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KR101953913B1 - 전송 코일 배열을 이용한 무선 전력 전송 장치 및 무선 전력 전송 시스템 - Google Patents

전송 코일 배열을 이용한 무선 전력 전송 장치 및 무선 전력 전송 시스템 Download PDF

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KR101953913B1
KR101953913B1 KR1020120034028A KR20120034028A KR101953913B1 KR 101953913 B1 KR101953913 B1 KR 101953913B1 KR 1020120034028 A KR1020120034028 A KR 1020120034028A KR 20120034028 A KR20120034028 A KR 20120034028A KR 101953913 B1 KR101953913 B1 KR 101953913B1
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KR
South Korea
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power
transmission
antenna
wireless power
reception
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김영선
황정만
박운규
이지형
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엘에스전선 주식회사
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Abstract

무선 전력 전송 시스템 및 무선 전력 전송 장치가 제공된다. 무선 전력 전송 시스템은, 무선으로 전력을 전송하는 무선 전력 전송 장치 및 상기 전력을 무선으로 수신하는 무선 전력 수신 장치를 포함하고, 상기 무선 전력 전송 장치의 송전 안테나부와 상기 무선 전력 수신 장치의 수전 안테나부는 동일한 공진 주파수에서 자기 공명하여 상기 전력을 전송하고, 상기 송전 안테나부는 급전 안테나와 송신측 공진 코일로 구성되는 둘 이상의 안테나셋을 포함하고, 상기 수전 안테나부는 수전 안테나와 수신측 공진 코일을 포함한다.

Description

전송 코일 배열을 이용한 무선 전력 전송 장치 및 무선 전력 전송 시스템 {Device and System for Wireless Power Transmission using Transmission Coil Array}
본 발명은 전송 코일 배열을 이용한 무선 전력 전송 장치 및 무선 전력 전송 시스템에 관한 것이다.
최근 에너지-IT 융합기술에 대한 관심도가 증가하고 있다. 에너지-IT 융합기술이란 종래의 에너지 기술에 급속히 발달하고 있는 IT 기술을 융합하는 것을 말하며, 이러한 에너지-IT 융합 기술의 한 분야로서 무선전력전송(Wireless Power Transfer, WPT) 기술이 있다. 무선전력전송이란 종래의 유선으로 된 전력선 대신 무선으로 가전기기나 전기자동차에 전원을 공급하는 기술을 말하며, 종래에 가전기기 등을 충전하기 위해서 전원 콘센트로부터 가전기기 또는 충전기기로 유선으로 된 전원 케이블을 연결하지 않고도 무선으로 가전기기 등을 충전할 수 있다는 장점 때문에 관련 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재 상용화 또는 연구 중인 무선전력전송 기술은 크게 4가지 방식으로 분류할 수 있다. 그 중 하나는 고출력 마이크로파 방사 방식으로서, 이 방식은 수 GHz 대의 주파수를 사용하여 고출력 전송이 가능하므로 원거리 전송을 할 수 있는 반면에, 인체에의 유해성 및 직진성 등의 문제로 인해 상용화되지 못하고 있다. 다른 하나는 방사(radiative) 방식의 근거리 전송 방식으로서, 이 방식은 UHF(Ultra High Frequency) 대역의 RFID/USN 주파수 대역 또는 2.4 GHz ISM 대역을 이용한 RFID 서비스이며, 현재는 유통 및 물류 분야 등의 일정 분야에서 상용화된 상태이며, 방사 손실에 의해 최대 수십 mW의 전력 전송만이 가능하다는 단점이 있다. 또한, 이와 같은 RFID 표준을 확장한 것으로 NFC 등의 초단거리 무선통신 기술이 있다. 한편, 유도결합을 이용하는 접촉식 전송 방식은 수 mm ~ 수 cm 의 거리에서 접촉식으로 수 W의 전력을 전송하는 방식으로서, 125kHz 또는 135kHz 등의 주파수를 사용하고 있으며, 현재는 교통카드, 무선 면도기, 전동 칫솔 등에 적용되고 있다. 한편, 비방사(non-radiated) 자기공명 방식은 공진 결합(resonant coupling) 방식을 기반으로 하는 방식이다. 공진 결합이란, 자기공명의 경우에 두 매체가 같은 주파수로 공진하게 되면 전자파가 근거리 자기장을 통해 한 매체에서 다른 매체로 이동하는 현상을 말하며, 이 방식은 수 m 이내의 거리에서 수십 W의 대전력 전송이 가능하다는 장점이 있다. 하지만, 실제 구현을 위해서는 공진기의 Q(Quality Factor)값을 높게 유지할 필요가 있다.
한편, 자기 공진 방식의 무선 전력 전송 시스템에 있어서, 무선 전력 전송 장치의 전송 코일과 무선 전력 수신 장치의 전송 코일 간의 코일 방향(coil orientation)에 따라 전력 전송 효율이 급격하게 악화되는 문제점이 있다. 특히, 무선 전력 수신 장치가 특정 위치에 고정되지 않고 이동이 빈번하게 발생하는 모바일 장치의 경우에는 무선 전력 수신 장치를 놓는 자세에 따라서 전력 전송 효율이 나빠질 가능성이 있다.
따라서, 무선 전력 수신 장치가 어떠한 위치에 있더라도 전력 전송 효율을 일정 수준으로 유지할 수 있는 무선 전력 전송 기술이 요구되고 있다.
한국공개특허 제2009-0115407호, "무선 공명 전력 충전 시스템"
상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 두 개 이상의 전송 코일로 구성되는 전송 코일 배열을 이용하여 전력을 전송함으로써 전송 효율을 개선할 수 있는 무선 전력 전송 장치 및 이를 이용한 무선 전력 전송 시스템을 제공한다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따른 무선 전력 전송 시스템은, 무선으로 전력을 전송하는 무선 전력 전송 장치 및 상기 전력을 무선으로 수신하는 무선 전력 수신 장치를 포함하고, 상기 무선 전력 전송 장치의 송전 안테나부와 상기 무선 전력 수신 장치의 수전 안테나부는 동일한 공진 주파수에서 자기 공명하여 상기 전력을 전송하고, 상기 송전 안테나부는 급전 안테나와 송신측 공진 코일로 구성되는 둘 이상의 안테나셋을 포함하고, 상기 수전 안테나부는 수전 안테나와 수신측 공진 코일을 포함한다.
여기서, 상기 무선 전력 전송 장치는 상기 송전 안테나부의 상기 둘 이상의 안테나셋으로 전력을 배분하는 전력 분배부를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 전력 분배부는 상기 둘 이상의 안테나셋으로 전송되는 전력 신호의 위상을 조절할 수 있다.
여기서, 상기 둘 이상의 안테나셋으로 전달되는 각 전력 신호는 동일한 위상을 갖거나 또는 서로 상이한 위상을 가질 수 있다.
여기서, 상기 전력 분배부는 윌킨스 분배기 또는 하이브리드 커플러 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따른 무선 전력 전송 장치는, 외부의 교류 전원을 입력받아 직류 전원으로 정류하는 DC 전원부, 상기 직류 전원을 증폭하여 고주파 전력 신호로 변환하는 전력 증폭부 및 상기 고주파 전력 신호를 입력받아 무선 전력 수신 장치로 전송하는 둘 이상의 안테나셋을 포함하며, 상기 안테나셋은, 상기 입력된 고주파 전력 신호를 이용하여 자기장을 발생시키는 급전 안테나 및 상기 급전 안테나로부터 자기 유도된 전력 신호를 이용하여 비방사형 전자파를 발생시켜서 상기 무선 전력 수신 장치로 전송하는 송신측 공진 코일을 포함하고, 상기 송신측 공진 코일은 상기 무선 전력 수신 장치의 수신측 공진 코일과 동일한 공진 주파수에서 자기 공명한다.
여기서, 무선 전력 전송 장치는 상기 둘 이상의 안테나셋으로 전력을 균등하게 배분하여 전달하는 전력 분배부를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 전력 분배부는 윌킨스 분배기 또는 하이브리드 커플러 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 전력 분배부는 상기 둘 이상의 안테나셋으로 배분되는 전력 신호의 위상을 조절할 수 있다.
여기서, 상기 전력 분배부는, 상기 둘 이상의 안테나셋으로 입력되는 각 전력 신호가 동일한 위상 또는 상이한 위상을 가지도록 제어할 수 있다.
여기서, 상기 전력 분배부는 상기 둘 이상의 안테나셋 중에서 어느 하나의 안테나셋으로 입력된 모든 전력을 배분할 수 있다.
여기서, 상기 둘 이상의 안테나셋은 임의의 거리만큼 이격되어 상호 커플링을 회피할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 구체적인 사항들은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술된 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 서로 다른 다양한 형태로 구성될 수 있으며, 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
전술한 본 발명의 과제 해결 수단 중 하나에 의하면, 둘 이상의 송신측 전송코일 배열을 이용하여 전력 전송을 함으로써 수신 코일의 위치에 따른 전력 전송 효율의 저하를 개선할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전송 코일 배열을 이용한 무선 전력 전송 장치 및 무선 전력 전송 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1의 무선 전력 전송 시스템에서 송전 안테나부와 수전 안테나부의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치의 세부 구성을 나타내는 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치의 세부 구성을 나타내는 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치에서 전력 분배부의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치가 동위상 급전 모드 및 위상차 급전 모드인 경우의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치에서 단일 코일 급전 모드 및 다중 코일 급전 모드인 경우의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 8a 및 도 8b는 도 7a 및 도 7b의 단일 코일 급전 모드 및 다중 코일 급전 모드에서의 수신측 공진코일의 얼라인 각도에 따른 전송 효율을 비교하기 위한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제1, 제2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.
또한, 본 명세서에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "접속된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결되거나 또는 직접 접속될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결되거나 또는 접속될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서, 무선 전력 전송 장치는 외부 입력을 변환하여 안테나를 통해 외부의 무선 전력 수신 장치로 공급하는 장치이다. 또한, 무선 전력 수신 장치는 충전 가능한 배터리를 장착한 전기 기기로서, 휴대폰, 스마트 폰(smart phone), 노트북 컴퓨터(laptop computer), 디지털방송용 단말기, PDA(Personal Digital Assistants), PMP(Portable Multimedia Player), 내비게이션 등과 같이 이동 가능한 모바일 단말일 수 있으며, 또는, 벽걸이 TV, 조명 스탠드, 전자 액자, 청소기 등이 포함될 수 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시에 따른 전송 코일 배열을 이용한 무선 전력 전송 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 무선 전력 전송 시스템은 무선 전력 전송 장치(100) 및 무선 전력 수신 장치(200)로 구성된다. 무선 전력 전송 시스템은 무선 전력 전송 장치(100)와 무선 전력 수신 장치(200) 간에 자기 공명 방식으로 전력을 전송한다.
무선 전력 전송 장치(100)는 외부의 입력 전원으로부터 입력된 AC 전원을 DC 전원으로 정류하고, 이후, 무선 전력 전송을 위해 DC-AC 변환 회로를 통해 고주파 AC 전원(예를 들어, 10V, 200kHz)으로 재변환하여 송전 안테나부(110)를 통해 무선 전력 수신 장치(200)로 전송한다.
무선 전력 수신 장치(200)는 무선 전력 전송 장치(100)로부터 전송된 전력 신호를 수신한다. 이를 위해 무선 전력 수신 장치(200)는 수전 안테나부(210)를 포함할 수 있다.
자기 공명 방식으로 전력을 전송하는 경우에 송전 안테나부(110)의 공진 주파수와 수전 안테나부(210)의 공진 주파수는 동일하거나 거의 동일할 필요가 있다. 이 경우, 송전 안테나부(110)와 수전 안테나부(210) 간에는 공진 결합(resonant coupling)에 의해 에너지 전달 채널이 형성된다. 송전 안테나부(110)로부터 방출된 전력 신호는 에너지 전달 채널을 통해 수전 안테나부(210)로 전송되며, 수전 안테나부(210)를 통해 입력된 전력 신호는 무선 전력 수신 장치(200)의 내부에서 정류 회로, 안정화 회로 등을 거치며 사용 가능한 전력으로 변환된다. 변환된 전력은 무선 전력 수신 장치(200)에 연결된 부하 기기(300)로 전달되어 부하 기기(300)를 충전하거나 무선 전력 수신 장치(200)에 구동 전력을 제공한다. 송전 안테나부(110)로부터 방출된 전력 신호 중 수전 안테나부(210)에 흡수되지 않은 에너지는 송전 안테나부(110)에 다시 흡수될 수 있다.
이하에서, 상기 설명한 송전 안테나부(110)와 수전 안테나부(210) 간의 동작에 대해 설명하기로 한다.
도 2 는 본 발명의 일 실시에 따른 무선 전력 전송 시스템에서 송전 안테나부와 수전 안테나부의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 2 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 무선 전력 전송 시스템은 무선 전력 전송 장치(100)의 송전 안테나부(110)와 무선 전력 수신 장치(200)의 수전 안테나부(210) 간에 자기 공명 방식을 이용하여 전력 신호를 전송한다. 이때, 송전 안테나부(110)와 수전 안테나부(210)는 동일한 공진 주파수 또는 매우 근접한 공진 주파수를 가지며, 공진 주파수로 정합된 공진 상태에서 송전 안테나부(110)와 수전 안테나부(210) 간에 최적의 효율로 전력 전송이 이뤄지도록 구현된다.
송전 안테나부(110)는 급전 안테나(112) 및 송신측 공진코일(114)의 쌍으로 구현된다. 또한, 수전 안테나부(210)는 수전 안테나(212) 및 수신측 공진코일(214)의 쌍으로 구현된다. 이때, 송신측 공진코일(114)과 수신측 공진코일(214)은 루프 형태일 수 있다. 예를 들어, 상기 루프 형태는 스파이럴 루프 형태 또는 헬리컬 루프 형태일 수 있다.
급전 안테나(112)와 송신측 공진코일(114) 간에는 자기 유도 방식으로 전력이 전달될 수 있다. 또한, 수신측 공진코일(214)을 통해 흡수된 전력 신호는 자기 유도 방식으로 수전 안테나(212)로 전달될 수 있다.
송신측 공진코일(114)와 수신측 공진코일(214) 사이에는 동일하거나 근접한 공진 주파수에서 상호 공진하여 에너지 전달 채널이 형성되며, 송신측 공진코일(114)로부터 방사된 전력 신호는 자기 공명에 의해 에너지 전달 채널을 통해 수신측 공진코일(214)로 전달된다.
다음으로, 무선 전력 전송 장치 및 무선 전력 수신 장치에 세부 구성을 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치(100)의 세부 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 무선 전력 전송 장치(100)는 송전 안테나부(110), DC 전원부(120), 전력 증폭부(130), 임피던스 매칭부(140), 전력 분배부(150)를 포함한다.
DC 전원부(120)는 외부의 AC 전원을 입력받아 DC 전원으로 정류한다. 정류된 DC 전원은 전력 증폭부(130)에 의해 전력 전송을 위한 AC 형태의 고주파 전력 신호로 변환된다. 이때, 변환되는 고주파의 파장은 200kHz, 1MHz, 6.78MHz, 13.56MHz, 1.8MHz 등일 수 있다.
고주파 전력 신호는 변조 회로(미도시)에 의해 무선 전력 수신 장치(200)로 전송할 데이터가 포함되도록 변조될 수 있다. 또한, 임피던스 매칭부(140)는 송전 안테나부(110)에 대한 임피던스 매칭을 수행할 수 있다.
송전 안테나부(110)는 급전 안테나(112) 및 송신용 공진코일(114)의 쌍으로 이루어진 안테나셋이 하나 이상 배열된 구성일 수 있다. 급전 안테나(112)는 고주파 전력 신호를 입력 받아, 고주파 전력 신호에 대응하는 에너지를 송신용 공진코일(114)에 전달한다. 이때, 급전 안테나(112)는 임피던스 정합을 위해 송신용 공진코일(114)과 적절한 최적의 거리를 두고 배치될 수 있다. 송신용 공진코일(114)은 급전 안테나(112)로부터 전자기 유도를 통하여 에너지를 전달받고, 공진을 일으킴으로써 비방사형 전자파를 발생시킨다.
또한, 급전 안테나(112)는 후술할 전력 분배부(150)를 통해 고주파 전력 신호의 일부를 분배 받아 송신용 공진코일(114)에 전달할 수 있다.
전력 분배부(150)는 입력 받은 고주파 전력 신호를 급전 안테나(112)로 전달한다. 이때, 급전 안테나(112)가 다수인 경우에는 입력받은 고주파 전력 신호를 다수의 급전 안테나(112)로 배분하여 전달할 수 있다. 전력 분배부(150)의 세부 구성 및 다수의 안테나셋에의 전력 배분 방법에 대해서는 이하에서 후술하기로 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치의 세부 구성을 나타내는 블록도이다.
도 4를 참조하면, 무선 전력 수신 장치(200)는 수전 안테나부(210), 정류부(220), 전압 제어부(230) 및 충전부(240)를 포함한다.
수전 안테나부(210)는 도 2에 도시된 바와 같이 수전 안테나(212) 및 수신측 공진코일(214)를 포함한다. 수신측 공진코일(214)은 무선 전력 전송 장치(100)의 송신측 공진코일(114)로부터 무선으로 방사된 전력 신호를 전달받는다.
수신측 공진코일(214)로부터 수신된 전력 신호는 전자기 유도에 의해 수전 안테나(212)로 전달되고, 정류부(220)에서 DC 전원으로 정류된다. 이후, DC 전원은 필터링부(미도시)를 통과하며 고주파 노이즈 성분이 제거된 후, 전압 제어부(230)에서 부하 기기에서 사용 가능한 전압으로 변환된다.
충전부(240)는 상기의 구성 요소들을 거치며 변환된 전력을 전송하여 부하 기기(300)를 충전한다.
다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치(100)에서 다수의 안테나셋으로 구성된 송전 안테나부(110) 및 전력 분배부(150)의 동작을 설명하기로 한다.
도 5를 참조하면, 송전 안테나부(110)는 두 개의 안테나셋(111, 115)을 포함한다. 각각의 안테나셋(111, 115)은 급전 안테나(112, 116) 및 송신측 공진코일(114, 118)을 포함한다. 이때, 송전 안테나부(110)는 둘 이상의 안테나셋으로 구성될 수 있으며, 설명의 편의를 위해 본 명세서에서는 송전 안테나부(110)가 두 개의 안테나셋(111, 115)으로 구성된 경우를 예로서 설명하기로 한다.
전력 분배부(150)는 급전 안테나(112, 116)로 전력 신호를 배분하여 공급한다. 이때, 급전 안테나(112)와 급전 안테나(116)로 배분되는 전력 신호의 크기는 동일하거나 거의 동일할 수 있다. 예를 들어, 전력 분배부(150)는 입력되는 전력 신호에서 -3dB의 전력을 급전 안테나(116) 쪽으로 추출할 수 있다. 전력 분배부(150)는 예를 들어, 하이브리드 커플러, 윌킨슨 분배기 또는 이와 균등한 기능을 수행하는 다른 커플러일 수 있다.
한편, 전력 분배부(150)는 내부에 스위칭 소자를 구비할 수 있으며, 스위칭 소자의 제어를 통해 양 출력단에 연결된 급전 안테나(112, 116) 중에서 일측의 급전 안테나로 모든 전력 신호를 전송하거나(단일 코일 급전 모드), 둘 이상의 급전 안테나로 전력 신호를 배분하여 전송할 수 있다(다중 코일 급전 모드).
한편, 전력 분배부(150)는 내부에 위상 제어 회로를 구비할 수 있으며, 위상 제어 회로를 이용하여 양 출력단에 연결된 둘 이상의 급전 안테나(112, 116)의 위상을 조절할 수 있다. 이때, 위상 제어 회로는 공지된 회로여도 상관없다.
도 6a는 안테나셋(111)와 안테나셋(115)의 위상이 같은 경우(동위상 급전 모드)를 나타내고 있으며, 도 6b는 안테나셋(111)와 안테나셋(115)의 위상이 상이한 경우(위상차 급전 모드)를 나타내고 있다.
동위상 급전 모드인 경우에, 급전 안테나(112)를 통해 방사되는 전력 신호의 위상과 급전 안테나(115)를 통해 방사되는 전력 신호의 위상은 동일하며, 반면에, 위상차 급전 모드에서는 급전 안테나(112)를 통해 방사되는 전력 신호의 위상과 급전 안테나(115)를 전력 신호의 위상차가 180° 가 될 수 있다.
이 경우, 무선 전력 수신 장치(200)의 수신측 공진코일(214)과 송신측 공진코일(114, 118) 간의 상대적인 배치 위치(즉, 얼라인 각도 θ)에 따라 각 모드에서의 전력 전송 효율이 변화하게 된다.
도 7a을 참조하면, 송전 안테나부(110)가 단일의 송신측 공진코일(114)을 구비하고 있으며, 수전 안테나부(210)가 임의의 얼라인 각도(θ)를 가지는 경우에, 도 8a과 같이 얼라인 각도 θ가 커질수록 무선 전력 수신 장치(200)에서의 전력 전송 효율은 감소하게 된다(단일 코일 급전 모드 참조).
반면에, 도 7b에서 송전 안테나부(110)가 두 개의 송신측 공진코일(114, 118)을 구비하고 있으며, 일정 거리(d) 이격된 수전 안테나부(210)가 임의의 얼라인 각도(θ)를 가지는 경우에, 도 8a과 같이, 동위상 급전 모드인 경우에는 수전 안테나부(210)의 얼라인 각도 θ가 증가함에 따라 무선 전력 수신 장치(200)의 전송 효율은 감소하며, 위상차 급전 모드에서는 얼라인 각도 θ가 증가함에 따라 무선 전력 수신 장치(200)의 전송 효율이 증가하게 된다.
또한, 수전 안테나부(210)의 얼라인 각도가 상대적으로 작은 경우에는 동위상 급전 모드인 경우보다 단일 코일 급전 모드인 경우에 보다 높은 전송 효율을 얻을 수 있다. 따라서, 무선 전력 수신 장치(200)의 얼라인 각도 θ가 작게 배치된 경우에는 송전 안테나부(110)가 단일 코일 급전 모드로 동작하도록 전력 분배부(150)를 제어하는 것이 바람직하다.
한편, 송전 안테나부(110)가 둘 이상의 송신측 공진코일을 구비하는 경우에는 상호간의 커플링 발생을 방지하기 위하여 송신측 공진코일(114, 118)을 일정 거리(dc) 이상 이격시키는 것이 바람직하다.
한편, 도 8b에 도시된 바와 같이, 동위상 급전 모드에서의 전력 전송 효율은 대략 60° 전후에서 180° 위상차 급전 모드에서의 전력 전송 효율에 역전된다. 따라서, 얼라인 각도 θ가 대략 60° 전후에서 급전 모드를 동위상 급전 모드에서 위상차 급전 모드로 변환하도록 전력 분배부(150)를 제어함으로써, 얼라인 각도에 따른 전력 전송 효율의 감소를 일정 부분 보상할 수 있다.
이와 같은 구성을 통해, 본 발명의 무선 전력 전송 장치는 송전 안테나부에 하나 이상의 안테나셋을 더 구비하고, 이를 통해 위상이 서로 상이한 둘 이상의 전력 신호를 무선 전력 수신 장치로 전송할 수 있어서, 무선 전력 수신 장치가 위치하는 얼라인 각도에 따른 전력 전송 효율의 저하를 일정 부분 보상할 수 있는 효과가 발생된다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (12)

  1. 무선 전력 전송 시스템에 있어서,
    무선으로 전력을 전송하는 무선 전력 전송 장치 및
    상기 전력을 무선으로 수신하는 무선 전력 수신 장치를 포함하고,
    상기 무선 전력 전송 장치의 송전 안테나부와 상기 무선 전력 수신 장치의 수전 안테나부는 동일한 공진 주파수에서 자기 공명하여 상기 전력을 전송하고,
    상기 송전 안테나부는 급전 안테나와 송신측 공진 코일로 구성되는 둘 이상의 안테나셋을 포함하고,
    상기 수전 안테나부는 수전 안테나와 수신측 공진 코일을 포함하며,
    상기 무선 전력 전송 장치는 상기 송전 안테나부의 상기 둘 이상의 안테나셋으로 전력을 배분하는 전력 분배부를 더 포함하고,
    상기 전력 분배부는 상기 송신측 공진 코일과 상기 수신측 공진 코일 간의 상대적인 배치 위치인 얼라인 각도(θ)에 따라 급전 모드를 동위상 급전 또는 위상차 급전 모드로 변환하도록 제어되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전력 분배부는 윌킨스 분배기 또는 하이브리드 커플러 중 어느 하나를 포함하는, 무선 전력 전송 시스템.
  6. 무선 전력 전송 장치에 있어서,
    외부의 교류 전원을 입력받아 직류 전원으로 정류하는 DC 전원부,
    상기 직류 전원을 증폭하여 고주파 전력 신호로 변환하는 전력 증폭부 및
    상기 고주파 전력 신호를 입력받아 무선 전력 수신 장치로 전송하는 둘 이상의 안테나셋을 포함하며,
    상기 안테나셋은,
    상기 입력된 고주파 전력 신호를 이용하여 자기장을 발생시키는 급전 안테나 및
    상기 급전 안테나로부터 자기 유도된 전력 신호를 이용하여 비방사형 전자파를 발생시켜서 상기 무선 전력 수신 장치로 전송하는 송신측 공진 코일을 포함하고,
    상기 송신측 공진 코일은 상기 무선 전력 수신 장치의 수신측 공진 코일과 동일한 공진 주파수에서 자기 공명하며,
    상기 둘 이상의 안테나셋으로 전력을 배분하여 전달하는 전력 분배부를 더 포함하고,
    상기 전력 분배부는 상기 송신측 공진 코일과 상기 수신측 공진 코일 간의 상대적인 배치 위치인 얼라인 각도(θ)에 따라 급전 모드를 동위상 급전 또는 위상차 급전 모드로 변환하도록 제어되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  7. 삭제
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 전력 분배부는 윌킨스 분배기 또는 하이브리드 커플러 중 어느 하나를 포함하는, 무선 전력 전송 장치.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제 6 항에 있어서,
    상기 전력 분배부는 상기 둘 이상의 안테나셋 중에서 어느 하나의 안테나셋으로 입력된 모든 전력을 배분하는,
    무선 전력 전송 장치.
  12. 제 6 항에 있어서,
    상기 둘 이상의 안테나셋은 임의의 거리만큼 이격되어 상호 커플링을 회피하는, 무선 전력 전송 장치.
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