KR20130111832A

KR20130111832A - Device and system for wireless power transmission using transmission coil array

Info

Publication number: KR20130111832A
Application number: KR1020120034028A
Authority: KR
Inventors: 한민석; 김영선; 황정만; 박운규; 이지형
Original assignee: 엘에스전선 주식회사
Priority date: 2012-04-02
Filing date: 2012-04-02
Publication date: 2013-10-11
Also published as: KR101953913B1; WO2013151259A1

Abstract

PURPOSE: Wireless power transmission equipment by arranging electrical transmission coils and a wireless power transmission system thereof are provided to improve power transmission efficiency by using a resonant coupling method. CONSTITUTION: Wireless power transmission equipment (100) wirelessly transmits power. Wireless power receiving equipment (200) wirelessly receives the power. A power transmission antenna unit (110) and a power receiving antenna unit (210) send the power at the same resonant frequency. The power transmission antenna unit includes two or more antennae. The power receiving antenna unit includes a power receiving antenna and a receiving-side resonant coil. [Reference numerals] (100) Power transmission equipment; (110) Tx antenna; (200) Power receiving equipment; (210) Rx antenna; (300) Load device; (AA) AC power

Description

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.The present invention relates to a wireless power transmission apparatus and a wireless power transmission system using a transmission coil arrangement.

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.Recently, interest in energy-IT convergence technology is increasing. Energy-IT convergence technology refers to the convergence of IT technology that is rapidly developing in the conventional energy technology, there is a wireless power transfer (WPT) technology as one field of such energy-IT convergence technology. Wireless power transmission refers to a technology of supplying power to home appliances or electric vehicles wirelessly instead of the conventional wired power line. In order to charge home appliances, a power cable wired from a power outlet to a home appliance or a charger is used. Related research is being actively conducted because of the advantage of being able to charge home appliances wirelessly without a connection.

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.The wireless power transmission technology currently commercialized or researched can be classified into four types. One of them is a high power microwave radiation method, which can transmit a long distance because it can transmit a high power using a frequency of several GHz band, while it is not commercialized due to problems such as harmfulness to human body and straightness. The other is the near field transmission method of the radial method, which is an RFID service using the RFID / USN frequency band of the UHF (Ultra High Frequency) band or the 2.4 GHz ISM band, and is currently scheduled for distribution and logistics. It is commercially available in the field, and has a disadvantage in that only up to several tens of mW can be transmitted by radiation loss. In addition, as an extension of the RFID standard, there are ultra short-range wireless communication technologies such as NFC. On the other hand, the contact transmission method using inductive coupling is a method of transmitting power of several W in a contact type at a distance of several mm to several cm, and uses a frequency such as 125 kHz or 135 kHz. It is applied to the electric toothbrush. On the other hand, non-radiated magnetic resonance method is based on the resonant coupling (resonant coupling) method. Resonant coupling refers to a phenomenon in which electromagnetic waves move from one medium to another through a near-field magnetic field when two media resonate at the same frequency in the case of magnetic resonance. The advantage is that transmission is possible. However, it is necessary to keep the Q (Quality Factor) value of the resonator high for practical implementation.

한편, 자기 공진 방식의 무선 전력 전송 시스템에 있어서, 무선 전력 송신 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.On the other hand, in the wireless power transmission system of the self-resonant method, there is a problem that the power transmission efficiency is rapidly deteriorated according to the coil orientation (coil orientation) between the transmission coil of the wireless power transmitter and the transmission coil of the wireless power receiver. In particular, in the case of a mobile device in which the wireless power receiver is not fixed at a specific position and frequently moves, the power transmission efficiency may be deteriorated depending on the position of the wireless power receiver.

따라서, 무선 전력 수신 장치가 어떠한 위치에 있더라도 전력 전송 효율을 일정 수준으로 유지할 수 있는 무선 전력 전송 기술이 요구되고 있다.Therefore, there is a need for a wireless power transmission technology capable of maintaining a power transmission efficiency at a certain level no matter where the wireless power receiver is located.

한국공개특허 제2009-0115407호, "무선 공명 전력 충전 시스템"Korean Patent Publication No. 2009-0115407, "Wireless Resonance Power Charging System"

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.In order to solve the above problems of the prior art, the present invention provides a wireless power transmission apparatus and a wireless power transmission system that can improve the transmission efficiency by transmitting power by using a transmission coil array consisting of two or more transmission coils To provide.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The objects of the present invention are not limited to the above-mentioned objects, and other objects not mentioned can be clearly understood from the following description.

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 송신 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.In order to achieve the above object, a wireless power transmission system according to an aspect of the present invention, a wireless power transmission apparatus for transmitting power wirelessly and a wireless power receiving apparatus for wirelessly receiving the power, the wireless power transmission A power transmitting antenna unit of the device and a power receiving antenna unit of the wireless power receiving device magnetically resonate at the same resonant frequency to transmit the power, the power transmitting antenna unit comprising two or more antenna sets comprising a feeding antenna and a transmitting side resonant coil, The power receiving antenna unit includes a power receiving antenna and a receiving side resonant coil.

여기서, 상기 무선 전력 전송 장치는 상기 송전 안테나부의 상기 둘 이상의 안테나셋으로 전력을 배분하는 전력 분배부를 더 포함할 수 있다.The wireless power transmission apparatus may further include a power distribution unit that distributes power to the two or more antenna sets of the power transmission antenna unit.

여기서, 상기 전력 분배부는 상기 둘 이상의 안테나셋으로 전송되는 전력 신호의 위상을 조절할 수 있다.Here, the power distributor may adjust the phase of the power signal transmitted to the at least two antenna sets.

여기서, 상기 둘 이상의 안테나셋으로 전달되는 각 전력 신호는 동일한 위상을 갖거나 또는 서로 상이한 위상을 가질 수 있다.Here, each power signal transmitted to the two or more antenna sets may have the same phase or may have a different phase from each other.

여기서, 상기 전력 분배부는 윌킨스 분배기 또는 하이브리드 커플러 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
Here, the power divider may include any one of a Wilkins divider or a hybrid coupler.

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.In addition, the wireless power transmission apparatus according to another aspect of the present invention, a DC power supply for receiving an external AC power and rectified to a DC power supply, a power amplifier for amplifying the DC power to convert a high-frequency power signal and the high-frequency power signal It includes two or more antenna sets for receiving the transmission to the wireless power receiving device, The antenna set, the power supply antenna for generating a magnetic field using the input high frequency power signal and the power signal induced magnetically from the power supply antenna And a transmission-side resonant coil for generating non-radiative electromagnetic waves and transmitting the same to the wireless power receiver, wherein the transmission-side resonant coil magnetically resonates at the same resonance frequency as the reception-side resonant coil of the wireless power receiver.

여기서, 무선 전력 전송 장치는 상기 둘 이상의 안테나셋으로 전력을 균등하게 배분하여 전달하는 전력 분배부를 더 포함할 수 있다.Here, the wireless power transmission apparatus may further include a power distribution unit that distributes and evenly transmits power to the two or more antenna sets.

여기서, 상기 전력 분배부는 윌킨스 분배기 또는 하이브리드 커플러 중 어느 하나를 포함할 수 있다.Here, the power divider may include any one of a Wilkins divider or a hybrid coupler.

여기서, 상기 전력 분배부는 상기 둘 이상의 안테나셋으로 배분되는 전력 신호의 위상을 조절할 수 있다.Here, the power distributor may adjust the phase of the power signal distributed to the at least two antenna sets.

여기서, 상기 전력 분배부는, 상기 둘 이상의 안테나셋으로 입력되는 각 전력 신호가 동일한 위상 또는 상이한 위상을 가지도록 제어할 수 있다.Here, the power divider may control each power signal input to the two or more antenna sets to have the same phase or a different phase.

여기서, 상기 전력 분배부는 상기 둘 이상의 안테나셋 중에서 어느 하나의 안테나셋으로 입력된 모든 전력을 배분할 수 있다.The power divider may distribute all the power input to any one antenna set among the two or more antenna sets.

여기서, 상기 둘 이상의 안테나셋은 임의의 거리만큼 이격되어 상호 커플링을 회피할 수 있다.
Here, the two or more antenna sets may be spaced apart by an arbitrary distance to avoid mutual coupling.

상기 목적을 달성하기 위한 구체적인 사항들은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술된 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The above and other objects, features and advantages of the present invention will be more apparent from the following detailed description taken in conjunction with the accompanying drawings, in which: FIG.

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.The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as being limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art. It is provided to fully inform the owner of the scope of the invention.

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.According to one of the problem solving means of the present invention described above, it is possible to improve the reduction in power transmission efficiency according to the position of the receiving coil by transmitting power using two or more transmission-side transmission coil arrangement.

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.1 is a view illustrating a wireless power transmission apparatus and a wireless power transmission system using a transmission coil array according to an embodiment of the present invention.
2 is a view for explaining the operation of the power transmission antenna unit and the power receiving antenna unit in the wireless power transmission system of FIG.
3 is a block diagram showing a detailed configuration of a wireless power transmission apparatus according to an embodiment of the present invention.
4 is a block diagram showing a detailed configuration of a wireless power receiver according to an embodiment of the present invention.
5 is a view for explaining the operation of the power distribution unit in the wireless power transmission apparatus according to an embodiment of the present invention.
6A and 6B are diagrams for describing an operation when the wireless power transmitter according to the exemplary embodiment of the present invention is in a phase feeding mode and a phase difference feeding mode.
7A and 7B are diagrams for describing an operation in a single coil feeding mode and a multiple coil feeding mode in a wireless power transmission apparatus according to an embodiment of the present invention.
8A and 8B are diagrams for comparing transmission efficiency according to alignment angles of a receiving side resonant coil in the single coil feeding mode and the multiple coil feeding mode of FIGS. 7A and 7B.

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.While the present invention has been described in connection with certain exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and similarities. It should be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.

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.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, numerals (e.g., first, second, etc.) used in the description of the present invention are merely an identifier for distinguishing one component from another.

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.Also, in this specification, when an element is referred to as being "connected" or "connected" with another element, the element may be directly connected or directly connected to the other element, It should be understood that, unless an opposite description is present, it may be connected or connected via another element in the middle.

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.In the present specification, the wireless power transmitter is an apparatus that converts an external input and supplies the external power to an external wireless power receiver through an antenna. In addition, the wireless power receiver is an electric device equipped with a rechargeable battery, and includes a mobile phone, a smart phone, a laptop computer, a digital broadcasting terminal, a personal digital assistant (PDA), and a portable multimedia player (PMP). The mobile terminal may be a mobile terminal such as a navigation device, or may include a wall-mounted TV, a light stand, an electronic picture frame, a cleaner, and the like.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 설명하도록 한다.
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시에 따른 전송 코일 배열을 이용한 무선 전력 전송 시스템을 설명하기 위한 도면이다.1 is a view for explaining a wireless power transmission system using a transmission coil array according to an embodiment of the present invention.

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.As shown in FIG. 1, the wireless power transmission system of the present invention includes a wireless power transmitter 100 and a wireless power receiver 200. The wireless power transmission system transmits power in a magnetic resonance manner between the wireless power transmitter 100 and the wireless power receiver 200.

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.The wireless power transmitter 100 rectifies AC power input from an external input power source into a DC power source, and thereafter, a high frequency AC power source (for example, 10 V and 200 kHz) through a DC-AC conversion circuit for wireless power transmission. Reconverted to and transmitted to the wireless power receiver 200 through the transmission antenna unit 110.

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.The wireless power receiver 200 receives a power signal transmitted from the wireless power transmitter 100. To this end, the wireless power receiver 200 may include a power receiving antenna 210.

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.In the case of transmitting power in a magnetic resonance method, the resonance frequency of the power transmission antenna unit 110 and the resonance frequency of the power receiving antenna unit 210 need to be the same or almost the same. In this case, an energy transfer channel is formed between the power transmitting antenna unit 110 and the power receiving antenna unit 210 by resonant coupling. The power signal emitted from the power transmission antenna unit 110 is transmitted to the power receiving antenna unit 210 through an energy transmission channel, and the power signal input through the power receiving antenna unit 210 is internal to the wireless power receiver 200. Through rectification circuit, stabilization circuit, etc., it is converted into usable power. The converted power is transferred to the load device 300 connected to the wireless power receiver 200 to charge the load device 300 or provide driving power to the wireless power receiver 200. Energy not absorbed by the power receiving antenna unit 210 among the power signals emitted from the power transmitting antenna unit 110 may be absorbed by the power transmitting antenna unit 110 again.

이하에서, 상기 설명한 송전 안테나부(110)와 수전 안테나부(210) 간의 동작에 대해 설명하기로 한다.
Hereinafter, the operation between the power transmission antenna unit 110 and the power receiving antenna unit 210 will be described.

도 2 는 본 발명의 일 실시에 따른 무선 전력 전송 시스템에서 송전 안테나부와 수전 안테나부의 동작을 설명하기 위한 도면이다.2 is a view for explaining the operation of the power transmission antenna unit and the power receiving antenna unit in a wireless power transmission system according to an embodiment of the present invention.

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.As shown in FIG. 2, the wireless power transmission system of the present invention employs a magnetic resonance method between the power transmission antenna unit 110 of the wireless power transmission apparatus 100 and the power receiving antenna unit 210 of the wireless power receiver 200. Transmit a power signal. In this case, the power transmitting antenna unit 110 and the power receiving antenna unit 210 have the same resonance frequency or very close resonance frequency, and are optimal between the power transmitting antenna unit 110 and the power receiving antenna unit 210 in a resonance state matched to the resonance frequency. It is implemented to achieve power transfer with an efficiency of.

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.The power transmission antenna unit 110 is implemented as a pair of the power supply antenna 112 and the transmission-side resonant coil 114. In addition, the power receiving antenna unit 210 is implemented as a pair of the power receiving antenna 212 and the receiving side resonant coil 214. In this case, the transmitting side resonant coil 114 and the receiving side resonant coil 214 may have a loop shape. For example, the loop shape may be a spiral loop shape or a helical loop shape.

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.Power may be transmitted between the power feeding antenna 112 and the transmitting side resonant coil 114 in a magnetic induction manner. In addition, the power signal absorbed through the receiving side resonant coil 214 may be transmitted to the power receiving antenna 212 in a magnetic induction manner.

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.An energy transmission channel is formed between the transmitting resonance coil 114 and the receiving resonance coil 214 by mutual resonance at the same or adjacent resonance frequency, and the power signal radiated from the transmission resonance coil 114 is caused by magnetic resonance. It is transmitted to the receiving side resonant coil 214 through the energy transfer channel.

다음으로, 무선 전력 전송 장치 및 무선 전력 수신 장치에 세부 구성을 설명하기로 한다.
Next, a detailed configuration of the wireless power transmitter and the wireless power receiver will be described.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치(100)의 세부 구성을 나타내는 블록도이다.3 is a block diagram showing a detailed configuration of a wireless power transmission apparatus 100 according to an embodiment of the present invention.

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.As shown in FIG. 3, the apparatus 100 for transmitting power wirelessly includes a power transmission antenna unit 110, a DC power supply unit 120, a power amplifier 130, an impedance matching unit 140, and a power distribution unit 150. Include.

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.The DC power supply unit 120 receives an external AC power and rectifies the DC power. The rectified DC power is converted into a high frequency power signal of the AC type for power transmission by the power amplifier 130. In this case, the converted high frequency wavelength may be 200 kHz, 1 MHz, 6.78 MHz, 13.56 MHz, 1.8 MHz, and the like.

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.The high frequency power signal may be modulated to include data to be transmitted to the wireless power receiver 200 by a modulation circuit (not shown). In addition, the impedance matching unit 140 may perform impedance matching with respect to the power transmission antenna unit 110.

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.The power transmission antenna unit 110 may have a configuration in which one or more antenna sets including a pair of the power feeding antenna 112 and the resonant coil 114 for transmission are arranged. The feed antenna 112 receives a high frequency power signal and transfers energy corresponding to the high frequency power signal to the resonant coil 114 for transmission. In this case, the power feeding antenna 112 may be disposed at a suitable optimum distance from the transmission resonance coil 114 for impedance matching. The transmitting resonant coil 114 receives energy from the feeding antenna 112 through electromagnetic induction and generates resonance to generate non-radioactive electromagnetic waves.

또한, 급전 안테나(112)는 후술할 전력 분배부(150)를 통해 고주파 전력 신호의 일부를 분배 받아 송신용 공진코일(114)에 전달할 수 있다.In addition, the power supply antenna 112 may receive a portion of the high frequency power signal through the power distribution unit 150 to be described later and transmit the portion to the resonant coil 114 for transmission.

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.
The power distributor 150 transmits the received high frequency power signal to the feed antenna 112. In this case, when there are a plurality of feed antennas 112, the received high frequency power signals may be distributed to the plurality of feed antennas 112 and transmitted. A detailed configuration of the power distribution unit 150 and a power distribution method for a plurality of antenna sets will be described later.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치의 세부 구성을 나타내는 블록도이다.4 is a block diagram showing a detailed configuration of a wireless power receiver according to an embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면, 무선 전력 수신 장치(200)는 수전 안테나부(210), 정류부(220), 전압 제어부(230) 및 충전부(240)를 포함한다.Referring to FIG. 4, the wireless power receiver 200 includes a power receiving antenna unit 210, a rectifying unit 220, a voltage control unit 230, and a charging unit 240.

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.The power receiving antenna unit 210 includes a power receiving antenna 212 and a receiving side resonant coil 214 as shown in FIG. 2. The reception side resonance coil 214 receives a power signal radiated wirelessly from the transmission side resonance coil 114 of the wireless power transmission apparatus 100.

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.The power signal received from the receiving side resonant coil 214 is transmitted to the power receiving antenna 212 by electromagnetic induction, and rectified by the rectifying unit 220 to a DC power source. Thereafter, the DC power supply passes through a filtering unit (not shown) and after the high frequency noise component is removed, the voltage control unit 230 is converted into a voltage usable by the load device.

충전부(240)는 상기의 구성 요소들을 거치며 변환된 전력을 전송하여 부하 기기(300)를 충전한다.
The charging unit 240 charges the load device 300 by transmitting the converted power through the above components.

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.Next, the operation of the power transmission antenna unit 110 and the power distribution unit 150 composed of a plurality of antenna sets in the wireless power transmission apparatus 100 according to an embodiment of the present invention will be described.

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.Referring to FIG. 5, the power transmission antenna unit 110 includes two antenna sets 111 and 115. Each antenna set 111, 115 includes a feed antenna 112, 116 and a transmitting side resonant coil 114, 118. In this case, the power transmission antenna unit 110 may be composed of two or more antenna sets, for convenience of description in the present specification will be described as an example in which the power transmission antenna unit 110 is composed of two antenna sets (111, 115). Let's do it.

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.The power distribution unit 150 distributes and supplies a power signal to the power feeding antennas 112 and 116. In this case, the magnitude of the power signal distributed to the feed antenna 112 and the feed antenna 116 may be the same or almost the same. For example, the power distributor 150 may extract -3 dB of power from the input power signal toward the feed antenna 116. The power divider 150 may be, for example, a hybrid coupler, a Wilkinson divider, or another coupler that performs an equivalent function.

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).On the other hand, the power distribution unit 150 may be provided with a switching element therein, and transmits all the power signals to one of the feed antennas 112, 116 of the feed antennas 112 and 116 connected to both output terminals through the control of the switching element (single Coil feed mode), and may distribute power signals to two or more feed antennas (multi-coil feed mode).

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.The power distribution unit 150 may include a phase control circuit therein, and may adjust phases of two or more power supply antennas 112 and 116 connected to both output terminals using the phase control circuit. At this time, the phase control circuit may be a known circuit.

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.FIG. 6A illustrates a case where the phases of the antenna set 111 and the antenna set 115 are the same (in phase feeding mode), and FIG. 6B illustrates a case where the phases of the antenna set 111 and the antenna set 115 are different (phase difference). Power supply mode).

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.In the in-phase feed mode, the phase of the power signal radiated through the feed antenna 112 and the phase of the power signal radiated through the feed antenna 115 are the same, whereas in the phase difference feed mode, the feed antenna 112 The phase difference of the power signal radiated through the power signal and the power supply antenna 115 may be 180 °.

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.In this case, the power transmission efficiency in each mode depends on the relative arrangement position (that is, the alignment angle θ) between the reception side resonance coil 214 and the transmission side resonance coils 114 and 118 of the wireless power receiver 200. Will change.

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).Referring to FIG. 7A, when the power transmitting antenna unit 110 includes a single transmitting side resonant coil 114 and the power receiving antenna unit 210 has an arbitrary alignment angle θ, Likewise, as the alignment angle θ increases, the power transmission efficiency of the wireless power receiver 200 decreases (see a single coil feeding mode).

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.On the other hand, in FIG. 7B, the power transmission antenna unit 110 includes two transmission-side resonant coils 114 and 118, and the power receiving antenna unit 210 spaced a predetermined distance d has an arbitrary alignment angle θ. In the case of the in-phase power supply mode, as shown in FIG. 8A, the transmission efficiency of the wireless power receiver 200 decreases as the alignment angle θ of the power receiving antenna unit 210 increases, and thus the phase difference power supply mode. In FIG. 3, the transmission efficiency of the wireless power receiver 200 increases as the alignment angle θ increases.

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.In addition, when the alignment angle of the power receiving antenna 210 is relatively small, higher transmission efficiency may be obtained in the single coil feeding mode than in the in-phase feeding mode. Therefore, when the alignment angle θ of the wireless power receiver 200 is small, it is preferable to control the power distribution unit 150 so that the power transmission antenna unit 110 operates in the single coil feeding mode.

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.On the other hand, when the transmission antenna unit 110 includes two or more transmission-side resonant coils, it is preferable to space the transmission-side resonant coils 114 and 118 by a predetermined distance or more in order to prevent mutual coupling. .

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.
On the other hand, as shown in Fig. 8B, the power transfer efficiency in the in-phase power feeding mode is inverted to the power transfer efficiency in the 180 ° phase difference feeding mode around 60 °. Therefore, the power distribution unit 150 is controlled to convert the power feeding mode from the in-phase power feeding mode to the phase difference feeding mode when the alignment angle θ is approximately 60 °, thereby partially compensating for the reduction in power transmission efficiency according to the alignment angle. can do.

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.
Through such a configuration, the wireless power transmitter of the present invention further includes one or more antenna sets in the transmission antenna unit, thereby transmitting two or more power signals having different phases to the wireless power receiver, thereby receiving wireless power. An effect of partially compensating for a decrease in power transmission efficiency according to the alignment angle at which the device is located is generated.

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.The foregoing description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and various changes and modifications may be made by those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention.

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.Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are intended to illustrate rather than limit the scope of the present invention, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments.

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.The protection scope of the present invention should be interpreted by the following claims, and all technical ideas within the equivalent scope should be interpreted as being included in the scope of the present invention.

Claims

In a wireless power transmission system,
Wireless power transmission device for transmitting power wirelessly;
A wireless power receiver for wirelessly receiving the power;
The power transmitting antenna unit of the wireless power transmitter and the power receiving antenna unit of the wireless power receiver transmit magnetic power by magnetic resonance at the same resonance frequency,
The power transmission antenna unit includes at least two antenna sets consisting of a power supply antenna and a transmission-side resonant coil,
The power receiving antenna unit includes a power receiving antenna and a receiving side resonant coil,
Wireless power transfer system.

The method of claim 1,
The wireless power transmission apparatus further includes a power distribution unit for distributing power to the at least two antenna sets of the transmission antenna unit.
Wireless power transfer system.

3. The method of claim 2,
The power distribution unit adjusts the phase of the power signal transmitted to the at least two antenna sets,
Wireless power transfer system.

The method of claim 3, wherein
Each power signal transmitted to the two or more antenna sets has the same phase or different phases from each other,
Wireless power transfer system.

3. The method of claim 2,
The power distribution unit comprises one of a Wilkins divider or a hybrid coupler.

In the wireless power transmission device,
DC power supply unit which receives external AC power and rectifies with DC power,
A power amplifier for amplifying the DC power and converting the signal into a high frequency power signal;
At least two antenna sets for receiving the high-frequency power signal and transmits to a wireless power receiver,
The antenna set,
A feed antenna for generating a magnetic field using the input high frequency power signal;
A transmission-side resonant coil configured to generate non-radiative electromagnetic waves and transmit them to the wireless power receiver by using a power signal induced magnetically from the feed antenna,
The transmitting-side resonant coil magnetic resonance at the same resonance frequency as the receiving-side resonant coil of the wireless power receiver,
Wireless power transmission device.

The method according to claim 6,
Further comprising a power distribution unit for evenly distributing power to the two or more antenna sets,
Wireless power transmission device.

The method of claim 7, wherein
And the power distribution unit comprises one of a Wilkins divider or a hybrid coupler.

The method of claim 7, wherein
The power distribution unit adjusts the phase of the power signal distributed to the at least two antenna sets,
Wireless power transmission device.

The method of claim 9,
The power distribution unit controls each power signal input to the two or more antenna sets to have the same phase or a different phase,
Wireless power transmission device.

The method of claim 7, wherein
The power distribution unit distributes all the power input to any one antenna set of the two or more antenna sets,
Wireless power transmission device.

The method according to claim 6,
And the at least two antenna sets are spaced apart by an arbitrary distance to avoid mutual coupling.