KR20190020591A - 무선 전력 전송 장치 및 무선 전력 전송 방법 - Google Patents

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Abstract

무선 전력 전송 장치 및 무선 전력 전송 방법이 개시된다. 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치는, 충전패드로부터 일정 이격거리 이내에서 전력 수신기가 감지 됨에 따라, 상기 충전패드 내의 다층 구조의 송신 코일을 통해, 자기장을 발생시키는 컨트롤러 - 상기 다층 구조의 송신 코일은, 복수의 코일층이, 각 코일층의 지름이 감소하는 형태로 적층되는 구조를 가짐-, 및 상기 복수의 코일층에서 발생되는 자기장을 이용하여 생성한 전력 신호를, 상기 전력 수신기 내 수신 코일로 무선 전송하는 전력 전송부를 포함한다.

Description

무선 전력 전송 장치 및 무선 전력 전송 방법{WIRELESS ELECTRIC POWER TRANSMITTING DEVICE AND WIRELESS ELECTRIC POWER TRANSMITTING METHOD}
본 발명은 무선 전력(에너지) 전송 기술에 관한 것으로, 충전패드 내에 포함되는 자기장 발생을 위한 송신 코일의 구조를 개선하여 충전 가능 영역을 확대하면서도 전 영역에서 충전 효율이 균일하게 유지될 수 있도록 하는 무선 전력 전송 장치 및 무선 전력 전송 방법에 관한 것이다.
최근, 드론과 같은 이동형 기기가 일반 사용자들에게 널리 보급되고, 휴대용 단말기 사용자들의 실시간 동영상 및 멀티미디어 사용이 폭발적으로 증가하고 있다. 하지만, 기기들의 배터리 용량은 제한되어 있어 빈번한 유선 충전이 필요하게 되는 불편함이 있다.
특히, 드론의 경우, 대략 30분 정도의 비교적 짧은 시간을 사용할 수 있고 충전 시에는 배터리를 분리한 뒤 유선 케이블을 연결해야 하는 번거로움이 있어, 이러한 유선 충전의 불편함을 해소하기 위한 다양한 무선 충전 기술이 개발되고 있다.
한편, 드론과 같은 이동형 기기의 경우, 충전을 위해 충전패드 상으로 이동 시 착륙지점 간에 오차가 발생할 수 있어 충전패드의 크기를 넓게 할 필요가 있다. 또한, 충전패드의 면적이 커지면 다수의 스마트 기기가 충전 위치에 상관없이 동시에 충전을 진행할 수 있다는 장점이 있다.
이에 따라, 충전 가능 영역을 확대하기 위해, 전력 수신기 내의 수신 코일 보다도 큰 송신 코일을 충전패드에 사용하게 되면, 두 코일 간의 간격이 일정하더라도, 송신 코일에 대한 수신 코일의 위치에 따라 충전 효율이 달라지는 문제점이 생길 수 있다. 특히, 전력 수신기의 수신 코일이, 충전패드의 송신 코일의 중심부 가까이에 위치할수록 정류 전압이 충분히 발생하지 못하여 충전이 되지 않을 수도 있다.
또한, 다수 개의 작은 송신 코일을 충전패드 내의 평면 상에 배치하게 충전 가능 영역을 확대할 경우에는, 충전 시 모든 송신 코일에 동시에 급전하게 되므로 필요 이상의 대기 전류가 소모되어 충전 효율이 저하될 수 있다. 이 경우, 전력 수신기의 수신 코일과 정렬이 맞는 일부의 송신 코일을 찾아 해당 송신 코일에만 급전하기 위해서는 별도의 제어 회로 및 알고리즘이 필요하여 구현상 복잡도가 증가하여 제품 단가 상승의 원인이 될 수 있다.
도 1은 종래의 일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치를 도시한 도면이고, 도 2는 종래의 일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치에서, 송신 코일을 도시한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 종래의 일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치는, 임무 수행 중 배터리가 소모되어 충전패드(100) 상에 드론(110)이 착륙하면, 충전패드(100) 내부에 배치된 송신 코일(200)을 통해 자기장(203, 204)을 발생시켜 드론(110)으로 전력을 공급할 수 있다.
이때, 드론(110)은 자동 제어 또는 수동 제어에 의해 충전패드(100) 상에 착륙하게 되는데 착륙지점 간에 오차가 발생할 수 있다. 일반적으로 충전패드(100) 내 송신코일(200)의 크기는, 드론(110)에 장착된 수신 코일(201 또는 202)에 비해 상대적으로 매우 크게 설계되기 때문에 드론(110)의 착륙지점에 따라 충전 효율이 달라지는 문제가 생길 수 있다.
송신 코일(200)의 크기가 수신 코일(201 또는 202)의 크기 보다 크면, 송신 코일(200)의 중심에 가까워질수록 자기장(203)의 크기는 작아지게 되므로, 송신 코일(200)의 경계면 부근에서 발생되는 자기장(204)의 세기는, 송신 코일(200)의 중심 영역에서 발생되는 자기장(203)의 세기 보다 커지게 된다.
다시 말해, 드론(110)에 장착된 수신 코일(201 또는 202)의 위치에 따라, 송신 코일(200)의 경계면 부근에서는 최대의 충전 효율과 정류 전압이 가능하지만, 송신 코일(200)의 중심부로 이동할수록 충전 효율과 정류 전압이 점차 감소하거나 충전이 불가능한 경우도 생길 수 있다.
이와 같이, 기존의 송신 코일을 이용한 무선 전력 전송 장치에서는, 충전 효율의 분포가 일정하지 않고 특히 송신 코일의 중심 영역에서의 충전 효율의 저하가 매우 커질 수 있고, 별도의 제어 회로를 통해 다수 개의 작은 송신 코일을 제어하는 방식으로 전력을 공급할 경우 구현이 복잡해질 수 있다.
따라서, 송신 코일의 구조를 변경하는 간단한 방식으로, 별도의 회로 변경이나 제어를 수행하지 않으면서도, 수신 코일에 비해 매우 큰 송신 코일을 사용하여, 송신 코일에 대한 수신 코일의 위치에 관계 없이 충전 효율을 균일하게 유지하고, 송신 코일의 전 영역에 대해 충전이 가능하게 하기 위한 기술이 요구되고 있다.
본 발명의 실시예는 무선 전력(에너지) 전송 장치에서 균일한 충전 효율 및 충전 가능 영역 확대를 위한 송신 코일의 새로운 구조를 제안하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예는 무선 전력 전송 장치에 있어서 충전패드 내의 송신 코일의 구조를, 복수의 코일층이, 각 코일층의 지름이 감소하는 형태로 적층되는 다층 구조로 개선하여, 송신 코일의 중심 영역에서 감소되는 자기장을 보강 함으로써, 충전패드에서의 충전 가능 영역을 확대하면서도 전 영역에서 충전 위치에 무관하게 일정한 충전 효율을 유지할 수 있게 하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예는 무선으로 전력(에너지)을 전송하는 기기에서 충전패드를 구성하는 송신 코일의 면적을, 전력 수신기 내 수신 코일의 면적에 비해 상대적으로 크게 해서 충전 가능 영역을 확대하면서도, 전력 수신기의 수신 코일이, 송신 코일 상의 어떠한 지점에 위치하더라도 일정한 충전 효율로 무선 충전이 이루어지도록 하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예는 다층 구조의 송신 코일에서 제1 코일층(최상층)을 이루는 1차 송신 코일이 감기는 지름을, 충전패드의 최대 면적을 고려해 조정 함으로써, 충전 가능 영역을 확대하고 다양한 크기의 이동형 기기의 무선 충전을 가능하게 하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예는 1차 송신 코일 아래의 제2 코일층에, 1차 송신 코일 보다 작은 지름을 가지는 2차 코일을 적층하고, 2차 코일 아래에, 2차 코일 보다 작은 지름을 가지는 3차 송신 코일을 적층 함으로써, 송신 코일의 중심 영역에서의 자기장 세기를 보강하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예는 송신 코일의 중심에 배치한 페라이트 코어와 같은 자성체를 이용하여, 송신 코일의 중심 영역에서의 자기장 세기를 보강 함으로써, 송신 코일의 전 영역에서 균일한 자기장 밀도를 가지게 하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치는, 충전패드로부터 일정 이격거리 이내에서 전력 수신기가 감지 됨에 따라, 상기 충전패드 내의 다층 구조의 송신 코일을 통해, 자기장을 발생시키는 컨트롤러 - 상기 다층 구조의 송신 코일은, 복수의 코일층이, 각 코일층의 지름이 감소하는 형태로 적층되는 구조를 가짐-, 및 상기 복수의 코일층에서 발생되는 자기장을 이용하여 생성한 전력 신호를, 상기 전력 수신기 내 수신 코일로 무선 전송하는 전력 전송부를 포함한다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 전송 방법은, 충전패드로부터 일정 이격거리 이내에서 전력 수신기가 감지 됨에 따라, 상기 충전패드 내의, 복수의 코일층이 지름이 감소하는 형태로 적층되는 다층 구조의 송신 코일을 통해, 자기장을 발생시키는 단계, 및 상기 복수의 코일층에서 발생되는 자기장을 이용하여 생성한 전력 신호를, 상기 전력 수신기 내 수신 코일로 무선 전송하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 무선 전력 전송 장치에 있어서 충전패드 내의 송신 코일의 구조를, 복수의 코일층이, 각 코일층의 지름이 감소하는 형태로 적층되는 다층 구조로 개선하여, 송신 코일의 중심 영역에서 감소되는 자기장을 보강 함으로써, 충전패드에서의 충전 가능 영역을 확대하면서도 전 영역에서 충전 위치에 무관하게 일정한 충전 효율을 유지할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 어떤 특정한 평면 공간(특히 원형 또는 사각형) 상의 임의의 위치에서 일정 효율 이상의 충전이 가능해지므로 보다 넓은 수평 자유도를 얻을 수 있고, 충전이 불가능한 사각지대를 최소화 할 수 있다. 일례로, 본 발명의 무선 전력 전송 장치는, 착륙오차로 인해 송신 코일과 수신 코일의 정확한 정렬이 어려운 다양한 크기의 드론과 같은 이동형 기기나, 스마트 워치와 같은 웨어러블 기기, 다수의 스마트 기기의 동시 충전 등, 넓은 충전 가능 영역이 필요한 다양한 IT 기기로의 무선 전력 전송 및 충전 시스템에 적용될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 전력 수신기에 구비된 수신 코일의 크기에 비해 매우 큰 송신 코일을 사용하여, 별도의 제어 없이, 일정 거리에서 충전 가능 영역을 확대시킬 수 있으며, 충전 가능 영역의 확대를 통해 보다 자유로운 무선 충전 환경을 조성하고 사용자의 기기 이용의 편의성을 높일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 다수의 작은 송신 코일과 별도의 제어 회로를 구비할 필요 없이, 수신 코일 보다 크기가 큰 송신 코일을 사용하여, 넓은 충전 가능 영역을 가지는 무선 전력 전송 장치를 간단히 제작할 수 있다.
도 1은 종래의 일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치를 도시한 도면이다.
도 2는 종래의 일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치에서, 송신 코일을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치의 구성을 도시한 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치의 다른 구성을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치에서, 충전 패드에 포함되는 송신 코일의 구조를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치에서, 송신 코일의 중심에 자성체를 추가로 배치한 일례를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치에서, 송신 코일의 구조 및 형상의 일례들을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치에 사용되는 송신 코일의 설계 사양의 일례를 도시한 표이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치에서, 송신 코일의 평면도(도 9a)와, 공식 계산을 위해 설계된 입체도(도 9b), 수신 코일의 평면도(도 9c), 및 수신 코일의 이동 방향의 일례(도 9d)를 도시한 도면이다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치에서, 송신 코일의 자기장에 대한 근거리 필드 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치에서, 송신 코일에서 발생되는 정규화된 자기장에 대한 시뮬레이션 결과를 도시한 그래프이다.
도 12a 및 도 12b는 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치에서, 전력 수신기의 위치에 따른 충전 효율의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 13a 및 도 13b는 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치에서, 전력 수신기의 위치에 따른 정류 전압의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 전송 방법의 순서를 도시한 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 응용프로그램 업데이트 장치 및 방법에 대해 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치의 구성을 도시한 블록도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치(300)는, 컨트롤러(310), 전력 전송부(320) 및 송신 코일(330)를 포함하여 구성할 수 있다.
컨트롤러(310)는 충전패드로부터 일정 이격거리 이내에서 전력 수신기가 감지 됨에 따라, 상기 충전패드 내의 다층 구조의 송신 코일(330)을 통해, 자기장을 발생시키는 역할을 한다.
예를 들어, 도 5를 참조하면, 컨트롤러(310)는 충전패드를 구성하는 다층 구조의 송신 코일(330, 500) 중 최상층을 이루는 제1 코일층(510)으로부터, 예컨대 5mm 이격된 수평면 상에서, 전력 수신기의 배면에 장착된 수신 코일(541 또는 542)이 감지될 경우, 송신 코일(330, 500) 내 복수의 코일층(510, 520, 530) 각각을 통해 자기장(503)을 발생시킬 수 있다.
또한, 컨트롤러(310)는 상기 충전패드로부터 일정 이격거리(예컨대 '5mm') 이내의 임의의 지점에 위치하는 전력 수신기로부터, 요구 전력 포함된 전력 전송 요청이 수신될 경우, 전력 수신기에 구비된 수신 코일이, 상기 송신 코일과, 상기 이격거리를 유지한 채 일정시간 동안 수평을 이루면, 상기 자기장을 발생시킬 수 있다.
즉, 컨트롤러(310)는 송신 코일과 수신 코일이 정확하게 정렬을 이루지 않더라도, 전력 수신기의 수신 코일이, 충전패드 내의 송신 코일과 일정 거리(예컨대 '5mm') 이격되어 평행을 이루면, 자기장을 발생시켜 후술하는 전력 전송부(320)를 통해 수신 코일로 전력 신호를 전송할 수 있다.
예를 들어, 도 5를 참조하면, 컨트롤러(310)는 전력 수신기에 의해 요구되는 전력에 상응하여 송신 코일(330, 500)로 단일의 인버터 전압을 인가하고, 상기 단일의 인버터 전압을 이용하여, 다층 구조의 송신 코일(330, 500)에 포함된 급전 케이블에서 일정 세기범위 이내의 균일한 자기장(503)을 송신 코일(330, 500)의 전 영역에서 발생시킬 수 있다.
또한, 컨트롤러(310)는 충전패드의 전 영역을 스캔하고, 스캔 결과 충전패드 상에 위치한 전력 수신기를 감지하면 자기장을 발생시킬 수도 있다.
전력 전송부(320)는 다층 구조의 송신 코일을 구성하는 복수의 코일층에서 발생되는 자기장을 이용하여 생성한 전력 신호를, 전력 수신기 내 수신 코일로 무선 전송하는 역할을 한다.
상기 전력 수신기는 '드론'과 같은 이동형 기기, 스마트 워치와 같은 웨어러블 기기, 스마트 폰, 태블릿 피시와 같은 스마트 기기 중 적어도 하나의 IT 기기를 지칭할 수 있다.
예를 들어, 도 4를 참조하면, 무선 전력 전송 장치(300, 400) 내의 컨트롤러(310)는, 제1 코일층을 이루는 1차 코일(441) 및 상기 제1 코일층 보다 작은 제2 코일층을 이루는 2차 코일(442) 각각에 인버터 전압을 인가하여 자기장을 발생시킬 수 있다. 무선 전력 전송 장치(300, 400) 내의 전력 전송부(320)는, 제1 및 제2 코일층에서 동시에 발생되는 자기장을 이용하여 생성한 전력 신호를, 전력 수신기(450) 내의 수신 코일(451)로 전송할 수 있다. 전력 수신기(450) 내의 충전기(452)는, 수신 코일(451)을 통해 수신한 전력 신호를 통해 배터리(453)를 충전할 수 있다.
송신 코일(330)은 서로 다른 크기의 복수의 코일층이 적층된 다층 구조를 가진다. 일례로, 복수의 코일층은, 각 코일층의 지름이 감소하는 형태로 적층될 수 있다.
여기서, 송신 코일(330)의 형상은 원형이나 사각형과 같은 다각형이며, 송신 코일(330)은 솔레노이드 코일 구조 및 평판형 헤리컬 구조 중 적어도 하나의 구조로 설계될 수 있다. 예를 들어, 도 5를 참조하면, 송신 코일(330, 500)은 솔레노이드 코일 구조 외에도 평판형 헤리컬 구조 등 다양한 형태의 코일이 가능하며, 도 5에 도시된 것처럼 원형으로 권선될 수도 있고, 충전패드의 외관이 사각형일 경우, 사각형으로 권선될 수도 있다.
구체적으로, 상기 복수의 코일층은, 충전패드의 최대 면적에 따른 최대 외각 지름으로 형성되는 제1 코일층(도 5의 510 참조)과, 상기 최대 외각 지름 보다 작은 지름으로, 상기 제1 코일층과 공통된 중심을 가지도록 상기 제1 코일층의 일면에 중첩되어 형성되는 제2 코일층(도 5의 520 참조)을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제1 코일층은, 수신 코일(도 5의 541 또는 542 참조)의 지름 보다 크거나 같은 최대 외각 지름으로 형성될 수 있다. 다시 말해, 제1 코일층은, 송신 코일(330)의 최상층을 이루면서 전력 수신기 내의 수신 코일과 마주하게 되므로, 최소한 수신 코일의 크기 이상, 충전패드의 최대 면적 이하가 되는 최대 외각 지름으로 형성되어 충전 가능 영역을 확대할 수 있다.
상기 제2 코일층은, 충전 패드 상에서 전력 수신기의 위치와 반대되는 방향의, 상기 제1 코일층의 일면에 형성될 수 있다. 다시 말해, 제2 코일층은 제1 코일층의 하면에 중첩되어 형성되며, 제1 코일층과 제2 코일층의 중심이 겹친 구조에 의해 송신 코일의 중심 영역에서 감소되는 자기장을 보강할 수 있다.
상기 제2 코일층을 형성하는 2차 코일은, 상기 제1 코일층을 형성하는 1차 코일과 직렬로 연결될 수 있다. 다시 말해, 송신 코일(330)은, 크기(면적)가 상이한 복수의 코일층으로 구분되지만, 각 코일층을 형성하는 1차 코일 및 2차 코일은 직렬로 연결되어 하나의 송신 코일(330)을 이룰 수 있다. 따라서, 무선 전력 전송 장치(300)는 다수의 송신 코일을 사용 시 필요한 제어 회로 없이, 송신 코일(330)의 구조 변경 만으로 비교적 간단하게 제작될 수 있다.
또한, 상기 복수의 코일층 각각은, 복수의 코일 턴이 감기도록 형성되고, 상기 각 코일층 내에서 각 코일 턴의 지름은, 동일하거나 또는 감기는 수에 비례하여 점차 작아질 수 있다.
예를 들어, 도 5를 참조하면, 송신 코일(330, 500)은, 제1 코일층(510), 제2 코일층(520) 및 제3 코일층(530)이 적층된 구조를 가지고, 복수의 코일층(510 내지 530) 각각은, 코일이 4회씩 권선되어 4개의 코일 턴으로 형성될 수 있다. 각 코일 턴의 지름은 같은 코일층 내에서 동일하도록 설정될 수도 있고, 같은 코일층 내에서 각 코일 턴의 지름이 점차 감소하도록 설정된 경우 송신 코일(330, 500)은 측면이 경사진 접시형 구조를 가질 수 있다.
일례로, 전력 전송부(320)는 상기 제1 및 제2 코일층이 중첩되는 영역에 있어서의 전력 신호를 생성 시, 상기 제1 코일층에서 발생되는 자기장에, 상기 제2 코일층에서 발생되는 자기장을 합산한 자기장을 이용할 수 있다.
다른 일례로, 전력 전송부(320)는 상기 제1 코일층과 상기 제2 코일층이 중첩되지 않는 영역에 있어서의 상기 전력 신호를 생성 시, 상기 제1 코일층에서 발생되는 자기장을 이용할 수 있다.
예를 들어, 도 5를 참조하면, 제1 코일층(510)과 제2 코일층(520)이 겹치지 않는 경계면 부근에서, 제1 코일층(510)에서 발생되는 자기장을 이용하고, 제1 코일층(510)과 제2 코일층(520)이 겹치는 중심 영역에서, 제1 코일층(510) 및 제2 코일층(520)에서 발생되는 자기장을 모두 이용하여 전력 신호를 생성할 수 있다. 즉, 다층 구조의 송신 코일(330, 500)에서 발생되는 자기장(503)의 세기는, 중심 영역에 가까워질수록 작아지는 도 2에서와 달리, 전 영역에서 균일한 분포를 나타낼 수 있다.
다른 실시예로, 상기 복수의 코일층은, 상기 제2 코일층 보다 작은 지름으로, 상기 제1 및 제2 코일층과 공통된 중심을 가지도록 상기 제2 코일층의 일면에 중첩되어 형성되는 제3 코일층을 더 포함할 수 있다.
이 경우, 전력 전송부(320)는 상기 제3 코일층에서 발생되는 자기장을 더 합산하여, 상기 제1, 제2 및 제3 코일층이 중첩되는 영역에 있어서의 전력 신호를 생성할 수 있다.
예를 들어, 도 5를 참조하면, 다층 구조의 송신 코일(330, 500)은, 충전패드의 최대 면적이 더 확대되는 경우를 대비해서 송신 코일(330, 500)의 중심 영역 가까이에 코일을 더 겹친 구조로 제작될 수 있다.
또한, 컨트롤러(310)는 제1 및 제2 코일층의 중심 영역에서의 자기장의 세기가, 임계치 이하인 경우에, 상기 제1 및 제2 코일층에 이어서, 상기 제3 코일층을 통해 자기장을 더 발생시킬 수도 있다.
여기서, 임계치는 제1 코일층과 제2 코일층이 겹치지 않는 경계면 부근에서, 제1 코일층에서 발생되는 자기장의 세기로 설정될 수도 있고, 송신 코일(330) 전체에서 발생되는 자기장의 세기의 평균치로 설정될 수도 있고, 전력 신호로 생성 가능한 수준의 자기장의 세기로 설정될 수도 있다.
또 다른 실시예로, 상기 송신 코일(330)은, 상기 복수의 코일층 내부의 중심에 배치된 적어도 하나의 자성체를 포함할 수 있다. 이 경우, 전력 전송부(320)는 상기 자성체에 의해 변화되는 자기장을 이용하여, 상기 전력 신호를 생성할 수 있다.
상기 자성체는, 페라이트 코어 및 페라이트 시트 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 제1 코일층의 최대 외각 지름에 비례하는 지름을 가지는 원형 또는 다각형 형상일 수 있다.
예를 들어, 도 6을 참조하면, 전력 전송부(320)는 제1 코일층(610)에서 발생되는 자기장과, 상기 제1 코일층(610) 보다 작은 크기의 제2 코일층(620)에서 발생되는 자기장 및 상기 제2 코일층(620)의 중심에 배치된 자성체(630)에 의해 발생되는 자기장을 모두 이용하여 제1 코일층(610)의 중심 영역에서 감소되는 자기장의 세기를 보강 함으로써, 송신 코일(330)의 전 영역에서의 자기장의 세기가 균일해지도록 할 수 있다.
실시예에 따라, 컨트롤러(310)는 상기 전력 신호의 송신에 따라, 전력 수신기로부터 획득한 데이터로부터, 선정된 기준 이하의 정류 전압 또는 충전 효율이 확인될 경우, 상기 복수의 코일층 내부의 중심에 배치된 자성체 또는 추가 코일층을 통해, 자기장을 더 발생시킬 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일실시예에 따르면, 무선 전력 전송 장치에 있어서 충전패드 내의 송신 코일의 구조를, 복수의 코일층이, 각 코일층의 지름이 감소하는 형태로 적층되는 다층 구조로 개선하여, 송신 코일의 중심 영역에서 감소되는 자기장을 보강 함으로써, 충전패드에서의 충전 가능 영역을 확대하면서도 전 영역에서 충전 위치에 무관하게 일정한 충전 효율을 유지할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치의 다른 구성을 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치(400)는, FET 드라이버(410), Tx 인버터(420) 및 Tx CLK 생성기(430) 및 다층 구조의 송신 코일(440)을 포함하여 구성될 수 있다.
FET 드라이버(410)는 충전패드로부터 일정 이격거리 이내에서 전력 수신기가 감지되면, Tx 인버터(420)로 전압 인가 신호를 전달한다.
Tx 인버터(420)는 상기 전압 인가 신호의 전달에 따라, 단일의 인버터 전압을 생성하여 다층 구조의 송신 코일(440)로 인가한다.
다층 구조의 송신 코일(440)은 1차 코일(441) 및 2차 코일(452)이 복수 층으로 적층된 구조를 가진다. 여기서 각 코일층은 지름이 감소하는 형태로 적층될 수 있다.
여기서, 1차 코일(441)은 전력 수신기(450)의 수신 코일(451) 보다 크거나 같은 크기로 형성되며, 인버터 전압을 이용하여 자기장을 발생할 수 있다.
2차 코일(442)은 1차 코일(441) 보다 작은 크기로서, 1차 코일(441)로부터, 수신 코일(451)의 위치와 반대되는 방향에 형성되며, 인버터 전압을 이용하여 자기장을 발생할 수 있다.
즉, 송신 코일(330, 500)은 1차 코일(441) 및 2차 코일(442)에서 동시에 발생되는 자기장을 이용하여 전 영역에서 균일한 세기의 자기장을 발생시킬 수 있다.
FET 드라이버(410)는 다층 구조의 송신 코일(440)에서 발생되는 자기장을 이용하여 전력 신호를 생성하고, 상기 전력 신호를, Tx CLK 생성기(430)에 의해 출력되는 클록 신호에 맞춰, 전력 수신기(450) 내 수신 코일(451)로 무선 전송한다.
전력 수신기(450)는 수신 코일(451), 충전기(452) 및 배터리(453)을 포함하여 구성될 수 있다. 충전기(452)는, 수신 코일(451)을 통해 수신한 전력 신호를 이용하여 배터리(453)를 충전할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치에서, 송신 코일의 구조를 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치에서 사용되는 송신 코일(500)은, 인버터 전압의 인가에 따라, 전력 신호의 생성을 위한 자기장을 발생하는 역할을 한다.
본 명세서에서 제안하는 다층 구조의 송신 코일(500)은, 복수의 코일층(510 내지 530)이 지름이 감소하는 형태로 적층되어 형성될 수 있다.
일례로, 제1 코일층(510)은 전력 수신기 내의 수신 코일(541 또는 542)과 마주하는 코일층으로서, 수신 코일(541 또는 542) 보다 크거나 같은 크기로 형성되어, 전력 수신기의 전력 충전이 용이해지도록 할 수 있다.
또한, 제1 코일층(510)은 충전패드 내 송신 코일(500)의 최상층을 이루는 코일층으로서, 충전패드의 최대 면적에 따른 최대 외각 지름을 가지도록 형성되어 충전 가능 영역을 확대할 수 있다.
제2 코일층(520)은 제1 코일층(510)의 하면에 중첩되는 코일층으로서, 제1 코일층(510)의 최대 외각 지름 보다 작은 지름으로 형성되어, 제1 코일층(510)과 겹치는 영역(중심 영역)에서 발생되는 자기장의 세기를 보강할 수 있다.
제3 코일층(530)은 제2 코일층(520)의 하면에 중첩되는 코일층으로서, 제2 코일층(520)의 지름 보다 작은 지름으로 형성되어, 제1 코일층(510) 및 제2 코일층(520)과 겹치는 영역에서 발생되는 자기장의 세기를 강화할 수 있다.
무선 전력 전송 장치는, 다층 구조의 송신 코일(500)의 전 영역에서 균일한 세기로 발생되는 자기장(503)을 이용하여, 전력 수신기 내의 수신 코일(541 또는 542)로 전력 신호를 전송할 수 있다.
제1 코일층(510)을 이루는 1차 코일과, 제2 코일층(520)을 이루는 2차 코일 및 제3 코일층(530)을 이루는 3차 코일은, 전류 방향이 동일하도록 직렬로 연결될 수 있다.
다시 말해, 송신 코일(500)은, 크기가 다른 복수의 코일층이 적층된 구조를 가지지만, 각 코일층을 형성하는 1차, 2차 및 3차 코일은 전체적으로 직렬로 연결되어 하나의 송신 코일(500)을 이루고 있으므로, 송신 코일(500)의 제1 코일층(510)을 통해 급전된 신호(501)는, 제2 코일층(520)을 지나 제3 코일층(530)에서 출력될 수 있다. 즉, 제1 코일층(510)에 급전된 신호(501)는, 제3 코일층(530)에서 출력되는 신호(502)와 동일하다.
또한, 복수의 코일층(510 내지 530) 각각은, 복수의 코일 턴이 감기도록 형성되고, 각 코일층(510 내지 530) 내에서 코일 턴의 지름은, 동일하거나 또는 감기는 수에 비례하여 점차 작아질 수 있다.
도 5에 도시된 것처럼, 1차 코일이 4회 권선된 제1 코일층(510)은 4개의 코일 턴으로 형성되고, 2차 코일이 4회 권선된 제2 코일층(520)은 4개의 코일 턴으로 형성되고, 3차 코일이 4회 권선된 제3 코일층(530)은 4개의 코일 턴으로 형성될 수 있다.
동일 코일층 내에서 각 코일 턴은, 도 5에 도시된 것처럼 동일한 지름(크기)으로 형성될 수도 있고, 혹은 동일 코일층 내에서도 각 코일 턴의 지름이 점차 작아지도록 형성될 수도 있다. 이 경우, 송신 코일(500)은 양 측면이 경사진 접시형 구조가 될 수 있다.
본 발명의 무선 전력 전송 장치 내에서, 높은 Q(정전용량, electrostatic capacity)값을 가지는 단일의 송신 코일(500)은, 서로 다른 크기의 지름을 가지며 일정한 높이 차가 있게 배치될 수 있다.
다시 말해, 송신 코일(500)은, 충전패드의 최대 면적과 동일한 크기(예, 지름 '260mm')가 되도록 권선되어 충전 가능 영역을 확대하는 1차 코일과, 상기 1차 코일 보다 약간 작은 지름(예, '230mm')으로 권선되어 상기 1차 코일 밑에 배치된 2차 코일이 서로 직렬로 연결되어 이루어질 수 있다. 이때, 1차 및 2차 코일의 전류 방향은 서로 일치하게 배치되며, 송신 코일(500)의 중심 영역에서의 자기장의 크기가 증가할 수 있다.
또한, 전력 수신기 또는 전력 수신기에 장착된 수신 코일의 크기가 크거나, 다수의 전력 수신기의 동시 충전을 위해 요구되는 충전 가능 영역이 매우 넓어서 1차 코일의 지름이 커지게 되면, 송신 코일(500)의 중심 영역의 자기장의 세기가 부족해지는 현상을 방지하기 위해, 3차 이상의 코일이 2차 코일 밑에 추가로 배치될 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치에서, 송신 코일의 중심에 자성체를 추가로 배치한 일례를 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치는, 페라이트 코어 혹은 페라이트 시트와 같은 자성체(630)를 추가로 배치하여 송신 코일(600)의 전 영역에서 보다 균일한 자기장이 생성되도록 할 수 있다.
도시된 것처럼, 송신 코일(600)은, 충전패드의 최대 면적과 동일한 크기(예, 지름 '260mm')로 형성되는 1차 코일(610)과, 1차 코일(610) 보다 약간 작은 지름(예, '230mm')으로, 1차 코일(610)의 아래에 형성되는 2차 코일(620)이 직렬로 연결되어 이루어질 수 있다.
이때, 2차 코일(620)의 바닥면에는 자성체(630)가 배치될 수 있고, 자성체(630)에서 발생되는 자기장에 의해, 1차 코일(610) 및 2차 코일(620)에서 발생되는 자기장의 분포가 변화 함에 따라, 송신 코일(600)의 중심 영역에서의 자기장의 세기를 강화할 수 있다.
여기서, 자기장의 분포는 자성체(630)의 지름, 높이, 재질 등에 따라 상이해질 수 있으므로, 1차 코일(610)의 지름이 커질수록 자성체(630)의 지름을 크게 하는 것이 바람직하다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치에서, 송신 코일의 구조 및 형상의 일례들을 도시한 도면이고, 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치에 사용되는 송신 코일의 설계 사양을 도시한 테이블이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치는, 도 8에 도시된 다양한 설계 사양의 송신 코일(710 내지 730)을 이용하여 자기장을 발생시켜 전력 수신기의 수신 코일(910)로 전력 신호를 전송할 수 있다.
일례로, 송신 코일(710)은, 일정한 지름('260 mm')으로 복수 회('4회') 감긴 단일의 코일로, 송신 코일(710)에 의해 형성되는 코일층은, 코일이 감긴 횟수에 따른 4개의 코일 턴('턴 수')을 가지고 일정한 높이(대략 10mm)로 형성될 수 있다.
다른 일례로, 송신 코일(720)은, 일정한 지름('260 mm')으로 3회 감긴 1차 코일(721) 아래에, 1차 코일(721) 보다 작은 지름('230 mm')으로 2회 감긴 2차 코일(722)이 배치되는 구조로, 1차 코일(721) 및 2차 코일(722)이 서로 직렬로 연결된 단일의 코일일 수 있다.
1차 코일(721)에 의해 형성되는 제1 코일층과, 2차 코일(722)에 의해 형성되는 제2 코일층은, 송신 코일(710)의 턴 수('4개')와 유사한 개수의 코일 턴을 가지도록 함으로써, 송신 코일(710)과 송신 코일(720)의 정류 전압이 최대한 비슷해지도록 할 수 있다. 즉, 제1 코일층은, 3개의 코일 턴을 가지고, 제2 코일층은 2개의 코일 턴을 가질 수 있다. 또한, 제1 코일층 및 제2 코일층은 송신 코일(710)과 동일한 높이(대략 10mm)로 형성될 수 있다.
송신 코일(720)에서 서로 다른 크기의 1차 코일(721) 및 2차 코일(722)이 적층되는 구조는, 충전패드의 전 영역에 대해 자기장의 세기가 균일하게 하는 역할을 할 수 있다.
즉, 수신 코일(910)이, 송신 코일(720)의 바깥쪽(경계 부근)에 위치하더라도, 수신 코일(910)이 송신 코일(720)의 중심에 위치하더라도, 충전 효율이 비슷하게 유지되고 널-포인트(null-point) 없이 전 영역에서 충전이 가능하게 된다.
또한, 충전 가능 영역의 확대를 위해, 1차 코일(721)의 지름이 더욱 커질 경우, 3차 이상의 코일을, 2차 코일(722)의 아래에 지름이 감소하는 형태로 추가로 적층하여, 송신 코일(720)의 전 영역에서 균일한 자기장이 분포되도록 할 수 있다.
다른 일례로, 송신 코일(730)은, 송신 코일(720)의 중심에 페라이트 코어와 같은 자성체(733)을 추가한 구조로 설계될 수 있다.
즉, 송신 코일(730)은, 일정한 지름('260 mm')으로 3회 감긴 1차 코일(731) 아래에, 1차 코일(731) 보다 작은 지름('230 mm')으로 2회 감긴 2차 코일(732)이 배치되는 구조로, 1차 코일(731) 및 2차 코일(732)이 서로 직렬로 연결된 단일의 코일이며, 2차 코일(732)의 바닥면의 중심에 자성체(733)가 배치될 수 있다.
여기서, 자성체(733)는 송신 코일(730)의 중심 영역에서의 자기장의 세기가, 송신 코일(730)의 경계 부근에서의 자기장의 세기 보다 작아지는 것을 방지하여 충전 가능 영역 전체에서 보다 균일한 자기장이 분포하도록 하는 역할을 할 수 있다.
수신 코일(910)이 장착된 전력 수신기(예, '드론')는, 송신 코일(720, 730) 상의 어떠한 위치에 있더라도, 송신 코일(720, 730) 상에서 균일하게 분포되는 자기장을 이용하여, 일정한 충전 효율로 무선 충전을 할 수 있다.
여기서, 수신 코일(910)은 일정 크기(예를 들어, 가로 120 mm, 세로 105 mm)의 사각형 형상으로 형성될 수도 있고, 송신 코일(710 내지 730)과 같이, 일정한 지름을 가지는 원형 형상으로 형성될 수도 있다.
수신 코일(910)은 코일이 감긴 횟수에 따른 12개의 코인 턴을 가지며 송신 코일(710 내지 730) 보다 작은 높이(대략 3 mm)로 형성될 수 있다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치에서, 송신 코일의 평면도(도 9a)와, 공식 계산을 위해 설계된 입체도(도 9b), 수신 코일의 평면도(도 9c), 및 수신 코일의 이동 방향의 일례(도 9d)를 도시한 도면이다.
도 9a를 참조하면, 송신 코일(900)은, 서로 직렬로 연결된 1차 코일(901)과 2차 코일(902)이 서로 다른 크기의 코일층을 형성하면서 적층되는 구조를 가질 수 있다.
즉, 1차 코일(901)은 일정 지름('260 mm')으로 복수 회 권선되어 제1 코일층을 형성하고, 1차 코일(901) 아래에, 1차 코일(901) 보다 작은 지름('230 mm')의 2차 코일(902)이 복수 회 권선되어 제2 코일층을 형성할 수 있다.
여기서, 송신 코일(900)은 원형 또는 다각형 형상을 가질 수 있고, 송신 코일(900)의 중심에는 원형 또는 다각형 형상의 자성체(903)가 배치될 수 있다.
도 9b에는 공식 계산을 위한 송신 코일의 입체도가 도시되어 있다.
도 9b에서, L은 코일 높이, h는 코일 피치(pitch), L/h는 코일 턴 수, I는 코일에 흐르는 전류, a는 코일 반지름, p'는 코일 상에서의 임의의 점, p는 코일 외부의 임의의 관측점, φ는 x축(y=0) 상에서의 회전 각도,
Figure pat00001
는 p'에서 p방향으로의 벡터 성분이고,
Figure pat00002
은 I 방향의 벡터 성분을 나타낼 수 있다.
도 9b에 도시된 것과 같은 송신 코일을 이용하여, 이하의 수학식 1과 같이 자속밀도(magnetic flux density) Bz [T]를 산출하는 공식이 유도될 수 있다.
Figure pat00003
또한, 자기장 세기(magnetic field intensity) Hz [A/m]를 산출하는 공식은, 충전 면적에 수직인 z축 방향 성분만 고려하여,
Figure pat00004
에 따라, 이하의 수학식 2 또는 수학식 3과 같이 유도될 수 있다.
단일 헬리컬(helical)인 송신 코일을 이용한 경우 자기장 세기(Hz)는 수학식 2에 의해 구해질 수 있다(x=0, z=20 mm 일 때 -150≤ y[mm] ≤ +150)
Figure pat00005
또한, 두 개 이상의 헬리컬인 송신 코일을 이용한 경우 중첩의 원리에 따라 자기장 세기(Hz)를 산출하는 수학식 3이 새롭게 유도될 수 있다. 여기서, N은 사용된 코일의 개수를 나타낼 수 있다(x=0, z1=20 mm, z2=30 mm 일 때 -150≤ y[mm] ≤ +150).
Figure pat00006
도 9c를 참조하면, 수신 코일(910)은 일정 크기(예, 가로 57 mm, 세로 120 mm)의 사각형 형상으로, 복수 층(예, 3 layer)의 적층 구조로 제작될 수 있다. 여기서, 수신 코일(910)은 적용 분야에 따라 원형이나 다각형 등 다양한 형태로 제작이 가능하다. 수신 코일(910)은 코일이 감긴 횟수에 따른 턴(turn) 수(대략 12개)를 가지며 송신 코일(900) 보다 작은 높이(대략 3 mm)로 형성될 수 있다.
도 9d에는 수신 코일(910)이 장착된 전력 수신기(920)에서 충전패드의 충전 가능 영역을 스캔하기 위해 이동하는 방향이 도시되어 있다. 도 9d를 참조하면, 전력 수신기(920) '드론'은 충전패드로부터 일정 거리(예, '5mm')이격된 수평면 상에서, x축의 +방향 또는 -방향, y축의 +방향 또는 - 방향으로 이동하면서, 자기장의 분포를 확인 함으로써 충전패드의 충전 가능 영역을 파악할 수 있다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치에서, 송신 코일의 자기장에 대한 근거리 필드 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이다.
도 10a 및 도 10b에는, 도 7에 도시된 송신 코일(720, 730)에서 발생되는 자기장에 대한 근거리 필드(Near-field) 시뮬레이션 결과가 도시되어 있다.
도 10a를 참조하면, 송신 코일(도 7의 720)은 기존의 송신 코일(도 2의 200)에 비해, 중심 영역에서의 자기장의 세기가 균일해짐을 알 수 있다.
도 10b를 참조하면, 송신 코일(도 7의 730)은, 송신 코일(도 7의 720)의 중심에 자성체('페라이트 코어')가 추가된 구조로, 자성체에 의해 중심 영역에서의 자기장의 세기가 강해져 보다 균일한 자기장의 세기를 가질 수 있다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치에서, 송신 코일에서 발생되는 정규화된 자기장에 대한 시뮬레이션 결과를 도시한 그래프이다.
도 11에는, 송신 코일의 중심으로부터의 거리(distance)에 따른 정규화된 자기장(normalized magnetic field)의 변화가 송신 코일 별로 도시되어 있다.
그래프(1101)에는, 중심(core)에 자성체를 포함하는 다층 구조의 송신 코일(도 7의 730 참조)에서의 자기장의 변화가 도시되어 있고, 그래프(1102, 1103)에는 중심에 자성체를 포함하지 않는 다층 구조의 송신 코일(도 7의 720 참조)에서의 자기장의 변화가 도시되어 있다. 그래프(1104, 1105)에는 중심에 자성체를 포함하지 않는 단층 구조의 송신 코일(도 2의 200 참조)에서의 자기장의 변화가 도시되어 있다. 그래프(1101, 1102, 1104)는 FEKO 시뮬레이션 결과이고, 그래프(1103, 1105)는 공식 계산 결과이며, 각각의 Hz 성분은 정규화해서 비교되어 있다.
그래프(1103 및 1105)를 비교하면, 다층 구조의 송신 코일(도 7의 720 참조)의 중심(거리 '0')에서의 자기장('0.6')은, 중심에 자성체를 포함하지 않는 단층 구조의 송신 코일(도 2의 200 참조)의 중심(거리 '0')에서의 자기장('0.5') 보다 큰 값을 나타내는 것을 알 수 있다. 즉, 다층 구조의 송신 코일(도 7의 720 참조)을 이용할 경우, 기존의 송신 코일(도 2의 200) 보다 중심에서의 자기장이 강화되어 보다 균일한 자기장이 발생됨을 알 수 있다.
도 12a 및 도 12b는 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치에서, 전력 수신기('드론')의 위치에 따른 충전 효율의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 12a에는, 수신 코일이 장착된 드론의 x축 위치에 따른 충전 효율의 변화를 시뮬레이션 한 결과가 도시되어 있고, 도 12b에는, 드론의 y축 위치에 따른 충전 효율의 변화를 시뮬레이션 한 결과가 도시되어 있다.
여기서, 각 송신 코일과 수신 코일 간의 이격 거리는 모두 동일하게 5mm로 설정되고, 인버터 전압은 36V 전원, 사용 주파수는 140kHz로 설정될 수 있다. 즉, 본 발명의 무선 전력 전송 장치는, 인버터 전압을 가변하지 않고 단일의 전압 인버터를 사용하여 별도의 제어 없이 일정한 충전 효율을 유지할 수 있다.
그래프(1201, 1204)에는 기존의 송신 코일(도 2의 200)을 이용 시의 충전 효율의 변화가 도시되어 있고, 그래프(1202, 1205)에는 서로 다른 크기의 복수의 코일층이 적층된 다층 구조의 송신 코일(도 7의 720)을 이용 시의 충전 효율의 변화가 도시되어 있고, 그래프(1203, 1206)에는 자성체를 추가로 배치한 송신 코일(도 7의 730)을 이용 시의 충전 효율의 변화가 도시되어 있다.
각 그래프(1201 내지 1206)를 비교하면, 드론의 위치가 송신 코일의 중심 부근(x축 y축 '0')에 위치해 있을 때, 본 발명에서 제안하는 구조의 송신 코일(도 7의 720, 730)을 이용한 경우의 충전 효율은, 대략 60% 이상으로서, 기존의 송신 코일(도 2의 200)을 이용 시의 충전 효율('50%')에 비해 개선되는 것을 알 수 있다.
즉, 송신 코일(도 7의 720, 730)의 전 영역에서 충전 효율이 균일하게 유지될 수 있어, 드론을 비롯한 전력 수신기는 송신 코일 상의 어떠한 위치에 있더라도 일정한 효율로 충전 가능해진다.
도 13a 및 도 13b는 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치에서, 전력 수신기의 위치에 따른 정류 전압의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 13a에는, 수신 코일이 장착된 드론의 x축 위치에 따른 정류 전압의 변화를 시뮬레이션 한 결과가 도시되어 있고, 도 13b에는, 드론의 y축 위치에 따른 정류 전압의 변화를 시뮬레이션 한 결과가 도시되어 있다. 여기서, 각 송신 코일과 수신 코일 간의 이격 거리는 모두 동일하게 5mm로 설정되고, 인버터 입력 전압은 36V 전원, 사용 주파수는 140kHz로 설정될 수 있다.
그래프(1301, 1304)에는 기존의 송신 코일(도 2의 200)을 이용 시의 정류 전압의 변화가 도시되어 있고, 그래프(1302, 1305)에는 서로 다른 크기의 복수의 코일층이 적층된 다층 구조의 송신 코일(도 7의 720)을 이용 시의 정류 전압의 변화가 도시되어 있고, 그래프(1303, 1306)에는 자성체(페라이트 코어)를 추가로 배치한 송신 코일(도 7의 730)을 이용 시의 정류 전압의 변화가 도시되어 있다.
각 그래프(1301 내지 1306)를 비교하면, 드론의 위치가 송신 코일의 중심 부근(x축 y축 '0')에 위치해 있을 때, 본 발명에서 제안하는 구조의 송신 코일(도 7의 720, 730)을 이용한 경우의 정류 전압은, 대략 12V 이상으로서, 기존의 송신 코일(도 2의 200)을 이용 시의 정류 전압('9V')에 비해 개선되는 것을 알 수 있다.
즉, 송신 코일(도 7의 720, 730)의 전 영역에서 균일한 정류 전압이 유지되어, 드론을 비롯한 전력 수신기는 송신 코일 상의 어떠한 위치에 있더라도 일정한 정류 전압으로 충전 가능해진다.
이와 같이, 본 발명에서 제안하는 구조의 송신 코일(도 7의 720, 730)을 이용할 경우, 기존의 송신 코일(도 2의 200)의 구조 보다 넓은 충전 가능 영역을 확보할 수 있음을 물론, 전력 수신기의 위치에 따른 충전 효율과 정류 전압의 변화가 기존에 비해 적어서 별도의 제어가 필요 없는 무선 충전 환경을 조성할 수 있다.
이하, 도 14에서는 본 발명의 실시예들에 따른 무선 전력 전송 장치(300)의 작업 흐름을 상세히 설명한다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 전송 방법의 순서를 도시한 흐름도이다.
본 실시예에 따른 무선 전력 전송 방법은 상술한 무선 전력 전송 장치(300)에 의해 수행될 수 있다.
도 14를 참조하면, 단계(1410)에서, 무선 전력 전송 장치(300)는 충전패드로부터 일정 이격거리 이내에서 전력 수신기가 감지되는지 판단한다.
상기 단계(1410)에서의 판단 결과, 전력 수신기가 감지되는 경우, 단계(1420)에서, 무선 전력 전송 장치(300)는 상기 충전패드 내의 다층 구조의 송신 코일을 통해, 자기장을 발생시킨다.
예를 들어, 도 5를 참조하면, 무선 전력 전송 장치(300)는 충전패드를 구성하는 다층 구조의 송신 코일(500) 중 최상층을 이루는 제1 코일층(510)으로부터, 예컨대 5mm 이격된 수평면 상에서, 전력 수신기의 배면에 장착된 수신 코일(541 또는 542)이 감지될 경우, 송신 코일(500) 내 복수의 코일층(510, 520, 530) 각각에 단일의 인버터 전압을 인가하여 자기장(503)을 발생시킬 수 있다.
상기 다층 구조의 송신 코일은, 복수의 코일층이, 각 코일층의 지름이 감소하는 형태로 적층되는 구조를 가지도록 설계될 수 있다.
구체적으로, 상기 복수의 코일층은, 충전패드의 최대 면적에 따른 최대 외각 지름으로 형성되는 제1 코일층(도 5의 510 참조)과, 상기 최대 외각 지름 보다 작은 지름으로, 상기 제1 코일층과 공통된 중심을 가지도록 상기 제1 코일층의 일면에 중첩되어 형성되는 제2 코일층(도 5의 520 참조)을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제1 코일층은, 수신 코일(도 5의 541 또는 542 참조)의 지름 보다 크거나 같은 최대 외각 지름으로 형성될 수 있다. 다시 말해, 제1 코일층은, 송신 코일(330)의 최상층을 이루면서 전력 수신기 내의 수신 코일과 마주하게 되므로, 최소한 수신 코일의 크기 이상, 충전패드의 최대 면적 이하가 되는 최대 외각 지름으로 형성되어 충전 가능 영역을 확대할 수 있다.
상기 제2 코일층은, 충전 패드 상에서 전력 수신기의 위치와 반대되는 방향의, 상기 제1 코일층의 일면에 형성될 수 있다. 다시 말해, 제2 코일층은 제1 코일층의 하면에 중첩되어 형성되며, 제1 코일층과 제2 코일층의 중심이 겹친 구조에 의해 송신 코일의 중심 영역에서 감소되는 자기장을 보강할 수 있다.
또한, 다층 구조의 송신 코일은, 충전패드의 최대 면적이 더 확대되는 경우를 대비해서 송신 코일의 중심 영역 가까이에 코일을 더 겹친 구조로 제작될 수 있다. 즉, 상기 복수의 코일층은, 상기 제2 코일층 보다 작은 지름으로, 상기 제1 및 제2 코일층과 공통된 중심을 가지도록 상기 제2 코일층의 일면에 중첩되어 형성되는 제3 코일층을 더 포함할 수 있다.
또한, 다층 구조의 송신 코일은, 내부에 배치한 자성체를 통해 전 영역에서 자기장의 세기를 보다 균일해지도록 할 수 있다.
예를 들어, 도 6을 참조하면, 무선 전력 전송 장치(300)는 제1 코일층(610)에서 발생되는 자기장과, 상기 제1 코일층(610) 보다 작은 크기의 제2 코일층(620)에서 발생되는 자기장 및 상기 제2 코일층(620)의 중심에 배치된 자성체(630)에 의해 발생되는 자기장을 모두 이용하여 제1 코일층(610)의 중심 영역에서 감소되는 자기장의 세기를 보강할 수 있다.
단계(1430)에서, 무선 전력 전송 장치(300)는 상기 복수의 코일층에서 발생되는 자기장을 이용하여 생성한 전력 신호를, 상기 전력 수신기 내 수신 코일로 무선 전송한다.
즉, 본 발명에서 제안하는 송신 코일을 이용 시, 드론을 비롯한 전력 수신기는 송신 코일 상의 어떠한 위치에 있더라도 일정한 정류 전압과 효율로 충전할 수 있다.
실시예들에서 설명된 구성요소들은 하나 이상의 DSP(Digital Signal Processor), 프로세서(Processor), 컨트롤러(Controller), ASIC(Application Specific Integrated Circuit), FPGA(Field Programmable Gate Array)와 같은 프로그래머블 논리 소자(Programmable Logic Element), 다른 전자 기기들 및 이것들의 조합 중 하나 이상을 포함하는 하드웨어 구성 요소들(hardware componests)에 의해 구현될 수 있다. 실시예들에서 설명된 기능들(functions) 또는 프로세스들(processes) 중 적어도 일부는 소프트웨어(software)에 의해 구현될 수 있고, 해당 소프트웨어는 기록 매체(recording medium)에 기록될 수 있다. 실시예들에서 설명된 구성요소들, 기능들 및 프로세스들은 하드웨어와 소프트웨어의 조합에 의해 구현될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
300: 무선 전력 전송 장치
310: 컨트롤러
320: 전력 전송부
330: 송신 코일

Claims (17)

  1. 충전패드로부터 일정 이격거리 이내에서 전력 수신기가 감지 됨에 따라,
    서로 다른 크기의 복수의 코일층이 적층된 다층 구조의 송신 코일을 통해, 자기장을 발생시키는 컨트롤러; 및
    상기 복수의 코일층에서 발생되는 자기장을 이용하여 생성한 전력 신호를, 상기 전력 수신기 내 수신 코일로 무선 전송하는 전력 전송부
    를 포함하는 무선 전력 전송 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 코일층은,
    각 코일층의 지름이 감소하는 형태로 적층되는 구조를 가지고,
    상기 충전패드의 최대 면적에 따른 최대 외각 지름으로 형성되는 제1 코일층과,
    상기 최대 외각 지름 보다 작은 지름으로, 상기 제1 코일층과 공통된 중심을 가지도록 상기 제1 코일층의 일면에 중첩되어 형성되는 제2 코일층을 포함하고,
    상기 전력 전송부는,
    상기 제1 및 제2 코일층이 중첩되는 영역에 있어서의 전력 신호를 생성 시, 상기 제1 코일층에서 발생되는 자기장에, 상기 제2 코일층에서 발생되는 자기장을 합산한 자기장을 이용하는
    무선 전력 전송 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전력 전송부는,
    상기 제1 코일층과 상기 제2 코일층이 중첩되지 않는 영역에 있어서의 상기 전력 신호를 생성 시, 상기 제1 코일층에서 발생되는 자기장을 이용하는
    무선 전력 전송 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 코일층은,
    상기 제2 코일층 보다 작은 지름으로, 상기 제1 및 제2 코일층과 공통된 중심을 가지도록 상기 제2 코일층의 일면에 중첩되어 형성되는 제3 코일층을 더 포함하고,
    상기 전력 전송부는,
    상기 제3 코일층에서 발생되는 자기장을 더 합산하여, 상기 제1, 제2 및 제3 코일층이 중첩되는 영역에 있어서의 전력 신호를 생성하는
    무선 전력 전송 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 코일층의 중심 영역에서의 자기장의 세기가, 임계치 이하인 경우,
    상기 컨트롤러는,
    상기 제1 및 제2 코일층에 이어서, 상기 제3 코일층을 통해 자기장을 더 발생시키는
    무선 전력 전송 장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 제1 코일층은,
    상기 수신 코일의 지름 보다 크거나 같은 최대 외각 지름으로 형성되고,
    상기 제2 코일층은,
    상기 충전 패드 상에서 상기 전력 수신기의 위치와 반대되는 방향의, 상기 제1 코일층의 일면에 형성되고,
    상기 제2 코일층을 형성하는 2차 코일은,
    상기 제1 코일층을 형성하는 1차 코일과 직렬로 연결되는
    무선 전력 전송 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 코일층 각각은, 복수의 코일 턴이 감기도록 형성되고,
    상기 각 코일층 내에서 각 코일 턴의 지름은, 동일하거나 또는 감기는 수에 비례하여 점차 작아지는
    무선 전력 전송 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 송신 코일은,
    상기 복수의 코일층 내부의 중심에 배치된 적어도 하나의 자성체를 포함하고,
    상기 전력 전송부는,
    상기 자성체에 의해 변화되는 자기장을 이용하여, 상기 전력 신호를 생성하는
    무선 전력 전송 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 전력 수신기에 의해 요구되는 전력에 상응하여 상기 송신 코일로 단일의 인버터 전압을 인가하고, 상기 단일의 인버터 전압을 이용하여, 상기 다층 구조의 송신 코일에 포함된 급전 케이블에서 일정 세기범위 이내의 자기장을 발생시키는
    무선 전력 전송 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 충전패드로부터 일정 이격거리 이내의 임의의 지점에 위치하는 상기 전력 수신기로부터 전력 전송 요청이 수신될 경우,
    상기 컨트롤러는,
    상기 전력 수신기에 구비된 수신 코일이, 상기 송신 코일과, 상기 이격거리를 유지한 채 일정시간 동안 수평을 이루면, 상기 자기장을 발생시키는
    무선 전력 전송 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 전력 신호의 송신에 따라, 상기 전력 수신기로부터 획득한 데이터로부터, 선정된 기준 이하의 정류 전압 또는 충전 효율이 확인될 경우,
    상기 복수의 코일층 내부의 중심에 배치된 자성체 또는 추가 코일층을 통해, 자기장을 더 발생시키는
    무선 전력 전송 장치.
  12. 충전패드로부터 일정 이격거리 이내에서 전력 수신기가 감지 됨에 따라,
    서로 다른 크기의 복수의 코일층이 적층된 다층 구조의 송신 코일을 통해, 자기장을 발생시키는 단계; 및
    상기 복수의 코일층에서 발생되는 자기장을 이용하여 생성한 전력 신호를, 상기 전력 수신기 내 수신 코일로 무선 전송하는 단계
    를 포함하는 무선 전력 전송 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 복수의 코일층은,
    각 코일층의 지름이 감소하는 형태로 적층되는 구조를 가지고,
    상기 충전패드의 최대 면적에 따른 최대 외각 지름으로 형성되는 제1 코일층과,
    상기 최대 외각 지름 보다 작은 지름으로, 상기 제1 코일층과 공통된 중심을 가지도록 상기 제1 코일층의 일면에 중첩되어 형성되는 제2 코일층을 포함하고,
    상기 무선 전송하는 단계는,
    상기 제1 코일층에서 발생되는 자기장에, 상기 제2 코일층에서 발생되는 자기장을 합산한 자기장을 이용하여, 상기 제1 및 제2 코일층이 중첩되는 영역에 있어서의 전력 신호를 생성하는 단계
    를 포함하는 무선 전력 전송 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 무선 전송하는 단계는,
    상기 제1 코일층에서 발생되는 자기장을 이용하여, 상기 제1 코일층과 상기 제2 코일층이 중첩되지 않는 영역에 있어서의 상기 전력 신호를 생성하는 단계
    를 더 포함하는 무선 전력 전송 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 복수의 코일층은,
    상기 제2 코일층 보다 작은 지름으로, 상기 제1 및 제2 코일층과 공통된 중심을 가지도록 상기 제2 코일층의 일면에 중첩되어 형성되는 제3 코일층을 더 포함하고,
    상기 무선 전송하는 단계는,
    상기 제3 코일층에서 발생되는 자기장을 더 합산하여, 상기 제1, 제2 및 제3 코일층이 중첩되는 영역에 있어서의 전력 신호를 생성하는 단계
    를 더 포함하는 무선 전력 전송 방법.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 송신 코일은,
    상기 복수의 코일층 내부의 중심에 배치된 적어도 하나의 자성체를 포함하고,
    상기 자성체에 의해 변화되는 자기장을 이용하여, 상기 전력 신호를 생성하는 단계
    를 더 포함하는 무선 전력 전송 방법.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 자기장을 발생시키는 단계는,
    상기 전력 수신기에 의해 요구되는 전력에 상응하여 상기 송신 코일로 단일의 인버터 전압을 인가하고, 상기 단일의 인버터 전압을 이용하여, 상기 다층 구조의 송신 코일에 포함된 급전 케이블에서 일정 세기범위 이내의 자기장을 발생시키는 단계
    를 포함하는 무선 전력 전송 방법.
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