KR20170091556A - 무전전력전송 시스템 및 이의 구동 방법. - Google Patents

Abstract

송신 코일, 상기 송신 코일에 송신전력을 제공하는 전력변환기, 수신장치로부터 수신허용전력 정보 및 제어 오차 값을 수신하여 상기 전력변환기를 제어하는 제어기, 상기 제어기는 상기 제어 오차 값에 기초한 신규 송신전력과 상기 수신허용전력 정보에 기초하여 상기 신규 송신전력의 출력 여부를 결정하는 송신장치.

Description

무전전력전송 시스템 및 이의 구동 방법. {Wireless Power Transfer System and Operating method thereof}

본 발명은 무전전력전송 시스템 및 이의 구동 방법에 관한 것이다.

일반적으로 각종 전자 기기가 배터리를 구비하고, 배터리에 충전된 전력을 이용하여 구동한다. 이 때 전자 기기에서, 배터리는 교체될 수 있으며, 재차 충전될 수도 있다. 이를 위해, 전자 기기는 외부의 충전 장치와 접촉하기 위한 접촉 단자를 구비한다. 즉 전자 기기는 접촉 단자를 통해, 충전 장치와 전기적으로 연결된다. 그런데, 전자 기기에서 접촉 단자가 외부로 노출됨에 따라, 이물질에 의해 오염되거나 습기에 의해 단락(short)될 수 있다. 이러한 경우, 접촉 단자와 충전 장치 사이에 접촉 불량이 발생되어, 전자 기기에서 배터리가 충전되지 않는 문제점이 있다.

상기한 문제점을 해결하기 위하여, 무선으로 전자 기기를 충전하기 위한 무선전력전송(Wireless Power Transfer; WPT)이 제안되고 있다.

무선전력전송 시스템은 공간을 통하여 선 없이 전력을 전달하는 기술로써, 모바일(Mobile) 기기 및 디지털 가전 기기들에 대한 전력 공급의 편의성을 극대화한 기술이다.

무선전력전송 시스템은 실시간 전력 사용 제어를 통한 에너지 절약, 전력 공급의 공간 제약 극복 및 배터리 재충전을 이용한 폐 건전지 배출량 절감 등의 강점을 지닌다.

무선전력전송 시스템의 구현 방법으로써 대표적으로 자기유도방식과 자기공진방식이 있다. 자기유도방식은 두 개의 코일을 근접시켜 한쪽의 코일에 전류를 흘려 그에 따라 발생한 자속을 매개로 하여 다른 쪽의 코일에도 기전력이 발생하는 비접촉 에너지 전송기술로써, 수백 kHz의 주파수를 사용할 수 있다. 자기 공진 방식은 전자파나 전류를 이용하지 않고 전장 또는 자장만을 이용하는 자기 공명 기술로써 전력 전송이 가능한 거리가 수 미터 이상으로써, 수 MHz의 대역을 이용할 수 있다.

무선전력전송 시스템은 무선으로 전력을 전송하는 송신장치와 전력을 수신하여 배터리 등 부하를 충전하는 수신장치를 포함한다. 이 때 수신장치의 충전 방식, 즉 자기 유도 방식과 자기 공진 방식 중 어느 하나의 충전 방식을 택할 수 있고, 수신장치의 충전 방식에 대응하여 무선으로 전력을 전달할 수 있는 송신장치가 개발되고 있다.

한편 송신장치의 충전영역에 배치된 수신장치를 의도적으로 흔들거나, 자동차와 같이 수신장치의 흔들림 현상이 빈번하게 나타나는 경우, 상기 송수신장치 간의 미스 얼라인에 따른 결합계수의 급변으로 상기 송신장치로부터의 송신 전력이 급변함으로써 상기 수신장치에 손상을 가하는 문제가 있었다.

실시예는 무선 충전 중인 수신장치의 흔들림 등의 원인으로 송신장치와 수신장치의 결합 계수가 급변함에 따른 전력 전송의 불안정을 해결할 수 있는 무전전력전송 시스템 및 이의 구동 방법을 제공할 수 있다.

실시예에 따른 전력 전송 방법은, 송신기로부터 수신기에 무선으로 전력을 전송하는 방법으로서, 상기 수신기의 검출을 위한 신호를 송신하는 단계; 상기 수신기로부터 식별 신호를 수신하는 단계; 상기 수신기로 제1 전력을 전송하는 단계; 상기 수신기로부터 전력 증가 요청 신호를 수신하는 단계; 상기 송신기의 제1송신코일 전류 및 상기 전력 증가 요청 신호에 기초하여 제2 송신코일 전류를 결정하는 단계; 상기 제2 송신코일 전류에 기초하여 상기 제2 전력을 결정하는 단계; 및 상기 제2 전력과 상기 수신기의 수신허용 전력량 그리고 전력 임계값을 비교하여 상기 제2 전력의 송신 여부를 결정하는 단계;를 포함하는 전력 전송 방법을 제공할 수 있다.또한 실시예에 따른 전력 전송 방법에서, 상기 제2 전력의 송신 여부를 결정하는 단계는, 상기 수신허용 전력량과 상기 제2 전력의 차이 전력량에 따라 상기 제2 전력의 송신 여부를 결정하는 전력 전송 방법을 제공할 수 있다.

또한 실시예에 따른 전력 전송 방법에서, 상기 제2 전력의 송신 여부를 결정하는 단계는, 상기 수신허용 전력량과 상기 제2 전력의 오버슈트 피크치의 차이 전력량에 따라 상기 제2 전력의 송신 여부를 결정하는 전력 전송 방법을 제공할 수 있다.

또한 실시예에 따른 전력 전송 방법에서, 상기 차이 전력량이 상기 전력 임계값을 초과하는 경우, 상기 무선 전력 전송을 중단하는 전력 전송 방법을 제공할 수 있다.

또한 실시예에 따른 전력 전송 방법에서, 상기 무선 전력 전송이 중단된 경우, 상기 수신기의 검출을 위한 신호를 송신하는 단계;를 더 포함하는 전력 전송 방법을 제공할 수 있다.

또한 실시예에 따른 전력 전송 방법에서, 상기 수신기가 검출된 경우, 기 설정된 무선 전력을 전송하는 단계;를 더 포함하는 전력 전송 방법을 제공할 수 있다.

또한 실시예에 따른 전력 전송 방법에서, 상기 차이 전력량이 상기 전력 임계값 이하인 경우, 비례 제어, 적분 제어 및 미분 제어(proportional integral differential control; 이하 PID 제어)에 기초하여 전력변환부를 제어하는 단계;를 더 포함하는 전력 전송 방법을 제공할 수 있다.

또한 실시예에 따른 전력 전송 방법에서, 상기 PID제어에 기초하여 전력변환부를 제어하는 단계는, 상기 PID 제어에 기초하여 제어량을 결정하는 단계; 상기 제어량 및 전회 제어 변수에 기초하여 금회 제어 변수를 결정하는 단계; 및 상기 금회 제어 변수에 기초하여 전력변환부를 제어하여 상기 제2 전력을 송신하는 단계;를 더 포함하는 전력 전송 방법을 제공할 수 있다.

또한 실시예에 따른 전력 전송 방법에서, 상기 오버슈트 피크치는 현재 제1 전력으로부터 상기 제2 전력으로의 증가량 및 상기 제2 전력 값 중 적어도 하나에 기초하여 결정되는 전력 전송 방법을 제공할 수 있다.

또한 실시예에 따른 전력 전송 방법에서, 상기 제어 변수에 기초하여 상기 전력변환부의 입력 전압, 구동 주파수 및 듀티 사이클 중 적어도 하나를 조절하는 전력 전송 방법을 제공할 수 있다.

또한 실시예에 따른 전력 수신 방법은, 수신기가 송신기로부터 무선으로 전력을 수신하는 방법으로서, 상기 송신기로부터의 제1 검출 신호에 대한 응답 신호를 송신하는 단계; 상기 송신기로 식별 신호를 송신하는 단계; 상기 송신기로부터 제1 전력을 수신하는 단계; 상기 송신기로 전력 증가 요청 신호를 송신하는 단계; 상기 송신기로부터 전력 수신 여부를 판단하는 단계; 및 상기 무선 전력 수신 중단 시, 상기 송신기로부터의 제2 검출 신호에 대한 응답 신호를 송신하는 단계;를 포함하는 전력 수신 방법을 제공할 수 있다.

또한 실시예에 따른 전력 수신 방법에서, 상기 응답 신호를 수신한 상기 송신기로부터 기 설정된 전력을 수신하는 단계;를 더 포함하는 전력 수신 방법을 제공할 수 있다.

또한 실시예에 따른 전력 수신 방법에서, 상기 식별 신호는 상기 수신기의 수신허용 전력량을 포함하는 전력 수신 방법을 제공할 수 있다.

또한 실시예에 따른 전력 수신 방법에서, 상기 전력 증가 요청 신호에 대응한 제2 전력을 수신 시, 상기 제2 전력과 요구 전력을 비교하는 단계; 상기 비교 결과에 따라 상기 송신기로 제어 오차 값을 송신하는 단계; 상기 제어 오차 값은 양수, 영 또는 음수 중 어느 하나이고, 상기 전력 증가 요청 신호는 양수의 제어 오차 값에 대응하고, 전력 유지 요청 신호는 영의 제어 오차 값에 대응하며, 전력 감소 요청 신호는 음수의 제어 오차 값에 대응하는 전력 수신 방법을 제공할 수 있다.

또한 실시예에 따른 송신기는, 무선 전력 송신을 위한 송신 코일; 상기 송신 코일에 전력을 출력하는 전력변환기; 상기 송신 코일에 출력되는 전력의 양을 제어하기 위해 상기 전력변환기를 제어하는 제어기; 상기 제어기는, 수신장치로부터의 전력 증가 요청 신호에 기초하여 신규 전력을 결정하고, 상기 신규 전력과 상기 수신장치로부터의 수신허용 전력량 및 임계 전력값에 기초하여 상기 신규 전력의 생성 여부를 결정하는 송신기를 제공할 수 있다.

또한 실시예에 따른 송신기는, 상기 수신허용 전력량과 상기 신규 전력의 차이 전력량에 따라 상기 신규 전력의 생성 여부를 결정하는 송신기를 제공할 수 있다.

또한 실시예에 따른 송신기는, 상기 수신허용 전력량과 상기 신규 전력의 오버슈트 피크치의 차이 전력량에 따라 상기 신규 전력의 생성 여부를 결정하는 송신기를 제공할 수 있다.

또한 실시예에 따른 송신기에서, 상기 오버슈트 피크치는 상기 전력변환기의 현재 출력 전력으로부터 상기 신규 전력으로의 증가량 및 상기 신규 전력 값 중 적어도 하나에 기초하여 설정되는 송신기를 제공할 수 있다.

또한 실시예에 따른 송신기는, 상기 차이 전력 값이 전력 임계값을 초과하는 경우, 상기 신규 전력의 생성은 중단되는 송신기를 제공할 수 있다.

또한 실시예에 따른 송신기에서, 상기 제어기는, 상기 전력 변환기의 구동 주파수, 입력 전압 또는 듀티 사이클(duty cycle) 중 어느 하나를 조절하여 상기 전력의 양을 제어하는 송신기를 제공할 수 있다.

또한 실시예에 따른 송신기에서, 상기 제어기는, 상기 수신기로부터의 전력 증가 요청 신호와 상기 송신코일의 제1 전류에 기초하여 제2 전류를 결정하는 제1 연산부; 비례 제어, 적분 제어 및 미분 제어(proportional integral differential control; 이하 PID 제어)에 기초하여 제어량을 결정하는 PID 제어부; 및 상기 제어량 및 전회 제어 변수에 기초하여 금회 제어 변수를 결정하는 제2 연산부;를 포함하고, 상기 금회 제어 변수에 기초하여 상기 전력변환기를 제어하는 송신기를 제공할 수 있다.

또한 실시예에 따른 수신기는, 송신기로부터의 제1 전력을 수신하는 수신코일; 및 상기 송신기와 통신하는 제어기;를 포함하고, 상기 제어기는, 상기 제1 전력과 요구 전력간의 오차를 기초로 전력 증가 요청 신호를 송신하고, 상기 전력 증가 요청 신호에 기초하여 제2 전력 또는 수신기 검출(Ping) 신호를 수신하는 수신기를 제공할 수 있다.

또한 실시예에 따른 수신기는, 상기 제어기는 상기 수신코일이 상기 제2 전력을 수신하면, 상기 제2 전력과 상기 요구 전력간의 오차를 판단하는 수신기를 제공할 수 있다.

또한 실시예에 따른 수신기에서, 상기 제어기는, 상기 검출 신호에 대한 응답 신호를 송신하는 수신기를 제공할 수 있다.

또한 실시예에 따른 수신기는, 상기 응답 신호를 수신한 상기 송신기로부터 기 설정된 전력을 수신하는 수신기를 제공할 수 있다.

실시예는 무선 충전 중인 수신장치의 흔들림 등의 원인으로 송신장치와 수신장치의 결합 계수가 급변함에 따른 전력 전송의 불안정, 발열, 수신장치의 시스템 손상 문제점을 미연에 방지할 수 있다.

도 1은 자기 유도 방식 등가회로.
도 2는 자기 공진 방식 등가회로.
도 3a 및 3b는 무선전력전송 시스템을 구성하는 서브 시스템 중 하나로 송신부를 나타낸 블록도.
도 4a 및 도 4b는 무선전력전송 시스템을 구성하는 서브 시스템 중 하나로 수신부를 나타낸 블록도.
도 5는 무선전력전송 시스템의 동작 흐름도로써, 실시예에 따른 송신장치의 동작 상태를 중심으로 한 동작 흐름도.
도 6은 수신장치의 요구 전력 결정 방법에 관한 흐름도.
도 7은 송신장치의 전송 전력 결정 방법에 관한 흐름도.
도 8은 송신장치의 전력 전송 여부 결정 흐름도.
도 9 내지 도 11은 시간에 따라 전력 신호의 과도 상태 및 정상상태를 나타낸 도면.
도 12는 전력 전송 제어 방법을 위한 송신장치의 제어부를 상세히 나타낸 도면.
도 13은 전력 전송 상태에서 송신장치의 타이밍도.

이하, 본 발명의 실시예에 의한 무선으로 전력을 전송하는 기능을 구비한 송신장치와 무선으로 전력을 수신하는 수신장치를 포함한 무선전력전송 시스템을 도면을 참고하여 상세하게 설명한다. 다음에 소개되는 실시 예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 장치의 크기 및 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조 번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

실시예는 무선 전력 전송을 위하여 저주파(50kHz)부터 고주파(15MHz)까지의 다양한 종류의 주파수 대역을 선택적으로 사용하며, 시스템 제어를 위하여 데이터 및 제어신호를 교환할 수 있는 통신시스템을 포함할 수도 있다.

실시예는 배터리를 사용하거나 필요로 하는 전자기기를 사용하는 휴대단말 산업, 스마트 시계 산업, 컴퓨터 및 노트북 산업, 가전기기 산업, 전기자동차 산업, 의료기기 산업, 로봇 산업 등 다양한 산업분야에 적용될 수 있다.

실시예는 하나 또는 복수개의 전송 코일을 사용하여 한 개 이상의 다수기기에 전력 전송이 가능한 시스템을 고려할 수 있다.

실시예에 따르면 스마트폰, 노트북 등 모바일 기기에서의 배터리 부족문제를 해결할 수 있고, 일 예로 테이블에 무선충전패드를 놓고 그 위에서 스마트폰, 노트북을 사용하면 자동으로 배터리가 충전되어 장시간 사용할 수 있게 된다. 또한 까페, 공항, 택시, 사무실, 식당 등 공공장소에 무선충전패드를 설치하면 모바일기기 제조사별로 상이한 충전단자에 상관없이 다양한 모바일기기를 충전할 수 있다. 또한 무선전력전송 기술이 청소기, 선풍기 등의 생활가전제품에 적용되면 전원케이블을 찾아 다닐 필요가 없게 되고 가정 내에서 복잡한 전선이 사라지면서 건물 내 배선이 줄고 공간활용 폭도 넓어질 수 있다. 또한 현재의 가정용 전원으로 전기자동차를 충전할 경우 많은 시간이 소요되지만 무선전력전송 기술을 통해서 고전력을 전송한다면 충전시간을 줄일 수 있게 되고 주차장 바닥에 무선충전시설을 설치하게 되면 전기자동차 주변에 전원케이블을 준비 해야 하는 불편함을 해소 할 수 있다.

실시예에서 사용되는 용어와 약어는 다음과 같다.

무선전력전송 시스템 (Wireless Power Transfer System): 자기장 영역 내에서 무선 전력 전송을 제공하는 시스템

송신장치(Wireless Power Transfer System-Charger; Power Transfer Unit: PTU): 자기장 영역 내에서 전력수신기에게 무선전력전송을 제공하며 시스템 전체를 관리하는 장치로 송신장치 또는 송신기로 지칭할 수 있다.

수신장치(Wireless Power Receiver System-Device; Power Receiver Unit: PRU): 자기장 영역 내에서 전력송신기로부터 무선전력 전송을 제공받는 장치로 수신장치 또는 수신기로 지칭할 수 있다.

충전 영역(Charging Area): 자기장 영역 내에서 실제적인 무선 전력 전송이 이루어지는 지역이며, 응용 제품의 크기, 요구 전력, 동작주파수에 따라 변할 수 있다.

S 파라미터(Scattering parameter): S 파라미터는 주파수 분포상에서 입력전압 대 출력전압의 비로 입력 포트 대 출력 포트의 비(Transmission; S21) 또는 각각의 입/출력 포트의 자체 반사값, 즉 자신의 입력에 의해 반사되어 돌아오는 출력의 값(Reflection; S11, S22).

품질 지수 Q(Quality factor): 공진에서 Q의 값은 주파수 선택의 품질을 의미하고 Q 값이 높을수록 공진 특성이 좋으며, Q 값은 공진기에서 저장되는 에너지와 손실되는 에너지의 비로 표현됨.

무선으로 전력을 전송하는 원리를 살펴보면, 무선 전력 전송 원리로 크게 자기 유도 방식과 자기 공진 방식이 있다.

자기 유도 방식은 소스 인덕터(Ls)와 부하 인덕터(Ll)를 서로 근접시켜 한쪽의 소스 인덕터(Ls)에 전류를 흘리면 발생하는 자속을 매개로 부하 인덕터(Ll)에도 기전력이 발생하는 비접촉 에너지 전송기술이다. 그리고 자기 공진 방식은 2개의 공진기를 결합하는 것으로 2개의 공진기 간의 고유 주파수에 의한 자기 공진이 발생하여 동일 주파수로 진동 하면서 동일 파장 범위에서 전기장 및 자기장을 형성시키는 공명 기법을 활용하여 에너지를 무선으로 전송하는 기술이다.

도 1은 자기 유도 방식 등가회로이다.

도 1을 참조하면, 자기 유도 방식 등가회로에서 송신부는 전원을 공급하는 장치에 따른 소스 전압(Vs), 소스 저항(Rs), 임피던스 매칭을 위한 소스 커패시터(Cs) 그리고 수신부와의 자기적 결합을 위한 소스 코일(Ls)로 구현될 수 있고, 수신부는 수신부의 등가 저항인 부하 저항(Rl), 임피던스 매칭을 위한 부하 커패시터(Cl) 그리고 송신부와의 자기적 결합을 위한 부하 코일(Ll)로 구현될 수 있고, 소스 코일(Ls)과 부하 코일(Ll)의 자기적 결합 정도는 상호 인덕턴스(Msl)로 나타낼 수 있다.

도 1에서 임피던스 매칭을 위한 소스 커패시터(Cs)와 부하 커패시터(Cl)이 없는 오로지 코일로만 이루어진 자기 유도 등가회로로부터 입력전압 대 출력전압의 비(S21)를 구하여 이로부터 최대 전력 전송 조건을 찾으면 최대 전력 전송 조건은 이하 수학식 1을 충족한다.

수학식 1

Ls/Rs=Ll/Rl

상기 수학식 1에 따라 송신 코일(Ls)의 인덕턴스와 소스 저항(Rs)의 비와 부하 코일(Ll)의 인덕턴스와 부하 저항(Rl)의 비가 같을 때 최대 전력 전송이 가능하다. 인덕턴스만 존재하는 시스템에서는 리액턴스를 보상할 수 있는 커패시터가 존재하지 않기 때문에 최대 전력 전달이 이루이지는 지점에서 입/출력 포트의 자체 반사값(S11)의 값은 0이 될 수 없고, 상호 인덕턴스(Msl) 값에 따라 전력 전달 효율이 크게 변화할 수 있다. 그리하여 임피던스 매칭을 위한 보상 커패시터로써 송신부에 소스 커패시터(Cs)가 부가될 수 있고, 수신부에 부하 커패시터(Cl)가 부가될 수 있다. 상기 보상 커패시터(Cs, Cl)는 예로 수신 코일(Ls) 및 부하 코일(Ll) 각각에 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다. 또한 임피던스 매칭을 위하여 송신부 및 수신부 각각에는 보상 커패시터 뿐만 아니라 추가적인 커패시터 및 인덕터와 같은 수동 소자가 더 부가될 수 있다.

도 2는 자기 공진 방식 등가회로이다.

도 2를 참조하면, 자기 공진 방식 등가회로에서 송신부는 소스 전압(Vs), 소스 저항(Rs) 그리고 소스 인덕터(Ls)의 직렬 연결로 폐회로를 구성하는 소스 코일(Source coil)과 송신측 공진 인덕터(L1)와 송신측 공진 커패시터(C1)의 직렬 연결로 폐회로를 구성하는 송신측 공진 코일(Resonant coil)로 구현되고, 수신부는 부하 저항(Rl)와 부하 인덕터(Ll)의 직렬 연결로 폐회로를 구성하는 부하 코일(Load coil)과 수신측 공진 인덕터(L2)와 수신측 공진 커패시터(C2)의 직렬 연결로 폐회로를 구성하는 수신측 공진 코일로 구현되며, 소스 인덕터(Ls)와 송신측 인덕터(L1)는 K01의 결합계수로 자기적으로 결합되고, 부하 인덕터(Ll)와 부하측 공진 인덕터(L2)는 K23의 결합계수로 자기적으로 결합되고, 송신측 공진 인덕터(L1)와 수신측 공진 인덕터(L2)는 K12의 결합 계수로 자기적으로 결합된다. 또 다른 실시예의 등가회로에서는 소스 코일 및/또는 부하 코일을 생략하고 송신측 공진 코일과 수신측 공진 코일만으로 이루어질 수도 있다.

자기 공진 방식은 두 공진기의 공진 주파수가 동일할 때에는 송신부의 공진기의 에너지의 대부분이 수신부의 공진기로 전달되어 전력 전달 효율이 향상될 수 있고, 자기 공진 방식에서의 효율은 이하 수학식 2를 충족할 때 좋아진다.

수학식 2

k/Γ >> 1 (k는 결합계수, Γ 감쇄율)

자기 공진 방식에서 효율을 증가시키기 위하여 임피던스 매칭을 위한 소자를 부가할 수 있고, 임피던스 매칭 소자는 인덕터 및 커패시터와 같은 수동 소자가 될 수 있다.

이와 같은 무선 전력 전송 원리를 바탕으로 자기 유도 방식 또는 자기 공진 방식으로 전력을 전달하기 위한 무선전력전송 시스템을 살펴본다.

<송신부>

도 3a 및 도 3b는 무선전력전송 시스템을 구성하는 서브 시스템 중 하나로 송신부를 나타낸 블록도이다.

도 3a를 참조하면, 실시예에 따른 무선전력전송 시스템은 송신부(1000)와 상기 송신부(1000)로부터 무선으로 전력을 전송받는 수신부(2000)를 포함할 수 있다. 상기 송신부(1000)는 입력되는 교류 신호를 전력 변환하여 교류 신호로 출력하는 송신측 전력변환부(101)와 상기 송신측 전력변환부(101)로부터 출력되는 교류 신호에 기초하여 자기장을 생성하여 충전 영역 내의 수신부(2000)에 전력을 제공하는 송신측 공진회로부(102) 및 상기 송신측 전력변환부(101)의 전력 변환을 제어하고, 상기 송신측 전력변환부(101)의 출력 신호의 진폭과 주파수를 조절하고, 상기 송신측 공진회로부(102)의 임피던스 매칭을 수행하며, 상기 송신측 전력변환부(101) 및 상기 송신측 공진회로부(102)로부터 임피던스, 전압, 전류 정보를 센싱하며, 상기 수신부(2000)와 무선 통신할 수 있는 송신측 제어부(103)를 포함할 수 있다. 상기 송신측 전력변환부(101)는 교류신호를 직류로 변환하는 전력변환부, 직류의 레벨을 가변하여 직류를 출력하는 전력변환부, 직류를 교류로 변환하는 전력변환부 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 그리고 상기 송신측 공진회로부(102)는 코일과 상기 코일과 공진할 수 있는 임피던스 매칭부를 포함할 수 있다. 또한 상기 송신측 제어부(103)는 임피던스, 전압, 전류 정보를 센싱하기 위한 센싱부와 무선 통신부를 포함할 수 있다.

또한 도 3b를 참조하면, 상기 송신부(1000)는 송신측 교류/직류 변환부(1100), 송신측 직류/교류 변환부(1200), 송신측 임피던스 매칭부(1300), 송신 코일부(1400) 그리고 송신측 통신 및 제어부(1500)을 포함할 수 있다.

송신측 교류/직류 변환부(1100)는 송신측 통신 및 제어부(1500)의 제어 하에 외부로부터 제공되는 교류 신호를 직류 신호로 변환하는 전력 변환부로써, 상기 송신측 교류/직류 변환부(1100)는 서브 시스템으로 정류기(1110)와 송신측 직류/직류 변환부(1120)을 포함할 수 있다. 상기 정류기(1110)는 제공되는 교류 신호를 직류 신호로 변환하는 시스템으로써 이를 구현하는 실시예로 고주파수 동작 시 상대적으로 높은 효율을 가지는 다이오드 정류기, 원-칩(one-chip)화가 가능한 동기 정류기 또는 원가 및 공간 절약이 가능하고 및 데드 타임(Dead time)의 자유도가 높은 하이브리드 정류기가 될 수 있다. 다만 이에 한정되는 것은 아니고, 교류를 직류로 변환하는 시스템이라면 적용 가능하다. 또한 상기 송신측 직류/직류 변환부(1120)는 송신측 통신 및 제어부(1500)의 제어 하에 상기 정류기(1110)으로부터 제공되는 직류 신호의 레벨을 조절하는 것으로 이를 구현하는 예로 입력 신호의 레벨을 낮추는 벅 컨버터(Buck converter), 입력 신호의 레벨을 높이는 부스트 컨버터(Boost converter), 입력 신호의 레벨을 낮추거나 높일 수 있는 벅 부스트 컨버터(Buck Boost converter) 또는 축 컨버터(Cuk converter)가 될 수 있다. 또한 상기 송신측 직류/직류 변환부(1120)는 전력 변환 제어 기능을 하는 스위치소자와 전력 변환 매개 역할 또는 출력 전압 평활 기능을 하는 인덕터 및 커패시터, 전압 이득을 조절 또는 전기적인 분리 기능(절연 기능)을 하는 트랜스 등을 포함할 수 있으며, 입력되는 직류 신호에 포함된 리플 성분 또는 맥동 성분(직류 신호에 포함된 교류 성분)을 제거하는 기능을 할 수 있다. 그리고 상기 송신측 직류/직류 변환부(1120)의 출력 신호의 지령치와 실제 출력 치와의 오차는 피드백 방식을 통해 조절될 수 있고, 이는 상기 송신측 통신 및 제어부(1500)에 의하여 이루어 질 수 있다.

송신측 직류/교류 변환부(1200)는 송신측 통신 및 제어부(1500)의 제어 하에 송신측 교류/직류 변환부(1100)으로부터 출력되는 직류 신호를 교류 신호로 변환하고, 변환된 교류 신호의 주파수를 조절할 수 있는 시스템으로 이를 구현하는 예로 하프 브릿지 인버터(Half bridge inverter) 또는 풀 브릿지 인버터(Full bridge inverter)가 있다. 그리고 무선전력전송 시스템은 직류를 교류로 변환하는 다양한 증폭기가 적용될 수 있고, 예로 A급, B급, AB급, C급, E 급 F급 증폭기가 있다. 또한 상기 송신측 직류/교류 변환부(1200)는 출력 신호의 주파수를 생성하는 오실레이터(Ocillator)와 출력 신호를 증폭하는 파워 증폭부를 포함할 수 있다.

상기 교류/직류 변환부(1100) 및 송신측 직류/교류 변환부(1200)의 구성은 교류 전력 공급기로 대체할 수 있으며, 생략되거나 또 다른 구성으로 대체할 수도 있다.

송신측 임피던스 매칭부(1300)는 서로 다른 임피던스를 가진 지점에서 반사파를 최소화하여 신호의 흐름을 좋게 한다. 송신부(1000)와 수신부(2000)의 두 코일은 공간적으로 분리되어 있어 자기장의 누설이 많으므로 상기 송신부(1000)와 수신부(2000)의 두 연결단 사이의 임피던스 차이를 보정하여 전력 전달 효율을 향상시킬 수 있다. 상기 송신측 임피던스 매칭부(1300)는 인덕터, 커패시터 그리고 저항 소자 중 적어도 하나로 구성될 수 있고, 통신 및 제어부(1500)의 제어 하에 상기 인덕터의 인덕턴스와 커패시터의 커패시턴스 그리고 저항의 저항 값을 가변하여 임피던스 매칭을 위한 임피던스 값을 조정할 수 있다. 그리고 무선전력전송 시스템이 자기 유도 방식으로 전력을 전송하는 경우, 송신측 임피던스 매칭부(1300)는 직렬 공진 구조 또는 병렬 공진 구조를 가질 수 있고, 송신부(1000)와 수신부(2000) 사이의 유도 결합 계수를 증가시켜 에너지 손실을 최소화 할 수 있다. 그리고 무선전력전송 시스템이 자기 공진 방식으로 전력을 전송하는 경우, 송신측 임피던스 매칭부(1300)는 송신부(1000)와 수신부(2000) 간의 이격 거리가 변화되거나 금속성 이물질(FO; Foreign Object), 다수의 디바이스에 의한 상호 영향 등에 따라 코일의 특성의 변화로 에너지 전송 선로상의 매칭 임피던스 변화에 따른 임피던스 매칭의 실시간 보정을 가능하게 할 수 있고, 그 보정 방식으로써 커패시터를 이용한 멀티 매칭 방식, 멀티 안테나를 이용한 매칭 방식, 멀티 루프를 이용한 방식 등이 될 수 있다.

송신측 코일(1400)은 복수개의 코일 또는 단수개의 코일로 구현될 수 있고, 송신측 코일(1400)이 복수개로 구비되는 경우 이들은 서로 이격되어 배치되거나 서로 중첩되어 배치될 수 있고, 이들이 중첩되어 배치되는 경우 중첩되는 면적은 자속 밀도의 편차를 고려하여 결정할 수 있다. 또한 송신측 코일(1400)을 제작할 때 내부 저항 및 방사 저항을 고려하여 제작할 수 있고, 이 때 저항 성분이 작으면 품질 지수(Quality factor)가 높아지고 전송 효율이 상승할 수 있다.

통신 및 제어부(1500)는 송신측 제어부(1510)와 송신측 통신부(1520)를 포함할 수 있다. 상기 송신측 제어부(1510)는 수신부(2000)의 전력 요구량, 현재 충전량, 수신부의 정류기 출력단의 전압(Vrect), 복수 수신부의 각 충전 효율 그리고 무선 전력 방식중 적어도 하나 이상을 고려하여 상기 송신측 교류/직류 변환부(1100)의 출력 전압(또는 송신 코일에 흐르는 전류(Itx_coil)을 조절하는 역할을 할 수 있다. 그리고 최대 전력 전송 효율를 고려하여 상기 송신측 직류/교류 변환부(1200)를 구동하기 위한 주파수 및 스위칭 파형들을 생성하여 전송될 전력을 제어할 수 있다. 또한 수신부(2000)의 저장부(미도시)로부터 독출한 제어에 요구되는 알고리즘, 프로그램 또는 어플리케이션을 이용하여 수신부(2000)의 동작 전반을 제어할 수 있다. 한편 상기 송신측 제어부(1510)는 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤유닛(Micro Controller Unit) 또는 마이콤(Micom)이라고 지칭할 수 있다. 상기 송신측 통신부(1520)는 수신측 통신부(2620)와 통신을 수행할 수 있고, 통신 방식의 일 예로 블루투스, NFC, Zigbee 등의 근거리 통신 방식을 이용할 수 있다. 상기 송신측 통신부(1520)와 수신측 통신부(2620)는 서로간에 충전 상황 정보 및 충전 제어 명령 등의 송수신을 진행할 수 있다. 그리고 상기 충전 상황 정보로는 수신부(2000)의 개수, 배터리 잔량, 충전 횟수, 사용량, 배터리 용량, 배터리 비율 그리고 송신부(1000)의 전송 전력량 등을 포함할 수 있다. 또한 송신측 통신부(1520)는 수신부(2000)의 충전 기능을 제어하는 충전 기능 제어 신호를 송신할 수 있고, 상기 충전 기능 제어 신호는 수신부(2000)를 제어하여 충전 기능을 인에이블(enabled) 또는 디스에이블(disabled)하게 하는 제어 신호일 수 있다.

이처럼, 송신측 통신부(1520)는 별도의 모듈로 구성되는 아웃-오브-밴드(out-of-band) 형식으로 통신될 수도 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 송신부가 전송하는 전력신호를 이용하여 수신부가 송신부에 전달하는 피드백 신호를 이용하고, 송신부가 전송하는 전력신호의 주파수를 쉬프트(Frequency shift)를 이용하여 송신부가 수신부에 신호를 전송하는 인-밴드(in-band) 형식으로 통신을 수행할 수도 있다. 예를 들어, 수신부는 피드백 신호를 변조하여 충전 개시, 충전 종료, 배터리 상태 등의 정보를 피드백 신호를 통해 송신기에 전달할 수도 있다. 또한 상기 송신측 통신부(1520)는 상기 송신측 제어부(1510)와 별도로 구성될 수 있고, 상기 수신부(2000) 또한 수신측 통신부(2620)가 수신 장치의 제어부(2610)에 포함되거나 별도로 구성될 수 있다.

또한 실시예에 따른 무선전력전송 시스템의 송신부(1000)는 검출부(1600)를 추가로 구비할 수 있다.

상기 검출부(1600)는 송신측 교류/직류 변환부(1100)의 입력 신호, 송신측 교류/직류 변환부(1100)의 출력 신호, 송신측 직류/교류 변환부(1200)의 입력 신호, 송신측 직류/교류 변환부(1200)의 출력 신호, 송신측 임피던스 매칭부(1300)의 입력 신호, 송신측 임피던스 매칭부(1300)의 출력 신호, 송신측 코일(1400)의 입력 신호 또는 송신측 코일(1400) 상의 신호 중 적어도 하나를 검출할 수 있다. 일 예로, 상기 신호는 전류에 대한 정보, 전압에 대한 정보 또는 임피던스에 대한 정보 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 검출된 신호는 통신 및 제어부(1500)로 피드백되고 이를 기초로 상기 통신 및 제어부(1500)는 송신측 교류/직류 변환부(1100), 송신측 직류/교류 변환부(1200), 송신측 임피던스 매칭부(1300)를 제어할 수 있다. 또한 상기 검출부(1600)의 검출 결과를 기초하여 상기 통신 및 제어부(1500)는 FOD(Foreign object detection)를 수행할 수 있다. 그리고 상기 검출되는 신호는 전압 및 전류 중 적어도 하나일 수 있다. 한편 상기 검출부(1600)는 통신 및 제어부(1500)와 상이한 하드웨어로 구성되거나, 하나의 하드웨어로 구현될 수 있다.

<수신부>

도 4a 및 도 4b는 무선전력전송 시스템을 구성하는 서브 시스템 중 하나로 수신부(또는, 수신 장치)를 나타낸 블록도이다. 도 4a를 참조하면, 실시예에 따른 무선전력전송 시스템은 송신부(1000)와 상기 송신부(1000)로부터 무선으로 전력을 전송받는 수신부(2000)를 포함할 수 있다. 상기 수신장치(2000)는 상기 송신장치(1000)로부터 전송되는 교류 신호를 수신하는 수신측 공진회로부(201), 상기 수신측 공진회로부(201)로부터의 교류 전력을 전력 변환하여 직류 신호로 출력하는 수신측 전력변환부(202)와 상기 수신측 전력변환부(202)로부터 출력되는 직류 신호를 수신하여 충전되는 부하(2500) 그리고 상기 수신측 공진회로부(201)의 전류 전압을 센싱하거나, 상기 수신측 공진회로부(201)의 임피던스 매칭을 수행하거나, 상기 수신측 전력변환부(202)의 전력 변환을 제어하고, 상기 수신측 전력변환부(202)의 출력 신호의 레벨을 조절하거나, 상기 수신측 전력변환부(202)의 입력 또는 출력 전압이나 전류를 센싱하거나, 상기 수신측 전력변환부(202)의 출력 신호의 상기 부하(2500)로의 공급 여부를 제어하거나, 상기 송신장치(1000)와 통신할 수 있는 수신측 제어부(203)를 포함할 수 있다. 그리고 상기 수신측 전력변환부(202)는 교류신호를 직류로 변환하는 전력변환부, 직류의 레벨을 가변하여 직류를 출력하는 전력변환부, 직류를 교류로 변환하는 전력변환부를 포함할 수 있다. 또한 도 4b를 참조하면, 실시예에 따른 무선전력전송 시스템은 송신부(또는, 송신 장치)(1000)와 상기 송신부(1000)로부터 무선으로 전력을 전송받는 수신부(또는, 수신 장치)(2000)를 포함할 수 있고, 상기 수신부(2000)는 수신측 코일부(2100) 및 수신측 임피던스 매칭부(2200)로 구성된 수신측 공진회로부(2120), 수신측 교류/직류 변환부(2300), 직류/직류변환부(2400), 부하(2500) 및 수신측 통신 및 제어부(2600)를 포함할 수 있다. 그리고 상기 수신측 교류/직류 변환부(2300)는 교류 신호를 직류 신호로 정류하는 정류부로 지칭할 수 있다.

수신측 코일부(2100)은 자기 유도 방식 또는 자기 공진 방식을 통해 전력을 수신할 수 있다. 이와 같이 전력 수신 방식에 따라서 유도 코일 또는 공진 코일 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.

일 실시예로, 수신측 코일부(2100)는 근거리 통신용 안테나(NFC: Near Field Communication)와 함께 휴대단말에 배치될 수 있다. 그리고 상기 수신측 코일부(2100)은 송신측 코일부(1400)와 동일할 수도 있고, 수신 안테나의 치수는 수신부(200)의 전기적 특성에 따라 달라질 수도 있다.

수신측 임피던스 매칭부(2200)는 송신기(1000)와 수신기(2000) 사이의 임피던스 매칭을 수행한다.

상기 수신측 교류/직류 변환부(2300)는 수신측 코일부(2100)으로부터 출력되는 교류 신호를 정류하여 직류 신호를 생성한다. 그리고 상기 수신측 교류/직류 변환부(2300)의 출력 전압은 정류 전압(Vrect)로 지칭할 수 있고, 수신측 통신 및 제어부(2600)는 상기 수신측 교류/직류 변환부(2300)의 출력 전압을 검출하거나 변경할 수 있고, 상기 수신측 교류/직류 변환부(2300)의 출력 전압의 최소값인 최소 정류 전압(Vrect_min)(또는 최소 출력 전압(Vrect_min)으로 지칭), 최대값인 최대 정류 전압(Vrect_max)(또는 최대 출력 전압(Vrect_max)으로 지칭), 상기 최소값과 최대값 사이의 값 중 어느 하나의 전압 값을 가지는 최적 정류 전압(Vrect_set)(또는 최적 출력 전압(Vrect_set)으로 지칭)에 대한 정보와 같은 상태 파라미터 정보를 송신부(1000)에 전송할 수 있다.

수신측 직류/직류변환부(2400)는 수신측 교류/직류 변환부(2300)에서 출력되는 직류 신호의 레벨을 부하(2500)의 용량에 맞게 조정할 수 있다.

상기 부하(2500)는 배터리, 디스플레이, 음성 출력 회로, 메인 프로세서, 배터리 관리부 그리고 각종 센서들을 포함할 수 있다. 그리고 상기 부하(2500)는 도 4a와 같이 적어도 배터리(2510) 및 배터리 관리부(2520)을 포함할 수 있다. 상기 배터리 관리부(2520)는 상기 배터리(2510)의 충전 상태를 감지하여 상기 배터리(2510)로 인가되는 전압과 전류를 조절할 수 있다.

수신측 통신 및 제어부(2600)는 송신측 통신 및 제어부(1500)로부터 웨이크-업 전력에 의해 활성화 될 수 있고, 상기 송신측 통신 및 제어부(1500)와 통신을 수행하고, 수신부(2000)의 서브 시스템의 동작을 제어할 수 있다.

상기 수신부(2000)는 단수 또는 복수개로 구성되어 송신부(1000)로부터 동시에 에너지를 무선으로 전달 받을 수 있다. 즉 자기 공진 방식의 무선전력전송 시스템에서는 하나의 송신부(1000)로부터 복수의 타켓 수신부(2000)가 전력을 공급받을 수 있다. 이때 상기 송신부(1000)의 송신측 매칭부(1300)는 복수개의 수신부(2000)들 사이의 임피던스 매칭을 적응적으로 수행할 수 있다. 이는 자기 유도 방식에서 서로 독립적인 수신측 코일부를 복수개 구비하는 경우에도 동일하게 적용될 수 있다.

또한 상기 수신부(2000)가 복수개로 구성된 경우 전력 수신 방식이 동일한 시스템이거나, 서로 다른 종류의 시스템이 될 수 있다. 이 경우, 송신부(1000)는 자기 유도 방식 또는 자기 공진 방식으로 전력을 전송하는 시스템이거나 양 방식을 혼용한 시스템일 수 있다.

한편 무선전력전송 시스템의 신호의 크기와 주파수 관계를 살펴보면, 자기 유도 방식의 무선 전력 전송의 경우, 송신부(1000)에서 송신측 교류/직류 변환부(1100)은 수십 또는 수백 V대(예를 들어 110V~220V)의 수십 또는 수백 Hz 대(예를 들어 60Hz)의 교류 신호를 인가 받아 수V 내지 수십V, 수백V(예를 들어 10V~20V)의 직류 신호로 변환하여 출력할 수 있고, 송신측 직류/교류 변환부(1200)는 직류 신호를 인가 받아 KHz대(예를 들어 125KHz)의 교류 신호를 출력할 수 있다. 그리고 수신부(2000)의 수신측 교류/직류 변환부(2300)는 KHz대(예를 들어 125KHz)의 교류 신호를 입력 받아 수V 내지 수십V, 수백V대(예를 들어 10V~20V)의 직류 신호로 변환하여 출력할 수 있고, 수신측 직류/직류변환부(2400)는 부하(2500)에 적합한, 예를 들어 5V의 직류 신호를 출력하여 상기 부하(2500)에 전달할 수 있다. 그리고 자기 공진 방식의 무선 전력 전송의 경우, 송신부(1000)에서 송신측 교류/직류 변환부(1100)은 수십 또는 수백 V대(예를 들어 110V~220V)의 수십 또는 수백 Hz 대(예를 들어 60Hz)의 교류 신호를 인가 받아 수V 내지 수십V, 수백V(예를 들어 10V~20V)의 직류 신호로 변환하여 출력할 수 있고, 송신측 직류/교류 변환부(1200)는 직류 신호를 인가받아 MHz대(예를 들어 6.78MHz)의 교류 신호를 출력할 수 있다. 그리고 수신부(2000)의 수신측 교류/직류 변환부(2300)는 MHz(예를 들어 6.78MHz)의 교류 신호를 입력 받아 수V 내지 수십V, 수백V (예를 들어 10V~20V)의 수신측 직류 신호로 변환하여 출력할 수 있고, 직류/직류변환부(2400)는 부하(2500)에 적합한, 예를 들어 5V의 직류 신호를 출력하여 상기 부하(2500)에 전달할 수 있다.

<송신장치의 동작 상태>

도 5는 무선전력전송 시스템의 동작 흐름도로써, 실시예에 따른 송신장치의 동작 상태를 중심으로 한 동작 흐름도이다.

도 5를 참조하면, 실시예에 따른 송신장치는 적어도 1) 선택 상태, 2) 검출 상태, 3) 식별 및 설정 상태, 4) 전력 전달 상태 및 5) 충전 종료 상태를 가질 수 있다.

[선택 상태(Selection Phase)]

(1) 선택 상태에서 송신장치(1000)는 감지 영역 또는 충전 영역에 존재하는 수신장치(200)를 선택하기 위하여 검출 과정을 수행할 수 있다.

(2) 상기 감지 영역 또는 충전 영역은, 전술된 바와 같이, 해당 영역 내의 물체가 상기 송신측 전력변환부(101)의 전력의 특성에 영향을 미칠 수 있는 영역을 지칭할 수 있다. 검출 상태와 비교하여, 상기 선택 상태에서 수신장치(2000)의 선택을 위한 검출 과정은 전력 제어 메시지를 이용하여 상기 수신장치(2000)로부터 응답을 수신하는 방식 대신에, 상기 송신장치(1000) 측의 전력 변환부에서 무선 전력 신호를 형성하기 위한 전력량이 변화하는 것을 감지하여 일정 범위 내에 물체가 존재하는지 확인하는 과정이다. 상기 선택 상태에서의 검출 과정은 후술될 검출 상태에서 디지털 형식의 패킷을 이용 않고, 무선 전력 신호를 이용하여 물체를 검출하는 점에서 아날로그 검출 과정(analog ping)으로 지칭할 수 있다.

(3) 선택 상태에서 송신장치(1000)는 상기 감지 영역 또는 충전 영역 내에 객체(object)가 들어오고 나가는 것을 감지할 수 있다. 또한 상기 송신장치(1000)는 상기 감지 영역 또는 충전 영역 내에 있는 물체들 중에서 무선으로 전력을 전달할 수 있는 수신장치(2000)와 그 밖의 물체들(예를 들어, 열쇠, 동전 등)을 구분할 수 있다.

전술된 바와 같이, 유도 결합 방식 및 공진 결합 방식에 따라 무선으로 전력을 전송할 수 있는 거리가 다르므로 상기 선택 상태에서 물체가 검출되는 감지 영역은 서로 다를 수 있다.

(4) 먼저, 유도 결합 방식에 따라 전력이 전송되는 경우에 상기 선택 상태의 송신장치(1000)는 물체들의 배치 및 제거를 감지하기 위하여 인터페이스 표면(미도시)을 모니터링 할 수 있다.

또한 상기 송신장치(1000)는 상기 인터페이스 표면의 상부에 놓인 무선 전력 수신장치(2000)의 위치를 감지할 수도 있다.

(5) 상기 송신장치(1000)가 하나 이상의 전송 코일을 포함하는 경우, 상기 선택 상태에서 상기 검출 상태로 진입하고, 상기 검출 상태에서 각각의 코일을 이용하여 상기 object로부터 검출 신호에 대한 응답이 전송되는지 여부를 확인하거나 또는 그 후 상기 식별 상태로 진입하여 상기 object로부터 식별 정보가 전송되는지 여부를 확인하는 방법을 수행할 수 있다.

상기 송신장치(1000)는 이와 같은 과정을 통하여 획득한 상기 감지된 수신장치(2000)의 위치에 기초하여 무선 전력 전송에 사용될 코일을 결정할 수 있다.

(6) 또한, 공진 결합 방식에 따라 전력이 전송되는 경우에 상기 선택 상태의 송신장치(1000)는 상기 감지 영역 또는 충전 영역 내의 물체로 인한 상기 전력 변환부의 주파수, 전류, 전압 중 하나 이상이 변경되는 것을 감지함으로써 상기 object를 검출할 수 있다.

(7) 한편, 상기 선택 상태의 송신장치(1000)는 상기 유도 결합 방식 및 공진 결합 방식에 따른 검출 방법 중 적어도 하나의 방법에 의하여 물체를 검출할 수 있다.

(8) 상기 송신장치(1000)는 각 전력 전송 방식에 따른 물체 검출 과정을 수행하고, 이후에 다른 상태들로 진행하기 위하여 무선 전력 전달을 위한 결합 방식 중에서 상기 물체를 검출한 방식을 선택할 수 있다.

(9) 한편, 상기 선택 상태의 송신장치(1000)는 물체를 검출하기 위하여 형성하는 무선 전력 신호와 이후 상태들에서의 디지털 검출, 식별, 설정 및 전력 전송을 위하여 형성하는 무선 전력 신호는 그 주파수, 세기 등의 특성이 다를 수 있다. 이는 상기 송신장치(1000)의 선택 상태는 물체를 검출하기 위한 대기 상태(idle phase)에 해당하여, 상기 송신장치(1000)가 대기 중의 소비 전력을 줄이거나 또는 효율적인 물체 검출을 위하여 특화된 신호를 생성시킬 수 있도록 하기 위함이다.

[검출 상태(Ping Phase)]

(1) 검출 상태에서 송신장치(1000)가 전력 제어 메시지를 통해 감지 영역 또는 충전 영역 내에 존재하는 수신장치(2000)를 검출하는 과정을 수행할 수 있다. 상기 선택 상태에서 무선 전력 신호의 특성 등을 이용한 수신장치(2000)의 검출 과정과 비교하여, 상기 검출 상태에서의 검출 과정은 디지털 검출 과정(digital ping)이라 지칭할 수 있다.

(2) 송신장치(1000)는 수신장치(2000)를 검출하기 위한 무선 전력 신호를 형성하고, 상기 수신장치(2000)에 의하여 변조된 무선 전력 신호를 복조하고, 상기 복조된 무선 전력 신호로부터 상기 검출 신호에 대한 응답에 해당하는 디지털 데이터 형태의 전력 제어 메시지를 획득할 수 있다.

(3) 상기 송신장치(1000)는 상기 검출 신호에 대한 응답에 해당하는 전력 제어 메시지를 수신함으로써 전력 전송의 대상이 되는 상기 수신장치(2000)를 인지 할 수 있다.

(4) 검출 상태에 있는 송신장치(1000)가 디지털 검출 과정을 수행하기 위하여 형성하는 검출 신호는 특정 동작 포인트(operating point)의 전력 신호를 일정한 시간 동안 인가함으로써 형성되는 무선 전력 신호일 수 있다.

여기서의 동작 포인트는 송신 코일부(1400)에 인가되는 전압의 주파수, 듀티 사이클(duty cycle) 및 진폭을 의미할 수 있다.

상기 송신장치(1000)는 상기 특정 동작 포인트의 전력 신호를 인가함으로써 생성된 상기 검출 신호를 일정한 시간 동안 생성하고, 상기 수신장치(2000)로부터 전력 제어 메시지를 수신할 것을 시도할 수 있다.

(5) 한편, 상기 검출 신호에 대한 응답에 해당하는 전력 제어 메시지는 상기 수신장치(2000)가 수신한 무선 전력 신호의 강도(strength)를 나타내는 메시지일 수 있다. 예를 들어, 상기 수신장치(2000)는 상기 검출 신호에 대한 응답으로서 수신된 무선 전력 신호의 강도를 나타내는 메시지가 포함된 신호 강도 패킷(Signal Strength Packet)을 전송할 수 있다. 상기 패킷은 신호 강도를 나타내는 패킷임을 알리는 헤더 및 상기 수신장치(2000)가 수신한 전력 신호의 강도를 나타내는 메시지를 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 메시지 내의 전력 신호의 강도는 상기 송신장치(1000)와 상기 수신장치(2000) 사이의 전력 전송을 위한 유도 결합 또는 공진 결합의 정도(degree of coupling)를 나타내는 값일 수 있다.

(6) 상기 송신장치(1000)는 상기 검출 신호에 대한 응답 메시지를 수신하여 상기 수신장치(2000)를 발견한 후에, 상기 디지털 검출 과정을 연장하여 식별 및 검출 상태로 진입할 수 있다. 즉, 상기 송신장치(1000)는 상기 수신장치(2000)를 발견한 후에 상기 특정 동작 포인트의 전력 신호를 유지하여 상기 식별 및 검출 상태에서 필요한 전력 제어 메시지를 수신할 수 있다.

다만, 상기 송신장치(1000)가 전력을 전달할 수 있는 수신장치(2000)를 발견하지 못한 경우, 상기 송신장치(1000)의 동작 상태는 상기 선택 상태로 되돌아갈 수 있다.

[식별 및 설정 상태(Identification and Configuration Phase)]

(1) 상기 식별 및 설정 상태에서 송신장치(1000)는 수신장치(2000)가 전송하는 식별 정보 및/또는 설정 정보를 수신하여 전력 전달이 효율적으로 이루어지도록 제어할 수 있다.

(2) 상기 식별 및 설정 상태에서 상기 수신장치(2000)는 자신의 식별 정보를 포함하는 전력 제어 메시지를 전송할 수 있다. 이를 위하여, 상기 수신장치(2000)는, 예컨대, 상기 수신장치(2000)의 식별 정보를 나타내는 메시지가 포함된 식별 패킷(Identification Packet)을 전송할 수 있다. 상기 패킷은 식별 정보를 나타내는 패킷임을 알리는 헤더 및 상기 수신장치(2000)의 식별 정보를 포함하는 메시지를 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 메시지는 무선 전력 전송을 위한 규약의 버전을 나타내는 정보, 상기 수신장치(2000)의 제조 업체를 식별하는 정보, 확장 장치 식별자의 유무를 나타내는 정보 및 기본 장치 식별자를 포함하도록 구성될 수 있다. 또한, 상기 확장 장치 식별자의 유무를 나타내는 정보에 확장 장치 식별자가 존재하는 것으로 표시되는 경우, 확장 장치 식별자를 포함한 확장 식별 패킷(Extended Identification Packet) 이 별도로 전송될 수 있다. 상기 패킷은 확장 장치 식별자를 나타내는 패킷임을 알리는 헤더 및 확장 장치 식별자를 포함하는 메시지를 포함하도록 구성될 수 있다. 이와 같이 확장 장치 식별자가 사용되는 경우에, 상기 수신장치(2000)를 식별하기 위하여 상기 제조 업체의 식별 정보, 상기 기본 장치 식별자 및 상기 확장 장치 식별자에 기초한 정보가 사용될 수 있다.

(3) 상기 식별 및 설정 상태에서 상기 수신장치(2000)는 예상 최대 전력에 대한 정보를 포함하는 전력 제어 메시지를 전송할 수 있다. 이를 위하여, 상기 수신장치(2000)는, 예컨대, 설정 패킷(Configuration Packet)을 전송할 수 있다. 상기 패킷은 설정 패킷임을 알리는 헤더 및 상기 예상 최대 전력에 대한 정보를 포함하는 메시지를 포함하도록 구성될 수 있다.

또한 상기 수신장치(2000)는 자신의 허용 가능한 수신허용 전력량에 대한 정보를 포함하는 전력 제어 메시지를 전송할 수 있다. 다만 상기 수신장치(2000)의 허용 가능한 수신허용 전력량에 관한 정보는 식별 및 설정 상태가 아닌 전력 전달 상태에서도 송신장치(1000)로 제공될 수 있다.

상기 메시지는 전력 클래스, 예상 최대 전력에 대한 정보, 무선 전력 송신장치(1000) 측의 주요 셀의 전류를 결정하는 방법을 나타내는 지시자, 선택적인 설정 패킷들의 수를 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 지시자는 무선 전력 전송을 위한 규약에 명시된 대로 상기 송신장치(1000) 측의 주요 셀의 전류가 결정될 것인지 여부를 나타내는 것일 수 있다.

(4) 한편, 상기 송신장치(1000)는 상기 식별 정보 및/또는 설정 정보를 기초로 상기 수신장치(2000)와 전력 충전에 사용되는 전력 전달 규약(power transfer contract)을 생성할 수 있다. 상기 전력 전달 규약은 상기 전력 전달 상태에서의 전력 전달 특성을 결정하는 파라미터들의 한정 사항들(limits)을 포함할 수 있다.

(5) 상기 송신장치(1000)는 상기 전력 전달 상태로 진입하기 전에 상기 식별 및 설정 상태를 종료하고, 상기 선택 상태로 되돌아 갈 수 있다. 예컨대, 상기 송신장치(1000)는 무선으로 전력을 수신할 수 있는 다른 수신장치(2000)를 찾기 위하여 상기 식별 및 설정 상태를 종료할 수 있다.

[전력 전달 상태(Power Transfer Phase)]

(1) 상기 전력 전송 상태에서의 상기 송신장치(1000)는 상기 수신장치(2000)로 전력을 전송한다.

(2) 상기 송신장치(1000)는 전력을 전송하는 도중에 상기 수신장치(2000)로부터 전력 제어 메시지를 수신하고, 상기 수신한 전력 제어 메시지에 대응하여 상기 송신 코일부(1400) 인가되는 전력의 특성을 조절할 수 있다. 예를 들어, 상기 송신 코일의 전력 특성을 조절하기 위해 사용되는 전력 제어 메시지는 제어 오차 패킷(Control Error Packet)에 포함될 수 있다. 상기 패킷은 제어 오차 패킷임을 알리는 헤더와 제어 오차 값을 포함하는 메시지를 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 송신장치(1000)는 상기 제어 오차 값(control error value)에 따라 상기 송신 코일에 인가되는 전력을 조절할 수 있다. 즉, 상기 제어 오차 값이 0인 경우, 수신장치(2000)가 요구하는 제어 포인트(desired control point)와 수신장치(2000)의 실제 제어 포인트(actual control point)가 실질적으로 동일하므로 상기 전송 코일에 인가되는 전류는 유지되고, 음수(negative value)인 경우에 감소되고, 양수(positive value)인 경우에 증가하도록 조절될 수 있다.

(3) 상기 전력 전송 상태에서 상기 송신장치(1000)는 상기 식별 정보 및/또는 설정 정보를 기초로 생성된 전력 전달 규약(power transfer contract) 내의 파라미터들을 모니터링할 수 있다. 상기 파라미터들을 모니터링 한 결과, 상기 수신장치(2000)와의 전력 전송이 상기 전력 전달 규약 내에 포함되어 있는 한정 사항들을 위반하게 되는 경우에는 상기 송신장치(1000)는 상기 전력 전송을 취소하고 선택 상태로 되돌아갈 수 있다.

(4) 한편 상기 전력 전달 규약은 수신장치(2000)가 수신 가능한 최대 전력 량(수신허용전력)과 송신장치(1000)로부터 수신장치(2000)로 전송되는 전력의 특성에 관한 경계 조건(boundary conditions)을 포함할 수 있다. 또한 상기 전력 전달 규약(power transfer contract)은 전송 전력이 증가하여 목표하는 전력 신호의 정상 상태에 도달 전 과도 상태에서 발생하는 오버 슈트(over shoot)와 상기 수신허용전력 또는 목표하는 신규 전력 신호와 상기 수신허용전력을 기초로 설정된 전력 임계값에 관한 정보를 포함할 수 있다.

(5) 상기 송신장치(1000)는 상기 수신장치(2000)로부터 전달된 전력 제어 메시지를 기초로 상기 전력 전송 상태를 종료할 수 있다.

예를 들어, 상기 수신장치(2000)가 전달된 전력을 이용하여 배터리를 충전하는 도중에 상기 배터리의 충전이 완료된 경우, 상기 송신장치(1000)로 무선 전력 전송을 중지할 것을 요청하는 전력 제어 메시지를 전달할 수 있다. 이 경우, 상기 송신장치(1000)는 상기 전력 전송의 중지를 요청하는 메시지를 수신한 후, 무선 전력 전송을 종료하고 상기 선택 상태로 되돌아 갈 수 있다.

또 다른 예를 들어, 상기 수신장치(2000)는 이미 생성된 전력 전달 규약을 갱신하기 위하여 재협상(renegotiation) 또는 재설정(reconfigure)을 요청하는 전력 제어 메시지를 전달할 수 있다. 상기 수신장치(2000)는 현재 전송되는 전력량보다 많거나 적은 양의 전력이 필요한 경우에 상기 전력 전달 규약의 재협상을 요청하는 메시지를 전달할 수 있다. 이 경우, 상기 송신장치(1000)는 상기 전력 전달 규약의 재협상을 요청하는 메시지를 수신한 후, 무선 전력 전송을 종료하고 상기 식별 및 설정 상태로 되돌아 갈 수 있다.

이를 위하여, 상기 수신장치(2000)가 전송하는 메시지는, 예컨대, 도 18에 도시된 바와 같은 전력 전송 중단 패킷(End Power Transfer Packet)일 수 있다. 상기 패킷은 전력 전송 중단 패킷임을 알리는 헤더 및 중단의 이유를 나타내는 전력 전송 중단 코드를 포함하는 메시지를 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 전력 전송 중단 코드는 충전 완료(Charge Complete), 내부 오차(Internal Fault), 과열(Over Temperature), 과전압(Over Voltage), 과전류(Over Current), 배터리 오차(Battery Failure), 재설정(Reconfigure), 무응답(No Response), 알려지지 않은 오차(Unknown) 중 어느 하나를 나타낼 수 있다.

한편 상기 송신장치(1000)는 전송 중이 현재 송신전력과 전송할 목표 전력인 신규 송신전력 그리고 수신허용 전력으로부터 산출된 전력량이 전력 임계값 이상이 되는 경우 전력 전송을 중단할 수 있다.

도 6은 수신장치의 요구 전력 결정 방법에 관한 흐름도이고, 도 7은 송신장치의 전송 전력 결정 방법에 관한 흐름도이다.

<전력 전송 제어>

- 수신장치의 요구 전력 결정 방법.

도 6을 참조하면, 수신장치(2000)는 1) 요구되는 제어 포인트(desired control point)를 결정하는 단계(S210), 2) 실제 제어 포인트(actual control point)를 검출하는 단계(S230), 3) 제어 오차 값(control error value) 생성 단계(S250)를 수행하여 수신하고자 하는 전력, 즉 요구 전력을 결정할 수 있다.

구체적으로 요구되는 제어 포인트(desired control point)를 결정하는 단계(S210)에서 수신장치(2000)는 전압, 전류, 온도 등에 관한 요구되는 제어 포인트를 결정할 수 있다. 그리고 실제 제어 포인트(actual control point)를 검출하는 단계(S230)에서 수신장치(2000)는 실제 전압, 전류, 온도 등에 관한 실제 제어 포인트를 결정할 수 있다. 상기 수신장치(2000)가 상기 실제 제어 포인트를 결정할 때 전압이나 전류 검출, 온도 센싱 등 다양한 방법을 적용할 수 있고, 전력 전송 상태 중 어느 시간에서든 이와 같은 과정을 수행할 수 있다. 그리고 제어 오차 값(control error value) 생성 단계(S250)에서 수신장치(2000)는 예를 들어 요구되는 제어 전압 값과 실제 제어 전압 값의 차이 등을 기초하여 제어 오차 값을 생성할 수 있다. 그리고 상기 제어 오차 값은 양의 값과 음의 값을 지칭하는 파라미터일 수 있고, 요구되는 전력량보다 실제 전력량이 작은 경우 상기 제어 오차 값은 양의 값을 지칭할 수 있고, 요구되는 전력량보다 실제 전력량이 많은 경우 상기 제어 오차 값은 음의 값을 지칭할 수 있으며 요구되는 전력량과 실제 전력량이 동일한 경우, 0(zero) 값을 가질 수 있다.

한편 상기 제어 오차 값은 제어 오차 패킷(control error packet) 형태로 송신장치(1000)로 전송될 수 있다.

상기 제어 오차 값을 수신한 송신장치로부터 신규 송신전력이 수신되면, 전술한 단계를 거쳐 상기 신규 송신전력이 요구된 전력을 만족시키는지 판단할 수 있다.

한편 상기 제어 오차 값을 수신한 송신장치로부터 신규 송신전력이 수신되지 않는 경우, 전력 전송 중단임을 판단할 수 있다. 그리고 상기 송신장치로부터 검출 신호(검출 상태(Ping Phase))가 수신되면 이에 대한 응답으로 전력 제어 메시지를 전송할 수 있다. 그리고 상기 전력 제어 메시지를 수신한 송신장치(1000)는 상기 전력 제어 메시지에 대한 응답으로 무선 전력을 송신할 수 있고, 상기 수신장치(2000)는 상기 무선 전력을 수신할 수 있다. 즉, 검출 상태(Ping Phase) 후 식별 및 설정 상태(Identification and Configuration Phase)로 진입하지 않고 바로 전력 전달 상태(Power Transfer Phase)로 진입할 수 있다.

- 송신장치의 전송 전력 결정 방법.

도 7을 참조하면, 송신장치(1000)는 1) 제어 오차 패킷 수신 단계(S110), 2) 신규 송신 코일 전류 결정 단계(S120), 3) 신규 송신전력 결정 단계(S130), 4) 전력 임계값과 비교 단계(S140), 5) 신규 전력 생성 단계(S150), 6) 전력 전송 중단 단계(S160)을 포함할 수 있다.

송신장치(1000)는 상기 제어 오차 패킷 수신 단계(S110)에서 수신장치(2000)로부터의 제어 오차 패킷을 수신하고, 상기 제어 오차 패킷에 포함된 제어 오차 값을 읽어드릴 수 있다. 그리고 신규 송신 코일 전류 결정 단계(S120)에서 상기 제어 오차 값과 현재 송신 코일부(1400)의 전류에 기초하여 신규 송신 코일 전류를 결정할 수 있다. 그리고 신규 송신전력 결정 단계(S130)에서 상기 신규 송신 코일 전류에 대응하는 신규 송신전력을 결정할 수 있다. 상기 신규 송신 코일 전류에 대응하는 신규 송신전력에 대한 정보는 제어부(103)에 구비된 또는 상기 제어부(130)와 별도로 구비된 메모리에 룩업 테이블로 저장될 수 있고, 상기 제어부(103)는 상기 메모리로부터 상기 신규 송신 코일 전류에 대응하는 신규 송신전력에 대한 정보를 읽어드릴 수 있다. 그리고 전력 임계값과 비교 단계(S140)에서 수신장치(2000)의 수신허용 전력량과 현재 송신 전력량 그리고 상기 신규 송신전력을 전력 임계값과 비교하여 후속 단계로 신규 전력 생성 단계(S150) 또는 전력 전송 중단 단계(S160) 중 어느 하나로 진입할 수 있다.

송신장치(1000)가 신규 전력 생성 단계(S150)로 진입한 경우, 비례, 적분, 미분 제어(Proportional Integral Differential Control; 이하 PID 제어), 즉 PID 제어 단계(S151)을 수행하고, 상기 PID 제어에 기초하여 제어 변수를 결정(S152)할 수 있고, 상기 제어 변수에 기초하여 전력변환부(101)를 제어함(S153)으로써 신규 전력을 송신(S154) 할 수 있다. 그리고 수신장치(1000)는 상기 신규 전력을 수신한 이후, 다음 번 제어 오류 패킷을 송신할 수 있다.

한편 수신장치(2000)가 금번 제어 오류 패킷을 송신한 시점부터 다음 번 제어 오류 패킷을 송신한 시점까지의 시 구간 내에, 상기 수신장치(2000)로부터의 전력 증가 요청 신호에 대응하여, 현재 송신 전력 량을 신규 전력량으로 증가시킬 수 있다. 그리고 상기 시 구간 동안 상기 피드백 방식의 상기 PID 제어는 반복 수행될 수 있다. 즉, 상기 PID 제어를 반복 수행함에 따라, 송신 코일부(1400)에서 실제 생성된 신규 전력과 목표하는 신규 전력의 오차는 줄어들 수 있다.

송신장치(1000)가 전력 전송 중단 단계(S160)로 진입한 경우, 전력 송신을 중단(S161)하고, 검출(Ping) 신호를 송신(S162)할 수 있다. 그리고, 수신장치(2000)로부터 상기 검출 신호에 대한 응답 신호를 수신하면, 기 설정된 전력을 송신(S163)할 수 있다. 상기 기 설정된 전력은 S110 단계를 수신할 당시 송신했던 전력이거나, S130 단계에서 결정된 신규 송신 전력보다 작은 전력이 될 수 있다. 그리고 상기 기 설정된 전력을 수신한 수신장치(2000)로부터 다음 번 제어 오류 패킷을 수신할 수 있다.

이와 같이 송신장치(1000)는 신규 송신전력을 결정한 후, 상기 신규 송신전력의 생성 및 송신 여부를 결정함으로써, 과 전력이 수신장치(2000)로 송신되는 것을 미리 방지할 수 있다.

이와 같이 결정된 신규 송신전력의 출력 여부는 후술할 과정에 기초하여 결정될 수 있다.

<송신장치로부터의 전력 전송 여부 결정 방법>

도 8은 송신장치의 전력 전송 여부 결정 흐름도이다. 그리고 도 9 내지 도 11은 시간에 따라 전력 신호의 과도 상태 및 정상상태를 나타낸 도면이다.

(1) 일반적으로 전력 효율이 100% 아니므로, 송신장치(1000)로부터 출력되는 전력의 일부만이 수신장치(2000)가 수신할 수 있다. 따라서 수신장치(2000)가 요구하는 전력을 전송하기 위하여 상기 송신장치(1000)는 상기 요구 전력보다 더 높은 신규 송신전력을 출력할 필요가 있다.

다만, 전력 효율에 따라서 송신장치(1000)는 수신장치(2000)의 요구 전력을 크게 상회하는 신규 송신전력을 생성할 수 있고, 이 경우, 상기 수신장치(2000)가 수신하는 전력을 제외한 전력의 양에 따라서 상기 수신장치(2000)에 손상을 가할 수 있다. 따라서 이를 방지하기 위하여 상기 송신장치(1000)는 필요한 경우 신규 송신전력을 생성하지 않고, 전력 전송을 중단할 필요가 있다. 이를 구체적으로 설명한다.

(제3 전력의 오버 슈트를 고려하지 않는 경우, 도 9)

(2) 식별 및 설정 상태 또는 전력 전송 단계에서 송신장치(1000)는 수신장치(2000)로부터 상기 수신장치(2000)의 수신 허용 전력량에 관한 정보를 포함한 메시지를 수신할 수 있다. 그리고 전력 전송 단계에서 송신장치(1000)는 제1 전력을 출력할 수 있고, 수신장치(2000)는 전력 효율에 따라 상기 제1 전력 중 일부 전력인 제2 전력을 수신할 수 있다. 그리고 상기 수신장치(2000)가 요구하는 요구 전력량이 상기 제2 전력보다 높은 경우, 수신장치(2000)는 송신 전력 증가 요청 신호(제어 오차 값(control error value)이 양수(positive value))를 포함한 제어 오차 패킷을 송신장치(1000)로 송신할 수 있다.

상기 제어 오차 패킷을 수신한 송신장치(1000)는 상기 제어 오차 패킷의 전력 증가 요청 신호에 기초하여 제1 전력보다 높은 제3 전력량을 결정 할 수 있다.

그 후 송신장치(1000)는 상기 제3 전력량과 상기 수신 허용 전력량에 기초하여 상기 제3 전력의 생성 및 송신 여부를 결정할 수 있다.

상기 제3 전력의 생성 및 송신 여부를 결정하는 방법으로는, 상기 제3 전력량과 상기 수신허용 전력량의 전력 차이 값이 전력 임계값을 초과하는지를 판단할 수 있다.

- 전력 차이 값이 전력 임계값을 초과한 경우(전력 전송 중단)

상기 전력 차이 값이 전력 임계값을 초과하는 경우, 송신장치(1000)는 신규 송신전력인 상기 제3 전력을 최종적으로 생성하지 않고, 전력 전송을 중단할 수 있다.

이와 같이 전력 차이 값이 전력 임계값을 초과하는 경우 전력 전송을 중단하는 이유는, 신규 송신전력인 상기 제3 전력 출력된다면 비록 수신장치(2000)는 자신의 요구 전력량 또는 수신 허용 전력량만큼 전력을 수신할지라도, 이를 제외한 나머지 전력량이 수신장치(2000)의 수신 코일부(2100)에 영향을 끼쳐 상기 수신장치(2000)가 손상되고, 상기 수신장치(2000)의 시스템이 다운될 수 있기 때문이다.

- 전력 차이 값이 전력 임계값 이하인 경우(전력 전송 유지)

만약 전력 차이 값이 전력 임계값을 초과하지 않는 경우, 상기 송신장치(1000)는 상기 제3 전력을 생성하여 전송할 수 있다. 그리고 수신장치(2000)는 전송효율에 따라서 상기 제3 전력의 일부 전력인 제4 전력을 수신할 수 있다. 이 때, 상기 제4 전력은 수신장치(2000)가 요구한 전력일 수 있다. 다만, 수신한 제4 전력이 요구 전력과 차이가 나는 경우, 다음번 제어 오차 패킷을 이러한 오차 정보를 포함시켜 송신 전력의 양을 조절하도록 송신장치(1000)로 요청할 수 있다.

한편 상기 전력 임계값은 상기 수신장치(2000)의 수신 코일이나 시스템에 손상을 가할 수 있을 정도의 전력 임계값으로써, 수신장치(2000)의 특성에 따라서 실험적으로 미리 결정될 수 있다.

또 한편 상기 송신장치(1000)는 수신 허용 전력량에 관한 정보 등을 포함한 수신장치(2000)의 특성 정보를 수신하고, 상기 수신장치(2000)의 특성 정보로부터 전력 임계값을 결정하고, 상기 수신허용 전력량과 제3 전력에 대한 정보를 기초로 상기 제3 전력의 생성 및 송신 여부를 결정할 수 있다.

(제3 전력의 오버슈트를 고려하는 경우, 도 10, 도 11)

(3) 또한 송신장치(1000)는 식별 및 설정 상태 또는 전력 전송 단계에서 송신장치(1000)는 수신장치(2000)로부터 상기 수신장치(2000)의 수신 가능한 허용 전력에 관한 정보를 포함한 메시지를 수신할 수 있다. 그리고 전력 전송 단계에서 송신장치(1000)는 제1 전력을 출력할 수 있고, 수신장치(2000)는 전력 효율에 따라 상기 제1 전력 중 일부 전력인 제2 전력을 수신할 수 있다. 그리고 상기 수신장치(2000)가 요구하는 전력량이 상기 제2 전력보다 높은 경우, 수신장치(2000)는 송신 전력 증가 요청 신호를 포함한 제어 오차 패킷을 송신장치(1000)로 송신할 수 있다.

상기 제어 오차 패킷을 수신한 송신장치(1000)는 상기 송신 전력 증가 요청 신호에 기초하여 상기 요구 전력량을 충족시키기 위한 제3 전력을 결정할 수 있다.

그 후 송신장치(1000)는 상기 제1 전력량, 상기 제3 전력량과 상기 수신 허용 전력량에 기초하여 상기 제3 전력의 생성 및 송신 여부를 결정할 수 있다.

상기 제3 전력의 생성 및 송신 여부를 결정하는 방법으로는, 상기 제3 전력의 과도 상태에서의 오버슈트 피크치(Overshoot peak value)를 결정할 수 있고, 상기 오버슈트 피크치와 상기 수신 허용 전력량의 전력 차이 값이 전력 임계값을 초과하는지를 판단할 수 있다.

상기 전력 차이 값이 전력 임계값을 초과하는 경우, 송신장치(1000)는 상기 제3 전력을 최종적으로 생성하지 않고, 전력 전송을 중단할 수 있다.

상기 오버슈트는 목표하는 제3 전력의 크기에 이르기 전, 전력 신호의 과도 상태에서 상기 제3 전력의 크기를 초과하는 신호의 크기이다. 그리고 첫번째 오버슈트를 최대 오버 슈트(Max Overshoot)로 지칭할 수 있다.

상기 오버슈트 피크치는 제3 전력의 전력 신호의 크기에 의해 달라질 수 있고, 상기 제1 전력으로부터 상기 제3 전력으로의 전력 증가량에 따라서 달라질 수 있다. 그리고 생성할 신규 송신전력의 정보과 현재 출력하는 송신전력의 정보 그리고, 현재 출력되는 송신전력으로부터 신규 송신전력의 증가량과 오버슈트 피크치를 실험적으로 결정한 데이터를 미리 저장하여, 송신장치(1000)가 신규 송신전력을 생성할 때, 이를 참조하여 오버슈트 피크치를 결정할 수 있다.

이처럼 실시예는 수신장치(2000)로부터 피드백되는 전력 제어 정보에 기초하여 송신장치(1000)의 출력 전력을 제어하는 경우, 상기 송신장치(1000)가 출력하는 전력이 순간적으로 높아져, 상기 수신장치(2000)로부터 현재 과도한 전력이 수신된다는 메시지를 피드백 받기도 전에 상기 수신장치(2000)의 시스템이 다운되는 것을 방지할 수 있다.

한편 상기 수신장치(2000)의 허용 수신 전력량은 상기 수신장치(2000)의 종류나 수신측 코일부(2100), 수신측 전력변환부(202)의 허용 용량을 고려하여 결정된 값으로, 이는 전력 전달 규약(power transfer contract)에 포함된 정보가 될 수 있다.

(4-1) 제3 전력이 수신 허용 전력보다 높은 경우, 도 9, 도 10.

송신장치(1000)에서 생성하고자 하는 제3 전력이 수신장치(2000)의 수신 허용 전력보다 높은 경우, 1) 도 9와 같이 수신장치(2000)의 수신 허용 전력과 제3 전력의 차이 값이 전력 임계값을 초과하는지 여부 또는 2) 도 10과 같이 수신장치(2000)의 수신 허용 전력과 제3 전력의 전력 신호의 오버슈트 피크치의 전력 차이 값이 전력 임계값을 초과하는지 여부 중 적어도 하나를 판단할 수 있다. 오버슈트 피크치를 결정할 때, 도면에 도시된 바와 같이 전력 상승량을 함께 고려할 수 있다.

(4-2) 제3 전력이 수신 허용 전력보다 낮은 경우, 도 10.

도 11과 같이 수신장치(2000)의 수신 허용 전력과 제3 전력의 전력 신호의 오버슈트 피크치의 전력 차이 값이 전력 임계치 이상인지 여부를 판단할 수 있고, 이 경우 전력 상승량을 함께 고려할 수 있다.

이와 같이 전력 차이 값을 산출하여 전력 임계치를 초과하는지 판단하여 상기 제3 전력을 생성하지 않고, 전력 전송을 중단할 수 있다.

한편 전력 전송이 중단된 경우, 송신장치(1000)는 검출 상태에 진입하여 수신장치(2000)의 검출을 수행하고, 상기 수신장치(2000)가 검출된 경우, 식별 및 설정 상태를 진입하지 않고, 바로 전력 전송 단계로 진입할 수 있다. 이 경우, 제3 전력 보다 작은 전력, 예를 들어 제1 전력을 전송할 수 있다.

이하 신규 전력을 생성 및 전송하는 방법에 관하여 상술한다.

<전력 전송 제어 방법>

도 12는 전력 전송 제어 방법을 위한 송신장치의 제어부를 상세히 나타낸 도면이다. 그리고 도 13은 전력 전송 상태에서 송신장치의 타이밍도이다.

도 12를 참조하면, 전력 전송 제어 방법으로, 송신장치(1000)의 제어부(103)는 송신 코일부(1400)의 전류를 제어하여 새로운 송신 코일 전류가 되도록 할 수 있다. 이러한 전력 전송 제어는 proportional integral differential(PID) algorithm에 기반하여 실행될 수 있다.

PDI 알고리즘을 실행하기 위하여 송신장치(1000)는 제1 연산기(11)와 제2 연산기(15) 그리고 비례 제어기(12a), 적분 제어기(12b), 미분 제어기(12c)를 포함할 수 있고, 또한 제1 내지 제5 증폭기(13a, 13b, 13c, 13d, 13e) 그리고 제1 및 제2 합산기(14a, 14b)를 포함할 수 있으며, 다음과 같은 과정을 수행하여 전력변환부(101)을 제어 할 수 있다.

이하의 j=1, 2, 3,..은 송신장치(1000)가 수신한 제어 오차 패킷(Control Error Packet)의 순번을 지칭할 수 있다. 그리고 상기 제1 내지 제5 증폭기(13a, 13b, 13c, 13d, 13e) 각각은 증폭기, 버퍼, 지연기 중 적어도 하나의 기능을 가질 수 있다.

(1) 새로운 송신 코일 전류 계산 단계.

1) 송신장치(1000)의 제1 연산기(11)가 j(th) 제어 오차 패킷(Control Error Packet)을 수신하면 수학식 3에 따라 새로운 송신 코일 전류(td(j))를 계산할 수 있다.

수학식 3

2) 여기서 ta(j-1)은 이전 제어 오차 패킷 c(j-1)에 따라 결정된, 실제(현재) 송신 코일 전류(actual Primary Cell current)를 지칭하고, c(j)는 j(th) 제어 오차 패킷(Control Error Packet)에 포함된 제어 오차 값(Control Error Value)를 지칭할 수 있다. 또한 ta(0)은 전력 전송 상태의 시작 시점의 송신 코일부(1400)의 전류를 의미할 수 있다.

상기 송신 코일 전류에 기초하여 송신 코일부(1400)에 자기장이 발생하여 출력 전력이 생성될 수 있다.

3) 상기 제1 연산기(11)는 j번째 제어 오차 패킷(Control Error Packet) 및 제1 증폭기(13a)를 통해 실제 송신 코일 전류 ta(j-1)을 입력 받아 상기 수학식 3에 따른 연산 과정을 거친 후 새로운 송신 코일 전류 td(j)를 계산하여 출력 할 수 있다.

4) 만약 제어 오차 값(Control Error Value)인 c(j)가 0이 아닌 경우(non-zero), 송신장치(1000)는 기 설정된 시간(도 13의 t_active) 동안 송신 코일 전류를 조절할 수 있다. 이를 위해 송신장치(1000)는 후술할 스텝을 포함하는 루프(loop)를 실행할 수 있다.

여기서 i=1, 2, 3,..max는 루프의 반복 횟수를 지칭할 수 있다.

(2) 전력 전송 중단 여부 결정 단계.

계산된 새로운 송신 코일 전류(ta(j))에 기초하여 신규 송신 전력을 결정할 수 있다. 상기 신규 송신 전력과 현재 송신 코일 전류(ta(j-1))에 따른 현재 송신 전력량과, 수신장치(2000)의 수신허용 전력량 그리고 전력 임계값의 비교 결과에 따라 상기 신규 송신 전력을 생성하지 않고 전력 전송을 중단하거나, 후술할 스텝에 따라 상기 신규 송신 전력 생성 및 송신할 수 있다.

(3) 오차(error) 계산 단계.

1) 송신장치(1000)는 수학식 4에 따라 새로운 송신 코일 전류(td(j))와 i-1번째 루프에 따른 실제 송신 코일 전류(ta(j,i-1))의 차이에 따라 i번째 루프에서의 오차( error)를 계산할 수 있다.

수학식 4

여기서 ta(j, i-1)는 i-1번째 루프에 의해 결정된 송신 코일 전류를 지칭할 수 있다. 여기서 ta(j,0)은 루프의 시작 시점에서의 실제 송신 코일 전류를 지칭할 수 있다.

2) 상기 제1 합산부(14a)는 새로운 송신 코일 전류 td(j)와 제2 증폭기(13a)로부터의 i-1번째 루프에 의해 결정된 실제 송신 코일 전류 ta(j, i-1)을 합산하여 오차(error)를 계산하고 계산된 오차를 PID 제어기(12)로 출력할 수 있다.

(4) 제어량 계산 단계.

1) 송신장치(1000)의 PID 제어기(12)는 오차에 비례하여 제어량을 변화시키 위한 비례 제어(P), 오차를 적분하여 제어하는 적분 제어(I) 및 오차의 변화량을 통해 제어량을 결정하는 미분 제어(D)를 실행할 수 있다.

PID 제어기(12)는 수학식 5에서 표현된 바와 같이 비례 요소(proportional term), 적분 요소(integral term) 및 미분 요소(derivative term)를 계산할 수 있다. 구체적으로 비례 제어기(12a)는 오차에 기초하여 비례 요소 P(j,i)를 계산하고, 적분 제어기(12b)는 오차의 누적값에 기초하여 적분 요소 I(j,i)를 계산하며, 미분 제어기(12c)는 오차의 변화량에 기초하여 미분 요소 D(j,i)를 계산할 수 있다.

수학식 5

2) 여기서 Kp는 비례 게인(Gain)이고, Ki는 적분 게인이며, Kd는 미분 게인이다. 그리고 t_inner은 하나의 루프가 반복되는데 요구되는 시간이다. 그리고 적분 항 I(j,0)=0, 오차 e(j,0)=0이다. 그리고 송신장치(1000)는 적분 항 I(j,i)는 M_I..+M_I 범위 내로 제한할 수 있고, 필요에 따라서 계산된 적분 요소 I(j,i)를 적절한 경계값으로 변경할 수 있다. 여기서 M_I는 적분 요소 제한 파라미터(Integral term limit Parameter)이다.

3) 상기 적분 제어기(12b)의 출력 신호는 제4 증폭기(13d)를 경유하여 자신의 입력으로 피드백 될 수 있고, 이 때 피드백된 출력 신호는 전회(i-1번째) 루프의 적분항(I(j,i-1))이다. 또한 미분 제어기(12c)의 입력 신호는 제3 증폭기(13c)를 경유하여 상기 미분 제어기(12c)로 입력될 수 있고, 이 때 입력 신호는 전회(i-1번째) 루프의 오차(e(j,i-1))이다..

4) 송신장치(1000)의 제2 합산기(14b)는 수학식 6과 같이, 비례 제어기(12a)로부터 출력되는 비례 요소 P(j,i), 적분 제어기(12b)로부터 출력되는 적분 요소 I(j,i) 및 미분 제어기(12c)로부터 출력되는 미분 요소 D(j,i)를 합산(sum)하여 금회(i) 제어량 PID(j,i)를 계산할 수 있다.

수학식 6

5) 이러한 계산에 따라 송신장치(1000)는 금회(i) 제어량 PID(j,i)를 출력할 수 있고, 상기 금회(i) 제어량 PID(j,i)는 –M_PID..+M_PID 범위 내로 제한할 수 있다. 여기서 M_PID는 제어량 제한 파라미터(PID output limit Parameter)이다.

(5) 새로운 제어 변수 값 계산 단계.

1) 송신장치(1000)는 수학식 7을 기초한 새로운 제어 변수(controlled variable) 값을 계산할 수 있다.

수학식 7

2) 여기서 Sv는 제어 변수에 기초한 스케링 팩터(scaling factor)를 지칭할 수 있다. 또한 제어 변수 v(i,0)=v(j-1, i_max)이고, v(0,0)은 전력 전송 상태의 시작 시점에서의 제어 변수의 실제 값(actual value of the controlled variable)을 지칭할 수 있다. 그리고 상기 제어 변수는 동작 주파수(Operating Frequency), 직류/교류 변환부(1200)의 듀티 싸이클(duty cycle) 또는 직류/교류 변환부(1200)의 입력 전압 중 어느 하나가 될 수 있다. 만약 계산된 v(j,i)가 기 설정 범위를 초과하는 경우 송신장치(1000)는 상기 계산된 v(j,i)를 적절한 한계값으로 변경할 수 있다.

3) 제2 연산기(15)는 입력되는 금회(i) 제어량 PID(j,i)과 자신의 출력이 제5 증폭기(13e)를 경유하여 피드백 되는, 전회(i-1번째) 루프의 제어 변수 값을 기초하여 상기 수학식 7에 따라 새로운 제어 변수 값 v(j,i)을 계산할 수 있다.

(6) 새로운 제어 변수를 기초하여 전력변환부를 제어하는 단계.

1) 송신장치(1000)는 새로운 값의 제어 변수 v(j,i)를 직류/교류 변환부(1200)에 적용할 수 있다. 또한, 상기 제어 변수는 교류/직류 변환부(1100)의 출력 전압이 될 수 있고, 이 경우, 상기 송신장치(1000)는 상기 새로운 값의 제어 변수 v(j,i)를 상기 교류/직류 변환부(1100)의 출력 전압에 적용하여 상기 직류/교류 변환부(1200)로 입력되는 입력 전압을 조절할 수 있다.

2) 송신장치(1000)는 새로운 값의 제어 변수 v(j,i)에 기초하여 제1 연산부(11)에 의해 결정된 송신 코일 전류(ta(j,i))에 따른 신규 전력을 생성할 수 있다.

(7) 한편 도 10을 참조하면, 송신장치(1000)는 송신 코일 전류(ta(j))를 j(th) 제어 오차 패킷의 수신 종료 시점 이후 t_delay+t_active+t_settle 시간 동안 결정할 수 있다.

여기서 t_delay는 이전 제어 오차 패킷을 수신 후 상기 이전 제어 오차 패킷에 따른 전력 제어를 수행하는데 지연되는 시간을 의미할 수 있고, t_active는 상기 이전 제어 오차 패킷에 따라 전력 제어를 수행(도면에 따른 예로 전송 전력 증가)하는데 걸린 시간을 의미 할 수 있으며, t_settle는 목표하는 전력 값의 정착 시간을 의미할 수 있다.

한편, PID 제어기(12)의 게인들(Ki, Ki, Kd)와, 적분 항 제한 파라미터(M_I), PID 출력 제한 파라미터(M_PID), v(j,i)가 기 설정 범위를 초과하는 경우를 판단할 때의 상기 기 설정 범위와 상기 스케링 팩터(Sv)는 전력 전달 규약(power transfer contract)의 전송 전력 특성, 송신장치(1000)의 스펙, 송신 코일부(1400)의 규격과 용량 등을 고려하여 결정될 수 있다.

또한 상기 전력 전달 규약(power transfer contract)은 전력 임계값에 관한 정보를 포함할 수 있다.

이와 같이, 상기 제어 오차 패킷을 수신하는 송신장치(1000)는 새로운 송신 코일 전류를 결정하고 상기 새로운 송신 코일 전류에 기초하여 신규 송신 전력을 결정할 수 있다. 그리고 상기 신규 송신 전력량에 따라, 상기 신규 송신 전력을 생성하지 않고 무선 전력 송신을 중단하거나, 상기 신규 송신 전력을 생성하여 무선 전력 송신을 지속할 수 있다.

실시예에 따르면, 송신장치(1000)와 수신장치(2000)의 미스 얼라인으로 인하여 결합 계수가 낮은 경우, 상기 송신장치(1000)로부터 출력되는 전력 대비 상기 수신장치(2000)의 수신전력이 낮아, 상기 수신장치(2000)는 더 많은 전력을 요구할 수 있어 상기 송신장치(1000)의 송신 전력 량은 증가할 수 있다. 이 때, 증가된 송신 전력을 생성하기 전, 송신 전력을 전력 임계치와 비교하여 송신하기에 적절한지를 미리 판단하고, 그에 따라 전력 생성 및 송신 여부를 결정함으로써, 과도한 송신 전력 및 과도한 송신 전력에 따른 발열에 기인하여 수신장치(2000)가 손상되는 문제를 해결할 수 있다.

특히 차량 무선 충전 시스템과 같이, 송신장치(1000)와 수신장치(2000)가 차량의 흔들림 등의 원인으로 미스 얼라인이 순간적이고 반복적으로 일어나는 경우, 송신장치(1000)의 송신 전력이 순간적으로 급변할 수 있으나, 수신장치(2000)의 안정성을 고려하여 송신 전력의 생성 자체를 결정할 수 있으므로, 상기 수신장치(2000)에 손상을 가하는 것을 미연에 방지할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술할 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.

11 제1 연산기
12 PID 제어기
12a 비례 제어기
12b 적분 제어기
12c 미분 제어기
13a 제1 증폭기
13b 제2 증폭기
13c 제3 증폭기
13d 제4 증폭기
13e 제5 증폭기
14a 제1 합산부
14b 제2 합산부
15 제2 연산기
101 전력변환부
102 송신측 공진회로부
103 제어부
1100 송신측 교류/직류 변환부(1600
1110 정류기
1120 송신측 직류/직류 변환부
1200 송신측 직류/교류 변환부
1300 송신측 임피던스 매칭부
1400 송신 코일부
1500 송신측 통신 및 제어부
1510 송신측 제어부
1520 송신측 통신부
1600 검출부
2000 수신장치
2100 수신측 코일부
201, 2120 수신측 공진회로부
2200 수신측 임피던스 매칭부
202 수신측 전력변환부
2300 수신측 교류/직류 변환부
2400 수신측 직류/직류 변환부
2500 부하부
2510 배터리
2520 배터리 관리부
2600 수신측 통신 및 제어부
203, 2610 수신측 제어부
2620 수신측 통신부

Claims (2)

1. 송신기로부터 수신기에 무선으로 전력을 전송하는 방법으로서,
   상기 수신기의 검출을 위한 신호를 송신하는 단계;
   상기 수신기로부터 식별 신호를 수신하는 단계;
   상기 수신기로 제1 전력을 전송하는 단계;
   상기 수신기로부터 전력 증가 요청 신호를 수신하는 단계;
   상기 송신기의 제1송신코일 전류 및 상기 전력 증가 요청 신호에 기초하여 제2 송신코일 전류를 결정하는 단계;
   상기 제2 송신코일 전류에 기초하여 제2 전력을 결정하는 단계; 및
   상기 제2 전력과 상기 수신기의 수신허용 전력량 그리고 전력 임계값을 비교하여 상기 제2 전력의 송신 여부를 결정하는 단계;를 포함하고,
   상기 제2 전력의 송신 여부를 결정하는 단계는, 상기 수신허용 전력량과 상기 제2 전력의 차이 값인 제1 차이 전력량과 상기 전력 임계값을 비교하여 상기 제2 전력의 송신 여부를 결정하거나, 상기 수신허용 전력량과 상기 제2 전력의 오버슈트 피크치의 차이 값인 제2 차이 전력량과 상기 전력 임계값을 비교하여 상기 제2 전력의 송신 여부를 결정하는 전력 전송 방법.
2. 무선 전력 송신을 위한 송신 코일;
   상기 송신 코일에 전력을 출력하는 전력변환기;
   상기 송신 코일에 출력되는 전력의 양을 제어하기 위해 상기 전력변환기를 제어하는 제어기;
   상기 제어기는,
   수신기로부터의 전력 증가 요청 신호에 기초하여 신규 전력을 결정하고,
   상기 수신기의 수신허용 전력량과 상기 신규 전력의 차이 값인 제1 차이 전력량과 전력 임계값을 비교하여 상기 신규 전력의 생성 여부를 결정하거나, 상기 수신허용 전력량과 상기 신규 전력의 오버슈트 피크치의 차이 값인 제2 차이 전력량과 상기 전력 임계값을 비교하여 상기 신규 전력의 생성 여부를 결정하는 송신기.
   

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