KR20130028446A - 무선 전력 송신 장치 및 그 방법 - Google Patents

무선 전력 송신 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 송신 장치는 전력 공급부로부터 전력을 제공받아 자기장을 발생하는 송신 코일부와, 상기 송신 코일부로부터 수신한 전력을 전송하는 송신 공진 코일부 및 상기 송신 공진 코일부 내부에 배치되어 전력을 중계하는 복수의 중계 코일부를 포함하는 송신 패드; 상기 송신 패드 상에 존재하는 수신 장치의 위치를 검출하기 위한 검출부; 및 상기 검출된 수신 장치의 위치에 대응하는 적어도 하나의 중계 코일부를 결정하고, 상기 적어도 하나의 중계 코일부를 통해 에너지를 전송하도록 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

무선 전력 송신 장치 및 그 방법{A WIRELESS POWER TRANSMISSION APPARATUS AND METHOD THEREOF}
본 발명은 무선 전력 전송 기술에 관한 것으로서, 특히 자기 공진 현상을 이용하여 에너지를 효율적으로 전송하는 무선 전력 송신 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
무선으로 전기 에너지를 원하는 기기로 전달하는 무선 전력 전송 기술(wireless power transmission 또는 wireless energy transfer)은 이미 1800년대에 전자기유도 원리를 이용한 전기 모터나 변압기가 사용되기 시작했고, 그 후로는 라디오 파(radio wave)나 레이저(laser)와 같은 전자기파를 방사해서 전기 에너지를 전송하는 방법도 시도되었다. 우리가 흔히 사용하는 전동 칫솔이나 일부 무선 면도기도 실상은 전자기유도 원리로 충전된다. 현재까지 무선 방식에 의한 에너지 전달 방식은 자기 유도, 자기 공진 및 단파장 무선 주파수를 이용한 원거리 송신 기술 등이 있다.
최근에 이슈가 되고 있는 단거리 무선 전력 전송 기술의 응용 분야를 보면, 건물 내에 무선 전력 송신 장치를 설치하고, 건물 내부에서 사용자가 휴대폰이나 노트북 등과 같은 모바일 기기 내에 무선 전력 수신 장치를 사용하면 별도의 전원 케이블을 연결하지 않아도 계속해서 충전이 수행되는 경우가 대표적이다.
그런데, 이러한 무선 전력 전송 기술에서, 자기 공진에 의한 무선 전력 전송이 효율적으로 이루어지기 위해서는, 무선 전력 송신 장치와 무선 전력 수신 장치 사이에 임계값 이상의 결합 계수(coupling coefficient)가 존재하여야 한다. 이때, 상기 결합 계수는 송신 장치의 송신 공진 코일부과 수신 장치의 수신 공진 코일부의 크기 및 양 장치 사이의 거리에 의해 결정된다.
통상, 수신 장치의 수신 공진 코일부의 크기는 송신 장치의 송신 공진 코일부의 크기에 비해 훨씬 작기 때문에, 송신 공진 코일부과 수신 공진 코일부 사이의 결합 계수는 상대적으로 작은 값을 갖게 된다. 이에 따라, 송신 장치와 수신 장치 간에 자기 공진에 의한 에너지 전송 효율은 감소하게 된다. 따라서, 무선 전력 송신 장치에서 무선 전력 수신 장치로 에너지를 효율적으로 전송하기 위한 방안이 요구된다.
본 발명은 자기 공진 현상을 이용하여 에너지를 전송하는 무선 전력 송신 장치 및 그 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 무선 전력 수신 장치의 위치를 기반으로 에너지를 전송하는 무선 전력 송신 장치 및 그 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 복수의 중계 코일부의 캐패시터를 개별적으로 제어하여 에너지를 전송하는 무선 전력 송신 장치 및 그 방법을 제공한다.
본 발명은 전력 공급부로부터 전력을 제공받아 자기장을 발생하는 송신 코일부와, 상기 송신 코일부로부터 수신한 전력을 전송하는 송신 공진 코일부 및 상기 송신 공진 코일부 내부에 배치되어 전력을 중계하는 복수의 중계 코일부를 포함하는 송신 패드; 상기 송신 패드 상에 존재하는 수신 장치의 위치를 검출하기 위한 검출부; 및 상기 검출된 수신 장치의 위치에 대응하는 적어도 하나의 중계 코일부를 결정하고, 상기 적어도 하나의 중계 코일부를 통해 에너지를 전송하도록 제어하는 제어부를 포함하는 자기 공진형 무선 전력 송신 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 최 외곽을 따라 일정한 모양으로 배치되는 송신 코일부와, 상기 송신 코일부 내측에 인접하여 배치되는 송신 공진 코일부 및 상기 송신 공진 코일부 내부에 규칙적인 형태로 배열되어 전력을 중계하는 복수의 중계 코일부를 포함하는 송신 패드; 상기 송신 패드 상에 존재하는 수신 장치의 위치를 검출하기 위한 검출부; 및 상기 검출된 수신 장치의 위치에 따라, 상기 복수의 중계 코일부의 캐패시터를 개별적으로 조절하는 제어부를 포함하는 자기 공진형 무선 전력 송신 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 일정한 형태로 배열된 복수의 중계 코일부를 포함하는 송신부 상에 수신 장치가 위치하는 단계; 무선 전력 송신 장치의 내부 전류량 변화를 측정하고, 상기 측정된 결과를 기반으로 상기 송신부 상에 존재하는 수신 장치의 위치를 검출하는 단계; 상기 수신 장치의 위치에 대응하는 적어도 하나의 중계 코일부를 결정하는 단계; 및 상기 결정된 적어도 하나의 중계 코일부를 통해 에너지를 전송하는 단계를 포함하는 무선 전력 전송 방법을 제공한다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 무선 전력 송신 장치는 무선 전력 수신 장치의 위치에 대응하는 중계 코일부를 통해 에너지를 전송함으로써, 무선 전력 수신 장치로의 에너지 전송 효율을 향상할 수 있다.
또한, 무선 전력 송신 장치는 특정 중계 코일부를 이용하여 무선 전력 수신 장치로의 에너지 전송을 집중함으로써, 에너지 낭비를 감소할 수 있고 인체에 유해한 자기장의 발생을 감소시킬 수 있다.
한편 그 외의 다양한 효과는 후술될 본 발명의 실시 예에 따른 상세한 설명에서 직접적 또는 암시적으로 개시될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 설명하는 도면;
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 송신 코일부의 등가 회로도;
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 소스와 송신부의 등가 회로도;
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 수신 공진 코일부, 수신 코일부, 평활 회로 및 부하의 등가 회로도;
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 송신 장치의 구성도;
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 복수의 중계 코일부 제어 방법을 도시한 도면;
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 검출부의 구성도.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술 되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명의 실시 예는 무선 전력 수신 장치의 위치에 대응하는 중계 코일부를 통해 에너지를 전송하는 무선 전력 송신 장치 및 그 송신 방법을 제공한다.
이하, 본 발명의 실시 예에 대해 첨부된 도면들을 참조하여 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 나타낸다.
도 1을 참조하면, 무선 전력 전송 시스템은 전력 소스(10), 전력 송신부(20), 전력 수신부(30), 정류 회로(40) 및 부하(50)를 포함한다.
전력 소스(10)에서 생성된 전력은 전력 송신부(20)로 전달되고, 자기 공진 현상에 의해 전력 송신부(20)와 공진을 이루는 즉, 공진 주파수 값이 동일한 전력 수신부(30)로 전달된다. 전력 수신부(30)로 전달된 전력은 정류 회로(40)를 거쳐 부하(50)로 전달된다. 이때, 상기 부하(50)는 충전지 또는 기타 전력을 필요로 하는 임의의 장치일 수 있다.
좀 더 구체적으로, 전력 소스(10)는 소정의 주파수를 갖는 교류 전력을 제공하는 교류 전력 소스이다.
전력 송신부(20)는 송신 코일부(21)와 송신 공진 코일부(22)로 구성된다. 송신 코일부(21)는 전력 소스(10)와 연결되며, 교류 전류가 흐르게 된다. 송신 코일부(21)에 교류 전류가 흐르면, 전자기 유도에 의해 물리적으로 이격되어 있는 송신 공진 코일부(22)에도 교류 전류가 유도된다. 송신 공진 코일부(22)로 전달된 전력은 자기 공진에 의해 전력 송신부(20)와 공진 회로를 이루는 전력 수신부(30)로 전달된다.
자기 공진에 의한 전력 전송은 임피던스가 매칭된 2개의 LC 회로 간에 전력이 전송되는 현상으로써, 전자기 유도에 의한 전력 전송보다 먼 거리까지 높은 효율로 전력을 전달할 수 있다.
전력 수신부(30)는 수신 공진 코일부(31)과 수신 코일부(32)로 구성된다. 송신 공진 코일부(22)에 의해 송신된 전력은 수신 공진 코일부(31)에 의해 수신되어 수신 공진 코일부(31)에 교류 전류가 흐르게 된다. 수신 공진 코일부(31)로 전달된 전력은 전자기 유도에 의해 수신 코일부(32)로 전달된다. 수신 코일부(32)로 전달된 전력은 정류 회로(40)를 통해 정류되어 부하(50)로 전달된다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 송신 코일부(21)의 등가 회로이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 송신 코일부(21)는 인덕터(L1)와 캐패시터(C1)로 구성될 수 있으며, 이들에 의해 적절한 인덕턴스와 캐패시턴스 값을 갖는 회로를 구성하게 된다.
상기 캐패시터(C1)는 고정 캐패시터 또는 가변 캐패시터일 수 있다. 상기 캐패시터(C1)가 가변 캐패시터인 경우, 전력 송신부(20)는 가변 캐패시터를 조절하여 임피던스 매칭을 수행할 수 있다. 한편, 송신 공진 코일부(22), 수신 공진 코일부(31), 수신 코일부(32)의 등가 회로도 도 2에 도시된 것과 동일할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 소스(10)와 전력 송신부(20)의 등가 회로이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 송신 코일부(21)와 송신 공진 코일부(22)는 각각 소정 인덕턴스 값과 캐패시턴스 값을 갖는 인덕터(L1, L2)와 캐패시터(C1, C2)로 구성될 수 있다.
특히, 송신 공진 코일부(22)의 캐패시터(C2)는 가변 캐패시터일 수 있으며, 전력 송신부(20)는 상기 가변 캐패시터를 조절하여 자기 공진을 위한 공진 주파수 값을 조절할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 수신 공진 코일부(31), 수신 코일부(32), 평활 회로(40) 및 부하(50)의 등가 회로이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 수신 공진 코일부(31)와 수신 코일부(32)는 각각 소정 인덕턴스 값과 캐패시턴스 값을 갖는 인덕터(L3, L4)와 캐패시터(C3, C4)로 구성될 수 있다.
평활 회로(40)는 다이오드(D1)와 평활 캐패시터(C5)로 구성될 수 있으며, 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 출력한다. 부하(50)는 1.3V의 직류 전원으로 표시되어 있으나, 직류 전력을 필요로 하는 임의의 충전지 또는 장치일 수 있다.
한편, 이하 본 발명의 실시 예에서는, 상술한 무선 전력 전송 시스템에 무선 전력 중계 기술을 적용한 무선 전력 송신 장치 및 그 방법에 대해 설명하도록 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 송신 장치의 구성을 나타낸다.
도 5를 참조하면, 무선 전력 송신 장치는 전력 공급부(12), 검출부(14), 제어부(16), 송신 코일부(21), 송신 공진 코일부(22) 및 복수의 중계 코일부(60)를 포함한다. 한편, 도 5에서 송신 코일부(21), 송신 공진 코일부(22) 및 복수의 중계 코일부(60)를 제외한 나머지 구성요소들은 도 1의 전력 소스(10)에 포함될 수 있다.
무선 전력 송신 장치의 송신 코일부(21), 송신 공진 코일부(22) 및 복수의 중계 코일부(60)는 일체로 형성되어 송신 패드를 구성한다.
상기 송신 패드는 최 외곽 부분에 사각형 모양으로 감긴 송신 코일부(21)와, 상기 송신 코일부(21) 내부에 동일한 사각형 모양으로 감긴 송신 공진 코일부(22) 및 상기 송신 공진 코일부(22) 내부에 규칙적으로 배열된 복수의 중계 코일부(60)를 포함한다. 한편, 본 실시 예에서, 상기 송신 패드는 사각형 모양으로 형성되는 것을 예시하고 하고 있으나, 이를 제한하지는 않는다.
이러한 송신 패드 위에 무선 전력 수신 장치가 위치하게 되면, 무선 전력 송신 장치는 상기 송신 패드의 송신 공진 코일부 및 중계 코일부를 통해 무선 전력 수신 장치로 에너지를 전송하게 된다.
전력 공급부(12)는 특정 주파수의 교류 전력을 발생하고, 해당 전력을 송신 패드로 제공한다.
송신 코일부(21)는 상기 전력 공급부(12)와 연결되며, 그 내부에 교류 전류가 흘러 자기장을 발생한다. 그리고, 상기 송신 코일부(21)는 전자기 유도 현상을 통해 물리적으로 이격되어 있는 송신 공진 코일부(22)로 자기장을 전송한다.
송신 공진 코일부(22)가 송신 코일부(21)로부터 자기장을 수신하면, 그 내부에 교류 전류가 유도된다. 그리고, 송신 공진 코일부(22)는 자기 공진 현상을 이용하여 내부에 저장된 에너지를 무선 전력 수신 장치 또는 복수의 중계 코일부(60)로 제공한다. 한편, 자기 공진 현상을 이용한 무선 전력 전송을 위해, 송신 공진 코일부(22)의 공진 주파수와 수신 공진 코일부(미도시) 또는 중계 코일부(60)의 공진 주파수는 서로 일치하여야 한다.
송신 공진 코일부(22)는 캐패시터(22a)를 포함하며, 상기 캐패시터(22a)는 고정 캐패시터 또는 가변 캐패시터일 수 있다. 상기 캐패시터(22a)가 가변 캐패시터인 경우, 제어부(16)는 상기 송신 공진 코일부(22)의 캐패시터(22a)를 통해 자기 공진을 위한 공진 주파수 값을 조절할 수 있다.
가령, 무선 전력 수신 장치는 고정된 인덕턴스 값 및 캐패시턴스 값에 의해 고정된 공진 주파수 값을 갖는다. 이러한 무선 전력 수신 장치로 자기 공진에 의한 에너지 전송을 위해, 무선 전력 송신 장치는 무선 전력 수신 장치의 공진 주파수와 동일한 공진 주파수를 갖도록 송신 공진 코일부(22)의 가변 캐패시터(22a)를 조절하게 된다. 이때, 제어부(16)는 무선 전력 수신 장치의 공진 주파수에 대한 정보를 미리 저장할 수 있다.
이러한 무선 전력 송신 장치는 송신 공진 코일부의 공진 주파수 및 무선 전력 수신 장치의 공진 주파수와 동일한 공진 주파수를 갖는 교류 전력을 발생하여 자기 공진에 의한 에너지를 전송하게 된다.
복수의 중계 코일부(60)는 송신 코일부(21) 및 송신 공진 코일부(22) 내부에 격자 모양 또는 매트릭스 형태로 배열될 수 있다. 즉, 상기 복수의 중계 코일부(60)는 송신 패드의 영역을 복수 개의 균등한 영역들로 구분하도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 복수의 중계 코일부(60)는 동일한 크기와 모양을 갖도록 구성될 수 있으며, 이를 제한하지는 않는다. 한편, 본 실시 예에서, 상기 복수의 중계 코일부(60)는 총 9개의 중계 코일부(60_1~60_9)가 격자 모양으로 배열되는 것을 예시하고 있으나, 이를 제한하지는 않는다.
복수의 중계 코일부(60)는 송신 공진 코일부(22)로부터 자기 공진을 통해 전송된 에너지를 무선 수신 장치로 중계하는 역할을 수행한다.
이때, 상기 복수의 중계 코일부(60)는 무선 전력 수신 장치에 구비된 수신 공진 코일부보다 더 크게 형성하는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 효율적인 무선 전력 전송을 위해, 송신 측의 공진 코일과 수신 측의 공진 코일 사이에 임계값 이상의 결합 계수(coupling coefficient)가 존재하여야 하기 때문이다. 따라서, 복수의 중계 코일부(60)를 이용한 에너지 전송 방식은 무선 전력 송신 장치에서 무선 전력 수신 장치로 에너지를 바로 전달하는 방식보다 전송 효율이 증가하게 된다.
또한, 복수의 중계 코일부(60)는 송신 패드 상의 무선 전력 수신 장치의 위치에 따라 특정 중계 코일부만 동작하도록 제어될 수 있다. 이러한 복수의 중계 코일부(60)는 각각 캐패시터(60a)를 포함하며, 상기 캐패시터(60a)는 무선 전력 송신 장치의 제어부(16)와 연결된다. 여기서, 상기 캐패시터(60a)는 고정 캐패시터 또는 가변 캐패시터일 수 있다.
상기 복수의 중계 코일부(60)의 캐패시터가 가변 캐패시터인 경우, 제어부(16)는 무선 전력 수신 장치의 위치에 대응하는 중계 코일부의 가변 캐패시터를 조절하여 송신 공진 코일부 및 수신 공진 코일부의 공진 주파수와 동일한 공진 주파수를 갖도록 한다. 여기서, 상기 무선 전력 수신 장치의 위치에 대응하는 중계 코일부는 해당 무선 전력 수신 장치가 위치하는 송신 패드의 영역 아래에 배치된 중계 코일부를 의미한다.
가령, 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이, 상기 제어부(16)는 가변 캐패시터 양단에 전압 값(Vc)을 가변함으로써, 상기 가변 캐패시터의 값을 조절할 수 있다.
이와 동시에, 상기 제어부(16)는 해당 중계 코일부를 제외한 나머지 중계 코일부, 즉 무선 전력 수신 장치의 위치에 대응하지 않는 중계 코일부의 가변 캐패시터를 조절하여 상기 송신 공진 코일부 및 수신 공진 코일부의 공진 주파수와 다른 공진 주파수를 갖도록 한다.
이러한 제어부(16)의 제어를 통해, 무선 전력 수신 장치의 위치에 대응하는 중계 코일부(60)는 송신 공진 코일부 및 수신 공진 코일부와 자기 공진에 의한 에너지 전송이 이루어지는 반면, 무선 전력 수신 장치의 위치에 대응하지 않는 중계 코일부(60)는 자기 공진에 의한 에너지 전송이 이루어지지 않게 된다.
따라서, 무선 전력 송신 장치는 무선 전력 수신 장치의 위치에 대응하는 중계 코일부(60)를 통해 무선 전력 수신 장치로 에너지 전송을 집중할 수 있게 된다.
한편, 상기 복수의 중계 코일부(60)의 캐패시터가 고정 캐패시터인 경우, 상기 제어부(16)는 복수의 중계 코일부(60)의 고정 캐패시터 양단에 병렬로 구성된 스위치를 통해 상기 복수의 중계 코일부(60)를 개별적으로 제어할 수 있다. 이때, 상기 고정 캐패시터는 송신 공진 코일부 및 수신 공진 코일부의 공진 주파수와 동일한 공진 주파수를 갖도록 미리 설정될 수 있다.
가령, 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이, 제어부(16)가 무선 전력 수신 장치의 위치에 대응하는 중계 코일부의 고정 캐패시터 양단에 구성된 스위치를 개방(open)하면, 무선 전력 송신 장치는 상기 중계 코일부를 통해 자기 공진에 의한 에너지를 전송할 수 있게 된다.
이와 동시에, 상기 제어부(16)가 무선 전력 수신 장치의 위치에 대응하지 않는 중계 코일부의 고정 캐패시터 양단에 구성된 스위치를 단락(short)하면, 무선 전력 송신 장치는 상기 중계 코일부를 통해 자기 공진에 의한 에너지를 전송할 수 없게 된다.
이러한 제어부(16)의 제어를 통해, 무선 전력 수신 장치의 위치에 대응하는 중계 코일부(60)는 송신 공진 코일부(22) 및 수신 공진 코일부와 자기 공진에 의한 에너지 전송이 이루어지는 반면, 무선 전력 수신 장치의 위치에 대응하지 않는 중계 코일부(60)는 자기 공진에 의한 에너지 전송이 이루어지지 않게 된다.
따라서, 무선 전력 송신 장치는 무선 전력 수신 장치의 위치에 대응하는 중계 코일부(60)를 통해 무선 전력 수신 장치로 에너지 전송을 집중할 수 있게 된다.
검출부(14)는 무선 전력 송신 장치의 내부 전류 변화를 검출하고, 상기 전류 변화에 대한 정보를 제어부(16)로 제공한다. 그러면, 상기 제어부(16)는 상기 검출부(14)로부터 제공받은 전류 변화에 대한 정보를 기반으로 무선 전력 수신 장치의 위치를 검출한다.
이때, 상기 제어부(16)는 복수의 중계 코일부(60)를 순차적으로 하나씩 제어해가면서 무선 전력 수신 장치의 위치를 검출하게 된다. 가령, 상기 제어부(16)는 제1 중계 코일부(60_1) 내지 제9 중계 코일부(60_9)의 가변 캐패시터(60a)를 순차적으로 조절해가면서, 해당 중계 코일부가 위치하는 송신 패드의 영역 위에 무선 전력 수신 장치가 존재하는지 여부를 검출하게 된다.
좀 더 구체적으로, 상기 제어부(16)는 송신 공진 코일부 및 수신 공진 코일부의 공진 주파수와 동일한 공진 주파수를 갖도록 제1 중계 코일부(60_1)의 가변 캐패시터를 조절한다. 이때, 상기 제어부(16)는 나머지 중계 코일부들(60_2~60_9)에 대해서는 상기 송신 공진 코일부 및 수신 공진 코일부의 공진 주파수와 다른 공진 주파수를 갖도록 가변 캐패시터를 조절한다.
만약, 상기 제1 중계 코일부(60_1)가 위치하는 송신 패드의 영역 상에 무선 전력 수신 장치가 존재하면, 상기 제1 중계 코일부(60_1)와 상기 무선 전력 수신 장치 사이에 자기 공진 현상에 의한 무선 전력 전송이 발생한다.
상기 무선 전력 전송이 발생하게 되면, 무선 전력 송신 장치의 송신 공진 코일(22) 내에 저장된 에너지의 양이 감소하게 되고, 그에 따라 상기 무선 전력 송신 장치 내부에서 검출되는 전류량도 감소하게 된다. 상기 검출부(14)로부터 이러한 전류량 변화에 대한 정보를 수신하게 되면, 제어부(16)는 상기 제1 중계 코일부(60_1)가 위치하는 송신 패드의 영역 상에 무선 전력 수신 장치가 존재함을 인지하게 된다.
이와 달리, 상기 제1 중계 코일부(60_1)가 위치하는 송신 패드의 영역 상에 무선 전력 수신 장치가 존재하지 않으면, 상기 제1 중계 코일부(60_1)와 상기 무선 전력 수신 장치 사이에는 직접적인 무선 전력 전송이 일어나지 않는다.
이러한 경우, 무선 전력 송신 장치 내부에서 검출되는 전류량의 변화는 크지 않을 것이다. 상기 검출부(14)로부터 이러한 전류량 변화에 대한 정보를 수신하게 되면, 제어부(16)는 상기 제1 중계 코일부(60_1)가 위치하는 송신 패드의 영역 상에 무선 전력 수신 장치가 존재하지 않음을 인지하게 된다.
상기 제어부(16)는 이러한 과정을 나머지 중계 코일부들에 대해 순차적으로 실시하여 해당 중계 코일부가 위치하는 송신 패드의 영역 상에 무선 전력 수신 장치가 존재하는지 여부를 인지하게 된다. 이때, 상기 제어부(16)는 무선 전력 수신 장치의 위치 검출을 미리 결정된 시간 주기마다 수행할 수 있다.
무선 전력 수신 장치의 위치에 대한 검출이 완료되면, 상기 제어부(16)는 상기 무선 전력 수신 장치의 위치에 대응하는 중계 코일부를 통해 에너지를 전송하게 된다.
즉, 상기 제어부(16)는 해당 중계 코일부의 공진 주파수가 송신 공진 코일 및 수신 공진 코일의 공진 주파수와 일치하도록 가변 캐패시터를 조절하고, 나머지 중계 코일부의 공진 주파수는 상기 송신 공진 코일 및 수신 공진 코일의 공진 주파수와 다른 값을 갖도록 가변 캐패시터를 조절한다.
이후, 무선 전력 송신 장치는 무선 전력 수신 장치의 공진 주파수와 동일한 공진 주파수를 갖는 교류 전력을 발생하여, 무선 전력 수신 장치의 위치에 대응하는 중계 코일부를 통해 에너지를 전송하게 된다.
이하 실시 예에서는, 무선 전력 수신 장치의 위치를 검출하는 방법에 대해 도면을 참조하여 설명하도록 한다. 한편, 본 실시 예에서, 무선 전력 송신 장치는 전류량 변화를 통해 무선 전력 수신 장치의 위치를 검출하는 방법을 예시하고 있으나, 이를 제한하지는 않는다. 즉, 상기 무선 전력 송신 장치는 전류량 변화를 이용한 검출 방법이 아닌, 송신 패드 상의 압력 센서를 이용한 검출 방법 등을 사용할 수도 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 검출부의 구성을 나타낸다.
도 7을 참조하면, 검출부(14)는 검출용 코일(11) 및 전류 검출기(13)를 포함한다.
검출용 코일(13)은 송신 공진 코일부(22) 또는 중계 코일부(60)에서 송신되는 자기장의 세기를 검출할 수 있다. 한편, 본 실시 예에서, 상기 검출용 코일(13)은 송신 공진 코일부(22)에서 발생하는 자기장의 세기를 검출하는 것을 예시한다.
전류 검출기(13)는 상기 검출용 코일(11)에서 검출한 자기장에 의해 발생하는 전력을 전류로 변환하고, 이를 기반으로 전류량 변화를 검출하게 된다. 그리고, 상기 전류 검출기(13)는 상기 전류량 변화에 대한 정보를 제어부(16)로 제공한다.
이때, 제어부(16)가 상기 전류량 변화를 통해 무선 전력 수신 장치의 위치를 검출하는 원리는 다음과 같다.
도 7에서, 송신 공진 코일부(22) 및 중계 코일부(60)는 공진을 통하여 전력을 저장하는 역할을 한다. 이때, 송신 공진 코일부(22) 및 중계 코일부(60)가 저장하는 에너지의 양은 "입력 전력 x Q(Q = Quality Factor)"이다. 그리고, 송신 공진 코일부(22) 및 중계 코일부(60)의 Q 값은 수신 장치가 송신 장치에 근접하여 수신하는 전력이 많아질수록 낮아진다.
또한, 송신 공진 코일부(22) 및 중계 코일부(60)에서 발생하는 자기력은 내부에 저장된 에너지에 비례하기 때문에, 결과적으로 수신 장치가 송신 장치에 근접할수록 송신 공진 코일부(22) 및 중계 코일부(60)에 저장되는 에너지의 양은 줄어든다. 이에 따라, 상기 송신 공진 코일부(22) 및 중계 코일부(60)에 의해 발생하는 자기장의 세기는 약해지고, 검출용 코일(11)에서 검출되는 전력량도 감소하게 된다.
즉, 수신 장치가 송신 장치에 근접할수록, 상기 전류 검출기(13)에 검출되는 전류 값은 점점 감소하게 된다. 이러한 전류량 변화를 통해, 제어부(16)는 송신 패드 상에 존재하는 무선 전력 수신 장치의 위치를 검출할 수 있게 된다.
한편, 전류 검출기(13)는 무선 전력 수신 장치의 존재 여부를 검출하기 위한 기준 전류 값을 미리 저장할 수 있다. 이때, 상기 기준 전류 값은 송신 패드 상에 무선 전력 수신 장치가 존재하지 않을 때 무선 전력 송신 장치 내부에 흐르는 전류 값을 기초로 설정될 수 있다.
상기 전류 검출기(13)는 상기 검출용 코일(11)을 통해 검출한 전류 값과 상기 기준 전류 값을 이용하여 무선 전력 송신 장치의 전류량 변화를 검출하게 된다. 그리고, 상기 전류 검출기(13)는 상기 전류량 변화에 대한 정보를 제어부(16)로 제공한다.
제어부(16)는 복수의 중계 코일부(60)를 순차적으로 제어해가면서, 상기 검출부(14)에서 제공된 전류량 변화에 대한 정보를 모니터링한다. 그리고, 상기 제어부(16)는 상기 전류량 변화에 대한 정보를 기반으로 송신 패드 상의 어느 영역에 무선 전력 수신 장치가 위치하는지를 검출하게 된다.
또한, 상기 제어부(16)는 복수의 중계 코일부(60)에 대응하는 복수의 영역들 중 어느 영역에 무선 전력 수신 장치가 위치하는지를 판단하기 위한 임계값을 미리 설정할 필요가 있다. 왜냐하면, 무선 전력 수신 장치가 복수의 영역들 상에 중첩되어 위치하는 경우, 해당 영역에 걸쳐있는 복수의 중계 코일부 모두에서 전류량 변화가 검출되기 때문이다.
이러한 임계값 설정을 통해, 상기 제어부(16)는 무선 전력 수신 장치와 가장 많이 중첩되는 영역에 위치하는 중계 코일부를 결정할 수 있게 된다. 따라서, 상기 제어부(16)는 상기 검출부(14)로부터 제공받은 전류량의 변화가 미리 설정된 임계값을 초과하는 경우에만, 해당 중계 코일부 상에 무선 전력 수신 장치가 위치하고 있음을 판단할 수 있다.
한편, 본 실시 예에서, 상기 전류량 변화를 이용한 수신 장치의 검출이 제어부(16)에 의해 수행되는 것을 예시하고 있으나, 이를 제한하지는 않으며, 검출부(14)에 의해 수행될 수도 있다.
무선 전력 수신 장치의 위치에 대한 검출이 완료되면, 상기 제어부(16)는 상기 무선 전력 수신 장치의 위치에 대응하는 중계 코일부를 통해 에너지를 전송할 수 있다.
즉, 상기 제어부(16)는 해당 중계 코일부의 공진 주파수가 송신 공진 코일 및 수신 공진 코일의 공진 주파수와 일치하도록 가변 캐패시터를 조절하고, 나머지 중계 코일부의 공진 주파수는 상기 송신 공진 코일 및 수신 공진 코일의 공진 주파수와 다른 값을 갖도록 가변 캐패시터를 조절한다.
이후, 무선 전력 송신 장치는 무선 전력 수신 장치의 공진 주파수 값과 동일한 공진 주파수 값을 갖는 교류 전력을 발생하여, 무선 전력 수신 장치의 위치에 대응하는 중계 코일부를 통해 에너지를 전송하게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 송신 장치는 송신 패드 상에 존재하는 무선 전력 수신 장치의 위치에 대응하는 중계 코일부를 통해 에너지를 전송함으로써, 상기 무선 전력 수신 장치로의 에너지 전송 효율을 향상할 수 있다.
한편 이상에서는 본 발명의 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되지 않으며, 후술 되는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
10 : 전력 소스 20 : 전력 송신부
21 : 송신 코일부 22 : 송신 공진 코일부
30 : 전력 수신부 31 : 수신 공진 코일부
32 : 수신 코일부 40 : 정류회로
50 : 부하 60 : 중계 코일부

Claims (26)

  1. 자기 공진을 이용한 무선 전력 송신 장치에 있어서,
    전력 공급부로부터 전력을 제공받아 자기장을 발생하는 송신 코일부와, 상기 송신 코일부로부터 수신한 전력을 전송하는 송신 공진 코일부 및 상기 송신 공진 코일부 내부에 배치되어 전력을 중계하는 복수의 중계 코일부를 포함하는 송신부;
    상기 송신부 상에 존재하는 수신 장치의 위치를 검출하기 위한 검출부; 및
    상기 검출된 수신 장치의 위치에 대응하는 적어도 하나의 중계 코일부를 결정하고, 상기 적어도 하나의 중계 코일부를 통해 에너지를 전송하도록 제어하는 제어부를 포함하는 무선 전력 송신 장치.
  2. 자기 공진을 이용한 무선 전력 송신 장치에 있어서,
    최 외곽을 따라 일정한 모양으로 배치되는 송신 코일부와, 상기 송신 코일부 내측에 인접하여 배치되는 송신 공진 코일부 및 상기 송신 공진 코일부 내부에 규칙적인 형태로 배열되어 전력을 중계하는 복수의 중계 코일부를 포함하는 송신부;
    상기 송신부 상에 존재하는 수신 장치의 위치를 검출하기 위한 검출부; 및
    상기 검출된 수신 장치의 위치에 따라, 상기 복수의 중계 코일부의 캐패시터를 개별적으로 조절하는 제어부를 포함하는 무선 전력 송신 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 검출부는,
    상기 송신부 상에 존재하는 수신 장치의 위치를 검출하기 위해 상기 무선 전력 송신 장치의 전류량 변화를 검출하는 무선 전력 송신 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 검출부는,
    상기 송진 공진 코일부에서 발생하는 자기장의 세기를 검출하는 검출용 코일과, 상기 검출용 코일에서 검출한 자기장을 전류로 변환하는 전류 검출기를 포함하는 무선 전력 송신 장치.
  5. 제3항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 복수의 중계 코일부를 순차적으로 변경하면서, 상기 검출부를 통해 전류량 변화를 검출하도록 제어하는 무선 전력 송신 장치.
  6. 제3항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 송신부 상의 복수의 영역들 중 어느 영역에 상기 수신 장치가 위치하는지 판단하기 위한 전류량 변화의 임계값을 미리 설정하는 무선 전력 송신 장치.
  7. 제3항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 복수의 중계 코일부를 순차적으로 제어하면서, 내부 전류량 변화를 검출하도록 제어하는 무선 전력 송신 장치.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 검출부는,
    상기 송신부 상의 압력 센서를 통해 상기 수신 장치의 위치를 검출하는 무선 전력 송신 장치.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 수신 장치의 위치 검출을 미리 결정된 시간 주기마다 반복 수행되도록 제어하는 무선 전력 송신 장치.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 복수의 중계 코일부는 상기 송신부 내에 격자 모양 또는 매트릭스 형태로 배열되는 무선 전력 송신 장치.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 복수의 중계 코일부는 상기 송신부의 영역을 복수 개의 균등한 영역들로 구분하는 무선 전력 송신 장치.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 복수의 중계 코일부는 상기 수신 장치의 수신 공진 코일부보다 더 크게 형성되는 무선 전력 송신 장치.
  13. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 중계 코일부의 캐패시터는 가변 캐패시터인 무선 전력 송신 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 가변 캐패시터의 조절을 통해 상기 복수의 중계 코일부를 개별적으로 제어하는 무선 전력 송신 장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 수신 장치의 위치에 대응하는 중계 코일부의 가변 캐패시터를 조절하여 상기 송신 공진 코일부의 공진 주파수와 동일한 공진 주파수를 갖도록 하는 무선 전력 송신 장치.
  16. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 중계 코일부의 캐패시터는 고정 캐패시터인 무선 전력 송신 장치.
  17. 제16항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 고정 캐패시터 양단에 병렬로 연결된 스위치의 개폐를 통해 상기 복수의 중계 코일부를 개별적으로 제어하는 무선 전력 송신 장치.
  18. 제17항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 수신 장치의 위치에 대응하는 중계 코일부의 스위치를 개방하여 상기 송신 공진 코일부의 공진 주파수와 동일한 공진 주파수를 갖도록 하는 무선 전력 송신 장치.
  19. 자기 공진을 이용한 무선 전력 전송 방법에 있어서,
    일정한 형태로 배열된 복수의 중계 코일부를 포함하는 송신부 상에 수신 장치가 위치하는 단계;
    무선 전력 송신 장치의 내부 전류량 변화를 측정하고, 상기 측정된 결과를 기반으로 상기 송신부 상에 존재하는 수신 장치의 위치를 검출하는 단계;
    상기 수신 장치의 위치에 대응하는 적어도 하나의 중계 코일부를 결정하는 단계; 및
    상기 결정된 적어도 하나의 중계 코일부를 통해 에너지를 전송하는 단계를 포함하는 무선 전력 전송 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 검출 단계는,
    상기 복수의 중계 코일부를 순차적으로 변경하면서 상기 무선 전력 송신 장치의 전류량 변화를 측정하는 무선 전력 전송 방법.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 송신부 상의 복수의 영역들 중 어느 영역에 상기 수신 장치가 위치하는지 판단하기 위한 전류량 변화의 임계값을 미리 설정하는 단계를 더 포함하는 무선 전력 전송 방법.
  22. 제19항에 있어서,
    상기 수신 장치의 위치 검출을 미리 결정된 시간 주기마다 반복 수행되도록 제어하는 단계를 더 포함하는 무선 전력 전송 방법.
  23. 제19항에 있어서,
    상기 복수의 중계 코일부는 상기 송신부 내에 격자 모양 또는 매트릭스 형태로 배열되는 무선 전력 전송 방법.
  24. 제19항에 있어서,
    상기 복수의 중계 코일부는 상기 송신부의 영역을 복수 개의 균등한 영역들로 구분하는 무선 전력 전송 방법.
  25. 제19항에 있어서,
    상기 복수의 중계 코일부는 상기 수신 장치의 수신 공진 코일부보다 더 크게 형성되는 무선 전력 전송 방법.
  26. 제19항에 있어서, 상기 전송 단계는,
    상기 수신 장치의 위치에 대응하는 중계 코일부의 가변 캐패시터를 조절하여 송신 공진 코일부의 공진 주파수와 동일한 공진 주파수를 갖도록 설정하는 무선 전력 전송 방법.
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