KR20170057667A - 무선 전력 전송 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

무선 전력 전송 장치 및 방법이 제공된다. 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치는 복수의 소스 공진기들로부터 공진 파형을 검출하고, 검출된 공진 파형에 기초하여 타겟 공진기의 위치를 파악하여, 해당 타겟 공진기에 대응하는 소스 공진기를 통해 전력을 무선으로 전송할 수 있다.

Description

무선 전력 전송 장치 및 방법{METHOD AND DEVICE TO TRANSFER POWER WIRELESSLY}
이하, 무선 전력 전송 장치 및 방법에 관한 기술이 제공된다.
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 디바이스(source device)와 전력을 무선으로 수신하는 타겟 디바이스(target device)를 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.
일 실시예에 따른 무선 전력 전송 방법은 복수의 소스 공진기들 중 적어도 하나의 소스 공진기를 공진시키는 단계; 상기 적어도 하나의 소스 공진기가 공진하는 파형을 검출하는 단계; 상기 검출된 파형에 기초하여, 무선 전력 전송을 수행할 소스 공진기를 결정하는 단계; 및 상기 결정된 소스 공진기를 통해 타겟 공진기로 전력을 무선으로 전송하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 소스 공진기를 공진시키는 단계는, 제1 주입 시간 동안 상기 적어도 하나의 소스 공진기에 전력을 공급하는 단계; 및 상기 제1 주입 시간이 경과하면 상기 적어도 하나의 소스 공진기의 일단을 개방하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 전력을 공급하는 단계는, 상기 제1 주입 시간 동안 상기 적어도 하나의 소스 공진기와 직류 전원(DC source)을 전기적으로 연결하는 단계를 포함하고, 상기 적어도 하나의 소스 공진기의 일단을 개방하는 단계는, 상기 제1 주입 시간이 경과하면 상기 적어도 하나의 소스 공진기 및 상기 직류 전원 간의 전기적 연결(electrical connection)을 해제하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 파형을 검출하는 단계는, 검출 시간(detection time) 동안 상기 적어도 하나의 소스 공진기에서 발생하는 공진(resonance)에 따른 전기 신호의 엔벨롭(envelope)을 검출하는 단계; 및 상기 검출 시간이 경과하면 상기 적어도 하나의 소스 공진기의 양단을 접지로 연결하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 무선 전력 전송을 수행할 소스 공진기를 결정하는 단계는, 상기 검출된 파형의 감쇄 정도(attenuation level)에 기초하여 상기 무선 전력 전송을 수행할 소스 공진기를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 타겟 공진기로 전력을 무선으로 전송하는 단계는, 제2 주입 시간 동안 상기 결정된 소스 공진기로 전력을 공급하는 단계; 상기 제2 주입 시간이 경과하면 상기 소스 공진기의 일단을 개방하는 단계; 및 상기 소스 공진기의 일단이 개방된 시점으로부터 전송 시간이 경과하면 상기 소스 공진기의 양단을 접지로 연결하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 소스 공진기를 공진시키는 단계는, 상기 복수의 소스 공진기들로부터 상기 적어도 하나의 소스 공진기를 미리 정한 순서에 따라 선택하는 단계; 및 상기 선택된 적어도 하나의 소스 공진기를 공진시키는 단계를 포함하고, 상기 파형을 검출하는 단계는, 상기 미리 정한 순서에 따라 상기 복수의 소스 공진기들의 모두에 대해 상기 파형을 검출하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 복수의 소스 공진기들은 격자 형태로 배열되고, 상기 미리 정한 순서에 따라 선택하는 단계는, 상기 격자 형태에서 하나의 열 또는 행에 대응하는 소스 공진기를 선택하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 복수의 소스 공진기들은 복수의 그룹들로 분류되고, 상기 미리 정한 순서에 따라 선택하는 단계는, 상기 복수의 그룹들 중 하나의 그룹에 대응하는 소스 공진기를 선택하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치는 복수의 소스 공진기들(source resonators); 상기 복수의 소스 공진기들 중 적어도 하나의 소스 공진기와 전원(power source)을 연결함으로써 상기 적어도 하나의 소스 공진기를 공진시키는 스위치(switch); 상기 적어도 하나의 소스 공진기가 공진하는 파형을 검출하는 검출기(detector); 상기 검출된 파형에 기초하여, 무선 전력 전송을 수행할 소스 공진기를 결정하고, 상기 결정된 소스 공진기를 통해 타겟 공진기로 전력을 무선으로 전송하도록 상기 스위치를 제어하는 스위치 제어부(switch controller)를 포함할 수 있다.
상기 스위치는, 상기 복수의 소스 공진기들 중에서 일단을 공유하는 소스 공진기들의 상기 일단과 직류 전원(DC source)을 상기 스위치 제어부의 제어에 따라 선택적으로 연결하는 제1 스위치; 및 상기 복수의 소스 공진기들 중에서 다른 일단을 공유하는 소스 공진기들의 상기 다른 일단과 접지(ground)를 상기 스위치 제어부의 제어에 따라 선택적으로 연결하는 제2 스위치를 포함할 수 있다.
상기 복수의 소스 공진기들의 각각은, 커패시터; 인덕터; 및 주입된 전력이 다른 소스 공진기로 흐르는 것을 방지하는 다이오드를 포함할 수 있다.
상기 복수의 소스 공진기들은 평행하게 나열된 복수의 제1 축 및 평행하게 나열된 복수의 제2 축이 교차하는 지점에 배치되고 상기 제1 축을 따라 배치되는 소스 공진기들의 일단은 동일한 제1 스위치를 통해 전원과 연결되며, 상기 제2 축을 따라 배치되는 소스 공진기들의 다른 일단은 동일한 제2 스위치를 통해 접지와 연결될 수 있다.
상기 복수의 소스 공진기들 중에서 일단을 공유하는 소스 공진기들은 지그재그 형태로 배치되고, 상기 복수의 소스 공진기들 중에서 다른 일단을 공유하는 소스 공진기들은 일렬로 배치될 수 있다.
상기 스위치 제어부는, 제1 주입 시간 동안 상기 적어도 하나의 소스 공진기의 일단이 상기 전원에 접속되고, 상기 제1 주입 시간이 경과하면 상기 일단이 개방되도록 상기 스위치를 제어할 수 있다.
상기 검출기는, 검출 시간(detection time) 동안 상기 적어도 하나의 소스 공진기의 일단에서 발생하는 공진(resonance)에 따른 전기 신호의 엔벨롭(envelope)을 검출하고, 상기 스위치 제어부는, 상기 검출 시간이 경과하면 상기 적어도 하나의 소스 공진기의 양단이 접지로 연결되도록 상기 스위치를 제어할 수 있다.
스위치 제어부는, 상기 검출된 파형의 감쇄 정도(attenuation level)에 기초하여 상기 무선 전력 전송을 수행할 소스 공진기를 결정할 수 있다.
상기 스위치 제어부는, 제2 주입 시간 동안 상기 결정된 소스 공진기의 일단이 상기 전원에 연결되고, 상기 제2 주입 시간이 경과하면 상기 일단이 개방되며, 상기 일단이 개방된 시점으로부터 전송 시간이 경과하면 상기 소스 공진기의 양단이 접지로 연결되도록 상기 스위치를 제어할 수 있다.
상기 복수의 소스 공진기들은 복수의 그룹으로 분류되고, 상기 스위치 제어부는, 상기 복수의 그룹으로부터 각각의 그룹을 순차적으로 선택하고, 상기 선택된 그룹에 대응하는 소스 공진기들을 공진시키도록 상기 스위치를 제어하며, 상기 검출기로부터 상기 복수의 소스 공진기들의 모두에 대한 파형을 순차적으로 획득할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치의 개괄적인 구성을 도시한 블록도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치의 예시적인 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치의 동작 예시를 도시한 도면이다.
도 5 내지 도 8은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치에서의 공진 파형을 도시한 도면이다.
도 9 및 도 10은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송을 수행할 소스 공진기를 결정하는 과정을 도시한 도면이다.
도 11 및 도 12는 일 실시예에 따라 결정된 소스 공진기로 전력을 무선으로 전송하는 과정을 도시한 도면이다.
도 13은 일 실시예에 따라 지그재그 형태로 배치된 소스 공진기를 도시한 도면이다.
도 14 내지 도 17은 일 실시예에 따라 지그재그 형태로 배치된 소스 공진기에 대하여 무선 전력 전송을 수행할 소스 공진기를 결정하는 과정을 도시한 도면이다.
도 18 및 도 19은 일 실시예에 따른 소스 공진기의 예시적인 배치를 도시한 도면이다.
도 20은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 방법을 도시한 흐름도이다.
이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 특허출원의 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
아래 설명하는 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있다. 아래 설명하는 실시예들은 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 실시예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수 개의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 도시한 도면이다.
무선 전력 전송 시스템(100)은 무선 전력 전송 장치(110) 및 무선 전력 수신 장치(120)를 포함한다.
무선 전력 전송 장치(110)는 무선 전력 수신 장치(120)로 무선으로 전력을 전송할 수 있다. 예를 들어, 무선 전력 전송 장치(110)는 무선 전력 전송 장치(110)에 포함된 소스 공진기(111) 및 무선 전력 수신 장치(120)에 포함된 타겟 공진기 간의 공진 커플링을 통해 전력을 무선으로 전송할 수 있다. 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치(110)는 복수의 소스 공진기(111)를 포함할 수 있고, 무선 전력 수신 장치(120)가 존재하는 위치의 소스 공진기(111)를 선택하여 무선 전력 전송을 수행할 수 있다. 또한, 무선 전력 전송 장치(110)는 복수의 무선 전력 수신 장치(120)에 대해서도 무선 전력 전송을 수행할 수 있다. 무선 전력 전송 장치(120)는 2차원 소스 공진기 배열을 이용하여 2차원 평면 상에 임의의 위치에 놓여있는 디바이스에 무선으로 전력을 공급할 수 있다. 무선 전력 전송 장치(110)의 구체적인 동작은 하기 도 2 내지 도 20에서 상세히 설명한다.
무선 전력 수신 장치(120)는 무선 전력 전송 장치(110)로부터 무선으로 전력을 수신할 수 있다. 무선 전력 수신 장치(120)는 타겟 공진기를 포함하는 전자 장치로서, 예를 들어, 모바일폰, 스마트폰, 노트북PC, 태블릿PC 등과 같은 휴대형 기기 또는 무선 디스플레이 등과 같은 코드가 없는 거치형 기기 등을 포함할 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치의 개괄적인 구성을 도시한 블록도이다.
무선 전력 전송 장치(110)는 소스 공진기(210), 스위치(220), 검출기(230), 스위치 제어부(240)를 포함한다. 일 실시예에 따르면 무선 전력 전송 장치(110)는 복수의 소스 공진기들(219)를 포함할 수 있다.
소스 공진기(210)는 타겟 공진기로 전력을 전송할 수 있다. 소스 공진기(210)는 스위치 제어부(240)의 제어에 따라 스위치(220)를 통해 공급되는 전력을, 공진 결합을 통해 타겟 공진기로 전송할 수 있다. 아울러, 소스 공진기(210)의 세부적인 구성은 하기 도 3에서 상세히 설명하고, 본 명세서에서는 복수의 소스 공진기들(219)가 격자 형태로 배치되는 것을 중점적으로 설명하였으나, 그로 한정하는 것은 아니고, 설계에 따라 변경될 수 있다.
스위치(220)는 복수의 소스 공진기들(219) 중 적어도 하나의 소스 공진기(210)와 전원(power source)을 연결함으로써 적어도 하나의 소스 공진기(210)를 공진시킬 수 있다. 예를 들어, 스위치(220)는 스위치 제어부(240)의 제어에 따라 해당 소스 공진기(210)를 일정 시간(예를 들어, 제1 주입 시간 또는 제2 주입 시간 등) 동안 전원(예를 들어, 직류 전원)과 연결시킨 후, 개방함으로써 공진시킬 수 있다. 스위치(220)는 소스 공진기(210)의 일단과 전원 간의 연결 및 소스 공진기(210)의 다른 일단과 접지 간의 연결을 형성하거나, 개방할 수 있다. 스위치(220)의 구체적인 구성 및 동작은 하기에서 상세히 설명한다.
검출기(230)는 적어도 하나의 소스 공진기(210)가 공진하는 파형을 검출할 수 있다. 예를 들어, 검출기(230)는 검출 시간(detection time) 동안 적어도 하나의 소스 공진기(210)의 일단에서 발생하는 공진(resonance)에 따른 전기 신호의 엔벨롭(envelope)을 검출할 수 있다. 전기 신호는 소스 공진기(210)에서 발생한 공진에 의한 전기적인 신호로서, 예를 들어 전류 신호, 전압 신호, 및 전력 신호 등을 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 그룹 당 하나의 검출기가 구성되면 되므로, 부피 및 전력 소모가 감소될 수 있다.
스위치 제어부(240)는 검출된 파형에 기초하여, 무선 전력 전송을 수행할 소스 공진기(210)를 결정하고, 결정된 소스 공진기(210)를 통해 타겟 공진기로 전력을 무선으로 전송하도록 스위치(220)를 제어할 수 있다. 스위치 제어부(240)의 구체적인 동작은 하기에서 상세히 설명한다.
도 3은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치의 예시적인 구성을 도시한 도면이다.
무선 전력 전송 장치(110)의 소스 공진기(210)는 커패시터(312), 인덕터(311), 및 주입된 전력이 다른 소스 공진기로 흐르는 것을 방지하는 다이오드(313)를 포함할 수 있다. 커패시터(312) 및 인덕터(311)는 타겟 공진기와 공진 결합을 형성하는데 사용될 수 있다.
복수의 소스 공진기들은 복수의 제1 그룹(예를 들어, 행에 대응하는 그룹) 및 복수의 제2 그룹(예를 들어, 열에 대응하는 그룹)으로 분류될 수 있다. 제1 그룹끼리는 중복되는 소스 공진기(210)가 없고, 제2 그룹끼리는 중복되는 소스 공진기(210)가 없을 수 있으나, 하나의 제1 그룹 및 하나의 제2 그룹은 최대 하나의 소스 공진기(210)가 중복되도록 분류될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 각 제1 그룹에 대응하는 소스 공진기들이 일단을 공유하도록 구성될 수 있고, 각 제2 그룹에 대응하는 소스 공진기들은 다른 일단을 공유하도록 구성될 수 있다.
무선 전력 전송 장치(110)의 스위치(220)는 제1 스위치(321) 및 제2 스위치(322)를 포함할 수 있다.
제1 스위치(321)는 복수의 소스 공진기들 중에서 일단을 공유하는 소스 공진기들의 일단과 직류 전원(DC source)을 스위치 제어부(240)의 제어에 따라 선택적으로 연결할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 제1 스위치(321)의 각각은 제1 그룹(예를 들어, 행에 대응하는 그룹)에 대응하는 소스 공진기들이 공유하는 일단을 직류 전원과 선택적으로 연결할 수 있다. 예를 들어, 제1 스위치(321)는 복수로 구성될 수 있고, 각각의 제1 스위치(321)는 격자 형태로 배치된 복수의 소스 공진기들 중에서 한 행(row)에 대응하는 소스 공진기들을 일괄적으로 스위치 제어부(240)의 제어에 따라 직류 전원에 연결하거나, 개방하거나, 접지에 연결할 수 있다.
제2 스위치(322)는 복수의 소스 공진기들 중에서 다른 일단을 공유하는 소스 공진기들의 다른 일단과 접지(ground)를 스위치 제어부(240)의 제어에 따라 선택적으로 연결할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 제2 스위치(322)의 각각은 제2 그룹(예를 들어, 열에 대응하는 그룹)에 대응하는 소스 공진기들이 공유하는 다른 일단을 접지와 선택적으로 연결할 수 있다. 예를 들어, 제2 스위치(322)는 복수로 구성될 수 있고, 각각의 제2 스위치(322)는 격자 형태로 배치된 복수의 소스 공진기들 중에서 한 열(column)에 대응하는 소스 공진기들을 일괄적으로 스위치 제어부(240)의 제어에 따라 접지에 연결하거나 개방할 수 있다.
검출기(230)는 소스 공진기(210)의 일단에서 발생하는 공진에 따른 파형을 검출할 수 있다. 예를 들어, 검출기(230)는 복수로 구성될 수 있고, 각각의 검출기들(331, 332, 333)은 제1 스위치(321)를 통해 연결되어, 소스 공진기(210)의 개방된 일단의 파형을 검출할 수 있다. 도 3에서는 복수의 소스 공진기들이 격자 형태로 배치된 경우로서, 제1 검출기(331)는 첫째 행에 대응하는 소스 공진기들의 개방된 일단과 연결될 수 있고, 제2 검출기(332)는 둘째 행에 대응하는 소스 공진기들의 개방된 일단과 연결될 수 있으며, 제3 검출기(333)는 셋째 행에 대응하는 소스 공진기들의 개방된 일단과 연결될 수 있다.
다만, 이로 한정하는 것은 아니고, 복수의 소스 공진기들이 복수의 제1 그룹으로 분류되고, 각 제1 그룹에 대응하는 소스 공진기들이 일단을 공유하도록 구성되는 경우, 검출기(230)는 제1 그룹의 개수만큼으로 구성될 수 있고, 각 제1 그룹에 대응하는 검출기들(331, 332, 333)은 해당 제1 그룹이 공유하는 일단이 개방되었을 때의 파형을 검출할 수 있다.
아울러, 도 3에 도시된 직류 전원은 설명의 편의를 위해 제1 스위치(321)의 각각에 개별적으로 도시되었으나, 제1 스위치(321)의 각각은 단일한 직류 전원과 각 그룹(예를 들어, 행에 대응하는 그룹)의 소스 공진기들의 일단을 선택적으로 연결할 수 있다. 다만, 이로 한정하는 것은 아니고, 직류 전원은 제1 스위치(321)의 개수만큼 개별적으로 구성될 수도 있다.
일 실시예에 따르면, 무선 전력 전송 장치(110)는 무선 전력 수신 장치에 근접한 위치의 소스 공진기(210)를 탐색(scan)하는 과정 및 탐색된 소스 공진기(210)에 일정 시간동안 전력을 전송(transmit)하는 과정을 반복할 수 있다. 무선 전력 전송 장치(110)는 탐색 과정에서 무선 전력 수신 장치의 위치 이동을 추적하거나 존재 유무를 판단할 수 있다. 무선 전력 수신 장치에 근접한 위치의 소스 공진기(210)를 탐색하는 원리는 하기 도 5 내지 도 8에서 설명한다. 탐색하는 과정은 하기 도 9 및 도 10에서 예를 들어 설명하고, 전송하는 과정은 하기 도 11 및 도 12에서 예를 들어 설명한다. 일 실시예에 따르면, 무선 전력 전송 장치(110)는 탐색하는 과정 및 전송하는 과정은 짧은 시간 간격으로 반복할 수 있고, 탐색하는 과정에 대한 시간을 전송하는 과정에 대한 시간보다 짧게 설정할 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치의 동작 예시를 도시한 도면이다.
도 4는 원하는 지점의 소스 공진기를 공진시키는 과정을 설명한다. 예를 들어, 도 4는 격자 구조로 배치된 복수의 소스 공진기들에 있어서, 2번째 행의 두번째 열의 소스 공진기(410)가 공진하는 경우의 예시를 도시한다. 스위치 제어부(240)는 일정 시간 동안 제1 스위치(321)가 하나의 제1 그룹(예를 들어, 2번째 행)의 소스 공진기들의 일단이 직류 전원에 연결되도록 제어할 수 있고, 동일한 시간 동안 제2 스위치(322)가 하나의 제2 그룹(예를 들어, 2번째 열)의 소스 공진기들의 다른 일단이 접지에 연결되도록 제어할 수 있다. 이 때, 나머지 제1 그룹의 소스 공진기들의 일단은 개방되고, 나머지 제2 그룹의 소스 공진기들의 다른 일단도 개방될 수 있다. 스위치 제어부(240)는 상술한 바와 같이 제1 스위치(321) 및 제2 스위치(322)를 제어함으로써, 하나 이상의 소스 공진기를 공진시킴으로써 타겟 공진기의 위치를 탐색하거나 타겟 공진기로 전력을 무선으로 전송할 수 있다.
이를 테면, 스위치 제어부(240)는 원하는 지점의 소스 공진기(410)에 연결된 제1 스위치(321)를 직류 전원과 연결하고, 제2 스위치(322)를 접지에 연결하며, 나머지 소스 공진기는 개방할 수 있다. 직류 전원과 접지로 연결된 소스 공진기(410)는 연결시간에 비례하여 소스 공진기(410)의 인덕터와 커패시터에 직류 전력을 충전할 수 있다. 일정 시간의 충전 이후 소스 공진기(410)의 양단을 개방하게 되면 소스 공진기(410)는 공진주파수의 RF 신호를 발생시키며 공진할 수 있고, 근처에 있는 같은 공진주파수의 공진기(예를 들어, 다른 소스 공진기 또는 타겟 공진기)로 전력을 전송할 수 있다.
무선 전력 수신 장치의 타겟 공진기가 없다면, 해당 소스 공진기(410)의 바로 인접한 주위의, 전력이 공급되지 않은 다른 소스 공진기로 에너지가 전송될 수 있다. 다만, 무선 전력 수신 장치의 타겟 공진기가 해당 소스 공진기(410)의 바로 위쪽에 위치하면 동일한 평면에 위치하는 주변 소스 공진기에 비해, 해당 소스 공진기(410)와 타겟 공진기 간에 더 큰 결합(coupling) 계수가 형성되기 때문에 대부분의 전력이 윗방향에 있는 타겟 공진기로 전송될 수 있다. 도 13에 도시된 구조는 인접한 주변 소스 공진기 간의 결합 계수가 보다 최소화될 수 있다.
여기서, 2번째 행의 3번째 열에 배치된 소스 공진기(420)는 공진 중인 소스 공진기(410)와 전력이 공급되는 일단을 공유하는 바, 1번째 행의 3번째 열의 소스 공진기(430) 및 1번째 행의 2번째 열의 소스 공진기를 통해 접지와 연결되는 경로가 형성될 가능성이 발생할 수 있다. 다만, 일 실시예에 따른 소스 공진기는 다이오드(431)를 포함하므로, 2번째 행의 3번째 열에 배치된 소스 공진기(420)로부터 1번째 행의 3번째 열의 소스 공진기(430)로의 역류를 방지할 수 있다. 따라서, 스위치 제어부(240)가 공진시키고자 하는 소스 공진기 외의 다른 소스 공진기에서 공진이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
도 4에 도시된 예시에 따르면, 제2 검출기(332)는 2번째 행의 2번째 열의 소스 공진기(410)에서 발생하는 공진에 따른 파형을 검출할 수 있다. 하기 도 5 내지 도 8에서, 타겟 공진기가 존재하는 경우와 존재하지 않는 경우의 소스 공진기의 공진에 따른 파형을 설명한다.
도 5 내지 도 8은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치에서의 공진 파형을 도시한 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 무선 전력 전송 장치는 복수의 소스 공진기를 포함하는 바, 공진하는 소스 공진기(511), 해당 소스 공진기(511)와 공진 결합을 형성하여 공진하는 타겟 공진기(520), 및 해당 소스 공진기(511) 주변의 소스 공진기(512)(이하, 주변 공진기)를 고려할 수 있다.
도 6은 소스 공진기(511) 및 타겟 공진기(520)만 존재하는 경우에 있어서의, 소스 공진기(511) 및 타겟 공진기(520)의 공진 파형을 나타낼 수 있다. 도 7은 소스 공진기(511) 및 주변 공진기(512)만 존재하는 경우에 있어서의 소스 공진기(511) 및 주변 공진기(512)의 공진 파형을 나타낼 수 있다. 도 8은 소스 공진기(511), 주변 공진기(512), 및 타겟 공진기(520)가 모두 존재하는 경우에 있어서의 각각의 공진 파형을 나타낼 수 있다. 이 때, 검출기는 소스 공진기(511)가 공진하는 파형의 엔벨롭을 검출할 수 있다.
일 실시예에 따르면 무선 전력 전송 장치는 소스 공진기(511)에 직류 전원에 의한 전력을 충전 후, 충전된 전력이 방전되면서 발생하는 공진 파형의 엔벨롭의 차이에 기초하여, 무선 전력 수신 장치의 위치에 근접한 소스 공진기(511)를 결정할 수 있다. 예를 들어, 충전된 소스 공진기(511) 근처에 타겟 공진기(520)가 가까이 존재할수록 방전시 발생되는 공진 파형의 엔벨롭이 급격히 감소하기 때문에 방전시 주위의 다른 소스 공진기(511)보다 빠르게 공진 파형의 포락선이 감쇄하는 소스 공진기(511)는 무선 전력 수신 장치의 타겟 공진기(520)가 가까이 있는 소스 공진기(511)로 판단할 수 있다.
도 6 및 도 8에 도시된 바와 같이, 해당 소스 공진기와 공진 결합된 타겟 공진기가 존재하는 경우에는, 타겟 공진기가 존재하지 않는 경우인 도 7에 비해 공진 파형의 엔벨롭의 감쇄 정도가 비교적 급격하게 나타날 수 있다. 예를 들어, 도 6의 소스 공진기의 파형(611) 및 도 8의 소스 공진기(811)의 파형은 도 7의 소스 공진기의 파형(711)에 비해 급격하게 감쇄될 수 있다. 이는 도 6의 타겟 공진기의 파형(620) 및 도 8의 타겟 공진기의 파형(820)과 같이, 타겟 공진기로 전력이 전송됨으로써, 소스 공진기의 파형이 급격하게 감쇄되기 때문이다. 이에 비하여, 도 7 및 도 8의 주변 공진기의 파형(712, 812)과 같이, 주변 공진기로는 전력이 적게 공급되므로, 도 7에서는 소스 공진기의 파형(711)이 완만하게 감쇄하고, 도 8에서는 소스 공진기의 파형(811)에 큰 영향을 주지 않을 수 있다. 따라서, 스위치 제어부는, 검출된 파형의 감쇄 정도(attenuation level)에 기초하여 무선 전력 전송을 수행할 소스 공진기를 결정할 수 있다.
일 실시예에 따르면 소스 공진기의 공진에 따른 전기 신호의 엔벨롭의 감쇄 정도는, 엔벨롭의 감쇄 비율, 임계값 이하로의 감쇄 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 엔벨롭의 감쇄 비율은, 검출 시간의 초기 시점에서의 엔벨롭의 크기에 대한 검출 시간의 초기 시점으로부터 특정 시점까지 엔벨롭이 감소된 크기의 비율을 나타낼 수 있다. 이 경우, 스위치 제어부는 감쇄 비율이 임계 비율보다 큰 경우, 스위치 제어부는 해당 소스 공진기와 공진 결합을 형성하는 타겟 공진기가 존재하는 것으로 판단할 수 있다. 따라서, 해당 소스 공진기 상에 타겟 공진기를 포함하는 무선 전력 수신 장치가 존재할 수 있다.
또한, 예를 들어, 임계값은 검출 시간 동안의 특정 시점에 대해 미리 결정된 엔벨롭의 크기로서, 스위치 제어부는 검출 시간 동안의 특정 시점에서 검출된 엔벨롭의 크기가 임계값보다 작은 경우, 해당 소스 공진기와 공진 결합을 형성하는 타겟 공진기가 존재하는 것으로 판단할 수 있다.
다만, 감쇄 정도에 기초한 타겟 공진기의 유무의 판단을 상술한 바로 한정하는 것은 아니다. 스위치 제어부는 도 7의 파형의 감쇄 정도와 도 6 및 도 8의 파형의 감쇄 정도를 구분하는 다양한 기준을 이용하여, 타겟 공진기의 유무를 판단할 수 있다. 더 나아가 스위치제어부는, 공진 파형의 형태를 분석하여 도 7과 유사한 파형을 나타내는 경우 타겟 공진기가 존재하는 것으로 판단할 수도 있다.
도 9 및 도 10은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송을 수행할 소스 공진기를 결정하는 과정을 도시한 도면이다.
도 9는 무선 전력 전송 장치(910)의 복수의 소스 공진기들의 격자 형태 배치에서, 2번째 행의 2번째 열 상의 위치에 타겟 공진기(929)가 존재하는 경우를 가정한다.
일 실시예에 따르면, 무선 전력 전송 장치(910)는 모든 제1 그룹(예를 들어, 행에 대응하는 그룹)의 소스 공진기들의 일단을 전원과 연결시키고, 복수의 제2 그룹(예를 들어, 열에 대응하는 그룹) 중 하나의 제2 그룹을 순차적으로 선택하여, 선택된 제2 그룹의 소스 공진기들의 다른 일단을 접지와 연결시킴으로써, 선택된 제2 그룹의 소스 공진기들을 공진시킬 수 있다. 이 때, 검출기가 제2 그룹의 소스 공진기들의 각각에서의 엔벨롭을 검출할 수 있고, 스위치 제어부는 검출된 엔벨롭에 기초하여 타겟 공진기의 위치 및 무선 전력 전송을 수행할 소스 공진기를 결정할 수 있다.
예를 들어, 탐색 과정에 있어서 우선, 무선 전력 전송 장치(910)는 j번째 열(여기서, j는 1이상의 정수로서 열 개수 이하)의 제2 스위치를 접지시키고, 모든 행의 제1 스위치를 직류 전원에 연결하였다가 개방할 수 있다. 이후, 무선 전력 전송 장치(910)는 일정시간 딜레이를 통해 공진 파형을 획득할 수 있고, 공진 파형에 기초하여 무선 전력 전송을 수행할 소스 공진기의 위치를 결정할 수 있다. 이후 무선 전력 전송 장치(910)는 모든 행의 제1 스위치를 접지하였다가 개방하고, j번째 열의 제2 스위치를 개방할 수 있다. 무선 전력 전송 장치(910)는 상술한 과정을 j는 1부터 마지막 열까지에 대해 반복할 수 있다. 이하, 도 10에서는 구체적인 예를 들어 설명한다.
도 10에서 검출부는 제1 탐색 시간(1010) 동안 1번째 열에 대응하는 소스 공진기들의 공진 파형, 제2 탐색 시간(1020) 동안 2번째 열에 대응하는 소스 공진기들의 공진 파형, 및 제3 탐색 시간(1030) 동안 3번째 열에 대응하는 소스 공진기들의 공진 파형을 검출할 수 있다. 아울러, 각 탐색 시간은 하나의 그룹에 대하여 공진 파형을 검출하는데 소요되는 시간 단위를 나타낼 수 있다. 다만, 도 3에서는 1번째 열 내지 3번째 열의 소스 공진기들의 공진 파형까지만 도시하였으나, 이로 한정하는 것은 아니고, 검출부는 모든 열에 대한 공진 파형을 순차적으로 검출할 수 있다.
이하, 도 10에서 SW_C1은 1번째 열의 제2 스위치의 연결 상태, SW_C2는 2번째 열의 제2 스위치의 연결 상태, SW_C3는 3번째 열의 제2 스위치의 연결 상태를 나타낼 수 있다. SW_Rn은 모든 제1 스위치의 연결 상태를 나타낼 수 있다. Venv_R1은 1번째 행에서 검출되는 전압 신호의 엔벨롭, Venv_R2는 2번째 행에서 검출되는 전압 신호의 엔벨롭, Venv_R3는 3번째 행에서 검출되는 전압 신호의 엔벨롭을 나타낼 수 있다.
우선, 스위치 제어부는 제1 스위치 및 제2 스위치를 제어하여 적어도 하나의 소스 공진기를 공진시킬 수 있다. 예를 들어, 스위치 제어부는 제1 주입 시간(1011) 동안 적어도 하나의 소스 공진기에 전력을 공급(예를 들어, 소스 공진기 및 직류 전원을 전기적으로 연결)할 수 있다.
구체적으로는 스위치 제어부는 제1 주입 시간(1011) 동안 적어도 하나의 소스 공진기의 일단이 전원에 접속되고, 제1 주입 시간(1011)이 경과하면 일단이 개방(예를 들어, 소스 공진기 및 직류 전원 간의 전기적 연결을 해제)되도록 스위치를 제어할 수 있다. 아울러, 제1 주입 시간(1011) 동안 스위치 제어부는 해당 소스 공진기의 다른 일단을 접지시키고, 나머지 소스 공진기의 다른 일단은 개방되도록 제2 스위치를 제어할 수 있다. 예를 들어, 제1 탐색 시간(1010)의 제1 주입 시간(1011) 동안, 스위치 제어부는 1번째 열의 제2 스위치(SW_C1)는 접지시키고, 2번째 열 및 3번째 열을 포함한 나머지 열의 제2 스위치(SW_C2, SW_C3 등)는 개방하며, 모든 제1 스위치(SW_Rn)는 직류 전원과 연결할 수 있다. 제1 주입 시간(1011)이 경과하면, 스위치 제어부는 모든 제1 스위치를 개방하도록 제어할 수 있다. 여기서, 1번째 열의 소스 공진기들은, 공진을 통해 충전된 전력을 방전할 수 있다.
이후, 검출부는 검출 시간(detection time)(1012) 동안 적어도 하나의 소스 공진기에서 발생하는 공진(resonance)에 따른 전기 신호의 엔벨롭(envelope)을 검출할 수 있다. 예를 들어, 제1 탐색 시간(1010)의 검출 시간(1012) 동안, 스위치 제어부는 1번째 열의 제2 스위치의 접지를 유지하고, 2번째 및 3번째 열의 제2 스위치의 개방을 유지하며, 모든 제1 스위치를 개방 상태로 변경할 수 있다.
이어서 스위치 제어부는 검출 시간(1012)이 경과하면 적어도 하나의 소스 공진기의 양단을 접지로 연결하도록 스위치를 제어할 수 있다. 예를 들어, 스위치 제어부는 리셋 시간(1013) 동안 소스 공진기의 양단을 접지시킬 수 있다. 스위치 제어부는 소스 공진기의 양단을 접지시켜서 리셋함으로써, 다음 열의 소스 공진기의 엔벨롭으로의 영향을 제거할 수 있다. 이후, 마진 시간(1014) 동안 스위치 제어부는 소스 공진기 양단의 접지를 유지할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 스위치 제어부는 검출부에 의해 검출된 파형의 감쇄 정도(attenuation level) 에 기초하여 무선 전력 전송을 수행할 소스 공진기를 결정할 수 있다. 도 10에서, 제1 탐색 시간(1010) 및 제3 탐색 시간(1030)의 공진 파형은 모두 완만하게 감쇄하는 바, 도 7에 도시된 파형에 대응할 수 있다. 따라서, 스위치 제어부는 제1 탐색 시간(1010) 및 제3 탐색 시간(1030) 동안 탐색한 1번째 열 및 3번째 열의 소스 공진기 상에는 타겟 공진기가 존재하지 않는 것으로 판단할 수 있다. 이와 달리, 제2 탐색 시간(1020) 동안의 공진 파형 중, 2번째 행의 2번째 열의 소스 공진기에서 검출된 전압 신호의 엔벨롭(1029)은 다른 공진 파형들에 비해 급격하게 감쇄되는 바, 도 8에 대응하는 파형일 수 있다. 따라서, 스위치 제어부는 2번째 행의 2번째 열의 소스 공진기 상에 타겟 공진기가 존재하는 것으로 판단하여, 해당 소스 공진기를 무선 전력 전송을 수행할 소스 공진기로 결정할 수 있다.
도 9 및 도 10에 관하여 제1 탐색 시간(1010)을 기준으로 설명하였으나, 제1 탐색 시간(1010) 내의 세부 구간에 대한 설명은 제2 탐색 시간(1020) 및 제3 탐색 시간(1030)을 포함한 나머지 탐색 시간에 대해서도 적용될 수 있다.
다만, 도 9 및 도 10에서는 설명의 편의를 위하여, 3번째 열까지에 대해서만 공진 파형을 검출부가 검출하였으나, 이로 한정하는 것은 아니다. 일 실시예에 따르면, 복수의 소스 공진기들은 복수의 그룹들로 분류되는 경우, 스위치 제어부가 복수의 그룹들 중 하나의 그룹에 대응하는 소스 공진기를 선택할 수 있다. 예를 들어, 스위치 제어부는 복수의 소스 공진기들로부터 적어도 하나의 소스 공진기를 미리 정한 순서(예를 들어, 격자 형태에서 열 또는 행의 순서)에 따라 선택(예를 들어, 격자 형태에서 하나의 열 또는 행에 대응하는 소스 공진기를 선택)할 수 있고, 선택된 적어도 하나의 소스 공진기를 공진시킬 수 있다. 검출부는 미리 정한 순서에 따라 복수의 소스 공진기들의 모두에 대해 파형을 검출할 수 있다.
따라서, 스위치 제어부는 복수의 그룹으로부터 각각의 그룹을 순차적으로 선택하고, 선택된 그룹에 대응하는 소스 공진기들을 공진시키도록 스위치를 제어하며, 검출기로부터 복수의 소스 공진기들의 모두에 대한 파형을 순차적으로 획득할 수 있다. 예를 들어, 스위치 제어부는 1번째 열부터 마지막 열까지 변경하면서, 모든 열에 대해 공진 파형을 획득하여, 전력을 공급해야할 소스 공진기를 결정할 수 있다.
도 11 및 도 12는 일 실시예에 따라 결정된 소스 공진기로 전력을 무선으로 전송하는 과정을 도시한 도면이다.
무선 전력 전송 장치(1110)는 무선 전력 전송을 수행할 것으로 결정한 소스 공진기를 순차적으로 공진시킬 수 있다. 일 실시예에 따르면, 무선 전력 전송 장치(1110)는 전력이 공급되어야 하는 소스 공진기가 위치하는 열의 제2 스위치를 접지와 연결하고, 나머지 열의 제2 스위치는 개방하며, 접지된 열에서 전력이 공급되어야 하는 소스 공진기가 위치하는 행의 제1 스위치를 직류 전원과 연결하여 일정 시간 충전 후 개방함으로써 해당 소스 공진기를 공진시킬 수 있다. 무선 전력 전송 장치(1110)는 결정된 소스 공진기의 공진을 통해 타겟 공진기로 전력을 전송한 후, 모든 제1 스위치를 접지로 연결함으로써 잔여 전력을 제거함으로써 다음 열의 전력 전송으로의 영향을 최소화할 수 있다.
도 11은 2번째 행의 2번째 열의 위치(1111), 4번째 행의 5번째 열의 위치(1112), 5번째 행의 5번째 열의 위치(1113), 4번째 행의 6번째 열의 위치(1114), 5번째 행의 6번째 열의 위치(1115)에 타겟 공진기가 존재하는 경우의 예시를 도시한다. 스위치 제어부는 상술한 위치들(1111 내지 1115)에 타겟 공진기가 존재하는 것으로 판단하여, 해당 위치의 소스 공진기들로 전력을 전송할 것을 결정할 수 있다.
예를 들어, 전송 과정에 있어서, 우선 무선 전력 전송 장치(1110)는 j번째 열의 제2 스위치를 접지로 연결하고, 그 후 전력 공급이 결정된 행의 제1 스위치를 직류 전원과 연결하였다가 개방할 수 있다. 무선 전력 전송 장치(1110)는 일정 시간 동안 개방 상태를 유지하면서 딜레이함으로써 전력을 전송할 수 있다. 이후, 무선 전력 전송 장치(1110)는 결정된 행의 제1 스위치를 접지하였다가 개방하고, j번째 열의 제2 스위치를 개방할 수 있다. 이 때, 무선 전력 전송 장치는 j를 전력을 공급하기로 결정한 열의 순번으로 결정할 수 있고, 결정된 열들에 대해 순차적으로 상술한 과정을 반복할 수 있다. 아울러, 무선 전력 전송 장치(1110)는 상술한 전송 과정을 일정 시간 또는 일정 횟수만큼 반복할 수 있다.
이하, 도 12에서 SW_C2는 2번째 열의 제2 스위치의 연결 상태, SW_C5는 5번째 열의 제2 스위치의 연결 상태, SW_C6는 6번째 열의 제2 스위치의 연결 상태를 나타낼 수 있다. SW_R2는 2번째 행의 제1 스위치의 연결 상태, SW_R4는 4번째 행의 제1 스위치의 연결 상태, SW_R5는 5번째 행의 제1 스위치의 연결 상태를 나타낼 수 있다.
도 12에서 스위치 제어부는 제2 주입 시간(1211) 동안 결정된 소스 공진기(예를 들어, 전력이 공급되어야 하는 소스 공진기)의 일단이 전원에 연결되고, 제2 주입 시간(1211)이 경과하면 일단이 개방되며, 일단이 개방된 시점으로부터 전송 시간(1212)이 경과하면 소스 공진기의 양단이 접지로 연결되도록 스위치를 제어할 수 있다. 예를 들어, 스위치 제어부는 제1 전력 구간(1210)의 제2 주입 시간(1211) 동안 2번째 행의 제1 스위치가 소스 공진기의 일단을 전원에 연결(제2 주입 시간(1211) 동안, 2번째 열의 제2 스위치는 접지되고, 나머지 스위치는 개방됨)할 수 있다. 스위치 제어부는 전송 시간(1212) 동안 2번째 행의 제1 스위치를 개방할 수 있고, 전송 시간(1212)이 경과하면 2번째 행의 제1 스위치를, 예를 들어 리셋 시간(1213) 동안 접지시킬 수 있다. 이후, 마진 시간(1214) 동안 스위치 제어부는 각 스위치를 개방 상태로 유지할 수 있다.
또한, 도 12에 도시된 바와 같이, 무선 전력 전송 장치(1110)는 열 단위로 시간 구간을 나누어, 제1 전력 구간(1210)에서는 2번째 행의 2번째 열의 소스 공진기를 통해 전력을 전송할 수 있고, 제2 전력 구간(1220)에서는 4번째 행의 5번째 열 및 5번째 행의 5번째 열의 소스 공진기를 통해 전력을 전송하여, 제3 전력 구간(1230)에서는 4번째 행의 6번째 열 및 5번째 행의 6번째 열의 소스 공진기를 통해 전력을 전송할 수 있다.
도 11 및 도 12에 관하여 제1 전력 구간(1210)을 기준으로 설명하였으나, 제1 전력 구간(1210) 내의 세부 구간에 대한 설명은 제2 전력 구간(1220) 및 제3 전력 구간(1230)을 포함한 나머지 전력 구간에 대해서도 적용될 수 있다. 전력 구간의 시간적 길이 및 개수는 설계에 따라 변경될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 무선 전력 전송 장치는 전력 전송이 결정된 소스 공진기를 제외한 나머지 행의 소스 공진기들의 양단을 접지시킴으로써, 나머지 행의 소스 공진기들의 공진을 방해할 수 있다. 따라서, 무선 전력 전송 장치는 결정된 소스 공진기 주변(예를 들어, 상하의 위치)의 소스 공진기로 불필요한 전력이 전송되는 것을 방지할 수 있다.
도 13은 일 실시예에 따라 지그재그 형태로 배치된 소스 공진기를 도시한 도면이다.
무선 전력 전송 장치의 복수의 소스 공진기는 격자 형태가 아닌 다른 형태로도 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 13은 지그재그 형태로 배치된 복수의 소스 공진기들을 도시한다. 복수의 소스 공진기들 중에서 일단을 공유하는 소스 공진기들(예를 들어, 제1 그룹에 대응)은 지그재그 형태로 배치되고, 복수의 소스 공진기들 중에서 다른 일단을 공유하는 소스 공진기들(예를 들어, 제2 그룹에 대응)은 일렬로 배치될 수 있다.
도 13은 3번째 행의 제1 스위치가 직류 전원을 공급하다가 개방된 경우의 예시로서, 3번째 열의 제2 스위치는 접지를 유지하였고, 나머지 열의 제2 스위치는 개방된 상태였다가 접지된 경우를 도시한다.
3번째 행의 제1 스위치와 연결된 소스 공진기들(1311 내지 1315) 중에서 2번째 행의 3번째 열의 소스 공진기(1311)를 제외한 나머지 소스 공진기들(1312 내지 1315)은 개방된 상태였으므로 전력이 충전되지 않아 공진이 발생하지 않을 수 있다. 2번째 행의 3번째 열의 소스 공진기(1311) 만이 공진할 수 있다.
여기서, 2번째 행의 3번째 열의 소스 공진기(1311)의 주변 공진기들(1390)은 양단이 접지된 상태이므로 공진이 전혀 발생하지 않을 수 있다. 따라서, 도 4에 도시된 구조(전력 전송이 결정된 소스 공진기 좌우의 다른 소스 공진기로 전력 전송 발생 가능)에 비해 불필요한 전력 소모가 보다 저감될 수 있다. 도 13의 구조에 따르면, 무선 전력 전송 장치는 전력 전송이 결정된 소스 공진기의 좌우에 위치하는 소스 공진기들의 양단도 접지시킬 수 있다. 이에 따라, 동일한 제1 스위치에 연결된 소스 공진기들이 좌우에 위치하지 않게 되므로, 좌우의 인접 소스 공진기들 간의 상호 공진이 방지될 수 있고, 무선 전력 전송 장치는 불필요한 공진에 의한 전력 손실을 방지할 수 있다.
도 14 내지 도 17은 일 실시예에 따라 지그재그 형태로 배치된 소스 공진기에 대하여 무선 전력 전송을 수행할 소스 공진기를 결정하는 과정을 도시한 도면이다.
도 14 및 도 15는 지그재그 형태의 탐색 과정에 있어서 공진을 발생시키는 순서의 예시를 설명한다. 예를 들어, 도 14에서는 2번째 행의 제1 스위치(1410) 및 6번째 행의 제1 스위치(1420)를 제어하여 해당 스위치와 연결된 일련의 소스 공진기들을 열 순서(예를 들어, 1번째 열, 2번째 열, 및 3번째 열의 순서)에 따라 공진시킬 수 있다. 일 실시예에 따르면, 스위치 제어부는 복수의 제1 그룹들(예를 들어, 행) 중 서로 일정 간격 이상 이격된 제1 그룹들을 선택하여 공진시킬 수 있다. 예를 들어, 도 14에 도시된 형태에서 3칸의 행 간격을 설정(예를 들어, 도 14에 도시된 바와 같이, (2, 6, 10, ...)번째 행의 그룹, (3, 7, 11, ...) 번째 행의 그룹, (4, 8, 12, ...) 번째 행의 그룹, 및 (1, 5, 9, ...) 번째 행의 그룹 등과 같이 4개의 행 그룹으로 분류)함으로써, 2번째 행의 제1 스위치(1410)에 의해 공진되는 소스 공진기와 6번째 행의 제1 스위치(1420)에 의해 공진되는 소스 공진기 간의 간섭이 방지될 수 있다. 도 14에서 스위치 제어부에 의해 결정된 제1 그룹들에 대한 탐색이 완료되면, 스위치 제어부는 도 15에 도시된 바와 같이 다음 제1 그룹들(예를 들어, 3번째 행의 제1 스위치(1510)와 연결된 소스 공진기들 및 7번째 행의 제1 스위치(1520)와 연결된 소스 공진기들)에 대한 탐색을 진행할 수 있다.
도 16 및 도 17은 무선 전력 전송 장치(1610)의 3번째 행의 2번째 열의 위치에 타겟 공진기(1611)가 위치하는 경우의 공진 파형 검출의 예시를 도시할 수 있다.
도 16에서 스위치 제어부는 1번째 행의 스위치(1621) 및 5번째 행의 스위치(1622)를 제어하여 해당 스위치들(1621, 1622)에 연결된 소스 공진기들을 공진시킬 수 있다.
예를 들어, 도 13에 도시된 구조의 탐색 과정에 있어서, 무선 전력 전송 장치(1610)는 4n+r 번째 행(여기서, n은 0이상이면서, 4n+r이 행의 개수보다 작은 값이 되도록 하는 정수이고, r은 1이상 4이하의 정수임)의 제1 스위치를 개방하고, 나머지 행의 제1 스위치는 접지로 연결할 수 있다. 이후, 무선 전력 전송 장치(1610)는 j번째 열의 제2 스위치를 접지로 연결하고 나머지 열의 제2 스위치를 개방할 수 있다. 그리고 무선 전력 전송 장치(1610)는 4n+r번째 행의 제1 스위치만 직류 전원에 연결하였다가 개방하고, j번째 열의 제2 스위치만 개방하고 나머지 열의 제2 스위치는 접지로 연결할 수 있고, 이 때 각 엔벨롭에 기초하여 전력을 공급할 소스 공진기를 결정할 수 있다. 무선 전력 전송 장치(1610)는 4n+r번째 행의 제1 스위치를 접지로 연결하였다가 개방하고, j번째 열의 제2 스위치를 접지로 연결할 수 있다. 무선 전력 전송 장치(1610)는 j는 1부터 열 개수까지 상술한 과정을 반복할 수 있고, 모든 열에 대한 과정이 종료되면 r을 변경(예를 들어, 1부터 4까지 순차적으로 변경)하여 행을 변경할 수 있다. 이하, 도 17에서 구체적인 예시를 설명한다.
이하, 도 17에서 SW_C1은 1번째 열의 제2 스위치의 연결 상태, SW_C2는 2번째 열의 제2 스위치의 연결 상태, SW_C3는 3번째 열의 제2 스위치의 연결 상태를 나타낼 수 있다. SW_Rn은 n번째 행의 제1 스위치의 연결 상태를 나타낼 수 있다. Venv_R1은 1번째 행의 전압 신호의 엔벨롭, Venv_R5는 5번째 행의 전압 신호의 엔벨롭, Venv_R9은 9번째 행의 전압 신호의 엔벨롭을 나타낼 수 있다.
상술하였던 바와 유사하게, 스위치 제어부는 제1 주입 시간(1711) 동안 1번째 행, 5번째 행, 및 9번째 행의 소스 공진기 등에 대하여 전력을 공급할 수 있다. 제1 주입 시간 동안 1번째 열의 제2 스위치가 접지와 연결되고, 나머지 제2 스위치는 개방된 상태를 유지함으로써, 스위치 제어부는 탐색 대상이 되는 소스 공진기에 대해서만 전력을 충전시킬 수 있다. 이후, 전송 시간(1712) 동안 스위치 제어부는 전력이 충전된 소스 공진기들을 개방하여 공진시킬 수 있다. 리셋 시간(1713) 동안 스위치 제어부는 소스 공진기의 양단을 접지시킬 수 있다. 각 구간 사이에는 마진 시간(1791, 1792)가 설정될 수 있다.
도 17에 도시된 바와 같이, 5번째 행의 2번째 열에서 감쇄 정도가 큰 공진 파형(1729)이 검출될 수 있고, 스위치 제어부는 해당 파형이 검출된 소스 공진기를 무선 전력 전송을 수행할 소스 공진기로 결정할 수 있다.
도 17은 제1 탐색 시간(1710)에 대해서만 설명하였으나, 제2 탐색 시간(1720), 제3 탐색 시간(1730)을 포함하는 나머지 탐색 시간에 대해서도 유사하게 진행될 수 있다. 도 17에서 제2 탐색 시간(1720)은 2번째 열, 제3 탐색 시간(1730)은 3번째 열에 관해 지정될 시간일 수 있다.
또한, 도 13에 도시된 구조의 전송 과정은 도 4에 도시된 구조와 유사하게 진행될 수 있다. 예를 들어, 무선 전력 전송 장치(1610)는 4n+r번째 행 중 전력이 공급되도록 결정된 행의 제1 스위치만 개방하고, 나머지 행의 제1 스위치는 접지로 연결할 수 있다. 무선 전력 전송 장치(1610)는 j번째 열의 제2 스위치만 접지로 연결하고 나머지 열의 제2 스위치를 개방할 수 있다. 그리고 무선 전력 전송 장치(1610)는 4n+r번째 행 중 전력을 공급하도록 결정된 행의 제2 스위치를 직류 전원과 연결하였다가 개방할 수 있다. 무선 전력 전송 장치(1610)는 j번째 열의 제2 스위치만 개방하고, 나머지 열의 제2 스위치를 접지로 연결할 수 있다. 이후 무선 전력 전송 장치(1610)는 4n+r번째 행의 제1 스위치를 접지로 연결하였다가 개방하고, j번째 열의 제2 스위치를 접지로 연결할 수 있다. 무선 전력 전송 장치(1610)는 특정 r(r은 전력 공급이 지정된 소스 공진기가 위치하는 행)에 대해 전력이 공급되도록 결정된 소스 공진기가 위치하는 열에 대해 j를 선택하여 상술한 과정을 반복할 수 있고, 해당 r에 대응하는 행에서 전력이 공급되도록 지정된 모든 열에 대한 과정이 종료되면 r을 변경(예를 들어, 전력이 공급되어야 하는 소스 공진기가 위치하는 다른 행에 대응하는 r)하여 행을 변경할 수 있다.
도 18 및 도 19은 일 실시예에 따른 소스 공진기의 예시적인 배치를 도시한 도면이다.
도 18은 복수의 소스 공진기들(1801)은 평행하게 나열된 복수의 제1 축(1810) 및 평행하게 나열된 복수의 제2 축(1820)이 교차하는 지점(1830)에 배치는 경우를 도시한다. 여기서, 제1 축(1810)을 따라 배치되는 소스 공진기들의 일단은 동일한 제1 스위치를 통해 전원과 연결되고, 제2 축(1820)을 따라 배치되는 소스 공진기들의 다른 일단은 동일한 제2 스위치를 통해 접지와 연결될 수 있다. 예를 들어, 복수의 제1 그룹들(1881 내지 1886)에 속하는 소스 공진기들은 각 제1 그룹에 속하는 소스 공진기들과 일단을 공유할 수 있다. 복수의 제2 그룹들(1891 내지 1897)에 속하는 소스 공진기들은 각 제2 그룹에 속하는 소스 공진기들과 다른 일단을 공유할 수 있다. 여기서, 제1 축(1810) 및 제2 축(1820)은 서로 평행하지 않아, 반드시 한점이 교차할 수 있다.
도 18에 도시된 바와 같이, 복수의 소스 공진기들(1801)은 반복되는 패턴(예를 들어, 헥사 타일, 펜타 타일, 격자 형태 등)으로 배치될 수 있다.
도 19는 복수의 소스 공진기들이 무작위로 배치된 예시를 도시한 도면이다. 일 실시예에 따르면, 평행하게 나열된 가상의 복수의 제1 축(1910) 및 평행하게 나열된 가상의 복수의 제2 축(1920)을 가정할 수 있다. 각 소스 공진기는 가상의 두 축이 교차하는 지점들 중, 가장 가까운 지점과 연결되도록 구성될 수 있다.
아울러, 복수의 소스 공진기들은 제1 그룹들(1981 내지 1985)로 분류되고, 제2 그룹들(1991 내지 1995)로 분류될 수 있다. 제1 그룹들(1981 내지 1985)끼리는 소스 공진기가 중복 포함되지 않고, 제2 그룹들(1991 내지 1995)끼리도 소스 공진기가 중복 포함되지 않으며, 제1 그룹의 각각 및 제2 그룹의 각각 간에는 최대 1개의 소스 공진기가 중복 포함되도록, 복수의 소스 공진기들이 분류될 수 있다.
도 20은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 방법을 도시한 흐름도이다.
우선, 단계(2010)에서 스위치 제어부는 복수의 소스 공진기들 중 적어도 하나의 소스 공진기를 공진시킬 수 있다.
그리고 단계(2020)에서 검출기는 적어도 하나의 소스 공진기가 공진하는 파형을 검출하는 단계;
이어서 단계(2030)에서 스위치 제어부는 검출된 파형에 기초하여, 무선 전력 전송을 수행할 소스 공진기를 결정할 수 있다.
그리고 단계(2040)에서 스위치 제어부는 결정된 소스 공진기를 통해 타겟 공진기로 전력을 무선으로 전송할 수 있다.
상술한 단계들(2010 내지 2040)의 상세한 동작은 도 1 내지 도 19에서 상술한 바와 같으므로 생략한다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 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 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다.　 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 (20)

  1. 복수의 소스 공진기들 중 적어도 하나의 소스 공진기를 공진시키는 단계;
    상기 적어도 하나의 소스 공진기가 공진하는 파형을 검출하는 단계;
    상기 검출된 파형에 기초하여, 무선 전력 전송을 수행할 소스 공진기를 결정하는 단계; 및
    상기 결정된 소스 공진기를 통해 타겟 공진기로 전력을 무선으로 전송하는 단계;
    를 포함하는 무선 전력 전송 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 소스 공진기를 공진시키는 단계는,
    제1 주입 시간 동안 상기 적어도 하나의 소스 공진기에 전력을 공급하는 단계; 및
    상기 제1 주입 시간이 경과하면 상기 적어도 하나의 소스 공진기의 일단을 개방하는 단계
    를 포함하는 무선 전력 전송 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전력을 공급하는 단계는,
    상기 제1 주입 시간 동안 상기 적어도 하나의 소스 공진기와 직류 전원(DC source)을 전기적으로 연결하는 단계
    를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 소스 공진기의 일단을 개방하는 단계는,
    상기 제1 주입 시간이 경과하면 상기 적어도 하나의 소스 공진기 및 상기 직류 전원 간의 전기적 연결(electrical connection)을 해제하는 단계
    를 포함하는 무선 전력 전송 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 파형을 검출하는 단계는,
    검출 시간(detection time) 동안 상기 적어도 하나의 소스 공진기에서 발생하는 공진(resonance)에 따른 전기 신호의 엔벨롭(envelope)을 검출하는 단계; 및
    상기 검출 시간이 경과하면 상기 적어도 하나의 소스 공진기의 양단을 접지로 연결하는 단계
    를 포함하는 무선 전력 전송 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 무선 전력 전송을 수행할 소스 공진기를 결정하는 단계는,
    상기 검출된 파형의 감쇄 정도(attenuation level)에 기초하여 상기 무선 전력 전송을 수행할 소스 공진기를 결정하는 단계
    를 포함하는 무선 전력 전송 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 타겟 공진기로 전력을 무선으로 전송하는 단계는,
    제2 주입 시간 동안 상기 결정된 소스 공진기로 전력을 공급하는 단계;
    상기 제2 주입 시간이 경과하면 상기 소스 공진기의 일단을 개방하는 단계; 및
    상기 소스 공진기의 일단이 개방된 시점으로부터 전송 시간이 경과하면 상기 소스 공진기의 양단을 접지로 연결하는 단계
    를 포함하는 무선 전력 전송 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 소스 공진기를 공진시키는 단계는,
    상기 복수의 소스 공진기들로부터 상기 적어도 하나의 소스 공진기를 미리 정한 순서에 따라 선택하는 단계; 및
    상기 선택된 적어도 하나의 소스 공진기를 공진시키는 단계
    를 포함하고,
    상기 파형을 검출하는 단계는,
    상기 미리 정한 순서에 따라 상기 복수의 소스 공진기들의 모두에 대해 상기 파형을 검출하는 단계
    를 포함하는 무선 전력 전송 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 소스 공진기들은 격자 형태로 배열되고,
    상기 미리 정한 순서에 따라 선택하는 단계는,
    상기 격자 형태에서 하나의 열 또는 행에 대응하는 소스 공진기를 선택하는 단계
    를 포함하는 무선 전력 전송 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 소스 공진기들은 복수의 그룹들로 분류되고,
    상기 미리 정한 순서에 따라 선택하는 단계는,
    상기 복수의 그룹들 중 하나의 그룹에 대응하는 소스 공진기를 선택하는 단계
    를 포함하는 무선 전력 전송 방법.
  10. 하드웨어와 결합되어 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 방법을 실행시키기 위하여 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램.
  11. 복수의 소스 공진기들(source resonators);
    상기 복수의 소스 공진기들 중 적어도 하나의 소스 공진기와 전원(power source)을 연결함으로써 상기 적어도 하나의 소스 공진기를 공진시키는 스위치(switch);
    상기 적어도 하나의 소스 공진기가 공진하는 파형을 검출하는 검출기(detector);
    상기 검출된 파형에 기초하여, 무선 전력 전송을 수행할 소스 공진기를 결정하고, 상기 결정된 소스 공진기를 통해 타겟 공진기로 전력을 무선으로 전송하도록 상기 스위치를 제어하는 스위치 제어부(switch controller)
    를 포함하는 무선 전력 전송 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 스위치는,
    상기 복수의 소스 공진기들 중에서 일단을 공유하는 소스 공진기들의 상기 일단과 직류 전원(DC source)을 상기 스위치 제어부의 제어에 따라 선택적으로 연결하는 제1 스위치; 및
    상기 복수의 소스 공진기들 중에서 다른 일단을 공유하는 소스 공진기들의 상기 다른 일단과 접지(ground)를 상기 스위치 제어부의 제어에 따라 선택적으로 연결하는 제2 스위치
    를 포함하는 무선 전력 전송 장치.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 복수의 소스 공진기들의 각각은,
    커패시터;
    인덕터; 및
    주입된 전력이 다른 소스 공진기로 흐르는 것을 방지하는 다이오드
    를 포함하는 무선 전력 송신 장치.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 복수의 소스 공진기들은 평행하게 나열된 복수의 제1 축 및 평행하게 나열된 복수의 제2 축이 교차하는 지점에 배치되고
    상기 제1 축을 따라 배치되는 소스 공진기들의 일단은 동일한 제1 스위치를 통해 전원과 연결되며,
    상기 제2 축을 따라 배치되는 소스 공진기들의 다른 일단은 동일한 제2 스위치를 통해 접지와 연결되는,
    무선 전력 송신 장치.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 복수의 소스 공진기들 중에서 일단을 공유하는 소스 공진기들은 지그재그 형태로 배치되고,
    상기 복수의 소스 공진기들 중에서 다른 일단을 공유하는 소스 공진기들은 일렬로 배치되는,
    무선 전력 송신 장치.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 스위치 제어부는,
    제1 주입 시간 동안 상기 적어도 하나의 소스 공진기의 일단이 상기 전원에 접속되고, 상기 제1 주입 시간이 경과하면 상기 일단이 개방되도록 상기 스위치를 제어하는,
    무선 전력 전송 장치.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 검출기는,
    검출 시간(detection time) 동안 상기 적어도 하나의 소스 공진기의 일단에서 발생하는 공진(resonance)에 따른 전기 신호의 엔벨롭(envelope)을 검출하고,
    상기 스위치 제어부는,
    상기 검출 시간이 경과하면 상기 적어도 하나의 소스 공진기의 양단이 접지로 연결되도록 상기 스위치를 제어하는,
    무선 전력 전송 장치.
  18. 제11항에 있어서,
    스위치 제어부는,
    상기 검출된 파형의 감쇄 정도(attenuation level)에 기초하여 상기 무선 전력 전송을 수행할 소스 공진기를 결정하는,
    무선 전력 전송 장치.
  19. 제11항에 있어서,
    상기 스위치 제어부는,
    제2 주입 시간 동안 상기 결정된 소스 공진기의 일단이 상기 전원에 연결되고, 상기 제2 주입 시간이 경과하면 상기 일단이 개방되며, 상기 일단이 개방된 시점으로부터 전송 시간이 경과하면 상기 소스 공진기의 양단이 접지로 연결되도록 상기 스위치를 제어하는,
    무선 전력 전송 장치.
  20. 제11항에 있어서,
    상기 복수의 소스 공진기들은 복수의 그룹으로 분류되고,
    상기 스위치 제어부는,
    상기 복수의 그룹으로부터 각각의 그룹을 순차적으로 선택하고, 상기 선택된 그룹에 대응하는 소스 공진기들을 공진시키도록 상기 스위치를 제어하며, 상기 검출기로부터 상기 복수의 소스 공진기들의 모두에 대한 파형을 순차적으로 획득하는,
    무선 전력 전송 장치.
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