KR20120093358A

KR20120093358A - 무선 전력 전송 장치

Info

Publication number: KR20120093358A
Application number: KR1020127015225A
Authority: KR
Inventors: 다께시 우에노; 고헤이 오니즈까
Original assignee: 가부시끼가이샤 도시바
Priority date: 2009-11-18
Filing date: 2009-11-18
Publication date: 2012-08-22
Anticipated expiration: 2029-11-18
Also published as: WO2011061821A1; JPWO2011061821A1; US20120235509A1; EP2515414A1; KR101423406B1; JP5580333B2; US9231413B2; EP2515414A4

Abstract

무선 전력 전송 장치는, 송전 장치(1)로부터 전송되는 전력을 수전하는 수전 코일(21), 수전 코일(21)에 접속된 공진 회로(22), 공진 회로(22)로부터 제1 전력값을 갖는 제1 신호가 공급되는 부하 회로(24), 제1 전력값을 측정하는 전력 측정기(23) 및 제1 전력값을 송전 장치(1)에 송신하는 송수신기(26)를 포함하는 수전 장치(2)와, 제2 전력값을 갖는 제2 신호를 생성하는 전원(11), 제2 신호가 입력되는 복수의 인덕터 및 커패시터를 포함하는 공진 회로(12), 공진 회로(12)에 접속되고, 전력을 송전하는 송전 코일(13), 제2 전력값을 측정하는 전력 측정기(15), 제1 전력값을 송수신기(26)로부터 수신하는 송수신기(17) 및 제1 전력값 및 제2 전력값을 사용해서 전력 전송 효율을 산출하고, 전력 전송 효율에 기초하여, 인덕터의 인덕턴스값 및／또는 커패시터의 캐피시턴스 값을 조정하는 제어 회로(16)를 포함하는 송전 장치(1)로 이루어진다.

Description

무선 전력 전송 장치{WIRELESS POWER TRANSMISSION DEVICE}

본 발명은 무선 전력 전송 장치에 관한 것이다.

최근, 송전 코일과 수전 코일을 사용해서 무선에 의해 비접촉으로 전력을 전송하는 무선 전력 전송 기술이, IC 카드나 휴대 전화 등, 많은 기기에 채용되고 있다. 전력 전송 특성은, 송전 코일과 수전 코일의 위치 관계에 의해 크게 변동된다. 그로 인해, 실제로, 크레이들 등을 사용해서 양쪽 코일 간의 위치 관계가 고정되고, 양쪽 코일 간의 거리는 0cm에서 수 cm 정도로 한정되어 있다.

양쪽 코일 간의 위치 관계를 한정하지 않고, 또한 수십 cm 이상의 전송 거리를 실현하기 위해서는, 코일의 위치에 따른 서로 다른 전송 특성을 검출하고, 회로 파라미터를 조정할 필요가 있다. 그로 인해, 송전 장치 내에 제공된 회로 센서와 테이블에 의해 전자기 결합 계수를 도출해서 동조 커패시터를 조정함으로써, 전력 전송 효율을 높이는 방법이 제안되고 있다(예를 들어 특허문헌 1 참조).

일본 특허 공개 제2004-166384호 공보

상기 특허문헌 1의 전력 조정 방법에 의해서는, 송전 장치 내의 공진 회로의 상태만을 검지해서 전송 특성을 검출하고 있어, 수전 장치의 동작 상태를 알 수 없었다. 그로 인해, 전송 거리를 늘려서 전자기 결합 계수가 작아진 경우에, 정확한 전송 특성을 검출할 수 없어 충분한 전력 전송 효율을 얻을 수 없게 된다는 문제가 있었다.

상술된 문제를 해결하기 위해서, 본 발명은 높은 전력 전송 효율을 갖는 무선 전력 전송 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 형태에 따라, 송전 장치 및 상기 송전 장치로부터 전력이 전송되는 수전 장치를 포함하는 무선 전력 전송 장치로서, 상기 수전 장치는, 전력을 수전하는 수전 코일과, 상기 수전 코일에 접속된 제1 공진 회로와, 상기 제1 공진 회로로부터 제1 전력값을 갖는 제1 신호가 공급되는 부하 회로와, 상기 제1 전력값을 측정하는 제1 전력 측정기와, 상기 제1 전력값을 상기 송전 장치로 송신하는 제1 송수신기를 포함하고, 상기 송전 장치는 제2 전력값을 갖는 제2 신호를 생성하는 전원과, 상기 제2 신호가 입력되는 복수의 인덕터 및 커패시터를 포함하는 제2 공진 회로와, 상기 제2 공진 회로에 접속되고, 상기 전력을 송전하는 송전 코일과, 상기 제2 전력값을 측정하는 제2 전력 측정기와, 상기 제1 전력값을 상기 제1 송수신기로부터 수신하는 제2 송수신기와, 상기 제1 전력값 및 상기 제2 전력값을 사용해서 전력 전송 효율을 산출하고, 상기 전력 전송 효율에 기초하여, 상기 인덕터의 인덕턴스값 및／또는 상기 커패시터의 캐패시턴스값을 조정하는 제1 제어 회로를 포함하는, 무선 전력 전송 장치가 제공된다.

본 발명에 따르면, 전력 전송 효율을 높일 수 있다.

도 1은 제1 실시 형태에 따른 무선 전력 전송 장치의 개략 구성도.
도 2는 주파수와 전력 전송 효율 관계의 일례를 나타내는 그래프.
도 3은 제2 실시 형태에 따른 무선 전력 전송 장치의 개략 구성도.
도 4는 제3 실시 형태에 따른 무선 전력 전송 장치의 개략 구성도.
도 5는 제4 실시 형태에 따른 무선 전력 전송 장치의 개략 구성도.
도 6은 변형예에 의한 무선 전력 전송 장치의 개략 구성도.
도 7은 변형예에 의한 무선 전력 전송 장치의 개략 구성도.
도 8은 제5 실시 형태에 따른 무선 전력 전송 장치의 개략 구성도.
도 9는 주파수와 전력 전송 효율 관계의 일례를 나타내는 그래프.
도 10은 제6 실시 형태에 따른 무선 전력 전송 장치의 개략 구성도.
도 11은 제7 실시 형태에 따른 무선 전력 전송 장치의 개략 구성도.
도 12는 제8 실시 형태에 따른 무선 전력 전송 장치의 개략 구성도.
도 13은 제9 실시 형태에 따른 무선 전력 전송 장치의 개략 구성도.
도 14는 제9 실시 형태에 따른 무선 전력 전송 장치의 동작을 설명하는 흐름도.

이하, 본 발명의 실시 형태를 도면에 기초하여 설명한다.

(제1 실시 형태)

도 1에 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 무선 전력 전송 장치의 개략 구성을 나타낸다. 무선 전력 전송 장치에는 송전 장치(1)와, 송전 장치(1)로부터 전력이 전송되는(급전되는) 수전 장치(2)가 제공된다.

송전 장치(1)는 고주파 전원(11), 공진 회로(12) 및 송전 코일(13)을 포함한다. 공진 회로(12)는 도시하지 않은 복수의 인덕터 및 커패시터를 포함한다.

수전 장치(2)는 수전 코일(21), 공진 회로(22), 전력 측정기(23), 부하 회로(24) 및 제어 회로(25)를 포함한다. 공진 회로(22)는 도시하지 않은 복수의 인덕터 및 커패시터를 포함한다.

송전 장치(1)의 고주파 전원(11)은, 무선 주파수 대역의 주파수를 갖는 고주파 신호를 출력한다. 공진 회로(12)는 고주파 전원(11)으로부터 출력된 신호를 송전 코일(13)로부터 수전 장치(2)에 송신(송전)한다.

수전 장치(2)의 수전 코일(21)은, 송전 코일(13)과 전자기 결합하면 유기 전압이 발생하고, 발생한 유기 전압은 부하 회로(24)에 의해 정류되고 소정의 전압으로 조정된다. 공진 회로(22)에 포함되는 커패시터는 수전 코일(21)에 병렬 또는 직렬로 접속되고, 수전 코일(21)의 자기 인덕턴스와 공진하여 전송 효율을 높인다. 이와 같은 구성에서는, 부하 회로(24)에 의해 소비되는 전력의 공급을 비접촉으로 행할 수 있다.

전력 측정기(23)는 공진 회로(22)의 출력으로부터, 수전 장치(2) 내에서 수전한 전력을 측정한다. 전력 측정기(23)는 측정 결과를 제어 회로(25)에 통지한다. 제어 회로(25)는 통지된 측정 결과에 기초하여, 공진 회로(22)에 포함되는 인덕터의 인덕턴스값 및／또는 커패시터의 캐패시턴스값을 조정한다.

도 2에, 무선 전력 전송에 사용되는 주파수와 전력 전송 효율 관계의 시뮬레이션 결과의 일례를 나타낸다. 이 도면으로부터, 10.4MHz 부근에서 전력 전송 효율이 최대가 되고, 주파수가 몇백 kHz 어긋나면 급격하게 전력 전송 효율이 저하되는 것을 알 수 있다.

전력 전송 효율이 최대가 되는 주파수는, 송전 코일(13)과 수전 코일(21) 사이의 결합 계수 및 부하 회로(24)의 임피던스에 따라 크게 변화한다. 송전 코일(13)과 수전 코일 사이의 결합 계수는, 코일 간의 상대적인 위치 관계에 따라 변화한다. 또한, 부하 회로(24)의 임피던스는 부하 회로(24)의 동작 상태에 따라 변화한다.

따라서, 높은 전력 전송 효율을 얻기 위해서는, 코일 간의 상대적인 위치 관계 및 부하 회로(24)의 동작 상태에 따라, 회로 파라미터를 조정할 필요가 있다.

본 실시 형태에서는, 전력 측정기(23)가 수전 장치(2) 내에서 수전한 전력을 측정하여, 측정 결과를 제어 회로(25)에 통지한다. 제어 회로(25)는 전력 측정기(23)에 의해 측정되는 전력이 커지도록 공진 회로(22)의 회로 파라미터를 조정한다. 수전 장치(2) 내에서 수전한 전력을 직접 측정함으로써, 수전 전력이 커지도록 회로 파라미터를 조정하는 것이 가능하게 된다.

이와 같이, 본 실시 형태에 따르면, 전송 거리를 늘린 상태에서도 충분한 전력 전송 효율을 얻을 수 있다.

(제2 실시 형태)

도 3에 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 무선 전력 전송 장치의 개략 구성을 나타낸다. 본 실시 형태에 따른 송전 장치(1)는, 도 1에 도시한 상기 제1 실시 형태에 따른 송전 장치(1)상에, 방향성 결합기(14), 전력 측정기(15), 제어 회로(16) 및 무선 신호 송수신기(17)를 더 배치함으로써 얻어진다. 또한, 본 실시 형태에 따른 수전 장치(2)는, 도 1에 도시한 상기 제1 실시 형태에 따른 수전 장치(2)상에, 무선 신호 송수신기(26)를 더 배치함으로써 얻어진다. 도 3에 있어서, 도 1에 도시한 제1 실시 형태와 동일한 부분에는 동일한 부호를 붙이고 그 설명을 생략한다.

방향성 결합기(14)는, 고주파 전원(11)으로부터 공급된 전력을, 공진 회로(12)에 입사되는 전력과, 공진 회로(12)의 입력 단자에서 반사되어 고주파 전원(11)으로 복귀되는 전력으로 분리한다. 분리된 2개의 전력의 값은, 전력 측정기(15)에 의해 측정된다. 전력 측정기(15)는, 측정 결과를 제어 회로(16)에 통지한다.

수전 장치(2)에 있어서, 전력 측정기(23)에 의해 측정된 수신 전력값(P2)은, 무선 신호 송수신기(26)에 의해 송전 장치(1)로 전송된다. 송전 장치(1)에 전송된 수신 전력값(P2)은, 무선 신호 송수신기(17)에 의해 수신된다. 무선 신호 송수신기(17)는 수신 전력값(P2)을 제어 회로(16)에 통지한다.

이에 의해, 제어 회로(16)는 공진 회로(12)에 입사되는 전력값(P1)과, 수전 장치(2)에 의해 수신된 전력값(P2)의 양쪽을 얻을 수 있다. 제어 회로(16)는, P1과 P2의 비율, 즉 전력 전송 효율 η=P2/P1을 산출한다.

제어 회로(16)는, 전력 전송 효율(η)을 높이기 위해서, 고주파 전원(11)의 출력 주파수, 공진 회로(12)의 회로 파라미터 및 공진 회로(22)의 회로 파라미터 중 적어도 어느 하나를 조정한다. 회로 파라미터는, 인덕터의 인덕턴스값 및／또는 커패시터의 캐패시턴스값이다. 한편, 제어 회로(16)가 공진 회로(22)의 회로 파라미터를 조정하는 경우, 이것이 무선 신호 송수신기(17, 26)를 통해 제어 회로(25)에 회로 파라미터 조정 지시를 내린다.

이와 같이, 본 실시 형태에서는, 전력 전송 효율(η)에 기초하여, 고주파 전원(11)의 출력 주파수 및 공진 회로(12, 22)의 회로 파라미터를 조정할 수 있으므로, 전송 거리를 늘린 상태에서도, 충분한 전력 전송 효율을 얻을 수 있다.

송전 장치(1) 내에서 반사 전력값(공진 회로(12)의 입력 단자에서 반사되어 고주파 전원(11)으로 복귀되는 전력의 전력값)(Pr)을 사용할 수 있는 경우에는, 우선, 제1 조정으로서, 전력 전송 효율(η)이 최대가 되도록 공진 회로(22)의 회로 파라미터 및／또는 고주파 전원(11)의 출력 주파수를 조정하고, 그 후 제2 조정으로서, 반사 전력값(Pr)이 최소가 되도록 공진 회로(12)의 회로 파라미터를 조정하는 것도 가능하다.

이러한 2단계 조정에서는, 제1 조정에 의해, 공진 회로(12)에 입사된 전력을 효율적으로 수전 장치(2)에 의해 수신하는 것이 가능하게 된다. 또한, 제2 조정에 의해, 고주파 전원(11)으로부터 출력되는 전력을 효율적으로 공진 회로(12)에 입사시키는 것이 가능하다. 따라서, 고주파 전원(11)으로부터 출력된 전력을 효율적으로 수전 장치(2)에 의해 수신하는 것이 가능하게 된다.

한편, 상기 설명에서는, 전력 전송 효율(η)을 송전 장치(1) 측에서 산출하고 있지만, 수전 장치(2) 측에서 산출하도록 해도 좋다. 그 경우, 무선 신호 송수신기(17, 26)를 사용하여, 송전 장치(1)로부터 수전 장치(2)에 전력값(P1 및 Pr)이 송신된다. 또한, 무선 신호 송수신기(17, 26)를 사용하여, 고주파 전원(11)의 주파수 제어 신호 및／또는 공진 회로(12)의 회로 파라미터 제어 신호가, 수전 장치(2) 측에서 송전 장치(1) 측으로 보내진다.

상기 제2 실시 형태에서는, 도 3에 도시한 바와 같이, 제어 회로(16)로부터 고주파 전원(11) 및 공진 회로(12)에 제어 신호가 출력되고, 제어 회로(25)로부터 공진 회로(22)에 제어 신호가 출력되고 있다. 그러나, 전력 전송 효율(η)을 높이기 위해서, 고주파 전원(11)의 출력 주파수, 공진 회로(12)의 회로 파라미터 및 공진 회로(22)의 회로 파라미터 중 적어도 어느 하나를 조정하기만 하면 된다. 따라서, 조정 대상 이외의 것에 대응하는 제어 신호는 생략할 수 있다.

(제3 실시 형태)

도 4에 본 발명의 제3 실시 형태에 따른 무선 전력 전송 장치의 개략 구성을 나타낸다. 본 실시 형태에 따른 수전 장치(2)는, 도 3에 도시한 상기 제2 실시 형태에 따른 수전 장치(2)에, 임피던스 변환 회로(27), 가변 저항기(28), 스위치(SW1 및 SW2)를 더 배치함으로써 얻어진다. 도 4에 있어서, 도 3에 도시한 제2 실시 형태와 동일한 부분에는 동일한 부호를 붙이고 그 설명을 생략한다.

스위치(SW1)는 공진 회로(22)와 가변 저항기(28) 사이에 배치되어 있다. 스위치(SW2)의 일단부는 공진 회로(22)의 출력 단자에 접속되고, 타단부는 임피던스 변환 회로(27)의 입력 단자에 접속된다. 임피던스 변환 회로(27)의 출력 단자는 부하 회로(24)에 접속된다. 임피던스 변환 회로(27) 및 가변 저항기(28)의 조정, 스위치(SW1, SW2)의 온/오프 제어는 제어 회로(25)에 의해 행해진다.

무선 전력 전송 장치의 동작에 대해서 설명한다. 우선, 수전 장치(2) 내의 스위치(SW1)가 턴온되고, 스위치(SW2)가 턴오프된다. 이때, 공진 회로(22)에 접속되는 부하는 가변 저항기(28)이다. 본 실시 형태에서는, 상기 제2 실시 형태와 마찬가지로, 전력 전송 효율(η)을 높이기 위해서, 고주파 전원(11)의 주파수, 공진 회로(12)의 회로 파라미터 및 공진 회로(22)의 회로 파라미터 중 적어도 어느 하나를 조정하고, 가변 저항기(28)의 저항값(R2')도 조정한다. 이에 의해, 최적의 저항값(R2')이 구해진다. 즉, 가변 저항기(28)는, 전력 전송 효율(η)이 소정값 이상(최대)이 되는 최적의 저항값(R2')을 구하기 위한 의사 부하(dummy load)이다.

이어서, 실제로 부하 회로(24)를 동작시킬 때는, 스위치(SW1)가 턴오프되고, 스위치(SW2)가 턴온된다. 공진 회로(22)와 부하 회로(24) 사이에는 임피던스 변환 회로(27)가 접속되어 있다. 제어 회로(25)는, 공진 회로(22)로부터 부하 회로(24) 측을 바라 본 임피던스(R2)가, 상술한 저항값(R2')과 동등해지도록, 임피던스 변환 회로(27)를 제어한다.

이렇게 고주파 전원(11)의 주파수 및 공진 회로(12, 22)의 회로 파라미터 이외에, 부하 회로(24)의 임피던스 제어를 더 행함으로써, 전력 전송 효율을 더 높일 수 있다.

(제4 실시 형태)

도 5에 본 발명의 제4 실시 형태에 따른 무선 전력 전송 장치의 개략 구성을 나타낸다. 본 실시 형태에 따른 수전 장치(2)는, 도 4에 도시한 상기 제3 실시 형태에 따른 수전 장치(2)에, 부하 임피던스 검출 회로(29)를 더 배치함으로써 얻어진다. 도 5에 있어서, 도 4에 도시하는 제3 실시 형태와 동일한 부분에는 동일 한 부호를 붙이고 그 설명을 생략한다.

상기 제3 실시 형태에서 설명한 바와 같은 방법으로, 공진 회로(12, 22)의 회로 파라미터 및 고주파 전원(11)의 출력 주파수의 조정을 행하고, 임피던스 제어를 행한 경우, 송전 코일(13)과 수전 코일(21)의 위치 관계가 변하지 않는 한, 다시 동일한 파라미터 조정 및 임피던스 제어를 행할 필요는 없다. 그러나, 송전 코일(13)과 수전 코일(21)의 위치 관계가 변하는 경우에는, 다시 동일한 파라미터 조정 및 임피던스 제어를 행할 필요가 있다.

수전 장치(2) 내의 전력 측정기(23)에 의해 측정되는 전력은, 부하 회로(24)에 의해 소비되는 전력, 및 송전 코일(13)과 수전 코일(21)의 위치 관계 둘 다의 영향을 받는다. 즉, 전력 측정기(23)에 의한 측정 결과가 변하는 경우, 당해 측정 결과만으로는, 그 변화가 부하 회로(24)의 변화에 기인한 것인지, 또는 송전 코일(13)과 수전 코일(21) 사이의 위치 관계의 변화에 기인한 것인지를 구별할 수 없다. 본 실시 형태에서는, 이 구별을 가능하게 하고, 회로 파라미터 조정 등을 다시 행해야 하는지 여부를 판정할 수 있다.

수전 장치(2) 내의 부하 임피던스 검출 회로(29)는, 부하 임피던스의 변화를 검출할 수 있다. 따라서, 전력 측정기(23)에 의해 검출된 수신 전력이 변하는 경우에, 부하 임피던스 검출 회로(29)에 의해 부하 임피던스의 변화가 더 검출되면, 수신 전력 변화가 부하 변동에 기인한 것이라고 생각되어, 회로 파라미터의 조정 등을 다시 행할 필요는 없다고 판정된다.

한편, 전력 측정기(23)에 의해 검출된 수신 전력이 변하는 경우에, 부하 임피던스 검출 회로(29)에 의해 부하 임피던스의 변화가 검출되지 않으면(부하 임피던스의 시간 변화가 임계값 이하이면), 수신 전력 변화가, 송전 코일(13)과 수전 코일(21) 사이의 위치 관계의 변화에 기인한 것이라고 생각되어, 회로 파라미터의 조정 등을 다시 행할 필요가 있다고 판정된다. 이 경우, 상기 제3 실시 형태에서 설명한 방법과 같은 방법으로, 다시 회로 파라미터의 조정 등이 행해진다.

이와 같이, 본 실시 형태에 따르면, 부하 임피던스의 변화를 검출함으로써, 송전 코일(13)과 수전 코일(21) 사이의 위치 관계의 변화와, 부하 변동을 구별할 수 있고, 전력 전송 효율 향상에 필요한 회로 파라미터의 조정 등을 다시 행할 수 있다.

상기 제2 내지 제4 실시 형태에서는, 도 3 내지 도 5에 도시한 바와 같이, 무선 신호 송수신기(17, 26) 각각이 전용 안테나를 포함하고 있었지만, 도 6에 도시한 바와 같이, 송전 코일(13) 및 수전 코일(21)을 무선 통신 안테나로서 사용해도 좋다. 무선 신호 송수신기(17)와 송전 코일(13)은 접속점(노드: N1, N2)에서 서로 접속된다. 노드(N1)는 송전 코일(13)의 중간 지점에 있어도 좋다. 또한, 무선 신호 송수신기(17)와 송전 코일(13)을 단일 선으로 서로 접속해서, 노드(N2)를 생략해도 좋다.

또한, 도 7에 도시한 바와 같이, 무선 신호 송수신기(17, 26)가, 각각 코일(17a, 26a)을 구비하고, 송전 코일(13) 및 수전 코일(21)에 전자기 결합하도록 해도 좋다.

(제5 실시 형태)

도 8에 본 발명의 제5 실시 형태에 따른 무선 전력 전송 장치의 개략 구성을 나타낸다. 무선 전력 전송 장치는, 송전 장치(100)와, 송전 장치(100)로부터 전력이 전송되는(급전되는) 수전 장치(200)를 구비한다.

송전 장치(100)는, 고주파 전원(101) 및 송전 코일(102)을 포함한다. 수전 장치(200)는, 수전 코일(201), 임피던스 변환기(202) 및 부하 회로(203)를 포함한다. 고주파 전원(101)에 의해 생성되어, 송전 코일(102)에 의해 송신되는 고주파 전력은, 전자기 결합에 의해 수전 장치(200) 내의 수전 코일(201)에 의해 수신된다.

이러한 공진을 사용한 무선 전력 전송에서는, 수전 코일(201)로부터 부하 회로(203) 측을 바라 본 부하 임피던스값(R₂)의 변화에 의해, 전력 전송 효율이 크게 영향을 받는다. 도 9에, 수전 코일(201)로부터 바라 본 부하 저항값이 1Ω 내지 10kΩ의 범위에서 변하는 경우의 전력 전송 효율의 주파수 특성을 나타낸다. 도 9로부터, 전력 전송 주파수를 일정하게 한 경우, 부하 저항의 변화에 의해 전력 전송 효율이 크게 변화되는 것을 알 수 있다.

본 실시 형태는, 수전 코일(201)로부터 바라 본 부하 임피던스값(R₂)을, 부하 회로(203)의 임피던스(R_L)에 관계없이, 원하는 값으로 설정하도록 구성된다. 그로 인해, 수전 장치(200)의 수전 코일(201)과 부하 회로(203) 사이에 임피던스 변환기(202)를 배치함으로써, 부하 임피던스값(R₂)을 원하는 값으로 설정한다. 임피던스 변환기(202)는, 교류 출력인 경우, 예를 들어 변압기가 사용된다.

부하 회로(203)에 공급되는 전압값을 V_L로 하면, 부하 회로(203)에 의해 소비되는 전력(P_L)은 수학식 1과 같이 표현된다.

한편, 임피던스 변환기(202)의 입력 전압을 V₂로 설정하고, 임피던스 변환기(202)에서 손실이 발생하지 않는다고 가정하면, 이하의 수학식 2가 성립된다.

수학식 1, 수학식 2에서, 임피던스 변환기(202)의 입력 전압(V₂)은, 이하의 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.

따라서, 수학식 3을 만족하도록 고주파 전원(101)의 출력 전압(V₁)을 조정함으로써, 수전 코일(201)로부터 바라 본 부하 임피던스값(R₂)을 원하는 값으로 설정하는 것이 가능하게 되고, 고효율의 전력 전송을 실현할 수 있다.

(제6 실시 형태)

도 10에 본 발명의 제6 실시 형태에 따른 무선 전력 전송 장치의 개략 구성을 나타낸다. 본 실시 형태에 따른 송전 장치(100)는, 도 8에 도시한 상기 제5 실시 형태에 따른 송전 장치(100)에, 무선 신호 수신기(103) 및 제어 회로(104)를 더 배치함으로써 얻어진다. 또한, 본 실시 형태에 따른 수전 장치(200)는, 도 8에 도시한 상기 제5 실시 형태에 따른 수전 장치(200)에, 측정 회로(204) 및 무선 신호 송신기(205)를 더 배치함으로써 얻어진다. 도 10에 있어서, 도 8에 도시한 제5 실시 형태와 동일한 부분에는 동일한 부호를 붙이고 그 설명을 생략한다.

측정 회로(204)는, 임피던스 변환기(202)의 입력 전압(V₂) 및 전류(I₂)를 측정한다. 임피던스 변환기(202)의 입력 단자에서 관측되는 전력(P₂)은 이하의 수학식 4와 같이 표현된다.

따라서, 전압(V₂)은 이하의 수학식 5와 같이 표현된다.

상기 수학식 5에서, 임피던스 변환기(202)의 입력 단자에서 전력(P₂)을 측정함으로써, 부하 임피던스값(R₂)을 일정하게 유지하기 위해서 필요한 전압(V₂)이 구해진다. 따라서, 수학식 5의 V₂를 실현하도록 고주파 전원(101)의 출력 전압(V₁)을 조정하면 좋다. 본 실시 형태는 이러한 출력 전압(V₁)을 조정하도록 구성된다.

무선 신호 송신기(205)는, 측정 회로(204)에 의해 측정된 전압(V₂) 및 전류(I₂)를 송전 장치(100)의 무선 신호 수신기(103)에 송신한다. 무선 신호 수신기(103)는, 수신된 전압(V₂) 및 전류(I₂)를 제어 회로(104)에 통지한다. 제어 회로(104)는, 통지된 전압(V₂) 및 전류(I₂)로부터 부하 임피던스값(R₂)을 구한다. 제어 회로(104)는, 전압(V₂)의 값이 상기 수학식 5를 만족하도록, 고주파 전원(101)의 출력 전압(V₁)을 제어한다.

이에 의해, 수전 코일(201)로부터 바라 본 부하 임피던스(R₂)을 일정하게 유지하는 것이 가능하게 되고, 부하 회로(203)에 있어서의 전력이 변동된 경우에도 항상 고효율의 전력 전송을 실현할 수 있다.

한편, 전력(P₂)은 임피던스 변환기(202)의 입력 단자가 아닌, 부하 회로(203)의 입력 단자에서 전압(V_L) 및 전류(I_L)를 측정함으로써 구해도 좋다.

본 실시 형태에서는, 부하 임피던스값(R₂)을 송전 장치(100) 측에서 산출하고 있었지만, 수전 장치(200) 측에서 산출해도 좋다. 그 경우, 수전 장치(200) 측에서 산출된 부하 임피던스값(R₂)이, 무선 신호 송신기(205)로부터 무선 신호 수신기(103)에 송신된다.

(제7 실시 형태)

도 11에 본 발명의 제7 실시 형태에 따른 무선 전력 전송 장치의 개략 구성을 나타낸다. 본 실시 형태에서는, 수전 장치(200)의 임피던스 변환기(202)를 정류기(206) 및 DC-DC 변환기(207)로 구성하고, 부하 회로(203)에 직류 전력을 공급한다.

수전 코일(201)에 의해 수전된 교류 전력이, 정류기(206)에 의해 직류로 변환되고, DC-DC 변환기(207)에 의해 원하는 출력 전압(V_L) 또는 출력 전류(I_L)가 부하 회로(203)에 공급된다.

본 실시예에서도 상기 제6 실시 형태에서 설명한 바와 같이, 정류기(206)의 입력 단자에서 전력을 측정하고, 정류기(206)의 입력 전압(V₂)이 상기 수학식 5를 만족하도록, 고주파 전원(101)의 출력 전압(V₁)을 조정한다.

이와 같이, 정류기(206) 및 DC-DC 변환기(207)를 사용함으로써, 직류 구동 부하인 경우에도, 수전 코일(201)로부터 바라 본 임피던스(R₂)를 원하는 값으로 유지할 수 있기 때문에, 고효율의 무선 전력 전송을 행할 수 있다.

(제8 실시 형태)

도 12에 본 발명의 제8 실시 형태에 따른 무선 전력 전송 장치의 개략 구성을 나타낸다. 충전지(208)가 수전 장치(200)의 부하로서 접속되는 본 실시 형태는, 무선 전력 전송에 의해 충전지(208)에 충전하도록 구성된다. 본 실시 형태에 따른 수전 장치(200)에는, 도 11의 DC-DC 변환기(207) 대신에 충전 제어 회로(209)가 제공되어 있다.

충전 제어 회로(209)는, 출력 전압(V_L)이 일정하거나, 출력 전류(I_L)가 일정한 조건하에서, 정류기(206)에 의해 정류된 직류 전력을 부하[충전지(208)]에 공급하는 회로이며, 광의의 DC-DC 변환기라고 생각할 수 있다. 충전 제어 회로(209)는, 충전지(208)의 충전 상황에 따라, 출력 전압(V_L)이 일정한 조건, 또는 출력 전류(I_L)가 일정한 조건을 전환한다.

본 실시 형태에 있어서도, 상기 제6 및 제7 실시 형태에서 설명한 것 같이, 정류기(206)의 입력 단자에서 전력을 측정하고, 임피던스 변환기(202)의 입력 전압(V₂)이 상기 수학식 5를 만족하도록 고주파 전원(101)의 출력 전압(V₁)을 조정한다.

이와 같이, 충전 제어 회로(209)를 사용해서 전압이 일정하거나, 전류가 일정한 2개의 조건하에서 충전지(208)를 충전할 경우에도, 수전 코일(201)로부터 바라 본 임피던스(R₂)를 원하는 값으로 유지할 수 있기 때문에, 고효율의 무선 전력 전송을 행할 수 있다.

(제9 실시 형태)

도 13에 본 발명의 제9 실시 형태에 따른 무선 전력 전송 장치의 개략 구성을 나타낸다. 본 실시 형태에 따른 무선 전력 전송 장치는, 측정 회로(204)가 DC-DC 변환기(207)의 출력 전압(V_L)을 측정하는 점 외에는, 도 11에 도시하는 상기 제7 실시 형태와 마찬가지로 구성된다.

상기 제7 실시 형태에 있어서, DC-DC 변환기(207)가 출력 전압(V_L)이 일정해지도록 동작하고 있는 경우를 생각한다. 일반적으로, DC-DC 변환기(207)는, 입력 전압이 충분히 높으면, 출력 전압(V_L)을 원하는 값으로 유지할 수 있다. 그러나, DC-DC 변환기(207)의 입력 전압이 저하한 경우에는, 출력 전압(V_L)을 원하는 값으로 유지하는 것이 곤란해진다. 이 경우, DC-DC 변환기(207)는 부하 회로(203)에 대하여, 충분한 전력을 공급할 수 없게 된다. 본 실시 형태는, 이러한 문제를 해결하는 것이다.

정류기(206)의 입력 단자에서 전압(V₂) 및 전류(I₂)를 측정해서 전력(P₂)을 구하는 구성은 상기 제7 실시 형태와 마찬가지이다. 이에 덧붙여, 본 실시 형태에서는, 측정 회로(204)가 DC-DC 변환기(207)의 출력 전압(V_L)도 측정한다.

전압(V_L)이 원하는 값 이상일 경우, DC-DC 변환기(207)의 입력에는 충분한 전압이 인가되고 있다고 생각된다. 따라서, 상기 제7 실시 형태와 마찬가지로, 전력(P₂)으로부터 수학식 5를 만족하는 정류기(206)의 입력 전압(V₂)을 구하고, 이것을 실현하기 위해서 고주파 전원(101)의 출력 전압(V₁)을 조정한다.

한편, DC-DC 변환기(207)의 출력 전압(V_L)이 원하는 값보다 낮은 경우에는, DC-DC 변환기(207)는 정상 동작하고 있지 않다고 생각된다. 따라서, DC-DC 변환기(207)의 입력 전압을 상승시키기 위해서, 고주파 전원(101)의 출력 전압(V₁)을 상승시킨다. 이 결과, DC-DC 변환기(207)의 출력 전압(V_L)이 원하는 값까지 상승하면, 지금까지와 마찬가지로, 전력(P₂)으로부터 수학식 5를 만족하는 정류기(206)의 입력 전압(V₂)을 구하고, 고주파 전원(101)의 출력 전압(V₁)을 조정함으로써, 수전 코일(201)로부터 바라 본 임피던스(R₂)를 원하는 값으로 유지할 수 있다.

도 14에, 이러한 동작의 흐름도를 나타낸다.

(스텝 S101)

DC-DC 변환기(207)의 출력 전압(V_L)이 측정된다.

(스텝 S102)

출력 전압(V_L)이 소정값 미만인지를 판정한다. 전압이 소정값 미만인 경우에는 프로시저가 스텝 S103으로 진행하고, 소정값 이상인 경우에는 프로시저가 스텝 S104로 진행한다.

(스텝 S103)

고주파 전원(101)의 출력 전압(V₁)이 증가된다.

(스텝 S104)

정류기(206)의 입력 단자에서 전력(P₂)이 측정된다.

(스텝 S105)

정류기(206)의 입력 전압(V₂)이 수학식 5를 만족하도록, 고주파 전원(101)의 출력 전압(V₁)이 조정된다.

(스텝 S106)

무선 전력 전송 장치가 동작을 계속하는 경우에는, 프로시저가 스텝 S101로 복귀된다.

이와 같이, DC-DC 변환기(207)의 출력 전압(V_L)을 관측함으로써, DC-DC 변환기(207)가 정상 동작하고 있는지를 판단할 수 있어서, DC-DC 변환기(207)가 정상 동작하고 있지 않은 경우에도, DC-DC 변환기(207)의 입력 전압을 상승시켜, 정상 동작으로 복귀시키는 것이 가능하게 된다.

한편, 본 실시 형태에서는, DC-DC 변환기(207)가 일정한 전압 출력에서 동작하고 있는 경우에 대해서 설명했지만, 출력 전류(I_L)가 일정한 경우에도 동일한 제어가 가능하다. 즉, DC-DC 변환기(207)의 출력 전류(I_L)가 원하는 값보다 작은 경우에는 고주파 전원(101)의 출력 전압(V₁)을 상승시키고, 전류(I_L)가 원하는 값까지 상승된 후에, 임피던스(R₂)가 원하는 값이 되도록 고주파 전원(101)의 출력 전압(V₁)을 조정하면 좋다.

상기 제6 내지 제9 실시 형태에서는, 도 10 내지 도 13에 도시한 바와 같이, 무선 신호 수신기(103) 및 무선 신호 송신기(205)가 전용 안테나를 포함하고 있었지만, 송전 코일(102) 및 수전 코일(201)을 무선 통신 안테나로서 사용해도 좋다. 이 경우의 구성은 도 6 및 도 7에 나타낸 것과 마찬가지이다.

특정한 실시 형태들에 대하여 설명했지만, 이들 실시 형태는 단지 예로서 제시하였고, 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 의도되지 않는다. 실제로, 본원에 설명된 신규한 방법 및 시스템은 여러 다양한 형태로 구체화될 수 있으며; 또한, 본 발명의 정신 내에서 본원에 설명된 방법 및 시스템 형태에 다양한 생략, 대체 및 변경이 행해질 수 있다. 첨부된 청구항들 및 그 등가물은 본 발명의 범위 및 정신에 속하는 이러한 형태 또는 변형을 포함하는 것으로 의도된다.

1: 송전 장치
2: 수전 장치
11: 고주파 전원
12: 공진 회로
13: 송전 코일
21: 수전 코일
22: 공진 회로
23: 전력 측정기
24: 부하 회로
25: 제어 회로

Claims

송전 장치 및 상기 송전 장치로부터 전력이 전송되는 수전 장치를 구비하는 무선 전력 전송 장치이며,
상기 수전 장치는,
전력을 수전하는 수전 코일과,
상기 수전 코일에 접속된 제1 공진 회로와,
상기 제1 공진 회로로부터 제1 전력값을 갖는 제1 신호가 공급되는 부하 회로와,
상기 제1 전력값을 측정하는 제1 전력 측정기와,
상기 제1 전력값을 상기 송전 장치로 송신하는 송신기를 갖고,
상기 송전 장치는,
제2 전력값을 갖는 제2 신호를 생성하는 전원과,
상기 제2 신호가 입력되고, 복수의 인덕터 및 캐패시터를 포함하는 제2 공진 회로와,
상기 제2 공진 회로에 접속되고, 전력을 송전하는 송전 코일과,
상기 제2 전력값을 측정하는 제2 전력 측정기와,
상기 제1 전력값을 상기 송신기로부터 수신하는 수신기와,
상기 제1 전력값 및 상기 제2 전력값을 사용해서 전력 전송 효율을 산출하고, 상기 전력 전송 효율에 기초하여, 상기 인덕터의 인덕턴스값 및／또는 상기 캐패시터의 캐패시턴스값을 조정하는 제1 제어 회로를 갖는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
제1항에 있어서, 상기 수신기는, 상기 송신기에 상기 전력 전송 효율을 송신할 수 있고,
상기 수전 장치는, 상기 제1 전력값 또는 상기 전력 전송 효율에 기초하여, 상기 제1 공진 회로에 포함되는 인덕터의 인덕턴스값 및／또는 캐패시터의 캐패시턴스값을 조정하는 제2 제어 회로를 더 갖는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
제1항에 있어서, 상기 수신기 및 상기 송신기는, 상기 수전 코일 및 상기 송전 코일을 개재해서 신호의 송수신을 행하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
송전 장치 및 상기 송전 장치로부터 전력이 전송되는 수전 장치를 구비하는 무선 전력 전송 장치이며,
상기 수전 장치는,
전력을 수전하는 수전 코일과,
상기 수전 코일에 접속된 제1 공진 회로와,
상기 제1 공진 회로로부터 제1 전력값을 갖는 제1 신호가 공급되는 부하 회로와,
상기 제1 전력값을 측정하는 제1 전력 측정기와,
상기 제1 전력값을 상기 송전 장치로 송신하는 송신기를 갖고,
상기 송전 장치는,
제2 전력값을 갖는 제2 신호를 생성하는 전원과,
상기 제2 신호가 입력되어, 복수의 인덕터 및 캐패시터를 포함하는 제2 공진 회로와,
상기 제2 공진 회로에 접속되고, 전력을 송전하는 송전 코일과,
상기 제2 전력값을 측정하는 제2 전력 측정기와,
상기 제1 전력값을 상기 제1 송수신기로부터 수신하는 수신기와,
상기 제1 전력값 및 상기 제2 전력값을 사용해서 전력 전송 효율을 산출하고, 상기 전력 전송 효율에 기초하여, 상기 전원으로부터 출력되는 상기 제2 신호의 주파수를 조정하는 제1 제어 회로를 갖는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
제4항에 있어서, 상기 수신기는, 상기 송신기에 상기 전력 전송 효율을 송신할 수 있고,
상기 수전 장치는, 일단부가 상기 제1 공진 회로의 출력 단자에 접속된 제1 스위치 및 제2 스위치와, 상기 제1 스위치의 타단부에 접속된 가변 저항기와, 상기 제2 스위치의 타단부와 상기 부하 회로 사이에 설치된 임피던스 변환 회로와, 상기 제1 스위치를 온, 상기 제2 스위치를 오프했을 때, 상기 전력 전송 효율이 소정값 이상이 되는 상기 가변 저항기의 저항값을 구하고, 상기 제1 스위치를 오프, 상기 제2 스위치를 온했을 때에, 상기 제1 공진 회로로부터 상기 부하 회로 측을 바라 본 임피던스가 상기 저항값과 동등해지도록 상기 임피던스 변환 회로를 제어하는 제2 제어 회로를 더 갖는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
제5항에 있어서, 상기 수전 장치는, 상기 임피던스 변환 회로의 출력 신호로부터 부하 임피던스의 변화를 검출하는 검출 회로를 더 갖고,
상기 제1 전력값이 변화하고, 또한 상기 부하 임피던스의 시간 변화가 소정의 임계값 이하인 경우에, 상기 제1 제어 회로에 의한 상기 주파수의 조정 및 상기 제2 제어 회로에 의한 상기 임피던스 변환 회로의 제어 중 적어도 어느 한쪽이 행해지는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
제6항에 있어서, 상기 수신기 및 상기 송신기는, 상기 수전 코일 및 상기 송전 코일을 개재해서 신호의 송수신을 행하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
수전 장치로 전력을 전송하는 송전 장치이며,
제1 전력값을 갖는 제1 신호를 생성하는 전원과,
상기 제1 신호가 입력되어, 복수의 인덕터 및 캐패시터를 포함하는 제1 공진 회로와,
상기 제1 공진 회로에 접속되고, 전력을 송전하는 송전 코일과,
상기 제1 전력값을 측정하는 전력 측정기와,
상기 수전 장치로부터 송신된, 상기 수전 장치 내에서 수전 코일에 접속된 제2 공진 회로로부터 부하 회로에 공급되는 제2 신호가 갖는 제2 전력값을 수신하는 수신기와,
상기 제1 전력값 및 상기 제2 전력값을 사용해서 전력 전송 효율을 산출하고, 상기 전력 전송 효율에 기초하여, 상기 인덕터의 인덕턴스값 및／또는 상기 캐패시터의 캐패시턴스값을 조정하는 제어 회로를 구비하는, 송전 장치.
송전 장치로부터 전력이 전송되는 수전 장치이며,
전력을 수전하는 수전 코일과,
상기 수전 코일에 접속되고, 복수의 인덕터 및 캐패시터를 포함하는 공진 회로와,
상기 공진 회로로부터 제1 전력값을 갖는 제1 신호가 공급되는 부하 회로와,
상기 제1 전력값을 측정하는 전력 측정기와,
상기 제1 전력값을 상기 송전 장치로 송신하고, 상기 송전 장치 내에서 전력의 전송을 위해서 전원에 의해 생성된 제2 신호의 제2 전력값과 상기 제1 전력값에 기초하여 산출된 전력 전송 효율을 상기 송전 장치로부터 수신하는 송수신기와,
상기 전력 전송 효율에 기초하여, 상기 공진 회로에 포함되는 인덕터의 인덕턴스값 및／또는 캐패시터의 캐패시턴스값을 조정하는 제어 회로를 구비하는, 수전 장치.