KR20160124568A - 무선 전력 송신 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

무선 전력 송신 장치 및 그 제어 방법 Download PDF

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KR20160124568A
KR20160124568A KR1020150055412A KR20150055412A KR20160124568A KR 20160124568 A KR20160124568 A KR 20160124568A KR 1020150055412 A KR1020150055412 A KR 1020150055412A KR 20150055412 A KR20150055412 A KR 20150055412A KR 20160124568 A KR20160124568 A KR 20160124568A
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박수영
박수빈
이종헌
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엘지이노텍 주식회사
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/02—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries for charging batteries from ac mains by converters
    • H02J7/025—

Abstract

무선 전력 송신 장치가 개시된다. 본 장치는, 충전 패드, 충전 패드에 포함되고, 무선 전력 수신 장치를 인식하는 전력 송신부 및 전력 송신부를 통해 무선 전력을 외부 장치로 전송하도록 전력 송신부를 제어하는 제어부를 포함하며, 전력 송신부는 복수의 적층된 코일을 포함하고, 제어부는 외부 장치에 무선 전력을 전송하는 경우, 적층된 코일 각각의 자기장 위상을 제어할 수 있다. 이에 따라 장치 효율성이 향상될 수 있다.

Description

무선 전력 송신 장치 및 그 제어 방법{APPARATUS FOR TRANSMITTING WIRELESS POWER AND THE CONTROL METHOD THEREOF}
본 발명은 무선 전력 송신 장치 및 그 제어 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 복수의 충전 송신부를 구비한 무선 전력 송신 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
최근 정보 통신 기술이 급속도로 발전함에 따라, 정보 통신 기술을 기반으로 하는 유비쿼터스 사회가 이루어지고 있다.
언제 어디서나 정보통신 기기들이 접속되기 위해서는 사회 모든 시설에 통신 기능을 가진 컴퓨터 칩을 내장시킨 센서들이 설치되어야 한다. 따라서 이들 기기나 센서의 전원 공급 문제는 새로운 과제가 되고 있다. 또한 휴대폰 뿐만 아니라 블루투스 핸드셋과 아이팟 같은 뮤직 플레이어 등의 휴대기기 종류가 급격히 늘어나면서 배터리를 충전하는 작업이 사용자에게 시간과 수고를 요구하고 됐다. 이러한 문제를 해결하는 방법으로 무선 전력 전송 기술이 최근 들어 관심을 받고 있다.
무선 전력 전송 기술(wireless power transmission 또는 wireless energy transfer)은 자기장의 유도 원리를 이용하여 무선으로 송신기에서 수신기로 전기 에너지를 전송하는 기술로서, 이미 1800년대에 전자기유도 원리를 이용한 전기 모터나 변압기가 사용되기 시작했고, 그 후로는 라디오파나 레이저와 같은 전자파를 방사해서 전기에너지를 전송하는 방법도 시도되었다. 우리가 흔히 사용하는 전동칫솔이나 일부 무선면도기도 실상은 전자기유도 원리로 충전된다.
현재까지 무선을 이용한 에너지 전달 방식은 크게 자기 유도 방식, 자기 공진(Electromagnetic Resonance) 방식 및 단파장 무선 주파수를 이용한 전력 전송 방식 등으로 구분될 수 있다.
자기 유도 방식은 두 개의 코일을 서로 인접시킨 후 한 개의 코일에 전류를 흘려보내면 이 때 발생한 자속(MagneticFlux)이 다른 코일에 기전력을 일으키는 현상을 사용한 기술로서, 휴대폰과 같은 소형기기를 중심으로 빠르게 상용화가 진행되고 있다. 자기 유도 방식은 최대 수백 키로와트(kW)의 전력을 전송할 수 있고 효율도 높지만 최대 전송 거리가 1센티미터(cm) 이하이므로 일반적으로 충전기나 바닥에 인접시켜야 하는 단점이 있다.
자기 공진 방식은 전자기파나 전류 등을 활용하는 대신 전기장이나 자기장을 이용하는 특징이 있다. 자기 공진 방식은 전자파 문제의 영향을 거의 받지 않으므로 다른 전자 기기나 인체에 안전하다는 장점이 있다. 반면, 한정된 거리와 공간에서만 활용할 수 있으며 에너지 전달 효율이 다소 낮다는 단점이 있다.
단파장 무선 전력 전송 방식-간단히, RF 방식-은 에너지가 라디오 파(RadioWave)형태로 직접 송수신될 수 있다는 점을 활용한 것이다. 이 기술은 렉테나(rectenna)를 이용하는 RF 방식의 무선 전력 전송 방식으로서, 렉테나는 안테나(antenna)와 정류기(rectifier)의 합성어로서 RF 전력을 직접 직류 전력으로 변환하는 소자를 의미한다. 즉, RF 방식은 AC 라디오파를 DC로 변환하여 사용하는 기술로서, 최근 효율이 향상되면서 상용화에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 무선 전력 전송 기술은 모바일 뿐만 아니라 IT, 철도, 가전 산업 등 산업 전반에 다양하게 활용될 수 있다.
한편, 종래 기술에서는 복수의 코일을 포함하는 무선 전력 송신 장치가 무선 전력 수신 장치로 전력을 송신하는 것을 개시하고 있었다. 그러나, 무선 전력 송신 장치가 보다 효율적으로 무선 전력 수신 장치로 전력을 전송하는 기술의 대두가 요청된다.
미국공개문헌 US20070182367A
본 발명의 일 목적은 복수의 전력 송신부를 포함하는 무선 전력 송신 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 무선 전력 수신 장치를 정확하게 인식하여, 무선 충전을 수행하는 무선 전력 송신 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 무선 전력 수신 장치를 보다 효율적으로 서칭하는 무선 전력 송신 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 무선 전력 수신 장치의 형상을 판단하고, 이에 기초하여 꼭 필요한 부분으로 상기 수신 장치를 충전하는 무선 전력 송신 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 코일이 적층된 구조의 무선 전력 송신부를 이용하여, 무선 전력을 전송하는 무선 전력 송신 장치를 제공함에 있다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 충전 패드를 탑재한 충전 패드를 탑재한 무선 전력 송신 장치의 제어 방법은 상기 충전 패드에 포함된 복수의 전력 송신부를 통해 무선 전력 수신 장치를 인식하는 단계, 상기 무선 전력 수신 장치로 전력을 전송할 적어도 하나의 전력 송신부를 포함하는 전력 송신군을 특정하는 단계, 상기 무선 전력 수신 장치에 대한 상기 전력 송신군의 위상을 제어하는 단계 및 상기 무선 전력 수신 장치로 송신할 상기 전력 송신군의 전력을 조절하는 단계를 포함하며, 상기 전력 송신군에 포함된 적어도 하나의 전력 송신부는 적어도 하나의 코일이 적층될 수 있다.
상기 본 발명의 양태들은 본 발명의 바람직한 실시예들 중 일부에 불과하며, 본원 발명의 기술적 특징들이 반영된 다양한 실시예들이 당해 기술분야의 통상적인 지식을 가진 자에 의해 이하 상술할 본 발명의 상세한 설명을 기반으로 도출되고 이해될 수 있다.
본 발명에 따르면, 복수의 전력 송신부를 포함하는 무선 전력 송신 장치가 제공되는 효과가 있다.
또한, 무선 전력 수신 장치가 정확하게 인식되어 장치 효율성이 향상될 수 있다.
또한, 무선 전력 수신 장치의 형상이 고려되어 꼭 필요한 부분으로 무선 전력이 송수신됨으로써, 장치 효율성 및 사용자 편의성이 향상될 수 있다.
본 발명의 다른 목적은 코일이 적층된 구조의 무선 전력 송신부를 이용하여, 무선 전력을 전송하는 무선 전력 송신 장치를 제공됨으로써, 보다 효율적으로 전력이 전송될 수 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이하에 첨부되는 도면들은 본 발명에 관한 이해를 돕기 위한 것으로, 상세한 설명과 함께 본 발명에 대한 실시예들을 제공한다. 다만, 본 발명의 기술적 특징이 특정 도면에 한정되는 것은 아니며, 각 도면에서 개시하는 특징들은 서로 조합되어 새로운 실시예로 구성될 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 실시예에 따른 송신 유도 코일의 등가 회로도이다.
도 3은 실시예에 따른 전력 소스와 무선 전력 송신 장치의 등가 회로도이다.
도 4는 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치의 등가 회로도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 복수의 전력 송신부를 구비한 무선 전력 전송 시스템을 도시된 사시도이다.
도 6은 무선 전력 수신 장치의 일 예인 단말기의 후면을 도시한 사시도이다.
도 7은 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 도시한 단면도이다
도 8은 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치의 제어 방법을 나타내는 도면이다.
도 9는 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치를 인식하는 무선 전력 송신 장치를 나타내는 도면이다.
도 10은 실시 예에 따른 무선 송신 장치의 전력 송신군을 특정하는 방법을 나타내는 도면이다.
도 11 및 도12는 실시예에 따른 자기장 간섭을 방지하기 위해 전력 송신군의 위상을 제어하는 무선 전력 송신 장치를 나타내는 도면이다.
도 13은 실시예에 따른 복수의 적층된 코일을 탑재한 무선 전력 송신부를 나타내는 도면이다.
도 14는 실시예에 따른 복수의 적층된 코일을 탑재한 또다른 무선 전력 송신부를 나타내는 도면이다.
도 15 및 도 16은 실시예에 따른 파워를 제어하는 방법을 나타내는 도면이다.
도 17은 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템에 대한 블록도이다.
도 18은 도 17의 무선 전력 전송 시스템의 보다 상세한 블록도이다.
이하, 본 발명의 실시예들이 적용되는 장치 및 다양한 방법들에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
실시예의 설명에 있어서, 각 구성 요소의 " 상(위) 또는 하(아래)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)는 두 개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되거나 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 배치되어 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 "상(위) 또는 하(아래)"으로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
실시예의 설명에 있어서, 무선 전력 송신장치에 대해 설명의 편의를 위해 송신기, 송신단, 송신 장치, 송신측, 파워 전송 장치 등을 혼용하여 사용할 수 있다. 또한, 무선 전력 수신 장치에 대한 표현으로 설명의 편의를 위해 수신기, 단말기, 수신측, 수신 장치, 파워 수신 장치 등이 혼용되어 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시에에 따른 무선 전력 송신 장치는 복수의 무선 전력 송신 수단을 구비하여 복수의 수신기에 무선으로 전력을 전달할 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치는 휴대폰(mobile phone), 스마트폰(smart phone), 노트북 컴퓨터(laptop computer), 디지털방송용 단말기, PDA(Personal Digital Assistants), PMP(Portable Multimedia Player), 네비게이션, MP3 player, 기타 소형 전자 기기 등에 사용될 수 있으나, 이에 국한되지는 아니한다.
도 1은 무선 전력 전송 시스템의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참고하면, 상기 무선 전력 전송 시스템은 전력 소스(100), 무선 전력 송신 장치(200), 무선 전력 수신 장치(300) 및 부하단(400, LOAD)를 포함할 수 있다.
전력 소스(100)는 무선 전력 송신 장치(200)에 포함될 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
무선 전력 송신 장치(200)는 송신 유도 코일(210) 및 송신 공진 코일(220)을 포함할 수 있다.
무선 전력 수신 장치(300)는 수신 공진 코일(310), 수신 유도 코일(320) 및 정류부(330)를 포함할 수 있다.
전력 소스(100)의 양단은 송신 유도 코일(210)의 양단과 연결될 수 있다.
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, RECTIFIER)의 양단과 연결될 수 있고, 부하단(400, LOAD)는 정류부(330, RECTIFIER)의 양단과 연결될 수 있다. 실시예에서 부하단(400, LOAD)는 무선 전력 수신 장치(300)에 포함될 수 있다.
전력 소스(100)에서 생성된 전력은 무선 전력 송신 장치(200)로 전달되고, 무선 전력 송신 장치(200)로 전달된 전력은 공진 현상에 의해 무선 전력 송신 장치(200)와 공진을 이루는 즉, 공진 주파수 값이 동일한 무선 전력 수신 장치(300)로 전달될 수 있다.
이하에서는 보다 구체적으로 전력전송 과정을 설명한다.
전력 소스(100)는 소정 주파수를 갖는 교류 전력을 생성하여 무선 전력 송신 장치(200)에 전달할 수 있다.
송신 유도 코일(210)과 송신 공진 코일(220)은 유도 결합되어 있을 수 있다. 즉, 송신 유도 코일(210)은 전력 소스(100)로부터 공급받은 교류 전력에 의해 교류 전류가 발생되고, 이러한 교류 전류에 의한 전자기 유도에 의해 물리적으로 이격 되어 있는 송신 공진 코일(220)에도 교류 전류가 유도될 수 있다.
그 후, 송신 공진 코일(220)로 전달된 전력은 공진에 의해 무선 전력 송신 장치(200)와 주파수 공진 방식을 이용하여 동일한 공진 주파수를 갖는 무선 전력 수신 장치(300)로 전달될 수 있다.
임피던스가 매칭된 2개의 LC 회로 사이는 공진에 의해 전력이 전송될 수 있다. 이와 같은 공진에 의한 전력 전송은 전자기 유도 방식에 의한 전력 전송보다 더 먼 거리까지 더 높은 전송 효율로 전력 전달이 가능하게 한다.
수신 공진 코일(310)은 송신 공진 코일(220)로부터 주파수 공진 방식을 이용하여 전달된 전력을 수신할 수 있다. 수신된 전력으로 인해 수신 공진 코일(310)에는 교류 전류가 흐를 수 있고, 수신 공진 코일(310)로 전달된 전력은 전자기 유도에 의해 수신 공진 코일(310)과 유도 결합된 수신 유도 코일(320)로 전달될 수 있다. 수신 유도 코일(320)로 전달된 전력은 정류부(330)를 통해 정류되어 부하단(400)로 전달될 수 있다.
실시예에서 송신 유도 코일(210), 송신 공진 코일(220), 수신 공진 코일(310), 수신 유도 코일(320)은 스파이럴(spiral) 또는 헬리컬(helical) 구조 중 어느 하나의 구조를 가질 수 있으나, 이에 한정될 필요는 없다.
송신 공진 코일(220)과 수신 공진 코일(310)은 공진 주파수에서 전력 전달이 가능하도록 공진 결합될 수 있다.
송신 공진 코일(220)과 수신 공진 코일(310)의 공진 결합으로 인해, 무선 전력 송신 장치(200)와 무선 전력 수신 장치(300)간 전력 전송 효율은 크게 향상될 수 있다.
이상의 무선 전력 전송 시스템은 공진 주파수 방식에 의한 전력 전달을 설명하였다.
또한, 실시 예에서는 무선 전력 송신 장치(200)가 하나의 송신 유도 코일(210) 및 하나의 송신 공진 코일(220)을 가진 것으로 설명하였으나, 이에 한정될 필요는 없고, 복수의 송신 유도 코일(210) 및 복수의 송신 공진 코일(220)을 포함할 수 있다. 자세한 예는 후술하기로 한다.
본 발명의 실시예에는 이러한 공진 주파수 방식 이외에도 전자기 유도 방식에 의한 전력 전달에도 적용될 수 있다.
즉, 실시예에서 무선 전력 전송 시스템이 전자기 유도를 기반으로 전력 전송을 수행하는 경우, 무선 전력 송신 장치(200)에 포함된 송신 공진 코일(220)과 무선 전력 수신 장치(300)에 포함된 수신 공진 코일(310)이 생략될 수 있다.
무선 전력 전송에서 품질 지수(Quality Factor)와 결합계수(Coupling Coefficient)는 중요한 의미를 가질 수 있다. 즉, 전력 전송 효율은 품질 지수 및 결합계수 각각과 비례 관계를 가질 수 있다. 따라서, 품질 지수 및 결합계수 중 적어도 어느 하나의 값이 커질수록 전력 전송 효율이 향상될 수 있다.
품질 지수(Quality Factor)는 무선 전력 송신 장치(200) 또는 무선 전력 수신 장치(300) 부근에 축척할 수 있는 에너지의 지표를 의미할 수 있다.
품질 지수(Quality Factor)는 동작 주파수(w), 코일의 형상, 치수, 소재 등에 따라 달라질 수 있다. 품질 지수는 다음의 식 1로 나타내어질 수 있다.
[식 1]
Q=w*L/R
L은 코일의 인덕턴스이고, R은 코일자체에서 발생하는 전력손실량에 해당하는 저항을 의미한다.
품질 지수(Quality Factor)는 0에서 무한대의 값을 가질 수 있고, 품질지수가 클수록 무선 전력 송신 장치(200)와 무선 전력 수신 장치(300)간 전력 전송 효율이 향상될 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 송신 유도 코일의 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 회로로 구성될 수 있다.
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, 캐패시터(C1)의 캐패시턴스가 조절됨에 따라 임피던스 매칭이 수행될 수 있다. 송신 공진 코일(220), 수신 공진 코일(310), 수신 유도 코일(320)의 등가 회로도 또한, 도 2에 도시된 것과 동일하거나 유사할 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
도 3은 실시예에 따른 전력 소스와 무선 전력 송신 장치의 등가 회로도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 송신 유도 코일(210)과 송신 공진 코일(220)은 각각 인덕턴스 값과 캐패시턴스 값을 갖는 인덕터(L1, L2)와 캐패시터(C1, C2)로 구성될 수 있다.
도 4는 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치의 등가 회로도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 수신 공진 코일(310)과 수신 유도 코일(320)은 각각 인덕턴스 값과 캐패시턴스 값을 갖는 인덕터(L3, L4)와 캐패시터(C3, C4)로 구성될 수 있다.
정류부(330)는 수신 유도 코일(320)로부터 전달받은 교류 전력을 직류 전력을 변환하여 변환된 직류 전력을 부하단(400)에 전달할 수 있다.
구체적으로, 정류부(330)는 도시되지 않았지만 정류기와 평활 회로를 포함할 수 있다. 실시예에서 정류기는 실리콘 정류기가 사용될 수 있고, 도 4에 도시된 바와 같이, 다이오드(D1)로 등가화 될 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
정류기는 수신 유도 코일(320)로부터 전달받은 교류 전력을 직류 전력을 변환할 수 있다.
평활 회로는 정류기에서 변환된 직류 전력에 포함된 교류 성분을 제거하여 매끄러운 직류 전력을 출력할 수 있다. 실시예에서 평활 회로는 도 4에 도시된 바와 같이, 정류 캐패시터(C5)가 사용될 수 있으나, 이에 한정될 필요는 없다.
정류부(330)로부터 전달된 직류 전력은 직류 전압이나 직류 전류일 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
부하단(400)는 직류 전력을 필요로 하는 임의의 충전지 또는 장치일 수 있다. 예를 들어, 부하단(400)는 배터리를 의미할 수 있다.
무선 전력 수신 장치(300)는 휴대폰, 노트북, 마우스 등 전력이 필요한 전자기기에 장착될 수 있다. 이에 따라, 수신 공진 코일(310) 및 수신 유도 코일(320)은 전자기기의 형태에 맞는 형상을 가질 수 있다.
무선 전력 송신 장치(200)는 무선 전력 수신 장치(300)와 인밴드(In band) 또는 아웃 오브 밴드(out of band) 통신을 이용하여 정보를 교환할 수 있다.
인밴드(In band) 통신은 무선 전력 전송에 사용되는 주파수를 갖는 신호를 이용하여 무선 전력 송신 장치(200)와 무선 전력 수신 장치(300) 간 정보를 교환하는 통신을 의미할 수 있다. 이를 위해 무선 전력 수신 장치(300)는 스위치를 더 포함할 수 있고, 스위치의 스위칭 동작을 통해 무선 전력 송신 장치(200)에서 송신되는 전력을 수신하거나, 수신하지 않을 수 있다. 이에 따라, 무선 전력 송신 장치(200)는 무선 전력 송신 장치(200)에서 소모되는 전력량을 검출하여 무선 전력 수신 장치(300)에 포함된 스위치의 온 또는 오프 신호를 인식할 수 있다.
구체적으로, 무선 전력 수신 장치(300)는 저항 소자와 스위치를 이용해 저항에서 흡수하는 전력량을 변화시켜 무선 전력 송신 장치(200)에서 소모되는 전력량을 변경시킬 수 있다. 무선 전력 송신 장치(200)는 소모되는 전력의 변화를 감지하여 부하단(400)의 상태 정보를 획득할 수 있다. 스위치와 저항 소자는 직렬로 연결될 수 있다. 실시예에서 부하단(400)의 상태 정보는 부하단(400)의 현재 충전량, 충전량 추이에 대한 정보를 포함할 수 있다. 부하단(400)은 무선 전력 수신 장치(300)에 포함될 수 있다.
더 구체적으로, 스위치가 개방되면, 저항 소자가 흡수하는 전력은 0이 되고, 무선 전력 송신 장치(200)에서 소모되는 전력도 감소한다.
스위치가 단락되면, 저항 소자가 흡수하는 전력은 0보다 크게 되고, 무선 전력 송신 장치(200)에서 소모되는 전력은 증가한다. 무선 전력 수신 장치에서 이와 같은 동작을 반복하면, 무선 전력 송신 장치(200)는 무선 전력 송신 장치(200)에서 소모되는 전력을 검출하여 무선 전력 수신 장치(300)와 디지털 통신을 수행할 수 있다.
무선 전력 송신 장치(200)는 위와 같은 동작에 따라 부하단(400)의 상태 정보를 수신하고, 그에 적합한 전력을 송신할 수 있다.
이와는 반대로, 무선 전력 송신 장치(200) 측에 저항 소자와 스위치를 구비하여 무선 전력 송신 장치(200)의 상태 정보를 무선 전력 수신 장치(300)에 전송하는 것도 가능하다. 실시예에서 무선 전력 송신 장치(200)의 상태 정보는 무선 전력 송신 장치(200)가 전송할 수 있는 최대공급 전력량, 무선 전력 송신 장치(200)가 전력을 제공하고 있는 무선 전력 수신 장치(300)의 개수 및 무선 전력 송신 장치(200)의 가용 전력량에 대한 정보를 포함할 수 있다.
다음으로, 아웃 오브 밴드 통신에 대해 설명한다.
아웃 오브 밴드 통신은 공진 주파수 대역이 아닌 별도의 주파수 대역을 이용하여 전력 전송에 필요한 정보를 교환하는 통신을 말한다. 무선 전력 송신 장치(200)및 무선 전력 수신 장치(300) 각각에 아웃 오브 밴드 통신 모듈가 장착되어 양자 간에 전력 전송에 필요한 정보가 교환될 수 있다. 아웃 오브 밴드 통신 모듈은 전력 소스(100)에 장착될 수도 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다. 실시예에서 아웃 오브 밴드 통신 모듈은 블루투스(BlueTooth), 지그비(Zigbee), 무선랜, NFC(Near Field Communication)와 같은 근거리 통신 방식을 사용할 수 있으나, 이에 한정될 필요는 없다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 복수의 전력 송신부를 구비한 무선 전력 전송 시스템을 도시된 사시도이다.
도 5를 참조하면, 무선 전력 송신 장치(200)는 충전 패드(510)를 포함할 수 있다. 여기서, 충전 패드(510)는 복수의 전력 송신부((1,1),(1,2),..,(6,6)) 를 포함할 수 있다.
충전 패드(510)는 도 1에 도시된 전력 소스 및 무선 전력 송신부(가령, 송신 장치)를 포함할 수 있다. 즉, 전력 소스와 복수의 무선 전력 송신부(가령, 송신 장치)가 충전 패드(510)에 내장될 수 있다. 충전 패드(510)는 위에서 보았을 때 원형, 타원형 정사각형 또는 직사각형을 가질 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
충전 패드(510)의 상면은 무선 전력 수신 장치(300)의 어느 일면과 면접촉될 수 있다. 충전 패드(510)의 상면 중 적어도 일부 영역의 형상은 무선 전력 수신 장치(300)의 배면의 형상과 동일할 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
다만, 여기서 무선 전력 수신 장치(300)는 단말기(300)를 예를 들어 설명하기로 한다.
충전 패드(510)에 내장된 무선 전력 송신부((1,1), (1,2),...,(6,6)) 각각은 도 1에서 도시된 송신 코일(도 1의 210, 220)을 포함할 수 있다. 이‹š, 무선 전력 송신부((1,1), (1,2),...,(6,6)) 각각은 복수의 송신 코일(미도시)도 포함할 수 있으나, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
무선 전력 송신부((1,1), (1,2),...,(6,6)) 각각에 구비된 송신 코일(미도시)은 충전 패드(510)의 상면과 면 대향되도록 배치될 수 있다. 송신 코일(미도시)의 전력이 균일하게 단말기(300)로 전송되도록 송신 코일(미도시)은 충전 패드(510)의 상면과 평행하도록 배치될 수 있다.
복수의 전력 송신부((1,1), (1,2),...,(6,6)) 각각은 상술한 전력 소스(100)로부터 전력을 제공받을 수 있을 수 있다. 특히, 전력 소스(100)는 복수로 구성되어 복수의 전력 송신부((1,1), (1,2),...,(6,6)) 각각 매칭될 수 있다.
무선 전력 송신 장치(200)는 도시된 무선 전력 수신 장치(300)와 같은 복수 개의 디바이스로 동시에 무선 전력을 전송할 수 있다.
무선 전력 수신 장치(300)는 도 4에서 도시한 등가 회로의 일부를 포함할 수 있다. 예를 들어 수신 유도 코일(320), 정류부(330) 및 부하단(400)이 포함될 수 있다. 무선 전력 수신 장치(300)는 다양한 형태의 디바이스를 포함할 수 있다. 무선 전력 수신 장치(300)는 휴대폰(mobile phone), 스마트폰(smart phone), 노트북 컴퓨터(laptop computer), 디지털방송용 단말기, PDA(Personal Digital Assistants), PMP(Portable Multimedia Player), 네비게이션, MP3 player, 기타 소형 전자 기기 등에 사용될 수 있으나, 이에 국한되지는 아니한다.
무선 전력 수신 장치(300)는 충전을 위한 배터리(미도시)를 포함하고, 배터리(미도시)에 충전된 전원을 이용하여 소정의 전자적인 기능을 수행할 수 있는 모든 전자 기기를 지칭할 수 있다. 예컨대, 무선 전력 수신 장치(300)는 스마트폰 또는 태블릿 PC와 같은 모바일 기기나 텔레비전, 냉장고 또는 세탁기와 같은 가전 기기를 포함할 수 있다.
무선 전력 수신 장치(300)는 도 1에 도시된 무선 전력 수신 코일 및 부하단을 포함할 수 있다. 즉, 무선 전력 수신 코일 및 부하단은 무선 전력 수신 장치(300)에 내장될 수 있다.
충전을 위해 무선 전력 수신 장치(300)가 충전 패드(510)의 상면 상에 놓여질 수 있다. 무선 전력 수신 장치(300)가 놓여질 때, 무선 전력 송신 장치(300)의 전면 커버(22)가 위로 향하고 무선 전력 송신 장치(300)의 후면 커버(24)가 충전 패드(510)의 상면과 접촉될 수 있다. 따라서, 충전 패드(510)로부터 무선으로 전력이 제공되어 부하단에 충전될 수 있다.
도 6에 도시한 바와 같이, 무선 전력 수신 장치(300)는 단말기(300)를 예로 설명하기로 한다.
단말기(300)의 배면에 인접하여 수신 코일(32) 및 자석(30)이 배치될 수 있다. 수신 코일(32) 또한 충전 패드(510)에 배치된 적어도 하나의 송신 코일, 충전 패드(510)의 상면 및 무선 단말기(300)의 후면 커버(24)와 면 대향되도록 배치될 수 있다. 특히, 단말기(300)의 수신 코일(32)이 충전 패드(510)에 배치된 적어도 하나의 송신 코일과 평행하도록 위치될 때, 충전 패드(510)의 송신 코일로부터 단말기(300)의 수신 코일(32)로 전달되는 전력의 전력 전달 효율이 극대화될 수 있다.
도 7을 참조하여 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 구조를 더욱 상세히 설명하기로 한다.
도 7은 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 도시한 단면도이다.
도 7은 도 5의 일부분을 보다 구체적으로 도시한 도면이다. 충전 패드(510)는 복수의 전력 송신부((1,1)~(1,5))를 포함한다.
복수의 전력 송신부((1,1)~(1,5)) 각각은 송신 코일(14-1~14-5) 및 복수의 제1 자석(12-1~12-5)를 포함할 수 있다. 복수의 송신 코일(14-1~14-5) 및 복수의 제1 자석(12-1~12-5)은 충전 패드(510)의 상면에 인접하여 배치될 수 있다. 송신 코일(14-1~14-5) 및 자석(12-1~12-5)은 동일 면 상에 배치될 수 있다.
송신 코일(14-1~14-5)은 도 1에 도시된 송신 유도 코일 및/또는 송신 공진 코일일 수 있다. 예컨대, 공진 방식의 경우 송신 유도 코일과 송신 공진 코일 모두가 사용되는데 반해, 전자기 유도 방식의 경우 송신 유도 코일만 사용될 수 있다.
복수의 송신 코일(14-1~14-5) 각각은 복수의 제1 자석(12-1~12-5) 각각을 둘러싸도록 배치될 수 있다. 가령, 제1 송신 코일(14-1)은 제1 자석(12-1)을 둘러쌀 수 있고, 제2 송신 코일(14-2)은 제2 자석(12-2)을 둘러쌀 수 있으며, 제3 송신 코일(14-3)은 제3 자석(12-3)을 둘러쌀 수 있고, 제4 송신 코일(14-4)은 제4 자석(12-4)을 둘러싸도록 구성될 수 있고, 제5 송신 코일(14-5)은 제5 자석(12-5)을 둘러싸도록 구성될 수 있다. 다만, 본 도면은 단면도이므로, 도면상에 표시되기는 어렵다.
송신 코일(14-1~14-5)은 수개의 권수(number of turns)를 가지고, 인접하는 송신 코일(14-1~14-5)사이는 이격될 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다. 송신 코일(14-1~14-5)은 가상의 수평면에 평행하도록 배치될 수 있다. 이와 같은 구조를 갖는 송신 코일(14-1~14-5)의 중앙 영역은 빈 공간일 수 있다.
복수의 제1 자석(12-1~12-5)은 송신 코일(14-1~14-5)의 중앙 영역에 배치될 수 있다. 복수의 제1 자석(12-1~12-5)의 두께는 송신 코일(14-1~14-5)의 두께와 같거나 이보다 크거나 작을 수 있다. 복수의 제1 자석(12-1~12-5)에 요구되는 자속 밀도의 세기와 자석(12-1~12-5)의 점유 면적에 따라 복수의 제1 자석(12-1~12-5)의 두께와 복수의 제1 자석(12-1~12-5)의 면적은 달라질 수 있다.
단말기(20)는 차폐 부재(26), 수신 코일(32) 및 제2 자석(30)을 포함할 수 있다. 수신 코일(32) 및 제2 자석(30)은 동일 면 상에 배치될 수 있다.
단말기(20)는 무선 전력 송신 장치(200)의 충전 패드(510)에 접한 것으로 표현되었으나, 단말기(20)는 일정거리를 두고 충전 패드(510)와 거리를 둘 수 있다.
단말기(20)는 복수의 전력 송신부((1,1)~(1,5)) 각각보다 크기가 더 클수도 더 작을 수도 있으나, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
수신 코일(32)은 도 1에 도시된 수신 공진 코일 및/또는 수신 유도 코일일 수 있다. 예컨대, 공진 방식의 경우 수신 공진 코일 및 수신 유도 코일 모두가 사용되는데 반해, 전자기 유도 방식의 경우 수신 유도 코일만 사용될 수 있다.
수신 코일(32)은 제2 자석(30)을 둘러싸도록 배치될 수 있다. 수신 코일(32)은 수개의 권수를 가지고, 인접하는 수신 코일(32) 사이는 이격될 수 있다. 수신 코일(32)은 가상의 수평면에 평행하도록 배치될 수 있다. 이와 같은 구조를 갖는 수신 코일(32)의 중앙 영역은 빈 공간일 수 있다.
제2 자석(30)은 수신 코일(32)의 중앙 영역에 배치될 수 있다. 수신 코일(32)의 중앙 영역은 송신 코일(14-1~14-5)의 중앙 영역보다 더 작을 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다. 제2 자석(30)의 두께는 수신 코일(32)의 두께와 같거나 이보다 크거나 작을 수 있다. 제2 자석(30)에 요구되는 자속 밀도의 세기와 제2 자석(30)의 점유 면적에 따라 제2 자석(30)의 두께와 제2 자석(30)의 면적은 달라질 수 있다.
제2 자석(30)은 단말기(20)의 근접 내지 접촉 여부가 충전 패드(510)에 의해 감지되도록 하여 준다.
이러한 감지를 위해 충전 패드(510)는 홀 센서(Hall sensor, 16-1~16-5)를 더 포함할 수 있다. 홀 센서(16-1~16-5)는 충전 패드(510)의 상면과 제1 자석(12-1~12-5) 사이에 배치될 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다. 홀 센서(16-1~16-5)는 제1 자석(12-1~12-5)보다 충전 패드(510)의 상면과 더 인접하도록 배치될 수 있다. 홀 센서(16-1~16-5)는 충전 패드(510)의 제1 자석(12-1~12-5)과 단말기(20)의 제2 자석(30) 사이의 충전 패드(510)에 배치될 수 있다. 홀 센서(16-1~16-5)는 단말기(20)가 없을 때에는 제1 자석(12-1~12-5)의 자속 밀도의 세기만을 감지한다. 하지만, 단말기(20)가 충전 패드(510)로 근접하게 되는 경우, 홀 센서(16-1~16-5)는 제1 자석(12-1~12-5)의 자속 밀도의 세기뿐만 아니라 제2 자석(30)의 자속 밀도의 세기를 감지할 수 있다. 따라서, 충전 패드(510)는 단말기(20)가 없을 때에 감지되는 제1 자석(12-1~12-5)의 자속 밀도의 세기를 기준으로 단말기(20)가 충전 패드(510) 상에 놓여졌을 때 감지되는 제1 자석(12-1~12-5)의 자속 밀도의 세기 및 제2 자석(30)의 자속 밀도의 세기를 감지하여 그 자속 밀도의 변화폭(α)이 임계값 이상인 경우 단말기(20)가 충전을 위해 충전 패드(510)에 놓여진 것으로 판단하고 단말기(20)에 대한 충전이 진행될 수 있다.
상기한 예에서는 홀 센서(16-1~16-5)가 충전 패드(510)의 상면과 제1 자석(12-1~12-5) 사이에 배치되는 것으로 설명되고 있으나, 이는 하나의 실시예에 불과하며, 본 발명의 다른 일 실시예는 홀 센서(16-1~16-5)가 제1 자석(12-1~12-5)의 하단 일측에 배치되거나, 송신 코일(14-1~14-5)의 하단 일측에 배치될 수도 있음을 주의해야 한다.
이를 위해, 제2 자석(30)은 임계값 이상의 자속 밀도의 변화폭(α)을 유발시키는 물질로 이루어질 수 있다. 예컨대, 임계값은 32G일 수 있다. 표준에서 요구되는 임계값은 40G일 수 있다.
제2 자석(30)은 전기 강판(electrical sheet, 전자 電磁鋼板)일 수 있다. 예컨대, 전기 강판은 적어도 1% 내지 5%의 규소(Si)가 함유될 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다. 표준이나 고객사에서 요구하는 임계값 이상의 자속 밀도의 변화폭(α)이 유발되도록 제2 자석(30)의 규소 함유량은 달라질 수 있다.
예컨대, 수신 코일(32)과 제2 자석(30)은 점착제(28)를 이용하여 차폐 부재(26)의 배면에 부착될 수 있다. 차폐 부재(26) 상에는 전력 소스, 교류 전력 생성부 및 제어부를 포함하는 전자 부품들이 실장된 인쇄회로기판이 배치될 수 있다.
차폐 부재(26)는 코일에 의해 유도된 자기장을 차폐하여 자기장이 전자 부품에 영향을 미치지 않게 하여 전자 부품의 오동작을 방지하여 줄 수 있다.
이하에서는, 무선 전력 송신 장치가 무선 전력 수신 장치를 인식하여, 제어하는 방법을 자세하게 살펴보기로 한다.
도 8은 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치의 제어 방법을 나타내는 도면이다. 도면 부호는 도 5(가령, 복수의 전력 송신부), 도 7(가령, 홀 센서) 및 후술할 도 17(가령, 제어부)를 추가적으로 참고하기로 한다.
일단, 무선 전력 송신 장치(200)의 제어부(17)는 복수의 전력 송신부((1,1)~(6,6))를 통해 무선 전력 수신 장치(300)를 인식한다(S810).
복수의 전력 송신부((1,1)~(6,6)) 각각은 홀 센서(16-1~16-n)를 포함할 수 있고, 제어부(17)는 각각의 홀 센서(16-1~16-n)의 자기장 변화를 통해 무선 전력 수신 장치(300)를 인식할 수 있다.
구체적으로, 홀 센서(16-1~16-n)는 제어부(17)의 제어에 따라, 홀 센서(16-1~16-n) 각각에 대응되는 복수의 전력 송신부((1,1)~(6,6))에 포함된 송신 코일의 자속 밀도세기를 측정할 수 있다.
이때, 홀 센서(16-1~16-n)는 무선 전력 수신 장치(300)에 포함된 자석 또는 금속부재가 접근되는 경우, 무선 전력 수신 장치(300)가 접근되지 않은 경우의 자속 밀도의 세기와 무선 전력 수신 장치(300)가 접근된 경우의 자속 밀도의 세기를 이용하여 자속 밀도의 세기의 변화를 측정할 수 있다.
홀 센서(16-1~16-n)가 복수의 전력 송신부((1,1)~(6,6)) 각각에 포함되는 것으로 설명하였으나, 복수의 전력 송신부((1,1)~(6,6))와 무관하게 충전 패드(510)의 일정 영역에 배치될 수 있다.
제어부(17)는 복수의 전력 송신부((1,1)~(6,6))를 제어함으로써, 최외각에서부터 시작하여 중앙부까지 홀 센서(16-1~16-n)를 구동시켜, 무선 전력 수신 장치(300)을 인식할 수 있다.
한편, 제어부(17)는 홀센서 및 자석(금속부재) 등이 없더라도 복수의 전력 송신부((1,1)~(6,6))의 입력 임피던스 변화를 검출하여, 일정 임계값 이상으로 임피던스 변화가 생긴 경우, 무선 전력 수신 장치(300)를 인식할 수 있다.
구체적으로 예를 들어 설명하면, 유도 방식(가령, PMA(Power Matters Alliance))인 경우, 제어부(17)는 analog ping을, 공진 방식(가령, A4WP(Alliance For Wireless Power))인 경우, 제어부(17)는 beacon signal 을 전송할 수 있다.
유도 방식의 경우, 무선 전력 수신 장치(300)는 In-Band로 피드백 신호를 복수의 전력 송신부((1,1)~(6,6))로 전송하고, 공진 방식의 경우, 무선 전력 수신 장치(300)는 Out-Of-Band 방식으로 피드백 신호를 복수의 전력 송신부((1,1)~(6,6))로 전송할 수 있다.
그러면, 제어부(17)는 센서(가령, 임피던스 변화 감지 센서)를 통해, 복수의 전력 송신부((1,1)~(6,6))에 형성된 임계값 이상의 입력 임피던스 변화를 감지할 수 있다.또한, 제어부(17)는 상술한 경우 이외에도 압력 감지 센서, 광학 센서 등을 이용하여 무선 전력 수신 장치(300)를 인식할 수 있다.
단계 S810 이후에, 제어부(17)는 무선 전력 수신 장치(300)로 전력을 전송할 적어도 하나의 전력 송신부를 포함하는 전력 송신군을 특정한다(S820).
제어부(17)는 적어도 하나의 전력 송신부 각각이 상기 무선 전력 수신 장치(300)와의 자기장(또는 입력 임피던스) 변화 값이 기 설정된 스레쉬홀드 값을 초과하는 경우, 스레쉬홀드 값을 초과한 적어도 하나의 전력 송신부를 전력 송신군(1010)으로 특정할 수 있다.
즉, 제어부(17)는 복수의 전력 송신부((1,1)~(6,6)) 중에서 가장 효율적으로 전력을 전송할 수 있는 전력 송신군(1010)을 특정할 수 있다.
한편, 제어부(17)는 복수의 전력 송신부((1,1)~(6,6)) 중에서 무선 전력 수신 장치(300)를 인식한 전력 송신부를 이용하여, 무선 전력 수신 장치(300)의 형상을 스캔하여, 무선전력 수신 장치로 전력을 송신할 적어도 하나의 전력 송신군를 특정할 수도 있다.
전력 송신군(1010)은 무선 전력 수신 장치(300)로 전력을 송신하는 전력 송신부가 될 수 있다.
또한, 전력 송신군은 무선 전력 수신 장치(300)를 인식한 홀 센서를 구비한 전력 송신부를 포함할 수 있다.
제어부(17)는 무선 전력 수신 장치(300)를 인식한 전력 송신부를 통해 무선 전력 수신 장치(300)를 정밀 스캔을 수행할 수 있다. 구체적인 방법은 도 10에서 자세히 설명하기로 하고 여기서는 생략하기로 한다.
단계 S820 이후에, 제어부(17)는 무선 전력 수신 장치에 대한 상기 전력 송신군의 위상을 제어한다(S830).
제어부(17)는 특정된 전력 송신군 중 상기 수신 장치(300)와 코일(Coil) 얼라인먼트(Alignment)가 우수한 제1 전력 송신부를 선택할 수 있다. 여기서, 얼라인먼트가 뛰어난 전력 송신부는 무선 전력 수신 장치와 형성되는 자기장 크기가 가장 커서, 무선 전력 수신 장치에 구비된 배터리에 파워가 우수하게 채워지는 전력 송신부를 의미한다.
또한, 제어부(17)는 제1 전력 송신부를 중심으로 상기 수신 장치에 대한 상기 전력 송신군의 위상을 제어할 수 있다. 구체적인 방법은 후술하기로 한다.
단계 S830이후에, 제어부(17)는 무선 전력 수신 장치로 송신할 상기 전력 송신군의 전력을 조절한다(S840).
제어부(17)는 무선 전력 수신 장치(300)의 수신 전력이 한정되어 있으므로 수신기와의 거리와 효율을 고려하여 전력 송신군의 전력을 조절할 수 있다.
가령, 제어부(17)는 무선 전력 수신 장치(300)와 가장 얼라인먼트(Alignment)가 뛰어난 전력 송신부에 우선적으로 전력을 공급하고, 주변으로 전력 공급을 수행할 수 있다.
또한, 제어부(17)는 무선 전력 수신 장치(300)와 가장 얼라인먼트가 열악한 전력 송신부의 전력을 차단하고, 전력 송신군의 외곽에 배치된 전력 송신부에서부터 전력 송신군의 중심에 배치된 전력 송신부로 전력을 공급할 수 있다. 보다 구체적인 설명은 후술하기로 한다.
도 9는 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치를 인식하는 무선 전력 송신 장치를 나타내는 도면이다.
도 9에 따르면, 제어부(17)는 충전 패드(510)의 외곽에 배치된 무선 전력 송신부((1,1), (1,6), (6,1),(6,6))에서부터 중심에 배치된 무선 전력 송신부 방향으로 무선 전력 수신 장치(300)를 인식할 수 있다.
제어부(17)가 상술한 방식 이외에도 다양하게 무선 전력 수신 장치(300)를 인식할 수 있다. 가령, 제어부(170)는 충전 패드(510)의 중심에 배치된 무선 전력 송신부에서 외곽에 배치된 무선 전력 송신부((1,1), (1,6), (6,1),(6,6)) 방향으로 무선 전력 수신 장치(300)를 인식할 수 있으나, 이에 대해 한정하지는 않는다.
또한, 제어부(17)는 자동으로 무선 전력 수신 장치(300)를 인식할 수 있다. 제어부(17)는 홀 센서(16-1~16-n)를 통해, 자기장 변화를 통해서 무선 전력 수신 장치(300)의 근접을 인식할 수 있다.
여기서, 홀 센서(16-1~16-n)는 무선 전력 송신부((1,1)~(6,6))에 각각 포함되는 것으로 상술하였으나, 충전 패드의 다른 영역에 배치될 수도 있다.
도 10은 실시 예에 따른 무선 송신 장치의 전력 송신군을 특정하는 방법을 나타내는 도면이다.
도 10에 따르면, 제어부(17)는 기 설정된 자기장의 변화가 생기는 적어도 하나의 전력 송신부를 전력 송신군(1010)으로 특정할 수 있다.
제어부(17)는 무선 전력 송신부((1,1)~(6,6))와 무선 전력 수신 장치(300) 간의 자기장의 크기가 기 설정된 스레시홀드 값을 초과하는 전력 송신부를 전력 송신군(1010)으로 특정할 수 있다.
또한, 제어부(17)는 무선 전력 수신 장치(300)는 직육면체, 원형, 타원형 등일 수 있으므로, 무선 전력 수신 장치(300)에 형상에 기초하여, 전력 송신군을 특정할 수 있다.
가령, 전력 송신군(1010)이 가로, 세로로 구성된 것으로 가정하면, 제어부(17)는 (2,2)부터 (2,4) 방향으로 전력 송신부를 특정할 수 있다. 그 다음, 제어부는 (3,2) 전력 송신부부터 (3,4) 전력 송신부까지 특정할 수 있다. 그 후에 제어부는 (4,2) 부터 (4,4)까지 특정할 수 있다.
즉, 자기장 변화를 통해, 제어부(17)는 순차적으로 전력 송신군(1010)에 포함된 적어도 하나의 전력 송신부를 순차적으로 선정할 수 있다.
제어부(17)는 자기장이 가장 센 전력 송신부를 먼저 찾고 이를 기초로 전력 송신군(1010)을 특정할 수 있으나, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
도 11 및 도 12는 실시예에 따른 자기장 간섭을 방지하기 위해 전력 송신군의 위상을 제어하는 무선 전력 송신 장치를 나타내는 도면이다.
도 11는 중심 송신부(3,3)와 인접 송신부 간 위상이 다른 경우를 나타내는 도면이다.
도 11에 따르면, 제어부(17)는 전력 송신군(1010)의 모든 전력 송신부((2,2)~(4,4))의 자기장의 위상을 판단할 수 있다.
제어부(17)는 가장 중심의 전력 송신부(3,3)를 기준으로 주변 전력 송신군의 위상을 조절할 수 있다.
이에 따라, 보다 효율적인 무선 전력 전송이 가능해질 수 있다.
제어부(170)는 제1 전력 송신부(3,3)를 선택한 후, 바로 인접한 (2,3), (3,2), (3,4), (4,3) 전력 송신부의 위상을 제1 전력 송신부(3,3)와 동일한 위상이 되도록 조절할 수 있다. 도 12에 도시된 상황이기도 하다.
가령, 제어부(17)는 제1 전력 송신부(3,3)를 (+) 위상(가령, 자기장이 아래서 위로 향하는 방향)이라하면, 바로 인접한 (2,3), (3,2), (3,4), (4,3) 전력 송신부의 위상을 (-)위상(가령, 자기장이 위에서 아래로 향하는 방향)에서 (+)로 설정할 수 있다.
이런 경우, 제어부(17)는 인접한 전력 송신부 간 위상을 제어하여, 전력 송신부 간 간섭을 방지할 수 있다.
또한, 제어부(17)는 제1 전력 송신부((3,3))와 바로 인접하지 않은 전력 송신부((2,2),(2,4),(4,2),(4,4))의 위상은 제1 전력 송신부((3,3))와 동일하므로, 조절하지 않아도 된다.
도 13는 실시예에 따른 복수의 적층된 코일을 탑재한 무선 전력 송신부를 나타내는 도면이다.
도 13에 따르면, 도 11의 복수의 전력 송신부((3,2),(3,3),(3,4))를 나타낸 도면이다.
복수의 전력 송신부((3,2),(3,3),(3,4))은 적층된 복수의 코일을 포함할 수 있다. 구체적으로, (3,2) 전력 송신부는 두 개의 코일(1210-1, 1210-2)을 포함할 수 있고, (3,3) 전력 송신부는 세 개의 코일(1220-1, 1220-2, 1220-3)을 포함할 수 있고, (3,4) 전력 송신부는 세 개의 코일(1230-1, 1230-2,1230-3)을 포함할 수 있다. 도 13은 수신기의 출력에 따라 제어부로부터 코일의 수가 결정된 하나의 실시예이다.
상술한 복수의 코일 각각은 개별적인 전원에 연결될 수 있고, 복수의 전력 송신부((3,2),(3,3),(3,4)) 각각은 하나의 전원에 연결될 수 있다. 또한, 수신기의 출력에 따라 전력 송신부가 전력을 송신하기 위해 사용하는 코일의 개수가 조절될 수 있다. 코일 개수가 조절됨에 따라 각각의 전력 송신부에 포함된 코일의 턴수가 증감하는 효과가 있다.
제어부(17)는 복수의 전력 송신부((3,2),(3,3),(3,4)) 각각에 포함된 적층된 코일에 동일한 위상을 구성하도록 전류를 공급할 수 있다.
복수의 전력 송신부((3,2),(3,3),(3,4)) 각각의 코일의 턴수가 증가되면, 자기장의 세기 역시 크게 된다.
이로써, 보다 큰 전력이 무선 전력 수신 장치(300)에 공급될 수 있다.
한편, 본 명세서에서는 무선 전력 송신 장치가 복수의 전력 송신부 각각이 적층된 복수의 코일을 포함할 수 있다고 개시하였으나, 이는 일 실시 예에 불과하고, 하나의 적층된 복수의 코일을 포함할 수도 있다. 이하에서 설명하기로 한다.
도 14은 실시예에 따른 복수의 적층된 코일을 탑재한 또다른 무선 전력 송신부를 나타내는 도면이다.
도 14에 따르면, 무선 전력 송신 장치(10)는 하나의 무선 전력 송신부(20)를 포함한다.
무선 전력 송신부(20)는 하나의 무선 전력 송신부(20)를 포함한다.
무선 전력 송신부(20)는 복수의 적층된 코일(1310-1~1310-3)를 포함할 수 있다. 복수의 적층된 코일(1310-1~1310-3) 각각은 별개의 전원에 각각 연결될 수 있고, 하나의 전원에 동시에 연결될 수 있다.
무선 전력 송신 장치(10)는 무선 전력 수신 장치(22)의 필요 전원을 기초로 하여, 복수의 적층된 코일(1310-1~1310-3) 전부 또는 일부에 자기장을 형성하도록 만들 수 있다.
무선 전력 송신 장치(10)는 복수의 적층된 코일(1310-1~1310-3)에 2개 이상의 코일에 자기장이 형성되는 경우, 해당 코일의 자기장 위상을 한 방향으로 조정할 수 있다.
도 15 및 도 16은 실시예에 따른 파워를 제어하는 방법을 나타내는 도면이다.
도 15에 따르면, 제어부(17)는 제1 전력 송신부(3,3)를 기준으로 파워를 제어할 수 있다. 먼저, 수신 장치의 수신 한계 전력을 판단하여, 제1 전력 송신부(3,3)부터 파워를 제공하고, 후에 제1 전력 송신부(3,3)의 주변으로 파워를 제공할 수 있다.
만약, 제1 전력 송신부(3,3)가 무선 전력 수신 장치(300)의 요구되는 파워 용량을 모두 제공할 수 있으면, 제어부(17)는 제1 전력 송신부(3,3)만 파워를 제공하도록 제어할 수 있다.
또는, 제어부(17)는 파워를 제1 전력 송신부(3,3) 및 주변 전력 송신부가 분산해서 제공함으로써, 전력 송신부의 수명을 더 늘릴 수도 있다.
가령, 상기 제1 전력 송신부(3,3)에 무선 전력 송신을 위한 파워를 온시키고, 상기 제1 전력 송신부(3,3)의 파워가 수신 장치(300)를 충전하는데 파워가 부족한 경우, 전력 송신군(1010) 중 상기 제1 송신부(3,3)와 인접한 전력 송신부에 파워를 온시킬 수 있다.
또한, 제1 전력 송신부(3,3)가 적층된 복수의 코일을 포함하는 경우, 더 큰 전력이 무선 전력 수신 장치(300)로 전송될 수 있다.
여기서, 제어부(17)는 전력 송신군(1010)을 제외한 전력 송신부((1,1)~(1,6),(2,1),(2,5),(2,6),(3,1),(3,5),(3,6),(4,1),(4,5),(4,6),(5,1)~(5,6),(6,1)~(6,6))의 파워를 오프시킬 수 있다. 이런 경우, 효율이 떨어지는 전력 송신부의 전원을 오프시킴으로써 장치 효율성이 향상될 수 있다.
또한, 제어부(17)는 상술한 파워 제어를 동시에 전력 송신군(1010) 또는 비 전력 송신군(1010의 제외영역) 구동시킬 수 있다.
또한, 제어부(17)는 수신 장치(300)의 수신 요구 전력을 판단하고, 전력 송신군(1010)에 포함된 전력 송신부 각각의 전송 효율을 기초로, 전력 송신부 각각에 전력을 배분할 수 있다. 이 경우, 가장 효율적으로 전력이 수신 장치(300)로 제공될 수 있다.
도 16은 제어부(13)가 전력 송신군 중에서 주변 전력 송신부에서 제1 전력 송신부를 향해 파워를 온시키는 것을 나타내는 도면이다.
도 16에 따르면, 도 15와 반대로 제어부(13)는 전력 송신군의 주변부터 파워를 온시키고, 제1 전력 송신부(3,3)의 파워를 후에 온시킬 수 있다.
상술한 방법 이외에도 다양한 방식으로 전력 수신 장치(300)의 배터리는 충전될 수 있다.
도 17는 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템에 대한 블록도이다.
도 17에 따르면, 무선 전력 송신 장치(200)는 제어부(17) 및 복수의 전력 송신부((1,1)~(n,n))를 포함할 수 있다.
또한, 무선 전력 송신 장치(200)는 무선 전력 수신 장치(300)로 전력을 송신할 수 있다.
도 18는 도 17의 무선 전력 전송 시스템의 보다 상세한 블록도이다.
충전 패드(510)와 단말기(20)의 외관 형상에 대해서는 이미 설명한 바 있으므로, 이하에서는 충전 패드(510) 및 단말기(20)에 내장된 회로 구성에 대해 설명하기로 한다.
충전 패드(510)는 전력 소스, 교류 전력 생성부(19), 제어부(17), 송신 코일(14), 제1 자석(12) 및 홀 센서(16)를 포함할 수 있다.
여기서, 전력 송신부((1,1)~(n,n)) 각각은 전력 소스, 교류 전력 생성부(19), 송신 코일(14)를 포함할 수 있다. 또는, 소스를 공유하고 교류전력 생성부와 송신 코일을 각각 포함할 수 있다. 또는 소스와 교류 전력 생성부를 공유하고, 송신코일을 각각 포함할 수 있다.
전력 소스는 교류 전력 또는 직류 전력을 생성한다. 정류부는 교류 전력을 제1 직류 전력으로 변환하고, 변환된 제1 직류 전력을 제2 직류 전력으로 변환할 수 있다.
교류 전력 생성부(19)는 제어부(17)의 제어 하에 전력 소스의 전력을 교류 전력으로 변환할 수 있다. 교류 전력 생성부(19)에서 변환된 교류 전력이 송신 코일(14)을 통해 단말기(20)로 송신될 수 있다.
제어부(17)는 홀 센서(16)로부터 검출된 자속 밀도의 세기(B1, B2)의 변화를 바탕으로 교류 전력 생성부(19)를 제어할 수 있다.
또한, 제어부(17)는 홀 센서(16)를 이용하지 않더라도 임피던스의 변화량을 이용하여 교류 전력 생성부(19)를 제어할 수 있다.
상술한 실시예에 따른 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, 상술한 방법을 구현하기 위한 기능적인(function) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 실시예가 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
무선 전력 송신 장치 : 200 무선 전력 수신 장치 : 300
제어부 : 17

Claims (27)

  1. 충전 패드를 탑재한 무선 전력 송신 장치의 제어 방법에 있어서,
    상기 충전 패드에 포함된 복수의 전력 송신부를 통해 무선 전력 수신 장치를 인식하는 단계;
    상기 무선 전력 수신 장치로 전력을 전송할 적어도 하나의 전력 송신부를 포함하는 전력 송신군을 특정하는 단계;
    상기 무선 전력 수신 장치에 대한 상기 전력 송신군의 위상을 제어하는 단계;및
    상기 무선 전력 수신 장치로 송신할 상기 전력 송신군의 전력을 조절하는 단계;를 포함하며,
    상기 전력 송신군에 포함된 적어도 하나의 전력 송신부는 적어도 하나의 적층된 코일을 포함하는 무선 전력 송신 장치의 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    무선 전력 수신 장치를 인식하는 단계는,
    상기 복수의 전력 송신부 각각에 포함된 홀 센서를 이용하여, 자기장 변화를 통해 상기 무선 전력 수신 장치를 인식하는 무선 전력 송신 장치의 제어 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 전력 송신부 각각은 상기 홀 센서를 이용하여, 전파 송신 시 및 전파 수신 시의 자기장의 변화를 측정하여 무선 전력 수신 장치를 인식하는 무선 전력 송신 장치의 제어 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    무선 전력 수신 장치를 인식하는 단계는,
    상기 충전 패드의 테두리로부터 상기 충전 패드의 중심 방향으로 스캔하여 상기 수신 장치를 인식하는 무선 전력 송신 장치의 제어 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전력 송신군를 특정하는 단계는,
    상기 적어도 하나의 전력 송신부 각각이 상기 무선 전력 수신 장치와의 자기장 변화 값이 기 설정된 스레쉬홀드 값을 초과하는 경우, 상기 스레쉬홀드 값을 초과한 적어도 하나의 전력 송신부를 전력 송신군으로 특정하는 무선 전력 송신 장치의 제어 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전력 송신군를 특정하는 단계는,
    상기 무선 전력 수신 장치의 형상을 스캔하여,
    상기 스캔된 무선 전력 수신 장치의 형상에 기초하여, 상기 전력 송신군을 특정하는 무선 전력 송신 장치의 제어 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    전력 송신군의 위상을 제어하는 단계는,
    상기 전력 송신군 중 상기 수신 장치와 코일(Coil) 얼라인먼트(Alignment)가 우수한 제1 전력 송신부를 선택하는 단계;및
    상기 제1 전력 송신부를 중심으로 상기 수신 장치에 대한 상기 전력 송신군의 위상을 제어하는 단계;를 포함하는 무선 전력 송신 장치의 제어 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    전력 송신군의 위상을 제어하는 단계는,
    상기 제1 전력 송신부를 기준으로,상기 제1 전력 송신부에 인접한 전력 송신부와 상기 무선 전력 수신장치 간 자기장의 위상을 동일하게 제어하는 무선 전력 송신 장치의 제어 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 전력 송신군의 전력을 조절하는 단계는,
    상기 수신 장치의 수신 요구 전력을 판단하고, 상기 전력 송신군에 포함된 전력 송신부 각각의 전송 효율을 기초로, 상기 전력 송신부 각각에 전력을 배분하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신 장치의 제어 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 전력 송신군의 전력을 조절하는 단계는,
    상기 수신 장치의 수신 한계 전력을 판단하고, 상기 전력 송신군에 포함되지 않는 전력 송신부의 파워를 오프시키는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신 장치의 제어 방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 전력 송신군의 전력을 조절하는 단계는,
    상기 수신 한계 전력에 기초하여, 상기 제1 전력 송신부에 무선 전력 송신을 위한 파워를 온시키고, 상기 제1 전력 송신부의 파워가 상기 수신 장치를 충전하는데 파워가 부족한 경우, 전력 송신군 중 상기 제1 송신부와 인접한 전력 송신부에 파워를 온시키는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신 장치의 제어 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 전력 송신군의 전력을 조절하는 단계는,
    상기 수신 장치의 요구 파워에 기초하여, 전력 송신군에 포함된 전력 송신부 전체의 파워를 한번에 조절하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신 장치의 제어 방법.
  13. 제7항에 있어서,
    상기 전력 송신군의 전력을 조절하는 단계는,
    상기 제1 전력 송신부의 파워가 상기 수신 장치를 충전하는데 충분한 경우, 상기 제1 전력 송신부만 이용하여 수신 장치를 충전하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신 장치의 제어 방법.
  14. 무선 전력 송신 장치에 있어서,
    충전 패드;
    상기 충전 패드에 포함되고, 무선 전력 수신 장치를 인식하는 복수의 전력 송신부;및
    상기 무선 전력 수신 장치로 전력을 전송할 적어도 하나의 전력 송신부를 포함하는 전력 송신군을 특정하는 제어부;를 포함하며,
    상기 전력 송신군 중 적어도 하나의 전력 송신부는, 적어도 하나의 적층된 코일을 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 무선 전력 수신 장치에 대한 상기 전력 송신군의 위상을 제어하고, 상기 무선 전력 수신 장치로 송신할 상기 전력 송신군의 전력을 조절하는 무선 전력 송신 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 전력 송신부 각각은 홀 센서를 포함하며,
    상기 제어부는,
    상기 복수의 전력 송신부 각각에 포함된 홀 센서를 이용하여, 자기장 변화를 통해 상기 무선 전력 수신 장치를 인식하도록 상기 복수의 전력 송신부를 제어하는 무선 전력 송신 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 복수의 전력 송신부 각각이 상기 홀 센서를 이용하여, 전파 송신 시 및 전파 수신 시의 자기장의 변화를 측정하여 무선 전력 수신 장치를 인식하도록 제어하는 무선 전력 송신 장치.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 충전 패드의 테두리로부터 상기 충전 패드의 중심 방향으로 스캔하여 상기 수신 장치를 인식하도록 상기 복수의 전력 송신부 각각을 제어하는 무선 전력 송신 장치.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 적어도 하나의 전력 송신부 각각이 상기 무선 전력 수신 장치와의 자기장 변화 값이 기 설정된 스레쉬홀드 값을 초과하는 경우, 상기 스레쉬홀드 값을 초과한 적어도 하나의 전력 송신부를 전력 송신군으로 특정하는 무선 전력 송신 장치.
  19. 제14항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 무선 전력 수신 장치의 형상을 스캔하여, 상기 스캔된 무선 전력 수신 장치의 형상에 기초하여, 상기 전력 송신군을 특정하도록 제어하는 무선 전력 송신 장치.
  20. 제14항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 전력 송신군 중 상기 수신 장치와 코일(Coil) 얼라인먼트(Alignment)가 우수한 제1 전력 송신부를 선택하고, 상기 제1 전력 송신부를 중심으로 상기 수신 장치에 대한 상기 전력 송신군의 위상을 제어하는 무선 전력 송신 장치.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 전력 송신부를 기준으로, 상기 제1 전력 송신부에 인접한 전력 송신부와 상기 무선 전력 수신장치 간 자기장의 위상을 동일하게 제어하는 무선 전력 송신 장치.
  22. 제14항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 수신 장치의 수신 요구 전력을 판단하고, 상기 전력 송신군에 포함된 전력 송신부 각각의 전송 효율을 기초로, 상기 전력 송신부 각각에 전력을 배분하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신 장치.
  23. 제20항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 수신 장치의 수신 한계 전력을 판단하고, 상기 전력 송신군에 포함되지 않는 전력 송신부의 파워를 오프시키는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신 장치.
  24. 제21항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 수신 한계 전력에 기초하여, 상기 제1 전력 송신부에 무선 전력 송신을 위한 파워를 온시키고, 상기 제1 전력 송신부의 파워가 상기 수신 장치를 충전하는데 파워가 부족한 경우, 전력 송신군 중 상기 제1 송신부와 인접한 전력 송신부에 파워를 온시키는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신 장치.
  25. 제14항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 수신 장치의 요구 파워에 기초하여, 전력 송신군에 포함된 전력 송신부 전체의 파워를 한번에 조절하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신 장치.
  26. 제20항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 전력 송신부의 파워가 상기 수신 장치를 충전하는데 충분한 경우, 상기 제1 전력 송신부만 이용하여 수신 장치를 충전하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신 장치.
  27. 무선 전력 송신 장치에 있어서,
    충전 패드;
    상기 충전 패드에 포함되고, 무선 전력 수신 장치를 인식하는 전력 송신부;및
    상기 전력 송신부를 통해 무선 전력을 외부 장치로 전송하도록 상기 전력 송신부를 제어하는 제어부;를 포함하며,
    상기 전력 송신부는, 복수의 적층된 코일을 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 외부 장치에 무선 전력을 전송하는 경우, 상기 적층된 코일 각각의 자기장 위상을 제어하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신 장치.
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