KR102067586B1

KR102067586B1 - 이물질 검출 시스템 및 그것의 동작 방법

Info

Publication number: KR102067586B1
Application number: KR1020180048488A
Authority: KR
Inventors: 임춘택; 태춘반; 박준형; 정석용; 곽형걸
Original assignee: 광주과학기술원; (주)그린파워
Priority date: 2018-04-26
Filing date: 2018-04-26
Publication date: 2020-01-17
Also published as: KR20190124474A

Abstract

본 발명에 따른 이물질 검출 시스템은, 자기장 방식으로 무선 전력을 전송하는 송신 패드, 상기 송신 패드 위에 배치되고, 금속 물체 혹은 생명체를 감지하기 위한 복수의 감지 패턴들을 갖는 FOD(foreign object detection) 패드, 및 스위치 제어에 따라 상기 복수의 감지 패턴들의 각각에 전기적으로 연결되고, 상기 연결된 감지 패턴에 대응하는 출력 전압을 확인하고, 상기 출력 전압이 기준값과 상이할 때 이물질 감지 신호를 출력하는 FOD 회로를 포함하고, 상기 FOD 회로는 금속 물체 혹은 생명체의 접근에 따른 자기 인덕턴스 혹은 커패시턴스의 변화를 감지할 수 있다.

Description

이물질 검출 시스템 및 그것의 동작 방법{FOREIGN OBJECT DETECTION SYSTEM AND OPERATING METHOD THEREOF}

본 발명은 금속 물체 혹은 생명체를 검출하는 이물질 검출 시스템 및 그것의 동작 방법에 관한 것이다.

전기자동차의 배터리를 충전함에 있어서 다양한 충전방식이 이용되고 있는데, 충전소에 설치된 충전기의 케이블을 차량에 직접 연결하여 충전하는 방식(플러그 인 방식)과 1차 코일과 2차 코일에 의해 발생하는 전자기 유도 현상을 이용하는 비접촉식 충전방식(무선 충전방식)을 예로 들 수 있다. 최근에 시도되고 있는 무선 충전방식은, 도로에 매설된 급전부의 급전코일로부터 전기 자동차의 집전코일에 자기유도 작용을 이용하여 무선으로 전력을 공급하고 배터리를 충전한다. 이물질 탐지(foreign object detection; FOD)는 차량의 무선 충전 기술과 더불어 상용화에 필수적인 기술이다. 일반적으로 이물질 탐지 기술(FOD)은 금속 이물질 탐지(MOD; metal object detection)와 생명체 탐지(LOD; live object detection)로 구분된다. 무선충전 중 금속 이물질이 송수신 패드 사이에 존재하면 와전류에 의해 발화 가능성이 존재하고 강한 자장이 생명체에 미치는 영향이 명확히 규명되지 않았지만 안정성을 위해 ICNIRP(International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection)　가이드 라인을 준수하여, 생명체가 접근할 경우 이를 인식하고 무선 충전을 멈추어야 한다. 상용화 및 안전성 향상을 위해 금속 및 생명체를 감지하는 FOD 기술개발이 요구되고 있다.

한국등록특허: 10-1703995, 공개일: 2016년 10월 25일, 제목: 전기자동차 급진전장치용 FOD/LOD 장치. 미국등록특허: US 9,614,395, 공개일: 2016년 06월 30일, 제목: 　Wireless charging system and foreign metal object detection method for the system. 미국등록특허: US 9,410,823, 공개일: 2014년 01월 16일, 제목: Systems, methods, and apparatus for detection of metal objects in a predetermined space.

본 발명의 목적은 상용화/안전성 향상을 위한 금속 물체 혹은 생명체를 검출하는 이물질 검출 시스템 및 그것의 동작 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 이물질 검출 시스템은, 자기장 방식으로 무선 전력을 전송하는 송신 패드; 상기 송신 패드 위에 배치되고, 금속 물체 혹은 생명체를 감지하기 위한 복수의 감지 패턴들을 갖는 FOD(foreign object detection) 패드; 및 스위치 제어에 따라 상기 복수의 감지 패턴들의 각각에 전기적으로 연결되고, 감지 패턴이 연결되었을 때 출력 전압을 확인하고, 상기 출력 전압이 기준값과 상이할 때 이물질 감지 신호를 출력하는 FOD 회로를 포함하고, 상기 FOD 회로는 금속 물체 혹은 생명체의 접근에 따른 FOD 패드의 자기 인덕턴스 혹은 커패시턴스의 변화를 감지할 수 있다.

실시 예에 있어서, 상기 FOD 패드는 상기 복수의 감지 패턴들을 갖는 적어도 하나의 층으로 형성된 PCB(printed circuit board)로 구현될 수 있다.

실시 예에 있어서, 상기 복수의 감지 패턴들은 상기 금속 물체의 접근 시 자기 인덕턴스가 변하는 루프 코일들을 포함할 수 있다.

실시 예에 있어서, 상기 루프 코일들은 교차 배치된 코일 쌍을 포함하고, 상기 코일 쌍의 각 루프 코일은 서로 반대 방향으로 감겨 있고, 상기 각 루프 코일의 안쪽에 형성된 일단들은 직렬 결선될 수 있다.

실시 예에 있어서, 상기 각 루프 코일은 서로 이격 되어 배치될 수 있다.

실시 예에 있어서, 상기 루프 코일들은 교차 배치된 코일 쌍을 포함하고, 상기 코일 쌍의 안쪽에 형성된 일단들은 서로 연결되고, 상기 코일 쌍의 바깥쪽에 형성된 타단들은 외부의 스위치에 연결될 수 있다.

실시 예에 있어서, 상기 복수의 감지 패턴들은 상기 생명체의 접근시 커패시턴스가 변하는 복수의 감지 패턴을 포함할 수 있다.

실시 예에 있어서, 상기 FOD 회로는, 감지 패턴의 자기 인덕턴스 혹은 커패시턴스의 변화를 상기 스위치 제어에 따라 상기 복수의 감지 패턴들 중에서 연결된 패턴으로부터 출력된 전압에 대한 출력 전압 변화로 나타내는 공진 회로; 상기 공진 회로의 출력 전압을 필터링하는 필터; 및 상기 필터링된 전압을 직류로 변환하는 정류 회로를 포함할 수 있다.

실시 예에 있어서, 상기 공진 회로는 상기 복수의 감지 패턴들의 각각에 연결되는 스위치들을 포함할 수 있다.

실시 예에 있어서, 상기 필터는, 제 1 주파수의 신호를 차단하는 대역 차단 필터; 및 제 2 주파수의 신호를 통과하는 대역 통과 필터를 포함할 수 있다.

실시 예에 있어서, 상기 정류 회로는, 다이오드 문턱 전압에 의한 감도 저감을 방지하기 위한 정밀 정류기; 및 펄스성 전압으로 인한 아날로그 디지털 변환기의 파괴를 방지하기 위한 보호 회로를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 이물질 검출 시스템의 동작 방법은: 스위치 제어에 따라 복수의 감지 패턴들의 각각에 대응하는 채널들 중에서 어느 하나를 공진 회로에 연결하는 단계; 상기 연결된 채널에 대응하는 출력 전압이 기준값과 상이한 지를 판별하는 단계; 및 상기 출력 전압이 상기 기준값과 상이할 때, 이물질 감지 신호를 발생하는 단계를 포함할 수 있다.

실시 예에 있어서, ADC(analog digital converter)를 이용하는 상기 연결된 채널의 상기 출력 전압을 감지하는 단계; 및 상기 감지된 출력 전압을 저장하는 단계를 더 포함할 수 있다.

실시 예에 있어서, 상기 연결된 채널이 마지막 채널인지 판별하는 단계; 및 상기 연결된 채널이 상기 마지막 채널이 아닐 때, 다음 채널을 상기 공진 회로에 연결하는 단계를 더 포함하고, 상기 채널이 공진 회로에 연결되었을 때 상기 출력 전압이 상기 기준값과 상이한 지를 판별하는 단계가 추가될 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 이물질 검출 시스템 및 그것의 동작 방법은, 자기 인덕턴스 및 커패시턴스의 변화를 감지하기 위한 공진 회로를 구비함으로써, 금속 물체 및 생명체 검출에 대한 안전성과 상용화 가능성을 향상시킬 수 있다.

이하에 첨부되는 도면들은 본 실시 예에 관한 이해를 돕기 위한 것으로, 상세한 설명과 함께 실시 예들을 제공한다. 다만, 본 실시예의 기술적 특징이 특정 도면에 한정되는 것은 아니며, 각 도면에서 개시하는 특징들은 서로 조합되어 새로운 실시 예로 구성될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 FOD 시스템(10)을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 전송 장치(100)를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 FOD 시스템(100)의 구동 방법을 예시적으로 보여주는 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 FOD 패드(150)의 금속 물체 감지 패턴을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 5는 도 4에 도시된 FOD 패드(150)의 금속 물체 감지 패턴 중에서 어느 하나의 채널을 자세하게 보여주는 도면이다.
도 6은 생명체에 의한 정전 결합 형태를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 FOD 패드(150)의 생명체 감지 패턴을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 8은 도 7에 도시된 FOD 패드(150) 생명체 감지 패턴 중에서 어느 하나의 채널을 자세하게 보여주는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 FOD 회로(160)를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 송신 패드(140)에서 발생되는 자장의 주파수 스펙트럼을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 금속 물체 감지 공진 회로(162)를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 FOD 패드(150)의 감지 패턴의 임피던스 변화를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 FOD 회로(160)의 공진 주파수를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 14는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 생명체 감지 공진 회로(162)를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 15는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 FOD 회로(160)의 공진 주파수를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 16은 본 발명의 실시 예에 따른 필터(164)를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 17은 본 발명의 실시 예에 따른 대역 차단 필터(164-1)의 전압 이득 특성을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 18은 본 발명의 실시 예에 따른 정류 회로(166)를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 19는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 FOD 시스템을 보여주는 도면이다.

아래에서는 도면들을 이용하여 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 내용을 명확하고 상세하게 기재할 것이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다.

상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 혹은 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 혹은 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함하다" 혹은 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 혹은 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 혹은 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 혹은 이들을 조합한 것들의 존재 혹은 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 FOD 시스템(10)을 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 1을 참조하면, FOD 시스템(100)은 도로에 설치된 무선 전력 전송 장치(100) 및 그것으로부터 전송된 무선 전력을 수신하고, 차량에 부착된 무선 전력 수신 장치(200)를 포함한다.

실시 예에 있어서, 무선 전력 전송 장치(100)는 자기 유도 방식으로 무선 전력을 전송하도록 구현될 수 있다. 한편, 본 발명의 무선 전력 전송 방식이 여기에 제한되지 않는다고 이해되어야 할 것이다. 본 발명의 무선 전력 전송 장치(100)는 자기 유도 방식 외에도 다양한 방식, 예를 들어, 자기 공진 방식으로 무선 전력을 전송할 수 있다.

한편, 자기장을 이용한 무선 전력 전송 방식의 경우, 금속이 자기장에 노출되었을 때 급격하게 온도가 상승할 수 있다. 이로 인해 발화, 장치 손상, 사용자 화상 등의 문제가 야기될 수 있다. 이 때문에 일반적으로 무선 전력 전송 장치(100)는 이물질 검출(foreign object detection; FOD) 패드(150) 및 FOD 회로(160)를 구비할 수 있다. 이물질 검출(FOD) 패드 및 회로는 금속을 검출하기 위한 금속 물체 검출(metal object detection; MOD) 패턴, 회로 및 생명체 탐지를 위한 생명체 검출(live object detection: LOD) 패턴, 회로를 포함할 수 있다. 예를 들어, 이물질 검출(FOD) 회로는 금속 물체 검출/생명체 탐지시 무선 전력 공급 동작을 중단하고, 관련된 사실을 사용자에게 통지할 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 전송 장치(100) 및 무선 전력 수신장치(200)를 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 2를 참조하면, 무선 전력 전송 장치(100)는 전원(110), PFC(power factor correction) 및 인버터(120), 보상 회로(130), 송신 패드(140), FOD 패드(150), 및 FOD 회로(160)를 포함할 수 있다.

전원(110)은 단상이나 3상의 교류 전원일 수 있다.

PFC는 전원(110)의 전압 위상과 전류 위상의 차이를 줄여 주는 기능을 수행할 수 있다. 이는 역률 보상의 결과 무효 전력이 최소화 되고 입력단 전류 파형이 사인파와 같이되어 THD 가 낮아지는 효과 등을 갖는다.

인버터(120)는 복수의 스위치들을 포함할 수 있다. 이러한 스위치들은 PWM(pulse width modulation) 제어함으로써, 송신 코일에 흐르는 전류를 제어할 수 있다.

송신 코일과 수신 코일 사이의 에어-갭(air-gap)은 큰 변압기로 볼 수 있다.

보상 회로(130)는 송신 패드(140)의 무효 전력을 보상하기 위한 캐패시터 혹은 인덕터를 포함할 수 있다.

송신(TX) 패드(140)는 무선 전력에 대응하는 자기장을 발생하는 송신 코일을 포함하도록 구현될 수 있다.

FOD 패드(150)는 송신 패드(140)의 상부에 배치되고, FOD 패턴을 포함하도록 구현될 수 있다. 여기서 FOD 패턴은 자기장 내의 금속 물체 및 생명체를 검출하는 데 이용될 수 있다. FOD 패드(150)의 각 패턴이 FOD 회로에 연결되었을 때 기준이 되는 출력 전압을 확인할 수 있다. 금속/생명체가 검출된 경우, 기준값과 다른 출력 전압이 측정될 수 있다. 반면에 금속/생명체가 검출되지 않은 경우에는 기준값과 같은 출력 전압이 측정될 수 있다.

실시 예에 있어서, FOD 패드(150)는 감지 불가 영역 없이 송신 패드(140) 내의 전 구간에서 금속/생명체의 위치나 각도에 관계없이 감지 가능할 뿐 아니라, 수신 코일의 영향을 받지 않기 때문에 초기 보정을 수행할 필요가 없다.

실시 예에 있어서, FOD 패드(150)는 적어도 하나의 층으로 형성된 PCB(printed circuit board)로 구현될 수 있다.

FOD 회로(160)는 FOD 감지 패턴에 전기적으로 연결되고, 금속/생명체를 검출하도록 구현될 수 있다. 실시 예에 있어서, FOD 회로(160)는 송신 패드(140)의 아래에 배치될 수 있다. 한편, FOD 회로(160)의 배치가 여기에 제한되지 않는다고 이해되어야 할 것이다.

또한, FOD 회로(160)는 도시되지 않았지만, 연결된 FOD 감지 패턴의 자기 인덕턴스 및 커패시턴스 변화를 감지하도록 구현될 수 있다. 실시 예에 있어서, 이러한 자기 인덕턴스 및 커패시턴스의 변화는 공진 회로에 의해 감지될 수 있다.

실시 예에 있어서, 금속/생명체가 FOD 패드(150)에 접근할 경우 FOD 패드(150) 감지 패턴의 자기 인덕턴스(self-inductance) 또는 커패시턴스(capacitance)가 변하게 되는데, FOD 회로(160)는 공진 회로를 이용하여 이러한 변화를 감지하도록 구현될 수 있다.

또한, FOD 회로(160)는 금속/생명체를 검출할 경우, 검출 신호를 PFC 및 인버터(120)에 전송할 수 있다. PFC 및 인버터(120)는 검출 신호에 응답하여 전력 전송을 중단할 수 있다.

한편, 무선 전력 수신 장치(200)는 무선 전력 전송 장치(100)에서 발생된 무선 전력을 수신하도록 구현될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 무선 전력 수신 장치(200)는 배터리(210), 정류기 및 BMS(battery management system) (220), 보상 회로(230) 및 수신(RX) 패드(240)를 포함할 수 있다. 무선 전력 수신 장치(200)는 전기 자동차(EV)에 포함될 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 FOD 시스템(10)은 감지 패턴과 계측 회로로 구현되고, 이물질의 존재 여부를 감지하여 전력시스템으로 정보를 전송할 수 있다. 금속 및 생명체가 접근 할 경우, 감지 패턴의 자기 인덕턴스(self-inductance) 또는 커패시턴스(capacitance)가 변하게 되는데, FOD 시스템(10)은 공진 회로를 이용하여 이러한 자기 인덕턴스 및 커패시턴스의 변화를 감지할 수 있다. 여기서 감지 패턴은 감지 불가 영역 없이 송신 패드 내 전 구간에서 금속의 위치나 각도에 관계없이 감지 가능할 뿐만 아니라, 수신 패드의 영향을 받지 않아 초기 보정이 필요하지 않는다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 FOD 시스템(10)의 구동 방법을 예시적으로 보여주는 흐름도이다. 도 1 내지 도 3을 참조하면, FOD 시스템(100)은 다음과 같이 동작할 수 있다.

FOD 패드(150)는 이물질(금속/생명체)를 감지하기 위한 복수의 채널들을 포함할 수 있다. 복수의 채널들 중 1번 채널을 선택하도록 MOSFET(metal oxide semiconductor field effect transistor) 스위치가 제어될 수 있다(S110). 선택된 채널로부터 FOD 회로(160)의 ADC(analog digital convertor)로 출력 전압이 감지될 수 있다(S120). 감지된 출력 전압이 저장될 수 있다(S130). 선택된 채널이 마지막 채널인지 판별될 수 있다(S140). 만일 선택된 채널이 마지막 채널이 아니라면, 다음 채널을 선택하도록 MOSFET 스위치가 제어되고, S120 단계가 진입될 수 있다(S150). 반면에, 선택된 채널이 마지막 채널이면, 1번 채널을 선택하도록 MOSFET 스위치가 제어 될 수 있다(S160). 이후에, 채널 별로 출력 전압이 확인될 수 있다(S170). 이후 채널의 출력 전압이 기준값과 상이한 지가 판별될 수 있다(S180). 만일, 현재 채널의 출력 전압이 기준값과 상이하지 않다면, 다음 채널을 선택하도록 MOSFET 스위치가 제어 될 수 있다(S190). 반면에, 만일 현재 채널의 출력 전압이 기준값과 상이하다면, 이물질 감지 신호가 발생 및 전송될 수 있다(S200).

본 발명의 실시 예 따른 단계들 및/또는 동작들은 기술분야의 통상의 기술자에 의해 이해될 수 있는 것과 같이, 다른 순서로, 또는 병렬적으로, 또는 다른 에포크(epoch) 등을 위해 다른 실시 예들에서 동시에 일어날 수 있다.

실시 예에 따라서는, 단계들 및/또는 동작들의 일부 또는 전부는 하나 이상의 비-일시적 컴퓨터-판독가능 매체에 저장된 명령, 프로그램, 상호작용 데이터 구조(interactive data structure), 클라이언트 및/또는 서버를 구동하는 하나 이상의 프로세서들을 사용하여 적어도 일부가 구현되거나 또는 수행될 수 있다. 하나 이상의 비-일시적 컴퓨터-판독가능 매체는 예시적으로 소프트웨어, 펌웨어, 하드웨어, 및/또는 그것들의 어떠한 조합일 수 있다. 또한, 본 명세서에서 논의된 "모듈"의 기능은 소프트웨어, 펌웨어, 하드웨어, 및/또는 그것들의 어떠한 조합으로 구현될 수 있다.

본 발명의 실시 예들의 하나 이상의 동작들/단계들/모듈들을 구현/수행하기 위한 하나 이상의 비-일시적 컴퓨터-판독가능 매체 및/또는 수단들은 ASICs(application-specific integrated circuits), 표준 집적 회로들, 마이크로 컨트롤러를 포함하는, 적절한 명령들을 수행하는 컨트롤러, 및/또는 임베디드 컨트롤러, FPGAs(field-programmable gate arrays), CPLDs(complex programmable logic devices), 및 그와 같은 것들을 포함할 수 있지만, 여기에 한정되지는 않는다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 FOD 패드(150)의 금속 물체 감지 패턴을 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 4를 참조하면, FOD 패드(150)의 금속 물체 감지 패턴은 복수의 루프 코일들(L1 ~ L6)로 구현될 수 있다. 실시 예에 있어서, 센싱 패턴의 루프 코일들(L1 ~ L6)은 송신 패드(140) 위에 형성될 수 있다. 이러한 루프 코일들(L1 ~ L6)은 금속으로 인한 감지 패턴의 자기 인덕턴스(self-inductance) 감소 특성을 가질 수 있다.

실시 예에 있어서, 각각의 루프 코일들(L1 ~ L6)은 송신 패드(140)에 의해 발생된 유도 전압을 상쇄하기 위해 두 개의 코일이 서로 직렬 연결될 수 있다.

실시 예에 있어서, FOD 패드(150)의 감지 패턴은 수직으로 놓이는 금속 이물질을 감지하기 위해 모든 코일 쌍을 교차시켜 공간 상에 서로 다른 자장 벡터를 생성시킬 수 있다.

실시 예에 있어서, FOD 패드(150)의 금속 물체 감지 패턴에서 각 코일의 장축은 150 mm이고, 각 코일의 단축은 30 mm일 수 있다. 하지만, 본 발명의 코일의 장축/단축의 길이가 여기에 제한되지 않는다고 이해되어야 할 것이다.

한편, 도 4에 도시된 FOD 패드(150)의 금속 물체 감지 패턴에서 코일의 개수가 6이지만, 본 발명의 코일의 개수가 여기에 제한되지 않는다고 이해되어야 할 것이다.

한편, 도 4에 도시된 FOD 패드(150)의 금속 물체 감지 패턴에서 코일의 형태는 사각형이지만, 본 발명의 코일의 형태가 여기에 제한되지 않는다고 이해되어야 할 것이다.

도 5는 도 4에 도시된 FOD 패드(150)의 금속 물체 감지 패턴 중에서 어느 하나의 채널을 자세하게 보여주는 도면이다. 도 5를 참조하면, 루프 코일(Ln)은 코일 쌍을 교차 배치시키고, 코일 쌍의 안쪽에 형성된 일단들은 서로 연결되고, 코일 쌍의

바깥쪽에 형성된 타단들은 외부의 MOSFET 스위치에 연결될 수 있다. 도시되지 않았지만, 코일 쌍 사이의 공간에는 다른 코일 쌍의 일부가 배치될 수 있다(도 4 참조).

실시 예에 있어서, 루프 코일 한 쌍의 각 루프 코일은 서로 반대 방향으로 감겨 있을 수 있다.

실시 예에 있어서, 두 루프 코일의 안쪽에 형성된 일단들은 직렬 결선될 수 있다. 송신부에서 생성되는 자장으로 인하여 각 루프 코일에 전압이 유도되는데, 상술 된 구조는 각 코일에 유도되는 전압을　상쇄시킬 수 있다.

실시 예에 있어서, 루프 코일 한 쌍의 각 루프 코일은 이격이 되어서 배치될 수 있다. 이격이 되지 않고 두 코일이 붙어서 위치하면, 감지 불가 영역이 생길 수 있다. 각 루프 코일을 이격 시킴으로써, 이러한 감지 불가 영역이 제거될 수 있다.

한편, 도 5에 도시된 코일 쌍의 모양은 두 개의 사각형 모양이나, 본 발명의 코일 쌍의 모양이 여기에 제한되지 않는다고 이해되어야 할 것이다.

도 6은 생명체에 의한 정전 결합 형태를 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 6을 참조하면, 생명체는 내부 저항(Rb)와 내부 커패시터(Cb)를 갖는 것으로 표현 가능하다. 도 6에 도시된 바와 같이, 생명체 검출시 정전 결합은, FOD 패드(150)에 연결된 생명체 사이에 높이(heff)에 따른 커패시터(ΔC0), 디폴트 커패시터(C0), 대지 커패시터(Cg)를 포함할 수 있다.

도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 FOD 패드(150)의 생명체 감지 패턴을 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 7를 참조하면, FOD 패드(150)의 생명체 감지 패턴은 빗살 무늬 형태의 패턴으로 구현될 수 있다. 한편, FOD 패드(150)의 생명체 감지 패턴이 빗살 무늬 형태에 제한되지 않는다고 이해되어야 할 것이다. 이로써, 생명체 접근 시, FOD 패드(150)의 생명체 감지 패턴의 커패시턴스의 변화가 감지될 수 있다. 예를 들어, 생명체-생명체 감지 패턴, 생명체-대지 간 정전 결합에 의해 계측된 커패시턴스는 증가 혹은 감소할 수 있다.

한편, 생명체 감지 패턴의 커패시턴스 변화를 증가시키기 위해 빗살무늬 패턴들을 병렬로 결선할 수 있다. 한편, 생명체 감지 패턴의 커패시턴스 변화를 증가시키기 위하여 빗살무늬 패턴들을 결선하지 않을 수도, 직렬 혹은 병렬로 결선할 수 있다고 이해되어야 할 것이다.

도 8은 도 7에 도시된 FOD 패드(150)의 생명체 감지 패턴 중에서 어느 하나의 채널을 자세하게 보여주는 도면이다.

한편, 생명체 감지 패턴의 커패시턴스 변화를 증가시키기 위해 도 8에 도시된 한 채널이 다른 채널들과 결선하지 않을 수도, 직렬 혹은 병렬로 결선할 수 있다고 이해되어야 할 것이다.

도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 FOD 회로(160)를 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 9를 참조하면, FOD 회로(160)는 공진 회로(162), 필터(164), 및 정류 회로(166)를 포함할 수 있다.

공진 회로(162; '반전 증폭기')는 공진 주파수 조정을 위하여 커패시터와 인덕터를 각각 병렬 또는 직렬로 연결하도록 구현될 수 있다. 대응하는 MOSFET 스위치(S_M,1 ~ S_M,n)의 제어에 따라 증폭기(AMP1) 의 음의 입력단과 출력단 사이에 연결될 수 있다.

실시 예에 있어서, 병렬 연결된 저항(Rp)와 커패시터(Cp)의 각각은 증폭기(AMP1)의 음의 입력단과 출력단 사이에 연결될 수 있다.

실시 예에 있어서, 증폭기(AMP1)는 소스 전압(Vin)을 저항(Rin)을 통해 수신하는 음의 입력단과 접지단(GND)에 연결된 양의 입력단을 포함할 수 있다.

필터(164)는 증폭기(AMP1)로부터 출력된 제 1 전압(V1)를 수신하여 필터링하도록 구현될 수 있다. 실시 예에 있어서, 필터(164)는 특정 범위 내의 주파수만 차단 혹은 통과시키기 위한 대역 필터를 포함할 수 있다.

실시 예에 있어서, 필터(164)는 필터 저항들(Rf1, Rf2, Rf3, Rf4, Rf5, Rf1/2), 필터 커패시터들(Cf1, Cf4, Cf5, 2Cf1), 및 증폭기들(AMP2, AMP3)을 포함할 수 있다.

정류 회로(166)는 필터(164)로부터 출력된 제 2 전압(V2)를 정류함으로써, ADC로 전송하기 위한 출력 전압(Vo)을 발생하도록 구현될 수 있다. 실시 예에 있어서, 정류 회로(166)는 저항들(Ra, Rb, Rc, Rd), 커패시터들(Cb, Cc, Co), 다이오드들(D1, D2), 및 증폭기(AMP4)를 포함할 수 있다.

도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 PFC 및 인버터(120)의 스위칭 노이즈의 주파수 스펙트럼을 보여주는 도면이다. 도 10을 참조하면, 전력 인버터의 간섭을 피하고 민감도를 상승시키기 위해서, 사전에 결정된 주파수 신호(12f0)가 인가될 수 있다. 실시 예에 있어서, 주파수 신호(12f0)의 주파수는 1.02 MHz일 수 있다. 한편, 주파수 신호(12f0)의 주파수가 여기에 제한되지 않는다고 이해되어야 할 것이다.

실시 예에 있어서, 전력 시스템에 의한 영향은 노이즈로 간주되어 필터링 될 수 있다.

실시 예에 있어서, 대역폭은 12f0/ Q에 의해 계산될 수 있다. 여기서 Q는 주파수 선택 품질을 나타내는 것으로, 공진 주파수(12f0)를 -3dB 대역폭으로 나눈 값이다. 일반적으로 공진 특성이 샤프할수록 -3dB 대역폭이 좁아지고, 결국 Q 값이 커진다.

실시 예에 있어서, 동작 범위는 사전에 결정될 수 있다.

도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 공진 회로(162)를 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 11를 참조하면, 인덕터들(L1 ~ Ln)은 FOD 패드(150)의 금속 물체 감지 패턴일 수 있다.

도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 FOD 패드(150)의 감지 패턴의 임피던스 변화를 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 12를 참조하면, 이물질(금속 물질)에 의한 임피던스 변화는 공진 회로(165)의 전압 이득을 변화시킬 수 있다. 이러한 임피던스 변화는 금속 물체 감지 패턴에 의해 감지될 수 있다.

도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 FOD 회로(160)의 공진 주파수를 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 13를 참조하면, 공진 주파수는

을 만족한다

도 13을 참조하면, 동일 Q 인자 조건에서 더 큰 출력 전압 변화를 나타내기 위해 공진 회로가 적용될 수 있다. 실시 예에 있어서, 임피던스 민감도를 증가시키기 위해서 신호원(Vin)의 주파수는 공진회로의 -3dB 주파수일 수 있다. 이는 -3dB 주파수에서의 임피던스 기울기가 완전 공진 주파수에서의 기울기보다 더 크기 때문에, 큰 출력 변화가 나타날 수 있다. 하지만 신호원(Vin)의 주파수는 공진회로의 -3dB 주파수에 제한되지 않는다고 이해되어야 할 것 이다.

도 14는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 공진 회로(162)를 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 14를 참조하면, 커패시터들(C1 ~ Cn)은 FOD 패드(150)의 생명체 감지 패턴일 수 있다.

도 15는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 FOD 회로(160)의 공진 주파수를 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 15를 참조하면, 공진 주파수는

을 만족한다.

도 16은 본 발명의 실시 예에 따른 필터(164)를 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 16을 참조하면, 필터(164)는 대역 차단 필터(164-1) 및 대역 통과 필터(164-2)를 포함할 수 있다.

필터(164)는 외부 신호원(Vin)을 통과시키되 인버터에서 발생하는 스위칭 노이즈 영향과 DC 오프셋 제거 기능을 수행하도록 구현될 수 있다.

대역 차단 필터(164-1)는 85kHz 신호를 차단하도록 필터링 될 수 있다. 실시 에에 있어서, 대역 차단 필터(164-1)는 능동 필터를 2단으로 사용할 수 있으며 -60dB 이상의 특성을 가질 수 있다.

대역 통과 필터(164-2)는 신호원의 주파수(예, 1MHz) 신호를 통과하도록 필터링 될 수 있다.

한편, 필터(164)의 필터링에 관련된 수학식은 다음과 같다.

실시 예에 있어서, 필터(164)는 2 stage-Twin-T 노치 필터(Notch Filter)를 포함할 수 있다.

도 17은 본 발명의 실시 예에 따른 대역 차단 필터(164-1)의 전압 이득 특성을 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 17을 참조하면, Q에 따라 무선 전력 시스템 구동 주파수 노이즈의 감쇄 정도가 결정될 수 있다.

도 18은 본 발명의 실시 예에 따른 정류 회로(166)를 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 18을 참조하면, 정류 회로(166)는 신호 계측을 위한 정밀 정류기(precision rectifier) 및 피크 검출기를 포함할 수 있다.

실시 예에 있어서, 정류 회로(166)는 MCU(microcontroller unit)의 부하를 줄이기 위해, 고주파 신호를 샘플링하는 대신 직류로 변환하여 계측할 수 있다.

실시 예에 있어서, 정류 회로(166)는 다이오드 문턱 전압에 의한 감도 저감 방지를 위하여 정밀 정류기를 포함할 수 있다.

실시 예에 있어서, 정류 회로(166)는 펄스성 전압으로 인한 ADC 파괴를 방지하기 위하여 보호 회로를 포함할 수 있다. 실시 예에 있어서, 보호 회로는 제너 다이오드(D2)를 포함할 수 있다. 한편, ADC 파괴를 방지하기 위해 제너 다이오드(D2) 외에도 다양한 종류의 보호 회로들이 사용될 수 있다고 이해되어야 할 것이다.

도 19는 본 발명의 실시 예에 따른 FOD 시스템을 보여주는 도면이다. 도 19을 참조하면, FOD 시스템(1000)은 공진 회로(1100), 감지 패턴(1200), 대역 차단 및 대역 통과 필터(1300), 능동 저대역 필터(1400), 멀티플렉서(1500), 버퍼(1600), 직접 디지털 합성기(DDS; 1700), 및 MCU(1800)를 포함할 수 있다.

DDS(1700)는 전용 IC로써 신호원(Vin)을 발생하도록 구현될 수 있다. 실시 예에 있어서, 신호원(Vin)은 정현파 전압 신호를 포함할 수 있고, 공진 주파수의 -3dB 주파수원을 포함할 수 있다.

멀티플렉서(1500)와 버퍼(1600)의 제어에 따라 공진회로(1100)의 스위치(Sn)가 on 되면 스위치(Sn)에 연결된 감지 패턴(1200) 중 한 채널(Ln)이 공진 회로(1100)에 전기적으로 연결이 되고, DDS(1700)에서 발생한 신호원(Vin)이 증폭될 수 있다. 증폭된 신호는 대역 차단 및 대역 통과 필터(1300)을 거쳐서 출력 전압(Vout)을 발생시킬 수 있다. 능동 저대역 필터(1400)은 출력 전압(Vout)을 필터링 해서 ADC로 입력되는 신호를 발생시킬 수 있다. ADC에 입력되는 신호를 바탕으로 MCU(1800)는 도 3의 알고리즘에 따라 이물질 감지 신호를 전송 여부를 판단할 수 있다.

한편, 상술 된 본 발명의 내용은 발명을 실시하기 위한 구체적인 실시 예들에 불과하다. 본 발명은 구체적이고 실제로 이용할 수 있는 수단 자체뿐 아니라, 장차 기술로 활용할 수 있는 추상적이고 개념적인 아이디어인 기술적 사상을 포함할 것이다.

10: FOD 시스템
100: 무선 전력 전송 장치
200: 무선 전력 수신 장치
110: 전원
120: PFC 및 인버터
130: 보상 회로
140: 송신 패드
150: FOD 패드
160: FOD 회로
162: 공진 회로
164: 필터
166: 정류 회로

Claims

무선 전력 전송 장치를 위한 이물질 검출 시스템에 있어서:
자기장 방식으로 무선 전력을 전송하는 송신 패드;
상기 송신 패드 위에 배치되고, 금속 물체를 감지하기 위한 공진 주파수를 갖는 공진 회로를 포함하는 복수의 감지 패턴들로 구성된 FOD(foreign object detection) 패드; 및
상기 복수의 감지 패턴들의 출력 전압을 확인하고, 상기 출력 전압이 기준값과 상이할 때 이물질 감지 신호를 출력하는 FOD 회로를 포함하고,
상기 복수의 감지 패턴들은 공간 대칭 구조로 배열되고, 상기 감지 패턴들 중에서 적어도 한 쌍은 교차 연결되어 금속 물체의 접근에 따른 감지 패턴의 전기적인 특성 변화를 감지하며,
상기 복수의 감지 패턴들은 상기 금속 물체의 접근 시 자기 인덕턴스가 변하는 루프 코일들을 포함하고,
상기 루프 코일들은 안쪽에 형성된 일단이 서로 연결되고 바깥쪽에 형성된 타단이 외부에 연결되는 코일 쌍 복수개로 구성되고,
상기 코일 쌍을 구성하는 루프 코일은 서로 이격 배치되고,
상기 코일 쌍의 루프 코일 사이의 공간에는 다른 코일 쌍의 루프 코일이 배치되는 것을 특징으로 하는 이물질 검출 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 FOD 패드는 상기 복수의 감지 패턴들을 갖는 적어도 하나의 층으로 형성된 PCB(printed circuit board)로 구현되는 이물질 검출 시스템.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 복수의 감지 패턴들은 생명체의 접근시 커패시턴스가 변하는 복수의 감지 패턴을 더 포함하는 이물질 검출 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 FOD 회로는,
상기 복수의 감지 패턴들의 출력 전압을 필터링하는 필터; 및
상기 필터링된 전압을 직류로 변환하는 정류 회로를 포함하는 이물질 검출 시스템.
제 5 항에 있어서,
상기 필터는,
제 1 주파수의 신호를 차단하는 대역 차단 필터; 및
제 2 주파수의 신호를 통과하는 대역 통과 필터를 포함하는 이물질 검출 시스템.
제 5 항에 있어서,
상기 정류 회로는,
다이오드 문턱 전압에 의한 감도 저감을 방지하기 위한 정밀 정류기; 및
펄스성 전압으로 인한 아날로그 디지털 변환기의 파괴를 방지하기 위한 보호 회로를 포함하는 이물질 검출 시스템.
이물질 검출 시스템의 동작 방법에 있어서:
스위치 제어에 따라 복수의 감지 패턴들의 각각에 대응하는 채널들 중에서 어느 하나를 공진 회로에 연결하는 단계;
상기 연결된 채널에 대응하는 출력 전압이 기준값과 상이한 지를 판별하는 단계; 및
상기 출력 전압이 상기 기준값과 상이할 때, 이물질 감지 신호를 발생하는 단계를 포함하고,
상기 복수의 감지 패턴들은 금속 물체의 접근 시 자기 인덕턴스가 변하는 루프 코일들을 포함하고,
상기 루프 코일들은 안쪽에 형성된 일단이 서로 연결되고 바깥쪽에 형성된 타단이 상기 스위치에 연결되는 코일 쌍 복수개로 구성되고,
상기 코일 쌍을 구성하는 루프 코일은 서로 이격 배치되고,
상기 코일 쌍의 루프 코일 사이의 공간에는 다른 코일 쌍의 루프 코일이 배치되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 8 항에 있어서,
ADC(analog digital converter)를 이용하는 상기 연결된 채널의 상기 출력 전압을 감지하는 단계; 및
상기 감지된 출력 전압을 저장하는 단계를 더 포함하는 방법.
제 9 항에 있어서,
상기 연결된 채널이 마지막 채널인지 판별하는 단계; 및
상기 연결된 채널이 상기 마지막 채널이 아닐 때, 다음 채널을 상기 공진 회로에 연결하는 단계를 더 포함하고,
상기 채널이 공진 회로에 연결되었을 때 상기 출력 전압이 상기 기준값과 상이한 지를 판별하는 단계가 진입되는 방법.