KR20160148239A - 무선 전력 수신 장치 및 무선 전력 전송 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 무선전력 수신장치는, 상기 무선전력 송신장치로부터 교류전력을 수신하는 수신측 코일부와, 상기 수신된 교류전력을 직류전력으로 정류하는 수신측 교류/직류 변환부와, 상기 직류전력을 조정하는 수신측 직류/직류 변환부를 포함하고, 상기 직류/직류 변환부는 상기 수신측 코일부와 상기 수신측 교류/직류 변환부 사이에 배치될 수 있다.

Description

무선 전력 수신 장치 및 무선 전력 전송 시스템{APPARATUS FOR RECEIVING WIRELESS POWER AND SYSTEM FOR TRANSMITTING WIRELESS POWER}

본 발명은 무선전력 수신장치 및 무선전력 전송 시스템에 관한 것이다.

최근 정보 통신 기술이 급속도로 발전함에 따라, 정보 통신 기술을 기반으로 하는 유비쿼터스 사회가 이루어지고 있다. 언제 어디서나 정보통신 기기들이 접속되기 위해서는 사회 모든 시설에 통신 기능을 가진 컴퓨터 칩을 내장시킨 센서들이 설치되어야 한다. 따라서 이들 기기나 센서의 전원 공급 문제는 새로운 과제가 되고 있다. 또한 휴대폰뿐만 아니라 블루투스 헤드셋과 뮤직 플레이어 등의 휴대기기 종류가 급격히 늘어나면서 배터리를 충전하는 작업이 사용자에게 시간과 수고를 요구되고 있다. 이러한 문제를 해결하는 방법으로 무선 전력 전송 기술이 최근 들어 관심을 받고 있다.

무선 전력 전송 기술(wireless power transmission 또는 wireless energy transfer)은 자기장의 유도 원리를 이용하여 무선으로 송신기에서 수신기로 전기 에너지를 전송하는 기술로서, 이미 1800년대에 전자기유도 원리를 이용한 전기 모터나 변압기가 사용되기 시작했고, 그 후로는 라디오파나 레이저와 같은 전자파를 방사해서 전기에너지를 전송하는 방법도 시도되었다. 우리가 흔히 사용하는 전동칫솔이나 일부 무선면도기도 실상은 전자기유도 원리로 충전된다.

현재까지 무선을 이용한 에너지 전달 방식은 크게 자기 유도 방식, 자기 공진(Electromagnetic Resonance) 방식 및 단파장 무선 주파수를 이용한 전력 전송 방식 등으로 구분될 수 있다.

자기 유도 방식은 두 개의 코일을 서로 인접시킨 후 한 개의 코일에 전류를 흘려보내면 이 때 발생한 자속(MagneticFlux)이 다른 코일에 기전력을 일으키는 현상을 사용한 기술로서, 휴대폰과 같은 소형기기를 중심으로 빠르게 상용화가 진행되고 있다. 자기 유도 방식은 최대 수백 키로와트(kW)의 전력을 전송할 수 있고 효율도 높지만 최대 전송 거리가 1센티미터(cm) 이하이므로 일반적으로 충전기나 바닥에 인접시켜야 하는 단점이 있다.

자기 공진 방식은 전자기파나 전류 등을 활용하는 대신 전기장이나 자기장을 이용하는 특징이 있다. 자기 공진 방식은 전자파 문제의 영향을 거의 받지 않으므로 다른 전자 기기나 인체에 안전하다는 장점이 있다. 반면, 한정된 거리와 공간에서만 활용할 수 있으며 에너지 전달 효율이 다소 낮다는 단점이 있다.

단파장 무선 전력 전송 방식-간단히, RF 방식-은 에너지가 라디오 파(RadioWave)형태로 직접 송수신될 수 있다는 점을 활용한 것이다. 이 기술은 렉테나(rectenna)를 이용하는 RF 방식의 무선 전력 전송 방식으로서, 렉테나는 안테나(antenna)와 정류기(rectifier)의 합성어로서 RF 전력을 직접 직류 전력으로 변환하는 소자를 의미한다. 즉, RF 방식은 AC 라디오파를 DC로 변환하여 사용하는 기술로서, 최근 효율이 향상되면서 상용화에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

무선 전력 전송 기술은 모바일 뿐만 아니라 IT, 철도, 가전 산업 등 산업 전반에 다양하게 활용될 수 있다.

최근에는 자기 유도 방식과 자기 공진 방식을 복합적으로 적용한 송신부에 대한 개발이 활발해지고 있다. 이는 수신부의 전력 공급 방식의 종류에 관계없이 수신부에 전력을 공급할 수 있기 때문이다.

한편, 무선전력 송신장치에서 송신하는 전력의 양이 커질수록 무선전력 수신장치의 내부에서 발생하는 열원은 커지고, 이는 온도 상승을 초래하게 되어 열폭주 현상이 발생하는 문제점이 있다.

본 발명은 무선전력 송신장치로부터 수신한 전력을 부하에 전달하는 무선전력 수신장치의 구성을 변경하여 열폭주 현상을 방지하기 위한 무선전력 수신장치 및 무선전력 전송 시스템의 제공을 목적으로 한다.

본 발명은 무선전력 수신장치 중 열원을 발생하는 구성을 분산 배치하여 열폭주 현상을 방지하고 전송 효율을 향상시키기 위한 무선전력 수신장치 및 무선전력 전송 시스템의 제공을 목적으로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 무선전력 수신장치는, 상기 무선전력 송신장치로부터 교류전력을 수신하는 수신측 코일부와, 상기 수신된 교류전력을 직류전력으로 정류하는 수신측 교류/직류 변환부와, 상기 직류전력을 조정하는 수신측 직류/직류 변환부를 포함하고, 상기 직류/직류 변환부는 상기 수신측 코일부와 상기 수신측 교류/직류 변환부 사이에 배치될 수 있다.

실시예에 따른 무선전력 전송시스템은 상기 무선 전력 수신장치와 상기 무선전력 수신장치에 전력을 전송하는 무선전력 송신장치를 포함할 수 있다.

본 발명은 무선전력 수신장치의 구성을 분산 배치하여 열폭주 현상을 방지하고, 수신장치의 전송 효율을 향상시키는 효과를 가진다.

또한, 수신장치의 교류/직류 변환부와 직류/직류 변환부를 사용자가 제어 가능함으로써 전송 효율을 향상시키는 효과를 가진다.

도 1은 자기 유도 방식 등가회로이다.
도 2는 자기 공진 방식 등가회로이다.
도 3a 및 3b는 무선전력전송 시스템을 구성하는 서브 시스템 중 하나로 송신부를 나타낸 블록도이다.
도 4는 무선전력전송 시스템을 구성하는 서브 시스템 중 하나로 수신부를 나타낸 블록도이다.
도 5는 종래의 수신부를 나타내는 블록도이다.
도 6은 종래의 수신부의 전류에 따른 전력 손실을 나타내는 그래프이다.
도 7은 종래의 수신부의 일부분을 열화상 카메라로 촬영한 이미지이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 수신부를 나타내는 블록도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수신부를 나타내는 블록도이다.

이하, 본 발명의 실시예에 의한 무선으로 전력을 전송하는 기능을 구비한 송신부와 무선으로 전력을 수신하는 수신부를 포함한 무선전력전송 시스템을 도면을 참고하여 상세하게 설명한다. 다음에 소개되는 실시 예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 장치의 크기 및 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조 번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

실시예는 무선 전력 전송을 위하여 저주파(50kHz)부터 고주파(15MHz)까지의 다양한 종류의 주파수 대역을 선택적으로 사용하며, 시스템 제어를 위하여 데이터 및 제어신호를 교환할 수 있는 통신시스템을 포함할 수도 있다.

실시예는 배터리를 사용하거나 필요로 하는 전자기기를 사용하는 휴대단말 산업, 스마트 시계 산업, 컴퓨터 및 노트북 산업, 가전기기 산업, 전기자동차 산업, 의료기기 산업, 로봇 산업 등 다양한 산업분야에 적용될 수 있다.

실시예는 하나 또는 복수개의 전송 코일을 사용하여 한 개 이상의 다수기기에 전력 전송이 가능한 시스템을 고려할 수 있다.

실시예에 따르면 스마트폰, 노트북 등 모바일 기기에서의 배터리 부족문제를 해결할 수 있고, 일 예로 테이블에 무선충전패드를 놓고 그 위에서 스마트폰, 노트북을 사용하면 자동으로 배터리가 충전되어 장시간 사용할 수 있게 된다. 또한 까페, 공항, 택시, 사무실, 식당 등 공공장소에 무선충전패드를 설치하면 모바일기기 제조사별로 상이한 충전단자에 상관없이 다양한 모바일기기를 충전할 수 있다. 또한 무선전력전송 기술이 청소기, 선풍기 등의 생활가전제품에 적용되면 전원케이블을 찾아 다닐 필요가 없게 되고 가정 내에서 복잡한 전선이 사라지면서 건물 내 배선이 줄고 공간활용 폭도 넓어질 수 있다. 또한 현재의 가정용 전원으로 전기자동차를 충전할 경우 많은 시간이 소요되지만 무선전력전송 기술을 통해서 고전력을 전송한다면 충전시간을 줄일 수 있게 되고 주차장 바닥에 무선충전시설을 설치하게 되면 전기자동차 주변에 전원케이블을 준비 해야 하는 불편함을 해소 할 수 있다.

실시예에서 사용되는 용어와 약어는 다음과 같다.

무선전력전송 시스템 (Wireless Power Transfer System): 자기장 영역 내에서 무선 전력 전송을 제공하는 시스템

송신부(Wireless Power Transfer System-Charger): 자기장 영역 내에서 전력수신기에게 무선전력전송을 제공하며 시스템 전체를 관리하는 장치.

수신부(Wireless Power Transfer System-Device): 자기장 영역 내에서 전력송신기로부터 무선전력 전송을 제공받는 장치.

충전 영역(Charging Area): 자기장 영역 내에서 실제적인 무선 전력 전송이 이루어지는 지역이며, 응용 제품의 크기, 요구 전력, 동작주파수에 따라 변할 수 있다.

S 파라미터(Scattering parameter): S 파라미터는 주파수 분포상에서 입력전압 대 출력전압의 비로 입력 포트 대 출력 포트의 비(Transmission; S21) 또는 각각의 입/출력 포트의 자체 반사값, 즉 자신의 입력에 의해 반사되어 돌아오는 출력의 값(Reflection; S11, S22).

품질 지수 Q(Quality factor): 공진에서 Q의 값은 주파수 선택의 품질을 의미하고 Q 값이 높을수록 공진 특성이 좋으며, Q 값은 공진기에서 저장되는 에너지와 손실되는 에너지의 비로 표현됨.

무선으로 전력을 전송하는 원리를 살펴보면, 무선 전력 전송 원리로 크게 자기 유도 방식과 자기 공진 방식이 있다.

자기 유도 방식은 소스 인덕터(Ls)와 부하 인덕터(Ll)를 서로 근접시켜 한쪽의 소스 인덕터(Ls)에 전류를 흘리면 발생하는 자속을 매개로 부하 인덕터(Ll)에도 기전력이 발생하는 비접촉 에너지 전송기술이다. 그리고 자기 공진 방식은 2개의 공진기를 결합하는 것으로 2개의 공진기 간의 고유 주파수에 의한 자기 공진이 발생하여 동일 주파수로 진동 하면서 동일 파장 범위에서 전기장 및 자기장을 형성시키는 공명 기법을 활용하여 에너지를 무선으로 전송하는 기술이다.

도 1은 자기 유도 방식 등가회로이다.

도 1을 참조하면, 자기 유도 방식 등가회로에서 송신부는 전원을 공급하는 장치에 따른 소스 전압(Vs), 소스 저항(Rs), 임피던스 매칭을 위한 소스 커패시터(Cs) 그리고 수신부와의 자기적 결합을 위한 소스 코일(Ls)로 구현될 수 있고, 수신부는 수신부의 등가 저항인 부하 저항(Rl), 임피던스 매칭을 위한 부하 커패시터(Cl) 그리고 송신부와의 자기적 결합을 위한 부하 코일(Ll)로 구현될 수 있고, 소스 코일(Ls)과 부하 코일(Ll)의 자기적 결합 정도는 상호 인덕턴스(Msl)로 나타낼 수 있다.

도 1에서 임피던스 매칭을 위한 소스 커패시터(Cs)와 부하 커패시터(Cl)이 없는 오로지 코일로만 이루어진 자기 유도 등가회로로부터 입력전압 대 출력전압의 비(S21)를 구하여 이로부터 최대 전력 전송 조건을 찾으면 최대 전력 전송 조건은 이하 수학식 1을 충족한다.

[수학식 1]

Ls/Rs=Ll/Rl

상기 수학식 1에 따라 송신 코일(Ls)의 인덕턴스와 소스 저항(Rs)의 비와 부하 코일(Ll)의 인덕턴스와 부하 저항(Rl)의 비가 같을 때 최대 전력 전송이 가능하다. 인덕턴스만 존재하는 시스템에서는 리액턴스를 보상할 수 있는 커패시터가 존재하지 않기 때문에 최대 전력 전달이 이루어지는 지점에서 입/출력 포트의 자체 반사값(S11)의 값은 0이 될 수 없고, 상호 인덕턴스(Msl) 값에 따라 전력 전달 효율이 크게 변화할 수 있다. 따라서, 임피던스 매칭을 위한 보상 커패시터로써 송신부에 소스 커패시터(Cs)가 부가될 수 있고, 수신부에 부하 커패시터(Cl)가 부가될 수 있다. 상기 보상 커패시터(Cs, Cl)는 예로 수신 코일(Ls) 및 부하 코일(Ll) 각각에 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다. 또한 임피던스 매칭을 위하여 송신부 및 수신부 각각에는 보상 커패시터 뿐만 아니라 추가적인 커패시터 및 인덕터와 같은 수동 소자가 더 부가될 수 있다.

도 2는 자기 공진 방식 등가회로이다.

도 2를 참조하면, 자기 공진 방식 등가회로에서 송신부는 소스 전압(Vs), 소스 저항(Rs) 그리고 소스 인덕터(Ls)의 직렬 연결로 폐회로를 구성하는 소스 코일(Source coil)과 송신측 공진 인덕터(L1)와 송신측 공진 커패시터(C1)의 직렬 연결로 폐회로를 구성하는 송신측 공진 코일(Resonant coil)로 구현되고, 수신부는 부하 저항(Rl)와 부하 인덕터(Ll)의 직렬 연결로 폐회로를 구성하는 부하 코일(Load coil)과 수신측 공진 인덕터(L2)와 수신측 공진 커패시터(C2)의 직렬 연결로 폐회로를 구성하는 수신측 공진 코일로 구현되며, 소스 인덕터(Ls)와 송신측 인덕터(L1)는 K01의 결합계수로 자기적으로 결합되고, 부하 인덕터(Ll)와 부하측 공진 인덕터(L2)는 K23의 결합계수로 자기적으로 결합되고, 송신측 공진 인덕터(L1)와 수신측 공진 인덕터(L2)는 L12의 결합 계수로 자기적으로 결합된다. 또 다른 실시예의 등가회로에서는 소스 코일 및/또는 부하 코일을 생략하고 송신측 공진 코일과 수신측 공진 코일만으로 이루어질 수도 있다.

자기 공진 방식은 두 공진기의 공진 주파수가 동일할 때에는 송신부의 공진기의 에너지의 대부분이 수신부의 공진기로 전달되어 전력 전달 효율이 향상될 수 있고, 자기 공진 방식에서의 효율은 이하 수학식 2를 충족할 때 좋아진다.

[수학식 2]

k/Γ >> 1 (k는 결합계수, Γ 감쇄율)

자기 공진 방식에서 효율을 증가시키기 위하여 임피던스 매칭을 위한 소자를 부가할 수 있고, 임피던스 매칭 소자는 인덕터 및 커패시터와 같은 수동 소자가 될 수 있다.

이와 같은 무선 전력 전송 원리를 바탕으로 자기 유도 방식 또는 자기 공진 방식으로 전력을 전달하기 위한 무선전력전송 시스템을 살펴본다.

<송신부>

도 3a 및 도 3b는 무선전력전송 시스템을 구성하는 서브 시스템 중 하나로 송신부를 나타낸 블록도이다.

도 3a를 참조하면, 실시예에 따른 무선전력전송 시스템은 송신부(1000)와 상기 송신부(1000)로부터 무선으로 전력을 전송받는 수신부(2000)를 포함할 수 있다. 상기 송신부(1000)는 입력되는 교류 신호를 전력 변환하여 교류 신호로 출력하는 전력변환부(101)와 상기 전력변환부(101)로부터 출력되는 교류 신호에 기초하여 자기장을 생성하여 충전 영역 내의 수신부(2000)에 전력을 제공하는 공진회로부(102) 및 상기 전력변환부(101)의 전력 변환을 제어하고, 상기 전력변환부(101)의 출력 신호의 진폭과 주파수를 조절하고, 상기 공진회로부(102)의 임피던스 매칭을 수행하며, 상기 전력변환부(101) 및 상기 공진회로부(102)로부터 임피던스, 전압, 전류 정보를 센싱하며, 상기 수신부(2000)와 무선 통신할 수 있는 제어부(103)를 포함할 수 있다. 상기 전력변환부(101)는 교류신호를 직류로 변환하는 전력변환부, 직류의 레벨을 가변하여 직류를 출력하는 전력변환부, 직류를 교류로 변환하는 전력변환부 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 그리고 상기 공진회로부(102)는 코일과 상기 코일과 공진할 수 있는 임피던스 매칭부를 포함할 수 있다. 또한 상기 제어부(103)는 임피던스, 전압, 전류 정보를 센싱하기 위한 센싱부와 무선 통신부를 포함할 수 있다.

구체적으로 도 3b를 참조하면, 상기 송신부(1000)는 송신측 교류/직류 변환부(1100), 송신측 직류/교류 변환부(1200), 송신측 임피던스 매칭부(1300), 송신 코일부(1400) 그리고 송신측 통신 및 제어부(1500)을 포함할 수 있다.

송신측 교류/직류 변환부(1100)는 송신측 통신 및 제어부(1500)의 제어 하에 외부로부터 제공되는 교류 신호를 직류 신호로 변환하는 전력 변환부로써, 상기 송신측 교류/직류 변환부(1100)는 서브 시스템으로 정류기(1110)와 송신측 직류/직류 변환부(1120)을 포함할 수 있다. 상기 정류기(1110)는 제공되는 교류 신호를 직류 신호로 변환하는 시스템으로써 이를 구현하는 실시예로 고주파수 동작 시 상대적으로 높은 효율을 가지는 다이오드 정류기, 원-칩(one-chip)화가 가능한 동기 정류기 또는 원가 및 공간 절약이 가능하고 및 데드 타임(Dead time)의 자유도가 높은 하이브리드 정류기가 될 수 있다. 다만 이에 한정되는 것은 아니고, 교류를 직류로 변환하는 시스템이라면 적용 가능하다. 또한 상기 송신측 직류/직류 변환부(1120)는 송신측 통신 및 제어부(1500)의 제어 하에 상기 정류기(1110)으로부터 제공되는 직류 신호의 레벨을 조절하는 것으로 이를 구현하는 예로 입력 신호의 레벨을 낮추는 벅 컨버터(Buck converter), 입력 신호의 레벨을 높이는 부스트 컨버터(Boost converter), 입력 신호의 레벨을 낮추거나 높일 수 있는 벅 부스트 컨버터(Buck Boost converter) 또는 축 컨버터(Cuk converter)가 될 수 있다. 또한 상기 송신측 직류/직류 변환부(1120)는 전력 변환 제어 기능을 하는 스위치소자와 전력 변환 매개 역할 또는 출력 전압 평활 기능을 하는 인덕터 및 커패시터, 전압 이득을 조절 또는 전기적인 분리 기능(절연 기능)을 하는 트랜스 등을 포함할 수 있으며, 입력되는 직류 신호에 포함된 리플 성분 또는 맥동 성분(직류 신호에 포함된 교류 성분)을 제거하는 기능을 할 수 있다. 그리고 상기 송신측 직류/직류 변환부(1120)의 출력 신호의 지령치와 실제 출력 치와의 오차는 피드백 방식을 통해 조절될 수 있고, 이는 상기 송신측 통신 및 제어부(1500)에 의하여 이루어 질 수 있다.

송신측 직류/교류 변환부(1200)는 송신측 통신 및 제어부(1500)의 제어 하에 송신측 교류/직류 변환부(1100)으로부터 출력되는 직류 신호를 교류 신호로 변환하고, 변환된 교류 신호의 주파수를 조절할 수 있는 시스템으로 이를 구현하는 예로 하프 브릿지 인버터(Half bridge inverter) 또는 풀 브릿지 인버터(Full bridge inverter)가 있다. 그리고 무선전력전송 시스템은 직류를 교류로 변환하는 다양한 증폭기가 적용될 수 있고, 예로 A급, B급, AB급, C급, E 급 F급 증폭기가 있다. 또한 상기 송신측 직류/교류 변환부(1200)는 출력 신호의 주파수를 생성하는 오실레이터(Ocillator)와 출력 신호를 증폭하는 파워 증폭부를 포함할 수 있다.

송신측 임피던스 매칭부(1300)는 서로 다른 임피던스를 가진 지점에서 반사파를 최소화하여 신호의 흐름을 좋게 한다. 송신부(1000)와 수신부(2000)의 두 코일은 공간적으로 분리되어 있어 자기장의 누설이 많으므로 상기 송신부(1000)와 수신부(2000)의 두 연결단 사이의 임피던스 차이를 보정하여 전력 전달 효율을 향상시킬 수 있다. 상기 송신측 임피던스 매칭부(1300)는 인덕터, 커패시터 그리고 저항 소자로 구성될 수 있고, 통신 및 제어부(1500)의 제어 하에 상기 인덕터의 인덕턴스와 커패시터의 커패시턴스 그리고 저항의 저항 값을 가변하여 임피던스 매칭을 위한 임피던스 값을 조정할 수 있다. 그리고 무선전력전송 시스템이 자기 유도 방식으로 전력을 전송하는 경우, 송신측 임피던스 매칭부(1300)는 직렬 공진 구조 또는 병렬 공진 구조를 가질 수 있고, 송신부(1000)와 수신부(2000) 사이의 유도 결합 계수를 증가시켜 에너지 손실을 최소화 할 수 있다. 그리고 무선전력전송 시스템이 자기 공진 방식으로 전력을 전송하는 경우, 송신측 임피던스 매칭부(1300)는 송신부(1000)와 수신부(2000) 간의 이격 거리가 변화되거나 금속성 이물질(FO; Foreign Object), 다수의 디바이스에 의한 상호 영향 등에 따라 코일의 특성의 변화로 에너지 전송 선로상의 매칭 임피던스 변화에 따른 임피던스 매칭의 실시간 보정을 가능하게 할 수 있고, 그 보정 방식으로써 커패시터를 이용한 멀티 매칭 방식, 멀티 안테나를 이용한 매칭 방식, 멀티 루프를 이용한 방식 등이 될 수 있다.

송신측 코일(1400)은 복수개의 코일 또는 단수개의 코일로 구현될 수 있고, 송신측 코일(1400)이 복수개로 구비되는 경우 이들은 서로 이격되어 배치되거나 서로 중첩되어 배치될 수 있고, 이들이 중첩되어 배치되는 경우 중첩되는 면적은 자속 밀도의 편차를 고려하여 결정할 수 있다. 또한 송신측 코일(1400)을 제작할 때 내부 저항 및 방사 저항을 고려하여 제작할 수 있고, 이 때 저항 성분이 작으면 품질 지수(Quality factor)가 높아지고 전송 효율이 상승할 수 있다.

통신 및 제어부(1500)는 송신측 제어부(1510)와 송신측 통신부(1520)를 포함할 수 있다. 상기 송신측 제어부(1510)는 수신부(2000)의 전력 요구량, 현재 충전량 그리고 무선 전력 방식을 고려하여 상기 송신측 교류/직류 변환부(1100)의 출력 전압을 조절하는 역할을 할 수 있다. 그리고 최대 전력 전송 효율를 고려하여 상기 송신측 직류/교류 변환부(1200)를 구동하기 위한 주파수 및 스위칭 파형들을 생성하여 전송될 전력을 제어할 수 있다. 또한 수신부(2000)의 저장부(미도시)로부터 독출한 제어에 요구되는 알고리즘, 프로그램 또는 어플리케이션을 이용하여 수신부(2000)의 동작 전반을 제어할 수 있다. 한편 상기 송신측 제어부(1510)는 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤유닛(Micro Controller Unit) 또는 마이콤(Micom)이라고 지칭할 수 있다. 상기 송신측 통신부(1520)는 수신측 통신부(2620)와 통신을 수행할 수 있고, 통신 방식의 일 예로 블루투스, NFC, Zigbee 등의 근거리 통신 방식을 이용할 수 있다. 상기 송신측 통신부(1520)와 수신측 통신부(2620)는 서로간에 충전 상황 정보 및 충전 제어 명령 등의 송수신을 진행할 수 있다. 그리고 상기 충전 상황 정보로는 수신부(2000)의 개수, 배터리 잔량, 충전 횟수, 사용량, 배터리 용량, 배터리 비율 그리고 송신부(1000)의 전송 전력량 등을 포함할 수 있다. 또한 송신측 통신부(1520)는 수신부(2000)의 충전 기능을 제어하는 충전 기능 제어 신호를 송신할 수 있고, 상기 충전 기능 제어 신호는 수신부(2000)를 제어하여 충전 기능을 인에이블(enabled) 또는 디스에이블(disabled)하게 하는 제어 신호일 수 있다.

이처럼, 송신측 통신부(1520)는 별도의 모듈로 구성되는 아웃-오브-밴드(out-of-band) 형식으로 통신될 수도 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 송신부가 전송하는 전력신호를 이용하여 수신부가 송신부에 전달하는 피드백 신호를 이용하는 인-밴드(in-band) 형식으로 통신을 수행할 수도 있다. 예를 들어, 수신부는 피드백 신호를 변조하여 충전 개시, 충전 종료, 배터리 상태 등의 정보를 피드백 신호를 통해 송신기에 전달할 수도 있다. 또한 상기 송신측 통신부(1520)는 상기 송신측 제어부(1510)와 별도로 구성될 수 있고, 상기 수신부(2000) 또한 수신측 통신부(2620)가 수신 장치의 제어부(2610)에 포함되거나 별도로 구성될 수 있다.

또한 실시예에 따른 무선전력전송 시스템의 송신부(1000)는 검출부(1600)를 추가로 구비할 수 있다.

상기 검출부(1600)는 송신측 교류/직류 변환부(1100)의 입력 신호, 송신측 교류/직류 변환부(1100)의 출력 신호, 송신측 직류/교류 변환부(1200)의 입력 신호, 송신측 직류/교류 변환부(1200)의 출력 신호, 송신측 임피던스 매칭부(1300)의 입력 신호, 송신측 임피던스 매칭부(1300)의 출력 신호, 송신측 코일(1400)의 입력 신호 또는 송신측 코일(1400) 상의 신호 중 적어도 하나를 검출할 수 있다. 검출된 신호는 통신 및 제어부(1500)로 피드백되고 이를 기초로 상기 통신 및 제어부(1500)는 송신측 교류/직류 변환부(1100), 송신측 직류/교류 변환부(1200), 송신측 임피던스 매칭부(1300)를 제어할 수 있다. 또한 상기 검출부(1600)의 검출 결과를 기초하여 상기 통신 및 제어부(1500)는 FOD(Foreign object detection)를 수행할 수 있다. 그리고 상기 검출되는 신호는 전압 및 전류 중 적어도 하나일 수 있다. 한편 상기 검출부(1600)는 통신 및 제어부(1500)와 상이한 하드웨어로 구성되거나, 하나의 하드웨어로 구현될 수 있다.

<수신부>

도 4는 무선전력전송 시스템을 구성하는 서브 시스템 중 하나로 수신부를 나타낸 블록도이다.

도 4를 참조하면, 무선전력전송 시스템은 송신부(1000)와 상기 송신부(1000)로부터 무선으로 전력을 전송받는 수신부(2000)를 포함할 수 있고, 상기 수신부(2000)는 수신측 코일부(2100), 수신측 임피던스 매칭부(2200), 수신측 교류/직류 변환부(2300), 수신측 직류/직류변환부(2400), 부하(2500) 및 수신측 통신 및 제어부(2600)를 포함할 수 있다.

수신측 코일부(2100)은 자기 유도 방식 또는 자기 공진 방식을 통해 전력을 수신할 수 있다. 이와 같이 전력 수신 방식에 따라서 유도 코일 또는 공진 코일 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 그리고 수신측 코일부(2100)는 근거리 통신용 안테나(NFC: Near Field Communication)를 함께 구비할 수 있다. 그리고 상기 수신측 코일부(2100)은 송신측 코일부(1400)와 동일할 수 있고, 수신 안테나의 치수는 수신부(2000)의 전기적 특성에 따라 달라질 수 있다.

수신측 임피던스 매칭부(2200)는 송신부(1000)와 수신부(2000) 사이의 임피던스 매칭을 수행한다.

상기 수신측 교류/직류 변환부(2300)는 수신측 코일부(2100)으로부터 출력되는 교류 신호를 정류하여 직류 신호를 생성한다.

수신측 직류/직류변환부(2400)는 수신측 교류/직류 변환부(2300)에서 출력되는 직류 신호의 레벨을 부하(2500)의 용량에 맞게 조정할 수 있다.

상기 부하(2500)는 배터리, 디스플레이, 음성 출력 회로, 메인 프로세서 그리고 각종 센서들을 포함할 수 있다.

수신측 통신 및 제어부(2600)는 송신측 통신 및 제어부(1500)로부터 웨이크-업 전력에 의해 활성화 될 수 있고, 상기 송신측 통신 및 제어부(1500)와 통신을 수행하고, 수신부(2000)의 서브 시스템의 동작을 제어할 수 있다.

상기 수신부(2000)는 단수 또는 복수개로 구성되어 송신부(1000)로부터 동시에 에너지를 무선으로 전달 받을 수 있다. 즉 자기 공진 방식의 무선전력전송 시스템에서는 하나의 송신부(1000)로부터 복수의 타켓 수신부(2000)가 전력을 공급받을 수 있다. 이때 상기 송신부(1000)의 송신측 매칭부(1300)는 복수개의 수신부(2000)들 사이의 임피던스 매칭을 적응적으로 수행할 수 있다. 이는 자기 유도 방식에서 서로 독립적인 수신측 코일부를 복수개 구비하는 경우에도 동일하게 적용될 수 있다.

또한 상기 수신부(2000)가 복수개로 구성된 경우 전력 수신 방식이 동일한 시스템이거나, 서로 다른 종류의 시스템이 될 수 있다. 이 경우, 송신부(1000)는 자기 유도 방식 또는 자기 공진 방식으로 전력을 전송하는 시스템이거나 양 방식을 혼용한 시스템일 수 있다.

한편 무선전력전송 시스템의 신호의 크기와 주파수 관계를 살펴보면, 자기 유도 방식의 무선 전력 전송의 경우, 송신부(1000)에서 송신측 교류/직류 변환부(1100)은 수십 또는 수백 V대(예를 들어 110V~220V)의 수십 또는 수백 Hz 대(예를 들어 60Hz)의 교류 신호를 인가 받아 수V 내지 수십V, 수백V(예를 들어 10V~20V)의 직류 신호로 변환하여 출력할 수 있고, 송신측 직류/교류 변환부(1200)는 직류 신호를 인가 받아 KHz대(예를 들어 125KHz)의 교류 신호를 출력할 수 있다. 그리고 수신부(2000)의 수신측 교류/직류 변환부(2300)는 KHz대(예를 들어 125KHz)의 교류 신호를 입력 받아 수V 내지 수십V, 수백V대(예를 들어 10V~20V)의 직류 신호로 변환하여 출력할 수 있고, 수신측 직류/직류변환부(2400)는 부하(2500)에 적합한, 예를 들어 5V의 직류 신호를 출력하여 상기 부하(2500)에 전달할 수 있다. 그리고 자기 공진 방식의 무선 전력 전송의 경우, 송신부(1000)에서 송신측 교류/직류 변환부(1100)은 수십 또는 수백 V대(예를 들어 110V~220V)의 수십 또는 수백 Hz 대(예를 들어 60Hz)의 교류 신호를 인가 받아 수V 내지 수십V, 수백V(예를 들어 10V~20V)의 직류 신호로 변환하여 출력할 수 있고, 송신측 직류/교류 변환부(1200)는 직류 신호를 인가받아 MHz대(예를 들어 6.78MHz)의 교류 신호를 출력할 수 있다. 그리고 수신부(2000)의 수신측 교류/직류 변환부(2300)는 MHz(예를 들어 6.78MHz)의 교류 신호를 입력 받아 수V 내지 수십V, 수백V (예를 들어 10V~20V)의 수신측 직류 신호로 변환하여 출력할 수 있고, 직류/직류변환부(2400)는 부하(2500)에 적합한, 예를 들어 5V의 직류 신호를 출력하여 상기 부하(2500)에 전달할 수 있다.

도 5는 종래의 수신부를 나타내는 블록도이다.

도 5를 참조하면, 수신부(2000)는 복수의 코일들을 포함하는 수신측 코일부(2100), 수신측 교류/직류 변환부(2300), 수신측 직류/직류 변환부(2400), 수신측 통신 및 제어부(2600)을 포함할 수 있다. 종래의 수신측 교류/직류 변환부(2300)는 수신측 코일부(2100)와 수신측 직류/직류 변환부(2400)의 사이에 배치되는 것이 일반적이다.

그러나, 이러한 배치 구조는 무선전력 송신장치에서 송신하는 전력의 양이 커질수록 수신부(2000)의 내부에서 발생하는 열원은 커져 열폭주(thermal runaway)가 발생하는 문제가 있다. 상기 열폭주 현상이란 온도 상승이 전류의 증가를 야기하고, 이러한 전류의 증가가 일종의 연쇄 반응으로 다시 온도 상승을 초래하는 현상을 말한다. 특히, 도 6과 도 7을 참조하면, 수신부(2000)의 구성 중 수신측 교류/직류 변환부(2300)에서 열폭주 현상이 발생하는 것을 알 수 있다.

도 6은 종래의 수신부의 전류에 따른 전력 손실을 나타내는 그래프이다.

도 6을 참조하면, 도 6의(a)는 수신부(2000) 전체의 전력 손실 그래프이고, 도 6의(b)는 수신부(2000)의 수신측 교류/직류 변환부(2300)와 수신측 직류/직류 변환부(2400)의 전력 손실 그래프이다.

도 6의(b)에서, 수신측 교류/직류 변환부(2300)은 그래프 a에 해당하고, 전류가 증가할수록 전력 손실이 지속적으로 증가하고 있으며, 수신측 직류/직류 변환부(2400)는 그래프 b에 해당하고, 전류의 크기에 영향없이 수신측 교류/직류 변환부(2300)과 비교하여 전력 손실이 적을 수 있다.

즉, 수신측 교류/직류 변환부(2300)는 전류가 증가할 수록 전력 손실이 증가하여 열폭주 현상에 큰 영향을 주는 구성임을 실험적으로 알 수 있다.

도 7은 종래의 수신부의 일부분을 열화상 카메라로 촬영한 이미지이다.

도 7을 참조하면, 3시간동안 구동한 수신부(2000)를 열화상 카메라로 탑뷰(top-view) 촬영한 이미지이다. 제1영역(R1)은 반지름이 8mm 이상 12mm 이하의 원형으로, 수신측 코일부(2100)와 수신측 교류/직류 변환부(2300)가 배치된 곳으로 가장 높은 온도(예컨대, 최고온도 : 62도)가 발생할 수 있다. 제2영역(R2)은 반지름이 18mm 이상 22mm 이하의 원형이고, 제3영역(R3)은 수신측 코일부(2100)의 일부가 배치된 곳으로 제1영역(R1)과 제2영역(R2)보다 낮은 온도가 발생할 수 있다.

즉, 수신측 코일부(2100)와 수신측 교류/직류 변환부(2300)가 겹쳐지는 제1영역(R1)에서 열폭주 현상이 발생하고 있는 바, 수신측 교류/직류 변환부(2300)가 적어도 제2영역(R2) 밖(예컨대, 20mm 이상)에 배치되고, 수신측 코일부(2100)와는 이격되는 영역에 배치되면 열폭주 현상을 방지할 수 있을 것이다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 수신부를 나타내는 블록도이다.

도 8을 참조하면, 수신부(2000)는 복수의 수신 코일들을 포함하는 수신측 코일부(2100), 수신측 직류/직류 변환부(2400), 수신측 교류/직류 변환부(2300), 부하(2500)를 포함할 수 있다.

실시예에서, 수신측 코일부(2100)는 수신부(2000)의 상측에 배치되고, 수신측 교류/직류 변환부(2300)는 수신측 코일부(2100)와 이격되어 배치되고, 수신측 직류/직류 변환부(2400)는 수신측 코일부(2100)와 수신측 교류/직류 변환부(2300) 사이에 배치될 수 있다.

수신측 코일부(2100)와 수신측 교류/직류 변환부(2300) 사이의 간격(L4)은 수신측 코일부의 세로폭(L2)의 절반 이상일 수 있다. 예컨대, 수신측 코일부의 가로폭(L1)이 35mm이고, 세로폭(L2)이 45mm일 때, 수신측 코일부(2100)와 수신측 교류/직류 변환부(2300) 사이의 간격(L4)은 20mm 이상일 수 있으나 이에 대해 한정하는 것은 아니다. 또한, 수신측 코일부(2100)와 수신측 직류/직류 변환부(2400) 사이의 간격(L3)은 10mm 이상일 수 있으나 이에 대해 한정하는 것은 아니다.

또한, 실시예에서, 수신부(2000)는 one-chip이 아닌 각 구성을 분산 배치함으로써, 수신측 교류/직류 변환부(2300)와 수신측 직류/직류 변환부(2400)를 사용자에 의해 제어가 가능할 수 있다.

도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수신부를 나타내는 블록도이다.

도 9를 참조하면, 수신부(2000)는 복수의 수신 코일들을 포함하는 수신측 코일부(2100), 수신측 직류/직류 변환부(2400), 수신측 교류/직류 변환부(2300), 부하(2500)를 포함할 수 있다. 수신측 교류/직류 변환부(2300)는 수신측 교류/직류 변환기(2330)와 수신측 교류/직류 변환기(2330)를 제어하는 수신측 교류/직류 변환부를 포함할 수 있다.

실시예에서, 수신측 코일부(2100)는 수신부(2000)의 상측에 배치되고, 수신측 교류/직류 변환부(2300)는 수신측 코일부(2100)와 이격되어 배치될 수 있다.

또한, 수신측 직류/직류 변환부(2400)는 수신측 코일부(2100)와 수신측 교류/직류 변환기(2330) 사이에 배치될 수 있다. 수신측 교류/직류 변환 제어부(2310)는 수신측 코일부(2100)와 수신측 교류/직류 변환기(2330) 사이에 배치될 수 있다.

수신측 코일부(2100)와 수신측 교류/직류 변환기(2330) 사이의 간격(L3)은 수신측 코일부의 세로폭(L2)의 절반 이상일 수 있고, 예컨대, 수신측 코일부의 가로폭(L1)이 35mm이고, 세로폭(L2)이 45mm일 때, 수신측 코일부(2100)와 수신측 교류/직류 변환 제어기(2330) 사이의 간격(L3)은 20mm 이상일 수 있으나 이에 대해 한정하는 것은 아니다. 또한, 수신측 코일부(2100)와 수신측 교류/직류 변환 제어부(2310) 사이의 간격과 수신측 코일부(2100)와 수신측 직류/직류 변환부(2400) 사이의 간격은 10mm 이상일 수 있으나 이에 대해 한정하는 것은 아니다.

즉, 본 발명의 실시예에 따른 무선전력 수신장치는 수신부(2000)의 구성 중 수신측 코일부와 수신측 교류/직류 변환부를 분산 배치하여 무선전력 수신장치의 내부의 온도 상승을 막아 열폭주 현상을 방지하고 전송 효율을 향상시킬 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술할 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.

101; 전력변환부 102; 공진회로부
103; 제어부 1100; 송신측 교류/직류 변환부
1110; 정류기 1120; 송신측 직류/직류 변환부
1300; 송신측 임피던스 매칭부 1400; 송신 코일부
1500; 송신측 통신 및 제어부 1510; 송신측 제어부
1520; 송신측 통신부 1600; 검출부
2000; 수신부 2100; 수신측 코일부
2200; 수신측 임피던스 매칭부 2300; 수신측 교류/직류 변환부
2400; 수신측 직류/직류 변환부 2500; 부하부
2600; 수신측 통신 및 제어부 2610; 수신측 제어부
2620; 수신측 통신부

Claims (12)

1. 무선전력 송신장치로부터 전력을 수신하여 부하에 전달하는 무선전력 수신장치에 있어서,
   상기 무선전력 송신장치로부터 교류전력을 수신하는 수신측 코일부;
   상기 수신된 교류전력을 직류전력으로 정류하는 수신측 교류/직류 변환부; 및
   상기 직류전력을 조정하는 수신측 직류/직류 변환부;를 포함하고,
   상기 직류/직류 변환부는 상기 수신측 코일부와 상기 수신측 교류/직류 변환부 사이에 배치되는 무선전력 수신장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 수신측 코일부는 복수의 수신 코일들을 포함하고,
   상기 수신측 코일부와 상기 수신측 교류/직류 변환부 사이의 간격은 상기 수신측 코일부의 세로폭의 절반 이상인 무선전력 수신 장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 수신측 코일부와 상기 수신측 교류/직류 변환부 사이의 간격은 20mm 이상인 무선전력 수신 장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 수신측 코일부와 상기 수신측 직류/직류 변환부 사이의 간격은 10mm 이상인 무선전력 수신 장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 수신측 교류/직류 변환부는,
   상기 수신측 코일부로부터 교류전력을 수신하여 직류전력으로 정류하는 수신측 교류/직류 변환기; 및
   상기 수신측 교류/직류 변환기를 제어하는 수신측 교류/직류 변환 제어부;를 포함하는 무선전력 수신장치.
6. 제5항에 있어서,
   상기 수신측 교류/직류 변환 제어부는 상기 수신측 코일부와 상기 수신측 교류/직류 변환기 사이에 배치되는 무선전력 수신장치.
7. 제5항에 있어서,
   상기 수신측 직류-직류 변환부는 상기 수신측 코일부와 상기 수신측 교류/직류 변환기 사이에 배치되는 무선전력 수신장치.
8. 제5항에 있어서,
   상기 수신측 코일부와 상기 수신측 교류/직류 변환기 사이의 간격은 상기 수신측 코일부의 세로폭의 절반 이상인 무선전력 수신 장치.
9. 제5항에 있어서,
   상기 수신측 코일부와 상기 수신측 교류/직류 변환 제어기 사이의 간격은 20mm 이상인 무선전력 수신 장치.
10. 제5항에 있어서,
    상기 수신측 코일부와 상기 수신측 교류/직류 변환 제어부 사이의 간격은 10mm 이상인 무선전력 수신 장치.
11. 제5항에 있어서,
    상기 수신측 코일부와 상기 수신측 직류/직류 변환부 사이의 간격은 10mm 이상인 무선전력 수신 장치.
12. 제1항 내지 제11항의 무선전력 수신장치; 및
    상기 무선전력 수신장치에 전력을 전송하는 무선전력 송신장치를 포함하는 무선전력 전송시스템.
    
    

Images