KR101948089B1 - 무선 전력 전송의 부하 변동을 검출하는 방법 및 장치 - Google Patents

무선 전력 전송의 부하 변동을 검출하는 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

무선 전력 전송의 부하의 변동을 검출하는 방법 및 장치가 제공된다. 소스 디바이스의 출력 전력은 공진기를 통해 타겟 디바이스로 무선 전송된다. 소스 디바이스는 출력 전력의 전류의 변화를 감지하고, 감지된 전류의 변화에 기반하여 부하를 검출한다. 소스 디바이스는 검출된 부하의 변동에 따라 무선 전력 전송의 상태를 결정한다.

Description

무선 전력 전송의 부하 변동을 검출하는 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR DETECTING LOAD FLUCTUATION OF WIRELESS POWER TRANSMISSION}
아래의 실시예들은 무선으로 전력을 전송하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
무선 전력 전송의 부하의 변동을 검출하는 방법 및 장치가 개시된다.
무선 전력은, 마그네틱 커플링을 통해 무선 전력 전송 장치로부터 무선 전력 수신 장치로 전달되는 에너지를 의미한다. 따라서, 무선 전력 충전 시스템은, 전력을 무선으로 전송하는 소스 디바이스와 전력을 무선으로 수신하는 타겟 디바이스를 포함한다. 이때, 소스 디바이스는 무선 전력 전송 장치라 칭할 수 있다. 또한, 타겟 디바이스는 무선 전력 수신 장치라 칭할 수 있다.
소스 디바이스는 소스 공진기(source resonator)를 구비하고, 타겟 디바이스는 타겟 공진기(target resonator)를 구비한다. 소스 공진기와 타겟 공진기 사이에 마그네틱 커플링 또는 공진 커플링이 형성될 수 있다.
1 개의 소스 디바이스는 복수 개의 타겟 디바이스들로 전력을 전송할 수 있다.
소스 디바이스의 공진기 영역 내로 동시에 복수 개의 타겟 디바이스들이 접근하는 경우, 또는 복수 개의 타겟 디바이스들이 소스 디바이스의 공진기 영역 내에 존재할 때 상기의 소스 디바이스에 전원을 투입하는 경우, 최초 접속을 위한 과정 중 복수 개의 타겟 디바이스들에 의해 데이터의 충돌이 발생하며, 정상적인 충전 동작이 이루어지지 않을 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 전력 변환부에 흐르는 전류에 기반하여 출력 전력의 전류를 측정하고, 측정된 전류에 기반하여 무선 전력 전송의 타겟 부하의 변동을 검출하는 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 변동된 타겟 부하에 따라 무선 전력 전송의 상태를 결정하는 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 측에 따르면 출력 전력을 결정하는 제어부, 출력 전력을 출력하는 전력 변환부, 상기 출력 전력을 타겟 디바이스로 무선으로 전송하는 공진기 및 상기 출력 전력의 전류를 검출하는 전력 검출기를 포함하고, 상기 제어부는 상기 전력 검출기를 통해 상기 전류의 변화를 감지하고, 상기 전류의 변화에 기반하여 타겟 부하를 검출하고, 상기 타겟 부하는 상기 전력 변환부의 출력 단에 가해지는 부하인, 무선 전력 전송 장치가 제공된다.
상기 무선 전력 전송 장치는, 상기 제어부의 제어에 따라 상기 전력 변환부로 전압을 인가하는 전력 공급기를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는 상기 검출된 타겟 부하에 기반하여 무선 전력 전송의 상태를 결정할 수 있다.
상기 제어부는 상기 검출된 전류가 미리 정의된 값보다 낮아지면 상기 타겟 디바이스의 충전을 종료할 수 있다.
상기 제어부는 상기 검출된 타겟 부하에 기반하여 상기 출력 전력을 조정할 수 있다.
상기 타겟 디바이스는 복수 개일 수 있다. 상기 타겟 부하는 상기 복수 개의 타겟 디바이스들의 부하들의 합일 수 있다.
상기 전류는 상기 타겟 디바이스의 충전 모드가 정 전류 충전 모드에서 정 전압 충전 모드로 변경됨에 따라 변화할 수 있다.
상기 전력 검출기는, 상기 전류가 흐르는 제1 저항기; 및
상기 제1 저항기 제1 단자 및 제2 단자에 걸리는 전압을 상기 제어부로 출력하는 비교기
를 포함하고,
상기 제어부는 상기 제1 저항기의 저항 값 및 상기 전압에 기반하여 상기 타겟 부하를 검출할 수 있다.
상기 전력 검출기는, 상기 제1 저항기의 상기 제1 단자 및 상기 비교기의 + 단자에 연결된 제2 저항기 및 상기 제1 저항기의 상기 제2 단자, 상기 비교기의 - 단자 및 상기 전력 변환부의 입력 단에 연결된 제3 저항기를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 측에 따르면, 출력 전력을 타겟 디바이스로 무선으로 전송하는 단계, 상기 출력 전력의 전류를 검출함으로써 출력 전력의 전류의 변화를 감지하는 단계 및 상기 전류의 변화에 기반하여 타겟 부하를 검출하는 단계 - 상기 타겟 부하는 상기 출력 전력의 출력 단에 가해지는 부하임 - 를 포함하는 무선 전력 전송의 부하 검출 방법이 제공된다.
상기 무선 전력 전송의 부하 검출 방법은, 상기 검출된 부하에 기반하여 무선 전력 전송의 상태를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 무선 전력 전송의 상태를 결정하는 단계는, 상기 검출된 전류가 미리 정의된 값보다 낮아지면 상기 타겟 디바이스의 충전을 종료하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 무선 전력 전송의 상태를 결정하는 단계는, 상기 검출된 타겟 부하에 기반하여 상기 출력 전력을 조정하는 단계를 포함할 수 있다.
전력 변환부에 흐르는 전류에 기반하여 출력 전력의 전류를 측정하고, 측정된 전류에 기반하여 무선 전력 전송의 타겟 부하의 변동을 검출하는 장치 및 방법이 제공된다.
변동된 타겟 부하에 따라 무선 전력 전송의 상태를 결정하는 장치 및 방법이 제공된다.
도 1은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 및 충전 시스템을 나타낸다.
도 2는 일 실시예에 따른 공진기 및 피더에서 자기장의 분포를 나타낸다.
도 3은 일 실시예에 따른 공진기 및 피더의 구성을 나타낸 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 피딩부의 피딩에 따른 공진기의 내부에서 자기장의 분포를 나타낸 도면이다.
도 5는 일 예에 따른 멀티-타겟 디바이스 통신 환경을 나타낸다.
도 6은 일 예에 따른 무선 전력 전송 및 충전 시스템의 모드를 설명한다.
도 7은 일 실시예에 따른 소스 디바이스의 구조도이다.
도 8은 일 실시예에 따른 타겟 디바이스의 구조도이다.
도 9는 일 예에 따른 타겟 부하의 변동을 예시한다.
도 10은 일 예에 따른 타겟 디바이스(520) 및 전력 검출기(730)의 구성을 나타낸다.
도 11은 일 예에 따른 배터리 부하 변화를 설명한다.
도 12는 일 예에 따른 충전 전류의 변동을 설명한다.
도 13은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송을 위한 부하를 검출 하고, 무선 전력 전송의 상태를 결정하는 방법의 흐름도이다.
도 14는 일 실시예에 따른 전기 자동차(electric vehicle) 충전 시스템을 나타낸다.
도 15 및 도 16은 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치 및 무선 전력 전송 장치가 탑재될 수 있는 어플리케이션들을 나타낸다.
도 17은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치 무선 전력 수신 장치의 구성 예를 나타낸다.
이하에서, 본 발명의 일 실시예를, 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 및 충전 시스템을 나타낸다.
도 1을 참조하면, 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 및 충전 시스템은 소스 디바이스(110) 및 타겟 디바이스(120)를 포함한다.
타겟 디바이스(120)는 휴대용 단말, 노트북, 텔레비전, 각종 전자기, 보청기기 및 전기자동차(Electric vehicle)중 어느 하나 일 수 도 있다. 즉, 타겟 디바이스(120)는 휴대용 단말, 노트북, 텔레비전, 각종 전자기, 보청기기 및 전기자동차(Electric vehicle)중 어느 하나에 탑재될 수 있다.
소스 디바이스(110)는 AC/DC 컨버터(111), 전력 검출기(Power Detector)(113), 전력 변환부(114), 제어 및 통신부(115) 및 소스 공진기(116)을 포함할 수 있다.
타겟 디바이스(120)는 타겟 공진기(121), 정류부(122), DC/DC 컨버터(123), 스위치부(124), 충전부(125) 및 제어 및 통신부(126)를 포함할 수 있다.
AC/DC 컨버터(111)는 전력 공급기(Power Supply)(112)로부터 출력되는 수십 Hz 대역의 AC 전압을 정류하여 DC 전압을 생성한다. AC/DC 컨버터(111)는 일정한 레벨의 DC 전압을 출력하거나, 제어 및 통신부(115)의 제어에 따라 DC 전압의 출력 레벨을 조정할 수 있다.
전력 검출기(113)는 AC/DC 컨버터(111)의 출력 전류 및 전압을 검출하고, 검출된 전류 및 전압에 대한 정보를 제어 및 통신부(115)로 전달한다. 또한, 전력 검출기(113)는 전력 변환부(114)의 입력 전류 및 전압을 검출할 수 도 있다.
전력 변환부(114)는 수 KHz ~ 수십 MHz 대역의 스위칭 펄스 신호에 의하여 일정한 레벨의 DC 전압를 AC 전압으로 변환함으로써 전력을 생성할 수 있다. 즉, 전력 변환부(114)는 기준 공진 주파수 FRef를 이용하여 전력 증폭부에 공급되는 직류 전압을 교류 전압으로 변환함으로써, 복수의 타겟 디바이스들에서 사용되는 통신용 전력 또는 충전용 전력을 생성할 수 있다. 여기서, 통신용 전력은 0.1~1mWatt의 작은 전력을 의미할 수 있고, 충전용 전력은 타겟 디바이스의 디바이스 로드에서 소비되는 1mWatt~200Watt의 큰 전력을 의미할 수 있다. 본 명세서에 있어서, "충전"이라는 용어는 전력을 충전하는 유닛(unit) 또는 요소(element)에 전력을 공급하는 의미로 사용될 수 있다. 또한, "충전"이라는 용어는 전력을 소비하는 유닛(unit) 또는 요소(element)에 전력을 공급하는 의미로도 사용될 수 있다. 여기서, 유닛 또는 요소는 예를 들어 배터리, 디스플레이, 음성 출력 회로, 메인 프로세서, 각종 센서들을 포함한다.
한편, 본 명세서에서 "기준 공진 주파수"는 소스 디바이스(110)가 기본적으로 사용하는 공진 주파수의 의미로 사용될 수 있다. 또한, "트래킹 주파수"는 기 설정된 방식에 따라 조정된 공진 주파수의 의미로 사용될 수 있다.
제어 및 통신부(115)는 "통신용 전력" 또는 "충전용 전력"에 대한 반사파를 검출하고, 검출된 반사파에 기초하여 상기 타겟 공진기(121)와 상기 소스 공진기(116) 사이의 미스매칭(mismatching)을 검출한다. 제어 및 통신부(115)는 반사파의 엔벨롭(envelop)을 검출함으로써 미스 매칭을 검출할 수 있으며, 반사파의 전력량을 검출함으로써 미스 매칭을 검출할 수 있다. 제어 및 통신부(115)는 소스 공진기(116) 또는 전력 변환부(114)의 출력 전압의 레벨 및 상기 반사파의 전압 레벨에 기초하여 전압정재파비(VSWR, Voltage standing wave ratio)를 계산할 수 있고, 상기 전압정재파비가 기 설정된 값보다 작으면 상기 미스매칭이 검출된 것으로 결정할 수 있다. 또한, 제어 및 통신부(115)는 상기 전압정재파비가 기 설정된 값보다 작으면 기 설정된 N개의 트래킹 주파수 각각에 대한 전력 전송 효율을 계산할 수 있고, 상기 N개의 트래킹주파수 중 전력 전송 효율이 가장 좋은 트래킹 주파수 FBest를 결정할 수 있고, 상기 FRef를 상기 FBest로 조정할 수 있다.
또한, 제어 및 통신부(115)는 스위칭 펄스 신호의 주파수를 조정할 수 있다. 제어 및 통신부(115)의 제어에 의하여 스위칭 펄스 신호의 주파수가 결정될 수 있다. 제어 및 통신부(115)는 전력 변환부(114)를 제어함으로써, 타겟 디바이스(120)에 전송하기 위한 변조 신호를 생성할 수 있다. 즉, 제어 및 통신부(115)는 인-밴드 통신"을 통해 상기 타겟 디바이스에 다양한 메시지를 전송할 수 있다. 또한, 제어 및 통신부(115)는 반사파를 검출할 수 있고, 반사파의 포락선을 통해 타겟 디바이스로부터 수신되는 신호를 복조할 수 있다.
제어 및 통신부(115)는 다양한 방법을 통해, 인-밴드 통신을 수행하기 위한 변조 신호를 생성할 수 있다. 제어 및 통신부(115)는 스위칭 펄스 신호를 온/오프 함으로써, 변조신호를 생성할 수 있다. 또한, 제어 및 통신부(115)는 델타-시그마 변조를 수행하여, 변조신호를 생성할 수 있다. 제어 및 통신부(115)는 일정한 포락선을 가지는 펄스폭 변조신호를 생성할 수 있다.
한편, 제어 및 통신부(115)는 통신 채널을 이용하는 아웃-밴드 통신을 수행할 수 도 있다. 제어 및 통신부(115)는 지그비(Zigbee) 및 블루투스(Bluetooth) 등의 통신 모듈을 포함할 수 있다. 제어 및 통신부(115)는 아웃-밴드 통신을 통해 타겟 디바이스(120)와 데이터를 송수신 할 수 있다.
소스 공진기(116)는 전자기(electromagnetic) 에너지를 타겟 공진기(121)로 전달(transferring)한다. 즉, 소스 공진기(116)는 타겟 공진기(121)와의 마그네틱 커플링을 통해 "통신용 전력" 또는 "충전용 전력"을 타겟 디바이스(120)로 전달할 수 있다.
타겟 공진기(121)는 소스 공진기(116)로부터 전자기(electromagnetic) 에너지를 수신한다. 즉, 타겟 공진기(121)는 소스 공진기(116)와의 마그네틱 커플링을 통해 소스 디바이스(110)로부터 "통신용 전력" 또는 "충전용 전력"을 수신할 수 있다. 또한, 타겟 공진기(121)는 인-밴드 통신을 통해 상기 소스 디바이스로부터 다양한 메시지를 수신할 수 있다.
정류부(122)는 교류 전압을 정류함으로써, DC 전압을 생성한다. 즉, 정류부(122)는 타겟 공진기(121)에 수신된 교류 전압을 정류할 수 있다.
DC/DC 컨버터(123)는 정류부(122)에서 출력되는 DC 전압의 레벨을 충전부(125)의 용량에 맞게 조정한다. 예를 들어, DC/DC 컨버터(123)는 정류부(122)에서 출력되는 DC 전압의 레벨을 3~10Volt로 조정할 수 있다.
스위치부(124)는 제어 및 통신부(126)의 제어에 따라 온/오프 된다. 스위치부(124)가 오프되는 경우, 소스 디바이스(110)의 제어 및 통신부(115)는 반사파를 검출하게 된다. 즉, 스위치부(124)가 오프되는 경우, 소스 공진기(116) 및 타겟 공진기(121) 간의 마그네틱 커플링이 제거 될 수 있다.
충전부(125)는 배터리를 포함할 수 있다. 충전부(125)는 DC/DC 컨버터(123)로부터 출력되는 DC 전압을 이용하여 배터리를 충전할 수 있다.
제어 및 통신부(126)는 공진 주파수를 이용하여 데이터를 송수신하는 인-밴드 통신을 수행할 수 있다. 이때, 제어 및 통신부(126)는 타겟 공진기(121)과 정류부(122) 사이의 신호를 검출하여 수신 신호를 복조하거나, 정류부(122)의 출력 신호를 검출하여 수신 신호를 복조할 수 있다. 즉, 제어 및 통신부(126)는 인-밴드 통신을 통해 수신된 메시지를 복조할 수 있다. 또한, 제어 및 통신부는 타겟 공진기(121)의 임피던스를 조정함으로써, 소스 디바이스(110)에 전송하는 신호를 변조할 수 있다. 또한, 제어 및 통신부는 스위치부(124)의 온/오프를 통해 소스 디바이스(110)에 전송하는 신호를 변조할 수 도 있다. 간단한 예로, 제어 및 통신부(126)는 타겟 공진기(121)의 임피던스를 증가 시킴으로써, 소스 디바이스(110)의 제어 및 통신부(115)에서 반사파가 검출되도록 할 수 있다. 반사파의 발생 여부에 따라, 소스 디바이스(110)의 제어 및 통신부(115)는 이진수 "0" 또는 "1"을 검출할 수 있다.
제어 및 통신부(126)는 "해당 타겟 디바이스의 제품의 종류", "해당 타겟 디바이스의 제조사 정보", "해당 타겟 디바이스의 모델명", "해당 타겟 디바이스의 Battery type", "해당 타겟 디바이스의 충전 방식", "해당 타겟 디바이스의 Load의 임피던스 값", "해당 타겟 디바이스의 Target 공진기의 특성에 대한 정보", "해당 타겟 디바이스의 사용 주파수 대역에 대한 정보", "해당 타겟 디바이스의 소요되는 전력량", "해당 타겟 디바이스의 고유의 식별자", 또는 "해당 타겟 디바이스의 제품의 버전 또는 규격 정보"를 포함하는 응답 메시지를 상기 무선 전력 전송 장치로 전송할 수 있다.
한편, 제어 및 통신부(126)는 통신 채널을 이용하는 아웃-밴드 통신을 수행할 수 도 있다. 제어 및 통신부(126)는 Zigbee, Bluetooth 등의 통신 모듈을 포함할 수 있다. 제어 및 통신부(126)는 아웃-밴드 통신을 통해 소스 디바이스(110)와 데이터를 송수신 할 수 있다.
제어 및 통신부(126)는 무선 전력 전송 장치로부터 웨이크-업 요청 메시지를 수신하고, 상기 타겟 공진기에 수신되는 전력의 양을 검출하고, 상기 타겟 공진기에 수신되는 전력의 양에 대한 정보를 무선 전력 전송 장치로 전송할 수 있다. 이때, 타겟 공진기에 수신되는 전력의 양에 대한 정보는, "상기 정류부(122)의 입력 전압 값 및 전류 값", "상기 정류부(122)의 출력 전압 값 및 전류 값" 또는 "DC/DC(123) 출력 전압 값 및 전류 값"를 포함할 수 있다..
도 1에서, 제어 및 통신부(115)는 소스 공진기(116)의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth)을 설정할 수 있다. 소스 공진기(116)의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth)의 설정에 따라서, 소스 공진기(116)의 Q-factor(QS)가 결정될 수 있다.
또한, 제어 및 통신부(126)는 타겟 공진기(121)의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth)을 설정할 수 있다. 타겟 공진기(121)의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth)의 설정에 따라서, 타겟 공진기(121)의 Q-factor가 결정될 수 있다. 이때, 소스 공진기(116)의 공진 대역폭은 타겟 공진기(121)의 공진 대역폭 보다 넓거나 좁게 설정될 수 있다. 통신을 통해, 소스 디바이스(110)와 타겟 디바이스(120)는 소스 공진기(116) 및 타겟 공진기(121) 각각의 공진 대역폭에 대한 정보를 공유할 수 있다. 타겟 디바이스(120)로부터 기준값 보다 높은 전력(High Power)이 요구되는 경우, 소스 공진기(116)의 큐-펙터 QS는 100 보다 큰 값으로 설정될 수 있다. 또한, 타겟 장치(120)로부터 기준 값 보다 낮은 전력(Low Power)이 요구되는 경우, 소스 공진기(116)의 큐-펙터 QS는 100보다 작은 값으로 설정될 수 있다.
공진 방식의 무선 전력 전송에서, 공진 대역폭은 중요한 팩터(factor)이다. 소스 공진기(116)와 타겟 공진기(121) 사이의 거리 변화, 공진 임피던스의 변화, 임피던스 미스 매칭, 반사 신호 등을 모두 고려한 Q-factor를 Qt라 할 때, Qt는 수학식 1과 같이 공진 대역폭과 반비례 관계를 갖는다.
Figure 112012043830915-pat00001
수학식 1에서, f0는 중심주파수,
Figure 112012043830915-pat00002
는 대역폭,
Figure 112012043830915-pat00003
는 공진기 사이의 반사 손실, BWS는 소스 공진기(116)의 공진 대역폭, BWD는 타겟 공진기(121)의 공진 대역폭을 나타낸다.
한편, 무선 전력 전송에 있어서, 무선 전력 전송의 효율 U는 수학식 2와 같이 정의될 수 있다.
Figure 112012043830915-pat00004
여기서, K는 소스 공진기(115)와 타겟 공진기(121) 사이의 에너지 커플링에 대한 결합 계수,
Figure 112012043830915-pat00005
는 소스 공진기(115)에서의 반사계수,
Figure 112012043830915-pat00006
는 타겟 공진기(121)에서의 반사계수,
Figure 112012043830915-pat00007
는 공진 주파수, M은 소스 공진기(116)와 타겟 공진기(121) 사이의 상호 인덕턴스, RS는 소스 공진기(116)의 임피던스, RD는 타겟 공진기(121)의 임피던스, QS는 소스 공진기(116)의 Q-factor, QD는 타겟 공진기(121)의 Q-factor, QK는 소스 공진기(116)와 타겟 공진기(121) 사이의 에너지 커플링에 대한 Q-factor이다.
상기 수학식 2를 참조하면, Q-factor는 무선 전력 전송의 효율과 관련이 높다.
따라서, 무선 전력 전송의 효율을 높이기 위하여 Q-factor는 높은 값으로 설정된다. 이때, QS 와 QD가 각각 지나치게 높은 값으로 설정된 경우, 에너지 커플링에 대한 결합 계수 K의 변화, 소스 공진기(116)와 타겟 공진기(121) 사이의 거리 변화, 공진 임피던스의 변화, 임피던스 미스 매칭 등에 의하여 무선 전력 전송의 효율이 감소하는 현상이 발생할 수 있다.
또한, 무선 전력 전송의 효율을 높이기 위해, 소스 공진기(116)와 타겟 공진기(121) 각각의 공진 대역폭을 지나치게 좁게(narrow) 설정하면, 외부의 작은 영향에도 임피던스 미스매칭 등이 쉽게 발생할 수 있다. 임피던스 미스 매칭을 고려하면, 수학식 1은 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112012043830915-pat00008
소스 공진기(115)와 타겟 공진기(121) 간의 공진 대역폭 또는 임피던스 매칭 주파수의 대역폭을 불평형(unbalance) 관계로 유지하는 경우, 결합 계수 K의 변화, 소스 공진기(116)와 타겟 공진기(121) 사이의 거리 변화, 공진 임피던스의 변화, 임피던스 미스 매칭 등에 의하여 무선 전력 전송의 효율이 감소하는 현상이 감소할 수 있다. 수학식 1 및 수학식 3에 따르면, 소스 공진기(116)와 타겟 공진기(121) 간의 공진 대역폭 또는 임피던스 매칭 주파수의 대역폭을 불평형(unbalance) 관계로 유지하면, 소스 공진기(116)의 큐-펙터와 타겟 공진기(121)의 큐-펙터는 서로 불평형(unbalance) 관계가 유지된다.
도 2 내지 도 4에서 "공진기"는 소스 공진기 및 타겟 공진기를 포함한다.
도 2는 일 실시예에 따른 공진기 및 피더에서 자기장의 분포를 나타낸다.
별도의 피더를 통해 공진기가 전력을 공급받는 경우에는 피더에서 자기장이 발생하고, 공진기에서도 자기장이 발생한다.
도 2의 (a)를 참조하면, 피더(210)에서 입력 전류가 흐름에 따라 자기장(230)이 발생한다. 피더(210) 내부에서의 자기장의 방향(231)과 외부에서의 자기장의 방향(233)은 서로 반대 위상을 가진다. 피더(210)에서 발생하는 자기장(230)에 의해 공진기(220)에서 유도 전류가 발생한다. 이때 유도 전류의 방향은 입력 전류의 방향과 반대이다.
유도 전류에 의해 공진기(220)에서 자기장(240)이 발생한다. 자기장의 방향은 공진기(220)의 내부에서는 동일한 방향을 가진다. 따라서, 공진기(220)에 의해 피더(210)의 내부에서 발생하는 자기장의 방향(241)과 피더(210)의 외부에서 발생하는 자기장의 방향(243)은 동일한 위상을 가진다.
결과적으로 피더(210)에 의해서 발생하는 자기장과 공진기(220)에서 발생하는 자기장을 합성하면, 피더(210)의 내부에서는 자기장의 세기가 약화되고, 피더(210)의 외부에서는 자기장의 세기가 강화된다. 따라서, 도 2과 같은 구조의 피더(210)를 통해 공진기(220)에 전력을 공급하는 경우에, 공진기(220) 중심에서 자기장의 세기가 약하고, 외곽에서 자기장의 세기가 강하다. 공진기(220) 상에서 자기장의 분포가 균일(uniform)하지 않은 경우, 입력 임피던스가 수시로 변화하므로 임피던스 매칭을 수행하는 것이 어렵다. 또한, 자기장의 세기가 강한 부분에서는 무선 전력 전송이 잘되고, 자기장의 세기가 약한 부분에서는 무선 전력 전송이 잘 되지 않으므로, 평균적으로 전력 전송 효율이 감소한다.
도 3은 일 실시예에 따른 공진기 및 피더의 구성을 나타낸 도면이다.
도 3의 (a)를 참조하면, 공진기(310)는 캐패시터(311)를 포함할 수 있다. 피딩부(320)는 캐패시터(311)의 양단에 전기적으로 연결될 수 있다.
(b)는 (a)의 구조를 좀 더 구체적으로 표시한 도면이다. 이때, 공진기(310)는 제1 전송선로, 제1 도체(341), 제2 도체(342), 적어도 하나의 제1 캐패시터(350)를 포함할 수 있다.
제1 캐패시터(350)는 제1 전송 선로에서 제1 신호 도체 부분(331)과 제2 신호 도체 부분(332) 사이에 위치에 직렬로 삽입되며, 그에 따라 전계(electric field)는 제1 캐패시터(350)에 갇히게 된다. 일반적으로, 전송 선로는 상부에 적어도 하나의 도체, 하부에 적어도 하나의 도체를 포함하며, 상부에 있는 도체를 통해서는 전류가 흐르며, 하부에 있는 도체는 전기적으로 그라운드 된다(grounded). 본 명세서에서는 제1 전송 선로의 상부에 있는 도체를 제1 신호 도체 부분(331)과 제2 신호 도체 부분(332)로 나누어 부르고, 제1 전송 선로의 하부에 있는 도체를 제1 그라운드 도체 부분(333)으로 부르기로 한다.
(b)에 도시된 바와 같이, 공진기는 2 차원 구조의 형태를 가질 수 있다. 제1 전송 선로는 상부에 제1 신호 도체 부분(331) 및 제2 신호 도체 부분(332)을 포함하고, 하부에 제1 그라운드 도체 부분(333)을 포함한다. 제1 신호 도체 부분(331) 및 제2 신호 도체 부분(332)과 제1 그라운드 도체 부분(333)은 서로 마주보게 배치된다. 전류는 제1 신호 도체 부분(331) 및 제2 신호 도체 부분(332)을 통하여 흐른다.
또한, (b)에 도시된 바와 같이 제1 신호 도체 부분(331)의 한쪽 단은 제1 도체(341)와 접지(short)되고, 다른 쪽 단은 제1 캐패시터(350)와 연결된다. 그리고, 제2 신호 도체 부분(332)의 한쪽 단은 제2 도체(342)와 접지되며, 다른 쪽 단은 제1 캐패시터(350)와 연결된다. 결국, 제1 신호 도체 부분(331), 제2 신호 도체 부분(332) 및 제1 그라운드 도체 부분(333), 도체들(341, 342)은 서로 연결됨으로써, 공진기는 전기적으로 닫혀 있는 루프 구조를 갖는다. 여기서, '루프 구조'는 원형 구조, 사각형과 같은 다각형의 구조 등을 모두 포함하며, '루프 구조를 갖는다'고 함은 전기적으로 닫혀 있다는 것을 의미한다.
제1 캐패시터(350)는 전송 선로의 중단부에 삽입된다. 보다 구체적으로, 제1 캐패시터(350)는 제1 신호 도체 부분(331) 및 제2 신호 도체 부분(332) 사이에 삽입된다. 이 때, 제1 캐패시터(350)는 집중 소자(lumped element) 및 분산 소자(distributed element) 등의 형태를 가질 수 있다. 특히, 분산 소자의 형태를 갖는 분산된 캐패시터는 지그재그 형태의 도체 라인들과 그 도체 라인들 사이에 존재하는 높은 유전율을 갖는 유전체를 포함할 수 있다.
제1 캐패시터(350)가 전송 선로에 삽입됨에 따라 소스 공진기는 메타물질(metamaterial)의 특성을 가질 수 있다. 여기서, 메타물질이란 자연에서 발견될 수 없는 특별한 전기적 성질을 갖는 물질로서, 인공적으로 설계된 구조를 갖는다. 자연계에 존재하는 모든 물질들의 전자기 특성은 고유의 유전율 또는 투자율을 가지며, 대부분의 물질들은 양의 유전율 및 양의 투자율을 갖는다.
대부분의 물질들에서 전계, 자계 및 포인팅 벡터에는 오른손 법칙이 적용되므로, 이러한 물질들을 RHM(Right Handed Material)이라고 한다. 그러나, 메타물질은 자연계에 존재하지 않는 유전율 또는 투자율을 가진 물질로서, 유전율 또는 투자율의 부호에 따라 ENG(epsilon negative) 물질, MNG(mu negative) 물질, DNG(double negative) 물질, NRI(negative refractive index) 물질, LH(left-handed) 물질 등으로 분류된다.
이 때, 집중 소자로서 삽입된 제1 캐패시터(350)의 캐패시턴스가 적절히 정해지는 경우, 소스 공진기는 메타물질의 특성을 가질 수 있다. 특히, 제1 캐패시터(350)의 캐패시턴스를 적절히 조절함으로써, 소스 공진기는 음의 투자율을 가질 수 있으므로, 소스 공진기는 MNG 공진기로 불려질 수 있다. 제1 캐패시터(350)의 캐패시턴스를 정하는 전제(criterion)들은 다양할 수 있다. 소스 공진기가 메타물질(metamaterial)의 특성을 가질 수 있도록 하는 전제(criterion), 소스 공진기가 대상 주파수에서 음의 투자율을 갖도록 하는 전제 또는 소스 공진기가 대상 주파수에서 영번째 공진(Zeroth-Order Resonance) 특성을 갖도록 하는 전제 등이 있을 수 있고, 상술한 전제들 중 적어도 하나의 전제 아래에서 제1 캐패시터(350)의 캐패시턴스가 정해질 수 있다.
MNG 공진기는 전파 상수(propagation constant)가 0일 때의 주파수를 공진 주파수로 갖는 영번째 공진(Zeroth-Order Resonance) 특성을 가질 수 있다. MNG 공진기는 영번째 공진 특성을 가질 수 있으므로, 공진 주파수는 MNG 공진기의 물리적인 사이즈에 대해 독립적일 수 있다. 즉, 아래에서 다시 설명하겠지만, MNG 공진기에서 공진 주파수를 변경하기 위해서는 제1 캐패시터(350)를 적절히 설계하는 것으로 충분하므로, MNG 공진기의 물리적인 사이즈를 변경하지 않을 수 있다.
또한, 근접장(near field)에서 전계는 전송 선로에 삽입된 제1 캐패시터(350)에 집중되므로, 제1 캐패시터(350)로 인하여 근접 필드에서는 자기장(magnetic field)이 도미넌트(dominant)해진다. 그리고, MNG 공진기는 집중 소자의 제1 캐패시터(350)를 이용하여 높은 큐-팩터(Q-Factor)를 가질 수 있으므로, 전력 전송의 효율을 향상시킬 수 있다. 참고로, 큐-팩터는 무선 전력 전송에 있어서 저항 손실(ohmic loss)의 정도 또는 저항(resistance)에 대한 리액턴스의 비를 나타내는데, 큐-팩터가 클수록 무선 전력 전송의 효율이 큰 것으로 이해될 수 있다.
또한, (b)에 도시되지 아니하였으나, MNG 공진기를 관통하는 마그네틱 코어가 더 포함될 수 있다. 이러한 마그네틱 코어는 전력 전송 거리를 증가시키는 기능을 수행할 수 있다.
(b)를 참조하면, 피딩부(320)는 제2 전송선로, 제3 도체(371), 제4 도체(372), 제5 도체(381) 및 제6 도체(382)를 포함할 수 있다.
제2 전송 선로는 상부에 제3 신호 도체 부분(361) 및 제4 신호 도체 부분(362)을 포함하고, 하부에 제2 그라운드 도체 부분(363)을 포함한다. 제3 신호 도체 부분(361) 및 제4 신호 도체 부분(362)과 제2 그라운드 도체 부분(363)은 서로 마주보게 배치된다. 전류는 제3 신호 도체 부분(361) 및 제4 신호 도체 부분(362)을 통하여 흐른다.
또한, (b)에 도시된 바와 같이 제3 신호 도체 부분(361)의 한쪽 단은 제3 도체(371)와 접지(short)되고, 다른 쪽 단은 제5 도체(381)와 연결된다. 그리고, 제4 신호 도체 부분(362)의 한쪽 단은 제4 도체(372)와 접지되며, 다른 쪽 단은 제6 도체 (382)와 연결된다. 제5 도체(381)는 제1 신호 도체 부분(331)과 연결되고, 제6 도체 (382)는 제2 신호 도체 부분(332)과 연결된다. 제5 도체(381)와 제6 도체(382)는 제1 캐패시터(350)의 양단에 병렬로 연결된다. 이때, 제5 도체(381) 및 제6 도체(382)는 RF 신호를 입력받는 입력 포트로 사용될 수 있다.
결국, 제3 신호 도체 부분(361), 제4 신호 도체 부분(362) 및 제2 그라운드 도체 부분(363), 제3 도체(371), 제4 도체(372), 제5 도체(381), 제6 도체(382) 및 공진기(310)는 서로 연결됨으로써, 공진기(310) 및 피딩부(320)는 전기적으로 닫혀 있는 루프 구조를 갖는다. 여기서, '루프 구조'는 원형 구조, 사각형과 같은 다각형의 구조 등을 모두 포함한다. 제5 도체(381) 또는 제6 도체(382)를 통하여 RF 신호가 입력되면, 입력 전류는 피딩부(320) 및 공진기(310)에 흐르게 되고, 입력 전류에 의해 발생하는 자기장에 의하여, 공진기(310)에 유도 전류가 유도 된다. 피딩부(320)에서 흐르는 입력 전류의 방향과 공진기(310)에서 흐르는 유도 전류의 방향이 동일하게 형성됨으로써, 공진기(310)의 중앙에서는 자기장의 세기가 강화되고, 공진기(310)의 외곽에서는 자기장의 세기가 약화된다.
공진기(310)와 피딩부(320) 사이 영역의 면적에 의해 입력 임피던스가 결정될 수 있으므로, 전력 증폭기의 출력 임피던스와 상기 입력 임피던스의 매칭을 수행하기 위해 별도의 매칭 네트워크는 필요하지 않다. 매칭 네트워크가 사용되는 경우에도, 피딩부(320)의 크기를 조절함으로써, 입력 임피던스를 결정할 수 있기 때문에, 매칭 네트워크의 구조는 단순해질 수 있다. 단순한 매칭 네트워크 구조는 매칭 네트워크의 매칭 손실을 최소화한다.
제2 전송 선로, 제3 도체(371), 제4 도체(372), 제5 도체(381), 제6 도체(382) 는 공진기(310)와 동일한 구조를 형성할 수 있다. 즉, 공진기(310)가 루프 구조인 경우에는 피딩부(320)도 루프 구조일 수 있다. 또한, 공진기(310)가 원형 구조인 경우에는 피딩부(320)도 원형 구조일 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 피딩부의 피딩에 따른 공진기의 내부에서 자기장의 분포를 나타낸 도면이다.
무선 전력 전송에서 피딩은, 소스 공진기에 전력을 공급하는 것을 의미한다. 또한, 무선 전력 전송에서 피딩은, 정류부에 AC 전력을 공급하는 것을 의미할 수 있다. (a)는 피딩부에서 흐르는 입력 전류의 방향 및 소스 공진기에서 유도되는 유도 전류의 방향을 나타낸다. 또한, (a)는 피딩부의 입력 전류에 의해 발생하는 자기장의 방향 및 소스 공진기의 유도 전류에 의해 발생하는 자기장의 방향을 나타낸다. (a)는 도 4의 공진기(410) 및 피딩부(420)를 좀 더 간략하게 표현한 도면이다. (b)는 피딩부와 공진기의 등가회로를 나타낸다.
(a)를 참조하면, 피딩부의 제5 도체 또는 제6 도체는 입력 포트(410)로 사용될 수 있다. 입력 포트(410)는 RF 신호를 입력 받는다. RF 신호는 전력 증폭기로부터 출력될 수 있다. 전력 증폭기는 타겟 디바이스의 필요에 따라 RF 신호의 진폭을 증감시킬 수 있다. 입력 포트(410)에서 입력된 RF 신호는 피딩부에 흐르는 입력 전류의 형태로 표시될 수 있다. 피딩부를 흐르는 입력 전류는 피딩부의 전송선로를 따라 시계방향으로 흐른다. 그런데, 피딩부의 제5 도체는 공진기와 전기적으로 연결된다. 좀 더 구체적으로, 제5 도체는 공진기의 제1 신호 도체 부분과 연결된다. 따라서 입력 전류는 피딩부 뿐만 아니라 공진기에도 흐르게 된다. 공진기에서 입력 전류는 반시계 방향으로 흐른다. 공진기에 흐르는 입력 전류에 의하여 자기장이 발생하고, 상기 자기장에 의해 공진기에 유도 전류가 생성된다. 유도 전류는 공진기에서 시계방향으로 흐른다. 이때 유도 전류는 공진기의 캐패시터에 에너지를 전달할 수 있다. 또한, 유도 전류에 의해 자기장이 발생한다. (a)에서 피딩부 및 공진기에 흐르는 입력 전류는 실선으로 표시되고, 공진기에 흐르는 유도 전류는 점선으로 표시되었다.
전류에 의해 발생하는 자기장의 방향은 오른나사의 법칙을 통해 알 수 있다. 피딩부 내부에서, 피딩부에 흐르는 입력 전류에 의해 발생한 자기장의 방향(421)과 공진기에 흐르는 유도 전류에 의해 발생한 자기장의 방향(423)은 서로 동일하다. 따라서, 피딩부 내부에서 자기장의 세기가 강화된다.
또한, 피딩부와 공진기 사이의 영역에서, 피딩부에 흐르는 입력 전류에 의해 발생한 자기장의 방향(433)과 소스 공진기에 흐르는 유도 전류에 의해 발생한 자기장의 방향(431)은 서로 반대 위상이다. 따라서, 피딩부와 공진기 사이의 영역에서, 자기장의 세기는 약화된다.
루프 형태의 공진기에서는 일반적으로 공진기의 중심에서는 자기장의 세기가 약하고, 공진기의 외곽부분에서는 자기장의 세기가 강하다. 그런데 (a)를 참조하면, 피딩부가 공진기의 캐패시터 양단에 전기적으로 연결됨으로써 공진기의 유도 전류의 방향과 피딩부의 입력 전류의 방향이 동일해 진다. 공진기의 유도 전류의 방향과 피딩부의 입력 전류의 방향이 동일하기 때문에, 피딩부의 내부에서는 자기장의 세기가 강화되고, 피딩부의 외부에서는 자기장의 세기가 약화된다. 결과적으로 루프 형태의 공진기의 중심에서는 피딩부로 인하여 자기장의 세기가 강화되고, 공진기의 외곽부분에서는 자기장의 세기가 약화될 수 있다. 그러므로 공진기 내부에서는 전체적으로 자기장의 세기가 균일해질 수 있다.
한편, 소스 공진기에서 타겟 공진기로 전달되는 전력 전송의 효율은 소스 공진기에서 발생하는 자기장의 세기에 비례하므로, 소스 공진기의 중심에서 자기장의 세기가 강화됨에 따라 전력 전송 효율도 증가할 수 있다.
(b)를 참조하면, 피딩부(440) 및 공진기(450)는 등가회로로 표현될 수 있다. 피딩부(440)에서 공진기 측을 바라볼 때 보이는 입력 임피던스 Zin은 다음의 수학식 4와 같이 계산될 수 있다.
Figure 112012043830915-pat00009
여기서, M은 피딩부(440)와 공진기(450) 사이의 상호 인덕턴스를 의미하고, ω는 피딩부(440)와 공진기(450) 간의 공진 주파수를 의미하고, Z는 공진기(450)에서 타겟 디바이스 측을 바라볼 때 보이는 임피던스를 의미한다. Zin은 상호 인덕턴스 M에 비례한다. 따라서, 피딩부(440) 및 공진기(450) 간의 상호 인덕턴스를 조절함으로써 Zin을 제어할 수 있다. 상호 인덕턴스 M은 피딩부(440)와 공진기(450) 사이 영역의 면적에 따라 조절될 수 있다. 피딩부(440)의 크기에 따라 피딩부(440)와 공진기(450) 사이 영역의 면적이 조절될 수 있다. Zin은 피딩부(440)의 크기에 따라 결정될 수 있으므로, 전력 증폭기의 출력 임피던스와 임피던스 매칭을 수행하기 위해 별도의 매칭 네트워크가 필요하지 않다.
무선 전력 수신 장치에 포함된 타겟 공진기 및 피딩부도 위와 같은 자기장의 분포를 가질 수 있다. 타겟 공진기는 소스 공진기로부터 마그네틱 커플링을 통하여 무선 전력을 수신한다. 이때 수신되는 무선 전력을 통하여 타겟 공진기에서는 유도 전류가 생성될 수 있다. 타겟 공진기에서 유도 전류에 의해 발생한 자기장은 피딩부에 다시 유도 전류를 생성할 수 있다. 이때, (a)의 구조와 같이 타겟 공진기와 피딩부가 연결되면, 타겟 공진기에서 흐르는 전류의 방향과 피딩부에서 흐르는 전류의 방향은 동일해진다. 따라서, 피딩부의 내부에서는 자기장의 세기가 강화되고, 피딩부와 타겟 공진기 사이의 영역에서는 자기장의 세기가 약화될 수 있다.
도 5는 일 예에 따른 멀티-타겟 디바이스 통신 환경을 나타낸다.
무선 전력 전송 및 충전 시스템(500)은 1 개의 소스 디바이스(510) 및 하나 이상의 타겟 디바이스(520)들을 포함할 수 있다.
1 개의 소스 디바이스(510)는 복수 개의 타겟 디바이스(520)들로 전력을 전송할 수 있다.
소스 디바이스(510)는 도 1을 참조하여 전술된 소스 디바이스(110)일 수 있다. 타겟 디바이스(520)는 도 1을 참조하여 전술된 타겟 디바이스(120)일 수 있다.
소스 디바이스(510)는 반-충돌 데이터 커맨드(anti-collision data command) 및 전력을 출력할 수 있다.
타겟 디바이스(520)들은 배터리를 구비할 수 있다.
소스 디바이스(510)의 공진기 영역 내로 동시에 복수 개의 타겟 디바이스(520)들이 접근하는 경우, 또는 복수 개의 타겟 디바이스(520)들이 소스 디바이스(510)의 공진기 영역 내에 존재할 때 상기의 소스 디바이스(510)에 전원을 투입하는 경우, 최초 접속을 위한 과정 중 복수 개의 타겟 디바이스(520)들에 의해 데이터의 충돌이 발생할 수 있다. 상기의 충돌로 인해 정상적인 충전 동작이 이루어지지 않을 수 있다.
도 6은 일 예에 따른 무선 전력 전송 및 충전 시스템의 모드를 설명한다.
무선 전력 전송 및 충전 시스템(500)은, 소프트웨어적인 측면에서, 3 가지 형태의 모드를 가질 수 있다. 3 가지 형태의 모드들은 대기 모드, 접속 모드 및 전송(충전) 제어 모드일 수 있다.
(1) 대기 모드는, 소스 디바이스(510)의 전력 전송 거리 이내에 타겟 디바이스(520)가 존재하지 않는 상태를 의미한다.
(2) 접속 모드는, 소스 디바이스(510)가 1) 소스 디바이스(510) 및 타겟 디바이스(520) 간의 최초 접속을 통해 타겟 디바이스(520)의 종류, 사용 전력 량 및 일련 번호 등의 정보를 확인하고, 2) 상기의 타겟 디바이스(520)가 정상적인 전송(충전) 제어모드로 갈 수 있도록 처리하는 모드이다. 최초 접속은 소스 디바이스(510)의 전력 전송 거리 내에 타겟 디바이스(520)가 존재하게 될 때 발생할 수 있다.
접속 모드에 있어서, 복수 개의 타겟 디바이스(520)들이 동시에 하나의 소스 디바이스(510)에게 접속을 요청할 수 있다. 하기의 실시예에서, 복수 개의 타겟 디바이스(520)들이 동시에 소스 디바이스(510)에게 접속을 요청할 경우, 항상 소스 다바이스(510) 및 타겟 디바이스(520)간의 1:1 통신이 수행되도록 처리하는 방법이 상세히 기술된다.
(3) 전송(충전) 모드는, 소스 디바이스(510)가 접속 모드에서 타겟 디바이스(520)에게 할당한 슬롯을 통해, 소스 디바이스(510) 및 타겟 디바이스(520)가 통신하는 상태를 의미한다.
소스 디바이스(510)의 측면에서, 무선 전력 전송 및 충전 시스템(500)의 전체적인 동작이 구분될 수 있다. 단일한 타겟 디바이스(520)에 대해서는, 대기 모드 - 접속 모드 - 전송(충전) 모드 - 대기 모드가 반복된다. 하기의 실시예에 따른 1(소스 디바이스(510)) : N(타겟 디바이스(520))의 무선 전력 전송 및 충전 시스템에서는, 복합적이고 반복적인 동작이 발생할 수 있다. 예컨대, 복수 개의 타겟 디바이스(520)들 중, 일부의 타겟 디바이스(520)들은 충전 모드인 상태에서, 다른 일부의 타겟 디바이스(520)들은 이미 충전을 완료하였을 수 있고, 새로운 타겟 디바이스(520)는 접속을 시도할 수 있다.
도 7은 일 실시예에 따른 소스 디바이스의 구조도이다.
소스 디바이스(510)는 제어 및 통신부(710), 전력 공급기(720), 전력 검출기(730), 오실레이터(740), PA(750), 매칭 제어부(755) 및 소스 공진기(또는, TX 공진기)(760)를 포함할 수 있다.
제어 및 통신부(710)는 제어 및 통신부(115)일 수 있다. 전력 공급기(720)는 전력 공급기(112) 및 AC/DC 컨버터(111)일 수 있다. 전력 검출기(730)는 전력 검출기(113)일 수 있다. PA(750)는 전력 변환부(114)일 수 있다. 소스 공진기(760)는 소스 공진기(116)일 수 있다.
제어 및 통신부(710)는 공급 전력 제어부(712)를 포함할 수 있다. 또는, 소스 디바이스(510)가 공급 전력 제어부(712)를 더 포함할 수 있다. 소스 디바이스(510)는 매칭 제어부(755)를 포함할 수 있다.
오실레이터(760)는 수 Khz 내지 수십 Mhz의 대역의 주파수를 갖는 신호를 발생시킬 수 있다. 상기의 신호는 도 1을 참조하여 전술된 스위칭 펄스 신호일 수 있다. 오실레이터(760)에 의해 발생된 신호는 PA(750)로 인가될 수 있다. 오실레이터(760)는 주파수를 신호의 주파수 및 매칭 스키매틱(matching schematic)을 변경할 수 있다. 제어 및 통신부(710)는 오셀레이터(760)을 제어하여 오실레이터(760)가 발생하는 신호의 주파수 및 매칭 스키매틱을 변경시킬 수 있다.
전력 공급기(720)는 스위칭 모드 파워 서플라이(Switching Mode Power Supply)일 수 있다. 공급 전력 제어부(712)는 전력 공급부(720)을 제어할 수 있다. 공급 전력 제어부(712)는 전력 공급기(720)를 제어함으로써 공급 전력을 PA(750)로 인가할 수 있다. 전력 공급기(720)가 PA(750)로 인가하는 전력을 PA 공급 전력으로 명명한다. 공급 전력 제어부(712)는 전력 공급기(720)를 제어하여 전력 공급기(720)가 PA(750)로 인가하는 전압을 조절할 수 있다. 전력 공급기(720)가 PA(750)로 인가하는 전압을 PA 공급 전압으로 명명한다. 전력 공급기(720)가 PA 공급 전압을 조절함에 따라, PA(750)에 공급되는 전류가 조절될 수 있다.
PA(750)는 가변 스위칭 증폭기(variable switching amplifier)일 수 있다. PA(750)는 E-클래스(class)의 스위칭 증폭기로 설계될 수 있다. PA(750)의 출력 전력은 오실레이터(760)로부터 인가된 신호의 주파수 및 전력 공급부(720)로부터 인가된 공급 전력에 의해 결정될 수 있다. PA(750)가 출력하는 전력을 PA 전력으로 명명한다. 또한, PA 전류는 공급 전력 제어부(712)가 전력 공급기(720)를 제어함에 따라 PA(750)에 공급되는 전류이다. PA 전압은 PA 전력의 전압이다.
소스 공진기(760)는 PA 전력을 전자기(electromagnetic) 에너지로서 타겟 디바이스(520)로 전송한다.
매칭 제어부(755)는 매칭 회로(matching circuit)일 수 있다. 매칭 제어부(755)는 매칭 임피던스 및 매칭 주파수를 변경할 수 있다. 제어 및 통신부(710)는 매칭 제어부(755)를 제어하여 매칭 임피던스 및 매칭 주파수를 변경시킬 수 있다.전력 검출기(730)는 전력 공급기(720)가 출력하는 공급 전력의 전류 및 전압을 검출할 수 있고, 검출된 전류 및 전압에 대한 정보를 제어 및 통신부(710)로 전송할 수 있다. 전력 검출기(730)는 PA 전력(또는, PA 전류) 및 PA 전압을 검출할 수 있고, 검출된 PA 전력(또는, PA 전류 및 PA 출력 전압)에 대한 정보를 제어 및 통신부(710)로 전송할 수 있다. 전력 검출기(730)는 타겟 디바이스(520)의 부하의 변화 및 모드의 변화를 검출함으로써 타겟 디바이스(520)로의 전력 공급을 모니터링하고, 타겟 디바이스(520)의 부하 변조를 복조하기 위해 사용될 수 있다..
도 8은 일 실시예에 따른 타겟 디바이스의 구조도이다.
타겟 디바이스(520)는 타겟 공진기(810), 매칭 제어부(815), 정류부(820), 변복조부(830), DC/DC 컨버터(840), 전력 검출기(860), 제어 및 통신부(870), 스위치부(880) 및 부하(890)를 포함할 수 있다.
타겟 공진기(810)는 타겟 공진기(121)일 수 있다. 정류부(820)는 정류부(122)일 수 있다. DC/DC 컨버터(840)는 DC/DC 컨버터(123)일 수 있다. 제어 및 통신부(870)는 제어 및 통신부(126)일 수 있다. 스위치부(880)는 스위치부(124)일 수 있다. 부하(890)는 충전부(125)일 수 있다.
타겟 공진기(810)는 소스 디바이스(510)의 소스 공진기(760)로부터 출력된 전자기 에너지를 수신할 수 있다. 즉, 타겟 공진기(810)는 소스 공진기(760)와의 마그네틱 커플링을 통해 소스 디바이스(510)로부터 전력을 수신한다. 상기의 수신된 전력은 "통신용 전류" 또는 "충전용 전력"으로 사용될 수 있다. 또한, 타겟 공진기(810)는 인-밴드 통신을 통해 소스 디바이스(510)로부터 다양한 메시지를 수신할 수 있다.
매칭 제어부(815)는 타겟 공진기(810) 및 정류부(820) 간의 임피던스를 매칭시킬 수 있다. 매칭 제어부(815)는 매칭 회로일 수 있다. 매칭 제어부(815)는 매칭 임피던스 및 매칭 주파수를 변경할 수 있다. 제어 및 통신부(870)는 매칭 제어부(815)를 제어하여 매칭 임피던스 및 매칭 주파수를 변경시킬 수 있다.
정류부(820)는 타겟 공진기(810)로부터 출력되는 교류 전압을 정류함으로써 DC 전압을 생성할 수 있다. 즉, 정류부(820)는 타겟 공진기(810)를 통해 수신된 교류 전압을 정류할 수 있다.
DC/DC 컨버터(840)는 정류부(820)에서 출력되는 DC 전압의 레벨을 부하(890)의 용량에 맞게 조정할 수 있다. 예컨대, DC/DC 컨버터(840)는 정류부에서 출력되는 DC 전압의 레벨을 3~10V로 조정할 수 있다.
전력 검출기(860)는 DC/DC 컨버터(840)의 출력 전력 및 출력 전압을 검출할 수 있다. 전력 검출기(860)는 검출한 DC/DC 컨버터(840)의 출력 전력 및 출력 전압을 제어 및 통신부(870)로 전달할 수 있다.
스위치부(880)는 제어 및 통신부(870)의 제어에 따라 ON/OFF될 수 있다. 예컨대, 타겟 디바이스(520)(또는, 부하(890))가 완충될 때, 스위치부(880)는 OFF될 수 있다. 스위치부(880)가 OFF될 때, 소스 디바이스(510)의 제어 및 통신부(710)는 타겟 디바이스(520)가 수신하는 전력을 검출할 수 있다. 이하, 타겟 디바이스(520)가 수신하는 전력을 수신 전력으로 명명한다. 즉, 스위치부(880)가 OFF될 때, 소스 공진기(760) 및 타겟 공진기(810) 간의 마그네틱 커플링(coupling)이 제거될 수 있다.
부하(890)는 배터리를 포함할 수 있다. 부하(890)는 충전부(125)를 포함할 수 있다. 부하(890)는 DC/DC 컨버터(840)로부터 출력되는 DC 전압을 이용하여 충전될 수 있다.
제어 및 통신부(870)는 공진 주파수를 이용하여 소스 디바이스(510)와의 인-밴드 통신을 할 수 있다. 제어 및 통신부(870)는 인-밴드 통신을 위해 변복조부(830)를 사용할 수 있다. 제어 및 통신부(870)는 변복조부(830)를 포함할 수 있으며, 변복조부(830)의 기능은 제어 및 통신부(870)에 의해 수행될 수 있다.
변복조부(830)는 타겟 공진기(810) 및 정류부(820) 간의 신호 또는 정류부(820)의 출력 신호를 검출하여 타겟 디바이스(520)가 수신한 신호를 복조할 수 있다. 즉, 변복조부(830)는 인-밴드 통신을 통해 타겟 디바이스(520)가 수신한 신호를 복조할 수 있다. 또한, 변복조부(830)는 타겟 공진기(810)의 임피던스를 조정함으로써 소스 디바이스(510)로 전송되는 신호를 변조할 수 있다. 변복조부(830)는 스위치부(880)의 ON/OFF를 통해 소스 디바이스(510)로 전송되는 신호를 변조할 수 있다.
도 9는 일 예에 따른 타겟 부하의 변동을 예시한다.
하기에서, 무선으로 전송되는 전력의 제어에 대한 타입들을 설명한다.
무선 전송 전력 제어에는, 1) 초기 전력 제어, 2) 타겟 부하 변화에 대한 전력 제어 및 3) CC 모드로부터 CV 모드로의 변화에 대한 전력 제어 등이 있다.
1) 초기 전력 제어는 소스 디바이스(510) 및 타겟 디바이스(520)가 접속을 시작할 때 무선 송신 전력을 제어 및 전송하는 것일 수 있다.
무선 전력 전송 시스템에 있어서, 업체 또는 제품 별로 소스 공진기(760) 및 타겟 공진기(810)간의 효율 차이가 발생할 수 있다. 따라서, 소스 공진기(760) 및 타겟 공진기(810) 간의 효율 차이를 고려하는 초기 전력 제어가 수행되고, 초기 전력 제어에 따른 전력이 전송되어야, 타겟 디바이스(520)의 필요 전력이 적절히 전송될 수 있다.
2) 또한, 충전 중 타겟 디바이스(520)의 개수의 변경 또는 타겟 디바이스(520)의 배터리 충전 모드의 변화(예컨대, 정 전류(Constant Current; CC) 모드에서 정 전압(Constant Voltage; CV) 모드로) 등이 발생할 경우, 타겟 부하가 변경된다.
타겟 부하란 PA(750)의 출력 단에서 바라보는 부하를 의미할 수 있다. 즉, 타겟 부하란 PA(750)의 출력 단에 가하지는 부하를 의미할 수 있다.
타겟 부하의 변화는, 1) 소스 디바이스(510)를 통해 충전되고 있는 타겟 디바이스(520)의 개수가 변경되는 것 또는 2) 타겟 디바이스(520)의 배터리 충전 모드가 변화하는 것(예컨대, CC 모드에서 CV 모드로) 등의 이유로 타겟 부하가 변하는 것을 의미할 수 있다.
타겟 부하가 변경될 경우, 타겟 로드 변화에 대한 전력 제어에 의해 변경된 부하에 맞는 전력이 전송되어야 한다. 타겟 부하의 변화에 대한 전력 제어란, 변하는 부하에 맞게 전력을 제어 및 전송하는 것을 의미할 수 있다.
PA(750)에서 타겟 디바이스(520)의 부하(890) 변화를 검출하기 위해 사용되는 중요한 5 개의 원리들을 하기에서 설명한다.
1) PA(750)의 전류(즉, PA 전류)를 검출한다.
2) 검출된 PA 전류의 변화로 타겟 부하의 변화를 감지한다.
3) 충전 중 PA 전류가 높아지게 되면, 부하가 추가된 것이다.
충전 상태는, 소스 디바이스(510)가 타겟 디바이스(520)를 인식하고, 타겟 디바이스(520)에게 필요 전력을 공급하는 상태이다. 제어 및 통신부(710)(또는, 공급 전력 제어부(712))는 전력 공급기(720)를 제어하여, 전력 공급기(720)가 PA(750)에게 제어된 PA 공급 전력을 제공하게 한다. 제어 및 통신부(710)는 통신을 통하여 공급된 전류 및 충전 상태를 확인할 수 있다. 전력 검출기(730)는 PA 전류의 변화를 검출한다. 제어 및 통신부(710)는 PA 전류가 기준 전류 값보다 증가하면, 부하(890)가 추가된 것으로 판단할 수 있다. 제어 및 통신부(710)는 추가된 부하(890)를 인식하고, PA 전력을 제어한다.
4) 충전 중 PA 전류가 낮아지면, 부하가 낮아진 것이다.
소스 디바이스(510)가 충전 상태일 때, 전력 검출기(730)가 검출한 PA 전류가 충전 중일 때의 전류 값 이하로 낮아지면, 제어 및 통신부(710)는 타겟 부하가 변한 것으로 판단할 수 있고, 타겟 디바이스(520)의 상태를 확인하여 PA 공급 전력을 제어할 수 있다.
5) 충전의 시작 단계일 때 또는 충전 중일 때, PA 전류가 기준 전류 이하이면 타겟 디바이스(520)가 없는 것이다.
타겟 디바이스(520)가 없는 상태에서는, 소스 공진기(790) 만이 PA(750)의 부하로서 보이게 된다. 즉, 제어 및 통신부(710)는 부하가 없을 경우의 PA 전류를 기준으로, PA(750)의 출력(예컨대, PA 전류)에 따라서 타겟 디바이스(520)의 존재 유무를 판단할 수 있다.
하기에서, 소스 디바이스(510)가 전력을 제어하고 부하를 검출하기 위한 조건을 설명한다.
부하(910)의 변화에 따라 타겟 디바이스(520)에게 필요한 전력을 공급하기 위해, PA(760)는 타겟 부하에 맞는 전력을 출력해야 한다. PA(760)가 타겟 부하에 맞는 전력을 출력하기 위해서는 하기의 2 개의 조건들이 충족되어야 한다.
1) 임피던스 매칭 조건 : 소스 단 임피던스는 부하 임피던스에 대한 매칭 조건을 충족시켜야 한다. 여기서, 소스 단 임피던스는 1) 소스 공진기(760)를 포함한 소스 디바이스(510) 및 2) 타겟 공진기(810)의 임피던스를 의미한다.
상기의 매칭이 충족되는지 여부는 반사 계수(reflection coefficient) 값을 통해 확인될 수 있다. 반사 계수는 하기의 수학식 5에 따라 계산될 수 있다.
Figure 112012043830915-pat00010
여기서,
Figure 112012043830915-pat00011
는 반사 계수이다. Vi는 입사 파(incident wave)이다. Vr은 반사 파(reflected wave)이다. Zo는 소스 임피던스이다. ZL은 부하 임피던스이다.
2) 소스 디바이스(510) 및 타겟 디바이스(520) 간의 공진 주파수 조건 : 소스 공진기(760) 및 타겟 공진기(810)의 공진 주파수는 동일해야 한다.
하기에서, 타겟 부하를 검출하는 원리를 설명한다.
제어 및 통신부(710)는 전력 공급기(720)가 공급하는 PA 공급 전력을 검출함으로써 타겟 디바이스(520)의 부하(890)의 변화를 검출할 수 있다. 소스 공진기(790) 및 타겟 공진기(810) 간의 임피던스가 매칭되었을 경우, PA(750)의 출력 단에서 바라본 부하(890)는 하나 이상의 타겟 디바이스(520)들의 부하(890)들의 합으로 나타낼 수 있다. 예컨대, 도 9에서, 제1 타겟 디바이스(910)의 부하(890)가 3W이고, 제2 타겟 디바이스(920)의 부하(890)가 3W이면, 소스 디바이스(510)의 PA(750)의 출력 단에서 바라본 총 타겟 부하는 6W가 된다.
하기의 수학식 6에서 나타난 것처럼, PA(750)의 출력 전력(즉, PA 전력)은 출력 부하의 변화에 의해 결정될 수 있다.
Figure 112012043830915-pat00012
여기서, Pwr은 출력 전력을 나타낸다. R은 출력 부하(즉, 타겟 부하)를 나타낸다.
R이 작아지면 Pwr이 증가하고, R이 커지면 Pwr이 감소한다. 이러한 이론을 근거로, 무선 충전에 있어서 부하의 변화가 감지될 수 있다. PA(750)의 PA 전류 변화에 의해 타겟 로드의 변화를 감지하는 것은, PA 전력의 제어 및 타겟 디바이스(520)와의 통신을 수행할지 여부를 결정하게 하는 중요한 파라미터가 될 수 있다.
도 10은 일 예에 따른 타겟 디바이스(520) 및 전력 검출기(730)의 구성을 나타낸다.
도 10에서, 전력 검출기(730)의 구성을 통해 PA 전류를 검출하는 구체적인 구성이 개시된다.
전력 검출기(730)는 PA 전류를 검출하여, 검출된 PA 전류를 제어 및 통신부(710)로 전송할 수 있다.
AC/DC 전원(1010)은 전력 공급기(720)를 나타낼 수 있다..
제어 및 통신부(710)는 AC/DC 전원(1010)으로부터 동작에 필요한 전원 Vcc를 제공받을 수 있다. 제어 및 통신부(710)는 AC/DC 전원(1010)을 제어하여 AC/DC 전원(1010)이 전력 공급기(720)로 출력하는 PA 공급 전력을 조절할 수 있다. 제어 및 통신부(710)는 오셀레이터(760)을 제어하여 오실레이터(760)가 발생하는 신호의 주파수 및 매칭 스키매틱을 변경시킬 수 있다.
전력 검출기(730)는 비교기(1020) 및 제1 저항기(1060)를 포함할 수 있다. 전력 검출기(730)는 제2 저항기(1030), 제3 저항기(1040) 및 전류 검출기(1050)를 더 포함할 수 있다.
재1 저항기(1060)의 제1 단자, AC/DC 전원(1010)의 출력, 비교기(1020)의 + 단자는 서로 연결될 수 있다. 제1 저항기(1600)의 제2 단자, PA(750)의 입력, 비교기(1020)의 - 단자는 서로 연결될 수 있다.
제1 저항기(1060)로 PA 전류가 흐른다.
비교기(1020)는 양 단들(+ 단자 및 - 단자)에 걸리는 전압을 제어 및 통신부(710)로 출력한다. 비교기(1020)의 양 단들에 걸리는 전압은 제1 저항기(1060)의 양 단들에 걸리는 전압이다. 제어 및 통신부(710)는 제1 저항기의 크기를 알 수 있다. 따라서, 제어 및 통신부(710)는 제1 저항기(1060)의 저항 값 및 비교기(1020)의 양 단들에 걸리는 전압을 통해 제1 저항기(1060)를 흐르는 전류 Is(즉, PA 전류)를 계산할 수 있다. 또한, 제어 및 통신부(710)는 계산된 PA 전류에 기반하여 타겟 부하를 검출할 수 있다.
제2 저항기(1030)는 제1 저항기(1060)의 제1 단자 및 비교기(1020)의 + 단자를 연결할 수 있다. 제3 저항기(1040)는 제1 저항기(1060)의 제2 단자 및 비교기(1020)의 - 단자를 연결할 수 있다. 제2 저항기(1030) 및 제3 저항기(1040)는 비교기(1020)는 양 단들에 걸리는 전압을 조절할 수 있다.
도 11은 일 예에 따른 배터리 부하 변화를 설명한다.
그래프(1100)의 x 축은 시각을 나타낸다. y 축은 전류/전압을 나타낸다.
그래프(1100)에서, 실선은 전압/셀을 나타낸다. 점선은 충전 전류를 나타낸다.
충전 이전에, 제어 및 통신부(870)는 배터리(즉, 부하(890))의 전압 또는 온도)를 확인할 수 있다.
배터리의 충전은 3 개의 단계들로 구분될 수 있다.
단계 1(1110)은 정 전류(constant current; CC) 충전 단계이다. CC 충전 단계에서, 충전 전압 셀 전압 한도(limit)에 도달할 때까지 최대 충전 전류가 배터리에 인가된다.
CC 충전 단계에서는, 배터리 용량의 0.5~0.7C 정도의 충전 전류가 인가된다. 여기서 C는 정전 용량(capacitance)을 나타낸다. 예컨대, 배터리의 용량이 1000mAh이면, 500mA~700mA 정도의 충전 전류가 충전을 위해 배터리에 인가된다. 충전 전압은 4.15V~4.2V까지 점진적으로 증가한다.
CC 충전은 3V 이하의 충전 전압이 가해지는 예비 충전 및 3V 이상의 충전 전압이 가해지는 급속 충전으로 구분될 수 있다.
단계 2(1120)는 정 전압(constant voltage: CV) 충전 단계이다. 충전 전압이 최대 셀 전압에 도달하면, 완전 충전에 가까워지면서 충전 전하는 강하하기 시작한다. CV 충전 단계에서, 충전 전압은 4.15V~4.2V 사이의 정 전압을 유지한다.
충전 전압은 하기의 수학식 7에 따라 계산될 수 있다.
Figure 112012043830915-pat00013
여기서, 저항은 배터리 내부 저항 및 회로 저항의 합이다.
수학식 7에서 나타난 것과 같이, 저항이 크면 정 전압 충전 시간이 길어진다.
충전 전류가 정격 전류(rated current)의 3% 보다 낮아지는 지점(1040)에서, CV 충전은 종료한다.
배터리 내의 충전 양이 증가함에 따라 충전 전류가 기준 값(예컨대, 정격 전류의 3%) 이하가 되면, 제어 및 통신부(870)는 전력 검출기(730)를 통해 낮아진 PA 전류를 검출할 수 있고, 충전을 종료할 수 있다.
단계 3(1130)은 토핑(topping) 충전 단계이다. 500 시간 당 1회 정도의 간헐적인 토핑(topping) 전하가 배터리에 인가된다.
도 12는 일 예에 따른 충전 전류의 변동을 설명한다.
그래프(1200)의 x 축은 시각을 나타낸다. y 축은 충전 전류의 값을 나타낸다.
시간이 경과함에 따른 충전 전류(1210)의 값이 도시되었다.
부하(890)는 CC 모드로 일정 시간(예컨대, 50분) 충전된다. 이 때, 충전 전류를 CC 모드 참조 전류로 명명한다. 즉, CC 모드 참조 전류는 부하(890)의 충전 모드기 CC 모드일 때의 충전 전류(1210)의 값이다. 충전 전압은 약 4.2V까지 점차적으로 증가한다.
이후, 충전 전류(1210)는 점차적으로 감소하여 20~30mA에 근접하게 된다. 타겟 디바이스(520)의 충전 모드가 변화하면서, 충전 전류(1210)는 특정한 값을 가질 수 있다. 충전 전류(1210)가 20~30mA에 근접하는 시점이 충전 종지로 판단될 수 있다. 충전 전류(1210)는 일정 시간(예컨대, 3 시간) 동안 감소할 수 있으며, 부하(890)는 통상적으로 0.5~1.0C로 충전될 수 있다.
CV 모드 참조 전류는 부하(890)의 충전 모드가 CC 모드에서 CV 모드로 변경되는 것으로 간주될 때의 충전 전류(1210)의 값이다. 타겟 디바이스 완충 참조 전류(1210)는 타겟 디바이스(520)가 완충된 것으로 간주되었을 때의 충전 전류(1210)의 값이다. 타겟 디바이스 제거 참조 전류(520)는 타겟 디바이스(520)가 제거된 것으로 간주되었을 때의 충전 전류(1210)의 값이다.
도 13은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송을 위한 부하를 검출 하고, 무선 전력 전송의 상태를 결정하는 방법의 흐름도이다.
단계(1310)에서, 제어 및 통신부(710)는 PA 전력을 결정한다. 제어 및 통신부(710)는 전력 공급기(720)를 제어함으로써 PA(750)로 인가되는 공급 전압을 조절할 수 있다. 전력 공급기(720)는 제어 및 통신부(710)의 제어에 따라 PA(750)로 공급 전압을 인가한다. PA(750)는 결정된 PA 전력을 출력한다. 소스 공진기(790)는 PA 전력을 타겟 디바이스(520)로 무선으로 전송한다.
타겟 디바이스(520)는 복수 개일 수 있다. 이때, 타겟 부하는 복수 개의 타겟 디바이스(520)들의 부하(890)들의 합일 수 있다.
단계(1320)에서, 제어 및 통신부(710)는 PA 전류를 검출함으로써 PA 전류의 변화를 감지한다. 전력 검출기(730)는 PA 전력의 전류(즉, PA 전류)를 검출한다. 제어 및 통신부(710)는 전력 검출기(730)를 통해 PA 전류의 변화를 감지할 수 있다. 예컨대, PA 전류는 타겟 디바이스(520)가 CC 충전 모드에서 CV 충전 모드로 변경됨에 따라 변화할 수 있다.
단계(1330)에서, 제어 및 통신부(710)는 PA 전류의 변화에 기반하여 타겟 부하를 검출한다.
단계(1340)에서, 제어 및 통신부(710)는 검출된 타겟 부하에 기반하여 무선 전력 전송의 상태를 결정한다. 예컨대, 제어 및 통신부(710)는 검출된 전류가 미리 정의된 값보다 낮아지면, 타겟 디바이스(520)의 충전을 종료할 수 있다. 또한, 제어 및 통신부(710)는 검출된 타겟 부하에 기반하여 PA 전력을 조정할 수 있다.
하기의 표 1은, 단계(1320)에서 감지된 PA 전류의 변화 및 단계(1340)의 무선 전력 전송의 상태 간의 관계를 도시한다.
PA 전류 변화 무선 전력 전송 상태
PA 전류가 일정 시간 이내에서 변화함. 타겟 디바이스(520)의 위치 변화, 충전 패드의 위치 변화 또는 외부에서의 영향이 발생.
PA 전류가 일정 시간 이상 발생함. 타겟 디바이스(520)의 충전 실패 또는 기타 문제가 발생.
소스 디바이스(510)가 단일 타겟 디바이스(520) 충전 모드(또는, CC 충전 모드)일 때, PA 전류가 감소함. 충전 중인 타겟 디바이스(520)가 제거되거나, 타겟 디바이스(520)가 CC 모드에서 CV 모드로 변화.
소스 디바이스(510)가 다중 디바이스(520)들 충전 모드일 때, PA 전류가 일정한 레벨로 감소함. 충전 중인 타겟 디바이스(520)가 CC 모드에서 CV 모드로 변화하거나, 완전 충전됨.
소스 디바이스(510)가 다중 디바이스(520)들 충전 모드일 때, PA 전류가 타겟 디바이스(520)가 없을 때의 타겟 부하에 대응하는 전류로 감소 소스 디바이스(510) 및 타겟 디바이스(520) 간의 통신을 통해, 타겟 디바이스(520)의 존재 유무를 확인함.
소스 디바이스(510)가 단일 타겟 디바이스(520) 충전 모드 또는 다중 타겟 디바이스(520) 충전 모드일 때, PA전류 증가. 타겟 디바이스(520)가 추가됨.
PA 전류가 오버된 것을 감지. 소스 디바이스(510) 보호를 위한 동작.
도 14는 일 실시예에 따른 전기 자동차(electric vehicle) 충전 시스템을 나타낸다.
도 14를 참조하면, 전기 자동차 충전 시스템(1400)은 소스 시스템(1410), 소스 공진기(1420), 타겟 공진기(1430), 타겟 시스템(1440) 및 전기 자동차용 배터리(1450)를 포함한다.
전기 자동차 충전 시스템(1400)은 도 1의 무선 전력 전송 시스템과 유사한 구조를 가진다. 즉, 전기 자동차 충전 시스템(1400)은 소스 시스템(1410) 및 소스 공진기(1420)로 구성되는 소스를 포함한다. 또한, 전기 자동차 충전 시스템(1400)은 타겟 공진기(1430) 및 타겟 시스템(1440)로 구성되는 타겟을 포함한다.
이때, 소스 시스템(1410)은 도 1의 소스 디바이스(110)와 같이, AC/DC 컨버터, Power Detector, 전력변환부, 제어 및 통신부를 포함할 수 있다. 이때, 타겟 시스템(1440)은 도 1의 타겟 디바이스(120)과 같이, 정류부, DC/DC 컨버터, 스위치부, 충전부 및 제어 및 통신부를 포함할 수 있다.
전기 자동차용 배터리(1450)는 타겟 시스템(1440)에 의해 충전 될 수 있다.
전기 자동차 충전 시스템(1400)은 수 KHz~수십 MHz의 공진 주파수를 사용할 수 있다.
소스 시스템(1410)은 충전 차량의 종류, 배터리의 용량, 배터리의 충전 상태에 따라 전력을 생성하고, 생성된 전력을 타겟 시스템(1440)으로 공급할 수 있다.
소스 시스템(1410)은 소스 공진기(1420) 및 타겟 공진기(1430)의 정렬(alignment)를 맞추기 위한 제어를 수행할 수 있다. 예를 들어, 소스 시스템(1410)의 제어부는 소스 공진기(1420)와 타겟 공진기(1430)의 alignment가 맞지 않은 경우, 타겟 시스템(1440)으로 메시지를 전송하여 alignment를 제어할 수 있다.
이때, alignment가 맞지 않은 경우란, 타겟 공진기(1430)의 위치가 마그네틱 레조넌스(magnetic resonance)가 최대로 일어나기 위한 위치에 있지 않은 경우 일 수 있다. 즉, 차량이 정확하게 정차되지 않은 경우, 소스 시스템(1410)은 차량의 위치를 조정하도록 유도함으로써, 소스 공진기(1420)와 타겟 공진기(1430)의 alignment가 맞도록 유도할 수 있다.
소스 시스템(1410)과 타겟 시스템(1440)은 통신을 통해, 차량의 식별자를 송수신할 수 있고, 각종 메시지를 주고 받을 수 있다.
도 2 내지 도 13에서 설명된 내용들은 전기 자동차 충전 시스템(1400)에 적용될 수 있다. 다만, 전기 자동차 충전 시스템(14500)은 수 KHz~수십 MHz의 공진 주파수를 사용하고, 전기 자동차용 배터리(1450)를 충전하기 위해 수십 watt이상의 전력 전송을 수행할 수 있다.
도 15 및 도 16은 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치 및 무선 전력 전송 장치가 탑재될 수 있는 어플리케이션들을 나타낸다.
도 15을 참조하면, (a)는 패드(1510)와 모바일 단말(1520) 간의 무선 전력 충전을 나타내고, (b)는 패드들(1530 및 1540)과 보청기들(1550 및 1560) 간의 무선 전력 충전을 나타낸다.
일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치는 패드(1510)에 탑재될 수 있다. 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치는 모바일 단말(1520)에 탑재될 수 있다. 이때, 패드(1510)는 하나의 모바일 단말(1520)을 충전할 수 있다.
일 실시예에 따른 2개의 무선 전력 전송 장치는 제1 패드(1530) 및 제2 패드(1540) 각각에 탑재될 수 있다. 보청기(1550)는 왼쪽 귀의 보청기를 나타내고, 보청기(1560)는 오른쪽 귀의 보청기를 나타낸다. 일 실시예에 따른 2개의 무선 전력 수신 장치는 보청기(1550) 및 보청기(1560) 각각에 탑재될 수 있다.
도 16을 참조하면, (a)는 인체에 삽입된 전자기기(1610)와 모바일 단말(1620) 간의 무선 전력 충전을 나타내고, (b)는 보청기(1630)와 모바일 단말(1640) 간의 무선 전력 충전을 나타낸다.
일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치 및 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치는 모바일 단말(1620)에 탑재될 수 있다. 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치는 인체에 삽입된 전자기기(1610)에 탑재될 수 있다. 인체에 삽입된 전자기기(1610)는 모바일 단말(1620)로부터 전력을 수신하여 충전될 수 있다.
일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치 및 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치는 모바일 단말(1640)에 탑재될 수 있다. 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치는 보청기(1630)에 탑재될 수 있다. 보청기(1630)는 모바일 단말(1640)로부터 전력을 수신하여 충전될 수 있다. 보청기(1630)뿐만 아니라, 블루투스 이어폰과 같은 저전력 전자기기들도 모바일 단말(1640)로부터 전력을 수신하여 충전될 수 있다.
도 17은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치 무선 전력 수신 장치의 구성 예를 나타낸다.
도 17에서 무선 전력 전송 장치(1710)는 도 15의 제1 패드(1530) 및 제2 패드(1540) 각각에 탑재재 될 수 있다. 또한, 도 17에서 무선 전력 전송 장치(1710)는 도 16의 모바일 단말(1640)에 탑재될 수 있다.
도 17에서 무선 전력 수신 장치(1720)는 보청기(1650) 및 보청기(1660) 각각에 탑재될 수 있다.
무선 전력 전송 장치(1710)는 도 1의 소스 디바이스(110)와 유사한 구성을 포함할 수 있다. 즉, 무선 전력 전송 장치(1710)는 마그네틱 커플링을 이용하여 전력을 전송하기 위한 구성을 포함할 수 있다.
도 17에서 통신 및 트래킹부(1711)는 무선 전력 수신 장치(1720)와 통신을 수행하고, 무선 전력 전송 효율을 유지하기 위한 임피던스 제어 및 공진주파수 제어를 수행할 수 있다. 즉, 통신 및 트래킹부(1711)는 도 1의 전력 변환부(114) 및 제어 및 통신부(115)와 유사한 기능을 수행할 수 있다.
무선 전력 수신 장치(1720)는 도 1의 타겟 디바이스(120)와 유사한 구성을 포함할 수 있다. 즉, 무선 전력 수신 장치(1720)는 전력을 무선으로 수신하여 배터리를 충전하기 위한 구성을 포함한다. 무선 전력 수신 장치(1720)는 타겟 공진기, 정류기, DC/DC 컨버터, 충전 회로를 포함할 수 있다. 또한, 무선 전력 수신 장치(1720)는 통신 및 제어부(1723)를 포함할 수 있다.
통신 및 제어부(1723)는 무선 전력 전송 장치(1710)와 통신을 수행하고, 과전압 및 과전류 보호를 위한 동작을 수행할 수 있다.
무선 전력 수신 장치(1720)는 청각기기 회로(1721)를 포함할 수 있다. 청각기기 회로(1721)는 배터리에 의해 충전될 수 있다. 청각기기 회로(1721)는 마이크, 아날로그-디지털 변환기, 프로세서, 디지탈-아날로그 변환기 및 리시버를 포함할 수 있다. 즉, 청각기기 회로(1721)는 보청기와 동일한 구성을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
510: 소스 디바이스
520: 타겟 디바이스

Claims (16)

  1. 출력 전력을 타겟 디바이스로 무선으로 전송하는 공진기;
    상기 출력 전력의 전류를 검출하는 전력 검출기; 및
    상기 전류의 변화를 검출하고, 상기 검출된 전류의 변화에 기초하여 타겟 부하를 검출하고, 상기 타겟 디바이스로부터 수신 전력에 관한 정보를 수신하고, 상기 정보에 기초하여 상기 타겟 디바이스의 충전 모드를 결정하는 제어부
    를 포함하고,
    무선 전력 전송 장치의 동작 모드는 대기 모드, 접속 모드 및 충전 제어 모드를 포함하는 복수의 동작 모드들 중에 선택되고,
    상기 충전 모드는 CC 모드(constant current mode) 및 CV 모드(constant voltage mode)를 포함하는 복수의 충전 모드들 중에 선택되고,
    상기 제어부는 상기 충전 제어 모드에서 상기 정보를 수신하고, 상기 선택된 충전 모드에 기초하여 상기 출력 전력을 조절하는, 무선 전력 전송 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 출력 전력을 출력하는 전력 변환부; 및
    상기 제어부의 제어에 따라 상기 전력 변환부로 전압을 인가하는 전력 공급기
    를 더 포함하는, 무선 전력 전송 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 검출된 타겟 부하에 기반하여 무선 전력 전송의 상태를 결정하는, 무선 전력 전송 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 검출된 전류가 미리 정의된 값보다 낮아지면 상기 타겟 디바이스의 충전을 종료하는, 무선 전력 전송 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 검출된 타겟 부하에 기반하여 상기 출력 전력을 조정하는, 무선 전력 전송 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 타겟 디바이스는 복수 개이고, 상기 타겟 부하는 상기 복수 개의 타겟 디바이스들의 부하들의 합인,
    무선 전력 전송 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전류는 상기 타겟 디바이스의 충전 모드가 CC 모드에서 정 CV 모드로 변경됨에 따라 변화하는, 무선 전력 전송 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전력 검출기는,
    상기 전류가 흐르는 제1 저항기; 및
    상기 제1 저항기의 제1 단자 및 제2 단자에에 걸리는 전압을 상기 제어부로 출력하는 비교기
    를 포함하고,
    상기 제어부는 상기 제1 저항기의 저항 값 및 상기 전압에 기반하여 상기 타겟 부하를 검출하는, 무선 전력 전송 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전력 검출기는,
    상기 제1 저항의 제1 단자 및 상기 비교기의 + 단자에 연결된 제2 저항; 및
    상기 제1 저항의 제2 단자, 상기 비교기의 - 단자 및 전력 변환부의 입력 단에 연결된 제3 저항
    을 더 포함하는, 무선 전력 전송 장치.
  10. 출력 전력을 타겟 디바이스로 무선으로 전송하는 단계;
    상기 출력 전력의 전류의 변화를 감지하는 단계;
    상기 전류의 변화에 기반하여 타겟 부하를 검출하는 단계;
    상기 타겟 디바이스로부터 수신 전력에 관한 정보를 수신하는 단계; 및
    상기 정보에 기초하여 상기 타겟 디바이스의 충전 모드를 결정하는 단계
    를 포함하고,
    무선 전력 전송 장치의 동작 모드는 대기 모드, 접속 모드 및 충전 제어 모드를 포함하는 복수의 동작 모드들 중에 선택되고,
    상기 충전 모드는 CC 모드(constant current mode) 및 CV 모드(constant voltage mode)를 포함하는 복수의 충전 모드들 중에 선택되고,
    상기 정보는 상기 충전 제어 모드에서 수신되고, 상기 출력 전력은 상기 선택된 충전 모드에 기초하여 조절되는,
    무선 전력 전송의 부하 검출 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 검출된 부하에 기반하여 무선 전력 전송의 상태를 결정하는 단계
    를 더 포함하는, 무선 전력 전송의 부하 검출 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 무선 전력 전송의 상태를 결정하는 단계는,
    상기 검출된 전류가 미리 정의된 값보다 낮아지면 상기 타겟 디바이스의 충전을 종료하는 단계
    를 포함하는, 무선 전력 전송의 부하 검출 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 무선 전력 전송의 상태를 결정하는 단계는,
    상기 검출된 타겟 부하에 기반하여 상기 출력 전력을 조정하는 단계
    를 포함하는, 무선 전력 전송의 부하 검출 방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 타겟 디바이스는 복수 개인, 무선 전력 전송의 부하 검출 방법.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 전류는 상기 타겟 디바이스의 충전 모드가 CC 모드에서 CV 모드로 변경됨에 따라 변화하는, 무선 전력 전송의 부하 검출 방법.
  16. 제10항 내지 제15항 중 어느 한 항의 무선 전력 전송의 부하 검출 방법을 수행하는 프로그램을 수록한 컴퓨터 판독 가능 기록 매체.
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