KR102426005B1 - 무선 전력 전송 장치 및 무선 전력 전송 장치의 전력 송수신 패드 정렬 방법 - Google Patents

무선 전력 전송 장치 및 무선 전력 전송 장치의 전력 송수신 패드 정렬 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 무선 전력 전송 장치 및 무선 전력 전송 장치의 전력 송수신 패드 정렬 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 전력 수신 패드, 전력 송신 패드, 상기 전력 수신 패드가 포함되는 평면 상에 배치된 세 개의 센싱 신호 송신부, 상기 전력 송신 패드가 포함되는 평면 상에 배치된 세 개의 센싱 신호 수신부, 및 정렬 상태 산출부를 포함하여 구성되는 무선 전력 전송 장치의 전력 송수신 패드 정렬 방법에 있어서, 상기 세 개의 센싱 신호 송신부가 상기 전력 송신 패드로 정렬 상태 정보를 산출하기 위한 센싱 신호를 송신하는 단계; 상기 세 개의 센싱 신호 수신부가 상기 세 개의 센싱 신호 송신부로부터 상기 센싱 신호를 수신하는 단계; 상기 정렬 상태 산출부가 상기 센싱 신호에 기초하여 상기 전력 수신 패드와 상기 전력 송신 패드가 서로 겹쳐진 상태로부터 상기 전력 수신 패드가 벗어난 정도를 나타내는 위치 정렬 정보 및 상기 전력 수신 패드와 상기 전력 송신 패드가 서로 평행인 상태로부터 상기 전력 수신 패드가 기운 정도를 나타내는 기울기 정렬 정보를 산출하는 단계; 및 상기 위치 정렬 정보 및 상기 기울기 정렬 정보에 기초하여 상기 전력 송신 패드와 상기 전력 수신 패드를 정합시키는 단계를 포함할 수 있다.

Description

무선 전력 전송 장치 및 무선 전력 전송 장치의 전력 송수신 패드 정렬 방법{WIRELESS POWER TRANSMISSION APPARATUS AND METHOD FOR ALIGNING POWER TRANSMISSION AND RECEPTION PAD OF THE WIRELESS POWER TRANSMISSION APPARATUS}
본 명세서는 무선 전력의 전송 효율을 높이기 위하여 전력 송수신 패드를 정렬할 수 있는 무선 전력 전송 장치 및 무선 전력 전송 장치의 전력 송수신 패드 정렬 방법에 관한 것이다.
무선 전력 전송 기술은 전원 소스와 전자 기기 사이에 무선으로 전력을 전달하는 기술이다. 일 예로 무선 전력 전송 기술은 스마트폰이나 태블릿 등의 무선 단말기를 단지 무선 충전 패드 상에 올려놓는 것만으로 무선 단말기의 배터리를 충전할 수 있도록 함으로써, 기존의 유선 충전 커넥터를 이용하는 유선충전 환경에 비해 보다 뛰어난 이동성과 편의성 그리고 안전성을 제공할 수 있다. 무선 전력 전송 기술은 무선 단말기의 무선충전 이외에도, 전기 자동차, 블루투스 이어폰이나 3D 안경 등 각종 웨어러블 디바이스(wearable device), 가전기기, 가구, 지중시설물, 건물, 의료기기, 로봇, 레저 등의 다양한 분야에서 기존의 유선전력 전송 환경을 대체할 것으로 주목받고 있다.
무선 전력 전송 방식을 비접촉(contactless) 전력 전송 방식 또는 무접점(no point of contact) 전력 전송 방식, 무선 충전(wireless charging) 방식이라 하기도 한다. 무선 전력 전송 시스템은, 무선 전력 전송 방식으로 전기에너지를 공급하는 무선 전력 전송 장치와, 상기 무선 전력 전송 장치로부터 무선으로 공급되는 전기에너지를 수신하여 배터리셀 등의 수전 장치에 전력을 공급하는 무선 전력 수신 장치로 구성될 수 있다.
무선 전력 전송 기술은 자기 커플링(magnetic coupling)을 통해 전력을 전달하는 방식, 마이크로웨이브(microwave)를 통해 전력을 전달하는 방식, 광을 통해 전력을 전달하는 방식, 초음파를 통해 전력을 전달하는 방식 등 다양하다. 자기 커플링에 기반한 방식은 다시 자기 유도(magnetic induction) 방식과 자기 공진(magnetic resonance) 방식으로 분류된다. 자기 유도 방식은 전송 측의 코일과 수신 측의 코일 간의 전자기결합에 따라 전송 측 코일 배터리 셀에서 발생시킨 자기장로 인해 수신 측 코일에 유도되는 전류를 이용하여 에너지를 전송하는 방식이다. 자기 공진 방식은 자기장을 이용한다는 점에서 자기유도 방식과 유사하다. 하지만, 자기 공진 방식은 전송 측의 코일과 수신 측의 코일에 특정 공진 주파수가 인가될 때 공진이 발생하고, 이로 인해 전송 측과 수신 측 양단에 자기장이 집중되는 현상에 의해 에너지가 전달되는 측면에서 자기 유도와는 차이가 있다. 자기 유도 방식은 WPC(wireless power consortium)에서 표준을 주도하며, 자기 공진 방식은 AFA(air fuel alliance)에서 표준을 주도한다.
WPC 표준에 따르면, 무선 전력 전송장치와 무선 전력 수신장치는 무선 전력 전송 시스템과 관련된 다양한 상태 정보 및 명령어를 인밴드(In-Band) 통신을 이용하여 교환할 수 있도록 설계되어 있다. 그러나, 인밴드 통신의 경우 통신에 특화되어 설계된 시스템이 아니기 때문에, 고속, 대용량의 정보 교환 및 다양한 정보를 교환하기 위해서는 부적합하다. 따라서 기존 인밴드 통신에 다른 무선 통신 시스템(즉, 아웃밴드 통신 시스템)을 결합하여 무선 전력 전송 시스템 관련 정보를 교환하는 방법이 논의되고 있다. 아웃밴드(Out of Band) 통신은, 예를 들어 NFC(Near Field Communication)와 블루투스(Bluetooth) 통신과 같은 근거리 통신을 포함한다.
무선 전력 수신장치들이 무선 전력 전송장치 상에 근접하여 놓여질 때, 무선 전력 전송장치는 각 무선 전력 수신장치에 적합한 전력 전송을 위해 협상을 진행한다. 협상이 완료되면 무선 전력 전송장치는 복수의 무선 전력 수신장치들로 무선 전력을 전송하며, 무선 전력 전송장치와 복수의 무선 전력 수신장치들은 아웃밴드 통신을 이용하여 무선 전력 전송에 필요한 정보를 주기적으로 교환한다.
아웃밴드 통신이 블루투스 표준을 따를 경우, 무선 전력 전송장치와 수신장치는 블루투스 표준 규격에서 정의하는 어드버타이저(Advertiser), 스캐너(Scanner), 마스터(Master) 및 슬레이브(Slave)의 4가지 역할 중 시나리오에 적합한 역할을 수행한다. 여기서, 시나리오는 예를 들어 초기 연결, 연결 후 무선 충전, 저전력 디바이스(휴대폰 등)의 무선 충전 연결, 중전력 디바이스(랩탑 등)의 무선 충전 연결 등을 포함할 수 있다.
이러한 자기 유도식 무선 전력 전송 방식에서는 전송 패드 위에 올려진 수신 패드의 위치 또는 상태가 전력 전송 효율에 미치는 영향이 매우 크다. 또한, 자기 유도 방식의 전력 전송 방법뿐만 아니라 자기 공명 방식의 전력 전송 방법에서도 전송 패드와 수신 패드의 상대적인 위치가 전력 전송 효율에 미치는 영향이 매우 크다. 한국 등록특허공보 제10-1257676호에서는 서로 평행하게 배치되어 있는 전송 패드와 수신 패드의 정렬 상태를 표시하는 기술이 개시되어 있다.
한국등록특허공보 제10-1257676호, 2013.04.18.
따라서, 무선 전력 전송 장치에서 전력 전송 효율을 높일 수 있는 송신 패드와 수신 패드 간의 정렬 상태를 도출할 수 있는 기술에 대한 필요가 증가하고 있다.
또한, 무선 전력 전송 장치에서 최대의 전력 전송 효율을 가지도록 송신 패드와 수신 패드를 정합시킬 수 있는 기술에 대한 필요가 증가하고 있다.
또한, 송신 패드와 수신 패드 간의 정렬 상태 도출에 있어서 위치 오정렬 상태와 기울기 오정렬 상태 사이의 정렬상태 도출 오류가 발생하는 문제점을 해결할 필요가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급된 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서는 무선 전력 전송 장치의 전력 송수신 패드 정렬 방법을 제시한다. 상기 방법은 전력 수신 패드, 전력 송신 패드, 상기 전력 수신 패드가 포함되는 평면 상에 배치된 세 개의 센싱 신호 송신부, 상기 전력 송신 패드가 포함되는 평면 상에 배치된 세 개의 센싱 신호 수신부, 및 정렬 상태 산출부를 포함하여 구성되는 무선 전력 전송 장치의 전력 송수신 패드 정렬 방법에 있어서, 상기 세 개의 센싱 신호 송신부가 상기 전력 송신 패드로 정렬 상태 정보를 산출하기 위한 센싱 신호를 송신하는 단계; 상기 세 개의 센싱 신호 수신부가 상기 세 개의 센싱 신호 송신부로부터 상기 센싱 신호를 수신하는 단계; 상기 정렬 상태 산출부가 상기 센싱 신호에 기초하여 상기 전력 수신 패드와 상기 전력 송신 패드가 서로 겹쳐진 상태로부터 상기 전력 수신 패드가 벗어난 정도를 나타내는 위치 정렬 정보 및 상기 전력 수신 패드와 상기 전력 송신 패드가 서로 평행인 상태로부터 상기 전력 수신 패드가 기운 정도를 나타내는 기울기 정렬 정보를 산출하는 단계; 및 상기 위치 정렬 정보 및 상기 기울기 정렬 정보에 기초하여 상기 전력 송신 패드와 상기 전력 수신 패드를 정합시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 무선 전력 전송 장치의 전력 송수신 패드 정렬 방법 및 그 밖의 실시예는 다음과 같은 특징을 포함할 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 정렬 상태 산출부가 상기 위치 정렬 정보 및 상기 기울기 정렬 정보를 산출하는 단계는, 상기 정렬 상태 산출부가 상기 세 개의 센싱 신호 송신부 중 각 센싱 신호 송신부와 상기 세 개의 센싱 신호 수신부 사이의 거리 및 상기 세 개의 센싱 신호 수신부의 좌표에 기초하여 상기 세 개의 센싱 신호 송신부의 좌표를 산출하는 단계; 및 상기 정렬 상태 산출부가 상기 세 개의 센싱 신호 송신부의 좌표에 기초하여 상기 위치 정렬 정보 및 상기 기울기 정렬 정보를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
실시 예에 따라, 또한, 상기 정렬 상태 산출부는 상기 세 개의 센싱 신호 수신부에서 수신된 상기 각 센싱 신호 송신부로부터 송신된 센싱 신호의 수신신호강도(RSSI)에 기초하여 상기 각 센싱 신호 송신부와 상기 세 개의 센싱 신호 수신부 사이의 거리를 산출할 수 있다.
실시 예에 따라, 또한, 상기 위치 정렬 정보는 상기 전력 수신 패드 상의 제1 기준 점이 상기 전력 송신 패드 상의 제2 기준 점으로부터 떨어진 거리(d), 상기 제1 기준 점이 상기 제2 기준 점을 중심으로 상기 전력 송신 패드가 포함된 평면과 평행한 평면 상에서 기준 각도로부터 회전한 제1 각도(θ1) 및 상기 전력 수신 패드가 상기 제1 기준 점을 중심으로 상기 전력 송신 패드가 포함된 평면과 평행한 평면 상에서 기준 각도로부터 회전한 제2 각도(θ2)를 나타내고, 상기 기울기 정렬 정보는 상기 세 개의 센싱 신호 송신부 중 제1 센싱 신호 송신부 및 제2 센싱 신호 송신부에 대응하는 점들을 연결한 직선이 상기 전력 송신 패드에 대해서 평행인 상태를 기준으로 기울어진 제3 각도(Ф1) 및 상기 제1 센싱 신호 송신부와 상기 제2 센싱 신호 송신부에 대응하는 점들을 연결한 직선에 대한 수선이 상기 제1 센싱 신호 송신부와 상기 제2 센싱 신호 송신부에 대응하는 점들을 연결한 직선을 중심으로 회전한 제4 각도(Ф2)를 나타낼 수 있다.
실시 예에 따라, 또한, 상기 세 개의 센싱 신호 수신부 중 제1 센싱 신호 수신부 및 제2 센싱 신호 수신부에 대응하는 점들을 연결한 길이가
Figure 112020093348913-pat00001
인 선분과 제2 센싱 신호 수신부 및 제3 센싱 신호 수신부에 대응하는 점들을 연결한 길이가
Figure 112020093348913-pat00002
인 선분이 서로 수직이고, 상기 제1 센싱 신호 송신부의 좌표는 Tx1, 상기 제2 센싱 신호 송신부의 좌표는 Tx2, 및 상기 제3 센싱 신호 송신부의 좌표는 Tx3이고, d1k는 Txk(k는 1, 2, 3)와 상기 제1 센싱 신호 수신부 사이의 거리이고, d2k는 Txk(k는 1, 2, 3)와 상기 제2 센싱 신호 수신부 사이의 거리이고, d3k는 Txk(k는 1, 2, 3)와 상기 제3 센싱 신호 수신부 사이의 거리이고, P1은 상기 세 개의 센싱 신호 송신부 중 제1 센싱 신호 송신부 및 제2 센싱 신호 송신부의 중점이고, P1x는 P1의 x좌표 및 P1y는 P1의 y좌표이며, Tx1x은 Tx1의 x좌표, Tx1y는 Tx1의 y좌표, Tx1z는 Tx1의 z좌표이고, Tx2x는 Tx2의 x좌표, Tx2y는 Tx2의 y좌표, Tx2z는 Tx2의 z좌표이고, Tx3x는 Tx3의 x좌표이고, Tx3z는 Tx3의 z좌표일 때, Tx1의 좌표(x, y, z)는
Figure 112020093348913-pat00003
,
Figure 112020093348913-pat00004
,
Figure 112020093348913-pat00005
이고, Tx2의 좌표(x, y, z)는
Figure 112020093348913-pat00006
,
Figure 112020093348913-pat00007
,
Figure 112020093348913-pat00008
이고, Tx3의 좌표(x, y, z)는
Figure 112020093348913-pat00009
,
Figure 112020093348913-pat00010
,
Figure 112020093348913-pat00011
이고, 상기 전력 수신 패드 상의 제1 기준 점이 상기 전력 송신 패드 상의 제2 기준 점으로부터 떨어진 거리(d)는
Figure 112020093348913-pat00012
의 공식을 통해서 산출되고, 상기 제1 기준 점이 상기 제2 기준 점을 중심으로 상기 전력 송신 패드가 포함된 평면과 평행한 평면 상에서 기준 각도로부터 회전한 제1 각도(θ1)는
Figure 112020093348913-pat00013
의 공식을 통해서 산출되고, 상기 전력 수신 패드가 상기 제1 기준 점을 중심으로 상기 전력 송신 패드가 포함된 평면과 평행한 평면 상에서 기준 각도로부터 회전한 제2 각도(θ2)는
Figure 112020093348913-pat00014
의 공식을 통해서 산출되고, 상기 세 개의 센싱 신호 송신부 중 제1 센싱 신호 송신부 및 제2 센싱 신호 송신부에 대응하는 점들을 연결한 직선이 상기 전력 송신 패드에 대해서 평행인 상태를 기준으로 기울어진 제3 각도(Ф1)는
Figure 112020093348913-pat00015
의 공식을 통해서 산출되고, 및 상기 제1 센싱 신호 송신부와 상기 제2 센싱 신호 송신부에 대응하는 점들을 연결한 직선에 대한 수선이 상기 제1 센싱 신호 송신부와 상기 제2 센싱 신호 송신부에 대응하는 점들을 연결한 직선을 중심으로 회전한 제4 각도(Ф2)는
Figure 112020093348913-pat00016
의 공식을 통해서 산출될 수 있다.
한편, 본 명세서는 무선 전력 전송 장치를 제시한다. 상기 무선 전력 전송 장치는 전력 송신 패드에서 전력 수신 패드로 무선으로 전력을 전송하는 무선 전력 전송 장치에 있어서, 상기 전력 수신 패드가 포함되는 평면 상에 배치되어, 상기 전력 송신 패드로 정렬 상태 정보를 산출하기 위한 센싱 신호를 송신하는 세 개의 센싱 신호 송신부; 상기 전력 송신 패드가 포함되는 평면 상에 배치되어, 상기 세 개의 센싱 신호 송신부로부터 상기 센싱 신호를 수신하는 세 개의 센싱 신호 수신부; 및 상기 세 개의 센싱 신호 수신부에 수신된 상기 센싱 신호에 기초하여 상기 전력 수신 패드와 상기 전력 송신 패드가 서로 겹쳐진 상태로부터 상기 전력 수신 패드가 벗어난 정도를 나타내는 위치 정렬 정보 및 상기 전력 수신 패드와 상기 전력 송신 패드가 서로 평행인 상태로부터 상기 전력 수신 패드가 기운 정도를 나타내는 기울기 정렬 정보를 포함하는 상기 정렬 상태 정보를 산출하는 정렬 상태 산출부를 포함할 수 있다.
상기 무선 전력 전송 장치 및 그 밖의 실시예는 다음과 같은 특징을 포함할 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 정렬 상태 산출부는 상기 세 개의 센싱 신호 송신부 중 각 센싱 신호 송신부와 상기 세 개의 센싱 신호 수신부 사이의 거리 및 상기 세 개의 센싱 신호 수신부의 좌표에 기초하여 상기 세 개의 센싱 신호 송신부의 좌표를 산출하고, 상기 세 개의 센싱 신호 송신부의 좌표에 기초하여 상기 위치 정렬 정보 및 상기 기울기 정렬 정보를 산출할 수 있다.
실시 예에 따라, 또한, 상기 각 센싱 신호 송신부와 상기 세 개의 센싱 신호 수신부 사이의 거리는 상기 세 개의 센싱 신호 수신부에서 수신된 상기 각 센싱 신호 송신부로부터 송신된 센싱 신호의 수신신호강도(RSSI)에 기초하여 산출될 수 있다.
실시 예에 따라, 또한, 상기 위치 정렬 정보는 상기 전력 수신 패드 상의 제1 기준 점이 상기 전력 송신 패드 상의 제2 기준 점으로부터 떨어진 거리(d), 상기 제1 기준 점이 상기 제2 기준 점을 중심으로 상기 전력 송신 패드가 포함된 평면과 평행한 평면 상에서 기준 각도로부터 회전한 제1 각도(θ1) 및 상기 전력 수신 패드가 상기 제1 기준 점을 중심으로 상기 전력 송신 패드가 포함된 평면과 평행한 평면 상에서 기준 각도로부터 회전한 제2 각도(θ2)를 나타내고, 상기 기울기 정렬 정보는 상기 세 개의 센싱 신호 송신부 중 제1 센싱 신호 송신부 및 제2 센싱 신호 송신부에 대응하는 점들을 연결한 직선이 상기 전력 송신 패드에 대해서 평행인 상태를 기준으로 기울어진 제3 각도(Ф1) 및 상기 제1 센싱 신호 송신부와 상기 제2 센싱 신호 송신부에 대응하는 점들을 연결한 직선에 대한 수선이 상기 제1 센싱 신호 송신부와 상기 제2 센싱 신호 송신부에 대응하는 점들을 연결한 직선을 중심으로 회전한 제4 각도(Ф2)를 나타낼 수 있다.
실시 예에 따라, 또한, 상기 세 개의 센싱 신호 수신부 중 제1 센싱 신호 수신부 및 제2 센싱 신호 수신부에 대응하는 점들을 연결한 길이가
Figure 112020093348913-pat00017
인 선분과 제2 센싱 신호 수신부 및 제3 센싱 신호 수신부에 대응하는 점들을 연결한 길이가
Figure 112020093348913-pat00018
인 선분이 서로 수직이고, 상기 제1 센싱 신호 송신부의 좌표는 Tx1, 상기 제2 센싱 신호 송신부의 좌표는 Tx2, 및 상기 제3 센싱 신호 송신부의 좌표는 Tx3이고, d1k는 Txk(k는 1, 2, 3)
Figure 112020093348913-pat00019
와 상기 제1 센싱 신호 수신부 사이의 거리이고, d2k는 Txk(k는 1, 2, 3)
Figure 112020093348913-pat00020
와 상기 제2 센싱 신호 수신부 사이의 거리이고, d3k는 Txk(k는 1, 2, 3)
Figure 112020093348913-pat00021
와 상기 제3 센싱 신호 수신부 사이의 거리이고, P1은 상기 세 개의 센싱 신호 송신부 중 제1 센싱 신호 송신부 및 제2 센싱 신호 송신부의 중점이고, P1x는 P1의 x좌표 및 P1y는 P1의 y좌표이며, Tx1x은 Tx1의 x좌표, Tx1y는 Tx1의 y좌표, Tx1z는 Tx1의 z좌표이고, Tx2x는 Tx2의 x좌표, Tx2y는 Tx2의 y좌표, Tx2z는 Tx2의 z좌표이고, Tx3x는 Tx3의 x좌표이고, Tx3z는 Tx3의 z좌표일 때, Tx1의 좌표(x, y, z)는
Figure 112020093348913-pat00022
,
Figure 112020093348913-pat00023
,
Figure 112020093348913-pat00024
이고, Tx2의 좌표(x, y, z)는
Figure 112020093348913-pat00025
,
Figure 112020093348913-pat00026
,
Figure 112020093348913-pat00027
이고, Tx3의 좌표(x, y, z)는
Figure 112020093348913-pat00028
,
Figure 112020093348913-pat00029
,
Figure 112020093348913-pat00030
이고, 상기 전력 수신 패드 상의 제1 기준 점이 상기 전력 송신 패드 상의 제2 기준 점으로부터 떨어진 거리(d)는
Figure 112020093348913-pat00031
의 공식을 통해서 산출되고, 상기 제1 기준 점이 상기 제2 기준 점을 중심으로 상기 전력 송신 패드가 포함된 평면과 평행한 평면 상에서 기준 각도로부터 회전한 제1 각도(θ1)는
Figure 112020093348913-pat00032
의 공식을 통해서 산출되고, 상기 전력 수신 패드가 상기 제1 기준 점을 중심으로 상기 전력 송신 패드가 포함된 평면과 평행한 평면 상에서 기준 각도로부터 회전한 제2 각도(θ2)는
Figure 112020093348913-pat00033
의 공식을 통해서 산출되고, 상기 세 개의 센싱 신호 송신부 중 제1 센싱 신호 송신부 및 제2 센싱 신호 송신부에 대응하는 점들을 연결한 직선이 상기 전력 송신 패드에 대해서 평행인 상태를 기준으로 기울어진 제3 각도(Ф1)는
Figure 112020093348913-pat00034
의 공식을 통해서 산출되고, 및 상기 제1 센싱 신호 송신부와 상기 제2 센싱 신호 송신부에 대응하는 점들을 연결한 직선에 대한 수선이 상기 제1 센싱 신호 송신부와 상기 제2 센싱 신호 송신부에 대응하는 점들을 연결한 직선을 중심으로 회전한 제4 각도(Ф2)는
Figure 112020093348913-pat00035
의 공식을 통해서 산출될 수 있다.
본 명세서에 개시된 실시 예에 따른 무선 전력 전송 장치 및 무선 전력 전송 장치의 전력 송수신 패드 정렬 방법은 전력 송수신 패드 간의 정렬 상태 정보를 산출하여 최대의 전력 전송 효율을 가지도록 송수신 패드를 정합시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 명세서에 개시된 실시 예에 따른 무선 전력 전송 장치 및 무선 전력 전송 장치의 전력 송수신 패드 정렬 방법은 송수신 패드 간의 위치 정렬 오차 뿐만 아니라 기울기 정렬 오차까지 산출할 수 있어서 송수신 패드 간의 오정렬 상태를 정확하게 판단할 수 있는 효과가 있다.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 블록도이다.
도 2는 다른 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 블록도이다.
도 3(a)는 무선 전력 전송 시스템이 도입되는 다양한 전자 기기들의 실시예를 나타내는 도면이고, 도 3(b)는 무선 전력 전송 시스템에서 WPC NDEF의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 4는 다른 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 블록도이다.
도 5는 무선 전력 전송 절차를 설명하기 위한 상태 천이도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 전력 제어 방법을 나타내는 도면이다.
도 7은 다른 실시예에 따른 무선 전력 전송장치의 블록도이다.
도 8은 다른 실시예에 따른 무선 전력 수신장치의 블록도이다.
도 9는 일 실시예에 따른 통신 프레임 구조를 나타내는 도면이다.
도 10은 일 실시예에 따른 싱크 패턴의 구조를 나타내는 도면이다.
도 11은 일 실시예에 따른 쉐어드 모드에서 무선 전력 전송장치 및 무선 전력 수신장치의 동작 상태를 설명하는 도면이다.
도 12는 전력 송신 패드와 전력 수신 패드 사이의 정렬 상태 및 정렬 상태에 따른 전력 전송 효율을 도시한 도면이다.
도 13은 전력 송수신 패드의 정렬 상태의 예를 도시한 도면이다.
도 14는 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 전송 장치의 구성을 도시한다.
도 15는 전력 송신 패드와 전력 수신 패드에 설치된 정렬 상태 도출을 위한 센싱 신호 송수신 안테나와 이를 이용한 센싱 신호 송수신 안테나 간의 거리를 도출하는 방법을 도시한다.
도 16은 어느 하나의 센싱 신호 송신 안테나에서 세 개의 센싱 신호 수신 안테나까지의 거리를 이용하여 어느 하나의 센싱 신호 송신 안테나의 공간 좌표를 산출하는 방법을 도시한다.
도 17은 기울기 정렬 오차가 발생하기 전의 전력 수신 패드 상의 세 점을 활용하여 제4 각도(Ф2)를 구하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 18은 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 전송 장치를 통해 전력 송수신 패드를 정렬하는 방법을 설명하는 도면이다.
본 명세서에 개시된 기술은 무선 전력 전송 장치 및 무선 전력 전송 장치의 전력 송수신 패드의 정렬 상태 도출 기술에 적용될 수 있다. 그러나 본 명세서에 개시된 기술은 이에 한정되지 않고, 상기 기술의 기술적 사상이 적용될 수 있는 모든 장치 및 방법에도 적용될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 명세서에 개시된 기술의 사상을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 본 명세서에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 명세서에 개시된 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적인 용어가 본 명세서에 개시된 기술의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 본 명세서에 개시된 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥 상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.
본 명세서에서 사용되는 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예들을 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
또한, 본 명세서에 개시된 기술을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 기술의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 기술의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 그 기술의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
이하에서 사용되는 "무선 전력" 이라는 용어는, 물리적인 전자기 전도체들의 사용없이 무선 전력 전송기(wireless power transmitter)로부터 무선 전력 수신기(wireless power receiver)로 전달되는 전기장, 자기장, 전자기장 등과 관련된 임의의 형태의 에너지를 의미하도록 사용된다. 무선 전력은 무선 전력 신호(wireless power signal)이라고 불릴 수도 있으며, 1차 코일과 2차 코일에 의해 둘러싸이는(enclosed) 진동하는 자속(oscillating magnetic flux)을 의미할 수 있다. 예를 들어, 이동 전화기, 코드리스 전화기, iPod, MP3 플레이어, 헤드셋 등을 포함하는 디바이스들을 무선으로 충전하기 위해 시스템에서의 전력 변환이 여기에 설명된다. 일반적으로, 무선 전력 전송의 기본적인 원리는, 예를 들어, 자기 커플링(magnetic coupling)을 통해 전력을 전달하는 방식, 마이크로웨이브(microwave)를 통해 전력을 전달하는 방식, 광을 통해 전력을 전달하는 방식, 초음파를 통해 전력을 전달하는 방식을 모두 포함한다.
도 1은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 블록도이다.
도 2는 다른 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 블록도이다.
도 1을 참조하면, 무선 전력 전송 시스템(10)은 무선 전력 전송장치(100)와 무선 전력 수신장치(200)를 포함한다.
무선 전력 전송장치(100)는 외부의 전원 소스(S)로부터 전원을 인가받아 자기장을 발생시킨다. 무선 전력 수신장치(200)는 발생된 자기장을 이용하여 전류를 발생시켜 무선으로 전력을 수신한다.
또한, 무선 전력 전송 시스템(10)에서 무선 전력 전송장치(100)와 무선 전력 수신장치(200)는 무선 전력 전송에 필요한 다양한 정보를 송수신할 수 있다. 여기서, 무선 전력 전송장치(100)와 무선 전력 수신장치(200)간의 통신은 무선 전력 전송에 이용되는 자기장을 이용하는 인밴드 통신(in-band communication)이나 별도의 통신 캐리어를 이용하는 아웃밴드 통신(out-band communication) 중 어느 하나의 방식에 따라 수행될 수 있다. 아웃밴드 통신은 아웃 오브 밴드(out of band) 통신이라 불릴 수도 있다. 이하에서는 아웃밴드 통신과 아웃 오브 밴드 통신을 아웃밴드 통신으로 통일하여 기술한다. 아웃밴드 통신의 예로서 NFC, 블루투스(bluetooth), BLE(bluetooth low energy) 등을 포함할 수 있다.
여기서, 무선 전력 전송장치(100)는 고정형 또는 이동형으로 제공될 수 있다. 고정형의 예로는 실내의 천장이나 벽면 또는 테이블 등의 가구에 임베디드(embedded)되는 형태, 실외의 주차장, 버스 정류장이나 지하철역 등에 임플란트 형식으로 설치되는 형태나 차량이나 기차 등의 운송 수단에 설치되는 형태 등이 있다. 이동형인 무선 전력 전송장치(100)는 이동 가능한 무게나 크기의 이동형 장치나 노트북 컴퓨터의 덮개 등과 같이 다른 장치의 일부로 구현될 수 있다.
또 무선 전력 수신장치(200)는 배터리를 구비하는 각종 전자 기기 및 전원 케이블 대신 무선으로 전원을 공급받아 구동되는 각종 가전 기기를 포함하는 포괄적인 개념으로 해석되어야 한다. 무선 전력 수신장치(200)의 대표적인 예로는, 이동 단말기(portable terminal), 휴대 전화기(cellular phone), 스마트폰(smart phone), 개인 정보 단말기(PDA: Personal Digital Assistant), 휴대 미디어 플레이어(PMP: Portable Media Player), 와이브로 단말기(Wibro terminal), 태블릿(tablet), 패블릿(phablet), 노트북(notebook), 디지털 카메라, 네비게이션 단말기, 텔레비전, 전기차량(EV: Electronic Vehicle) 등이 있다.
무선 전력 전송 시스템(10)에서 무선 전력 수신장치(200)는 하나 또는 복수일 수 있다. 도 1에서는 무선 전력 전송장치(100)와 무선 전력 수신장치(200)가 일대일로 전력을 주고 받는 것으로 표현되고 있으나, 도 2와 같이 하나의 무선 전력 전송장치(100)가 복수의 무선 전력 수신장치(200-1, 200-2,..., 200-M)로 전력을 전달하는 것도 가능하다. 특히, 자기 공진 방식으로 무선 전력 전송을 수행하는 경우에는 하나의 무선 전력 전송장치(100)가 동시 전송 방식이나 시분할 전송 방식을 응용하여 동시에 여러 대의 무선 전력 수신장치(200-1, 200-2,...,200-M)로 전력을 전달할 수 있다.
또한, 도 1에는 무선 전력 전송장치(100)가 무선 전력 수신장치(200)에 바로 전력을 전달하는 모습이 도시되어 있으나, 무선 전력 전송장치(100)와 무선 전력 수신장치(200) 사이에 무선 전력 전송 거리를 증대시키기 위한 릴레이(relay) 또는 중계기(repeater)와 같은 별도의 무선 전력 송수신 장치가 구비될 수 있다. 이 경우, 무선 전력 전송장치(100)로부터 무선 전력 송수신 장치로 전력이 전달되고, 무선 전력 송수신 장치가 다시 무선 전력 수신장치(200)로 전력을 전달할 수 있다.
이하 본 명세서에서 언급되는 무선 전력 수신기, 전력 수신기, 수신기는 무선 전력 수신장치(200)를 지칭한다. 또한 본 명세서에서 언급되는 무선 전력 전송기, 전력 전송기, 전송기는 무선 전력 전송장치(100)를 지칭한다.
도 3(a)는 무선 전력 전송 시스템이 도입되는 다양한 전자 기기들의 실시예를 나타내는 도면이다.
도 3(b)는 무선 전력 전송 시스템에서 WPC NDEF의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 3(a)에는 무선 전력 전송 시스템에서 송신 및 수신하는 전력 양에 따라 전자 기기들을 분류하여 도시하였다. 도 3(a)를 참조하면, 스마트 시계(Smart watch), 스마트 글래스(Smart Glass), HMD(Head Mounted Display), 및 스마트 링(Smart ring)과 같은 웨어러블 기기들 및 이어폰, 리모콘, 스마트폰, PDA, 태블릿 PC 등의 모바일 전자 기기들(또는 포터블 전자 기기들)에는 소전력(약 5W이하 또는 약 20W 이하) 무선 충전 방식이 적용될 수 있다.
노트북, 로봇 청소기, TV, 음향 기기, 청소기, 모니터와 같은 중/소형 가전 기기들에는 중전력(약 50W이하 또는 약 200W)이하) 무선 충전 방식이 적용될 수 있다. 믹서기, 전자 레인지, 전기 밥솥과 같은 주방용 가전 기기, 휠체어, 전기 킥보드, 전기 자전거, 전기 자동차 등의 개인용 이동 기기들(또는, 전자 기기/이동 수단들)은 대전력(약 2kW 이하 또는 22kW이하) 무선 충전 방식이 적용될 수 있다.
상술한(또는 도 1에 도시된) 전자 기기들/이동 수단들은 후술하는 무선 전력 수신기를 각각 포함할 수 있다. 따라서, 상술한 전자 기기들/이동 수단들은 무선 전력 송신기로부터 무선으로 전력을 수신하여 충전될 수 있다.
이하에서는 전력 무선 충전 방식이 적용되는 모바일 기기를 중심으로 설명하나 이는 실시예에 불과하며, 본 발명에 따른 무선 충전 방법은 상술한 다양한 전자 기기에 적용될 수 있다.
무선 전력 전송에 관한 표준(standard)은 WPC(wireless power consortium), AFA(air fuel alliance), PMA(power matters alliance)을 포함한다.
WPC 표준은 기본 전력 프로파일(baseline power profile: BPP)과 확장 전력 프로파일(extended power profile: EPP)을 정의한다. BPP는 5W의 전력 전송을 지원하는 무선 전력 전송장치와 무선 전력 수신장치에 관한 것이고, EPP는 5W보다 크고 30W보다 작은 범위의 전력 전송을 지원하는 무선 전력 전송장치와 무선 전력 수신장치에 관한 것이다.
서로 다른 전력레벨(power level)을 사용하는 다양한 무선 전력 전송장치와 무선 전력 수신장치들이 각 표준별로 커버되고, 서로 다른 전력 클래스(power class) 또는 카테고리로 분류될 수 있다.
예를 들어, WPC는 무선 전력 전송장치와 수신장치를 전력 클래스(power class, PC) -1, PC0, PC1, PC2로 분류하고, 각 PC에 대한 표준문서를 제공한다. PC-1 표준은 5W 미만의 보장전력(guaranteed power)을 제공하는 무선 전력 전송장치와 무선 전력 수신장치에 관한 것이다. PC-1의 어플리케이션은 스마트 시계와 같은 웨어러블 기기를 포함한다.
PC0 표준은 5W의 보장전력을 제공하는 무선 전력 전송장치와 수신장치에 관한 것이다. PC0 표준은 보장전력이 30W까지인 EPP를 포함한다. 인밴드(in-band, IB) 통신이 PC0의 필수적인(mandatory) 통신 프로토콜이나, 옵션의 백업 채널로 사용되는 아웃밴드(out-of-band, OOB) 통신도 사용될 수 있다. 무선 전력 수신장치는 OOB의 지원 여부를 구성 패킷(configuration packet)내의 OOB 플래그를 설정함으로써 식별할 수 있다. OOB를 지원하는 무선 전력 전송장치는 상기 구성 패킷에 대한 응답으로서, OOB 핸드오버를 위한 비트패턴(bit-pattern)을 전송함으로써 OOB 핸드오버 단계(handover phase)로 진입할 수 있다. 상기 구성 패킷에 대한 응답은 NAK, ND 또는 새롭게 정의되는 8비트의 패턴일 수 있다. PC0의 어플리케이션은 스마트폰을 포함한다.
PC1 표준은 30W~150W의 보장전력을 제공하는 무선 전력 전송장치와 무선 전력 수신장치에 관한 것이다. OOB는 PC1을 위한 필수적인 통신 채널이며, IB는 OOB로의 초기화 및 링크 수립(link establishment)로서 사용된다. 무선 전력 전송장치는 구성 패킷에 대한 응답으로서, OOB 핸드오버를 위한 비트패턴을 OOB 핸드오버 단계로 진입할 수 있다. PC1의 어플리케이션은 랩탑이나 전동 공구(power tool)을 포함한다.
PC2 표준은 200W~2kW의 보장전력을 제공하는 무선 전력 전송장치와 무선 전력 수신장치에 관한 것으로서, 그 어플리케이션은 주방가전을 포함한다.
이렇듯 전력 레벨에 따라 PC가 구별될 수 있으며, 동일한 PC간 호환성(compatibility)을 지원할지 여부는 선택 또는 필수 사항일 수 있다. 여기서 동일한 PC간 호환성은, 동일한 PC 간에는 전력 송수신이 가능함을 의미한다. 예를 들어, PC x인 무선 전력 전송장치가 동일한 PC x를 갖는 무선 전력 수신장치의 충전이 가능한 경우, 동일한 PC간 호환성이 유지되는 것으로 볼 수 있다. 이와 유사하게 서로 다른 PC간의 호환성 역시 지원 가능할 수 있다. 여기서 서로 다른 PC간 호환성은, 서로 다른 PC 간에도 전력 송수신이 가능함을 의미한다. 예를 들어, PC x인 무선 전력 전송장치가 PC y를 갖는 무선 전력 수신장치의 충전이 가능한 경우, 서로 다른 PC간 호환성이 유지되는 것으로 볼 수 있다.
PC간 호환성의 지원은 사용자 경험(User Experience) 및 인프라 구축 측면에서 매우 중요한 이슈이다. 다만, PC간 호환성 유지에는 기술적으로 아래와 같은 여러 문제점이 존재한다.
동일한 PC간 호환성의 경우, 예를 들어, 연속적으로 전력이 전송되는 경우에만 안정적으로 충전이 가능한 랩-탑 충전(lap-top charging) 방식의 무선 전력 수신장치는, 동일한 PC의 무선 전력 송신장치라 하더라도, 불연속적으로 전력을 전송하는 전동 툴 방식의 무선 전력 송신장치로부터 전력을 안정적으로 공급받는 데 문제가 있을 수 있다. 또한, 서로 다른 PC간 호환성의 경우, 예를 들어, 최소 보장 전력이 200W인 무선 전력 송신장치는 최대 보장 전력이 5W인 무선 전력 수신장치로 전력을 송신하는 경우, 과전압으로 인해 무선 전력 수신장치가 파손될 위험이 있다. 그 결과, PC는 호환성을 대표/지시하는 지표/기준으로 삼기 어렵다.
무선 전력 전송 및 수신장치들은 매우 편리한 사용자 경험과 인터페이스(UX/UI)를 제공할 수 있다. 즉, 스마트 무선충전 서비스가 제공될 수 있다, 스마트 무선충전 서비스는 무선 전력 전송장치를 포함하는 스마트폰의 UX/UI에 기초하여 구현될 수 있다. 이러한 어플리케이션을 위해, 스마트폰의 프로세서와 무선충전 수신장치간의 인터페이스는 무선 전력 전송장치와 수신장치간의 "드롭 앤 플레이(drop and play)" 양방향 통신을 허용한다.
일례로서, 사용자는 호텔에서 스마트 무선 충전 서비스를 경험할 수 있다. 사용자가 호텔 방으로 입장하고 방안의 무선충전기 위에 스마트폰을 올려놓으면, 무선충전기는 스마트폰으로 무선 전력을 전송하고, 스마트폰은 무선 전력을 수신한다. 이 과정에서, 무선충전기는 스마트 무선 충전 서비스에 관한 정보를 스마트폰으로 전송한다. 스마트폰이 무선충전기 상에 위치됨을 감지하거나, 무선 전력의 수신을 감지하거나, 또는 스마트폰이 무선충전기로부터 스마트 무선 충전 서비스에 관한 정보를 수신하면, 스마트폰은 사용자에게 부가적 특징으로의 동의(opt-in)를 문의하는 상태로 진입한다. 이를 위해, 스마트폰은 알람음을 포함하거나 또는 포함하지 않는 방식으로 스크린상에 메시지를 디스플레이할 수 있다. 메시지의 일례는 "Welcome to ### hotel. Select “Yes” to activate smart charging functions : Yes | No Thanks."와 같은 문구를 포함할 수 있다. 스마트폰은 Yes 또는 No Thanks를 선택하는 사용자의 입력을 받고, 사용자에 의해 선택된 다음 절차를 수행한다. 만약 Yes가 선택되면 스마트폰은 무선충전기에 해당 정보를 전송한다. 그리고 스마트폰과 무선충전기는 스마트 충전 기능을 함께 수행한다.
스마트 무선 충전 서비스는 또한 WiFi 자격(wifi credentials) 자동 입력(auto-filled)을 수신하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 무선충전기는 WiFi 자격을 스마트폰으로 전송하고, 스마트폰은 적절한 앱을 실행하여 무선충전기로부터 수신된 WiFi 자격을 자동적으로 입력한다.
스마트 무선 충전 서비스는 또한 호텔 프로모션을 제공하는 호텔 어플리케이션을 실행하거나, 원격 체크인/체크아웃 및 컨택 정보들을 획득하는 것을 포함할 수 있다.
다른 예로서, 사용자는 차량 내에서 스마트 무선 충전 서비스를 경험할 수 있다. 사용자가 차량에 탑승하고 스마트폰을 무선충전기 위에 올려놓으면, 무선충전기는 스마트폰에 무선 전력을 전송하고, 스마트폰은 무선 전력을 수신한다. 이러한 과정에서, 무선 충전기는 스마트 무선 충전 서비스에 관한 정보를 스마트폰으로 전송한다. 스마트폰이 무선충전기 상에 위치됨을 감지하거나, 무선 전력의 수신을 감지하거나, 또는 스마트폰이 무선충전기로부터 스마트 무선 충전 서비스에 관한 정보를 수신하면, 스마트폰은 사용자에게 신분(identity)를 확인을 문의하는 상태로 진입한다.
이 상태에서, 스마트폰은 WiFi 및/또는 블루투스를 통해 자동적으로 자동차와 연결된다. 스마트폰은 알람음을 포함하거나 또는 포함하지 않는 방식으로 스크린상에 메시지를 디스플레이할 수 있다. 메시지의 일례는 "Welcome to your car. Select “Yes” to synch device with in-car controls : Yes | No Thanks."와 같은 문구를 포함할 수 있다. 스마트폰은 Yes 또는 No Thanks를 선택하는 사용자의 입력을 받고, 사용자에 의해 선택된 다음 절차를 수행한다. 만약 Yes가 선택되면 스마트폰은 무선충전기에 해당 정보를 전송한다. 그리고 스마트폰과 무선충전기는 차량내 어플리케이션/디스플레이 소프트웨어를 구동함으로써, 차량 내 스마트 제어 기능을 함께 수행할 수 있다. 사용자는 원하는 음악을 즐길 수 있고, 정규적인 맵 위치를 확인할 수 있다. 차량 내 어플리케이션/디스플레이 소프트웨어는 통행자들을 위한 동기화 접근을 제공하는 성능을 포함할 수 있다.
또 다른 예로서, 사용자는 스마트 무선 충전을 댁내에서 경험할 수 있다. 사용자가 방으로 들어가서 방안의 무선충전기 위에 스마트폰을 올려놓으면, 무선충전기는 스마트폰으로 무선 전력을 전송하고, 스마트폰은 무선 전력을 수신한다. 이 과정에서, 무선충전기는 스마트 무선 충전 서비스에 관한 정보를 스마트폰으로 전송한다. 스마트폰이 무선충전기 상에 위치됨을 감지하거나, 무선 전력의 수신을 감지하거나, 또는 스마트폰이 무선충전기로부터 스마트 무선 충전 서비스에 관한 정보를 수신하면, 스마트폰은 사용자에게 부가적 특징으로의 동의(opt-in)를 문의하는 상태로 진입한다. 이를 위해, 스마트폰은 알람음을 포함하거나 또는 포함하지 않는 방식으로 스크린상에 메시지를 디스플레이할 수 있다. 메시지의 일례는 "Hi xxx, Would you like to activate night mode and secure the building? : Yes | No Thanks."와 같은 문구를 포함할 수 있다. 스마트폰은 Yes 또는 No Thanks를 선택하는 사용자의 입력을 받고, 사용자에 의해 선택된 다음 절차를 수행한다. 만약 Yes가 선택되면 스마트폰은 무선충전기에 해당 정보를 전송한다. 스마트폰과 무선 충전기는 적어도 사용자의 패턴을 인지하고 사용자에게 문과 창문을 잠그거나 불을 끄거나, 알람을 설정하도록 권유할 수 있다.
이하에서는 호환성을 대표/지시하는 지표/기준으로 '프로필(profile)'을 새롭게 정의하기로 한다. 즉, 동일한 '프로필'을 갖는 무선 전력 송수신 장치간에는 호환성이 유지되어 안정적인 전력 송수신이 가능하며, 서로 다른 '프로필'을 갖는 무선 전력 송수신장치간에는 전력 송수신이 불가한 것으로 해석될 수 있다. 프로필은 전력 클래스와 무관하게(또는 독립적으로) 호환 가능 여부 및/또는 어플리케이션에 따라 정의될 수 있다.
예를 들어, 프로필은 크게 i) 모바일, ii) 전동 툴, iii) 주방 및 iv) 웨어러블 이렇게 4가지로 구분될 수 있다.
'모바일' 프로필의 경우, PC는 PC0 및/또는 PC1, 통신 프로토콜/방식은 IB 및 OOB, 동작 주파수는 87~205kHz로 정의될 수 있으며, 어플리케이션의 예시로는 스마트폰, 랩-탑 등이 존재할 수 있다.
'전동 툴' 프로필의 경우, PC는 PC1, 통신 프로토콜/방식은 IB, 동작 주파수는 87~145kHz로 정의될 수 있으며, 어플리케이션의 예시로는 전동 툴 등이 존재할 수 있다.
'주방' 프로필의 경우, PC는 PC2, 통신 프로토콜/방식은 NFC-기반, 동작 주파수는 100kHz 미만으로 정의될 수 있으며, 어플리케이션의 예시로는 주방/가전 기기 등이 존재할 수 있다.
전동 툴과 주방 프로필의 경우, 무선 전력 전송장치와 수신장치 간에 NFC 통신이 사용될 수 있다. 무선 전력 전송장치와 수신장치는 WPC NDEF(NFC Data Exchange Profile Format)을 교환함으로써 상호간에 NFC 기기임을 확인할 수 있다. 예를 들어 WPC NDEF는 도 3(b)와 같이 어플리케이션 프로파일(application profile) 필드(예를 들어 1B), 버전 필드(예를 들어 1B), 및 프로파일 특정 데이터(profile specific data, 예를 들어 1B)를 포함할 수 있다. 어플리케이션 프로파일 필드는 해당 장치가 i) 모바일 및 컴퓨팅, ii) 전동 툴, 및 iii) 주방 중 어느 것인지를 지시하고, 버전 필드의 상위 니블(upper nibble)은 메이저 버전(major version)을 지시하고 하위 니블(lower nibble)은 마이너 버전(minor version)을 지시한다. 또한 프로파일 특정 데이터는 주방을 위한 컨텐츠를 정의한다.
'웨어러블' 프로필의 경우, PC는 PC-1, 통신 프로토콜/방식은 IB, 동작 주파수는 87~205kHz으로 정의될 수 있으며, 어플리케이션의 예시로는 사용자 몸에 착용하는 웨어러블 기기 등이 존재할 수 있다.
동일한 프로필간에는 호환성 유지는 필수 사항일 수 있으며, 다른 프로필간의 호환성 유지는 선택 사항일 수 있다.
상술한 프로필(모바일 프로필, 전동 툴 프로필, 주방 프로필 및 웨어러블 프로필)들은 제1 내지 제n 프로필로 일반화되어 표현될 수 있으며, WPC 규격 및 실시예에 따라 새로운 프로필이 추가/대체될 수 있다.
이와 같이 프로필이 정의되는 경우, 무선 전력 전송장치가 자신과 동일한 프로필의 무선 전력 수신장치에 대해서만 선택적으로 전력 송신을 수행하여 보다 안정적으로 전력 송신이 가능하다. 또한 무선 전력 전송장치의 부담이 줄어들고, 호환이 불가능한 무선 전력 수신장치로의 전력 송신을 시도하지 않게 되므로 무선 전력 수신장치의 파손 위험이 줄어든다는 효과가 발생한다.
'모바일' 프로필 내의 PC1은 PC0를 기반으로 OOB와 같은 선택적 확장을 차용함으로써 정의될 수 있으며, '전동 툴' 프로필의 경우, PC1 '모바일' 프로필이 단순히 변경된 버전으로서 정의될 수 있다. 또한, 현재까지는 동일한 프로필간의 호환성 유지를 목적으로 정의되었으나, 추후에는 서로 다른 프로필간의 호환성 유지 방향으로 기술이 발전될 수 있다. 무선 전력 전송장치 또는 무선 전력 수신장치는 다양한 방식을 통해 자신의 프로필을 상대방에게 알려줄 수 있다.
AFA 표준은 무선 전력 전송장치를 PTU(power transmitting circuit)이라 칭하고, 무선 전력 수신장치를 PRU(power receiving circuit)이라 칭한다. PTU는 표 1과 같이 다수의 클래스로 분류되고, PRU는 표 2와 같이 다수의 카테고리로 분류된다.
PTX_IN_MAX 최소 카테고리 지원 요구사항 지원되는 최대 기기 개수를 위한 최소값
Class 1 2W 1x 카테고리 1 1x 카테고리 1
Class 2 10W 1x 카테고리 3 2x 카테고리 2
Class 3 16W 1x 카테고리 4 2x 카테고리 3
Class 4 33W 1x 카테고리 5 3x 카테고리 3
Class 5 50W 1x 카테고리 6 4x 카테고리 3
Class 6 70W 1x 카테고리 7 5x 카테고리 3
PRU PRX_OUT_MAX' 예시 어플리케이션
Category 1 TBD 블루투스 헤드셋
Category 2 3.5W 피쳐폰
Category 3 6.5W 스마트폰
Category 4 13W 태블릿, 패플릿
Category 5 25W 작은 폼팩터 랩탑
Category 6 37.5W 일반 랩탑
Category 7 50W 가전
표 1에서와 같이, 클래스 n PTU의 최대 출력 전력 성능(capability)은 해당 클래스의 PTX_IN_MAX 값보다 크거나 같다. PRU는 해당 카테고리에서 명세된(specified) 전력보다 더 큰 전력을 끌어당길(draw) 수는 없다.
도 4는 다른 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 블록도이다.
도 4를 참조하면, 무선 전력 전송 시스템(10)은 무선으로 전력을 수신하는 모바일 기기(Mobile Device)(450) 및 무선으로 전력을 송신하는 베이스 스테이션(Base Station)(400)을 포함한다.
베이스 스테이션(400)은 유도 전력 또는 공진 전력을 제공하는 장치로서, 적어도 하나의 무선 전력 전송장치(power transmitter, 100) 및 시스템 회로(405)을 포함할 수 있다. 무선 전력 전송장치(100)는 유도 전력 또는 공진 전력을 전송하고, 전송을 제어할 수 있다. 무선 전력 전송장치(100)는, 1차 코일(primary coil(s))을 통해 자기장을 생성함으로써 전기 에너지를 전력 신호로 변환하는 전력 변환 회로(power conversion circuit, 110) 및 적절한 레벨로 전력을 전달하도록 무선 전력 수신장치(200)와의 통신 및 전력 전달을 컨트롤하는 통신/컨트롤 회로(communications & control circuit, 120)을 포함할 수 있다. 시스템 회로(405)은 입력 전력 프로비저닝(provisioning), 복수의 무선 전력 전송장치들의 컨트롤 및 사용자 인터페이스 제어와 같은 베이스 스테이션(400)의 기타 동작 제어를 수행할 수 있다.
1차 코일은 교류 전력(또는 전압 또는 전류)을 이용하여 전자기장을 발생시킬 수 있다. 1차 코일은 전력 변환 회로(110)에서 출력되는 특정 주파수의 교류전력(또는 전압 또는 전류)을 인가받고, 이에 따라 특정 주파수의 자기장을 발생시킬 수 있다. 자기장은 비방사형 또는 방사형으로 발생할 수 있는데, 무선 전력 수신 장치(200)는 이를 수신하여 전류를 생성하게 된다. 다시 말해 1차 코일은 무선으로 전력을 전송하는 것이다.
자기 유도 방식에서, 1차 코일과 2차 코일은 임의의 적합한 형태들을 가질 수 있으며, 예컨대, 페라이트 또는 비정질 금속과 같은 고투자율의 형성물의 주위에 감긴 동선일 수 있다. 1차 코일은 1차 코어(primary core), 1차 와인딩(primary winding), 1차 루프 안테나(primary loop antenna) 등으로 불릴 수도 있다. 한편, 2차 코일은 2차 코어(secondary core), 2차 와인딩(secondary winding), 2차 루프 안테나(secondary loop antenna), 픽업 안테나(pickup antenna) 등으로 불릴 수도 있다.
자기 공진 방식을 이용하는 경우에는 1차 코일과 2차 코일은 각각 1차 공진 안테나와 2차 공진 안테나 형태로 제공될 수 있다. 공진 안테나는 코일과 캐패시터를 포함하는 공진 구조를 가질 수 있다. 이때 공진 안테나의 공진 주파수는 코일의 인덕턴스와 캐패시터의 캐패시턴스에 의해 결정된다. 여기서, 코일은 루프의 형태로 이루어질 수 있다. 또 루프의 내부에는 코어가 배치될 수 있다. 코어는 페라이트 코어(ferrite core)와 같은 물리적인 코어나 공심 코어(air core)를 포함할 수 있다.
1차 공진 안테나와 2차 공진 안테나 간의 에너지 전송은 자기장의 공진 현상을 통해 이루어질 수 있다. 공진 현상이란 하나의 공진 안테나에서 공진 주파수에 해당하는 근접장이 발생할 때 주위에 다른 공진 안테나가 위치하는 경우, 양 공진 안테나가 서로 커플링되어 공진 안테나 사이에서 높은 효율의 에너지 전달이 일어나는 현상을 의미한다. 1차 공진 안테나와 2차 공진 안테나 안테나 사이에서 공진 주파수에 해당하는 자기장이 발생하면, 1차 공진 안테나와 2차 공진 안테나가 서로 공진하는 현상이 발생되고, 이에 따라 일반적인 경우 1차 공진 안테나에서 발생한 자기장이 자유공간으로 방사되는 경우에 비해 보다 높은 효율로 2차 공진 안테나를 향해 자기장이 집속되며, 따라서 1차 공진 안테나로부터 2차 공진 안테나에 높은 효율로 에너지가 전달될 수 있다. 자기 유도 방식은 자기 공진 방식과 유사하게 구현될 수 있으나 이때에는 자기장의 주파수가 공진 주파수일 필요가 없다. 대신 자기 유도 방식에서는 1차 코일과 2차 코일을 구성하는 루프 간의 정합이 필요하며 루프 간의 간격이 매우 근접해야 한다.
도면에 도시되지 않았으나, 무선 전력 전송장치(100)는 통신 안테나를 더 포함할 수도 있다. 통신 안테나는 자기장 통신 이외의 통신 캐리어를 이용하여 통신 신호를 송수신할 수 있다. 예를 들어, 통신 안테나는 와이파이(Wi-Fi), 블루투스(Bluetooth), 블루투스 LE, 직비(ZigBee), NFC 등의 통신 신호를 송수신 할 수 있다.
통신/컨트롤 회로(120)은 무선 전력 수신장치(200)와 정보를 송수신할 수 있다. 통신/컨트롤 회로(120)은 IB 통신 모듈 또는 OOB 통신 모듈 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
IB 통신 모듈은 특정 주파수를 중심 주파수로 하는 자기파를 이용하여 정보를 송수신할 수 있다. 예를 들어, 통신/컨트롤 회로(120)은 자기파에 정보를 실어 1차 코일을 통해 송신하거나 또는 정보가 담긴 자기파를 1차 코일을 통해 수신함으로써 인-밴드 통신을 수행할 수 있다. 이때, 이진 위상 편이(BPSK: binary phase shift keying) 또는 진폭 편이(ASK: amplitude shift keying) 등의 변조 방식과 맨체스터(Manchester) 코딩 또는 넌 제로 복귀 레벨(NZR-L: non-return-to-zero level) 코딩 등의 코딩 방식을 이용하여 자기파에 정보를 담거나 정보가 담긴 자기파를 해석할 수 있다. 이러한 IB 통신을 이용하면 통신/컨트롤 회로(120)은 수 kbps의 데이터 전송율로 수 미터에 이르는 거리까지 정보를 송수신할 수 있다.
OOB 통신 모듈은 통신 안테나를 통해 아웃밴드 통신을 수행할 수도 있다. 예를 들어, 통신/컨트롤 회로(120)은 근거리 통신 모듈로 제공될 수 있다. 근거리 통신 모듈의 예로는 와이파이(Wi-Fi), 블루투스(Bluetooth), 블루투스 LE, 직비(ZigBee), NFC 등의 통신 모듈이 있다.
통신/컨트롤 회로(120)는 무선 전력 전송 장치(100)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 통신/컨트롤 회로(120)은 각종 정보의 연산 및 처리를 수행하고, 무선 전력전송 장치(100)의 각 구성 요소를 제어할 수 있다.
통신/컨트롤 회로(120)는 하드웨어, 소프트웨어 또는 이들의 조합을 이용하여 컴퓨터나 이와 유사한 장치로 구현될 수 있다. 하드웨어적으로 통신/컨트롤 회로(120)은 전기적인 신호를 처리하여 제어 기능을 수행하는 전자 회로 형태로 제공될 수 있으며, 소프트웨어적으로는 하드웨어적인 통신/컨트롤 회로(120)를 구동시키는 프로그램 형태로 제공될 수 있다.
통신/컨트롤 회로(120)은 동작 포인트(operating point)를 컨트롤함으로써 송신 전력을 컨트롤할 수 있다. 컨트롤하는 동작 포인트는 주파수(또는 위상), 듀티 사이클(duty cycle), 듀티 비(duty ratio) 및 전압 진폭의 조합에 해당될 수 있다. 통신/컨트롤 회로(120)는 주파수(또는 위상), 듀티 사이클, 듀티 비 및 전압 진폭 중 적어도 하나를 조절하여 송신 전력을 컨트롤할 수 있다. 또한, 무선 전력 전송장치(100)는 일정한 전력을 공급하고, 무선 전력 수신장치(200)가 공진 주파수를 컨트롤함으로써 수신 전력을 컨트롤할 수도 있다.
모바일 기기(450)는 2차 코일(Secondary Coil)을 통해 무선 전력을 수신하는 무선 전력 수신장치(power receiver, 200)와 무선 전력 수신장치(200)에서 수신된 전력을 전력을 전달받아 저장하고 기기에 공급하는 부하(load, 455)를 포함한다.
무선 전력 수신장치(200)는 전력 픽업 회로(power pick-up circuit, 210) 및 통신/컨트롤 회로(communications & control circuit, 220)을 포함할 수 있다. 전력 픽업 회로(210)은 2차 코일을 통해 무선 전력을 수신하여 전기 에너지로 변환할 수 있다. 전력 픽업 회로(210)은 2차 코일을 통해 얻어지는 교류 신호를 정류하여 직류 신호로 변환한다. 통신/컨트롤 회로(220)은 무선 전력의 송신과 수신(전력 전달 및 수신)을 제어할 수 있다.
2차 코일은 무선 전력 전송장치(100)에서 전송되는 무선 전력을 수신할 수 있다. 2차 코일은 1차 코일에서 발생하는 자기장을 이용하여 전력을 수신할 수 있다. 여기서, 특정 주파수가 공진 주파수인 경우에는 1차 코일과 2차 코일 간에 자기 공진 현상이 발생하여 보다 효율적으로 전력을 전달받을 수 있다.
도 4(a)에는 도시되지 않았으나 통신/컨트롤 회로(220)은 통신 안테나를 더 포함할 수도 있다. 통신 안테나는 자기장 통신 이외의 통신 캐리어를 이용하여 통신 신호를 송수신할 수 있다. 예를 들어, 통신 안테나는 와이파이(Wi-Fi), 블루투스(Bluetooth), 블루투스 LE, 직비(ZigBee), NFC 등의 통신 신호를 송수신할 수 있다.
통신/컨트롤 회로(220)은 무선 전력 전송장치(100)와 정보를 송수신할 수 있다. 통신/컨트롤 회로(220)은 IB 통신 모듈 또는 OOB 통신 모듈 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
IB 통신 모듈은 특정 주파수를 중심 주파수로 하는 자기파를 이용하여 정보를 송수신할 수 있다. 예를 들어, 통신/컨트롤 회로(220)은 자기파에 정보를 실어 2차 코일을 통해 송신하거나 또는 정보가 담긴 자기파를 2차 코일을 통해 수신함으로써 IB 통신을 수행할 수 있다. 이때, 이진 위상 편이(BPSK: binary phase shift keying) 또는 진폭 편이(ASK: amplitude shift keying) 등의 변조 방식과 맨체스터(Manchester) 코딩 또는 넌 제로 복귀 레벨(NZR-L: non-return-to-zero level) 코딩 등의 코딩 방식을 이용하여 자기파에 정보를 담거나 정보가 담긴 자기파를 해석할 수 있다. 이러한 IB 통신을 이용하면 통신/컨트롤 회로(220)은 수 kbps의 데이터 전송율로 수 미터에 이르는 거리까지 정보를 송수신할 수 있다.
OOB 모듈은 통신 안테나를 통해 아웃-밴드 통신을 수행할 수도 있다. 예를 들어, 통신/컨트롤 회로(220)은 근거리 통신 모듈로 제공될 수 있다.
근거리 통신 모듈의 예로는 와이파이(Wi-Fi), 블루투스(Bluetooth), 블루투스 LE, 지그비(ZigBee), NFC 등의 통신 모듈이 있다.
통신/컨트롤 회로(220)은 무선 전력 수신 장치(200)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 통신/컨트롤 회로(220)은 각종 정보의 연산 및 처리를 수행하고, 무선 전력 수신장치(200)의 각 구성 요소를 제어할 수 있다.
통신/컨트롤 회로(220)은 하드웨어, 소프트웨어 또는 이들의 조합을 이용하여 컴퓨터나 이와 유사한 장치로 구현될 수 있다. 하드웨어적으로 통신/컨트롤 회로(220)은 전기적인 신호를 처리하여 제어 기능을 수행하는 전자 회로 형태로 제공될 수 있으며, 소프트웨어적으로는 하드웨어적인 통신/컨트롤 회로(220)을 구동시키는 프로그램 형태로 제공될 수 있다.
통신/컨트롤 회로(120)과 통신/컨트롤 회로(220)이 OOB 통신 모듈 또는 근거리 통신 모듈로서 블루투스 또는 블루투스 LE일 경우, 통신/컨트롤 회로(120)과 통신/컨트롤 회로(220)은 각각 도 4(b)와 같은 통신 아키텍처로 구현되어 동작할 수 있다.
이하에서 코일 또는 코일부는 코일 및 코일과 근접한 적어도 하나의 소자를 포함하여 코일 어셈블리, 코일 셀 또는 셀로서 지칭할 수도 있다.
도 5는 무선 전력 전송 절차를 설명하기 위한 상태 천이도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송장치로부터 무선 전력 수신장치로의 전력 전송은 크게 선택 단계(selection phase, 510), 핑 단계(ping phase, 520), 식별 및 구성 단계(identification and configuration phase, 530), 협상 단계(negotiation phase, 540), 보정 단계(calibration phase, 550), 전력 전송 단계(power transfer phase, 560) 단계 및 재협상 단계(renegotiation phase, 570)로 구분될 수 있다.
선택 단계(510)는 전력 전송을 시작하거나 전력 전송을 유지하는 동안 특정 오류 또는 특정 이벤트가 감지되면, 천이되는 단계 - 예를 들면, 도면 부호 S501, S502, S504, S508, S510 및 S512를 포함함 - 일 수 있다. 여기서, 특정 오류 및 특정 이벤트는 이하의 설명을 통해 명확해질 것이다. 또한, 선택 단계(510)에서 무선 전력 전송장치는 인터페이스 표면에 물체가 존재하는지를 모니터링할 수 있다. 만약, 무선 전력 전송장치가 인터페이스 표면에 물체가 놓여진 것이 감지되면, 핑 단계(520)로 천이될 수 있다. 선택 단계(510)에서 무선 전력 전송장치는 매우 짧은 펄스의 아날로그 핑(Analog Ping) 신호를 전송하며, 송신 코일 또는 1차 코일(Primary Coil)의 전류 변화에 기반하여 인터페이스 표면의 활성 영역(Active Area)에 물체가 존재하는지를 감지할 수 있다.
선택 단계(510)에서 물체가 감지되는 경우, 무선 전력 전송장치는 무선 전력 공진 회로(예를 들어 전력전송 코일 및/또는 공진 캐패시터)의 품질 인자를 측정할 수 있다. 일 실시예에서는 선택단계(510)에서 물체가 감지되면, 충전 영역에 이물질과 함께 무선 전력 수신장치가 놓였는지 판단하기 위하여 품질 인자를 측정할 수 있다. 무선 전력 전송장치에 구비되는 코일은 환경 변화에 의해 인덕턴스 및/또는 코일 내 직렬저항 성분이 감소될 수 있고, 이로 인해 품질 인자 값이 감소하게 된다. 측정된 품질 인자 값을 이용하여 이물질의 존재 여부를 판단하기 위해, 무선 전력 전송장치는 충전 영역에 이물질이 배치되지 않은 상태에서 미리 측정된 기준 품질 인자 값을 무선 전력 수신장치로부터 수신할 수 있다. 협상 단계(540)에서 수신된 기준 품질 인자 값과 측정된 품질 인자 값을 비교하여 이물질 존재 여부를 판단할 수 있다. 그러나 기준 품질 인자 값이 낮은 무선 전력 수신장치의 경우 - 일 예로, 무선 전력 수신장치의 타입, 용도 및 특성 등에 따라 특정 무선 전력 수신장치는 낮은 기준 품질 인자 값을 가질 수 있음 -, 이물질이 존재하는 경우에 측정되는 품질 인자 값과 기준 품질 인자 값 사이의 큰 차이가 없어 이물질 존재 여부를 판단하기 어려운 문제가 발생할 수 있다. 따라서 다른 판단 요소를 더 고려하거나, 다른 방법을 이용하여 이물질 존재 여부를 판단해야 한다.
또 다른 실시예에서는 선택 단계(510)에서 물체가 감지되면, 충전 영역에 이물질과 함께 무선 전력 수신장치무선 전력 수신장치가 배치되었는지 판단하기 위하여 특정 주파수 영역 내(ex 동작 주파수 영역) 품질 인자 값을 측정할 수 있다. 무선 전력 전송장치의 코일은 환경 변화에 의해 인덕턴스 및/또는 코일 내 직렬 저항 성분이 감소될 수 있고, 이로 인해 무선 전력 전송장치의 코일의 공진 주파수가 변경(시프트)될 수 있다. 즉, 동작 주파수 대역 내 최대 품질 인자 값이 측정되는 주파수인 품질 인자 피크(peak) 주파수가 이동될 수 있다.
핑 단계(520)에서 무선 전력 전송장치는 물체가 감지되면, 수신기를 활성화(Wake up)시키고, 감지된 물체가 무선 전력 수신장치인지를 식별하기 위한 디지털 핑(Digital Ping)을 전송한다. 핑 단계(520)에서 무선 전력 전송장치는 디지털 핑에 대한 응답 시그널 - 예를 들면, 신호 세기 패킷 - 을 수신기로부터 수신하지 못하면, 다시 선택 단계(510)로 천이할 수 있다. 또한, 핑 단계(520)에서 무선 전력 전송장치는 수신기로부터 파워 전송이 완료되었음을 지시하는 신호 - 즉, 충전 완료 패킷 - 을 수신하면, 선택 단계(510)로 천이할 수도 있다.
핑 단계(520)가 완료되면, 무선 전력 전송장치는 수신기를 식별하고 수신기 구성 및 상태 정보를 수집하기 위한 식별 및 구성 단계(530)로 천이할 수 있다.
식별 및 구성 단계(530)에서 무선 전력 전송장치는 원하지 않은 패킷이 수신되거나(unexpected packet), 미리 정의된 시간 동안 원하는 패킷이 수신되지 않거나(time out), 패킷 전송 오류가 있거나(transmission error), 전력 전송 계약이 설정되지 않으면(no power transfer contract) 선택 단계(510)로 천이할 수 있다.
무선 전력 전송장치는 식별 및 구성 단계(530)에서 수시된 구성 패킷(Configuration packet)의 협상 필드(Negotiation Field) 값에 기반하여 협상 단계(540)로의 진입이 필요한지 여부를 확인할 수 있다. 확인 결과, 협상이 필요하면, 무선 전력 전송장치는 협상 단계(540)로 진입하여 소정 FOD(Foreign Object Detection) 절차를 수행할 수 있다. 반면, 확인 결과, 협상이 필요하지 않은 경우, 무선 전력 전송장치는 곧바로 전력 전송 단계(560)로 진입할 수도 있다. 무선 전력 전송장치와 수신장치가 BLE와 같은 아웃밴드 통신을 지원하는 경우, 식별 및 구성 단계(530)에서 무선 전력 전송장치의 아웃밴드 통신 모듈은 무선 전력 수신장치의 ID 또는 식별 패킷을 수신하고, 전력 전송에 필요한 설정에 관련된 메시지를 주고 받는다.
협상 단계(540)에서, 무선 전력 전송장치는 기준 품질 인자 값이 포함된 FOD(Foreign Object Detection) 상태 패킷을 수신할 수 있다. 또는 기준 피크 주파수 값이 포함된 FOD 상태 패킷을 수신할 수 있다. 또는 기준 품질 인자 값 및 기준 피크 주파수 값이 포함된 상태 패킷을 수신할 수 있다. 이때, 무선 전력 전송장치는 기준 품질 인자 값에 기반하여 FOD를 위한 품질 계수 임계치를 결정할 수 있다. 무선 전력 전송장치는 기준 피크 주파수 값에 기반하여 FOD를 위한 피크 주파수 임계치를 결정할 수 있다.
무선 전력 전송장치는 결정된 FOD를 위한 품질 계수 임계치 및 현재 측정된 품질 인자 값(핑 단계 이전에 측정된 품질인자 값)을 이용하여 충전 영역에 FO가 존재하는지를 검출할 수 있으며, FOD 결과에 따라 전력 전송을 제어할 수 있다. 일 예로, FO가 검출된 경우, 전력 전송이 중단될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
무선 전력 전송장치는 결정된 FOD를 위한 피크 주파수 임계치 및 현재 측정된 피크 주파수 값(핑 단계 이전에 측정된 피크 주파수 값)을 이용하여 충전 영역에 FO가 존재하는지를 검출할 수 있으며, FOD 결과에 따라 전력 전송을 제어할 수 있다. 일 예로, FO가 검출된 경우, 전력 전송이 중단될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
FO가 검출된 경우, 무선 전력 전송장치는 선택 단계(510)로 회귀할 수 있다. 반면, FO가 검출되지 않은 경우, 무선 전력 전송장치는 보정 단계(550)를 거쳐 전력 전송 단계(560)로 진입할 수도 있다. 상세하게, 무선 전력 전송장치는 FO가 검출되지 않은 경우, 무선 전력 전송장치는 보정 단계(550)에서 수신단에 수신된 전력의 세기를 결정하고, 송신단에서 전송한 전력의 세기를 결정하기 위해 수신단과 송신단에서의 전력 손실을 측정할 수 있다. 즉, 무선 전력 전송장치는 보정 단계(550)에서 송신단의 송신 파워와 수신단의 수신 파워 사이의 차이에 기반하여 전력 손실을 예측할 수 있다. 일 실시예에 따른 무선 전력 전송장치는 예측된 전력 손실을 반영하여 FOD를 위한 임계치를 보정할 수도 있다.
무선 전력 전송장치와 수신장치가 BLE와 같은 아웃밴드 통신을 지원하는 경우, 보정 단계(550)에서 무선 전력 전송장치와 무선 전력 수신장치의 인밴드 통신 모듈들은 충전 프로파일에 따른 이물질 검출 알고리즘에 필요한 정보를 교환할 수 있다.
또한 무선 전력 전송장치와 수신장치가 BLE와 같은 아웃밴드 통신을 지원하는 경우, 협상 단계(540)에서 무선 전력 전송에 관련된 정보를 교환, 협상하는데 연결된 BLE 통신이 사용될 수 있다. 그리고 협상 단계(540) 동안 BLE를 통해 무선 전력 전송에 관련된 정보의 교환이 완료되면, 아웃밴드 통신 모듈은 인밴드 통신 모듈(또는 제어 회로)에 이를 알리고 무선 전력 전송 시작을 명령하는 전력 전송 개시(start power transfer) 메시지를 인밴드 통신 모듈(또는 제어 회로)으로 전달할 수 있다.
전력 전송 단계(560)에서, 무선 전력 전송장치는 원하지 않은 패킷이 수신되거나(unexpected packet), 미리 정의된 시간 동안 원하는 패킷이 수신되지 않거나(time out), 기 설정된 파워 전송 계약에 대한 위반이 발생되거나(power transfer contract violation), 충전이 완료된 경우, 선택 단계(510)로 천이할 수 있다.
또한, 전력 전송 단계(560)에서, 무선 전력 전송장치는 무선 전력 전송장치 상태 변화 등에 따라 전력 전송 계약을 재구성할 필요가 있는 경우, 재협상 단계(570)로 천이할 수 있다. 이때, 재협상이 정상적으로 완료되면, 무선 전력 전송장치는 전력 전송 단계(560)로 회귀할 수 있다.
본 실시예에서는 보정 단계(550)와 전력 전송 단계(560)를 별개의 단계로 구분하였지만, 보정 단계(550)는 전력 전송 단계(560)에 통합될 수 있다. 이 경우 보정 단계(550)에서의 동작들은 전력 전송 단계(560)에서 수행될 수 있다.
상기한 전력 전송 계약은 무선 전력 전송장치와 수신기의 상태 및 특성 정보에 기반하여 설정될 수 있다. 일 예로, 무선 전력 전송장치 상태 정보는 최대 전송 가능한 파워량에 대한 정보, 최대 수용 가능한 수신기 개수에 대한 정보 등을 포함할 수 있으며, 수신기 상태 정보는 요구 전력에 대한 정보 등을 포함할 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따른 전력 제어 방법을 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 전력 전송 단계에서 무선 전력 전송장치(100) 및 무선 전력 수신장치(200)는 전력 송수신과 함께 통신을 병행함으로써 전달되는 전력의 양을 컨트롤할 수 있다. 무선 전력 전송장치 및 무선 전력 수신장치는 특정 컨트롤 포인트에서 동작한다. 컨트롤 포인트는 전력 전달이 수행될 때 무선 전력 수신장치의 출력단(output)에서 제공되는 전압 및 전류의 조합(combination)을 나타낸다.
더 상세히 설명하면, 무선 전력 수신장치는 원하는 컨트롤 포인트(desired Control Point) - 원하는 출력 전류/전압, 모바일 기기의 특정 위치의 온도 등 - 을 선택하고, 추가로 현재 동작하고 있는 실제 컨트롤 포인트(actual control point)를 결정한다. 무선 전력 수신장치는 원하는 컨트롤 포인트와 실제 컨트롤 포인트를 사용하여, 컨트롤 에러 값(control error value)을 산출하고, 이를 컨트롤 에러 패킷으로서 무선 전력 전송장치로 전송할 수 있다.
그리고 무선 전력 전송장치는 수신한 컨트롤 에러 패킷을 사용하여 새로운 동작 포인트 - 진폭, 주파수 및 듀티 사이클 - 를 설정/컨트롤하여 전력 전달을 제어할 수 있다. 따라서 컨트롤 에러 패킷은 전력 전송 단계에서 일정 시간 간격으로 전송/수신되며, 실시예로서 무선 전력 수신장치는 무선 전력 전송장치의 전류를 저감하려는 경우 컨트롤 에러 값을 음수로, 전류를 증가시키려는 경우 컨트롤 에러 값을 양수로 설정하여 전송할 수 있다. 이와 같이 유도 모드에서는 무선 전력 수신장치가 컨트롤 에러 패킷을 무선 전력 전송장치로 송신함으로써 전력 전달을 제어할 수 있다.
이하에서 설명할 공진 모드에서는 유도 모드에서와는 다른 방식으로 동작할 수 있다. 공진 모드에서는 하나의 무선 전력 전송장치가 복수의 무선 전력 수신장치를 동시에 서빙할 수 있어야 한다. 다만 상술한 유도 모드와 같이 전력 전달을 컨트롤하는 경우, 전달되는 전력이 하나의 무선 전력 수신장치와의 통신에 의해 컨트롤되므로 추가적인 무선 전력 수신장치들에 대한 전력 전달은 컨트롤이 어려울 수 있다. 따라서 본 발명의 공진 모드에서는 무선 전력 전송장치가 기본 전력을 공통적으로 전달하고, 무선 전력 수신장치가 자체의 공진 주파수를 컨트롤함으로써 수신하는 전력량을 컨트롤하는 방법을 사용할 수 있다. 다만, 이러한 공진 모드의 동작에서도 도 6에서 설명한 방법이 완전히 배제되는 것은 아니며, 추가적인 송신 전력의 제어를 도 6의 방법으로 수행할 수도 있다.
도 7은 다른 실시예에 따른 무선 전력 전송장치의 블록도이다.
이는 자기 공진 방식 또는 쉐어드 모드(shared mode)의 무선 전력 전송 시스템에 속할 수 있다. 쉐어드 모드는 무선 전력 전송장치와 무선 전력 수신장치 간에 일대다 통신 및 충전을 수행하는 모드를 지칭할 수 있다. 쉐어드 모드는 자기 유도 방식 또는 공진 방식으로 구현될 수 있다.
도 7을 참조하면, 무선 전력 전송장치(700)는 코일 어셈블리를 덮는 커버(720), 전력 송신기(740)로 전력을 공급하는 전력 어답터(730), 무선 전력을 송신하는 전력 송신기(740) 또는 전력 전달 진행 및 다른 관련 정보를 제공하는 사용자 인터페이스(750) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 특히, 사용자 인터페이스(750)는 옵셔널하게 포함되거나, 무선 전력 전송장치(700)의 다른 사용자 인터페이스(750)로서 포함될 수도 있다.
전력 송신기(740)는 코일 어셈블리(760), 임피던스 매칭 회로(770), 인버터(780), 통신 회로(790) 또는 컨트롤 회로(710) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
코일 어셈블리(760)는 자기장을 생성하는 적어도 하나의 1차 코일을 포함하며, 코일 셀로 지칭될 수도 있다.
임피던스 매칭 회로(770)는 인버터(780)와 1차 코일(들) 간의 임피던스 매칭을 제공할 수 있다. 임피던스 매칭 회로(770)는 1차 코일 전류를 부스팅(boost)하는 적합한(suitable) 주파수에서 공진(resonance)을 발생시킬 수 있다. 다중-코일(multi-coil) 전력 송신기(740)에서 임피던스 매칭 회로는 인버터(780)에서 1차 코일들의 서브세트로 신호를 라우팅하는 멀티플렉스를 추가로 포함할 수도 있다. 임피던스 매칭 회로(770)는 탱크 회로(tank circuit)로 지칭될 수도 있다.
임피던스 매칭 회로(770)는 캐패시터, 인덕터 및 이들의 연결을 스위칭하는 스위칭 소자를 포함할 수 있다. 임피던스의 매칭은 코일 어셈블리(760)를 통해 전송되는 무선 전력의 반사파를 검출하고, 검출된 반사파에 기초하여 스위칭 소자를 스위칭하여 캐패시터나 인덕터의 연결 상태를 조정하거나 캐패시터의 캐패시턴스를 조정하거나 인덕터의 인덕턴스를 조정함으로써 수행될 수 있다. 경우에 따라 임피던스 매칭 회로(770)는 생략되어 실시될 수도 있으며, 본 명세서는 임피던스 매칭 회로(770)가 생략된 무선 전력 전송장치(700)의 실시예도 포함한다.
예를 들어, 임피던스 매칭 회로(770)는 총 4개의 코일 별 전력변환용 인버터로 구성될 수 있으며, 컨트롤 회로(710)으로부터 PWM 신호를 받는다. 임피던스 매칭 회로(770)는 2개의 4-채널 로직 스위치를 통해 인버터에 신호를 전달함으로써 구동된다.
인버터(780)는 DC 인풋을 AC 신호로 전환할 수 있다. 인버터(780)는 가변(adjustable) 주파수의 펄스 웨이브 및 듀티 사이클을 생성하도록 하프-브리지 또는 풀-브리지로 구동될 수 있다. 또한 인버터는 입력 전압 레벨을 조정하도록 복수의 스테이지들을 포함할 수도 있다.
통신 회로(790)은 전력 수신기와의 통신을 수행할 수 있다. 전력 수신기는 전력 송신기에 대한 요청 및 정보를 통신하기 위해 로드(load) 변조를 수행한다. 따라서 전력 송신기(740)는 통신 회로(790)을 사용하여 전력 수신기가 전송하는 데이터를 복조하기 위해 1차 코일의 전류 및/또는 전압의 진폭 및/또는 위상을 모니터링할 수 있다.
통신 회로(790)은 인밴드 통신 모듈과 아웃밴드 통신 모듈 중 어느 하나 또는 모두를 모두 포함할 수 있다. 통신 회로(790)은 무선 전력 수신장치를 검색하거나 무선 전력 수신장치로 데이터 전송을 수행하도록 구성된다. 여기서, 통신 회로(790)은 무선 전력 수신장치의 인증(authentication)에 관련된 절차를 수행하도록 구성될 수 있다. 여기서 인증은 Qi 인증을 포함한다. 예를 들어, 통신 회로(790)은 인증에 관련된 정보를 무선 전력 수신장치로부터 수신하거나 무선 전력 수신장치로 전송할 수 있다.
또한, 전력 송신기(740)는 통신 회로(790)을 통해 FSK(Frequency Shift Keying) 방식 등을 사용하여 데이터를 전송하도록 출력 전력을 컨트롤할 수도 있다.
컨트롤 회로(710)은 전력 송신기(740)의 통신 및 전력 전달을 컨트롤할 수 있다. 컨트롤 회로(710)은 상술한 동작 포인트를 조정하여 전력 전송을 제어할 수 있다. 동작 포인트는, 예를 들면, 동작 주파수, 듀티 사이클 및 입력 전압 중 적어도 하나에 의해 결정될 수 있다.
통신 회로(790) 및 컨트롤 회로(710)은 별개의 회로/소자/칩셋으로 구비되거나, 하나의 회로/소자/칩셋으로 구비될 수도 있다.
도 8은 다른 실시예에 따른 무선 전력 수신장치의 블록도이다.
이는 자기 공진 방식 또는 쉐어드 모드(shared mode)의 무선 전력 전송 시스템에 속할 수 있다.
도 8에서, 무선 전력 수신장치(800)는 전력 전달 진행 및 다른 관련 정보를 제공하는 사용자 인터페이스(820), 무선 전력을 수신하는 전력 수신기(830), 로드 회로(load circuit, 840) 또는 코일 어셈블리를 받치며 커버하는 베이스(850) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 특히, 사용자 인터페이스(820)는 옵셔널하게 포함되거나, 전력 수신 장비의 다른 사용자 인터페이스(82)로서 포함될 수도 있다.
전력 수신기(830)는 전력 컨버터(860), 임피던스 매칭 회로(870), 코일 어셈블리(880), 통신 회로(890) 또는 컨트롤 회로(810) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
전력 컨버터(860)는 2차 코일로부터 수신하는 AC 전력을 로드 회로에 적합한 전압 및 전류로 전환(convert)할 수 있다. 실시예로서, 전력 컨버터(860)는 정류기(rectifier)를 포함할 수 있다. 정류기는 수신된 무선 전력을 정류하여 교류에서 직류로 변환할 수 있다. 정류기는 다이오드나 트랜지스터를 이용하여 교류를 직류로 변환하고, 캐패시터와 저항을 이용하여 이를 평활할 수 있다. 정류기로는 브릿지 회로 등으로 구현되는 전파 정류기, 반파 정류기, 전압 체배기 등이 이용될 수 있다. 추가로, 전력 컨버터는 전력 수신기의 반사(reflected) 임피던스를 적용(adapt)할 수도 있다.
임피던스 매칭 회로(870)는 전력 컨버터(860) 및 로드 회로(840)의 조합과 2차 코일 간의 임피던스 매칭을 제공할 수 있다. 실시예로서, 임피던스 매칭 회로는 전력 전달을 강화할 수 있는 100kHz 근방의 공진을 발생시킬 수 있다. 임피던스 매칭 회로(870)는 캐패시터, 인덕터 및 이들의 조합을 스위칭하는 스위칭 소자로 구성될 수 있다. 임피던스의 정합은 수신되는 무선 전력의 전압값이나 전류값, 전력값, 주파수값 등에 기초하여 임피던스 매칭 회로(870)를 구성하는 회로의 스위칭 소자를 제어함으로써 수행될 수 있다. 또는 임피던스 매칭 회로(870)는 총 4개의 코일 별 전력변환용 인버터로 구성될 수 있으며, 컨트롤 회로(810)으로부터 PWM 신호를 받는다. 임피던스 매칭 회로(870)는 2개의 4-채널 로직 스위치를 통해 인버터에 신호를 전달함으로써 구동된다.
경우에 따라 임피던스 매칭 회로(870)는 생략되어 실시될 수도 있으며, 본 명세서는 임피던스 매칭 회로(870)가 생략된 무선 전력 수신장치(200)의 실시예도 포함한다.
코일 어셈블리(880)는 적어도 하나의 2차 코일을 포함하며, 옵셔널하게는 자기장으로부터 수신기의 금속 부분을 쉴딩(shield)하는 엘러먼트(element)를 더 포함할 수도 있다.
통신 회로(890)은 전력 송신기로 요청(request) 및 다른 정보를 통신하기 위해 로드 변조를 수행할 수 있다. 이를 위해 전력 수신기(830)는 반사 임피던스를 변경하도록 저항 또는 커패시터를 스위칭할 수도 있다.
통신 회로(890)은 인밴드 통신 모듈과 아웃밴드 통신 모듈 중 어느 하나 또는 모두를 모두 포함할 수 있다. 통신 회로(890)은 무선 전력 전송장치를 검색하거나 무선 전력 전송장치로 데이터 전송을 수행하도록 구성된다. 여기서, 통신 회로(890)은 무선 전력 전송장치의 인증(authentication)에 관련된 절차를 수행하도록 구성될 수 있다. 여기서 인증은 Qi 인증을 포함한다. 예를 들어, 통신 회로(890)은 인증에 관련된 정보를 무선 전력 전송장치로부터 수신하거나 무선 전력 전송장치로 전송할 수 있다.
컨트롤 회로(810)은 수신 전력을 컨트롤할 수 있다. 이를 위해 컨트롤 회로(810)은 전력 수신기(830)의 실제 동작 포인트와 원하는 동작 포인트의 차이를 결정/산출할 수 있다. 그리고 컨트롤 회로(810)은 전력 송신기의 반사 임피던스의 조정 및/또는 전력 송신기의 동작 포인트 조정 요청을 수행함으로써 실제 동작 포인트와 원하는 동작 포인트의 차이를 조정/저감할 수 있다. 이 차이를 최소화하는 경우 최적의 전력 수신을 수행할 수 있다. 컨트롤 회로(810)은 무선 전력 수신장치의 인증(authentication)에 관련된 절차를 수행하도록 구성될 수 있다. 여기서 인증은 Qi 인증을 포함한다.
통신 회로(890) 및 컨트롤 회로(810)은 별개의 소자/칩셋으로 구비되거나, 하나의 소자/칩셋으로 구비될 수도 있다.
도 9는 일 실시예에 따른 통신 프레임 구조를 나타내는 도면이다.
이는 쉐어드 모드(shared mode)에서의 통신 프레임 구조일 수 있다.
도 9를 참조하면, 쉐어드 모드에서는, 서로 다른 형태의 프레임이 함께 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 쉐어드 모드에서는, (A)와 같은 복수의 슬롯을 가지는 슬롯 프레임(slotted frame) 및 (B)와 같은 특정 형태가 없는 자유 형식 프레임(free format frame)을 사용할 수 있다. 보다 구체적으로, 슬롯 프레임은 무선 전력 수신장치(200)로부터, 무선 전력 전송장치(100)에게 짧은 데이터 패킷들의 전송을 위한 프레임이고, 자유 형식 프레임은 복수의 슬롯들을 구비하지 않아, 긴 데이터 패킷들의 전송이 가능한 프레임일 수 있다.
한편, 슬롯 프레임 및 자유 형식 프레임은, 당업자에 의하여 다양한 명칭으로 변경될 수 있다. 예를 들어, 슬롯 프레임은, 채널 프레임으로, 자유 형식 프레임은, 메시지 프레임 등으로 변경되어 명명될 수 있다.
보다 구체적으로, 슬롯 프레임은, 슬롯의 시작을 나타내는 싱크 패턴, 측정 슬롯, 9개의 슬롯들 및 상기 9개의 슬롯들 각각에 앞서, 동일한 시간 간격을 갖는 추가적인 싱크 패턴을 포함할 수 있다.
여기에서, 상기 추가적인 싱크 패턴은, 앞서 설명한 프레임의 시작을 나타내는 싱크 패턴과 다른 싱크 패턴이다. 보다 구체적으로, 상기 추가적인 싱크 패턴은, 프레임의 시작을 나타내지 않고, 인접한 슬롯들(즉, 싱크 패턴의 양 옆에 위치한 연속하는 두 개의 슬롯들)과 관련된 정보를 나타낼 수 있다.
상기 9개의 슬롯들 중 연속하는 두 개의 슬롯들 사이에는, 각각 싱크 패턴이 위치할 수 있다. 이 경우, 상기 싱크 패턴은, 상기 연속하는 두 개의 슬롯들과 관련된 정보를 제공할 수 있다.
또한, 상기 9개의 슬롯들 및 상기 9개의 슬롯들 각각에 앞서 제공되는 싱크 패턴들은, 각각 동일한 시간 간격을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 9개의 슬롯들은 50ms의 시간 간격을 가질 수 있다. 또한, 상기 9개의 싱크 패턴들도 50ms의 시간 길이를 가질 수 있다.
한편, (B)와 같은 자유 형식 프레임은, 프레임의 시작을 나타내는 싱크 패턴 및 측정 슬롯 이외에, 구체적인 형태를 가지지 않을 수 있다. 즉, 상기 자유 형식 프레임은, 상기 슬롯 프레임과 다른 역할을 수행하기 위한 것으로, 예를 들어, 상기 무선 전력 전송장치와 무선 전력 수신장치 간에 긴 데이터 패킷들(예를 들어, 추가 소유자 정보 패킷들)의 통신을 수행하거나, 복수의 코일로 구성된 무선 전력 전송장치에 있어서, 복수의 코일 중 어느 하나의 코일을 선택하는 역할을 위하여 사용될 수 있다.
이하에서는, 각 프레임에 포함된 싱크 패턴(sync pattern)에 대하여 도면과 함께 보다 구체적으로 살펴본다.
도 10은 일 실시예에 따른 싱크 패턴의 구조를 나타내는 도면이다.
도 10을 참조하면, 싱크 패턴은 프리앰블(preamble), 시작 비트(start bit), 응답 필드(Response field), 타입 필드(type field), 정보 필드(info field) 및 패리티 비트(parity bit)로 구성될 수 있다. 도 10에서는 시작 비트가 ZERO로 도시되어 있다.
보다 구체적으로, 프리앰블은 연속되는 비트들로 이루어져 있으며, 모두 0으로 설정될 수 있다. 즉, 프리앰블은 싱크 패턴의 시간 길이를 맞추기 위한 비트들일 수 있다.
프리앰블을 구성하는 비트들의 개수는 싱크 패턴의 길이가 50ms에 가장 가깝도록, 그러나, 50ms를 초과하지 않는 범위 내에서, 동작 주파수에 종속될 수 있다. 예를 들어, 동작 주파수가 100kHz인 경우, 싱크 패턴은 2개의 프리앰블 비트들로 구성되고, 동작 주파수가 105kHz인 경우, 싱크 패턴은, 3개의 프리앰블 비트들로 구성될 수 있다.
시작 비트는 프리앰블 다음에 따라오는 비트로 제로(ZERO)를 의미할 수 있다. 상기 제로(ZERO)는 싱크 패턴의 종류를 나타내는 비트일 수 있다. 여기에서, 싱크 패턴의 종류는, 프레임과 관련된 정보를 포함하는 프레임 싱크(frame sync)와 슬롯의 정보를 포함하는 슬롯 싱크(slot sync)를 포함할 수 있다. 즉, 상기 싱크 패턴은, 연속하는 프레임들 사이에 위치하며, 프레임의 시작을 나타내는 프레임 싱크이거나, 프레임을 구성하는 복수의 슬롯 중 연속하는 슬롯들 사이에 위치하며, 상기 연속하는 슬롯과 관련된 정보를 포함하는 슬롯 싱크일 수 있다.
예를 들어, 상기 제로가 0인 경우, 해당 슬롯이 슬롯과 슬롯 사이에 위치한, 슬롯 싱크임을 의미하고, 1인 경우, 해당 싱크 패턴이 프레임과 프레임 사이에 위치한 프레임 싱크임을 의미할 수 있다.
패리티 비트는 싱크 패턴의 마지막 비트로, 싱크 패턴의 데이터 필드들(즉, 응답 필드, 타입 필드, 정보 필드)를 구성하는 비트들의 개수 정보를 나타낼 수 있다. 예를 들어, 기 패리티 비트는 싱크 패턴의 데이터 필드들을 구성하는 비트의 개수가 짝수인 경우, 1, 그 밖의 경우(즉, 홀수인 경우), 0이 될 수 있다.
응답(Response) 필드는 싱크 패턴 이전의 슬롯 내에서, 무선 전력 수신장치와의 통신에 대한, 무선 전력 전송장치의 응답 정보를 포함할 수 있다. 예를 들어, 응답 필드는 무선 전력 수신장치와 통신의 수행이 감지되지 않은 경우, '00'을 가질 수 있다. 또한, 상기 응답 필드는 무선 전력 수신장치와의 통신에 통신 에러(communication error)가 감지된 경우, '01'을 가질 수 있다. 통신 에러는, 두 개 또는 그 이상의 무선 전력 수신장치가 하나의 슬롯에 접근을 시도하여, 두 개 또는 그 이상의 무선 전력 수신장치 간의 충돌이 발생한 경우일 수 있다.
또한, 응답 필드는, 무선 전력 수신장치로부터 데이터 패킷을 정확하게 수신하였는지 여부를 나타내는 정보를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 응답필드는, 무선 전력 전송장치가 데이터 패킷을 거부(deni)한 경우, "10"(10-not acknowledge, NAK), 무선 전력 전송장치가 상기 데이터 패킷을 확인(confirm)한 경우, "11"(11-acknowledge, ACK)이 될 수 있다.
타입 필드는 싱크 패턴의 종류를 나타낼 수 있다. 보다 구체적으로, 타입 필드는 싱크 패턴이 프레임의 첫번째 싱크 패턴인 경우(즉, 프레임의 첫번째 싱크 패턴으로, 측정 슬롯 이전에 위치한 경우), 프레임 싱크임을 나타내는 ‘1’을 가질 수 있다.
또한, 타입 필드는 슬롯 프레임에서, 싱크 패턴이 프렘임의 첫번째 싱크 패턴이 아닌 경우, 슬롯 싱크임을 나타내는 '0'을 가질 수 있다.
또한, 정보 필드는 타입 필드가 나타내는 싱크 패턴의 종류에 따라 그 값의 의미가 결정될 수 있다. 예를 들어, 타입 필드가 1인 경우(즉, 프레임 싱크를 나타내는 경우), 정보 필드의 의미는 프레임의 종류를 나타낼 수 있다. 즉, 정보 필드는 현재 프레임이 슬롯 프레임(slotted frame)인지 또는 자유 형식 프레임(free-format frame)인지 나타낼 수 있다. 예를 들어, 정보 필드가 '00'인 경우, 슬롯 프레임을, 정보 필드가 '01'인 경우, 자유 형식 프레임을 나타낼 수 있다.
이와 달리, 타입 필드가 0인 경우(즉, 슬롯 싱크인 경우), 정보 필드는 싱크 패턴의 뒤에 위치한 다음 슬롯(next slot)의 상태를 나타낼 수 있다. 보다 구체적으로, 정보 필드는 다음 슬롯이 특정(specific) 무선 전력 수신장치에 할당된(allocated) 슬롯인 경우, '00', 특정 무선 전력 수신장치가 일시적으로 사용하기 위하여, 잠겨 있는 슬롯인 경우, '01', 또는 임의의 무선 전력 수신장치가 자유롭게 사용 가능한 슬롯인 경우, '10'을 가질 수 있다.
도 11은 일 실시예에 따른 쉐어드 모드에서 무선 전력 전송장치 및 무선 전력 수신장치의 동작 상태를 설명하는 도면이다.
도 11을 참조하면, 쉐어드 모드로 동작하는 무선 전력 수신장치는, 선택 상태(Selection Phase) (1100), 도입 상태(Introduction Phase)(1110), 설정 상태(Configuration Phase) (1120), 교섭 상태(Negotiation Phase)(1130) 및 전력 전송 상태(Power Transfer Phase) (1140) 중 어느 하나의 상태로 동작할 수 있다.
우선, 일 실시예에 따른 무선 전력 전송장치는 무선 전력 수신장치를 감지하기 위하여, 무선 전력 신호를 전송할 수 있다. 즉, 무선 전력 신호를 이용하여, 무선 전력 수신장치를 감지하는 과정을 아날로그 핑(Analog ping)이라 할 수 있다.
한편, 무선 전력 신호를 수신한 무선 전력 수신장치는 선택 상태(1100)에 진입할 수 있다. 선택 상태(1100)에 진입한 무선 전력 수신장치는 앞서 설명한 바와 같이, 상기 무선 전력 신호 상에 FSK신호의 존재를 감지할 수 있다.
즉, 무선 전력 수신장치는 FSK 신호의 존재 여부에 따라 익스클루시브 모드 또는 쉐어드 모드 중 어느 하나의 방식으로 통신을 수행할 수 있다.
보다 구체적으로, 무선 전력 수신장치는 무선 전력 신호에 FSK 신호가 포함되어 있으면, 쉐어드 모드로 동작하고, 그렇지 않은 경우, 익스클루시브 모드로 동작할 수 있다.
무선 전력 수신장치가 쉐어드 모드로 동작하는 경우, 상기 무선 전력 수신장치는 도입 상태(1110)에 진입할 수 있다. 도입 상태(1110)에서, 무선 전력 수신장치는, 설정 상태, 교섭 상태 및 전력 전송 상태에서, 제어 정보 패킷(CI, Control Information packet)을 전송하기 위하여, 무선 전력 전송장치에게 제어 정보 패킷을 전송할 수 있다. 제어 정보 패킷은, 헤더(Header) 및 제어와 관련된 정보를 가질 수 있다. 예를 들어, 제어 정보 패킷은, 헤더가 0X53일 수 있다.
도입 상태(1110)에서, 무선 전력 수신장치는 제어정보(control information: CI) 패킷을 전송하기 위해 자유슬롯(free slot)을 요청하는 시도를 다음의 구성, 협상, 전력 전송 단계에 걸쳐 수행한다. 이때 무선 전력 수신장치는 자유슬롯을 선택하고 최초 CI 패킷을 전송한다. 만약 무선 전력 전송장치가 해당 CI 패킷에 ACK으로 응답하면, 무선 전력 전송장치는 구성 단계로 진입한다. 만약 무선 전력 전송장치가 NACK으로 응답하면, 다른 무선 전력 수신장치가 구성 및 협상 단계를 통해 진행되고 있는 것이다. 이 경우, 무선 전력 수신장치는 자유슬롯의 요구를 재시도한다.
만약 무선 전력 수신장치가 CI 패킷에 대한 응답으로 ACK을 수신하면, 무선 전력 수신장치는 최초 프레임 싱크까지 나머지 슬롯 싱크들을 카운팅함으로써 프레임 내의 개인 슬롯(private slot)의 위치를 결정한다. 모든 후속 슬롯 기반 프레임들에서, 무선 전력 수신장치는 해당 슬롯을 통해 CI 패킷을 전송한다.
만약 무선 전력 전송장치가 무선 전력 수신장치에게 구성 단계로 진행함을 허락하면, 무선 전력 전송장치는 무선 전력 수신장치의 배타적 사용을 위한 잠금 슬롯(locked slot) 시리즈를 제공한다. 이는 무선 전력 수신장치가 충돌없이 구성 단계를 진행하는 것을 확실시해준다.
무선 전력 수신장치는 2개의 식별 데이터 패킷들(IDHI와 IDLO)와 같은 데이터 패킷의 시퀀스들을 잠금 슬롯을 사용하여 전송한다. 본 단계를 완료하면, 무선 전력 수신장치는 협상 단계로 진입한다. 협상 단계에서, 무선 전력 전송장치가 무선 전력 수신장치에게 배타적 사용을 위한 잠금 슬롯을 계속 제공한다. 이는 무선 전력 수신장치가 충돌없이 협상 단계를 진행하는 것을 확실시해준다.
무선 전력 수신장치는 해당 잠금 슬롯을 사용하여 하나 또는 그 이상의 협상 데이터 패킷들을 전송하며, 이는 사적 데이터 패킷들과 섞일 수도 있다. 결국 해당 시퀀스는 특정 요청 (specific request (SRQ)) 패킷과 함께 종료된다. 해당 시퀀스를 완료하면, 무선 전력 수신장치는 전력 전송 단계로 진입하고, 무선 전력 전송장치는 잠금 슬롯의 제공을 중단한다.
전력 전송 상태에서, 무선 전력 수신장치는 할당된 슬롯을 사용하여 CI 패킷의 전송을 수행하며, 전력을 수신한다. 무선 전력 수신장치는 레귤레이터 회로를 포함할 수 있다. 레귤레이터 회로는 통신/제어 회로에 포함될 수 있다. 무선 전력 수신장치는 레귤레이터 회로를 통해 무선 전력 수신장치의 반사 임피턴스를 자가-조절(self-regulate)할 수 있다. 다시 말해, 무선 전력 수신장치는 외부 부하에 의해 요구되는 양의 파워를 전송하기 위해 반사되는 임피던스를 조정할 수 있다. 이는 과도한 전력의 수신과 과열을 방지할 수 있다.
쉐어드 모드에서, 무선 전력 전송장치는 수신되는 CI 패킷에 대한 응답으로서 전력을 조정하는 것을 수행하지 않을 수 있기 때문에(동작 모드에 따라), 이 경우에는 과전압 상태를 막기 위한 제어가 필요할 수 있다.
이하에서는 첨부의 도면 12 내지 18을 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 장치 및 상기 무선 전력 전송 장치의 전력 송수신 패드 정렬 방법을 설명한다.
도 12는 전력 송신 패드와 전력 수신 패드 사이의 정렬 상태 및 정렬 상태에 따른 전력 전송 효율을 도시한 도면이다.
도 12를 참조하면, 도 12(a)는 전력 수신 패드(1210)와 전력 송신 패드(1220)가 서로 겹쳐진 상태로부터 전력 수신 패드(1210)가 벗어난 상태를 나타내는 것으로, 전력 수신 패드(1210)의 중심(1201)이 전력 송신 패드(1220)의 중심(1202)으로부터 -y축 방향으로 70mm 벗어난 상태의 전력 수신 패드(1210)와 전력 송신 패드(1220)의 정렬 상태를 도시하고, 도 12(b)는 전력 수신 패드(1210)와 전력 송신 패드(1220)가 서로 겹쳐진 상태로부터 전력 수신 패드(1210)가 벗어난 정도에 따른 전력 전송 효율을 도시한 것으로, 도 12(a)의 경우 전력 전송 효율이 약 30%임(1203)을 보여주고 있다.
또한, 도 12(c)는 전력 수신 패드(1210)와 전력 송신 패드(1220)가 서로 평행하게 마주보고 있는 상태에서 전력 수신 패드(1210)가 기운 상태를 나타내는 것으로, 전력 수신 패드(1210)의 중심(1201)이 전력 송신 패드(1220)의 중심(1202)과 xy평면에서 겹쳐진 상태에서 어느 방향으로 기운 상태의 전력 수신 패드(1210)와 전력 송신 패드(1220)의 정렬 상태를 도시하고, 도 12(d)는 전력 수신 패드(1210)와 전력 송신 패드(1220)가 서로 평행하게 마주보고 있는 상태로부터 전력 수신 패드(1210)가 기운 정도에 따른 전력 전송 효율을 도시한 것으로, 도 12(c)의 경우, 즉 기운 정도가 약 120도 내지 240도일 경우 전력 전송 효율이 약 30%임(1204)을 보여주고 있다.
도 12(a)와 도 12(c)의 경우, 전력 수신 패드(1210)와 전력 송신 패드(1220)가 서로 겹쳐진 상태로부터 전력 수신 패드(1210)가 벗어난 정도에 따른 전력 전송 효율과 전력 수신 패드(1210)와 전력 송신 패드(1220)가 서로 평행하게 마주보고 있는 상태로부터 전력 수신 패드(1210)가 기운 정도에 따른 전력 전송 효율은 특정 위치와 특정 각도에서 동일하므로, 전력 전송 효율 값만으로는 해당 전력 전송 효율을 가져오게 된 오정렬(misalignment) 상태가 무엇인지 확인할 수 없는 문제점이 있다.
따라서, 무선 전력 전송 효율을 최대로 높이기 위해서는 전력 송신 패드(1220)와 전력 수신 패드(1210)가 서로 겹쳐진 상태로부터 전력 송신 패드(1220)가 벗어난 정도(위치 정렬 정보)뿐만 아니라 전력 수신 패드(1210)와 전력 송신 패드(1220)가 서로 평행하게 마주보고 있는 상태로부터 전력 수신 패드(1210)가 기운 정도(기울기 정렬 정보)를 산출한 뒤, 산출된 상기 두 가지의 정렬 정보를 이용하여 전력 송신 패드(1220)와 전력 수신 패드(1210)를 정합시키거나 최대의 전력 전송 효율을 가지도록 정렬 상태를 조절할 필요가 있다.
이하에서는 전술한 위치 정렬 정보와 기울기 정렬 정보를 산출할 수 있는 무선 전력 전송 장치 및 상기 무선 전력 전송 장치를 이용한 전력 송수신 패드의 정렬 방법을 설명한다.
도 13은 전력 송수신 패드의 정렬 상태의 예를 도시한 도면이다.
도 13을 참조하면, 도 13(a)는 전력 송신 패드(1320)와 전력 수신 패드(1310)가 정합인 상태의 예를 도시하고, 도 13(b)는 전력 수신 패드(1310)를 xy평면에 정사영(project)하였을 때, 전력 송신 패드(1320)에 대한 전력 수신 패드(1310)의 위치 정렬 상태가 오정렬 상태인 것의 예를 도시하고, 도 13(c)는 위치 정렬이 정합인 상태에서 전력 송신 패드(1320)에 대한 전력 수신 패드(1310)의 기울기 정렬 상태가 한 방향으로만 오정렬 상태인 것의 예를 도시하고, 도 13(d)는 위치 정렬이 정합인 상태에서 전력 송신 패드(1320)에 대한 전력 수신 패드(1310)의 기울기 정렬 상태가 두 방향 모두 오정렬 상태인 것의 예를 도시하고, 도 13(e)는 전력 송신 패드(1320)에 대한 전력 수신 패드(1310)의 위치 정렬 상태 및 기울기 정렬 상태 모두 오정렬 상태인 것의 예를 도시한다.
전력 송신 패드(1320)에 대한 전력 수신 패드(1310)의 위치 정렬 상태는 전력 수신 패드(1310) 상의 제1 기준 점(P1)이 전력 송신 패드(1320) 상의 제2 기준 점(O)으로부터 떨어진 거리(d), 제1 기준 점(P1)이 제2 기준 점(O)을 중심으로 전력 송신 패드(1320)가 포함된 평면과 평행한 평면 상에서 기준 각도로부터 회전한 제1 각도(θ1) 및 전력 수신 패드(1310)가 제1 기준 점(P1)을 중심으로 전력 송신 패드(1320)가 포함된 평면과 평행한 평면 상에서 기준 각도로부터 회전한 제2 각도(θ2)로 나타낼 수 있다. 실시 예에 따라, 제1 기준 점(P1)은 전력 수신 패드(1310)의 수신 코일의 중점이고, 제2 기준 점(O)은 전력 송신 패드(1320)의 송신 코일의 중점과 일치할 수 있다.
또한, 전력 송신 패드(1320)에 대한 전력 수신 패드(1310)의 기울기 정렬 상태는 전력 수신 패드(1310) 상의 기준이 되는 직선(L1)이 전력 송신 패드(1320)에 대해서 평행인 상태를 기준으로 기울어진 제3 각도(Ф1) 및 상기 직선(L1)에 대한 수선(L2)이 상기 제3 각도(Ф1)만큼 기울어진 상태의 상기 직선(L1)을 회전축으로 하여 회전한 제4 각도(Ф2)로 나타낼 수 있다.
본 명세서에 개시된 무선 전력 전송 장치 및 무선 전력 전송 장치를 이용한 전력 송수신 패드의 정렬은 전술한 전력 송신 패드(1320)에 대한 전력 수신 패드(1310)의 위치 정렬 상태 및 기울기 정렬 상태 정보를 이용하여 구현할 수 있으며, 상기 위치 정렬 상태 및 상기 기울기 정렬 상태를 도출하는 장치의 구성 및 이를 이용한 전력 송수신 패드의 정렬/정합 방법은 이하에서 도 14 내지 도 18을 참조하여 설명한다.
도 14는 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 전송 장치의 구성을 도시한다.
도 14를 참조하면, 본 명세서에서 개시된 무선 전력 전송 장치는 전력 수신 패드(1410)로 무선으로 전력을 전송하는 전력 송신 패드(1420)와 전력 송신 패드(1420)로부터 무선 전력을 수신하는 전력 수신 패드(1410), 및 정렬 상태 산출부(1430)를 포함하여 구성될 수 있다.
전력 수신 패드(1410)는 정렬 상태 정보를 산출하기 위한 센싱 신호를 전력 송신 패드(1420)로 송신하는 세 개의 센싱 신호 송신 안테나(1411)를 포함할 수 있다. 세 개의 센싱 신호 송신 안테나(1411)는 전력 수신 패드(1410)가 포함되는 평면 상에 배치될 수 있다.
전력 송신 패드(1420)는 전력 수신 패드(1410)에 배치된 세 개의 센싱 신호 송신 안테나(1411)로부터 센싱 신호를 수신하는 세 개의 센싱 신호 수신 안테나(1421)를 포함할 수 있다. 세 개의 센싱 신호 수신 안테나(1421)는 전력 송신 패드(1420)가 포함되는 평면 상에 배치될 수 있다.
정렬 상태 산출부(1430)는 세 개의 센싱 신호 수신 안테나(1421)에 수신된 센싱 신호에 기초하여 전력 수신 패드(1410)와 전력 송신 패드(1420)가 서로 겹쳐진 상태로부터 전력 수신 패드(1410)가 벗어난 정도를 나타내는 위치 정렬 정보 및 전력 수신 패드(1410)와 전력 송신 패드(1420)가 서로 평행인 상태로부터 전력 수신 패드(1410)가 기운 정도를 나타내는 기울기 정렬 정보를 포함하는 정렬 상태 정보를 계산하여 도출할 수 있다.
또한, 정렬 상태 산출부(1430)는 세 개의 센싱 신호 송신 안테나(1411) 중 각 센싱 신호 송신 안테나와 세 개의 센싱 신호 수신 안테나(1421) 사이의 거리와 세 개의 센싱 신호 수신 안테나(1421)의 좌표에 기초하여 세 개의 센싱 신호 송신 안테나(1411)의 좌표를 계산하여 도출할 수 있으며, 도출된 세 개의 센싱 신호 송신 안테나(1411)의 좌표에 기초하여 위치 정렬 정보 및 기울기 정렬 정보를 산출할 수 있다.
도시된 구성요소들은 필수적인 것은 아니어서, 그 보다 많은 구성요소들을 갖거나, 그보다 적은 구성요소들을 갖는 무선 전력 전송 장치가 구현될 수도 있다. 또한, 이러한 구성요소는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합을 통해서 구현될 수 있다.
도 15는 전력 송신 패드와 전력 수신 패드에 설치된 정렬 상태 도출을 위한 센싱 신호 송수신 안테나와 이를 이용한 센싱 신호 송수신 안테나 간의 거리를 도출하는 방법을 도시한다.
도 15(a)를 참조하면, Tx1, Tx2, Tx3은 전력 수신 패드(1510)에 설치되는 세 개의 센싱 신호 송신 안테나이고, 세 개의 센싱 신호 송신 안테나(Tx1, Tx2, Tx3)는 전력 수신 패드(1510)를 포함하는 평면 상에 설치되되, 동일한 직선 상에 설치되지 않는다. 즉, 세 개의 센싱 신호 송신 안테나(Tx1, Tx2, Tx3)는 오직 하나의 평면(전력 수신 패드를 포함하는 평면)에만 포함되도록 설치될 수 있다. 또한, 세 개의 센싱 신호 송신 안테나(Tx1, Tx2, Tx3)는 도 14(a)에 도시한 바와 같이, 전력 수신 패드(1510)와 전력 송신 패드(1520)가 정합 상태에 있을 때, 전력 수신 패드(1510)를 xy평면에 정사영해 보면 전력 수신 패드(1510)의 중심은 xy평면 상의 원점과 일치하고, 제1 센싱 신호 송신 안테나(Rx1)는 xy평면 상의 점(0, -a)에 위치하고, 제2 센싱 신호 송신 안테나(Tx2)는 xy평면 상의 점(0, a)에 위치하고, 제3 센싱 신호 송신 안테나(Tx3)는 xy평면 상의 점(-a, 0)에 위치하도록 배치된다.
Rx1, Rx2, Rx3은 전력 송신 패드(1520)에 설치되는 세 개의 센싱 신호 수신 안테나이고, 세 개의 센싱 신호 수신 안테나(Rx1, Rx2, Rx3) 또한 전력 송신 패드(1520)를 포함하는 평면 상에 설치되되, 동일한 직선 상에 설치되지 않는다. 또한, 세 개의 센싱 신호 수신 안테나(Rx1, Rx2, Rx3)는 도 14(a)에 도시한 바와 같이 송신 패드(1520)의 중심이 xy평면 상의 원점에 위치하고, 제1 센싱 신호 수신 안테나(Rx1)는 xy평면 상의 점(a, a)에 위치하고, 제2 센싱 신호 수신 안테나(Rx2)는 xy평면 상의 점(-a, a)에 위치하고, 제3 센싱 신호 수신 안테나(Rx3)는 xy평면 상의 점(-a, -a)에 위치하도록 배치된다. 따라서, 세 개의 센싱 신호 수신부 중 제1 센싱 신호 수신부 및 제2 센싱 신호 수신부에 대응하는 점들을 연결한 선분 및 제2 센싱 신호 수신부 및 제3 센싱 신호 수신부에 대응하는 점들을 연결한 선분의 길이는
Figure 112020093348913-pat00036
가되고, 이 두 선분은 서로 수직이 된다.
도 15(b)는 전력 수신 패드(1510)에 설치된 제2 센싱 신호 송신 안테나(Tx2)에서 전력 송신 패드(1520)에 설치된 세 개의 센싱 신호 수신 안테나(Rx1, Rx2, Rx3)로 센싱 신호를 송신하여 두 안테나 사이의 거리를 측정하는 예를 도시한 것으로, 예컨대 제2 센싱 신호 송신 안테나(Tx2)에서 제1 센싱 신호 수신 안테나(Rx1)까지의 거리는 d1,2이고, 제2 센싱 신호 송신 안테나(Tx2)에서 제2 센싱 신호 수신 안테나(Rx2)까지의 거리는 d2,2이고, 제2 센싱 신호 송신 안테나(Tx2)에서 제3 센싱 신호 수신 안테나(Rx3)까지의 거리는 d3,2인 것을 도시한다.
각각의 센싱 신호 송신 안테나(Tx1, Tx2, Tx3)로부터 세 개의 센싱 신호 수신 안테나(Rx1, Rx2, Rx3)까지의 거리는 세 개의 센싱 신호 수신 안테나(Rx1, Rx2, Rx3)에서 수신된 각 센싱 신호 송신 안테나(Tx1, Tx2, Tx3)로부터 송신된 센싱 신호의 수신신호강도(Received Signal Strength Indication; RSSI), 즉 수신 신호의 파워를 활용하여 계산할 수 있다. 수신 신호의 파워는 Friis equation에 의해서
Figure 112020093348913-pat00037
이므로, 이 수학식에서 송수신 안테나 사이의 거리(d)는 수학식
Figure 112020093348913-pat00038
에서 구할 수 있다. 여기에서,
Figure 112020093348913-pat00039
은 수신 전력량,
Figure 112020093348913-pat00040
는 송신 전력량,
Figure 112020093348913-pat00041
는 송신 안테나의 게인(gain),
Figure 112020093348913-pat00042
은 수신 안테나의 게인(gain),
Figure 112020093348913-pat00043
는 전송 신호 주파수의 파장이다.
도 15(c)는 전력 수신 패드(1510)의 각각의 센싱 신호 송신 안테나(Tx1, Tx2, Tx3)에서 전력 송신 패드(1520)의 세 개의 센싱 신호 수신 안테나(Rx1, Rx2, Rx3)까지의 거리(d)를 수신신호강도(RSSI)를 활용하여 계산한 예를 표로 도시한 것이다.
본 실시 예에서는 전력 수신 패드(1510) 상의 특정 지점에서 전력 송신 패드(1520) 상의 특정 지점까지의 거리를 산출하기 위하여, 전력 수신 패드(1510)에는 세 개의 센싱 신호 송신 안테나(Tx1, Tx2, Tx3)를 설치하고, 전력 송신 패드(1520)에는 세 개의 센싱 신호 수신 안테나(Rx1, Rx2, Rx3)를 설치하여 각 거리를 산출하였지만, 전자파를 송수신하는 송수신 안테나 외에 무선 전력 전송 중에서 두 지점 간의 거리를 산출할 수 있는 어떤 수단도 사용될 수 있다. 예를 들어, 전력 수신 패드(1510)에는 세 개의 초음파 발신 수단을 설치하고, 전력 송신 패드(1520)에는 세 개의 초음파 수신 수단을 설치하여 각각의 초음파 발신 수단으로부터 초음파 수신 수단 사이의 거리를 산출할 수 있다. 또한, 레이저 등의 발광 수단과 수광 수단을 설치하여 발광 수단과 수광 수단 간의 거리를 측정할 수도 있다.
또한, 본 실시 예에서는 전력 수신 패드(1510)에 센싱 신호 송신 수단을 설치하고, 전력 송신 패드(1520)에 센싱 신호 수신 수단을 설치하였지만, 두 수단 간의 거리 측정을 위한 센싱 신호 송신 수단과 센싱 신호 수신 수단을 전력 수신 패드와 전력 송신 패드 간에 바꾸어서 설치할 수도 있다. 여기에서, 센싱 신호 송신 수단은 센싱 신호 송신 안테나, 초음파 발신 수단, 레이저 발광 수단 등을 의미하고, 센싱 신호 수신 수단은 센싱 신호 수신 안테나, 초음파 수신 수단, 레이저 수광 수단 등을 의미할 수 있다.
도 16은 어느 하나의 센싱 신호 송신 안테나에서 세 개의 센싱 신호 수신 안테나까지의 거리를 이용하여 어느 하나의 센싱 신호 송신 안테나의 공간 좌표를 산출하는 방법을 도시한다.
어느 하나의 센싱 신호 송신 안테나에서 세 개의 센싱 신호 수신 안테나까지의 거리(d1, d2 및 d3)를 알고 있으므로, 상기 어느 하나의 센싱 신호 송신 안테나에 해당하는 점은, 세 개의 센싱 신호 수신 안테나의 위치를 중심으로 하고 상기 어느 하나의 센싱 신호 송신 안테나에서 세 개의 센싱 신호 수신 안테나까지의 거리(d1, d2 및 d3)들을 각각의 반지름으로 가지는 세 개의 구가 만나는 점과 같게 된다. 따라서, 세 개의 센싱 신호 수신 안테나까지의 거리(d1, d2 및 d3)를 알고 있는 어느 하나의 센싱 신호 송신 안테나의 좌표는 상기 세 개의 구의 방정식의 해를 구해서 도출할 수 있다.
예를 들어, 제1 센싱 신호 송신 안테나(Tx1)에서 제1 센싱 신호 수신 안테나(Rx1)까지의 거리가 d1이고, 제1 센싱 신호 송신 안테나(Tx1)에서 제2 센싱 신호 수신 안테나(Rx2)까지의 거리가 d2이고, 제1 센싱 신호 송신 안테나(Tx1)에서 제3 센싱 신호 수신 안테나(Rx3)까지의 거리가 d3이면, 각각의 센싱 신호 수신 안테나(Rx1, Rx2, Rx3)에 대응하는 점을 구의 중심으로 가지는 구의 방정식은 도 15(a)와 같이 센싱 신호 수신 안테나들과 센싱 신호 송신 안테나들이 배치되어 있는 경우에는 다음의 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112020093348913-pat00044
여기서, k는 1, 2, 3이다.
도 16(a)를 참조하면, k가 1, 2일 때, 수학식 1을 연립하여 풀면, 그 해는 제1 센싱 신호 수신 안테나(Rx1)를 중심으로 하는 제1 구와, 제2 센싱 신호 수신 안테나(Rx2)를 중심으로 하는 제2 구가 만나서 생성되는 원(1601)을 나타내며, 제1 구 및 제2 구가 만나는 조건은
Figure 112020093348913-pat00045
이며,
Figure 112020093348913-pat00046
가 전술한 부등식의 범위를 초과할 때는
Figure 112020093348913-pat00047
로, 미만일 때는
Figure 112020093348913-pat00048
로 대체된다. 즉, 제1 구 및 제2 구가 만나는 조건은 d2를 반지름으로 하는 구의 표면의 점들이 점선(1602)과 점선(1603)의 위 또는 그 사이에 있을 때이다.
도 16(b) 및 도 16(c)를 참조하면, k가 3일 때, 즉, d3을 반지름으로 하는 제3 센싱 신호 수신 안테나(Rx3)를 중심으로 하는 제3 구가 원(1601)과 만나는 점은 도시한 바와 같이 점(1604) 및 점(1605)이 된다. 이 때, 제3 구가 원(1601)과 만나기 위한 조건은
Figure 112020093348913-pat00049
이 되고,
Figure 112020093348913-pat00050
는 제3 구와 원(1601)이 만날 수 있는 점 중에서 제3 구의 중심(Rx3)과 가장 가까운 좌표이고,
Figure 112020093348913-pat00051
는 제3 구와 원(1601)이 만날 수 있는 점 중에서 제3 구의 중심(Rx3)과 가장 먼 좌표이다.
도 16(c)는 제3 구와 원(1601)이 만나는 점(1604, 1605)을 yz평면에 정사영하여 도시한 것으로, xy평면 상에 전력 송신 패드가 있다고 할 때, 점(1604)는 전력 송신 패드의 위 쪽에 있고, 점(1605)는 전력 송신 패드의 아래 쪽에 있음을 도시하고 있다.
따라서, xy평면 상에 전력 송신 패드가 있고, 전력 수신 패드가 전력 송신 패드의 위 쪽에 있다고 할 때, 제1 센싱 신호 송신 안테나(Tx1)의 좌표는
Figure 112020093348913-pat00052
,
Figure 112020093348913-pat00053
,
Figure 112020093348913-pat00054
이 되고, 전력 수신 패드가 전력 송신 패드의 아래 쪽에 있다고 할 때, 제1 센싱 신호 송신 안테나(Tx1)의 좌표는
Figure 112020093348913-pat00055
,
Figure 112020093348913-pat00056
,
Figure 112020093348913-pat00057
이 될 수 있다.
또한, 도 15 내지 도 16의 방법을 나머지 센싱 신호 송신 안테나에 대해서 적용하면, 전력 수신 패드가 전력 송신 패드의 위 쪽에 있는 경우에는 제2 센싱 신호 송신 안테나(Tx2)의 좌표 및 제3 센싱 신호 송신 안테나(Tx3)의 좌표는 모두
Figure 112020093348913-pat00058
,
Figure 112020093348913-pat00059
,
Figure 112020093348913-pat00060
이 되고, 전력 수신 패드가 전력 송신 패드의 아래 쪽에 있는 경우에는
Figure 112020093348913-pat00061
,
Figure 112020093348913-pat00062
,
Figure 112020093348913-pat00063
이 된다.
이하에서는 도 13 내지 도 17을 참조하여, 세 개의 센싱 신호 송신 안테나(Tx1, Tx2, 및 Tx3)의 좌표를 이용하여 전력 수신 패드의 위치 정렬 상태와 기울기 정렬 상태를 도출하는 과정을 설명한다.
실시 예를 따라, 제1 센싱 신호 송신 안테나의 좌표는 Tx1, 제2 센싱 신호 송신 안테나의 좌표는 Tx2, 및 제3 센싱 신호 송신 안테나의 좌표는 Tx3이라 하고, 세 개의 센싱 신호 송신 안테나(Tx1, Tx2, Tx3) 중 제1 센싱 신호 송신 안테나(Tx1) 및 제2 센싱 신호 송신 안테나(Tx2)의 중점이 P1이고, P1x는 P1의 x좌표 및 P1y는 P1의 y좌표이며, Tx1x은 Tx1의 x좌표, Tx1y는 Tx1의 y좌표, Tx1z는 Tx1의 z좌표이고, Tx2x는 Tx2의 x좌표, Tx2y는 Tx2의 y좌표, Tx2z는 Tx2의 z좌표이고, Tx3x는 Tx3의 x좌표이고, Tx3z는 Tx3의 z좌표라 정의하면,
전력 수신 패드 상의 제1 기준 점, 즉, P1이 전력 송신 패드 상의 제2 기준 점, 즉 좌표축의 원점(O)으로부터 떨어진 거리(d)는 P1x,y,z = 0.5(Tx1x,y,z + Tx2x,y,z)이므로, 다음의 수학식 2를 통해서 산출할 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112020093348913-pat00064
또한, 제1 기준 점(P1)이 제2 기준 점(O)을 중심으로 전력 송신 패드가 포함된 평면과 평행한 평면 상에서 기준 각도로부터 회전한 제1 각도(θ1)는 제1 기준 점(P1)과 제2 기준 점(O)을 연결한 직선이 y축과 이루는 각의 크기를 의미하므로 다음의 수학식 3을 통해서 산출할 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112020093348913-pat00065
또한, 전력 수신 패드가 제1 기준 점(P1)을 중심으로 전력 송신 패드가 포함된 평면과 평행한 평면 상에서 기준 각도로부터 회전한 제2 각도(θ2), 즉 제1 센싱 신호 송신 안테나(Tx1)와 제2 센싱 신호 송신 안테나(Tx2)를 지나는 직선이 y축과 이루는 각의 크기를 의미하므로 다음의 수학식 4를 통해서 산출할 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112020093348913-pat00066
따라서, 세 개의 센싱 신호 송신 안테나(Tx1, Tx2, 및 Tx3)의 좌표를 이용하여 전력 수신 패드의 위치 정렬 상태를 도출한 결과, 즉, 거리(d), 제1 각(θ1) 및 제2 각(θ2)는 전술한 수학식 2 내지 4를 통해서 산출할 수 있다.
또한, 세 개의 센싱 신호 송신 안테나 중 제1 센싱 신호 송신 안테나(Tx1) 및 제2 센싱 신호 송신 안테나(Tx2)에 대응하는 점들을 연결한 직선(도 13(c)의 L1)이 전력 송신 패드에 대해서 평행인 상태를 기준으로 기울어진 제3 각도(Ф1)는 Tx1과 Tx2의 z좌표 값의 차이를 이용하여 다음의 수학식 5를 통해서 산출할 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112020093348913-pat00067
마지막으로, 제1 센싱 신호 송신 안테나(Tx1)와 제2 센싱 신호 송신 안테나(Tx2)에 대응하는 점들을 연결한 직선(L1)에 대한 수선(도 13의 L2)이 상기 직선(L1)을 중심으로 회전한 제4 각도(Ф2), 즉, 전력 수신 패드가 제1 센싱 신호 송신 안테나(Tx1)와 제2 센싱 신호 송신 안테나(Tx2)에 대응하는 점들을 연결한 직선(L1)을 중심으로 회전한 각도는 다음의 수학식 6을 통해서 산출할 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112020093348913-pat00068
이하에서는 제4 각도(Ф2)를 산출하는 방법을 도 17을 참조하여 상세히 설명한다.
도 17은 기울기 정렬 오차가 발생하기 전의 전력 수신 패드 상의 세 점을 활용하여 제4 각도(Ф2)를 구하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 17을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 장치는 점 P1, P2, 및 P3의 세 개의 점을 활용하여 제4 각도(Ф2)를 세 개의 점(P1, P2, 및 P3)은 전력 송신 패드(도시하지 않음)와 평행한 상태의 전력 수신 패드(1710) 상의 점들로서, 상기 세 개의 점(P1, P2, 및 P3)은 z좌표의 값이 모두 같으므로 xy평면과 평행한 평면 상에 존재하게 된다. P2는 전력 수신 패드(1710)가 Ф2만큼 회전하기 전에 포함되는 평면에 제3 센싱 신호 송신 안테나(Tx3)에 대응되는 점(Tx3)으로부터 내린 수선이 만나는 점을 의미하고, P3은 점(Tx3)으로부터 P1, P2두 점을 포함하고 xy평면과 평행한 평면에 내린 수선의 발(foot of perpendicular)을 의미한다.
이를 활용한 Tx3의 x좌표는 다음의 수학식 7을 통해서 산출할 수 있다.
[수학식 7]
Figure 112020093348913-pat00069
이 때,
Figure 112020093348913-pat00070
는
Figure 112020093348913-pat00071
와 동일하므로,
Figure 112020093348913-pat00072
를
Figure 112020093348913-pat00073
로 치환하면,
Figure 112020093348913-pat00074
로부터 Ф2를 산출하는 공식은 전술한 수학식 6이 될 수 있다.
따라서, 세 개의 센싱 신호 송신 안테나(Tx1, Tx2, Tx3)의 좌표를 이용하여 전력 수신 패드의 기울기 정렬 상태를 도출한 결과, 즉, 제3의 각(Ф1) 및 제4의 각(Ф2)은 전술한 수학식 5 및 6을 통해서 산출할 수 있다.
도 18은 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 전송 장치를 통해 전력 송수신 패드를 정렬하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 14 및 18을 참조하면, 본 명세서에서 개시된 무선 전력 전송 장치는 전력 수신 패드(1410), 전력 송신 패드(1420), 전력 수신 패드(1410)가 포함되는 평면 상에 배치된 세 개의 센싱 신호 송신 안테나(1411), 전력 송신 패드(1420)가 포함되는 평면 상에 배치된 세 개의 센싱 신호 수신 안테나(1421), 및 정렬 상태 산출부(1430)를 포함하여 구성될 수 있다. 상기 무선 전력 전송 장치는 이하의 과정을 통해 최대의 전력 전송 효율을 나타내도록 전력 송신 패드(1420)와 전력 수신 패드(1410)를 정렬 또는 정합시킬 수 있다.
먼저, 세 개의 센싱 신호 송신 안테나(1411)가 전력 송신 패드(1420)로 정렬 상태 정보를 산출하기 위한 센싱 신호를 송신한다(S1810).
다음으로, 세 개의 센싱 신호 수신 안테나(1421)가 세 개의 센싱 신호 송신 안테나(1411)로부터 센싱 신호를 수신한다(S1820).
다음으로, 정렬 상태 산출부(1430)가 세 개의 센싱 신호 수신 안테나(1421)에 수신된 센싱 신호에 기초하여 전력 수신 패드(1410)와 전력 송신 패드(1420)가 서로 겹쳐진 상태로부터 전력 수신 패드(1410)가 벗어난 정도를 나타내는 위치 정렬 정보 및 전력 수신 패드(1410)와 전력 송신 패드(1420)가 서로 평행인 상태로부터 전력 수신 패드(1410)가 기운 정도를 나타내는 기울기 정렬 정보를 산출한다(S1830).
정렬 상태 산출부(1430)는 세 개의 센싱 신호 송신 안테나(1411) 중 각 센싱 신호 송신부와 세 개의 센싱 신호 수신 안테나(1421) 사이의 거리와 세 개의 센싱 신호 수신 안테나(1421)의 좌표에 기초하여 세 개의 센싱 신호 송신 안테나(1411)의 좌표를 산출하고, 산출된 세 개의 센싱 신호 송신 안테나(1411)의 좌표에 기초하여 전력 송신 패드(1420)에 대한 전력 수신 패드(1410)의 위치 정렬 정보 및 기울기 정렬 정보를 산출할 수 있다.
다음으로, 정렬 상태 산출부(1430)는 산출된 위치 정렬 정보 및 기울기 정렬 정보에 기초하여 전력 송신 패드(1420)와 전력 수신 패드(1410)를 정합시킨다(S1840). 여기서, 정렬 상태 산출부(1430)는 산출된 위치 정렬 정보 및 기울기 정렬 정보를 출력하여 사용자로 하여금 직접 전력 수신 패드(1410)의 위치와 기울기를 조절하도록 할 수도 있고, 별도로 구비된 장치를 통해서 자동으로 전력 수신 패드(1410)의 위치와 기울기를 조절할 수도 있다.
상술한 설명에서, 단계들(S1810 내지 S1840)은 본 발명의 구현예에 따라서, 추가적인 동작들로 더 분할되거나, 더 적은 동작들로 조합될 수 있다. 또한, 일부 동작은 필요에 따라 생략될 수도 있고, 동작 간의 순서가 전환될 수도 있다.
본 명세서에서 사용된 용어 "부"는(예를 들면, 제어부 등), 예를 들어, 하드웨어, 소프트웨어 또는 펌웨어(firmware) 중 하나 또는 둘 이상의 조합을 포함하는 단위(unit)를 의미할 수 있다. "부"는, 예를 들어, 유닛(unit), 로직(logic), 논리블록(logical block), 부품(component), 또는 회로(circuit) 등의 용어와 바꾸어 사용(interchangeably use)될 수 있다. "부"는, 일체로 구성된 부품의 최소 단위 또는 그 일부가 될 수 있다. "부"는 하나 또는 그 이상의 기능을 수행하는 최소 단위 또는 그 일부가 될 수도 있다. "부"는 기계적으로 또는 전자적으로 구현될 수 있다. 예를 들어, "부"는, 알려졌거나 앞으로 개발될, 어떤 동작들을 수행하는 ASIC(Application-Specific Integrated Circuit) 칩, FPGAs(Field-Programmable Gate Arrays) 또는 프로그램 가능 논리 장치(programmable-logic device) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
다양한 실시예에 따른 장치(예: 모듈들 또는 그 기능들) 또는 방법(예: 동작들)의 적어도 일부는, 예컨대, 프로그램 모듈의 형태로 컴퓨터로 읽을 수 있는 저장매체(computer-readable storage media)에 저장된 명령어로 구현될 수 있다. 상기 명령어가 프로세서에 의해 실행될 경우, 상기 하나 이상의 프로세서가 상기 명령어에 해당하는 기능을 수행할 수 있다. 컴퓨터로 읽을 수 있는 저장매체는, 예를 들어, 메모리가 될 수 있다.
컴퓨터로 읽을 수 있는 저장매체/컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체는, 하드디스크, 플로피디스크, 마그네틱 매체(magnetic media)(예: 자기테이프), 광기록 매체(optical media)(예: CD-ROM(compact disc read only memory), DVD(digital versatile disc), 자기-광 매체(magneto-optical media)(예: 플롭티컬 디스크(floptical disk)), 하드웨어 장치(예: ROM(read only memory), RAM(random access memory), 또는 플래시 메모리 등) 등을 포함할 수 있다. 또한, 프로그램 명령에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함할 수 있다. 상술한 하드웨어 장치는 다양한 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지다.
다양한 실시예에 따른 모듈 또는 프로그램 모듈은 전술된 구성요소들 중 적어도 하나 이상을 포함하거나, 일부가 생략되거나, 또는 추가적인 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다. 다양한 실시예에 따른 모듈, 프로그램 모듈 또는 다른 구성요소에 의해 수행되는 동작들은 순차적, 병렬적, 반복적 또는 휴리스틱(heuristic)한 방법으로 실행될 수 있다. 또한, 일부 동작은 다른 순서로 실행되거나, 생략되거나, 또는 다른 동작이 추가될 수 있다.
본 명세서에 사용된 용어 "하나"는 하나 또는 하나 이상으로 정의된다. 또한, 청구 범위에서 "적어도 하나" 및 "하나 이상"과 같은 도입 문구를 사용하는 것은, 동일한 청구항에 "적어도 하나" 및 "하나 이상"과 같은 도입 문구 및 "하나" 같은 불명료한 문구가 포함되어 있는 경우라 할지라도, 불명료한 문구 "하나"에 의한 다른 청구항 요소의 도입이 그러한 요소를 하나만을 포함하는 발명에 대해 그렇게 도입된 청구항 요소를 포함하는 임의의 특정 청구항을 제한한다는 것을 의미하는 것으로 해석되어서는 안된다.
달리 명시하지 않는 한, "제1" 및 "제2"와 같은 용어는 그러한 용어가 설명하는 요소들을 임의로 구별하는 데 사용된다. 따라서, 이들 용어는 그러한 요소들의 시간적 또는 다른 우선 순위를 나타내도록 반드시 의도된 것은 아니며, 특정 수단이 서로 다른 청구항들에 열거되어 있다는 단순한 사실만으로 이러한 수단들의 조합이 유리하게 사용될 수 없다는 것을 나타내는 것은 아니다. 따라서, 이들 용어는 그러한 요소의 시간적 또는 다른 우선 순위를 나타내도록 반드시 의도되지는 않는다. 특정 조치가 서로 다른 주장에 인용되었다는 단순한 사실만으로 이러한 조치의 조합이 유용하게 사용될 수 없다는 것을 나타내지는 않는다.
또한, 상세한 설명 및 청구 범위에서의 "앞", "뒤", "꼭대기", "상부", "밑", "바닥", "위에", "아래" 등의 용어는 설명을 목적으로 사용되었지만 영구적인 상대적 위치를 설명하는 데 반드시 사용되는 것은 아니다. 그렇게 사용되는 용어는 본 명세서에 기술된 본 발명의 실시예가 예를 들어 여기에 도시되거나 달리 설명된 것 외의 다른 방향으로 작동할 수 있도록 적절한 환경 하에서 상호 교환 가능하다는 것으로 이해된다.
도시의 단순성 및 명료성을 위해, 도면들에 도시된 요소들(요소)은 반드시 일정한 비율로 그려진 것은 아니라는 것으로 이해될 것이다. 예를 들어, 일부 요소들의 치수는 명확성을 위해 다른 요소들에 비해 과장될 수 있다. 또한, 적절한 것으로 고려되는 경우, 참조 번호들은 대응되거나 유사한 요소들을 나타내기 위해 도면들 사이에서 반복될 수 있다.
동일한 기능을 달성하기 위한 구성 요소의 배열은 효과적으로 "관련"되어 원하는 기능이 달성된다. 따라서, 특정 기능성을 달성하기 위해 결합된 임의의 2 개의 구성 요소는 구조 또는 중개하는 구성 요소와 관계없이 원하는 기능이 달성되도록 서로 "관련"되는 것으로 간주될 수 있다. 마찬가지로 이와 같이 연관된 두 개의 구성 요소는 원하는 기능을 달성하기 위해 서로 "작동 가능하게 연결"되거나 "작동 가능하게 결합된" 것으로 간주될 수 있다.
또한, 통상의 기술자는 전술한 동작들의 기능성 사이의 경계가 단지 예시적인 것임을 인식할 것이다. 복수의 동작들은 단일 동작으로 결합될 수 있고, 단일 동작은 추가 동작들로 분산될 수 있으며, 동작들은 시간적으로 적어도 부분적으로 겹쳐서 실행될 수 있다. 또한, 대안적인 실시예들은 특정 동작에 대한 복수의 인스턴스들을 포함할 수 있고, 동작들의 순서는 다양한 다른 실시예에서 변경될 수 있다. 그러나, 다른 수정, 변형 및 대안이 또한 가능하다. 따라서, 상세한 설명 및 도면은 제한적인 의미가 아니라 예시적인 것으로 간주되어야 한다.
"X일 수 있다"는 문구는 조건 X가 충족될 수 있음을 나타낸다. 이 문구는 또한 조건 X가 충족되지 않을 수도 있음을 나타낸다. 예를 들어, 특정 구성 요소를 포함하는 시스템에 대한 참조는 시스템이 특정 구성 요소를 포함하지 않는 시나리오도 포함해야 한다. 예를 들어, 특정 동작을 포함하는 방법에 대한 참조는 해당 방법이 특정 구성 요소를 포함하지 않는 시나리오도 포함해야 한다. 그러나 또 다른 예를 들면, 특정 동작을 수행하도록 구성된 시스템에 대한 참조는 시스템이 특정 작업을 수행하도록 구성되지 않은 시나리오도 포함해야 한다.
용어 "포함하는", "갖는", "구성된", "이루어진" 및 "본질적으로 이루어진"은 상호 교환적으로 사용된다. 예를 들어, 임의의 방법은 적어도 도면 및/또는 명세서에 포함된 동작을 포함할 수 있으며, 도면 및/또는 명세서에 포함된 동작만을 포함할 수 있다.
통상의 기술자는 논리 블록들 사이의 경계가 단지 예시적인 것이며, 대안적인 실시 예들이 논리 블록들 또는 회로 소자들을 병합하거나 또는 다양한 논리 블록들 또는 회로 소자들 상에 기능의 대체적인 분해를 부과할 수 있음을 인식할 것이다. 따라서, 여기에 도시된 아키텍처는 단지 예시적인 것이며, 사실 동일한 기능을 달성하는 많은 다른 아키텍처가 구현될 수 있다는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 예를 들어, 일 실시예에서, 도시된 예들은 단일 집적 회로 상에 또는 동일한 장치 내에 위치된 회로로서 구현될 수 있다. 대안적으로, 상기 예들은 임의의 수의 개별적인 집적 회로들 또는 적합한 방식으로 서로 상호 접속된 개별 장치들로서 구현될 수 있으며, 다른 변경, 수정, 변형 및 대안들이 또한 가능하다. 따라서, 명세서 및 도면은 제한적인 의미가 아니라 예시적인 것으로 간주되어야 한다.
또한, 예를 들어, 상기 예들 또는 그 일부는, 임의의 적절한 유형의 하드웨어 기술 언어와 같은, 물리적 회로 또는 물리적 회로로 변환 가능한 논리적 표현의 소프트웨어 또는 코드 표현으로서 구현될 수 있다.
또한, 본 발명은 비 프로그래머블 하드웨어로 구현된 물리적 장치 또는 유닛으로 제한되지 않지만, 일반적으로 본원에서는 '컴퓨터 시스템'으로 표시되는 메인 프레임, 미니 컴퓨터, 서버, 워크스테이션, 개인용 컴퓨터, 노트패드(notepad), 개인용 디지털 정보 단말기(PDA), 전자 게임(electronic games), 자동차 및 기타 임베디드 시스템, 휴대전화 및 다양한 다른 무선 장치 등과 같은, 적절한 프로그램 코드에 따라 동작함으로써 원하는 장치 기능을 수행할 수 있는 프로그램 가능한 장치 또는 유닛에도 적용될 수 있다.
이 명세서에 언급된 시스템, 장치 또는 디바이스는 적어도 하나의 하드웨어 구성 요소를 포함한다.
본 명세서에 설명된 바와 같은 연결들은 예를 들어 중간 장치를 통해 각각의 노드, 유닛 또는 장치로부터 또는 각각의 노드, 유닛 또는 장치로 신호를 전송하기에 적합한 임의의 유형의 연결일 수 있다. 따라서, 묵시적으로 또는 달리 언급되지 않는 한, 연결은 예를 들어 직접 연결 또는 간접 연결일 수 있다. 연결은 단일 연결, 다수의 연결, 단방향 연결 또는 양방향 연결이라는 것을 참조하여 설명되거나 묘사될 수 있다. 그러나, 서로 다른 실시 예들은 연결의 구현을 변화시킬 수 있다. 예를 들어 양방향 연결이 아닌 별도의 단방향 연결을 사용할 수 있으며 그 반대의 경우도 가능할 수 있다. 또한, 다수의 연결은 복수의 신호를 순차적으로 또는 시간 다중화 방식으로 전송하는 단일 연결로 대체될 수 있다. 마찬가지로, 복수의 신호를 전송하는 단일 연결은 이러한 신호의 서브 세트를 전송하는 다양한 연결로 분리될 수 있다. 따라서 신호를 전송하기 위한 많은 옵션들이 존재한다.
통상의 기술자는 논리 블록들 사이의 경계가 단지 예시적인 것이며, 대안적인 실시 예들이 논리 블록들 또는 회로 소자들을 병합하거나 또는 다양한 논리 블록들 또는 회로 소자들 상에 기능의 대체적인 분해를 부과할 수 있음을 인식할 것이다. 따라서, 여기에 도시된 아키텍처는 단지 예시적인 것이며, 사실 동일한 기능을 달성하는 많은 다른 아키텍처가 구현될 수 있다는 것으로 이해되어야 한다.
청구항에서, 괄호 사이에 위치한 임의의 참조 부호는 청구항을 제한하는 것으로 해석되어서는 아니 된다. '포함하는'이라는 단어는 청구항에 나열된 요소들 또는 동작들의 존재를 배제하지 않는다.
이상에서 본 명세서의 기술에 대한 바람직한 실시 예가 첨부된 도면들을 참조하여 설명되었다. 여기서, 본 명세서 및 청구 범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다. 본 발명의 범위는 본 명세서에 개시된 실시 예들로 한정되지 아니하고, 본 발명은 본 발명의 사상 및 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 다양한 형태로 수정, 변경, 또는 개선될 수 있다.
1210, 1310, 1410, 1510, 1710 : 전력 수신 패드
1220, 1320, 1420, 1520 : 전력 송신 패드
1430 : 정렬 상태 산출부
Rx1, Rx2, Rx3 : 센싱 신호 수신 안테나
Tx1, Tx2, Tx3 : 센싱 신호 송신 안테나
P1 : Tx1과 Tx2의 중점

Claims (10)

  1. 전력 수신 패드, 전력 송신 패드, 상기 전력 수신 패드가 포함되는 평면 상에 배치된 세 개의 센싱 신호 송신부, 상기 전력 송신 패드가 포함되는 평면 상에 배치된 세 개의 센싱 신호 수신부, 및 정렬 상태 산출부를 포함하여 구성되는 무선 전력 전송 장치의 전력 송수신 패드 정렬 방법에 있어서,
    상기 세 개의 센싱 신호 송신부가 상기 전력 송신 패드로 정렬 상태 정보를 산출하기 위한 센싱 신호를 송신하는 단계;
    상기 세 개의 센싱 신호 수신부가 상기 세 개의 센싱 신호 송신부로부터 상기 센싱 신호를 수신하는 단계;
    상기 정렬 상태 산출부가 상기 센싱 신호에 기초하여 상기 전력 수신 패드와 상기 전력 송신 패드가 서로 겹쳐진 상태로부터 상기 전력 수신 패드가 벗어난 정도를 나타내는 위치 정렬 정보 및 상기 전력 수신 패드와 상기 전력 송신 패드가 서로 평행인 상태로부터 상기 전력 수신 패드가 기운 정도를 나타내는 기울기 정렬 정보를 산출하되, 상기 세 개의 센싱 신호 송신부 중 각 센싱 신호 송신부와 상기 세 개의 센싱 신호 수신부 사이의 거리 및 상기 세 개의 센싱 신호 수신부의 좌표에 기초하여 상기 세 개의 센싱 신호 송신부의 좌표를 산출하고, 상기 정렬 상태 산출부가 상기 세 개의 센싱 신호 송신부의 좌표에 기초하여 상기 위치 정렬 정보 및 상기 기울기 정렬 정보를 산출하는 단계; 및
    상기 위치 정렬 정보 및 상기 기울기 정렬 정보에 기초하여 상기 전력 송신 패드와 상기 전력 수신 패드를 정합시키는 단계;를 포함하고,
    상기 정렬 상태 산출부는,
    상기 세 개의 센싱 신호 수신부에서 수신된 상기 각 센싱 신호 송신부로부터 송신된 센싱 신호의 수신신호강도(RSSI)에 기초하여 상기 각 센싱 신호 송신부와 상기 세 개의 센싱 신호 수신부 사이의 거리를 산출하고,
    상기 위치 정렬 정보는,
    상기 전력 수신 패드 상의 제1 기준 점이 상기 전력 송신 패드 상의 제2 기준 점으로부터 떨어진 거리(d), 상기 제1 기준 점이 상기 제2 기준 점을 중심으로 상기 전력 송신 패드가 포함된 평면과 평행한 평면 상에서 기준 각도로부터 회전한 제1 각도(θ1) 및 상기 전력 수신 패드가 상기 제1 기준 점을 중심으로 상기 전력 송신 패드가 포함된 평면과 평행한 평면 상에서 기준 각도로부터 회전한 제2 각도(θ2)를 나타내고,
    상기 기울기 정렬 정보는,
    상기 세 개의 센싱 신호 송신부 중 제1 센싱 신호 송신부 및 제2 센싱 신호 송신부에 대응하는 점들을 연결한 직선이 상기 전력 송신 패드에 대해서 평행인 상태를 기준으로 기울어진 제3 각도(Ф1) 및 상기 제1 센싱 신호 송신부와 상기 제2 센싱 신호 송신부에 대응하는 점들을 연결한 직선에 대한 수선이 상기 제1 센싱 신호 송신부와 상기 제2 센싱 신호 송신부에 대응하는 점들을 연결한 직선을 중심으로 회전한 제4 각도(Ф2)를 나타내는
    무선 전력 전송 장치의 전력 송수신 패드 정렬 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 세 개의 센싱 신호 수신부 중 제1 센싱 신호 수신부 및 제2 센싱 신호 수신부에 대응하는 점들을 연결한 길이가
    Figure 112022072594140-pat00075
    인 선분과 제2 센싱 신호 수신부 및 제3 센싱 신호 수신부에 대응하는 점들을 연결한 길이가
    Figure 112022072594140-pat00076
    인 선분이 서로 수직이고,
    상기 제1 센싱 신호 송신부의 좌표는 Tx1, 상기 제2 센싱 신호 송신부의 좌표는 Tx2, 및 상기 제3 센싱 신호 송신부의 좌표는 Tx3이고,
    d1k는 Txk(k는 1, 2, 3) 와 상기 제1 센싱 신호 수신부 사이의 거리이고, d2k는 Txk(k는 1, 2, 3) 와 상기 제2 센싱 신호 수신부 사이의 거리이고, d3k는 Txk(k는 1, 2, 3) 와 상기 제3 센싱 신호 수신부 사이의 거리이고,
    P1은 상기 세 개의 센싱 신호 송신부 중 제1 센싱 신호 송신부 및 제2 센싱 신호 송신부의 중점이고, P1x는 P1의 x좌표 및 P1y는 P1의 y좌표이며,
    Tx1x은 Tx1의 x좌표, Tx1y는 Tx1의 y좌표, Tx1z는 Tx1의 z좌표이고, Tx2x는 Tx2의 x좌표, Tx2y는 Tx2의 y좌표, Tx2z는 Tx2의 z좌표이고, Tx3x는 Tx3의 x좌표이고, Tx3z는 Tx3의 z좌표일 때,
    Tx1의 좌표(x, y, z)는
    Figure 112022072594140-pat00077
    ,
    Figure 112022072594140-pat00078
    ,
    Figure 112022072594140-pat00079
    이고, Tx2의 좌표(x, y, z)는
    Figure 112022072594140-pat00080
    ,
    Figure 112022072594140-pat00081
    ,
    Figure 112022072594140-pat00082
    이고, Tx3의 좌표(x, y, z)는
    Figure 112022072594140-pat00083
    ,
    Figure 112022072594140-pat00084
    ,
    Figure 112022072594140-pat00085
    이고,
    상기 전력 수신 패드 상의 제1 기준 점이 상기 전력 송신 패드 상의 제2 기준 점으로부터 떨어진 거리(d)는
    Figure 112022072594140-pat00086

    의 공식을 통해서 산출되고,
    상기 제1 기준 점이 상기 제2 기준 점을 중심으로 상기 전력 송신 패드가 포함된 평면과 평행한 평면 상에서 기준 각도로부터 회전한 제1 각도(θ1)는
    Figure 112022072594140-pat00087

    의 공식을 통해서 산출되고,
    상기 전력 수신 패드가 상기 제1 기준 점을 중심으로 상기 전력 송신 패드가 포함된 평면과 평행한 평면 상에서 기준 각도로부터 회전한 제2 각도(θ2)는
    Figure 112022072594140-pat00088

    의 공식을 통해서 산출되고,
    상기 세 개의 센싱 신호 송신부 중 제1 센싱 신호 송신부 및 제2 센싱 신호 송신부에 대응하는 점들을 연결한 직선이 상기 전력 송신 패드에 대해서 평행인 상태를 기준으로 기울어진 제3 각도(Ф1)는
    Figure 112022072594140-pat00089

    의 공식을 통해서 산출되고, 및
    상기 제1 센싱 신호 송신부와 상기 제2 센싱 신호 송신부에 대응하는 점들을 연결한 직선에 대한 수선이 상기 제1 센싱 신호 송신부와 상기 제2 센싱 신호 송신부에 대응하는 점들을 연결한 직선을 중심으로 회전한 제4 각도(Ф2)는
    Figure 112022072594140-pat00090

    의 공식을 통해서 산출되는 무선 전력 전송 장치의 전력 송수신 패드 정렬 방법.
  6. 전력 송신 패드에서 전력 수신 패드로 무선으로 전력을 전송하는 무선 전력 전송 장치에 있어서,
    상기 전력 수신 패드가 포함되는 평면 상에 배치되어, 상기 전력 송신 패드로 정렬 상태 정보를 산출하기 위한 센싱 신호를 송신하는 세 개의 센싱 신호 송신부;
    상기 전력 송신 패드가 포함되는 평면 상에 배치되어, 상기 세 개의 센싱 신호 송신부로부터 상기 센싱 신호를 수신하는 세 개의 센싱 신호 수신부; 및
    상기 세 개의 센싱 신호 수신부에 수신된 상기 센싱 신호에 기초하여 상기 전력 수신 패드와 상기 전력 송신 패드가 서로 겹쳐진 상태로부터 상기 전력 수신 패드가 벗어난 정도를 나타내는 위치 정렬 정보 및 상기 전력 수신 패드와 상기 전력 송신 패드가 서로 평행인 상태로부터 상기 전력 수신 패드가 기운 정도를 나타내는 기울기 정렬 정보를 포함하는 상기 정렬 상태 정보를 산출하는 정렬 상태 산출부;를 포함하고,
    상기 정렬 상태 산출부는,
    상기 세 개의 센싱 신호 송신부 중 각 센싱 신호 송신부와 상기 세 개의 센싱 신호 수신부 사이의 거리 및 상기 세 개의 센싱 신호 수신부의 좌표에 기초하여 상기 세 개의 센싱 신호 송신부의 좌표를 산출하고,
    상기 세 개의 센싱 신호 송신부의 좌표에 기초하여 상기 위치 정렬 정보 및 상기 기울기 정렬 정보를 산출하고,
    상기 각 센싱 신호 송신부와 상기 세 개의 센싱 신호 수신부 사이의 거리는,
    상기 세 개의 센싱 신호 수신부에서 수신된 상기 각 센싱 신호 송신부로부터 송신된 센싱 신호의 수신신호강도(RSSI)에 기초하여 산출되고,
    상기 위치 정렬 정보는,
    상기 전력 수신 패드 상의 제1 기준 점이 상기 전력 송신 패드 상의 제2 기준 점으로부터 떨어진 거리(d), 상기 제1 기준 점이 상기 제2 기준 점을 중심으로 상기 전력 송신 패드가 포함된 평면과 평행한 평면 상에서 기준 각도로부터 회전한 제1 각도(θ1) 및 상기 전력 수신 패드가 상기 제1 기준 점을 중심으로 상기 전력 송신 패드가 포함된 평면과 평행한 평면 상에서 기준 각도로부터 회전한 제2 각도(θ2)를 나타내고,
    상기 기울기 정렬 정보는,
    상기 세 개의 센싱 신호 송신부 중 제1 센싱 신호 송신부 및 제2 센싱 신호 송신부에 대응하는 점들을 연결한 직선이 상기 전력 송신 패드에 대해서 평행인 상태를 기준으로 기울어진 제3 각도(Ф1) 및 상기 제1 센싱 신호 송신부와 상기 제2 센싱 신호 송신부에 대응하는 점들을 연결한 직선에 대한 수선이 상기 제1 센싱 신호 송신부와 상기 제2 센싱 신호 송신부에 대응하는 점들을 연결한 직선을 중심으로 회전한 제4 각도(Ф2)를 나타내는
    무선 전력 전송 장치.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제6 항에 있어서,
    상기 세 개의 센싱 신호 수신부 중 제1 센싱 신호 수신부 및 제2 센싱 신호 수신부에 대응하는 점들을 연결한 길이가
    Figure 112022072594140-pat00091
    인 선분과 제2 센싱 신호 수신부 및 제3 센싱 신호 수신부에 대응하는 점들을 연결한 길이가
    Figure 112022072594140-pat00092
    인 선분이 서로 수직이고,
    상기 제1 센싱 신호 송신부의 좌표는 Tx1, 상기 제2 센싱 신호 송신부의 좌표는 Tx2, 및 상기 제3 센싱 신호 송신부의 좌표는 Tx3이고,
    d1k는 Txk(k는 1, 2, 3)와 상기 제1 센싱 신호 수신부 사이의 거리이고, d2k는 Txk(k는 1, 2, 3) 와 상기 제2 센싱 신호 수신부 사이의 거리이고, d3k는 Txk(k는 1, 2, 3)와 상기 제3 센싱 신호 수신부 사이의 거리이고,
    P1은 상기 세 개의 센싱 신호 송신부 중 제1 센싱 신호 송신부 및 제2 센싱 신호 송신부의 중점이고, P1x는 P1의 x좌표 및 P1y는 P1의 y좌표이며,
    Tx1x은 Tx1의 x좌표, Tx1y는 Tx1의 y좌표, Tx1z는 Tx1의 z좌표이고, Tx2x는 Tx2의 x좌표, Tx2y는 Tx2의 y좌표, Tx2z는 Tx2의 z좌표이고, Tx3x는 Tx3의 x좌표이고, Tx3z는 Tx3의 z좌표일 때,
    Tx1의 좌표(x, y, z)는
    Figure 112022072594140-pat00093
    ,
    Figure 112022072594140-pat00094
    ,
    Figure 112022072594140-pat00095
    이고, Tx2의 좌표(x, y, z)는
    Figure 112022072594140-pat00096
    ,
    Figure 112022072594140-pat00097
    ,
    Figure 112022072594140-pat00098
    이고, Tx3의 좌표(x, y, z)는
    Figure 112022072594140-pat00099
    ,
    Figure 112022072594140-pat00100
    ,
    Figure 112022072594140-pat00101
    이고,
    상기 전력 수신 패드 상의 제1 기준 점이 상기 전력 송신 패드 상의 제2 기준 점으로부터 떨어진 거리(d)는
    Figure 112022072594140-pat00102

    의 공식을 통해서 산출되고,
    상기 제1 기준 점이 상기 제2 기준 점을 중심으로 상기 전력 송신 패드가 포함된 평면과 평행한 평면 상에서 기준 각도로부터 회전한 제1 각도(θ1)는
    Figure 112022072594140-pat00103

    의 공식을 통해서 산출되고,
    상기 전력 수신 패드가 상기 제1 기준 점을 중심으로 상기 전력 송신 패드가 포함된 평면과 평행한 평면 상에서 기준 각도로부터 회전한 제2 각도(θ2)는
    Figure 112022072594140-pat00104

    의 공식을 통해서 산출되고,
    상기 세 개의 센싱 신호 송신부 중 제1 센싱 신호 송신부 및 제2 센싱 신호 송신부에 대응하는 점들을 연결한 직선이 상기 전력 송신 패드에 대해서 평행인 상태를 기준으로 기울어진 제3 각도(Ф1)는
    Figure 112022072594140-pat00105

    의 공식을 통해서 산출되고, 및
    상기 제1 센싱 신호 송신부와 상기 제2 센싱 신호 송신부에 대응하는 점들을 연결한 직선에 대한 수선이 상기 제1 센싱 신호 송신부와 상기 제2 센싱 신호 송신부에 대응하는 점들을 연결한 직선을 중심으로 회전한 제4 각도(Ф2)는
    Figure 112022072594140-pat00106

    의 공식을 통해서 산출되는 무선 전력 전송 장치.
KR1020200112304A 2020-09-03 2020-09-03 무선 전력 전송 장치 및 무선 전력 전송 장치의 전력 송수신 패드 정렬 방법 KR102426005B1 (ko)

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