KR20230074968A - Wireless power transfer system including relay coil and mitigating frequency splitting phenomena using transmitter matching capacitor and method of operating the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 무선 전력 송신 시스템 및 그 동작 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 중계코일을 이용하여 무선 충전의 위치 자유도를 개선하고, 송신부 매칭 커패시터를 이용하여 무선 전력 전송 시스템에서 발생되는 주파수 분할 현상을 완화함으로써, 무선 전력 전송 효율을 향상시킨 무선 전력 전송 시스템 및 그 동작 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a wireless power transmission system and an operating method thereof, and more particularly, to improve the positional freedom of wireless charging using a relay coil, and to a frequency division phenomenon occurring in a wireless power transmission system using a transmitter matching capacitor. It relates to a wireless power transmission system and method of operating the same that improve wireless power transmission efficiency by mitigating.
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 increased convenience and stability due to a simplified 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 the plant, automobile, and train industries, research on wireless power transmission technology that delivers a large output of several kW to several tens of kW with high power transmission efficiency is being conducted. It's going on.
기존의 무선 전력 전송 시스템에서는 수신기의 위치가 충전 패드의 정확한 위치에 놓여야만 충전이 되며, 중심에서 일정 거리만큼 벗어나는 경우 전송 효율 저하로 발열이 일어나거나, 무선 전력 전송이 중단되어 충전이 불가능한 문제가 있었다.In the existing wireless power transmission system, charging is performed only when the location of the receiver is placed in the correct position of the charging pad. there was.
따라서, 자기 공명 무선 전력 전송 시스템의 무선 전력 전송 효율을 높이기 위해서는 수신기의 위치가 중심에서 일정 거리만큼 벗어나는 경우에도 무선 전력 전송 또는 무선 충전이 가능하도록 무선 충전이 가능한 공간적 범위를 증가시킬 필요가 있다.Therefore, in order to increase the wireless power transmission efficiency of the magnetic resonance wireless power transmission system, it is necessary to increase the spatial range in which wireless charging is possible so that wireless power transmission or wireless charging is possible even when the position of the receiver is away from the center by a certain distance.
또한, 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 addition, in order to increase the wireless power transmission efficiency of the magnetic resonance wireless power transmission system, the coupling coefficient between the coil of the transmitter (Tx) and the coil of the receiver (Rx) must be increased by increasing the size of the coil or reducing the air gap.
자기 결합을 이용하는 무선 전력 전송 시스템은 송신부의 코일과 수신부의 코일 간의 결합계수가 클수록 시스템의 효율이 향상된다.In a wireless power transmission system using magnetic coupling, the efficiency of the system improves as the coupling coefficient between the coil of the transmitter and the coil of the receiver increases.
그러나, 결합 계수를 높이면 송신부 코일과 수신부 코일 사이에 출력 전력이 크게 감소하는 주파수 분할 현상이 발생될 수 있다.However, if the coupling coefficient is increased, a frequency division phenomenon in which output power is greatly reduced may occur between the coil of the transmitter and the coil of the receiver.
즉, 결합 계수가 클수록 송신부의 코일과 수신부의 코일이 결합되어 동작 주파수에서 전달 전력의 크기가 급격하게 줄어드는 주파수 분할 현상이 발생될 수 있다. 이러한 주파수 분할 현상은 시스템 작동 시에 여러 악영향을 끼친다.That is, as the coupling coefficient increases, the coil of the transmitter and the coil of the receiver are coupled, and thus a frequency division phenomenon in which the magnitude of transmitted power is rapidly reduced at an operating frequency may occur. This frequency division phenomenon has several adverse effects on system operation.
종래기술들에 따른 무선 전력 전송 시스템은 송신부의 코일과 수신부의 코일 설계 시에 주파수 분할 현상이 발생하지 않도록 설계하나, 종래기술들의 방식은 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 does not occur when designing the coil of the transmitter and the coil of the receiver, but the prior art has limitations in improving system efficiency and restricts coil design. do.
즉, 종래 기술들의 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.That is, research on eliminating the frequency division phenomenon in the prior art has disadvantages of reducing the efficiency of wireless power transmission and reducing the degree of freedom in coil design because the coil structure is designed to reduce the coupling coefficient value.
따라서, 무선 전력 전송 시스템에서는 무선 전령 전송 효율을 위해 무선 전력 송수신의 위치 자유도를 향상시키고, 주파수 분할 현상 완화를 위하여 송신부에 전류 센싱을 통해 무선 전력 전송 시스템의 동작 상태를 판단함으로써 비정상 동작일 경우 동작 주파수 튜닝이 가능한 기술이 요구되고 있다.Therefore, in the wireless power transmission system, the positional freedom of wireless power transmission and reception is improved for efficiency of wireless message transmission, and the operating state of the wireless power transmission system is determined through current sensing in the transmission unit to mitigate the frequency division phenomenon, thereby operating in case of abnormal operation. A technology capable of frequency tuning is required.
본 발명은 무선 전력 송수신의 위치 자유도를 향상시킴으로써, 무선 전력 전송 효율을 증가시킨 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 and method of operating the same that increase the efficiency of wireless power transmission by improving the degree of freedom of the position of wireless power transmission and reception.
또한, 본 발명은 송신부 매칭 커패시터를 이용하여 주파수 분할 현상을 완화하는 무선 전력 전송 시스템 및 그 동작 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, an object of the present invention is to provide a wireless power transmission system and method of operating the same that mitigate the frequency division phenomenon by using a transmitter matching capacitor.
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 a wireless power transmission system by changing only the transmission capacitor value 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 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 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention is a wireless power transmission system using a formula for determining a range of transmission capacitor values for mitigating the frequency division phenomenon based on the analysis after analyzing the system in a circuit manner to mitigate the frequency division phenomenon, and a method of operating the same is intended to provide
본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예들에 따른 무선 전력 전송 시스템은 송신부, 수신부, 및 상기 송신부 및 상기 송신부의 동작을 제어하는 제어부를 포함할 수 있다. 상기 송신부는 송신 전압이 인가되고, 송신 커패시턴스를 가지는 소스코일, 및 상기 소스코일과 전기적으로 분리되고, 중계 커패시턴스를 가지는 중계코일을 포함할 수 있다. 상기 중계코일은 상기 송신부와 상기 수신부 사이의 무선 전력 전송 거리를 증가시킬 수 있다. In order to achieve one object of the present invention, a wireless power transmission system according to embodiments of the present invention may include a transmission unit, a reception unit, and a control unit that controls operations of the transmission unit and the transmission unit. The transmission unit may include a source coil to which a transmission voltage is applied and having a transmission capacitance, and a relay coil electrically separated from the source coil and having a relay capacitance. The relay coil may increase a wireless power transmission distance between the transmitter and the receiver.
일 실시예에서, 상기 소스코일의 중심과 상기 중계코일의 중심은 일치하고, 상기 중계코일의 외경은 상기 소스코일의 외경보다 크고, 상기 중계코일은 상기 소스코일을 둘러싸고, 상기 소스코일의 외경은 42mm 내지 48mm이고, 상기 중계코일의 외경은 54mm 내지 60mm일 수 있다.In one embodiment, the center of the source coil coincides with the center of the relay coil, the outer diameter of the relay coil is larger than the outer diameter of the source coil, the relay coil surrounds the source coil, and the outer diameter of the source coil is 42 mm to 48 mm, and the outer diameter of the relay coil may be 54 mm to 60 mm.
일 실시예에서, 상기 소스코일의 중심과 상기 중계코일의 중심 사이의 거리는 8mm 내지 12mm이고, 상기 중계코일의 외경은 상기 소스코일의 외경과 동일하고, 상기 중계코일은 상기 소스코일과 상기 수신부의 수신코일 사이에 배치되고, 상기 소스코일의 외경은 42mm 내지 48mm일 수 있다.In one embodiment, the distance between the center of the source coil and the center of the relay coil is 8 mm to 12 mm, the outer diameter of the relay coil is the same as the outer diameter of the source coil, and the relay coil is the source coil and the receiving part. It is disposed between the receiving coils, and the outer diameter of the source coil may be 42 mm to 48 mm.
일 실시예에서, 상기 중계코일은 제1 중계코일 및 제2 중계코일을 포함하고, 상기 제1 중계코일의 중심은 상기 소스코일의 중심과 제1 방향으로 8mm 내지 12mm 이격되어 있고, 상기 제2 중계코일의 중심은 상기 소스코일의 중심과 상기 제1 방향과 반대되는 제2 방향으로 방향으로 8mm 내지 12mm 이격되어 있고, 상기 제1 중계코일 및 상기 제2 중계코일의 외경은 상기 소스코일의 외경과 동일하고, 상기 소스코일의 외경은 42mm 내지 48mm일 수 있다.In one embodiment, the relay coil includes a first relay coil and a second relay coil, the center of the first relay coil is spaced apart from the center of the source coil by 8 mm to 12 mm in a first direction, and the second relay coil The center of the relay coil is spaced apart from the center of the source coil by 8 mm to 12 mm in a second direction opposite to the first direction, and the outer diameters of the first relay coil and the second relay coil are outer diameters of the source coil. , and the outer diameter of the source coil may be 42 mm to 48 mm.
일 실시예에서, 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.In one embodiment, the control unit extracts electrical characteristics of the transmission unit and the reception unit, calculates a frequency value at which a differential reactance value of an input impedance converges to 0 using the extracted electrical characteristics, and calculates the calculated frequency value A transmit capacitor value having a reactance value of the input impedance greater than 0 may be calculated using , and a preset transmit capacitor value of the transmit unit may be changed to the calculated transmit capacitor value.
일 실시예에서, 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.In one embodiment, the control unit uses the following [Equation 6] as an equation for calculating the reactance value of the input impedance, substitutes the extracted electrical characteristic into [Equation 6] and differentiates to obtain the differential reactance The frequency value at which the value converges to 0 can be calculated.
[수학식 6][Equation 6]
일 실시예에서, 상기 제어부는 상기 입력 임피던스의 리액턴스 값을 계산하기 위한 수학식으로 다음 [수학식 6]을 이용하고, 다음 [수학식 6]에서 ω에 상기 계산된 주파수 값을 대입하고, C1을 미지수로 하며, X가 0 이상이 되는 C1의 범위를 결정할 수 있다.In one embodiment, the control unit uses the following [Equation 6] as an equation for calculating the reactance value of the input impedance, substitutes the calculated frequency value into ω in the following [Equation 6], and C With 1 as an unknown, the range of C 1 in which X is greater than or equal to 0 can be determined.
[수학식 6][Equation 6]
일 실시예에서, 상기 제어부는 상기 송신 커패시터 값의 범위를 152.57 ㎋ 이상으로 계산할 수 있다.In one embodiment, the control unit may calculate the range of the transmit capacitor value to be 152.57 kF or more.
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예들에 따른 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.In order to achieve another object of the present invention, a method of operating a wireless power transmission system according to embodiments of the present invention includes extracting electrical characteristics of a transmitter and a receiver, differential reactance of input impedance using the extracted electrical characteristics Calculating a frequency value at which the value converges to 0, calculating a transmit capacitor value having a reactance value of the input impedance greater than 0 using the calculated frequency value, and calculating a transmit capacitor value set in advance of the transmit unit A step of changing the calculated transmit capacitor value may be included.
일 실시예에서, 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.In one embodiment, the step of calculating the frequency value at which the differential reactance value of the input impedance converges to 0 using the extracted electrical characteristics includes the extracted electrical characteristics in an equation for calculating the reactance value of the input impedance. The method may include calculating a frequency value at which the differential reactance value converges to 0 by substituting and differentiating the differential reactance value.
일 실시예에서, 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.In one embodiment, the step of substituting the extracted electrical characteristic into an equation for calculating the reactance value of the input impedance and differentiating the calculating a frequency value at which the differential reactance value converges to 0 may include reactance of the input impedance A step of using the following [Equation 6] as an equation for calculating the value may be included.
[수학식 6][Equation 6]
일 실시예에서, 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.In an embodiment, the extracting of the electrical characteristics of the transmitter and the receiver may include extracting electrical characteristics related to at least one of transmission internal resistance, transmission capacitance, and transmission inductance of the transmission unit, the reception unit Extracting as an electrical characteristic related to at least one of a reception internal resistance, a reception capacitance, a reception inductance, and a load resistance, and the transmission inductance, the reception inductance, and the coupling coefficient ) and extracting electrical characteristics related to mutual inductance.
일 실시예에서, 상기 송신 커패시턴스(capacitance)와 관련된 전기적 특성은 상기 기 설정된 송신 커패시터 값에 대응될 수 있다.In an embodiment, electrical characteristics related to the transmit capacitance may correspond to the preset transmit capacitor value.
일 실시예에서, 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.In one embodiment, the step of calculating the transmit capacitor value having a reactance value of the input impedance greater than 0 using the calculated frequency value includes the extracted electrical value in the equation for calculating the reactance value of the input impedance. The method may include calculating a range of transmission capacitor values in which a reactance value of the input impedance is greater than 0 by substituting the calculated frequency value and electrical characteristics other than the capacitor value of the transmitting unit among the characteristics.
일 실시예에서, 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 ω에 상기 계산된 주파수 값을 대입하고, C1을 미지수로 하며, X가 0 이상이 되는 C1의 범위를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.In an embodiment, the reactance value of the input impedance is obtained by substituting the calculated frequency value and the electrical characteristics other than the capacitor value of the transmitting unit among the extracted electrical characteristics into the equation for calculating the reactance value of the input impedance. In the step of calculating the range of the transmission capacitor value having a value greater than 0, the following [Equation 6] is used as an equation for calculating the reactance value of the input impedance, and ω in the following [Equation 6] Substituting the calculated frequency value, making C 1 an unknown, and determining a range of C 1 in which X is greater than or equal to 0.
[수학식 6][Equation 6]
일 실시예에서, 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.In one embodiment, the calculating of the transmit capacitor value having the reactance value of the input impedance greater than 0 using the calculated frequency value includes calculating a range of the transmit capacitor value to be 152.57 kF or more. can do.
본 발명은 중계코일을 이용하여 무선 전력 송수신의 위치 자유도를 향상시킴으로써 무선 전력 전송 효율을 증가시킨 무선 전력 전송 시스템 및 그 동작 방법을 제공할 수 있다.The present invention can provide a wireless power transmission system and method of operating the same that increase wireless power transmission efficiency by improving the degree of freedom of wireless power transmission and reception using a relay coil.
본 발명은 송신부 매칭 커패시터를 이용하여 주파수 분할 현상을 완화하는 무선 전력 전송 시스템 및 그 동작 방법을 제공할 수 있다.The present invention can provide a wireless power transmission system and method of operating the same that mitigate a frequency division phenomenon by using a transmitter matching capacitor.
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 transmission capacitor value 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 transfer rate while securing the stability of a wireless power transfer system even if a coupling coefficient is increased to improve the efficiency of wireless power transfer during wireless power transfer.
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 is a wireless power transmission system using a formula for determining a range of transmission capacitor values for mitigating the frequency division phenomenon based on the analysis after analyzing the system in a circuit manner to mitigate the frequency division phenomenon, and a method of operating the same can provide.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 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 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 동작 방법을 설명하는 도면이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 블록도를 설명하는 도면이다.
도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 블록도를 설명하는 도면이다.
도 4c 및 도 4d는 도 4b의 무선 전력 전송 시스템에서 송신부의 구조의 일 예시를 나타내는 도면이다.
도 4e 및 도 4f는 도 4b의 무선 전력 전송 시스템에서 송신부의 구조의 일 예시를 나타내는 도면이다.
도 4g 및 도 4h는 도 4b의 무선 전력 전송 시스템에서 송신부의 구조의 일 예시를 나타내는 도면이다.
도 4i 및 도 4j는 도 4c 내지 도 4h의 경우, 실시예들에 따른 무선 전력 전송 효율을 비교한 그래프이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 송신부 커패시터 매칭 결과를 설명하는 도면이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템에서 송신부 커패시터 값의 매칭 결과를 설명하는 도면이다.1 is a diagram illustrating an equivalent circuit of a wireless power transmission system according to an embodiment of the present invention.
2A to 2C are diagrams illustrating a frequency division phenomenon of a wireless power transmission system.
3 is a diagram illustrating an operating method of a wireless power transfer system according to an embodiment of the present invention.
4A is a diagram illustrating a block diagram of a wireless power transmission system according to an embodiment of the present invention.
4B is a diagram illustrating a block diagram of a wireless power transfer system according to another embodiment of the present invention.
4c and 4d are diagrams illustrating an example of a structure of a transmitter in the wireless power transmission system of FIG. 4b.
4E and 4F are diagrams illustrating an example of a structure of a transmitter in the wireless power transfer system of FIG. 4B.
4g and 4h are diagrams illustrating an example of a structure of a transmitter in the wireless power transfer system of FIG. 4b.
4i and 4j are graphs comparing wireless power transmission efficiency according to embodiments in the case of FIGS. 4c to 4h.
5A and 5B are diagrams illustrating results of capacitor matching in a transmitter of a wireless power transmission system according to an embodiment of the present invention.
6A and 6B are diagrams illustrating matching results of capacitor values of a transmitter in a wireless power transfer 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 in this specification are only illustrated for the purpose of explaining the embodiments according to the concept of the present invention, and the embodiments 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.Embodiments according to the concept of the present invention can apply various changes and can have various forms, so the embodiments are 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 disclosures, and includes modifications, 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 components, but the components should not be limited by the terms. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another component, 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.It is understood that when an element is referred to as being "connected" or "connected" to another element, it may be directly connected or connected to the other element, but other elements may exist in the middle. It should be. On the other hand, when an element is referred to as “directly connected” or “directly connected” to another element, it should be understood that no other element exists in the middle. Expressions describing the relationship between components, such as "between" and "directly between" or "directly adjacent to" 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.Terms used in this specification are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate that the described feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof exists, but one or more other features or numbers, It should be understood that the presence or addition of steps, operations, components, parts, or combinations thereof is not precluded.
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 the present 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 unless explicitly defined in this specification, it should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning. don't
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 examples. Like reference numerals in each figure indicate like elements.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 등가 회로를 설명하는 도면이다.1 is a diagram illustrating an equivalent circuit of a wireless power transmission system according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 무선 전력 전송 시스템의 등가 회로(100)는 송신부(110)와 수신부(120)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1 , an
송신부(110)는 송신 코일을 포함할 수 있고, 수신부(120)는 수신 코일을 포함할 수 있다.The
본 발명의 일 실시예에 따르면 송신부(110)는 송신 전압(V1), 송신 전류(I1), 송신 커패시턴스(C1), 송신 저항(R1) 및 송신 인덕턴스(L1)에 따라 전기적 특성이 추출될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the
예를 들어, 송신부의 송신 인덕턴스(L1)는 5uH 내지 7uH의 값을 가질 수 있다. 다만, 이와 같은 범위는 송신 인덕턴스(L1) 값의 일 예시일 뿐, 본 발명의 송신 인덕턴스(L1)의 값을 제한하지는 않는다.For example, the transmit inductance (L 1 ) of the transmitter may have a value of 5uH to 7uH. However, this range is only an example of the transmission inductance (L 1 ) value, and does not limit the value of the transmission inductance (L 1 ) of the present invention.
또한, 수신부(120)는 수신 전류(I2), 수신 커패시턴스(C2), 수신 저항(R2), 수신 인덕턴스(L2) 및 부하 저항(RL)에 따라 전기적 특성이 추출될 수 있다.In addition, electrical characteristics of the receiving
본 발명의 일 실시예에 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, mutual inductance between the
[수학식 1][Equation 1]
[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 mutual inductance, k may represent a coupling coefficient, L 1 may represent the inductance of the transmitter, and L 2 may represent the inductance of the receiver.
본 발명의 일 실시예에 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 as [Equation 2] according to Kirchhoff's circuit laws in the
[수학식 2][Equation 2]
[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, ω는 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 of the transmitter, R 2 may represent the internal resistance of the receiver, and R L may represent 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 may represent the inductance of the receiver, ω may represent a frequency related to each frequency, and M may represent mutual inductance.
본 발명의 일 실시예에 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, ω는 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
예를 들어, 송신부의 커패시턴스(capacitance)가 주파수 분할 현상을 완화하기 위해 변경될 경우, 송신부의 커패시터가 변경될 수 있는데, 이 때 이용되는 커패시터가 송신부 매칭 커패시터일 수 있다.For example, when the capacitance of the transmitter is changed to mitigate the frequency division phenomenon, the capacitor of the transmitter may be changed. In this case, the capacitor used may be a transmitter matching capacitor.
입력 임피던스는 동작 주파수에서 증가될 경우, 동작 주파수에 인접한 주파수에서 임피던스가 감소하기 때문에 출력 전력은 동작 주파수에서 최대가 될 수 있다.When the input impedance increases at the operating frequency, the output power can be maximum at the operating frequency because the impedance decreases at a frequency close 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 approximately 60 kHz.
도 2a 내지 도 2c는 무선 전력 전송 시스템의 주파수 분할 현상을 설명하는 도면이다.2A to 2C are diagrams illustrating 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.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 참조하면, 그래프(200)의 가로축은 주파수의 크기를 나타내고, 세로축은 입력 임피던스의 위상을 나타낼 수 있다.Referring to the
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
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
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.Meanwhile, FIG. 2B compares and describes the reactance and pole frequencies of the input impedance in relation to the frequency division phenomenon of the wireless power transmission system.
도 2a의 그래프(210)를 참조하면, 그래프(210)의 가로축은 주파수의 크기를 나타내고, 세로축은 입력 임피던스의 리액턴스를 나타낼 수 있다.Referring to the
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
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
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 the 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 in the input impedance in the wireless power transmission system in which the frequency division phenomenon occurs.
도 2c의 그래프(220)를 참조하면, 가로축은 주파수의 크기를 나타내고, 세로축은 입력 임피던스의 위상을 나타낼 수 있다.Referring to the
지시선(221)은 주파수 분할 현상이 발생되지 않은 무선 전력 전송 시스템에서 입력 임피던스의 위상 변화를 나타내고, 지시선(222)는 무선 전력 전송 시스템에서 입력 임피던스의 위상 변화를 나타낼 수 있다.The
인버터의 스위칭 주파수는 제로 전압 스위칭을 위한 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 phase of the input impedance is less than zero, switching losses occur and the device can be damaged.
주파수 분할의 경우 위상이 동작 주파수 이후 용량성 영역으로 떨어지기 때문에 스위칭 주파수를 선택하기가 어렵다.In frequency division, it is difficult to select the switching frequency because the phase falls into the capacitive region 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 reduce 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 is in the inductive region even after the operating frequency.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 동작 방법을 설명하는 도면이다.3 is a diagram illustrating an operating method of a wireless power transfer system according to an embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 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 illustrates an embodiment in which a method of operating a wireless power transmission system for mitigating the frequency division phenomenon using a transmitter matching capacitor according to an embodiment of the present invention alleviates the frequency division phenomenon by changing only the transmission capacitor value without additional circuit design. Explain.
구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 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, in the operating method of the wireless power transmission system according to an embodiment of the present invention, the frequency of the wireless power transmission system is calculated by using an equation to calculate the matching capacitor value of the transmitter, and changing the capacitor value of the transmitter to the matching capacitor value. alleviate splitting.
단계(301)에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 동작 방법은 송신부 및 수신부의 전기적 특성을 추출한다.In
즉, 본 발명의 일 실시예에 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 relates to electrical characteristics related to at least one of transmission internal resistance, transmission capacitance, and transmission inductance of a transmission unit, reception internal resistance of a reception unit, and reception Electrical characteristics related to at least one of capacitance, receiving inductance, and load resistance, and electrical characteristics related to mutual inductance related to transmitting inductance, receiving inductance, and coupling coefficient may be extracted. can
단계(302)에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 동작 방법은 단계(301)에서 추출된 전기적 특성을 이용하여 미분 리액턴스 값이 0에 수렴하는 주파수 값을 계산한다.In
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 0.
[수학식 3][Equation 3]
[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) as shown in parentheses to simplify 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, ω는 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 may represent 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 Inductance of the receiver may be represented, ω may represent frequency, and M may represent 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] represents the reactance of the input impedance can indicate
[수학식 4][Equation 4]
[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) as shown in parentheses to simplify 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, ω는 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, and R L may represent 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, , L 2 may represent inductance of the receiver, ω may represent frequency, and M may represent mutual inductance.
[수학식 5][Equation 5]
[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) as shown in parentheses to simplify 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, ω는 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, and R L may represent 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 May represent inductance of the receiver, ω may represent frequency, and M may represent 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]
[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, ω는 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, and R L may represent 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 may represent the inductance of the receiver, ω may represent a frequency related to each frequency, and M may represent 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 the frequency value at which the differential reactance value converges to 0 by substituting the extracted electrical characteristics into the equation for calculating the reactance value of the input impedance and differentiating the input impedance. [Equation 6] described above is used as an 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 a range of transmission capacitor values for mitigating the frequency division phenomenon based on the analysis after analyzing the system in a circuit manner to mitigate 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 transmit capacitor value 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 when a coupling coefficient is increased for high efficiency in wireless power transmission, the system can stably and transmit high power.
단계(303)에서 본 발명의 일 실시예에 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
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 electrical characteristics other than the capacitor value of the transmitter and the calculated frequency value among the electrical characteristics extracted 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 ω에 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-described [Equation 6] as an equation for calculating the reactance value of the input impedance, substitutes the calculated frequency value into ω in [Equation 6], , C 1 is unknown, the range of C 1 in which X is greater than 0 is determined, and the smallest value in the range of C 1 is determined as the transmit capacitor value for high efficiency of the system among the range of C 1 .
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 a transmission capacitor value range of 152.57 kF or more.
단계(304)에서 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 동작 방법은 단계(303)에서 계산된 송신 커패시터 값으로 기 설정된 송신 커패시터 값을 대체한다.In
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 a transmitter matching capacitor corresponding to the transmit capacitor value calculated in
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.Therefore, the present invention can alleviate the frequency division phenomenon of the wireless power transmission system by changing only the transmission capacitor value 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 stability of a wireless power transmission system even when a coupling coefficient is increased to improve the efficiency of wireless power transmission in wireless power transmission.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 블록도를 설명하는 도면이다.4A is a diagram illustrating a block diagram of a wireless power transmission system according to an embodiment of the present invention.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 구성 요소를 예시한다.4A illustrates components of a wireless power transfer system according to an embodiment of the present invention.
도 4a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템(400)은 송신부(410), 수신부(420) 및 제어부(430)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 4A , a wireless
본 발명의 일 실시예에 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.The wireless
일례로, 송신부(410)는 무선 전력을 수신부(420)로 전송할 수 있다.For example, the
예를 들어, 송신부(410)는 송신 코일을 포함할 수 있고, 수신부(420)는 수신 코일을 포함할 수 있다.For example, the
도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 블록도를 설명하는 도면이다.4B is a diagram illustrating a block diagram of a wireless power transfer system according to another embodiment of the present invention.
도 4b는 무선 전력 전송 시스템의 송신부(410)가 소스코일(411) 및 중계코일(412)을 포함하여 구성되는 경우를 예시한다.4B illustrates a case in which the
도 4b를 참조하면, 상기 송신부(410)는 소스코일(411) 및 중계코일(412)을 포함할 수 있다. 상기 소스 코일(411)은 송신 전압이 인가되고, 송신 커패시턴스를 가질 수 있다. 상기 중계 코일(412)은 상기 소스코일과 전기적으로 분리되고, 중계 커패시턴스를 가질 수 있다.Referring to FIG. 4B , the
기존의 무선 전력 전송 시스템에서는 수신부(420)의 위치가 충전 패드의 정확한 위치에 놓여야만 충전이 되며, 중심에서 일정 거리만큼 벗어나는 경우 전송 효율 저하로 발열이 일어나거나, 무선 전력 전송이 중단되어 충전이 불가능한 문제가 있다.In the existing wireless power transmission system, charging is performed only when the
따라서, 무선 전력 전송 시스템의 무선 전력 전송 효율을 높이기 위해서는 수신부(420)의 위치가 중심에서 일정 거리만큼 벗어나는 경우에도 무선 전력 전송 또는 무선 충전이 가능하도록 무선 충전이 가능한 공간적 범위를 증가시킬 필요가 있다.Therefore, in order to increase the wireless power transmission efficiency of the wireless power transmission system, it is necessary to increase the spatial range in which wireless charging is possible so that wireless power transmission or wireless charging is possible even when the location of the
상기 송신부(410)는 중계코일(412)을 포함함으로써, 상기 수신부(420)로 전송하는 무선 전력의 전송 거리를 증가시킬 수 있다. 즉, 상기 중계코일(412)은 상기 송신부(410)와 상기 수신부(420) 사이의 무선 전력 전송 거리를 증가시킬 수 있다.By including the
도 4c 및 도 4d는 도 4b의 무선 전력 전송 시스템에서 송신부(410a)의 구조의 일 예시를 나타내는 도면이다. 4C and 4D are diagrams illustrating an example of a structure of a
구체적으로, 도 4c는 송신부(410a)를 위에서 수평방향으로 바라본 평면도이고, 도 4d는 송신부(410a)를 옆에서 수직방향으로 바라본 단면도이다.Specifically, FIG. 4C is a plan view of the
도 4c 및 4d를 참조하면, 상기 소스코일(411)은 상기 중계코일(412)에 둘러싸여 있을 수 있다. 상기 중계코일(412)은 상기 소스코일(411)과 동일한 층에 배치되고, 상기 소스코일(411)을 둘러싸는 형태로 배치될 수 있다.Referring to FIGS. 4C and 4D , the
예를 들어, 상기 소스코일(411)의 중심과 상기 중계코일(412)의 중심은 일치하고, 상기 중계코일(412)의 외경은 상기 소스코일(411)의 외경보다 클 수 있다.For example, the center of the
일 실시예에서, 상기 소스코일(411)의 외경은 42mm 내지 48mm이고, 상기 중계코일(412)의 외경은 54mm 내지 60mm일 수 있다.In one embodiment, the outer diameter of the
이와 같이, 중계코일(412)이 소스코일(411)을 둘러싸는 형태로 배치된 송신부(410a)의 구조에 따라, 송신부(410)가 단일한 소스코일로 구성된 경우보다 상기 송신부(410a)와 상기 수신부(420) 사이의 무선 전력 전송 거리가 증가할 수 있다. In this way, according to the structure of the
따라서, 수신부의 위치가 중심에서 일정 거리만큼 벗어나는 경우에도 무선 전력 전송 또는 무선 충전이 가능하므로, 무선 전력 전송 시스템의 무선 전력 전송 효율이 전방향으로 증가할 수 있다.Therefore, since wireless power transmission or wireless charging is possible even when the location of the receiver is out of the center by a predetermined distance, the wireless power transmission efficiency of the wireless power transmission system can be increased in all directions.
도 4e 및 도 4f는 도 4b의 무선 전력 전송 시스템에서 송신부(410b)의 구조의 일 예시를 나타내는 도면이다.4E and 4F are diagrams illustrating an example of a structure of a
구체적으로, 도 4e는 송신부(410b)를 위에서 수평방향으로 바라본 평면도이고, 도 4f는 송신부(410b)를 옆에서 수직방향으로 바라본 단면도이다.Specifically, FIG. 4E is a plan view of the
도 4e 및 4f를 참조하면, 상기 중계코일(412)은 상기 소스코일(411)과 상기 수신부(420)의 수신코일 사이에 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 중계코일(412)은 상기 소스코일(411) 상부에 배치될 수 있다.Referring to FIGS. 4E and 4F , the
상기 중계코일(412)은 상기 소스코일(411)과 일정 거리만큼 어긋나는 형태로 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 소스코일(411)의 중심과 상기 중계코일(412)의 중심 사이의 거리는 8mm 내지 12mm일 수 있다.The
상기 중계코일(412)의 외경은 상기 소스코일(411)의 외경과 동일할 수 있다. 예를 들어, 상기 소스코일(411)의 외경은 42mm 내지 48mm이고, 상기 중계코일(412)의 외경은 42mm 내지 48mm일 수 있다.The outer diameter of the
이와 같이, 중계코일(412)의 중심과 소스코일(411)의 중심이 일정 거리만큼 떨어지고, 중계코일(412)과 소스코일(411)의 크기가 동일한 형태로 배치된 송신부(410b)의 구조에 따라, 송신부(410)가 단일한 소스코일로 구성된 경우보다 상기 송신부(410b)와 상기 수신부(420) 사이의 무선 전력 전송 거리가 증가할 수 있다. In this way, the center of the
따라서, 수신부(420)의 위치가 중심에서 일정 거리만큼 벗어나는 경우에도 무선 전력 전송 또는 무선 충전이 가능하므로, 무선 전력 전송 시스템의 무선 전력 전송 효율이 일방향으로 증가할 수 있다.Therefore, since wireless power transmission or wireless charging is possible even when the location of the
도 4g 및 도 4h는 도 4b의 무선 전력 전송 시스템에서 송신부(410c)의 구조의 일 예시를 나타내는 도면이다.4G and 4H are diagrams illustrating an example of a structure of a
구체적으로, 도 4g는 송신부(410c)를 위에서 수평방향으로 바라본 평면도이고, 도 4h는 송신부(410c)를 옆에서 수직방향으로 바라본 단면도이다.Specifically, FIG. 4g is a plan view of the
도 4g 및 도 4h를 참조하면, 상기 중계코일(412)은 제1 중계코일 및 제2 중계코일을 포함할 수 있다. Referring to FIGS. 4G and 4H , the
상기 제1 중계코일 및 상기 제2 중계코일은 상기 소스코일(411)과 상기 수신부(420)의 수신코일 사이에 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 중계코일은 상기 소스코일(411) 상부에 배치될 수 있다. 상기 제2 중계코일은 상기 제1 중계코일 상부에 배치될 수 있다.The first relay coil and the second relay coil may be disposed between the
상기 제1 중계코일의 중심은 상기 소스코일(411)의 중심과 제1 방향으로 일정 거리만큼 떨어지고, 상기 제2 중계코일의 중심은 상기 소스코일(411)의 중심과 상기 제1 방향과 반대되는 제2 방향으로 일정 거리만큼 떨어질 수 있다.The center of the first relay coil is separated from the center of the
예를 들어, 상기 제1 중계코일의 중심은 상기 소스코일(411)의 중심과 제1 방향으로 8mm 내지 12mm 이격되어 있을 수 있다. 상기 제2 중계코일의 중심은 상기 소스코일(411)의 중심과 상기 제2 방향으로 방향으로 8mm 내지 12mm 이격되어 있을 수 있다.For example, the center of the first relay coil may be 8 mm to 12 mm apart from the center of the
상기 제1 중계코일 및 상기 제2 중계코일의 외경은 상기 소스코일(411)의 외경과 동일할 수 있다. 예를 들어, 상기 소스코일(411)의 외경은 42mm 내지 48mm이고, 상기 제1 중계코일의 외경 및 상기 제2 중계코일의 외경은 42mm 내지 48mm일 수 있다.The outer diameters of the first relay coil and the second relay coil may be the same as those of the
이와 같이, 제1 중계코일 및 제2 중계코일이 소스코일(411)의 중심을 기준으로 각각 수평 반대방향으로 이격되어 배치되고, 제1 중계코일 및 제2 중계코일의 크기가 소스코일(411)의 크기와 동일한 형태로 배치된 송신부(410c)의 구조에 따라, 송신부가 단일한 소스코일로 구성된 경우보다 상기 송신부(410c)와 상기 수신부(420) 사이의 무선 전력 전송 거리가 증가할 수 있다. In this way, the first relay coil and the second relay coil are disposed apart from each other in opposite horizontal directions based on the center of the
따라서, 수신부(420)의 위치가 중심에서 일정 거리만큼 벗어나는 경우에도 무선 전력 전송 또는 무선 충전이 가능하므로, 무선 전력 전송 시스템의 무선 전력 전송 효율이 제1 방향 및 제2 방향으로 증가할 수 있다.Therefore, since wireless power transmission or wireless charging is possible even when the location of the
도 4i 및 도 4j는 도 4c 내지 도 4h의 경우, 실시예들에 따른 무선 전력 전송 효율을 비교한 그래프이다.4i and 4j are graphs comparing wireless power transmission efficiency according to embodiments in the case of FIGS. 4c to 4h.
구체적으로, 도 4i는 동작주파수 110kHz에서 각각의 송신부(410a, 410b, 410c)의 코일 구성에 따른 수신부와 송신부의 이격 거리에 따른 무선 전력 전송 효율의 변화를 나타내는 그래프이다. 도 4j는 동작주파수 140kHz에서 각각의 송신부(410a, 410b, 410c)의 코일 구성에 따른 수신부와 송신부의 이격 거리에 따른 무선 전력 전송 효율의 변화를 나타내는 그래프이다.Specifically, FIG. 4I is a graph showing a change in wireless power transmission efficiency according to a separation distance between a receiver and a transmitter according to a coil configuration of each
도 4i를 참조하면, 동작주파수 110kHz에서, 송신부가 단일한 소스코일로 구성된 경우, 수신부와 송신부의 이격 거리가 10mm이상이 되는 구간에서 무선 전력 전송 효율이 급격히 하락할 수 있다. Referring to FIG. 4I , at an operating frequency of 110 kHz, when the transmission unit is composed of a single source coil, wireless power transmission efficiency may rapidly decrease in a section where the separation distance between the reception unit and the transmission unit is 10 mm or more.
또한, 송신부가 단일한 소스코일로 구성된 경우, 이격 거리 15mm에서 송신부의 무선 전력 전송 효율이 약 70% 수준까지 큰 폭으로 감소할 수 있다.In addition, when the transmitter is composed of a single source coil, the wireless power transmission efficiency of the transmitter may be significantly reduced to about 70% at a separation distance of 15 mm.
반면, 중계코일이 소스코일을 둘러싸는 형태로 배치된 송신부(410a)의 구조의 경우, 수신부와 송신부의 이격 거리가 10mm일 때 무선 전력 전송 효율이 약 89%이고, 이격 거리가 15mm일 때 무선 전력 전송 효율이 80% 이상일 수 있다.On the other hand, in the case of the structure of the
또한, 중계코일의 중심과 소스코일의 중심이 일정 거리만큼 떨어지고, 중계코일과 소스코일의 크기가 동일한 형태로 배치된 송신부(410b)의 구조의 경우, 수신부와 송신부의 이격 거리가 10mm일 때 무선 전력 전송 효율이 약 91%이고, 이격 거리가 15mm일 때 무선 전력 전송 효율이 약 86%으로 높게 유지될 수 있다.In addition, in the case of the structure of the
또한, 제1 중계코일 및 제2 중계코일이 소스코일의 중심을 기준으로 각각 수평 반대방향으로 이격되어 배치되고, 제1 중계코일 및 제2 중계코일의 크기가 소스코일의 크기와 동일한 형태로 배치된 송신부(410c)의 구조의 경우, 수신부와 송신부의 이격 거리가 10mm일 때 무선 전력 전송 효율이 약 89%이고, 이격 거리가 15mm일 때 무선 전력 전송 효율이 80% 이상일 수 있다.In addition, the first relay coil and the second relay coil are arranged to be spaced apart in opposite horizontal directions based on the center of the source coil, and the size of the first relay coil and the second relay coil is the same as the size of the source coil. In the case of the structure of the
즉, 상기 송신부(410a, 410b, 410c)가 중계코일을 포함하는 경우, 동작주파수 110kHz에서 상기 송신부와 상기 수신부 사이의 무선 전력의 전송 거리가 증가되고, 송신부가 단일한 소스코일로 구성된 경우보다 무선 전력 전송 효율이 증가할 수 있다.That is, when the
도 4j를 참조하면, 동작주파수 140kHz에서, 송신부가 단일한 소스코일로 구성된 경우, 수신부와 송신부의 이격 거리가 10mm이상이 되는 구간에서 무선 전력 전송 효율이 급격히 하락할 수 있다. Referring to FIG. 4J , at an operating frequency of 140 kHz, when the transmission unit is composed of a single source coil, wireless power transmission efficiency may rapidly decrease in a section where the separation distance between the reception unit and the transmission unit is 10 mm or more.
또한, 송신부가 단일한 소스코일로 구성된 경우, 이격 거리 약 13mm에서 송신부의 무선 전력 전송 효율이 약 73% 수준까지 큰 폭으로 감소할 수 있다. 같은 비율로 계산할 때, 이격거리 약 15mm에서 송신부의 무선 전력 전송 효율이 약 64% 이하까지 감소할 것으로 예상될 수 있다.In addition, when the transmitter is composed of a single source coil, the wireless power transmission efficiency of the transmitter may be significantly reduced to about 73% at a separation distance of about 13 mm. When calculated at the same ratio, it can be expected that the wireless power transmission efficiency of the transmitter decreases to about 64% or less at a separation distance of about 15 mm.
반면, 중계코일이 소스코일을 둘러싸는 형태로 배치된 송신부(410a)의 구조의 경우, 수신부와 송신부의 이격 거리가 10mm일 때 무선 전력 전송 효율이 약 86%이고, 이격 거리가 15mm일 때 무선 전력 전송 효율이 약 73%일 수 있다. 즉, 이 경우, 송신부가 단일한 소스코일로 구성된 경우에 비하여 무선 전력 전송 효율의 감소가 최소화될 수 있다.On the other hand, in the case of the structure of the
또한, 중계코일의 중심과 소스코일의 중심이 일정 거리만큼 떨어지고, 중계코일과 소스코일의 크기가 동일한 형태로 배치된 송신부(410b)의 구조의 경우, 수신부와 송신부의 이격 거리가 10mm일 때 무선 전력 전송 효율이 약 92%이고, 이격 거리가 15mm일 때 무선 전력 전송 효율이 약 88%으로 높게 유지될 수 있다.In addition, in the case of the structure of the
또한, 제1 중계코일 및 제2 중계코일이 소스코일의 중심을 기준으로 각각 수평 반대방향으로 이격되어 배치되고, 제1 중계코일 및 제2 중계코일의 크기가 소스코일의 크기와 동일한 형태로 배치된 송신부의 구조(410c)의 경우, 수신부와 송신부의 이격 거리가 10mm일 때 무선 전력 전송 효율이 약 87%이고, 이격 거리가 15mm일 때 무선 전력 전송 효율이 80% 이상일 수 있다.In addition, the first relay coil and the second relay coil are arranged to be spaced apart in opposite horizontal directions based on the center of the source coil, and the size of the first relay coil and the second relay coil is the same as the size of the source coil. In the case of the
즉, 상기 송신부(410a, 410b, 410c)가 중계코일을 포함하는 경우, 동작주파수 140kHz에서 상기 송신부와 상기 수신부 사이의 무선 전력의 전송 거리가 증가되고, 송신부가 단일한 소스코일로 구성된 경우보다 무선 전력 전송 효율이 증가할 수 있다.That is, when the
본 발명의 일 실시예에 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 계산할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the
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
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
본 발명의 일 실시예에 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
일례로, 제어부(430)는 입력 임피던스의 리액턴스 값을 계산하기 위한 수학식으로 [수학식 6]을 이용하고, [수학식 6]에서 에 계산된 주파수 값을 대입하고, C1을 미지수로 하며, X가 0 이상이 되는 C1의 범위를 결정할 수 있다.For example, the
따라서, 제어부(430)는 송신 커패시터 값의 범위를 152.57 ㎋ 이상으로 계산할 수 있다.Accordingly, the
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 value of the transmission capacitor described above can be selectively determined in consideration of efficiency in the range of 152.57 ㎋ or more. That is, the calculated transmission capacitor value may be determined to be 152.57 kF or more.
다시 말해, 송신 커패시터 값은 무선 전력 전송 시스템의 효율성을 고려하여 계산된 송신 커패시터 값의 범위 내에서 최소 값으로 결정될 수 있다.In other words, the transmission capacitor value may be determined as the minimum value within the range of the transmission capacitor value calculated by considering the efficiency of the wireless power transmission system.
본 발명의 일 실시예에 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
본 발명의 일 실시예에 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
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.In addition, the
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.In addition, the
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.Therefore, the present invention is a wireless power transmission system using a formula for determining the range of transmission capacitor values for mitigating the frequency division phenomenon based on the analysis after analyzing the system in a circuit manner to mitigate the frequency division phenomenon, and the wireless power transmission system and the same operation method can be provided.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 송신부 커패시터 매칭 결과를 설명하는 도면이다. 5A and 5B are diagrams illustrating results of capacitor matching in a transmitter 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 results in which the frequency division phenomenon is mitigated by using a transmitter matching capacitor in a wireless power transmission system.
도 5a의 그래프(500)를 참조하면, 그래프(500)의 가로축은 주파수 변화를 나타내고, 세로축은 입력 임피던스의 위상 변화를 나타낸다.Referring to the
그래프(500)는 송신 커패시터 값(C1)이 114 ㎋인 경우와 153 ㎋인 경우에서 입력 임피던스의 위상 변화를 비교한다.The
그래프(500)를 참조하면, 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 일 실시예에 따라 송신부 매칭 커패시터 값이 이용된 경우에 해당될 수 있다.Referring to the
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 zero 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 transmit capacitor value is 153 ㎋, the phases of input impedances of frequencies having two poles are all greater than zero based on 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 transmission capacitor value is 153 kF, switching loss does not occur because it does not operate in the capacitive region where the phase of the input impedance is less than 0.
다시 말해, 송신 커패시터 값이 153 ㎋인 경우는 입력 임피던스의 위상이 0 아래로 내려가지 않아서 주파수 분할 현상이 완화된다.In other words, when the transmission capacitor value is 153 kF, the phase of the input impedance does not go below 0, so the frequency division phenomenon is alleviated.
한편, 도 5b의 그래프(510)를 참조하면, 그래프(510)의 가로축은 주파수 변화를 나타내고, 세로축은 입력 임피던스의 리액턴스 변화를 나타낸다.Meanwhile, referring to the
그래프(510)는 송신 커패시터 값(C1)이 114 ㎋인 경우와 153 ㎋인 경우에서 입력 임피던스의 리액턴스 변화를 비교한다.The
그래프(510)를 참조하면, 송신 커패시터 값이 114 ㎋인 경우는 주파수 분할 현상이 발생되는 기존 커패시터에 해당될 수 있고, 송신 커패시터 값이 153 ㎋인 경우는 본 발명의 일 실시예에 따라 송신부 매칭 커패시터 값이 이용된 경우에 해당될 수 있다.Referring to the
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 transmit capacitor value 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 transmit capacitor value is 153 ㎋, the reactance of the input impedance is greater than 0 at all 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 transmission capacitor value is 153 kF, switching loss does not occur because it does not operate in the capacitive region where the reactance of the input impedance is less than 0.
다시 말해, 송신 커패시터 값이 153 ㎋인 경우는 송신 커패시터 값이 114 ㎋인 경우에 대비하여 주파수 분할 현상이 완화된다.In other words, when the transmit capacitor value is 153 kF, the frequency division phenomenon is alleviated compared to the case where the transmit capacitor value is 114 kF.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템에서 송신부 커패시터 값의 매칭 결과를 설명하는 도면이다.6A and 6B are diagrams illustrating matching results of capacitor values of a transmitter in a wireless power transfer system according to an embodiment of the present invention.
구체적으로, 도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템에서 송신부 커패시터 값에 따른 시뮬레이션 결과와 실제 측정 결과를 비교 설명한다.Specifically, FIGS. 6A and 6B compare simulation results and actual measurement results according to the transmission unit capacitor value in the wireless power transmission system according to an embodiment of the present invention.
도 6a를 참조하면, 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, a
그래프(600)를 참조하면, 무선 전력 전송 시스템의 송신부 커패시터 값이 108 ㎋인 경우에 대하여 실제 측정 결과와 시뮬레이션 결과 모두 주파수 분할 현상이 발생됨을 확인시켜준다.Referring to the
도 6b를 참조하면, 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
그래프(610)를 참조하면, 무선 전력 전송 시스템의 송신부 커패시터 값이 185 ㎋인 경우에 대하여 실제 측정 결과와 시뮬레이션 결과 모두 주파수 분할 현상이 완화됨을 확인시켜준다.Referring to the
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, if the capacitor value of the transmitter 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 devices described above may be implemented as hardware components, software components, and/or a combination of hardware components and software components. 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. A processing device may run 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 software. For convenience of understanding, there are cases in which one processing device is used, but those skilled in the art will understand that the processing device includes a plurality of processing elements and/or a plurality of types of processing elements. It can be seen that it can include. For example, a processing device may include a plurality of processors or a processor and a 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 on a computer readable medium. The computer readable medium may include program instructions, data files, data structures, etc. alone or in combination. Program commands recorded on the medium may be specially designed and configured for the embodiment or may be known and usable to those skilled in computer software. Examples of computer-readable recording media 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 floptical disks. - includes hardware devices specially configured to store and execute program instructions, such as magneto-optical media, and ROM, RAM, flash memory, and the like. Examples of program instructions include high-level language codes that can be executed by a computer using an interpreter, as well as machine language codes such as those produced by a compiler. 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 include a computer program, code, instructions, or a combination of one or more of the foregoing, which configures a processing device to operate as desired or processes independently or collectively. The device can be commanded. Software and/or data may be any tangible machine, component, physical device, virtual equipment, computer storage medium or device, intended to be interpreted by or provide instructions or data to a processing device. , or may be permanently or temporarily embodied in a transmitted signal wave. Software may be distributed on networked computer systems and stored or executed in a distributed manner. Software and data may be stored on one or more computer readable 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 limited drawings, those skilled in the art can make various modifications and variations from the above description. For example, the described techniques may be performed in an order different from the method described, and/or components of the described system, structure, device, circuit, etc. may be combined or combined in a different form than the method described, or other components may be used. Or even if it is replaced or substituted by equivalents, appropriate results can be achieved.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents of the claims are within the scope of the following claims.
400: 무선 전력 전송 시스템
410: 송신부
411: 소스코일
412: 중계코일
420: 수신부
430: 제어부400: wireless power transmission system
410: transmitter 411: source coil
412: relay coil 420: receiver
430: control unit
Claims (16)
송신부;
수신부; 및
상기 송신부 및 상기 송신부의 동작을 제어하는 제어부를 포함하고,
상기 송신부는,
송신 전압이 인가되고, 송신 커패시턴스를 가지는 소스코일; 및
상기 소스코일과 전기적으로 분리되고, 중계 커패시턴스를 가지는 중계코일을 포함하고,
상기 중계코일은,
상기 송신부와 상기 수신부 사이의 무선 전력 전송 거리를 증가시키는 것을 특징으로 하는,
무선 전력 전송 시스템.In the wireless power transmission system for mitigating the frequency division phenomenon using a transmitter matching capacitor,
transmission unit;
receiver; and
Including the transmission unit and a control unit for controlling the operation of the transmission unit,
The sending unit,
a source coil to which a transmission voltage is applied and having a transmission capacitance; and
A relay coil electrically separated from the source coil and having a relay capacitance;
The relay coil,
Characterized in that the wireless power transmission distance between the transmitter and the receiver is increased,
A wireless power transfer system.
상기 소스코일의 중심과 상기 중계코일의 중심은 일치하고,
상기 중계코일의 외경은 상기 소스코일의 외경보다 크고,
상기 중계코일은 상기 소스코일을 둘러싸고,
상기 소스코일의 외경은 42mm 내지 48mm이고,
상기 중계코일의 외경은 54mm 내지 60mm인 것을 특징으로 하는,
무선 전력 전송 시스템According to claim 1,
The center of the source coil coincides with the center of the relay coil,
The outer diameter of the relay coil is larger than the outer diameter of the source coil,
The relay coil surrounds the source coil,
The outer diameter of the source coil is 42 mm to 48 mm,
Characterized in that the outer diameter of the relay coil is 54 mm to 60 mm,
wireless power transmission system
상기 소스코일의 중심과 상기 중계코일의 중심 사이의 거리는 8mm 내지 12mm이고,
상기 중계코일의 외경은 상기 소스코일의 외경과 동일하고,
상기 중계코일은 상기 소스코일과 상기 수신부의 수신코일 사이에 배치되고,
상기 소스코일의 외경은 42mm 내지 48mm인 것을 특징으로 하는,
무선 전력 전송 시스템According to claim 1,
The distance between the center of the source coil and the center of the relay coil is 8 mm to 12 mm,
The outer diameter of the relay coil is the same as the outer diameter of the source coil,
The relay coil is disposed between the source coil and the receiving coil of the receiving unit,
Characterized in that the outer diameter of the source coil is 42 mm to 48 mm,
wireless power transmission system
상기 중계코일은 제1 중계코일 및 제2 중계코일을 포함하고,
상기 제1 중계코일의 중심은 상기 소스코일의 중심과 제1 방향으로 8mm 내지 12mm 이격되어 있고,
상기 제2 중계코일의 중심은 상기 소스코일의 중심과 상기 제1 방향과 반대되는 제2 방향으로 방향으로 8mm 내지 12mm 이격되어 있고,
상기 제1 중계코일 및 상기 제2 중계코일의 외경은 상기 소스코일의 외경과 동일하고,
상기 소스코일의 외경은 42mm 내지 48mm인 것을 특징으로 하는,
무선 전력 전송 시스템According to claim 1,
The relay coil includes a first relay coil and a second relay coil,
The center of the first relay coil is spaced apart from the center of the source coil by 8 mm to 12 mm in a first direction;
The center of the second relay coil is spaced apart from the center of the source coil by 8 mm to 12 mm in a second direction opposite to the first direction,
The outer diameters of the first relay coil and the second relay coil are the same as those of the source coil,
Characterized in that the outer diameter of the source coil is 42 mm to 48 mm,
wireless power transmission system
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.According to claim 1,
The control unit extracts electrical characteristics of the transmitting unit and the receiving unit, calculates a frequency value at which the differential reactance value of the input impedance converges to 0 using the extracted electrical characteristics, and uses the calculated frequency value to calculate the input impedance value. Calculating a transmit capacitor value having a reactance value greater than 0, and changing the preset transmit capacitor value of the transmit unit to the calculated transmit capacitor value.
A wireless power transfer system.
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]
According to claim 5,
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 the following [Equation 6] and differentiates so that the differential reactance value is 0. Characterized in calculating the converging frequency value
A wireless power transmission system.
[Equation 6]
상기 제어부는
상기 입력 임피던스의 리액턴스 값을 계산하기 위한 수학식으로 다음 [수학식 6]을 이용하고, 다음 [수학식 6]에서 ω에 상기 계산된 주파수 값을 대입하고, C1을 미지수로 하며, X가 0 이상이 되는 C1의 범위를 결정하는 것을 특징으로 하는
무선 전력 전송 시스템.
[수학식 6]
According to claim 5,
The control unit
[Equation 6] is used as an equation for calculating the reactance value of the input impedance, and the calculated frequency value is substituted for ω in the following [Equation 6], C 1 is an unknown number, and X is Characterized in determining the range of C 1 that is greater than or equal to 0
A wireless power transmission system.
[Equation 6]
상기 제어부는
상기 송신 커패시터 값의 범위를 152.57 ㎋ 이상으로 계산하는 것을 특징으로 하는
무선 전력 전송 시스템.According to claim 7,
The control unit
Characterized in that the range of the transmission capacitor value is calculated to be 152.57 ㎋ or more
A wireless power transfer system.
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.A method of operating a wireless power transmission system that increases a wireless power transmission distance using a relay coil,
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 transmit capacitor value having a reactance value of input impedance greater than 0 using the calculated frequency value; and
And changing the preset transmission capacitor value of the transmission unit to the calculated transmission capacitor value.
A method of operating a wireless power transmission system.
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 9,
Calculating the frequency value at which the differential reactance value of the input impedance converges to 0 using the extracted electrical characteristics is
Calculating a frequency value at which the differential reactance value converges to 0 by substituting the extracted electrical characteristic into an equation for calculating a reactance value of the input impedance and differentiating the extracted electrical characteristic.
A method of operating a wireless power transmission system.
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]
According to claim 10,
Calculating a frequency value at which the differential reactance value converges to 0 by substituting the extracted electrical characteristics into the equation for calculating the reactance value of the input impedance and differentiating the extracted electrical characteristics,
Characterized in that it comprises the step of using the following [Equation 6] as an equation for calculating the reactance value of the input impedance
A method of operating a wireless power transmission system.
[Equation 6]
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.According to claim 11,
The step of extracting the electrical characteristics of the transmitter and receiver,
extracting electrical characteristics related to at least one of transmission internal resistance, transmission capacitance, and transmission inductance of the transmission unit;
extracting electrical characteristics related to at least one of a reception internal resistance, a reception capacitance, a reception inductance, and a load resistance of the receiver; 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 transmission system.
상기 송신 커패시턴스(capacitance)와 관련된 전기적 특성은 상기 기 설정된 송신 커패시터 값에 대응되는 것을 특징으로 하는
무선 전력 전송 시스템의 동작 방법.According to claim 12,
Characterized in that the electrical characteristics related to the transmission capacitance correspond to the preset transmission capacitor value
A method of operating a wireless power transmission system.
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 9,
Calculating a transmit capacitor value having a reactance value of the input impedance greater than 0 using the calculated frequency value,
By substituting the calculated frequency value and the electrical characteristics other than the capacitor value of the transmitter from among the extracted electrical characteristics in the equation for calculating the reactance value of the input impedance, the reactance value of the input impedance has a value greater than 0. Comprising the step of calculating the range of the transmit capacitor value
A method of operating a wireless power transmission system.
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 ω에 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]
According to claim 14,
A value in which the reactance value of the input impedance is greater than 0 is obtained by substituting the calculated frequency value and the electrical characteristics other than the capacitor value of the transmitting unit among the extracted electrical characteristics in the equation for calculating the reactance value of the input impedance. Calculating the range of values of the transmit capacitor having
[Equation 6] is used as an equation for calculating the reactance value of the input impedance, the calculated frequency value is substituted for ω in [Equation 6], C 1 is an unknown, and X is 0. Characterized in that it comprises the step of determining the range of C 1 that is greater than
A method of operating a wireless power transmission system.
[Equation 6]
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.
According to claim 14,
Calculating a transmit capacitor value having a reactance value of the input impedance greater than 0 using the calculated frequency value,
Comprising the step of calculating the range of the transmission capacitor value to be 152.57 ㎋ or more
A method of operating a wireless power transmission system.
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- 2021-11-22 KR KR1020210161095A patent/KR102646120B1/en active IP Right Grant
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Non-Patent Citations (1)
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미국등록특허 제10637,292호, "CONTROLLING WIRELESS POWER TRANSFER SYSTEMS" |
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KR102646120B1 (en) | 2024-03-11 |
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