KR101667725B1 - 무선 전력 전송 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

무선 전력 전송 장치 및 그 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 명세서는 외부 금속 물질의 유무뿐만 아니라 그 외부 금속 물질에 의해 소모되는 전력량을 검출할 수 있는 무선 전력 전송장치 및 그 제어 방법에 관한 것으로서, 본 명세서에 따른 무선 전력 전송장치는 외부 금속 물질로 인해 손실되는 전력을 검출하고, 상기 검출된 전력을 나타내는 정보를 출력할 수 있다.
본 발명에서는 무선으로 전력의 송수신이 가능한 무선 전력 전송장치에 있어서, 수신장치에 무선으로 전력을 전송하도록 전력을 공급하는 전원 공급부와 특정 주파수의 파형을 주기적으로 발생시켜, 상기 각 주기에서의 파형의 감쇠 계수를 측정하고, 각 주기에서의 감쇠 계수의 변화량을 측정하여, 외부 물질의 종류를 결정하는 전력 송신 제어부를 포함하고, 상기 전력 송신 제어부는 상기 외부 물질의 종류에 기초하여, 상기 수신장치에 상기 무선으로 전력을 전송할지 여부를 결정하는 것을 특징으로 한다.

Description

무선 전력 전송 장치 및 그 제어 방법{WIRELESS POWER TRANSMITTER AND METHOD FOR CONTROLLING THE SAME}
본 명세서는 무선 전력 전송 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로 무선 전력 수신장치들에게 유선으로 전기 에너지를 공급하는 방법 대신에, 최근에는 접촉 없이 무선으로 전기 에너지를 공급하는 방법이 사용된다. 무선으로 에너지를 수신하는 무선 전력 수신장치는 상기 수신된 무선 전력에 의하여 직접 구동되거나, 상기 수신된 무선 전력을 이용하여 배터리를 충전하고 상기 충전된 전력에 의하여 구동될 수 있다.
자기 유도 방식의 무선 전력 전송에 대한 기술을 다루는 무선 전력 협의체(Wireless Power Consortium)는 2010년 4월 12일에 무선 전력 전송에서의 호환성(interoperability)에 대한 "무선 전력 전송 시스템 설명서, 제1권, 저전력, 파트 1: 인터페이스 정의, 버젼 1.00 RC1(System Description Wireless Power Transfer, Volume 1, Low Power, Part 1: Interface Definition, Version 1.00 Release Candidate 1)" 표준 문서를 공개하였다. 상기 무선 전력 협의체의 표준 문서는 자기 유도 방식에 의하여 하나의 무선 전력 전송장치로부터 하나의 무선 전력 수신장치로 전력을 전달하는 방식을 설명하고 있다.
본 명세서는 외부 금속 물질의 유무뿐만 아니라 그 외부 금속 물질에 의해 소모되는 전력량을 검출할 수 있는 무선 전력 전송장치 및 그 제어 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 본 명세서는 외부 물질과 관련된 다양한 정보를 검출할 수 있는 무선 전력 전송장치 및 그 제어방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
또한, 본 명세서는 안전하게 일대일 통신이 가능한 무선 전력 전송장치 및 그 제어방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
본 명세서에 따른 무선 전력 전송장치는, 무선 전력 수신 장치가 적용된 전자기기에 무선 전력을 전송하는 무선 전력 전송장치에 있어서, 입력 전압을 공급하는 전원 공급부와 상기 전자기기의 동작을 위한 전력을 공급하기 위해 구동 신호를 발생하는 전력 송신 제어부와; 상기 공급된 입력 전압 및 상기 구동 신호에 의한 스위칭 동작을 근거로 무선 전력 신호를 형성하여 상기 무선 전력 수신장치에 무선 전력을 전송하는 전력 변환부를 포함하며, 상기 전력 송신 제어부는 외부 금속 물질로 인해 손실되는 전력을 검출하고, 상기 검출된 전력을 나타내는 정보를 출력할 수 있다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 전력 송신 제어부는, 상기 외부 금속 물질로 인해 손실되는 전력이 검출되면 상기 외부 금속 물질로 인해 전력이 손실되고 있음을 나타내는 오류 정보를 발생하고, 상기 오류 정보를 상기 무선 전력 전송장치의 표시부에 표시할 수 있다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 전력 송신 제어부는, 상기 무선 전력 수신 장치가 상기 무선 전력의 수신을 차단하도록 상기 무선 전력 수신 장치를 제어하고, 상기 무선 전력 전송장치의 LC 공진 회로를 구동시키다가 멈춘 시점에 상기 무선 전력 전송장치에서 손실되는 전체 손실 전력량을 검출하고, 상기 검출한 전체 손실 전력량과 상기 무선 전력 전송장치의 고유 손실 전력량의 차이값을 상기 외부 금속 물질로 인해 소모되는 전력량으로 결정할 수 있다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 외부 금속 물질로 인해 소모되는 전력량 표시하는 표시부를 더 포함할 수 있다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 전력 송신 제어부는, 상기 무선 전력 전송장치의 LC 공진 회로를 구동하는 주파수 값과, 상기 무선 전력 전송장치의 LC 공진 회로의 인덕터(L) 값과, 상기 무선 전력 전송장치의 LC 공진 회로의 전류 값을 근거로 상기 전체 손실 전력량을 검출할 수 있다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 무선 전력 전송장치의 LC 공진 회로의 전류 값은, 상기 무선 전력 전송장치의 LC 공진 회로를 구동시키다가 멈춘 시점부터 제1 미리설정된 시간 또는 미리설정된 사이클 수가 경과한 제1 시점에 검출된 인덕터(L)의 제1 전류값과 상기 무선 전력 전송장치의 LC 공진 회로를 구동시키다가 멈춘 시점부터 제2 미리설정된 시간 또는 미리설정된 사이클 수가 경과한 제2 시점에 검출된 인덕터(L)의 제2 전류 값의 차이 값을 나타내며, 상기 제1 시점은 상기 제2 시점보다 빠를 수 있다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 전력 송신 제어부는, 상기 무선 전력 수신 장치가 상기 무선 전력 전송장치에 비접속된 상태일 때, 상기 무선 전력 전송장치의 LC 공진 회로의 구동을 일시 정지시킨 시점에, 상기 무선 전력 전송장치의 LC 공진 회로의 공진 에너지의 감쇠 계수를 검출하고, 상기 검출된 감쇠 계수와 기준 감쇠 계수를 근거로 상기 외부 금속 물질의 유무를 결정할 수 있다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 전력 송신 제어부는, 상기 무선 전력 수신 장치가 상기 무선 전력 전송장치에 접속된 상태일 때 상기 무선 전력 수신 장치가 상기 무선 전력의 수신을 차단하도록 상기 무선 전력 수신 장치를 제어하고, 상기 무선 전력 전송장치의 LC 공진 회로의 구동을 일시 정지시킨 시점에, 상기 무선 전력 전송장치의 LC 공진 회로의 공진 에너지의 감쇠 계수를 검출하고, 상기 검출된 감쇠 계수와 기준 감쇠 계수를 근거로 상기 외부 금속 물질의 유무를 결정할 수 있다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 전력 송신 제어부는 상기 외부 금속 물질의 발열을 야기하는 전력을 검출할 수 있다.
본 명세서에 따른 무선 전력 전송장치의 제어 방법은, 무선 전력 수신 장치가 적용된 전자기기에 무선 전력을 전송하는 무선 전력 전송장치를 제어하는 방법에 있어서, 상기 전자기기의 동작을 위한 전력을 공급하기 위해 구동 신호를 발생하는 반계와; 입력 전압 및 상기 구동 신호에 의한 스위칭 동작을 근거로 무선 전력 신호를 형성하여 상기 무선 전력 수신장치에 무선 전력을 전송하는 단계와; 외부 금속 물질로 인해 손실되는 전력을 검출하는 단계와; 상기 검출된 전력을 나타내는 정보를 출력하는 단계를 포함할 수 있다.
본 명세서는 무선으로 전력의 송수신이 가능한 무선 전력 전송장치에 있어서, 수신장치에 무선으로 전력을 전송하도록 전력을 공급하는 전원 공급부와 특정 주파수의 파형을 주기적으로 발생시켜, 상기 각 주기에서의 파형의 감쇠 계수를 측정하고, 각 주기에서의 감쇠 계수의 변화량을 측정하여, 외부 물질의 종류를 결정하는 전력 송신 제어부를 포함하고, 상기 전력 송신 제어부는 상기 외부 물질의 종류에 기초하여, 상기 수신장치에 상기 무선으로 전력을 전송할지 여부를 결정하는 것을 특징으로 한다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 전력 송신 제어부는 상기 파형의 주기에 따라 변하는 감쇠 계수의 변화량을 검출하고, 상기 감쇠 계수의 변화량이 기 설정된 기준 변화량과 일치하는 경우, 상기 외부 물질을 상기 무선으로 전력을 수신하는 수신장치로 판단하여, 상기 수신장치에 무선으로 전력을 전송하는 것을 특징으로 한다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 수신장치와 무선으로 통신을 수행하도록 형성된 무선통신부를 더 포함하고, 상기 전력 송신 제어부는 상기 외부 물질이 상기 무선전력을 수신하는 수신장치인 경우, 상기 무선통신부를 통하여 통신이 수행되도록 상기 수신장치에 기 설정된 량의 전력 및 통신과 관련된 통신정보를 전송하는 것을 특징으로 한다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 전력 송신 제어부는 상기 수신장치와 일대일 통신이 연결이 완료되면, 상기 수신장치에 무선으로 전력을 전송하는 것을 특징으로 한다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 전력 송신 제어부는 상기 연결된 통신을 통하여, 상기 수신장치로부터 무선 전력을 수신할 전력량 정보를 수신하여, 상기 전력량 정보에 기초하여 전력을 공급하도록 상기 전력 공급부를 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 전력 송신 제어부는 상기 연결된 통신을 통하여, 상기 수신장치로부터 상기 수신장치의 정렬상태가 변경되었음을 나타내는 정렬상태정보를 수신하는 경우, 상기 수신장치에 공급되고 있던 전력을 중단하는 것을 특징으로 한다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 전력 송신 제어부는 상기 특정 주파수의 파형을 주기적으로 발생시킨 후, 기 설정된 공진 주파수와 다른 주파수가 검출되면, 상기 다른 주파수의 특성에 근거하여, 외부 물질의 종류를 판단하는 것을 특징으로 한다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 전력 송신 제어부는 상기 다른 주파수의 특성에 기초하여, 상기 외부 물질의 종류가 검출하고, 상기 외부 물질의 종류에 근거하여, 무선으로 전력을 전송할 전력량을 결정하는 것을 특징으로 한다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 전력 송신 제어부는 상기 다른 주파수의 감쇠 계수의 변화율에 기초하여, 상기 외부 물질의 용량을 검출하는 것을 특징으로 한다.
무선으로 전력을 전송하는 무선 충전 시스템에 있어서, 무선으로 전력을 송신하도록 형성된 전송장치 및 상기 전송장치로부터 무선 전력을 수신하도록 형성되는 수신장치를 포함하고, 상기 전송장치는 수신장치에 무선으로 전력을 전송하도록 전력을 공급하는 전원 공급부; 및 특정 주파수의 파형을 주기적으로 발생시켜, 상기 각 주기에서의 파형의 감쇠 계수를 측정하고, 각 주기에서의 감쇠 계수의 변화량을 측정하여, 상기 수신장치에 무선으로 전력을 전송할지 여부를 결정하는 전력 송신 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 전송장치는 상기 수신장치와 무선으로 통신을 수행하도록 형성된 무선통신부를 더 포함하고, 상기 전력 송신 제어부는 상기 수신장치에 무선으로 전력을 전송하기 전에 상기 수신장치와 무선으로 통신을 수행하도록 상기 수신장치에 통신 정보 및 기 설정된 량의 전력을 전송하는 것을 특징으로 한다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 전력 송신 제어부는 상기 전송장치의 공진 주파수보다 높은 주파수를 이용하여, 상기 통신 정보 및 기 설정된 량의 전력을 전송하는 것을 특징으로 한다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 전력 송신 제어부는 상기 통신 정보에 기초하여, 상기 수신장치와 통신이 연결되면, 상기 통신을 통해 상기 수신장치로부터 수신된 전력량에 기초하여 전력을 전송하도록 상기 전원 공급부를 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 전력 송신 제어부는 상기 수신장치로부터 전력 송신을 중단하도록 요청 신호가 수신되면, 상기 전송 중인 전력을 중단하도록 상기 전원 공급부를 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 수신장치는 상기 수신장치의 전압값, 전압 강하 시간 및 전류값 중 적어도 하나에 기초하여 상기 요청 신호를 생성하는 것을 특징으로 한다.
무선으로 전력을 송신하는 무선전력 전송장치의 무선전력 전송방법에 있어서, 특정 주파수의 파형을 주기적으로 발생시키는 단계와 상기 특정 주파수힁 파형의 각 주기에서의 감쇠 계수의 변화량에 기초하여, 무선으로 전력을 수신하는 전력 수신장치를 감지하는 단계와 상기 전력 수신장치가 검출되면, 상기 전송장치와 통신하도록 통신 연결 정보 및 수신기의 통신 모듈에 사용될 전력을 상기 전력 수신장치에 전달하는 단계와 상기 통신 연결 정보를 이용하여, 상기 수신장치와 통신을 연결하는 단계; 및 상기 연결된 통신을 이용하여 수신장치로부터 무선으로 전송할 전력량 정보를 수신하고, 상기 수신된 전력량 정보에 기초하여, 전력을 무선으로 전송하는 단계를 포함하고, 상기 전력 수신장치를 감지하는 단계에서는 상기 특정 주파수의 파형을 주기적으로 발생시키고, 상기 각 주기에서의 감쇠율을 측정하여, 복수의 감쇠율의 변화량을 이용하여 수신기를 검출하는 것을 특징으로 한다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 전력 수신장치를 감지하는 단계에서는 상기 전송장치의 공진 주파수와 다른 주파수를 갖는 파형을 이용하여 상기 수신장치의 정렬상태를 판단하는 것을 특징으로 한다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 통신 연결 정보를 상기 전력 수신장치에 전달하는 단계에서는 상기 전송장치의 공진 주파수보다 높은 주파수를 이용하여 상기 통신 연결 정보를 전달하는 것을 특징으로 한다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 전송장치는 상기 수신장치와 일대일로 통신하는 것을 특징으로 한다.
본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 수신장치에 무선으로 전력을 전송하는 단계는 상기 통신을 통하여 상기 수신장치로부터 전력의 전송을 중단하도록 요청 신호가 수신되는 것에 근거하여, 상기 전력의 전송을 중단하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예들에 따른 무선 전력 전송 장치 및 그 제어 방법은, 무선 전력 전송장치의 LC 공진 회로의 공진 에너지의 감쇠 계수를 검출함으로써, 외부 금속 물질의 유무을 결정할 수 있다.
본 발명의 실시 예들에 따른 무선 전력 전송 장치 및 그 제어 방법은, 상기 무선 전력 수신 장치가 상기 무선 전력의 수신을 차단하도록 상기 무선 전력 수신 장치를 제어하고, 상기 무선 전력 전송장치의 LC 공진 회로를 구동시키다가 멈춘 시점에서 검출된 상기 무선 전력 전송장치의 전체 손실 전력량과 상기 무선 전력 전송장치의 고유 손실 전력량을 근거로 외부 금속 물질에 의해 소모되는 전력량을 검출할 수도 있다.
본 발명의 실시 예들에 따른 무선 전력 전송 장치 및 그 제어방법은, 무선 전력 전송장치의 전력 전송용 코일에서 감지되는 파형의 주파수 감쇠 계수의 변화량을 이용하여, 외부 물질의 종류를 판단할 수 있다.
본 발명의 실시 예들에 따른 무선 전력 전송 장치 및 그 제어방법은, 무선 전력 전송장치의 전력 전송용 코일에서 감지되는 파형이 고유의 공진 주파수 이외의 추가적인 파형을 이용하여, 외부 물질의 정렬 상태 및 용량을 검출할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 전송 장치 및 그 제어방법은, 무선 전력 전송장치와 무선 전력 수신장치 사이의 일대일 통신을 연결하는 방법을 제공할 수 있다. 이를 통하여, 본 발명은 안전하게 통신을 수행하는 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예들에 따른 무선 전력 전송장치 및 전자 기기를 개념적으로 나타낸 예시도이다.
도 2의 (a) 및 (b)는 각각 본 명세서에 개시된 실시 예들에서 채용 가능한 무선 전력 전송장치 및 전자 기기의 구성을 예시적으로 나타낸 블록도이다.
도 3은 유도 결합 방식에 따라 무선 전력 전송장치로부터 전자 기기에 무선으로 전력이 전달되는 개념을 도시한다.
도 4a 및 도 4b는 본 명세서에 개시된 실시 예들에서 채용 가능한 전자기 유도 방식의 무선 전력 전송장치 및 전자 기기의 구성의 일부를 예시적으로 나타낸 블록도이다.
도 5는 본 명세서에 개시된 실시 예들에서 채용 가능한 유도 결합 방식에 따라 전력을 수신하는 하나 이상의 전송 코일들을 가지도록 구성된 무선 전력 전송장치의 블록도이다.
도 6은 공진 결합 방식에 따라 무선 전력 전송장치로부터 전자 기기에 무선으로 전력이 전달되는 개념을 도시한다.
도 7은 본 명세서에 개시된 실시 예들에서 채용 가능한 공진 방식의 무선 전력 전송장치 및 전자 기기의 구성의 일부를 예시적으로 나타낸 블록도이다.
도 8은 본 명세서에 개시된 실시 예들에서 채용 가능한 공진 결합 방식에 따라 전력을 수신하는 하나 이상의 전송 코일들을 가지도록 구성된 무선 전력 전송장치의 블록도이다.
도 9는 도 2의 (a)에 도시된 구성 외에 추가적인 구성을 더 포함하는 무선 전력 전송장치를 나타낸 블록도이다.
도 10은 본 명세서에 개시된 실시 예들에 따른 전자 기기가 이동 단말기 형태로 구현된 경우의 구성을 나타낸다.
도 11은 본 명세서에 개시된 무선 전력 전달에 있어서 무선 전력 신호의 변조 및 복조를 통하여 무선 전력 전송장치와 전자 기기 사이에 패킷을 송수신하는 개념을 도시한다.
도 12는 상기 무선 전력 전송장치가 전력 제어 메시지를 구성하는 데이터 비트 및 바이트의 표시 방법을 도시한다.
도 13은 본 명세서에 개시된 실시 예들을 따르는 무선 전력 전달방법에 사용되는 전력 제어 메시지를 포함하는 패킷을 도시한다.
도 14는 본 명세서에 개시된 실시 예들을 따르는 무선 전력 전송장치 및 전자 기기의 동작 상태들을 도시한다.
도 15 내지 도 19는 상기 무선 전력 전송장치 및 전자 기기간의 전력 제어 메시지를 포함하는 패킷들의 구조를 도시한다.
도 20은 본 발명의 실시예에 따른 무선 전력 전송장치(100)에 위치한 외부 금속 물질의 발열 원인을 나타낸 예시도 이다.
도 21은 본 발명의 실시예에 따라 쇄교 자속을 이용하는 무선 전력 전송장치와 상기 무선 전력 수신장치 사이에 위치한 외부 금속 물질을 나타낸 예시도 이다.
도 22a-22b는 본 발명의 실시예에 따라 상기 무선 전력 전송장치의 인버터가 LC 공진 회로를 구동시키다가 일시적으로 구동을 멈출 경우의 인덕터(L) 전류의 변화를 나타낸 예시도 이다.
도 23은 상기 무선 전력 수신장치(200)와 외부 금속 물질이 없이 상기 무선 전력 전송장치만 있는 상태에서 상기 무선 전력 전송장치의 LC 공진 회로의 구동을 멈출 때의 공진 에너지의 감쇠 곡선을 나타낸다.
도 24는 PT=0으로 설정하기 위한 회로를 나타낸 예시도이다.
도 25는 PT=0으로 설정하기 위한 다른 회로를 나타낸 예시도이다.
도 26은 외부 금속 물질이 없이 상기 무선 전력 수신장치와 상기 무선 전력 전송장치만 있는 상태에서 상기 무선 전력 전송장치의 LC 공진 회로의 구동을 멈출 때의 공진 에너지의 감쇠 곡선을 나타낸다.
도 27은 도 23의 전류 파형과 도 26의 전류 파형을 겹친 파형을 나타낸 도이다.
도 28은 공진 에너지의 감쇠 곡선(감쇠 계수)을 나타낸 예시도 이다.
도 29는 공진 에너지의 감쇠 곡선(감쇠 계수)을 나타낸 다른 예시도 이다.
도 30은 본 발명의 실시예에 따라 상기 외부 금속 물질의 유무를 결정하는 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 31은 본 발명의 실시예에 따라 상기 외부 금속 물질의 유무를 결정하는 다른 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 32는 감쇠 계수의 주기 당 변화율에 근거하여, 외부 물질의 종류, 수신장치의 정렬 상태 및 용량을 검출하는 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 35, 도 36 및 도 37은 외부 물질의 종류에 따라 감쇠 계수가 변하는 것을 나타낸 그래프이고, 도 38, 도 39, 도 40은 수신장치가 있는 경우, 각 주기 당 감쇠 계수가 변하는 것을 나타낸 그래프이다.
본 명세서에 개시된 기술은 무선 전력 전송(wireless power transmission)에 적용된다. 그러나 본 명세서에 개시된 기술은 이에 한정되지 않고, 상기 기술의 기술적 사상이 적용될 수 있는 모든 전력 전송 시스템 및 방법, 무선 충전회로 및 방법, 그 외 무선으로 전송되는 전력을 이용하는 방법 및 장치에도 적용될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 본 명세서에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 또한, 본 명세서에서 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.
또한, 본 명세서에서 사용되는 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
정의
다대일 통신 방법: 송신기 (Tx) 하나가 다수의 수신기 (Rx)와 통신하는 방법
단방향 통신: 단지 수신기가 송신기 쪽으로만 필요한 메세지를 전송하는 통신 방법
양방향 통신: 송신기는 수신기로, 수신기는 송신기로, 즉 양쪽에서 메시지 전송이 가능한 통신 방법
여기서, 송신기 및 수신기는 각각 송신장치 및 수신장치와 동일한 의미이며, 이하, 이들 용어는 혼용될 수 있다.
무선 전력 전송장치 및 무선 전력 수신장치 개념도
도 1은 본 발명의 실시 예들에 따른 무선 전력 전송장치 및 무선 전력 수신장치를 개념적으로 나타낸 예시도이다.
도 1을 참조하여 알 수 있는 바와 같이, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 무선 전력 수신장치(200)가 필요로 하는 무선으로 전력을 전달하는 전력 전달 장치일 수 있다 .
또한, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 무선으로 전력을 전달함으로써 상기 무선 전력 수신장치(200)의 배터리를 충전하는 무선 충전 장치일 수 있다.
그 밖에도, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 접촉되지 않은 상태에서 전원이 필요한 무선 전력 수신장치(200)에게 전력을 전달하는 여러 가지 형태의 장치로 구현될 수 있다.
상기 무선 전력 수신장치(200)는 상기 무선 전력 전송장치(100)로부터 무선으로 전력을 수신하여 동작이 가능한 기기이다. 또한, 상기 무선 전력 수신장치(200)는 상기 수신된 무선 전력을 이용하여 배터리를 충전할 수 있다.
한편, 본 명세서에서 설명되는 무선으로 전력을 수신하는 무선 전력 수신장치는 휴대가 가능한 모든 전자 기기, 예컨대 키보드, 마우스, 영상 또는 음성의 보조 출력장치 등의 입출력장치를 비롯하여, 휴대폰, 셀룰러폰, 스마트 폰(smart phone), PDA(Personal Digital Assistants), PMP(Portable Multimedia Player)와, 태블릿, 혹은 멀티미디어 기기 등을 포괄하는 의미로 해석되어야 한다.
상기 무선 전력 수신장치(200)는, 후술하는 바와 같이, 이동 통신 단말기(예컨대 휴대폰, 셀룰러폰, 태블릿) 또는 멀티미디어 기기일 수 있다.
한편, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 하나 이상의 무선 전력 전달 방법을 이용하여 상기 무선 전력 수신장치(200)로 상호간 접촉이 없이 무선으로 전력을 전달할 수 있다. 즉, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 무선 전력 신호에 의한 자기 유도 현상에 기초한 유도 결합(Inductive Coupling) 방식과 특정한 주파수의 무선 전력 신호에 의한 전자기적 공진 현상에 기초한 공진 결합(Magnetic Resonance Coupling) 방식 중 하나 이상을 이용하여 전력을 전달할 수 있다.
상기 유도 결합 방식에 의한 무선 전력 송신은 1차 코일 및 2차 코일을 이용하여 전력을 무선으로 전송하는 기술로, 자기 유도 현상에 의하여 하나의 코일에서 변화하는 자기장 통해 다른 코일 쪽에 전류가 유도됨으로써 전력이 전달되는 것을 말한다.
상기 공진 결합 방식에 의한 무선 전력 송신은 상기 무선 전력 전송장치(100)에서 전송한 무선 전력 신호에 의하여 상기 무선 전력 수신장치(200)에서 공진이 발생하고, 상기 공진 현상에 의하여 상기 무선 전력 전송장치(100)로부터 상기 무선 전력 수신장치(200)로 전력이 전달되는 것을 말한다.
이하에서는 본 명세서에 개시된 무선 전력 전송장치(100) 및 무선 전력 수신장치(200)에 관한 실시 예들을 구체적으로 설명한다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 사용한다.
도 2A 및 2B는 본 명세서에 개시된 실시 예들에서 채용 가능한 무선 전력 전송장치(100) 및 무선 전력 수신장치(200)의 구성을 예시적으로 나타낸 블록도이다.
무선 전력 전송장치
도 2A를 참조하면, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 전력 전달부(Power Transmission Unit)(110)를 포함하도록 구성된다. 상기 전력 전달부(110)는 전력 변환부(Power Conversion Unit)(111) 및 전력 송신 제어부(Power Transmission Control Unit)(112)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 전력 변환부(111)는 송신측 전원 공급부(190)로부터 공급된 전력을 무선 전력 신호(wireless power signal)로 변환하여 상기 무선 전력 수신장치(200)로 전달한다. 상기 전력 변환부(111)에 의하여 전달되는 무선 전력 신호는 진동(oscillation)하는 특성을 가진 자기장(magnetic field) 또는 전자기장(electro-magnetic field)의 형태로 형성된다. 이를 위하여 상기 전력 변환부(111)는 상기 무선 전력 신호가 발생하는 코일을 포함하도록 구성될 수 있다.
상기 전력 변환부(111)는 각 전력 전달 방식에 따라 다른 형태의 무선 전력 신호를 형성하기 위한 구성 요소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 전력 변환부(111)는 유도 결합 방식에 따라 상기 무선 전력 수신장치(200)의 2차 코일에 전류를 유도시키기 위하여 변화하는 자기장을 형성시키는 1차 코일을 포함하도록 구성될 수 있다. 또한, 상기 전력 변환부(111)는 공진 결합 방식에 따라 상기 무선 전력 수신장치(200)에 공진 현상을 발생시키기 위하여 특정 공진 주파수를 가진 자기장을 형성시키는 코일(또는 안테나)를 포함하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 전력 변환부(111)는 전술된 유도 결합 방식과 공진 결합 방식 중 하나 이상의 방법을 이용하여 전력을 전달할 수 있다.
상기 전력 변환부(111)에 포함되는 구성 요소들 중 유도 결합 방식을 따르는 것들에 대하여는 도 4a, 도 4b 및 도 5를 참조하여, 공진 결합 방식을 따르는 것들에 대하여는 도 7 및 도 8을 참조하여 후술된다.
한편, 상기 전력 변환부(111)는 상기 무선 전력 신호를 형성시키기 위해 사용되는 주파수, 인가되는 전압, 전류 등의 특성을 조절할 수 있는 회로를 더 포함하도록 구성될 수 있다.
상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 전력 전달부(110)에 포함되는 각 구성요소를 제어한다. 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 무선 전력 공급 장치(100)를 제어하는 다른 제어부(미도시)와 통합되도록 구현될 수 있다.
한편, 상기 무선 전력 신호가 도달할 수 있는 영역은 두 가지로 구분될 수 있다. 먼저, 활동 영역(active area)은 상기 무선 전력 수신장치(200)로 전력을 전달하는 무선 전력 신호가 통과하는 영역을 말한다. 다음으로, 감지 영역(semi-active area)은 상기 무선 전력 전송장치(100)가 상기 무선 전력 수신장치(200)의 존재를 감지할 수 있는 관심 영역을 말한다. 여기서, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 무선 전력 수신장치(200)가 상기 활동 영역 또는 감지 영역에 배치(placement)되거나 제거(removal)되었는지 여부에 대하여 감지할 수 있다. 구체적으로, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 전력 변환부(111)에서 형성되는 무선 전력 신호를 이용하거나, 별도로 구비된 센서에 의하여 상기 무선 전력 수신장치(200)가 상기 활동 영역 또는 감지 영역에 배치되었는지 여부를 검출할 수 있다. 예컨대, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 감지 영역에 존재하는 상기 무선 전력 수신장치(200)로 인하여 상기 무선 전력 신호가 영향을 받아, 상기 전력 변환부(111)의 상기 무선 전력 신호를 형성하기 위한 전력의 특성이 변화하는지 여부를 모니터링함으로써 상기 무선 전력 수신장치(200)의 존재를 검출할 수 있다. 다만, 상기 활동 영역 및 감지 영역은 유도 결합 방식 및 공진 결합 방식 등의 무선 전력 전달방식에 따라 다를 수 있다.
상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 무선 전력 수신장치(200)의 존재를 검출한 결과에 따라 상기 무선 전력 수신장치(200)를 식별하는 과정을 수행하거나, 무선 전력 전송을 시작할 것인지 여부를 결정할 수 있다.
또한, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 무선 전력 신호를 형성하기 위한 상기 전력 변환부(111)의 주파수, 전압, 전류 중 하나 이상의 특성을 결정할 수 있다. 상기 특성의 결정은 상기 무선 전력 전송장치(100) 측의 조건에 의하여 또는 상기 무선 전력 수신장치(200) 측의 조건에 의하여 이루어질 수 있다.
상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 무선 전력 수신장치(200)로부터 전력 제어 메시지를 수신할 수 있다. 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 수신된 전력 제어 메시지를 기초로 상기 전력 변환부(111)의 주파수, 전압, 전류 중 하나 이상의 특성을 결정할 수 있으며, 그 밖에 상기 전력 제어 메시지를 기초로 다른 제어 동작을 수행할 수 있다.
예를 들어, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 무선 전력 수신장치(200)의 정류된 전력량 정보, 충전 상태 정보 및 식별 정보 중 하나 이상을 포함하는 전력 제어 메시지에 따라 상기 무선 전력 신호를 형성시키기 위해 사용되는 주파수, 전류, 전압 중 하나 이상의 특성을 결정할 수 있다.
또한, 상기 전력 제어 메시지를 이용하는 그 밖의 다른 제어 동작으로서, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 무선 전력 전달과 관련된 일반적인 제어 동작을 상기 전력 제어 메시지를 기초로 수행할 수 있다. 예를 들어, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 전력 제어 메시지를 통하여 상기 무선 전력 수신장치(200)와 관련된 청각적 또는 시각적으로 출력할 정보를 수신하거나, 기기간의 인증 등에 필요한 정보를 수신할 수도 있다.
이와 같은 상기 전력 제어 메시지를 수신하기 위하여, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 무선 전력 신호를 통하여 수신하는 방법 및 그 외의 사용자 데이터를 수신하는 방법 중 적어도 하나를 이용할 수 있다.
상기 전력 제어 메시지를 수신하기 위하여, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 전력 변환부(111)와 전기적으로 연결된 변복조부(Power Communications Modulation/Demodulation Unit)(113)를 더 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 변복조부(113)는 상기 무선 전력 수신장치(200)에 의하여 변조된 무선 전력 신호를 복조하여 상기 전력 제어 메시지를 수신하기 위하여 사용될 수 있다.
그 밖에, 어떤 실시 예에서는 상기 전력 송신 제어부(112)가 상기 무선 전력 전송장치(100)에 포함되어 있는 통신 수단(미도시)에 의하여 전력 제어 메시지가 포함되어 있는 사용자 데이터를 수신함으로써 전력 제어 메시지를 획득할 수도 있다.
[In-band two-way communication을 지원 하는 경우]
또한, 본 명세서에 개시된 실시 예들을 따르는 양방향 통신이 가능한 무선 전력 전송환경에서는, 상기 전력 송신 제어부(112)가 상기 무선 전력 수신장치(200)로 데이터를 전송할 수 있다. 상기 전력 송신 제어부(112)가 전송하는 데이터는 상기 무선 전력 수신장치(200)가 전력 제어 메시지를 보내도록 요청하는 것일 수 있다.
무선 전력 수신장치
도 2B를 참조하면, 상기 무선 전력 수신장치는(200)는 전원 공급부(290)를 포함하도록 구성된다. 상기 전원 공급부(290)는 상기 무선 전력 수신장치(200)의 작동에 필요한 전력을 공급한다. 상기 전원 공급부(290)는 전력 수신부(291) 및 전력 수신 제어부(292)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 전력 수신부(291)는 상기 무선 전력 전송장치(100)로부터 무선으로 전달되는 전력을 수신한다.
상기 전력 수신부(291)는 무선 전력 전달 방식에 따라 상기 무선 전력 신호를 수신하기 위해 필요한 구성 요소를 포함할 수 있다. 또한, 상기 전력 수신부(291)는 하나 이상의 무선 전력 전달 방식에 따라 전력을 수신할 수 있으며, 이 경우 상기 전력 수신부(291)는 각 방식에 따라 필요한 서로 구성 요소들을 함께 포함할 수 있다.
먼저, 상기 전력 수신부(291)는 진동하는 특성을 가진 자기장 또는 전자기장의 형태로 전달되는 무선 전력 신호를 수신하기 위한 코일을 포함하도록 구성될 수 있다.
예컨대, 유도 결합 방식에 따른 구성 요소로서, 상기 전력 수신부(291)는 변화되는 자기장에 의하여 전류가 유도되는 2차 코일을 포함할 수 있다. 또한, 상기 전력 수신부(291)는 공진 결합 방식에 따른 구성 요소로서 특정 공진 주파수를 가진 자기장에 의하여 공진 현상이 발생되는 코일 및 공진 회로를 포함할 수 있다.
다만, 상기 전력 수신부(291)가 하나 이상의 무선 전력 전달 방식에 따라 전력을 수신하는 경우, 상기 전력 수신부(291)는 하나의 코일을 이용하여 수신하도록 구현되거나, 또는 각 전력 전달 방식에 따라 다르게 형성된 코일을 이용하여 수신하도록 구현될 수 있다.
상기 전력 수신부(291)에 포함되는 구성 요소들 중 유도 결합 방식을 따르는 것들에 대하여는 도 4a 및 도 4b를 참조하여, 공진 결합 방식을 따르는 것들에 대하여는 도 7을 참조하여 후술된다.
한편, 상기 전력 수신부(291)는 상기 무선 전력 신호를 직류로 변환하기 위한 정류 회로(rectifier) 및 평활 회로(regulator)를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 전력 수신부(291)는 수신된 전력 신호에 의하여 과전압 또는 과전류가 발생하지 않도록 방지하는 회로를 더 포함할 수 있다.
상기 전력 수신 제어부(292)는 상기 전원 공급부(290)에 포함되는 각 구성요소를 제어한다.
구체적으로, 상기 전력 수신 제어부(292)는 상기 무선 전력 전송장치(100)로 전력 제어 메시지를 전달할 수 있다. 상기 전력 제어 메시지는 상기 무선 전력 전송장치(100)에게 무선 전력 신호의 전달을 개시하거나 종료하도록 지시하는 것일 수 있다. 또한 상기 전력 제어 메시지는 상기 무선 전력 전송장치(100)에게 상기 무선 전력 신호의 특성을 조절하도록 지시하는 것일 수 있다.
이와 갈은 상기 전력 제어 메시지를 전송하기 위하여, 상기 전력 수신 제어부(292)는 상기 무선 전력 신호를 통하여 전송하는 방법 및 그 외의 사용자 데이터를 통하여 전송하는 방법 중 적어도 하나를 이용할 수 있다.
상기 전력 제어 메시지를 전송하기 위하여, 상기 무선 전력 수신장치(200)는 상기 전력 수신부(291)와 전기적으로 연결된 변복조부(Power Communications Modulation/Demodulation Unit)(293)를 더 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 변복조부(293)는, 전술된 상기 무선 전력 전송장치(100)의 경우와 마찬가지로, 상기 무선 전력 신호를 통하여 상기 전력 제어 메시지를 전송하기 위하여 사용될 수 있다. 상기 변복조부(293)는 상기 무선 전력 송신장치(100)의 전력 변환부(111)를 흐르는 전류 및/또는 전압을 조절하는 수단으로 사용될 수 있다. 이하, 상기 무선 전력 전송장치(100) 측과 상기 무선 전력 수신장치(200) 측의 각각의 변복조부(113 및 293)가 무선 전력 신호를 통한 전력 제어 메시지의 송수신을 위하여 사용되는 방법에 대하여 설명된다.
상기 전력 변환부(111)에 의하여 형성된 무선 전력 신호는 상기 전력 수신부(291)에 의하여 수신된다. 이때, 상기 전력 수신 제어부(292)는 상기 무선 전력 신호를 변조(modulation)하도록 상기 무선 전력 수신장치(200) 측의 변복조부(293)를 제어한다. 예컨대, 상기 전력 수신 제어부(292)는 상기 전력 수신부(291)과 연결된 변복조부(293)의 리액턴스(reactance)를 변경시킴으로써 상기 무선 전력 신호로부터 수신하는 전력량이 그에 따라 변하도록 변조 과정을 수행할 수 있다. 상기 무선 전력 신호로부터 수신되는 전력량의 변경은 상기 무선 전력 신호를 형성시키는 상기 전력 변환부(111)의 전류 및/또는 전압의 변경을 가져온다. 이 때, 상기 무선 전력 전송장치(100) 측의 변복조부(113)는 상기 전력 변환부(111)의 전류 및/또는 전압의 변경을 감지하여 복조(demodulation) 과정을 수행한다.
즉, 상기 전력 수신 제어부(292)는 상기 무선 전력 전송장치(100)에게 전달하고자 하는 전력 제어 메시지를 포함하는 패킷(packet)을 생성하여 상기 패킷이 포함되도록 상기 무선 전력 신호를 변조하고, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 변복조부(113)의 복조 과정 수행 결과를 기초로 상기 패킷을 디코드함으로써, 상기 패킷에 포함되어 있는 상기 전력 제어 메시지를 획득할 수 있다.
그 밖에, 어떤 실시 예들에서는 상기 전력 수신 제어부(292)가 상기 무선 전력 수신장치(200)에 포함되어 있는 통신 수단(미도시)에 의하여 전력 제어 메시지가 포함되어 있는 사용자 데이터를 전송함으로써 전력 제어 메시지를 상기 무선 전력 전송장치(100)로 전송할 수도 있다.
[In-band two-way communication을 지원 하는 경우]
또한, 본 명세서에 개시된 실시 예들을 따르는 양방향 통신이 가능한 무선 전력 전송환경에서는, 상기 전력 수신 제어부(292)가 상기 무선 전력 전송장치(100)로부터 전송되는 데이터를 수신할 수 있다. 상기 무선 전력 전송장치(100)로부터 전송되는 데이터는 전력 제어 메시지를 전송할 것을 요청하는 것일 수 있다.
그 밖에, 상기 전원 공급부(290)는 충전부(298) 및 배터리(299)를 더 포함하도록 구성될 수 있다.
상기 전원 공급부(290)로부터 동작을 위한 전원을 공급받는 상기 무선 전력 수신장치(200)는 상기 무선 전력 전송장치(100)로부터 전달된 전력에 의하여 동작하거나, 또는 상기 전달된 전력을 이용하여 상기 배터리(299)를 충전한 후 상기 배터리(299)에 충전된 전력에 의하여 동작할 수 있다. 이때, 상기 전력 수신 제어부(292)는 상기 전달된 전력을 이용하여 충전을 수행하도록 상기 충전부(298)를 제어할 수 있다.
이하에서, 본 명세서에 개시된 실시 예들에 적용 가능한 무선 전력 전송장치 및 무선 전력 수신장치에 대하여 설명된다. 먼저, 도 3 내지 도 5를 참조하여 상기 무선 전력 전송장치가 상기 무선 전력 수신장치로 유도 결합 방식에 따라 전력을 전달하는 방법이 개시된다.
유도 결합 방식
도 3은 유도 결합 방식에 따라 무선 전력 전송장치로부터 무선 전력 수신장치에 무선으로 전력이 전달되는 개념을 도시한다.
무선 전력 전송장치(100) 의 전력 전달이 유도 결합 방식을 따르는 경우, 상기 전력 전달부(110) 내의 1차 코일(primary coil)에 흐르는 전류의 세기가 변화되면, 그 전류에 의해 1차 코일을 통과하는 자기장이 변화한다. 이와 같이 변화된 자기장은 상기 무선 전력 수신장치(200) 내의 2차 코일(secondary coil) 측에 유도 기전력을 발생시킨다.
이 방식에 따르면, 상기 무선 전력 전송장치(100)의 상기 전력 변환부(111)는 자기 유도에서의 1차 코일로 동작하는 전송 코일(Tx coil)(1111a)를 포함하도록 구성된다. 또한 상기 무선 전력 수신장치(200)의 상기 전력 수신부(291)는 자기 유도에서의 2차 코일로 동작하는 수신 코일(Rx coil)(2911a)을 포함하도록 구성된다.
먼저 상기 무선 전력 전송장치(100) 측의 상기 전송 코일(1111a)과 상기 무선 전력 수신장치(200) 측의 수신 코일이 근접하도록 상기 무선 전력 전송장치(100) 및 상기 무선 전력 수신장치(200)를 배치한다. 그 후 상기 전력 송신 제어부(112)가 상기 전송 코일(1111a)의 전류가 변화되도록 제어하면, 상기 전력 수신부(291)는 상기 수신 코일(2911a)에 유도된 기전력을 이용하여 상기 무선 전력 수신장치(200)에 전원을 공급하도록 제어한다.
상기 유도 결합 방식에 의한 무선 전력 전달의 효율은, 주파수 특성에 따른 영향은 적으나, 각 코일을 포함하는 상기 무선 전력 전송장치(100) 및 상기 무선 전력 수신장치(200) 사이의 배열(alignment) 및 거리(distance)의 영향을 받게 된다.
한편, 유도 결합 방식에 의한 무선 전력 전달을 위하여 상기 무선 전력 전송장치(100)는 평평한 표면(flat surface) 형태의 인터페이스 표면(interface surface)(미도시)을 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 인터페이스 표면의 상부에는 하나 이상의 무선 전력 수신장치가 놓일 수 있으며, 상기 인터페이스 표면의 하부에는 상기 전송 코일(1111a)가 장착될 수 있다. 그 경우, 상기 인터페이스 표면의 하부에는 장착된 상기 전송 코일(1111a)과 상기 인터페이스 표면의 상부에 위치한 무선 전력 수신장치(200)의 수신 코일(2911a) 사이의 수직 공간(vertical spacing)이 작게 형성됨으로써 상기 코일들 간의 거리는 유도 결합 방식에 의한 무선 전력 전달이 효율적으로 이루어질 수 있도록 충분히 작게 된다.
또한, 상기 인터페이스 표면의 상부에는 상기 무선 전력 수신장치(200)가 놓일 위치를 지시하는 배열 지시부(미도시)가 형성될 수 있다. 상기 배열 지시부는 상기 인터페이스 표면의 하부에 장착된 전송 코일(1111a)과 상기 수신 코일(2911a) 사이의 배열이 적합하게 이루어질 수 있는 상기 무선 전력 수신장치(200)의 위치를 지시한다. 상기 배열 지시부는 단순한 표시(marks)이거나, 상기 무선 전력 수신장치(200)의 위치를 가이드하는 돌출 구조의 형태로 형성될 수 있다. 또는 상기 배열 지시부는 상기 인터페이스 표면의 하부에 장착되는 자석과 같은 자성체의 형태로 형성되어, 상기 무선 전력 수신장치(200) 내부에 장착된 다른 극의 자성체와의 상호간 인력에 의하여 상기 코일들이 적합한 배열을 이루도록 가이드할 수도 있다.
한편, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 하나 이상의 전송 코일을 포함하도록 형성될 수 있다. 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 하나 이상의 전송 코일 중에서 상기 무선 전력 수신장치(200)의 수신 코일(2911a)과 적합하게 배열된 일부의 코일을 선택적으로 이용하여 전력 전송 효율을 높일 수 있다. 상기 하나 이상의 전송 코일을 포함하는 무선 전력 전송장치(100)에 관하여 도 5를 참조하여 후술된다.
이하에서는, 본 명세서에 개시된 실시 예들에 적용 가능한 유도 결합 방식의 무선 전력 전송장치 및 무선 전력 수신장치의 구성에 대하여 구체적으로 설명된다.
유도 결합 방식의 무선 전력 전송장치 및 무선 전력 수신장치
도 4a 및 도 4b는 본 명세서에 개시된 실시 예들에서 채용 가능한 자기 유도 방식의 무선 전력 전송장치(100) 및 무선 전력 수신장치(200)의 구성의 일부를 예시적으로 나타낸 블록도이다. 도 4A를 참조하여 상기 무선 전력 전송장치(100)에 포함된 상기 전력 전달부(110)의 구성에 대하여 설명하고, 도 4B를 참조하여 상기 무선 전력 수신장치(200)에 포함된 상기 전원 공급부(290)의 구성에 대하여 설명한다.
도 4A를 참조하면, 상기 무선 전력 전송장치(100)의 상기 전력 변환부(111)는 전송 코일(Tx coil)(1111a) 및 인버터(1112)를 포함하도록 구성될 수 있다.
상기 전송 코일(1111a)는, 전술된 바와 같이, 전류의 변화에 따라 무선 전력 신호에 해당하는 자기장을 형성한다. 상기 전송 코일(1111a)은 평판 나선형태(Planar Spiral type) 또는 원통형 솔레노이드 형태(Cylindrical Solenoid type)로 구현될 수 있다.
상기 인버터(1112)는 상기 전원 공급부(190)로부터 얻은 직류 입력(DC input)을 교류 파형(AC waveform)으로 변형시킨다. 상기 인버터(1112)에 의해 변형된 교류 전류는 상기 전송 코일(1111a) 및 커패시터(capacitor)(미도시)를 포함하는 진동 회로(resonant circuit)를 구동시킴으로써 자기장이 상기 전송 코일(1111a)에서 형성된다.
그 밖에, 상기 전력 변환부(111)는 위치 결정부(Positioning Unit)(1114)를 더 포함하도록 구성될 수 있다.
상기 위치 결정부(1114)는 상기 유도 결합 방식에 의한 무선 전력 전달의 효율을 높이기 위하여 상기 전송 코일(1111a)을 이동 또는 회전시킬 수 있다. 이는, 전술된 바와 같이, 유도 결합 방식에 의한 전력 전달은 1차 및 2차 코일을 포함하는 상기 무선 전력 전송장치(100) 및 상기 무선 전력 수신장치(200) 사이의 배열(alignment) 및 거리(distance)의 영향을 받기 때문이다. 특히, 상기 위치 결정부(1114)는 상기 무선 전력 수신장치(200)가 상기 무선 전력 전송장치(100)의 활동 영역 내에 존재하지 않는 경우에 사용될 수 있다.
따라서, 상기 위치 결정부(1114)는 상기 무선 전력 전송장치(100)의 상기 전송 코일(1111a)과 및 상기 무선 전력 수신장치(200)의 상기 수신 코일(2911a)의 중심간 거리(distance)가 일정 범위 이내가 되도록 상기 전송 코일(1111a)을 이동시키거나, 상기 전송 코일(1111a)과 상기 수신 코일(2911a)의 중심이 중첩되도록 상기 전송 코일(1111a)를 회전시키는 구동부(미도시)를 포함하도록 구성될 수 있다.
이를 위하여, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 무선 전력 수신장치(200)의 위치를 감지하는 센서로 이루어진 위치 감지부(detection unit)(미도시)를 더 구비할 수 있고, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 위치 감지 센서로부터 수신한 상기 무선 전력 수신장치(200)의 위치 정보를 기초로 상기 위치 결정부(1114)를 제어할 수 있다.
또한, 이를 위하여 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 변복조부(113)를 통하여 상기 무선 전력 수신장치(200)와의 배열 또는 거리에 대한 제어 정보를 수신하고, 상기 수신된 배열 또는 거리에 대한 제어 정보를 기초로 상기 위치 결정부(1114)를 제어할 수 있다.
만약, 상기 전력 변환부(111)가 복수의 전송 코일을 포함하도록 구성되었다면, 상기 위치 결정부(1114)는 상기 복수의 전송 코일 중에서 어느 것이 전력 전달을 위하여 사용될 것인지 결정할 수 있다. 상기 복수의 전송 코일을 포함한 무선 전력 전송장치(100)의 구성에 대해서는 도 5를 참조하여 후술된다.
한편, 상기 전력 변환부(111)는 전력 센싱부(1115)를 더 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 무선 전력 전송장치(100) 측의 전력 센싱부(1115)는 상기 전송 코일(1111a)에 흐르는 전류 또는 전압을 모니터링한다. 상기 전력 센싱부(1115)는 무선 전력 전송장치(100)의 정상동작 여부를 확인하기 위한 것으로, 외부로부터 공급되는 전원의 전압 또는 전류를 검출하고, 상기 검출된 전압 또는 전류가 임계값을 초과하는지를 확인할 수 있다. 상기 전력 센싱부(1115)는, 도시되지 않았으나, 외부로부터 공급되는 전원의 전압 또는 전류를 검출하기 위한 저항과 상기 검출된 전원의 전압값 또는 전류값과 임계값을 비교하여 그 비교 결과를 출력하는 비교기를 포함할 수 있다. 상기 전력 센싱부(1115)의 상기 확인 결과를 기초로, 상기 전력 송신 제어부(112)는 스위칭부(미도시)를 제어하여 상기 전송 코일(1111a)로 인가되는 전원을 차단할 수 있다.
도 4B를 참조하면, 상기 무선 전력 수신장치(200)의 상기 전원 공급부(290)는 수신 코일(Rx 코일)(2911a) 및 정류 회로(2913)를 포함하도록 구성될 수 있다.
상기 전송 코일(1111a)로부터 형성된 자기장에 변화에 의하여 상기 수신 코일(2911a)에서 전류가 유도된다. 상기 수신 코일(2911a)의 구현 형태는, 상기 전송 코일(1111a)의 경우와 마찬가지로, 평판 나선 형태 또는 원통형 솔레노이드 형태일 수 있다.
또한, 무선 전력의 수신 효율을 높이거나 공진 감지(resonant detection)를 위해 직/병렬 커패시터들(series and parallel capacitors)이 상기 수신 코일(2911a)과 연결되도록 구성될 수 있다.
상기 수신 코일(2911a)은 단일 코일 또는 복수의 코일 형태일 수 있다.
상기 정류 회로(2913)는 교류를 직류로 변환시키기 위하여 전류에 대하여 전파 정류(full-wave rectification)를 수행한다. 상기 정류 회로(2913)는, 예컨대, 4개의 다이오드로 이루어진 브릿지(full bridge) 정류 회로, 또는 능동 소자(active components)를 이용한 회로로 구현될 수 있다.
그 밖에, 상기 정류 회로(2913)는 정류된 전류를 보다 평탄하고 안정적인 직류로 만들어 주는 평활 회로(regulator)를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 정류 회로(2913)의 출력 전원은 상기 전원 공급부(290)의 각 구성 요소들에게 공급된다. 또한, 상기 정류 회로(2913)은 출력되는 직류 전원을 상기 전원 공급부(290)의 각 구성 요소(예컨대, 충전부(298)와 같은 회로)에 필요한 전원에 맞추기 위하여 적정한 전압으로 변환하는 직류-직류 변환기(DC-DC converter)를 더 포함할 수 있다.
상기 변복조부(293)는 상기 전력 수신부(291)과 연결되고, 직류 전류에 대해서는 저항(resistance)이 변하는 저항성 소자로 구성될 수 있고, 교류 전류에 대해서는 리액턴스(reactance)가 변하는 용량성 소자로 구성될 수 있다. 상기 전력 수신 제어부(292)는 상기 변복조부(293)의 저항 또는 리액턴스를 변경시킴으로써 상기 전력 수신부(291)에 수신되는 무선 전력 신호를 변조할 수 있다.
한편, 상기 전원 공급부(290)는 전력 센싱부(2914)를 더 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 무선 전력 수신장치(200) 측의 전력 센싱부(2914)는 상기 정류 회로(2913)에 의하여 정류된 전원의 전압 및/또는 전류를 모니터링하고, 상기 모니터링 결과 상기 정류된 전원의 전압 및/또는 전류가 임계값을 초과하는 경우 상기 전력 수신 제어부(292)는 적절한 전력을 전달하도록 상기 무선 전력 전송장치(100)에게 전력 제어 메시지를 송신한다.
하나 이상의 전송 코일을 포함하여 구성된 무선 전력 전송장치
도 5는 본 명세서에 개시된 실시 예들에서 채용 가능한 유도 결합 방식에 따라 전력을 수신하는 하나 이상의 전송 코일들을 가지도록 구성된 무선 전력 전송장치의 블록도이다.
도 5를 참조하면, 본 명세서에 개시된 실시 예들을 따르는 무선 전력 전송장치(100) 의 전력 변환부(111)는 하나 이상의 전송 코일들(1111a-1 내지 1111a-n)로 구성될 수 있다. 상기 하나 이상의 전송 코일들(1111a-1 내지 1111a-n)은 부분적으로 겹치는 1차 코일들의 배열(an array of partly overlapping primary coils)일 수 있다. 상기 하나 이상의 전송 코일들 중 일부에 의하여 활동 영역이 결정될 수 있다.
상기 하나 이상의 전송 코일들(1111a-1 내지 1111a-n)은 상기 인터페이스 표면의 하부에 장착될 수 있다. 또한, 상기 전력 변환부(111)는 상기 하나 이상의 전송 코일들(1111a-1 내지 1111a-n) 중 일부의 코일들의 연결을 수립하고 해제하는 다중화기(Multiplexer)(1113)를 더 포함할 수 있다.
상기 인터페이스 표면의 상부에 놓인 무선 전력 수신장치(200)의 위치가 감지되면, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 무선 전력 수신장치(200)의 감지된 위치를 고려하여 상기 하나 이상의 전송 코일들(1111a-1 내지 1111a-n) 중 상기 무선 전력 수신장치(200)의 수신 코일(2911a)과 유도 결합 관계에 놓일 수 있는 코일들이 연결될 수 있도록 상기 다중화기(1113)를 제어할 수 있다.
이를 위하여 상기 전력 송신 제어부(112)가 상기 무선 전력 수신장치(200)의 위치 정보를 획득할 수 있다. 예를 들어, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 무선 전력 전송장치(100)에 구비된 상기 위치 감지부(미도시)에 의하여 상기 인터페이스 표면 상의 상기 무선 전력 수신장치(200)의 위치를 획득할 수 있다. 또 다른 예를 들어, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 하나 이상의 전송 코일들(1111a-1 내지 1111a-n)을 각각 이용하여 상기 인터페이스 표면 상의 물체로부터 무선 전력 신호의 강도를 나타내는 전력 제어 메시지 또는 상기 물체의 식별 정보를 나타내는 전력 제어 메시지를 수신하고, 상기 수신된 결과를 기초로 상기 하나 이상의 전송 코일들 중 어느 코일의 위치와 근접한지를 판단함으로써 상기 무선 전력 수신장치(200)의 위치 정보를 획득할 수도 있다.
한편, 상기 활동 영역은 상기 인터페이스 표면의 일부로서, 상기 무선 전력 전송장치(100)가 상기 무선 전력 수신장치(200)에 무선으로 전력을 전달할 때 높은 효율의 자기장이 통과할 수 있는 부분을 의미할 수 있다. 이 때, 상기 활동 영역을 통과하는 자기장을 형성시키는 단일 전송 코일 또는 하나 이상의 전송 코일들의 조합을 주요 셀(primary cell)로 지칭할 수 있다. 따라서, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 무선 전력 수신장치(200)의 감지된 위치를 기초로 활동 영역을 결정하고, 상기 활동 영역에 대응되는 주요 셀의 연결을 수립하여 상기 무선 전력 수신장치(200)의 수신 코일(2911a)와 상기 주요 셀에 속한 코일들이 유도 결합 관계에 놓일 수 있도록 상기 다중화기(1113)을 제어할 수 있다.
또한, 상기 전력 변환부(111)는 연결된 코일들과 진동 회로(resonant circuit)를 형성하도록 임피던스를 조절하는 임피던스 매칭부(impedance matching unit)(미도시)를 더 포함할 수 있다.
이하에서, 도 6 내지 도 8을 참조하여 무선 전력 전송장치가 공진 결합 방식에 따라 전력을 전달하는 방법이 개시된다.
공진 결합 방식
도 6은 공진 결합 방식에 따라 무선 전력 전송장치로부터 무선 전력 수신장치에 무선으로 전력이 전달되는 개념을 도시한다.
먼저, 공진(resonance)(또는 공명)에 대해 간략하게 설명하면 다음과 같다. 공진(resonance)이란, 진동계가 그 고유 진동수와 같은 진동수를 가진 외력을 주기적으로 받아 진폭이 뚜렷하게 증가하는 현상을 말한다. 공진은 역학적 진동 및 전기적 진동 등 모든 진동에서 일어나는 현상이다. 일반적으로 외부에서 진동계에 진동시킬 수 있는 힘을 가했을 때 그 진동계의 고유 진동수와 외부에서 가해주는 힘의 진동수가 같으면 그 진동은 심해지고 진폭도 커진다.
같은 원리로, 일정 거리 내에서 떨어져 있는 복수의 진동체들이 서로 동일한 주파수로 진동하는 경우, 상기 복수의 진동체들은 상호 공진하며, 이 경우 상기 복수의 진동체들 간에는 저항이 감소하게 된다. 전기 회로에서는 인덕터과 커패시터를 사용하여 공진 회로를 만들 수 있다.
무선 전력 전송장치(100)의 전력 전달이 공진 결합 방식을 따르는 경우, 상기 전력 전달부(110)에서 교류 전원에 의하여 특정한 진동 주파수를 가진 자기장이 형성된다. 상기 형성된 자기장에 의하여 상기 무선 전력 수신장치(200)에서 공진 현상이 일어나는 경우 상기 무선 전력 수신장치(200) 내에서는 상기 공진 현상에 의하여 전력이 발생된다.
공진 주파수는, 예를 들어, 다음 수학식 1과 같은 수식에 의하여 결정될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112014064650459-pat00001
여기서, 공진 주파수(f)는 회로 내의 인덕턴스(L) 및 커패시턴스(C)에 의하여 결정된다. 코일을 사용하여 자기장을 형성하는 회로에 있어서 상기 인덕턴스는 상기 코일의 회전 수 등에 의하여 결정되고, 상기 커패시턴스는 상기 코일 사이의 간격, 면적 등에 의하여 결정될 수 있다. 상기 공진 주파수를 결정하기 위하여 상기 코일 외에 용량성 공진 회로가 연결되도록 구성될 수도 있다.
도 6을 참조하면, 공진 결합 방식에 따라 무선으로 전력이 전송되는 경우, 상기 무선 전력 전송장치(100)의 상기 전력 변환부(111)는 자기장이 형성되는 전송 코일(Tx coil)(1111b) 및 상기 전송 코일(1111b)와 연결되고 특정한 진동 주파수를 결정하기 위한 공진 회로(1116)를 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 공진 회로(1116)는 용량성 회로(capacitors)를 이용하여 구현될 수 있으며, 상기 전송 코일(1111b)의 인덕턴스 및 상기 공진 회로(1116)의 커패시턴스를 기초로 상기 특정한 진동 주파수가 결정된다.
상기 공진 회로(1116)의 회로 소자의 구성은 상기 전력 변환부(111)가 자기장을 형성할 수 있도록 다양한 형태로 이루어질 수 있으며, 도 6과 같이 상기 전송 코일(1111b)과 병렬로 연결되는 형태로 제한되지 아니한다.
또한, 상기 무선 전력 수신장치(200)의 상기 전력 수신부(291)는 상기 무선 전력 전송장치(100)에서 형성된 자기장에 의하여 공진 현상이 일어날 수 있도록 구성된 공진 회로(2912) 및 수신 코일(Rx coil)(2911b)을 포함한다. 즉, 상기 공진 회로(2912)는 역시 용량성 회로를 이용하여 구현될 수 있으며, 상기 공진 회로(2912)는 상기 수신 코일(2911b)의 인덕턴스와 상기 공진 회로(2912)의 커패시턴스를 기초로 결정되는 공진 주파수가 상기 형성된 자기장의 공진 주파수와 동일하도록 구성된다.
상기 공진 회로(2912)의 회로 소자의 구성은 상기 전력 수신부(291)가 상기 자기장에 의하여 공진이 일어날 수 있도록 다양한 형태로 이루어질 수 있으며, 도 6과 같이 상기 수신 코일(2911b)과 직렬로 연결되는 형태로 제한되지 아니한다.
상기 무선 전력 전송장치(100)에서의 상기 특정한 진동 주파수는 LTx, CTx를 가지고 상기 수학식 1을 이용하여 획득될 수 있다. 여기서, 상기 무선 전력 수신장치(200)의 LRX 및 CRX를 상기 수학식 1에 대입한 결과가 상기 특정한 진동 주파수와 동일한 경우에 상기 무선 전력 수신장치(200)에서는 공진이 일어난다.
공진 결합에 의한 무선 전력 전송 방식에 따르면, 상기 무선 전력 전송장치(100) 및 상기 무선 전력 수신장치(200)가 각각 동일 주파수로 공진하는 경우 전자파가 근거리 전자장을 통해 전달되게 되므로, 주파수가 다르면 상기 기기간 에너지 전달이 없게 된다.
따라서, 상기 공진 결합 방식에 의한 무선 전력 전달의 효율은, 주파수 특성에 따른 영향이 큰 반면, 각 코일을 포함하는 상기 무선 전력 전송장치(100) 및 상기 무선 전력 수신장치(200) 사이의 배열 및 거리에 따른 영향은 유도 결합 방식에 비해 상대적으로 작다.
이하에서는, 본 명세서에 개시된 실시 예들에 적용 가능한 공진 결합 방식의 무선 전력 전송장치 및 무선 전력 수신장치의 구성에 대하여 구체적으로 설명된다.
공진 결합 방식의 무선 전력 전송장치
도 7은 본 명세서에 개시된 실시 예들에서 채용 가능한 공진 방식의 무선 전력 전송장치(100) 및 무선 전력 수신장치(200)의 구성의 일부를 예시적으로 나타낸 블록도이다.
도 7A를 참조하여 상기 무선 전력 전송장치(100)에 포함된 상기 전력 전달부(110)의 구성에 대하여 설명된다.
상기 무선 전력 전송장치(100)의 상기 전력 변환부(111)는 전송 코일(Tx coil)(1111b), 인버터(1112) 및 공진 회로(1116)를 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 인버터(1112)는 상기 전송 코일(1111b) 및 상기 공진 회로(1116)와 연결되도록 구성될 수 있다.
상기 전송 코일(1111b)은 유도 결합 방식에 따라 전력을 전달하기 위한 전송 코일(1111a)과 별도로 장착될 수 있으나, 하나의 단일 코일을 이용하여 유도 결합 방식 및 공진 결합 방식으로 전력을 전달할 수도 있다.
상기 전송 코일(1111b)은, 전술된 바와 같이, 전력을 전달하기 위한 자기장을 형성한다. 상기 전송 코일(1111b) 및 상기 공진 회로(1116)는 교류 전원이 인가되면 진동이 발생할 수 있으며, 이 때 상기 전송 코일(1111b)의 인덕턴스 및 상기 공진 회로(1116)의 커패시턴스를 기초로 진동 주파수가 결정될 수 있다.
이를 위하여 상기 인버터(1112)는 상기 전원 공급부(190) 로부터 얻은 직류 입력을 교류 파형으로 변형시키고, 상기 변형된 교류 전류가 상기 전송 코일(1111b) 및 상기 공진 회로(1116)에 인가된다.
그 밖에, 상기 전력 변환부(111)는 상기 전력 변환부(111)의 공진 주파수 값을 변경시키기 위한 주파수 조절부(1117)를 더 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 전력 변환부(111)의 공진 주파수는 수학식 1에 의하여 상기 전력 변환부(111)를 구성하는 회로내의 인덕턴스 및 커패시턴스를 기초로 결정되므로, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 인덕턴스 및/또는 커패시턴스가 변경되도록 상기 주파수 조절부(1117)를 제어함으로써 상기 전력 변환부(111)의 공진 주파수를 결정할 수 있다.
상기 주파수 조절부(1117)는, 예를 들어, 상기 공진 회로(1116)에 포함된 커패시터 간의 거리를 조절하여 커패시턴스를 변경시킬 수 있는 모터를 포함하거나, 또는 상기 전송 코일(1111b)의 회전 수(number of turns) 또는 직경을 조절하여 인덕턴스를 변경시킬 수 있는 모터를 포함하거나, 또는 상기 커패시턴스 및/또는 인덕턴스를 결정하는 능동 소자들을 포함하도록 구성될 수 있다.
한편, 상기 전력 변환부(111)는 전력 센싱부(1115)를 더 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 전력 센싱부(1115)의 동작에 대해서는 전술된 바와 동일하다.
도 7B를 참조하여 상기 무선 전력 수신장치(200)에 포함된 상기 전원 공급부(290)의 구성에 대하여 설명된다. 상기 전원 공급부(290)는, 전술된 바와 같이, 상기 수신 코일(Rx coil)(2911b) 및 공진 회로(2912)를 포함하도록 구성될 수 있다.
그 외에도, 상기 전원 공급부(290)의 전력 수신부(291)는 공진 현상에 의하여 생성된 교류 전류를 직류로 변환시키는 정류 회로(2913)를 더 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 정류 회로(2913)는 전술된 바와 동일하게 구성될 수 있다.
또한, 상기 전력 수신부(291)는 정류된 전원의 전압 및/또는 전류를 모니터링하는 전력 센싱부(2914)를 더 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 전력 센싱부(2914)는 전술된 바와 동일하게 구성될 수 있다.
하나 이상의 전송 코일을 포함하여 구성된 무선 전력 전송장치
도 8은 본 명세서에 개시된 실시 예들에서 채용 가능한 공진 결합 방식에 따라 전력을 수신하는 하나 이상의 전송 코일들을 가지도록 구성된 무선 전력 전송장치의 블록도이다.
도 8을 참조하면, 본 명세서에 개시된 실시 예들을 따르는 무선 전력 전송장치(100)의 전력 변환부(111)는 하나 이상의 전송 코일들(1111b-1 내지 1111b-n) 및 각 전송 코일들과 연결된 공진 회로(1116-1 내지 1116-n)를 포함하도록 구성될 수 있다. 또한, 상기 전력 변환부(111)는 상기 하나 이상의 전송 코일들(1111b-1 내지 1111b-n) 중 일부의 코일들의 연결을 수립하고 해제하는 다중화기(Multiplexer)(1113)를 더 포함할 수 있다.
상기 하나 이상의 전송 코일들(1111b-1 내지 1111b-n)은 동일한 공진 주파수를 갖도록 설정되거나, 일부가 서로 다른 공진 주파수를 갖도록 설정될 수 있다. 이는 상기 하나 이상의 전송 코일들(1111b-1 내지 1111b-n)과 각각 연결된 상기 공진 회로(1116-1 내지 1116-n)들이 어떠한 인덕턴스 및/또는 커패시턴스를 갖는지에 따라 결정된다.
이를 위하여, 상기 주파수 조절부(1117)는 상기 하나 이상의 전송 코일들(1111b-1 내지 1111b-n)과 각각 연결된 상기 공진 회로(1116-1 내지 1116-n)들의 인덕턴스 및/또는 커패시턴스를 변경시킬 수 있도록 구성될 수 있다.
In - band communication
도 9는 본 명세서에 개시된 실시 예들을 따르는 무선 전력 전달에 있어서 무선 전력 신호의 변조 및 복조를 통하여 무선 전력 전송장치와 전자 기기 사이에 패킷을 송수신하는 개념을 도시한다.
도 9를 참조하면, 무선 전력 전송장치(100)에 포함된 상기 전력 변환부(111)는 무선 전력 신호를 형성한다. 상기 무선 전력 신호는 상기 전력 변환부(111)에 포함된 전송 코일(1111)을 통하여 형성된다.
상기 전력 변환부(111)에 의하여 형성된 무선 전력 신호(10a)는 전자 기기(200)에 도달하여, 상기 전자 기기(200)에 포함된 전력 수신부(291)를 통하여 수신된다. 상기 형성된 무선 전력 신호는 상기 전력 수신부(291)에 포함된 수신 코일(2911)을 통하여 수신된다.
상기 전력 수신 제어부(292)는 상기 전력 수신부(291)와 연결된 상기 변복조부(293)을 제어하여 상기 전자 기기(200)가 상기 무선 전력 신호를 수신하는 중에 상기 무선 전력 신호를 변조(modulation)한다. 상기 수신되는 무선 전력 신호가 변조되는 경우에 상기 무선 전력 신호는 자기장(magnetic field) 또는 전자기장(electro-magnetic field) 내에서 폐루프(closed-loop)를 형성하므로 상기 전자 기기(200)가 상기 무선 전력 신호를 수신하는 중에 상기 무선 전력 신호를 변조(modulation)하는 경우 상기 무선 전력 전송장치(100)는 변조된 무선 전력 신호(10b)를 감지할 수 있다. 상기 변복조부(113)는 상기 감지된 무선 전력 신호를 복조(demodulation)하고, 복조된 무선 전력 신호로부터 상기 패킷을 디코드할 수 있다.
한편, 상기 무선 전력 전송장치(100)와 상기 전자 기기(200) 간의 통신에 사용되는 변조 방법은 진폭 변조(Amplitude Modulation)일 수 있다. 전술된 바와 같이, 상기 진폭 변조 방식은 상기 전력 변환부(111)가 형성한 무선 전력 신호(10a)의 진폭을 상기 전자 기기(200) 측의 변복조부(293)가 변경시켜 상기 무선 전력 전송장치(100) 측의 변복조부(293)가 상기 변조된 무선 전력 신호(10b)의 진폭을 검출하는 백스캐터 변조(backscatter modulation) 방식일 수 있다.
무선 전력 신호의 변조 및 복조
이하, 도 10 및 도 11을 참조하여 상기 무선 전력 전송장치(100) 및 상기 전자 기기(200) 사이에서 송수신되는 패킷의 변조 및 복조에 대하여 설명된다.
도 10은 본 명세서에 개시된 실시 예들을 따르는 무선 전력 전송에서 전력 제어 메시지를 송수신하기 위한 구성을 도시한다. 도 11은 본 명세서에 개시된 실시 예들을 따르는 무선 전력 전송에서 수행되는 변조 및 복조에서의 신호의 형태를 도시한다.
도 10을 참조하면, 상기 전자 기기(200) 측의 상기 전력 수신부(291)를 통하여 수신되는 무선 전력 신호는 도 11의 (a)에 도시된 바와 같이 변조되지 않은 무선 전력 신호(51)이다. 상기 전력 수신부(291) 내의 공진 형성 회로(2912)에 의하여 설정된 공진 주파수에 따라 상기 전자 기기(200) 및 상기 무선 전력 전송장치(100) 사이에 공진 결합이 이루어지고, 상기 수신 코일(2911b)을 통하여 상기 무선 전력 신호(51)가 수신된다.
전력 수신 제어부(292)는 상기 전력 수신부(291)을 통하여 수신되는 무선 전력 신호(51)를 상기 변복조부(293) 내의 부하 임피던스(Impedance)를 변경시킴으로써 변조한다. 상기 변복조부(293)는 상기 무선 전력 신호(51)를 변조하기 위한 수동 소자(2931) 및 능동 소자(2932)를 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 변복조부(293)는 상기 무선 전력 전송장치(100)로 전송하고자 하는 패킷이 포함되도록 상기 무선 전력 신호(51)를 변조한다. 이때, 상기 패킷은 상기 변복조부(293) 내의 상기 능동 소자(2932)에 입력될 수 있다.
그 후, 상기 무선 전력 전송장치(100) 측의 전력 송신 제어부(112)는 상기 변조된 무선 전력 신호(52)를 포락선 검출(Envelop Detection) 과정을 통하여 복조하고, 상기 검출된 신호(53)를 디지털 데이터(54)로 디코드한다. 상기 복조 과정은 변조된 무선 전력 신호에 의하여 상기 전력 변환부(111)를 흐르는 전류 또는 전압이 HI 상태(HI state) 및 LO 상태(state)로 두 가지 상태로 구분되는 것을 감지하고, 상기 상태들에 따라 구분되는 디지털 데이터를 기초로 상기 전자 기기(200)가 전송하고자 하는 패킷을 획득하는 것이다.
이하에서는, 상기 무선 전력 전송장치(100)가 복조된 디지털 데이터로부터 상기 전자 기기(200)가 전송하고자 하는 전력 제어 메시지를 획득하는 과정을 설명한다.
도 11의 (b)를 참조하면, 상기 전력 송신 제어부(112)는 포락선 검출된 신호로부터 클럭 신호(CLK)를 이용하여 인코딩된 비트를 검출한다. 상기 검출되는 인코딩된 비트는 상기 전자 기기(200) 측의 변조 과정에서 사용된 비트 인코딩 방법에 따라 인코딩 된 것이다. 어떤 실시 예들에서, 상기 비트 인코딩 방법은 NRZ(non-return to zero)일 수 있다. 어떤 실시 예들에서는, 상기 비트 인코딩 방법이 2-위상(bi-phase) 인코딩일 수 있다.
예컨대, 어떤 실시 예들에서, 상기 검출되는 비트는 차동 2-위상(differential bi-phase; DBP) 인코딩된 것일 수 있다. 상기 DBP 인코딩에 의하면, 상기 전자 기기(200) 측의 전력 수신 제어부(292)는 데이터 비트 1을 인코딩하기 위하여 두 번의 상태 전이(transitions)를 갖도록 하고, 데이터 비트 0을 인코딩하기 위하여 한 번의 상태 전이를 갖도록 한다. 즉, 데이터 비트 1은 상기 클럭 신호의 상승 에지(rising edge) 및 하강 에지(falling edge)에서 HI 상태 및 LO 상태간의 전이가 발생하도록 인코딩된 것이고, 데이터 비트 0은 상기 클럭 신호의 상승 에지에서 HI 상태 및 LO 상태간의 전이가 발생하도록 인코딩된 것일 수 있다.
한편, 상기 전력 송신 제어부(112)는 비트 인코딩 방법에 따라 검출된 비트열로부터 패킷을 구성하는 바이트 포맷(byte format)을 이용하여 바이트 단위의 데이터를 획득할 수 있다. 어떤 실시 예들에서, 상기 검출된 비트열은 도 11의 (c)에 도시된 바와 같은 11 비트 비동기 직렬 포맷(11-bit asynchronous serial format)을 이용하여 전송된 것일 수 있다. 즉, 바이트의 시작을 알리는 시작 비트(start bit)와 종료를 알리는 종료 비트(stop)를 포함하고, 시작 비트와 종료 비트 사이에 데이터 비트들(b0 내지 b7)을 포함할 수 있다. 또한, 데이터의 오류를 검사하기 위한 패러티 비트(parity bit)가 추가될 수 있다. 상기 바이트 단위의 데이터는 전력 제어 메시지를 포함하는 패킷을 구성한다.
[in-band two-way communication을 지원하는 경우]
이상, 도 9에는 상기 무선 전력 전송 장치(100)가 형성한 반송파 신호(carrier signal)(10a)를 이용하여 상기 무선 전력 수신장치(200)가 패킷을 송신하는 것에 대하여 도시되었으나, 상기 무선 전력 전송 장치(100)도 위와 유사한 방식으로 상기 무선 전력 수신장치(200)에 데이터를 전송할 수 있다.
즉, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 변복조부(113)를 제어하여 상기 무선 전력 수신장치(200)에 보낼 데이터가 상기 반송파 신호(10a)에 실리도록 변조할 수 있다. 이와 같은 경우 상기 무선 전력 수신장치(200) 측의 상기 전력 수신 제어부(292)가 상기 변조된 상기 반송파 신호(10a)로부터 데이터를 획득할 수 있도록 상기 변복조부(293)를 제어하여 복조를 수행할 수 있다.
패킷 포맷
이하에서는, 본 명세서에 개시된 실시 예들을 따르는 무선 전력 신호를 이용한 통신에서 사용되는 패킷의 구조가 설명된다.
도 12는 본 명세서에 개시된 실시 예들을 따르는 무선 전력 전달방법에 사용되는 전력 제어 메시지를 포함하는 패킷을 도시한다.
도 12의 (a)를 참조하면, 상기 무선 전력 전송장치(100) 및 상기 전자 기기(200)는 전송하고자 하는 데이터를 명령 패킷(command_packet)(510)의 형태로 송수신할 수 있다. 상기 명령 패킷(510)은 헤더(511) 및 메시지(512)를 포함하도록 구성될 수 있다.
상기 헤더(511)는 상기 메시지(512)에 포함되는 데이터의 종류를 지시하는 필드를 포함할 수 있다. 상기 데이터의 종류를 지시하는 필드가 나타내는 값을 기초로 상기 메시지의 크기 및 그 종류가 결정될 수 있다.
또한, 상기 헤더(511)는 상기 패킷의 발신자를 식별할 수 있는 주소 필드를 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 주소 필드는 상기 전자 기기(200)의 식별자 또는 상기 전자 기기(200)가 속한 그룹의 식별자를 나타낼 수 있다. 상기 전자 기기(200)가 상기 패킷(510)을 전송하고자 하는 경우에, 상기 전자 기기(200)는 상기 패킷(510)의 상기 주소 필드가 자신의 식별 정보를 나타내도록 상기 패킷(510)을 생성할 수 있다.
상기 메시지(512)는 상기 패킷(510)의 발신자가 전송하고자 하는 데이터를 포함한다. 상기 메시지(512)에 포함되는 데이터는 상대방에 대한 보고 사항(report), 요청 사항(request) 또는 응답 사항(response)일 수 있다.
한편, 어떤 실시 예에 있어서, 상기 명령 패킷(510)은 도 12의 (b)에 도시된 바와 같이 구성될 수 있다. 상기 명령 패킷(510)에 포함된 상기 헤더(511)는 일정한 크기로 표현될 수 있다. 예컨대, 상기 헤더(511)는 두 바이트의 크기일 수 있다.
상기 헤더(511)는 수신 주소 필드를 포함하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 상기 수신 주소 필드는 6 비트의 크기일 수 있다.
상기 헤더(511)는 OCF(Operation command field) 또는 OGF(Operation group field)를 포함하도록 구성될 수 있다. OGF는 상기 전자 기기(200)를 위한 커맨드의 그룹별로 부여되는 값이며, OCF는 상기 전자 기기(200)가 포함된 각 그룹 내에 존재하는 커맨드 별로 부여되는 값이다.
상기 메시지(512)는 파라미터의 길이(length) 필드(5121)와 파라미터의 값(value) 필드(5122)로 구분하여 표현될 수 있다. 즉, 상기 패킷(510)의 발신자는 상기 메시지를 상기 전송하고자 하는 데이터를 표현하기 위해 필요한 하나 이상의 파라미터의 길이-값 쌍(5121a-5122a 등)의 형태로 구성할 수 있다.
도 12의 (c)를 참조하면, 상기 무선 전력 전송장치(100) 및 상기 전자 기기(200)는 상기 명령 패킷(510)에 전송을 위한 프리앰블(520) 및 체크섬(530)을 부가한 패킷의 형태로 상기 데이터를 송수신 할 수 있다.
상기 프리앰블(520)은 상기 무선 전력 전송장치(100)가 수신되는 데이터와 동기화를 수행하고 상기 명령 패킷(510)의 시작 비트를 정확히 검출하기 위해 사용된다. 상기 프리앰블(520)은 동일한 비트가 반복되도록 구성될 수 있다. 예컨대, 상기 프리앰블(520)은 상기 DBP 인코딩에 따른 데이터 비트 1이 11번 내지 25번 반복되도록 구성될 수 있다.
상기 체크섬(530)은 전력 제어 메시지가 전송되는 도중에 상기 명령 패킷(510)에 발생할 수 있는 오류를 감지하기 위하여 사용된다.
동작 상태( Phases )
이하에서, 상기 무선 전력 전송장치(100) 및 상기 무선 전력 수신장치(200)의 동작 상태들에 대하여 설명된다.
도 13은 본 명세서에 개시된 실시 예들을 따르는 무선 전력 전송장치(100) 및 무선 전력 수신장치(200)의 동작 상태들을 도시한다. 또한, 도 14 내지 도 18은 상기 무선 전력 전송장치(100) 및 무선 전력 수신장치(200)간의 전력 제어 메시지를 포함하는 패킷들의 구조를 도시한다.
도 13을 참조하면, 무선 전력 전송을 위한 상기 무선 전력 전송장치(100) 및 무선 전력 수신장치(200)의 동작 상태는 선택 상태(Selection Phase) (610), 검출 상태(Ping Phase)(620), 식별 및 설정 상태(Identification and Configuration Phase)(630), 그리고 전력 전송 상태(Power Transfer Phase)(640)로 구분될 수 있다.
상기 선택 상태(610)에서는 상기 무선 전력 전송장치(100)가 무선으로 전력을 전송할 수 있는 범위 내에 물체(object)들이 존재하는지 여부를 감지하고, 상기 검출 상태(620)에서는 상기 무선 전력 전송장치(100)가 상기 감지된 물체로 검출 신호를 보내고, 상기 무선 전력 수신장치(200)는 상기 검출 신호에 대한 응답을 보낸다.
또한, 상기 식별 및 설정 상태(630)에서는 상기 무선 전력 전송장치(100)가 이전 상태들을 통하여 선택된 무선 전력 수신장치(200)를 식별하고 전력 전달을 위한 설정 정보를 획득한다. 상기 전력 전송 상태(640)에서는 상기 무선 전력 전송장치(100)가, 상기 무선 전력 수신장치(200)로부터 수신한 제어 메시지에 대응하여 전송하는 전력을 조절하면서, 상기 무선 전력 수신장치(200)로 전력을 전송한다.
이하에서는, 상기 각 동작 상태를 구체적으로 설명한다.
1) 선택 상태 ( Selection Phase )
상기 선택 상태(610)에 있는 무선 전력 전송장치(100)는 감지 영역 내에 존재하는 무선 전력 수신장치(200)를 선택하기 위하여 검출 과정을 수행한다. 상기 감지 영역은, 전술된 바와 같이, 해당 영역 내의 물체가 상기 전력 변환부(111)의 전력의 특성에 영향을 미칠 수 있는 영역을 말한다. 상기 검출 상태(620)와 비교하여, 상기 선택 상태(610)에서 무선 전력 수신장치(200)의 선택을 위한 검출 과정은 전력 제어 메시지를 이용하여 상기 무선 전력 수신장치(200)로부터 응답을 수신하는 방식 대신에, 상기 무선 전력 전송장치(100) 측의 전력 변환부에서 무선 전력 신호를 형성하기 위한 전력량이 변화하는 것을 감지하여 일정 범위 내에 물체가 존재하는지 확인하는 과정이다. 상기 선택 상태(610)에서의 검출 과정은 후술될 검출 상태(620)에서 디지털 형식의 패킷을 이용하지 아니하고 무선 전력 신호를 이용하여 물체를 검출하는 점에서 아날로그 검출 과정(analog ping)으로 불릴 수 있다.
상기 선택 상태(610)의 무선 전력 전송장치(100)는 상기 감지 영역 내에 물체가 들어오고 나가는 것을 감지할 수 있다. 또한, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 감지 영역 내에 있는 물체들 중에서 무선으로 전력을 전달할 수 있는 무선 전력 수신장치(200)와 그 밖의 물체들(예를 들어, 열쇠, 동전 등)을 구분할 수 있다.
전술된 바와 같이, 유도 결합 방식 및 공진 결합 방식에 따라 무선으로 전력을 전송할 수 있는 거리가 다르므로 상기 선택 상태(610)에서 물체가 검출되는 감지 영역은 서로 다를 수 있다.
먼저, 유도 결합 방식에 따라 전력이 전송되는 경우에 상기 선택 상태(610)의 무선 전력 전송장치(100)는 물체들의 배치 및 제거를 감지하기 위하여 인터페이스 표면(미도시)을 모니터링할 수 있다.
또한, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 인터페이스 표면의 상부에 놓인 무선 전력 수신장치(200)의 위치를 감지할 수도 있다. 전술된 바와 같이, 하나 이상의 전송 코일을 포함하도록 형성된 무선 전력 전송장치(100)는 상기 선택 상태(610)에서 상기 검출 상태(620)로 진입하고, 상기 검출 상태(620)에서 각각의 코일을 이용하여 상기 물체로부터 검출 신호에 대한 응답이 전송되는지 여부를 확인하거나 또는 그 후 상기 식별 상태(630)로 진입하여 상기 물체로부터 식별 정보가 전송되는지 여부를 확인하는 방법을 수행할 수 있다. 상기 무선 전력 전송장치(100)는 이와 같은 과정을 통하여 획득한 상기 감지된 무선 전력 수신장치(200)의 위치에 기초하여 무선 전력 전송에 사용될 코일을 결정할 수 있다.
또한, 공진 결합 방식에 따라 전력이 전송되는 경우에 상기 선택 상태(610)의 무선 전력 전송장치(100)는 상기 감지 영역 내의 물체로 인한 상기 전력 변환부의 주파수, 전류, 전압 중 하나 이상이 변경되는 것을 감지함으로 써 상기 물체를 검출할 수 있다.
한편, 상기 선택 상태(610)의 무선 전력 전송장치(100)는 상기 유도 결합 방식 및 공진 결합 방식에 따른 검출 방법 중 적어도 하나의 방법에 의하여 물체를 검출할 수 있다. 상기 무선 전력 전송장치(100)는 각 전력 전송 방식에 따른 물체 검출 과정을 수행하고, 이후에 다른 상태들(620, 630, 640)로 진행하기 위하여 무선 전력 전달을 위한 결합 방식 중에서 상기 물체를 검출한 방식을 선택할 수 있다.
한편, 상기 선택 상태(610)의 무선 전력 전송장치(100)는 물체를 검출하기 위하여 형성하는 무선 전력 신호와 이후 상태들(620, 630, 640)에서의 디지털 검출, 식별, 설정 및 전력 전송을 위하여 형성하는 무선 전력 신호는 그 주파수, 세기 등의 특성이 다를 수 있다. 이는 상기 무선 전력 전송장치(100)의 선택 상태(610)는 물체를 검출하기 위한 대기 상태(idle phase)에 해당하여, 상기 무선 전력 전송장치(100)가 대기 중의 소비 전력을 줄이거나, 또는 효율적인 물체 검출을 위하여 특화된 신호를 생성시킬 수 있도록 하기 위함이다.
2) 검출 상태 ( Ping Phase )
상기 검출 상태(620)에 있는 상기 무선 전력 전송장치(100)가 전력 제어 메시지를 통해 상기 감지 영역 내에 존재하는 무선 전력 수신장치(200)를 검출하는 과정을 수행한다. 상기 선택 상태(610)에서 무선 전력 신호의 특성 등을 이용한 무선 전력 수신장치(200)의 검출 과정과 비교하여, 상기 검출 상태(620)에서의 검출 과정은 디지털 검출 과정(digital ping)이라 불릴 수 있다.
상기 검출 상태(620)에서 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 무선 전력 수신장치(200)를 검출하기 위한 무선 전력 신호를 형성하고, 상기 무선 전력 수신장치(200)에 의하여 변조된 무선 전력 신호를 복조하고, 상기 복조된 무선 전력 신호로부터 상기 검출 신호에 대한 응답에 해당하는 디지털 데이터 형태의 전력 제어 메시지를 획득한다. 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 검출 신호에 대한 응답에 해당하는 전력 제어 메시지를 수신함으로써 전력 전송의 대상이 되는 상기 무선 전력 수신장치(200)를 인지 할 수 있다.
상기 검출 상태(620)에 있는 상기 무선 전력 전송장치(100)가 디지털 검출 과정을 수행하기 위하여 형성하는 검출 신호는 특정 동작 포인트(operating point)의 전력 신호를 일정한 시간 동안 인가함으로써 형성되는 무선 전력 신호일 수 있다. 상기 동작 포인트는 전송 코일(Tx coil)에 인가되는 전압의 주파수, 듀티 사이클(duty cycle) 및 진폭을 의미할 수 있다. 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 특정 동작 포인트의 전력 신호를 인가함으로써 생성된 상기 검출 신호를 일정한 시간 동안 생성하고, 상기 무선 전력 수신장치(200)로부터 전력 제어 메시지를 수신할 것을 시도할 수 있다.
한편, 상기 검출 신호에 대한 응답에 해당하는 전력 제어 메시지는 상기 무선 전력 수신장치(200)가 수신한 무선 전력 신호의 강도(strength)를 나타내는 메시지일 수 있다. 예를 들어, 상기 무선 전력 수신장치(200)는 도 14에 도시된 바와 같은 상기 검출 신호에 대한 응답으로서 수신된 무선 전력 신호의 강도를 나타내는 메시지가 포함된 신호 강도 패킷(Signal Strength Packet)( 5100)을 전송할 수 있다. 상기 패킷(5100)은 신호 강도를 나타내는 패킷임을 알리는 헤더(5120) 및 상기 무선 전력 수신장치(200)가 수신한 전력 신호의 강도를 나타내는 메시지(5130)를 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 메시지(5130) 내의 전력 신호의 강도는 상기 무선 전력 전송장치(100)와 상기 무선 전력 수신장치(200) 사이의 전력 전송을 위한 유도 결합 또는 공진 결합의 정도(degree of coupling)를 나타내는 값일 수 있다.
상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 검출 신호에 대한 응답 메시지를 수신하여 상기 무선 전력 수신장치(200)를 발견한 후에, 상기 디지털 검출 과정을 연장하여 식별 및 검출 상태(630)로 진입할 수 있다. 즉, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 무선 전력 수신장치(200)를 발견한 후에 상기 특정 동작 포인트의 전력 신호를 유지하여 상기 식별 및 검출 상태(630)에서 필요한 전력 제어 메시지를 수신할 수 있다.
다만, 상기 무선 전력 전송장치(100)가 전력을 전달할 수 있는 무선 전력 수신장치(200)를 발견하지 못한 경우, 상기 무선 전력 전송장치(100)의 동작 상태는 상기 선택 상태(610)로 되돌아갈 수 있다.
3) 식별 및 설정 상태 ( Identification and Configuration Phase )
상기 식별 및 설정 상태(630)의 무선 전력 전송장치(100)는 상기 무선 전력 수신장치(200)가 전송하는 식별 정보 및/또는 설정 정보를 수신하여 전력 전달이 효율적으로 이루어지도록 제어할 수 있다.
상기 식별 및 설정 상태(630)에서 상기 무선 전력 수신장치(200)는 자신의 식별 정보를 포함하는 전력 제어 메시지를 전송할 수 있다. 이를 위하여, 상기 무선 전력 수신장치(200)는, 예컨대, 도 15A에 도시된 바와 같은 무선 전력 수신장치(200)의 식별 정보를 나타내는 메시지가 포함된 식별 패킷(Identification Packet)(5200) 을 전송할 수 있다. 상기 패킷(5200)은 식별 정보를 나타내는 패킷임을 알리는 헤더(5220) 및 상기 무선 전력 수신장치의 식별 정보를 포함하는 메시지(5230)를 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 메시지(5230)는 무선 전력 전송을 위한 규약의 버전을 나타내는 정보(2531 및 5232), 상기 무선 전력 수신장치(200)의 제조 업체를 식별하는 정보(5233), 확장 장치 식별자의 유무를 나타내는 정보(5234) 및 기본 장치 식별자(5235)를 포함하도록 구성될 수 있다. 또한, 상기 확장 장치 식별자의 유무를 나타내는 정보(5234)에 확장 장치 식별자가 존재하는 것으로 표시되는 경우, 도 15B에 도시된 바와 같은 확장 장치 식별자를 포함한 확장 식별 패킷(Extended Identification Packet)(5300) 이 별도로 전송될 수 있다. 상기 패킷(5300)은 확장 장치 식별자를 나타내는 패킷임을 알리는 헤더(5320) 및 확장 장치 식별자를 포함하는 메시지(5330)를 포함하도록 구성될 수 있다. 이와 같이 확장 장치 식별자가 사용되는 경우에, 상기 무선 전력 수신장치(200)를 식별하기 위하여 상기 제조 업체의 식별 정보(5233), 상기 기본 장치 식별자(5235) 및 상기 확장 장치 식별자(5330)에 기초한 정보가 사용될 수 있다.
상기 식별 및 설정 상태(630)에서 상기 무선 전력 수신장치(200)는 예상 최대 전력에 대한 정보를 포함하는 전력 제어 메시지를 전송할 수 있다. 이를 위하여, 상기 무선 전력 수신장치(200)는, 예컨대, 도 16에 도시된 바와 같은 설정 패킷(Configuration Packet)(5400) 을 전송할 수 있다. 상기 패킷은 설정 패킷임을 알리는 헤더(5420) 및 상기 예상 최대 전력에 대한 정보를 포함하는 메시지(5430)를 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 메시지(5430)는 전력 클래스(5431), 예상 최대 전력에 대한 정보(5432), 무선 전력 전송장치 측의 주요 셀의 전류를 결정하는 방법을 나타내는 지시자(5433), 선택적인 설정 패킷들의 수(5434)를 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 지시자(5433)는 무선 전력 전송을 위한 규약에 명시된 대로 상기 무선 전력 전송장치 측의 주요 셀의 전류가 결정될 것인지 여부를 나타내는 것일 수 있다.
한편, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 식별 정보 및/또는 설정 정보를 기초로 상기 무선 전력 수신장치(200)와 전력 충전에 사용되는 전력 전달 규약(power transfer contract)을 생성할 수 있다. 상기 전력 전달 규약은 상기 전력 전달 상태(640)에서의 전력 전달 특성을 결정하는 파라미터들의 한정 사항들(limits)을 포함할 수 있다.
상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 전력 전달 상태(640)로 진입하기 전에 상기 식별 및 설정 상태(630)를 종료하고, 상기 선택 상태(610)로 되돌아 갈 수 있다. 예컨대, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 무선으로 전력을 수신할 수 있는 다른 무선 전력 수신장치를 찾기 위하여 상기 식별 및 설정 상태(630)를 종료할 수 있다.
4) 전력 전송 상태 ( Power Transfer Phase )
상기 전력 전송 상태(640)에서의 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 무선 전력 수신장치(200)로 전력을 전송한다.
상기 무선 전력 전송장치(100)는 전력을 전송하는 도중에 상기 무선 전력 수신장치(200)로부터 전력 제어 메시지를 수신하고, 상기 수신한 전력 제어 메시지에 대응하여 상기 전송 코일에 인가되는 전력의 특성을 조절할 수 있다. 예를 들어, 상기 전송 코일의 전력 특성을 조절하기 위해 사용되는 전력 제어 메시지는 도 17에 도시된 바와 같은 제어 오류 패킷(Control Error Packet)( 5500)에 포함될 수 있다. 상기 패킷(5500)은 제어 오류 패킷임을 알리는 헤더(5520)와 제어 오류 값을 포함하는 메시지(5530)를 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 제어 오류 값에 따라 상기 전송 코일에 인가되는 전력을 조절할 수 있다. 즉, 상기 전송 코일에 인가되는 전류는 상기 제어 오류 값이 0인 경우에 유지되고, 음수(negative value)인 경우에 감소되고, 양수(positive value)인 경우에 증가하도록 조절될 수 있다.
상기 전력 전송 상태(640)에서 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 식별 정보 및/또는 설정 정보를 기초로 생성된 전력 전달 규약(power transfer contract) 내의 파라미터들을 모니터링할 수 있다. 상기 파라미터들을 모니터링한 결과, 상기 무선 전력 수신장치(200)와의 전력 전송이 상기 전력 전달 규약 내에 포함되어 있는 한정 사항들을 위반하게 되는 경우에는 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 전력 전송을 취소하고 상기 선택 상태(610)로 되돌아갈 수 있다.
상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 무선 전력 수신장치(200)로부터 전달된 전력 제어 메시지를 기초로 상기 전력 전송 상태(640)를 종료할 수 있다.
예를 들어, 상기 무선 전력 수신장치(200)가 전달된 전력을 이용하여 배터리를 충전하는 도중에 상기 배터리의 충전이 완료된 경우 상기 무선 전력 전송장치(100)로 무선 전력 전송을 중지할 것을 요청하는 전력 제어 메시지를 전달할 수 있다. 이 경우, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 전력 전송의 중지를 요청하는 메시지를 수신한 후, 무선 전력 전송을 종료하고 상기 선택 상태(610)로 되돌아 갈 수 있다.
또 다른 예를 들어, 상기 무선 전력 수신장치(200)는 이미 생성된 전력 전달 규약을 갱신하기 위하여 재협상(renegotiation) 또는 재설정(reconfigure)을 요청하는 전력 제어 메시지를 전달할 수 있다. 상기 무선 전력 수신장치(200)는 현재 전송되는 전력량보다 많거나 적은 양의 전력이 필요한 경우에 상기 전력 전달 규약의 재협상을 요청하는 메시지를 전달할 수 있다. 이 경우, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 전력 전달 규약의 재협상을 요청하는 메시지를 수신한 후, 무선 전력 전송을 종료하고 상기 식별 및 설정 상태(630)로 되돌아 갈 수 있다.
이를 위하여, 상기 무선 전력 수신장치(200)가 전송하는 메시지는, 예컨대, 도 18에 도시된 바와 같은 전력 전송 중단 패킷(End Power Transfer Packet)(5600)일 수 있다. 상기 패킷(5600)은 전력 전송 중단 패킷임을 알리는 헤더(5620) 및 중단의 이유를 나타내는 전력 전송 중단 코드를 포함하는 메시지(5630)를 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 전력 전송 중단 코드는 충전 완료(Charge Complete), 내부 오류(Internal Fault), 과열(Over Temperature), 과전압(Over Voltage), 과전류(Over Current), 배터리 오류(Battery Failure), 재설정(Reconfigure), 무응답(No Response), 알려지지 않은 오류(Unknown) 중 어느 하나를 나타낼 수 있다.
다수의 전자 기기의 통신 방법
이하, 하나의 무선 전력 송신장치로부터 하나 이상의 전자 기기들이 무선 전력 신호를 이용하여 통신을 수행하는 방법이 설명된다.
도 19는 무선 전력 전송장치가 하나 이상의 무선 전력 수신장치들에게 전력을 전달하는 방법을 도시한 개념도이다.
상기 무선 전력 전송장치(100)는 하나 이상의 무선 전력 수신 장치(200, 200')들을 위하여 전력을 전송할 수 있다. 도 19에는 두 개의 전자 기기들(200, 200')이 도시되어 있으나, 본 명세서에 개시된 실시 예들을 따르는 방법은 도시된 전자 기기들의 숫자로 제한되지 아니한다.
상기 무선 전력 전송장치(100)의 무선 전력 전달 방식에 따라 상기 활동 영역 및 감지 영역은 차이가 있다. 따라서, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 공진 결합 방식의 활동 영역 또는 감지 영역에 배치된 무선 전력 수신장치가 존재하는지 여부, 또는 유도 결합 방식의 활동 영역 또는 감지 영역에 배치된 무선 전력 수신 장치가 존재하는지 여부를 판단할 수 있다. 상기 판단 결과에 따라 각 무선 전력 전달 방식을 지원 하는 상기 무선 전력 전송 장치(100)는 각 무선 전력 수신장치에 대하여 전력 전달 방식을 변경할 수 있다.
본 명세서에 개시된 실시 예들에 따른 무선 전력 전송에서는, 상기 무선 전력 전송장치(100)가 동일한 무선 전력 전달 방식으로 하나 이상의 전자 기기들(200, 200')을 위하여 전력을 전송하는 경우에 상기 전자 기기들(200, 200')이 서로간 충돌 없이 상기 무선 전력 신호를 통하여 통신을 수행할 수 있다.
도 19에 도시된 바와 같이, 상기 무선 전력 전송장치(100)에 의하여 형성된 무선 전력 신호(10a)는 제 1 전자 기기(200') 및 제 2 전자 기기(200)에 도달한다. 상기 제 1 전자 기기(200') 및 제 2 전자 기기(200)는 상기 형성된 무선 전력 신호를 이용하여 전력 제어 메시지를 전송할 수 있다.
상기 제 1 전자 기기(200') 및 제 2 전자 기기(200)는 무선 전력 신호를 수신하는 전력 수신장치로 동작한다. 본 명세서에 개시된 실시 예들에 따른 상기 전력 수신장치는 상기 형성된 무선 전력 신호를 수신하는 전력 수신부(291', 291); 상기 수신된 무선 전력 신호에 대하여 변조 및 복조를 수행하는 변복조부(293', 293); 및 전력 수신장치의 각 구성요소들을 제어하는 제어부(292', 292)를 포함하도록 구성될 수 있다.
이상에서는 WPC 규격을 중심으로 본 발명의 무선 전력 송수신 방법에 대하여 설명하였다. 나아가, 본 발명에서는 무선 전력 전송장치가 단일 코일을 조합하여, 서로 다른 규격을 따르는 무선 전력 수신장치들에게 전력을 각 규격에 적합하게 전달하는 방법을 제시한다. 나아가, 본 발명에서는 WPC 규격과 PMA 규격의 호환이 가능하면서도 수신장치들의 위치 자유도를 확장하는 새로운 형태의 다중 코일 솔루션을 제공한다. 이하, 이에 대하여 보다 상세히 설명한다.
한편, 상기 무선 전력 전송장치(100)와 상기 무선 전력 수신장치(200) 사이의 쇄교 자속을 이용하여 무선 전력을 전송 및 수신하는 방법에 있어서, 상기 무선 전력 전송장치(100) 및/또는 상기 무선 전력 수신장치(200)에 인접한 위치에 외부 금속 물질(예를 들면, 금속 컵, 캔 등과 같은 금속 물질(도체))이 위치되면 그 외부 금속 물질이 자속에 의해 발열할 수 있다.
도 20은 본 발명의 실시예에 따른 무선 전력 전송장치(100)에 위치한 외부 금속 물질(300)의 발열 원인을 나타낸 예시도 이다.
도 20에 도시한 바와 같이, 상기 외부 금속 물질(도체)(300)에 자속(B)이 관통을 하면, 상기 외부 금속 물질(300)의 표면과 자속이 이루는 각도(Θ)의 사인(sine)값과 비례한 전류(I)가 유도되는데, 이 전류(I)는 외부 금속 물질(300)의 고유 저항계수(ρ)로부터 계산되는 저항값에 비례한 발열을 야기하게 된다.
따라서, 본 발명에서는 무선 전력 전송장치(100)에서 송신하는 무선 전력 중에서 외부금속 물질(300)의 발열을 야기할 수 있는 실질적인 전력량을 측정할 수 있는 장치 및 그 방법을 설명한다. 또한, 본 발명에서는 호환성 문제를 해결하고자 상기 무선 전력 수신장치(200)의 영향을 받지 않는 상황에서 무선 전력 전송장치(100)에서만 외부금속 물질(300)의 발열을 야기할 수 있는 실질적인 전력량을 측정할 수 있는 장치 및 그 방법도 설명한다. 예를 들면, 상기 쇄교 자속을 이용하는 무선 전력 전송 시스템(100, 200)에서 전송 코일(1111)의 구동을 멈추었을 때, 상기 무선 전력 전송장치(100)의 공진 에너지의 감쇠량을 근거로 발열을 야기할 수 있는 외부 물질의 유무를 판별한다. 또한, 상기 무선 전력 수신장치(200)의 영향을 없애기 위하여, 상기 무선 전력 수신장치(200)의 에너지를 소모하지 않는 조건으로 설정한다.
도 21은 본 발명의 실시예에 따라 쇄교 자속을 이용하는 무선 전력 전송장치(100)와 상기 무선 전력 수신장치(200) 사이에 위치한 외부 금속 물질을 나타낸 예시도 이다.
도 21에 도시한 바와 같이, 쇄교 자속을 이용하는 무선 전력 전송장치(100)는 커패시터(C)가 직렬 혹은 병렬로 연결된 LC 공진 회로로 구성된 전송 코일(1111)을 포함하며, 상기 무선 전력 수신장치(200)는 커패시터(C)가 직렬 혹은 병렬로 연결된 LC 공진 회로로 구성된 수신 코일(2911)을 포함한다. 상기 전력 변환부(111)가 상기 전송 코일(1111)에 교류 전원을 인가하면 발생하는 자속(Magnetic Flux) 중 수신 코일(2911)과 쇄교하는 성분으로 인해 전력이 상기 무선 전력 수신장치(200)에 전송되는 원리이다. 전송 코일(1111) 및 수신 코일(2911)은 커패시터(C)가 직렬 혹은 병렬로 연결된 LC 공진 회로(또는 공진 탱크(resonance tank))로 이루지며, 상기 LC 공진 회로를 이용하여 임피던스를 조절함으로써 충분한 전력이 상기 무선 전력 수신장치(200)에 전송될 수 있다.
상기 인덕터(L)와 커패시터(C)로 이루어진 공진 회로는, L과 C가 에너지를 서로 주고 받으며 공진을 하게 된다. 그리고 상기 전력 변환부(111) 내의 인버터는 무선으로 에너지(전력)를 전송하는 정상상태(steady state)에서 상기 LC 공진 회로를 공진 주파수로 구동시키거나 공진 주파수보다 높은 주파수로 구동시키는 역할을 한다.
도 22a-22b는 본 발명의 실시예에 따라 상기 무선 전력 전송장치(100)의 인버터가 LC 공진 회로를 구동시키다가 갑자기(일시적으로) 구동을 멈출 경우의 인덕터(L) 전류의 변화(ΔIRESO)를 나타낸 예시도 이다. 도 22a는 상기 무선 전력 전송장치(100)의 LC 공진 회로를 공진 주파수(22-2)로 구동했다가 멈추었을 때의 인덕터(L)의 전류 변화를 나타내며, 도 22b는 상기 무선 전력 전송장치(100)의 LC 공진 회로를 공진 주파수(22-2)보다 높은 주파수(22-3)로 구동했다가 멈추었을 때의 인덕터(L) 전류의 변화를 나타낸다. 도면 부호 22-1은 LC 공진 회로의 구동 전압(전류)을 나타낸다. 즉, 상기 LC 공진 회로를 공진 주파수(22-2)로 구동하거나 그 공진 주파수(22-2)보다 높은 주파수(22-3)로 구동하다가 일시적으로 그 구동을 멈추어도 인덕터(L) 전류의 변화(ΔIRESO)는 서로 동일함(변화 없음)을 알 수 있다.
도 22a-22b에 도시한 바와 같이, 상기 무선 전력 전송장치(100)의 인버터가 LC 공진 회로를 구동하다가 그 구동을 멈추게 되면 상기 무선 전력 전송장치(100)의 LC 공진 회로의 공진 에너지는 점차 감쇠하게 된다. 상기 무선 전력 전송장치(100)의 LC 공진 회로의 에너지를 대표하는 값으로 L의 전류를 예로 들면, 공진 에너지가 모두 L에 모이는 시점인 L의 전류가 피크를 가질 때의 값을 기준으로 제1 전류(I1)에서 제2 전류(I2)로 변했다면 다음과 같은 수학식 2가 성립한다.
Figure 112014064650459-pat00002
여기서,
Figure 112014064650459-pat00003
는 상기 무선 전력 전송장치(100)에서 손실되는 전체 손실 전력량을 나타내며, f는 상기 무선 전력 전송장치(100)의 LC 공진 회로를 구동하는 주파수를 나타내며, LCOIL 상기 무선 전력 전송장치(100)의 LC 공진 회로의 인덕터(L) 값을 나타내며,
Figure 112014064650459-pat00004
은 상기 무선 전력 전송장치(100)의 LC 공진 회로를 구동시키다가 멈춘 시점부터 제1 미리설정된 시간(또는 미리설정된 사이클 수)이 경과한 제1 시점에 검출된 인덕터(L)의 제1 전류를 나타내며,
Figure 112014064650459-pat00005
은 상기 무선 전력 전송장치(100)의 LC 공진 회로를 구동시키다가 멈춘 시점부터 제2 미리설정된 시간(또는 미리설정된 사이클 수)이 경과한 제2 시점에 검출된 인덕터(L)의 제2 전류를 나타내며, 상기 제1 시점은 상기 제2 시점보다 빠르게 설정된다. 상기 제1 및 제2 미리설정된 시간은 상기 무선 전력 전송장치(100)의 LC 공진 회로를 구동시키다가 멈춘 시점부터 상기 인덕터(L)의 전류가 더 이상 검출되는 않는 시점까지의 시간 내에 포함될 수 있다.
kPT는 상기 무선 전력 수신장치(200)로 전송되는 전력량으로서, k의 계수는 상기 무선 전력 수신장치(200) 역시 LC 공진 회로를 가지고 있기 때문에 나타난다. PLOSS는 상기 무선 전력 전송장치(100)에서 손실된 고유 전력량으로서, 기생 저항, 상기 무선 전력 전송장치(100)의 코어의 손실 등에 의해 발생하는 요소에 의해(외부 금속 물질과 관련 없음) 상기 무선 전력 전송장치(100)에서 손실된 고유 전력량을 나타낸다. PFO는 외부 금속 물질에서의 발열 등으로 인해 상기 무선 전력 전송장치(100)에서 손실된 전력량을 나타낸다. 여기서, 상기 전력 송신 제어부(112)는, 상기 무선 전력 전송장치(100)의 인버터가 LC 공진 회로를 구동하다가 그 구동을 멈추게 되면, 상기 무선 전력 전송장치(100)에서 손실되는 전체 손실 전력량(
Figure 112014064650459-pat00006
), 상기 무선 전력 전송장치(100)에서 손실된 고유 전력량(PLOSS), 상기 외부 금속 물질에서의 발열 등으로 인해 상기 무선 전력 전송장치(100)에서 손실된 전력량(PFO) 등을 구할 수 있다.
수학식 2에서 알 수 있듯이, 상기 전력 송신 제어부(112)는 PLOSS를 상수값으로서 미리 저장하고, 상기 무선 전력 수신장치(200)의 LC 공진 회로의 구동을 차단하여 상기 무선 전력 수신장치(200)로 전력을 전달하지 않는 PT=0인 상태로 설정함으로써 상기 외부 금속 물질(300)로 인해 소모되는 전력량(PFO)을 구할 수 있다. 즉, 상기 전력 송신 제어부(112)는 PT=0인 상태로 설정하고, 상기 무선 전력 전송장치(100)의 LC 공진 회로를 구동시키다가 멈추어 상기 무선 전력 전송장치(100)에서 손실되는 전체 손실 전력(
Figure 112014064650459-pat00007
)를 검출하고, 그 검출한 전체 손실 전력량(
Figure 112014064650459-pat00008
)과 상기 무선 전력 전송장치(100)의 고유 손실 전력량(PLOSS)의 차이값을 상기 외부 금속 물질(300)로 인해 소모되는 전력량(PFO)으로 결정한다.
상기 전력 송신 제어부(112)는 PT=0인 상태로 설정하고, 상기 무선 전력 전송장치(100)의 LC 공진 회로를 구동시키다가 멈춘 시점부터 미리설정된 시간(또는 미리설정된 사이클 수) 동안의 제1 전류(
Figure 112014064650459-pat00009
)에서 제2 전류(
Figure 112014064650459-pat00010
)를 감산한 값과 "
Figure 112014064650459-pat00011
"의 결과 값을 곱함으로써 구해진 값을 상기 무선 전력 전송장치(100)에서 손실되는 전체 손실 전력량(
Figure 112014064650459-pat00012
)으로서 결정한다.
도 23은 상기 무선 전력 수신장치(200)와 외부 금속 물질(300)이 없이 상기 무선 전력 전송장치(100)만 있는 상태에서 상기 무선 전력 전송장치(100)의 LC 공진 회로의 구동을 멈출 때의 공진 에너지의 감쇠 곡선(23-1)을 나타낸다.
도 23에 도시한 바와 같이, 포락선(envolop)이 감쇠계수(α)를 가지고 e-αt를 따라 시간적으로 감쇠하는 것을 볼 수 있다. 상기 감쇠계수는 PLOSS에 의한 것으로서, PLOSS에 관여하는 요소는 코일의 등가저항, 코일 코어에서 발생하는 자기저항, 상기 무선 전력 전송장치(100)의 어셈블리(assembly)에서 발생하는 손실 등 외부 금속 물질과 관련 없는 자체 손실 성분으로서, 상기 무선 전력 전송장치(100) 단독으로 측정함으로써 상기 무선 전력 전송장치(100)에서 손실된 고유 전력량(PLOSS)을 미리 구할 수 있다.
상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 무선 전력 수신장치(200)가 상기 무선 전력 전송장치(100)에 접속되면 상기 무선 전력 수신장치(200)의 LC 공진 회로의 구동을 정지시키기 위한 제어 신호(PT=0으로 설정하기 위한 제어 신호)를 발생하고, 그 제어 신호(PT=0으로 설정하기 위한 제어 신호)를 상기 무선 전력 수신장치(200)에 전송한다. 상기 무선 전력 수신장치(200)는 상기 제어 신호(PT=0으로 설정하기 위한 제어 신호)를 근거로 자신의 LC 공진 회로의 구동을 정지시킨다(PT=0으로 설정함). 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 외부 금속 물질(300)의 존재 여부 및/또는 상기 외부 금속 물질(300)로 인해 소모되는 전력량을 검출하기 위해 주기적으로 또는 사용자에 의해 설정된 시간이 경과할 때마다 상기 무선 전력 수신장치(200)의 LC 공진 회로의 구동을 정지시키기 위한 제어 신호를 발생하고, 그 제어 신호를 상기 무선 전력 수신장치(200)에 전송할 수 있다.
이하에서는, PT=0으로 설정하는 방법을 도 24 및 도 25를 참조하여 설명한다.
도 24는 PT=0으로 설정하기 위한 회로를 나타낸 예시도이다.
도 24에 도시한 바와 같이, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 무선 전력 수신장치(200)가 상기 무선 전력 전송장치(100)에 접속되면 주기적으로 상기 무선 전력 수신장치(200)의 LC 공진 회로(2911)의 후단에 연결된 정류기(Rectifier)(24-1)의 다이오드들(D1~D4)을 턴-오프시킴으로써 PT=0으로 설정한다. 예를 들면, 상기 무선 전력 수신장치(200)는 상기 전력 송신 제어부(112)의 제어 신호(PT=0으로 설정하기 위한 제어 신호)를 근거로 상기 정류기(24-1)를 개방(Open)시켜 상기 무선 전력 수신장치(200)의 LC 공진 회로(2911)에 인가되는 전류를 차단함으로써 PT=0으로 설정한다.
도 25는 PT=0으로 설정하기 위한 다른 회로를 나타낸 예시도이다.
도 25에 도시한 바와 같이, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 무선 전력 수신장치(200)가 상기 무선 전력 전송장치(100)에 접속되면 주기적으로 상기 무선 전력 수신장치(200)의 LC 공진 회로를 단락시킴으로써 PT=0으로 설정한다. 예를 들면, 상기 무선 전력 수신장치(200)는 상기 전력 송신 제어부(112)의 제어 신호(PT=0으로 설정하기 위한 제어 신호)를 근거로 상기 정류기(25-1) 내의 스위칭 소자들(M1, M2)을 턴-온시켜 다이오드들(D3, D4)을 단락시킴으로써 상기 무선 전력 수신장치(200)의 LC 공진 회로(2911)가 단락된다.
도 26은 외부 금속 물질(300)이 없이 상기 무선 전력 수신장치(LC 공진 회로가 단락된 상태임)(200)와 상기 무선 전력 전송장치(100)만 있는 상태에서 상기 무선 전력 전송장치(100)의 LC 공진 회로의 구동을 멈출 때의 공진 에너지의 감쇠 곡선(26-1)을 나타낸다.
도 27은 도 23의 전류 파형과 도 26의 전류 파형을 겹친 파형을 나타낸 도로서, 도 23의 공진 에너지의 감쇠 곡선(23-1)과 도 26의 공진 에너지의 감쇠 곡선(26-1)은 상기 무선 전력 수신장치(LC 공진 회로가 단락된 상태임)(200)의 유무에 영향을 받지 않는다는 것을 확인할 수 있다. 즉, 도 23의 공진 에너지의 감쇠 계수와 도 26의 공진 에너지의 감쇠 계수가 서로 거의 차이가 없음을 확인할 수 있다.
도 28은 외부 금속 물질(300)이 없이 상기 무선 전력 전송장치(100)만 있는 상태에서 상기 무선 전력 전송장치(100)의 LC 공진 회로의 구동을 멈출 때의 공진 에너지의 감쇠 곡선(감쇠 계수)(23-1)와, 상기 무선 전력 전송장치(100)에 외부 금속 물질(300)이 있는 상태에서 상기 무선 전력 전송장치(100)의 LC 공진 회로의 구동을 멈출 때의 공진 에너지의 감쇠 곡선(감쇠 계수)(28-1)을 비교하여 나타낸 예시도 이다.
도 28에 도시한 바와 같이, 상기 무선 전력 전송장치(100) 단독으로 존재하고 있을 때 외부 금속 물질(300)의 유무에 따라 상기 무선 전력 전송장치(100)의 LC 공진 회로에 축적된 공진 에너지를 나타내는 대표값인 인덕터 코일 전류의 변화를 나타낸다. 즉, 외부 금속 물질(300)의 유무에 따라 공진 에너지의 감쇠계수(α)가 확연하게 구분이 됨을 알 수 있다.
도 29는 외부 금속 물질(300)이 없이 상기 무선 전력 수신장치(200)가 상기 무선 전력 전송장치(100)에 위치한 상태에서 상기 무선 전력 전송장치(100)의 LC 공진 회로의 구동을 멈출 때의 공진 에너지의 감쇠 곡선(감쇠 계수)(29-1)와, 상기 무선 전력 수신장치(200)가 상기 무선 전력 전송장치(100)에 위치하고 상기 무선 전력 전송장치(100)에 외부 금속 물질(300)이 있는 상태에서 상기 무선 전력 전송장치(100)의 LC 공진 회로의 구동을 멈출 때의 공진 에너지의 감쇠 곡선(감쇠 계수)(29-1)을 비교하여 나타낸 예시도 이다. 즉, 외부 금속 물질(300)의 유무에 따라 공진 에너지의 감쇠계수(α)가 확연하게 구분이 됨을 알 수 있다.
상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 무선 전력 전송장치(100)의 LC 공진 회로의 구동을 멈출 때 상기 무선 전력 전송장치(100)의 LC 공진 회로의 전류(혹은 전압)의 포락선이 미리설정된 크기까지 줄어드는 데 걸리는 공진 사이클(cycle) 수(혹은 시간)을 근거로 상기 외부 금속 물질의 유무를 결정할 수도 있다. 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 무선 전력 전송장치(100)의 LC 공진 회로의 구동을 멈출 때 미리설정된 공진 사이클의 횟수 이후(혹은 미리설정된 시간 이후) 상기 무선 전력 전송장치(100)의 LC 공진 회로에 남아있는 전류(혹은 전압)의 포락선 크기를 근거로 상기 외부 금속 물질의 유무를 결정할 수도 있다.
상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 공진 에너지의 감쇠계수와 미리설정된 기준 감쇠 계수(임계값)를 근거로 상기 외부 금속 물질의 유무를 결정할 수도 있다.
도 30은 본 발명의 실시예에 따라 상기 외부 금속 물질의 유무를 결정하는 방법을 나타낸 흐름도 이다.
먼저, 상기 전력 송신 제어부(112)는 주기적으로 또는 사용자에 의해 설정된 시간이 경과하면, 상기 무선 전력 전송장치(100)의 LC 공진 회로의 구동을 일시적으로 정지시킨다(S11). 예를 들면, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 무선 전력 수신장치(200)가 상기 무선 전력 전송장치(100)에 접속되지 않은 상태에서도 상기 외부 금속 물질(300)의 유무를 검출하기 위한 시간 동안(예를 들면, 상기 무선 전력 전송장치(100)의 LC 공진 회로의 구동을 정지한 시점부터 공진 에너지가 0이 되는 시점 동안) 상기 무선 전력 전송장치(100)의 LC 공진 회로의 구동을 일시적으로 정지시킨다.
상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 무선 전력 전송장치(100)의 LC 공진 회로의 구동이 정지하면 상기 무선 전력 전송장치(100)의 LC 공진 회로의 공진 에너지의 감쇠 계수를 검출한다(S12).
상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 검출된 감쇠 계수가 미리설정된 기준 감쇠 계수를 초과했는지를 결정한다(S13). 상기 미리설정된 기준 감쇠 계수는, 외부 금속 물질(300) 및 상기 무선 전력 수신장치(200) 없이 상기 무선 전력 전송장치(100)가 단독으로 존재할 때, 상기 무선 전력 전송장치(100)의 LC 공진 회로의 구동을 일시 정지시킨 후 상기 무선 전력 전송장치(100)의 LC 공진 회로의 공진 에너지의 감쇠 계수를 미리 검출하고, 그 미리 검출한 감쇠 계수로서 정의된다.
상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 검출된 감쇠 계수가 상기 미리설정된 기준 감쇠 계수를 초과하면 상기 외부 금속 물질(300)이 검출된 것으로 결정한다(S14).
상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 외부 금속 물질(300)이 검출되면 상기 외부 금속 물질(300)이 검출되었음을 나타내는 정보(예를 들면, 오류 코드)를 발생하고, 그 정보를 표시부(141)에 표시한다(S15).
반면, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 검출된 감쇠 계수가 상기 미리설정된 기준 감쇠 계수를 초과하지 않으면 주기적으로 상기 외부 금속 물질(300)의 유무를 결정하는 방법을 다시 수행한다.
도 31은 본 발명의 실시예에 따라 상기 외부 금속 물질의 유무를 결정하는 다른 방법을 나타낸 흐름도이다.
먼저, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 무선 전력 수신장치(200)가 상기 무선 전력 전송장치(100)에 접속되면 상기 무선 전력 수신장치(200)에 무전 전력을 전송하다가, 주기적으로 또는 사용자에 의해 설정된 시간이 경과하면 상기 무선 전력 수신장치(200)의 LC 공진 회로의 구동을 일시적으로 정지시킨다(S21). 예를 들면, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 무선 전력 수신장치(200)가 상기 무선 전력 전송장치(100)에 접속되면 상기 무선 전력 전송장치(100)에 무전 전력을 전송하다가 상기 외부 금속 물질(300)의 유무를 검출하기 위한 시간 동안 상기 무선 전력 수신장치(200)의 LC 공진 회로의 구동을 일시적으로 정지시킨다.
상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 무선 전력 수신장치(200)의 LC 공진 회로의 구동을 정지시키고, 상기 무선 전력 전송장치(100)의 LC 공진 회로의 구동도 일시 정지시킨다(S22).
상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 무선 전력 수신장치(200)의 LC 공진 회로 및 상기 무선 전력 전송장치(100)의 LC 공진 회로의 구동을 일시 정지시키고, 상기 무선 전력 전송장치(100)의 LC 공진 회로의 공진 에너지의 감쇠 계수를 검출한다(S23).
상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 검출된 감쇠 계수가 미리설정된 기준 감쇠 계수를 초과했는지를 결정한다(S24). 상기 미리설정된 기준 감쇠 계수는, 외부 금속 물질(300) 없이 상기 무선 전력 전송장치(100)와 상기 무선 전력 수신장치(200)가 접속될 때, 상기 무선 전력 전송장치(100)의 LC 공진 회로의 구동을 일시 정지시킨 후 상기 무선 전력 전송장치(100)의 LC 공진 회로의 공진 에너지의 감쇠 계수를 미리 검출하고, 그 미리 검출한 감쇠 계수로서 정의된다.
상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 검출된 감쇠 계수가 상기 미리설정된 기준 감쇠 계수를 초과하면 상기 외부 금속 물질(300)이 검출된 것으로 결정한다(S25).
상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 외부 금속 물질(300)이 검출되면 상기 외부 금속 물질(300)이 검출되었음을 나타내는 정보(예를 들면, 오류 코드)를 발생하고, 그 정보를 표시부(141)에 표시한다(S26).
반면, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 검출된 감쇠 계수가 상기 미리설정된 기준 감쇠 계수를 초과하지 않으면 무선 전력이 정상적으로 상기 무선 전력 수신장치(200)에 전송되고 있음을 나타내는 정보를 상기 표시부(141)에 표시한다(S27).
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 무선 전력 전송 장치 및 그 제어 방법은, 무선 전력 전송장치의 LC 공진 회로의 공진 에너지의 감쇠 계수를 검출함으로써, 외부 금속 물질의 유무을 결정할 수 있다.
앞서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 무선 전력 전송장치 및 그 제어방법은 LC 공진 회로의 감쇠 계수를 검출함으로써, 외부 금속 물질의 유무를 결정할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 실시예들에 따른 무선 전력 전송장치는 상기 감쇠 계수의 주기당 변화율에 근거하여, 외부 물질의 종류, 수신장치의 정렬 상태 및 용량을 검출하는 방법을 설명한다. 도 32는 감쇠 계수의 주기당 변화율에 근거하여, 외부 물질의 종류, 수신장치의 정렬 상태 및 용량을 검출하는 방법을 나타낸 흐름도이고, 도 35, 도 36 및 도 37은 외부 물질의 종류에 따라 감쇠 계수가 변하는 것을 나타낸 그래프이고, 도 38, 도 39, 도 40은 수신장치가 있는 경우, 각 주기당 감쇠 계수가 변하는 것을 나타낸 그래프이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 무선전력 전송장치는 외부 물질을 검출하도록 특정 주파수의 파형을 주기적으로 발생시키는 단계를 진행할 수 있다(S310).
무선 전력 전송장치는 상기 무선전력을 전송할 수 있는 특정 거리 내에 무선으로 전력을 수신할 수 있는 외부 물질이 있는지 여부를 검출할 수 있다. 여기에서, 상기 외부 물질이 있는지 여부를 검출하는 것은 무선 충전에 적합하지 않은 물질이 정렬되었음에도 불구하고, 무선 전력을 전송하는 경우를 방지하기 위함이다. 만일, 무선 충전에 적합하지 않은 물질에 무선 전력을 전송하게 되면, 무선 충전 시스템의 파손 우려가 발생하기 때문이다.
이때, 상기 외부 장치가 무선으로 전력을 수신하는 장치인지 여부를 판단하기 위하여, 무선 전력 전송장치에 구비된 전력 송신 제어부(112)는 특정 주파수를 갖는 파형을 주기적으로 발생시킬 수 있다.
여기에서, 상기 특정 주파수는 무선 전력 전송장치의 고유의 공진 주파수보다 높은 주파수일 수 있다.
한편, 상기 특정 주파수를 갖는 파형은 무선 전력 전송장치를 기준으로 특정 거리 내에 외부 물질이 있는 경우, 파형의 특성이 변경될 수 있다. 여기에서, 상기 파형의 특성은 파형의 주파수, 감쇠 계수 등이 될 수 있다.
이때, 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송장치는 상기 파형의 각 주기에서, 파형의 감쇠 계수를 검출하여, 감쇠 계수의 변화량을 측정하는 단계를 진행할 수 있다(S320).
상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 파형의 각 주기 마다 감쇠 계수를 검출할 수 있다.
이때, 상기 파형의 감쇠 계수는 상기 무선 전력 전송장치를 기준으로 특정 거리 내에 외부 물질의 존재 유무에 따라 달라질 수 있다. 여기에서, 상기 무선 전력 전송장치를 기준으로 설정된 특정 거리는 무선 전력 전송장치가 무선으로 전력을 전송할 수 있는 거리를 의미할 수 있다. 도 35, 도 36, 도 37의 그래프를 참조하면, 외부 물질의 존재 유무에 따라 한 주기에서의 감쇠 계수가 변하는 것을 알 수 있다.
보다 구체적으로, 도 35의 그래프는 상기 무선 전력 전송장치의 특정 거리 내에 외부 물질이 없는 경우, 상기 무선 전력 전송장치에 구비된 전력 전송용 코일의 파형을 나타낸다. 또한, 도 36의 그래프는 상기 무선 전력 전송장치의 특정 거리 내에 외부 금속 물질이 있는 경우, 상기 무선 전력 전송장치에 구비된 전력 전송용 코일의 파형을 나타낸다. 도 35 및 도 36의 그래프를 비교하면, 상기 외부물질이 있는 경우, 감쇠 계수가 달라지는 것을 알 수 있다.
나아가, 도 37의 그래프는 상기 무선 전력 전송장치의 특정 거리 내에 무선 전력의 수신이 가능한 수신장치가 있는 경우, 상기 무선 전력 전송장치에 구비된 전력 전송용 코일의 파형을 나타낸다. 앞서, 도 35, 도 36과 도 37을 비교하면, 상기 감쇠 계수가 다른 것을 알 수 있다. 또한, 도 37에서는 수신장치의 존재로 인하여, 추가적인 주파수를 갖는 파형이 있는 것을 알 수 있다.
이를 통하여, 상기 전력 송신 제어부(112)는 외부 물질의 존재 유무를 판단할 수 있다. 이를 통하여, 본 발명은 무선 전력의 전송이 가능한 특정 거리 내에 외부 물체가 있는 경우에만 무선전력을 전송하도록 제어함으로써, 무선 충전 시스템을 보호할 수 있다.
상기 감쇠 계수의 변화량을 측정한 후, 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송장치는 상기 파형의 감쇠 계수의 변화량에 기초하여, 외부 물질의 종류를 판단할 수 있다(S330).
상기 전력 송신 제어부(112)는 외부 물질의 존재 유무뿐만 아니라, 각 주기에서의 감쇠 계수의 변화량에 기초하여, 외부 물질의 종류를 판단할 수 있다. 상기 주기에 따라 감쇠 계수가 변경되는 것은 무선 전력을 수신하는 수신장치의 정류부에 구비된 캐패시터에 의한 것일 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 수신장치의 정류부에 구비된 캐패시터는 전송장치에서 전송된 특정 주파수를 갖는 파형에 의하여, 에너지가 쌓일 수 있다. 이때, 상기 수신장치의 정류부에 구비된 캐패시터는 상기 축적된 에너지에 의하여, 전압이 증가하게 된다. 이에 의하여, 상기 캐패시터에 인가되는 전압/전류의 비율이 변경되고, 캐패시터가 나타내는 등가저항이 변하며, 나아가 수신장치 전체 시스템의 등가저항이 변경될 수 있다. 따라서, 수신장치에 구비된 캐패시터의 등가저항의 변경으로 인하여, 전송장치의 전력 전송부 코일(LC 공진회로의 코일)에서 감지되는 파형의 감쇠 계수가 변경될 수 있다.
상기 전력 송신 제어부(112)는 각 주기에서의 감쇠 계수들의 변화량을 검출할 수 있다. 보다 구체적으로, 도 38, 도 39 및 도 40의 그래프를 참조하면, 하나의 파형에 대한 각 주기에서의 감쇠 계수는 점차적으로 작아지는 것을 알 수 있다.
보다 구체적으로, 도 38은 파형의 첫번째 주기에서의 감쇠계수를 나타내고, 도 39는 파형의 두번째 주기에서의 감쇠계수를 나타내며, 도 40은 파형의 세번째 주기에서의 감쇠계수를 나타낸다. 상기 도 38에서 도 40에서 알 수 있듯이, 파형의 감쇠계수는 점차적으로 작아지는 것을 알 수 있다.
상기 감쇠 계수의 변화량은 외부 물질의 종류에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 무선 전력의 수신장치와 무선 전력을 수신받지 못하는 외부장치의 감쇠 계수의 변화량은 다를 수 있다.
이를 통하여, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 감쇠 계수의 변화량에 기초하여, 외부 물질의 종류를 검출할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 감쇠 계수의 변화량이 기 설정된 기준 변화량과 일치하는 경우, 무선 전력을 수신하도록 형성된 수신장치를 검출할 수 있다.
상기 외부 물질을 검출 후, 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송장치는 상기 외부 물질의 종류에 기초하여, 상기 외부 물질에 무선으로 전력을 전송할지 여부를 결정하는 단계를 진행할 수 있다(S340).
상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 감쇠 계수의 변화량에 기초하여, 상기 외부 물질이 무선으로 전력의 수신이 가능한 수신장치인지 여부를 판단할 수 있다. 이때, 상기 외부 물질이 무선으로 전력의 수신이 가능한 수신장치인 경우, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 수신장치에 전력을 전송하도록 전원공급부(190)를 제어할 수 있습니다. 또한, 상기 외부 물질이 무선으로 전력의 수신이 가능하지 않은 물질인 경우, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 외부 물질에 전력을 전송하지 않도록 상기 전원공급부(190)를 제어할 수 있습니다.
또한, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 전력 전송용 코일에서 검출되는 파형이 상기 무선 전력 전송장치의 공진 주파수와 다른 추가적인 주파수를 갖는 파형에 기초하여 상기 외부 물질의 종류를 검출할 수 있다.
예를 들어, 상기 전력 송신 제어부(112)는 전력 전송용 코일에서 감지되는 파형의 주파수에 있어서, 무선 전력 전송장치가 기본적으로 가지고 있는 고유의 공진 주파수와 다른 추가적인 주파수를 갖는 파형을 검출할 수 있다.
여기에서, 상기 추가적인 주파수 값은 전송장치와 수신장치에 각각 구비된 코일 사이의 상호 인덕턴스 값에 의존하는 값일 수 있다. 이때, 상기 추가적인 주파수 값은 상호 인덕턴스 값에 의존하기 때문에, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 추가적인 주파수 값에 기초하여, 전송장치와 수신장치의 정렬 상태를 판단할 수 있다. 상기 정렬 상태는 전송장치가 수신장치에게 무선으로 전력을 전송하기에 적합한 위치에 놓여있는 상태를 의미할 수 있다.
나아가, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 추가적인 주파수를 갖는 파형을 이용하여 상기 정렬 상태뿐만 아니라, 수신장치의 캐패시터의 용량을 유추할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 상호 인덕턴스 값 및 추가적인 주파수 값을 이용하여 수신장치의 캐패시터의 용량을 유추할 수 있다. 이를 통하여, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 수신장치에 전송할 무선 전력의 전력량을 결정할 수 있다.
또한, 상기 외부 물질의 종류에 따라 추가적으로 검출되는 주파수가 달라질 수 있다. 예를 들어, 모터를 구비하는 주방용 기기와 가열 기기는 무선 전력을 수신하는 수신부의 구조가 다르기 때문에, 상기 전송장치의 전력 전송용 코일에 서로 다른 주파수가 검출될 수 있다. 이에, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 서로 다른 주파수가 검출되는 특성을 이용하여, 외부 물질의 종류를 검출할 수 있다. 이를 통하여, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 수신장치의 특성에 맞게 무선 전력을 전송하도록 전원공급부(190)를 제어할 수 있다.
앞서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송장치는 파형의 감쇠 계수의 변화량 및 추가적인 주파수를 갖는 파형 중 적어도 하나를 이용하여, 수신장치의 종류 및 수신장치의 정렬 상태, 나아가, 수신장치의 용량을 판단할 수 있다.
이상에서는 무선 전력 전송장치가 외부 물질의 종류를 검출하는 방법에 대하여 설명하였다. 이를 통하여, 무선 전력 전송장치는 무선 전력 수신장치와의 별도의 통신 없이도, 무선 전력 수신장치를 구별할 수 있다. 나아가, 본 발명은 무선 전력 전송장치 주변의 외부 물질의 종류를 판단하여, 적합한 무선 전력을 전송할 수 있는 방법을 제공할 수 있다.
한편, 무선 전력을 전송하는데 있어서, 현재 수 Watt 급 무선전력전송 시스템에서는 송수신기 간의 정보를 공유하기 위하여, 전력 전송용 코일을 통신용으로도 사용하는 In-band 통신이 사용되고 있다.
그러나, 수 kilo Watt 급의 전력을 전송하는 무선전력전송 시스템에서는 전력 전송용 코일에 큰 전력이 흐르기 때문에, 통신용으로 사용하기 적합하지 않다. 왜냐하면, 상기 전력 전송용 코일을 통신용으로서 사용하는 경우, 통신을 위한 극소의 전력 효율의 감소가 발생하더라도, 손실되는 전력의 절대 량이 매우 크기 때문이다. 또한, 큰 전력이 인가되는 노드(node)에 사용 가능한 소자 또한 가격이 높기 때문에, 큰 전력을 전송하는 코일을 통신용으로 사용하는데 어려움이 있을 수 있다.
따라서, 수 kilo Watt의 전력을 송수신하는 무선전력전송 시스템에서는 별도의 통신 모듈을 사용하는 방법이 제안되고 있다. 이렇게 별도의 통신 모듈을 사용하는 통신 방법은 Out-of-band 통신이라고 명명될 수 있다.
한편, 상기 별도의 통신 모듈을 사용하는데 있어서, 송수신기 간에 1:1 통신을 보장하기 위한 방법 및 송수신기가 분리된 경우, 안전하게 통신을 중단하는 방법이 문제될 수 있다.
이하에서는, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송장치가 외부 물질과 통신을 수행하는 방법을 설명한다. 도 33은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송장치에 있어서, 통신을 수행하는 방법을 나타낸 흐름도이다. 제5항에 있어서,
이때, 상기 통신의 수행 전, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 외부 물질의 종류를 검출하는 단계를 먼저 수행할 수 있다(S340). 상기 외부 물질의 종류를 검출하는 단계는 앞서 설명한 것과 동일하게 수행될 수 있다.
상기 외부 물질이 무선 전력을 수신하도록 형성된 수신장치인 경우, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 수신장치에게 무선으로 전력을 전송하기 전, 통신을 수행하기 위하여 무선통신부를 제어할 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송장치는 상기 수신장치에게 상기 통신을 수행하기 위하여 필요한 통신 정보 및 소정의 전력을 상기 수신장치에 전송하는 단계를 진행할 수 있다(S341). 여기에서, 상기 통신 정보는 식별 정보(예를 들어, SSID), 보안 정보 등이 될 수 있다.
또한, 상기 소정의 전력은 상기 수신장치가 구비한 무선 통신부를 구동하는데 필요한 전력일 수 있다. 이때, 상기 소정의 전력의 양은 기 설정된 양일 수 있다. 또한, 상기 소정의 전력은 무선 통신부를 구동하는데 전력이 사용된 후, 소정의 전력이 남아 있는 경우, 추후, 수신장치에서 사용될 수 있다.
또한, 상기 전력 송신 제어부(180)는 상기 통신 정보 및 소정의 전력을 전송 장치의 고유의 공진 주파수보다 높은 주파수를 이용하여 전송할 수 있다. 예를 들어, 상기 전력 송신 제어부(180)는 상기 공진 주파수보다 높은 f1, f2 두 주파수를 이용하여, 통신 정보 및 소정의 전력을 전송할 수 있다.
이때, 상기 전력 송신 제어부(180)는 수신장치의 피드백 없이 상기 통신 정보 및 소정의 전력의 전송이 가능하다. 나아가, 상기 통신 정보 및 소정의 전력을 수신한 수신장치는 상기 f1, f2 두 주파수의 진폭이 다른 것을 이용하여 진폭 복조를 할 수도 있으며, 진폭 복조가 어려운 경우, 주파수 복조를 통하여 신호를 해석할 수 있다.
이를 통하여, 상기 전송장치와 수신장치는 상기 복조된 신호를 이용하여 1:1로 통신을 수행할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송장치는 상기 통신이 수행된 후, 상기 수신장치에 무선으로 전력을 전송할 수 있다(S342). 이와 함께, 본 발명은 상기 외부 물질이 수신장치가 아닌 경우에는 무선으로 전력을 전송하지 않도록 상기 전원공급부(190)를 제어할 수 있다(S343).
통신이 연결되면, 상기 전력 송신 제어부(180)는 통신을 통하여, 상기 수신장치로부터 전력을 전송받을 전력량 정보를 수신할 수 있다. 그 후, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 전력량 정보에 기초하여, 상기 수신장치에게 무선으로 전력을 전송할 수 있다.
이상에서는, 무선 전력 전송장치와 수신장치가 통신하는 방법을 설명하였다. 이를 통하여, 무선 전력 전송장치는 수 kilo Watt의 전력을 전송할 때에도 전송장치와 수신장치에 1:1 통신을 보장할 수 있다.
이하에서는 무선 전력 전송장치가 수신장치에게 무선으로 전력을 전송하는 중, 상기 무선 전력의 전송을 중단하는 방법에 대하여 설명한다. 도 34는 무선으로 전력을 전송하는 것을 중단하는 방법을 나타낸 흐름도이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송장치는 수신장치에게 무선으로 전력을 전송하는 중, 통신을 통하여, 상기 수신장치로부터 전력의 공급을 중단하기 위한 요청신호를 수신할 수 있다(S410).
상기 통신은 앞서 도 33에서 설명한 통신방법을 통하여 이루어질 수 있으며, 상기 무선 전력의 전송은 앞서 도 32에서 설명한 방법으로 이루어질 수 있다.
상기 요청신호는 상기 수신장치의 정렬상태가 변경되었음을 나타내는 정렬상태정보를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 요청신호는 현재 수신장치가 전송장치로부터 무선 전력을 수신할 수 없는 상태임을 나타내는 정보를 포함할 수 있다.
상기 수신장치는 기 설정된 조건에 기초하여, 상기 전력의 공급을 중단하기 위한 요청신호를 상기 무선 전력 전송장치에 전송할 수 있다.
여기에서, 기 설정된 조건은 상기 수신장치의 정류부에 구비된 캐패시터의 전압이 기준 값 이하로 떨어지는 조건, 상기 정류부에 구비된 캐패시터의 전압 하강 지속시간이 기준 시간 이상인 조건 및 상기 수신장치에 구비된 코일에 흐르는 전류값이 기준 이하로 떨어지는 조건 중 적어도 하나의 조건일 수 있다.
즉, 상기 수신장치는 상기 기 설정된 조건 중 적어도 하나가 만족되면, 무선으로 전송되는 전력의 공급을 중단하기 위하여, 상기 전송장치에게 요청신호를 전송할 수 있다.
이때, 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송장치는 상기 요청신호가 수신되면, 현재 공급중인 전력의 전송을 중단할 수 있다(S420).
상기 전력 송신 제어부(112)는 통신을 통하여 상기 요청신호가 수신되면, 수신장치에 전송되던 전력의 전송을 중단할 수 있다. 이때, 상기 전력 송신 제어부(112)는 수신장치의 정렬 상태가 변경되었다고 판단할 수 있다. 즉, 이 경우, 상기 전력 송신 제어부(112)는 불필요한 전력을 전송하지 않도록 상기 수신장치에 전송되는 전력의 전송을 중단할 수 있다.
한편, 상기 전송장치가 전력의 수신이 중단되어도, 상기 통신은 끊어지지 않을 수 있다. 이를 통하여, 전송장치는 여전히 수신장치로부터 정보를 송수신할 수 있다.
본 발명의 실시 예들에 따른 무선 전력 전송 장치 및 그 제어 방법은, 무선 전력 전송장치의 LC 공진 회로의 공진 에너지의 감쇠 계수를 검출함으로써, 외부 금속 물질의 유무을 결정할 수 있다.
본 발명의 실시 예들에 따른 무선 전력 전송 장치 및 그 제어 방법은, 상기 무선 전력 수신 장치가 상기 무선 전력의 수신을 차단하도록 상기 무선 전력 수신 장치를 제어하고, 상기 무선 전력 전송장치의 LC 공진 회로를 구동시키다가 멈춘 시점에서 검출된 상기 무선 전력 전송장치의 전체 손실 전력량과 상기 무선 전력 전송장치의 고유 손실 전력량을 근거로 외부 금속 물질에 의해 소모되는 전력량을 검출할 수도 있다.
본 발명의 실시 예들에 따른 무선 전력 전송 장치 및 그 제어방법은, 무선 전력 전송장치의 전력 전송용 코일에서 감지되는 파형의 주파수 감쇠 계수의 변화량을 이용하여, 외부 물질의 종류를 판단할 수 있다.
본 발명의 실시 예들에 따른 무선 전력 전송 장치 및 그 제어방법은, 무선 전력 전송장치의 전력 전송용 코일에서 감지되는 파형이 고유의 공진 주파수 이외의 추가적인 파형을 이용하여, 외부 물질의 정렬 상태 및 용량을 검출할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 전송 장치 및 그 제어방법은, 무선 전력 전송장치와 무선 전력 수신장치 사이의 일대일 통신을 연결하는 방법을 제공할 수 있다. 이를 통하여, 본 발명은 안전하게 통신을 수행하는 방법을 제공할 수 있다.
이상에서 설명한 방법은 예를 들어, 소프트웨어, 하드웨어 또는 이들의 조합된 것을 이용하여 컴퓨터 또는 이와 유사한 장치로 읽을 수 있는 기록매체 내에서 구현될 수 있다.
하드웨어적인 구현에 의하면, 지금까지 설명한 방법들은 ASICs (application specific integrated circuits), DSPs (digital signal processors), DSPDs (digital signal processing devices), PLDs (programmable logic devices), FPGAs (field programmable gate arrays, 프로세서(processors), 제어기(controllers), 마이크로 컨트롤러(micro-controllers), 마이크로 프로세서(microprocessors), 기타 기능 수행을 위한 전기적인 유닛 중 적어도 하나를 이용하여 구현될 수 있다. 예를 들어, 상기 방법들은 상기 무선 전력 전송장치(100)의 제어부(180) 또는 전력 송신 제어부(112)에 구현될 수도 있다.
소프트웨어적인 구현에 의하면, 본 명세서에서 설명되는 절차 및 기능과 같은 실시 예들은 별도의 소프트웨어 모듈들로 구현될 수 있다. 상기 소프트웨어 모듈들 각각은 본 명세서에서 설명되는 하나 이상의 기능 및 작동을 수행할 수 있다. 적절한 프로그램 언어로 쓰여진 소프트웨어 어플리케이션으로 소프트웨어 코드가 구현될 수 있다. 상기 소프트웨어 코드는 상기 무선 전력 전송장치(100)의 메모리(150)에 저장되고, 상기 제어부(180) 또는 상기 전력 송신 제어부(112)에 의해 실행될 수 있다.
이상 개시된 본 명세서에 기재된 실시 예에 따른 무선 전력 전송장치의 구성은 무선 충전기에만 적용 가능한 경우를 제외하면, 도킹 스테이션(docking station), 단말기 크래들 장치(cradle device), 기타 전자 장치 등과 같은 장치에도 적용될 수도 있음을 본 기술분야의 당업자라면 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명의 범위는 본 명세서에 개시된 실시 예들로 한정되지 아니하고, 본 발명은 본 발명의 사상 및 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 다양한 형태로 수정, 변경, 또는 개선될 수 있다.
100: 무선 전력 전송장치 200: 무선 전력 수신장치
111: 전력 변환부 112: 전력 송신 제어부
190: 전원 공급부

Claims (20)

  1. 무선으로 전력의 송수신이 가능한 무선 전력 전송장치에 있어서,
    수신장치에 무선으로 전력을 전송하도록 전력을 공급하는 전원 공급부;
    특정 주파수의 파형을 주기적으로 발생시켜, 상기 각 주기에서의 파형의 감쇠 계수를 측정하고, 각 주기에서의 감쇠 계수의 변화량 및 추가적인 공진 주파수를 갖는 파형을 측정하여, 외부 물질의 종류 및 수신장치의 정렬 상태를 결정하는 전력 송신 제어부를 포함하고,
    상기 전력 송신 제어부는
    상기 외부 물질의 종류 및 수신장치의 정렬 상태에 기초하여, 상기 수신장치에 상기 무선으로 전력을 전송할지 여부를 결정하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전력 송신 제어부는
    상기 파형의 주기에 따라 변하는 감쇠 계수의 변화량을 검출하고, 상기 감쇠 계수의 변화량이 기 설정된 기준 변화량과 일치하는 경우, 상기 외부 물질을 상기 무선으로 전력을 수신하는 수신장치로 판단하여, 상기 수신장치에 무선으로 전력을 전송하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 수신장치와 무선으로 통신을 수행하도록 형성된 무선통신부를 더 포함하고,
    상기 전력 송신 제어부는
    상기 외부 물질이 상기 무선전력을 수신하는 수신장치인 경우, 상기 무선통신부를 통하여 통신이 수행되도록 상기 수신장치에 기 설정된 량의 전력 및 통신과 관련된 통신정보를 전송하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 전력 송신 제어부는
    상기 수신장치와 일대일 통신이 연결이 완료되면, 상기 수신장치에 무선으로 전력을 전송하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전력 송신 제어부는
    상기 연결된 통신을 통하여, 상기 수신장치로부터 무선 전력을 수신할 전력량 정보를 수신하여, 상기 전력량 정보에 기초하여 전력을 공급하도록 상기 전원 공급부를 제어하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 수신장치와 무선으로 통신을 수행하도록 형성된 무선통신부를 더 포함하고,
    상기 전력 송신 제어부는
    상기 무선통신부와 연결된 통신을 통하여, 상기 수신장치로부터 상기 수신장치의 정렬상태가 변경되었음을 나타내는 정렬상태정보를 수신하는 경우, 상기 수신장치에 공급되고 있던 전력을 중단하는 것을 특징으로 하고,
    상기 정렬상태정보는, 상기 수신장치의 정류부에 구비된 캐패시터의 전압이 기준 값 이하로 떨어지는 조건, 상기 정류부에 구비된 캐패시터의 전압 하강 지속시간이 기준 시간 이상인 조건 및 상기 수신장치에 구비된 코일에 흐르는 전류값이 기준 이하로 떨어지는 조건에 기초하여 생성되는 무선 전력 전송장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전력 송신 제어부는
    상기 특정 주파수의 파형을 주기적으로 발생시킨 후, 기 설정된 공진 주파수와 다른 주파수가 검출되면, 상기 다른 주파수의 특성에 근거하여, 외부 물질의 종류를 판단하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전력 송신 제어부는
    상기 다른 주파수의 특성에 기초하여, 상기 외부 물질의 종류가 검출하고, 상기 외부 물질의 종류에 근거하여, 무선으로 전력을 전송할 전력량을 결정하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 전력 송신 제어부는
    상기 다른 주파수의 감쇠 계수의 변화율에 기초하여, 상기 외부 물질의 용량을 검출하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송장치.
  10. 청구항 10은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    무선으로 전력을 송신하도록 형성된 전송장치; 및
    상기 전송장치로부터 무선 전력을 수신하도록 형성되는 수신장치를 포함하고,
    상기 전송장치는
    수신장치에 무선으로 전력을 전송하도록 전력을 공급하는 전원 공급부; 및
    특정 주파수의 파형을 주기적으로 발생시켜, 상기 각 주기에서의 파형의 감쇠 계수를 측정하고, 각 주기에서의 감쇠 계수의 변화량 및 추가적인 공진 주파수를 갖는 파형을 측정하여, 외부 물질의 종류 및 수신장치의 정렬 상태에 따라 상기 수신장치에 무선으로 전력을 전송할지 여부를 결정하는 전력 송신 제어부를 포함하는 무선 충전 시스템.
  11. 청구항 11은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제10항에 있어서,
    상기 전송장치는
    상기 수신장치와 무선으로 통신을 수행하도록 형성된 무선통신부를 더 포함하고,
    상기 전력 송신 제어부는 상기 수신장치에 무선으로 전력을 전송하기 전에 상기 수신장치와 무선으로 통신을 수행하도록 상기 수신장치에 통신 정보 및 기 설정된 량의 전력을 전송하는 것을 특징으로 하는 무선 충전 시스템.
  12. 청구항 12은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제11항에 있어서,
    상기 전력 송신 제어부는 상기 전송장치의 공진 주파수보다 높은 주파수를 이용하여, 상기 통신 정보 및 기 설정된 량의 전력을 전송하는 것을 특징으로 하는 무선 충전 시스템.
  13. 청구항 13은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제11항에 있어서,
    상기 전력 송신 제어부는
    상기 통신 정보에 기초하여, 상기 수신장치와 통신이 연결되면, 상기 통신을 통해 상기 수신장치로부터 수신된 전력량에 기초하여 전력을 전송하도록 상기 전원 공급부를 제어하는 것을 특징으로 하는 무선 충전 시스템.
  14. 청구항 14은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제13항에 있어서,
    상기 전력 송신 제어부는
    상기 수신장치로부터 전력 송신을 중단하도록 요청 신호가 수신되면, 상기 전송 중인 전력을 중단하도록 상기 전원 공급부를 제어하는 것을 특징으로 하는 무선 충전 시스템.
  15. 청구항 15은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제11항에 있어서,
    상기 전송장치는 상기 수신장치와 무선으로 통신을 수행하도록 형성된 무선통신부를 더 포함하고,
    상기 수신장치는 상기 수신장치의 전압값, 전압 강하 시간 및 전류값에 기초하여 정렬상태정보를 생성하고,
    상기 전력 송신 제어부는 상기 무선통신부와 연결된 통신을 통하여, 상기 수신장치로부터 상기 수신장치의 정렬상태가 변경되었음을 나타내는 정렬상태정보를 수신하는 경우, 상기 수신장치에 공급되고 있던 전력을 중단하고,
    상기 정렬상태정보는, 상기 수신장치의 정류부에 구비된 캐패시터의 전압이 기준 값 이하로 떨어지는 조건, 상기 정류부에 구비된 캐패시터의 전압 하강 지속시간이 기준 시간 이상인 조건 및 상기 수신장치에 구비된 코일에 흐르는 전류값이 기준 이하로 떨어지는 조건에 기초하여 생성되는 것을 특징으로 하는 무선 충전 시스템.
  16. 청구항 16은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    무선으로 전력을 송신하는 무선전력 전송장치의 무선전력 전송방법에 있어서,
    특정 주파수의 파형을 주기적으로 발생시키는 단계;
    상기 특정 주파수의 파형의 각 주기에서의 감쇠 계수의 변화량에 기초하여, 무선으로 전력을 수신하는 전력 수신장치를 감지하는 단계;
    상기 전력 수신장치가 검출되면, 상기 전송장치와 통신하도록 통신 연결 정보 및 수신기의 통신 모듈에 사용될 전력을 상기 전력 수신장치에 전달하는 단계;
    상기 통신 연결 정보를 이용하여, 상기 수신장치와 통신을 연결하는 단계; 및
    상기 연결된 통신을 이용하여 수신장치로부터 무선으로 전송할 전력량 정보를 수신하고, 상기 수신된 전력량 정보에 기초하여, 전력을 무선으로 전송하는 단계를 포함하고,
    상기 전력 수신장치를 감지하는 단계에서는
    상기 특정 주파수의 파형을 주기적으로 발생시키고, 상기 각 주기에서의 감쇠율을 측정하여, 복수의 감쇠율의 변화량 및 추가적인 공진 주파수를 갖는 파형을 이용하여 수신기 및 상기 수신기의 정렬 상태를 검출하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송방법.
  17. 청구항 17은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제16항에 있어서,
    상기 전력 수신장치를 감지하는 단계에서는
    상기 전송장치의 공진 주파수와 다른 주파수를 갖는 파형으로부터 상기 수신장치에 의해 생성된 정렬상태정보를 이용하여 상기 수신장치의 정렬상태를 판단하고,
    상기 정렬상태정보는, 상기 수신장치의 정류부에 구비된 캐패시터의 전압이 기준 값 이하로 떨어지는 조건, 상기 정류부에 구비된 캐패시터의 전압 하강 지속시간이 기준 시간 이상인 조건 및 상기 수신장치에 구비된 코일에 흐르는 전류값이 기준 이하로 떨어지는 조건에 기초하여 생성되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송방법.
  18. 청구항 18은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제17항에 있어서,
    상기 통신 연결 정보를 상기 전력 수신장치에 전달하는 단계에서는
    상기 전송장치의 공진 주파수보다 높은 주파수를 이용하여 상기 통신 연결 정보를 전달하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송방법.
  19. 청구항 19은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제17항에 있어서,
    상기 전송장치는 상기 수신장치와 일대일로 통신하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송방법.
  20. 청구항 20은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제17항에 있어서,
    상기 수신장치에 무선으로 전력을 전송하는 단계는
    상기 연결된 통신을 통하여 상기 수신장치로부터 전력의 전송을 중단하도록 요청 신호가 수신되는 것에 근거하여, 상기 전력의 전송을 중단하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송방법.
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