KR102554226B1 - 무선 전력 전송 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 무선 전력 전송 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 방법은, 공진 회로의 동작 주파수를 바꾸면서 공진 주파수를 측정하고, 측정된 공진 주파수를 기준 주파수와 비교하고, 측정된 공진 주파수가 기준 주파수보다 낮을 때 무선으로 전력을 전송할 수 있다. 기준 주파수는, 공진 회로의 자기 공진 주파수, 수신 장치에 대해 측정한 제1 공진 주파수, 기준 대상물에 대해 측정한 제2 공진 주파수 및 수신 장치와 기준 대상물에 대해 측정한 제3 공진 주파수 중 둘 이상을 이용하여 결정될 수 있다.

Description

무선 전력 전송 장치 및 방법 {Apparatus and method for transmitting power wirelessly}
본 발명은 무선으로 전력을 전송하는 장치와 방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로 전송 장치와 수신 장치 사이 금속 이물질을 효과적으로 검출하는 방법에 관한 것이다.
통신 및 정보 처리 기술이 발달함에 따라 스마트 폰 등은 스마트 단말기의 사용이 점차적으로 증가되고 있는데, 현재 스마트 단말에 많이 적용되고 있는 충전 방식은 전원에 연결된 어댑터를 스마트 단말기에 직접 연결하여 외부 전원을 공급받아 충전하거나 또는 호스트의 USB 단자를 통해 스마트 단말기에 연결하여 호스트의 USB 전원을 공급받아 충전하는 방식이다.
최근에는, 연결 선을 통해 어댑터에 또는 호스트에 스마트 단말기를 직접 연결해야 하는 불편함을 줄이기 위하여, 전기적 접촉 없이 자기 결합을 이용하여 배터리를 무선으로 충전하는 무선 충전 방식이 점차 스마트 단말기에 적용되고 있다.
무선으로 전기 에너지를 공급하거나 공급받기 위한 방법이 몇 가지 있는데, 대표적으로 전자기 유도 현상에 기초한 유도 결합(Inductive Coupling) 방식과 특정 주파수의 무선 전력 신호에 의한 전자기적 공진 현상에 기초한 공진 결합(Electromagnetic Resonance Coupling) 방식이 있다.
두 방식 모두 무선 충전 장치와 스마트 단말과 같은 전자 기기 사이에 통신 채널을 형성하여 데이터를 주고 받음으로써 전력 전송의 안정성을 확보하고 전송 효율을 높일 수 있다. 유도 결합 방식은 무선으로 전력을 전송하는 동안 전력 수신 장치가 이동하여 전송 효율이 저하되는 문제가 있고, 공진 결합 방식은 통신 채널에 잡음이 발생하여 전력 전송이 중단되는 현상이 발생하는 문제가 있다.
전송 장치와 수신 장치 사이에 동전과 같은 금속 이물질이 있을 때, 전력 손실이 발생하고 금속 이물질에 무선 전송 전력이 집중되면 발열 위험이 있어서, 안정적인 전력 전송을 방해한다. 따라서, 최근 유도 결합 방식의 무선 충전 규격을 적용하는 제품에 전송 장치에 금속 이물질이 놓여 있는지 여부를 탐지할 수 있는 FOD(Foreign Object Detection) 기능이 필수적으로 구현되고 있다.
송신 파워와 수신 파워 사이의 차이를 검출하여 파워 차이가 소정 값 이상인지 여부를 판단하는 기술이나 전송 코일의 공진 주파수에서의 큐-팩터(Q-Factor)와 수신 장치에 저장된 큐-팩터를 비교하는 기술이 금속 이물질을 검출하기 위해서 일반적으로 사용되고 있다. 하지만, 후자의 경우, 큐-팩터가 저장되지 않은 수신 장치에는 적용할 수 없는 문제가 있다.
본 발명은 이러한 상황을 감안한 것으로, 본 발명의 목적은 전송 장치와 수신 장치 사이 또는 전송 장치 위에 금속 이물질이 있는지 여부를 효과적을 판단하는 방법을 제공하는 데 있다.
상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 방법은, 공진 회로의 동작 주파수를 바꾸면서 공진 주파수를 측정하고, 측정된 공진 주파수를 기준 주파수와 비교하고, 측정된 공진 주파수가 기준 주파수보다 낮을 때 무선으로 전력을 전송하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 기준 주파수는, 공진 회로의 자기 공진 주파수, 수신 장치에 대해 측정한 제1 공진 주파수, 기준 대상물에 대해 측정한 제2 공진 주파수 및 수신 장치와 기준 대상물에 대해 측정한 제3 공진 주파수 중 둘 이상을 이용하여 결정될 수 있다.
일 실시예에서, 측정된 공진 주파수가 기준 주파수보다 낮을 때 전력을 전송하지 않고 이물질을 있음을 알릴 수 있다.
일 실시예에서, 기준 주파수, 자기 공진 주파수 및 무선 전력 전송 장치에 대상물이 없는 상태에서 자기 공진 주파수로 공진 회로를 동작시킬 때 공진 회로에 포함된 코일에 인가되는 기준 전압이 무선 전력 전송 장치를 출하하는 과정에 저장될 수 있다.
일 실시예에서, 측정된 공진 주파수와 자기 공진 주파수의 차이가 소정 값 이하인 경우, 공진 주파수로 공진 회로를 구동할 때 코일에 인가되는 제1 전압과 기준 전압을 비교하고, 기준 전압과 제1 전압의 차이가 소정 값 이상일 때 전력을 전송하지 않고 이물질을 있음을 알릴 수 있다.
일 실시예에서, 기준 전압과 제1 전압의 차이가 소정 값 이하일 때 무선 전력 전송 장치 위에 아무 것도 없다고 판단할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치는, 직류 전원을 교류로 변환하기 위한 인버터, 수신 장치의 2차 코일과의 자기 유도 결합에 의해 전력을 전송하기 위한 1차 코일을 포함하는 공진 회로, 및 1차 코일에 인가되는 출력 전압을 측정하기 위한 센싱부를 포함하는 전력 변환부; 및 공진 회로의 동작 주파수를 바꾸면서 센싱부를 통해 측정하는 출력 전압을 근거로 공진 주파수를 측정하고, 측정된 공진 주파수를 기준 주파수와 비교하고, 측정된 공진 주파수가 기준 주파수보다 낮을 때 인버터의 동작을 제어하여 수신 장치로의 무선 전력 전송을 제어하기 위한 제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
따라서, 큐-팩터를 저장하지 않는 저가형의 수신 장치에 대해서도, 금속제 소형 이물질부터 대형 이물질까지 효과적으로 금속 이물질이 전송 장치 위나 전송 장치와 수신 장치 사이에 있는지 여부를 판단할 수 있다.
또한, 무선 전력 전송 때 금속 이물질에 출력이 집중하여 발열이 심하게 되는 안전 문제를 회피할 수 있다.
도 1은 무선 전력 전송 장치로부터 전자 기기로 전력이 무선으로 전송되는 것을 개념적으로 나타낸 것이고,
도 2는 전자기 유도 방식으로 전력을 무선으로 전송하기 위한 전송 장치의 전력 변환부의 회로 구성을 개념적으로 도시한 것이고,
도 3은 무선 전력 전송 장치와 수신 장치가 전력과 메시지를 주고 받기 위한 구성을 도시한 것이고,
도 4는 무선 전력 전송 장치와 수신 장치 사이 전력 전송을 제어하기 위한 루프를 블록으로 도시한 것이고,
도 5는 높은 주파수에서 낮은 주파수로 주파수를 스캔 하여 공진 주파수를 검출할 때의 신호를 도시한 것이고,
도 6은 공진 주파수를 검출하여 저장하는 방법에 대한 동작 흐름도를 도시한 것이고,
도 7은 무선 전력 전송 장치 위에 놓이는 대상물에 따른 공진 주파수의 변화를 도시한 것이고,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 외부 대상물을 검출하여 전력을 무선으로 전송하는 방법에 대한 동작 흐름도를 도시한 것이다.
이하, 본 발명에 따른 무선 전력 전송 장치 및 방법에 대한 실시예를 첨부하는 도면에 의거하여 상세히 설명한다.
도 1은 무선 전력 전송 장치로부터 전자 기기로 전력이 무선으로 전송되는 것을 개념적으로 나타낸 것이다.
무선 전력 전송 장치(100)는, 무선 전력 수신 장치 또는 전자 기기(200)가 필요로 하는 전력을 무선으로 전달하는 전력 전달 장치이거나, 무선으로 전력을 전달함으로써 전자 기기(200)의 배터리를 충전하기 위한 무선 충전 장치일 수 있고, 또는 접촉되지 않은 상태에서 전원이 필요한 전자 기기(200)에 전력을 전달하는 여러 가지 형태의 장치로 구현될 수 있다.
전자 기기(200)는 무선 전력 전송 장치(100)로부터 무선으로 전력을 수신하여 동작이 가능한 기기로, 무선으로 수신되는 전력을 이용하여 배터리를 충전할 수도 있다. 무선으로 전력을 수신하는 전자 기기는 휴대가 가능한 전자 기기, 예를 들어 스마트 폰이나 스마트 단말, 태블릿 컴퓨터, 멀티미디어 단말, 키보드, 마우스, 영상 또는 음성의 보조 장치 등의 입출력 장치, 보조 배터리 등을 포함할 수 있다.
무선 전력 전송 장치(100)의 무선 전력 신호에 의한 전자기 유도 현상에 기초한 유도 결합 방식, 즉 무선 전력 전송 장치(100)에서 전송하는 무선 전력 신호에 의하여 전자 기기(200)에서 공진이 발생하고 공진 현상에 의하여 무선 전력 전송 장치(100)로부터 전자 기기(200)로 접촉 없이 무선으로 전력이 전달될 수 있는데, 전자기 유도 현상에 의하여 1차 코일에서 교류 전류에 의해 자기장을 변화시켜 2차 코일 쪽에 전류를 유도함으로써 전력을 전달한다.
무선 전력 전송 장치(100)의 1차 코일에 흐르는 전류의 세기가 변화하면, 그 전류에 의해 1차 코일 또는 전송 코일(primary coil, TX coil)을 통과하는 자기장이 변화하고, 변화된 자기장은 전자 기기(200) 내의 2차 코일 또는 수신 코일(secondary coil, RX coil) 측에 유도 기전력을 발생시킨다.
무선 전력 전송 장치(100) 측의 1차 코일과 전자 기기(200) 측의 2차 코일이 근접하도록 무선 전력 전송 장치(100) 및 전자 기기(200)를 배치하고, 무선 전력 전송 장치(100)가 1차 코일의 전류가 변화하도록 제어하면, 전자 기기(200)는 2차 코일에 유도된 기전력을 이용하여 배터리와 같은 부하에 전원을 공급한다.
유도 결합 방식에 의한 무선 전력 전달의 효율은, 무선 전력 전송 장치(100)와 전자 기기(200) 사이의 배치와 거리의 영향을 받게 되므로, 무선 전력 전송 장치(100)는 평평한 인터페이스 표면을 포함하도록 구성되고 인터페이스 표면의 하부에는 1차 코일이 장착되고, 인터페이스 표면 상부에 하나 이상의 전자 기기가 놓일 수 있다. 인터페이스 표면 하부에 장착된 1차 코일과 인터페이스 표면 상부에 위치한 2차 코일 사이 공간을 충분히 작게 함으로써 유도 결합 방식에 의한 무선 전력 전달의 효율을 올릴 수 있다.
인터페이스 표면 상부에는 전자 기기가 놓일 위치를 지시하는 마크가 표시될 수 있는데, 인터페이스 표면 하부에 장착된 1차 코일과 2차 코일 사이의 배열이 적합하게 이루어지도록 하는 전자 기기의 위치를 지시할 수 있다. 전자 기기의 위치를 안내하기 위한 돌출 형태의 구조물이 인터페이스 표면 상부에 형성될 수도 있고, 인터페이스 표면 하부에 자석과 같은 자성체를 형성하여 전자 기기 내부에 마련된 다른 극의 자성체와의 인력에 의하여 1차 코일과 2차 코일이 잘 배열되도록 안내할 수도 있다.
도 2는 전자기 유도 방식으로 전력을 무선으로 전송하기 위한 전송 장치의 전력 변환부의 회로 구성을 개념적으로 도시한 것이다.
무선 전력 전송 장치는 크게 전원 및 인버터와 공진 회로로 구성되는 전력 변환부를 포함하여 구성될 수 있는데, 전원은 전압원이나 전류원이 될 수 있고 전력 변환부는 전원으로부터 공급되는 전력을 무선 전력 신호로 변환하여 수신 장치에 전달한다. 무선 전력 신호는 공진 특성을 갖는 자기장 또는 전자기장 형태로 형성되고, 공진 회로는 무선 전력 신호를 발생시키는 코일을 포함한다.
인버터는 스위칭 소자와 제어 회로를 통해 직류 입력을 원하는 전압과 주파수의 교류 파형으로 변환하는데, 도 2에서는 풀 브리지(Full-bridge) 인버터를 도시한 것이고, 하프 브리지 인버터 등 다른 종류의 인버터도 가능하다.
공진 회로는 자기 유도 방식으로 전력을 전송할 1차 코일(Lp)과 커패시터(Cp)를 포함하여 구성되는데, 코일과 커패시터가 전력 전송의 기본 공진 주파수를 결정한다. 1차 코일은 전류의 변화에 따라 무선 전력 신호에 해당하는 자기장을 형성하고, 평판 형태 또는 솔레노이드 형태로 구현될 수 있다.
인버터에 의해 변환된 교류 전류가 공진 회로를 구동시킴으로써 1차 코일에 자기장이 형성되는데, 인버터가 포함된 스위치의 온/오프 타이밍을 제어하여 공진 회로의 공진 주파수에 가까운 주파수의 교류를 생성하여 전송 장치의 전송 효율을 높일 수 있고, 인버터를 제어함으로써 전송 장치의 전송 효율을 변경할 수 있다.
도 3은 무선 전력 전송 장치와 수신 장치가 전력과 메시지를 주고 받기 위한 구성을 도시한 것이다.
전력 변환부는 수신 장치의 수신 상태와 상관 없이 일방적으로 전력을 전송할 뿐이므로, 수신 장치의 상태에 맞도록 전력을 전송하기 위해서는 수신 장치로부터 수신 상태와 관련된 피드백을 받기 위한 구성이 무선 전력 전송 장치에 필요하다.
무선 전력 전송 장치(100)는 전력 변환부(110), 통신부(120), 제어부(130) 및 전원부(140)를 포함하여 구성될 수 있고, 무선 전력 수신 장치(200)는 전력 수신부(210), 통신부(220) 및 제어부(230)를 포함하여 구성될 수 있고 수신되는 전력이 공급될 부하(250)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
전력 변환부(110)는, 도 2의 인버터와 공진 회로로 구성되고, 무선 전력 신호를 형성시키기 위해 사용되는 주파수, 전압, 전류 등의 특성을 조절할 수 있는 회로를 더 포함하도록 구성될 수 있다.
통신부(120)는, 전력 변환부(110)에 연결되어, 전송 장치(100)로부터 자기 유도에 따라 무선으로 전력을 수신하는 수신 장치(200)에 의하여 변조되는 무선 전력 신호를 복조하여 전력 제어 메시지를 검출할 수 있다.
제어부(130)는, 통신부(120)가 검출하는 메시지를 기초로, 전력 변환부(110)의 동작 주파수, 전압, 전류 중 하나 이상의 특성을 결정하고, 전력 변환부(110)를 제어하여 전력 변환부(110)가 메시지에 적합한 무선 전력 신호를 생성하도록 할 수 있다. 통신부(120)와 제어부(130)는 하나의 모듈로 구성될 수 있다.
전력 수신부(210)는, 전력 변환부(110)의 1차 코일에서 발생하는 자기장의 변화에 따라 유도 기전력이 발생하는 2차 코일과 커패시터로 구성되는 매칭 회로를 포함하고, 2차 코일에 흐르는 교류 전류를 정류하여 직류 전류를 출력하는 정류 회로를 포함할 수 있다.
수신 장치의 통신부(220)는, 전력 수신부(210)에 연결되고, DC에서의 저항 부하 및/또는 AC에서의 용량성 부하를 조절하는 방식으로 전력 수신부의 부하를 조절함으로써, 전송 장치와 수신 장치 사이의 무선 전력 신호를 변화시켜 전력 제어 메시지를 전송 장치에 전송할 수 있다.
수신 장치의 제어부(230)는, 수신 장치에 포함된 각 구성 요소를 제어하는데, 전력 수신부(210)의 출력을 전류 또는 전압 형태로 측정하고, 이를 근거로 통신부(220)를 제어하여 무선 전력 전송 장치(100)에 전력 제어 메시지를 전달할 수 있다. 메시지는 무선 전력 전송 장치(100)로 하여금 무선 전력 신호의 전달을 시작하거나 종료하도록 지시할 수 있고 또한 무선 전력 신호의 특성을 조절하도록 할 수 있다.
전송 장치의 전력 변환부(110)에 의하여 형성된 무선 전력 신호는 전력 수신부(210)에 의하여 수신되고, 수신 장치의 제어부(230)는 무선 전력 신호를 변조하도록 통신부(220)를 제어하는데, 제어부(230)는 통신부(220)의 리액턴스(reactance)를 변경시킴으로써 무선 전력 신호로부터 수신하는 전력량이 변하도록 하는 변조 과정을 수행할 수 있다. 무선 전력 신호로부터 수신되는 전력량이 변하면 무선 전력 신호를 형성시키는 전력 변환부(110)의 전류 및/또는 전압도 바뀌고, 무선 전력 전송 장치(100)의 통신부(120)는 전력 변환부(110)의 전류 및/또는 전압의 변경을 감지하여 복조 과정을 수행할 수 있다.
수신 장치의 제어부(230)는, 무선 전력 전송 장치(100)에게 전달하고자 하는 메시지를 포함하는 패킷을 생성하고 생성되는 패킷을 포함하도록 무선 전력 신호를 변조하고, 전송 장치의 제어부(130)는 통신부(120)를 통해 추출한 패킷을 디코딩 하여 전력 제어 메시지를 획득할 수 있는데, 수신 장치의 제어부(230)는 수신되는 파워를 조절하기 위하여 전력 수신부(210)를 통해 수신되는 전력량을 근거로 무선 전력 신호의 특성을 변경을 요청하는 메시지를 전송할 수 있다.
도 4는 무선 전력 전송 장치와 수신 장치 사이 전력 전송을 제어하기 위한 루프를 블록으로 도시한 것이다.
전송 장치(100)의 전력 변환부(110)에서 발생하는 자기장의 변화에 따라 수신 장치(200)의 전력 수신부(210)에서 전류가 유도되어 전력이 전송되고, 수신 장치의 제어부(230)는 원하는 제어 점, 즉 원하는 출력 전류 및/또는 전압을 선택하고, 전력 수신부(210)을 통해 수신되는 전력의 실제 제어 점을 결정한다.
수신 장치의 제어부(230)는 전력이 전송되는 동안 원하는 제어 점과 실제 제어 점을 이용하여 제어 에러 값을 계산하는데, 예를 들어 2개의 출력 전압 또는 전류의 차이를 제어 에러 값으로 취할 수 있다. 원하는 제어 점에 도달하기 위해 적은 전력이 요구되면, 예를 들어 마이너스 값이 되고, 원하는 제어 점에 도달하기 위해 더 많은 전력이 필요하면 플러스 값이 되도록 제어 에러 값을 결정할 수 있다. 수신 장치의 제어부(230)는 통신부(220)를 통해 전력 수신부(210)의 리액턴스를 시간에 따라 변경하는 방식으로 계산된 제어 에러 값을 포함하는 패킷을 생성하여 전송 장치(100)에 전송할 수 있다.
전송 장치의 통신부(120)는 수신 장치(200)에 의하여 변조되는 무선 전력 신호에 포함되는 패킷을 복조하여 메시지를 검출하는데, 제어 에러 값을 포함하는 제어 에러 패킷을 복조할 수 있다.
전송 장치의 제어부(130)는, 통신부(120)를 통해 추출한 제어 에러 패킷을 디코딩 하여 제어 에러 값을 얻고, 전력 변환부(110)에 실제로 흐르는 실제 전류 값과 제어 에러 값을 이용하여 수신 장치가 원하는 전력을 전송하기 위한 새로운 전류 값을 결정할 수 있다.
전송 장치의 제어부(130)는, 수신 장치로부터 제어 에러 패킷을 수신하는 과정으로부터 시스템이 안정화되면, 1차 코일에 흐르는 실제 전류 값이 새로운 전류 값이 되도록 새로운 동작 점, 즉 1차 코일에 인가되는 AC 전압의 크기, 주파수, 듀티 비 등이 새로운 값에 이르도록 전력 변환부(110)를 제어하고, 수신 장치가 추가로 제어 정보나 상태 정보를 통신할 수 있도록 새로운 동작 점을 계속 유지하도록 한다.
무선 전력 전송 장치(100)와 무선 전력 수신 장치(200) 사이 상호 작용은 선택(selection), 핑(ping), 식별/구성(identification & configuration) 및 파워 전송(power transfer)을 포함하여 4가지 단계로 이루어질 수 있다. 선택 단계는 전송 장치가 인터페이스 표면 위에 놓인 대상물을 발견하기 위한 단계이고, 핑 단계는 대상물이 수신 장치를 포함하는 지 여부를 확인하는 단계이고, 식별/구성 단계는 수신 장치에 전력을 보내기 위한 준비 단계로 수신 장치로부터 적절한 정보를 수신하고 이를 근거로 수신 장치와 전력 전송 계약(Power Transfer Contract)을 체결하고, 파워 전송 단계는 전송 장치와 수신 장치의 상호 작용으로 실제로 전력을 무선으로 수신 장치에 전송하는 단계이다.
핑 단계에서는, 수신 장치(200)가 1차 코일과 수신 코일의 자속 결합 정도를 가리키는 신호 강도 패킷(Signal Strength Packet, SSP)을 공진 파형의 변조를 통해 전송 장치(100)에 전송하는데, 신호 강도 패킷(SSP)은 수신 장치에서 정류한 전압을 모니터링 하여 생성하는 메시지로서, 송신 장치(100)는 이를 수신 장치(200)로부터 수신하여 전력 전송을 위한 초기 구동 주파수를 선정하는 데 활용할 수 있다.
식별/구성 단계에서는, 수신 장치(200)의 버전, 제조사 코드, 장치 식별 정보 등을 포함하는 식별 패킷(Identification Packet), 수신 장치(200)의 최대 파워, 파워 전송 방법 등의 정보를 포함하는 구성 패킷(Configuration Packet) 등을 수신 장치(200)가 전송 장치(100)에 전송한다.
파워 전송 단계에서는, 수신 장치(200)가 전력 신호를 수신하는 동작 점과 파워 전송 계약에서 정한 동작 점과의 차이를 가리키는 제어 에러 패킷(Control Error Packet, CEP), 수신 장치(200)가 인터페이스 표면을 통해 수신하는 파워의 평균 값을 가리키는 수신 파워 패킷(Received Power Packet, RPP) 등을 수신 장치(200)가 전송 장치(100)에 전송한다.
수신 파워 패킷(RPP)은, 수신 장치의 전력 수신부(210)의 정류 전압, 부하 전류, 옵셋 전력 등을 감안한 수신 전력량 데이터로, 수신 장치(200)에 의해 전력을 수신 중에 계속하여 전송 장치(100)로 전송되고, 전송 장치(100)는 이를 수신하여 전력 제어를 위한 연산 인자로 사용한다.
전송 장치의 통신부(120)는 각각 공진 파형의 변화로부터 패킷을 추출하고, 제어부(130)는 추출되는 패킷을 디코딩 하여 메시지를 얻고 이를 기초로 전력 변환부(110)를 제어하여 수신 장치(200)가 요청하는 대로 파워 전송 특성을 바꾸면서 전력을 무선으로 전송할 수 있다.
한편, 유도 결합에 의해 전력을 무선으로 전달 방식에서 그 효율은 주파수 특성에 따른 영향은 적으나, 전송 장치(100)와 수신 장치(200) 사이의 배열과 거리의 영향을 받게 된다.
무선 전력 신호가 도달할 수 있는 영역을 두 가지로 구분할 수 있는데, 전송 장치(100)가 수신 장치(200)에 무선으로 전력을 전달할 때 높은 효율의 자기장이 통과할 수 있는 인터페이스 표면의 부분을 활동 영역이라고 할 수 있고, 전송 장치(100)가 수신 장치(200)의 존재를 감지할 수 있는 영역을 감지 영역이라 할 수 있다.
전송 장치의 제어부(130)는, 수신 장치(200)가 활동 영역 또는 감지 영역에 배치되거나 제거되었는지 여부에 대하여 감지할 수 있는데, 전력 변환부(110)에서 형성되는 무선 전력 신호를 이용하거나 별도로 구비되는 센서에 의하여 수신 장치(200)가 활동 영역 또는 감지 영역에 배치되었는지 여부를 검출할 수 있다.
예를 들어, 전송 장치의 제어부(130)는 감지 영역에 존재하는 수신 장치(200)로 인하여 무선 전력 신호가 영향을 받아 전력 변환부(110)의 무선 전력 신호를 형성하기 위한 전력의 특성이 변화하는지 여부를 모니터링 함으로써 수신 장치(200)의 존재를 검출할 수 있다. 전송 장치의 제어부(130)는 수신 장치(200)의 존재를 검출한 결과에 따라 수신 장치(200)를 식별하는 과정을 수행하거나 무선 전력 전송을 시작할 것인지 여부 등을 결정할 수 있다.
전송 장치의 전력 변환부(110)는 위치 결정부를 더 포함할 수 있는데, 위치 결정부는 유도 결합 방식에 의한 무선 전력 전달의 효율을 높이기 위하여 1차 코일을 이동 또는 회전시킬 수 있고, 특히 수신 장치(200)가 전송장치(100)의 활동 영역 내에 존재하지 않는 경우에 사용될 수 있다.
위치 결정부는 전송 장치(100)의 1차 코일과 수신 장치(200)의 2차 코일의 중심간 거리가 일정 범위 이내가 되도록 1차 코일을 이동시키거나 1차 코일과 수신 코일의 중심이 중첩되도록 1차 코일을 이동시키는 구동부를 포함하도록 구성될 수 있다. 이를 위해 전송 장치(100)는 수신 장치(200)의 위치를 감지하기 위한 센서나 감지부를 더 구비할 수 있고, 전송 장치의 제어부(130)는 감지부의 센서로부터 수신하는 수신 장치(200)에 대한 위치 정보를 기초로 위치 결정부를 제어할 수 있다.
또는, 전송 장치의 제어부(130)는 통신부(120)를 통하여 수신 장치(200)와의 배열 또는 거리에 대한 제어 정보를 수신하고 이를 기초로 위치 결정부를 제어할 수도 있다.
또한, 전송 장치(100)는 둘 이상 복수의 1차 코일을 포함하도록 형성되어 복수의 1차 코일 중에서 수신 장치(200)의 수신 코일과 적합하게 배열되는 일부의 코일을 선택적으로 이용하여 전송 효율을 높일 수 있는데, 이 경우 위치 결정부는 복수의 1차 코일 중에서 어느 것이 전력 전달을 위하여 사용될 것인지 결정할 수 있다.
활동 영역을 통과하는 자기장을 형성시키는 단일 1차 코일 또는 하나 이상의 1차 코일들의 조합을 주요 셀(primary cell)로 지칭할 수 있는데, 전송 장치의 제어부(130)는, 수신 장치(200)의 위치를 감지하고 이를 기초로 활동 영역을 결정하고, 활동 영역에 대응되는 주요 셀을 구성하는 전송 모듈을 연결하고 해당 전송 모듈의 1차 코일과 수신 장치(200)의 2차 코일이 유도 결합될 수 있도록 제어할 수 있다.
한편, 수신 장치(200)는 스마트 폰 또는 멀티미디어 재생 단말을 포함하는 스마트 폰이나 스마트 기기와 같은 전자 기기 내에 내장되고, 전자 기기가 전송 장치(100)의 인터페이스 표면 위에 수직이나 수평 방향으로 일정하지 않은 방향이나 위치로 놓이게 되므로, 전송 장치는 넓은 활동 영역을 필요로 한다.
활동 영역을 넓히기 위하여 복수 개의 1차 코일을 사용할 경우, 1차 코일 개수만큼 구동 회로가 필요하고 복수 개의 1차 코일에 대한 제어가 복잡해지므로, 제품화할 때 전송 장치 즉 무선 충전기의 비용 증가가 발생한다. 또한, 활동 영역을 확대하기 위하여 전송 코일의 위치를 바꾸는 방식을 적용하는 경우에도 1차 코일의 위치를 옮기기 위한 이송 메커니즘을 구비해야 하므로, 부피와 무게가 커지고 제작 비용이 많아지는 문제가 있다.
위치가 고정된 하나의 1차 코일을 가지고도 활동 영역을 확장하는 방법이 있다면 효과적이지만, 단순하게 1차 코일의 크기를 키운다면 1차 코일의 단위 면적당 자속 밀도가 떨어지고 송수신 코일 사이에 자기 결합력이 약해져 기대하는 만큼 활동 영역이 증가하지도 않고 전송 효율도 떨어지게 된다.
이와 같이, 활동 영역의 확대와 전송 효율의 향상을 위하여 1차 코일의 적절한 형상과 크기를 결정하는 것이 중요하다. 둘 이상의 1차 코일을 채용하는 다중 코일 방식이 무선 전력 전송 장치의 활동 영역을 확대하는 방법으로 효과적이다.
도 5는 높은 주파수에서 낮은 주파수로 주파수를 스캔 하여 공진 주파수를 검출할 때의 신호를 도시한 것이고, 도 6은 공진 주파수를 검출하여 저장하는 방법에 대한 동작 흐름도를 도시한 것이다.
무선 전력 전송 장치(100)의 제어부(130)는, 전송 장치에 대상물이 없는 상태에서, 전력 변환부(110)의 인버터에 포함된 스위치들의 온/오프 타이밍을 조절하여 공진 회로의 동작 주파수를 변경하면서 공진 회로의 코일에 인가되는 전압을 측정하면서 공진 주파수를 검출하는데, 도 2의 공진 회로에서 1차 코일(Lp)과 커패시터(Cp) 사이 노드(N1)에서 1차 코일(Lp)에 인가되는 전압을 측정한다.
무선 전력 전송 장치의 제어부(130)는, 수신 장치(200)와 체결되는 전력 전송 계약에 따라 전력을 전송하기 위해 전력 변환부(110)의 동작 주파수나 전압 등을 변경하기 때문에, 동작 주파수를 소정 주파수 간격으로 증가시키거나 감소시키면서 주파수를 스캔 할 수 있다.
또한, 제어부(130)는, 주파수 스캔 하면서 전력 변환부(110)의 1차 코일에 걸리는 출력 전압을 입력 받아 이를 근거로 출력 전압이 최대가 되는 동작 주파수를 공진 주파수로 계산하도록 프로그램 될 수 있다.
무선 전력 전송 장치(100)는 전력 변환부(110)의 1차 코일에 인가되는 출력 전압을 측정하기 위한 센싱부를 전력 변환부(100) 내에 또는 전력 변환부(100)와 별도로 더 포함할 수 있다.
도 5와 같이, 높은 주파수에서부터 낮은 주파수로 주파수를 스캔 하면서 공진 회로를 구동하여 코일에 인가되는 전압을 측정하는데, 코일 전압이 가장 클 때의 주파수가 해당 공진 회로의 자기 공진 주파수(F0)에 해당한다.
먼저, 내부 변수를 초기화하고, 동작 주파수 스캔 할 때 주파수의 변화 폭(step)을 설정하고(S610), 주파수 스캔을 시작할 초기 주파수를 설정한다(S620).
공진 회로의 1차 코일에 인가되는 코일 전압을 측정하고(S630), 코일 전압과 지금까지 측정된 전압 중 최대 전압(Max 전압)과 비교하여(S640), 코일 전압이 최대 전압(Max 전압)보다 크면(S640에서 YES) 공진 주파수를 현재 동작 주파수로 갱신하고(S650), 그렇지 않으면(S640에서 NO) 다음 단계로 넘어간다.
동작 주파수를 S610 단계에서 설정한 변화 폭(step)만큼 바꾸고(S660), 동작 주파수가 종료 주파수에 해당하는지 확인하고(S670), 동작 주파수가 아직 종료 주파수에 다다르지 않으면(S670에서 NO), S660 단계에서 바뀐 동작 주파수일 때 1차 코일에 인가되는 코일 전압을 측정하기 위해 S630 단계로 진행한다.
동작 주파수가 종료 주파수에 다다르면(S670에서 YES), S650 단계에서 가장 높은 코일 전압을 출력하는 동작 주파수로 갱신된 공진 주파수를 비휘발성 메모리에 저장한다(S680).
도 5에서는 높은 주파수에서 낮은 주파수로 동작 주파수를 바꾸면서 공진 주파수를 검출하는 예를 도시하였지만, 낮은 주파수에서 높은 주파수로 동작 주파수를 바꾸면서 공진 주파수를 검출할 수도 있다.
무선 전력 전송 장치(100)의 제어부(130)는, 전원이 인가되어 무선 전력 전송을 시작하기 전에, 수신 장치를 올려놓는 인터페이스 표면 위에 대상물이 놓여 있는지 판단하기 위해 주파수를 바꾸면서 코일 전압을 측정하여 공진 주파수를 검출할 수 있다.
도 7은 무선 전력 전송 장치 위에 놓이는 대상물에 따른 공진 주파수의 변화를 도시한 것이다.
예를 들어 자기 공진 주파수(F0)가 110Khz인 공진 회로를 포함하는 전송 장치의 인터페이스 표면 위에 동전과 같은 금속 이물질이 놓일 때, 이물질로 인해 송신 코일의 인덕턴스가 감소하고, 주파수 스캔을 하면 공진 주파수가 대상물이 전혀 없을 때보다 높은 주파수로, 예를 들어 도 7에서는 116Khz로 이동한다.
하지만, 전송 장치의 인터페이스 표면 위에 수신 장치가 놓일 때, 송신 코일과 수신 코일 사이에 유도 기전력이 발생하고 상호 인덕턴스로 인해 송신 코일의 인덕턴스가 증가하고, 주파수 스캔을 하면 공진 주파수가 대상물이 전혀 없을 때보다 낮은 주파수로, 예를 들어 도 7에서는 97KHz로 이동한다.
또한, 전송 장치의 인터페이스 표면 위에 수신 장치와 금속 이물질이 함께 놓일 때, 공진 주파수는 자기 공진 주파수(F0)와 유사하게 111KHz가 된다.
본원 발명에서는, 전송 장치 위에 올려진 대상물이 금속 이물질일 때는 공진 주파수가 올라가고 수신 장치일 때는 공진 주파수가 내려가는 특징을 근거로, 전송 장치 위에 수신 장치가 올려질 때의 공진 주파수와 전송 장치 위에 수신 장치와 금속 이물질이 동시에 올려질 대의 공진 주파수의 조합으로 소정의 기준 주파수를 결정하고, 전송 장치 위에 대상물이 놓여 있을 때 공진 주파수를 측정하고 이를 소정의 기준 주파수와 비교하고 이를 근거로 전송 장치 위에 금속 이물질이 놓여 있는지 수신 장치가 놓여 있는지 여부를 효과적으로 검출할 수 있다.
본원 발명에 따른 전송 장치는, 전송 장치의 인터페이스 표면 위에 수신 장치나 이물질이 없는 상태에서, 공진 회로의 코일과 커패시터에 의해 결정되는 자기 공진 주파수(F0)와 이 때의 출력 전압(Q-Factor)을 측정하여 기준 전압으로 저장한다.
또한, 전송 장치는, 전송 장치의 인터페이스 표면 위에 수신 장치를 올려 놓은 상태에서, 저장된 자기 공진 주파수(F0)의 ㅁ20%범위로 동작 주파수를 바꾸면서 제1 공진 주파수(F1)를 측정하여 저장한다.
또한, 전송 장치는, 전송 장치의 인터페이스 표면 위에 금속 재질의 소정의 기준 대상물을 올려 놓은 상태에서, 저장된 자기 공진 주파수(F0)의 ㅁ20%범위로 동작 주파수를 바꾸면서 제2 공진 주파수(F2)를 측정하여 저장한다.
또한, 전송 장치는, 전송 장치의 인터페이스 표면 위에 수신 장치와 금속 재질의 소정의 기준 대상물을 함께 올려 놓은 상태에서, 저장된 자기 공진 주파수(F0)의 ㅁ20%범위로 동작 주파수를 바꾸면서 제3 공진 주파수(F3)를 측정하여 저장한다.
이후, 전송 장치는, 자기 공진 주파수(F0) 및 제1 내지 제3 공진 주파수(F1-F3)를 이용하여, 금속 이물질 여부를 결정하기 위한 기준 주파수(Ffod)를 계산하고 이를 비휘발성 메모리에 저장한다.
예를 들어, 기준 주파수(Ffod)를 수신 장치에 대한 제1 공진 주파수(F1)와 수신 장치와 기준 대상물에 대한 제3 공진 주파수(F3)의 조합으로 결정할 수 있는데, Ffod = (F1 + a*F3)/b로 결정할 수 있고, 여기서 a와 b는 실험을 통해서 결정할 수 있다. 예를 들어, 자기 공진 주파수(F0)가 110KHz인 도 7의 예에서, 제1 공진 주파수(F1)는 97KHz이고, 제3 공진 주파수(F3)는 111KHz이고, a와 b를 각각 2와 3으로 할 때, 기준 주파수(Ffod)는 106.3KHz가 될 수 있다.
또는, 기준 주파수(Ffod)를 수신 장치에 대한 제1 공진 주파수(F1)와 기준 대상물에 대한 제2 공진 주파수(F2)의 조합으로 결정할 수 있는데, Ffod = (F1 + c*F2)/d로 결정할 수 있고, 여기서 c와 d도 실험을 통해서 결정할 수 있다.
기준 주파수(Ffod)를 자기 공진 주파수(F0)와 제1 내지 제3 공진 주파수(F1-F3)를 포함하는 4개의 주파수 중에서 둘 이상을 조합하여 여러 방법으로 계산할 수 있다.
자기 공진 주파수(F0) 및 제1 내지 제3 공진 주파수(F1-F3)를 측정하고 기준 주파수(Ffod)를 계산하여 저장하는 과정은, 전송 장치를 출하하는 과정에서 수행될 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 외부 대상물을 검출하여 전력을 무선으로 전송하는 방법에 대한 동작 흐름도를 도시한 것이다.
전송 장치의 제어부(130)는, 전송 장치의 인터페이스 표면 위에 대상물이 놓이는 것이 확인되면, 저장된 자기 공진 주파수(F0)의 ㅁ20%범위에서 동작 주파수를 바꾸면서 공진 주파수를 검출한다(S810).
제어부(130)는, 검출되는 공진 주파수를 기준 주파수(Ffod)와 비교한다(S820).
수신 코일을 포함하는 수신 장치가 인터페이스 표면 위에 놓일 때는 코일의 인덕턴스가 증가하여 공진 주파수가 이동하고, 공진 주파수가 자기 공진 주파수(F0) 대비 감소하는 방향으로 변동하여 기준 주파수(Ffod)보다 작게 되므로(S820에서 YES), 제어부(130)는, 수신 장치의 수신 코일이 근접한 것으로 판단하고, 전력 변환부(110)와 통신부(120)를 제어하여 수신 장치로 무선으로 전력을 전송한다(S830).
제어부(130)는, 수신 장치의 충전이 완료될 때까지 수신 장치로 전력을 전송하는 동작을 수행한다(S840).
반면, 금속 재질의 이물질이 인터페이스 표면 위에 놓일 때는 인덕턴스가 감소함에 따라 공진 주파수가 공진 주파수(F0) 대비 증가하는 방향으로 이동하여 기준 주파수(Ffod)보다 크게 되므로(S820에서 NO), 제어부(130)는, 금속 이물질이 근접한 것으로 판단하고, 전력 전송을 하지 않고 사용자가 이물질을 제거하도록 경고하는 에러를 표시할 수 있다(S850).
또한, 수신 장치와 금속 이물질이 동시에 전송 장치에 근접하였을 경우, 수신 코일과 금속의 상호 작용으로 인하여 초기 상태와 유사한 공진 주파수, 즉 자기 공진 주파수가 110KHz인 도 7의 예에서 공진 주파수는 111KHz가 되어 기준 주파수(Ffod)보다 크게 되므로(S820에서 NO), 이물질이 놓인 것을 가리키는 에러를 표시할 수 있다.
한편, 수신 장치와 금속 이물질이 동시에 전송 장치에 근접하였을 경우, 측정된 공진 주파수가 자기 공진 주파수(F0)와 비슷하게 되어, 즉 측정된 공진 주파수와 자기 공진 주파수(F0)의 차기가 소정 값 이하일 때, 공진 주파수만으로는 전송 장치의 인터페이스 표면 위에 아무 것도 놓이지 않는 상태와 구별하기 어려울 수도 있다.
하지만, 이 경우 이물질로 인한 AC 저항의 증가로 인해 출력 전압(Q-Factor)이 감소하기 때문에, 저장된 출력 전압과 비교하여, 저장된 기준 전압과 측정되는 출력 전압의 차이가 소정 값 이하일 때 전송 장치의 인터페이스 표면 위에 아무 것도 놓이지 않는 상태로 판단하고, 소정 값 이상일 때 전송 장치 위에 수신 장치와 금속 이물질이 함께 있는 것으로 판단할 수 있다. 따라서, 전송 장치의 인터페이스 표면 위에 아무 것도 놓이지 않는 상태와 수신 장치와 금속 이물질이 함께 있는 상태를 구별할 수 있다. 이러한 동작을 S820 단계와 S850 단계 사이에 수행할 수 있다.
따라서, 전송 장치가 금속으로 이루어진 이물질을 작은 것부터 큰 것까지 금속 이물질의 유무를 효과적으로 검출할 수 있고, 이물질이 있는 상태에서 전력을 전송하여 발열하는 문제를 회피할 수 있게 된다.
본 발명은 기재된 실시예들에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
100: 무선 전력 전송 장치 110: 전력 변환부
120: 통신부 130: 제어부
140: 전원부 200: 무선 전력 수신 장치(전자 기기)
210: 전력 수신부 220: 통신부
230: 제어부 250: 충전부

Claims (10)

  1. 공진 회로의 동작 주파수를 바꾸면서 공진 주파수를 측정하는 단계;
    상기 측정된 공진 주파수를 기준 주파수와 비교하는 단계;
    상기 측정된 공진 주파수가 상기 기준 주파수보다 낮을 때 무선으로 전력을 전송하는 단계;
    상기 측정된 공진 주파수와 상기 공진 회로의 자기 공진 주파수의 차이가 제1 소정 값 이하이면 상기 측정된 공진 주파수로 상기 공진 회로를 구동할 때 상기 공진 회로에 포함된 코일에 인가되는 제1 전압과 기준 전압을 비교하는 단계; 및
    상기 기준 전압과 상기 제1 전압의 차이가 제2 소정 값 이상일 때 전력을 전송하지 않고 이물질을 있음을 알리는 단계를 포함하여 이루어지고,
    상기 기준 전압은 무선 전력 전송 장치에 대상물이 없는 상태에서 상기 자기 공진 주파수로 상기 공진 회로를 동작시킬 때 상기 코일에 인가되는 전압이고,
    상기 기준 주파수는, 상기 자기 공진 주파수, 수신 장치에 대해 측정한 제1 공진 주파수, 기준 대상물에 대해 측정한 제2 공진 주파수 및 상기 수신 장치와 상기 기준 대상물에 대해 측정한 제3 공진 주파수 중 둘 이상을 이용하여 결정되고,
    상기 기준 주파수, 상기 자기 공진 주파수 및 상기 기준 전압은 상기 무선 전력 전송 장치를 출하하는 과정에 저장되고,
    상기 기준 전압과 상기 제1 전압의 차이가 상기 제2 소정 값보다 작을 때 상기 무선 전력 전송 장치 위에 아무 것도 없다고 판단하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치에서 전력 전송 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 측정된 공진 주파수가 상기 기준 주파수보다 높을 때, 전력을 전송하지 않고 이물질을 있음을 알리는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치에서 전력 전송 방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 직류 전원을 교류로 변환하기 위한 인버터, 수신 장치의 2차 코일과의 자기 유도 결합에 의해 전력을 전송하기 위한 1차 코일을 포함하는 공진 회로, 및 상기 1차 코일에 인가되는 출력 전압을 측정하기 위한 센싱부를 포함하는 전력 변환부; 및
    상기 공진 회로의 동작 주파수를 바꾸면서 상기 센싱부를 통해 측정하는 출력 전압을 근거로 공진 주파수를 측정하고, 상기 측정된 공진 주파수를 기준 주파수와 비교하고, 상기 측정된 공진 주파수가 상기 기준 주파수보다 낮을 때 상기 인버터의 동작을 제어하여 상기 수신 장치로의 무선 전력 전송을 제어하기 위한 제어부를 포함하여 구성되고,
    상기 제어부는, 상기 측정된 공진 주파수와 상기 공진 회로의 자기 공진 주파수의 차이가 제1 소정 값 이하이면 상기 측정된 공진 주파수로 상기 공진 회로를 구동할 때 상기 1차 코일에 인가되는 제1 전압과 기준 전압을 비교하고, 상기 기준 전압과 상기 제1 전압의 차이가 제2 소정 값 이상일 때 전력을 전송하지 않고 이물질을 있음을 알리고, 상기 기준 전압과 상기 제1 전압의 차이가 상기 제2 소정 값보다 작을 때 무선 전력 전송 장치 위에 아무 것도 없다고 판단하고,
    상기 기준 전압은 상기 무선 전력 전송 장치에 대상물이 없는 상태에서 상기 자기 공진 주파수로 상기 공진 회로를 동작시킬 때 상기 1차 코일에 인가되는 전압이고,
    상기 기준 주파수는, 상기 자기 공진 주파수, 상기 수신 장치에 대해 측정한 제1 공진 주파수, 기준 대상물에 대해 측정한 제2 공진 주파수 및 상기 수신 장치와 상기 기준 대상물에 대해 측정한 제3 공진 주파수 중 둘 이상을 이용하여 결정되고,
    상기 기준 주파수, 상기 자기 공진 주파수 및 상기 기준 전압은 상기 무선 전력 전송 장치를 출하하는 과정에 저장되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 측정된 공진 주파수가 상기 기준 주파수보다 높을 때 상기 수신 장치로 전력을 전송하지 않고 이물질을 있음을 알리는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  8. 삭제
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