KR102187437B1

KR102187437B1 - 무선전력 전송 장치를 구비한 무선전력전송 시스템

Info

Publication number: KR102187437B1
Application number: KR1020140028607A
Authority: KR
Inventors: 박재희
Original assignee: 엘지이노텍 주식회사
Priority date: 2014-03-11
Filing date: 2014-03-11
Publication date: 2020-12-08
Also published as: KR20150106274A; US10566825B2; CN109936224A; WO2015137729A1; US10218208B2; US20190165596A1; US20170018951A1; CN106233560A; EP3121931B1; EP3121931A1; CN106233560B; CN109936224B; EP3121931A4

Abstract

본 발명에 따른 실시예는 직류-직류 변압기의 출력 전압의 오차를 줄이는 동시에 전력 전송 방식과 효율에 따라서 출력 전압의 크기를 가변 시킬 수 있는 무선전력전송 시스템을 제공할 수 있고, 제어부의 출력 제어 포트를 가변적으로 제어함으로써, 직류-직류 변압기의 특성에 관계없이 직류-직류 변압기의 출력을 능동적으로 제어할 수 있는 무선전력전송 시스템을 제공할 수 있다.

Description

무선전력 전송 장치를 구비한 무선전력전송 시스템{Wireless Power Transfer System including Wireless Power Transfer System-Charger}

본 발명은 무선전력전송 송신 장치를 구비한 무선전력전송 시스템에 관한 발명이다.

무선전력전송(Wireless Power Transfer; WPT) 시스템은 공간을 통하여 선 없이 전력을 전달하는 기술로써, 모바일(Mobile) 기기 및 디지털 가전 기기들에 대한 전력 공급의 편의성을 극대화한 기술이다.

무선전력전송 시스템은 실시간 전력 사용 제어를 통한 에너지 절약, 전력 공급의 공간 제약 극복 및 배터리 재충전을 이용한 폐 건전지 배출량 절감 등의 강점을 지닌다.

무선전력전송 시스템의 구현 방법으로써 대표적으로 자기유도방식과 자기공진방식이 있다.

자기유도방식은 두 개의 코일을 근접시켜 한쪽의 코일에 전류를 흘려 그에 따라 발생한 자속을 매개로 하여 다른 쪽의 코일에도 기전력이 발생하는 비접촉 에너지 전송기술로써, 수백 khz의 주파수를 사용할 수 있다.

자기 공진 방식은 전자파나 전류를 이용하지 않고 전장 또는 자장만을 이용하는 자기 공명 기술로써 전력 전송이 가능한 거리가 수 미터 이상으로써, 수십 MHz의 대역을 이용하는 것이 특징이다.

이러한 무선전력전송 시스템은 직류 전원을 필요로 한다.

무선전력전송 시스템에 적정한 전원을 공급해주는 전원 공급기로는 직류-직류 컨버터, 교류-직류 전원공급기, 직류-교류 인버터 등이 있다.

전원 공급기는 고효율과 저비용을 충족시키는 방향으로 설계되고 있으며, 필요한 전압의 높낮이로 바꾸어 주기 위하여 다양한 방식이 구조가 개발되고 있다.

무선전력전송 시스템에서는 전력을 전송하는 송신 장치와 전력을 수신하는 수신 장치 간에 전력 전송 효율이나 임피던스 매칭, 타켓 수신 장치의 결정 등에 있어서 전원 공급기의 전압의 높낮이로 바꾸어 무선전력전송 시스템이 필요로 하는 전압을 생성하는 것이 중요하다.

다만 종래에는 송신 장치 및 수신 장치에 포함된 코일의 전압이나 전류를 센싱하는 회로와 송신 장치 및 수신 장치 간의 상호 통신에 따라 전압의 높낮이를 제어하는 회로가 별도로 구비되면서 시스템의 부피가 증가하고 회로의 복잡도가 증가하는 문제가 있었다.

특히 일정한 전압을 출력하기 위한 직류-직류 컨버터에 있어서, 전압을 가변 시키기 위하여 컨버터 내의 소자 값들을 변경해야 했고, 이러한 이유로 회로의 복잡도가 높아지는 문제가 있었다.

본 발명에 따른 실시예는 직류-직류 변압기의 출력 전압의 오차를 줄이는 동시에 전력 전송 방식과 효율에 따라서 출력 전압의 크기를 가변 시킬 수 있는 무선전력전송 송신 장치를 구비한 무선전력전송 시스템을 제공한다.

또한 본 발명에 따른 실시예는 제어부의 출력 제어 포트를 가변적으로 제어함으로써, 직류-직류 변압기의 특성에 관계없이 직류-직류 변압기의 출력을 능동적으로 제어할 수 있는 무선전력전송 송신 장치를 구비한 무선전력전송 시스템도 제공한다.

본 발명의 실시예에 따른 무선전력 전송 장치는, 전원 공급부; 상기 전원 공급부에서 인가된 전력을 직류 전원으로 변환하는 변압부; 상기 변압부의 직류 전원의 크기를 조절하는 제어부; 상기 변압부는 직류-직류 변환기와 상기 직류-직류 변환기의 출력 전압을 피드백 받아, 상기 출력 전압을 조절하는 제어 유닛를 포함하고, 상기 제어 유닛은 상기 직류-직류 변환기의 상기 출력 전압을 분배하는 분배부를 포함하는 무선전력 전송 장치.

본 발명의 실시예에 따른 무선전력 전송 장치에서, 상기 제어 유닛은 상기 분배부로부터 출력되는 분압 전압에 기초하여 상기 직류 전원의 크기를 조절하는 무선전력 전송 장치.

본 발명의 실시예에 따른 무선전력 전송 장치에서, 상기 제어부는 상기 분압 전압을 조절하는 무선전력 전송 장치.

본 발명의 실시예에 따른 무선전력 전송 장치에서, 상기 제어 유닛은, 상기 분압 전압과 기준 전압을 비교하여 오차를 증폭하는 오차 증폭기;와 상기 오차 증폭기의 출력에 상응한 구형파 펄스를 출력하는 비교기;를 포함하는 무선전력 송 장치.

본 발명의 실시예에 따른 무선전력 전송 장치에서, 상기 분배부는, 상기 직류-직류 변환기의 출력 전압을 분압하여 상기 분압 전압을 상기 오차 증폭기로 제공하는 복수개의 저항을 포함하는 무선전력 전송 장치.

본 발명의 실시예에 따른 무선전력 전송 장치에서, 상기 제어부는 상기 분압 전압을 조절하는 출력 제어 포트를 구비한 무선전력 전송 장치.

본 발명의 실시예에 따른 무선전력 전송 장치에서, 상기 분배부는, 상기 직류-직류 변환기의 출력 단자와 상기 오차 증폭기와 연결된 제1 저항; 상기 오차 증폭기와 연결되어 접지된 제2 저항; 그리고 상기 오차 증폭기와 상기 출력 제어 포트 사이에 연결되는 제3 저항을 포함하는 무선전력 전송 장치.

본 발명의 실시예에 따른 무선전력 전송 장치에서, 상기 무선전력 전송 장치는 전송 안테나 시스템을 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 전송 안테나 시스템에 흐르는 전류를 기초로 상기 분압 전압을 조절하는 무선전력 전송 장치.

본 발명의 실시예에 따른 무선전력 전송 장치에서, 상기 제어부는 상기 무선전력 전송 장치와 상기 무선전력 전송 장치로부터 전력을 제공받는 무선전력 수신 장치 사이의 통신 정보를 기초로 상기 분압 전압을 조절하는 무선전력 전송 장치.

본 발명의 실시예에 따른 무선전력 전송 장치에서, 상기 직류-직류 변환기는

벅(Buck) 컨버터, 부스트(Boost) 컨버터 그리고 벅-부스트(Buck-Boost) 컨버터 중 어느 하나인 무선전력 전송 장치.

본 발명의 실시예에 따른 무선전력전송 시스템에서, 무선전력 전송 장치와 상기 무선전력 전송 장치로부터 전력을 제공받는 무선전력 수신 장치를 포함하는 무선전력전송 시스템으로써, 상기 송신부는 상기 변압부에 직류 전압을 제공하는 정류 및 필터부; 상기 변압부의 출력 전압을 교류 전압으로 변환하는 전력변환부; 그리고 상기 무선전력 전송 장치와 상기 무선전력 수신 장치간의 임피던스 매칭을 수행하는 송신측 매칭부를 더 포함하는 무선전력전송 시스템.

본 발명의 실시예에 따른 무선전력전송 시스템에서, 상기 무선전력 수신 장치는, 상기 무선전력 전송 장치와 상기 무선전력 수신 장치간의 임피던스 매칭을 수행하는 수신측 매칭부; 상기 무선전력 수신 장치의 안테나 시스템으로부터 출력되는 교류 전압을 정류하여 직류 전압을 생성하는 정류부; 그리고 상기 정류부로부터 출력되는 직류 전압의 레벨을 조절하는 수신측 변압기;를 포함하는 무선전력전송 시스템.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 무선전력전송 시스템의 송신 장치 및 수신 장치의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 변압부와 제어부를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 제어 유닛의 서브 시스템을 나타낸 도면이다.
도 4는 수신 장치의 검출에서 송신 장치로부터 수신 장치로 전력 전송까지의 단계를 나타낸 도면이다.
도 5는 송신측 안테나 시스템의 코일의 배치관계를 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명의 실시예에 의한 무선전력전송 송신 장치를 구비한 무선전력전송 시스템의 도면을 참고하여 상세하게 설명한다. 다음에 소개되는 실시 예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 장치의 크기 및 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조 번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

실시예는 무선 전력 전송을 위하여 저주파(50kHz)부터 고주파(15MHz)까지의 다양한 종류의 주파수 대역을 선택적으로 사용하며, 시스템 제어를 위하여 데이터 및 제어신호를 교환할 수 있는 통신시스템의 지원이 필요하다.

실시예는 배터리를 사용하거나 필요로 하는 전자기기를 사용하는 휴대단말 산업, 가전기기 산업, 전기자동차 산업, 의료기기 산업, 로봇 산업 등 다양한 산업분야에 적용될 수 있다.

실시예는 기기를 제공한 개의 송신 코일을 사용하여 한 개 이상의 다수기기에 전력 전송이 가능한 시스템을 고려할 수 있다.

실시예에서 사용되는 용어와 약어는 다음과 같다.

무선전력전송 시스템 (Wireless Power Transfer System): 자기장 영역 내에서 무선 전력 전송을 제공하는 시스템

송신 장치(송신부)(Wireless Power Transfer System-Charger): 자기장 영역 내에서 다수기기의 전력수신기에게 무선전력전송을 제공하며 시스템 전체를 관리하는 장치

수신 장치(수신부)(Wireless Power Transfer System-Deivce): 자기장 영역 내에서 전력송신기로부터 무선전력 전송을 제공받는 장치

충전 영역(Charging Area): 자기장 영역 내에서 실제적인 무선 전력 전송이 이루어지는 지역이며, 응용 제품의 크기, 요구 전력, 동작주파수에 따라 변할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 무선전력전송 시스템의 송신 장치 및 수신 장치의 블록도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 무선전력전송 시스템(10)은 무선으로 전력을 송신하는 송신 장치(100) 및 상기 송신 장치(100)로부터 전력을 제공받는 수신 장치(200)를 포함할 수 있다.

상기 수신 장치(200)는 복수개로 구성될 수 있고, 상기 송신 장치(100)와의 인증 절차를 거쳐 인증된 수신 장치(200)에 대해서 상기 송신 장치(100)는 전력을 제공할 수 있다.

송신 장치(100)의 서브 시스템의 블록도를 살펴보면, 송신 장치(100)의 서브시스템은 송신 전력 컨버터 시스템(101)과 전송 안테나 시스템(102)을 포함할 수 있다.

송신 전력 컨버터 시스템(101)은 다수의 서브 시스템을 포함할 수 있고, 상기 서브 시스템으로는 정류 및 필터부(110)와 변압부(120), , 전력변환부(130), 제어부(140) 및 매칭부(미도시)가 있다.

정류 및 필터부(110)는 다음 스테이지에서 사용될 직류(DC) 전압을 생성하고, 생성된 DC 전압은 변압부(120) 에 제공되고 이후 전송 안테나 시스템(120)에 공급될 전력이 된다.

상기 변압부(120)는 제어 신호를 기초하여 상기 정류 및 필터부(110)로부터 출력된 직류 전원의 레벨을 조절하는 역할을 하는 것으로써, 전력용 트랜지스터 등 반도체 소자를 스위치로 사용하여 직류 입력 전압을 구형파 형태의 전압으로 변환한 후 필터를 통하여 제어된 직류 출력 전압을 얻는 장치이다.

이때 직류 출력 전압의 제어는 스위치의 온(ON), 오프(OFF) 기간을 제어함으로써 이루어진다.

상기 변압부(120)의 동작은 직류 입력에서 직류 출력으로 변환을 기본으로 하므로 스위치모드파워서플라이(Switched-Mode Power Supply:SMPS), 직류-직류 변압기 또는 직류-직류 컨버터(DC-DC Converter)라고 부르기도 한다.

상기 변압부(120)는 출력 전압이 입력 전압보다 낮게 나타나는 벅(Buck) 컨버터, 출력 전압이 입력 전압보다 높게 나타나는 부스트(Boost) 컨버터, 위 두 가지 특성을 모두 가지는 벅-부스트(Buck-Boost) 컨버터의 세 종류 중 어느 하나의 특성을 가질 수 있다.

상기 변압부(120)는 출력하는 직류 전압의 레벨이 조절될 수 있고, 이러한 직류 전압의 레벨은 제어부(140)의 제어 신호에 의해 제어될 수 있다.

상기 제어부(140)는 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤유닛(Micro Controller Unit) 또는 마이콤(Micom)이라고 부를 수 있다.

제어부(140)는 최대 전력 전송 효율과 수신 장치(200)의 전력 요구량, 수신 장치(200)의 현재 충전량 등을 고려하여 상기 변압부(120)에서 출력되는 직류 전압의 크기를 제어할 수 있다.

또한 상기 제어부(140)가 상기 변압부(120)의 출력 전압을 조절하는 역할을 할 뿐만 아니라 송신 장치(100)의 저장부(미도시)로부터 독출한 제어에 요구되는 알고리즘, 프로그램 또는 어플리케이션을 이용하여 송신 장치(100)의 동작 전반을 제어할 수 있다.

상기 송신 전력 컨버터 시스템(101)은 송신측 통신부(141)를 더 구비할 수 있고, 상기 송신측 통신부(141)는 수신 장치(200)의 수신측 통신부(251)와 통신을 수행할 수 있다.

상기 송신측 및 수신측 통신부(141, 251)는 소정의 방식으로 양방향 통신을 수행할 수 있는 데 그 예로써 NFC(near field communication), Zigbee 통신, 적외선 통신, 가시광선 통신, 블루투스 통신, BLE(bluetooth low energy) 방식 등을 이용하여 통신을 수행할 수 있다.

또한 송신측 및 수신측 통신부(141, 251)는 서로간에 전력 정보를 송 수신할 수 있고, 여기에서 전력 정보는 수신 장치(200)의 용량, 배터리 잔량, 충전 횟수, 사용량, 배터리 용량, 배터리 비율 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한 송신측 통신부(141)는 수신 장치(250)의 충전 기능을 제어하는 충전 기능 제어 신호를 송신할 수있다.

충전 기능 제어 신호는 수신 장치(200)를 제어하여 충전 기능을 인에이블(enabled) 또는 디스에이블(disabled)하게 하는 제어 신호일 수 있다. 또는, 전력 정보는 유선 충전 단자의 인 입, SA 모드로부터 NSA 모드로의 전환, 에러 상황 해제 등의 정보를 포함할 수도 있다.

한편 도면 상으로 상기 송신 전력 컨버터 시스템(101)은 송신측 통신부(141)과 상이한 하드웨어로 구성되어 송신 장치(200)가 아웃-밴드(out-band) 형식으로 통신되는 것과 같이 도시되었지만, 이는 예시적인 것이며, 송신 전력 컨버터 시스템(101)와 송신측 통신부(141)가 하나의 하드웨어로 구현되어, 송신 장치(100)가 인-밴드(in-band) 형식으로 통신을 수행할 수도 있다.

상기 송신측 통신부(141)는 상기 제어부(140)와 별로로 구성될 수 있고, 상기 수신 장치(200) 또한 수신측 통신부(251)가 수신 장치의 제어부(250)에 포함되거나 별도로 구성될 수 있다.

전력변환부(130)는 수십 KHz ~ 수십 MHz 대역의 스위칭 펄스 신호에 의하여 일정한 레벨의 DC 전압을 AC 전압으로 변환함으로써 전력을 생성할 수 있다. 즉, 전력변환부(130)는 직류 전압을 교류 전압으로 변환함으로써, 타켓이 되는, 즉 충전 영역에 들어온 수신 장치(200)에서 사용되는 "웨이크-업 전력" 또는 "충전 전력"을 생성할 수 있다.

여기서, 웨이크-업 전력은 0.1~1mWatt의 작은 전력을 의미하고, 충전용 전력은 수신 장치(200)의 배터리를 충전하는데 필요한 전력 또는 수신 장치(200)의 동작에 소비되는 전력으로써, 타겟 수신 장치(200)의 부하에서 소비되는 1mWatt~200Watt의 큰 전력을 의미한다.

한편 전력변환부(130)는 스위칭 펄스 신호에 따라 변압부(120)으로부터 출력되는 DC 전압을 증폭하는 전력증폭기를 포함할 수 있다.

상기 전력변환부(130)는 풀 브리지(full bridge) 또는 하프 브리지(Half bridge) 인버터로 구성될 수 있다.

매칭부(미도시)는 제어부(140)의 후단에 배치되어 적어도 하나의 수동 소자 및 적어도 하나의 능동 소자 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며 송신 장치(100)와 수신 장치(200) 사이의 임피던스 매칭을 수행하여 전력 전송 효율이 극대화되도록 할 수 있다.

상기 매칭부로부터 바라본 임피던스를 조정하여, 출력 전력이 고효율 또는 고출력이 되도록 제어할 수 있다. 그리고 매칭부는 제어부(140) 및 송신측 통신부(141)의 제어에 기초하여 임피던스를 조정할 수 있다. 또한 매칭부는 코일 및 커패시터 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 그리고 제어부(140) 및 송신측 통신부(141)는 코일 및 커패시터 중 적어도 하나와의 연결 상태를 제어할 수 있으며, 이에 따라 임피던스 매칭을 수행할 수 있다.

상기 전송 안테나 시스템(102)은 유도 코일 및 공진 코일 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.

무선전력송신 시스템(10)이 자기유도방식으로만 전력을 전송하는 경우 상기 전송 안테나 시스템(102)은 유도 코일만을 구비할 수 있고, 자기공진방식으로만 전력을 전송하는 경우 공진 코일만을 구비할 수 있으며, 자기유도방식과 자기공진방식을 혼용하여 전력을 전송하는 경우에는 유도 코일과 공진 코일을 모두 구비할 수 있다.

또한 유도 코일 또는 공진 코일은 단수개로 구비될 수 있고, 복수개로 구비될 수 있다. 유도 코일 또는 공진 코일이 복수개로 구비되는 경우 서로 중첩되어 배치될 수 있고, 중첩되는 면적은 자속 밀도의 편차를 고려하여 결정한다.

한편 수신 장치(200)는 수신 전력 컨버터 시스템(201)과 수신 안테나 시스템(202)를 포함할 수 있다.

수신 장치(200)의 수신 안테나 시스템(202)은 송신 안테나 시스템(102)과 동일할 수 있고, 수신 안테나의 치수는 수신 장치(200)의 전기적 특성에 따라 달라질 수 있다.

또한 수신 안테나 시스템(202)은 자기유도방식 또는 자기공진방식을 통해 전력을 수신할 수 있다. 이와 같이 전력 수신 방식에 따라서 상기 수신 안테나 시스템(202)은 유도 코일 또는 공진 코일 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 그리고 수신 안테나 시스템(202)는 근거리 통신용 안테나(Near Field Communication)를 함께 구비할 수 있다.

수신 전력 컨버터 시스템(201)은 매칭부(210), 정류부(220), 수신측 변압기(230), 부하(240) 및 수신측 제어부(250)를 포함할 수 있다.

상기 수신측 제어부(250)는 수신측 통신부(251)를 포함할 수 있고, 상기 수신측 통신부(251)가 상기 제어부(250)와는 별도로 구성될 수 있다.

상기 매칭부(210)는 송신기(100)와 수신기(200) 사이의 임피던스 매칭을 수행한다.

상기 정류부(220)는 수신 안테나 시스템(202)으로부터 출력되는 AC 전압을 정류하여 DC 전압을 생성한다.

수신측 변압기(230)는 DC/DC 컨버터로 구성되어 상기 정류부(220)에서 출력되는 DC 전압의 레벨을 부하(240)의 용량에 맞게 조정할 수 있다.

상기 부하(240)는 배터리, 디스플레이, 음성 출력 회로, 메인 프로세어 그리고 각종 센서들을 포함할 수 있다.

수신측 제어부(250)는 송신 장치(100)로부터 웨이크-업 전력에 의해 활성화 될 수 있고, 송신 장치(100)와 통신을 수행하고, 수신 장치(200)의 서브 시스템의 동작을 제어할 수 있다.

상기 수신 장치(200)는 단수 또는 복수개로 구성되어 송신 장치(100)로부터 동시에 에너지를 무선으로 전달 받을 수 있다. 즉 공진 방식의 무선전력전송 시스템에서는 하나의 송신 장치(100)로부터 복수의 타켓 수신 장치(200)가 전력을 공급받을 수 있다.

이때 상기 송신 장치(100)의 매칭부(150)는 복수개의 수신 장치(200)들 사이의 임피던스 매칭을 적응적으로 수행할 수 있다.

한편 상기 수신 장치(200)가 복수개로 구성된 경우 동일 종류의 시스템이거나 서로 다른 종류의 시스템이 될 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 변압부와 제어부를 나타낸 도면이다.

도 2를 참조하면, 상기 변압부(120)는 변압기(121)와 제어 유닛(122) 그리고 분배부(123)를 포함할 수 있다.

도면 상으로 상기 분배부(123)가 변압부(120)에 포함되는 구성으로 도시되어 있으나 이에 한정되는 것은 아니고 별도로 구성될 수 있다.

상기 제어 유닛(122)은 상기 변압기(121)의 출력 전압을 안정화(regulation)할 수 있는 장치로써, 변압기(121)의 출력 전압의 분압 전압을 피드백 받아 상기 출력 전압의 오차를 제어 할 수 있다.

상기 분배부(123)는 상기 변압기(121)의 출력 전압을 전압 분배하여 상기 제어 유닛(122)으로 공급할 수 있다.

상기 제어 유닛(122)은 분배부(123)로부터 분배된 전압을 토대로 펄스 폭이 조정된 구형파 펄스(Pulse width modulation; PWM)를 변압기(121)으로 제공하고 상기 변압기(121)는 구형파 펄스의 펄스 폭에 따라 레벨이 조절된 일정한 직류 전압을 출력할 수 있다.

상기 분배부(123)는 제어부(140)의 출력 제어 포트(Output contror port; OUP)에 연결될 수 있다.

상기 제어부(140)는 상기 제어 유닛(122)의 입력 단자 전압의 값을 조절하여 변압기(121)의 출력 전압을 제어할 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 제어 유닛의 서브 시스템을 나타낸 도면이다.

도 3을 참조하면, 상기 제어 유닛(122)의 서브 시스템은 오차 증폭기(124), 비교기(125) 그리고 스위치 구동부(126)를 포함할 수 있다.

상기 오차 증폭기(124)는 분배부(123)의 분배 전압(Vd)을 기초로 변압기(121)의 출력 전압(Vout)의 오차를 증폭하여 증폭된 전압(Vc)을 출력한다.

상기 오차 증폭기(124)는 제1 연산증폭기(OP1)로 구성될 수 있고, 상기 연산증폭기의 반전 단자에는 분배부(123)를 거친 변압기(121)의 출력 전압이 인가되고, 비 반전 단자에는 기준 전압(Vref)이 인가된다.

상기 오차 증폭기(124)는 분배부(123)를 거친 변압기(121)의 출력 전압을 기준 전압(Vref)과 비교하여 여기서 나타나는 오차를 증폭하여 비교기(125)로 입력한다.

상기 비교기(125)는 오차증폭기(124)의 출력 전압(Vc)을 기초로 하여 구형파 펄스를 발생한다.

상기 비교기(125)는 제2 연산증폭기(OP2)로 구성될 수 있고, 비 반전 단자에는 오차증폭기(124)의 출력 전압(Vc)이 인가되고, 반전 단자에는 삼각파가 인가된다.

상기 비교기(125)는 삼각파와 오차증폭기(124)의 출력 전압(Vc)을 비교하여 변압기(121)를 구동하기 위한 구형파 펄스를 발생할 수 있고, 변압기(121)의 출력 오차에 상응하여 펄스폭을 조정함으로써 변압기(121) 출력 전압(Vout)을 안정화시킬 수 있다.

상기 스위치 구동부(126)는 비교기(125)의 출력을 기초로 하여 변압기(121)를 구동할 수 있다. 즉, 상기 변압기(121) 내에 포함된 스위치의 온(ON), 오프(OFF)를 제어하여 변압기(121)의 기 설정된 전압을 일정하게 유지시킬 수 있다.

상기 제어 유닛(122)과 변압기(121)는 변압부(120)로 직접화(Integrated Chip; IC)화 될 수 있다.

이처럼 변압부(120)는 기 설정된 전압의 오차를 반영하여 일정한 전압을 출력하는 기능을 할 수 있다. 그러나 변압부(120)의 출력 전압을 가변 시킬 필요가 있는 경우, 제어부(140)가 변압부(120)를 제어하는 방식을 설명한다.

상기 분배부(123)는 변압기(121)의 출력 단자와 오차증폭기(124)의 입력 단자(반전 단자)에 연결된 제1 저항(R1) 그리고 상기 오차 증폭기(124)의 입력 단자(반전 단자)와 접지 사이에 연결된 제2 저항(R2)을 포함할 수 있다.

상기 제1 저항(R1)과 상기 제2 저항(R2)의 크기 관계는 R1<R2 관계가 되는 것이 바람직하다.

이 때 상기 제1 및 제2 저항(R1, R2) 값에 따라서 변압기(121)의 분배 전압(Vd)이 달라질 수 있는데, 그 원리를 살펴보면 제1 및 제2 저항(R1, R2)에 의해 변압기(121)의 출력 전압(Vout)이 분압된 분압 전압(Vd)은 기준 전압(Vref)과 비교되고 그 오차가 증폭되므로, 분압 전압(Vd)이 기준 전압(Vref)보다 작은 경우 오차증폭기(124)의 출력(Vc) 레벨은 오차증폭기(124)의 입력 저항(Rin)과 피드백 저항(Rf)의 비, 즉 Rf/Rin의 기울기로 올라간다. 반면에 분압 전압(Vd)이 기준 전압(Vref)보다 큰 경우 오차증폭기(124)의 출력(Vc) 레벨은 Rf/Rin의 기울기로 내려간다.

이와 같이 상기 분압 전압(Vd)은 제1 및 제2 저항(R1, R2)의 값에 따라서 고정될 것이나, 분압 전압(Vd)을 조정하여 최종적으로 변압기(121)의 출력 전압을 조정할 수도 있다.

이러한 역할은 제어부(140)에서 담당할 수 있다.

즉 제어부(140)는 송신 장치(100)와 수신 장치(200) 간의 전력 송신 환경에 따라서 상기 변압기(121)의 출력 전압(Vout)을 조절할 필요가 있다. 이때 상기 제어부(140)의 출력제어포트(OCP)와 오차증폭기(124)의 입력단자(반전단자) 사이에는 제3 저항(R3)이 연결되기 때문에 상기 출력제어포트(OCP)로 출력되는 전압을 조절함으로써, 오차증폭기(124)의 입력 단자로 인가되는 분압 전압(Vd)을 조절할 수 있다.

상기 제어부(140)의 제어에 따라서 분압 전압(Vd) 값이 달라질 수 있고, 그에 따라 분압 전압(Vd)과 기준 전압(Vref)의 비교를 기초로 한 오차증폭기(124)의 출력(Vc) 레벨의 상승 또는 하강 여부가 제어될 수 있다.

상기 오차증폭기(124)의 출력(Vc)은 비교기(125)의 삼각파와 비교되어 상기 오차증폭기(124)의 출력(Vc)의 레벨이 상승하는 경우 비교기(125)는 펄스폭이 증가된 구형파를 발생하고, 상기 오차증폭기(124)의 출력(Vc)의 레벨이 하강하는 경우 비교기(125)는 펄스폭이 줄어든 구형파를 발생하게 된다.

한편 상기 제1 내지 제3 저항(R1, R2, R3)의 크기 관계는 R1<R3<R2의 관계가 될 수 있다.

이하 송신 장치(100) 및 수신 장치(200) 간의 통신 정보를 바탕으로 상기 제어부(140)가 출력제어포트를 통해 변압부(120)의 출력 전압을 제어하는 방법을 설명한다.

먼저 송신측 통신부(141)와 수신측 통신부(251)의 통신 방식과 통신 정보를 기초로 한 송신측 제어부(140)의 제어 방식을 설명한다.

도 4는 수신 장치의 검출에서 송신 장치로부터 수신 장치로 전력 전송까지의 단계를 나타낸 도면이다.

제어 방식은 크게 4 단계로 구분할 수 있고, 각 단계로 수신 장치(200) 검출 단계(Selection, S100), 반응 확인 단계(Ping, S200), 인증과 구성 단계(Identification & Configuration, S300) 그리고 전력 전송 단계(Power Transfer, S400)가 있다.

상기 수신 장치(200) 검출 단계(S100)는 송신 장치(100)가 수신 장치(200)의 존재를 검출하기 위한 신호를 발하고, 수신 장치(200)의 반응을 기다리는 단계이다.

상기 반응 확인 단계(S200)은 수신 장치(200)가 신호의 강도 정보를 송출하고, 송신 장치(100)는 그 정보를 통해 수신 장치(200)의 존재를 확인할 수 있다.

상기 인증과 구성 단계(S300)는 수신 장치(200)가 인증과 요구 전력 정보를 송출하고, 송신 장치(100)는 전력 송출을 구성하고 전력을 송출할 준비를 한다.

상기 전력 전송 단계(S400)는 수신 장치(200)가 제어 정보를 송출하고, 송신 장치(100)가 전력 전송을 개시한다.

이 네 단계 사이에 신호가 차단되거나 신호가 불량할 경우에는 타임 아웃이 되어 처음 단계로 돌아갈 수 있고, 또 송전 도중에 이상이 검출될 경우나 수신 장치(200)가 충전 영역에서 벗어나는 경우나 완충된 경우에는 송전을 종료하고 처음 단계로 돌아갈 수 있다.

도 5는 송신 장치 안테나 시스템의 코일의 배치관계를 나타낸 도면이다.

이하 코일을 선택하고, 선택된 코일에 흐르는 전류를 기초로 하여 변압부(120)의 제어 방식을 설명한다.

전송 안테나 시스템(102)은 하나의 코일을 구비하고 충전 영역의 중앙에 마그넷을 설치하여 충전 부위를 고정해서 사용하는 고정 위치형이 될 수 있고, 코일이 충전 영역의 2 차원 xy평면을 움직이면서 수신 장치(200)의 적절한 위치를 선택하는 가동 코일형이 될 수 있다.

특히 충전 영역에 다수의 코일을 일정 영역 중첩하여 깔아둔 코일 어레이형의 경우에는, 전술한 디바이스 검출 단계와 반응 확인 단계에서 수신 장치(200)의 존재가 확인되는 동시에 복수개의 코일 중에서 상기 수신 장치(200)와 전기적으로 결합된 어느 하나의 코일이 결정될 수 있다.

이는 복수개의 코일 중에서 수신 장치(200)의 코일과 전기적으로 결합되는 강도에 따라서 송신 장치(100)의 복수개의 코일 각각에 흐르는 전류의 크기가 다를 수 있는 점을 이용하여, 도 4의 반응 확인 단계(S200)에서 제어부(140)는 송신 장치(100)의 복수개의 코일 각각에 흐르는 전류를 센싱하여 수신 장치(200)의 존재를 검출할 수 있고, 도 4의 인증과 구성 단계(S300)에서 제어부(140)는 그 전류들 중에서 크기가 가장 큰 전류를 가지는 코일을 선택하는 방식으로 전력을 수신 장치(200)에 전송할 준비를 할 수 있다. 그리고 전술한 전력 전송 단계에서 제어부(140)는 수신 장치(200)의 요구 전력량을 기초로하여 변압부(120)의 출력 전압을 조절할 수 있다.

또한 수신 장치(200)의 종류나 현재 충전 상태에 따라서 도 4의 인증과 구성 단계(S300)에서 수신 장치(200)가 송신 장치(100)에 요구하는 전력량은 달라질 수 있고, 제어부(140)는 요구 전력량에 따라 변압부(120)의 출력 전압을 조절하여 전력 송출을 구성할 필요가 있다.

뿐만 아니라 도 4의 전력 전송 단계(S400)에 있어서, 송신 장치(100)와 수신 장치(200)가 임피던스 매칭이 되는 경우 선택된 코일에 흐르는 전류는 증가하고, 임피던스 매칭이 이루어지지 않는 경우 전류는 감소할 수 있기 때문에 해당 코일에 흐르는 전류를 기초로 변압부(120)의 출력 전압을 조절할 수 있고, 수신 장치(200)의 이동에 따라서 코일이 변경되는 경우에도 변경된 코일에 흐르는 전류를 기초로 하여 변압부(120)의 출력 전압을 제어 가능하다.

또한 제어부(140)가 송신 장치(100)의 코일에 흐르는 전류를 센싱하고 이를 기초로 변압부(120)의 출력 전압을 제어하는 역할 뿐만 아니라, 송신측 통신부(141)와 수신측 통신부(251) 간의 전력 전송 정보를 기초로 변압부(120)의 출력 전압을 제어할 필요가 있는 경우에도, 분배부(123)의 분배 전압을 조절함으로써 간단히 이를 실현할 수 있다.

이처럼 제어부(140)의 제어에 따라 변압부(120)의 출력 전압이 결정되고, 상기 변압부(120)의 내의 오차 증폭기(124)와 비교기(125)는 전술한 동작을 통해서 결정된 전압이 일정하게 유지되도록 오차를 조정할 수 있다.

한편 상기 변압부(120)는 변압기 (121)와 제어 유닛(122)이 하나의 직접화된 칩 형태가 될 수 있고, 상기 변압기(121)가 벅 컨버터, 부스트 컨버터 및 벅-부스트 컨버터 중 어느 하나가 될 수 있다. 이 경우, 제어부(140)의 출력 제어 포트 단자를 분배부(123)에 연결하고, 상기 제어부(140)를 통하여 상기 분배부(123) 상의 분배 전압 값을 조절함으로써, 변압부(120)의 컨버터 특성에 맞추어 자유롭게 상기 변압부(120)의 출력 전압을 조절할 수 있다.

이와 같은 무선전력 충전시스템은 휴대전화나 스마트폰 뿐만 아니라 차량용 무선충전 시스템, 전기자동차(Electric Vehicle; EV)나 플러그인 하이브리드자동차(PHEV)와 같은 전동 차량에 탑재될 수 있다. 그 외에도 산업기기용 애플리케이션과 가정용 전자기기에도 장착될 수 있다.

산업기기용 애플리케이션으로는 전동공구 류나 무선센서, 산업용 머터의 슬립링(회전자) 등이 포함된다. 또한 가정용 전자기기로는 TV나 디지털 카메라, 게임기. 전동칫솔, 충전식 전지 등이 있다. 그리고 비접촉형 IC카드나 수동 RFID에도 적용될 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술할 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.

무선전력전송 시스템(10)
송신 장치(100)
송신 전력 컨버터 시스템(101)
전송 안테나 시스템(102)
변압부(120),
전력변환부(130)
제어부(140)
송신측 통신부(141)
수신 장치(200)
수신 전력 컨버터 시스템(201)
매칭부(210)
정류부(220)
수신측 변압기(230)
부하(240)
수신측 제어부(250)
수신측 통신부(251)
변압기(121)
제어 유닛(122)
분배부(123)
스위치 구동부(126)

Claims

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서로 중첩되는 복수의 코일;
상기 복수의 코일에 연결된 DC-DC 컨버터;
상기 DC-DC 컨버터에 연결된 전압 분배부; 및
상기 전압 분배부에 연결된 제어부;
를 포함하고,
상기 제어부는,
상기 복수의 코일 중에서 하나의 코일을 선택하고,
상기 선택된 코일을 통해 흐르는 전류를 감지하고,
무선 전력 수신 장치에 의해 요청된 전력량을 수신하고,
상기 선택된 코일을 통해 흐르는 전류 및 상기 무선 전력 수신 장치에 의해 요청된 전력량에 기초하여 상기 DC-DC 컨버터의 출력 전압의 레벨을 조절하고,
상기 전압 분배부는,
상기 DC-DC 컨버터의 출력 단자와 상기 DC-DC 컨버터의 포트 사이에 연결된 제1 저항기;
상기 DC-DC 컨버터의 포트와 접지 사이에 연결된 제2 저항기; 및
제어부와 상기 DC-DC 컨버터의 포트 사이에 연결된 제3 저항기;
를 포함하는 무선 전력 송신 장치.
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