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KR20150117005A - 유연한 무선전력 집전장치 - Google Patents

유연한 무선전력 집전장치 Download PDF

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KR20150117005A
KR20150117005A KR1020140042148A KR20140042148A KR20150117005A KR 20150117005 A KR20150117005 A KR 20150117005A KR 1020140042148 A KR1020140042148 A KR 1020140042148A KR 20140042148 A KR20140042148 A KR 20140042148A KR 20150117005 A KR20150117005 A KR 20150117005A
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KR
South Korea
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power
secondary coil
capacitor
coil
circuit
Prior art date
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Ceased
Application number
KR1020140042148A
Other languages
English (en)
Inventor
박윤석
유한철
Original Assignee
(주)기술과가치
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by (주)기술과가치 filed Critical (주)기술과가치
Priority to KR1020140042148A priority Critical patent/KR20150117005A/ko
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Abstract

본 발명은 무선전력전송 시스템의 집전장치에 있어서, 상기 무선전력전송 시스템의 급전 장치로부터 소정의 주파수로 공진하는 전자기장에 의해 유기되어 유도 전류를 생성하는 2차 코일; 상기 2차 코일의 양단에 연결되어, 상기 2차 코일과 결합하여 상기 소정의 주파수와 동일한 주파수로 공진하는 임피던스 매칭부; 상기 임피던스 매칭부의 출력단에 연결되어 상기 2차 코일에 유기된 상기 유도 전류를 직류 전류로 정류하는 정류회로; 및 상기 2차코일, 임피던스 매칭부, 정류회로를 지지하는 지지체를 포함하되, 상기 지지체는 유연한 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유연한 무선전력 집전장치를 제공한다.

Description

유연한 무선전력 집전장치 {Flexible wireless power collection apparatus}
본 발명은 무선전력 집전장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 급전장치의 1차 코일에 고압의 AC 전력을 공급함으로써 전력전송 거리를 증가시키는 한편, 1차 코일과 최적거리에 위치한 2차 코일이 1차 코일에 접근함에 따라 저하되는 전송효율을 보상하는 집전장치에 있어서 곡면휨이 가능한 특징을 가지는 유연한 집전장치에 관한 것이다.
최근 들어 사용자들의 휴대가 가능한 전자기기의 선호도가 증가하고 있으며, 이러한 전자기기는 사용자들에게 유비쿼터스 환경을 제공하기 위한 필수요소가 되었다. 그리고 통신 기능을 지원하는 다양한 전자기기들이 전화선, 네트워크 케이블, 헤드폰 케이블 등 유선 케이블을 이용한 통신 방식에서 블루투스, 무선랜 등 무선을 이용한 통신 방식으로 옮겨가고 있는 추세이다. 현재 휴대 가능한 전자기기의 전원 공급은 대부분 충전식 배터리가 담당하고 있으므로 향후 배터리 충전 분야에 있어서 무선 충전 기술의 도입은 획기적이라 할 수 있을 것이다.
이러한 무선 충전 기술은 크게 전자기 유도 방식, 자기 공명 방식 및 전자기파 방식으로 구분할 수 있다.
전자기 유도 방식은 송신부에서 교번하는 자기장을 발생시켜 수신부에서 자기장의 변화에 따라 전류가 유도되어 에너지를 만들어 내는 방식이다. 자기 공명 방식은 송신부에서 전력을 공진하는 전자기장으로 변환하여 송신하고, 수신부에서 동일한 공진 주파수를 가진 공진코일을 이용하여 전력을 수신하는 방식이다.
마지막으로 전자기파(RF) 방식은 전력 에너지를 무선 전송에 유리한 마이크로파로 변환시켜 에너지를 전송하는 방식이다.
무선전력전송 기술에 있어서 주요 기술 이슈 중 하나는 전력전송 거리를 증가시키는 것으로서, 이러한 측면에서 자기공명방식은 자기유도방식에 비하여 장점을 갖는다. 그러나 일정한 전력전송 거리를 확보하기 위해 필요한 2차 코일의 크기의 증가로 인해, 모바일 기기나 생체내의 의료기기 등의 소형 수신장치에 구현함에 있어서 어려움이 있다.
한편, 급전측 공진코일에 인가되는 전압을 증폭시켜 줌으로써 공진코일에 의해 생성되는 자기장의 세기를 증가시키고, 이에 따라 전력전송 거리를 증가시키는 방안이 있을 수 있다. 이와 관련하여 대한민국 공개특허 제2012-0033758호는 급전측 공진코일에 인가되는 전압을 증폭시키기 위하여 급전측에 공진코일(전자기장 공진기; 412)과 별도로 코일(전자기장 발생기; 411)을 두고, 별도의 코일과 공진코일간에 변압기 원리에 의해 공진코일에 인가되는 전압 또는 전류를 증폭하는 방법을 개시하고 있다. 그러나 변압기 원리를 이용한 증폭기는 소자의 크기 증가로 인해 급전장치의 크기에 따라 제한적으로 활용될 수 밖에 없는 단점이 있다.
또한, 최근 스마트폰의 트랜드로 curved 스마트폰이 출시되고 있으며, 또한 wearable 전자기기의 사용이 확대됨에 따라 이에 대응되는 자기유도방식 무선충전 집전장치 구현에 어려움이 있었는 바, 이에 대한 유연한 무선충전 집전장치의 개발이 소망되었다.
상기 문제점을 해결하기 위해 본 발명의 목적은 유연한 집전장치를 제공함으로써 유연한 전자기기에도 적용가능한 무선전력 집전장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 집전장치가 급전장치에 근접한 영역에서 나타나는 전송효율의 저하문제를 해결하는 한편, 부하부에서 발생한 노이즈 등의 신호를 효과적으로 차폐할 수 있는 충전시스템을 갖도록 하는 집전장치를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 무선전력전송 시스템의 집전장치에 있어서, 상기 무선전력전송 시스템의 급전 장치로부터 소정의 주파수로 공진하는 전자기장에 의해 유기되어 유도 전류를 생성하는 2차 코일; 상기 2차 코일의 양단에 연결되어, 상기 2차 코일과 결합하여 상기 소정의 주파수와 동일한 주파수로 공진하는 임피던스 매칭부; 상기 임피던스 매칭부의 출력단에 연결되어 상기 2차 코일에 유기된 상기 유도 전류를 직류 전류로 정류하는 정류회로; 및 상기 2차코일, 임피던스 매칭부, 정류회로를 지지하는 지지체를 포함하되, 상기 지지체는 유연한 재질로 이루어지며, 상기 2차 코일이 상기 급전 장치의 1차 코일에 소정의 거리 이내로 근접하여 상기 전자기장과 2차 코일 간의 공명이 깨진 경우, 상기 2차 코일은 상기 급전장치로부터 전자기 유도 방식을 통해 전력을 수신하는 것을 특징으로 하는 유연한 무선전력 집전장치를 제공한다.
또한 본 발명은 상기 지지체가 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌나트탈레이트(PEN), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리카보네이트(PC), 폴리에틸렌술폰(PES), 폴리이미드(PI), 폴리아릴레이트(PAR), 폴리싸이클릭올레핀(PCO), 가교형 에폭시, 가교형 우레탄필름으로 이루어진 군에서 1이상 선택되는 것을 특징으로 하는 유연한 무선전력 집전장치를 제공한다.
또한 본 발명은 상기 지지체의 두께가 0.01 ~ 1mm 인 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 유연한 무선전력 집전장치를 제공한다.
또한 본 발명은 상기 지지체의 두께가 0.1 ~ 0.5mm 인 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 유연한 무선전력 집전장치를 제공한다.
또한 본 발명은 상기 임피던스 매칭부가 상기 2차 코일의 일측에 연결된 제 1 커패시터 및 상기 2차 코일의 타측에 연결된 제 2 커패시터를 구비한 것을 특징으로 하는 유연한 무선전력 집전장치를 제공한다.
또한 본 발명의 상기 제 1 커패시터 및 상기 제 2 커패시터는 상기 무선전력전송 시스템의 급전 장치의 입력 임피던스 산정시 상기 제 1 커패시터 및 상기 제 2 커패시터 후단의 기생 임피던스를 차폐하는 기능을 수행하는 것을 특징으로 하는 유연한 무선전력 집전장치를 제공한다.
또한 본 발명의 상기 제 1 커패시터 및 상기 제 2 커패시터는 서로 동일한 크기의 커패시턴스(Capacitance)를 갖는 것을 특징으로 하는 유연한 무선전력 집전장치를 제공한다.
또한 본 발명은 상기 정류회로가 4개의 다이오드가 브리지 결합한 브리지 정류 회로(Bridge Rectifier)로 구현된 것임을 특징으로 하는 무선전력전송 시스템의 집전장치를 제공한다.
또한 본 발명은 상기 집전장치가 상기 정류회로의 출력단에 병렬로 연결되어 상기 정류회로의 출력전력을 평활하는 평활회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유연한 무선전력 집전장치를 제공한다.
또한 본 발명은 상기 집전장치가 상기 정류회로의 출력단에 연결되어 정류된 전력을 소비하는 부하부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유연한 무선전력 집전장치를 제공한다.
또한 본 발명은 상기 부하부가 상기 정류된 전력을 이용하여 2차전지를 충전하는 충전회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 유연한 무선전력 집전장치를 제공한다.
본 발명에 따른 무선전력 집전장치는 지지체가 유연한 고분자로 형성되어 유연한 집전장치를 제공함으로써 유연한 전자기기에도 적용가능한 효과가 있다.
또한 본 발명은 스위칭 소자를 이용하여 DC전원으로부터 AC전력을 생성하고, 생성된 AC전력을 LC 공진 회로를 이용하여 다시 증폭함으로써, 1차 코일에 고압의 AC전력을 효율적으로 공급할 수 있으며, 특히 스위칭 소자 외에 수동소자를 이용하여 전력을 증폭함으로써 전력변환손실이 적고, 집전장치의 크기를 소형화하는 데 유리한 효과가 있다.
또한 본 발명은 1차 코일에 고압의 AC전력을 공급하는 데 이용될 수 있는 다른 증폭기나 변압기 방식의 증폭기와 달리, 입력 신호를 증폭하지 않고 입력 신호를 스위칭 신호로서 이용하여 DC전원으로부터 공급된 DC 전압을 AC 신호로 효율적으로 변경할 수 있다.
또한 본 발명은 1차 코일에 고압의 AC전력을 공급함으로써, 1차 코일과 2차 코일이 최적거리 이내로 근접하여 공명이 깨어진 상황에서도, 1차 코일로부터 발생한 강한 전자계를 이용하여 전자기 유도 방식으로 2차 코일에 전력을 공급함으로써, 데드존(Dead Zone)을 없애는 효과가 있다.
또한 본 발명은 1차 코일에 의해 생성되는 전자기장의 세기를 조절할 수 있는 자계 강도 조절부를 제공함으로써 다양한 인적/환경적 요소에 대응하여 자계 공간, 다시 말해 무선충전 공간을 효율적으로 형성할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명은 집전장치의 2차 코일의 양단에 각각 임피던스 매칭부를 접속함으로써, 집전장치가 급전장치에 근접한 영역에서 나타나는 전송효율의 저하문제를 해결하는 한편, 부하부에서 발생한 노이즈 등의 신호를 효과적으로 차폐하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유연한 집전장치의 형태를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력전송시스템의 집전장치의 개략적인 블록 구성도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선전력전송시스템의 집전장치의 개략적인 블록 구성도이다.
도 4는 도 3의 집전장치를 구현한 예시적인 회로도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 무선전력전송시스템의 집전장치에 대응되는 급전장치의 개략적인 블록 구성도이다.
도 6은 스위칭 소자, 자계 강도 조절부, LC 공진형 인버터 및 1차 코일의 예시적인 회로도이다.
도 7은 도 6의 회로의 전압 및 전류 파형을 나타낸 것이다.
도 8은 급전 코일 및 집전 코일간 거리에 따른 상호 인덕턴스의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 급전 코일 및 집전 코일간 거리에 따른 전력 전송 효율을 나타낸 그래프를 도시한 것이다.
이하 본 발명에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 우선, 도면들 중, 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의하여야 한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.
본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 “약”, “실질적으로” 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
본 발명에서 설명하는 자기공명 방식의 무선전력전송 시스템은 전력을 공진하는 전자기장으로 변환하여 송신하는 급전장치 및 급전측 공진 코일과 동일한 공진 주파수를 가진 공진코일을 이용하여 전력을 수신하는 집전장치를 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유연한 집전장치의 형태를 개략적으로 도시한 것이며, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 무선전력전송시스템의 집전장치의 개략적인 블록 구성도이다.
본 발명에 따른 집전장치는 유연한 성질의 휘는 정도가 자유롭게 형성될 수 있어서, curved 스마트폰이나 wearable 전자기기의 등의 유연한 장치에 적용할 수 있는 특징이 있다. 휘는 정도는 도 1의 (a) 및 (b)와 같이 상하 및 좌우로도 자유롭게 휠 수 있다.
도 2를 참조하면, 집전장치(100)는 2차 코일(110), 임피던스 매칭부(120), 정류회로(130), 평활회로(140) 및 부하부(150)를 포함한다. 또한, 본 발명에 따른 유연한 무선전력 집전장치는 상기 2차 코일(110), 임피던스 매칭부(120), 정류회로(130), 평활회로(140), 부하부(150) 및 이들을 지지하는 지지체(미도시)로 구성될 수 있다.
상기 2차 코일(110)은 급전장치의 1차 코일에 의해 형성된 자계의 공진주파수와 일치하는 공진 주파수를 갖으며, 따라서 1차 코일과 공진채널을 형성하여 집전장치 측으로부터 전력을 전송받는다.
임피던스 매칭부(120)는 2차 코일(110)과 연결되어 임피던스를 보상하여 2차 코일의 공진 주파수를 조정하는 한편, 1차 코일의 입력 임피던스를 산정함에 있어서 2차 코일(110)의 임피던스 매칭부(120)의 후단의 기생 임피던스 등을 차폐하는 효과가 있다.
정류회로(130)는 2차 코일(110)에서 생성된 교류 전류를 직류 전류로 정류한다. 정류회로(130)는 반파 정류회로, 전파 정류회로, 브리지 정류회로, 배전압 정류회로 등 다양한 방식의 정류회로로 구성될 수 있다.
평활회로(140)는 정류회로(130)에서 정류된 출력전압을 평활한다.
구체적으로, 평활회로(140)는 정류회로(130)의 출력단에 병렬 연결되어, 정류회로(130)의 출력전원에 대한 평활을 수행할 수 있다.
부하부(150)는 정류된 직류 전원을 소비한다. 구체적으로, 부하부(150)는 정류회로(130) 및 평활회로(140)를 통하여 직류로 변환된 전력을 입력받으며, 전력 수신장치의 목적하는 기능을 수행한다. 구현시에 부하부(150)는 충전회로와 2차 전지를 포함할 수 있으며, 정류된 직류 전원을 이용하여 2차 전지를 충전할 수 있다. 특히, 충전회로는 과전압 및 과전류방지회로, 온도감지회로 등의 보호회로가 포함되어 구성될 수 있으며, 2차 전지의 충전상태 등의 정보를 수집 및 처리하는 충전관리모듈이 포함될 수 있다.
상기 지지체는 유연한 재질로 이루어지는 것이 특징인 데, 유연한 재질로 이루어짐에 따라 집전장치가 유연한 특징을 가질 수 있게 된다. 이에 따라 2차 코일(110), 임피던스 매칭부(120), 정류회로(130), 평활회로(140) 및 부하부(150)가 지지체에 지지되도록 할 수 있다. 상기 2차 코일(110), 임피던스 매칭부(120), 정류회로(130), 평활회로(140) 및 부하부(150)가 지지되는 형상은 지지체의 한면 위에 형성되거나 지지체 내부에 형성될 수도 있다.
지지체 내부에 형성되는 경우의 예로는 얇은 두께의 지지체 2장을 준비하여 2장 사이에 2차 코일(110), 임피던스 매칭부(120), 정류회로(130), 평활회로(140) 및 부하부(150)를 위치시킨 후에 접착하는 방식으로 형성될 수 있다.
상기 지지체를 구성하는 유연한 재질로는 고분자물질로 이루어진 것이 바람직하다. 이러한 지지체의 예로는 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌나트탈레이트(PEN), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리카보네이트(PC), 폴리에틸렌술폰(PES), 폴리이미드(PI), 폴리아릴레이트(PAR), 폴리싸이클릭올레핀(PCO), 가교형 에폭시, 가교형 우레탄필름 등으로 이루어진 군에서 1이상 선택되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 지지체의 두께는 0.01 ~ 1mm 인 것이 바람직하며, 0.1 ~ 0.5mm 인 것이 더 바람직하다. 상기 범위의 두께일 때 집전장치가 유연하게 될 수 있으며, 이에 따라 유연한 전자기기에 따라 형상 변형이 자유롭게 이루어질 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선전력전송시스템의 집전장치의 개략적인 블록 구성도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서는 2차 코일(210)의 양단에 임피던스 매칭부를 각각 직렬로 배치할 수 있다. 즉, 2차 코일(210)의 일단에 제 1 임피던스 매칭부(220)를 연결하고, 타단에 제 2 임피던스 매칭부(225)를 배치할 수 있다.
두 개의 임피던스 매칭부(220, 225)의 용량성 리액턴스의 합과 2차 코일(210)의 유도성 리액턴스가 매칭되어, 두 개의 임피던스 매칭부(220, 225)와 2차 코일(210)은 급전장치의 공진 주파수와 동일한 주파수로 공진한다. 1차 코일 부근에서 공진 주파수로 진동하는 전계 및 자계는 동일한 공진 주파수로 공진하는 2차 코일과 공명을 일으키게 된다.
제 1 임피던스 매칭부(220)와 제 2 임피던스 매칭부(225)의 출력단에는 정류회로(230)가 연결된다. 정류회로(230)의 출력단에 평활회로(240)를 연결하여 정류된 전력을 평활하며, 평활회로(240)의 출력단에 부하부(250)를 연결하여 정류된 전력을 공급한다.
도 4는 도 3의 집전장치를 구현한 예시적인 회로도이다.
도 4를 참조하면, 2차 코일(310)의 일측에 제 1 커패시터(320)의 일측을 연결하고 2차 코일(310)의 타측에 제 2 커패시터(325)의 일측을 연결하였다. 도 3의 정류회로(230)는 도 4에서 4개의 다이오드로 구성된 전파 정류회로인 브리지 정류회로(330)로 구현하였으며, 제 1 커패시터(320)의 타측과 제 2 커패시터(325)의 타측이 브리지 정류회로(330)의 입력단에 접속한다. 도 3의 평활회로(240)와 부하부(250)는 평활용 커패시터(340) 및 저항(350)으로 간략히 표시하였다.
이와 같이, 본 실시예에서는 2차 코일(310) 양단에 각각 제 1 커패시터(320) 및 제 2 커패시터(325)를 배치함으로써, 2차 코일(310)의 일측에만 임피던스 매칭 기능을 수행하는 커패시터를 배치하는 경우에 비해 부하부 측에서 발생하는 비주기적인 반발 신호를 효과적으로 차폐할 수 있을 뿐만 아니라, 1차 코일의 입력 임피던스를 산정함에 있어서 2차 코일의 임피던스 매칭부의 후단의 기생 임피던스 등을 차폐하는 효과가 있다.
이때, 캐패시터는 2차 코일(310)로부터 전달되는 DC 성분을 후단으로 전달하지 않고, AC 성분만을 전달하는 기능을 수행한다. 도 4에서 도시한 회로는 본 발명의 일실시예이며, 본 발명은 이에 한정하지 않고 기생 임피던스에 의한 공진 주파수 변경을 방지하는 기능의 임피던스 매칭부를 모두 포함한다.
또한, 제 1 커패시터(320)와 제 2 커패시터(325)는 서로 동일한 커패시턴스(Capacitance)를 가지는 것이 바람직한데, 이 경우 각 커패시터(320, 325)에는 서로 위상이 반대인 전압이 걸리며, 그 결과 브리지 정류회로(230)에 의해 정류된 전압이 인가되는 평활용 커패시터(340) 양단에는 각 커패시터(320, 325) 하나에 걸리는 전압의 2배에 해당하는 거의 평활화된 전압이 인가된다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 무선전력전송시스템의 집전장치에 대응되는 급전장치의 개략적인 블록 구성도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 급전장치(400)는 전원 공급부(미도시), 주파수 생성기(Frequency Generator; 410), 전력 증폭기(Power Amplifier; 430), 스위칭 소자(440), LC 공진형 인버터(450), 자계 강도 조절부(Magnetic Field Strength Controller; 460) 및 1차 코일(470)을 포함할 수 있다.
전원 공급부(미도시)는 급전장치(400)의 각 구성에 전력을 공급한다. 구체적으로, 전원 공급부는 급전장치(400)의 외부에서 공급되는 전원을 인가받아 급전장치(400) 내의 각 구성에 필요한 전압으로 변환하고, 변환된 전력을 급전장치(400)의 각 구성에 공급할 수 있다.
주파수 생성기(410)는 전력전송에 필요한 소정의 주파수를 갖는 전력 반송파(Carrier) 신호를 발생시킨다.
전력 증폭기(430)는 스위칭 소자(440)에 인가되는 전력 반송파 신호의 신호 레벨을 조절한다. 입력되는 전력 반송파 신호는 스위칭 소자(440)의 핀치-오프 전압(Pinch-Off Voltage)에 가깝도록 바이어스(Bias)되는 것이 바람직하다.
스위칭 소자(440)는 전력 반송파 신호에 따라 구동되는 ON-OFF 스위치로서 동작하며, 전력 반송파 신호의 신호 레벨이 High일 때 ON되고 Low일 때 OFF 된다. 스위칭 소자(440)는 BJT, MOSFET, MESFET 등으로 구현될 수 있다.
LC 공진형 인버터(450)는 스위칭 소자(440)의 스위칭 동작을 통해 DC 전원으로부터 AC 전력을 생성하고, 생성된 AC 전력을 1차 코일(470)과 LC 공진회로를 구성하여 고압의 AC 전력으로 변환한다. 여기서 LC 공진 회로의 공진 주파수는 주파수 생성기(410)에서 발생된 전력 반송파 신호의 진동 주파수와 동일하다.
자계 강도 조절부(460)는 1차 코일측에서 바라본 LC 공진형 인버터(450)의 임피던스 값을 변화시켜 1차 코일(470)에서 발생하는 전자기장의 세기를 조절한다. 즉, 1차 코일(470)에 증폭되는 AC전압의 크기를 조절함으로써 1차 코일(470)에서 발생하는 전자기장의 세기를 조절하고, 결과적으로 전력 전송거리를 조절할 수 있다. 급전장치(400)가 배치되는 환경에 따라 급전장치(400)와 집전장치간의 전력전송 채널의 임피던스가 달라질 수 있으며, 급전장치를 사용하는 사용자나 급전장치의 설치 개소에 따라 필요로 하는 전력 전송거리가 다를 수 있다. 따라서 1차 코일(470)에서 발생하는 자기장의 세기를 조절함으로써 다양한 인적/환경적 요소에 대응하여 자계 공간, 다시 말해 무선충전 공간을 효율적으로 형성할 수 있을 것이다.
1차 코일(470)은 집전장치의 2차 코일과 공진 주파수로 커플링되어, 공진 전력을 2차 코일에 전송한다. 즉, LC 공진형 인버터(450)에 의해 고주파 전력을 공급받은 1차 코일(470)은 공진 주파수로 진동하는 전자계를 형성하게 된다. 따라서 1차 코일(470)에 공급된 에너지는 1차 코일(470) 부근에서 공진 주파수로 진동하는 전계 및 자계로서 존재하게 된다. 이때, 1차 코일(470) 부근에 2차 코일을 두면, 2차 코일의 공진 주파수가 자계의 공진 주파수에 일치하고 있기 때문에, 1차 코일(470)과 2차 코일 간에 에너지의 전송 경로가 형성되어 전력이 집전장치 측으로 전송된다.
상기 급전장치(400)는 자기 극성 조절부(Magnetic Polarity Controller; 420)를 더 포함할 수 있다. 상기 자기 극성 조절부(420)는 스위칭 소자(440)에 인가되는 전력 반송파 신호의 위상을 반전시킴으로써, 결과적으로 1차 코일(470)에 의해 발생하는 전자기장의 극성을 조절한다. 자기 극성 조절부(420)는 간략한 인버터로서 구현할 수도 있으며, 주파수 생성기(410) 다음 단 또는 전력 증폭기(430) 다음 단에 위치할 수 있다.
스위칭 소자(440), LC 공진형 인버터(450), 자계 강도 조절부(460) 및 1차 코일(470)의 동작은 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 6은 스위칭 소자, 자계 강도 조절부, LC 공진형 인버터 및 1차 코일의 예시적인 회로도이다.
도 6에서는 스위칭 소자(440)로서 MOSFET(441)을 사용한 경우를 예시하고 있다.
전력 반송파 신호는 MOSFET(441)의 게이트(Gate) 단자에 인가되어, MOSFET(441)의 ON-OFF 상태를 제어한다. 입력되는 전력 반송파 신호는 MOSFET(441)의 핀치-오프 전압(Pinch-Off Voltage)에 가깝도록 바이어스되어 있다. MOSFET(441)의 드레인(Drain) 단자는 인덕터 L1(451)을 통해 DC 전원에 연결되며, MOSFET(441)의 소스(Source) 단자는 접지에 연결된다. MOSFET(441)이 ON 상태인 경우, MOSFET(441)은 접지에 대한 단락 회로로서 작용하여 드레인 측 노드의 전압(VD)을 0이 되게 한다.
MOSFET(441)이 ON 상태에서 OFF 상태로 변경되면, 드레인 측 노드의 전압(VD)이 증가하게 된다. 이는 인덕터 L1(451)에 역기전력이 유기되어 전류 변화를 억제하기 때문에 MOSFET(441)이 OFF 된 이후에도 인덕터 L1(451)으로부터 전류가 계속 흐르게 되고, 커패시터 C1(452)에 전하가 축적되기 때문이다. 일정 시간 후에 커패시터 C1(452)에 축적된 전하가 커패시터 C2(453) 측으로 흐르기 시작하고, 이로 인해, 드레인 측 노드의 전압(VD)은 증가를 멈추고 오히려 감소하게된다. MOSFET(441)이 다시 ON 상태로 되기 전에 드레인측 단자의 전압(VD)은 다시 O 으로 된다.
커패시터 C2(453)와 1차 코일 L2(471)는 LC 직렬 공진 회로를 구성하여 상호 간에 에너지가 교환되는 공진 회로로서 동작한다. 즉, 드레인 측 노드의 전압(VD)은 커패시터 C2(453) 및 1차 코일 L2(471)가 결합된 LC 공진 회로에 의해 증폭되고, 결과적으로 1차 코일 L2(471)에 매우 높은 전압이 인가된다. LC 공진 회로의 공진 주파수는 주파수 생성기에서 발생된 전력 반송파 신호의 진동 주파수와 일치하며, 따라서 1차 코일 L2(471)가 전자기적으로 커플링된 2차 코일에 전달하는 전력은 인덕터 L1(451)에 연결된 DC 전압원으로부터 지속적으로 공급받는다.
여기서 2주기 동안의 게이트 단자의 전압 Vi, 인덕터 L1(451)에 흐르는 전류 iL, 드레인 단자로 흐르는 전류 iD, 드레인 단자의 전압 VD, 커패시터 C1(452)에 흐르는 전류 iC 및 1차 코일 L2(471) 양단의 전압 VO에 대하여 도 7을 참조하여 살펴본다.
도 7은 도 6의 회로의 전압 및 전류 파형을 나타낸 것이다.
도 7에서 도시된 바와 같이, MOSFET(441)이 ON 상태인 동안, MOSFET(441)의 드레인 단자의 전압(VD)은 0이다. 게이트에 인가되는 전압(Vi)이 MOSFET(441)의 문턱 값(Threshold Value) 이하가 되면, MOSFET(441)은 컷-오프 (Cut-Off)되고, 드레인 단자의 전압(VD)는 상승하기 시작한다. 커패시터 C1(452)에 흐르는 전류(iC)가 0이 될 때, 드레인 단자의 전압(VD)은 피크에 도달한다. 커패시터 C1(452)에 흐르는 전류가 음이 되면, 드레인 단자의 전압(VD)은 감소하기 시작한다. MOSFET(441)이 다시 ON 상태가 되기 전에, 드레인 단자의 전압(VD)은 0에 도달한다. 드레인 단자의 전압(VD)이 드레인 전압 파형의 기본 주파수만을 통과시키는 LC 공진 회로에 인가되면, 도시된 바와 같은 파형의 VO가 생성된다.
한편, 자계 강도 조절부(460)는 직렬 공진 회로를 구성하는 커패시터 C2(453) 및 1차 코일 L2(471)의 접점과 연결되어, 1차 코일 L2(471) 측에서 바라본 LC 공진형 인버터(450)의 임피던스를 변화시킴으로써 1차 코일 L2(471)에 의해 방사되는 전자기장의 강도를 제어할 수 있다. 도 3에서는 하나의 가변 커패시터 VC1(461)을 포함하고, 가변 커패시터 VC1(461)과 접지 사이에 병렬로 연결된 커패시터 C3(462) 및 다이오드 D1(463)로 구성된 자계 강도 조절부(460)를 예시하고 있다. 커패시터 C2(453) 및 1차 코일 L2(471)이 전력 반송파 신호의 진동 주파수와 거의 동일한 공진 주파수로 공진하고 있을 때 가변 커패시터 VC1(461)의 작은 커패시턴스(Capacitance) 변화로도 공진전압에 큰 영향을 줄 수 있다.
다이오드 D1(463)은 외부로부터의 서지 전압 등으로 인한 회로 손상을 방지하는 보호 다이오드로서 기능할 수 있다.
이와 같이 본 실시예에서는 DC전원으로부터 AC전력을 생성하고 LC공진 회로를 이용하여 증폭하기 때문에, 이상적으로는 전력 변환으로 인한 손실이 발생하지 않는다. 다만, 실제 구현시에 스위칭 소자의 내부저항으로 인해 약간의 전력 변환 손실이 발생한다.
도 8은 급전 코일 및 집전 코일간 거리에 따른 상호 인덕턴스의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
앞서 언급한 바와 같이, 1차 코일(711)에 공급된 에너지는 1차 코일(711) 부근에서 공진 주파수로 진동하는 전계 및 자계로서 존재하게 된다. 이때 1차 코일(711) 부근에 2차 코일(751)을 두면, 2차 코일(751)의 공진 주파수가 자계의 공진 주파수에 일치하고 있기 때문에, 1차 코일(711)과 2차 코일(751) 간에 에너지의 전송 경로가 형성되어 전력이 집전장치 측으로 전송된다.
이렇게 1차 코일(711)과 2차 코일(751)이 동일한 공진 주파수로 결합하고 있는 상태에서, 집전장치(750)를 움직이거나 방향을 바꾸면 1차 코일(711)과 2차 코일(751) 간의 상호 인덕턴스(M)가 변화하게 된다. 이로 인해, 전송효율이 가장 높은 최적거리에서 멀어지거나 가까워지면 전송효율이 급격히 저하된다.
예컨대, 두 코일(711, 751)이 전송효율이 가장 높은 최적거리에서 접근함에 따라 두 코일(711, 751) 간의 상호 인덕턴스(M)가 증가하게 된다. 상호인덕턴스(M)의 증가로 인해 변화한 공진 주파수는 더이상 1차 코일(711)에 공급되는 전원 주파수와 일치하지 않는다. 그 결과, 1차 코일(711)에 공급되는 전류의 세기가 급격히 감소하며, 1차 코일(711)과 2차 코일(751) 간의 공명도 깨어지게 된다. 전송효율을 결정하는 파라미터 중에 하나인 k는 상호 인덕턴스(M)에 비례하므로, 두 코일(711, 751)이 근접할수록 전송효율이 증가하여야함에도 불구하고 오히려 전송효율이 급격히 저하되는 것이다. 이렇게 전송효율이 일정 거리 이내에서 급격히 감소하는 구간을 데드 존(Dead Zone)이라고 한다. 이것이 전자기 유도 방식과의 차이점이다.
이러한 상호 인덕턴스의 변화를 보상하는 방법에는 상호 인덕턴스의 변화로 인한 공진 주파수의 변화를 따라 전원 주파수 그 자체를 변경하거나, 급전장치(710)의 인덕턴스나 커패시턴스를 조정하여 상호 인덕턴스의 변화를 상쇄하는 방법 등이 있을 수 있다.
도 9는 급전 코일 및 집전 코일간 거리에 따른 전력 전송 효율을 나타낸 그래프를 도시한 것이다.
도 9에 도시된 그래프에서 곡선a는 2차 코일의 위치의 변화에 따른 임피던스 변화를 보상하지 않았을 경우에 일반적으로 보이는 급집전 코일간 거리에 따른 전력 전송 효율을 나타낸다. 곡선b는 본 발명의 일 실시예에 따른 급집전 장치의 전력 전송 효율을 나타낸 것으로, 거리가 가까워질수록 2차 코일(110)에 유기되는 유도전류의 세기가 증가하며, 전력 전송 효율은 증가함을 알 수 있다. 이러한 효과는 다음과 같은 이유로 인한 것이다.
첫째, 본 발명에 따른 무선전력전송 시스템은 급전장치에 매우 높은 전압을 인가함으로써, 1차 코일의 근방계에는 매우 강한 전자계가 형성된다. 이러한 근방계 내에서 1차 코일과 2차 코일이 최적거리 이내로 근접하여 공명이 깨지더라도, 1차 코일 근방의 강한 전자계로부터 전자기 유도 방식으로 2차 코일에 전압이 유기된다. 이로써 데드존에서의 전송효율의 저하를 막을 수 있는 것이다.
둘째, 본 발명에 따른 무선전력전송 시스템은 집전장치의 2차 코일양단에 각각 임피던스 매칭부를 배치함으로써, 2개의 임피던스 매칭부를 통해 2차코일의 유도 리액턴스를 상쇄하여 공진 주파수를 집전장치와 일치시키는 한편, 공진전류가 양단의 임피던스 매칭부에 서로 180°만큼의 위상차를 갖는 공진전류가 흐르게 된다. 따라서 정류회로 출력단에는 2차 코일의 일측에만 임피던스 매칭부를 배치한 경우에 비해 2배의 전압이 인가된다. 그 결과 1차 코일과 2차 코일이 최적거리 이내로 근접하여 전송효율이 감소하더라도 3차 코일의 부하부에는 상당한 크기의 전압을 공급할 수 있다.
셋째, 본 발명에 따른 무선전력전송 시스템은 집전장치의 2차 코일후단에 임피던스 매칭부를 배치함으로써, 기생 임피던스가 급전장치와 집전장치 상호 간의 거리 변경에 따른 전체 임피던스 변화의 영향을 배제할 수 있다. 이때, 기생 임피던스는 예컨대 정류회로, 평활회로, 부하 등에 의한 임피던스를 의미한다.
급집전장치 각각의 공진 주파수는 각각의 전체 임피던스와 연관되어 변화할 수 있다. 따라서 집전장치와 급전장치 사이의 거리 변화는 급집전장치 각각의 전체 임피던스의 변화를 야기하여, 급집전장치 상호간 공진 주파수 불일치를 가져올 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 매칭부는 상술한 거리변화에 기인한 전체 임피던스 변화 요인 중 기생 임피던스를 배제시킴으로써 전체 임피던스 변화에 따른 공진 주파수 불일치를 방지할 수 있는 효과가 있다. 따라서 이에 따라 1차 코일과 2차 코일 간의 결합이 강한 근거리에서 임피던스 부정합이 커지는 것을 방지하는 효과가 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.
100 : 집전장치 110 : 2차 코일 120 : 임피던스 매칭부
130 : 정류회로 140 : 평활회로 150 : 부하부
210 : 2차 코일 220 : 제 1 임피던스 매칭부
225 : 제 2 임피던스 매칭부 230 : 정류회로 240 : 평활회로
250 : 부하부
310 : 2차 코일 320 : 제 1 커패시터 325 : 제 2 커패시터
330 : 브리지 정류회로 340 : 평활용 커패시터 350 : 저항
400 : 급전장치 410 : 주파수 생성기 420 : 자기 극성 조절부
430 : 전력 증폭기 440 : 스위칭 소자 441 : MOSFET
450 : LC 공진형 인버터 451 : 인덕터 L1 452 : 커패시터 C1
453 : 커패시터 C2 460 : 자계 강도 조절부 461 : 가변 커패시터 VC1
462 : 커패시터 C3 463 : 다이오드 D1 470 : 1차 코일
471 : 1차 코일 L2
710 : 급전장치 711 : 1차 코일 750 : 집전장치
751 : 2차 코일

Claims (11)

  1. 무선전력전송 시스템의 집전장치에 있어서,
    상기 무선전력전송 시스템의 급전 장치로부터 소정의 주파수로 공진하는 전자기장에 의해 유기되어 유도 전류를 생성하는 2차 코일;
    상기 2차 코일의 양단에 연결되어, 상기 2차 코일과 결합하여 상기 소정의 주파수와 동일한 주파수로 공진하는 임피던스 매칭부;
    상기 임피던스 매칭부의 출력단에 연결되어 상기 2차 코일에 유기된 상기 유도 전류를 직류 전류로 정류하는 정류회로; 및
    상기 2차코일, 임피던스 매칭부, 정류회로를 지지하는 지지체를 포함하되,
    상기 지지체는 유연한 재질로 이루어지며, 상기 2차 코일이 상기 급전 장치의 1차 코일에 소정의 거리 이내로 근접하여 상기 전자기장과 2차 코일 간의 공명이 깨진 경우, 상기 2차 코일은 상기 급전장치로부터 전자기 유도 방식을 통해 전력을 수신하는 것을 특징으로 하는 유연한 무선전력 집전장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 지지체는 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌나트탈레이트(PEN), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리카보네이트(PC), 폴리에틸렌술폰(PES), 폴리이미드(PI), 폴리아릴레이트(PAR), 폴리싸이클릭올레핀(PCO), 가교형 에폭시, 가교형 우레탄필름으로 이루어진 군에서 1이상 선택되는 것을 특징으로 하는 유연한 무선전력 집전장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 지지체의 두께는 0.01 ~ 1mm 인 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 유연한 무선전력 집전장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 지지체의 두께는 0.1 ~ 0.5mm 인 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 유연한 무선전력 집전장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 임피던스 매칭부는 상기 2차 코일의 일측에 연결된 제 1 커패시터 및 상기 2차 코일의 타측에 연결된 제 2 커패시터를 구비한 것을 특징으로 하는 유연한 무선전력 집전장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제 1 커패시터 및 상기 제 2 커패시터는,
    상기 무선전력전송 시스템의 급전 장치의 입력 임피던스 산정시 상기 제 1 커패시터 및 상기 제 2 커패시터 후단의 기생 임피던스를 차폐하는 기능을 수행하는 것을 특징으로 하는 유연한 무선전력 집전장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제 1 커패시터 및 상기 제 2 커패시터는 서로 동일한 크기의 커패시턴스(Capacitance)를 갖는 것을 특징으로 하는 유연한 무선전력 집전장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 정류회로는 4개의 다이오드가 브리지 결합한 브리지 정류 회로(Bridge Rectifier)로 구현된 것임을 특징으로 하는 무선전력전송 시스템의 집전장치.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 집전장치는 상기 정류회로의 출력단에 병렬로 연결되어 상기 정류회로의 출력전력을 평활하는 평활회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유연한 무선전력 집전장치.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 집전장치는 상기 정류회로의 출력단에 연결되어 정류된 전력을 소비하는 부하부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유연한 무선전력 집전장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 부하부는 상기 정류된 전력을 이용하여 2차전지를 충전하는 충전회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 유연한 무선전력 집전장치.
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