KR20170114461A - 무선 충전 시스템 및 그를 위한 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 무선 충전 시스템을 이용한 무선 충전 시스템 및 그를 위한 장치에 과한 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치는 무선 전력 신호를 수신하기 위해 동일 평면에 일부 중첩되도록 배치되는 제1 내지 제N 수신 코일과 상기 제1 내지 제N 수신 코일 중 적어도 어느 하나에 의해 유도된 교류 전력을 전달하기 위해 상기 제1 내지 제N 수신 코일 각각의 양 종단이 연결되도록 형성된 제1 내지 제N 출력 단자와 상기 제1 내 제N 출력 단자로부터 입력되는 상기 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 정류기를 포함할 수 있다. 따라서, 본 발명은 충전 중단을 최소화시킬 뿐만 아니라 무선 전력 송신 장치의 제조 비용을 최소화시킬 수 있는 장점이 있다.

Description

무선 충전 시스템 및 그를 위한 장치{Wireless charging system and apparatus thereof}
본 발명은 무선 충전 기술에 관한 것으로서, 상세하게, 충전 베드상의 충전 음영 지역을 제거함으로써, 충전 가능 영역을 최대화시키는 것이 가능한 무선 충전 시스템 및 그를 위한 장치들에 관한 것이다.
최근 정보 통신 기술이 급속도로 발전함에 따라, 정보 통신 기술을 기반으로 하는 유비쿼터스 사회가 이루어지고 있다.
언제 어디서나 정보통신 기기들이 접속되기 위해서는 사회 모든 시설에 통신 기능을 가진 컴퓨터 칩을 내장시킨 센서들이 설치되어야 한다. 따라서 이들 기기나 센서의 전원 공급 문제는 새로운 과제가 되고 있다. 또한 휴대폰뿐만 아니라 블루투스 핸드셋과 아이팟 같은 뮤직 플레이어 등의 휴대기기 종류가 급격히 늘어나면서 배터리를 충전하는 작업이 사용자에게 시간과 수고를 요구하고 됐다. 이러한 문제를 해결하는 방법으로 무선 전력 전송 기술이 최근 들어 관심을 받고 있다.
무선 전력 전송 기술(wireless power transmission 또는 wireless energy transfer)은 자기장의 유도 원리를 이용하여 무선으로 송신기에서 수신기로 전기 에너지를 전송하는 기술로서, 이미 1800년대에 전자기유도 원리를 이용한 전기 모터나 변압기가 사용되기 시작했고, 그 후로는 라디오파나 레이저와 같은 전자파를 방사해서 전기에너지를 전송하는 방법도 시도되었다. 우리가 흔히 사용하는 전동칫솔이나 일부 무선면도기도 실상은 전자기유도 원리로 충전된다.
현재까지 무선을 이용한 에너지 전달 방식은 크게 전자기 유도 방식, 전자기 공진(Electromagnetic Resonance) 방식 및 단파장 무선 주파수를 이용한 RF 전송 방식 등으로 구분될 수 있다.
전자기 유도 방식은 두 개의 코일을 서로 인접시킨 후 한 개의 코일에 전류를 흘려보내면 이 때 발생한 자속(MagneticFlux)이 다른 코일에 기전력을 일으키는 현상을 사용한 기술로서, 휴대폰과 같은 소형기기를 중심으로 빠르게 상용화가 진행되고 있다. 자기 유도 방식은 최대 수백 키로와트(kW)의 전력을 전송할 수 있고 효율도 높지만 최대 전송 거리가 1센티미터(cm) 이하이므로 일반적으로 충전기나 바닥에 인접시켜야 하는 단점이 있다.
전자기 공진 방식은 전자기파나 전류 등을 활용하는 대신 전기장이나 자기장을 이용하는 특징이 있다. 자기 공진 방식은 전자파 문제의 영향을 거의 받지 않으므로 다른 전자 기기나 인체에 안전하다는 장점이 있다. 반면, 한정된 거리와 공간에서만 활용할 수 있으며 에너지 전달 효율이 다소 낮다는 단점이 있다.
단파장 무선 전력 전송 방식-간단히, RF 전송 방식-은 에너지가 라디오 파(RadioWave)형태로 직접 송수신될 수 있다는 점을 활용한 것이다. 이 기술은 렉테나(rectenna)를 이용하는 RF 방식의 무선 전력 전송 방식으로서, 렉테나는 안테나(antenna)와 정류기(rectifier)의 합성어로서 RF 전력을 직접 직류 전력으로 변환하는 소자를 의미한다. 즉, RF 방식은 AC 라디오파를 DC로 변환하여 사용하는 기술로서, 최근 효율이 향상되면서 상용화에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
무선 전력 전송 기술은 모바일 뿐만 아니라 IT, 철도, 자동차, 가전 산업 등 산업 전반에 다양하게 활용될 수 있다.
일반적으로, 폐루프 송신 코일의 권선을 중심으로 내부와 외부는 전자기장의 방향이 반대이고 이에 따라, 폐루프 송신 코일의 권선 주변에는 충전 음영 영역이 존재한다.
만약, 무선 전력 수신 장치의 수신 코일이 충전 음영 영역에 위치하는 경우, 무선 충전이 정상적으로 이루어질 수 없는 문제점이 있다.
이에 따라, 종래에는 충전 베드의 최외곽에 폐루프 송신 코일을 배치함으로써, 충전 음영 영역을 최소화시키려는 시도가 있었다.
하지만, 종래의 방식이 적용된 무선 충전 시스템은 폐루프 송신 코일의 외부 영역에 형성되는 충전 가능 영역을 사용할 수 없을 뿐만 아니라 폐루프 송신 코일의 면적에 해당되는 크기의 차폐재가 무선 전력 송신 장치에 사용되어야 하는 문제점이 있었다.
또한, 종래의 방식이 적용된 무선 충전 시스템은 폐루프 송신 코일을 충전 베드의 최외곽에 배치함에 따라 사용되는 송신 코일의 길이가 증가하는 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로, 본 발명의 목적은 무선 충전 시스템 및 그를 위한 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 충전 음영 영역을 제거하는 것이 가능한 무선 충전 시스템 및 그를 위한 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 충전 가능 영역을 극대화시키는 것이 무선 충전 시스템 및 그를 위한 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 수신 코일 간 결합계수가 최소 값을 가지는 무선 전력 수신 패드를 무선 전력 수신 장치에 탑재함으로써, 충전 음영 영역을 제거하는 것이 가능한 무선 충전 시스템 및 그를 위한 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 무선 충전 시스템을 이용한 무선 충전 시스템 및 그를 위한 장치 들을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치는 무선 전력 신호를 수신하기 위해 동일 평면에 일부 중첩되도록 배치되는 제1 내지 제N 수신 코일과 상기 제1 내지 제N 수신 코일 중 적어도 어느 하나에 의해 유도된 교류 전력을 전달하기 위해 상기 제1 내지 제N 수신 코일 각각의 양 종단이 연결되도록 형성된 제1 내지 제N 출력 단자와 상기 제1 내 제N 출력 단자로부터 입력되는 상기 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 정류기를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 내지 제N 수신 코일 중 임의의 2개의 수신 코일 사이의 결합 계수가 0 또는 소정 기준치 이하인 값을 갖도록 상기 중첩되는 영역의 크기가 결정될 수 있다.
또한, 상기 제1 내지 제N 수신 코일의 권선이 상호 고리를 형성되도록 상기 제1 내지 제N 수신 코일이 배치될 수 있다.
또한, 상기 제1 내지 제N 수신 코일 각각은 부채꼴의 형태를 가지도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 일부 중첩되도록 배치된 상기 제1 내지 제N 수신 코일의 전체적인 외형이 원의 형태를 가질 수 있다.
또한, 상기 부채꼴의 내각은 360을 상기 N으로 나눈 값일 수 있다.
또한, 상기 부채꼴를 이루는 수신 코일의 권선 중 직선 구간의 권선이 상호 평행하도록 상기 제1 내지 제N 수신 코일이 배치될 수 있다.
또한, 상기 N은 3이상일 수 있다.
또한, 상기 제1 내지 제N 수신 코일 중 임의의 2개의 수신 코일 사이에 중첩되는 영역의 면적이 모두 동일하도록 상기 제1 내지 제N 수신 코일이 배치될 수 있다.
또한, 상기 출력 단자 별 상기 정류기가 구비될 수 있다.
또한, 상기 무선 전력 신호는 소정 공진 주파수로 변조되어 무선으로 수신되는 교류 전력 신호일 수 있다.
또한, 상기 제1 내지 제N 수신 코일 중 적어도 하나의 권선 내부 일측에 온도 측정을 위한 온도 센서가 더 구비될 수도 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 패드는 무선 전력 수신 장치가 배치되고 평면 형태를 가지는 충전 베드과 상기 충전 베드의 최외곽으로부터 내측으로 일정 거리 이격되어 상기 충전 베드의 하단에 폐루프의 형태로 장착되는 송신 코일과 상기 폐루프의 내부 면적이 커버되도록 상기 송신 코일의 하단에 장착되는 차폐재를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 상기 내측으로 이격되는 일정 거리는 상기 폐루프의 외곽으로 형성되는 충전 가능 영역이 상기 충전 베드에 모두 포함될 수 있는 최소값으로 결정될 수 있다.
또한, 상기 폐루프의 외곽으로 형성되는 충전 가능 영역은 상기 송신 코일을 통해 전송 가능한 최대 전력의 세기 또는 상기 무선 전력 송신 패드가 장착되는 무선 전력 송신 장치의 등급에 기반하여 결정될 수 있다.
또한, 상기 차폐재의 면적은 상기 폐루프의 내부 면적보다 크거나 같고, 상기 충전 베드의 면적보다 작은 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 무선 전력 수신 장치를 상기 충전 베드에 배치 가능한 영역에서 상기 폐루프의 내부 영역을 제외한 영역도 충전 가능 영역일 수 있다.
또한, 상기 무선 전력 송신 패드는 전자기 공진 방식으로 무선 전력을 전송하는 무선 전력 송신 장치에 탑재될 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 무선 충전 시스템은 따른 전자기 신호를 수신하기 위해 동일 평면에 일부 중첩되도록 배치되는 제1 내지 제N 수신 코일과 상기 제1 내지 제N 수신 코일에 의해 유도된 교류 전력을 전달하기 위해 상기 제1 내지 제N 수신 코일 각각의 양 종단을 연결하도록 형성된 제1 내 제N 출력 단자와 상기 제1 내 제N 출력 단자로부터 입력되는 상기 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 정류기를 포함하여 구성된 무선 전력 수신 장치와 상기 무선 전력 수신 장치가 배치되며 평면 형태를 가지는 충전 베드와 상기 충전 베드의 최외곽으로부터 내측으로 일정 거리 이격되어 상기 충전 베드의 하단에 폐루프의 형태로 장착되는 송신 코일과 상기 폐루프의 내부 면적이 커버되도록 상기 송신 코일의 하단에 장착되는 차폐재를 포함하여 구성된 무선 전력 송신 장치를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 폐루프를 형성하는 권선 주변으로 충전 음영 영역이 존재하며, 상기 제1 내지 제N 수신 코일 중 적어도 하나의 수신 코일이 상기 충전 음영 영역에 위치되지 않도록 상기 제1 내지 제N 수신 코일이 상기 무선 전력 수신 장치에 배치될 수 있다.
또한, 상기 제1 내지 제N 수신 코일 중 임의의 2개의 수신 코일 사이의 결합 계수가 0 또는 소정 기준치 이하인 값을 갖도록 상기 중첩되는 영역의 크기가 결정될 수 있다.
또한, 상기 무선 전력 송신 장치는 전자기 공진 방식으로 상기 무선 전력 수신 장치에 무선 전력을 전송할 수 있다.
상기 본 발명의 양태들은 본 발명의 바람직한 실시예들 중 일부에 불과하며, 본원 발명의 기술적 특징들이 반영된 다양한 실시예들이 당해 기술분야의 통상적인 지식을 가진 자에 의해 이하 상술할 본 발명의 상세한 설명을 기반으로 도출되고 이해될 수 있다.
본 발명에 따른 방법 및 장치에 대한 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 무선 충전 시스템 및 그를 위한 장치를 제공하는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 충전 베드상의 차폐재 및 송신 코일의 적용 면적을 최소화시킴으로써 무선 전력 송신 장치의 제조 비용을 효과적으로 절감할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 폐루프 송신 코일 외곽에 형성되는 충전 가능 영역을 사용함으로써, 충전 가능 영역을 극대화시키는 것이 무선 충전 시스템 및 그를 위한 장치를 제공하는 장점이 있다.
본 발명은 수신 코일 간 결합계수가 최소 값을 가지는 무선 전력 수신 패드를 무선 전력 수신 장치에 탑재함으로써, 충전 음영 영역을 제거하는 것이 가능한 무선 충전 시스템 및 그를 위한 장치를 제공하는 장점이 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이하에 첨부되는 도면들은 본 발명에 관한 이해를 돕기 위한 것으로, 상세한 설명과 함께 본 발명에 대한 실시예들을 제공한다. 다만, 본 발명의 기술적 특징이 특정 도면에 한정되는 것은 아니며, 각 도면에서 개시하는 특징들은 서로 조합되어 새로운 실시예로 구성될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전 시스템의 구조를 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신기의 타입 및 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 수신기의 타입 및 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전 시스템의 등가 회로도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신기에서의 상태 천이 절차를 설명하기 위한 상태 천이도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 수신기의 상태 천이도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 VRECT에 따른 무선 전력 수신기의 동작 영역을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전 시스템의 구성도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전 절차를 설명하기 위한 흐름도이다.
도 10은 종래 기술에 따른 전자기 공진 방식을 지원하는 무선 충전 시스템에서의 문제점을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 종래 기술에 따른 전자기 공진 방식을 지원하는 무선 충전 시스템에서의 문제점을 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 종래 기술에 따른 무선 전력 송신 패드의 적층 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전 시스템의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치의 적층 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치에 장착되는 멀티 수신 코일의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치의 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
이하, 본 발명의 실시예들이 적용되는 장치 및 다양한 방법들에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
이상에서, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합되거나 결합되어 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 그 모든 구성 요소들이 각각 하나의 독립적인 하드웨어로 구현될 수 있지만, 각 구성 요소들의 그 일부 또는 전부가 선택적으로 조합되어 하나 또는 복수 개의 하드웨어에서 조합된 일부 또는 전부의 기능을 수행하는 프로그램 모듈을 갖는 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수도 있다. 그 컴퓨터 프로그램을 구성하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 본 발명의 기술 분야의 당업자에 의해 용이하게 추론될 수 있을 것이다. 이러한 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 저장매체(Computer Readable Media)에 저장되어 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써, 본 발명의 실시예를 구현할 수 있다. 컴퓨터 프로그램의 저장매체로서는 자기 기록매체, 광 기록매체, 캐리어 웨이브 매체 등이 포함될 수 있다.
실시예의 설명에 있어서, 각 구성 요소의 " 상(위) 또는 하(아래)", "전(앞) 또는 후(뒤)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상(위) 또는 하(아래)" 및"전(앞) 또는 후(뒤)"는 두 개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되거나 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 배치되어 형성되는 것을 모두 포함한다.
또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥 상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
실시예의 설명에 있어서, 무선 전력 시스템상에서 무선 전력을 송신하는 장치는 설명의 편의를 위해 무선 파워 송신기, 무선 파워 송신 장치, 무선 전력 송신 장치, 무선 전력 송신기, 송신단, 송신기, 송신 장치, 송신측, 무선 파워 전송 장치, 무선 파워 전송기 등을 혼용하여 사용하기로 한다.
또한, 무선 전력 송신 장치로부터 무선 전력을 수신하는 장치에 대한 표현으로 설명의 편의를 위해 무선 전력 수신 장치, 무선 전력 수신기, 무선 파워 수신 장치, 무선 파워 수신기, 수신 단말기, 수신측, 수신 장치, 수신기 등이 혼용되어 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 무선 전력 송신기는 패드 형태, 거치대 형태, AP(Access Point) 형태, 소형 기지국 형태, 스텐드 형태, 천장 매립 형태, 벽걸이 형태, 차량 매립 형태, 차량 거치 형태 등으로 구성될 수 있으며, 하나의 무선 전력 송신기는 복수의 무선 전력 수신기에 동시 또는 시분할하여 전력을 전송할 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 무선 전력 송신기는 무선 마우스의 충전을 위한 마우스 패드의 형태로 구성될 수 있다.
이를 위해, 무선 전력 송신기는 적어도 하나의 무선 전력 전송 수단을 구비할 수도 있다.
또한, 본 발명에 따른 무선 전력 송신기는 다른 무선 전력 송신기와 네트워크 연결되어 연동될 수 있다. 일 예로, 무선 전력 송신기는 블루투스와 같은 근거리 무선 통신을 이용하여 상호 연동될 수 있다. 다른 일 예로, 무선 전력 송신기는 WCDMA(Wideband Code Division Multiple Access), LTE(Long Term Evolution)/LTE-Advanced, Wi-Fi 등의 무선 통신 기술을 이용하여 상호 연동될 수도 있다.
본 발명에 적용되는 무선 전력 전송 수단은 전력 송신단 코일에서 자기장을 발생시켜 그 자기장의 영향으로 수신단 코일에서 전기가 유도되는 전자기 유도 원리를 이용하여 충전하는 전자기 유도 방식에 기반한 다양한 무전 전력 전송 표준이 사용될 수 있다. 여기서, 전자기 유도 방식의 무선파워 전송 표준은 WPC(Wireless Power Consortium) 또는/및 PMA(Power Matters Alliance)에서 정의된 전자기 유도 방식의 무선 충전 기술을 포함할 수 있다.
다른 일 예로, 무선 전력 전송 수단은 무선 파워 송신기의 송신 코일에 의해 발생되는 자기장을 특정 공진 주파수에 동조하여 근거리에 위치한 무선 파워 수신기에 전력을 전송하는 전자기 공진(Electromagnetic Resonance) 방식이 이용될 수도 있다. 일 예로, 전자기 공진 방식은 무선 충전 기술 표준 기구인 A4WP(Alliance for Wireless Power)에서 정의된 공진 방식의 무선 충전 기술을 포함할 수 있다.
또 다른 일 예로, 무선 전력 전송 수단은 RF 신호에 저전력의 에너지를 실어 원거리에 위치한 무선 파워 수신기로 전력을 전송하는 RF 무선 파워 전송 방식이 이용될 수도 있다.
본 발명의 또 다른 일 예로, 본 발명에 따른 무선 전력 송신기는 상기한 전자기 유도 방식, 전자기 공진 방식, RF 무선 파워 전송 방식 중 적어도 2개 이상의 무선 전력 전송 방식을 지원할 수 있도록 설계될 수도 있다.
이 경우, 무선 전력 송신기는 접속된 무선 전력 수신기가 지원 가능한 무선 전력 전송 방식으로 전력을 전송할 수 있다. 일 예로, 무선 전력 수신기가 복수의 무선 전력 전송 방식을 지원하는 경우, 무선 전력 송신기는 해당 무선 전력 수신기를 위한 최적의 무선 전력 전송 방식을 선택하고, 선택된 무선 전력 전송 방식으로 전력을 전송할 수도 있다. 다른 일 예로, 무선 전력 송신기는 무선 전력 수신기의 타입, 전력 수신 상태, 요구되는 전력 등에 기반하여 적응적으로 해당 무선 전력 수신기를 위해 사용할 무선 전력 전송 방식을 결정할 수도 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 수신기는 적어도 하나의 무선 전력 수신 수단이 구비될 수 있으며, 2개 이상의 무선 전력 송신기로부터 동시에 무선 전력을 수신할 수도 있다. 여기서, 무선 전력 수신 수단은 상기 전자기 유도 방식, 전자기 공진 방식, RF 무선 파워 전송 방식 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 수신기는 무선 전력 수신 수단 별 측정된 수신 감도 또는 전력 전송 효율 등에 기반하여 최적의 무선 전력 수신 수단을 선택하여 전력을 수신할 수도 있다.
본 발명에 따른 무선 전력 수신기는 휴대폰(mobile phone), 스마트폰(smart phone), 노트북 컴퓨터(laptop computer), 디지털방송용 단말기, PDA(Personal Digital Assistants), PMP(Portable Multimedia Player), 네비게이션, MP3 player, 전동 칫솔, 전자 태그, 조명 장치, 리모콘, 낚시찌 등의 소형 전자 기기 등에 탑재될 수 있으나, 이에 국한되지는 아니하며 본 발명에 따른 무선 전력 수신 수단이 장착되어 무선으로 전력 수신이 가능하거나 배터리 충전이 가능한 기기라면 족하다. 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 수신기는 TV, 냉장고, 세탁기 등을 포함하는 댁내 가전기기, 차량, 무인 항공기, 에어 드론, 로봇 등에도 탑재될 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 무선 전력 수신기는 멀티 수신 코일이 탑재될 수 있으며, 무선 마우스의 일측에 장착될 수 있다.
이하에서는 무선 충전 방식이 전자기 공진 방식인 경우를 예를 들어, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전 시스템 및 그를 위한 무선 전력 송신 장치 및 무선 전력 수신 장치를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전 시스템의 구조를 설명하기 위한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 무선 충전 시스템은 무선 전력 송신기(100)와 무선 전력 수신기(200)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 도 1에는 무선 전력 송신기(100)가 하나의 무선 전력 수신기(200)에 무선 파워를 전송하는 것으로 도시되어 있으나, 이는 하나의 실시예에 불과하며, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 송신기(100)는 복수의 무선 전력 수신기(200)에 무선 파워를 전송할 수도 있다. 또 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 수신기(200)는 복수의 무선 전력 송신기(100)로부터 동시에 무선 전력을 수신할 수도 있음을 주의해야 한다.
무선 전력 송신기(100)는 특정 공진 주파수를 이용하여 교류 전력 신호를 발생시켜 무선 전력 수신기(200)에 전력을 송신할 수 있다.
무선 전력 수신기(200)는 무선 전력 송신기(100)에 의해 사용되는 공진 주파수와 동일한 주파수로 동조하여 교류 전력 신호를 수신할 수 있다. 즉, 무선 전력 수신기(200)는 공진 현상을 통해 무선 전력 송신기(100)에 의해 송출되는 전력을 무선으로 수신할 수 있다.
일 예로, 무선 전력 전송을 위해 사용되는 공진 주파수는 6.78MHz 대역일 수 있으나, 이에 국한되지는 않는다.
이때, 무선 전력 송신기(100)에 의해 전송된 전력은 무선 전력 송신기(100)와 공진을 이루는 무선 전력 수신기(200)에만 전달될 수 있다.
하나의 무선 전력 송신기(100)로부터 전력을 수신할 수 있는 무선 전력 수신기(200)의 최대 개수는 무선 전력 송신기(100)의 최대 전송 파워 레벨, 무선 전력 수신기(200)의 최대 전력 수신 레벨, 무선 전력 송신기(100) 및 무선 전력 수신기(200)의 물리적인 구조에 기반하여 결정될 수 있다.
무선 전력 송신기(100)와 무선 전력 수신기(200)는 무선 전력 전송을 위한 주파수 대역-즉, 공진 주파수 대역-과는 상이한 주파수 대역으로 양방향 통신을 수행할 수 있다. 일 예로, 양방향 통신은 반이중 방식의 BLE(Bluetooth Low Energy) 통신 프로토콜이 사용될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
무선 전력 송신기(100)와 무선 전력 수신기(200)는 상기 양방향 통신을 통해 서로의 특성 및 상태 정보-즉, 전력 협상 정보-를 교환할 수 있다.
일 예로, 무선 전력 수신기(200)는 무선 전력 송신기(100)로부터 수신되는 전력 레벨을 제어하기 위한 소정 전력 수신 상태 정보를 양방향 통신을 통해 무선 전력 송신기(100)에 전송할 수 있으며, 무선 전력 송신기(100)는 수신된 전력 수신 상태 정보에 기반하여 동적으로 전송 전력 레벨을 제어할 수 있다. 이를 통해, 무선 전력 송신기(100)는 전력 전송 효율을 최적화시킬 수 있을 뿐만 아니라 과전압(Over-Voltage)에 따른 부하 파손을 방지하는 기능, 저전압(Under-Voltage)에 따라 불필요한 전력이 낭비되는 것을 방지하는 기능 등을 제공할 수 있다.
또한, 무선 전력 송신기(100)는 양방향 통신을 통해 무선 전력 수신기(200)를 인증하고 식별하는 기능, 호환되지 않는 장치 또는, 충전이 불가능한 물체를 식별하는 기능, 유효한 부하를 식별하는 기능 등을 수행할 수도 있다.
또한, 무선 전력 송신기(100)는 양방향 통신을 통해 무선 전력 수신기(200)에 탑재된 전자 기기의 소비 전력에 관한 정보를 해당 무선 전력 수신기(200)로부터 획득할 수도 있다.
또한, 무선 전력 송신기(100)는 양방향 통신을 통해 무선 전력 수신기(200)에 연결된 부하의 최대 충전 용량 및 충전량 변화에 관한 정보를 획득할 수 있다.
또한, 무선 전력 송신기(100)는 양방향 통신을 통해 송신단에서 출력 전력 세기 정보를 무선 전력 수신기(200)에 전송할 수 있다. 이 경우, 무선 전력 수신기(200)는 충전 중 부하에 인가되는 전력의 세기를 측정하고, 상기 송신단에서의 출력 전력 세기 정보와 부하에 인가되는 전력의 세기를 이용하여 무선 충전 효율을 산출할 수도 있다. 산출된 무선 충전 효율은 양방향 통신을 통해 무선 전력 송신기(100)에 전송될 수 있다.
이하에서는, 보다 구체적으로 공진 방식의 무선 전력 전송 과정을 상기 도 1을 참조하여 설명하기로 한다.
무선 전력 송신기(100)는 전원공급부(power supplier, 110), 전력변환부(Power Conversion Unit, 120), 매칭회로(Matching Circuit, 130), 송신공진기(Transmission Resonator, 140), 주제어부(Main Controller, 150) 및 통신부(Communication Unit, 160)를 포함하여 구성될 수 있다. 통신부는 데이터 송신기(Data Transmitter)와 데이터 수신기(Data receiver)를 포함할 수 있다.
전원공급부(110)는 주제어부(150)의 제어에 따라 전력변환부(120)에 특정 공급 전압을 공급할 수 있다. 이때, 공급 전압은 DC 전압 또는 AC 전압일 수 있다.
전력변환부(120)는 주제어부(150)의 제어에 따라 전력공급부(110)로부터 수신된 전압을 특정 전압으로 변환시킬 수 있다. 이를 위해, 전력변환부(120)는 DC/DC 변환기(DC/DC convertor), AC/DC 변환기(AC/DC convertor), 파워 증폭기(Power amplifier) 중 적어도 하나를 포함하여 구성될 수 있다.
매칭회로(130)는 전력 전송 효율을 극대화시키기 위해 전력변환부(120)와 송신공진기(140) 사이의 임피던스를 정합하는 회로이다.
송신공진기(140)는 매칭회로(130)로부터 인가된 전압에 따라 특정 공진 주파수를 이용하여 무선으로 전력을 전송할 수 있다.
무선 전력 수신기(200)는 수신공진기(Reception Resonator, 210), 정류기(Rectifier, 220), DC-DC 변환기(DC-DC Converter, 230), 부하(Load, 240), 주제어부(Main Controller, 250) 및 통신부(Communication Unit, 260)를 포함하여 구성될 수 있다. 통신부는 데이터 송신기(Data Transmitter)와 데이터 수신기(Data receiver)를 포함할 수 있다.
수신공진기(210)는 공진 현상을 통해 송신공진기(140)에 의해 송출된 전력을 수신할 수 있다.
정류기(220)는 수신공진기(210)로부터 인가되는 AC 전압을 DC 전압으로 변환하는 기능을 수행할 수 있다.
DC-DC 변환기(230)는 정류된 DC 전압을 부하(240)에 요구되는 특정 DC 전압으로 변환할 수 있다.
주제어부(250)는 정류기(220) 및 DC-DC 변환기(230)의 동작을 제어하거나 무선 전력 수신기(200)의 특성 및 상태 정보를 생성하고 통신부(260)를 제어하여 무선 전력 송신기(100)에 상기 무선 전력 수신기(200)의 특성 및 상태 정보를 전송할 수 있다. 일 예로, 주제어부(250)는 정류기(220)와 DC-DC 변환기(230)에서의 출력 전압 및 전류의 세기를 모니터링하여 정류기(220) 및 DC-DC 변환기(230)의 동작을 제어할 수 있다.
또한, 모니터링된 출력 전압 및 전류의 세기 정보는 통신부(260)를 통해 무선 전력 송신기(100)에 전송될 수 있다.
또한, 주제어부(250)는 정류된 DC 전압을 소정 기준 전압과 비교하여 과전압 상태(Over-Voltage State)인지 저전압 상태(Under-Voltage State)인지를 판단하고, 판단 결과에 따라 시스템 오류 상태인 것으로 감지되면, 감지 결과를 통신부(260)를 통해 무선 전력 송신기(100)에 전송할 수도 있다.
또한, 주제어부(250)는 시스템 오류 상태가 감지되면, 부하의 훼손을 방지하기 위해 정류기(220) 및 DC-DC 변환기(230)의 동작을 제어하거나 스위치 또는(및) 제너 다이오드를 포함한 소정 과전류 차단 회로를 이용하여 부하(240)에 인가되는 전력을 제어할 수도 있다.
또한, 주제어부(250)는 외부 또는 내부 메시지 핸들링을 위해 구동된 소정 타이머가 만료된 경우, 로컬 장애 상태인 것으로 판단하고, 소정 장애 알림 메시지를 통신부(260)를 통해 무선 전력 송신기(100)에 전송할 수도 있다.
상기한 도 1에서는 송수신기 각각의 주제어부(150 또는 250)와 통신부(160 또는 260)가 각각 서로 다른 모듈로 구성된 것으로 도시되어 있으나, 이는 하나의 실시예에 불과하며, 본 발명의 다른 일 실시예는 주제어부(150 또는 250)와 통신부(160 또는 260)가 각각 하나의 모듈로 구성될 수도 있음을 주의해야 한다.
본 발명에 따른 무선 전력 수신기(200)의 주제어부(250)는 부하(240)의 최대 충전 용량, 부하(240)의 현재 충전 상태-즉, 현재까지 부하(240)에 충전된 전력량 또는(및) 최대 충전 용량 대비 현재 충전 비율에 관한 정보 등을 포함함- 및 부하(240)에 인가되는 전력량에 기반하여 해당 부하(240)의 충전이 완료되기까지의 예상 소요 시간을 산출할 수도 있다. 무선 전력 수신기(200)는 소정 인터페이스 통해 연결된 전자 기기-예를 들면, 스마트폰-의 마이크로 프로세서(미도시)에 산출된 충전 완료 예상 소요 시간을 전송할 수 있다. 연이어, 마이크로 프로세서는 충전 완료 예상 소요 시간을 전자기기에 구비된 디스플레이 수단을 통해 표시할 수 있다. 이상에서는, 무선 전력 수신기(200)의 동작을 제어하는 주제어부(250)와 전자기기에 탑재된 마이크로 프로세서가 별개의 하드웨어 장치로 구성되는 것을 예를 들어 설명하고 있으나, 이는 하나의 실시예에 불과하며, 주제어부(250) 및 마이크로 프로세서는 하나의 하드웨어 장치에 탑재되어 별도의 소프트웨어 모듈로 구성될 수도 있음을 주의해야 한다. 또한, 무선 전력 수신기(200)는 산출된 충전 완료 예상 소요 시간을 양방향 통신을 통해 무선 전력 송신기(100)에 전송할 수도 있다.
또한, 본 발명에 따른 무선 전력 수신기(200)는 연결된 전자기기의 동작 상태변화를 감지하여 충전 완료까지의 예상 소요 시간을 재산출할 수도 있다. 일 예로, 전자기기의 동작 상태 변화는 전자기기의 전원 ON/OFF 상태 변화, 전자기기상에서의 어플리케이션의 실행 상태 변화, 전자기기 디스플레이의 ON/OFF 상태 변화, 전자기기의 소모 전력 변화 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 즉, 무선 전력 수신기(200)는 전자기기의 동작 상태 변화에 따라 적응적으로 전자기기의 실시간 소모 전력을 산출 또는 측정하고, 산출 또는 측정된 소모 전력에 기반하여 충전 완료까지의 예상 소요 시간을 재산출할 수도 있다. 물론, 재산출된 충전 완료 예상 소요 시간은 전자기기의 표시 수단을 통해 표시될 수 있을 뿐만 아니라 양방향 통신을 통해 무선 전력 송신기(100)에 전송될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 무선 전력 송신기(100)는 충전 중 충전 영역에 새로운 무선 전력 수신기가 추가되거나, 충전 중인 무선 전력 수신기와의 접속이 해제되거나, 무선 전력 수신기의 충전이 완료되는 등의 이벤트가 감지되면, 나머지 충전 대상 무선 전력 수신기들을 위한 전력 재분배 절차를 수행할 수도 있다. 이때, 전력 재분배 결과는 대역외 통신을 통해 접속된 무선 전력 수신기(들)에 전송될 수 있다. 무선 전력 수신기(200)는 전력 재분배 결과에 따라 충전 완료 예상 소요 시간을 재산출할 수 있으며, 재산출된 충전 완료 예상 소요 시간은 전자기기의 표시 수단을 통해 표시될 수 있고, 양방향 통신을 통해 무선 전력 송신기(100)에 전송될 수 있다.
이상에서는, 무선 전력 수신기(200)가 충전 완료 예상 소요 시간을 산출하는 것으로 설명되고 있으나, 이는 하나의 실시예에 불과하며, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 송신기(200)가 무선 전력 수신기(200)로부터 수집된 부하의 최대 충전 용량에 관한 정보, 현재 부하의 충전량에 관한 정보, 부하에 인가되는 전력 세기에 관한 정보 등에 기반하여 충전 완료 예상 소요 시간을 산출할 수도 있다. 이때, 충전 완료 예상 소요 시간은 무선 전력 송신기(100)로부터 무선 전력을 수신하는 무선 전력 수신기 또는 전자 기기 별로 산출될 수 있으며, 무선 전력 송신기(200)는 구비된 표시 수단을 통해 산출된 충전 완료 예상 소요 시간에 대한 정보를 표시할 수 있다.
다른 일 예로, 무선 전력 송신기(200)는 네트워크 연결된 다른 무선 전력 송신기 또는(및) 특정 홈 네트워크 서버 또는(및) 특정 클라우드 서버에 충전 중인 기기 별 무선 충전 효율에 관한 정보, 충전 완료 예상 소요 시간에 관한 정보, 소모 전력량에 관한 정보 등을 전송할 수도 있다.
상기 홈 네트워크 서버 또는(및) 상기 클라우드 서버는 무선 전력 송신기(200)로부터 수신된 정보를 통계 처리하여 저장하고, 사용자 또는 사용자 단말로부터 요청 시 해당 통계 정보를 추출하여 전송할 수도 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신기의 타입 및 특성을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명에 따른 무선 전력 송신기와 무선 전력 수신기는 각각 등급(Class)과 카테고리(Category)로 타입 및 특성이 분류될 수 있다.
무선 전력 송신기의 타입 및 특성은 크게 다음의 3가지 파라메터를 통해 식별될 수 있다.
첫째, 무선 전력 송신기는 송신 공진기(140)에 인가되는 최대 전력의 세기에 따라 결정되는 등급에 의해 식별될 수 있다.
여기서, 무선 전력 송신기의 등급은 송신 공진기(140)에 인가되는 파워(PTX_IN_COIL)의 최대 값을 하기 무선 전력 송신기 등급 표-이하, 표 1이라 명함-에 명기된 등급 별 미리 정의된 최대 입력 파워(PTX _IN_MAX)와 비교하여 결정될 수 있다. 여기서, PTX _IN_COIL은 송신공진기(140)에 단위 시간 동안 인가되는 전압(V(t))과 전류(I(t))의 곱을 해당 단위 시간으로 나누어 산출되는 평균 실수 값일 수 있다.
등급(Class) 최대 입력 파워 최소 카테고리
지원 요구 조건		 지원 가능 최대
디바이스의 개수
등급 1 2W 1 x 등급1 1 x 등급1
등급 2 10W 1 x 등급3 2 x 등급2
등급 3 16W 1 x 등급4 2 x 등급3
등급 4 33W 1 x 등급5 3 x 등급3
등급 5 50W 1 x 등급6 4 x 등급3
등급 6 70W 1 x 등급6 5 x 등급3
상기 표 1에 개시된 등급은 일 실시예에 불과하며, 새로운 등급이 추가되거나 삭제될 수도 있다. 또한, 등급 별 최대 입력 파워, 최소 카테고리 지원 요구 조건, 지원 가능 최대 디바이스 개수에 대한 값도 무선 전력 송신기의 용도, 형상 및 구현 형태 등에 따라 변경될 수도 있음을 주의해야 한다.
일 예로, 상기 표 1을 참조하면, 송신 공진기(140)에 인가되는 파워(PTX_IN_COIL)의 최대 값이 등급 3에 대응되는 PTX _IN_MAX 값보다 크거나 같고, 등급 4에 대응되는 PTX _IN_MAX 값보다 작은 경우, 해당 무선 전력 송신기의 등급은 등급 3으로 결정될 수 있다.
둘째, 무선 전력 송신기는 식별된 등급에 대응되는 최소 카테고리 지원 요구 조건(Minimum Category Support Requirements)에 따라 식별될 수도 있다.
여기서, 최소 카테고리 지원 요구 조건은 해당 등급의 무선 전력 송신기가 지원 가능한 무선 전력 수신기 카테고리 중 가장 높은 수준의 카테고리에 해당되는 무선 전력 수신기의 지원 가능 개수일 수 있다. 즉, 최소 카테고리 지원 요구 조건은 해당 무선 전력 송신기가 지원 가능한 최대 카테고리 디바이스의 최소 개수일 수 있다. 이때, 무선 전력 송신기는 상기 최소 카테고리 요구 조건에 따른 최대 카테고리 이하에 해당하는 모든 카테고리의 무선 전력 수신기를 지원할 수 있다.
다만, 만약, 무선 전력 송신기가 상기 최소 카테고리 지원 요구 조건에 명시된 카테고리보다 더 높은 카테고리의 무선 전력 수신기를 지원할 수 있다면, 무선 전력 송신기가 해당 무선 전력 수신기를 지원하는 것을 제한하지는 않을 수 있다.
일 예로, 상기 표 1을 참조하면, 등급 3인 무선 전력 송신기는 적어도 하나의 카테고리 5인 무선 전력 수신기를 지원해야 한다. 물론, 이 경우, 무선 전력 송신기는 최소 카테고리 지원 요구 조건에 해당되는 카테고리 수준 보다 낮은 수준의 카테고리에 해당되는 무선 전력 수신기(100)를 지원할 수 있다.
또한, 무선 전력 송신기는 최소 카테고리 지원 요구 조건에 대응되는 카테고리보다 더 높은 수준의 카테고리를 지원 가능한 것으로 판단되면, 더 높은 수준의 카테고리를 갖는 무선 전력 수신기를 지원할 수도 있음을 주의해야 한다.
셋째, 무선 전력 송신기는 식별된 등급에 대응되는 지원 가능 최대 디바이스 개수에 의해 식별될 수도 있다. 여기서, 지원 가능 최대 디바이스 개수는 해당 등급에서 지원 가능한 카테고리 중 가장 낮은 수준의 카테고리에 해당되는 무선 전력 수신기의 최대 지원 가능 개수-이하, 간단히 지원 가능 디바이스의 최대 개수라 명함-에 의해 식별될 수도 있다.
일 예로, 상기 표 1을 참조하면, 등급 3의 무선 전력 송신기는 최소 카테고리 3인 무선 전력 수신기를 최대 2개까지 지원할 수 있어야 한다.
다만, 무선 전력 송신기가 자신의 등급에 상응하는 최대 디바이스 개수 이상을 지원할 수 있는 경우, 최대 디바이스 개수 이상을 지원하는 것을 제한하지는 않는다.
본 발명에 따른 무선 전력 송신기는 무선 전력 수신기의 전력 전송 요청을 허락하지 않을 특별한 이유가 없는 경우, 가용한 파워 내에서 적어도 상기 표 1에 정의된 개수까지는 무선 전력 전송을 수행할 수 있어야 한다.
일 예로, 무선 전력 송신기는 해당 전력 전송 요청을 수용할 정도의 가용한 파워가 남아있지 않는 경우, 해당 무선 전력 수신기의 전력 전송 요청을 수락하지 않을 수 있다. 또는, 무선 전력 수신기의 전력 조정을 제어할 수 있다.
다른 일 예로, 무선 전력 송신기는 전력 전송 요청을 수락하면 수용 가능한 무선 전력 수신기의 개수를 초과하는 경우, 해당 무선 전력 수신기의 전력 전송 요청을 수락하지 않을 수 있다.
또 다른 일 예로, 무선 전력 송신기는 전력 전송을 요청한 무선 전력 수신기의 카테고리가 자신의 등급에서 지원 가능한 카테고리 수준을 초과하는 경우, 해당 무선 전력 수신기의 전력 전송 요청을 수락하지 않을 수 있다.
또 다른 일 예로, 무선 전력 송신기는 내부 온도가 기준치 이상을 초과하는 경우, 해당 무선 전력 수신기의 전력 전송 요청을 수락하지 않을 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 무선 전력 송신기는 현재 가용한 전력량에 기반하여 전력 재분배 절차를 수행할 수 있다. 이때, 전력 재분배 절차는 전력 전송 대상 무선 전력 수신기의 후술할 카테고리, 무선 전력 수신 상태, 요구 전력량, 우선 순위, 소모 전력량 중 적어도 하나를 더 고려하여 전력 재분배 절차를 수행할 수 있다.
여기서, 무선 전력 수신기는 해당 무선 전력 수신기의 카테고리, 무선 전력 수신 상태, 요구 전력량, 우선 순위, 소모 전력량 중 적어도 하나의 정보를 대역외 통신 채널을 통해 적어도 하나의 제어 신호를 이용하여 접속된 무선 전력 송신기에 주기적 또는 비주기적으로 전달될 수 있다.
무선 전력 송신기는 전력 재분배 절차가 완료되면, 전력 재분배 결과를 대역외 통신을 통해 해당 무선 전력 수신기에 전송할 수 있다.
무선 전력 수신기는 수신된 전력 재분배 결과에 기반하여 충전 완료까지의 예상 소요 시간을 재산출하고, 재산출 결과를 연결된 전자기기의 마이크로 프로세서에 전송할 수 있다. 연이어, 마이크로 프로세서는 전자기기에 구비된 디스플레이에 재산출된 충전 완료 예상 소요 시간이 표시되도록 제어할 수 있다. 이때, 표시된 충전 완료 예상 소요 시간은 일정 시간 화면에 표시된 후 사라지도록 제어될 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 마이크로 프로세서는 충전 완료 예상 소요 시간이 재산출된 경우, 재산출된 이유에 대한 정보가 함께 표시되도록 제어할 수도 있다. 이를 위해, 무선 전력 송신기는 전력 재분배 결과 전송 시 해당 전력 재분배가 발생된 이유에 관한 정보도 함께 무선 전력 수신기에 전송할 수도 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 수신기는 재산출된 충전 완료 예상 소요 시간을 양방향 통신을 통해 무선 전력 송신기에 전송할 수 있다. 이 경우, 무선 전력 송신기는 수신된 충전 완료 예상 소요 시간을 구비된 표시 수단을 통해 표시하고, 네트워크 연결된 홈 네트워크 서버 또는(및) 클라우드 서버에 전송할 수도 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신기는 내부 시스템 오류-예를 들면, 과전압, 과전류, 과열 등을 포함함-가 감지된 경우, 감지 결과를 구비된 표시 수단을 통해 표시하고, 네트워크 연결된 홈 네트워크 서버 또는(및) 클라우드 서버에 전송할 수도 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신기는 수집 또는 산출된 무선 충전 효율 또는 무선 전력 전송 효율이 소정 기준치 이하인 것이 확인되면, 확인 결과를 구비된 표시 수단을 통해 표시하고, 네트워크 연결된 홈 네트워크 서버 또는(및) 클라우드 서버에 해당 사실을 통보할 수도 있다. 사용자는 홈 네트워크 서버 또는 클라우드 서버에 접속하여 무선 충전 효율이 낮은 무선 전력 송신기를 식별할 수 있다. 여기서, 무선 충전 효율이 낮은 무선 전력 송신기는 무선 전력 음영 지역에 위치한 무선 전력 송신기로 판단될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신기는 가용한 전력 부족으로 인해 무선 전력 수신기로부터의 전력 전송 요청을 거절한 횟수가 기준치 이상인 경우, 네트워크 연결된 홈 네트워크 서버 또는(및) 클라우드 서버에 해당 사실을 통보할 수도 있다. 여기서, 전력 전송 요청을 거절한 횟수가 기준치 이상인 무선 전력 송신기가 설치된 지역은 추가적인 무선 전력 송신기의 설치가 요구되거나, 보다 전력 전송 용량이 높은-즉, 등급이 높은- 무선 전력 송신기로 교체 설치되어야 되는 지역으로 판단될 수 있다. 다른 일 예로, 전력 전송 요청을 거절한 횟수가 기준치 이상인 무선 전력 송신기가 설치된 지역은 인증되지 않았거나 유효하지 않은 무선 전력 수신기 또는 무선 전력 수신기가 탑재된 전자 기기가 위치한 위험 지역으로 분류될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 수신기의 타입 및 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 수신공진기(210)의 평균 출력 파워(PRX_OUT)은 단위 시간 동안 수신공진기(210)에 의해 출력되는 전압(V(t))와 전류(I(t))의 곱을 해당 단위 시간으로 나누어 산출되는 실수 값일 수 있다. 일 예로, 수신공진기(210)의 평균 출력 전압(PRX _OUT)은 정류기 후단에서 측정된 전압(V(t))와 전류(I(t))의 곱을 단위 시간으로 나누어 산출되는 실수 값일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
무선 전력 수신기의 카테고리는 하기 표 2에 도시된 바와 같이, 수신 공진기(210)의 최대 출력 파워(PRX_OUT_MAX)에 기반하여 정의될 수 있다.
카테고리
(Category)		 최대 입력 파워 응용 예
카테고리 1 TBD 블루투스 핸드셋
카테고리 2 3.5W 피쳐폰
카테고리 3 6.5W 스마트폰
카테고리 4 13W 테블릿
카테고리 5 25W 소형 랩탑
카테고리 6 37.5W 랩탑
카테고리 6 50W TBD
일 예로, 부하단에서의 충전 효율이 80%이상인 경우, 카테고리 3의 무선 전력 수신기는 부하의 충전 포트에 5W의 전력을 공급할 수 있다.
상기 표 2에 개시된 카테고리는 일 실시예에 불과하며, 새로운 카테고리가 추가되거나 삭제될 수도 있다. 또한, 상기 표 2에 보여지는 카테고리 별 최대 출력 파워, 응용 어플리케이션의 예도 무선 전력 수신기의 용도, 형상 및 구현 형태 등에 따라 변경될 수도 있음을 주의해야 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 수신기 또는 무선 전력 수신기와 연동되는 전자기기의 마이크로 프로세서는 부하의 최대 충전 용량(Maximum Load Capacitance), 현재 부하의 충전량, 무선 전력 송신기의 최대 또는 평균 입력 파워, 무선 전력 수신기의 카테고리 부하단에서의 현재 충전 효율 등에 기반하여 해당 부하가 충전 완료되기까지의 예상 소요 시간을 산출할 수 있다. 여기서, 무선 전력 송신기의 전력 재분배에 따라 무선 전력 수신기의 카테고리에 대응되는 최대 입력 파워는 적응적으로 변경될 수 있으며, 그에 따라 충전 완료되기까지의 예상 소요 시간은 재산출되어 변경될 수 있다. 이때, 산출된 충전 완료 예상 소요 시간에 관한 정보는 양방향 통신 채널을 통해 무선 전력 송신기에 전송될 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 송신기는 양방향 통신을 통해 부하단에서의 충전 효율, 무선 전력 수신기의 카테고리, 부하의 최대 충전 용량, 현재 부하의 충전량 등에 관한 정보를 무선 전력 수신기로부터 수신할 수 있으며, 이 경우, 무선 전력 송신기는 해당 부하가 충전 완료되기까지의 예상 소요 시간을 산출할 수도 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전 시스템의 등가 회로도이다.
상세하게, 도 4는 후술할 레퍼런스 파라메터들이 측정되는 등가 회로상에서의 인터페이스 지점을 보여준다.
이하에서는, 상기 도 4에 표시된 레퍼런스 파라메터들의 의미를 간단히 설명하기로 한다.
ITX와 ITX _COIL은 각각 무선 전력 송신기의 매칭 회로(또는 매칭 네트워크)(420)에 인가되는 RMS(Root Mean Square) 전류와 무선 전력 송신기의 송신 공진기 코일(425)에 인가되는 RMS 전류를 의미한다.
ZTX _IN 은 무선 전력 송신기의 전원부/증폭기/필터(410) 후단의 입력 임피던스(Input Impedance)와 매칭 회로(420) 전단의 입력 임피던스(Input Impedance)를 의미한다.
ZTX _IN_COIL은 매칭 회로(420) 후단 및 송신 공진기 코일(425) 전단에서의 입력 임피던스를 의미한다.
L1과 L2는 각각 송신 공진기 코일(425)의 인덕턴스 값과 수신 공진기 코일(427)의 인덕턴스 값을 의미한다.
ZRX _IN은 무선전력수신기의 매칭 회로(430) 후단과 무선전력수신기의 필터/정류기/부하(440) 전단에서의 입력 임피던스를 의미한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전 시스템의 동작에 사용되는 공진 주파수는 6.78MHz ± 15㎑일 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 무선 충전 시스템은 복수의 무선 전력 수신기에 대한 동시 충전-즉, 멀티 충전-을 제공할 수 있으며, 이 경우, 무선 전력 수신기가 새로 추가되거나 삭제되더라도 남아 있는 무선 전력 수신기의 수신 파워 변화량은 소정 기준치 이상을 초과하지 않도록 제어될 수 있다. 일 예로, 수신 파워 변화량은 ±10%일 수 있으나 이에 국한되지는 않는다. 만약, 수신 파워 변화량이 기준치 이상 초과되지 않도록 제어하는 것이 불가능할 경우, 무선 전력 송신기는 새롭게 추가된 무선 전력 수신기로부터 전력 전송 요청을 수락하지 않을 수도 있다.
상기 수신 파워 변화량을 유지하기 위한 조건은 무선 전력 수신기가 충전 영역에 추가 또는 삭제 시 기존 무선 전력 수신기와 중첩되지 않아야 한다.
무선 전력 수신기의 매칭 회로(430)가 정류기에 연결된 경우, 상기 ZTX _IN의 실수부(Real Part)는 정류기의 부하 저항-이하, RRECT이라 명함-과 역의 관계일 수 있다. 즉, RRECT의 증가는 ZTX_IN을 감소시키고, RRECT의 감소는 ZTX_IN을 증가시킬 수 있다.
본 발명에 따른 공진기 정합 효율(Resonator Coupling Efficiency)은 수신공진기 코일에서 부하(440)로 전달되는 파워를 송신공진기 코일(425)에서 공진 주파수 대역에 실어주는 파워로 나누어 산출되는 최대 파워 수신 비율일 수 있다. 무선 전력 송신기와 무선 전력 수신기 사이의 공진기 정합 효율은 송신공진기의 레퍼런스 포트 임피던스(ZTX_IN)과 수신공진기의 레퍼런스 포트 임피던스(ZRX _IN)가 완벽하게 매칭되는 경우에 산출될 수 있다.
하기 표 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신기의 등급 및 무선 전력 수신기의 클래스에 따른 최소 공진기 정합 효율의 예이다.
카테고리 1 카테고리 2 카테고리 3 카테고리 4 카테고리 5 카테고리 6 카테고리 7
등급 1 N/A N/A N/A N/A N/A N/A N/A
등급 2 N/A 74%(-1.3) 74%(-1.3) N/A N/A N/A N/A
등급 3 N/A 74%(-1.3) 74%(-1.3) 76%(-1.2) N/A N/A N/A
등급 4 N/A 50%(-3) 65%(-1.9) 73%(-1.4) 76%(-1.2) N/A N/A
등급 5 N/A 40%(-4) 60%(-2.2) 63%(-2) 73%(-1.4) 76%(-1.2) N/A
등급 5 N/A 30%(-5.2) 50%(-3) 54%(-2.7) 63%(-2) 73%(-1.4) 76%(-1.2)
만약, 복수의 무선 전력 수신기가 사용될 경우, 상기 표 3에 표시된 클래스 및 카테고리에 대응되는 최소 공진기 정합 효율은 증가할 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 수신기 또는 무선 전력 수신기와 연결된 전자기기의 마이크로프로세서는 부하의 최대 충전 용량(Maximum Load Capacitance), 현재 부하의 충전량, 부하의 충전 효율, 무선 전력 수신기의 카테고리와 무선 전력 송신기의 등급에 상응하는 최소 공진기 정합 효율 중 적어도 하나에 기반하여 해당 부하의 충전이 완료되기까지 소요되는 시간을 산출할 수도 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신기에서의 상태 천이 절차를 설명하기 위한 상태 천이도이다.
도 5를 참조하면, 무선 전력 송신기의 상태는 크게 구성 상태(Configuration State, 510), 전력 절약 상태(Power Save State, 520), 저전력 상태(Low Power State, 530), 전력 전송 상태(Power Transfer State, 540), 로컬 장애 상태(Local Fault State, 550) 및 잠금 장애 상태(Latching Fault State, 560)을 포함하여 구성될 수 있다.
무선 전력 송신기에 전력이 인가되면, 무선 전력 송신기는 구성 상태(510)로 천이할 수 있다. 무선 전력 송신기는 구성 상태(510)에서 소정 리셋 타이머가 만료되거나 초기화 절차가 완료되면, 전력 절약 상태(520)로 천이할 수 있다.
전력 절약 상태(520)에서, 무선 전력 송신기는 비콘 시퀀스를 생성하여 공진 주파수 대역을 통해 전송할 수 있다.
여기서, 무선 전력 송신기는 전력 절약 상태(520)에 진입한 후 소정 시간 이내에 비콘 시퀀스가 개시될 수 있도록 제어할 수 있다. 일 예로, 무선 전력 송신기는 전력 절약 상태(520) 천이 후 50ms 이내에 비콘 시퀀스가 개시될 수 있도록 제어할 수 있으나, 이에 국한되지는 않는다.
전력 절약 상태(520)에서, 무선 전력 송신기는 무선 전력 수신기를 감지하기 위한 제1 비콘 시퀀스(First Beacon Sequence)를 주기적으로 생성하여 전송하고, 수신 공진기의 임피던스 변화-즉, Load Variation-를 감지할 수 있다. 이하, 설명의 편의를 위해 제1 비콘과 제1 비콘 시퀀스를 각각 Short Beacon과 Short Beacon 시퀀스라 명하기로 한다.
특히, Short Beacon 시퀀스는 무선 전력 수신기가 감지되기 전까지 무선 전력 송신기의 대기 전력이 절약될 수 있도록 짧은 구간 동안(tSHORT _BEACON) 일정 시간 간격(tCYCLE)으로 반복 생성되어 전송될 수 있다. 일 예로, tSHORT _BEACON은 30ms이하, tCYCLE은 250ms ±5 ms로 각각 설정될 수 있다. 또한, Short Beacon의 전류 세기는 소정 기준치이상이고, 일정 시간 구간 동안 점증적으로 증가될 수 있다. 일 예로, Short Beacon의 최소 전류 세기는 상기 표 2의 카테고리 2 이상의 무선 전력 수신기가 감지될 수 있도록 충분히 크게 설정될 수 있다.
본 발명에 따른 무선 전력 송신기는 Short Beacon에 따른 수신 공진기에서의 리액턴스(reactance) 및 저항(resistance) 변화를 감지하기 위한 소정 센싱 수단이 구비될 수 있다.
또한, 전력 절약 상태(520)에서, 무선 전력 송신기는 무선 전력 수신기의 부팅(Booting) 및 응답에 필요한 충분한 전력을 공급하기 위한 제2 비콘 시퀀스를 주기적으로 생성하여 전송할 수 있다. 이하, 설명의 편의를 위해 제2 비콘과 제2 비콘 시퀀스를 각각 Long Beacon과 Long Beacon 시퀀스라 명하기로 한다.
즉, 무선 전력 수신기는 제2 비콘 시퀀스를 통해 부팅이 완료되면, 대역외 통신 채널을 통해 소정 응답 신호를 브로드캐스팅할 수 있다.
특히, Long Beacon 시퀀스는 무선 전력 수신기의 부팅에 필요한 충분한 전원을 공급하기 위해 Short Beacon에 비해 상대적으로 긴 구간 동안(tLONG_BEACON)동안 일정 시간 간격(tLONG _BEACON_PERIOD)으로 생성되어 전송될 수 있다. 일 예로, tLONG _BEACON은 105 ms+5 ms, tLONG _BEACON_PERIOD 은 850ms로 각각 설정될 수 있으며, Long Beacon의 전류 세기는 Short Beacon의 전류 세기에 비해 상대적으로 강할 수 있다. 또한, Long Beacon은 전송 구간 동안 일정 세기의 파워가 유지될 수 있다.
이 후, 무선 전력 송신기는 수신 공진기의 임피던스 변화가 감지된 후, 무선 전력 송신기는 Long Beacon 전송 구간 동안 소정 응답 시그널의 수신을 대기할 수 있다. 이하, 설명의 편의를 위해 상기 응답 시그널을 광고 시그널(Advertisement Signal)이라 명하기로 한다. 여기서, 무선 전력 수신기는 공진 주파수 대역과는 상이한 대역외 통신 주파수 대역을 통해 광고 시그널을 브로드캐스팅할 수 있다.
일 예로, 광고 시그널은 해당 대역외 통신 표준에 정의된 메시지를 식별하기 위한 메시지 식별 정보, 무선 전력 수신기가 적법한 또는 해당 무선 전력 송신기에 호환 가능한 수신기인지를 식별하기 위한 고유한 서비스 또는 무선 전력 수신기 식별 정보, 무선 전력 수신기의 출력 파워 정보, 부하에 인가되는 정격 전압/전류 정보, 무선 전력 수신기의 안테나 이득 정보, 무선 전력 수신기의 카테고리를 식별하기 위한 정보, 무선 전력 수신기 인증 정보, 과전압 보호 기능의 탑재 여부에 관한 정보, 무선 전력 수신기에 탑재된 소프트웨어 버전 정보 중 적어도 하나 또는 어느 하나를 포함할 수 있다. 다른 일 예로, 광고 시그널은 부하의 최대 충전 용량에 관한 정보, 부하의 현재 충전량에 관한 정보 등을 더 포함할 수도 있다.
무선 전력 송신기는 광고 시그널이 수신되면, 전력 절약 상태(520)에서 저전력 상태(530)로 천이한 후, 무선 전력 수신기와의 대역외 통신 링크를 설정할 수 있다. 연이어, 무선 전력 송신기는 설정된 대역외 통신 링크를 통해 무선 전력 수신기에 대한 등록 절차를 수행할 수 있다. 일 예로, 대역외 통신이 블루투스 저전력 통신인 경우, 무선 전력 송신기는 무선 전력 수신기와 블루투스 페어링을 수행하고, 페어링된 블루투스 링크를 통해 서로의 상태 정보, 특성 정보 및 제어 정보 중 적어도 하나를 교환할 수 있다.
무선 전력 송신기가 저전력 상태(530)에서 대역외 통신을 통해 충전을 개시하기 위한 소정 제어 신호-즉, 무선 전력 수신기가 부하에 전력을 전달하도록 요청하는 소정 제어 신호-를 무선 전력 수신기에 전송하면, 무선 전력 송신기의 상태는 저전력 상태(530)에서 전력 전송 상태(540)로 천이될 수 있다.
만약, 저전력 상태(530)에서 대역외 통신 링크 설정 절차 또는 등록 절차가 정상적으로 완료되지 않은 경우, 무선 전력 송신기의 상태는 저전력 상태(530)에서 전력 절약 상태(520)에 천이될 수 있다.
무선 전력 송신기는 각 무선 전력 수신기와의 접속을 위한 별도의 분리된 링크 만료 타이머(Link Expiration Timer)가 구동될 수 있으며, 무선 전력 수신기는 소정 시간 주기로 무선 전력 송신기에 자신이 존재함을 알리는 소정 메시지를 링크 만료 타이머가 만료되기 이전에 전송해야 한다. 링크 만료 타이머는 상기 메시지가 수신될 때마다 리셋되며, 링크 만료 타이머가 만료되지 않으면 무선 전력 수신기와 무선 전력 수신기 사이에 설정된 대역외 통신 링크는 유지될 수 있다.
만약, 저전력 상태(530) 또는 전력 전송 상태(540)에서, 무선 전력 송신기와 적어도 하나의 무선 전력 수신기 사이에 설정된 대역외 통신 링크에 대응되는 모든 링크 만료 타이머가 만료된 경우, 무선 전력 송신기의 상태는 전력 절약 상태(520)로 천이될 수 있다.
또한, 저전력 상태(530)의 무선 전력 송신기는 무선 전력 수신기로부터 유효한 광고 시그널이 수신되면 소정 등록 타이머를 구동시킬 수 있다. 이때, 등록 타이머가 만료되면, 저전력 상태(530)의 무선 전력 송신기는 전력 절약 상태(520)로 천이할 수 있다. 이때, 무선 전력 송신기는 등록에 실패하였음을 알리는 소정 알림 신호를 무선 전력 송신기에 구비된 알림 표시 수단-예를 들면, LED 램프, 디스플레이 화면, 비퍼(beeper) 등을 포함함-을 통해 출력할 수도 있다.
또한, 전력 전송 상태(540)에서, 무선 전력 송신기는 접속된 모든 무선 전력 수신기의 충전이 완료되면, 저전력 상태(530)로 천이될 수 있다.
특히, 무선 전력 수신기는 구성 상태(510), 로컬 장애 상태(550) 및 잠금 장애 상태(560)를 제외한 나머지 상태에서 새로운 무선 전력 수신기의 등록을 허용할 수 있다.
또한, 무선 전력 송신기는 전력 전송 상태(540)에서 무선 전력 수신기로부터 수신되는 상태 정보에 기반하여 전송 전력을 동적으로 제어할 수 있다.
이때, 무선 전력 수신기로부터 무선 전력 송신기에 전송되는 수신기 상태 정보는 요구 전력 정보, 정류기 후단에서 측정된 전압 및/또는 전류 정보, 충전 상태 정보, 과전류 및/또는 과전압 및/또는 과열 상태를 통보하기 위한 정보, 과전류 또는 과전압에 따라 부하에 전달되는 전력을 차단하거나 감소시키는 수단이 활성화되었는지 여부를 지시하는 정보 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이때, 수신기 상태 정보는 미리 지정된 주기로 전송되거나 특정 이벤트가 발생될 때마다 전송될 수 있다. 또한, 상기 과전류 또는 과전압에 따라 부하에 전달되는 전력을 차단하거나 감소시키는 수단은 ON/OFF 스위치, 제너다이오드 중 적어도 하나를 이용하여 제공될 수 있다. 또한, 상기 충전 상태 정보는 부하의 현재 충전량에 관한 정보, 부하의 충전이 완료되었는지 여부를 지시하는 정보, 충전 완료 예상 소요 시간에 관한 정보 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 수신기로부터 무선 전력 송신기에 전송되는 수신기 상태 정보는 무선 전력 수신기에 유선으로 외부 전원이 연결되었음을 알리는 정보, 대역외 통신 방식이 변경되었음을 알리는 정보-일 예로, NFC(Near Field Communication)에서 BLE(Bluetooth Low Energy) 통신으로 변경될 수 있음- 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 송신기는 자신의 현재 가용한 전력, 무선 전력 수신기 별 우선 순위, 접속된 무선 전력 수신기의 개수 중 적어도 하나에 기반하여 무선 전력 수신기 별 수신해야 할 파워 세기 또는 무선 전력 수신기 별 전송되어야 할 파워 세기를 적응적으로 결정할 수 있다. 여기서, 무선 전력 수신기 별 전송되어야 할 파워 세기는 해당 무선 전력 수신기의 정류기에서 처리 가능한 최대 파워 대비 얼마의 비율로 파워를 수신해야 하는지로 결정될 수 있다.
이 후, 무선 전력 송신기는 결정된 파워 비율에 관한 정보가 포함된 소정 전력 제어 명령을 해당 무선 전력 수신기에 전송할 수 있다. 이때, 무선 전력 수신기는 무선 전력 송신기에 의해 결정된 파워 비율로 전력 제어가 가능한지 여부를 판단하고, 판단 결과를 소정 전력 제어 응답 메시지를 통해 무선 전력 송신기에 전송할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 수신기는 무선 전력 송신기의 전력 제어 명령(Power Adjustment Command)에 따라 무선 전력 제어가 가능한지 여부를 지시하는 소정 수신기 상태 정보를 상기 전력 제어 명령을 수신하기 이전에 전송할 수도 있다.
전력 전송 상태(540)는 접속된 무선 전력 수신기의 전력 수신 상태에 따라 제1 상태(541), 제2 상태(542) 및 제3 상태(543) 중 어느 하나의 상태일 수 있다.
일 예로, 제1 상태(541)는 무선 전력 송신기에 접속된 모든 무선 전력 수신기의 전력 수신 상태가 정상 전압인 상태임을 의미할 수 있다.
제2 상태(542)는 무선 전력 송신기에 접속된 적어도 하나의 무선 전력 수신기의 전력 수신 상태가 저전압 상태이고 고전압 상태인 무선 전력 수신기가 존재하지 않음을 의미할 수 있다.
제3 상태(543)는 무선 전력 송신기에 접속된 적어도 하나의 무선 전력 수신기의 전력 수신 상태가 고전압 상태임을 의미할 수 있다.
무선 전력 송신기는 전력 절약 상태(520) 또는 저전력 상태(530) 또는 전력 전송 상태(540)에서 시스템 오류가 감지되면, 잠금 장애 상태(560)로 천이될 수 있다
잠금 장애 상태(560)의 무선 전력 송신기는 접속된 모든 무선 전력 수신기가 충전 영역에서 제거된 것으로 판단되면, 구성 상태(510) 또는 전력 절약 상태(520)로 천이할 수 있다.
또한, 잠금 장애 상태(560)에서, 무선 전력 송신기는 로컬 장애가 감지되면, 로컬 장애 상태(550)로 천이할 수 있다. 여기서, 로컬 장애 상태(550)인 무선 전력 송신기는 로컬 장애가 해제되면, 다시 잠금 장애 상태(560)로 천이될 수 있다.
반면, 구성 상태(510), 전력 절약 상태(520), 저전력 상태(530), 전력 전송 상태(540) 중 어느 하나의 상태에서 로컬 장애 상태(550)로 천이된 경우, 무선 전력 송신기는 로컬 장애가 해제되면, 구성 상태(510)로 천이될 수 있다.
무선 전력 송신기는 로컬 장애 상태(550)로 천이되면, 무선 전력 송신기에 공급되는 전원을 차단할 수도 있다. 일 예로, 무선 전력 송신기는 과전압, 과전류, 과열 등의 장애가 감지되면 로컬 장애 상태(550)로 천이될 수 있으나 이에 국한되지는 않는다.
일 예로, 무선 전력 송신기는 과전류, 과전압, 과열 등이 감지되면, 무선 전력 수신기에 의해 수신되는 전력의 세기를 감소시키기 위한 소정 전력 제어 명령을 접속된 적어도 하나의 무선 전력 수신기에 전송할 수도 있다.
다른 일 예로, 무선 전력 송신기는 과전류, 과전압, 과열 등이 감지되면, 무선 전력 수신기의 충전을 중단시키기 위한 소정 제어 명령을 접속된 적어도 하나의 무선 전력 수신기에 전송할 수도 있다.
상기와 같은 전력 제어 절차를 통해, 무선 전력 송신기는 과전압, 과전류, 과열 등에 따른 기기 파손을 미연에 방지할 수 있다.
또한, 무선 전력 송신기는 접속된 무선 전력 수신기의 과전류, 과전압, 과열, 로컬 장애-예를 들면, 메시지 핸들링을 위한 타이머의 만료 등을 포함함- 등이 감지되면, 감지 결과를 네트워크 연결된 홈 네트워크 서버 또는(및) 무선 전력 관리를 위한 클라우드 서버에 전송할 수도 있다.
또한, 무선 전력 송신기는 송신기 내부에서의 과전류, 과전압, 과열, 로컬 장애 등이 감지된 경우, 감지 결과를 네트워크 연결된 홈 네트워크 서버 또는(및) 무선 전력 관리를 위한 클라우드 서버 또는(및) 인접 무선 전력 송신기에 전송할 수도 있다.
무선 전력 송신기는 송신 공진기의 출력 전류의 세기가 기준치 이상인 경우, 잠금 장애 상태(560)로 천이할 수 있다. 이때, 잠금 장애 상태(560)로 천이된 무선 전력 송신기는 송신 공진기의 출력 전류의 세기를 미리 지정된 시간 동안 기준치 이하가 되도록 시도할 수 있다. 여기서, 상기 시도는 미리 지정된 회수 동안 반복 수행될 수 있다. 만약, 반복 수행에도 불구하고, 잠금 장애 상태(560)가 해제되지 않는 경우, 무선 전력 송신기는 소정 알림 수단을 이용하여 사용자에게 잠금 장애 상태(560)가 해제되지 않음을 지시하는 소정 알림 신호를 송출할 수 있다. 이때, 무선 전력 송신기의 충전 영역에 위치한 모든 무선 전력 수신기가 사용자에 의해 충전 영역에서 제거되면, 잠금 장애 상태(560)가 해제될 수 있다.
또한, 무선 전력 송신기는 잠금 장애 상태(560)가 소정 시간 동안 해제되지 않는 경우, 잠금 장애 상태(560)가 해제되지 않음을 지시하는 소정 알림 신호를 네트워크 연결된 홈 네트워크 서버 또는(및) 무선 전력 관리를 위한 클라우드 서버 또는(및) 인접 무선 전력 송신기에 전송할 수도 있다.
반면, 송신 공진기의 출력 전류의 세기가 미리 지정된 시간 이내에 기준치 이하로 떨어지거나 상기 미리 지정된 반복 수행 동안 송신 공진기의 출력 전류의 세기가 기준치 이하로 떨어지는 경우, 잠금 장애 상태(560)는 자동으로 해제될 수 있으며, 이때, 무선 전력 송신기의 상태는 잠금 장애 상태(560)에서 전력 절약 상태(520)로 자동 천이되어 무선 전력 수신기에 대한 감지 및 식별 절차를 다시 수행할 수 있다.
전력 전송 상태(540)의 무선 전력 송신기는 연속된 전력을 송출하고, 무선 전력 수신기의 상태 정보 및 미리 정의된 최적 전압 영역(Optimal Voltage Region) 설정 파라메터에 기반하여 적응적으로 송출 전력을 제어할 수 있다.
일 예로, 최적 전압 영역(Optimal Voltage Region) 설정 파라메터는 저전압 영역을 식별하기 위한 파라메터, 최적 전압 영역을 식별하기 위한 파라메터, 고전압 영역을 식별하기 위한 파라메터, 과전압 영역을 식별하기 위한 파라메터 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
무선 전력 송신기는 무선 전력 수신기의 전력 수신 상태가 저전압 영역에 있으면, 송출 전력을 증가시키고, 고전압 영역에 있으면, 송출 전력을 감소시킬 수 있다.
또한, 무선 전력 송신기는 전력 전송 효율이 최대화되도록 송출 전력을 제어할 수도 있다.
또한, 무선 전력 송신기는 무선 전력 수신기에 의해 요구된 전력량의 편차가 기준치 이하가 되도록 송출 전력을 제어할 수도 있다.
또한, 무선 전력 송신기는 무선 전력 수신기의 정류기 출력 전압이 소정 과전압 영역에 도달한 경우-즉, Over Voltage가 감지된 경우-, 전력 전송을 중단할 수도 있다.
본 발명에 따른 무선 전력 수신기 또는 무선 전력 수신기와 연결된 전자 기기는 전력 전송 상태(540)에서 수신되는 전력의 변화가 기준치 이하로 안정화된 경우, 부하의 충전이 완료되기까지의 예상 소요 시간을 산출할 수 있다.
일 예로, 무선 전력 수신기는 단위 시간 동안 정류기 후단에서 측정된 전압 또는 전류의 평균 세기가 소정 최적 전압 또는 전류 세기를 중심으로 기준치 이하의 편차를 가지는 경우, 전력 수신이 안정화된 것으로 판단할 수 있다.
다른 일예로, 무선 전력 송신기는 무선 전력 수신기로부터 수신되는 상태 정보에 기반하여 해당 무선 전력 수신기로의 전력 제어가 안정화되었는지 여부를 확인할 수 있다. 만약, 전력 제어가 안정화된 경우, 무선 전력 송신기는 기 수집된 부하의 최대 충전 용량, 부하의 현재 충전량, 부하의 충전 효율 등에 기반하여 충전 완료 예상 소요 시간을 산출할 수도 있다.
일 예로, 무선 전력 송신기는 정류기 후단에서 측정된 전압 세기 정보(VRECT)를 무선 전력 수신기로부터 수신할 수 있다. 이 경우, 무선 전력 송신기는 소정 개수의 연속하여 수신된 VRECT 값의 편차가 기준치 이내로 유지되거나 소정 시간 동안 수신된 VRECT 값의 편차가 기준치 이내로 유지되는 경우, 전력 제어가 안정화된 것으로 판단할 수 있다.
다른 일 예로, 무선 전력 송신기는 전력 전송 상태(540)에서 소정 시간 동안 무선 전력 수신기로부터 상태 정보가 수신되지 않는 경우, 전력 제어가 안정화된 것으로 판단할 수도 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 수신기의 상태 천이도이다.
도 6을 참조하면, 무선 전력 수신기의 상태는 크게 비활성화 상태(Disable State, 610), 부트 상태(Boot State, 620), 활성화 상태(Enable State, 630)(또는, On state) 및 시스템 오류 상태(System Error State, 640)을 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 무선 전력 수신기의 상태는 무선 전력 수신기의 정류기단에서의 출력 전압의 세기-이하, 설명의 편의를 위해 VRECT이라 명함-에 기반하여 결정될 수 있다.
활성화 상태(630)는 VRECT의 값에 따라 최적 전압 상태(Optimum Voltage State, 631), 저전압 상태(Low Voltage State, 632) 및 고전압 상태(High Voltage State, 633)로 구분될 수 있다.
비활성화 상태(610)의 무선 전력 수신기는 측정된 VRECT 값이 미리 정의된 VRECT_BOOT 값보다 크거나 같으면, 부트 상태(620)로 천이할 수 있다.
부트 상태(620)에서, 무선 전력 수신기는 무선 전력 송신기와의 대역외 통신 링크를 설정하고 VRECT 값이 부하단에 요구되는 전력에 도달할 때까지 대기할 수 있다.
부트 상태(620)의 무선 전력 수신기는 VRECT 값이 부하단에 요구되는 전력에 도달된 것이 확인되면, 활성화 상태(630)로 천이하여 충전을 시작할 수 있다.
활성화 상태(630)의 무선 전력 수신기는 충전이 완료되거나 충전이 중단된 것이 확인되면, 부트 상태(620)로 천이될 수 있다.
또한, 활성화 상태(630)의 무선 전력 수신기는 소정 시스템 오류가 감지되면, 시스템 오류 상태(640)로 천이할 수 있다. 여기서, 시스템 오류는 과전압, 과전류 및 과열뿐만 아니라 미리 정의된 다른 시스템 오류 조건이 포함될 수 있다.
또한, 활성화 상태(630)의 무선 전력 수신기는 VRECT 값이 VRECT _BOOT 값 이하로 떨어지면, 비활성화 상태(610)로 천이될 수도 있다.
또한, 부트 상태(620) 또는 시스템 오류 상태(640)의 무선 전력 수신기는 VRECT 값이 VRECT_BOOT 값 이하로 떨어지면, 비활성화 상태(610)로 천이될 수도 있다.
본 발명에 따른 무선 전력 수신기 또는 무선 전력 수신기와 연결된 전자 기기는 활성화 상태(630)에서 수신되는 전력의 변화가 기준치 이하로 안정화된 경우, 부하의 충전이 완료되기까지의 예상 소요 시간을 산출할 수 있다.
일 예로, 무선 전력 수신기는 단위 시간 동안 정류기 후단에서 측정된 전압(VRECT)의 평균 세기가 소정 최적 전압 세기를 중심으로 기준치 이하의 편차를 가지는 경우, 전력 수신이 안정화된 것으로 판단할 수 있다.
이하에서는, 활성화 상태(630)내에서의 무선 전력 수신기의 상태 천이를 후술할 도 7을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 VRECT에 따른 무선 전력 수신기의 동작 영역을 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참조하면, VRECT 값이 소정 VRECT _ BOOT 보다 작으면, 무선 전력 수신기는 비활성화 상태(610)에 유지된다.
이 후, VRECT 값이 VRECT _BOOT 이상으로 증가되면, 무선 전력 수신기는 부트 상태(620)로 천이되며, 미리 지정된 시간 이내에 광고 시그널을 브로드캐스팅할 수 있다. 이 후, 광고 시그널이 무선 전력 송신기에 의해 감지되면, 무선 전력 송신기는 대역외 통신 링크 설정을 위한 소정 연결 요청 시그널을 무선 전력 수신기에 전송할 수 있다.
무선 전력 수신기는 대역외 통신 링크가 정상적으로 설정되고, 등록에 성공한 경우, VRECT 값이 정상적인 충전을 위한 정류기에서의 최소 출력 전압-이하, 설명의 편의를 위해 VRECT_MIN이라 명함-에 도달할 때까지 대기할 수 있다.
VRECT 값이 VRECT _MIN을 초과하면, 무선 전력 수신기의 상태는 부트 상태(620)에서 활성화 상태(630)로 천이되며 부하에 충전을 시작할 수 있다.
만약, 활성화 상태(630)에서 VRECT 값이 과전압을 판단하기 위한 소정 기준치인 VRECT _MAX을 초과하면, 무선 전력 수신기는 활성화 상태(630)에서 시스템 오류 상태(640)로 천이될 수 있다.
도 7를 참조하면, 활성화 상태(630)는 VRECT의 값에 따라 저전압 상태(Low Voltage State, 632), 최적 전압 상태(Optimum Voltage State, 631) 및 고전압 상태(High Voltage State, 633)로 구분될 수 있다.
저전압 상태(632)는 VRECT _BOOT <= VRECT <= VRECT _ MIN인 상태를 의미하고, 최적 전압 상태(631)은 VRECT _MIN < VRECT <=VRECT _ HIGH인 상태를 의미하고, 고전압 상태(633)는 VRECT_HIGH < VRECT <=VRECT_MAX인 상태를 의미할 수 있다.
특히, 고전압 상태(633)로 천이된 무선 전력 수신기는 부하에 공급되는 전력을 차단하는 동작을 미리 지정된 시간-이하 설명의 편의를 위해 고전압 상태 유지 시간이라 명함- 동안 유보시킬 수도 있다. 이때, 고전압 상태 유지 시간은 고전압 상태(633)에서 무선 전력 수신기 및 부하에 피해가 발생되지 않도록 미리 결정될 수 있다.
무선 전력 수신기는 시스템 오류 상태(640)로 천이되면, 과전압 발생을 지시하는 소정 메시지를 미리 지정된 시간 이내에 대역외 통신 링크를 통해 무선 전력 송신기에 전송할 수 있다.
또한, 무선 전력 수신기는 시스템 오류 상태(630)에서 과전압에 따른 부하의 피해를 방지하기 위해 구비된 과전압 차단 수단을 이용하여 부하에 인가되는 전압을 제어할 수도 있다. 여기서, 과전압 차단 수단으로 ON/OFF 스위치 또는/및 제너다이오드 등이 사용될 수 있다.
상기 실시예에서는 무선 전력 수신기에 과전압이 발생되어 시스템 오류 상태(640)로 천이된 경우, 무선 전력 수신기에서의 시스템 오류 대응 방법 및 수단을 설명하고 있으나 이는 하나의 실시예에 불과하며, 본 발명의 다른 실시예는 무선 전력 수신기에 과열, 과전류 등에 의해서도 시스템 오류 상태로 천이될 수도 있다.
일 예로, 과열에 따라 시스템 오류 상태로 천이된 경우, 무선 전력 수신기는 과열 발생을 알리는 소정 메시지를 무선 전력 송신기에 전송할 수 있다. 이때, 무선 전력 수신기는 구비된 냉각팬 등을 구동하여 내부 발생된 열을 감소시킬 수도 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 수신기는 복수의 무선 전력 송신기와 연동하여 무선 전력을 수신할 수도 있다. 이 경우, 무선 전력 수신기는 실제 무선 전력을 수신하기로 결정된 무선 전력 송신기와 실제 대역외 통신 링크가 설정된 무선 전력 송신기가 서로 상이한 것으로 판단되면, 시스템 오류 상태(640)로 천이할 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 수신기는 정류기 후단에서 측정된 전압(VRECT)의 세기가 일정 시간 동안 최적 전압 상태(631)에 유지되는 경우, 전력 수신이 안정화된 것으로 판단할 수 있다. 무선 전력 수신기 또는 무선 전력 수신기와 연결된 전자기기는 전력 수신이 안정화된 것으로 판단되면, 부하의 충전이 완료되기까지의 예상 소요 시간을 산출할 수 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 무선 전력 송신기와 무선 전력 수신기 사이의 시그널링 절차를 후술할 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전 시스템의 구성도이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 무선 충전 시스템은 스타 토폴로지(Star Topology)로 구성될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
무선 전력 송신기는 대역외 통신 링크를 통해 무선 전력 수신기로부터 각종 특성 정보 및 상태 정보를 수집하고, 수집된 정보에 기반하여 무선 전력 수신기의 동작 및 송출 전력을 제어할 수 있다.
또한, 무선 전력 송신기는 자신의 특성 정보 및 소정 제어 신호를 대역외 통신 링크를 통해 무선 전력 수신기에 전송할 수도 있다.
또한, 무선 전력 송신기는 접속된 무선 전력 수신기의 무선 전력 수신기 별 전력 전송 순서를 결정할 수 있으며, 결정된 전력 전송 순서에 따라 무선 전력을 송출할 수도 있다. 일 예로, 무선 전력 송신기는 무선 전력 수신기의 카테고리, 무선 전력 수신기 별 미리 할당된 우선 순위, 무선 전력 수신기의 전력 수신 효율 또는 무선 전력 송신기에서의 전력 전송 효율, 무선 전력 송신기와 무선 전력 수신기 사이의 최소 공진 정합 효율, 부하에서의 충전 효율, 무선 전력 수신기의 충전 상태, 무선 전력 수신기 별 시스템 오류 발생 여부 중 적어도 하나에 기반하여 전력 전송 순서를 결정할 수 있다.
다른 일 예로, 무선 전력 송신기는 복수의 무선 전력 수신기에 동시에 전력을 전송할 수도 있다. 또 다른 일 예로, 무선 전력 송신기는 복수의 무선 전력 수신기가 접속된 경우, 접속된 무선 전력 수신기 별 전송 슬롯을 결정하여 시분할 방식으로 전력을 전송할 수도 있다.
또한, 무선 전력 송신기는 접속된 무선 전력 수신기 별 전송해야 할 전력량을 결정할 수도 있다. 일 예로, 무선 전력 송신기는 현재 가용한 전력량 및 무선 전력 수신기 별 전력 수신 효율 등에 기반하여 무선 전력 수신기 별 전송할 전력량을 산출할 수 있으며, 산출된 전력량에 관한 정보를 소정 제어 메시지를 통해 무선 전력 수신기에 전송할 수도 있다.
또한, 무선 전력 송신기는 새로운 무선 전력 수신기가 충전 영역에 추가되는 경우, 기존 충전 중인 무선 전력 수신기가 충전 영역에서 제거되는 경우, 기존 충전 중인 무선 전력 수신기의 충전이 완료된 경우, 기존 충전 중인 무선 전력 수신기의 시스템 오류가 감지된 경우 등의 무선 충전 상태의 변화가 감지된 경우, 전력 재분배 절차를 개시할 수도 있다. 이때, 전력 재분배 결과는 소정 제어 메시지를 통해 접속된 무선 전력 수신기에 전송될 수 있다.
또한, 무선 전력 송신기는 네트워크 연결된 무선 전력 수신기(들)과의 시간 동기를 획득하기 위한 시간 동기 신호(Tim Synchronization Signal)를 생성하여 무선 전력 수신기에 제공할 수도 있다. 여기서, 시간 동기 신호는 무선 전력을 전송하기 위한 주파수 대역-즉, 인밴드(In-Bnad)- 또는 대역외 통신을 수행하기 위한 주파수 대역-즉, 아웃오브밴드(Out-Of-Band)-을 통해 전송될 수 있다. 무선 전력 송신기와 무선 전력 수신기는 시간 동기 신호에 기반하여 서로의 통신 타이밍 및 통신 시퀀스를 관리할 수 있다.
이상의 도 8에서는 하나의 무선 전력 송신기와 복수의 무선 전력 수신기로 구성된 무선 충전 시스템이 스타 토폴로지로 네트워크 연결된 구성을 설명하고 있으나, 이는 하나의 실시예에 불과하며, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 무선 충전 시스템은 복수의 무선 전력 송신기 및 복수의 무선 전력 수신기가 상호 네트워크 연결되어 동적으로 링크를 형성하여 무선 전력을 송수신할 수 있다. 이 경우, 무선 전력 송신기는 별도의 통신 채널을 통해 자신의 상태 정보 또는(및) 자신에 접속된 무선 전력 수신기의 상태 정보를 네트워크 연결된 다른 무선 전력 송신기와 공유할 수 있다. 또한, 무선 전력 수신기가 이동 가능한 장치인 경우, 무선 전력 수신기는 무선 전력 송신기 사이의 핸드오버를 통해 끊김 없는 전력이 수신될 수 있도록 제어할 수도 있다.
만약, 하나의 무선 전력 수신기가 핸드 오버 과정 중 복수의 무선 전력 송신기로부터 동시에 무선 전력을 수신하는 경우, 무선 전력 수신기는 각각의 무선 전력 송신기로부터 수신되는 전력을 합산하고, 그에 기반하여 부하의 충전이 완료되기까지의 예상 소요 시간을 산출할 수도 있다. 즉, 무선 전력 수신기 또는 무선 전력 수신기와 연결된 전자기기는 핸드 오버에 따라 적응적으로 충전 완료 예상 소요 시간을 산출하고 이를 디스플레이 화면에 표시되도록 제어할 수 있다.
또한, 무선 전력 송신기는 네트워크 조정자(Network Coordinator)로서 동작하며 대역외 통신 링크를 통해 무선 전력 수신기와 정보를 교환할 수 있다. 일 예로, 무선 전력 송신기는 무선 전력 수신기의 각종 정보를 수신하여 소정 디바이스 제어 표(Device Control Table)을 생성 및 관리하고, 디바이스 제어 표를 기초하여 네트워크 관리 정보를 해당 무선 전력 수신기에 전송할 수 있다. 이를 통해, 무선 전력 송신기는 무선 충전 시스템 네트워크를 생성하고, 이를 유지할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시에에 따른 무선 충전 절차를 설명하기 위한 흐름도이다.
도 9를 참조하면, 무선 전력 송신기는 전원 인가에 따라 무선 전력 송신기 구성, 즉, 부팅이 완료되면, 비콘 시퀀스를 생성하여 송신 공진기를 통해 전송할 수 있다(S901).
무선 전력 수신기는 비콘 시퀀스가 감지되면 자신의 식별 정보 및 특성 정보가 포함된 광고 시그널을 브로드캐스팅할 수 있다(S903). 이때, 광고 시그널은 후술할 연결 요청 신호가 무선 전력 송신기로부터 수신되기 이전까지 소정 주기로 반복 전송될 수 있음을 주의해야 한다.
무선 전력 송신기는 광고 시그널이 수신되면, 대역외 통신 링크를 설정하기 위한 소정 연결 요청 신호를 무선 전력 수신기에 전송할 수 있다(S905).
무선 전력 수신기는 연결 요청 신호가 수신되면, 대역외 통신 링크를 설정하고, 설정된 대역외 통신 링크를 통해 자신의 정적 상태 정보를 전송할 수 있다(S907).
여기서, 무선 전력 수신기의 정적 상태 정보는 카테고리 정보, 하드웨어 및 소프트웨어 버전 정보, 최대 정류기 출력 파워 정보, 전력 제어를 위한 초기 기준 파라메터 정보, 요구 전압 또는 전력에 관한 정보, 전력 조절 기능 탑재 여부를 식별하기 위한 정보, 지원 가능한 대역외 통신 방식에 관한 정보, 지원 가능한 전력 제어 알고리즘에 관한 정보, 무선전력수신기에 초기 설정된 선호 정류기단 전압값 정보 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 무선 전력 수신기의 정적 상태 정보는 부하의 최대 용량 정보, 부하의 현재 충전량에 관한 정보 등을 더 포함할 수도 있다.
무선 전력 송신기는 무선 전력 수신기의 정적 상태 정보가 수신되면, 무선 전력 송신기의 정적 상태 정보를 대역외 통신 링크를 통해 무선 전력 수신기에 전송할 수 있다(S909).
여기서, 무선 전력 송신기의 정적 상태 정보는 송신기 출력 전력 정보, 등급 정보, 하드웨어 및 소프트웨어 버전 정보, 지원 가능한 무선 전력 수신기의 최대 개수에 관한 정보 및/또는 현재 접속된 무선 전력 수신기의 개수에 관한 정보 중 적어도 하나를 포함하여 구성될 수 있다.
이 후, 무선 전력 수신기는 자신의 실시간 전력 수신 상태 및 충전 상태를 모니터링하며, 주기적 또는 특정 이벤트 발생 시 동적 상태 정보를 무선 전력 송신기에 전송할 수 있다(S911).
여기서, 무선 전력 수신기의 동적 상태 정보는 정류기 출력 전압 및 전류에 관한 정보, 부하에 인가되는 전압 및 전류에 관한 정보, 무선 전력 수신기의 내부 측정 온도에 관한 정보, 전력 제어를 위한 기준 파라메터 변경 정보(정류 전압 최소 값, 정류 전압 최대 값, 초기 설정된 선호 정류기단 전압 변경 값), 충전 상태 정보-예를 들면, 충전 완료 여부에 관한 정보, 부하의 현재 충전량에 관한 정보 등을 포함함-, 시스템 오류 정보, 경보 정보- 예를 들면, 로컬 장애 정보 등을 포함함- 중 적어도 하나를 포함하여 구성될 수 있다. 무선 전력 송신기는 상기 전력 제어를 위한 기준 파라메터 변경 정보 수신 시 기존 정적 상태 정보에 포함된 설정 값을 변경하여 전력 조절을 수행할 수 있다.
또한, 무선 전력 송신기는 무선 전력 수신기를 충전하기 위한 충분한 전력이 준비되면, 대역외 통신 링크를 통해 소정 제어 명령을 송출하여 무선 전력 수신기가 충전을 개시하도록 제어할 수 있다(S913).
이 후, 무선 전력 송신기는 무선 전력 수신기로부터 동적 상태 정보를 수신하여 송출 전력을 동적으로 제어할 수 있다(S915).
또한, 무선 전력 수신기는 내부 시스템 오류가 감지되거나 충전이 완료된 경우, 동적 상태 정보에 해당 시스템 오류를 식별하기 위한 데이터 및/또는 충전이 완료되었음을 지시하는 데이터를 포함하여 무선 전력 송신기에 전송할 수도 있다(S917). 여기서, 시스템 오류는 과전류, 과전압, 과열 등을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 송신기는 현재 가용한 전력이 접속된 모든 무선 전력 수신기의 요구 전력을 충족하지 못하는 경우, 각 무선 전력 수신기에 전송할 전력을 재분배하고 이를 소정 제어 명령을 통해 해당 무선 전력 수신기에 전송할 수도 있다.
또한, 무선 전력 송신기는 무선 충전 중 새로운 무선 전력 수신기가 추가 등록 또는 연결된 경우, 현재 가용한 전력에 기반하여 접속된 무선 전력 수신기 별 수신할 전력을 재분배하고, 이를 소정 제어 명령을 통해 해당 무선 전력 수신기에 전송할 수도 있다
또한, 무선 전력 송신기는 무선 충전 중 기존 접속된 무선 전력 수신기의 충전이 완료되거나 대역외 통신 링크가 해제-예를 들면, 무선 전력 수신기가 충전 영역에서 제거된 경우를 포함함-되는 경우, 남아있는 무선 전력 수신기 별 수신할 전력을 재분배하고 이를 소정 제어 명령을 통해 해당 무선 전력 수신기에 전송할 수도 있다.
또한, 무선 전력 송신기는 소정 제어 절차를 통해 무선 전력 수신기가 전력 조절 기능이 탑재되었는지 여부를 확인할 수도 있다. 이 경우, 무선 전력 송신기는 전력 재분배 상황이 발생된 경우, 전력 조절 기능이 탑재된 무선 전력 수신기에 대해서만 전력 재분배를 수행할 수도 있다.
일 예로, 전력 재분배 상황은 연결되지 않은 무선 전력 수신기로부터 유효한 광고 시그널을 수신하여 새로운 무선 전력 수신기가 추가되거나 연결된 무선 전력 수신기의 현재 상태 등을 지시하는 동적 파라메터가 수신되거나, 기 연결된 무선 전력 수신기가 더 이상 존재하지 않음이 확인되거나, 기 연결된 무선 전력 수신기의 충전이 완료되거나, 기 연결된 무선 전력 수신기의 시스템 오류 상태를 지시하는 알람(Alert) 메시지가 수신되는 등의 이벤트가 발생된 경우 발생될 수 있다.
여기서, 시스템 오류 상태는 과전압 상태, 과전류 상태, 과열 상태, 네트워크 연결 오류 상태 등을 포함할 수 있다.
일 예로, 무선 전력 송신기는 소정 제어 명령을 통해 전력 재분배 관련 정보를 무선 전력 수신기에 전송할 수 있다.
여기서, 전력 재분배 관련 정보는 무선 전력 수신기 전력 제어를 위한 명령 정보, 전력 전송 요청에 대한 허여(Permission) 또는 거절(deny) 여부를 식별하기 위한 정보, 무선 전력 수신기가 유효한 부하 변화(Valid Load Variation)을 생성하는 시간 정보 등을 포함할 수 있다.
여기서, 무선 전력 수신기 전력 제어를 위한 명령은 무선 전력 수신기가 부하에 수신된 전력을 제공하는 것을 제어하기 위한 제1 명령, 무선 전력 수신기가 충전이 이루어지고 있음을 지시하는 것을 허여하기 위한 제2 명령, 무선 전력 수신기의 최대 정류기 파워 대비 무선 전력 송신기에 의해 제공 가능한 최대 파워의 비율을 지시하는 파워 조절 명령(Adjust Power Command) 등을 포함할 수 있다.
만약, 무선 전력 수신기가 상기 파워 조절 명령을 지원하지 않는 경우, 무선 전력 송신기는 파워 조절 명령을 해당 무선 전력 수신기에 전송하지 않을 수도 있다.
일 예로, 무선 전력 송신기는 새로운 무선 전력 수신기가 등록되면, 자신의 가용한 전력량에 기반하여 무선 전력 수신기에 의해 요구된 전력량을 제공 가능한지 여부를 판단할 수 있다. 판단 결과, 요구된 전력량이 가용한 전력량을 초과하는 경우, 무선 전력 송신기는 해당 무선 전력 수신기에 전력 조절 기능이 탑재되었는지 여부를 확인할 수 있다. 확인 결과, 전력 조절 기능이 탑재된 경우, 무선 전력 수신기는 가용한 전력량 내에서 무선 전력 수신기가 수신할 전력의 양을 결정하고, 결정된 결과를 소정 제어 명령을 통해 무선 전력 수신기에 전송할 수도 있다.
물론, 상기 전력 재분배는 무선 전력 송신기 및 무선 전력 수신기가 정상적으로 동작 가능한 범위 및/또는 정상적인 충전이 가능한 범위 내에서 수행될 수 있다.
또한, 상기 전력 전송 요청에 대한 허여(Permission) 또는 거절(deny) 여부를 식별하기 위한 정보는 허여 조건 및 거절 이유가 포함될 수 있다.
일 예로, 허여 조건은 가용한 파워 부족으로 인한 일정 시간 동안의 대기를 조건으로 한 허여가 포함될 수 있다. 거절 이유는 가용한 파워 부족으로 인한 거절, 수용 가능한 무선 전력 수신기 개수의 초과로 인한 거절, 무선 전력 송신기의 과열로 인한 거절, 무선 전력 송신기의 제한된 등급에 따른 거절 등을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신기는 상기 전력 전송 요청에 따른 허여 및 거절에 대한 상세 정보를 단위 시간 동안 수집하고, 수집된 상세 허여 및 거절 정보를 네트워크 연결된 홈 네트워크 서버 또는(및) 클라우드 서버 등에 전송할 수 있다. 여기서, 수집된 상세 허여 및 거절 정보는 총 전력 전송 요청이 수신된 횟수, 총 허여 회수, 총 거절 회수, 즉시 허여 회수, 대기 허여 회수, 파워 부족으로 인한 거절 회수, 무선 전력 수신기 개수 초과로 인한 거절 회수, 무선 전력 송신기 시스템 오류로 인한 거절 회수, 인증 실패로 인한 거절 회수, 제한된 등급에 따른 거절 회수 중 적어도 하나의 정보를 포함할 수 있다.
홈 네트워크 서버 또는(및) 전력 관리를 위한 클라우드 서버는 무선 전력 송신기 별 상기 수집된 상세 허여 및 거절 정보를 통계 처리하고, 처리된 통계 정보를 자동으로 미리 지정된 사용자 단말 등에 전송하거나 사용자의 조회 요청에 따라 해당 사용자 단말에 전송할 수 있다. 사용자는 수신된 통계 정보를 통해 무선 전력 송신기의 증설/변경/제거 여부를 결정할 수 있다.
다른 일 예로, 홈 네트워크 서버 또는(및) 전력 관리를 위한 클라우드 서버는 무선 전력 송신기 별 상기 수집된 상세 허여 및 거절 정보에 기반하여 무선 전력 송신기의 증설/변경/제거 여부를 결정하고, 결정 결과를 미리 지정된 사용자 단말에 전송할 수도 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 수신기는 복수의 대역외 통신 방식을 지원할 수 있다. 만약, 현재 설정된 대역외 통신 링크를 다른 방식으로 변경하고자 하는 경우, 무선 전력 수신기는 대역외 통신 변경을 요청하는 소정 제어 신호를 무선 전력 송신기에 전송할 수 있다. 무선 전력 송신기는 대역외 통신 변경 요청 신호가 수신되면, 현재 설정된 대역외 통신 링크를 해제하고, 무선 전력 수신기에 의해 요청된 대역외 통신 방식으로 새로운 대역외 통신 링크를 설정할 수 있다.
일 예로, 본 발명에 적용 가능한 대역외 통신 방식에는 NFC(Near Field Communication) 통신, RFID(Radio Frequency Identification) 통신, BLE(Bluetooth Low Energy) 통신, WCDMA(Wideband Code Division Multiple Access) 통신, LTE(Long Term Evolution)/LTE-Advance 통신, Wi-Fi 통신 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 적용 가능한 무선 전력 송신기와 홈 네트워크 서버 또는(및) 전력 관리를 위한 클라우드 서버와의 통신, 홈 네트워크 서버 또는(및) 전력 관리를 위한 클라우드 서버와 사용자 단말과의 통신, 무선 전력 송신기들 사이의 통신은 유선 또는 무선의 IP망, WCDMA(Wideband Code Division Multiple Access) 통신, LTE(Long Term Evolution)/LTE-Advance 통신, Wi-Fi 통신 중 어느 하나 또는 적어도 하나의 조합을 통해 이루어질 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
도 10은 종래 기술에 따른 전자기 공진 방식을 지원하는 무선 충전 시스템에서의 문제점을 설명하기 위한 도면이다.
도 10을 참조하면, 종래의 전자기 공진 방식으로 전력을 송출하는 무선 전력 송신 패드(1000)는 무선 전력 수신 장치가 배치되며 평면 형태를 가지는 충전 베드(1001) 및 충전 베드(1001)의 하부에 폐루프 형태로 장착되며, 전자기 신호를 송출하는 송신 코일(1002)을 포함하여 구성될 수 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, 송신 코일(1001)이 폐루프 형태로 구성되어 충전 베드(1001) 하단에 장착되는 경우, 송신 코일(1001)의 권선을 중심으로 내/외부 일정 거리 이내에 충전이 불가능한 충전 음영 영역(1003)이 존재한다.
여기서, 폐루프 송신 코일의 내부 자속 방향과 외부의 자속 방향은 서로 반대이며, 송신 코일 권선 위 부분 또는 근처 부분에 놓인 수신 코일에 통과되는 자속은 서로 상쇄되어 자속의 총합이 거의 0에 가까워진다. 이에 따라, 송신 코일 권선을 중심으로 내/외부 일정 거리 이내에는 무선 충전이 불가능한 충전 음영 영역(1003)-즉, Dead Zone-이 존재한다.
일 예로, 충전 음영 영역(1003)의 면적 또는 크기는 송신 코일을 흐르는 전력의 세기에 따라 변할 수 있다.
다른 일 예로, 충전 음영 영역(1003)의 면적 또는 크기는 무선 전력 송신 장치에 탑재되는 송신 코일의 종류에 따라 상이할 수 있다.
또 다른 일 예로, 충전 음영 영역(1003)의 면적 또는 크기는 상기 표 1에 도시된 바와 같이 무선 전력 송신 장치의 등급에 따라 상이하게 결정될 수 있다.
만약, 도면 식별 번호 1011에 도시된 바와 같이, 송신 코일의 대부분이 충전 음영 영역(1003) 내에 위치하는 경우, 정상적인 충전이 이루어지지 않을 수 있다. 반면, 도면 식별 번호 1012에 도시된 바와 같이, 송신 코일이 충전 가능 영역에 위치한 경우, 충전이 정상적으로 이루어질 수 있다.
도 11은 종래 기술에 따른 전자기 공진 방식을 지원하는 무선 충전 시스템에서의 문제점을 설명하기 위한 도면이다.
상세하게 종래의 무선 전력 송신 패드(1100)는 상기 도 10에서 설명된 충전 음영 영역(1003)의 면적 또는 크기를 최소화시키기 위해 충전 베드(1101)의 가장자리 부분-즉, 최외곽 영역-에 폐루프 형태의 송신 코일(1102)이 장착되도록 구성되었었다.
도 11을 참조하면, 도면 식별 번호 1111 및 1112와 같은 수신 코일은 충전 가능 영역에 위치하므로 정상적인 충전이 이루어질 수 있다. 하지만, 송신 코일(1102)이 충전 베드의 최외곽에 장착됨에 따라 충전 베드(1101)의 중앙 부분에는 송신 코일(1102)의 자속이 미치지 못하는 또 다른 충전 음영 영역(1122)에 발생될 수 있다. 이 경우, 도 11에 도시된 바와 같이, 수신 코일(1113)이 충전 베드(1101)의 중앙 부분에 형성된 충전 음영 영역(1122)에 위치하는 경우, 정상적인 충전이 이루어질 수 없다.
또한, 폐루프 형태의 송신 코일(1102)을 충전 베드(1101)의 최외곽에 장착하는 경우, 송신 코일(1102)에 사용되는 권선의 길이-즉, 송신 코일(1102)의 폐루프 면적-가 증가할 뿐만 아니라 송신 코일(1102)에 의해 발생된 전자기 신호가 제어 회로(미도시)에 영향을 미치는 것을 차단하기 위한 차폐재(미도시)의 적용 면적도 증가된 폐루프 면적에 비례하여 증가될 수 있다.
따라서, 폐루프 형태의 송신 코일(1102)을 충전 베드(1101)의 최외곽에 장착하는 방법은 무선 전력 송신 장치의 제조 단가를 상승시킬 뿐만 아니라 충전 베드(1101)이 중앙 부분에 또 다른 충전 음영 영역(1122)를 발생시킬 수 있는 단점이 있다.
도 12는 종래 기술에 따른 무선 전력 송신 패드의 적층 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 12를 참조하면, 종래의 무선 전력 송신 패드(1200)는 충전 베드(1201)의 최외곽(가장자리) 부분에 폐루프 형태의 송신 코일(1202)이 장착되었다.
송신 코일(1202)의 하단에는 송신 코일(1202)에서 발생된 전자기 신호가 제어 회로 기판(1204)으로 전달되는 것을 차단시키기 위한 차폐재(1203)이 장착될 수 있다. 여기서, 차폐재(1203)의 면적은 송신 코일(1202)의 폐루브 면적보다 크게 장착되어야 하는 문제점이 있었다.
이하에서는 상기한 도 10 내지 도 12에서 언급된 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명에 따른 무선 충전 시스템의 구성을 후술할 도면 13 내지 16을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전 시스템의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 13을 참조하면, 본 발명에 따른 무선 전력 송신 패드(1300)는 무선 전력 수신 장치가 배치되고 평면 형태를 가지는 충전 베드(1301), 충전 베드(1301)의 최외곽으로부터 내측으로 일정 거리 이격되어 충전 베드(1301)의 하단에 폐루프의 형태로 장착되는 송신 코일(1302) 및 폐루프에 상응하는 면적이 커버되도록 송신 코일(1302)의 하단에 장착되는 차폐재(미도시)를 포함하여 구성될 수 있다. 물론, 본 발명에 따른 무선 전력 송신 장치는 무선 전력 송신 패드(1300)의 동작을 제어하기 위한 제어 회로 기판(미도시)를 더 포함하여 구성될 수 있음을 주의해야 한다.
폐루프 형태의 송신 코일(1302)이 충전 베드(1301)의 가장자리로부터 내측으로 이격되는 거리는 폐루프의 외곽으로 형성되는 충전 가능 영역이 상기 충전 베드에 모두 포함될 수 있는 최소값으로 결정될 수 있다.
여기서, 폐루프의 외곽으로 형성되는 충전 가능 영역은 송신 코일(1302)을 통해 전송 가능한 최대 전력의 세기에 기반하여 결정될 수 있으나 이는 하나의 실시에에 불과하며, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 폐루프의 외곽으로 형성되는 충전 가능 영역은 송신 코일의 두께, 송신 코일의 권선 수, 송신 코일의 재질 등에 더 기반하여 결정될 수도 있다.
특히, 본 발명은 폐루프 형태의 송신 코일(1302)을 충전 베드(1301)의 가장자리로부터 내측으로 일정 거리 이격시켜 배치함으로써, 충전 베드(1301)의 중앙 부분에 또 다른 충전 음영 영역이 발생되는 것을 미연에 방지할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 폐루프 형태의 송신 코일(1302)을 충전 베드(1301)의 가장자리로부터 내측으로 일정 거리 이격시켜 배치함으로써, 차폐재 및 송신 코일 비용을 절감시킬 수 있는 장점이 있다.
본 발명에 따른 차폐재(미도시)의 적용 면적은 폐루프의 내부 면적보다 크거나 같고, 충전 베드(1301)의 면적보다 작게 결정될 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 무선 충전 시스템에 적용되는 무선 전력 수신 장치는 멀티 수신 코일이 탑재될 수 있다.
멀티 수신 코일을 구성함에 있어서, 각각의 수신 코일 간의 자기 결합 계수가 0 또는 가능한 작은 값을 가지도록 수신 코일들의 배치가 결정되어야 한다.
만약, 수신 코일 간의 자속 결합 계수 값이 소정 기준치 이상인 경우, 각각의 수신 코일은 독립적으로 작동하지 못하므로, Dead Zone을 극복하려는 본원 발명의 목적을 달성하기 힘들다.
일 예로, 하나의 수신 코일이 충전 가능 영역에 위치되고, 다른 하나의 수신 코일이 충전 불가능 영역-즉, 충전 음영 영역-에 위치되었다고 가정하자. 만약, 두 수신 코일 사이의 자속 결합 계수가 의미 있는 값인 경우, 충전 가능 영역에 위치한 수신 코일에서 얻어진 기전력이 충전 불가능 영역에 위치한 수신 코일에 전달되어 자속을 발생시킬 수 있다. 일반적으로, 수신 코일 별 독립적으로 전력을 수신하는 것이 수신 코일 간 자속의 영향을 미치는 상태에서 전력을 수신하는 것보다 충전 효율이 높다.
따라서, 수신 코일 간의 자속 결합 계수를 0에 가깝도록 수신 코일들을 배치하는 것은 충전 효율을 극대화시키기 위한 매우 중요한 요소이다. 후술할 도 15에서 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 수신 코일의 구성 방법을 상세히 설명하기로 한다.
수신 코일 간의 자속 결합 계수를 0에 가깝도록 하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 수신 코일은 도면 번호 1310에 도시된 바와 같이, 수신 코일들이 서로 일부 중첩되도록 배치하여 구성될 수 있다.
상기한 도 13에는 멀티 수신 코일을 구성하는 각각의 수신 코일의 형태가 원의 형태인 것으로 도시되어 있으나, 이는 하나의 실시예에 불과하며, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 수신 코일은 후술할 도 15에 도시된 바와 같이, 부채꼴 형태를 가질 수 있으며, 부채꼴 형태의 수신 코일들이 배치된 최종 형태는 원의 형태를 가질 수 있다.
또한, 멀티 수신 코일은 수신 코일이 상호 고리를 형성하도록 구성될 수 있다.
상기한 도 13에는 멀티 수신 코일이 3개의 수신 코일을 이용하여 구성되는 것으로 도시되어 있으나, 이는 하나의 실시예에 불과하며, 본 발명의 다른 일 실시에에 따른 멀티 수신 코일은 4개 이상의 수신 코일을 이용하여 구성될 수도 있다. 물론 이 경우에 있어서도, 상기 제1 내지 제N 수신 코일 중 임의의 2개의 수신 코일 사이의 결합 계수가 0 또는 소정 기준치 이하인 값을 갖도록 상기 중첩되는 영역의 크기가 결정되어야 한다.
특히, 제1 내지 제N 수신 코일 중 임의의 2개의 수신 코일 사이에 중첩되는 영역의 면적이 모두 동일하도록 제1 내지 제N 수신 코일이 배치될 수 있다.
도면 식별 번호 1310의 멀티 수신 코일의 경우, 제1 수신 코일(1311)은 충전 음영 영역에 위치하고, 나머지 제2 내지 제3 수신 코일(1312, 1313)은 충전 가능 영역에 위치함을 알 수 있다.
또한, 도면 식별 번호 1320의 멀티 수신 코일은 모든 수신 코일(1321, 1322, 1323)이 모두 충전 가능 영역에 위치함을 알 수 있다.
또한, 도면 식별 번호 1330의 멀티 수신 코일은 제1 수신 코일(1331)은 충전 음영 영역에 위치하나 나머지 제2 수신 코일(1332) 및 제3 수신 코일(1333)은 충전 가능 영역에 위치함을 알 수 있다. 특히, 제3 수신 코일(1333)의 경우, 폐루프 송신 코일(1302)의 외곽에 형성된 충전 가능 영역을 활용하여 무선 충전이 가능함을 알 수 있다.
따라서, 본원 발명은 적어도 3개 이상의 수신 코일로 구성된 멀티 수신 코일이 충전 베드(1301)에 놓여지는 경우, 적어도 하나의 수신 코일이 충전 가능 영역에 위치되므로, 무선 충전이 중단되거나 실패되는 것을 미연에 방지할 수 있는 장점이 있다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치의 적층 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 14를 참조하면, 무선 전력 송신 장치(1400)의 적층 구조는 크게 충전 베드(1401), 충전 베드(1402) 하단 일측에 폐루프 형태로 장착되는 송신 코일(1402), 송신 코일(1402)의 하단에 배치되어 송신 코일(1402)에 의해 발생된 전자기 신호가 제어 회로 기판(1403)으로 전달되는 것을 차단하기 위한 차폐재(1403) 및 차폐재(1430) 하단에 배치되는 제어 회로 기판(1403)을 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 송신 코일(1402)의 양 단자는 제어 회로 기판(1403)에 전기적으로 연결되어야 함은 당연하다.
차폐재(1403)의 예로는 소결 Ni-Zn 페라이트, Half silted Mn-Zn 페라이트, 비정질 FeSiB 리본, Sendust-실리콘 등을 포함할 수 있다.
다른 일 예로, 차폐재(1403)는 Fe, Ni, Co, Mo, Si, Al, B 등의 원소 중 한 가지 혹은 두 가지 이상 원소의 조합으로 이루어지는 금속계 자성 분말과 고분자 복합소재(필름, 코팅 포함)로 이루어질 수도 있다.
또 다른 일 예로, 차폐재(1403)는 Fe, Ni, Mn, Zn, Co, Cu, Ca 등의 두 가지 이상 원소의 조합으로 이루어지는 페라이트계 분말과의 고분자 복합재료(필름, 코팅 포함)일 수 있다.
또 다른 일 예로, 차폐재(1403)는 Fe, Ni, Mn, Zn, Co, Cu, Ca 등의 두 가지 이상 원소의 조합으로 이루어지는 페라이트계 소결체이거나 내충격성 부여를 위하여 half slitting 가공된 것일 수도 있다.
또 다른 일 예로, 차폐재(1403)는 Fe, Co, Ba, Sr, Zn, Ti, Sn 중 두 가지 이상 원소의 조합으로 이루어지는 페라이트계 소결체일 수 있다.
또 다른 일 예로, 차폐재(1403)는 Fe, Ni, Mn, Zn, Co, Cu, Ca, Li, Ba, Sr, Ti, Sn 중 두 가지 이상 원소의 조합으로 이루어지는 페라이트계 분말과의 고분자 복합 재료일 수도 있다.
또 다른 일 예로, 차폐재(1403)는 permalloy 일 수 있다. 예를 들어, FeSi, FeNi, FeCo, Ni 등이 활용될 수도 있다.
또한, 차폐재(1403)는 양면 접착식 시트 형태로 구성되거나 자성을 갖는 금속 분말과 합성 수지를 혼합하여 가공한 샌더스트 블록의 형태로 구성될 수도 있다.
특히, 본 발명에 따른 송신 코일(1402)은 충전 베드(1401)의 가장자리로부터 일정 거리 안쪽으로 이격되도록 배치되며, 차폐재(1403)의 면적은 최소 송신 코일(1402)의 폐루프 면적과 동일하거나 크도록 구성될 수 있다. 즉, 차페재(1403)의 면적은 송신 코일(1402)의 폐루프 면적보다 크거나 같고, 충전 베드(1401)의 면적보다는 작게 구성될 수 있다.
따라서, 본원 발명에 따른 무선 전력 송신 장치(1400)는 충전 베드의 최외곽에 폐루프 형태의 송신 코일을 배치하는 종래의 방법에 비해, 보다 적은 송신 코일과 차폐재가 사용되므로 제조 비용을 절감할 수 있는 장점이 있다. 또한, 본원 발명에 따른 무선 전력 송신 장치(1400)는 상기 도 11에 도시된 바와 같이, 충전 베드의 최외곽에 폐루프 형태의 송신 코일을 배치함에 따라 발생 가능한 충전 베드 중앙 부분의 충전 음영 영역을 효과적으로 방지할 수 있는 장점이 있다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치에 장착되는 멀티 수신 코일의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
이하에서는 멀티 수신 코일(1500)이 독립적인 3개의 수신 코일을 조합하여 구성되는 것으로 도시되어 있으나, 이는 하나의 실시예에 불과하며, 4개 이상의 수신 코일을 조합하여 구성될 수도 있음을 주의해야 한다.
도 15를 참조하면, 멀티 수신 코일(1500)은 크게 코일 배치 영역(1510)과 출력 단자 영역(1520)을 포함하여 구성될 수 있다.
코일 배치 영역(1510)에는 제1 수신 코일(1501), 제2 수신 코일(1502) 및 제3 수신 코일(1503)이 배치될 수 있다. 제1 내지 제3 수신 코일(1501 내지 1503)은 일부 영역이 상호 중첩되도록 배치될 수 있다. 이때, 수신 코일 사이의 자기 결합 계수가 0이거나 수신 코일들이 서로 독립적으로 동작하는 것을 의미할 만큼 자기 결합 계수가 작은 값을 갖도록 수신 코일 간 중첩되는 영역이 결정되어야 한다.
또한, 도 15에 도시된 바와 같이, 상기 제1 내지 제3 수신 코일(1501 내지 1503)의 권선이 상호 고리를 형성되도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 제1 내지 제3 수신 코일(1501 내지 1503)는 부채꼴 형태를 가질 수 있으며, 제1 내지 제3 수신 코일(1501 내지 1503)의 코일 배치 영역(1510)상에서의 전체적인 배치 형태는 원의 형태일 수 있다. 여기서, 부채꼴의 내각은 360을 3으로 나눈 값인 120도일 수 있으나 이에 한정되지는 않는다. 만약, 멀티 수신 코일이 4개의 부채꼴 형태를 갖는 수신 코일로 구성되는 경우, 해당 부채꼴의 내각은 90도일 수 있으나 이에 한정되지는 않는다. 또한, 상기 부채꼴을 이루는 수신 코일들 권선 중 직선 구간의 권선들이 상호 평행하도록 상기 제1 내지 제3 수신 코일이 배치될 수 있다.
또한, 상기 제1 내지 제3 수신 코일(1501 내지 1503) 각각의 권선의 개수는 5일 수 있으나, 이는 하나의 실시예에 불과하며, 해당 멀티 수신 코일이 장착되는 무선 전력 송신 장치의 등급 및 구성 태양에 따라 수신 코일 당 권선의 개수는 서로 상이할 수 있음을 주의해야 한다.
또한, 멀티 수신 코일에 포함된 수신 코일의 개수가 N일 경우, 제1 내지 제N 수신 코일 중 임의의 2개의 수신 코일 사이에 중첩되는 영역의 면적이 모두 동일하도록 상기 제1 내지 제N 수신 코일이 배치될 수 있다.
도 15를 참조하면, 제1 수신 코일 내지 제3 수신 코일(1501 내지 1503) 각각의 양단은 출력 단자 영역(1520)에 구비된 출력 단자에 결속될 수 있다. 여기서, 각각의 수신 코일에 대응되는 출력 단자는 정류기로 연결될 수 있다.
또한, 각각의 수신 코일 내부 일측에는 온도 측정을 위한 온도 센서가 장착될 수 있도록 온도 센싱 홀(1504 내지 1506)이 구비될 수도 있다.
멀티 수신 코일(1500)은 인쇄 회로 기판에 인쇄되어 구성될 수 있으나, 이는 하나의 실시예에 불과하며, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 멀티 수신 코일(1500)은 소정 회수 감겨진 구리 코일을 차폐재 또는 금속판상에 접착하여 구성되거나 금속판(예를 들면, 구리판)의 애칭을 통해 만들어진 수신 코일을 차폐재에 부착하여 구성할 수도 있다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치의 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
도 16을 참조하면, 무선 전력 수신 장치(1600)는 수신부(1610), 정류부(1620), DC/DC 컨버터(1630) 및 부하(1640)을 포함하여 구성될 수 있다.
수신부(1610)는 멀티 수신 코일로서, 제1 내지 제N 수신 코일을 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, N은 3이상의 값을 가질 수 있다.
수신부(1610)의 출력-즉, AC 전력-은 정류부(1620)에 전달되어 DC 전력으로 변환될 수 있다.
일 실시예에 따른 정류부(1620)는 도 16에 도시된 바와 같이, 수신부(1610)에 포함된 수신 코일의 개수와 동일한 개수의 정류기를 포함하여 구성될 수 있다.
다른 일 예로, 수신부(1610)과 정류부(1620) 사이에 스위치(미도시)가 더 구비될 수도 있다. 이 경우, 수신 코일들을 통해 수신되는 AC 전력의 세기를 측정하여 소정 기준치 이상의 전력 수신이 가능한 수신 코일을 선택하고, 선택된 수신 코일에 상응하는 AC 전력이 정류기에 전달될 수 있도록 구성될 수도 있다. 물론, 이 경우, 수신 코일 별 AC 전력의 세기를 측정하기 위한 전력 센서(들)(미도시) 및 전력 센서의 센싱 값에 기반하여 전력을 수신할 수신 코일을 선택하고, 선택된 수신 코일의 AC 전력이 정류기에 전달되도록 스위치를 제어하는 제어부가 더 포함될 수 있음을 주의해야 한다.
상기 실시예에 있어서, 멀티 수신 코일 중 충전에 사용할 수신 코일을 선택하기 위한 AC 전력의 세기를 측정하는 것으로 설명되고 있으나, 이는 하나의 실시예에 불과하며, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 제어부는 스위치 제어를 통해 획득되는 수신 코일 별 정류기 출력 전력-즉, DC 전력-의 세기에 기반하여 충전을 위한 수신 코일을 선택할 수도 있다.
무선 전력 수신 장치는 멀티 수신 코일에 포함된 수신 코일 중 선택된 하나의 수신 코일을 통해 충전을 수행할 수 있으나 이는 하나의 실시예에 불과하며, 다른 일 예에 따른 무선 전력 수신 장치는 멀티 수신 코일에 포함된 수신 코일 중 선택된 복수의 수신 코일을 이용하여 충전을 수행할 수도 있음을 주의해야 한다.
DC/DC 컨버터(1630)는 정류부(1620)로부터 전달받은 DC 전력을 부하(1640)에 의해 요구되는 특정 DC 전력으로 변환할 수 있다.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
상술한 실시예에 따른 방법은 컴퓨터에서 실행되기 위한 프로그램으로 제작되어 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체에 저장될 수 있으며, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다.
컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고, 상술한 방법을 구현하기 위한 기능적인(function) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 실시예가 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (22)

  1. 무선 전력 신호를 수신하기 위해 동일 평면에 일부 중첩되도록 배치되는 제1 내지 제N 수신 코일;
    상기 제1 내지 제N 수신 코일 중 적어도 어느 하나에 의해 유도된 교류 전력을 전달하기 위해 상기 제1 내지 제N 수신 코일 각각의 양 종단이 연결되도록 형성된 제1 내지 제N 출력 단자; 및
    상기 제1 내 제N 출력 단자로부터 입력되는 상기 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 정류기
    를 포함하는, 무선 전력 수신 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 내지 제N 수신 코일 중 임의의 2개의 수신 코일 사이의 결합 계수가 0 또는 소정 기준치 이하인 값을 갖도록 상기 중첩되는 영역의 크기가 결정되는, 무선 전력 수신 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 내지 제N 수신 코일의 권선이 상호 고리가 형성되도록 상기 제1 내지 제N 수신 코일이 배치되는, 무선 전력 수신 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 내지 제N 수신 코일 각각은 부채꼴의 형태를 가지는, 무선 전력 수신 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 일부 중첩되도록 배치된 상기 제1 내지 제N 수신 코일의 전체적인 외형이 원의 형태인, 무선 전력 수신 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 부채꼴의 내각은 360을 상기 N으로 나눈 값인, 무선 전력 수신 장치.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 부채꼴을 이루는 수신 코일의 권선 중 직선 구간의 권선이 상호 평행하도록 상기 제1 내지 제N 수신 코일이 배치되는, 무선 전력 수신 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 N은 3이상인 것을 특징으로 하는, 무선 전력 수신 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 내지 제N 수신 코일 중 임의의 2개의 수신 코일 사이에 중첩되는 영역의 면적이 모두 동일하도록 상기 제1 내지 제N 수신 코일이 배치되는, 무선 전력 수신 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 출력 단자 별 상기 정류기가 구비되는, 무선 전력 수신 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 무선 전력 신호는 소정 공진 주파수로 변조되어 무선으로 수신되는 교류 전력 신호인 것을 특징으로 하는, 무선 전력 수신 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1 내지 제N 수신 코일 중 적어도 하나의 권선 내부 일측에 온도 측정을 위한 온도 센서가 더 구비되는, 무선 전력 수신 장치.
  13. 무선 전력 수신 장치가 배치되고 평면 형태를 가지는 충전 베드;
    상기 충전 베드의 최외곽으로부터 내측으로 일정 거리 이격되어 상기 충전 베드의 하단에 폐루프의 형태로 장착되는 송신 코일; 및
    상기 폐루프의 내부 면적이 커버되도록 상기 송신 코일의 하단에 장착되는 차폐재
    를 포함하는, 무선 전력 송신 패드.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 내측으로 이격되는 일정 거리는 상기 폐루프의 외곽으로 형성되는 충전 가능 영역이 상기 충전 베드에 모두 포함될 수 있는 최소값으로 결정되는, 무선 전력 송신 패드.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 폐루프의 외곽으로 형성되는 충전 가능 영역은 상기 송신 코일을 통해 전송 가능한 최대 전력의 세기 또는 상기 무선 전력 송신 패드가 장착되는 무선 전력 송신 장치의 등급에 기반하여 결정되는, 무선 전력 송신 패드.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 차폐재의 면적은 상기 폐루프의 내부 면적보다 크거나 같고, 상기 충전 베드의 면적보다 작은 것을 특징으로 하는, 무선 전력 송신 패드.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 무선 전력 수신 장치를 상기 충전 베드에 배치 가능한 영역에서 상기 폐루프의 내부 영역을 제외한 영역도 충전 가능 영역인 것을 특징으로 하는, 무선 전력 송신 패드.
  18. 제13항에 있어서,
    상기 무선 전력 송신 패드는 전자기 공진 방식으로 무선 전력을 전송하는 무선 전력 송신 장치에 탑재되는 것을 특징으로 하는, 무선 전력 송신 패드.
  19. 전자기 신호를 수신하기 위해 동일 평면에 일부 중첩되도록 배치되는 제1 내지 제N 수신 코일과 상기 제1 내지 제N 수신 코일에 의해 유도된 교류 전력을 전달하기 위해 상기 제1 내지 제N 수신 코일 각각의 양 종단을 연결하도록 형성된 제1 내 제N 출력 단자와 상기 제1 내 제N 출력 단자로부터 입력되는 상기 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 정류기를 포함하여 구성된 무선 전력 수신 장치; 및
    상기 무선 전력 수신 장치가 배치되며 평면 형태를 가지는 충전 베드와 상기 충전 베드의 최외곽으로부터 내측으로 일정 거리 이격되어 상기 충전 베드의 하단에 폐루프의 형태로 장착되는 송신 코일과 상기 폐루프의 내부 면적이 커버되도록 상기 송신 코일의 하단에 장착되는 차폐재를 포함하여 구성된 무선 전력 송신 장치
    를 포함하는, 무선 충전 시스템.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 폐루프를 형성하는 권선 주변으로 충전 음영 영역이 존재하며, 상기 제1 내지 제N 수신 코일 중 적어도 하나의 수신 코일이 상기 충전 음영 영역에 위치되지 않도록 상기 제1 내지 제N 수신 코일이 상기 무선 전력 수신 장치에 배치되는 것을 특징으로 하는, 무선 충전 시스템.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 제1 내지 제N 수신 코일 중 임의의 2개의 수신 코일 사이의 결합 계수가 0 또는 소정 기준치 이하인 값을 갖도록 상기 중첩되는 영역의 크기가 결정되는, 무선 충전 시스템.
  22. 제19항에 있어서,
    상기 무선 전력 송신 장치는 전자기 공진 방식으로 상기 무선 전력 수신 장치에 무선 전력을 전송하는 것을 특징으로 하는, 무선 충전 시스템.
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