KR101604600B1 - 무선 파워 송신 시스템 - Google Patents

Abstract

무선 파워 송신 시스템은 다수의 자기장 생성기 회로들을 갖는 베이스 유닛(1) 및 수신 인덕터를 가지는 베이스 유닛(1)으로부터 분리가능한 디바이스(10)를 포함하고, 수신 인덕터는 디바이스(10)가 생성기 회로들 중 하나에 근접할 때, 유도적으로 파워를 수신하도록 적응되고, 베이스 유닛(1)은 수신 인덕터가 송신 회로(2')에 근접할 때, 생성기 회로들로부터 송신 회로(2')를 결정하도록 구성된 제어기(3)를 포함하고, 송신 회로(2')는 수신 인덕터에 전류를 유도하기 위해 제 1 위상을 가지는 제 1 자기장(8)을 생성하도록 동작되고, 남은 생성기 회로들 중 적어도 하나는 보상 회로(2'', 52, 82)로서 동작되어 제 1 위상에 대해 역위상인 제 2 자기장(21)을 생성한다.

Description

무선 파워 송신 시스템{WIRELESS POWER TRANSMISSION SYSTEM}

본 발명은 무선 파워 송신 시스템 및 이를 동작시키기 위한 방법에 관한 것이다.

"모바일(mobile)" 또는 휴대용 전자 디바이스들은 오늘날 다양한 상업적 또는 개인적 애플리케이션들로 이용되고 있다. 이러한 디바이스들의 예들로는 모바일 전화기들, 노트북 컴퓨터들, 개인 휴대용 정보 단말기들(personal digital assistants; PDA) 또는 휴대용 음악 플레이어들을 포함한다. 상기에서 언급한 디바이스들은 일반적으로 디바이스 동작의 유지를 위해 주기적으로 재충전해야 하는 재충전가능한 배터리에 의해서 파워를 공급받는다. 재충전 또는 외부 파워의 공급 용으로 각 디바이스는 디바이스 및 월 파워 아웃렛(wall power outlet)과 접속해야 하는 전용 파워 공급 유닛을 갖는 것이 보통이다. 대부분의 디바이스들이 서로 호환가능하지 않기 때문에 전용 파워 공급 유닛이 각 디바이스에 대해 필요하다.

이러한 디바이스들의 이용 총 수가 증가한다는 사실 때문에 재충전 공정에 들어가는 시간 및 노력을 감소시킨 무선 전원들이 개발되었다. US 2007/0182367A1에서는 이러한 무선 전원 및 충전 시스템이 개시되어 있다. 재충전될 하나 이상의 모바일 디바이스를 수용하기 위한 표면을 가지는 베이스 유닛이 제공된다. 각 모바일 디바이스의 대응하는 코일에 전류를 유도하는 자기장을 생성하기 위해 표면 아래에 몇몇 인덕터 코일들이 제공된다. 이러한 전류를 이용하여 모바일 디바이스의 재충전가능한 배터리를 재충전될 디바이스들 각각에 주문제작형 파워 공급 유닛을 접속하는 과정 없이 용이하게 재충전할 수 있다.

이러한 공지된 시스템으로 상기 디바이스를 무선으로 재충전하도록 허용하더라도 베이스 유닛의 인덕터 코일들은 EMC-민감성 환경들에서 문제들을 야기하며, 추가의 전자 디바이스들의 원하지 않는 방해를 야기할 수 있는 상당히 큰 마그네틱 스트레이 필드(magnetic stray field)를 생성한다.

따라서, 본 발명의 목적은 마그네틱 스트레이 필드가 감소되는 무선 파워 송신 시스템, 및 이러한 시스템을 동작시키기 위한 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적은 청구항 제 1 항에 따른 무선 파워 송신 시스템 및 청구항 제 13 항에 따른 무선 파워 송신 시스템을 동작시키기 위한 방법에 의한 본 발명에 따라 해결된다. 종속항들은 본 발명의 바람직한 실시예들에 관한 것이다.

본 발명의 기본 사상은 마그네틱 스트레이 필드를 유리하게 감소시켜 시스템의 전자기 호환성(EMC)를 강화시킨, 제 2 자기장에 의해 원거리장을 상쇄시키면서, 자기장이 디바이스와 근접한 영역, 즉 근거리 자기장(magnetic near-field)에 집중되어 있는 자기장에 의해 생성된 전기 유도를 이용하여 디바이스에 파워를 전송할 수 있는 무선 전기 파워 송신 시스템을 제공하는 것이다.

무선 파워 송신 시스템은 다수의 자기장 생성기 회로들을 갖는 베이스 유닛, 및 베이스 유닛과 분리가능하며, 수신 인덕터(receiving inductor)를 가지는 적어도 하나의 디바이스를 포함하고, 상기 수신 인덕터는 디바이스가 생성기 회로들 중 하나에 근접할 때, 유도적으로 파워를 수신하도록 적응된다.

파워를 전송하기 위해서 자기장 생성기 회로들 중 적어도 하나는 디바이스의 수신 인덕터에서 전류를 유도하는 자기장을 생성하도록 동작하며, 이하에 "송신 회로(transmission circuit)"라고 한다. 효과적인 에너지 전송을 획득하기 위해, 디바이스 및 수신 인덕터는 송신 회로에 물리적으로 근접해야 하며, 즉 송신 회로의 자기장의 근거리 영역에 있어야 한다. 생성기 회로들이 전도체 루프들 또는 권선들로서 제공되는 경우 바람직하게 수신 인덕터와 송신 회로 사이의 거리는 루프 또는 권선의 직경의 1/4까지의 범위 내에 있어야 한다.

베이스 유닛은 수신 인덕터가 송신 회로에 근접할 때, 생성기 회로들로부터 송신 회로를 결정하도록 구성된 제어기를 추가로 포함한다. 따라서 제어기는 각각 수신 인덕터를 갖는 디바이스가 생성기 회로들 중 하나에 근접하여 무선 파워 송신이 필요한지의 여부를 결정한다.

제어기는 마이크로제어기 또는 컴퓨터와 같은 베이스 유닛을 제어하기 위한 임의의 적합한 유형일 수 있다. 유선 및/또는 무선으로 베이스 유닛에 접속된 별개의 컴퓨터와 같은, 외부 유닛임이 가능할지라도, 제어기는 바람직하게 베이스 유닛의 내장된 부품일 수 있다.

그 다음, 송신 회로는 수신 인덕터에서 전류를 유도하기 위해 제 1 위상의 자속(magnetic flux)을 가지는 제 1 자기장인 제 1 위상을 가지는 제 1 자기장을 생성하도록 동작된다. 그 다음, 전류는 예를 들면, 디바이스의 전기 또는 전자 구성요소들에 파워를 공급하기 위해 디바이스에 제공되거나 재충전가능한 배터리를 충전하기 위해 제공될 수 있다.

남은 생성기 회로들 중 적어도 하나는 보상 회로로서 동작하여 제 1 위상에 대해 역위상을 가지는 제 2 자기장을 생성하고 즉, 제 2 자기장은 제 1 위상의 역위상인 제 2 위상의 자속을 갖는다. 본 발명의 콘텍스트(context)에서 "역위상(opposite phase)"이라는 용어는 제 1 위상에 대해 180 °의 위상차로 이해한다. 역위상 때문에 제 1 및 제 2 자기장의 자속은 언제나 반대 방향들이다. 따라서 제 2 자기장은 유효한 파워를 근거리장 영역에서 디바이스로 이동시킬 수 있으면서 시스템에 의해서 방출된 스트레이 필드를 유리하게 감소시키는 원거리 자기장 영역에서 제 1 자기장을 보상하는 역할을 한다.

원거리장 보상 효과에 더하여 제 1 자기장에 역위상인 제 2 자기장을 획득하기 위한 보상 회로로서 생성기 회로들 중 적어도 하나의 동작으로 근거리장 영역에서 송신 회로의 자속 증폭을 강화시켜 추가로 디바이스에 유도성 파워의 이동을 개선시킬 수 있다. 특히 이러한 효과는 각각의 송신 회로들에 보상 회로들이 근접하거나 또는 인접하게 위치하는 경우에 크며, 따라서 이것이 바람직하다.

물론 다수 디바이스들로의 평행 파워 전송을 위해 하나 이상의 디바이스가 각각의 송신 회로에 근접할 때, 하나 이상의 송신 회로들이 동시에 동작될 수 있다. 이러한 경우에 보상 회로가 동작되어 제 2 자기장의 위상은 다수 송신 회로들의 자기장들의 총합의 위상에 반대가 된다.

또한, 하나 이상의 생성기 회로들은 강화된 보상 효율성을 위한 보상 회로들로서 동작될 수 있다. 송신 또는 보상 회로로서 동작되지 않은 시스템의 남은 생성기 회로들은 바람직하게 시스템의 스트레이 필드를 추가로 감소시키기 위해 단지 약한 자기장만을 생성하도록 동작될 수 있다. 가장 바람직하게 남은 생성기 회로들은 스위칭-오프(switching-off)된다.

상기에서 언급한 것과 같이 제 2 자기장은 제 1 위상에 반대되는 상을 가져 원거리장 영역에서의 자기장의 캔슬레이션(cancellation)을 획득한다. 역위상을 갖는 제 2 자기장을 획득하기 위해서 당업에 공지되어 있는 임의의 방법을 이용할 수 있다. 바람직하게 보상 회로는 송신 회로를 위해 제공된 신호에 대응하지만 신호에 대해 역위상, 즉 180 °위상-시프트된 전기 신호로 동작된다.

베이스 유닛은 각각의 자기장들의 생성을 위한 전기 전류를 전계 생성기 회로들에 제공하기 위한 전계 생성기 회로들에 접속된, 추가 제어 회로 또는 하나 이상의 생성기들과 같은, 추가 구성요소들을 포함한다.

효율성이 강화된 원거리 자기장 영역의 전계들의 캔슬레이션을 획득하기 위해서, 송신 회로 및 적어도 하나의 보상 회로를 바람직하게 동작시켜 송신 회로의 표면적 및 유동 밀도에 기초한 제 1 자기장의 자속의 진폭은 보상 회로의 표면적 및 유동 밀도에 기초한 제 2 자기장의 자속의 진폭에 대응한다. 이러한 경우에 제 1 및 제 2 자기장들의 자기 쌍극자 모멘트들의 합은 효율성이 강화된 원거리 자기장에서 서로 해제된다. 송신 회로 및 하나 이상의 보상 회로는 코일들로서 제공되는 경우에 바람직하게 제 1 자기장의 자속은 각각의 코일들의 단면적 및 유동 밀도에 기초한 제 2 자기장의 자속에 대응한다.

본 발명의 콘텍스트에서 "대응하다(corresponds)"라는 용어는 제 1 및 제 2 자기장들의 자속의 동일한 진폭들을 포함하는 것이지만, 또한 ±50 %, 바람직하게는 ±20 %, 가장 바람직하게는 ±10 % 및 ±5 %의 편차들을 포함한다. 범위들 내의 자속을 선택하는 것은 원거리 자기장의 여전히 타당한 감소를 유발한다.

하나 이상의 송신 회로 또는 하나 이상의 보상 회로의 동작인 경우에 송신 회로들 및 보상 회로들이 동작되어 제 1 자기장의 자속, 즉 모든 송신 회로들에 의해 생성된 자속의 진폭은 바람직하게 모든 보상 회로들에 의해 생성된 제 2 자기장의 자속의 진폭, 즉 자속의 합에 대응한다. 이전에 언급한 것과 같이 제 1 자기장의 자속은 각각의 송신 및 보상 회로들의 표면적 및 유동 밀도에 기초한 제 2 자기장들의 자속에 대응한다.

자기장 생성기 회로들은 자기장을 효과적으로 생성할 수 있는 임의의 적합한 유형일 수 있다: 예를 들면, 간단한 전도체 루프 또는 이러한 전도체의 하나 이상의 권선들. 바람직하게, 생성기 회로들은 각각 자기장을 생성하기 위한 다수의 권선을 갖는 코일을 포함한다. 코일을 이용하면 효과적으로 자기장을 생성하고, 디바이스로의 유효한 파워 전송을 위한 적합한 전계 밀도를 제공할 수 있다. 본 발명의 개발에 따라 코일들은 인쇄 회로 기판(PCB)의 하나 이상의 계층의 인쇄 회로 기판(PCB)으로 제공된다. 바람직하게 코일들은 평면 코일들이며, 즉 비용 효율적인 제조가 가능한 PCB의 단일 계층으로 제공된다.

수신 인덕터는 예를 들면, PCB 상에 제공된 회로 또는 단순한 와이어 루프와 같은, 유도적으로 파워를 수신할 수 있는 임의의 유형의 전도체일 수 있다. 바람직하게 수신 인덕터는 코일이다.

상기에서 언급한 것과 같이 시스템의 효율성은 또한 유리하게 제 2 자기장의 자속의 진폭이 제 1 자기장의 자속의 진폭과 가깝거나 또는 동일한 경우에 강화된다. 따라서 송신 회로에 인가된 전압은 보상 회로에 인가된 전압에 대응한다. 부가적으로 또한 이에 더하여 대안적으로, 생성기들 회로 각각이 다수의 권선들을 갖는 코일을 포함하는 경우에는 바람직하게 송신 회로의 권선들의 수는 보상 회로의 권선들의 수에 대응한다. 하나 이상의 송신 회로 또는 하나 이상의 보상 회로가 동작되는 경우 모든 송신 회로들의 권선들의 총수는 모든 보상 회로들의 권선들의 총수와 매치되는 것이 가장 바람직하다.

디바이스는 이의 동작을 위해서 전기 파워가 필요한 임의 유형의 전기 또는 전자 디바이스일 수 있다. 바람직하게 디바이스는 모바일, 즉 휴대용 디바이스 또는 예를 들면, 의료 애플리케이션들의 분야에서의 주요 공급기에 직접 접속될 수 없는 디바이스이다. 가장 바람직하게, 디바이스는 에너지 저장 수단을 충전하기 위해서 수신 인덕터에 접속된 에너지 저장 수단을 포함하는 모바일 디바이스이다. 에너지 저장 수단은 예를 들면, 재충전가능한 배터리 또는 커패시터(capacitor) 예를 들면, "슈퍼캡(supercap)" 커패시터인 임의의 적합한 유형일 수 있다.

송신 회로로의 디바이스의 근접을 검출하기 위해서, 당업에 공지된 임의의 방법을 이용할 수 있다. 예를 들면, 제어기는 생성기 회로 각각에 작은 전류를 제공할 수 있으며, 각 회로의 조건을 모니터링(monitoring)함으로써 디바이스의 존재를 검출할 수 있다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 각 생성기 회로는 대응하는 생성기 회로에 수신 인덕터의 근접을 검출하기 위해서 제어기에 접속된 연관 검출기를 갖는다. 이러한 셋-업으로 송신 회로로의 디바이스의 근접을 효과적으로 결정할 수 있다.

검출기들은 예를 들면, 압력 검출기를 이용한 가중치의 변화, 전계 검출기를 이용한 전기 또는 자기장의 변화, 초음파, 또는 광학 검출에 의해서 디바이스의 근접을 검출하기 위한 임의의 적합한 유형일 수 있다. 바람직하게 검출기는 전계 검출기이며, 병렬 공진 회로를 포함한다. 이러한 경우에 디바이스는 자성 구성요소 예를 들면, 소프트-자기 기판을 구비한다. 디바이스가 공진 회로의 부근에 근접할 때, 공진 회로의 유도성이 증가한다. 그 다음, 공진 회로의 공명 빈도 또는 임피던스의 변화를 검출하여 디바이스의 근접을 검출할 수 있다.

가장 바람직하게, 검출기는 RFID 검출기이며, 디바이스는 RFID 태그를 포함한다. 본 발명의 실시예는 유리하게 디바이스를 검출하고, 디바이스와 베이스 유닛 사이의 추가적 데이터 예를 들면, 디바이스의 유형, 필요한 전류, 파워 전송 시간 또는 임의의 다른 정보를 전송하여 시스템의 효율성을 강화시킨다. RFID 태그에 포함된 정보는 바람직하게 제어기에 의해 이용되어 이에 따라 송신 회로 및 보상 회로를 동작시킬 수 있다. 예를 들면, RFID 태그는 제어기에 전송되고, 특정 지속기간 동안 송신 및 보상 회로들을 동작시키는 충전 시간 정보를 포함할 수 있다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 생성기 회로들은 평면으로 배치되어 송신 영역을 형성한다. 이러한 셋-업으로 베이스 유닛이 효과적으로 제조되고 파워 송신 시스템이 효과적으로 제조된다. 또한, 이러한 셋-업으로 하나 이상의 디바이스들을 수용하기 위한 평면 표면이 형성된다.

원거리 자기장의 효율적인 해제를 위해서, 보상 회로는 바람직하게 제 2 자기장을 생성하기 위해 송신 영역 주변부 상에 배치된 하나 이상의 전도체 권선을 포함한다. 가장 바람직하게, 적어도 하나의 전도체 권선은 송신 영역, 즉 송신 회로 및 남은 생성기 회로들이 배치된 영역을 둘러쌓는 실질적으로 닫힌 루프로서 형성된다. 이러한 셋-업으로 디바이스로의 파워 송신을 위한 충분한 근거리 자기장을 유지하면서 원거리 자기장을 효율적으로 해제할 수 있다. 틀림없이 이러한 보상 회로는 하나 이상의 전도체 권선을 포함하거나 바람직하게는 중간 탭들을 갖는 다수의 전도체 권선들을 포함하여, 동작된 전도체 권선들의 수를 변화시켜 셋-업에서의 임의의 변화 없이 제 2 자기장의 자속을 변화시킬 수 있다. 이러한 설계는 예를 들면, 동작 송신 회로들의 수를 다양화하여 보상될 송신 회로들의 총 자속을 다양화할 때, 유용할 수 있다.

대안적으로, 제어기는 다수의 생성기 회로들로부터 적어도 하나의 보상 회로를 결정하도록 구성되어, 송신 회로 및 보상 회로가 서로 인접하도록 할 수 있다. 본 발명의 콘텍스트에서 "서로 인접한(adjacent to each other)"이라는 용어는 보상 회로 및 송신 회로가 이들 사이에 추가의 생성기 회로 없이 직접적으로 붙어있는 것을 의미한다. 또한 이 셋업으로 원거리 자기장이 효과적으로 감소된다. 이에 더해 및 이전에 언급한 것과 같이, 본 실시예에 의해서 디바이스로의 파워 전송이 또한 유리하게 강화된다.

물론, 제어기는 송신 회로에 인접한, 하나 이상의 보상 회로를 결정하도록 구성될 수 있어서, 다수의 보상 회로들이 적어도 부분적으로 송신 회로를 둘러싼다.

인접한 생성기 회로들은 바람직하게 중첩하여 배치된다. 가장 바람직하게, 전계 생성기 회로들은 다수의 계층들로 중첩하여 배치될 수 있다. 예를 들면, 제 1 계층은 송신 회로가 배치되도록 제공될 수 있으며, 적어도 제 2 계층은 적어도 하나의 보상 회로가 배치되도록 제공될 수 있다. 이에 더해, 송신 회로들 및/또는 보상 회로들은 바람직하게 제 1 및/또는 제 2 계층에 직각이 되는 방향으로 적어도 일부분이 중첩하여 배치될 수 있다.

상기에서 언급한 것과 같이, 보상 회로들은 송신 회로를 위해 제공된 신호에 대응하지만, 신호에 역위상인 신호로 동작될 수 있다. 원거리 자기장의 효율적인 감소를 획득하기 위해서, 하나 이상의 보상 회로들을 통과하는 총 전류는 바람직하게 하나 이상의 송신 회로들을 통과하는 전류와 대응한다.

일 대안적인 실시예에서, 베이스 유닛은 자기장, 즉 자속을 감지하기 위해서 제어기에 접속된 센서를 포함하는 것이 바람직하다. 따라서 감지된 전계에 따라 송신 회로의 원거리 자기장을 최소화하기 위해서 하나 이상의 보상 회로들을 적극적으로 제어하는 것이 가능하다. 이러한 활성적 제어 - 또는 "닫힌-루프(closed-loop)"제어 - 는 보상 회로의 전압을 다양화함으로써 획득될 수 있다. 보상 회로들이 코일들인 경우 대안적으로 또는 추가적으로 전압을 제어하기 위해서 전도체 권선들의 수를 다양화하여 제 2 자기장의 자속을 제어 또는 설정할 수 있다. 대표적으로, 센서는 적합한 전계 검출 회로를 갖는 간단한 코일 또는 홀 센서일 수 있다.

보다 정확하게 원거리장을 측정하여 추가로 원거리 자기장의 감소를 강화시키기 위해서, 센서는 송신 회로에 규정된 거리를 두고 제공되는 것이 가장 바람직하다. 예를 들면, 센서는 베이스 유닛의 송신 영역의 주변부 상에 배치될 수 있거나 베이스 유닛과 접속된 별개의 유닛으로 제공될 수 있지만, 심지어 베이스 유닛과 규정된 거리를 두고 배치될 수 있다.

본 발명의 상기 및 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 하기의 바람직한 실시예들의 설명으로부터 명백해질 것이다.

도 1은 3차원 분해도로 본 발명에 따른 무선 파워 송신 시스템의 제 1 실시예를 도시한 도면.
도 2a는 동작 상태의 본 발명에 따른 제 2 실시예의 개략적인 평면도.
도 2b는 제 2 동작 상태의 도 2a의 실시예의 개략적인 평면도.
도 2c는 추가 동작 상태의 도 2a의 실시예의 개략적인 평면도.
도 3a 및 도 3b는 도 2a의 실시예의 개략적인 회로도들.
도 4a는 동작 상태의 제 3 실시예의 개략적인 평면도.
도 4b 및 도 4c는 도 4a의 실시예의 개략적인 평면도들.
도 5는 개략적인 평명도로 본 발명에 따른 무선 파워 송신 시스템의 제 4 실시예를 도시한 도면.
도 6a 및 도 6b는 도 5의 실시예의 개략적인 평면도들.
도 7a 및 도 7b는 제 5 실시예의 개략적인 평면도들.
도 8a 및 도 8b는 제 6 실시예의 개략적인 평면도들.

도 1에 따르면, 베이스 유닛(1)은 베이스 유닛(1)의 인쇄 회로 기판의 단일 계층에 배치된 다수의 자기장 생성기 회로들, 즉 평면 나선형 코일들(2)을 구비한다. 코일들(2)은 예를 들면, 마이크로제어기일 수 있는 제어기(3)에 접속되어 있다. 접속들(도시되어 있지 않음)은 예를 들면, 적합한 와이어링에 의해 또는 다계층 인쇄 회로 기판의 추가 계층으로 제공될 수 있다. 제어기(3)은 전압 공급 유닛(5)에 접속되어 교호(alternating) 자기장들을 생성하기 위한 규정된 ac 전압을 코일들(2)에 제공한다. 소프트-자기 기판(6)은 베이스 유닛(1)의 하면 상에 제공되어 스트레이 필드들을 감소시킨다. 각 코일(2)은 제어기(3)에 접속된 연관 검출기(4), 예를 들면, RFID 검출기를 갖고, 각 연관 코일(2)의 중심에 배치된다. 검출기들(4)은 설명을 목적으로 분해도의 도 1에 나타나 있는 디바이스(10)의 근접을 검출하도록 배치된다.

디바이스(10)는 인쇄 회로 기판의 계층(13)으로 제공되는, 수신 인덕터, 즉 평면 나선형 수신 코일(11)을 포함한다. 소프트-자기 기판(12)은 하기에서 설명한 것과 같이 디바이스(10)의 남아있는 구성요소들로부터 코일들(2)의 자기장을 보호하기 위해서 평면 코일(11)의 상부에 배치된다. 수신 코일(11)은 재충전가능한 배터리(15)에 수신 코일(11)을 접속하는 정류기 14)에 접속된다. 커패시터(16)는 이에 직렬로 제공되어 자기장들의 결합 효율성을 강화시킨다. 코일(2)들 중 하나에 디바이스(10)의 근접을 검출하기 위해서 디바이스(10)은 근접 시에 검출기들(4)에 의해 검출가능한 RFID 태그(17)를 포함한다. RFID 태그(17)는 디바이스(10)의 충전 정보를 추가로 포함한다. 이러한 충전 정보는 제어기(3)에 의해 이용되어 디바이스(10)로의 파워 전송을 강화시킬 수 있는, 필요한 전압, 충전 시간 또는 임의의 다른 파라미터에 대한 정보를 포함할 수 있다.

디바이스(10)가 코일들(2) 중 하나에 근접할 때, 코일(2)의 연관 검출기(4)는 RFID 태그(17)의 존재를 검출하여 디바이스(10)의 존재를 검출한다. 그 다음, 제어기(3)는 파워 공급 유닛(5)에 의해 생성된 ac 전압을 코일(2)에 제공하여 코일(2)이 송신 회로(2')로서 동작된다. 따라서 송신 회로(2')는 배터리(15)를 재충전하기 위한 수신 코일(11)에 전류를 유도하는 제 1의 교호 자기장(8)을 생성한다. 마그네틱 스트레이 필드를 감소시키기 위해서, 제어기(3)는 역위상의 ac 전압을 남아있는 코일들(2) 중 적어도 하나에 공급하여, 제 1 위상에 대해 역위상을 가지는 제 2 자기장이 생성된다. 따라서 원거리 자기장은 효과적으로 감소된다. 도면에서 알 수 있는 것과 같이, 베이스 유닛(1)은 확장가능하고, 애플리케이션에 따라 변화시킬 수 있는 특정 수의 코일들(2)에 제한을 두지 않으며 예를 들면, 많은 수의 코일들(2)을 갖는 상당히 큰 베이스 유닛(1)은 동시에 파워를 공급받을 필요가 있는 다수의 디바이스(10)의 경우에 이용될 수 있다.

본 발명의 추가의 상세들은 다수의 동작 상태들의 무선 파워 송신 시스템의 제 2 실시예의 개략적인 평면도들로 나타내는 도 2a 내지 도 2c를 참조하여 설명된다. 교호 전계들이 수신 코일(11)에서 전류를 유도하기 위해 이용되므로 도 2a 내지 도 2c는 시스템의 동작을 명확하게 하기 위해서 주어진 시간 모멘트에서 시스템의 "스냅샷들(snapshots)"을 나타낸다.

도 2a의 실시예에 따르면 3x4 코일들(2)의 배치를 갖는 베이스 유닛(1)이 제공되어, 하나 이상의 디바이스(10)(도시되어 있지 않음)에 파워를 무선으로 전송시킨다. 코일들(2) 중 하나는 제어기(3)에 의해 송신 회로(2')로서 동작되어, 송신 회로(2')의 상부에 배치된 디바이스(10)(도시되어 있지 않음)에 파워를 전송한다. 따라서, 송신 회로(2')는 화살표(7)로 나타낸 것과 같이 제 1 방향으로 도 2의 "스냅샷"에 따라 제 1 위상을 가지는 제 1 신호를 제어기(3)에 의해 공급받아서, 제 1 위상, 즉 제 1 방향을 갖는 제 1 자기장(8)이 생성된다.

송신 회로(2')에 인접한 4개 코일들(2)은 보상 회로들(2'')로서 동작된다. 보상 회로들(2'')에는 제어기(3)에 의해서 제 1 신호에 대응하지만 화살표(9)로 나타낸 것과 같이, 항상 역위상 즉, 반대 방향을 가지는 신호가 공급된다. 따라서, 보상 회로 (2'')는 제 1 자기장(8)에 역위상을 가지는 제 2 자기장(21)을 생성한다. 따라서 제 1 자기장(8)은 제 2 자기장(21)에 의해서 원거리장 영역에서 보상된다. 원거리장 보상 효과에 더하여 송신 회로(2')에 인접한 보상 회로들(2'')의 배치로 제 1 자기장(8)이 강화되어 디바이스(10)에 파워가 송신된다. 도 2b 및 도 2c는 2개의 송신 회로들(2'')에 인접하게 배치된 다수의 보상 회로들(2'') 및 송신 회로들(2'')로서 동작된 2개의 코일들(2)을 갖는 추가 동작 상태들의 도 2a의 실시예를 나타낸다. 따라서 각각의 송신 회로(2')의 상부에 배치되며, 동시에 하나 이상의 디바이스(10)(도시되어 있지 않음)에 파워를 전송하는 것이 가능하다.

도 3a 및 도 3b는 도 2a의 실시예의 개략적인 회로도들이다. 도면에서 알 수 있는 것과 같이, 각 코일(2)은 제어기(2)에 의해 제어되는, 스위치(31)에 의해 파워 공급 유닛(5)에 접속된다. 따라서 각 코일(2)은 정 또는 역 방향으로 공급 ac 전압을 공급하도록 접속될 수 있다. 도 3a는 "오프(off)" 상태 배치를 나타낸다; 모든 스위치(31)는 개방되어 있다. 도 3b에서 나타낸 동작 상태는 도 2c 상태에 대응한다. 코일들(2) 중 두 개는 제 1 자기장(8)의 생성을 위해 송신 회로들(2')로서 접속되며, 두 개의 이웃한, 즉 인접한 것들은 제 1 자기장(8)의 원거리 자기장을 보상하기 위해서 - 도 3b에서 화살표로 나타낸 것과 같이 - 보상 회로들(2'')와 같이 역 방향으로 도 3b의 "스냅샷"에 따라 역위상으로 접속된다. 이에 따라서 스위치들(31)은 파워 공급 유닛(5)에 반대 방향들로 각각의 코일들(2)에 접속되도록 설정된다.

원거리장 영역에서 제 1 자기장(8)의 보상을 강화하기 위해서, 여기서

로 나타낸, 보상 회로들(2'')에 의해 생성된 제 2 자기장의 자속의 합은 진폭과 동일해야 하지만,

로 나타낸, 항상 파워 송신 회로(2')에 의해 생성된 자속의 반대 방향이다:

(1)

일반적으로, 코일(2)에 의해 생성된 자속

는 코일(2)에 인가된 전압(U)과 관련이 있다:

(2)

여기서, N = 코일(2)의 회전 수이다. 코일(2)의 직경은 관련이 없다.

사인 유동 및 전압에 있어서, 상기 식은 복소수들을 이용하는 주파수

의 함수로서 나타낼 수 있다:

(3)

하나의 송신 회로(2') 및 하나의 보상 회로(2'')를 갖는 두 개의 코일(2) 시스템에 있어서, 동일한 진동수

에서 동작하면, 원거리장 해제 조건은 하기와 같이 용이하게 나타낼 수 있다:

(4)

여기서, Tx는 송신 회로(2')와 관련이 있으며, 지수 C는 보상 회로(2'')와 관련이 있다. 다수의 활성적 송신 회로(2')(

) 및 다수의 보상 회로들(2'')(

)가 존재한다면 송신 회로들(2')의 모든 자속 분포의 합은 모든 보상 회로들(2'')의 유동의 합과 동일해야 한다. 식으로는 하기와 같이 나타낸다:

(5)

코일들(2)이 근거리장으로 잘 결합되어 있지 않다면, 수학식 (4)를 적용시킬 수 있으며, 기술적인 실현을 위한 규칙은 하기와 같이 나타낼 수 있다:

(6)

대응하는 수의 권선들을 갖는 동일한 코일들(2)이 파워 송신, 즉 송신 회로들(2')로서 이용되고, 전계 보상, 즉 보상 회로들(2'')로서 이용되는 경우에 간단한 제어 방법은 도 2c 및 도 3b에서 나타낸 것과 같이 보상 회로들로서 파워 송신에 대해 스위칭 온되는 것과 같이 그러나 역 방향으로 동일한 수의 코일들(2)을 접속하는 것이다.

추가로 보상 효율성을 강화시키기 위해서, 도 4a 내지 도 4c에서 나타낸 것과 같이 별개의 제어가능한 보상 파워 공급 유닛(45)을 제공하는 것이 가능하다. 도 4a는 동작 상태의 제 3 실시예의 개략적인 평면도를 나타낸다. 도 4a의 실시예에 따른 파워 송신 시스템의 기본적인 셋업은 도 2a의 실시예, 특히 코일들(2)의 배치에 대응한다.

각 코일(2)은 도 4a에 따른 실시예의 개략적인 회로도를 도시하는 도 4b로부터 알 수 있는 것과 같이, 스위치들(31)을 이용하여 보상 회로들(2'')로 ac 보상 전압(Uc)를 제공하기 위한 제어가능한 보상 파워 공급기(45) 또는 파워 송신(Ugen)을 위한 ac 전압을 송신 코일들(2')에 제공하는 파워 공급 유닛(5)에 접속될 수 있다. 제어기(3)는 상기에서 언급한 것과 같이, 다수의 활성 송신 회로들(2') 및 보상 회로들(2'') 및 이들의 속성에 따라 수학식 (6)에 따른 보상 전압을 설정한다.

도 4c는 몇몇 코일들(2)이 활성화된, 도 4a에 따른 동작 상태의 제 3 실시예의 "스냅샷"을 나타낸다. 단지 하나의 송신 회로(2')가 활성화되었지만 두 개의 이웃한 코일(2)은 보상 회로들(2'')로서 ac 보상 전압에 접속된다. 이러한 예에서, 모든 코일들(2)은 동일한 속성들, 즉 권선들의 수를 가지므로 제어기(3)는 보상 전압 Uc=1/2 Ugen의 절대 값을 설정한다.

대안적으로, 송신 회로들(2') 또는 보상 회로들(2'')로서 코일들(2)을 동작시키기 위해서, 도 5에서 나타낸 것과 같이 전용 보상 회로(52)를 제공하는 것이 가능하다.

도 5는 동작 상태의 개략적인 평면도에 본 발명에 따른 무선 파워 송신 시스템의 제 4 실시예를 나타낸다. 도 2a의 실시예와 대조적으로, 전용 보상 회로(52)는 베이스 유닛(1)의 주변부 상에 제공되어 코일들(2)이 배치된 송신 영역을 형성한다. 보상 회로(52)는 하나 이상의 송신 회로들(2')에 의해서 생성된, 제 1 자기장(8)에 대한 원거리 자기장으로 보상을 제공하는 제 2 자기장(21)을 생성하기 위한 다수의 권선을 갖는 코일에 의해서 형성된다. 보상 회로(52)는 코일들(2) 각각으로서 동일한 회전 수를 가진다. 코일들(2) 및 보상 회로(52)는 파워 공급 유닛(5)에 의해서 ac 전압을 제공받는다.

도 6a 및 도 6b는 도 5의 실시예의 개략적인 회로도를 나타낸다. 각 코일(2)은 파워 공급 유닛(5)에 의해 제공된 ac 공급 전압에 스위칭될 수 있다. 보상 회로(52)는 역 방향이긴 하지만 동일한 파워 공급 유닛(5)에 접속된다. 제어기(3)는 스위치들(31)을 제어하여 디바이스(10)(도시되어 있지 않음)가 각 코일(2)에 근접할 때, 송신 회로(2')로서 코일(2)을 활성화시킨다. 도 6a가 "오프" 상태의 배치를 나타내는 반면에; 도 6b는 하나의 송신 회로(2') 및 보상 회로(52)가 활성화되는 도 5에 따른 "스냅샷"을 나타낸다. 화살표들은 인가된 전압의 방향을 나타낸다. 원거리 자기장을 보상하기 위해서, 보상 회로(52)로 인가된 ac 전압은 송신 회로(2')에 인가된 ac 전압에 역위상, 즉 도면의 화살표들로 나타낸 것과 같이, 도 6b의 "스냅샷"에 따른 반대 방향이다.

대안적으로, 보상 효율성을 추가로 강화시키기 위해서, 본 발명의 제 5 실시예의 개략적인 회로도를 나타내는 도 7a 및 도 7b에 나타낸 것과 같은 별개의 제어가능한 보상 파워 공급 유닛(75)을 제공하는 것이 가능하다. 도 7a 및 도 7b의 실시예에 따른 파워 송신 시스템의 기본적 셋업은 도 5의 실시예, 특히 코일들(2) 및 보상 회로(52)의 배치에 대응한다.

제어기(3)는 보상 파워 공급 유닛(75)을 제어한다. 제어기(3)는 보상 회로(52)의 속성들 및 활성화 송신 회로들(2')의 수에 따라, 수학식 (6)에 따른 보상 ac 전압을 설정한다. 도 7b는 2개의 송신 회로들(2')이 활성화되는 동작 상태에서 도 7a의 실시예의 "스냅샷"을 도시한다. 보상 회로(52)가 동일한 수의 권선들을 갖는다면, 보상 전압(Uc)의 절대 값은 도면에서 화살표들이 나타내는 것과 같이, Uc=2 x Ugen[송신 회로(2')에 공급된 전압]이여야 한다. 이 식의 이점으로서 보상 회로(52)는 코일들(2)과는 다른 수의 권선들을 가질 수 있으므로 보다 유연하다.

도 8a 및 도 8b는 단일 보상 회로(82)를 갖는 본 발명의 추가적인 실시예의 개략적인 회로도를 나타낸다. 도 8a 및 도 8b의 실시예에 따른 파워 송신 시스템의 기본적 셋업은 도 5의 실시예, 특히 코일들(2) 및 보상 회로(82)의 배치에 대응한다.

이러한 해결책은 보상 회로(82)의 권선들의 수를 조정함으로써 수학식 (6)을 이용한다. 완전한 보상 회로(82)는 모든 코일들(2)와 같이 동일한 회전 수(81)를 가진다. 그러나, 도 8a에서 나타낸 것과 같이, 추가 스위치들(80)로 파워 공급 유닛(5)의 발생기 ac 전압에 보상 권선들의 일부만 접속시킨다. 예를 들면, 만약 두 개의 송신 회로들(2')이 활성화된다면, 보상 회전들(81)의 단지 1/2만이 활성화된다. 3개의 송신 회로들(2')이 활성화되면 보상 회전들(81)의 단지 1/3만이 활성화되며, 그 이상도 같다. 보상 회로(82)의 회전들은 권선의 일부들을 나타내는, 개개 보상 인덕터들 하부의 굵은선에 의해 나타낸 것과 같이 근접하게 접속되어 있다. 도 8b는 두 개의 송신 회로들(2')이 활성화되는 동작 상태에서 도 8a의 실시예의 "스냅샷"을 나타낸다. 나타낸 것과 같이, 스위치(80')는 공급 유닛(5) 및 이에 따라 ac 생성기 전압에 보상 회로(82)의 회전들(81)의 반을 접속시킨다.

본 발명은 도면들과 상기의 기술에서 상세하게 설명 및 기술되었지만 이러한 설명 및 기술은 제한적이 아니라 설명적이고 예시적인 것으로서 간주되어야 한다. 단일의 실시예들의 특징 또는 실시예들 모두 또는 몇몇은 제한 없이 결합될 수 있다. 본 발명은 개시된 실시예들에 제한되지 않는다.

예를 들면, 상기 실시예들에 따라 본 발명을 동작시키는 것이 가능하고,

- 제어기(3)는 외부 유닛 예를 들면, 마이크로제어기 또는 컴퓨터로서 제공되고,

- 검출기들(4)은 압력 검출기들, 전계 검출기들, 초음파 근접 검출기들 또는 광학 검출기들이고, 디바이스(10)는 이에 따라 적응되고,

- 코일들(2)은 인쇄 회로 기판의 다수 계층들로 제공되거나 별개의 코일들로서 제공되고,

- 소프트-자기 기판들(6, 12)은 뮤메탈, 메트글라스 또는 나노결정성 철로 제조된, 구조화된 높은 투과성 금속 포일 또는 플라스틱 페라이트 화합 물질을 포함하고,

- 소프트-자기 기판(6, 12)은 인쇄 회로 기판의 계층들로서 제공되고,

- 디바이스(10)는 포함하지 않거나 예를 들면, "슈퍼캡" 커패시터인 배터리(15) 대신 대안적인 에너지 저장 수단을 포함하고,

- 스위치들(31, 80 및 80')은 예를 들면, FET 또는 MOSFET의 트랜지스터들 또는 계전기들로서 제공되고/제공되거나,

- 생성기 회로들은 다수 계층들로 배치된다.

또한, 보상 회로들(2'', 52 또는 82)에 제공된, ac 보상 전압은 수학식 (6)에 의해 결정되지 않는 상기 실시예들에 따라 본 발명을 동작시키는 것이 가능하다. 대신에(예를 들면, 공장 또는 실험실에서) 캘리브레이션 구동(calibration run) 동안 최적의 ac 보상 전압은 활성화된 송신 회로들(2'') 각각의 결합을 결정한다. 이러한 최적의 구성은 제어기(3)에 저장되며, 동작 중 이용된다. 최적의 설정은 원거리장에 위치한 자기장 센서를 이용하여 결정된다. ac 보상 전압은 최소 자기장이 측정될 때까지 가변적이다.

이에 대안적으로 또는 추가적으로, 보상 회로들(2'', 52 또는 82)에 제공된 ac 보상 전압은 예를 들면, 제어기 (3)에 접속된, 홀 센서와 같은 적합한 센서를 이용하여 원거리 자기장이 감지되는 닫힌-루프 또는 활성화 동작으로 결정된다. 센서는 예를 들면, 베이스 유닛(1)의 바깥 가장자리 또는 송신 영역에서 코일들(2)로부터 충분하게 멀리 떨어져 배치될 수 있거나, 유선 또는 무선 또는 제어기(3)에 접속된 별개의 유닛으로 제공될 수 있다. 제어기(3)는 해제가 최적으로 이루어질 때까지 ac 보상 전압을 가변시킨다.

개시된 실시예들의 다른 변형들은 도면들, 본 개시 및 첨부된 청구의 범위의 연구로부터 청구된 본 발명을 실행하는데 당업자들에 의해 이해되고 영향을 받을 수 있다. 청구의 범위에서 단어 "포함하는(comprising)"는 다른 요소들 또는 단계들을 배제하지 않는 것이며, 부정관사("a" 또는 "an")는 복수를 배제하지 않는다. 단일 프로세서 또는 다른 유닛은 청구의 범위에서 인용된 몇몇 아이템들의 기능들을 이행할 수 있다. 특정 매저들(measures)이 상호 다른 종속항들을 인용한다는 단순한 사실은 이러한 매저들의 결합이 유리하게 이용될 수 없다는 것을 나타내지 않는다. 컴퓨터 프로그램은 다른 하드웨어의 일부로서 또는 다른 하드웨어의 일부와 함께 제공된 광학 저장 매체 또는 고체-상태 매체와 같은, 적합한 매체 상에 보관/분포될 수 있지만, 또한 인터넷 또는 다른 유선 또는 무선 원격통신 시스템과 같은, 다른 형태들로 분포될 수 있다. 청구의 범위의 임의의 참조 부호들은 범주를 제한하는 것으로 구성되어서는 안된다.

1: 베이스 유닛 2: 평면 나선형 코일
2': 송신 회로 2'', 52, 82: 보상 회로
3: 제어기 4: 검출기
5: 전압 공급 유닛 6, 12: 소프트-자기 기판
10: 디바이스 11: 평면 나선형 수신 코일
14: 정류기 15: 배터리
16: 커패시터 17: RFID 태그
31, 80: 스위치 45, 75: 보상 파워 공급 유닛

Claims (15)

1. 무선 파워 송신 시스템에 있어서,
   - 다수의 자기장 생성기 회로들을 갖는 베이스 유닛(base unit)(1), 및
   - 상기 베이스 유닛(1)으로부터 분리가능한 디바이스(10)로서, 상기 디바이스(10)가 상기 생성기 회로들 중 하나에 근접할 때, 유도적으로 파워를 수신하도록 적응된 수신 인덕터를 가지는, 상기 디바이스(10)를 포함하고,
   - 상기 베이스 유닛(1)은 상기 수신 인덕터가 송신 회로(2')에 근접할 때, 상기 생성기 회로들로부터 송신 회로(2')를 결정하도록 구성된 제어기(3)를 포함하고, 상기 송신 회로(2')는 상기 수신 인덕터에 전류를 유도하기 위해, 제 1 위상을 가지는 제 1 자기장(8)을 생성하도록 동작되고 남은 생성기 회로들 중 적어도 하나는 보상 회로(2'', 52, 82)로서 동작되어서 상기 제 1 위상에 대해 역위상을 가지는 제 2 자기장(21)을 생성하고,
   - 상기 생성기 회로들은 평면에 배치되어 송신 영역을 형성하고,
   - 상기 보상 회로(2'', 52, 82)는 상기 제 2 자기장(21)을 생성하기 위해 상기 송신 영역의 주변부 상에 배치된 적어도 하나의 전도체 권선을 포함하는, 무선 파워 송신 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 송신 회로(2') 및 상기 적어도 하나의 보상 회로(2'', 52, 82)가 동작되어서 상기 제 1 자기장(8)의 자속의 진폭은 상기 제 2 자기장(21)의 자속의 진폭에 상응하는, 무선 파워 송신 시스템.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 생성기 회로들은 각각 상기 자기장들(8, 21)을 생성하기 위해 다수의 권선들(windings)을 갖는 코일(2)을 포함하는, 무선 파워 송신 시스템.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 송신 회로(2')의 권선들의 수는 상기 적어도 하나의 보상 회로(2'', 52, 82)의 권선들의 수에 상응하는, 무선 파워 송신 시스템.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   각각의 생성기 회로는 대응하는 생성기 회로로의 상기 수신 인덕터의 근접을 검출하기 위해 상기 제어기(3)에 접속된 연관 검출기(4)를 가지는, 무선 파워 송신 시스템.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 검출기들(4)은 RFID 검출기들이고, 상기 디바이스는 RFID 태그(17)를 포함하는, 무선 파워 송신 시스템.
7. 삭제
8. 삭제
9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 제어기(3)는 상기 다수의 생성기 회로들로부터 상기 적어도 하나의 보상 회로(2'', 52, 82)를 결정하기 위해 구성되어서, 상기 송신 회로(2') 및 상기 보상 회로(2'', 52, 82)는 서로 인접하는, 무선 파워 송신 시스템.
10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 베이스 유닛(1)은 자기장을 감지하기 위해서 상기 제어기(3)에 접속된 센서를 포함하여, 상기 보상 회로(2'', 52, 82)는 상기 송신 회로(2')의 원거리 자기장을 최소화하도록 동작되는, 무선 파워 송신 시스템.
11. 삭제
12. 수신 인덕터가 송신 회로(2')에 근접할 때, 생성기 회로들로부터 상기 송신 회로(2')를 결정하도록 구성된, 제어기(3) 및 다수의 자기장 생성기 회로들을 포함하는 무선 파워 송신 시스템에서 이용하기 위한 베이스 유닛(1)에 있어서,
    상기 송신 회로(2')는 상기 수신 인덕터에 전류를 유도하기 위해 제 1 위상을 가지는 제 1 자기장(8)을 생성하도록 동작되고, 남은 생성기 회로들 중 적어도 하나는 보상 회로(2'', 52, 82)로서 동작되어서 상기 제 1 위상에 대해 역위상을 가지는 제 2 자기장(21)을 생성하고,
    상기 생성기 회로들은 평면에 배치되어 송신 영역을 형성하고,
    상기 보상 회로(2'', 52, 82)는 상기 제 2 자기장(21)을 생성하기 위해 상기 송신 영역의 주변부 상에 배치된 적어도 하나의 전도체 권선을 포함하는, 무선 파워 송신 시스템에서 이용하기 위한 베이스 유닛(1).
13. 다수의 자기장 생성기 회로들을 가지는 베이스 유닛(1), 및 디바이스(10)가 생성기 회로들 중 하나에 근접할 때, 유도적으로 파워를 수신하도록 적응된 수신 인덕터를 가지며 상기 베이스 유닛(1)으로부터 분리가능한 상기 디바이스(10)를 포함하는 무선 파워 송신 시스템을 동작시키기 위한 방법에 있어서,
    - 상기 수신 인덕터의 상기 생성기 회로들의 송신 회로(2')로의 근접이 결정되고,
    - 상기 송신 회로(2')는 상기 수신 인덕터에 전류를 유도하기 위해 제 1 자기장(8)을 생성하도록 동작되고,
    - 남은 생성기 회로들 중 적어도 하나는 보상 회로(2'', 52, 82)로서 동작되어서 상기 제 1 자기장(8)에 대해 역위상인 제 2 자기장(21)을 생성하고,
    - 상기 생성기 회로들은 평면에 배치되어 송신 영역을 형성하고,
    - 상기 보상 회로(2'', 52, 82)는 상기 제 2 자기장(21)을 생성하기 위해 상기 송신 영역의 주변부 상에 배치된 적어도 하나의 전도체 권선을 포함하는, 무선 파워 송신 시스템을 동작시키기 위한 방법.
14. 삭제
15. 삭제

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