KR20190011087A - 무선 충전 시 발생한 발열을 제어하는 방법 및 장치 - Google Patents

무선 충전 시 발생한 발열을 제어하는 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

무선 전력 송신장치의 제어 방법은 무선 전력 수신장치로부터 전력 전송 중단 요청 신호를 수신하는 단계, 무선 충전을 위한 전력 송신을 중단하는 단계, 전원 전압을 변경하기 위한 변환부의 적어도 하나를 비활성화시키는 단계, 및 무선 충전을 위한 전력 송신을 재개하는 단계를 포함한다.

Description

무선 충전 시 발생한 발열을 제어하는 방법 및 장치{APPARATUS AND METHOD FOR TEMPERATURE CONTROL FOR WIRELESS CHARGING}
본 발명은 무선 충전 시 발생한 발열을 제어하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 무선 충전 시 발열로 인해 충전을 중단하는 경우 무선 충전 제어 방법 및 제어 장치에 관한 것이다.
무선전력은 전자기 유도(Electromangnetic Induction)를 통해 전류를 흐르게 하여 배터리에 충전하는 방식으로, 충전용 패드의 1차 코일에서 발생한 자기장이 배터리 부분의 2차 코일에 유도돼 전류를 공급하게 된다. 이 기술은 대용량의 배터리가 요구되는 휴대용 통신기기, 전기자동차 등에 적합하며 접점이 노출돼 있지 않아 누전 등의 위험이 거의 없으며 유선방식의 충전불량 현상을 막을 수 있다.
무선 충전 기술이 일반화되면서, 무선 충전 전력 신호를 제공하기 위한 다양한 충전 패드가 개발되고 있다. 일반적으로, 충전 패드는 무선 충전 전력 신호를 송신하는 코일 또는 안테나와 코일 또는 안테나에 무선전력기술에 따른 전력 신호를 공급하고 제어하는 회로부를 포함하는 기판을 포함하고 있다.
무선 충전 과정에서의 위험을 예방하기 위해, 무선 충전 중 전력 송신기와 전력 수신기의 온도가 기 설정된 수준을 넘어서는 경우 무선 충전 동작을 강제로 종료할 수 있다. 무선 충전(wireless power transfer)과 관련한 국제 표준 단체들은 무선 충전 표준 기술로서 온도가 기 설정된 수준을 넘어서면 충전을 중단할 수 있도록, 충전 기기들은 기 설정된 신호(End of Charge (EOC) 또는 End of Power Transfer (EPT))를 상대 기기로(예, 송신기는 수신기로 또는 수신기는 송신기로) 전달할 수 있다. 기 설정된 신호가 전달되면, 진행 중인 무선 충전은 중지될 수 있다. 이후, 온도가 낮아져 기 설정된 수준을 넘어서지 않는다면, 무선 충전은 다시 재개될 수 있다.
본 발명은 무선 충전 동작 중 발열로 인해 무선 충전 동작이 중지되는 경우, 수신기 또는 송신기의 온도를 보다 빨리 낮출 수 있는 제어 장치 및 제어 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 무선 충전 동작 중 온도로 인해 충전이 중단되면 온도를 낮추기 위해 일부 회로를 비활성화(disable)시키더라도 이후 충전 재개를 빠르게 진행하기 위해 전력 수신기를 감지할 수 있는 회로를 더 포함하는 전력 송신 장치와 그 제어 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 무선 충전 동작이 중단되어 다시 시작되기 전까지 내부 회로의 일부 기능을 비활성화할 수 있어 불필요한 전력 소모를 줄일 수 있는 무선 충전 장치를 제공할 수 있다.
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.
본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신장치의 제어 방법은 무선 전력 수신장치로부터 전력 전송 중단 요청 신호를 수신하는 단계; 무선 충전을 위한 전력 송신을 중단하는 단계; 전원 전압을 변경하기 위한 변환부의 적어도 하나를 비활성화시키는 단계; 및 상기 무선 충전을 위한 전력 송신을 재개하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 전력 전송 중단 신호는 온도를 원인으로 한 중단 신호일 수 있다.
또한, 상기 변환부의 적어도 하나를 비활성화 시키는 단계는 상기 전원 전압을 직류 전압으로 변경하기 위한 제1변환부는 활성화 상태를 유지하면서, 상기 직류 전압의 레벨을 변경하기 위한 제2변환부를 비활성화시키는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 변환부를 비활성화 시키는 단계는 상기 직류 전압을 승압시키는 부스트 변환기(Boost Converter); 상기 부스트 변환기의 출력을 상기 기 설정된 전압 레벨로 낮추기 위한 벅 변환기(Buck Converter); 및 상기 벅 변환기의 출력을 상기 기 설정된 전압 레벨로 안정화시키기 조정기(regulator 또는 Low Drop Out (LDO) regulator) 중 적어도 하나를 비활성화시킬 수 있다.
또한, 상기 제2 변환부를 비활성화 시키는 단계는 상기 벅 변환기 및 상기 조정기를 상기 온도의 변화에 대응하여 순차적으로 비활성화시킬 수 있다.
또한, 상기 변환부의 적어도 하나를 비활성화 시키는 단계는 상기 무선 전력 송신 장치의 팬을 동작 시키는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 무선 충전을 위한 전력 송신을 재개하는 단계는 상기 무선 충전을 위한 전력 송신을 중단하는 단계 이후에 일정 시간이 지난 후에 실행될 수 있다.
또한, 상기 일정 시간은 5분 이내일 수 있다.
또한, 상기 무선 충전을 위한 전력 송신을 재개하는 단계는 상기 무선 전력 송신 장치의 온도 측정부의 온도가 일정 온도만큼 떨어진 후에 실행될 수 있다.
또한, 상기 변환부의 적어도 하나를 비활성화시키더라도 무선 전력 수신 장치를 감지하는 기능은 유지가 될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치는 무선 전력 수신기로부터 온도에 대응하는 기 설정된 신호를 수신하여 무선 충전을 위한 전력 신호의 송신을 중단시키는 제어부; 전원 전압을 기 설정된 전압 레벨로 변경하기 위한 변환부; 상기 변환부의 출력을 기 설정된 주파수를 이용하여 전달하는 공진부; 및 상기 변환부와 상기 공진부의 임피던스를 정합하여 전송 효율을 높이기 위한 매칭부를 포함하고, 상기 제어부는 상기 전력 신호의 송신을 중단할 때 상기 변환부의 적어도 일부를 비활성화(disable)시킬 수 있다.
또한, 상기 변환부는 상기 전원 전압을 직류 전압으로 변경하기 위한 제1변환부; 및 상기 직류 전압을 상기 기 설정된 전압 레벨로 변경하기 위한 제2변환부를 포함하고, 상기 제어부는 상기 전력 신호의 송신을 중단할 때, 상기 제2변환부의 적어도 일부를 비활성화시키고 상기 제1변환부는 활성화시킬 수 있다.
또한, 상기 제2변환부는 상기 직류 전압을 승압시키는 부스트 변환기(Boost Converter); 상기 부스트 변환기의 출력을 상기 기 설정된 전압 레벨로 낮추기 위한 벅 변환기(Buck Converter); 및 상기 벅 변환기의 출력을 상기 기 설정된 전압 레벨로 안정화시키기 조정기(regulator 또는 Low Drop Out (LDO) regulator)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 전력 신호의 송신을 중단할 때 상기 벅 변환기 및 상기 조정기 중 적어도 하나를 비활성화시킬 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 전력 신호의 송신을 중단할 때 상기 벅 변환기 및 상기 조정기를 상기 온도의 변화에 대응하여 순차적으로 비활성화시킬 수 있다.
또한, 무선 전력 송신장치는 상기 무선 전력 수신기를 감지하는 감지부를 더 포함하고, 상기 제어부가 상기 변환부의 적어도 일부를 비활성화시키더라도 상기 수신기 감지부의 적어도 일부는 활성화될 수 있다.
또한, 상기 감지부는 상기 전원 전압이 공급되면 상기 변환부가 활성화된 경우 상기 무선 전력 수신기로 인한 임피던스의 변화를 모니터링하여 상기 무선 전력 수신기의 존재 여부를 인식하기 위한 제1감지부; 및 상기 전원 전압이 공급되면 상기 변환부의 활성화 여부에 관계없이 상기 임피던스의 변화를 모니터링하여 상기 무선 전력 수신기의 상기 존재 여부를 인식하기 위한 제2감지부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2감지부는 상기 전력 신호가 송신되는 동안 비활성화될 수 있다.
또한, 상기 공진부는 복수의 상기 무선 전력 수신기에 상기 전력 신호를 제공할 수 있는 복수의 코일; 상기 복수의 코일을 선택하기 위한 스위칭 회로; 및 상기 스위칭 회로를 통해 상기 복수의 코일에 상기 전력 신호를 전달하기 위한 구동 회로를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 전력 송신장치의 제어 방법은 무선 전력 수신기로부터 온도에 대응하는 기 설정된 신호를 수신하는 단계; 상기 기 설정된 신호에 대응하여 무선 충전을 위한 전력 신호의 송신을 중단시키는 단계; 상기 전력 신호의 송신이 중단되면, 전원 전압을 기 설정된 전압 레벨로 변경하기 위한 변환 회로의 적어도 일부를 비활성화시키는 단계; 및 기 설정된 시간이 경과하면 상기 무선 전력 수신기의 존재 여부를 인식하여 상기 무선 충전을 재개하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 장치에 대한 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 무선 충전 장치를 이용한 무선 충전 동작 시 고온으로 인하여 충전 동작이 중단되더라도 빠른 시간 내에 충전이 재개될 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 무선 충전 장치에서 불필요하게 소모되는 전력을 차단할 수 있어 에너지 효율이 높아질 수 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 분야에서 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.
도1은 무선전력 송신장치와 무선전력 수신장치 간의 무선 충전 동작을 설명한다.
도2는 무선전력 송신장치 및 무선전력 수신장치의 예를 설명한다.
도3은 무선전력 송신장치의 제1예를 설명한다.
도4는 무선전력 송신장치의 제2예를 설명한다.
도5는 무선전력 송신장치의 발열을 설명한다.
도6은 무선전력 송신장치의 제어 방법을 설명한다.
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.
실시예의 설명에 있어서, 각 구성 요소의 "상(위) 또는 하(아래)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)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, "상(위) 또는 하(아래)"으로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
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. 특히, 전자기 유도 방식을 지원하는 무선 전력 수신 수단은 무선 충전 기술 표준 기구인 WPC(Wireless Power Consortium) 및 PMA(Power Matters Alliance)에서 정의된 전자기 유도 방식의 무선 충전 기술을 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.
도1은 무선전력 송신장치와 무선전력 수신장치 간의 무선 충전 동작을 설명한다.
도시된 바와 같이, 무선전력 송신장치(24)와 무선전력 수신장치(22)는 물리적으로 분리되어, 와이어 혹은 배선 등과 같은 전력(전기에너지)를 전달할 수 있는 물질을 통해 직접 연결되어 있지 않다. 무선전력 송신장치(24)와 무선전력 수신장치(22)가 물리적으로 직접 연결되지 않았지만, 무선전력 송신장치(24)와 무선전력 수신장치(22) 사이에 전자기적인 연결을 통해 전력신호가 전달될 수 있다. 한편, 무선전력수신장치(22)는 전력신호의 수신과 함께 충전 과정에서 요구되는 제어 동작, 메커니즘 등을 위한 피드백 신호(예, EPT, EOC 신호 등등)를 전달할 수 있다. 예를 들어, 무선전력 수신장치(22)는 휴대폰 등과 같은 이동 단말기일 수 있고, 무선전력 송신장치(24)는 충전 패드와 같은 저전압 혹은 저전력 충전 장치일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
한편, 무선충전 과정에서 위험을 예방하기 위해, 무선충전 과정 중 무선전력 송신장치(24) 또는 무선전력 수신장치(22) 중 적어도 하나의 온도가 기 설정된 범위를 넘어서는 경우, 충전 중단 요청 신호(End Power Transfer (EPT) 또는 End of Charge (EOC) 등)를 상대방에게 전달할 수 있다. 예를 들어, 무선전력 수신장치(22)가 충전 중단 요청 신호(End Power Transfer (EPT) 또는 End of Charge (EOC) 등)을 무선전력 송신장치(24)에 전달하면, 무선전력 송신장치(24)는 전력신호의 전송을 중단할 수 있다.
일 예로, 무선전력송신장치(24)과 무선전력수신장치(22)은 무선 전력 전송에 사용되는 동작 주파수와 동일한 주파수 대역을 이용하여 정보를 교환하는 인밴드(In-band) 통신을 수행할 수 있다. 다른 일예로, 무선전력송신장치(24)과 무선전력수신장치(22)은 무선 전력 전송에 사용되는 동작 주파수와 상이한 별도의 주파수 대역을 이용하여 정보를 교환하는 대역외(Out-of-band) 통신을 수행할 수도 있다.
일 예로, 무선전력송신장치(24)과 무선전력수신장치(22) 사이에 교환되는 정보는 서로의 상태 정보뿐만 아니라 제어 정보도 포함될 수 있다.
상세하게, 무선 전력 송수신기 사이에 교환되는 상태 정보 및 제어 정보는 무선 전력 송수신기 사이에 대역외 통신 링크를 설정하고, 설정된 대역외 통신 링크를 통해 자신의 정적 상태 정보를 전송할 수 있다.
여기서, 무선전력수신장치(22)의 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.
무선전력송신장치(24)는 무선전력수신장치(22)의 정적 상태 정보가 수신되면, 무선전력송신장치(24)의 정적 상태 정보를 대역외 통신 링크를 통해 무선 전력 수신기에 전송할 수 있다.
여기서, 무선전력송신장치(24)의 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, 무선전력수신장치(22)는 자신의 실시간 전력 수신 상태 및 충전 상태를 모니터링하며, 주기적 또는 특정 이벤트 발생 시 동적 상태 정보를 무선전력송신장치(24)에 전송할 수 있다.
여기서, 무선전력수신장치(22)의 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(과열 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. 무선전력송신장치(24)는 상기 전력 제어를 위한 기준 파라메터 변경 정보 수신 시 기존 정적 상태 정보에 포함된 설정 값을 변경하여 전력 조절을 수행할 수 있다.
또한, 무선전력송신장치(24)는 무선전력수신장치(22)를 충전하기 위한 충분한 전력이 준비되면, 대역외 통신 링크를 통해 소정 제어 명령을 송출하여 무선전력수신장치(22)가 충전을 개시하도록 제어할 수 있다.
이 후, 무선전력송신장치(24)는 무선전력수신장치(22)로부터 동적 상태 정보를 수신하여 송출 전력을 동적으로 제어할 수 있다.
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 상태 등을 포함할 수 있다.
일 예로, 과열에 따라 시스템 오류 상태로 천이된 경우, 무선전력수신장치(22)는 과열 발생을 알리는 소정 메시지를 무선전력송신장치(24)에 전송할 수 있다. 이때, 무선 전력 수신기는 구비된 냉각팬 등을 구동하여 내부 발생된 열을 감소시킬 수도 있다. 반대로, 무선전력송신장치(24)도 내부 온도의 과열 발생을 모니터링 하여 무선전력수신장치(22)에 전송할 수 있고, 과열 상태를 해결하기 위한 동작을 수행할 수 있다.
상기 인밴드 통신 및 대역외 통신은 양방향 통신을 제공할 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 다른 실시예에 있어서는 단방향 통신 또는 반이중 방식의 통신을 제공할 수도 있다.
일 예로, 단방향 통신은 무선전력수신장치(22)이 무선전력송신장치(24)으로만 정보를 전송하는 것일 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 무선전력송신장치(24)이 무선전력수신장치(22)으로 정보를 전송하는 것일 수도 있다.
반이중 통신 방식은 무선전력수신장치(22)과 무선전력송신장치(24) 사이의 양방향 통신은 가능하나, 어느 한 시점에 어느 하나의 장치에 의해서만 정보 전송이 가능한 특징이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력수신장치(22)은 전자 기기(30)의 각종 상태 정보를 획득할 수도 있다. 일 예로, 전자 기기(30)의 상태 정보는 현재 전력 사용량 정보, 실행중인 응용을 식별하기 위한 정보, CPU 사용량 정보, 배터리 충전 상태 정보, 배터리 출력 전압/전류 정보 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 전자 기기(30)로부터 획득 가능하고, 무선 전력 제어에 활용 가능한 정보이면 족하다.
특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력송신장치(24)은 고속 충전 지원 여부를 지시하는 소정 패킷을 무선전력수신장치(22)에 전송할 수 있다. 무선전력수신장치(22)은 접속된 무선전력송신장치(24)이 고속 충전 모드를 지원하는 것으로 확인된 경우, 이를 전자 기기(30)에 알릴 수 있다. 전자 기기(30)는 구비된 소정 표시 수단-예를 들면, 액정 디스플레이일 수 있음-을 통해 고속 충전이 가능함을 표시할 수 있다.
또한, 전자 기기(30) 사용자는 액정 표시 수단에 표시된 소정 고속 충전 요청 버튼을 선택하여 무선전력송신장치(24)이 고속 충전 모드로 동작하도록 제어할 수도 있다. 이 경우, 전자 기기(30)는 사용자에 의해 고속 충전 요청 버튼이 선택되면, 소정 고속 충전 요청 신호를 무선전력수신장치(22)에 전송할 수 있다. 무선전력수신장치(22)은 수신된 고속 충전 요청 신호에 상응하는 충전 모드 패킷을 생성하여 무선전력송신장치(24)에 전송함으로써, 일반 저전력 충전 모드를 고속 충전 모드로 전환시킬 수 있다.
도2는 무선전력 송신장치 및 무선전력 수신장치의 예를 설명한다.
도시된 바와 같이, 무선 전력 전송 시스템은 무선 전력 송신기(100)와 무선 전력 수신기(200)를 포함하여 구성될 수 있다.
도2에는 무선 전력 송신기(100)가 하나의 무선 전력 수신기(200)에 무선 파워를 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 파워를 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 전송 파워 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 도2를 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(210)는 주제어부(150)의 제어에 따라 전력공급부(110)로부터 수신된 전압을 특정 전압으로 변환시킬 수 있다. 이를 위해, 전력변환부(210)는 DC/DC 변환기(DC/DC convertor), AC/DC 변환기(AC/DC convertor), 파워 증폭기(Power amplifier) 중 적어도 하나를 포함하여 구성될 수 있다.
매칭회로(130)는 전력 전송 효율을 극대화시키기 위해 전력변환부(210)와 송신공진기(140) 사이의 임피던스를 정합하는 회로이다.
송신공진기(140)는 매칭회로(130)로부터 인가된 전압에 따라 특정 공진 주파수를 이용하여 무선으로 전력을 전송할 수 있다.
무선 전력 수신기(100)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(210)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.
일 예로, 무선 전력 수신기(100)은 복수의 무선 전력 수신 장치로 구성될 수 있으며, 하나의 무선 전력 송신기(100)에 복수의 무선 전력 수신 장치가 연결되어 무선 충전을 수행할 수도 있다. 이때, 무선 전력 송신기(100)은 시분할 방식으로 복수의 무선 전력 수신 장치에 전력을 분배하여 송출할 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 다른 일 예로, 무선 전력 송신기(100)은 무선 전력 수신 장치 별 할당된 상이한 주파수 대역을 이용하여 복수의 무선 전력 수신 장치에 전력을 분배하여 송출할 수 있다.
이때, 하나의 무선 전력 송신기(100)에 연결 가능한 무선 전력 수신 장치의 개수는 무선 전력 수신 장치 별 요구 전력량, 배터리 충전 상태, 전자 기기의 전력 소비량 및 무선 전력 송신 장치의 가용 전력량 중 적어도 하나에 기반하여 적응적으로 결정될 수 있다.
다른 일 예로, 무선 전력 송신기(100)은 복수의 무선 전력 송신 장치로 구성될 수도 있다. 이 경우, 무선 전력 수신기(100)은 복수의 무선 전력 송신 장치와 동시에 연결될 수 있으며, 연결된 무선 전력 송신 장치들로부터 동시에 전력을 수신하여 충전을 수행할 수도 있다. 이때, 무선 전력 수신기(100)과 연결된 무선 전력 송신 장치의 개수는 무선 전력 수신기(100)의 요구 전력량, 배터리 충전 상태, 전자 기기의 전력 소비량, 무선 전력 송신 장치의 가용 전력량 등에 기반하여 적응적으로 결정될 수 있다.
최근, 무선 충전 시스템은 가정 혹은 업무용 공간 등의 건물에서 사용될 수 있을 뿐만 아니라 차량 내부에도 탑재되어 사용되고 있다. 차량 내부에 탑재된 무선 충전 시스템은 운전자를 포함한 탑승자의 휴대용 장치를 충전하기 위해 사용될 수 있다.
한편, 차량에 탑재된 무선 전력 송신기에도 근거리 무선 통신을 수행할 수 있는 안테나가 탑재될 수 있다. 일 실시예로, 근거리 무선 통신은 NFC(Near Field Communication) 통신일 수 있으나, 그 밖의 블루투스 통신, 비콘 통신, 지그비 통신, 와이파이 통신 등을 포함할 수 있다.
차량에 탑재된 무선 전력 송신기는 사용자의 휴대용 디바이스와 근거리 무선 통신을 수행하여 다양한 기능을 수행할 수 있다. 실시예에 따라, 차량에 탑재된 무선 전력 송신기는 휴대용 디바이스와 근거리 무선 통신을 통해 차량 주행 중 발생하는 금융 결재 서비스(예를 들어, 하이 패스(High-Pass)서비스, 주유 결재 서비스)를 수행할 수 있다. 또한, 휴대용 디바이스와의 근거리 무선 통신을 통해 차량의 원격 시동 서비스를 이용할 수 있으며, 차량의 운전자로서 주행에 대한 접근 권한이 있는지 여부를 확인할 수 있다. 또한, 무선 전력 송신기를 매개로 하여 차량의 위치 정보를 휴대용 디바이스로 전송하여 차량의 위치를 사용자가 확인하도록 할 수도 있다.
일 실시예로, 무선 전력 송신기는 휴대용 디바이스로 근거리 무선 통신을 통해 결재 요청 신호를 전송할 수 있고, 휴대용 디바이스는 그에 대한 응답 신호를 전송할 수 있다. 일 실시예로, 휴대용 디바이스는 근거리 무선 통신을 통해 원격 시동 신호를 무선 전력 송신기로 전송할 수 있다. 일 실시예로, 무선 전력 송신기는 휴대용 디바이스로 차량의 위치 정보가 포함된 신호를 전송할 수 있다. 이외에도 일 실시예로 무선 전력 송신기는 근거리 무선 통신을 이용하여 다양한 동작의 제어 신호를 전송할 수 있다.
도3은 무선전력 송신장치의 제1예를 설명한다.
도시된 바와 같이, 무선 충전 송신 장치(500)는 무선 충전 수신 장치와의 인터페이스를 위해 공진회로 및 주파수 구동기(510), 데이터 복조기(520), 코일 전압 감지기(530), 수신장치 위치 감지기(540), 및 동작보호기(560)를 포함할 수 있다.
공진회로 및 주파수 구동기(510)는 1차 코일(primary coil)과 공진 캐패시터(resonance capacitor)를 포함할 수 있다. 공진 회로(resonance circuit)는 무선 충전 송신 장치와 무선 충전 수신 장치간에 전력 전송을 담당한다. 직렬 공진 회로가 무선 충전 수신 장치의 물리계층에서 주된 인터페이스로 사용될 수 있다. 공진 회로는 하프 혹은 풀 브리지 회로(half or full bridge circuit)에 의해 활성화될 수 있다. 무선 충전 송신 장치는 기 설정된 주파수 영역에서 동작하는데, 주파수 영역 내 주파수 변화는 공진회로 및 주파수 구동기(510) 내 정전 용량(capacitance) 및 유도 용량(inductance)의 값에 따라 결정될 수 있다.
데이터 복조기(520)는 무선 충전 수신 장치로부터 전달된 변조된 신호에서 정보를 추출한다. 무선 충전 수신 장치는 무선 충전 송신 장치와의 통신 프로토콜을 구현하기 위해 저항성 혹은 전기 용량성의 부하 변조방법(resistive or capacitive load modulation method)을 사용할 수 있다. 무선 충전 수신 장치의 코일의 부하 변화는 무선 충전 송신 장치의 1차 코일에 의해 일어난다. 예를 들면, 무선 충전 수신 장치와 무선 충전 송신 장치의 코일 간 전송되는 전력 신호의 크기가 증폭되면 데이터 복조기(520)가 무선 충전 수신 장치가 데이터를 피드백하는 것으로 인식할 수 있다. 전자기 유도 방식의 무선전력기술에서 기 설정된 프로토콜 내 여러 변수들은 전력 신호의 크기가 얼마나 증폭되는지에 따라 구분하여 정할 수 있으며, 실제 전력 신호의 크기가 변경되면 데이터 복조기(520)가 무선 충전 수신 장치가 보낸 데이터를 인식한다. 또한, 다른 실시예는 전송되는 전력 신호의 주파수 변이에 따라 무선 충전 수신 장치의 피드백을 인식할 수도 있다.
코일 전압 감지기(530)는 공진회로 내 1차 코일(primary coil)의 전압을 감시한다. 1차 코일이 전력 신호를 정상적으로 전달하는 동작 전압의 범위는 무선 충전 송신 장치의 종류에 따라 결정될 수 있다.
수신장치 위치 감지기(540)는 무선 충전 송신 장치의 표면 상에 무선 충전 수신 장치가 위치하는지를 감지한다. 대기상태에서 무선 충전 송신 장치는 충전 패드의 표면에 수신 장치가 위치했는지 감시한다. 만약 수신 장치가 표면에 위치하면 무선 충전 송신 장치는 신호탐지상태로 변환한다. 무선 충전 송신 장치는 자기장의 변화를 감시하거나 전체 유도 용량의 변화를 감시하는 등의 방법을 통해 수신 장치를 감지할 수 있다.
충전완료상태에서 수신장치 위치 감지기(540)는 표면을 감시하여 수신 장치가 표면에서 제거되었는지를 감지한다. 수신 장치가 제거된 경우 무선 전력 송신 장치는 대기상태로 변환한다.
무선 전력 송신 장치는 수신 장치가 무선 전력 송신 장치 상에 위치하는 과정이 아닌 정적으로 위치하고 있는지를 확인한다. 이는 수신장치 위치 감지기(540)가 감지 동작을 반복적으로 수행하기에 가능하다. 또한, 수신 장치의 위치를 감지하기 위해 추가적인 동작이 필요한 경우 일정시간 내에 수행될 수 있도록 설정할 수 있다.
동작보호기(560)는 무선 충전 송신 장치가 안정적으로 동작하도록 한다. 동작보호기(560)는 과전압(over voltage), 과전류(over current), 범위를 벗어난 고온(over temperature) 등으로부터 무선 충전 송신 장치를 보호하고 무선전력이 안정적으로 수행되도록 한다. 무선전력 과정에서 발생할 수 있는 안전성과 관련한 규칙과 범위들은 무선 충전 송신 장치의 종류 혹은 제조방법 등에 따라 설정될 수 있다.
도4는 무선전력 송신장치의 제2예를 설명한다.
도시된 바와 같이, 무선전력 송신장치(94)는 무선전력 수신장치(92)와 전력신호 및 피드백 신호들을 주고 받을 수 있다.
무선전력 송신장치(94)는 무선전력 수신장치(92)로부터 온도에 대응하는 기 설정된 신호를 수신하여 무선 충전을 위한 전력 신호의 송신을 중단시키는 제어부(50), 전원 전압을 기 설정된 전압 레벨로 변경하기 위한 변환부(70) 및 변환부(70)의 출력을 기 설정된 주파수를 이용하여 전달하는 공진부(60)를 포함할 수 있다. 또한, 무선전력 송신장치(94)는 변환부(70)와 공진부(60)의 임피던스를 정합하여 전송 효율을 높이기 위한 매칭부(80)를 더 포함할 수 있다.
공진부(60)를 통해 전력신호가 무선전력 수신장치(92)로 전달될 수 있다. 무선 충전 과정 중에 무선전력 수신장치(92)가 온도를 확인하여 범위를 벗어난 고온의 경우 무선전력 수신장치(92) 및 무선전력 송신장치(94)를 보호하기 위해 기 설정된 신호를 전달할 수 있다. 예를 들면, 충전 중단 요청 신호(End Power Transfer (EPT) 또는 End of Charge (EOC))가 기 설정된 신호에 포함될 수 있다. 충전 중단 요청 신호(End Power Transfer (EPT) 또는 End of Charge (EOC))가 전달되면, 무선전력 송신장치(94)는 전력 신호의 송신을 중단할 수 있다. 여기서, 제어부(50)는 전력 신호의 송신을 중단할 때 변환부(70)의 적어도 일부를 비활성화(disable)시킬 수 있다.
도시되지 않았지만, 무선전력 송신장치(94)는 냉각팬 등의 온도조절수단을 포함할 수 있다. 무선전력 송신장치(94)는 정상적인 충전 과정에서도 고온의 위험한 상황을 예방하고 무선전력 송신장치(94) 및 무선전력 수신장치(92)의 주변 온도를 낮게 유지하기 위해 온도조절수단을 이용할 수 있다. 만약 무선전력 수신장치(92)가 무선전력 송신장치(94)에 충전 중단 요청 신호를 전달하면, 무선전력 송신장치(94)는 전력신호의 송신을 중단할 수 있다. 또한, 냉각팬 등의 온도조절수단을 최대한 이용하여 무선전력 송신장치(94) 및 무선전력 수신장치(92)의 주변 온도를 낮출 수 있다.
변환부(70)는 전원 전압을 직류 전압으로 변경하기 위한 제1변환부(92) 및 직류 전압을 기 설정된 전압 레벨로 변경하기 위한 제2변환부(80)를 포함할 수 있다. 제어부(50)가 전력 신호의 송신을 중단할 때, 제2변환부(80)의 적어도 일부를 비활성화시키고 제1변환부(92)는 활성화시킬 수 있다.
보다 구체적으로, 제2변환부(80)는 직류 전압을 승압시키는 부스트 변환기(Boost Converter, 76), 부스트 변환기(76)의 출력을 기 설정된 전압 레벨로 낮추기 위한 벅 변환기(Buck Converter, 74), 및 벅 변환기(74)의 출력을 기 설정된 전압 레벨로 안정화시키기 조정기(regulator 또는 Low Drop Out (LDO) regulator, 78)를 포함할 수 있다.
부스트 변환기(76)는 입력되는 전압의 레벨을 높여주는 기능을 포함한다. 입력되는 전기에너지와 출력되는 전기에너지는 전압의 레벨을 높여주거나 낮추어주더라도 이상적으로(이론적으로)는 동일할 수 있다. 예를 들어, 파워(Power, W)는 전압(V)과 전류(I)의 곱으로 결정될 수 있다. 부스트 변환기(76)에서 입력전압에 비해 출력전압의 전압레벨을 올려주면, 전류값이 감소할 수 있다.
부스트 변환기(76)와는 달리 벅 변환기(74)는 출력전압의 레벨을 높이는 것이 아니라 낮출 수 있다. 예를 들어, 벅 변환기(74)는 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation, PWM)방식을 이용하여 전압의 레벨을 낮출 수 있다. 펄스 폭 변조(PWM) 방식에서 듀티비(duty rate)를 이용하여 원래 출력의 일부분만을 출력할 수 있다. 듀티비를 이용하여 입력되는 전기에너지의 일부만을 출력하는 원리이기 때문에, 출력되지 못하는 남은 전기 에너지들은 열 에너지로 변환될 수 있다. 따라서, 벅 변환기(74)는 부스트 변환기(76)에 비하여 발열이 더 많을 수 있고, 이는 무선전력 송신장치(94) 및 무선전력 수신장치(92)의 주변 온도에 영향을 미칠 수 있다.
또한, 조정기(78)는 출력 전압을 안정화시키기 위한 것으로, 일반적으로 입력 전압에 비하여 출력 전압의 레벨이 낮을 수 있다. 트랜지스터와 인버터 등을 포함(등가 회로적으로 가변저항일 수 있음)할 수 있는 조정기(78)도 벅 변환기(74)와 마찬가지로 입력되는 전기에너지의 100%미만을 출력하고 있으며, 이러한 과정에서 전압의 레벨이 낮아질 수 있다. 또한, 출력되지 못하는 전기에너지들은 저항성분 등을 통하여 열 에너지로 전환되고 이는 무선전력 송신장치(94) 및 무선전력 수신장치(92)의 주변 온도에 영향을 미칠 수 있다.
실시예에 따라, 제어부(50)는 고온으로 인하여 전력 신호의 송신을 중단할 때 벅 변환기(74) 및 조정기(78) 중 적어도 하나를 비활성화시킬 수 있다. 전술한 바와 같이, 무선전력 송신장치(94)에서 벅 변환기(74) 및 조정기(78)는 발열량이 많은 구성요소로 간주될 수 있다. 따라서, 무선전력 송신장치(94) 및 무선전력 수신장치(92)의 주변 온도를 낮추어 무선 충전 동작을 빠른 시간 내에 재개시키기 위해서 무선전력 송신장치(94)에서 발열이 많은 구성요소들을 비활성화(disable)하고 무선전력 송신장치(94)의 온도조절수단(예, 냉각팬 등)을 최대한 사용하는 경우 보다 빠르게 주변 온도를 낮출 수 있다.
또한, 실시예에 따라, 제어부(50)는 고온으로 인한 전력 신호의 송신을 중단할 때 벅 변환기(74) 및 조정기(78)를 온도의 변화에 대응하여 순차적으로 비활성화시킬 수 있다. 고온으로 인하여 중단 요청 신호(End Power Transfer (EPT) 또는 End of Charge (EOC))가 전달되면, 제어부(50)는 온도를 낮추기 위해 일부의 구성 요소만을 비활성화시키고, 기 설정된 시간 동안 온도 변화를 모니터링하면서 상태를 유지하거나 다른 구성요소를 추가적으로 비활성화시킬 수도 있다.
한편, 무선전력 송신장치(94)는 무선전력 수신장치(92)를 감지하는 감지부(52)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 제어부(50)가 변환부(70)의 적어도 일부를 비활성화시키더라도 감지부(52)의 적어도 일부를 활성화시킬 수 있다. 예를 들어, 변환부(70)의 일부를 비활성화시킨 경우, 감지부(52)의 전체가 비활성화되면, 무선충전 동작이 중단된 후 기 설정된 시간이 지나 재시도될 때 무선전력 송신장치(94)는 무선전력 수신장치(92)의 존재여부부터 다시 확인해야 한다. 하지만, 변환부(70)의 적어도 일부를 비활성화시키더라도 감지부(52)의 일부가 활성화되어, 무선전력 수신장치(92)의 존재 여부를 확인할 수 있다면, 무선충전이 재개되는 과정에서 보다 시간을 절약할 수 있다.
도시되지 않았지만, 실시예에 따라, 감지부(52)는 전원 전압이 공급되면 변환부(70)가 활성화된 경우 무선전력 수신장치(92)로 인한 임피던스의 변화를 모니터링하여 무선전력 수신장치(92)의 존재 여부를 인식하기 위한 제1감지부, 및 전원 전압이 공급되면 변환부(70)의 활성화 여부에 관계없이 임피던스의 변화를 모니터링하여 무선전력 수신장치(92)의 존재 여부를 인식하기 위한 제2감지부를 포함할 수 있다. 한편, 복수의 감지부가 있는 경우, 추가된 제2감지부는 전력 신호가 송신되는 동안 비활성화될 수도 있다.
실시예에 따라, 공진부(60)는 복수의 상기 무선 전력 수신기에 전력 신호를 제공할 수 있는 복수의 코일(94), 복수의 코일(94)을 선택하기 위한 스위칭부(66), 및 스위칭부(66)를 통해 복수의 코일에 상기 전력 신호를 전달하기 위한 구동 회로(62)를 포함할 수 있다. 복수의 코일(94) 및 스위칭부(66) 모두 필수적인 구성요소는 아니며, 무선충전 환경, 조건에 따라 선택적으로 채용할 수 있다.
도5는 무선전력 송신장치의 발열을 설명한다.
무선충전 과정 중 중단 요청 신호(End Power Transfer (EPT) 또는 End of Charge (EOC))가 전달되면, 무선전력 송신장치가 대기모드(PING 모드)를 유지할 수 있다. 대기모드인 PING 상태에서 무선전력 송신장치의 내부 구성 요소의 모든 전원이 활성화(enable) 상태인 경우, 내부에서 100~150mA의 전류가 계속 흐를 수 있고 이는 전기 에너지가 소모되는 문제만이 아니라 전기 에너지가 열 에너지로 변환되면서 발열이 계속될 수 있음을 의미할 수 있다.
도5를 참조하면, 무선전력 송신장치 내 구성 요소 중 벅 변환기(BUCK)와 조정기(3.3V LOD)의 발열이 상대적으로 다른 구성요소에 비해서 매우 크게 일어나고 있음을 알 수 있다. 따라서, 무선충전 과정 중 중단 요청 신호(End Power Transfer (EPT) 또는 End of Charge (EOC))가 전달되면, 무선전력 송신장치는 벅 변환기(BUCK)와 조정기(3.3V LOD)를 비활성화(disable)시켜서 발열의 큰 원인이 되는 구성 요소의 동작을 중지시킬 수 있다.
무선충전 과정 중 중단 요청 신호(End Power Transfer (EPT) 또는 End of Charge (EOC))가 전달되더라도, 무선전력 송신장치 내 일부 구성요소들은 계속 활성화되어 있다. 이는 온도가 내려가서 무선충전 동작을 재개하는 데 문제가 없다고 판단되면, 무선전력 송신장치는 무선충전을 재개할 수 있다. 이를 위해서, 무선전력 송신장치 내 제어부(50)와 구성 요소간 내부 통신을 위한 장치들은 활성화 상태를 유지할 수 있다. 다만, 발열이 큰 벅 변환기(BUCK)와 조정기(3.3V LOD)와 전력 신호를 송신하는 구성 요소들을 비활성화(disable)시킬 수 있다. 한편, 무선전력 송신장치는 냉각팬 등의 온도조절수단을 최대한 사용하여 주변온도를 냉각시킬 수 있다.
도6은 무선전력 송신장치의 제어 방법을 설명한다.
도시된 바와 같이, 무선전력 송신장치의 제어 방법은 무선 전력 수신기로부터 온도에 대응하는 기 설정된 신호를 수신하는 단계(STEP1), 기 설정된 신호에 대응하여 무선 충전을 위한 전력 신호의 송신을 중단시키는 단계(STEP2), 전력 신호의 송신이 중단되면, 전원 전압을 기 설정된 전압 레벨로 변경하기 위한 변환 회로의 적어도 일부를 비활성화시키는 단계(STEP3), 및 기 설정된 시간이 경과하면 무선 전력 수신기의 존재 여부를 인식하여 무선 충전을 재개하는 단계(STEP4)를 포함할 수 있다.
STEP1 및 STEP2에서 무선충전과 관련한 표준에 따라 중단 요청 신호(End Power Transfer (EPT) 또는 End of Charge (EOC))가 전달되면 전력 전송을 중단한다. 실시예에 따라, 다른 이유가 아닌 온도를 원인으로 한 중단 요청 신호를 수신하였다면, 다른 이유로 이한 중단 요청신호와 달리 급격한 온도 정상화를 위하여 다른 방식으로 진행하게 된다. 종래에는 중단 요청 신호를 수신하더라도, 일정 시간 내(예를 들어, 500ms) 무선 전력 수신장치와 다시 전력 전송 조건을 확인하고 충전을 재개하는 동작을 하게 된다. 이러한 동작은 아직 높은 온도로 인하여 충전 제한 상태가 해제되지 않았는데도 다시 충전을 시작하게 되어 충전 제한 상태가 지속되는 문제점이 있었다. 즉, 높은 온도로 인하여 충전 제한 상태가 지속 유지되는 상태에서 충전 재시작 및 충전 중단이 계속 반복되는 일명 멍청이 모드(IDIOT MODE)로 동작하게 되어, 아무리 무선 송신 장치에 무선 수신 장치를 올려놓고 시간이 지나도 실제적인 충전은 진행되지 않는 상태가 되는 것이다. 그러나, 실시예에 따라 온도로 인하여 발생한 중단 요청 신호인 경우는 온도 제한 조건을 해제 할 수 있도록 충전을 재개하는 시간을 적응적으로 조정하고 또한, 온도를 낮출 수 있는 별도의 동작을 추가하여 효율적으로 이러한 문제를 해결할 수 있다.
STEP 3은 실시예에 따라 무선전력 수신장치의 온도가 높아 중단 요청 신호(End Power Transfer (EPT) 또는 End of Charge (EOC))가 전달되면 무선전력이기는 충전중단으로 기능 전환 될 뿐만 아니라, 발열이 큰 일부 구성요소인 벅 변환기(BUCK)와 조정기(3.3V LOD)를 비활성화(Disable)시킴으로써 빠르게 온도를 낮출 수 있다. 종래에는 무선 전력 송신장치가 무선 충전을 중단하더라도, 전력 전송만 중단될 뿐, 무선 전력 송신장치의 대기 동작으로 인하여 전류 소모가 발생한다. 따라서, 무선 전력 송신 장치의 온도 저하에 방해가 되고 있었다. 실시예는 이러한 문제를 해결할 수 있을뿐만 아니라, 대기 전력 소모 자체도 감소시킬 수 있다.
STEP3은 실시예에 따라, 추가적으로 벅 변환기(BUCK)와 조정기(3.3V LOD)를 비활성화(Disable)시킨 상태에서, 무선전력 송신장치의 설치된 팬(FAN)을 동작할 수 있다. 실시예에 따라, 급격한 온도 저하 효과를 위하여 최대 RPM으로 가동할 수 있다. 따라서, 충전 중단 상태를 효과적으로 최소한의 시간 내에 벗어날 수 있도록 할 수 있다. 종래에는 무선전력 송신장치의 설치된 팬(FAN)은 무선 충전을 진행하는 중에 같이 동작하는 것이 일반적이나, 이는 소비전력이 높아지고 팬(FAN)의 수명이 단축되는 문제가 있다. 이에 실시예에서는 특정 시점에서만 효과적으로 팬(FAN)을 동작하도록 함으로써 소비전력 감소와 팬(FAN)의 수명이 늘어나는 효과가 있다.
STEP4에서 실시예에 따라, 충전 중단 후에, 무선 전력 송신장치의 주요 구성을 비활성화 시킨 후로부터 흐른 시간을 모니터링 할 수 있다. 또한, 실시예에 따라서, 팬(FAN) 동작 후로부터 일정 시간이 지났는지 모니터링 할 수 있다. 무선전력 수신기의 특성에 따라서 모니터링 시간은 달라 질 수 있으나, 실시예에 따라 해당 시간을 5분으로 설정할 수 있다. 5분의 시간은 온도로 인한 충전 중단(제한) 조건이 해체될 수 있는 시간이기도 하고, 차량용 무선 충전 송신기의 경우 충전 중단 수신을 하더라도, 5분 이내의 시간에는 사용자가 알아채지 못하도록 설정하는 시간이기도 하다. 5분 이내의 시간에 충전 제한 조건을 극복하고 온도를 빠르게 낮춘다면 차량용 무선 충전 수신기의 경우 사용자에게 별도의 충전 중단 상태를 인지하지 않도록 하여 사용자 편의성을 증대할 수 있는 효과가 있다. 예를 들어, 5분 이내에 빠르게 온도를 낮춰서 5분이 후 바로 충전을 재개하고 다시 중단 요청 신호(End Power Transfer (EPT) 또는 End of Charge (EOC))가 날라올 수 있는 시간을 확보할 수 있다. 이때, 벅 변환기(BUCK)와 조정기(3.3V LOD)를 비활성화(Disable)시킴으로써, 무선전력 수신장치를 인지하지 못할 가능성이 있어, 이를 보완하기 위해 인턱턴스, 캐패시턴스, 전류 등을 감지할 수 있는 별도의 감지회로를 무선전력 송신장치에 추가할 수 있다.
도6에서는 STEP4를 일정 시간이 경과하면 무선 전력 수신기의 존재 여부를 인식하여 무선 충전을 재개하도록 하였으나, 실시예에 따라 무선 전력 수신기가 배치되는 부분의 온도를 무선 전력 송신기에 구비된 온도센서를 통하여 시간이 아닌 온도를 기준으로 무선 충전을 재개하는 시점을 결정할 수 있다. 즉, 일부 기능 비활성화 또는 팬 동작을 통하여 충전 중단 상태를 빠르게 극복하고, 정해진 시간을 기다릴 필요 없이 충전이 가능한 시점을 온도를 통하여 바로 파악하여 충전 재개를 빠르게 할 수 있는 효과가 있다.
실시예에 따라, 무선 전력 송신장치의 제어 방법은 무선 전력 수신장치로부터 전력 전송 중단 요청 신호를 수신하는 단계, 무선 충전을 위한 전력 송신을 중단하는 단계, 전원 전압을 변경하기 위한 변환부의 적어도 하나를 비활성화시키는 단계, 및 무선 충전을 위한 전력 송신을 재개하는 단계를 포함할 수 있다. 여기서, 전력 전송 중단 신호는 온도를 원인으로 한 중단 신호일 수 있다.
예를 들어, 도4 및 도6을 참조하면, 변환부의 적어도 하나를 비활성화 시키는 단계는 전원 전압을 직류 전압으로 변경하기 위한 제1변환부는 활성화 상태를 유지하면서, 직류 전압의 레벨을 변경하기 위한 제2변환부를 비활성화시키는 단계를 포함할 수 있다.
나아가, 제2 변환부를 비활성화 시키는 단계는 제2 변환부에 포함된 직류 전압을 승압시키는 부스트 변환기(Boost Converter), 부스트 변환기의 출력을 기 설정된 전압 레벨로 낮추기 위한 벅 변환기(Buck Converter), 및 벅 변환기의 출력을 기 설정된 전압 레벨로 안정화시키기 조정기(regulator 또는 Low Drop Out (LDO) regulator) 중 적어도 하나를 비활성화시킬 수 있다. 실시예에 따라, 제2 변환부를 비활성화 시키는 단계는 벅 변환기 및 조정기를 상기 온도의 변화에 대응하여 순차적으로 비활성화시킬 수 있다.
또한, 변환부의 적어도 하나를 비활성화 시키는 단계는 무선 전력 송신 장치의 팬을 동작 시키는 단계를 포함할 수 있다. 여기서 팬은 온도 조절 수단 중 하나로 무선 전력 송신 장치에 구비된 것으로, 실시예에 따라 다양한 형태로 변형될 수 있다.
또한, 무선 충전을 위한 전력 송신을 재개하는 단계는 무선 충전을 위한 전력 송신을 중단하는 단계 이후에 일정 시간이 지난 후에 실행될 수 있다. 예를 들어, 일정 시간은 5분 이내일 수 있다. 실시예에 따라, 무선 충전을 위한 전력 송신을 재개하는 단계는 상기 무선 전력 송신 장치의 온도 측정부의 온도가 일정 온도만큼 떨어진 후에 실행될 수 있다.
한편, 변환부의 적어도 하나를 비활성화시키더라도 무선 전력 수신 장치를 감지하는 기능은 유지가 될 수 있다. 이를 위해 무선 전력 수신 장치를 감지하기 위한 구성 요소는 제2 변환부와는 독립적으로 전원을 공급받을 수 있다.
전술한 바와 같이, 실시예에 따라, 무선 전력 송신 장치는 무선 전력 수신기로부터 온도에 대응하는 기 설정된 신호를 수신하여 무선 충전을 위한 전력 신호의 송신을 중단시키는 제어부, 전원 전압을 기 설정된 전압 레벨로 변경하기 위한 변환부, 변환부의 출력을 기 설정된 주파수를 이용하여 전달하는 공진부, 및 변환부와 공진부의 임피던스를 정합하여 전송 효율을 높이기 위한 매칭부를 포함할 수 있다. 여기서, 무선 전력 송신 장치의 제어부는 전력 신호의 송신을 중단할 때 변환부의 적어도 일부를 비활성화(disable)시킬 수 있다.
한편, 변환부는 복수의 구성 요소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 변환부는 전원 전압을 직류 전압으로 변경하기 위한 제1변환부, 및 직류 전압을 기 설정된 전압 레벨로 변경하기 위한 제2변환부를 포함할 수 있다. 제어부가 전력 신호의 송신을 중단할 때, 제2변환부의 적어도 일부는 비활성화될 수 있고 제1변환부는 활성화시킬 수 있다. 한편, 실시예에 따라, 무선 전력 송신 장치가 교류 전압이 아닌 직류 전압을 공급받을 수 있는 조건 또는 환경에서 사용될 수 있도록 설계되는 경우, 제1변환부는 생략될 수 있다.
실시예에 따라, 제2변환부는 직류 전압을 승압시키는 부스트 변환기(Boost Converter), 부스트 변환기의 출력을 기 설정된 전압 레벨로 낮추기 위한 벅 변환기(Buck Converter), 및 벅 변환기의 출력을 기 설정된 전압 레벨로 안정화시키기 조정기(regulator 또는 Low Drop Out (LDO) regulator)를 포함할 수 있다.
실시예에 따라, 제어부는 전력 신호의 송신을 중단할 때 벅 변환기 및 조정기 중 적어도 하나를 비활성화시킬 수 있다. 또한, 실시예에 따라, 제어부는 전력 신호의 송신을 중단할 때 벅 변환기 및 조정기를 온도의 변화에 대응하여 순차적으로 비활성화시킬 수 있다.
또한, 무선 전력 송신장치는 무선 전력 수신기를 감지하는 감지부를 더 포함하고, 빠른 재충전을 위해, 제어부가 변환부의 적어도 일부를 비활성화시키더라도 수신기 감지부의 적어도 일부는 활성화될 수 있다. 예를 들어, 감지부가 변환부와 독립적으로 전원을 인가 받을 경우, 변환부의 비활성화와 관계없이 감지부는 계속 활성화될 수 있다.
실시예에 따라, 감지부는 전원 전압이 공급되면 변환부가 활성화된 경우 상기 무선 전력 수신기로 인한 임피던스의 변화를 모니터링하여 무선 전력 수신기의 존재 여부를 인식하기 위한 제1감지부, 및 전원 전압이 공급되면 변환부의 활성화 여부에 관계없이 임피던스의 변화를 모니터링하여 무선 전력 수신기의 존재 여부를 인식하기 위한 제2감지부를 포함할 수 있다. 여기서, 제2감지부는 전력 신호가 송신되는 동안 비활성화될 수 있다.
한편, 공진부는 복수의 무선 전력 수신기에 전력 신호를 제공할 수 있는 복수의 코일, 복수의 코일을 선택하기 위한 스위칭 회로, 및 스위칭 회로를 통해 복수의 코일에 상기 전력 신호를 전달하기 위한 구동 회로를 포함할 수 있다.
전술한 실시예에 따라, 무선 전력 송신장치의 제어 방법은 무선 전력 수신기로부터 온도에 대응하는 기 설정된 신호를 수신하는 단계, 기 설정된 신호에 대응하여 무선 충전을 위한 전력 신호의 송신을 중단시키는 단계, 전력 신호의 송신이 중단되면, 전원 전압을 기 설정된 전압 레벨로 변경하기 위한 변환 회로의 적어도 일부를 비활성화시키는 단계, 및 기 설정된 시간이 경과하면 무선 전력 수신기의 존재 여부를 인식하여 무선 충전을 재개하는 단계를 포함할 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.

Claims (10)

  1. 무선 전력 수신장치로부터 전력 전송 중단 요청 신호를 수신하는 단계;
    무선 충전을 위한 전력 송신을 중단하는 단계;
    전원 전압을 변경하기 위한 변환부의 적어도 하나를 비활성화시키는 단계; 및
    상기 무선 충전을 위한 전력 송신을 재개하는 단계를 포함하는, 무선 전력 송신장치의 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전력 전송 중단 신호는 온도를 원인으로 한 중단 신호인, 무선 전력 송신장치의 제어 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 변환부의 적어도 하나를 비활성화 시키는 단계는,
    상기 전원 전압을 직류 전압으로 변경하기 위한 제1변환부는 활성화 상태를 유지하면서, 상기 직류 전압의 레벨을 변경하기 위한 제2변환부를 비활성화시키는 단계인, 무선 전력 송신장치의 제어 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2 변환부를 비활성화 시키는 단계는,
    상기 직류 전압을 승압시키는 부스트 변환기(Boost Converter);
    상기 부스트 변환기의 출력을 상기 기 설정된 전압 레벨로 낮추기 위한 벅 변환기(Buck Converter); 및
    상기 벅 변환기의 출력을 상기 기 설정된 전압 레벨로 안정화시키기 조정기(regulator 또는 Low Drop Out (LDO) regulator) 중 적어도 하나를 비활성화시키는, 무선 전력 송신장치의 제어 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2 변환부를 비활성화 시키는 단계는,
    상기 벅 변환기 및 상기 조정기를 상기 온도의 변화에 대응하여 순차적으로 비활성화시키는, 무선 전력 송신장치의 제어 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 변환부의 적어도 하나를 비활성화 시키는 단계는,
    상기 무선 전력 송신 장치의 팬을 동작 시키는 단계를 포함하는, 무선 전력 송신 장치의 제어 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 무선 충전을 위한 전력 송신을 재개하는 단계는,
    상기 무선 충전을 위한 전력 송신을 중단하는 단계 이후에 일정 시간이 지난 후에 실행되는, 무선 전력 송신 장치의 제어 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 일정 시간은 5분 이내인, 무선 전력 송신 장치의 제어 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 무선 충전을 위한 전력 송신을 재개하는 단계는,
    상기 무선 전력 송신 장치의 온도 측정부의 온도가 일정 온도 만큼 떨어진 후에 실행되는, 무선 전력 송신 장치의 제어 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 변환부의 적어도 하나를 비활성화시키더라도 무선 전력 수신 장치를 감지하는 기능은 유지가 되는, 무선 전력 송신장치의 제어 방법.
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