KR20180081639A

KR20180081639A - 무선 전력 전송 시스템 통신 프로토콜

Info

Publication number: KR20180081639A
Application number: KR1020167016612A
Authority: KR
Inventors: 이성훈; 정병상
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2015-11-11
Filing date: 2016-02-18
Publication date: 2018-07-17
Also published as: KR102524092B1; US20180351369A1; WO2017082475A1; US11108270B2

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르면, 유도 전력 공급기(Inductive Power Supply; IPS)의 제어 방법에 있어서, 오브젝트를 감지하기 위해 핑(ping)을 인가하는 단계; 코일 전류를 측정하는 단계; 상기 코일 전류의 측정 결과에 기초하여 상기 오브젝트를 감지하는 단계; 상기 오브젝트의 통신 유닛을 깨우기(wake up) 위한 최소 전력을 상기 오브젝트로 전송하는 단계; 로서, 상기 통신 유닛은 대역외(Out-Of Band) 통신 프로토콜을 이용하여 통신을 수행함, 상기 오브젝트로부터 상기 대역외 통신 프로토콜을 통해 페어링 정보를 수신하여, 상기 오브젝트와 페어링을 수행하는 단계; 및 상기 페어링된 오브젝트로 주전력을 전송하는 단계; 를 포함할 수 있다.

Description

무선 전력 전송 시스템 통신 프로토콜{Wireless power transfer system communication protocol}

본 명세서는 무선 전력 전송 시스템의 통신 프로토콜 방법을 대상으로 한다.

무접점(Contactless) 무선 전력 전송 시스템은 기존의 유선을 통해 에너지를 전송하여 전자기기의 전원으로 사용하는 방식에서, 선을 제거하고 전자기적으로 에너지를 전달하는 에너지 전달 방식이다. 무접점 무선 전력 전송 시스템에는 전자기 유도 방식 및 공진 방식이 존재한다. 전자기 유도 방식은 전력 송신부에서 전력 송신 코일(1차 코일)을 통해 자기장을 발생시키고, 전류가 유도될 수 있는 위치에 수신 코일(2차 코일)을 위치시킴으로써 전력을 전달하는 방식이다. 공진 방식은, 송신 코일 및 수신 코일 간의 공명 현상을 이용하여 에너지를 전송한다. 다만, 1차 코일의 공진 주파수와 2차 코일의 공진 주파수를 동일하게 시스템을 구성함으로써 코일 간의 공진 모드 에너지 결합을 사용한다.

이러한 무선 전력 전송 시스템은 전력 수신기를 가열하는 유도 가열 모드(induction heating mode) 및/또는 전력 수신기를 충전하는 유도 전력 전송 모드(inductive power transfer mode)로 동작할 수 있다.

본 명세서에서는 무선 전력 전송 시스템에 적용될 수 있는 새로운 통신 프로토콜 방법을 제안하고자 한다.

또한, 상기 유도 전력 공급기의 제어 방법은, 상기 코일 전류의 측정 결과에 기초하여 상기 오브젝트를 감지하는 단계는, 상기 핑을 인가함에 따라 발생한 코일 전류를 측정하고, 상기 측정한 코일 전류의 엔벨롭을 획득하는 단계; 및 상기 엔벨롭의 감소 정도가 스레시홀드 이상인 경우, 상기 오브젝트를 감지하는 단계; 를 포함할 수 있다.

또한, 상기 유도 전력 공급기의 제어 방법은, 상기 오브젝트와의 페어링 수행에 실패한 경우, 상기 오브젝트를 가열하는 유도 가열(Induction Heating) 모드의 실행 여부를 입력 받기 위한 선택 인터페이스를 제공하는 단계; 를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 유도 전력 공급기의 제어 방법은, 상기 선택 인터페이스를 통해 상기 유도 가열 모드의 실행을 명령하는 선택 입력을 수신한 경우, 상기 감지한 오브젝트에 유도 열을 가하는 유도 가열 모드로 동작하고, 상기 선택 인터페이스를 통해 상기 유도 가열 모드의 비실행을 명령하는 선택 입력을 수신한 경우, 상기 오브젝트를 감지하기 위한 상기 핑을 재인가하는 단계; 를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 유도 전력 공급기의 제어 방법은, 상기 선택 인터페이스를 제공한 뒤 기설정된 시간 동안 상기 선택 인터페이스에 대한 선택 입력을 수신하지 않은 경우, 상기 오브젝트를 감지하기 위한 상기 핑을 재인가하는 단계; 를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 유도 전력 공급기의 제어 방법은, 상기 선택 인터페이스를 제공하는 단계에서 상기 핑을 재인가하는 단계로의 진입이 기설정된 횟수 이상 반복되는 경우, 시스템 전원을 종료하는 단계; 를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 주전력을 전송하는 단계는, 상기 주전력을 전송함과 동시에 상기 오브젝트의 제거를 감지하기 위해 상기 코일 전류를 실시간으로 측정하는 단계일 수 있다.

또한, 상기 유도 전력 공급기의 제어 방법은, 상기 주전력 전송 중 상기 코일 전류의 측정 결과에 기초하여 상기 오브젝트의 제거를 감지하는 단계; 및 상기 주전력의 전송을 중단하고 상기 오브젝트를 감지하기 위한 상기 핑을 재인가하는 단계; 를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 코일 전류의 측정 결과에 기초하여 상기 오브젝트의 제거를 감지하는 단계는, 상기 주전력 전송 중 발생한 코일 전류를 측정하고, 상기 측정한 코일 전류의 엔벨롭을 획득하는 단계; 및 상기 엔벨롭의 감소 정도가 스레시홀드 미만인 경우, 상기 오브젝트의 제거를 감지하는 단계; 를 포함할 수 있다.

또한, 상기 최소 전력의 전송 주파수는 상기 주전력 전송 주파수의 3배 이상일 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 유도 전력 공급기(Inductive Power Supply; IPS)에 있어서, 자기장을 생성하는 적어도 하나의 1차 코일을 포함하는, 코일 어셈블리; DC 신호를 AC 신호로 전환하는, 인버터; 상기 인버터와 상기 적어도 하나의 1차 코일 사이의 임피던스 매칭을 제공하는, 탱크 회로(tank circuit); 대역외 통신 프로토콜을 사용하여 통신을 수행하는 통신 유닛; 및 전력 전달을 컨트롤하는, 컨트롤 유닛; 을 포함하되, 상기 컨트롤 유닛은, 오브젝트를 감지하기 위해 핑(ping)을 인가하고, 코일 전류를 측정하고, 상기 코일 전류의 측정 결과에 기초하여 상기 오브젝트를 감지하고, 상기 오브젝트의 통신 유닛을 깨우기(wake up) 위한 최소 전력을 상기 오브젝트로 전송하고, 상기 오브젝트로부터 상기 대역외 통신 프로토콜을 통해 페어링 정보를 수신하여, 상기 오브젝트와 페어링을 수행하고, 및 상기 페어링된 오브젝트로 주전력을 전송할 수 있다.

또한, 상기 컨트롤 유닛은, 상기 코일 전류의 측정 결과에 기초하여 상기 오브젝트를 감지하는 경우, 상기 핑을 인가함에 따라 발생한 코일 전류를 측정하고, 상기 측정한 코일 전류의 엔벨롭을 획득하고, 상기 엔벨롭의 감소 정도가 스레시홀드 이상인 경우, 상기 오브젝트를 감지할 수 있다.

또한, 상기 IPS는 사용자에게 다양한 정보를 제공하는 사용자 인터페이스; 를 더 포함하고, 상기 컨트롤 유닛은, 상기 오브젝트와의 페어링 수행에 실패한 경우, 상기 사용자 인터페이스를 이용하여 상기 오브젝트를 가열하는 유도 가열(Induction Heating) 모드의 실행 여부를 입력 받기 위한 선택 인터페이스를 제공할 수 있다.

또한, 상기 컨트롤 유닛은, 상기 선택 인터페이스를 통해 상기 유도 가열 모드의 실행을 명령하는 선택 입력을 수신한 경우, 상기 감지한 오브젝트에 유도 열을 가하는 유도 가열 모드로 동작하고, 상기 선택 인터페이스를 통해 상기 유도 가열 모드의 비실행을 명령하는 선택 입력을 수신한 경우, 상기 오브젝트를 감지하기 위한 상기 핑을 재인가할 수 있다.

또한, 상기 컨트롤 유닛은, 상기 선택 인터페이스를 제공한 뒤 기설정된 시간 동안 상기 선택 인터페이스에 대한 선택 입력을 수신하지 않은 경우, 상기 오브젝트를 감지하기 위한 상기 핑을 재인가할 수 있다.

또한, 상기 컨트롤 유닛은, 상기 선택 인터페이스를 제공한 후 상기 핑을 재인가하는 동작이 기설정된 횟수 이상 반복되는 경우, 시스템 전원을 종료할 수 있다.

또한, 상기 컨트롤 유닛은, 상기 주전력을 전송하는 경우, 상기 주전력을 전송함과 동시에 상기 오브젝트의 제거를 감지하기 위해 상기 코일 전류를 실시간으로 측정할 수 있다.

또한, 상기 컨트롤 유닛은, 상기 주전력 전송 중 상기 코일 전류의 측정 결과에 기초하여 상기 오브젝트의 제거를 감지하고, 및 상기 주전력의 전송을 중단하고 상기 오브젝트를 감지하기 위한 상기 핑을 재인가할 수 있다.

또한, 상기 컨트롤 유닛은, 상기 코일 전류의 측정 결과에 기초하여 상기 오브젝트의 제거를 감지하는 경우, 상기 주전력 전송 중 발생한 코일 전류를 측정하고, 상기 측정한 코일 전류의 엔벨롭을 획득하고, 상기 엔벨롭의 감소 정도가 스레시홀드 미만인 경우, 상기 오브젝트의 제거를 감지할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 무선 전력 송/수신 시스템에 사용되는 통신 프로토콜로서 대역외 통신 프로토콜을 이용하는 경우, 대역폭, 통신 거리, 복잡성, 규제, 및 비용 측면에서 전력선 통신 프로토콜에 비해 유리한 효과를 갖는다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 코일 전류를 측정함으로써 오브젝트의 존재 및 제거를 빠르게 감지할 수 있어, 대역외 통신 프로토콜의 이용 시 발생할 수 있는 비확실성(Unambiguous) 문제를 해결할 수 있다는 효과를 갖는다.

이외에, 본 발명의 실시예에 따른 다양한 효과는 이하에서 상세히 후술하기로 한다.

도 1에는 무선 충전 시스템에서 송신 및 수신하는 전력 양에 따라 전자 기기들을 분류하여 도시하였다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송/수신 시스템의 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 IPS의 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 기기의 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 직접 가열 기기의 블록도이다.
도 6은 전력선 통신 프로토콜 및 대역외 통신 프로토콜을 비교한 표이다.
도 7은 대역외 통신 프로토콜에서 비확실성 문제가 발생하는 경우를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 대역외 통신 프로토콜을 나타낸다.
도 9는 무선 전력 송/수신 시스템에서의 IPS의 동작 방법을 도시한 순서도이다.
도 10은 오브젝트 감지 모드에서 IPS의 핑 전송에 따른 내부 코일의 전류 변화를 측정한 결과 그래프이다.
도 11은 오브젝트 제거에 따른 IPS 내부 코일의 전류 변화를 측정한 결과 그래프이다.

발명의 실시를 위한 최선의 형태

본 명세서에서 사용되는 용어는 본 명세서에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도, 관례 또는 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한 특정 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 실시예의 설명 부분에서 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 명세서에서 사용되는 용어는, 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 아닌 실질적인 의미와 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 함을 밝혀두고자 한다.

더욱이, 이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 실시예를 상세하게 설명하지만, 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.

무선 전력 송/수신기(Transmitter/Receiver)들의 표준화를 위해 WPC(Wireless Power Consortium)에서 무선 전력 송/수신 관련 기술을 규격화하고 있다.

최근까지 개발되는 무선 충전 시스템은 약 5W까지의 저전력 송/수신을 지원할 수 있다. 다만, 최근 모바일 기기의 크기가 커지고 배터리 용량도 증가되고 있어, 이러한 저전력 충전 방식의 경우 충전 시간이 길고 효율이 떨어지는 문제점이 있다. 이에, 약 15W~20W까지의 중간 전력 송/수신을 지원하는 무선 충전 시스템이 개발되고 있다. 또한, 충전 효율을 증대시키기 위해 복수의 전자 기기를 동시에 충전하기 위한 공진 방식이 추가된 무선 충전 시스템 또한 개발되고 있다.

도 1은 무선 전력 송/수신 시스템이 도입되는 다양한 전자 기기들의 실시예를 나타낸다.

도 1에는 무선 전력 송/수신 시스템에서 송신 및 수신하는 전력 양에 따라 전자 기기들을 분류하여 도시하였다.

도 1을 참조하면, 스마트 시계(Smart watch), 스마트 글래스(Smart Glass), HMD(Head Mounted Display), 및 스마트 링(Smart ring)과 같은 웨어러블 기기들 및 이어폰, 리모콘, 스마트폰, PDA, 태블릿 PC 등의 모바일 전자 기기들(또는 포터블 전자 기기들)에는 소전력(약 5W이하 또는 약 20W 이하) 무선 충전 방식이 적용될 수 있다. 노트북, 로봇 청소기, TV, 음향 기기, 청소기, 모니터와 같은 중/소형 가전 기기들에는 중전력(약 50W이하 또는 약 200W)이하) 무선 충전 방식이 적용될 수 있다. 믹서기, 전자 레인지, 전기 밥솥과 같은 가전 기기, 휠체어, 전기 킥보드, 전기 자전거, 전기 자동차 등의 개인용 이동 기기들(또는, 전자 기기/이동 수단들)은 대전력(약 2kW 이하 또는 22kW이하) 무선 충전 방식이 적용될 수 있다.

상술한(또는 도 1에 도시된) 전자 기기들/이동 수단들은 후술하는 무선 전력 수신기를 각각 포함할 수 있다. 따라서, 상술한 전자 기기들/이동 수단들은 무선 전력 송신기로부터 무선으로 전력을 수신하여 충전될 수 있다.

이하에서는 전력 무선 충전 방식이 적용되는 모바일 기기를 중심으로 설명하나 이는 실시예에 불과하며, 본 발명에 따른 무선 충전 방법은 상술한 다양한 전자 기기에 적용될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송/수신 시스템의 블록도이다.

도 2를 참조하면, 무선 전력 송/수신 시스템(2000)은 무선으로 전력을 수신하는 모바일 기기(Mobile Device)(2010) 및 무선으로 전력을 송신하는 베이스 스테이션(Base Station)(2020)을 포함한다. 이하에서 모바일 기기는 ‘전력 수신 장비(Power Receiver Product)’로, 베이스 스테이션은 ‘전력 송신 장비(Power Transmitter Product)’로 지칭될 수도 있다.

모바일 기기(2010)는 2차 코일(Secondary Coil)을 통해 무선 전력을 수신하는 전력 수신기(Power Receiver)(2011) 및 전력 수신기(2011)에서 수신한 전력을 전달받아 저장하고 기기에 공급하는 로드(Load)(2012)를 포함한다.

전력 수신기(2011)는 전력 픽업 유닛(Power Pick-Up Unit)(2013) 및 통신/컨트롤 유닛(Communications & Control Unit)(2014)을 포함할 수 있다. 전력 픽업 유닛(2013)은 2차 코일을 통해 무선 전력 신호를 수신하여 전기 에너지로 변환할 수 있다. 통신/컨트롤 유닛(2014)은 전력 신호 송/수신(전력 전달/수신)을 제어할 수 있다.

베이스 스테이션(2020)은 유도 전력(inductive power) 또는 공진 전력(resonant power)를 제공하는 장치로서, 적어도 하나의 전력 송신기(Power Transmitter)(2021) 및 시스템 유닛(2024)을 포함할 수 있다.

전력 송신기(2021)는 유도 전력 또는 공진 전력을 전송하고, 전송을 제어할 수 있다. 전력 송신기(2021)는, 1차 코일(Primary Coil(s))을 통해 자기장을 생성함으로써 전기 에너지를 전력 신호로 변환하는 전력 변환 유닛(Power Conversion Unit)(2022) 및 적절한 레벨로 전력을 전달하도록 전력 수신기(2011)와의 통신 및 전력 전달을 컨트롤하는 통신/컨트롤 유닛(Communications & Control Unit)(2023)을 포함할 수 있다. 시스템 유닛(2024)은 입력 전력 프로비저닝(provisioning), 복수의 전력 송신기들의 컨트롤 및 사용자 인터페이스 제어와 같은 베이스 스테이션(2020)의 기타 동작 제어를 수행할 수 있다.

전력 송신기(2021)는 동작 포인트를 컨트롤함으로써 송신 전력을 컨트롤할 수 있다. 컨트롤하는 동작 포인트(operating point)는 주파수(또는 위상), 듀티 사이클(duty cycle), 듀티 비(duty ratio) 및 전압 진폭의 조합에 해당될 수 있다. 전력 송신기(2021)는 주파수(또는 위상), 듀티 사이클, 듀티비 및 전압 진폭 중 적어도 하나를 조절하여 송신 전력을 컨트롤할 수 있다.

또한, 전력 송신기(2021)는 일정한 전력을 공급하고, 전력 수신기(2011)가 공진 주파수를 컨트롤함으로써 수신 전력을 컨트롤할 수도 있다.

이하에서 코일 또는 코일부는 코일 및 코일과 근접한 적어도 하나의 소자를 포함하여 코일 어셈블리, 코일 셀 또는 셀로서 지칭할 수도 있다.

무선 전력을 전송하는 무선 전력 송/수신 시스템(혹은 전력 송신기 및/또는 수신기)은 유도 전력 전송(Inductive Power Transfer) 모드, 유도 가열(Induction Heating; IH) 모드, 또는 상기 두 모드의 조합으로 동작할 수 있다.

유도 전력 전송 모드에서 전력 송신기(2021)는 전력(유도 또는 공진 전력)을 전력 수신기(2011)로 전송하여 전력 수신기를 충전할 수 있다.

유도 가열 모드에서 전력 송신기(2021)는 전력 수신기(2011)로 전력을 전송하여 전력 수신기를 가열할 수 있다. 전력 송신기(2021)가 전력 수신기(2011)를 가열하는 원리는 자기 유도(magnetic induction) 현상과 관련이 있다. 자기 유도 현상은, 시간에 따라 변하는 자기장인 시변 자기장(time-varying magnetic field)이 적절한 곳에 위치한 도체(conductor)에 기전력(electromotive force)을 발생시키는 현상이다. 만일, 도체가 금속제 시트(sheet of metal)로 구성된 경우라면, 기전력은 상기 도체에 와상 전류를 흐르게 함으로써 상기 도체를 가열할 수 있다. 이러한 현상은 유도 가열 효과로도 잘 알려져 있으며, 최근에는 이를 이용하여 조리용 인덕션 레인지, IH 압력 밥솥 등 가정에서 사용하는 다양한 가전 제품들이 출시되고 있다.

이하에서는 이러한 유도 가열 모드 및/또는 유도 전력 전송 모드로 동작하는 무선 송/수신 시스템의 전력 송신 장비 및 전력 수신 장비에 관해 보다 상세히 후술하기로 한다. 이하에서 전력 송신 장비는 ‘유도 전력 공급기(Inductive Power Supply; IPS)’이라 지칭될 수 있다.

이하에서 전력 수신 장비는, 크게 ‘무선 기기(Cordless Appliance)(또는 간접 가열 기기(Indirect Heating Appliance))’ 및 ‘직접 가열 기기(Direct Heating Appliance)’로 구별될 수 있다. 무선 기기는 IPS로부터 전력(유도 또는 공진 전력)을 수신하여 이를 전기적 전력(electrical power)으로 변환하고, 이를 모터 및/또는 가열 부품(heating element)을 구동하는 데 사용하는 기기를 나타낼 수 있다. 따라서, 무선 기기는 유도 전력 전송(또는 수신) 모드로 동작할 수 있다. 또한, 직접 가열 기기는 유도 열(induction heating)에 의해 베이스에 포함되어 있는 평평한 금속이 직접적으로 가열되는 기기를 나타낼 수 있다. 따라서, 직접 가열 기기는 유도 전력 전송 모드 및/또는 유도 가열 모드로 동작할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 IPS의 블록도이다.

도 3을 참조하면, IPS는 상기 IPS를 덮는 커버(3010), 전력 송신기(PTx)로 전력을 공급하는 Mains Filter(또는 전력 어답터)(3070), 무선 전력을 송신하는 전력 송신기(PTx) 및 전력 전달 진행 및 다른 관련 정보를 제공하는 사용자 인터페이스(3060) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 특히, 사용자 인터페이스(3060)는 IPS에 선택적으로(optionally) 포함되거나, IPS의 다른 사용자 인터페이스로서 포함될 수도 있다.

IPS의 중심 엘리멘트인 전력 송신기(PTx)는 코일 어셈블리(3020), 탱크 회로(tank circuit)(또는 임피던스 매칭 회로)(3040), 인버터(3080), 통신 유닛(3030) 및 컨트롤 유닛(3050) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

코일 어셈블리(3020)는 자기장을 생성하기 위해 적어도 하나의 코일 뿐만 아니라 페라이트 엘리먼트(ferrite element)를 포함하는(또는 나르는) 프레임을 포함할 수 있다.

탱크 회로(3040)는 에너지 저장 커패시터(energy storage capacitor) 및 추가적인 임피던스 매칭 엘리먼트들을 포함할 수 있다.

인버터(3080)는 DC 인풋을 AC 신호로 전환할 수 있다. 인버터(3080)는 풀-브리지 토폴로지(full-bridge topology)를 포함하여 주파수 제어 및 듀티 사이클을 지원할 수 있다.

통신 유닛(3030)은 전력 코일과 중심이 같은 분리된 코일을 별도로 포함하며, 이를 이용해 전력을 전송함으로써 전력 수신기(PRx)와 통신을 수행할 수 있다. 이러한 구성은 공간적으로 로컬라이즈된 통신 프로토콜(전력선 통신: in-band communication)을 제공하며, IPS가 전력을 제공하고 있는 기기와의 (1:1) 통신 수행을 보장한다. 이때, 전력선 통신 프로토콜로서 시분할 다중 방식(Time Division Multiplex)이 이용될 수 있다.

다만, 이러한 전력선 통신 프로토콜은, 고전력 전송 시 인체 유해 가능성 존재하며, 하드웨어 구성의 복잡도가 증가한다는 등의 문제점이 존재한다. 따라서, 본 명세서에서는 통신 유닛이 수행할 수 있는 새로운 통신 프로토콜로서 대역외 통신(out of band communication; OOB) 방법을 제안하며, 이와 관련된 설명은 도 8 내지 11과 관련하여 이하에서 상세히 후술하기로 한다.

컨트롤 유닛(3050)은 상술한 IPS의 구성들을 제어할 수 있다. 특히, 컨트롤 유닛(3050)은 전력 송신기(PTx)의 통신 및 전력 전달을 제어할 수 있다. 또한, 컨트롤 유닛은 적어도 하나의 전류 측정 수단을 포함하여, 내부 코일에 흐르는 코일 전류를 측정할 수 있다. 또한, 컨트롤 유닛(3050)은 상술한 IPS의 구성들 중 적어도 하나를 제어하여 본 명세서에서 설명하는 다양한 실시예들을 수행할 수 있다.

상술한 IPS의 구성들은 별개의 유닛/소자/칩셋으로 구비되거나, 하나의 유닛/소자/칩셋으로 구비될 수도 있다. 예를 들어, 통신 유닛(3030) 및 컨트롤 유닛(3050)은 별개의 소자/칩셋으로 구비되거나, 하나의 소자/칩셋으로 구비될 수도 있다. 또한, 상술한 IPS의 구성들은 선택적으로 포함되거나, 새로운 구성이 IPS에 추가될 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 기기의 블록도이다. 본 명세서에서 무선 기기는 믹서기(blender), 착즙기(juicer), 전기 밥솥(rice cooker), soy milk maker와 같이 IPS에 의해 무선 충전되는 전동 및/또는 간접 가열 기기(Indirect Heating Appliance)를 나타낸다.

도 4를 참조하면, 무선 기기는 전력 수신 진행 및 다른 관련 정보를 제공하는 사용자 인터페이스(4020), 무선 전력을 수신하는 전력 수신기(PRx), 로드 회로(4080) 및 무선 기기를 커버하거나 받치는 베이스(4010) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 특히, 사용자 인터페이스(4020)는 무선 기기에 선택적으로(optionally) 포함되거나, 무선 기기의 다른 사용자 인터페이스로서 포함될 수도 있다.

무선 기기의 중심 엘리먼트인 전력 수신기(PRx)는 전력 컨버터(4050), 탱크 회로(또는 임피던스 매칭 회로)(4060), 코일 어셈블리(4070), 통신 유닛(4040) 및 컨트롤 유닛(4030) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

전력 컨버터(4050)는 2차 코일로부터 수신하는 AC 전력을 로드 회로에 적합한 전압 및 전류로 전환(convert)할 수 있다. 전력 컨버터(4050)는 정류기(rectifier)를 포함할 수 있다. 이때, 정류기는 전파 정류기 토폴로지(full-wave rectification topology)를 가질 수 있다. 추가로, 전력 컨버터(4050)는 전력 수신기(PRx)의 반사(reflected) 임피던스를 적용(adapt)할 수도 있다.

탱크 회로(4060)는 에너지 저장 커패시터(energy storage capacitor) 및 추가적인 임피던스 매칭 엘리먼트들을 포함할 수 있다.

통신 유닛(4040)은 전력 코일과 중심이 같은 분리된 코일을 별도로 포함하며, 이를 이용해 전력을 전송함으로써 전력 송신기(PTx)와 통신을 수행할 수 있다. 이러한 구성은 공간적으로 로컬라이즈된 통신 프로토콜(전력선 통신: in-band communication)을 제공하며, 무선 기기로 전력을 제공하고 있는 IPS와의 통신 수행을 보장한다. 이외에 통신 유닛(4040)과 관련된 상세한 설명은 도 3에서 상술한 바와 같으며, 중복되는 설명은 생략한다.

컨트롤 유닛(4030)은 상술한 무선 기기의 구성들을 제어할 수 있다. 특히, 컨트롤 유닛(4030)은 전력 수신기(PRx)의 통신 및 전력 수신을 제어할 수 있다. 또한, 컨트롤 유닛(4030)은 상술한 무선 기기의 구성들 중 적어도 하나를 제어하여 본 명세서에서 설명하는 다양한 실시예들을 수행할 수 있다.

상술한 무선 기기의 구성들은 별개의 유닛/소자/칩셋으로 구비되거나, 하나의 유닛/소자/칩셋으로 구비될 수도 있다. 예를 들어, 통신 유닛(4040) 및 컨트롤 유닛(4030)은 별개의 소자/칩셋으로 구비되거나, 하나의 소자/칩셋으로 구비될 수도 있다. 또한, 상술한 무선 기기의 구성들은 선택적으로 포함되거나, 새로운 구성이 무선 기기에 추가될 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 직접 가열 기기의 블록도이다. 본 명세서에서 직접 가열 기기는 주전자, 커피 포트, 스마트 팬 등과 같이 유도 열을 이용하여 직접 가열되는 다양한 가전 기기를 나타낸다.

도 5를 참조하면, 직접 가열 기기는 전력 수신 진행 및 다른 관련 정보를 제공하는 사용자 인터페이스(5020), 무선 전력을 수신하는 전력 수신기(PRx), 금속 물질을 포함하며 직접 가열 기기를 커버하거나 받치는 베이스(5010) 및 센서 유닛(5030) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 특히, 사용자 인터페이스(5010)는 직접 가열 기기에 선택적으로(optionally) 포함되거나, 직접 가열 기기의 다른 사용자 인터페이스로서 포함될 수도 있다.

직접 가열 기기의 중심 엘리먼트인 전력 수신기(PRx)는 전력 픽업(power pickup) 유닛(5060), 통신 유닛(5050) 및 컨트롤 유닛(5040) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

전력 픽업 유닛(5060)은 IPS로부터 전력을 수신하여 직접 가열 기기를 구동할 수 있다.

통신 유닛(5050)은 전력 코일과 중심이 같은 분리된 코일을 별도로 포함하며, 이를 이용해 전력을 전송함으로써 전력 송신기(PTx)와 통신을 수행할 수 있다. 이러한 구성은 공간적으로 로컬라이즈된 통신 프로토콜(전력선 통신: in-band communication)을 제공하며, 직접 가열 기기로 전력을 제공하고 있는 IPS와의 통신 수행을 보장한다. 이외에 통신 유닛(5050)과 관련된 상세한 설명은 도 3에서 상술한 바와 같으며, 중복되는 설명은 생략한다.

센서 유닛(5030)은 직접 가열 기기의 온도를 센싱 및/또는 모니터링할 수 있다.

컨트롤 유닛(5040)은 상술한 직접 가열 기기의 구성들을 제어할 수 있다. 특히, 컨트롤 유닛(5040)은 전력 수신기(PRx)의 통신 및 전력 수신을 제어할 수 있다. 또한, 컨트롤 유닛(5040)은 상술한 직접 가열 기기의 구성들 중 적어도 하나를 제어하여 본 명세서에서 설명하는 다양한 실시예들을 수행할 수 있다.

상술한 직접 가열 기기의 구성들은 별개의 유닛/소자/칩셋으로 구비되거나, 하나의 유닛/소자/칩셋으로 구비될 수도 있다. 예를 들어, 통신 유닛(5050) 및 컨트롤 유닛(5040)은 별개의 소자/칩셋으로 구비되거나, 하나의 소자/칩셋으로 구비될 수도 있다. 또한, 상술한 직접 가열 기기의 구성들은 선택적으로 포함되거나, 새로운 구성이 직접 가열 기기에 추가될 수 있다.

상술한 바와 같이, 무선 송/수신 시스템은 전력선 통신 프로토콜을 이용하여 전력 송/수신기 사이에 통신을 수행할 수 있다. 그러나, 전력선 통신 프로토콜을 이용하는 경우 인체 유해 가능성, 하드웨어 구성의 복잡도 증가 등 여러 가지 문제점이 발생할 수 있다. 따라서, 이하에서는 전력선 통신 프로토콜(예를 들어, 시분할 다중 통신 방법)과 대역외 통신 프로토콜을 상호 비교하여, 전력선 통신 프로토콜 이용 시 발생하는 문제점을 살펴보고, 이에 대한 해결 방법으로서 대역외 통신 프로토콜을 이용할 것을 제안한다.

여기서 대역외 통신 프로토콜이란, 미리 정의된 대역/채널/네트워크 외의 다른 대역/채널/네트워크를 이용하는 통신 방법을 의미한다. 예를 들어, 대역외 통신 프로토콜로는, 블루투스, Wi-Fi, Wi-Gig, NFC, local RF band, ZigBee 등의 무선 통신 프로토콜이 존재할 수 있다.

이하에서는 설명의 편의를 위해, 무선 기기 및 직접 가열 기기를 ‘가전 기기(Appliance)’라 통칭할 수 있다.

도 6은 전력선 통신 프로토콜 및 대역외 통신 프로토콜을 비교한 표이다. 이하에서는 도 6을 참조하여 전력선 통신 프로토콜 및 대역외 통신 프로토콜의 장/단점을 비교한다.

(1) 대역폭(Bandwidth)

전력선 통신 프로토콜(예를 들어, 시분할 통신 방법) 및 대역외 통신 프로토콜 모두 송신기가 정보를 전송하는 데 필요로 하는 충분한(sufficient) 대역폭을 제공한다. 예를 들어, 전력선 통신 프로토콜의 경우 약 20kbit/s 또는 100~800kbit/s을 제공하며, 대역외 통신 프로토콜의 경우 약 1Mbit/s를 제공한다. 즉, 전력선 통신 프로토콜에 비해 대역외 통신 프로토콜이 더 큰 대역폭을 제공한다는 장점을 갖는다.

(2) 통신 거리(Short range)

전력선 통신 프로토콜에 비해 대역외 통신 프로토콜이 3배 이상의 통신 거리(또는 전송 거리)를 갖는다. 보다 상세하게는, 전력선 통신 프로토콜의 통신 거리는 약 10cm 이하이며, 대역외 통신 프로토콜의 통신 거리는 약 30cm 이상으로, 대역외 통신 프로토콜이 전력선 통신 프로토콜에 비해 긴 통신 거리를 갖는다. 또한, 대역외 통신 프로토콜의 경우, 신호 세기를 줄임으로써 더 짧은 통신 거리를 갖도록 조절도 가능하다(즉, 짧은 통신 거리에서만 동작하도록 제어가 가능).

(3) 비확실성(Unambiguous)

비확실성(Unambiguous)은 IPS에 가전 기기를 위치시켰을 경우, IPS가 가전 기기를(또는 가전 기기가 IPS를) 물리적으로 정확하게 1:1 인식할 수 있는지 여부를 나타낸다.

도 7은 대역외 통신 프로토콜에서 비확실성 문제가 발생하는 경우를 도시한 도면이다.

도 7을 참조하면, A 가전 기기가 IPS 1 상에 위치할 수 있으며, 이 경우 A 가전 기기와 IPS 1은 통신을 수행하게 된다. 이때, 매우 빠른 시간 안에(예를 들어, 약 1초) A 가전 기기를 IPS 2에 위치시키고, B 가전 기기를 IPS 1에 위치시킨 경우를 가정해볼 수 있다. 이때, IPS 1은 A 가전 기기가 제거되고 새로운 B 가전 기기가 IPS 1 상에 위치했음을 감지하지 못하고, A 가전 기기와 계속 통신을 수행하는 문제가 발생할 수 있는데, 이러한 문제를 ‘비확실성’이라고 지칭할 수 있다. 따라서, IPS는 이러한 비확실성 문제를 방지하기 위해 1:1 통신 중이던 가전 기기의 존재 및/또는 제거를 보다 빠른 속도로 감지할 필요가 있다.

전력선 통신 프로토콜은 IPS 및 가전 기기 사이의 위치 의존성 및 물리적 1:1 통신을 수행하므로, 비확실성에 문제가 없다. 보다 상세하게는, 전력선 통신 프로토콜을 사용하는 통신 유닛은 전력 코일과 중심이 동일한 분리된 코일로 구성된다(위치 의존성). 이러한 구성은 공간적으로 로컬라이즈된 통신 방법을 제공하여, IPS와 가전 기기 사이의 1:1 통신을 보장하므로, 비확실성에 문제가 발생하지 않는다.

그러나, 대역외 통신 프로토콜에서 다중 송/수신부를 사용하는 경우, IPS와 가전 기기 간의 정확한 1:1 통신이 어려우며, 통신 혼용의 문제가 발생할 수 있다. 특히, 대역외 통신 프로토콜의 경우 도 7에서와 같이, IPS의 전력 전송 중 가전 기기 위치가 변경되는 타이밍에 따라 통신 혼용의 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 이러한 대역외 통신 프로토콜의 비확실성 문제를 해결하기 위해, 본 명세서에서는 코일 전류의 엔벨롭(envelop)을 감지하는 방법을 제안하며, 이에 관해 도 10 및 11과 관련하여 이하에서 상세히 후술하기로 한다.

(4) 복잡성(Complexity)

전력선 통신 프로토콜은 통신을 위한 보조 코일 및 통신 회로를 높은 전압으로부터 보호하기 위한 추가적인 하드웨어 구성을 요구한다. 따라서, 전력선 통신 프로토콜은 하드웨어 복잡도가 높다는 단점을 갖는다. 이에 반해, 대역외 통신 프로토콜은 대역외 통신을 위한 추가적인 IC(Integrated Circuit)(즉, OOB IC)만을 요구하므로, 전력선 통신 프로토콜에 비해 하드웨어 복잡도가 낮다는 장점을 갖는다. 다만, 대역외 통신 프로토콜은 전력 제어 프로토콜과 대역외 통신 프로토콜과의 결합 및 IPS과 가전 기기 사이의 페어링을 위해, 소프트웨어 복잡도가 전력선 통신 프로토콜에 비해 높을 수 있다.

(5) 규제(Regulatory)

무선 전력 송/수신 시스템의 경우 인체 유해성과 관련된 안전성 문제로 각국 별로 규제가 존재할 수 있다. 전력선 통신 프로토콜의 경우 kW급 고전력을 전송하여 통신을 수행하기 때문에 인체 유해 가능성이 높을 수 있다. 따라서, 국가에 따라서는 전력선 통신 프로토콜의 사용이 제한될 수 있다. 현재 유럽의 경우에는 규제에 따라 전력선 통신 프로토콜을 적용할 수 없는 상황이다. 이에 반해, 대역외 통신 프로토콜은 이미 승인된 다른 무선 통신 프로토콜(예를 들어, Wi-Fi, BT, Zigbee, local BF band 등)을 사용하면 되므로, 규제가 문제되지 않는다.

(6) 비용

앞서 복잡성과 관련하여 상술한 바와 같이, 전력선 통신 프로토콜은 추가적인 하드웨어 구성들을 요구하므로, 이에 따른 추가 비용이 발생할 수 있다. 그러나, 대역외 통신 프로토콜의 경우 추가적인 하드웨어 구성을 요구하지 않으므로, 이에 따른 추가적인 비용이 발생하지 않는다.

전력선 통신 프로토콜과 대역외 통신 프로토콜의 소요 비용을 구체적으로 비교한 표는 아래와 같다.

표 1을 참조하면, 전력선 통신 프로토콜의 경우 통신용 보조 코일 등 추가적인 하드웨어 구성이 필요하므로 총 8달러의 비용이 드는 것에 비해, 대역외 통신 프로토콜의 경우 대역외 통신을 위한 IC만을 별도로 요구하므로, 총 6달러의 더 적은 비용이 드는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 비용 측면에서 대역외 통신 프로토콜이 더 유리한 효과를 갖는다.

앞서 살펴본 바와 같이, 전력선 통신 프로토콜은 대역폭, 통신 거리, 복잡성, 규제 및 비용 측면에서 대역외 통신 프로토콜에 비해 많은 문제점을 갖는다. 다만, 대역외 통신 프로토콜은 비확실성 문제를 갖는다. 따라서, 본 명세서에서는 무선 전력 송/수신 시스템에서 사용되는 통신 프로토콜로서 대역외 통신 프로토콜을 사용할 것을 제안하며, 아울러 비확실성 문제를 해결하기 위한 방법을 제안하기로 한다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 대역외 통신 프로토콜을 나타낸다. 본 도면에 도시된 펄스들은 시간에 따라 IPS 내 코일에 흐르는 코일 전류를 나타낸다.

도 8을 참조하면, 우선 IPS는 오브젝트를 감지하기 위해 (아날로그) 핑을 주기적으로 인가(또는 전송하는) 오브젝트 감지 모드로 동작할 수 있다(S8010). 예를 들어, IPS는 0.5초 간격으로 ±2A 이내의 펄스 신호(코일 전류)를 내부 코일에 인가할 수 있다. IPS는 아날로그 핑 전송에 따라 자신의 코일에 흐르는 코일 전류의 엔벨롭(envelop) 변화를 관찰하여 오브젝트(예를 들어, 금속 이물질(Foreign Object: FO), 무선 기기 및/또는 직접 가열 기기)가 IPS의 기설정된 지점에 위치하였는지 감지할 수 있다. 여기서, 기설정된 지점은 무선 전력 수신 또는 유도 가열을 위해 오브젝트가 위치되어야 할 IPS의 특정 위치를 의미할 수 있다. IPS가 코일 전류의 엔벨롭 변화에 따라 오브젝트의 존재를 감지하는 실시예에 관한 보다 상세한 설명은 도 10과 관련하여 이하에서 상세히 후술한다.

만일, 핑 전송에 따라 오브젝트를 감지한 경우 IPS는 다음 단계로서 S8020 단계를 수행할 수 있으며, 오브젝트를 감지하지 못한 경우에는 S8010 단계를 반복적으로 수행할 수 있다.

오브젝트를 감지한 경우, IPS는 오브젝트의 MCU(Main Control Unit)(또는 컨트롤 유닛) 및/또는 OOB IC(또는 통신 유닛)을 깨우기 위해(wake up)(또는 활성화하기 위해) 저전력 전송 모드(또는 Idle 모드)로 동작할 수 있다(S8020). 여기서, 저전력 전송 모드란, 오브젝트의 MCU 및/또는 OOB IC를 동작 시킬 수 있을 정도의 최소 전력을 오브젝트로 전송하는 모드를 나타낸다. 이때, IPS는 주전력 전송 주파수의 약 3배 이상의 주파수로 최소 전력을 전송할 수 있다.

다음으로, IPS로부터 저전력을 수신하여 MCU 및/또는 OOB IC가 깨어난 오브젝트는, 오브젝트의 정보(예를 들어, 오브젝트의 ID 정보) 및 페어링 정보를 담은 패킷을 대역외 통신 프로토콜을 이용하여 IPS로 전송할 수 있다(S8030). 여기서 페어링 정보는, IPS와 오브젝트 사이의 페어링 수행을 위해 요구되는 다양한 정보를 나타낼 수 있다.

만일, IPS와 오브젝트 사이의 페어링 수행이 성공적으로 완료된 경우, IPS는 오브젝트로 주전력을 전송하는 유도 전력 전송 모드로 동작할 수 있다(S8040). 이 경우, IPS와 오브젝트는 대역외 통신 프로토콜을 이용하여, 안정적으로 주전력 전송을 수행하기 위한 정보(예를 들어, 주전력 전송 지속 시간(Duration), 주전력 전송의 세기 등)가 담긴 패킷을 주고받을 수 있다.

IPS의 주전력 전송 중 오브젝트가 제거되는 경우(또는 오브젝트와 통신에 실패한 경우), IPS는 주전력 전송 및 대역외 통신 프로토콜을 통한 통신 수행을 중지하고, S8010 단계로 회귀(Path 1)할 수 있다(S8050). 이때, IPS는 자신의 코일에 흐르는 코일 전류의 엔벨롭 변화를 관찰함으로써 오브젝트의 제거를 빠른 시간 안에 감지할 수 있는데, 이와 관련된 보다 상세한 설명은 도 11과 관련하여 이하에서 상세히 후술하기로 한다. 여기서 오브젝트가 제거됨은, 무선 전력 수신을 위해 기설정된 지점에 놓여진 오브젝트가 다른 위치로 이동하는 경우를 나타낼 수 있다.

S8030 단계의 수행에 실패한 경우(즉 IPS와 오브젝트 사이의 페어링 수행이 성공적으로 완료되지 않은 경우), IPS는 모드 선택 단계로 진입할 수 있다(S8060). S8030 단계의 수행이 실패함은 IPS의 기설정된 지점에 무선 전력의 수신이 불가한 금속 이물질이 올려져 있거나, IH Pot(또는 냄비)와 같이 금속으로 구성되며, OOB IC가 별도로 구비되지 않은 직접 가열 기기가 올려져 있음을 의미할 수 있다. 따라서, IPS는 사용자에게 다시 오브젝트 감지 모드로 동작할 것인지, 아니면 유도 가열 모드로 동작할 것인지를 묻는 선택 인터페이스를 제공할 수 있다.

IPS는 선택 인터페이스를 통해 사용자로부터 어느 한 모드의 선택을 입력 받아 해당 모드로 동작할 수 있다. 예를 들어, 사용자로부터 유도 가열 모드의 선택을 입력 받은 경우, IPS는 오브젝트를 가열하는(또는 오브젝트 내 금속의 온도를 직접 상승시키는) 유도 가열 모드로 동작할 수 있다. 반대로, 사용자로부터 물질 감지 모드의 선택을 입력 받은 경우, IPS는 다시 아날로그 핑을 주기적으로 전송함으로써 오브젝트를 감지하는 물질 감지 모드로 동작할 수 있다. 만일 선택 인터페이스에 대한 사용자의 선택 입력이 기설정된 시간 동안 수신되지 않는 경우, IPS는 별도의 사용자 선택 입력 없이도 S8010 단계로 회귀하여 오브젝트 감지 모드로 동작할 수도 있다.

또한, 본 도면에는 도시하지 않았으나, 유도 가열 모드로 동작하는 IPS는 S8050 단계에서와 같이, 자신의 코일에 흐르는 코일 전류의 엔벨롭 변화를 관찰함으로써 유도 가열 중인 오브젝트의 제거를 빠른 시간 내에 감지할 수 있으며, 이에 대해서는 도 11과 관련하여 이하에서 상세히 후술하기로 한다.

만일, S8060 단계에서 S8010 단계로의 회귀가 기설정된 횟수 이상으로 반복되는 경우, IPS는 무선 전력 송/수신 시스템의 안전성 및 불필요한 동작의 반복을 방지하기 위해 시스템 전원과 통신 기능을 비활성화(오프 또는 종료)할 수 있다(S8070). 이때, 기설정된 횟수는 제조사의 제조 과정에서 설정되거나 사용자에 의해 직접 설정될 수도 있다.

도 9는 무선 전력 송/수신 시스템에서의 IPS의 동작 방법을 도시한 순서도이다. 도 8과 관련하여 상술한 설명은 본 순서도에도 동일하게 적용될 수 있으며, 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 9를 참조하면, 우선 IPS는 오브젝트를 감지하기 위해 핑을 인가할 수 있다(S9010). 보다 상세하게는, IPS는 오브젝트를 감지하기 위해 아날로그 핑을 주기적으로 전송/인가할 수 있다.

다음으로, IPS는 코일 전류를 측정할 수 있다(S9020). 보다 상세하게는, IPS는 핑을 인가함에 따라 발생한 코일 전류를 측정할 수 있다. 이때, IPS는 시간에 따른 코일 전류를 측정하고, 측정한 코일 전류의 엔벨롭을 획득할 수 있다. 또한, IPS는 획득한 엔벨롭에 따라 오브젝트를 감지할 수 있는데, 이와 관련된 보다 상세한 내용은 도 10과 관련하여 이하에서 상세히 후술하기로 한다.

다음으로, IPS는 코일 전류의 측정 결과에 기초하여 오브젝트를 감지할 수 있다(S9030). 보다 상세하게는, IPS는 코일 전류의 측정 결과에 기초하여 전력 또는 유도 열을 전송할 수 있는 기설정된 지점에 위치한 오브젝트를 감지할 수 있다.

다음으로, IPS는 오브젝트를 깨우기 위한 최소 전력을 전송할 수 있다(S9040). 보다 상세하게는, 오브젝트에 포함된 MCU 및/또는 통신 유닛을 깨우기 위해 요구되는 최소 전력을 오브젝트로 전송할 수 있다. 이때 전송되는 최소 전력의 전송 주파수는 주전력의 전송 주파수의 3배 이상일 수 있다.

다음으로, IPS는 오브젝트로부터 페어링 정보를 수신하여 오브젝트와 페어링을 수행할 수 있다(S9050). 이때, IPS는 대역외 통신 프로토콜을 이용하여 페어링 정보를 수신할 수 있다.

다음으로, IPS는 페어링을 수행한 오브젝트에 주전력을 전송할 수 있다(S9060).

만일, S9050 단계에서 오브젝트와의 페어링 수행에 실패한 경우, IPS는 유도 가열 모드의 선택을 위한 선택 인터페이스를 제공할 수 있으며, 이와 관련된 상세한 설명은 도 8과 관련하여 상술한 바와 같다.

도 10은 오브젝트 감지 모드에서 IPS의 핑 전송에 따른 내부 코일의 전류 변화를 측정한 결과 그래프이다. 그래프를 얻기 위한 실험에서, IPS는 0.5초 간격으로 ±2A 이내의 펄스 신호(코일 전류)를 핑으로서 출력하였으며, 이때 IPS는 약 500mW를 소비하였다(EC/1275/2008 기준 만족). 본 그래프들에서 x축은 시간을 나타내며, y축은 코일 전류(A)를 나타낸다.

도 10(a)는 오브젝트가 IPS에 올려져 있지 않은 경우(즉, 오브젝트가 IPS의 기설정된 지점에 위치하지 않은 경우), IPS의 핑 전송에 따라 IPS의 내부 코일에서 측정된 코일 전류의 변화를 나타낸 그래프이다. 도 10(b)는 금속 물질(예를 들어, 금속 이물질 또는 직접 가열 기기(예를 들어, IH Pot))가 오브젝트로서 IPS에 올려져 있는 경우(즉, 금속 물질이 IPS의 기설정된 지점에 위치하는 경우), IPS의 핑 전송에 따라 IPS의 내부 코일에서 측정된 코일 전류의 변화를 나타낸 그래프이다. 도 10(c)는 무선 기기가 오브젝트로서 IPS에 올려져 있는 경우(즉, 무선 기기가 IPS의 기설정된 지점에 위치하는 경우), IPS의 핑 전송에 따라 IPS의 내부 코일에서 측정된 코일 전류의 변화를 나타낸 그래프이다.

도 10(a)와 도 10(b) 및 10(c)의 그래프들을 상호 비교해보면, 오브젝트가 있는 경우와 없는 경우의 엔벨롭들은 서로 다른 특징을 가짐을 알 수 있다. 도 10(a)의 경우(오브젝트가 존재하지 않는 경우) 시간이 지남에 따라 코일 전류가 감소하되, 그 감소하는 속도가 매우 늦은 엔벨롭 형태를 갖는다. 이에 반해 도 10(b) 및 10(c)의 경우(오브젝트가 존재하는 경우) 시간에 지남에 따라 코일 전류가 감소하되, 그 감소하는 속도가 매우 빠른 엔벨롭 형태를 갖는다. 따라서, IPS는 핑 인가에 따라 발생한 코일 전류의 감소 속도(또는 시간)을 관찰함으로써 현재 기설정된 지점에 오브젝트가 위치되어 있는지 아닌지 여부를 판단할 수 있게 된다.

예를 들어, IPS는 핑 인가에 따라 감지되는 코일 전류의 엔벨롭 감소 속도를 측정하여, 감소 속도가 스레시홀드(Threshold) 미만인 경우 오브젝트가 존재하지 않는다고 판단할 수 있으며, 스레시홀드 이상인 경우 오브젝트가 존재한다고 판단할 수 있다. 또는, IPS는 핑 인가에 따라 감지되는 코일 전류가 기설정된 크기로 도달하기까지의 시간을 측정하여, 측정 시간이 스레시홀드 이상인 경우 오브젝트가 존재하지 않는다고 판단할 수 있으며, 스레시홀드 미만인 경우 오브젝트가 존재한다고 판단할 수 있다. 또는, IPS는 마지막 핑 인가 후 기설정된 시간(예를 들어, 약 0.5초)이 지난 후 코일 전류를 측정하여, 측정한 전류의 크기가 스레시홀드 이상인 경우 오브젝트가 존재하지 않다고 판단할 수 있으며, 스레시홀드 미만인 경우 오브젝트가 존재한다고 판단할 수 있다.

나아가, IPS는 도 10(b) 및 10(c) 그래프들 사이의 차이점을 이용하여 오브젝트의 종류가 무엇인지도 추가로 감지할 수 있다. 도 10(b)의 엔벨롭은 도 10(c)의 엔벨롭에 비해 더 빠른 속도로 코일 전류가 감소하는 형태를 갖는다. IPS는 이러한 엔벨롭 차이를 이용하여 감지된 오브젝트가 무선 기기인지 또는 금속 물질인지도 바로 판단할 수도 있다. 그 결과, 실시예에 따라서는 IPS가 금속 물질을 감지한 경우, 도 8에서의 페어링 단계(S8030)를 별도로 수행하지 않고 모드 선택 단계(S8060)로 바로 진입할 수도 있다.

도 11은 오브젝트 제거에 따른 IPS 내부 코일의 전류 변화를 측정한 결과 그래프이다. 보다 상세하게는, 도 11(a)는 IPS의 내부 회로를 도시한 도면이며, 도 11(b) 및 11(c)는 도 11(a)의 ‘V’ 지점(즉, 인버터 앞단)에서 코일 전류를 측정한 결과 그래프이다. 본 실험에서는 오브젝트로서 140W 로드가 이용되었으며, IPS는 오브젝트에 60Hz의 주파수(f)로 전력을 인가하였다. 본 그래프들에서 x축은 시간을 나타내며, y축은 코일 전류(A)를 나타낸다.

도 11(b) 및 11(c)를 참조하면, 전력 전송 중인 오브젝트가 존재하는 경우와 갑자기 제거된 경우의 엔벨롭들은 서로 다른 특징을 가짐을 알 수 있다. 보다 상세하게는, 도 11(b)에서 11(c)로의 코일 전류 변화를 살펴보면, 오브젝트가 갑자기 제거되는 경우 한 주기(T=1/(2f)=1/(2*60)=약 8.33ms) 동안 코일 전류가 줄어드는 속도 역시 갑자기 줄어든다는 것을 확인할 수 있다. 즉, IPS가 전력 전송 중인 오브젝트가 갑자기 제거되는 경우, 한 주기 동안 측정되는 코일 전류 그래프의 기울기가 갑자기 줄어듦을 확인할 수 있다.

IPS는 이러한 엔벨롭 특성의 변화를 감지하여 1초 이내의 매우 짧은 시간 안에 전력 전송 중인 오브젝트의 제거를 감지할 수 있다. 예를 들어, IPS는 주전력 전송 중 감지되는 코일 전류의 엔벨롭 감소 속도를 측정하여, 감소 속도가 스레시홀드(Threshold) 미만인 경우 오브젝트가 제거 되었다고 판단할 수 있다. 또는, IPS는 주전력 전송 중 감지되는 코일 전류가 기설정된 크기로 도달하기까지의 시간을 측정하여, 측정 시간이 스레시홀드 이상인 경우 오브젝트가 제거 되었다고 판단할 수 있다. 또는, IPS는 주전력 전송 중 기설정된 시간(예를 들어, 약 0.5초)이 지난 후 코일 전류를 측정하여, 측정한 전류의 크기가 스레시홀드 이상인 경우 오브젝트가 제거되었다고 판단할 수 있다.

따라서, 통신 중이던 오브젝트가 빠른 시간 안에 다른 오브젝트로 스위칭되는 경우가 발생하더라도, IPS는 오브젝트의 제거를 보다 더 빠른 시간 안에 감지하여 다른 오브젝트로의 스위칭을 정확하게 감지할 수 있다. 그 결과, IPS가 대역외 통신 프로토콜을 이용하여 가전 기기와 통신을 수행하더라도, 코일 전류를 측정함으로써 도 7에서 상술한 바와 같은 비확실성 문제를 쉽게 해결할 수 있다.

설명의 편의를 위하여 각 도면을 나누어 설명하였으나, 각 도면에 서술되어 있는 실시예들을 병합하여 새로운 실시예를 구현하도록 설계하는 것도 가능하다. 또한, 상술한 장치는 상술한 바와 같이 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상술한 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시 예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

또한, 이상에서는 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 명세서는 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구 범위에서 청구하는 요지를 벗어남이 없이 당해 명세서가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 명세서의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.

발명의 실시를 위한 형태

다양한 실시예가 본 발명을 실시하기 위한 최선의 형태에서 설명되었다.

본 발명은 다양한 무선 충전 기술에 적용될 수 있다.

Claims

유도 전력 공급기(Inductive Power Supply; IPS)의 제어 방법에 있어서,
오브젝트를 감지하기 위해 핑(ping)을 인가하는 단계;
코일 전류를 측정하는 단계;
상기 코일 전류의 측정 결과에 기초하여 상기 오브젝트를 감지하는 단계;
상기 오브젝트의 통신 유닛을 깨우기(wake up) 위한 최소 전력을 상기 오브젝트로 전송하는 단계; 로서, 상기 통신 유닛은 대역외(Out-Of Band) 통신 프로토콜을 이용하여 통신을 수행함,
상기 오브젝트로부터 상기 대역외 통신 프로토콜을 통해 페어링 정보를 수신하여, 상기 오브젝트와 페어링을 수행하는 단계; 및
상기 페어링된 오브젝트로 주전력을 전송하는 단계; 를 포함하는, IPS의 제어 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 코일 전류의 측정 결과에 기초하여 상기 오브젝트를 감지하는 단계는,
상기 핑을 인가함에 따라 발생한 코일 전류를 측정하고, 상기 측정한 코일 전류의 엔벨롭을 획득하는 단계; 및
상기 엔벨롭의 감소 정도가 스레시홀드 이상인 경우, 상기 오브젝트를 감지하는 단계; 를 포함하는, IPS의 제어 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 오브젝트와의 페어링 수행에 실패한 경우,
상기 오브젝트를 가열하는 유도 가열(Induction Heating) 모드의 실행 여부를 입력 받기 위한 선택 인터페이스를 제공하는 단계; 를 더 포함하는, IPS의 제어 방법.
제 3 항에 있어서,
상기 선택 인터페이스를 통해 상기 유도 가열 모드의 실행을 명령하는 선택 입력을 수신한 경우, 상기 감지한 오브젝트에 유도 열을 가하는 유도 가열 모드로 동작하고,
상기 선택 인터페이스를 통해 상기 유도 가열 모드의 비실행을 명령하는 선택 입력을 수신한 경우, 상기 오브젝트를 감지하기 위한 상기 핑을 재인가하는 단계; 를 더 포함하는, IPS의 제어 방법.
제 4 항에 있어서,
상기 선택 인터페이스를 제공한 뒤 기설정된 시간 동안 상기 선택 인터페이스에 대한 선택 입력을 수신하지 않은 경우,
상기 오브젝트를 감지하기 위한 상기 핑을 재인가하는 단계; 를 더 포함하는, IPS의 제어 방법.
제 5 항에 있어서,
상기 선택 인터페이스를 제공하는 단계에서 상기 핑을 재인가하는 단계로의 진입이 기설정된 횟수 이상 반복되는 경우, 시스템 전원을 종료하는 단계; 를 더 포함하는, IPS의 제어 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 주전력을 전송하는 단계는,
상기 주전력을 전송함과 동시에 상기 오브젝트의 제거를 감지하기 위해 상기 코일 전류를 실시간으로 측정하는 단계인, IPS의 제어 방법.
제 7 항에 있어서,
상기 주전력 전송 중 상기 코일 전류의 측정 결과에 기초하여 상기 오브젝트의 제거를 감지하는 단계; 및
상기 주전력의 전송을 중단하고 상기 오브젝트를 감지하기 위한 상기 핑을 재인가하는 단계; 를 더 포함하는, IPS의 제어 방법.
제 8 항에 있어서,
상기 코일 전류의 측정 결과에 기초하여 상기 오브젝트의 제거를 감지하는 단계는,
상기 주전력 전송 중 발생한 코일 전류를 측정하고, 상기 측정한 코일 전류의 엔벨롭을 획득하는 단계; 및
상기 엔벨롭의 감소 정도가 스레시홀드 미만인 경우, 상기 오브젝트의 제거를 감지하는 단계; 를 포함하는, IPS의 제어 방법.
유도 전력 공급기(Inductive Power Supply; IPS)에 있어서,
자기장을 생성하는 적어도 하나의 1차 코일을 포함하는, 코일 어셈블리;
DC 신호를 AC 신호로 전환하는, 인버터;
상기 인버터와 상기 적어도 하나의 1차 코일 사이의 임피던스 매칭을 제공하는, 탱크 회로(tank circuit);
대역외 통신 프로토콜을 사용하여 통신을 수행하는 통신 유닛; 및
전력 전달을 컨트롤하는, 컨트롤 유닛; 을 포함하되,
상기 컨트롤 유닛은,
오브젝트를 감지하기 위해 핑(ping)을 인가하고,
코일 전류를 측정하고,
상기 코일 전류의 측정 결과에 기초하여 상기 오브젝트를 감지하고,
상기 오브젝트의 통신 유닛을 깨우기(wake up) 위한 최소 전력을 상기 오브젝트로 전송하고,
상기 오브젝트로부터 상기 대역외 통신 프로토콜을 통해 페어링 정보를 수신하여, 상기 오브젝트와 페어링을 수행하고, 및
상기 페어링된 오브젝트로 주전력을 전송하는, IPS.
제 10 항에 있어서,
상기 컨트롤 유닛은,
상기 코일 전류의 측정 결과에 기초하여 상기 오브젝트를 감지하는 경우,
상기 핑을 인가함에 따라 발생한 코일 전류를 측정하고, 상기 측정한 코일 전류의 엔벨롭을 획득하고,
상기 엔벨롭의 감소 정도가 스레시홀드 이상인 경우, 상기 오브젝트를 감지하는, IPS.
제 10 항에 있어서,
사용자에게 다양한 정보를 제공하는 사용자 인터페이스; 를 더 포함하고,
상기 컨트롤 유닛은,
상기 오브젝트와의 페어링 수행에 실패한 경우,
상기 사용자 인터페이스를 이용하여 상기 오브젝트를 가열하는 유도 가열(Induction Heating) 모드의 실행 여부를 입력 받기 위한 선택 인터페이스를 제공하는, IPS.
제 12 항에 있어서,
상기 컨트롤 유닛은,
상기 선택 인터페이스를 통해 상기 유도 가열 모드의 실행을 명령하는 선택 입력을 수신한 경우, 상기 감지한 오브젝트에 유도 열을 가하는 유도 가열 모드로 동작하고,
상기 선택 인터페이스를 통해 상기 유도 가열 모드의 비실행을 명령하는 선택 입력을 수신한 경우, 상기 오브젝트를 감지하기 위한 상기 핑을 재인가하는, IPS.
제 13 항에 있어서,
상기 컨트롤 유닛은,
상기 선택 인터페이스를 제공한 뒤 기설정된 시간 동안 상기 선택 인터페이스에 대한 선택 입력을 수신하지 않은 경우,
상기 오브젝트를 감지하기 위한 상기 핑을 재인가하는, IPS.
제 14 항에 있어서,
상기 컨트롤 유닛은,
상기 선택 인터페이스를 제공한 후 상기 핑을 재인가하는 동작이 기설정된 횟수 이상 반복되는 경우, 시스템 전원을 종료하는, IPS.
제 10 항에 있어서,
상기 컨트롤 유닛은,
상기 주전력을 전송하는 경우,
상기 주전력을 전송함과 동시에 상기 오브젝트의 제거를 감지하기 위해 상기 코일 전류를 실시간으로 측정하는, IPS.
제 16 항에 있어서,
상기 컨트롤 유닛은,
상기 주전력 전송 중 상기 코일 전류의 측정 결과에 기초하여 상기 오브젝트의 제거를 감지하고, 및
상기 주전력의 전송을 중단하고 상기 오브젝트를 감지하기 위한 상기 핑을 재인가하는, IPS.
제 17 항에 있어서,
상기 컨트롤 유닛은,
상기 코일 전류의 측정 결과에 기초하여 상기 오브젝트의 제거를 감지하는 경우,
상기 주전력 전송 중 발생한 코일 전류를 측정하고, 상기 측정한 코일 전류의 엔벨롭을 획득하고,
상기 엔벨롭의 감소 정도가 스레시홀드 미만인 경우, 상기 오브젝트의 제거를 감지하는, IPS.