WO2023182638A2 - 최적 공진주파수 탐색 무선전력 전송 시스템을 이용한 차량의 하중 측정 시스템 및 방법 - Google Patents

최적 공진주파수 탐색 무선전력 전송 시스템을 이용한 차량의 하중 측정 시스템 및 방법 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a system and method for measuring vehicle load. More specifically, the present invention not only provides a power transmission system capable of supplying power, but also relates to a system and method that can easily, accurately and efficiently measure the load of a vehicle without installing additional devices.
  • Load is an external force applied to an object or structure, and this external force is usually gravity.
  • a sensor that measures load attaches a metal foil-type strain gauge to a load cell and amplifies the slight change in resistance of the strain gauge due to change in load (force) in an electronic circuit into a large signal change. It is created, utilized, and applied to all industries.
  • load cells which are sensors that measure load, typically use 4 to 5 wires, including power lines (2) and signal lines (2), as well as a shield wire (1), and the load cell uses 4 to 5 wires depending on the length of the wire and installation condition. Instability of measurement due to noise inflow and signal errors is pointed out as a very inconvenient factor in the field.
  • the basic structure is a metal foil-type strain gauge
  • the change in resistance of the strain gauge (commonly referred to as Gauge factor) depending on the load is very small.
  • the sensor value fluctuates significantly depending on temperature. There is the inconvenience of having to install an additional temperature compensation circuit.
  • an overloaded vehicle refers to a vehicle that is loaded with more baggage than its designed loading capacity, and is pointed out as the main cause of air pollution due to road damage and excessive exhaust fumes.
  • conventional technologies that can measure the vehicle's own weight include a system applied to a leaf spring-type vehicle that measures the weight of the vehicle by attaching a strain gauge to the leaf spring and measuring the amount of deformation, and the air pressure of the air spring. It can be divided into a pressure system that measures the weight of the vehicle using a pressure system, a load cell system that measures the weight of the vehicle by applying a load cell, and a hydraulic gauge system that can only measure the weight of the vehicle's cargo box.
  • the strain gauge installed on the leaf spring is connected to the vehicle's central control device through a cable.
  • the cable connecting the strain gauge and the central control device is broken, making maintenance and repair difficult.
  • the present invention not only provides a power transmission system that can supply power with maximum efficiency to various sensors mounted on vehicles, etc., but also provides a system and method that can easily, accurately and efficiently measure load without installing additional devices. Make it the problem you want to solve.
  • the present invention solves the problem of providing a system and method that can easily measure the load of a vehicle without additionally installing a vehicle load measuring device, which is essential depending on the entrance or exit of a construction site, entry or exit from a specific road, bridge, or driving situation. Make it an assignment.
  • the present invention provides a system and method that can effectively and quickly search for the optimal resonance frequency for maximum power transmission even when system usage conditions, such as changes in transmission distance, change in a magnetic resonance coupling wireless power transmission system. Make it a task to solve.
  • the present invention aims to solve the problem of providing an optimal resonant frequency search system and method for maximum wireless power transmission using a simple search system and efficient search method.
  • the present invention aims to solve the problem of providing an optimal resonant frequency search system and method that can more precisely and accurately search for and find the optimal resonant frequency that can substantially increase the power transmission efficiency of the wireless power transmission system.
  • the present invention uses a magnetic resonance wireless power transmission system equipped with a power transmission unit (Tx) and a power reception unit (Rx) installed in a vehicle whose height changes depending on the load of the vehicle including the load.
  • Tx power transmission unit
  • Rx power reception unit
  • the measurement method (a) searching for the optimal resonant frequency according to the change in transmission distance by using the system frequency change according to the load change; (b) deriving an optimal resonance frequency variation relational expression according to the transmission distance variation; and (c) calculating the amount of change in transmission distance from the variation relational expression and deriving the load from the amount of change in transmission distance.
  • the wireless power transmission system may be a self-resonant wireless power transmission system that includes a power transmission unit (Tx) mounted on the wheel housing of the vehicle and a power reception unit (Rx) mounted inside the tire.
  • Tx power transmission unit
  • Rx power reception unit
  • the power transmission unit (Tx) and the power reception unit (Rx) are installed in at least one wheel and a wheel housing surrounding the wheel, and multiple load measurement values are calculated, the average value of the multiple measurement values is calculated as the load value. It may include a step of deciding.
  • step (a) includes: (a1-1) setting the system frequency within a preset frequency variable range and transmitting power from the transmitting unit to the receiving unit; (a1-2) measuring the output voltage value of the power receiver according to the set system frequency; (a1-3) determining a resonant frequency as an optimal resonant frequency when the measured output voltage value is greater than or equal to a preset reception voltage determination value; and (a1-4) varying the system frequency within the frequency variable range and repeating steps (a1-1) and below.
  • step (a) includes (a2-1) setting the system frequency within a preset frequency variable range and transmitting power from the transmitting unit to the receiving unit; (a2-2) measuring the current value of the power transmission unit, the output voltage value of the power receiver, and the output current value according to the set system frequency; (a2-3) If the measured output voltage value is higher than the preset received voltage judgment value, power is transmitted using the current value and voltage value of the transmitter measured at the resonant frequency and the output voltage value and output current value of the power receiver. calculating efficiency; (a2-4) varying the system frequency within the frequency variable range and repeating steps (a2-1) and below; and (a2-5) determining the maximum resonance frequency among the calculated power transmission efficiencies as the optimal resonance frequency.
  • step (c) includes: (c1) calculating the amount of change in transmission distance according to the change relational equation from the change value of the obtained optimal resonant frequency; and (c2) deriving the load of the object mounted on the vehicle using the calculated transmission distance variation and a preset suspension spring constant (k) of the vehicle.
  • the received voltage decision value for the measured stabilized output voltage value (Vr) may be greater than the received voltage decision value for the measured DC output voltage value (V).
  • the present invention provides a self-resonant wireless power transmission system equipped with a power transmission unit (Tx) and a power reception unit (Rx) installed in a vehicle whose height changes depending on the load of the vehicle including cargo.
  • a power transmission unit (Tx) including an AC/DC conversion circuit, a DC/RF conversion circuit, a matching circuit, a control circuit, and a communication circuit, and a matching circuit and a rectifier mounted inside the tire.
  • a wireless power transmission system that searches for the optimal resonant frequency; And a load measurement unit that uses frequency variation at the time of load change to derive an optimal frequency change relationship according to the change in transmission distance due to the vehicle movement, and measures the load from the amount of change in transmission distance calculated from the change relationship.
  • the self-resonant wireless power transmission system may be a self-resonant wireless power transmission system that includes a power transmission unit (Tx) mounted on the wheel housing of the vehicle and a power reception unit (Rx) mounted inside the tire.
  • Tx power transmission unit
  • Rx power reception unit
  • the transmitter transmits power to the power receiver by varying the system frequency within a preset frequency variable range, and the output voltage value measured at the power receiver is the preset reception voltage. At least one of the resonant frequencies that are above the decision value may be determined as the optimal resonant frequency.
  • the transmitter transmits power to the power receiver by varying the system frequency within a preset frequency variable range, and the output voltage value measured at the power receiver is preset. If it is higher than the voltage determination value, the resonance frequency of the maximum value among at least one power transmission efficiency calculated using the current value and voltage value of the power transmission unit measured at the resonant frequency and the output current value and output voltage value of the power receiver is optimized. It may be determined by the resonance frequency.
  • the output voltage value may be a DC output voltage value (V) or a stabilized output voltage value (Vr) measured between the stabilization circuit of the power receiving unit and the DC conversion circuit
  • the current value of the transmitting unit may be the It may be an input current value (A) measured between the AC/DC conversion circuit and the DC/RF conversion circuit, or between the DC/RF conversion circuit and the matching circuit.
  • optimal resonance is achieved by varying the system frequency in order to supply wireless power to various sensors mounted on the wheels and wheel housing of the vehicle. It not only provides a wireless power transmission system with maximum power transmission efficiency by effectively searching frequencies, but also provides a system and method that can accurately and effectively measure load using a wireless power transmission system without additional sensors or devices. .
  • the output voltage value is measured by varying the frequency within a preset system frequency in a wireless power transmission system using self-resonant coupling of the transmitter and power receiver. And, if it is more than a preset decision value, the optimal resonant frequency is determined, and a simple search system and efficient search method are provided to provide an optimal resonant frequency search system and method for maximum wireless power transmission.
  • the optimal resonant frequency search method for maximum power transmission calculates power transmission efficiency using the current value of the transmission unit and the current and voltage values of the power reception unit, and determines the maximum value among the calculated power transmission efficiency values.
  • an optimal resonant frequency search system can more precisely and accurately search for and find the optimal resonant frequency that can substantially increase the power transmission efficiency of the wireless power transmission system. and methods are provided.
  • the optimal resonant frequency search method for maximum power transmission provides a system and method that can vary and search the transmission distance at preset variable intervals within a preset transmission distance range in which self-resonance coupling is possible, Provides a system and method for searching for the optimal resonant frequency for efficient maximum power transmission that can be applied to environments where transmission distances change or to various systems or home appliances.
  • Figure 1 shows a schematic diagram showing the flow of a load measurement method using an optimal resonance frequency search wireless power transmission system according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 shows a schematic diagram showing the block configuration of a load measurement system using an optimal resonance frequency search wireless power transmission system according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 3 shows a schematic diagram of a graph showing the optimal resonant frequency relationship according to the transmission distance obtained by applying the optimal resonant frequency search system and method as an embodiment of the present invention.
  • Figure 4 shows a conceptual schematic diagram showing the amount of variation in the transmission distance of the power transmission unit (Tx) and the power reception unit (Rx) depending on the load mounted on the vehicle.
  • Figure 5 shows a schematic diagram showing an example of applying a vehicle load measurement system and method to a vehicle using an optimal resonance frequency search wireless power transmission system according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 6 shows a schematic diagram showing the flow of an optimal resonance frequency search method for maximum power transmission according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 shows a block configuration diagram of the optimal resonant frequency search wireless power transmission system 10 in which the present invention illustrated in FIG. 6 is applied to the optimal resonant frequency search method for maximum power transmission according to an embodiment.
  • FIG. 8 shows a block configuration diagram of a wireless power transmission system for searching for the optimal resonant frequency applied to the method for searching for the optimal resonant frequency for maximum power transmission in another embodiment of FIG. 6.
  • Figure 9 shows a schematic diagram showing the flow of an optimal resonance frequency search method for maximum power transmission according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 shows a block configuration diagram of the optimal resonant frequency search wireless power transmission system illustrated in FIG. 9, which is applied to the optimal resonant frequency search method for maximum power transmission according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 shows a block configuration diagram of a wireless power transmission system for searching for the optimal resonant frequency applied to the method for searching for the optimal resonant frequency for maximum power transmission in another embodiment of FIG. 9.
  • Figure 12 shows a graph showing the power receiver output voltage and transmission efficiency response characteristics according to frequency change using the optimal resonant frequency search method according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 13 is a graph showing the response characteristics of the power receiver output voltage and transmission efficiency according to frequency change using the optimal resonant frequency search method according to an embodiment of the present invention. Frequency response characteristics of searching for the optimal resonant frequency while lowering the transmission distance. Show a graph.
  • Figure 14 is a graph showing the response characteristics of the power receiver output voltage and transmission efficiency according to frequency change using the optimal resonant frequency search method according to an embodiment of the present invention. Frequency response characteristics of searching for the optimal resonant frequency while increasing the transmission distance. Show a graph.
  • Figure 1 shows a schematic diagram showing the flow of a load measurement method using the optimal resonance frequency search wireless power transmission system 10 according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 shows the optimal resonance frequency search wireless power transmission system 10 according to an embodiment of the present invention
  • a schematic diagram showing the block configuration of the load measurement system 1000 using the power transmission system 10 is shown
  • Figure 3 shows the transmission distance (d) shown by applying the optimal resonance frequency search system and method as an embodiment of the present invention.
  • It shows a schematic diagram of a graph showing the optimal resonance frequency relationship according to the 5 shows a schematic diagram showing an example of applying the load measurement system 1000 and method using the optimal resonance frequency search wireless power transmission system 10 according to an embodiment of the present invention to a vehicle.
  • the load measurement method using the optimal resonance frequency search wireless power transmission system 10 is installed on a vehicle whose height changes depending on the load of the vehicle including the load.
  • the load measurement method using the self-resonant wireless power transmission system 10 provided with the power transmission unit 100 (Tx) and the power reception unit 200 (Rx)
  • (a) the system frequency is changed at the time of the change in the load.
  • the present invention supplies wireless power to sensors that are mounted in locations where wired power supply is difficult in a vehicle and are powered by batteries, for example, air pressure sensors mounted on wheels, etc., thereby omitting separate wires or batteries.
  • the height of the garage may change depending on the load, and the resonant frequency of the wireless power transmitted from the transmitting unit to the receiving unit must be changed accordingly, and the present invention provides data acquired in the process of adjusting the resonant frequency. Based on this, the load of the vehicle can be measured.
  • the load measurement system 1000 using the optimal resonance frequency search wireless power transmission system 10 is a load measurement system 1000 using the self-resonant wireless power transmission system 10.
  • the measurement system 1000 includes a power transmission unit 100 (Tx) and a power reception unit 200 (Rx) that receives power from the power reception unit 200 (Rx), and optimal resonance is achieved by varying the system frequency.
  • the optimal resonant frequency search wireless power transmission system 10 determines the frequency by searching, and the optimal frequency variation relation according to the variation of the transmission distance (d) is derived using the frequency variation according to the load change, and calculated from the variation relation. It may include a load measuring unit 20 that measures the load from the amount of change in the transmission distance (d).
  • the power receiving unit 200 which constitutes the wireless power transmission system 10 installed in a vehicle, can supply received power to the sensor 30, etc., which is mounted in a location where wired connection is difficult or battery installation is inefficient.
  • a system may be assumed in which a power transmission unit is mounted on a wheel housing, and a power reception unit and sensors are installed inside the wheel or tire.
  • the load measurement system 1000 and method using the optimal resonant frequency search wireless power transmission system 10 include a power transmission unit 100 that searches for and obtains the optimal resonant frequency according to system frequency variation. ) and a power receiving unit 200, which relates to a system and method for measuring the load using an optimal resonance frequency search wireless power transmission system 10, wherein the vehicle height changes depending on the load of the vehicle including the load.
  • the optimal resonance frequency is searched and searched by changing the system frequency at the time of the load change.
  • a system and method for measuring load from the amount of change in transmission distance (d) calculated according to the obtained optimal resonant frequency change value is provided.
  • the present invention effectively searches for the optimal resonance frequency by varying the system frequency in order to supply wireless power to various sensors (for example, air pressure sensors, etc.) mounted on the wheels and wheel housings of the vehicle, thereby achieving maximum power transmission efficiency.
  • various sensors for example, air pressure sensors, etc.
  • step (a) is a step of searching for the optimal resonance frequency according to the change in transmission distance (d) using frequency variation at the time of load change (S100),
  • S100 time of load change
  • the resonance frequency of can be determined as the optimal resonance frequency, and at least one power transmission calculated using the current value of the power transmission unit 100 measured at the resonance frequency and the output current value and output voltage value of the power reception unit 200.
  • the resonance frequency with the highest value among efficiency can be determined as the optimal resonance frequency.
  • the process (step (a) (S100)) of using the optimal resonance frequency search system and method using such system frequency variation will be described in more detail later with reference to FIGS. 6 to 14.
  • Step (b) (S200) is a step of deriving the optimal resonant frequency change relational expression according to the change in the transmission distance (d).
  • the process of searching for the optimal resonant frequency using the system frequency change in step (a) is performed to determine the change in the transmission distance (d).
  • a relationship graph for the change in the optimal resonant frequency according to the change in transmission distance (d) can be derived.
  • the change in the transmission distance (d) according to the optimal resonant frequency can be found. Therefore, in the embodiment of the present invention, the change in the load is explained in detail at the time of the load change. Through steps (a) and (b), it is possible to calculate the amount of variation ( ⁇ ) in the transmission distance (d) corresponding to the compression amount of the rigid structure.
  • Step (c) is a step of calculating the amount of variation in transmission distance (d) from the variation relationship derived in step (b) (S400) and deriving a load from the amount of variation in transmission distance (d), where the calculated transmission distance (d) Since the amount of variation and the amount of compression of the rigid structure that appear when the load changes are the same, the amount of compression of the rigid structure is proportional to the load, so the load can be calculated or measured by knowing the stiffness constant (k) corresponding to the constant of proportionality. Yes. (S500)
  • the optimal resonance frequency with maximum power transmission efficiency is determined under the condition that the output of the power receiving unit 200 (Rx) is constant.
  • the amount of change in transmission distance (d) according to the change in the optimal resonant frequency can be calculated using the previously confirmed relationship graph data of FIG. 3, and from the calculated amount of change in transmission distance (d), the following [Equation 1] ], the load measuring unit 20 can accurately and effectively measure the load.
  • d represents the transmission distance (d) corresponding to the distance between the transmission unit (Tx) and the power reception unit 200 (Rx)
  • k represents the rigidity constant of the rigid structure
  • the load change amount ( ⁇ is the change in load Indicates the amount of change in load at a point in time.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing an example of applying the load measurement system 1000 and method using the optimal resonance frequency search wireless power transmission system 10 according to an embodiment of the present invention to a vehicle.
  • the tires of a vehicle such as a truck can be connected to the vehicle structure through a shock absorber with spring rigidity, that is, the transmission unit 100 (Tx) is installed in the wheel housing, and the inside of the wheel
  • a self-resonant wireless power transmission system 10 in which a power receiving unit 200 (Rx) can be installed may be provided.
  • the transmission distance (d) when a load is placed on the vehicle, the distance between itself and the tire, that is, the transmission distance (d), changes depending on the spring stiffness in proportion to the load. As shown in Figure 5, there is a change in the car body above the tire. With the power transmission unit 100 (Tx) installed and the power reception unit 200 (Rx) attached to the inner liner of the tire, the optimal resonance frequency with maximum efficiency is searched through the above-described optimal resonance frequency search process.
  • the transmission distance (d) can be calculated or measured from the relationship between the resonant frequency and the transmission distance (d), and the amount of change (increase or decrease) in the load can be measured through the amount of change in the measured transmission distance (d).
  • the load measurement system 1000 and method using the optimal resonance frequency search wireless power transmission system 10 include various sensors such as a tire acceleration sensor that are connected to the power receiving unit 200. At the same time as supplying power to the vehicle, the load of the vehicle can be measured at the same time as additional information without having to add a tire pressure sensor.
  • Figure 6 is a schematic diagram showing the flow of the optimal resonant frequency search method for maximum power transmission according to an embodiment of the present invention
  • Figure 7 is a schematic diagram showing the optimal resonant frequency for maximum power transmission according to the embodiment of the present invention illustrated in Figure 6.
  • It is a block configuration diagram of the optimal resonance frequency search wireless power transmission system 10 applied to the search method
  • FIG. 8 is a block diagram of the optimal resonance frequency search wireless power transmission system 10 applied to the optimal resonance frequency search method for maximum power transmission in another embodiment of FIG. 6.
  • This is a block configuration diagram of the power transmission system 10.
  • the optimal resonant frequency search method for maximum power transmission is the wireless power transmission system 10 using magnetic resonance coupling of the power transmission unit 100 and the power reception unit 200.
  • a resonant frequency search method comprising: (a1-1) setting a system frequency within a preset frequency variable range and transmitting power from the transmitting unit 100 to the power receiving unit 200; (a1-2) measuring the output voltage value of the power receiving unit 200 according to the set system frequency; (a1-3) determining a resonant frequency as an optimal resonant frequency when the measured output voltage value is greater than or equal to a preset reception voltage determination value; and (a1-4) varying the system frequency within the frequency variable range and repeating steps (a1-1) and below.
  • the optimal resonance frequency search method for maximum power transmission is a system frequency preset in the wireless power transmission system 10 using magnetic resonance coupling of the power transmission unit 100 and the power reception unit 200.
  • An optimal resonant frequency search system and method for maximum power transmission with a simple system configuration and method. provides.
  • the power transmission unit (Tx) and power reception unit (Rx) are installed on a plurality of wheels and wheel housings, and the resonance frequency through each power transmission unit (Tx) and power reception unit (Rx)
  • the average value of the multiple measurement values may be determined as the final load value to increase the reliability of the calculated load measurement values even if there are causes of load value error such as vehicle load eccentricity. there is.
  • the optimal resonant frequency search system shown in FIGS. 7 and 8 may be a system according to each embodiment for applying the optimal resonant frequency search method for maximum power transmission according to the embodiment of the present invention in FIG. 6.
  • the optimal resonance frequency search system is a wireless power transmission system 10 using self-resonance coupling, and includes an AC/DC conversion circuit 110 and a DC/RF conversion circuit. (120), a transmission unit 100 that transmits power, including a matching circuit 130, a control circuit 150, and a communication circuit 160; and a power receiving unit 200 including a matching circuit 210, a rectifier circuit 220, a stabilizing circuit 230, a DC/DC conversion circuit 240, a control circuit 250, and a communication circuit 260.
  • a matching circuit 210 including a rectifier circuit 220, a stabilizing circuit 230, a DC/DC conversion circuit 240, a control circuit 250, and a communication circuit 260.
  • the above-mentioned power transmission unit 100 changes the system frequency within a preset frequency variable range to transmit power to the power receiving unit 200, and the output voltage value measured at the power receiving unit 200 is received at a preset level. If it is greater than the voltage determination value, the maximum power transmission efficiency calculated using the current value and voltage value of the power transmission unit 100 measured at the resonant frequency and the output current value and output voltage value of the power reception unit 200.
  • the resonant frequency of the value may be determined as the optimal resonant frequency.
  • the wireless power transmission system 10 applied to the embodiment of the present invention is located within the transmission distance d from the power transmission unit 100 for transmitting power, and is connected to the power transmission unit 100 described above through the magnetic resonance effect. It may be composed of a power receiving unit 200 that receives transmitted power.
  • the power transmission unit 100 includes an AC/DC conversion circuit 110 that converts AC input current to DC, a DC/RF conversion circuit 120 that converts DC converted in the DC conversion circuit into RF, and converts DC into RF power.
  • a control circuit 150 that controls the resonant frequency when converted, a matching circuit 130 for self-resonance coupling, a transmission coil connected to the matching circuit 130, and a communication circuit 160 that transmits and receives voltage or current signals. ) may be configured to include.
  • the power receiving unit 200 is a resonance circuit that generates a self-resonance effect including a power reception coil and a matching circuit 220 for coupling within a certain transmission distance with the transmission coil, and a high-frequency received power signal at a rear end of the resonance circuit.
  • DC/DC conversion circuit 250 a control circuit that receives the current signal from the above-described rectifier circuit 220 and the voltage and/or current signal received from the output terminal of the DC/DC conversion circuit 250, and generates a feedback control signal ( 250) and a communication circuit 250 that transmits a feedback control signal to the communication circuit 160 of the power transmission unit 100.
  • the optimal resonant frequency search system is a first system for applying the optimal resonant frequency search method of FIG. 1, and changes the preset frequency through the control circuit of the power transmission unit 100. While varying the system frequency within the range, the output voltage (V) is measured at the output terminal of the DC/DC conversion circuit 240 of the power receiving unit 200, and the measured output voltage is determined to be a resonance frequency higher than the preset determination voltage as the optimal resonance frequency. can be decided.
  • the optimal resonant frequency search system is a second system of another embodiment for applying the optimal resonant frequency search method of FIG. 6, and is a control circuit 150 of the power transmission unit 100) While varying the system frequency within a preset frequency variable range, the stabilization output voltage (Vr) is measured between the stabilization circuit 230 and the DC/DC conversion circuit 240 of the power receiving unit 200, and the measured stabilization A resonant frequency at which the output voltage (Vr) is greater than a preset output voltage determination value can be determined as the optimal resonant frequency.
  • the system frequency is set to a frequency within the variable frequency range preset by the system through the control circuit of the transmission unit 100 of the first system and the second system, and the power reception unit 200 through the matching circuit 130 and the transmission coil.
  • transmit power to Power is received through a resonance circuit including the receiving coil of the power receiving unit 200 and the matching circuit 220, and power is transmitted through the rectifier circuit 220, stabilization circuit 230, and DC/DC conversion circuit 240.
  • the output voltage value is measured at the output terminal of the DC/DC conversion circuit 240 through the stabilization voltage meter 235, and the measured signal is transmitted to the transmission unit through the control circuit 260 and the communication circuit 250.
  • the control circuit 150 of the power transmission unit 100 compares the received output voltage value with a preset output voltage decision value, and if the output voltage value is greater than the decision value and the system frequency is the resonant frequency, this system frequency is set as the optimal resonant frequency. can be decided. Then, as shown in FIG. 1, the first system and the second system can repeat the above-described process while changing the system frequency within a preset frequency variable range to search for and determine at least one optimal resonant frequency. .
  • the change in system frequency may be an upward change in which the system frequency is changed to a higher frequency than the system frequency of the previous step, or a downward change in which the system frequency is changed to a lower frequency than the previous step's system frequency.
  • the output voltage value received by the control circuit 150 of the power transmission unit 100 from the power reception unit 200 is not higher than the preset output voltage determination value, or the system frequency is resonance. If it is not the frequency, or after determining the system frequency as the optimal resonant frequency, the system frequency can be changed to another frequency within the preset variable range. It can be a downward variable that decreases from the largest frequency in the preset variable range, and the lowest. It can be a rising variable that increases the frequency.
  • the optimal resonant frequency may be the ideal resonant frequency when power transmission efficiency is highest in a wireless power transmission system, but by comprehensively considering the output voltage and operating efficiency of the system, set at least one resonant frequency as the optimal resonant frequency or This can be determined, and the method of searching for it can also be applied by changing from the lowest system frequency to a high frequency and searching by changing from the highest system frequency to a low frequency. Therefore, the optimal resonant frequencies found through the two methods may be different.
  • the optimal resonant frequency for maximum power transmission can be quickly, stably, and efficiently searched by varying the preset frequency interval.
  • the search process may be terminated, which may be an error in setting the system frequency within the preset variable range. This is because the search has ended and there is no reason to search further as the frequency is outside the variable range.
  • the optimal resonance frequency search method is a transmission distance ( d) can be varied and searched.
  • the distance between the transmitting unit 100 and the receiving unit 200 can be varied, This is to search for the optimal resonant frequency for maximum power transmission in an environment where the distance (d) changes.
  • the output voltage value applied to the optimal resonant frequency search method may be the DC output voltage value (V) of the first system power receiver 200, and the DC output voltage value (V) of the second system power receiver 200. It may be a stabilized output voltage value (Vr).
  • the output voltage value of the first system is a value measured by a voltage meter 245 at the output terminal of the DC/DC conversion circuit 240, and as shown in FIG. 3, the second system
  • the stabilization output voltage value (Vr) of the system may be a measurement value measured by the stabilization voltage meter 235 between the stabilization circuit 230 and the DC/DC conversion circuit 240.
  • the stabilization circuit 230 of the second system is a rectifier circuit of the power receiving unit 200 to prevent the risk of damage to the device and ensure system stability due to severe fluctuations in the output voltage value due to load fluctuations at the output stage.
  • Output stability can be improved by providing a stabilization circuit 230 between 220 and the DC/DC conversion circuit 240.
  • the output voltage value is set to the stabilized output voltage value (Vr) measured between the stabilization circuit 230 and the DC/DC conversion circuit 240, thereby providing a more stable
  • Vr stabilized output voltage value
  • the received voltage determination value for the measured stabilized output voltage value (Vr) may be greater than the received voltage determination value for the measured DC output voltage value (V). This is because the stabilized output voltage has the characteristic of increasing or decreasing in proportion to the amount of received power.
  • Figure 9 is a schematic diagram showing the flow of the optimal resonant frequency search method for maximum power transmission according to another embodiment of the present invention
  • Figure 10 is a schematic diagram showing the optimal resonant frequency search method for maximum power transmission according to the embodiment of the present invention illustrated in Figure 9.
  • It is a block configuration diagram of the optimal resonant frequency search wireless power transmission system 10 applied to the resonant frequency search method
  • FIG. 11 shows the optimal resonant frequency applied to the optimal resonant frequency search method for maximum power transmission in another embodiment of FIG. 9.
  • This is a block configuration diagram of the search wireless power transmission system 10.
  • the optimal resonant frequency search system is a third system for applying the optimal resonant frequency search method of FIG. 9, and is searched in advance through the control circuit 150 of the power transmission unit 100. While varying the system frequency within the set frequency variable range, measure the input current value (A) of the power transmission unit 100 and the output voltage (V) value at the output terminal of the DC/DC conversion circuit 240 of the power reception unit 200. , If the measured output voltage value (V) is higher than the preset received voltage judgment value, power transmission efficiency is calculated through the input current value (A) and output voltage value (V) at the system frequency, and resonance corresponding to the maximum value is calculated. The frequency can be determined as the optimal resonant frequency.
  • the current value of the power transmission unit 100 may be an input current value (A) measured between the AC/DC conversion circuit and the DC/RF conversion circuit, or between the DC/RF conversion circuit and the matching circuit. there is.
  • the optimal resonant frequency search system according to the embodiment of the present invention shown in FIG. 11 is a fourth system of another embodiment for applying the optimal resonant frequency search method of FIG. 9, and is a fourth system of another embodiment for applying the optimal resonant frequency search method of FIG. ), while varying the system frequency within a preset frequency variable range, between the input current value (A) of the power transmission unit 100 and the stabilization circuit 230 and the DC/DC conversion circuit 240 of the power reception unit 200.
  • the input current value (A), output current value (A) and Power transmission efficiency can be calculated through the stabilized output voltage value (Vr), and the resonance frequency corresponding to the maximum value can be determined as the optimal resonance frequency.
  • the optimal resonance frequency search method searches for the resonance frequency of the wireless power transmission system 10 using magnetic resonance coupling of the power transmission unit 100 and the power reception unit 200.
  • (a2-3) When the measured output voltage value is greater than or equal to the preset received voltage determination value, the current value and voltage value of the power transmission unit 100 and the output voltage value and output current of the power receiving unit 200 measured at the resonant frequency.
  • Calculating power transmission efficiency using the value (a2-4) varying the system frequency within the frequency variable range and repeating steps (a2-1) and below; and (a2-5) determining the maximum resonance frequency among the calculated power transmission efficiencies as the optimal resonance frequency.
  • a frequency within a preset system variable range is set as the system frequency and power is transmitted through the power transmission unit 100. If the set system frequency does not fall within the preset variable range, the search for the optimal resonant frequency through the system ends. This is because, as described above, if the set system frequency is an incorrectly set frequency outside the preset variable range, or if the search process that proceeded normally is outside the variable range, the search process may be terminated.
  • the input current values of the power transmission unit of the third and fourth systems are measured, and the output current and voltage values of the power reception unit 200 are measured.
  • the measured output voltage value is higher than the preset received voltage judgment value, it is determined whether the system frequency corresponds to the resonant frequency, and if it corresponds to the resonant frequency, the input current value measured in the transmission unit 100 at the corresponding frequency
  • the power transmission efficiency is calculated using the current and voltage values measured in the power receiving unit 200.
  • the measured output voltage value is not equal to or higher than the preset received voltage determination value or if the system frequency is not the resonant frequency, the above-described system frequency setting steps are repeated.
  • the embodiment of the present invention such as the variable frequency range setting range, the search method according to the direction of frequency change, and the optimal frequency search method according to the change in transmission distance (d), are the same as the embodiment of FIG. 6, the following description will be omitted. do.
  • the optimal resonant frequency search method for maximum power transmission measures the input current value, output current value, and output voltage value, and transmits power using the measured values.
  • a search method to calculate efficiency and determine the maximum value among the calculated power transfer efficiency values as the optimal resonant frequency with maximum power transfer efficiency, we propose a search method for more direct maximum power transfer and power transfer of the system. The advantage is that the optimal resonant frequency that can substantially increase efficiency can be searched and found more precisely and accurately.
  • Figure 12 shows a graph showing the power receiver output voltage and transmission efficiency response characteristics according to frequency change using the optimal resonant frequency search method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 it is a graph showing the reception voltage and transmission efficiency response characteristics according to frequency change of a system with a matching circuit optimized for a resonant frequency of 205.8 kHz and a transmission distance (d) of 80 mm.
  • a search method that varies the frequency is 1
  • a downward variable method, which varies the frequency from the highest frequency to a lower frequency within a preset frequency variable range, and an upward variable method, which varies the frequency from the lowest frequency to a higher frequency within a preset frequency variable range, can be applied. .
  • the preset variable frequency range is defined as 185 kHz to 215 kHz, and the optimal resonance frequency search process according to an embodiment of the present invention is performed using the first system and the third system. If the optimal resonant frequency is searched by applying the drop variable method 1 at the highest frequency, 215 kHz, it can be seen that the output voltage of the power receiver 200 has reached the preset output voltage judgment value (5V) at 205.8 kHz. Since the power transmission efficiency is maximum at this time, the optimal resonance frequency search result for this system is determined to be 205.8 kHz.
  • the optimal resonance frequency search result for this system is determined to be 200 kHz.
  • the optimal resonant frequency search process of step (a) illustrated in FIGS. 1 and 2 is performed.
  • the load measurement system 1000 and method using the same are described above with reference to FIGS. 1 to 5.
  • Figure 13 is a graph showing the output voltage and transmission efficiency response characteristics of the power receiving unit 200 according to frequency change using the optimal resonant frequency search method according to an embodiment of the present invention, and the optimal resonant frequency is determined by lowering the transmission distance (d). A frequency response characteristic graph that explores is shown.
  • Figure 13 (a) is a graph showing the output voltage and transmission efficiency response characteristics of the power receiving unit 200 according to frequency change when the transmission distance (d) is 80 mm
  • Figure 13 (b) is a graph showing the transmission distance (d) 60 mm. It is a graph showing the output voltage and transmission efficiency response characteristics of the power receiving unit 200 according to the frequency change
  • (c) in Figure 13 is the output of the power receiving unit 200 according to the frequency change when the transmission distance (d) is 20 mm.
  • a graph showing voltage and transmission efficiency response characteristics is shown.
  • the optimal resonant frequency search method uses the first system or the second system, and the system is matched with an optimized system from 80 mm to 205.8 kHz ( In the case of re-searching for the optimal resonant frequency under different conditions ((a) of Figure 13), transmission distance (d) of 60mm ((b) of Figure 13) and 20mm ((c) of Figure 13), 1
  • the frequency drop variable search method or the frequency increase variable search method 2 can be applied.
  • the optimal resonant frequency that meets each search condition with different transmission distance (d) can be found, and as the transmission distance (d) decreases, the optimal resonant frequency that meets the search conditions can be applied.
  • the optimal resonant frequency is decreasing proportionally, and it can be confirmed that the frequency range between the optimal resonant frequencies searched by methods 1 and 2 according to each condition is widening as the transmission distance (d) decreases. You can. In other words, it can be seen that as the transmission distance (d) gets closer, the optimal resonance frequency can appear in a wider range.
  • the power receiving unit 200 for searching for the optimal resonant frequency The output voltage judgment value is exemplified as 5V.
  • Figure 14 is a graph showing the output voltage and transmission efficiency response characteristics of the power receiving unit 200 according to frequency change using the optimal resonance frequency search method according to an embodiment of the present invention.
  • the optimal resonance frequency is increased by increasing the transmission distance (d).
  • a graph of experimental response characteristics exploring is shown.
  • Figure 14 (a) is a graph showing the output voltage and transmission efficiency response characteristics of the power receiving unit 200 according to frequency change when the transmission distance (d) is 80 mm
  • Figure 14 (b) is a graph showing the transmission distance (d) of 100 mm. It is a graph showing the output voltage and transmission efficiency response characteristics of the power receiving unit 200 according to the frequency change
  • (c) in Figure 14 is the output voltage of the power receiving unit 200 according to the frequency change when the transmission distance (d) is 120 mm. and a graph showing transmission efficiency response characteristics.
  • the optimal resonant frequency search method uses the first system or the second system, and the system is matched with an optimized system from 80 mm to 205.8 kHz ( In the case of re-searching for the optimal resonant frequency under different conditions ((a) of Figure 14) and the transmission distance (d) of 100 mm ((b) of Figure 14) and 120 mm ((c) of Figure 14), 1
  • the frequency drop variable search method or the frequency increase variable search method 2 can be applied.
  • the optimal resonant frequency that meets each search condition with different transmission distance (d) can be found, and methods 1 and 2 are used depending on each condition.
  • the frequency range between the optimal resonance frequencies searched for is narrowing as the transmission distance (d) increases.
  • the transmission distance (d) becomes shorter, it becomes easier to receive power than the initially set system, so the frequency range in which the output voltage is measured as a judgment value widens.
  • the stable range of the output voltage tends to decrease as it becomes difficult to receive it.
  • the frequency is varied according to the optimal resonant frequency search method according to an embodiment of the present invention and the optimal resonant frequency is searched.
  • wireless power with optimal power transmission efficiency can be supplied to various sensors installed on the wheels or wheel housings of industrial vehicles such as trucks.

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Abstract

본 발명은 차량의 휠과 휠하우징 등에 장착된 각종 센서에 무선전력을 공급을 위해, 시스템 주파수 가변에 의해 최적 공진주파수를 효과적으로 탐색하여 최대 전력전송 효율을 갖는 무선전력 전송 시스템을 제공할 뿐만 아니라, 동시에 추가적인 센서나 장치 없이 무선전력 전송 시스템을 이용하여, 하중을 정확하고 효과적으로 측정할 수 있는 최적 공진주파수 탐색 무선전력 전송 시스템을 이용한 차량의 하중 측정 시스템 및 방법을 제공한다.

Description

최적 공진주파수 탐색 무선전력 전송 시스템을 이용한 차량의 하중 측정 시스템 및 방법
본 발명은 차량의 하중 측정 시스템 및 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본 발명은 전원을 공급할 수 있는 전력전송 시스템을 제공할 뿐만 아니라, 추가적인 장치의 설치 없이 간편하게 정확하고 효율적으로 차량의 하중을 측정할 수 있는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
하중은 물체나 구조물에 가해지는 외력(外力)으로서, 이때의 외력은 보통 중력이다. 일반적으로 하중을 측정하는 센서는 금속박(Metal foil)형 스트레인 게이지를 로드셀(Load Cell)에 부착하여 하중(힘) 변화에 따른 스트 레인 게이지의 미세한 저항 변화를 전자회로에서 증폭하여 큰 신호의 변화로 만들어 활용하며 산업 전반적인 분야에 적용되고 있다.
그런데 하중을 측정하는 센서인 로드셀은 전원선(2개) 및 신호선(2개) 외에도 쉴드(Shield)선(1개)등 통상적으 로 4~5개의 선을 사용하며 선의 길이, 설치 상태에 따른 노이즈 유입 및 신호 오류에 의한 계측의 불안정성 등은 현장에서는 매우 불편한 요소로 지적하고 있는 상황이다.
아울러, 금속박형 스트레인 게이지를 기본 구조로 하고 있으므로 하중에 따른 스트레인 게이지의 저항변화(통상 Gauge factor라고 함)가 매우 적기 때문에 고성능의 증폭회로를 필요로 하는 단점 외에도 온도에 따른 센서 값 변동이 심하므로 온도 보상회로를 추가로 장착해야 하는 불편함이 있다.
최근 기존 유선 형태의 로드셀에 대하여 무선 기술을 접목한 무선 하중 센서가 활용되고 있어 도선에 의한 측정 오차나 설치의 불편함은 많이 해소되었으나 회로 및 센서에 전원을 반드시 인가하여야 하므로 현장에서 적용할 때의 문제점은 상존한다.
그리고, 과적차량은 설계 적재용량보다 수하물을 과하게 적재한 차량을 의미하며, 도로의 손상 및 과도한 매연으로 인한 대기 오염의 주범으로 지적되고 있다.
이러한 과적의 문제점을 해결하기 위해서, 관계 당국은 여러 가지 과적 방지 시스템들 및 과적 차량 단속 방법을 적용하고 있다. 그 중 하나는 도로면의 바닥에 센서를 설치하여 차량의 무게를 측정하는 고정식 축 중량 측정 시스템을 도입하고 있으며, 화물 운송이 잦은 공사현장과 물류창고, 수출입 항만 등에도 사설 계근대를 도입하고 있다.
그러나, 이러한 계근대를 이용한 측정 장치들은 많은 예산과 장비운영의 문제점 때문에 전국적으로 확대되어 운영되지 못하고 있는 실정으로서 현재 도입되고 있는 대부분의 과적 측정방법은 상차 지점에서 멀리 떨어져 있는 계근대에서 이루어지고 있다는 문제점이 있다.
한편, 차량의 자체 중량을 측정할 수 있는 종래 기술로는 판스프링에 스트레인 게이지를 부착하여 그 변형량을 측정함으로써 차량의 무게를 측정하는 판스프링 방식의 차량에 적용하는 시스템과, 에어 스프링의 공기압력을 이용하여 차량의 무게를 측정하는 압력방식 시스템, 그리고 로드셀을 적용하여 차량의 무게를 측정하는 로드셀 방식 시스템과 차량의 적재함의 무게만을 측정할 수 있는 유압게이지 방식 시스템으로 구분할 수 있다.
판스프링에 설치된 스트레인 게이지는 차량의 중앙 제어장치와 케이블을 통해서 연결되는데, 차량에 화물을 적재하는 과정 및 차량의 운행중에 스트레인 게이지와 중앙 제어장치를 연결하는 케이블이 끊어져 유지 및 보수가 어려운 문제점이 존재한다는 점에서, 전원 공급에 문제가 없고, 무선으로 간편하고 편리하게 차량의 하중을 정확하고 효율적으로 측정할 수 있는 장치가 요구되고 있다.
본 발명은 차량 등의 장착되는 각종 센서에 최대 효율을 가지고 전원을 공급할 수 있는 전력전송 시스템을 제공할 뿐만 아니라, 추가적인 장치의 설치 없이 간편하게 정확하고 효율적으로 하중을 측정할 수 있는 시스템 및 방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
또한, 본 발명은 공사장의 진출입이나 특정 도로, 다리 진입 또는 주행 상황 등에 따라서 필수적으로 필요한 차량의 하중 측정장치를 추가적으로 설치하지 않고도 쉽게 차량의 하중을 측정할 수 있는 시스템 및 방법을 제공하는 것을 해결하는 과제로 한다.
또한, 본 발명은 자기공진 결합 방식의 무선전력 전송 시스템에서 송전거리의 변화 등의 시스템 사용 상황이 변화되는 경우에도 최대 전력 전송을 위한 최적 공진주파수를 효과적이고 빠르게 탐색할 수 있는 시스템 및 방법을 제공하는 것을 해결하는 과제로 한다.
또한, 본 발명은 간단한 탐색 시스템과 효율적인 탐색방법으로 최대 무선전력 전송을 위한 최적 공진주파수 탐색 시스템 및 방법을 제공하는 것을 해결하는 과제로 한다.
또한, 본 발명은 무선전력 전송 시스템의 전력전송 효율을 실질적으로 높일 수 있는 최적 공진주파수를 보다 정밀하고 정확하게 탐색하고 찾을 수 있는 최적 공진주파수 탐색 시스템 및 방법을 제공하는 것을 해결하는 과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 적재물을 포함하는 차량의 하중에 따라 차고가 변경되는 차량에 설치되는 송전부(Tx)와 수전부(Rx)가 구비되는 자기공진 무선전력 전송 시스템을 이용한 하중 측정 방법에 있어서, (a) 하중 변화에 따라 시스템 주파수 가변을 이용하여 송전거리 변동에 따른 최적 공진주파수를 탐색하는 단계; (b) 상기 송전거리 변동에 따른 최적 공진주파수 변동 관계식을 도출하는 단계; 및 (c) 상기 변동 관계식으로부터 송전거리 변동량을 산출하고, 송전거리 변동량으로부터 상기 하중을 도출하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 무선전력 전송 시스템은, 차량의 휠하우징에 장착되는 송전부(Tx)와 타이어 내부에 장착되는 수전부(Rx)가 구비되는 자기공진 무선전력 전송 시스템인 것일 수 있다.
또한, 상기 송전부(Tx)와 수전부(Rx)가 적어도 하나 이상의 휠과 해당 휠을 감싸는 휠하우징 등에 설치되고, 다수개의 하중 측정값이 산출되는 경우, 상기 다수개의 측정값의 평균값을 하중값으로 결정하는 단계를 포함하는 것일 수 있다.
여기서, 상기 (a) 단계는, (a1-1) 미리 설정된 주파수 가변 범위 내에서 시스템 주파수를 설정하고 상기 송전부에서 수전부로 전력을 전송하는 단계; (a1-2) 상기 설정된 시스템 주파수에 따른 상기 수전부의 출력 전압값을 측정하는 단계; (a1-3) 측정된 상기 출력 전압값이 미리 설정된 수신전압 판정값 이상인 경우의 공진주파수를 최적 공진주파수로 결정하는 단계; 및 (a1-4) 상기 주파수 가변 범위 내에서 상기 시스템 주파수를 가변하여 상기 (a1-1) 단계 이하를 반복하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 (a) 단계는, (a2-1) 미리 설정된 주파수 가변 범위 내에서 시스템 주파수를 설정하고 상기 송전부에서 수전부로 전력을 전송하는 단계; (a2-2) 상기 설정된 시스템 주파수에 따른 상기 송전부의 전류값, 상기 수전부의 출력 전압값, 출력 전류값을 측정하는 단계; (a2-3) 측정된 출력 전압값이 미리 설정된 수신전압 판정값 이상인 경우, 공진주파수에서 측정된 송전부의 전류값과 전압값 및 상기 수전부의 출력 전압값과 출력 전류값을 이용하여 전력전송 효율을 산출하는 단계; (a2-4) 상기 주파수 가변 범위내에서 상기 시스템 주파수를 가변하여 상기 (a2-1) 단계 이하를 반복하는 단계; 및 (a2-5) 상기 산출된 전력전송 효율 중 최대값의 공진주파수를 최적 공진주파수로 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 (c) 단계는, (c1) 상기 획득한 최적 공진주파수의 변화값으로부터 상기 변동 관계식에 따르는 송전거리의 변동량을 산출하는 단계; 및 (c2) 산출된 송전거리 변동량과 미리 설정된 상기 차량의 서스펜션 스프링 상수(k)를 이용하여 상기 차량에 탑재된 물체의 하중을 도출하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 측정된 안정화 출력 전압값(Vr)에 대한 상기 수신전압 판정값은 상기 측정된 DC 출력 전압값(V)에 대한 상기 수신전압 판정값보다 큰 것일 수 있다.
그리고, 상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 적재물을 포함하는 차량의 하중에 따라 차고가 변경되는 차량에 설치되는 송전부(Tx)와 수전부(Rx)가 구비되는 자기공진 무선전력 전송 시스템을 이용한 하중 측정 시스템에 있어서, AC/DC 변환회로, DC/RF 변환회로, 매칭회로, 제어회로 및 통신회로를 포함하여 구비되는 송전부(Tx)와, 타이어 내부에 장착되는 것으로, 매칭회로, 정류회로, 안정화회로, 직류/직류변환회로, 제어회로 및 통신회로를 포함하여 상기 송전부(Tx)로부터 전력을 수전하는 수전부(Rx)를 포함하되, 시스템 주파수의 가변으로 최적 공진주파수를 탐색하여 결정하는 최적 공진주파수 탐색 무선전력 전송 시스템; 및 하중변화 시점에 주파수 가변을 이용하여 상기 차량 이동에 의한 송전거리 변동에 따른 최적 주파수 변동 관계식을 도출하고, 상기 변동 관계식으로부터 산출된 송전거리 변동량으로부터 상기 하중을 측정하는 하중 측정부를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 자기공진 무선전력 전송 시스템은, 차량의 휠하우징에 장착되는 송전부(Tx)와 타이어 내부에 장착되는 수전부(Rx)가 구비되는 자기공진 무선전력 전송 시스템인 것일 수 있다.
또한, 상기 최적 공진주파수 탐색 무선전력 전송 시스템는, 상기 송전부가 미리 설정된 주파수 가변 범위 내에서 시스템 주파수를 가변시켜 상기 수전부로 전력을 전송하고, 상기 수전부에서 측정된 출력 전압값이 미리 설정된 수신전압 판정값 이상인 경우의 공진주파수 중 적어도 어느 하나를 최적 공진주파수로 결정하는 것일 수 있다.
또한, 상기 최적 공진주파수 탐색 무선전력 전송 시스템은, 상기 송전부가 미리 설정된 주파수 가변 범위 내에서 시스템 주파수를 가변시켜 상기 수전부로 전력을 전송하고, 상기 수전부에서 측정된 출력 전압값이 미리 설정된 수신전압 판정값 이상인 경우, 공진주파수에서 측정된 송전부의 전류값과 전압값 및 상기 수전부의 출력 전류값과 출력 전압값을 이용하여 산출된 적어도 하나의 전력전송 효율 중 최대값의 공진주파수를 최적 공진주파수로 결정하는 것일 수 있다.
그리고, 상기 출력 전압값은 상기 수전부의 안정화회로 및 DC 변환회로 사이에서 측정되는 DC 출력 전압값(V) 또는 안정화 출력 전압값(Vr)인 것일 수 있고, 상기 송전부의 전류값은, 상기 AC/DC 변환회로 및 DC/RF 변환회로 사이에서 측정되거나, DC/RF 변환회로와 매칭회로 사이에서 측정되는 입력 전류값(A)인 것일 수 있다.
본 발명에 따른 최적 공진주파수 탐색 무선전력 전송 시스템을 이용한 차량의 하중 측정 시스템 및 방법에 의하면, 차량의 휠과 휠하우징 등에 장착된 각종 센서에 무선전력을 공급을 위해, 시스템 주파수 가변에 의해 최적 공진주파수를 효과적으로 탐색하여 최대 전력전송 효율을 갖는 무선전력 전송 시스템을 제공할 뿐만 아니라, 동시에 추가적인 센서나 장치 없이 무선전력 전송 시스템을 이용하여, 하중을 정확하고 효과적으로 측정할 수 있는 시스템 및 방법을 제공한다.
또한, 본 발명에 따른 최적 공진주파수 탐색 무선전력 전송 시스템을 이용한 차량의 하중 측정 시스템 및 방법에 의하면, 차량 등에 장착된 각종 센서에 최적의 전송효율을 갖는 전원을 공급함과 동시에 하중 센서를 추가하지 않아도 전송거리와 이를 이용한 차량 하중을 정확하고 효율적으로 측정할 수 있는 시스템 및 방법을 제공한다.
또한, 본 발명에 따른 최대 전력전송을 위한 최적 공진주파수 탐색방법에 의하면, 송전부 및 수전부의 자기공진 결합을 이용하는 무선전력 전송 시스템에서 미리 설정된 시스템 주파수 내에서 주파수를 가변에 따른 출력 전압값 측정하고, 미리 설정된 판정값 이상인 경우 최적 공진주파수로 결정하여 간단한 탐색 시스템과 효율적인 탐색방법으로 최대 무선전력 전송을 위한 최적 공진주파수 탐색 시스템 및 방법을 제공한다.
또한, 본 발명에 따른 최대 전력전송을 위한 최적 공진주파수 탐색방법은 송전부의 전류값 및 수전부의 전류 및 전압값을 이용하여 전력전송 효율을 산출하고, 산출된 전력전송 효율 값 중 최대값을 최대 전력전송 효율을 갖는 최적 공진주파수로 결정하는 탐색방법을 제안함으로써, 무선전력 전송 시스템의 전력전송 효율을 실질적으로 높일 수 있는 최적 공진주파수를 보다 정밀하고 정확하게 탐색하고 찾을 수 있는 최적 공진주파수 탐색 시스템 및 방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 따른 최대 전력전송을 위한 최적 공진주파수 탐색방법은 자기공진 결합이 가능한 미리 설정된 송전거리 범위 내에서 미리 설정된 가변 간격으로 송전거리를 가변하여 탐색할 수 있는 시스템 및 방법을 제공함으로써, 송전거리가 변화되는 환경이나 다양한 시스템 또는 가전기기에 적용할 수 있는 효율적인 최대 전력 전송을 위한 최적 공진주파수를 탐색 시스템 및 방법을 제공한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 최적 공진주파수 탐색 무선전력 전송 시스템을 이용한 하중 측정방법의 흐름을 나타낸 모식도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 최적 공진주파수 탐색 무선전력 전송 시스템을 이용한 하중 측정 시스템의 블록 구성을 나타낸 모식도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 실시예로서 최적 공진주파수 탐색 시스템 및 방법을 적용하여 나타나는 송전거리에 따른 최적 공진주파수 관계를 나타내는 그래프의 모식도를 도시한다.
도 4는 차량에 탑재되는 하중에 따른 송전부(Tx) 및 수전부(Rx)의 송전거리의 변동량을 나타내는 개념 모식도를 도시한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 최적 공진주파수 탐색 무선전력 전송 시스템을 이용한 차량의 하중 측정 시스템 및 방법을 차량에 적용한 예를 나타내는 모식도를 도시한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 최대 전력전송을 위한 최적 공진주파수 탐색방법의 흐름을 나타낸 모식도를 도시한다.
도 7은 도 6에서 예시된 본 발명이 실시예에 따른 최대 전력전송을 위한 최적 공진주파수 탐색방법에 적용되는 최적 공진주파수 탐색 무선전력 전송 시스템(10)의 블록 구성 모식도를 도시한다.
도 8은 도 6의 또 다른 실시예의 최대 전력전송을 위한 최적 공진주파수 탐색방법에 적용되는 최적 공진주파수 탐색 무선전력 전송 시스템의 블록 구성 모식도를 도시한다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 최대 전력전송을 위한 최적 공진주파수 탐색방법의 흐름을 나타낸 모식도를 도시한다.
도 10은 도 9에서 예시된 본 발명이 실시예에 따른 최대 전력전송을 위한 최적 공진주파수 탐색방법에 적용되는 최적 공진주파수 탐색 무선전력 전송 시스템의 블록 구성 모식도를 도시한다.
도 11은 도 9의 또 다른 실시예의 최대 전력전송을 위한 최적 공진주파수 탐색방법에 적용되는 최적 공진주파수 탐색 무선전력 전송 시스템의 블록 구성 모식도를 도시한다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 최적 공진주파수 탐색방법을 이용하여 주파수 변경에 따른 수전부 출력전압 및 전송효율 응답특성을 나타낸 그래프를 도시한다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 최적 공진주파수 탐색방법을 이용하여 주파수 변경에 따른 수전부 출력전압 및 전송효율 응답특성을 나타낸 그래프로서, 송전거리를 낮추어가며 최적 공진주파수를 탐색하는 주파수 응답특성 그래프를 도시한다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 최적 공진주파수 탐색방법을 이용하여 주파수 변경에 따른 수전부 출력전압 및 전송효율 응답특성을 나타낸 그래프로서, 송전거리를 높여가며 최적 공진주파수를 탐색하는 주파수 응답특성 그래프를 도시한다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록, 그리고 당업자에게 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조 번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 최적 공진주파수 탐색 무선전력 전송 시스템(10)을 이용한 하중 측정방법의 흐름을 나타낸 모식도를 도시하고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 최적 공진주파수 탐색 무선전력 전송 시스템(10)을 이용한 하중 측정 시스템(1000)을 블록 구성을 나타낸 모식도를 도시하고, 도 3은 본 발명의 실시예로서 최적 공진주파수 탐색 시스템 및 방법을 적용하여 나타나는 송전거리(d)에 따른 최적 공진주파수 관계를 나타내는 그래프의 모식도를 도시하고, 도 4는 차량에 탑재되는 하중에 따른 송전부(100)(Tx) 및 수전부(200)(Rx)의 송전거리(d)의 변동량을 나타내는 개념 모식도를 도시하고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 최적 공진주파수 탐색 무선전력 전송 시스템(10)을 이용한 하중 측정 시스템(1000) 및 방법을 차량에 적용한 예를 나타내는 모식도를 도시한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 최적 공진주파수 탐색 무선전력 전송 시스템(10)을 이용한 하중 측정방법은, 적재물을 포함하는 차량의 하중에 따라 차고가 변경되는 차량에 설치되는 송전부(100)(Tx)와 수전부(200)(Rx)가 구비되는 자기공진 무선전력 전송 시스템(10)을 이용한 하중 측정 방법에 있어서, (a) 상기 하중의 변화 시점에 시스템 주파수 가변을 이용하여 송전거리(d) 변동에 따른 최적 공진주파수를 탐색하는 단계(S100); (b) 상기 송전거리(d) 변동에 따른 최적 공진주파수 변동 관계식을 도출하는 단계(S200); 및 (c) 상기 변동 관계식으로부터 송전거리(d) 변동량을 산출하고(S300), 송전거리(d) 변동량으로부터 상기 하중을 도출하는 단계(S400)를 포함할 수 있다.
본 발명은 차량에서 유선 전력 공급이 어려운 위치에 장착되어 배터리 등을 전원으로 하는 센서류, 예를 들면 휠 등에 장착되는 공기압 센서에 무선전력을 공급하여 별도의 와이어 또는 배터리 등을 생략할 수 있고, 휠하우징에 장착되는 송전부에서 휠 또는 타이어 내부에 장착되는 수전부와 수전부에서 전력을 공급받는 센서(공기압센서 등)로 최적의 무선전력을 공급하는 과정에서의 주파수 탐색과정을 통해 도출된 데이터를 기초로 차량의 하중 등을 측정할 수 있다.
차량의 경우, 적재물 하중에 따라 차고의 높이가 변경될 수 있으며, 그에 따라 송전부에서 수전부로의 전송되는 무선전력의 공진주파수가 변경되어야 하며, 본 발명은 그러한 공진주파수 조정과정에서 취득된 데이터에 기초하여 차량의 하중을 측정할 수 있다.
따라서, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 최적 공진주파수 탐색 무선전력 전송 시스템(10)을 이용한 하중 측정 시스템(1000)은, 자기공진 무선전력 전송 시스템(10)을 이용하는 하중 측정 시스템(1000)에 있어서, 송전부(100)(Tx)와 상기 수전부(200)(Rx)로부터 전력을 수전하는 수전부(200)(Rx)를 구비하되, 시스템 주파수의 가변으로 최적 공진주파수를 탐색하여 결정하는 최적 공진주파수 탐색 무선전력 전송 시스템(10)과, 및 하중 변화에 따라 주파수 가변을 이용하여 송전거리(d) 변동에 따른 최적 주파수 변동 관계식을 도출하고, 상기 변동 관계식으로부터 산출된 송전거리(d) 변동량으로부터 상기 하중을 측정하는 하중 측정부(20)를 포함할 수 있다.
차량에 설치되는 무선전력 전송 시스템(10)을 구성하는 수전부(200)(Rx)은 수전된 전력을 유선 연결이 어렵거나 배터리 장착이 비효율적인 위치에 장착되는 센서(30) 등에 공급할 수 있다. 예를 들면, 휠하우징에 송전부를 장착하고, 휠이나 타이어 내부에 수전부와 센서 등이 장착되는 시스템을 가정할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 최적 공진주파수 탐색 무선전력 전송 시스템(10)을 이용한 하중 측정 시스템(1000) 및 방법은, 시스템 주파수 가변에 따라 최적 공진주파수를 탐색하여 획득하는 송전부(100) 및 수전부(200)를 구비하는 최적 공진주파수 탐색 무선전력 전송 시스템(10)을 이용하여, 하중을 측정하는 시스템 및 방법에 관한 것으로, 적재물을 포함하는 차량의 하중에 따라 차고가 변경되는 차량에 설치되는 송전부(100)(Tx)와 수전부(200)(Rx)가 구비되는 자기공진 무선전력 전송 시스템(10)에서 하중변화 시점에 시스템 주파수를 가변시켜 최적 공진주파수 탐색하고, 탐색하여 획득한 최적 공진주파수 변화값에 따라 산출되는 송전거리(d)의 변동량으로부터 하중을 측정하는 시스템 및 방법을 제공한다.
즉, 본 발명은 차량의 휠과 휠하우징 등에 장착된 각종 센서(예를 들면, 공기압센서 등)에 무선전력을 공급을 위해, 시스템 주파수 가변에 의해 최적 공진주파수를 효과적으로 탐색하여 최대 전력전송 효율을 갖는 무선전력 전송 시스템(10)을 제공할 뿐만 아니라, 동시에 추가적인 센서나 장치 없이 무선전력 전송 시스템(10)을 이용하여, 하중을 정확하고 효과적으로 측정할 수 있는 시스템 및 방법을 제공할 수 있다.
보다 구체적으로, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, (a) 단계는 하중변화 시점에 주파수 가변을 이용하여 송전거리(d) 변동에 따른 최적 공진주파수를 탐색하는 단계로서(S100), 송전부(100)가 미리 설정된 주파수 가변 범위 내에서 시스템 주파수를 가변시켜 상기 수전부(200)로 전력을 전송하고, 상기 수전부(200)에서 측정된 출력 전압값이 미리 설정된 수신전압 판정값 이상인 경우의 공진주파수를 최적 공진주파수로 결정할 수 있고, 공진주파수에서 측정된 송전부(100)의 전류값과 상기 수전부(200)의 출력 전류값 및 출력 전압값을 이용하여 산출된 적어도 하나의 전력전송 효율 중 최대값의 공진주파수를 최적 공진주파수로 결정할 수 있다. 이와 같은 시스템 주파수 가변을 이용하여 최적 공진주파수 탐색 시스템 및 방법을 이용하는 프로세스((a) 단계(S100))는 도 6 내지 도 14에서 보다 상세하게 후술하기로 한다.
(b) 단계는(S200), 상기 송전거리(d) 변동에 따른 최적 공진주파수 변동 관계식을 도출하는 단계로서, (a) 단계의 시스템 주파수 가변을 이용한 최적 공진주파수 탐색 과정을 송전거리(d)를 변동시키면서 진행하는 경우, 송전거리(d) 변동에 따른 최적 공진주파수의 변동에 대한 관계 그래프를 도출할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, (a) 단계의 시스템 주파수 가변을 통한 최적 공진주파수를 탐색과정을 송전거리(d)를 변동하면서 진행하게 되면, 송전거리(d)와 최적 공진주파수의 관계가 2차식으로 근사할 수 있는데, 이와 같은 관계 그래프를 통해 (b) 단계의 송전거리(d) 변동에 따른 최적 공진주파수의 변동 관계식을 도출할 수 있다.
이와 같은 송전거리(d) 변동에 따른 최적 공진주파수의 변동 관계식을 확인하게 되면, 역으로 최적 공진 주파수에 따른 송전거리(d)의 변동을 알수 있기 때문에 본 발명의 실시예에서 하중변화 시점에 상술한 (a) 단계 및 (b) 단계를 통해 강성구조의 압축량에 해당하는 송전거리(d)의 변동량(△를 산출할 수 있게 된다.
(c) 단계는, (b) 단계에서 도출된 변동 관계식으로부터 송전거리(d) 변동량을 산출하고(S400), 송전거리(d) 변동량으로부터 하중을 도출하는 단계로서, 산출된 송전거리(d) 변동량과 하중이 변화될 때 나타나는 강성구조의 압축량과 같기 때문에, 강성구조의 압축량은 하중과 비례한다는 점에서, 그 비례 상수에 해당하는 강성 상수(k)를 알면 하중을 산출 또는 측정할 수 있다.(S500)
즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 무선전력 전송 시스템(10)에서 수전부(200)(Rx) 출력이 일정하게 나오는 조건하에서 최대 전력전송 효율을 갖는 최적 공진주파수를 탐색하여 찾게 되면, 미리 확인된 도 3의 관계 그래프 데이터를 이용하여 최적 공진주파수 변동에 따른 송전거리(d) 변동량을 산출할 수 있고, 산출된 송전거리(d) 변동량으로부터 다음의 [수학식 1]를 이용하여 하중 측정부(20)가 하중을 정확하고 효과적으로 측정할 수 있다.
[수학식 1]
송전거리 변동량( △d ) = [스프링 상수( k )] × [하중 변동량( △G )]
(여기서, d는 송전부(Tx)와 수전부(200)(Rx)의 거리에 해당하는 송전거리(d)를 나타내고, k는 강성구조의 강성 상수를 나타내고, 하중 변동량(△은 하중의 변화 시점에 하중의 변화량을 나타낸다.)
이처럼, 도 4에 도시된 바와 같이, 송전부(100)(Tx)와 수전부(200)(Rx)가 차량과 같이 스프링 강성을 갖는 구조로 연결되어 있는 시스템에서 하중의 변동에 비례하여 송전거리(d)가 변동되는 [수학식 1]의 관계를 나타낸다는 점에서, 송전거리(d) 변동량을 알면 하중의 변동량을 알 수 있기 때문에 하중을 정확하고 효과적으로 측정할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 최적 공진주파수 탐색 무선전력 전송 시스템(10)을 이용한 하중 측정 시스템(1000) 및 방법을 차량에 적용한 예를 나타내는 모식도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 트럭과 같은 차량의 타이어들은 스프링 강성을 갖는 쇼크 옵서버를 통해 차량 구조와 연결될 수 있는데, 즉, 바퀴 휠하우징에 송전부(100)(Tx)가 설치되고, 바퀴 내측에 수전부(200)(Rx)가 설치될 수 있는 자기공진 무선전력 전송 시스템(10)이 구비될 수 있다.
즉, 차량에 짐(하중)을 실으면 하중에 비례하여 스프링 강성에 따라 자체와 타이어 간 거리 즉, 송전거리(d)에 변동이 발생하게 되는데, 도 5에 도시된 바와 같이, 타이어 상단 차체에는 송전부(100)(Tx)를 장착하고, 타이어 내부 이너라이너에는 수전부(200)(Rx)를 부착한 상태에서 상술한 최적 공진주파수 탐색 과정을 통해 최대 효율을 갖는 최적 공진주파수를 탐색하면 최적 공진주파수와 송전거리(d)의 관계로부터 송전거리(d)를 산출 또는 측정할 수 있고, 측정된 송전거리(d)의 변동량을 통해 하중의 변동량(증감)을 측정할 수 있게 된다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 최적 공진주파수 탐색 무선전력 전송 시스템(10)을 이용한 하중 측정 시스템(1000) 및 방법은, 수전부(200)와 연결되어 구성되는 타이어 가속도 센서 등의 각종 센서에 전원을 공급함과 동시에 타이어 압력 센서를 추가하여 구비하지 않아도 부가 정보로서 차량의 하중을 동시에 측정할 수 있다.
그리고, 차량 하중 측정의 경우, 공사장의 진출입이나 특정 도로와 다리 진입시 또는 주행 상황에 따라서 필수적으로 수행해야 한다는 점에서 본 발명의 실시예에 따른 최적 공진주파수 탐색 무선전력 전송 시스템(10)을 이용한 하중 측정 시스템(1000) 및 방법을 이용하면, 별도의 크고 비싼 특럭 하중 측정장치를 추가 설치하지 않고도 쉽게 트럭 등의 차량 하중을 측정하 수 있다는 큰 장점이 있다. 또한, 이와 같은 본 발명의 실시예에 따른 시스템을 교통 통신 시스템과 연동하여 도로에서 운행하는 트럭 등의 차량 물동량 정보와 같은 다양한 정보를 이용하고 활용할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 최대 전력전송을 위한 최적 공진주파수 탐색방법의 흐름을 나타낸 모식도이고, 도 7은 도 6에서 예시된 본 발명이 실시예에 따른 최대 전력전송을 위한 최적 공진주파수 탐색방법에 적용되는 최적 공진주파수 탐색 무선전력 전송 시스템(10)의 블록 구성 모식도이고, 도 8은 도 6의 또 다른 실시예의 최대 전력전송을 위한 최적 공진주파수 탐색방법에 적용되는 최적 공진주파수 탐색 무선전력 전송 시스템(10)의 블록 구성 모식도이다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 본 발의 실시예에 따른 최대 전력전송을 위한 최적 공진주파수 탐색방법은, 송전부(100) 및 수전부(200)의 자기공진 결합을 이용하는 무선전력 전송 시스템(10)의 공진주파수 탐색 방법에 있어서, (a1-1) 미리 설정된 주파수 가변 범위 내에서 시스템 주파수를 설정하고 상기 송전부(100)에서 수전부(200)로 전력을 전송하는 단계; (a1-2) 상기 설정된 시스템 주파수에 따른 상기 수전부(200)의 출력 전압값을 측정하는 단계; (a1-3) 측정된 상기 출력 전압값이 미리 설정된 수신전압 판정값 이상인 경우의 공진주파수를 최적 공진주파수로 결정하는 단계; 및 (a1-4) 상기 주파수 가변 범위 내에서 상기 시스템 주파수를 가변하여 상기 (a1-1) 단계 이하를 반복하는 단계를 포함할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 최대 전력전송을 위한 최적 공진주파수 탐색방법은 송전부(100) 및 수전부(200)의 자기공진 결합을 이용하는 무선전력 전송 시스템(10)에서 미리 설정된 시스템 주파수 내에서 주파수를 가변에 따른 출력 전압값 측정하고, 미리 설정된 판정값 이상인 경우 최적 공진주파수로 결정하는 최적 주파수 탐색방법을 제안하여 간단한 시스템 구성과 방법으로 최대 전력 전송을 위한 최적 공진주파수 탐색 시스템 및 방법을 제공한다.
그리고, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 송전부(Tx)와 수전부(Rx)가 복수의 휠과 휠하우징에 설치되고, 각각의 송전부(Tx)와 수전부(Rx)를 통한 공진주파수 탐색에 의해 복수 개의 하중 측정값이 산출되는 경우 차량의 하중 편심 등의 하중값 오차 원인이 존재하여도 산출된 하중 측정값의 신뢰도를 높이기 위하여 상기 다수개의 측정값의 평균값을 최종 하중값으로 결정할 수도 있다.
도 7 및 도 8에서 도시된 최적 공진주파수 탐색 시스템은, 도 6의 본 발명의 실시예에 따른 최대 전력전송을 위한 최적 공진주파수 탐색방법을 적용하기 위한 각 실시예에 따른 시스템일 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 최적 공진주파수 탐색 시스템은, 자기공진 결합을 이용하는 무선전력 전송 시스템(10)으로서, AC/DC 변환회로(110), DC/RF 변환회로(120), 매칭회로(130), 제어회로(150) 및 통신회로(160)를 포함하여 전력을 송전하는 송전부(100); 및 매칭회로(210), 정류회로(220), 안정화회로(230), DC/DC 변환회로(240), 제어회로(250) 및 통신회로(260)를 포함 수전부(200)를 포함할 수 있다.
그리고, 전술한 송전부(100)가 미리 설정된 주파수 가변 범위 내에서 시스템 주파수를 가변시켜 상기 수전부(200)로 전력을 전송하고, 상기 수전부(200)에서 측정된 출력 전압값이 미리 설정된 수신전압 판정값 이상인 경우, 공진주파수에서 측정된 송전부(100)의 전류값과 전압값 과 상기 수전부(200)의 출력 전류값 및 출력 전압값을 이용하여 산출된 적어도 하나의 전력전송 효율 중 최대값의 공진주파수를 최적 공진주파수로 결정하는 것일 수 있다.
먼저 본 발명의 실시예에 적용되는 무선전력 전송 시스템(10)은, 전력을 전송하기 위한 송전부(100)와 송전거리(d) 내에 위치하여 자기공진 효과를 통해 상술한 송전부(100)에서 전송한 전력을 수전하는 수전부(200)로 구성될 수 있다.
송전부(100)는 AC 입력전류를 DC로 변환하는 AC/DC 변환회로(110)와, DC 변환회로에서 변환된 DC를 RF로 변환하는 DC/RF 변환회로(120)와, DC를 RF 전력으로 변환활때 공진주파수를 제어하는 제어회로(150)와, 자기공진 커플링을 위한 매칭회로(130) 및 매칭회로(130)와 연결되는 송전코일 및 전압 또는 전류 신호를 송수신하는 통신회로(160)를 포함하여 구성될 수 있다.
수전부(200)는 전술한 송전코일과 일정한 송정거리 내에서 커플링을 일으키기 위한 수전코일과 매칭회로(220)를 포함하는 자기공진 효과를 일으키는 공진회로, 상기 공진회로 후단에서 고주파 수신 전력신호를 정류하는 정류회로(220), 상기 정류회로(220) 후단에서 정류된 출력 전압을 안정화시키는 전압 안정화 회로(240) 및 상기 전압 안정화 회로(240) 후단에서 안정화된 전압으로부터 미리 의도된 전압을 출력하는 DC/DC 변환회로(250), 전술한 정류회로(220)로부터 전류 신호와 DC/DC 변환회로(250) 출력단에서 받은 전압 및/또는 전류 신호를 수신받고, 피드백 제어신호를 생성하는 제어회로(250)와, 피드백 제어신호를 송전부(100)의 통신회로(160)로 송신하는 통신회로(250)를 포함하여 구성될 수 있다.
도 7에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 최적 공진주파수 탐색 시스템은, 도 1의 최적 공진주파수 탐색방법을 적용하기 위한 제1 시스템으로, 송전부(100)의 제어회로를 통하여 미리 설정된 주파수 가변 범위 내에서 시스템 주파수를 가변하면서, 수전부(200)의 DC/DC 변환회로(240) 출력단에서 출력전압(V)을 측정하고, 측정된 출력전압이 미리 설정된 판정 전압 이상의 공진주파수를 최적 공진주파수로 결정할 수 있다.
도 8에 도시된 본 발명의 실시에에 따른 최적 공진주파수 탐색 시스템은, 도 6의 최적 공진주파수 탐색방법을 적용하기 위한 또 다른 실시예의 제2 시스템으로, 송전부(100)의 제어회로150)를 통하여 미리 설정된 주파수 가변 범위 내에서 시스템 주파수를 가변하면서, 수전부(200)의 안정화 회로(230)와 DC/DC 변환회로(240) 사이에서 안정화 출력전압(Vr)을 측정하고, 측정된 안정화 출력전압(Vr)이 미리 설정된 출력전압 판정값 이상의 공진주파수를 최적 공진주파수로 결정할 수 있다.
이하에서 도 6에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 최대 전력전송을 위한 최적 공진주파수 탐색방법을 상술한 제1 시스템 및 제2 시스템을 적용하여 상세히 설명한다.
먼저, 제1 시스템 및 제2 시스템의 송전부(100)의 제어회로를 통하여 시스템 미리 설정된 가변 주파수 범위 내의 주파수로 시스템 주파수를 설정하고, 매칭회로(130) 및 송전코일을 통해 수전부(200)로 전력을 전송한다. 수전부(200)의 수전코일 및 매칭회로(220)를 포함하는 공진회로를 통하여 전력을 수전하고, 정류회로(220), 안정화 회로(230) 및 DC/DC 변환회로(240)를 거쳐 전력을 출력하게 되고, DC/DC 변환회로(240)의 출력단에서 안정화 전압 측정기(235)를 통해 출력 전압값을 측정하고, 측정된 신호를 제어회로(260)를 거쳐 통신회로(250)를 통해 송전부(100)로 송신한다.
송전부(100)의 제어회로(150)가 수신받은 출력 전압값을 미리 설정된 출력전압 판정값과 비교하여 출력 전압값이 판정값 이상이고 시스템 주파수가 공진주파수인 경우, 이 시스템 주파수를 최적 공진주파수로 결정할 수 있다. 그리고 나서 제1 시스템 및 제2 시스템은, 도 1에 도시된 바와 같이, 다시 시스템 주파수를 미리 설정된 주파수 가변 범위 내에서 가변하면서 상술한 프로세스를 반복하여 적어도 하나 이상의 최적 공진주파수를 탐색하여 결정할 수 있다.
여기서, 시스템 주파수의 가변은 이전 단계의 시스템 주파수보다 높은 주파수로 가변하는 상승 가변이거나, 이전 단계의 시스템 주파수보다 낮은 주파수로 가변하는 하락 가변일 수 있다.
즉, 도 6에 도시된 바와 같이, 송전부(100)의 제어회로(150)가 수전부(200)로부터 수신받은 출력 전압값이 미리 설정된 출력전압 판정값 이상이 아닌 경우이거나, 시스템 주파수가 공진주파수가 아닌 경우 또는 해당 시스템 주파수를 최적 공진주파수로 결정한 후 다시 시스템 주파수를 미리 설정된 가변범위 내의 다른 주파수로 가변할 수 있는데, 미리 설정된 가변범위 중 가장 큰 주파수에서 하락시키는 하락 가변일 수 있고, 최저 주파수에서 상승시키는 상승 가변일 수 있다.
최적 공진주파수는 무선전력전송 시스템에서 전력전송 효율이 가장 높을 때의 공진주파수가 이상적일 수 있지만, 시스템의 출력전압 및 운영 효율성 등을 종합적으로 고려하여 적어도 하나 이상의 공진주파수를 최적 공진주파수로 설정 또는 결정할 수 있고, 이를 탐색하여 찾는 방법 또한 가장 낮은 시스템 주파수에서 높은 주파수로 가변하여 탐색하는 방법과 가장 높은 시스템 주파수에서 낮은 주파수로 가변하여 탐색하는 방법을 적용할 수 있다. 그러므로, 두 가지 방법을 통해 탐색된 최적 공진주파수는 서로 다를 수 있다.
또한, 시스템 주파수 가변은 미리 설정된 주파수 가변 범위 내에서 시스템 주파수를 미리 설정된 시간 간격으로 가변시키는 것이 바람직한데, 이는 연속적인 주파수 가변에 의해 최적 공진주파수 탐색은 탐색 시간이 오래 걸릴 뿐만 아니라, 잦은 시스템 주파수의 변경으로 탐색 시스템에 큰 부담과 함께 오류 발생 확률이 높아질 수 있다는 점에서, 미리 설정된 주파수 간격으로 가변하여 탐색하여 빠르고 안정적이며 효율적으로 최대 전력 전송을 위한 최적 공진주파수를 탐색할 수 있다.
그리고, 도 6에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에서는 시스템 주파수가 미리 설정된 가변 범위 내의 주파수가 아닌 경우에는, 탐색 프로세스를 종료시킬 수 있는데, 이는 미리 설정된 가변 범위 내의 시스템 주파수 설정 오류일 수 있고, 탐색이 종료되어 가변 범위 밖의 주파수라는 점에서 더 이상 탐색할 이유가 없기 때문이다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 최적 공진주파수 탐색방법은 송전부(100)와 수전부(200)의 자기공진 결합이 가능한 미리 설정된 송전거리(d) 범위 내에서 미리 설정된 가변 간격으로 송전거리(d)를 가변하여 탐색할 수 있는데, 다양한 시스템 또는 가전기기에 적용할 수 있는 무선전력 전송 시스템(10)에서는 송전부(100)와 수전부(200)의 거리가 가변 될 수 있다는 점에서, 송전거리(d)가 변화되는 환경에서 최대 전력 전송을 위한 최적 공진주파수를 탐색하기 위함이다.
그리고, 본 발명의 실시예에 따른 최적 공진주파수 탐색 방법에 적용되는 출력 전압값은 제1 시스템 수전부(200)의 DC 출력 전압값(V)일 수 있고, 제2 시스템 수전부(200)의 안정화 출력 전압값(Vr)일 수 있다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 제1 시스템의 출력 전압값은 DC/DC 변환회로(240)의 출력단에 전압 측정기(voltmeter)(245)에 의해 측정된 값이고, 도 3에 나타낸 바와 같이, 제2 시스템의 안정화 출력 전압값(Vr)은 안정화 회로(230)와 DC/DC 변환회로(240) 사이의 안정화 전압 측정기(235)에 의해 측정된 측정값일 수 있다.
도 8에 나타낸 바와 같이, 제2 시스템의 안정화 회로(230)는 출력단의 부하 변동으로 인하여 출력 전압값의 변동이 심하여 소자의 파손 위험의 방지와 시스템 안정성을 위하여, 수전부(200)의 정류회로(220)와 DC/DC 변환회로(240) 사이에 안정화 회로(230)를 구비하여 출력 안정성을 높일 수 있다. 이와 같은 안정화 회로(230)가 구비된 제2 시스템의 경우에는 출력 전압값을 안정화 회로(230)와 DC/DC 변환회로(240) 사이에서 측정한 안정화 출력 전압값(Vr)으로 함으로써, 보다 안정된 최적 공진주파수 탐색 프로세스를 진행할 수 있다.
그리고, 측정된 안정화 출력 전압값(Vr)에 대한 상기 수신전압 판정값은 상기 측정된 DC 출력 전압값(V)에 대한 상기 수신전압 판정값보다 큰 것일 수 있다. 이는 안정화 출력 전압이 수신 전력량에 따라 비례하여 증감되는 특징이 있기 때문이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 최대 전력전송을 위한 최적 공진주파수 탐색방법의 흐름을 나타낸 모식도이고, 도 10은 도 9에서 예시된 본 발명이 실시예에 따른 최대 전력전송을 위한 최적 공진주파수 탐색방법에 적용되는 최적 공진주파수 탐색 무선전력 전송 시스템(10)의 블록 구성 모식도이고, 도 11은 도 9의 또 다른 실시예의 최대 전력전송을 위한 최적 공진주파수 탐색방법에 적용되는 최적 공진주파수 탐색 무선전력 전송 시스템(10)의 블록 구성 모식도이다.
도 10에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 최적 공진주파수 탐색 시스템은, 도 9의 최적 공진주파수 탐색방법을 적용하기 위한 제3 시스템으로, 송전부(100)의 제어회로(150)를 통하여 미리 설정된 주파수 가변 범위 내에서 시스템 주파수를 가변하면서, 송전부(100)의 입력 전류값(A)과 수전부(200)의 DC/DC 변환회로(240) 출력단에서 출력 전압(V)값을 측정하고, 측정된 출력 전압값(V)이 미리 설정된 수신전압 판정값 이상인 경우, 해당 시스템 주파수에서 입력 전류값(A)과 출력 전압값(V)을 통해 전력전송 효율을 산출하고 최대값에 해당하는 공진주파수를 최적 공진주파수로 결정할 수 있다.
여기서, 상기 송전부(100)의 전류값은, 상기 AC/DC 변환회로 및 DC/RF 변환회로 사이에서 측정되거나, DC/RF 변환회로와 매칭회로 사이에서 측정되는 입력 전류값(A)일 수 있다.
도 11에 도시된 본 발명의 실시에에 따른 최적 공진주파수 탐색 시스템은, 도 9의 최적 공진주파수 탐색방법을 적용하기 위한 또 다른 실시예의 제4 시스템으로, 송전부(100)의 제어회로(150)를 통하여 미리 설정된 주파수 가변 범위 내에서 시스템 주파수를 가변하면서, 송전부(100)의 입력 전류값(A)과 수전부(200)의 안정화 회로(230) 및 DC/DC 변환회로(240) 사이에서 안정화 출력 전압값(Vr)을 측정하고, 측정된 안전화 출력 전압값(Vr)이 미리 설정된 수신전압 판정값 이상인 경우, 해당 시스템 주파수에서 입력 전류값(A)과, 출력 전류값(A) 및 안정화 출력 전압값(Vr)을 통해 전력전송 효율을 산출하고 최대값에 해당하는 공진주파수를 최적 공진주파수로 결정할 수 있다.
이하에서 도 10의 제3 시스템과 도 11의 제4 시스템을 이용하여 도 9에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 최대 전력전송을 위한 최적 공진주파수 탐생방법을 상세히 설명한다.
도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 다른 최적 공진주파수 탐색방법은, 송전부(100) 및 수전부(200)의 자기공진 결합을 이용하는 무선전력 전송 시스템(10)의 공진주파수 탐색 방법에 있어서, (a2-1) 미리 설정된 주파수 가변 범위 내에서 시스템 주파수를 설정하고 상기 송전부(100)에서 수전부(200)로 전력을 전송하는 단계; (a2-2) 상기 설정된 시스템 주파수에 따른 상기 송전부(100)의 전류값, 상기 수전부(200)의 출력 전압값, 출력 전류값을 측정하는 단계; (a2-3) 측정된 출력 전압값이 미리 설정된 수신전압 판정값 이상인 경우, 공진주파수에서 측정된 송전부(100)의 전류값과 전압값 및 상기 수전부(200)의 출력 전압값과 출력 전류값을 이용하여 전력전송 효율을 산출하는 단계; (a2-4) 상기 주파수 가변 범위내에서 상기 시스템 주파수를 가변하여 상기 (a2-1) 단계 이하를 반복하는 단계; 및 (a2-5) 상기 산출된 전력전송 효율 중 최대값의 공진주파수를 최적 공진주파수로 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 미리 설정된 시스템 가변 범위내의 주파수를 시스템 주파수로 설정하고 송전부(100)를 통해 전력을 전송한다. 설정된 시스템 주파수가 미리 설정된 가변 범위 내에 해당하지 않는 경우, 시스템을 통한 최적 공진주파수 탐색을 종료한다. 이는 상술한 바와 같이, 설정된 시스템 주파수가 미리 설정된 가변 범위 밖의 잘못 설정된 주파수이거나, 정상적으로 진행된 탐색 프로세스가 가변 범위를 벗어나는 경우 탐색 프로세스를 종료할 수 있기 때문이다.
설정된 시스템 주파수가 미리 설정된 가변 범위 내의 주파수에 해당하는 경우, 제3 시스템 및 제4 시스템의 송전부 입력 전류값을 측정하고, 수전부(200)의 출력 전류 및 전압값을 측정한다.
측정된 출력 전압값은 미리 설정된 수신전압 판정값 이상인 경우, 시스템 주파수가 공진주파수에 해당하는지 여부를 판단하고, 공진주파수에 해당하는 경우, 해당 주파수에서의 송전부(100)에서 측정된 입력 전류값과 수전부(200)에서 측정된 전류 및 전압값을 이용하여 전력전송 효율을 산출한다. 여기서, 측정된 출력 전압값이 미리 설정된 수신전압 판정값 이상이 아닌 경우이거나 시스템 주파수가 공진주파수가 아닌 경우는 다시 상술한 시스템 주파수 설정단계 이하를 반복하게 된다.
그리고, 산출된 전력전송 효율이 최대값인지 여부를 판단하고, 최대값이 아닌 경우 주파수를 가변하여 시스템 주파수를 설정하는 단계 이하를 반복하고, 전력전송 효율이 최대값인 경우, 해당하는 시스템 주파수 또는 공진주파수를 최적 공진주파수로 결정한다. 주파수의 가변범위 설정 범위, 주파수 가변 방향에 따른 탐색방법, 송전거리(d) 변동에 의한 최적 주파수 탐색방법과 같은 본 발명의 실시예는 도 6의 실시예와 동일하기 때문에 이하 설명은 생략하기로 한다.
이처럼 본 발명의 실시예에 따른 최대 전력전송을 위한 최적 공진주파수 탐색방법은 도 6의 실시예와 달리, 입력 전류값, 출력 전류값 및 출력 전압값을 측정하고, 측정된 값들을 이용하여 전력전송 효율을 산출하고, 산출된 전력전송 효율 값 중 최대값을 최대 전력전송 효율을 갖는 최적 공진주파수로 결정하는 탐색방법을 제안함으로써, 보다 직접적인 최대 전력전송을 위한 탐색방법을 제안하고, 시스템의 전력전송 효율을 실질적으로 높일 수 있는 최적 공진주파수를 보다 정밀하고 정확하게 탐색하고 찾을 수 있다는 장점이 있다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 최적 공진주파수 탐색방법을 이용하여 주파수 변경에 따른 수전부 출력전압 및 전송효율 응답특성을 나타낸 그래프를 도시한다.
도 12에 나타낸 바와 같이, 공진주파수 205.8kHz, 송전거리(d) 80mm에 매칭회로가 최적화된 시스템의 주파수 변경에 따른 수신전압 및 전송효율 응답특성을 나타낸 그래프로서, 주파수를 가변하는 탐색방법으로 ①미리 설정된 주파수 가변 범위 내에서 최고 주파수에서 주파수를 낮추는 방향으로 가변하는 하락 가변방법과, ②미리 설정된 주파수 가변 범위 내에서 최저 주파수에서 주파수를 높이는 방향으로 주파수로 가변하는 상승 가변방법을 적용할 수 있다.
미리 설정된 가변 주파수 범위는 185kHz 에서 215kHz라고 정의하고 제1 시스템 및 제3 시스템을 이용하여 본 발명의 실시예에 따른 최적 공진주파수 탐색 프로세스를 진행한다. 최고 주파수인 215kHz에서 ①번의 하락 가변방법을 적용하여 최적 공진주파수를 탐색하면, 205.8kHz 일 때 수전부(200)의 출력 전압이 미리 설정된 출력전압 판정값(5V)에 도달했음 알 수 있고, 그 때의 전력전송 효율이 최대이기 때문에 이 시스템의 최적 공진주파수 탐색 결과는 205.8kHz로 결정됨을 알 수 있다.
또한 제일 낮은 주파수인 185kHz에서 ②번의 상승 가변방법을 적용하여 최적 공진주파수를 탐색하면, 200kHz 일때 수전부(200)의 출력 전압이 미리 설정된 출력전압 판정값(5V)에 도달했음 알 수 있고, 그 때의 전력전송 효율이 최대이기 때문에 이 시스템의 최적 공진주파수 탐색 결과는 200kHz로 결정됨을 알 수 있다.
이와 같이, 도 6 내지 도 11에 예시된 시스템 주파수 가변을 이용한 최적 공진주파수 탐색 무선전력 전송 시스템(10) 및 방법으로, 도 1 및 도 2에 예시된 (a) 단계의 최적 공진주파수 탐색 프로세스를 효과적으로 진행하여, 최대의 효율을 갖는 무선전력 전송 시스템(10) 및 방법을 제공할 수 있고, 이를 이용한 하중 측정 시스템(1000) 및 방법은 도 1 내지 도 5에서 전술한다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 최적 공진주파수 탐색방법을 이용하여 주파수 변경에 따른 수전부(200) 출력전압 및 전송효율 응답특성을 나타낸 그래프로서, 송전거리(d)를 낮추어가며 최적 공진주파수를 탐색하는 주파수 응답특성 그래프를 도시한다.
도 13의 (a)는 송전거리(d) 80mm일 때, 주파수 변경에 따른 수전부(200) 출력전압 및 전송효율 응답특성을 나타낸 그래프이고, 도 13의 (b)는 송전거리(d) 60mm일 때, 주파수 변경에 따른 수전부(200) 출력전압 및 전송효율 응답특성을 나타낸 그래프이고, 도 13의 (c)는 송전거리(d) 20mm 일 때, 주파수 변경에 따른 수전부(200) 출력전압 및 전송효율 응답특성을 나타낸 그래프를 도시한다.
도 13에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 최적 공진주파수 탐색방법은 제1 시스템 또는 제2 시스템을 이용하는 것으로, 시스템 초기 송전거리(d) 80mm에서 205.8kHz로 매칭 최적화된 시스템과(도 13의 (a)), 이와 다른 조건인 송전거리(d) 60mm(도 13의 (b)) 및 20mm(도 13의 (c))에서 최적 공진주파수를 재 탐색하는 경우에 있어서, ①번의 주파수 하락 가변 탐색방법 또는 ②번의 주파수 상승 가변 탐색방법을 적용할 수 있는데, 송전거리(d)가 서로 다른 각 탐색조건에서 부합되는 최적 공진주파수를 찾을 수 있고, 송전거리(d)가 작아짐에 따라 최적 공진주파수가 비례하여 작아지고 있음을 알 수 있으며, 각 조건에 따라 ①및 ②번 방법에 의해 탐색한 최적 공진주파수들 사이의 주파수 범위가 송전거리(d)가 작아짐에 따라 넓어지고 있음을 확인할 수 있다. 즉, 송전거리(d)가 가까워질수록 넓은 범위에서 최적 공진주파수가 나타날 수 있음을 알 수 있다.
즉, 도 13에 도시된 바와 같이, 모든 탐색조건에 부합하는 최적화된 공진주파수 결과를 탐색하고 찾아낼 수 있음을 알 수 있다.(빨간색 점선 표시) 여기서 최적 공진주파수 탐색을 위한 수전부(200)의 출력전압 판정값은 5V로 예시한다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 최적 공진주파수 탐색방법을 이용하여 주파수 변경에 따른 수전부(200) 출력전압 및 전송효율 응답특성을 나타낸 그래프로서, 송전거리(d)를 높여가며 최적 공진주파수를 탐색하는 실험 응답특성 그래프를 도시한다.
도 14의 (a)는 송전거리(d) 80mm일때, 주파수 변경에 따른 수전부(200) 출력전압 및 전송효율 응답특성을 나타낸 그래프이고, 도 14의 (b)는 송전거리(d) 100mm 일 때, 주파수 변경에 따른 수전부(200) 출력전압 및 전송효율 응답특성을 나타낸 그래프이고, 도 14의 (c)는 송전거리(d) 120mm 일 때, 주파수 변경에 따른 수전부(200) 출력전압 및 전송효율 응답특성을 나타낸 그래프를 도시한다.
도 14에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 최적 공진주파수 탐색방법은 제1 시스템 또는 제2 시스템을 이용하는 것으로, 시스템 초기 송전거리(d) 80mm에서 205.8kHz로 매칭 최적화된 시스템과(도 14의 (a)), 이와 다른 조건인 송전거리(d) 100mm(도 14의 (b)) 및 120mm(도 14의 (c))에서 최적 공진주파수를 재 탐색하는 경우에 있어서, ①번의 주파수 하락 가변 탐색방법 또는 ②번의 주파수 상승 가변 탐색방법을 적용할 수 있는데, 송전거리(d)가 서로 다른 각 탐색조건에서 부합되는 최적 공진주파수를 찾을 수 있고, 각 조건에 따라 ①및 ②번 방법에 의해 탐색한 최적 공진주파수들 사이의 주파수 범위가 송전거리(d)가 커짐에 따라 좁아지고 있음을 확인할 수 있다. 즉, 송전거리(d)가 짧아질수록 초기 설정된 시스템보다 전력을 받기 쉬워지기 때문에 출력전압이 판정값으로 측정되는 주파수 범위가 넓어지고, 송전거리(d)가 멀어질 수록 자기결합이 줄어들어 전력을 받기가 어려워지므로 출력전압의 안정적인 범위가 줄어드는 경향이 나타남을 알 수 있다.
따라서 시스템 설계시에는 송전거리(d)가 가장 먼 거리를 기준으로 매칭회로를 최적화한 후 송전거리(d)를 줄여가며 최적 공진주파수를 탐색하는 방법을 적용하도록 시스템을 운영하는 것이 바람직하다.
이와 같이, 도 13 및 도 14에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 자기공진 무선전력 전송 시스템(10) 및 방법을 이용하여 송전거리(d)에 따른 최적 공진주파수의 관계를 알 수 있고, 이 과정은 도 1에 예시되 (b) 단계의 과정과 같다.(S200)
이와 같은 전력 전송시스템에 최대 전력을 전송하기 위한 최적 공진주파수를 탐색하기 위해, 타이어 교체 후 초기 세팅시, 본 발명의 실시예에 따른 최적 공진주파수 탐색방법에 따라 주파수 가변하고 최적 공진주파수를 탐색하여, 트럭 등의 산업용 차량의 휠 또는 휠하우징에 설치되는 각종 센서에 최적의 전력선송 효율을 갖는 무선전력을 공급할 수 있다.
본 명세서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 당업자는 이하에서 서술하는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경 실시할 수 있을 것이다. 그러므로 변형된 실시가 기본적으로 본 발명의 특허청구범위의 구성요소를 포함한다면 모두 본 발명의 기술적 범주에 포함된다고 보아야 한다.

Claims (13)

  1. 적재물을 포함하는 차량의 하중에 따라 차고가 변경되는 차량에 설치되며 송전부(Tx)와 수전부(Rx)가 구비되는 자기공진 무선전력 전송 시스템을 이용한 하중 측정 방법으로서,
    (a) 차량의 하중 변화에 따라 시스템 주파수 가변을 이용하여 송전거리 변동에 따른 최적 공진주파수를 탐색하는 단계;
    (b) 상기 송전거리 변동에 따른 최적 공진주파수 변동 관계식을 도출하는 단계; 및
    (c) 상기 변동 관계식으로부터 송전거리 변동량을 산출하고, 송전거리 변동량으로부터 상기 하중을 도출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 최적 공진주파수 탐색 무선전력 전송 시스템을 이용한 차량의 하중 측정방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 무선전력 전송 시스템은,
    차량의 휠하우징에 장착되는 송전부(Tx)와 휠의 타이어 내부에 장착되는 수전부(Rx)가 구비되는 자기공진 무선전력 전송 시스템인 것을 특징으로 하는 최적 공진주파수 탐색 무선전력 전송 시스템을 이용한 차량의 하중 측정방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 송전부(Tx)와 수전부(Rx)가 복수의 휠과 휠하우징에 설치되고, 복수 개의 다수개의 하중 측정값이 산출되는 경우, 상기 다수개의 측정값의 평균값을 하중값으로 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 최적 공진주파수 탐색 무선전력 전송 시스템을 이용한 차량의 하중 측정방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 (a) 단계는,
    (a1-1) 미리 설정된 주파수 가변 범위 내에서 시스템 주파수를 설정하고 상기 송전부에서 수전부로 전력을 전송하는 단계;
    (a1-2) 상기 설정된 시스템 주파수에 따른 상기 수전부의 출력 전압값을 측정하는 단계;
    (a1-3) 측정된 상기 출력 전압값이 미리 설정된 수신전압 판정값 이상인 경우의 공진주파수를 최적 공진주파수로 결정하는 단계; 및
    (a1-4) 상기 주파수 가변 범위 내에서 상기 시스템 주파수를 가변하여 상기 (a) 단계 이하를 반복하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 최적 공진주파수 탐색 무선전력 전송 시스템을 이용한 차량의 하중 측정방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 (a) 단계는,
    (a2-1) 미리 설정된 주파수 가변 범위 내에서 시스템 주파수를 설정하고 상기 송전부에서 수전부로 전력을 전송하는 단계;
    (a2-2) 상기 설정된 시스템 주파수에 따른 상기 송전부의 전류값, 상기 수전부의 출력 전압값, 출력 전류값을 측정하는 단계;
    (a2-3) 측정된 출력 전압값이 미리 설정된 수신전압 판정값 이상인 경우, 공진주파수에서 측정된 송전부의 전류값과 전압값, 상기 수전부의 출력 전압값과 출력 전류값을 이용하여 전력전송 효율을 산출하는 단계;
    (a2-4) 상기 주파수 가변 범위내에서 상기 시스템 주파수를 가변하여 상기 (a2-1) 단계 이하를 반복하는 단계; 및
    (a2-5) 상기 산출된 전력전송 효율 중 최대값의 공진주파수를 최적 공진주파수로 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 최적 공진주파수 탐색 무선전력 전송 시스템을 이용한 차량의 하중 측정방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 (c) 단계는,
    (c1) 상기 획득한 최적 공진주파수의 변화값으로부터 상기 변동 관계식에 따르는 송전거리의 변동량을 산출하는 단계; 및
    (c2) 산출된 송전거리 변동량과 미리 설정된 상기 차량의 서스펜션 스프링 상수(k)를 이용하여 상기 차량에 탑재된 물체의 하중을 도출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 최적 공진주파수 탐색 무선전력 전송 시스템을 이용한 차량의 하중 측정방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 측정된 안정화 출력 전압값(Vr)에 대한 상기 수신전압 판정값은 상기 측정된 DC 출력 전압값(V)에 대한 상기 수신전압 판정값보다 큰 것을 특징으로 하는 최적 공진주파수 탐색 무선전력 전송 시스템을 이용한 차량의 하중 측정방법.
  8. 적재물을 포함하는 차량의 하중에 따라 차고가 변경되는 차량에 설치되는 송전부(Tx)와 수전부(Rx)가 구비되는 자기공진 무선전력 전송 시스템을 이용한 하중 측정 시스템에 있어서,
    AC/DC 변환회로, DC/RF 변환회로, 매칭회로, 제어회로 및 통신회로를 포함하여 구비되는 송전부(Tx)와, 타이어 내부에 장착되는 것으로, 매칭회로, 정류회로, 안정화회로, 직류/직류변환회로, 제어회로 및 통신회로를 포함하여 상기 송전부(Tx)로부터 전력을 수전하는 수전부(Rx)를 포함하되, 시스템 주파수의 가변으로 최적 공진주파수를 탐색하여 결정하는 최적 공진주파수 탐색 무선전력 전송 시스템; 및
    하중변화 시점에 주파수 가변을 이용하여 상기 차량의 하중변화에 의한 송전거리 변동에 따른 최적 주파수 변동 관계식을 도출하고, 상기 변동 관계식으로부터 산출된 송전거리 변동량으로부터 상기 하중을 측정하는 하중 측정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 최적 공진주파수 탐색 무선전력 전송 시스템을 이용한 차량의 하중 측정 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 자기공진 무선전력 전송 시스템은,
    차량의 휠하우징에 장착되는 송전부(Tx)와 휠의 타이어 내부에 장착되는 수전부(Rx)가 구비되는 자기공진 무선전력 전송 시스템인 것을 특징으로 하는 최적 공진주파수 탐색 무선전력 전송 시스템을 이용한 차량의 하중 측정 시스템.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 최적 공진주파수 탐색 무선전력 전송 시스템는,
    상기 송전부가 미리 설정된 주파수 가변 범위 내에서 시스템 주파수를 가변시켜 상기 수전부로 전력을 전송하고, 상기 수전부에서 측정된 출력 전압값이 미리 설정된 수신전압 판정값 이상인 경우의 공진주파수 중 적어도 어느 하나를 최적 공진주파수로 결정하는 것을 특징으로 하는 최적 공진주파수 탐색 무선전력 전송 시스템을 이용한 차량의 하중 측정 시스템.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 최적 공진주파수 탐색 무선전력 전송 시스템은,
    상기 송전부가 미리 설정된 주파수 가변 범위 내에서 시스템 주파수를 가변시켜 상기 수전부로 전력을 전송하고, 상기 수전부에서 측정된 출력 전압값이 미리 설정된 수신전압 판정값 이상인 경우, 공진주파수에서 측정된 송전부의 전류값과 전압값 및 상기 수전부의 출력 전류값과 출력 전압값을 이용하여 산출된 적어도 하나 이상의 전력전송 효율 중 최대값의 공진주파수를 최적 공진주파수로 결정하는 것을 특징으로 하는 최적 공진주파수 탐색 무선전력 전송 시스템을 이용한 차량의 하중 측정 시스템.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 출력 전압값은 상기 수전부의 안정화회로 및 DC 변환회로 사이에서 측정되는 DC 출력 전압값(V) 또는 안정화 출력 전압값(Vr)인 것을 특징으로 하는 최적 공진주파수 탐색 무선전력 전송 시스템을 이용한 차량의 하중 측정 시스템.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 송전부의 전류값은, 상기 AC/DC 변환회로 및 DC/RF 변환회로 사이에서 측정되거나, DC/RF 변환회로와 매칭회로 사이에서 측정되는 입력 전류값(A)인 것을 특징으로 하는 최적 공진주파수 탐색 무선전력 전송 시스템을 이용한 차량의 하중 측정 시스템.
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