KR102589290B1 - 무선 전력 송신 코일 형상 및 코일의 배치 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 무선 전력 송신 코일 형상 및 코일의 배치 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 공진 방식에 의한 무선 전력 송신기는, 전원공급부로부터 수신된 전압을 특정 전압으로 변환시킬 수 있는 컨버터(convertor)를 포함하는 전력변환부; 상기 전력변환부로부터의 상기 특정 전압을 전달 받아 특정 공진 주파수를 이용하여 무선으로 전력을 전송하는 무선 전력 송신 코일을 포함하는 전력송신부; 무선 전력 수신기와 데이터 통신이 가능한 통신부; 및 상기 전력변환부, 상기 전력송신부 및 상기 통신부를 제어하는 제어부를 포함하며, 상기 무선 전력 송신 코일은, 제1 루프 형상을 갖는 외측코일부 및 상기 제1 루프 형상 내부에 배치되고 제2 루프 형상을 갖는 내측코일부를 포함하고, 상기 외측코일부를 흐르는 전류의 방향은 상기 외측코일부와 인접한 상기 내측코일부에 흐르는 전류의 방향과 반대방향이며, 상기 외측코일부와 상기 외측코일부에 인접한 상기 내측코일부 사이의 제 1영역에서는, 상기 외측코일부에 의한 자기장의 방향과 상기 내측코일부에 의한 자기장의 방향이 동일일 할 수 있다.

Description

무선 전력 송신 코일 형상 및 코일의 배치 방법{Wireless power transmission coil arranging method and the coil}
본 발명은 무선 전력 전송에 관한 것으로, 상세하게 무선 전력 송신 코일의 배치 방법에 관한 것이다.
휴대폰, 노트북과 같은 휴대용 단말은 전력을 저장하는 배터리와 배터리의 충전 및 방전을 위한 회로를 포함한다. 이러한 단말의 배터리가 충전되려면, 외부의 충전기로부터 전력을 공급받아야 한다.
일반적으로 배터리에 전력을 충전시키기 위한 충전장치와 배터리 간의 전기적 연결방식의 일 예로, 상용전원을 공급받아 배터리에 대응하는 전압 및 전류로 변환하여 해당 배터리의 단자를 통해 배터리로 전기에너지를 공급하는 단자공급방식을 들 수 있다. 이러한 단자공급방식은 물리적인 케이블(cable) 또는 전선의 사용이 동반된다. 따라서 단자공급방식의 장비들을 많이 취급하는 경우, 많은 케이블들이 상당한 작업 공간을 차지하고 정리가 곤란하며 외관상으로도 좋지 않다. 또한 단자공급방식은 단자들간의 서로 다른 전위차로 인한 순간방전현상, 이물질에 의한 소손 및 화재 발생, 자연방전, 배터리의 수명 및 성능 저하 등의 문제점을 야기할 수 있다.
최근 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 무선으로 전력을 전송하는 방식을 이용한 충전시스템(이하 "무선 충전 시스템"이라 칭함.)과 제어방법들이 제시되고 있다. 또한, 무선 충전 시스템이 과거에는 일부 휴대용 단말에 기본 장착되지 않고 소비자가 별도 무선 충전 수신기 액세서리를 별도로 구매해야 했기에 무선 충전 시스템에 대한 수요가 낮았으나 무선 충전 사용자가 급격히 늘어날 것으로 예상되며 향후 단말 제조사에서도 무선충전 기능을 기본 탑재할 것으로 예상된다.
일반적으로 무선 충전 시스템은 무선 전력 전송 방식으로 전기에너지를 공급하는 무선 전력 송신기와 무선 전력 송신기로부터 공급되는 전기에너지를 수신하여 배터리를 충전하는 무선 전력 수신기로 구성된다.
이러한 무선 충전 시스템은 적어도 하나의 무선 전력 전송 방식(예를 들어, 전자기 유도 방식, 전자기 공진 방식, RF 무선 전력 전송 방식 등)에 의해 전력을 전송할 수 있다.
일 예로, 무선 전력 전송 방식은 전력 송신단 코일에서 자기장을 발생시켜 그 자기장의 영향으로 수신단 코일에서 전기가 유도되는 전자기 유도 원리를 이용하여 충전하는 전자기 유도 방식에 기반한 다양한 무선 전력 전송 표준이 사용될 수 있다. 여기서, 전자기 유도 방식의 무선 전력 전송 표준은 WPC(Wireless Power Consortium) 또는/및 PMA(Power Matters Alliance)에서 정의된 전자기 유도 방식의 무선 충전 기술을 포함할 수 있다.
다른 일 예로, 무선 전력 전송 방식은 무선 전력 송신기의 송신 코일에 의해 발생되는 자기장을 특정 공진 주파수에 동조하여 근거리에 위치한 무선 전력 수신기에 전력을 전송하는 전자기 공진(Electromagnetic Resonance) 방식이 이용될 수도 있다. 여기서, 전자기 공진 방식은 무선 충전 기술 표준 기구인 A4WP(Alliance for Wireless Power) 표준 기구에서 정의된 공진 방식의 무선 충전 기술을 포함할 수 있다.
또 다른 일 예로, 무선 전력 전송 방식은 RF 신호에 저전력의 에너지를 실어 원거리에 위치한 무선 전력 수신기로 전력을 전송하는 RF 무선 전력 전송 방식이 이용될 수도 있다.
이러한, 무선 충전 시스템은 상기한 전자기 유도 방식, 전자기 공진 방식, RF 무선 전력 전송 방식 중 적어도 2개 이상의 무선 전력 전송 방식을 지원할 수 있도록 설계될 수도 있다. 다시 말해서, 무선 전력 송신기가 복수의 무선 전력 전송 방식을 통해 무선 전력 수신기에 전력을 전송할 수 있도록 설계될 수 있다.
한편, 무선 전력 전송이 가능한 영역의 넓이는 무선 전력 송신 코일의 개수에 영향을 받을 수 있고, 무선 전력 전송 영역을 넓히기 위해서 무선 전력 송신기에 복수개의 무선 전력 송신 코일을 사용할 수 있다. 복수개의 무선 전력 송신 코일을 포함하는 무선 전력 송신기는 넓은 전력 전송 영역을 이용하여 복수의 휴대 단말기들을 충전할 수 있다.
다만, 복수개의 무선 전력 송신 코일을 이용함으로써 한 개의 무선 전력 송신 코일을 이용할 때보다 넓은 충전 영역을 이용할 수 있지만, 넓은 무선 충전 영역 안에서는 무선 전력 수신기의 위치에 무관하게 균일한 전력 전송이 이루어져야 한다.
따라서, 복수의 무선 전력 송신 코일을 이용하는 경우, 무선 전력 수신기로 균일한 전력이 전송되도록 복수의 무선 전력 송신 코일을 효과적으로 배치하는 방안이 필요하다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로, 본 발명의 목적은 무선 전력 송신 코일 형상 및 코일의 배치 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 무선 전력 송신 코일의 형상에 관한 발명으로, 복수개의 무선 전력 송신 코일을 사용하는 경우 무선 전력 전송이 가능한 영역 안에서 무선 전력 수신기의 위치에 무관하게 균일한 전력을 전송하는 무선 전력 송신 코일 형상 및 코일의 배치 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 공진 방식에 의한 무선 전력 송신기는, 전원공급부로부터 수신된 전압을 특정 전압으로 변환시킬 수 있는 컨버터(convertor)를 포함하는 전력변환부; 상기 전력변환부로부터의 상기 특정 전압을 전달 받아 특정 공진 주파수를 이용시켜 무선으로 전력을 전송하는 무선 전력 송신 코일을 포함하는 송신공진기; 상기 송신공진기와 상기 전력변환부 사이에서 임피던스(impedance)를 정합하는 매칭회로; 무선 전력 수신기와 데이터 통신이 가능한 통신부; 및 상기 전력변환부, 상기 송신공진기 및 상기 통신부를 제어하는 주제어부; 를 포함하며, 상기 무선 전력 송신 코일은, 전류가 서로 반대 방향으로 흐르며 제1간격만큼 이격된 두 코일을 포함하는 복수의 코일 페어;를 포함하며, 상기 복수의 코일 페어 각각은 제2간격 만큼 이격되어 있고, 상기 제1간격 및 상기 제2간격은 상기 한 쌍의 코일에 흐르는 전류의 크기에 따라 결정될 수 있다.
실시예에 따라, 상기 제1거리 및 상기 제2거리는, 상기 한 쌍의 코일에 흐르는 전류의 최소 크기에 비례하여 넓을 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 공진 방식에 의한 무선 전력 송신 코일은, 전류가 서로 반대 방향으로 흐르며 제1 거리만큼 이격된 두 코일을 포함하는 복수의 코일 페어(pair); 를 포함하며, 상기 복수의 코일 페어 각각은 제2거리 만큼 이격되어 있고, 상기 제1거리 및 상기 제2거리는 상기 한 쌍의 코일에 흐르는 전류의 크기에 따라 결정될 수 있다.
실시예에 따라, 상기 제1거리 및 상기 제2거리는, 상기 한 쌍의 코일에 흐르는 전류의 최소 크기에 비례하여 넓을 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 공진 방식에 의한 무선 전력 송신 코일은, 제1방향으로 전류가 흐르도록 감겨 배치되는 외측 코일; 상기 외측 코일보다 안쪽에 위치하며, 상기 제1방향과 반대 방향으로 전류가 흐르도록 감겨 배치되는 내측 코일; 및 상기 외측 코일과 상기 내측 코일을 직렬 또는 병렬로 연결하는 연결부; 를 포함하며, 상기 내측 코일은, 상기 외측 코일의 간격은 상기 외측 코일 및 상기 내측 코일에 흐르는 전류의 크기에 따라 결정될 수 있다.
실시예에 따라, 상기 간격은, 상기 외측 코일 및 상기 내측 코일에 흐르는 전류의 최소 크기에 비례하여 넓을 수 있다.
실시예에 따라, 상기 연결부가 상기 외측 코일과 상기 내측 코일을 직렬로 연결하는 경우, 상기 외측 코일과 상기 내측 코일은 하나 루프일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 공진 방식에 의한 무선 전력 송신 코일은, 전류가 반대 방향으로 흐르는 한 쌍의 코일이 N+1번 감겨 배치되어 있고, 상기 한 쌍의 코일을 이루는 각각의 코일은 제1거리를 두고 배치되어 있으며, N+1번째 감겨있는 한 쌍의 코일과 N번째 감겨있는 다른 한 쌍의 코일은 제2거리를 사이에 두고 배치되며, 상기 제1거리 및 상기 제2거리는 상기 한 쌍의 코일에 흐르는 전류의 크기에 따라 결정될 수 있다.
실시예에 따라, 상기 제1거리 및 상기 제2거리는, 상기 한 쌍의 코일에 흐르는 전류의 최소 크기에 비례하여 넓을 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 공진 방식에 의한 무선 전력 송신 코일은, 제1방향으로 전류가 흐르도록 N번째 감겨 배치되는 제N코일; 상기 제N코일보다 바깥쪽에 위치하며, 상기 제1방향과 반대 방향으로 전류가 흐르도록 감겨 배치되는 제N+1코일; 을 포함하며, 상기 제N코일과 상기 제N+1코일을 직렬 또는 병렬로 연결하는 연결부; 상기 제N코일과 상기 제N+1코일 사이의 간격은 상기 제N코일 및 상기 제N+1코일에 흐르는 전류의 크기에 따라 결정될 수 있다.
실시예에 따라, 상기 제N코일과 상기 제N+1코일 사이의 간격은, 상기 제N코일과 상기 제N+1코일에 흐르는 전류의 최소 크기에 비례하여 넓을 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 공진 방식에 의한 무선 전력 송신기는, 전원공급부로부터 수신된 전압을 특정 전압으로 변환시킬 수 있는 컨버터(convertor)를 포함하는 전력변환부; 상기 전력변환부로부터의 상기 특정 전압을 전달 받아 특정 공진 주파수를 이용하여 무선으로 전력을 전송하는 무선 전력 송신 코일을 포함하는 전력송신부; 무선 전력 수신기와 데이터 통신이 가능한 통신부; 및 상기 전력변환부, 상기 전력송신부 및 상기 통신부를 제어하는 제어부를 포함하며, 상기 무선 전력 송신 코일은, 제1 루프 형상을 갖는 외측코일부 및 상기 제1 루프 형상 내부에 배치되고 제2 루프 형상을 갖는 내측코일부를 포함하고, 상기 외측코일부를 흐르는 전류의 방향은 상기 외측코일부와 인접한 상기 내측코일부에 흐르는 전류의 방향과 반대방향이며, 상기 외측코일부와 상기 외측코일부에 인접한 상기 내측코일부 사이의 제 1영역에서는, 상기 외측코일부에 의한 자기장의 방향과 상기 내측코일부에 의한 자기장의 방향이 동일할 수 있다.
실시예에 따라, 상기 외측코일부와 상기 외측코일부에 인접한 상기 내측코일부는 제1간격만큼 이격되고, 상기 제1간격은 상기 전력송신부에 흐르는 전류의 크기에 따라 결정될 수 있다.
실시예에 따라, 상기 외측코일부의 제1 단부는 상기 전력전환부와 연결되고, 상기 외측코일부의 제2 단부는 상기 내측코일부의 제1 단부에 연결되며, 상기 내측코일부의 제2 단부는 상기 전력전환부와 연결될 수 있다.
실시예에 따라, 상기 외측코일부에 흐르는 전류는 상기 외측코일부의 제1 단부에서 상기 외측코일부의 제2 단부로 흐르고, 상기 내측코일부에 흐르는 전류는 상기 내측코일부의 제1 단부에서 상기 내측코일부의 제2 단부로 흐를 수 있다.
실시예에 따라, 상기 외측코일부의 제1 단부와 상기 내측코일부의 제2 단부는 인접하여 배치될 수 있다.
실시예에 따라, 상기 외측코일부와 상기 내측코일부는 병렬로 연결될 수 있다.
실시예에 따라, 상기 외측코일부의 제1 단부 및 제2 단부는 상기 전력전환부와 연결되고, 상기 내측코일부의 제1 단부는 상기 외측코일부의 제1 단부와 연결되고 상기 내측코일부의 제2 단부는 상기 전력전환부와 연결될 수 있다.
실시예에 따라, 상기 외측코일부에 흐르는 전류는 상기 외측코일부의 제1 단부에서 상기 외측코일부의 제2 단부로 흐르고, 상기 내측코일부에 흐르는 전류는 상기 내측코일부의 제1 단부에서 상기 내측코일부의 제2 단부로 흐를 수 있다.
실시예에 따라, 상기 제1거리 및 상기 제2거리는, 상기 한 쌍의 코일에 흐르는 전류의 최소 크기에 비례하여 넓을 수 있다.
본 발명에 따른 무선 전력 전송 방식 스위칭 방법 및 장치에 대한 효과를 설명하면 다음과 같다.
첫째, 본 발명은 복수개의 무선 전력 송신 코일을 이용하여 한번에 여러 개의 무선 전력 수신기로 전력을 전송할 수 있다.
둘째, 본 발명은 복수개의 무선 전력 송신 코일을 적절하게 배치하여 균일한 영역에서 무선 전력 전송이 이루어지도록 할 수 있다.
셋째, 본 발명은 무선 전력 송신 코일을 적절하게 배치하여 코일 사이의 간격을 고려함으로써 원 재료비를 절약할 수 있다.
넷째, 본 발명은 복수개의 무선 전력 송신 코일 각각에서 발생되는 자기장이 서로 감쇠되지 않도록 배치됨으로써, 무선 전력 전송 시 소모되는 전력을 줄일 수 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이하에 첨부되는 도면들은 본 발명에 관한 이해를 돕기 위한 것으로, 상세한 설명과 함께 본 발명에 대한 실시예들을 제공한다. 다만, 본 발명의 기술적 특징이 특정 도면에 한정되는 것은 아니며, 각 도면에서 개시하는 특징들은 서로 조합되어 새로운 실시예로 구성될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 공진 방식의 무선 전력 전송 시스템의 구조를 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 공진 방식의 무선 전력 전송 시스템의 등가 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 공진 방식의 무선 전력 송신기에서의 상태 천이 절차를 설명하기 위한 상태 천이도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 공진 방식의 무선 전력 수신기의 상태 천이도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 VRECT에 따른 전자기 공진 방식의 무선 전력 수신기의 동작 영역을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시에에 따른 전자기 공진 방식의 무선 충전 절차를 설명하기 위한 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시에에 따른 전자기 공진 방식에 따른 무선 전력 송신 코일이 한 개일 경우, 자기장의 영역을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시에에 따른 전자기 공진 방식에 따른 무선 전력 송신 코일이 두 개일 경우, 각각에서 발생되는 자기장에 의해 감쇠되는 영역을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시에에 따른 전자기 공진 방식에 따른 복수 개의 무선 전력 송신 코일이 직렬 연결된 경우, 자기장의 영역을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시에에 따른 전자기 공진 방식에 따른 복수 개의 무선 전력 송신 코일이 병렬 연결된 경우, 자기장의 영역을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시에에 따른 전자기 공진 방식에 따른 무선 전력 송신 코일 페어가 복수 번 감겨 있을 때, 배치 간격을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 발명의 실시예들이 적용되는 장치 및 다양한 방법들에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
이상에서, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합되거나 결합되어 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 그 모든 구성 요소들이 각각 하나의 독립적인 하드웨어로 구현될 수 있지만, 각 구성 요소들의 그 일부 또는 전부가 선택적으로 조합되어 하나 또는 복수 개의 하드웨어에서 조합된 일부 또는 전부의 기능을 수행하는 프로그램 모듈을 갖는 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수도 있다. 그 컴퓨터 프로그램을 구성하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 본 발명의 기술 분야의 당업자에 의해 용이하게 추론될 수 있을 것이다. 이러한 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 저장매체(Computer Readable Media)에 저장되어 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써, 본 발명의 실시예를 구현할 수 있다. 컴퓨터 프로그램의 저장매체로서는 자기 기록매체, 광 기록매체, 캐리어 웨이브 매체 등이 포함될 수 있다.
실시예의 설명에 있어서, 각 구성 요소의 " 상(위) 또는 하(아래)", "전(앞) 또는 후(뒤)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상(위) 또는 하(아래)" 및"전(앞) 또는 후(뒤)"는 두 개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되거나 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 배치되어 형성되는 것을 모두 포함한다.
또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥 상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
그리고 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
실시예의 설명에 있어서, 무선 전력 충전 시스템상에서 무선 전력을 송신하는 장치는 설명의 편의를 위해 무선 전력 송신기, 무선 전력 송신 장치, 무선 전력 송신 장치, 무선 전력 송신기, 송신단, 송신기, 송신 장치, 송신측, 무선 전력 전송 장치, 무선 전력 전송기, 무선충전장치 등을 혼용하여 사용하기로 한다. 또한, 무선 전력 송신 장치로부터 무선 전력을 수신하는 장치에 대한 표현으로 설명의 편의를 위해 무선 전력 수신 장치, 무선 전력 수신기, 무선 전력 수신 장치, 무선 전력 수신기, 수신 단말기, 수신측, 수신 장치, 수신기 단말 등이 혼용되어 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 무선충전장치는 패드 형태, 거치대 형태, AP(Access Point) 형태, 소형 기지국 형태, 스텐드 형태, 천장 매립 형태, 벽걸이 형태 등으로 구성될 수 있으며, 하나의 송신기는 복수의 무선 전력 수신 장치에 전력을 전송할 수도 있다.
일 예로, 무선 전력 송신기는 통상적으로 책상이나 탁자 위 등에서 놓여서 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 자동차용으로도 개발되어 적용되어 차량 내에서 사용될 수 있다. 차량에 설치되는 무선 전력 송신기는 간편하고 안정적으로 고정 및 거치할 수 있는 거치대 형태로 제공될 수 있다.
본 발명에 따른 단말은 휴대폰(mobile phone), 스마트폰(smart phone), 노트북 컴퓨터(laptop computer), 디지털방송용 단말기, PDA(Personal Digital Assistants), PMP(Portable Multimedia Player), 네비게이션, MP3 player, 전동 칫솔, 전자 태그, 조명 장치, 리모콘, 낚시찌 등의 소형 전자 기기 등에 사용될 수 있으나, 이에 국한되지는 아니하며 본 발명에 따른 무선 전력 수신 수단이 장착되어 배터리 충전이 가능한 모바일 디바이스 기기(이하, "디바이스"라 칭함.)라면 족하고, 단말 또는 디바이스라는 용어는 혼용하여 사용될 수 있다. 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 수신기는 차량, 무인 항공기, 에어 드론 등에도 탑재될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 수신기는 적어도 하나의 무선 전력 전송 방식이 구비될 수 있으며, 2개 이상의 무선 전력 송신기로부터 동시에 무선 전력을 수신할 수도 있다. 여기서, 무선 전력 전송 방식은 상기 전자기 유도 방식, 전자기 공진 방식, RF 무선 전력 전송 방식 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일반적으로, 무선 전력 시스템을 구성하는 무선 전력 송신기와 무선 전력 수신기는 인밴드 통신 또는 BLE(Bluetooth Low Energy) 통신을 통해 제어 신호 또는 정보를 교환할 수 있다. 여기서, 인밴드 통신, BLE 통신은 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation) 방식, 주파수 변조 방식, 위상 변조 방식, 진폭 변조 방식, 진폭 및 위상 변조 방식 등으로 수행될 수 있다. 일 예로, 무선 전력 수신기는 수신 코일을 통해 유도된 전류를 소정 패턴으로 ON/OFF 스위칭하여 궤환 신호(feedback signal)를 생성함으로써 무선 전력 송신기에 각종 제어 신호 및 정보를 전송할 수 있다. 무선 전력 수신기에 의해 전송되는 정보는 수신 전력 세기 정보를 포함하는 다양한 상태 정보를 포함할 수 있다. 이때, 무선 전력 송신기는 수신 전력 세기 정보에 기반하여 충전 효율 또는 전력 전송 효율을 산출할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 예로, 본 발명에 따른 무선 전력 송신기는 상기한 전자기 유도 방식, 전자기 공진 방식, RF 무선 전력 전송 방식 중 적어도 2개 이상의 무선 전력 전송 방식을 지원할 수 있도록 설계될 수도 있다.
이하, 무선 전력 전송 방식 중에서 전자기 공진 방식에 대해 도 1 내지 도 6에서 설명하고, 전자기 공진 방식에 따른 무선 전력 송신 코일의 배치에 대해 도 7 내지 도 11에서 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 구조를 설명하기 위한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 무선 전력 전송 시스템은 무선 전력 송신기(100)와 무선 전력 수신기(200)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 도 1에는 무선 전력 송신기(100)가 하나의 무선 전력 수신기(200)에 무선 전력을 전송하는 것으로 도시되어 있으나, 이는 하나의 실시예에 불과하며, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 송신기(100)는 복수의 무선 전력 수신기(200)에 무선 전력을 전송할 수도 있다. 또 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 수신기(200)는 복수의 무선 전력 송신기(100)로부터 동시에 무선 전력을 수신할 수도 있음을 주의해야 한다.
무선 전력 송신기(100)는 특정 전력 전송 주파수를 이용하여 자기장을 발생시켜 무선 전력 수신기(200)에 전력을 송신할 수 있다.
무선 전력 수신기(200)는 무선 전력 송신기(100)에 의해 사용되는 주파수와 동일한 주파수로 동조하여 전력을 수신할 수 있다.
일 예로, 전력 전송을 위한 주파수는 6.78MHz 대역일 수 있으나, 이에 국한되지는 않는다.
즉, 무선 전력 송신기(100)에 의해 전송된 전력은 무선 전력 송신기(100)와 공진을 이루는 무선 전력 수신기(200)에 전달될 수 있다.
하나의 무선 전력 송신기(100)로부터 전력을 수신할 수 있는 무선 전력 수신기(200)의 최대 개수는 무선 전력 송신기(100)의 최대 전력 전송 레벨, 무선 전력 수신기(200)의 최대 전력 수신 레벨, 무선 전력 송신기(100) 및 무선 전력 수신기(200)의 물리적인 구조에 기반하여 결정될 수 있다.
무선 전력 송신기(100)와 무선 전력 수신기(200)는 무선 전력 전송을 위한 주파수 대역-즉, 공진 주파수 대역-과는 상이한 주파수 대역으로 양방향 통신을 수행할 수 있다. 일 예로, 양방향 통신은 반이중 방식의 BLE(Bluetooth Low Energy) 통신 프로토콜이 사용될 수 있다.
무선 전력 송신기(100)와 무선 전력 수신기(200)는 상기 양방향 통신을 통해 서로의 특성 및 상태 정보-즉, 전력 협상 정보-를 교환할 수 있다.
일 예로, 무선 전력 수신기(200)는 무선 전력 송신기(100)로부터 수신되는 전력 레벨을 제어하기 위한 소정 전력 수신 상태 정보를 양방향 통신을 통해 무선 전력 송신기(100)에 전송할 수 있으며, 무선 전력 송신기(100)는 수신된 전력 수신 상태 정보에 기반하여 동적으로 전송 전력 레벨을 제어할 수 있다. 이를 통해, 무선 전력 송신기(100)는 전력 전송 효율을 최적화시킬 수 있을 뿐만 아니라 과전압(Over-Voltage)에 따른 부하 파손을 방지하는 기능, 저전압(Under-Voltage)에 따라 불필요한 전력이 낭비되는 것을 방지하는 기능 등을 제공할 수 있다.
또한, 무선 전력 송신기(100)는 양방향 통신을 통해 무선 전력 수신기(200)에 대한 인증 및 식별하는 기능, 호환되지 않는 장치 또는 충전이 불가능한 물체를 식별하는 기능, 유효한 부하를 식별하는 기능 등을 수행할 수도 있다.
이하에서는, 보다 구체적으로 공진 방식의 무선 전력 전송 과정을 상기 도 1을 참조하여 설명하기로 한다.
무선 전력 송신기(100)는 전원공급부(power supplier, 110), 전력변환부(Power Conversion Unit, 120), 매칭회로(Matching Circuit, 130), 송신공진기(Transmission Resonator, 140), 주제어부(Main Controller, 150) 및 통신부(Communication Unit, 160)를 포함하여 구성될 수 있다. 통신부는 데이터 송신기(Data Transmitter)와 데이터 수신기(Data receiver)를 포함할 수 있다.
전원공급부(110)는 주제어부(150)의 제어에 따라 전력변환부(120)에 특정 공급 전압을 공급할 수 있다. 이때, 공급 전압은 DC 전압 또는 AC 전압일 수 있다.
전력변환부(120)는 주제어부(150)의 제어에 따라 전원공급부(110)로부터 수신된 전압을 특정 전압으로 변환시킬 수 있다. 이를 위해, 전력변환부(120)는 DC/DC 변환기(DC/DC convertor), AC/DC 변환기(AC/DC convertor), 전력 증폭기(Power amplifier) 중 적어도 하나를 포함하여 구성될 수 있다.
매칭회로(130)는 전력 전송 효율을 극대화시키기 위해 전력변환부(120)와 송신공진기(140) 사이의 임피던스를 정합하는 회로이다.
송신공진기(140, 또는 전력송신부)는 매칭회로(130)로부터 인가된 전압에 따라 특정 공진 주파수를 이용하여 무선으로 전력을 전송할 수 있다. 송신공진기(140)는 무선 전력 송신 코일을 포함할 수 있고, 무선 전력 송신 코일에 흐르는 전류에 의해 발생되는 유도 전압을 특정 공진 주파수를 이용하여 무선으로 전력을 전송할 수 있다.
무선 전력 수신기(200)는 수신공진기(Reception Resonator, 210), 정류기(Rectifier, 220), DC-DC 변환기(DC-DC Converter, 230), 부하(Load, 240), 주제어부(Main Controller, 250) 및 통신부(Communication Unit, 260)를 포함하여 구성될 수 있다. 통신부는 데이터 송신기(Data Transmitter)와 데이터 수신기(Data receiver)를 포함할 수 있다.
수신공진기(210)는 공진 현상을 통해 송신공진기(140)에 의해 송출된 전력을 수신할 수 있다.
정류기(220)는 수신공진기(210)로부터 인가되는 AC 전압을 DC 전압으로 변환하는 기능을 수행할 수 있다.
DC-DC 변환기(230)는 정류된 DC 전압을 부하(240)에 요구되는 특정 DC 전압으로 변환할 수 있다.
주제어부(250)는 정류기(220) 및 DC-DC 변환기(230)의 동작을 제어하거나 무선 전력 수신기(200)의 특성 및 상태 정보를 생성하고 통신부(260)를 제어하여 무선 전력 송신기(100)에 상기 무선 전력 수신기(200)의 특성 및 상태 정보를 전송할 수 있다. 일 예로, 주제어부(250)는 정류기(220)와 DC-DC 변환기(230)에서의 출력 전압 및 전류의 세기를 모니터링하여 정류기(220) 및 DC-DC 변환기(230)의 동작을 제어할 수 있다.
모니터링된 출력 전압 및 전류의 세기 정보는 통신부(260)를 통해 무선 전력 송신기(100)에 실시간으로 전송될 수 있다.
또한, 주제어부(250)는 정류된 DC 전압을 소정 기준 전압과 비교하여 과전압 상태(Over-Voltage State)인지 저전압 상태(Under-Voltage State)인지를 판단하고, 판단 결과에 따라 시스템 오류 상태가 감지되면, 감지 결과를 통신부(260)를 통해 무선 전력 송신기(100)에 전송할 수도 있다.
또한, 주제어부(250)는 시스템 오류 상태가 감지되면, 부하의 훼손을 방지하기 위해 정류기(220) 및 DC-DC 변환기(230)의 동작을 제어하거나 스위치 또는(및) 제너 다이오드를 포함한 소정 과전류 차단 회로를 이용하여 부하(240)에 인가되는 전력을 제어할 수도 있다.
상기한 도 1에서는 주제어부(150, 250)와 통신부(160, 260)가 서로 다른 모듈로 구성된 것으로 도시되어 있으나, 이는 하나의 실시예에 불과하며, 본 발명의 다른 일 실시예는 주제어부(150, 250)와 통신부(160, 260)가 하나의 모듈로 구성될 수도 있음을 주의해야 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 공진 방식의 무선 전력 전송 시스템의 등가 회로도이다.
상세하게, 도 2는 후술할 레퍼런스 파라메터들이 측정되는 등가 회로상에서의 인터페이스 지점을 보여준다.
이하에서는, 상기 도 2에 표시된 레퍼런스 파라메터들의 의미를 간단히 설명하기로 한다.
ITX와 ITX _COIL은 각각 무선 전력 송신기의 매칭 회로(또는 매칭 네트워크)(220)에 인가되는 RMS(Root Mean Square) 전류와 무선 전력 송신기의 송신 공진기 코일(225)에 인가되는 RMS 전류를 의미한다.
ZTX _IN과 ZTX _IN_COIL은 각각 무선 전력 송신기의 매칭 회로(220) 전단의 입력 임피던스(Input Impedance)와 매칭 회로(220) 후단 및 송신공진기 코일(225) 전단에서의 입력 임피던스를 의미한다.
L1과 L2는 각각 송신공진기 코일(225)의 인덕턴스 값과 수신공진기 코일(227)의 인덕턴스 값을 의미한다.
ZRX _IN은 무선전력수신기의 매칭회로(230) 후단과 필터/정류기/부하(240) 전단에서의 입력 임피던스를 의미한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 동작에 사용되는 공진 주파수는 6.78MHz ± 15㎑일 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템은 복수의 무선 전력 수신기에 대한 동시 충전-즉, 멀티 충전-을 제공할 수 있으며, 이 경우, 무선 전력 수신기가 새로 추가되거나 삭제되더라도 남아 있는 무선 전력 수신기의 수신 전력 변화량은 소정 기준치 이상을 초과하지 않도록 제어될 수 있다. 일 예로, 수신 전력 변화량은 ±10%일 수 있으나 이에 국한되지는 않는다.
상기 수신 전력 변화량을 유지하기 위한 조건은 무선 전력 수신기가 충전 영역에 추가 또는 삭제 시 기존 무선 전력 수신기와 중첩되지 않아야 한다.
무선 전력 수신기의 매칭 회로(230)가 정류기에 연결된 경우, 상기 ZTX _IN의 실수부(Real Part)는 정류기의 부하 저항-이하, RRECT이라 명함-과 역의 관계일 수 있다. 즉, RRECT의 증가는 ZTX _IN을 감소시키고, RRECT의 감소는 ZTX _IN을 증가시킬 수 있다.
본 발명에 따른 공진기 정합 효율(Resonator Coupling Efficiency)은 수신공진기 코일에서 부하(240)로 전달되는 전력을 송신공진기 코일(225)에서 공진 주파수 대역에 실어주는 전력으로 나누어 산출되는 최대 전력 수신 비율일 수 있다. 무선 전력 송신기와 무선 전력 수신기 사이의 공진기 정합 효율은 송신공진기의 레퍼런스 포트 임피던스(ZTX_IN)과 수신공진기의 레퍼런스 포트 임피던스(ZRX _IN)가 완벽하게 매칭되는 경우에 산출될 수 있다.
하기 표 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신기의 등급 및 무선 전력 수신기의 클래스에 따른 최소 공진기 정합 효율의 예이다.
만약, 복수의 무선 전력 수신기가 사용될 경우, 상기 표 1에 표시된 클래스 및 카테고리에 대응되는 최소 공진기 정합 효율은 증가할 수도 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 공진 방식의 무선 전력 송신기에서의 상태 천이 절차를 설명하기 위한 상태 천이도이다.
도 3를 참조하면, 무선 전력 송신기의 상태는 크게 구성 상태(Configuration State, 310), 전력 절약 상태(Power Save State, 320), 저전력 상태(Low Power State, 330), 전력 전송 상태(Power Transfer State, 340), 로컬 장애 상태(Local Fault State, 350) 및 잠금 장애 상태(Latching Fault State, 360)을 포함하여 구성될 수 있다.
무선 전력 송신기에 전력이 인가되면, 무선 전력 송신기는 구성 상태(310)로 천이할 수 있다. 무선 전력 송신기는 구성 상태(310)에서 소정 리셋 타이머가 만료되거나 초기화 절차가 완료되면, 전력 절약 상태(320)로 천이할 수 있다.
전력 절약 상태(320)에서, 무선 전력 송신기는 비콘 시퀀스를 생성하여 공진 주파수 대역을 통해 전송할 수 있다.
여기서, 무선 전력 송신기는 전력 절약 상태(320)에 진입한 후 소정 시간 이내에 비콘 시퀀스가 개시될 수 있도록 제어할 수 있다. 일 예로, 무선 전력 송신기는 전력 절약 상태(320) 천이 후 50ms 이내에 비콘 시퀀스가 개시될 수 있도록 제어할 수 있으나, 이에 국한되지는 않는다.
전력 절약 상태(320)에서, 무선 전력 송신기는 무선 전력 수신기를 감지하기 위한 제1 비콘 시퀀스(First Beacon Sequece)를 주기적으로 생성하여 전송하고, 수신 공진기의 임피던스 변화-즉, Load Variation-를 감지할 수 있다. 이하, 설명의 편의를 위해 제1 비콘과 제1 비콘 시퀀스를 각각 Short Beacon과 Short Beacon 시퀀스라 명하기로 한다.
특히, Short Beacon 시퀀스는 무선 전력 수신기가 감지되기 전까지 무선 전력 송신기의 대기 전력이 절약될 수 있도록 짧은 구간 동안(tSHORT _BEACON) 일정 시간 간격(tCYCLE)으로 반복 생성되어 전송될 수 있다. 일 예로, tSHORT _BEACON은 30ms이하, tCYCLE은 250ms ±5 ms로 각각 설정될 수 있다. 또한, Short Beacon의 전류 세기는 소정 기준치이상이고, 일정 시간 구간 동안 점증적으로 증가될 수 있다. 일 예로, Short Beacon의 최소 전류 세기는 상기 테이블 2의 카테고리 2 이상의 무선 전력 수신기가 감지될 수 있도록 충분히 크게 설정될 수 있다.
본 발명에 따른 무선 전력 송신기는 Short Beacon에 따른 수신 공진기에서의 리액턴스(reactance) 및 저항(resistance) 변화를 감지하기 위한 소정 센싱 수단이 구비될 수 있다.
또한, 전력 절약 상태(320)에서, 무선 전력 송신기는 무선 전력 수신기의 부팅(Booting) 및 응답에 필요한 충분한 전력을 공급하기 위한 제2 비콘 시퀀스를 주기적으로 생성하여 전송할 수 있다. 이하, 설명의 편의를 위해 제2 비콘과 제2 비콘 시퀀스를 각각 Long Beacon과 Long Beacon 시퀀스라 명하기로 한다.
즉, 무선 전력 수신기는 제2 비콘 시퀀스를 통해 부팅이 완료되면, 대역외 통신 채널을 통해 소정 응답 신호를 브로드캐스팅할 수 있다.
특히, Long Beacon 시퀀스는 무선 전력 수신기의 부팅에 필요한 충분한 전원을 공급하기 위해 Short Beacon에 비해 상대적으로 긴 구간 동안(tLONG_BEACON)동안 일정 시간 간격(tLONG _BEACON_PERIOD)으로 생성되어 전송될 수 있다. 일 예로, tLONG _BEACON은 105 ms+5 ms, tLONG _BEACON_PERIOD 은 850ms로 각각 설정될 수 있으며, Long Beacon의 전류 세기는 Short Beacon의 전류 세기에 비해 상대적으로 강할 수 있다. 또한, Long Beacon은 전송 구간 동안 일정 세기의 전력이 유지될 수 있다.
이 후, 무선 전력 송신기는 수신 공진기의 임피던스 변화가 감지된 후, 무선 전력 송신기는 Long Beacon 전송 구간 동안 소정 응답 시그널의 수신을 대기할 수 있다. 이하, 설명의 편의를 위해 상기 응답 시그널을 광고 시그널(Advertisement Signal)이라 명하기로 한다. 여기서, 무선 전력 수신기는 공진 주파수 대역과는 상이한 대역외 통신 주파수 대역을 통해 광고 시그널을 브로드캐스팅할 수 있다.
일 예로, 광고 시그널은 해당 대역외 통신 표준에 정의된 메시지를 식별하기 위한 메시지 식별 정보, 무선 전력 수신기가 적법한 또는 해당 무선 전력 송신기에 호환 가능한 수신기인지를 식별하기 위한 고유한 서비스 또는 무선 전력 수신기 식별 정보, 무선 전력 수신기의 출력 전력 정보, 부하에 인가되는 정격 전압/전류 정보, 무선 전력 수신기의 안테나 이득 정보, 무선 전력 수신기의 카테고리를 식별하기 위한 정보, 무선 전력 수신기 인증 정보, 과전압 보호 기능의 탑재 여부에 관한 정보, 무선 전력 수신기에 탑재된 소프트웨어 버전 정보 중 적어도 하나 또는 어느 하나를 포함할 수 있다.
무선 전력 송신기는 광고 시그널이 수신되면, 전력 절약 상태(320)에서 저전력 상태(330)로 천이한 후, 무선 전력 수신기와의 대역외 통신 링크를 설정할 수 있다. 연이어, 무선 전력 송신기는 설정된 대역외 통신 링크를 통해 무선 전력 수신기에 대한 등록 절차를 수행할 수 있다. 일 예로, 대역외 통신이 블루투스 저전력 통신인 경우, 무선 전력 송신기는 무선 전력 수신기와 블루투스 페어링을 수행하고, 페어링된 블루투스 링크를 통해 서로의 상태 정보, 특성 정보 및 제어 정보 중 적어도 하나를 교환할 수 있다.
무선 전력 송신기가 저전력 상태(330)에서 대역외 통신을 통해 충전을 개시하기 위한 소정 제어 신호-즉, 무선 전력 수신기가 부하에 전력을 전달하도록 요청하는 소정 소정 제어 신호-를 무선 전력 수신기에 전송하면, 무선 전력 송신기의 상태는 저전력 상태(330)에서 전력 전송 상태(340)로 천이될 수 있다.
만약, 저전력 상태(330)에서 대역외 통신 링크 설정 절차 또는 등록 절차가 정상적으로 완료되지 않은 경우, 무선 전력 송신기의 상태는 저전력 상태(330)에서 전력 절약 상태(320)에 천이될 수 있다.
무선 전력 송신기는 각 무선 전력 수신기와의 접속을 위한 별도의 분리된 링크 만료 타이머(Link Expiration Timer)가 구동될 수 있으며, 무선 전력 수신기는 소정 시간 주기로 무선 전력 송신기에 자신이 존재함을 알리는 소정 메시지를 링크 만료 타이머가 만료되기 이전에 전송해야 한다. 링크 만료 타이머는 상기 메시지가 수신될 때마다 리셋되며, 링크 만료 타이머가 만료되지 않으면 무선 전력 수신기와 무선 전력 수신기 사이에 설정된 대역외 통신 링크는 유지될 수 있다.
만약, 저전력 상태(330) 또는 전력 전송 상태(340)에서, 무선 전력 송신기와 적어도 하나의 무선 전력 수신기 사이에 설정된 대역외 통신 링크에 대응되는 모든 링크 만료 타이머가 만료된 경우, 무선 전력 송신기의 상태는 전력 절약 상태(320)로 천이될 수 있다.
또한, 저전력 상태(330)의 무선 전력 송신기는 무선 전력 수신기로부터 유효한 광고 시그널이 수신되면 소정 등록 타이머를 구동시킬 수 있다. 이때, 등록 타이머가 만료되면, 저전력 상태(330)의 무선 전력 송신기는 전력 절약 상태(320)로 천이할 수 있다. 이때, 무선 전력 송신기는 등록에 실패하였음을 알리는 소정 알림 신호를 무선 전력 송신기에 구비된 알림 표시 수단-예를 들면, LED 램프, 디스플레이 화면, 비퍼(beeper) 등을 포함함-을 통해 출력할 수도 있다.
또한, 전력 전송 상태(340)에서, 무선 전력 송신기는 접속된 모든 무선 전력 수신기의 충전이 완료되면, 저전력 상태(330)로 천이될 수 있다.
특히, 무선 전력 수신기는 구성 상태(310), 로컬 장애 상태(350) 및 잠금 장애 상태(360)를 제외한 나머지 상태에서 새로운 무선 전력 수신기의 등록을 허용할 수 있다.
또한, 무선 전력 송신기는 전력 전송 상태(340)에서 무선 전력 수신기로부터 수신되는 상태 정보에 기반하여 전송 전력을 동적으로 제어할 수 있다.
이때, 무선 전력 수신기로부터 무선 전력 송신기에 전송되는 수신기 상태 정보는 요구 전력 정보, 정류기 후단에서 측정된 전압 및/또는 전류 정보, 충전 상태 정보, 과전류 및/또는 과전압 및/또는 과열 상태를 통보하기 위한 정보, 과전류 또는 과전압에 따라 부하에 전달되는 전력을 차단하거나 감소시키는 수단이 활성화되었는지 여부를 지시하는 정보 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이때, 수신기 상태 정보는 미리 지정된 주기로 전송되거나 특정 이벤트가 발생될 때마다 전송될 수 있다. 또한, 상기 과전류 또는 과전압에 따라 부하에 전달되는 전력을 차단하거나 감소시키는 수단은 ON/OFF 스위치, 제너다이오드 중 적어도 하나를 이용하여 제공될 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 수신기로부터 무선 전력 송신기에 전송되는 수신기 상태 정보는 무선 전력 수신기에 유선으로 외부 전원이 연결되었음을 알리는 정보, 대역외 통신 방식이 변경되었음을 알리는 정보-일 예로, NFC(Near Field Communication)에서 BLE(Bluetooth Low Energy) 통신으로 변경될 수 있음- 중 적어도 하나를 더 포함할 수도 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 송신기는 자신의 현재 가용한 전력, 무선 전력 수신기 별 우선 순위, 접속된 무선 전력 수신기의 개수 중 적어도 하나에 기반하여 무선 전력 수신기 별 수신해야 할 전력 세기를 적응적으로 결정할 수도 있다. 여기서, 무선 전력 수신기 별 전력 세기는 해당 무선 전력 수신기의 정류기에서 처리 가능한 최대 전력 대비 얼마의 비율로 전력을 수신해야 하는지로 결정될 수 있다.
이 후, 무선 전력 송신기는 결정된 전력 세기에 관한 정보가 포함된 소정 전력 제어 명령을 해당 무선 전력 수신기에 전송할 수 있다. 이때, 무선 전력 수신기는 무선 전력 송신기에 의해 결정된 전력 세기로 전력 제어가 가능한지 여부를 판단하고, 판단 결과를 소정 전력 제어 응답 메시지를 통해 무선 전력 송신기에 전송할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 수신기는 무선 전력 송신기의 전력 제어 명령에 따라 무선 전력 제어가 가능한지 여부를 지시하는 소정 수신기 상태 정보를 상기 전력 제어 명령을 수신하기 이전에 전송할 수도 있다.
전력 전송 상태(340)는 접속된 무선 전력 수신기의 전력 수신 상태에 따라 제1 상태(341), 제2 상태(342) 및 제3 상태(343) 중 어느 하나의 상태일 수 있다.
일 예로, 제1 상태(341)는 무선 전력 송신기에 접속된 모든 무선 전력 수신기의 전력 수신 상태가 정상 전압인 상태임을 의미할 수 있다.
제2 상태(342)는 무선 전력 송신기에 접속된 적어도 하나의 무선 전력 수신기의 전력 수신 상태가 저전압 상태이고 고전압 상태인 무선 전력 수신기가 존재하지 않음을 의미할 수 있다.
제3 상태(343)는 무선 전력 송신기에 접속된 적어도 하나의 무선 전력 수신기의 전력 수신 상태가 고전압 상태임을 의미할 수 있다.
무선 전력 송신기는 전력 절약 상태(320) 또는 저전력 상태(330) 또는 전력 전송 상태(340)에서 시스템 오류가 감지되면, 잠금 장애 상태(360)로 천이될 수 있다
잠금 장애 상태(360)의 무선 전력 송신기는 접속된 모든 무선 전력 수신기가 충전 영역에서 제거된 것으로 판단되면, 구성 상태(310) 또는 전력 절약 상태(320)로 천이할 수 있다.
또한, 잠금 장애 상태(360)에서, 무선 전력 송신기는 로컬 장애가 감지되면, 로컬 장애 상태(350)로 천이할 수 있다. 여기서, 로컬 장애 상태(350)인 무선 전력 송신기는 로컬 장애가 해제되면, 다시 잠금 장애 상태(360)로 천이될 수 있다.
반면, 구성 상태(310), 전력 절약 상태(320), 저전력 상태(330), 전력 전송 상태(340) 중 어느 하나의 상태에서 로컬 장애 상태(350)로 천이된 경우, 무선 전력 송신기는 로컬 장애가 해제되면, 구성 상태(310)로 천이될 수 있다.
무선 전력 송신기는 로컬 장애 상태(350)로 천이되면, 무선 전력 송신기에 공급되는 전원을 차단할 수도 있다. 일 예로, 무선 전력 송신기는 과전압, 과전류, 과열 등의 장애가 감지되면 로컬 장애 상태(350)로 천이될 수 있으나 이에 국한되지는 않는다.
일 예로, 무선 전력 송신기는 과전류, 과전압, 과열 등이 감지되면, 무선 전력 수신기에 의해 수신되는 전력의 세기를 감소시키기 위한 소정 전력 제어 명령을 접속된 적어도 하나의 무선 전력 수신기에 전송할 수도 있다.
다른 일 예로, 무선 전력 송신기는 과전류, 과전압, 과열 등이 감지되면, 무선 전력 수신기의 충전을 중단시키기 위한 소정 제어 명령을 접속된 적어도 하나의 무선 전력 수신기에 전송할 수도 있다.
상기와 같은 전력 제어 절차를 통해, 무선 전력 송신기는 과전압, 과전류, 과열 등에 따른 기기 파손을 미연에 방지할 수 있다.
무선 전력 송신기는 송신 공진기의 출력 전류의 세기가 기준치 이상인 경우, 잠금 장애 상태(360)로 천이할 수 있다. 이때, 잠금 장애 상태(360)로 천이된 무선 전력 송신기는 송신 공진기의 출력 전류의 세기를 미리 지정된 시간 동안 기준치 이하가 되도록 시도할 수 있다. 여기서, 상기 시도는 미리 지정된 회수 동안 반복 수행될 수 있다. 만약, 반복 수행에도 불구하고, 잠금 장애 상태(360)가 해제되지 않는 경우, 무선 전력 송신기는 소정 알림 수단을 이용하여 사용자에게 잠금 장애 상태(360)가 해제되지 않음을 지시하는 소정 알림 신호를 송출할 수 있다. 이때, 무선 전력 송신기의 충전 영역에 위치한 모든 무선 전력 수신기가 사용자에 의해 충전 영역에서 제거되면, 잠금 장애 상태(360)가 해제될 수 있다.
반면, 송신 공진기의 출력 전류의 세기가 미리 지정된 시간 이내에 기준치 이하로 떨어지거나 상기 미리 지정된 반복 수행 동안 송신 공진기의 출력 전류의 세기가 기준치 이하로 떨어지는 경우, 잠금 장애 상태(360)는 자동으로 해제될 수 있으며, 이때, 무선 전력 송신기의 상태는 잠금 장애 상태(360)에서 전력 절약 상태(320)로 자동 천이되어 무선 전력 수신기에 대한 감지 및 식별 절차를 다시 수행할 수 있다.
전력 전송 상태(340)의 무선 전력 송신기는 연속된 전력을 송출하고, 무선 전력 수신기의 상태 정보 및 미리 정의된 최적 전압 영역(Optimal Voltage Region) 설정 파라메터에 기반하여 적응적으로 송출 전력을 제어할 수 있다.
일 예로, 최적 전압 영역(Optimal Voltage Region) 설정 파라메터는 저전압 영역을 식별하기 위한 파라메터, 최적 전압 영역을 식별하기 위한 파라메터, 고전압 영역을 식별하기 위한 파라메터, 과전압 영역을 식별하기 위한 파라메터 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
무선 전력 송신기는 무선 전력 수신기의 전력 수신 상태가 저전압 영역에 있으면, 송출 전력을 증가시키고, 고전압 영역에 있으면, 송출 전력을 감소시킬 수 있다.
또한, 무선 전력 송신기는 전력 전송 효율이 최대화되도록 송출 전력을 제어할 수도 있다.
또한, 무선 전력 송신기는 무선 전력 수신기에 의해 요구된 전력량의 편차가 기준치 이하가 되도록 송출 전력을 제어할 수도 있다.
또한, 무선 전력 송신기는 무선 전력 수신기의 정류기 출력 전압이 소정 과전압 영역에 도달한 경우-즉, Over Voltage가 감지된 경우-, 전력 전송을 중단할 수도 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 공진 방식의 무선 전력 수신기의 상태 천이도이다.
도 4을 참조하면, 무선 전력 수신기의 상태는 크게 비활성화 상태(Disable State, 410), 부트 상태(Boot State, 420), 활성화 상태(Enable State, 430)(또는, On state) 및 시스템 오류 상태(System Error State, 440)을 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 무선 전력 수신기의 상태는 무선 전력 수신기의 정류기단에서의 출력 전압의 세기-이하, 설명의 편의를 위해 VRECT이라 명함-에 기반하여 결정될 수 있다.
활성화 상태(430)는 VRECT의 값에 따라 최적 전압 상태(Optimum Voltage State, 431), 저전압 상태(Low Voltage State, 432) 및 고전압 상태(High Voltage State, 433)로 구분될 수 있다.
비활성화 상태(410)의 무선 전력 수신기는 측정된 VRECT 값이 미리 정의된 VRECT_BOOT 값보다 크거나 같으면, 부트 상태(420)로 천이할 수 있다.
부트 상태(420)에서, 무선 전력 수신기는 무선 전력 송신기와의 대역외 통신 링크를 설정하고 VRECT 값이 부하단에 요구되는 전력에 도달할 때까지 대기할 수 있다.
부트 상태(420)의 무선 전력 수신기는 VRECT 값이 부하단에 요구되는 전력에 도달된 것이 확인되면, 활성화 상태(430)로 천이하여 충전을 시작할 수 있다.
활성화 상태(430)의 무선 전력 수신기는 충전이 완료되거나 충전이 중단된 것이 확인되면, 부트 상태(420)로 천이될 수 있다.
또한, 활성화 상태(430)의 무선 전력 수신기는 소정 시스템 오류가 감지되면, 시스템 오류 상태(440)로 천이할 수 있다. 여기서, 시스템 오류는 과전압, 과전류 및 과열뿐만 아니라 미리 정의된 다른 시스템 오류 조건이 포함될 수 있다.
또한, 활성화 상태(430)의 무선 전력 수신기는 VRECT 값이 VRECT _BOOT 값 이하로 떨어지면, 비활성화 상태(410)로 천이될 수도 있다.
또한, 부트 상태(420) 또는 시스템 오류 상태(440)의 무선 전력 수신기는 VRECT 값이 VRECT _BOOT 값 이하로 떨어지면, 비활성화 상태(410)로 천이될 수도 있다.
이하에서는, 활성화 상태(430)내에서의 무선 전력 수신기의 상태 천이를 후술할 도 5를 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 VRECT에 따른 전자기 공진 방식의 무선 전력 수신기의 동작 영역을 설명하기 위한 도면이다.
도 5을 참조하면, VRECT 값이 소정 VRECT _ BOOT 보다 작으면, 무선 전력 수신기는 비활성화 상태(510)에 유지된다.
이 후, VRECT 값이 VRECT _BOOT 이상으로 증가되면, 무선 전력 수신기는 부트 상태(520)로 천이되며, 미리 지정된 시간 이내에 광고 시그널을 브로드캐스팅할 수 있다. 이 후, 광고 시그널이 무선 전력 송신기에 의해 감지되면, 무선 전력 송신기는 대역외 통신 링크 설정을 위한 소정 연결 요청 시그널을 무선 전력 수신기에 전송할 수 있다.
무선 전력 수신기는 대역외 통신 링크가 정상적으로 설정되고, 등록에 성공한 경우, VRECT 값이 정상적인 충전을 위한 정류기에서의 최소 출력 전압-이하, 설명의 편의를 위해 VRECT _ MIN이라 명함-에 도달할 때까지 대기할 수 있다.
VRECT 값이 VRECT _MIN을 초과하면, 무선 전력 수신기의 상태는 부트 상태(520)에서 활성화 상태(530)로 천이되며 부하에 충전을 시작할 수 있다.
만약, 활성화 상태(530)에서 VRECT 값이 과전압을 판단하기 위한 소정 기준치인 VRECT _MAX을 초과하면, 무선 전력 수신기는 활성화 상태(530)에서 시스템 오류 상태(540)로 천이될 수 있다.
도 5를 참조하면, 활성화 상태(530)는 VRECT의 값에 따라 저전압 상태(Low Voltage State, 532), 최적 전압 상태(Optimum Voltage State, 531) 및 고전압 상태(High Voltage State, 533)로 구분될 수 있다.
저전압 상태(532)는 VRECT _BOOT <= VRECT <= VRECT _ MIN인 상태를 의미하고, 최적 전압 상태(531)은 VRECT _MIN < VRECT <=VRECT _ HIGH인 상태를 의미하고, 고전압 상태(533)는 VRECT_HIGH < VRECT <=VRECT _ MAX인 상태를 의미할 수 있다.
특히, 고전압 상태(533)로 천이된 무선 전력 수신기는 부하에 공급되는 전력을 차단하는 동작을 미리 지정된 시간-이하 설명의 편의를 위해 고전압 상태 유지 시간이라 명함- 동안 유보시킬 수도 있다. 이때, 고전압 상태 유지 시간은 고전압 상태(533)에서 무선 전력 수신기 및 부하에 피해가 발생되지 않도록 미리 결정될 수 있다.
무선 전력 수신기는 시스템 오류 상태(540)로 천이되면, 과전압 발생을 지시하는 소정 메시지를 미리 지정된 시간 이내에 대역외 통신 링크를 통해 무선 전력 송신기에 전송할 수 있다.
또한, 무선 전력 수신기는 시스템 오류 상태(540)에서 과전압에 따른 부하의 피해를 방지하기 위해 구비된 과전압 차단 수단을 이용하여 부하에 인가되는 전압을 제어할 수도 있다. 여기서, 과전압 차단 수단으로 ON/OFF 스위치 또는/및 제너다이오드 등이 사용될 수 있다.
상기 실시예에서는 무선 전력 수신기에 과전압이 발생되어 시스템 오류 상태(540)로 천이된 경우, 무선 전력 수신기에서의 시스템 오류 대응 방법 및 수단을 설명하고 있으나 이는 하나의 실시예에 불과하며, 본 발명의 다른 실시예는 무선 전력 수신기에 과열, 과전류 등에 의해서도 시스템 오류 상태로 천이될 수도 있다.
일 예로, 과열에 따라 시스템 오류 상태로 천이된 경우, 무선 전력 수신기는 과열 발생을 알리는 소정 메시지를 무선 전력 송신기에 전송할 수 있다. 이때, 무선 전력 수신기는 구비된 냉각팬 등을 구동하여 내부 발생된 열을 감소시킬 수도 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 수신기는 복수의 무선 전력 송신기와 연동하여 무선 전력을 수신할 수도 있다. 이 경우, 무선 전력 수신기는 실제 무선 전력을 수신하기로 결정된 무선 전력 송신기와 실제 대역외 통신 링크가 설정된 무선 전력 송신기가 서로 상이한 것으로 판단되면, 시스템 오류 상태(540)로 천이할 수도 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 무선 전력 송신기와 무선 전력 수신기 사이의 시그널링 절차를 후술할 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 6은 본 발명의 일 실시에에 따른 전자기 공진 방식의 무선 충전 절차를 설명하기 위한 흐름도이다.
도 6을 참조하면, 무선 전력 송신기는 전원 인가에 따라 무선 전력 송신기 구성, 즉, 부팅이 완료되면, 비콘 시퀀스를 생성하여 송신 공진기를 통해 전송할 수 있다(S601).
무선 전력 수신기는 비콘 시퀀스가 감지되면 자신의 식별 정보 및 특성 정보가 포함된 광고 시그널을 브로드캐스팅할 수 있다(S603). 이때, 광고 시그널은 후술할 연결 요청 신호가 무선 전력 송신기로부터 수신되기 이전까지 소정 주기로 반복 전송될 수 있음을 주의해야 한다.
무선 전력 송신기는 광고 시그널이 수신되면, 대역외 통신 링크를 설정하기 위한 소정 연결 요청 신호를 무선 전력 수신기에 전송할 수 있다(S605).
무선 전력 수신기는 연결 요청 신호가 수신되면, 대역외 통신 링크를 설정하고, 설정된 대역외 통신 링크를 통해 자신의 정적 상태 정보를 전송할 수 있다(S607).
여기서, 무선 전력 수신기의 정적 상태 정보는 카테고리 정보, 하드웨어 및 소프트웨어 버전 정보, 최대 정류기 출력 전력 정보, 전력 제어를 위한 초기 기준 파라메터 정보, 요구 전압 또는 전력에 관한 정보, 전력 조절 기능 탑재 여부를 식별하기 위한 정보, 지원 가능한 대역외 통신 방식에 관한 정보, 지원 가능한 전력 제어 알고리즘에 관한 정보, 무선전력수신기에 초기 설정된 선호 정류기단 전압값 정보 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
무선 전력 송신기는 무선 전력 수신기의 정적 상태 정보가 수신되면, 무선 전력 송신기의 정적 상태 정보를 대역외 통신 링크를 통해 무선 전력 수신기에 전송할 수 있다(S609).
여기서, 무선 전력 송신기의 정적 상태 정보는 송신기 전력 정보, 클래스 정보, 하드웨어 및 소프트웨어 버전 정보, 지원 가능한 무선 전력 수신기의 최대 개수에 관한 정보 및/또는 현재 접속된 무선 전력 수신기의 개수에 관한 정보 중 적어도 하나를 포함하여 구성될 수 있다.
이 후, 무선 전력 수신기는 자신의 실시간 전력 수신 상태 및 충전 상태를 모니터링하며, 주기적 또는 특정 이벤트 발생 시 동적 상태 정보를 무선 전력 송신기에 전송할 수 있다(S611).
여기서, 무선 전력 수신기의 동적 상태 정보는 정류기 출력 전압 및 전류에 관한 정보, 부하에 인가되는 전압 및 전류에 관한 정보, 무선 전력 수신기의 내부 측정 온도에 관한 정보, 전력 제어를 위한 기준 파라메터 변경 정보(정류 전압 최소 값, 정류 전압 최대 값, 초기 설정된 선호 정류기단 전압 변경 값), 충전 상태 정보, 시스템 오류 정보, 경보 정보 중 적어도 하나를 포함하여 구성될 수 있다. 무선 전력 송신기는 상기 전력 제어를 위한 기준 파라메터 변경 정보 수신시 기존 정적 상태 정보에 포함된 설정 값을 변경하여 전력 조절을 수행할 수 있다.
또한, 무선 전력 송신기는 무선 전력 수신기를 충전하기 위한 충분한 전력이 준비되면, 대역외 통신 링크를 통해 소정 제어 명령을 송출하여 무선 전력 수신기가 충전을 개시하도록 제어할 수 있다(S613).
이 후, 무선 전력 송신기는 무선 전력 수신기로부터 동적 상태 정보를 수신하여 송출 전력을 동적으로 제어할 수 있다(S615).
또한, 무선 전력 수신기는 내부 시스템 오류가 감지되거나 충전이 완료된 경우, 동적 상태 정보에 해당 시스템 오류를 식별하기 위한 데이터 및/또는 충전이 완료되었음을 지시하는 데이터를 포함하여 무선 전력 송신기에 전송할 수도 있다(S617). 여기서, 시스템 오류는 과전류, 과전압, 과열 등을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 송신기는 현재 가용한 전력이 접속된 모든 무선 전력 수신기의 요구 전력을 충족하지 못하는 경우, 각 무선 전력 수신기에 전송할 전력을 재분배하고 이를 소정 제어 명령을 통해 해당 무선 전력 수신기에 전송할 수도 있다.
또한, 무선 전력 송신기는 무선 충전 중 새로운 무선 전력 수신기가 등록된 경우, 현재 가용한 전력에 기반하여 접속된 무선 전력 수신기 별 수신할 전력을 재분배하고, 이를 소정 제어 명령을 통해 해당 무선 전력 수신기에 전송할 수도 있다
또한, 무선 전력 송신기는 무선 충전 중 기존 접속된 무선 전력 수신기의 충전이 완료되거나 대역외 통신 링크가 해제-예를 들면, 무선 전력 수신기가 충전 영역에서 제거된 경우를 포함함-되는 경우, 남아있는 무선 전력 수신기 별 수신할 전력을 재분배하고 이를 소정 제어 명령을 통해 해당 무선 전력 수신기에 전송할 수도 있다.
또한, 무선 전력 송신기는 소정 제어 절차를 통해 무선 전력 수신기가 전력 조절 기능이 탑재되었는지 여부를 확인할 수도 있다. 이 경우, 무선 전력 송신기는 전력 재분배 상황이 발생된 경우, 전력 조절 기능이 탑재된 무선 전력 수신기에 대해서만 전력 재분배를 수행할 수도 있다.
일 예로, 전력 재분배 상황은 연결되지 않은 무선 전력 수신기로부터 유효한 광고 시그널을 수신하여 새로운 무선 전력 수신기가 추가되거나 연결된 무선 전력 수신기의 현재 상태 등을 지시하는 동적 파라메터를 수신되거나, 기 연결된 무선 전력 수신기가 더 이상 존재하지 않음이 확인되거나, 기 연결된 무선 전력 수신기의 충전이 완료되거나, 기 연결된 무선 전력 수신기의 시스템 오류 상태를 지시하는 알람(Alert) 메시지가 수신되는 등의 이벤트가 발생된 경우 발생될 수 있다.
여기서, 시스템 오류 상태는 과전압 상태, 과전류 상태, 과열 상태, 네트워크 연결 상태 등을 포함할 수 있다.
일 예로, 무선 전력 송신기는 소정 제어 명령을 통해 전력 재분배 관련 정보를 무선 전력 수신기에 전송할 수 있다.
여기서, 전력 재분배 관련 정보는 전력 제어를 위한 무선 전력 송신기 명령,
일 예로, 무선 전력 송신기는 새로운 무선 전력 수신기가 등록되면, 자신의 가용한 전력량에 기반하여 무선 전력 수신기에 의해 요구된 전력량을 제공 가능한지 여부를 판단할 수 있다. 판단 결과, 요구된 전력량이 가용한 전력량을 초과하는 경우, 무선 전력 송신기는 해당 무선 전력 수신기에 전력 조절 기능이 탑재되었는지 여부를 확인할 수 있다. 확인 결과, 전력 조절 기능이 탑재된 경우, 무선 전력 수신기는 가용한 전력량 내에서 무선 전력 수신기가 수신할 전력의 양을 결정하고, 결정된 결과를 소정 제어 명령을 통해 무선 전력 수신기에 전송할 수도 있다.
물론, 상기 전력 재분배는 무선 전력 송신기 및 무선 전력 수신기가 정상적으로 동작 가능한 범위 및/또는 정상적인 충전이 가능한 범위 내에서 수행될 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 수신기는 복수의 대역외 통신 방식을 지원할 수 있다. 만약, 현재 설정된 대역외 통신 링크를 다른 방식으로 변경하고자 하는 경우, 무선 전력 수신기는 대역외 통신 변경을 요청하는 소정 제어 신호를 무선 전력 송신기에 전송할 수 있다. 무선 전력 송신기는 대역외 통신 변경 요청 신호가 수신되면, 현재 설정된 대역외 통신 링크를 해제하고, 무선 전력 수신기에 의해 요청된 대역외 통신 방식으로 새로운 대역외 통신 링크를 설정할 수 있다.
일 예로, 본 발명에 적용 가능한 대역외 통신 방식에는 NFC(Near Field Communication) 통신, RFID(Radio Frequency Identification) 통신, BLE(Bluetooth Low Energy) 통신, WCDMA(Wideband Code Division Multiple Access) 통신, LTE(Long Term Evolution)/LTE-Advance 통신, Wi-Fi 통신 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
한편, 무선 전력 송신기가 포함하는 무선 전력 송신 코일이 한 개일 경우, 상기 무선 전력 송신 코일은 도 7과 같은 형태를 가질 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시에에 따른 전자기 공진 방식에 따른 무선 전력 송신 코일이 한 개일 경우, 자기장의 영역을 설명하기 위한 도면이다.
도 7를 참조하면, 무선 전력 송신 코일은 단일 루프 형태로서 코일 안쪽 영역과 코일 바깥쪽 영역으로 구분될 수 있다. 이때, 직전 코일을 흐르는 전류는 코일을 중심으로 하는 동심원 형태의 자기장을 발생시킬 수 있다. 도 7에 도시된 화살표는 전류의 방향을 나타낸다.
한 개의 루프 형태의 코일이 사용되는 경우, 코일에 의해 발생되는 자기장 영역에 따른 무선 전력 전송 영역은 바깥쪽 영역(710)과 안쪽 영역(720)으로 구분될 수 있다.
무선 전력 전송 영역은 코일의 바깥쪽 영역에서 전류에 의해 발생되는 자기장의 영역에 따라 결정될 수 있고, 자기장의 영역에 따라 무선 전력 송신기를 포함하는 무선 충전 장치의 충전 패드의 크기가 결정될 수 있다.
한편, 무선 전력 송신 코일의 근처에서는 무선 전력 전송이 불가능한 영역(흔히, 데드존(dead-zone))이 생길 수 있다. 무선 전력 수신 코일에 의한 자기장의 방향이 서로 반대방향이 되고 무선 전력 송수신 코일에서 발생되는 각각 자기장이 상쇄되어 송수신 코일간에 충분한 자기장의 결합을 확보하지 못하기 때문에 코일의 바로 인접한 영역에서는 무선 전력 전송이 불가능하다.
도 7에서와 같이 무선 전력 송신 코일이 한 개인 경우 발생할 수 있는 문제점은 중심부에서는 자속량이 매우 적어 무선 전력 전송량이 적을 수 있다는 것이다. 이러한 문제점을 해소하기 위한 방법 및 한계점을 도 8에서 설명한다.
도 8에서는 무선 전력 송신 코일의 중심부 자속량을 증가시킬 수 있는 코일의 배치를 제시하지만, 도 8에서 제시하는 코일의 배치는 다른 문제점을 발생시키며, 이를 해결하기 위해 도 9 및 도 10에서 최적화된 무선 전력 전송 코일의 배치 방법을 설명한다.
도 8은 본 발명의 일 실시에에 따른 전자기 공진 방식에 따른 무선 전력 송신 코일이 두 개일 경우, 각각에서 발생되는 자기장에 의해 감쇠되는 영역을 설명하기 위한 도면이다.
도 8을 참조하면, 무선 전력 송신 코일의 중심부의 자속량을 증가시키기 위해 안쪽에 코일을 추가로 배치할 수 있다.
무선 전력 송신 코일을 한 개가 아닌 복수개를 이용할 경우, 자기장이 발생할 수 있는 충전 영역이 넓어져서 충전 패드의 크기가 커질 수 있고 이에 따라 한번에 복수개의 휴대 단말기들을 충전할 수 있는 효과가 있다. 또한, 무선 전력 송신 코일의 근처에서는 무선 전력 전송이 불가능한 영역(흔히, 데드존(dead-zone))이 생기는 것을 복수의 무선 전력 송신 코일을 사용하여 해결할 수 있으며, 코일 중심부에서 자속량을 증가시킬 수 있다.
한편, 도 8과 같은 코일을 배치하는 경우, 코일의 중심부에서 자속량을 증가시킬 수 있으나, 외측 코일(810)과 내측 코일(820) 사이 영역(830)에서 자기장이 서로 상쇄되어 사이 영역에 위치하는 무선 전력 수신기는 전력을 수신하지 못하는 또 다른 문제점이 발생할 수 있다.
코일에 흐르는 전류에 의해 발생되는 자기장의 방향은 앙페르 법칙에 따라 오른손의 엄지손가락이 전류의 방향을 향하게 할 때 나머지 네 손가락이 감아 쥐는 방향이다.
외측 코일(810)에 흐르는 전류의 방향이 화살표 방향(시계방향)일 때, 외측코일(810)에서 발생되는 자기장의 방향은 외측 코일(810)의 바깥쪽 영역에서 수직 방향으로 올라와서 코일을 중심으로 하는 동심원 형태로 감기며 안쪽 영역에서 수직 방향으로 내려간다.
내측 코일(820)에 흐르는 전류의 방향이 외측 코일에 흐르는 전류의 방향(시계방향)과 동일할 때, 내측 코일(820)에서 발생되는 자기장의 방향은 내측 코일(820)의 바깥쪽 영역에서 수직 방향으로 올라오는 방향이다.
이 때, 외측 코일(810)의 안쪽 영역에서 내려가는 방향의 자기장과 내측 코일(820)의 바깥쪽 영역에서 올라오는 자기장이 서로 상쇄되어, 사이 영역(830)에서 자기장이 약해 무선 전력 전송이 불가하는 데드존이 발생할 수 있다.
이러한 문제점은 외측 코일(810) 및 내측 코일(820)에 흐르는 전류의 방향이 같기 때문이며, 따라서 도 9 내지 도 10에서는 외측 코일(810) 및 내측 코일(820)에 흐르는 전류의 방향이 반대 방향이 되도록 코일을 배치하는 방법에 대해 설명한다.
도 9는 본 발명의 일 실시에에 따른 전자기 공진 방식에 따른 복수 개의 무선 전력 송신 코일이 직렬 연결된 경우, 자기장의 영역을 설명하기 위한 도면이다.
도 9를 참조하면, 외측 코일(910)에 흐르는 전류의 방향(시계방향)과 내측 코일(920)에 흐르는 전류의 방향(반시계방향)이 서로 반대 방향이다.
이러한 코일의 배치에 따라, 앙페르 법칙에 의해 외측 코일(910)에 흐르는 전류에 의해 발생되는 자기장의 안쪽 영역에서 방향과 내측 코일(920)에 흐르는 전류에 의해 발생되는 자기장의 바깥쪽 영역에서 방향이 수직으로 내려가는 방향으로 동일하다.
따라서, 도 8에서와 같이 외측 코일(910)에 의한 자기장과 내측 코일(920)에 의한 자기장의 사이 공간에서의 수직 방향이 동일하여 상쇄되지 않고, 외측 코일(910)과 내측 코일(920)의 사이 영역에서도 무선 전력 전송이 원활하게 수행될 수 있다.
외측 코일(910) 및 내측 코일(920)은 하나의 닫힌 루프 형태일 수 있고, 하나의 닫힌 루프 형태는 동일한 전류가 흐르도록 연결되는 직렬 연결 형태일 수 있다.
일 실시예로, 외측 코일(910)이 갖는 루프 형태를 "제1 루프 형상"이라 지칭할 수 있고, 내측 코일(920)이 갖는 루프 형태를 "제2 루프 형상" 이라 지칭할 수 있으며, 제1루프 형상 및 제2루프 형상은 전체적으로 루프 형태를 갖는 형상을 의미하는 것으로 반드시 폐루프일 필요는 없고 일부분이 개방되어 있는 형상도 포함할 수 있다.
연결부(940)가 직렬 연결 형태일 경우, 외측 코일(910) 및 내측 코일(920)은 하나의 닫힌 루프 형태일 수 있다. 외측 코일(910) 및 내측 코일(920)이 직렬 연결로 연결된 경우, 외측 코일(910) 및 내측 코일(920)에 흐르는 전류의 크기는 동일할 수 있다.
본 발명의 일 실시예로, 연결부(940)는 외측 코일(910)과 내측 코일(920)을 직렬 연결에 의해 따라 연결할 수 있고, 연결부(940)는 구조적으로 외측 코일(910)의 제1단부와 전력전환부를 연결할 수 있고, 외측 코일의 제2단부를 내측 코일(920)의 제1단부와 연결할 수 있으며, 내측 코일(920)의 제2단부를 전력전환부와 연결할 수 있다.
상기와 같은 연결부(940)의 연결 구조에 의해, 외측 코일(910)에 흐르는 전류는 외측 코일(910)의 제1단부에서 외측 코일(910)의 제2단부로 흐르게 되고, 내측 코일(920)에 흐르는 전류는 내측 코일(920)의 제1단부에서 내측 코일의 제2단부로 흐르게 된다. 이에, 외측코일(910)의 제1 단부와 내측코일(920)의 제2 단부는 인접하여 배치될 수 있다.
다른 실시예로, 직렬 연결 형태의 연결부(940) 이외에 도 10에서는 병렬 연결의 형태로 외측 코일(910) 및 내측 코일(920)이 연결될 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시에에 따른 전자기 공진 방식에 따른 복수 개의 무선 전력 송신 코일이 병렬 연결된 경우, 자기장의 영역을 설명하기 위한 도면이다.
도 10을 참조하면, 도 9와 차이점은 외측 코일(1010) 및 내측 코일(1020)을 연결하는 연결부(1030)의 형태이다. 연결부(1030)이 외측 코일(1010) 및 내측 코일(1020)에 인가되는 전압이 동일하도록 하는 병렬 연결 형태일 수 있다. 즉, 도 9와 도 10에 있어서, 연결부(1030)의 차이는 외측 코일(1010) 및 내측 코일(1020) 각각에 흐르는 전류의 방향이 각각 반대 방향이 되도록 하기 위한 설계상의 차이점에 불과하다.
본 발명의 일 실시예로, 연결부(1030)는 외측코일(1010)의 제1 단부 및 제 2단부와 전력전환부를 연결할 수 있고, 내측 코일(1020)의 제1단부와 외측 코일(1010)의 제1단부를 연결할 수 있으며, 내측 코일의 제2단부를 전력 전환부와 연결할 수 있다.
상기와 같은 연결부(940)의 연결 구조에 의해, 외측 코일(1010)에 흐르는 전류는 외측 코일(1010)의 제1단부에서 외측 코일(1010)의 제2단부로 흐르게 되고, 내측 코일(1020)에 흐르는 전류는 내측 코일(1020)의 제1단부에서 내측 코일(1020)의 제2단부로 흐르게 된다.
연결부(1030)의 형태가 병렬 연결 형태인 경우, 외측 코일(1010) 및 내측 코일(1020) 각각에 흐르는 전류의 크기는 다를 수 있고, 각각에서 발생되는 자기장의 영역 및 세기 역시 다를 수 있다.
일 실시예로, 외측 코일(1010)보다 내측 코일(1020)에 흐르는 전류의 크기가 클 수 있고, 이를 고려하여 외측 코일(1010) 및 내측 코일(1020) 사이의 간격을 조절할 수 있다.
이 때, 외측 코일(1010) 및 내측 코일(1020)의 사이 간격 및 외측 코일(1010) 및 내측 코일(1020)을 한 쌍으로 하는 코일 페어 각각의 간격에 대한 배치에 대해서는 도 11에서 설명한다.
도 11은 본 발명의 일 실시에에 따른 전자기 공진 방식에 따른 무선 전력 송신 코일 페어가 복수 번 감겨 있을 때, 배치 간격을 설명하기 위한 도면이다.
도 11을 참조하면, 외측 코일(1110) 및 내측 코일(1120)이 한 쌍의 코일 페어를 이룰 수 있고, 외측 코일(1110)과 내측 코일(1120) 사이 간격을 제1간격(1130)이라고 하고, 한 쌍의 코일 페어가 복수 회 감겨 있을 때 각각의 코일 페어 사이의 간격을 제2간격(1140)이라고 한다.
도 11에 도시된 화살표는 전류의 방향을 나타내며, 코일에 흐르는 전류의 방향은 각각의 코일에 인접한 코일에 흐르는 전류의 방향과 반대 방향이 되도록 한다.
제1간격 및 제2간격에 대한 배치는 코일 각각에서 발생되는 자기장의 간섭이 발생하지 않도록 즉, 자기장이 상쇄되지 않도록 하기 위함이다.
비오 - 사바르 법칙에 의해 단일 코일에서 흐르는 전류의 세기가 커지면 자기장의 세기가 커지므로, 외측 코일(1110)과 내측 코일(1120) 사이의 제1간격은 코일에 흐르는 전류의 크기에 의해 결정될 수 있다.
일 실시예로, 기준 전류에 따른 기준 간격은 실험적으로 결정될 수 있고, 코일에 인가되는 전류의 최대 크기가 클수록 제1간격이 기준 간격 대비 넓게 결정될 수 있다.
한편, 외측 코일(1110) 및 내측 코일(1120)을 포함하는 한 쌍의 코일 페어가 N회 감겨 있을 수 있고, N+1회 감기는 경우 각각의 코일 페어 사이의 제2간격 역시 코일에 흐르는 전류의 최대 크기에 따라 결정될 수 있다.
제2간격 역시, 실험적으로 자기장의 간섭이 최소값이 되는 기준 전류에 따른 기준 간격을 결정하고, 코일에 인가되는 전류의 최대 크기가 클수록 제2간격이 기준 간격 대비 넓게 결정될 수 있다.
상술한 실시예에 따른 방법은 컴퓨터에서 실행되기 위한 프로그램으로 제작되어 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체에 저장될 수 있으며, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다.
컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고, 상술한 방법을 구현하기 위한 기능적인(function) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 실시예가 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
100 : 무선 전력 송신기
110 : 전원 공급부
120 : 전력변환부
130 : 매칭회로
140 : 송신공진기
150 : 주제어부
160 : 통신부
200 : 무선 전력 수신기
210 : 수신공진기
220 : 정류기
230 : DC-DC 변환기
240 : 부하
250 : 주제어부
260 : 통신부
201 : 매칭 회로
202 : 송신 공진기 코일
203 : 수신 공진기 코일
204 : 매칭회로
211 : L1
212 : L2

Claims (11)

  1. 전자기 공진 방식에 의한 무선 전력 송신기에 있어서,
    전원공급부로부터 수신된 전압을 특정 전압으로 변환시킬 수 있는 컨버터(convertor)를 포함하는 전력변환부;
    외측 코일부가 제1 단일 루프 코일로 이루어지고, 상기 제1 단일 루프 코일 내부에 배치되는 내측 코일부가 제2 단일 루프 코일로 이루어져, 상기 전력변환부로부터의 상기 특정 전압을 전달 받아 특정 공진 주파수를 이용하여 무선으로 전력을 전송하는 무선 전력 송신 코일을 포함하는 전력송신부;
    무선 전력 수신기와 데이터 통신이 가능한 통신부;
    상기 전력변환부, 상기 전력송신부 및 상기 통신부를 제어하는 제어부; 및
    상기 제1 단일 루프 코일과 상기 제2 단일 루프 코일을 연결하는 연결부;
    를 포함하며,
    상기 연결부는,
    상기 전력 변환부에 연결되는 상기 제1 단일 루프 코일의 제1 단부; 및
    상기 전력 변환부에 연결되는 상기 제2 단일 루프 코일의 제2 단부를 포함하고,
    상기 제1 단일 루프 코일의 제2 단부는 상기 제2 단일 루프 코일의 제1 단부에 연결되고,
    상기 제1 단일 루프 코일에 흐르는 전류의 방향은 상기 상기 제2 단일 루프 코일에 흐르는 전류의 방향과 반대방향이며,
    상기 제1 단일 루프 코일과 상기 제2 단일 루프 코일 사이의 제 1영역에서는, 상기 제1 단일 루프 코일에 의한 자기장의 방향과 상기 제2 단일 루프 코일에 의한 자기장의 방향이 동일한,
    무선 전력 송신기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 단일 루프 코일과 상기 제1 단일 루프 코일에 인접한 상기 제2 단일 루프 코일은 제1간격만큼 이격되고,
    상기 제1간격은 상기 전력송신부에 흐르는 전류의 크기에 따라 결정되는,
    무선 전력 송신기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 단일 루프 코일에 흐르는 전류는 상기 제1 단일 루프 코일의 상기 제1 단부에서 상기 제1 단일 루프 코일의 상기 제2 단부로 흐르고,
    상기 제2 단일 루프 코일에 흐르는 전류는 상기 제2 단일 루프 코일의 상기 제1 단부에서 상기 제2 단일 루프 코일의 상기 제2 단부로 흐르는,
    무선 전력 송신기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 단일 루프 코일의 상기 제1 단부와 상기 제2 단일 루프 코일의 상기 제2 단부는 인접하여 배치되는,
    무선 전력 송신기.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제1 단일 루프 코일과 상기 제2 단일 루프 코일은 병렬로 연결되는,
    무선 전력 송신기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 단일 루프 코일은 제1 사각 단일 루프 형상으로 이루어지고,
    상기 제2 단일 루프 코일은 제2 사각 단일 루프 형상으로 이루어지는
    무선 전력 송신기.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서, 상기 연결부는,
    수평 방향으로 연장된 상기 제1 단일 루프 코일의 분기 라인(A);
    상기 제1 단일 루프 코일의 분기 라인(A)과 평행하게 수평 방향으로 연장된 상기 제2 단일 루프 코일의 제1 분기 라인(B);
    상기 제1 단일 루프 코일의 분기 라인(A)과 직교하게 수직 방향으로 연장된 상기 제2 단일 루프 코일의 제2 분기 라인(C); 및
    상기 제2 단일 루프 코일의 제1 단부와 상기 제1 단일 루프 코일의 제2 단부를 연결하며 수평 방향으로 연장된 수평 분기 라인(D)을 포함하는 무선 전력 송신기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 연결부의 수평 분기 라인(D)은 상기 제2 단일 루프 코일의 제1 분기 라인(B)으로부터 소정 거리만큼 이격되고,
    상기 소정 거리는 상기 제1 단일 루프 코일과 상기 제2 단일 루프 코일 사이의 거리보다 짧은 무선 전력 송신기.

  11. 삭제
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