KR20200046313A - 무선 송신 코일 및 이를 포함하는 무선 전력 송신기 - Google Patents

무선 송신 코일 및 이를 포함하는 무선 전력 송신기 Download PDF

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KR20200046313A
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Abstract

무선으로 전력을 송신하는 코일로서, 상기 코일은, 동일 평면에서 단일 루프를 가지며 복수 회 턴 하여 형성되고, 상기 코일의 내측 너비(inner width)는 18mm 이상을 가지며, 구체적으로 상기 코일은, 상기 내측 너비가 19mm±1mm이고, 외측 길이가 68±1mm이고, 내측 길이가 34±1mm이고, 외측 너비가 53±1mm이고, 두께가 1.15±1mm이며, 턴 수가 16이다.

Description

무선 송신 코일 및 이를 포함하는 무선 전력 송신기{WIRELESS POWER TRANSMITTING COIL AND WIRELESS POWER TRANSMITTER INCLUDING THE SAME}
본 발명의 실시 예는 무선 송신 코일, 무선 전력 송신기 및 이를 포함하는 무선 충전 장치에 관한 것이다.
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.
이러한 무선 전력 충전 시스템은 무선 전력 송신 장치와 무선 전력 수신 장치를 포함한다. 무선 전력 송신 장치는 무선으로 전력을 송신하며, 무선 전력 수신 장치는 무선으로 전력을 수신한다. 여기서, 전자 기기는 무선 전력 수신 장치를 포함할 수 있으며, 무선 전력 수신 장치와 전기적으로 연결될 수도 있다. 이 때 무선 전력 송신 장치의 미리 정해진 충전 영역에, 무선 전력 수신 장치가 배치되어야 한다. 특히, 무선 전력 충전 시스템이 공진 방식으로 구현되는 경우, 무선 전력 송신 장치가 무선 전력 수신 장치의 위치에 관계없이 균일한 결합 계수를 갖도록 설계되는 것이 중요하다. 그렇지 않으면, 무선 전력 수신 장치의 위치에 따라 무선 전력 송신 장치에서 조정해 주어야 하는 송신 전력량의 가변 범위가 증가해야 하기 때문에, 무선 전력 충전 시스템의 구현 비용이 증가하고, 무선 전력 충전 시스템의 효율이 저하될 수 있다.
본 발명에 따른 실시 예에서는 전력 전송 효율을 향상시킬 수 있는 무선 전력 송신기 및 이를 포함하는 무선 충전 장치를 제공하도록 한다.
또한, 본 발명에 따른 실시 예에서는 송신 코일의 특성을 향상시킬 수 있도록 한다.
또한, 본 발명에 따른 실시 예에서는 기존의 3개의 송신 코일 구조의 최대 충전 영역을 커버할 수 있는 무선 전력 송신기 및 이를 포함하는 무선 충전 장치를 제공하도록 한다.
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.
실시 예는 무선으로 전력을 송신하는 코일로서, 상기 코일은, 동일 평면에서 단일 루프를 가지며 복수 회 턴 하여 형성되고, 상기 코일의 내측 너비(inner width)는 18mm 이상을 가진다.
또한, 상기 코일은, 단일 레이어로 형성된다.
또한, 상기 코일은, 상기 내측 너비가 19mm±1mm이고, 외측 길이가 68±1mm이고, 내측 길이가 34±1mm이고, 외측 너비가 53±1mm이고, 두께가 1.15±1mm이며, 턴 수가 16이다.
또한, 상기 코일은, 제 1 코일과, 상기 제 1 코일 위에 배치되고, 상기 제 1 코일의 적어도 일부가 중첩되는 제 2 코일을 포함한다.
또한, 상기 제 1 코일과 상기 제 2 코일 사이의 간격은, 34±1mm이다.
또한, 상기 코일의 인덕턴스는 21.38±0.5uH이고, 상기 코일에서 발생되는 전력 손실량에 해당하는 저항은 0.12±0.05Ω이다.
또한, 실시 예에 따른 무선 전력 송신기는 기판; 상기 기판 상에 배치된 차폐재; 상기 차폐재 상에 배치되고, 코일선이 복수 회 턴 하여 배치된 단일 개의 코일; 및 내부에 상기 송신 코일을 수용하며, 상면에 무선 전력 수신기가 배치되는 수용 홈이 형성된 하우징을 포함하고, 상기 코일은, 상기 수용 홈과 수직으로 중첩된 영역 내에 배치되고, 상기 수용 홈의 면적은, 상기 코일의 면적보다 크며, 상기 코일은, 동일 평면 상에서 복수 회 턴하여 형성되며, 내측 너비(inner width)가 19±1mm를 가진다.
또한, 상기 코일은, 외측 길이가 68±1mm이고, 내측 길이가 34±1mm이고, 외측 너비가 53±1mm이고, 두께가 1.15±1mm이며, 턴 수가 16이다.
또한, 상기 코일의 인덕턴스는 21.38±0.5uH이고, 상기 코일에서 발생되는 전력 손실량에 해당하는 저항은 0.12±0.05Ω이다.
또한, 상기 수용 홈은, 제 1 방향으로의 너비가 170±3mm이고, 상기 제 1 방향과 수직한 제 2 방향으로의 너비가 85±3mm이다.
본 발명에 따른 실시 예는, 기존의 3 코일 구조보다 코일 개수를 감소하면서, 상기 3코일 구조가 가지는 최대 충전 영역을 커버할 수 있는 무선 전력 송신 코일 및 이를 포함하는 무선 전력 송신 장치를 제공할 수 있다.
이에 따라, 실시 예는 무선 전력 송신 코일 및 이를 포함하는 무선 전력 송신 장치를 제조하기 위한 재료비나 별도의 가공비를 절감할 수 있다.
또한, 실시 예는 충전 속도가 빠르고 충전 효율이 높은 고출력의 무선 충전을 할 수 있다.
또한, 실시 예는 기존보다 적은 코일 수를 가지고도 충전 영역을 증가시킬 수 있으며, 이에 따른 충전 자유도가 높은 무선 충전을 할 수 있다.
도 1은 일 실시 예에 따른 무선충전 시스템을 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 다른 실시 예에 따른 무선충전 시스템을 설명하기 위한 블록도이다.
도 3은 일 실시 예에 따른 무선충전 시스템에서의 감지 신호 전송 절차를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 절차를 설명하기 위한 상태 천이도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신기의 구조를 설명하기 위한 블록도이다.
도 6은 상기 도 5에 따른 무선 전력 송신기와 연동되는 무선 전력 수신기의 구조를 설명하기 위한 블록도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신기의 분해사시도이다.
도 8은 도 7의 송신코일을 나타낸 도면이다.
도 9a 및 도 9b는 송신 코일의 내측 너비에 따른 충전 효율을 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 송신기를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 송신기의 충전 영역을 나타낸 도면이다.
도 12는 종래 기술에 따른 송신 코일 구조를 나타낸 도면이고, 도 13은 도 12의 송신 코일 구조에서의 충전 영역을 나타낸 도면이다.
도 14는 본 발명의 실시 예에 따른 충전 장치를 나타낸 도면이다.
도 15는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 수신기의 이동 상태를 나타낸 도면이고, 도 16은 도 15에서의 무선 전력 수신기의 이동 범위를 나타낸 도면이다.
도 17은 본 발명에서의 최적의 수용 홈의 사이즈에 따른 무선 전력 수신기의 위치를 나타낸 도면이고, 도 18은 도 17의 무선 전력 수신기의 이동 범위를 나타낸 도면이다.
도 19는 다른 실시 예에 따른 무선충전 시스템에서의 감지 신호 전송 절차를 설명하기 위한 도면이다.
도 20은 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 전력 송신기의 구조를 설명하기 위한 블록도이다.
도 21은 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 전력 송신기의 분해사시도이다.
도 22는 도 21의 제 1 및 2 송신코일을 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
다만, 본 발명의 기술 사상은 설명되는 일부 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서라면, 실시 예들간 그 구성 요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합, 치환하여 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, "A 및(와) B, C중 적어도 하나(또는 한 개 이상)"로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나 이상을 포함 할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, 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 등으로 한정되지 않는다. 그리고, 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 '연결', '결합' 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속되는 경우 뿐만아니라, 그 구성 요소와 그 다른 구성요소 사이에 있는 또 다른 구성 요소로 인해 '연결', '결합' 또는 '접속＇되는 경우도 포함할 수 있다.
또한, 각 구성 요소의 " 상(위) 또는 하(아래)"에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, 상(위) 또는 하(아래)는 두개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 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.
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.
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 일 실시 예에 따른 무선충전 시스템을 설명하기 위한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 무선 충전 시스템은 크게 무선으로 전력을 송신하는 무선 전력 송신단(10), 상기 송신된 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.
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, 일 실시 예에 따른 무선전력 송신단(10)은 고속 충전 지원 여부를 지시하는 소정 패킷을 무선전력 수신단(20)에 전송할 수 있다. 무선전력 수신단(20)은 접속된 무선전력 송신단(10)이 고속 충전 모드를 지원하는 것으로 확인된 경우 이를 전자기기(30)에 알릴 수 있다. 전자기기(30)는 구비된 소정 표시 수단-예를 들면, 액정 디스플레일 수 있음-을 통해 고속 충전이 가능함을 표시할 수 있다.
또한 전자기기(30) 사용자는 표시 수단에 표시된 소정 고속 충전 요청 버튼을 선택하여 무선전력 송신단(10)이 고속 충전 모드로 동작하도록 제어할 수도 있다. 이 경우 전자기기(30)는 사용자에 의해 고속 충전 요청 버튼이 선택되면, 소정 고속 충전 요청 신호를 무선전력 수신단(20)에 전송할 수 있다. 무선전력 수신단(20)은 수신된 고속 충전 요청 신호에 상응하는 충전 모드 패킷을 생성하여 무선전력 송신단(10)에 전송함으로써, 고속충전 모드를 실행할 수 있다.
또한, 전자기기(30)는 사용자의 별도 요청이나 입력 없이도, 무선전력 송신기(10)와 무선전력 수신기(20)의 통신 및 협상 결과에 따라 자동으로 고속 충전 모드로 동작 및 전환 할 수 있다. 또한, 전자기기(30)는 사용자의 별도 요청이나 입력 없이도, 무선전력 송신기(10)와 무선전력 수신기(20)의 통신 및 협상 결과에 따라 자동으로 일반 저전력 모드로 동작 및 전환 할 수 있다.
또한, 무선전력 송신기(10)는 고속 충전 모드로 동작 시 무선전력 수신기(20)로부터 수신기의 상태 정보를 수집하고, 상기 상태 정보에 기반하여, 고속 충전 모드에 상응하여 전송되는 전력을 제어할 수 있다.
도 2는 다른 실시 예에 따른 무선충전 시스템을 설명하기 위한 블록도이다.
일 예로 도면 부호 200a에 도시된 바와 같이 무선전력 수신단(20)은 복수의 무선전력 수신장치로 구성될 수 있으며, 하나의 무선전력 송신단(10)에 복수의 무선전력 수신장치가 연결되어 무선 충전을 수행할 수도 있다. 이때 무선전력 송신단(10)은 시분할 방식으로 복수의 무선전력 수신장치에 전력을 분배하여 송출할 수 있으나, 이에 한정되지 않으며, 다른 일 예로 무선전력 송신단(10)은 무선전력 수신장치별로 할당된 상이한 주파수 대역을 이용하여 복수의 무선전력 수신장치에 전력을 분배하여 송출할 수 있다.
이때 하나의 무선전력 소신장치에 연결 가능한 무선전력 수신장치의 개수는 무선전력 수신장치 별 요구 전력, 배터리 충전 상태, 전자기기의 전력 소비량 및 무선전력 송신장치의 가용 전력 중 적어도 하나에 기반하여 적응적으로 결정될 수 있다.
다른 일 예로 도 2b에 도시된 바와 같이 무선전력 송신단(10)은 복수의 무선전력 송신장치로 구성될 수도 잇다. 이 경우 무선전력 수신단(20)은 복수의 무선전력 송신 장치와 동시에 연결될 수 있으며 연결된 무선전력 송신장치들로부터 동시에 전력을 수신하여 충전을 수행할 수도 있다. 이때 무선전력 수신단(20)과 연결된 무선전력 송신장치의 개수는 무선전력 수신단(20)의 요구 전력, 배터리 충전 상태, 전자기기의 전력 소비량, 무선전력 송신장치의 가용 전력 등에 기반하여 적응적으로 결정될 수 잇다.
도 3은 일 실시 예에 따른 무선충전 시스템에서의 감지 신호 전송 절차를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 일 실시 예로, 무선 전력 송신기는 단일 개의 송신 코일(111)이 장착될 수 있다. 무선 전력 송신기는 상기 단일 개의 송신 코일을 통해 무선 전력 수신기의 존재를 감지하기 위한 소정 감지 신호(117, 127)-예를 들면, 디지털 핑 신호-를 미리 정의된 순서로 순차적으로 송출할 수 있다.
상기 도 3에 도시된 바와 같이, 무선 전력 송신기는 도면 번호 110에 도시된 1차 감지 신호 송출 절차를 통해 감지 신호(117)를 송출하고, 무선 전력 수신기(115)로부터 신호 세기 지시자(Signal Strength Indicator, 116)(또는 신호 세기 패킷)의 수신 여부에 따라 송신 코일(111) 위에 수신 코일이 위치하였는지를 감지할 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)의 수신 여부에 따라 송신 코일과 수신 코일 사이의 정렬 상태를 추가로 확인할 수 있다.
상기의 도 3에서 보여지는 바와 같이, 무선 전력 송신기가 2회의 감지 신호 송출 절차를 수행하는 이유는 단일 개의 송신 코일 상에 무선 전력 수신기의 수신 코일이 잘 정렬되어 있는지를 보다 정확하게 식별하기 위함이다.
만약, 상기한 도 3의 도면 번호 110 및 120에 도시된 바와 같이, 송신 코일(111)에 신호 세기 지시자(116, 126)가 수신된 경우, 무선 전력 송신기는 상기 송신 코일(111)에 수신된 신호 세기 지시자(126)에 기반하여 무선 충전을 수행한다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 절차를 설명하기 위한 상태 천이도이다.
도 4를 참조하면, 송신기로부터 수신기로의 파워 전송은 크게 선택단계(Selection Phase, 410), 핑 단계(Ping Phase, 420), 식별 및 구성 단계(Identification and Configuration Phase, 430), 협상 단계(Negotiation Phase, 440), 보정 단계(Calibration Phase, 450), 전력 전송 단계(Power Transfer Phase, 460) 단계 및 재협상 단계(Renegotiation Phase, 470)로 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 인터페이스 표면에 물체가 존재하는지를 모니터링할 수 있다.
만약, 송신기가 인터페이스 표면에 물체가 놓여진 것이 감지되면, 핑 단계(420)로 천이할 수 있다. 선택 단계(410)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(420)에서 송신기는 물체가 감지되면, 수신기를 활성화시키고, 무선 전력을 수신할 수 있는 무선 전력 수신기인지를 식별하기 위해 무선 전력 수신기를 활성화시켜 응답신호를 생성하도록 만드는 디지털 핑(Digital Ping)을 전송한다. 핑 단계(420)에서 송신기는 디지털 핑에 대한 응답 시그널-예를 들면, 신호 세기 패킷-을 수신기로부터 수신하지 못하면, 다시 선택 단계(410)로 천이할 수 있다.
또한, 핑 단계(420)에서 송신기는 수신기로부터 파워 전송이 완료되었음을 지시하는 신호-즉, 충전 완료 패킷-을 수신하면, 선택 단계(410)로 천이할 수도 있다.
핑 단계(420)가 완료되면, 송신기는 수신기를 식별하고 수신기 구성 및 상태 정보를 수집하기 위한 식별 및 구성 단계(430)로 천이할 수 있다.
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.
송신기는 식별 및 구성 단계(430)에서 수신된 구성 패킷(Configuration packet)의 협상 필드(Negotiation Field) 값에 기반하여 협상 단계(440)로의 진입이 필요한지 여부를 확인할 수 있다.
확인 결과, 협상이 필요하면, 송신기는 협상 단계(440)로 진입하여 소정 이물질 검출 절차(FOD(Foreign Object Detection) Procedure)를 수행할 수 있다.
반면, 확인 결과, 협상이 필요하지 않은 경우, 송신기는 곧바로 전력 전송 단계(460)로 진입할 수도 있다.
협상 단계(440)에서, 송신기는 기준 품질 인자 값이 포함된 FOD 상태 패킷을 수신할 수 있다. 이때, 송신기는 기준 품질 인자 값에 기반하여 FO 검출을 위한 임계 값를 결정할 수 있다.
일예로, 송신기는 기준 품질 인자 값을 매개 변수로 하는 소정 임계 생성 함수를 이용하여 이물질의 존재 여부를 판단하기 위한 임계 값 또는 임계 범위를 결정할 수 있다. 여기서, 임계 생성 함수에 의해 산출되는 임계 값 또는 임계 범위는 기준 품질 인자 값보다 작은 값이다. 일 실시예에 따른 이물질 검출을 위한 임계 값은 기준 품질 인자 값, 해당 무선 전력 송신기에 상응하여 미리 설정된 구성 인자(Design_factor), 표준에 정의된 허용 오차(tolerence) 등에 기반하여 결정될 수 있다.
일반적으로 충전 영역에 이물질이 배치되면 송신기의 공진 회로에서 측정되는 품질 인자 값은 이물질 배치되기 이전에 비해 떨어진다. 실제 무선 충전 시스템에서 충전 영역에 이물질이 배치되는 경우, 기준 품질 인자 값 대비 측정된 품질 인자 값이 감소되는 비율은 충전 영역에 배치된 수신기의 타입-즉, 해당 무선 전력 수신기의 기준 품질 인자 값-에 따라 상이할 수 있다. 특히, 기준 품질 인자 값이 클수록 이물질 배치에 따른 품질 인자 값의 감소 비율은 급격히 높아지는 특징이 있다. 따라서, 본 발명에 따른 송신기는 기준 품질 인자 값이 큰 무선전력 수신기일수록 기준 품질 인자 값 대비 이물질을 검출하기 위한 임계 값의 비율이 낮아지도록 임계 값(또는 임계 범위)를 결정할 수 있다. 이를 통해, 송신기가 이물질 검출에 실패할 확률이 낮아질 수 있다.
송신기는 물체 감지 후 측정된 품질 인자 값과 FO 검출을 위해 결정된 임계 값을 비교하여 충전 영역에 FO가 존재하는지를 판단할 수 있으며, FO 검출 결과에 따라 전력 전송을 제어할 수 있다. 일 예로, FO가 검출된 경우, 송신기는 전력 전송을 중단할 수 있으며, FO가 검출되었음을 지시하는 소정 경고 알람을 출력할 수 있다.
FO가 검출된 경우, 송신기는 선택 단계(410)로 회귀할 수 있다. 반면, FO가 검출되지 않은 경우, 송신기는 보정 단계(450)를 거쳐 전력 전송 단계(460)로 진입할 수도 있다. 상세하게, 송신기는 FO가 검출되지 않은 경우, 송신기는 보정 단계(450)에서 수신단에 수신된 전력의 세기를 결정하고, 송신단에서 전송한 전력의 세기를 결정하기 위해 수신단과 송신단에서의 전력 손실을 측정할 수 있다. 즉, 송신기는 보정 단계(450)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(460)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.
또한, 전력 전송 단계(460)에서, 송신기는 송신기 상태 변화 등에 따라 파워 전송 계약을 재구성할 필요가 있는 경우, 재협상 단계(470)로 천이할 수 있다.
예를 들어, 전력 전송 단계(460)에서, 송신기는 FO 검출 동작을 계속하여 진행할 수 있다. 즉, 전력 전송 단계(460)에서, 송신기는 공진 회로의 전압을 측정하여 품질 인자 값을 측정할 수 있다. 그리고, 전력 전송 단계(460)에서 송신기는 상기 품질 인자 값과 상기 기준 품질 인자 값을 비교할 수 있다. 이에 따라, 상기 송신기는 상기 전력 전송 단계(460)에서 상기 충전 영역에 FO가 존재하는지를 판단할 수 있다. 그리고, 전력 전송 단계(460)에서 FO가 검출되면 재협상 단계(470)로 천이할 수 있다. 또한, 이와 다르게 전력 전송 단계(460)에서 FO가 검출되면, 송신기는 전력 전송을 중단하고, 선택 단계(410)로 천이할 수도 있다.
또한, 상기 재협상 단계(470)에서, 재협상이 정상적으로 완료되면, 송신기는 전력 전송 단계(460)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 파워에 대한 정보, 최대 수용 가능한 수신기 개수에 대한 정보 등을 포함할 수 있으며, 수신기 상태 정보는 요구 전력에 대한 정보 등을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 무선 전력 수신기는 전력 전송 단계에서 과열 감지 시 리핑 코드 또는 과열 보호 코드가 포함된 전력 전송 종료 패킷을 무선 전력 송신기에 전송할 수도 있다.
이 경우, 무선 전력 송신기는 리핑 코드 또는 과열 보호 코드가 포함된 전력 전송 종료 패킷이 수신되면, 전력 전송을 중단하고, 선택 단계(410)로 진입하여 리핑 타이머를 구동할 수 있다.
여기서, 리핑 타이머 구동 시간은 협상 단계(440) 및 재협상 단계(470)에서 리핑 시간 협상 결과에 기반하여 결정될 수 있다.
리핑 시간 협상이 성공하면, 협상된 리핑 시간으로 리핑 타이머가 구동될 수 있다. 반면, 리핑 시간 협상이 실패하면, 미리 정의된 디폴트 리핑 시간으로 리핑 타이머가 구동될 수 있다.
무선 전력 송신기는 리핑 타이머가 만료되면, 핑 단계(420)로 진입하여 디지털 핑 전송을 개시하고, 신호 세기 패킷을 수신할 수 있다.
무선 전력 송신기는 식별 및 구성 단계(430)에서 리핑 코드 또는 과열 보호 코드가 포함된 전력 전송 종료 패킷이 무선 전력 수신기로부터 수신되면, 리핑 시간을 증가시킬 수 있다.
일 예로, 무선 전력 송신기는 무선 전력 수신기의 과열 현상이 해소되지 않으면, 리핑 시간을 미리 정의된 최대 시간까지 단계적으로 증가시킬 수 있다.
무선 전력 송신기는 무선 전력 수신기의 과열 현상이 해소되면, 해당 무선 전력 수신기로의 충전을 재개할 수 있다.
본 발명에 따른 무선 전력 송신기에서의 리핑 시간 제어 방법은 후술할 도면들의 설명을 통해 보다 명확해질 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신기의 구조를 설명하기 위한 블록도이다.
도 5를 참조하면 무선 전력 송신기(500)는 크게, 전력 변환부(510), 전력 전송부(520), 통신부(530), 제어부(540), 센싱부(550)를 포함하여 구성될 수 있다. 상기한 무선 전력 송신기(500)의 구성은 반드시 필수적인 구성은 아니어서, 그보다 많거나 적은 구성 요소를 포함하여 구성될 수도 있음을 주의해야 한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 전력 변환부(510)는 전원부(560)로부터 DC 전원이 공급되면, 이를 소정 세기의 교류 전력으로 변환하는 기능을 수행할 수 있다.
이를 위해, 전력 변환부(510)는 DC/DC 변환부(511), 인버터(512) 및 주파수 생성기(513)를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 인버터(512)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(511)는 전원부(550)로부터 공급된 DC 전력을 제어부(540)의 제어 신호에 따라 특정 세기의 DC 전력으로 변환하는 기능을 수행할 수 있다.
이때, 센싱부(550)는 DC 변환된 전력의 전압/전류 등을 측정하여 제어부(540)에 제공할 수 있다. 또한, 센싱부(550)는 과열 발생 여부 판단을 위해 무선 전력 송신기(500)의 내부 온도를 측정하고, 측정 결과를 제어부(540)에 제공할 수도 있다. 일 예로, 제어부(540)는 센싱부(550)에 의해 측정된 전압/전류 값에 기반하여 적응적으로 전원부(550)로부터의 전원 공급을 차단하거나, 증폭기(512)에 전력이 공급되는 것을 차단할 수 있다. 이를 위해, 전력 변환부(510)의 일측에는 전원부(550)로부터 공급되는 전원을 차단하거나, 증폭기(512)에 공급되는 전력을 차단하기 위한 소정 전력 차단 회로가 가 더 구비될 수도 있다.
인버터(512)는 DC/DC 변환된 직류 전력을 주파수 생성기(513)에 의해 생성된 기준 교류 신호에 기반하여 교류 전력으로 변환할 수 있다. 이때, 기준 교류 신호의 주파수-즉, 동작 주파수-는 제어부(540)의 제어 신호에 따라 동적으로 변경될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신기(500)는 동작 주파수를 조절하여 송출 전력의 세기를 조절할 수도 있다. 일 예로, 제어부(540)는 통신부(530)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(513)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(520)는 다중화기(521)(또는 멀티플렉서), 송신 코일부(522)을 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 송신 코일부(522)는 단일 개의 송신 코일로 구성될 수 있다. 또한, 전력 전송부(520)는 전력 전송을 위한 특정 캐리어 주파수를 생성하기 위한 반송파 생성기(미도시)를 더 포함할 수도 있다. 이 경우, 반송파 생성기는 다중화기(521)를 통해 전달 받은 인버터(512)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(521)는 송신 코일로 교류 전력을 전달하기 위한 스위치 기능을 수행할 수 있다. 제어부(540)는 송신 코일에서 수신되는 신호 세기 지시자에 기반하여 상기 송신 코일을 통해 해당 무선 전력 수신기로의 전력 전송이 이루어지도록 할 수 있다.
제어부(540)는 제1차 감지 신호 송출 절차 동안 송신 코일(522)을 통해 감지 신호가 송출될 수 있도록 다중화기(521)를 제어할 수 있다. 이때, 제어부(540)는 감지 신호가 전송될 시점을 타이머(555)를 이용하여 식별할 수 있으며, 감지 신호 전송 시점이 도래하면, 다중화기(521)를 제어하여 송신 코일을 통해 감지 신호가 송출될 수 있도록 제어할 수 있다. 일 예로, 타이머(550)는 핑 전송 단계 동안 소정 주기로 특정 이벤트 신호를 제어부(540)에 송출할 수 있으며, 제어부(540)는 해당 이벤트 신호가 감지될 때마다, 다중화기(521)를 제어하여 송신 코일을 통해 디지털 핑이 송출될 수 있도록 제어할 수 있다.
또한, 제어부(540)는 제1차 감지 신호 송출 절차 동안 복조부(532)를 통해 상기 송신 코일을 통해 수신된 신호 세기 지시자를 수신할 수 있다. 연이어, 제2차 감지 신호 송출 절차에서 제어부(540)는 제1차 감지 신호 송출 절차 동안, 상기 송신 코일을 통해 신호 세기 지시자가 수신된 경우에만 상기 송신 코일을 통해 감지 신호가 송출될 수 있도록 다중화기(521)를 제어할 수도 있다.
통신부(530)는 변조부(531)와 복조부(532) 중 적어도 하나를 포함하여 구성될 수 있다.
변조부(531)는 제어부(540)에 의해 생성된 제어 신호를 변조하여 다중화기(521)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(532)는 송신 코일을 통해 수신되는 신호가 감지되면, 감지된 신호를 복조하여 제어부(540)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(532)는 복조된 신호가 어느 송신 코일로부터 수신된 신호인지를 식별할 수 있으며, 식별된 송신 코일에 상응하는 소정 송신 코일 식별자를 제어부(540)에 제공할 수도 있다.
또한, 복조부(532)는 송신 코일(522)을 통해 수신된 신호를 복조하여 제어부(540)에 전달할 수 있다. 일 예로, 복조된 신호는 신호 세기 지시자를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 복조된 신호는 무선 전력 수신기의 각종 상태 정보를 포함하는 신호일 수 있다.
일 예로, 무선 전력 송신기(500)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(500)는 송신 코일부(522)-송신 코일이라고도 할 수 있음-을 이용하여 무선 전력을 송출할 수 있을 뿐만 아니라 송신 코일부(522)을 통해 무선 전력 수신기와 각종 제어 신호 및 상태 정보를 교환할 수도 있다.
이상의 도 5의 설명에서는 무선 전력 송신기(500)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 6은 상기 도 5에 따른 무선 전력 송신기와 연동되는 무선 전력 수신기의 구조를 설명하기 위한 블록도이다.
도 6을 참조하면, 무선 전력 수신기(600)는 수신 코일(610), 정류기(620), 직류/직류 변환기(DC/DC Converter, 630), 부하(640), 센싱부(650), 통신부(660), 주제어부(670)를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 통신부(660)는 복조부(661) 및 변조부(662) 중 적어도 하나를 포함하여 구성될 수 있다.
상기한 도 6의 예에 도시된 무선 전력 수신기(600)는 인밴드 통신을 통해 무선 전력 송신기(500)와 정보를 교환할 수 있는 것으로 도시되어 있으나, 이는 하나의 실시예에 불과하며, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 통신부(660)는 무선 전력 신호 전송에 사용되는 주파수 대역과는 상이한 주파수 대역을 통해 근거리 양방향 통신을 제공할 수도 있다.
수신 코일(610)을 통해 수신되는 AC 전력은 정류부(620)에 전달할 수 있다. 정류기(620)는 AC 전력을 DC 전력으로 변환하여 직류/직류 변환기(630)에 전송할 수 있다. 직류/직류 변환기(630)는 정류기 출력 DC 전력의 세기를 부하(640)에 의해 요구되는 특정 세기로 변환한 후 부하(640)에 전달할 수 있다.
센싱부(650)는 정류기(620) 출력 DC 전력의 세기를 측정하고, 이를 주제어부(670)에 제공할 수 있다. 또한, 센싱부(650)는 무선 전력 수신에 따라 수신 코일(610)에 인가되는 전류의 세기를 측정하고, 측정 결과를 주제어부(670)에 전송할 수도 있다. 또한, 센싱부(650)는 무선 전력 수신기(600)의 내부 온도를 측정하고, 측정된 온도 값을 주제어부(670)에 제공할 수도 있다.
일 예로, 주제어부(670)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(662)에 전송할 수 있다. 여기서, 변조부(662)에 의해 변조된 신호는 수신 코일(610) 또는 별도의 코일(미도시)을 통해 무선 전력 송신기(500)에 전송될 수 있다. 또한, 주제어부(670)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(662)를 통해 무선 전력 송신기(500)에 전송될 수 있도록 제어할 수 있다.
다른 일 예로, 복조부(661)는 수신 코일(610)과 정류기(620) 사이의 AC 전력 신호 또는 정류기(620) 출력 DC 전력 신호를 복조하여 감지 신호의 수신 여부를 식별한 후 식별 결과를 주제어부(670)에 제공할 수 있다. 이때, 주제어부(670)는 감지 신호에 대응되는 신호 세기 지시자가 변조부(662)를 통해 전송될 수 있도록 제어할 수 있다.
한편, 무선 전력 수신기(600)는 스마트 폰 또는 멀티미디어 재생 단말을 포함하는 스마트 폰이나 스마트 기기와 같은 전자 기기 내에 내장되고, 전자 기기가 무선 전력 송신기(500)의 인터페이스 표면 위에 수직이나 수평 방향으로 일정하지 않은 방향이나 위치로 놓이게 되므로, 넓은 활동 영역을 필요로 한다.
이때, 상기 무선 전력 수신기(600)의 활동 영역을 넓히기 위하여 상기 무선 전력 송신기 내에 복수 개의 송신 코일을 배치할 경우, 상기 송신 코일의 개수만큼 구동 회로가 필요하고 복수 개의 송신 코일에 대한 제어가 복잡해지므로, 이에 대한 재료 비용이나 가공 비용이 증가한다. 또한, 활동 영역을 확대하기 위하여 송신 코일의 위치를 바꾸는 방식을 적용하는 경우에도 송신 코일의 위치를 옮기기 위한 이송 메커니즘을 구비해야 하므로, 부피와 무게가 커지고 제작 비용이 많아지는 문제가 있다.
이에 따라, 송신 코일의 위치가 고정되면서, 단일 개의 송신 코일을 가지고도 활동 영역을 확장하는 방법이 최적이다. 그러나, 단순하게 상기 송신 코일의 사이즈를 증가시킨다면, 송신 코일의 단위 면적당 자속 밀도가 떨어지고 송수신 코일 사이에 자기 결합력이 약해져 기대하는 만큼 활동 영역이 증가하지도 않고 전송 효율도 떨어지게 된다.
이와 같이, 활동 영역의 확대와 전송 효율의 향상을 위하여 송신 코일의 적절한 형상과 크기를 결정하는 것이 중요하다.
이하에서는 본 발명의 실시 예에 따른 단일 개의 송신 코일을 포함하는 무선 전력 송신기 및 이의 무선 충전 장치에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신기의 분해사시도이다.
실시 예에 따른 무선전력송신기는 도 1에 도시된 무선전력송신기(10)이나 도 2에 도시된 무선전력송신기(200) 일 수 있다.
도 7을 참조하면, 실시예에 따른 무선전력송신기는 제1 브라켓(710), 제1 기판(720), 제2 브라켓(730), 차폐재(734), 송신코일(735) 및 제2 기판(740)을 포함하여 구성될 수 있다. 상술한 무선 전력 송신기의 구성은 반드시 필수적인 구성은 아니어서, 그보다 많거나 적은 구성 요소를 포함하여 구성될 수도 있음을 주의해야 한다.
제1 및 제2 기판(720, 740)은 인쇄회로기판(PCB) 또는 플렉서블 인쇄회로기판(FPCB)일 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
제1 브라켓(710)은 제2 브라켓(730)과 체결될 수 있다. 즉, 나사와 같은 볼트류를 이용하여 제1 브라켓(710)과 제2 브라켓(730)이 체결될 수 있다.
제1 기판(720)은 제1 브라켓(710) 상에 위치될 수 있다. 제1 기판(720)은 제1 브라켓(710) 및/또는 제2 브라켓(730)에 체결될 수 있다. 예컨대, 나사가 제1 브라켓(710)과 제1 기판(720)을 관통하여 제2 브라켓(730)에 체결될 수 있다.
제1 기판(720)의 하면에는 송신코일(735)을 구동하거나 제어하기 위한 각 종 회로부가 실장될 수 있다. 예컨대, 회로부로는 도 5에 도시된 다중화기(621), 무선충전통신부(630), 타이머(655), 센싱부(650), 제어부(640)가 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
제1 기판(720)은 리지드(rigid)한 사각 형상을 가질 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다. 따라서, 제1 기판(720)은 상면에 배치되는 차폐재(734), 송신코일(735) 등을 지지할 수 있다. 또한, 제1 기판(720)의 면적은 송신코일(735)의 면적, 차폐재(734)의 면적 보다 클 수 있다. 제1 기판(720)의 일측에는 단자부(7360)를 포함할 수 있다. 단자부를 이용하여 제1 기판(720)의 회로부는 송신코일(735) 및 제2 기판(740)의 회로부에 전기적으로 접속될 수 있다. 단자부는 복수의 핀이나 패드로 이루어질 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
차폐재(734)가 제1 기판(720)의 상면 상에 배치될 수 있다.
구체적으로, 차폐재(734)가 제1 기판(720)의 상면에 제2 기판(740)의 개구부(도시하지 않음) 내에 배치될 수 있다. 다른 예로, 차폐재(734)가 제2 기판(740)의 아래 그리고 제1 기판(720)의 상부에 배치될 수 있다. 이러한 경우, 차폐재(734)의 면적은 제2 기판(740)의 개구부(도시하지 않음)의 면적보다 클 수 있다. 따라서, 차폐재(734)의 에지 영역은 제2 기판(740)의 프레임(732)과 중첩될 수 있다. 또 다른 예로, 차폐재(734)가 제2 기판(740)의 상부에 배치될 수 있다. 이러한 경우, 차폐재(734)의 면적은 제2 기판(740)의 개구부의 면적보다 클 수 있다. 따라서, 차폐재(734)의 에지 영역은 제2 기판(740)의 프레임(732)과 중첩될 수 있다.
송신 코일(735)의 자기장을 충분히 차폐하기 위해 차폐재(734)의 면적은 송신 코일(735)의 면적보다 클 수 있다.
차폐재(734) 상에 송신코일(735)이 배치될 수 있다. 송신 코일(735)은 단일 개로 구성될 수 있다. 상기 송신 코일(735)은 기결정된 턴 수로 감겨져 있을 수 있다. 상기 송신 코일(735)은 단일 레이어로 배치될 수 있다.
이때, 상기 송신 코일(735)은 단일 개로 형성되면서, 무선 전력을 효율적으로 전달하면서 충전 영역을 확장시킬 수 있도록 한다.
송신 코일(735)은 외면에 절연 물질로 코팅되거나 절연층으로 피복될 수 있다.
차폐재(734)의 면적은 상기 송신코일(735)의 배치 점유 면적보다 클 수 있다. 배치 점유 면적이라 함은 상기 송신코일(735)이 차지하고 있는 총 면적일 수 있다. 따라서, 송신코일(735)에 의해 발생된 전자기장이 차폐재(734)에 의해 차폐되어 제1 기판(720)에 실장된 회로부나 외부에 영향을 주지 않을 수 있다.
차폐재(734)는 송신코일(735)의 하면에 배치될 수 있다. 차폐재(734)의 상면은 송신코일(735)의 하면에 접할 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
예컨대, 차폐재(734)의 상면과 송신코일(735)의 하면 사이에는 접착제 또는 접착부재(미도시)가 배치되어 차폐재(734)에 송신코일(735)이 고정될 수 있다. 차폐재(734)는 상부에 배치된 송신코일(735)에서 발생된 무선전력을 충전 방향으로 가이드 할 수 있고, 제1 기판(720)의 아래에 실장되는 각종 회로부를 전자기장으로부터 보호할 수 있다.
송신코일(735) 또는 제2 브라켓(730) 상에는 제2 기판(740)이 배치될 수 있다. 제2 기판(740)은 나사와 같은 볼트류를 이용하여 제2 브라켓(730)에 체결될 수 있다.
도 8은 도 7의 송신코일을 나타낸 도면이다.
일반적으로, 무선 전력 송신기를 포함하는 충전 장치의 인터페이스 표면에 무선 전력 수신기를 포함하는 전자기기가 배치되는 경우, 상기 전자기기의 배치 위치 등과 무관하게 일정한 충전 효율이 보장되어야 한다. 이를 위해서는 상기 무선 전력 송신기에 포함된 송신 코일의 충전 영역이 확장되어야 한다.
이를 위해서, 종래에는 3개의 코일을 이용하여 충전 영역을 확보하였다. 그러나, 송신 코일로부터 송신되는 전력을 수신하는 수신 코일의 위치는 이동 단말기와 같은 전자기기의 중심 영역에 고정되어 설치되며 있다. 이에 따라, 종래와 같이 충전장치의 인터페이스 하부의 전체 영역에 송신 코일이 배치될 필요는 없다. 따라서, 본 발명에서는 무선 전력 수신기에 구비된 수신 코일의 중심 위치에서 기존 1개의 송신 코일의 충전 영역 이상을 커버할 수 있으면서, 기존의 3개의 송신 코일의 최대 충전 영역을 커버할 수 있는 송신 코일을 제안한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 송신 코일은 단일 개로 형성된다. 그리고, 상기 단일 개의 송신 코일은 기존의 3개의 송신 코일 구조에서, 1개의 송신 코일이 가지는 충전 영역보다 큰 충전 영역을 가지면서, 상기 3개의 송신 코일의 최대 충전 영역을 커버할 수 있는 충전 영역을 가지도록 한다.
이를 위한 송신 코일(800)은 전류를 자속으로 변화시키도록 와이어가 타원 형상을 가지고 복수 회 턴하여 형성될 수 있다. 이때, 상기 송신 코일(800)은 와이어가 아닌 금속 패턴층으로 형성될 수도 있다. 또한 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 송신 코일(800)은 타원 형상을 가지며 단일 레이어로 형성될 수 있다. 즉, 상기 송신 코일(800)은 제 1 방향으로의 폭이 제 2 방향으로의 폭보다 큰 타원 형상을 가질 수 있다. 상기 제 1 방향은 가로 방향일 수 있다. 상기 제 1 방향은 상기 무선 전력 송신기의 장변 방향일 수 있다. 또한, 상기 제 1 방향은 상기 무선 전력 송신기 위에 배치되는 무선 전력 수신기의 장변 방향일 수 있다. 상기 제 2 방향은 세로 방향일 수 있다. 상기 제 2 방향은 상기 무선 전력 송신기의 단변 방향일 수 있다. 또한, 상기 제 2 방향은 상기 무선 전력 송신기 위에 배치되는 무선 전력 수신기의 단변 방향일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 송신 코일은, 상기 설명한 바와 같은 기존의 3개의 송신 코일의 최대 충전 영역을 커버하기 위한 외측 길이(Outer Length, dol), 내측 길이(Inner Length, dil), 외측 너비(Outer Width, dow), 내측 너비(Inner Width, diw), 두께(Thickness, dc), 권선수(Number of turn per layers, N) 및 층수(Number of layers)를 가질 수 있다.
바람직하게, 상기 송신 코일(800)의 외측 길이(Outer Length, dol)는 68±1mm이고, 내측 길이(Inner Length, dil)는 34±1mm이며, 외측 너비(Outer Width, dow)는 53±1mm이고, 내측 너비(Inner Width, diw)는 19±1mm이며, 두께(Thickness, dc)는 1.15±1mm이고, 권선수(Number of turn per layers, N)는 16이며, 층수(Number of layers)는 1일 수 있다.
즉, 송신 코일(800)의 규격을 요약하면 표 1과 같을 수 있다.
Parameter Symbol Value(mm)
외측 길이
(Outer Length)		 dol 68±1mm
내측 길이
(Inner Length) 		dil 34±1mm
외측 너비
(Outer Width)		 dow 53±1mm
내측 너비
(Inner Width)		 diw 19±1mm
두께
(Thickness)		 dc 1.15±1mm
권선수
(Number of turn per layers)		 N 16
층수
(Number of layers)		 - 1
이때, 상기 송신 코일(800)이 가지는 내측 너비(Inner Width, diw)에 따라 상기 송신 코일(800)이 배치된 무선 전력 송신기의 충전 영역이 결정될 수 있다. 즉, 상기 송신 코일(800)이 가지는 내측 너비(Inner Width, diw)가 너무 작으면, 자기장 쇄교수(Flux linkage)의 차이에 따라 과결합(over coupling)이 발생하며, 이에 따라 충전이 끊어지는 현상이 발생한다. 또한, 상기 송신 코일(800)이 가지는 내측 너비(Inner Width, diw)가 너무 크면, 동일 공간 내에서 상기 송신 코일이 배치되는 면적이 작아질 수 있으며, 이에 따른 충전 영역이 좁아지는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명에서는 상기 송신 코일(800)이 가지는 내측 너비(Inner Width, diw)가 19±1mm의 범위를 가지도록 한다. 다시 말해서, 상기 송신 코일(800)이 가지는 내측 너비(Inner Width, diw)는 최소 18mm 이상을 유지할 수 있도록 한다.
도 9a 및 도 9b는 송신 코일의 내측 너비에 따른 충전 효율을 나타낸 도면이다.
도 9a는 송신 코일의 내측 너비가 18mm 미만일때 나타나는 충전 효율(Wireless Power Transmission Efficiency)을 나타낸 것이다. 또한, 도 9b는 송신 코일의 내측 너비가 18mm일 때 나타나는 충전 효율을 나타낸 것이다. 즉, 도 9a 및 도 9b는 송신 코일의 내측 너비에 따른 다양한 위치에서의 송신 코일의 충전 효율을 나타낸 것이다.
도 9a를 참조하면, 상기 송신 코일(800)이 가지는 내측 너비(Inner Width, diw)가 18mm 미만인 경우, 자기장 쇄교수(Flux linkage)의 차이에 따라 과결합(over coupling)이 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 이에 따라, 상기 송신 코일(800)이 가지는 내측 너비(Inner Width, diw)가 18mm 미만이면, 송신 코일의 특정 위치에서는 충전이 끊어지는 현상이 발생하는 것을 확인하였다.
도 9b를 참조하면, 상기 송신 코일(800)이 가지는 내측 너비(Inner Width, diw)를 18mm로 했을 경우, 과결합(over coupling)이 발생하는 것을 해결할 수 있었으며, 이에 따라 송신 코일의 모든 위치에서 충전이 끊어지는 현상없이 일정한 충전 효율을 가지는 것을 확인할 수 있었다.
따라서, 본 발명에서의 상기 송신 코일(800)이 가지는 내측 너비(Inner Width, diw)는 최소 18mm 이상을 유지하도록 하며, 바람직하게 19±1mm의 범위를 가지도록 한다.
한편, 이러한 무선 충전 시스템에서 품질 지수(Quality Factor)와 결합 계수(Coupling Coefficient)가 중요하다. 이 때 품질 지수와 결합 계수가 큰 값을 가질수록, 무선 전력 충전 시스템의 효율이 향상된다. 품질 지수는 무선 전력 송신 기 또는 무선 전력 수신기의 주변 영역에 축적될 수 있는 에너지의 지표를 나타낸다. 이 때 품질 지수는 송신 코일의 동작 주파수(w), 형상, 사이즈, 소재 등에 따라 결정될 수 있다. 그리고 품질 지수는 Q=w*Ls/Rs과 같은 수식으로 산출될 수 있다. 여기서, Ls은 송신 코일의 인덕턴스를 나타내고, Rs은 송신 코일에서 발생되는 전력 손실량에 해당하는 저항을 나타낸다. 또한 품질 지수는 0으로부터 무한대의 값을 갖는다.
그리고, 본 발명에 따른 실시 예에서의 상기 송신 코일의 인덕턴스(Ls)는 21.38±0.5uH이며, 상기 송신 코일에서 발생되는 전력 손실량에 해당하는 저항은 0.12±0.05Ω을 가진다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 송신기를 설명하기 위한 도면이다.
도 10을 참조하면, 무선 전력 송신기는 드라이버 회로(1010) 및 LC 공진 회로(1020)을 포함할 수 있다. 상기 LC 공진 회로(1020)는 상호 직렬로 연결된 송신 코일 및 커패시터를 포함할 수 있다. 무선 전력 송신기는 상기 LC 공진 회로(1020)와 연결되는 1개의 드라이버 회로(1010)를 포함한다. 즉, 상기 LC 공진 회로(1020)에는 단일 개의 송신 코일이 포함되며, 이에 따라 상기 드라이버 회로(1010)도 동작 주파수에 따라 동작하는 1개의 풀 브릿지 인버터(Full-bridge Invertor) 또는 1개의 하프 브릿지 인버터(Half-bridge Invertor)를 포함할 수 있다.
즉, 드라이버 회로(1010)는 하프 브릿지 인터버일 수 있으며, 이와 다르게 하프 브릿지 인버터에 의한 출력보다 더 높은 출력을 위해 풀 브릿지 인버터를 이용할 수 있다. 풀 브릿지 인버터는 하프 브릿지 인버터에 스위치 2개를 더 추가한 형태로 4개의 스위치를 이용하여 하프 브릿지 인버터보다 2배 높은 전압을 출력하여 LC 공진 회로(1020)에 인가할 수 있다. 한편, 본 발명에서는 하프 브릿지 인버터를 이용하여 상기 드라이버 회로(1010)를 구성하도록 한다.
그리고, 본 발명의 실시 예에 따른 LC 공진 회로(1020)를 구성하는 송신 코일이 도 8과 같은 규격을 만족하는 경우, 상기 무선 전력 송신기는 다음과 같은 동작 특성을 가질 수 있다.
상기 드라이버 회로(1010)의 동작 주파수(Operating Frequency)는 85~120KHz일 수 있고, 상기 LC 공진 회로(1020)의 자기 인덕턴스(Self-Inductance, Lp)는 21uF±10%일 수 있으며, 상기 LC 공진 회로(1020)의 커패시턴스(Series Capacitance, Cp)는 100±5%nF를 가질 수 있고, 상기 하브 브릿지 인버터에 입력되는 입력 전압은 3~11V일 수 있다.
즉, 상기 무선 전력 송신기의 동작 특성을 요약하면 표 2과 같을 수 있다.
Parameter Value
Operating Frequency 85~120KHz
Self Inductance(Lp) 21uF±10%
Series Capacitance(Cp) 100±5%nF
Input voltage to the half bridge inverter 3~11V
한편, 본 발명에 따른 무선 전력 송신기는 상기와 같은 송신 코일의 규격 및 동작 특성을 가지도록 하여, 기존과 같이 복수 개의 코일(예를 들어, 3개의 코일)을 사용하지 않고도 복수 개의 코일을 사용한 것과 동일한 수준 또는 그 이상의 충전 영역을 확보할 수 있는 단일 개의 송신 코일을 가진 무선 전력 송신기를 구현할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 송신기의 충전 영역과, 종래의 3 코일 구조의 무선 전력 송신기의 충전 영역을 비교해보기로 한다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 송신기의 충전 영역을 나타낸 도면이다.
도 11을 참조하면, 무선 전력 송신기를 구성하는 송신 코일의 외측 길이(Outer Length, dol)가 68±1mm이고, 내측 길이(Inner Length, dil)가 34±1mm이며, 외측 너비(Outer Width, dow)가 53±1mm이고, 내측 너비(Inner Width, diw)가 19±1mm이며, 두께(Thickness, dc)가 1.15±1mm이고, 권선수(Number of turn per layers, N)가 16이며, 층수(Number of layers)가 1인 경우에, 51mm*32mm의 충전 영역을 가지는 것을 확인할 수 있었다.
도 12는 종래 기술에 따른 송신 코일 구조를 나타낸 도면이고, 도 13은 도 12의 송신 코일 구조에서의 충전 영역을 나타낸 도면이다.
도 12를 참조하면, 종래 기술에서의 송신 코일은 제 1 내지 3 송신 코일(1210, 1220, 1230)을 포함하였다. 즉, 종래에는 일정한 크기의 충전 영역 내에서 균일한 전력 전송을 수행하기 위해, 복수의 송신 코일 중 적어도 하나의 송신 코일은 다른 송신 코일과 수직 방향 내에서 중첩되게 배치하였다. 즉, 도 12에서와 같이, 제 1 송신 코일(1210) 및 제 2 송신 코일(1220)은 차폐재(1240) 위에 일정 간격을 두고 나란히 1층에 배치되고, 제 3 송신 코일(1230)은 제 1 송신 코일(1210)과 제 2 송신 코일(1220) 위에 제 2 층에 중첩되게 배치하였다.
그리고, 상기 제 1 내지 3 송신 코일 각각은 아래의 표 3과 같은 규격을 가졌다.
Parameter Symbol Value(mm)
외측 길이
(Outer Length)		 dol 53.2±0.5mm
내측 길이
(Inner Length) 		dil 27.5±0.5mm
외측 너비
(Outer Width)		 dow 45.2±0.5mm
내측 너비
(Inner Width)		 diw 19.5±0.5mm
두께
(Thickness)		 dc 1.15±0.5mm
권선수
(Number of turn per layers)		 N 12
층수
(Number of layers)		 - 1
표 3은 WPC에 정의된 A13 타입의 송신 코일에 대한 규격이다.
또한, 도 13을 참조하면, 도 13의 (a)에 도시된 바와 같이, 표 3과 같은 규격으로 송신 코일을 구성하는 경우, 복수의 송신 코일 각각은 36mm*28mm의 충전 영역을 가지게 되었다. 또한, 도 13의 (b)에 도시된 바와 같이, 3개의 송신 코일 전체의 충전 영역은 69mm*26mm를 가졌으며, 중앙에 배치된 송신 코일의 가로 방향으로의 충전 영역은 29mm를 가졌다. 이때, 상기와 같은 3개의 송신 코일을 포함한 종래의 무선 전력 송신기의 충전 영역은 49mm*32mm를 가졌다.
다시 말해서, 종래의 3 코일구조의 무선 전력 송신기의 최대 충전 영역은 49mm*32mm이며, 본 발명에서의 단일 개의 송신 코일을 가진 무선 전력 송신기는 51mm*32mm의 충전 영역을 가진다. 즉, 본 발명에서와 같은 타원형 형상 및 그의 치수를 가진 단일 개의 송신 코일에 의해, 복수 개의 코일을 사용하지 않고도 기존의 복수 개의 코일을 사용한 것과 동일한 수준 또는 그 이상의 충전 영역을 갖는 무선 전력 송신기를 구현할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시 예에 따른 충전 장치에 대해 설명하기로 한다.
도 14는 본 발명의 실시 예에 따른 충전 장치를 나타낸 도면이다. 여기에서, 도 14의 (a)는 충전 장치를 정면에서 바라본 정면도이며, 도 14의 (b)는 충전 장치를 위에서 바라몬 평면도이다.
일반적으로, 상기와 같은 무선 전력 송신기는 가정이나 차량 내에서 사용 가능하며, 이에 따라 무선 전력 수신기가 안착될 수 있는 하우징 내에 배치된다. 도 14를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 송신기(1420)은 하우징(1410) 내에 고정 배치된다.
즉, 하우징(1410)은 내부에 수용 공간을 가지며, 이에 따라 상기 무선 전력 송신기(1420)를 구성 중 적어도 일부 구성을 내장한다. 바람직하게, 하우징(1410)은 상기 무선 전력 송신기(1420)를 구성하는 송신 코일을 내장할 수 있다. 예를 들어, 도 14에 도시된 무선 전력 송신기(1420)는 상기 무선 전력 송신기(1420)를 구성하는 송신 코일만을 도시한 것일 수 있다.
그리고, 하우징(1410)은 상기 무선 전력 송신기(1420)의 위치 및 자세를 고정시킨다. 또한, 하우징(1410)은 무선 전력 수신기를 거치시킨다. 즉, 하우징(1410)은 무선 전력 수신기의 위치 및 자세를 고정시킨다. 이때, 하우징(1410)의 상부에는 수용 홈(1411)이 형성될 수 있다. 상기 하우징(1410)은 상기 수용 홈(1411)을 통해 무선 전력 수신기를 수용할 수 있다. 상기 수용 홈(1411)은 하우징(1410)의 상부에서 하부 방향으로 함몰되어 형성될 수 있다. 여기에서 수용 홈(1411)의 사이즈는 무선 전력 수신기의 사이즈보다 클 수 있다.
즉, 무선 전력 수신기는 상기 하우징(1410)의 수용 홈(1411) 내에 수용될 수 있으며, 상기 수용 홈(1411) 내에서 일정 이동 범위를 가지고 이동될 수 있다. 이때, 본 발명에서는 상기 설명한 바와 같은 단일 개의 송신 코일을 이용하여 수용 홈(1411) 내에 안착된 무선 전력 수신기에 전력을 송신한다. 이에 따라, 상기 무선 전력 수신기의 이동 범위가 상기 무선 전력 송신기가 가지는 충전 영역 내에 위치해야 충전 효율이 향상될 수 있으며, 이에 따라 안정적으로 전력 전송이 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 상기 무선 전력 송신기를 구성하는 송신 코일의 규격에 따라 하우징(1410)의 수용 홈(1411)의 사이즈를 결정하여, 최적의 충전 효율을 가지고 상기 전력 송신이 이루어지도록 한다.
이때, 충전 장치는 특정 규격을 가진 무선 전력 수신기에 국한되지 않고, 모든 무선 전력 수신기에 안정적으로 전력을 송신할 수 있어야 한다. 이에 따라, 하우징(1410)의 수용 홈(1411)은 다양한 사이즈를 가진 모든 무선 전력 수신기 각각의 이동 범위가 상기 무선 전력 송신기의 충전 영역 내에 위치하도록 하기 위한 사이즈를 가져야 한다.
상기 다양한 사이즈를 가지는 무선 전력 수신기는 아래의 표 4와 같을 수 있다.
제품명 사이즈(가로*세로*두께, mm)
A 제품 142.4*69.6*7.9
B 제품 148.9*68.1*8.0
C 제품 147.7*68.7*8.5
D 제품 159.5*73.4*8.1
E 제품 158.1*73.8*8.5
F 제품 162.5*74.8*8.6
G 제품 153.2*71.9*7.9
H 제품 151.7*75.4*7.3
I 제품 138.4*67.3*7.3
J 제품 158.4*78.1*7.5
K 제품 143.6*70.9.7.7
상기와 같이, 현재 제공되는 무선 전력 수신기는 다양한 사이즈를 가지며, 제품에 따라 서로 다른 사이즈를 가지고 있다. 이에 따라, 충전 장치는 모든 무선 전력 수신기에 대해 정상적인 충전 동작이 가능하도록 해야 한다. 이를 위해서는 하우징(1410)의 수용 홈(1411)이 상기 모든 무선 전력 수신기의 수용이 가능하면서, 무선 전력 송신기의 충전 영역 내에서 상기 무선 전력 수신기의 이동 범위가 결정되도록 하기 위한 사이즈를 가져야 한다.
이때, 상기 무선 전력 수신기의 이동 범위는 상기 수용 홈(1411) 내에서 상기 무선 전력 수신기 내에 구비된 송신 코일의 중심이 이동할 수 있는 영역을 의미한다. 그리고, 상기 무선 전력 수신기의 이동 범위는 상기 무선 전력 송신기가 가지는 충전 영역 내에 위치하여야 한다.
도 15는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 수신기의 이동 상태를 나타낸 도면이고, 도 16은 도 15에서의 무선 전력 수신기의 이동 범위를 나타낸 도면이다.
도 15를 참조하면, 하우징(1510)의 수용 홈(1520) 상에는 무선 전력 수신기(1530)가 안착될 수 있다. 그리고, 하우징(1510) 내부에는 무선 전력 송신기가 배치되며, 이에 따라 상기 수용 홈(1520)의 바닥면(다시 말해서, 충전 장치의 인터페이스 표면)에는 일정 사이즈의 충전 영역(1540)이 형성된다. 이때, 상기 수용 홈(1520) 상에 배치된 무선 전력 수신기의 사이즈에 따라 상기 무선 전력 수신기가 가지는 이동 범위가 다르게 나타날 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 상기 표 4에 기재된 다수의 제품 중 다른 제품의 사이즈를 모두 커버할 수 있는 'A 제품'을 기준으로 최적의 수용 홈 사이즈를 결정하기 위한 실험을 실시하였으며, 그 결과는 아래와 같다.
즉, 수용 홈(1520)의 사이즈는 서로 다른 사이즈를 가지는 모든 무선 전력 수신기의 수용이 가능해야 한다. 따라서, 상기 수용 홈(1520)의 사이즈는 무선 전력 수신기 중 가장 큰 사이즈의 무선 전력 수신기에 의해 결정될 수 있다. 바람직하게, 상기 수용 홈(1520)의 사이즈는 가장 큰 사이즈를 가진 무선 전력 수신기의 사이즈보다 커야 한다. 또한, 상기 수용 홈(1520)의 사이즈는 가장 작은 사이즈를 가진 무선 전력 수신기의 이동 범위가 무선 전력 송신기의 충전 영역 내에 위치하도록 결정해야 한다. 이에 따라, 본 발명에서는 무선 전력 수신기의 사이즈를 토대로 상기 수용 홈(1520)의 사이즈를 결정하였다. 바람직하게, 상기 수용 홈(1520)의 사이즈는 가로 방향의 폭이 170mm±3mm이다. 이에 따라, 수용 홈(1520)의 세로 방향의 폭은 75mm±3mm일 수 있다. 즉, 본 발명에서는 우선적으로 모든 제품의 가로 폭 중 가장 큰 가로 폭을 기준으로 수용 홈(1520)의 가로 방향의 폭을 결정하였으며, 도 15에서와 같이 이에 대한 신뢰성을 확인하였다.
한편, 상기 수용 홈(1520) 내에서의 상기 무선 전력 수신기의 위치는, 수용 홈(1520)의 각각의 모서리에 대응하는 4개의 위치 포인트를 기준으로 결정될 수 있다. 즉, 4개의 위치 포인트는 수용 홈(1520) 내에서 최좌상부, 최우상부, 최좌하부 및 최우하부일 수 있다.
도 15는 상기 결정된 수용 홈(1520)의 사이즈를 토대로 무선 전력 수신기의 위치에 따른 충전 영역을 확인한 것이다. 즉, 도 15에서의 수용 홈(1520)의 사이즈는 가로 방향의 폭이 170mm이고, 세로 방향의 폭이 75mm이다.
또한, 도 15의 (a)는 무선 전력 수신기(1530)가 수용 홈(1520)의 최좌상부에 위치했을 경우를 나타낸 도면이고, 도 15의 (b)는 무선 전력 수신기(1530)가 수용 홈(1520)의 최좌하부에 위치했을 경우를 나타낸 도면이고, 도 15의 (c)는 무선 전력 수신기(1530)가 수용 홈(1520)의 최우하부에 위치했을 경우를 나타낸 도면이고, 도 15의 (d)는 무선 전력 수신기(1530)가 수용 홈(1520)의 최우상부에 위치했을 경우를 나타낸 도면이다.
도 15의 (a) 내지 (d)에서와 같이, 무선 전력 수신기(1530)가 수용 홈(1520)의 최좌상부에 위치했을 경우, 무선 전력 수신기(1530)의 중심은 충전 영역(1540) 내의 제 1 포인트(1550)에 위치할 수 있다. 또한, 무선 전력 수신기(1530)가 수용 홈(1520)의 최좌하부에 위치했을 경우, 무선 전력 수신기(1530)의 중심은 충전 영역(1540) 내의 제 2 포인트(1560)에 위치할 수 있다. 또한, 무선 전력 수신기(1530)가 수용 홈(1520)의 최우하부에 위치했을 경우, 무선 전력 수신기(1530)의 중심은 충전 영역(1540) 내의 제 3 포인트(1570)에 위치할 수 있다. 또한, 무선 전력 수신기(1530)가 수용 홈(1520)의 최우상부에 위치했을 경우, 무선 전력 수신기(1530)의 중심은 충전 영역(1540) 내의 제 4 포인트(1580)에 위치할 수 있다.
그리고, 상기 제 1 내지 4 포인트(1550, 1560, 1570, 1580)는 무선 전력 송신기의 충전 영역 내에 모두 위치하는 것을 확인할 수 있었다.
이때, 무선 전력 수신기(1530)는 상기 제 1 내지 4 포인트(1550, 1560, 1570, 1580)를 기준으로 결정되는 영역 내에서만 이동이 가능하다. 다시 말해서, 무선 전력 수신기(1530)가 수용 홈(1520) 내에 정상적으로 안착된 경우, 상기 무선 전력 수신기의 중심-바람직하게, 수신 코일의 중심-는 상기 제 1 내지 4 포인트(1550, 1560, 1570, 1580)에 의해 결정된 영역 이외의 영역으로는 이동하지 못한다.
따라서, 도 16에서와 같이, 무선 전력 수신기의 중심은 상기 제 1 내지 4 포인트(1550, 1560, 1570, 1580)를 연결한 이동 범위(1620) 내에서만 이동이 가능하다. 그리고, 상기 무선 전력 수신기의 중심의 이동 범위(1620)는 상기 무선 전력 송신기가 가지는 충전 영역(1610) 내에 위치하는 것을 확인할 수 있었다. 결론적으로, 수용 홈(1520)의 가로 방향의 폭이 170mm이고, 세로 방향의 폭이 75mm인 경우, 일부 무선 전력 수신기를 제외하고는 정상적인 충전이 가능한 것을 확인할 수 있었다.
한편, 도 15 및 도 16에서와 같은 사이즈로 수용 홈을 구성하는 경우, 일부 제품에 대해서는 충전이 불가능할 수 있다. 다시 말해서, 표 4에 기재된 바와 같이, 무선 전력 송신기 중 세로 방향의 폭이 가장 큰 제품은 78.1mm이며, 이에 따라 수용 홈의 사이즈가 75mm인 경우, 상기 제품은 상기 수용 홈 내에서 정상적으로 안착되지 못한다. 이에 따라, 본 발명에서는 모든 제품에 대해 충전 영역을 커버할 수 있는 수용 홈의 사이즈를 결정할 수 있도록 한다.
도 17은 본 발명에서의 최적의 수용 홈의 사이즈에 따른 무선 전력 수신기의 위치를 나타낸 도면이고, 도 18은 도 17의 무선 전력 수신기의 이동 범위를 나타낸 도면이다.
즉, 수용 홈의 사이즈는 서로 다른 사이즈를 가지는 모든 무선 전력 수신기의 수용이 가능해야 한다. 따라서, 바람직하게, 상기 수용 홈(1520)의 사이즈는 모든 제품 중 가장 큰 가로 폭을 기준으로 가로 방향의 폭이 결정되고, 가장 큰 세로 폭을 기준으로 세로 방향의 폭이 결정되어야 한다. 이에 토대로 결정된 수용 홈의 사이즈는 가로 방향의 폭이 170mm±3mm이고, 세로 방향의 폭이 85mm±3mm일 수 있다.
한편, 상기 수용 홈(1720) 내에서의 상기 무선 전력 수신기의 위치는, 수용 홈(1720)의 각각의 모서리에 대응하는 4개의 위치 포인트를 기준으로 결정될 수 있다. 즉, 4개의 위치 포인트는 수용 홈(1720) 내에서 최좌상부, 최우상부, 최좌하부 및 최우하부일 수 있다.
도 17은 상기 결정된 수용 홈(1720)의 사이즈를 토대로 무선 전력 수신기의 위치에 따른 충전 영역을 확인한 것이다. 즉, 도 17에서의 수용 홈(1720)의 사이즈는 가로 방향의 폭이 170mm이고, 세로 방향의 폭이 85mm이다.
또한, 도 17의 (a)는 무선 전력 수신기(1730)가 수용 홈(1720)의 최좌상부에 위치했을 경우를 나타낸 도면이고, 도 17의 (b)는 무선 전력 수신기(1730)가 수용 홈(1720)의 최좌하부에 위치했을 경우를 나타낸 도면이고, 도 17의 (c)는 무선 전력 수신기(1730)가 수용 홈(1720)의 최우하부에 위치했을 경우를 나타낸 도면이고, 도 17의 (d)는 무선 전력 수신기(1730)가 수용 홈(1720)의 최우상부에 위치했을 경우를 나타낸 도면이다.
도 17의 (a) 내지 (d)에서와 같이, 무선 전력 수신기(1730)가 수용 홈(1720)의 최좌상부에 위치했을 경우, 무선 전력 수신기(1730)의 중심은 충전 영역(1740) 내의 제 1 포인트(1750)에 위치할 수 있다. 또한, 무선 전력 수신기(1730)가 수용 홈(1720)의 최좌하부에 위치했을 경우, 무선 전력 수신기(1730)의 중심은 충전 영역(1740) 내의 제 2 포인트(1760)에 위치할 수 있다. 또한, 무선 전력 수신기(1730)가 수용 홈(1720)의 최우하부에 위치했을 경우, 무선 전력 수신기(1730)의 중심은 충전 영역(1740) 내의 제 3 포인트(1770)에 위치할 수 있다. 또한, 무선 전력 수신기(1730)가 수용 홈(1720)의 최우상부에 위치했을 경우, 무선 전력 수신기(1730)의 중심은 충전 영역(1740) 내의 제 4 포인트(1780)에 위치할 수 있다.
그리고, 상기 제 1 내지 4 포인트(1750, 1760, 1770, 1780)는 무선 전력 송신기의 충전 영역 내에 모두 위치하는 것을 확인할 수 있었다.
이때, 무선 전력 수신기(1730)는 상기 제 1 내지 4 포인트(1750, 1760, 1770, 1780)를 기준으로 결정되는 영역 내에서만 이동이 가능하다. 다시 말해서, 무선 전력 수신기(1730)가 수용 홈(1720) 내에 정상적으로 안착된 경우, 상기 무선 전력 수신기의 중심-바람직하게, 수신 코일의 중심-은 상기 제 1 내지 4 포인트(1750, 1760, 1770, 1780)에 의해 결정된 영역 이외의 영역으로는 이동하지 못한다.
따라서, 도 18에서와 같이, 무선 전력 수신기의 중심은 상기 제 1 내지 4 포인트(1750, 1760, 1770, 1780)를 연결한 이동 범위(1820) 내에서만 이동이 가능하다. 그리고, 상기 무선 전력 수신기의 중심의 이동 범위(1820)는 상기 무선 전력 송신기가 가지는 충전 영역(1810) 내에 위치하는 것을 확인할 수 있었다. 결론적으로, 수용 홈(1820)의 가로 방향의 폭이 170mm이고, 세로 방향의 폭이 85mm인 경우, 모든 무선 전력 수신기에 대해 정상적인 충전이 가능한 것을 확인할 수 있었다.
상기와 같은 본 발명에 따른 실시 예는, 기존의 3 코일 구조보다 코일 개수를 감소하면서, 상기 3코일 구조가 가지는 최대 충전 영역을 커버할 수 있는 무선 전력 송신 코일 및 이를 포함하는 무선 전력 송신 장치를 제공할 수 있다.
이에 따라, 실시 예는 무선 전력 송신 코일 및 이를 포함하는 무선 전력 송신 장치를 제조하기 위한 재료비나 별도의 가공비를 절감할 수 있다.
또한, 실시 예는 충전 속도가 빠르고 충전 효율이 높은 고출력의 무선 충전을 할 수 있다.
또한, 실시 예는 기존보다 적은 코일 수를 가지고도 충전 영역을 증가시킬 수 있으며, 이에 따른 충전 자유도가 높은 무선 충전을 할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 무선 전력 송신기를 설명하기로 한다. 이때, 도 3 내지 도 18을 통해 설명된 부분과 실질적으로 동일한 부분에 대한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 무선 전력 송신기는 2개의 송신 코일을 포함할 수 있다. 바람직하게, 무선 전력 송신기는 도 8에 도시된 송신 코일이 상하 방향으로 적어도 일부가 중첩되도록 배치된 2코일 구조를 가질 수 있다.
도 19는 다른 실시 예에 따른 무선충전 시스템에서의 감지 신호 전송 절차를 설명하기 위한 도면이다.
일 예로, 무선 전력 송신기는 2개의 송신 코일(1911, 1912)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(1917, 1927)-예를 들면, 디지털 핑 신호-를 미리 정의된 순서로 순차적으로 송출한다.
상기 도 19에 도시된 바와 같이, 무선 전력 송신기는 도면 번호 1910에 도시된 1차 감지 신호 송출 절차를 통해 감지 신호(1917)를 순차적으로 송출하고, 무선 전력 수신기(1915)로부터 신호 세기 지시자(Signal Strength Indicator, 1916)(또는 신호 세기 패킷)가 수신된 송신 코일을 식별할 수 있다. 연이어, 무선 전력 송신기는 도면 번호 1920에 도시된 2차 감지 신호 송출 절차를 통해 감지 신호(1927)를 순차적으로 송출하고, 신호 세기 지시자(1926)가 수신된 송신 코일 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 송신되도록-즉, 무선 충전이 이루어지도록- 제어할 수 있다.
상기의 도 19에서 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 19의 도면 번호 1910 및 1920에 도시된 바와 같이, 제1 송신 코일(1911) 및 제2 송신 코일(1912) 모두에 신호 세기 지시자(1916, 1926)가 수신된 경우, 무선 전력 송신기는 제1 송신 코일(1911)과 제2 송신 코일(1912) 각각에 수신된 신호 세기 지시자(1926)에 기반하여 가장 정렬이 잘된 송신 코일을 선택하고, 선택된 송신 코일을 이용하여 무선 충전을 수행한다.
도 20은 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 전력 송신기의 구조를 설명하기 위한 블록도이다.
도 20을 참조하면 무선 전력 송신기(2000)는 크게, 전력 변환부(2010), 전력 전송부(2020), 통신부(2030), 제어부(2040), 센싱부(2050)를 포함하여 구성될 수 있다. 상기한 무선 전력 송신기(2000)의 구성은 반드시 필수적인 구성은 아니어서, 그보다 많거나 적은 구성 요소를 포함하여 구성될 수도 있음을 주의해야 한다.
이때, 도 5에서의 전력 전송부는 하나의 송신 코일을 포함하는 송신 코일부로 구성되었지만, 도 20에서의 전력 전송부(2020)는 다중화기(2021)(또는 멀티플렉서), 제 1 및 2 송신 코일을 포함하는 송신 코일부(2022)을 포함하여 구성될 수 있다. 이때, 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(2021)는 제어부(2040)에 의해 선택된 송신 코일로 교류 전력을 전달하기 위한 스위치 기능을 수행할 수 있다. 제어부(2040)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(2040)는 복수의 무선 전력 수신기가 연결된 경우, 송신 코일 별 시분할 다중화를 통해 전력을 전송할 수도 있다. 예를 들어, 무선 전력 송신기(2000)에 2개의 무선 전력 수신기-즉, 제1 및 2 무선 전력 수신기-가 각각 2개의 서로 다른 송신 코일-즉, 제1 및 2 송신 코일-을 통해 식별된 경우, 제어부(2040)는 다중화기(2021)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(2011)의 출력 직류 전력의 세기를 제어하여 무선 전력 수신기 별 송출 전력을 제어할 수도 있다.
제어부(2040)는 제1차 감지 신호 송출 절차 동안 제1 및 2 송신 코일(2022)을 통해 감지 신호가 순차적으로 송출될 수 있도록 다중화기(2021)를 제어할 수 있다. 이때, 제어부(2040)는 감지 신호가 전송될 시점을 타이머(2055)를 이용하여 식별할 수 있으며, 감지 신호 전송 시점이 도래하면, 다중화기(2021)를 제어하여 해당 송신 코일을 통해 감지 신호가 송출될 수 있도록 제어할 수 있다. 일 예로, 타이머(2050)는 핑 전송 단계 동안 소정 주기로 특정 이벤트 신호를 제어부(2040)에 송출할 수 있으며, 제어부(2040)는 해당 이벤트 신호가 감지될 때마다, 다중화기(2021)를 제어하여 해당 송신 코일을 통해 디지털 핑이 송출될 수 있도록 제어할 수 있다.
또한, 제어부(2040)는 제1차 감지 신호 송출 절차 동안 복조부(2032)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(2040)는 제1차 감지 신호 송출 절차 동안 신호 세기 지시자가 수신된 송신 코일(들)을 통해서만 감지 신호가 송출될 수 있도록 다중화기(2021)를 제어할 수도 있다. 다른 일 예로, 제어부(2040)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(2021)를 제어할 수도 있다.
도 21은 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 전력 송신기의 분해사시도이다.
실시 예에 따른 무선전력송신기는 도 1에 도시된 무선전력송신기(10)이나 도 2에 도시된 무선전력송신기(200) 일 수 있다.
도 21을 참조하면, 실시예에 따른 무선전력송신기는 제1 브라켓(2110), 제1 기판(2120), 제2 브라켓(2130), 차폐재(2134), 제 1송신코일(2135a), 제 2송신코일(2135b) 및 제2 기판(2140)을 포함하여 구성될 수 있다. 상술한 무선 전력 송신기의 구성은 반드시 필수적인 구성은 아니어서, 그보다 많거나 적은 구성 요소를 포함하여 구성될 수도 있음을 주의해야 한다.
이때, 도 21에 도시된 무선전력 송신기는 도 7에 도시된 무선 전력 송신기 대비, 송신 코일의 개수 및 배치 구조만이 다를 뿐, 그 이외의 부분은 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 22는 도 21의 제 1 및 2 송신코일을 나타낸 도면이다.
본 발명에서는 도 8에 도시된 송신 코일 대비 더 넓은 충전 영역을 확보하면서 무선 전력 수신기와의 정렬성을 높일 수 있는 멀티 송신 코일을 제공한다.
이를 위한 제 1 및 2 송신 코일(2210, 2220) 각각은 전류를 자속으로 변화시키도록 와이어가 타원 형상을 가지고 복수 회 턴하여 형성될 수 있다. 이때, 제 1 및 2 송신 코일(2210, 2220) 각각은 와이어가 아닌 금속 패턴층으로 형성될 수도 있다. 또한 도 22에 도시된 바와 같이, 제 1 및 2 송신 코일(2210, 2220) 각각은 타원 형상을 가지며 단일 레이어로 형성될 수 있다. 즉, 상기 제 1 및 2 송신 코일(2210, 2220) 각각은 제 1 방향으로의 폭이 제 2 방향으로의 폭보다 큰 타원 형상을 가질 수 있다. 상기 제 1 방향은 가로 방향일 수 있다. 상기 제 1 방향은 상기 무선 전력 송신기의 장변 방향일 수 있다. 또한, 상기 제 1 방향은 상기 무선 전력 송신기 위에 배치되는 무선 전력 수신기의 장변 방향일 수 있다. 상기 제 2 방향은 세로 방향일 수 있다. 상기 제 2 방향은 상기 무선 전력 송신기의 단변 방향일 수 있다. 또한, 상기 제 2 방향은 상기 무선 전력 송신기 위에 배치되는 무선 전력 수신기의 단변 방향일 수 있다.
제 1 및 2 송신 코일(2210, 2220) 각각의 외측 길이(Outer Length, dol)는 68±1mm이고, 내측 길이(Inner Length, dil)는 34±1mm이며, 외측 너비(Outer Width, dow)는 53±1mm이고, 내측 너비(Inner Width, diw)는 19±1mm이며, 두께(Thickness, dc)는 1.15±1mm이고, 권선수(Number of turn per layers, N)는 16이며, 층수(Number of layers)는 1일 수 있다. 또한, 제 1 및 2 송신 코일(2210, 2220)의 각각의 중심 사이의 거리(dh)는 34±1mm일 수 있다.
본 발명에서의 제 1 및 2 송신 코일(2210, 2220)의 규격을 요약하면 표 5과 같을 수 있다.
Parameter Symbol Value(mm)
외측 길이
(Outer Length)		 dol 68±1mm
내측 길이
(Inner Length) 		dil 34±1mm
외측 너비
(Outer Width)		 dow 53±1mm
내측 너비
(Inner Width)		 diw 19±1mm
두께
(Thickness)		 dc 1.15±1mm
권선수
(Number of turn per layers)		 N 16
코일 중심 간의 거리
(Coil to coil length)		 dh 34±1mm
이때, 상기 제 1 및 2 송신 코일(2210, 2220) 각각이 가지는 내측 너비(Inner Width, diw)에 따라 상기 제 1 및 2 송신 코일(2210, 2220)이 배치된 무선 전력 송신기의 충전 영역이 결정될 수 있다. 즉, 상기 제 1 및 2 송신 코일(2210, 2220)이 가지는 내측 너비(Inner Width, diw)가 너무 작으면, 자기장 쇄교수(Flux linkage)의 차이에 따라 과결합(over coupling)이 발생하며, 이에 따라 충전이 끊어지는 현상이 발생한다. 따라서, 본 발명에서는 제 1 및 2 송신 코일(2210, 2220) 각각이 가지는 내측 너비(Inner Width, diw)가 19±1mm의 범위를 가지도록 한다. 다시 말해서, 상기 송신 코일(800)이 가지는 내측 너비(Inner Width, diw)는 최소 18mm 이상을 유지할 수 있도록 한다.
본 발명에 따른 실시 예는, 기존의 3 코일 구조보다 코일 개수를 감소하면서, 상기 3코일 구조가 가지는 최대 충전 영역을 커버할 수 있는 무선 전력 송신 코일 및 이를 포함하는 무선 전력 송신 장치를 제공할 수 있다.
이에 따라, 실시 예는 무선 전력 송신 코일 및 이를 포함하는 무선 전력 송신 장치를 제조하기 위한 재료비나 별도의 가공비를 절감할 수 있다.
또한, 실시 예는 충전 속도가 빠르고 충전 효율이 높은 고출력의 무선 충전을 할 수 있다.
또한, 실시 예는 기존보다 적은 코일 수를 가지고도 충전 영역을 증가시킬 수 있으며, 이에 따른 충전 자유도가 높은 무선 충전을 할 수 있다.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
상술한 실시예에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 이상에서 실시예들을 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예들에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부한 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 무선으로 전력을 송신하는 코일로서,
    상기 코일은,
    동일 평면에서 단일 루프를 가지며 복수 회 턴 하여 형성되고,
    상기 코일의 내측 너비(inner width)는 18mm 이상을 가지는,
    무선 송신 코일.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 코일은,
    단일 레이어로 형성되는
    무선 송신 코일.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 코일은,
    상기 내측 너비가 19mm±1mm이고,
    외측 길이가 68±1mm이고,
    내측 길이가 34±1mm이고,
    외측 너비가 53±1mm이고,
    두께가 1.15±1mm이며,
    턴 수가 16인
    무선 송신 코일.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 코일은,
    제 1 코일과,
    상기 제 1 코일 위에 배치되고, 상기 제 1 코일의 적어도 일부가 중첩되는 제 2 코일을 포함하는
    무선 송신 코일.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 제 1 코일과 상기 제 2 코일 사이의 간격은, 34±1mm인
    무선 송신 코일.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 코일의 인덕턴스는 21.38±0.5uH이고,
    상기 코일에서 발생되는 전력 손실량에 해당하는 저항은 0.12±0.05Ω인
    무선 송신 코일.
  7. 기판;
    상기 기판 상에 배치된 차폐재;
    상기 차폐재 상에 배치되고, 코일선이 복수 회 턴 하여 배치된 단일 개의 코일; 및
    내부에 상기 송신 코일을 수용하며, 상면에 무선 전력 수신기가 배치되는 수용 홈이 형성된 하우징을 포함하고,
    상기 코일은,
    상기 수용 홈과 수직으로 중첩된 영역 내에 배치되고,
    상기 수용 홈의 면적은,
    상기 코일의 면적보다 크며,
    상기 코일은,
    동일 평면 상에서 복수 회 턴하여 형성되며, 내측 너비(inner width)가 19±1mm를 가지는
    무선 전력 송신기.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 코일은,
    외측 길이가 68±1mm이고,
    내측 길이가 34±1mm이고,
    외측 너비가 53±1mm이고,
    두께가 1.15±1mm이며,
    턴 수가 16인
    무선 전력 송신기.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 코일의 인덕턴스는 21.38±0.5uH이고,
    상기 코일에서 발생되는 전력 손실량에 해당하는 저항은 0.12±0.05Ω인
    무선 전력 송신기.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 수용 홈은,
    제 1 방향으로의 너비가 170±3mm이고,
    상기 제 1 방향과 수직한 제 2 방향으로의 너비가 85±3mm인
    무선 전력 송신기.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20220065610A (ko) 2020-11-13 2022-05-20 한국과학기술원 송신부 매칭 커패시터를 이용하여 주파수 분할 현상을 완화하는 무선 전력 전송 시스템 및 그 동작 방법
WO2022186674A1 (ko) * 2021-03-05 2022-09-09 엘지전자 주식회사 무선전력 전송장치
KR20230074968A (ko) 2021-11-22 2023-05-31 홍익대학교 산학협력단 중계코일을 포함하고, 송신부 매칭 커패시터를 이용하여 주파수 분할 현상을 완화하는 무선 전력 전송 시스템 및 그 동작 방법

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