KR20170020143A - 무전전력전송 시스템 및 이의 구동 방법. - Google Patents

Abstract

무선으로 전력을 전송하는 송신장치의 구동 방법에 있어서, 상기 송신장치는, 상기 송신장치의 전압 및 전류를 검출하는 단계; 상기 전압 및 전류의 변화를 검출하는 단계; 및 상기 전압 및 전류의 변화를 기반으로 상기 송신장치로부터 무선 전력을 수신하는 배터리의 완충 진행을 감지하는 단계;를 포함하는 송신장치의 구동 방법.

Description

무전전력전송 시스템 및 이의 구동 방법. {Wireless Power Transfer System and Operating method thereof}

본 발명은 무전전력전송 시스템 및 이의 구동 방법에 관한 것이다.

일반적으로 각종 전자 기기가 배터리를 구비하고, 배터리에 충전된 전력을 이용하여 구동한다. 이 때 전자 기기에서, 배터리는 교체될 수 있으며, 재차 충전될 수도 있다. 이를 위해, 전자 기기는 외부의 충전 장치와 접촉하기 위한 접촉 단자를 구비한다. 즉 전자 기기는 접촉 단자를 통해, 충전 장치와 전기적으로 연결된다. 그런데, 전자 기기에서 접촉 단자가 외부로 노출됨에 따라, 이물질에 의해 오염되거나 습기에 의해 단락(short)될 수 있다. 이러한 경우, 접촉 단자와 충전 장치 사이에 접촉 불량이 발생되어, 전자 기기에서 배터리가 충전되지 않는 문제점이 있다.

상기한 문제점을 해결하기 위하여, 무선으로 전자 기기를 충전하기 위한 무선전력전송(Wireless Power Transfer; WPT)이 제안되고 있다.

무선전력전송 시스템은 공간을 통하여 선 없이 전력을 전달하는 기술로써, 모바일(Mobile) 기기 및 디지털 가전 기기들에 대한 전력 공급의 편의성을 극대화한 기술이다.

무선전력전송 시스템은 실시간 전력 사용 제어를 통한 에너지 절약, 전력 공급의 공간 제약 극복 및 배터리 재충전을 이용한 폐 건전지 배출량 절감 등의 강점을 지닌다.

무선전력전송 시스템의 구현 방법으로써 대표적으로 자기유도방식과 자기공진방식이 있다. 자기유도방식은 두 개의 코일을 근접시켜 한쪽의 코일에 전류를 흘려 그에 따라 발생한 자속을 매개로 하여 다른 쪽의 코일에도 기전력이 발생하는 비접촉 에너지 전송기술로써, 수백 kHz의 주파수를 사용할 수 있다. 자기 공진 방식은 전자파나 전류를 이용하지 않고 전장 또는 자장만을 이용하는 자기 공명 기술로써 전력 전송이 가능한 거리가 수 미터 이상으로써, 수 MHz의 대역을 이용할 수 있다.

무선전력전송 시스템은 무선으로 전력을 전송하는 송신장치와 전력을 수신하여 배터리 등 부하를 충전하는 수신장치를 포함한다. 이 때 수신장치의 충전 방식, 즉 자기 유도 방식과 자기 공진 방식 중 어느 하나의 충전 방식을 택할 수 있고, 수신장치의 충전 방식에 대응하여 무선으로 전력을 전달할 수 있는 송신장치가 개발되고 있다.

한편 수신장치가 배터리를 모두 충전하는 경우 송신장치가 이를 감지하지 못하고 전력 송신을 지속하여 전력 손실 문제 및 송 수신 장치 각각의 발열로 인한 온도 증가 문제가 있었다.

실시예는 송신장치가 수신장치로부터 별도의 메시지를 수신하지 않더라도 수신장치의 배터리 완충 상태를 감지하여 무선 전력 전송을 중단함으로써, 배터리 완충 상태의 미 인지에 따른 전력 손실 및 발열 문제를 해결하기 위한 무선전력전송 시스템 및 이의 구동 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 실시예에 따른 송신장치의 구동 방법은, 무선으로 전력을 전송하는 송신장치의 구동 방법에 있어서, 상기 송신장치의 전압 및 전류의 변화를 판단하는 단계; 및 상기 전압 및 전류의 변화를 기반으로 상기 송신장치로부터 무선 전력을 수신하는 수신장치의 배터리 상태가 완충 진행 상태인지 판단하는 단계;를 포함하는 송신장치의 구동 방법을 제공할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 송신장치의 구동 방법의 상기 전압 및 전류의 변화를 판단하는 단계는, 상기 전압의 값을 기 설정된 시간 동안 측정하고, 상기 측정된전압의 값들이 감소되는지 여부를 검출하고, 상기 전류의 값을 상기 기 설정된 시간 동안 측정하고, 상기 측정된 전류의 값들이 유지되는지 여부를 판단하는 송신장치의 구동 방법을 제공할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 송신장치의 구동 방법의 상기 전압 감소 여부를 판단하는 단계는, 상기 전압이 단계적으로 감소하는지 여부를 판단하는 단계인 송신장치의 구동 방법을 제공할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 송신장치의 구동 방법의 상기 배터리 상태가 완충 진행 상태인 경우, 무선 전력 전송을 중단하는 송신장치의 구동 방법을 제공할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 송신장치의 구동 방법의 상기 전압은 상기 송신장치의 직류/직류 변환장치의 출력 전압이고, 상기 전류는 상기 송신장치의 직류/직류 변환장치의 출력 전류인 송신장치의 구동 방법을 제공할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 송신장치의 구동 방법의 상기 직류/직류 변환장치의 출력 전압 지령치을 기반으로 상기 송신장치의 전압의 변화를 판단하는 송신장치의 구동 방법을 제공할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 송신장치의 구동 방법의 상기 전압 및 전류는 상기 송신장치의 송신측 코일의 입력 전압 및 입력 전류인 송신장치의 구동 방법.

본 발명의 실시예에 따른 수신장치의 구동 방법은, 송신장치로부터 무선으로 전력을 수신하여 배터리를 충전하는 수신장치의 구동 방법에 있어서, 상기 배터리의 충전량이 제1 충전량 내지 상기 제1 충전량보다 큰 제2 충전량일 때 상기 배터리에 인가되는 전류를 단계적으로 감소시키는 전력 수신 단계; 상기 전류의 감소를 인지한 상기 송신장치로부터의 전력 수신 여부를 판단하는 단계; 상기 송신장치로부터의 전력 수신이 중단되면, 상기 배터리의 충전 상태가 완충 완료 상태임을 판단하는 단계;를 포함하는 수신장치의 구동 방법을 제공할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 수신장치의 구동 방법의 상기 제1 충전량은 상기 배터리의 완충 개시 상태를 지시하는 충전량이고, 상기 제2 충전량은 상기 배터리의 완충 완료 상태를 지시하는 충전량이며, 상기 배터리의 충전량이 상기 제1 내지 제2 충전량 범위 내 인 경우 상기 배터리의 상태는 완충 진행 상태인 수신장치의 구동 방법을 제공할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 수신장치의 구동 방법의 상기 전력 수신 단계에서 상기 배터리에 인가되는 전압은 일정한 수신장치의 구동 방법을 제공할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 송신장치는 무선으로 전력을 전송하는 송신장치에 있어서, 직류/직류 변환장치; 및 상기 직류/직류 변환장치의 출력 신호의 변화를 기반으로 상기 송신장치로부터 무선 전력을 수신하는 수신장치의 배터리 상태가 완충 진행 상태인지를 판단하는 상기 제어장치를 포함하는 송신장치를 제공할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 송신장치의, 상기 출력 신호는 상기 직류/직류 변환장치의 출력 전류 및 출력 전압인 송신장치를 제공할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 송신장치의, 상기 출력 전류 및 상기 출력 전압을 검출하는 검출장치;를 더 포함하는 송신장치를 제공할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 송신장치의, 상기 출력 전류를 검출하는 검출장치;를 더 포함하고, 상기 제어장치는 출력 전압 지령치를 기반으로 상기 직류/직류 변환장치에 대한 출력 전압을 조절하고, 상기 제어장치는 상기 출력 전압 지령치를 기반으로 상기 출력 전압의 변화를 판단하는 송신장치를 제공할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 송신장치는, 기 설정된 시간 동안 상기 출력 전류가 일정하고, 상기 출력 전압이 단계적으로 감소하는지를 판단하는 송신장치.

본 발명의 실시예에 따른 송신장치는, 기 설정된 시간 동안 상기 출력 전류가 일정하고, 상기 출력 전압 지령치가 단계적으로 감소하는지를 판단하는 송신장치를 제공할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 송신장치의, 상기 송신장치가 상기 배터리의 상태가 완충 진행 상태인 것으로 판단한 경우, 일정 시간 경과 후 무선 전력 전송을 중단하는 송신장치를 제공할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 수신장치는, 송신장치로부터 무선으로 전력을 수신하는 수신장치에 있어서, 상기 전력을 수신하는 수신측 코일; 상기 전력으로 충전되는 배터리; 및 상기 배터리를 제어하는 배터리 관리부;를 포함하고, 상기 배터리 관리부는, 상기 배터리의 충전량이 제1 충전량 내지 상기 제1 충전량보다 큰 제2 충전량일 때 상기 배터리에 인가되는 전류를 단계적으로 감소시키고, 상기 전류의 감소를 인지한 상기 송신장치로부터의 전력 수신이 중단되면 상기 배터리의 충전 상태가 완충 완료 상태임을 판단하는 수신장치를 제공할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 수신장치의 상기 배터리 관리부는 상기 제1 충전량은 상기 배터리의 완충 개시 상태를 지시하는 충전량이고, 상기 제2 충전량은 상기 배터리의 완충 완료 상태를 지시하는 충전량이며, 상기 배터리의 충전량이 상기 제1 내지 제2 충전량 범위 내 인 경우 상기 배터리의 상태를 완충 진행 상태로 판단하는 것을 특징으로 하는 수신장치를 제공할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 수신장치의 상기 송신장치는 상기 전류의 감소를 인지한 상기 송신장치로부터 무선 전력 전송 중단 메시지를 수신하는 수신장치를 제공할 수 있다.

실시예는 송신장치가 수신장치로부터 별도의 메시지를 수신하지 않더라도 수신장치의 배터리 완충 상태를 감지할 수 있다. 따라서 송신장치와 수신장치 상호간의 메시지 미 수신에 따른 리스크(Risk)를 해소할 수 있다. 또한 수신장치가 완충된 이후 송신장치가 완충 메시지를 수신하면, 그 사이에 불필요한 전력 낭비가 발생하는 문제를 해결할 수 있다. 또한 송신장치가 자체적으로 부하의 충전 상태를 판단하여 무선 전력 전송 중단 여부를 결정함으로써, 배터리 완충 상태의 미 인지에 따른 전력 손실 및 발열 문제를 해결할 수 있다.

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 4a 및 도 4b는 무선전력전송 시스템을 구성하는 서브 시스템 중 하나로 수신부를 나타낸 블록도이다.
도 5는 무선전력전송 시스템의 동작 흐름도로써, 실시예에 따른 송신장치의 동작 상태를 중심으로 한 동작 흐름도이다.
도 6은 무선전력전송 시스템의 동작 흐름도로써, 다른 실시예에 따른 송신장치의 동작 상태를 중심으로 한 동작 흐름도이다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 무선전력전송 시스템의 동작 흐름도이다.
도 8은 송신 장치와 수신 장치의 등가회로도이다.
도 9는 실시예에 따른 송신장치의 구동 흐름도이다.
도 10은 실시예에 따른 수신장치의 구동 흐름도이다.
도 11은 배터리의 완충 상태에 따라 배터리에 인가되는 전류의 시간에 따른 크기를 나타낸 그래프이다.

이하, 본 발명의 실시예에 의한 무선으로 전력을 전송하는 기능을 구비한 송신장치와 무선으로 전력을 수신하는 수신장치를 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

송신장치(Wireless Power Transfer System-Charger; Power Transfer Unit: PTU): 자기장 영역 내에서 전력수신기에게 무선전력전송을 제공하며 시스템 전체를 관리하는 장치로 송신장치 또는 송신기로 지칭할 수 있다.

수신장치(Wireless Power Receiver System-Device; Power Receiver Unit: PRU): 자기장 영역 내에서 전력송신기로부터 무선전력 전송을 제공받는 장치로 수신장치 또는 수신기로 지칭할 수 있다.

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 이루이지는 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. 그리하여 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 K12의 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 송신측 전력변환부(101)와 상기 송신측 전력변환부(101)로부터 출력되는 교류 신호에 기초하여 자기장을 생성하여 충전 영역 내의 수신부(2000)에 전력을 제공하는 송신측 공진회로부(102) 및 상기 송신측 전력변환부(101)의 전력 변환을 제어하고, 상기 송신측 전력변환부(101)의 출력 신호의 진폭과 주파수를 조절하고, 상기 송신측 공진회로부(102)의 임피던스 매칭을 수행하며, 상기 송신측 전력변환부(101) 및 상기 송신측 공진회로부(102)로부터 임피던스, 전압, 전류 정보를 센싱하며, 상기 수신부(2000)와 무선 통신할 수 있는 송신측 제어부(103)를 포함할 수 있다. 상기 송신측 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 송신측 공진회로부(102)는 코일과 상기 코일과 공진할 수 있는 임피던스 매칭부를 포함할 수 있다. 또한 상기 송신측 제어부(103)는 임피던스, 전압, 전류 정보를 센싱하기 위한 센싱부와 무선 통신부를 포함할 수 있다.

또한 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.

상기 교류/직류 변환부(1100) 및 송신측 직류/교류 변환부(1200)의 구성은 교류 전력 공급기로 대체할 수 있으며, 생략되거나 또 다른 구성으로 대체할 수도 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 소자 중 적어도 하나로 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, 수신부의 정류기 출력단의 전압(Vrect), 복수 수신부의 각 충전 효율 그리고 무선 전력 방식중 적어도 하나 이상을 고려하여 상기 송신측 교류/직류 변환부(1100)의 출력 전압(또는 송신 코일에 흐르는 전류(Itx_coil)을 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 이용하고, 송신부가 전송하는 전력신호의 주파수를 쉬프트(Frequency shift)를 이용하여 송신부가 수신부에 신호를 전송하는 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. 일 예로, 상기 신호는 전류에 대한 정보, 전압에 대한 정보 또는 임피던스에 대한 정보 중 적어도 어느 하나를 포함할 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 4a 및 도 4b는 무선전력전송 시스템을 구성하는 서브 시스템 중 하나로 수신부(또는, 수신 장치)를 나타낸 블록도이다. 도 4a를 참조하면, 실시예에 따른 무선전력전송 시스템은 송신부(1000)와 상기 송신부(1000)로부터 무선으로 전력을 전송받는 수신부(2000)를 포함할 수 있다. 상기 수신장치(2000)는 상기 송신장치(1000)로부터 전송되는 교류 신호를 수신하는 수신측 공진회로부(201), 상기 수신측 공진회로부(201)로부터의 교류 전력을 전력 변환하여 직류 신호로 출력하는 수신측 전력변환부(202)와 상기 수신측 전력변환부(202)로부터 출력되는 직류 신호를 수신하여 충전되는 부하(2500) 그리고 상기 수신측 공진회로부(201)의 전류 전압을 센싱하거나, 상기 수신측 공진회로부(201)의 임피던스 매칭을 수행하거나, 상기 수신측 전력변환부(202)의 전력 변환을 제어하고, 상기 수신측 전력변환부(202)의 출력 신호의 레벨을 조절하거나, 상기 수신측 전력변환부(202)의 입력 또는 출력 전압이나 전류를 센싱하거나, 상기 수신측 전력변환부(202)의 출력 신호의 상기 부하(2500)로의 공급 여부를 제어하거나, 상기 송신장치(1000)와 통신할 수 있는 수신측 제어부(203)를 포함할 수 있다. 그리고 상기 수신측 전력변환부(202)는 교류신호를 직류로 변환하는 전력변환부, 직류의 레벨을 가변하여 직류를 출력하는 전력변환부, 직류를 교류로 변환하는 전력변환부를 포함할 수 있다. 또한 도 4b를 참조하면, 실시예에 따른 무선전력전송 시스템은 송신부(또는, 송신 장치)(1000)와 상기 송신부(1000)로부터 무선으로 전력을 전송받는 수신부(또는, 수신 장치)(2000)를 포함할 수 있고, 상기 수신부(2000)는 수신측 코일부(2100) 및 수신측 임피던스 매칭부(2200)로 구성된 수신측 공진회로부(2120), 수신측 교류/직류 변환부(2300), 직류/직류변환부(2400), 부하(2500) 및 수신측 통신 및 제어부(2600)를 포함할 수 있다. 그리고 상기 수신측 교류/직류 변환부(2300)는 교류 신호를 직류 신호로 정류하는 정류부로 지칭할 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.

일 실시예로, 수신측 코일부(2100)는 근거리 통신용 안테나(NFC: Near Field Communication)와 함께 휴대단말에 배치될 수 있다. 그리고 상기 수신측 코일부(2100)은 송신측 코일부(1400)와 동일할 수도 있고, 수신 안테나의 치수는 수신부(200)의 전기적 특성에 따라 달라질 수도 있다.

수신측 임피던스 매칭부(2200)는 송신기(1000)와 수신기(2000) 사이의 임피던스 매칭을 수행한다.

상기 수신측 교류/직류 변환부(2300)는 수신측 코일부(2100)으로부터 출력되는 교류 신호를 정류하여 직류 신호를 생성한다. 그리고 상기 수신측 교류/직류 변환부(2300)의 출력 전압은 정류 전압(Vrect)로 지칭할 수 있고, 수신측 통신 및 제어부(2600)는 상기 수신측 교류/직류 변환부(2300)의 출력 전압을 검출하거나 변경할 수 있고, 상기 수신측 교류/직류 변환부(2300)의 출력 전압의 최소값인 최소 정류 전압(Vrect_min)(또는 최소 출력 전압(Vrect_min)으로 지칭), 최대값인 최대 정류 전압(Vrect_max)(또는 최대 출력 전압(Vrect_max)으로 지칭), 상기 최소값과 최대값 사이의 값 중 어느 하나의 전압 값을 가지는 최적 정류 전압(Vrect_set)(또는 최적 출력 전압(Vrect_set)으로 지칭)에 대한 정보와 같은 상태 파라미터 정보를 송신부(1000)에 전송할 수 있다.

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, 배터리 관리부 그리고 각종 센서들을 포함할 수 있다. 그리고 상기 부하(2500)는 도 4a와 같이 적어도 배터리(2510) 및 배터리 관리부(2520)을 포함할 수 있다. 상기 배터리 관리부(2520)는 상기 배터리(2510)의 충전 상태를 감지하여 상기 배터리(2510)로 인가되는 전압과 전류를 조절할 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.

<송신장치의 동작 상태>

도 5는 무선전력전송 시스템의 동작 흐름도로써, 실시예에 따른 송신장치의 동작 상태를 중심으로 한 동작 흐름도이다.

도 5를 참조하면, 실시예에 따른 송신장치는 적어도 1) 선택 상태, 2) 검출 상태, 3) 식별 및 설정 상태, 4) 전력 전달 상태 및 5) 충전 종료 상태를 가질 수 있다.

[선택 상태(Selection Phase)]

(1) 선택 상태에서 송신장치(1000)는 감지 영역 또는 충전 영역에 존재하는 수신장치(2000)를 선택하기 위하여 검출 과정을 수행할 수 있다.

(2) 상기 감지 영역 또는 충전 영역은, 전술된 바와 같이, 해당 영역 내의 물체가 상기 송신측 전력변환부(101)의 전력의 특성에 영향을 미칠 수 있는 영역을 지칭할 수 있다. 검출 상태와 비교하여, 상기 선택 상태에서 수신장치(2000)의 선택을 위한 검출 과정은 전력 제어 메시지를 이용하여 상기 수신장치(2000)로부터 응답을 수신하는 방식 대신에, 상기 송신장치(1000) 측의 전력 변환부에서 무선 전력 신호를 형성하기 위한 전력량이 변화하는 것을 감지하여 일정 범위 내에 물체가 존재하는지 확인하는 과정이다. 상기 선택 상태에서의 검출 과정은 후술될 검출 상태에서 디지털 형식의 패킷을 이용 않고, 무선 전력 신호를 이용하여 물체를 검출하는 점에서 아날로그 검출 과정(analog ping)으로 지칭할 수 있다.

(3) 선택 상태에서 송신장치(1000)는 상기 감지 영역 또는 충전 영역 내에 객체(object)가 들어오고 나가는 것을 감지할 수 있다. 또한 상기 송신장치(1000)는 상기 감지 영역 또는 충전 영역 내에 있는 물체들 중에서 무선으로 전력을 전달할 수 있는 수신장치(2000)와 그 밖의 물체들(예를 들어, 열쇠, 동전 등)을 구분할 수 있다.

전술된 바와 같이, 유도 결합 방식 및 공진 결합 방식에 따라 무선으로 전력을 전송할 수 있는 거리가 다르므로 상기 선택 상태에서 물체가 검출되는 감지 영역은 서로 다를 수 있다.

(4) 먼저, 유도 결합 방식에 따라 전력이 전송되는 경우에 상기 선택 상태의 송신장치(1000)는 물체들의 배치 및 제거를 감지하기 위하여 인터페이스 표면(미도시)을 모니터링 할 수 있다.

또한 상기 송신장치(1000)는 상기 인터페이스 표면의 상부에 놓인 무선 전력 수신장치(2000)의 위치를 감지할 수도 있다.

(5) 상기 송신장치(1000)가 하나 이상의 전송 코일을 포함하는 경우, 상기 선택 상태에서 상기 검출 상태로 진입하고, 상기 검출 상태에서 각각의 코일을 이용하여 상기 object로부터 검출 신호에 대한 응답이 전송되는지 여부를 확인하거나 또는 그 후 상기 식별 상태로 진입하여 상기 object로부터 식별 정보가 전송되는지 여부를 확인하는 방법을 수행할 수 있다.

상기 송신장치(1000)는 이와 같은 과정을 통하여 획득한 상기 감지된 수신장치(2000)의 위치에 기초하여 무선 전력 전송에 사용될 코일을 결정할 수 있다.

(6) 또한, 공진 결합 방식에 따라 전력이 전송되는 경우에 상기 선택 상태의 송신장치(1000)는 상기 감지 영역 또는 충전 영역 내의 물체로 인한 상기 전력 변환부의 주파수, 전류, 전압 중 하나 이상이 변경되는 것을 감지함으로써 상기 object를 검출할 수 있다.

(7) 한편, 상기 선택 상태의 송신장치(1000)는 상기 유도 결합 방식 및 공진 결합 방식에 따른 검출 방법 중 적어도 하나의 방법에 의하여 물체를 검출할 수 있다.

(8) 상기 송신장치(1000)는 각 전력 전송 방식에 따른 물체 검출 과정을 수행하고, 이후에 다른 상태들로 진행하기 위하여 무선 전력 전달을 위한 결합 방식 중에서 상기 물체를 검출한 방식을 선택할 수 있다.

(9) 한편, 상기 선택 상태의 송신장치(1000)는 물체를 검출하기 위하여 형성하는 무선 전력 신호와 이후 상태들에서의 디지털 검출, 식별, 설정 및 전력 전송을 위하여 형성하는 무선 전력 신호는 그 주파수, 세기 등의 특성이 다를 수 있다. 이는 상기 송신장치(1000)의 선택 상태는 물체를 검출하기 위한 대기 상태(idle phase)에 해당하여, 상기 송신장치(1000)가 대기 중의 소비 전력을 줄이거나, 또는 효율적인 물체 검출을 위하여 특화된 신호를 생성시킬 수 있도록 하기 위함이다.

[검출 상태(Ping Phase)]

(1) 검출 상태에서 송신장치(1000)가 전력 제어 메시지를 통해 감지 영역 또는 충전 영역 내에 존재하는 수신장치(2000)를 검출하는 과정을 수행할 수 있다. 상기 선택 상태에서 무선 전력 신호의 특성 등을 이용한 수신장치(2000)의 검출 과정과 비교하여, 상기 검출 상태에서의 검출 과정은 디지털 검출 과정(digital ping)이라 지칭할 수 있다.

(2) 송신장치(1000)는 수신장치(2000)를 검출하기 위한 무선 전력 신호를 형성하고, 상기 수신장치(2000)에 의하여 변조된 무선 전력 신호를 복조하고, 상기 복조된 무선 전력 신호로부터 상기 검출 신호에 대한 응답에 해당하는 디지털 데이터 형태의 전력 제어 메시지를 획득할 수 있다.

(3) 상기 송신장치(1000)는 상기 검출 신호에 대한 응답에 해당하는 전력 제어 메시지를 수신함으로써 전력 전송의 대상이 되는 상기 수신장치(2000)를 인지 할 수 있다.

(4) 검출 상태에 있는 송신장치(1000)가 디지털 검출 과정을 수행하기 위하여 형성하는 검출 신호는 특정 동작 포인트(operating point)의 전력 신호를 일정한 시간 동안 인가함으로써 형성되는 무선 전력 신호일 수 있다.

여기서의 동작 포인트는 송신 코일부(1400)에 인가되는 전압의 주파수, 듀티 사이클(duty cycle) 및 진폭을 의미할 수 있다.

상기 송신장치(1000)는 상기 특정 동작 포인트의 전력 신호를 인가함으로써 생성된 상기 검출 신호를 일정한 시간 동안 생성하고, 상기 수신장치(2000)로부터 전력 제어 메시지를 수신할 것을 시도할 수 있다.

(5) 한편, 상기 검출 신호에 대한 응답에 해당하는 전력 제어 메시지는 상기 수신장치(2000)가 수신한 무선 전력 신호의 강도(strength)를 나타내는 메시지일 수 있다. 예를 들어, 상기 수신장치(2000)는 상기 검출 신호에 대한 응답으로서 수신된 무선 전력 신호의 강도를 나타내는 메시지가 포함된 신호 강도 패킷(Signal Strength Packet)을 전송할 수 있다. 상기 패킷은 신호 강도를 나타내는 패킷임을 알리는 헤더 및 상기 수신장치(2000)가 수신한 전력 신호의 강도를 나타내는 메시지를 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 메시지 내의 전력 신호의 강도는 상기 송신장치(1000)와 상기 수신장치(2000) 사이의 전력 전송을 위한 유도 결합 또는 공진 결합의 정도(degree of coupling)를 나타내는 값일 수 있다.

(6) 상기 송신장치(1000)는 상기 검출 신호에 대한 응답 메시지를 수신하여 상기 수신장치(2000)를 발견한 후에, 상기 디지털 검출 과정을 연장하여 식별 및 검출 상태로 진입할 수 있다. 즉, 상기 송신장치(1000)는 상기 수신장치(2000)를 발견한 후에 상기 특정 동작 포인트의 전력 신호를 유지하여 상기 식별 및 검출 상태에서 필요한 전력 제어 메시지를 수신할 수 있다.

다만, 상기 송신장치(1000)가 전력을 전달할 수 있는 수신장치(2000)를 발견하지 못한 경우, 상기 송신장치(1000)의 동작 상태는 상기 선택 상태로 되돌아갈 수 있다.

[식별 및 설정 상태(Identification and Configuration Phase)]

(1) 상기 식별 및 설정 상태에서 송신장치(1000)는 수신장치(2000)가 전송하는 식별 정보 및/또는 설정 정보를 수신하여 전력 전달이 효율적으로 이루어지도록 제어할 수 있다.

(2) 상기 식별 및 설정 상태에서 상기 수신장치(2000)는 자신의 식별 정보를 포함하는 전력 제어 메시지를 전송할 수 있다. 이를 위하여, 상기 수신장치(2000)는, 예컨대, 상기 수신장치(2000)의 식별 정보를 나타내는 메시지가 포함된 식별 패킷(Identification Packet)을 전송할 수 있다. 상기 패킷은 식별 정보를 나타내는 패킷임을 알리는 헤더 및 상기 수신장치(2000)의 식별 정보를 포함하는 메시지를 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 메시지는 무선 전력 전송을 위한 규약의 버전을 나타내는 정보, 상기 수신장치(2000)의 제조 업체를 식별하는 정보, 확장 장치 식별자의 유무를 나타내는 정보 및 기본 장치 식별자를 포함하도록 구성될 수 있다. 또한, 상기 확장 장치 식별자의 유무를 나타내는 정보에 확장 장치 식별자가 존재하는 것으로 표시되는 경우, 확장 장치 식별자를 포함한 확장 식별 패킷(Extended Identification Packet) 이 별도로 전송될 수 있다. 상기 패킷은 확장 장치 식별자를 나타내는 패킷임을 알리는 헤더 및 확장 장치 식별자를 포함하는 메시지를 포함하도록 구성될 수 있다. 이와 같이 확장 장치 식별자가 사용되는 경우에, 상기 수신장치(2000)를 식별하기 위하여 상기 제조 업체의 식별 정보, 상기 기본 장치 식별자 및 상기 확장 장치 식별자에 기초한 정보가 사용될 수 있다.

(3) 상기 식별 및 설정 상태에서 상기 수신장치(2000)는 예상 최대 전력에 대한 정보를 포함하는 전력 제어 메시지를 전송할 수 있다. 이를 위하여, 상기 수신장치(2000)는, 예컨대, 설정 패킷(Configuration Packet)을 전송할 수 있다. 상기 패킷은 설정 패킷임을 알리는 헤더 및 상기 예상 최대 전력에 대한 정보를 포함하는 메시지를 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 메시지는 전력 클래스, 예상 최대 전력에 대한 정보, 무선 전력 송신장치(1000) 측의 주요 셀의 전류를 결정하는 방법을 나타내는 지시자, 선택적인 설정 패킷들의 수를 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 지시자는 무선 전력 전송을 위한 규약에 명시된 대로 상기 송신장치(1000) 측의 주요 셀의 전류가 결정될 것인지 여부를 나타내는 것일 수 있다.

(4) 한편, 상기 송신장치(1000)는 상기 식별 정보 및/또는 설정 정보를 기초로 상기 수신장치(2000)와 전력 충전에 사용되는 전력 전달 규약(power transfer contract)을 생성할 수 있다. 상기 전력 전달 규약은 상기 전력 전달 상태에서의 전력 전달 특성을 결정하는 파라미터들의 한정 사항들(limits)을 포함할 수 있다.

(5) 상기 송신장치(1000)는 상기 전력 전달 상태로 진입하기 전에 상기 식별 및 설정 상태를 종료하고, 상기 선택 상태로 되돌아 갈 수 있다. 예컨대, 상기 송신장치(1000)는 무선으로 전력을 수신할 수 있는 다른 수신장치(2000)를 찾기 위하여 상기 식별 및 설정 상태를 종료할 수 있다.

[전력 전달 상태(Power Transfer Phase)]

(1) 상기 전력 전송 상태에서의 상기 송신장치(1000)는 상기 수신장치(2000)로 전력을 전송한다.

(2) 상기 송신장치(1000)는 전력을 전송하는 도중에 상기 수신장치(2000)로부터 전력 제어 메시지를 수신하고, 상기 수신한 전력 제어 메시지에 대응하여 상기 송신 코일부(1400) 인가되는 전력의 특성을 조절할 수 있다. 예를 들어, 상기 전송 코일의 전력 특성을 조절하기 위해 사용되는 전력 제어 메시지는 제어 오류 패킷(Control Error Packet)에 포함될 수 있다. 상기 패킷은 제어 오류 패킷임을 알리는 헤더와 제어 오류 값을 포함하는 메시지를 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 송신장치(1000)는 상기 제어 오류 값에 따라 상기 전송 코일에 인가되는 전력을 조절할 수 있다. 즉, 상기 전송 코일에 인가되는 전류는 상기 제어 오류 값이 0인 경우에 유지되고, 음수(negative value)인 경우에 감소되고, 양수(positive value)인 경우에 증가하도록 조절될 수 있다.

(3) 상기 전력 전송 상태에서 상기 송신장치(1000)는 상기 식별 정보 및/또는 설정 정보를 기초로 생성된 전력 전달 규약(power transfer contract) 내의 파라미터들을 모니터링할 수 있다. 상기 파라미터들을 모니터링 한 결과, 상기 수신장치(2000)와의 전력 전송이 상기 전력 전달 규약 내에 포함되어 있는 한정 사항들을 위반하게 되는 경우에는 상기 송신장치(1000)는 상기 전력 전송을 취소하고 선택 상태로 되돌아갈 수 있다.

(4) 상기 송신장치(1000)는 상기 수신장치(2000)로부터 전달된 전력 제어 메시지를 기초로 상기 전력 전송 상태를 종료할 수 있다.

예를 들어, 상기 수신장치(2000)가 전달된 전력을 이용하여 배터리를 충전하는 도중에 상기 배터리의 충전이 완료된 경우 상기 송신장치(1000)로 무선 전력 전송을 중지할 것을 요청하는 전력 제어 메시지를 전달할 수 있다. 이 경우, 상기 송신장치(1000)는 상기 전력 전송의 중지를 요청하는 메시지를 수신한 후, 무선 전력 전송을 종료하고 상기 선택 상태로 되돌아 갈 수 있다.

또 다른 예를 들어, 상기 수신장치(2000)는 이미 생성된 전력 전달 규약을 갱신하기 위하여 재협상(renegotiation) 또는 재설정(reconfigure)을 요청하는 전력 제어 메시지를 전달할 수 있다. 상기 수신장치(2000)는 현재 전송되는 전력량보다 많거나 적은 양의 전력이 필요한 경우에 상기 전력 전달 규약의 재협상을 요청하는 메시지를 전달할 수 있다. 이 경우, 상기 송신장치(1000)는 상기 전력 전달 규약의 재협상을 요청하는 메시지를 수신한 후, 무선 전력 전송을 종료하고 상기 식별 및 설정 상태로 되돌아 갈 수 있다.

이를 위하여, 상기 수신장치(2000)가 전송하는 메시지는, 예컨대, 도 18에 도시된 바와 같은 전력 전송 중단 패킷(End Power Transfer Packet)일 수 있다. 상기 패킷은 전력 전송 중단 패킷임을 알리는 헤더 및 중단의 이유를 나타내는 전력 전송 중단 코드를 포함하는 메시지를 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 전력 전송 중단 코드는 충전 완료(Charge Complete), 내부 오류(Internal Fault), 과열(Over Temperature), 과전압(Over Voltage), 과전류(Over Current), 배터리 오류(Battery Failure), 재설정(Reconfigure), 무응답(No Response), 알려지지 않은 오류(Unknown) 중 어느 하나를 나타낼 수 있다.

또 다른 예를 들어, 상기 송신장치(1000)는 송신장치(1000)가 부하(2500)의 완충 진행을 감지한 경우, 상기 수신장치(2000)로부터의 메시지 수신 여부와 무관하게 전력 전송을 중단할 수 있다.

<송신장치의 동작 상태>

도 6은 무선전력전송 시스템의 동작 흐름도로써, 다른 실시예에 따른 송신장치의 동작 상태를 중심으로 한 동작 흐름도이다.

도 6을 참조하면, 다른 실시예에 따른 송신장치는 적어도 1) 대기 상태, 2) 디지털 핑 상태, 3) 인증 상태, 4) 전력 전달 상태 및 5) 충전 종료 상태를 가질 수 있다.

[대기 상태(Standby)]

(1) 송신장치(1000)에 외부로부터 전원이 인가되어 상기 송신장치(1000)가 시동되는 경우, 상기 송신장치(1000)는 대기 상태가 될 수 있다. 대기 상태에 있는 송신장치(1000)는 감지 영역 또는 충전 영역에 배치된 객체(Object)(예를 들어 수신장치(2000)나 금속성 이물질(FO))의 존재 여부를 검출할 수 있다. 또한 상기 송신장치(1000)는 충전 영역에서 Object가 제거 되었는지 여부를 검출할 수 있다.

(2) 상기 송신장치(1000)가 충전 영역에 Object의 존재를 검출하는 방법으로는 자속의 변화, Object와 송신장치(1000) 사이의 커패시턴스의 변화나 인덕턴스의 변화 또는 공진 주파수의 쉬프트를 모니터링 함으로써 Object를 검출할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

(3) 송신장치(1000)가 충전 영역 내의 수신장치(2000)인 Object를 검출하면 다음 단계인 디지털 핑 상태로 넘어갈 수 있다.

(4) 또한 송신장치(1000)는 충전 영역에 금속성 이물질과 같은 FO가 배치된 경우 이를 검출할 수 있다.

(5) 한편 대기 상태에서 송신장치(1000)가 수신장치(2000)와 FO 양자를 구분할 수 있을 정도의 충분한 정보를 얻지 못한 경우, 디지털 핑 상태로 넘어가거나, 인증 상태로 넘어가서 수신장치(2000)인지 FO인지 확인할 수 있다.

[디지털 핑 상태(Digital ping)]

(1) 디지털 핑 상태에서 송신장치(1000)는 충전 가능한 수신장치(2000)와 접속되고, 송신장치(1000)로부터 제공되는 무선 전력으로 충전이 가능한 유효한 수신장치(2000)인지 확인한다. 그리고 송신장치(1000)는 충전 가능한 수신장치(2000)와 연결되기 위하여 기 설정된 주파수와 타이밍을 가진 디지털 핑을 생성하여 출력할 수 있다.

(2) 만약 디지털 핑을 위한 충분한 전력 신호를 수신장치(2000)로 전달하면 상기 수신장치(2000)는 통신 프로토콜에 따라 상기 전력 신호를 변조함으로써 상기 디지털 핑에 대해 응답할 수 있다. 그리고 만약 송신장치(1000)가 수신장치(2000)로부터 유효한 신호를 수신하면 전력 신호를 제거하지 않은 상태로 인증 상태로 넘어갈 수 있다. 그리고 만약 수신장치(2000)로부터 충전 종료(EOC) 요청이 수신되는 경우 또는 송신장치(1000)가 부하(2500)의 완충 진행을 감지한 경우 송신장치(1000)는 충전 종료 상태로 넘어갈 수 있다.

(3) 또한 유효한 수신장치(2000)가 검출되지 않는 경우나 디지털 핑에 대한 Object의 응답 시간이 기 설정된 시간을 초과한 경우 송신장치(1000)는 전력 신호를 제거하여 대기 상태로 되돌아 갈 수 있다. 따라서 만약 FO가 충전 영역에 배치된 경우, FO는 아무런 응답을 할 수 없기 때문에 송신장치(1000)는 대기 상태로 되돌아 갈 수 있다.

[인증 상태(Identification)]

(1) 송신장치(1000)의 디지털 핑에 따른 수신장치(2000)의 응답이 완료되면 상기 송신장치(1000)는 송신장치 인증 정보를 수신장치(2000)에 전송하여 송수신장치(1000, 2000) 상호간의 호환성을 확인할 수 있다. 그리고 호환성이 확인되면 수신장치(2000)는 인증 정보를 송신장치(1000)에 전송할 수 있다. 그리고 상기 송신장치(1000)는 상기 수신장치(2000)의 수신장치 인증 정보를 확인할 수 있다.

(2) 송신장치(1000)는 상호간의 인증이 완료되면 전력 전송 상태로 넘어가고, 인증이 실패 하였거나, 기 설정된 인증 시간을 초과한 경우에는 대기 상태로 되돌아 갈 수 있다.

[전력 전송 상태(Power Transfer)]

(1) 송신장치(1000)의 통신 및 제어부(1500)는 수신장치(2000)로부터 제공받은 제어 데이터를 기초하여 송신장치(1000)를 제어함으로써 수신장치(2000)에 충전 전력을 제공할 수 있다.

(2) 나아가 송신장치(1000)는 적절한 동작 범위를 벗어나지 않았는지 또는 FOD에 따른 안정성이 문제되지 않는지 검증할 수 있다.

(3) 또한 송신장치(1000)는 수신장치(2000)로부터 충전 종료 요청 신호를 수신하거나, 송신장치(1000)가 부하(2500)의 완충 진행 중임을 감지한 경우 또는 기 설정된 한계 온도치를 초과하는 경우, 송신장치(1000)는 전력 전송을 중단할 수 있고 충전 종료 상태로 넘어갈 수 있다.

(4) 또한 전력을 전송하기 적당하지 않은 상황으로 변한 경우, 전력 신호는 제거되고 대기 상태로 되돌아 갈 수 있다. 그리고 수신장치(2000)가 제거된 후 다시 수신장치(2000)가 충전 영역에 들어오면 전술한 사이클이 다시 진행할 수 있다.

(5) 또한 수신장치(2000)의 부하(2500)의 충전 상태에서 따라서 다시 인증 상태로 돌아가 부하(2500)의 상태 정보를 기초로 조절된 충전 전력을 수신장치(2000)에 제공할 수 있다.

[충전 종료 상태(End of Charge (EOC))

(1) 송신장치(1000)는 수신장치(2000)로부터 충전이 완료 되었다는 정보를 수신하거나, 송신장치(1000)가 부하(2500)의 완충 진행을 감지한 경우 또는 상기 수신장치(2000)가 기 설정된 온도 이상으로 상승했다는 정보를 수신하는 경우 충전 종료 상태로 넘어갈 수 있다.

(2) 송신장치(1000)가 수신장치(2000)로부터 충전 완료 정보를 수신한 경우 또는 송신장치(1000)가 부하(2500)의 완충 진행 중임을 감지한 후 즉시 또는 기 설정 시간이 경과한 경우 상기 송신장치는 전력 전송을 중단할 수 있고, 일정 시간 동안 대기할 수 있다. 그리고 일정 시간이 경과된 후 송신장치(1000)는 충전 영역에 배치된 수신장치(2000)와 연결되기 위하여 디지털 핑 상태로 진입할 수 있다.

(3) 그리고 송신장치(1000)가 수신장치(2000)로부터 기 설정된 온도를 초과했다는 정보를 수신한 경우, 일정 시간 동안 대기할 수 있다. 그리고 일정 시간 경과 후 송신장치(1000)는 충전 영역에 배치된 수신장치(2000)와 접속되기 위하여 디지털 핑 상태로 진입 할 수 있다.

(4) 또한 송신장치(1000)는 일정 시간 동안 충전 영역에서 수신장치(2000)가 제거되었는지 모니터링 할 수 있고, 상기 수신장치(2000)가 충전 영역으로부터 제거되면 대기 상태로 되돌아 갈 수 있다.

도 7은 또 다른 실시예에 따른 무선전력전송 시스템의 동작 흐름도이다.

- 송신장치의 동작 상태

도 7을 참조하면, 또 다른 실시예에 따른 송신장치(1000)는 적어도 1) 설정(Configuration) 모드, 2) 전력 절약(Power Save) 모드, 3) 저전력(Low Power) 모드, 4) 파워 전송(Power Transfer) 모드, 5) 래치 실패(latch Fault) 모드를 가질 수 있다.

[설정(Configuration) 모드]

(1) 송신장치(1000)에 전원이 인가(Power Up)되면 설정 모드에 진입할 수 있다.

(2) 송신장치(1000)는 자체적으로 시스템을 체크할 수 있다.

(3) 송신장치(1000)는 송신측 코일(1400)에 인가되는 전류(Itx_in)를 특정 전류 값(예를 들어 20mArms)이 이하로 유지할 수 있고, 만약 송신측 코일(1400)의 입력 전류(Itx_in)가 특정 전류 값 보다 큰 경우, 송신장치(1000)가 설정 모드에 진입한 이후로부터 특정 시간(예를 들어 500ms) 이내에 상기 송신측 코일(1400)의 입력 전류(Itx_in)를 특정 전류 값 이하로 감소시킬 수 있다.

(4) 송신장치(1000)는 설정 모드에 진입한 이후로부터 특정 시간(예를 들어 4s) 이내에 전력 절약 모드로 진입할 수 있다.

[전력 절약(Power Save) 모드]

(1) 전력 절약 모드에서 송신장치(1000)는 이종의 검출용 전력 비콘 각각을 각각의 주기로 송신측 코일(1400)에 인가할 수 있다.

(2) 검출용 전력 비콘(Power Beacon)들은 숏 비콘(Short beacon) 및 롱 비콘(Long beacon)을 포함할 수 있고, 상기 숏 비콘은 다양한 종류의 수신장치(2000)를 검출하는데 필요한 전력량을 가질 수 있다. 그리고 상기 롱 비콘은 수신장치(2000)의 통신 및 제어부(2600)를 구동시키는데 필요한 전력량을 가질 수 있다. 또한 상기 롱 비콘은 수신장치(2000)의 응답을 유도하기 위한 충분한 전압을 상기 수신장치(200)에 유기시킬 수 있는 전력량을 가질 수 있다. 그리고 상기 숏 비콘은 제1 주기를 가질 수 있고, 상기 롱 비콘은 제2 주기를 가질 수 있다. 그리고 상기 숏 비콘은 전력 량이 상이한 복수개의 숏 비콘을 포함할 수 있고, 상기 롱 비콘은 전력 량이 상이한 복수개의 롱 비콘을 포함할 수 있다.

(3) 송신장치(1000)는 숏 비콘을 인가하는 중에 송신측 코일(1400)과 송신측 임피던스 매칭부(1300)의 입력 임피던스(Ztx_in)의 리액턴스(reactance) 또는 입력 임피던스(Ztx_in)의 레지스턴스(resistance) 또는 입력 임피던스(Ztx_in)의 변화를 검출할 수 있다.

(4) 송신장치(1000)가 입력 임피던스(Ztx_in)의 리액턴스(reactance) 또는 입력 임피던스(Ztx_in)의 레지스턴스(resistance) 또는 입력 임피던스(Ztx_in)의 변화를 검출한 경우, 즉시 롱 비콘을 인가할 수 있다.

(5) 송신장치(1000)의 롱 비콘에 의해 상기 송신장치(1000)를 구동할 수 있고, 상기 송신장치(1000)는 소정의 방식에 기초하여 수신장치(2000)와 통신을 수행할 수 있다. 그리고 상기 송신장치(1000)가 수신장치(2000)로부터의 에드버타이즈(Advertisement)를 수신하면, 저전력 모드로 진입할 수 있다.

(6) 송신장치(1000)는 입력 임피던스(Ztx_in) 자체 또는 입력 임피던스(Ztx_in)의 리액턴스 또는 레지스턴스의 변화를 검출하지 못한 경우, 전력 절약 모드를 유지할 수 있다.

(7) 또한 송신장치(1000)는 입력 임피던스(Ztx_in) 자체 또는 입력 임피던스(Ztx_in)의 리액턴스 또는 레지스턴스의 변화를 검출한 경우, 충전 영역 내에 객체(Object)가 존재하는 것으로 판단하고, 저전력 모드로 진입할 수 있다.

[저전력(Low Power) 모드]

(1) 저전력 모드에서 송신장치(1000)와 수신장치(2000)는 소정의 통신 방식(예를 들어 BLE)에 의해 연결되어 인증에 요구되는 데이터를 송수신할 수 있으며, 이에 기초하여 상기 수신장치(2000)는 상기 송신장치(1000)가 관장하는 무선 전력 네트워크에 가입할 수 있다. 그리고 송신장치(1000)는 파워 전송 모드로 진입할 수 있다. 송신장치(1000)는 비콘 신호를 이용하여 송신 패드 위에 위치하는 물체를 감지하고, 무선 전력을 수신할 수 있는 장치인지 판단 할 수 있다. 이때, 비콘 신호는 숏비콘(Short beacon)과 롱비콘(Long beacon)을 각각 이용할 수 있다. 이 때, 롱비콘 신호를 수신한 수신장치(2000)(또는 수신측 통신 제어부)는 wake up(또는, Power up)되고, 송신장치(1000)로 에드버타이즈먼트(PRU Advertisement)를 전송할 수 있다.

(2) 수신장치(2000)로부터 에드버타이즈먼트(PRU Advertisement)를 수신한 송신장치(1000)는 연결 요청(Connection request) 신호를 상기 수신장치(2000)에 전송하여 송신장치(1000)와 수신장치(2000) 간의 연결(Connection)을 형성(Form)할 수 있다.

2-1) 수신장치(2000)가 송신장치(1000)로부터 연결 요청 신호를 수신하면, 상기 수신장치(2000)는 상기 송신장치(1000)로 수신장치 파라미터 정보를 전송(또는 송신장치(1000)가 수신장치(2000)로부터 정보를 읽는다(read))할 수 있고, 상기 송신장치(1000)도 송신장치 파라미터 정보를 상기 수신장치(2000)로 전송(또는 송신장치(1000)가 수신장치(2000)에게 정보를 쓴다(write))할 수 있다. 그리고 상기 수신장치 파라미터 정보에는 수신측 교류/직류 변환부(2300)의 출력 전압(Vrect)에 관한 정보로써, 최소 출력 전압(Vrect_min), 최대 출력 전압(Vrect_max) 및 최적 출력 전압(Vrect_set)을 포함할 수 있다. 이 때 상기 최적 출력 전압(Vrect_min)은 상기 최소 출력 전압(Vrect_min) 이상 그리고 상기 최대 출력 전압(Vrect_max) 이하의 값 중 어느 하나의 전압 값을 가질 수 있다.

2-2) 구체적으로 상기 송신장치는 상기 수신장치(2000)로부터 수신장치 스태틱 파라미터를 수신할 수 있다. 상기 수신장치 스태틱 파라미터는 수신장치(2000)의 상태를 지시하는 신호로써 이미 고정된 상태 정보일 수 있다. 그리고 상기 수신장치 스태틱 파라미터는 선택적 필드 정보, 프로토콜 정보, 수신측 교류/직류 변환부(2300)의 출력 전압(Vrect)에 대한 정보, 수신측 교류/직류 변환부(2300)의 출력 전력에 대한 정보 등을 포함할 수 있다.

2-3) 수신장치 스태틱 파라미터를 수신한 송신장치(1000)는 송신장치 스태틱 파라미터(PTU Static Parameter)를 수신장치(2000)에 전송할 수 있다. 상기 송신장치 스태틱 파라미터는 송신장치(1000)의 용량(Capability)을 지시하는 신호일 수 있다.

2-4) 송신장치(1000)는 상기 수신장치(2000)로부터 수신장치 다이나믹 파라미터(PRU Dynamic Parameter)를 수신할 수 있다. 상기 수신장치 다이나믹 파라미터는 수신장치(2000)에서 측정된 적어도 하나의 파라미터 정보를 포함할 수 있다. 예를 들어 상기 수신장치 다이나믹 파라미터는 수신측 교류/직류 변환부(2300)의 출력 전압(Vrect)에 관한 정보를 포함할 수 있다. 그리고 상기 수신장치 다이나믹 파라미터는 무선 충전 상황에 따라 재조정된 전압 설정값을 포함하여 송신장치(1000)로 제공하고, 상기 송신장치(1000)는 이를 기초로 레지스트리(registry) 상의 수신장치 컨트롤 테이블을, 수신장치 스태틱 파라미터에 의해 최초 설정된 전압 설정값을 상황에 맞게 업데이트 할 수 있다. 이때, 송신장치(1000)는 최근 업데이트된 설정값을 기반으로 전력 전송을 컨트롤 할 수 있다.

2-5) 그리고 상기 수신장치 다이나믹 파라미터는 선택적 필드 정보, 수신측 교류/직류 변환부(2300)의 출력 전압(Vrect_dyn), 상기 수신측 교류/직류 변환부(2300)의 최소 출력 전압(Vrect_min_dyn), 상기 수신측 교류/직류 변환부(2300)의 최대 출력 전압(Vrect_max_dyn), 상기 수신측 교류/직류 변환부(2300)의 최적 출력 전압(Vrect_set_dyn), 수신측 교류/직류 변환부(2300)의 출력 전류 정보, 수신장치(2000)의 직류/직류변환부(2400)의 출력 전류 정보, 온도 정보, 경보 정보(PRU alert) 등을 포함할 수 있다.

2-6) 그리고 상기 경보 정보는 과전압(over voltage), 과전류(over current), 과온도(over temperature), 충전 완료(charge complete), 유선 충전 단자 인입 감지(TA detect), SA 모드/ NSA 모드 전환(transition), 재충전 요청(restart request) 등의 정보를 포함할 수 있다.

(3) 충전 영역에 배치된 객체(Object)가 수신장치(2000)가 아닌 금속성 이물질인 경우, 송신장치(1000)와 객체간의 데이터 송수신이 수행될 수 없으므로, 상기 송신장치(1000)는 기 설정된 시간 동안 상기 객체로부터 응답을 수신하지 못한 경우 상기 객체를 이물질로 결정하고, 래치 실패 모드로 진입할 수 있다.

[래치 실패(latch Fault) 모드]

(1) 송신장치(1000)가 래치 실패 모드로 진입한 경우, 상기 송신장치(1000)는 숏 비콘을 송신측 코일부(1400)에 주기적으로 인가(즉, 수신장치(2000)에 숏비콘을 전송)할 수 있다.

(2) 송신장치(1000)는 숏 비콘에 의하여 입력 임피던스(Ztx_in) 자체 또는 입력 임피던스(Ztx_in)의 리액턴스 또는 레지스턴스의 변화를 검출한 경우, 객체가 제거되거나, 객체가 충전 영역을 벗어난 것으로 판단하고, 전력 절약 모드 또는 설정 상태로 진입할 수 있다.

(3) 송신장치(1000)는 숏 비콘에 의하여 입력 임피던스(Ztx_in) 자체 또는 입력 임피던스(Ztx_in)의 리액턴스 또는 레지스턴스의 변화를 검출하지 못한 경우, 객체가 회수되지 못한 것으로 판단하고, 현재의 송신장치(1000)의 상태가 에러 상태임을 사용자에게 알릴 수 있다. 이에 따라, 상기 송신장치(1000)는 램프 또는 경고음과 같은 알림을 표시하는 출력부를 포함할 수 있다.

(4) 한편 래치 실패 모드는 객체가 이물질인 경우 외에도 다양한 래치 실패 모드 진입 조건을 가질 수 있다. 예를 들어 상기 경보 정보에 해당하는 에러 상황이 있는 경우, 송신장치(1000)가 래치 실패 모드로 진입하도록 할 수 있다.

[파워 전송(Power Transfer) 모드]

(1) 송신장치(1000)는 파워 전송 모드로 진입하고, 상기 송신장치(1000)는 수신장치(2000)로부터 수신한 파라미터 정보에 기초하여 수신장치 제어 정보(PRU Control)를 출력할 수 있다. 상기 수신장치 제어 정보(PRU Control)는 수신장치(2000)의 충전을 인에이블/디스에이블하는 정보 및 허여(permission) 정보를 포함할 수 있다. 상기 송신장치(1000)는 상기 수신장치(2000)를 충전 하기에 충분한 전력을 제공할 수 있는 경우 인에이블 정보를 포함한 수신장치 제어 정보(PRU Control)를 출력할 수 있다.

(2) 송신장치(1000)는 수신장치 제어 정보(PRU Control)를 주기적으로 또는 수신장치(2000)의 상태 변경의 필요성이 있을 때 중 적어도 하나의 원인에 의하여 수신장치(2000)로 제공할 수 있고, 상기 수신장치(2000)는 수신장치 제어 정보(PRU Control)에 기초하여 상태를 변경할 수 있으며, 상기 수신장치(2000)의 상태를 보고하기 위하여 수신장치 다이나믹 파라미터를 상기 송신장치(1000)로 출력할 수 있다. 예를 들어, 수신장치 제어 정보(PRU Control)가 수신장치(2000)의 최대 전력값(P_max)값을 변경하도록 조정정보(adjustment information)를 포함할 수 있으며, 수신장치(2000)는 이에 따라 요구 전압/전류 정보 또는 상기 수신측 교류/직류 변환부(2300)의 최적 출력 전압(Vrect_set_dyn) 중 적어도 하나를 조정하여 변경된 정보를 송신장치(1000)에 전송할 수 있다.

또 다른 실시예로, 수신장치 제어 정보(PRU Control)가 상기 수신장치(2000)의 수신측 교류/직류 변환부(2300)의 출력 전압(Vrect)에 관한 정보를 변경하도록 조정정보(adjustment information)를 포함할 수 있으며, 수신장치(2000)는 이에 따라 요구 전압/전류 정보 또는 상기 수신측 교류/직류 변환부(2300)의 최적 출력 전압(Vrect_set_dyn), 상기 출력 전압(Vrect)등을 조정하여 이에 대한 정보를 송신장치(1000)에 전송할 수 있다.

(3) 수신장치(2000)의 충전이 허여되어 송신장치(1000)로부터 수신장치(2000)로 파워가 전송될 수 있다. 상기 송신장치(1000)는 상기 수신장치(2000)로부터 주기적으로 수신장치 다이나믹 파라미터를 수신할 수 있다. 상기 수신장치 다이나믹 파라미터는 무선 전력 수신기 상태 및 온도 정보를 포함할 수 있다.

(4) 한편 상기 수신장치 제어 정보에는 수신장치(2000)의 수신측 교류/직류 변환부(2300)의 출력 전압(Vrect)를 제어하기 위한 정보를 포함 할 수 있다.

(5) 한편 상기 송신장치(1000)는 송신장치(1000)가 부하(2500)의 완충 진행을 감지한 경우, 상기 수신장치(2000)로부터의 부하(2500)의 완충에 관한 정보 수신과 무관하게 전력 전송을 중단할 수 있다.

- 수신장치의 동작 상태

도 7을 참조하면, 실시예에 따른 수신장치(2000)는 적어도 1) 널(Null) 상태, 2) 부트(Boot) 상태, 3) 온(On) 상태를 가질 수 있다.

[널(Null) 상태]

(1) 수신장치(2000)는 수신측 교류/직류 변환부(2300)의 출력 전압(Vrect)이 부트 출력 전압(Vrect_boot) 미만일 때 널 상태가 될 수 있다.

(2) 수신장치(2000)에 전원이 인가(Power Up)되어 수신측 교류/직류 변환부(2300)의 출력 전압(Vrect)이 부트 출력 전압(Vrect_boot) 미만일 때 부트 상태로 진입할 수 있다.

(3) 수신장치(2000)는 널 상태를 벗어난 이후에는 수신측 교류/직류 변환부(2300)의 출력 전압(Vrect)이 락 아웃 전압 이하의 출력 전압(Under Vlotage lock Out; Vrect_UVLO)가 되는 경우 널 상태로 진입할 수 있다. 그리고 상기 락 아웃 전압 이하의 출력 전압(Vrect_UVLO)은 부트 출력 전압(Vrect_boot)보다 작은 값일 수 있다.

[부트(Boot) 상태]

(1) 롱비콘을 수신한 수신장치(2000)는 또는 수신측 통신 제어부)는 wake up(또는, Power up)될 수 있다. 수신장치(2000)는 충전완료상태가 아닐 경우, 에드버타이즈먼트 신호(PRU Advertisement)를 전송(또는, 방송(Broadcasting)할 수 있고, 송신장치(1000)의 연결 요청을 기다릴 수 있다.

(2) 에드버타이즈먼트 신호(PRU Advertisement)는 주기적으로 전송(또는, 방송)될 수 있고, 시간에 따라서 주기는 달라질 수 있다. 수신장치(2000)는 송신장치(1000)로부터 연결 요청 신호를 수신할 때까지 주기적으로 전송(또는, 방송)할 수 있다.

(3) 송신장치(1000)는 에드버타이즈먼트 신호(PRU Advertisement)에 포함된 정보를 기반으로 수신장치(2000)와의 연결을 위하여 연결 요청신호를 전송할 수 있다. 수신장치(2000)는 에드버타이즈먼트 신호(PRU Advertisement)에 대한 송신장치(1000)의 연결 요청 신호 신호를 수신하면 상기 수신장치(2000)와 송신장치(1000)는 연결(Connection)을 형성(Form)할 수 있다. 그리고 상기 수신장치(2000)는 수신장치 스태틱 파라미터를 전송하고, 상기 송신장치(1000)로부터 송신장치 스태틱 신호를 수신하고, 수신장치 다이나믹 파라미터를 상기 송신장치(1000)로 전송할 수 있다.

[온(On) 상태]

(1) 수신장치(2000)는 송신장치(1000)로부터 수신장치 제어 정보(PRU Control)를 입력 받고, 상기 수신장치 제어 정보(PRU Control)에 의해 인에이블 되면, 온 상태가 되어 상기 송신장치(1000)로부터 전력을 수신할 수 있다.

(2) 수신장치(2000)는 수신장치 다이나믹 파라미터를 송신장치(1000)에 송신하여 자신의 상태 정보를 제공할 수 있다.

- 충전 전압 설정 절차

(1) 송신장치(1000)로부터 수신장치(2000)로 제공되는 수신장치 제어 정보(PRU Control)에 상기 송신장치(1000)에 대한 무선 충전 허여 정보가 포함되는 경우, 무선 충전이 개시될 수 있다.

(2) 송신장치(1000)는 수신장치 스태틱 파라미터를 기초하여 충전 전력을 송신할 수 있다.

(3) 송신장치(1000)는 수신장치(2000)의 상태 정보를 반영한 수신장치 다이나믹 파라미터를 기초하여 충전 전력을 조절할 수 있다.

(4) 상기 충전 전력 조절은 송신장치(1000)의 저전력 상태와 파워전송 상태의 설명에 대응되는 수신장치(2000)의 동작이므로 상세 내용은 생략한다. 그러나 수신장치(2000)의 실시예에서도 해당 내용이 적용될 수 있다.

[부하의 완충 단계 진행 감지 방법]

도 8은 송신 장치와 수신 장치의 등가회로도이다.

도 8을 참조하면, 1) 송신장치(1000)의 송신측 임피던스 매칭부(1300)와 송신 코일부(1400)는 송신측 저항(Rtx), 송신측 커패시터(Ctx) 및 송신측 인덕터(Ltx)의 등가회로로 표현될 수 있고, 상기 송신측 커패시터(Ctx) 및 송신측 인덕터(Ltx)는 직렬로 표현되었으나 이에 한정되는 것은 아니고 병렬로 표현될 수도 있다. 또한 송신측 직류/교류 변환부(1200)로부터의 출력 전력(Pin)은 송신측 임피던스 매칭부(1300)와 송신 코일부(1400)로 제공될 수 있다. 또한 상기 출력 전력(Pin)은 상기 직류/교류 변환부(1200)의 출력 전압(Vin; 또는 송신측 임피던스 매칭부(1300)나 송신 코일부(1400)로의 입력 전압으로 지칭할 수 있다) 및 출력 전류(Iin; 또는 송신측 임피던스 매칭부(1300)나 송신 코일부(1400)로의 입력 전류로 지칭할 수 있다)의 곱으로 정의할 수 있다.

또한 수신장치(2000)의 수신측 코일부(2100)와 수신측 임피던스 매칭부(2200)는 수신측 인덕터(Lrx) 및 수신측 커패시터(Crx)의 등가회로로 표현될 수 있고, 상기 수신측 인덕터(Lrx) 및 수신측 커패시터(Crx)는 직렬로 표현되었으나 이에 한정되는 것은 아니고 병렬로 표현될 수도 있다.

상기 송신장치(1000)의 송신측 인덕터(Ltx)는 수신장치(2000)의 수신측 인덕터(Lrx)와 결합계수 K로 자기 결합될 수 있다.

2) 수신장치(2000)의 직류/직류변환부(2400)의 입력 포트에서 부하(2500) 측을 바라본 상기 직류/직류변환부(2400)의 입력 임피던스(Za)에서 실수 파트인 입력 저항(Ra)은 직류/직류변환부(2400)의 출력 전력(Prx)과 직류/직류 변환부(2400)의 입력 전압, 즉 수신측 교류/직류 변환부(2300)의 출력 전압(Vrect)으로 수학식 3과 같이 표현할 수 있다.

수학식 3

상기 출력 전력(Prx)은 출력 전압(Vrect)과 수신측 교류/직류 변환부(2300)의 출력 전류(Irx)의 실효치의 곱으로 정의할 수 있다. 따라서 수신측 교류/직류 변환부(2300)의 출력 전력(Prx)은 직류/직류변환부(2400)를 경유하여 부하(2500)에 제공되는 것으로 볼 수 있다.

송신장치(1000) 및 수신장치(2000)의 공진 상태에서 송신측 임피던스 매칭부(1300)의 입력 포트에서 수신장치(2000)를 바라본 입력 임피던스(Zin)(공진회로부(102)의 입력 임피던스)는 수학식 4와 같이 표현할 수 있다.

수학식 4

그리고 또한 송신측 직류/교류 변환부(1200)로부터 출력되고, 송신측 임피던스 매칭부(1300)로 입력되는 입력 전력(Pin)(즉, 공진회로부(102)의 입력 전력)은 수학식 5와 같이 표현할 수 있다.

수학식 5

그리고 입력 전력(Pin)과 출력 전력(Prx)의 비로부터 전송 효율을 수학식 6과 같이 정의할 수 있다.

수학식 6

그리고 수학식 5와 6으로부터 수학식 7을 얻을 수 있다.

수학식 7

그리고 수학식 7을 정리하면 수학식 8을 얻을 수 있다.

수학식 8

그리고 입력 전력(Pin)은 수학식 9를 충족한다.

상기 수학식 9에 따르면, 결합계수 K와 전송효율이 일정하다고 가정할 때 수신측의 출력 전력(Prx)이 증가하면 송신측의 입력 전압(Vin)이 증가하고, 상기 수신측의 출력 전력(Prx)이 감소하면 송신측의 입력 전압(Vin)이 감소함을 알 수 있다. 따라서 상기 수신측의 출력 전력(Prx)과 송신측의 입력 전압(Vin)은 서로 비례 관계임을 알 수 있다.

수학식 9

그리고 수학식 9을 입력 전류 Iin에 대해서 정리하면 수학식 10을 충족한다.

수학식 10

상기 수학식 10에 따르면 송신측의 입력 전류(Iin)는 수신측의 출력 전력(Prx)와 무관하고, 상기 송신측의 입력 전류(Iin)는 수신측 교류/직류 변환부(2300)의 출력 전압(Vrect)과 결합계수 K 및 전송효율이 일정하면, 일정하게 유지됨을 알 수 있다.

한편 상기 수학식 3 내지 수학식 10을 설명할 때, 상기 송신측의 입력 전압(Vin)과 송신측의 입력 전류(Iin)는 송신 코일부(1400)에 인가되는 전압과 전류, 더 구체적으로 송신측 임피던스 매칭부(1300)에 인가되는 전압과 전류로 설명하였지만, 이에 한정되는 것은 아니고, 송신측 직류/직류 변환부(1120)의 출력 전압 및 출력 전류 또는 송신측 직류/교류 변환부(1200)의 입력 전압 및 입력 전류에도 동일하게 적용할 수 있다.

도 9는 실시예에 따른 송신장치의 구동 흐름도이고, 도 10은 실시예에 따른 수신장치의 구동 흐름도이다.

도 9 및 도 10을 참조하여, 실시예에 따른 송신장치(1000)가 수신장치(2000)의 완충 여부를 판단하는 단계를 설명하면, 상기 송신장치(1000)는 1) 상기 송신장치(1000)의 출력 신호를 검출하는 단계(S110), 2) 상기 출력 신호의 변화를 판단하는 단계(S130), 3) 상기 전압 및 전류의 변화를 기반으로 상기 송신장치(1000)로부터 무선 전력을 수신하는 배터리(2510)의 완충 진행을 감지하는 단계(S150)를 수행하여 상기 배터리(2510)의 완충 여부를 판단(S170)할 수 있다.

상기 송신장치(1000)의 출력 신호를 검출하는 단계(S110)는, 상기 송신장치(1000)의 출력 전압과 출력 전류를 검출하거나, 상기 송신장치(1000)의 출력 전류를 검출하고, 상기 송신장치(1000)의 출력 전압은 후술할 출력 전압 지령치를 기반으로 예측할 수 있다.

상기 전압 및 전류의 변화를 판단하는 단계(S130)는, 구체적으로 기 설정된 시간 동안 상기 전압의 가변 여부 및 상기 전류의 일정 여부를 판단하는 단계가 될 수 있다. 더 구체적으로, 상기 전압의 가변 여부를 판단하는 단계는, 상기 전압이 지속적으로 감소하는지 여부를 판단하는 단계일 수 있다. 즉, 상기 송신장치(1000)가 전압은 감소하지만 전류는 일정하게 유지되는 것을 판단한 경우, 상기 배터리(2510)가 완충 진행 중임을 감지하여 무선 전력 전송을 중단할 수 있다. 그리고 상기 전압 및 전류는, 상기 송신장치(1000)의 직류/직류 변환부(1120)의 출력 전압 및 출력 전류일 수 있다. 또는 다른 실시예로 상기 출력 전압의 가변 여부는 상기 직류/직류 변환부(1120)의 출력 전압 지령치의 가변 여부를 기반으로 판단할 수 있다.

상기 출력 전압 지령치는 상기 직류/직류 변환부(1120)의 출력 전압의 목표치로써, 상기 직류/직류 변환부(1120)는 상기 출력 전압 지령치에 해당하는 출력 전압을 출력할 수 있도록 송신측 제어부(1510)에 의해 제어될 수 있다. 송신장치(1000)는 배터리(2510)의 완충 진행에 따라 수신측 출력 전력(Prx)이 감소하는 경우, 송신 코일부(1400)로부터 전송되는 전력량, 즉 송신측 입력 전력(Pin)이 감소하도록 송신측의 입력 전압(Vin)을 감소시킬 수 있다. 이 경우 송신측 제어부(1510)가 상기 직류/직류 변환부(1120)의 출력 전압이 감소하도록 출력 전압 지령치를 감소시킬 수 있다. 따라서 상기 출력 전압 지령치의 감소 여부를 판단함으로써, 상기 직류/직류 변환부(1120)의 출력 전압 또한 감소할 것을 판단할 수 있다. 또 다른 실시예로 상기 전압 및 전류는 상기 송신장치(1000)의 송신측 코일부(1400)의 입력 전압 및 입력 전류일 수도 있다.

한편 상기 송신장치(1000)가 상기 배터리(2510)의 완충 진행 상태를 판단하여 무선 전력 전송을 중단한 경우, 무선 전력 전송 중단 메시지 상기 수신장치(2000)로 전송할 수 있다.

또한 송신장치(1000)로부터 무선으로 전력을 수신하는 배터리(2510)를 충전하는 수신장치(2000)의 구동 방법을 설명하면, 상기 수신장치(2000)는, 1) 상기 배터리(2510)의 충전량이 제1 충전량 내지 상기 제1 충전량보다 큰 제2 충전량 인지 판단하는 단계(S210), 2) 상기 배터리(2510)의 충전량이 제1 충전량 내지 제2 충전량일 때 상기 배터리(2510)에 인가되는 전류를 감소시키는 전력 수신 단계(S230)(전류 감소는 단계적으로 이뤄질 수 있다), 3) 상기 전류의 감소를 인지한 상기 송신장치(1000)로부터의 전력 수신이 중단되었음을 판단하는 단계(S250) 및 4) 상기 송신장치(1000)로부터의 전력 수신이 중단되었음을 판단하여 상기 배터리(2510)의 충전 상태가 완충 상태임을 판단하는 충전 종료 단계(S270)를 수행할 수 있다.

이 경우, 상기 제1 충전량은 상기 배터리(2510)의 완충 개시 상태를 지시하는 충전량이고, 상기 제2 충전량은 상기 배터리(2510)의 완충 완료 상태를 지시하는 충전량이며, 상기 제1 내지 제2 충전량 상태의 상기 배터리(2510)는 완충 진행 상태일 수 있다. 그리고 상기 전력 수신 단계(S230)에서 상기 배터리(2510)에 인가되는 전압은 일정할 수 있다.

한편 수신장치(2000)는 배터리(2510)의 완충 진행 후 완충 완료 상태를 스스로 판단하여, 상기 배터리(2510)가 완충 완료된 정보를 포함하는 메시지를 송신장치(1000)로 전송하여 상기 송신장치(1000)가 배터리(2510)의 완충 완료 여부를 확인하고, 그에 따라 무선 전력 전송을 중단하도록 할 수 있으나, 본 발명에 따른 실시예는 수신장치(2000)가 별도의 완충 완료 상태 정보를 송신장치(2000)로 전송할 필요 없이, 송신장치(1000) 스스로 배터리(2510)의 완충 완료 상태 여부를 판단할 수 있다. 또한 상기 수신장치(2000)는 스스로 배터리(2510)의 완충 완료 상태 여부를 판단하기 위하여 상기 배터리(2510)의 충전량을 확인할 필요 없이, 무선 전력이 수신되지 않는 것을 판단하여 상기 배터리(2510)의 완충 완료 상태 여부를 판단할 수 있다.

이하 배터리(2510)의 완충 진행 상태를 판단하여 완충 완료 상태를 확인하는 방법을 일 예를 들어 구체적으로 설명한다.

도 11은 배터리의 완충 상태에 따라 배터리에 인가되는 전류의 시간에 따른 크기를 나타낸 그래프이다.

부하(2500)의 배터리(2510)의 상태는 제1 단계로 충전 상태, 제2 단계로 완충 개시 상태, 제3 단계로 완충 진행 상태 그리고 제4 단계로 완충 완료 상태, 즉 제1 내지 제4 단계를 거쳐 충전이 완료될 수 있다.

상기 제1 내지 제4 단계에 따라 상기 배터리(2510)로 인가되는 전압과 전류를 살펴보면, 상기 제1 내지 제4 단계에 따라 상기 배터리(2510)로 인가되는 전압은 고정된 값(또는 근사적으로 일정한 값)을 가질 수 있다. 그리고, 상기 배터리(2510)로 인가되는 전류는 상기 제1 단계에서 일정한 전류 값을 가질 수 있고, 상기 제2 내지 제4 단계를 거치면서 지속적으로 또는 단계적으로 전류 값이 감소할 수 있다.

예를 들어 도 11을 참조하면, 제1 단계인 충전 중에 상기 배터리(2510)로 인가되는 전압이 5V이고, 전류가 500mA이고, 제2 단계인 완충 개시 상태 시 상기 배터리(2510)로 인가되는 전압이 5V이고, 전류가 350mA로 감소할 수 있다. 그리고 제3 단계인 완충 진행 상태에서 상기 배터리(2510)로 인가되는 전압이 5V이고, 전류가 200mA로 감소할 수 있다. 그리고 상기 제4 단계인 완충 완료 상태에서 상기 배터리(2510)로 인가되는 전압이 5V이고, 전류가 50mA로 감소할 수 있다.

즉, 상기 제1 내지 제4 단계를 거치면서 상기 배터리(2510)로 인가되는 전류는 단계적으로 감소할 수 있다. 한편 상기 제1 내지 제4 단계는 설명의 편의를 위해 구분한 것으로 더 세분화 할 수 있고, 상기 제3 단계인 완충 진행 상태를 더 세분화하여 전류의 감소 정도를 달리할 수도 있다. 이 경우 전류는 각 단계별로 계속해서 감소할 수 있다. 또한 상기 배터리(2510)로 유입되는 전류는 상기 배터리 관리부(2520)의 제어 하에 단계적으로 감소할 수 있다. 이와 같이 배터리(2510)가 완충에 가까워질수록 과충전을 예방하기 위하여 상기 배터리 관리부(2520)는 상기 배터리(2510)가 완충에 가까워질 때, 상기 배터리(2510)로 인가되는 전류의 량을 감소시켜 충전 속도를 늦추게 된다.

한편, 도면에서 도시된 바와 달리 제1 단계인 충전 진행 상태에서 배터리(2510)로 인가되는 전류가 일정한 것으로 도시되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 일정 범위 내에서 변동할 수 있다. 또한 상기 제1 단계와 상기 제2 단계를 구분하는 배터리(2510)의 충전량은 상기 배터리(2510)의 종류에 따라서 달라질 수 있다. 예를 들어 상기 배터리(2510)의 충전량은 상기 제1 단계에서 90% 미만이고, 상기 제2 단계에서는 90%이고, 상기 제3 단계에서는 90% 초과 98% 미만이며, 상기 제4 단계에서는 95% 이상일 수 있다.

이와 같이 배터리(2510)가 충전 중에 배터리(2510)의 충전 용량이 기 설정치 이상이 되는 경우, 완충 개시 상태가 되고, 완충 진행 상태 후 완충 완료 상태가 될 수 있다. 이 때 부하(2500)로 인가되는 출력 전력(Prx)은 배터리(2510)에 인가되는 전압과 전류의 곱으로 정의할 수 있고, 완충 진행 시 전류의 단계적 감소에 따라 출력 전력(Prx) 또한 전류의 감소에 대응하여 단계적으로 감소할 수 있다.

또한 전송효율이 유지되는 상태에서 수학식6에 따라 출력 전력(Prx)이 감소되면, 입력 전력(Pin) 또한 상기 출력 전력(Prx)의 감소에 대응하여 감소할 수 있고, 수학식10에 따라 출력 전력(Prx)의 감소와 무관하게 입력 전류(Iin)는 일정하므로, 입력 전압(Vin)과 입력 전류(Iin)의 곱으로 정의되는 입력 전력(Pin)의 감소에 대응하여 입력 전압(Vin)은 감소할 수 있다.

따라서 송신장치(1000)의 검출부(1600)로부터 검출된 입력 전압(Vin)과 입력 전류(Iin)의 변화를 송신측 제어부(1510)가 판단하여 배터리(2510)의 완충 진행 상태를 판단할 수 있다. 즉 상기 송신장치(1000)는 송신측 교류/직류 변환부(1100)의 출력 전압(Vin1)과 출력 전류(Iin1) 또는 송신 코일부(1400)의 입력 전압(Vin2)과 입력 전류(Iin2)를 측정하여 배터리(2510)의 완충 진행 상태임을 판단할 수 있다. 구체적으로 상기 송신장치(1000)의 검출부(1600)는 송신측 교류/직류 변환부(1100)의 출력 전류(Iin1) 또는 송신측 직류/교류 변환부(1200)의 입력 전류(Iin1)를 검출할 수 있고, 상기 검출부(1600)는 송신측 교류/직류 변환부(1100)의 출력 전압(Vin1) 또는 송신측 직류/교류 변환부(1200)의 입력 전압(Vin1)를 검출할 수 있다. 또한 송신측 직류/교류 변환부(1200)의 출력 전압(Vin2), 출력 전류(Iin2) 또는 송신 코일부(1400)로 유입되는 입력 전압(Vin2)과 입력 전류(Iin2) 검출할 수 있다.

상기 검출부(1600)에 의해 검출된 전압과 전류 정보를 기반으로 기 설정된 시구간 동안 전압은 단계적으로 감소하지만 전류가 일정함을 판단하면 완충 진행 중임을 판단할 수 있다. 그리고 상기 송신장치(1000)가 배터리(2510)의 완충 진행 중임을 판단하면, 즉시 또는 기 설정된 시간 경과 후 무선 전력 전송을 중단할 수 있다. 그리고 상기 기 설정된 시간이 경과된 시점은 상기 배터리(2510)의 충전 완료 상태가 되는 시점과 일치하거나, 또는 그 이전 시점이나 그 이후 시점이 될 수 있다.

이와 같이 실시예는 결합 계수 K가 변하는 경우에는 입력 전압(Vin)과 입력 전류(Iin)는 모두 변하지만, 완충 진행 상태에서는 입력 전류(Iin)는 고정되고 입력 전압(Vin)이 변하는 것을 이용하여 송신장치(1000)가 배터리(2510)의 완충 진행 상태를 판단함으로써 무선 전력 전송 여부를 결정할 수 있다. 또한 배터리(2510)가 완충 완료 상태가 되어 수신장치(2000)가 송신장치(1000)로 완충 상태임을 알리는 정보를 제공하기 전에 미리 송신장치(1000)가 무선 전력 전송을 중단함으로써, 전력 소모를 절약할 수 있다. 또한 송신측 통신부(1520)가 수신장치(2000)로부터 배터리(2510) 완충 정보를 판단하지 못하여 불필요한 전력 전송 및 그에 따른 발열 문제를 방지할 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 송신측 공진회로부
103 제어부
1100 송신측 교류/직류 변환부(1600
1110 정류기
1120 송신측 직류/직류 변환부
1200 송신측 직류/교류 변환부
1300 송신측 임피던스 매칭부
1400 송신 코일부
1500 송신측 통신 및 제어부
1510 송신측 제어부
1520 송신측 통신부
1600 검출부
2000 수신장치
2100 수신측 코일부
201, 2120 수신측 공진회로부
2200 수신측 임피던스 매칭부
202 수신측 전력변환부
2300 수신측 교류/직류 변환부
2400 수신측 직류/직류 변환부
2500 부하부
2510 배터리
2520 배터리 관리부
2600 수신측 통신 및 제어부
203, 2610 수신측 제어부
2620 수신측 통신부

Claims (20)

1. 무선으로 전력을 전송하는 송신장치의 구동 방법에 있어서,
   상기 송신장치의 전압 및 전류의 변화를 판단하는 단계; 및
   상기 전압 및 전류의 변화를 기반으로 상기 송신장치로부터 무선 전력을 수신하는 수신장치의 배터리 상태가 완충 진행 상태인지 판단하는 단계;를 포함하는 송신장치의 구동 방법.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 전압 및 전류의 변화를 판단하는 단계는,
   상기 전압의 값을 기 설정된 시간 동안 측정하고, 상기 측정된 전압의 값들이 감소되는지 여부를 검출하고,
   상기 전류의 값을 상기 기 설정된 시간 동안 측정하고, 상기 측정된 전류의 값들이 유지되는지 여부를 판단하는 송신장치의 구동 방법.
3. 제2 항에 있어서,
   상기 전압 감소 여부를 판단하는 단계는,
   상기 전압이 단계적으로 감소하는지 여부를 판단하는 단계인 송신장치의 구동 방법.
4. 제3 항에 있어서,
   상기 배터리 상태가 완충 진행 상태인 경우,
   무선 전력 전송을 중단하는 송신장치의 구동 방법.
5. 제1 항에 있어서,
   상기 전압은 상기 송신장치의 직류/직류 변환장치의 출력 전압이고,
   상기 전류는 상기 송신장치의 직류/직류 변환장치의 출력 전류인 송신장치의 구동 방법.
6. 제1 항에 있어서,
   상기 직류/직류 변환장치의 출력 전압 지령치을 기반으로 상기 송신장치의 전압의 변화를 판단하는 송신장치의 구동 방법.
7. 제1 항에 있어서,
   상기 전압 및 전류는
   상기 송신장치의 송신측 코일의 입력 전압 및 입력 전류인 송신장치의 구동 방법.
8. 송신장치로부터 무선으로 전력을 수신하여 배터리를 충전하는 수신장치의 구동 방법에 있어서,
   상기 배터리의 충전량이 제1 충전량 내지 상기 제1 충전량보다 큰 제2 충전량일 때 상기 배터리에 인가되는 전류를 단계적으로 감소시키는 전력 수신 단계;
   상기 전류의 감소를 인지한 상기 송신장치로부터의 전력 수신 여부를 판단하는 단계;
   상기 송신장치로부터의 전력 수신이 중단되면, 상기 배터리의 충전 상태가 완충 완료 상태임을 판단하는 단계;를 포함하는 수신장치의 구동 방법.
9. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 충전량은 상기 배터리의 완충 개시 상태를 지시하는 충전량이고,
   상기 제2 충전량은 상기 배터리의 완충 완료 상태를 지시하는 충전량이며,
   상기 배터리의 충전량이 상기 제1 내지 제2 충전량 범위 내 인 경우 상기 배터리의 상태는 완충 진행 상태인 수신장치의 구동 방법.
10. 제1 항에 있어서,
    상기 전력 수신 단계에서 상기 배터리에 인가되는 전압은 일정한 수신장치의 구동 방법.
11. 무선으로 전력을 전송하는 송신장치에 있어서,
    직류/직류 변환장치; 및
    및
    상기 직류/직류 변환장치의 출력 신호의 변화를 기반으로 상기 송신장치로부터 무선 전력을 수신하는 수신장치의 배터리 상태가 완충 진행 상태인지를 판단하는 상기 제어장치를 포함하는 송신장치.
12. 제11 항에 있어서, 상기 출력 신호는 상기 직류/직류 변환장치의 출력 전류 및 출력 전압인 송신장치.
13. 제12 항에 있어서,
    상기 출력 전류 및 상기 출력 전압을 검출하는 검출장치;를 더 포함하는 송신장치.
14. 제12 항에 있어서,
    상기 출력 전류를 검출하는 검출장치;를 더 포함하고,
    상기 제어장치는 출력 전압 지령치를 기반으로 상기 직류/직류 변환장치에 대한 출력 전압을 조절하고,
    상기 제어장치는 상기 출력 전압 지령치를 기반으로 상기 출력 전압의 변화를 판단하는 송신장치.
15. 제12 항에 있어서,
    기 설정된 시간 동안 상기 출력 전류가 일정하고, 상기 출력 전압이 단계적으로 감소하는지를 판단하는 송신장치.
16. 제14 항에 있어서,
    기 설정된 시간 동안 상기 출력 전류가 일정하고, 상기 출력 전압 지령치가 단계적으로 감소하는지를 판단하는 송신장치.
17. 제11 항에 있어서,
    상기 송신장치가 상기 배터리의 상태가 완충 진행 상태인 것으로 판단한 경우,
    일정 시간 경과 후 무선 전력 전송을 중단하는 송신장치.
18. 송신장치로부터 무선으로 전력을 수신하는 수신장치에 있어서,
    상기 전력을 수신하는 수신측 코일;
    상기 전력으로 충전되는 배터리; 및
    상기 배터리를 제어하는 배터리 관리부;를 포함하고,
    상기 배터리 관리부는,
    상기 배터리의 충전량이 제1 충전량 내지 상기 제1 충전량보다 큰 제2 충전량일 때 상기 배터리에 인가되는 전류를 단계적으로 감소시키고,
    상기 전류의 감소를 인지한 상기 송신장치로부터의 전력 수신이 중단되면 상기 배터리의 충전 상태가 완충 완료 상태임을 판단하는 수신장치.
19. 제18 항에 있어서, 상기 배터리 관리부는
    상기 제1 충전량은 상기 배터리의 완충 개시 상태를 지시하는 충전량이고,
    상기 제2 충전량은 상기 배터리의 완충 완료 상태를 지시하는 충전량이며,
    상기 배터리의 충전량이 상기 제1 내지 제2 충전량 범위 내 인 경우 상기 배터리의 상태를 완충 진행 상태로 판단하는 것을 특징으로 하는 수신장치.
20. 제18 항에 있어서,
    상기 송신장치는 상기 전류의 감소를 인지한 상기 송신장치로부터 무선 전력 전송 중단 메시지를 수신하는 수신장치.

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