KR20130120912A - 무선전력 수신장치 및 그의 전력 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시 예에 따른 본 발명의 실시 예에 따른 무선전력 송신장치로부터 수신한 전력을 부하에 전달하는 무선전력 수신장치는 상기 무선전력 송신장치로부터 교류 전력을 수신하는 수신 코일과 상기 수신된 교류 전력을 직류 전력으로 정류하는 정류부 및 상기 정류된 직류 전력을 측정하고, 상기 측정된 직류 전력과 임계 치를 비교하여 상기 부하에 인가되는 직류 전력을 제어하는 충전 관리부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

무선전력 수신장치 및 그의 전력 제어 방법{APPARATUS FOR RECEIVING WIRELESS POWER AND METHOD FOR CONTROLLING POWER THEREOF}
본 발명은 무선전력 수신장치 및 그의 전력 제어 방법에 관한 것이다.
무선으로 전기 에너지를 원하는 기기로 전달하는 무선전력전송 기술(wireless power transmission 또는 wireless energy transfer)은 이미 1800년대에 전자기유도 원리를 이용한 전기 모터나 변압기가 사용되기 시작했고, 그 후로는 라디오파나 레이저와 같은 전자파를 방사해서 전기에너지를 전송하는 방법도 시도 되었다. 우리가 흔히 사용하는 전동칫솔이나 일부 무선면도기도 실상은 전자기유도 원리로 충전된다. 전자기 유도는 도체의 주변에서 자기장을 변화시켰을 때 전압이 유도되어 전류가 흐르는 현상을 말한다. 전자기 유도 방식은 소형 기기를 중심으로 상용화가 빠르게 진행되고 있으나, 전력의 전송 거리가 짧은 문제가 있다.
현재까지 무선 방식에 의한 에너지 전달 방식은 전자기 유도 이외에 공진 및 단파장 무선 주파수를 이용한 원거리 송신 기술 등이 있다.
최근에는 이와 같은 무선 전력 전송 기술 중 전자기 유도 또는 자기 공진을 이용한 에너지 전달 방식이 많이 사용되고 있다.
전자기 유도 또는 공진을 이용한 무선전력 전송 시스템은 송신 측과 수신 측에 형성된 전기신호가 코일을 통해 무선으로 전달되기 때문에 사용자는 휴대용 기기와 같은 전자기기를 손쉽게 충전할 수 있다.
현대에 이르러 전기, 전자 기술의 발달과 배터리를 사용하고 있는데 무선전력 전송 시스템에서도 배터리를 이용하여 전원공급을 수행하고 있다.
그러나, 기존에는 배터리에 인가되는 전압이 변경됨에 따라 배터리의 충전 상태가 안정적이지 못하는 문제가 있었다.
본 발명은 전자기 유도 또는 공진을 이용한 무선전력 전송에서 전력 제어 알고리즘을 통해 무선전력 전송 시스템의 이상 동작을 방지하는 방법의 제공을 목적으로 한다.
본 발명은 전자기 유도 또는 공진을 이용한 무선전력 전송에서 전력 제어 알고리즘을 통해 무선전력 전송 시스템의 전력 전송 효율을 크게 향상시킬 수 있는 방법의 제공을 목적으로 한다.
본 발명은 전자기 유도 또는 공진을 이용한 무선전력 전송에서 전력 제어 알고리즘을 통해 배터리의 충전 상태를 개선시켜 안정적인 전원공급을 가능케 하는 방법의 제공을 목적으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 무선전력 송신장치로부터 수신한 전력을 부하에 전달하는 무선전력 수신장치는 상기 무선전력 송신장치로부터 교류 전력을 수신하는 수신 코일과 상기 수신된 교류 전력을 직류 전력으로 정류하는 정류부 및 상기 정류된 직류 전력을 측정하고, 상기 측정된 직류 전력과 임계 치를 비교하여 상기 부하에 인가되는 직류 전력을 제어하는 충전 관리부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 충전 관리부는 상기 측정된 직류 전력이 제1 임계 전압 이상인 경우, 상기 부하에 전력을 전달하여 상기 부하를 충전 상태에 진입시키고, 재 측정된 직류 전력이 상기 제2 임계 전압 이상인 경우, 상기 부하에 전력을 전달하여 상기 부하의 충전 상태를 유지시키며, 상기 제1 임계 전압은 상기 제2 임계 전압보다 작은 것을 특징으로 한다.
상기 충전 관리부는 상기 측정된 직류 전력이 제1 임계 전압 미만인 경우, 상기 부하에 전달되는 전력을 차단시키는 것을 특징으로 한다.
상기 충전 관리부는 상기 재 측정된 직류 전력이 상기 제2 임계 전압 미만인 경우, 상기 부하에 전달되는 전력을 차단시키는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 임계 전압은 상기 부하가 충전을 개시 하기 위한 최소한의 전압이고, 상기 제2 임계 전압은 상기 부하가 충전 상태를 유지하기 위한 최소한의 전압인 것을 특징으로 한다.
상기 충전 관리부는 상기 부하에 인가되는 직류 전력을 제어하여 상기 부하의 이상 동작을 방지하는 것을 특징으로 한다.
상기 충전 관리부는 상기 부하가 충전 상태를 유지하는 경우, 기 설정된 시간 마다 상기 정류된 직류 전력을 측정하는 것을 특징으로 한다.
상기 충전 관리부는 스위치 및 상기 측정된 직류 전력과 상기 임계 치의 비교에 따라 상기 스위치를 단락 또는 개방시켜 상기 부하에 인가되는 직류 전력을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는 상기 측정된 직류 전력이 상기 제1 임계 전압 이상인 경우, 상기 스위치를 단락시켜 상기 부하를 충전 상태에 진입시키는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는 상기 측정된 직류 전력이 상기 제1 임계 전압 미만 또는 상기 제2 임계 전압 미만인 경우, 상기 스위치를 개방시켜 상기 부하에 전달되는 전력을 차단시키는 것을 특징으로 한다.
상기 부하는 배터리인 것을 특징으로 한다.
상기 무선전력 수신장치는 상기 충전 관리부로부터 전달받은 직류 전력을 조절하고, 상기 조절된 직류 전력을 상기 부하에 전달하는 배터리 관리 소자를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 수신 코일은 상기 무선전력 송신장치의 송신 공진 코일과 공진 결합되어 상기 교류 전력을 수신하는 수신 공진 코일 및 상기 수신 공진 코일로부터 전자기 유도를 이용해 교류 전력을 수신하는 수신 유도 코일을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 수신 코일은 상기 무선전력 송신장치로부터 전자기 유도를 이용해 상기 교류 전력을 수신하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 무선전력 송신장치로부터 수신한 전력을 부하에 전달하는 무선전력 수신장치의 전력 제어 방법은 상기 무선전력 송신장치로부터 교류 전력을 수신하는 단계와 상기 수신된 교류 전력을 직류 전력으로 정류하는 단계 및 상기 정류된 직류 전력을 측정하고, 상기 측정된 직류 전력과 임계 치를 비교하여 상기 부하에 인가되는 직류 전력을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 상기 부하에 인가되는 직류 전력을 제어하는 단계는 상기 측정된 직류 전력이 제1 임계 전압 이상인 경우, 상기 부하에 전력을 전달하여 상기 부하를 충전 상태에 진입시키고, 재 측정된 직류 전력이 상기 제2 임계 전압 이상인 경우, 상기 부하에 전력을 전달하여 상기 부하의 충전 상태를 유지시키며, 상기 제1 임계 전압은 상기 제2 임계 전압보다 작은 것을 특징으로 한다.
상기 무선전력 수신장치의 전력 제어 방법은 상기 측정된 직류 전력이 제1 임계 전압 미만인 경우, 상기 부하에 전달되는 전력을 차단시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 무선전력 수신장치의 전력 제어 방법은 상기 재 측정된 직류 전력이 상기 제2 임계 전압 미만인 경우, 상기 부하에 전달되는 전력을 차단시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 임계 전압은 상기 부하가 충전을 개시 하기 위한 최소한의 전압이고, 상기 제2 임계 전압은 상기 부하가 충전 상태를 유지하기 위한 최소한의 전압인 것을 특징으로 한다.
상기 무선전력 수신장치의 전력 제어 방법 수행하는 프로그램은 기록 매체에 기록될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 다음과 같은 효과가 있다.
전자기 유도 또는 공진을 이용한 무선전력 전송에서 전력 제어 알고리즘을 통해 무선전력 전송 시스템의 이상 동작을 방지하고, 안정적인 동작을 수행할 수 있게 한다.
또한, 전력 제어 알고리즘을 통해 무선전력 전송 시스템의 전력 전송 효율을 크게 향상시킬 수 있다.
또한, 전력 제어 알고리즘을 통해 배터리의 충전 상태를 개선시켜 안정적인 전원공급을 가능케 한다.
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 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 송신 유도 코일(210)의 등가 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 전력 소스(100)와 무선전력 송신장치(200)의 등가 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른, 무선전력 수신장치(300)의 등가 회로도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 무선전력 수신장치(300)의 구성도이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 무선전력 수신장치(300)의 전력 전달 방법에 대한 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 무선전력 수신장치(300)의 블록도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 제어부(373) 의 구성을 설명하는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 스위치(371)의 다양한 구성 예를 설명하는 도면이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 무선전력 수신장치(300)의 전력 전달 방법에 대한 흐름도이다.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참고하면, 무선전력 전송 시스템은 전력 소스(100), 무선전력 송신장치(200), 무선전력 수신장치(300), 부하(400)를 포함할 수 있다.
일 실시 예에서 전력 소스(100)는 무선전력 송신장치(200)에 포함될 수 있다.
무선전력 송신장치(200)는 송신 유도 코일(210) 및 송신 공진 코일(220)을 포함할 수 있다.
무선전력 수신장치(300)는 수신 공진 코일(310), 수신 유도 코일(320), 정류부(330), 부하(400)을 포함할 수 있다.
전력 소스(100)의 양단은 송신 유도 코일(210)의 양단과 연결된다.
송신 공진 코일(220)은 송신 유도 코일(210)과 일정한 거리를 두고 배치될 수 있다.
수신 공진 코일(310)은 수신 유도 코일(320)과 일정한 거리를 두고 배치될 수 있다.
수신 유도 코일(320)의 양단은 정류부(330)의 양단과 연결되고, 부하(400)는 정류부(330)의 양단에 연결된다. 일 실시 예에서 부하(400)는 무선전력 수신장치(300)에 포함될 수 있다.
전력 소스(100)에서 생성된 전력은 무선전력 송신장치(200)로 전달되고, 무선전력 송신장치(200)로 전달된 전력은 자기 공진 현상에 의해 무선전력 송신장치(200)와 공진을 이루는 즉, 공진 주파수 값이 동일한 무선전력 수신장치(300)로 전달된다.
이하에서는 보다 구체적으로 전력전송 과정을 설명한다.
전력 소스(100)는 소정 주파수의 교류 전력을 제공하는 교류 전력 소스일 수 있다.
송신 유도 코일(210)에는 전력 소스(100)로부터 공급받은 전력에 의해 교류 전류가 흐른다. 송신 유도 코일(210)에 교류 전류가 흐르면, 전자기 유도에 의해 물리적으로 이격 되어 있는 송신 공진 코일(220)에도 교류 전류가 유도된다. 그 후, 송신 공진 코일(220)로 전달된 전력은 자기 공진에 의해 무선전력 송신장치(200)와 공진 회로를 이루는 무선전력 수신장치(300)로 전달된다.
임피던스가 매칭된 2개의 LC 회로 사이는 자기 공진에 의해 전력이 전송될 수 있다. 이와 같은 자기 공진에 의한 전력 전송은 전자기 유도에 의한 전력 전송보다 더 먼 거리까지 더 높은 효율로 전력 전달이 가능하게 한다.
수신 공진 코일(310)은 송신 공진 코일(220)로부터 자기 공진에 의해 전력을 수신한다. 수신된 전력으로 인해 수신 공진 코일(310)에는 교류 전류가 흐른다. 수신 공진 코일(310)로 전달된 전력은 전자기 유도에 의해 수신 유도 코일(320)로 전달된다. 수신 유도 코일(320)로 전달된 전력은 정류부(330)를 통해 정류되어 부하(400)로 전달된다.
무선전력 전송에서 품질 지수(Quality Factor)와 결합계수(Coupling Coefficient)는 중요한 의미를 갖는다.
품질 지수(Quality Factor)는 무선전력 송신장치 또는 무선전력 수신장치 부근에 축척할 수 있는 에너지의 지표를 의미할 수 있다.
품질 지수(Quality Factor)는 동작 주파수(f), 코일의 형상, 치수, 소재 등에 따라 달라질 수 있다. 수식으로는 Q=w*L/R로 표현될 수 있다. w=2πf이고, L은 코일의 인덕턴스이고, R은 코일자체에서 발생하는 전력손실의 양에 해당하는 저항을 의미한다.
품질 지수(Quality Factor)는 0에서 무한대의 값을 가질 수 있다.
결합계수(Coupling Coefficient)는 송신 측 코일과 수신 측 코일 간 자기적 결합의 정도를 의미하는 것으로 0에서 1의 범위를 갖는다.
결합계수(Coupling Coefficient)는 송신 측 코일과 수신 측 코일의 상대적인 위치나 거리 등에 따라 달라질 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른, 송신 유도 코일(210)의 등가 회로도이다.
도 2에 도시된 바와 같이 송신 유도 코일(210)은 인덕터(L1)와 캐패시터(C1)로 구성될 수 있으며, 이들에 의해 적절한 인덕턴스와 캐패시턴스 값을 갖는 회로를 구성하게 된다.
송신 유도 코일(210)은 인덕터(L1)의 양단이 캐패시터(C1)의 양단에 연결된 등가회로로 구성될 수 있다. 즉, 송신 유도 코일(210)은 인턱터(L1)와 캐패시터(C1)가 병렬로 연결된 등가회로로 구성될 수 있다.
캐패시터(C1)는 가변 캐패시터일 수 있으며, 가변 캐패시터를 조절하여 임피던스 매칭을 수행할 수 있다. 송신 공진 코일(220), 수신 공진 코일(310), 수신 유도 코일(320)의 등가 회로도 도 2에 도시된 것과 동일할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른, 전력 소스(100)와 무선전력 송신장치(200)의 등가 회로도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 송신 유도 코일(210)과 송신 공진 코일(220)은 각각 소정 인덕턴스 값과 캐패시턴스 값을 갖는 인덕터(L1, L2)와 캐패시터(C1, C2)로 구성될 수 있다.
도 4는 본 발명의 제1 실시 예에 따른, 무선전력 수신장치(300)의 등가 회로도이다.
도 4에 도시된 바와 같이 수신 공진 코일(310)과 수신 유도 코일(320)은 각각 소정 인덕턴스 값과 캐패시턴스 값을 갖는 인덕터(L3, L4)와 캐패시터(C3, C4)로 구성될 수 있다.
정류부(330)는 다이오드(D1)와 정류 캐패시터(C5)로 구성될 수 있으며, 교류 전력을 직류 전력을 변환하여 출력할 수 있다.
정류부(330)는 정류회로(미도시)와 평활 회로(미도시)를 포함할 수 있다.
정류 회로는 교류 전력을 직류전력으로 변환하는 정류 기능을 수행한다.
일 실시 예에서 정류 회로는 적어도 하나의 다이오드를 포함할 수 있다. 일 실시 예에서 정류 회로는 브릿지 다이오드(Bridge diode)가 사용될 수 있다.
평활 회로는 정류 출력을 매끄럽게 하는 역할을 한다.
평활 회로는 정류회로에서 출력된 직류전력에서 리플 성분을 제거하여 완전한 직류전력을 출력할 수 있다.
평활 회로는 평활용 커패시터를 포함할 수 있다.
부하(400)는 직류 전력을 필요로 하는 임의의 충전지 또는 장치일 수 있다. 예를 들어, 부하(400)는 배터리를 의미할 수 있다.
무선전력 수신장치(300)는 휴대폰, 노트북, 마우스 등 전력이 필요한 전자기기에 장착될 수 있다.
도 5는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 무선전력 수신장치(300)의 구성도이다.
도 5를 참고하면, 무선전력 수신장치(300)는 수신 유도 코일(320), 정류부(330), 직류-직류 변환기(DC-DC converter)(350), 배터리 관리 소자(BMIC: Battery Management IC)(360)을 포함할 수 있다. 일 실시 예에서 무선전력 수신장치(300)가 송신 측으로부터 자기공진을 이용하여 전력을 수신한다면, 수신 공진 코일(310)을 더 포함할 수 있다. 일 실시 예에서 무선전력 수신장치(300)가 송신 측으로부터 전자기 유도에 의해 전력을 수신한다면, 수신 공진 코일(310)을 구비하지 않을 수 있다.
수신 유도 코일(320)은 송신 측으로부터 전력을 수신한다. 구체적으로, 수신 유도 코일(320)은 전자기 유도 또는 자기공진 현상을 통해 전력을 수신할 수 있다. 수신 유도 코일(320)이 수신하는 전력은 교류전력일 수 있다.
정류부(330)는 수신 유도 코일(320)이 수신한 교류전력을 직류전력으로 변환할 수 있다.
정류부(330)는 정류회로(331) 및 평활 회로(332)를 포함할 수 있다.
정류회로(331)는 적어도 하나 이상의 다이오드를 포함할 수 있다. 일 실시 예에서 다이오드는 실리콘 다이오드를 의미할 수 있다. 일 실시 예에서 정류회로(331)는 하나의 다이오드를 사용하여 정류기능을 수행 할 수 있지만, 바람직하게 정류회로(331)는 하나 이상의 다이오드가 배열된 구성을 포함할 수 있다. 도 5에서는 정류회로(331)의 일 실시 예로, 브릿지 다이오드(Bridge diode)가 도시되어 있다. 브릿지 다이오드(Bridge diode)는 4개의 다이오드를 연결한 회로구조로 정류기능을 수행할 수 있다.
정류회로(331)는 수신된 교류전력을 직류전력으로 변환하는 정류기능을 수행한다. 본 발명의 실시 예에서 전력은 전압 또는 전류와 비례하므로 편의상 전력과 전압, 전류는 같은 개념임을 가정한다. 정류기능은 전류를 한 방향으로만 통과시키는 기능을 의미한다. 즉, 정류회로(331)는 순방향 저항은 작고, 역방향 저항은 충분히 커서 한쪽 방향으로만 전류를 통과시킬 수 있다.
평활 회로(332)는 정류회로(331)에서 출력된 직류전력에서 리플 성분을 제거하여 완전한 직류전력을 출력할 수 있다.
평활 회로(332)는 평활용 커패시터를 포함할 수 있다.
직류-직류 변환기(DC-DC converter)(350)는 평활 회로(332)에서 출력된 직류전압을 이용하여 배터리 관리 소자(BMIC: Battery Management IC)(360)가 동작하기 적합한 직류전압을 출력할 수 있다. 직류-직류 변환기(DC-DC converter)(350)는 평활 회로(332)에서 출력된 직류전압을 교류전압으로 변환한 다음, 변환된 교류전압을 승압 또는 강압하고 정류하여 배터리 관리 소자(BMIC: Battery Management IC)(360)가 동작하기 적합한 직류전압을 출력할 수 있다.
직류-직류 변환기(DC-DC converter)(350)로 스위칭 레귤레이터(Switching regulator) 또는 리니어 레귤레이터(Linear regulator)가 사용될 수 있다.
리니어 레귤레이터(Linear regulator)는 입력전압을 받아 필요한 만큼 출력전압을 내보내고, 나머지 전압은 열로 방출하는 변환기이다.
스위칭 레귤레이터(Switching regulator)는 펄스 폭 변조(PWM: Pulse Width Modulation)를 이용하여 출력전압을 조절할 수 있는 변환기이다.
배터리 관리 소자(BMIC: Battery Management IC)(360)는 직류-직류 변환기(DC-DC converter)(350)에서 출력된 직류전력을 조절하고, 조절된 직류전력을 부하(400)에 제공한다. 일 실시 예에서 부하(400)는 배터리를 의미할 수 있다.
배터리 관리 소자(BMIC: Battery Management IC)(360)는 부하(400) 내부에 포함될 수 도 있다.
부하(400)는 부하(400)의 양단에 인가되는 직류전압에 따라 충전되는 전류량이 달라질 수 있다.
배터리 관리 소자(BMIC: Battery Management IC)(360)는 일정한 직류전류로 부하(400)를 충전시키기 위해 직류전력을 조절하여 부하(400)에 제공한다.
도 6은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 무선전력 수신장치(300)의 전력 전달 방법에 대한 흐름도이다.
무선전력 수신장치(300)는 도 5에서 설명한 내용과 동일하다.
이하에서 설명하는 부하(400)는 휴대폰, 노트북 등과 같은 전자기기에 내장되는 배터리를 의미할 수 있다.
도 6을 참고하면, 먼저, 전력 관리 소자(360)는 부하(400)가 비충전 모드에 있는지 확인한다(S101). 비충전 모드는 부하(400)에 전력이 공급되고 있지 않은 상태를 의미할 수 있다. 반대로, 충전 모드는 부하(400)에 일정 이상의 전력이 지속적으로 공급되고 있는 상태를 의미할 수 있다.
만약, 부하(400)가 비충전 모드에 있는 것으로 확인된 경우, 전력 관리 소자(360)는 임계 전압 이상의 전압을 부하(400)에 인가한다(S103). 일 실시 예에서 임계 전압은 부하(400)가 충전 모드에 진입하기 위한 최소한의 전압을 의미할 수 있다. 일 실시 예에서 부하(400)가 충전 모드에 진입할 수 있는 최소한의 전압인 임계 전압 값은 4.2V일 수 있으나, 이는 예시에 불과하다.
그 후, 전력 관리 소자(360)는 부하(400)에 임계 전압 이상의 전압을 인가하여 부하(400)를 충전 모드로 유지시킨다(S105).
그 후, 전력 관리 소자(360)는 부하(400)에 인가되는 전압이 임계 전압 미만 인지 확인한다(S107).
만약, 부하(400)에 인가되는 전압이 임계 전압 미만 인 것으로 확인된 경우, 전력 관리 소자(360)는 부하(400)에 인가되는 전압을 차단하여 부하(400)를 비 충전 모드로 진입시킨다(S109). 즉, 전력 관리 소자(360)는 부하(400)에 인가되는 전압이 임계 전압 미만 인 경우, 부하(400)가 정상적인 충전 모드를 유지하지 못한다고 판단하고, 부하(400)에 인가되는 전압을 차단한다.
부하(400)에 인가되는 전압이 임계 전압 미만으로 되는 경우는 다양한 원인이 존재할 수 있다. 즉, 무선전력 수신장치(300)에 전력을 전송하는 무선전력 송신장치(200)가 존재하지 않거나, 무선전력 송신장치(200)와 무선전력 수신장치(300) 사이의 거리가 전력 전송이 가능한 거리를 벗어나는 경우가 일 예가 될 수 있다.
그 후, 전력 관리 소자(360)는 부하(400)에 전력이 공급되고 있지 않고 있으므로 다시 부하(400)를 충전 모드로 진입시키도록 임계 전압 이상의 전압을 부하(400)에 인가하는 단계(S103)로 돌아간다.
그 후, 단계(S105)를 거쳐, 부하(400)에 인가되는 전압이 임계 전압 미만이 되는 상황이 되면(S107), 부하(400)가 비 충전 모드로 진입하는 단계(S109)로 돌아간다.
상기와 같이 부하(400)는 충전 모드와 비 충전 모드를 반복하여 부하(400)는 안정적인 동작을 하지 못한다. 또한, 이로 인해 무선전력 전송 시스템은 이상동작을 일으킬 수 있다.
즉, 부하(400)가 배터리인 경우, 배터리의 사용 수명이 감소하고, 배터리의 충전 시간이 증가될 수도 있다.
도 7은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 무선전력 수신장치(300)의 블록도이다.
도 7을 참고하면, 무선전력 수신장치(300)는 수신 유도 코일(320), 정류부(330), 충전 관리부(370)를 포함할 수 있다.
또한, 도 7에는 도시하지 않았지만, 무선전력 수신장치(300)는 도 5에 도시한 직류 직류 변환기(350)를 더 포함할 수도 있다.
또한, 도 7에는 도시하지 않았지만, 무선전력 수신장치(300)는 도 5에 도시한 배터리 관리 소자(BMIC: Battery Management IC)(360)를 더 포함할 수 있다.
배터리 관리 소자(BMIC: Battery Management IC)(360)는 일정한 직류전류로 부하(400)를 충전시키기 위해 직류전력을 조절하여 부하(400)에 제공한다.
배터리 관리 소자(BMIC: Battery Management IC)(360)는 부하(400) 내부에 포함될 수 도 있고, 이하에서는 이를 가정하여 설명한다.
일 실시 예에서 무선전력 수신장치(300)가 무선전력 송신장치(200)로부터 공진을 이용하여 전력을 수신한다면, 수신 공진 코일(310)을 더 포함할 수 있다. 즉, 무선전력 송신장치(200)의 송신 공진 코일(220)과 무선전력 수신장치(300)의 수신 공진 코일(310)은 자기적으로 결합되어 있고, 각각은 공진 주파수에서 동작한다. 송신 공진 코일(220)과 수신 공진 코일(310)의 공진 결합은 무선전력 송신장치(200)와 무선전력 수신장치(300)간 전력 전송 효율을 크게 향상시킬 수 있다.
일 실시 예에서 무선전력 수신장치(300)가 무선전력 송신장치(200)로부터 전자기 유도에 의해 전력을 수신한다면, 수신 공진 코일(310)을 구비하지 않을 수 있다.
수신 유도 코일(320)은 무선전력 송신장치(200)로부터 수신한 교류 전력을 정류부(330)에 전달한다.
정류부(330)는 교류 전력을 직류 전력으로 정류할 수 있다.
정류부(330)는 정류회로(331) 및 평활 회로(332)를 포함할 수 있다.
정류회로(331)는 적어도 하나 이상의 다이오드를 포함할 수 있다. 일 실시 예에서 다이오드는 실리콘 다이오드를 의미할 수 있다. 일 실시 예에서 정류회로(331)는 하나의 다이오드를 사용하여 정류기능을 수행 할 수 있지만, 바람직하게 정류회로(331)는 하나 이상의 다이오드가 배열된 구성을 포함할 수 있다. 도 5에서는 정류회로(331)의 일 실시 예로, 브릿지 다이오드(Bridge diode)가 도시되어 있다. 브릿지 다이오드(Bridge diode)는 4개의 다이오드를 연결한 회로구조로 정류기능을 수행할 수 있다.
정류회로(331)는 수신된 교류전력을 직류전력으로 변환하는 정류기능을 수행한다. 본 발명의 실시 예에서 전력은 전압 또는 전류와 비례하므로 편의상 전력과 전압, 전류는 같은 개념임을 가정한다. 정류기능은 전류를 한 방향으로만 통과시키는 기능을 의미한다. 즉, 정류회로(331)는 순방향 저항은 작고, 역방향 저항은 충분히 커서 한쪽 방향으로만 전류를 통과시킬 수 있다.
평활 회로(332)는 정류회로(331)에서 출력된 직류전력에서 리플 성분을 제거하여 완전한 직류전력을 출력할 수 있다.
평활 회로(332)는 평활용 커패시터를 포함할 수 있다.
충전 관리부(370)는 정류부(330)에서 스위치(371)로 인가되는 직류 전압을 측정하고, 측정된 직류 전압에 따라 부하(400)의 충전 상태를 조절할 수 있다.
충전 관리부(370)는 부하를 충전 모드에 진입시킬지, 비 충전 모드에 진입 시킬지, 충전 모드를 유지시킬지를 판단하여 판단된 결과에 따라 부하(400)의 충전 상태를 결정할 수 있다.
충전 관리부(370)는 스위치(371), 제어부(373), 전압 제한부(375)를 포함할 수 있다.
제어부(373)는 충전 관리부(370)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다.
제어부(373)는 충전 관리부(370)에 포함될 수도 있지만, 별도의 구성요소로 구비되어 무선전력 수신장치(300)의 전반적인 동작을 제어할 수도 있다.
제어부(373)는 스위치(371)에 전달되는 직류 전압을 측정할 수 있다.
제어부(373)는 부하(400)에 전달되는 직류 전압이 제1 임계 전압 이상인지 확인할 수 있다. 일 실시 예에서 제1 임계 전압은 부하(400)가 충전 모드에 진입하기 위한 최소한의 전압을 의미할 수 있다. 제1 임계 전압은 4.2v의 직류 전압일 수 있으나, 4.2v는 예시에 불과하다.
제어부(373)는 스위치(371)에 전달되는 직류 전압이 제1 임계 전압 이상인 경우, 스위치(371)에 단락 신호를 전송하여 스위치(371)를 단락시킨다. 스위치(371)가 단락 되면, 부하(400)는 제1 임계 전압 이상의 전압을 공급받아 충전 모드로 진입될 수 있다.
충전 모드는 부하(400)에 일정 값 이상의 전력이 지속적으로 공급되고 있는 상태를 의미할 수 있다.
제어부(373)는 부하(400)가 충전 모드로 진입한 경우, 다시 스위치(371)에 인가되는 전압을 측정하여 측정된 전압이 제2 임계 전압 이상인지 확인할 수 있다.
일 실시 예에서 제2 임계 전압은 부하(400)가 충전 모드를 유지하기 위한 최소한의 전압을 의미할 수 있다. 제2 임계 전압은 제1 임계 전압과 같거나 제1 임계 전압보다 크작다. 제2 임계 전압은 5v의 직류 전압일 수 있다. 여기서, 5v는 예시에 불과하고, 4.2v에서 5.5v의 범위를 가질 수 있다.
제어부(373)는 스위치(371)에 인가된 전압이 제2 임계 전압 이상인 경우, 충전 모드를 유지하고, 일정 시간 마다 스위치(371)에 인가되는 전압을 측정한다.
제어부(373)는 스위치(371)에 인가된 전압이 제2 임계 전압 미만 인 경우, 스위치(371)에 개방 신호를 전송하여 스위치(371)를 개방시킨다. 그러면, 부하(400)는 충전 모드에서 벗어나게 된다.
즉, 제어부(373)는 스위치(371)에 인가되는 전압이 제2 임계 전압 이상 인지를 일정 시간 간격마다 확인하여, 부하(400)가 충전 모드를 안정적으로 유지할 수 있도록 한다.
전압 제한부(375)는 부하(400)에 전달되는 직류 전력이 기 설정된 값 이상인 경우, 기 설정된 값 이상의 전력을 흡수하여 부하(400)를 보호할 수 있다.
일 실시 예에서 전압 제한부(375)는 제너 다이오드(Zener diode)를 포함할 수 있다. 제너 다이오드(Zener diode)는 일정 전압보다 높은 전압이 걸릴 때 전류가 흐르고, 일정 전압보다 낮은 전압이 걸릴 때는 개방된 것처럼 동작하여 전류가 흐르지 않는 다이오드이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 제어부(373) 의 구성을 설명하는 도면이다.
제어부(373)는 증폭기 및 복수의 저항을 포함하여 구성된 비교기로 구성될 수 있다.
비교기는 입력전압(V1)과 기준전압(Reference Voltage)(V2)의 차를 비교하여 스위치(371)의 동작을 제어할 수 있다. 입력전압(V1)은 부하(400)에 인가되는 전압일 수 있다.
제어부(373)는 입력전압(V1)과 기준전압(V2)의 차가 특정 전압 미만 인 경우, 스위치(371)를 개방시킬 수 있다.
제어부(373)는 입력전압(V1)과 기준전압(V2)의 차가 특정 전압 이상 인 경우, 스위치(371)를 단락시켜 정류부(330)에서 출력된 직류 전압을 부하(400)에 전달할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 스위치(371)의 다양한 구성 예를 설명하는 도면이다.
전력 관리부(370)를 구성하는 스위치(371)로는 도 8에 도시된 바와 같이, 다양한 종류의 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET: Metal Oxide Semiconductor field-effect transistor)을 사용할 수 있다.
금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET: Metal Oxide Semiconductor field-effect transistor)는 P형 또는 N형 반도체 재로의 채널로 구성되어 있고, 이 재료에 따라서 크게 N 모스펫, P 모스펫, C 모스펫으로 분류된다.
금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터는 게이트, 소스, 드레인 단자를 포함하고, 게이트 단자의 전압을 이용하여 스위로써 동작할 수 있다.
도 10은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 무선전력 수신장치(300)의 전력 전달 방법에 대한 흐름도이다.
무선전력 수신장치(300)에 대한 설명은 도 7에서 설명한 것과 본질적으로 동일하다.
이하에서, 비충전 모드는 부하(400)에 전력이 공급되고 있지 않은 상태를 의미하고, 충전 모드는 부하(400)에 일정 값 이상의 전력이 지속적으로 공급되고 있는 상태를 의미할 수 있다.
먼저, 제어부(373)는 스위치(371)에 개방 신호를 전송하여 스위치(371)를 개방시킨다(S201).
그 후, 제어부(373)는 100ms가 경과했는지 동안를 확인대기한다(S203). 여기서, 100ms는 예시에 불과하다.
그 후, 제어부(373)는 스위치(371)에 인가되는 전압을 측정한다(S205). 제어부(373)가 100ms가 경과 여부 후, 스위치(371)에 인가되는 전압을 측정하는 이유는 주기적으로 스위치(371)에 인가되는 전압을 측정하여 스위치(371)를 개방시킬지를 판단하기 위함이다.
스위치(371)에 인가되는 전압을 측정하는 방법은 다양한 방법이 사용될 수 있다.
만약, 100ms가 경과하지 않는 경우, 단계(S201)로 돌아간다.
그 후, 제어부(373)는 측정된 전압이 제1 임계 전압 이상인지 확인한다(S207). 일 실시 예에서 제1 임계 전압은 부하(400)가 충전 모드에 진입하기 위한 최소한의 전압을 의미할 수 있다. 제1 임계 전압은 4.2v의 직류 전압일 수 있으나, 4.2v는 예시에 불과하다.
만약, 측정된 전압이 제1 임계 전압 이상인 것으로 확인된 경우, 제어부(373)는 스위치(371)에 단락 신호를 전송한다(S209). 스위치(371)에 단락 신호가 전송된 경우, 부하(400)는 직류 전력을 정상적으로 전달받을 수 있다.
그 후, 제어부(373)는 부하(400)에 제1 임계 전압 이상의 전력을 하여전달받아 부하(400)를 충전 모드에 진입시킨다(S211).
만약, 단계(S207)에서 측정된 전압이 제1 임계 전압 미만인 경우, 단계(S201)로 돌아가 제어부(373)는 스위치(371)에 개방 신호를 전송하여 스위치(371)를 개방시킨다.
부하(400)가 충전 모드로 진입한 경우, 제어부(373)는 다시 스위치(371)에 인가되는 전압을 측정한다(S213).
그 후, 제어부(373)는 측정된 전압이 제2 임계 전압 이상인지 확인한다(S215). 일 실시 예에서 제2 임계 전압은 부하(400)가 충전 모드를 유지하기 위한 최소한의 전압을 의미할 수 있다. 제2 임계 전압은 제1 임계 전압과 같거나 크작다. 제2 임계 전압은 5v의 직류 전압일 수 있다. 여기서, 5v는 예시에 불과하고, 4.2v에서 5.5v의 범위를 가질 수 있다.
만약, 단계(S215)에서 측정된 전압이 제2 임계 전압 이상으로 확인된 경우, 제어부(373)는 100ms 동안 가 경과했는지를 확인대기한다(S217).
만약, 100ms가 경과한 것으로 확인된 경우, 단계(S213)로 돌아가 제어부(373)는 스위치(371)에 인가되는 전압을 측정한다. 100ms 경과 여부 후, 스위치(371)에 인가되는 전압을 다시 측정하는 이유는 주기적으로 스위치(371)에 인가되는 전압을 측정하여 부하(400)가 충전 모드를 유지하는지를 확인하기 위함이다.
만약, 단계(S215)에서 측정된 전압이 제2 임계 전압 미만인 것으로 확인된 경우, 단계(201)로 돌아가, 제어부(373)는 스위치(371)를 개방시킨다. 즉, 제어부(373)는 부하(400)에 인가되는 전압이 충전 모드를 유지하기 위한 전압 미만 인 경우, 스위치(371)를 개방시켜 부하(400)가 충전 모드와 비 충전 모드를 반복하는 것을 방지할 수 있다. 도 6과 다른 점은 부하(400)가 충전 모드를 유지하기 위한 제2 임계 전압을 더 설정하고, 제2 임계 전압 이상의 전압이 부하(400)에 인가되는지를 일정 시간마다 측정하여 부하(400)의 이상동작을 방지할 수 있다.
상술한 본 발명에 따른 전력 제어 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, 상기 방법을 구현하기 위한 기능적인(function) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해 되어서는 안될 것이다.
100: 전력 소스
200: 무선전력 송신장치
210: 송신 유도 코일
220: 송신 공진 코일
300: 무선전력 수신장치
310: 수신 공진 코일
320: 수신 유도 코일
330: 정류부
350: 직류 직류 변환기
360: 배터리 관리 소자
370: 충전 관리부
371: 스위치
373: 제어부
375: 전압 제한부
400: 부하

Claims (20)

  1. 무선전력 송신장치로부터 수신한 전력을 부하에 전달하는 무선전력 수신장치에 있어서,
    상기 무선전력 송신장치로부터 교류 전력을 수신하는 수신 코일;
    상기 수신된 교류 전력을 직류 전력으로 정류하는 정류부; 및
    상기 정류된 직류 전력을 측정하고, 상기 측정된 직류 전력과 임계 치를 비교하여 상기 부하에 인가되는 직류 전력을 제어하는 충전 관리부를 포함하는 무선전력 수신장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 충전 관리부는,
    상기 측정된 직류 전력이 제1 임계 전압 이상인 경우, 상기 부하에 전력을 전달하여 상기 부하를 충전 상태에 진입시키고,
    재 측정된 직류 전력이 상기 제2 임계 전압 이상인 경우, 상기 부하에 전력을 전달하여 상기 부하의 충전 상태를 유지시키며,
    상기 제1 임계 전압은 상기 제2 임계 전압보다 작은큰 것을 특징으로 하는 무선전력 수신장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 충전 관리부는,
    상기 측정된 직류 전력이 제1 임계 전압 미만인 경우, 상기 부하에 전달되는 전력을 차단시키는 것을 특징으로 하는 무선전력 수신장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 충전 관리부는,
    상기 재 측정된 직류 전력이 상기 제2 임계 전압 미만인 경우, 상기 부하에 전달되는 전력을 차단시키는 것을 특징으로 하는 무선전력 수신장치.
  5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 임계 전압은,
    상기 부하가 충전을 개시 하기 위한 최소한의 전압이고,
    상기 제2 임계 전압은 상기 부하가 충전 상태를 유지하기 위한 최소한의 전압인 것을 특징으로 하는 무선전력 수신장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 충전 관리부는,
    상기 부하에 인가되는 직류 전력을 제어하여 상기 부하의 이상 동작을 방지하는 것을 특징으로 하는 무선전력 수신장치.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 충전 관리부는,
    상기 부하가 충전 상태를 유지하는 경우, 기 설정된 시간 마다 상기 정류된 직류 전력을 측정하는 것을 특징으로 하는 무선전력 수신장치.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 충전 관리부는,
    스위치; 및
    상기 측정된 직류 전력과 상기 임계 치의 비교에 따라 상기 스위치를 단락 또는 개방시켜 상기 부하에 인가되는 직류 전력을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력 수신장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 측정된 직류 전력이 상기 제1 임계 전압 이상인 경우, 상기 스위치를 단락시켜 상기 부하를 충전 상태에 진입시키는 것을 특징으로 하는 무선전력 수신장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 측정된 직류 전력이 상기 제1 임계 전압 미만 또는 상기 제2 임계 전압 미만인 경우, 상기 스위치를 개방시켜 상기 부하에 전달되는 전력을 차단시키는 것을 특징으로 하는 무선전력 수신장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 부하는 배터리인 것을 특징으로 하는 무선전력 수신장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 충전 관리부로부터 전달받은 직류 전력을 조절하고, 상기 조절된 직류 전력을 상기 부하에 전달하는 배터리 관리 소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력 수신장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 수신 코일은,
    상기 무선전력 송신장치의 송신 공진 코일과 공진 결합되어 상기 교류 전력을 수신하는 수신 공진 코일; 및
    상기 수신 공진 코일로부터 전자기 유도를 이용해 교류 전력을 수신하는 수신 유도 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력 수신장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 수신 코일은,
    상기 무선전력 송신장치로부터 전자기 유도를 이용해 상기 교류 전력을 수신하는 것을 특징으로 하는 무선전력 수신장치.
  15. 무선전력 송신장치로부터 수신한 전력을 부하에 전달하는 무선전력 수신장치의 전력 제어 방법에 있어서,
    상기 무선전력 송신장치로부터 교류 전력을 수신하는 단계;
    상기 수신된 교류 전력을 직류 전력으로 정류하는 단계; 및
    상기 정류된 직류 전력을 측정하고, 상기 측정된 직류 전력과 임계 치를 비교하여 상기 부하에 인가되는 직류 전력을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력 수신장치의 전력 제어 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 상기 부하에 인가되는 직류 전력을 제어하는 단계는,
    상기 측정된 직류 전력이 제1 임계 전압 이상인 경우, 상기 부하에 전력을 전달하여 상기 부하를 충전 상태에 진입시키고,
    재 측정된 직류 전력이 상기 제2 임계 전압 이상인 경우, 상기 부하에 전력을 전달하여 상기 부하의 충전 상태를 유지시키며,
    상기 제1 임계 전압은 상기 제2 임계 전압보다 작은큰 것을 특징으로 하는 무선전력 수신장치의 전력 제어 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 측정된 직류 전력이 제1 임계 전압 미만인 경우, 상기 부하에 전달되는 전력을 차단시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력 수신장치의 전력 제어 방법.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 재 측정된 직류 전력이 상기 제2 임계 전압 미만인 경우, 상기 부하에 전달되는 전력을 차단시키는 단계를 더 포함하는 무선전력 수신장치의 전력 제어 방법.
  19. 제16항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 임계 전압은,
    상기 부하가 충전을 개시 하기 위한 최소한의 전압이고,
    상기 제2 임계 전압은 상기 부하가 충전 상태를 유지하기 위한 최소한의 전압인 것을 특징으로 하는 무선전력 수신장치의 전력 제어 방법.
  20. 제15항 내지 제19항 중 어느 한 항에 기재된 방법을 수행하기 위한 프로그램이 기록된 기록 매체.
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