KR102145497B1 - 무선 전력 전송 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 무선 전력 송신 장치 및 방법에 관한 것이다. 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치는, 직류 전원을 교류로 변환하기 위한 인버터, 공진 회로 및 상기 공진 회로의 자기 유도에 의해 전력을 수신하는 수신 장치가 보내는 메시지를 추출하기 위한 2개의 센싱부를 포함하는 전력 변환부; 및 상기 2개의 센싱부에서 추출되는 메시지를 선택적으로 이용하여 상기 인버터의 동작을 제어하기 위한 제어부를 포함하여 구성될 수 있다. 상기 제어부는, 하나의 센싱부에서 추출되는 메시지의 디코딩을 실패할 때, 다른 센싱부에서 추출되는 메시지를 디코딩 하고 이를 근거로 상기 인버터의 동작을 제어할 수 있다. 상기 2개의 센싱부 중 하나는 상기 인버터 전단에 연결되고 나머지 하나는 상기 인버터 후단에 연결될 수 있고, 상기 2개의 센싱부 중 하나는 전류 센서이고 나머지 하나는 전압 센서일 수 있다. 따라서, 전자 기기의 상태와 상관 없이 안정적으로 전자 기기에 무선으로 전력을 전송할 수 있게 된다.

Description

무선 전력 전송 방법 및 장치 {Method and apparatus for transmitting power wirelessly}
본 발명은 무선으로 전력을 전송하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
최근 통신 및 정보 처리 기술이 발달함에 따라 스마트 폰 등은 스마트 단말기의 사용이 점차적으로 증가되고 있는데, 현재 스마트 단말에 많이 적용되고 있는 충전 방식은 전원에 연결된 어댑터를 스마트 단말기에 직접 연결하여 외부 전원을 공급받아 충전하거나 또는 호스트의 USB 단자를 통해 스마트 단말기에 연결하여 호스트의 USB 전원을 공급받아 충전하는 방식이다.
최근에는, 연결 선을 통해 어댑터에 또는 호스트에 스마트 단말기를 직접 연결해야 하는 불편함을 줄이기 위하여, 전기적 접촉 없이 자기 결합을 이용하여 배터리를 무선으로 충전하는 무선 충전 방식이 점차 스마트 단말기에 적용되고 있다.
무선으로 전기 에너지를 공급하거나 공급받기 위한 여러 방법이 있는데, 대표적으로 전자기 유도 현상에 기초한 유도 결합(Inductive Coupling) 방식과 특정 주파수의 무선 전력 신호에 의한 전자기적 공진 현상에 기초한 공진 결합(Electromagnetic Resonance Coupling) 방식이 있다.
두 방식 모두 무선 충전 장치와 스마트 단말과 같은 전자 기기 사이에 통신 채널을 형성하여 데이터를 주고 받음으로써 전력 전송의 안정성을 확보하고 전송 효율을 높일 수 있는데, 통신 채널에 잡음이 발생하여 전력 전송이 중단되는 현상이 발생하기도 한다.
특히 무선으로 전력이 전송되고 있는 동안 전자 기기의 프로세서가 동작을 하여 전자 기기의 동작 전력에 변화가 발생하거나 전자기파가 전력 송수신 회로에 영향을 주어 통신 채널을 통한 데이터 전송에 에러가 발생할 수 있다.
본 발명은 이러한 상황을 감안한 것으로, 본 발명의 목적은 무선 전력 전송의 안정성을 확보할 수 있는 무선 전력 전송 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 무선 전력 전송 장치와 전자 기기 사이에 안정적인 통신 채널을 형성하는 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 잡음이 적은 통신 채널을 형성하도록 하는 무선 전력 전송 장치를 제공하는 데 있다.
상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치는, 직류 전원을 교류로 변환하기 위한 인버터, 공진 회로 및 상기 공진 회로의 자기 유도에 의해 전력을 수신하는 수신 장치가 보내는 메시지를 추출하기 위한 2개의 센싱부를 포함하는 전력 변환부; 및 상기 2개의 센싱부에서 추출되는 메시지를 선택적으로 이용하여 상기 인버터의 동작을 제어하기 위한 제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 제어부는, 하나의 센싱부에서 추출되는 메시지의 디코딩을 실패할 때, 다른 센싱부에서 추출되는 메시지를 디코딩 하고 이를 근거로 상기 인버터의 동작을 제어할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 메시지는 상기 수신 장치가 수신하는 파워의 평균 값을 포함하거나 상기 수신 장치가 수신하고자 하는 파워와의 오차를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 2개의 센싱부 중 하나는 상기 인버터 전단에 연결되고 나머지 하나는 상기 인버터 후단에 연결될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 2개의 센싱부 중 하나는 전류 센서이고 나머지 하나는 전압 센서일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 전력 전송 방법은, 자기 유도에 의해 전력을 수신하는 수신 장치가 보내는 메시지를 전력 변환부 내의 2 위치에서 각각 추출하는 단계; 상기 추출되는 메시지를 디코딩 하는 단계; 및 상기 2 위치 중 하나에서 추출되는 메시지의 디코딩이 실패할 때, 다른 하나에서 추출되어 디코딩 되는 메시지를 근거로 직류 전원을 교류로 변환하기 위한 인버터를 제어하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
따라서, 전자 기기의 상태와 상관 없이 안정적으로 전자 기기에 무선으로 전력을 전송할 수 있게 된다.
또한, 무선 전력 전송이 중단되는 현상을 개선하여 소비자에게 만족감을 제공할 수 있게 된다.
도 1은 무선 전력 전송 장치로부터 전자 기기로 전력이 무선으로 전송되는 것을 개념적으로 나타낸 것이고,
도 2는 전자기 유도 방식으로 전력을 무선으로 전송하기 위한 전송 장치의 전력 변환부의 회로 구성을 개념적으로 도시한 것이고,
도 3은 무선 전력 전송 장치와 수신 장치가 전력과 메시지를 주고 받기 위한 구성을 도시한 것이고,
도 4는 무선 전력 수신 장치의 구성을 도시한 것이고,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치의 구성을 도시한 것이고,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 무선 전력 전송 장치가 통신 채널을 절환하면서 전력 수신 장치로부터 데이터를 수신하고 이를 근거로 전력을 무선으로 전송하는 방법에 대한 동작 흐름도를 도시한 것이다.
이하, 본 발명에 따른 무선 전력 전송 장치 및 방법에 대한 실시예를 첨부하는 도면에 의거하여 상세히 설명한다.
도 1은 무선 전력 전송 장치로부터 전자 기기로 전력이 무선으로 전송되는 것을 개념적으로 나타낸 것이다.
무선 전력 전송 장치(100)는, 전자 기기(200)가 필요로 하는 전력을 무선으로 전달하는 전력 전달 장치이거나, 무선으로 전력을 전달함으로써 전자 기기(200)의 배터리를 충전하기 위한 무선 충전 장치일 수 있고, 또는 접촉되지 않은 상태에서 전원이 필요한 전자 기기(200)에게 전력을 전달하는 여러 가지 형태의 장치로 구현될 수 있다.
전자 기기(200)는 무선 전력 전송 장치(100)로부터 무선으로 전력을 수신하여 동작이 가능한 기기로, 무선으로 수신되는 전력을 이용하여 배터리를 충전할 수 있다. 무선으로 전력을 수신하는 전자 기기는 휴대가 가능한 모든 전자 기기, 예를 들어 스마트 폰이나 스마트 단말, 태블릿 컴퓨터, 멀티미디어 단말, 키보드, 마우스, 영상 또는 음성의 보조 장치 등의 입출력 장치 등을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 무선 전력 전송 장치(100)는 무선 전력 신호에 의한 전자기 유도 현상에 기초한 유도 결합 방식, 즉 무선 전력 전송 장치(100)에서 전송하는 무선 전력 신호에 의하여 전자 기기(200)에서 공진이 발생하고 공진 현상에 의하여 무선 전력 전송 장치(100)로부터 전자 기기(200)로 접촉 없이 무선으로 전력이 전달될 수 있는데, 전자기 유도 현상에 의하여 1차 코일에서 교류 전류에 의해 자기장을 변화시켜 2차 코일 쪽에 전류를 유도함으로써 전력을 전달한다.
무선 전력 전송 장치(100)의 1차 코일에 흐르는 전류의 세기가 변화되면, 그 전류에 의해 1차 코일 또는 전송 코일(primary coil, Tx coil)을 통과하는 자기장이 변화하고, 변화된 자기장은 전자 기기(200) 내의 2차 코일 또는 수신 코일(secondary coil, Rx coil) 측에 유도 기전력을 발생시킨다.
무선 전력 전송 장치(100) 측의 전송 코일과 전자 기기(200) 측의 수신 코일이 근접하도록 무선 전력 전송 장치(100) 및 전자 기기(200)를 배치하고, 무선 전력 송신 장치(100)가 전송 코일의 전류가 변화되도록 제어하면, 전자 기기(200)는 수신 코일에 유도된 기전력을 이용하여 배터리와 같은 부하에 전원을 공급한다.
유도 결합 방식에 의한 무선 전력 전달의 효율은, 무선 전력 전송 장치(100)와 전자 기기(200) 사이의 배치와 거리의 영향을 받게 되므로, 무선 전력 전송 장치(100)는 평평한 인터페이스 표면을 포함하도록 구성되고 인터페이스 표면의 하부에는 전송 코일이 장착되고, 인터페이스 표면 상부에 하나 이상의 전자 기기가 놓일 수 있다. 인터페이스 표면 하부에 장착된 전송 코일과 인터페이스 표면 상부에 위치한 수신 코일 사이 공간을 충분히 작게 함으로써 유도 결합 방식에 의한 무선 전력 전달의 효율을 올릴 수 있다.
인터페이스 표면 상부에는 전자 기기가 놓일 위치를 지시하는 마크가 표시될 수 있는데, 인터페이스 표면 하부에 장착된 전송 코일과 수신 코일 사이의 배열이 적합하게 이루어지도록 하는 전자 기기의 위치를 지시할 수 있다. 전자 기기의 위치를 안내하기 위한 돌출 형태의 구조물이 인터페이스 표면 상부에 형성될 수도 있고, 인터페이스 표면 하부에 자석과 같은 자성체를 형성하여 전자 기기 내부에 마련된 다른 극의 자성체와의 인력에 의하여 전송 코일과 수신 코일이 잘 배열되도록 안내할 수도 있다.
도 2는 전자기 유도 방식으로 전력을 무선으로 전송하기 위한 전송 장치의 전력 변환부의 회로 구성을 개념적으로 도시한 것이다.
무선 전력 전송 장치는 크게 전원 및 인버터와 공진 회로로 구성되는 전력 변환부를 포함하여 구성될 수 있는데, 전원은 전압원이나 전류원이 될 수 있고 전력 변환부는 전원으로부터 공급되는 전력을 무선 전력 신호로 변환하여 수신 장치에 전달하는데, 무선 전력 신호는 공진 특성을 갖는 자기장 또는 전자기장 형태로 형성되고 무선 전력 신호를 발생시키는 코일을 포함한다.
인버터는 스위칭 소자와 제어 회로를 통해 직류 입력을 원하는 전압과 주파수의 교류 파형으로 변환하는데 도 2에서는 풀 브리지(Full-bridge) 인버터를 도시한 것이고 하프 브리지 인버터 등 다른 종류의 인버터도 가능하다.
공진 회로는 자기 유도 방식으로 전력을 전송할 1차 코일(Lp)과 커패시터(Cp)를 포함하여 구성되는데 코일과 커패시터가 전력 전송의 기본 공진 주파수를 결정한다. 1차 코일은 전류의 변화에 따라 무선 전력 신호에 해당하는 자기장을 형성하는데, 평판 나선 형태 또는 원통형 솔레노이드 형태로 구현될 수 있다.
인버터에 의해 변환된 교류 전류가 공진 회로를 구동시킴으로써 1차 코일에 자기장이 형성되는데, 인버터가 공진 회로의 공지 주파수에 가까운 주파수의 교류를 생성하여 송신 장치의 전송 효율을 높일 수 있고, 인버터를 제어함으로써 전송 장치의 전송 효율을 변경할 수 있다.
도 3은 무선 전력 송신기와 수신기가 전력과 메시지를 주고 받기 위한 구성을 도시한 것이다.
도 2와 같은 전력 변환부는 수신 장치의 수신 상태와 상관 없이 일방적으로 전력을 전송할 뿐이므로, 수신 장치의 상태에 맞도록 전력을 전송하기 위해서는 수신 장치로부터 수신 상태와 관련된 피드백을 받기 위한 구성이 무선 전력 송신 장치에 필요하다.
무선 전력 송신 장치(100)는 전력 변환부(110), 통신부(120), 제어부(130) 및 전원부(140)를 포함하여 구성될 수 있고, 무선 전력 수신 장치(200)는 전력 수신부(210), 통신부(220) 및 제어부(230)를 포함하여 구성될 수 있고 수신되는 전력이 공급될 부하(250)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
전력 변환부(110)는 도 2의 인버터와 공진 회로로 구성되고, 무선 전력 신호를 형성시키기 위해 사용되는 주파수, 전압, 전류 등의 특성을 조절할 수 있는 회로를 더 포함하도록 구성될 수 있다.
통신부(120)는, 전력 변환부(110)에 연결되어, 송신 장치(100)로부터 자기 유도 방식으로 무선으로 전력을 수신하는 수신 장치(200)에 의하여 변조되는 무선 전력 신호를 복조하여 전력 제어 메시지를 검출할 수 있다.
제어부(130)는, 통신부(120)가 검출하는 메시지를 기초로, 전력 변환부(110)의 동작 주파수, 전압, 전류 중 하나 이상의 특성을 결정하고 전력 변환부(110)를 제어하여, 전력 변환부(110)가 메시지에 적합한 무선 전력 신호를 생성하도록 할 수 있다. 통신부(120)와 제어부(130)는 하나의 모듈로 구성될 수 있다.
전력 수신부(210)는, 전력 변환부(110)의 1차 코일에서 발생하는 자기장의 변화에 따라 유도 기전력이 발생하는 2차 코일과 커패시터로 구성되는 매칭 회로를 포함하고, 2차 코일에 흐르는 교류 전류를 정류하여 직류 전류를 출력하는 정류 회로를 포함할 수 있다.
수신 장치의 통신부(220)는, 전력 수신부(210)에 연결되고, DC에서의 저항 부하 및/또는 AC에서의 용량성 부하를 조절하는 방식으로 전력 수신부의 부하를 조절함으로써 송신 장치와 수신 장치 사이의 무선 전력 신호를 변화시켜 전력 제어 메시지를 송신 장치에 전송할 수 있다.
수신 장치의 제어부(230)는, 수신 장치의 포함된 각 구성 요소를 제어하는데, 전력 수신부(110)의 출력을 전류 또는 전압 형태로 측정하고, 이를 근거로 통신부(220)를 제어하여 무선 전력 전송 장치(100)로 전력 제어 메시지를 전달할 수 있다. 메시지는 무선 전력 전송 장치(100)로 하여금 무선 전력 신호의 전달을 시작하거나 종료하도록 지시할 수 있고 또한 무선 전력 신호의 특성을 조절하도록 할 수 있다.
전송 장치의 전력 변환부(110)에 의하여 형성된 무선 전력 신호는 전력 수신부(210)에 의하여 수신되고, 제어부(230)는 무선 전력 신호를 변조하도록 통신부(220)를 제어하는데, 제어부(230)는 통신부(220)의 리액턴스(reactance)를 변경시킴으로써 무선 전력 신호로부터 수신하는 전력량이 변하도록 하는 변조 과정을 수행할 수 있다. 무선 전력 신호로부터 수신되는 전력량이 변하면 무선 전력 신호를 형성시키는 전력 변환부(110)의 전류 및/또는 전압도 바뀌고, 무선 전력 전송 장치(100)의 통신부(120)는 전력 변환부(110)의 전류 및/또는 전압의 변경을 감지하여 복조 과정을 수행할 수 있다.
무선 전력 수신 장치(200)의 제어부(230)는, 무선 전력 전송 장치(100)에게 전달하고자 하는 메시지를 포함하는 패킷을 생성하여 패킷을 포함하도록 무선 전력 신호를 변조하고, 무선 전력 전송 장치(100)의 제어부(130)는 통신부(120)를 통해 추출한 패킷을 디코딩 하여 전력 제어 메시지를 획득할 수 있는데, 수신되는 파워를 조절하기 위하여 전력 수신부(210)를 통해 수신되는 전력량을 근거로 무선 전력 신호의 특성을 변경을 요청하는 메시지를 전송할 수 있다.
도 4는 무선 전력 수신 장치의 구성을 구체적으로 도시한 것으로, 무선 전력 수신 장치(200)는, 전력 수신부(210), 통신부(220), 제어부(230) 및 충전부(240)를 포함하여 구성될 수 있다.
전력 수신부(210)는 공진하는 전자기장의 형태로 전달되는 무선 전력 신호를 수신하기 위한 2차 코일(211)과 커패시터를 포함하는 매칭 회로(212), 공진하면서 교류 형태로 수신되는 전력 신호를 직류로 변환하기 위한 정류 회로(213) 및 직류 변환된 전력 신호의 전류 값 또는 전압 값을 측정하여 전력 신호의 전력량을 검출하기 위한 센싱부(214)를 포함하여 구성될 수 있고, 수신되는 전력 신호에 의하여 과전압 또는 과전류가 발생하지 않도록 방지하는 회로를 더 포함할 수 있다.
제어부(230)는, 센싱부(214)로부터 검출되는 전력량을 기초로 무선 전력 신호의 특성을 조절하기 위한 메시지를 생성하고, 통신부(220)를 제어하여 무선 전력 전송 장치(100)로 메시지를 전송할 수 있다. 또한, 제어부(230)는 무선 전력의 전송 시작이나 전송 종료를 요청하는 메시지를 생성하여 무선 전력 전송 장치(100)에 전송할 수 있다.
무선 전력 수신 장치(200)를 포함하는 전자 기기, 예를 들어 무선 충전이 가능한 스마트 단말은, 무선 전력 수신 장치(200)를 통해 무선 전력 전송 장치(100)로부터 전달되는 전력을 공급 받아 동작하거나 또는 전달되는 전력을 이용하여 충전부(240)를 통해 배터리를 충전하고 배터리에 충전된 전력을 이용하여 동작할 수 있다. 제어부(230)는 전력 수신부(210)를 통해 수신되는 전력을 이용하여 충전기를 충전하도록 충전부(240)를 제어할 수 있다.
무선 전력 수신 장치(200)를 포함하는 전자 기기는, Wifi와 같은 근거리 통신 모듈을 통해 다른 기기와 데이터를 주고 받거나, CDMA나 LTE와 같은 이동 통신 규약에 따른 통신 모듈을 통해 통화나 데이터 송수신을 하거나, 프로세서를 통해 어플리케이션을 구동하거나 오디오나 비디오 콘텐츠를 재생할 수 있는데, 이러한 통신이나 멀티미디어 재생 동작을 수행할 때 통신 모듈이나 프로세서를 구동하여 무선 전력 송수신에 전자기적으로 영향을 미칠 수 있다.
무선 전력 수신 장치(200)는 무선 전력 전송 장치(100)와 유도 결합을 이루는 공진 파형에 임피던스(부하 또는 리액턴스)를 바꾸는 방식으로 변조를 주어 통신 패킷을 무선 전력 전송 장치(100)에 전달하는데, 무선 전력 전송 장치(100)가 공진 회로에서 공진 파형의 변화를 검출하고 이로부터 패킷을 추출할 때 무선 전력 수신 장치(200)를 포함하는 전자 기기의 동작에 따르는 전자기 영향으로 잡음이 많이 발생하여 공진 파형의 신호 품질이 떨어지고 패킷 추출에 실패하거나 추출된 패킷의 디코딩이 실패할 수 있다.
무선 전력 전송 장치(100)가 수신 장치(200)가 전송하는 패킷을 추출할 때 코일과 커패시터로 구성되는 공진 회로에서만, 즉 하나의 채널을 통해서만 패킷을 추출하는데, 공진 회로는 수신 장치(200)와 유도 결합되어 있기 때문에 수신 장치(200)의 상태에 직접적으로 영향을 받기 쉽고, 공진 파형의 품질이 나쁘더라도 다른 채널을 선택할 여지가 없다.
이와 같이, 무선 전력 수신 장치(200)에 의해 변조되는 공진 파형의 상태가 잡음의 영향을 받아 좋지 않아 패킷을 디코딩 할 수 없는 경우가 발생할 수 있고, 이는 무선 전력 수신 장치(200)의 전력 불안정, 무선 전력 전송 중단 등의 현상으로 나타날 수 있다.
본 발명에서는, 코일과 커패시터의 공진 회로 전후의 잡음 영향이 다르다는 것을 고려하여, 무선 전력 전송 장치(100) 내 다른 위치에서 공진 파형의 변조 형태로부터 패킷을 추출하여, 즉 패킷 추출을 위한 통신 채널을 2개 형성하고 잡음의 영향이 적은 통신 채널을 선택하여 패킷을 추출함으로써, 유도 결합되어 있는 무선 전력 수신 장치(200)가 전송하는 패킷을 안정적으로 추출할 수 있도록 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치의 구성을 도시한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환부(110)는, 1차 코일(111)과 하나 이상의 커패시터를 포함하는 공진 회로(112), 직류 전원을 교류 파형으로 변환시키기 위한 인버터(113), 인버터(113) 후단에 연결되어 변환된 교류의 전류 또는 전압을 검출하기 위한 제1 센싱부(114) 및 인버터(113) 전단에 연결되어 직류 전원의 전류 또는 전압을 검출하기 위한 제2 센싱부(115)를 포함하여 구성될 수 있다.
도 5에서 제1 센싱부(114)가 인버터(113)의 후단, 즉 공진 회로(112)와 인버터(113) 사이에 위치하는 것으로 도시되어 있는데, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 제1 센싱부(114)는 공진 회로(112)의 후단이나 공진 회로(112) 내부 1차 코일(111)과 커패시터 사이에 배치될 수도 있다.
제1 센싱부(114)와 제2 센싱부(115)는, 전류를 측정하기 위한 전류 센서나 전압을 측정하기 위한 전압 센서가 될 수 있는데, 둘 중 하나가 전류 센서이면 다른 하나는 전압 센서가 될 수도 있다. 또한, 제1 센싱부(114)와 제2 센싱부(115)는, 시간의 진행에 따라 측정되는 전류나 전압의 파형에 실린 진폭(또는 envelope)의 변화로부터 무선 전력 수신 장치(200)가 전송하는 패킷을 추출할 수 있다.
통신부(120)는 제1 센싱부(114)와 제2 센싱부(115) 중 하나의 통신 채널로부터 추출된 패킷을 디코딩 하여 패킷에 포함된 메시지를 얻을 수 있다.
제어부(130)는, 통신부(120)가 얻는 메시지를 근거로 전력 변환부(110)를 제어하여, 전송 장치의 1차 코일(111)과 수신 장치의 2차 코일(211) 사이의 전자기 유도 결합, 전력 전송, 전력 전송 제어 동작을 수행할 수 있다.
무선 전력 전송 장치(100)와 무선 전력 수신 장치(200) 사이 상호 작용은 선택(selection), 핑(ping), 식별/구성(identification & configuration) 및 파워 전송(power transfer) 4가지 단계로 이루어지는데, 선택 단계는 전송 장치가 인터페이스 표면 위에 놓인 대상물을 발견하기 위한 단계이고, 핑 단계는 대상물이 수신 장치를 포함하는 지 여부를 확인하는 단계이고, 식별/구성 단계는 수신 장치에 전력을 보내기 위한 준비 단계로 수신 장치로부터 적절한 정보를 수신하고 이를 근거로 수신 장치와 전력 전송 계약(Power Transfer Contract)을 체결하고, 파워 전송 단계는 전송 장치와 수신 장치의 상호 작용으로 실제로 전력을 무선으로 수신 장치에 전송하는 단계이다.
핑 단계에서는, 수신 장치(200)가 1차 코일과 2차 코일의 유도 결합 정도를 가리키는 신호 강도 패킷(Signal Strength Packet, SSP)을 공진 파형의 변조를 통해 전송 장치(100)에 전송한다.
식별/구성 단계에서는, 수신 장치(200)의 버전, 제조사 코드, 장치 식별 정보 등을 포함하는 식별 패킷(Identification Packet), 수신 장치(200)의 최대 파워, 파워 전송 방법 등의 정보를 포함하는 구성 패킷(Configuration Packet) 등을 수신 장치(200)가 전송 장치(100)에 전송한다.
파워 전송 단계에서는, 수신 장치(200)가 전력 신호를 수신하는 동작 점과 파워 전송 계약에서 정한 동작 점과의 차이를 가리키는 제어 에러 패킷(Control Error Packet, CEP), 수신 장치(200)이 인터페이스 표면을 통해 수신하는 파워의 평균 값을 가리키는 수신 파워 패킷(Received Power Packet, RPP) 등을 수신 장치(200)가 전송 장치(100)에 전송한다.
제1 센싱부(114)와 제2 센싱부(115)는 각각 공진 파형의 변화로부터 패킷을 추출하고, 통신부(120)는 제1 센싱부(114)와 제2 센싱부(115) 중 하나의 통신 채널을 선택하여 패킷을 디코딩 하여 메시지를 얻고, 제어부(130)는 통신부(120)가 해당 통신 채널로부터 추출된 패킷을 디코딩 하여 얻은 메시지를 기초로 전력 변환부(110)를 제어하여 수신 장치(200)가 요청하는 대로 파워 전송 특성을 바꾸면서 전력을 무선으로 전송할 수 있다.
파워 전송 단계에서, 통신부(120)는 하나의 통신 채널에서 추출되는 패킷에 대한 디코딩에 실패하는 경우, 예를 들어 제1 센싱부(114)에서 추출되는 패킷의 디코딩에 실패하는 경우, 다른 통신 채널, 즉 제2 센싱부(115)에서 추출되는 패킷을 디코딩 하여 패킷에 포함된 메시지를 얻고, 제어부(130)는 이를 근거로 전력 변환부(110)를 제어하여 공진 파형 주파수, 1차 코일에 흐르는 전류나 전압 등의 파워 전송 특성을 변경할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 무선 전력 송신 장치가 통신 채널을 절환하면서 전력 수신 장치로부터 데이터를 수신하고 이를 근거로 전력을 무선으로 전송하는 방법에 대한 동작 흐름도를 도시한 것이다.
무선 전력 송신 장치(100)의 제어부(130)는, 전력 변환부(110)를 제어하여 1차 코일(111)에 자기장 변화가 발생하도록 하여 무선 전력 신호를 생성하고, 1차 코일(111) 부근에 있는 무선 전력 수신 장치(200)로 인해 무선 전력 신호에 변화가 발생하는지 확인하는데, 예를 들어 제1 센싱부(114)로부터 검출되는 전압 또는 전류가 시간에 따라 변하는 경우 무선 전력 수신 장치(200)가 무선 전력 수신을 위해 인터페이스 표면 위에 있다고 판단할 수 있다(S610). S610 단계는 선택과 핑 단계에 해당한다.
제어부(130)는, 무선 전력 수신 장치(200)가 전자기 유도 현상에 기초하는 유도 결합할 준비가 되어 있다고 판단되면(S610에서 YES), 무선 전력 수신 장치(200)와 상호 작용을 통해 식별/구성 단계를 수행하는데(S620), 전력 변환부(110)를 제어하여 공진 파형을 전송하고, 수신 장치(200)가 공진 파형을 변조하여 수신 장치의 버전, 제조사 코드, 장치 식별자 등의 식별 패킷과 수신 장치의 최대 파워, 파워 전송 방법 등의 구성 패킷을 전송하면, 예를 들어 제1 센싱부(114)가 공진 파형의 변화로부터 패킷을 추출하고 통신부(120)가 추출된 패킷을 디코딩 하여 패킷에 포함된 메시지를 얻고, 제어부(130)는 메시지를 근거로 전력 변환부(110)를 제어하여 수신 장치(200)와의 유도 결합의 효율을 올릴 수 있도록 공진 주파수, 1차 코일(111)에 흐르는 전류의 세기, 전압의 크기 등의 공진 파형의 특성을 조절할 수 있다.
이후 전력을 무선으로 전송하는 파워 전송 단계에 진입하여 전송 장치(100)로부터 수신 장치(200)로 무선 전력 신호가 전송되는 동안, 수신 장치(200)는 무선 전력 신호를 수신하는 전력 수신부의 부하를 변조하여, 원하는 동작 점과 식별/구성 단계에서 결정한 동작 점 사이의 차이에 해당하는 오차를 포함하는 패킷이나 수신한 파워를 가리키는 패킷을 전송 장치(100)에 전송하고, 예를 들어 제1 센싱부(114)는 공진 파형의 변화를 근거로 수신 장치(200)가 전송하는 패킷을 추출한다(S630).
통신부(120)는 추출된 패킷을 디코딩 하여 수신 장치(200)가 보내는 메시지를 확인하는데(S640), 추출된 패킷에 대한 디코딩이 성공하면(S640에서 YES), 제어부(130)는 디코딩 되어 얻은 메시지에 따라 전력 변환부(110)를 제어하여 수신 장치(200)가 요청하는 내용을 반영하여 무선 전력 신호의 전송을 계속한다(S650).
하지만, 통신부(120)가 추출된 패킷에 대한 디코딩을 실패하면(S640에서 NO), 수신 장치(200)가 요청하는 내용을 파악할 수 없기 때문에, 수신 장치(200)가 전송하는 패킷을 추출하는 통신 채널을 제1 센싱부(114)로부터 제2 센싱부(115)로 절환하여(S660), 예를 들어 제2 센싱부(115)가 공진 파형의 변화를 근거로 수신 장치(20)가 전송하는 패킷을 수신하고 패킷을 추출한다(S630).
통신부(120)는 절환된 통신 채널인 제2 센싱부(115)로부터 추출된 패킷을 디코딩 하여 수신 장치(20)가 전송하는 메시지를 얻고, 제어부(130)는 통신부(120)가 디코딩 하여 얻은 메시지에 따라 무선 전력 신호를 조절하여 무선 전력 송신 동작을 계속한다(S640).
본 발명은 기재된 실시예들에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
100: 무선 전력 전송 장치 110: 전력 변환부
111: 전송 코일 112: 공진 회로
113: 인버터 114: 제1 센싱부
115: 제2 센싱부 120: 통신부
130: 제어부 140: 전원부
200: 무선 전력 수신 장치 210: 전력 수신부
211: 수신 코일 212: 매칭 회로
213: 정류 회로 214: 센싱부
220: 통신부 230: 제어부
240: 충전부 250: 부하

Claims (8)

  1. 직류 전원을 교류로 변환하기 위한 인버터, 공진 회로 및 상기 공진 회로의 자기 유도에 의해 전력을 수신하는 수신 장치가 보내는 메시지를 추출하기 위한 2개의 센싱부를 포함하는 전력 변환부; 및
    상기 2개의 센싱부에서 추출되는 메시지를 선택적으로 이용하여 상기 인버터의 동작을 제어하기 위한 제어부를 포함하여 구성되는 무선 전력 전송 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는, 하나의 센싱부에서 추출되는 메시지의 디코딩을 실패할 때, 다른 센싱부에서 추출되는 메시지를 디코딩 하고 이를 근거로 상기 인버터의 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 메시지는 상기 수신 장치가 수신하는 파워의 평균 값을 포함하거나 상기 수신 장치가 수신하고자 하는 파워와의 오차를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 2개의 센싱부 중 하나는 상기 인버터 전단에 연결되고 나머지 하나는 상기 인버터 후단에 연결되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  5. 제 1항 또는 제 4항에 있어서,
    상기 2개의 센싱부 중 하나는 전류 센서이고 나머지 하나는 전압 센서인 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  6. 자기 유도에 의해 전력을 수신하는 수신 장치가 보내는 메시지를 전력 변환부 내의 2 위치에서 각각 추출하는 단계;
    상기 추출되는 메시지를 디코딩 하는 단계; 및
    상기 2 위치 중 하나에서 추출되는 메시지의 디코딩이 실패할 때, 다른 하나에서 추출되어 디코딩 되는 메시지를 근거로 직류 전원을 교류로 변환하기 위한 인버터를 제어하는 단계를 포함하여 이루어지는 무선 전력 전송 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 추출하는 단계는 상기 메시지를 상기 인버터의 전단과 후단에서 각각 추출하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 방법.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 디코딩 하는 단계는, 상기 수신 장치가 수신하는 파워의 평균 값을 포함하거나 상기 수신 장치가 수신하고자 하는 파워와의 오차를 포함하는 패킷을 디코딩 하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 방법.
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