KR20130058423A

KR20130058423A - 무선전력 중계장치, 무선전력 전송 방법 및 공진주파수 조절 방법

Info

Publication number: KR20130058423A
Application number: KR1020110124419A
Authority: KR
Inventors: 이기민; 박영진; 김진욱; 이원태; 손현창; 김관호
Original assignee: 엘지이노텍 주식회사; 한국전기연구원
Priority date: 2011-11-25
Filing date: 2011-11-25
Publication date: 2013-06-04
Anticipated expiration: 2031-11-25
Also published as: EP2597782A1; CN103138406A; CN103138406B; US20130134794A1; US9287736B2; TW201338332A; EP2597782B1; KR101305823B1; TWI559340B

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 자기 공진을 이용하여 무선전력 수신장치에 전력을 전송하는 무선전력 중계장치는 전력소스로부터 전력을 수신하는 송신 공진 코일; 상기 송신 공진 코일로부터 전력을 수신하고, 상기 수신한 전력을 상기 무선전력 수신장치에 전달하는 복수의 공진 코일들; 상기 무선전력 수신장치의 근접여부를 검출하는 검출부; 및 상기 검출부의 검출결과에 따라 상기 복수의 공진 코일들 중 상기 무선전력 수신장치가 검출된 영역 내의 공진 코일을 상기 송신 공진 코일에 연결 또는 분리시키는 복수의 스위치들을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

무선전력 중계장치, 무선전력 전송 방법 및 공진주파수 조절 방법{APPARATUS FOR RELAYING WIRELESS POWER, METHOD FOR TRANSMITTING WIRELESS POWER AND METHOD FOR CONTORLLING RESONANCE FREQUENCY}

본 발명은 무선전력 중계장치, 무선전력 전송 방법 및 공진주파수 조절 방법 에 관한 것이다.

무선으로 전기 에너지를 원하는 기기로 전달하는 무선전력전송 기술(wireless power transmission 또는 wireless energy transfer)은 이미 1800년대에 전자기유도 원리를 이용한 전기 모터나 변압기에 사용되기 시작했고, 그 후로는 라디오파(Radio Frequency)나 레이저를 방사해서 전기에너지를 전송하는 방법도 시도되었다. 우리가 흔히 사용하는 전동칫솔이나 일부 무선면도기도 실상은 전자기유도 원리로 충전된다. 현재까지 무선 방식에 의한 에너지 전달 방식은 자기 유도, 자기 공진 및 마이크로파를 이용한 원거리 송신 기술 등이 있다.

최근에는 이와 같은 무선 전력 전송 기술 중 자기 공진을 이용한 에너지 전달 방식이 많이 사용되고 있다.

자기 공진을 이용한 무선전력 전송 시스템은 송신 측과 수신 측에 형성된 전기신호가 코일을 통해 무선으로 전달되기 때문에 사용자는 휴대용 기기와 같은 전자기기를 손쉽게 충전할 수 있다.

그러나, 현재의 무선충전기술은 단일 소스를 사용하여 단일 휴대용 수신 기기만을 충전하고 있으며, 송신 측과 수신 측 사이의 거리는 매우 제한적인 단점이 있다.

특히, 다중 기기 무선 충전을 위하여 공진 코일의 면적을 크게 하는 방법도 있으나(특허공개번호 10-2010-0026075), 이 경우는 무선전력 수신장치가 존재하지 않는 부분에도 불필요한 자기장이 발생하여 전력전송 효율이 매우 낮고, 유해 전자기장의 크기가 높은 문제가 있다.

본 발명은 하나 이상의 공진 코일들을 선택적으로 동작시켜 전력전달 효율을 증가시키고, 자기장의 세기를 최소화하는 무선전력 중계장치, 무선전력 전송 방법 및 공진주파수 조절 방법의 제공을 목적으로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 자기 공진을 이용하여 무선전력 수신장치에 전력을 전송하는 무선전력 중계장치는 전력소스로부터 전력을 수신하는 송신 공진 코일;

상기 송신 공진 코일로부터 전력을 수신하고, 상기 수신한 전력을 상기 무선전력 수신장치에 전달하는 복수의 공진 코일들; 상기 무선전력 수신장치의 근접여부를 검출하는 검출부; 및 상기 검출부의 검출결과에 따라 상기 복수의 공진 코일들 중 상기 무선전력 수신장치가 검출된 영역 내의 공진 코일을 상기 송신 공진 코일에 연결 또는 분리시키는 복수의 스위치들을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 자기공진을 이용한 무선전력 전송 방법은,

제1 영역 내에서 제1 공진 코일을 통해 전력을 수신하는 제1 무선전력 수신장치를 검출하는 단계; 상기 제1 무선전력 수신장치가 검출된 경우, 상기 제1 공진 코일과 페어링되는 제1 스위치를 개방시키는 단계; 상기 제1 스위치의 개방에 따라 제1 무선전력 수신장치에 전력을 전송하는 단계; 상기 전력 전송 중 제2 영역 내에서 제2 공진 코일을 통해 전력을 수신하는 제2 무선전력 수신장치를 검출하는 단계; 상기 제2 무선전력 수신장치가 검출된 경우, 상기 제2 공진 코일과 페어링되는 제2 스위치를 개방시키는 단계; 및 상기 제2 스위치의 개방에 따라 제2 무선전력 수신장치에 전력을 전송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 자기공진을 이용한 무선전력 중계장치의 공진주파수 조절 방법에 있어서, 상기 무선전력 중계장치는, 송신 공진 코일, 복수의 공진 코일들, 상기 복수의 공진 코일들과 페어링된 복수의 스위치들을 포함하고, 하나 이상의 무선전력 수신장치를 검출하는 단계; 상기 검출된 하나 이상의 무선전력 수신장치에 전력을 전달하는 상기 복수의 공진 코일들을 상기 복수의 스위치들을 통해 상기 송신 공진 코일과 연결시키는 단계; 상기 무선전력 중계장치의 공진주파수가 변경되었는지 판단하는 단계; 상기 판단결과, 상기 공진주파수가 변경된 경우, 원래의 공진주파수로 재 변경시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 공진주파수 조절 방법은 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램으로 제작되어 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체로 구현될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 무선전력 수신장치가 배치되는 영역의 공진 코일만을 선택적으로 동작시켜서 전력전달 효율을 증가시키고, 자기장의 세기를 줄일 수 있다.

둘째, 가변 인덕터 및 가변 커패시터의 삽입을 통해 공진주파수를 지속적으로 유지할 수 있어 전력전달 효율을 증가시킨다.

한편 그 외의 다양한 효과는 후술될 본 발명의 실시 예에 따른 상세한 설명에서 직접적 또는 암시적으로 개시될 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 전송 시스템을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 송신 유도 코일(210)의 등가 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 전력 소스(100)와 무선전력 송신장치(200)의 등가회로이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수신 공진 코일(310), 수신 유도 코일(320), 정류 회로(330) 및 부하(340)의 등가회로를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선전력 중계장치(400)의 구성도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선전력 중계장치(400)의 회로도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선전력 중계장치(400)를 이용한 무선전력 전송 방법의 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 공진주파수 조절 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 루프형 공진 코일들을 포함하는 무선전력 중계장치(400)를 사용한 경우, 자기장의 세기를 검출한 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 10은 도 9에 도시한 무선전력 중계장치(400)의 단면에 대한 자기장의 세기를 나타낸 그래프이다.

이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 나타낸다.

전력 소스(100)에서 생성된 전력은 무선전력 송신장치(200)로 전달되고, 자기 공진 현상에 의해 무선전력 송신장치(200)와 공진을 이루는 즉, 공진 주파수 값이 동일한 무선전력 수신장치(300)로 전달된다.

보다 구체적으로 살펴보면, 전력 소스(100)는 소정 주파수의 교류 전력을 제공하는 교류 신호 소스이다.

무선전력 송신장치(200)는 송신 유도 코일(210)과 송신 공진 코일(220)로 구성된다. 송신 유도 코일(210)은 전력 소스(100)와 연결되며, 교류 전류가 흐른다. 송신 유도 코일(210)에 교류 전류가 흐르면, 전자기 유도에 의해 물리적으로 이격되어 있는 송신 공진 코일(220)에도 교류 전류가 유도된다. 송신 공진 코일(220)로 전달된 전력은 자기 공진에 의해 무선전력 송신장치(200)와 공진 회로를 이루는 무선전력 수신장치(300)로 전달된다.

임피던스가 매칭된 2개의 LC 회로 사이는 자기 공진에 의해 전력이 전송될 수 있다. 이와 같은 자기 공진에 의한 전력 전송은 전자기 유도에 의한 전력 전송보다 더 먼 거리까지 더 높은 효율로 전력 전달이 가능하게 한다.

무선전력 수신장치(300)는 수신 공진 코일(310), 수신 유도 코일(320), 정류회로(330) 및 부하(340)로 구성된다. 송신 공진 코일(220)에 의해 송신된 전력은 수신 공진 코일(310)에 의해 수신되어 수신 공진 코일(310)에 교류 전류가 흐르게 된다. 수신 공진 코일(310)로 전달된 전력은 전자기 유도에 의해 수신 유도 코일(320)로 전달된다. 수신 유도 코일(320)로 전달된 전력은 정류 회로(330)를 통해 정류되어 부하(340)로 전달된다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 송신 유도 코일(210)의 등가 회로도이다. 도 2에 도시된 바와 같이 송신 유도 코일(210)은 인덕터(L1)와 캐패시터(C1)로 구성될 수 있으며, 이들에 의해 적절한 인덕턴스와 캐패시턴스 값을 갖는 회로를 구성하게 된다. 캐패시터(C1)는 가변 캐패시터일 수 있으며, 가변 캐패시터를 조절하여 임피던스 매칭을 수행할 수 있다. 송신 공진 코일(220), 수신 공진 코일(310), 수신 유도 코일(320)의 등가 회로도 도 2에 도시된 것과 동일할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 전력 소스(100)와 무선전력 송신장치(200)의 등가회로이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 송신 유도 코일(210)과 송신 공진 코일(220)은 각각 소정 인덕턴스 값과 캐패시턴스 값을 갖는 인덕터(L1, L2)와 캐패시터(C1, C2)로 구성될 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 수신 공진 코일(310), 수신 유도 코일(320), 정류회로(330) 및 부하(340)의 등가회로를 나타낸다.

도 4에 도시된 바와 같이 수신 공진 코일(310)과 수신 유도 코일(320)은 각각 소정 인덕턴스 값과 캐패시턴스 값을 갖는 인덕터(L3, L4)와 캐패시터(C3, C4)로 구성될 수 있다. 정류회로(330)는 다이오드(D1)와 정류 캐패시터(C5)로 구성될 수 있으며, 교류 전력을 직류 전력을 변환하여 출력한다. 부하(340)는 1.3V의 직류 전원으로 표시되어 있으나, 직류 전력을 필요로 하는 임의의 충전지 또는 장치일 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선전력 중계장치(400)의 구성도이다.

도 5를 참조하면, 무선전력 중계장치(400)는 송신 공진 코일(410), 제1,2 공진 코일(421, 422), 제1,2 스위치(431, 432), 검출부(440) 및 제어부(450)를 포함할 수 있다.

도 5에서는 무선전력 중계장치(400)가 2개의 공진 코일을 포함하는 경우를 예로 들었으나, 이는 예시에 불과하고, 무선전력 중계장치(400)는 2개 이상의 복수의 공진 코일들을 포함할 수 있다. 또한, 2개의 스위치를 포함하는 경우를 예로 들었으나, 이는 예시에 불과하고, 2개 이상의 복수의 스위치들을 포함할 수 있다. 각 공진 코일들과 각 스위치는 하나씩 페어링되어 한 쌍을 이룰 수 있다.

송신 공진 코일(410)은 전력소스(100)로부터 교류전력을 수신할 수 있고, 수신한 전력을 제1,2 공진 코일(421,422)에 동시에 또는 어느 하나에만 전달할 수 있다.

제1,2 공진 코일(421,422)은 송신 공진 코일(410)로부터 전력을 수신하고, 수신한 전력을 자기 공진에 의해 무선전력 수신장치에 전송할 수 있다. 제1,2 공진 코일들(421,422)은 도 2에 도시한 송신 유도 코일(210)의 등가 회로도와 같이 구현될 수 있다. 일 실시 예에서 제1,2 공진 코일(421,422)은 하나의 도선이 적어도 한 번 이상 감겨진 루프형태일 수 있고, 루프형태는 원형, 타원형, 사각형 등과 같은 다각형의 형태일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 도 5에서는 제1,2 공진 코일(421,422)이 사각형의 루프형태로 구성됨을 보여준다.

일 실시 예에서 송신 공진 코일(410) 및 제1,2 공진 코일(421,422)은 다중 탭(Multi Tab)구조를 가질 수 있다. 다중 탭 구조란, 예를 들어, 제1 공진 코일(421)이 총 5번으로 감겨진 경우, 공진 코일의 외부 루프와 내부 루프 사이에 일정 공간을 두고, 외부 루프 및 내부 루프의 감겨진 횟수를 달리하는 구조를 의미할 수 있다. 일 실시 예에서 제1 공진 코일(421)의 외부 루프는 3번 감겨지고, 내부 루프는 2번 감겨질 수 있으나, 이는 예시에 불과하다.

송신 공진 코일(410) 및 제1,2 공진 코일(421,422)은 하나의 도선으로 연결될 수 있다. 즉, 송신 공진 코일(410) 및 제1,2 공진 코일(421,422)은 전기적으로 직렬연결 될 수 있다.

제1 스위치(431)는 후술할 제어부의 구동신호에 따라 송신 공진 코일(410)과 제1 공진 코일(421)을 전기적으로 연결하거나, 분리시킬 수 있다. 일 실시 예에서 스위치는 멤스(MEMS: Micro Electro Mechanical System) 기술을 이용한 스위치일 수 있다. 멤스(MEMS: Micro Electro Mechanical System)는 반도체 제조기술을 이용해 실리콘 기판 위에 3차원의 구조물을 형성하는 기술이다.

검출부(440)는 무선전력 수신장치의 근접여부를 검출할 수 있다. 검출부(440)는 제1,2 공진 코일(421,422) 상면에 위치한 무선전력 수신장치를 검출할 수 있다. 검출부(440)는 각 제1,2 공진 코일(421,422)의 일면에 배치될 수 있다. 검출부(440)는 센싱 코일을 포함할 수 있다. 센싱 코일은 공진 코일의 일면에 위치하여 무선전력 수신장치내의 수신 공진 코일을 검출할 수 있다. 구체적으로, 센싱 코일은 수신 공진 코일(310)에 흐르는 전류를 검출하거나, 수신 공진 코일(310)에 형성되는 자기장을 검출하여 무선전력 수신장치(300)를 검출 할 수 있다. 일 실시 예에서 센싱 코일은 매트릭스 구조로 구성될 수 있다.

제어부(450)는 무선전력 중계장치(400)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 특히, 제어부(450)는 무선전력 수신장치가 검출된 영역 내에 해당하는 공진 코일만을 선택적으로 동작시키도록 제1,2 스위치(431,432)를 제어하는 구동신호를 생성한다. 제1,2 스위치(431,432)는 상기 구동신호에 따라 송신 공진 코일(410)과 제1,2 공진 코일(421,422)을 전기적으로 연결하거나 분리할 수 있다. 일 실시 예에서 검출부(440)가 제1 공진 코일(421) 상면에 위치한 무선전력 수신장치를 검출한 경우, 제어부(450)는 상기 검출결과에 따라 제1 스위치(431)를 개방시키는 구동신호를 생성하고, 생성된 구동신호를 제1 스위치(431)에 전달한다. 그 후, 제1 스위치(431)는 송신 공진 코일(410)과 제1 공진 코일(421)을 전기적으로 연결하고, 송신 공진 코일(410)은 제1 공진 코일(421)에 전력을 전달한다. 그 후, 무선전력 수신장치는 자기공진에 의해 제1 공진 코일(421)로부터 전력을 수신한다.

만약, 제1,2 공진 코일들(421, 422) 상면에 각각 제1,2 무선전력 수신장치들이 위치한 것으로 검출된 경우, 제어부(450)는 제1 스위치(431)를 제1 공진 코일(421)에 전기적으로 연결시키고, 제2 스위치(432)를 제2 공진 코일(422)에 전기적으로 연결시키는 개방신호를 생성하여 제1,2 스위치들(431,432)에 전달한다. 그에 따라 송신 공진 코일(410)과 제1,2 공진 코일들(431,432)은 전기적으로 연결되고, 제1,2 공진 코일들(431,432)은 자기공진을 이용해 각 무선전력 수신장치들에 전력을 전송한다.

일 실시 예에서 제어부(450)는 주기적인 구동신호를 제1,2 스위치(431,432)에 순차적으로 전달하여 무선전력 수신장치를 검출할 수도 있다. 즉, 제어부(450)는 제1 스위치(431)를 개방시키는 구동신호를 생성하여, 제1 스위치(431)를 개방시킨다. 그 후, 제어부(450)는 송신 공진 코일(410)을 통해 제1 공진 코일(421)에 전력을 전송하여 제1 공진 코일(421)과 제1 무선전력 수신장치 사이에 자기 공진에 의한 전력 전달이 일어나는지를 확인한다.

이 때, 제어부(450)는 제1 공진 코일(421)에 미소 전력을 전달하도록 전력소스(100)을 제어할 수 있다. 제1 공진 코일(421)과 제1 무선전력 수신장치 사이에 전력 전달이 일어나는 경우, 제어부(450)는 이를 확인하고, 제1 공진 코일(421)에 전달하는 전력량을 증가시키도록 전력소스(100)를 제어한다. 만약, 제1 공진 코일(421)과 제1 무선전력 수신장치 사이에 전력 전달이 일어나지 않는 경우, 제어부(450)는 이를 확인하고, 제2 스위치(432)를 개방시키는 구동신호를 생성하여 제2 스위치(432)를 개방시킨다. 일 실시 예에서 제1 공진 코일(421)과 제1 무선전력 수신장치 사이에 전력 전달이 일어나지 않는 경우란, 제1 무선전력 수신장치가 검출되지 않은 경우를 의미할 수 있다. 일 실시 예에서 제1 공진 코일(421)과 제1 무선전력 수신장치 사이에 전력 전달이 일어나지 않는 경우란, 제1 무선전력 수신장치의 배터리가 일정 값 이상 충전된 경우를 의미할 수 있다.

그 후, 제어부(450)는 제2 공진 코일(422)과 제2 무선전력 수신장치 사이에 전력 전달이 일어나는지를 확인한다. 만약, 제어부(450)가 제2 공진 코일(422)과 제2 무선전력 수신장치 사이에 전력 전달이 일어나는 것을 확인하면, 제어부(450)는 제2 공진 코일(422)에서 제2 무선전력 수신장치로의 전력 전달량을 증가시키도록 전력소스(100)를 제어할 수 있다.

상기와 같이 무선전력 수신장치가 위치하는 영역의 공진 코일만을 선택적으로 동작시켜서 전력전달 효율을 증가시킬 수 있고, 모든 공진 코일들이 동작하는 경우, 발생할 수 있는 자기장의 방사량을 감소시킬 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선전력 중계장치(400)의 회로도이다.

도 6은 도 5에 도시된 무선전력 중계장치(400)의 구성도를 회로의 형태로 구현한 회로도이다. 송신 공진 코일(410)은 양단이 각각 전력 소스(100)의 일단과 타단에 연결된다. 송신 공진 코일(410)은 캐패시터(미도시)를 추가로 포함할 수 있으며, 적절한 인덕턴스와 캐패시턴스 값을 갖는 회로를 구성하게 된다.

제1,2,3 공진 코일들(421,422,423)은 각각 제1,2,3스위치들(431,432,433)과 대응되어 서로 전기적으로 연결되거나 분리된다.

무선전력 중계장치(400)는 공진주파수를 일정하게 유지시키기 위한 가변 인덕터(461) 및 가변 캐패시터(462)를 포함할 수 있다. 가변 인덕터(461) 및 가변 캐패시터(462)는 직렬로 연결되고, 상기 스위치들과도 직렬로 연결될 수 있다. 일 실시 예에서 가변 인덕터(461)는 멤스(MEMS: Micro Electro Mechanical System) 기술을 이용하여 제작된 인덕터일 수 있다. 제1,2,3 공진 코일들(431,432,433)의 상면에 제1,2,3 무선전력 수신장치 중 하나 이상이 검출된 경우, 공진주파수는 동시에 동작하는 공진 코일들의 개수에 따라 변경된다. 이 때, 가변 인덕터(461) 및 가변 캐패시터(462)는 공진주파수가 변경되더라도, 자기 공진에 의한 전력 전송이 원활히 유지되도록 공진주파수를 일정하게 유지시킬 수 있다. 가변 캐패시터(462)의 캐패시턴스 값의 범위는 제한적이므로, 가변 인덕터(461)를 직렬로 연결하여 인덕턴스 값을 조절함으로써 공진주파수 값을 조절할 수 있다. 즉, 복수의 공진 코일들이 연결되어 인덕턴스 값이 변하더라도 가변 캐패시터(462) 및 가변 인덕터(461)를 통해 공진주파수 값은 일정하게 유지된다. 제어부(460)는 가변 캐패시터(462)의 캐패시턴스 및 가변 인덕터(461)의 인덕턴스 값을 변경시킨다.

수식을 통해 무선전력 중계장치(400)의 공진주파수가 일정하게 유지됨을 살펴본다. 만약, 직렬로 연결된 인덕터들의 개수가 m개이고, 각 인덕턴스 값이 L1 부터 Lm이고, 가변 인덕터(461)의 인덕턴스 값은 La이고, 가변 캐패시터(462)의 캐패시턴스 값이 C인 경우, 상기 인덕터들이 모두 직렬 연결되면, 공진주파수 w는 다음의 [수학식 1]과 같이 표현될 수 있다.

[수학식 1]

[수학식 1]에서 보는 바와 같이, 공진 코일들의 연결 상태(연결 개수)에 따라 전체 인덕턴스 값의 합이 변경되고, 이에 따라 무선전력 중계장치(400)의 공진주파수 w 또한 변경될 수 있다. 공진주파수 w가 공진 코일들의 연결 또는 분리에 의해 변경되면, 자기 공진에 의한 전력전송이 원활하게 일어나지 않는다. 따라서, 제어부(460)는 공진주파수 w가 공진 코일들의 연결 또는 분리에 의해 영향 받지 않도록, 가변 인덕터(461)와 가변 캐패시터(462)를 통해 인덕턴스 값(La)과 캐패시턴스 값(C)을 변경시켜 공진주파수 값을 일정하게 유지시킨다.

도 6의 실시 예에서는 가변 인덕터(461)와 가변 캐패시터(462)가 직렬로 연결된 경우를 설명하였으나, 가변 인덕터(461) 또는 가변 캐패시터(462) 중 어느 하나만이 공진 코일들에 직렬 연결될 수 있다.

상기와 같이 무선전력 중계장치(400)의 가변 인덕터(461) 및 가변 커패시터(462)의 삽입을 통해 공진주파수를 지속적으로 유지할 수 있어 공진주파수가 변함에 따라 발생하는 전력전송 효율의 문제를 해결할 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선전력 중계장치(400)를 이용한 무선전력 전송 방법의 흐름도이다.

먼저, 검출부(440)는 제1 영역 내에서 제1 무선전력 수신장치를 검출한다(S101). 검출부(440)는 센싱 코일을 포함할 수 있다. 센싱 코일은 각 공진 코일들의 일면에 위치할 수 있다. 여기서, 제1 영역은 제1 공진 코일(421)이 제1 무선전력 수신장치의 수신 공진 코일을 검출 할 수 있는 범위의 영역을 의미할 수 있다. 일 실시 예에서 제1 영역은 제1 공진 코일(421)이 감겨진 턴수, 제1 공진 코일의 지름, 직경 등에 따라 가변할 수 있는 범위의 영역일 수 있다.

그 후, 제어부(450)는 제1 공진 코일(421)에 페어링된 제1 스위치(431)를 개방시킨다(S103). 제1 스위치(431)를 개방시키는 것은 도 6에서 도시한 바와 같이, 제1 공진 코일(421)을 회로에 연결시키는 것을 의미할 수 있다. 제1 스위치(431)가 개방되면, 송신 공진 코일(410)은 제1 공진 코일(421)에 전력을 전송하고, 제1 공진 코일(421)은 제1 무선전력 수신장치에 자기 공진에 의한 전력을 전송한다(S105).

그 후, 검출부(440)는 제2 영역 내에서 제2 무선전력 수신장치를 검출한다(S107). 여기서, 제2 영역은 제2 공진 코일(422)이 제2 무선전력 수신장치의 수신 공진 코일을 검출 할 수 있는 범위의 영역을 의미할 수 있다. 일 실시 예에서 제2 영역은 제2 공진 코일(422)이 감겨진 턴수, 제2 공진 코일(422)의 지름, 직경 등에 따라 가변할 수 있는 범위의 영역일 수 있다.

그 후, 제어부(450)는 제2 공진 코일(422)에 페어링된 제2 스위치(432)를 개방시킨다(S109). 제2 스위치(432)를 개방시키는 것은 도 6에서 도시한 바와 같이, 제2 공진 코일(422)을 회로에 연결시키는 것을 의미할 수 있다. 제2 스위치(432)가 개방되면, 송신 공진 코일은 제2 공진 코일(421)에 전력을 전송하고, 제2 공진 코일(421)은 제2 무선전력 수신장치에 자기 공진에 의한 전력을 전송한다(S111).

도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 공진주파수 조절 방법을 나타낸 흐름도이다.

먼저, 제어부(450)는 하나 이상의 무선전력 수신장치가 검출되었는지를 확인한다(S201). 무선전력 수신장치를 검출하는 방법은 각 공진 코일들의 일면에 센싱 코일을 설치하여 검출하는 방법과 각 스위치들을 교대로 동작시켜 공진 코일과 무선전력 수신장치 사이에 전력 전달이 일어나는지를 확인하여 검출하는 방법이 있다. 상세한 설명은 도 5 및 도 6에서 설명한 바와 같다.

그 후, 제어부(450)는 각 공진 코일들에 대응하는 스위치를 회로에 직렬로 연결시킨다(S203). 무선전력 수신장치가 2개만 검출된 경우, 검출된 영역에 해당하는 2개의 공진 코일들만을 연결시킨다.

그 후, 제어부(450)는 무선전력 중계장치(400)의 공진주파수가 변경되었는지 판단한다(S205). 연결된 공진 코일들에 의해 인덕턴스 값이 변경되고, 그에 따라 공진주파수도 변경될 수 있다. 공진주파수가 변경된 것으로 판단된 경우, 제어부(450)는 가변 인덕터(461)의 인덕턴스 값 및 가변 캐패시터(462)의 캐패시턴스 값을 변경시킨다(S207). 제어부(450)는 가변 인덕터(461)의 인덕턴스 값 및 가변 캐패시터(462)의 캐패시턴스 값을 변경시켜 무선전력 중계장치(400)의 공진주파수가 원래 값을 재 변경 시킨다.

도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 루프형 공진 코일들을 포함하는 무선전력 중계장치(400)를 사용한 경우, 자기장의 세기를 검출한 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.

도 9의 시뮬레이션 결과는 전자파 해석 툴 ANSYS사의 HFSS를 사용하여 자기장의 세기를 시뮬레이션 한 결과로, 지면으로부터 10츠 떨어진 위치에서 측정된 결과이다. 시뮬레이션 결과를 살펴보면, 제1 공진 코일(421) 및 제2 공진 코일(422) 근처에만 자기장이 유기되는 것을 확인 할 수 있다.

도 10은 도 9에 도시한 무선전력 중계장치(400)의 단면에 대한 자기장의 세기를 나타낸 그래프이다.

도 9에서 x축은 무선전력 중계장치(400) 단면의 가로 축이고, y축은 무선전력 중계장치(400) 단면의 세로 축이고, z축은 무선전력 중계장치(400) 단면의 수직방향의 축이다.

도 10의 (a)는 y축의 원점에서 15cm, z축의 원점에서 10cm 떨어진 위치에서 x축의 거리에 따라 자기장의 세기를 측정한 그래프이다.

도 10의 (a)에서 도시한 바와 같이 제1 공진 코일(421)이 존재하는 곳(대략 x축으로부터 65~80cm 떨어진 곳)에서만 매우 큰 자기장이 존재하며 제1 공진 코일(421) 이외의 영역에서 자기장의 세기는 매우 작음을 확인할 수 있다.

도 10의 (b)는 x축의 원점에서 45cm, z축의 원점에서 10cm 떨어진 위치에서 y축의 거리에 따라 자기장의 세기를 측정한 그래프이다.

도 10의 (b)에서 도시한 바와 같이 제2 공진 코일(421)이 존재하는 곳(대략 y 축으로부터 45~65cm 떨어진 곳)에서만 매우 큰 자기장이 존재하며 제2 공진 코일(422) 이외의 영역에서 자기장의 세기는 매우 작음을 확인할 수 있다.

상술한 본 발명에 따른 공진주파수 조절 방법은 컴퓨터에서 실행되기 위한 프로그램으로 제작되어 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체에 저장될 수 있으며, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다.

컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고, 상기 방법을 구현하기 위한 기능적인(function) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.

또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해 되어서는 안될 것이다.

100: 전력 소스
200: 무선전력 송신장치
210: 송신 유도 코일
220: 송신 공진 코일
300: 무선전력 수신장치
310: 수신 공진 코일
320: 수신 유도 코일
330: 정류회로
340: 부하
400: 무선전력 중계장치
410: 송신 공진 코일
421: 제1 공진 코일
422: 제2 공진 코일
423: 제3 공진 코일
431: 제1 스위치
432: 제2 스위치
433: 제3 스위치
440: 검출부
450: 제어부

Claims

자기 공진을 이용하여 무선전력 수신장치에 전력을 전송하는 무선전력 중계장치로서,
전력소스로부터 전력을 수신하는 송신 공진 코일;
상기 송신 공진 코일로부터 전력을 수신하고, 상기 수신한 전력을 상기 무선전력 수신장치에 전달하는 복수의 공진 코일들;
상기 무선전력 수신장치의 근접여부를 검출하는 검출부; 및
상기 검출부의 검출결과에 따라 상기 복수의 공진 코일들 중 상기 무선전력 수신장치가 검출된 영역 내의 공진 코일을 상기 송신 공진 코일에 연결 또는 분리시키는 복수의 스위치들을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력 중계장치.
제1항에 있어서,
상기 복수의 공진 코일들 및 상기 복수의 스위치들 각각은 하나씩 페어링되는 것을 특징으로 하는 무선전력 중계장치.
제1항에 있어서,
공진주파수를 일정하게 유지시키기 위한 가변 인덕터 및 가변 캐패시터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력 중계장치.
제1항에 있어서,
상기 무선전력 수신장치가 검출된 영역 내의 공진 코일만을 선택적으로 동작시키는 구동신호를 생성하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력 중계장치.
제1항에 있어서,
상기 송신 공진 코일 및 상기 스위치들에 의해 연결된 공진 코일들은 하나의 도선으로 직렬 연결된 것을 특징으로 하는 무선전력 중계장치.
제1항에 있어서, 상기 복수의 공진 코일들 각각은,
하나의 도선으로 한 번 이상 감겨진 루프형태를 가지는 것을 특징으로 하는 무선전력 중계장치.
제6항에 있어서, 상기 루프형태는
원형, 사각형, 타원형 중 어느 하나의 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 무선전력 중계장치.
제1항에 있어서, 상기 복수의 공진 코일들 각각은,
외부 루프와 내부 루프를 가지고, 상기 외부 루프 및 상기 내부 루프의 감겨진 횟수는 동일하거나 다른 것을 특징으로 하는 무선전력 중계장치.
제1항에 있어서, 상기 복수의 스위치들은,
멤스(MEMS) 스위치로 구성되는 것을 특징으로 하는 무선전력 중계장치.
제1항에 있어서, 상기 검출부는,
상기 복수의 공진 코일들 일면에 각각 위치하고, 메트릭스 구조의 센싱 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력 중계장치.
자기공진을 이용한 무선전력 전송 방법에 있어서,
제1 영역 내에서 제1 공진 코일을 통해 전력을 수신하는 제1 무선전력 수신장치를 검출하는 단계;
상기 제1 무선전력 수신장치가 검출된 경우, 상기 제1 공진 코일과 페어링되는 제1 스위치를 개방시키는 단계;
상기 제1 스위치의 개방에 따라 제1 무선전력 수신장치에 전력을 전송하는 단계;
상기 전력 전송 중 제2 영역 내에서 제2 공진 코일을 통해 전력을 수신하는 제2 무선전력 수신장치를 검출하는 단계;
상기 제2 무선전력 수신장치가 검출된 경우, 상기 제2 공진 코일과 페어링되는 제2 스위치를 개방시키는 단계; 및
상기 제2 스위치의 개방에 따라 제2 무선전력 수신장치에 전력을 전송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력 전송 방법.
제11항에 있어서,
상기 제1,2 무선전력 수신장치를 검출하는 단계는,
상기 주기적인 구동신호를 상기 제1,2 스위치에 순차적으로 전달하여 제1,2 무선전력 수신장치를 검출하는 것을 특징으로 하는 무선전력 전송 방법.
제11항에 있어서,
상기 제1 영역은 상기 제1 공진 코일이 상기 제1 무선전력 수신장치를 검출할 수 있는 범위의 영역이고,
상기 제2 영역은 상기 제2 공진 코일이 상기 제2 무선전력 수신장치를 검출할 수 있는 범위의 영역인 것을 특징으로 하는 무선전력 전송 방법.
제13항에 있어서, 상기 제1,2 영역은,
상기 제1,2 공진 코일이 감겨진 턴수, 상기 제1,2 공진 코일의 지름, 직경에 따라 가변할 수 있는 범위인 것을 특징으로 하는 무선전력 전송 방법.
제11항에 있어서, 상기 제1,2 공진 코일들 각각은,
하나의 도선으로 한 번 이상 감겨진 루프형태를 가지는 것을 특징으로 하는 무선전력 전송 방법.
제15항에 있어서, 상기 루프형태는
원형, 사각형, 타원형 중 어느 하나의 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 무선전력 전송 방법.
제11항에 있어서, 상기 제1,2 공진 코일들 각각은,
외부 루프와 내부 루프를 가지고, 상기 외부 루프 및 상기 내부 루프의 감겨진 횟수는 동일하거나 다른 것을 특징으로 하는 무선전력 전송 방법.
제11항에 있어서,
상기 제1,2 스위치들은,
멤스(MEMS) 스위치로 구성되는 것을 특징으로 하는 무선전력 전송 방법.
자기공진을 이용한 무선전력 중계장치의 공진주파수 조절 방법에 있어서,
상기 무선전력 중계장치는, 송신 공진 코일, 복수의 공진 코일들, 상기 복수의 공진 코일들과 페어링된 복수의 스위치들을 포함하고,
하나 이상의 무선전력 수신장치를 검출하는 단계;
상기 검출된 하나 이상의 무선전력 수신장치에 전력을 전달하는 상기 복수의 공진 코일들을 상기 복수의 스위치들을 통해 상기 송신 공진 코일과 연결시키는 단계;
상기 무선전력 중계장치의 공진주파수가 변경되었는지 판단하는 단계;
상기 판단결과, 상기 공진주파수가 변경된 경우, 원래의 공진주파수로 재 변경시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 공진주파수 조절 방법.
제19항에 있어서, 상기 판단결과, 상기 공진주파수가 변경된 경우, 원래의 공진주파수로 재 변경시키는 단계는,
가변 인덕터 및 가변 캐패시터를 이용하여 원래의 공진주파수로 재변경시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 공진주파수 조절 방법.
제19항 내지 제20항 중 어느 한 항에 기재된 방법을 컴퓨터에서 실행되기 위한 프로그램으로 제작되어 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체.