KR20230133522A - 무선 전력 전송을 위한 재구성 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무선 전력 전송 기술에 관한 것으로서, 상세하게는 3개의 평면에 각 코일을 배치하여 구성한 3차원 구조의 코일 모듈을 다양하게 배열하여 3차원의 다양한 방향으로 배치되는 모바일 기기에 대해 무선 충전이 가능한 무선 전력 전송 장치의 안테나에 관한 것이다.

Description

무선 전력 전송을 위한 재구성 안테나{Reconfigurable antenna for wireless power transfer}

본 발명은 무선 전력 전송 기술에 관한 것으로서, 상세하게는 3개의 평면에 각 코일을 배치하여 구성한 3차원 구조의 코일 모듈을 다양하게 배열하여 3차원의 다양한 방향으로 배치되는 모바일 기기에 대해 무선 충전이 가능한 무선 전력 전송 장치의 안테나에 관한 것이다.

현재 실생활에 사용 중인 자기 유도 방식의 무선 전력 전송 방식은 대 전력의 신호가 전송될 수 있으나, 1:1 전력 전송이며 짧은 전송 거리를 가지고 있다.

자기 공진 방식의 경우, 현대에 사용중인 대부분의 전자기기에 적용할 수 있고 1:N의 다중 전력 전송이 가능하며 수 m의 전송 거리를 가지고 있으나, 다양해지는 수신 기기의 특성상 3차원 공간에서의 무선 전력 전송이 필요하다.

일반적인 자기 유도 방식의 경우, 모바일 기기는 2차원의 송신 코일이 있는 충전 패드 위에 평행하게 올려 놓아야 무선 전력 전송이 가능하다.

한편, 3차원의 무선 전력 전송을 위하여 컵 형태의 무선 충전 기술들이 개발 되고 있지만, 이는 다수의 충전이 불가능하기 때문에 다중 전력 전송이라는 장점이 사라지게 되는 문제점이 있다.

일본공개특허 제2018-186699호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 본 발명의 목적은 3차원의 다양한 방향으로 배치되는 수신 코일(모바일 기기)에 대한 효율적인 무선 전력 전송이 가능한 시스템을 제공하는 것이다.

이를 위해, 본 발명에 따른 무선 전력 전송을 위한 재구성 안테나는 xy 평면 코일, zx 평면 코일 및 yz 평면 코일이 결합된 3차원 구조의 코일 모듈을 복수 개 배열하여 구성한 것을 특징으로 한다.

상기 xy 평면 코일, zx 평면 코일 및 yz 평면 코일 각각의 한 모서리가 굴곡되어 있으며, 상기 3차원 구조의 코일 모듈을 복수 개 배열하여 구성된 재구성 안테나는 육면체 또는 원기둥인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 무선 전력 전송을 위한 재구성 안테나는 xy 평면에 배치되며 한 모서리가 굴곡된 제1 사각형 코일, zx 평면에 배치되며 한 모서리가 굴곡된 제2 사각형 코일 및 yz 평면에 배치되며 한 모서리가 굴곡된 제3 사각형 코일이 상호 간에 굴곡된 부분에서 결합되어 3차원 구조의 코일 모듈을 이루고, 상기 3차원 구조의 코일 모듈이 복수 개 배열되어 그 안에 수신 코일이 배치되는 3차원 영역을 형성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 무선 전력 전송을 위한 재구성 안테나는 xy 평면에 배치되며 한 변이 굴곡된 부채꼴 코일, zx 평면에 배치되며 한 변이 굴곡된 휘어진 사각형 코일 및 yz 평면에 배치되며 한 변이 굴곡된 휘어진 사각형 코일이 상호 간에 굴곡된 부분에서 중첩 결합되어 3차원 구조의 코일 모듈을 이루고, 상기 3차원 구조의 코일 모듈이 복수 개 배열되어 그 안에 수신 코일이 배치되는 3차원 영역을 형성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 무선 전력 전송 장치는 xy 평면 코일, zx 평면 코일 및 yz 평면 코일로 구성된 3차원 구조의 코일 모듈이 복수 개 배치되어 구성된 안테나와, 상기 복수 개의 3차원 구조의 코일 모듈에 대하여 각 코일 모듈의 xy 평면 코일, zx 평면 코일 및 yz 평면 코일 각각에 송신 전력을 인가하고 위상 제어를 수행하는 송신부와, 상기 복수 개의 3차원 구조의 코일 모듈마다 배치되어 xy 평면 코일, zx 평면 코일 및 yz 평면 코일 각각의 동작을 제어하는 전원 제어부를 포함한다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 3차원 구조의 코일 모듈을 복수 개 배열하여 구성된 재구성 안테나를 제안하여 그 안에 모바일 기기의 수신 코일이 3차원의 다양한 방향으로 놓여 있더라도 수신 코일에 높은 효율로 무선 전력 전송을 할 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 각 평면 코일을 일정 면적 겹치게 하여 격리도를 확보함으로써 송신부의 위상 조절이 용이하여 기존 비격리 코일에 비해 송신전력의 낭비를 줄일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 무선 전력 전송 장치의 개략적인 구성을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 코일 모듈의 구조를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 무선 전력 전송을 위한 재구성 안테나를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명에 따른 코일 모듈의 내부 영역에 수신 코일이 다양한 방향으로 배치되어 있는 모습을 나타낸 도면.
도 5는 본 발명에 따른 코일 모듈의 동작 모습을 나타낸 도면.
도 6은 코일 높이별 겹치는 면적 비율을 나타낸 그래프.
도 7은 코일 높이별 겹치는 면적 비율에 따른 상호 인덕턴스를 나타낸 그래프.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 코일 모듈을 나타낸 도면.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 코일 모듈의 자기장 분포를 나타낸 도면.
도 10 및 도 11은 다양한 형태의 코일 모듈을 나타낸 도면.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.

그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

또한, 명세서에 기재된 "……부", "…… 모듈" 의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

이하, 도면을 참조로 하여 본 발명의 실시예에 따른 무선 전력 전송을 위한 안테나의 구조에 대하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 무선 전력 전송 장치의 개략적인 구성을 나타낸 것이다.

도 1을 참조하면, 무선 전력 전송 장치는 안테나(100), 정합회로(20), 전원 제어부(30), 송신부(40) 등을 포함한다.

본 발명에 따른 안테나(100)는 복수의 코일 모듈(10)로 구성되어 있다. 코일 모듈(10)은 3개의 송신 코일이 결합된 구조이다. 3개의 송신 코일은 제1 코일(1), 제2 코일(2) 및 제3 코일(3)로 구성되어 있다(도 2 참조). 안테나(100)에 대해서는 도 2 및 3에서 후술하기로 한다.

정합회로(20)는 각 코일에 배치되어 송신부(40)의 임피던스를 각 코일과 정합시킨다. 즉, 송신부(40)의 임피던스가 제1 정합회로에 의해 제1 코일(1)과 정합되고, 마찬가지로 제2 정합회로에 의해 제2 코일과 정합되고, 제3 정합회로에 의해 제3 코일(3)과 정합된다.

송신부(40)는 각 코일에 대해 송신 전력을 인가하고 위상 제어를 수행한다. 송신부(40)가 출력하는 송신 전력은 전원 제어부(30)를 통해 전달된다. 전원 제어부(30)는 릴레이 스위치 등으로 구성되어 각 코일의 동작을 제어하게 된다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 코일 모듈의 구조를 나타낸 것이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 무선 전력 전송을 위한 재구성 안테나를 나타낸 것이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 코일 모듈(10)은 제1 코일(1), 제2 코일(2) 및 제3 코일(3)이 조합된 3차원 구조이다.

제1 코일(1)은 xy 평면에 배치되는 코일로서 xy 평면 코일이다. xy 평면 코일(1)은 사각 형태의 코일이며, 한 모서리(1a)가 yz 평면 방향으로 굴곡되어 있다.

제2 코일(2)은 zx 평면에 배치된 코일로서 zx 평면 코일이다. zx 평면 코일(2) 역시 사각 형태의 코일로서, 한 모서리(2a)가 xy 평면 방향으로 굴곡되어 있다.

제3 코일(3)은 yz 평면에 배치된 코일로서 yz 평면 코일이다. yz 평면 코일(3) 역시 사각 형태의 코일로서, 한 모서리(3a)가 zx 방향으로 굴곡되어 있다.

이러한 3개의 코일(1, 2, 3)이 상호 굴곡된 부분(1a, 2a, 3a)에서 중첩되면서 3차원의 코일 모듈(10)을 형성하게 된다. 코일 모듈(10)은 육면체 형상으로 3개의 코일(1, 2, 3)에 의해 3개의 면만을 형성하고 있다.

즉, 3개의 코일(1, 2, 3)을 각각 xy, zx, yz 평면에 배치하되 평면에 위치한 코일끼리 일정 간격(면적)으로 겹치도록 하여 고격리도를 확보하고 이를 통해 x, y, z 축 방향의 자기장을 동시에 방사할 수 있다.

제1 코일(1), 제2 코일(2), 제3 코일(3)에는 각각 급전 포트(미도시)가 형성되어 있어서, 급전 포트를 통해 전압을 인가하면 코일을 따라 전류가 흐르면서 자기장이 형성된다. 본 발명의 실시예에서는 급전 포트가 각 굴곡된 부분(1a, 2a, 3a)이 모두 중첩되어 있는 위치에 배치되어 급전을 위한 배선을 효율적으로 할 수 있다.

이렇게 3개의 코일(1, 2, 3)을 결합하여 3차원의 코일 모듈(10)을 구성하게 되면, 제1 코일(1)에서 발생하는 자기장의 방향은 z축 방향이 되고, 제2 코일(2)에서 발생하는 자기장의 방향은 y축 방향이 되고, 제3 코일(3)에서 발생하는 자기장은 x축 방향이 되어, 자기장이 3개의 방향에서 입체적으로 발생하게 됨으로써 수신 코일의 위치에 무관하게 무선 전력 전송이 가능할 수 있다.

이어서 3차원 구조의 코일 모듈(10)을 복수 개 배치하여 본 발명의 실시예에 따른 재구성 안테나(100)를 구성할 수 있다.

도 3을 참조하면, 4개의 코일 모듈(10)을 배치하여 육면체(함) 형태의 재구성 안테나를 구성하였다. 함 형태로 구성된 재구성 안테나는 그 상부가 열려 있고 내부 공간을 형성하기 때문에 수신 코일을 배치할 수 있게 된다.

이렇게 구성된 재구성 안테나의 각 코일 모듈에 인가되는 송신 전력의 위상을 제어함으로써 더욱 자유로운 무선 충전 환경을 구축할 수 있고 충전함의 내부 영역에서 수신 코일의 배치 위치에 상관없이 효율적인 무선 충전을 수행할 수 있게 된다.

도 4는 본 발명에 따른 코일 모듈(10)의 내부 영역에 수신 코일(4)이 다양한 방향으로 배치되어 있는 모습을 나타낸 것이다.

도 4를 참조하면, 수신 코일(4)은 xy 평면 코일(1)과 수평하게 배치되거나(xy-Rx), zx 평면 코일(2)과 수평하게 배치되거나(zx-Rx), yz 평면 코일(3)과 수평하게 배치될 수 있다(yz-Rx). 다양한 방향으로 배치된 수신 코일(4)은 각 송신 코일(1, 2, 3)로부터 발생하는 자기장에 의해 전력을 수신할 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 코일 모듈(10)의 동작 모습을 나타낸 것이다.

도 5를 참조하면, 각 평면 코일(1, 2, 3)을 일정 면적 겹치게 하여 격리도를 확보함으로써 송신부(40)의 위상 조절이 용이하며, 기존 비격리 코일에 비하여 송신 전력의 낭비를 줄일 수 있다.

도 5의 (a)에서, 수신 코일(4)이 xy 평면 코일(xy-Tx)(1)에 수직하고 x축에 대해 -45도 기울어져 있는 경우, zx 평면 코일(zx-Tx)(2) 및 yz 평면 코일(yz-Tx)(3)을 동위상으로 급전하여 같은 방향의 자기장이 형성되도록 하면 각 송신 코일(2, 3)로부터 전력을 중첩적으로 수신하게 되어 충전 효율을 향상시킬 수 있다.

도 5의 (b)에서, 수신 코일(4)이 xy 평면 코일(xy-Tx)(1)에 수직하고 x축에 대해 45도 기울어져 있는 경우, zx 평면 코일(zx-Tx)(2) 및 yz 평면 코일(yz-Tx)(3)을 차동 급전하여 반대 방향의 자기장이 형성되도록 하면 각 송신 코일(2, 3)로부터 전력을 중첩적으로 수신하게 되어 충전 효율을 향상시킬 수 있다.

마찬가지로 xy-yz 평면 코일쌍, yz-zx 평면 코일쌍, zx-xy 평면 코일쌍에 대해서도 동일하게 위상 조절을 수행하여 충전 효율을 향상시킬 수 있다.

도 6은 코일 높이별 겹치는 면적 비율을 나타내고, 도 7은 코일 높이별 겹치는 면적 비율에 따른 상호 인덕턴스를 나타낸 것이다.

코일 높이에 따라 격리도를 만족시키는 중첩 면적의 비율이 달라진다. 코일 간 격리도는 코일 간 상호 인덕턴스가 적을수록 좋다.

도 6 및 도 7을 참조하면, 고격리도를 위해 각 코일(1, 2, 3)의 중첩 면적 비율(%)은 코일 높이가 150mm일 때 47, 41, 46이고, 코일 높이가 200mm일 때 45, 45, 45이고, 코일 높이가 250mm일 때 41, 47, 44가 된다. 이와 같이 코일 간 겹치는 형태에 따라 요구되는 중첩 면적 비율이 달라지게 된다.

도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 코일 모듈을 나타낸 것이다.

도 8을 참조하면, (a)에서 코일 모듈(10')은 도 2 내지 5의 코일 모듈(10)과 유사하나 각 코일(1', 2', 3')의 형태가 다르다. 즉, 코일 간의 중첩되는 부분이 다르다.

제1 코일(1')은 xy 평면에 배치된 코일로서 유사하게 사각 형태의 코일이나, 한 모서리의 일부(1'a)가 yz 평면 방향으로 굴곡되어 제3 코일(3')의 길이만큼 연장되어 있다.

제2 코일(2')은 zx 평면에 배치된 코일로서 역시 유사하게 사각 형태의 코일이나, 한 모서리의 일부(2'a)가 xy 평면 방향으로 굴곡되어 제1 코일(1')의 길이만큼 연장되어 있다.

제3 코일(3')은 yz 평면에 배치된 코일로서 역시 유사하게 사각 형태의 코일이나, 한 모서리의 일부(3'a)가 zx 방향으로 굴곡되어 제2 코일(2')의 길이만큼 연장되어 있다.

여기서, 각 코일의 크기는 150 x 150 x 150mm³이며, 중첩되는 두께 t의 값에 따라 상호 인덕턴스가 변하게 된다. 도 8의 (b)는 중첩되는 두께의 변화에 따른 상호 인덕턴스를 나타낸 그래프이고, (c)는 개별 코일 간의 격리도를 나타낸 그래프이다. 도 8에 도시된 그래프를 통해, 본 발명에 따른 코일 모듈(10')이 -20dB 이하의 높은 격리도를 가진다는 것을 알 수 있다.

도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 코일 모듈의 자기장 분포를 나타낸 것이다. 도 9를 참조하면, (a)와 같이 각 코일에 전류가 흐를 때 (b)와 같이 자기장이 분포하게 된다.

도 10 및 도 11은 다양한 형태의 코일 모듈을 나타낸 것이다.

도 10을 참조하면, xy 평면 코일은 부채꼴 형태로 구성되어 있고, zx 평면 코일 및 yz 평면 코일은 휘어진 사각 형태로 구성되어 있다. 여기서 각 코일 간의 중첩을 위해 각 코일의 한 모서리는 굴곡되어 있으며, 그 굴곡 부분은 도 8과 같이 직사각형으로 이루어져 있다

도 11을 참조하면, (a)에서, xy 평면 코일, zx 평면 코일 및 yz 평면 코일은 모두 사각 형태로 구성되어 있으나, 각 코일의 한 모서리는 굴곡되어 'ㄱ'자 형태를 유지하고 있다.

(b)에서, xy 평면 코일은 부채꼴 형태로 구성되어 있고, zx 평면 코일 및 yz 평면 코일은 휘어진 사각 형태로 구성되어 있다. 역시 각 코일의 한 모서리는 굴곡되어 있는데 (a)와 유사하게 굴곡 부분이 'ㄱ'자 형태를 가지고 있다.

이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형이 가능할 것이다.

따라서 본 발명의 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명을 한정하는 것이 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 특허청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술도 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석해야 할 것이다.

1: 제1 코일(xy 평면 코일) 2: 제2 코일(zx 평면 코일)
3: 제3 코일(yz 평면 코일) 10: 코일 모듈
20: 정합회로 30: 전원 제어부
40: 송신부 100: 재구성 안테나

Claims (8)

1. xy 평면 코일, zx 평면 코일 및 yz 평면 코일이 결합된 3차원 구조의 코일 모듈을 복수 개 배열하여 구성한 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송을 위한 재구성 안테나.
2. 제1항에 있어서,
   상기 xy 평면 코일, zx 평면 코일 및 yz 평면 코일 각각의 한 모서리가 굴곡되어 있는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송을 위한 재구성 안테나.
3. 제2항에 있어서,
   상기 각 굴곡된 부분에서 상기 xy 평면 코일, zx 평면 코일 및 yz 평면 코일이 중첩되어 코일 간 격리도를 확보하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송을 위한 재구성 안테나.
4. 제1항에 있어서,
   상기 3차원 구조의 코일 모듈을 복수 개 배열하여 육면체로 구성하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송을 위한 재구성 안테나.
5. 제1항에 있어서,
   상기 3차원 구조의 코일 모듈을 복수 개 배열하여 원기둥 형태로 구성하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송을 위한 재구성 안테나.
6. xy 평면에 배치되며 한 모서리가 굴곡된 제1 사각형 코일, zx 평면에 배치되며 한 모서리가 굴곡된 제2 사각형 코일 및 yz 평면에 배치되며 한 모서리가 굴곡된 제3 사각형 코일이 상호 간에 굴곡된 부분에서 중첩 결합되어 3차원 구조의 코일 모듈을 이루고, 상기 3차원 구조의 코일 모듈이 복수 개 배열되어 그 안에 수신 코일이 배치되는 3차원 영역을 형성하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송을 위한 재구성 안테나.
7. xy 평면에 배치되며 한 변이 굴곡된 부채꼴 코일, zx 평면에 배치되며 한 변이 굴곡된 휘어진 사각형 코일 및 yz 평면에 배치되며 한 변이 굴곡된 휘어진 사각형 코일이 상호 간에 굴곡된 부분에서 중첩 결합되어 3차원 구조의 코일 모듈을 이루고, 상기 3차원 구조의 코일 모듈이 복수 개 배열되어 그 안에 수신 코일이 배치되는 3차원 영역을 형성하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송을 위한 재구성 안테나.
8. xy 평면 코일, zx 평면 코일 및 yz 평면 코일로 구성된 3차원 구조의 코일 모듈이 복수 개 배치되어 구성된 안테나와,
   상기 복수 개의 3차원 구조의 코일 모듈에 대하여 각 코일 모듈의 xy 평면 코일, zx 평면 코일 및 yz 평면 코일 각각에 송신 전력을 인가하고 위상 제어를 수행하는 송신부와,
   상기 복수 개의 3차원 구조의 코일 모듈마다 배치되어 xy 평면 코일, zx 평면 코일 및 yz 평면 코일 각각의 동작을 제어하는 전원 제어부를 포함하는 재구성 안테나 장치.

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