WO2017022972A1 - 금속 환경 자기공진 무선전력전송 시스템용 송신기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속 환경 자기공진 무선전력전송 시스템용 송신기에 관한 것으로서, 금속 물질이 존재함에 의하여 무선전력 송신기에서 공진 주파수가 변하는 경우에도 최대 공진 주파수 및 듀티비를 재탐색하여 무선전력 송신기에 적용함으로써 안정적으로 송신기에서 수신기로 전력을 전송할 수 있는 금속 환경 자기공진 무선전력전송 시스템용 송신기에 관한 것이다.

Description

금속 환경 자기공진 무선전력전송 시스템용 송신기

본 발명은 금속 환경 자기공진 무선전력전송 시스템용 송신기에 관한 것으로서, 금속 물질이 존재함에 의하여 무선전력 송신기에서 공진 주파수가 변하는 경우 최대 출력값을 갖는 구동 주파수 및 듀티비를 재탐색하여 무선전력 송신기에 적용함으로써 안정적으로 무선전력전송 시스템용 송신기에서 수신기로 전력을 전송할 수 있는 금속 환경 자기공진 무선전력전송 시스템용 송신기에 관한 것이다.

일반적으로 자기공진을 이용한 무선전력전송 시스템은 서로 떨어져 있는 공진기간에 비방사형 전자파 에너지를 공진현상에 의하여 전달하는 것으로 송신기와 수신기의 공진 주파수가 일치할 때 무선으로 전력전송이 이루어진다.

이러한 공진을 이용하여 무선으로 에너지를 전송하는 기술에 있어서는 송신 안테나와 수신 안테나 사이의 주파수가 매칭되지 않으면 전력 송신 효율이 급격히 떨어진다. 그런데, 에너지의 송신측과 수신측 사이에 금속성 이물질이 존재할 경우 이의 영향으로 공진 주파수가 변화하여 매칭이 이루어지지 않게 되므로 전력 송신의 효율이 떨어지게 되며, 종래의 기술에 의한 공진 주파수 고정형인 경우에는 정상적인 무선 전력전송을 할 수 없는 실정이다.

또한, 금속성의 이물질이 존재하는 환경하에서는 무선전력 송신기의 인덕턴스가 변화하게 되고, 이에 공진 주파수를 일정하게 유지하기 위해 무선전력 송신기의 캐패시턴스를 조절하는 방안을 고려할 수 있으나, 이는 무선전력 송신기의 사용환경을 고려하면 인덕턴스의 변화는 수시로 변화되는 것이어서 이에 맞추어 매번 캐패시턴스 값을 조정하는 것에 한계가 있다.

이를 개선하기 위하여 대한민국 등록특허 제10-1386650호에서는 도 1에 도시된 바와 같이, 자기공진유도 방식을 이용하는 무선 전력전송 시스템 내의 무선전력전송 장치가 이물질을 검출하는 방법으로서, 전류, 전압, 위상 중 적어도 하나의 변화를 검출함으로써 이물질을 검출하고, 자기장 통신 프로토콜에 따라 합류 요청 신호를 전송하여, 합류 요청 신호에 대한 응답 신호인 합류 응답 신호를 검출하고, 합류 응답 신호를 수신하지 못한 경우, 이물질의 존재를 사용자에게 알리는 것을 제안하고 있다.

그러나, 종래의 기술은 무선전력전송 장치가 단순히 이물질을 검출하여 사용자에게 알려줌으로써 사용자가 직접 이물질을 제거하도록 하고 있으나, 이물질을 제거하지 않는 경우에 무선전력전송의 효율이 급격하게 저하되는 단점을 여전히 내포고 있다.

상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은 금속물질이 존재하는 환경에서도 자기공진현상을 이용한 무선전력전송을 효율적으로 수행하기 위하여 최대 공진점을 형성하는 구동주파수 및 듀티비를 설정할 수 있도록 하기 위한 목적이 있다.

본 발명의 상기 목적은 금속 환경 자기공진 무선전력전송 시스템용 송신기에 있어서, 전원공급부; 상기 전원공급부로부터 구동전압을 공급받아 무선전력 전송에 사용될 구동 주파수 신호를 생성하는 가변 구동 주파수 신호 생성기; 상기 전원공급부로부터 구동전압을 공급받으며, 상기 가변 구동 주파수 신호 생성기에서 생성된 가변 구동 주파수 신호를 스위칭 및 증폭하는 스위칭부; 상기 스위칭부에서 공급되는 상기 가변 구동 주파수 신호에 의하여 무선전력 수신부로 무선으로 전력을 송신하는 무선전력 송신부; 상기 무선전력 송신부에서 송신하는 상기 가변 구동 주파수 신호의 진폭를 검출하는 검파부; 상기 검파부에서 검출된 상기 가변 구동 주파수 신호에 의해 상기 무선전력 송신부에서 발생되는 진폭이 미리 결정된 기준값 이상인지를 비교하는 비교기로 구성되며, 상기 비교기에서 비교한 결과, 상기 가변 구동 주파수 신호에 의하여 상기 무선전력 송신부에서 발생되는 진폭이 상기 미리 결정된 기준값 이상인 경우, 해당 주파수를 상기 무선전력 송신부의 송신 구동 주파수로 결정하고 상기 가변 구동 주파수 생성기로 피드백하여 상기 가변 구동 주파수 신호 생성기에서 송신 구동 주파수 신호를 생성하여 상기 스위칭부로 공급하는 것을 특징으로 하는 금속 환경 자기공진 무선전력전송 시스템용 송신기에 의해 달성된다.

따라서, 본 발명의 금속 환경 자기공진 무선전력전송 시스템용 송신기는 금속물질이 존재하는 환경에서도 자기공진현상을 이용한 무선전력전송을 효율적으로 수행할 수 있도록 하는 하는 효과가 있다.

도 1은 종래의 기술에 따른 무선 전력전송 시스템의 이물질 감지 방법의 흐름도,

도 2는 본 발명에 따른 금속 환경 자기공진 무선전력전송 시스템용 송신기의 블록도이다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 금속 환경 자기공진 무선전력전송 시스템용 송신기의 구성도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본원 발명의 금속 환경 자기공진 무선전력전송 시스템용 송신기의 전원공급부(100)는 직류전원인 것이 바람직하나, 교류전원을 사용하여야 하는 경우 교류전원을 컨버팅하여 직류전원으로 공급하는 것도 가능하다.

가변 구동 주파수 신호 생성기(200)은 전원공급부(100)으로부터 구동전압을 공급받아 무선전력 전송에 사용될 구동 주파수 신호를 생성한다. 가변 구동 주파수 생성기(200)는 자기공진 무선전력전송 시스템의 송신부를 구성하는 인덕터와 캐패시터의 인덕턴스(L) 및 캐패시턴스(C) 값에 의하여 결정되는 공진주파수의 ±50%의 범위내에서 제1 스윕 주파수 간격으로 구동 주파수를 가변하여 구동 주파수 신호를 생성한다.

예를들면, 자기공진 무선전력전송 시스템의 송신부의 인덕턴스 및 캐패시턴스 값에 의하여 결정되는 공진주파수가 100Khz라면 50 내지 150Khz의 범위에서 1Khz 간격으로 구동 주파수를 가변하여 구동 주파수 신호를 생성하여 스위칭부(300)로 공급한다.

이와 같이 가변 구동 주파수 신호 생성기(200)에서 생성되는 구동 주파수 신호를 직접 스위칭부(300)으로 공급하는 것이 가능하지만, 일반적으로 스위칭부(300)를 구성하는 부품들 자체의 오차범위가 존재하는 것이 일반적이며, 이러한 스위칭부(300)를 구성하는 부품들 자체의 오차를 최소화하기 위하여 구동 주파수 신호의 듀티비를 가변하는 듀티변환부(210)를 추가로 구비하여, 구동 주파수 신호의 듀티비를 조절하여 스위칭부(300)로 입력하는 것이 보다 바람직하다.

듀티변환부(210)를 추가로 구비하는 경우 듀티 기준값을 50%로 설정하고, 듀티 기준값의 ±10%의 범위에서 듀티비를 결정하여 가변하는 것이 더욱 바람직하다.

스위칭부(300)은 전원공급부(100)로부터 구동전압을 공급받으며, 가변 구동 주파수 신호 생성기(200)에서 생성된 가변 구동 주파수 신호를 스위칭 및 증폭하는 기능을 담당하며, 하프 브릿지 또는 풀 브릿지 회로를 사용하여 구성된다.

무선전력 송신부(400)은 스위칭부(300)에서 공급되는 가변 구동 주파수 신호에 의하여 무선전력 수신부(미도시)로 무선으로 전력을 송신하며, 무선전력 송신부(400)는 인덕터와 캐패시터를 병렬로 접속한 LC병렬공진에 의하여 무선으로 전력을 무선전력 수신부(미도시)로 전송한다.

검파부(500)은 무선전력 송신부(400)에서 송신하는 전압을 포락선 검파, LC비율검파, 포스터-실리(Foster-seeley)검파 또는 전압비교검파 중 어느 하나로 검파하여 센싱함으로써 무선전력 송신부(400)에서 송신하는 가변 구동 주파수 신호의 진폭를 검출한다.

이와 같이 검출된 가변 구동 주파수 신호의 진폭은 사용자가 미리 결정한 진폭의 크기인 기준값 이상인지 비교기(600)에서 비교하여 기준값 이상인 경우에는 해당 주파수 또는 듀티비를 무선전력 송신부(400)의 송신 구동 주파수 및 송신 듀티비로 결정하고, 이를 가변 구동 주파수 생성기(200) 및 듀티 변환부(210)으로 피드백 함으로써 가변 구동 주파수 생성기(200) 및 듀티 변환부(210)에서 송신 구동 주파수 및 송신 듀티비로 구동 주파수 신호를 생성하여 이를 스위칭부(300)을 거처 무선전력 송신부(400)으로 입력하여 최대 공진에 의하여 무선으로 전력을 무선전력 수신부로 전송할 수 있도록 한다.

여기에서, 사용자가 미리 결정한 진폭의 크기인 기준값은 무선전력 송신부(400)와 무선전력 수신부 사이에 금속이 존재하지 않는 경우의 진폭을 최대진폭으로 하고, 최대진폭의 일정비율 이상이 되는 값을 기준값으로 설정하며, 통상의 경우에는 최대진폭의 50%이상 진폭을 갖는 것이 보다 바람직하다.

이 경우 가변 구동 주파수 신호의 진폭은 사용자가 미리 결정한 진폭의 크기인 기준값 이상인 경우가 복수 개 존재하는 경우에는 송신 구동 주파수 및 송신 듀티비는 무선전력 송신부에서 발생되는 진폭이 미리 결정된 기준값 이상값중에서 최대 진폭값인 경우의 구동 주파수 및 듀티비를 선택한다.

또한, 가변 구동 주파수 신호의 진폭은 사용자가 미리 결정한 진폭의 크기인 기준값 이상인 경우에도 무선전력 송신기의 사용환경이 변화에 대응하기 위하여 주기적으로 송신 구동 주파수 및 송신 듀티비를 최적화하는 작업을 반복하는 것이 보다 바람직하다.

그러나, 비교기(600)에서 비교한 결과, 가변 구동 주파수 신호에 의하여 무선전력 송신부(400)에서 발생되는 진폭이 미리 결정된 기준값보다 작은 경우에는 효율적인 무선전력전송을 달성하기 어려우므로, 가변 구동 주파수 생성기를 리셋하여 이미 시행한 제1 스윕 주파수 간격보다 좁은 스윕 주파수 간격을 갖는 제2 스윕 주파수 간격으로 가변 구동 주파수 생성기(200)가 구동 주파수 신호를 생성하도록 함으로써 가변 구동 주파수 신호에 의하여 무선전력 송신부(400)에서 발생되는 진폭이 미리 결정된 기준값 이상이 될 때까지 제2 스윕 주파수 간격을 보다 좁은 간격으로 가변 구동 주파수를 생성하도록 반복한다.

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

Claims (10)

1. 금속 환경 자기공진 무선전력전송 시스템용 송신기에 있어서,

   전원공급부;

   상기 전원공급부로부터 구동전압을 공급받아 무선전력 전송에 사용될 구동 주파수 신호를 생성하는 가변 구동 주파수 신호 생성기;

   상기 전원공급부로부터 구동전압을 공급받으며, 상기 가변 구동 주파수 신호 생성기에서 생성된 가변 구동 주파수 신호를 스위칭 및 증폭하는 스위칭부;

   상기 스위칭부에서 공급되는 상기 가변 구동 주파수 신호에 의하여 무선전력 수신부로 무선으로 전력을 송신하는 무선전력 송신부;

   상기 무선전력 송신부에서 송신하는 상기 가변 구동 주파수 신호의 진폭를 검출하는 검파부;

   상기 검파부에서 검출된 상기 가변 구동 주파수 신호에 의해 상기 무선전력 송신부에서 발생되는 진폭이 미리 결정된 기준값을 이상인지를 비교하는 비교기로 구성되며,

   상기 비교기에서 비교한 결과, 상기 가변 구동 주파수 신호에 의하여 상기 무선전력 송신부에서 발생되는 진폭이 상기 미리 결정된 기준값을 이상인 경우, 해당 주파수를 상기 무선전력 송신부의 송신 구동 주파수로 결정하고 상기 가변 구동 주파수 생성기로 피드백하여 상기 가변 구동 주파수 신호 생성기에서 송신 구동 주파수 신호를 생성하여 상기 스위칭부로 공급하는 것을 특징으로 하는 금속 환경 자기공진 무선전력전송 시스템용 송신기.
2. 제1항에 있어서,

   상기 가변 구동 주파수 생성기는 상기 무선전력 송신부의 인덕턴스 및 캐패시턴에 의하여 결정되는 구동주파수의 ±50%의 범위내에서 제1 스윕 주파수 간격으로 구동 주파수를 가변하여 생성하는 것을 특징으로 하는 금속 환경 자기공진 무선전력전송 시스템용 송신기.
3. 제2항에 있어서,

   상기 비교기에서 비교한 결과, 상기 가변 구동 주파수 신호에 의하여 상기 무선전력 송신부에서 발생되는 진폭이 상기 미리 결정된 기준값보다 작은 경우 상기 제1 스윕 주파수 간격보다 좁은 스윕 주파수 간격을 갖는 제2 스윕 주파수 간격으로 상기 가변 구동 주파수 생성기가 상기 구동 주파수 신호를 생성하도록 하는 것을 특징으로 하는 금속 환경 자기공진 무선전력전송 시스템용 송신기.
4. 제1항에 있어서,

   상기 가변 구동 주파수 신호 생성기에서 생성하는 상기 구동 주파수 신호의 듀티비를 가변하는 듀티변환부를 추가로 구비하여, 상기 구동 주파수 신호의 듀티비가 가변된 신호가 상기 스위칭부로 입력되는 것을 특징으로 하는 금속 환경 자기공진 무선전력전송 시스템용 송신기.
5. 제4항에 있어서,

   상기 듀티변환부는 듀티 기준값을 50%로 설정하고, ±10%의 범위에서 듀티비를 결정하여 가변하는 것을 특징으로 하는 금속 환경 자기공진 무선전력전송 시스템용 송신기.
6. 제1항에 있어서,

   상기 스위칭부는 하프 브릿지 또는 풀 브릿지 회로를 사용하여 상기 가변 구동 주파수 신호 생성기에서 생성된 가변 구동 주파수 신호를 스위칭 및 증폭하는 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 금속 환경 자기공진 무선전력전송 시스템용 송신기.
7. 제1항에 있어서,

   상기 무선전력 송신부는 LC병렬공진에 의하여 무선으로 전력을 무선전력 수신부로 전송하는 것을 특징으로 하는 금속 환경 자기공진 무선전력전송 시스템용 송신기.
8. 제1항에 있어서,

   상기 검파부는 상기 무선전력 송신부에서 송신하는 전압을 센싱하는 포락선 검파, LC비율검파, 포스터-실리(Foster-seeley)검파 또는 전압비교검파 중 어느 하나로 검파하는 것을 특징으로 하는 금속 환경 자기공진 무선전력전송 시스템용 송신기.
9. 제5항에 있어서,

   상기 비교기에서 비교한 결과, 상기 듀티비가 가변된 상기 가변 구동 주파수 신호에 의하여 상기 무선전력 송신부에서 발생되는 진폭이 상기 미리 결정된 기준값 이상인 경우, 해당 듀티비를 상기 무선전력 송신부의 송신 듀티비로 결정하여 듀티변환부로 피드백하여 상기 가변 구동 주파수 신호 생성기에서 생성된 송신 구동 주파수 신호에 상기 송신 듀티비를 적용한 신호가 상기 스위칭부로 입력되는 것을 특징으로 하는 금속 환경 자기공진 무선전력전송 시스템용 송신기.
10. 제9항에 있어서,

    상기 송신 구동 주파수 및 상기 송신 듀티비는 무선전력 송신부에서 발생되는 진폭이 상기 미리 결정된 기준값 이상인 값중에서 최대 진폭값인 경우의 구동 주파수 및 듀티비를 선택하는 것을 특징으로 하는 금속 환경 자기공진 무선전력전송 시스템용 송신기.

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