KR20180005427A - 무선 충전을 위한 무선 전력 제어 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 무선 충전을 위한 무선 전력 제어 방법 및 그를 위한 장치에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치에 무선으로 전력을 전송하는 무선 전력 송신 장치에서의 무선 전력 제어 방법은 상기 무선 전력 수신 장치로의 전력 전송 중 공진 회로에 흐르는 전류의 세기를 측정하는 단계와 상기 측정된 전류의 세기를 소정 임계치와 비교하여 상기 공진 회로의 임피던스 조절이 필요한지 판단하는 단계와 상기 판단 결과, 상기 임피던스 조절이 필요하면, 상기 공진 회로의 전체 인덕턴스 값을 변경하여 상기 임피던스를 조절하는 단계를 포함할 수 있다. 따라서, 본 발명은 무선 전력 송신 장치가 발열되는 것을 효과적으로 차단할 수 있다.

Description

무선 충전을 위한 무선 전력 제어 방법 및 장치{Wireless Power Control Method and Apparatus for Wireless Charging}
본 발명은 무선 전력 전송 기술에 관한 것으로서, 상세하게, 무선 충전을 위한 무선 전력 제어 방법 및 장치에 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 고주파, Microwave, 레이저 등과 같은 전자파를 방사해서 전기에너지를 전송하는 방법도 시도되었다. 우리가 흔히 사용하는 전동칫솔이나 일부 무선면도기도 실상은 전자기유도 원리로 충전된다.
현재까지 무선을 이용한 에너지 전달 방식은 크게 자기 유도 방식, 자기 공진(Electromagnetic Resonance) 방식 및 단파장 무선 주파수를 이용한 RF 전송 방식 등으로 구분될 수 있다.
자기 유도 방식은 두 개의 코일을 서로 인접시킨 후 한 개의 코일에 전류를 흘려보내면 이 때 발생한 자속(MagneticFlux)이 다른 코일에 기전력을 일으키는 현상을 사용한 기술로서, 휴대폰과 같은 소형기기를 중심으로 빠르게 상용화가 진행되고 있다. 자기 유도 방식은 최대 수백 키로와트(kW)의 전력을 전송할 수 있고 효율도 높지만 최대 전송 거리가 1센티미터(cm) 이하이므로 일반적으로 충전기나 바닥에 인접시켜야 하는 단점이 있다.
자기 공진 방식은 전자기파나 전류 등을 활용하는 대신 전기장이나 자기장을 이용하는 특징이 있다. 자기 공진 방식은 전자파 문제의 영향을 거의 받지 않으므로 다른 전자 기기나 인체에 안전하다는 장점이 있다. 반면, 한정된 거리와 공간에서만 활용할 수 있으며 에너지 전달 효율이 다소 낮다는 단점이 있다.
단파장 무선 전력 전송 방식-간단히, RF 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, 가전 산업 등 산업 전반에 다양하게 활용될 수 있다.
다양한 기기에 무선 충전 기능이 탑재되고, 무선 전력 수신 장치에 의해 요구되는 전력의 세기가 증가됨에 따라, 구동 회로 및 송신 코일에서의 발열 현상이 발생되어 기기가 손상될 수 있다.
발열 현상을 방지하기 위해 각종 방열 구조-예를 들면, 방열 팬, 방열 소재 등을 포함함-가 무선 전력 송신 장치 및 무선 전력 수신 장치에 장착되고 있으나, 방열 효과가 기대에 미치지 못할 뿐만 아니라 원가 및 기구적인 제한으로 한계가 있는 실정이다.
특히, 발생된 열을 빨리 방열하는 것도 중요하지만, 무엇보다 제어 회로 기판 및 코일에 발생되는 열을 최소화시키는 것이 중요하다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로, 본 발명의 목적은 무선 충전을 위한 무선 전력 제어 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 공진 회로에 인가되는 전류의 세기에 기반하여 공진 회로의 임피던스를 적응적으로 조절함으로써, 발열을 최소화시키는 것이 가능한 무선 전력 제어 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 공진 회로의 측정 온도에 기반하여 공진 회로의 임피던스를 적응적으로 조절함으로써, 무선 전력 송신기의 발열을 제어하는 것이 가능한 무선 전력 제어 방법 및 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 충전을 위한 무선 전력 제어 방법 및 그를 위한 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치에 무선으로 전력을 전송하는 무선 전력 송신 장치에서의 무선 전력 제어 방법은 상기 무선 전력 수신 장치로의 전력 전송 중 공진 회로에 흐르는 전류의 세기를 측정하는 단계와 상기 측정된 전류의 세기를 소정 임계치와 비교하여 상기 공진 회로의 임피던스 조절이 필요한지 판단하는 단계와 상기 판단 결과, 상기 임피던스 조절이 필요하면, 상기 공진 회로의 전체 인덕턴스 값을 변경하여 상기 임피던스를 조절하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 측정된 전류의 세기가 상기 임계치를 초과하면, 상기 공진 회로의 전체 인덕턴스 값을 증가시켜 상기 임피던스를 증가시킬 수 있다.
또한, 상기 공진 회로의 전단에 구비되는 임피던스 조절 회로를 제어하여 상기 공진 회로의 전체 인덕턴스 값이 변경될 수 있다.
또한, 상기 공진 회로는 공진 캐피시터와 공진 인덕터가 직렬로 연결된 직렬 공진 회로일 수 있다.
또한, 상기 임피던스 조절 회로는 임피던스 조절 스위치 및 임피던스 조절 인덕터를 포함하고, 상기 임피던스 조절 스위치 제어를 통해 상기 직렬 공진 회로에 임피던스 조절 인덕터가 직렬로 연결되어 상기 공진 회로의 전체 인덕턴스 값이 증가될 수 있다.
여기서, 상기 임피던스 조절 스위치는 상기 공진 회로에 교류 전력을 제공하는 인버터와 연결되고, 상기 임피던스 조절 인덕터와 직렬로 연결되는 제1 임피던스 조절 스위치와 상기 임피던스 조절 인덕터와 상기 공진 캐피시터 사이에서 분기된 선로의 일측에 구비되는 제2 임피던스 조절 스위치를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 인버터는 하프 브릿지 인버터, 풀 브릿지 인버터 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 무선 전력 제어 방법은 상기 임피던스를 증가시킨 후 상기 공진 회로에 흐르는 전류의 세기가 상기 임계치 이하로 떨어지지 않으면, 소정 경고 알람을 출력하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치에 무선으로 전력을 전송하는 무선 전력 송신 장치에서의 무선 전력 제어 방법은 상기 무선 전력 수신 장치로의 전력 전송 중 상기 공진 회로의 온도를 측정하는 단계와 상기 측정된 온도를 소정 임계치와 비교하여 상기 공진 회로의 임피던스 조절이 필요한지 판단하는 단계와 상기 판단 결과, 상기 임피던스 조절이 필요하면, 상기 공진 회로의 전체 인덕턴스 값을 변경하여 상기 임피던스를 조절하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 측정된 온도가 상기 임계치를 초과하면, 상기 공진 회로의 전체 인덕턴스 값을 증가시켜 상기 임피던스가 증가될 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 제어 장치는 공진 회로와 상기 공진 회로에 교류 전력을 제공하는 인버터와 상기 인버터와 상기 공진 회로 사이에 구비되고, 상기 공진 회로의 전체 임피던스를 조절하도록 구성된 임피던스 조절 회로와 전력 전송 중 상기 공진 회로에 흐르는 전류의 세기를 측정하는 센싱부와 상기 측정된 전류의 세기를 소정 임계치와 비교하여 상기 공진 회로의 임피던스 조절이 필요한지 여부를 판단하고, 상기 판단 결과, 상기 임피던스 조절이 필요하면, 상기 임피던스 조절 회로를 제어하여 상기 공진 회로의 전체 임피던스를 조절하는 제어부를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 측정된 전류의 세기가 상기 임계치를 초과하면, 상기 제어부가 상기 공진 회로의 전체 인덕턴스 값이 증가되도록 상기 임피던스 조절 회로를 제어하여 상기 공진 회로의 전체 임피던스를 증가시킬 수 있다.
또한, 상기 공진 회로는 공진 캐피시터와 공진 인덕터가 직렬로 연결된 직렬 공진 회로일 수 있다.
또한, 상기 임피던스 조절 회로는 임피던스 조절 스위치 및 임피던스 조절 인덕터를 포함하고, 상기 임피던스 조절 스위치 제어를 통해 상기 직렬 공진 회로에 임피던스 조절 인덕터가 직렬로 연결되어 상기 공진 회로의 전체 인덕턴스 값이 증가될 수 있다.
또한, 상기 임피던스 조절 스위치는 상기 인버터와 연결되고, 상기 임피던스 조절 인덕터와 직렬로 연결되는 제1 임피던스 조절 스위치와 상기 임피던스 조절 인덕터와 상기 공진 캐피시터 사이에서 분기된 선로의 일측에 구비되는 제2 임피던스 조절 스위치를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 인버터는 하프 브릿지 인버터, 풀 브릿지 인버터 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 임피던스를 증가시킨 후 상기 공진 회로에 흐르는 전류의 세기가 상기 임계치 이하로 떨어지지 않으면, 상기 제어부가 상기 전력 전송을 중단시키고 소정 경고 알람을 출력시킬 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 제어 장치는 공진 회로와 상기 공진 회로에 교류 전력을 제공하는 인버터와 상기 인버터와 상기 공진 회로 사이에 구비되고, 상기 공진 회로의 전체 임피던스를 조절하도록 구성된 임피던스 조절 회로와 전력 전송 중 온도를 측정하는 센싱부와 상기 측정된 온도와 소정 임계치를 비교하여 상기 공진 회로의 임피던스 조절이 필요한지 여부를 판단하고, 상기 판단 결과, 상기 임피던스 조절이 필요하면, 상기 임피던스 조절 회로를 제어하여 상기 공진 회로의 전체 임피던스를 조절하는 제어부를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예는 상기 무선 전력 제어 방법들 중 어느 하나의 방법을 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체가 제공될 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, 장치 및 시스템에 대한 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 무선 전력 송신 장치의 발열을 미연에 방지하는 것이 가능한 무선 전력 제어 방법 및 장치를 제공하는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 공진 회로에 인가되는 전류의 세기에 기반하여 공진 회로의 임피던스를 적응적으로 조절함으로써, 발열을 최소화시키는 것이 가능한 무선 전력 제어 방법 및 장치를 제공하는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 공진 회로의 측정 온도에 기반하여 공진 회로의 임피던스를 적응적으로 조절함으로써 공진 회로에 과도한 전류가 흐르는 것을 차단하는 것이 가능한 무선 전력 제어 방법 및 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.
도 1은 본 발명에 일 실시예에 따른 무선 충전 시스템을 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 본 발명에 다른 실시예에 따른 무선 충전 시스템을 설명하기 위한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전 시스템에서의 감지 신호 전송 절차를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 WPC 표준에 정의된 무선 전력 전송 절차를 설명하기 위한 상태 천이도이다.
도 5는 WPC(Qi) 표준에 정의된 무선 전력 전송 절차를 설명하기 위한 상태 천이도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신기의 구조를 설명하기 위한 블록도이다.
도 7은 상기 도 6에 따른 무선 전력 송신기와 연동되는 무선 전력 수신기의 구조를 설명하기 위한 블록도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 신호의 변조 및 복조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른, 패킷 포맷을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 WPC(Qi) 표준에 정의된 패킷의 종류를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 제어 장치의 구조를 설명하기 위한 블록도이다.
도 12는 본 발명의 이해를 돕기 위해 직류 신호를 교류 신호로 변환하는 인버터의 기본적인 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 하프 브릿지 타입의 인버터가 장착된 무선 전력 제어 장치의 등가 회로도이다.
도 14는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 풀 브릿지 타입의 인버터가 장착된 무선 전력 제어 장치의 등가 회로도이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 16은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 17은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
이하, 본 발명의 실시예들이 적용되는 장치 및 다양한 방법들에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
실시예의 설명에 있어서, 각 구성 요소의 " 상(위) 또는 하(아래)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)는 두개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되거나 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 배치되어 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 “상(위) 또는 하(아래)”으로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
실시예의 설명에 있어서, 무선 충전 시스템상에서 무선 전력을 송신하는 기능이 탑재된 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 기능이 탑재된 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 송신기는 패드 형태, 거치대 형태, AP(Access Point) 형태, 소형 기지국 형태, 스텐드 형태, 천장 매립 형태, 벽걸이 형태 등으로 구성될 수 있으며, 하나의 송신기는 복수의 무선 전력 수신 장치에 파워를 전송할 수도 있다. 이를 위해, 송신기는 적어도 하나의 무선 파워 전송 수단을 구비할 수도 있다. 여기서, 무선 파워 전송 수단은 전력 송신단 코일에서 자기장을 발생시켜 그 자기장의 영향으로 수신단 코일에서 전기가 유도되는 전자기유도 원리를 이용하여 충전하는 전자기 유도 방식에 기반한 다양한 무전 전력 전송 표준이 사용될 수 있다. 여기서, 무선파워 전송 수단은 무선 충전 기술 표준 기구인 WPC(Wireless Power Consortium) 및 PMA(Power Matters Alliance)에서 정의된 전자기 유도 방식의 무선 충전 기술을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 수신기는 적어도 하나의 무선 전력 수신 수단이 구비될 수 있으며, 2개 이상의 송신기로부터 동시에 무선 파워를 수신할 수도 있다. 여기서, 무선 전력 수신 수단은 무선 충전 기술 표준 기구인 WPC(Wireless Power Consortium) 및 PMA(Power Matters Alliance)에서 정의된 전자기 유도 방식의 무선 충전 기술을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 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, 스마트 워치와 같은 웨어러블 디바이스 등의 소형 전자 기기 등에 사용될 수 있으나, 이에 국한되지는 아니하며 본 발명에 따른 무선 전력 수신 수단이 장착되어 배터리 충전이 가능한 기기라면 족하다.
도 1은 본 발명에 일 실시예에 따른 무선 충전 시스템을 설명하기 위한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 무선 충전 시스템은 크게 무선으로 전력을 송출하는 무선 전력 송신단(10), 상기 송출된 전력을 수신하는 무선 전력 수신단(20) 및 수신된 전력을 공급 받는 전자기기(30)로 구성될 수 있다.
일 예로, 무선 전력 송신단(10)과 무선 전력 수신단(20)은 무선 전력 전송에 사용되는 동작 주파수와 동일한 주파수 대역을 이용하여 정보를 교환하는 인밴드(In-band) 통신을 수행할 수 있다. 다른 일예로, 무선 전력 송신단(10)과 무선 전력 수신단(20)은 무선 전력 전송에 사용되는 동작 주파수와 상이한 별도의 주파수 대역을 이용하여 정보를 교환하는 대역외(Out-of-band) 통신을 수행할 수도 있다.
일 예로, 무선 전력 송신단(10)과 무선 전력 수신단(20) 사이에 교환되는 정보는 서로의 상태 정보뿐만 아니라 제어 정보도 포함될 수 있다. 여기서, 송수신단 사이에 교환되는 상태 정보 및 제어 정보는 후술할 실시예들의 설명을 통해 보다 명확해질 것이다.
상기 인밴드 통신 및 대역외 통신은 양방향 통신을 제공할 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 다른 실시예에 있어서는 단방향 통신 또는 반이중 방식의 통신을 제공할 수도 있다.
일 예로, 단방향 통신은 무선 전력 수신단(20)이 무선 전력 송신단(10)으로만 정보를 전송하는 것일 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 무선 전력 송신단(10)이 무선 전력 수신단(20)으로 정보를 전송하는 것일 수도 있다.
반이중 통신 방식은 무선 전력 수신단(20)과 무선 전력 송신단(10) 사이의 양방향 통신은 가능하나, 어느 한 시점에 어느 하나의 장치에 의해서만 정보 전송이 가능한 특징이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 수신단(20)은 전자 기기(30)의 각종 상태 정보를 획득할 수도 있다. 일 예로, 전자 기기(30)의 상태 정보는 현재 전력 사용량 정보, 실행중인 응용을 식별하기 위한 정보, CPU 사용량 정보, 배터리 충전 상태 정보, 배터리 출력 전압/전류 정보 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 전자 기기(30)로부터 획득 가능하고, 무선 전력 제어에 활용 가능한 정보이면 족하다.
특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신단(10)은 고속 충전 지원 여부를 지시하는 소정 패킷을 무선 전력 수신단(20)에 전송할 수 있다. 무선 전력 수신단(20)은 접속된 무선 전력 송신단(10)이 고속 충전 모드를 지원하는 것으로 확인된 경우, 이를 전자 기기(30)에 알릴 수 있다. 전자 기기(30)는 구비된 소정 표시 수단-예를 들면, 액정 디스플레이일 수 있음-을 통해 고속 충전이 가능함을 표시할 수 있다.
또한, 전자 기기(30) 사용자는 액정 표시 수단에 표시된 소정 고속 충전 요청 버튼을 선택하여 무선 전력 송신단(10)이 고속 충전 모드로 동작하도록 제어할 수도 있다. 이 경우, 전자 기기(30)는 사용자에 의해 고속 충전 요청 버튼이 선택되면, 소정 고속 충전 요청 신호를 무선 전력 수신단(20)에 전송할 수 있다. 무선 전력 수신단(20)은 수신된 고속 충전 요청 신호에 상응하는 충전 모드 패킷을 생성하여 무선 전력 송신단(10)에 전송함으로써, 일반 저전력 충전 모드를 고속 충전 모드로 전환시킬 수 있다.
도 2는 본 발명에 다른 실시예에 따른 무선 충전 시스템을 설명하기 위한 블록도이다.
일 예로, 도면 부호 200a에 도시된 바와 같이, 무선 전력 수신단(20)은 복수의 무선 전력 수신 장치로 구성될 수 있으며, 하나의 무선 전력 송신단(10)에 복수의 무선 전력 수신 장치가 연결되어 무선 충전을 수행할 수도 있다. 이때, 무선 전력 송신단(10)은 시분할 방식으로 복수의 무선 전력 수신 장치에 전력을 분배하여 송출할 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며. 다른 일 예로, 무선 전력 송신단(10)은 무선 전력 수신 장치 별 할당된 상이한 주파수 대역을 이용하여 복수의 무선 전력 수신 장치에 전력을 분배하여 송출할 수 있다.
이때, 하나의 무선 전력 송신 장치(10)에 연결 가능한 무선 전력 수신 장치의 개수는 무선 전력 수신 장치 별 요구 전력량, 배터리 충전 상태, 전자 기기의 전력 소비량 및 무선 전력 송신 장치의 가용 전력량 중 적어도 하나에 기반하여 적응적으로 결정될 수 있다.
다른 일 예로, 도면 부호 200b에 도시된 바와 같이, 무선 전력 송신단(10)은 복수의 무선 전력 송신 장치로 구성될 수도 있다. 이 경우, 무선 전력 수신단(20)은 복수의 무선 전력 송신 장치와 동시에 연결될 수 있으며, 연결된 무선 전력 송신 장치들로부터 동시에 전력을 수신하여 충전을 수행할 수도 있다. 이때, 무선 전력 수신단(20)과 연결된 무선 전력 송신 장치의 개수는 무선 전력 수신단(20)의 요구 전력량, 배터리 충전 상태, 전자 기기의 전력 소비량, 무선 전력 송신 장치의 가용 전력량 등에 기반하여 적응적으로 결정될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전 시스템에서의 감지 신호 전송 절차를 설명하기 위한 도면이다.
일 예로, 무선 전력 송신기는 3개의 송신 코일(111, 112, 113)이 장착될 수 있다. 각각의 송신 코일은 일부 영역이 다른 송신 코일과 서로 중첩될 수 있으며, 무선 전력 송신기는 각각의 송신 코일을 통해 무선 전력 수신기의 존재를 감지하기 위한 소정 감지 신호(117, 127)-예를 들면, 디지털 핑 신호-를 미리 정의된 순서로 순차적으로 송출한다.
상기 도 3에 도시된 바와 같이, 무선 전력 송신기는 도면 번호 110에 도시된 1차 감지 신호 송출 절차를 통해 감지 신호(117)를 순차적으로 송출하고, 무선 전력 수신기(115)로부터 신호 세기 지시자(Signal Strength Indicator, 116)가 수신된 송신 코일(111, 112)을 식별할 수 있다. 연이어, 무선 전력 송신기는 도면 번호 120에 도시된 2차 감지 신호 송출 절차를 통해 감지 신호(127)를 순차적으로 송출하고, 신호 세기 지시자(126)가 수신된 송신 코일(111, 112) 중 전력 전송 효율(또는 충전 효율)-즉, 송신 코일과 수신 코일 사이의 정렬 상태-이 좋은 송신 코일을 식별하고, 식별된 송신 코일을 통해 전력이 송출되도록-즉, 무선 충전이 이루어지도록- 제어할 수 있다.
상기의 도 3에서 보여지는 바와 같이, 무선 전력 송신기가 2회의 감지 신호 송출 절차를 수행하는 이유는 어느 송신 코일에 무선 전력 수신기의 수신 코일이 잘 정렬되어 있는지를 보다 정확하게 식별하기 위함이다.
만약, 상기한 도 3의 도면 번호 110 및 120에 도시된 바와 같이, 제1 송신 코일(111), 제2 송신 코일(112)에 신호 세기 지시자(116, 126)가 수신된 경우, 무선 전력 송신기는 제1 송신 코일(111)과 제2 송신 코일(112) 각각에 수신된 신호 세기 지시자(126)에 기반하여 가장 정렬이 잘된 송신 코일을 선택하고, 선택된 송신 코일을 이용하여 무선 충전을 수행한다.
도 4는 WPC 표준에 정의된 무선 전력 전송 절차를 설명하기 위한 상태 천이도이다.
도 4를 참조하면, WPC 표준에 따른 송신기로부터 수신기로의 파워 전송은 크게 선택 단계(Selection Phase, 410), 핑 단계(Ping Phase, 420), 식별 및 구성 단계(Identification and Configuration Phase, 430), 전력 전송 단계(Power Transfer Phase, 440) 단계로 구분될 수 있다.
선택 단계(410)는 파워 전송을 시작하거나 파워 전송을 유지하는 동안 특정 오류 또는 특정 이벤트가 감지되면, 천이되는 단계일 수 있다. 여기서, 특정 오류 및 특정 이벤트는 이하의 설명을 통해 명확해질 것이다. 또한, 선택 단계(410)에서 송신기는 충전 인터페이스 표면에 물체가 존재하는지를 모니터링할 수 있다. 만약, 송신기가 충전 인터페이스 표면에 물체가 놓여진 것을 감지하면, 핑 단계(420)로 천이할 수 있다(S401). 선택 단계(410)에서 송신기는 매우 짧은 펄스의 아날로그 핑(Analog Ping) 신호를 전송할 수 있으며, 송신 코일의 전류 변화에 기반하여 충전 인터페이스 표면의 활성 영역(Active Area)-즉, 충전 가능 영역-에 물체가 존재하는지를 감지할 수 있다.
핑 단계(420)에서 송신기는 물체를 감지하면, 수신기를 활성화-즉, 부팅(booting)-시키고, 수신기가 WPC 표준에 호환되는 수신기인지를 식별하기 위한 디지털 핑(Digital Ping)을 전송한다. 핑 단계(420)에서 송신기는 디지털 핑에 대한 응답 시그널-예를 들면, 신호 세기 지시자-을 수신기로부터 수신하지 못하면, 다시 선택 단계(410)로 천이할 수 있다(S402). 또한, 핑 단계(420)에서 송신기는 수신기로부터 파워 전송이 완료되었음을 지시하는 신호-즉, 충전 완료 신호-를 수신하면, 선택 단계(410)로 천이할 수도 있다(S403).
핑 단계(420)가 완료되면, 송신기는 수신기를 식별하고, 수신기 구성 및 상태 정보를 수집하기 위한 식별 및 구성 단계(430)로 천이할 수 있다(S404).
식별 및 구성 단계(430)에서 송신기는 원하지 않은 패킷이 수신되거나(unexpected packet), 미리 정의된 시간 동안 원하는 패킷이 수신되지 않거나(time out), 패킷 전송 오류가 있거나(transmission error), 파워 전송 계약이 설정되지 않으면(no power transfer contract) 선택 단계(410)로 천이할 수 있다(S405).
수신기에 대한 식별 및 구성이 완료되면, 송신기는 무선 전력을 전송하는 전력 전송 단계(440)로 천이할 수 있다(S406).
전력 전송 단계(440)에서, 송신기는 원하지 않은 패킷이 수신되거나(unexpected packet), 미리 정의된 시간 동안 원하는 패킷이 수신되지 않거나(time out), 기 설정된 파워 전송 계약에 대한 위반이 발생되거나(power transfer contract violation), 충전이 완료된 경우, 선택 단계(410)로 천이할 수 있다(S407).
또한, 전력 전송 단계(440)에서, 송신기는 송신기 상태 변화 등에 따라 파워 전송 계약을 재구성할 필요가 있는 경우, 식별 및 구성 단계(430)로 천이할 수 있다(S408).
상기한 파워 전송 계약은 송신기와 수신기의 상태 및 특성 정보에 기반하여 설정될 수 있다. 일 예로, 송신기 상태 정보는 최대 전송 가능한 파워량에 대한 정보, 최대 수용 가능한 수신기 개수에 대한 정보 등을 포함할 수 있으며, 수신기 상태 정보는 요구 전력에 대한 정보 등을 포함할 수 있다.
도 5는 WPC(Qi) 표준에 정의된 무선 전력 전송 절차를 설명하기 위한 상태 천이도이다.
도 5를 참조하면, WPC(Qi) 표준에 따른 송신기로부터 수신기로의 파워 전송은 크게 선택 단계(Selection Phase, 510), 핑 단계(Ping Phase, 520), 식별 및 구성 단계(Identification and Configuration Phase, 530), 협상 단계(Negotiation Phase, 540), 보정 단계(Calibration Phase, 550), 전력 전송 단계(Power Transfer Phase, 560) 단계 및 재협상 단계(Renegotiation Phase, 570)로 구분될 수 있다.
선택 단계(510)는 파워 전송을 시작하거나 파워 전송을 유지하는 동안 특정 오류 또는 특정 이벤트가 감지되면, 천이되는 단계-예를 들면, 도면 부호 S502, S504, S506, S509, S일 수 있다. 여기서, 특정 오류 및 특정 이벤트는 이하의 설명을 통해 명확해질 것이다. 또한, 선택 단계(510)에서 송신기는 인터페이스 표면에 물체가 존재하는지를 모니터링할 수 있다. 만약, 송신기가 인터페이스 표면에 물체가 놓여진 것이 감지되면, 핑 단계(520)로 천이할 수 있다. 선택 단계(510)에서 송신기는 매우 짧은 펄스의 아날로그 핑(Analog Ping) 신호를 전송하며, 송신 코일 또는 1차 코일(Primary Coil)의 전류 변화에 기반하여 인터페이스 표면의 활성 영역(Active Area)에 물체가 존재하는지를 감지할 수 있다.
핑 단계(520)에서 송신기는 물체가 감지되면, 수신기를 활성화시키고, 수신기가 WPC 표준이 호환되는 수신기인지를 식별하기 위한 디지털 핑(Digital Ping)을 전송한다. 핑 단계(520)에서 송신기는 디지털 핑에 대한 응답 시그널-예를 들면, 신호 세기 패킷-을 수신기로부터 수신하지 못하면, 다시 선택 단계(510)로 천이할 수 있다. 또한, 핑 단계(520)에서 송신기는 수신기로부터 파워 전송이 완료되었음을 지시하는 신호-즉, 충전 완료 패킷-을 수신하면, 선택 단계(510)로 천이할 수도 있다.
핑 단계(520)가 완료되면, 송신기는 수신기를 식별하고 수신기 구성 및 상태 정보를 수집하기 위한 식별 및 구성 단계(530)로 천이할 수 있다.
식별 및 구성 단계(530)에서 송신기는 원하지 않은 패킷이 수신되거나(unexpected packet), 미리 정의된 시간 동안 원하는 패킷이 수신되지 않거나(time out), 패킷 전송 오류가 있거나(transmission error), 파워 전송 계약이 설정되지 않으면(no power transfer contract) 선택 단계(510)로 천이할 수 있다.
송신기는 식별 및 구성 단계(530)에서 수시된 구성 패킷(Configuration packet)의 협상 필드(Negotiation Field) 값에 기반하여 협상 단계(540)로의 진입이 필요한지 여부를 확인할 수 있다.
확인 결과, 협상이 필요하면, 송신기는 협상 단계(540)로 진입하여 소정 FOD 검출 절차를 수행할 수 있다.
반면, 확인 결과, 협상이 필요하지 않은 경우, 송신기는 곧바로 전력 전송 단계(560)로 진입할 수도 있다.
협상 단계(540)에서, 송신기는 기준 품질 인자 값이 포함된 FOD(Foreign Object Detection) 상태 패킷을 수신할 수 있다. 이때, 송신기는 기준 품질 인자 값에 기반하여 FO 검출을 위한 임계치를 결정할 수 있다.
송신기는 결정된 FO 검출을 위한 임계치 및 현재 측정된 품질 인자 값을 이용하여 충전 영역에 FO가 존재하는지를 검출할 수 있으며, FO 검출 결과에 따라 전력 전송을 제어할 수 있다. 일 예로, FO가 검출된 경우, 전력 전송이 중단될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
FO가 검출된 경우, 송신기는 선택 단계(510)로 회귀할 수 있다. 반면, FO가 검출되지 않은 경우, 송신기는 보정 단계(550)를 거쳐 전력 전송 단계(560)로 진입할 수도 있다. 상세하게, 송신기는 FO가 검출되지 않은 경우, 송신기는 보정 단계(550)에서 수신단에 수신된 전력의 세기를 결정하고, 송신단에서 전송한 전력의 세기를 결정하기 위해 수신단과 송신단에서의 전력 손실을 측정할 수 있다. 즉, 송신기는 보정 단계(550)에서 송신단의 송신 파워와 수신단의 수신 파워 사이의 차이에 기반하여 전력 손실을 예측할 수 있다. 일 실시예에 따른 송신기는 예측된 전력 손실을 반영하여 FOD 검출을 위한 임계치를 보정할 수도 있다.
전력 전송 단계(560)에서, 송신기는 원하지 않은 패킷이 수신되거나(unexpected packet), 미리 정의된 시간 동안 원하는 패킷이 수신되지 않거나(time out), 기 설정된 파워 전송 계약에 대한 위반이 발생되거나(power transfer contract violation), 충전이 완료된 경우, 선택 단계(510)로 천이할 수 있다.
또한, 전력 전송 단계(560)에서, 송신기는 송신기 상태 변화 등에 따라 파워 전송 계약을 재구성할 필요가 있는 경우, 재협상 단계(570)로 천이할 수 있다. 이때, 재협상이 정상적으로 완료되면, 송신기는 전력 전송 단계(560)로 회귀할 수 있다.
상기한 파워 전송 계약은 송신기와 수신기의 상태 및 특성 정보에 기반하여 설정될 수 있다. 일 예로, 송신기 상태 정보는 최대 전송 가능한 파워량에 대한 정보, 최대 수용 가능한 수신기 개수에 대한 정보 등을 포함할 수 있으며, 수신기 상태 정보는 요구 전력에 대한 정보 등을 포함할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신기의 구조를 설명하기 위한 블록도이다.
도 6을 참조하면 무선 전력 송신기(600)는 크게, 전력 변환부(610), 전력 전송부(620), 통신부(630), 제어부(640), 센싱부(650)를 포함하여 구성될 수 있다. 상기한 무선 전력 송신기(600)의 구성은 반드시 필수적인 구성은 아니어서, 그보다 많거나 적은 구성 요소를 포함하여 구성될 수도 있음을 주의해야 한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 전력 변환부(610)는 전원부(660)로부터 DC 전원이 공급되면, 이를 소정 세기의 교류 전력으로 변환하는 기능을 수행할 수 있다.
이를 위해, 전력 변환부(610)는 DC/DC 변환부(611), 인버터(612) 및 주파수 생성기(613)를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 인버터(612)는 하프 브릿지 인버터 또는 풀 브릿지 인버터일 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 직류 전력을 특정 동작 주파수를 가지는 교류 전력으로 변환할 수 있는 회로 구성이면 족하다.
DC/DC 변환부(611)는 전원부(650)로부터 공급된 DC 전력을 제어부(640)의 제어 신호에 따라 특정 세기의 DC 전력으로 변환하는 기능을 수행할 수 있다.
이때, 센싱부(650)는 DC 변환된 전력의 전압/전류 등을 측정하여 제어부(640)에 제공할 수 있다. 또한, 센싱부(650)는 과열 발생 여부 판단을 위해 무선 전력 송신기(600)의 내부 온도를 측정하고, 측정 결과를 제어부(640)에 제공할 수도 있다. 일 예로, 제어부(640)는 센싱부(650)에 의해 측정된 전압/전류 값에 기반하여 적응적으로 전원부(650)로부터의 전원 공급을 차단하거나, 증폭기(612)에 전력이 공급되는 것을 차단할 수 있다. 이를 위해, 전력 변환부(610)의 일측에는 전원부(650)로부터 공급되는 전원을 차단하거나, 증폭기(612)에 공급되는 전력을 차단하기 위한 소정 전력 차단 회로가 가 더 구비될 수도 있다.
인버터(612)는 DC/DC 변환된 직류 전력을 주파수 생성기(613)에 의해 생성된 기준 교류 신호에 기반하여 교류 전력으로 변환할 수 있다. 이때, 기준 교류 신호의 주파수-즉, 동작 주파수-는 제어부(640)의 제어 신호에 따라 동적으로 변경될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신기(600)는 동작 주파수를 조절하여 송출 전력의 세기를 조절할 수도 있다. 일 예로, 제어부(640)는 통신부(630)를 통해 무선 전력 수신기의 전력 수신 상태 정보 또는(및) 전력 제어 신호를 수신할 수 있으며, 수신된 전력 수신 상태 정보 또는(및) 전력 제어 신호에 기반하여 동작 주파수를 결정하고, 결정된 동작 주파수가 생성되도록 주파수 생성기(613)를 동적으로 제어할 수 있다. 일 예로, 전력 수신 상태 정보는 정류기 출력 전압의 세기 정보, 수신 코일에 인가되는 전류의 세기 정보 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 전력 제어 신호는 전력 증가를 요청하기 위한 신호, 전력 감소를 요청하기 위한 신호 등을 포함할 수 있다.
전력 전송부(620)는 다중화기(621)(또는 멀티플렉서), 송신 코일부(622)을 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 송신 코일부(622)는 제1 내지 제n 송신 코일로 구성될 수 있다. 또한, 전력 전송부(620)는 전력 전송을 위한 특정 캐리어 주파수를 생성하기 위한 반송파 생성기(미도시)를 더 포함할 수도 있다. 이 경우, 반송파 생성기는 다중화기(621)를 통해 전달 받은 인버터(612)의 출력 교류 전력과 믹싱하기 위한특정 캐리어 주파수로 생성할 수 있다. 본 발명의 일 실시예는 각각의 송신 코일에 전달되는 AC 전력의 주파수가 서로 상이할 수도 있음을 주의해야 한다. 본 발명의 다른 일 실시예는 LC 공진 특성을 송신 코일마다 상이하게 조절하는 기능이 구비된 소정 주파수 제어기를 이용하여 각각의 송신 코일 별 공진 주파수를 상이하게 설정할 수도 있다.
다중화기(621)는 제어부(640)에 의해 선택된 송신 코일로 교류 전력을 전달하기 위한 스위치 기능을 수행할 수 있다. 제어부(640)는 송신 코일 별 수신되는 신호 세기 지시자에 기반하여 해당 무선 전력 수신기로의 전력 전송에 사용할 송신 코일을 선택할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제어부(640)는 복수의 무선 전력 수신기가 연결된 경우, 송신 코일 별 시분할 다중화를 통해 전력을 전송할 수도 있다. 예를 들어, 무선 전력 송신기(600)에 3개의 무선 전력 수신기-즉, 제1 내지 3 무선 전력 수신기-가 각각 3개의 서로 다른 송신 코일-즉, 제1 내지 3 송신 코일-을 통해 식별된 경우, 제어부(640)는 다중화기(621)를 제어하여, 특정 타임 슬롯에 특정 송신 코일을 통해서만 교류 전력이 송출될 수 있도록 제어할 수 있다. 이때, 송신 코일 별 할당된 타임 슬롯의 길이에 따라 해당 무선 전력 수신기로 전송되는 전력의 양이 제어될 수 있으나, 이는 하나의 실시예에 불과하며, 다른 일 예는 송신 코일 별 할당된 타임 슬롯 동안 DC/DC 변환기(611)의 출력 직류 전력의 세기를 제어하여 무선 전력 수신기 별 송출 전력을 제어할 수도 있다.
제어부(640)는 제1차 감지 신호 송출 절차 동안 제1 내지 제n 송신 코일(622)을 통해 감지 신호가 순차적으로 송출될 수 있도록 다중화기(621)를 제어할 수 있다. 이때, 제어부(640)는 감지 신호가 전송될 시점을 타이머(655)를 이용하여 식별할 수 있으며, 감신 신호 전송 시점이 도래하면, 다중화기(621)를 제어하여 해당 송신 코일을 통해 감지 신호가 송출될 수 있도록 제어할 수 있다. 일 예로, 타이머(650)는 핑 전송 단계 동안 소정 주기로 특정 이벤트 신호를 제어부(640)에 송출할 수 있으며, 제어부(640)는 해당 이벤트 신호가 감지될 때마다, 다중화기(621)를 제어하여 해당 송신 코일을 통해 디지털 핑이 송출될 수 있도록 제어할 수 있다.
또한, 제어부(640)는 제1차 감지 신호 송출 절차 동안 복조부(632)로부터 어느 송신 코일을 통해 신호 세기 지시자(Signal Strength Indicator)가 수신되었는지를 식별하기 위한 소정 송신 코일 식별자 및 해당 송신 코일을 통해 수신된 신호 세기 지시자를 수신할 수 있다. 연이어, 제2차 감지 신호 송출 절차에서 제어부(640)는 제1차 감지 신호 송출 절차 동안 신호 세기 지시자가 수신된 송신 코일(들)을 통해서만 감지 신호가 송출될 수 있도록 다중화기(621)를 제어할 수도 있다. 다른 일 예로, 제어부(640)는 제1차 감지 신호 송출 절차 동안 신호 세기 지시자가 수신된 송신 코일이 복수개인 경우, 가장 큰 값을 갖는 신호 세기 지시자가 수신된 송신 코일을 제2차 감지 신호 송출 절차에서 감지 신호를 가장 먼저 송출할 송신 코일로 결정하고, 결정 결과에 따라 다중화기(621)를 제어할 수도 있다.
통신부(630)는 변조부(631)와 복조부(632) 중 적어도 하나를 포함하여 구성될 수 있다.
변조부(631)는 제어부(640)에 의해 생성된 제어 신호를 변조하여 다중화기(621)에 전달할 수 있다. 여기서, 제어 신호를 변조하기 위한 변조 방식은 FSK(Frequency Shift Keying) 변조 방식, 맨체스터 코딩(Manchester Coding) 변조 방식, PSK(Phase Shift Keying) 변조 방식, 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation) 방식, 차등 2단계(Differential bi-phase) 변조 방식 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
복조부(632)는 송신 코일을 통해 수신되는 신호가 감지되면, 감지된 신호를 복조하여 제어부(640)에 전송할 수 있다. 여기서, 복조된 신호에는 신호 세기 지시자, 무선 전력 전송 중 전력 제어를 위한 오류 정정(EC:Error Correction) 지시자, 충전 완료(EOC: End Of Charge) 지시자, 과전압/과전류/과열 지시자 등이 포함될 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 무선 전력 수신기의 상태를 식별하기 위한 각종 상태 정보가 포함될 수 있다.
또한, 복조부(632)는 복조된 신호가 어느 송신 코일로부터 수신된 신호인지를 식별할 수 있으며, 식별된 송신 코일에 상응하는 소정 송신 코일 식별자를 제어부(640)에 제공할 수도 있다.
또한, 복조부(632)는 송신 코일(623)을 통해 수신된 신호를 복조하여 제어부(640)에 전달할 수 있다. 일 예로, 복조된 신호는 신호 세기 지시자를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 복조 신호는 무선 전력 수신기의 각종 상태 정보를 포함할 수 있다.
일 예로, 무선 전력 송신기(600)는 무선 전력 전송에 사용되는 동일한 주파수를 이용하여 무선 전력 수신기와 통신을 수행하는 인밴드(In-Band) 통신을 통해 상기 신호 세기 지시자를 획득할 수 있다.
또한, 무선 전력 송신기(600)는 송신 코일부(622)을 이용하여 무선 전력을 송출할 수 있을 뿐만 아니라 송신 코일부(622)을 통해 무선 전력 수신기와 각종 제어 신호 및 상태 정보를 교환할 수도 있다. 다른 일 예로, 송신 코일부(622)의 제1 내지 제n 송신 코일에 각각 대응되는 별도의 코일이 무선 전력 송신기(600)에 추가로 구비될 수 있으며, 구비된 별도의 코일을 이용하여 무선 전력 수신기와 인밴드 통신을 수행할 수도 있음을 주의해야 한다.
이상이 도 6의 설명에서는 무선 전력 송신기(600)와 무선 전력 수신기가 인밴드 통신을 수행하는 것을 예를 들어 설명하고 있으나, 이는 하나의 실시예에 불과하며, 무선 전력 신호 전송에 사용되는 주파수 대역과 상이한 주파수 대역을 통해 근거리 양방향 통신을 수행할 수 있다. 일 예로, 근거리 양방향 통신은 저전력 블루투스 통신, RFID 통신, UWB 통신, 지그비 통신 중 어느 하나일 수 있다.
또한, 이상의 도 6의 설명에서는 무선 전력 송신기(600)의 전력 전송부(620)가 다중화기(621)와 복수의 송신 코일(622)을 포함하나, 이는 하나의 실시예에 불과하며, 다른 일 실시예에 따른 전력 전송부(620)는 하나의 송신 코일로 구성될 수도 있음을 주의해야 한다.
도 7은 상기 도 6에 따른 무선 전력 송신기와 연동되는 무선 전력 수신기의 구조를 설명하기 위한 블록도이다.
도 7을 참조하면, 무선 전력 수신기(700)는 수신 코일(710), 정류기(720), 직류/직류 변환기(DC/DC Converter, 730), 부하(740), 센싱부(750), 통신부(760), 주제어부(770)를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 통신부(760)는 복조부(761) 및 변조부(762) 중 적어도 하나를 포함하여 구성될 수 있다.
상기한 도 7의 예에 도시된 무선 전력 수신기(700)는 인밴드 통신을 통해 무선 전력 송신기(600)와 정보를 교환할 수 있는 것으로 도시되어 있으나, 이는 하나의 실시예에 불과하며, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 통신부(760)는 무선 전력 신호 전송에 사용되는 주파수 대역과는 상이한 주파수 대역을 통해 근거리 양방향 통신을 제공할 수도 있다.
수신 코일(710)을 통해 수신되는 AC 전력은 정류부(720)에 전달할 수 있다. 정류기(720)는 AC 전력을 DC 전력으로 변환하여 직류/직류 변환기(730)에 전송할 수 있다. 직류/직류 변환기(730)는 정류기 출력 DC 전력의 세기를 부하(740)에 의해 요구되는 특정 세기로 변환한 후 부하(740)에 전달할 수 있다.
센싱부(750)는 정류기(720) 출력 DC 전력의 세기를 측정하고, 이를 주제어부(770)에 제공할 수 있다. 또한, 센싱부(750)는 무선 전력 수신에 따라 수신 코일(710)에 인가되는 전류의 세기를 측정하고, 측정 결과를 주제어부(770)에 전송할 수도 있다. 또한, 센싱부(750)는 무선 전력 수신기(700)의 내부 온도를 측정하고, 측정된 온도 값을 주제어부(770)에 제공할 수도 있다.
일 예로, 주제어부(770)는 측정된 정류기 출력 DC 전력의 세기가 소정 기준치 와 비교하여 과전압 발생 여부를 판단할 수 있다. 판단 결과, 과전압이 발생된 경우, 과전압이 발생되었음을 알리는 소정 패킷을 생성하여 변조부(762)에 전송할 수 있다. 여기서, 변조부(762)에 의해 변조된 신호는 수신 코일(710) 또는 별도의 코일(미도시)을 통해 무선 전력 송신기(600)에 전송될 수 있다. 또한, 주제어부(770)는 정류기 출력 DC 전력의 세기가 소정 기준치 이상인 경우, 감지 신호가 수신된 것으로 판단할 수 있으며, 감지 신호 수신 시, 해당 감지 신호에 대응되는 신호 세기 지시자가 변조부(762)를 통해 무선 전력 송신기(600)에 전송될 수 있도록 제어할 수 있다. 다른 일 예로, 복조부(761)는 수신 코일(710)과 정류기(720) 사이의 AC 전력 신호 또는 정류기(720) 출력 DC 전력 신호를 복조하여 감지 신호의 수신 여부를 식별한 후 식별 결과를 주제어부(770)에 제공할 수 있다. 이때, 주제어부(770)는 감지 신호에 대응되는 신호 세기 지시자가 변조부(762)를 통해 전송될 수 있도록 제어할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 신호의 변조 및 복조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 8의 도면 번호 810에 도시된 바와 같이, 무선 전력 송신단(10)과 무선 전력 수신단(20)은 동일한 주기를 가지는 내부 클락 시그널에 기반하여 전송 대상 패킷을 인코딩하거나 디코딩할 수 있다.
이하에서는 상기 도 1 내지 도 8을 참조하여, 전송 대상 패킷의 인코딩 방법을 상세히 설명하기로 한다.
상기 도 1을 참조하면, 무선 전력 송신단(10) 또는 무선 전력 수신단(20)이 특정 패킷을 전송하지 않는 경우, 무선 전력 신호는 도 1의 도면 번호 41에 도시된 바와 같이, 특정 주파수를 가진 변조되지 않은 교류 신호일 수 있다. 반면, 무선 전력 송신단(10) 또는 무선 전력 수신단(20)이 특정 패킷을 전송하는 경우, 무선 전력 신호는 도 1의 도면 번호 42에 도시된 바와 같이, 특정 변조 방식으로 변조된 교류 신호일 수 있다. 일 예로, 변조 방식은 진폭 변조 방식, 주파수 변조 방식, 주파수 및 진폭 변조 방식, 위상 변조 방식 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
무선 전력 송신단(10) 또는 무선 전력 수신단(20)에 의해 생성된 패킷의 이진 데이터는 도면 번호 820과 같이 차등 2단계 인코딩(Differential bi-phase encoding) 이 적용될 수 있다. 상세하게, 차등 2단계 인코딩은 데이터 비트 1을 인코딩하기 위하여 두 번의 상태 전이(transitions)를 갖도록 하고, 데이터 비트 0을 인코딩하기 위하여 한 번의 상태 전이를 갖도록 한다. 즉, 데이터 비트 1은 상기 클럭 신호의 상승 에지(rising edge) 및 하강 에지(falling edge)에서 HI 상태 및 LO 상태간의 전이가 발생하도록 인코딩된 것이고, 데이터 비트 0은 상기 클럭 신호의 상승 에지에서 HI 상태 및 LO 상태간의 전이가 발생하도록 인코딩된 것일 수 있다.
인코딩된 이진 데이터는 상기 도면 번호 830에 도시된 바와 같은, 바이트 인코딩 기법이 적용될 수 있다. 도면 번호 830을 참조하면, 일 실시예에 따른 바이트 인코딩 기법은 8비트의 인코딩된 이진 비트 스트림에 대해 해당 비트 스트림의 시작과 종류를 식별하기 위한 시작 비트(Start Bit) 및 종료 비트(Stop Bit), 해당 비트 스트림(바이트)의 오류 발생 여부를 감지하기 위한 페리티 비트(Parity Bit)가 삽입하는 방법일 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른, 패킷 포맷을 설명하기 위한 도면이다.
도 9를 참조하면, 무선 전력 송신단(10)과 무선 전력 수신단(20) 사이의 정보 교환에 사용되는 패킷 포맷(900)은 해당 패킷의 복조를 위한 동기 획득 및 해당 패킷의 정확한 시작 비트를 식별하기 위한 프리엠블(Preamble, 910) 필드, 해당 패킷에 포함된 메시지의 종류를 식별하기 위한 헤더(Header, 920) 필드, 해당 패킷의 내용(또는 페이로드(Payload))를 전송하기 위한 메시지(Message, 930) 필드 및 해당 패킷에 오류가 발생되었는지 여부를 확인하기 위한 체크썸(Checksum, 940) 필드를 포함하여 구성될 수 있다.
패킷 수신단은 헤더(920) 값에 기반하여 해당 패킷에 포함된 메시지(930)의 크기를 식별할 수도 있다.
또한, 헤더(920)는 무선 전력 전송 절차의 각 단계별로 정의될 수 있으며, 일부, 헤더(920) 값은 무선 전력 전송 절차의 서로 다른 단계에서 동일한 값을 가지도록 정의될 수도 있다. 일 예로, 도 10을 참조하면, 핑 단계의 전력 전송 종료(End Power Transfer) 및 전력 전송 단계의 전력 전송 종료에 대응되는 헤더 값은 0x02로 동일할 수 있음을 주의해야 한다.
메시지(930)는 해당 패킷의 송신단에서 전송하고자 하는 데이터를 포함한다. 일 예로, 메시지(930) 필드에 포함되는 데이터는 상대방에 대한 보고 사항(report), 요청 사항(request) 또는 응답 사항(response)일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 패킷(900)은 해당 패킷을 전송한 송신단을 식별하기 위한 송신단 식별 정보, 해당 패킷을 수신할 수신단을 식별하기 위한 수신단 식별 정보 중 적어도 하나가 더 포함될 수도 있다. 여기서, 송신단 식별 정보 및 수신단 식별 정보는 IP 주소 정보, MAC 주소 정보, 제품 식별 정보 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 무선 충전 시스템상에서 수신단 및 송신단을 구분할 수 있는 정보이면 족하다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 패킷(900)은 해당 패킷이 복수의 장치에 의해 수신되어야 하는 경우, 해당 수신 그룹을 식별하기 위한 소정 그룹 식별 정보가 더 포함될 수도 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 수신기에서 무선 전력 송신기로 전송되는 패킷의 종류를 설명하기 위한 도면이다.
도 10을 참조하면, 무선 전력 수신기에서 무선 전력 송신기로 전송하는 패킷은 감지된 핑 신호의 세기 정보를 전송하기 위한 신호 세기(Signal Strength) 패킷, 송신기가 전력 전송을 중단하도록 요청하기 위한 전력 전송 종류(End Power Transfer), 제어 제어를 위한 제어 오류 패킷 수신 후 실제 전력을 조정하기까지 대기하는 시간 정보를 전송하기 위한 전력 제어 보류(Power Control Hold-off) 패킷, 수신기의 구성 정보를 전송하기 위한 구성 패킷, 수신기 식별 정보를 전송하기 위한 식별 패킷 및 확장 식별 패킷, 일반 요구 메시지를 전송하기 위한 일반 요구 패킷, 특별 요구 메시지를 전송하기 위한 특별 요구 패킷, FO 검출을 위한 기준 품질 인자 값을 전송하기 위한 FOD 상태 패킷, 송신기의 송출 전력을 제어하기 위한 제어 오류 패킷, 재협상 개시를 위한 재협상 패킷, 수신 전력의 세기 정보를 전송하기 위한 24비트 수신 전력 패킷 및 8비트 수신 전력 패킷 및 현재 부하의 충전 상태 정보를 전송하기 위한 충전 상태 패킷을 포함할 수 있다.
상기한 무선 전력 수신기에서 무선 전력 송신기로 전송하는 패킷들은 무선 전력 전송에 사용되는 주파수 대역과 동일한 주파수 대역을 이용한 인밴드 통신을 이용하여 전송될 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전을 위한 무선 전력 제어 장치를 설명하기 위한 블록도이다.
일 예로, 무선 전력 제어 장치는 무선 전력 송신기에 장착될 수 있다.
도 11을 참조하면, 무선 전력 제어 장치(1100)는 전원부(1101), 직류-직류 변환기(DC-DC Converter, 1110), 구동부(1120), 공진 회로(resonance circuit, 1130), 센싱부(1140) 및 제어 통신부(1150)를 포함하여 구성될 수 있다.
전원부(1101)는 외부 전원 단자를 통해 DC 전력을 인가 받아 직류-직류 변환기(1110)에 전달할 수 있다.
직류-직류 변환기(1110)는 전원부(1101)로부터 수신되는 직류 전력의 세기를 특정 세기의 직류 전력으로 변환할 수 있다. 일 예로, 직류-직류 변환기(1110)는 전압의 세기 조절이 가능한 가변 전압기로 구성될 수 있으며, 제어 통신부(1150)의 소정 제어 신호에 따라 출력되는 직류 전력의 세기를 조절할 수 있으나 이에 한정되지는 않는다. 다른 일 예로, 직류-직류 변환기(1110)의 출력 직류 전력의 세기는 고정된 값일 수도 있다.
구동부(1120)는 직류-직류 변환기(1110)의 출력 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 공진 회로(1130)에 제공한다.
구동부(1120)는 기준 주파수 신호를 생성하는 주파수 생성기, 인버터(Inverter), 기준 주파수 신호에 따라 인버터에 구비된 스위치를 제어하는 게이트 드라이버(Gate Driver) 등을 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 인버터는 하프 브릿지 인버터 및(또는) 풀 브릿지 인버터를 포함할 수 있다. 만약, 구동부(1120)에 하프 브릿지 인버터와 풀 브릿지 인버터가 모두 구비된 경우, 제어통신부(1150)의 소정 제어 신호에 따라 구동부(1120)는 하프 브릿지 인버터 및 풀 브릿지 인버터 중 어느 하나를 구동시킬 수 있다. 제어통신부(1150)는 구동부(1120)를 하프 브릿지로 동작시킬지 풀 브릿지로 동작시킬지 동적으로 결정할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 제어통신부(1150)는 무선 전력 수신 장치에 의해 요구되는 전력의 세기에 따라 적응적으로 구동부(1120)의 브릿지 모드를 제어할 수 있다. 일 예로, 무선 전력 수신 장치가 5W의 저전력을 요구하는 경우, 제어통신부(1120)는 구동부(1120)의 하프 브릿지 회로가 구동되도록 제어할 수 있다. 반면, 무선 전력 수신 장치가 15W의 높은 전력을 요구하는 경우, 제어통신부(1120)는 구동부(1120)의 풀 브릿지 회로가 구동되도록 제어할 수 있다.
공진 회로(1130)는 인덕터(Inductor)와 캐패시터(capacitor)가 직렬 또는 병렬 연결되어 공진을 실현하기 위한 회로이다. 인덕터와 캐패시터가 직렬로 연결된 직렬 공진 회로의 경우, 공진 회로에 흐르는 전류의 세기(IR)는 인덕터-즉, 송신 코일-의 인덕턴스 값(RL)에 반비례하고, 공진 회로(1130)에 인가되는 교류 전압의 진폭(EV)에 비례한다. 즉, IR = EV/ RL이다. 따라서, 공진 회로(1130)에 과전류가 흘러 발열이 심각한 경우, 제어통신부(1150)는 공진 회로(1130)의 인덕턴스 값을 증가되도록 제어할 수 있다. 이 경우, 공진 회로(1130)의 인덕턴스 값이 증가되면, 그에 따라 공진 회로(1130)의 전체적인 임피던스가 증가하게 되어 공진 회로(1130)에 흐르는 전류가 감소한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 공진 회로(1130)는 제어 통신부(1150)의 소정 제어 신호에 따라 공진 회로(1130)의 전체 임피던스 값을 조절하기 위한 임피던 조절 회로를 포함할 수 있다. 일 예로, 임피던스 조절 회로는 스위치와 인덕터를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 스위치와 인덕터의 개수는 임피던스 조절 단위 및 조절 범위의 설계에 따라 상이할 수 있음을 주의해야 한다.
제어 통신부(1150)는 공진 회로(1130)에 인가되는 전류의 세기가 소정 기준치를 초과하는 경우, 공진 회로(1130)의 임피던스가 증가되도록 임피던스 조절 회로를 제어할 수 있다.
또한, 제어 통신부(1150)는 공진 회로(1130) 또는 무선 전력 송신기의 제어 회로 기판 등에서 측정된 온도가 소정 임계치를 초과하는 경우, 공진 회로(1130)의 임피던스가 증가되도록 임피던스 조절 회로를 제어할 수 있다.
센싱부(1140)는 공진 회로(1130)에 인가되는 전류-예를 들면, 인덕터에 흐르는 전류-의 세기를 소정 주기로 측정하고, 측정 결과를 제어통신부(1150)에 전송할 수 있다.
또한, 센싱부(1140)는 구비된 온도 센서를 통해 무선 전력 송신기의 특정 위치 또는 부품에 대한 온도를 측정하고, 측정 결과를 제어통신부(1150)에 전송할 수 있다.
일 예로, 제어통신부(1150)는 구동부(1120)의 하프 브릿지 인버터가 구동된 상태에서 공진 회로(1130)의 임피던스 조절을 통해 발열 문제가 해결되지 않는 경우, 구동부(1120)의 브릿지 모드를 제어할 수도 있다.
일 예로, 하프 브릿지 회로를 이용하여 무선 전력을 전송하는 중 무선 전력 송신 장치의 온도가 소정 임계치를 초과하는 경우, 제어통신부(1120)는 일차적으로 공진 회로(1130)의 전체 임피던스를 증가시킬 수 있다. 이때, 온도가 소정 임계치 이하로 떨어지지 않는 경우, 제어통신부(1120)는 하프 브리지 회로를 비활성화시키고 풀 브릿지 회로를 활성화시킬 수 있다. 즉, 제어통신부(1150)는 동일 세기의 전력 전송을 위해 풀 브릿지 회로를 활성화시켜 공진 회로(1130)에 인가되는 전압은 상승시키고, 공진 회로(1130)에 흐르는 교류 전류-즉, 리플 전류-의 세기를 감소시킴으로써, 센싱부(1140)에 의해 측정된 온도가 소정 임계치 이하를 유지하도록 제어할 수 있다.
제어 통신부(1150)는 무선 전력 수신기로부터 수신되는 인밴드 신호를 복조할 수 있다. 일 예로, 제어 통신부(1150)는 전력 전송 단계(440 또는 560)로 진입 후 소정 주기로 수신되는 제어 오류 패킷을 복조하고, 복조된 제어 오류 패킷에 기반하여 송출 전력의 세기를 결정할 수 있다.
제어 통신부(1150)는 무선 전력 수신기에 전송할 패킷을 변조하여 공진 회로(1130)에 전송할 수도 있다.
센싱부(1140)는 무선 전력 송신 장치의 특정 노드, 특정 부품, 특정 위치 등에서의 전압, 전류, 전력 및 온도 등을 측정할 수 있다. 일 예로, 센싱부(1140)는 직류-직류 컨버터(1110)와 구동부(1120) 사이의 전류/전압/전력의 세기를 측정하고, 측정 결과를 제어 통신부(1150)에 전달할 수 있다. 다른 일 예로, 센싱부(1140)는 공진 회로(1130)의 인덕터에 흐르는 전류의 세기와 캐패시터에 인가되는 전압의 세기를 측정하고, 측정 결과를 제어 통신부(1150)에 전달할 수도 있다. 또 다른 일 예로, 센싱부(1140)는 공진 회로(1130), 제어 회로 기판(미도시), 충전 베드 등의 온도를 측정하고, 측정 결과를 제어통신부(1150)에 전달할 수도 있다.
도 12는 본 발명의 이해를 돕기 위해 직류 신호를 교류 신호로 변환하는 인버터의 기본적인 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
상기 도 11의 구동부(1120)는 하프 브리지 타입의 인버터 및 풀 브리지 타입의 인버터 중 적어도 하나를 포함하여 구성될 수 있다.
도면 부호 12a를 참조하면, 하프 브리지 인버터는 두 개의 스위치(S1 및 S2)를 포함하고, 게이트 드라이버의 스위치 ON/OFF 제어에 따라 출력 전압(Vo)이 변경될 수 있다. 일 예로, S1 스위치가 단락되고, S2 스위치가 개방되면, 출력 전압(Vo)는 입력 전압인 +Vdc 값을 갖는다. 반면, S1 스위치가 개방되고, S2 스위치가 단락되면, 출력 전압(Vo)는 0 값을 갖는다. 하프 브리지 인버터는 소정 주기로 S1 스위치와 S2 스위치가 교차 단락되면, 해당 주기를 갖는 교류 파형을 출력할 수 있다.
상기 도 12의 도면 부호 12b를 참조하면, 풀 브리지 인버터는 네 개의 스위치(S1, S2, S3 및 S4)를 포함하여 구성될 수 있으며, 게이트 드라이버의 스위치 ON/OFF 제어에 따라 출력 전압(Vo) 레벨은 도면 부호 12b에 포함된 표에 도시된 바와 같이, +Vdc 또는 -Vdc 또는 0의 값을 가질 수 있다. 일 예로, S1 스위치와 S2 스위치가 단락되고, 나머지 스위치가 개방되면, 출력 전압(Vo) 레벨은 +Vdc 값을 가진다. 반면, S3 스위치와 S4 스위치가 단락되고, 나머지 스위치가 개방되면, 출력 전압(Vo) 레벨은 -Vdc 값을 가진다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 하프 브릿지 타입의 인버터가 장착된 무선 전력 제어 장치의 등가 회로도이다.
이하 설명의 편의를 위해, 하프 브릿지 타입의 인버터를 제1 인버터와 혼용하여 사용하기로 한다.
도 13을 참조하면, 무선 전력 제어 장치(1300)는 전원부(1310), 직류/직류 변환기(DC/DC Converter, 1320), 제1 인버터(1330), 임피던스 조절 회로(1340), 직렬 공진 회로(1350), 게이트 드라이버(Gate Driver, 1360), 펄스폭변조신호생성기(Pulse Width Modulation Signal Generator, 1370), 센싱부(1380) 및 제어부(1390)를 포함하여 구성될 수 있다.
제1 인버터(1330)는 제1 스위치(1331) 및 제2 스위치(1332)를 포함하여 구성될 수 있다.
게이트드라이버(1360)는 펄스폭변조신호생성기(1370)로부터 인가되는 PWM 신호에 따라 제1 스위치(1331) 및 제2 스위치(1332)를 제어하여 제1 인버터(1330)가 특정 패턴의 교류 신호를 출력하도록 제어할 수 있다.
물론, 펄스폭변조신호생성기(1370)는 제어부(1390)의 제어 신호에 따라 특정 PWM 신호를 생성할 수 있다. 펄스폭변조신호생성기(1370)는 제어부(1390)의 제어 신호에 따라, PWM 신호의 위상, 주파수, 듀티 레이트 등을 동적으로 제어할 수 있다. 일 실시예에 따른 제어부(1380)는 무선 전력 수신기의 요구 전력에 기반하여 적응적으로 PWM 신호의 위상, 주파수 및 듀티 레이트(Duty Rate) 중 적어도 하나를 결정하여 펄스폭변조신호생성기(1370)를 제어할 수 있다.
임피던스 조절 회로(1340) 제1 임피던스 조절 스위치(1341), 제2 임피던스 조절 스위치(1342) 및 임피던스 조절 인덕터(1342)를 포함하여 구성될 수 있다.
직렬 공진 회로(1350)는 공진 캐패시터(1351)와 공진 인덕터(1352)를 포함하여 구성될 수 있다.
제1 임피던스 조절 스위치(1341)가 개방되고, 제2 임피던스 조절 스위치(1342)가 단락되면, 공진 회로의 전체 임피던스는 공진 캐패시터(1351)와 공진 인덕터(1352)에 기반하여 결정된다.
반면, 제1 임피던스 조절 스위치(1341)가 단락되고, 제2 임피던스 조절 스위치(1342)가 개방되면, 공진 회로의 전체 임피던스는 공진 캐패시터(1351), 공진 인덕터(1352) 및 임피던스 조절 인덕터(1342)에 의해 결정된다. 따라서, 제1 임피던스 조절 스위치(1341)가 단락되고, 제2 임피던스 조절 스위치(1342)가 개방되면, 제1 임피던스 조절 스위치(1341)가 개방되고, 제2 임피던스 조절 스위치(1342)가 단락된 경우와 비교하여 임피던스 조절 인덕터(1342)에 상응하는 임피던스가 증가된다.
센싱부(1380)는 공진 인덕터(1352)에 흐르는 전류(I_coil)의 세기를 측정하고, 측정 결과를 제어부(1390)에 전송할 수 있다. 일 예로, 센싱부(1380)는 소정 주기로 단위 시간 동안 공진 인덕터(1352)에 흐르는 교류 전류(I_coil)의 평균 세기를 측정하고, 측정 결과를 제어부(1390)에 전송할 수 있다.
제어부(1390)는 센싱부(1380)로부터 수신된 전류(I_coil)의 세기 값에 기반하여 임피던스 조절이 필요한지 판단할 수 있다. 판단 결과, 임피던스 조절이 필요한 경우, 제어부(1390)는 제1 내지 제2 임피던스 조절 스위치(1341, 1342)를 제어하여 공진 회로의 전체 임피던스를 증가시키거나 감소시킬 수 있다.
또한, 센싱부(1380)는 무선 전력 송신 장치의 특정 부품(또는 모듈) 또는 특정 위치에서의 온도를 측정하고, 측정 결과를 제어부(1390)에 전송할 수 있다. 일 예로, 센싱부(1230)는 공진 회로의 온도를 소정 주기로 측정할 수 있다. 다른 일 예로, 센싱부(1230)는 제어 회로 기판의 특정 위치에서의 표면 온도 또는 무선 전력 송신 장치의 하우징 내부 온도 또는 충전 베드 온도를 소정 주기로 측정할 수도 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
제어부(1390)는 센싱부(1380)에 의해 측정된 온도에 기반하여 임피던스 조절이 필요한지 판단할 수 있다. 판단 결과, 임피던스 조절이 필요한 경우, 제어부(1390)는 제1 내지 제2 임피던스 조절 스위치(1341, 1342)를 제어하여 공진 회로의 전체 임피던스를 증가시키거나 감소시킬 수 있다.
도 14는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 풀 브릿지 타입의 인버터가 장착된 무선 전력 제어 장치의 등가 회로도이다.
이하 설명의 편의를 위해, 풀 브릿지 타입의 인버터를 제2 인버터와 혼용하여 사용하기로 한다.
도 14를 참조하면, 무선 전력 제어 장치(1400)는 전원부(1410), 직류/직류 변환기(DC/DC Converter, 1420), 제2 인버터(1430), 임피던스 조절 회로(1440), 직렬 공진 회로(1450), 게이트 드라이버(Gate Driver, 1460), 펄스폭변조신호생성기(Pulse Width Modulation Signal Generator, 1470), 센싱부(1480) 및 제어부(1490)를 포함하여 구성될 수 있다.
제2 인버터(1430)는 제1 스위치(1441), 제2 스위치(1432), 제4 스위치(1433) 및 제4 스위치(1434)를 포함하여 구성될 수 있다.
임피던스 조절 회로(1440) 제1 임피던스 조절 스위치(1441), 제2 임피던스 조절 스위치(1442) 및 임피던스 조절 인덕터(1442)를 포함하여 구성될 수 있다.
직렬 공진 회로(1450)는 공진 캐패시터(1451)와 공진 인덕터(1452)를 포함하여 구성될 수 있다.
본 실시예에 따른 무선 전력 제어 장치(1400)에 포함되는 상기 구성 요소들의 세부 기능 및 동작에 대한 설명은 상기한 도 13의 대응되는 구성 요소들의 설명으로 대체하기로 한다.
상기한 도 13 및 도 14의 실시예에서는 임피던스 조절 회로에 포함되는 임피던스 조절 스위치 및 임피던스 조절 인덕터의 개수가 각각 2개와 1개인 것으로 도시되어 있으나, 이는 하나의 실시예에 불과하면, 임피던스 조절 스위치 및 임피던스 조절 인덕터의 개수는 미리 정의된 임피던스 조절 단위 및 임피던스 조절 범위에 따라 상이할 수 있음을 주의해야 한다. 또한, 임피던스 조절 인덕터가 복수개인 경우, 각각의 임피던스 조절 인덕터의 인덕턴스 값은 동일할 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 각각의 인덕턴스 값은 서로 일정 배수를 가지도록 구성될 수도 있다.
또한, 상기한 도 13 및 도 14의 실시예에 있어서, 공진 회로의 임피던스 조절을 통해서 발열 현상이 해결되지 않는 경우-즉, 공진 회로의 온도가 임계치 이하로 낮아지지 않는 경우-, 제어부(1390, 1490)는 전력 전송을 중단하고, 과열 현상이 발생되었음을 알리는 소정 경고 알람이 출력되도록 제어할 수 있다. 이를 위해, 상기한 도 13 및 도 14의 무선 전력 제어 장치는 알람부(미도시)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 15를 참조하면, 무선 전력 송신 장치는 전력 전송 단계에서 무선 전력 수신 장치로부터 수신되는 피드백 신호에 기반하여 공진 회로를 통해 송출되는 전력의 세기를 조절할 수 있다(S1501). 여기서, 송출되는 전력의 세기는 교류 전력 생성을 위한 동작 주파수, 인버터 스위치를 제어하기 위한 PWM 신호의 듀티 레이트 또는 위상을 제어하여 조절될 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 직류/직류 변환기를 제어하여 조절될 수도 있다.
무선 전력 송신 장치는 공진 회로에 흐르는 전류의 세기를 측정할 수 있다(S1502). 일 예로, 무선 전력 송신 장치는 소정 주기로 단위 시간 동안 공진 회로에 흐르는 평균 교류 전류의 세기를 측정할 수 있다.
무선 전력 송신 장치는 측정된 전류의 세기가 소정 임계치를 초과하는지 비교할 수 있다(S1503).
비교 결과, 소정 임계치를 초과하면, 무선 전력 송신 장치는 공진 회로의 전체 임피던스가 증가되도록 제어할 수 있다(S1504). 이후, 무선 전력 송신 장치는 상기한 1501 단계를 수행할 수 있다. 일 예로, 무선 전력 송신 장치는 상기한 도 13 내지 도 14에 도시된 임피던스 조절 회로(1340, 1440)의 해당 임피던스 조절 스위치를 제어하여 공진 회로의 전체 임피던스를 증가시킬 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 공진 회로의 전체 임피던스를 증가시킬 수 있는 회로 구성은 당업자의 설계에 따라 상이하게 적용될 수 있다.
상기한 1503 단계의 비교 결과, 측정된 전류의 세기가 소정 임계치를 초과하지 않는 경우, 무선 전력 송신 장치는 상기한 1501 단계를 수행할 수 있다.
상기한 도 15의 실시예에서는 전력 전송 단계-즉, 충전 중인 상태-에서 측정된 온도에 기반하여 공진 회로의 임피던스를 조절하는 것을 예를 들어 설명하고 있으나, 이는 하나의 실시예에 불과하며, 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치는 전력 전송 단계가 아닌 상기한 도 4 내지 도5에 개시된 어느 단계에서 측정된 온도에 기반하여 공진 회로의 임피던스를 조절할 수도 있음을 주의해야 한다.
도 16은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 16을 참조하면, 무선 전력 송신 장치는 전력 전송 단계에서 무선 전력 수신 장치로부터 수신되는 피드백 신호에 기반하여 공진 회로를 통해 송출되는 전력의 세기를 조절할 수 있다(S1601). 여기서, 송출되는 전력의 세기는 교류 전력 생성을 위한 동작 주파수, 인버터 스위치를 제어하기 위한 PWM 신호의 듀티 레이트 또는 위상을 제어하여 조절될 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 직류/직류 변환기를 제어하여 조절될 수도 있다.
무선 전력 송신 장치는 공진 회로의 온도를 측정할 수 있다(S1602). 일 예로, 무선 전력 송신 장치는 일정 주기로 공진 회로를 구성하는 인덕터 주변의 온도를 측정할 수 있다.
무선 전력 송신 장치는 측정된 온도의 세기가 소정 임계치를 초과하는지 비교할 수 있다(S1603).
비교 결과, 소정 임계치를 초과하면, 무선 전력 송신 장치는 공진 회로의 전체 임피던스가 증가되도록 제어할 수 있다(S1604). 이후, 무선 전력 송신 장치는 상기한 1601 단계를 수행할 수 있다. 일 예로, 무선 전력 송신 장치는 상기한 도 13 내지 도 14에 도시된 임피던스 조절 회로(1340, 1440)의 해당 임피던스 조절 스위치를 제어하여 공진 회로의 전체 임피던스를 증가시킬 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 공진 회로의 전체 임피던스를 증가시킬 수 있는 회로 구성은 당업자의 설계에 따라 상이하게 적용될 수 있다.
일 예로, 임피던스 조절 회로는 적어도 하나의 캐패시터를 포함할 수 있으며, 무선 전력 송신 장치는 측정된 온도에 따라 공진 회로의 전체 캐패시턴스 값을 조절함으로써, 공진 회로의 전체 임피던스를 조절할 수도 있다.
다른 일 예로, 임피던스 조절 회로는 공진 회로의 전체 임피던스 조절을 위한 적어도 하나의 인덕터 및 캐패시터를 포함하여 구성될 수도 있다. 이 경우, 무선 전력 송신 장치는 측정된 온도에 따라 인피던스 조절 회로의 인덕턴스 값 및 캐패시턴스 값을 조절하여 공진 회로의 전체 임피던스를 조절할 수도 있다.
상기한 1603 단계의 비교 결과, 측정된 온도가 소정 임계치를 초과하지 않는 경우, 무선 전력 송신 장치는 상기한 1601 단계로 진입하여 계속 충전을 수행할 수 있다.
도 17은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 17을 참조하면, 무선 전력 송신 장치는 구비된 각종 센서를 통해 해당 무선 전력 수신 장치로의 전력 전송 중-즉, 충전 중- 센싱 정보를 수집한다(S1701). 여기서, 센서는 온도를 측정하는 온도 센서, 전류의 세기를 측정하는 전류 센서 등을 포함할 수 있다.
무선 전력 송신 장치는 수집된 센싱 정보에 기반하여 공진 회로의 임피던스 조절이 필요한지 판단할 수 있다(S1702). 일 예로, 무선 전력 송신 장치는 현재 공진 회로의 온도가 소정 임계치를 초과하는 경우, 공진 회로의 임피던스 조절이 필요한 것으로 판단할 수 있다. 다른 일 예로, 무선 전력 송신 장치는 현재 공진 회로에 인가되는 교류 전류의 단위 시간 동안의 평균 세기가 소정 임계치를 초과하는지를 비교하여 공진 회로의 임피던스 조절이 필요한지를 판단할 수도 있다.
판단 결과, 임피던스 조절이 필요한 경우, 무선 전력 송신 장치는 공진 회로의 임피던스를 이미 증가시킨 상태인지를 확인할 수 있다(S1704). 일 예로, 무선 전력 송신 장치는 상기한 도 13 내지 도 14의 임피던스 조절 회로의 임피던스 조절 스위치의 ON/OFF 상태에 기반하여 공진 회로의 임피던스가 이미 증가된 상태인지를 확인할 수 있다.
확인 결과, 이미 증가시킨 상태가 아닌 경우-즉, 공진 회로의 전체 임피던스를 증가시키는 것이 가능한 경우-, 무선 전력 송신 장치는 임피던스 조절 회로의 임피던스 조절 스위치 제어를 통해 인덕턴스 값을 증가시켜 공진 회로의 전체 임피던스를 증가시킬 수 있다(S1704). 이 후, 무선 전력 송신 장치는 상기한 1701 단계로 진입하여 센싱 정보를 수집할 수 있다.
상기한 1704 단계의 확인 결과, 이미 증가시킨 상태인 경우, 무선 전력 송신 장치는 현재 인버터가 하프 브릿지 모드로 동작중인지 확인할 수 있다(S1706).
확인 결과, 하프 브릿지 모드로 동작중이면, 무선 전력 송신 장치는 인버터를 풀 브릿지 모드로 전환시킬 수 있다(S1707).
상기한 1704 단계의 확인 결과, 풀 브릿지 모드로 동작중이면, 무선 전력 송신 장치는 충전을 중단하고 소정 경고 알람을 출력할 수 있다(S1708).
상기한 도 17의 실시예에서는 상기한 1704 단계에서 임피던스를 이미 증가시킨 상태인지 확인하고, 확인 결과에 따라 공진 회로의 임피던스를 증가시키거나 인버터의 브릿지 모드를 전환하는 것으로 설명되고 있으나, 이는 하나의 실시예에 불과하다.
다른 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치는 공진 회로의 전체 임피던스를 더 이상 증가시킬 수 없는 경우, 인버터의 브릿지 모드를 하프 브릿지 모드에서 풀 브릿지 모드로 전환시킬 수도 있다. 만약, 무선 전력 송신 장치는 공진 회로의 전체 임피던스를 증가시키는 것이 가능한 경우, 임피던스 조절 회로의 임피던스 조절 스위치 제어를 통해 공진 회로의 전체 인덕턴스 값을 증가시켜 공진 회로의 전체 임피던스를 증가시킬 수 있다
상술한 실시예에 따른 방법들은 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 (19)

  1. 무선 전력 수신 장치에 무선으로 전력을 전송하는 무선 전력 송신 장치에서의 무선 전력 제어 방법에 있어서,
    상기 무선 전력 수신 장치로의 전력 전송 중 공진 회로에 흐르는 전류의 세기를 측정하는 단계;
    상기 측정된 전류의 세기를 소정 임계치와 비교하여 상기 공진 회로의 임피던스 조절이 필요한지 판단하는 단계; 및
    상기 판단 결과, 상기 임피던스 조절이 필요하면, 상기 공진 회로의 전체 인덕턴스 값을 변경하여 상기 임피던스를 조절하는 단계
    를 포함하는, 무선 전력 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 측정된 전류의 세기가 상기 임계치를 초과하면, 상기 공진 회로의 전체 인덕턴스 값을 증가시켜 상기 임피던스를 증가시키는, 무선 전력 제어 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 공진 회로 전단에 구비되는 임피던스 조절 회로를 제어하여 상기 공진 회로의 전체 인덕턴스 값이 변경되는, 무선 전력 제어 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 공진 회로는 공진 캐피시터와 공진 인덕터가 직렬로 연결된 직렬 공진 회로인, 무선 전력 제어 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 임피던스 조절 회로는 임피던스 조절 스위치 및 임피던스 조절 인덕터를 포함하고, 상기 임피던스 조절 스위치 제어를 통해 상기 직렬 공진 회로에 임피던스 조절 인덕터가 직렬로 연결되어 상기 공진 회로의 전체 인덕턴스 값이 증가되는, 무선 전력 제어 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 임피던스 조절 스위치는 인버터와 연결되고,
    상기 임피던스 조절 인덕터와 직렬로 연결되는 제1 임피던스 조절 스위치; 및
    상기 임피던스 조절 인덕터와 상기 공진 캐피시터 사이에서 분기된 선로의 일측에 구비되는 제2 임피던스 조절 스위치
    를 포함하는, 무선 전력 제어 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 인버터는 하프 브릿지 인버터, 풀 브릿지 인버터 중 적어도 하나를 포함하는, 무선 전력 제어 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 임피던스를 증가시킨 후 상기 공진 회로에 흐르는 전류의 세기가 상기 임계치 이하로 떨어지지 않으면, 소정 경고 알람을 출력하는 단계를 더 포함하는, 무선 전력 제어 방법.
  9. 무선 전력 수신 장치에 무선으로 전력을 전송하는 무선 전력 송신 장치에서의 무선 전력 제어 방법에 있어서,
    상기 무선 전력 수신 장치로의 전력 전송 중 상기 공진 회로의 온도를 측정하는 단계;
    상기 측정된 온도를 소정 임계치와 비교하여 상기 공진 회로의 임피던스 조절이 필요한지 판단하는 단계; 및
    상기 판단 결과, 상기 임피던스 조절이 필요하면, 상기 공진 회로의 전체 인덕턴스 값을 변경하여 상기 임피던스를 조절하는 단계
    를 포함하는, 무선 전력 제어 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 측정된 온도가 상기 임계치를 초과하면, 상기 공진 회로의 전체 인덕턴스 값을 증가시켜 상기 임피던스를 증가시키는, 무선 전력 제어 방법.
  11. 제1항 내지 제10항에 기재된 방법들 중 어느 하나의 방법을 실행시키기 위한 프로그램이 기록된 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체.
  12. 공진 회로;
    상기 공진 회로에 교류 전력을 제공하는 인버터;
    상기 인버터와 상기 공진 회로 사이에 구비되고, 상기 공진 회로의 전체 임피던스를 조절하도록 구성된 임피던스 조절 회로;
    전력 전송 중 상기 공진 회로에 흐르는 전류의 세기를 측정하는 센싱부; 및
    상기 측정된 전류의 세기를 소정 임계치와 비교하여 상기 공진 회로의 임피던스 조절이 필요한지 여부를 판단하고, 상기 판단 결과, 상기 임피던스 조절이 필요하면, 상기 임피던스 조절 회로를 제어하여 상기 공진 회로의 전체 임피던스를 조절하는 제어부
    를 포함하는, 무선 전력 제어 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 측정된 전류의 세기가 상기 임계치를 초과하면, 상기 제어부가 상기 공진 회로의 전체 인덕턴스 값이 증가되도록 상기 임피던스 조절 회로를 제어하여 상기 공진 회로의 전체 임피던스를 증가시키는, 무선 전력 제어 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 공진 회로는 공진 캐피시터와 공진 인덕터가 직렬로 연결된 직렬 공진 회로인, 무선 전력 제어 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 임피던스 조절 회로는 임피던스 조절 스위치 및 임피던스 조절 인덕터를 포함하고, 상기 임피던스 조절 스위치 제어를 통해 상기 직렬 공진 회로에 임피던스 조절 인덕터가 직렬로 연결되어 상기 공진 회로의 전체 인덕턴스 값이 증가되는, 무선 전력 제어 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 임피던스 조절 스위치는 상기 인버터와 연결되고,
    상기 임피던스 조절 인덕터와 직렬로 연결되는 제1 임피던스 조절 스위치; 및
    상기 임피던스 조절 인덕터와 상기 공진 캐피시터 사이에서 분기된 선로의 일측에 구비되는 제2 임피던스 조절 스위치
    를 포함하는, 무선 전력 제어 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 인버터는 하프 브릿지 인버터, 풀 브릿지 인버터 중 적어도 하나를 포함하는, 무선 전력 제어 장치.
  18. 제13항에 있어서,
    상기 임피던스를 증가시킨 후 상기 공진 회로에 흐르는 전류의 세기가 상기 임계치 이하로 떨어지지 않으면, 상기 제어부가 상기 전력 전송을 중단시키고 소정 경고 알람을 출력시키는, 무선 전력 제어 장치.
  19. 공진 회로;
    상기 공진 회로에 교류 전력을 제공하는 인버터;
    상기 인버터와 상기 공진 회로 사이에 구비되고, 상기 공진 회로의 전체 임피던스를 조절하도록 구성된 임피던스 조절 회로;
    전력 전송 중 온도를 측정하는 센싱부; 및
    상기 측정된 온도와 소정 임계치를 비교하여 상기 공진 회로의 임피던스 조절이 필요한지 여부를 판단하고, 상기 판단 결과, 상기 임피던스 조절이 필요하면, 상기 임피던스 조절 회로를 제어하여 상기 공진 회로의 전체 임피던스를 조절하는 제어부
    를 포함하는, 무선 전력 제어 장치.
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