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KR20140098260A - 무선 전력 자기 공진기에서의 고효율 및 고전력 전송 - Google Patents

무선 전력 자기 공진기에서의 고효율 및 고전력 전송 Download PDF

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KR20140098260A
KR20140098260A KR1020147020446A KR20147020446A KR20140098260A KR 20140098260 A KR20140098260 A KR 20140098260A KR 1020147020446 A KR1020147020446 A KR 1020147020446A KR 20147020446 A KR20147020446 A KR 20147020446A KR 20140098260 A KR20140098260 A KR 20140098260A
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South Korea
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antenna
power
tuning loop
resonant frequency
loop
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KR1020147020446A
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나이젤 피 쿡
루카스 시에베르
한스페터 비드메르
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퀄컴 인코포레이티드
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Abstract

높은 전력 전송 및/또는 커플링의 고효율을 유도하는 레벨에서 무선 전력 송신을 위한 기술.

Description

무선 전력 자기 공진기에서의 고효율 및 고전력 전송{HIGH EFFICIENCY AND POWER TRANSFER IN WIRELESS POWER MAGNETIC RESONATORS}
본 발명은, 2007 년 9 월 17 일 출원되고, 그 전체 내용이 본 명세서에 참조로 통합된 가특허출원 제 60/973,166 호에 대해 우선권을 주장한다.
전자기장을 가이드하는 와이어를 이용하지 않고 소스로부터 수신지까지 전기 에너지를 전송하는 것이 바람직하다. 종래 시도의 어려움은, 전달되는 전력의 부적절한 양과 함께 낮은 효율이었다.
2008 년 1 월 22일 출원되고 발명의 명칭이 "무선 장치 및 방법 (Wireless Apparatus and Methods)" 이며 그 전체 내용이 본 명세서에 참조로 통합된 미국 특허 출원 제 12/018,069 호를 포함하는 (그러나, 이에 한정되지는 않는) 본 출원인의 종래의 출원들 및 가출원들은 전력의 무선 전송을 기술한다.
이 시스템은, 예를 들어, 공진의 5 내지 10 %, 공진의 15 % 또는 공진의 20 % 이내에서 실질적으로 공진하는 바람직하게는 공진 안테나인 송신 및 수신 안테나를 이용할 수 있다. 안테나(들)은, 안테나를 위한 가용 공간이 제한될 수도 있는 모바일 핸드헬드 디바이스에 피팅될 수 있는 작은 사이즈인 것이 바람직하다. 이동하는 전자기파의 형태로 에너지를 자유 공간으로 전송하는 것보다는 송신 안테나의 근거리 (near field) 에 에너지를 저장함으로써 2 개의 안테나 사이에서 효율적인 전력 전송이 수행될 수도 있다. 고품질 팩터를 갖는 안테나가 이용될 수 있다. 2 개의 하이-Q 안테나는, 느슨하게 커플링된 변압기와 유사하게 동작하도록 배치되어, 하나의 안테나가 다른 하나의 안테나에 전력을 유도한다. 안테나는 1000 보다 큰 Q 를 갖는 것이 바람직하다.
본 출원은 고효율 및/또는 고전력으로 커플링된 전자기장을 통해 전력 소스로부터 전력 수신지로 에너지를 전송하는 것을 기술한다. 실시형태들은 동작 및 실제 효율을 기술한다.
이제, 첨부한 도면을 참조하여 이 양태들 및 다른 양태들을 상세히 설명한다.
도 1 은 자기파 기반 무선 전력 전송 시스템의 블록도를 도시한다.
도 2 는 증폭기 커플링 루프 및 안테나를 포함하는 송신기 블록도를 도시한다.
도 3 은 튜닝 엘리먼트에서 커플링 루프, 수신기 및 트렌드를 포함하는 수신기 블록도를 도시한다.
도 4 는 거리에 대한 수신된 전력을 도시한다.
도 5 는 거리에 대한 최대 전송가능 전력을 도시한다.
도 6 은 거리에 대한 전송 효율을 도시한다.
도 7 은 안테나 직경에 대해 정규화된 효율을 도시한다.
도 8 은 안테나 측정 셋업을 도시한다.
기본 실시형태가 도 1 에 도시되어 있다. 전력 송신기 어셈블리 (100) 가, 예를 들어, AC 플러그 (102) 와 같은 소스로부터 전력을 수신한다. 여기서는 공진 안테나인 안테나 (110) 에 에너지를 커플링하기 위해 주파수 발생기 (104) 가 이용된다. 안테나 (110) 는 유도성 루프 (111) 를 포함하며, 유도성 루프는 하이 Q 공진 안테나 부분 (112) 에 유도적으로 커플링된다. 공진 안테나는 N 회의 코일 루프 (113) 를 포함하며, 각각의 루프는 반경 RA 를 갖는다. 여기서는 가변 커패시터로 도시된 커패시터 (114) 가 코일 루프(113) 과 직렬접속되어 공진 루프를 형성한다. 이 실시형태에서, 커패시터는 코일로부터 완전히 분리된 구조지만, 특정한 실시형태에서는, 코일을 형성하는 와이어의 자체 커패시턴스가 커패시터 (114) 를 형성할 수 있다.
주파수 발생기 (104) 는 바람직하게는 안테나 (110) 에 튜닝될 수 있고, 또한, FCC 컴플라이언스를 위해 선택된다.
이 실시형태는 무지향 (multidirectional) 안테나를 이용한다. 115 는 모든 방향에서의 출력으로서의 에너지를 나타낸다. 안테나 (100) 는, 안테나의 출력 대부분이 전자기 방사 에너지가 아니고, 오히려 더 정적인 자기장인 측면에서, 비-방사형이다. 물론, 안테나로부터의 출력의 일부는 실제로 방사될 것이다.
다른 실시형태에서는 방사 안테나를 이용할 수도 있다.
수신기 (150) 는, 송신 안테나 (110) 로부터 거리 D 만큼 떨어져서 배치된 수신 안테나 (155) 를 포함한다. 유사하게, 수신 안테나는, 유도성 커플링 루프 (152) 에 커플링된, 코일 부분과 커패시터를 갖는 하이 Q 공진 코일 안테나 (151) 이다. 커플링 루프 (152) 의 출력은 정류기 (160) 에서 정류되고, 로드 (load) 에 인가된다. 그 로드는, 예를 들어, 전구와 같은 저항성 로드, 또는 전기 기기, 컴퓨터, 충전식 배터리, 뮤직 플레이어 또는 자동차와 같은 전자 디바이스와 같이 임의의 타입의 로드일 수 있다.
본 명세서에서는 실시형태로서 주로 자기장 커플링을 기술하고 있지만, 에너지는 전기장 커플링 또는 자기장 커플링을 통해 전송될 수 있다.
전기장 커플링은, 오픈 커패시터 또는 유전체 디스크인 유도적으로 로딩된 전기 다이폴을 제공한다. 외부 물체는 전기장 커플링에 비교적 강한 영향을 줄수도 있다. 자기장 내의 외부 물체는 "빈 (empty)" 공간과 동일한 자기적 특성을 갖기 때문에, 자기장 커플링이 선호될 수도 있다.
이 실시형태는 용량적으로 로딩된 자기 다이폴을 이용하는 자기장 커플링을 기술한다. 이러한 다이폴을, 안테나를 공진 상태로 전기적으로 로딩하는 커패시터와 직렬로, 코일의 적어도 하나의 루프 또는 권선을 형성하는 와이어 루프로 형성된다.
본 출원인의 이전의 출원들은 공진기로서 이용되는 단일 권선 루프의 이점을 기술하였다. 본 출원은, 2 개의 상이한 단일 권선 루프가 이용되어 무선 전력 송신 시스템에서 현저히 증가된 범위를 생성할 수 있는 방법을 기술한다.
이 실시형태에서, 도 8 에 도시된 테스트 셋업을 이용하여 테스트를 수행하였다. 송신기 (801) 는 45 cm 직경의 6 mm 와이어 루프이다. 수신기는 40 cm × 30 mm 의 구리 루프로 형성된다. 통상적으로, 수신기 안테나는 패키지를 위해 더 작아야함을 유의해야 한다. 더 설명하는 바와 같이, 테스트 결과는 완전히 역관계 (reciprocal) 이므로, 수신된 전력에서의 임의의 차이를 제거한다.
안테나 (802) 는 안테나 (801) 보다 약 20 kHz 낮은 공진 주파수를 갖는다. 수신 안테나(802)의 공진 주파수를 시프트시키기 위해 튜닝 루프 (803) 가 이용되어, 송신 안테나 (801) 의 공진 주파수에 매칭한다. 신호는 커플링 루프 (804) 및 로드 (805) 에 커플링된다.
도 2 는 증폭기 커플링 루프 및 안테나를 포함하는 송신기 블록도를 도시한다.
동작시에, RF 발생기가 이용되어 13.56 MHz 의 연속파 신호를 생성한다. 증폭기 (205) 는 50 dB 증폭을 제공하여 206 에서 25 W 의 최대 전력 출력을 발생시킨다. 테스트를 위해, 아날로그 전력계가 이용된다. 루프 (250) 로 형성된 안테나 (801) 에 근접하여 무선으로 커플링된 커플링 루프 (220) 및 그 루프를 13.56 MHz 에서 공진시키는 커패시터 (252) 에 전력이 공급된다.
도 3 은, 유도성 루프 (350) 및 커패시터 (352) 로 형성된 수신 루프 (102), 튜닝 루프 (803), 및 전력을 수신하는 커플링 루프 (320) 를 포함하는 수신기를 도시한다. 디지털 전력계 (330) 가, 20 dB 감쇠기에 의한 감쇠 후 수신되는 전력량을 테스트한다.
튜닝 루프와 결합된 수신측 공진기 루프는, 낮지만 조정가능한 커플링 팩터를 갖는 1:1 변압기처럼 동작한다. 커플링 팩터는 메인 루프와 튜닝 루프 사이의 거리이다. 튜닝 루프는, 단락 회로를 생성하는 보조 루프로서 고려될 수도 있다. 단락 회로는 커플링 팩터에 따라 공진기의 전체 인덕턴스를 소량 감소시켜, 품질 팩터를 실질적으로 감소시키지 않으면서 공진 주파수를 증가시킨다. 수신 루프 (102) 와 튜닝 루프 (803) 는 캐리지 (333) 에 접속될 수도 있고, 캐리지 (333) 는 2 개의 루프를 서로에 대해 상대적으로 이동시킬 수 있다. 이것은, 낮은 인덕턴스 대 커패시턴스 비를 갖는 공진기가 이용되면, 매우 효과적일 수 있다.
도 4 는 특정한 거리에 대한 수신된 전력을 도시한다. 이 테스트에 따르면, 거리는 1.6 m 에서 4 m 까지 변화된다. 1.6 m 보다 더 근접한 거리는 시스템의 디튜닝을 유발시킬 수 있어서 측정하지 않았다. 따라서, 디튜닝 효과를 회피하기 위해 이 값들은 보간된다. 근거리로부터 원거리로의 전이는 13.56 MHz 에서 약 3½ m 에서 발생한다. 이 거리는 선호되는 배향을 동축에서 동일평면으로 변경시켜, 수신될 수 있는 전력량에 현저한 영향을 준다. 도 4 는, 3.5 m 에서, 이 배향 변화량 때문에 수신된 전력이 0 W 에 접근하는 것을 도시한다.
1.7 m 보다 큰 거리에서, 계산된 거리는 계산된 거리와 근접하게 관련된다.
도 5 는 최대 전송가능 전력을 도시한다. 이 안테나들은 매우 선형이며, 이는, 송신기 전력이 2 배가 되면 수신기 전력 또한 2 배가 될 것임을 의미한다. 충분한 냉각이 존재한다면, 송신 루프는 오직 커패시터의 전압 및 전류 비율에 의해서만 제한된다. 30 mm 구리 루프는, 9 kV 의 피크 및 100 암페어 전달의 제한을 갖는 200 pF 커패시터를 이용한다. 이것은 약 300 W 의 송신 전력을 제공한다.
시스템이 선형이기 때문에, 도 5 는 300 W 의 송신 전력에 대한 데이터 포인트 스케일을 도시한다. 이것은, 기존의 시스템이 1.6 m 의 거리에서 67 W 를 전송할 수 있는 것을 나타낸다. ICNIRP 에 의해 추천되는 최대 방사 노출 제한은 이 레벨에 의해 초과될 것이다. 그러나, 전송 효율은 도 6 에 도시되어 있으며, 2½ m 보다 작은 모든 거리에서 전송 효율은 -15 dB 임을 나타낸다. 도 7 은 이 거리를 안테나에 대해 정규화한다. 또한, MIT 에 의해 수행된 테스트가 도 7 에 도시되어 있다.
그 결과는 다음과 같다. 근거리 경계에 가장 근접한 영역 및 이에 가까운 거리를 제외하고, 안테나는 매우 선형이고, 전력을 단순히 2 배로 하면, 수신된 전력을 2 배로 할 수 있다.
이 시스템은 1.5 m 보다 큰 거리에서 25 W 의 송신 전력 및 25 % 의 전송 효율로 동작할 수 있다. 이 시스템은 공진 주파수 및 Q 팩터에 대해 매우 안정적이다. 또한, 이 시스템은 1.5 m 의 거리에서 70 W 까지 전력을 공급할 수 있다. 또한, 더 작은 거리에 대한 외삽이 가능할 수 있다.
이상 몇몇 실시형태만을 상세히 개시했지만, 다른 실시형태가 가능하고 본 발명자는 그 실시형태들이 본 명세서 내에 포함되는 것으로 의도한다. 본 명세서는, 또 다른 방식으로 달성될 수도 있는 더 많은 일반적 목적을 달성하는 특정한 실시예를 기술한다. 본 개시는 예시적인 것으로 의도되고, 청구항들은 임의의 변형예 또는 치환예를 커버하는 것으로 의도됨은 당업자에게 예측가능할 것이다. 예를 들어, 다른 사이즈, 재료 및 연결관계가 이용가능하다. 안테나의 커플링 부분은 와이어의 단일 루프로 도시되었지만, 이 커플링 부분은 다수의 와이어 루프를 가질 수도 있음을 이해해야 한다. 다른 실시형태들은 본 실시형태들과 유사한 원리를 이용할 수도 있고, 또한 주로 정전기 및/또는 전기역학적 필드 커플링에 동일하게 적용될 수 있다. 일반적으로, 주요 커플링 메커니즘으로서 전기장이 자기장 대신 이용될 수 있다.
또한, 본 발명자는, 용어 "수단" 을 이용하는 청구항들만 35 USC 112, 6 단락 하에서 해석되는 것으로 의도한다. 또한, 청구항에 다른 제한이 명백하게 포함되어 있지 않으면, 본 명세서로부터의 어떠한 제한도 임의의 청구항에 포함되지 않는 것으로 의도된다.
여기서 특정한 수치값이 언급된 경우, 그 값은, 다른 몇몇 범위가 특정하게 언급되지 않는다면, 본 출원의 교시 내에서 20 % 만큼 증가 또는 감소될 수도 있음을 고려해야 한다. 특정한 논리적 측면이 이용되는 경우, 그와 반대되는 논리적 측면 또한 포함되는 것으로 의도된다.

Claims (21)

  1. 로드에 전력을 공급하기 위해, 자기장을 통해, 전력을 수신 안테나로 전송하도록 구성된 송신 안테나; 및
    튜닝 루프로서, 상기 송신 안테나로부터 전기적으로 분리되고 (isolated), 상기 송신 안테나와 상기 튜닝 루프 사이의 커플링 (coupling) 을 조정하도록 상기 송신 안테나에 대해 이동 가능한, 상기 튜닝 루프를 포함하는, 무선 전력 송신 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 튜닝 루프는 상기 수신 안테나에 대해 이동 가능한, 무선 전력 송신 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 튜닝 루프는 상기 송신 안테나에 대한 상기 튜닝 루프의 움직임에 기초하여 상기 커플링을 조정하도록 구성된, 무선 전력 송신 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 송신 안테나는 상기 수신 안테나에 대해 이동 가능한, 무선 전력 송신 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 송신 안테나는 상기 수신 안테나에 대한 상기 송신 안테나의 움직임에 기초하여 상기 커플링을 조정하도록 더 구성된, 무선 전력 송신 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 튜닝 루프는 상기 수신 안테나의 공진 주파수와 상기 송신 안테나의 공진 주파수를 실질적으로 매칭시키도록 구성된, 무선 전력 송신 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 수신 안테나의 공진 주파수는 상기 송신 안테나의 공진 주파수 보다 낮고, 상기 튜닝 루프는 상기 송신 안테나의 공진 주파수와 실질적으로 동일하도록 상기 수신 안테나의 공진 주파수를 증가시키도록 더 구성된, 무선 전력 송신 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 튜닝 루프의 사이즈는 상기 송신 안테나의 사이즈 보다 작은, 무선 전력 송신 시스템.
  9. 전력을 송신하는 방법으로서,
    로드에 전력을 공급하기 위해, 자기장을 통해, 송신 안테나로부터 수신 안테나에 전력을 전송하는 단계로서, 상기 송신 안테나는 튜닝 루프로부터 전기적으로 분리된 (isolated), 상기 수신 안테나에 전력을 전송하는 단계; 및
    상기 송신 안테나와 상기 튜닝 루프 사이의 커플링 (coupling) 을 조정하도록 상기 송신 안테나에 대해 상기 튜닝 루프를 이동시키는 단계를 포함하는, 전력을 송신하는 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 커플링을 더 조정하도록 상기 수신 안테나에 대해 상기 송신 안테나를 이동시키는 단계를 더 포함하는, 전력을 송신하는 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 수신 안테나에 대해 상기 튜닝 루프를 이동시키는 단계를 더 포함하는, 전력을 송신하는 방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 이동은 상시 수신 안테나의 공진 주파수와 상기 송신 안테나의 공진 주파수를 실질적으로 매칭시키도록 구성되는, 전력을 송신하는 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 수신 안테나의 공진 주파수는 상기 송신 안테나의 공진 주파수보다 낮고, 상기 이동은 상기 송신 안테나의 공진 주파수와 실질적으로 동일하도록 상기 수신 안테나의 공진 주파수를 증가시키는 단계를 더 포함하는, 전력을 송신하는 방법.
  14. 로드에 전력을 공급하기 위해, 자기장을 통해, 송신 안테나로부터 전력을 수신하도록 구성된 수신 안테나; 및
    튜닝 루프로서, 상기 수신 안테나로부터 전기적으로 분리되고 (isolated), 상기 수신 안테나와 상기 튜닝 루프 사이의 커플링 (coupling) 을 조정하도록 상기 수신 안테나에 대해 이동가능한, 상기 튜닝 루프를 포함하는, 무선 전력 수신기.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 튜닝 루프는 상기 로드로부터 전기적으로 분리된 (isolated), 무선 전력 수신기.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 튜닝 루프는 상기 수신 안테나와 상기 튜닝 루프 사이의 커플링 팩터 (coupling factor) 에 기초하여 상기 커플링을 조정하도록 더 구성된, 무선 전력 수신기.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 수신 안테나로부터 송신된 전력을 유도적으로 수신하고, 상기 수신된 전력을 상기 로드에 공급하도록 구성된 커플링 루프를 더 포함하는, 무선 전력 수신기.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 커플링 루프의 사이즈는 상기 수신 안테나의 사이즈보다 작은, 무선 전력 수신기.
  19. 제 17 항에 있어서, 상기 커플링 루프의 사이즈는 상기 튜닝 루프의 사이즈와 실질적으로 유사한, 무선 전력 수신기.
  20. 제 14 항에 있어서,
    상기 튜닝 루프는 상기 수신 안테나의 둘레와 적어도 부분적으로 오버랩 (overlap) 되는, 무선 전력 수신기.
  21. 전력 소스에 접속되며, 제 1 주파수에서 신호를 발생시키도록 구성된 신호 발생기;
    상기 신호 발생기에 의해 발생된 신호에 기초하여, 상기 제 1 주파수에서 전자기장을 통해 로드에 전력을 공급하기 위해 전력을 수신 안테나로 전송하도록 구성된 송신 안테나; 및
    상기 로드로부터 전기적으로 분리된 (isolated) 튜닝 루프로서, 상기 튜닝 루프는 상기 수신 안테나의 공진 주파수와 상기 송신 안테나의 공진 주파수가 실질적으로 매칭하도록 상기 수신 안테나에 대해 이동 가능하여 상기 송신 안테나와 상기 수신 안테나 사이의 전력 전달을 향상시키도록 구성된, 상기 튜닝 루프를 포함하는, 무선 전력 송신 시스템.
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