KR20200124866A - 무선 전력 제어 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무선 전력 제어 방법 및 그를 위한 장치들에 관한 것으로서, 일 실시 예에 따른 무선 전력 수신기의 무선 전력 제어 방법은 기 설정된 요구 전력에 대응하는 부하 크기까지 기 설정된 레벨로 부하 크기를 변경하는 단계와 상기 레벨의 부하 크기 각각에 대응하는 전력 정보를 각각 무선 전력 송신기에 전송하는 단계와 상기 각각의 전력 정보에 대한 응답 신호를 각각 수신하는 단계를 포함하고, 상기 응답 신호 모두가 ACK 신호일 때, 상기 기 설정된 요구 전력에 대응하는 상기 부하 크기가 유지될 수 있다. 따라서, 본 발명은 보다 정확하게 이물질을 검출하여 전송 전력을 제어하는 것이 가능한 무선 충전 시스템을 제공할 수 있는 장점이 있다.

Description

무선 전력 제어 방법 및 장치{Method and Apparatus for Controlling Wireless Power}

본 발명은 무선 전력 전송 기술에 관한 것으로서, 상세하게, 보다 효율적으로 전력을 전송하는 것이 가능한 무선 전력 송신기의 무선 전력 제어 방법 및 보다 효율적으로 전력을 수신하는 것이 가능한 무선 전력 수신기의 무선 전력 제어 방법에 관한 것이다.

무선 전력 수신기와 무선 전력 송신기 사이에 금속성 이물질(FO: Foreign Object)가 존재하는 경우, 무선 충전 효율이 현저히 떨어질 뿐만 아니라 FO에 의한 전력 흡수로 인해 무선 전력 수신기와 무선 전력 송신기의 온도가 함께 상승할 수 있다. 만약, 충전 영역에 위치한 FO가 제거되지 않는 경우, 전력 낭비가 초래될 뿐만 아니라 과열로 인해 무선 전력 송신기 및 무선 전력 수신기의 손상을 야기시킬 수 있다.

또한, 실제 충전 영역에 FO가 존재하지 않음에도, 무선 전력 송신기가 충전 영역에 이물질이 존재하는 것으로 잘못 판단한 경우, 충전이 중단될 수도 있다.

따라서, 충전 영역에 위치한 FO를 정확히 검출하는 것은 무선 충전 기술 분야에서 중요한 이슈로 부각되고 있다.

FO 유무를 정확히 판단하지 못하면 무선 전력 송신기는 고전력의 충전을 무선 전력 수신기에게 제공할 수 없다.

본 발명의 실시 예는 무선 전력 제어 방법 및 장치들을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예는 정확한 이물질 검출 및 효율적인 전력 제어를 수행하는 무선 전력 송신기를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예는 효율적인 전력 수신이 가능한 무선 전력 수신기를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예는 충전 효율을 최대화시키는 것이 가능한 무선 충전 시스템을 제공할 수 있다.

본 발명의 실시 예는 무선 전력 제어 방법 및 그것을 수행하는 장치들을 제공할 수 있다.

일 실시 예에 따른 무선 전력 수신기의 무선 전력 제어 방법은 기 설정된 요구 전력에 대응하는 부하 크기까지 기 설정된 레벨로 부하 크기를 변경하는 단계와 상기 레벨의 부하 크기 각각에 대응하는 전력 정보를 각각 무선 전력 송신기에 전송하는 단계와 상기 각각의 전력 정보에 대한 응답 신호를 각각 수신하는 단계를 포함하고, 상기 응답 신호 모두가 ACK 신호일 때, 상기 기 설정된 요구 전력에 대응하는 상기 부하 크기가 유지될 수 있다.

실시 예로, 상기 응답 신호가 NAK 신호일 때 무선 전력 수신이 중단될 수 있다.

실시 예로, 상기 응답 신호 중 하나가 NAK 신호일 때 상기 NAK 신호에 대응하는 부하 크기의 전 레벨로 부하의 크기가 변경될 수 있다.

실시 예로, 상기 기 설정된 요구 전력은 상기 무선 전력 송신기와 협상된 가용 전력일 수 있다.

실시 예로, 상기 응답 신호가 NAK 신호일 때, 이물질이 있는 것으로 판단될 수 있다.

실시 예로, 상기 응답 신호가 ACK 신호일 때, 이물질이 없는 것으로 판단될 수 있다.

실시 예로, 상기 레벨은 주기, 크기 및 시간 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

실시 예로, 상기 전력 정보는 수신 전력 정보를 포함할 수 있다.

실시 예로, 상기 수신 전력 정보는 상기 무선 전력 수신기로부터 부하로 출력되는 출력 전력과 상기 무선 전력 수신기의 내부 손실 전력의 합을 이용하여 계산될 수 있다.

실시 예로, 상기 응답 신호는 초기 송신 전력 대비 초기 전력 손실 및 각각의 상기 수신 전력 정보에 대응하는 송신 전력 대비 각각의 상기 수신 전력 정보에 대응하는 전력 손실의 차이가 기 설정된 크기를 초과하지 않을 때 ACK 신호일 수 있다.

실시 예로, 상기 송신 전력은 상기 무선 전력 송신기의 입력 전력과 상기 무선 전력 송신기의 내부 손실 전력의 차이를 이용하여 계산될 수 있다.

실시 예로, 상기 응답신호는 초기 송신 전력 대비 초기 전력 손실률 및 상기 부하 크기 변경에 따른 전송 전력 대비 전력 손실률이 기 설정된 크기를 초과하지 않을 때 ACK 신호일 수 있다.

다른 실시 예에 따른 무선 전력 수신기는 무선으로 교류 전력 신호를 수신하는 수신 코일과 상기 교류 전력 신호를 직류 전력 신호로 정류하는 정류기와 상기 직류 전력 신호를 수신하는 부하와 데이터 신호를 변조 및 복조하는 변복조기와 상기 교류 전력 신호의 세기를 제어하는 제어기를 포함하고, 상기 제어기는 기 설정된 요구 전력에 대응하는 부하 크기까지 기 설정된 레벨로 상기 부하의 크기를 변경하고, 상기 레벨의 부하 크기에 각각 대응하는 전력 정보를 상기 변복조기를 통해 각각 무선 전력 송신기에 전송하고, 상기 각각의 전력 정보에 대한 응답 신호를 상기 무선 전력 송신기로부터 각각 수신하도록 설정되고, 상기 응답 신호 모두가 ACK 신호이면 상기 기 설정된 요구 전력에 대응하도록 상기 부하의 크기가 유지될 수 있다.

실시 예로, 상기 전력 정보는 수신 전력 정보를 포함할 수 있다.

실시 예로, 상기 수신 전력 정보는 상기 부하로 출력되는 출력 전력과 상기 무선 전력 수신기의 내부 손실 전력의 합을 이용하여 계산될 수 있다.

실시 예로, 상기 응답 신호는 초기 송신 전력 대비 초기 전력 손실 및 각각의 상기 수신 전력 정보에 대응하는 송신 전력 대비 각각의 상기 수신 전력 정보에 대응하는 전력 손실의 차이가 기 설정된 크기를 초과하지 않을 때 ACK 신호일 수 있다.

또 다른 실시 예에 따른 무선 전력 송신기의 무선 전력 제어 방법은 기 설정된 가용 전력에 대응하는 부하 크기까지 기 설정된 레벨에 따른 부하의 크기에 대응하는 전력 정보를 각각 수신하는 단계와 상기 전력 정보 각각에 대응하는 전력 손실을 산출하는 단계와 상기 전력 손실에 기반하여 이물질 존재 여부를 판단하여 응답 신호를 송신하는 단계를 포함할 수 있다.

실시 예로, 상기 가용 전력은 무선 전력 수신기와 협상된 전력일 수 있다.

실시 예로, 상기 가용 전력은 상기 무선 전력 수신기가 수신 가능한 최대 전력일 수 있다.

실시 예로, 상기 수신 가능한 최대 전력은 상기 협상된 상기 무선 전력 수신기의 요구 전력일 수 있다.

실시 예로, 상기 전력 정보는 수신 전력 정보를 포함할 수 있다.

실시 예로, 상기 수신 전력 정보는 상기 무선 전력 수신기의 부하로 출력되는 출력 전력과 상기 무선 전력 수신기의 내부 손실 전력의 합을 이용하여 계산될 수 있다.

실시 예로, 초기 전력 대비 초기 전력 손실보다 각각의 상기 수신 전력 정보에 대응하는 전력 대비 상기 각각의 수신 전력 정보에 대응하는 전력 손실이 기 설정된 크기를 초과하면 이물질이 존재하는 것으로 판단할 수 있다.

실시 예로, 초기 송신 전력 대비 초기 전력 손실률 및 부하 크기 변경에 따른 전송 전력 대비 전력 손실률이 기 설정된 크기를 초과하면 이물질이 존재하는 것으로 판단할 수 있다.

또 다른 실시 예에 따른 무선 전력 송신기는 교류 전력 신호를 생성하는 교류 전력 생성기와 상기 교류 전력 신호를 무선으로 출력하는 송신 코일과 신호를 변조 및 복조하는 변복조기와 상기 교류 전력 신호의 세기을 제어하는 제어기를 포함하고, 상기 제어기가 기 설정된 가용 전력에 대응하는 부하 크기까지 기 설정된 레벨에 따른 부하의 크기에 대응하는 전력 정보를 각각 상기 변복조기를 통해 무선 전력 수신기로부터 수신하고, 상기 전력 정보 각각에 대응하는 전력 손실을 산출하고, 상기 전력 손실에 기반하여 이물질 존재 여부를 판단하여 응답 신호를 상기 무선 전력 수신기로 송신할 수 있다.

실시 예로, 상기 전력 정보는 수신 전력 정보를 포함할 수 있다.

실시 예로, 상기 수신 전력 정보는 상기 무선 전력 수신기의 부하로 출력되는 출력 전력과 상기 무선 전력 수신기의 내부 손실 전력의 합을 이용하여 계산될 수 있다.

실시 예로, 상기 제어기가 초기 전력 대비 초기 전력 손실보다 각각의 상기 수신 전력 정보에 대응하는 전력 대비 상기 각각의 수신 전력 정보에 대응하는 전력 손실이 기 설정된 크기를 초과하면 이물질이 존재하는 것으로 판단할 수 있다.

본 발명의 또 다른 일 실시 예는 무선 전력 제어 방법들 중 어느 하나의 방법을 실행시키기 위한 프로그램이 기록된 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체를 제공할 수 있다.

상기 본 발명의 양태들은 본 발명의 바람직한 실시 예들 중 일부에 불과하며, 본원 발명의 기술적 특징들이 반영된 다양한 실시 예들이 당해 기술분야의 통상적인 지식을 가진 자에 의해 이하 상술할 본 발명의 상세한 설명을 기반으로 도출되고 이해될 수 있다.

본 발명에 따른 방법, 장치 및 시스템에 대한 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 실시 예는 정확한 이물질 검출 및 효율적인 전력 제어를 수행하는 것이 가능한 무선 전력 제어 방법 및 장치들을 제공할 수 있는 장점을 가질 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예는 충전 효율을 최대화시키는 것이 가능한 무선 충전 시스템을 제공할 수 있는 장점을 가질 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예는 불필요한 충전 중단으로 인한 사용자 불편을 최소화시키는 것이 가능한 무선 충전 시스템을 제공할 수 있는 장점을 가질 수 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 실시 예들을 제공한다. 다만, 본 발명의 기술적 특징이 특정 도면에 한정되는 것은 아니며, 각 도면에서 개시하는 특징들은 서로 조합되어 새로운 실시 예로 구성될 수 있다.
도 1은 실시 예에 따른 무선 충전 시스템을 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 이물질 검출 오류에 따른 문제점을 설명하기 위한 도면이다.
도 3a는 실시 예에 따른 무선 전력 송신 장치의 구조를 설명하기 위한 블록도이다.
도 3b는 실시 예에 따른 무선 전력 수신 장치의 구조를 설명하기 위한 블록도이다.
도 4는 실시 예에 따른 무선 전력 전송 절차를 설명하기 위한 상태 천이도이다.
도 5는 실시 예에 따른 품질 인자 값에 기반한 이물질 검출 절차를 설명하기 위한 흐름도이다.
도 6은 실시 예에 따른 무선 충전 시스템에서의 이물질 검출 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 실시 예에 따른 무선 전력 송신기와 무선 전력 수신기 사이의 전력 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 실시 예에 따른 전력 전송 계약 갱신 절차를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 실시 예에 따른 단계적으로 전송 전력을 증가시켜 이물질을 검출하는 LOAD STEP FOD를 설명하기 위한 도면이다.
도 10a 내지 도 10b는 충전 베드에 이물질이 배치되지 않은 상태에서 수신기의 위치 변화에 따라 산출된 전송 전력 대비 전력 손실률을 보여준다.
도 10c는 상기한 도 10a 내지 10b의 실험 결과에 상응하는 그래프이다.
도 11a 내지 11b는 충전 베드에 이물질이 배치된 상태에서 수신기의 위치 변화에 따라 산출된 전송 전력 대비 전력 손실률을 보여준다.
도 11c는 상기한 도 11a 내지 11b의 실험 결과에 상응하는 그래프이다.
도 12는 이물질의 배치 여부에 따른 전송 전력 대비 전력 손실률의 특성을 비교하기 위한 그래프이다.
도 13은 실시 예에 따른 무선 전력 송신기의 무선 전력 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 다른 실시 예에 따른 무선 전력 송신기의 무선 전력 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.

이하, 본 발명의 실시 예들이 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.

실시 예의 설명에 있어서, 각 구성 요소의 " 상(위) 또는 하(아래)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)는 두개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되거나 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 배치되어 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 “상(위) 또는 하(아래)”으로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.

실시 예의 설명에 있어서, 무선 충전 시스템에서 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, 설명의 편의를 위해, 무선 전력 송신 장치로부터 무선 전력을 수신하는 기능이 탑재된 장치는 무선 전력 수신 장치, 무선 전력 수신기, 무선 파워 수신 장치, 무선 파워 수신기, 수신 단말기, 수신측, 수신 장치, 수신기 등을 혼용하여 사용하기로 한다.

실시 예에 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 적어도 하나 이상의 무선 전력 수신 장치에 전력을 전송할 수 있다.

이를 위해, 송신기는 적어도 하나의 무선 전력 전송 수단을 구비할 수도 있다. 여기서, 무선 전력 전송 수단은 송신단의 송신 코일에서 자기장을 발생시키면, 그 자기장의 영향으로 수신단의 수신 코일에 전기가 유도되어 부하를 충전하는 전자기 유도 방식에 기반한 다양한 무전 전력 전송 표준이 사용될 수 있다.

또한, 실시 예에 따른 수신기는 적어도 하나의 무선 전력 수신 수단이 구비될 수도 있으며, 2개 이상의 송신기로부터 동시에 또는 순차적으로 무선 전력을 수신할 수도 있다.

실시 예에 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 무선 전력 수신 수단이 구비되어 배터리 충전이 가능한 기기라면 족하다.

도 1은 실시 예에 따른 무선 충전 시스템을 설명하기 위한 블록도이다.

도 1을 참조하면, 무선 충전 시스템은 크게 무선으로 전력을 전송하는 무선 전력 송신기(10), 무선 전력을 수신하는 무선 전력 수신기(20) 및 무선 전력 수신기(20)로부터 전력을 공급 받는 전자기기(30)로 구성될 수 있다.

여기서, 전자기기(30)는 무선 전력 수신기(20)로부터 수신되는 전력을 이용하여 구비된 충전 배터리를 충전할 수도 있다.

일 예로, 무선 전력 송신기(10)과 무선 전력 수신기(20)은 무선 전력 전송에 사용되는 동작 주파수 대역과 동일한 주파수 대역을 통해 신호를 송수신하는 인밴드(In-band) 통신을 수행할 수 있다.

인밴드 통신에 있어서, 무선 전력 수신기(20)는 무선 전력 송신기(10)로부터 수신된 무선 전력 신호(41)를 진폭 변조하고, 진폭 변조된 신호(42)를 무선 전력 송신기(10)에 전송할 수 있다.

다른 일 예로, 무선 전력 송신기(10)과 무선 전력 수신기(20)은 무선 전력 전송에 사용되는 동작 주파수 대역과 상이한 별도의 주파수 대역을 이용하여 신호를 교환하는 대역외(Out-of-band) 통신을 수행할 수도 있다.

일 예로, 무선 전력 송신단(10)과 무선 전력 수신단(20) 사이에 교환되는 신호는 서로의 각종 상태 정보 및 서로의 동작을 제어하기 위한 제어 정보를 전송하기 위해 사용될 수 있다. 여기서, 송수신기 사이에 교환되는 상태 정보 및 제어 정보는 후술할 실시 예들의 설명을 통해 보다 명확해질 것이다.

상기 인밴드 통신 및 대역외 통신은 양방향 통신을 제공할 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 다른 실시 예에 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)으로만 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.

실시 예에 따른 무선 전력 수신기(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.

실시 예에 따른 무선 전력 송신기(10)은 일반 충전 모드뿐만 아니라 고속 충전 모드를 지원할 수도 있다.

일 예로, 일반 충전 모드에서의 최대 전송 전력의 세기-즉, 가용 전력-은 5와트(W)이고, 고속 충전 모드에서의 가용 전력은 15W로 설정될 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 해당 시스템의 설계 및 적용되는 무선 전력 전송 표준 규격에 따라 상이할 수 있다.

실시 예에 따른 무선 전력 송신기(10)는 무선 전력 수신기(20)와의 소정 협상 절차를 통해 전력 전송 계약(Power Transfer Contract) 설정할 수 있다. 여기서, 전력 전송 계약은 무선 전력 송신기(10)의 가용 전력에 관한 정보를 포함할 수 있다.

실시 예에 따른 무선 전력 송신기(10)는 충전 중 상태 변화에 따라 소정 재협상 절차를 수행하여 전력 전송 계약을 갱신할 수도 있다.

실시 예에 따른 무선 전력 송신기(10)는 후술할 협상 단계 및 전력 전송 단계에서 충전 영역에 이물질이 존재하는지 여부를 판단할 수 있다. 즉, 무선 전력 송신기(10)는 협상 단계 및 전력 전송 단계에서 소정 이물질 검출 절차를 수행할 수 있다.

실시 예에 따른 무선 전력 송신기(10)는 이물질 검출 결과에 따라 동적으로 가용 전력을 조절할 수 있다.

실시 예에 따른 무선 전력 송신기(10)는 고속 충전 모드로 동작 중 이물질이 존재하는 것으로 판단하면, 충전을 즉시 중단하지 않고, 일반 충전 모드로 전환하여 충전 상태를 계속 유지할 수 있다.

실시 예에 따른 무선 전력 송신기(10)는 일반 충전 모드로 동작 중 이물질이 존재하는 것으로 판단하면, 일정 시간 이내에 전력 전송을 중단하여 충전을 종료시킬 수 있다.

실시 예에 따른 무선 전력 송신기(10)는 고속 충전 중 이물질이 존재하는 것으로 판단하여 고속 충전 모드에서 일반 충전 모드로 전환한 후 실제 이물질이 존재하지 않는 것으로 판단하면, 다시 고속 충전 모드로 회귀하여 고속 충전을 수행할 수 있다.

실시 예에 따른 무선 전력 송신기(10)는 고속 충전 중 이물질이 존재하는 것으로 판단하여 고속 충전 모드에서 일반 충전 모드로 전환한 후 충전 영역에 배치된 이물질이 제거된 것으로 판단하면, 다시 고속 충전 모드로 회귀하여 고속 충전을 수행할 수도 있다.

도 2는 이물질 검출 오류에 따른 문제점을 설명하기 위한 도면이다.

무선 전력 송신기(10)의 충전 영역에 금속 성분의 이물질이 배치되는 경우, 이물질에 의해 무선 전력이 흡수되어 전력 전송 효율이 급격히 떨어질뿐만 아니라 발열로 인해 기기 고장이 발생할 수 있다.

따라서, 무선 충전 시스템에서의 이물질 검출 기능은 매우 중요하다.

하지만, 무선 전력 송신기(10)가 이물질을 정확하게 검출하지 못하는 경우, 또 다른 문제점을 야기시킬 수 있다.

이하, 상기 도 2를 참조하여, 이물질 검출 오류에 따른 문제점을 상세히 설명하기로 한다.

무선 전력 송신기(10)는 전력 전송 전 이물질 존재 여부를 판단하는 이물질 검출 절차를 수행할 수 있다(S210).

만약, 실제 충전 영역에 이물질이 존재하지 않음에도 불구하고, 무선 전력 송신기(10)가 충전 영역에 이물질이 존재하는 것으로 판단하는 경우-즉, False Positive FOD-, 무선 전력 송신기(10)는 도면 번호 S220과 같이 충전을 종료시킬 수 있다. 이 경우, 특별한 이유 없이 충전이 중단되어 사용자 불만을 야기시킬 수 있다.

만약, 실제 충전 영역에 이물질이 존재함에도 불구하고, 무선 전력 송신기(10)가 충전 영역에 이물질이 존재하지 않는 것으로 판단하는 경우-즉, False Negative FOD-, 무선 전력 송신기(10)는 도면 번호 S230과 고속 충전 모드로 진입하여 충전을 개시할 수 있다. 이 경우, 고속 전력 충전으로 충전 시 발열이 심화되어 기기 손상을 야기시킬 수 있다.

일 예로, 무선 전력 송신기의 충전 영역에 Friendly Metal을 포함하는 무선 전력 수신기가 배치되는 경우, 해당 무선 전력 수신기의 Friendly Metal에 의해 소산(disspated)되는 전력은 이물질에 의해 소산되는 전력보다 상당히 클 수 있다. 이 경우, 무선 전력 수신기와 이물질이 함께 배치되었을 때 소산되는 총 전력은 충전 영역에 무선 전력 수신기만 배치되었을 때 소산되는 전력과 유사할 수 있다.

이는 무선 전력 송신기가 충전 영역에 이물질이 존재하는지 여부를 식별하는 것을 어렵게 만들 수 있다.

도 3a는 실시 예에 따른 무선 전력 송신 장치의 구조를 설명하기 위한 블록도이다.

도 3a를 참조하면, 무선 전력 송신 장치(300)는 제어기(310), 교류 전력 생성기(320), 송신 회로(330) 및 변복조기(340)을 포함하여 구성될 수 있다.

교류 전력 생성기(320)는 제어기(310)의 제어 신호에 따라 외부 전원으로부터 인가되는 직류 전력-즉, 레일 전압(V_RAIL)-을 교류 전력 신호로 변환시킬 수 있다.

실시 예에 따른 제어기(310)는 교류 전력 생성기(320)에 구비된 인버터의 동작 모드를 동적으로 변경할 수 있다.

여기서, 인버터 동작 모드는 하프 브릿지 모드와 풀 브릿지 모드를 포함할 수 있으며, 디폴트 모드는 풀 브릿지 모드로 설정될 수 있다.

송신 회로(330)는 직렬 연결된 캐패시터와 인덕터로 구성된 LC 공진 회로를 포함할 수 있으며, 교류 전력 생성기(320)의 출력단에 연결되어 교류 전력 신호를 무선으로 출력할 수 있다.

변복조기(340)는 송신 회로(330)의 일측에 연결될 수 있으며, 송신 회로(330)상의 진폭 변조된 교류 전력 신호-즉, 인밴드 신호-를 복조하고, 복조된 데이터를 제어기(310)에 전송할 수 있다.

변복조기(340)는 제어기(310)로부터 수신된 패킷(또는 신호)를 변조하여 송신 회로(330)에 전송할 수 있다.

제어기(310)는 변복조기(340)로부터 수신되는 데이터에 기반하여 패킷을 식별하고, 식별된 패킷에 기반하여 무선 전력 송신 장치(300)의 동작을 제어할 수 있다.

실시 예에 따른 제어기(310)는 충전 중 제어 오류 값(Control Error Value)이 포함된 제어 오류 패킷(CEP: Control Error Packet)을 변복조기(340)를 통해 일정 주기로 무선 전력 수신기로부터 수신할 수 있다.

또한, 실시 예에 따른 제어기(310)는 무선 전력 수신기에 수신되는 수신 전력의 세기에 관한 정보를 변복조기(340)를 통해 수신할 수도 있다.

제어기(310)는 기 설정된 가용 전력에 대응하는 부하 크기까지 기 설정된 레벨에 따른 부하의 크기에 대응하는 전력 정보를 각각 무선 전력 수신기로부터 수신할 수 있다.

여기서, 가용 전력은 무선 전력 수신기와 협상된 전력일 수 있다.

실시 예로, 가용 전력은 무선 전력 수신기가 수신 가능한 최대 전력일 수 있다.

일 예로, 수신 가능한 최대 전력은 협상을 통한 무선 전력 수신기의 요구 전력일 수 있다.

제어기(310)는 전력 정보 각각에 대응하는 전력 손실을 산출할 수 있다.

제어기(310)는 전력 손실에 기반하여 이물질 존재 여부를 판단하고, 판단 결과에 상응하는 응답 신호를 송신할 수 있다.

실시 예로, 제어기(310)는 초기 전력 대비 초기 전력 손실보다 상기 각각의 수신 전력 정보에 대응하는 전력 대비 상기 각각의 수신 전력 정보에 대응하는 전력 손실이 기 설정된 크기를 초과하면 이물질이 존재하는 것으로 판단할 수 있다.

실시 예로, 제어기(310)는 초기 송신 전력 대비 초기 전력 손실률 및 상기 부하 크기 변경에 따른 전송 전력 대비 전력 손실률이 기 설정된 크기를 초과하면 이물질이 존재하는 것으로 판단할 수 있다.

실시 예로, 제어기(310)는 초기 전력 손실보다 상기 무선 전력 수신기의 부하 크기 변경에 따른 전력 손실(수신 전력 정보에 대응되는 전력 손실)이 기 설정된 크기를 초과하면 이물질이 존재하는 것으로 판단할 수 있다.

실시 예로, 송신 전력이 증가함에 따른 오차를 고려하여 송신 전력 대비 손실 증가율을 고려할 수 있다. 제어기(310)는 초기 전력 손실보다 상기 무선 전력 수신기의 부하 변경에 따른 전력 손실(수신 전력 정보에 대응되는 전력 손실)을 송신 전력으로 나눈 손실 증가율이 기 설정된 크기를 초과하면 이물질이 존재하는 것으로 판단할 수 있다.

도 3b는 실시 예에 따른 무선 전력 수신 장치의 구조를 설명하기 위한 블록도이다.

도 3b를 참조하면, 무선 전력 수신 장치(350)는 수신 회로(350), 정류기(370), 부하(380), 제어기(390) 및 변복조기(395)를 포함하여 구성될 수 있다.

수신 회로(350)는 교류 전력 신호를 수신하여 정류기(370)에 전달할 수 있다.

수신 회로(350)는 직렬 연결된 캐패시터와 인덕터로 구성된 LC 공진 회로를 포함할 수 있다.

정류기(370)는 교류 전력 신호를 직류 전력 신호로 변환하여 부하(380)에 제공할 수 있다.

제어기(390)는 무선 전력 수신 장치(350)의 전체적인 동작을 제어할 수 있다.

변복조기(395)는 수신 회로(350)를 통해 수신되는 신호를 복조하여 제어기(390)에 전송할 수 있다.

변복조기(395)는 제어기(390)의 제어 신호에 따라 진폭 변조 동작을 수행할 수 있다.

제어기(390)는 Load step에 따라 각 부하 크기(또는 부하 레벨)에 맞게 무선 전력 수신기 내부의 전력 손실을 산출 또는 추정(estimation)할 수 있다.

제어기(390)는 부하(380)에 전달되는 전력인 P_OUT을 측정할 수 있다.

제어기(390)는 산출 또는 추정된 전력 손실과 측정된 Pout에 관한 정보를 포함하는 전력 정보를 무선 전력 송신기(300)에 전송할 수 있다.

제어기(390)는 기 설정된 요구전력에 대응하는 부하 크기까지 기 설정된 레벨로 부하 크기를 변경할 수 있다.

여기서, 기 설정된 요구전력은 상기 무선 전력 송신 장치와 협상된 가용 전력일 수 이고, 레벨은 주기, 크기 및 시간 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

제어기(390)는 해당 레벨의 부하 크기 각각에 대응하는 전력 정보를 각각 무선 전력 송신기에 전송할 수 있다.

여기서, 전력 정보는 수신 전력에 대한 정보를 포함할 수 있다.

일 예로, 수신 전력은 무선 전력 수신기로부터 부하로 출력되는 출력 전력과 무선 전력 수신기의 내부 손실 전력의 합을 이용하여 계산될 수 있다.

제어기(390)는 각각의 전력정보에 대한 응답 신호를 각각 무선 전력 송신기로부터 수신할 수 있다.

제어기(390)는 응답 신호 모두가 ACK 신호일 때, 기 설정된 요구 전력에 대응하는 부하 크기를 유지할 수 있다.

실시 예로, 응답 신호는 초기 송신 전력 대비 초기 전력 손실 및 상기 각각의 수신 전력 정보에 대응하는 송신 전력 대비 상기 각각의 수신 전력 정보에 대응하는 전력 손실의 차이가 기 설정된 크기를 초과하지 않을 때 ACK 신호일 수 있다.

여기서, 송신 전력은 무선 전력 송신기의 입력 전력과 무선 전력 송신기의 내부 손실 전력의 차이를 이용하여 계산될 수 있다.

다른 실시 예로, 응답 신호는 초기 송신 전력 대비 초기 전력 손실률 및 부하 크기 변경에 따른 전송 전력 대비 전력 손실률이 기 설정된 크기를 초과하지 않을 때 ACK 신호일 수 있다.

실시 예로, 제어기(390)는 응답 신호 NAK 신호일 때 무선 전력 수신이 중단되도록 제어할 수 있다.

실시 예로, 제어기(390)는 각각의 응답 신호 중 하나가 NAK 신호일 때, 부하 크기를 최소 전력에 대응하는 부하 크기로 변경할 수 있다.

실시 예로, 제어기(390)는 각각의 응답 신호 중 하나가 NAK 신호일 때, 상기 NAK 신호에 대응하는 부하 크기의 전 레벨로 부하의 크기를 변경할 수 있다.

제어기(390)는 응답 신호가 NAK 신호일 때, 이물질이 있는 것으로 판단하고, 응답 신호가 ACK 신호일 때, 이물질이 없는 것으로 판단할 수 있다.

도 4는 실시 예에 따른 무선 전력 전송 절차를 설명하기 위한 상태 천이도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 송신기로부터 수신기로의 파워 전송은 크게 선택 단계(Selection Phase, 410), 핑 단계(Ping Phase, 420), 식별 및 구성 단계(Identification and Configuration Phase, 430), 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 단계-예를 들면, 도면 부호 S402, S404, S408, S410 및 S412를 포함함-일 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(S403).

일 예로, 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. 여기서, 활성 영역은 수신기가 배치되어 무선 충전이 가능한 영역을 의미할 수 있다.

다른 일 예로, 선택 단계(410)에서 송신기는 구비된 센서를 이용하여 인터페이스 표면의 활성 영역(Active Area)에 물체가 존재하는지를 감지할 수도 있다.

일 예로, 센서는 홀 센서, 압력 센서, 정전 용량 센서, 전류 센서, 전압 센서, 빛 감지 센서 등을 포함할 수 있으며, 이들 중 적어도 하나의 센서를 통해 활성 영역에 배치된 물체를 감지할 수 있다.

선택 단계(410)에서 물체가 감지된 경우, 무선 전력 송신기는 구비된 LC 공진 회로-예를 들면, LC 공진 회로는 직렬로 연결된 코일(인덕터) 및 공진 캐패시터를 포함하여 구성될 수 있음-에 상응하는 품질 인자를 측정할 수 있다.

실시 예에 따른 무선 전력 송신기는 선택 단계(410)에서 물체가 감지되면, 충전 영역에 이물질과 함께 무선 전력 수신기가 배치되었는지를 판단하기 위하여 품질 인자(Quality Factor) 값을 측정할 수 있다. 여기서, 품질 인자 값은 핑 단계(420)로의 진입 이전에 측정될 수 있다. 또한, 품질 인자 값은 송신 코일을 통한 전력 전송이 일시 중단된 상태에서 측정될 수 있다.

일 예로, 품질 인자 값은 미리 정의된 기준 동작 주파수에 대해 측정될 수 있다.

다른 일 예로, 품질 인자 값은 무선 전력 전송에 사용되는 동작 주파수 대역 내에서 일정 주파수 단위로 샘플링하여 측정될 수도 있다.

실시 예에 따른 무선 전력 송신기는 동작 주파수 대역 내 송신 코일의 전압 또는 전류가 최대 인 동작 주파수 값을 확인하여 구비된 내부 메모리에 저장할 수 있다. 또 다른 실시 예에서는 교류 전력을 생성하는 인버터의 출력 또는 입력의 전압 또는 전류가 최대인 동작 주파수 값을 확인하여 구비된 내부의 메모리에 저장할 수 있다. 이하 설명의 편의를 위해 동작 주파수 대역 내 송신 코일의 전압 또는 전류가 최대인 주파수를 피크 주파수(Peak Frequency) 또는 수신기가 배치된 무선 전력 송신기의 공진 탱크의 (자기)공진 주파수를 피크 주파수(Peak Frequency)라고도 할 수 있다.

동작 주파수 대역에 상응하여 측정되는 품질 인자 값의 분포 및 피크 주파수는 공진 탱크의 특성차이 또는 물리적 구조에 따라 상이할 수 있다. 서로 다른 무선 전력 송신기 타입끼리는 특성차이가 발생하여 품질인자 및 피크 주파수가 다르게 나타날 수 있다. 따라서 상기 특성 차이를 보정한 측정 변수 또는 기준 변수를 비교할 수 있다.

특히, 동일 동작 주파수에 대해 수신기를 인증하기 위해 사용되는 송신기-이하 설명의 편의를 위해 ‘인증용 송신기’라 명함-와 LCR 미터를 이용하여 측정된 품질 인자 값은 상용 송신기에 연결된 LCR 미터에서 측정된 품질 인자 값과 상이할 수도 있다.

무선 전력 송신기는 물체를 감지하면, 핑 단계(420)에 진입하여 수신기를 활성화(Wake up)시키고, 감지된 물체가 무선 전력 수신기인지를 식별하기 위한 디지털 핑(Digital Ping)을 전송할 수 있다. 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 무선 전력 송신기는 수신기로부터 충전이 완료되었음을 지시하는 신호, 즉, 충전 완료 패킷을 수신하면, 선택 단계(410)로 천이할 수도 있다.

핑 단계(420)가 완료되면, 무선 전력 송신기는 수신기를 식별하고, 전력 전송에 필요한 구성 및 상태 정보를 수집하기 위한 식별 및 구성 단계(430)로 천이할 수 있다.

무선 전력 송신기는 식별 및 구성 단계(430)에서 송신기 타입에 관한 정보를 수신기에 전송할 수도 있다.

수신기는 식별 및 구성 단계(430)에서 송신기 타입에 관한 정보를 송신기에 요구할 수도 있으며, 송신기는 수신기의 요구에 따라 송신기 타입에 관한 정보를 수신기에 전송할 수도 있다.

또한, 식별 및 구성 단계(430)에서 무선 전력 송신기는 원하지 않은 패킷이 수신되거나(unexpected packet), 미리 정의된 시간 동안 원하는 패킷이 수신되지 않거나(time out), 패킷 전송 오류가 있거나(transmission error), 전력 전송 계약(Power Transfer Contract)이 설정되지 않은 경우, 즉, no power transfer contract인 경우, 선택 단계(410)로 천이할 수 있다.

무선 전력 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, 무선 전력 송신기는 협상 단계(440)로 진입하여 소정 FOD 검출 절차를 수행할 수 있다.

반면, 확인 결과, 협상이 필요하지 않은 경우, 무선 전력 송신기는 곧바로 전력 전송 단계(460)로 진입하여 충전을 개시할 수도 있다.

실시 예에 따른 무선 전력 송신기는 식별 및 구성 단계(430)에서 해당 무선 전력 수신기가 일반 충전 모드만을 지원하는 수신기로 확인된 경우, 협상 단계(440)를 수행하지 않고, 곧바로 전력 전송 단계(460)로 진입할 수 있다.

무선 전력 송신기는 전력 전송 단계(460)로의 진입 후 주기적으로 소정 이물질 검출 절차를 수행할 수 있다. 여기서, 이물질 검출 절차는 품질 인자 값에 기반한 이물질 검출 절차일 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 전력 손실(Power loss)에 기반한 이물질 검출 절차가 적용될 수도 있다.

전력 손실에 기반한 이물질 검출 절차는 무선 전력 송신기의 전송 전력과 무선 전력 수신기의 수신 전력의 차이를 소정 기준치와 비교하여 이물질 존재 여부를 판단하는 방법으로서 자세한 절차는 후술할 도면들의 설명을 통해 보다 명확해질 것이다.

실시 예에 따른 무선 전력 송신기는 식별 및 구성 단계(430)에서 해당 무선 전력 수신기가 고속 충전 모드를 지원하는 수신기로 확인된 경우, 협상 단계(440)에서 전력 전송 계약을 협상할 수 있다. 협상 결과에 따라 무선 전력 송신기는 일반 충전 모드 및 고속 충전 모드 중 어느 하나의 모드로 동작할 수 있다.

실시 예에 따른 무선 전력 송신기는 고속 충전 모드로의 동작 중 전력 손실에 기반한 이물질 검출 절차를 수행하여 이물질이 존재하는 것으로 판단하면, 고속 충전 모드에서 일반 충전 모드로 전환할 수 있다.

실시 예에 따른 무선 전력 송신기는 일반 충전 모드로 동작 중 다시 고속 충전 모드로의 진입이 가능한 경우, 고속 충전 모드로 진입하여 고속 충전을 수행할 수도 있다.

일 예로, 무선 전력 송신기는 이물질 검출에 따라 고속 충전 모드에서 일반 충전 모드로 전환 후 이물질이 존재하지 않는 것으로 판단되는 경우, 일반 충전 모드에서 고속 충전 모드로 전환하여 고속 충전을 수행할 수 있다.

다른 일 예로, 무선 전력 송신기는 이물질 검출에 따라 고속 충전 모드에서 일반 충전 모드로 전환 후 충전 영역에 배치된 이물질이 제거된 것으로 확인된 경우, 일반 충전 모드에서 고속 충전 모드로 전환하여 고속 충전을 수행할 수도 있다.

실시 예에 따른 무선 전력 송신기는 일반 충전 모드로 동작 중 전력 손실이 기 설정 범위 내에 유지되는 경우, 가용 전력을 점진적으로 증가시킬 수 있다.

일반적으로 고속 충전 모드를 지원하는 무선 전력 송신기와 무선 전력 수신기의 경우, 저 전력에서 보다 고 전력에서 보다 높은 충전 효율을 가지는 특성이 있으므로, 기기 안전성이 보장되는 한도 내에서 가능한 전송 전력의 세기를 최대한 높게 설정하는 것이 중요하다.

실시 예로, 무선 전력 송신 장치는 협상 단계에서 이물질이 존재하는 것으로 판단하여 일반 충전 모드로 진입하고, 협상 단계에서 이물질이 존재하지 않는 것으로 판단한 경우, 고속 충전 모드로 진입할 수 있다. 무선 전력 송신기는 일반 충전 모드로 충전 중 이물질의 존재 여부를 다시 판단할 수 있다. 다시 판단한 결과, 이물질이 존재하지 않는 경우, 무선 전력 송신기는 일반 충전 모드에서 고속 충전 모드로 전환할 수 있다.

일반 충전 모드에서 고속 충전 모드로 전환하는 구체적인 절차를 후술할 도면들의 설명을 통해 명확해질 것이다.

도 5는 실시 예에 따른 품질 인자 값에 기반한 이물질 검출 절차를 설명하기 위한 흐름도이다.

상세하게 도 5는 전력 전송 단계(460)으로 진입하기 이전 품질 인자 값에 기반하여 이물질을 검출하는 절차를 설명하기 위한 도면이다.

도 5를 참조하면, 무선 전력 송신기(510)는 선택 단계에서 물체가 감지되면, 핑 단계로의 진입 이전에 품질 인자 값을 측정할 수 있다(S501). 무선 전력 송신기(510)는 측정된 품질 인자 값을 내부 메모리에 저장할 수 있다(S502).

무선 전력 송신기(510)는 핑 단계로 진입하여 송신기의 충전 영역에 배치된 수신기를 검출하기 위한 핑 전력 신호를 전송(생성)할 수 있다(S503).

무선 전력 송신기(510)는 무선 전력 수신기(520)가 감지되면, 식별 및 구성 단계로 진입하여 식별 패킷 및 구성 패킷을 수신할 수 있다(S504 및 S505).

무선 전력 송신기(510)는 협상 단계로 진입하여 이물질 검출 상태 패킷을 무선 전력 수신기(520)로부터 수신할 수 있다(S506). 여기서, 이물질 검출 상태 패킷은 기준 품질 인자 값을 포함할 수 있다.

무선 전력 수신기(510)는 이물질 검출 상태 패킷에 포함된 기준 품질 인자 값에 기반하여 이물질 존재 여부 판단을 위한 임계 값을 결정할 수 있다(S507).

일 예로, 임계 값은 기준 품질 인자 값보다 소정 비율만큼 작은 값으로 결정될 수 있다.

무선 전력 송신기(510)는 측정된 품질 인자 값과 결정된 임계 값을 비교하여 이물질을 검출할 수 있다(S508). 여기서, 측정된 품질 인자 값이 임계 값보다 작으면, 무선 전력 송신기(510)는 충전 영역에 이물질이 존재하는 것으로 판단할 수 있다.

무선 전력 송신기(510)는 이물질 검출 결과에 따라 ACK 응답 또는 NACK 응답 또는 ND(No Decision) 응답을 무선 전력 수신기(520)에 전송할 수 있다(S509).

무선 전력 수신기(520)는 무선 전력 송신기(510)로부터 NACK 응답 또는 ND 응답이 수신되면, 무선 전력 송신기(510)에 의해 전력 전송이 완전히 중단될 때까지 자신의 출력 단자를 통해 전자 기기(또는 배터리/부하)에 일정 세기 이상의 전력이 공급되지 않도록 제어할 수 있다. 일정 세기 이상의 전력은 5W가 기준일 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 당업자의 설계 및 무선 전력 수신기(510)가 탑재된 전자 기기 및(또는 무선 전력 수신기(510)와 연결된 배터리/부하)에 따라 상이하게 정의될 수 있다.

도 6은 실시 예에 따른 무선 충전 시스템에서의 이물질 검출 방법을 설명하기 위한 도면이다.

실시 예에 따른 무선 전력 송신기는 전력 전송 단계(460)로의 진입 이전에 품질 인자 값에 기반한 이물질 검출 절차를 수행하고, 전력 전송 단계(460)로 진입하면 전력 손실에 기반한 이물질 검출 절차를 수행할 수 있다.

이하, 도 6을 참조하여, 전력 손실에 기반한 이물질 검출 절차를 상세히 설명하기로 한다.

실시 예에 따른 무선 전력 송신기(610)는 인버터(611), 송신 회로(또는 송신부 또는 공진 탱크(resonant tank))(612), 복조기(613) 및 송신 제어기(614)를 포함하여 구성될 수 있다.

인버터(611)는 구비된 복수의 스위치를 이용하여 교류 전력 신호를 생성할 수 있다. 일 예로, 인버터(611)는 풀 브릿지 인버터일 수 있으나, 이는 하나의 실시 예에 불과하며, 하프 브릿지 인버터가 적용될 수도 있다. 다른 일 예로, 인버터(6100)는 송신 제어기(610)의 제어 신호에 따라 풀 브릿지 인버터 또는 하프 브릿지 인버터로 동작하는 하이브리드 타입 인버터일 수도 있다.

송신 회로(612)는 인버터(611)로부터 수신되는 교류 전력 신호를 구비된 LC 공진 회로를 이용하여 무선으로 전송할 수 있다.

송신 제어기(614)는 인버터(611)의 구동을 위한 직류 전압 및 교류 전력 신호 생성을 위한 레퍼런스 클락을 제어할 수 있다.

송신 제어기(614)는 인버터(611)에 의해 출력되는 교류 전력 신호의 세기를 동적으로 조절할 수 있다.

일 예로, 송신 제어기(614)는 무선 전력 수신기(620)로부터 수신되는 전력 제어 피드백 정보, 이물질 검출 여부, 과열 발생 여부, 과전압 발생 여부, 과전류 발생 여부, 배터리 충전 상태 중 적어도 하나에 기반하여 교류 전력 신호의 세기를 제어할 수 있다.

실시 예에 따른 무선 전력 송신기(610)는 레퍼런스 클락에 기초하여 인버터(611)에 구비된 복수의 스위치를 구동시키기 위한 복수의 펄스 폭 변조 신호를 생성하는 게이트 드라이버(미도시)를 더 포함하여 구성될 수 있다.

실시 예에 따른 무선 전력 수신기(620)는 수신 회로(또는 수신부)(621), 정전 스위치(Capacitive Switch, 622), 정류기(623) 및 수신 제어기(624)를 포함하여 구성될 수 있다.

정전 스위치(622)는 캐패시터 C3와 스위치 SW를 포함하여 구성될 수 있으나, 이는 하나의 실시 예에 불과하며 당업자의 설계에 따라 수신된 교류 전력 신호에 대해 진폭 변조가 가능한 회로 소자를 포함하여 상이하게 구성될 수도 있다. 정전 스위치(622)는 수신 제어기(624)에 의해 제어될 수 있다.

수신 제어기(624)는 전송할 패킷 데이터에 따라 정전 스위치(622)를 제어하여 수신 회로(621)를 통해 수신된 교류 전력 신호에 대한 부하 변조(Load Modulation)를 수행할 수 있다. 즉, 수신 제어기(621)는 수신된 교류 전력 신호를 진폭 변조하여 무선 전력 송신기(610)과 인밴드 통신을 수행할 수 있다.

이때, 진폭 변조된 교류 전력 신호는 다시 무선 전력 송신기(610)의 송신 회로(612)에 유도될 수 있다.

실시 예로, 복조기(613)는 진폭 변조된 교류 전력 신호의 피크 전압을 감지하는 피크 감지기(미도시)와 피크 감지된 신호를 레퍼런스 전압과 비교하여 비트 데이터를 출력하는 비교기(미도시)를 포함하여 구성될 수 있다.

복조기(613)에 의해 복호된 비트열은 송신 제어기(614)로 전송되며, 송신 제어기(614)는 수신된 비트열로부터 패킷 데이터를 식별할 수 있다.

일 예로, 무선 전력 송신기(610)는 전력 전송 단계(460)에 진입하면, 무선 전력 수신기(620)로부터 수신 전력의 세기에 관한 정보 P_PR을 수신할 수 있다.

무선 전력 송신기(610)의 공진 탱크(612) 출력 전력을 P_PT라 하고, 무선 전력 수신기(620)의 공진 탱크(621)을 통해 수신되는 수신 전력을 P_PR이라 할 때, 송수신기 사이의 이물질에 의한 전력 손실 P_LOSS는 하기의 수학식 1에 의해 산출될 수 있다.

P_LOSS = P_PT - P_PR = (P_in- P_{PT_LOSS}) - (P_out + P_{PR_LOSS}) <수학식 1>

여기서, P_in은 무선 전력 송신기(610)의 전원으로부터 인버터(611)에 인가되는 입력 전력을 의미하고, P_out은 정류기(623) 출력 전력(또는 무선 전력 수신기로부터 부하로 출력되는 출력 전력)을 의미할 수 있다. 일 예로, P_out은 부하에 인가되는 전류 I_load와 부하에 인가되는 전압 V_load의 곱으로 계산될 수 있다.

또한, P_{PT_LOSS}는 무선 전력 송신기(610)의 내부에서 발생되는 손실 전력을 의미하고, P_{PR_LOSS}는 무선 전력 수신기(620) 내부에서 발생되는 손실 전력을 의미할 수 있다.

이하 설명의 편의를 위해, P_{PT_LOSS}는 송신기 내부 손실 전력이라 명하고, P_{PR_LOSS}는 수신기 내부 손실 전력이라 명하기로 한다.

일 예로, 송신 내부 손실 전력을 결정하는 변수는 인버터(611)에서의 손실 전력, 송신 코일(또는 Primary Coil) L1에서의 손실 전력, 공진 캐패시터 C1에서의 손실 전력, 송신 코일 모듈(즉, Primary Coil Assembly)의 차폐 부재(Shielding Parts)에 의한 손실 전력 및 송신기 일측에 배치(또는 형성된)된 메탈 부재(Metal Parts)에 의한 손실 전력 등을 포함할 수 있다.

실시 예로, 송신기 내부 손실 전력을 결정하는 변수는 코일 정렬 상태에 따른 손실 전력을 더 포함할 수 있다. 여기서, 코일 정렬 상태는 결합 계수(Coupling Coefficient) K에 기초하여 결정될 수 있다. 송수신 코일이 완벽하게 결합된 경우, K 값은 1이되고, 송수신 코일이 완전히 독립되어 있는 경우, K 값은 0이 된다. 즉, 결합 계수가 클수록 송신기 코일에 출력된 자속이 수신기 코일에 완벽하게 수집되어 충전 효율이 우수할 수 있다.

수신기 내부 손실 전력을 결정하는 변수는 크게 선형 변수(Linear Variable)와 비선형 변수(Non-Linear Variable)로 구분될 수 있다.

여기서, 선형 변수는 수신 전력 P_PR 또는 출력 전력 P_OUT에 따라 선형적인 특성을 나타내는 변수이고, 비선형 변수는 수신 전력 P_PR 또는 출력 전력 P_OUT에 따라 비선형적인 특성을 나타내는 변수일 수 있다.

일 예로, 선형 변수는 수신 코일(또는 Secondary Coil) L2에서의 손실 전력, 공진 캐패시터 C2에서의 손실 전력, 수신 코일 모듈(즉, Secondary Coil Assembly)의 차폐 부재(Shielding Parts)에 의한 손실 전력 및 전자 기기(30) 일측에 배치(또는 형성된)된 메탈 부재(Metal Parts)에 의한 손실 전력 등을 포함할 수 있다.

일 예로, 비선형 변수는 정류기에서의 손실 전력, 직류-직류 변환기(DC-DC Converter)에서의 손실 전력 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 여기서, 직류-직류 변환기는 상기한 도 6의 실시 예에서는 도시되어 있지 않으나, 정류기(623)와 부하 사이에 배치될 수 있다. 직류-직류 변환기는 출력 전압을 일정하게 만드는 구성일 수 있다. 이 때, 입력 전압에 따라 손실이 달라질 수 있다. 또한 부하 전력(가용 전력)에 따라 다른 전압이 출력되도록 설정될 수 있다. 이 때에 따라 다른 손실이 발생할 수도 있다. 즉 부하 전력은 5W, 7.5W, 9W, 12W, 15W로 변경될 때 직류-직류 변환기의 출력 전압이 달라질 수 있으며, 고정된 출력 전압에 전류가 상승할 수 있으며, 또한 두 개의 조합에 따라 부하 전력이 바뀔 수 있다. 무선 전력 수신기는 이 때의 조합을 고려하여 손실률을 계산할 수 있다.

특히, 송신기 내부 손실 전력을 결정하는 일부 변수는 전원으로부터 인버터(611)에 인가되는 입력 전력인 P_IN에 따라 달라질 수 있다.

또한, 송신기 내부 손실 전력을 결정하는 일부 변수는 무선 전력 수신기(620)의 수신 전력을 P_PR 또는 정류기(623) 출력 전력(또는 무선 전력 수신기로부터 부하로 출력되는 출력 전력 또는 DC-DC Converter 출력 전력)인 P_OUT에 따라 달라질 수 있다.

이상적인 경우, 이물질이 존재하지 않으면 P_LOSS는 0이 되고, 이물질이 존재하면 P_LOSS는 0보다 클 수 있다.

송/수신 전력의 세기에 따라 송수신기 내부에 구비된 부품의 효율 변화가 발생될 수 있다. 즉, P_{PT_LOSS}와 P_{PR_LOSS}는 전송 전력의 세기에 따라 달라질 수 있다.

실시 예에 따른 송신기 내부 전력 손실 P_{PT_LOSS}는 하기의 수학식 2와 같이, 송신기 입력 전력 P_in과 송신기 가변 효율 ∂_TX에 기반하여 결정될 수 있다.

P_{PT_LOSS} = P_in(1-∂_TX) <수학식 2>

여기서, ∂_TX 는 P_in에 따라 결정될 수 있다.

일 예로, ∂_TX는 P_in에 따라 상이한 값을 가질 수 있으며, P_in이 증가할수록 커질 수 있다.

실시 예에 따른 수신기 내부 전력 손실 P_{PR_LOSS}는 하기의 수학식 3과 같이, 수신기 수신 전력 P_PR과 수신기 가변 효율 ∂_RX에 기반하여 결정될 수 있다.

P_{PR_LOSS} = P_PR(1-∂_RX) <수학식 3>

여기서, ∂_RX 은 P_PR에 따라 결정될 수 있다.

일 예로, ∂_RX는 P_PR에 따라 상이한 값을 가질 수 있으며, P_PR이 증가할수록 커질 수 있다.

따라서, 모든 전송 전력 레벨에 대해 동일한 기준치를 적용하여 이물질 존재 여부를 판단하는 것은 이물질 검출 결과의 정확도를 보장할 수 없는 단점이 있다.

여기서, 기준치는 충전 중 전력 손실에 기반한 이물질 검출 과정에서 산출된 전송 전력 대비 전력 손실률과 비교되는 임계 값(또는 기준치)를 의미할 수 있다.

일 예로, 현재 전송 전력에 상응하여 산출된 전송 전력 대비 전력 손실률이 소정 임계 값 이하이면, 무선 전력 송신기는 이물질이 존재하지 않는 것으로 판단하고, 산출된 전송 전력 대비 전력 손실률이 임계 값을 초과하면 이물질이 존재하는 것으로 판단할 수 있다.

일 예로, 전송 전력 대비 전력 손실률 α은 하기의 수학식 4와 같이 산출될 수 있다.

α = [P_{LOSS_Ppt} - P_{LOSS_init}] / P_PT <수학식 4>

여기서, P_{LOSS_Ppt}는 현재 전송 전력 레벨에서의 전력 손실을 의미하고, P_{LOSS_init}는 일반 충전 모드(초기 충전 모드)에서의 전력 손실을 의미할 수 있다. 일 예로, 일반 충전 모드에서의 최대 전송 전력은 5와트(W)일 수 있다.

실시 예에 따른 송신 제어기(614)는 무선 전력 송신기(620)가 전송한 수신 전력 P_RP에 관한 정보를 복조기(613)를 통해 수신할 수 있다.

송신 제어기(614)는 일반 충전 모드에서의 전송 전력 P_{PT_init_}와 P_{PT_init}에 상응하여 수신된 P_RP에 기초하여, 일반 충전 모드에 상응하는 전력 손실 P_{LOSS_init} 을 산출할 수 있다.

또한, 송신 제어기(614)는 현재 전송 전력 P_{PT_current}와 P_{PT_current}에 상응하여 수신된 P_RP에 기초하여, 현재 전송 전력에 상응하는 전력 손실 P_LOSS__Ppt을 산출할 수 있다.

송신 제어기(614)는 상기한 수학식 4와 같이, P_LOSS__Ppt에서 P_{LOSS_init}를 뺀 값을 P_PT로 나누어 전송 전력 대비 전력 손실률 α를 산출하고, α를 미리 설정된 임계 값과 비교하여 이물질의 존재 여부를 판단할 수 있다.

또 다른 실시예로 P_PT 대신 P_PR로 대신하여 전력 손실률을 계산할 수 있다.

송신 제어기(614)는 일반 충전 모드에서 가용 전력을 제1 전력으로 설정하여 충전 중 이물질이 존재하지 않는 것으로 판단되면, 재협상 절차를 수행하여 가용 전력을 제2 전력으로 갱신할 수 있다. 여기서, 제2 전력은 제1 전력보다 클 수 있다.

송신 제어기(614)는 일반 충전 모드에서 가용 전력을 제1 전력으로 설정하여 충전 중 이물질이 존재하는 것으로 판단하면 충전을 중단시킬 수 있다.

송신 제어기(614)는 갱신된 제2 전력에 도달할 때까지 전송 전력을 단계적으로 증가시키면서 전송 전력 대비 전력 손실률을 산출하여 이물질 존재 여부를 판단할 수 있다. 이물질이 없을 때에는 초기 전력에서의 손실 전력값이 전력 상승시에도 일정하게 유지될 수 있다. 이물질이 있을 때에는 전력 상승 시 초기 전력에서의 손실 전력값보다 손실 전력이 증가하므로 이 차이를 이용하여 이물질 여부를 판단할 수 있다.

실시 예에 따른, 송신 제어기(614)는 전송 전력 대비 전력 손실률이 임계 값을 초과하면, 이물질이 존재하는 것으로 판단하여 일반 충전 모드로 전환할 수 있다.

실시 예에 다른, 송신 제어기(614)는 전송 전력 대비 전력 손실률이 임계 값을 이하이면 이물질이 존재하지 않는 것으로 판단하며, 제2 전력에 도달할 때까지 이물질이 검출되지 않은 경우, 고속 충전 모드로 진입하여 충전을 수행할 수 있다.

도 7은 실시 예에 따른 무선 전력 송신기와 무선 전력 수신기 사이의 전력 관계를 설명하기 위한 도면이다.

도 7을 참조하면, 무선 전력 송신기의 가용 전력(Available Power)는 최대 송신기 입력 전력(Maximum Input Power of Transmitter)에서 송신기 내부 전력 손실 P_{PT_LOSS}을 뺀 값으로 정의될 수 있다. 또한, 가용 전력은 수신기 부하에 입력되는 전력 기준으로 정의될 수 있다. 이는 다양한 수신기에 따라 달라지므로 무선충전 시스템 호환성 테스트를 위한 수신기의 부하 전력을 기준으로 정할 수 있다.

무선 전력 송신기는 무선 전력 수신기의 제어 신호에 따라 송출 전력이 달라 질 수 있다. 가령 무선 전력 수신기의 제어 오차 정보를 수신하고, 제어 오차 값에 따라 송신 코일의 목표 전류를 산출하고, 목표 전류가 흐르도록 교류 생성기의 주파수/듀티/위상 중 적어도 하나를 제어할 수 있다. 또한 교류 생성기에 입력되는 전압을 제어할 수도 있다. 무선 전력 송신기는 송신 코일 및 교류 생성기 중 적어도 하나의 구성의 입 출력 단의 전압 및/또는 전류를 감지하여 전송 전력 P_PT을 산출할 수 있다.

무선 전력 수신기는 수신 코일, 정류기 및 DC-DC 컨버터 중 적어도 하나의 구성의 입/출력 단의 전압 및/또는 전류를 감지하여 수신 전력(P_PR)을 산출할 수 있다. 무선 전력 수신기의 출력 전력 P_out은 수신기 내부 전력 손실 P_{PR_LOSS}를 고려하여 산출할 수 있다.

도 8은 실시 예에 따른 전력 전송 계약 갱신 절차를 설명하기 위한 도면이다.

실시 예에 따른 전력 전송 계약 갱신 절차는 무선 전력 송신기에 의해 개시될 수 있다.

도 8을 참조하면, 무선 전력 송신기(850)는 현재 설정된 전력 전송 계약에 의 제1 가용 전력에 따라 충전을 수행할 수 있다(S801). 예를들어 최초의 전력 전송 계약의 제1 가용 전력은 5W 일 수 이다.

무선 전력 수신기는 협상된 가용 전력(수신기 요구 전력)에 따라 무선 전력 송신기의 전력을 제어할 수 있다. 예를 들어 무선 전력 수신기는 제어 오류 정보를 무선 전력 송신기에 전송하여 가용전력(수신기 요구전력)이 수신될 수 있도록 무선 전력 송신기를 제어할 수 있다.

무선 전력 송신기(850)는 제1 가용 전력으로의 충전 중 주기적으로 무선 전력 수신기(860)에서 측정된 수신 전력 정보가 포함된 수신 전력 패킷을 수신할 수 있다(S802).

무선 전력 송신기(850)는 수신 전력 패킷을 수신한 후 전력 전송 계약의 갱신을 위하여 수신 전력 패킷에 대한 응답으로 특정 신호(재협상 가능 신호)를 전송할 수 있다(S803).

일 예로, 무선 전력 송신기는 수신 전력 정보와 송신 전력 정보를 비교하여 이물질 유무를 판단할 수 있다. 이물질이 없다고 판단되는 경우, 재협상 절차를 수행하여 가용 전력을 제2 전력으로 갱신할 수 있다. 여기서, 제2 전력은 제1 전력보다 클 수 있다. 가용 전력을 갱신하기 위하여 송신기는 특정 신호(재협상 가능 신호)를 전송할 수 있다.

일 예로, 무선 전력 송신기(850)는 수신 전력 정보에 기초하여 산출한 전력 손실을 소정 기준치와 비교하고, 비교 결과에 따라 전력 전송 계약을 갱신할 수 있다.

다른 일 예로, 무선 전력 송신기(850)는 수신 전력 정보 등에 기초하여 과열 여부 또는 과열 발생 가능성 여부를 판단하고, 판단 결과에 따라 전력 전송 계약을 갱신할 수도 있다. 무선 전력 송신기(850)는 전력 전송 계약의 갱신이 필요하면, 전력 전송 계약 갱신을 요청하는 소정 제어 신호를 무선 전력 수신기(860)로 전송할 수 있다.

무선 전력 수신기는 재협상 가능 신호를 수신하면 무선 전력 송신기의 전력 전송 능력(Capability)를 응답하도록 요청하는 송신기 캐퍼빌리티 요청 신호를 송신할 수 있다(S804).

이에 따라, 무선 전력 송신기(850)는 송신기 캐퍼빌러티 정보가 포함된 소정 제어 신호를 무선 전력 수신기(860)에 전송할 수 있다(S805). 실시 예로, 송신기 캐퍼빌러티 정보는 잠재적인 최대 전송 전력에 관한 정보 및 협상 가능한 최대 가용 전력에 관한 정보 등을 포함할 수 있다.

무선 전력 수신기(860)는 송신기 캐퍼빌러티 정보에 기초하여 제2 가용 전력을 결정하고, 결정된 제2 가용 전력이 포함된 가용 전력 요청 신호를 무선 전력 송신기(860)에 전송할 수 있다(S806). 여기에서 제2 가용 전력은 협상 무선 전력 송신기로부터 수신한 최대 가용 전력과 같거나 작게 결정될 수 있다.

여기서, 제2 가용 전력은 제1 가용 전력보다 큰 값으로 결정될 수 있으나, 이는 하나의 실시 예에 불과하며, 제2 가용 전력은 제1 가용 전력보다 낮은 전력으로 결정될 수도 있다.

무선 전력 송신기(850)는 요청된 제2 가용 전력이 전송 가능하면, 수락 응답 신호를 무선 전력 수신기(860)로 전송할 수 있다(S807).

도 9는 실시 예에 따른 단계적으로 전송 전력을 증가시켜 이물질을 검출하는 LOAD STEP FOD를 설명하기 위한 도면이다.

도 9를 참조하면, 무선 전력 송신기는 일반 충전 모드에서 제1 가용 전력 이하로 충전 중 t1 시점에 이물질이 검출되지 않으면, LOAD STEP FOD 단계로 진입하여 이물질의 존재 여부를 판단할 수 있다.

무선 전력 송신기는 LOAD STEP FOD 단계에 진입하면, 도면 번호 910에 도시된 바와 같이, t2 시점까지 전송 전력의 세기를 단계적으로 증가시키면서 산출한 전송 전력 대비 전력 손실률을 기준치와 비교하여 이물질의 존재 여부를 판단할 수 있다. 전송 전력의 세기는 7.5W 9W 12W 15W의 부하 전력이 수신되도록 부하의 크기가 조절 되면서 단계적으로 증가 될 수 있다.

각각의 단계에서 전송 전력(수신 전력) 대비 전력 손실률을 이용하여 이물질을 판단할 수 있다.

만약, 단계적으로 증가시킨 전력이 제2 가용 전력에 도달하는 t2 시점까지 이물질이 검출되지 않은 경우, 무선 전력 송신기는 고속 충전 모드로 진입하여 충전을 수행할 수 있다.

고속 충전 모드에 있는 동안, 무선 전력 송신기는 전송 전력이 제1 가용 전력보다 크고 제2 가용 전력보다 작거나 같도록 제어할 수 있다.

실시 예로, LOAD STEP FOD 단계에 있는 동안, 무선 전력 송신기는 부하로의 전력 전송을 일시적으로 차단시킬 수 있다. 부하 대신 별도의 저항으로 대신 연결하고, 부하 저항의 크기를 조절하여 전력을 제어할 수 있다.

다른 실시 예로, LOAD STEP FOD 단계에 있는 동안, 무선 전력 수신기는 외부 부하로 출력되는 전력의 세기를 제1 가용 전력 이하로 제한시키고, 병렬 연결되는 내부 부하의 추가 연결을 통해 수신 전력의 세기를 제어할 수도 있다.

또 다른 실시 예로, LOAD STEP FOD 단계에 있는 동안, 무선 전력 송신기는 부하로 출력되는 전력의 세기를 현재까지 이물질이 검출되지 않은 최대 전력으로 제한시키고, 병렬 연결되는 내부 부하의 추가 연결을 통해 수신 전력의 세기를 제어할 수도 있다.

도 10a 내지 도 10b는 충전 베드에 이물질이 배치되지 않은 상태에서 수신기의 위치 변화에 따라 산출된 전송 전력 대비 전력 손실률을 보여준다.

도 10a의 도면 번호 1010는 무선 전력 수신기가 충전 베드의 중앙에 배치되고, 이물질은 배치되지 않은 상태에서, 전송 전력 P_PT의 증가에 따른 전송 전력 대비 전력 손실률의 변화를 보여준다. 전송 전력 P_PT가 6951mW에서 19553mW까지 단계적으로 증가하는 동안, 전송 전력 대비 전력 손실률은 최소 -0.1%에서 최대 1.1% 사이의 값을 갖는다.

도 10a의 도면 번호 1020는 무선 전력 수신기가 충전 베드의 중앙으로부터 1mm 옵셋(Offset)을 가지도록 배치되고, 이물질은 배치되지 않은 상태에서, 전송 전력 P_PT의 증가에 따른 전송 전력 대비 전력 손실률의 변화를 보여준다. 전송 전력 P_PT가 6063mW에서 18202mW까지 단계적으로 증가하는 동안, 전송 전력 대비 전력 손실률은 최소 0.0%에서 최대 1.3% 사이의 값을 갖는다.

도 10b의 도면 번호 1030은 무선 전력 수신기가 충전 베드의 중앙으로부터 3mm 옵셋(Offset)을 가지도록 배치되고, 이물질은 배치되지 않은 상태에서, 전송 전력 P_PT의 증가에 따른 전송 전력 대비 전력 손실률의 변화를 보여준다. 전송 전력 P_PT가 6049mW에서 17908mW까지 단계적으로 증가하는 동안, 전송 전력 대비 전력 손실률은 최소 -0.2%에서 최대 1.9% 사이의 값을 갖는다.

도 10b의 도면 번호 1040은 무선 전력 수신기가 충전 베드의 중앙으로부터 5mm 옵셋(Offset)을 가지도록 배치되고, 이물질은 배치되지 않은 상태에서, 전송 전력 P_PT의 증가에 따른 전송 전력 대비 전력 손실률의 변화를 보여준다. 전송 전력 P_PT가 5589mW에서 17806mW까지 단계적으로 증가하는 동안, 전송 전력 대비 전력 손실률은 최소 0.0%에서 최대 1.8% 사이의 값을 갖는다.

도 10c는 상기한 도 10a 내지 10b의 실험 결과에 상응하는 그래프이다.

도 10c를 참조하면, 충전 베드에 이물질이 배치되지 않은 상태에서 충전 베드에 배치되는 무선 전력 수신기의 위치 별 전송 전력 변화에 따른 전송 전력 대비 전력 손실률의 변화 패턴을 보여준다.

도 10c에 도시된 바와 같이, 무선 전력 수신기의 배치 위치가 중앙으로부터 멀어질수록 전송 전력 대비 전력 손실률은 증가한다.

또한, 상기 도 10c는 무선 전력 수신기의 배치 위치와 관계 없이, 충전 베드에 이물질이 배치되지 않은 상태에서의 전송 전력 대비 전력 손실률은 최대 1.8%인 것을 보여준다.

도 11a 내지 11b는 충전 베드에 이물질이 배치된 상태에서 수신기의 위치 변화에 따라 산출된 전송 전력 대비 전력 손실률을 보여준다.

도 11a의 도면 번호 1110는 기준 이물질 타입 4(RFO#4)가 충전 베드의 중앙에 배치된 상태에서 전송 전력 P_PT의 증가에 따른 전송 전력 대비 전력 손실률의 변화를 보여준다. 전송 전력 P_PT가 7455mW에서 20064mW까지 단계적으로 증가하는 동안, 전송 전력 대비 전력 손실률은 최소 -1.2%에서 최대 3.7% 사이의 값을 갖는다. 특히, 전송 전력 P_PT가 15994ms이상이면, 전송 전력 대비 전력 손실률은 2.4% 이상이다.

도 11a의 도면 번호 1120는 RFO#4가 충전 베드의 중앙으로부터 5mm 옵셋(Offset)을 가지도록 배치된 상태에서, 전송 전력 P_PT의 증가에 따른 전송 전력 대비 전력 손실률의 변화를 보여준다. 전송 전력 P_PT가 6951mW에서 19553mW까지 단계적으로 증가하는 동안, 전송 전력 대비 전력 손실률은 최소 -1.6%에서 최대 3.7% 사이의 값을 갖는다. 특히, 전송 전력 P_PT가 15426ms이상이면, 전송 전력 대비 전력 손실률은 2.1% 이상이다.

도 11b의 도면 번호 1130은 기준 이물질 타입 1(RFO#1)가 충전 베드의 중앙에 배치된 상태에서 전송 전력 P_PT의 증가에 따른 전송 전력 대비 전력 손실률의 변화를 보여준다. 전송 전력 P_PT가 6669mW에서 19308mW까지 단계적으로 증가하는 동안, 전송 전력 대비 전력 손실률은 최소 -0.3%에서 최대 4.0% 사이의 값을 갖는다.

도 11b의 도면 번호 1140은 RFO#1가 충전 베드의 중앙으로부터 5mm 옵셋(Offset)을 가지도록 배치된 상태에서, 전송 전력 P_PT의 증가에 따른 전송 전력 대비 전력 손실률의 변화를 보여준다. 전송 전력 P_PT가 6927mW에서 19962mW까지 단계적으로 증가하는 동안, 전송 전력 대비 전력 손실률은 최소 0.0%에서 최대 8.2% 사이의 값을 갖는다. 특히, 전송 전력 P_PT가 11525ms이상이면, 전송 전력 대비 전력 손실률은 2.9% 이상이다.

도 11c는 상기한 도 11a 내지 11b의 실험 결과에 상응하는 그래프이다.

도 11c를 참조하면, 충전 베드에 이물질이 배치된 상태에서의 전송 전력 변화에 따른 전송 전력 대비 전력 손실률은 전송 전력의 세기가 일정 기준치를 초과하면 이물질의 종류 및 배치 위치에 관계 없이, 항상 2%를 초과하는 것을 보여준다.

도 11c에 도시된 바와 같이, 이물질의 배치 위치가 중앙으로부터 멀어질수록 전송 전력 대비 전력 손실률은 증가한다.

도 12는 이물질의 배치 여부에 따른 전송 전력 대비 전력 손실률의 특성을 비교하기 위한 그래프이다.

도 12를 참조하면, 전송 전력의 세기가 약 13000mW 이상이면, 이물질의 종류에 상관없이, 충전 베드에 이물질이 배치되었을 때 산출된 전송 전력 대비 전력 손실률이 이물질이 배치되지 않았을 때 산출된 전송 전력 대비 전력 손실률보다 크다.

실시 예에 따른 무선 전력 송신기는 LOAD STEP FOD 단계에 진입하면, 초기 전송 전력의 세기를 13000mW 이상으로 설정한 후 단계적으로 전송 전력을 증가시킬 수 있다.

도 12를 참조하면, 전송 전력의 세기가 특정 기준치-예를 들면, 13W-를 초과하면, 이물질의 종류와 관계 없이, 이물질이 배치된 경우에 산출된 전송 전력 대비 전력 손실률이 이물질이 배치되지 않고 무선 전력 수신기만이 배치된 경우에 산출된 전송 전력 대비 전력 손실률보다 항상 큰 값을 가지는 것을 알 수 있다.

상기한 도 10a 내지 도 11c의 실험 결과에 기초하여, 실시 예에 따른 무선 전력 송신기는 전송 전력 대비 전력 손실률이 소정 기준치를 초과하면, 충전 영역에 이물질이 배치된 것으로 판단하고, 전송 전력 대비 전력 손실률이 소정 기준치를 이하이면, 충전 영역에 이물질이 배치되지 않은 것으로 판단할 수 있다.

여기서, 기준치는 고정된 값으로 설정될 수 있으나, 이는 하나의 실시 예에 불과하며, 다른 실시 예에 따른 기준치는 전송 전력 세기에 따라 상이한 값이 적용될 수도 있다. 후자의 경우, 현재 전송 전력의 세기가 증가함에 따라 기준치도 증가될 수 있다. 일 예로, 이물질 검출을 위해 현재 전송 전력에 상응하여 산출된 전송 전력 대비 전력 손실률과 비교되는 기준치는 소정 매핑 테이블의 형태로 구성되어 무선 전력 송신기의 내부 메모리에 유지될 수 있다.

또 다른 실시 예로, 기준치는 무선 전력 송신기의 타입 및(또는) 무선 전력 수신기의 타입을 더 고려하여 결정될 수도 있다.

도 13은 실시 예에 따른 무선 전력 송신기의 무선 전력 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 13을 참조하면, 무선 전력 송신기는 일반 충전 모드로 진입하면 제1 가용 전력으로 충전을 개시할 수 있다(S1301).

무선 전력 송신기는 제1 가용 전력으로의 충전 중 이물질 존재 여부를 검출하는 제1 이물질 검출 절차를 수행할 수 있다(S1302). 일 예로, 제1 이물질 검출 절차는 전력 손실에 기반한 이물질 검출 절차일 수 있다.

제1 이물질 검출 절차를 통해 이물질이 존재하지 않는 것으로 판단한 경우, 무선 전력 송신기는 재협상을 통해 제2 가용 전력으로 전력 전송 계약을 갱신할 수 있다(S1305). 여기서, 제2 가용 전력은 제1 가용 전력보다 클 수 있다.

무선 전력 송신기는 제2 가용 전력에 도달할 때까지 단계적으로 전력을 증가시키면서 이물질 존재 여부를 판단하는 제2 이물질 검출 절차를 수행할 수 있다(S1307). 일 예로, 제2 이물질 검출 절차는 상술한 전송 전력(수신 전력) 대비 전력 손실률에 기반한 이물질 검출 절차일 수 있다.

제2 이물질 검출 절차를 통해 이물질이 존재하지 않는 것으로 판단한 경우, 무선 전력 송신기는 일반 충전 모드에서 고속 충전 모드로 전환하여 충전을 수행할 수 있다(S1309). 일 예로, 고속 충전 모드에서, 무선 전력 송신기는 제1 가용 전력보다는 크고 제2 가용 전력보다는 작거나 같은 전력으로 충전을 수행할 수 있다.

상기한 1302 단계에서, 이물질이 존재하는 것으로 판단하면, 무선 전력 송신기는 충전을 중단시킬 수 있다(S1311). 일 예로, 이물질의 발열로 인해 안정성 문제가 발생하지 않도록 하기 위하여 상기 단계적 전력 증가를 위한 전력 제어는 기 설정된 시간 내에서 진행될 수 있다. 이물질이 존재한다고 판단되는 경우 상기 기 설정 시간 내에 충전이 중단될 수 있다. 기 설정된 시간은 1초 미만일 수 있다.

도 14는 다른 실시 예에 따른 무선 전력 송신기의 무선 전력 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.

무선 전력 송신기는 제1 전력 전송 계약에 따라 확정된 제1 가용 전력에 기반하여(또는 제1 (가용)전력으로) 전력 전송 중 무선 전력 수신기로부터 (재)협상 개시 요청 메시지를 수신할 수 있다(S1401).

무선 전력 송신기는 최대 가용 전력에 관한 정보를 무선 전력 수신기에 전송할 수 있다(S1403).

무선 전력 송신기는 최대 가용 전력 내에서 결정된 제2 가용 전력을 요청하는 가용 전력 요청 메시지를 무선 전력 수신기로부터 수신할 수 있다(S1405).

무선 전력 송신기는 전송 전력을 제1 가용 전력보다 크게 증가시킬 수 있다(S1407).

무선 전력 송신기는 주기적으로 수신 전력 정보를 수신할 수 있다.

무선 전력 송신기는 수신 전력 정보를 기반으로 현재 전송 전력(또는 수신 전력) 대비 전력 손실률을 산출할 수 있다(S1409).

무선 전력 송신기는 산출된 전력 손실률과 기준치를 비교하여 이물질 존재 여부를 판단할 수 있다(S1411). 여기서, 기준치는 현재 전송 전력의 세기에 따라 상이하게 설정될 수 있다. 일 예로, 기준치는 현재 전송 전력의 세기가 증가할수록 큰 값을 가질 수 있다. 다른 실시 예로, 기준치는 항상 고정된 값으로 설정될 수도 있다.

판단 결과, 이물질이 존재하면, 무선 전력 송신기는 수신 전력 정보에 대한 응답신호로 NAK신호를 전송할 수 있다. NAK 전송 이후에는 수신기의 전력 상승 제어를 제한할 수 있고, 충전을 중단시킬 수도 있다.

만약, 현재 전송 전력이 제2 가용 전력에 도달한 상태에서 이물질이 없다고 판단되는 경우, 무선 전력 송신기와 무선 전력 수신기는 제2 가용 전력으로 충전을 수행할 수 있다(S1415).

또 다른 실시 예로, 상기한 1411 단계의 판단 결과, 이물질이 존재하는 경우, 무선 전력 송신기는 이물질이 검출되지 않은 최대 전력으로 전송 전력을 조절하여 충전을 수행할 수도 있다(S1417).

다른 실시 예로, 상기한 1411 단계의 판단 결과, 이물질이 존재하는 경우, 무선 전력 송신기는 제1 가용 전력으로 충전을 수행할 수도 있다.

상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (28)

1. 기 설정된 요구 전력에 대응하는 부하 크기까지 기 설정된 레벨로 부하 크기를 변경하는 단계;
   상기 레벨의 부하 크기 각각에 대응하는 전력 정보를 각각 무선 전력 송신기에 전송하는 단계; 및
   상기 각각의 전력 정보에 대한 응답 신호를 각각 수신하는 단계
   를 포함하고,
   상기 응답 신호 모두가 ACK 신호일 때, 상기 기 설정된 요구 전력에 대응하는 상기 부하 크기를 유지하는 무선 전력 수신기의 무선 전력 제어 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 응답 신호가 NAK 신호일 때 무선 전력 수신을 중단하는 무선 전력 수신기의 무선 전력 제어 방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 응답 신호 중 하나가 NAK 신호일 때 상기 NAK 신호에 대응하는 부하 크기의 전 레벨로 부하의 크기를 변경하는 무선 전력 수신기의 무선 전력 제어 방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 기 설정된 요구 전력은 상기 무선 전력 송신기와 협상된 가용 전력인 무선 전력 수신기의 무선 전력 제어 방법.
5. 제1항에 있어서,
   상기 응답 신호가 NAK 신호일 때, 이물질이 있는 것으로 판단하는 무선 전력 수신기의 무선 전력 제어 방법.
6. 제1항에 있어서,
   상기 응답 신호가 ACK 신호일 때, 이물질이 없는 것으로 판단하는 무선 전력 수신기의 무선 전력 제어 방법.
7. 제1항에 있어서,
   상기 레벨은 주기, 크기 및 시간 중 적어도 하나를 포함하는 무선 전력 수신기의 무선 전력 제어 방법.
8. 제1항에 있어서,
   상기 전력 정보는 수신 전력 정보를 포함하는 무선 전력 수신기의 무선 전력 제어 방법.
9. 제8항에 있어서,
   상기 수신 전력 정보는,
   상기 무선 전력 수신기로부터 부하로 출력되는 출력 전력과 상기 무선 전력 수신기의 내부 손실 전력의 합을 이용하여 계산되는 무선 전력 수신기의 무선 전력 제어 방법.
10. 제8항에 있어서,
    상기 응답 신호는 초기 송신 전력 대비 초기 전력 손실 및 각각의 상기 수신 전력 정보에 대응하는 송신 전력 대비 각각의 상기 수신 전력 정보에 대응하는 전력 손실의 차이가 기 설정된 크기를 초과하지 않을 때 ACK 신호인 무선 전력 수신기의 무선 전력 제어 방법.
11. 제10항에 있어서,
    상기 송신 전력은 상기 무선 전력 송신기의 입력 전력과 상기 무선 전력 송신기의 내부 손실 전력의 차이를 이용하여 계산되는 무선 전력 수신기의 무선 전력 제어 방법.
12. 제1항에 있어서,
    상기 응답신호는 초기 송신 전력 대비 초기 전력 손실률 및 상기 부하 크기 변경에 따른 전송 전력 대비 전력 손실률이 기 설정된 크기를 초과하지 않을 때 ACK 신호인 무선 전력 수신기의 무선 전력 제어 방법.
13. 무선으로 교류 전력 신호를 수신하는 수신 코일;
    상기 교류 전력 신호를 직류 전력 신호로 정류하는 정류기;
    상기 직류 전력 신호를 수신하는 부하;
    데이터 신호를 변조 및 복조하는 변복조기; 및
    상기 교류 전력 신호의 세기를 제어하는 제어기를 포함하고,
    상기 제어기는 기 설정된 요구 전력에 대응하는 부하 크기까지 기 설정된 레벨로 상기 부하의 크기를 변경하고, 상기 레벨의 부하 크기에 각각 대응하는 전력 정보를 상기 변복조기를 통해 각각 무선 전력 송신기에 전송하고, 상기 각각의 전력 정보에 대한 응답 신호를 상기 무선 전력 송신기로부터 각각 수신하도록 설정되고,
    상기 응답 신호 모두가 ACK 신호이면 상기 기 설정된 요구 전력에 대응하도록 상기 부하의 크기가 유지되는 무선 전력 수신기.
14. 제13항에 있어서,
    상기 전력 정보는 수신 전력 정보를 포함하는 무선 전력 수신기.
15. 제14항에 있어서,
    상기 수신 전력 정보는,
    상기 부하로 출력되는 출력 전력과 상기 무선 전력 수신기의 내부 손실 전력의 합을 이용하여 계산되는 무선 전력 수신기.
16. 제14항에 있어서,
    상기 응답 신호는 초기 송신 전력 대비 초기 전력 손실 및 각각의 상기 수신 전력 정보에 대응하는 송신 전력 대비 각각의 상기 수신 전력 정보에 대응하는 전력 손실의 차이가 기 설정된 크기를 초과하지 않을 때 ACK 신호인 무선 전력 수신기.
17. 기 설정된 가용 전력에 대응하는 부하 크기까지 기 설정된 레벨에 따른 부하의 크기에 대응하는 전력 정보를 각각 수신하는 단계;
    상기 전력 정보 각각에 대응하는 전력 손실을 산출하는 단계; 및
    상기 전력 손실에 기반하여 이물질 존재 여부를 판단하여 응답 신호를 송신하는 단계를 포함하는 무선 전력 송신기의 무선 전력 제어 방법.
18. 제17항에 있어서,
    상기 가용 전력은 무선 전력 수신기와 협상된 전력인 무선 전력 송신기의 무선 전력 제어 방법.
19. 제18항에 있어서,
    상기 가용 전력은 상기 무선 전력 수신기가 수신 가능한 최대 전력인 무선 전력 송신기의 무선 전력 제어 방법.
20. 제19항에 있어서,
    상기 수신 가능한 최대 전력은 상기 협상된 상기 무선 전력 수신기의 요구 전력인 무선 전력 송신기의 무선 전력 제어 방법.
21. 제17항에 있어서,
    상기 전력 정보는 수신 전력 정보를 포함하는 무선 전력 송신기의 무선 전력 제어 방법.
22. 제21항에 있어서,
    상기 수신 전력 정보는,
    상기 무선 전력 수신기의 부하로 출력되는 출력 전력과 상기 무선 전력 수신기의 내부 손실 전력의 합을 이용하여 계산되는 무선 전력 송신기의 무선 전력 제어 방법.
23. 제22항에 있어서,
    초기 전력 대비 초기 전력 손실보다 각각의 상기 수신 전력 정보에 대응하는 전력 대비 상기 각각의 수신 전력 정보에 대응하는 전력 손실이 기 설정된 크기를 초과하면 이물질이 존재하는 것으로 판단하는 무선 전력 송신기의 무선 전력 제어 방법.
24. 제22항에 있어서,
    초기 송신 전력 대비 초기 전력 손실률 및 부하 크기 변경에 따른 전송 전력 대비 전력 손실률이 기 설정된 크기를 초과하면 이물질이 존재하는 것으로 판단하는 무선 전력 송신기의 무선 전력 제어 방법.
25. 교류 전력 신호를 생성하는 교류 전력 생성기;
    상기 교류 전력 신호를 무선으로 출력하는 송신 코일;
    신호를 변조 및 복조하는 변복조기; 및
    상기 교류 전력 신호의 세기을 제어하는 제어기
    를 포함하고,
    상기 제어기가 기 설정된 가용 전력에 대응하는 부하 크기까지 기 설정된 레벨에 따른 부하의 크기에 대응하는 전력 정보를 각각 상기 변복조기를 통해 무선 전력 수신기로부터 수신하고, 상기 전력 정보 각각에 대응하는 전력 손실을 산출하고, 상기 전력 손실에 기반하여 이물질 존재 여부를 판단하여 응답 신호를 상기 무선 전력 수신기로 송신하는 무선 전력 송신기.
26. 제25항에 있어서,
    상기 전력 정보는 수신 전력 정보를 포함하는 무선 전력 송신기.
27. 제26항에 있어서,
    상기 수신 전력 정보는,
    상기 무선 전력 수신기의 부하로 출력되는 출력 전력과 상기 무선 전력 수신기의 내부 손실 전력의 합을 이용하여 계산되는 무선 전력 송신기.
28. 제26항에 있어서,
    상기 제어기가 초기 전력 대비 초기 전력 손실보다 각각의 상기 수신 전력 정보에 대응하는 전력 대비 상기 각각의 수신 전력 정보에 대응하는 전력 손실이 기 설정된 크기를 초과하면 이물질이 존재하는 것으로 판단하는 무선 전력 송신기.

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