KR102176142B1 - 송신전력세기의 자동 조정을 통한 무선전력송수신 밸런싱 방법 및 그 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 송신전력세기의 자동 조정을 통한 무선전력송수신 밸런싱 방법 및 그 장치에 관한 것으로, 무선전력전송을 통해 복수의 부하에 전력을 전송하여 충전하고자 하는 경우, 무선전력전송장치에서 각 무선전력전수신기로의 전력송신을 위한 파워를 조정하여 균등하게 하거나 전력수신측의 니즈에 따라 송신전력의 세기를 조정하여 효율적으로 무선충전을 수행하는 방법 및 그 장치에 관한 것이다.

Description

송신전력세기의 자동 조정을 통한 무선전력송수신 밸런싱 방법 및 그 장치{METHOD AND APPARATUS FOR WIRELESS POWER TRANSFER CAPABLE THROUGH AUTOMATIC ADJUSTING OF TRANSMISSION POWER}

본 발명은 송신전력세기의 자동 조정을 통한 무선전력송수신 밸런싱 방법 및 그 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 무선전력전송을 통해 복수의 부하에 전력을 전송하여 충전하고자 하는 경우, 무선전력전송장치에서 각 무선전력전수신기로의 전력송신을 위한 파워를 조정하여 균등하게 하거나 전력수신측의 니즈에 따라 송신전력의 세기를 조정하여 효율적으로 무선충전을 수행하는 방법 및 그 장치에 관한 것이다.

최근 인터넷의 발달이 비약적으로 이루어졌고, 휴대단말기의 보급도 폭발적으로 늘어남에 따라 휴대단말기로 초고속 인터넷에 접속하여 멀티미디어 콘텐츠를 송수신하는 경우가 많다. 이에 따라 휴대단말기에서 멀티미디어 콘텐츠의 다운로드 및 재생을 위해서 소비하는 전력도 점점 늘어나고 있다. 휴대단말기의 자체 배터리 전원으로는 멀티미디어 콘텐츠를 장시간 즐기는 것에 한계가 있어, 보조배터리를 사용하는 경우가 많이 발생하게 되었다.

따라서 휴대단말기의 사용자들은 여분의 보조배터리를 휴대하는 경우가 빈번하다. 그러나 보조배터리도 필요할 때 사용하려면 미리 충전해 두어야 하므로, 사용자들은 충전기의 관리에도 많은 신경을 써야 한다. 또한 신경을 써서 보조배터리를 챙기지 않으면, 휴대단말기의 방전에 대비하지 못하게 되는 경우가 발생한다.

본 발명에서는 이러한 번거로운 문제점을 해결하기 위한 것으로 휴대단말기의 사용자가 보조배터리를 정해진 무선전력전송 베이스 스테이션 근처에 두기만 하면 자동으로 충전이 되도록 하는 방법과 장치를 제공하고자 한다.

특히 보조배터리를 자동으로 충전함에 있어서, 무선전력전송을 위한 송신전력의 세기를 밸런싱하여 복수의 휴대용 보조 배터리에 대해서 골고루 신속하게 충전되도록 하고자 한다.

무선전력전송(wireless power transfer)은 전자계(electromagnetic field)를 이용하여 에너지를 전달하는 여러 기술들에 공통적으로 적용되는 용어이다. 유도결합(inductive coupling)을 이용한 경우에는 와이어 코일 간에 자계를 생성시켜 전력을 전달하는 것이다. 또한 공진 유도 결합(Resonant Induction Coupling)은 유도 결합의 일종으로 두 개의 공진회로 간 자계에 의해 전력이 전달되는 것이다. 용량결합(Capacitive Coupling)은 금속판과 같은 전극들 사이에서 전계에 의해 전력이 전달된다.

한편, 응용분야에 따라 다양한 무선충전이 가능하다. 먼저 고정 환경에서 무선 충전하는 경우, 무선충전지가 인지하고 있는 단말에게만 충전하고, 인지하지 못하는 단말은 충전하지 않는 개념이다. 즉, 댁내나 사무실에서 단말의 무선충전 기능을 이용하고자 할 때, 미리 등록하는 절차가 필요하다. 새로운 단말에 대해 충전 기능을 제공하고자 할 때, 댁내의 무선충전지에 등록하는 절차가 필요하며, 등록하는 과정에서 단말을 식별하는 식별자가 생성된다.

또한 동시에 여러 단말을 충전하는 경우, 무선전력전송장치의 충전기는 동시에 여러 개의 무선충전용 단말을 충전할 수 있다. 각 단말을 조금씩 돌아가면서 충전하는 방식이 가능하다. 이때, 각 단말은 서로 다른 무선전력전송에 의한 충전 파라미터로 충전이 가능하다. 이를 실현하기 위해 각 단말마다 일정한 시간동안 충전하되 다음 단말로 충전할 경우, 그 단말에 맞게 무선전력전송에 따른 수치를 재설정해야 한다. 이런 형태로 일정 범위내의 모든 단말을 공평하게 무선 충전하는 것이 가능하다.

또한 센서에 대해 무선충전을 수행하는 경우, 센서는 다양한 용도로 다양한 환경에서 사용되기 때문에, 농산물의 상태를 분석하기 위해 농장에서 센서를 사용하는 것이 가능하고, 상하수도, 전력선, 가스 파이프 등에서도 센서를 이용하여 문제점을 분석하거나, 동작 상태 등을 파악할 수 있다. 또한, 인체에도 건강상태를 확인하기 위해 이용하는 것이 가능하다. 그러나 센서의 가장 큰 문제점은 배터리를 어떻게 관리하느냐에 있다. 특히 지하에 매설된 센서는 재충전하기 거의 불가능한 문제가 있다. 그래서 센서의 경우 무선 충전 기술을 이용하면 매우 큰 효과를 볼 수 있다.

또한 공공장소에서 무선 충전을 이용하고자 하는 경우, 다양한 유형의 휴대용 전기 장치가 출현하고 있어 많은 사람들이 그런 휴대 장치를 공공장소에서 휴대하고 이동할 때 사용한다. 대표적인 휴대장치로는 스마트폰, 라디오, 카메라, 노트북, 의료용 기기 등이 있다. 공공장소에서 무선전력전송 서비스가 제공이 된다면, 외출할 때에 휴대장치의 배터리 용량 잔여상태에 대해 신경 쓰지 않아도 되고, 필요에 따라 언제 어디서든지 전력충전 서비스를 받을 수 있다. 전력 충전을 받을 수 있는 대표적인 장소로 버스 정류장, 기차역, 버스나 기차안, 음식점, 커피숍 등 사람들이 상당한 시간을 대기할 수 있는 모든 장소에서 충전 서비스가 가능하다.

또한 임시 기간 동안 무선 충전하고자 하는 경우, 카페나 식당과 같은 상업 영역에서는 고객을 위해 무료로 무선전력전송에 의한 충전 서비스를 제공할 수 있다. 이때, 주인은 고객이 사용할 수 있는 무선충전 접속 코드를 제공할 수 있다. 여기서, 고객은 음식이나 음료를 주문하는 사람으로 음식/음료를 준비하는 동안 사용할 수 있는 무료 충전 서비스가 있다. 접속 코드는 주인이 설정한 기간 동안 임시로 사용할 수 있는 코드로 주인은 접속 코드를 관리할 수 있는 데이터베이스가 필요하다.

또한 공공장소에서 전기자동차에 충전하는 서비스가 있다. 전기 자동차는 주로 공공 자송에서 많이 사용된다. 다른 단말에 비해 전기 사용량이 크기 때문에, 충전하는데 비용이 많이 소요된다. 사람들은 대체로 자동차를 쇼핑센터, 식당, 커피숍, 상업지구, 관광지 등의 공공 주차장에 주차한다. 따라서 공공 주차장에서 무선으로 전기 충전 서비스를 제공하면 매우 효율적이다. 무선으로 충전하면 이용자도 자동차도 매우 편리하며, 이용자는 충전 시간과 충전량을 조절할 수 있다.

또한 드론 충전 서비스의 경우이다. 최근들어 드론이 많이 사용되고 있으며, 특히, 농장 및 목장에서는 넓은 범위에 산재되어 있는 가축과 농작물을 모니터링하고 비료와 살충제를 뿌리는데 효과적으로 사용할 수 있다. 예를 들어 국립공원관리원은 공원의 상태를 파악하고 사고가 발생된 사람이나 동물을 구조하는데 활용할 수 있다. 경찰에서는 보안 감시와 도로 순찰에 활용이 가능하고 영화에서는 풍경 장면을 촬영할 때 사용할 수 있다. 드론은 넓은 영역에 비행하기 때문에 많은 전력이 소비된다.

이상에서 설명한 여러 가지 적용분야 중에서, 본 발명은 고정환경 내지 일정한 범위를 가진 제한적인 이동환경에서 동시에 여러 단말을 충전하는 경우, 무선전력전송장치에서 동시에 여러 개의 무선충전용 단말을 충전할 때, 부하의 변화에 따라 자동으로 적응하여 부하에 전력을 전달하는 파워를 조정할 수 있도록 함으로써, 수신측의 요구사항에 따라 혹은 수신측의 상황에 따라 송신측에서 자동으로 충전을 위한 전력송신의 세기를 조절할 수 있도록 하고자 한다.

다음으로 본 발명의 기술 분야에 존재하는 선행기술에 대하여 간단하게 설명하고, 이어서 본 발명이 상기 선행기술에 비해서 차별적으로 이루고자 하는 기술적 사항에 대해서 기술하고자 한다.

먼저 국제공개특허 WO2017-034154 A1호(2017.03.02.)는 무선 전력 송신 장치 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 충전 패드상의 상기 수신기의 위치를 감지하는 제1 센서, 수신기의 위치에 대응되는 적어도 하나의 무선 전력 송신기로 전력을 다중화하여 공급하기 위한 다중화부 및 다중화된 전력을 적어도 하나의 무선 전력 송신기 별 전력 전송 효율에 기초하여 전력을 제어한다.

상기 선행기술에는 전력전송효율에 기초하여 전력을 제어하는 것이며, 상기 전송효율은 품질지수 Q=(WL/R)가 높을수록 전력효율이 높다. 또한 다른 실시예에서 수신측의 전류의 세기를 측정하여 송신측으로 피드백 함으로써, 무선 전력 송신기의 전력제어를 수행할 수 있다.

따라서 상기 선행기술은 전력전송효율과 수신측의 전류의 세기에 따라 전력제어를 수행하는 것이나, 본 발명은 전력송신측에서 바로 전력수신측으로 흐르는 전류를 체크하여 수신측의 상황을 판단하고 전력제어를 수행하는 것이므로, 양 발명의 차이점은 분명한 것이다.

또한 한국공개특허 KR20180019729A호(2018.02.26.)는 무선전력전송 시스템 핸드오프 및 부하 밸런싱을 위한 기술에 관한 것으로, 무선 전력 전달 환경에서 다수의 무선 전력 전송 시스템을 통해 무선 전력 수신기 클라이언트를 부하(load) 밸런싱하는 기술을 제시한다.

상기 선행기술은 무선전력전송 시스템 부하 밸런싱에 관한 것으로, 송신기 부하 정보에 적어도 부분적으로 기초하여 적어도 2개의 무선전력전송 시스템 간의 부하 불균형을 검출하여, 부하 불균형을 개선하기 위한 것으로, 본 발명의 무선전력전송 측에서 부하의 상태를 측정하고 이를 이용하여 부하로 전송할 송신전력의 세기를 자동 조정하는 것과 그 기술적 특징에 차이점이 분명하게 존재한다.

본 발명은 일 실시예는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창작 된 것으로서, 무선전력전송에서 송신전력세기의 자동 조정을 통한 효율적인 무선충전 방법 및 그 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 무선전력전송을 통해 복수의 부하에 전력을 전송하여 충전하고자 하는 경우, 무선전력전송장치에서 각 무선전력수신장치로의 전력송신을 위한 파워를 조정하여 균등하게 하거나 전력수신측의 니즈에 따라 송신전력의 세기를 조정하여 효율적으로 무선충전을 수행하는 방법 및 그 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 무선전력전송장치에서 다양한 부하의 상태변화에 대응하기 위해서 무선전력송신 측에서 스스로 부하로 흘러가는 전류를 측정한 다음 해당 전류의 수치를 분석하여 무선전력수신장치로 송신할 전력의 세기를 조정하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력송수신 장치는, 무선전력송신기에서 복수의 무선전력수신기 각각으로 커플링되어 제공되는 전력으로 인한 전류를 측정하는 전류측정부, 상기 무선전력송신기에서 특정 상기 무선전력수신기로 상기 측정한 전류를 이용하여 송신전력의 세기를 결정하는 송신전력제어부, 및 상기 결정한 송신전력의 세기에 따라 송신전력을 구동하는 송신전력구동부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서 상기 무선전력수신기는, 상기 커플링을 통해서 상기 제공된 전력을 수신하여 정류하는 정류기, 상기 정류한 전압을 DC/DC변환하여 전력을 부하에 제공하는 DC/DC컨버터, 상기 무선전력수신기에서 온도를 측정하는 온도감지부, 및 상기 무선전력수신기에서 부하로 흐르는 전류를 측정하는 전류감지부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 송신전력제어부는, 절대적인 전류의 세기와 전류의 세기에 대한 변화율로 상기 무선전력수신기의 온도를 예측하여 송신전력의 세기를 결정하되, 상기 전류의 세기와 전류의 세기에 대한 변화율이 모두 클수록, 해당 부하의 용량이 큰 것으로 판단하며, 무선전력수신기의 온도 상승으로 예측하고, 해당 부하 혹은 무선전력수신기로 전류가 적게 흐르도록 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 송신전력제어부는, 상기 전류의 세기에 대한 변화율이 클수록 미분을 통해서 미래에 다다를 전류의 세기를 예측하며, 상기 다다를 전류의 세기에 해당하는 온도를 예측하여, 미리 해당 온도에 다다르지 않도록 함으로써, 과열을 미리 예방하도록 전류의 흐름을 제한하는 것을 포함한다.

또한 상기 송신전력제어부는, 상기 무선전력수신기의 온도감지부에서 측정한 온도 및 상기 전류감지부에서 감지한 전류를 통해서 절대적인 전류의 세기와 전류의 세기에 대한 변화율로 상기 무선전력수신기의 온도를 예측하여 송신전력의 세기를 결정하되, 상기 전류의 세기와 전류의 세기에 대한 변화율이 모두 클수록, 해당 부하의 용량이 큰 것으로 판단하며, 무선전력수신기의 온도 상승으로 예측하고, 해당 부하 혹은 무선전력수신기로 전류가 적게 흐르도록 제어하는 것을 특징으로 한다.

한편 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 무선전력송수신 방법은, 무선전력송신기에서 복수의 무선전력수신기 각각으로 커플링되어 제공되는 전력으로 인한 전류를 측정하는 전류측정단계, 상기 무선전력송신기에서 특정 상기 무선전력수신기로 상기 측정한 전류를 이용하여 송신전력의 세기를 결정하는 송신전력제어단계, 및 상기 결정한 송신전력의 세기에 따라 송신전력을 구동하는 송신전력구동단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 송신전력세기의 자동 조정을 통한 무선전력송수신 밸런싱 방법 및 그 장치를 제시하고자 한다. 상기 무선전력전송을 통해 복수의 부하에 전력을 전송하여 충전하고자 하는 경우, 무선전력전송장치에서 각 무선전력수신기로의 전력송신을 위한 파워를 조정하여 균등하게 하거나 전력수신측의 니즈에 따라 송신전력의 세기를 조정하여 효율적으로 무선충전을 수행하는 것이 가능한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력송수신 개념을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력송신기에서 무선전력수신기로의 송신전력세기를 자동으로 조정하여 효율적인 무선충전을 수행하는 방법 및 그 장치에 대한 개념을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력송신기에서 복수의 무선전력수신기로 송신전력세기를 제어하는 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력송신기와 복수의 무선전력수신기를 통신채널로 연결하는 토폴로지를 제시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력송신기에서 무선전력수신기의 온도를 예측하여 미리 전류의 세기를 제어하는 개념도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력송신기의 구조를 나타낸 블록도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력수신기의 구조를 나타낸 블록도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력송수신 과정을 나타낸 흐름도이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 무선전력전송에서 송신전력세기의 자동 조정을 통한 효율적인 무선충전 방법 및 그 장치에 대하여 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다. 또한 본 발명의 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는 것이 바람직하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력송수신 개념을 나타낸 도면이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 무선전력송수신의 개념은 전력송신부에 구비된 무선전력송신기(100)에서 안테나나 커플링 디바이스(10)를 통해서 전력을 송신하면, 전력수신부에 구비된 안테나나 커플링 디바이스(20)를 통해서 무선전력수신기(200)가 전력을 수신하여 부하(30)에 전달한다.

예를 들어, 무선전력송신기(100)는 공진식 전력전송의 경우 상용 전원(Vs)(100V 혹은 200V)을 입력받아 정류하고, 정류한 전원을 고주파 전원으로 변환한 다음 공진회로를 구성하여 안테나(혹은 공진코일)나 커플링 디바이스를 통해서 고주파 전력을 송신한다. 고주파 전력은 안테나 혹은 커플링 디바이스를 통과하여 수신측의 안테나 혹은 커플링 디바이스와 공진결합을 이루게 된다. 공진을 형성하게 되면, 제공된 전압에 비해서 수배에 달하는 전압이 수신측에 전달될 수 있다. 수신측의 무선전력수신기(200)에서는 공진전압을 적절히 레귤레이션하고 정류하여 부하에서 필요로 하는 전압으로 변환한 다음 부하에 전력을 공급한다.

무선전력송신기(100)와 무선전력수신기(200) 사이의 거리는 안테나 혹은 커플링 디바이스의 크기와 방향에 따라 달라지는데, 통상적으로 공진식 전력전송의 경우 안테나의 크기에 따라 달라지겠지만, 수 미터까지 복수의 제품에 대해서 전력을 전송하는 것이 가능하다.

무선전력송신기(100)와 무선전력수신기(200) 사이의 결합원리에 따라 공진식, 유도결합 혹은 정전결합에 의한 전력의 송수신이 가능하다. 따라서 필요한 방식에 따라 해당 커플링 디바이스가 구비되어야 한다. 즉, 공진, 유도결합, 정전결합 또는 이들의 조합을 포함하는 수단으로 전력을 송수신하는 것이 가능하다.

따라서 본 발명에서는 정전식, 유도결합 또는 정전결합 중 적어도 하나 이상의 방식으로 전력을 전송할 수 있다. 유도결합의 경우 송신부와 수신부의 코일이 가까운 거리에서 자장을 형성함으로써, 전력이 전달되는 구조이므로, 송신부와 수신부가 매우 가깝게 위치하여야 한다. 반면에 공진식의 경우 송신부와 수신부 간에 코일이나 안테나를 통해서 공진회로가 형성되도록 구성하는 것으로, 안테나나 코일의 크기에 따라 상당한 거리를 유지한채로 전력을 송수신하는 것이 가능하다. 따라서 공진식 전력전송 기법이 거리에 있어서 확장성이 뛰어나다. 한편, 정전결합의 경우, 금속판을 송신부와 수신부 사이에 설치하여 양 금속판 사이에서 전계가 형성되고, 이를 통해서 전력이 송수신되는 구조이다.

따라서 전력을 송수신하고자 하는 환경이나 효율성에 따라 정전식, 유도결합 또는 정전결합 중 어느 하나를 선택하여 사용하거나, 이들을 혼용하여 전력송수신장치를 구성할 수 있다.

이하에서는 본 발명에 따른 무선전력송신기와 무선전력수신기 사이의 송신전력에 대한 세기를 조정하는 방법에 대해서 설명하고자 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력송신기에서 무선전력수신기로의 송신전력세기를 자동으로 조정하여 효율적인 무선충전을 수행하는 방법 및 그 장치에 대한 개념을 나타낸 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 무선전력송신기(100)와 무선전력수신기(200)는 통신기능을 구비하여, 무선전력수신기(100)에서 부하(30)의 충전상태, 전류, 또는 온도에 따라 해당 정보를 무선전력송신기(100)로 제공하여 무선전력송신기(100)에서 상기 정보를 토대로 송신전력의 세기를 결정하도록 한다.

도 2(a)에서는 무선전력송신기(100)와 무선전력수신기(200) 사이에 별도의 통신채널을 구비하여 전력수신부의 상태에 따라 전력송신부의 송신전력세기를 결정하도록 하는 것을 나타내었다.

반면에, 도2(b)에 도시된 바와 같이, 무선전력전송기(100)에서 자체적으로 무선전력수신기(200)로 전류가 얼마나 흘러가는지 모니터링한 다음 전류의 세기에 따라 송신전력의 세기를 제어하는 방법이다. 이 경우에는 무선전력수신기(200)가 무선전력송신기의 특정 안테나 혹은 커플링 디바이스와 결합하여 많은 전력을 끌어 당기는 경우, 무선전력송신기(100)는 이를 모니터링하고 있다가 해당 무선전력수신기(200) 쪽으로는 많은 전력을 공급하고, 그렇지 않은 쪽으로는 상대적으로 적거나 통상적인 레벨의 전력만 공급하도록 제어할 수 있다.

복수의 무선전력수신기(200) 중 어느 하나가 많은 전력을 필요로 한다면, 해당 수신기에는 많은 전력을 공급해 주어 단시간에 충전을 할 수 있도록 제어할 수 있으나, 이는 제어의 로직에 따라 반드시 그렇게 하여야 하는 것은 아니다. 필요에 따라 사용자가 제어 인터페이스 UI(User Interface)로 쾌속 충전을 요구한다면, 전류의 세기와 무관하게 무선전력송신기(100)에서 송신전력의 세기를 높게 설정하여 짧은 시간에 많은 전력을 공급할 수도 있다.

본 발명에서는 무선전력수신기와 부하가 하나로 통합되어 단말을 구성하고 있을 수도 있으며, 복수의 무선전력수신기 각각에 충전용 배터리를 연결하여 충전할 수 있도록 구성하는 것이 가능하다.

따라서 무선전력송신기에서 무선전력수신기로 전력을 전송할 때, 송신전력의 세기를 조정하는 방법이 무선전력수신부로부터 통신수단을 통해 상태정보를 수신하고 그에 따라 조정하는 방법과, 무선전력송신부에서 자체적으로 판단하여 송신전력의 세기를 제어하는 방법이 있다. 상기 자체적으로 판단하는 것은 특정 전력수신기(200)와 결합된 디바이스로 흐르는 전류를 측정하여 전류가 많이 흐르면 전력공급을 위한 환경, 즉 공급하는 전력의 세기를 높여주고, 전류가 많이 흐르지 않으면, 전력의 세기를 상대적으로 낮춰준다. 다만, 상기 전력의 세기는 시간에 따라 상기 전류의 흐름에 대한 변화에 따라 증가하는 속도가 크면 이에 비례하여 전력의 세기를 높여주고, 증가하는 속도가 작으면 전력의 세기를 크게 하지 아니한다.

따라서 시간에 따른 전류의 변화에 따라 공급전력의 세기를 결정하도록 한다. 이는 시간에 따른 전류의 세기를 모니터링하고, 그 변화를 미분한 다음 그 정도(기울기)에 따라 공급하는 전력의 세기를 결정한다.

이하에서는 무선전력송수신을 통해 복수의 부하에 전력을 공급하는 구조에 대해서 설명하고자 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력송신기에서 복수의 무선전력수신기로 송신전력세기를 제어하는 개념을 설명하기 위한 도면이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 무선전력송신기(100)와 복수의 무선전력수신기(200)가 상호 결합하여 부하에 무선으로 전력을 공급함에 있어서, 방사형, 사각형, 일직선 등 다양한 형태로 배열하는 것이 가능하다. 여기서 무선전력송신기에서는 복수의 안테나 또는 커플링 디바이스로부터 전력이 송출되도록 하고, 복수의 무선전력수신기에서는 전류를 측정하여 각각이 구비한 안테나 또는 커플링 디바이스로 전달되는 전력의 크기를 환산하고, 수신한 전력이 부족하면 더 송신해 줄 것을 요청하고, 무선전력송신기(100)는 상기 요청에 따라 송신 전력의 세기를 결정하고 또한 그렇게 제공할 수 있다. 이 과정에서 복수의 무선전력수신기(200)로 전력을 공급함에 있어서 송신전력의 세기를 조정하여 골고루 충전이 되도록 한다. 즉, 송신전력에 대한 밸런싱이 이루어진다.

한편, 무선전력송신기(100)에서 각 무선전력수신기(200)로 흐르는 전류를 측정하여 전류의 흐름이 많으면 전력의 세기를 높여주고, 적으면 상대적으로 전력의 세기를 낮춰 준다. 이러한 전력의 세기에 대한 조정은 전류의 흐름이 시간에 따라 얼마나 급격하게 변하는지 여부에 따라 비례하여 해당 전력의 세기를 추가로 결정할 수 있다. 즉, 급격하게 변하면 가까운 장래에 많은 전력이 소요될 것이 예상되므로 선도적으로 많은 전력을 공급해 주고, 반대로 전류의 변화가 별로 없으면, 오히려 전력의 세기를 이전에 공급하던 세기로 유지하거나 미세하게만 높거나 낮게 변경해 주어, 송신전력의 세기에 대한 밸런싱을 수행한다.

또한 무선전력송신기와 복수의 무선전력수신기(200)가 서로 방사형, 사각형, 일직선으로 접속하는 경우에, 통신수단을 얼마나 효율적으로 배치하고 연결하는지가 매우 중요한 이슈이다. 예를 들어, 방사형으로 무선전력수신기(200)를 배치할 경우, 복수의 무선전력수신기(200)에서는 연결할 경우 각 무선전력수신기(200)는 가까운 곳에 위치하므로, 무선전력수신기 간에는 RS-232, RS-485 등 시리어 통신방식을 이용하여 링으로 묶을 수 있으며, 특정 하나의 무선전력송신기(100)와 무선전력수신기(200) 만 서로 유무선통신으로 연결되어 교신을 하도록 할 수 있다.

이 경우, 무선전력수신기(200)는 와이어링을 통해서 서로 묶여 있을 수 있으며, 복수의 무선전력수신기(200) 중 하나가 무선전력송신기(100)와 교신할 수 있도록 구성함으로써, 통신모듈을 각 무선전력수신기(200)에서 구비하지 않아도 되기 때문에 비용 측면에서 저렴하게 무선전력송신기를 구성할 수 있다.

무선전력송신기(100)와 복수의 무선전력수신기(200)는 이상에서 설명한 바와 같이 방사형 혹은 사각형으로 배치할 경우 링구조로 연결할 수 있으며, 일직선으로 배치할 경우 버스와 같이 복수의 무선전력수신기(200)를 연결할 수 있다. 버스로 연결하는 경우 버스의 양단에 터미네이터를 연결하는 것이 바람직하다.

한편 하나의 무선전력송신기(100)와 복수의 무선전력수신기(200)가 허브에 연결되도록 구성하는 것도 가능하다. 이 경우에는 무선전력송신기와 무선전력수신기가 허브에 연결되므로, 취급과 설치가 매우 간단한 장점이 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력송신기와 복수의 무선전력수신기를 통신채널로 연결하는 토폴로지를 제시한 도면이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 무선전력전송기(100)와 복수의 무선전력수신기(200)를 연결함에 있어서, (a) 무선전력전송기(100)와 주된 무선전력수신기(200) 사이에 통신채널을 확보하고, 나머지 무선전력수신기(200)들은 저렴한 통신 수단으로 묶어주는 형태이다. 이 경우에는 무선전력수신기(200)가 비교적 가까운 거리에 있고, 이들 사이에는 통신회선이 RS-232나 RS-485와 같은 시리얼 통신으로 연결되도록 하며, 각 무선전력수신기는 하나의 디바이스로 인식하도록 하면, 저렴하게 무선전력송신기와 복수의 무선전력수신기를 통신채널로 묶을 수 있다.

(b) 또한 무선전력송신기(100)와 무선전력수신기(200)를 스타형으로 묶어서 연결할 수도 있는데, 이 방법은 상당히 비효율적인 방법이다. 그러나 제어하기에는 매우 편리하다. (c) 무선전력송신기(100)와 복수의 무선전력수신기(200)를 연결하기에 매우 편한 또 하나의 방법이 허브를 두고, 허브에 무선전력송신기(100)와 무선전력수신기(200)를 연결하는 방법이다. 이 방법은 간단하게 설치하고 운영할 수 있으며, 허브가 복수의 포트들 사이에서 데이터를 송수신하도록 스위칭하는 역할을 한다. 따라서 허브와 같은 추가적인 장치가 필요하다.

(d) 또한 버스형이 있는데, 이 방법은 무선전력송신기와 무선전력수신기가 버스에 연결되어 있는 것이며, 이 경우 무선전력송신기와 무선전력수신기 각각은 데이터에 대한 송수신을 각 무선전력송신기와 무선전력수신기에 할당된 ID로 각각의 노드를 식별하고 통신을 수행한다.

이와 같이 별도의 통신모듈을 구비하여 전력송수신장치를 구성하면, 장치가 복잡해진다는 것을 알 수 있다. 따라서 본 발명에서는 이러한 통신모듈을 가급적 최소화하고자 한다. 이를 위해서 전류의 측정을 무선전력송신기에서 수행하고, 이로부터 무선전력수신기의 상태를 예측하여 해당 수신측으로의 송신전력의 세기를 제어하고자 한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력송신기에서 무선전력수신기의 온도를 예측하여 미리 전류의 세기를 제어하는 개념도이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 전류의 세기는 시간에 따라서 변화한다. 이러한 전류의 절대적인 세기와 전류의 세기에 대한 변화정도로부터 무선전력송신부에서 무선전력수신부로의 송신전력에 대한 세기를 제어한다.

구체적으로는 무선전력송신기에서 복수의 안테나 또는 커플링 디바이스를 구비하고 있는데, 먼저 각 안테나 혹은 커플링 디바이스로 흘러가는 전류를 측정한다. 상기 측정한 결과를 이용하여 해당 안테나 혹은 커플링 디바이스에 결합된 무선전력수신기의 상태와 부하의 상태를 예측한다.

특정 무선전력수신기와 상기 무선전력수신기에 접속된 부하의 상태를 예측하는 것은, 이들로 흘러들어가는 전류의 세기와 전류의 세기에 대한 변화에 따라 영향을 받는다.

전류의 세기와 전류의 세기에 대한 변화가 모두 크면, 해당 부하의 용량이 큰 것으로 판단되며, 따라서 해당 부하로 전력을 전달하는 무선전력수신기에 과부하가 걸릴 가능성이 증가한다. 이 경우 무선전력수신기의 온도 상승이 예상되고 이는 미리 저장된 정격부하와 비교하여 그 정도가 얼마나 차이가 나는지에 따라 온도 파라미터를 설정하여 두었다가 이를 체크하여 무선전력수신기의 온도를 예측한다.

무선전력수신기에 흐르는 전류의 세기에 대해서 시간이 흐름에 따라 발생하는 열을 미리 수치화하여 저장해둔다. 이에 따라 온도가 높게 올라가는 것으로 예측이 되면, 해당 부하 혹은 무선전력수신기로 전류가 적게 흐르도록 제어한다.

또한 전류의 세기에 대한 변화를 보고, 전류의 변화가 크면 클수록 미분을 통해서 일정 시간이 지난 다음에 다다를 전류의 세기를 예측할 수 있기 때문에, 미리 전류의 세기를 예측하고 향 후 다다를 전류의 세기에 해당하는 온도를 예측하고 미리 해당 온도에 다다르지 않도록 함으로써, 과열을 미리 예방하도록 전류의 흐름을 제한한다. 물론 전류의 세기가 줄어드는 경우에는 해당 무선전력수신기와 부하에 나쁜 영향이 없으므로, 전류의 세기를 선도적으로 제어할 필요가 없다.

이어서 본 발명에 따른 무선전력송신기와 무선전력수신기에 대한 구체적인 블록도로부터 각각의 동작을 설명하고자 한다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력송신기의 구조를 나타낸 블록도이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 무선전력송신기(100)는 송신전력구동부(110), 증폭부(120), 제어부(130), 유무선통신부(140), 전력량측정부(150) 및 전류측정부(160)를 포함하여 구성된다. 여기에 커플링 디바이스(10)가 추가로 구비될 수 있다.

먼저 송신전력구동부(110)는 무선전력송신부(100)에서 상용전원(Vs)을 정류하여 고주파로 스위칭하여 출력하는 기능을 수행하며, 부가적으로 송신전력을 구동하는데 필요한 스위치나 공진을 일으키기 위한 공진회로 등을 포함한다.

상기 증폭부(120)는 상기 전류측정부(160)에서 측정된 전류를 송신전력제어부(150)를 통해서 제어할 파라미터를 결정하고, 상기 제어 파라미터로 상기 송신전력구동부(110)에서 증폭부(120)의 증폭정도를 제어하게 된다.

상기 제어부(130)는 유무선통신부(140)를 통해 사용자와 교신한 결과 및 무선전력수신부(200)와 교신한 결과를 송신전력구동부(110)를 통해 제어를 수행한다.

상기 제어부(130)는 무선전력수신부(200)로부터 제공받은 온도, 전류 및 사용자 요구사항을 반영하여 상기 송신전력제어부(150)와 유사한 기능을 수행하는 부분이 존재할 수 있다. 무선전력송신부(100)와 무선전력수신부(200) 사이에 통신채널이 확보되면, 상기 온도는 무선전력수신기(200)에서 직접적으로 측정할 수 있기 때문에 별도의 예측과정이 필요치 않으며, 상기 무선전력수신부(200)에서 측정된 온도 및 전류 또는 사용자의 충전시간과 같은 요구사항을 반영하여 송신전력의 세기를 제어할 수 있다.

상기 전류측정부(160)는 증폭부(120)와 커플링 디바이스(10) 사이에서 해당 커플링 디바이스(10)에서 무선전력수신기(200)의 커플링 디바이스(20)로 흐르는 전류를 측정하여 그 결과로 송신전력제어부(150)를 통해서 송신전력제어를 수행한다.

상기 송신전력제어는 도 5에서 설명한 바와 같이 전류의 세기와 전류의 세기에 대한 변화율로부터 증폭부에서 제어할 전력을 결정하게 된다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력수신기의 구조를 나타낸 블록도이다.

도 7에 도시된 바와 같이, 무선전력수신기(200)는 정류부(210), DC/DC컨버터(220), 제어부(240), 온도/전류감지부(250) 및 유무선통신부(230)를 포함하여 구성된다. 부가적으로 커필링 디바이스(20)를 더 포함할 수 있다.

상기 커플링 디바이스(20)를 통해서 무선전력송신기(100)로부터 전력을 수신하면, 예를 들어 공진식의 경우 공진으로 인한 전압이 매우 높게 구동된다. 고주파 교류로 공진된 입력은 정류부(210)를 통해서 정류된 다음 높은 전압을 DC/DC컨버터(220)를 통해서 낮춘 다음 부하(30)에 공급한다. 부하가 충전기인 경우, DC/DC컨버터(220)를 통해서 부하에 전력을 충전한다.

상기 제어부(240)는 유무선통신부(230)를 통해 사용자의 요구사항을 입력받고, 온도/전류감지부(250)에서 측정한 결과를 무선전력송신부(100)로 제공하여, 무선전력송신부(100)에서 송신전력의 세기를 제어하도록 한다. 또한 상기 제어부(240)는 정류부(210) 및 DC/DC컨버터(220)에서 과전압이 유도되는 경우 이를 체크하여 차단하는 것을 제어할 수 있다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력송수신 과정을 나타낸 흐름도이다.

도 8에 도시된 바와 같이, 무선전력송수신 과정은, 먼저 사용자에 의해서 무선전력전송을 위한 조건이 제공되면 이에 따라 제어를 수행하도록 하며, 또한 무선전력송신기(100)에서 특정 무선전력수신기(200)로 흐르는 전류를 측정하여 제어할 송신전력을 결정하고, 이를 토대로 증폭부에서 증폭할 전력을 결정하여 송신전력의 구동을 제어한다.

즉, 무선전력송신기에서 복수의 무선전력수신기 각각으로 커플링되어 제공되는 전력으로 인한 전류를 측정한다(S100).

여기서 상기 전류의 세기와 전류의 세기에 대한 변화량을 토대로 제어할 송신전력을 결정하고, 증폭의 정도를 제어하는 과정은 도 5에 나타난 바와 같다(S200).

즉, 무선전력송신기에서 특정 상기 무선전력수신기로 상기 측정한 전류를 이용하여 송신전력의 세기를 결정하고, 절대적인 전류의 세기와 전류의 세기에 대한 변화율로 무선전력수신기의 온도를 예측하여 송신전력의 세기 결정한다. 상기 전류의 세기와 전류의 세기에 대한 변화율이 모두 클수록, 해당 부하의 용량이 큰 것으로 판단하며, 무선전력수신기의 온도 상승으로 예측하고, 해당 부하 혹은 무선전력수신기로 전류가 적게 흐르도록 제어한다(S200). 이어서 상기 결정한 송신전력의 세기에 따라 송신전력을 구동한다(S300).

이렇게 송신된 전력은 다시 무선전력수신기(200)에서 수신하여 정류 및 DC/DC변환한 다음 부하에 제공한다.

이 과정에서 무선전력수신기(200)의 제어부(240)에서 온도/전류 측정결과와 유무선통신부(230)를 통해서 수신한 사용자의 충전요구사항(충전시간 등)을 제어부에서 수집하여 무선전력송신기(100)로 제공한다. 이 과정에서 상기 제어부(240)는 정류부(210) 및 DC/DC컨버터(220)에 과전압이 유도되는 경우 이를 차단하도록 제어할 수 있다.

이상에서 설명하였듯이, 본 발명은 무선전력전송에서 송신전력세기의 자동 조정을 통한 효율적인 무선충전 방법 및 그 장치를 제시하고자 한다. 상기 무선전력전송을 통해 복수의 부하에 전력을 전송하여 충전하고자 하는 경우, 무선전력전송장치에서 각 무선전력수신기로의 전력송신을 위한 파워를 조정하여 균등하게 하거나 전력수신측의 니즈에 따라 송신전력의 세기를 조정하여 효율적으로 무선충전을 수행하는 것이 가능한 효과가 있다.

상기에서는 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 위주로 상술하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니며 본 발명의 각 구성요소는 동일한 목적 및 효과의 달성을 위하여 본 발명의 기술적 범위 내에서 변경 또는 수정될 수 있을 것이다.

또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.

100 : 무선전력송신기 200 : 무선전력수신기
10, 20 : 커플링 디바이스 30 : 부하
110 : 송신전력구동부 120 : 증폭부
130 : 제어부(무선전력송신기) 140, 230 : 유무선통신부
150 : 송신전력제어부 160 : 전류측정부
210 : 정류부 220 : DC/DC컨버터
240 : 제어부(무선전력수신기) 250 : 온도/전류감지부

Claims (10)

1. 무선전력송신기에서 복수의 무선전력수신기 각각으로 커플링되어 제공되는 전력으로 인한 전류를 측정하는 전류측정부;
   상기 측정한 전류를 이용하여 상기 복수의 무선전력수신기로의 송신전력의 세기를 결정하는 송신전력제어부; 및
   상기 결정한 송신전력의 세기에 따라 송신전력을 구동하는 송신전력구동부;를 포함하며,
   상기 송신전력제어부는,
   상기 무선전력수신기로 흘러가는 전류의 세기와 전류의 세기에 대한 변화율로 상기 무선전력수신기의 온도 상태를 예측하여, 상기 무선전력수신기로 공급되는 전력의 세기를 결정하되, 상기 전류의 세기와 전류의 세기에 대한 변화율이 모두 클수록 상기 무선전력수신기에 접속된 부하의 용량이 큰 것으로 판단하여, 상기 무선전력수신기의 온도 상승을 예측하고, 상기 무선전력수신기로 전류가 적게 흐르도록 제어하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력송수신 장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 무선전력수신기는,
   상기 커플링을 통해서 상기 무선전력송신기로부터 제공된 전력을 수신하여 정류하는 정류기;
   상기 정류한 전압을 DC/DC변환하여 전력을 상기 부하에 제공하는 DC/DC컨버터;
   상기 무선전력수신기의 온도를 측정하는 온도감지부; 및
   상기 무선전력수신기에서 상기 부하로 흐르는 전류를 측정하는 전류감지부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력송수신 장치.
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 송신전력제어부는,
   상기 전류의 세기에 대한 변화율에 따라 미래의 전류의 세기를 예측하고, 상기 예측한 미래의 전류의 세기에 해당하는 온도를 예측하며, 상기 예측한 온도가 미리 설정된 기준에 도달하지 않도록 전류의 흐름을 제한함으로써, 과열을 예방하도록 하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력송수신 장치.
5. 삭제
6. 삭제
7. 무선전력송신기에서 복수의 무선전력수신기 각각으로 커플링되어 제공되는 전력으로 인한 전류를 측정하는 전류측정단계;
   상기 무선전력송신기에서 상기 측정한 전류를 이용하여 상기 복수의 무선전력수신기로의 송신전력의 세기를 결정하는 송신전력제어단계; 및
   상기 결정한 송신전력의 세기에 따라 송신전력을 구동하는 송신전력구동단계;를 포함하며,
   상기 송신전력제어단계는,
   상기 무선전력수신기로 흘러가는 전류의 세기와 전류의 세기에 대한 변화율로 상기 무선전력수신기의 온도 상태를 예측하여, 상기 무선전력수신기로 공급되는 전력의 세기를 결정하되, 상기 전류의 세기와 전류의 세기에 대한 변화율이 모두 클수록 상기 무선전력수신기에 접속된 부하의 용량이 큰 것으로 판단하여, 상기 무선전력수신기의 온도 상승을 예측하고, 상기 무선전력수신기로 전류가 적게 흐르도록 제어하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력송수신 방법.
8. 삭제
9. 청구항 7에 있어서,
   상기 송신전력제어단계는,
   상기 전류의 세기에 대한 변화율에 따라 미래의 전류의 세기를 예측하고, 상기 예측한 미래의 전류의 세기에 해당하는 온도를 예측하며, 상기 예측한 온도가 미리 설정된 기준에 도달하지 않도록 전류의 흐름을 제한함으로써, 과열을 예방하도록 하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력송수신 방법.
10. 삭제

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