KR20140032632A - 무선 전력을 송수신하는 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

무선 전력을 송수신하는 장치 및 방법을 개시한다. 일 측면에 있어서, 무선 전력 송수신 장치는, 전력 수신 모드 및 전력 전송 모드를 포함하는 복수의 동작 모드에 기초하여 동작하도록 구성된 공진기를 포함한다. 상기 공진기는 상기 전력 수신 모드에서 마그네틱 커플링을 통해 대응 장치로부터 전력을 수신하고, 상기 전력 전송 모드에서 상기 마그네틱 커플링을 통해 상기 대응 장치로 전력을 전송할 수 있다. 제어부는 상기 장치의 배터리 잔량 및 상기 대응 장치의 배터리 잔량에 기초하여 동작 모드를 결정할 수 있다.

Description

무선 전력을 송수신하는 장치 및 방법{METHOD AND APPARATUS FOR TRANSMITTING AND RECEIVING WIRELESS POWER}
기술분야는, 무선 전력을 송수신하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
무선 전력전송에 대한 연구는 휴대기기를 포함한 다양한 전기기기의 폭발적 증가로 인한 유선전력공급의 불편함 증가 및 기존 battery 용량의 한계 봉착 등을 극복하기 위해 시작되었다. 또한, 무선 전력 전송은 전기자동차(Electric Vehicle, EV)에 사용될 수 있다.
무선 전력 전송 기술들 중 하나는 RF 소자들의 공진(resonance) 특성을 이용한다.
즉, 무선 전력은 마그네틱 커플링을 통해 무선 전력 전송 장치로부터 무선 전력 수신 장치로 전달되는 에너지를 의미한다. 따라서, 무선 전력 충전 시스템은, 전력을 무선으로 전송하는 소스 디바이스와 전력을 무선으로 수신하는 타겟 디바이스를 포함한다. 이때, 소스 디바이스는 무선 전력 전송 장치라 칭할 수 있다. 또한, 타겟 디바이스는 무선 전력 수신 장치라 칭할 수 있다.
소스 디바이스는 소스 공진기(source resonator)를 구비하고, 타겟 디바이스는 타겟 공진기(target resonator)를 구비한다. 소스 공진기와 타겟 공진기 사이에 마그네틱 커플링 또는 공진 커플링이 형성될 수 있다.
소스 디바이스 및 타겟 디바이스는 제어 및 상태 정보를 송수신하기 위하여 통신할 수 있다.
일 측면에 있어서, 무선 전력 송수신 장치는, 전력 수신 모드 및 전력 전송 모드를 포함하는 복수의 동작 모드에 기초하여 동작하도록 구성된 공진기; 및 상기 동작 모드를 결정하는 제어부를 포함하고, 상기 공진기는 상기 전력 수신 모드에서 마그네틱 커플링을 통해 대응 장치로부터 전력을 수신하고, 상기 전력 전송 모드에서 상기 마그네틱 커플링을 통해 상기 대응 장치로 전력을 전송하고, 상기 제어부는 상기 장치의 배터리 잔량 및 상기 대응 장치의 배터리 잔량에 기초하여 상기 동작 모드를 결정한다.
일 측면에 있어서, 무선 전력 송수신 장치는, 전력 수신 모드 및 전력 전송 모드를 포함하는 상기 장치의 복수의 동작 모드에 기초하여 동작하도록 구성된 공진기; 상기 동작 모드에 기초하여 상기 장치의 적어도 하나의 전기적인 연결(electrical pathway)을 제어하는 경로 제어부(path controller); 및 무선 전력 전송에 관한 유저 인터페이스를 제공하도록 구성된(configured) 제어부를 포함하고, 상기 공진기는 상기 전력 수신 모드에서 마그네틱 커플링을 통해 대응 장치로부터 전력을 수신하고, 상기 전력 전송 모드에서 상기 마그네틱 커플링을 통해 상기 대응 장치로 전력을 전송한다.
전자 기기 및 전기 자동차는 무선으로 전력을 수신하고, 동시에 무선으로 전력을 전송할 수 있다.
또한, 전자 기기 및 전기 자동차는 장소에 구애됨 없이, 전력이 필요한 경우 전력을 무선을 공급 받을 수 있다.
도 1은 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 멀티 타겟 환경을 나타내는 예시도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 무선 전력 송수신 장치의 구성을 나타낸다.
도 4는 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 송수신 장치의 구성을 나타낸다.
도 5는 일 실시예에 따른 멀티 소스 환경을 나타내는 예시도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 멀티 소스 및 멀티 타겟 환경을 나타내는 예시도이다.
도 7은 또 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 송수신 장치의 구성을 나타낸다.
도 8은 일 실시예에 따른 유저 인터페이스의 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 일 실시예에 따른 유저 인터페이스의 다른 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 일 실시예에 따른 무선 전력 송수신 장치에서 디스플레이부를 나타낸 도면이다.
도 11은 일 실시예에 따른 무선 전력 송수신 방법을 나타낸다.
도 12는 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 송수신 방법을 나타낸다.
도 13은 또 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 송수신 방법을 나타낸다.
도 14는 일 실시예에 따른 공진기 및 피더에서 자기장의 분포를 나타낸다.
도 15는 일 실시예에 따른 공진기 및 피더의 구성을 나타낸 도면이다.
도 16은 일 실시예에 따른 피딩부의 피딩에 따른 공진기의 내부에서 자기장의 분포를 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템은 소스(110) 및 타겟(120)을 포함할 수 있다. 소스(110)는 무선 전력을 공급하는 디바이스를 의미하며, 디바이스에는 패드, 단말, TV 등 전력을 공급할 수 있는 모든 전자기기가 포함될 수 있다. 타겟(120)은 무선 전력을 공급받는 디바이스를 의미하며, 디바이스에는 단말, TV, 자동차, 세탁기, 라디오, 전등 등 전력을 필요로 하는 모든 전자기기가 포함될 수 있다.
소스(source)(110)는 가변 SMPS(Variable SMPS)(111), 전력 증폭기(power amplifier)(112), 매칭 네트워크(matching network)(113), Tx 제어부(Tx control logic)(114) 및 통신부(115)를 포함할 수 있다.
가변 SMPS(Variable Switching Mode Power Supply)(111)는 전력 공급기(power supply)로부터 출력되는 수십 Hz 대역의 AC 전압을 스위칭하여 DC 전압을 생성할 수 있다. 가변 SMPS(Variable SMPS)(111)는 일정한 레벨의 DC 전압을 출력하거나 Tx 제어부(Tx control logic)(114)의 제어에 따라 DC 전압의 출력 레벨을 조정할 수 있다.
전력 검출기(power detector)(116)는 가변 SMPS(Variable SMPS)(111)의 출력 전류 및 전압을 검출하고, 검출된 전류 및 전압에 대한 정보를 Tx 제어부(114)로 전달할 수 있다. 또한, 전력 검출기(power detector)(116)는 전력 증폭기(power amplifier)(112)의 입력 전류 및 전압을 검출할 수도 있다.
전력 증폭기(112)는 수 MHz ~ 수십 MHz 대역의 스위칭 펄스 신호에 의하여 일정한 레벨의 DC 전압을 AC 전압으로 변환함으로써 전력을 생성할 수 있다. 예를 들어, 전력 증폭기(112)는 기준 공진 주파수 FRef를 이용하여 전력 증폭기(112)에 공급되는 직류 전압을 교류 전압으로 변환함으로써, 복수의 타겟 디바이스들에서 사용되는 통신용 전력 또는 충전용 전력을 생성할 수 있다.
여기서, 통신용 전력은 0.1~1mWatt의 작은 전력을 의미하고, 충전용 전력은 타겟 디바이스의 디바이스 로드에서 소비되는 1mWatt~200Watt의 큰 전력을 의미할 수 있다. 본 명세서에 있어서, "충전"이라는 용어는 전력을 충전하는 유닛(unit) 또는 요소(element)에 전력을 공급하는 의미로 사용될 수 있다. 또한, "충전"이라는 용어는 전력을 소비하는 유닛(unit) 또는 요소(element)에 전력을 공급하는 의미로도 사용될 수 있다. 여기서, 유닛(unit) 또는 요소(element)는, 예를 들어 배터리, 디스플레이, 음성 출력 회로, 메인 프로세서, 각종 센서들을 포함한다.
한편, 본 명세서에서 "기준 공진 주파수"는 소스(110)가 기본적으로 사용하는 공진 주파수일 수 있다. 또한, "트래킹 주파수"는 기 설정된 방식에 따라 조정된 공진 주파수일 수 있다.
Tx 제어부(Tx control logic)(114)는 "통신용 전력" 또는 "충전용 전력"에 대한 반사파를 검출하고, 검출된 반사파에 기초하여 타겟 공진기(target resonator)(133)와 소스 공진기(source resonator)(131) 사이의 미스매칭(mismatching)을 검출할 수 있다. Tx 제어부(114)는 반사파의 포락선(envelop)을 검출함으로써 미스매칭을 검출하거나, 또는 반사파의 전력량을 검출함으로써 미스매칭을 검출할 수 있다.
매칭 네트워크(matching network)(113)는 Tx 제어부(114)의 제어에 따라 소스 공진기(131)와 타겟 공진기(133) 간의 임피던스 미스매칭을 최적의 매칭으로 보상할 수 있다. 매칭 네트워크(113)는 캐패시터 또는 인덕터의 조합으로 Tx 제어부(114)의 제어에 따라 스위치를 통해 연결될 수 있다.
Tx 제어부(114)는 소스 공진기(131) 또는 전력 증폭기(power amplifier)(112)의 출력 전압의 레벨 및 상기 반사파의 전압 레벨에 기초하여 전압정재파비(VSWR, Voltage standing wave ratio)를 계산하고, 상기 전압정재파비가 기 설정된 값보다 크면 상기 미스매칭이 검출된 것으로 결정할 수 있다.
또한, Tx 제어부(114)는 상기 전압정재파비가 기 설정된 값보다 작으면 기 설정된 N개의 트래킹 주파수 각각에 대한 전력 전송 효율을 계산하고, 상기 N개의 트래킹주파수 중 전력 전송 효율이 가장 좋은 트래킹 주파수 FBest를 결정하고, 상기 FRef를 상기 FBest로 조정할 수 있다.
또한, Tx 제어부(114)는 스위칭 펄스 신호의 주파수를 조정할 수 있다. Tx 제어부(114)의 제어에 의하여 스위칭 펄스 신호의 주파수가 결정될 수 있다. Tx 제어부(114)는 전력 증폭기(power amplifier)(112)를 제어함으로써, 타겟(120)에 전송하기 위한 변조 신호를 생성할 수 있다. 예를 들어, 통신부(115)는 인-밴드 통신을 통해 타겟(120)에 다양한 데이터(140)를 전송할 수 있다. 또한, Tx 제어부(114)는 반사파를 검출하고, 반사파의 포락선을 통해 타겟(120)으로부터 수신되는 신호를 복조할 수 있다.
Tx 제어부(114)는 다양한 방법을 통해, 인-밴드 통신을 수행하기 위한 변조 신호를 생성할 수 있다. Tx 제어부(114)는 스위칭 펄스 신호를 온/오프 함으로써, 변조신호를 생성할 수 있다. 또한, Tx 제어부(114)는 델타-시그마 변조를 수행하여, 변조신호를 생성할 수 있다. Tx 제어부(114)는 일정한 포락선을 가지는 펄스폭 변조신호를 생성할 수 있다.
한편, 통신부(115)는 통신 채널을 이용하는 아웃-밴드 통신을 수행할 수도 있다. 통신부(115)는 지그비(Zigbee), 블루투스(Bluetooth) 등의 통신 모듈을 포함할 수 있다. 통신부(115)는 아웃-밴드 통신을 통해 타겟(120)에 데이터(140)를 전송할 수 있다.
소스 공진기(131)는 전자기 에너지(electromagnetic energy)(130)를 타겟 공진기(133)로 전송(transferring)한다. 예를 들어, 소스 공진기(131)는 타겟 공진기(133)와의 마그네틱 커플링을 통해 "통신용 전력" 또는 "충전용 전력"을 타겟(120)으로 전달할 수 있다.
타겟(target)(120)은 매칭 네트워크(matching network)(121), 정류기(rectifier)(122), DC/DC 컨버터(DC/DC converter)(123), 통신부(124) 및 Rx 제어부(Rx control logic)(125)를 포함할 수 있다.
타겟 공진기(133)는 소스 공진기(131)로부터 (electromagnetic energy)(130)를 수신한다. 예를 들어, 타겟 공진기(133)는 소스 공진기(131)와의 마그네틱 커플링을 통해 소스(110)로부터 "통신용 전력" 또는 "충전용 전력"을 수신할 수 있다. 또한, 타겟 공진기(133)는 인-밴드 통신을 통해 소스(110)로부터 다양한 데이터(140)를 수신할 수 있다.
매칭 네트워크(121)는 소스(110) 측으로 보이는 입력 임피던스와 부하(Load)측으로 보이는 출력 임피던스를 매칭시킬 수 있다. 매칭 네트워크(121)는 캐패시터와 인덕터의 조합으로 구성될 수 있다.
정류기(122)는 교류 전압을 정류함으로써, DC 전압을 생성한다. 예를 들어, 정류기(122)는 타겟 공진기(133)에 수신된 교류 전압을 정류할 수 있다.
DC/DC 컨버터(123)는 정류기(122)에서 출력되는 DC 전압의 레벨을 부하(Load)에서 필요로 하는 용량에 맞게 조정할 수 있다. 예를 들어, DC/DC 컨버터(123)는 정류기(122)에서 출력되는 DC 전압의 레벨을 3~10Volt로 조정할 수 있다.
전력 검출기(power detector)(127)는 DC/DC 컨버터(123)의 입력단(126)의 전압과 출력단의 전류 및 전압을 검출(detect)할 수 있다. 검출된 입력단(126)의 전압은 소스에서 전달되는 전력의 전송 효율을 계산하는데 사용될 수 있다. 검출된 출력단의 전류 및 전압은 제어부(Rx Control Logic)(125)가 부하(Load)에 전달되는 전력을 계산하는데 사용될 수 있다. 소스(110)의 Tx 제어부(114)는 부하(Load)의 필요전력과 부하(Load)에 전달되는 전력을 고려하여, 소스(110)에서 전송해야 할 전력을 결정할 수 있다.
통신부(124)를 통해 계산된 출력단의 전력이 소스(110)로 전달되면, 소스(110)는 전송해야 할 전력을 계산할 수 있다.
통신부(124)는 공진 주파수를 이용하여 데이터를 송수신하는 인-밴드 통신을 수행할 수 있다. 이때, Rx 제어부(Rx control logic)(125)는 타겟 공진기(133)과 정류기(122) 사이의 신호를 검출하여 수신 신호를 복조하거나, 정류기(122)의 출력 신호를 검출하여 수신 신호를 복조할 수 있다. 예를 들어, Rx 제어부(Rx control logic)(125)는 인-밴드 통신을 통해 수신된 메시지를 복조할 수 있다. 또한, Rx 제어부(Rx control logic)(125)는 매칭 네트워크(121)를 통하여 타겟 공진기(133)의 임피던스를 조정함으로써, 소스(110)에 전송하는 신호를 변조할 수 있다. 간단한 예로, Rx 제어부(Rx control logic)(125)는 타겟 공진기(133)의 임피던스를 증가 시킴으로써, 소스(110)의 Tx 제어부(114)에서 반사파가 검출되도록 할 수 있다. 반사파의 발생 여부에 따라, 소스(110)의 Tx 제어부(114)는 이진수 "0" 또는 "1"을 검출할 수 있다.
통신부(124)는 "해당 타겟의 제품의 종류", "해당 타겟의 제조사 정보", "해당 타겟의 모델명", "해당 타겟의 배터리 유형(battery type)", "해당 타겟의 충전 방식", "해당 타겟의 로드(Load)의 임피던스 값", "해당 타겟의 타겟 공진기의 특성에 대한 정보", "해당 타겟의 사용 주파수 대역에 대한 정보", "해당 타겟의 소요되는 전력량", "해당 타겟의 고유의 식별자" 및 "해당 타겟의 제품의 버전 또는 규격 정보" 중 적어도 하나를 포함하는 응답 메시지를 소스(110)의 통신부(115)로 전송할 수 있다. 응답 메시지에 포함되는 정보의 종류는 구현에 따라 변경될 수 있다.
한편, 통신부(124)는 통신 채널을 이용하는 아웃-밴드 통신을 수행할 수도 있다. 통신부(124)는 지그비(Zigbee), 블루투스(Bluetooth) 등의 통신 모듈을 포함할 수 있다. 통신부(124)는 아웃-밴드 통신을 통해 소스(110)와 데이터(140)를 송수신 할 수 있다.
통신부(124)는 소스(110)로부터 웨이크-업 요청 메시지를 수신하고, 전력 검출기(power detector)(127)는 타겟 공진기(133)에 수신되는 전력의 양을 검출하며, 통신부(124)는 타겟 공진기(133)에 수신되는 전력의 양에 대한 정보를 소스(110)로 전송할 수 있다. 이때, 타겟 공진기(133)에 수신되는 전력의 양에 대한 정보는, "정류기(122)의 입력 전압 값 및 전류 값", "정류기(122)의 출력 전압 값 및 전류 값" 또는 "DC/DC 컨버터(123)의 출력 전압 값 및 전류 값"이다.
도 1에서, Tx 제어부(114)는 소스 공진기(131)의 공진 대역폭(resonance bandwidth)을 설정할 수 있다. 소스 공진기(131)의 공진 대역폭(resonance bandwidth)의 설정에 따라서, 소스 공진기(131)의 큐-팩터(Q-factor) QS가 결정될 수 있다.
또한, Rx 제어부(Rx control logic)(125)는 타겟 공진기(133)의 공진 대역폭(resonance bandwidth)을 설정할 수 있다. 타겟 공진기(133)의 공진 대역폭(resonance bandwidth)의 설정에 따라서, 타겟 공진기(133)의 큐-팩터(Q-factor) QS가 결정될 수 있다. 이때, 소스 공진기(131)의 공진 대역폭은 타겟 공진기(133)의 공진 대역폭 보다 넓거나 좁게 설정될 수 있다.
통신을 통해, 소스(110)와 타겟(120)은 소스 공진기(131) 및 타겟 공진기(133) 각각의 공진 대역폭에 대한 정보를 공유할 수 있다. 타겟(120)으로부터 기준값 보다 높은 전력(high power)이 요구되는 경우, 소스 공진기(131)의 큐-팩터 QS는 100 보다 큰 값으로 설정될 수 있다. 또한, 타겟(120)으로부터 기준 값 보다 낮은 전력(low power)이 요구되는 경우, 소스 공진기(131)의 큐-팩터 QS는 100보다 작은 값으로 설정될 수 있다.
도 1에서, 소스(110)는 타겟(120)의 웨이크-업을 위한 웨이크 업 전력을 무선으로 전송하고, 무선 전력 전송 네트워크를 구성하기 위한 구성 신호(configuration signal)를 브로드캐스트할 수 있다. 소스는(110)는 상기 구성 신호(configuration signal)의 수신 감도 값을 포함하는 서치 프레임을 상기 타겟(120)으로부터 수신하고, 상기 타겟(120)의 조인을 허락하고, 무선 전력 전송 네트워크에서 상기 타겟(120)을 식별하기 위한 식별자를 상기 타겟(120)으로 전송하고, 전력 제어를 통해 충전 전력을 생성하고, 상기 충전 전력을 무선으로 상기 타겟(120)에 전송할 수 있다.
또한, 타겟(120)은 복수의 소스 디바이스들 중 적어도 하나로부터 웨이크 업 전력을 수신하고, 상기 웨이크-업 전력을 사용하여 통신 기능을 활성화하고, 상기 복수의 소스 디바이스들 각각의 무선 전력 전송 네트워크를 구성하기 위한 구성 신호를 수신하고, 상기 구성 신호의 수신 감도에 기초하여 소스(110)를 선택하고, 상기 선택된 소스(110)로부터 전력을 무선으로 수신할 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 멀티 타겟 환경을 나타내는 예시도이다.
도 2를 참조하면, 소스 디바이스(210)은 복수의 타겟 디바이스들(221, 223, 225)로 동시에 에너지를 무선으로 전달할 수 있다. 즉, 공진 방식의 무선 전력 전송 방식에 따르면, 하나의 소스 디바이스(220)는 복수의 타겟 디바이스들(221, 223, 225)을 동시에 충전할 수 있다.
또한, 공진 방식의 무선 전력 전송 방식에 따르면, 소스 디바이스(220) 및 복수의 타겟 디바이스들(221, 223, 225)은 아웃 밴드 통신 및 인-밴드 통신을 통해 데이터를 송수신 할 수 있다.
인-밴드 통신 방식에 따르면, 소스 공진기와 타겟 공진기의 커플링 영역 내에서만 전력 및 신호의 전송이 가능하다. 따라서, 아웃 밴드 통신 방식과는 달리, 인-밴드 통신 방식은 주변 기기에 간섭을 적게 일으킨다. 여기서, 아웃 밴드 통신이란, Zigbee, Bluetooth 등의 통신 채널을 통한 통신을 의미한다. 인-밴드 통신 방식은 전력 전송 채널을 이용하여 데이터를 전송한다.
도 3은 일 실시예에 따른 무선 전력 송수신 장치의 구성을 나타낸다.
도 3을 참조하면, 무선 전력 송수신 장치(300)는 공진기(310), 제어부(320), 전력 생성부(330), 정류부(340) 및 배터리(350)를 포함한다.
공진기(310)는 전력 수신 모드 및 전력 전송 모드를 포함하는 복수의 동작 모드에 기초하여 동작하도록 구성된다. 즉, 공진기(310)는 전력을 수신하는 타겟 공진기 또는 전력을 전송하는 소스 공진기로 동작할 수 있다.
공진기(310)는 공진기는 상기 전력 수신 모드에서 마그네틱 커플링을 통해 대응 장치로부터 전력을 수신하고, 상기 전력 전송 모드에서 상기 마그네틱 커플링을 통해 상기 대응 장치로 전력을 전송한다.
공진기(310)는 전력 수신 모드에서 복수의 대응 장치들로부터 동시에 전력을 수신할 수 있다. 복수의 대응 장치들로부터 동시에 전력을 수신하는 예는 도 5에 도시된 바와 같다.
제어부(320)는 동작 모드를 결정한다. 동작 모드는 배터리(350)의 잔량 및 대응 장치의 배터리 잔량에 기초하여 결정될 수 있다.
제어부(320)는 전력 수신 모드의 공진 주파수와 상기 전력 전송 모드의 공진 주파수를 서로 다른 주파수 대역으로 설정할 수 있다.
제어부(320)는 배터리(350)의 잔량에 대한 정보를 통신을 통해 상대 장치와 공유하고, 상대 장치 보다 배터리 잔량이 더 큰 경우 전력 전송 모드를 선택할 수 있다.
제어부(320)는 대응 장치와의 거리 또는 상기 대응 장치와의 전력 전송 효율에 기초하여 전력 전송 가능 여부를 결정할 수 있다. 예를 들어, 제어부(320)는 상기 대응 장치와의 거리가 기 설정된 거리보다 멀거나, 상기 대응 장치로 전송되는 전력의 전송 효율이 기 설정된 값 보다 작은 경우 전력 전송이 불가능한 것으로 판단하고, 전력 전송을 중단시킬 수 있다.
제어부(320)는 대응 장치로부터 수신 전력량에 대한 정보를 수신하고, 수신 전력량에 대한 정보 및 전력 생성부(330)의 출력 전력으로부터 전력 전송 효율을 계산할 수 있다.
또한, 제어부(320)는 대응 장치로부터 전력 전송량에 대한 정보를 수신하고, 전력 전송량에 대한 정보와 대응 장치로부터 수신된 실제 전력량으로부터 전력 수신 효율을 계산할 수 있다. 이때, 대응 장치로부터 수신된 실제 전력량은 공진기(310)와 정류부(340) 사이에서 측정된 전압 및 전류로부터 계산될 수 도 있고, 정류부(340)의 출력단에서 측정된 전압 및 전류로부터 계산될 수 도 있다.
전력 생성부(330)는 장치(300)가 전력 전송 모드로 동작하는 경우 전력을 생성하여 공진기(310)로 전력을 전달한다. 전력 생성부(330)는 도 1의 Variable SMPS(111) 및 Power Amplifier(112)를 포함할 수 있다.
정류부(340)는 장치(300)가 전력 수신 모드로 동작하는 경우 교류 전압을 정류함으로써 DC 전압을 생성한다. 정류부(340)는 도 1의 정류부(122)와 동일한 기능을 수행할 수 있다.
배터리(350)는 정류부(340)에서 출력되는 DC 전압에 의해 충전될 수 있다. 또한, 배터리(350)는 전력 생성부(330)에 전압 및 전류를 공급할 수 있다.
도 3에 도시되지 않았지만, 장치(300)은 도 1의 매칭 네트워크(113)를 더 포함할 수 있다. 또한, 장치(300)는 도 1의 통신부(124) 및 통신부(115)의 기능을 수행하는 통신 모듈을 더 포함할 수 있다.
도 4는 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 송수신 장치의 구성을 나타낸다.
도 4를 참조하면, 장치(400)는 대응 장치의 존재를 감지하는 센서부(460)를 포함한다.
장치(400)의 공진기(410), 제어부(420), 전력 생성부(430), 정류부(440) 및 배터리(450)는 각각 도 3의 공진기(310), 제어부(320), 전력 생성부(330), 정류부(340) 및 배터리(350)와 동일한 기능을 수행할 수 있다.
센서부(460)는 공진기(410)의 임피던스 변화를 감지하거나, 금속 물체의 접근을 감지함으로써, 대응 장치의 존재를 감지할 수 있다.
예를 들어, 센서부(460)는 공진기(410)의 임피던스 변화를 감지하기 위한 신호를 주기적으로 브로드캐스트할 수 있다. 공진기(410)의 임피던스 변화가 감지되면, 제어부(420)는 응답 요청 신호를 브로드캐스트할 수 있다. 제어부(420)는 대응 장치로부터 응답 요청 신호에 대한 응답 신호가 수신되면 대응 장치가 존재하는 것으로 판단할 수 있다. 만일, 기 설정된 시간동안 응답 신호가 수신되지 않으면 제어부(420)는 대응 장치가 존재하지 않는 것으로 판단할 수 있다.
센서부(460)는 금속 물체의 접근을 감지하기 위한 거리 감지 센서를 포함할 수 도 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 멀티 소스 환경을 나타내는 예시도이다.
도 5를 참조하면, 무선 전력 송수신 장치(540)는 전력 수신 모드로 동작하고, 무선 전력 송수신 장치들(510, 520, 530)은 전력 전송 모드로 동작할 수 있다. 이때, 무선 전력 송수신 장치들(510, 520, 530) 각각은 서로 다른 공진 주파수 f1, f2, f3로 동작할 수 도 있고, f1, f2, f3 중 선택된 어느 하나의 공진 주파수로 동작할 수 도 있다.
동일한 공진 주파수로 동작하는 경우, 무선 전력 송수신 장치(540)는 복수의 대응 장치들(510, 520, 530)로부터 동시에 전력을 수신할 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따른 멀티 소스 및 멀티 타겟 환경을 나타내는 예시도이다.
도 6을 참조하면, 제1 소스 디바이스(610) 및 제2 소스 디바이스는 서로 근접한 위치에 설치될 수 있다.
이때, 제1 소스 디바이스(610) 및 제2 소스 디바이스는 서로 다른 공진 주파수 f1 및 f3로 동작할 수 있다.
무선 전력 송수신 장치(620)의 동작 모드는 전력 수신 모드, 전력 전송 모드 및 중계 모드를 포함할 수 있다.
중계 모드는 소스 장치로부터 무선 전력을 수신하여 대응 장치로 무선 전력을 중계(relay)하는 모드이다.
예를 들어, 도 3에 도시된 장치(300)이 중계 모드로 동작하는 경우, 공진기(310)는 제어부(320), 전력 생성부(330) 및 정류부(340)와 전기적으로 연결되지 않을 수 있다.
중계 모드로 동작하는 경우 무선 전력 송수신 장치(620)는, 제1 공진 주파수f1을 이용하여 제1 소스 디바이스(610)로부터 무선 전력을 수신하고, 제2 공진 주파수 f2를 이용하여 대응 장치(630)로 무선 전력을 전달할 수 있다.
도 6에 도시된 예에서, 제1 소스 디바이스(610)는 제1 공진 주파수 f1을 이용하여 무선 전력 송수신 장치(620)로 전력을 전송하고, 동시에 제2 소스 디바이스(640)는 제3 공진 주파수 f3를 이용하여 무선 전력을 무선 전력 수신 장치(650)로 전송할 수 있다.
도 7은 또 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 송수신 장치의 구성을 나타낸다.
도 7을 참조하면, 장치(700)의 공진기(710), 제어부(720), 전력 생성부(730), 정류부(740), 배터리(750) 및 센서부(760)는 각각 도 4에 도시된 장치(400)의 공진기(410), 제어부(420), 전력 생성부(430), 정류부(440), 배터리(450) 및 센서부(460)와 동일한 기능을 수행할 수 있다.
경로 제어부(770)는 장치(700)의 동작 모드에 기초하여 장치(700)의 적어도 하나의 전기적인 연결(electrical pathway)을 제어할 수 있다.
경로 제어부(770)는 장치(700)가 전력 전송 모드로 동작하는 경우 전력 생성부(730)와 공진기(710)를 전기적으로 연결할 수 있다.
경로 제어부(770)는 장치(700)가 전력 전송 모드로 동작하는 경우 정류부(740)와 공진기(710)를 전기적으로 연결할 수 있다.
경로 제어부(770)는 장치(700)가 중계 모드로 동작하는 경우 공진기(710)를 전력 생성부(730) 또는 정류부(740)에 주기적으로 연결되도록 스위칭할 수 있다. 예를 들어, 경로 제어부(770)는 제1 시간 구간에서 공진기(710)를 전력 생성부(730)에 연결하고, 제2 시간 구간에서 공진기(710)를 정류부(740)에 연결할 수 있다. 이때, 제1 시간 구간의 공진 주파수는 f1이고, 제2 시간 구간의 공진 주파수는 f2일 수 있다.
제어부(720)는 무선 전력 전송에 관한 유저 인터페이스를 제공하도록 구성(configured)될 수 있다. 제어부(720)는 무선 전력 전송에 관한 유저 인터페이스를 제공하도록 구성된(configured) 프로세서를 포함할 수 있다.
이때, 유저 인터페이스는 상기 전력 수신 모드 또는 상기 전력 전송 모드의 선택을 위한 어플리케이션의 실행 명령을 수신할 수 있다.
제어부(720)는 유저 인터페이스를 통해 배터리 잔량에 대한 정보 및 전송 가능한 전력량에 대한 정보를 디스플레이할 수 있다.
제어부(720)는 유저 인터페이스를 통해 상기 전력 수신 모드 또는 상기 전력 전송 모드의 선택을 위한 무선 충전 정보를 제공할 수 있다.
즉, 제어부(720)는 무선 전력 전송에 관한 유저 인터페이스를 실행하고, 상기 유저 인터페이스를 통해 배터리 잔량에 대한 정보 및 전송 가능한 전력량에 대한 정보를 디스플레이하고, 상기 유저 인터페이스를 통해 전력 수신 모드 또는 전력 전송 모드의 선택을 위한 무선 충전 정보를 제공할 수 있다.
이때, 무선 충전 정보는 상기 대응 장치의 배터리 잔량에 대한 정보를 포함할 수 있다.
무선 충전 정보는 상기 전력 수신 모드의 전력 수신 효율 및 상기 전력 전송 모드의 전력 전송 효율에 대한 정보를 더 포함할 수 있다.
도 8은 일 실시예에 따른 유저 인터페이스의 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 8을 참조하면, (A)는 디스플레이 화면(800)을 통해 무선 전력 전송에 관한 어플리케이션을 선택할 수 있는 아이콘(810)이 제공된 예를 나타낸다.
아이콘(810)이 터치 제스처에 의해 선택되면, 무선 전력 전송을 설정할 수 있는 인터페이스(820)가 디스플레이 될 수 있다. 무선 전력 전송 사용 여부를 체크하는 박스(821)를 통해 무선 전력 전송 사용 여부가 지정될 수 있다.
도 9는 일 실시예에 따른 유저 인터페이스의 다른 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 9를 참조하면, (A)는 전력 전송 모드의 전환 여부를 묻는 인터페이스의 예를 나타낸다. (B)는 전력 수신 모드의 전환 여부를 묻는 인터페이스의 예를 나타낸다.
도 9의 (A)에 도시된 바와 같이, 무선 전력 전송에 관한 유저 인터페이스(910)는 수집된 무선 충전 정보(915)를 제공하고, 모드 전환의 선택을 위한 메뉴들(911, 913)를 포함할 수 있다.
도 9의 (B)를 참조하면, 무선 전력 전송에 관한 유저 인터페이스(920)는 배터리 용량이 부족하여 수신 모드로 전환할 지 여부를 묻는 창(921)을 포함할 수 있다.
도 10은 일 실시예에 따른 무선 전력 송수신 장치에서 디스플레이부를 나타낸 도면이다.
무선 전력 수신 장치가 전기 자동차인 경우에, 전기 자동차의 대쉬보드(1010) 상에 위치한 화면(1020)을 통해 무선 전력 전송 장치의 충전 영역이 표시될 수 있다. 전기 자동차가 충전 영역에 위치하여 무선 전력 전송 장치와 정렬되면, 충전 버튼(1030)을 통해 충전이 시작되거나 종료될 수 있다. 또는 정렬되지 않은 경우에도, 전기 자동차가 충전 영역에 진입하였으면, 충전 버튼(1030)을 통해 충전이 시작되거나 종료될 수 있다.
도 11은 일 실시예에 따른 무선 전력 송수신 방법을 나타낸다.
도 11에 도시된 방법은 무선 전력 송수신 장치에 의해 수행될 수 있다.
1110 단계에서 무선 전력 송수신 장치는 배터리 잔량에 대한 정보 및 대응 장치의 배터리 잔량에 대한 정보를 획득한다. 무선 전력 송수신 장치는 대응 장치와의 통신을 통해 대응 장치의 배터리 잔량에 대한 정보를 획득할 수 있다.
1120 단계에서 무선 전력 송수신 장치는 장치의 배터리 잔량에 대한 정보 및 대응 장치의 배터리 잔량에 대한 정보에 기초하여, 전력 수신 모드 및 전력 전송 모드 중 어느 하나의 모드를 결정한다.
예를 들어, 무선 전력 송수신 장치는 장치의 배터리 잔량이 대응 장치의 배터리 잔량보다 기 설정된 값 이상으로 큰 경우 전력 전송 모드로 동작할 수 있다. 또한, 무선 전력 송수신 장치는 장치의 배터리 잔량이 대응 장치의 배터리 잔량보다 10% 이상 큰 경우 전력 전송 모드로 동작할 수 도 있다.
1130 단계에서 무선 전력 송수신 장치는 결정된 동작 모드가 전력 수신 모드인지를 판단할 수 있다.
결정된 동작 모드가 전력 수신 모드이면, 1140 단계에서 무선 전력 송수신 장치는 마그네틱 커플링을 통해 대응 장치로부터 전력을 수신한다.
결정된 동작 모드가 전력 전송 모드이면, 1150 단계에서 무선 전력 송수신 장치는 상기 마그네틱 커플링을 통해 상기 대응 장치로 전력을 전송한다.
도 12는 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 송수신 방법을 나타낸다.
도 12에 도시된 방법은 무선 전력 송수신 장치에 의해 수행될 수 있다.
1210 단계에서 무선 전력 송수신 장치는 대응 장치의 존재를 감지한다.
1220 단계에서 무선 전력 송수신 장치는 대응 장치와의 거리 또는 상기 대응 장치와의 전력 전송 효율에 기초하여 전력 전송 가능 여부를 결정한다.
1230 단계에서 무선 전력 송수신 장치는 전력 전송 가능 여부에 따라 전력 수신 모드 및 전력 전송 모드 중 어느 하나의 모드를 결정한다.
이후, 무선 전력 송수신 장치는 도 11에 도시된 1130 단계 내지 1150 단계를 수행할 수 있다. 즉, 무선 전력 송수신 장치는 상기 전력 수신 모드에서 마그네틱 커플링을 통해 상기 대응 장치로부터 전력을 수신하고, 상기 전력 전송 모드에서 상기 마그네틱 커플링을 통해 상기 대응 장치로 전력을 전송할 수 있다.
한편, 도 5와 같이 기 설정된 거리 내에 복수의 이웃 장치들(510, 520, 530) 각각의 동작 모드가 모두 전력 전송 모드인 경우, 1230 단계에서 무선 전력 송수신 장치는 전력 수신 모드를 동작 모드로 결정할 수 있다.
기 설정된 거리 내에 복수의 이웃 장치들(510, 520, 530) 각각의 동작 모드가 모두 전력 전송 모드인지 여부는 통신을 통해 확인할 수 있다. 예를 들어, 도 5에 도시된 장치들(510, 520, 530, 540) 각각은 아웃 밴드 통신을 통해 주기적으로 현재의 동작 모드에 대한 정보를 브로드캐스트하고, 장치들(510, 520, 530, 540) 각각은 수신된 동작 모드에 대한 정보를 기반으로 이웃 장치들 각각의 현재 동작 모드를 확인할 수 도 있다.
도 13은 또 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 송수신 방법을 나타낸다.
도 13에 도시된 방법은 도 12에 도시된 1230단계 이후, 1340 단계를 더 수행하는 예를 나타낸다.
도 13을 참조하면, 1340 단계에서 무선 전력 송수신 장치는 전력 수신 모드 및 전력 전송 모드 중 어느 하나의 결정된 모드에 대한 정보를 상기 대응 장치로 전송한다. 1340 단계를 통해 무선 전력 송수신 장치와 대응 장치는 각각 서로 동작 모드를 확인할 수 있다.
도 14는 일 실시예에 따른 공진기 및 피더에서 자기장의 분포를 나타낸다.
도 14 내지 도 16에서 "공진기"는 소스 공진기 및 타겟 공진기를 포함한다.
별도의 피더를 통해 공진기가 전력을 공급받는 경우에는 피더에서 자기장이 발생하고, 공진기에서도 자기장이 발생한다.
도 14의 (a)를 참조하면, 피더(1410)에서 입력 전류가 흐름에 따라 자기장(1430)이 발생한다. 피더(1410) 내부에서 자기장의 방향(1431)과 외부에서 자기장의 방향(1433)은 서로 반대 위상을 가진다. 피더(1410)에서 발생하는 자기장(1430)에 의해 공진기(1420)에서 유도 전류가 발생한다. 이때 유도 전류의 방향은 입력 전류의 방향과 반대이다.
유도 전류에 의해 공진기(1420)에서 자기장(1440)이 발생한다. 자기장의 방향은 공진기(1420)의 내부에서는 동일한 방향을 가진다. 따라서, 공진기(1420)에 의해 피더(1410)의 내부에서 발생하는 자기장의 방향(1441)과 피더(1410)의 외부에서 발생하는 자기장의 방향(1443)은 동일한 위상을 가진다.
결과적으로 피더(1410)에 의해서 발생하는 자기장과 공진기(1420)에서 발생하는 자기장을 합성하면, 피더(1410)의 내부에서는 자기장의 세기가 약화되고, 피더(1410)의 외부에서는 자기장의 세기가 강화된다. 따라서, 도 10과 같은 구조의 피더(1410)를 통해 공진기(1420)에 전력을 공급하는 경우에, 공진기(1420) 중심에서 자기장의 세기가 약하고, 외곽에서 자기장의 세기가 강하다. 공진기(1420) 상에서 자기장의 분포가 균일(uniform)하지 않은 경우, 입력 임피던스가 수시로 변화하므로 임피던스 매칭을 수행하는 것이 어렵다. 또한, 자기장의 세기가 강한 부분에서는 무선 전력 전송이 잘되고, 자기장의 세기가 약한 부분에서는 무선 전력 전송이 잘 되지 않을 수 있다.
(b)는 공진기(1450)와 피더(1460)가 공통의 접지를 가진 무선 전력 전송 장치의 구조를 나타낸다. 공진기(1450)는 캐패시터(1451)를 포함할 수 있다. 피더(1460)는 포트(1461)를 통하여, RF 신호를 입력 받을 수 있다. 피더(1460)에는 RF 신호가 입력되어, 입력 전류가 생성될 수 있다. 피더(1460)에 흐르는 입력 전류는 자기장을 생성하고, 상기 자기장으로부터 공진기(1450)에 유도 전류가 유도된다. 또한, 공진기(1450)를 흐르는 유도 전류로부터 자기장이 발생한다. 이때, 피더(1460)에 흐르는 입력 전류의 방향과 공진기(1450)에 흐르는 유도 전류의 방향은 서로 반대 위상을 가진다. 따라서, 공진기(1450)와 피더(1460) 사이의 영역에서, 입력 전류에 의해 발생하는 자기장의 방향(1471)과 유도 전류에 의해 발생하는 자기장의 방향(1473)은 동일한 위상을 가지므로, 자기장의 세기가 강화된다. 반면에, 피더(1460)의 내부에서는, 입력 전류에 의해 발생하는 자기장의 방향(1481)과 유도 전류에 의해 발생하는 자기장의 방향(1483)은 반대 위상을 가지므로, 자기장의 세기가 약화된다. 결과적으로 공진기(1450)의 중심에서는 자기장의 세기가 약해지고, 공진기(1450)의 외곽에서는 자기장의 세기가 강화될 수 있다.
피더(1460)는 피더(1460) 내부의 면적을 조절하여, 입력 임피던스를 결정할 수 있다. 여기서 입력 임피던스는 피더(1460)에서 공진기(1450)를 바라볼 때, 보이는 임피던스를 의미한다. 피더(1460) 내부의 면적이 커지면 입력 임피던스는 증가하고, 내부의 면적이 작아지면 입력 임피던스는 감소한다. 그런데, 입력 임피던스가 감소하는 경우에도, 공진기(1450) 내부의 자기장 분포는 일정하지 않으므로, 타겟 디바이스의 위치에 따라 입력 임피던스 값이 일정하지 않다. 따라서, 전력 증폭기의 출력 임피던스와 상기 입력 임피던스의 매칭을 위해 별도의 매칭 네트워크가 필요하다. 입력 임피던스가 증가하는 경우에는 큰 입력 임피던스를 작은 출력 임피던스에 매칭시키기 위해 별도의 매칭 네트워크가 필요할 수 있다.
도 15는 일 실시예에 따른 공진기 및 피더의 구성을 나타낸 도면이다.
도 15의 (a)를 참조하면, 공진기(1510)는 캐패시터(1511)를 포함할 수 있다. 피딩부(1520)는 캐패시터(1511)의 양단에 전기적으로 연결될 수 있다.
(b)는 (a)의 구조를 좀 더 구체적으로 표시한 도면이다. 이때, 공진기(1510)는 제1 전송선로, 제1 도체(1541), 제2 도체(1542), 적어도 하나의 제1 캐패시터(1550)를 포함할 수 있다.
제1 캐패시터(1550)는 제1 전송 선로에서 제1 신호 도체 부분(1531)과 제2 신호 도체 부분(1532) 사이에 위치에 직렬로 삽입되며, 그에 따라 전계(electric field)는 제1 캐패시터(1550)에 갇히게 된다. 일반적으로, 전송 선로는 상부에 적어도 하나의 도체, 하부에 적어도 하나의 도체를 포함하며, 상부에 있는 도체를 통해서는 전류가 흐르며, 하부에 있는 도체는 전기적으로 그라운드 된다(grounded). 본 명세서에서는 제1 전송 선로의 상부에 있는 도체를 제1 신호 도체 부분(1531)과 제2 신호 도체 부분(1532)로 나누어 부르고, 제1 전송 선로의 하부에 있는 도체를 제1 그라운드 도체 부분(1533)으로 부르기로 한다.
(b)에 도시된 바와 같이, 공진기는 2 차원 구조의 형태를 갖는다. 제1 전송 선로는 상부에 제1 신호 도체 부분(1531) 및 제2 신호 도체 부분(1532)을 포함하고, 하부에 제1 그라운드 도체 부분(1533)을 포함한다. 제1 신호 도체 부분(1531) 및 제2 신호 도체 부분(1532)과 제1 그라운드 도체 부분(1533)은 서로 마주보게 배치된다. 전류는 제1 신호 도체 부분(1531) 및 제2 신호 도체 부분(1532)을 통하여 흐른다.
또한, (b)에 도시된 바와 같이 제1 신호 도체 부분(1531)의 한쪽 단은 제1 도체(1541)와 접지(short)되고, 다른 쪽 단은 제1 캐패시터(1550)와 연결된다. 그리고, 제2 신호 도체 부분(1532)의 한쪽 단은 제2 도체(1542)와 접지되며, 다른 쪽 단은 제1 캐패시터(1550)와 연결된다. 결국, 제1 신호 도체 부분(1531), 제2 신호 도체 부분(1532) 및 제1 그라운드 도체 부분(1533), 도체들(1541, 1542)은 서로 연결됨으로써, 공진기는 전기적으로 닫혀 있는 루프 구조를 갖는다. 여기서, '루프 구조'는 원형 구조, 사각형과 같은 다각형의 구조 등을 모두 포함하며, '루프 구조를 갖는다고 함은' 전기적으로 닫혀 있다는 것을 의미한다.
제1 캐패시터(1550)는 전송 선로의 중단부에 삽입된다. 보다 구체적으로, 제1캐패시터(1550)는 제1 신호 도체 부분(1531) 및 제2 신호 도체 부분(1532) 사이에 삽입된다. 이 때, 제1 캐패시터(1550)는 집중 소자(lumped element) 및 분산 소자(distributed element) 등의 형태를 가질 수 있다. 특히, 분산 소자의 형태를 갖는 분산된 캐패시터는 지그재그 형태의 도체 라인들과 그 도체 라인들 사이에 존재하는 높은 유전율을 갖는 유전체를 포함할 수 있다.
제1 캐패시터(1550)가 전송 선로에 삽입됨에 따라 소스 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 투자율을 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 자연계에 존재하지 않는 유전율 또는 투자율을 가진 물질로서, 유전율 또는 투자율의 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 제1 캐패시터(1550)의 캐패시턴스가 적절히 정해지는 경우, 소스 공진기는 메타물질의 특성을 가질 수 있다. 특히, 제1 캐패시터(1550)의 캐패시턴스를 적절히 조절함으로써, 소스 공진기는 음의 투자율을 가질 수 있으므로, 소스 공진기는 MNG 공진기로 불려질 수 있다. 제1 캐패시터(1550)의 캐패시턴스를 정하는 전제(criterion)들은 다양할 수 있다. 소스 공진기가 메타물질(metamaterial)의 특성을 가질 수 있도록 하는 전제(criterion), 소스 공진기가 대상 주파수에서 음의 투자율을 갖도록 하는 전제 또는 소스 공진기가 대상 주파수에서 영번째 공진(Zeroth-Order Resonance) 특성을 갖도록 하는 전제 등이 있을 수 있고, 상술한 전제들 중 적어도 하나의 전제 아래에서 제1 캐패시터(1550)의 캐패시턴스가 정해질 수 있다.
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 제1 캐패시터(1550)를 적절히 설계하는 것으로 충분하므로, MNG 공진기의 물리적인 사이즈를 변경하지 않을 수 있다.
또한, 근접장(near field)에서 전계는 전송 선로에 삽입된 제1 캐패시터(1550)에 집중되므로, 제1 캐패시터(1550)로 인하여 근접 필드에서는 자기장(magnetic field)이 도미넌트(dominant)해진다. 그리고, MNG 공진기는 집중 소자의 제1 캐패시터(1550)를 이용하여 높은 큐-팩터(Q-Factor)를 가질 수 있으므로, 전력 전송의 효율을 향상시킬 수 있다. 참고로, 큐-팩터는 무선 전력 전송에 있어서 저항 손실(ohmic loss)의 정도 또는 저항(resistance)에 대한 리액턴스의 비를 나타내는데, 큐-팩터가 클수록 무선 전력 전송의 효율이 큰 것으로 이해될 수 있다.
또한, (b)에 도시되지 아니하였으나, MNG 공진기를 관통하는 마그네틱 코어가 더 포함될 수 있다. 이러한 마그네틱 코어는 전력 전송 거리를 증가시키는 기능을 수행할 수 있다.
(b)를 참조하면, 피딩부(1520)는 제2 전송선로, 제3 도체(1571), 제4 도체(1572), 제5 도체(1581) 및 제6 도체(1582)를 포함할 수 있다.
제2 전송 선로는 상부에 제3 신호 도체 부분(1561) 및 제4 신호 도체 부분(1562)을 포함하고, 하부에 제2 그라운드 도체 부분(1563)을 포함한다. 제3 신호 도체 부분(1561) 및 제4 신호 도체 부분(1562)과 제2 그라운드 도체 부분(1563)은 서로 마주보게 배치된다. 전류는 제3 신호 도체 부분(1561) 및 제4 신호 도체 부분(1562)을 통하여 흐른다.
또한, (b)에 도시된 바와 같이 제3 신호 도체 부분(1561)의 한쪽 단은 제3 도체(1571)와 접지(short)되고, 다른 쪽 단은 제5 도체(1581)와 연결된다. 그리고, 제4 신호 도체 부분(1562)의 한쪽 단은 제4 도체(1572)와 접지되며, 다른 쪽 단은 제6 도체 (1582)와 연결된다. 제5 도체(1581)는 제1 신호 도체 부분(1531)과 연결되고, 제6 도체 (1582)는 제2 신호 도체 부분(1532)과 연결된다. 제5 도체(1581)와 제6 도체(1582)는 제1 캐패시터(1550)의 양단에 병렬로 연결된다. 이때, 제5 도체(1581) 및 제6 도체(1582)는 RF신호를 입력받는 입력 포트로 사용될 수 있다.
결국, 제3 신호 도체 부분(1561), 제4 신호 도체 부분(1562) 및 제2 그라운드 도체 부분(1563), 제3 도체(1571), 제4 도체(1572), 제5 도체(1581), 제6 도체(1582) 및 공진기(1510)는 서로 연결됨으로써, 공진기(1510) 및 피딩부(1520)는 전기적으로 닫혀 있는 루프 구조를 갖는다. 여기서, '루프 구조'는 원형 구조, 사각형과 같은 다각형의 구조 등을 모두 포함한다. 제5 도체(1581) 또는 제6 도체(1582)를 통하여 RF 신호가 입력되면, 입력 전류는 피딩부(1520) 및 공진기(1510)에 흐르게 되고, 입력 전류에 의해 발생하는 자기장에 의하여, 공진기(1510)에 유도 전류가 유도 된다. 피딩부(1520)에서 흐르는 입력 전류의 방향과 공진기(1510)에서 흐르는 유도 전류의 방향이 동일하게 형성됨으로써, 공진기(1510)의 중앙에서는 자기장의 세기가 강화되고, 공진기(1510)의 외곽에서는 자기장의 세기가 약화된다.
공진기(1510)와 피딩부(1520) 사이 영역의 면적에 의해 입력 임피던스가 결정될 수 있으므로, 전력 증폭기의 출력 임피던스와 상기 입력 임피던스의 매칭을 수행하기 위해 별도의 매칭 네트워크는 필요하지 않다. 매칭 네트워크가 사용되는 경우에도, 피딩부(1520)의 크기를 조절함으로써, 입력 임피던스를 결정할 수 있기 때문에, 매칭 네트워크의 구조는 단순해질 수 있다. 단순한 매칭 네트워크 구조는 매칭 네트워크의 매칭 손실을 최소화한다.
제2 전송 선로, 제3 도체(1571), 제4 도체(1572), 제5 도체(1581), 제6 도체(1582) 는 공진기(1510)와 동일한 구조를 형성할 수 있다. 즉, 공진기(1510)가 루프 구조인 경우에는 피딩부(1520)도 루프 구조일 수 있다. 또한, 공진기(1510)가 원형 구조인 경우에는 피딩부(1520)도 원형 구조일 수 있다.
도 16은 일 실시예에 따른 피딩부의 피딩에 따른 공진기의 내부에서 자기장의 분포를 나타낸 도면이다.
무선 전력 전송에서 피딩은, 소스 공진기에 전력을 공급하는 것을 의미한다. 또한, 무선 전력 전송에서 피딩은, 정류부에 AC 전력을 공급하는 것을 의미할 수 있다. (a)는 피딩부에서 흐르는 입력 전류의 방향 및 소스 공진기에서 유도되는 유도 전류의 방향을 나타낸다. 또한, (a)는 피딩부의 입력 전류에 의해 발생하는 자기장의 방향 및 소스 공진기의 유도 전류에 의해 발생하는 자기장의 방향을 나타낸다. (a)는 도 16의 공진기(1610) 및 피딩부(1620)를 좀 더 간략하게 표현한 도면이다. (b)는 피딩부와 공진기의 등가회로를 나타낸다.
(a)를 참조하면, 피딩부의 제5 도체 또는 제6 도체는 입력 포트(1610)로 사용될 수 있다. 입력 포트(1610)는 RF 신호를 입력 받는다. RF 신호는 전력 증폭기로부터 출력될 수 있다. 전력 증폭기는 타겟 디바이스의 필요에 따라 RF 신호의 진폭을 증감시킬 수 있다. 입력 포트(1610)에서 입력된 RF 신호는 피딩부에 흐르는 입력 전류의 형태로 표시될 수 있다. 피딩부를 흐르는 입력 전류는 피딩부의 전송선로를 따라 시계방향으로 흐른다. 그런데, 피딩부의 제5 도체는 공진기와 전기적으로 연결된다. 좀 더 구체적으로, 제5 도체는 공진기의 제1 신호 도체 부분과 연결된다. 따라서 입력 전류는 피딩부 뿐만 아니라 공진기에도 흐르게 된다. 공진기에서 입력 전류는 반시계 방향으로 흐른다. 공진기에 흐르는 입력 전류에 의하여 자기장이 발생하고, 상기 자기장에 의해 공진기에 유도 전류가 생성된다. 유도 전류는 공진기에서 시계방향으로 흐른다. 이때 유도 전류는 공진기의 캐패시터에 에너지를 전달할 수 있다. 또한, 유도 전류에 의해 자기장이 발생한다. (a)에서 피딩부 및 공진기에 흐르는 입력 전류는 실선으로 표시되고, 공진기에 흐르는 유도 전류는 점선으로 표시되었다.
전류에 의해 발생하는 자기장의 방향은 오른나사의 법칙을 통해 알 수 있다. 피딩부 내부에서, 피딩부에 흐르는 입력 전류에 의해 발생한 자기장의 방향(1621)과 공진기에 흐르는 유도 전류에 의해 발생한 자기장의 방향(1623)은 서로 동일하다. 따라서, 피딩부 내부에서 자기장의 세기가 강화된다.
또한, 피딩부와 공진기 사이의 영역에서, 피딩부에 흐르는 입력 전류에 의해 발생한 자기장의 방향(1633)과 소스 공진기에 흐르는 유도 전류에 의해 발생한 자기장의 방향(1631)은 서로 반대 위상이다. 따라서, 피딩부와 공진기 사이의 영역에서, 자기장의 세기는 약화된다.
루프 형태의 공진기에서는 일반적으로 공진기의 중심에서는 자기장의 세기가 약하고, 공진기의 외곽부분에서는 자기장의 세기가 강하다. 그런데 (a)를 참조하면, 피딩부가 공진기의 캐패시터 양단에 전기적으로 연결됨으로써 공진기의 유도 전류의 방향과 피딩부의 입력 전류의 방향이 동일해 진다. 공진기의 유도 전류의 방향과 피딩부의 입력 전류의 방향이 동일하기 때문에, 피딩부의 내부에서는 자기장의 세기가 강화되고, 피딩부의 외부에서는 자기장의 세기가 약화된다. 결과적으로 루프 형태의 공진기의 중심에서는 피딩부로 인하여 자기장의 세기가 강화되고, 공진기의 외곽부분에서는 자기장의 세기가 약화될 수 있다. 그러므로 공진기 내부에서는 전체적으로 자기장의 세기가 균일해질 수 있다.
한편, 소스 공진기에서 타겟 공진기로 전달되는 전력 전송의 효율은 소스 공진기에서 발생하는 자기장의 세기에 비례하므로, 소스 공진기의 중심에서 자기장의 세기가 강화됨에 따라 전력 전송 효율도 증가할 수 있다.
(b)를 참조하면, 피딩부(1640) 및 공진기(1650)는 등가회로로 표현될 수 있다. 피딩부(1640)에서 공진기 측을 바라볼 때 보이는 입력 임피던스 Zin은 다음의 수식과 같이 계산될 수 있다.
Figure pat00001
여기서, M은 피딩부(1640)와 공진기(1650) 사이의 상호 인덕턴스를 의미하고, ω 는 피딩부(1640)와 공진기(1650) 간의 공진 주파수를 의미하고, Z는 공진기(1250)에서 타겟 디바이스 측을 바라볼 때 보이는 임피던스를 의미한다. Zin은 상호 인덕턴스 M에 비례한다. 따라서, 피딩부(1640)와 공진기(1650) 사이에 상호 인덕턴스를 조절함으로써 Zin을 제어할 수 있다. 상호 인덕턴스 M은 피딩부(1640)와 공진기(1650) 사이 영역의 면적에 따라 조절될 수 있다. 피딩부(1640)의 크기에 따라 피딩부(1640)와 공진기(1650) 사이 영역의 면적이 조절될 수 있다. Zin은 피딩부(1640)의 크기에 따라 결정될 수 있으므로, 전력 증폭기의 출력 임피던스와 임피던스 매칭을 수행하기 위해 별도의 매칭 네트워크가 필요하지 않다.
무선 전력 수신 장치에 포함된 타겟 공진기 및 피딩부도 위와 같은 자기장의 분포를 가질 수 있다. 타겟 공진기는 소스 공진기로부터 마그네틱 커플링을 통하여 무선 전력을 수신한다. 이때 수신되는 무선 전력을 통하여 타겟 공진기에서는 유도 전류가 생성될 수 있다. 타겟 공진기에서 유도 전류에 의해 발생한 자기장은 피딩부에 다시 유도 전류를 생성할 수 있다. 이때, (a)의 구조와 같이 타겟 공진기와 피딩부가 연결되면, 타겟 공진기에서 흐르는 전류의 방향과 피딩부에서 흐르는 전류의 방향은 동일해진다. 따라서, 피딩부의 내부에서는 자기장의 세기가 강화되고, 피딩부와 타겟 공진기 사이의 영역에서는 자기장의 세기가 약화될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 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 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (22)

  1. 무선 전력 송수신 장치에 있어서,
    전력 수신 모드 및 전력 전송 모드를 포함하는 복수의 동작 모드에 기초하여 동작하도록 구성된 공진기; 및
    상기 동작 모드를 결정하는 제어부를 포함하고,
    상기 공진기는 상기 전력 수신 모드에서 마그네틱 커플링을 통해 대응 장치로부터 전력을 수신하고, 상기 전력 전송 모드에서 상기 마그네틱 커플링을 통해 상기 대응 장치로 전력을 전송하고,
    상기 제어부는 상기 장치의 배터리 잔량 및 상기 대응 장치의 배터리 잔량에 기초하여 상기 동작 모드를 결정하는
    무선 전력 송수신 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 대응 장치의 존재를 감지하는 센서부를 더 포함하는,
    무선 전력 송수신 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 대응 장치와의 거리 또는 상기 대응 장치와의 전력 전송 효율에 기초하여 전력 전송 가능 여부를 결정하는,
    무선 전력 송수신 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 공진기의 공진 주파수 및 상기 공진기의 임피던스를 제어하는 매칭 네트워크를 더 포함하는,
    무선 전력 송수신 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 공진기는 복수의 대응 장치들로부터 동시에 전력을 수신하는,
    무선 전력 송수신 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전력 수신 모드의 공진 주파수와 상기 전력 전송 모드의 공진 주파수는 서로 다른 주파수 대역인,
    무선 전력 송수신 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 동작 모드는 소스 장치로부터 무선 전력을 수신하여 상기 대응 장치로 무선 전력을 중계(relay)하는 중계 모드를 더 포함하고,
    상기 중계 모드에서 상기 장치는 제1 공진 주파수를 이용하여 상기 소스 장치로부터 무선 전력을 수신하고, 제2 공진 주파수를 이용하여 상기 대응 장치로 무선 전력을 전달하는,
    무선 전력 송수신 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 동작 모드에 기초하여 상기 장치의 적어도 하나의 전기적인 연결(electrical pathway)을 제어하는 경로 제어부(path controller)를 더 포함하는,
    무선 전력 송수신 장치.
  9. 무선 전력 송수신 장치에 있어서,
    전력 수신 모드 및 전력 전송 모드를 포함하는 상기 장치의 복수의 동작 모드에 기초하여 동작하도록 구성된 공진기;
    상기 동작 모드에 기초하여 상기 장치의 적어도 하나의 전기적인 연결(electrical pathway)을 제어하는 경로 제어부(path controller); 및
    무선 전력 전송에 관한 유저 인터페이스를 제공하도록 구성된(configured) 제어부를 포함하고,
    상기 공진기는 상기 전력 수신 모드에서 마그네틱 커플링을 통해 대응 장치로부터 전력을 수신하고, 상기 전력 전송 모드에서 상기 마그네틱 커플링을 통해 상기 대응 장치로 전력을 전송하는
    무선 전력 송수신 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 유저 인터페이스를 통해 배터리 잔량에 대한 정보 및 전송 가능한 전력량에 대한 정보를 디스플레이하는,
    무선 전력 송수신 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 유저 인터페이스를 통해 상기 전력 수신 모드 또는 상기 전력 전송 모드의 선택을 위한 무선 충전 정보를 제공하고,
    상기 무선 충전 정보는 상기 대응 장치의 배터리 잔량에 대한 정보를 포함하는,
    무선 전력 송수신 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 무선 충전 정보는,
    상기 전력 수신 모드의 전력 수신 효율 및 상기 전력 전송 모드의 전력 전송 효율에 대한 정보를 더 포함하는,
    무선 전력 송수신 장치.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 유저 인터페이스는,
    상기 전력 수신 모드 또는 상기 전력 전송 모드의 선택을 위한 어플리케이션의 실행 명령을 수신하는,
    무선 전력 송수신 장치.
  14. 무선 전력 송수신 장치의 무선 전력 송수신 방법에 있어서,
    상기 장치의 배터리 잔량에 대한 정보 및 대응 장치의 배터리 잔량에 대한 정보를 획득하는 단계; 및
    상기 장치의 배터리 잔량에 대한 정보 및 대응 장치의 배터리 잔량에 대한 정보에 기초하여, 전력 수신 모드 및 전력 전송 모드 중 어느 하나의 모드를 결정하는 단계를 포함하고,
    상기 전력 수신 모드에서 마그네틱 커플링을 통해 대응 장치로부터 전력을 수신하고, 상기 전력 전송 모드에서 상기 마그네틱 커플링을 통해 상기 대응 장치로 전력을 전송하는
    무선 전력 송수신 방법.
  15. 무선 전력 송수신 장치의 무선 전력 송수신 방법에 있어서,
    대응 장치의 존재를 감지하는 단계;
    상기 대응 장치와의 거리 또는 상기 대응 장치와의 전력 전송 효율에 기초하여 전력 전송 가능 여부를 결정하는 단계; 및
    상기 전력 전송 가능 여부에 따라 전력 수신 모드 및 전력 전송 모드 중 어느 하나의 모드를 결정하는 단계를 포함하고,
    상기 전력 수신 모드에서 마그네틱 커플링을 통해 상기 대응 장치로부터 전력을 수신하고, 상기 전력 전송 모드에서 상기 마그네틱 커플링을 통해 상기 대응 장치로 전력을 전송하는
    무선 전력 송수신 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 전력 수신 모드의 공진 주파수와 상기 전력 전송 모드의 공진 주파수는 서로 다른 주파수 대역인,
    무선 전력 송수신 방법.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 동작 모드는 소스 장치로부터 무선 전력을 수신하여 상기 대응 장치로 무선 전력을 중계(relay)하는 중계 모드를 더 포함하고,
    상기 중계 모드에서 상기 장치는 제1 공진 주파수를 이용하여 상기 소스 장치로부터 무선 전력을 수신하고, 제2 공진 주파수를 이용하여 상기 대응 장치로 무선 전력을 전달하는,
    무선 전력 송수신 방법.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 동작 모드에 기초하여 상기 장치의 적어도 하나의 전기적인 연결(electrical pathway)을 제어하는 단계를 더 포함하는,
    무선 전력 송수신 방법.
  19. 제15항에 있어서,
    전력 수신 모드 및 전력 전송 모드 중 어느 하나의 결정된 모드에 대한 정보를 상기 대응 장치로 전송하는 단계를 더 포함하는,
    무선 전력 송수신 방법.
  20. 제15항에 있어서,
    기 설정된 거리 내의 복수의 이웃 장치들 각각의 동작 모드가 모두 전력 전송 모드인 경우, 상기 동작 모드는 전력 수신 모드로 결정되는,
    무선 전력 송수신 방법.
  21. 무선 전력 전송에 관한 유저 인터페이스를 실행하는 단계;
    상기 유저 인터페이스를 통해 배터리 잔량에 대한 정보 및 전송 가능한 전력량에 대한 정보를 디스플레이하는 단계;
    상기 유저 인터페이스를 통해 전력 수신 모드 또는 전력 전송 모드의 선택을 위한 무선 충전 정보를 제공하는 단계를 포함하고,
    상기 전력 수신 모드에서 마그네틱 커플링을 통해 대응 장치로부터 전력을 수신하고, 상기 전력 전송 모드에서 상기 마그네틱 커플링을 통해 상기 대응 장치로 전력을 전송하고,
    상기 무선 충전 정보는 상기 대응 장치의 배터리 잔량에 대한 정보를 포함하는
    무선 전력 송수신 방법.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 무선 충전 정보는,
    상기 전력 수신 모드의 전력 수신 효율 및 상기 전력 전송 모드의 전력 전송 효율에 대한 정보를 더 포함하는,
    무선 전력 송수신 방법.
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