KR101653759B1 - 비접촉 전력 전달 장치와 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전자기 유도 기전력을 이용하여 비접촉 방식으로 이동 장치에 전력을 전달하거나 이동 장치에 장착된 배터리를 충전하는 장치와 방법에 관한 것이다. 각각 활성화시킬 수 있는 1차 코일이 2차원에 배열된 전력 전달 표면에, 1차 코일보다 크기가 2~3배인 2차 코일을 포함한 이동장치를 근접시켜서 이동장치가 놓인 위치와 방향에 상관없이 단수 또는 복수의 이동장치에 효과적으로 전력을 전달할 수 있다. 이동장치에 RFID와 같은 별도의 통신수단과 전압 변환 수단을 구비하지 않고 전력전달 채널로 신호를 전송하여 이동장치의 존재와 이동장치의 전력전달 상태를 주장치에 전달함으로써 이동장치의 무게를 최소화하고도 각각의 이동장치에 전달되는 전력을 제어하고 이물질에는 전력을 전달하지 않을 수 있다.

비접촉 전력 전달, 비접촉 충전, 무선 충전, 부하 임피던스

Description

비접촉 전력 전달 장치와 방법 {Devices and Methods for Non-contact Power Transmission}

본 발명은 전자기 유도 기전력을 이용하여 비접촉 방식으로 단수 또는 복수의 이동 장치에 전력을 효과적으로 전달하는 장치와 방법에 관한 것이다. 특히 전력을 전달하여 이동 장치의 배터리를 충전할 수 있는 방법과 장치에 관한 것이다.

휴대 전화기 (cellular phone), 노트북 컴퓨터, 휴대형 미디어 플레이어 등 충전 가능한 2차 전지로 작동하는 개인용 이동장치들이 점점 더 널리 쓰이고 있다. 한 사람이 이러한 장치를 2개 이상 휴대하는 경우도 흔하다. 이러한 이동장치들은 보통 전기적 접촉을 통해 내장된 2차 전지를 충전한다. 보통 이동장치마다 전기적 접촉 부분이 다르기 때문에 여러 개의 이동장치를 사용하려면 가정에서나 또는 여행 중에 이동장치 별로 여러 개의 충전 장치를 사용해야 한다.

이동장치들의 모양과 크기가 다르기 때문에 전기적인 접촉 부분을 통일하는 것은 쉽지 않다. 전기적인 접촉 부분을 통일하면 이동장치의 디자인이 제한을 받는다. 비접촉 방식으로 전력을 전달하면 이러한 제한 없이 하나의 충전 장치로 여러 가지 이동장치에 전력을 전달하여 이동장치에 내장된 2차 전지를 충전할 수 있다.

비접촉 전력 전달 방법에는 자기장 유도 (inductive coupling) 또는 전자기 공진 유도(electromagnetic resonance coupling), 라디오파 (rf) 전송 방식이 있다. 라디오파 전송 방식은 RFID, 교통 요금 선불 카드 등에, 자기장 유도 방식은 전기 면도기, 전동 칫솔 등에 상용화되어 있다. 라디오파 전송 방식으로는 전력 이동 장치와 다른 이물질을 구분하여 전력 이동 장치로만 전력을 보내기 어렵고, 라디오파로 송출할 수 있는 전력은 법률 등에 의해 제한을 받기 때문에 라디오파 전송 방식은 무선 전화기 등의 이동장치를 충전하는 용도에 사용하기 어렵다.

자기장 유도 또는 전자기 공명 유도 방식은 아주 짧은 거리에서 효과적으로 전력을 전달할 수 있다. 자기장을 발생시키는 자속(magnetic flux)의 방향에 따라서 수직 또는 수평 자기장 방식의 2종류가 있다. 도 1a는 수평 자기장 방식을 도 1b는 수직 자기장 방식을 나타낸다.

미국특허 6,906,495호와 국제특허출원 WO 03/096512호, 한국특허출원 10-2004-7018306에 수평 자기장 방식을 이용한 비접촉 전력 전달 장치와 방법의 예가 공개되었다. 수평 자기장 방식에서는 이동장치가 전력 전달 표면에 놓인 위치와 방향에 상관없이 전력을 전달할 수 있고 복수의 이동장치에도 전력을 전달할 수 있는 장점이 있다. 그러나 수평 자기장 방식에서는 전력 전달 표면에 이동장치와 금속성의 이물질이 동시에 존재하는 경우 이동장치에만 선택적으로 전력을 전달하기 어렵다. 이물질에 전력이 전달되면 불필요한 전력이 소모되고 이물질에 열이 발생한다. 이물질에 열이 많이 발생하면 화재 등의 위험이 있다.

복수의 1차 코일을 가로와 세로로 배열하고 1차 코일에 인접한 휴대 장치의 존재를 RFID로 감지하여 이동장치에 인접한 1차 코일에만 전력을 전달하는 수직 자기장 방식의 비접촉 전력 전달 장치가 미국특허 7,262,700호에 공개되었다. 도 2에 보인 것처럼 이동장치의 2차 코일(25) 과 겹치는(overlap) 1차 코일 4개(26a, 26b, 26c, 26d)에만 전력을 전달하고 다른 1차 코일에는 전력을 전달하지 않아서 이물질에는 전력을 전달하지 않고 이동장치에만 전력을 전달할 수 있다. 그러나 미국특허 7,262,700호에서는 휴대장치가 전력 전달 표면에 놓인 위치에 따라 1차 코일과 2차 코일이 일부만 겹치는 경우(partial overlap)와 전력 전달 표면에 2개 이상의 휴대장치가 존재하는 경우에 대해서는 해결책을 제시하지 않았다.

복수의 1차 코일을 2차원에 배열한 책상 모양의 비접촉 전력 전달 장치와 전력 전달 방법을 하타나카 등이 발표하였다 [K. Hatanaka, F. Sato, H. Matsuki, S. Kikuchi, J. Murakami, M. Kawase, and T. Satoh, "Power Transmission of a Desk With a Cord-Free Power Supply", IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 38, No. 5, pp3329- 3331 (2002)]. 이 장치로 이동장치에 인접한 1차 코일들을 활성화하여 복수의 이동장치에 전력을 공급할 수 있었다. 하타나카 등은 이동장치의 2차 코일을 활성화시켜 1차 코일에 유도되는 전압을 검사하여 이동장치에 인접한 1차 코일들을 찾아내고 이렇게 찾은 1차 코일들을 활성화시켜 이동장치에 전력을 전달하였다. 이동장치의 배터리가 완전히 방전된 경우에는 2차 코일을 활성화시킬 수 없으므로 이 장치와 방법으로는 배터리가 완전히 방전된 이동 장치에 전력을 전달할 수 없다.

전자기 유도 비접촉 방식으로 여러 대의 로봇의 배터리를 동시에 충전할 수 있는 충전 장치의 통신 방법이 공개되었다 [M. Ryan and R. Coup, "An Universal, Inductively Coupled Battery Charger for Robot Power Supplies", Proceedings of the 2006 Australasian Conference on Robotics & Automation]. 이 장치와 방법에서는 전력을 공급하는 채널로 양방향으로 신호를 전달할 수 있어서 각 로봇의 배터리 상태를 파악하여 각 로봇의 배터리를 충전하기에 적절한 전압과 전류를 공급할 수 있다. 그러나 리안과 쿠프는 전자기 유도 전력 전달을 위한 1차 코일과 2차 코일의 크기와 배치 등은 설명하지 않았다. 로봇은 스스로 위치와 자세을 바꿀 수 있으므로 고정된 1차 코일과 로봇의 2차 코일을 공간적으로 정렬하는 것이 가능하지만 휴대폰과 같은 이동 장치는 스스로 움직여서 정렬하는 것이 불가능하다.

본 발명의 목적은 이동장치와 전력 전달 표면의 상대적인 위치와 방향에 상관없이 이동장치에 효율적으로 전력을 전달하는 비접촉 전력 전달 장치와 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 이동장치의 에너지 저장 상태에 상관없이 이동장치에 전력을 전달할 수 있는 비접촉 전력 전달 장치와 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 전력을 전달할 이동장치와 금속성의 이물질을 구분하여 이동장치에는 전력을 전달하고 이물질에는 전력을 전달하지 않는 비접촉 전력 전달 장치와 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 전력 전달 표면에 인접한 복수의 이동장치에 전달되는 전력을 각각 제어할 수 있는 비접촉 전력 전달 방법과 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 이동장치의 부품 수와 무게를 최소로 하는 비접촉 전력 전달 장치와 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 시스템은 복수의 1차 코일을 2차원에 배열한 주장치와 2차 코일을 구비한 이동장치로 구성된다. 이동장치가 전력 전달 표면에 어떻게 놓이더라도 2차 코일이 최소한 1개의 1차 코일과 완전히 겹칠 수 있는 크기로 이동 장치의 2차 코일을 구성한다. 2차 코일과 겹치는 하나의 1차 코일만을 활성화(activate)하여 이동장치에 전력을 전달한다. 별도의 통신 채널을 사용하지 않고 전력을 전달하는 자기장 유도 신호와 이것을 변조한 신호를 이용하여, 이동장치의 존재를 감지하여 이동장치에 전달되는 전력을 제어하고 이물질에는 전력을 전달하지 않는다.

이동장치를 단순히 전력 전달 표면에 근접시켜 단수 또는 복수의 이동장치에 전력을 공급하거나 이동장치의 배터리를 충전할 수 있다. 이동장치와 전력 전달 표면에 놓인 위치와 방향에 상관없이 복수의 이동장치에 효율적으로 전력을 전달할 수 있다. 이동장치의 무게를 최소화하고도 각각의 이동장치에 전달되는 전력을 제어하고 이물질에는 전력을 전달하지 않을 수 있다. 주장치의 1차 코일과 구동회로의 수를 최소로 할 수 있다.

전력 전달 표면에 이동장치를 특정한 위치나 방향으로 정렬해야 하는 불편 없이도 이동장치(주장치로부터의 무선 전력 신호를 수신하여 충전하는 장치이므로 무선 전력 수신 장치라고도 함)에 전력을 전달하려면 1차 코일과 2차 코일이 정렬되어 있지 않은 경우에도 전력을 전달할 수 있어야 한다. 이동장치의 크기와 무게를 줄이려면 이동장치에는 2차 코일을 1개만 구비하는 편이 바람직하다. 주장치(이동 장치로 무선 전력 신호를 전송하여 이동 장치를 충전 시키는 장치이므로 무선 전력 수신 장치라고도 함)의 대기 전력을 줄이려면 이동장치에 인접한 1차 코일만을 활성화시켜서 이동장치에 전력을 전달하는 편이 바람직하다. 본 발명에서는 복수의 1차 코일을 2차원에 배열한 주장치에서 이동장치의 2차 코일에 전력을 가장 효과적으로 전달할 수 있는 1차 코일 하나를 활성화시켜서 주장치의 대기 전력을 최소로 하여 전력 손실을 막고 이동장치에 효과적으로 전력을 전달할 수 있는 장치와 방법을 제공한다.

1차 코일과 2차 코일을 동일한 크기로 구성하면 1차 코일과 2차 코일이 정렬된 경우에는 전력 전송 효율이 높지만, 정렬되지 않아서 일부만 겹친 경우 전력 전달 효율이 크게 떨어진다. 전력을 효율적으로 전송하기 위하여 1차 코일보다 크기가 더 큰 2차 코일을 사용한다. 즉, 이동 장치가 주장치의 전력 전달 표면에 어디에 놓이더라도 1개의 1차코일이 완전히 중첩되도록 하게 할 수 있다. 1차 코일을 1개만 활성화시키는 경우 1차 코일에서 거리가 멀어질수록 자기장의 세기가 감소하므로 2차 코일의 크기가 1차 코일보다 매우 크면 전력 전달 효율이 감소한다. 1차 코일과 2차 코일이 가능한 한 크기가 비슷하고 많이 겹칠수록 전력 송신 효율이 좋다. 1차 코일이 2차원적으로 배열된 전력 전달 표면에 2차 코일을 구비한 이동장치를 근접시킬 때 2차 코일과 거의 완전히 겹치는 1차 코일이 1개 이상 존재하도록 2차 코일의 크기를 선택한다. 전력 전달 효율을 높이기 위해 2차 코일은 전력 전달 표면에 대체로 평행하도록 이동장치에 고정한다. 전력 전달 표면이 대체로 수평이고 이동 장치를 전력 전달 표면에 올려 놓는 경우 이동장치가 전력 전달 표면과 접촉하는 면에 평행하도록 2차 코일을 이동장치에 고정한다.

원형의 1차 코일과 2차 코일을 사용하고 1차 코일을 2차원에 최대한 인접하게 배치한 주 장치를 사용하는 경우 2차 코일의 둘레길이를 1차 코일의 약 2.25(=1+2/SQRT(3))배로 할 수 있다. 도 3에 보인 것처럼 2차원으로 조밀하게 배열한 원형의 1차 코일들과 1차 코일보다 둘레길이를 2.25배인 2차 코일을 3가지 방법으로 겹칠 수 있다. 첫째 2차 코일(300)과 온전하게 겹치는 1차 코일이 1개만 존재하는 경우는 이 1개의 1차 코일(302)의 전력 전달 효율이 주위의 다른 1차 코일들보다 훨씬 좋기 때문에 이 1차 코일만을 활성화시켜서 2차 코일(301)에 전력을 전달한다. 도 3의 둘째 경우처럼 2차 코일과 온전하게 겹치는 1차 코일이 2개 존재하는 경우는 이 2개의 1차 코일(312, 314) 중 전력 전달 효율이 더 좋은 1차 코일을 활성화시켜서 전력을 전달한다. 도 3의 셋째 경우처럼 2차 코일과 온전하게 겹치는 1차 코일이 3개 존재하는 경우는 이 3개의 1차 코일(322, 324, 326) 중 하나만을 활성화시켜서 전력을 전달한다.

1차 코일을 도 4처럼 사각 대칭으로 배열하여 전력 전달 표면을 구성하는 것도 가능하다. 그러나 도 3에 보인 것처럼 1차 코일을 삼각 대칭으로 배열하는 편이 1차 코일과 2차 코일의 크기를 더 비슷하게 할 수 있어서 전력 전달 효율을 높이기에 유리하다.

1차 코일과 2차 코일의 모양을 반드시 원형으로 할 필요는 없다. 도 4에 사각형, 육각형, 팔각형 모양의 1차 코일과 2차 코일을 사용한 예를 보였다. 정사각형 2차 코일의 크기를 정사각형 1차 코일의 크기의 약 2.47(=7 X SQRT(2)/4)배로 하면 정사각형 1차 코일이 조밀하게 배열된 전력 전달 표면에 정사각형 2차 코일이 놓인 방향과 위치에 관계없이 온전히 겹치는 1차 코일이 1개 이상 존재한다 (도 5a). 정육각형 2차 코일의 크기를 정육각형 1차 코일의 크기의 약 2.31(=4/SQRT(3))배로 하면 정육각형 1차 코일이 조밀하게 배열된 전력 전달 표면에 정육각형 2차 코일이 놓인 방향과 위치에 관계없이 온전히 겹치는 1차 코일이 1 개 이상 존재한다 (도 5b). 이렇게 1차, 2차 코일이 원형이나 정다각형인 경우 2차 코일의 크기를 1차 코일의 약 2.25~2.47배로 하면 2차 코일을 구비한 이동장치를 정렬하지 않아도 2차 코일과 온전히 겹치는 1차 코일이 존재한다 (도 5c).

원형과 사각형, 육각형, 팔각형 이외에 다른 모양의 1차 코일과 2차 코일을 사용할 수도 있고 1차 코일과 2차 코일의 모양이 같지 않을 수도 있다. 1차 코일과 2차 코일은 다양한 형태로 제작될 수 있다. 일정한 크기에 피복한 전선을 감은 권선 코일을 사용할 수도 있고 인쇄 회로 기판에 나선형의 패턴으로 구현한 코일을 사용할 수도 있다. 2차 코일을 인쇄 회로 기판의 한 층에 나선형 패턴으로 구현하면 이동장치의 무게와 부피를 줄이는 데에 유리하다.

1차 코일과 2차 코일 사이의 자기장 유도 또는 전자기 유도에 수kHz에서 수MHz 대역의 공진 주파수(무선 전력 신호)를 사용할 수 있다.

불필요한 전력 손실을 막으려면 이동장치에 인접하여 선택된 1차 코일 이외의 다른 1차 코일에는 전력을 차단하는 편이 가장 바람직하다. 또한 전력 전달 표면에 정상적으로 전력을 전달받을 이동장치가 아닌 이물질이 놓일 수 있다. 금속성의 이물질, 특히 얇은 판처럼 저항이 크거나 강자성을 띠는 이물질에는 큰 와전류가 흘러서 이물질이 높은 온도로 가열될 수 있으므로 정상적인 이동장치에만 전력을 전달하고 이물질에는 전력을 전달하지 않을 필요가 있다.

1차 코일 주위에 전력을 흡수하는 부하가 존재하는지를 1차 코일에 전자기장을 유도하는 구동 회로의 부하 임피던스의 변화로 감지할 수 있다. 1차 코일 주위에 전력을 흡수하는 이동장치나 이물질이 없을 때 구동 회로의 부하 임피던스가 최 소가 된다. 1차 코일 주위에 전력을 흡수하는 이동장치나 이물질이 존재하면 구동 회로의 부하 임피던스가 증가한다. 부하 임피던스를 직접 측정하는 대신 부하 임피던스가 증가할 때 같이 증가하고 부하 임피던스가 감소할 때 같이 감소하는 다른 값을 검사하여 1차 코일 주위의 이동장치나 이물질의 존재를 감지할 수도 있다. 아래에서 부하 임피던스를 검사한다는 것은 부하 임피던스와 함께 변하는 다른 값을 검사하는 경우를 포함한다.

부하 임피던스를 측정하는 알려진 방법을 모두 사용할 수 있다. 작은 부피에 높은 효율로 자기장 유도 또는 전자기 공진을 이용하여 전력을 변환할 수 있는 LLC 회로가 알려져 있다. LLC 회로에서 위상차의 변화를 감지하여 부하의 크기를 알아낼 수 있다. 양(Yang)의 버지니아 폴리텍 대학 박사 학위 논문의 부록에 이것이 잘 설명되어 있다 [Bo Yang "Topology investigation of front end DC/DC converter for distributed power system", Virginia Polytechnic Institute, Electrical Engineering 박사학위 논문 (2003) http://www.scientificcommons.org/7766879]. 도 7에 보인 LLC 공진 전력 변환 회로에서 도 8a, 8b, 8c와 도 9a, 9b에 보인 것처럼 부하의 크기에 따라 Cr에 걸리는 전압의 위상이 바꾸기 때문에 V_Cr의 위상을 측정하여 부하 임피던스의 크기를 알 수 있다.

도 3에 보인 1차 코일의 배열에서 각 1차 코일을 잠시 동안 활성화 시키고 부하 임피던스를 검사하여 그 1차 코일에 인접하여 전력을 흡수하는 물체가 존재하는지 판단할 수 있다. 충분히 짧은 시간 동안만 1차 코일을 활성화시키면 이물질이 가까이에 존재하더라도 이물질의 온도가 크게 상승하지 않는다. 부하 임피던스가 최소이면 전력을 흡수하는 물체가 주위에 없는 것이다. 주장치의 1차 코일들을 각각 이 방법으로 검사하여 각 1차 코일 주위에 전력을 흡수하는 물체가 있는지를 판단한다. 주장치의 모든 1차 코일들에 대해 검사를 마치면 전력 전달 표면의 어느 위치에 이동장치 또는 전력을 흡수하는 이물질이 존재하는지를 알 수 있다.

1차 코일을 한 번에 1개만 활성화하여 이 검사를 진행할 수도 있고 한 번에 여러 개를 활성화하여 검사를 진행할 수도 있다. 1차 코일을 하나씩 검사하지 않고 여러 개를 동시에 검사하면 검사에 소요되는 시간을 줄일 수 있다. 2차 코일의 크기가 1차 코일의 3배를 초과하지 않는 경우에, 도 9a, 9b, 9c, 9d, 9e, 9f, 9g, 9h, 9i에 보인 것처럼 2칸 떨어진 1차 코일들을 동시에 활성화시켜서 검사를 진행하면 1개의 1차 코일을 검사하는 시간의 9 배 시간 동안 모든 1차 코일에 대해 검사를 마칠 수 있다. 도 4처럼 1차 코일이 사각 대칭으로 배열된 경우에도 마찬가지로 1개의 1차 코일을 검사하는 시간의 9 배 시간 동안 모든 1차 코일에 대해 검사를 마칠 수 있다.

도 3처럼 육각대칭으로 1차 코일들을 배열한 주장치를 사용하는 경우, 모든 1차 코일의 부하 임피던스를 검사한 후에 선택한 각 1차 코일의 부하 임피던스를 주위의 6개의 1차 코일의 부하 임피던스와 비교한다. 도 4처럼 사각대칭으로 1차 코일들을 배열한 주장치를 사용하는 경우, 각 1차코일의 부하 임피던스를 주위의 8개의 1차코일의 부하 임피던스와 비교한다. 선택한 1차 코일 주위에 부하 임피던스가 더 큰 1차 코일이 존재하지 않으면 선택한 1차 코일을 '활성'으로 분류한다. 선 택한 1차 코일 주위에 '활성'으로 분류된 1차 코일이 존재하면 선택한 1차 코일을 '비활성'으로 분류한다. 어떤 경우에도 인접한 두 1차 코일이 동시에 '활성'으로 분류되지 않도록 한다. 선택한 1차 코일 주위에 부하 임피던스가 더 큰 1차 코일이 존재하면 부하 임피던스가 더 큰 1차 코일에서 전력전달 효율이 더 높은 것이므로 선택한 1차 코일을 '비활성'으로 분류한다. 도 3의 첫째 2차 코일(300) 근처에는 1차 코일 302의 부하 임피던스가 가장 크므로 이것을 '활성'으로 분류한다. 도 3의 둘째 2차 코일(310) 근처에는 두 개의 1차 코일(312, 314)의 부하 임피던스가 주위의 다른 1차 코일보다 두드러지게 더 클 것이고 이 중 부하 임피던스가 더 큰 1차 코일을 '활성'으로 분류한다. 두 1차 코일의 부하 임피던스가 동일하다면 임의로 둘 중 하나의 1차 코일을 '활성'으로, 다른 하나의 1차 코일을 '비활성'으로 분류한다. 도 3의 셋째 2차 코일(320) 근처에는 세 개의 1차 코일(322, 324, 326)의 부하 임피던스가 주위의 다른 1차 코일보다 두드러지게 더 클 것이고 이 중 부하 임피던스가 가장 큰 1차 코일을 '활성'으로 분류한다. 세 1차 코일의 부하 임피던스가 동일하다면 임의로 셋 중 하나의 1차 코일을 '활성'으로, 다른 두 1차 코일을 '비활성'으로 분류한다.

이렇게 하여 전력 전달 표면에 놓인 이동장치 각각에 대해 그 이동장치에 전력 전달 효율이 가장 높은 1개의 1차 코일을 '활성'으로 분류한다. 이동장치가 한 개 놓인 경우 하나의 1차 코일을 선택하여 '활성'으로 분류하고 이동 장치가 2 개 놓인 경우에는 두 개의 1차 코일을 선택하여 '활성'으로 분류한다.

이 다음 '활성'으로 분류된 1차 코일을 사용하여 주장치는 디지털 통신을 시 도한다. 전자기 유도로 유도된 전력을 사용하는 통신 방식을 사용하면 이동장치의 배터리가 완전히 방전되어 있어도 주장치와 이동장치 사이에 통신이 가능하다. 이런 방식은 신체에 삽입하여 신체 신호를 원격 검사하는 장치에 전력을 공급하는 동시에 신호를 주고 받기 위해 개발되었던 것이다. [Z. Tang, B. Smith, J. H. Schild, and P. H. Peckham, "Data Transmission from an Implantable Biotelemeter byLoad-Shift Keying Using Circuit Configuration Modulator", IEEE Transactions on Biomedical Engineering, Vol. 42, No. 5, pp524-528 (1995); Y. Hu, J.-F. Gervais, and M. Sawan, "High power efficiency inductive link with full-duplex data communication", Proceeding of the 2002 9th International Conference on Electronics, Circuits and Systems, Vol. 1, pp359-362]. 아날로그 신호를 전송하는 주파수 변조(frequency modulation, FM) 방식 이외에 디지털 신호를 전송하기 위해 진폭 편이 변조(amplitude shift keying, ASK), 주파수 편이 변조(frequency shift keying, FSK), 위상 편이 변조(phase shift keying, PSK)를 사용할 수 있다. 리안과 쿠프는 매우 간단한 회로로 ASK의 일종인 부하 편이 변조(load shift keying, LSK) 방식을 구현하였고 이 방식도 사용 가능하다. [M. Ryan and R. Coup "An Universal, Inductively Coupled Battery Charger for Robot Power Supplies", Proceedings of the 2006 Australasian Conference on Robotics & Automation].

도 10에 이렇게 전력 전달과 통신을 동시에 할 수 있는 회로를 블록 다이어그램으로 나타내었다.

미리 정한 시간 안에 규정된 인식 신호를 수신하면 주장치는, 이동장치가 '활성' 1차 코일 주위에 있다는 것과 이동장치의 종류에 대한 정보를 알 수 있다. RFID의 ISO15693의 통신 규약 같은 표준화된 인식 신호를 사용할 수도 있고 독자적인 인식 신호를 사용할 수도 있다. 주장치는 이동장치와 계속 통신하여 이동장치 배터리의 종류, 충전상태, 온도 등의 정보를 얻을 수도 있다. 이동장치에 다른 센서가 구비되어 있다면 그 센서에서 얻은 신호를 주장치로 전달할 수도 있다. 미리 정한 시간 안에 규정된 인식 신호가 수신되지 않으면 1차 코일을 '비활성'으로 분류하고 전력을 차단한다. 통신을 위해 1차 코일을 활성화하는 시간은 충분히 짧게 하여 전력을 흡수하는 이물질이 있더라도 과열되지 않게 한다. 디지털 통신을 위해 '활성'으로 분류된 1차 코일을 활성화시키는 시간은 1차 코일의 부하 임피던스를 검사하기 위해 1차 코일을 활성화시키는 시간보다 길 수 있다.

이동장치와 주장치 사이의 통신 채널을 통해 이동장치는 주장치에 이동장치에 유도되는 전압 또는 전류 신호를 전송할 수 있다. 주장치는 이 신호를 피드백하여 이동장치에 적절한 전압 또는 전류를 유도되도록 1차 코일을 통해 전력을 전달할 수 있다. 물론 이러한 피드백 조절을 각 이동장치마다 별도로 할 수 있다. 이러한 피드백 회로를 이용하면 이동장치에서 배터리 충전을 위한 전압 변환 장치를 생략할 수 있어서 이동장치의 부피와 무게를 줄일 수 있다.

이동장치와 주장치 사이의 통신 채널을 통해 상태를 송신부에서 실시간으로 모니터할 수 있으므로 만충전, 과부하 또는 이상 온도 상승의 경우 전력 전달을 차단한다. 도 11에 이러한 과정을 순서도로 나타내었다.

또한 배터리를 충전하는 경우 배터리의 충전 정도를 주장치에서 인식하여 주장치의 디스플레이에 표시할 수 있다. 필요하다면 이동장치의 배터리 충전 상태를 주 장치에서 다른 컴퓨터로 전달할 수도 있다.

전력 전달 표면에 이동장치가 새로 놓이거나, 놓여 있던 이동장치가 전력 전달 표면으로부터 분리될 수 있으므로 모든 1차 코일들의 부하 임피던스를 검사하는 단계를 일정한 시간 간격으로 반복하여 각 1차 코일의 '활성', '비활성' 상태를 재분류할 수 있다. 부하 임피던스 검사에 필요한 시간보다 충분히 긴 시간 간격을 두고 부하 임피던스 검사를 되풀이하면 배터리 충전 시간에는 거의 영향이 없다. 예를 들어 100kHz 공진 신호를 사용하고 하나의 1차 코일의 부하 임피던스를 측정하기 위해 공진 신호의 10주기가 필요하다면 모든 1차 코일의 부하 임피던스를 최소 10 마이크로초 X 10주기 X 9회=0.9밀리초에 측정할 수 있다. 모든 1차 코일의 부하 임피던스를 측정하고 '활성', '비활성'을 분류하고 인식 신호를 확인하는 데에 10밀리초가 걸리는 경우에 2초마다 이 일을 되풀이한다면 99.5% 이상의 시간 동안 유효하게 전력을 전달할 수 있으므로 실제 배터리 충전 시간에는 영향을 거의 주지 않는다.

1차 코일을 각각 활성화시킬 수 있어야 하므로 1차 코일 각각에 별도의 구동 회로가 필요하다. 따라서 일정한 면적의 전력 전달 표면을 구성할 때 전체 회로의 구성을 간단하게 하기 위해서는 1차 코일의 개수를 최소로 하는 것이 바람직하다. 이동장치의 2차 코일 크기가 일정하다면 1차 코일의 크기가 최대일 때 1차 코일의 개수를 최소로 할 수 있다. 따라서 본 발명에서 제시한 크기의 비로 1차 코일과 2 차 코일을 구성하면 1차 코일의 개수를 최소로 하여 주장치의 회로 구성을 간단하게 할 수 있고, 이동장치에 별도의 전력 변환 회로가 필요 없어서 이동장치의 회로 구성을 간단하게 하면서 효과적으로 비접촉 방식으로 전력을 전달할 수 있다.

도 1a와 도 1b는 자기장 유도 방식의 종류를 나타낸 것으로, 도 1a는 수평 자기장 방식(horizontal magnetic flux distribution)을 도 1b는 수직 자기장 방식(vertical magnetic flux distribution)을 나타낸다.

도 2는 기존 기술에 따른 수직 자기장 방식의 비접촉 전력 전달시스템의 한 예이다.

도 3은 본 발명의 한 실시예에서 원형의 1차 코일과 2차 코일이 겹치는 3가지 경우를 나타낸 것이다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에서 1차 코일의 배열을 나타낸 것이다.

도 5a는 정사각형 모양의 1차 코일과 2차 코일이 겹치는 경우를 나타낸 것이다.

도 5b는 정육각형 모양의 1차 코일과 2차 코일이 겹치는 경우를 나타낸 것이다.

도 5c는 정팔각형 모양의 1차 코일과 2차 코일이 겹치는 경우를 나타낸 것이다.

도 6은 LLC 공진 변환기를 나타낸 것이다.

도 7a와 7b와 7c는 각각 도 6의 LLC 회로 동작 영역 1과 3에서 무거운 부하, 가벼운 부하, 매우 가벼운 부하 상태에서 회로의 전압과 전류를 보인 것이다 (Bo Yang의 박사 학위 논문 부록 참조). 부하의 크기에 따라 Cr에 걸리는 전압의 위상이 바뀐다.

도 8a와 8b는 각각 도 6의 LLC 회로 동작 영역 2에서 전부하(full load)와 가벼운 부하 상태에서 회로의 전압과 전류를 보인 것이다 (Bo Yang의 박사 학위 논문 부록 참조). 부하의 크기에 따라 Cr에 걸리는 전압의 위상이 바뀐다.

도 9a에서 9i까지는 본 발명에서 모든 1차 코일의 부하 임피던스를 측정하는 순서를 나타낸 것이다.

도 10은 본 발명의 실시예에 따라 선택된 '활성' 1차 코일을 사용하여 전력을 전달하는 단계를 나타내는 순서도이다.

도 11은 본 발명의 실시예에 따라 전력 전달과 신호 전달을 하는 주장치와 이동장치의 회로를 블록 다이어그램으로 나타낸 것이다.

Claims (20)

1. (i) 전자기장을 유도할 수 있는 1차 코일 여러 개가 2차원으로 배열된 전력 전달 표면과 각 1차 코일을 구동할 수 있는 구동회로와, 각 구동회로의 부하 임피던스를 감지할 수 있는 수단과, 전력 전달 채널을 통해 신호를 수신할 수 있는 수단과, 교류 또는 직류 전원을 구비한 주장치 및;

   (ii) 1차 코일보다 크기가 2 내지 3배인 2차 코일과, 상기 2차 코일에 유도된 전자기파를 정류하여 직류를 발생시키는 정류 회로와, 전력 전달 채널을 통해 신호를 송신할 수 있는 수단을 구비한 최소한 하나의 이동장치로 이루어지고,

   상기 이동장치가 상기 주장치의 전력전달 표면 위나 그 가까이에 위치할 때 상기 주장치의 1차 코일과 상기 이동장치의 2차 코일 사이의 전자기 유도에 의해 이동장치로 전력을 전달하고,

   상기 주장치는, 물체의 존재를 감지하기 위해 미리 설정된 시간 동안 하나의 1차 코일과, 상기 하나의 1차 코일과 두 칸 떨어진 위치의 1차 코일들을 동시에 활성화시켜 부하 임피던스를 측정하도록 제어하고, 미리 정해진 시간 안에 상기 활성화된 1차 코일들을 통해 상기 이동장치로부터 인식 신호 및 상기 이동장치에 유도되는 전력에 대한 정보가 수신되면 상기 인식 신호 및 상기 이동장치에 유도되는 전력에 대한 정보를 이용하여 상기 이동장치별로 해당하는 1차 코일을 통해 무선 전력이 전송되도록 제어하되,

   상기 주장치는,

   상기 미리 설정된 시간보다 긴 시간 간격마다 상기 부하 임피던스를 반복적으로 측정하고,

   상기 미리 정해진 시간은,

   상기 주장치와 상기 이동장치 간의 디지털 통신을 위한 시간이며, 상기 미리 설정된 시간보다 긴 것을 특징으로 하는, 비접촉 전력 전달 시스템.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 2차 코일의 크기가 1차 코일의 2.1 내지 2.6배인, 비접촉 전력 전달 시스템.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 2차 코일의 크기가 1차 코일의 2.1 내지 2.4배인, 비접촉 전력 전달 시스템.
4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 이동장치는 배터리를 포함하는, 비접촉 전력 전달 시스템.
5. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 이동장치의 센서에서 읽은 값이 상기 주장치로 송신되는, 비접촉 전력 전달 시스템.
6. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 주장치는 상기 이동장치에 유도되는 전력에 대한 정보를 이용하여 각 이동장치 별로 피드백 조절을 수행하는, 비접촉 전력 전달 시스템.
7. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 신호를 송신하는 방법이 ASK, FSK, PSK, LSK로 이루어진 군에서 선택되는, 비접촉 전력 전달 시스템.
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11. 삭제
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14. 2차 코일을 구비한 무선 전력 수신 장치로 전자기 유도 방식에 의해 전력을 전달하는 무선 전력 전송 장치로서,

    2차원 메트릭스 형태로 배열되고 복수의 1차 코일을 구비하는 전송 코일;

    상기 1차 코일 각각을 구동할 수 있는 구동회로;

    상기 1차코일의 부하 임피던스를 감지할 수 있는 수단; 및

    상기 구동 회로를 제어하여 상기 전송 코일에서 전자기 유도를 발생시키도록 제어하는 주제어부를 포함하고,

    상기 주제어부는,

    물체의 존재를 감지하기 위해 미리 설정된 시 간동안 상기 복수의 1차 코일 중 적어도 하나의 1차 코일을 활성화시켜 전력을 흡수하는 물체의 존재를 판단하고, 미리 정해진 시간 안에 해당 1차 코일을 통해 상기 무선 전력 수신 장치로부터 인식 신호 및 상기 무선 전력 수신 장치에 유도되는 전력에 대한 정보가 수신되면, 상기 인식 신호 및 상기 무선 전력 수신 장치에 유도되는 전력에 대한 정보를 이용하여 상기 무선 전력 수신 장치별로 해당하는 1차 코일을 활성화시켜 무선 전력이 전송되도록 제어하되,

    상기 주제어부는,

    상기 미리 설정된 시간 간격마다 상기 전력을 흡수하는 물체가 해당 1차 코일에 존재하는지를 반복적으로 판단하고,

    상기 미리 정해진 시간은,

    상기 무선 전력 전송 장치와 상기 무선 전력 수신 장치 간의 디지털 통신을 위한 시간이며, 상기 미리 설정된 시간보다 긴 것을 특징으로 하는, 무선 전력 전송 장치.
15. 제 14 항에 있어서,

    상기 1차 코일의 둘레길이는 상기 2차 코일의 둘레길이의 1/2.6 ~ 1/2.1배인, 무선 전력 전송 장치.
16. 제 15 항에 있어서,

    상기 1차 코일과 상기 2차 코일은 원형 코일이며, 하기의 [식 1]을 만족하는, 무선 전력 전송 장치.

    [식 1]

    L= (1+2/SQRT(3))*l

    L : 상기 2차 코일의 둘레길이

    l : 상기 1차 코일의 둘레길이
17. 제 15 항에 있어서,

    상기 1차 코일과 상기 2차 코일은 정사각형 코일이며, 하기의 [식 2]을 만족하는, 무선 전력 전송 장치.

    [식 2]

    L= (7*SQRT(2)/4)*l

    L : 상기 2차 코일의 둘레길이

    l : 상기 1차 코일의 둘레길이
18. 제 15 항에 있어서,

    상기 1차 코일과 상기 2차 코일은 정육각형 코일이며, 하기의 [식 3]을 만족하는, 무선 전력 전송 장치.

    [식 3]

    L= (4/SQRT(3))*l

    L : 상기 2차 코일의 둘레길이

    l : 상기 1차 코일의 둘레길이
19. 삭제
20. 복수의 1차 코일을 구비하는 무선 전력 전송 장치가 전자기 유도 방식으로 2차 코일을 구비한 무선 전력 수신 장치로 무선 전력을 전송하는 방법에 있어서,

    물체의 존재를 감지하기 위해 미리 설정된 시간 동안 상기 복수의 1차 코일 중 적어도 하나의 1차 코일을 활성화시켜 전력을 흡수하는 물체의 존재를 판단하는 단계;

    미리 정해진 시간 안에 해당 1차 코일을 통해 상기 무선 전력 수신 장치로부터 인식 신호 및 상기 무선 전력 수신 장치에 유도되는 전력에 대한 정보를 수신하는 단계; 및

    상기 인식 신호 및 상기 무선 전력 수신 장치에 유도되는 전력에 대한 정보를 이용하여 상기 무선 전력 수신 장치별로 해당하는 1차 코일을 활성화시켜 상기 무선 전력을 전송하는 단계

    를 포함하고,

    상기 전력을 흡수하는 물체의 존재를 판단하는 단계는,

    상기 미리 설정된 시간보다 긴 시간 간격마다 반복적으로 수행되고,

    상기 미리 정해진 시간은,

    상기 무선 전력 전송 장치와 상기 무선 전력 수신 장치 간의 디지털 통신을 위한 시간이며, 상기 미리 설정된 시간보다 긴 것으로 특징으로 하는, 무선 전력 전송 방법.

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