KR101743635B1 - 통신 전용 링크를 사용하지 않는 무선 전력 및 데이터 전송 시스템 - Google Patents

통신 전용 링크를 사용하지 않는 무선 전력 및 데이터 전송 시스템

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KR101743635B1
KR101743635B1 KR1020150139262A KR20150139262A KR101743635B1 KR 101743635 B1 KR101743635 B1 KR 101743635B1 KR 1020150139262 A KR1020150139262 A KR 1020150139262A KR 20150139262 A KR20150139262 A KR 20150139262A KR 101743635 B1 KR101743635 B1 KR 101743635B1
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하정익
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서울대학교산학협력단
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    • H04B14/02—Transmission systems not characterised by the medium used for transmission characterised by the use of pulse modulation
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Abstract

실시예들은 데이터 송수신이 가능한 무선 전력 시스템에 관련된 것으로, 상기 무선 전력 시스템은 무선 전력 송신부 및 무선 전력 수신부를 포함하고, 상기 무선 전력 송신부는 제1 제어부, 제1 컨버터, 및 제1 코일을 포함하고, 상기 무선 전력 수신부는 제2 코일, 제2 제어부 및 부하부를 포함하되, 상기 제1 제어부는 전력 전송을 위한 제1 전력 신호 및 데이터 전송을 위한 데이터 신호에 기반한 게이팅 신호를 제1 컨버터에 제공하고, 상기 제1 컨버터는, 게이팅 신호에 기반하여 교류 신호를 발생시키고, 발생된 교류 신호를 제1 코일에 제공하고, 상기 제2 코일은, 인접한 송신부의 제1 코일에의해 유도 전류가 발생되고, 상기 제2 제어부는, 상기 유도 전류를 기초로 송신부에서 전송된 데이터 값을 산출할 수 있다.

Description

통신 전용 링크를 사용하지 않는 무선 전력 및 데이터 전송 시스템{WIRELESS POWER AND DATA TRANSFER SYSTEM WITHOUT DEDICATED COMMUNICATIONAL LINK}
실시예들은 무선 전력 및 데이터 전송 시스템에 관련된다. 더욱 상세하게는 통신 전용 링크를 사용하지 않고 무선으로 전력과 데이터를 함께 전송하는 양방향 전력 전송 시스템에 관련된다.
도 1a 및 도 1b는 종래 기술에 따른 전력 전송 시스템의 회로도이고, 도 1 c는 양방향 전력 전송 시스템의 출력 전압 파형 및 스위칭 상태의 예시를 나타낸다.
보다 구체적으로 도 1a는 및 도 1b는 직렬형 풀브릿지 (Full Bridge, H-bridge) 컨버터를 적용한 무선 전력 전송 시스템의 회로도로서, 도 1a는 양방향 전송 시스템이고, 도 1b는 단방향 전송 시스템이다. 단방향 전력 전송 시스템의 경우 수신부 측에 다이오드 정류기를 적용하고, 양방향 전력 전송 시스템의 경우에는 수신부 측에도 H-브릿지 회로를 적용하여 수신부에서 송신부로의 전력 전송까지 가능하다.
전력의 전달은 코일에 발생하는 유도 기전력에 의해 이루어진다. 무선 전력송신 전송 시스템은 송신부 및 수신부의 코일 구조 및 임피던스에 따라 LL, LLC, 또는 CLLC 컨버터로 구분될 수 있다.
무선 전력 전송 시스템에서 전달되는 전력의 크기는 송신부와 수신부의 전압 크기 및 위상 차이, 그리고 코일의 임피던스 값에 따라 결정된다. 여기서 전압 크기는 임피던스와 코일에 걸리는 전압을 나타낸다(도1a 및 도 1b에서 v1, v2). 코일에 연결된 캐패시터의 크기는 주로 코일과 캐패시터의 공진 주파수가 스위칭 주파수와 일치하도록 설정되며, 이와 같이 설정할 경우 대부분의 전력이 스위칭 주파수 성분에 의해 전달되고 고조파 성분에 의한 손실이 줄어드는 특성을 가진다.
양방향 무선 전력 전송 시스템의 송신부 및 수신부의 출력 전압은 양 측 H-bridge의 스위칭 패턴 및 직류단 전압의 크기에 의해 결정된다. H-bridge의 스위칭 방식은 unipolar switching과 bipolar switching으로 나눌 수 있다. 이 중 unipolar switching은 무효 전력의 크기를 줄이고 높은 효율을 달성할 수 있다는 장점이 있다.
도 1c는 양방향 무선 전력 전송 시스템의 스위칭 상태 및 출력 전압 파형의 예시를 나타낸다. 도 1c에서 v1*, v2*은 송신부 및 수신부 H-bridge에 대한 출력 지령 전압이며, Vdc1 과 Vdc2는 직류단 전압이다. G11~G14, G21~G24는 송신부 및 수신부 각 상의 스위치 상태를 나타내며, 턴온 및 턴오프 시 각각 1 또는 0의 값을 가진다.
양방향 무선 전력 전송 시스템에서 전달되는 전력의 크기는 아래의 전압 파형에서 송신부 및 수신부의 직류단 전압, 논 제로(non-zero) 전압 출력 구간의 길이(d1)와 두 출력 전압 사이의 위상차(d2), 그리고 코일의 임피던스 값에 의해 결정된다. 단방향 시스템의 경우 논 제로(non-zero) 전압 출력 구간의 길이 (d1), 그리고 코일의 임피던스에 따라 출력 전력의 크기가 결정된다.
도 2는 종래 방식에 따라 통신전용 링크가 별도로 구비된 양방향 전력 전송 시스템을 나타낸다. 무선 전력 전송 시스템은 송신부와 수신부를 각각 독립적인 제어기가 제어하므로, 전체 시스템의 제어 및 유지를 위해 두 제어기 사이의 데이터 통신이 구현되어야 한다. 이러한 데이터 통신 기능은 라디오 주파수 (Radio frequency, RF) 대역을 활용하는 통신 전용 부가 회로를 사용하여 구현하는 것이 일반적이다.
특히 양방향 시스템의 경우 출력 제어를 위해서 양측 전압의 동기화가 필수적이며, 이를 구현하기 위해 양측 전압의 위상 정보를 통신용 회로를 통해 전달한다. 통신 전용 회로는 도 2와 같이 통신용 칩, 데이터 전송용 코일 또는 안테나 등으로 구성되어 있다. 이 방식은 시스템 제어에 필요한 통신 기능을 간단히 구현할 수 있다는 장점을 가지지만, 부가적인 소자 사용으로 인한 전체 시스템 비용이 증가되는 단점이 있다.
미국특허출원 US2014/0103869 A1
본 발명의 일 측면에 의하면, 무선 전력 전송과 함께 데이터 전송을 함께 수행함으로써 별도의 통신 전용 링크가 필요하지 않다.
또한 본 발명의 일 측면에 의하면 전압과 주파수 편이를 함께 수행함으로써 데이터 전송으로 인해 발생되는 전력 맥동을 최소화할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 송수신이 가능한 무선 전력 송신부는, 상기 무선 전력 송신부는 제1 제어부, 제1 컨버터, 및 제1 코일을 포함하되, 상기 제1 제어부는 전력 전송을 위한 제1 전력 신호 및 데이터 전송을 위한 제1 데이터 신호에 기반한 게이팅 신호를 제1 컨버터에 제공하고, 상기 제1 컨버터는, 상기 게이팅 신호에 기반하여 교류 전압을 발생시키고, 발생된 교류 전압을 제1 코일에 제공한다.
일 실시예에 따른 상기 무선 전력 송신부에 있어서, 상기 제1 제어부는, 상기 제1 전력 신호를 제공하는 제1 전력 제어기, 상기 제1 데이터 신호를 제공하는 제1 데이터 처리기, 상기 제1 전력 신호 및 제1 데이터 신호를 더하여 제1 듀티신호를 출력하는 제1 가산기 및 상기 제1 듀티신호에 기반하여 제1 게이팅 신호를 발생시키는 제1 PWM(pulse width modulation)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 상기 무선 전력 송신부에 있어서, 제1 전력 신호는 수신부로 전력을 전송하기 위해 기준 교류 신호를 발생 시키는 신호이고, 상기 제1 데이터 신호는 전달하려는 데이터 값에 따라 상기 기준 교류 신호를 부분적으로 변형시키는 신호일 수 있다.
일 실시예에 따른 상기 무선 전력 송신부에 있어서, 상기 제1 데이터 신호는 상기 기준 교류 신호의 진폭 또는 주파수를 부분적으로 편이 시킬 수 있다.
일 실시예에 따른 상기 무선 전력 송신부에 있어서, 상기 제1 컨버터는, 상기 제1 게이팅 신호에 기반하여 교류 신호를 발생시키는 브릿지 회로를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 상기 무선 전력 송신부에 있어서, 상기 브릿지 회로에 직류 신호를 제공하는 제1 직류단 전원부 및 하나 이상의 커패시터 또는 하나 이상의 인덕터를 포함하는 제1 임피던스를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 상기 무선 전력 송신부에 있어서, 제1 전력 제어기는, 제1 코일을 흐르는 제1 전류 및 상기 제1 코일과 제1 임피던스에 인가된 제1 전압을 기초로 수신부로부터 수신된 전력을 제어하고, 제1 데이터 처리기는 수신부로부터 수신된 데이터 값을 산출할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 송수신이 가능한 무선 전력 수신부는, 제2 코일, 제2 제어부 및 부하부를 포함하되, 상기 제2 코일은, 송신부의 제1 코일에의해 유도 전류가 발생되고, 상기 제2 제어부는, 상기 유도 전류를 기초로 송신부에서 전송된 전력을 제어하고 전송된 데이터 값을 산출할 수 있다.
일 실시예에 따른 상기 무선 전력 수신부에 있어서, 제2 컨버터, 제2 직류단 전원부, 및 제2 임피던스를 더 포함하고, 상기 제2 제어부는, 상기 유도 전류 및 상기 제2 코일과 제2 임피던스에 인가된 제2 전압을 기초로 송신부로부터 수신되는 전력을 제어하는 제2 전력 제어기 및 송신부로부터 수신된 데이터 값을 산출하는 제2 데이터 처리기를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 상기 무선 전력 수신부에 있어서, 상기 제2 컨버터는, 브릿지 회로 또는 정류기 회로를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 상기 무선 전력 수신부에 있어서, 상기 제2 제어부는, 상기 유도 전류 및 상기 제2 전압을 기초로 상기 제2 전압을 송신부 전압과 동기화 시키는 동기화기를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 상기 무선 전력 수신부에 있어서, 상기 데이터 처리기는,
상기 유도 전류에서, 상기 제2 전압에의해 유도된 수신부측 유도 전류 성분을 빼는 감산기 및 수신부측 유도 전류 성분이 제거된 상기 유도 전류를 필터링 하는 필터를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 무선 전력 시스템은 무선 전력 송신부 및 무선 전력 수신부를 포함하고, 상기 무선 전력 송신부는 제1 제어부, 제1 컨버터, 및 제1 코일을 포함하고, 상기 무선 전력 수신부는 제2 코일, 제2 제어부 및 부하부를 포함하되, 상기 제1 제어부는 전력 전송을 위한 제1 전력 신호 및 데이터 전송을 위한 데이터 신호에 기반한 게이팅 신호를 제1 컨버터에 제공하고, 상기 제1 컨버터는, 게이팅 신호에 기반하여 교류 신호를 발생시키고, 발생된 교류 신호를 제1 코일에 제공하고, 상기 제2 코일은, 인접한 송신부의 제1 코일에의해 유도 전류가 발생되고, 상기 제2 제어부는, 상기 유도 전류를 기초로 송신부에서 전송된 데이터 값을 산출한다.
본 발명에 의하면 별도의 데이터 통신 링크 없이도 전력과 데이터를 함께 송수신할 수 있다. 또한 데이터를 부가함으로써 발생되는 전력 전송면에서의 노이즈는 송신부의 전류의 부분적인 진폭 및 주파수를 조절함으로써 최소화할 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 종래 기술에 따른 전력 전송 시스템의 회로도이고, 도 1 c는 양방향 전력 전송 시스템의 출력 전압 파형 및 스위칭 상태의 예시를 나타낸다.
도 2는 종래 방식에 따라 통신전용 링크가 별도로 구비된 양방향 전력 전송 시스템을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 송수신이 가능한 무선 전력 시스템의 간략화된 회로도이다.
도 4a 및 도 4b는 제1 제어부(1100) 및 제2 제어부(2100)의 보다 구체적인 구성도이다.
도 5a 는 맥동(Δd1)을 포함하는 출력 전압(v1)의 파형이고, 도 5b는 도 5a에출력 의해 유도되는 유도 전류(i2)의 파형이다.
도 6a는 진폭 편이를 통해 수신부측(2200)에서 송신부측(1200)으로 데이터 및 전력을 전송하는 전력 전송 시스템의 예시적인 구성도이고, 도 6b는 송신부측에서 수신부측으로 데이터 및 전력을 전송하는 전력 전송 시스템의 예시적인 구성도이다.도 6c 내지 도 6e는 수신부측의 제2 컨버터부(2200)가 다이오드 정류기로구성된 전력전송시스템의 예시이다.
도 7은 진폭 및 주파수 편이를 함께 수행하는 전력 전송 시스템의 예시적인구성도이다.
도 8은 d1 및 d2의 변동으로 인해 i2의 진폭과 위상이 변동되는 것을 나타낸다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 전압 동기화 방식을 사용했을 때 시스템의 전압 및 전류 파형, 그리고 송신부 전압에 의해 유도된 수신부 전류 성분의 파형을 나타낸다.
도 10은 제안된 진폭 편이 방식의 데이터 통신 방식을 적용했을 때 시스템의 전류 및 전압 파형을 나타낸다.
도 11은 주파수 편이 방식 적용 시 데이터에 따른 출력 전압의 변화 및 이에 따른 전류 성분 파형의 변화를 도시한 것이다.
본 명세서에 기술된 실시예는 전적으로 하드웨어이거나, 부분적으로 하드웨어이고 부분적으로 소프트웨어이거나, 또는 전적으로 소프트웨어인 측면을 가질 수 있다. 본 명세서에서 "부(unit)", "모듈(module)", "장치" 또는 "시스템" 등은 하드웨어, 하드웨어와 소프트웨어의 조합, 또는 소프트웨어 등 컴퓨터 관련 엔티티(entity)를 지칭한다. 예를 들어, 본 명세서에서 부, 모듈, 장치 또는 시스템 등은 실행중인 프로세스, 프로세서, 객체(object), 실행 파일(executable), 실행 스레드(thread of execution), 프로그램(program), 및/또는 컴퓨터(computer)일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 컴퓨터에서 실행중인 애플리케이션(application) 및 컴퓨터의 양쪽이 모두 본 명세서의 부, 모듈, 장치 또는 시스템 등에 해당할 수 있다.
이하, 본 발명의 구성 및 특성을 실시예를 이용하여 설명하나, 이들 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 한정하는 것은 아니다. 유사한 참조부호가 복수의 도면에서 사용되는 경우, 유사한 참조부호는 여러 실시 예들에 대해서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 송수신이 가능한 무선 전력 시스템의 간략화된 회로도이다. 도 3을 참조하면 무선 전력 시스템(100)은 무선 전력 송신부(1000) 또는 무선 전력 수신부(2000)를 포함할 수 있다.
무선 전력 송신부(1000) 및 무선 전력 수신부(2000)는 전력 및 데이터를 함께 송수신할 수 있다. 따라서 본 명세서에서 구성번호 (1000) 및 구성번호 (2000)이 송신부 및 수신부로 언급되나 기능적으로 두 구성 모두 전력 및 데이터를 전송하고 수신할 수 있다. 아래에서는 설명의 편의를 위해 목적이 되는 부하가 구비된 쪽은 무선 전력 수신부(2000)로 하여 설명한다.
무선 전력 송신부(1000)는 제1 제어부(1100), 제1 컨버터(1200), 및 제1 코일(1300)을 포함한다. 제1 제어부(1100)는 전력 전송을 위한 제1 전력 신호 및 데이터 전송을 위한 데이터 신호에 기반한 게이팅 신호(G1)를 제1 컨버터(1200)에 제공한다. 제1 컨버터(1200)는, 게이팅 신호(G1)에 기반하여 교류 신호(i1)를 발생시키고, 발생된 교류 신호를 제1 코일(1300)에 제공한다. 제1 코일(1300)에 인접한 제2 코일(2300)에서는 유도 전류(i2)가 발생될 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 제1 제어부(1100) 및 제2 제어부(2100)의 보다 구체적인 구성도이다. 도 4a를 참조하면 제1 제어부(1100)는 제1 전력 신호를 제공하는 송신 전력 제어기(1110), 데이터 신호를 제공하는 송신 데이터 처리기(1120) 및 상기 제1 전력 신호 및 데이터 신호를 더하는 가산기(1130)를 포함할 수 있다. 가산기(1130)에서 더해진 신호는 듀티 신호(S1)로서 PWM(1140)에 전달되고, PWM은 듀티 신호(S1)에 기반하여 게이팅 신호(G1)를 발생시킬 수 있다. 제1 제어부(1100)는, 상기 듀티 신호(S1)에 기반하여 게이팅 신호(G1)를 발생시키는 PWM(pulse width modulation)를 더 포함할 수 있다. 또한 수신부와의 전압 동기화를 위해 동기화 신호(G2)를 PWM에 제공하여 제1 컨버터(1200)를 제어하는 동기화부(1150)을 더 포함할 수도 있다.
또한 제2 제어부(2100)는 도 4b에 도시된 바와 같이 제1 제어부(1100)와 동일한 구성을 가질 수 있다. 그러나 수신부(2000)의 제2 컨버터(2200)가 정류기 회로 인 경우, 송신부(1000)로 전력 또는 데이터를 전송하지 않으므로, 전력 제어기(2110)는 출력 전력을 제어하는 기능을 수행하며, 데이터 처리기(2120)는 수신된 데이터를 분석하는 기능을 수행할 수 있다.
전력 및 데이터를 전송하는 경우, 전력 제어기(1110, 2110)에서 발생되는 제1 전력 신호는 수신부로 전력을 전달하기 위해 기준 교류 신호를 발생 시키는 신호이고, 데이터 처리기(1120, 2120)에서 발생되는 데이터 신호는 전달하려는 데이터 값에 따라 기준 교류 신호를 부분적으로 변형시키는 신호이다.
도 5a 는 맥동(Δd1)을 포함하는 출력 전압(v1)의 파형이고, 도 5b는 도 5a에출력 의해 유도되는 유도 전류(i2)의 파형이다. 도 5a를 참조하면 출력 전압의 논 제로 구간의 길이(d1)에 맥동 성분(Δd1)이 추가되며, 이러한 맥동 성분(Δd1)은 도 5b에 도시된 바와 같이 유도 전류(i2)의 진폭에 맥동 성분(Δ(i2-|A22|v2)이 발생된다. 데이터 처리기(1120,2120)는 이러한 유도 전류의 맥동 성분을 측정하여 데이터 신호를 검출할 수 있다. 예컨대 도 5a 및 도 5b를 참조하면 맥동 성분(Δd1)의 존재하는 경우 1, 존재하지 않는 경우 0의 데이터 신호가 획득될 수 있다.
데이터 처리기(1120,2120)는 위와 같이 유도 전류의 맥동을 감지하여 획득한데이터 신호(data1, data2)를 출력할 수 있다. 즉, 데이터 처리기(1120,2120)는 전력 및 데이터 전송시, 전송할 데이터를 계산하고 전송하는 기능을 수행하며, 전력 및 데이터 수신시, 수신한 데이터를 계산하고 출력하는 기능을 수행할 수 있다.
도 5a 및 도 5b에서는 기준 교류 신호의 진폭이 변형되는 것을 설명하였으나, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 데이터 신호는 기준 교류 신호의 진폭 또는 주파수를 부분적으로 편이 시킬 수 있다. 즉 데이터 신호는 기준 교류 신호의 진폭을 일정 부분 변형 시키거나, 일정 구간에 있어서 주파수를 변형시킬 수 있다. 또는 진폭과 주파수가 함께 변형될 수 도 있다. 이 경우 데이터 처리기(수신부 또는 송신부 측을 포함한다)는 기준 교류 신호에 가해지는 진폭 변형 및 주파수 변형의 양을 조절하여 데이터 전송으로 인해 발생되는 전력의 변동을 억제할 수 있다. 이에 대하여는 아래 수학식 7 및 8을 기초로 상세하게 설명하도록 한다.
데이터 처리기(1120)는 전송하고자 하는 데이터에 비례하는 논 제로 전압 출력 구간의 길이(d1) 및 두 출력 전압 사이의 위상차(d2)의 크기를 계산한다. 계산한 d1의 맥동 성분은 데이터 신호로서, 출력 제어를 위한 d1 값과 더해져 출력된다. 위 d1 및 d2는 도 1c 및 도 5a 및 도 5b에서 설명된 바와 동일하다.
본 발명에 있어서, 이와 같은 맥동이 발견되는 구간을 검출하여 디지털 데이터 신호를 검출하게 된다. 이에 대하여는 하기에서 구체적으로 설명하도록 한다.
기준 교류 신호에 진폭 변형을 일으키는 진폭 편이 방식은 송신부에서 전력 제어를 위한 게이팅 신호에 디지털 데이터 값에 비례하여 맥동하는 소신호 성분이 추가되어 전압(v1)이 발생된다. 수신부에서 송신부의 소신호 성분에 의해 발생하는 전류의 맥동 성분을 감지하여 디지털 데이터로 변환하여 데이터를 송신부에서 수신부로 전달하는 방식이다.
또한 기준 교류 신호에 주파수 변형을 일으키는 주파수 편이 방식은 송신부에서 전송하려는 데이터 값에 따라 출력 전압(v1)의 주파수를 소량 맥동시키고, 이 주파수 변화를 수신부에서 감지하여 데이터화하는 방식이다.
이러한 통신 방식들은 소신호 주입으로 인해 발생하는 약간의 전기적 출력 맥동을 감수할 경우 추가 통신 모듈 없이 양방향으로 디지털 데이터를 주고 받을 수 있다는 장점을 가진다. 즉 도 5b에 도시된 바와 같이 소신호 성분에 의한 맥동으로 전력 전송에 손실이 발생될 수도 있다. 그러나 본 발명에 따르면 교류 신호의 진폭 및 주파수를 적절히 조절하여 이러한 손실을 최소화할 수도 있다.
제1 컨버터(1200)는, 게이팅 신호(G1)에 기반하여 직류 신호를 교류 신호로 변형시키는 브릿지 회로를 포함할 수 있다. 또한 제2 컨버터(2200)는, 게이팅 신호(G2)에 기반하여 직류 신호를 교류 신호로 변형시키는 브릿지 회로를 포함할 수 있다. 브릿지 회로는 도 1a 및 도 1b에 도시된 브릿지 회로와 동일한 회로일 수 있으나 이에 본 발명이 제한되는 것은 아니다.
일 실시예에서 무선 전력 송신부(1000)는 제1 컨버터(1200)에 직류 신호를 제공하는 제1 직류단 전원부(1400) 및 하나 이상의 커패시터 또는 하나 이상의 인덕터를 포함하는 제1 임피던스(1500)를 더 포함할 수 있다. 상기 제1 임피던스(1500)는 LL, LLC, CLLC 등과 같이 커패시터 또는 인덕터로 구성될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이 무선 전력 수신부(2000)는 무선 전력 송신부(1000)와 대부분의 구성이 유사할 수 있다. 일 실시예에서 무선 전력 수신부(2000)는 무선 전력 송신부(1000)와 동일할 수 있다.
무선 전력 수신부(2000)는 제2 제어부(2100), 제2 코일(2300) 및 부하부(2600)를 포함할 수 있다. 제2 코일(2300)은 인접한 송신부(1000)의 제1 코일(1300)에의해 유도 전류가 발생될 수 있다. 제2 제어부(2100)는 유도 전류를 기초로 송신부(1000)에서 전송된 데이터 값을 산출할 수 있다.
일 실시예에서 무선 전력 수신부(2000)는 제2 컨버터(2200), 제2 직류단 전원부(2400) 또는 제2 임피던스(2500)를 더 포함할 수 있다. 제2 컨버터(2200)가 도 1a에서와 같이 브릿지 회로인 경우, 양방향 전력 및 데이터 전송이 가능하며, 도 1b에서와 같이 정류기 회로인 경우 단방향 전력 및 데이터 전송이 가능하다.
전력 제어기(2110)는 제2 코일(2300)에 유도되는 유도 전류(i2) 및 제2 코일과 제2 임피던스에 인가된 제2 전압(v2)을 기초로 수신되는 전력을 제어할 수 있고, 데이터 처리기(2120)는 송신부에서 전송된 데이터 값을 산출할 수 있다.
일 실시예에서, 양 방향 전력 제어 시스템으로 구성되는 경우, 전력 제어기(1110)는 제1 코일(1300)에 유도되는 유도 전류(i1) 및 제1 코일과 제1 임피던스에 인가된 제1 전압(v1)을 기초로 수신되는 전력을 제어할 수 있고, 데이터 처리기(1120)는 수신부(2000)에서 전송된 데이터 값을 산출할 수 있다.
전력 제어기(2110)는 필요한 크기의 출력을 얻기 위해 논 제로 전압 출력 구간의 길이(d1) 및 두 출력 전압 사이의 위상차(d2)의 크기를 계산한다. 위 d1 및 d2는 도 1c에서 설명된 바와 동일하다.
데이터 처리기(2120)는 측정한 전압(v2) 및 전류(i2) 값에서 송신부(1000)의 d1 맥동으로 인해 발생되는 i2의 맥동 성분을 바탕으로 송신부에서 전송한 데이터를 복원한다. 예컨대 데이터 처리기(2122)는 유도 전류(i2)에서, 상기 제2 전압(v2)에 의해 유도된 유도 전류 성분을 빼는 감산기(미도시) 및 유도 전류 성분이 제거된 상기 유도 전류를 필터링 하는 필터(미도시)를 포함할 수 있다.
또한 다른 실시예에서 데이터 처리기(1120)는 상술한 데이터 처리기(2120)과 동일한 기능을 수행하는 감산기 및 필터를 구비할 수도 있다.
제2 제어부(2100)의 동기화기(2150)는 상기 유도 전류(i2) 및 상기 제2 전압(v2)을 기초로 상기 제2 전압을 송신부 전압과 동기화 시킬 수 있다. 구체적으로 동기화기(2150)는 측정한 전류 및 전압에서 반대편 모듈의 출력 전압 위상을 계산한 다음 이를 바탕으로 PWM(2140)의 PWM 캐리어를 동기화한다. 또한 송신부(1000)의 동기화기(1150)는 상기 설명한 동기화기(2150)과 동일하게 기능할 수 있다.
일 실시예에서 데이터의 전송은 반이중 방식(Half-duplex)으로 구현될 수 있다. 즉 하나의 모듈은 한 번에 데이터의 송신이나 수신 중 한 가지 동작만을 수행할 수 있으나 이에 본 발명이 제한되는 것은 아니다.
도 6a는 진폭 편이를 통해 수신부측(2200)에서 송신부측(1200)으로 데이터 및 전력을 전송하는 전력 전송 시스템의 예시적인 구성도이고, 도 6b는 송신부측에서 수신부측으로 데이터 및 전력을 전송하는 전력 전송 시스템의 예시적인 구성도이다. 도 6a 및 도 6b에 있어서, 점선으로 표시된 부분은 데이터 및 전력 전송의 방향이 바뀐 경우 활성화 될 수 있는 구성요소를 나타낸다. 도 6a 및 도 6b에 있어서, Data_Tx는 전송 데이터를 의미하며, Data_Rx는 수신되는 데이터를 의미한다.
또한 도 6c 내지 도 6e는 수신부측의 제2 컨버터부(2200)가 다이오드 정류기로구성된 전력전송시스템의 예시이다. 이 경우 도 6c는 진폭 편이, 도 6d는 주파수 편이, 도 6e는 진폭과 주파수 편이를 동시에 수행하는 전력 전송 시스템을 나타낸다.
도 6c 내지 도 6e를 참조하면, 제2 컨버터부(2200)이 다이오드 정류기로 되어 있어, 단방향의 전력 및 데이터 전송이 가능하다. 따라서 송신부측에서 수신부측으로 전력 및 데이터 전송이 수행되고 있음이 나타난다.
도 7은 진폭 및 주파수 편이를 함께 수행하는 전력 전송 시스템의 예시적인구성도이다. 전압의 진폭이나 주파수 중 한 변수를 맥동시키는 제안 통신 방식은 전달하는 전기적 출력의 맥동을 유발한다. 따라서 진폭과 주파수를 동시에 맥동시킬 경우 전기적 출력의 맥동이 없는 통신을 구현할 수 있다.
위 실시예들에 따르면, 본 발명의 실시예들은 송신부 및 수신부가 단방향 또는 양방향으로 전력 및 데이터 전송할 수 있다. 단방향 전송의 경우 수신부측의 컨버터부는 다이오드 정류기를 포함할 수 있다.
또한 데이터 전송을 위해 출력 전압의 진폭 편이 또는 주파수 편이 중 어느 하나를 이용하거나 진폭 편이와 주파수 편이를 동시에 이용할 수 있다. 데이터를 수신하는측(이는 송신부이거나 수신부일 수 있다)에서는 유도 전류의 진폭 또는 주파수 맥동을 감지하여 데이터를 검출할 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 송수신이 가능한 무선 전력 시스템은 무선 전력 송신부(1000) 및 무선 전력 수신부(2000)를 포함할 수 있다. 무선 전력 송신부(1000)는 제1 제어부(1100), 제1 컨버터(1200), 및 제1 코일(1300)을 포함할 수 있다. 또한 무선 전력 수신부(2000)는 제2 코일(2300), 제2 제어부(2100) 및 부하부(2600)를 포함할 수 있다. 제1 제어부(2100)는 전력 전송을 위한 제1 전력 신호 및 데이터 전송을 위한 데이터 신호에 기반한 게이팅 신호를 제1 컨버터(1200)에 제공할 수 있다. 제1 컨버터(1200)는, 게이팅 신호에 기반하여 교류 신호를 발생시키고, 발생된 교류 신호(i1)를 제1 코일(1300)에 제공할 수 있다. 이에 따라서 제2 코일(2300)은, 인접한 송신부의 제1 코일에의해 유도 전류(i2)가 발생되고, 제2 제어부(2100)는, 상기 유도 전류(i2)를 기초로 송신부에서 전송된 데이터 값을 산출할 수 있다.
일 예에서, 송신부 또는 수신부가 CLLC 구조의 임피던스(1500,2500)를 갖는 경우, 도 3의 시스템의 전압-전류 관계 방정식, 출력 전압 식, 그리고 코일에 흐르는 전류의 기본파 성분 식은 아래 수학식 1 내지 5와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112015095761806-pat00001
Figure 112015095761806-pat00002
Figure 112015095761806-pat00003
Figure 112015095761806-pat00004
Figure 112015095761806-pat00005
수학시 1 내지 수학식 5를 참조하면 수신부 코일에 흐르는 전류(i2)는 송신부 전압에 의해 유도된 성분(수학식 5의 |v1|가 포함된 부분)과 수신부 전압에 의해 유도된 성분(수학식 5의 |v2|가 포함된 부분)으로 구분될 수 있다. 수신부 전압에 의해 유도된 성분을 수신부 전압과의 계산을 통해 제거하면 송신부 전압에 의해 유도된 전류를 얻을 수 있다. 그리고 해당 파형에서 송신부 전압의 위상을 추정할 수 있다.
CLLC 코일 구조의 경우 출력 전압의 기본파 주파수가 LC 공진 주파수와 일치하도록 L 및 C의 값을 설계하면 위 식에서 공진 주파수에서의
Figure 112015095761806-pat00006
및
Figure 112015095761806-pat00007
값이 각각 3π/2 그리고 0 이 된다. 이 때 송신부 전압에 의해 유도된 전류 성분은 아래 수학식 6과 같으며, 전력의 크기는 수학식 7과 같다.
Figure 112015095761806-pat00008
Figure 112015095761806-pat00009
수신부 전압의 동기화는 위 식에서 추출한 신호가 음수에서 양수로 바뀌는 zero-crossing 지점에서 수신부 H-bridge의 PWM 캐리어를 초기화하여 구현할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 진폭 편이(d1)와 주파수 편이를 적용하여 수학식 6의 피크값에 변동을 줄 수 있다. 수신측에서는 이러한 피크값의 변동을 인식하여 데이터값을 분석할수 있다. 피크값의 변동을 가하는 변수와 동기화 신호의 피크값을 결정하는 |v1| 및 |A21|의 관계는 아래 수학식 8 과같다.
Figure 112015095761806-pat00010
수학식 7에 나타난 바와 같이 d1 및 주파수의 변동은 전력값에 영향을 미친다. 즉 d1의 변동은 |v1|의 변동을, 주파수의 변동은 |A21| 및 |A22|의 변동을 유발한다. 따라서 변수의 소신호 변동이 전송하는 전력의 변동을 유발한다.
이 때 d1으로 인해 변동하는 전력값과 주파수로 인해 변동하는 P값이 서로 상쇄되도록 (Δd1, Δf)를 설정하면 소신호 변동으로 인해 발생하는 전력의 맥동을 제거할 수 있다.
구체적으로 수학식 6 및 7에 나타난 바와 같이 P는 A21과 관련된 term(1차측(예컨대 송신부측)에서 2차측(예컨대 수신부측)으로 유도된 전류에 의한 전력 term)과 A22와 관련된 term(2차측 전압에 의해 자체적으로 유도된 전류에 의한 전력 term)이 모두 존재하지만 동기화 신호에는 A21과 관련된 term만 존재한다. 즉 전력값의 변동이 서로 상쇄되도록 (Δd1, Δf)를 설정해도 소신호 변동시 동기화 신호의 피크 값은 완전히 상쇄되지 않는다. 따라서 이를 통해서 전력 맥동이 없는 데이터 통신 및 전력 전송이 가능하다.
다른 실시예에서 데이터 처리기(수신부측 또는 송신부측 데이터 처리기를 포함한다)는 d1, d2의 소신호 변동을 통해서 전력 맥동이 없는 데이터 전송 및 전력 전송을 구현할 수 있다. 구체적으로 데이터 처리기는 데이터 0 전송시와 데이터 1 전송시 송신부측 전압 v1의 형태 및 이에 따른 v2와 i2 사이의 대략적인 파형은 도 8과 같다. 도 8을 참조하면 데이터 처리기는 d1 및 d2의 변동으로 인해 i2의 진폭과 위상이 변동하지만, 최종적인 전력의 크기는 변하지 않도록 (Δd1, Δd2)를 설정할 수 있다.
단방향 전송의 경우에도, 데이터 처리기는 양방향 전송 장치의 경우와 마찬가지로 (d1, f) 또는 (d1, d2)의 소신호 변동을 통해 전달하는 전력의 크기를 유지한 채로 데이터를 전송할 수 있다. 양방향 장치의 경우와 다른 점은 양방향 장치에서는 동기화 신호의 피크 값의 변화로 데이터를 전송하지만 단방향 장치에서는 부하에 인가되는 기본파 출력 전압의 피크 변화로 데이터를 전송한다.
단방향 장치의 부하가 저항 부하인 경우, 전달하는 전력이 출력 전압의 제곱에 비례하므로 소신호 변동을 통해 전력 변동을 제거할 경우 출력 전압의 변동 역시 0이 된다. 다만 Δf 로 인해 출력 전압의 위상이 변경되므로 이를 수신부측의 데이터 처리기에서 감지하여 전력 변동 없는 데이터 전송을 구현할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 전압 동기화 방식을 사용했을 때 시스템의 전압 및 전류 파형, 그리고 송신부 전압에 의해 유도된 수신부 전류 성분의 파형을 나타낸다.
송신 데이터 처리기가 진폭 편이 방식을 이용하여 데이터 신호를 제공하는 경우, 데이터 통신은 송신부 출력 전압의 진폭 변화에 따라 수신부 전류의 진폭이 변하는 것이 이용된다. 송신부에서는 아래 수학식 9와 같이 전송하고자 하는 디지털 데이터에 따라 d1값에 맥동을 가한다.
Figure 112015095761806-pat00011
이 때, d1의 맥동 폭 Δd1은 맥동으로 인해 발생하는 전기적 출력 맥동의 크기를 고려하여 작게 설정된다. 수학식 6에서 송신부 전압에 의해 유도된 전류 성분을 좀 더 자세히 표시하면 아래 수학식 10과 같다.
Figure 112015095761806-pat00012
위 식에서 송신부 전압에 의해 유도된 전류 성분의 진폭은 sin(d1/2)에 비례하므로 수신부에서 계산을 통해 송신부의 d1값을 산출할 수 있다. 위의 진폭 값을 고역 통과 필터 (High pass filter)에 통과시키면 데이터에 따른 진폭의 맥동 성분을 분리할 수 있고, 이를 일정한 기준치와 비교하여 도 10에서와 같이 데이터를 복원할 수 있다. 도 10은 제안된 진폭 편이 방식의 데이터 통신 방식을 적용했을 때 시스템의 전류 및 전압 파형을 나타낸다.
한편 주파수 편이 방식의 데이터 통신은 송신부에서 전송하고자 하는 데이터에 따라 출력 전압의 주파수 값을 변경하고, 수신부에서 변경된 주파수를 감지하여 데이터화할 수 있다. 송신부 전압 주파수의 변동은 임피던스의 크기 변화를 유발하여, 수학식 8에서 전류 성분의 진폭 변동을 유발한다.
수신부에서는 변동하는 전류 성분의 진폭을 측정하거나 전압 동기화 블록에서 송신부 전압의 주파수를 측정하여 송신부에서 전송한 데이터를 복원할 수 있다. 도 11은 주파수 편이 방식 적용 시 데이터에 따른 출력 전압의 변화 및 이에 따른 전류 성분 파형의 변화를 도시한 것이다.
본 발명은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 변경 및 변형이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것은 아니다.

Claims (14)

  1. 데이터 송수신이 가능한 무선 전력 송신부에 있어서,
    상기 무선 전력 송신부는 제1 제어부, 제1 컨버터, 및 제1 코일을 포함하되,
    상기 제1 제어부는 전력 전송을 위한 제1 전력 신호 및 데이터 전송을 위한 제1 데이터 신호에 기반한 게이팅 신호를 제1 컨버터에 제공하고,
    상기 제1 컨버터는, 상기 게이팅 신호에 기반하여 교류 신호를 발생시키고, 발생된 교류 신호를 제1 코일에 제공하고,
    제1 전력 신호는 수신부로 전력을 전송하기 위해 기준 교류 전압을 발생 시키는 신호이고,
    상기 제1 데이터 신호는 무선전력 수신부로 전달하려는 데이터 값에 따라 상기 기준 교류 전압을 부분적으로 변형시키는 신호이고,
    상기 제1 데이터 신호는 기준 교류 신호의 진폭 및 주파수를 부분적으로 편이 시키는 것을 특징으로 하는 데이터 송수신이 가능한 무선 전력 송신부.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 제어부는,
    상기 제1 전력 신호를 제공하는 제1 전력 제어기;
    상기 제1 데이터 신호를 제공하는 제1 데이터 처리기;
    상기 제1 전력 신호 및 제1 데이터 신호를 더하여 제1 듀티신호를 출력하는 제1 가산기; 및
    상기 제1 듀티신호에 기반하여 제1 게이팅 신호를 발생시키는 제1 PWM(pulse width modulation)를 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 송수신이 가능한 무선 전력 송신부.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제1 컨버터는, 상기 제1 게이팅 신호에 기반하여 교류 신호를 발생시키는 브릿지 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 송수신이 가능한 무선 전력 송신부.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 브릿지 회로에 직류 신호를 제공하는 제1 직류단 전원부; 및
    하나 이상의 커패시터 또는 하나 이상의 인덕터를 포함하는 제1 임피던스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 송수신이 가능한 무선 전력 송신부.
  7. 제2항에 있어서,
    제1 전력 제어기는, 제1 코일을 흐르는 제1 전류 및 상기 제1 코일과 제1 임피던스에 인가된 제1 전압을 기초로 수신부로 전달되는 전력의 크기를 제어하고,
    제1 데이터 처리기는 수신부로부터 수신된 데이터 값을 산출하는 것을 특징으로 하는 데이터 송수신이 가능한 무선 전력 송신부.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 제어부는,
    부분적으로 편이되는 기준 교류 신호의 진폭 및 주파수를 조절하여 전달되는 전력의 변동을 억제하는 제1 데이터 처리기를 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 송수신이 가능한 무선 전력 송신부.
  9. 데이터 송수신이 가능한 무선 전력 수신부에 있어서,
    상기 무선 전력 수신부는 제2 코일, 제2 제어부 및 부하부를 포함하되,
    상기 제2 코일은, 송신부의 제1 코일에의해 유도 전류가 발생되고,
    상기 제2 제어부는, 상기 유도 전류를 기초로 송신부에서 전송된 전력을 제어하고 전송된 데이터 값을 산출하되,
    상기 송신부에서 전송된 전력은 전력을 전송하기 위한 기준 교류 전압 성분 및 데이터 성분을 포함하고, 상기 데이터 성분은 상기 기준 교류 전압 성분의 진폭 및 위상을 부분적으로 편이시키는 것을 특징으로 하는 데이터 송수신이 가능한 무선 전력 수신부.
  10. 제9항에 있어서,
    제2 컨버터, 제2 직류단 전원부, 및 제2 임피던스를 더 포함하고,
    상기 제2 제어부는,
    상기 유도 전류 및 상기 제2 코일과 제2 임피던스에 인가된 제2 전압을 기초로 송신부로부터 수신되는 전력을 제어하는 제2 전력 제어기; 및
    송신부로부터 수신된 데이터 값을 산출하는 제2 데이터 처리기를 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 송수신이 가능한 무선 전력 수신부.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제2 컨버터는, 브릿지 회로 또는 정류기 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 송수신이 가능한 무선 전력 수신부.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제2 제어부는,
    상기 유도 전류 및 상기 제2 전압을 기초로 상기 제2 전압을 송신부 전압과 동기화 시키는 동기화기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 송수신이 가능한 무선 전력 수신부.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 데이터 처리기는,
    상기 유도 전류에서, 상기 제2 전압에의해 유도된 수신부측 유도 전류 성분을 빼는 감산기; 및
    수신부측 유도 전류 성분이 제거된 상기 유도 전류를 필터링 하는 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 송수신이 가능한 무선 전력 수신부.
  14. 데이터 송수신이 가능한 무선 전력 시스템에 있어서,
    상기 무선 전력 시스템은 무선 전력 송신부 및 무선 전력 수신부를 포함하고,
    상기 무선 전력 송신부는 제1 제어부, 제1 컨버터, 및 제1 코일을 포함하고,
    상기 무선 전력 수신부는 제2 코일, 제2 제어부 및 부하부를 포함하되,
    상기 제1 제어부는 전력 전송을 위한 제1 전력 신호 및 데이터 전송을 위한 제1 데이터 신호에 기반한 게이팅 신호를 제1 컨버터에 제공하고,
    상기 제1 컨버터는, 게이팅 신호에 기반하여 교류 신호를 발생시키고, 발생된 교류 신호를 제1 코일에 제공하고,
    상기 제2 코일은, 인접한 송신부의 제1 코일에의해 유도 전류가 발생되고,
    상기 제2 제어부는, 상기 유도 전류를 기초로 송신부에서 전송된 데이터 값을 산출하되,
    제1 전력 신호는 수신부로 전력을 전송하기 위해 기준 교류 전압을 발생 시키는 신호이고,
    상기 제1 데이터 신호는 무선전력 수신부로 전달하려는 데이터 값에 따라 상기 기준 교류 전압을 부분적으로 변형시키는 신호이고, 상기 제1 데이터 신호는 기준 교류 신호의 진폭 및 주파수를 부분적으로 편이 시키는 것을 특징으로 하는 데이터 송수신이 가능한 무선 전력 시스템.
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