KR102332762B1 - 3차원 형태의 무선 충전 공간을 이용한 무선 충전 장치 - Google Patents

3차원 형태의 무선 충전 공간을 이용한 무선 충전 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 무선 충전 장치에 관한 것으로 3차원 형태의 무선 충전 공간 내에 배치된 복수의 송신 코일들; 및 상기 복수의 코일들에 전류를 공급하는 적어도 하나의 전원을 이용하여 3차원 형태의 무선 충전 공간 내에 위치한 수신 코일을 포함하는 전자 기기의 무선 충전을 수행하는 것이다.

Description

3차원 형태의 무선 충전 공간을 이용한 무선 충전 장치{WIRELESS CHARGING APPARATUS FOR USING WIRELESS CHARGING ZONE OF 3D FORM}
아래의 설명은 3차원 형태의 무선 충전 공간을 이용한 무선 충전 장치에 관한 것으로, 구체적으로는 기존의 패드 구조를 통해 전자 기기에 대한 무선 충전을 수행하는 방식보다 무선 충전의 효율을 향상시키는 무선 충전 환경을 조성하기 위한 장치에 관한 것이다.
최근에는 휴대성이 용이한 스마트 폰을 사용하는 사용자가 지속적으로 증가하고 있으며, 이에 따라 스마트 폰은 사용자의 다양한 욕구를 충족시키기 위한 인터넷 검색, 카메라, 애플리케이션 등과 같은 다양한 부가 기능이 탑재되었다.
여기서, 스마트 폰에 탑재된 부가 기능은 스마트 폰에 포함된 배터리를 많이 소모시키고, 이로 인하여 사용자는 지속적으로 스마트 폰에 포함된 배터리를 충전해야 한다. 이 때, 사용자는 어댑터를 이용해 방전된 배터리를 충전하며, 최근에는 무선 충전 기술을 활용해 방전된 배터리를 충전함으로써, 사용자에 보다 향상된 서비스를 제공한다.
여기서, 무선 충전 기술은 스마트 폰 및 무선 충전 장치에 포함된 송수신 공진기를 이용하여 스마트 폰의 배터리를 충전한다. 이 때, 송수신 공진기는 스마트 폰과 같은 크기가 작은 전자 기기에 포함되어 동작해야 함에 따라, 송수신 공진기의 크기는 소형화되어 구현된다.
그러나, 이러한 송수신 공진기는 크기가 소형화 됨에 따라 전류가 흐르는 전송 거리가 협격하게 감소하는 특징을 갖고 있어, 공간 상의 사용 제약 조건을 갖고 있는 것이 현석이다. 특히나, 수신 공진기의 직경이 D라고 할 경우, 전송거리(RF 효율 80%이상) 또한 공진기 직경에 준하는 수준으로 소형 공진기를 설계 제작하는 것도 어려운 문제이나 이러한 공진기가 개발되어도 그 전송거리는 공진기 직경으로 한정된다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 자기공명을 이용한 무선 충전 기술이 제안되었으나, 일반적으로 자기공명을 이용한 무선전력전송의 기술은 1m 내외의 중거리 전송의 특성을 갖는 것으로 발표되며, 공진기의 직경 사이즈를 전송거리의 한계로 보는 것이 일반적인 기술의 특징임에 따라 이를 확대하기 위한 많은 노력을 하고 있는 실정이다.
또한, 이러한 전송거리 문제는 공진모드의 결합에 의한 자기 공명법에서는 필연적인 전송거리 한계치가 존재하게 된다. 다시 말해, 대부분의 연구자 및 발표된 논문, 특허로 볼 때 가장 현실적인 전송거리는 공진기의 직경으로 인식하는 것이 정설이다. 또한, 송신 공진기가 존재하는 특정 영역에서만 무선전력전송이 이루어지는 것은 또 하나의 특징이자 제약 조건이라 할 수 있다.
이러한 문제는 전송거리에 대한 부분을 언급한 것이지만 일정한 전송거리 안에서도 그 송수신 공진기의 거리에 따라 효율이 변경되는 문제가 있으며, 특히 방향에 민감한 것을 더욱 큰 문제이다. 일 예로, 송수신 공진기가 정면을 바라보고 있을 경우에는 효율이 최대 효율을 유지하지만 수신 공진기가 45도 혹은 90도 기울어 지면 효율이 급격히 감소하는 문제를 갖고 있다.
본 발명은 기존에 패드 구조를 통해 무선 충전을 수행함에 있어 발생하는 한계를 극복하기 위해 3차원 형태의 특정 영역 내에서 좀 더 자유도를 갖는 무선 충전 및 에너지 전송 기술을 개발할 수 있다.
본 발명은 3차원 공간 상에 무선 충전 공간을 구현시키기 위한 공진 코일의 구조를 제안할 수 있다.
일실시예에 따른 무선 충전 장치 3차원 형태의 무선 충전 공간 내에 배치된 복수의 송신 코일들; 및 상기 복수의 코일들에 전류를 공급하는 적어도 하나의 전원을 포함하고, 상기 복수의 송신 코일들은 상기 무선 충전 공간 내에서 서로 마주보도록 배치되는 적어도 하나의 한 쌍의 송신 코일들을 포함할 수 있다.
일실시예에 따른 적어도 하나의 한 쌍의 송신 코일들은 상기 적어도 하나의 전원으로부터 공급된 전류에 의해 상기 무선 충전 공간 상에 균일장을 형성할 수 있다.
일실시예에 따른 적어도 하나의 한 쌍의 송신 코일들은 상기 3차원 형태의 무선 충전 공간에 존재하는 적어도 하나의 수신 코일의 방향과 동일한 방향으로 균일장을 형성할 수 있다.
일실시예에 따른 적어도 하나의 수신 코일의 방향은 상기 3차원 형태의 무선 충전 공간 내에 배치된 복수의 송신 코일들 중 하나의 송신 코일과의 결합을 통해 상기 수신 코일에 유도 전류가 형성되는 방향을 나타낼 수 있다.
일실시예에 따른 적어도 하나의 전원은, 상기 적어도 하나의 한 쌍의 송신 코일들 간에 공급하는 전류의 위상이 90도 차이를 갖도록 전류를 공급할 수 있다.
일실시예에 따른 적어도 하나의 전원은 상기 무선 충전 공간 내에 배치된 복수의 송신 코일들 간에 동일한 위상 또는 서로 다른 위상을 갖는 전류를 공급할 수 있다.
일실시예에 따른 무선 충전 장치는 송신 코일들의 사이즈를 줄이거나 또는 상기 송신 코일들의 공진 주파수를 낮추는 적어도 하나의 커패시터(Capacitor)를 더 포함할 수 있다.
일실시예에 따른 적어도 하나의 커패시터는 상기 복수의 송신 코일들과 적어도 하나의 전원 사이에 위치할 수 있다.
일실시예에 따른 적어도 하나의 전원은 상기 복수의 송신 코일들에 공급되는 전류의 위상을 제어하는 인터버(Inverter)를 포함할 수 있다.
일실시예에 따른 인버터는 상기 송신 코일들과 상기 무선 충전 공간 내에 존재하는 수신 코일 간의 기울기 또는 상기 무선 충전 공간 내에 존재하는 수신 코일의 위치를 고려하여 송신 코일들에 공급되는 전류의 위상을 제어할 수 있다.
일실시예에 따른 전류는 상기 무선 충전 공간 내에 배치된 적어도 하나의 한 쌍의 송신 코일들 간에 위상 차를 갖거나 또는 동일한 위상을 갖는 두 개 이상의 위상을 포함할 수 있다.
일실시예에 따른 무선 충전 장치는, 무선 충전 공간 내에 존재하는 송신 코일에서 형성되는 유도 전류를 감지하는 통신기를 더 포함할 수 있다.
일실시예에 따른 인버터는 상기 통신기를 통해 감지된 유도 전류에 기초하여 상기 송신 코일들에 공급되기 위해 초기에 설정된 전류의 위상을 제어할 수 있다.
일실시예에 따른 무선 충전 장치는 3차원 형태의 무선 충전 공간 내에서 서로 마주보도록 배치된 적어도 하나의 한 쌍의 송신 코일들; 상기 복수의 송신 코일들에 공급되는 전류의 위상을 제어하는 인터버(Inverter)를 포함하는 전원; 상기 송신 코일들의 사이즈를 줄이거나 또는 상기 송신 코일들의 공진 주파수를 낮추는 적어도 하나의 커패시터; 및 무선 충전 공간 내에 존재하는 송신 코일에서 형성되는 유도 전류를 감지하는 통신기를 포함할 수 있다.
일실시예에 따른 적어도 하나의 한 쌍의 송신 코일들은 상기 적어도 하나의 전원으로부터 공급된 전류에 의해 상기 무선 충전 공간 상에 균일장을 형성할 수 있다.
일실시예에 따른 적어도 하나의 한 쌍의 송신 코일들은 상기 3차원 형태의 무선 충전 공간에 존재하는 적어도 하나의 수신 코일의 방향과 동일한 방향으로 균일장을 형성할 수 있다.
일실시예에 따른 적어도 하나의 전원은 상기 무선 충전 공간 내에 배치된 복수의 송신 코일들 간에 동일한 위상 또는 서로 다른 위상을 갖는 전류를 공급할 수 있다.
일실시예에 따른 인버터는 상기 송신 코일들과 상기 무선 충전 공간 내에 존재하는 수신 코일 간의 기울기 또는 상기 무선 충전 공간 내에 존재하는 수신 코일의 위치를 고려하여 송신 코일들에 공급되는 전류의 위상을 제어할 수 있다.
일실시예에 따른 전류는 상기 무선 충전 공간 내에 배치된 적어도 하나의 한 쌍의 송신 코일들 간에 위상 차를 갖거나 또는 동일한 위상을 갖는 두 개 이상의 위상을 포함할 수 있다.
일실시예에 따른 인버터는 상기 통신기를 통해 감지된 유도 전류에 기초하여 상기 송신 코일들에 공급되기 위해 초기에 설정된 전류의 위상을 제어할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 무선 충전 장치는 복수의 송신 코일들이 배치되는 3차원 형태의 무선 충전 공간을 활용하여 무선 충전 공간 상에 위치할 수 있는 모든 전자 기기(웨어러블 기기 및 IoT 기기 등)에 포함된 수신 코일을 이용해 전자 기기의 배터리에 대한 무선 충전을 수행할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 무선 충전 장치는 무선 충전 공간에 존재하는 수신 코일의 기울기 및 방향을 고려하여 송신 코일에 공급되는 전류의 위성을 제어함으로써, 무선 충전 공간 내에 어떤 위치에서도 자유로이 무선 충전을 수행할 수 있다.
도 1은 일실시예에 따른 3차원 형태의 무선 충전 공간을 이용한 무선 충전 장치에 관한 전체 구성도이다.
도 2는 일실시예에 따른 무선 충전 공간 내에 배치되는 송신 코일을 도시한 도면이다.
도 3은 일실시예에 따른 송신 코일 및 송신 코일에서 형성되는 균일장의 형태를 도시한 도면이다.
도 4는 일실시예에 따른 무선 충전 공간에 존재하는 수신 코일과 송신 코일 간의 결합이 일어나는 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 다른 실시예에 따른 무선 충전 공간에 존재하는 수신 코일과 송신 코일 간의 결합이 일어나는 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 일실시예에 따른 커패시터를 포함하는 송신 코일을 도시한 도면이다.
도 7은 일실시예에 따른 무선 충전 공간 내에 배치된 송신 코일에서 형성되는 자기장 간에 상쇄되는 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 일실시예에 따른 송신 코일과 수신 코일 간의 기울기에 따른 효율 변화를 도시한 그래프이다.
도 9는 일실시예에 따른 도 7에서 언급한 상쇄되는 자기장에 대한 효율 변화를 도시한 도면이다.
도 10은 일실시예에 따른 전원에서 공급되는 전류의 위상 변화에 따른 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 일실시예에 따른 전원에 포함되는 인버터를 이용하여 송신 코일들에서 형성되는 자기장의 위상을 제어하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 일실시예에 따른 3차원 형태의 무선 충전 공간을 이용한 무선 충전 장치에 대한 효용성을 평가한 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 일실시예에 따른 3차원 형태의 무선 충전 공간에 배치된 송신 코일들에서 형성되는 균일장의 크기를 비교한 도면이다.
도 14는 일실시예에 따른 전류의 위상에 따라 형성되는 균일장의 형태를 나타낸 도면이다.
도 15는 일실시예에 따른 무선 충전 장치가 수행하는 프로세서를 보여주기 위한 흐름도이다.
이하 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하는 다음에 예시하는 본 발명의 실시 예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 실시 예는 당 업계의 평균적인 지식을 갖는 자에게 본 발명을 보다 완전하기 설명하기 위하여 제공되는 것이다.
도 1은 일실시예에 따른 3차원 형태의 무선 충전 공간을 이용한 무선 충전 장치에 관한 전체 구성도이다.
도 1을 참고하면, 무선 충전 장치(101)는 3차원 형태의 무선 충전 공간(106) 상에 배치되어, 무선 충전 공간 내 존재하는 전자 기기와의 무선 충전을 수행할 수 있다. 이를 위해, 무선 충전 장치(101)는 무선 충전 공간(106) 내에 배치된 송신 코일들(102), (103), (104), (105) 및 송신 코일들에 전류를 공급하는 전원(108), (109)를 포함할 수 있다. 그리고, 무선 충전 장치(101)는 송신 코일들(102), (103), (104), (105) 및 전원(108), (109)를 통해 3차원 형태의 무선 충전 공간(106)에 대하여 무선 충전을 위한 에너지 존(Energy Zone)으로 형성할 수 있다. 다시 말해, 무선 충전 장치(101)는 무선 충전 공간(106) 내에 배치된 송신 코일들(102), (103), (104), (105) 각각에서 자기장을 형성하고, 무선 충전 공간(106)은 송신 코일들(102), (103), (104), (105) 각각에서 형성된 자기장에 의한 균일장에 따른 에너지 존으로 형성될 수 있다. 여기서, 균일장(Quiet Zone)은 송신 코일들(102), (103), (104), (105) 각각에서 형성된 자기장에 대응하여 에너지 밀도가 균일한 자기장을 의미할 수 있다. 즉, 균일장은 3차원 형태의 무선 충전 공간(106)에 나란히 배치된 송신 코일들(102), (103), (104), (105) 사이에서 형성되는 자기장이 조밀하게 형성됨에 따라 이로 인해 에너지 밀도가 균일하게 형성된 자기장을 의미할 수 있다.
이 때, 송신 코일들(102), (103), (104), (105)은 에너지 존으로 형성하기 위한 무선 충전 공간(106)이 구현되는 구조물을 고려하여 다양한 위치에 배치될 수 있다. 일례로, 송신 코일들(102), (103), (104), (105)은 사각 형태 혹은 원통 형태를 갖는 구조물을 고려하여 구조물의 벽면, 천장, 바닥, 모서리 등 다양한 위치에 배치될 수 있다. 자세한 구성은 도 2를 통해 설명하도록 한다.
그리고, 송신 코일들(102), (103), (104), (105)은 무선 충전 공간(106)에 배치됨에 있어, 무선 충전 공간(106) 내에서 서로 마주보도록 배치되는 적어도 하나의 한 쌍의 송신 코일들을 포함할 수 있다. 즉, 송신 코일들(102), (103), (104), (105)은 한 쌍의 송신 코일들이 복수 개로 존재할 수 있다. 일례로, 무선 충전 장치(101)는 정사각형 구조의 무선 충전 공간(106)의 각 면에 송신 코일을 배치되고, 무선 충전 공간(106)에 배치된 4개의 송신 코일은 서로 마주보는 코일에 대하여 한 쌍의 형태로 구현될 수 있다.
여기서, 본 발명은 서로 마주보는 적어도 하나의 한 쌍의 송신 코일을 이용하여 무선 충전 공간(106) 내 균일장을 형성하여 무선 충전 공간(106) 내 일정한 에너지 밀도를 조성함으로써, 특정 공간 내 형성되는 에너지의 효율을 향상시킬 수 있다.
송신 코일들(102), (103), (104), (105)은 전원(108), (109)으로부터 공급되는 전류를 의해 자기장을 형성할 수 있으며, 송신 코일들(102), (103), (104), (105)은 동일하거나 서로 다른 전원(108), (109)으로부터 전류를 공급받을 수 있다. 일례로, 무선 충전 장치(101)는 송신 코일들(102), (103), (104), (105)을 무선 충전 공간(106)에 배치함에 있어, i) 송신 코일들(103, 105)와 ii) 송신 코일들(102, 104)로 두 쌍의 송신 코일들을 배치할 수 있다.
여기서, 송신 코일들(103, 105)와 송신 코일들(102, 104)은 전원(108), (109)으로부터 공급되는 전류에 있어서, 전류의 위상이 90도 차이를 가질 때, 보다 정밀한 균일장을 형성할 수 있다. 즉, 송신 코일들(103, 105)에 공급되는 전류와 송신 코일들(102, 104)에 공급되는 전류 간에는 90도 위상차를 가질 수 있다.
그리고, 한 쌍의 송신 코일들(103, 105)은 전원(108)으로부터 전류를 공급받으며, 다른 한 쌍의 송신 코일들(102, 104)은 전원(109)으로부터 전류를 공급받을 수 있다. 송신 코일들(102), (103), (104), (105)은 전류를 공급받기 위해 연결된 동일한 전원 또는 서로 다른 전원으로부터 전류를 공급받을 수 있다. 그리고, 전원(108), (109)은 기 설정된 전류를 송신 코일들(102), (103), (104), (105)로 전달할 수 있다.
무선 충전 장치(101)는 무선 충전 공간(106) 내에 존재하는 수신 코일(107)의 존재 여부를 감지할 수 있다. 다시 말해, 무선 충전 장치(101)는 수신 코일(107)을 포함하는 전자 기기를 인식하고, 이에 따른 수신 코일(107)의 존재 여부를 파악할 수 있다. 일례로, 무선 충전 장치(101)는 위치 기반의 통신 기술을 기반으로 무선 충전 공간(106) 내 존재하는 수신 코일(107)을 포함하는 전자 기기를 감지할 수 있다. 여기서, 위치 기반의 통신 기술은 근거리 무선 통신(NFC: Near Field Communications), 블루투스(BlueTooth), 와이파이(Wi-Fi) 등을 포함할 수 있다.
그리고, 무선 충전 장치(101)는 무선 충전 공간(106) 내에 존재하는 수신 코일(107)을 기반으로 적어도 하나의 송신 코일과의 결합이 이루어진 수신 코일(107)에 형성되는 유도 전류를 검출할 수 있다. 구체적으로, 무선 충전 장치(101)는 무선 충전 공간(106)에 배치된 송신 코일들(102), (103), (104), (105) 중에서 적어도 하나의 송신 코일에서 형성된 균일장에 따른 결합이 발생함에 따라 수신 코일(107)에서 형성되는 유도 전류를 검출할 수 있다.
수신 코일(107)에서 형성되는 유도 전류는 전원(108), (109)으로부터 공급된 기 설정된 전류에 따라 송신 코일들(102), (103), (104), (105)에서 형성된 균일장에 의해 유도된 전류일 수 있다. 또한, 수신 코일(107)에서 형성되는 유도 전류는 무선 충전 공간(106) 내에 수신 코일(107)의 위치가 변화함에 따라 서로 다른 전류의 값을 나타낼 수 있다.
결국, 무선 충전 장치(101)는 무선 충전 공간(106) 내에 수신 코일(107)의 위치에 대응하여 검출된 수신 코일(107)에 대한 유도 전류를 바탕으로 송신 코일들(102), (103), (104), (105)로 공급하는 전류의 위상을 변화시킬 수 있다. 즉, 무선 충전 장치(101)는 전원에서 발생되는 전류에 대하여 기 설정된 전류의 위상을 유도 전류에 기초한 전류의 위상으로 변화시킬 수 있다. 그리고, 전원(108), (109)은 위상이 변경된 전류를 송신 코일들(102), (103), (104), (105)로 공급할 수 있다.
이후, 무선 충전 장치(101)는 위상이 변경된 전류에 의해 송신 코일들(102), (103), (104), (105)에서 형성되는 균일장에 의해 수신 코일(107)에 유도된 유도 전류를 재 검출할 수 있다. 그리고, 무선 충전 장치(101)는 재 검출된 유도 전류가 정상 상태이면, 전류의 위상을 유지하면서 수신 코일(107)을 포함하는 전자 기기의 충전을 진행시킬 수 있다. 결국, 무선 충전 장치(101)는 무선 충전 공간(106) 내에 수신 코일(107)의 위치에 따라 서로 다른 위상을 갖는 전류를 송신 코일들(102), (103), (104), (105)로 공급함으로써, 무선 충전 공간(106)에 대한 제한 없이 자유로이 충전을 수행할 수 있다.
이러한, 무선 충전 장치(101)를 이용한 무선 충전 기술은 다양한 기기 특히 스마트폰과 같은 패드형 기기 외에 적용이 가능하여, 미래에 도래할 웨어러블기기 및 IoT기기의 활성화에 지대적인 효과를 가져오게 될 것이다. 특히나, 무선 충전 장치(101)를 이용한 무선 충전 기술은 유선충전 및 배터리 교환이 어려운 소형 웨어러블 기기들에 대하여 특정 공간에 자유로이 놓아 두고, 이에 따라 자동적으로 충전이 수행됨으로써, 이로 인한 사용의 편이성을 제공할 수 있다.
결국, 본 발명은 특정 공간 내 무선 전송 방식을 활용하여 X, Y, Z 축을 갖는 3차원 형태의 무선 충전 공간에 전자 기기가 들어오면, 무선 충전 공간을 구성하는 3차원의 X, Y, Z 축 중 하나의 축에 배치된 송신 코일들과 전자 기기에 포함된 수신 코일 간에 공진을 통해 자동적으로 전자 기기의 배터리를 충전할 수 있다.
도 2는 일실시예에 따른 무선 충전 공간 내에 배치되는 송신 코일을 도시한 도면이다.
도 2를 참고하면, 송신 코일들은 무선 충전 공간 내에 다양한 위치에 배치될 수 있으며, 적어도 하나의 전원으로부터 공급된 전류에 의해 상기 무선 충전 공간 상에 균일장을 형성할 수 있다.
도 2의 (a)를 살펴보면, 송신 코일들은 무선 충전 공간의 벽면, 천장, 바닥 등에 배치될 수 있다. 여기서, 송신 코일들은 서로 마주보는 천장과 바닥, 서로 마주보는 벽면에 배치될 수 있다.
도 2의 (b)를 살펴보면, 송신 코일들은 무선 충전 공간을 구성하는 4개의 벽면에 각각 배치될 수 있다. 여기서, 하나의 벽면에는 하나 이상의 송신 코일이 배치될 수 있으며, 이에 따라 송신 코일에서 형성되는 균일장의 영역을 확대시킬 수 있다. 즉, 도 2의 (b)에 도시된 도면은 하나의 송신 코일을 이용해 균일장을 형성하는 구성에서 확장된 개념으로써, 무선 충전 공간의 면적이 크거나 또는 좀 더 전류의 세기가 강해야 하는 경우를 고려하여 복수 개의 송신 코일을 배치할 수 있다.
도 2의 (c)를 살펴보면, 송신 코일들은 무선 충전 공간의 천장의 각 모서리 또는 바닥의 각 모서리에 배치될 수 있다. 여기서, 3차원 형태의 무선 충전 공간에 배치되는 송신 코일들은 도 2를 통해 도시한 예시 이외에 다양한 형태로 배치될 수 있다. 또한, 본 발명은 송신 코일을 배치함에 있어, 한 쌍의 송신 코일을 병렬로 결합하는 구조와 직렬로 결합하는 구조를 포함할 수 있다. 그리고, 본 발명은 송신 코일을 형성함에 있어 자체 공진 혹은 추가 Cap을 이용하여 송신 코일 간에 공진을 형성할 수 있다.
도 3은 일실시예에 따른 송신 코일 및 송신 코일에서 형성되는 자기장의 형태를 도시한 도면이다.
도 3의 (a)에 도시된 도면은, 3차원 형태의 무선 충전 공간(106)을 형성하기 위한 송신 코일들(102, 103, 104, 105)의 기본 구성을 나타내는 단면도일 수 있다. 이러한 단면도를 기반으로 무선 충전 장치는 복수의 송신 코일들(102, 103, 104, 105) 및 적어도 하나의 전원(108, 109)을 포함할 수 있다.
여기서, 복수의 송신 코일들(102, 103, 104, 105)은 3차원 형태의 무선 충전 공간(106) 내에 배치될 수 있으며, 무선 충전 공간(106) 내에서 서로 마주보도록 배치되는 적어도 하나의 한 쌍의 송신 코일들을 구현될 수 있다. 여기서, 복수의 송신 코일들(102, 103, 104, 105)을 이용한 무선 충전 공간(106) 상의 배치 구조는 일정한 크기의 영역을 갖는 무선 충전 공간(106)의 각 구간에 배치되고, 무선 충전 공간(106) 내에서 일정한 효율을 유지할 수 있도록 고안된 구조일 수 있다.
또한, 이러한 배치 구조는 무선 충전 공간(106) 즉, 단면도의 점선 내에 수신 코일이 존재하게 되는 경우, 수신 코일의 위치에 관계 없이 동일한 유도 전류를 제공받기 위함일 수 있다. 다시 말해, 서로 마주보도록 배치되는 적어도 하나의 한 쌍의 송신 코일들(102, 103, 104, 105)은 전원(108, 109)으로부터 공급된 전류에 의해 무선 충전 공간(106) 상에 균일장을 형성할 수 있다.
이 때, 전원(108, 109)은 한 쌍으로 서로 마주보도록 배치된 코일 사이에 존재하는 3차원 형태의 무선 충전 공간 상에 균일장을 형성할 수 있도록 한 쌍의 코일에 같은 방향으로 전류가 흐르도록 제어할 수 있다. 그리고, 적어도 하나의 한 쌍의 송신 코일들(102, 103, 104, 105)은 전원으로부터 동일한 방향으로 흐르도록 제어된 전류를 공급받음에 따라 한 쌍으로 배치된 송신 코일과 송신 코일 사이에 일정한 파장으로 자기장이 형성될 수 있다.
이에 따라, 무선 충전 공간(106)은 송신 코일들(102, 103, 104, 105)에서 형성된 균일장에 의해 에너지 밀도가 일정한 충전 영역으로 조정될 수 있다. 이 때, 송신 코일들(102, 103, 104, 105)은 서로 마주보도록 배치되는 적어도 하나의 한 쌍으로 구현됨에 따라 한 쌍으로 구현된 송신 코일들 간에는 균일장이 조밀하게 형성됨으로써, 보다 균일한 형태의 에너지 밀도를 갖는 자기장이 조성될 수 있다.
이후, 수신 코일은 균일한 에너지 밀도를 갖는 무선 충전 공간(106) 내에 위치함으로써, 공간 상의 위치와 무관하게 송신 코일들(102, 103, 104, 105)에 의해 동일한 유도 전류를 제공받을 수 있다.
도 3의 (a)에 도시된 단면도를 참고하면, 한 쌍의 송신 코일들(102, 104)은 가로 방향으로 균일장을 형성하게 되며, 다른 한 쌍의 송신 코일들(103, 105)는 세로 방향으로 균일장을 형성하도록 되어 있는 특징일 수 있다. 이 때, 송신 코일들(102, 104)에 연결된 전원(109)과 송신 코일들(103, 105)에 연결된 전원(108)은 동일한 위상을 갖는 전류를 출력할 수 있다.
여기서, 도 3의 (a)에 도시된 송신 코일들(103, 105)에 공급되는 전류와 송신 코일들(102, 104)에 공급되는 전류는 서로 다른 위상을 갖는 전류가 공급될 수 있다. 다시 말해, 본 발명은 3차원 형태의 무선 충전 공간 내 위치한 수신 코일에 대한 정상적인 충전 기능을 제공하기 위하여 무선 충전 공간 내 균일한 자기장을 조정하는 작업이 필요하다. 이에 따라, 송신 코일들(102), (103), (104), (105)이 무선 충전 공간을 구성하는 4개의 벽면에 배치되었다고 가정할 때, 본 발명은 한 쌍을 이루는 송신 코일(103)과 송신 코일(105)에 공급되는 전류의 위상을 동일하게 설정할 수 있으며, 송신 코일들(103, 105)과 다른 한 쌍을 이루는 송신 코일(102)과 송신 코일(104)에 공급되는 전류의 위상을 동일하게 설정할 수 있다.
그리고, 본 발명은 송신 코일들(102), (103), (104), (105)에 공급되는 전류에 90도의 위상차가 발생하도록 송신 코일들(103, 105)에 공급되는 전류의 위상과 송신 코일들(102, 104)에 공급되는 전류의 위상을 다르게 설정할 수 있다. 일례로, 송신 코일들(103, 105)에 공급되는 전류의 위상은 0도를 나타낼 수 있으며, 송신 코일들(102, 104)에 공급되는 전류의 위상은 90도를 나타냄에 따라 송신 코일들(103, 105)에 공급되는 전류의 위상과 송신 코일들(102, 104)에 공급되는 전류의 위상 간에 90도의 위상차가 발생할 수 있다.
이에 따라, 송신 코일들(103, 105)과 송신 코일들(102, 104)은 In-Phase로 전류를 공급받을 때보다 90도의 위상차를 갖는 전류를 공급받을 때 전류의 값에 대한 최대값과 최소값 차가 적고, 무선 충전 공간 내에 보다 조밀한 균일장이 형성될 수 있다.
도 3의 (b)에 도시된 도면은, 한 쌍으로 배치된 송신 코일과 송신 코일 사이에 형성되는 균일장의 형태 및 송신 코일들이 어떻게 연결되는지에 대한 위치를 도시한 단면도이다.
무선 충전 장치는 한 쌍으로 배치된 송신 코일(105')와 송신 코일(105'')에 같은 방향으로 전류가 흐르도록 공급할 수 있다. 그리고, 무선 충전 장치는 한 쌍으로 배치된 송신 코일(105')와 송신 코일(105'')에 공급된 전류에 의해 장지장(107)의 분포가 점선으로 된 영역 즉, 무선 충전 공간(106)에서 균일장이 형성되도록 유도할 수 있다.
도 3의 (b)에 도시된 도면은, 도 3의 (a)에서 확장되는 개념으로써, 무선 충전 공간(106)의 일정 구간에 있어서, 복수의 송신 코일을 배치하고, 이를 하나의 쌍으로 구현함에 따라 수신 코일의 방향이 90도 회전하여도 송신 코일에 의해 수신되는 수신 코일의 입장에서 균일장이 형성되도록 코일의 쌍을 증가 시킨 구조이다.
도 4는 일실시예에 따른 무선 충전 공간에 존재하는 수신 코일과 송신 코일 간의 결합이 일어나는 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참고하면, 무선 충전 장치는 무선 충전 공간(106)에 존재하는 수신 코일(107)과 송신 코일(102, 103, 104, 105) 중 하나의 송신 코일 간의 결합이 발생함에 따라 수신 코일(107)에 유도 전류가 형성될 수 있다. 이 때, 무선 충전 장치는 무선 충전 공간(106) 내에 존재하는 적어도 하나의 수신 코일(107)의 방향과 동일한 방향으로 균일장을 형성할 수 있다.
구체적으로, 무선 충전 장치는 무선 충전 공간(106) 내에 존재하는 수신 코일(107)의 위치에 따른 방향을 판단할 수 있다. 그리고, 무선 충전 장치는 판단된 수신 코일(107)의 방향과 동일한 방향으로 균일장을 형성할 수 있다.
일례로, 무선 충전 공간(106) 내에 존재하는 수신 코일(107)은 세로 방향을 가지며, 송신 코일들(102, 103, 104, 105) 중에서 송신 코일(103)에 인접하여 위치할 수 있다. 이에 따라, 무선 충전 장치는 송신 코일(103, 105)를 이용하여 세로 방향으로 균일장을 형성할 수 있다. 즉, 수신 코일(107)는 무선 충전 공간(106) 내 세로 방향으로 위치함에 따라 세로 축 방향의 자기장을 형성하는 송신 코일(103, 105)과 결합될 수 있다. 그리고, 송신 코일(103, 105)은 대부분의 전류를 전원(108)에서 공급받을 수 있다.
또한, 수신 코일(107)은 송신 코일(103), (105) 중에서 결합계수가 높은 송신 코일(103)과의 공진을 통해 유도 전류가 형성될 수 있다. 즉, 수신 코일(107)은 복수의 송신 코일들 중 하나의 송신 코일과의 결합할 때, 보다 인접하여 위치한 송신 코일에 의해 유도 전류를 형성할 수 있다. 일례로, 본 발명은 송신 코일(103)에서 형성된 균일장에 의해서 수신 코일(107)에 자기장이 유도됨에 따라 이로 인한 유도 전류를 형성할 수 있다.
도 5는 다른 실시예에 따른 무선 충전 공간에 존재하는 수신 코일과 송신 코일 간의 결합이 일어나는 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참고하면, 무선 충전 장치는 무선 충전 공간(106)에 존재하는 수신 코일(107)과 송신 코일(102, 103, 104, 105) 중 하나의 송신 코일 간의 결합이 발생함에 따라 수신 코일(107)에 유도 전류가 형성될 수 있다. 이 때, 무선 충전 장치는 무선 충전 공간(106) 내에 존재하는 적어도 하나의 수신 코일(107)의 방향과 동일한 방향으로 균일장을 형성할 수 있다.
구체적으로, 무선 충전 장치는 무선 충전 공간(106) 내에 존재하는 수신 코일(107)의 위치에 따른 방향을 판단할 수 있다. 그리고, 무선 충전 장치는 판단된 수신 코일(107)의 방향과 동일한 방향으로 균일장을 형성할 수 있다.
일례로, 무선 충전 공간(106) 내에 존재하는 수신 코일(107)은 가로 방향을 가지며, 송신 코일들(102, 103, 104, 105) 중에서 송신 코일(104)에 인접하여 위치할 수 있다. 이에 따라, 무선 충전 장치는 송신 코일(102, 104)를 이용하여 가로 방향으로 균일장을 형성할 수 있다. 즉, 수신 코일(107)는 무선 충전 공간(106) 내 가로 방향으로 위치함에 따라 가로 방향으로 균일장을 형성하는 송신 코일(102, 104)과 결합될 수 있다. 여기서, 송신 코일(102, 104)은 대부분의 전류를 전원(109)로부터 공급받을 수 있다.
즉, 수신 코일(107)은 송신 코일(102), (104) 중에서 결합계수가 높은 송신 코일(104)과의 공진을 통해 유도 전류가 형성될 수 있다. 일례로, 본 발명은 송신 코일(104)에서 형성된 균일장에 의해서 수신 코일(107)에 자기장이 유도됨에 따라 이로 인한 유도 전류를 형성할 수 있다.
도 6은 일실시예에 따른 커패시터를 포함하는 송신 코일을 도시한 도면이다.
도 6을 참고하면, 무선 충전 장치는 송신 코일들(102, 103, 104, 105)의 사이즈를 줄이거나 또는 송신 코일들(102, 103, 104, 105)의 공진 주파수를 낮추는 적어도 하나의 커패시터(Capacitor: 601)를 더 포함할 수 있다. 적어도 하나의 커패시터(601)는 복수의 송신 코일들(102, 103, 104, 105)과 적어도 하나의 전원 사이에 위치할 수 있으며, 커패시터(601)와 연결되는 송신 코일들(102, 103, 104, 105)은 커패시터(601)에 의해 공진 주파수가 낮아질 수 있다.
다시 말해, 송신 코일들(102, 103, 104, 105)은 일반적으로 전원으로부터 공급된 전류에 대응하는 공진 주파수에 따른 균일장을 형성할 수 있다. 이 때, 커패시터(601)와 연결되는 송신 코일들(102, 103, 104, 105)은 커패시터(601)에 의해 전원으로부터 공급된 전류가 필터링됨에 따라 이로 인해 전류에 의한 공진 주파수가 낮아질 수 있다.
도 7은 일실시예에 따른 무선 충전 공간 내에 배치된 송신 코일에서 형성되는 자기장 간에 상쇄되는 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참고하면, 무선 충전 장치는 무선 충전 공간(106)에 배치된 송신 코일들(102, 103, 104, 105)이 형성하는 균일장이 전송되지 않는 위치가 존재할 수 있다. 다시 말해, 도 7에 도시된 바와 같이 수신 코일(107)이 무선 충전 공간(106)의 각 모서리에 위치하는 경우, 수신 코일(107)은 송신 코일들(102, 103, 104, 105)에서 형성되는 균일장에 대한 전송이 불가할 수 있다.
이는 적어도 하나의 한 쌍의 송신 코일들에 의해 균일장이 상쇄되기 때문이다. 다시 말해, 송신 코일(102, 104)와 송신 코일(103, 105) 간에 형성되는 균일장은 서로 교차되어 형성됨에 따라 이로 인해 균일장 간에 상쇄가 발생할 수 있다. 그리고, 이에 따라 무선 충전 공간(106)의 특정 지점에 대하여 송신 코일들(102, 103, 104, 105)에서 형성되는 균일장에 대한 전송이 불가한 지점이 발생할 수 있다.
따라서, 본 발명은 전원에서 공급되는 전류의 위상을 제어함으로써, 균일장에 대한 전송이 불가한 지점이 없이 모든 무선 충전 공간(106)에서의 충전이 가능하도록 환경을 조성할 수 있다. 이에 대한 자세한 구성은 도 8 내지 도 10을 통해 연속적으로 설명하도록 한다.
도 8은 일실시예에 따른 송신 코일과 수신 코일 간의 기울기에 따른 효율 변화를 도시한 그래프이다.
도 8에 도시된 그래프는 송신 코일과 수신 코일(802) 간의 기울기에 따른 효율 변화를 도시한 그래프일 수 있다. 이에 따라, 무선 충전 장치는 송신 코일들과 무선 충전 공간 내에 존재하는 수신 코일(802) 간의 기울기를 고려할 수 있다.
구체적으로, 도 8의 그래프를 살펴보면, 송신 코일들이 무선 충전 공간(106)의 바닥(801)에 배치되었다고 가정하고, 무선 충전 장치는 수신 코일(802)이 θ 각도로 기울어질 때, θ가 90도가 되는 영역에서 에너지 전송의 효율이 최저가 될 수 있다.
도 9는 일실시예에 따른 도 7에서 언급한 상쇄되는 자기장에 대한 효율 변화를 도시한 도면이다.
도 9에 도시된 도면은 도 7에서 언급한 상쇄되는 자기장에 따른 에너지의 효율이 급감하는 경우를 나타내고 있다. 구체적으로, 본 발명은 무선 충전 공간 내에 수신 코일(905)의 각도를 다양하게 변화시키면서 에너지에 대한 수신 효율을 시뮬레이션 하였다. 이에 따라, 도 9의 도면을 살펴보면, 수신 코일(905)은 특정한 θ각(-45도)에서 null point 발생하는 것을 확인할 수 있다.
이러한 현상은 사각 구조의 모퉁이에서 공통으로 발생되는 현상으로써, 도 7의 도면에서 설명한 것과 같이 자기장 간에 상쇄가 발생함에 따른 문제점일 수 있다. 이에 따라, 본 발명은 전원에서 공급되는 전류의 위상을 제어함으로써 자기장 간에 상쇄되는 문제점을 해결할 수 있다.
도 10은 일실시예에 따른 전원에서 공급되는 전류의 위상 변화에 따른 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 10에 도시된 도면은, 실제적으로 도 9에서 송신 코일(902), (901)에 공급되는 전류의 위상이 90도 차이를 주었을 때의 기존에 null point가 생기는 것에 대한 효율 변화 특성을 보여주고 있다.
이러한 효율 변화 특성은 기존에 θ각(-45도)에서 null point 값을 갖는 것이 송신 코일(902), (901)에 공급되는 전류의 위상을 송신 코일(903), (904)에 비해 주었을 때 효율이 개선됨을 확인할 수 있다. 이것은 cubic 구조로 에너지 존 즉 무선 충천 공간을 만들 경우 특정 위치, 특정 각에서 생기는 null point 값에 대한 문제를 송신 코일에 공급되는 전류의 위상에 변화를 줌으로 개선될 수 있음을 보여주는 것이다.
결국, 도 3을 통해 언급한 바와 같이 본 발명은 송신 코일들(901, 902)과 송신 코일들(903, 904)은 In-Phase로 전류를 공급받을 때보다 90도의 위상차를 갖는 전류를 공급받을 때 전류의 값에 대한 최대값과 최소값 차가 적고, 무선 충전 공간 내에 보다 조밀한 균일장이 형성될 수 있다.
도 11은 일실시예에 따른 전원에 포함되는 인버터를 이용하여 송신 코일들에서 형성되는 자기장의 위상을 제어하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 11을 참고하면, 무선 충전 장치는 하나의 인버터(1101)를 이용하여 두 개의 위상 신호를 갖는 전류를 송신 코일들(102, 103, 104, 105)로 공급할 수 있다. 그리고, 송신 코일(103, 105), 송신 코일(102, 104)는 인버터(1101)로부터 공급된 전류에 의해 서로 다른 전류의 위상 차를 나타낼 수 있다.
구체적으로, 하나의 인버터(1101)에서는 두 개의 위상이 다른 신호를 포함하는 전류가 발생되며, 두 나온 각각의 신호를 포함하는 전류는 도시된 바와 같이 송신 코일(103, 105)이 같은 동위상으로 급전되며, 송신 코일(102, 104)는 또 다른 위상을 갖는 신호의 전류를 두 쌍으로 구현된 송신 코일들 간에 동위상으로 급전이 이루어지게 될 수 있다. 여기서, 본 발명은 송신 코일에 급전하는 방법에 있어, 송신 코일에 직접적으로 전류를 급전하는 직접급전법과 송신 코일에 간접적으로 전류를 급전하는 급전 코일을 추가하는 구조를 포함할 수 있다. 또한, 본 발명은 한 쌍의 송신 코일과 서로 다른 한 쌍의 송신 코일 간에 동일한 위상 혹은 위상 차를 두어 전류가 급전될 수 있다.
이때, 본 발명은 수신 코일(107)이 무선 충전 공간(106) 상에 어느 위치, 어느 각도에서 null point가 발생하는지를 파악하고, null point가 발생된 시점을 고려하여 인버터(1101)는 동위상으로 전류를 형성하여 송신 코일들(102, 103, 104, 105)에 급전할 수 있다.
그리고, 본 발명은 동위상으로 형성된 전류를 송신 코일들(102, 103, 104, 105)에 급전함으로써, null point가 발생된 시점이 사라지게 될 수 있다. 즉, 본 발명은 null point가 발생된 시점으로 자기장이 전달됨에 따라 이로 인해 null point가 발생된 시점이 사라질 수 있다.
이때, 본 발명은 수신 코일이 2개 이상인 경우를 고려하여 송신 코일들(102, 103, 104, 105)의 숫자를 증가시킬 수 있으며, 이를 통해 송신 코일들(102, 103, 104, 105)에서 형성되는 자기장을 좀더 조밀하게 정의하면, 복수 개로 존재하는 수신 코일에서의 null point 발생을 해결할 수 있다.
또한, 본 발명은 수신 코일에서 형성된 공진 주기를 시분할하여 on/off 하는 방법을 이용하여도 복수 개로 존재하는 수신 코일에서의 null point 발생을 해결할 수 있다.
도 12는 일실시예에 따른 3차원 형태의 무선 충전 공간을 이용한 무선 충전 장치에 대한 효용성을 평가한 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 12를 참고하면, 3차원 형태의 무선 충전 공간을 이용한 무선 충전 장치에 대한 효용성을 평가한 결과일 수 있다. 구체적으로, 본 발명은 실제 30Χ30Χ30㎤의 cubic 구조를 갖는 무선 충전 공간에 대한 시제품을 만들어 앞에서 언급한 제안 기술이 효용성이 있는지를 시험적으로 평가한 것이다. 이를 위해, 제작된 송신 모듈은 300kHz 대역에서 동작할 수 있는 스위치 증폭기 구조인 인버터이며, 위상 차를 주기 위해 시제품은 두 개의 인버터를 이용하였다. 수신부는 full bridge 구조의 정류회로로 구성되어 있다.
본 발명은 실제 시스템을 평가하기 위해 측정은 DC to DC 효율로 평가가 이루어 졌다. 그리고, 송신 코일은 무선 충전 공간 내에 다양한 위치 중간왼쪽, 중간중앙, 중간오른쪽, 앞쪽 바닥, 중간 바닥 등에 배치시키고, 이에 따른 측정이 이루어졌으며, 각 위치에서는 수신 코일의 각도를 0도, 45도, 90도, 135도로 회전하면서 측정이 이루어졌다.
또한, 본 발명은 각 위치, 회전각에서 인버터를 0도, 90도, 180도로 천이하면서 측정이 이루어 졌다. 이에 따라, 도 12에서 보는 것과 같이 본 발명은 한 위치, 한 회전각에 대해 인버터를 0도, 90도, 180도로 변경하게 되면 최적의 효율을 얻을 수 있으며, 효율이 급격히 떨어지는 문제를 해결할 수 있음을 보여주고 있다.
도 13은 일실시예에 따른 3차원 형태의 무선 충전 공간에 배치된 송신 코일들에서 형성되는 균일장의 크기를 비교한 도면이다.
도 13을 참고하면, 본 발명은 무선 충전 공간 내에 에너지의 밀도가 일정한 균일장하는 동작에 대한 시뮬레이션을 수행하였다. 이 때, 본 발명은 시뮬레이션을 수행하기 위하여 다음과 같은 조건을 갖는 환경을 조성할 수 있다. 구체적으로, 본 발명은 정육면체의 무선 충전 공간을 형성할 수 있다. 그리고, 본 발명은 정육면체의 무선 충전 공간을 구성하는 4개의 벽면에 송신 코일들은 배치할 수 있다. 그리고, 송신 코일들은 4개의 벽면에 배치된 위치에 따라 서로 마주보는 적어도 하나의 한 쌍의 송신 코일들로 구현될 수 있다. 즉, 도 13을 참고하면, 송신 코일 1과 송신 코일 2가 하나의 쌍으로 구현되고, 송신 코일 3과 송신 코일 4가 하나의 쌍으로 구현될 수 있다.
그리고, 본 발명은 서로 마주보는 한 쌍의 송신 코일(송신 코일 1과 송신 코일 2)에 동위상에 전류를 공급하고, 상기 송신 코일(송신 코일 1과 송신 코일 2)과 다른 서로 마주보는 한 쌍의 송신 코일(송신 코일 3과 송신 코일 4)간에 동위상 혹은 90도 위상을 갖는 전류를 공급하였을 때의 무선 충전 공간 상에 발생되는 균일장의 크기를 비교할 수 있다.
결국, 본 발명은 서로 마주보는 두 쌍의 송신 코일(송신 코일 1과 송신 코일 2), (송신 코일 3과 송신 코일 4)들에 In-phase 피딩과 90도 위상천이 피딩 모두 동일하게 포터에 1A를 인가하도록 시뮬레이션 환경을 조성하였다. 그리고, 본 발명은 조성된 시뮬레이션 환경을 기반으로 1A가 인가된 두 쌍의 송신 코일(송신 코일 1과 송신 코일 2), (송신 코일 3과 송신 코일 4)들에 대응하여 도 13의 (a) 및 (b)에 따른 결과에 따른 균일장의 분포를 확인할 수 있다.
구체적으로, 도 13의 (a)의 도면은 서로 마주보는 두 쌍의 송신 코일(송신 코일 1과 송신 코일 2), (송신 코일 3과 송신 코일 4)들에 In-phase 피딩(feeding)에 따른 1A가 인가되고, 이로 따라 무선 충전 공간 내에 형성된 균일장의 분포를 나타낼 수 있다.
이 때, 위에서 언급한 바와 같이 송신 코일 1과 송신 코일 2에 공급되는 전류와 송신 코일 3과 송신 코일 4에 공급되는 전류는 1A가 인가될 수 있으며, 동일한 위상을 나타낼 수 있다. 다시 말해, 전원에 기 설정된 전류의 위상이 0도 인 경우, 본 발명은 송신 코일 1과 송신 코일 2, 송신 코일 3과 송신 코일 4에 동일한 위상 0을 갖는 전류를 공급할 수 있다. 즉, 본 발명은 송신 코일 1과 송신 코일 2 및 송신 코일 3과 송신 코일 4에 공급되는 전류에 대하여 동위상으로 급전할 수 있다.
송신 코일 1 내지 송신 코일 4는 동일하게 공급된 동위상의 전류에 대응하여 무선 충전 공간 내에 균일장을 형성할 수 있다. 이 때, 무선 충전 공간 내 형성된 균일장은 동일한 전류의 위상에 따라 일정 각도의 방향으로 휘어진 형태로 무선 충전 공간 내에 조성될 수 있다.
반면, 도 13의 (b)의 도면은 서로 마주보는 두 쌍의 송신 코일(송신 코일 1과 송신 코일 2), (송신 코일 3과 송신 코일 4)들에 90도 위상천이 피딩(feeding)에 따른 1A가 인가됨에 따라 이로 인해 형성된 균일장의 분포를 나타낼 수 있다.
이 때, 위에서 언급한 바와 같이 송신 코일 1과 송신 코일 2에 공급되는 전류와 송신 코일 3과 송신 코일 4에 공급되는 전류는 1A가 인가될 수 있으며, 서로 다른 위상을 나타낼 수 있다. 다시 말해, 본 발명은 송신 코일 1과 송신 코일 2에 공급되는 전류의 위상은 0도, 송신 코일 3과 송신 코일 4에 공급되는 전류의 위상은 90도를 갖도록 제어할 수 있다. 그리고, 본 발명은 90도의 위상차를 갖는 송신 코일 1과 송신 코일 2, 송신 코일 3과 송신 코일 4는 무선 충전 공간 내에 에너지의 밀도가 일정한 균일장을 조성할 수 있다.
결국, 본 발명은 도 14에 도시된 바와 같이 송신 코일 1과 송신 코일 2, 송신 코일 3과 송신 코일 4에 대하여 In-Phase로 전류를 공급받을 때보다 90도의 위상차를 갖는 전류를 공급받을 때 전류의 값에 대한 최대값과 최소값 차가 적고, 무선 충전 공간 내에 보다 조밀한 균일장이 형성될 수 있다.
도 13 내지 도 14에 의한 본 발명의 시뮬레이션에 따른 결과를 살펴보면, 두 쌍의 송신 코일(송신 코일 1과 송신 코일 2), (송신 코일 3과 송신 코일 4)들에 In-phase 피딩(feeding)은 0.000269A/m ~ 6.109A/m로 무선 충천 공간 내에 균일장이 분포될 수 있다. 그리고, 90도 위상천이를 수행한 두 쌍의 송신 코일(송신 코일 1과 송신 코일 2), (송신 코일 3과 송신 코일 4)들 경우는 0.64A/m ~ 4.52A/m로 무선 충전 공간 내에 균일장이 분포될 수 있다.
결국, 본 발명은 무선 충전 공간 내에 배치된 송신 코일들에 있어서, In-phase 피딩을 수행하는 것보다 한 쌍을 이루는 서로 다른 송신 코일 간(송신 코일 1과 송신 코일 2, 송신 코일 3과 송신 코일 4)에 공급되는 전류의 위상이 90도의 위상차를 가질 때, 최대의 충전 효과를 갖는 균일장을 형성할 수 있다. 즉, 본 발명은 한 쌍을 이루는 서로 다른 송신 코일 간에 공급되는 전류의 위상을 90도로 천이하면 이에 따라 송신 코일에서 형성되는 자기장이 균일해질 수 있다.
무선 충전 공간 내에 보다 조밀한 균일장이 형성된다는 것은 무선 충전 공간 내에 존재하는 수신 코일의 위치 및 방향과 무관하게 일정한 크기의 전류 유도가 형성될 수 있는 충전 공간이 형성된다는 것을 의미할 수 있다.
도 15는 일실시예에 따른 무선 충전 장치가 수행하는 프로세서를 보여주기 위한 흐름도이다.
단계(1501)에서 무선 충전 장치는 복수의 송신 코일들 및 전원들이 무선 충전 공간에 배치된 상황에서 무선 충전 공간 내에 수신 코일이 존재하는지 여부를 감지할 수 있다. 이 때, 무선 충전 장치는 초기 대기 상태로 유지하고 있다가 수신 코일이 무선 충전 공간 상에 존재하는 경우, 이에 따른 충전 동작을 수행할 수 있다.
단계(1502)에서 무선 충전 장치는 무선 충전 공간 내에 수신 코일이 감지된 경우, 전원에 기 설정된 전류를 복수의 송신 코일들에 공급함으로써, 무선 충전 공간 상에 균일장을 형성할 수 있다. 다시 말해, 무선 충전 장치는 초기 대기 상태로 유지하고 있는 인버터의 상태를 스위칭함으로써, 복수의 송신 코일들로 전류를 공급할 수 있다. 이 때, 인버터는 동일한 위상 또는 서로 다른 위상으로 설정된 전류를 복수의 송신 코일들로 공급할 수 있다. 여기서, 인버터는 초기 대기 상태에서 동작하는 경우, 동일한 위상으로 급전 모드로 동작하게 된다.
단계(1503)에서 무선 충전 장치는 동일한 위상을 갖는 두 개의 신호를 포함하는 전류를 복수의 송신 코일들로 공급할 수 있다.
단계(1505)에서 무선 충전 장치는 전류를 복수의 송신 코일들로 공급된 전류에 의해 수신 코일에서 형성되는 유도 전류의 값을 검출할 수 있다.
검출된 유도 전류의 값이 낮은 경우, 무선 충전 장치는 피드백되어 인버터의 상태를 인버터 역상으로 위상을 바꾸어 급전할 수 있도록 스위칭할 수 있다. 다시 말해, 수신 코일에서 형성되는 유도 전류의 값을 바탕으로 송신 코일들로 공급하는 전류의 위상을 변화시킬 수 있다. 무선 충전 장치(101)는 전원에서 발생되는 전류에 대하여 기 설정된 전류의 위상을 유도 전류에 기초한 전류의 위상으로 변화시킬 수 있다. 서로 다른 위상으로 설정된 전류를 공급하는 경우, 단계(1504)에서 무선 충전 장치는 서로 다른 위상을 갖는 두 개의 신호를 포함하는 전류를 복수의 송신 코일들로 공급할 수 있다.
이후, 무선 충전 장치는 위상이 변경된 전류에 의해 송신 코일들에서 형성되는 균일장에 의해 수신 코일에 유도된 유도 전류를 재 검출할 수 있다.
검출된 유도 전류의 갑이 정상인 경우, 단계(1506)에서 무선 충전 장치는 인버터 위상 상태를 유지할 수 있다.
단계(1507)에서 무선 충전 장치는 유지되는 인버터에서 공급되는 전류의 위상에 대응하여 수신 코일로 에너지가 전송될 수 있으며, 이를 통해 수신 코일의 충전을 완료하게 된다.
결국, 본 발명은 3차원 공간 무선충전을 하게 되면 특정 공간, 위치, 회전각에 놓여있는 수신 코일에 대해 수시로 수신 전력(유도 전류)을 파악하여 지속적으로 수신 코일이 에너지를 정상 수신할 수 있도록 환경을 조성할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 방법들은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
101: 무선 충전 장치
102 내지 105: 송신 코일
106: 3차원 형태의 무선 충전 공간
107: 수신 코일 -수신 코일은 전자 기기에 포함되는 형태-
108 및 109: 전원

Claims (13)

  1. 3차원 형태의 무선 충전 공간 내에 배치된 제1 송신 코일쌍 및 제2 송신 코일쌍; 및
    상기 제1 송신 코일쌍 및 제2 송신 코일쌍에 전류를 공급하는 적어도 하나의 전원
    을 포함하고,
    상기 제1 송신 코일쌍 및 제2 송신 코일쌍을 이루는 송신 코일은,
    상기 무선 충전 공간 내에서 서로 마주보도록 배치되고,
    상기 제1 송신 코일쌍을 이루는 송신 코일들은 상기 무선 충전 공간 내에서 균일장을 형성하도록 서로 동일한 위상으로 전류가 공급되고, 상기 제2 송신 코일쌍을 이루는 송신 코일들은 상기 무선 충전 공간 내에서 균일장을 형성하도록 서로 동일한 위상으로 전류가 공급되며,
    상기 제1 송신 코일쌍을 이루는 송신 코일에 공급되는 전류와 제2 송신 코일쌍을 이루는 송신 코일에 공급되는 전류는 90도의 위상차를 가지고,
    무선 충전 장치는, 무선 충전 공간 내에 존재하는 수신 코일의 위치에 따른 방향을 판단하고, 상기 수신 코일의 방향과 동일한 방향으로 균일장을 형성하는 무선 충전 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 송신 코일쌍 및 제2 송신 코일쌍은,
    상기 3차원 형태의 무선 충전 공간에 존재하는 적어도 하나의 수신 코일의 방향과 동일한 방향으로 균일장을 형성하는 무선 충전 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 수신 코일의 방향은,
    상기 3차원 형태의 무선 충전 공간 내에 배치된 제1 송신 코일쌍 및 제2 송신 코일쌍과의 결합을 통해 상기 수신 코일에 유도 전류가 형성되는 방향을 나타내는 무선 충전 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 송신 코일들의 사이즈를 줄이거나 또는 상기 송신 코일들의 공진 주파수를 낮추는 적어도 하나의 커패시터(Capacitor)
    를 더 포함하는 무선 충전 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 커패시터는,
    상기 제1 송신 코일쌍 및 제2 송신 코일쌍과 적어도 하나의 전원 사이에 위치하는 무선 충전 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 전원은,
    상기 제1 송신 코일쌍 및 제2 송신 코일쌍에 공급되는 전류의 위상을 제어하는 인버터 (Inverter)를 포함하는 무선 충전 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 인버터는,
    상기 제1 송신 코일쌍 및 제2 송신 코일쌍과 상기 무선 충전 공간 내에 존재하는 수신 코일 간의 기울기 또는 상기 무선 충전 공간 내에 존재하는 수신 코일의 위치를 고려하여 제1 송신 코일쌍 및 제2 송신 코일쌍에 공급되는 전류의 위상을 제어하는 무선 충전 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    무선 충전 공간 내에 존재하는 전자 기기의 수신 코일에서 형성되는 유도 전류를 감지하는 통신기
    를 더 포함하는 무선 충전 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 인버터는,
    상기 통신기를 통해 감지된 유도 전류에 기초하여 상기 제1 송신 코일쌍 및 제2 송신 코일쌍에 공급되기 위해 초기에 설정된 전류의 위상을 제어하는 무선 충전 장치.
  10. 3차원 형태의 무선 충전 공간 내에서 서로 마주보도록 배치된 제1 송신 코일쌍 및 제2 송신 코일쌍;
    상기 제1 송신 코일쌍 및 제2 송신 코일쌍에 공급되는 전류의 위상을 제어하는 인버터(Inverter)를 포함하는 전원;
    상기 제1 송신 코일쌍 및 제2 송신 코일쌍들의 사이즈를 줄이거나 또는 상기 제1 송신 코일쌍 및 제2 송신 코일쌍들의 공진 주파수를 낮추는 적어도 하나의 커패시터
    무선 충전 공간 내에 존재하는 전자 기기의 수신 코일에서 형성되는 유도 전류를 감지하는 통신기
    를 포함하고,
    상기 제1 송신 코일쌍을 이루는 송신 코일들은 상기 무선 충전 공간 내에서 균일장을 형성하도록 서로 동일한 위상으로 전류가 공급되고, 상기 제2 송신 코일쌍을 이루는 송신 코일들은 상기 무선 충전 공간 내에서 균일장을 형성하도록 서로 동일한 위상으로 전류가 공급되며,
    상기 제1 송신 코일쌍을 이루는 송신 코일에 공급되는 전류와 제2 송신 코일쌍을 이루는 송신 코일에 공급되는 전류는 90도의 위상차를 가지고,
    무선 충전 장치는, 무선 충전 공간 내에 존재하는 수신 코일의 위치에 따른 방향을 판단하고, 상기 수신 코일의 방향과 동일한 방향으로 균일장을 형성하는 무선 충전 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 송신 코일쌍 및 제2 송신 코일쌍은,
    상기 3차원 형태의 무선 충전 공간에 존재하는 적어도 하나의 수신 코일의 방향과 동일한 방향으로 균일장을 형성하는 무선 충전 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 인버터는,
    상기 제1 송신 코일쌍 및 제2 송신 코일쌍과 상기 무선 충전 공간 내에 존재하는 수신 코일 간의 기울기 또는 상기 무선 충전 공간 내에 존재하는 수신 코일의 위치를 고려하여 송신 코일들에 공급되는 전류의 위상을 제어하는 무선 충전 장치.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 인버터는,
    상기 통신기를 통해 감지된 유도 전류에 기초하여 상기 제1 송신 코일쌍 및 제2 송신 코일쌍에 공급되기 위해 초기에 설정된 전류의 위상을 제어하는 무선 충전 장치.
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