KR20170074384A - 차량 무선 전력 송신 장치 및 방법 - Google Patents

차량 무선 전력 송신 장치 및 방법 Download PDF

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신동협
허진영
윤부용
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에스엘 주식회사
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Abstract

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치는 자기 공진 방식을 통해 전력을 송신하는 무선 전력 송신 장치에 있어서, 무선 전력 수신 장치로부터 필요 전력량을 전송받는 통신부; 상기 통신부로부터 상기 필요 전력량을 전송받아 전압 승강 명령신호를 출력하는 제어 유닛; 상기 전압 승강 명령신호를 입력받아 제어 전압을 승강시켜 출력하는 인터페이스 회로; 상기 승강된 제어 전압에 따라 출력 전압을 변화시키는 직류-직류 컨버터; 상기 직류-직류 컨버터의 출력 전압 변화에 따라 상기 무선 전력 수신 장치로 전력을 변화시켜 송신하는 송신 코일을 포함하되, 상기 직류-직류 컨버터는, 전원으로부터 공급받은 입력 전압에 비해 출력 전압이 커지도록 변환시키는 부스트 컨버터이다.

Description

차량 무선 전력 송신 장치 및 방법{The Wireless Power Transmitting Apparatus And Method For Vehicle}
본 발명은 차량 무선 전력 송신 장치에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 제어 유닛이 인터페이스 회로에 전압의 승강 명령 신호를 인가함으로써 부스트 컨버터의 출력 전압이 변화하는 차량 무선 전력 송신 장치에 관한 것이다.
무선 전력 전송이란, 전력 송신 장치가 전력 공급이 필요한 전력 수신 장치에게 전력을 공급하는데, 상기 전력 송신 장치와 상기 전력 수신 장치가 상호 유선 연결을 할 필요 없이 무선으로 전력을 상호간 송수신 할 수 있는 기술을 말한다. 핸드폰, 스마트폰, PDA, 태블릿 등의 휴대용 전자 기기에는 배터리가 내장되어 있다. 그리고 이를 휴대하여 사용하기 위해서는 미리 상기 배터리에 전력을 충전하여 사용하여야 한다. 따라서 종래에는 유선으로 외부 전원과 연결하여 충전하였으나, 최근에는 무선으로 충전하는 방식이 상용화되면서 이에 대한 기술 개발이 활발히 이루어지고 있다.
일반적으로 무선 전력 전송 기술에는 크게 자기 유도 방식과 자기 공명 방식 등이 있다. 자기 유도 방식은 전력 송신 장치 내부의 전기 흐름에 의해 발생하는 전자기 유도 현상을 이용하는 것이고, 자기 공명 방식은 전력 송신 장치 내부의 전기 흐름에 의해 일정한 공명 주파수가 발생하면, 상기 공명 주파수가 일치하는 전력 수신 장치에 전력을 실어 전송하는 것이다.
자기 유도 방식은 전력 송신 장치 내에 1차 코일이 내장되어 있고, 1차 코일에 전기가 흐르면 자기장이 발생한다. 그리고 전력 수신 장치에는 2차 코일이 내장되어 있다. 1차 코일에서 발생한 자기장이 2차 코일 내부에서 흐르면 전자기 유도 현상에 의해 2차 코일에 전기가 유도됨으로써 전력이 전송된다. 이러한 자기 유도 방식은 높은 충전 효율을 가진다는 장점이 있지만, 두 코일의 중심이 일치해야 하며 전송 거리가 수 mm에 불과하므로 전력 송신 장치와 전력 수신 장치가 실질적으로 접촉해야 전력이 전송된다는 단점이 있다.
자기 공명 방식은 우선 전력 송신 장치 내에 1차 코일이 내장되어 있고, 전력 송신 장치 내에 내장된 전기 소자들에 전기가 흐르면 1차 코일에서 고유 주파수가 발생한다. 이 때 상기 고유 주파수가 일치하는 전력 수신 장치 내에 상기 고유 주파수를 전달하게 되면 2차 코일에서 공명 현상이 발생하면서 전력이 전송된다. 이러한 자기 공명 방식은 직접 접촉하지 않고도 충전이 가능하다는 장점이 있다. 그러나 전력 전송 과정에서 손실되는 전력이 많아 충전 효율이 낮다는 단점이 있다.
특히, 자기 공명 방식에 있어서 전력을 공급받아야 할 전력 수신 장치가 전력 송신 장치의 송신 코일로부터 거리가 멀리 떨어져 있거나, 위치가 어긋나 있으면 손실되는 전력이 매우 많아지게 된다. 따라서 충전의 효율이 급격히 낮아진다는 단점이 있다. 이를 해결하기 위해 전력 송신 장치에서 공급하는 전압을 승압시키는 기술이 개발되었으나, 전압의 승압 정도를 계산하는 것이 용이하지 않았고, 내부 제어 장치가 직접 전압을 승압시켜야 하므로 연산 처리 과정에 무리가 되었다.
한국특허등록 제1436063호 한국공개공보 제2015-0117005호
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 제어 유닛이 인터페이스 회로에 전압의 승강 명령 신호를 인가함으로써 부스트 컨버터의 출력 전압이 변화하는 차량 무선 전력 송신 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 차량 무선 전력 송신 장치는 자기 공진 방식을 통해 전력을 송신하는 무선 전력 송신 장치에 있어서, 무선 전력 수신 장치로부터 필요 전력량을 전송받는 통신부; 상기 통신부로부터 상기 필요 전력량을 전송받아 전압 승강 명령신호를 출력하는 제어 유닛; 상기 전압 승강 명령신호를 입력받아 제어 전압을 승강시켜 출력하는 인터페이스 회로; 상기 승강된 제어 전압에 따라 출력 전압을 변화시키는 직류-직류 컨버터; 상기 직류-직류 컨버터의 출력 전압 변화에 따라 상기 무선 전력 수신 장치로 전력을 변화시켜 송신하는 송신 코일을 포함하되, 상기 직류-직류 컨버터는, 전원으로부터 공급받은 입력 전압에 비해 출력 전압이 커지도록 변환시키는 부스트 컨버터이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 차량 무선 전력 송신 방법은 자기 공진 방식을 통해 전력을 송신하는 무선 전력 송신 장치에 있어서, 통신부가 무선 전력 수신 장치로부터 필요 전력량을 전송받는 단계; 상기 통신부가 제어 유닛에 상기 필요 전력량을 전달하는 단계; 상기 필요 전력량을 전달받은 상기 제어 유닛이 전압 승강 명령신호를 출력하는 단계; 인터페이스 회로가 상기 전압 승강 명령신호를 입력받아 제어 전압을 승강시켜 출력하는 단계; 상기 승강된 제어 전압에 따라 직류-직류 컨버터의 출력 전압을 변화시키는 단계; 상기 직류-직류 컨버터의 출력 전압 변화에 따라 송신 코일이 상기 무선 전력 수신 장치로 전력을 변화시켜 송신하는 단계를 포함하되, 상기 직류-직류 컨버터는, 전원으로부터 공급받은 입력 전압에 비해 출력 전압이 커지도록 변환시키는 부스트 컨버터이다.
본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면 적어도 다음과 같은 효과가 있다.
무선 전력 수신 장치로부터 전력 제어 메시지를 수신하면, 무선 전력 송신장치의 제어 유닛이 인터페이스 회로에 전압의 승강 명령 신호를 인가한다. 이러한 인터페이스 회로에서 제어 전압이 출력되면 부스트 컨버터의 출력 전압이 변화하게 되어 무선 전력 수신장치로 송신되는 전력이 항상 적절하게 유지될 수 있다.
또한, 이러한 전력 조절을 제어 유닛이 직접 하지 않고 단순히 제어 신호만을 송신함으로써 가능하므로, 제어 유닛에 과부하가 걸리지 않게 될 수 있다.
본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치(1)를 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치(2)를 나타낸 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치(1)가 무선 전력 수신 장치(2)에 자기 공명 방식을 통해 전력을 무선으로 전달하는 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치(2)가 위치할 수 있는 무선 전력 송신 장치(1)의 일면을 나타낸 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치(1)의 내부에서 전압을 승압시키기 위한 개념도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 부스트 컨버터(Boost Converter)(14)의 구조를 나타낸 회로도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치(1)를 나타낸 블록도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치(1)는 외부의 교류 전원을 공급하는 전원 공급부(Power Supply Unit)(11), 상기 교류 전원을 직류 전압으로 변환하는 정류기(Rectifier)(미도시), 외부로 전력을 송신하는 전력 송신부(Power Transmission Unit)(12), 무선 전력 송신 장치(1)에 포함되는 각 구성요소를 제어하는 전력 송신 제어 유닛(13), 상기 변환된 직류 전압을 입력받아 승압시켜 출력하는 부스트 컨버터(Boost Converter)(14)를 포함한다.
전원 공급부(Power Supply Unit)(11)는 외부의 교류 전원을 공급하며, 일반 가정 또는 사무실과 같은 실내의 경우에는 220V AC의 외부 전원이 공급된다. 그러나 만약 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치(1)가 차량에 설치되는 경우에는, 차량에 장착되어 있는 배터리가 전원 공급부(1)가 된다. 이 때, 일반적으로 차량에 장착된 배터리는 12V DC이므로 이미 직류 전압을 공급한다. 따라서 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 정류기(Rectifier)(미도시)는 불필요하고, 같은 직류 전압에서 크기만을 변환하는 직류-직류 컨버터(DC-DC Converter)(미도시)가 필요하다. 전원 공급부(1)는 이에 제한되지 않고 무선 전력 송신 방치(1)에 전원을 공급할 수 있다면 다양한 형태로 형성될 수 있다.
전력 송신부(12)는 상기 정류기를 통해 출력되는 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 무선 전력 수신 장치(2)로 무선 전력 신호(Wireless Power Signal)를 전송한다.
부스트 컨버터(Boost Converter)(14)는 직류-직류 컨버터(DC-DC Converter)의 일종으로써, 정류기에서 교류 전원을 직류 전압으로 변환하면, 상기 변환된 직류 전압을 입력받아 승압시켜 직류 전압으로 출력한다. 따라서 입력된 직류 전압보다 출력된 직류 전압이 더 높다. 이러한 부스트 컨버터(14)에 대한 자세한 설명은 후술한다.
전력 송신부(12)에 의하여 전달되는 무선 전력 신호는 진동(Oscillation)하는 특성을 가진 자기장(Magnetic Field) 또는 전자기장(Electro-Magnetic Field)의 형태로 형성된다. 이를 위하여 상기 전력 송신부(12)는 상기 무선 전력 신호가 발생하는 코일을 포함하도록 구성될 수 있다.
전력 송신부(12)는 인버터(121), 전력 센싱부(122), 공진 형성부(123), 송신 코일(Tx coil)(124)을 포함한다.
인버터(121)는 정류기로부터 얻은 직류 입력을 교류 파형으로 변형시킨다. 인버터(121)에 의해 변형된 교류 전류는 송신 코일(124) 및 커패시터를 포함하는 공진 회로(Resonant Circuit)를 구동시킴으로써 송신 코일(124)에서 자기장이 형성된다.
전력 센싱부(122)는 외부로부터 송신 코일(124)에 인가되는 전류 또는 전압을 검출한다. 그리고 검출된 전압 또는 전류가 임계값을 초과하는지를 확인한다. 그럼으로써 무선 전력 전송장치의 정상동작 여부를 확인할 수 있다. 전력 센싱부(122)는 외부로부터 공급되는 전원의 전압 또는 전류를 검출하기 위한 저항과 상기 검출된 전원의 전압값 또는 전류값과 임계값을 비교하는 비교기를 포함할 수 있다. 전력 센싱부(122)의 상기 확인 결과를 기초로, 상기 전력 송신 제어 유닛(13)은 송신 코일(124)로 인가되는 전원을 제어할 수 있다.
공진 형성부(123)는 캐패시터(Capacitor)가 포함된 용량성 회로를 이용하여 구현된다. 그리고 송신 코일(Tx coil)(124)은 전력을 전송하기 위한 자기장을 형성한다. 송신 코일(124) 및 공진 형성부(123)는 교류 전원이 인가되면 진동이 발생할 수 있다. 인버터(121)는 전력 송신부(12)로 인가된 직류 입력을 교류 파형으로 변형시키고, 상기 변형된 교류 전류가 송신 코일(124) 및 공진 형성부(123)에 인가된다. 이 때, 송신 코일(124)의 인덕턴스(LT) 및 공진 형성부(123)의 캐패시턴스(CT)를 기초로 특정한 제1 진동 주파수가 결정되며, 이 제1 진동 주파수가 본 회로의 공진 주파수이다. 공진 형성부(123)의 회로 소자의 구성은 전력 송신부(12)가 자기장을 형성할 수 있도록 다양한 형태로 이루어질 수 있다.
전력 송신 제어 유닛(13)은 무선 전력 송신 장치(1)에 포함되는 각 구성요소를 제어한다. 전력 송신부(12) 내의 구성요소들 만을 제어하도록 전력 송신부(12) 내에 제어 유닛이 별도로 장착될 수도 있으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 송신 제어 유닛(13)은 무선 전력 송신 장치(1)에 포함된 모든 구성 요소를 제어하도록 다른 제어 유닛과 통합되도록 구현될 수도 있으며, 이에 제한되지 않고 다양한 형태로 형성될 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 송신 제어 유닛(13)은 무선 전력 송신 장치(1)의 전체 부피를 감소시키기 위해 MCU(Micro Controller Unit)인 것이 바람직하며, 만약 무선 전력 송신 장치(1)가 차량에 장착될 수 있다면 전력 송신 제어 유닛(13)은 ECU(Electronic Control Unit)인 것이 바람직하다. 그러나 이에 제한되지 않고 CPU(Central Processing Unit), MPU(Micro Processor Unit) 등 무선 전력 송신 장치(1)의 각 구성요소들을 제어할 수 있다면 다양한 방식의 제어 유닛을 사용할 수 있다.
전력 송신 제어 유닛(13)은 무선 전력 신호를 형성하기 위하여 전력 송신부(12)의 주파수, 전압, 전류 중 적어도 하나의 특성을 결정할 수 있다. 상기 특성은 무선 전력 송신 장치(1) 측의 조건 또는 무선 전력 수신 장치(2) 측의 조건에 의하여 결정될 수 있다. 또는 전력 송신 제어 유닛(13)은 상기 무선 전력 수신 장치(2)의 장치 식별 정보, 요구 전력 정보 또는 그 요구 전력에 대한 프로파일 정보를 기초로 특성을 결정할 수 있다. 전력 송신 제어 유닛(13)은 이에 제한되지 않고 다양한 정보들을 기초로 상기 특성을 결정할 수 있다.
전력 송신 제어 유닛(13)은 상기 무선 전력 수신 장치(2)로부터 전력 제어 메시지를 수신할 수 있다. 전력 송신 제어 유닛(13)은 수신된 전력 제어 메시지를 기초로 전력 송신부(12)의 주파수, 전압, 전류 중 적어도 하나의 특성을 결정할 수 있으며, 그 외에 다른 제어 동작을 수행할 수 있다. 예를 들면, 전력 송신 제어 유닛(13)은 상기 무선 전력 수신 장치(2)의 정류된 전력량 정보, 충전 상태 정보 및 식별 정보 중 하나 이상을 포함하는 전력 제어 메시지에 따라 무선 전력 신호를 형성시키기 위해 사용되는 주파수, 전류, 전압 중 하나 이상의 특성을 결정할 수 있다.
그 외의 다른 제어 동작으로써, 무선 전력 송신 장치(1)는 무선 전력 전달과 관련된 일반적인 제어 동작을 상기 전력 제어 메시지를 기초로 수행할 수 있다. 예를 들어, 무선 전력 송신 장치(1)는 상기 전력 제어 메시지를 통하여 상기 무선 전력 수신 장치(2)와 관련된 청각적 또는 시각적으로 출력할 정보를 수신하거나, 기기간의 인증 등에 필요한 정보를 수신할 수도 있다.
전력 송신 제어 유닛(13)은 전력 제어 메시지를 무선 전력 신호를 통하여 수신할 수도 있으며 사용자 데이터를 통하여 수신할 수도 있다. 전력 송신 제어 유닛(13)은 전력 제어 메시지를 수신할 수 있다면 제한되지 않고 다양한 방법을 통하여 수신할 수 있다.
전력 송신 제어 유닛(13)은 상기 무선 전력 송신 장치(1)에 포함되어 있는 통신부(16)를 통하여 전력 제어 메시지를 수신할 수도 있으며, 무선 전력 송신 장치(1)는 전력 송신부(12)와 전기적으로 연결된 변복조부(미도시)를 통하여 전력 제어 메시지를 수신할 수도 있다. 통신부(23)는 무선 전력 수신 장치(2) 내에도 포함되어 있어, 상호 무선 전력 신호 또는 사용자 데이터를 송수신할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 통신부(16)는 블루투스(Bluetooth) 통신을 사용하는 것이 바람직하나, 이에 제한되지 않고 와이파이(Wi-fi), 지그비(Zigbee)등 다양한 통신 방법을 사용할 수 있다.
무선 전력 송신 장치(1)가 차량에 설치된다면, 차량의 콘솔박스 내에 설치되는 것이 바람직하다. 이 때, 전원 공급부(11)는 차량의 배터리이고, 전력 송신 제어 유닛(13)은 차량의 ECU(Electronic Control Unit)이므로 차량의 콘솔박스 내에 설치되는 것은 전력 송신부(12)인 것이 바람직하다. 차량에 상기 전력 송신부(12)가 단수로 설치될 수도 있으나 복수로 설치되더라도 무방하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치(1)는 인터페이스 회로(15)를 더 포함할 수 있다. 인터페이스 회로(15)는 전력 송신 제어 유닛(13)의 제어 명령 신호를 받아 부스트 컨버터(14)의 출력 전압을 조절한다. 출력 전압을 조절하는 방법의 자세한 설명은 후술한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치(2)를 나타낸 블록도이다.
*본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치(2)는 무선 전력 송신 장치(1)로부터 송신되는 전력을 수신하는 전력 수신부(21)(Power Reception Unit), 무선 전력 수신 장치(2)에 포함되는 각 구성요소를 제어하는 전력 수신 제어 유닛(22)을 포함한다.
전력 수신부(21)는 무선 전력 송신 장치(1)로부터 무선으로 전송된 전력을 수신하기 위해, 특정 공진 주파수를 가진 자기장에 의하여 공진 현상이 발생되는 공진 형성부(212) 및 수신 코일(Rx coil)(211)을 포함하고, 전력 수신부(21)로 인가된 전류 또는 전압을 검출하는 전력 센싱부(214)를 포함한다.
공진 형성부(212)는 상기 전력 송신부(12)에 포함된 공진 형성부(123)와 마찬가지로, 캐패시터(Capacitor)가 포함된 용량성 회로를 이용하여 구현된다. 수신 코일(Rx coil)(211)의 인덕턴스(LR)와 공진 형성부(212)의 캐패시턴스(CR)를 기초로 특정한 제2 진동 주파수가 결정되며, 이 제2 진동 주파수가 본 회로의 공진 주파수이다. 이러한 제2 진동 주파수는 상기 무선 전력 송신 장치(1)에서 형성된 제1 진동 주파수와 동일할 때 공진이 발생한다. 따라서 공진 형성부(212)의 회로 소자의 구성은 자기장을 형성할 수 있도록 다양한 형태로 이루어질 수 있으나, 전력 송신부(12)가 공진이 일어 날 수 있도록 공진 주파수는 상호 동일하여야 한다.
전력 수신부(21)는 상기 무선 전력 신호를 직류로 변환하기 위한 정류기(Rectifier) 및 조정기(Regulator)를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 전력 수신부(21)는 수신된 전력 신호에 의하여 과전압 또는 과전류가 발생하지 않도록 방지하는 회로를 더 포함할 수 있다.
전력 수신 제어 유닛(22)은 전력 수신부(21)에 포함되는 각 구성요소를 제어한다. 구체적으로, 상기 전력 수신 제어 유닛(22)은 상기 무선 전력 송신 장치(1)로 전력 제어 메시지를 전달할 수 있다. 상기 전력 제어 메시지는 상기 무선 전력 송신 장치(1)에게 무선 전력 신호의 전달을 개시하거나 종료하도록 지시하는 것일 수 있다. 또한 상기 전력 제어 메시지는 상기 무선 전력 송신 장치(1)에게 상기 무선 전력 신호의 특성을 조절하도록 지시하는 것일 수 있다.
전력 수신 제어 유닛(22)은 전력 제어 메시지를 무선 전력 신호를 통하여 송신할 수도 있으며 사용자 데이터를 송신하는 방법을 통하여 송신할 수도 있다. 전력 수신 제어 유닛(22)은 전력 제어 메시지를 송신할 수 있다면 제한되지 않고 다양한 방법을 통하여 수신할 수 있다.
전력 수신 제어 유닛(22)은 상기 무선 전력 수신 장치(2)에 포함되어 있는 통신부(23)를 통하여 전력 제어 메시지를 송신할 수도 있으며, 무선 전력 수신 장치(2)는 전력 수신부(21)와 전기적으로 연결된 변복조부(미도시)를 통하여 전력 제어 메시지를 송신할 수도 있다. 통신부(16)는 상기 기술한 바, 무선 전력 송신 장치(1) 내에도 포함되어 있어, 상호 무선 전력 신호 또는 사용자 데이터를 송수신할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 통신부(23)는 블루투스(Bluetooth) 통신을 사용하는 것이 바람직하나, 이에 제한되지 않고 와이파이(Wi-fi), 지그비(Zigbee)등 다양한 통신 방법을 사용할 수 있다.
전력 수신부(21)는 충전부(24) 및 배터리(25)를 더 포함할 수 있다. 전력 수신부(21)로부터 동작을 위한 전원을 공급받는 무선 전력 수신 장치(2)는 무선 전력 송신 장치(1)로부터 수신된 전력에 의하여 동작하거나, 또는 상기 수신된 전력으로 배터리(25)를 충전한 후 배터리(25)에 충전된 전력에 의하여 동작할 수 있다. 이 때, 상기 전력 수신 제어 유닛(22)은 상기 전달된 전력을 이용하여 충전을 수행하도록 상기 충전부(24)를 제어할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치(1)가 무선 전력 수신 장치(2)에 자기 공명 방식을 통해 전력을 무선으로 전달하는 개념도이다.
우선 공진(또는 공명, resonance)이란, 진동계가 그 고유 진동수와 같은 진동수를 가진 외력을 주기적으로 받으면 진폭이 급격하게 증가하는 현상을 말한다. 즉, 외부에서 진동계에 진동시킬 수 있는 힘을 가했을 때, 그 진동계의 고유 진동수와 외부에서 가해주는 힘의 진동수가 같으면 진폭이 급격히 증가하는 공진이 발생한다. 공진은 역학적 진동 및 전기적 진동 등 모든 진동에서 일어난다.
일정 거리가 이격되어 있는 복수의 진동체들이 서로 동일한 주파수로 진동하는 경우, 상기 복수의 진동체들은 상호 공진한다. 이 때, 복수의 진동체들 간에는 저항이 감소하게 된다. 전기 회로에서는 인덕터와 커패시터를 사용하여 공진 회로를 만들 수 있다.
전원 공급부(11)에서 공급되는 전원에 의하여 전력 송신부(12)에는 특정한 진동 주파수를 가진 자기장이 형성된다. 상기 형성된 자기장에 의하여 무선 전력 수신 장치(2)에서 공진이 발생하는 경우 무선 전력 수신 장치(2) 내에서도 공진이 발생하여 전력이 공급된다.
일반적으로 전자기파를 발생시켜 전력을 전송하는 방식 전력 전송 효율이 낮고, 전자기파의 방사성(Radiative) 및 전자파 노출에 의해 인체에 악영향을 미칠 수 있다. 그러나 자기 공명 방식은 상기 기술한 바와 같이 복수의 진동체들이 전자기적으로 상호 공진하면, 상기 복수의 진동체들 이외의 주변 물체들에 영향을 받지 않기 때문에 전력 전송 효율이 매우 높다. 이렇게 전자기적으로 상호 공진하는 복수의 진동체들 사이에는 전력이 전송될 수 있는 에너지 터널(Tunnel)이 발생하며, 이러한 현상을 에너지 커플링(Coupling)이라고 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치(1)는 낮은 주파수를 가지는 전자기파를 사용할 수 있다. 낮은 주파수를 가지는 전자기파를 이용하여 전력을 전송하는 경우, 상기 전자기파의 단일 파장 내에 위치하는 영역에는 거의 자기장 만이 영향을 끼치게 된다. 이를 자기적 결합(Magnetic Coupling) 또는 자기적 공진(Magnetic Resonance)이라고 한다. 이러한 자기적 공진은 상기 낮은 주파수를 가지는 전자기파의 단일 파장 내에 무선 전력 송신 장치(1)와 무선 전력 수신 장치(2)가 위치할 때 발생될 수 있다.
일반적으로 인체가 전기장에는 민감하고 자기장에는 둔감하므로 상기와 같이 자기적 공진을 이용하여 전력을 전송하면 전자파 노출에 의한 인체의 악영향을 줄일 수 있다. 또한, 공진 현상으로 인한 에너지 커플링(Energy Coupling)이 형성되어 전력 전송형태가 비방사성(Non - Radiative)을 띄게 된다. 이러한 이유로 전자기파를 이용하여 전송하여 전력을 전송함에 의해 흔히 발생될 수 있는 방사성(Radiative) 문제가 해결될 수 있다.
상기 기술된 바와 같이 자기 공명 방식은 낮은 주파수를 가지는 전자기파를 이용하여 전력을 전달하는 방식일 수 있다. 그러므로 상기 무선 전력 송신 장치(1)의 송신 코일(124)은 원칙적으로 전력을 전달하기 위한 자기장 또는 전자기파를 형성할 수 있지만 이하에서 자기 공명 방식에 대해서는 자기장 공진(Magnetic Resonance)측면, 즉, 자기장에 의한 전력 전달의 측면에서 기술하기로 한다.
공진 주파수는, 예를 들어, 다음 수학식 1과 같은 수식에 의하여 결정될 수 있다.
Figure pat00001
여기서, 공진 주파수(f)는 회로 내의 인덕턴스(L) 및 캐패시턴스(C)에 의하여 결정된다. 코일을 사용하여 자기장을 형성하는 회로에 있어서 상기 인덕턴스(L)는 상기 코일의 회전 수 등에 의하여 결정되고, 상기 캐패시턴스(C)는 상기 코일 사이의 간격, 면적 등에 의하여 결정될 수 있다. 상기 공진 주파수를 결정하기 위하여 상기 코일 외에 용량성 공진 형성 회로가 연결되도록 구성될 수도 있다.
무선 전력 송신 장치(1)에서의 제1 진동 주파수는 인덕턴스(LT) 및 캐패시턴스(CT)를 상기 수학식 1에 대입하여 획득될 수 있다. 여기서, 제1 진동 주파수가 상기 무선 전력 수신 장치(2)의 인덕턴스(LR) 및 캐패시턴스(CR)를 상기 수학식 1에 대입하여 획득된 제2 진동 주파수와 동일한 경우에 상기 무선 전력 수신 장치(2)에서는 공진이 일어난다. 무선 전력 송신 장치(1) 및 무선 전력 수신 장치(2)가 제1 및 제2 진동 주파수로 공진하는 경우, 제1 및 제2 진동 주파수가 동일하면 전력 전송의 효율이 최대가 되나, 제1 및 제2 진동 주파수가 서로 상이하면 상호 에너지 전달이 없거나 전력 전송의 효율이 낮아지게 된다. 따라서 전송 효율을 높이기 위해서는 무선 전력 송신 장치(1)의 제1 진동 주파수와 무선 전력 수신 장치(2)의 제2 진동 주파수를 동일하게 유지하는 것이 중요하다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치(2)가 위치할 수 있는 무선 전력 송신 장치(1)의 일면을 나타낸 개념도이다.
전력의 전송 효율을 증대시키기 위해서는, 상기 기술한 바와 같이 진동 주파수를 일치시키는 것뿐만이 아니라 무선 전력 송신 장치(1)와 무선 전력 수신 장치(2) 간의 위치 및 거리를 선정하는 것도 중요하다. 즉, 무선 전력 송신 장치(1)의 송신 코일(124)과 무선 전력 수신 장치(2)의 수신 코일(211)이 서로 거리가 너무 멀리 떨어져 있거나, 위치가 어긋나 있다면 손실되는 전력이 많아지므로 전력 전송 효율이 낮아지게 된다. 무선 전력 전송 방식이 자기 유도 방식인 경우에는 효율 저하가 급격하게 발생한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치(1)는 자기 공진 방식을 사용하여 무선으로 전력을 송신하므로 자기 유도 방식의 경우와 같이 전력 전송 효율의 저하가 급격하게 발생하지는 않는다. 그러나, 자기 공명 방식이라도 전력 전송 효율이 거리 및 위치의 영향을 받지 않을 수 없다.
무선 전력 송신 장치(1)는 일반적으로 내부에 하나의 송신 코일(124)을 가지며, 이는 무선 전력 송신 장치(1)의 일면의 중심부에 위치하게 된다. 이는 도 4에 도시된 바에 따르면 S5 영역이 된다. 따라서 무선 전력 수신 장치(2)의 내부에 포함된 하나의 수신 코일(211)이 상기 S5 영역에 위치하도록 무선 전력 수신 장치(2)를 무선 전력 송신 장치(1)의 일면에 안착시킨다면 전송 효율이 매우 높다. 이는, 무선 전력 송신 장치(1)의 송신 코일(124)과 무선 전력 수신 장치(2)의 수신 코일(211)이 서로 정확하게 대향되도록 위치되기 때문이다. 그러나, 중심부인 S5 영역에서 조금 벗어난 S2 영역, S4 영역, S6 영역, S8 영역에 무선 전력 수신 장치(2)의 수신 코일(211)이 위치하게 되면, 전력 전송 효율이 조금 낮아지게 된다. 중심부인 S5 영역에서 더욱 벗어난 S1 영역, S3 영역, S7 영역, S9 영역에 무선 전력 수신 장치(2)의 수신 코일(211)이 위치하게 되면, 전력 전송 효율이 더욱 낮아지게 된다. 즉, 무선 전력 송신 장치(1)의 송신 코일(124)과 무선 전력 수신 장치(2)의 수신 코일(211)이 서로 위치가 어긋난 만큼 전력 전송 효율이 저하된다.
자기 공명 방식은 자기 유도 방식에 비해 무선 전력 송신 장치(1)의 송신 코일(124)과 무선 전력 수신 장치(2)의 수신 코일(211)의 거리가 상대적으로 떨어져 있어도 전력이 전송된다는 장점이 있다. 그러나, 그 거리는 대략 20cm 내지 30cm 정도이며, 그 이상 거리가 떨어지게 되면 전력 전송 효율이 저하된다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 무선 전력 송신 장치(1)에서 출력되는 전압을 승압시켜야 할 필요가 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치(1)의 내부에서 전압을 승압시키기 위한 개념도이다.
상기 기술한 바 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치(1)에는 전력 송신부(12), 전력 송신 제어 유닛(13), 부스트 컨버터(14), 인터페이스 회로(15), 통신부(16)를 포함한다.
무선 전력 수신 장치(2)도 내부에 통신부(23)를 포함한다. 상기 통신부들(16, 23) 간의 통신을 통해 무선 전력 수신 장치(2)는 전력 제어 메시지를 송신한다. 이 때 상기 전력 제어 메시지에는 무선 전력 신호의 전달을 개시하거나 종료하도록 지시하는 내용일 수도 있고, 무선 전력 신호의 특성을 조절하도록 지시하는 내용일 수도 있다. 특히, 무선 전력 수신 장치(2)는 무선 전력 송신 장치(1)로부터 송신되는 전력을 센싱한다. 따라서 상기 송신 전력에 따라 통신부(23)를 통해 무선 전력 송신 장치(1)에 전력 증대 또는 감소를 요청할 수 있다.
상기 전력 제어 메시지를 통신부(16)를 통해 수신하면, 무선 전력 송신 장치(1)의 내부에 있는 전력 송신 제어 유닛(13)이 전력을 증대 또는 감소시키기 위해 인터페이스 회로(15)에 전압의 승강 명령 신호를 송신한다. 인터페이스 회로(15)는 전력 송신 제어 유닛(13)의 제어 명령 신호를 받아 부스트 컨버터(14)의 출력 전압을 조절한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 인터페이스 회로(15)는 이산적인 디지털 신호를 연속적인 아날로그 출력으로 변환하는 DAC(Digital to Analog Converter)를 사용할 수 있다. 다만 이에 제한되지 않고, 전압 레벨 시프터의 기능을 포함하여 전압 레벨을 변경할 수 있다면, 다양한 회로로 형성될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 부스트 컨버터(Boost Converter)의 구조를 나타낸 회로도이다.
부스트 컨버터(Boost Converter)(14)는 직류-직류 컨버터(DC-DC Converter)의 일종으로서, 정류기에서 교류 전원을 직류 전압으로 변환하면, 상기 변환된 직류 전압을 입력받아 승압시켜 직류 전압으로 출력한다. 일반적으로, 전류가 회로 내에서 흐르는 도중에 회로가 끊기면, 순간적으로 전류가 역방향으로 흐르는 역기전력이 발생한다. 이러한 역기전력을 모아 입력 전압에 더해줌으로써 출력 전압이 승압될 수 있다.
구체적으로 설명하면 도 6에 도시된 바와 같이, 스위치(SB)는 닫힐 수도 있고, 열릴 수도 있다. 만약 스위치(SB)가 닫힌다면, 입력 전압(VBi)에서 공급되는 전류는 인덕터(LB)와 스위치(SB)로 형성된 닫힌 회로에만 흐른다. 이 때 스위치(SB)를 열게 되면 스위치(SB)로 흐르던 전류는 다이오드(DB)를 통해 캐패시터(CB) 및 부하로 흐르게 된다.
한편, 인덕터(LB)는 전류의 속도 변화를 저하시킨다. 정확하게는, 스위치(SB)를 닫아서 전류가 코일의 내부에 갑자기 흐르면 전류의 속도 변화가 발생하여 자기장의 발생을 유도한다. 이러한 자기장의 발생에 의해 전류의 속도 변화량이 느려져, 전류가 급격하게 빨리 흐르지 않게 된다. 그러나 스위치(SB)를 열어서 코일의 내부에 흐르던 전류가 갑자기 흐르지 않게 되면 전류의 속도 변화가 발생하여 상기와 역방향으로 자기장의 발생을 유도한다. 이러한 역방향으로 발생한 자기장에 의해 전류의 속도 변화량이 느려져, 전류가 급격하게 빨리 끊기지 않게 된다. 이러한 인덕터(LB)의 역할로 인해 전류를 일정 시간 동안 저장을 하는 결과가 된다. 즉, 역기전력이 발생하는 것이다.
스위치(SB)를 닫은 상태에서 갑자기 열면 발생하는 상기 역기전력이 입력 전압(VBi)과 합해져 증가되어 다이오드(DB)를 통해 캐패시터(CB) 및 부하로 흐르게 된다. 이 전압이 출력 전압(VBo)이 된다. 그리고 상기 출력 전압(VBo)은 캐패시터(CB)에 충전된다. 그리고 다시 스위치(SB)를 닫으면 입력 전압(VBi)에서 공급되는 전류는 인덕터(LB)와 스위치(SB)로 형성된 닫힌 회로에만 흐른다. 그리고 캐패시터(CB)에 충전된 출력 전압(VBo)은 다이오드(DB)로 인해 역방향으로는 흐를 수 없으므로, 출력 전압(VBo)이 저하되지 않는다.
상기의 과정을 거치며 입력 전압(VBi)이 출력 전압(VBo)으로 승압되는 효과가 나타나며, 실제로 이러한 효과를 나타나기 위해서는 상기 스위치(SB)의 개폐는 초당 수십 내지 수백 회를 반복해야 한다. 따라서 최근에는 모스펫(MOSFET)을 사용하여, 게이트에 전원의 인가 및 차단을 빠르게 반복함으로써 소스와 드레인 사이의 채널이 형성 및 소멸을 반복하도록 한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 부스트 컨버터(Boost Converter)(14)는 이에 제한되지 않고 입력 전압(VBi)을 승압시킬 수 있다면 다양한 방법을 사용할 수 있다.
부스트 컨버터(14)는 비교기의 역할도 하여, 항상 V2를 일정하도록 유지시킨다. 이 때, V2는 도 5에 도시된 바와 같이 상기 출력 전압(VBo)과 제어 전압(V3)의 합이다.
Figure pat00002
무선 전력 수신 장치(2)의 거리가 멀어지면, 무선 전력 수신 장치(2)로 수신되는 전력이 감소한다. 따라서 무선 전력 수신 장치(2)는 무선 전력 송신 장치(1)로 전력 증대를 요청하는 전력 제어 메시지를 송신한다. 무선 전력 수신 장치(2)로부터 통신부(16)를 통해 전력 증대 요청 메시지를 수신하면, 무선 전력 송신 장치(1)의 내부에 있는 전력 송신 제어 유닛(13)이 전력을 증대시키기 위해 인터페이스 회로(15)에 전압을 승압시키는 명령 신호를 송신한다. 인터페이스 회로(15)는 상기 전력 송신 제어 유닛(13)의 제어 명령 신호를 받으면, 제어 전압인 V3을 감소시켜 출력한다. 제어 전압인 V3가 감소함에 따라 저항 R3에 흐르던 전류 i3 도 감소하게 된다. 그러나, 비교기의 역할을 하는 부스트 컨버터(14)는 항상 V2를 일정하도록 유지시켜야 한다. 따라서 출력 전압(VBo)을 증대시키고, 이에 따라 저항R1의 양단에 걸리는 전압 또한 증가하게 된다. 이러한 과정을 거쳐 전력 송신부(12)로 인가되는 전압 V1이 증가하게 된다.
그러나 반대로, 무선 전력 수신 장치(2)로 수신되는 전력이 급격히 증가하여 정격 전력을 초과하게 되는 경우가 있다. 이 경우에는 무선 전력 수신 장치(2)는 무선 전력 송신 장치(1)로 전력 감소를 요청하는 전력 제어 메시지를 송신한다. 무선 전력 수신 장치(2)로부터 통신부(16)를 통해 전력 감소 요청 메시지를 수신하면, 무선 전력 송신 장치(1)의 내부에 있는 전력 송신 제어 유닛(13)이 전력을 감소시키기 위해 인터페이스 회로(15)에 전압을 강압시키는 명령 신호를 송신한다. 인터페이스 회로(15)는 상기 전력 송신 제어 유닛(13)의 제어 명령 신호를 받으면, 제어 전압인 V3을 증가시켜 출력한다. 제어 전압인 V3가 증가함에 따라 저항 R3에 흐르던 전류 i3도 증가하게 된다. 그러나, 비교기의 역할을 하는 부스트 컨버터(14)는 항상 V2를 일정하도록 유지시켜야 한다. 따라서 출력 전압(VBo)을 감소시키고, 이에 따라 저항 R1의 양단에 걸리는 전압 또한 감소하게 된다. 이러한 과정을 거쳐 전력 송신부(12)로 인가되는 전압 V1이 감소하게 된다.
한편, V2와 연결된 저항 R2는 접지와 연결되므로 저항 R2를 통해 흐르는 전류 i2는 매우 소량이어야 한다. 따라서 저항 R2는 저항 R1 및 저항 R3에 비해 상대적으로 매우 큰 값을 가진다.
상기와 같은 방법을 이용하면 특히, 자기 공명 방식에 있어서 전력을 공급받아야 할 전력 수신 장치가 전력 송신 장치의 송신 코일로부터 거리가 멀리 떨어져 있거나, 위치가 어긋나 있더라도 부스트 컨버터(14)를 사용함으로써 전압을 조절할 수 있고, 내부의 전력 송신 제어 유닛(13)이 직접 승압을 하지 않을 수 있으므로 전력 송신 제어 유닛(13)에 연산 처리 과정 등의 무리가 가지 않게 된다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1: 무선 전력 송신 장치 2: 무선 전력 수신 장치
11: 전원 공급부 12: 전력 송신부
13: 전력 송신 제어 유닛 14: 부스트 컨버터
15: 인터페이스 회로 21: 전력 수신부
22: 전력 수신 제어 유닛 24: 충전부
121: 인버터 124: 송신 코일
211: 수신 코일

Claims (8)

  1. 차량에 설치되고, 자기 공진 방식을 통해 전력을 송신하는 무선 전력 송신 장치에 있어서,
    무선 전력 수신 장치로부터 필요 전력량을 전송받는 통신부;
    상기 통신부로부터 상기 필요 전력량을 전송받아 전압 승강 명령신호를 출력하는 전자 제어 유닛(ECU);
    상기 전압 승강 명령신호를 입력받아 제어 전압을 승강시켜 출력하는 인터페이스 회로;
    차량에 장착된 배터리를 통해 공급된 입력 전압을 상기 승강된 제어 전압에 따라 출력 전압으로 변화시키는 직류-직류 컨버터;
    상기 직류-직류 컨버터의 출력 전압 변화에 따라 상기 무선 전력 수신 장치로 전력을 변화시켜 송신하는 송신 코일을 포함하되,
    상기 직류-직류 컨버터는,
    전원으로부터 공급받은 입력 전압에 비해 출력 전압이 커지도록 변환시키는 부스트 컨버터인, 차량 무선 전력 송신 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 인터페이스 회로로부터 출력되는 제어 전압이 승압되면 상기 직류-직류 컨버터로부터 출력되는 출력 전압이 강압되고, 상기 인터페이스 회로로부터 출력되는 제어 전압이 강압되면 상기 직류-직류 컨버터로부터 출력되는 출력 전압이 승압되는 차량 무선 전력 송신 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 통신부는,
    블루투스 통신을 사용하는, 차량 무선 전력 송신 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    전체 부피를 줄이기 위해 상기 제어 유닛으로 MCU를 사용하는 차량 무선 전력 송신 장치.
  5. 자기 공진 방식을 통해 전력을 송신하는 무선 전력 송신 장치에 있어서,
    통신부가 무선 전력 수신 장치로부터 필요 전력량을 전송받는 단계;
    상기 통신부가 제어 유닛에 상기 필요 전력량을 전달하는 단계;
    상기 필요 전력량을 전달받은 상기 제어 유닛이 전압 승강 명령신호를 출력하는 단계;
    인터페이스 회로가 상기 전압 승강 명령신호를 입력받아 제어 전압을 승강시켜 출력하는 단계;
    상기 승강된 제어 전압에 따라 직류-직류 컨버터의 출력 전압을 변화시키는 단계;
    상기 직류-직류 컨버터의 출력 전압 변화에 따라 송신 코일이 상기 무선 전력 수신 장치로 전력을 변화시켜 송신하는 단계를 포함하되,
    상기 직류-직류 컨버터는,
    전원으로부터 공급받은 입력 전압에 비해 출력 전압이 커지도록 변환시키는 부스트 컨버터인, 차량 무선 전력 송신 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 인터페이스 회로로부터 출력되는 제어 전압이 승압되면 상기 직류-직류 컨버터로부터 출력되는 출력 전압이 강압되고, 상기 인터페이스 회로로부터 출력되는 제어 전압이 강압되면 상기 직류-직류 컨버터로부터 출력되는 출력 전압이 승압되는 차량 무선 전력 송신 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 통신부는,
    블루투스 통신을 사용하는, 차량 무선 전력 송신 방법.
  8. 제5항에 있어서,
    전체 부피를 줄이기 위해 상기 제어 유닛으로 MCU를 사용하는 무선 전력 송신 방법.
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