KR102605630B1 - 동적 코일보상 기능을 가지는 무선충전장치 및 이를 이용한 무선충전방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 배터리의 무선충전을 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 미리 정해진 경우에 대하여 고정된 코일보상 방식이 적용됨으로 인해 송전코일과 수전코일의 간격이나 정렬도 또는 수전코일의 형태가 변화할 경우 적절한 코일보상이 이루어지지 못하여 무선충전 효율이 감소하는 한계가 있었던 종래기술의 무선충전 장치 및 방법들의 문제점을 해결하기 위해, 수전전압과 수전전류 및 송전전압과 송전전류를 각각 측정하고 수전전력 및 송전전력을 산출하여 충전효율을 각각 계산하고 지속적으로 모니터링하여, 충전효율이 감소할 경우 충전효율이 최대가 되는 수전코일 보상 커패시터 및 송전코일 보상 커패시터의 정전용량 값으로 각각의 보상 커패시터를 설정하도록 구성됨으로써, 상황에 따라 동적으로 송전코일과 수전코일을 공진시키기 위한 보상 커패시터를 제어하는 것에 의해 항상 최적의 무선충전 효율을 유지할 수 있도록 구성되는 동적 코일보상 기능을 가지는 무선충전장치 및 이를 이용한 무선충전방법이 제공된다.
Description
본 발명은 배터리의 무선충전을 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는, 배터리의 무선충전에 있어서 무선충전 효율을 최대화하기 위하여는 송전코일과 수전코일이 자기장 교번 주파수에서 공진하도록 커패시터를 이용한 동적보상이 요구되나, 송전코일과 수전코일의 구조가 정해진 경우 또는 송전코일과 수전코일의 간격이 정해진 경우에 대하여만 고정된 코일보상 방식이 적용됨으로 인해 송전코일과 수전코일의 간격이나 정렬도가 변화할 경우 또는 수전코일의 형태가 변화할 경우 코일보상이 적절히 이루어지지 않아 무선충전 효율이 감소하는 한계가 있었던 종래기술의 무선충전 장치 및 방법들의 문제점을 해결하기 위해, 송전코일과 수전코일의 정렬정도의 변화시나 단일의 송전코일로부터 다수의 수전코일로 전력을 송전시 상황에 따라 자동으로 임피던스를 정합하여 무선충전 효율이 자동으로 최적화될 수 있도록 구성되는 동적 코일보상 기능을 가지는 무선충전장치 및 이를 이용한 무선충전방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, 상기한 바와 같이 송전코일과 수전코일의 간격이나 정렬도가 변화할 경우 또는 수전코일의 형태가 변화할 경우 코일보상이 적절히 이루어지지 않아 무선충전 효율이 감소하는 한계가 있었던 종래기술의 무선충전 장치 및 방법들의 문제점을 해결하기 위해, 수전전압과 수전전류를 측정하여 수전전력을 산출하고, 송전전압과 송전전류를 측정하여 송전전력을 산출하며, 수전전력을 송전전력으로 나누어 충전효율을 산출하고, 충전효율을 지속적으로 모니터링하여 충전효율이 감소할 경우 충전효율이 최대가 되는 수전코일 보상 커패시터 및 송전코일 보상 커패시터의 정전용량 값으로 각각의 보상 커패시터를 설정하도록 구성됨으로써, 상황에 따라 동적으로 송전코일과 수전코일을 공진시키기 위한 보상 커패시터를 제어하는 것에 의해 항상 최적의 무선충전 효율을 유지할 수 있도록 구성되는 동적 코일보상 기능을 가지는 무선충전장치 및 이를 이용한 무선충전방법에 관한 것이다.
최근, 정보통신 기술의 발달에 따라, 예를 들면, 스마트폰이나 태블릿 PC 또는 노트북 등과 같이, 휴대가능한 개인 정보통신 기기들에 대한 수요가 증가하고 있으며, 이와 함께, 친환경 기술에 대한 요구가 증가하면서 전기차의 보급 및 수요가 증가하고 있다.
또한, 상기한 바와 같이 정보통신 기기 및 전기차에 대한 수요가 증가함에 따라 이러한 각종 정보통신 기기나 전기차 등에 구비되는 배터리에 대한 수요가 빠르게 증가하고 있으며, 이에 더하여, 그러한 배터리의 성능 및 효율을 개선하기 위한 기술개발에 대한 요구가 날로 높아지고 있다.
아울러, 최근에는, 배터리의 충전을 위해 충전선을 연결하여야만 하는 불편함이 있었던 기존의 충전장치들의 단점을 해소하기 위해 무선충전 기술이 개발되어 그 적용범위가 점차 확대되고 있으며, 이에, 최근에는, 이러한 무선충전 장치의 성능 및 효율을 개선하기 위한 기술개발에 대한 요구도 높아지고 있다.
여기서, 상기한 바와 같은 무선충전의 성능 및 효율을 개선하기 위한 장치 및 방법에 관한 종래기술의 예로는, 먼저, 예를 들면, 한국 공개특허공보 제10-2021-0061030호에 제시된 바와 같은 "무선충전 패드, 무선충전 장치, 및 이를 포함하는 전기 자동차"가 있다.
더 상세하게는, 상기한 한국 공개특허공보 제10-2021-0061030호는, 전도성 와이어를 포함하는 코일; 코일상에 배치된 쉴드부; 코일과 쉴드부 사이에 배치된 제 1 자성소재; 및 쉴드부의 제 1 자성 소재를 향하는 일면상에 배치된 제 2 자성 소재를 포함하여, 2종의 자성소재를 구비하는 것에 의해 충전효율이 향상됨과 함께 방열특성이 개선될 수 있도록 구성되는 무선충전 패드, 무선충전 장치, 및 이를 포함하는 전기 자동차에 관한 것이다.
또한, 상기한 바와 같은 무선충전의 성능 및 효율을 개선하기 위한 장치 및 방법에 관한 종래기술의 다른 예로는, 예를 들면, 한국 등록특허공보 제10-1792134호에 제시된 바와 같은 "무선충전모듈"이 있다.
더 상세하게는, 상기한 한국 등록특허공보 제10-1792134호는, 제 1 자성시트, 제 2 자성시트, 무선충전 송신장치로부터 무선전력을 수신하기 위한 무선충전 안테나부 및 근거리 통신을 위한 NFC 안테나부를 포함하는 무선충전모듈에 있어서, 제 2 자성시트는 개구부를 포함하고, 개구부의 내측면은 제 1 자성시트의 외측면을 둘러싸도록 배치되며, 제 1 자성시트상에 무선충전 안테나부가 배치되고, 제 2 자성시트상에 NFC 안테나부가 배치되며, 무선충전 안테나부와 제 1 자성시트 사이 및 NFC 안테나부와 제 2 자성시트 사이에 접착물질이 배치되고, NFC 안테나부와 무선충전 안테나부는 서로 이격되어 배치되며, 제 1 자성시트의 외측면 및 제 2 자성시트의 내측면은 서로 대향하며 배치되고, 제 1 자성시트와 제 2 자성시트는 투자율 및 면적이 서로 상이하며, 무선충전 안테나부 및 NFC 안테나부와 이격되어 배치된 제 3 안테나부를 더 포함하여, NFC 안테나 기능과 무선충전 안테나 기능을 동시에 보완하여 교신거리를 강화하면서 무선충전 효율을 극대화할 수 있도록 구성되는 일체형 복합자성시트 및 이를 포함하여 구성되는 무선충전모듈에 관한 것이다.
상기한 바와 같이, 종래, 무선충전의 성능 및 효율을 개선하기 위한 장치 및 방법에 대하여 여러 가지 기술내용이 제시된 바 있으나, 상기한 바와 같은 종래기술의 내용들은 다음과 같은 문제점이 있는 것이었다.
즉, 자기유도 방식의 무선충전에 있어서, 송전코일과 수전코일 사이의 간격이 최소이며 송전코일과 수전코일의 정렬이 적절하게 이루어지도록 하여 송전코일의 자기장이 수전코일을 최대로 감아돌 때 무선충전 효율이 최대가 된다.
그러나 실제 산업용으로 무선충전기를 사용할 경우 송전코일과 수전코일 사이의 간격과 정렬이 최적상태가 아닐 수 있으며, 송전기 1개를 사용하여 다양한 수전기로 전력을 전송할 필요가 발생한다.
또한, 이러한 경우, 송전코일과 수전코일이 자기장 교번 주파수에서 공진하도록 커패시터를 이용한 동적보상이 요구되나, 일반적으로, 종래기술의 무선충전 장치 및 방법들은 대부분 송전코일과 수전코일의 구조가 정해진 경우 또는 송전코일과 수전코일의 간격이 정해진 경우에 대하여만 고정된 코일보상 방식이 적용되고 있으며, 그로 인해, 종래기술의 무선충전 장치 및 방법들은 송전코일과 수전코일의 간격이나 정렬도가 변화할 경우 또는 수전코일의 형태가 변화할 경우 코일보상이 적절히 이루어지지 않아 무선충전 효율이 감소하는 문제가 있다.
따라서 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여는, 무선충전장치의 사용시 송전코일과 수전코일의 간격이 변화하거나 정렬도가 변화할 경우 또는 수전코일의 형태가 변화할 경우에도 상황에 따라 동적으로 송전코일과 수전코일을 공진시키기 위한 보상 커패시터를 제어하는 것에 의해 항상 최적의 무선충전 효율을 유지할 수 있도록 구성되는 새로운 구조의 무선충전장치 및 방법을 제공하는 것이 바람직하나, 아직까지 그러한 요구를 모두 만족시키는 장치나 방법은 제시되지 못하고 있는 실정이다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 따라서 본 발명의 목적은, 미리 정해진 송전코일과 수전코일의 구조나 간격에 대하여 고정된 코일보상 방식이 적용됨으로 인해 송전코일과 수전코일의 간격이나 정렬도 또는 수전코일의 형태가 변화할 경우 적절한 코일보상이 이루어지지 못하여 무선충전 효율이 감소하는 한계가 있었던 종래기술의 무선충전 장치 및 방법들의 문제점을 해결하기 위해, 송전코일과 수전코일의 정렬정도의 변화시나 단일의 송전코일로부터 다수의 수전코일로 송전시 상황에 따라 자동으로 임피던스를 정합하여 무선충전 효율이 자동으로 최적화될 수 있도록 구성되는 동적 코일보상 기능을 가지는 무선충전장치 및 이를 이용한 무선충전방법을 제공하고자 하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 상기한 바와 같이 송전코일과 수전코일의 간격이나 정렬도가 변화할 경우 또는 수전코일의 형태가 변화할 경우 코일보상이 적절히 이루어지지 못하여 무선충전 효율이 감소하는 한계가 있었던 종래기술의 무선충전 장치 및 방법들의 문제점을 해결하기 위해, 수전전압과 수전전류를 측정하여 수전전력을 산출하고, 송전전압과 송전전류를 측정하여 송전전력을 산출하며, 수전전력을 송전전력으로 나누어 충전효율을 산출하고, 충전효율을 지속적으로 모니터링하여 충전효율이 감소할 경우 충전효율이 최대가 되는 수전코일 보상 커패시터 및 송전코일 보상 커패시터의 정전용량 값으로 각각의 보상 커패시터를 설정하도록 구성됨으로써, 상황에 따라 동적으로 송전코일과 수전코일을 공진시키기 위한 보상 커패시터를 제어하는 것에 의해 항상 최적의 무선충전 효율을 유지할 수 있도록 구성되는 동적 코일보상 기능을 가지는 무선충전장치 및 이를 이용한 무선충전방법을 제공하고자 하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면, 동적 코일보상 기능을 가지는 무선충전장치에 있어서, 송전코일을 통하여 무선으로 전력을 송신하도록 이루어지는 송전부; 및 수전코일을 통하여 상기 송전부로부터 송신되는 전력을 수신하는 수전부를 포함하여 구성되고, 상기 송전부는, 송전전압을 측정하기 위한 송전전압 측정부; 송전전류를 측정하기 위한 송전전류 측정부; 상기 송전코일의 인덕턴스를 제어하기 위한 송전코일 보상부; 전압 및 전류 측정값을 포함하는 각종 데이터를 송수신하기 위한 송전통신부; 및 상기 송전부의 전체적인 동작을 제어하고, 상기 송전전압 측정부 및 상기 송전전류 측정부에 의해 측정된 각각의 측정값과 상기 수전부로부터 전송되는 데이터에 근거하여 충전효율을 산출하고 모니터링하여 충전효율이 최대가 되도록 상기 송전코일 보상부를 제어하는 처리가 수행되는 송전제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 동적 코일보상 기능을 가지는 무선충전장치가 제공된다.
여기서, 상기 수전부는, 수전전류를 측정하기 위한 수전전류 측정부; 수전전압을 측정하기 위한 수전전압 측정부; 상기 수전코일의 인덕턴스를 제어하기 위한 수전코일 보상부; 전압 및 전류 측정값을 포함하는 각종 데이터를 송수신하기 위한 수전통신부; 및 상기 수전부의 전체적인 동작을 제어하고, 상기 수전전압 측정부 및 상기 수전전류 측정부에 의해 측정된 각각의 측정값에 근거하여 수전전력을 산출하고 상기 송전부로 전송하며, 상기 수전코일 보상부를 제어하여 충전효율이 최대가 되는 최적값을 구하고 상기 송전부로 전송하는 처리가 수행되는 수전제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 송전부는, 전력을 공급하기 위한 송전전원부; 및 충전전류 및 전압을 일정하게 제어하기 위한 스위칭회로를 더 포함하여 구성되고, 상기 수전부는, 수신된 전력신호의 정류를 위한 정류부; 및 수신된 전력이 저장되는 배터리를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 수전제어부는, 상기 수전전압 측정부 및 상기 수전전류 측정부를 통하여 수전전압과 수전전류를 측정하고, 측정된 값들로부터 수전전력을 계산하여 상기 수전통신부를 통해 상기 송전제어부로 전송하는 처리가 수행되고, 상기 송전제어부는, 상기 송전전압 측정부 및 상기 송전전류 측정부를 통하여 송전전압과 송전전류를 측정하고, 측정된 값들로부터 송전전력을 산출하며, 상기 수전제어부에서 수신된 수전전력을 산출된 송전전력으로 나눈 값에 근거하여 충전효율을 산출하는 과정을 미리 정해진 설정에 따라 반복 수행하여 충전효율을 모니터링하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
더욱이, 상기 송전제어부는, 충전효율의 모니터링 중 충전효율이 미리 정해진 기준값이나 기준범위를 벗어나는 것이 감지되면 상기 수전제어부에 상기 수전코일에 대한 보상명령을 전송하고, 상기 수전제어부는, 상기 보상명령에 근거하여 상기 수전코일 보상부의 수전코일 보상 커패시터의 정전용량을 제어하여 상기 수전코일 보상 커패시터의 최소값에서 최대값까지의 값들 중에서 충전효율이 최대가 되는 최적값을 구하여 상기 송전제어부로 전송하며, 상기 송전제어부는, 수신된 상기 수전코일 보상부의 최적값에 근거하여, 상기 송전코일 보상부의 송전코일 보상 커패시터의 최소값에서 최대값까지의 값들 중에서 충전효율이 최대가 되는 최적값으로 상기 송전코일 보상 커패시터의 정전용량을 제어하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 송전코일 보상부는, 미리 정해진 정전용량을 가지는 고정 커패시터 C1와, 서로 다른 정전용량을 가지고 병렬 연결된 복수의 커패시터와 각각의 커패시터에 연결된 스위치를 포함하여 이루어지는 가변 커패시터 CA를 포함하여 구성되고, 상기 수전코일 보상부는, 미리 정해진 정전용량을 가지는 고정 커패시터 C2와, 서로 다른 정전용량을 가지고 병렬 연결된 복수의 커패시터와 각각의 커패시터에 연결된 스위치를 포함하여 이루어지는 가변 커패시터 CB를 포함하여 구성됨으로써, 각각의 스위치를 통하여 상기 가변 커패시터의 각각의 커패시터를 단락 또는 개방하는 것에 의해 보상 커패시턴스 값을 변경하여 제어할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 송전코일 보상부(수전코일 보상부)는, fs는 스위칭회로의 스위칭 주파수, L1(L2)은 송전코일(수전코일)의 인덕턴스, L1max(L2max)는 송전코일(수전코일) 인덕턴스의 최대값, C1(C2)은 송전코일(수전코일)의 인덕턴스가 가장 큰 경우의 송전코일(수전코일) 보상 커패시턴스라 할 때, 상기 고정 커패시터 C1(C2)의 값이 이하의 수학식을 만족하는 값으로 설정되는 것을 특징으로 한다.
더욱이, 상기 송전코일 보상부(수전코일 보상부)는, 상기 송전코일(수전코일)의 인덕턴스 L1(L2)의 최소값을 L1min(L2min)라 할 때, 상기 가변 커패시터 CA(CB)의 최대값 CA,max(CB,max)이 이하의 수학식을 만족하는 값으로 설정되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 송전코일 보상부(수전코일 보상부)는, 상기 가변 커패시터 CA(CB)의 각각의 커패시터의 값은 기본 커패시턴스 C0의 배수(C0, 2C0, 4C0, 8C0,...)로 설정되고, 상기 기본 커패시턴스 C0는 이하의 수학식을 이용하여 산출되는 것을 특징으로 한다.
(여기서, N은 가변 커패시터 CA(CB)에 구비되는 개별 커패시터의 수에 따라 고정 커패시터 C1(C2)와 조합 가능한 총 경우의 수를 의미함)
아울러, 상기 무선충전장치는, 충전이 시작되면, 상기 수전전압 측정부 및 상기 수전전류 측정부를 통하여 수전전압 V2와 수전전류 I2의 값을 각각 측정하고, 이하의 수학식을 이용하여 상기 스위칭 회로의 스위칭주기 T 동안 등간격으로 각각의 시점 t1, t2, ..., tN에서 각각 측정된 수전전압 값 V2(t1), V2(t2), ..., V2(tN)과 수전전류 값 I2(t1), I2(t2), ..., I2(tN)으로부터 평균 수전전력 P2,av를 산출하여 상기 송전제어부로 전송하는 처리가 상기 수전제어부를 통해 수행되며,
상기 송전제어부를 통하여, 상기 송전전압 측정부와 상기 송전전류 측정부를 통해 측정된 각각의 측정값에 근거하여 상기 수전제어부와 동일한 방식으로 평균 송전전력 P1,av를 산출하고, 상기 수전제어부를 통해 전송된 평균 수전전력 P2,av와 이하의 수학식을 이용하여 충전효율 E를 산출하는 과정을 미리 정해진 설정에 따라 반복하는 것에 의해 충전효율을 지속적으로 모니터링하며,
모니터링 중 충전효율이 미리 정해진 기준치나 기준범위를 벗어나는 것이 감지되면 상기 송전코일과 상기 수전코일의 보상이 필요한 것으로 판단하여 상기 수전코일 보상부의 가변 커패시터를 제어하여 최소값 C2에서부터 최대값 C2+CB,max까지의 수전코일 보상 커패시턴스 중에서 효율이 최대인 최적 커패시턴스 C2,opt를 구하고, 상기 수전코일 보상부의 커패시턴스를 상기 최적 커패시턴스 C2,opt로 고정한 상태에서 상기 송전코일 보상부의 최적 커패시턴스 C1,opt를 상기 송전코일 보상부와 동일한 방식으로 구하고, 구해진 각각의 최적 커패시턴스 값에 따라 상기 송전코일 보상부 및 상기 수전코일 보상부의 커패시턴스를 각각 제어하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
더욱이, 본 발명에 따르면, 상기에 기재된 동적 코일보상 기능을 가지는 무선충전장치를 이용한 무선충전방법에 있어서, 상기 무선충전장치의 수전제어부를 통하여, 상기 무선충전장치의 수전전압 측정부 및 수전전류 측정부를 통해 수전전압과 수전전류의 값을 각각 측정하고, 측정값에 근거하여 평균 수전전력을 산출하는 처리가 수행되는 수전전력 산출단계; 상기 무선충전장치의 송전제어부를 통하여, 상기 무선충전장치의 송전전압 측정부 및 송전전류 측정부를 통해 송전전압과 송전전류의 값을 각각 측정하고, 측정값에 근거하여 평균 송전전력을 산출하는 처리가 수행되는 송전전력 산출단계; 상기 송전제어부를 통하여, 각각의 수전전력과 송전전력의 값에 근거하여 충전효율을 구하고 지속적으로 모니터링하는 처리가 수행되는 충전효율 산출 및 모니터링단계; 상기 송전제어부를 통하여, 모니터링 중 충전효율이 미리 정해진 기준값이나 범위를 벗어나는 것이 감지되면 상기 무선충전장치의 송전코일 보상부 및 수전코일 보상부에 대한 최적의 보상 커패시턴스를 산출하고, 산출된 값에 근거하여 각각의 보상 커패시턴스를 최적값으로 제어하는 처리가 수행되는 보상단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 무선충전방법이 제공된다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 수전전압과 수전전류를 측정하여 수전전력을 산출하고, 송전전압과 송전전류를 측정하여 송전전력을 산출하며, 수전전력을 송전전력으로 나누어 충전효율을 산출하고, 충전효율을 지속적으로 모니터링하여 충전효율이 감소할 경우 충전효율이 최대가 되는 수전코일 보상 커패시터 및 송전코일 보상 커패시터의 정전용량 값으로 각각의 보상 커패시터를 설정하도록 구성되는 동적 코일보상 기능을 가지는 무선충전장치 및 이를 이용한 무선충전방법이 제공됨으로써, 상황에 따라 동적으로 송전코일과 수전코일을 공진시키기 위한 보상 커패시터를 제어하는 것에 의해 항상 최적의 무선충전 효율을 유지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 송전코일과 수전코일의 정렬정도의 변화시나 단일의 송전코일로부터 다수의 수전코일로 송전시 상황에 따라 자동으로 임피던스를 정합하여 무선충전 효율이 자동으로 최적화될 수 있도록 구성되는 동적 코일보상 기능을 가지는 무선충전장치 및 이를 이용한 무선충전방법이 제공됨으로써, 미리 정해진 송전코일과 수전코일의 구조나 간격에 대하여 고정된 코일보상 방식이 적용됨으로 인해 송전코일과 수전코일의 간격이나 정렬도 또는 수전코일의 형태가 변화할 경우 적절한 코일보상이 이루어지지 못하여 무선충전 효율이 감소하는 한계가 있었던 종래기술의 무선충전 장치 및 방법들의 문제점을 해결할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 동적 코일보상 기능을 가지는 무선충전장치의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 동적 코일보상 기능을 가지는 무선충전장치의 송전전압 측정부 및 수전전압 측정부의 구체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 동적 코일보상 기능을 가지는 무선충전장치의 송전전류 측정부 및 수전전류 측정부의 구체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 동적 코일보상 기능을 가지는 무선충전장치의 충전동작을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 동적 코일보상 기능을 가지는 무선충전장치의 송전코일 보상부와 수전코일 보상부의 구체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 6은 도 5에 나타낸 보상회로의 가변 커패시터의 구체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 동적 코일보상 기능을 가지는 무선충전장치를 이용한 무선충전방법의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 플로차트이다.
도 2는 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 동적 코일보상 기능을 가지는 무선충전장치의 송전전압 측정부 및 수전전압 측정부의 구체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 동적 코일보상 기능을 가지는 무선충전장치의 송전전류 측정부 및 수전전류 측정부의 구체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 동적 코일보상 기능을 가지는 무선충전장치의 충전동작을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 동적 코일보상 기능을 가지는 무선충전장치의 송전코일 보상부와 수전코일 보상부의 구체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 6은 도 5에 나타낸 보상회로의 가변 커패시터의 구체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 동적 코일보상 기능을 가지는 무선충전장치를 이용한 무선충전방법의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 플로차트이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 동적 코일보상 기능을 가지는 무선충전장치 및 이를 이용한 무선충전방법의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.
여기서, 이하에 설명하는 내용은 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예일 뿐이며, 본 발명은 이하에 설명하는 실시예의 내용으로만 한정되는 것은 아니라는 사실에 유념해야 한다.
또한, 이하의 본 발명의 실시예에 대한 설명에 있어서, 종래기술의 내용과 동일 또는 유사하거나 당업자의 수준에서 용이하게 이해하고 실시할 수 있다고 판단되는 부분에 대하여는, 설명을 간략히 하기 위해 그 상세한 설명을 생략하였음에 유념해야 한다.
즉, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 미리 정해진 송전코일과 수전코일의 구조나 간격에 대하여 고정된 코일보상 방식이 적용됨으로 인해 송전코일과 수전코일의 간격이나 정렬도 또는 수전코일의 형태가 변화할 경우 적절한 코일보상이 이루어지지 못하여 무선충전 효율이 감소하는 한계가 있었던 종래기술의 무선충전 장치 및 방법들의 문제점을 해결하기 위해, 송전코일과 수전코일의 정렬정도의 변화시나 단일의 송전코일로부터 다수의 수전코일로 송전시 상황에 따라 자동으로 임피던스를 정합하여 무선충전 효율이 자동으로 최적화될 수 있도록 구성되는 동적 코일보상 기능을 가지는 무선충전장치 및 이를 이용한 무선충전방법에 관한 것이다.
아울러, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 송전코일과 수전코일의 간격이나 정렬도가 변화할 경우 또는 수전코일의 형태가 변화할 경우 코일보상이 적절히 이루어지지 못하여 무선충전 효율이 감소하는 한계가 있었던 종래기술의 무선충전 장치 및 방법들의 문제점을 해결하기 위해, 수전전압과 수전전류를 측정하여 수전전력을 산출하고, 송전전압과 송전전류를 측정하여 송전전력을 산출하며, 수전전력을 송전전력으로 나누어 충전효율을 산출하고, 충전효율을 지속적으로 모니터링하여 충전효율이 감소할 경우 충전효율이 최대가 되는 수전코일 보상 커패시터 및 송전코일 보상 커패시터의 정전용량 값으로 각각의 보상 커패시터를 설정하도록 구성됨으로써, 상황에 따라 동적으로 송전코일과 수전코일을 공진시키기 위한 보상 커패시터를 제어하는 것에 의해 항상 최적의 무선충전 효율을 유지할 수 있도록 구성되는 동적 코일보상 기능을 가지는 무선충전장치 및 이를 이용한 무선충전방법에 관한 것이다.
계속해서, 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 동적 코일보상 기능을 가지는 무선충전장치 및 이를 이용한 무선충전방법의 구체적인 내용에 대하여 설명한다.
먼저, 도 1을 참조하면, 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 동적 코일보상 기능을 가지는 무선충전장치(10)의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 동적 코일보상 기능을 가지는 무선충전장치(10)는, 크게 나누어, 전력을 송신하는 송전부(11)와, 송전부(11)로부터 송신되는 전력을 수신하는 수전부(21)를 포함하여 구성될 수 있다.
더 상세하게는, 상기한 송전부(11)는, 전력을 공급하기 위한 송전전원부(12), 송전전압을 측정하기 위한 송전전압 측정부(13), 송전전류를 측정하기 위한 송전전류 측정부(14), 충전전류 및 전압을 일정하게 제어하기 위한 스위칭회로(15), 송전코일(17)의 인덕턴스를 제어하기 위한 송전코일 보상부(16), 전력신호를 송신하기 위한 송전코일(17), 송전부(11)의 전체적인 동작을 제어하기 위한 송전제어부(18) 및 전원 및 전류 측정값을 포함하는 각종 데이터를 송수신하기 위한 송전통신부(19)를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기한 수전부(21)는, 송전부(11)로부터 송신되는 전력신호를 수신하기 위한 수전코일(27), 수전코일(27)의 인덕턴스를 제어하기 위한 수전코일 보상부(26), 수신된 전력신호의 정류를 위한 정류부(25), 수전전류를 측정하기 위한 수전전류 측정부(24), 수전전압을 측정하기 위한 수전전압 측정부(23), 수신된 전력이 저장되는 배터리(22), 수전부(21)의 전체적인 동작을 제어하기 위한 수전제어부(28) 및 전원 및 전류 측정값을 포함하는 각종 데이터를 송수신하기 위한 수전통신부(29)를 포함하여 구성될 수 있다.
아울러, 도 2 및 도 3을 참조하면, 도 2는 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 동적 코일보상 기능을 가지는 무선충전장치(10)의 송전전압 측정부(13) 및 수전전압 측정부(23)의 구체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 3은 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 동적 코일보상 기능을 가지는 무선충전장치(10)의 송전전류 측정부(14) 및 수전전류 측정부(24)의 구체적인 구성을 각각 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2 및 도 3에 각각 나타낸 바와 같이, 상기한 송전전압 측정부(13) 및 수전전압 측정부(23)는 미리 정해진 일정 배수로 전압을 증폭하기 위한 전압배율 증폭기를 포함하여 구성될 수 있고, 상기한 송전전류 측정부(14) 및 수전전류 측정부(24)는 미리 정해진 일정 배수로 전류를 증폭하기 위한 전류측정 증폭기를 포함하여 구성될 수 있다.
더욱이, 본 발명의 실시예에 따른 동적 코일보상 기능을 가지는 무선충전기(10)는, 배터리의 충전상태에 따라 단계별로 나누어 충전이 이루어지도록 구성될 수 있다.
더 상세하게는, 도 4를 참조하면, 도 4는 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 동적 코일보상 기능을 가지는 무선충전장치(10)의 충전동작을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 동적 코일보상 기능을 가지는 무선충전기(10)는, 상기한 송전제어부(18)의 제어에 의해 배터리의 종류에 따라 정해진 정전류 충전단계와 정전압 충전단계로 배터리가 충전되도록 구성될 수 있다.
즉, 상기한 송전제어부(18)는, 스위칭 회로(16)을 제어하여 정전류 충전단계에서는 배터리 충전전류가 일정한 값이 되도록 제어하고, 정전압 충전단계에서는 배터리 충전전압이 일정한 값이 되도록 제어한다.
또한, 일반적으로, 10kHz ~ 30MHz 대역의 무선충전에 있어서, 송전코일의 인덕턴스와 수전코일의 인덕턴스를 커패시터를 이용하여 인덕터와 거패시터가 공진하도록 각각 보상함으로써 충전효율을 증가시킬 수 있다.
이때, 송전코일과 수전코일의 인덕턴스는 두 코일의 상대적 위치와 두 코일의 상대적 형상에 따라 변화하며, 송전코일과 수전코일이 사전에 정해진 정도로 정확히 정렬되지 않거나, 또는, 1개의 송전코일로 다양한 수전코일에 전력을 전송하고자 할 경우 송전코일과 수전코일의 인덕턴스가 다양한 값을 가지게 되므로, 충전시마다 동적으로 송전코일과 수전코일을 적절히 보상함으로써 충전효율을 높일 수 있다.
이를 위해, 본 발명의 실시예에 따른 동적 코일보상 기능을 가지는 무선충전장치(10)는, 먼저, 수전제어부(28)에서, 수전전압 측정부(23) 및 수전전류 측정부(24)를 통하여 수전전압과 수전전류를 측정하고, 측정된 값들로부터 수전전력을 계산하여 수전통신부(29)를 통해 송전제어부(18)로 전송한다.
또한, 송전제어부(18)는, 송전전압 측정부(13) 및 송전전류 측정부(14)를 통하여 송전전압과 송전전류를 측정하고, 측정된 값들로부터 송전전력을 산출하며, 수전제어부(28)에서 수신된 수전전력을 산출된 송전전력으로 나눈 값에 근거하여 충전효율을 산출하고, 이와 같이 산출된 충전효율을 지속적으로 모니터링한다.
계속해서, 충전효율의 모니터링 중 충전효율이 미리 정해진 기준에 근거하여 일정 수준 이상 저하된 것이 감지되면, 송전제어부(18)는 수전제어부(28)에 수전코일(27)의 보상을 명령하고, 수전제어부(28)는 이 명령에 의거하여 수전코일 보상부(26)를 제어하여 수전코일 보상 커패시터의 정전용량을 조정한다.
이때, 수전제어부(28)는, 각각의 처리단계에서 송전제어부(18)와 통신하여 충전효율이 최대가 되는 수전코일 보상 커패시터의 정전용량 값으로 수전코일 보상 커패시터를 설정한다.
다음으로, 송전제어부(18)는, 송전코일 보상부(26)를 제어하여 충전효율이 최대가 되는 송전코일 보상 커패시터의 정전용량을 산출하고, 이 값에 따라 송전코일 보상 커패시터를 설정한다.
따라서 상기한 바와 같은 처리과정을 통하여, 충전효율의 모니터링을 통해 충전효율이 최대가 되는 정전용량에 따라 송전코일 보상 커패시터 및 수전코일 보상 커패시터의 정전용량을 각각 제어하는 것에 의해 항상 최적의 충전효율을 유지할 수 있다.
더 상세하게는, 도 5를 참조하면, 도 5는 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 동적 코일보상 기능을 가지는 무선충전장치(10)의 송전코일 보상부(16)와 수전코일 보상부(26)의 구체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
여기서, 도 5에 나타낸 회로 구성에 있어서, R1은 송전코일(17)의 저항과 송전전원부(12)의 내부저항을 합한 저항, R2는 수전코일(27)의 저항, RL은 정류부(25)와 배터리(22)로 구성된 회로의 저항, L1은 송전코일(17)의 인덕턴스, L2는 수전코일(27)의 인덕턴스, C1은 송전코일(17)의 인덕턴스가 가장 큰 경우의 송전코일 보상 커패시턴스, C2는 수전코일(27)의 인덕턴스가 가장 큰 경우의 수전코일 보상 커패시턴스, CA는 송전코일(17)을 동적으로 보상하기 위한 가변 커패시턴스, CB는 수전코일(27)을 동적으로 보상하기 위한 가변 커패시턴스, M은 송전코일(17)과 수전코일(27)의 상호 인덕턴스를 각각 나타낸다.
먼저, 동적 코일보상 기능이 없는 무선충전장치에 있어서, 송전코일 보상 커패시턴스 C1과 수전코일 보상 커패시턴스 C2는 이하의 [수학식 1]에 나타낸 바와 같이 스위칭 회로(15)의 스위칭 주파수 fs에서 각각 송전코일 인덕턴스 L1 및 수전코일 인덕턴스 L2와 직렬 공진회로를 구성하도록 설정된다.
[수학식 1]
또한, 송전코일 인덕턴스 L1과 수전코일 인덕턴스 L2는, 두 코일의 구조가 동일하며 두 코일 간격이 가장 작을 때 그리고 두 코일이 정확히 겹치게 정렬되었을 경우 각각 최대값 L1max, L2max가 되며, 각자 상대방 코일이 제거되었을 때 각각 최소값 L1min과 L2min을 가진다.
즉, 인덕턴스 L1의 변화비율을 m이라 하면, m은 이하의 [수학식 2]에 나타낸 바와 같이 나타낼 수 있으며, 통상적으로 대략 1.5 내지 3의 범위의 값을 가진다.
[수학식 2]
아울러, 동적 코일보상의 경우, 도 2에 나타낸 고정 커패시터 C1의 값은 이하의 [수학식 3]을 만족하는 값으로 설정될 수 있다.
[수학식 3]
상기한 바와 같은 관계는 수전코일 L2의 경우에도 동일하게 적용되며, 여기서, 본 발명의 실시예에서는, 설명을 간략히 하기 위해 중복되는 설명은 생략하였음에 유념해야 한다.
계속해서, 도 6을 참조하면, 도 6은 도 5에 나타낸 보상회로의 가변 커패시터(CA, CB)의 구체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 보상 커패시터 CA의 조정은, 예를 들면, 4개의 커패시터를 병렬로 연결하여 C1과 CA의 합이 총 16개의 값을 가지도록 구성될 수 있다.
더 상세하게는, 보상 커패시턴스 CA의 최대값 CA,max는 인덕턴스 L1의 예상되는 최소값 L1min에 의해 이하의 [수학식 4]에 나타낸 바와 같이 결정될 수 있다.
[수학식 4]
즉, 보상 커패시터는, 예를 들면, 도 6에 나타낸 바와 같이, 4개의 커패시턴스 C0, 2C0, 4C0, 8C0를 각각 스위치 S0, S1, S2, S3를 사용하여 단락 또는 개방함으로써, 인덕턴스 L1에 대한 보상 커패시턴스 값이 C1에서 C1 + CA,max까지 총 16단계의 값을 가지도록 제어할 수 있다.
이때, 도 6에 있어서, 상기한 C0는 이하의 [수학식 5]를 이용하여 산출될 수 있다.
[수학식 5]
여기서, 상기한 [수학식 5]에 있어서, 분모는 가변 커패시터에 구비되는 커패시터의 개수에 따라 변경될 수 있으며, 즉, 커패시터의 개수에 따라 도출 가능한 보상 커패시턴스의 조합의 총 수를 N이라 할 때, [수학식 5]의 분모는 N-1로 결정될 수 있다.
아울러, 수전코일 보상부(26)의 보상 커패시터 C2 및 CB도 상기한 바와 동일한 방법으로 설정될 수 있다.
여기서, 도 6에 나타낸 실시예에서는 보상 커패시터 (CA, CB)가 4개의 커패시터를 병렬로 연결하여 구성되는 경우를 예로 하여 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 경우로만 한정되는 것은 아니며, 즉 본 발명은, 본 발명의 실시예에 나타낸 구성 이외에도 본 발명의 취지 및 본질을 벗어나지 않는 범위 내에서 당업자에 의해 필요에 따라 다양하게 수정 및 변경하여 구성될 수 있는 것임에 유념해야 한다.
다음으로, 송전코일 보상부(16) 및 수전코일 보상부(26)의 제어는 다음과 같이 하여 수행될 수 있다.
먼저, 충전이 시작되면, 수전전압 측정부(23) 및 수전전류 측정부(24)를 통하여 수전전압 V2와 수전전류 I2의 값을 각각 측정하고 측정값에 근거하여 평균 수전전력 P2,av를 산출하는 처리가 수전제어부(28)를 통해 수행된다.
더 상세하게는, 이하의 [수학식 6]을 이용하여, 스위칭 회로(15)의 스위칭주기 T 동안 신호주기 시작점에서 출발하여 등간격으로 t1, t2, ..., tN 시점에서 각각 측정된 수전전압 값 V2(t1), V2(t2), ..., V2(tN)과 수전전류 값 I2(t1), I2(t2), ..., I2(tN)으로부터 평균 수전전력 P2,av를 구한다.
[수학식 6]
이와 동시에, 송전제어부(18)는, 송전전압 측정부(13)와 송전전류 측정부(14)를 통하여 동일한 방식으로 평균 송전전력 P1,av를 구하고, 수전제어부(28)를 통해 전송된 평균 수전전력 P2,av와 이하의 [수학식 7]을 이용하여 충전효율 E를 산출하며, 이러한 과정을 미리 정해진 일정 간격마다 주기적으로 반복하는 것에 의해 충전효율을 지속적으로 모니터링한다.
[수학식 7]
계속해서, 충전효율의 모니터링 중, 예를 들면, 충전효율이 미리 정해진 기준치 이하로 떨어지거나 미리 정해진 기준범위를 초과하는 변동이 감지된 경우, 송전코일(17)과 수전코일(27)의 동적보상이 필요한 것으로 판단하여 다음과 같은 처리가 수행된다.
더 상세하게는, 먼저, 수전코일 보상부(26)의 보상 커패시터를 제어하여 최소값 C2에서부터 최대값 C2+CB,max까지 총 16개의 수전코일 보상 커패시턴스 중에서 효율이 최대인 C2,opt를 구한다.
이어서, 수전코일 보상부(26) 커패시턴스를 C2,opt로 고정한 상태에서 송전코일 보상부(16)의 최적 커패시턴스 C1,opt를 같은 방법으로 구하고, 구해진 각각의 최적 커패시턴스에 따라 송전코일(17) 및 수전코일(27)의 값을 보상하도록 제어함으로써 항상 최적의 충전효율을 얻을 수 있고, 그것에 의해, 무선충전장치의 전체적인 성능 및 효율을 향상시킬 수 있다.
여기서, 상기한 바와 같은 처리과정에서 송전제어부(18)와 수전제어부(28)의 데이터 교환은 송전통신부(19)와 수전통신부(29)를 통하여 이루어진다.
따라서 상기한 바와 같이 하여 본 발명의 실시예에 따른 동적 코일보상 기능을 가지는 무선충전장치(10)를 구현할 수 있으며, 그것에 의해, 충전코일과 수전코일의 위치 및 형상에 따라 자동으로 코일보상이 이루어지는 무선충전방법을 구현할 수 있다.
즉, 도 7을 참조하면, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 동적 코일보상 기능을 가지는 무선충전장치(10)를 이용한 무선충전방법의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 플로차트이다.
도 7에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 무선충전방법은, 크게 나누어, 먼저, 도 1에 나타낸 바와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 동적 코일보상 기능을 가지는 무선충전장치(10)의 수전전압 측정부(23) 및 수전전류 측정부(24)를 통하여 수전전압과 수전전류의 값을 각각 측정하고, 측정값에 근거하여 평균 수전전력을 산출하는 처리가 수전제어부(28)를 통해 수행되는 수전전력 산출단계(S10)와, 송전전압 측정부(13)와 송전전류 측정부(14)를 통하여 송전전압과 송전전류의 값을 각각 측정하고, 측정값에 근거하여 평균 송전전력을 산출하는 처리가 송전제어부(18)를 통해 수행되는 송전전력 산출단계(S20)와, 산출된 각각의 수전전력과 송전전력의 값에 근거하여 충전효율을 구하고 지속적으로 모니터링하는 처리가 송전제어부(18)를 통해 수행되는 충전효율 산출 및 모니터링단계(S30)와, 모니터링 중 충전효율이 미리 정해진 기준값이나 범위를 벗어나는 것이 감지되면 송전코일 보상부(16) 및 수전코일 보상부(26)에 대하여 최적의 보상 커패시턴스를 산출하고 산출된 값에 근거하여 각각의 보상 커패시턴스를 최적값으로 제어하는 처리가 송전제어부(18)를 통해 수행되는 보상단계(S40)를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 상기한 각 단계(S10 ~ S40)의 구체적인 처리과정은 도 1 내지 도 6 및 [수학식 1] 내지 [수학식 7]을 참조하여 상기한 바와 같이 하여 구성될 수 있으므로, 여기서는 설명을 간략히 하기 위해 그 상세한 설명을 생략하였음에 유념해야 한다.
아울러, 상기한 본 발명의 실시예에 있어서, 예를 들면, 무선충전이나 코일보상이 이루어지는 구체적인 동작이나 원리 등과 같이, 당업자에게 있어 자명하거나 종래기술의 문헌 등을 참조하여 당업자가 용이하게 이해하고 실시할 수 있는 내용에 대하여는 설명을 간략히 하기 위해 그 상세한 설명을 생략하였음에 유념해야 한다.
따라서 상기한 바와 같이 하여 본 발명의 실시예에 따른 동적 코일보상 기능을 가지는 무선충전장치 및 이를 이용한 무선충전방법을 구현할 수 있으며, 그것에 의해, 본 발명에 따르면, 수전전압과 수전전류를 측정하여 수전전력을 산출하고, 송전전압과 송전전류를 측정하여 송전전력을 산출하며, 수전전력을 송전전력으로 나누어 충전효율을 산출하고, 충전효율을 지속적으로 모니터링하여 충전효율이 감소할 경우 충전효율이 최대가 되는 수전코일 보상 커패시터 및 송전코일 보상 커패시터의 정전용량 값으로 각각의 보상 커패시터를 설정하도록 구성되는 동적 코일보상 기능을 가지는 무선충전장치 및 이를 이용한 무선충전방법이 제공됨으로써, 상황에 따라 동적으로 송전코일과 수전코일을 공진시키기 위한 보상 커패시터를 제어하는 것에 의해 항상 최적의 무선충전 효율을 유지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 송전코일과 수전코일의 정렬정도의 변화시나 단일의 송전코일로부터 다수의 수전코일로 송전시 상황에 따라 자동으로 임피던스를 정합하여 무선충전 효율이 자동으로 최적화될 수 있도록 구성되는 동적 코일보상 기능을 가지는 무선충전장치 및 이를 이용한 무선충전방법이 제공됨으로써, 미리 정해진 송전코일과 수전코일의 구조나 간격에 대하여 고정된 코일보상 방식이 적용됨으로 인해 송전코일과 수전코일의 간격이나 정렬도 또는 수전코일의 형태가 변화할 경우 적절한 코일보상이 이루어지지 못하여 무선충전 효율이 감소하는 한계가 있었던 종래기술의 무선충전 장치 및 방법들의 문제점을 해결할 수 있다.
이상, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명에 따른 동적 코일보상 기능을 가지는 무선충전장치 및 이를 이용한 무선충전방법의 상세한 내용에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 기재된 내용으로만 한정되는 것은 아니며, 따라서 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 설계상의 필요 및 기타 다양한 요인에 따라 여러 가지 수정, 변경, 결합 및 대체 등이 가능한 것임은 당연한 일이라 하겠다.
10. 동적 코일보상 기능을 가지는 무선충전장치
11. 송전부 12. 송전전원부
13. 송전전압 측정부 14. 송전전류 측정부
15. 스위칭회로 16. 송전코일 보상부
17. 송전코일 18. 송전제어부
19. 송전통신부 21. 수전부
22. 배터리 23. 수전전압 측정부
24. 수전전류 측정부 25. 정류부
26. 수전코일 보상부 27. 수전코일
28. 수전제어부 29. 수전통신부
11. 송전부 12. 송전전원부
13. 송전전압 측정부 14. 송전전류 측정부
15. 스위칭회로 16. 송전코일 보상부
17. 송전코일 18. 송전제어부
19. 송전통신부 21. 수전부
22. 배터리 23. 수전전압 측정부
24. 수전전류 측정부 25. 정류부
26. 수전코일 보상부 27. 수전코일
28. 수전제어부 29. 수전통신부
Claims (11)
- 동적 코일보상 기능을 가지는 무선충전장치에 있어서,
송전코일을 통하여 무선으로 전력을 송신하도록 이루어지는 송전부; 및
수전코일을 통하여 상기 송전부로부터 송신되는 전력을 수신하는 수전부를 포함하여 구성되고,
상기 송전부는,
송전전압을 측정하기 위한 송전전압 측정부;
송전전류를 측정하기 위한 송전전류 측정부;
상기 송전코일의 인덕턴스를 제어하기 위해, 미리 정해진 정전용량을 가지는 고정 커패시터 C1과, 서로 다른 정전용량을 가지고 병렬 연결된 복수의 커패시터와 각각의 커패시터에 연결된 스위치를 포함하여 이루어지는 가변 커패시터 CA를 포함하여 이루어지는 송전코일 보상부;
전압 및 전류 측정값을 포함하는 각종 데이터를 송수신하기 위한 송전통신부; 및
상기 송전부의 전체적인 동작을 제어하고, 상기 송전전압 측정부 및 상기 송전전류 측정부에 의해 측정된 각각의 측정값과 상기 수전부로부터 전송되는 데이터에 근거하여 충전효율을 산출하고 모니터링하여 충전효율이 최대가 되도록 상기 송전코일 보상부를 제어하는 처리가 수행되는 송전제어부를 포함하여 구성되며,
상기 수전부는,
수전전류를 측정하기 위한 수전전류 측정부;
수전전압을 측정하기 위한 수전전압 측정부;
상기 수전코일의 인덕턴스를 제어하기 위해, 미리 정해진 정전용량을 가지는 고정 커패시터 C2와, 서로 다른 정전용량을 가지고 병렬 연결된 복수의 커패시터와 각각의 커패시터에 연결된 스위치를 포함하여 이루어지는 가변 커패시터 CB를 포함하여 이루어지는 수전코일 보상부;
전압 및 전류 측정값을 포함하는 각종 데이터를 송수신하기 위한 수전통신부; 및
상기 수전부의 전체적인 동작을 제어하고, 상기 수전전압 측정부 및 상기 수전전류 측정부에 의해 측정된 각각의 측정값에 근거하여 수전전력을 산출하고 상기 송전부로 전송하며, 상기 수전코일 보상부를 제어하여 충전효율이 최대가 되는 최적값을 구하고 상기 송전부로 전송하는 처리가 수행되는 수전제어부를 포함하여 구성되고,
상기 송전코일 보상부(수전코일 보상부)는,
fs는 스위칭회로의 스위칭 주파수, L1(L2)은 송전코일(수전코일)의 인덕턴스, L1max(L2max)는 송전코일(수전코일) 인덕턴스의 최대값, C1(C2)은 송전코일(수전코일)의 인덕턴스가 가장 큰 경우의 송전코일(수전코일) 보상 커패시턴스라 할 때, 상기 고정 커패시터 C1(C2)의 값이 이하의 수학식을 만족하는 값으로 설정되도록 구성됨으로써,
각각의 스위치를 통하여 상기 가변 커패시터의 각각의 커패시터를 단락 또는 개방하는 것에 의해 보상 커패시턴스 값을 변경하여 제어할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 동적 코일보상 기능을 가지는 무선충전장치.
- 삭제
- 제 1항에 있어서,
상기 송전부는,
전력을 공급하기 위한 송전전원부; 및
충전전류 및 전압을 일정하게 제어하기 위한 스위칭회로를 더 포함하여 구성되고,
상기 수전부는,
수신된 전력신호의 정류를 위한 정류부; 및
수신된 전력이 저장되는 배터리를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 동적 코일보상 기능을 가지는 무선충전장치.
- 제 3항에 있어서,
상기 수전제어부는,
상기 수전전압 측정부 및 상기 수전전류 측정부를 통하여 수전전압과 수전전류를 측정하고, 측정된 값들로부터 수전전력을 계산하여 상기 수전통신부를 통해 상기 송전제어부로 전송하는 처리가 수행되고,
상기 송전제어부는,
상기 송전전압 측정부 및 상기 송전전류 측정부를 통하여 송전전압과 송전전류를 측정하고, 측정된 값들로부터 송전전력을 산출하며, 상기 수전제어부에서 수신된 수전전력을 산출된 송전전력으로 나눈 값에 근거하여 충전효율을 산출하는 과정을 미리 정해진 설정에 따라 반복 수행하여 충전효율을 모니터링하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 동적 코일보상 기능을 가지는 무선충전장치.
- 제 4항에 있어서,
상기 송전제어부는,
충전효율의 모니터링 중 충전효율이 미리 정해진 기준값이나 기준범위를 벗어나는 것이 감지되면 상기 수전제어부에 상기 수전코일에 대한 보상명령을 전송하고,
상기 수전제어부는,
상기 보상명령에 근거하여 상기 수전코일 보상부의 수전코일 보상 커패시터의 정전용량을 제어하여 상기 수전코일 보상 커패시터의 최소값에서 최대값까지의 값들 중에서 충전효율이 최대가 되는 최적값을 구하여 상기 송전제어부로 전송하며,
상기 송전제어부는,
수신된 상기 수전코일 보상부의 최적값에 근거하여, 상기 송전코일 보상부의 송전코일 보상 커패시터의 최소값에서 최대값까지의 값들 중에서 충전효율이 최대가 되는 최적값으로 상기 송전코일 보상 커패시터의 정전용량을 제어하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 동적 코일보상 기능을 가지는 무선충전장치.
- 삭제
- 삭제
- 제 1항에 있어서,
상기 송전코일 보상부(수전코일 보상부)는,
상기 송전코일(수전코일)의 인덕턴스 L1(L2)의 최소값을 L1min(L2min)라 할 때, 상기 가변 커패시터 CA(CB)의 최대값 CA,max(CB,max)이 이하의 수학식을 만족하는 값으로 설정되는 것을 특징으로 하는 동적 코일보상 기능을 가지는 무선충전장치.
- 제 8항에 있어서,
상기 송전코일 보상부(수전코일 보상부)는,
상기 가변 커패시터 CA(CB)의 각각의 커패시터의 값은 기본 커패시턴스 C0의 배수(C0, 2C0, 4C0, 8C0,...)로 설정되고,
상기 기본 커패시턴스 C0는 이하의 수학식을 이용하여 산출되는 것을 특징으로 하는 동적 코일보상 기능을 가지는 무선충전장치.
(여기서, N은 가변 커패시터 CA(CB)에 구비되는 개별 커패시터의 수에 따라 고정 커패시터 C1(C2)와 조합 가능한 총 경우의 수를 의미함)
- 제 9항에 있어서,
상기 무선충전장치는,
충전이 시작되면, 상기 수전전압 측정부 및 상기 수전전류 측정부를 통하여 수전전압 V2와 수전전류 I2의 값을 각각 측정하고, 이하의 수학식을 이용하여 상기 스위칭 회로의 스위칭주기 T 동안 등간격으로 각각의 시점 t1, t2, ..., tN에서 각각 측정된 수전전압 값 V2(t1), V2(t2), ..., V2(tN)과 수전전류 값 I2(t1), I2(t2), ..., I2(tN)으로부터 평균 수전전력 P2,av를 산출하여 상기 송전제어부로 전송하는 처리가 상기 수전제어부를 통해 수행되며,
상기 송전제어부를 통하여, 상기 송전전압 측정부와 상기 송전전류 측정부를 통해 측정된 각각의 측정값에 근거하여 상기 수전제어부와 동일한 방식으로 평균 송전전력 P1,av를 산출하고, 상기 수전제어부를 통해 전송된 평균 수전전력 P2,av와 이하의 수학식을 이용하여 충전효율 E를 산출하는 과정을 미리 정해진 설정에 따라 반복하는 것에 의해 충전효율을 지속적으로 모니터링하며,
모니터링 중 충전효율이 미리 정해진 기준치나 기준범위를 벗어나는 것이 감지되면 상기 송전코일과 상기 수전코일의 보상이 필요한 것으로 판단하여 상기 수전코일 보상부의 가변 커패시터를 제어하여 최소값 C2에서부터 최대값 C2+CB,max까지의 수전코일 보상 커패시턴스 중에서 효율이 최대인 최적 커패시턴스 C2,opt를 구하고,
상기 수전코일 보상부의 커패시턴스를 상기 최적 커패시턴스 C2,opt로 고정한 상태에서 상기 송전코일 보상부의 최적 커패시턴스 C1,opt를 상기 송전코일 보상부와 동일한 방식으로 구하고, 구해진 각각의 최적 커패시턴스 값에 따라 상기 송전코일 보상부 및 상기 수전코일 보상부의 커패시턴스를 각각 제어하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 동적 코일보상 기능을 가지는 무선충전장치.
- 청구항 1항, 청구항 3항 내지 청구항 5항, 청구항 8항 내지 청구항 10항 중 어느 한 항에 기재된 동적 코일보상 기능을 가지는 무선충전장치를 이용한 무선충전방법에 있어서,
상기 무선충전장치의 수전제어부를 통하여, 상기 무선충전장치의 수전전압 측정부 및 수전전류 측정부를 통해 수전전압과 수전전류의 값을 각각 측정하고, 측정값에 근거하여 평균 수전전력을 산출하는 처리가 수행되는 수전전력 산출단계;
상기 무선충전장치의 송전제어부를 통하여, 상기 무선충전장치의 송전전압 측정부 및 송전전류 측정부를 통해 송전전압과 송전전류의 값을 각각 측정하고, 측정값에 근거하여 평균 송전전력을 산출하는 처리가 수행되는 송전전력 산출단계;
상기 송전제어부를 통하여, 각각의 수전전력과 송전전력의 값에 근거하여 충전효율을 구하고 지속적으로 모니터링하는 처리가 수행되는 충전효율 산출 및 모니터링단계; 및
상기 송전제어부를 통하여, 모니터링 중 충전효율이 미리 정해진 기준값이나 범위를 벗어나는 것이 감지되면 상기 무선충전장치의 송전코일 보상부 및 수전코일 보상부에 대한 최적의 보상 커패시턴스를 산출하고, 산출된 값에 근거하여 각각의 보상 커패시턴스를 최적값으로 제어하는 처리가 수행되는 보상단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 무선충전방법.
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