KR20190083454A - 무선 충전기 및 무선 충전 방법 - Google Patents

무선 충전기 및 무선 충전 방법 Download PDF

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Abstract

실시예에 따른 무선 충전기는 교류를 입력받아 자속(Magnetic flux)을 생성하는 송신 코일과, 직류를 입력받아 상기 교류를 생성하는 인버터와, 상기 인버터에 상기 직류를 공급하는 직류-직류 변환기와, 상기 직류-직류 변환기 및 인버터의 동작을 제어하여 상기 송신 코일을 통해 핑 신호를 생성하는 컨트롤러를 포함하고, 상기 컨트롤러는 제1 핑 신호를 주기적으로 발생시키고, 상기 제1 핑 신호 생성으로부터 제1 안정화 구간 동안 상기 직류 공급을 유지하고, 상기 제1 안정화 구간 이후, 소정 시간 동안 상기 직류를 차단하고, 상기 소정 시간 후에 상기 전류를 공급하고, 상기 소정 시간 후로부터 제2 안정화 구간 후에 제2 핑 신호를 생성하도록 설정될 수 있다.

Description

무선 충전기 및 무선 충전 방법{WIRELESS CHARGING DEVICE AND WIRELESS CHARGING METHOD}
본 발명은 무선 전력 전송 기술에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 불필요한 소모 전류를 차단시켜 배터리의 수명을 향상시키는 무선 충전기 및 무선 충전 방법에 관한 것이다.
휴대폰, 노트북과 같은 휴대용 단말은 전력을 저장하는 배터리와 배터리의 충전 및 방전을 위한 회로를 포함한다. 이러한 단말의 배터리가 충전되려면, 외부의 충전기로부터 전력을 공급받아야 한다.
일반적으로 배터리에 전력을 충전시키기 위한 충전장치와 배터리 간의 전기적 연결방식의 일 예로, 상용전원을 공급받아 배터리에 대응하는 전압 및 전류로 변환하여 해당 배터리의 단자를 통해 배터리로 전기에너지를 공급하는 단자공급방식을 들 수 있다. 이러한 단자공급방식은 물리적인 케이블(cable) 또는 전선의 사용이 동반된다. 따라서 단자공급방식의 장비들을 많이 취급하는 경우, 많은 케이블들이 상당한 작업 공간을 차지하고 정리가 곤란하며 외관상으로도 좋지 않다. 또한, 단자공급방식은 단자들간의 서로 다른 전위차로 인한 순간방전현상, 이물질에 의한 소손 및 화재 발생, 자연방전, 배터리의 수명 및 성능 저하 등의 문제점을 야기할 수 있다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 무선으로 전력을 전송하는 방식을 이용한 충전시스템(이하 "무선 충전 시스템"이라 칭함.)과 제어방법들이 제시되고 있다. 또한, 무선 충전 시스템이 과거에는 일부 휴대용 단말에 기본 장착되지 않고 소비자가 별도 무선 충전 수신기 액세서리를 별도로 구매해야 했기에 무선 충전 시스템에 대한 수요가 낮았으나 무선 충전 사용자가 급격히 늘어나고 있으며, 단말 제조사에서도 무선충전 기능을 기본으로 탑재하고 있다.
일반적으로 무선 충전 시스템은 무선 전력 전송 방식으로 전기에너지를 공급하는 무선 전력 송신기와 무선 전력 송신기로부터 공급되는 전기에너지를 수신하여 배터리를 충전하는 무선 전력 수신기로 구성된다.
이러한 무선 충전 시스템은 적어도 하나의 무선 전력 전송 방식(예를 들어, 전자기 유도 방식, 전자기 공진 방식, RF 무선 전력 전송 방식 등)에 의해 전력을 전송할 수 있다.
일 예로, 무선 전력 전송 방식은 전력 송신기 코일에서 자기장을 발생시켜 그 자기장의 영향으로 수신기 코일에서 전기가 유도되는 전자기 유도 원리를 이용하여 충전하는 전자기 유도 방식에 기반한 다양한 무선 전력 전송 표준이 사용될 수 있다. 여기서, 전자기 유도 방식의 무선 전력 전송 표준은 WPC(Wireless Power Consortium) 및 Air Fuel Alliance(구 PMA, Power Matters Alliance)에서 정의된 전자기 유도 방식의 무선 충전 기술을 포함할 수 있다.
다른 일 예로, 무선 전력 전송 방식은 무선 전력 송신기의 송신 코일에 의해 발생되는 자기장을 특정 공진 주파수에 동조하여 근거리에 위치한 무선 전력 수신기에 전력을 전송하는 전자기 공진(Electromagnetic Resonance) 방식이 이용될 수도 있다. 여기서, 전자기 공진 방식은 무선 충전 기술 표준 기구인 Air Fuel Alliance(구 A4WP, Alliance for Wireless Power) 표준 기구에서 정의된 공진 방식의 무선 충전 기술을 포함할 수 있다.
또 다른 일 예로, 무선 전력 전송 방식은 RF 신호에 저전력의 에너지를 실어 원거리에 위치한 무선 전력 수신기로 전력을 전송하는 RF 무선 전력 전송 방식이 이용될 수도 있다.
한편, 차량에는 운전 중 휴대용 단말기를 충전할 수 있도록 앞서 설명한 무선 충전 기술이 사용되고 있다. 특히, 전기 차량의 경우 모든 동작을 배터리에 의존하기 때문에 무선 충전을 위해서는 디젤/가솔린차와 대비하여 매우 제한적으로 배터리를 사용해야 한다.
종래 무선 충전 장치는 송신기에 물체가 놓여지는 것을 감지하기 위한 아날로그 핑 신호를 주기적으로 전송한다. 이때, 송신기는 물체가 감지하면 디지털 핑을 전송하여 무선 전력 수신기인지 식별하게 되고, 무선 전력 수신기라고 확인되면 충전을 위해 전력이 무선 전력 수신기에 전송된다.
하지만, 아날로그 핑 신호가 주기적으로 발생되는 동안 레일 전류가 연속적으로 공급되기 때문에 핑 신호를 발생하지 않은 구간에서도 송신기 회로 내부에서 일정 전류를 소모하게 되고, 이로 인해 배터리의 수명을 저하시키게 된다.
또한, 최근에는 고속 충전으로 기술이 진화하면서 기존대비 전력 소모가 증가하고 있기 때문에 차량 배터리의 방전 없이 차량의 배터리를 효율적으로 사용하는 것이 더욱 필요하다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 본 발명의 목적은 전기 차량의 배터리를 효율적으로 사용하기 위한 무선 충전기 및 무선 충전 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 불필요한 소모 전력을 감소시켜 배터리의 수명을 향상시키기 위한 무선 충전기 및 무선 충전 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여, 실시예에 따른 무선 충전기는 교류를 입력받아 자속(Magnetic flux)을 생성하는 송신 코일과, 직류를 입력받아 상기 교류를 생성하는 인버터와, 상기 인버터에 상기 직류를 공급하는 직류-직류 변환기와, 상기 직류-직류 변환기 및 인버터의 동작을 제어하여 상기 송신 코일을 통해 핑 신호를 생성하는 컨트롤러를 포함하고, 상기 컨트롤러는 제1 핑 신호를 주기적으로 발생시키고, 상기 제1 핑 신호 생성으로부터 제1 안정화 구간 동안 상기 직류 공급을 유지하고, 상기 제1 안정화 구간 이후, 소정 시간 동안 상기 직류를 차단하고, 상기 소정 시간 후에 상기 전류를 공급하고, 상기 소정 시간 후로부터 제2 안정화 구간 후에 제2 핑 신호를 생성하도록 설정될 수 있다.
또한, 실시예에 따른 무선 충전 방법은 물체를 감지하는 아날로그 핑 신호를 주기적으로 발생시키는 단계와, 상기 물체가 감지되면 디지털 핑 신호를 발생시키는 단계와, 상기 아날로그 핑 신호들 사이에 레일 전압을 차단시키는 단계를 포함하고, 상기 아날로그 핑 신호들 사이에 레일 전압을 차단시키는 단계는 상기 아날로그 핑 신호가 오프되면 제1 안정화 구간 후에 레일 전압을 차단시키는 단계와, 상기 소정의 시간 후에 레일 전압을 공급하는 단계와, 상기 제2 안정화 구간 후에 아날로그 핑 신호를 온시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제1 안정화 구간은 상기 제2 안정화 구간 보다 길 수 있다. 상기 제1 안정화 구간은 상기 아날로그 핑 신호의 오프 이후 상기 물체를 감지하는 시간을 포함하고, 상기 제2 안정화 구간은 레일 전압의 제어 시간 및 레일 전압이 핑 신호를 발생시킬 수 있는 전압으로 상승되는 시간을 포함할 수 있다. 상기 아날로그 핑 신호들 사이에 레일 전압을 차단시키는 단계는 상기 아날로그 핑 신호들의 2주기 이상의 주기로 동작될 수 있다.
상기 아날로그 핑 신호들 사이에 레일 전압을 차단시키는 단계는 300ms 내지 350m를 포함할 수 있다. 상기 제1 안정화 구간은 30ms 내지 32ms를 포함하고, 상기 제2 안정화 구간은 5ms 내지 7ms를 포함할 수 있다.
상기 디지털 핑 신호와 상기 아날로그 핑 신호 사이에 레일 전압을 차단시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 디지털 핑 신호와 상기 아날로그 핑 신호 사이에 레일 전압을 차단시키는 시간은 상기 아날로그 핑 신호들 사이에 레일 전압을 차단시키는 시간 보다 작을 수 있다.
또한, 실시예에 따른 무선 충전 방법은 물체를 감지하는 아날로그 핑 신호를 주기적으로 발생시키는 단계와, 상기 물체가 감지되면 디지털 핑 신호를 발생시키는 단계와, 상기 디지털 핑 신호와 상기 아날로그 핑 신호 사이에 레일 전압을 차단시키는 단계를 포함하고, 상기 디지털 핑 신호와 상기 아날로그 핑 신호 사이에 레일 전압을 차단시키는 단계는 상기 디지털 핑 신호가 오프되면 제1 안정화 구간 후에 레일 전압을 차단시키는 단계와, 상기 레일 전압을 공급하는 단계와, 상기 제2 안정화 구간 후에 아날로그 핑 신호를 온시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제1 안정화 구간은 상기 제2 안정화 구간 보다 짧을 수 있다. 상기 제1 안정화 구간은 레일 전압의 제어 시간을 포함하고, 상기 제2 안정화 시간은 레일 전압의 제어 시간 및 레일 전압이 핑 신호를 발생시킬 수 있는 전압으로 상승되는 시간을 포함할 수 있다.
상기 아날로그 핑 신호들 사이에 레일 전압을 차단시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
실시예에 따른 무선 충전기 및 무선 충전 방법에 대한 효과에 대한 효과를 설명하면 다음과 같다.
실시예는 아날로그 핑 신호들 사이에 레일 전압을 차단시킴으로써, 송신기 내의 소모 전류를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 실시예는 아날로그 핑 신호의 2주기 이상의 주기마다 레일 전압을 차단시킴으로써, 소모 전류를 감소시키는 동시에 제어 동작 감소 및 제어 동작에 따른 오류를 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 실시예는 디지털 핑 신호와 아날로그 핑 신호 사이에 레일 전압을 차단시킴으로써, 송신기 내의 소모 전류를 보다 효과적으로 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이하에 첨부되는 도면들은 본 발명에 관한 이해를 돕기 위한 것으로, 상세한 설명과 함께 본 발명에 대한 실시예들을 제공한다. 다만, 본 발명의 기술적 특징이 특정 도면에 한정되는 것은 아니며, 각 도면에서 개시하는 특징들은 서로 조합되어 새로운 실시예로 구성될 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 무선 충전 시스템을 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 무선 전력 전송 절차를 설명하기 위한 상태 천이도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 무선 전력 송신기의 구조를 설명하기 위한 블록도이다.
도 4는 도 3에 따른 무선 전력 송신기와 연동되는 무선 전력 수신기의 구조를 설명하기 위한 블록도이다.
도 5는 제1 실시예에 따른 무선 충전 방법을 나타낸 블럭도이다.
도 6은 아날로그 핑 신호와 디지털 핑 신호의 동작시 발생하는 전압 및 전류 파형을 나타낸 그래프이다.
도 7은 도 6의 일부 영역을 나타낸 그래프이다.
도 8은 제1 실시예에 따른 무선 전력 송신기의 구조를 나타낸 도면이다.
도 9는 제2 실시예에 따른 무선 충전 방법에 따른 전류 및 전류 파형을 나타낸 그래프이다.
도 10은 제3 실시예에 따른 무선 충전 방법을 나타낸 블럭도이다.
도 11은 아날로그 핑 신호와 디지털 핑 신호의 동작시 발생하는 전압 및 전류 파형을 나타낸 그래프이다.
도 12는 도 11의 일부 영역을 나타낸 그래프이다.
이하, 실시예들이 적용되는 장치 및 다양한 방법들에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
이상에서, 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합되거나 결합되어 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 실시예의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 그 모든 구성 요소들이 각각 하나의 독립적인 하드웨어로 구현될 수 있지만, 각 구성 요소들의 그 일부 또는 전부가 선택적으로 조합되어 하나 또는 복수 개의 하드웨어에서 조합된 일부 또는 전부의 기능을 수행하는 프로그램 모듈을 갖는 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수도 있다. 그 컴퓨터 프로그램을 구성하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 실시예의 기술 분야의 당업자에 의해 용이하게 추론될 수 있을 것이다. 이러한 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 저장매체(Computer Readable Media)에 저장되어 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써, 실시예를 구현할 수 있다. 컴퓨터 프로그램의 저장매체로서는 자기 기록매체, 광 기록매체, 캐리어 웨이브 매체 등이 포함될 수 있다.
실시예의 설명에 있어서, 각 구성 요소의 "상(위) 또는 하(아래)", "전(앞) 또는 후(뒤) "에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상(위) 또는 하(아래)" 및 "전(앞) 또는 후(뒤) "는 두 개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되거나 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 배치되어 형성되는 것을 모두 포함한다.
또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥 상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 실시예에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
그리고 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지기술에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
실시예의 설명에 있어서, 무선 전력 충전 시스템상에서 무선 전력을 송신하는 장치는 설명의 편의를 위해 무선 전력 송신기, 무선 전력 송신 장치, 무선 전력 송신기, 송신단, 송신기, 송신 장치, 송신측, 무선 전력 전송 장치, 무선 전력 전송기, 무선충전장치 등을 혼용하여 사용하기로 한다. 또한, 무선 전력 송신 장치로부터 무선 전력을 수신하는 장치에 대한 표현으로 설명의 편의를 위해 무선 전력 수신 장치, 무선 전력 수신기, 무선 전력 수신 장치, 무선 전력 수신기, 수신 단말기, 수신측, 수신 장치, 수신기 단말 등이 혼용되어 사용될 수 있다.
실시예에 따른 무선충전장치는 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 전력을 전송할 수도 있다.
일 예로, 무선 전력 송신기는 통상적으로 책상이나 탁자 위 등에서 놓여서 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 자동차용으로도 개발되어 적용되어 차량 내에서 사용될 수 있다. 차량에 설치되는 무선 전력 송신기는 간편하고 안정적으로 고정 및 거치할 수 있는 거치대 형태로 제공될 수 있다.
실시예에 따른 단말은 휴대폰(mobile phone), 스마트폰(smart phone), 노트북 컴퓨터(laptop computer), 디지털방송용 단말기, PDA(Personal Digital Assistants), PMP(Portable Multimedia Player), 네비게이션, MP3 player, 전동 칫솔, 전자 태그, 조명 장치, 리모콘, 낚시찌 등의 소형 전자 기기 등에 사용될 수 있으나, 이에 국한되지는 아니하며 실시예에 따른 무선 전력 수신 수단이 장착되어 배터리 충전이 가능한 모바일 디바이스 기기(이하, "디바이스"라 칭함.)라면 족하고, 단말 또는 디바이스라는 용어는 혼용하여 사용될 수 있다. 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 수신기는 차량, 무인 항공기, 에어 드론 등에도 탑재될 수 있다.
실시예에 따른 무선 전력 수신기는 적어도 하나의 무선 전력 전송 방식이 구비될 수 있으며, 2개 이상의 무선 전력 송신기로부터 동시에 무선 전력을 수신할 수도 있다. 여기서, 무선 전력 전송 방식은 상기 전자기 유도 방식, 전자기 공진 방식, RF 무선 전력 전송 방식 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일반적으로, 무선 전력 시스템을 구성하는 무선 전력 송신기와 무선 전력 수신기는 인밴드 통신 또는 BLE(Bluetooth Low Energy) 통신을 통해 제어 신호 또는 정보를 교환할 수 있다. 여기서, 인밴드 통신, BLE 통신은 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation) 방식, 주파수 변조 방식, 위상 변조 방식, 진폭 변조 방식, 진폭 및 위상 변조 방식 등으로 수행될 수 있다. 일 예로, 무선 전력 수신기는 수신 코일을 통해 유도된 전류를 소정 패턴으로 ON/OFF 스위칭하여 궤환 신호(feedback signal)를 생성함으로써 무선 전력 송신기에 각종 제어 신호 및 정보를 전송할 수 있다. 무선 전력 수신기에 의해 전송되는 정보는 수신 전력 세기 정보를 포함하는 다양한 상태 정보를 포함할 수 있다. 이때, 무선 전력 송신기는 수신 전력 세기 정보에 기반하여 충전 효율 또는 전력 전송 효율을 산출할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 무선 충전 시스템을 설명하기 위한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 무선 충전 시스템(무선 충전기)은 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 한정되지않으며, 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.
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.
도 2는 무선 전력 전송 절차를 설명하기 위한 상태 천이도이다.
도 2를 참조하면, 무선 전력 전송 절차에 따라 송신기로부터 수신기로의 파워 전송은 크게 선택 단계(Selection Phase, 210), 핑 단계(Ping Phase, 220), 식별 및 구성 단계(Identification and Configuration Phase, 230), 협상 단계(Negotiation Phase, 240), 보정 단계(Calibration Phase, 250), 전력 전송 단계(Power Transfer Phase, 260) 단계 및 재협상 단계(Renegotiation Phase, 270)로 구분될 수 있다.
선택 단계(210)는 파워 전송을 시작하거나 파워 전송을 유지하는 동안 특정 오류 또는 특정 이벤트가 감지되면, 천이되는 단계-예를 들면, 도면 부호 S202, S204, S208, S210, S212를 포함함-일 수 있다. 여기서, 특정 오류 및 특정 이벤트는 이하의 설명을 통해 명확해질 것이다. 또한, 선택 단계(210)에서 송신기는 인터페이스 표면에 물체가 존재하는지를 모니터링할 수 있다. 만약, 송신기가 인터페이스 표면에 물체가 놓여진 것이 감지되면, 핑 단계(220)로 천이할 수 있다. 선택 단계(210)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.
선택 단계(210)에서 물체가 감지되는 경우, 무선 전력 송신기는 무선전력 공진 회로, 예를 들어 무선 전력 전송을 위한 송신 코일 및/또는 공진 캐패시터의 일단 및/또는 타단의 품질 인자를 측정할 수 있다.
무선 전력 송신기는 무선전력 공진 회로(예를 들어 전력전송 코일 및/또는 공진 캐패시터)의 피크주파수를 측정할 수 있다.
품질계수 및/또는 피크주파수는 향후 협상단계(240)에서 이물질 존재 여부를 판단하는데 사용될 수 있다.
핑 단계(220)에서 송신기는 물체가 감지되면, 수신기를 활성화(Wake up)시키고, 감지된 물체가 무선 전력 수신기인지를 식별하기 위한 디지털 핑(Digital Ping)을 전송한다(S201). 핑 단계(220)에서 송신기는 디지털 핑에 대한 응답 시그널-예를 들면, 신호 세기 패킷-을 수신기로부터 수신하지 못하면, 다시 선택 단계(210)로 천이할 수 있다. 또한, 핑 단계(220)에서 송신기는 수신기로부터 파워 전송이 완료되었음을 지시하는 신호-즉, 충전 완료 패킷-을 수신하면, 선택 단계(210)로 천이할 수도 있다(S202).
핑 단계(220)가 완료되면, 송신기는 수신기를 식별하고 수신기 구성 및 상태 정보를 수집하기 위한 식별 및 구성 단계(230)로 천이할 수 있다(S203).
식별 및 구성 단계(230)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(210)로 천이할 수 있다(S204).
송신기는 식별 및 구성 단계(230)에서 수신된 구성 패킷(Configuration packet)의 협상 필드(Negotiation Field) 값에 기반하여 협상 단계(240)로의 진입이 필요한지 여부를 확인할 수 있다.
확인 결과, 협상이 필요하면, 송신기는 협상 단계(240)로 진입할 수 있다(S205). 협상 단계(240)에서 송신기는 소정 이물질 검출 절차를 수행할 수 있다.
반면, 확인 결과, 협상이 필요하지 않은 경우, 송신기는 곧바로 전력 전송 단계(260)로 진입할 수도 있다(S206).
협상 단계(340)에서, 송신기는 기준 품질 인자 값이 포함된 FOD(Foreign Object Detection) 상태 패킷을 수신할 수 있다. 또는 기준 피크주파수 값이 포함된 FOD 상태 패킷을 수신할 수 있다. 또는 기준 품질 인자 값 및 기준 피크주파수 값이 포함된 상태 패킷을 수신할 수 있다. 이때, 송신기는 기준 품질 인자 값에 기반하여 FO 검출을 위한 임계 품질 인자 값을 결정할 수 있다. 송신기는 기준 피크주파수 값에 기반하여 FO 검출을 위한 임계 피크주파수 값을 결정할 수 있다.
송신기는 결정된 FO 검출을 위한 임계 품질 인자 값 및 현재 측정된 품질 인자 값-예를 들면, 핑 단계 이전에 측정된 품질 인자 값일 수 있음-을 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.
송신기는 결정된 FO 검출을 위한 임계 피크주파수 값 및 현재 측정된 피크주파수 값-예를 들면, 핑 단계 이전에 측정된 피크주파수 값일 수 있음-을 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(210)로 회귀할 수 있다(S208). 반면, FO가 검출되지 않은 경우, 송신기는 보정 단계(250)를 거쳐 전력 전송 단계(260)로 진입할 수도 있다(S207 및 S209). 상세하게, 송신기는 FO가 검출되지 않은 경우, 송신기는 보정 단계(250)에서 수신단에 수신된 전력의 세기를 수신하고, 송신단에서 전송한 전력의 세기와 비교하여 수신단과 송신단에서의 전력 손실을 측정할 수 있다. 즉, 송신기는 보정 단계(250)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 전력 손실 임계치를 보정할 수도 있다. 즉, 보정 단계에서는 FO가 없는 상태이기 때문에 수신기의 커플링 상태 및 수신기의 프렌들리 메탈(Friendly metal) 성분으로 인한 전력손실을 결정하고, 기 결정된 전력손실 외의 추가 전력손실이 발생했을 때 이물질이 존재한다고 판단할 수 있다.
전력 전송 단계(260)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(210)로 천이할 수 있다(S210).
또한, 전력 전송 단계(260)에서, 송신기는 송신기 상태 변화 등에 따라 파워 전송 계약을 재구성할 필요가 있는 경우, 재협상 단계(270)로 천이할 수 있다(S211). 이때, 재협상이 정상적으로 완료되면, 송신기는 전력 전송 단계(260)로 회귀할 수 있다(S213).
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.
송신기는 재협상이 정상적으로 완료되지 않으면, 해당 수신기로의 전력 전송을 중단하고, 선택 단계로(210) 천이할 수도 있다(S212).
도 3은 일 실시예에 따른 무선 전력 송신기의 구조를 설명하기 위한 블록도이다.
도 3을 참조하면, 무선 전력 송신기(300)는 전원부(360), 직류-직류 변환기(DC-DC Converter, 310), 인버터(Inverter, 320), 공진 회로(330), 센싱부(350), 통신부(340), 알람부(370) 및 제어부(380)을 포함하여 구성될 수 있다.
공진 회로(330)는 공진 캐패시터(331) 및 인덕터(또는 송신 코일)(332)을 포함하여 구성되며, 통신부(340)는 복조부(341)와 변조부(342) 중 적어도 하나를 포함하여 구성될 수 있다. 송신 코일은 인가되는 교류 전력으로부터 자속(Magnetic flux)을 생성할 수 있다.
전원부(360)는 외부 전원 단자 또는 배터리로부터 DC 전력을 인가받아 직류-직류 변환기(310)에 전달할 수 있다. 여기서, 전원부(360)는 차량에 구비되는 차량용 배터리일 수 있다. 차량은 내연기관, 전기 차량, 하이브리드 차량을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
다른 실시예로, 배터리는 무선 전력 송신기(300)의 내부에 장착되어 충전 가능하게 구성될 수 있으나, 이는 하나의 실시예에 불과하며, 보조 배터리 또는 외장 배터리의 형태로 무선 전력 송신기(300)의 전원부(360) 소정 케이블을 통해 연결될 수도 있다.
직류-직류 변환기(310)는 제어부(380)의 제어에 따라 전원부(360)로부터 입력되는 직류 전력의 세기를 특정 세기의 직류 전력으로 변환할 수 있다. 일 예로, 직류-직류 변환기(310)는 전압의 세기 조절이 가능한 가변 전압기로 구성될 수 있으나 이에 한정되지는 않는다.
인버터(320)는 변환된 직류 전력을 교류 전력으로 변환할 수 있다.
인버터(320)는 구비된 복수의 스위치 제어를 통해 입력되는 직류 전력 신호를 교류 전력 신호로 변환하여 출력할 수 있다.
일 예로, 인버터(320)는 풀 브릿지(Full Bridge) 회로를 포함하여 구성될 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 하프 브리지(Half Bridge)를 포함하여 구성될 수도 있다.
다른 일 예로, 인버터(320)는 하프 브릿지 회로와 풀 브릿지 회로를 모두 포함하여 구성될 수도 있으며, 이 경우, 제어부(380)는 인터버(320)를 하프 브릿지로 동작시킬지 풀 브릿지로 동작시킬지 동적으로 결정하여 제어할 수 있다.
일 실시예에 따른 무선 전력 송신기는 무선 전력 수신기에 의해 요구되는 전력의 세기에 따라 적응적으로 인버터(320)의 브릿지모드를 제어할 수 있다.
여기서, 브릿지 모드는 하프 브리짓 모드 및 풀 브릿지 모드를 포함한다. 일 예로, 무선 전력 수신기가 5W의 저전력을 요구하는 경우, 제어부(380)는 인버터(320)가 하프 브릿지 모드로 동작하도록 제어할 수 있다.
반면, 무선 전력 수신기가 15W의 전력을 요구하는 경우, 제어부(380)는 풀 브릿지 모드로 동작되도록 제어할 수 있다. 다른 일 예로, 무선 전력 송신기는 감지된 온도에 따라 적응적으로 브릿지 모드를 결정하고, 결정된 브릿지 모드에 따라 인버터(320)를 구동시킬 수도 있다.
일 예로, 하프 브리지 모드를 통해 무선 전력을 전송하는 중 무선 전력 송신 장치의 온도가 소정 기준치를 초과하는 경우, 제어부(380)는 하프 브리지 모드를 비활성화시키고 풀 브릿지 모드가 활성화되도록 제어할 수 있다. 즉, 무선 전력 송신 장치는 동일 세기의 전력 전송을 위해 풀 브릿지 회로를 통해 전압은 상승시키고, 공진 회로(330)에 흐르는 전류의 세기는 감소시킴으로써, 무선 전력 송신 장치의 내부 온도가 소정 기준치 이하를 유지하도록 제어할 수 있다.
일반적으로, 전자 기기에 장착되는 전자 부품에 발생되는 열의 양은 해당 전자 부품에 인가되는 전압의 세기보다 전류의 세기에 보다 민감할 수 있다.
또한, 인버터(320)는 직류 전력을 교류 전력으로 변환할 수 있을 뿐만 아니라 교류 전력의 세기를 변경시킬 수도 있다.
일 예로, 인버터(320)는 제어부(380)의 제어에 따라 교류 전력 생성에 사용되는 기준 교류 신호(Reference Alternating Current Signal)의 주파수를 조절하여 출력되는 교류 전력의 세기를 조절할 수도 있다. 이를 위해, 인버터(320)는 특정 주파수를 가지는 기준 교류 신호를 생성하는 주파수 발진기를 포함하여 구성될 수 있으나, 이는 하나의 실시예에 불과하며, 다른 일 예는 주파수 발진기가 인버터(320)와 별개로 구성되어 무선 전력 송신기(300)의 일측에 장착될 수 있다.
다른 일 예로, 무선 전력 송신기(300)는 인버터(320)에 구비된 스위치를 제어하기 위한 게이트 드라이버(Gate Driver, 미도시)를 더 포함하여 구성될 수 있다. 이 경우, 게이트 드라이버는 제어부(380)로부터 적어도 하나의 펄스 폭변조 신호를 수신할 수 있으며, 수신된 펄스 폭 변조 신호에 따라 인버터(320)의 스위치를 제어할 있다. 제어부(880)는 펄스 폭 변조 신호의 듀티 사이클(Duty Cycle)-즉, 듀티 레이트(Duty Rate)- 및 위상(Phase)를 제어하여 인버터(320) 출력 전력의 세기를 제어할 수 있다. 제어부(360)는 무선 전력 수신 장치로부터 수신되는 피드백 신호에 기반하여 적응적으로 펄스 폭 변조 신호의 듀티 사이클 및 위상을 제어할 수 있다.
센싱부(350)는 DC 변환된 전력의 전압/전류 등을 측정하여 제어부(380)에 제공할 수 있다. 또한, 센싱부(350)는 과열 발생 여부 판단을 위해 무선 전력 송신기(300)의 내부 온도 또는 충전 인터페이스(표면) 내측를을 측정하고, 측정 결과를 제어부(380)에 제공할 수도 있다. 일 예로, 제어부(380)는 센싱부(350)에 의해 측정된 전압/전류 값 또는 내부 온도 값에 기반하여 적응적으로 전원부(380)로부터의 전원 공급을 차단할 수 있다. 이를 위해, 직류-직류 변환기(310)의 일측에는 전원부(360)로부터 공급되는 전원을 차단하기 위한 소정 전력 차단 회로가 가 더 구비될 수도 있다.
제어부(380)는 통신부(340)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 증폭률을 동적으로 조정할 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. 또한, 제어부(380) 아날로그 핑 신호와 디지털 핑 신호를 발생시키도록 제어할 수 있다. 제어부(380)는 아날로그 핑 신호들 사이, 디지털 핑 신호와 아날로그 신호 사이에 레일 전압의 공급을 차단하도록 제어할 수 있다.
변조부(342)는 제어부(380)에 의해 생성된 제어 신호를 변조하여 공진코일(330)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(341)는 송신 코일을 통해 수신되는 신호가 감지되면, 감지된 신호를 복조하여 제어부(380)에 전송할 수 있다. 일 예로, 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. 다른 예로, 복조된 신호는 기준 품질 인자 값 및 기준 주파 수 값 중 어느 하나 이상의 값을 포함하는 FOD 상태 정보가 포함될 수 있다.
일 예로, 무선 전력 송신기(300)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.
이상이 도 3의 설명에서는 무선 전력 송신기(300)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.
도 4는 도 3에 따른 무선 전력 송신기와 연동되는 무선 전력 수신기의 구조를 설명하기 위한 블록도이다.
도 4를 참조하면, 무선 전력 수신기(400)는 수신 코일(410), 정류기(420), 직류/직류 변환기(DC/DC Converter, 430), 부하(440), 센싱부(450), 통신부(460), 주제어부(470)를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 통신부(460)는 복조부(461) 및 변조부(462) 중 적어도 하나를 포함하여 구성될 수 있다.
상기한 도 4의 예에 도시된 무선 전력 수신기(400)는 인밴드 통신을 통해 무선 전력 송신기와 정보를 교환할 수 있는 것으로 도시되어 있으나, 이는 하나의 실시예에 불과하며, 다른 일 실시예에 따른 통신부(460)는 무선 전력 신호 전송에 사용되는 주파수 대역과는 상이한 주파수 대역을 통해 근거리 양방향 통신을 제공할 수도 있다.
수신 코일(410)을 통해 수신되는 AC 전력은 정류부(420)에 전달할 수 있다. 정류기(420)는 AC 전력을 DC 전력으로 변환하여 직류/직류 변환기(430)에 전송할 수 있다. 직류/직류 변환기(430)는 정류기 출력 DC 전력의 세기를 부하(440)에 의해 요구되는 특정 세기로 변환한 후 부하(440)에 전달할 수 있다. 또한 수신 코일(410)은 복수의 수신 코일(미도시)-즉, 제1 내지 제n 수신 코일-을 포함하여 구성될 수 있다. 일 실시예에 따른 각각의 수신 코일(미도시)에 전달되는 AC 전력의 주파수가 서로 상이할 수도 있고, 다른 일 실시예는 LC 공진 특성을 수신 코일마다 상이하게 조절하는 기능이 구비된 소정 주파수 제어기를 이용하여 각각의 수신 코일 별 공진주파수를 상이하게 설정할 수도 있다.
센싱부(450)는 정류기(420) 출력 DC 전력의 세기를 측정하고, 이를 주제어부(470)에 제공할 수 있다. 일 예로, 센싱부(450)는 무선 전력 수신에 따라 수신 코일(410)에 인가되는 전류의 세기를 측정하고, 측정 결과를 주제어부(470) 에 전송할 수도 있다. 다른 예로, 센싱부(450)는 무선 전력 수신기(400)의 내부 온도를 측정하고, 측정된 온도 값을 주제어부(470)에 제공할 수도 있다.
일 예로, 주제어부(470)는 측정된 정류기 출력 DC 전력의 세기가 소정 기준치와 비교하여 과전압 발생 여부를 판단할 수 있다. 판단 결과, 과전압이 발생된 경우, 과전압이 발생되었음을 알리는 소정 패킷을 생성하여 변조부(462)에 전송할 수 있다. 여기서, 변조부(462)에 의해 변조된 신호는 수신 코일(410) 또는 별도의 코일(미도시)을 통해 무선 전력 송신기에 전송될 수 있다. 또한, 주제어부(470)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(462)를 통해 무선 전력 송신기에 전송될 수 있도록 제어할 수 있다. 다른 일 예로, 복조부(461)는 수신 코일(410)과 정류기(420) 사이의 AC 전력 신호 또는 정류기(420) 출력 DC 전력 신호를 복조하여 감지 신호의 수신 여부를 식별한 후 식별 결과를 주제어부(470)에 제공할 수 있다. 이때, 주제어부(470)는 감지 신호에 대응되는 신호 세기 지시자가 변조부(462)를 통해 전송될 수 있도록 제어할 수 있다.
또한, 주제어부(470)는 미리 저장된 기준 품질 인자 값 및 기준 주파수 값 중 어느 하나 이상의 값을 포함하는 FOD 상태 패킷을 변조부(462)를 통해 무선 전력 송신기에 전송할 수 있도록 제어할 수 있다.
한편, 무선 충전 동작과 직접적인 관계가 없는 동작 구간에서 발생되는 불필요한 소모 전류를 감소시켜 배터리의 수명을 향상시킬 수 있다. 예컨대, 아날로그 핑 신호와 디지털 핑 신호를 발생할 시 약 6V의 레일 전압을 출력하게 된다. 이때, 아날로그 핑 신호와 디지털 핑 신호가 동작되지 않는 구간에서 직류-직류 변한기 내부에서 수십mA 내지 수백mA의 전류를 소모하게 된다.
따라서, 이하에서는 아날로그 핑 신호와 디지털 핑 신호가 생성하지 않는 구간에서 소모 전류를 감소시킬 수 있는 방법을 설명하기로 한다.
도 5는 제1 실시예에 따른 무선 충전 방법을 나타낸 블럭도이고, 도 6은 아날로그 핑 신호와 디지털 핑 신호의 동작 시 발생하는 전압 및 전류 파형을 나타낸 그래프이고, 도 7은 도 6의 일부 영역을 나타낸 그래프고, 도 8은 제1 실시예에 따른 무선 전력 송신기의 구조를 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 제1 실시예에 따른 무선 충전 방법은 아날로그 핑 신호가 오프된 이후 레일 전류를 차단시키는 단계(S301)를 포함할 수 있다.
무선전력송신기(300)은 주기적으로 아날로그 핑 신호와 디지털 핑 신호를 생성할 수 있다. 아날로그 핑 신호는 400ms 내지 420ms 주기로 생성될 수 있다. 디지털 핑은 Bms 주기로 생성되거나, 아날로그 핑 신호에 의해 물체가 감지되었을 때 Xma 내에 생성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는 주기적으로 생성되는 아날로그 핑 및/또는 디지털 핑 신호의 사이의 아이들(Idle) 구간에서 인버터(320)로 입력되는 전력(또는 레일 전류)를 차단할 수 있다.
아이들 구간은 인버터(320)가 교류 전압/전류를 출력하지 않은 구간에 대응될 수 있다. 또한, 인버터(320)가 정상 동작하기 위한 전압을 생성하기 위한 준비(Warm-up) 구간을 고려하여 인버터(320)의 입력 전력(또는 레일 전류)를 차단할 수 있다. 예를 들어, 핑 신호 생성 전에 인버터(320)에 전력(또는 전류)가 인가되어 다음 핑 신호가 출력되는데 문제가 발생하지 않도록 할 수 있다.
또한, 아날로그 핑 신호를 생성한 후, 인버터(320)의 출력 전압을 기설정된 시간(예를 들어 Zma)를 유지할 수 있다. 제어부(380)가 아날로그 핑 신호를 이용해 물체가 활성 영역(충전 인터페이스)에 있는지 여부를 판단하기 위한 시간일 수 있다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 아날로그 핑 신호(P1)는 물체를 감지하는 역할을 한다. 아날로그 핑 신호(P1)는 매우 짧은 펄스로 전송될 수 있다. 아날로그 핑 신호(P1)는 소정 주기로 발생될 수 있다. 아날로그 핑 신호(P1)는 400ms 내지 420ms의 주기로 발생될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
디지털 핑 신호(P2)는 물체가 감지되면 수신기를 활성화시키고 감지된 물체가 무선 전력 수신기인지 식별하는 역할을 한다. 감지된 물체가 무선 전력 수신기가 아니라고 판단되면 다시 아날로그 핑 신호(P1)를 주기적으로 전송될 수 있다.
디지털 핑 신호(P2)는 코일의 개수에 따라 발생될 수 있다. 디지털 핑 신호(P2)는 코일의 개수에 대응되도록 3개의 신호로 발생될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 코일의 개수가 1개인 코일 충전기에도 본 실시예의 구조가 적용될 수 있다.
아날로그 핑 신호(P1)들 사이에는 불필요한 대기 전류 소모를 방지하기 위해 레일 전류(I_rail)을 차단시킬 수 있다. 레일 전류(I_rail)는 레일 전압(V_rail)을 제어하여 차단시킬 수 있다. 예컨대, 아날로그 핑 신호(P1)가 오프되면 제어부(380)는 레일 전압(V_rail)가 0V까지 하강되도록 제어할 수 있다. 여기서, 레일 전류(I_rail)가 차단되는 구간(T1)은 300ms 내지 350ms 을 포함할 수 있다.
디지털 핑 신호(P2)는 송신기에서 물체가 감지하면 감지된 물체가 무선 전력 수신기인지 식별하기 위해 발생될 수 있다. 따라서, 아날로그 핑 신호(P1)가 오프된 이후 디지털 핑 신호(P2)가 생성될 수 있는 시간(T4)을 고려해야 한다. 예컨대, 물체 판단 시간 이전에 레일 전류(I_rail)가 차단되면 수신기에 물체가 존재함에도 불구하고, 디지털 핑 신호(P2)는 발생하지 않게 되는 문제점이 발생될 수 있다.
이에 따라 디지털 핑(P1) 신호가 생성될 수 있는 시간(T4)을 고려하여 아날로그 핑 신호(P1)가 오프된 이후 일정 시간 이후에 레일 전류(I_rail)을 차단시킬 수 있다. 여기서, 아날로그 핑 신호(P1)가 오프된 후와 레일 전류(I_rail)가 차단되기 시작되는 구간의 사이를 제1 안정화 구간(T2)이라고 지칭할 수 있다. 아날로그 핑 신호(P1)가 오프된 이후 일정 시간 이후에 레일 전류(I_rail)을 차단되는 시간은 아날로그 핑 신호(P1)가 오프된 이후 디지털 핑(P1) 신호가 생성될 수 있는 시간(T4)보다 클 수 있다.
제1 안정화 구간(T2)은 약 30ms 내지 32ms를 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 아날로그 핑 신호(P1)가 오프된 이후 디지털 핑 신호(P2)가 생성될 수 있는 시간(T4)은 29ms일 수 있으므로, 제1 안정화 구간(T2)은 아날로그 핑 신호(P1)가 오프된 후 디지털 핑 신호(P2) 생성 시간(T4)과, 약 3ms의 마진 구간을 포함할 수 있다. 마진 구간은 아날로그 핑 신호가 오프된 후 디지털 핑 신호 생성 시간(T4)의 10% 범위일 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 직류-직류 변환기(310) 에는 에이블/인에이블 신호를 받을 수 있는 스위치(SW)가 더 연결될 수 있다. 제어부(380)는 스위치(SW)를 제어하여 인버터(320)로 입력되는 레일 전압(V_rail)의 공급 및 차단을 제어할 수 있다. 여기서, 스위치(SW)는 직류-직류 변환기(310)의 내부에 배치될 수도 있다.
제어부(380)는 아날로그 핑 신호(P1)가 오프되면 기설정된 시간 예컨대, 제1 안정화 시간인 30ms 내지 32ms 후에 스위치(SW)를 오프시키도록 신호를 제공할 수 있다. 스위치(SW)가 오프되면 레일 전압(V_rail)이 0V로 하강되어 레일 전류(I_rail)가 차단될 수 있다. 여기서, 제어부(380)에 의해 레일 전압(V_rail)이 OV로 하강되는 동안 직류-직류 변환기(310)의 내부 부품에 소정의 전압이 남아 있기 때문에 레일 전압(V_rail)은 서서히 감소하게 된다.
도 5로 돌아가서, 제1 실시예에 따른 무선 충전 방법은 아날로그 핑 신호가 오프된 이후 레일 전류를 차단시키는 단계를 마친 이후 소정의 시간 후에 레일 전류를 공급하는 단계를 수행할 수 있다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 레일 전류를 공급하는 단계(S302)는 레일 전압(V_rail)을 예컨대, 6V로 상승시켜 레일 전류를 공급하는 단계(S302)를 수행할 수 있다. 레일 전류(I_rail)는 레일 전류(I_rail)가 차단된 이후 300ms 내지 350ms 이후에 공급될 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 제어부(380)에 의해 스위치(SW)가 온되면 레일 전압(V_rail)은 6V로 상승하게 된다. 이때, 레일 전류(I_rail)는 레일 전압(V_rail)이 상승하는 동안 상승하게 된다.
도 5로 돌아가서, 레일 전류를 공급되는 단계(S302)를 마치면 제2 안정화 구간 후에 아날로그 핑 신호를 생성시키는 단계(S303)를 수행할 수 있다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 아날로그 핑 신호(P1)는 레일 전류(I_rail) 값이 아날로그 핑 신호(P1)를 생성시킬 수 있을 정도의 전류값으로 상승해야 한다.
레일 전류(I_rail)가 아날로그 핑 신호(P1)를 생성시킬 수 있는 전압으로 상승되는 구간을 제2 안정화 구간(T3)이라고 지칭할 수 있다. 제2 안정화 구간은 제어부(380)에 의해 전압이 공급되도록 제어하는 시간을 더 포함할 수 있다. 제2 안정화 구간(T3)은 5ms 내지 7ms를 포함할 수 있다. 따라서, 제2 안정화 구간(T3)은 전류 공급을 제어할 수 있도록 충분한 시간이 확보될 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 제어부(380)는 스위치(SW)를 온시키도록 신호를 제공할 수 있다. 이로 인해 레일 전압(V_rail)은 0V에서 6V로 상승하게 된다. 이때, 레일 전류(I_rail)도 함께 상승된다. 아날로그 핑 신호(P1)를 생성시킬 수 있을 정도의 전류값으로 상승하면 제어부(380)는 아날로그 핑 신호(P1)를 생성시키도록 신호를 제공할 수 있다.
종래에는 아날로그 핑 신호를 주기적으로 발생시킴에도 불구하고 아날로그 핑 신호들 사이에 레일 전류를 지속적으로 공급하였다. 이로 인해 회로 내에 불필요한 대기 전류가 발생되었다.
반면, 실시예에서는 아날로그 핑 신호 사이에 레일 전류를 소정 시간 동안 차단시키도록 구성함으로써, 아날로그 핑 동작 사이에 발생되는 대기 전류를 완전히 제거할 수 있다.
실시예에 따른 무선 충전 방법은 종래 무선 충전 방법에 비해 소모 전류를 10% 이상 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
상기에서는 아날로그 핑 신호들 사이에 레일 전류를 차단시키도록 제어하였다. 이로 인해 아날로그 핑 신호들 사이의 불필요한 소모 전류가 감소되었으나, 아날로그 핑 들 사이의 발생 주기가 짧으므로 그에 대한 반복적인 제어 동작이 증가하여 소자 성능 저하 및 제어 오류가 발생될 수 있다. 따라서, 이하에서는 아날로그 핑 신호들 사이의 불필요한 소모 전류를 감소시키면서 제어 동작을 최소화하기 위한 동작을 설명한다.
도 9는 제2 실시예에 따른 무선 충전 방법에 따른 전류 및 전류 파형을 나타낸 그래프이다.
제2 실시예에 따른 무선 충전 방법은 아날로그 핑 신호가 오프된 이후 제1 안정화 시간 후에 레일 전류를 차단시키는 단계와, 상기 소정의 시간 후에 레일 전류를 공급하는 단계와, 제2 안정화 시간 후에 아날로그 핑 신호를 생성시키는 단계를 포함하고, 아날로그 핑 신호들 사이에 레일 전류를 차단시키는 단계는 2주기로 동작될 수 있다.
아날로그 핑 신호(P1)는 물체를 감지하는 역할을 한다. 아날로그 핑 신호(P1)는 매우 짧은 펄스로 전송될 수 있다. 아날로그 핑 신호(P1)는 소정 주기로 발생될 수 있다. 아날로그 핑 신호(P1)는 400ms 내지 420ms의 주기로 생성될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
디지털 핑 신호(P2)는 물체가 감지되면 수신기를 활성화시키고 감지된 물체가 무선 전력 수신기인지 식별하는 역할을 한다. 디지털 핑 신호(P2)는 코일의 개수에 따라 발생될 수 있다. 디지털 핑 신호(P2)는 코일의 개수에 대응되도록 3개의 신호로 발생될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 감지된 물체가 무선 전력 수신기가 아니라고 판단되면 다시 아날로그 핑 신호(P1)를 주기적으로 전송될 수 있다.
물체 판단 시간 이전에 레일 전압(V_rail)을 오프하게 되면 실제로 물체가 존재함에도 불구하고, 디지털 핑 신호는 발생하지 않게 되는 문제점이 발생될 수 있다. 이를 방지하기 위해 제1 안정화 구간(T2)을 설정할 수 있다.
제1 안정화 구간(T2)은 아날로그 핑 신호(P1)가 오프된 후와 레일 전류(I_rail)가 차단되기 시작되는 구간 사이를 포함할 수 있다.
제1 안정화 구간(T2)은 약 30ms 내지 32ms를 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 아날로그 핑 신호(P1)가 오프된 이후 디지털 핑(P1) 신호가 생성될 수 있는 시간(T4)은 29ms일 수 있으나, 아날로그 핑 신호(P1)의 생성 후 신호 지연 또는 노이즈에 의해 물체를 감지하는 시간이 더 소요될 수 있다. 이를 위해 제1 안정화 구간(T2)은 아날로그 핑 신호(P1)가 오프된 이후 디지털 핑 신호(P2)가 생성될 수 있는 시간의 10% 범위의 마진 구간을 포함할 수 있다. 마진 구간은 약 3ms일 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
제2 안정화 구간(T3)은 레일 전류(I_rail)가 아날로그 핑 신호(P1)를 생성시킬 수 있는 전압으로 상승되는 구간을 포함할 수 있다.
제2 안정화 구간(T3)은 제어부(380)에 의해 전류 공급을 제어하는 시간을 더 포함할 수 있다. 제2 안정화 구간은 제2 안정화 구간(T3)은 5ms 내지 7ms를 포함할 수 있다. 제2 안정화 구간은 신호 지연 또는 노이즈에 의해 물체를 감지하는 시간이 더 소요될 수 있다. 이러한 경우, 마진 구간을 더 포함시킴으로써 물체를 감지할 수 있는 시간을 충분히 확보할 수 있게 된다. 마진 구간은 1ms 내지 2ms를 포함할 수 있다.
제1 아날로그 핑 신호(P11)가 오프되면 제1 안정화 구간(T2) 후에 레일 전류(I_rail)를 차단시킬 수 있다. 이후, 소정의 시간 후에 레일 전류(I_rail)을 공급할 수 있다. 레일 전류(I_rail)는 제2 아날로그 핑 신호(P12)가 생성되기 전 제2 안정화 구간(T3) 전에 공급될 수 있다.
이어서, 제2 아날로그 핑 신호(P12)와 제3 아날로그 핑 신호(P13) 사이에는 레일 전류(I_rail)를 차단시키는 제어동작을 수행하지 않을 수 있다. 제2 아날로그 핑 신호(P12)와 제3 아날로그 핑 신호(P13) 사이에는 대기 전류가 발생될 수 있다.
제3 아날로그 핑 신호(P13)가 오프되면 제1 안정화 구간(T2) 후에 레일 전류(I_rail)를 차단시킬 수 있다. 이후, 소정의 시간 후에 레일 전류(I_rail)을 공급할 수 있다. 레일 전류(V_rail)는 제4 아날로그 핑 신호(P14)가 생성되기 전 제2 안정화 구간(T3) 전에 공급될 수 있다.
레일 전류(I_rail)는 레일 전압(V_rail)을 제어하여 차단시킬 수 있다. 제어부(380)는 스위치(SW)를 온시켜 레일 전압을 공급할 수 있다. 제어부(380)는 스위치(SW)를 오프시켜 레일 전압(V_rail)을 0V까지 하강시킬 수 있다.
상기에서는 아날로그 핑 신호들 사이에 레일 전류를 차단시키는 단계를 2주기 단위로 동작시키도록 구성함으로써, 제어 동작의 감소 및 작동 오류를 방지할 수 있는 효과가 있다. 물론, 아날로그 핑 신호들 사이에 2주기 이상으로 동작되도록 제어할 수도 있다.
상기에서는 아날로그 핑 신호들 사이에서 레일 전류를 차단시켜 회로 내 소모 전류를 감소시키도록 구성하였으나, 이하에서는 아날로그 핑 신호와 디지털 핑 신호 사이에서 발생되는 소모 전류를 감소시키는 동작에 대해 설명한다.
도 10은 제3 실시예에 따른 무선 충전 방법을 나타낸 블럭도이고, 도 11은 아날로그 핑 신호와 디지털 핑 신호의 동작시 발생하는 전압 및 전류 파형을 나타낸 그래프이고, 도 12는 도 11의 일부 영역을 나타낸 그래프이다.
도 10을 참조하면, 제2 실시예에 따른 무선 충전 방법은 디지털 핑 신호가 오프된 이후 제1 안정화 시간 후에 레일 전압을 차단시키는 단계(S401)를 포함할 수 있다.
도 11 및 도 12를 참조하면, 아날로그 핑 신호(P1)는 물체를 감지하는 역할을 한다. 아날로그 핑 신호(P1)는 매우 짧은 펄스로 전송될 수 있다. 아날로그 핑 신호(P1)는 소정 주기로 발생될 수 있다. 아날로그 핑 신호(P1)는 400ms 내지 420ms의 주기로 발생될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
디지털 핑 신호(P2)는 물체가 감지되면 수신기를 활성화시키고 감지된 물체가 무선 전력 수신기인지 식별하는 역할을 한다. 디지털 핑 신호(P2)는 코일의 개수에 따라 발생될 수 있다. 디지털 핑 신호(P2)는 코일의 개수에 대응되도록 3개의 신호로 발생될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 감지된 물체가 무선 전력 수신기가 아니라고 판단되면 다시 아날로그 핑 신호(P1)를 주기적으로 전송될 수 있다.
디지털 핑 신호(P2)와 아날로그 핑 신호(P1) 사이에는 레일 전류(I_rail)를 차단시킬 수 있다. 레일 전류(I_rail)는 레일 전압(V_rail)을 제어하여 차단시킬 수 있다. 예컨대, 디지털 핑 신호(P2)가 오프되면 레일 전압(V_rail)을 0V까지 하강시켜 레일 전류(I_rail)를 차단시키고, 다음 아날로그 핑 신호(P1)가 생성되기 전에 레일 전압(V_rail)을 상승시켜 레일 전류(I_rail)를 공급할 수 있다. 디지털 핑 신호(P2)와 아날로그 핑 신호(P1) 사이의 구간은 아날로그 핑 신호(P1)들 사이의 구간보다 짧기 때문에 디지털 핑 신호(P2)와 아날로그 핑 신호(P1) 사이에서 레일 전류(I_rail)를 차단시키는 시간은 아날로그 핑 신호(P1)들 사이에 레일 전류를 차단시키는 시간 보다 짧을 수 있다.
디지털 핑 신호(P2)가 오프된 후 레일 전류(I_rail)를 차단하는 구간 사이에는 제1 안정화 구간(T22)이 마련될 수 있다. 제1 안정화 구간(T22)은 제어부가 레일 전압(V_rail)을 제어하기 위해 스위치에 오프 신호를 제공하는 시간을 포함할 수 있다.. 제1 안정화 구간(T22)에는 레일 전류(I_rail)가 여전히 발생될 수 있다.
도 10을 참조하면, 제2 실시예에 따른 무선 충전 방법은 디지털 핑 신호가 오프된 이후 레일 전압을 차단시키는 단계(S401)를 마친 이후 소정의 시간 후에 레일 전류를 공급하는 단계(S402)를 수행할 수 있다.
도 11 및 도 12를 참조하면, 레일 전류를 공급하는 단계(S401)는 레일 전압(V_rail)을 예컨대, 6V로 상승시켜 레일 전류를 공급하는 단계(S302)를 수행할 수 있다. 이때, 레일 전류(I_rail)는 레일 전압(V_rail)이 상승하는 동안 아날로그 핑 신호(P1)를 생성시킬 수 있을 정도의 전류값으로 상승하게 된다. 여기서, 레일 전류(I_rail)이 아날로그 핑 신호(P1)를 생성시킬 수 있는 전압으로 상승되는 구간을 제2 안정화 구간(T33)이라고 지칭할 수 있다.
도 10으로 돌아가서, 레일 전압을 공급되는 단계(S402)를 마치면 제2 안정화 구간 후에 아날로그 핑 신호를 생성시키는 단계(S403)를 수행할 수 있다.
도 11 및 도 12를 참조하면, 아날로그 핑 신호를 생성시키는 단계는 앞서 설명한 제2 안정화 구간(T33) 후에 생성될 수 있다. 실시예는 아날로그 핑 신호들 사이에 레일 전류를 차단하는 방법과 함께 디지털 핑 신호와 아날로그 핑 신호 사이에 레일 전류를 차단하는 방법을 제공함으로써, 디지털 핑 신호와 아날로그 핑 신호 사이에 발생되는 대기 전류를 차단하여 불필요하게 소모되는 전류를 감소시킬 수 있는 효과가 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.
10: 무선 전력 송신기
20: 무선 전력 수신기
30: 전자 기기

Claims (15)

  1. 교류를 입력받아 자속(Magnetic flux)을 생성하는 송신 코일;
    직류를 입력받아 상기 교류를 생성하는 인버터;
    상기 인버터에 상기 직류를 공급하는 직류-직류 변환기; 및
    상기 직류-직류 변환기 및 인버터의 동작을 제어하여 상기 송신 코일을 통해 핑 신호를 생성하는 컨트롤러를 포함하고,
    상기 컨트롤러는 제1 핑 신호를 주기적으로 발생시키고, 상기 제1 핑 신호 생성으로부터 제1 안정화 구간 동안 상기 직류 공급을 유지하고,
    상기 제1 안정화 구간 이후, 소정 시간 동안 상기 직류를 차단하고,
    상기 소정 시간 후에 상기 전류를 공급하고, 상기 소정 시간 후로부터 제2 안정화 구간 후에 제2 핑 신호를 생성하도록 설정된 무선 충전기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 핑 신호 및 제2 핑 신호는 아날로그 핑 신호를 포함하는 무선 충전기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 핑 신호는 디지털 핑 신호를 포함하고, 상기 제2 핑 신호는 아날로그 핑 신호를 포함하는 무선 충전기.
  4. 물체를 감지하는 아날로그 핑 신호를 주기적으로 발생시키는 단계;
    상기 물체가 감지되면 디지털 핑 신호를 발생시키는 단계; 및
    상기 아날로그 핑 신호들 사이에 레일 전압을 차단시키는 단계;를 포함하고,
    상기 아날로그 핑 신호들 사이에 레일 전압을 차단시키는 단계는,
    상기 아날로그 핑 신호가 오프되면 제1 안정화 구간 후에 레일 전압을 차단시키는 단계와,
    상기 소정의 시간 후에 레일 전압을 공급하는 단계와,
    상기 제2 안정화 구간 후에 아날로그 핑 신호를 온시키는 단계를 포함하는 무선 충전 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1 안정화 구간은 상기 제2 안정화 구간 보다 긴 무선 충전 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제1 안정화 구간은 상기 아날로그 핑 신호의 오프 이후 상기 물체를 감지하는 시간을 포함하고, 상기 제2 안정화 구간은 레일 전압의 제어 시간 및 레일 전압이 핑 신호를 발생시킬 수 있는 전압으로 상승되는 시간을 포함하는 무선 충전 방법.
  7. 제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 아날로그 핑 신호들 사이에 레일 전압을 차단시키는 단계는 상기 아날로그 핑 신호들의 2주기 이상의 주기로 동작되는 무선 충전 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 아날로그 핑 신호들 사이에 레일 전압을 차단시키는 단계는 300ms 내지 350m를 포함하는 무선 충전 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제1 안정화 구간은 30ms 내지 32ms를 포함하고, 상기 제2 안정화 구간은 5ms 내지 7ms를 포함하는 무선 충전 방법.
  10. 제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 디지털 핑 신호와 상기 아날로그 핑 신호 사이에 레일 전압을 차단시키는 단계를 더 포함하는 무선 충전 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 디지털 핑 신호와 상기 아날로그 핑 신호 사이에 레일 전압을 차단시키는 시간은 상기 아날로그 핑 신호들 사이에 레일 전압을 차단시키는 시간 보다 작은 무선 충전 방법.
  12. 물체를 감지하는 아날로그 핑 신호를 주기적으로 발생시키는 단계;
    상기 물체가 감지되면 디지털 핑 신호를 발생시키는 단계; 및
    상기 디지털 핑 신호와 상기 아날로그 핑 신호 사이에 레일 전압을 차단시키는 단계;를 포함하고,
    상기 디지털 핑 신호와 상기 아날로그 핑 신호 사이에 레일 전압을 차단시키는 단계는,
    상기 디지털 핑 신호가 오프되면 제1 안정화 구간 후에 레일 전압을 차단시키는 단계와,
    상기 레일 전압을 공급하는 단계와,
    상기 제2 안정화 구간 후에 아날로그 핑 신호를 온시키는 단계를 포함하는 무선 충전 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제1 안정화 구간은 상기 제2 안정화 구간 보다 짧은 무선 충전 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제1 안정화 구간은 레일 전압의 제어 시간을 포함하고, 상기 제2 안정화 시간은 레일 전압의 제어 시간 및 레일 전압이 핑 신호를 발생시킬 수 있는 전압으로 상승되는 시간을 포함하는 무선 충전 방법.
  15. 제 12 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 아날로그 핑 신호들 사이에 레일 전압을 차단시키는 단계를 더 포함하는 무선 충전 방법.
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