KR102091215B1 - 무선 전력 송신 장치 및 무선 전력 수신 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고출력을 요구하는 부하에 안정적으로 전력을 공급하기 위한 무선 전력 송신 장치 및 무선 전력 수신 장치에 관한 것이다. 무선 전력 전송 과정에서 부하의 소비 전력이 급격하게 변화함으로 인해서 발생하는 문제점을 방지하기 위하여, 본 발명에서는 무선 전력 송신 장치의 공진 주파수와 무선 전력 수신 장치의 공진 주파수를 서로 다른 값으로 설정한다. 특히 본 발명에서는 무선 전력 송신 장치의 공진 주파수가 구동 주파수보다 낮은 값으로 설정된다. 또한 본 발명에 따른 무선 전력 송신 장치의 구동 주파수는 무선 전력 수신 장치의 공진 주파수에 기초하여 설정되는 구동 범위 내의 값으로 설정된다.

Description

무선 전력 송신 장치 및 무선 전력 수신 장치{WIRELESS POWER TRANSMITTING APPARATUS AND WIRELESS POWER RECEIVING APPARATUS}
본 발명은 고출력을 요구하는 부하에 안정적으로 전력을 공급하기 위한 무선 전력 송신 장치 및 무선 전력 수신 장치에 관한 것이다.
무선 전력 전송 기술(Wireless power transmission)은 자기장의 유도 원리를 이용하여 무선으로 전기 에너지를 전송하는 기술이다. 현재까지 무선을 이용한 에너지 전달 방식은 크게 자기 유도 방식, 자기 공진 방식 및 단파장 무선 주파수를 이용한 전력 전송 방식 등으로 구분될 수 있다.
이 중 자기 유도 방식은 두 개의 코일을 서로 인접시킨 후 한 개의 코일에 전류를 흘려보내면 이 때 발생한 자속(MagneticFlux)이 다른 코일에 기전력을 일으키는 현상을 이용하는 기술이다. 자기 유도 방식은 최대 수백 키로와트(kW)의 전력을 전송할 수 있고 전송 효율이 높아 최근 널리 사용되고 있다. 미국 공개특허공보 제2016-0322856호에는 자기 유도 방식을 이용하여 휴대용 전동 공구에 전력을 공급하는 기술이 개시되어 있다.
도 1은 자기 유도 방식을 이용하는 무선 전력 송신기 및 무선 전력 수신기의 일부 회로 구성을 간략하게 나타낸다. 또한 도 2는 무선 전력 송신기의 구동 주파수 값의 변화에 따른 무선 전력 수신기에 전달되는 전압 값의 변화를 나타내는 그래프이다. 또한 도 3은 무선 전력 송신기의 구동 주파수 값의 변화에 따른 무선 전력 송신기의 송신 코일에 흐르는 전류 값의 변화를 나타내는 그래프이다.
도면을 참조하면, 무선 전력 송신기(10)는 무선 전력 수신기(12)로 무선 전력 신호를 송신하기 위한 송신 코일(L1) 및 송신 코일(L1)과 직렬로 연결되는 커패시터(C1)를 포함한다. 무선 전력 송신기(10)에 구비되며 구동 주파수에 기초하여 구동되는 인버터부(미도시)에 의해 생성되는 교류 전력이 송신 코일(L1)에 공급되면, 송신 코일(L1) 주변에 자기장이 형성된다. 이러한 자기장에 의해서 무선 전력 수신기(12)에 구비되는 수신 코일(L2)에 교류 전력이 유도됨으로써 무선 전력 송신기(10)로부터 무선 전력 수신기(12)로 전력이 전송된다. 무선 전력 수신기(12)에 의해서 수신된 전력은 내부 변환 회로를 통해 변환되어 무선 전력 수신기(12)와 전기적으로 연결되는 부하로 공급된다.
무선 전력 송신기(10)는 송신 코일(L1)의 인덕턴스 값(L1)과 캐패시터(C1)의 캐패시턴스 값(C1)에 의해서 정의되는 공진 주파수(
Figure 112018051027682-pat00001
)를 갖는다. 마찬가지로, 무선 전력 수신기(12)는 수신 코일(L2)의 인덕턴스 값(L2)과 캐패시터(C2)의 캐패시턴스 값(C2)에 의해서 정의되는 공진 주파수(
Figure 112018051027682-pat00002
)를 갖는다. 종래 기술에 따르면, 무선 전력 송신기(10)의 공진 주파수(fTx)와 무선 전력 수신기(12)의 공진 주파수(fRx)는 서로 동일한 값으로 설정된다.
한편, 무선 전력 수신기(12)로부터 전력을 공급받는 부하가 사용하는 전력, 즉 소비 전력은 상황에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어 무선 전력 수신기(12)와 연결된 부하와 무선 전력 수신기(12)와의 상대적인 위치 또는 무선 전력 송신기(10)와 무선 전력 수신기(12) 간의 상대적인 위치가 달라지면 부하의 소비 전력이 낮아지거나(경부하) 높아질(중부하) 수 있다. 또 다른 예로 무선 전력 송신기(10)와 무선 전력 수신기(12) 간의 거리가 갑자기 일정 거리 이상으로 멀어지게 될 경우, 부하의 소비 전력이 존재하지 않는 무부하 상태가 될 수도 있다.
도 2에는 무선 전력 수신기(12)와 연결된 부하의 소비 전력이 낮을 때, 즉 경부하일 때(202)와 높을 때, 즉 중부하일 때(204), 무선 전력 송신기(10)의 구동 주파수 값의 변화에 따른 무선 전력 수신기에 전달되는 전압 값의 변화가 도시되어 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 무선 전력 송신기(10)의 구동 주파수 값이 무선 전력 송신기(10)의 공진 주파수 값(fTx)(또는 이와 동일하게 설정되는 무선 전력 수신기(12)의 공진 주파수 값(fRx))에 가까울수록, 무선 전력 수신기(12)로부터 전력을 공급받는 부하의 소비 전력 변화에 따른 무선 전력 수신기(12)에 전달되는 전압 값의 변화가 매우 크게 나타난다.
예컨대 무선 전력 송신기(10)의 구동 주파수 값이 무선 전력 송신기(10)의 공진 주파수 값(fTx)과 동일하게 설정된 경우, 부하가 무선 전력 수신기(12)로부터 전력을 공급받던 도중에 무선 전력 송신기(10)와 무선 전력 수신기(12), 또는 부하와 무선 전력 수신기(12) 간의 상대적인 위치가 변경되어 부하의 소비 전력이 급격하게 감소하는 상황이 발생하면, 무선 전력 수신기(12)에 전달되는 전압 값이 급격하게 증가한다. 이와 같은 전압 값의 급격한 증가는 무선 전력 수신기(12)를 구성하는 소자의 소손을 유발하여 무선 전력 수신기(12)의 고장으로 이어질 수 있다.
한편, 도 3에는 무선 전력 수신기(12)와 연결된 부하의 소비 전력이 낮을 때, 즉 경부하일 때(302)와 높을 때, 즉 중부하일 때(304), 그리고 무선 전력 송신기(10)와 무선 전력 수신기(12) 간의 연결이 끊어진 무부하 상태일 때(306) 무선 전력 송신기(10)의 구동 주파수 값의 변화에 따른 무선 전력 수신기에 전달되는 전압 값의 변화가 도시되어 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 무선 전력 송신기(10)의 구동 주파수 값이 무선 전력 송신기(10)의 공진 주파수 값(fTx)(또는 이와 동일하게 설정되는 무선 전력 수신기(12)의 공진 주파수 값(fRx))에 가까울수록, 무선 전력 수신기(12)로부터 전력을 공급받는 부하의 소비 전력 변화에 따른 무선 전력 송신기(10)의 송신 코일에 흐르는 전류 값의 변화가 매우 크게 나타난다.
예컨대 무선 전력 송신기(10)의 구동 주파수 값이 무선 전력 송신기(10)의 공진 주파수 값(fTx)과 동일하게 설정된 경우, 부하가 무선 전력 수신기(12)로부터 전력을 공급받던 도중에 무선 전력 송신기(10)와 무선 전력 수신기(12), 또는 부하와 무선 전력 수신기(12) 간의 상대적인 위치가 변경되어 부하의 소비 전력이 급격하게 감소하는 상황이 발생하면, 무선 전력 송신기(12)의 송신 코일에 흐르는 전류가 급격하게 증가한다. 이와 같은 전류 값의 급격한 증가는 송신 코일 또는 다른 소자의 소손을 유발하여 무선 전력 송신기(12)의 고장으로 이어질 수 있다.
이러한 현상을 방지하기 위하여, 종래에는 도 2 및 도 3과 같이 무선 전력 송신기(10)의 구동 주파수가 무선 전력 송신기(10)의 공진 주파수 값(fTx)(또는 이와 동일하게 설정되는 무선 전력 수신기(12)의 공진 주파수 값(fRx)) 보다 큰 값을 갖도록 무선 전력 송신기(10)의 구동 주파수 값의 범위(fo)를 설정한다. 구동 주파수 값이 도 2 또는 도 3과 같이 무선 전력 송신기(10)의 공진 주파수 값(fTx) 보다 큰 범위(fo) 내에서 설정되면, 무선 전력 수신기(12)로부터 전력을 공급받는 부하의 소비 전력 변화에 따른 무선 전력 수신기(12)에 전달되는 전압 값의 변화 및 무선 전력 송신기(10)의 송신 코일에 흐르는 전류 값의 변화가 작아지게 되므로 무선 전력 송신기(10) 및 무선 전력 수신기(12)의 안정성을 높일 수 있다.
그러나 도 3에 도시된 바와 같이 전력 전송 도중에 무선 전력 송신기(10)와 무선 전력 수신기(12)의 연결이 차단되어 무부하 상태가 될 경우, 무선 전력 송신기(10)의 공진 주파수 값(fTx)이 보다 높은 값(fTx')으로 증가한다. 이러한 무선 전력 송신기(10)의 공진 주파수 값의 변화로 인하여, 부하의 소비 전력 변화에 따른 무선 전력 송신기(10)의 송신 코일에 흐르는 전류 값의 변화가 다시 커지게 된다.
이와 같은 문제를 해결하기 위하여, 종래의 무선 전력 송신기(10)와 무선 전력 수신기(12)는 전력 전송 과정에서 미리 설정된 주기(예컨대, 3초)에 따라서 무선 통신을 통해 소비 전압의 변화나 주파수 특성 변화에 대한 정보를 주고받는다. 무선 전력 송신기(10)는 이와 같은 정보를 기초로 무선 전력 송신기(10) 및 무선 전력 수신기(12)의 안정성을 높이기 위하여 무선 전력 송신기(10)의 구동 주파수를 실시간으로 변경하는 구동 주파수 제어를 수행한다.
그러나 이러한 방법에 따르면 이전 정보와 다음 정보의 전송 간격, 즉 정보의 전송 주기 사이에 부하의 소비 전력이 갑작스럽게 변화하게 될 경운 전압 또는 전류의 급격한 변화를 방지하기 어려운 문제가 있다. 또한 제품 규격에 따라서 구동 주파수의 범위에 제한이 존재하므로, 구동 주파수 제어만으로는 전술한 문제를 완전히 해결하기 어려운 문제가 있다.
또한 종래에는 부하의 소비 전력 변화에 따른 무선 전력 수신기(12)에 전달되는 전압 값의 급격한 변화 또는 무선 전력 송신기(10)의 송신 코일에 흐르는 전류 값의 급격한 변화에 따른 소자의 소손을 방지하기 위하여 무선 전력 송신기(10) 또는 무선 전력 수신기(12) 내부에 보호 회로를 구비하기도 한다. 그러나 보호 회로의 추가로 인하여 제품의 크기 및 제조 비용이 상승하는 문제가 있다. 또한 부하의 소비 전력이 50W 이상으로 커지게 되면 무선 전력 송신기(10) 또는 무선 전력 수신기(12)의 내부에 흐르는 전압 또는 전류의 크기도 커지게 되므로 보호 회로만으로는 소자의 소손을 방지하는데 한계가 있다.
본 발명은 무선 전력 전송 과정에서 송신 측과 수신 측 사이에 구동 주파수 제어를 위한 별도의 정보를 주고받는 과정 없이 구동 주파수를 고정된 값으로 사용하더라도 부하의 소비 전력 변화에 관계없이 안정적인 무선 전력 전송이 가능한 무선 전력 송신 장치 및 무선 전력 수신 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 부하의 소비 전력 변화에 따른 전압 또는 전류의 급격한 변화로 인한 소자의 소손을 보호하기 위한 보호 회로를 구비할 필요가 없는 무선 전력 송신 장치 및 무선 전력 수신 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
전술한 바와 같이 무선 전력 전송 과정에서 부하의 소비 전력이 급격하게 변화함으로 인해서 발생하는 문제점을 방지하기 위하여, 본 발명에서는 무선 전력 송신 장치의 공진 주파수와 무선 전력 수신 장치의 공진 주파수를 서로 다른 값으로 설정한다.
특히 본 발명에서는 무선 전력 송신 장치의 공진 주파수를 구동 주파수보다 낮은 값으로 설정한다. 본 발명에서 무선 전력 송신 장치의 공진 주파수는 다음과 같이 설정될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112018051027682-pat00003
(여기서, fTx는 상기 송신부의 공진 주파수, a는 상수이며 0<a<1, fo는 상기 인버터부의 구동 주파수)
본 발명에서는 a를 0.2 이하의 값으로 설정함으로써 무선 전력 송신 장치의 공진 주파수를 구동 주파수보다 충분히 낮은 값으로 설정할 수 있다. 이에 따라서 부하의 소비 전력이 급격히 감소하거나 갑작스럽게 무부하 상태가 되어 무선 전력 송신 장치의 공진 주파수가 증가하게 되더라도 무선 전력 송신 장치의 코일에 흐르는 전류의 크기가 급격하게 증가하는 현상이 방지되어 무선 전력 송신 장치의 안정적인 구동이 보장된다.
한편, 본 발명에 따른 무선 전력 송신 장치의 구동 주파수는 무선 전력 수신 장치의 공진 주파수에 기초하여 설정되는 구동 범위 내의 값으로 설정된다. 본 발명에서 무선 전력 송신 장치의 구동 주파수는 다음과 같이 설정될 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112018051027682-pat00004
(여기서, fRx는 상기 수신부의 공진 주파수, b는 상수이며 0<b<1, fo는 상기 인버터부의 구동 주파수)
본 발명에서 b는 0.1 이하의 값으로 설정될 수 있다. 이처럼 본 발명에서는 무선 전력 송신 장치의 구동 주파수가 무선 전력 수신 장치의 공진 주파수에 인접한 값으로 설정되며, 고정된 값으로 설정된다.
또한 본 발명에서 무선 전력 송신 장치에 포함되는 송신 코일은 아래와 같은 인덕턴스 값을 갖도록 설정된다.
[수학식 3]
Figure 112018051027682-pat00005
(여기서, L1은 상기 송신 코일의 인덕턴스 값, VIN은 상기 인버터에 입력되는 입력 전압의 크기, fo는 상기 인버터부의 구동 주파수, PMAX는 상기 무선 전력 수신 장치로 전송되는 전력의 최대 크기, n은 상수로서 상기 인버터부가 풀 브릿지 회로로 구성될 때 1로 설정되고 상기 인버터부가 하프 브릿지 회로로 구성될 때 2로 설정됨)
송신 코일의 인덕턴스 값을 위와 같이 설정함으로써, 전력 전송 과정에서 전력 전송 효율 및 고조파 억제 효과가 극대화될 수 있다.
본 발명에 따르면, 무선 전력 전송 과정에서 송신 측과 수신 측 사이에 구동 주파수 제어를 위한 별도의 정보를 주고받는 과정 없이 구동 주파수를 고정된 값으로 사용하더라도 부하의 소비 전력 변화에 관계없이 안정적인 무선 전력 전송이 가능한 장점이 있다.
또한 본 발명에 따른 무선 전력 송신 장치 및 무선 전력 수신 장치는 부하의 소비 전력 변화에 따른 전압 또는 전류의 급격한 변화로 인한 소자의 소손을 보호하기 위한 보호 회로를 구비할 필요가 없는 장점이 있다.
도 1은 자기 유도 방식을 이용하는 무선 전력 송신기 및 무선 전력 수신기의 일부 회로 구성을 간략하게 나타낸다.
도 2는 무선 전력 송신기의 구동 주파수 값의 변화에 따른 무선 전력 수신기에 전달되는 전압 값의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 3은 무선 전력 송신기의 구동 주파수 값의 변화에 따른 무선 전력 송신기의 송신 코일에 흐르는 전류 값의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치 및 무선 전력 수신 장치의 구성을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치의 구동 주파수 값의 변화에 따른 무선 전력 수신기에 전달되는 전압 값의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 6은 무부하 상태일 때 송신 코일에 흐르는 전압 및 전류의 파형을 나타내는 그래프이다.
도 7은 경부하 상태일 때 송신 코일에 흐르는 전압 및 전류의 파형을 나타내는 그래프이다.
도 8은 중부하 상태일 때 송신 코일에 흐르는 전압 및 전류의 파형을 나타내는 그래프이다.
도 9는 부하의 소비 전력 변화에 따라서 무선 전력 송신 장치로부터 출력되는 출력 전압의 변화를 나타내는 그래프이다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치 및 무선 전력 수신 장치의 구성을 나타낸다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치(40)는 정류부(402), 인버터부(404), 송신부(406)를 포함한다.
정류부(402)는 외부 전원(44)으로부터 입력되는 교류 입력 전력을 정류하여 직류 전력을 출력한다. 정류부(402)는 하나 이상의 다이오드로 구성되는 정류 회로 및 하나 이상의 캐패시터 소자로 구성될 수 있다. 정류부(402)를 구성하는 정류 회로의 예시로는 반파 정류 회로, 전파 정류 회로, 브릿지 전파 정류 회로, 또는 PFC(Power Factor Correction) 회로 등을 들 수 있다.
인버터부(404)는 정류부(402)로부터 출력되는 직류 전력을 변환하여 교류 전력을 출력한다. 인버터부(404)는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하기 위한 하나 이상의 스위칭 소자(예컨대, IGBT 소자 또는 FET 소자 등)를 포함한다. 인버터부(404)에 포함되는 스위칭 소자는 미리 정해진 구동 주파수에 따라서 상보적인 턴 온 및 턴 오프 동작을 반복적으로 수행하는 스위칭 동작을 통해서 직류 전력을 교류 전력으로 변환한다.
인버터부(404)를 구성하는 스위칭 소자의 개수 및 연결 방법에 따라서 다양한 구성을 갖는 회로가 인버터부(404)에 적용될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 인버터부(404)는 하프 브릿지(Half Bridge) 회로 또는 풀 브릿지 회로(Full Bridge) 회로로 구성될 수 있다.
송신부(406)는 인버터부(404)로부터 출력되는 교류 전력을 이용하여 무선 전력 수신 장치(42)로 전력을 송신한다. 송신부(406)는 서로 직렬로 연결되는 송신 코일(L1) 및 캐패시터(C1)를 포함한다.
인버터부(404)로부터 출력되는 교류 전류가 송신 코일(L1)에 흐르면 송신 코일(L1) 주변에 자기장이 형성되고, 이 자기장에 의해서 무선 전력 수신 장치(42)의 수신부(426)에 포함되는 수신 코일(L2)에 교류 전류가 유도되어 전력 전송이 이루어진다.
무선 전력 송신 장치(40)는 송신 코일(L1)의 인덕턴스 값(L1)과 캐패시터(C1)의 캐패시턴스 값(C1)에 의해서 정의되는 공진 주파수(fTx)를 갖는다.
다시 도면을 참조하면, 무선 전력 수신 장치(42)는 수신부(426), 정류부(422), 컨버터부(424)를 포함한다.
수신부(426)는 무선 전력 송신 장치(40)의 송신부(406)로부터 전송되는 전력을 수신하여 교류 전력을 생성한다. 수신부(426)는 서로 직렬로 연결되는 수신 코일(L2) 및 캐패시터(C2)를 포함한다. 전술한 바와 같이 송신 코일(L1) 주변에 형성되는 자기장에 의해서 무선 전력 수신 장치(42)의 수신부(426)에 포함되는 수신 코일(L2)에 교류 전류가 유도된다.
무선 전력 수신 장치(42)는 수신 코일(L2)의 인덕턴스 값(L2)과 캐패시터(C2)의 캐패시턴스 값(C2)에 의해서 정의되는 공진 주파수(fRx)를 갖는다.
정류부(422)는 수신부(426)로부터 출력되는 교류 전력을 변환하여 직류 전력을 출력한다. 정류부(422)는 하나 이상의 다이오드로 구성되는 정류 회로 및 하나 이상의 캐패시터 소자로 구성될 수 있다. 정류부(422)를 구성하는 정류 회로의 예시로는 반파 정류 회로, 전파 정류 회로, 브릿지 전파 정류 회로, 또는 PFC(Power Factor Correction) 회로 등을 들 수 있다.
컨버터부(424)는 정류부(422)로부터 출력되는 직류 전력을 변환하여 부하(46)에 공급한다. 도 4의 실시예에서는 직류 전력을 사용하는 부하(46)가 연결되어 직류-직류(DC-DC) 컨버터부(424)가 사용되고 있으나, 실시예에 따라서 다른 종류의 컨버터가 사용될 수도 있다. 또한 실시예에 따라서는 컨버터부(424)가 생략되고 정류부(422)에 의해서 출력되는 전력이 직접 부하(46)로 공급될 수도 있다.
도 4에 도시된 무선 전력 송신 장치(40)는 외부 전원(44)이 인가됨에 따라서 송신부(406)를 통해서 무선 전력 송신 장치(42)로 전력을 송신한다. 무선 전력 수신 장치(42)는 무선 전력 송신 장치(40)를 통해서 전송되는 전력을 수신하여 부하(46)의 구동에 필요한 소비 전력을 공급한다.
본 발명의 일 실시예에서 무선 전력 수신 장치(42)는 부하(46)와 물리적으로 결합되거나, 부하(46) 내의 일부 모듈로서 구현될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치의 구동 주파수 값의 변화에 따른 무선 전력 수신기에 전달되는 전압 값의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 5에는 무선 전력 수신 장치(42)와 연결된 부하(46)의 소비 전력이 상대적으로 낮을 때, 즉 경부하일 때 무선 전력 송신기(10)의 구동 주파수 값의 변화에 따른 무선 전력 수신기에 전달되는 전압 값의 변화(502)가 도시되어 있다. 또한 도 5에는 무선 전력 수신 장치(42)와 연결된 부하(46)의 소비 전력이 상대적으로 높을 때, 즉 중부하일 때, 무선 전력 송신기(10)의 구동 주파수 값의 변화에 따른 무선 전력 수신기에 전달되는 전압 값의 변화(504)가 도시되어 있다.
앞서 설명된 바와 같이, 종래의 무선 전력 송신기 및 무선 전력 수신기는 서로 동일한 공진 주파수를 갖도록 설계된다. 이로 인해 발생하는 문제점을 해결하고 무선 전력 전송 과정에서 보다 안정적인 동작을 보장하기 위하여, 본 발명에서는 도 5에 도시된 바와 같이 무선 전력 송신 장치(40)의 공진 주파수(fTx)와 무선 전력 수신 장치(42)의 공진 주파수(fRx)가 서로 다른 값으로 설정된다.
특히 본 발명에서는 무선 전력 전송 중에 부하(46)에 공급되는 전력, 즉 소비 전력의 급격한 변화로 인해 발생하는 문제점인 무선 전력 수신 장치(42) 내의 급격한 전압 상승 및 무선 전력 송신 장치(40) 내의 급격한 전류 상승과 같은 문제점을 극복하기 위하여, 무선 전력 송신 장치(40)의 공진 주파수(fTx)를 무선 전력 송신 장치(40)의 구동 주파수(fo), 즉 인버터부(404)의 구동 주파수보다 작은 값으로 설정한다.
본 발명에서 무선 전력 송신 장치의 공진 주파수(fTx)는 다음과 같이 설정될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112018051027682-pat00006
(여기서, fTx는 상기 송신부의 공진 주파수, a는 상수이며 0<a<1, fo는 상기 인버터부(404)의 구동 주파수)
특히 본 발명에서는 a를 0.2 이하의 값으로 설정함으로써 무선 전력 송신 장치의 공진 주파수를 구동 주파수보다 충분히 낮은 값으로 설정할 수 있다. 예를 들어 a가 0.2로 설정될 경우, 무선 전력 송신 장치(40)의 공진 주파수(fTx)는 무선 전력 송신 장치(40)의 구동 주파수(fo)의 1/5보다 작은 값으로 설정된다.
이처럼 무선 전력 송신 장치(40)의 공진 주파수(fTx)를 무선 전력 송신 장치(40)의 구동 주파수(fo)보다 현저하게 작은 값으로 설정할 경우, 무선 전력 송신 장치(40)와 무선 전력 수신 장치(42)의 연결이 순간적으로 끊기거나 무선 전력 수신 장치(42)와 부하(46)의 연결이 순간적으로 끊김으로 인해서 부하의 소비 전력이 급격히 감소하거나 갑작스럽게 무부하 상태가 되어 무선 전력 송신 장치(40)의 공진 주파수가 기존의 주파수 값(fTx)보다 증가하게 되더라도, 무선 전력 수신 장치(42)에 인가되는 전압의 크기나 무선 전력 송신 장치의 코일에 흐르는 전류의 크기가 급격하게 증가하는 현상이 방지된다.
따라서 본 발명에 따른 무선 전력 송신 장치(40) 및 무선 전력 수신 장치(42)는 무선 전력 전송 중 부하(46)의 소비 전력 감소로 인한 문제를 해결하기 위하여 무선 전력 전송 중에 소비 전압의 변화나 주파수 특성 변화에 대한 정보를 별도로 주고받거나, 무선 전력 송신 장치(40)의 구동 주파수(fo)를 변경하는 제어를 수행할 필요가 없다.
또한 본 발명에 따른 무선 전력 송신 장치(40) 및 무선 전력 수신 장치(42)는 종래와 같은 보호 회로를 구비할 필요가 없으므로 장치의 크기를 줄이는 동시에 제조 비용을 절감할 수 있다.
또한 본 발명에서 무선 전력 송신 장치(40)의 구동 주파수(fo)는 무선 전력 수신 장치(42)의 공진 주파수(fRx)에 기초하여 설정되는 구동 범위 내의 값으로 설정된다. 본 발명에서 무선 전력 송신 장치의 구동 주파수는 다음과 같이 설정되는 구동 범위 내의 값으로 설정된다.
[수학식 2]
Figure 112018051027682-pat00007
(여기서, fRx는 상기 수신부의 공진 주파수, b는 상수이며 0<b<1, fo는 상기 인버터부(404)의 구동 주파수)
특히 본 발명에서 b는 0.1 이하의 값으로 설정될 수 있다. 예를 들어 b가 0.1로 설정되고 무선 전력 수신 장치(42)의 공진 주파수(fRx)가 고정되면, 무선 전력 송신 장치(40)의 구동 주파수(fo)는 0.9fo<fRx<1.1fo의 범위를 만족하는 값 중에서 선택된 값으로 고정될 수 있다.
이처럼 본 발명에서는 무선 전력 송신 장치(40)의 구동 주파수(fo)가 무선 전력 수신 장치(42)의 공진 주파수(fRx)에 인접한 값으로 설정된다. 이에 따라서 무선 전력 송신 장치(40)의 공진 주파수(fTx)는 무선 전력 송신 장치(40)의 구동 주파수(fo) 또는 무선 전력 수신 장치(42)의 공진 주파수(fRx)보다 현저하게 낮은 값으로 설정된다.
전술한 바와 같은 조건에 따라서 결정되는 무선 전력 송신 장치(40)의 공진 주파수(fTx), 무선 전력 수신 장치(42)의 공진 주파수(fRx), 무선 전력 송신 장치(40)의 구동 주파수(fo)값에 기초하여, 송신부(406)를 구성하는 송신 코일(L1)의 인덕턴스 값(L1)과 캐패시터(C1)의 캐패시턴스 값(C1), 그리고 수신부(426)를 구성하는 수신 코일(L2)의 인덕턴스 값(L2)과 캐패시터(C2)의 캐패시턴스 값(C2)이 각각 결정될 수 있다.
먼저 수신부(426)에서 발생하는 총 인덕턴스(LRX _TOTAL) 값을 구하기 위한 수식은 다음과 같이 정리될 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112018051027682-pat00008
(여기서, k는 송신 코일(L1)과 수신 코일(L2)의 결합 계수, L2는 수신 코일(L2)의 인덕턴스 값)
[수학식 3]을 정리하면, 무선 전력 수신 장치(42)의 공진 주파수(fRx)는 다음과 같이 계산될 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112018051027682-pat00009
[수학식 4]를 C2에 관해 정리하면 다음과 같다.
[수학식 5]
Figure 112018051027682-pat00010
따라서, 무선 전력 수신 장치(42)의 공진 주파수(fRx)와 수신부(426)를 구성하는 수신 코일(L2)의 인덕턴스 값(L2)이 각각 결정되면 [수학식 5]에 따라서 캐패시터(C2)의 캐패시턴스 값(C2)이 산출될 수 있다. 수신 코일(L2)의 인덕턴스 값(L2)을 결정하는 방법에 대해서는 도 6 내지 8을 참조하여 후술한다.
또한 송신부(406)를 구성하는 송신 코일(L1)의 인덕턴스 값(L1)과 캐패시터(C1)의 캐패시턴스 값(C1)은 아래 [수학식 6]을 만족하는 값으로 설정될 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112018051027682-pat00011
무선 전력 수신 장치(42)의 공진 주파수(fRx)와 송신부(406)를 구성하는 송신 코일(L1)의 인덕턴스 값(L1)이 결정되면 [수학식 6]을 이용하여 송신부(406)를 구성하는 캐패시터(C1)의 캐패시턴스 값(C1)을 산출할 수 있다. 송신 코일(L1)의 인덕턴스 값(L1)을 결정하는 방법에 대해서는 도 6 내지 8을 참조하여 후술한다.
도 6은 무부하 상태일 때 송신 코일에 흐르는 전압 및 전류의 파형을 나타내는 그래프이다. 또한 도 7은 경부하 상태일 때 송신 코일에 흐르는 전압 및 전류의 파형을 나타내는 그래프이다. 또한 도 8은 중부하 상태일 때 송신 코일에 흐르는 전압 및 전류의 파형을 나타내는 그래프이다.
본 발명에 따른 무선 전력 수신 장치(42)와 연결된 부하(46)의 소비 전력이 0일 때, 즉 무부하 상태일 때에는 도 6과 같이 무선 전력 송신 장치(40)는 공진 특성을 나타내지 않으며, 송신 코일(L1)은 일반적인 인덕터와 유사한 특성을 나타낸다. 이에 따라서 송신 코일(L1)에 인가되는 전압(VIN)은 구동 주파수(fo)를 주기로 갖는 구형파의 파형(602)을 나타낸다. 또한 송신 코일(L1)에 흐르는 전류는 피크값(Ipeak)을 갖는 삼각파의 파형(604)을 나타낸다.
이와 같은 무부하 상태에서 무선 전력 송신 장치(40)에 의해서 무선 전력 수신 장치(42)로 전송되는 전력의 크기는 다음과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 7]
Figure 112018051027682-pat00012
(여기서, P는 무선 전력 송신 장치(40)에 의해서 무선 전력 수신 장치(42)로 전송되는 전력의 크기, T는 송신 코일(L1)에 인가되는 전압의 주기, t1은 임의로 설정되는 전송 시점, v1은 송신 코일(L1)에 인가되는 전압, i1은 송신 코일(L1)에 인가되는 전류)
한편, 도 7에는 무선 전력 수신 장치(42)가 무선 전력 송신 장치(40)로부터 전송된 전력을 부하(46)에 공급함에 따라서 부하(46)의 소비 전력이 경부하 상태일 때 송신 코일(L1)에 인가되는 전압(VIN)의 파형(702) 및 송신 코일(L1)에 흐르는 전류의 파형(704)이 각각 도시되어 있다.
부하(46)의 소비 전력이 높아짐에 따라서 송신 코일(L1)에 인가되는 전압(VIN)과 송신 코일(L1)에 흐르는 전류 간의 위상차가 감소하기 시작한다. 이 경우 송신 코일(L1)에 흐르는 전류는 피크값(Ipeak)을 초과하지 않으며 송신 코일(L1)에 인가되는 전압(VIN)과 송신 코일(L1)에 흐르는 전류 간의 위상차만으로 전력이 발생한다.
도 7과 같은 경부하 상태에서 무선 전력 송신 장치(40)에 의해서 무선 전력 수신 장치(42)로 전송되는 전력의 크기는 다음과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 8]
Figure 112018051027682-pat00013
이후 부하(46)의 소비 전력이 더욱 높아지는 중부하 상태가 되면 도 8과 같은 파형이 나타난다. 부하(46)의 소비 전력이 더욱 높아짐에 따라서 송신 코일(L1)에 인가되는 전압(VIN)과 송신 코일(L1)에 흐르는 전류 간의 위상차가 더욱 감소한다. 또한 송신 코일(L1)에 흐르는 전류는 무부하 상태에서의 피크값(Ipeak)을 초과하게 된다. 이 때 전류의 파형(804)은 정현파와 유사한 형상을 나타낸다.
도 8과 같은 중부하 상태에서 무선 전력 송신 장치(40)에 의해서 무선 전력 수신 장치(42)로 전송되는 전력의 크기는 다음과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 9]
Figure 112018051027682-pat00014
무선 전력 송신 장치(40)를 통해 무선 전력 수신 장치(42)로 전력을 송신할 때 전력 전송 효율을 높이는 동시에 고조파를 최대한으로 억제하기 위해서는, 무선 전력 송신 장치(40)에 의해서 무선 전력 수신 장치(42)로 전송되는 전력의 최대 크기(PMAX)가 [수학식 8] 또는 [수학식 9]를 만족하도록 설정되어야 한다. 이는 다음과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 10]
Figure 112018051027682-pat00015
[수학식 10]을 정리하여 송신 코일(L1)의 인덕턴스 값(L1)의 적정 범위를 산출하면 다음과 같다.
[수학식 11]
Figure 112018051027682-pat00016
[수학식 11]에서 n은 상수로서, 인버터부(404)가 풀 브릿지 회로로 구성될 때 1로 설정되고, 인버터부(404)가 하프 브릿지 회로로 구성될 때 2로 설정되는 값이다.
[수학식 11]을 정리하면 다음과 같이 송신 코일(L1)의 인덕턴스 값(L1)의 최종 범위를 산출할 수 있다.
[수학식 12]
Figure 112018051027682-pat00017
이처럼 본 발명에서는 무선 전력 송신 장치(40)를 통해 무선 전력 수신 장치(42)로 전력을 송신할 때 전력 전송 효율을 높이는 동시에 고조파를 최대한으로 억제하기 위하여 [수학식 12]의 범위를 만족하도록 송신 코일(L1)의 인덕턴스 값(L1)을 설정한다.
이와 같이 설정되는 송신 코일(L1)의 인덕턴스 값(L1)을 아래와 같이 전압 이득(VOUT/VIN)에 기초한 수학식에 대입하면 수신 코일(L2)의 인덕턴스 값(L2)이 산출된다.
[수학식 13]
Figure 112018051027682-pat00018
(여기서, VIN은 인버터부(404)에 인가되는 전압 값, VOUT은 정류부(422)로부터 출력되는 전압 값, k는 송신 코일(L1)과 수신 코일(L2)의 결합 계수)
이와 같이 [수학식 12] 및 [수학식 13]을 통해서 각각 산출되는 송신 코일(L1)의 인덕턴스 값(L1) 및 수신 코일(L2)의 인덕턴스 값(L2)을 [수학식 5] 및 [수학식 6]에 각각 대입하면 송신부(406)의 캐패시터(C1)의 캐패시턴스 값(C1) 및 수신부(426)의 캐패시터(C2)의 캐패시턴스 값(C2)을 각각 산출할 수 있다.
도 9는 부하의 소비 전력 변화에 따라서 무선 전력 송신 장치로부터 출력되는 출력 전압의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명에 따른 무선 전력 송신 장치(40)의 구동 주파수를 고정된 값(60kHz)으로 설정한 상태에서 부하(46)의 소비 전력이 0에서 80W까지 변화할 때, 무선 전력 수신 장치(42)로부터 출력되는 출력 전압(VOUT)의 크기 변화를 나타내는 그래프이다.
도 9에서 ▲로 표시된 데이터는 송신 코일(L1)과 수신 코일(L2)의 결합 계수(k)가 0.7로 설정된 경우의 데이터이다. 그리고 ■로 표시된 데이터는 송신 코일(L1)과 수신 코일(L2)의 결합 계수(k)가 0.68로 설정된 경우의 데이터이다. 또한 ●로 표시된 데이터는 송신 코일(L1)과 수신 코일(L2)의 결합 계수(k)가 0.65로 설정된 경우의 데이터이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 무선 전력 송신 장치(40) 및 무선 전력 수신 장치(42)를 사용할 경우, 무부하 상태에서 부하의 소비 전력이 80W까지 상승하더라도 무선 전력 수신 장치(42)로부터 출력되는 출력 전압(VOUT)의 감소량이 매우 작게 나타난다. 따라서 본 발명에 따른 무선 전력 송신 장치(40) 및 무선 전력 수신 장치(42)는 고출력, 즉 50W 이상의 전력을 요구하는 부하에 안정적으로 전력을 공급할 수 있는 장점이 있다.
특히 본 발명에 따르면 전력 전송 중에 무선 전력 송신 장치(40)의 구동 주파수를 별도로 조절할 필요 없이 고정된 값으로 유지하더라도 도 9와 같이 고출력 부하에 대한 안정적인 전압 공급이 가능하다는 장점이 있다.
또한 송신 코일(L1)과 수신 코일(L2)의 결합 계수(k) 값이 0.7, 0.68, 0.65로 각각 다르게 설정되더라도 무선 전력 수신 장치(42)로부터 출력되는 출력 전압(VOUT) 변화 경향은 유사하게 나타난다. 따라서 다양한 결합 계수(k)의 설정을 통해 무선 전력 송신 장치(40) 및 무선 전력 수신 장치(42)의 설계 자유도가 높아지는 장점이 있다.
전술한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

Claims (12)

  1. 입력 전력을 정류하여 직류 전력을 출력하는 정류부;
    상기 정류부로부터 출력되는 직류 전압을 변환하여 교류 전력을 출력하는 인버터부;
    상기 인버터부로부터 출력되는 교류 전력을 이용하여 무선 전력 수신 장치로 전력을 송신하는 송신부를 포함하고,
    상기 송신부의 공진 주파수는 상기 무선 전력 수신 장치에 포함되는 수신부의 공진 주파수 또는 상기 인버터부의 구동 주파수보다 작은 값으로 설정되고,
    상기 인버터부의 구동 주파수는 상기 수신부의 공진 주파수에 기초하여 설정되는 구동 범위 내의 값으로 설정되고,
    상기 송신부는 송신 코일을 포함하고,
    상기 송신 코일은 하기 [수학식 3]에 따른 인덕턴스 값을 갖도록 설정되는
    무선 전력 송신 장치.

    [수학식 3]
    Figure 112019131174977-pat00034

    (여기서, L1은 상기 송신 코일의 인덕턴스 값, VIN은 상기 인버터에 입력되는 입력 전압의 크기, fo는 상기 인버터부의 구동 주파수, PMAX는 상기 무선 전력 수신 장치로 전송되는 전력의 최대 크기, n은 상수로서 상기 인버터부가 풀 브릿지 회로로 구성될 때 1로 설정되고 상기 인버터부가 하프 브릿지 회로로 구성될 때 2로 설정됨)
  2. 제1항에 있어서,
    상기 인버터부의 구동 주파수는 하기 [수학식 1]에 따라서 설정되는
    무선 전력 송신 장치.

    [수학식 1]
    Figure 112018051027682-pat00019

    (여기서, fTx는 상기 송신부의 공진 주파수, a는 상수이며 0<a<1, fo는 상기 인버터부의 구동 주파수)
  3. 제2항에 있어서,
    상기 a는 0.2 이하로 설정되는
    무선 전력 송신 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 구동 범위는 하기 [수학식 2]에 따라서 설정되는
    무선 전력 송신 장치.

    [수학식 2]
    Figure 112018051027682-pat00020

    (여기서, fRx는 상기 수신부의 공진 주파수, b는 상수이며 0<b<1, fo는 상기 인버터부의 구동 주파수)
  5. 제4항에 있어서,
    상기 b는 0.1 이하로 설정되는
    무선 전력 송신 장치.
  6. 삭제
  7. 무선 전력 송신 장치의 송신부로부터 전송되는 전력을 수신하여 교류 전력을 출력하는 수신부;
    상기 수신부로부터 출력되는 교류 전력을 정류하여 직류 전력을 출력하는 정류부;
    상기 직류 전력을 변환하여 부하에 공급하는 컨버터부를 포함하고,
    상기 무선 전력 송신 장치의 송신부의 공진 주파수는 상기 수신부의 공진 주파수 또는 상기 무선 전력 송신 장치의 인버터부의 구동 주파수보다 작은 값으로 설정되고,
    상기 무선 전력 송신 장치의 인버터부의 구동 주파수는 상기 수신부의 공진 주파수에 기초하여 설정되는 구동 범위 내의 값으로 설정되고,
    상기 송신부는 송신 코일을 포함하고,
    상기 송신 코일은 하기 [수학식 3]에 따른 인덕턴스 값을 갖도록 설정되는
    무선 전력 수신 장치.

    [수학식 3]
    Figure 112019131174977-pat00035

    (여기서, L1은 상기 송신 코일의 인덕턴스 값, VIN은 상기 인버터에 입력되는 입력 전압의 크기, fo는 상기 인버터부의 구동 주파수, PMAX는 상기 무선 전력 수신 장치로 전송되는 전력의 최대 크기, n은 상수로서 상기 인버터부가 풀 브릿지 회로로 구성될 때 1로 설정되고 상기 인버터부가 하프 브릿지 회로로 구성될 때 2로 설정됨)
  8. 제7항에 있어서,
    상기 인버터부의 구동 주파수는 하기 [수학식 1]에 따라서 설정되는
    무선 전력 수신 장치.

    [수학식 1]
    Figure 112018051027682-pat00022

    (여기서, fTx는 상기 송신부의 공진 주파수, a는 상수이며 0<a<1, fo는 상기 인버터부의 구동 주파수)
  9. 제8항에 있어서,
    상기 a는 0.2 이하로 설정되는
    무선 전력 수신 장치.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 구동 범위는 하기 [수학식 2]에 따라서 설정되는
    무선 전력 수신 장치.

    [수학식 2]
    Figure 112018051027682-pat00023

    (여기서, fRx는 상기 수신부의 공진 주파수, b는 상수이며 0<b<1, fo는 상기 인버터부의 구동 주파수)
  11. 제10항에 있어서,
    상기 b는 0.1 이하로 설정되는
    무선 전력 수신 장치.
  12. 삭제
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