KR20210109250A - 유도 가열 구현 가능한 무선 전력 전송 장치 및 그의 제어 방법 - Google Patents

유도 가열 구현 가능한 무선 전력 전송 장치 및 그의 제어 방법 Download PDF

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KR20210109250A
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Abstract

실시예에 따른 유도가열 가능한 무선 전력 전송 장치는 사용자 선택에 따라 모드를 변경하며 상기 모드에 따라 대상물을 유도 가열하거나 무선 전력을 전송하는 워킹 코일; 동작 주파수에 따라 온오프되어 상기 전력을 생성하는 인버터; 상기 사용자가 무선 전력 전송 모드를 선택하는 경우, 무선 전력 전송을 수행하면서 상기 대상물로부터의 부하 전압을 수신하고, 상기 부하 전압을 보상하여 상기 워킹 코일에 이물질이 있는지 여부를 판단하는 제어부를 포함한다. 따라서, 하나의 워킹 코일을 사용하는 다기능 무선 전력 전송 장치에 있어서, 무선 전력 전송 모드 또는 유도 가열 모드를 선택적으로 구동하면서도, 무선 전력 전송 모드에서도 대상물의 편심 및 입력 전압 레벨에 관계 없이 정확하게 이물질이 있는지 여부를 판단할 수 있다.

Description

유도 가열 구현 가능한 무선 전력 전송 장치 및 그의 제어 방법{Wireless power transmission apparatus capable of induction heating and the control method thereof}
본 발명은 무선 전력 전송 장치에 대한 것으로서, 더욱 상세하게는 유도 가열 구현 가능한 무선 전력 전송 장치 및 그의 제어 방법에 대한 것이다.
무선 충전이란 전선으로 전력을 전송하여 기기를 충전하는 방식 대신 전력을 대기를 통해 무선으로 전송하여 기기를 충전하는 방식이다.
무선 충전의 기본 원리는 송신 코일에 교류 전류를 흘리면 송신 코일 주변에 자기장이 형성되고, 이 자기장의 영향으로 수신기 코일에 교류 전류가 흐르게 되며, 이러한 교류 전류를 정류해서 배터리를 충전하게 된다.
한편, 주방에서 사용되는 다양한 소형 주방 기기, 즉 소물 가전들은 전력 공급이 필수적으로 요구되므로, 전자 기기들이 각각 개별적으로 구비하는 전기 코드(전원 연결 케이블)를 콘센트에 연결하여 전력을 공급받는다. 이 경우에, 다수의 전기 코드는 관리, 안전, 공간 활용 측면에서 부정적인 영향을 끼치는 문제점이 있었다.
따라서, 최근 주방에서 사용하는 소물 가전들에 대한 무선 전력 충전 수요가 급증하고 있다.
한편, 주방에서 사용하는 소물 가전들 중 유도 전류를 이용한 가열이 요구되는 장치들이 증가하고 있다.
이와 같은 유도 전류를 이용한 가열 장치는 자기장을 발생시켜 전자 유도를 통해 열을 가하는 인덕션 방식을 취하고 있으며, 전기 레인지와 동일하게 동작할 수 있다.
즉, 일반적인 전자 유도 가열장치는 내부에 구비된 워킹 코일(Working Coil) 또는 가열 코일에 고주파의 전류를 흐르게 한다.
워킹 코일 또는 가열 코일에 고주파의 전류가 흐르면 강력한 자력선이 발생하게 된다. 워킹 코일 또는 가열 코일에서 발생한 자력선은 조리기기를 통과할 때 와류전류(Eddy Current)를 형성하게 된다. 따라서, 조리기기에 와류전류가 흐름에 따라 열이 생성되어 용기 자체를 가열시키고, 용기가 가열됨에 따라 용기 안의 내용물을 가열시킨다.
이와 같은 유도 가열 가열장치는 한국공개번호 10-2016-0123672 등에 상세히 개시되어 있다.
한편, 한국공개번호 10-2016-0123672호와 같이 주방에서 사용하는 소물 가전에 따라 유도 가열을 수행하는 것 이외에도 무선 충전을 수행할 수 있는 다기능 무선 전력 전송 장치의 요구가 계속되고 있다.
다기능 무선 전력 전송 장치의 경우, 사용자의 모드 선택에 따라 하나의 워킹 코일 또는 가열 코일을 이용하여 주파수를 변경함으로써 유도 가열을 수행하거나 무선 전력 전송을 수행할 수 있다.
한편, 다기능 무선 전력 전송 장치의 대상 소물 가전에 유도 가열을 수행하거나, 무선 전력 전송을 하는 경우에는 대상 소물 가전의 수신 코일과 워킹 코일의정렬을 요구한다.
즉, 무선 전력 전송을 수행하는 두 코일 사이에 정렬이 이루어지지 않고, 편심되는 경우에 전력 전송 효율이 현저하게 저하될 수 있다.
이를 위해, 무선 전력 전송에서의 편심을 판단하고 이를 알람하거나 보완하기 위한 기술이 제시되었다.
일 예로, 한국 등록 특허 17-6449681 호는 무선전력전송을 통해 차량용 배터리 충전 시스템을 개시하고 있으며, 수신측 충전 상태 정보를 받아, 레퍼런스 크기보다 작으면, 수신측 코일을 움직여, 정렬 상태를 조절하여 정심 상태로 맞추는 내용이 개시되어 있다.
그러나, 이와 같은 종래 기술의 경우, 정렬을 위해 수신측 코일의 변경이 필수적으로 요구된다. 그러나, 소물 가전의 무선전력 전송의 경우, 사용자에게 송/수신 코일의 상태를 정심에 맞추도록 계속 알람을 해 주어야 하며, 정렬 상태를 맞추는 것이 무선 소물 가전의 사용 편리성을 저해하는 요소가 될 수 있다.
한편, 미국 등록 특허 US 8912686 호는 무선 전력 전송 시스템에서 송/수신 코일의 정렬 상태가 벗어날 경우, DC 전류를 흘려 수신측 자석 성분의 기구물이 송신 코일에 자동 정렬되도록 하는 내용이 개시되어 있다.
이와 같이 수신 코일에 자석 성분을 포함하면, 금속성 이물질이 함께 붙어 무선 전력 전송 시 발생하는 자기장에 의해 발화 또는 발연의 위험이 있다.
또한, 대상물과 워킹 코일 사이에 이물질이 있는지 여부 역시 각 단계에서 감지하고 이에 대하여 알람하여 이물질 제거 후 전력 전송할 것이 요구된다.
이물질이 존재하는 경우, 전력 전송 저하의 문제가 있으며, 이물질의 재질에 따라 발화 등의 위험이 내재되어 있다.
이를 위해, 한국 특허 KR 2017-0024413A호는 이물질을 검출할 수 있는 무선전력전송 장치를 개시하고 있다. 이와 같은 종래기술에는 특정 주파수의 검출 신호를 발생시키는 신호 발생 회로가 존재하고, 이 회로에서 신호를 받아 소스 코일에서 자기장을 발생시키고, 이와 같은 소스 코일에 이물질이 존재하면 그 신호를 검출 코일이 감지하여 제어부에 신호를 전송하게 된다.
즉, 이물질을 검출하기 위해, 복수의 검출 코일이 추가로 구비되며, 검출을 위한 신호 발생 회로가 추가적으로 요구된다. 따라서, 이를 위한 별도의 보조 회로가 요구되어 비용 및 공간이 소요된다.
한편, 한국 특허 KR 2017-0099804A 호는 이물질을 검출하기 위해 공진 주파수의 변화량을 계산하고, 이물질이 존재할 때 발생하는 인덕턴스의 감소에 의한 공진주파수 증가를 감지하게 된다. 따라서, 이와 같은 공진주파수의 변화에 의해 이물질이 존재하는지 판단하게 된다.
그러나, 임피던스 차이에 의한 주파수 변화 감지는 기존 모바일 충전 시스템의 경우 송신 코일 사이즈가 작으며, 그에 따라 이물질이 존재할 시 임피던스가 크게 변하므로 감지가 용이하나, 가전 또는 차량의 경우, 송신 코일의 크기는 커지는 반면 상대적으로 작은 이물질에 의한 임피던스 변화량이 급격히 줄어들어 이물질 존재 여부 판단하는데 한계가 있다.
한국 등록 특허 17-6449681 호 (등록일: 2017년 17월 27일) 미국 등록 특허 US 8912686 호 (등록일: 2014년 12월 16일) 한국 공개 특허 2017-0024413호 (공개일 : 2018년 08월 31일) 한국 공개 특허 2017-0099804호 (공개일 : 2019년 02월 15일)
본 발명의 제1 과제는 하나의 워킹 코일을 사용하는 다기능 무선 전력 전송 장치에 있어서, 무선 전력 전송 모드일 때, 대상물이 되는 소물 가전의 편심 여부를 판단하여 이를 보완하여 무선 전력 전송을 수행할 수 있는 무선 전력 전송 장치를 제공하는 것이다. 즉, 편심이 발생하는 경우에도, 한국 등록 특허 17-6449681 호 및 미국 등록 특허 US 8912686 호와 같이 수신측의 대상물의 위치 변동을 유도하는 것이 아닌, 편심량을 보상하여 파워를 전송하는 무선 전력 전송 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 제2 과제는 사용자의 모드 선택이 무선 전력 전송 모드인 경우에 올려져 있는 대상 소물 가전의 수신 코일과의 편심 여부에 관계 없이 이물질을 감지할 수 있는 무선 전력 전송 장치를 제공하는 것이다.
이와 같이 무선 전력 전송 모드가 선택될 때, 벽전압, 즉 무선전력전송장치에 제공되는 상용 전력의 크기에 상관 없이 이물질 여부를 판단할 수 있는 무선 전력 전송 장치를 제공하는 것이 제3 과제이다.
즉, 이물질 검출에 대하여도 한국 공개 특허 2017-0024413호 및 한국 공개 특허 2017-0099804호와 같이 감지를 위한 별도의 센서 등을 요하지 않고, 편심 여부 또는 상용 전력의 크기와 상관 없이 이물질 여부를 판단할 수 있는 무력 전력 전송 장치를 제공하는 것이다.
또한, 무선 전력 전송 모드가 선택될 때, 대상물이 수신 코일이 있는 소물 가전일 경우, 해당 수신 코일과 송신측의 워킹 코일 사이에 과편심이 일어나는 경우, 무선 전력 전송 하면서 사용자에게 알람 가능한 무선 전력 전송 장치를 제공하는 것이, 본 발명의 제4 과제이다.
그리고, 무선 전력 전송 중에 편심 판단과 함께 이물질이 있는지 여부도 판단함으로써 사용자 알람을 진행할 수 있는 무선 전력 전송 장치를 제공하는 것이 본 발명의 제5 과제이다.
본 발명의 실시예에 따른 유도가열 가능한 무선 전력 전송 장치는 사용자 선택에 따라 모드를 변경하며 상기 모드에 따라 대상물을 유도 가열하거나 무선 전력을 전송하는 워킹 코일; 동작 주파수에 따라 온오프되어 상기 전력을 생성하는 인버터; 상기 사용자가 무선 전력 전송 모드를 선택하는 경우, 무선 전력 전송을 수행하면서 상기 대상물로부터의 부하 전압을 수신하고, 상기 부하 전압을 보상하여 상기 워킹 코일에 이물질이 있는지 여부를 판단하는 제어부를 포함한다.
상기 제어부는 상기 무선 전력 전송을 진행하는 정상 모드 이전에 상기 준비 구간을 포함하며, 상기 준비 구간에서 상기 워킹 코일에 이물질이 있는지 여부를 판단할 수 있다.
상기 제어부는 특정 동작 주파수로 상기 인버터를 구동하면서, 상기 대상물로부터 상기 부하 전압에 대한 정보를 수신하고, 상기 부하 전압에 현재 입력 전압에 따른 보상을 수행하여 보상된 상기 부하 전압에 따라 상기 이물질이 있는지 여부를 판단할 수 있다.
상기 현재 입력 전압이 제1 기준 입력 전압인 경우로 환산하여 상기 현재 입력 전압에 대한 상기 부하 전압 변동을 제거하는 보상을 수행하여 상기 보상된 부하 전압을 산출할 수 있다.
상기 제어부는 상기 보상된 부하 전압에 대하여, 상기 워킹 코일과 상기 대상물의 수신 코일 사이의 편심량에 대한 보상을 수행하여 최종 부하 전압을 산출할 수 있다.
상기 제어부는 상기 최종 부하 전압에 따라 상기 이물질이 있는지 여부를 판단할 수 있다.
상기 제어부는 제1 기준 입력 전압에 대한 최종 부하 전압이 이물질이 있는것으로 판단되는 경우, 제2 기준 입력 전압에 대하여 최종 부하 전압을 더 산출하여 이물질 여부를 판단할 수 있다.
상기 제어부는 제1 기준 입력 전압에 대한 최종 부하 전압 및 상기 제2 기준입력 전압에 대한 최종 부하 전압이 모두 소정 범위를 벗어나는 경우, 이물질이 있는 것으로 판단할 수 있다.
상기 제1 기준 입력 전압에 대한 최종 부하 전압 및 상기 제2 기준입력 전압에 대한 최종 부하 전압에 대하여 이물질이 있는 것으로 판단하는 범위는 서로 상이할 수 있다.
상기 유도가열 가능한 무선 전력 전송 장치는 상기 대상물이 올려지는 상부 글라스, 및 상기 사용자로부터 모드 선택을 유도하는 사용자 입력부를 더 포함할 수 있다.
한편, 사용자 선택에 따라 모드를 변경하며 상기 모드에 따라 대상물을 유도 가열하거나 무선 전력을 전송하는 워킹 코일을 포함하는 유도가열 가능한 무선 전력 전송 장치의 구동 방법에 있어서, 상기 사용자의 선택 정보가 무선 전력 전송 모드임을 확인하는 단계; 상기 사용자가 무선 전력 전송 모드를 선택하는 경우, 소정의 동작 주파수로무선 인버터를 구동하며 상기 대상물로부터의 부하 전압을 수신하고, 상기 부하 전압을 보상하여 상기 워킹 코일에 이물질이 있는지 여부를 판단하는 준비 단계; 및 상기 대상물에 무선 전력 전송을 전송하는 정상 모드 단계를 포함한다.
상기 준비 단계는, 상기 소정의 동작 주파수로 상기 인버터를 구동하면서, 상기 대상물로부터 상기 부하 전압에 대한 정보를 수신하고, 상기 부하 전압에 현재 입력 전압에 따른 보상을 수행하여 보상된 상기 부하 전압에 따라 상기 이물질이 있는지 여부를 판단할 수 있다.
상기 준비 단계는, 상기 현재 입력 전압이 제1 기준 입력 전압인 경우로 환산하여 상기 현재 입력 전압에 대한 상기 부하 전압 변동을 제거하는 보상을 수행하여 상기 보상된 부하 전압을 산출할 수 있다.
상기 준비 단계는, 상기 보상된 부하 전압에 대하여, 상기 워킹 코일과 상기 대상물의 수신 코일 사이의 편심량에 대한 보상을 수행하여 최종 부하 전압을 산출할 수 있다.
상기 준비 단계는, 상기 최종 부하 전압에 따라 상기 이물질이 있는지 여부를 판단할 수 있다.
상기 준비 단계는, 상기 제1 기준 입력 전압에 대한 최종 부하 전압이 이물질이 있는 것으로 판단되는 경우, 제2 기준 입력 전압에 대하여 최종 부하 전압을 더 산출하여 이물질 여부를 판단하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 준비 단계는 제1 기준 입력 전압에 대한 최종 부하 전압 및 상기 제2 기준입력 전압에 대한 최종 부하 전압이 모두 소정 범위를 벗어나는 경우, 이물질이 있는 것으로 판단할 수 있다.
상기 제1 기준 입력 전압에 대한 최종 부하 전압 및 상기 제2 기준 입력 전압에 대한 최종 부하 전압에 대하여 이물질이 있는 것으로 판단하는 범위는 서로 상이할 수 있다.
상기 준비 단계는, 상기 특정 동작 주파수에 대하여, 상기 입력 전압의 변동에 대한 상기 대상물의 상기 부하 전압에 대한 데이터를 기초로 상기 제1 기준 입력 전압에 대한 상기 부하 전압의 편차를 연산하여 상기 부하 전압의 편차와 상기 입력 전압 사이의 함수에 의해 상기 보상된 부하 전압을 연산할 수 있다.
상기 준비 단계는, 상기 제1 기준 입력 전압에 대하여 공진 전류의 값을 보상하고, 상기 제1 편심량에 대하여 보상된 부하 전압의 편차를 연산하여, 보상된 상기 공진 전류와 상기 보상된 부하 전압의 편차 사이의 함수에 의해 상기 최종 부하 전압을 산출할 수 있다.
상기 준비 단계에서 상기 이물질이 있다고 판단되면, 사용자 알람을 수행하고 인버터 동작을 중지하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 해결 수단을 통해, 하나의 워킹 코일을 사용하는 다기능 무선 전력 전송 장치에 있어서, 무선 전력 전송 모드 또는 유도 가열 모드를 선택적으로 구동하면서도, 무선 전력 전송 모드에서도 대상물의 편심 여부를 판단하여 이를 보완하여 무선 전력 전송을 수행할 수 있다.
이와 같이 무선 전력 전송 모드가 선택될 때에 대상물이 수신 코일이 있는 소물 가전일 경우, 해당 수신 코일과 송신측의 워킹 코일 사이에 과편심이 일어나는 경우, 무선 전력 전송 중에 사용자에게 알람 가능한 무선 전력 전송 장치를 제공할 수 있다. 이때, 편심 판단과 함께 이물질이 있는지 여부도 판단함으로써 사용자 알람을 함께 진행할 수 있다.
그리고, 입력 전압의 차이 및 편심 정도에 따라 이를 보상한 후 이물질을 감지함으로써 입력 전압의 크기 및 편심 정도에 관계 없이 이물질을 정확하게 감지할 수 있어 신뢰성 및 동작 안정성이 확보될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 유도 가열 가능한 무선 전력 전송 장치의 상면 사시도이다.
도 2는 도 1의 유도 가열 가능한 무선 전력 전송 장치의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 유도 가열 상태를 설명하기 위한 회로도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 유도 가열 가능한 무선 전력 전송 장치의 무선 전력 전송을 설명하기 위한 회로도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 수신측 대상물의 구성도이다.
도 6은 수신 코일과 워킹 코일 사이의 정렬 상태를 나타내는 상태도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 유도 가열 가능한 무선 전력 전송 장치의 개략적인 모드 순서도이다.
도 8은 도 5의 순서도에 대한 송신 장치 및 수신 장치의 상태도이다.
도 9는 전력 전송 중의 편심 및 이물질 판단 동작을 나타내는 순서도이다.
도 10a 및 도 10b는 편심에 따른 보상 방법을 도시한 그래프이다.
도 11a 내지 도 11c는 편심 보상의 일 예를 나타내는 그래프이다.
이하에서 언급되는 “전(F)/후(R)/좌(Le)/우(Ri)/상(U)/하(D)” 등의 방향을 지칭하는 표현은 도면에 표시된 바에 따라 정의하나, 이는 어디까지나 본 발명이 명확하게 이해될 수 있도록 설명하기 위한 것이며, 기준을 어디에 두느냐에 따라 각 방향들을 다르게 정의할 수도 있음은 물론이다.
이하에서 언급되는 구성요소 앞에 ‘제1, 제2' 등의 표현이 붙는 용어 사용은, 지칭하는 구성요소의 혼동을 피하기 위한 것일 뿐, 구성요소 들 사이의 순서, 중요도 또는 주종관계 등과는 무관하다. 예를 들면, 제1 구성요소 없이 제2 구성요소 만을 포함하는 발명도 구현 가능하다.
도면에서 각 구성의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기와 면적은 실제크기나 면적을 전적으로 반영하는 것은 아니다.
또한, 본 발명의 구조를 설명하는 과정에서 언급하는 각도와 방향은 도면에 기재된 것을 기준으로 한다. 명세서에서 구조에 대한 설명에서, 각도에 대한 기준점과 위치관계를 명확히 언급하지 않은 경우, 관련 도면을 참조하도록 한다.
이하 도 1 내지 도 4를 참고하여 유도 가열 가능한 무선 전력 전송 장치를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 유도 가열 가능한 무선 전력 전송 장치의 상면 사시도이고, 도 2는 도 1의 유도 가열 가능한 무선 전력 전송 장치의 단면도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 유도 가열 상태를 설명하기 위한 회로도이며, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 유도 가열 가능한 무선 전력 전송 장치의 무선 전력 전송을 설명하기 위한 회로도이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 무선 전력 전송 장치(10)의 상부에 대상물(1)이 위치할 수 있다. 무선 전력 전송 장치(10)는 상부에 위치하고 있는 대상물(1)을 가열시키거나, 무선 전력을 전송할 수 있다.
이와 같은 대상물(1)은 수신 코일(15)을 가지는 소물 가전, 수신 코일(15)을 가지지 않는 소물 가전, 전자 제품이 아닌 일반적인 가열 가능한 조리 용기 또는 이물질일 수 있다.
수신 코일(15)을 가지는 소물 가전은 무선전력 전송 장치(1)를 통해 수신 코일(15)로 무선 전력을 수신하여 해당 전력을 동력으로 주된 동작할 수 있는 것으로, 일 예로, 무선 블랜더, 또는 무선 오븐토스터 등일 수 있다.
수신 코일(15)을 가지지 않는 소물 가전은 무선전력 전송 장치(10)의 워킹 코일(12), 즉 송신 코일이 자기장을 발생하여 해당 소물 가전을 직접 가열하는 가전기기로서, 일반적인 조리 용기라고 볼 수 없는 전자 제품을 의미한다. 일 예로, 무선 전기 포트 또는 무선 밥솥일 수 있으며, 이와 같은 수신 코일(15)을 가지지 않는 소물 가전은 주된 동작을 수행하는 영역, 즉 열을 받아 기능하는 영역 이외의 영역에서 구동 전력을 요하는 모듈부로의 전원 공급을 위한 픽업 코일이 존재한다. 이와 같은 픽업 코일은 송신 코일인 워킹 코일(12)과 대응하는 영역에 빗겨 존재할 수 있으며, 모듈부, 일 예로 통신모듈, 인터페이스, 디스플레이 등과 같은 제어 모듈부에 무선 전력 전송을 수신하여 전원을 공급할 수 있다.
한편, 일반적인 조리 용기로는, 워킹 코일(12)로부터 발생하는 자기장(20)에 의해 가열될 수 있는 자기장(20)이 통과가능한 전기 저항 성분이 포함되어 있는 용기를 의미한다. 조리 용기의 재질에 전기 저항 성분이 포함된 경우 자기장(20)은 조리 용기에 와류 전류를 발생 시킨다. 와류 전류는 조리 용기 자체를 발열시키고, 이 열은 전도되어 조리 용기의 내부까지 전달된다. 이에 따라, 조리 용기의 내용물이 조리될 수 있다.
한편, 이물질이 대상물(1)의 위치에 놓여지는 경우, 이물질은 무선 전력 전송을 방해할 수 있는 전기 저항 성분이 있는 물질로 이루어진 편으로서, 숟가락 또는 젓가락 등과 같은 철 바(Iron bar)일 수 있다.
이와 같은 무선 전력 전송 장치(10)는 사용자의 선택에 따라 전자 유도 가열 장치로서 기능할 수 있고, 또는 무선 전력 전송 장치로서 기능할 수 있다.
즉, 무선 전력 전송 장치(10)는 하나의 워킹 코일(12)에 대하여, 사용자의 선택에 따라 일반적인 가열 용기를 가열하는 유도 가열 모드로 기능할 수 있고, 수신 코일(15)이 있거나 수신 코일(15)이 없는 소물 가전에 무선 전력을 전송하는 무선 전력 전송 모드로 기능할 수 있다.
이와 같은 다기능 무선 전력 전송 장치(10)는 도 2와 같이 상판 글래스(11), 워킹 코일(12)을 적어도 하나 이상을 포함하는 케이싱(도시하지 않음)을 포함할 수 있다. 먼저, 무선 전력 전송 장치(10)를 구성하는 각각의 구성요소를 구체적으로 설명한다.
상판 글래스(11)는 무선 전력 전송 장치(10)의 내부를 보호하고, 대상물(1)을 지지하는 역할을 한다. 구체적으로, 상판 글래스(11)는 여러 광물질을 합성한 세라믹 재질의 강화 유리로 형성될 수 있다. 이에 따라, 무선 전력 전송 장치(10)의 내부를 외부로부터 보호할 수 있다. 또한, 상판 글래스(11)는 상부에 위치한 대상물(1)을 지지할 수 있다. 따라서, 상판 글래스(11)의 상부에는 대상물(1)이 위치할 수 있다.
워킹 코일(12)은 대상물(1)의 종류 및 사용자의 모드 선택에 따라 대상물(1)로 무선 전력을 전송하거나, 가열을 위한 자기장을 발생시키는 역할을 하며, 설계에 따라 적어도 하나의 워킹 코일(12)이 포함될 수 있다. 이때, 각 코일(12)에 따라 대상물(1)을 배치할 수 있는 영역이 결정될 수 있다.
상판 글래스(11)의 일 측에는 무선 전력 전송 장치의 모드를 결정할 수 있는 사용자 입력부(도시하지 않음)가 배치될 수 있다.
구체적으로, 워킹 코일(12)은 상판 글래스(11)의 하부에 위치할 수 있다. 워킹 코일(12)은 무선 전력 전송 장치(10)의 전원 온/오프에 따라 전류가 흐르거나 흐르지 않을 수 있다. 또한, 워킹 코일(12)에 전류가 흐르는 경우에도 무선 전력 전송 장치(10)의 모드 및 출력에 따라 워킹 코일(12)에 흐르는 전류의 양은 달라질 수 있다.
워킹 코일(12)에 전류가 흐르는 경우 워킹 코일(12)은 자기장(20)을 발생시킬 수 있다. 워킹 코일(12)에 흐르는 전류가 많을수록 자기장(20)은 많이 발생한다.
한편, 워킹 코일(12)에서 발생하는 자기장(20)의 방향은 워킹 코일(12)을 흐르는 전류의 방향에 의해 결정된다. 그러므로 워킹 코일(12)에 교류를 흘리게 되면 자기장(20)의 방향은 교류의 주파수만큼 변환된다. 예를 들어, 워킹 코일(12)에 60Hz의 교류를 흘리면 자기장의 방향이 1초에 60번 변환하게 된다.
케이싱 내에 사용자 입력부 및 워킹 코일(12)과 전기적으로 연결되며, 상용 전원으로부터 전압 및 전류를 수신하고 이를 변환하여 사용자 입력에 따라 워킹 코일(12)에 전력을 공급하는 구동 모듈(도시하지 않음)이 배치되어 있다.
이와 같은 구동 모듈은 하나의 인쇄회로기판 위에 실장되는 복수의 칩 형태로 구현될 수 있으나, 이에 한정되지 않고 일체화된 하나의 칩으로 구현가능하다.
무선 전력 전송 장치(10)는 내부에 페라이트(13)을 포함하여 내부의 구동 모듈을 보호할 수 있다.
즉, 페라이트(13)는 워킹 코일(12)에서 발생한 자기장 또는 외부에서 발생한 전자기장이 무선 전력 전송 장치(10)의 내부의 구동 모듈에 미치는 영향을 차단하는 차폐 역할을 한다.
이를 위해, 페라이트(13)는 투자율(permeability)이 매우 높은 물질로 형성될 수 있다. 페라이트(13)는 무선 전력 전송 장치(10)의 내부로 유입되는 자기장이 방사되지 않고, 페라이트(13)를 통해 흐르도록 유도하는 역할을 한다.
도 1 및 도 2에서는 적어도 1개의 워킹 코일(12)을 포함하는 무선 전력 전송 장치(10)를 개시하고 있으며, 일반적으로 가정에서는 2개 내지 4개의 워킹 코일(12)을 포함하도록 형성될 수 있다.
각각의 워킹 코일(12)의 코일 크기는 서로 상이하게 형성될 수 있으며, 각각의 코일(12)은 구동 모듈의 제어에 따라 인버터 구동하여 특정 주파수의 전류를 흘림으로써 유도 가열 모드일 때에는 사용자가 선택하는 화력 레벨에 해당하는 목표 전력을 발생하여 그에 해당하는 열을 발생할 수 있다.
또한, 무선 전력 전송 모드일 때에는 구동 모듈의 제어에 따라 인버터 구동하여 다른 크기의 주파수의 전류를 흘림으로써 소물 가전으로 무선 전력을 전송할 수 있다.
이를 위해 각각의 워킹 코일(12)은 구동 모듈 내에서 각각의 인버터와 연결되도록 구현 가능하며, 복수개의 워킹 코일(12)이 스위치에 의해 직병렬로 연결되어 하나의 인버터에 연결되도록 구현도 가능하다.
사용자의 선택에 따라 해당 무선 전력 전송 장치(10)가 유도 가열 모드로 동작하는 경우에는 소정 주파수의 전류에 의해 자기장을 발생하여 상판 글라스(11) 위에 올려진 가열 용기에 통과시킨다.
이때, 조리용기의 재질에 전기 저항 성분이 포함된 경우 자기장은 조리 용기에 와류 전류를 발생 시킨다. 와류 전류는 조리 용기 자체를 발열시키고, 이 열은 전도되어 조리용기의 내부까지 전달된다. 이에 따라, 조리 용기의 내용물이 조리되는 방식으로 유도 가열 모드가 진행된다.
페라이트(13)에 의해 워킹 코일(12)(12)에서 발생한 자기장(20)이 이동하는 모습은 도 2에 도시된 바와 같다.
이와 같은 무선 전력 전송 장치(10)가 유도 가열 모드로 동작할 때의 회로도를 참고하면, 도 3과 같은 구조를 가질 수 있다.
구체적으로, 도 3은 한 개의 인버터(140) 및 한 개의 워킹 코일(12)(이하에서는 150으로 명명함)을 포함하는 경우 전자 유도 가열 모드에서의 무선 전력 전송 장치의 회로도를 나타낸 것이다. 전자 유도 가열 모드에서의 무선 전력 전송 장치(10)는 정류부(120), DC 링크 커패시터(130), 인버터(140), 워킹 코일(12)(150) 및 공진 커패시터(160)를 포함한다.
외부 전원(110)은 AC(Alternation Current) 입력 전원일 수 있다. 외부 전원(110)은 전자 유도 가열 조리기로 교류 전원을 공급할 수 있다. 보다 구체적으로, 외부 전원(110)은 전자 유도 가열 조리기의 정류부(120)로 교류 전압을 공급할 수 있다.
정류부(120, Rectifier)는 교류를 직류로 변환하기 위한 전기적 회로로서, 정류부(120)는 외부 전원(110)을 통해 공급되는 교류 전압을 직류 전압으로 변환한다. 이때, 정류부(120)를 통해 출력되는 DC 양단을 DC 링크라고 한다. DC 양단에서 측정 되는 전압을 DC 링크 전압이라고 한다. 공진 곡선이 동일한 경우 DC 링크 전압에 따라 출력 전력이 달라질 수 있다. DC 링크 커패시터(130)는 외부 전원(110)과 인버터(140) 사이의 버퍼 역할을 수행한다. 구체적으로, DC 링크 커패시터(130)는 정류부(120)를 통해 변환된 DC 링크 전압을 유지시켜 인버터(140)까지 공급한다.
인버터(140)는 워킹 코일(12)(150)에 고주파의 전류가 흐르도록 워킹 코일(12)(150)에 인가되는 전압을 스위칭한다. 인버터(140)는 일반적으로 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)로 이루어진 스위칭 소자를 구동시킴으로써 워킹 코일(12)(150)에 고주파의 전류가 흐르게 하고, 이에 따라 워킹 코일(12)(150)에 고주파 자계가 형성된다.
워킹 코일(12)(150)은 스위칭 소자의 구동 여부에 따라 전류가 흐르거나 전류가 흐르지 않을 수 있다. 워킹 코일(12)(150)에 전류가 흐르면 자기장이 발생한다. 워킹 코일(12)(150)은 전류가 흐름에 따라 자기장을 발생시켜 조리 용기를 가열시킬 수 있다.
이와 같이, 전자 유도 가열 모드에서의 무선 전력 전송 장치(10)는 워킹 코일(12)(150)을 전자기 유도에 이용하여 조리 용기를 가열할 수 있다.
한편, 본 발명의 무선 전력 전송 장치가 무선전력 전송 모드로 기능하는 경우, 유도 가열에 이용되는 워킹 코일(12)(150)을 무선 전력 전송(WPT, Wireless Power Transfer)에 동일하게 이용할 수 있다.
무선 전력 전송이란 전선 없이 전력을 전송할 수 있는 기술을 의미한다. 현 재, 주로 무선 전력 전송에 활용되는 방식으로는 자기유도(MI) 방식, 자기공진(MR) 방식이 있다. 각각의 방식을 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 자기유도 방식은 1차 코일과 2차 코일간의 자기유도 현상을 이용하는 것이다. 구체적으로, 1차(송신) 코일에 전류가 주입되면 자기장이 발생할 수 있다. 2차(수신) 코일은 1차 코일에서 발생한 자기장에 의해 유도 전류가 발생한다. 2차 코일에서 발생한 유도 전류는 배터리를 충전시킬 수 있다. 자기 유도 방식에 따라 발생하는 자기장은 약하기 때문에, 1차 코일과 2차 코일은 매우 근접한 위치에 있어야 충전이 가능하다.
자기공진(자기공명) 방식은 1차 코일과 2차 코일이 같은 주파수를 사용하여 전력을 주고 받는 방식이다. 즉, 1차 코일에서 공진 주파수로 진동하는 자기장을 생성하면, 2차 코일은 1차 코일에서 생성된 자기장과 동일한 공진 주파수로 설계되어 에너지를 수신할 수 있다. 이 경우, 비교적 원거리에서도 충전이 가능하다.
이와 같이, 무선 전력 전송에 사용되는 코일을 유도 가열 모드에서 사용되는 워킹 코일(12)로 사용함으로써 동일한 구조를 이용하여 사용자 모드 선택에 따라 해당 기능을 선택적으로 수행할 수 있다.
다시, 도 3을 참조하면, 워킹 코일(12)(150)의 일측은 인버터(140)의 스위칭 소자의 접속점에 연결되어 있고, 다른 일측은 공진 커패시터(160)에 연결된다. 스위칭 소자의 구동은 제어부(190)(미도시)에 의해서 이루어지며, 제어부(190)에서 출력되는 스위칭 시간에 제어되어 스위칭 소자가 서로 교호로 동작하면서 워킹 코일(12)(150)로 고주파의 전압을 인가한다. 그리고, 제어부(190)로터 인가되는 스위칭 소자의 온/오프 시간은 점차 보상되는 형태로 제어되기 때문에 워킹 코일(12)(150)에 공급되는 전압은 저전압에서 고전압으로 변한다.
제어부(190)(미도시)는 무선 전력 전송 장치(10)의 전반적인 동작을 제어하는 역할을 한다. 즉, 제어부(190)는 무선 전력 전송 장치(10)를 구성하는 각각의 구성 요소의 동작을 제어할 수 있다. 공진 커패시터(160)는 완충기 역할을 하기 위한 구성요소이다. 공진 커패시터(160)는 스위칭 소자의 턴오프 동안 포화 전압 상승 비율을 조절하여, 턴오프 시간 동안 에너지 손실에 영향을 준다. 공진 커패시터(160)는 정류부(120)로부터 전압이 출력되는 DC 양단과 워킹 코일(12)(150) 사이에 직렬 연결된 복수의 커패시터(160a, 160b)를 포함할 수 있다. 공진 커패시터(160)는 제1 공진 커패시터(160a)와 제2 공진 커패시터(160b)로 구성될 수 있다. 구체적으로, 제1 공진 커패시터(160a)는 일단이 정류부(120)로부터 전압이 출력되는 일단과 연결되고, 타단이 제2 공진 커패시터(160b)와 워킹 코일(12)(150)의 접속점에 연결될 수 있다. 마찬가지로, 제2 공진 커패시터(160b)는 일단이 정 류부(120)로부터 저압이 출력되는 타단과 연결되고, 타단이 제1 공진 커패시터(160a)와 워킹 코일(12)(150)의 접속점에 연결될 수 있다.
제1 공진 커패시터(160a)의 커패시턴스와 제2 공진 커패시터(160b)의 커패시턴스는 동일하다.
한편, 공진 커패시터(160)의 커패시턴스는 무선 전력 전송 장치(10)의 공진 주파수(resonance frequency)를 결정할 수 있다.
구체적으로, 도 3에 도시된 바와 같은 회로도로 구성되는 무선 전력 전송 장치(10)의 공진 주파수는 워킹 코일(12)(150)의 인덕턴스(inductance)와 공진 커패시터(160)의 커패시턴스(capacitance)에 의해 결정된다. 또한, 워킹 코일(12)(150)의 인덕턴스와 공진 커패시터(160)의 커패시턴스에 의해 결정된 공진 주파수를 중심으로 공진 곡선이 형성될 수 있다. 공진 곡선은 주파수에 따른 출력 전력을 나타낼 수 있다.
다기능 무선 전력 전송 장치(10)에 포함된 워킹 코일(12)(150)의 인덕턴스 값과 공진 커패시터(160)의 커패시턴스 값에 따라 Q 팩터(quality factor)가 결정된다. Q 팩터에 따라 공진 곡선은 상이하게 형성된다. 최대 전력을 출력하는 주파수를 공진 주파수(f0)라 하며, 무선 전력 전송 장치는 공진 곡선의 공진 주파수(f0)를 기준으로 오른쪽 영역의 주파수를 이용한다. 따라서, 무선 전력 전송 장치(10)는 주파수를 감소시켜 화력 단계를 낮추고, 주파수를 증가시켜 화력 단계를 높일 수 있다. 무선 전력 전송 장치(10)는 이와 같이 주파수를 조절함으로써 출력 전력을 조절할 수 있다. 무선 전력 전송 장치(10)는 제1 주파수부터 제2 주파수의 범위에 해당하는 주파수를 이용할 수 있다. 즉, 무선 전력 전송 장치는 제1 주파수부터 제2 주파수의 범위에 포함된 어느 하나의 주파수로 변경하여, 화력을 조절할 수 있다. 무선 전력 전송 장치(10)에서 제어 가능한 최소 주파수인 제1 주파수 및 최대 주파수인 제2 주파수는 기 설정되어 있을 수 있다. 예를 들어, 제1 주파수는 20kHz이고, 제2 주파수는 75kHz일 수 있다.
제1 주파수를 20kHz로 설정함에 따라 무선 전력 전송 장치(10)가 가청 주파수(약 16Hz~ 20kHz)를 사용하는 경우를 방지할 수 있다. 따라서, 무선 전력 전송 장치(10)의 소음을 줄일 수 있는 효과가 있다. 제2 주파수를 IGBT 최대 스위칭 주파수로 설정할 수 있다. IGBT 최대 스위칭 주파수란 IGBT 스위칭 소자의 내압 및 용량 등을 고려하여, 구동 가능한 최대 주파수를 의미할 수 있다. 예를 들어, IGBT 최대 스위칭 주파수는 75kHz일 수 있다.
이와 같은 이유로, 무선 전력 전송 장치(10)에서 유도 가열로 조리기기를 가열하기 위해 일반적으로 사용하는 주파수는 약 20kHz 에서 75kHz에 포함된 주파수일 수 있다.
한편, 무선 전력 전송(WPT, Wireless Power Transfer)에 사용되는 주파수는 무선 전력 전송 장치(10)가 조리 용기를 유도 가열하기 위해 사용하는 주파수와 상이할 수 있다. 특히, 무선 전력 전송에 사용되는 주파수는 무선 전력 전송 장치가 조리용기를 가열하기 위해 사용하는 주파수보다 더 높은 대역의 주파수일 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 무선 전력 전송 장치는 공진 주파수를 조절함으로써 동일한 워킹 코일(12)(150)을 통해 조리기기 가열 기능 및 무선 전력 전송 기능을 모두 제공할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치가 무선 전력 전송 모드로 동작할 때의 회로도의 일 예를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 조리용기 유도 가열 모드 및 무선 전력 전송 모드를 선택적으로 제공할 수 있는 무선 전력 전송 장치(10)의 일 예를 나타낸다.
본 발명의 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치(10)는 정류부(120), DC 링크 커패시터 (130), 인버터(140), 워킹 코일(12)(150), 공진 커패시터(160a, 160b), WPT 커패시터(170a, 170b) 및 모드 전환 스위치(180a, 180b)를 포함할 수 있다.
도 3을 통해 설명한 바와 동일한 내용은 여기서 생략하기로 한다.
워킹 코일(12)(150)은 전류가 흐름에 따라 자기장을 발생시킨다. 워킹 코일(12)(150)에서 발생한 자기장은 2차측 조리 용기를 통과함에 따라 2차측 대상물(1)을 가열시킬 수 있다.
또는, 워킹 코일(12)(150)에서 발생한 자기장은 2차측 소물 가전을 통과함에 따라 2차측 소물 가전으로 전력을 전송할 수 있다.
공진 커패시터(160a, 160b)는 도 3을 통해 설명한 바와 동일하다. 즉, 도 4에 도시된 공진 커패시터(160a, 160b)는 도 3을 통해 설명한 무선 전력 전송 장치(10)에 포함된 공진 커패시터와 동일하다.
한편, 공진 커패시터(160a, 160b)는 무선 전력 전송 모드로 동작하거나 조리용기 유도 가열 모드로 동작함에 따라 WPT 커패시터(170a, 170b)와 병렬 연결되거나 병렬 연결되지 않을 수 있다.
WPT 커패시터(170a, 170b)는 공진 커패시터(160a, 160b)와 병렬 연결될 수 있다. WPT 커패시터(170a, 170b)는 전자 유도 가열 조리기(100)가 무선 전력 전송 모드로 동작하도록 무선 전력 전송의 공진 주파수를 낮추기 위한 구성 요소이다. 구체적으로, 무선 전력 전송 장치(10)가 조리용기 유도 가열 모드로 동작하는 경우 WPT 커패시터(170a, 170b)는 공진 커패시터(160a, 160b)와 연결되지 않는다. 반면에, 무선 전력 전송 장치(10)가 무선 전력 전송 모드로 동작하는 경우 WPT 커패시터(170a, 170b)는 공진 커패시터(160a, 160b)와 병결 연결된다. WPT 커패시터(170a, 170b)와 공진 커패시터(160a, 160b)가 병렬 연결 되면, 합성 커패시턴스는 증가하게 된다. 합성 커패시턴스가 증가하면, 아래 수학식 1에 의해 공진 주파수(f0)가 감소하게 된다.
즉, 전자 유도 가열 조리기(100)가 무선 전력 전송 모드로 동작하는 경우 공진 주파수(f0)가 감소하게 된다. 이와 같이, 무선 전력 전송 장치(10)는 공진 주파수(f0)를 감소시켜 기존의 인버터(140) 및 워킹 코일(12)(150)을 이용하여 2차측 제품으로 무선 전력을 전송할 수 있다.
WPT 커패시터(170a, 170b)는 제1 WPT 커패시터(170a)와 제2 WPT 커패시터(170b)로 구성된다. 제1 WPT 커패시터 (170a)는 제1 공진 커패시터(160a)와 병렬 연결될 수 있고, 제2 WPT 커패시터(170b)는 제2 공진 커패시터(160 b)와 병렬 연결될 수 있다.
제1 WPT 커패시터(170a)의 커패시턴스와 제2 WPT 커패시터(170b)의 커패시턴스는 동일하다.
모드 전환 스위치(180a, 180b)는 WPT 커패시터(170a, 170b)와 공진 커패시터(160a, 160b)의 병렬 연결 여부를 결정할 수 있다. 즉, 모드 전환 스위치(180a, 180b)는 WPT 커패시터(170a, 170b)를 공진 커패시터(160a, 160 b)와 병렬 연결되거나 병렬 연결되지 않도록 제어한다.
구체적으로, 모드 전환 스위치(180a, 180b)가 온(On)되면 회로가 단락(short)되어, WPT 커패시터(170a, 170b) 와 공진 커패시터(160a, 160b)는 병렬 연결된다. 이에 따라, 앞에서 설명한 바와 같이 공진 주파수(f0)가 감소 하게 된다.
반면에, 모드 전환 스위치(180a, 180b)가 오프(Off)되면 회로가 개방(open)되어, WPT 커패시터(170a, 170b)는 공진 커패시터(160a, 160b)와 연결되지 않는다. 따라서, 공진 주파수(f0)는 변경되지 않는다.
모드 전환 스위치(180a, 180b)는 제1 모드 전환 스위치(180a) 및 제2 모드 전환 스위치(180b)로 구성되며, 제1 모드 전환 스위치(180a)와 제2 모드 전환 스위치(180b)는 동시에 동작한다. 제1 모드 전환 스위치(180a)는 제1 WPT 커패시터(170a)와 제1 공진 커패시터(160a)의 병렬 연결 여부를 결정하고, 제2 모드 전환 스위치(180b)는 제2 WPT 커패시터(170b)와 제2 공진 커패시터(160b)의 벙렬 연결 여부를 결정할 수 있다.
본 발명은 앞에서 설명한 바와 같이 동작 모드에 따라 모드 전환 스위치(180a, 180b)를 제어하여, 동일한 워킹 코일(12)(150)을 통해 무선 전력 전송 모드로 동작시키거나 유도 가열 모드로 동작시킬 수 있다.
즉, 사용자의 선택에 따라 사용자 입력부를 통해 상기 2 가지의 모드 중 하나의 모드가 선택적으로 동작된다.
이와 같은 모드 선택에 따른 전환 스위치(180a, 180b)의 온오프, 인버터(140)의 스위칭 소자의 온오프 등을 제어하고, 전반적인 구동 모듈의 제어를 위한 제어부(190)를 더 포함한다.
사용자 입력부로 유도 가열 모드가 선택되면, 무선 전력 전송 장치(10)의 제어부(190)는 유도 가열 모드로 동작하며, 상기 전환 스위치(180a, 180b)가 오프되어 유도 가열이 진행된다.
한편, 사용자 입력부로 대상물(1)에 대한 무선 전력 전송 모드가 선택되면, 무선 전력 전송 장치(10)는 무선 전력 전송 모드로 동작하며, 상기 전환 스위치(180a, 180b)가 온되어 합성된 커패시턴스에 의한 공진 주파수에 따른 무선 전력 전송이 진행된다.
이때, 상기 무선 전력 전송 장치(10)에서는 상판 글라스(11) 위에 올려진 대상물(1)이 무선전력 전송 가능한 대상물(1)인지 판단하는 대상물(1) 판단을 수행하여야 한다.
이는, 사용자가 사용자 입력부를 통해 무선 전력 전송 모드를 선택하였다 하더라도, 무선 전력 전송 장치에 올려진 대상물(1)이 무선 전력 전송을 수행할 수 없는 전자 제품이거나, 수신 코일이 있는 소물 가전이 아닌 수신 코일이 없는 소물 가전인 경우에 그 동작을 서로 달리하여 진행하여야 한다.
사용자 입력부를 통해 수신된 모드 선택 정보에만 근거하여 동작을 수행하는 경우, 수신 코일이 없는 대상물(1)에 대하여 과전류가 흐르게 되거나, 이물질인 경우에도 과전류에 의한 전력 낭비가 유발될 수 있고 고열을 동반하여 장치 자체에 손상을 줄 수 있다.
또한, 대상물(1)이 수신 코일(15)이 있는 소물 가전인 경우에도 수신 코일(15)과 워킹 코일(12) 사이의 정렬 상태에 대하여 판단하여야 한다.
수신 코일(15)과 워킹 코일(12)이 정렬되지 않는 경우, 즉 편심되어 있는 경우, 무선 전력 전송의 동작 주파수를 제어하여 편심을 보완한 전력 전송을 진행하여야 한다.
이때, 수신측, 즉 대상물의 구성은 일 예로 도 5와 같을 수 있으며, 대상물의 수신 코일과 워킹 코일 사이의 정렬 상태는 도 6에서 검토한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 수신측 대상물의 구성도이고, 도 6은 수신 코일과 워킹 코일 사이의 정렬 상태를 나타내는 상태도이다.
도 5를 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 대상물(1), 즉 수신 코일(15) 있는 소물 가전은 수신 코일(15), 수신 코일(15)과 연결되어 수신된 무선 전력을 처리하는 수신전력 처리부(21), 소물 제어부(25), 내부 부하(23) 및 통신부(24)를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 수신 코일(15) 있는 소물 가전의 경우, 수신 코일(15)이 바닥면 등에 배치되어 워킹 코일(12)과 대면하여 무선 전력을 수신하도록 형성된다.
이와 같은 수신 코일(15)이 있는 소물 가전으로는 무선 오븐 토스터 또는 무선 블랜더와 같이 주 내부 부하(23)가 기능 블록으로 포함되어 있는 소물 가전으로서, 무선 전력을 수신하여, 해당 전력을 다시 원하는 기능의 내부 부하(23)에 원하는 레벨로 변환하여 제공하는 수신 전력 처리부(21)를 포함한다.
이러한 수신 전력 처리부(21)는 수신 코일(15)을 흐르는 전류 및 전압을 정류하고 원하는 레벨로 변환하는 컨버터를 구비할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
통신부(24)는 본 발명의 실시예에 따른 유도 가열 가능한 무선 전력 전송 장치(10)와 무선 통신을 진행하여 소물 가전의 부하 전압, 목표 출력 등의 정보를 전송하고, 내부 부하(23)의 구동 여부에 대한 정보를 함께 전송할 수 있다.
또한, 수신 코일(15) 있는 소물 가전은 수신 전력 처리부(21), 내부 부하(23) 및 통신부(24)를 제어하는 소물 제어부(25)를 포함하며, 소물 제어부(25)는 외부의 사용자로부터의 명령, 즉, 사용자 인터페이스 등을 통한 명령에 따라 각 기능 블록을 제어하고, 내부 부하(23)에 요구되는 전력을 공급하여 내부 부하(23)를 구동한다.
이에 의해 무선으로 전력 수급이 가능하고, 원하는 기능을 수행함으로써 유선으로 전원 공급 없이 무선 전력 공급 장치(10)로부터 전력을 수급받아 내부 부하(23)를 구동하여 토스터 또는 블랜더 등의 기능을 수행할 수 있다.
이와 같은 수신 코일(15)이 있는 소물 가전이 상판 글라스(11) 위에 놓이면, 수신 코일(15)과 워킹 코일(12) 사이에 정렬이 진행된다.
수신 코일(15)과 워킹 코일(12) 사이의 정렬은 두 코일(12, 15)의 중심이 동 축 상에 위치하는지 여부로 정의된다.
즉, 도 6에서 간략화하여 보여지는 것과 같이 각 코일의 중심(n1, n2) 즉 수신 코일(15)의 중심점(n2)과 워킹 코일(12)의 중심점(n1)이 동일 평면 상에 위치한다고 가정할 때, 편심량(d1)은 두 중심점 사이의 직선 거리로 정의할 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 수신 코일(15)이 있는 소물 가전, 일 예로 블랜더 또는 오븐토스터의 무선 전력 전송을 위해, 수신 코일(15)이 워킹 코일(12)과 소정 거리를 충족하며 근거리에서 정렬할 것을 요구한다.
정렬은 정심, 즉 두 코일(12, 15)이 동일 평면(p1) 상에 위치한다고 가정할 때, 두 중심점(n1, n2)이 동일 평면에서 동심인 것으로 정의되며, 즉, 가상의 동일 평면(p1)에 수직한 축 상에서 수신 코일(15)의 중심점(n2)과 워킹 코일(12)의 중심점(n1)이 동심인 것으로 정의될 수 있다.
편심은 가상의 동일 평면(p1)에 수직한 축 상에서 두 코일(12, 15)의 중심점(n1, n3)이 동심축을 이루지 않는 경우로서, 도 6에서와 같이 가상의 동일 평면(p1) 상에서의 두 중심점(n1, n3) 사이의 거리(d1)를 편심량으로 정의할 수 있다.
따라서, 편심량은 가상의 동일 평면 상의 직선 거리(d1)로 정의되며, 서로 다른 면에서의 사선 거리가 아니다.
이때, 두 코일(12, 15) 사이에 무선 전력 전송을 원활하게 진행하기 위해서는 편심량이 소정 범위 이하인 것을 요구하고 있으며, 편심량이 클수록 무선 전력 전송의 전송 효율이 저하되며, 이를 감지하기 위한 감지 신호에 오류가 발생한다.
따라서, 이와 같은 오류가 발생하면, 이물질 감지 등을 수행하는데 정확도가 현저히 저하되어 동작에 신뢰성이 떨어진다.
따라서, 본 발명에 따르면, 무선 전력을 전송할 때, 편심량을 판단하여 이를 보완하고, 이물질 존재 여부를 감지하여 무선 전력을 전송하는 방법을 제안한다.
이하에서는 도 7 및 도 8을 참고하여, 본 발명의 실시예에 따른 유도가열 가능한 무선전력 전송 장치의 전체 동작에 대하여 설명한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 유도 가열 가능한 무선 전력 전송 장치의 개략적인 모드 순서도이고, 도 8은 도 7의 순서도에 대한 송신 장치 및 수신 장치의 상태도이다.
도 7 및 도 8을 참고하면, 본 발명의 유도 가열 가능한 무선 전력 전송 장치는 사용자 입력부로부터 무선 전력 전송 모드에 대한 아이콘 또는 버튼이 선택되어 이에 해당 하는 선택 정보가 제어부(190)로 수신되면, 무선 전력 전송 모드로 변환되어 동작을 진행한다.
이와 같은 유도가열 가능한 무선 전력 전송 장치(10)는 정상 동작 모드(S60), 즉 수신 대상물(1)을 향해 무선 전력을 방사하는 동작에 이르기까지 복수의 단계를 거치며 준비 구간을 가진다.
이와 같은 정상 동작 모드 전의 준비 구간에서 유도가열 가능한 무선 전력 전송 장치(10)는 상판 글라스(11)에 올라가져 있는 대상물(1)의 구분을 위한 감지를 수행한다.
즉, 대상물(1)이 수신 코일이 있는 소물 가전인지, 수신 코일이 없이 직접 가열하며 픽업 코일만 있는 소물 가전인지, 일반적인 가열 용기인지, 이물질인지 또는 아무것도 없는 무부하 상태인지를 구분한다.
구체적으로, 모드 선택 정보가 수신되면(S10), 송신측을 기준으로 무선 전력 전송 장치(10)는 대상물 감지 모드(S20)로 진입한다.
송신측으로 정의되는 무선 전력 전송 장치(10)는 대상물 감지 모드(S20)에서 스탠바이 모드(Stand-by mode)(S30)를 지나 이물질 감지 모드(S40), 및 소프트 스타트 모드(Soft start mode)(S50)를 진행한다.
소프트 스타트 모드(S50)에서 정상 동작 모드(S60)로 진입하기 전에 모든 대상물(1)에 대한 감지를 종료하고 해당하는 전력을 무선으로 전송할 수 있다(S70).
대상물 감지 모드(S20)는 사용자가 사용자 입력부의 무선 전력 전송 모드 아이콘 또는 버튼을 누름과 동시에 진행될 수 있으며, 제어부(190)는 대상물(1)이 상판 글라스(11) 위에 놓여져 있는지 여부 판단 및 정렬 상태를 예측하기 위한 주파수를 발진할 수 있다.
이때, 이와 같은 발진 주파수에 의해 상기 인버터(140)의 스위칭 소자가 교차로 온오프하여 전류를 흘리게 된다. 대상물 감지 모드(S20)에서 구별되는 대상물(1)은 일반적인 가열 용기인지 아닌지에 대한 것으로서, 시작 주파수로부터 제1 동작 주파수로 스위칭하면서 대상물(1)이 가열 용기인지 아닌지 판별할 수 있다.
이와 같은 대상물 감지 모드(S20)에서는 대상물(1)이 있는지 여부 및 코일을 포함하는지 여부를 판단할 수 있으며, 코일이 존재하는 경우, 대상물(1)의 수신 코일(15)과 워킹 코일(12) 사이에 정렬 상태, 즉 정심인지 편심인지 여부에 대하여도 추가적으로 구분할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
이와 같은 대상물 감지 모드(S20)에서는 무선 전력 전송 장치(10)가 대상물(1)로의 무선통신을 시도하고 있으나, 실제 무선통신을 통한 수신은 뒤에 이물질 감지 모드에서 대상물(1)인 소물 가전의 전원이 인가될 때 통신 페어링이 시작될 수 있다.
Idle 모드는 사용자 입력부에서 사용자가 전원 버튼을 눌러 턴온하는 경우, 유도 가열 가능한 무선 전력 전송 장치(10)의 제어부(190)를 포함하는 구동 모듈에 전원이 인가되어 제어부(190)가 활성화되는 시작 상태로 정의한다.
이와 같은 Idle 모드는 사용자 입력부와 구동 모듈 사이에 유선통신이 진행되나 실질적인 제어부(190)의 구동이 시작되지 않는다.
스탠바이 모드(S30)는 대상물 감지 모드(S20) 이후의 단계로서, 무선전력 전송을 위한 영역에 대상물(1)이 있는 경우에 이물질 판단을 위해 제2 동작 주파수로 인버터(140) 구동을 수행하는 주파수 변경 구간으로 정의한다.
이때, 스탠바이 모드(S30)에서는 초기 동작 주파수로부터 제2 동작 주파수로 주파수 스윕(sweep)이 발생하고, 제2 동작 주파수까지 도달하면 실질적인 이물질 감지 모드(S40)로 진입하게 된다.
이때, 처음부터 제2 동작 주파수로 발진하지 않는 것은 dc 링크의 전압이 충전된 상태에서 제2 동작 주파수, 즉 초기 동작 주파수보다 낮은 주파수에서의 구동 시에 구동 소음이 발생할 수 있어 단계를 두고 발진을 유도하게 된다.
다음의 이물질 감지 모드(S40)는 제2 동작 주파수로 구동하며 수신측, 즉 대상물(1)의 통신 페어링이 진행된 상태에서 대상물(1)의 부하 전압 정보를 수신하여 이물질 여부를 판단하는 구간으로 정의한다.
이때, 이물질이 존재한다고 판단되면 Idle 모드로 다시 진입하고, 이물질이 있음을 사용자에게 알리고 이물질이 없는 경우 소프트 스타트 모드(S50)로 진입하게 된다.
즉, 이물질 감지 모드(S40)부터 수신측, 즉 대상물(1)이 유도 전류에 의해 전원이 주입되어 활성화되는 상태로서, wakeup 모드로 정의되고, 무선 통신이 페어링되어 수신측과 송신측이 서로 통신 시작된다.
소프트 스타트 모드(S50)는 대상물(1)에서 요청하는 레벨의 파워를 무선 전력 전송 장치(10)에서 동작하기 위해 해당 전력에 해당하는 주파수까지 변동하는 구간으로 정의된다.
소프트 스타트 모드(S50)에서 대상물(1)이 요청하는 레벨의 파워 근처에 도달하면 정상 동작 모드(S60)로 진입할 수 있다.
한편, 소프트 스타트 모드(S50)에서도 추가 감지 모드를 수행할 수 있다.
추가 감지 모드에서는 소물 가전의 전력 전송 전 재확인을 위해 추가적인 감지를 수행하는 구간으로 정의된다.
즉, 추가 감지 모드에서 사용자가 실제 선택한 모드를 재확인하고, 무부하와 소물 가전 사이에 판단 착오가 있는지 여부를 재확인 할 수 있다.
정상 동작 모드(S60)는 대상물(1)이 요청하는 레벨의 전력까지 일정한 레벨을 두고, 요청 출력의 변동을 모니터링하여 실제 출력이 요청 출력과 차이가 있는지 판단하는 구간으로 정의한다.
이때, 실제 출력과 요청 출력 사이에 차이가 발생하는 경우, 실제 출력이 요청 출력보다 작은 경우 파워 업 모드(power up mode)로 진행하여 동작 주파수를 낮추어 출력을 높일 수 있으며, 실제 출력이 요청 출력보다 높은 경우 파워 다운 모드(power down mode)로 진행하여 동작 주파수를 높임으로써 출력을 낮출 수 있다.
대상물(1) 측에서는 사용자가 대상물(1)의 동작 선택 및 동작 시작에 따라서, 작은 파워 혹은 큰 파워의 요청에 따라 제어부(190)가 그에 맞게 요청 출력으로 동작을 수행하게 된다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 이물질 감지 모드(S40)가 진행되면서 편심 등의 다른 상황에 대한 변수를 제거한 후 이물질 감지를 수행할 수 있다(S40).
즉, 이물질 감지 모드(S40)에서 대상물(1)로부터 부하 전압을 수신하여 이물질이 존재하는 경우, 무선 전력 전송 효율이 저하됨에 따라 부하 전압의 저하를 감지하여 이물질 여부를 판단할 수 있다.
무선전력전송장치의 입력 전압이 변동하는 조건, 또는 대상물과 워킹 코일의 편심이발생하는 경우에도 부하 전압의 저하가 발생할 수 있다.
다라서, 입력 전압이 변동하거나 편심이 발생하는 경우, 이와 같은 변수를 제거하도록 보상하여 이물질 여부를 판단하는 방법을 제공한다.
이하에서는 도 9 내지 도 11c를 참고하여 본 발명의 이물질 감지 모드에서의 이물질 감지 방법에 대하여 상세히 설명한다.
도 9는 전력 전송 중의 편심 및 이물질 판단 동작을 나타내는 순서도이고, 도 10a 및 도 10b는 입력전압에 따른 보상 방법을 도시한 그래프이며, 도 11a 내지 도 11c는 편심 보상의 일 예를 나타내는 그래프이다.
도 9를 참고하면, 스탠바이 모드가 종료되고, 이물질 감지 모드가 시작되면, 제2 동작 주파수로 인버터(140)를 구동하면서 대상물(1)에 통신을 진행하면서 무선 전력 전송을 시작한다(S100).
이때, 전송되는 무선 전력은 원하는 출력에 도달하는 전력은 아니며, 준비 단계에서의 소량의 전력을 의미한다.
따라서, 유도 가열 가능한 무선 전력 전송 장치(10)의 인버터(140)는 제2 동작 주파수에 의해 스위칭 소자가 온오프하여 입력 전류가 흐르게 되며, 이에 따라 워킹 코일(12)에 대기 전압이 설정되고 공진 전류가 흐른다.
이때, 제어부(190)는 대상물(1)(1)인 소물 가전의 통신부(24)로부터 무선 통신을 통해 부하 전압에 대한 정보를 수신한다(S110).
제어부(190)는 해당 부하 전압을 판독하고, 현재 입력 전압에 따라 해당 부하 전압 값을 보상한다.
즉, 제어부(190)는 현재 입력 전압이 제1 기준 입력 전압이 아닌 경우, 수신된 부하 전압의 크기를 제1 기준 입력 전압인 경우로 보상하여 보상된 부하 전압을 산출한다.
이와 같은 부하 전압의 변환은 다음의 표를 통해 수행가능하다.
입력 전압 보상 전 보상 후
입력전압 입력전류
(44kHz)		 공진전류
(44kHz)		 부하전압 입력전류 편차 공진전류 편차 부하전압 편차 부하전압 보상 부하전압 실제값
193 372 452 71 34 253 79 150 152
193 372 452 71 34 253 79 150
193 372 450 71 34 255 79 150
193 372 452 71 34 253 79 150
204 377 493 84 29 212 66 150 151
204 376 493 84 30 212 66 150
204 376 493 84 30 212 66 150
204 377 493 84 29 212 66 150
214 383 533 96 23 172 54 150 150
214 383 533 96 23 172 54 150
214 382 534 96 24 171 54 150
214 383 534 96 23 171 54 150
226 392 581 111 14 124 39 150 151
226 392 581 111 14 124 39 150
226 391 582 111 15 123 39 150
226 390 582 111 12 123 39 150
237 395 624 124 11 81 26 150 151
237 395 624 124 11 81 26 150
237 395 624 124 11 81 26 150
237 395 623 124 11 82 26 150
248 401 666 137 5 39 13 150 151
248 401 666 137 5 39 13 150
248 401 666 137 5 39 13 150
248 401 666 137 5 39 13 150
259 406 705 150 0 0 0 150 151
259 407 708 150 -1 -3 0 150
259 406 706 150 0 -1 0 150
259 406 706 150 0 -1 0 150
구체적으로, 제어부(190)는 표 1과 같은 입력 전압, 즉 벽 전원으로부터 무선전력 전송장치(10)에 제공되는 상용 전원인 입력 전압의 값에 따라 제2 동작 주파수에 대한 입력 전류의 값과 공진 전류의 값, 그리고 대상물(1)의 부하 전압의 값에 대한 기준 데이터를 가질 수 있다.해당 무선 전력 전송 장치(10)를 통해 무선 전력을 전송받는 대상물(1)인 소물 가전의 종류 및 크기가 제한적이며, 수신 코일(15) 자체의 설계 시에 이미 수신 코일(15)에 설정되는 부하 전압의 크기를 동작 주파수의 크기에 따라 실험 데이터로 저장하여 보유할 수 있다.
따라서, 제어부(190)는 실제 동작에서 제2 동작 주파수에 대하여 특정 입력 전압에 대한 부하 전압을 수신하였을 때, 이를 제1 기준 입력 전압에 대한 값으로 보상을 수행할 수 있다.
이때, 제1 기준 입력 전압은 259V 일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
표 1은 제1 동작 주파수가 44kHz 일 때를 기준으로 나타낸 것이나, 이에 한정되지 않는다.
제어부(190)는 다양한 크기의 입력 전압에 대하여 제2 동작 주파수로 인버터(140)를 구동하는 경우의 인버터(140)에 인가되는 입력 전류의 값, 및 워킹 코일(12)에 흐르는 공진 전류의 값 및 무선 전력을 수신하는 수신단인 대상물(1)의 수신 코일(15)에 인가되는 부하 전압에 대한 정보를 바탕으로 도 10a 및 도 10b와 같은 그래프를 산출할 수 있다.
이때, 제어부(190)는 표 1과 같이 제2 동작 주파수에서, 제1 기준 입력 전압인 259V일 때의 공진 전류, 입력 전류 및 부하 전압과 다른 입력 전압일 때의 공진 전류, 입력 전류 및 부하 전압의 편차를 연산한다.
이때, 공진 전류 및 입력 전류는 카운트마다 감지되는 값에 대한 소정 적산 값일 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
이와 같은 연산 결과는 표 1의 우측에 기재되어 있다.
이와 같은 편차 정보 또한 제어부(190)가 보유할 수 있다.
제어부(190)는 공진 전류, 입력 전류 및 부하 전압 각각에 대한 도 10a 및 도 10b와 같은 그래프를 산출한다.
각 그래프의 x축은 입력 전압을 나타내고, y축은 각 파라미터의 편차 값을 나타낸다.
일 예로, 도 10a는 공진 전류에 대한 것으로서, 입력 전압에 대한 공진 전류 편차(제1 기준 입력 전압일 때의 공진 전류와 해당 입력 전압일 때의 공진 전류의 차)에 대한 그래프이다.
도 10a를 참고하면, 해당 그래프는 1차 함수(f1)로 도출될 수 있으며, 이에 따라 기울기와 y절편이 산출 가능하다.
도 10c는 부하 전압에 대한 것으로서, 입력 전압에 대한 부하 전압 편차(제1 기준 입력 전압일 때의 부하 전압과 해당 입력 전압일 때의 부하 전압의 차)에 대한 그래프이다.
도 10c를 참고하면, 해당 그래프 역시 1차 함수(f2)로 도출될 수 있으며, 이에 따라 기울기와 y절편이 산출 가능하다.
한편, 입력 전류에 대한 함수 역시 도 10a 또는 도 10b와 같이 산출 가능하다.
따라서, 각 함수에 의해 현재 입력 전압 값을 알고, 대상물(1)로부터의 정보에 의해 부하 전압 정보를 읽어들인 경우, 이를 각 그래프에 대한 함수에 반영함으로써 편차 값을 산출할 수 있다.
따라서, 현재 부하 전압 값에 해당 편차 값을 더함으로써 현재 입력 전압이 아닌 제1 기준 입력 전압으로 환산했을 때의 부하 전압 값을 보상된 부하 전압 값으로 산출 가능하다.
동일한 방법으로, 제어부(190)는 해당 공진 전류, 입력 전류의 값을 현재 입력 전압에 대한 값이 아닌, 제1 기준 입력 전압이 인가되는 경우로 환산한 보상된 공진 전류와 보상된 입력 전류를 각각 산출 가능하다.
이때, 제어부(190)는 먼저 제1 기준 입력 전압에 대하여 공진 전류 및 입력 전류에 대한 보상값을 연산할 수 있으며(S120), 보상된 공진 전류의 값이 보상된 입력 전류보다 큰 경우에 부하 전압에 대한 보상을 진행할 수 있다(S130).
보상을 진행하는 때에 보상된 공진 전류가 보상된 입력 전류보다 크지 않은 경우에는 이물질이 있는 것으로 판단하고, 동작을 종료할 수 있다.
한편, 제어부(190)는 보상된 공진 전류의 값이 보상된 입력 전류보다 큰 경우, 제1 기준 입력 전압에 대한 대상물(1)의 부하 전압의 보상을 진행하여, 보상된 부하 전압값을 산출하게 된다(S140).
이때, 제어부(190)는 각 파라미터, 즉 공진 전류, 입력 전류 및 부하 전압에 대하여 각 그래프에 대한 함수를 저장하고 있을 수 있으며, 각 함수의 기울기 및 y절편값을 디지털화하여 감지된 값과 연산을 수행할 수 있다.
이때, 각 파라미터의 보상 식은 다음과 같이 변형 가능하다.
먼저, 도 10a에 대하여, 공진 전류에 대한 아날로그 값의 그래프는 다음과 같은 함수(f1)로 표현 가능하다.
[수학식 1]
y=-0.8851x + 1003.1
앞서 설명한 바와 같이, x값은 입력 전압, y 값은 공진 전류 적산 값의 편차(제1 기준 입력 전압에 대한 현재 입력 전압에서의 공진 전류 적산 값의 차)를 각각 의미할 수 있다. 이때, 공진 전류의 값이 큰 경우에는 복수의 카운트에 대한 적산값이 아닌 특정 카운트에서의 공진 전류 값으로 대체 가능하다.
이와 같은 수학식 1은 다음의 수학식 2로 디지털화하여 제어부(190)에서 연산 가능하다.
[수학식 2]
보상된 공진 전류=현재 공진 전류 적산값 + 제2 보상값 -제1 보상값,
제1 보상값=3*현재 입력 전압 + 600 * 현재 입력 전압/210,
제2 보상값= k
이때, 현재 공진 전류 적산값은 소정 카운트에 대한 공진 전류의 적산값이며, 현재 입력 전압은 현재 벽전원 즉 상용 전원의 RMS 전압값일 수 있다.
이때, 제2 보상값은 함수 값에 따라 가변할 수 있으나, 현재 그래프에 대한 수학식 1에 대하여는 935으로 설정될 수 있다.
한편, 이와 유사하게 입력 전류의 값을 변환 가능하다.
즉, 입력 전류 적산값의 데이터를 이용하여 아날로그 함수를 산출가능하며, 해당 아날로그 함수 값을 디지털화하는 연산을 수행할 수 있다.
이때, 디지털화하는 연산은 다음의 수학식 3과 같이 진행된다.
[수학식 3]
보상된 입력 전류=현재 입력 전류 적산값 + 제2 보상값 -제1 보상값,
제1 보상값=543 * 현재입력전압/210,
제2 보상값= m
이때, m 값은 함수값에 따라 결정되나, 표 1에 대하여는 137일 수 있다.
한편, 부하 전압의 값도 이와 유사하게 산출 가능하다.
즉 도 10b를 기준으로 산출된 함수는 수학식 4를 충족한다.
[수학식 4]
y= -1.2007x+310.76
이때, 앞서 설명한 바와 같이, x값은 입력 전압, y 값은 부하 전압 값의 편차(제1 기준 입력 전압에 대한 부하 전압과 현재 입력 전압에서의 부하 전압의 차)를 각각 의미한다.
이와 같은 수학식 4는 다음의 수학식 5로 디지털화하여 제어부(190)에서 연산 가능하다.
[수학식 5]
보상된 부하 전압=현재 부하 전압 + 제2 보상값 -제1 보상값,
제1 보상값=현재 입력 전압 + 300 * 현재 입력 전압/210,
제2 보상값= n
이때, 제2 보상값은 함수 값에 따라 가변할 수 있으나, 현재 그래프에 대한 수학식 4에 대하여는 332으로 설정될 수 있다.
이와 같이 수신된 값을 디지털화하여 각 함수에 대입함으로써 파라미터들의편차를 구하고, 이를 현재 데이터값에 더함으로써 제1 입력 기준 전압에 대한 보상된 부하 전압이 산출된다.
따라서, 제어부(190)는 입력 전압이 제1 입력 기준 전압이 아니더라도 제1 입력 기준 전압일 때로 부하 전압을 환산하여 다음 연산이 가능하다.
이와 같이 환산하여 보상된 부하 전압에 대한 이물질 여부를 판단함으로써 입력 전압의 변동에 대한 부하 전압의 천이를 고려하지 않고 정확한 이물질에 의한 전압 변동을 감지할 수 있다.
다음으로, 제어부(190)는 워킹 코일(12)과 대상물(1)의 수신 코일(15) 사이에 편심에 의한 부하 전압의 저하를 보상한다(S150).
즉, 두 코일(12, 15) 사이에 발생하는 편심에 의한 전압 강하를 보상함으로써 전압 강하에 대한 요소를 이물질만으로 한정할 수 있으며, 이와 같은 보상 결과에 따라 정확한 이물질 존재 여부를 판단할 수 있다.
편심에 대한 부하 전압의 보상은 다음과 같은 표 2에 의해 산출 가능하다.
편심보상전
편심량 입력 전류 공진 전류 부하 전압 부하 전압 편차
0 384 603 187 -35
0 385 603 187 -35
0 382 603 187 -35
0 382 603 187 -35
10 386 627 182 -30
10 387 627 182 -30
10 387 627 182 -30
10 387 627 183 -31
15 392 645 177 -25
15 392 645 177 -25
15 392 645 176 -24
15 392 645 176 -24
20 401 671 166 -14
20 401 671 166 -14
20 399 671 164 -12
20 399 671 164 -12
25 407 704 152 0
25 407 704 152 0
25 406 704 152 0
25 407 704 152 0
표 2를 참고하면, 제어부(190)는 제1 기준 입력 전압일 때, 제2 동작 주파수에 대한 편심량에 대한 입력 전류, 공진 전류 및 부하 전압에 대한 데이터를 포함하고 있다.즉, 표 2의 데이터는 실험 또는 시뮬레이션에 의해 신츨된 각각의 파라미터에 대한 값으로서, 제어부(190)는 제1 기준 입력 전압뿐만 아니라 후에 설명하는 제2 기준 입력 전압에 대하여도 각 파라미터에 대한 편심량에 따른 데이터를 저장하여 보유할 수 있다.
한편, 제어부(190)는 각 파라미터에 대한 데이터에 대하여 제1 편심량에 대한 편차값을 연산하여 표 2과 같이 함께 저장할 수 있다.
이때, 제1 편심량은 최대 편심량인 25mm로 설정 가능하나 이에 한정되지 않는다.
제1 편심량에 대한 입력 전류 편차, 공진 전류 편차 및 부하 전류 편차를 각각 연산하고, 각각의 파라미터에 대한 편차 값과 편심량에 대한 그래프를 도 11a 내지 도 11c와 같이 구할 수 있다.
즉, 도 11a는 편심 보상 전의 다양한 편심량에 대한 부하 전압을 나타내는 그래프이다.
이와 같은 값에 대하여, 도 11b와 같이 제1 편심량에 대한 편차 값을 도출한 후, 편차 값을 y축으로 산정하고, x축을 보상된 공진 전류(제1 기준 입력 전압에 대한 보상값)로 산정하여 그래프를 도출하면, 해당 부하전압 편차의 함수(f3)는 수학식 6을 충족한다.
[수학식 6]
y= 0.3579x - 253.17
즉, 입력 전압이 보상된 부하 전압을 제1 편심량을 가지는 경우로 가정하도록 수학식 6을 적용하면, 편차 보상된 부하 전압 값은 도 11c와 같이 모든 편심량에 대하여 모두 동일/유사한 레벨의 값을 갖게 된다.
이때, 앞서 설명한 바와 같이 부하 전압에 대한 함수 값은 아날로그 값을 가지므로 이를 디지털화하여 제어부(190)에서 연산을 수행하면 수학식 7과 같이 연산 가능하다.
[수학식 7]
편차 보상된 부하 전압=입력 전압 보상된 부하 전압 + 제1 보상값 -제2 보상값,
제1 보상값= 367 * 공진전류 적산값/210,
제2 보상값= a
이때, 제2 보상값은 함수 값에 따라 가변할 수 있으나, 현재 그래프에 대한 수학식 7에 대하여는 253으로 설정될 수 있다.
이와 같이 수신된 공진 전류 적산 값을 디지털화하여 편심 보상 함수(f3)에 대입함으로써 편차를 구하고, 이를 현재 데이터값에 더함으로써 제1 입력 기준 전압에 대한 보상 및 편차에 대해 보상된 제1 최종 부하 전압이 산출된다.
제어부(190)는 이와 같이 산출된 제1 최종 부하 전압을 기초로 이물질 여부를 판단한다(S160).
즉, 제1 최종 부하 전압 값이 제1 값(V1) 이상을 충족하고, 제2값(V2) 이하를 충족하면, 이물질이 없는 것으로 판단하고(S200), 다음 단계인 소프트 스타트 모드로 진입한다.
한편, 제1 최종 부하 전압이 제1 값(V1)과 제2값(V2) 사이를 충족하지 않는 경우, 제어부(190)는 제2 기준 입력 전압에 대한 부하 전압의 보상을 다시 연산한다(S170).
즉, 제어부(190)는 표 1과 같은 데이터를 제2 기준 입력 전압에 대하여도 저장하고 있으며, 제2 기준 입력 전압에 대하여 해당 입력 전류 적산값, 공진 전류 적산값에 대하여 보상을 진행한다(S160).
이때, 제2 기준 입력 전압은 한국의 상용 전원인 220V를 충족할 수 있다.
따라서, 제2 기준 입력 전압일 때의 각 파라미터의 편차를 연산하고, 각 파라미터에 대하여 편차와 입력 전압 사이의 함수를 도출할 수 있다.
제어부(190)는 각 파라미터의 함수를 생성하면, 이와 같은 수식을 디지털화하여 보상된 공진 전류 적산값 및 입력 전류 적산값을 산출한다.
이때, 디지털화한 보상된 입력 전류 적산값은 수학식 8과 같을 수 있으며, 보상된 공진 전류 적산값은 수학식 9와 같을 수 있으나, 각 계수는 파라미터의 함수에 따라 변형 가능하다.
[수학식 8]
보상된 입력 전류 적산값=현재 입력 전류 적산값 + 제2 보상값 -제1 보상값,
제1 보상값=556 * 현재입력전압/210,
제2 보상값=b
이때, b 값은 함수값에 따라 결정되나, 본 실시예에서는 80일 수 있다.
[수학식 9]
보상된 공진 전류 적산값=현재 공진 전류 적산값 + 제2 보상값 -제1 보상값,
제1 보상값=3*현재입력전압 + 429 * 현재입력전압/210,
제2 보상값= c
이때, 현재 공진 전류 적산값은 소정 카운트에 대한 공진 전류 감지값의 적산값이며, 현재 입력 전압은 현재 벽전원 즉 상용 전원의 RMS 전압값일 수 있다.
이때, 제2 보상값은 함수 값에 따라 가변할 수 있으나, 본 실시예에서는 771일 수 있다.
이와 같이 제2 기준 입력 전압에 대하여 현재 입력 전압 값을 보상한 공진 전류 적산값과 입력 전류 적산값을 산출하면, 해당 입력 전류 적산값과 공진 전류 적산값을 서로 비교한다(S170).
제어부(190)는 보상된 공진전류 적산값이 입력 전류 적산값보다 작은 경우, 이물질이 존재하는 것으로 판단한다.
이때, 제어부(190)는 보상된 공진 전류 적산값이 보상된 입력 전류 적산값보다 큰 경우, 원활하게 무선 전력 전송이 진행되는 것으로 판단하고, 제2 기준 입력 전압에 대한 부하 전압 보상을 진행하고, 해당 값에 다시 편심 보상을 진행하여 제2 최종 부하 전압을 산출한다(S180).
이와 같은 부하 전압에 대한 제1 기준 입력 전압을 기준으로 하는 입력 전압 보상 및 편심 보상은 앞서 설명한 표 1 및 표 2와 같은 데이터를 제2 기준 입력 전압에 대하여 포함하고 있을 때, 해당 데이터를 기초로 산출되는 함수에 의해 도출할 수 있다.
이때, 해당하는 함수를 디지털화하여 연산하는 수학식 10 및 11은 다음과 같다.
[수학식 10]
보상된 부하 전압=현재 부하 전압 + 제2 보상값 -제1 보상값,
제1 보상값=현재 입력 전압 + 322 * 현재 입력 전압/210,
제2 보상값= d
이때, 제2 보상값은 함수 값에 따라 가변할 수 있으나, 본 실시예에서는 297로 설정될 수 있다.
이와 같이 수신된 값을 디지털화하여 각 함수에 대입함으로써 편차를 구하고, 이를 현재 데이터값에 더함으로써 제2 입력 기준 전압에 대한 보상된 부하 전압이 산출된다.
다음으로, 제2 입력 기준 전압에 대한 보상된 부하 전압을 기초로 수학식 11을 적용하여 편차 보상을 수행한다.
[수학식 11]
편차 보상된 부하 전압=입력 전압 보상된 부하 전압 + 제1 보상값 -제2 보상값,
제1 보상값= 330 * 공진전류 적산값/210,
제2 보상값= e
이때, 제2 보상값은 함수 값에 따라 가변할 수 있으나, 본 실시예에 대하여는 158로 설정될 수 있다.
이와 같이 수신된 값을 디지털화하여 제2 기준 입력 전압에 대한 보상된 부하 전압에 편심 보상을 위한 부하 전압 편차를 구하여 더하면 제2 입력 기준 전압에 대한 보상 및 편차에 대해 보상된 제2 최종 부하 전압이 산출된다.
제어부(190)는 이와 같이 산출된 제2 최종 부하 전압을 기초로 이물질 여부를 판단한다(S190).
즉, 제2 최종 부하 전압 값이 제3 값(V3) 이상을 충족하고, 제4값(V4) 이하를 충족하면, 이물질이 없는 것으로 판단하고, 다음 단계인 소프트 스타트 모드로 진입한다.
한편, 제2 최종 부하 전압이 제3 값(V3)과 제4값(V4) 사이를 충족하지 않는 경우, 제어부(190)는 이물질이 존재하는 것으로 최종적으로 판단한다.
이때, 제1 최종 부하 전압의 임계 값인 제1값(V1)과 제2값(V2)은 제3값(V3) 및 제4값(V4)과 각각 동일할 수 있으나, 전체적으로 서로 다른 범위를 나타내도록 상이할 수 있다. 즉, 임계 값 중 일부만 서로 상이할 수 있으며, 일 예로 제1 내지 제4 값(V1-V4)은 각각 149, 200, 138, 및 200일 수 있다.
이와 같이, 제1 기준 입력 전압에 대한 입력 전압을 보상하고, 편심을 보상하여 이물질 여부를 1차적으로 판단하고, 이에 이물질이 있는 것으로 판단되면, 다시 제2 기준 입력 전압에 대한 동일한 연산을 수행하여, 제2 기준 입력 전압에 대하여도 이물질이 존재하는 것으로 판단되면 최종적으로 이물질이 존재하는 것으로 판단한다.
제어부(190)는 이물질이 있는 경우로 판단되면, 전력 전송을 중지, 즉 인버터(140) 구동을 중지하고, 사용자에게 알람하여 이물질 제거를 유도할 수 있다(S200).
이와 같이, 이물질에 의한 부하 전압 강하를 판단하기 위하여, 다른 전압 강하의 요인을 모두 제거하는 보상을 수행하는 한편, 복수회에 걸쳐 연산을 수행하여 판단의 신뢰성을 확보함으로써 이물질이 존재하는지 여부를 명확하게 판단 가능하다.
따라서, 이물질이 있는 경우를 확실히 판단하고, 이물질이 존재하는 경우, 동작을 중지하고 사용자에 알림하여 이물질을 제거함으로써 안전하게 무선전력 전송을 수행할 수 있다.
1: 대상물 10: 유도 가열 가능한 무선 전력 전송 장치.
11: 상판 글라스 13: 폐라이트
15: 수신 코일 20: 자기장
21: 수신전력 처리부 23 : 내부 부하
24: 통신부 25: 소물 제어부
12, 150 : 워킹 코일 120: 정류부
130: dc링크 커패시터 140: 인버터
160: 공진 커패시터 190: 제어부

Claims (21)

  1. 사용자 선택에 따라 모드를 변경하며 상기 모드에 따라 동작 주파수를 변경하여 대상물을 유도 가열하거나, 상기 대상물로 무선 전력을 전송하는 워킹 코일;
    동작 주파수에 따라 온오프되어 상기 전력을 생성하는 인버터;
    상기 사용자가 무선 전력 전송 모드를 선택하는 경우, 무선 전력 전송을 수행하면서 상기 대상물로부터의 부하 전압을 수신하고, 상기 부하 전압을 보상하여 상기 워킹 코일에 이물질이 있는지 여부를 판단하는 제어부
    를 포함하는
    유도가열 가능한 무선 전력 전송 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 무선 전력 전송을 진행하는 정상 모드 이전에 상기 준비 구간을 포함하며,
    상기 준비 구간에서 상기 워킹 코일에 이물질이 있는지 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 유도 가열 가능한 무선 전력 전송 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는 특정 동작 주파수로 상기 인버터를 구동하면서, 상기 대상물로부터 상기 부하 전압에 대한 정보를 수신하고, 상기 부하 전압에 현재 입력 전압에 따른 보상을 수행하여 보상된 상기 부하 전압에 따라 상기 이물질이 있는지 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 유도 가열 가능한 무선 전력 전송 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 현재 입력 전압이 제1 기준 입력 전압인 경우로 환산하여 상기 현재 입력 전압에 대한 상기 부하 전압 변동을 제거하는 보상을 수행하여 상기 보상된 부하 전압을 산출하는 것을 특징으로 하는 유도 가열 가능한 무선 전력 전송 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 보상된 부하 전압에 대하여, 상기 워킹 코일과 상기 대상물의 수신 코일 사이의 편심량에 대한 보상을 수행하여 최종 부하 전압을 산출하는 것을 특징으로 하는 유도 가열 가능한 무선 전력 전송 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 최종 부하 전압에 따라 상기 이물질이 있는지 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 유도 가열 가능한 무선 전력 전송 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는 제1 기준 입력 전압에 대한 최종 부하 전압이 이물질이 있는것으로 판단되는 경우, 제2 기준 입력 전압에 대하여 최종 부하 전압을 더 산출하여 이물질 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 유도 가열 가능한 무선 전력 전송 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는 제1 기준 입력 전압에 대한 최종 부하 전압 및 상기 제2 기준입력 전압에 대한 최종 부하 전압이 모두 소정 범위를 벗어나는 경우, 이물질이 있는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 유도 가열 가능한 무선 전력 전송 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제1 기준 입력 전압에 대한 최종 부하 전압 및 상기 제2 기준입력 전압에 대한 최종 부하 전압에 대하여 이물질이 있는 것으로 판단하는 범위는 서로 상이한 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 유도 가열 가능한 무선 전력 전송 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 유도가열 가능한 무선 전력 전송 장치는
    상기 대상물이 올려지는 상부 글라스, 및
    상기 사용자로부터 모드 선택을 유도하는 사용자 입력부를 더 포함하는
    것을 특징으로 하는 유도 가열 가능한 무선 전력 전송 장치.
  11. 사용자 선택에 따라 모드를 변경하며 상기 모드에 따라 대상물을 유도 가열하거나 무선 전력을 전송하는 워킹 코일을 포함하는 유도가열 가능한 무선 전력 전송 장치의 구동 방법에 있어서,
    상기 사용자의 선택 정보가 무선 전력 전송 모드임을 확인하는 단계;
    상기 사용자가 무선 전력 전송 모드를 선택하는 경우, 소정의 동작 주파수로무선 인버터를 구동하며 상기 대상물로부터의 부하 전압을 수신하고, 상기 부하 전압을 보상하여 상기 워킹 코일에 이물질이 있는지 여부를 판단하는 준비 단계; 및
    상기 대상물에 무선 전력 전송을 전송하는 정상 모드 단계
    를 포함하는
    유도 가열 가능한 무선 전력 전송 장치의 구동 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 준비 단계는,
    상기 소정의 동작 주파수로 상기 인버터를 구동하면서, 상기 대상물로부터 상기 부하 전압에 대한 정보를 수신하고, 상기 부하 전압에 현재 입력 전압에 따른 보상을 수행하여 보상된 상기 부하 전압에 따라 상기 이물질이 있는지 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 유도 가열 가능한 무선 전력 전송 장치의 구동 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 준비 단계는, 상기 현재 입력 전압이 제1 기준 입력 전압인 경우로 환산하여 상기 현재 입력 전압에 대한 상기 부하 전압 변동을 제거하는 보상을 수행하여 상기 보상된 부하 전압을 산출하는 것을 특징으로 하는 유도 가열 가능한 무선 전력 전송 장치의 구동 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 준비 단계는,
    상기 보상된 부하 전압에 대하여, 상기 워킹 코일과 상기 대상물의 수신 코일 사이의 편심량에 대한 보상을 수행하여 최종 부하 전압을 산출하는 것을 특징으로 하는 유도 가열 가능한 무선 전력 전송 장치의 구동 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 준비 단계는,
    상기 최종 부하 전압에 따라 상기 이물질이 있는지 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 유도 가열 가능한 무선 전력 전송 장치의 구동 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 준비 단계는,
    상기 제1 기준 입력 전압에 대한 최종 부하 전압이 이물질이 있는 것으로 판단되는 경우, 제2 기준 입력 전압에 대하여 최종 부하 전압을 더 산출하여 이물질 여부를 판단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 가열 가능한 무선 전력 전송 장치의 구동 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 준비 단계는 제1 기준 입력 전압에 대한 최종 부하 전압 및 상기 제2 기준입력 전압에 대한 최종 부하 전압이 모두 소정 범위를 벗어나는 경우, 이물질이 있는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 유도 가열 가능한 무선 전력 전송 장치의 구동 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제1 기준 입력 전압에 대한 최종 부하 전압 및 상기 제2 기준입력 전압에 대한 최종 부하 전압에 대하여 이물질이 있는 것으로 판단하는 범위는 서로 상이한 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 유도 가열 가능한 무선 전력 전송 장치의 구동 방법.
  19. 제11항에 있어서,
    상기 준비 단계는,
    상기 특정 동작 주파수에 대하여, 상기 입력 전압의 변동에 대한 상기 대상물의 상기 부하 전압에 대한 데이터를 기초로 상기 제1 기준 입력 전압에 대한 상기 부하 전압의 편차를 연산하여 상기 부하 전압의 편차와 상기 입력 전압 사이의 함수에 의해 상기 보상된 부하 전압을 연산하는 것을 특징으로 하는 유도 가열 가능한 무선 전력 전송 장치의 구동 방법.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 준비 단계는,
    상기 제1 기준 입력 전압에 대하여 공진 전류의 값을 보상하고, 상기 제1 편심량에 대하여 보상된 부하 전압의 편차를 연산하여, 보상된 상기 공진 전류와 상기 보상된 부하 전압의 편차 사이의 함수에 의해 상기 최종 부하 전압을 산출하는 것을 특징으로 하는 유도 가열 가능한 무선 전력 전송 장치의 구동 방법.
  21. 제18항에 있어서,
    상기 준비 단계에서 상기 이물질이 있다고 판단되면, 사용자 알람을 수행하고 인버터 동작을 중지하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 가열 가능한 무선 전력 전송 장치의 구동 방법.
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