitor value of the wireless power transmission system is 108 ㎋, the horizontal axis represents the frequency change, and the vertical axis represents the phase change of the input impedance.

그래프(600)를 참고하면, 무선 전력 전송 시스템의 송신부 커패시터 값이 108 ㎋인 경우에 대하여 실제 측정 결과와 시뮬레이션 결과 모두 주파수 분할 현상이 발생됨을 확인 시켜준다.Referring to the graph 600, both the actual measurement result and the simulation result confirm that the frequency division phenomenon occurs when the transmitter capacitor value of the wireless power transmission system is 108 ㎋.

도 6b를 참고하면, 그래프(610)는 무선 전력 전송 시스템의 송신부 커패시터 값이 156 ㎋인 경우를 예시하고, 가로축은 주파수 변화를 나타내고, 세로축은 입력 임피던스의 위상 변화를 나타낸다.Referring to FIG. 6B , a graph 610 illustrates a case where the transmitter capacitor value of the wireless power transmission system is 156 ㎋, the horizontal axis represents the frequency change, and the vertical axis represents the phase change of the input impedance.

그래프(610)를 참고하면, 무선 전력 전송 시스템의 송신부 커패시터 값이 185 ㎋인 경우에 대하여 실제 측정 결과와 시뮬레이션 결과 모두 주파수 분할 현상이 완화됨을 확인 시켜준다.Referring to the graph 610, both the actual measurement result and the simulation result confirm that the frequency division phenomenon is alleviated for the case where the transmitter capacitor value of the wireless power transmission system is 185 ㎋.

예를 들어, 무선 전력 전송 시스템의 송신부 커패시터 값이 156 ㎋인 경우 시뮬레이션 결과는 코일 대 코일의 성능이 90.55%로 확인될 수 있고, 실제 측정 결과는 코일 대 코일의 성능이 92.47%로 확인될 수 있다.For example, when the transmitter capacitor value of the wireless power transmission system is 156 ㎋, the simulation result can confirm that the coil-to-coil performance is 90.55%, and the actual measurement result can confirm that the coil-to-coil performance is 92.47%. there is.

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, FPA(field programmable 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.The device described above may be implemented as a hardware component, a software component, and/or a combination of the hardware component and the software component. For example, devices and components described in the embodiments may include, for example, a processor, a controller, an arithmetic logic unit (ALU), a digital signal processor, a microcomputer, a field programmable array (FPA), It may be implemented using one or more general purpose or special purpose computers, such as a programmable logic unit (PLU), microprocessor, or any other device capable of executing and responding to instructions. The processing device may execute an operating system (OS) and one or more software applications running on the operating system. A processing device may also access, store, manipulate, process, and generate data in response to execution of the software. For convenience of understanding, although one processing device is sometimes described as being used, one of ordinary skill in the art will recognize that the processing device includes a plurality of processing elements and/or a plurality of types of processing elements. It can be seen that can include For example, the processing device may include a plurality of processors or one processor and one controller. Other processing configurations are also possible, such as parallel processors.

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.The method according to the embodiment may be implemented in the form of program instructions that can be executed through various computer means and recorded in a computer-readable medium. The computer-readable medium may include program instructions, data files, data structures, etc. alone or in combination. The program instructions recorded on the medium may be specially designed and configured for the embodiment, or may be known and available to those skilled in the art of computer software. Examples of the computer-readable recording medium include magnetic media such as hard disks, floppy disks and magnetic tapes, optical media such as CD-ROMs and DVDs, and magnetic media such as floppy disks. - includes magneto-optical media, and hardware devices specially configured to store and execute program instructions, such as ROM, RAM, flash memory, and the like. Examples of program instructions include not only machine language codes such as those generated by a compiler, but also high-level language codes that can be executed by a computer using an interpreter or the like. The hardware devices described above may be configured to operate as one or more software modules to perform the operations of the embodiments, and vice versa.

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.Software may comprise a computer program, code, instructions, or a combination of one or more thereof, which configures a processing device to operate as desired or is independently or collectively processed You can command the device. The software and/or data may be any kind of machine, component, physical device, virtual equipment, computer storage medium or apparatus, to be interpreted by or to provide instructions or data to the processing device. , or may be permanently or temporarily embody in a transmitted signal wave. The software may be distributed over networked computer systems and stored or executed in a distributed manner. Software and data may be stored in one or more computer-readable recording media.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 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.As described above, although the embodiments have been described with reference to the limited drawings, various modifications and variations are possible by those skilled in the art from the above description. For example, the described techniques are performed in an order different from the described method, and/or the described components of the system, structure, apparatus, circuit, etc. are combined or combined in a different form than the described method, or other components Or substituted or substituted by equivalents may achieve an appropriate result.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents to the claims are also within the scope of the following claims.

400: 무선 전력 전송 시스템
410: 송신부 420: 수신부
430: 제어부
400: wireless power transmission system
410: transmitter 420: receiver
430: control unit

Claims (12)

송신부 매칭 커패시터를 이용하여 주파수 분할 현상을 완화하는 무선 전력 전송 시스템의 동작 방법에 있어서,
송신부 및 수신부의 전기적 특성을 추출하는 단계;
상기 추출된 전기적 특성을 이용하여 입력 임피던스의 미분 리액턴스 값이 0에 수렴하는 주파수 값을 계산하는 단계;
상기 계산된 주파수 값을 이용하여 입력 임피던스의 리액턴스 값이 0보다 큰 값을 갖는 송신 커패시터 값을 계산하는 단계; 및
상기 송신부의 기 설정된 송신 커패시터 값을 상기 계산된 송신 커패시터 값으로 변경하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
무선 전력 전송 시스템의 동작 방법.
In the operating method of a wireless power transmission system for alleviating a frequency division phenomenon by using a transmitter matching capacitor,
extracting electrical characteristics of the transmitter and receiver;
calculating a frequency value at which a differential reactance value of an input impedance converges to 0 using the extracted electrical characteristics;
calculating a value of a transmit capacitor having a reactance value of an input impedance greater than zero by using the calculated frequency value; and
and changing the preset transmission capacitor value of the transmitter to the calculated value of the transmission capacitor.
A method of operating a wireless power transfer system.
제1항에 있어서,
상기 추출된 전기적 특성을 이용하여 입력 임피던스의 미분 리액턴스 값이 0에 수렴하는 주파수 값을 계산하는 단계는
상기 입력 임피던스의 리액턴스 값을 계산하기 위한 수학식에 상기 추출된 전기적 특성을 대입하고 미분하여 상기 미분 리액턴스 값이 0에 수렴하는 주파수 값을 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
무선 전력 전송 시스템의 동작 방법.
According to claim 1,
Calculating a frequency value at which the differential reactance value of the input impedance converges to 0 using the extracted electrical characteristics includes:
and calculating a frequency value at which the differential reactance value converges to 0 by differentiating and substituting the extracted electrical characteristics into an equation for calculating the reactance value of the input impedance.
A method of operating a wireless power transfer system.
제2항에 있어서,
상기 입력 임피던스의 리액턴스 값을 계산하기 위한 수학식에 상기 추출된 전기적 특성을 대입하고 미분하여 상기 미분 리액턴스 값이 0에 수렴하는 주파수 값을 계산하는 단계는,
상기 입력 임피던스의 리액턴스 값을 계산하기 위한 수학식을 다음 [수학식 6]을 이용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
무선 전력 전송 시스템의 동작 방법.
[수학식 6]
Figure pat00024
3. The method of claim 2,
Calculating the frequency value at which the differential reactance value converges to 0 by substituting and differentiating the extracted electrical characteristics into the equation for calculating the reactance value of the input impedance,
and using the following [Equation 6] for calculating the reactance value of the input impedance.
A method of operating a wireless power transfer system.
[Equation 6]
Figure pat00024
제3항에 있어서,
상기 송신부 및 수신부의 전기적 특성을 추출하는 단계는,
상기 송신부의 송신 내부 저항, 송신 커패시턴스(capacitance) 및 송신 인덕턴스(inductance) 중 적어도 하나와 관련된 전기적 특성으로 추출하는 단계;
상기 수신부의 수신 내부 저항, 수신 커패시턴스(capacitance) 및 수신 인덕턴스(inductance) 및 부하 저항 중 적어도 하나와 관련된 전기적 특성으로 추출하는 단계; 및
상기 송신 인덕턴스(inductance), 상기 수신 인덕턴스(inductance) 및 결합 계수(coupling coefficient)와 관련된 상호 인덕턴스와 관련된 전기적 특성을 추출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
무선 전력 전송 시스템의 동작 방법.
4. The method of claim 3,
The step of extracting the electrical characteristics of the transmitter and the receiver,
extracting as an electrical characteristic related to at least one of a transmission internal resistance, a transmission capacitance, and a transmission inductance of the transmission unit;
extracting as electrical characteristics related to at least one of reception internal resistance, reception capacitance, reception inductance, and load resistance of the reception unit; and
extracting electrical characteristics related to mutual inductance related to the transmission inductance, the reception inductance, and a coupling coefficient
A method of operating a wireless power transfer system.
제4항에 있어서,
상기 송신 커패시턴스(capacitance)와 관련된 전기적 특성은 상기 기 설정된 송신 커패시터 값에 대응되는 것을 특징으로 하는
무선 전력 전송 시스템의 동작 방법.
5. The method of claim 4,
The electrical characteristic related to the transmission capacitance is characterized in that it corresponds to the preset value of the transmission capacitor.
A method of operating a wireless power transfer system.
제1항에 있어서,
상기 계산된 주파수 값을 이용하여 입력 임피던스의 리액턴스 값이 0보다 큰 값을 갖는 송신 커패시터 값을 계산하는 단계는,
상기 입력 임피던스의 리액턴스 값을 계산하기 위한 수학식에 상기 추출된 전기적 특성 중 송신부의 커패시터 값을 제외한 나머지 전기적 특성과 상기 계산된 주파수 값을 대입하여 상기 입력 임피던스의 리액턴스 값이 0보다 큰 값을 갖는 상기 송신 커패시터 값의 범위를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
무선 전력 전송 시스템의 동작 방법.
According to claim 1,
Calculating a transmit capacitor value having a reactance value of an input impedance greater than 0 using the calculated frequency value includes:
The reactance value of the input impedance is greater than 0 by substituting the calculated frequency value and the remaining electrical characteristics excluding the capacitor value of the transmitter among the extracted electrical characteristics into the equation for calculating the reactance value of the input impedance. and calculating the range of the transmit capacitor values.
A method of operating a wireless power transfer system.
제6항에 있어서,
상기 입력 임피던스의 리액턴스 값을 계산하기 위한 수학식에 상기 추출된 전기적 특성 중 상기 송신부의 커패시터 값을 제외한 나머지 전기적 특성과 상기 계산된 주파수 값을 대입하여 상기 입력 임피던스의 리액턴스 값이 0보다 큰 값을 갖는 상기 송신 커패시터 값의 범위를 계산하는 단계는
상기 입력 임피던스의 리액턴스 값을 계산하기 위한 수학식으로 다음 [수학식 6]을 이용하고, [수학식 6]에서
Figure pat00025
에 상기 계산된 주파수 값을 대입하고, C1을 미지수로 하며, X가 0 이상이 되는 C1의 범위를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
무선 전력 전송 시스템의 동작 방법.
[수학식 6]
Figure pat00026
7. The method of claim 6,
By substituting the calculated frequency value and the remaining electrical characteristics excluding the capacitor value of the transmitter among the extracted electrical characteristics in the equation for calculating the reactance value of the input impedance, the reactance value of the input impedance is greater than 0. Calculating the range of the transmit capacitor value having
The following [Equation 6] is used as an equation for calculating the reactance value of the input impedance, and in [Equation 6]
Figure pat00025
Substituting the calculated frequency value into , C 1 being an unknown, and determining the range of C 1 in which X is 0 or more
A method of operating a wireless power transfer system.
[Equation 6]
Figure pat00026
제6항에 있어서,
상기 계산된 주파수 값을 이용하여 입력 임피던스의 리액턴스 값이 0보다 큰 값을 갖는 송신 커패시터 값을 계산하는 단계는,
상기 송신 커패시터 값의 범위를 152.57 ㎋ 이상으로 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
무선 전력 전송 시스템의 동작 방법.
7. The method of claim 6,
Calculating a transmit capacitor value having a reactance value of an input impedance greater than 0 using the calculated frequency value includes:
Calculating the range of the transmit capacitor value to be 152.57 ㎋ or more
A method of operating a wireless power transfer system.
송신부 매칭 커패시터를 이용하여 주파수 분할 현상을 완화하는 무선 전력 전송 시스템에 있어서,
송신부;
수신부; 및
상기 송신부 및 상기 송신부의 동작을 제어하는 제어부를 포함하고,
상기 제어부는 상기 송신부 및 상기 수신부의 전기적 특성을 추출하고, 상기 추출된 전기적 특성을 이용하여 입력 임피던스의 미분 리액턴스 값이 0에 수렴하는 주파수 값을 계산하며, 상기 계산된 주파수 값을 이용하여 입력 임피던스의 리액턴스 값이 0보다 큰 값을 갖는 송신 커패시터 값을 계산하고, 상기 송신부의 기 설정된 송신 커패시터 값을 상기 계산된 송신 커패시터 값으로 변경하는 것을 특징으로 하는
무선 전력 전송 시스템.
In the wireless power transmission system for alleviating the frequency division phenomenon by using the transmitter matching capacitor,
transmitter;
receiver; and
A control unit for controlling the transmission unit and the operation of the transmission unit,
The control unit extracts electrical characteristics of the transmitter and the receiver, calculates a frequency value at which a differential reactance value of input impedance converges to 0 using the extracted electrical characteristics, and uses the calculated frequency value to input impedance Calculating a transmit capacitor value having a reactance value greater than 0, and changing a preset transmit capacitor value of the transmitter to the calculated transmit capacitor value
wireless power transfer system.
제9항에 있어서,
상기 제어부는 상기 입력 임피던스의 리액턴스 값을 계산하기 위한 수학식으로 다음 [수학식 6]을 이용하고, 다음 [수학식 6]에 상기 추출된 전기적 특성을 대입하고 미분하여 상기 미분 리액턴스 값이 0에 수렴하는 주파수 값을 계산하는 것을 특징으로 하는
무선 전력 전송 시스템.
[수학식 6]
Figure pat00027
10. The method of claim 9,
The control unit uses the following [Equation 6] as an equation for calculating the reactance value of the input impedance, substituting the extracted electrical characteristics into the following [Equation 6] and differentiating the differential reactance value to 0 Characterized in calculating the converging frequency value
wireless power transfer system.
[Equation 6]
Figure pat00027
제9항에 있어서,
상기 제어부는
상기 입력 임피던스의 리액턴스 값을 계산하기 위한 수학식으로 다음 [수학식 6]을 이용하고, 다음 [수학식 6]에서
Figure pat00028
에 상기 계산된 주파수 값을 대입하고, C1을 미지수로 하며, X가 0 이상이 되는 C1의 범위를 결정하는 것을 특징으로 하는
무선 전력 전송 시스템.
[수학식 6]
Figure pat00029
10. The method of claim 9,
the control unit
The following [Equation 6] is used as an equation for calculating the reactance value of the input impedance, and in the following [Equation 6]
Figure pat00028
Substituting the calculated frequency value into , C 1 being an unknown, and determining the range of C 1 in which X is 0 or more
wireless power transfer system.
[Equation 6]
Figure pat00029
제11항에 있어서,
상기 제어부는
상기 송신 커패시터 값의 범위를 152.57 ㎋ 이상으로 계산하는 것을 특징으로 하는
무선 전력 전송 시스템.
12. The method of claim 11,
the control unit
Characterized in calculating the range of the transmit capacitor value to 152.57 ㎋ or more
wireless power transfer system.
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