KR102536829B1

KR102536829B1 - 복수의 송신 코일이 구비된 무선 전력 기기 및 그 구동 방법

Info

Publication number: KR102536829B1
Application number: KR1020160034251A
Authority: KR
Inventors: 배수호
Original assignee: 엘지이노텍 주식회사
Priority date: 2016-03-22
Filing date: 2016-03-22
Publication date: 2023-05-25
Also published as: KR20170109969A

Abstract

복수의 송신 코일이 구비된 무선 전력 송신기가 개시된다. 본 송신기는 소정 거리를 두고 나란히 배치되되, 상부 루프 및 하부 루프를 각각 형성하는 복수의 송신코일 및 복수의 송신코일을 통해 무선 전력을 송출하도록 제어하는 제어부를 포함하며, 복수의 송신코일 중 서로 인접한 제1 송신코일 및 제2 송신코일 세트 각각은, 제1 송신코일의 외측 영역 중에서 제1 송신코일의 하부 루프에 의한 충전 영역이 상기 제2 송신코일의 상부 루프에 의한 충전 음영 영역을 오버랩하도록 복수의 송신코일이 배치될 수 있다. 이에 따라 충전 효율성이 향상될 수 있다.

Description

복수의 송신 코일이 구비된 무선 전력 기기 및 그 구동 방법{Wireless Charging Device Using Multi-Coil and Operational Method Thereof}

본 발명은 무선 전력 전송 기술에 관한 것으로서, 상세하게는 복수의 송신 코일이 구비된 무선 전력 기기 및 그 구동 방법에 관한 것이다.

최근 정보 통신 기술이 급속도로 발전함에 따라, 정보 통신 기술을 기반으로 하는 유비쿼터스 사회가 이루어지고 있다.

언제 어디서나 정보통신 기기들이 접속되기 위해서는 사회 모든 시설에 통신 기능을 가진 컴퓨터 칩을 내장시킨 센서들이 설치되어야 한다. 따라서 이들 기기나 센서의 전원 공급 문제는 새로운 과제가 되고 있다. 또한 휴대폰뿐만 아니라 블루투스 핸드셋과 아이팟 같은 뮤직 플레이어 등의 휴대기기 종류가 급격히 늘어나면서 배터리를 충전하는 작업이 사용자에게 시간과 수고를 요구하고 됐다. 이러한 문제를 해결하는 방법으로 무선 전력 전송 기술이 최근 들어 관심을 받고 있다.

무선 전력 전송 기술(wireless power transmission 또는 wireless energy transfer)은 자기장의 유도 원리를 이용하여 무선으로 송신기에서 수신기로 전기 에너지를 전송하는 기술로서, 이미 1800년대에 전자기유도 원리를 이용한 전기 모터나 변압기가 사용되기 시작했고, 그 후로는 라디오파나 레이저, 고주파, 마이크로웨이브와 같은 전자파를 방사해서 전기에너지를 전송하는 방법도 시도되었다. 우리가 흔히 사용하는 전동칫솔이나 일부 무선면도기도 실상은 전자기유도 원리로 충전된다.

현재까지 무선을 이용한 에너지 전달 방식은 크게 자기 유도 방식, 자기 공진(Electromagnetic Resonance) 방식 및 단파장 무선 주파수를 이용한 RF 전송 방식 등으로 구분될 수 있다.

자기 유도 방식은 두 개의 코일을 서로 인접시킨 후 한 개의 코일에 전류를 흘려보내면 이 때 발생한 자속(MagneticFlux)이 다른 코일에 기전력을 일으키는 현상을 사용한 기술로서, 휴대폰과 같은 소형기기를 중심으로 빠르게 상용화가 진행되고 있다. 자기 유도 방식은 최대 수백 키로와트(kW)의 전력을 전송할 수 있고 효율도 높지만 최대 전송 거리가 1센티미터(cm) 이하이므로 일반적으로 충전기나 바닥에 인접시켜야 하는 단점이 있다.

자기 공진 방식은 전자기파나 전류 등을 활용하는 대신 전기장이나 자기장을 이용하는 특징이 있다. 자기 공진 방식은 전자파 문제의 영향을 거의 받지 않으므로 다른 전자 기기나 인체에 안전하다는 장점이 있다. 반면, 한정된 거리와 공간에서만 활용할 수 있으며 에너지 전달 효율이 다소 낮다는 단점이 있다.

단파장 무선 전력 전송 방식-간단히, RF 전송 방식-은 에너지가 라디오 파(RadioWave)형태로 직접 송수신될 수 있다는 점을 활용한 것이다. 이 기술은 렉테나(rectenna)를 이용하는 RF 방식의 무선 전력 전송 방식으로서, 렉테나는 안테나(antenna)와 정류기(rectifier)의 합성어로서 RF 전력을 직접 직류 전력으로 변환하는 소자를 의미한다. 즉, RF 방식은 AC 라디오파를 DC로 변환하여 사용하는 기술로서, 최근 효율이 향상되면서 상용화에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 무선 전력 전송 기술은 모바일 뿐만 아니라 IT, 철도, 가전 산업 등 산업 전반에 다양하게 활용될 수 있다.

이하, 종래 기술에서 제공하는 복수의 송신 코일이 구비된 무선 전력 기기를 도 1(a) 내지 도 4를 참조하여 설명하기로 한다.

도 1(a) 및 도 1(b)는 종래기술의 무선 전력 송신기 및 무선 전력 수신기를 나타낸다. 도 1(a)에 따르면, 무선 전력 송신기(11)는 무선 전력 전송하는 송신 코일(13)를 내장한다. 무선 전력 전송기(11)는 송신 코일(13)을 통해 무선 전력을 무선 전력 수신기(15)로 전송한다. 무선 전력 송신기(11)는 전자기 공진 방식을 통해 무선 전력 수신기(15)에 파워를 전송할 수 있다. 도 1(b)는 무선 전력 송신기(11) 및 무선 전력 수신기(15)의 측면을 표현한 것이다. 무선 전력 수신기(15)는 전자기 공진 방식으로 무선 전력을 수신하기에 충분한 거리를 무선 전력 송신기(11)와 두어 배치될 수 있다.

도 2는 상술한 송신 코일(13)의 충전 가능 영역을 설명하기 위한 도면이다. 송신 코일(13)은 무선 전력 송신기(11)의 외곽부분에 배치될 수 있다. 충전 가능 영역은 제1 영역(21), 제2 영역(25)이 된다. 제1 영역(21)은 송신 코일(13)에 외곽에 배치되고, 제2 영역(25)은 송신 코일(13)의 내부에 배치된다. 외곽 및 내부를 송신 코일의 내외에 배치된 것에 기초하여 설정하기로 한다.

여기서, 충전 불가능한 영역은 제3 영역(23), 제4 영역(27)이 될 수 있다. 제3 영역(23)은 송신 코일(13) 및 수신 코일(미도시)의 임피던스의 매칭이 어려운 충전 불가 영역이다. 제3 영역(23)도 송신 코일(13)의 외부에 있는 영역은 충전 불가 외부 영역이고 송신 코일(13)의 내부에 있는 영역은 충전 불가 내부 영역에 해당된다. 송신 코일(13)의 센터 부분인 제4 영역(27)은 수신코일과의 자기결합량이 매우 적어 전력전송 효율이 매우 낮게 형성된다.

종래기술에서는 도 2의 한계를 극복하기 위해서 도 3과 같은 송신 코일(13)이 배치될 수 있다. 송신 코일(13)은 하나로 구성되어 고리를 두개 구성한다. 내부의 고리를 내부 고리로 내부 고리를 외곽에서 감싸는 고리를 외부 고리라 할 수 있다. 송신 코일(13)은 제4 영역(27)의 충전 불가 영역을 내부 고리 영역을 통해 개선(33)하나, 이와 동시에 내부 고리 영역(31)에 충전 불가 영역이 발생될 수 있다. 이에 따라, 충전이 끊어질 수 있고, 사용상 불편함이 발생될 수 있다.

종래기술에서는 도 3과 같은 문제점을 해결하기 위해 제1 송신 코일(13)과 별개로 제2 송신 코일(41)를 제1 송신 코일(13)의 충전 가능 영역에 둠으로 도 4와 같이 도 3에서 설명한 문제점을 해결하였다. 여기서, 제2 송신 코일(41)이 내부 고리를 구성하고 제1 송신 코일(13)이 외부 고리를 구성한다. 송신기는 제1 송신 코일(13)과 제2 송신 코일(41)에 교대로 전류를 인가하여, 충전 영역에 끊어짐이 없게 되었다. 그러나, 도 4와 같은 경우에도 제1 송신 코일(13)과 제2 송신 코일 간 자기 결합이 매우 높아져 전력 손실이 커지게 되어 있다. 이는 제1 송신 코일(13)에서 자기장이 발생되는 경우, 자기장 발생 영역에 제2 송신 코일(41)이 배치되기 문이다.

따라서, 보다 개선된 무선 전력 송신 기기의 대두가 요청된다.

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로, 본 발명의 일 목적은 복수의 송신 코일이 구비된 무선 전력 기기 및 그 구동 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 무선 전력 수신기에 대한 충전 효율을 높이는 복수의 송신 코일을 구비한 무선 전력 송신기 및 그 구동 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 충전 음영 영역을 충전 가능 영역으로 전환시키는 복수의 송신 코일을 구비한 무선 전력 송신기 및 그 구동 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 무선 전력 수신기의 얼라인먼트에 따라 무선 충전이 수행되지 않는 경우, 무선 충전을 가능케하는 무선 전력 송신기 및 그 구동 방법을 제공함에 있다.

본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 송신 코일이 구비된 무선 전력 송신기는

소정 거리를 두고 나란히 배치되되, 상부 루프 및 하부 루프를 각각 형성하는 복수의 송신코일; 및 상기 복수의 송신코일을 통해 무선 전력을 송출하도록 제어하는 제어부;를 포함하며, 상기 복수의 송신코일 중 서로 인접한 제1 송신코일 및 제2 송신코일 세트 각각은, 상기 제1 송신코일의 외측 영역 중에서 제1 송신코일의 하부 루프에 의한 충전 영역이 상기 제2 송신코일의 상부 루프에 의한 충전 음영 영역을 오버랩하도록 상기 복수의 송신코일이 배치될 수 있다.

소정 거리를 두고 각각 배치되되, 인접한 송신코일 사이의 영역에 무선 전력 수신기가 배치되더라도, 상기 무선 전력 수신기가 충전되도록 무선 전력 송출이 가능한 제1 내지 제N 송신코일; 및 무선 전력 수신기가 감지되면, 상기 제1 내지 제N 송신코일을 통해 무선 전력을 상기 무선 전력 수신기로 송출하도록 제어하는 제어부;를 포함할 수 있다.

상기 본 발명의 양태들은 본 발명의 바람직한 실시예들 중 일부에 불과하며, 본원 발명의 기술적 특징들이 반영된 다양한 실시예들이 당해 기술분야의 통상적인 지식을 가진 자에 의해 이하 상술할 본 발명의 상세한 설명을 기반으로 도출되고 이해될 수 있다.

본 발명에 따른 방법 및 장치에 대한 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따르면, 복수의 송신 코일이 구비된 무선 전력 기기 및 그 구동 방법을 제공되는 장점이 있다.

본 발명에 따르면, 무선 전력 수신기에 대한 충전 효율이 높아져 충전 효율성 및 사용자 편의성이 향상될 수 있다.

본 발명에 따르면, 충전 음영 영역이 해소되어 충전 효율성 및 사용자 편의성이 향상될 수 있다.

본 발명에 따르면, 무선 전력 수신기의 얼라인먼트에 따라 무선 충전이 수행되지 않는 경우, 무선 충전이 가능케되어 사용자 편의성이 향상될 수 있다.

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.

이하에 첨부되는 도면들은 본 발명에 관한 이해를 돕기 위한 것으로, 상세한 설명과 함께 본 발명에 대한 실시예들을 제공한다. 다만, 본 발명의 기술적 특징이 특정 도면에 한정되는 것은 아니며, 각 도면에서 개시하는 특징들은 서로 조합되어 새로운 실시예로 구성될 수 있다.
도 1(a) 내지 도 4는 종래기술의 무선 전력 송신 기기를 나타내는 도면이다.
도 5는 실시예에 따른 무선 전력 송신기에 내장된 복수의 송신코일을 나타내는 도면이다.
도 6은 실시예에 따른 전자기 공진 방식의 무선 전력 전송 방법을 설명하기 위한 시스템 구성도이다.
도 7은 실시예에 따른 전자기 공진 방식에서의 무선 전력 송신기 상태 천이 절차를 설명하기 위한 상태 천이도이다.
도 8은 실시예에 따른 전자기 공진 방식을 지원하는 무선 전력 수신기의 상태 천이도이다.
도 9는 실시예에 따른 전자기 공진 방식에 있어서의 정류기출력전압에 따른 무선 전력 수신기의 동작 영역을 설명하기 위한 도면이다.
도 10 내지 도 12는 실시예에 따른 복수의 송신코일에 전류가 인가되는 경우 생성되는 충전 가능 영역을 나타내는 도면이다.
도 13은 실시예에 따른 전자기 공진 방식을 통해 감지신호를 송수신하는 과정을 나타내는 도면이다.
도 14는 실시예에 따른 복수의 송신코일에 전류가 인가되는 경우 생성되는 자기장의 방향을 나타내는 도면이다.
도 15는 실시예에 따른 무선 전력 수신기의 위치에 따른 결합계수를 나타내는 도면이다.
도 16은 실시예에 따른 복수의 송신 코일의 간격을 나타내는 도면이다.
도 17 내지 도 19는 실시예에 따른 수신기가 송신기 상에서 이동될 때, 무선 전력 전송을 설명하기 위한 도면이다.

이하, 본 발명의 실시예들이 적용되는 장치 및 다양한 방법들에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.

실시예의 설명에 있어서, 각 구성 요소의 " 상(위) 또는 하(아래)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)는 두개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되거나 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 배치되어 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 “상(위) 또는 하(아래)"로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.

실시예의 설명에 있어서, 무선 전력 시스템상에서 무선 전력을 송신하는 장치는 설명의 편의를 위해 무선 파워 송신기, 무선 파워 송신 장치, 무선 전력 송신 장치, 무선 전력 송신기, 송신단, 송신기, 송신 장치, 송신측, 무선 파워 전송 장치, 무선 파워 전송기 등을 혼용하여 사용하기로 한다. 또한, 무선 전력 송신 장치로부터 무선 전력을 수신하는 장치에 대한 표현으로 설명의 편의를 위해 무선 전력 수신 장치, 무선 전력 수신기, 무선 파워 수신 장치, 무선 파워 수신기, 수신 단말기, 수신측, 수신 장치, 수신기 등이 혼용되어 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 송신기는 패드 형태(가령, 무선 마우스 패드), 거치대 형태, AP(Access Point) 형태, 소형 기지국 형태, 스텐드 형태, 천장 매립 형태, 벽걸이 형태 등으로 구성될 수 있으며, 하나의 송신기는 복수의 무선 전력 수신 장치에 파워를 전송할 수도 있다. 이를 위해, 송신기는 적어도 하나의 무선 파워 전송 수단을 구비할 수도 있다. 여기서, 무선 파워 전송 수단은 전력 송신단 코일에서 자기장을 발생시켜 그 자기장의 영향으로 수신단 코일에서 전기가 유도되는 전자기유도 원리를 이용하여 충전하는 전자기 유도 방식에 기반한 다양한 무전 전력 전송 표준이 사용될 수 있다. 여기서, 무선파워 전송 수단은 무선 충전 기술 표준 기구인 WPC(Wireless Power Consortium) 및 PMA(Power Matters Alliance)에서 정의된 전자기 유도 방식의 무선 충전 기술을 포함할 수 있다.또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 수신기는 적어도 하나의 무선 전력 수신 수단이 구비될 수 있으며, 수신기는 무선 마우스 형태를 포함하기도 하고, 2개 이상의 송신기로부터 동시에 무선 파워를 수신할 수도 있다. 여기서, 무선 전력 수신 수단은 무선 충전 기술 표준 기구인 WPC(Wireless Power Consortium) 및 PMA(Power Matters Alliance)에서 정의된 전자기 유도 방식의 무선 충전 기술을 포함할 수 있다.

다른 일 예로, 무선 전력 전송 방식은 무선 파워 송신기의 송신 코일에 의해 발생되는 자기장을 특정 공진 주파수에 동조하여 근거리에 위치한 무선 파워 수신기에 전력을 전송하는 전자기 공진(Electromagnetic Resonance) 방식이 이용될 수도 있다. 일 예로, 전자기 공진 방식은 무선 충전 기술 표준 기구인 A4WP(Alliance for Wireless Power)에서 정의된 공진 방식의 무선 충전 기술을 포함할 수 있다.

또 다른 일 예로, 무선 전력 전송 방식은 RF 신호에 저전력의 에너지를 실어 원거리에 위치한 무선 파워 수신기로 전력을 전송하는 RF 무선 파워 전송 방식이 이용될 수도 있다.

본 발명에 따른 수신기는 휴대폰(mobile phone), 스마트폰(smart phone), 노트북 컴퓨터(laptop computer), 디지털방송용 단말기, PDA(Personal Digital Assistants), PMP(Portable Multimedia Player), 네비게이션, MP3 player, 전동 칫솔, 전자 태그, 조명 장치, 리모콘, 낚시찌, 스마트 워치와 같은 웨어러블 디바이스 등의 소형 전자 기기 등에 사용될 수 있으나, 이에 국한되지는 아니하며 본 발명에 따른 무선 전력 수신 수단이 장착되어 배터리 충전이 가능한 기기라면 족하다.

도 5는 실시예에 따른 무선 전력 송신기에 내장된 복수의 송신코일을 나타내는 도면이다.

도 5에 따르면, 무선 전력 송신기 내부에 제1 내지 제3 송신 코일(110, 120, 130)이 배치된다. 다만, 이는 하나의 실시예에 불과하고 더 많거나 적은 코일에 상기 무선 전력 송신기 내부에 포함될 수 있다.

제1 내지 제3 송신 코일(110, 120, 130)은 무선 전력 수신기로 무선 전력을 전송하는 수단이다. 제1 내지 제3 송신 코일(110, 120, 130)에 전류가 인가되면 자기장이 유도되고 이에 따라 무선 전력이 외부로 전송될 수 있다.

구체적으로 제1 송신 코일(110)로 전류가 인가되면 제1 자기장 영역 내지 제3 자기장 영역(111, 113, 115)이 발생된다. 마찬가지로, 제2 송신 코일(120)에 의해 제4 내지 제6 자기장 영역(121, 123, 125)이 발생된다. 또한, 제3 송신 코일(130)에 의해 제7 내지 제9 자기장 영역(131, 133, 135)이 발생된다.

제1 송신 코일(110)이 배치된 일 영역(140) 및 제3 송신 코일(130)이 배치된 일 영역(150)에는 자속 상쇄로 인해 충전이 불가한 영역이다. 제1 송신 코일(110)이 배치된 일 영역(140)은 제1 송신 코일(110)의 외부에 있는 충전 불가 외부 영역과 제1 송신 코일(110)의 내부에 있는 충전 불가 내부 영역을 포함한다. 제 3 ㅅㅇ신 코일(130)의 경우에도 마찬가지이다.

종래기술에 따르면 제1 송신 코일(110)에 의해 형성된 제3 자기장 영역(115), 제2 송신 코일(120)에 의해 형성된 제4 자기장 영역(121), 제2 송신 코일(120)에 의해 형성된 제6 자기장 영역(125), 제3 송신 코일(130)에 의해 형성된 제7 자기장 영역(131) 역시 충전이 불가한 충전 음영 영역이나 본 발명에 따르면 상기의 충전 음영 영역은 더 이상 충전 불가한 지점에 해당되지 않는다.

도 5에 따른 무선 전력 송신기를 설명하기에 앞서 자기 공진 방식에 의한 무선 충전에 관한 일반론을 설명하고, 도 10에서 본 발명을 자세히 설명하기로 한다.

이하에서는, 보다 구체적으로 공진 방식의 무선 전력 전송 과정을 상기 도 6을 참조하여 설명하기로 한다.

무선 전력 송신기(500)는 전원공급부(power supplier, 510), 전력변환부(Power Conversion Unit, 520), 매칭회로(Matching Circuit, 530), 송신공진기(Transmission Resonator, 540), 주제어부(Main Controller, 550) 및 통신부(Communication Unit, 560)를 포함하여 구성될 수 있다. 통신부는 데이터 송신기(Data Transmitter)와 데이터 수신기(Data receiver)를 포함할 수 있다.

전원공급부(510)는 주(住)제어부(550)의 제어에 따라 전력변환부(520)에 특정 공급 전압을 공급할 수 있다. 이때, 공급 전압은 DC 전압 또는 AC 전압일 수 있으나 이에 대해서는 한정하지 않는다.

전력변환부(520)는 주제어부(550)의 제어에 따라 전력공급부(510)로부터 수신된 전압을 특정 전압으로 변환시킬 수 있다. 이를 위해, 전력변환부(520)는 DC/DC 변환기(DC/DC convertor), AC/DC 변환기(AC/DC convertor), 파워 증폭기(Power amplifier) 중 적어도 하나를 포함하여 구성될 수 있다.

매칭회로(530)는 전력 전송 효율을 극대화시키기 위해 전력변환부(520)와 송신공진기(540) 사이의 임피던스를 정합하는 회로이다.

송신공진기(540)는 매칭회로(530)로부터 인가된 전압에 따라 특정 공진 주파수를 이용하여 무선으로 전력을 전송할 수 있다.

무선 전력 수신기(600)는 수신공진기(Reception Resonator, 610), 정류기(Rectifier, 620), DC-DC 변환기(DC-DC Converter, 630), 부하(Load, 640), 주제어부(Main Controller, 650) 및 통신부(Communication Unit, 660)를 포함하여 구성될 수 있다. 통신부는 데이터 송신기(Data Transmitter)와 데이터 수신기(Data receiver)를 포함할 수 있다.

수신공진기(610)는 공진 현상을 통해 송신공진기(540)에 의해 송출된 전력을 수신할 수 있다.

정류기(620)는 수신공진기(610)로부터 인가되는 AC 전압을 DC 전압으로 변환하는 기능을 수행할 수 있다.

DC-DC 변환기(630)는 정류된 DC 전압을 부하(640)에 요구되는 특정 DC 전압으로 변환할 수 있다.

주제어부(650)는 정류기(620) 및 DC-DC 변환기(630)의 동작을 제어하거나 무선 전력 수신기(600)의 특성 및 상태 정보를 생성하고 통신부(660)를 제어하여 무선 전력 송신기(500)에 상기 무선 전력 수신기(600)의 특성 및 상태 정보를 전송할 수 있다. 일 예로, 주제어부(650)는 정류기(620)와 DC-DC 변환기(630)에서의 출력 전압 및 전류의 세기를 모니터링하여 정류기(620) 및 DC-DC 변환기(630)의 동작을 제어할 수 있다.

모니터링된 출력 전압 및 전류의 세기 정보는 통신부(660)를 통해 무선 전력 송신기(500)에 전송될 수 있다.

또한, 주제어부(650)는 정류된 DC 전압을 소정 기준 전압과 비교하여 과전압 상태(Over-Voltage State)인지 저전압 상태(Under-Voltage State)인지를 판단하고, 판단 결과에 따라 시스템 오류 상태가 감지되면, 감지 결과를 통신부(660)를 통해 무선 전력 송신기(500)에 전송할 수도 있다.

또한, 주제어부(650)는 시스템 오류 상태가 감지되면, 부하의 훼손을 방지하기 위해 정류기(620) 및 DC-DC 변환기(630)의 동작을 제어하거나 스위치 및/또는 제너 다이오드를 포함한 소정 과전류 차단 회로를 이용하여 부하(640)에 인가되는 전력을 제어할 수도 있다.

상기한 도 6에서는 송수신기 각각의 주제어부(550 또는 650)와 통신부(560 또는 660)가 각각 서로 다른 모듈로 구성된 것으로 도시되어 있으나, 이는 하나의 실시예에 불과하며, 본 발명의 다른 일 실시예는 주제어부(550 또는 650)와 통신부(560 또는 660)가 각각 하나의 모듈로 구성될 수도 있음을 고려해야 한다.

본 발명에 일 실시예에 따른 무선 전력 송신기(500)는 충전 중 충전 영역에 새로운 무선 전력 수신기가 추가되거나, 충전 중인 무선 전력 수신기와의 접속이 해제되거나, 무선 전력 수신기의 충전이 완료되는 등의 이벤트가 감지되면, 나머지 충전 대상 무선 전력 수신기들을 위한 전력 재분배 절차를 수행할 수도 있다. 이때, 전력 재분배 결과는 대역외 통신을 통해 접속된 무선 전력 수신기(들)에 전송될 수 있다.

도 7은 실시예에 따른 전자기 공진 방식에서의 무선 전력 송신기 상태 천이 절차를 설명하기 위한 상태 천이도이다.

도 7를 참조하면, 무선 전력 송신기의 상태는 크게 구성 상태(Configuration State, 810), 전력 절약 상태(Power Save State, 820), 저전력 상태(Low Power State, 830), 전력 전송 상태(Power Transfer State, 840), 로컬 장애 상태(Local Fault State, 850) 및 잠금 장애 상태(Latching Fault State, 860)을 포함하여 구성될 수 있다.

무선 전력 송신기에 전력이 인가되면, 무선 전력 송신기는 구성 상태(810)로 천이할 수 있다. 무선 전력 송신기는 구성 상태(810)에서 소정 리셋 타이머가 만료되거나 초기화 절차가 완료되면, 전력 절약 상태(820)로 천이할 수 있다.

전력 절약 상태(820)에서, 무선 전력 송신기는 비콘 시퀀스를 생성하여 공진 주파수 대역을 통해 전송할 수 있다.

여기서, 무선 전력 송신기는 전력 절약 상태(820)에 진입한 후 소정 시간 이내에 비콘 시퀀스가 개시될 수 있도록 제어할 수 있다. 일 예로, 무선 전력 송신기는 전력 절약 상태(820) 천이 후 50ms 이내에 비콘 시퀀스가 개시될 수 있도록 제어할 수 있으나, 이에 한정하지는 않는다.

전력 절약 상태(820)에서, 무선 전력 송신기는 무선 전력 수신기를 감지하기 위한 제1 비콘 시퀀스(First Beacon Sequece)를 주기적으로 생성하여 전송하고, 수신 공진기의 임피던스 변화(Load Variation)를 감지할 수 있다. 이하, 설명의 편의를 위해 제1 비콘과 제1 비콘 시퀀스를 각각 Short Beacon과 Short Beacon 시퀀스라 명하기로 한다.

특히, Short Beacon 시퀀스는 무선 전력 수신기가 감지되기 전까지 무선 전력 송신기의 대기 전력이 절약될 수 있도록 짧은 구간 동안(tSHORT_BEACON) 일정 시간 간격(tCYCLE)으로 반복 생성되어 전송될 수 있다. 일 예로, tSHORT_BEACON은 30ms이하, tCYCLE은 250ms ±5 ms로 각각 설정될 수 있다. 또한, Short Beacon의 전류 세기는 소정 기준치이상이고, 일정 시간 구간 동안 점증적으로 증가될 수 있다. 일 예로, Short Beacon의 최소 전류 세기는 상기 테이블 2의 카테고리 2 이상의 무선 전력 수신기가 감지될 수 있도록 충분히 크게 설정될 수 있다.

본 발명에 따른 무선 전력 송신기는 Short Beacon에 따른 수신 공진기에서의 리액턴스(reactance) 및 저항(resistance) 변화를 감지하기 위한 소정 센싱 수단이 구비될 수 있다.

또한, 전력 절약 상태(820)에서, 무선 전력 송신기는 무선 전력 수신기의 부팅(Booting) 및 응답에 필요한 충분한 전력을 공급하기 위한 제2 비콘 시퀀스를 주기적으로 생성하여 전송할 수 있다. 이하, 설명의 편의를 위해 제2 비콘과 제2 비콘 시퀀스를 각각 Long Beacon과 Long Beacon 시퀀스라 명하기로 한다.

즉, 무선 전력 수신기는 제2 비콘 시퀀스를 통해 부팅이 완료되면, 대역외 통신 채널을 통해 소정 응답 신호를 브로드캐스팅할 수 있다.

특히, Long Beacon 시퀀스는 무선 전력 수신기의 부팅에 필요한 충분한 전원을 공급하기 위해 Short Beacon에 비해 상대적으로 긴 구간 동안(tLONG_BEACON)동안 일정 시간 간격(tLONG_BEACON_PERIOD)으로 생성되어 전송될 수 있다. 일 예로, tLONG_BEACON은 105 ms+5 ms, tLONG_BEACON_PERIOD 은 850ms로 각각 설정될 수 있으며, Long Beacon의 전류 세기는 Short Beacon의 전류 세기에 비해 상대적으로 강할 수 있다. 또한, Long Beacon은 전송 구간 동안 일정 세기의 파워가 유지될 수 있다.

이 후, 무선 전력 송신기는 수신 공진기의 임피던스 변화가 감지된 후, 무선 전력 송신기는 Long Beacon 전송 구간 동안 소정 응답 시그널의 수신을 대기할 수 있다. 이하, 설명의 편의를 위해 상기 응답 시그널을 광고 시그널(Advertisement Signal)이라 명하기로 한다. 여기서, 무선 전력 수신기는 공진 주파수 대역과는 상이한 대역외 통신 주파수 대역을 통해 광고 시그널을 브로드캐스팅할 수 있다.

일 예로, 광고 시그널은 해당 대역외 통신 표준에 정의된 메시지를 식별하기 위한 메시지 식별 정보, 무선 전력 수신기가 적법한 또는 해당 무선 전력 송신기에 호환 가능한 수신기인지를 식별하기 위한 고유한 서비스 또는 무선 전력 수신기 식별 정보, 무선 전력 수신기의 출력 파워 정보, 부하에 인가되는 정격 전압/전류 정보, 무선 전력 수신기의 안테나 이득 정보, 무선 전력 수신기의 카테고리를 식별하기 위한 정보, 무선 전력 수신기 인증 정보, 과전압 보호 기능의 탑재 여부에 관한 정보, 무선 전력 수신기에 탑재된 소프트웨어 버전 정보 중 적어도 하나 또는 어느 하나를 포함할 수 있다.

무선 전력 송신기는 광고 시그널이 수신되면, 전력 절약 상태(820)에서 저전력 상태(830)로 천이한 후, 무선 전력 수신기와의 대역외 통신 링크를 설정할 수 있다. 연이어, 무선 전력 송신기는 설정된 대역외 통신 링크를 통해 무선 전력 수신기에 대한 등록 절차를 수행할 수 있다. 일 예로, 대역외 통신이 블루투스 저전력 통신인 경우, 무선 전력 송신기는 무선 전력 수신기와 블루투스 페어링을 수행하고, 페어링된 블루투스 링크를 통해 서로의 상태 정보, 특성 정보 및 제어 정보 중 적어도 하나를 교환할 수 있다.

무선 전력 송신기가 저전력 상태(830)에서 대역외 통신을 통해 충전을 개시하기 위한 소정 제어 신호-즉, 무선 전력 수신기가 부하에 전력을 전달하도록 요청하는 소정 제어 신호-를 무선 전력 수신기에 전송하면, 무선 전력 송신기의 상태는 저전력 상태(830)에서 전력 전송 상태(840)로 천이될 수 있다.

만약, 저전력 상태(830)에서 대역외 통신 링크 설정 절차 또는 등록 절차가 정상적으로 완료되지 않은 경우, 무선 전력 송신기의 상태는 저전력 상태(830)에서 전력 절약 상태(820)에 천이될 수 있다.

무선 전력 송신기는 각 무선 전력 수신기와의 접속을 위한 별도의 분리된 링크 만료 타이머(Link Expiration Timer)가 구동될 수 있으며, 무선 전력 수신기는 소정 시간 주기로 무선 전력 송신기에 자신이 존재함을 알리는 소정 메시지를 링크 만료 타이머가 만료되기 이전에 전송해야 한다. 링크 만료 타이머는 상기 메시지가 수신될 때마다 리셋되며, 링크 만료 타이머가 만료되지 않으면 무선 전력 수신기와 무선 전력 수신기 사이에 설정된 대역외 통신 링크는 유지될 수 있다.

만약, 저전력 상태(830) 또는 전력 전송 상태(840)에서, 무선 전력 송신기와 적어도 하나의 무선 전력 수신기 사이에 설정된 대역외 통신 링크에 대응되는 모든 링크 만료 타이머가 만료된 경우, 무선 전력 송신기의 상태는 전력 절약 상태(820)로 천이될 수 있다.

또한, 저전력 상태(830)의 무선 전력 송신기는 무선 전력 수신기로부터 유효한 광고 시그널이 수신되면 소정 등록 타이머를 구동시킬 수 있다. 이때, 등록 타이머가 만료되면, 저전력 상태(830)의 무선 전력 송신기는 전력 절약 상태(820)로 천이할 수 있다. 이때, 무선 전력 송신기는 등록에 실패하였음을 알리는 소정 알림 신호를 무선 전력 송신기에 구비된 알림 표시 수단(가령, LED 램프, 디스플레이 화면, 비퍼(beeper) 등)을 통해 출력할 수도 있다.

또한, 전력 전송 상태(840)에서, 무선 전력 송신기는 접속된 모든 무선 전력 수신기의 충전이 완료되면, 저전력 상태(830)로 천이될 수 있다.

특히, 무선 전력 수신기는 구성 상태(810), 로컬 장애 상태(850) 및 잠금 장애 상태(860)를 제외한 나머지 상태에서 새로운 무선 전력 수신기의 등록을 허용할 수 있다.

또한, 무선 전력 송신기는 전력 전송 상태(840)에서 무선 전력 수신기로부터 수신되는 상태 정보에 기반하여 전송 전력을 동적으로 제어할 수 있다.

이때, 무선 전력 수신기로부터 무선 전력 송신기에 전송되는 수신기 상태 정보는 요구 전력 정보, 정류기 후단에서 측정된 전압 및/또는 전류 정보, 충전 상태 정보, 과전류 및/또는 과전압 및/또는 과열 상태를 통보하기 위한 정보, 과전류 또는 과전압에 따라 부하에 전달되는 전력을 차단하거나 감소시키는 수단이 활성화되었는지 여부를 지시하는 정보 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이때, 수신기 상태 정보는 미리 지정된 주기로 전송되거나 특정 이벤트가 발생될 때마다 전송될 수 있다. 또한, 상기 과전류 또는 과전압에 따라 부하에 전달되는 전력을 차단하거나 감소시키는 수단은 ON/OFF 스위치, 제너 다이오드 중 적어도 하나를 이용하여 제공될 수 있다.

본 발명의 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 수신기로부터 무선 전력 송신기에 전송되는 수신기 상태 정보는 무선 전력 수신기에 유선으로 외부 전원이 연결되었음을 알리는 정보, 대역외 통신 방식이 변경되었음을 알리는 정보(가령, NFC(Near Field Communication)에서 BLE(Bluetooth Low Energy) 통신으로 변경)중 적어도 하나를 더 포함할 수도 있다.

본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 송신기는 자신의 현재 가용한 전력, 무선 전력 수신기 별 우선 순위, 접속된 무선 전력 수신기의 개수 중 적어도 하나에 기반하여 무선 전력 수신기 별 수신해야 할 파워 세기를 적응적으로 결정할 수도 있다. 여기서, 무선 전력 수신기 별 파워 세기는 해당 무선 전력 수신기의 정류기에서 처리 가능한 최대 파워 대비 얼마의 비율로 파워를 수신해야 하는지로 결정될 수 있다.

이 후, 무선 전력 송신기는 결정된 파워 세기에 관한 정보가 포함된 소정 전력 제어 명령을 해당 무선 전력 수신기에 전송할 수 있다. 이때, 무선 전력 수신기는 무선 전력 송신기에 의해 결정된 파워 세기로 전력 제어가 가능한지 여부를 판단하고, 판단 결과를 소정 전력 제어 응답 메시지를 통해 무선 전력 송신기에 전송할 수 있다.

본 발명의 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 수신기는 무선 전력 송신기의 전력 제어 명령에 따라 무선 전력 제어가 가능한지 여부를 지시하는 소정 수신기 상태 정보를 상기 전력 제어 명령을 수신하기 이전에 전송할 수도 있다.

전력 전송 상태(840)는 접속된 무선 전력 수신기의 전력 수신 상태에 따라 제1 상태(841), 제2 상태(842) 및 제3 상태(843) 중 어느 하나의 상태일 수 있다.

일 예로, 제1 상태(841)는 무선 전력 송신기에 접속된 모든 무선 전력 수신기의 전력 수신 상태가 정상 전압인 상태임을 의미할 수 있다.

제2 상태(842)는 무선 전력 송신기에 접속된 적어도 하나의 무선 전력 수신기의 전력 수신 상태가 저전압 상태이고 고전압 상태인 무선 전력 수신기가 존재하지 않음을 의미할 수 있다.

제3 상태(843)는 무선 전력 송신기에 접속된 적어도 하나의 무선 전력 수신기의 전력 수신 상태가 고전압 상태임을 의미할 수 있다.

무선 전력 송신기는 전력 절약 상태(820) 또는 저전력 상태(830) 또는 전력 전송 상태(840)에서 시스템 오류가 감지되면, 잠금 장애 상태(860)로 천이될 수 있다.

잠금 장애 상태(860)의 무선 전력 송신기는 접속된 모든 무선 전력 수신기가 충전 영역에서 제거된 것으로 판단되면, 구성 상태(810) 또는 전력 절약 상태(820)로 천이할 수 있다.

또한, 잠금 장애 상태(860)에서, 무선 전력 송신기는 로컬 장애가 감지되면, 로컬 장애 상태(850)로 천이할 수 있다. 여기서, 로컬 장애 상태(850)인 무선 전력 송신기는 로컬 장애가 해제되면, 다시 잠금 장애 상태(860)로 천이될 수 있다.

반면, 구성 상태(810), 전력 절약 상태(820), 저전력 상태(830), 전력 전송 상태(840) 중 어느 하나의 상태에서 로컬 장애 상태(850)로 천이된 경우, 무선 전력 송신기는 로컬 장애가 해제되면, 구성 상태(810)로 천이될 수 있다.

무선 전력 송신기는 로컬 장애 상태(850)로 천이되면, 무선 전력 송신기에 공급되는 전원을 차단할 수도 있다. 일 예로, 무선 전력 송신기는 과전압, 과전류, 과열 등의 장애가 감지되면 로컬 장애 상태(850)로 천이될 수 있으나 이에 국한되지는 않는다.

일 예로, 무선 전력 송신기는 과전류, 과전압, 과열 등이 감지되면, 무선 전력 수신기에 의해 수신되는 전력의 세기를 감소시키기 위한 소정 전력 제어 명령을 접속된 적어도 하나의 무선 전력 수신기에 전송할 수도 있다.

다른 일 예로, 무선 전력 송신기는 과전류, 과전압, 과열 등이 감지되면, 무선 전력 수신기의 충전을 중단시키기 위한 소정 제어 명령을 접속된 적어도 하나의 무선 전력 수신기에 전송할 수도 있다.

상기와 같은 전력 제어 절차를 통해, 무선 전력 송신기는 과전압, 과전류, 과열 등에 따른 기기 파손을 미연에 방지할 수 있다.

무선 전력 송신기는 송신 공진기의 출력 전류의 세기가 기준치 이상인 경우, 잠금 장애 상태(860)로 천이할 수 있다. 이때, 잠금 장애 상태(860)로 천이된 무선 전력 송신기는 송신 공진기의 출력 전류의 세기를 미리 지정된 시간 동안 기준치 이하가 되도록 시도할 수 있다. 여기서, 상기 시도는 미리 지정된 회수 동안 반복 수행될 수 있다. 만약, 반복 수행에도 불구하고, 잠금 장애 상태(860)가 해제되지 않는 경우, 무선 전력 송신기는 소정 알림 수단을 이용하여 사용자에게 잠금 장애 상태(860)가 해제되지 않음을 지시하는 소정 알림 신호를 송출할 수 있다. 이때, 무선 전력 송신기의 충전 영역에 위치한 모든 무선 전력 수신기가 사용자에 의해 충전 영역에서 제거되면, 잠금 장애 상태(860)가 해제될 수 있다.

반면, 송신 공진기의 출력 전류의 세기가 미리 지정된 시간 이내에 기준치 이하로 떨어지거나 상기 미리 지정된 반복 수행 동안 송신 공진기의 출력 전류의 세기가 기준치 이하로 떨어지는 경우, 잠금 장애 상태(860)는 자동으로 해제될 수 있으며, 이때, 무선 전력 송신기의 상태는 잠금 장애 상태(860)에서 전력 절약 상태(820)로 자동 천이되어 무선 전력 수신기에 대한 감지 및 식별 절차를 다시 수행할 수 있다.

전력 전송 상태(840)의 무선 전력 송신기는 연속된 전력을 송출하고, 무선 전력 수신기의 상태 정보 및 미리 정의된 최적 전압 영역(Optimal Voltage Region) 설정 파라메터에 기반하여 적응적으로 송출 전력을 제어할 수 있다.

일 예로, 최적 전압 영역(Optimal Voltage Region) 설정 파라메터는 저전압 영역을 식별하기 위한 파라메터, 최적 전압 영역을 식별하기 위한 파라메터, 고전압 영역을 식별하기 위한 파라메터, 과전압 영역을 식별하기 위한 파라메터 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

무선 전력 송신기는 무선 전력 수신기의 전력 수신 상태가 저전압 영역에 있으면, 송출 전력을 증가시키고, 고전압 영역에 있으면, 송출 전력을 감소시킬 수 있다.

또한, 무선 전력 송신기는 전력 전송 효율이 최대화되도록 송출 전력을 제어할 수도 있다.

또한, 무선 전력 송신기는 무선 전력 수신기에 의해 요구된 전력량의 편차가 기준치 이하가 되도록 송출 전력을 제어할 수도 있다.

또한, 무선 전력 송신기는 무선 전력 수신기의 정류기 출력 전압이 소정 과전압 영역에 도달한 경우-즉, Over Voltage가 감지된 경우-, 전력 전송을 중단할 수도 있다.

도 8은 실시예에 따른 전자기 공진 방식을 지원하는 무선 전력 수신기의 상태 천이도이다.

도 8을 참조하면, 무선 전력 수신기의 상태는 크게 비활성화 상태(Disable State, 910), 부트 상태(Boot State, 920), 활성화 상태(Enable State, 930)(또는, On state) 및 시스템 오류 상태(System Error State, 940)을 포함하여 구성될 수 있다.

이때, 무선 전력 수신기의 상태는 무선 전력 수신기의 정류기단에서의 출력 전압의 세기-이하, 설명의 편의를 위해 VRECT이라 명함-에 기반하여 결정될 수 있다.

활성화 상태(930)는 VRECT의 값에 따라 최적 전압 상태(Optimum Voltage State, 931), 저전압 상태(Low Voltage State, 932) 및 고전압 상태(High Voltage State, 933)로 구분될 수 있다.

비활성화 상태(910)의 무선 전력 수신기는 측정된 VRECT 값이 미리 정의된 VRECT_BOOT 값보다 크거나 같으면, 부트 상태(920)로 천이할 수 있다.

부트 상태(920)에서, 무선 전력 수신기는 무선 전력 송신기와의 대역외 통신 링크를 설정하고 VRECT 값이 부하단에 요구되는 전력에 도달할 때까지 대기할 수 있다.

부트 상태(920)의 무선 전력 수신기는 VRECT 값이 부하단에 요구되는 전력에 도달된 것이 확인되면, 활성화 상태(930)로 천이하여 충전을 시작할 수 있다.

활성화 상태(930)의 무선 전력 수신기는 충전이 완료되거나 충전이 중단된 것이 확인되면, 부트 상태(920)로 천이될 수 있다.

또한, 활성화 상태(930)의 무선 전력 수신기는 소정 시스템 오류가 감지되면, 시스템 오류 상태(940)로 천이할 수 있다. 여기서, 시스템 오류는 과전압, 과전류 및 과열뿐만 아니라 미리 정의된 다른 시스템 오류 조건이 포함될 수 있다.

또한, 활성화 상태(930)의 무선 전력 수신기는 VRECT 값이 VRECT_BOOT 값 이하로 떨어지면, 비활성화 상태(910)로 천이될 수도 있다.

또한, 부트 상태(920) 또는 시스템 오류 상태(940)의 무선 전력 수신기는 VRECT 값이 VRECT_BOOT 값 이하로 떨어지면, 비활성화 상태(910)로 천이될 수도 있다.

이하에서는, 활성화 상태(930)내에서의 무선 전력 수신기의 상태 천이를 후술할 도 9를 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 9는 실시예에 따른 전자기 공진 방식에 있어서의 정류기출력전압에 따른 무선 전력 수신기의 동작 영역을 설명하기 위한 도면이다.

도 9를 참조하면, VRECT 값이 소정 VRECT_BOOT 보다 작으면, 무선 전력 수신기는 비활성화 상태(910)에 유지된다.

이 후, VRECT 값이 VRECT_BOOT 이상으로 증가되면, 무선 전력 수신기는 부트 상태(920)로 천이되며, 미리 지정된 시간 이내에 광고 시그널을 브로드캐스팅할 수 있다. 이 후, 광고 시그널이 무선 전력 송신기에 의해 감지되면, 무선 전력 송신기는 대역외 통신 링크 설정을 위한 소정 연결 요청 시그널을 무선 전력 수신기에 전송할 수 있다.

무선 전력 수신기는 대역외 통신 링크가 정상적으로 설정되고, 등록에 성공한 경우, VRECT 값이 정상적인 충전을 위한 정류기에서의 최소 출력 전압-이하, 설명의 편의를 위해 VRECT_MIN이라 명함-에 도달할 때까지 대기할 수 있다.

VRECT 값이 VRECT_MIN을 초과하면, 무선 전력 수신기의 상태는 부트 상태(920)에서 활성화 상태(930)로 천이되며 부하에 충전을 시작할 수 있다.

만약, 활성화 상태(930)에서 VRECT 값이 과전압을 판단하기 위한 소정 기준치인 VRECT_MAX을 초과하면, 무선 전력 수신기는 활성화 상태(930)에서 시스템 오류 상태(940)로 천이될 수 있다.

도 9를 참조하면, 활성화 상태(930)는 VRECT의 값에 따라 저전압 상태(Low Voltage State, 932), 최적 전압 상태(Optimum Voltage State, 931) 및 고전압 상태(High Voltage State, 933)로 구분될 수 있다.

저전압 상태(932)는 VRECT_BOOT <= VRECT <= VRECT_MIN인 상태를 의미하고, 최적 전압 상태(931)은 VRECT_MIN < VRECT <=VRECT_HIGH인 상태를 의미하고, 고전압 상태(933)는 VRECT_HIGH < VRECT <=VRECT_MAX인 상태를 의미할 수 있다.

특히, 고전압 상태(933)로 천이된 무선 전력 수신기는 부하에 공급되는 전력을 차단하는 동작을 미리 지정된 시간-이하 설명의 편의를 위해 고전압 상태 유지 시간이라 명함- 동안 유보시킬 수도 있다. 이때, 고전압 상태 유지 시간은 고전압 상태(933)에서 무선 전력 수신기 및 부하에 피해가 발생되지 않도록 미리 결정될 수 있다.

무선 전력 수신기는 시스템 오류 상태(940)로 천이되면, 과전압 발생을 지시하는 소정 메시지를 미리 지정된 시간 이내에 대역외 통신 링크를 통해 무선 전력 송신기에 전송할 수 있다.

또한, 무선 전력 수신기는 시스템 오류 상태(930)에서 과전압에 따른 부하의 피해를 방지하기 위해 구비된 과전압 차단 수단을 이용하여 부하에 인가되는 전압을 제어할 수도 있다. 여기서, 과전압 차단 수단으로 ON/OFF 스위치 또는/및 제너다이오드 등이 사용될 수 있다.

상기 실시예에서는 무선 전력 수신기에 과전압이 발생되어 시스템 오류 상태(940)로 천이된 경우, 무선 전력 수신기에서의 시스템 오류 대응 방법 및 수단을 설명하고 있으나 이는 하나의 실시예에 불과하며, 본 발명의 다른 실시예는 무선 전력 수신기에 과열, 과전류 등에 의해서도 시스템 오류 상태로 천이될 수도 있다.

일 예로, 과열에 따라 시스템 오류 상태로 천이된 경우, 무선 전력 수신기는 과열 발생을 알리는 소정 메시지를 무선 전력 송신기에 전송할 수 있다. 이때, 무선 전력 수신기는 구비된 냉각팬 등을 구동하여 내부 발생된 열을 감소시킬 수도 있다.

본 발명의 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 수신기는 복수의 무선 전력 송신기와 연동하여 무선 전력을 수신할 수도 있다. 이 경우, 무선 전력 수신기는 실제 무선 전력을 수신하기로 결정된 무선 전력 송신기와 실제 대역외 통신 링크가 설정된 무선 전력 송신기가 서로 상이한 것으로 판단되면, 시스템 오류 상태(940)로 천이할 수도 있다.

도 10 내지 도 12는 실시예에 따른 복수의 송신코일에 전류가 인가되는 경우 생성되는 충전 가능 영역을 나타내는 도면이다.

도 10에 따르면, 제1 송신코일(110)에 전류(i1)가 인가되는 경우, 제1 영역(111), 제2 영역(113), 제3 영역(115)에 자기장이 형성되어 해당 영역(111, 113, 115)에 무선 전력 수신기가 배치되면 충전이 수행될 수 있다. 제2 영역(113)은 제1 송신코일의 내부의 영역이고 내부 충전 영역에 해당된다. 제1 영역(111) 및 제3 영역(115)는 제1 송신코일(110)의 외부의 영역에 해당된다.

여기서, 제1 송신 코일(110)이 배치된 영역(충전 음영 영역)에 무선 전력 수신기가 배치되더라도 충전이 수행되지 않는다. 자속이 상쇄되어 자속결합이 0 또는 0의 근사치가 되기 때문이다. 구체적으로, 제1 송신 코일(110) 내부와 외부에 자기장의 방향이 반대로 형성되어, 수신코일이 제1 송신코일(110) 상에 위치하게 되면, 제1 송신코일(110)의 외부에 형성된 자기장이 수신코일을 통과하는 자속과 제1 송신코일(110)의 내부에 형성된 자기장이 수신코일을 통과하는 자속과 상쇄가 이뤄진다. 특히, 수신코일의 중심이 송신코일(110)의 중심에 위치하게 되면, 자속이 완전히 상쇄되어 자속결합이 0이 된다.

충전 음영 영역은 송신 코일(110)의 내부에 배치된 충전 음영 내부 영역과 송신 코일(110) 외부에 배치된 충전 음영 외부 영역을 포함한다. 도 10에 따르면, 제1 영역(111)과 제2 영역(113) 사이에 제2 영역(113)과 제3 영역(115) 사이에 충전 음영 영역이 생긴다. 이때, 제2 송신 코일(120)에 전류가 인가된다면, 제2 영역(113)과 제3 영역(115) 사이의 충전 음영 영역은 충전 가능 영역으로 전환될 수 있다.

도 11에 따르면, 제2 송신코일에 전류(i2)가 인가되는 경우, 제4 영역(121), 제5 영역(123), 제6 영역(125)에 자기장이 형성되어 해당 영역(121, 123, 125)에 무선 전력 수신기가 배치되면 충전이 수행될 수 있다. 여기서, 제2 송신 코일(120)이 배치된 영역(제4 영역 및 제5 영역의 사이, 제5 영역 및 제6 영역의 사이)에 무선 전력 수신기가 배치되더라도 충전이 수행되지 않는다. 자속이 상쇄되어 자속결합이 0 또는 0의 근사치가 되기 때문이다. 도 10에서 구체적인 방법을 설명한 바 여기서는 생략하기로 한다.

도 12에 따르면, 제3 송신코일에 전류(i3)가 인가되는 경우, 제7 영역(131), 제8 영역(133), 제9 영역(135)에 자기장이 형성되어 해당 영역(131, 133, 135)에 무선 전력 수신기가 배치되면 충전이 수행될 수 있다. 여기서, 제3 송신 코일(130)이 배치된 영역에 무선 전력 수신기가 배치되더라도 충전이 수행되지 않는다. 마찬가지로 자속이 상쇄되어 자속결합이 0 또는 0의 근사치가 되기 때문이다.

도 10 내지 도 12에서 살핀바와 같이, 송신 코일에 필연적으로 발생되는 충전 음영 영역이 인접한 송신 코일의 전력 전송에 의해 충전 가능 영역으로 전환될 수 있다.

도 13은 실시예에 따른 전자기 공진 방식을 통해 감지신호를 송수신하는 과정을 나타내는 도면이다. 도 6 및 도 9의 도면부호를 참고하여 설명하기로 한다.

도 13에 따르면, 송신기(500)의 주제어부(550)는 무선 전력이 인가되면, 제1 송신 코일(110) 내지 제3 송신 코일(130)에 전압 인가 시퀀스를 제어할 수 있다. 가령, 주제어부(550)는 순서를 정하여 제1 송신 코일(110) 내지 제3 송신 코일(130)에 전압을 인가하거나, 특정 코일에만 전압이 인가되도록 제어할 수 있다.

주제어부(550)는 전력 절약 상태(820)에서 주기적으로 숏 비콘(Beacon) 시퀀스를 제1 송신 코일(110) 내지 제3 송신 코일(130)이 전송하도록 제어할 수 있다. 주제어부(550)는 제1 송신 코일(110) 내지 제3 송신 코일(130)을 통해 수신기(700)의 임피던스 변화를 감지할 수 있다. 숏(Short) 비콘 시퀀스라 하기로 한다.

그다음으로, 주제어부(550)는 전력 절약 상태(820)에서 수신기(700)가 부팅 및 응답에 필요한 충분한 전력을 공급하도록 롱 비콘 시퀀스 주기적으로 생성하여 수신기(700)로 전송할 수 있다.

주제어부(550)는 수신기(700)가 제1 송신코일(110)에서 감지 및 식별되는 경우, 제1 송신코일(110)을 통해 수신기(700)에 무선 전력을 전송할 수 있다.

또한, 주제어부(550)는 수신기(700)가 제2 송신코일(120) 또는 제3 송신코일(130)에서 감지 및 식별되는 경우, 해당 송신코일을 통해 무선 전력을 전송할 수 있다.

특히, 주제어부(550)는 제1 송신코일(110) 및 제2 송신코일(120)에 수신기(700)가 동시에 감지되고, 수신기(700)가 충전 음영영역(도 11의 121)에 위치하는 경우, 제2 송신코일(120)을 통해서 무선 전력이 수신기(700)로 전송되도록 제어할 수 있다.

도 14는 실시예에 따른 복수의 송신코일에 전류가 인가되는 경우 생성되는 자기장의 방향을 나타내는 도면이다.

도 14에 따르면, 제1 송신 코일(110)에 전류(i1)가 인가되고, 제2 송신 코일(120)에 전류(i2)가 인가되는 경우, 제1 송신 코일(110)에 의한 제1 영역(111), 제3 영역(115)은 하에서 상방향으로 자속이 형성될 수 있다. 제2 송신 코일(120)에 의한 제4 영역(121), 제6 영역(125)도 아래서 위로 솟는 방향으로 자속이 형성될 수 있다. 또한, 제1 송신 코일(110)에 의한 제2 영역(113), 제2 송신 코일(120)에 의한 제5 영역(123)은 상에서 하방향으로 자속이 형성될 수 있다. 도 14의 자속은 수신기(700)가 배치되지 않았을 때의 하나의 예이고, 자속의 방향이 다르게 형성되는 경우도 본원발명의 권리범위에 속한다.

도 15는 실시예에 따른 무선 전력 수신기의 위치에 따른 결합계수를 나타내는 도면이다.

도 15에 따르면, 무선 전력 수신기가 제4 영역(121), 제5 영역(123), 제6 영역(125)에 배치될 수 있다. 제 10 영역(1510)에 무선 전력 수신기가 배치될 수 있으나, 여기서는 자세히 살피지는 않는다. 또한, 무선 전력 수신기의 지름이 무선 전력 송신 코일(120)의 폭(D3)보다 클 수는 있으나 여기서는 수신기의 지름이 송신 코일(120)의 폭보다 작은 것으로 상정하여 기술하기로 한다. 또한, 결합계수 절대값이 0.03 이하인 경우, 송신 코일(120)은 10% 정도의 전송효율을 갖게될 수 있다. 본 명세서에서는 결합계수의 절대값이 0.03 이상일 때, 충전이 가능한 것으로 상정하여 기술하기로 한다. 만약 전송효율이 설정된다면 결합계수의 절대값도 변경될 수 있다. 가령, 전송효율을 7%로 설정한다면, 결합계수의 절대값이 0.03보다 큰값에서도 충전이 수행될 수 있다. 다만 결합계수의 절대값은 코일의 굵기, 위치, 수신기 코일의 형상, 굵기, 위치에 따라 다양하게 변경될 수 있다.

결합계수의 절대값은 0.03 보다 큰 영역은 제4 영역(121), 제5 영역(123), 제6 영역(126)에 해당된다. 이 영역에서는 충전이 정상적으로 수행될 수 있다. 그러나, 송신 코일(120)이 배치된 영역의 경우 결합계수의 절대값이 0.03 이하여서 충전이 불가하게 된다.

도 16은 실시예에 따른 복수의 송신 코일의 간격을 나타내는 도면이다.

무선 전력 수신기(700)는 D1 의 지름을 갖고, 제1 내지 제3 송신 코일(110~130)은 D3 의 폭을 갖고 송신 코일 간에 D2의 간격을 갖는 것으로 상정하기로 한다. 또한, D2는 (1/2)*D1으로 가정하기로 한다. 또한, 제1 송신 코일(110)의 코일이 위치한 상부(제1 영역과 제2 영역의 중간지점, 제1 송신 코일 외부는 외부, 제1 송신 코일 내부는 내부), 제3 송신 코일(130)의 코일이 위치한 하부(제8 영역과 제9 영역의 중간지점)의 폭은 (1/3)*D1으로 가정하기로 한다.

여기서, 제2 송신 코일(120)을 예로 제4 영역과 제5 영역 중간의 코일에 의해 결합계수가 가장 큰 지점은 제4 영역과 제5 영역 중간의 코일로부터 (1/2)*D1 지점(송신 코일의 내부)이고 제5 영역과 제6 영역 중간의 코일에 결합계수가 가장 큰 지점은 제5 영역과 제6 영역 중간의 코일로부터 (1/2)*D1((송신 코일의 내부)) 지점이 될 수 있으나, 평균으로 계산하면 D3의 중심 지점이 가장 결합계수가 높을 수 있다.

결국 충전 가능 폭은 3*D3 + 2*D2 -(1/3)*2*D1으로 될 수 있다. D2 의 길이는 복수의 송신 코일(110~130) 간의 자속 결합이 가장 우수한 지점을 찾아 변동될 수 있고, 송신 코일의 굵기, 무선 전력 수신기(700)의 크기에 따라 다르게 구성될 수 있다.

이하에서는 수신기가 송신기 상에서 이동되는 실시예를 도 16 내지 도 19를 통해 기술하기로 한다.

수신기(700)는 무선 마우스로 상정하고, 송신기는 무선 마우스 패드로 상정하여 기술하기로 한다.

일단, 도 16의 경우, 제1 송신코일(110)이 수신기(700)를 감지 및 식별한 경우이다. 이때 주제어부(550)는 제1 송신코일(110)을 통해 무선 전력을 수신기(700)로 전송할 수 있다.

그 다음으로, 수신기(700)가 제2 송신코일(120) 내부로 이동하는 경우, 주제어부(550)는 제2 송신코일(120)로 수신기(700)를 감지 및 식별하는 경우, 제1 송신코일(110)의 전원을 차단할 수 있다. 즉, 수신기(700)가 제2 송신코일(120)의 일정 영역에 진입하면 제1 송신코일(110)의 전원을 차단하고, 제2 송신코일(120)을 통해 무선전력을 수신기(700)로 전송할 수 있다.

만약, 수신기(700)가 제2 송신코일(120)의 영역에 있다가 제3 송신코일(130)의 영역으로 진입하는 경우, 제2 송신코일(120)의 전원을 차단하고, 제3 송신코일(130)에 전원을 공급할 수 있다.

도 18과 같이 수신기(700)가 배치되는 경우, 주제어부(550)는 제1 송신코일(110) 및 제2 송신코일(120)을 통해 수신기(700)를 감지 및 식별할 수 있다. 수신기(700)가 배치된 영역은 제1 송신코일(110)의 음영영역이므로, 주제어부(550)는 제1 송신코일(110)의 전원을 차단하고, 제2 송신코일(120)을 통해 무선 전력을 수신기(700)로 전송할 수 있다. 결국, 본 발명에 따르면, 수신기(700)가 송신기 상에서 움직이더라도 심리스(Seamless)한 무선 전력 송수신이 가능하게 된다. 가령, 도 10 내지 12를 참고하면, 113 영역에서 제1 송신코일로 무선 전력을 수신기(700)로 전송하다가, 수신기(700)가 121 영역으로 이동되면, 제어부(550)는 제1 송신코일의 전원을 차단하고, 제2 송신코일을 통해 무선전력을 전송하거나, 제1 송신코일과 제2 송신코일이 함께 무선전력을 전송할 수 있다. 그 다음에 115 영역으로 수신기(700)가 이동되면, 제1 송신코일로 무선 전력을 전송하거나, 제1 송신코일과 제2 송신코일로 동시에 무선전력을 전송할 수 있다. 그다음, 123 영역에서, 주제어부(550)는 제2 송신코일로만 무선 전력을 수신기(700)로 전송할 수 있다.

또한, 도 19와 같이, 수신기(700)가 제1 송신코일(110) 및 제2 송신코일(120)로부터 모두 감지 및 식별된 경우, 주제어부(550)는 제1 송신코일(110) 및 제2 송신코일(120) 모두를 통해 무선전력을 수신기(700)로 전송할 수 있다.

한편, 송신코일을 통해 수신기가 감지 및 식별되기만 하면 자동적으로 무선 전력을 전송하도록 구현되는 경우도 본원 발명의 권리범위에 속한다.

한편 본 명세서에서는 전자기 공진 방식을 상정하여 기술하나, 자기 유도 방식을 통해서도 본 발명이 구현될 수 있다.

상술한 실시예에 따른 방법은 컴퓨터에서 실행되기 위한 프로그램으로 제작되어 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체에 저장될 수 있으며, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다.

컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고, 상술한 방법을 구현하기 위한 기능적인(function) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 실시예가 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.

본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다.

따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims

무선 전력 송신기에 있어서,
서로 이격되어 나란히 배치되고, 상부 루프 및 하부 루프를 각각 형성하는 복수의 송신코일; 및
상기 복수의 송신코일을 통해 무선 전력을 송출하도록 제어하는 제어부를 포함하며,
상기 복수의 송신코일 중 제1 송신코일 및 무선 전력 수신기의 지름을 D1이라 할 때, 상기 제1 송신 코일로부터 (1/2)*D1만큼 일정하게 이격되어 인접하게 배치된 제2 송신코일 각각은, 상기 제1 송신코일의 외측 영역 중에서 상기 제1 송신코일의 하부 루프에 의한 충전 영역이 상기 제2 송신코일의 상부 루프에 의한 충전 음영 영역을 오버랩하도록 상기 복수의 송신코일이 배치되는, 무선 전력 송신기.
제1항에 있어서,
상기 복수의 송신 코일 각각의 상부 루프와 하부 루프 사이의 폭은 무선 전력 수신기의 지름보다 큰 무선 전력 송신기.
삭제
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제1항에 있어서,
상기 제어부는,
무선 전력 수신기와 얼라인먼트가 우수한 송신 코일에 더 큰 전원을 인가하는 무선 전력 송신기.
무선 전력 송신기의 구동 방법에 있어서,
서로 이격되어 나란히 배치되고, 상부 루프 및 하부 루프를 각각 형성하는 복수의 송신코일이 배치되는 단계; 및
상기 복수의 송신코일을 통해 무선 전력을 송출하는 단계를 포함하며,
상기 복수의 송신코일이 배치되는 단계는,
상기 복수의 송신코일 중 제1 송신코일 및 무선 전력 수신기의 지름을 D1이라 할 때, 상기 제1 송신 코일로부터 (1/2)*D1만큼 일정하게 이격되어 인접하게 배치된 제2 송신코일 각각은, 상기 제1 송신코일의 외측 영역 중에서 상기 제1 송신코일의 하부 루프에 의한 충전 영역이 상기 제2 송신코일의 상부 루프에 의한 충전 음영 영역을 오버랩하도록 상기 복수의 송신코일이 배치되는 무선 전력 송신기의 구동 방법.
제6항에 있어서,
상기 복수의 송신 코일 각각의 상부 루프와 하부 루프 사이의 폭은 무선 전력 수신기의 지름보다 큰 무선 전력 송신기의 구동 방법.
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제6항에 있어서,
무선 전력 수신기와 얼라인먼트가 우수한 송신 코일에 더 큰 전원을 인가하는 무선 전력 송신기의 구동 방법.
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