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KR101241481B1 - 무선 전력 전송 기기 및 그 방법 - Google Patents

무선 전력 전송 기기 및 그 방법 Download PDF

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KR101241481B1
KR101241481B1 KR1020110097769A KR20110097769A KR101241481B1 KR 101241481 B1 KR101241481 B1 KR 101241481B1 KR 1020110097769 A KR1020110097769 A KR 1020110097769A KR 20110097769 A KR20110097769 A KR 20110097769A KR 101241481 B1 KR101241481 B1 KR 101241481B1
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South Korea
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wireless power
frequency
resonant
power
transmission
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이정오
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엘지이노텍 주식회사
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Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따른 공진을 이용하여 무선전력 중계장치를 통해 무선전력 수신장치에 무선으로 전력을 전송하는 무선전력 송신장치는 일정한 주파수를 갖는 교류 전력을 출력하는 전력 공급부와 상기 출력된 교류 전력을 수신하여 시변 자기장을 발생하는 송신 코일 및 상기 송신 코일과 커플링되어 전달받은 전력을 전송하는 송신 공진 코일부를 포함하고, 상기 무선전력 송신장치는 상기 전력 공급부에서 출력되는 교류 전력의 주파수 및 상기 송신 공진 코일부의 공진 주파수를 조절하면서, 전력 전송을 위한 공진 주파수를 결정하는 것을 특징으로 한다.

Description

무선 전력 전송 기기 및 그 방법{A WIRELESS POWER TRANSMISSION APPARATUS AND METHOD THEREOF}
본 발명은 무선 전력 전송 기술에 관한 것으로서, 특히 자기 공진 현상을 이용하여 에너지를 효율적으로 전송하는 무선 전력 전송 기기 및 그 방법에 관한 것이다.
무선으로 전기 에너지를 원하는 기기로 전달하는 무선 전력 전송 기술(wireless power transmission 또는 wireless energy transfer)은 이미 1800년대에 전자기유도 원리를 이용한 전기 모터나 변압기가 사용되기 시작했고, 그 후로는 라디오 파(radio wave)나 레이저(laser)와 같은 전자기파를 방사해서 전기 에너지를 전송하는 방법도 시도되었다. 우리가 흔히 사용하는 전동 칫솔이나 일부 무선 면도기도 실상은 전자기유도 원리로 충전된다. 현재까지 무선 방식에 의한 에너지 전달 방식은 자기 유도, 자기 공진 및 단파장 무선 주파수를 이용한 원거리 송신 기술 등이 있다.
최근에 이슈가 되고 있는 단거리 무선 전력 전송 기술의 응용 분야를 보면, 건물 내에 무선 전력 송신 장치를 설치하고, 건물 내부에서 사용자가 휴대폰이나 노트북 등과 같은 모바일 기기 내에 무선 전력 수신 장치를 사용하면 별도의 전원 케이블을 연결하지 않아도 계속해서 충전되는 경우가 대표적이다.
이러한 무선 전력 전송 기술에서, 자기 공진에 의한 무선 전력 전송이 효율적으로 이루어지기 위해서는, 무선 전력 송신 장치와 무선 전력 수신 장치 사이에 임계값 이상의 결합 계수(coupling coefficient)가 존재하여야 한다. 이때, 상기 결합 계수는 송신 장치의 송신 공진 코일부과 수신 장치의 수신 공진 코일부의 크기 및 양 장치 사이의 거리에 의해 결정된다.
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통상, 수신 장치의 수신 공진 코일부의 크기는 송신 장치의 송신 공진 코일부의 크기에 비해 훨씬 작기 때문에, 송신 공진 코일부과 수신 공진 코일부 사이의 결합 계수는 상대적으로 작은 값을 갖게 된다. 이에 따라, 송신 장치와 수신 장치 간에 자기 공진에 의한 에너지 전송 효율은 감소하게 된다. 따라서, 무선 전력 송신 장치와 무선 전력 수신 장치 사이에 중계 공진부를 설치하여, 상기 중계 공진부를 통해 무선 전력을 중계하고 있는 실정이다.
그런데, 종래의 무선 전력 전송 기술에서는 전력을 수신하는 무선 전력 수신 장치의 존재 여부 및 위치와 관계없이 항상 일정한 전력을 송신하거나 중계하므로 전력이 낭비되고 인체에 유해한 문제점이 있다.
이와 관련한 선행기술문헌으로는 일본 공개특허 특개2011-160634호가 있다.
본 발명은 자기 공진 현상을 이용하여 에너지를 전송하는 무선 전력 전송 기기 및 그 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 무선 전력 수신 장치의 위치에 대응하는 특정 중계 공진기를 통해 에너지를 전송하는 무선 전력 전송 기기 및 그 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 순차적으로 주파수를 변경하면서 미소 전력을 송출하여 무선 전력 수신 장치의 위치를 검출하는 무선 전력 전송 기기 및 그 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 서로 다른 자체 공진 주파수를 갖는 복수의 중계 공진기들이 규칙적으로 배열된 중계 공진부를 제공한다.
또한, 본 발명은 외부로 자기장이 누설되는 것을 방지하는 중계 공진부를 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 공진을 이용하여 무선전력 중계장치를 통해 무선전력 수신장치에 무선으로 전력을 전송하는 무선전력 송신장치는 일정한 주파수를 갖는 교류 전력을 출력하는 전력 공급부와 상기 출력된 교류 전력을 수신하여 시변 자기장을 발생하는 송신 코일 및 상기 송신 코일과 커플링되어 전달받은 전력을 전송하는 송신 공진 코일부를 포함하고, 상기 무선전력 송신장치는 상기 전력 공급부에서 출력되는 교류 전력의 주파수 및 상기 송신 공진 코일부의 공진 주파수를 조절하면서, 전력 전송을 위한 공진 주파수를 결정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 무선전력 송신장치와 무선전력 수신장치 간 전력 전송을 중계하는 무선전력 중계장치는 상기 무선전력 중계장치는 각각의 공진 주파수가 서로 다르게 설정되어 있는 복수의 중계 공진 코일을 포함하고, 상기 무선전력 중계장치는 상기 복수의 중계 공진 코일 중 상기 무선전력 송신장치와 상기 무선전력 수신장치의 공진 주파수에 대응되는 중계 공진 코일을 통해 전력 전송을 중계하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 공진을 이용하여 무선전력 중계장치를 통해 무선전력 수신장치에 무선으로 전력을 전송하는 무선전력 장치의 무선전력 전송 방법은 상기 무선전력 중계장치에 기 설정된 시간 주기마다 일정한 간격의 주파수를 갖는 미소 전력을 전송하는 단계와 상기 전송된 미소전력에 따라 상기 무선전력 송신장치의 내부 전류 값을 검출하는 단계 및 상기 검출된 전류 값에 기초하여 전력 전송을 위한 공진 주파수를 결정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 무선 전력 송신 장치는 무선 전력 수신 장치의 위치에 대응하는 중계 공진기를 통해 에너지를 전송함으로써, 무선 전력 수신 장치로의 에너지 전송 효율을 향상할 수 있다.
또한, 무선 전력 송신 장치는 특정 중계 공진기를 통해 에너지 전송을 집중함으로써, 에너지 낭비를 감소할 수 있고 인체에 유해한 자기장의 발생을 감소시킬 수 있다.
또한, 중계 공진 코일부를 외부를 감싸도록 차폐제를 형성함으로써, 중계 공진기 외부로 자기장이 누설되는 것을 방지할 수 있다.
한편 그 외의 다양한 효과는 후술될 본 발명의 실시 예에 따른 상세한 설명에서 직접적 또는 암시적으로 개시될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 설명하는 도면;
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 송신 코일부의 등가 회로도;
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 소스와 송신부의 등가 회로도;
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 수신 공진 코일부, 수신 코일부, 평활 회로 및 부하의 등가 회로도;
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 구성도;
도 6은 도 5의 무선 전력 전송 시스템에서 특정 중계 공진기를 통해 무선 전력을 전송하는 방법을 나타낸 도면;
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 검출부의 구성도.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술 되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하, 본 발명의 실시 예에 대해 첨부된 도면들을 참조하여 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 나타낸다.
도 1을 참조하면, 무선 전력 전송 시스템은 전력 소스(10), 전력 송신부(20), 전력 수신부(30), 정류 회로(40) 및 부하(50)를 포함한다.
전력 소스(10)에서 생성된 전력은 전력 송신부(20)로 전달되고, 자기 공진 현상에 의해 전력 송신부(20)와 공진을 이루는 즉, 공진 주파수 값이 동일한 전력 수신부(30)로 전달된다. 전력 수신부(30)로 전달된 전력은 정류 회로(40)를 거쳐 부하(50)로 전달된다. 이때, 상기 부하(50)는 충전지 또는 기타 전력을 필요로 하는 임의의 장치일 수 있다.
좀 더 구체적으로, 전력 소스(10)는 소정의 주파수를 갖는 교류 전력을 제공하는 교류 전력 소스이다.
전력 송신부(20)는 송신 코일부(21)와 송신 공진 코일부(22)로 구성된다. 송신 코일부(21)는 전력 소스(10)와 연결되며, 교류 전류가 흐르게 된다. 송신 코일부(21)에 교류 전류가 흐르면, 전자기 유도에 의해 물리적으로 이격되어 있는 송신 공진 코일부(22)에도 교류 전류가 유도된다. 송신 공진 코일부(22)로 전달된 전력은 자기 공진에 의해 전력 송신부(20)와 공진 회로를 이루는 전력 수신부(30)로 전달된다.
자기 공진에 의한 전력 전송은 임피던스가 매칭된 2개의 LC 회로 간에 전력이 전송되는 현상으로써, 전자기 유도에 의한 전력 전송보다 먼 거리까지 높은 효율로 전력을 전달할 수 있다.
전력 수신부(30)는 수신 공진 코일부(31)와 수신 코일부(32)로 구성된다. 송신 공진 코일부(22)에 의해 전송된 전력은 수신 공진 코일부(31)에 의해 수신되어 수신 공진 코일부(31)에 교류 전류가 흐르게 된다. 수신 공진 코일부(31)로 전달된 전력은 전자기 유도에 의해 수신 코일부(32)로 전달된다. 수신 코일부(32)로 전달된 전력은 정류 회로(40)를 통해 정류되어 부하(50)로 전달된다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 송신 코일부(21)의 등가 회로이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 송신 코일부(21)는 인덕터(L1)와 캐패시터(C1)로 구성될 수 있으며, 이들에 의해 적절한 인덕턴스와 캐패시턴스 값을 갖는 회로를 구성하게 된다.
상기 캐패시터(C1)는 고정 캐패시터 또는 가변 캐패시터일 수 있다. 상기 캐패시터(C1)가 가변 캐패시터인 경우, 전력 송신부(20)는 가변 캐패시터를 조절하여 임피던스 매칭을 수행할 수 있다. 한편, 송신 공진 코일부(22), 수신 공진 코일부(31), 수신 코일부(32)의 등가 회로도 도 2에 도시된 것과 동일할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 소스(10)와 전력 송신부(20)의 등가 회로이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 송신 코일부(21)와 송신 공진 코일부(22)는 각각 소정 인덕턴스 값과 캐패시턴스 값을 갖는 인덕터(L1, L2)와 캐패시터(C1, C2)로 구성될 수 있다.
특히, 송신 공진 코일부(22)의 캐패시터(C2)는 가변 캐패시터일 수 있으며, 전력 송신부(20)는 상기 가변 캐패시터를 조절하여 자기 공진을 위한 공진 주파수 값을 조절할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 수신 공진 코일부(31), 수신 코일부(32), 평활 회로(40) 및 부하(50)의 등가 회로이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 수신 공진 코일부(31)와 수신 코일부(32)는 각각 소정 인덕턴스 값과 캐패시턴스 값을 갖는 인덕터(L3, L4)와 캐패시터(C3, C4)로 구성될 수 있다.
평활 회로(40)는 다이오드(D1)와 평활 캐패시터(C5)로 구성될 수 있으며, 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 출력한다. 부하(50)는 1.3V의 직류 전원으로 표시되어 있으나, 직류 전력을 필요로 하는 임의의 충전지 또는 장치일 수 있다.
한편, 이하 본 발명의 실시 예에서는, 무선 전력 수신 장치의 위치에 대응하는 특정 중계 공진기를 통해 에너지를 전송하는 무선 전력 전송 기기 및 그 방법에 대해 설명한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 구성을 나타낸다.
도 5를 참조하면, 무선 전력 전송 시스템은 무선 전력 송신 장치(60), 중계 공진부(70) 및 무선 전력 수신 장치(80)을 포함한다. 이하, 본 실시 예에서, 상기 무선 전력 송신 장치(60)는 상기 중계 공진부(70)를 통해 무선 전력 수신 장치(80)로 에너지를 전송하는 것을 예시하여 설명하도록 한다.
무선 전력 송신 장치(60)는 전력 공급부(11), 검출부(12), 제어부(13), 송신 코일부(21) 및 송신 공진 코일부(22)를 포함한다. 한편, 도 5에서 송신 코일부(21) 및 송신 공진 코일부(22)를 제외한 나머지 구성요소들은 도 1의 전력 소스(10)에 포함될 수 있다.
상기 무선 전력 송신 장치(60)는 무선 전력 수신 장치로 직접 에너지를 전송하거나 또는 중계 공진부를 통해 무선 전력 수신 장치로 에너지를 전송하게 된다. 한편, 본 실시 예에서는, 송신 공진 코일부과 수신 공진 코일부 사이의 결합 계수는 상대적으로 작은 값을 갖게 되므로, 송신 장치에서 수신 장치로 직접 에너지를 전송하는 것보다는 중계 공진부를 통해 에너지를 전송하는 것을 예시한다.
전력 공급부(11)는 자기 공진에 의한 무선 전력 전송을 위해 특정 주파수의 교류 전력을 발생한다. 또한, 상기 전력 공급부(11)는 제어부(13)의 제어에 따라 중계 공진부(70) 상에 존재하는 무선 전력 수신 장치의 위치를 검출하기 위한 미소 전력을 제공한다.
무선 전력 수신 장치의 위치 검출을 위한 미소 전력 제공 시, 검출부(12)는 무선 전력 송신 장치(60)의 내부 전류 변화를 검출하고, 상기 전류 변화에 대한 정보를 제어부(13)로 제공한다. 그러면, 상기 제어부(13)는 상기 검출부(12)로부터 제공받은 전류 변화에 대한 정보를 기반으로 무선 전력 수신 장치의 위치를 결정한다.
즉, 상기 제어부(13)는 미리 결정된 시간 주기마다 일정한 간격으로 주파수를 변경해가면서 미소 전력을 전송하도록 제어한다. 그리고, 상기 제어부(63)는 상기 검출부(62)로부터 제공된 전류 변화에 대한 정보를 기반으로 무선 전력 수신 장치의 위치를 결정한다.
송신 코일부(21)는 전력 공급부(11)와 연결되며, 교류 전류가 흐르게 된다. 송신 코일부(21)에 교류 전류가 흐르면, 전자기 유도에 의해 물리적으로 이격되어 있는 송신 공진 코일부(22)에도 교류 전류가 유도된다. 송신 공진 코일부(22)로 전달된 전력은 자기 공진에 의해 송신 장치와 공진 회로를 이루는 중계 공진부(70)로 전달된다.
송신 공진 코일부(22)는 캐패시터(22a)를 포함하며, 상기 캐패시터(22a)는 고정 캐패시터 또는 가변 캐패시터일 수 있다.
상기 송신 공진 코일부(22)의 캐패시터(22a)가 가변 캐패시터인 경우, 무선 전력 송신 장치(60)는 송신 공진 코일부(22)의 캐패시터(22a)를 통해 자기 공진을 위한 자체 공진 주파수를 조절할 수 있다.
중계 공진부(70)는 송신 공진 코일부(22)로부터 자기 공진을 통해 전송된 에너지를 무선 전력 수신 장치(80)로 중계하는 역할을 수행한다.
상기 중계 공진부(70) 내의 중계 공진기(75)는 무선 전력 수신 장치에 구비된 수신 공진 코일부보다 더 크게 형성하는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 효율적인 무선 전력 전송을 위해, 송신 측의 공진 코일과 수신 측의 공진 코일 사이에 임계값 이상의 결합 계수(coupling coefficient)가 존재하여야 하기 때문이다. 따라서, 복수의 중계 공진기(75)를 이용한 에너지 전송 방식은 무선 전력 송신 장치에서 무선 전력 수신 장치로 에너지를 바로 전달하는 방식보다 전송 효율이 증가하게 된다.
상기 중계 공진부(70)는 규칙적으로 배열된 복수의 중계 공진기(75)를 포함한다. 이때, 상기 복수의 중계 공진기(75)는 각각 동일한 크기와 모양을 갖도록 구성될 수 있다. 가령, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 복수의 중계 공진기(75)는 각각 원기둥 형태로 구성될 수 있으며, 이를 제한하지는 않는다.
상기 중계 공진부(70)는 18개의 중계 공진기들이 격자 형태 또는 매트릭스 형태로 배열되는 것을 예시하고 있으나, 이를 제한하지는 않는다. 또한, 상기 중계 공진부(70)는 사각형 모양의 중계 패드 형태로 구성되는 것을 예시하고 있으나, 이를 제한하지는 않는다.
또한, 복수의 중계 공진기(75)는 각각 중계 코일부(76) 및 차폐제(77)를 포함한다. 가령, 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 차폐제(77)는 상기 중계 코일부(76)의 외측을 둘러싸고, 상기 차폐제(77)의 상면이 상기 중계 코일부(76)의 상면보다 높이 위치하도록 형성된다. 이러한 차폐제(77)는 자기장의 전달 방향을 가이드하고, 외부로 자기장이 누설되는 것을 방지한다. 또한, 상기 차폐제(77)는 통상 페라이트 시트로 구성될 수 있다.
복수의 중계 공진기(75)는 각각 캐패시터(미도시)를 포함하며, 상기 캐패시터는 고정 캐패시터 또는 가변 캐패시터일 수 있다. 이때, 상기 복수의 중계 공진기(75)는 순차적으로 일정한 간격의 자체 공진 주파수를 갖도록 설계된다.
가령, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 복수의 중계 공진기(75)는 210KHz부터 380KHz까지 10KHz 간격의 서로 다른 공진 주파수를 갖도록 구성될 수 있다. 이러한 중계 공진부의 구성을 통해, 무선 전력 송신 장치는 특정 중계 공진기를 통해 무선 전력 수신 장치로 전력을 전송하게 된다.
중계 공진부(70) 위에 무선 전력 수신 장치(80)를 위치하면, 무선 전력 송신 장치(60)는 상기 무선 전력 수신 장치(80)의 위치에 대응하는 특정 중계 공진기를 통해 에너지를 전송하게 된다. 즉, 무선 전력 송신 장치(60)는 상기 특정 중계 공진기의 공진 주파수와 동일한 주파수를 갖는 전력을 전송함으로써, 상기 특정 중계 공진기 상에 존재하는 무선 전력 수신 장치로 전력을 제공할 수 있게 된다.
비록 도 5에 도시되고 있지 않지만, 무선 전력 수신 장치(80)는 수신 공진 코일부, 수신 코일부, 검출부 및 제어부를 포함하고, 그 외에 평활 회로 및 부하를 더 포함할 수 있다.
무선 전력 송신 장치(60)에 의해 전송된 전력은 수신 공진 코일부에 의해 수신되어 수신 공진 코일부에 교류 전류가 흐르게 된다. 수신 공진 코일부로 전달된 전력은 전자기 유도에 의해 수신 코일부로 전달된다. 수신 코일부로 전달된 전력은 정류 회로를 통해 정류되어 부하로 전달된다.
상기 수신 공진 코일부는 가변 캐패시터를 포함하며, 제어부는 상기 가변 캐패시터를 조정하여 무선 전력 수신 장치의 자체 공진 주파수를 가변한다.
상기 제어부는 미리 결정된 시간 주기마다 일정한 간격으로 자체 공진 주파수를 변경해가면서 무선 전력 수신 장치의 내부 전류 변화를 검출하도록 제어한다. 이때, 상기 제어부는 무선 전력 송신 장치의 주파수 변경 타이밍과 동일한 타이밍에 자체 공진 주파수를 변경하도록 제어할 수 있다. 가령, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 제어부는 210KHz부터 380KHz까지 10KHz 간격으로 자체 공진 주파수를 변경하도록 제어할 수 있다.
검출부는 상기 제어부의 제어에 따라, 무선 전력 수신 장치의 내부 전류 변화를 검출하고, 상기 전류 변화에 대한 정보를 제어부로 제공한다. 그러면, 상기 제어부는 상기 검출부로부터 제공받은 전류 변화에 대한 정보를 기반으로 무선 전력이 수신되는 주파수 또는 무선 전력이 수신될 주파수를 결정한다. 즉, 상기 제어부는 해당 주파수를 공진 주파수로 갖는 중계 공진기 상에 무선 전력 수신 장치가 위치함을 인지할 수 있다.
상기 제어부는 상기 가변 캐패시터를 통해 무선 전력 수신 장치의 자체 공진 주파수를 무선 전력 송신 장치로부터 전력이 수신될 주파수로 조정하게 된다. 그리고, 무선 전력 수신 장치는 상기 조정된 주파수를 갖는 전력을 특정 중계 공진기를 통해 수신하게 된다.
도 6은 도 5의 무선 전력 전송 시스템에서 특정 중계 공진기를 통해 무선 전력을 전송하는 방법을 나타낸다.
도 6을 참조하면, 무선 전력 송신 장치(60)는 무선 전력 수신 장치(80)의 위치를 검출하기 위해 미리 결정된 시간 주기마다 일정한 간격으로 주파수를 변경하면서 미소 전력을 전송한다. 가령, 도 6에 도시된 바와 같이, 무선 전력 송신 장치(60)는 210KHz부터 380KHz까지 10KHz 간격으로 주파수를 변경하면서 미소 전력을 전송하게 된다.
이와 동시에, 무선 전력 송신 장치(60)는 자신의 내부 전류 변화를 검출하고, 상기 전류 변화에 대한 정보를 기반으로 무선 전력 수신 장치(80)의 위치를 결정한다. 즉, 상기 무선 전력 송신 장치(60)는 어느 공진 주파수를 갖는 중계 공진기 상에 무선 전력 수신 장치(80)가 존재하는지 여부를 결정한다.
중계 공진부(70)는 상기 무선 전력 송신 장치(60)로부터 전송된 미소 전력을 수신한다. 이때, 상기 중계 공진부(70)는 일정한 간격의 자체 공진 주파수를 갖는 복수의 중계 공진기(75)를 포함한다. 가령, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 복수의 중계 공진기(75)는 각각 210KHz부터 380KHz까지 10KHz 간격의 서로 다른 공진 주파수를 갖도록 구성됨을 가정한다.
무선 전력 수신 장치(80)는 무선 전력 송신 장치(60)와 동일한 시간 주기로 주파수를 변경하면서 전류 변화를 검출하고, 상기 검출된 전류 변화에 대한 정보를 기반으로 무선 전력이 수신되는 주파수 또는 무선 전력이 수신될 주파수를 결정한다. 가령, 도 6에 도시된 바와 같이, 무선 전력 수신 장치(80)는 320KHz를 갖는 중계 공진기 상에 존재하며, 210KHz부터 380KHz까지 10KHz 간격으로 공진 주파수를 변경함을 가정한다.
먼저, 무선 전력 송신 장치(60)는 210KHz부터 380KHz까지 10KHz 간격으로 주파수를 변경하면서 미소 전력을 전송한다. 이와 동시에, 무선 전력 수신 장치(80) 역시 210KHz부터 380KHz까지 10KHz 간격으로 자체 공진 주파수를 변경하게 된다.
무선 전력 송신 장치(60)가 320KHz가 아닌 나머지 주파수들에 대해 순차적으로 미소 전력을 전송하는 경우, 해당 주파수를 갖는 중계 공진기 상에 무선 전력 수신 장치가 존재하지 않는다. 따라서, 무선 전력 송신 장치(60) 내부에는 임계 값 이상의 전류가 검출된다.
이에 반해, 무선 전력 송신 장치(60)가 320KHz의 미소 전력을 전송하는 경우, 해당 주파수를 갖는 중계 공진기 상에 무선 전력 수신 장치(80)가 존재한다. 이때, 상기 무선 전력 수신 장치(80)는 가변 캐패시터의 조절을 통해 320KHz의 자체 공진 주파수를 갖는다. 그러면, 무선 전력 송신 장치와, 중계 공진기 및 무선 전력 수신 장치 사이에 자기 공진 현상에 의한 무선 전력 전송이 발생한다.
상기 무선 전력 전송이 발생하게 되면, 무선 전력 송신 장치(60)의 송신 공진 코일(22) 내에 저장된 에너지의 양이 감소하게 되고, 그에 따라 상기 무선 전력 송신 장치 내부에서 검출되는 전류량도 감소하게 된다. 상기 검출부(12)로부터 이러한 전류량 변화에 대한 정보를 수신하게 되면, 제어부(13)는 320KHz의 중계 공진기가 위치하는 영역 상에 무선 전력 수신 장치(80)가 존재함을 인지하게 된다.
본 실시 예에서, 무선 전력 송신 장치가 무선 전력 수신 장치의 위치를 검출하는 방법에 대해 도 7을 참조하여 설명하도록 한다.
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 검출부의 구성을 나타낸다.
도 7을 참조하면, 검출부(12)는 검출용 코일(12_1) 및 전류 검출기(12_2)를 포함한다.
검출용 코일(12_1)은 송신 공진 코일부(22) 또는 특정 중계 공진기(75)의 공진 코일부에서 송신되는 자기장의 세기를 검출할 수 있다. 한편, 본 실시 예에서, 상기 검출용 코일(12_1)은 송신 공진 코일부(22)에서 발생하는 자기장의 세기를 검출하는 것을 예시한다.
전류 검출기(12_2)는 상기 검출용 코일(12_1)에서 검출한 자기장에 의해 발생하는 전력을 전류로 변환하고, 이를 기반으로 전류량 변화를 검출하게 된다. 그리고, 상기 전류 검출기(12_1)는 상기 전류량 변화에 대한 정보를 제어부(13)로 제공한다.
이때, 제어부(13)가 상기 전류량 변화를 통해 무선 전력 수신 장치의 위치를 검출하는 원리는 다음과 같다.
도 7에서, 송신 공진 코일부(22) 및 중계 공진기의 공진 코일부(75, 이하, "중계 공진 코일부"라 칭함)는 공진을 통하여 전력을 저장하는 역할을 한다. 이때, 송신 공진 코일부(22) 및 중계 공진 코일부(75)가 저장하는 에너지의 양은 "입력 전력 x Q(Q = Quality Factor)"이다. 그리고, 송신 공진 코일부(22) 및 중계 공진 코일부(75)의 Q 값은 수신 장치가 송신 장치 또는 특정 중계 공진기에 근접하여 수신하는 전력이 많아질수록 낮아진다.
또한, 송신 공진 코일부(22) 및 중계 공진 코일부(75)에서 발생하는 자기력은 내부에 저장된 에너지에 비례하기 때문에, 결과적으로 수신 장치가 송신 장치 또는 특정 중계 공진기에 근접할수록 송신 공진 코일부(22) 및 중계 공진 코일부(75)에 저장되는 에너지의 양은 줄어든다. 이에 따라, 상기 송신 공진 코일부(22) 및 중계 공진 코일부(75)에 의해 발생하는 자기장의 세기는 약해지고, 검출용 코일(12_1)에서 검출되는 전력량도 감소하게 된다.
즉, 수신 장치가 송신 장치 또는 특정 중계 공진기에 근접할수록, 상기 전류 검출기(12_2)에 검출되는 전류 값은 점점 감소하게 된다. 이러한 전류량 변화를 통해, 제어부(13)는 중계 공진부(70) 상에 존재하는 무선 전력 수신 장치의 위치를 검출할 수 있게 된다.
한편, 전류 검출기(12_2)는 무선 전력 수신 장치의 존재 여부를 검출하기 위한 기준 전류 값을 미리 저장할 수 있다. 이때, 상기 기준 전류 값은 특정 중계 공진기 상에 무선 전력 수신 장치가 존재하지 않을 때 무선 전력 송신 장치 내부에 흐르는 전류 값을 기초로 설정될 수 있다.
상기 전류 검출기(12_2)는 상기 검출용 코일(12_1)을 통해 검출한 전류 값과 상기 기준 전류 값을 이용하여 무선 전력 송신 장치의 전류량 변화를 검출하게 된다. 그리고, 상기 전류 검출기(12_2)는 상기 전류량 변화에 대한 정보를 제어부(13)로 제공한다.
제어부(13)는 주파수를 순차적으로 변경한 미소 전력을 전송해가면서, 상기 검출부(12)에서 제공된 전류량 변화에 대한 정보를 모니터링한다. 그리고, 상기 제어부(13)는 상기 전류량 변화에 대한 정보를 기반으로 320KHz의 중계 공진기 위에 무선 전력 수신 장치가 존재함을 인지하게 된다.
상기 무선 전력 수신 장치(80)의 위치가 검출되면, 무선 전력 송신 장치(60)는 320KHz의 주파수를 갖는 전력을 전송하게 된다.
다시, 도 6을 참조하면, 무선 전력 수신 장치(80)는 미리 결정된 시간 주기마다 일정한 간격으로 자체 공진 주파수를 변경해가면서 자신의 내부 전류 변화를 검출한다. 이때, 상기 무선 전력 수신 장치(80)는 무선 전력 송신 장치(60)의 주파수 변경 타이밍과 동일한 타이밍에 자체 공진 주파수를 순차적으로 변경한다.
무선 전력 수신 장치(80)가 320KHz의 중계 공진기 상에 위치하면, 무선 전력 송신 장치, 중계 공진기 및 무선 전력 수신 장치 사이에 자기 공진 현상에 의한 무선 전력 전송이 발생한다. 이때, 무선 전력 송신 장치(60)는 320KHz의 미소 전력을 전송하고 있는 상태이고, 상기 무선 전력 수신 장치(80)는 가변 캐패시터의 조절을 통해 320KHz의 자체 공진 주파수를 갖고 있는 상태이다.
상기 무선 전력 전송이 발생하게 되면, 무선 전력 수신 장치(80)의 수신 공진 코일 내에 저장된 에너지의 양이 증가하게 되고, 그에 따라 상기 무선 전력 수신 장치 내부에서 검출되는 전류량도 증가하게 된다. 수신 장치 내의 검출부로부터 이러한 전류량 변화에 대한 정보를 수신하게 되면, 수신 장치 내의 제어부는 320KHz의 중계 공진기가 위치하는 영역 상에 존재함을 인지하게 된다.
무선 전력 수신 장치(80)는 가변 캐패시터의 조정을 통해 320KHz의 자체 공진 주파수를 갖도록 고정한다. 그리고, 무선 전력 수신 장치(80)는 무선 전력 송신 장치(60)로부터 전송된 전력을 320KHz의 중계 공진기를 통해 수신하게 된다.
한편, 본 실시 예에서, 무선 전력 송신 장치와 무선 전력 수신 장치가 동시에 동일한 주파수를 변경하면서, 무선 전력 수신 장치의 위치 및 무선 전력을 전송할 주파수를 검출하는 것을 예시하고 있으나, 이를 제한하지는 않는다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 송신 장치는 중계 공진부 상에 존재하는 무선 전력 수신 장치의 위치에 대응하는 특정 중계 공진기를 통해 에너지를 전송함으로써, 상기 무선 전력 수신 장치로의 에너지 전송 효율을 향상할 수 있다.
한편 이상에서는 본 발명의 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되지 않으며, 후술 되는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
10 : 전력 소스 20 : 전력 송신부
21 : 송신 코일부 22 : 송신 공진 코일부
30 : 전력 수신부 31 : 수신 공진 코일부
32 : 수신 코일부 40 : 정류회로
50 : 부하 60 : 무선 전력 송신 장치
70 : 중계 공진부 80 : 무선 전력 수신 장치

Claims (21)

  1. 공진을 이용하여 무선전력 중계장치를 통해 무선전력 수신장치에 무선으로 전력을 전송하는 무선전력 송신장치에 있어서,
    일정한 주파수를 갖는 교류 전력을 출력하는 전력 공급부;
    상기 출력된 교류 전력을 수신하여 시변 자기장을 발생하는 송신 코일; 및
    상기 송신 코일과 커플링되어 전달받은 전력을 전송하는 송신 공진 코일부를 포함하고,
    상기 무선전력 송신장치는
    상기 전력 공급부에서 출력되는 교류 전력의 주파수 및 상기 송신 공진 코일부의 공진 주파수를 조절하면서, 전력 전송을 위한 공진 주파수를 결정하는 것을 특징으로 하는 무선전력 송신장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전력 공급부는 기 설정된 시간 주기마다 일정한 간격으로 주파수를 조절하며, 미소전력을 출력하는 것을 특징으로 하는 무선전력 송신장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 무선전력 송신장치는,
    공진 주파수가 서로 다르게 설정되어 있는 복수의 중계 공진 코일을 포함하는 상기 무선전력 중계장치를 통해 전력을 전송하며,
    상기 무선전력 수신장치의 공진 주파수와 매칭되는 상기 중계 공진 코일의 공진 주파수에 기초하여 전력 전송을 위한 공진 주파수를 결정하는 것을 특징으로 하는 무선전력 송신장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 무선전력 송신장치는 상기 미소전력 전송에 따른 상기 무선전력 송신장치의 내부 전류 값을 검출하는 검출부를 더 포함하고,
    상기 무선전력 송신장치는 상기 검출된 전류 값에 기초하여 상기 공진 주파수를 결정하는 것을 특징으로 하는 무선전력 송신장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 검출된 전류 값이 기준 전류 값을 초과하지 않을 때의 주파수를 공진 주파수로 결정하는 것을 특징으로 하는 무선전력 송신장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 검출부는 상기 송신 공진 코일부에 저장된 에너지 양에 기초하여 상기 전류 값을 검출하는 것을 특징으로 하는 무선전력 송신장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 무선전력 송신장치는 상기 전력 공급부와 상기 송신 공진 코일부의 주파수를 동일한 값으로 조절하면서, 상기 공진 주파수를 결정하는 것을 특징으로 하는 무선전력 송신장치.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 기 설정된 시간 주기 동안 상기 무선전력 송신장치의 공진 주파수와 상기 무선전력 수신장치의 공진 주파수는 동일한 값을 갖도록 설정되는 것을 특징으로 하는 무선전력 송신장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 무선전력 송신장치 및 무선전력 수신장치는 상기 결정된 공진 주파수로 자체 공진 주파수를 고정하는 것을 특징으로 하는 무선전력 송신장치.
  10. 무선전력 송신장치와 무선전력 수신장치 간 전력 전송을 중계하는 무선전력 중계장치에 있어서,
    상기 무선전력 중계장치는 각각의 공진 주파수가 서로 다르게 설정되어 있는 복수의 중계 공진 코일을 포함하고,
    상기 무선전력 중계장치는 상기 복수의 중계 공진 코일 중 상기 무선전력 송신장치와 상기 무선전력 수신장치의 공진 주파수에 대응되는 중계 공진 코일을 통해 전력 전송을 중계하는 것을 특징으로 하는 무선전력 중계장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 중계 공진 코일은 일정한 주파수 간격으로 서로 다르게 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 무선전력 중계장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 중계 공진 코일은 격자 형태 또는 매트릭스 형태로 배열되는 것을 특징으로 하는 무선전력 중계장치.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 중계 공진 코일 각각은 차폐제를 포함하는 무선전력 중계장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 차폐제는 상기 중계 공진 코일의 외측을 감싸고, 상기 차폐제의 상면이 상기 중계 공진 코일의 상면보다 높이 위치하도록 형성되는 무선전력 중계장치.
  15. 공진을 이용하여 무선전력 중계장치를 통해 무선전력 수신장치에 무선으로 전력을 전송하는 무선전력 장치의 무선전력 전송 방법에 있어서,
    상기 무선전력 중계장치에 기 설정된 시간 주기마다 일정한 간격의 주파수를 갖는 미소 전력을 전송하는 단계;
    상기 전송된 미소전력에 따라 상기 무선전력 송신장치의 내부 전류 값을 검출하는 단계; 및
    상기 검출된 전류 값에 기초하여 전력 전송을 위한 공진 주파수를 결정하는 단계를 포함하는 무선전력 전송 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 공진 주파수를 결정하는 단계는
    상기 검출된 전류 값이 기준 전류 값을 초과하지 않을 때의 주파수를 상기 공진 주파수로 결정하는 것을 특징으로 하는 무선전력 전송 방법.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 결정된 공진 주파수로 상기 무선전력 송신장치의 자체 공진 주파수를 고정시키는 단계를 더 포함하는 무선전력 전송 방법.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 무선전력 수신장치의 공진 주파수는 상기 기 설정된 시간 주기 동안 상기 무선전력 송신장치의 공진 주파수와 일치하도록 설정되는 것을 특징으로 하는 무선전력 전송 방법.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 무선전력 중계장치는 일정한 주파수 간격으로 서로 다르게 설정되어 있는 복수의 중계 공진 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력 전송 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 복수의 중계 공진 코일 중 상기 결정된 공진 주파수에 대응되는 중계 공진 코일을 통해 상기 무선전력 수신장치에 전력을 전송하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력 전송 방법.
  21. 삭제
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