KR20110135541A - 무선 전력 수신 방법 및 무선 전력 수신 장치 - Google Patents

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황찬수
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Abstract

무선 전력 수신 방법 및 무선 전력 수신 장치가 제공된다. 무선 전력 수신 장치가 제1무선 전력 송신기로부터 제1무선 전력을 수신하는 중, 제1무선 전력의 전송 효율이 낮아지면, 전송 효율이 우수한 제2무선 전력을 제2무선 전력 송신기로부터 수신할 수 있다.

Description

무선 전력 수신 방법 및 무선 전력 수신 장치{Method and Apparatus for receiving wireless power}
기술분야는 무선 전력 수신 방법 및 무선 전력 수신 장치에 관한 것으로서, 핸드오프(handoff)에 의해 무선 전력을 지속적으로 수신할 수 있는 무선 전력 수신 방법 및 무선 전력 수신 장치에 관한 것이다.
휴대용 전자제품의 특성 상, 배터리 성능이 중요한 문제로 대두되고 있다. 일반적으로, 휴대용 전자제품은 전력선(Power Line)을 이용하여 전력(power)을 제공받는다. 반면, 무선 전력 전송 기술(Wireless Power Transmission)이 휴대용 전자제품에 적용되면, 휴대용 전자제품은 이동 중에서 전력선 없이 전력을 제공받을 수 있다.
그러나, 휴대용 전자제품이 이동 중에 무선으로 전력을 수신하는 경우, 전력을 제공하는 송신기와의 거리가 멀어지면, 무선 전력의 송수신은 끊기게 된다. 따라서, 휴대용 전자제품이 이동중인 경우에도 무선 전력을 효과적으로 수신할 수 있는 방안이 필요하다.
일 측면에 있어서, 제1무선 전력 송신기로부터 제1무선 전력을 수신하는 단계; 상기 수신되는 제1무선 전력을 이용하여 충전하는 단계; 및 상기 수신되는 제1무선 전력의 전송 효율이 제1기준값보다 작으면, 제2무선 전력 송신기로 핸드오프하여 제2무선 전력을 수신하는 단계;를 포함하는 무선 전력 수신 방법이 제공된다.
상기 수신되는 제1무선 전력의 전송 효율을 측정하는 단계; 상기 측정된 제1무선 전력의 전송 효율이 상기 제1기준값보다 작으면, 상기 제2무선 전력 송신기로부터 상기 제2무선 전력을 수신하여 전송 효율을 측정하는 단계; 및 상기 측정된 제2무선 전력의 전송 효율이 상기 제1기준값보다 크면, 상기 제2무선 전력 송신기로부터 상기 제2무선 전력을 수신하여 충전하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 제2무선 전력을 수신하여 전송 효율을 측정하는 단계는, 상기 제2무선 전력 송신기를 포함하는 복수의 외부 무선 전력 송신기들로부터 외부 무선 전력을 수신하여 전송 효율을 측정할 수 있다.
상기 수신되는 제1무선 전력의 전송 효율을 측정하는 단계; 상기 측정된 제1무선 전력의 전송 효율이 상기 제1기준값보다 작으면, 상기 제2무선 전력 송신기로부터 상기 제2무선 전력을 수신하여 전송 효율을 측정하는 단계; 상기 측정된 제2무선 전력의 전송 효율이 제2기준값-보다 크면, 상기 제1무선 전력 및 상기 제2무선 전력을 재수신하여 전송 효율을 각각 재측정하는 단계; 및 상기 재측정된 제2무선 전력의 전송 효율이 상기 제1기준값보다 크면, 상기 제2무선 전력 송신기로부터 상기 제2무선 전력을 수신하여 충전하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 재측정된 제2무선 전력의 전송 효율이 상기 제1기준값보다 작고, 상기 재측정된 제1무선 전력의 전송 효율이 상기 제1기준값보다 크면, 상기 제1무선 전력의 수신을 유지하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 제1무선 전력 및 상기 제2무선 전력은 공진 주파수를 통해 송수신될 수 있다.
다른 측면에 있어서,제1무선 전력 송신기로부터 제1무선 전력을 수신하는 수신부; 상기 수신되는 제1무선 전력을 이용하여 충전하는 충전부; 및 상기 제1무선 전력의 전송 효율이 제1기준값보다 작으면, 제2무선 전력 송신기로 핸드오프하여 제2무선 전력을 수신하도록 상기 수신부를 제어하는 제어부;를 포함하는 무선 전력 수신 장치가 제공된다.
상기 수신되는 제1무선 전력의 전송 효율을 측정하는 측정부;를 더 포함하며, 상기 제어부는, 상기 측정된 제1무선 전력의 전송 효율이 상기 제1기준값보다 작으면, 상기 제2무선 전력 송신기로부터 상기 제2무선 전력을 수신하여 전송 효율을 측정하도록 상기 수신부 및 상기 측정부를 제어하며, 상기 측정된 제2무선 전력의 전송 효율이 상기 제1기준값보다 크면, 상기 제2무선 전력을 수신하여 충전하도록 상기 수신부 및 상기 충전부를 제어할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 측정된 제1무선 전력의 전송 효율이 상기 제1기준값보다 작으면, 상기 제2무선 전력 송신기를 포함하는 복수의 외부 무선 전력 송신기들로부터 외부 무선 전력을 수신하여 전송 효율을 측정하도록 상기 수신부 및 상기 측정부를 제어할 수 있다.
상기 수신되는 제1무선 전력의 전송 효율을 측정하는 측정부;를 더 포함하며, 상기 제어부는, 상기 측정된 제1무선 전력의 전송 효율이 상기 제1기준값보다 작으면, 상기 제2무선 전력 송신기로부터 상기 제2무선 전력을 수신하여 전송 효율을 측정하고, 상기 측정된 제2무선 전력의 전송 효율이 제2기준값보다 크면, 상기 제1무선 전력 및 상기 제2무선 전력을 재수신하여 전송 효율을 재측정하도록 상기 수신부 및 상기 측정부를 제어하며, 상기 재측정된 제2무선 전력의 전송 효율이 상기 제1기준값보다 크면, 상기 제2무선 전력 송신기로부터 상기 제2무선 전력을 수신하여 충전하도록 상기 수신부 및 상기 충전부를 제어할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 재측정된 제2무선 전력의 전송 효율이 상기 제1기준값보다 작고, 상기 재측정된 제1무선 전력의 전송 효율이 상기 제1기준값보다 크면, 상기 제1무선 전력의 수신을 유지하도록 상기 수신부를 제어할 수 있다.
무선 전력 수신 방법 및 무선 전력 수신 장치가 제공된다. 무선 전력 수신 장치의 이동에 의해, 무선 전력 수신 장치가 기존의 무선 전력 송신기로부터 멀어지고 다른 송신기와 가까워지면, 무선 전력 수신 장치는 끊김없는 핸드오프에 의해, 다른 무선 전력 송신기로부터 전력을 공급받을 수 있다.
또한, 무선 전력 수신기의 이동 시 전력 전송을 끊김없이 핸드오버함으로써, 무선 전력 수신기의 이동성을 효과적으로 지원할 수 있다.
도 1은 예시적인 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 나타낸다.
도 2는 무선 전력 송수신을 위한 시스템을 도시한 도면이다.
도 3은 도 2의 WP 수신기의 일 예를 도시한 블록도이다.
도 3은 도 2의 WP 수신기의 일 예를 도시한 블록도이다.
도 5는 WP 수신기의 무선 전력 수신 방법의 일 예를 설명하기 위한 흐름도이다.
도 6은 WP 수신기의 무선 전력 수신 방법의 다른 예를 설명하기 위한 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 meta-structured 공진기를 나타낸 도면이다.
도 8은 도 7에 도시된 공진기의 등가 회로를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 meta-structured 공진기를 나타낸 도면이다.
도 10은 도 9의 커패시터의 삽입 위치를 상세하게 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
먼저, 무선 전력전송 시스템에 이용되는 무선 전력전송 기술을 설명한다. 무선전력전송 기술은 크게 전자기 유도 방식, 전파 수신 방식, 전장 혹은 자장의 공진방식 등 3가지 방식으로 구분할 수 있다.
첫째, 전자기 유도 방식은 서로 다른 두 개의 코일을 가까이 접근 시킨 후 한쪽 코일에 교류 전류를 흐르게 하면 자속이 발생하게 되고 이를 통해 다른 코일 한쪽에도 기전력이 발생하는 현상을 이용한다. 전자기 유도방식은 전력 이용 효율이 대략 60~98%에 이르는 등 고효율 및 실용화가 가장 많이 진행되어 있다.
둘째, 전파 수신 방식은 전파 에너지를 안테나로 수신하여 이용하는 것으로 교류 전파 파형을 정류회로를 통해 직류로 변환하여 전력을 얻는다. 전파수신방식은 가장 긴 거리간(수 m 이상) 무선전력전송이 가능하다.
셋째, 공진방식은 전장 혹은 자장의 공진을 이용한 것으로 기기간에 동일 주파수로 공진하여 에너지를 전달한다. 자장의 공진을 이용하는 경우 LC공진기 구조를 활용한 자계공진(magnetic resonance coupling)을 이용하여 전력을 발생시킨다. 자계공진방식은 사용 주파수의 파장에 비해 짧은 거리의 근접장(near field)효과를 이용하는 기술로써, 전파 수신 방식과는 달리 비방사형(non-radiative) 에너지 전송이며, 송수신부간의 공진주파수를 일치시켜 전력을 전송한다. 자계공진방식을 통해 전력 전송효율은 약 50~60% 정도로 높아지며, 이 정도의 효율은 전파 방사를 통한 전파 수신형 보다 상당히 높은 것이다. 송수신기간 거리는 약 수 m로써, 비록 전파 수신 방식보다는 근거리에서 사용되는 기술이나, 수 mm 이내의 전자 유도형 방식보다는 매우 먼 거리에서도 전력 전송이 가능하게 된다.
도 1은 예시적인 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 나타낸다.
도 1의 예에서, 무선 전력 전송 시스템을 통해 전송되는 무선 전력은 공진 전력(resonance power)이라 가정한다.
도 1을 참조하면, 무선 전력 전송 시스템은 소스와 타겟으로 구성되는 소스-타겟 구조이다. 즉, 무선 전력 전송 시스템은 소스에 해당하는 공진 전력 전송 장치(110)와 타겟에 해당하는 공진 전력 수신 장치(120)를 포함한다.
공진 전력 전송 장치(110)는 외부의 전압 공급기로부터 에너지를 수신하여 공진 전력을 발생시키는 소스부(111) 및 소스 공진기(115)를 포함한다. 또한, 공진 전력 전송 장치(110)는 공진주파수 또는 임피던스 매칭을 수행하는 매칭 제어부(Matching control)(113)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
소스부(111)는 외부의 전압 공급기로부터 에너지를 수신하여 공진 전력을 발생시킨다. 소스부(111)는 외부 장치로부터 입력되는 교류 신호의 신호 레벨을 원하는 레벨로 조정하기 위한 AC-AC Converter, AC-AC Converter로부터 출력되는 교류 신호를 정류함으로써 일정 레벨의 DC 전압을 출력하는 AC-DC Converter, AC-DC Converter에서 출력되는 DC 전압을 고속 스위칭함으로써 수 MHz ~ 수십MHz 대역의 AC 신호를 생성하는 DC-AC Inverter를 포함할 수 있다.
매칭 제어부(Matching control)(113)는 소스 공진기(115)의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth) 또는 소스 공진기(115)의 임피던스 매칭 주파수를 설정한다. 매칭 제어부(Matching control)(113)는 소스 공진 대역폭 설정부(도시 되지 않음) 또는 소스 매칭 주파수 설정부(도시 되지 않음) 중 적어도 하나를 포함한다. 소스 공진 대역폭 설정부는 소스 공진기(115)의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth)을 설정한다. 소스 매칭 주파수 설정부는 소스 공진기(115)의 임피던스 매칭 주파수를 설정한다. 이때, 소스 공진기의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth) 또는 소스 공진기의 임피던스 매칭 주파수 설정에 따라서 소스 공진기(115)의 Q-factor가 결정될 수 있다.
소스 공진기(115)는 전자기(electromagnetic) 에너지를 타겟 공진기로 전달(transferring)한다. 즉, 소스 공진기(115)는 타겟 공진기(121)와의 마그네틱 커플링(101)을 통해 공진 전력을 타겟 장치(120)로 전달한다. 이때, 소스 공진기(115)는 설정된 공진 대역폭 내에서 공진한다.
공진 전력 수신 장치(120)는 타겟 공진기(121), 공진주파수 또는 임피던스 매칭을 수행하는 Matching control부(123) 및 수신된 공진 전력을 부하로 전달하기 위한 타겟부(125)를 포함한다.
타겟 공진기(121)는 소스 공진기(115)로부터 전자기(electromagnetic) 에너지를 수신한다. 이때, 타겟 공진기(121)는 설정된 공진 대역폭 내에서 공진한다.
Matching control부(123)는 타겟 공진기(121)의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth) 또는 타겟 공진기(121)의 임피던스 매칭 주파수 중 적어도 하나를 설정한다. Matching control부(123)는 타겟 공진 대역폭 설정부(도시 되지 않음) 또는 타겟 매칭 주파수 설정부(도시 되지 않음) 중 적어도 하나를 포함한다. 타겟 공진 대역폭 설정부는 타겟 공진기(121)의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth)을 설정한다. 타겟 매칭 주파수 설정부는 타겟 공진기(121)의 임피던스 매칭 주파수를 설정한다. 이때, 타겟 공진기(121)의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth) 또는 타겟 공진기(121)의 임피던스 매칭 주파수 설정에 따라서 타겟 공진기(121)의 Q-factor가 결정될 수 있다.
타겟부(125)는 수신된 공진 전력을 부하로 전달한다. 이때, 타겟부(125)는 소스 공진기(115)로부터 타겟 공진기(121)로 수신되는 AC 신호를 정류하여 DC 신호를 생성하는 AC-DC Converter와, DC 신호의 신호 레벨을 조정함으로써 정격 전압을 디바이스(device) 또는 부하(load)로 공급하는 DC-DC Converter를 포함할 수 있다.
소스 공진기(115) 및 타겟 공진기(121)는 헬릭스(helix) 코일 구조의 공진기 또는 스파이럴(spiral) 코일 구조의 공진기, 또는 meta-structured 공진기로 구성될 수 있다.
도 1을 참조하면, 큐-펙터의 제어 과정은, 소스 공진기(115)의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth) 및 타겟 공진기(121)의 공진 대역폭을 설정하고, 소스 공진기(115)와 타겟 공진기(121) 사이의 마그네틱 커플링을 통해 전자기(electromagnetic) 에너지를 상기 소스 공진기(115)로부터 상기 타겟 공진기(121)로 전달(transferring)하는 것을 포함한다. 이때, 소스 공진기(115)의 공진 대역폭은 타겟 공진기(121)의 공진 대역폭 보다 넓거나 좁게 설정될 수 있다. 즉, 소스 공진기(115)의 공진 대역폭이 타겟 공진기(121)의 공진 대역폭 보다 넓거나 좁게 설정됨으로써, 소스 공진기의 BW-factor와 상기 타겟 공진기의 BW-factor는 서로 불평형(unbalance) 관계가 유지된다.
공진 방식의 무선 전력 전송에서, 공진 대역폭은 중요한 factor이다. 소스 공진기(115)와 타겟 공진기(121) 사이의 거리 변화, 공진 임피던스의 변화, 임피던스 미스 매칭, 반사 신호 등을 모두 고려한 Q-factor를 Qt라 할 때, Qt는 수학식 1과 같이 공진 대역폭과 반비례 관계를 갖는다.
Figure pat00001
수학식 1에서, f0는 중심주파수,
Figure pat00002
는 대역폭,
Figure pat00003
는 공진기 사이의 반사 손실, BWS는 소스 공진기(115)의 공진 대역폭, BWD는 타겟 공진기(121)의 공진 대역폭을 나타낸다. 본 명세서에서 BW-factor는 1/ BWS 또는 1/BWD를 의미한다.
한편, 소스 공진기(115)와 타겟 공진기(121) 간의 거리가 달라지거나, 둘 중 하나의 위치가 변하는 등의 외부 영향에 의하여, 소스 공진기(115)와 타겟 공진기(121) 간의 임피던스 미스 매칭이 발생할 수 있다. 임피던스 미스 매칭은 전력 전달의 효율을 감소시키는 직접적인 원인이 될 수 있다. 매칭 제어부(Matching control)(113)는 전송신호의 일부가 반사되어 돌아오는 반사파를 감지함으로써, 임피던스 미스 매칭이 발생한 것으로 판단하고, 임피던스 매칭을 수행할 수 있다. 또한, 매칭 제어부(Matching control)(113)는 반사파의 파형 분석을 통해 공진 포인트를 검출함으로써, 공진 주파수를 변경할 수 있다. 여기서, 매칭 제어부(Matching control)(113)는 반사파의 파형에서 진폭(amplitude)이 최소인 주파수를 공진 주파수로 결정할 수 있다.
도 2는 무선 전력 송수신을 위한 시스템을 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 무선 전력 송수신을 위한 시스템은 제1무선 전력(WP: Wireless Power) 송신기(200), WP 수신기(300) 및 제2WP 송신기(400)를 포함한다.
제1WP 송신기(200), WP 수신기(300) 및 제2WP 송신기(400)는 도 1을 참조하여 설명한 무선 전력 전송 시스템에서 사용될 수 있다. WP 수신기(300)는 무선 전력 충전이 가능한 모든 장치일 수 있다.
제1WP 송신기(200)는 도 1의 무선 전력 송신 기술을 이용하여 제1공진 주파수를 통해 제1무선 전력을 발생시킨다. 제1커버리지(C1)는 WP 수신기(300)가 제1무선 전력을 수신할 수 있는 영역이다.
제2WP 송신기(400)는 도 1의 무선 전력 송신 기술을 이용하여 제2공진 주파수를 통해 제2무선 전력을 발생시킨다. 제2커버리지(C2)는 WP 수신기(300)가 제2무선 전력을 수신할 수 있는 영역이다.
도 2에 의하면, WP 수신기(300)는 제1커버리지(C1)에 위치하여, 제1WP 송신기(200)로부터 제1무선 전력을 수신하는 중이다. WP 수신기(300)는 수신되는 제1무선 전력을 이용하여 에너지를 충전한다.
한편, 제1WP 송신기(200)와 제2WP 송신기(400) 사이에는 통신 채널이 설정되어 있을 수 있다. 따라서, WP 수신기(300)가 제1WP 송신기(200)로부터 제1무선 전력을 수신하는 중 제2커버리지(C2)로 이동하게 되면, 제1WP 송신기(200)는 통신 채널을 통해, 제2WP 송신기(400)에게 제2무선 전력의 송신을 요청할 수 있다. 제2WP 송신기(400)는 제1WP 송신기(200)의 요청에 의해 WP 수신기(300)로 제2무선 전력을 송신할 수 있다.
WP 수신기(300)가 제1WP 송신기(200)로부터 제1무선 전력을 수신하는 중 제2커버리지(C2)로 이동하게 되면, WP 수신기(300)는 제2WP 송신기(400)로부터 제2무선 전력을 수신하는 것이 전송 효율 및 충전 속도 측면에서 효과적이다. 여기서, 전송 효율은 무선 전력의 수신 효율일 수 있다.
이를 위하여, WP 수신기(300)는 제1WP 송신기(200)로부터 제2WP 송신기(400)로 핸드오프(handoff)하여 제2커버리지(C2)에서는 제2무선 전력을 수신할 수 있다.
도 3은 도 2의 WP 수신기의 일 예를 도시한 블록도이다.
도 3을 참조하면, WP 수신기(300)는 기능 블록(310), 수신부(320), 정류기(330), 충전부(340), 측정부(350) 및 제어부(360)를 포함할 수 있다.
기능 블록(310)은 WP 수신기(300)의 고유 기능을 수행할 수 있다. 예를 들어, WP 수신기(300)가 모바일 폰인 경우, 기능 블록(310)은 무선 통신을 위한 모듈을 포함할 수 있다.
수신부(320)는 제1무선 전력을 수신하는데 필요한 주파수 정보를 이용하여 제1WP 송신기(200)와의 제1공진 주파수를 형성한다. 그리고, 수신부(320)는 제1공진 주파수를 통해 제1WP 송신기(200)로부터 제1무선 전력을 수신한다. 수신부(320)는 예를 들어, 공진기로 구현될 수 있다.
정류기(330)는 수신부(320)로부터 출력되는 제1무선 전력을 정류한다. 정류된 제1무선 전력은 충전부(340) 및 측정부(350)로 출력한다.
충전부(340)는 정류기(330)로부터 입력되는 제1무선 전력을 이용하여 충전을 시작한다. 충전부(340)는 주지된 배터리일 수 있다.
측정부(350)는 제1WP 송신기(200)로부터 수신되는 제1무선 전력의 전송 효율 또는 제2WP 송신기(400)로부터 수신되는 제2무선 전력의 전송 효율을 측정한다.
제어부(360)는 측정부(350)에서 측정되는 제1무선 전력의 전송 효율을 주기적으로 확인할 수 있다. 이하에서는, '제1무선 전력의 전송 효율'을 '제1전송 효율'이라 하며, '제2무선 전력의 전송 효율'을 '제2전송 효율'이라 한다.
측정된 제1전송 효율이 제1기준값(T1)보다 작으면, 제어부(360)는 무선 전력의 핸드오프가 필요한 것으로 판단한다. 그리고, 제어부(360)는 전송 효율이 우수한 제2WP 송신기(400)로 핸드오프하여 제2무선 전력을 수신하도록 수신부(320)를 제어할 수 있다.
일 예로, 제어부(360)는 하나의 제1기준값(T1)을 이용하여 무선 전력의 핸드오프를 결정할 수 있다. 제어부(360)는 측정된 제1전송 효율이 제1기준값(T1)보다 작으면, 제2WP 송신기(400)로부터 수신되는 제2무선 전력을 수신하여 제2전송 효율을 측정하도록 수신부(320) 및 측정부(350)를 제어할 수 있다.
제어부(360)는 스캐닝에 의해 무선 전력을 출력하고 있는 외부 WP 송신기를 확인할 수 있다. 확인된 외부 WP 송신기가 제2WP 송신기(400)인 경우, 제어부(360)는 제2WP 송신기(400)와의 제2공진 주파수를 형성하고, 제2공진 주파수를 통해 제2무선 전력을 수신하도록 수신부(320)를 제어할 수 있다. 또한, 확인된 외부 WP 송신기가 복수 개인 경우, 제어부(360)는 복수 개의 외부 WP 송신기들로부터 각각의 무선 전력을 수신하여 전송 효율을 측정하도록 수신부(320) 및 측정부(350)를 제어할 수 있다. 도 3에서는, 설명의 편의를 위하여, 수신부(320)가 하나의 WP 송신기, 즉, 제2WP 송신기(400)로부터 제2무선 전력을 수신하는 경우를 예로 들어 설명한다.
제어부(360)는 수신되는 제2전송 효율을 측정하도록 측정부(350)를 제어할 수 있다. 제어부(360)는 측정된 제2전송 효율이 제1기준값(T1)보다 크면, 제2무선 전력을 수신하여 충전하도록 수신부(320) 및 충전부(340)를 제어한다.
다른 예로, 제어부(360)는 제1기준값(T1) 및 제2기준값(T2)을 이용하여 무선 전력의 핸드오프를 결정할 수 있다. 제1기준값(T1)은 제2무선 전력이 충전에 적합한지를 판단하기 위한 임계값이다. 또한, 제2기준값(T2)은 제1기준값(T1)보다 작은 크기를 가지며, 측정된 제2무선 전력이 핸드오프에 적합한지를 판단하는데 사용되는 임계값이다.
측정된 제1전송 효율이 제1기준값(T1)보다 작으면, 제어부(360)는 스캐닝에 의해 무선 전력을 출력하고 있는 외부 WP 송신기를 확인할 수 있다. 확인된 외부 WP 송신기가 제2WP 송신기(400)인 경우, 제어부(360)는 제2WP 송신기(400)로부터 출력되는 제2무선 전력을 수신하도록 수신부(320)를 제어할 수 있다.
수신부(320)는 제어부(360)의 제어에 의해, 제2WP 송신기(400)와의 제2공진 주파수를 형성하고, 제2공진 주파수를 통해 제2무선 전력을 수신할 수 있다. 상술한 바와 같이, 제어부(360)는 제2WP 송신기(400)를 포함하는 복수의 외부 WP 송신기들로부터 무선 전력을 수신하도록 수신부(320)를 제어할 수도 있다.
제어부(360)는 제2전송 효율을 측정하도록 측정부(350)를 제어할 수 있다. 측정된 제2전송 효율이 제2기준값(T2)보다 크면, 제어부(360)는 제1무선 전력 및 상기 제2무선 전력을 재수신하여 전송 효율을 재측정하도록 수신부(320) 및 측정부(350)를 제어한다.
재측정된 제2전송 효율이 제1기준값(T1)보다 크면, 제어부(360)는 제2WP 송신기(400)로부터 제2무선 전력을 수신하여 충전하도록 수신부(320) 및 충전부(340)를 제어할 수 있다. 이로써, WP 수신기(300)는 무선 충전에 적합한 제2무선 전력을 수신하여 무선 충전을 할 수 있다.
반면, 제어부(360)는 재측정된 제2전송 효율이 제1기준값(T1)보다 작고, 재측정된 제1전송 효율이 제1기준값(T1)보다 크면, 제1무선 전력의 수신을 유지하도록 수신부(320)를 제어할 수 있다.
도 4는 WP 수신기의 이동에 의해 제2WP 송신기를 선택하는 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
먼저, WP 수신기(300)가 제1WP 송신기(200) 및 제2WP 송신기(400)로부터 제1무선 전력 및 제2무선 전력을 수신한다고 가정한다. 도 4를 참조하면, 제1WP 송신기(200)의 전송 효율이 높은 경우, WP 수신기(300)는 전송 효율이 높은 제1WP 송신기(200)로부터 제1무선 전력을 수신한다. 제2WP 송신기(400)의 전송 효율은 미약하므로, 제2무선 전력의 수신량은 거의 없다.
WP 수신기(300)가 제2커버리지(C2) 방향으로 이동하게 되면, 제1전송 효율은 낮아지며, 제2전송 효율은 증가하게 된다. 이로써, 제1무선 전력의 수신량은 낮아지며, 제2무선 전력의 수신량은 증가하게 되어, WP 수신기(300)는 제2WP 송신기(400)로부터 제2무선 전력을 주로 수신한다. 이는, WP 송신기가 3개 이상인 경우에서도 적용된다.
도 5는 WP 수신기의 무선 전력 수신 방법의 일 예를 설명하기 위한 흐름도이다.
도 5의 방법은 도 2를 참조하여 설명한 WP 수신기(300)에서 수행될 수 있다.
510단계에서, WP 수신기는 제1WP 송신기로부터 제1무선 전력을 수신하여 배터리를 충전한다.
520단계에서, WP 수신기는 수신 중인 제1무선 전력의 전송 효율, 즉, 제1전송 효율을 주기적으로 측정할 수 있다.
530단계에서, WP 수신기는 측정된 제1전송 효율과 제1기준값(T1)을 비교한다.
제1전송 효율이 제1기준값(T1)보다 크거나 같으면, WP 수신기는 제1무선 전력을 이용한 충전을 유지할 수 있다.
반면, 제1전송 효율이 제1기준값(T1)보다 작으면, 540단계에서, WP 수신기는 제2WP 송신기로부터 제2무선 전력을 수신할 수 있다. 이는, 제1전송 효율이 제1기준값(T1)보다 작으면, 제1WP 송신기와의 거리가 멀어지거나 제1전송 효율이 저하되는 것을 의미하기 때문이다. WP 수신기는 스캐닝을 통해, 무선 전력을 송신할 수 있는 외부 WP 송신기를 복수 개 확인할 수 있다. 도 5에서는 확인된 외부 WP 송신기로서 하나의 제2WP 송신기를 예로 들어 설명한다.
550단계에서, WP 수신기는 수신된 제2무선 전력의 전송 효율, 즉, 제2전송 효율을 측정할 수 있다.
560단계에서, WP 수신기는 측정된 제2전송 효율과 제1기준값(T1)을 비교한다.
측정된 제2전송 효율이 제1기준값(T1)보다 작으면, WP 수신기는 510단계로 진입할 수 있다. 또는, 측정된 제2전송 효율이 제1기준값(T1)보다 작으면, WP 수신기는 다른 외부 WP 송신기로부터 무선 전력을 수신하여 전송 효율을 측정하는 과정을 더 포함할 수 있다.
반면, 측정된 제2전송 효율이 제1기준값(T1)보다 크거나 같으면, 570단계에서, WP 수신기는 제2무선 전력을 지속적으로 수신하여 충전할 수 있다.
580단계에서, WP 수신기의 충전이 완료될 때까지 WP 수신기는 주기적으로 550단계 내지 570단계를 수행한다.
도 6은 WP 수신기의 무선 전력 수신 방법의 다른 예를 설명하기 위한 흐름도이다.
도 6의 방법은 도 2를 참조하여 설명한 WP 수신기(300)에서 수행될 수 있다.
605단계에서, WP 수신기는 제1커버리지 내에서 제1WP 송신기로부터 제1무선 전력을 수신하여 배터리를 충전한다.
610단계에서, WP 수신기는 수신 중인 제1무선 전력의 전송 효율, 즉, 제1전송 효율을 주기적으로 측정할 수 있다.
615단계에서, WP 수신기는 측정된 제1전송 효율과 제1기준값(T1)을 비교한다.
제1전송 효율이 제1기준값(T1)보다 크거나 같으면, WP 수신기는 제1무선 전력을 이용한 충전을 유지할 수 있다.
반면, 제1전송 효율이 제1기준값(T1)보다 작으면, 620단계에서, WP 수신기는 제2커버리지에 있는 제2 WP 송신기로부터 제2무선 전력을 수신할 수 있다. 이는 WP 수신기가 제1커버리지로부터 제2커버리지로 이동 중이기 때문이다. 이 때, 제1WP 송신기와 제2WP 송신기 간에 형성된 통신 채널이 형성되어 있을 수 있다. 따라서, 제1WP 송신기는 통신 채널을 통해 제2WP 송신기에게 제2무선 전력의 송신을 요청하며, 제2WP 송신기는 제1WP 송신기로부터의 요청에 의해 WP 수신기로 제2무선 전력을 송신할 수 있다.
또한, 620단계에서, WP 수신기는 제2WP 송신기를 포함하는 복수 개의 외부 WP 송신기들로부터 외부 무선 전력을 수신할 수 있다. 도 6에서는 설명의 편의를 위하여, 하나의 제2WP 송신기를 예로 들어 설명한다.
625단계에서, WP 수신기는 제2WP 송신기로부터 수신된 제2무선 전력의 전송 효율, 즉, 제2전송 효율을 측정한다.
630단계에서, WP 수신기는 측정된 제2전송 효율과 제2기준값(T2)을 비교한다.
측정된 제2전송 효율이 제2기준값(T2)보다 작으면, WP 수신기는 605단계로 진입할 수 있다. 또는, 측정된 제2전송 효율이 제2기준값(T2)보다 작으면, WP 수신기는 다른 외부 WP 송신기로부터 무선 전력을 수신하여 전송 효율을 측정하는 과정을 수행할 수도 있다.
반면, 측정된 제2전송 효율이 제2기준값(T2)보다 크거나 같으면, 635단계에서, WP 수신기는 제1WP 송신기 및 제2WP 송신기로부터 각각 제1무선 전력과 제2무선 전력을 수신할 수 있다. 제1무선 전력과 제2무선 전력은 지속적으로 수신되고 있으므로, 635단계는 생략될 수 있다.
640단계에서, WP 수신기는 수신된 제1무선 전력과 제2무선 전력의 전송 효율을 각각 측정한다.
645단계에서, WP 수신기는 측정된 제2전송 효율과 제1기준값(T1)을 비교할 수 있다.
제2전송 효율이 제1기준값(T1)보다 크거나 같으면, 650단계에서, WP 수신기는 제2무선 전력을 선택한다. 따라서, WP 수신기는 제2WP 송신기로 핸드오프하고, 제2WP 송신기로부터 제2무선 전력을 수신하여 무선 충전을 시작한다. 이는 WP 수신기는 제2전송 효율이 제1기준값(T1)보다 크거나 같으면 제2무선 전력이 무선 충전에 적합한 것으로 판단하기 때문이다.
655단계에서, WP 수신기의 충전이 완료될 때까지 WP 수신기는 주기적으로 605단계 내지 650단계 및 후술할 660단계 및 665단계를 수행할 수 있다.
한편, 645단계에서, 제2전송 효율이 제1기준값(T1)보다 작으면, 660단계에서, WP 수신기는 640단계에서 측정된 제1전송 효율과 제1기준값(T1)을 비교할 수 있다. 이는, 제1무선 전력의 전송 효율이 정상적으로 복구되었는지를 판단하기 위함이다.
제1전송 효율이 제1기준값(T1)보다 작으면, WP 수신기는 635단계로 진입할 수 있다.
반면, 제1전송 효율이 제1기준값(T1)보다 크거나 같으면, 665단계에서, WP 수신기는 제1무선 전력에 의한 충전을 유지할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시 예에 따른 공진기는 헬릭스(helix) 코일 구조의 공진기, 또는 스파이럴(spiral) 코일 구조의 공진기, 또는 meta-structured 공진기로 구성될 수 있다. 공진기는 무선 전력의 송신 및 수신에 사용될 수 있으며, 예를 들어, WP 송신기(200), WP 수신기(300) 및 제2WP 송신기(400)에서 사용될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 meta-structured 공진기를 나타낸 도면이다.
도 7을 참조하면, meta-structured 공진기는 전송 선로(710) 및 커패시터(720)를 포함한다. 여기서 커패시터(720)는 전송 선로(710)의 특정 위치에 직렬로 삽입되고, 전계(electric field)는 커패시터에 갇히게 된다.
또한, 도 7에 도시된 바와 같이 meta-structured 공진기는 3차원 구조의 형태를 갖는다. 도 7에 도시된 것과 달리 공진기는 전송 선로가 x, z평면에 배치된 2차원 구조로의 구현될 수 있다.
커패시터(720)는 집중 소자(lumped element 및 분산 소자(distributed element), 예를 들어 interdigital 커패시터나 높은 유전율을 갖는 기판을 가운데다 둔 gap 커패시터 등의 형태로 전송 선로(710)에 삽입된다. 커패시터(720)가 전송 선로(710)에 삽입됨에 따라 상기 공진기는 메타물질(metamaterial)의 특성을 가질 수 있다.
여기서, 메타물질이란 자연에서 발견될 수 없는 특별한 전기적 성질을 갖는 물질로서, 인공적으로 설계된 구조를 갖는다. 자연계에 존재하는 모든 물질들의 전자기 특성은 고유의 유전율 또는 튜자율을 가지며, 대부분의 물질들은 양의 유전율 및 양의 투자율을 갖는다. 대부분의 물질들에서 전계, 자계 및 포인팅 벡터에는 오른손 법칙이 적용되므로, 이러한 물질들을 RHM(Right Handed Material)이라고 한다. 그러나, 메타물질은 1보다 작은 유전율 또는 투자율을 가진 물질로서, 유전율 또는 튜자율의 부호에 따라 ENG(epsilon negative) 물질, MNG(mu negative) 물질, DNG(double negative) 물질, NRI(negative refractive index) 물질, LH(left-handed) 물질 등으로 분류된다.
이 때, 집중 소자로서 삽입된 커패시터의 커패시턴스가 적절히 정해지는 경우, 상기 공진기는 메타물질의 특성을 가질 수 있다. 특히, 커패시터의 커패시턴스를 적절히 조절함으로써, 공진기는 음의 투자율을 가질 수 있으므로, 본 발명의 일실시예에 따른 공진기는 MNG 공진기로 불려질 수 있다.
상기 MNG 공진기는 전파 상수(propagation constant)가 0일 때의 주파수를 공진 주파수로 갖는 영번째 공진(Zeroth-Order Resonance) 특성을 가질 수 있다. MNG 공진기는 영번째 공진 특성을 가질 수 있으므로, 공진 주파수는 MNG 공진기의 물리적인 사이즈에 대해 독립적일 수 있다. 즉, 아래에서 다시 설명하겠지만, MNG 공진기에서 공진 주파수를 변경하기 위해서는 커패시터를 적절히 설계하는 것으로 충분하므로, MNG 공진기의 물리적인 사이즈를 변경하지 않을 수 있다.
또한, 근접 필드(near field)에서 전계는 전송 선로(710)에 삽입된 직렬 커패시터(720)에 집중되므로, 직렬 커패시터(720)로 인하여 근접 필드에서는 자계(magnetic field)가 도미넌트(dominant)해진다.
또한, MNG 공진기는 집중 소자로의 커패시터(720)을 이용하여 높은 큐-팩터(Q-Factor)를 가질 수 있으므로, 전력 전송의 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, MNG 공진기는 임피던스 매칭을 위한 매칭기(730)를 포함할 수 있다. 이 때, 매칭기(730)는 MNG 공진기와의 결합을 위해 자계의 강도를 적절히 조절 가능(tunable)하고, 매칭기(730)에 의해 MNG 공진기의 임피던스는 조절된다. 그리고, 전류는 커넥터(740)를 통하여 MNG 공진기로 유입되거나 MNG 공진기로부터 유출된다.
또한, 도 7에 명시적으로 도시되지 아니하였으나, MNG 공진기를 관통하는 마그네틱 코어가 더 포함될 수 있다. 이러한 마그네틱 코어는 전력 전송 거리를 증가시키는 기능을 수행할 수 있다.
본 발명의 MNG 공진기가 갖는 특성들에 대해서는 아래에서 자세히 설명한다.
도 8은 도 7에 도시된 공진기의 등가 회로를 나타낸 도면이다.
도 7에 도시된 공진기는 도 8에 도시된 등가 회로로 모델링될 수 있다. 도 8의 등가 회로에서 CL은 도 7의 전송 선로의 중단부에 집중 소자의 형태로 삽입된 커패시터를 나타낸다.
이 때, 도 7에 도시된 무선 전력 전송을 위한 공진기는 영번째 공진 특성을 갖는다. 즉, 전파 상수가 0인 경우, 무선 전력 전송을 위한 공진기는
Figure pat00004
를 공진 주파수로 갖는다고 가정한다. 이 때, 공진 주파수
Figure pat00005
는 하기 수학식 2와 같이 표현될 수 있다. 여기서, MZR은 Mu Zero Resonator를 의미한다.
Figure pat00006
상기 수학식 2를 참조하면, 공진기의 공진 주파수
Figure pat00007
는
Figure pat00008
에 의해 결정될 수 있고, 공진 주파수
Figure pat00009
와 공진기의 물리적인 사이즈는 서로 독립적일 수 있음을 알 수 있다. 따라서, 공진 주파수
Figure pat00010
와 공진기의 물리적인 사이즈가 서로 독립적이므로, 공진기의 물리적인 사이즈는 충분히 작아질 수 있다.
도 9는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 meta-structured 공진기를 나타낸 도면이다.
도 9를 참조하면, meta-structured 공진기는 전송선로부(910) 및 커패시터(920)를 포함한다. 또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 공진기는, 피딩부(930)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
전송선로부(910)는 복수의 전송 선로 쉬트(Sheet)가 병렬로 배치된다. 복수의 전송 선로 쉬트가 병렬로 배치되는 구성은, 도 10을 통하여 보다 상세하기 설명하기로 한다.
커패시터(920)는, 전송선로부(910)의 특정 위치에 삽입된다. 이때, 커패시터(920)는 전송선로부(910)의 중단에 직렬로 삽입될 수 있다. 이때, 공진기에 생성되는 전계(electric field)는 커패시터(920)에 갇히게 된다.
커패시터(920)는 집중 소자(lumped element 및 분산 소자(distributed element), 예를 들어 interdigital 커패시터나 높은 유전율을 갖는 기판을 가운데다 둔 gap 커패시터 등의 형태로 전송 선로부(910)에 삽입될 수 있다. 커패시터(920)가 전송 선로부(910)에 삽입됨에 따라, 공진기는 메타물질(metamaterial)의 특성을 가질 수 있다.
피딩부(930)는 MNG 공진기에 전류를 공급(feeding)하는 기능을 수행할 수 있다. 이때, 피딩부(930)는, 공진기로 공급되는 전류를 복수의 전송 선로 쉬트로 균등하게 분배되도록 설계될 수 있다.
도 10은 도 9의 커패시터(920)의 삽입 위치를 상세하게 나타내는 도면이다.
도 10을 참조하면, 커패시터(920)는 전송선로부(910)의 중단부에 삽입된다. 이때, 전송선로부(910)의 중단부는 커패시터(920)가 삽입될 수 있도록 오픈(open)된 형태일 수 있으며, 각각의 전송 선로 쉬트들(910-1, 910-2, 910-n)은 중단부에서 서로 병렬 연결된 형태로 구성될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 방법들은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
200: 제1무선 전력 송신기 300: WP 수신기
400: 제2WP 송신기

Claims (13)

  1. 제1무선 전력 송신기로부터 제1무선 전력을 수신하는 단계;
    상기 수신되는 제1무선 전력을 이용하여 충전하는 단계; 및
    상기 수신되는 제1무선 전력의 전송 효율이 제1기준값보다 작으면, 제2무선 전력 송신기로 핸드오프하여 제2무선 전력을 수신하는 단계;
    를 포함하는 무선 전력 수신 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수신되는 제1무선 전력의 전송 효율을 측정하는 단계;
    상기 측정된 제1무선 전력의 전송 효율이 상기 제1기준값보다 작으면, 상기 제2무선 전력 송신기로부터 상기 제2무선 전력을 수신하여 전송 효율을 측정하는 단계; 및
    상기 측정된 제2무선 전력의 전송 효율이 상기 제1기준값보다 크면, 상기 제2무선 전력 송신기로부터 상기 제2무선 전력을 수신하여 충전하는 단계;
    를 더 포함하는 무선 전력 수신 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2무선 전력을 수신하여 전송 효율을 측정하는 단계는,
    상기 제2무선 전력 송신기를 포함하는 복수의 외부 무선 전력 송신기들로부터 외부 무선 전력을 수신하여 전송 효율을 측정하는, 무선 전력 수신 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 수신되는 제1무선 전력의 전송 효율을 측정하는 단계;
    상기 측정된 제1무선 전력의 전송 효율이 상기 제1기준값보다 작으면, 상기 제2무선 전력 송신기로부터 상기 제2무선 전력을 수신하여 전송 효율을 측정하는 단계;
    상기 측정된 제2무선 전력의 전송 효율이 제2기준값보다 크면, 상기 제1무선 전력 및 상기 제2무선 전력을 재수신하여 전송 효율을 각각 재측정하는 단계; 및
    상기 재측정된 제2무선 전력의 전송 효율이 상기 제1기준값보다 크면, 상기 제2무선 전력 송신기로부터 상기 제2무선 전력을 수신하여 충전하는 단계;
    를 더 포함하는 무선 전력 수신 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 재측정된 제2무선 전력의 전송 효율이 상기 제1기준값보다 작고, 상기 재측정된 제1무선 전력의 전송 효율이 상기 제1기준값보다 크면, 상기 제1무선 전력의 수신을 유지하는 단계;
    를 더 포함하는 무선 전력 수신 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1무선 전력 및 상기 제2무선 전력은 공진 주파수를 통해 송수신되는, 무선 전력 수신 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 방법을 컴퓨터에서 실행하기 위한 프로그램을 기록하는 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체.
  8. 제1무선 전력 송신기로부터 제1무선 전력을 수신하는 수신부;
    상기 수신되는 제1무선 전력을 이용하여 충전하는 충전부; 및
    상기 제1무선 전력의 전송 효율이 제1기준값보다 작으면, 제2무선 전력 송신기로 핸드오프하여 제2무선 전력을 수신하도록 상기 수신부를 제어하는 제어부;
    를 포함하는 무선 전력 수신 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 수신되는 제1무선 전력의 전송 효율을 측정하는 측정부;
    를 더 포함하며,
    상기 제어부는, 상기 측정된 제1무선 전력의 전송 효율이 상기 제1기준값보다 작으면, 상기 제2무선 전력 송신기로부터 상기 제2무선 전력을 수신하여 전송 효율을 측정하도록 상기 수신부 및 상기 측정부를 제어하며, 상기 측정된 제2무선 전력의 전송 효율이 상기 제1기준값보다 크면, 상기 제2무선 전력을 수신하여 충전하도록 상기 수신부 및 상기 충전부를 제어하는, 무선 전력 수신 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 측정된 제1무선 전력의 전송 효율이 상기 제1기준값보다 작으면, 상기 제2무선 전력 송신기를 포함하는 복수의 외부 무선 전력 송신기들로부터 외부 무선 전력을 수신하여 전송 효율을 측정하도록 상기 수신부 및 상기 측정부를 제어하는, 무선 전력 수신 장치.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 수신되는 제1무선 전력의 전송 효율을 측정하는 측정부;
    를 더 포함하며,
    상기 제어부는, 상기 측정된 제1무선 전력의 전송 효율이 상기 제1기준값보다 작으면, 상기 제2무선 전력 송신기로부터 상기 제2무선 전력을 수신하여 전송 효율을 측정하고, 상기 측정된 제2무선 전력의 전송 효율이 제2기준값보다 크면, 상기 제1무선 전력 및 상기 제2무선 전력을 재수신하여 전송 효율을 재측정하도록 상기 수신부 및 상기 측정부를 제어하며, 상기 재측정된 제2무선 전력의 전송 효율이 상기 제1기준값보다 크면, 상기 제2무선 전력 송신기로부터 상기 제2무선 전력을 수신하여 충전하도록 상기 수신부 및 상기 충전부를 제어하는, 무선 전력 수신 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 재측정된 제2무선 전력의 전송 효율이 상기 제1기준값보다 작고, 상기 재측정된 제1무선 전력의 전송 효율이 상기 제1기준값보다 크면, 상기 제1무선 전력의 수신을 유지하도록 상기 수신부를 제어하는, 무선 전력 수신 장치.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 제1무선 전력 및 상기 제2무선 전력은 공진 주파수를 통해 수신되는, 무선 전력 수신 장치.
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US9953763B2 (en) 2012-03-28 2018-04-24 Fujitsu Limited Wireless power transmission system and wireless power transmission method

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