KR20210086589A

KR20210086589A - 무선 전력 전송 시스템에서 이물질 감지 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20210086589A
Application number: KR1020210083728A
Authority: KR
Inventors: 정춘길; 황병욱
Original assignee: 지이 하이브리드 테크놀로지스, 엘엘씨
Priority date: 2020-12-29
Filing date: 2021-06-28
Publication date: 2021-07-08
Also published as: KR102417192B1; KR20220100557A; KR20220002845A; KR20240046456A; KR102346910B1; KR102653290B1

Abstract

본 발명은 무선 전력 전송 시스템에서 이물질 감지 장치 및 방법에 관한 것이다. 이러한 본 명세서는 최초 충전 전 이물질 감지 동작을 수행함, 충전이 개시될 때까지 이물질이 감지되지 않은 경우, 충전 중 이물질 감지 동작을 수행함 및 상기 전력 신호를 수신하는 중 이물질이 감지되지 않은 경우, 온도센서를 기초로 전력을 제한함을 포함한다.

Description

무선 전력 전송 시스템에서 이물질 감지 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR DETECTING FOREIGN OBJECT IN WIRELESS POWER TRANSMITTING SYSTEM}

본 발명은 무선전력 전송에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 무선 전력 전송 시스템에서 이물질 감지 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 휴대폰, 노트북, PDA와 같은 휴대용 단말기(Portable Terminal)가 충전되려면, 휴대용 단말기가 외부의 충전기로부터 전기에너지(또는 전력)을 공급받아야 한다. 이러한 휴대용 단말기는 공급되는 전기에너지를 저장하는 배터리셀과 배터리셀의 충전 및 방전(휴대용 단말기로 전기에너지를 공급)을 위한 회로를 포함한다.

배터리셀에 전기에너지를 충전시키기 위한 충전기와 배터리셀간의 전기적 연결방식은, 상용전원을 공급받아 배터리셀에 대응하는 전압 및 전류로 변환하여 해당 배터리셀의 단자를 통해 배터리셀로 전기에너지를 공급하는 단자공급방식을 포함한다.

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 화재발생, 자연방전, 배터리팩의 수명 및 성능 저하 등의 문제점을 야기할 수 있다.

최근에는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 무선전력 전송방식을 이용한 충전시스템(이하 무선전력 전송 시스템)과 제어방법들이 제시되고 있다. 무선전력 전송방식을 비접촉(contactless) 전력 전송방식 또는 무접점(no point of contact) 전력 전송방식이라 하기도 한다. 무선전력 전송 시스템은, 무선전력 전송방식으로 전기에너지를 공급하는 무선전력 전송장치와, 상기 무선전력 전송장치로부터 무선으로 공급되는 전기에너지를 수신하여 배터리셀을 충전하는 무선전력 수신장치로 구성된다.

단자공급방식에서는 충전기와 단말기간에 단자연결만 잘 된다면 이물질과 같이 충전을 방해하는 장해요인이 존재할 가능성이 크지 않다. 반면, 무선전력 전송 시스템은 무접점 충전이라는 특성으로 인하여, 충전시에 무선전력 수신장치와 무선전력 전송장치 사이에 이물질이 삽입될 수 있다. 무선전력 전송장치와 무선전력 수신장치 사이에 금속과 같은 이물질이 끼게 될 경우, 이물질로 인하여 전력전송이 원활히 이루어지지 못함은 물론, 과부하 및 이물질 발열로 인한 제품의 소손 및 폭발 등의 문제점이 발생할 수 있다. 따라서, 무선전력 전송 시스템에서 이물질을 감지할 수 있는 장치 및 방법이 요구된다.

본 발명의 기술적 과제는 무선 전력 전송 시스템에서 이물질 감지 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 기술적 과제는 초기 인식 단계에서 이물질을 감지하는 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 기술적 과제는 무선 전력 전송 시스템에서 1차 코일에 유기되는 전류를 기반으로 이물질을 감지하는 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 기술적 과제는 무선 전력 전송 시스템에서 이물질 감지에 대응하여 파워를 제한하는 동작을 수행하는 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 기술적 과제는 무선 전력 전송 시스템에서 이물질 감지 기능을 구비한 무선전력 전송 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 무선전력 수신장치에서 이물질을 검출하는 방법은 최초 충전 전 이물질 감지 동작을 수행하는 단계, 충전이 개시될 때까지 이물질이 감지되지 않은 경우, 단방향 통신 또는 양방향 통신을 이용하여 충전 중 이물질 감지 동작을 수행하는 단계 및 상기 충전 중 이물질 감지 동작에서 이물질이 감지되지 않은 경우, 감지가 안된 미세한 이물을 온도센서로 감지하여 전력을 제한하는 단계를 포함한다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 이물질을 검출하는 무선전력 수신장치는 무선전력 전송장치에 구비된 1차 코어블락과 자기 유도 또는 자기 공진에 의해 결합함으로써 무선 전력을 상기 무선전력 전송장치로부터 수신하는 2차 코어블락, 상기 2차 코어블락에 연결되고, 상기 2차 코어블락에서 생성되는 AC 파형(waveform)에 대한 전파 정류(full-wave rectification)를 수행하여 제어 유닛과 외부 부하에 전력을 제공하는 정류 유닛 및 상기 외부 부하에 연결되는 출력 단자의 초기전압을 측정하고, 상기 초기전압이 기준전압 범위에 존재하는 경우 상기 무선전력 수신장치를 이물질 검출 페이즈(phase)로 진입하도록 제어하는 제어 유닛을 포함하며, 상기 제어 유닛은 최초 충전 전 이물질 감지 동작을 수행하거나, 충전이 개시될 때까지 이물질이 감지되지 않은 경우 단방향 통신 또는 양방향 통신을 이용하여 충전 중 이물질 감지 동작을 수행하거나, 상기 충전 중 이물질 감지 동작에서 이물질이 감지되지 않은 경우 감지가 안된 미세한 이물을 온도센서로 감지하여 전력을 제한한다.

본 발명에 따른 무선전력 전송장치는 충전 시작 전부터 충전 중 임의의 시점에서 이물질을 검출할 수 있기 때문에 이물질이 검출될 확률이 높아질 수 있다. 또한 각 단계별로 이물질을 검출하는 방법이 명확히 정의됨으로써 이물질 검출의 구현이 용이해진다. 나아가, 무선전력 전송장치는 무선전력 수신장치와 주고받는 정보에 기반하여 이물질을 검출할 수도 있고, 상기 정보없이 스스로 이물질을 검출할 수도 있어 다양한 제품에 호환되는 이물질 검출이 가능해진다. 이와 같이 이물질이 감지될 경우 무선전력 전송을 중단하거나 사용자로 하여금 이물질을 제거하도록 함으로써, 이물질에 의한 기기의 손상을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일례에 따른 무선전력 전송 시스템의 구성요소들을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일례에 따른 무선전력 전송 시스템에서 이물질 검출을 수행하는 방법을 나타내는 순서도이다.
도 3은 본 발명의 다른 예에 따른 무선전력 전송 시스템에서 이물질 검출을 수행하는 방법을 나타내는 순서도이다.
도 4는 본 발명의 다른 예에 따른 무선전력 전송 시스템에서 이물질 검출을 수행하는 방법을 나타내는 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일례에 따른 무선전력 전송 시스템에서 이물질 검출을 수행하는 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 다른 예에 따른 무선전력 전송 시스템의 동작 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 다른 예에 따른 무선전력 전송 시스템의 동작 흐름도이다.
도 8는 본 발명의 일례에 따른 무선전력 전송장치를 도시한 블록도이다.
도 9는 본 발명의 다른 예에 따른 무선전력 전송장치를 도시한 블록도이다.
도 10은 본 발명의 일례에 따른 무선전력 수신장치를 도시한 블록도이다.

이하에서 사용되는 "무선 전력" 이라는 용어는, 물리적인 전자기 전도체들의 사용없이 송신기로부터 수신기로 송신되는 전기장, 자기장, 전자기장 등과 관련된 임의의 형태의 에너지를 의미하도록 사용된다. 무선전력은 전력 신호(power signal)라고 불릴 수도 있으며, 1차 코일과 2차 코일에 의해 둘러싸이는(enclosed) 진동하는 자속(oscillating magnetic flux)을 의미할 수 있다. 예를 들어, 이동 전화기, 코드리스(codeless) 전화기, iPod, MP3 플레이어, 헤드셋 등을 포함하는 디바이스들을 무선으로 충전하기 위해 시스템에서의 전력 변환이 여기에 설명된다. 일반적으로, 무선 에너지 전달의 기본적인 원리는, 예를 들어, 자기 유도 커플링 방식이나, 30MHz 미만의 주파수들을 사용하는 자기 공진 커플링(즉, 공진 유도) 방식을 모두 포함한다. 그러나, 비교적 높은 방사 레벨들에서의, 예를 들어, 135kHz (LF) 미만 또는 13.56MHz (HF)에서의 라이센스-면제 동작이 허용되는 주파수들을 포함하는 다양한 주파수들이 이용될 수도 있다.

도 1은 본 발명의 일례에 따른 무선전력 전송 시스템의 구성요소들을 도시한 것이다.

도 1을 참조하면, 무선전력 전송 시스템(100)은 무선전력 전송장치(110)와 하나의 무선전력 수신장치(150-1) 또는 n개의 무선전력 수신장치(150-1,...,150-n)를 포함한다.

무선전력 전송장치(110)는 1차 코어블락(primary core block)를 포함한다. 1차 코어블락은 코어(core) 및 하나 또는 그 이상의 1차 코일(primary coil)을 포함할 수 있다. 무선전력 전송장치(110)는 임의의 적합한 형태를 가질 수 있으나, 한 가지 바람직한 형태는 전력 전송 표면을 가진 평탄한 플랫폼이며, 이 플랫폼상에 또는 그 근처에 각각의 무선전력 수신장치(150-1,...,150-n)가 위치할 수 있다.

무선전력 수신장치(150-1,...,150-n)는 무선전력 전송장치(110)로부터 분리가능하고, 각각의 무선전력 수신장치(150-1,...,150-n)는 무선전력 전송장치(110)의 근처에 있을 때 무선전력 전송장치(110)의 1차 코어블락에 의해 발생되는 전자기장과 결합되는 2차 코어블락(secondary core block)을 구비한다. 2차 코어블락은 코어 및 하나 또는 그 이상의 2차 코일(secondary coil)을 포함할 수 있다.

무선전력 전송장치(110)는 직접적인 전기 접촉 없이 무선전력 수신장치(150-1,...,150-n)로 전력을 전송한다. 이때, 1차 코어블락과 2차 코어블락은 서로 자기 유도 커플링 또는 공진 유도 커플링되었다고 한다. 1차 코일 또는 2차 코일은 임의의 적합한 형태들을 가질 수 있으나, 예컨대, 페라이트 또는 비정질 금속과 같은 고투자율의 형성물의 주위에 감긴 동선일 수 있다.

무선전력 수신장치(150-1,...,150-n)는 보통 외부 부하(도시되지 않음. 여기서는 무선전력 수신장치의 실제 부하라고도 함)에 연결되어, 무선전력 전송장치(110)로부터 무선으로 수신한 전력을 외부 부하에 공급한다. 예를 들어 무선전력 수신장치(150-1,...,150-n)는 각각 휴대형 전기 또는 전자 디바이스 또는 재충전가능 배터리셀 또는 전지와 같이 전력을 소비하거나 저장하는 물체로 운반할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일례에 따른 무선전력 전송 시스템에서 이물질 검출을 수행하는 방법을 나타내는 순서도이다.

도 2를 참조하면, 최초 충전 전 이물질 감지 동작을 수행한다(S200). 일 예로, 최초 충전 전 이물질 감지 동작은 다음 도 5와 같다.

최초 충전 전 이물질이 감지되면(S205), 이물질 감지에 대응하는 전력 제한 동작을 수행한다(S225).

최초 충전 전 이물질이 감지되지 않은 경우(S205), 충전이 시작되면 충전 중 이물질 감지 동작을 수행한다(S210).

일 예로, 충전 중 단방향 통신을 수행하여 이물질을 감지할 수 있다. 일 예로, 충전 중 단방향 통신을 이용한 이물질 감지 동작은 다음 도 6과 같다.

다른 예로, 충전 중 양방향 통신을 수행하여 이물질을 감지할 수 있다. 일 예로, 충전 중 양방향 통신을 이용한 이물질 감지 동작은 다음 도 7과 같다.

또 다른 예로, 충전 중 상기 단방향 통신 및 상기 양방향 통신을 동시에 수행하거나 독립적으로 수행하여 이물질을 감지할 수 있다.

충전 중 이물질이 감지되면(S215), 상기 단계 S225와 같이 이물질 감지 대응 전력 제한 동작을 수행한다.

충전 중 이물질이 감지되지 않은 경우(S215), 감지가 안된 미세한 이물로 전력전송에 문제가 생길 경우 전력 전송을 보호하기 위하여 온도센서(또는 써미스터)를 기준으로 파워를 제한한다(예, 전력을 끊는다)(S220). 상기 온도센서는 수신 장치에 부착되거나 송신 장치에 부착될 수 있다.

또는, 상기 단계 S225에서 이물질 감지 대응 전력 제한 동작이 수행된 이후에도, 감지가 안된 미세한 이물로 전력전송에 문제가 생길 경우 전력 전송을 보호하기 위하여 온도센서(또는 써미스터)를 기준으로 파워를 제한한다.

도 3은 본 발명의 다른 예에 따른 무선전력 전송 시스템에서 이물질 검출을 수행하는 방법을 나타내는 순서도이다.

도 3을 참조하면, 최초 충전 전 이물질 감지 동작을 수행한다(S300). 일 예로, 최초충전 전 이물질 감지 동작은 다음 도 5와 같다.

최초 충전 전 이물질이 감지되면(S305), 이물질 감지에 대응하는 전력 제한 동작을 수행한다(S315).

최초 충전 전 이물질이 감지되지 않은 경우(S305), 감지가 안된 미세한 이물로 전력전송에 문제가 생길 경우 전력 전송을 보호하기 위하여 온도센서(또는 써미스터)를 기준으로 파워를 제한한다(예, 전력을 끊는다)(S310). 상기 온도센서는 수신 장치에 부착되거나 송신 장치에 부착될 수 있다.

또는, 상기 단계 S315에서 이물질 감지 대응 전력 제한 동작이 수행된 이후에도, 감지가 안된 미세한 이물로 전력전송에 문제가 생길 경우 전력 전송을 보호하기 위하여 온도센서(또는 써미스터)를 기준으로 파워를 제한한다.

도 4는 본 발명의 다른 예에 따른 무선전력 전송 시스템에서 이물질 검출을 수행하는 방법을 나타내는 순서도이다.

도 4를 참조하면, 충전이 시작되면 충전 중 이물질 감지 동작을 수행한다(S400).

충전 중 이물질이 감지되면(S405), 이물질 감지에 대응하는 전력 제한 동작을 수행한다(S415).

충전 중 이물질이 감지되지 않은 경우(S405), 감지가 안된 미세한 이물로 전력전송에 문제가 생길 경우 전력 전송을 보호하기 위하여 온도센서(또는 써미스터)를 기준으로 파워를 제한한다(예, 전력을 끊는다)(S410). 상기 온도센서는 수신 장치에 부착되거나 송신 장치에 부착될 수 있다.

또는, 상기 단계 S415에서 이물질 감지 대응 전력 제한 동작이 수행된 이후에도, 감지가 안된 미세한 이물로 전력전송에 문제가 생길 경우 전력 전송을 보호하기 위하여 온도센서(또는 써미스터)를 기준으로 파워를 제한한다.

이제 본 발명에 따라서 이물질을 감지하는 동작을 최초충전 전과 충전 이후(예, 단방향 통신이용 또는 양방향 통신이용)를 구분하여 설명한다.

<1. 최초충전 전 이물질 감지 동작>

도 5는 본 발명의 일례에 따른 무선전력 전송 시스템에서 이물질 검출을 수행하는 방법을 설명하는 흐름도이다. 상기 도 2의 단계 S200 또는 상기 도 3의 단계 S300에 해당한다.

도 5를 참조하면, 핑 페이즈에서 무선전력 전송장치는 디지털 핑을 수행하며, 이때 무선전력 전송장치는 동작점의 전력 신호를 무선전력 수신장치로 전송한다(S500).

핑 페이즈의 전력 신호를 수신하면, 무선전력 수신장치는 상기 전력 신호를 수신한 세기를 지시하는 신호세기 패킷을 생성하여 무선전력 전송장치로 전송한다(S505). 그리고 무선전력 수신장치는 무선전력 수신장치의 고유한 ID를 지시하는 식별 패킷과 무선전력 수신장치의 구성정보를 생성하고, 식별 패킷과 구성정보를 무선전력 전송장치로 전송한다(S510).

무선전력 수신장치는 수신전력을 측정한다(S515). 이때부터 초기전압 V_i를 설정하는 단계로 진입한다.

무선전력 수신장치는 과전압 전력(over voltage power: OVP), 과전류 전력(over current power: OCP), 만충전(full charge) 등 종료 사유가 발생하는지 판단한다(S520). 만약 OVP, OCP, 만충전, 기타 충전의 종류 사유가 발생하면, 무선전력 수신장치는 충전을 종료한다(S525). 만약 종류 사유가 발생하지 않으면, 무선전력 수신장치는 무선전력 전송장치로부터 무선전력을 수신하는 상태인지, 즉 충전 중인지 판단한다(S530).

단계 S530에서 만약 충전 중이면, 무선전력 수신장치는 요구전력 대비 수신전력을 비교하여 그 결과를 기반으로 전력 제어 패킷을 생성하여 무선전력 전송장치로 전송한다(S535). 단계 S535에서 만약 충전중이 아니면, 무선전력 수신장치는 초기전압 V_i가 홀드 상태인지 판단한다(S540). 초기전압 V_i의 정상상태의 값이 기준전압 범위(예를 들어 7.0V~10.5V) 내에 존재하는 경우, 무선전력 수신장치는 초기 설정이 완료된다. 이로서 초기전압 V_i는 홀드 상태가 되고, 무선전력 수신장치는 이물질 검출 페이즈로 진입할 수 있다.

만약 V_i 홀드 상태가 아니면, 무선전력 수신장치는 충전 중인 경우와 마찬가지로 전력 제어 패킷을 생성하여 무선전력 전송장치로 전송한다(S535). 만약 V_i 홀드 상태이면, 무선전력 수신장치는 이물질 검출 페이즈로 진입한다. 여기서, 무선전력 수신장치는 이물질 상태 패킷을 생성하여 무선전력 전송장치로 전송한다(S545).

본 발명에 따른 이물질 상태 패킷은 프리앰블(preamble), 헤더(header), 메시지 및 체크섬(checksum)을 포함한다. 프리앰블은 최소 11비트부터 최대 25비트로 구성될 수 있며, 모든 비트의 값이 0으로 설정될 수 있다. 프리앰블은 무선전력 전송장치가 이물질 상태 패킷의 헤더의 시작비트를 정확히 감지하고, 들어오는 데이터에 동기를 맞추기 위해 사용된다.

헤더는 패킷의 타입을 지시하며, 8비트로 구성될 수 있다. 일례로서, 이물질 상태 패킷의 헤더의 값은 '0x00'일 수 있다. 이 경우, 메시지는 그 값이 0, 즉 '0x00'으로 설정될 수 있다. 다른 예로서, 이물질 상태 패킷의 헤더의 값은 충전 상태 패킷(charge status packet)의 헤더와 동일한 '0x05'일 수 있다. 다만, 충전 상태 패킷의 1바이트 메시지의 값이 '0x00'으로 설정됨으로써, 이물질 상태 패킷임이 지시될 수 있다. 즉, 이물질 상태 패킷은 충전 상태 패킷에 포함된다.

무선전력 전송장치는 수신된 패킷의 헤더 또는 메시지의 값을 기반으로, 수신된 패킷이 이물질 상태 패킷인지 확인한다. 그리고 이물질 상태 패킷이 수신된 것으로 판명되면, 무선전력 전송장치는 이물질 검출을 수행한다(S550). 이물질 상태 패킷을 확인하는 동작 및 이물질 검출은 무선전력 전송장치의 제어 유닛에 의해 수행된다.

<2. 충전 중 이물질 감지>

<2-1. 충전 중 단방향 통신을 이용한 이물질 감지>

도 6은 본 발명의 다른 예에 따른 무선전력 전송 시스템의 동작 흐름도이다. 상기 도 2의 단계 S210 또는 상기 도 4의 단계 S400에 해당한다.

도 6을 참조하면, 무선전력 전송장치는 무선전력 수신장치를 탐색한다(S600). 이때, 무선전력 전송장치는 무선전력 수신장치가 검색될 때까지 충전 대기상태에 놓여있다.

만약 감지된 물체가 무선전력 수신장치이면, 무선전력 전송장치는 충전 모드로 진입하여, 무선 전력을 무선전력 수신장치로 전송한다(S605). 충전 모드에서는 무선전력 전송장치가 1차 코일에 전력을 인가하여 유도 자기장 또는 공진을 발생시킨다.

무선전력 전송장치는 1차 코일에 흐르는 전류를 측정하고, 무선전력 전송장치는 1차 코일에서 흐르는 전류로부터 전류 측정값을 획득한다(S610). 무선전력 전송장치가 측정하는 전류는 교류전류일 수 있다. 상기 전류 측정값은 무선전력 전송장치 내의 제어 유닛이 인식하기에 적합한 DC 수치로 변환된 것일 수 있다. 즉, 무선전력 전송장치는 1차 코일에 흐르는 상대적으로 높은 교류 전류를 측정하고, 상기 측정된 고전류를 제어 유닛이 해석하는데 적합한 수치인 전류 측정값으로 표 1과 같이 맵핑한다.

무선전력 전송장치는 기준 전류 I_ref, 기준 범위(I_low~I_high), 기준 AC 신호, 이물질 감지 시기 t와 같은 파라미터들 중 어느 하나 또는 2 이상의 조합을 사용하여, 이물질 감지를 수행한다(S615). 그리고 기준 전류 I_ref, 기준 범위(I_low~I_high), 기준 AC 신호, 이물질 감지 시기 t와 같은 파라미터들은 초기 설정 값으로서 무선전력 전송장치에 미리 저장되어 있을 수 있다.

무선전력 전송장치는 이물질이 감지되지 않으면 지속적으로 무선전력 수신장치로 전력을 전송한다(S620). 그리고 무선전력 전송장치는 시스템 또는 표준에 의해 미리 정해진 시점 t에 다시 1차 코일의 전류 측정값을 획득하며(S610), 이를 기반으로 이물질 감지를 시도할 수 있다(S615).

반면, 무선전력 전송장치는 이물질이 감지되면 무선전력 수신장치로 전송되던 무선전력을 차단한다(S625).

<2-2. 충전 중 양방향 통신을 이용한 이물질 감지 동작>

도 7은 본 발명의 다른 예에 따른 무선전력 전송 시스템의 동작 흐름도이다. 상기 도 2의 단계 S210 또는 상기 도 4의 단계 S400에 해당한다.

일 예로, 양방향 통신을 수행함이란 전송장치에서 수신장치로 전력을 송신하면, 수신장치에서 수신 전력(received power) 값을 전송장치에게 알려주고, 전력 손실(power loss)이 소정의 기준값이상이면 FOD로 판단하는 것을 말한다. 예를 들어, 양방향 통신을 수행함이란 전송장치에서 수신장치로 7 내지 10W의 전력을 송신하고 수신장치에서 5W의 전력을 수신한 경우, 수신 전력 값 '5W'을 전송장치에게 알려주고, 전력 손실이 2W이상이어서 소정의 기준값인 1W보다 크므로 FOD로 판단한다. 이를 통해, 전력 전송 단계에 있어서 FOD를 검출할 수 있다.

도 7을 참조하여 양방향 통신을 구체적으로 설명하면, 무선전력 전송장치는 무선전력 수신장치를 탐색한다(S700). 이때, 무선전력 전송장치는 무선전력 수신장치가 검색될 때까지 충전 대기상태에 놓여있다.

만약 감지된 물체가 무선전력 수신장치이면, 무선전력 전송장치는 충전 모드로 진입하여, 무선 전력을 무선전력 수신장치에게 전송한다(S705). 충전 모드에서는 무선전력 전송장치가 1차 코일에 전력을 인가하여 유도 자기장 또는 공진을 발생시킨다.

무선전력 전송장치는 측정된 송신 전력을 지시하는 송신전력 측정보고를 무선전력 수신장치에게 전송한다(S710). 일 예로, 무선전력 전송장치는 송신전력 측정보고를 FSK 신호로 무선전력 수신장치에게 전송한다. 여기서, FSK 신호는 FSK 방식을 이용하여 전송되는 신호를 말한다.

상기 FSK 신호는 단순한 전력 양(예, 송신 전력양)을 포함할 수 있다. 이때, 무선전력 전송장치는 상기 FSK 신호를 일정한 주기로 전송할 수 있다. 왜냐하면 무선전력 수신장치가 상기 FSK 신호의 전송 시점에 대해서 알지 못할 수 있기 때문이다. 상기 일정한 주기는 일정 개수의 데이터 신호가 전송되는 구간(예, ASK 신호가 일정)일 수 있다.

일 예로, 상기 송신전력양은 무선전력 전송장치가 AC 전류 신호에 따라 주 코일에서 생성되는 전력을 측정한 값일 수 있다.

상기 FSK 신호는 수신장치에서 요구되는 1개의 고정된 전력주파수(f₀, 예를 들어 145kHz)를 변환 시키는 일정범위의 가변주파수(예, 140 또는 140.3Khz)를 스위칭(switching)하거나 셀렉트(select)하여, 0값과 1값을 전송하는 신호를 말한다. 다른 예로, 위상을 이용하여 0값과 1값을 포함하는 데이터 신호를 전송하는 신호를 말한다.

일 예로, 무선전력 전송장치는 AC 전류 신호에 따라 주 코일에서 생성되는 전력을 측정하고, 측정된 생성 전력을 지시하는 송신전력 측정보고를 구성하여, 무선전력 수신장치로 전송할 수 있다. 이와 같이 무선전력 전송장치에서 무선전력 수신장치로의 경로로 제어정보가 전송되거나(예를 들어, FSK 신호로 제어정보가 전송될 수 있고), 무선전력 수신장치에서 무선전력 전송장치로의 경로로 제어정보가 전송되는 양방향 통신이 가능하다.

무선전력 전송장치는 인버터를 이용하여 PWM을 수행하고, 무선전력 수신장치의 필요 전력(또는 요구 전력)에 허용된 주파수를 발생한다.

무선전력 수신장치의 필요 전력이 듀티 사이클(duty cycle) 또는 전압을 발생시키며, 듀티 사이클 또는 전압 값이 무선전력 전송장치의 전력 값이다. 즉, 무선전력 전송장치의 전력은 인버터에 인가된 전압, 듀티 설정 및 주파수으로 나타내어 질 수 있다.

무선전력 전송장치가 전력을 전송하는 단계에 있어서, 설정된 값(예, 전압, 듀티 주파수)을 FSK 방식으로 무선전력 수신장치에게 "송신 전력 값"을 전송한다.

이때, 무선전력 수신장치는 기존의 데이터 신호(예, ASK 신호)의 수신을 를 멈추고, FSK의 신호를 수신한다. 일 예로, FSK 신호의 수신 동작은 FSK 신호의 복조(demodulation) 동작을 포함한다.

상기 FSK 신호는 일정한 주기(750)로 전송될 수 있다. 예를 들어 상기 일정한 주기(750)는 소정의 시간(예, 3초 5초) 또는 소정의 개수의 데이터 신호(예, ASK 신호)의 전송 구간 일 수 있다.

상기 FSK 신호는 무선 전력과 동시에 전송될 수도 있다. 즉, S705 및 S710은 동시에 수행될 수도 있다.

이어서, 무선전력 수신장치는 송신전력 측정보고를 기초로 이물질을 감지한다(S715). 예를 들어, 무선전력 수신장치에서 측정한 수신전력 값과 생성 전력 측정보고를 포함하는 FSK 신호를 연산하여 그 차이값이 소정의 기준값 이상이면 FOD로 판단한다. 다른 예로, 무선전력 수신장치는 '수신전력-전송전력'이 소정의 기준값 이상이면 FOD로 판단한다.

일 예로, 상기 측정한 수신전력 값은 송신전력 측정보고에 의해 지시되는 전력과, 요구 전력간의 차이가 임계치보다 큰지 같은지 또는 작은지를 지시하는 정보일 수 있다. 예를 들어, 송신전력 측정보고에 의해 지시되는 전력과 요구 전력간의 차이가 임계치보다 크면 '수신전력 측정결과=1'로 설정되고, 송신전력 측정보고에 의해 지시되는 전력과 요구 전력간의 차이가 임계치보다 작거나 같으면 '수신전력 측정결과=0'로 설정될 수 있다. 또는 반대로, 송신전력 측정보고에 의해 지시되는 전력과 요구 전력간의 차이가 임계치보다 크거나 같은 때 '수신전력 측정결과=1'로 설정되고, 송신전력 측정보고에 의해 지시되는 전력과 요구 전력간의 차이가 임계치보다 작은 때에 '수신전력 측정결과=0'로 설정될 수도 있다. 예를 들어, 임계치가 1W라 하자. 상기의 예와 같이 송신전력 측정보고에 의해 지시되는 전력이 12W이고, 요구 전력은 10W인 상황에서, 그 차이는 2W이고 이는 임계치인 1W보다 크다. 이 경우 수신전력 측정결과는 1을 지시한다. 송신전력 측정보고에 의해 지시되는 전력과 요구 전력간의 차이가 임계치 보다 크면, 이는 이물질이 감지된 것을 의미할 수 있다. 따라서, 무선전력 전송장치(40)는 이를 이물질 감지 선언으로 인식할 수 있다.

무선전력 수신장치는 무선전력 전송장치로 이물질 감지 결과를 포함하는 ASK 신호를 전송한다(S720).

상기 ASK 신호는 전력제어용 신호, FOD 검출 신호, 긴급(emergency) 신호 또는 완충 신호 등을 포함할 수 있다.

또한, 상기 ASK 신호는 무선전력 수신장치의 요구 전력 정보를 포함할 수 있다. 요구 전력 정보는 무선전력 전송장치가 자기 유도 방식에 기반하여 무선전력을 생성하도록 요구하는 정보를 말하며, 무선전력 전송장치가 요구 전력 정보를 확인하고 요구 전력 정보에서 지시한 전력이 유도되도록 제어신호를 발생시키도록 하는 정보이다. 예를 들어, 요구 전력 정보가 10W를 지시할 때, 무선전력 전송장치는 10W가 전송되도록 제어신호를 발생시킨다.

상기 ASK 신호는 제어 에러 패킷(control error packet), 렉티파이드 패킷(rectified packet) 또는 차저 스테이트(charger state) 형태로 전송될 수 있다.

이어서, 무선전력 전송장치는 수신한 ASK 신호를 기초로 무선 전력을 전송할 수 있다(S725).

데이터 신호(예, ASK 신호 또는 FSK 신호)는 송신과 수신을 동시에 하는 것이 불가능하므로 송신 도는 수신이 순차적으로 수행된다. 반면, 유도 주파수를 통해서 전력은 계속 발생하기 때문에 전력 신호와 데이터 신호가 동시에 송신되는 것은 가능하다. 따라서, ASK 신호 및 FSK 신호가 송수신되는 시점과 무관하게 무선 전력은 동시 또는 수시로 전송될 수 있다.

상기 단계 S720 및 단계 S725에 따라서 ASK 신호와 무선 전력을 복수회 송수신될 수 있다.

단계 S710에 대하여 일정한 주기(750)가 경과되면 무선전력 전송장치는 측정된 송신 전력을 지시하는 송신전력 측정보고를 무선전력 수신장치에게 전송한다(S730). 일 예로, 무선전력 전송장치는 송신전력 측정보고를 FSK 신호로 무선전력 수신장치에게 전송한다. 상기 일정한 주기(750)는 소정의 시간(예, 3초 5초) 또는 소정의 개수의 데이터 신호(예, ASK 신호)의 전송 구간 일 수 있다.

한편, 무선전력 수신장치에서 이물질이 검출된 것으로 판단되면, 무선전력 전송장치는 이물질 검출에 대한 조치를 수행할 수 있다(도면 미표시). 예를 들어, 무선전력 전송장치는 주 코일의 구동이 감소 또는 중단되는 차단 모드로 진입할 수 있다. 이로써 기생 부하의 발열이 방지되고, 비효율적인 유도전력의 공급이 제한 또는 중단될 수 있다.

도 8는 본 발명의 일례에 따른 무선전력 전송장치를 도시한 블록도이다.

도 8를 참조하면, 무선전력 전송장치(800)는 1차 코일(810), 전기 구동 유닛(820), 제어 유닛(830) 및 전류 측정 유닛(840)을 포함한다.

전기 구동 유닛(820)은 1차 코일(810)에 연결되어 전자기장을 발생하기 위해 1차 코일(810)에 전기 구동 신호, 예컨대 AC 신호를 인가한다.

제어 유닛(830)은 전기 구동 유닛(820)에 연결되고, 1차 코일(810)이 유도 자기장을 발생시키거나, 자기공진을 일으킬 때 필요한 상기 AC 신호를 제어해주는 제어신호(831)를 생성하며, 이를 전기 구동 유닛(820)에 입력한다.

제어 유닛(830)은 무선전력 전송장치(800)의 핑(ping) 페이즈(phase), ID 식별 및 구성 페이즈, 이물질 검출 페이즈 및 전력 전송 페이즈에서의 동작을 제어한다. 그리고 제어 유닛(830)은 각 페이즈에서 필요한 패킷을 생성하여 무선전력 수신장치로 전송하거나, 무선전력 수신장치로부터 패킷을 수신할 수 있다.

여기서, 핑 페이즈는 무선전력을 수신 가능한 물체를 발견(discover)하는 시도로 정의될 수 있다. 핑 페이즈에서, 제어 유닛(830)은 디지털 핑(digital ping)을 수행하는데, 제어 유닛(830)은 1차 코일(810)이 동작점의 전력 신호(power signal at an operating point)를 전송하도록 제어신호(831)를 전기 구동 유닛(820)에 인가한다. 그리고 무선전력 수신장치로부터 특정 시간구간(time window) 내에서 정상적인(correct) 신호강도패킷(signal strength packet)이 수신되면, 제어 유닛(830)은 무선전력 전송장치(800)의 상태를 ID 식별 및 구성 페이즈로 천이시킨다.

또한, ID 식별 및 구성 페이즈에서, 제어 유닛(830)은 무선전력 수신장치를 식별하고, 무선전력 수신장치의 구성정보(configuration information)를 수집한다. 이때, 제어 유닛(830)은 식별 패킷(dentification packet) 또는 식별 패킷과 구성정보를 무선전력 수신장치로부터 수신한다.

또한, 이물질 검출 페이즈에서, 제어 유닛(830)은 이물질 검출(foreign object detection: FOD)을 수행하고, 이물질이 검출되지 않는 경우 무선전력 전송장치(800)를 전력 전송 페이즈로 천이시키며, 무선전력이 전송되도록 제어신호(831)를 전기 구동 유닛(820)에 인가한다. 반면, 이물질이 검출되는 경우, 제어 유닛(830)은 제어신호(831)의 인가를 중단하고, 응급 모드(emergency mode)로 진입한다. 이에 따르면, 무선전력 전송장치(800)가 본격적으로 무선전력을 무선전력 수신장치로 전송하는 전력 전송 페이즈 이전에, 이물질 검출이 수행된다. 즉, 무선전력 전송장치(800)와 무선전력 수신장치가 서로 간의 식별(또는 인식)을 완료한 직후에 이물질 검출이 수행되기 때문에, 무선전력을 전송하는 도중에 이물질 검출을 수행함에 따른 위험을 사전에 방지할 수 있다.

본 실시예는 이물질 검출 페이즈와 전력 전송 페이즈를 별개로 구분하였으나, 상기 2 페이즈들은 하나의 페이즈로 통합되어 제어될 수 있다. 또는 이물질 검출 페이즈는 전력 전송 페이즈에 속하여 하나의 절차로 제어될 수도 있다. 이하에서는 이물질 검출 페이즈를 독립적인 지위를 가지는 것으로 보고 설명한다.

전류 측정 유닛(840)은 1차 코일(810)에서 흐르는 전류로부터 전류 측정값 I_measured을 획득하여 제어 유닛(830)으로 입력한다. 상기 전류 측정값 I_measured는 제어 유닛(830)이 인식하기에 적합한 DC 수치로 변환된 것일 수 있다. 즉, 전류 측정 유닛(840)은 1차 코일(810)에 흐르는 상대적으로 높은 교류 전류를 측정하고, 상기 측정된 고전류를 제어 유닛(830)이 해석하는데 적합한 수치인 전류 측정값 I_measured로 맵핑(mapping)하며, 상기 전류 측정값 I_measured를 제어 유닛(830)으로 입력한다.

이하에서, 이물질(foreign object) 검출을 위해 무선전력 전송장치(800)의 각 구성요소가 어떠한 동작을 수행하는지 구체적으로 개시된다.

제어 유닛(830)이 기준 AC 신호에 해당하는 제어신호(831)를 전기 구동 유닛(820)에 보내면, 전기 구동 유닛(820)은 상기 기준 AC 신호를 1차 코일(810)에 인가한다. 여기서, 기준 AC 신호는 이물질이 없는 환경, 즉 무선전력의 송신에 장해요소가 없는 환경에서, 무선전력의 전송 효율이 정상 범위에 머물도록 하는(또는 수신장치의 요구전력 수준을 만족시킬 수 있는) AC 신호로서 실험적으로 얻어지는 값일 수 있다. 1차 코일(810)에 기준 AC 신호가 인가되면 1차 코일(810)에는 기준 전류 I_ref가 흐르게 되고, 이때 무선전력 W_ref가 전송된다.

그런데 만약에 무선전력 전송장치(800)와 무선전력 수신장치 사이에 이물질이 나타나면, 무선전력 수신장치는 이물질에 의해 소비되는 전력 W_FO를 제외한 나머지 전력인 W_ref-W_FO만을 수신한다. 무선전력 수신장치의 입장에서, W_F0만큼 수신하지 못하면 더 많은 전력을 요구하기 위해 전력 상승요청 메시지를 무선전력 전송장치(800)로 전송한다. 전력 상승요청 메시지는 제어 오류(control error) 패킷이라 불릴 수도 있다. 이와 반대로, 무선전력 수신장치가 요구전력 이상의 전력을 수신하면, 전력 하강요청 메시지를 무선전력 전송장치(800)로 전송할 수 있다.

무선전력 수신장치는 요구전력이 만족될 때까지 전력 상승요청 메시지 또는 전력 하강요청 메시지를 계속적으로 무선전력 전송장치(800)로 전송할 수 있다. 예를 들어 전력 상승요청 메시지를 수신한 무선전력 전송장치(800)는 그에 따른 응답으로서 더 높은 전력이 전송되도록 1차 코일(810)에 흐르는 전류의 세기를 상승시킨다. 보다 구체적으로, 1차 코일(810)에 더 큰 전류가 흐르도록 하기 위해, 제어 유닛(830)은 기준 AC 신호 보다 더 큰 AC 신호가 1차 코일(810)에 인가될 수 있도록 제어신호(831)를 조정할 수 있다. 이러한 일련의 과정을 통칭하여 전력 제어(power control)라 한다.

전력 제어의 결과, 1차 코일(810)에서의 전류 측정값이 일정 구간보다 커지는 상태가 발생할 수 있다. 요구전력의 전송을 위해 1차 코일(810)에 기준 전류 I_ref 보다 더 큰 전류인 I_measured가 흐르고 있다는 것은, 무선 전력의 전송 효율이 떨어지는 것을 의미하며, 그와 동시에 무선전력 수신장치 이외에 이물질에 의해 일정한 전력이 지속적으로 소비되고 있음을 의미할 수 있다. 이와 같이 1차 코일(810)에 전류가 상대적으로 과다하게 흐를 경우, 제어 유닛(830)은 이물질이 존재하는 것으로 결정한다. 즉, 제어 유닛(830)은 전류 측정값 I_measured을 기반으로 무선전력의 송신에 장해를 일으키는 요소, 예컨대 금속과 같은 이물질을 감지할 수 있다.

제어 유닛(830)은 이물질 감지를 위해 기준 전류 I_ref, 기준 범위(I_low~I_high), 기준 AC 신호, 이물질 감지 시기 t와 같은 파라미터들 중 어느 하나 또는 2 이상의 조합을 사용할 수 있다. 그리고 기준 전류 I_ref, 기준 범위(I_low~I_high), 기준 AC 신호, 이물질 감지 시기 t와 같은 파라미터들은 초기 설정 값으로서 제어 유닛(830)에 저장되어 있을 수 있다. 기준 전류 I_ref, 기준 범위(I_low~I_high)는 기준값(reference value)라 불릴 수 있다.

일례로서, 제어 유닛(830)은 전류 측정값 I_measured와 기준 전류 I_ref를 비교한다. 그리고 전류 측정값 I_measured가 기준 전류 I_ref를 초과하면(즉, I_measured > I_ref), 이물질이 감지된 것으로 판단한다. 반면, 상기 전류 측정값 I_measured이 기준 전류 I_ref 이하이면(즉, I_measured ≤ I_ref), 이물질이 없는 것으로 판단한다. 여기서, 기준 전류 I_ref는 무선전력 수신장치의 정격 전력(W)에 따라 예를 들어 다음과 같이 정의될 수 있다.

Rx power (unit : W)	Tx AC current (unit : A)	Max AC current (unit : A)
2.5	0.998	1.05
3	1.328	1.5
4	1.664	1.85
5	1.925	2.05

표 1을 참조하면, 무선전력 수신장치(Rx)의 정격 전력(W)가 2.5W, 3W, 4W, 5W일 때, 무선전력 전송장치(Tx)의 1차 코어블락에 흐르는 AC 전류는 실험적으로 각각 0.998A, 1.328A, 1.664A, 1.925A이다. 그리고, 1차 코어블락에서 허용되는 기준 전류, 즉 I_ref의 크기는 각각 1.05A, 1.5A, 1.85A, 2.05A이다.

다른 예로서, 제어 유닛(830)은 상기 전류 측정값 I_measured가 기준 범위(I_low~I_high)에 속하는지 검사한다. 그리고 전류 측정값 I_measured가 기준 범위에 속하면(즉, I_low ≤ I_measured ≤ I_high) 이물질이 없는 것으로 판단한다. 반면, 전류 측정값 I_measured가 기준 범위에 속하지 않으면(즉, I_measured > I_high 또는 I_measured < I_low) 이물질이 감지된 것으로 판단한다.

제어 유닛(830)은 시스템 또는 표준에 의해 미리 정해진 시점 t에 이물질 감지를 시도할 수 있다.

일례로서, 제어 유닛(830)이 이물질 감지를 시도하는 시점 t는 매 전력 제어 시점 이후가 될 수 있다. 예를 들어, 무선전력 전송장치(800)가 무선전력 수신장치로부터 전력 상승요청 메시지 또는 전력 하강요청 메시지를 수신하여 AC 신호를 상승 또는 하강시킨 이후에, 1차 코일(810)에 흐르는 전류 측정값을 이용하여 이물질 감지를 시도할 수 있다.

다른 예로서, 제어 유닛(830)이 이물질 감지를 시도하는 시점 t는 미리 정해진 일정한 감지 주기(detection period)가 될 수도 있다. 예를 들어, 감지 주기는 적어도 이물질이 일정 온도 이상으로 발열하는데 까지 걸리는 시간 보다는 짧아야 한다. 왜냐하면 이물질의 발열이 심해지면 화재 및 신체의 화상 등으로 안전성에 심각한 문제를 야기할 수 있기 때문이다. 따라서, 감지 주기는 실험에 의해 안정성이 검증된 값으로 설정됨이 바람직하며, 이로써 무선충전 중 이물질로 인한 발열 등 충전 중 야기될 수 있는 여러 가지 위험성을 막을 수 있다.

이물질이 감지되면 제어 유닛(830)은 1차 코일(810)에 AC 신호를 인가하지 않도록 전기 구동 유닛(820)을 제어하여 무선전력의 전송을 차단한다.

도 9는 본 발명의 다른 예에 따른 무선전력 전송장치를 도시한 블록도이다.

도 9을 참조하면, 무선전력 전송장치(900)는 m개의 1차 코일(910-1,...910-m)을 포함하는 1차 코어블락(910), 스위칭 유닛(920), 전기 구동 유닛(930), 제어 유닛(940) 및 전류 측정 유닛(950)을 포함한다.

스위칭 유닛(920)은 스위칭 방식에 의해 m개의 1차 코일(910-1,...910-m)의 모두 또는 적어도 하나를 선택적으로 전기 구동 유닛(930)과 연결한다.

전기 구동 유닛(930)은 스위칭 유닛(920)을 통해 m개의 1차 코일(910-1,...910-m)과 연결될 수 있고, 전자기장을 발생하기 위해 n개의 1차 코일(910-1,...310-n)에 동시에 또는 n개의 1차 코일(910-1,...310-n) 중에서 선택된 적어도 하나의 1차 코일에 전기 구동 신호들을 인가한다.

제어 유닛(940)은 전기 구동 유닛(930)에 연결되어, n개의 1차 코일(910-1,...310-n)이 유도 자기장을 발생시키거나 공진을 일으킬 때 필요한 AC 신호를 제어해주는 제어신호(941)를 생성한다.

전류 측정 유닛(950)은 m개의 1차 코일(910-1,...910-m)에 흐르는 전류를 개별적으로 또는 합산하여 측정한다. 특히 전류 측정 유닛(840)이 측정하는 전류는 교류전류일 수 있다. 전류 측정 유닛(840)은 전류 센서(current sensor)일 수 있다. 또는 전류 측정 유닛(840)은 1차 코일에 흐르는 고전류를 저전류로 낮추어 사용하는 변압기(transformer)일 수 있다.

일례로서, 전류 측정 유닛(950)은 m개의 1차 코일(910-1,...910-m)에서 전류가 흐르는 1차 코일만 선택하고, 선택된 1차 코일 각각에 흐르는 전류를 개별적으로 측정하며, 다수의 개별적인 전류 측정값 I₁, I₂,...I_m들을 획득하여 제어 유닛(940)으로 입력한다. 전류 측정값 I₁, I₂,...I_m들은 제어 유닛(940)이 인식하기에 적합한 DC 수치로 변환된 것일 수 있다. 즉, 전류 측정 유닛(950)은 1차 코일(910-1,...,910-m)에 흐르는 상대적으로 높은 교류 전류를 측정하고, 상기 측정된 고전류를 제어 유닛(940)이 해석하는데 적합한 수치인 전류 측정값 I₁, I₂,...I_m로 표 1과 같이 맵핑(mapping)하며, 상기 전류 측정값 I₁, I₂,...I_m를 제어 유닛(940)으로 입력한다.

다른 예로서, 전류 측정 유닛(950)은 m개의 1차 코일(910-1,...910-m)에서 전류가 흐르는 1차 코일만 선택하고, 선택된 1차 코일 전체에 흐르는 전류를 측정하고, 하나의 전체 전류 측정값 I_SELECTED을 제어 유닛(940)으로 입력한다.

또 다른 예로서, 전류 측정 유닛(950)은 m개의 1차 코일(910-1,...910-m) 전체에서 흐르는 총 전류를 측정하고, 하나의 전체 전류 측정값 I_TOTAL을 제어 유닛(940)으로 입력한다.

제어 유닛(940)은 이물질 감지를 위해 기준 전류 I_ref, 기준 범위(I_low~I_high), 기준 AC 신호, 이물질 감지 시기 t와 같은 파라미터들 중 어느 하나 또는 2 이상의 조합을 사용할 수 있다. 그리고 기준 전류 I_ref, 기준 범위(I_low~I_high), 기준 AC 신호, 이물질 감지 시기 t와 같은 파라미터들은 초기 설정 값으로서 제어 유닛(940)에 저장되어 있을 수 있다.

일례로서, 제어 유닛(940)은 전류 측정값 I₁, I₂,...I_m들과 기준 전류 I_ref를 각각 비교한다. 그리고 전류 측정값 전류 측정값 I₁, I₂,...I_m들 중 적어도 하나가 기준 전류 I_ref를 초과하면(즉, I₁ or I₂ or ...I_m > I_ref), 이물질이 감지된 것으로 판단한다. 반면, 상기 전류 측정값 I₁, I₂,...I_m이 모두 기준 전류 I_ref 이하이면(즉, I₁ and I₂ and ...I_m ≤ I_ref), 이물질이 없는 것으로 판단한다.

다른 예로서, 제어 유닛(830)은 상기 전류 측정값 I₁, I₂,...I_m들이 각각 기준 범위(I_low~I_high)에 속하는지 검사한다. 그리고 전류 측정값 I₁, I₂,...I_m들 중 적어도 하나가 기준 범위에 속하면(즉, I_low ≤ I₁ or I₂ or ...I_m ≤ I_high) 이물질이 없는 것으로 판단한다. 반면, 전류 측정값 I₁, I₂,...I_m들이 모두 기준 범위에 속하지 않으면(즉, I₁ and I₂ and ...I_m > I_high 또는 I₁ and I₂ and ... I_m < I_low) 이물질이 감지된 것으로 판단한다.

또 다른 예로서, 제어 유닛(940)은 전류 측정값 I_SELECTED와 기준 전류 I_ref를 비교한다. 그리고 전류 측정값 I_SELECTED가 기준 전류 I_ref를 초과하면(즉, I_SELECTED > I_ref), 이물질이 감지된 것으로 판단한다. 반면, 상기 전류 측정값 I_SELECTED이 기준 전류 I_ref 이하이면(즉, I_SELECTED ≤ I_ref), 이물질이 없는 것으로 판단한다.

또 다른 예로서, 제어 유닛(940)은 상기 전류 측정값 I_SELECTED가 기준 범위(I_low~I_high)에 속하는지 검사한다. 그리고 전류 측정값 I_SELECTED가 기준 범위에 속하면(즉, I_low ≤ I_SELECTED ≤ I_high) 이물질이 없는 것으로 판단한다. 반면, 전류 측정값 I_SELECTED가 기준 범위에 속하지 않으면(즉, I_SELECTED > I_high 또는 I_SELECTED < I_low) 이물질이 감지된 것으로 판단한다.

또 다른 예로서, 제어 유닛(940)은 전류 측정값 I_TOTAL가 기준 전류 I_ref를 비교한다. 그리고 전류 측정값 I_TOTAL가 기준 전류 I_ref를 초과하면(즉, I_TOTAL > I_ref), 이물질이 감지된 것으로 판단한다. 반면, 상기 전류 측정값 I_TOTAL이 기준 전류 I_ref 이하이면(즉, I_TOTAL ≤ I_ref), 이물질이 없는 것으로 판단한다.

또 다른 예로서, 제어 유닛(940)은 상기 전류 측정값 I_TOTAL가 기준 범위(I_low~I_high)에 속하는지 검사한다. 그리고 전류 측정값 I_TOTAL가 기준 범위에 속하면(즉, I_low ≤ I_TOTAL ≤ I_high) 이물질이 없는 것으로 판단한다. 반면, 전류 측정값 I_TOTAL가 기준 범위에 속하지 않으면(즉, I_TOTAL > I_high 또는 I_TOTAL < I_low) 이물질이 감지된 것으로 판단한다.

제어 유닛(940)은 시스템 또는 표준에 의해 미리 정해진 시점 t에 이물질 감지를 시도할 수 있다.

일례로서, 제어 유닛(940)이 이물질 감지를 시도하는 시점 t는 매 전력 제어 시점 이후가 될 수 있다. 예를 들어, 무선전력 전송장치(900)가 무선전력 수신장치로부터 전력 상승요청 메시지 또는 전력 하강요청 메시지를 수신하여 AC 신호를 상승 또는 하강시킨 이후에, 1차 코어블락(910)에 흐르는 전류 측정값을 이용하여 이물질 감지를 시도할 수 있다.

다른 예로서, 제어 유닛(940)이 이물질 감지를 시도하는 시점 t는 미리 정해진 일정한 감지 주기(detection period)가 될 수도 있다. 예를 들어, 감지 주기는 적어도 이물질이 일정 온도 이상으로 발열하는데 까지 걸리는 시간 보다는 짧아야 한다. 왜냐하면 이물질의 발열이 심해지면 화재 및 신체의 화상 등으로 안전성에 심각한 문제를 야기할 수 있기 때문이다. 따라서, 감지 주기는 실험에 의해 안정성이 검증된 값으로 설정됨이 바람직하며, 이로써 무선충전 중 이물질로 인한 발열 등 충전 중 야기될 수 있는 여러 가지 위험성을 막을 수 있다.

이물질이 감지되면 제어 유닛(940)은 1차 코어블락(910)에 AC 신호를 인가하지 않도록 전기 구동 유닛(930)을 제어하여 무선전력의 전송을 차단한다.

도 1의 무선전력 전송장치(110)는 도 8의 무선전력 전송장치(800)일 수도 있고, 도 9의 무선전력 전송장치(900)일 수도 있다.

본 발명에 따르면, 이물질 감지를 위해 무선전력 수신장치가 약속된 정보 전달 규격에 의거하여 특정한 정보를 무선전력 전송장치로 전송할 필요가 없기 때문에 시그널링 오버헤드(signaling overhead)가 줄어들 수 있다.

이물질의 발열 전에 이물질을 최소한의 지연으로 감지하는 것은 매우 중요한 기술적 이슈이다. 왜냐하면 이물질의 성질상 쉽게 발열되는 것일 경우, 이물질 감지까지 지연이 길어지는 것은 심각한 문제를 야기할 수 있기 때문이다. 그러나, 본 발명에 따르면, 무선전력 전송장치가 자체적으로 이물질을 감지할 수 있기 때문에 이물질 감지를 위한 지연(delay), 예컨대 무선전력 수신장치가 특정한 정보를 생성하는 시간, 상기 특정한 정보가 무선전력 전송장치로 전송되는 시간, 무선전력 전송장치가 상기 특정한 정보를 디코딩하여 해석하는 시간이 불필요해지는 효과가 있다.

나아가, 무선전력 수신장치가 상기 특정한 정보를 전송할 수 없는 낮은 버전의 모델인 경우라 할지라도, 본 발명에 따른 무선전력 전송 시스템은 상기 모델에 대하여도 호환성을 제공할 수 있다

도 10은 본 발명의 일례에 따른 무선전력 수신장치를 도시한 블록도이다.

도 10을 참조하면, 무선전력 수신장치(1000)는 2차 코일(1010), 정류 유닛(1020) 및 제어 유닛(1030)을 포함한다.

정류 유닛(1020)은 2차 코일(1010)에서 생성되는 AC 파형(waveform)에 대한 전파 정류(full-wave rectification)를 제공한다. 예를 들어, 정류 유닛(1020)은 풀 프릿지 구성에서의 4개의 다이오드를 사용할 수 있다. 또한 정류 유닛(1020)은 제어 유닛(1030)과 외부 부하(1040)에 전력을 제공할 수 있다.

제어 유닛(1030)은 정류 유닛(1020)으로부터 전력을 공급받아 각 페이즈에서의 패킷 생성과 전송, 무선전력 전송제어 등의 동작을 수행한다. 일례로서, 패킷의 전송을 위해 부하 변조(load modulation) 기법이 사용될 수 있다. 이 경우 2차 코일(1010)을 통해 패킷이 전송되며, 무선전력 전송을 위한 주파수 대역과 동일한 주파수 대역이 사용된다. 다른 예로서, 패킷의 전송을 위해 무선전력 전송을 위한 주파수 대역과 다른 별도의 주파수 대역이 사용되며, RFID(radio frequency identification) 또는 블루투스(bluetooth) 또는 NFC(near field communication) 등의 기법을 통해 패킷이 전송될 수 있다.

ID 식별 및 구성 페이즈에서, 제어 유닛(1030)은 무선전력 수신장치(1000)의 고유한 ID를 지시하는 식별 패킷과 무선전력 수신장치(1000)의 구성정보를 생성하고, 식별 패킷과 구성정보를 무선전력 전송장치로 전송한다.

그리고 제어 유닛(1030)은 외부 부하에 연결되는 출력 단자의 초기전압 V_i을 측정할 수 있다. 초기전압 V_i은 ID 식별 및 구성 페이즈를 완료한 이후 무선전력을 수신하는 전력 전송 페이즈 이전에 제어 유닛(1030)에서 측정되는 전압이다. 또는 초기전압 V_i은 무선충전이 시작되기 전 대기 상태에서 출력 단자의 전압으로서 정의될 수도 있다.

초기전압 V_i의 정상상태의 값이 기준전압 범위(예를 들어 7.0V~10.5V) 내에 존재하는 경우 제어 유닛(1030)은 이물질 검출 페이즈로 진입하고, 이물질 검출을 위한 이물질 상태 패킷(foreign object status packet)을 생성하여 무선전력 전송장치로 전송한다. 이물질 상태 패킷은 무선전력 전송장치에서 이물질 검출을 개시(initiate) 또는 트리거(trigger) 하는데 사용된다.

전력 전송 페이즈에서, 제어 유닛(1030)은 2차 코일(1010)을 통해 수신되는 전력을 측정하고, 전력 제어 패킷을 생성하여 무선전력 전송장치로 전송할 수 있다. 즉, 제어 유닛(1030)은 무선전력 전송 제어에 필요한 패킷을 이용하여 요구전력을 수신할 수 있다.

상술한 모든 기능은 상기 기능을 수행하도록 코딩된 소프트웨어나 프로그램 코드 등에 따른 마이크로프로세서, 제어기, 마이크로제어기, ASIC(Application Specific Integrated Circuit) 등과 같은 프로세서에 의해 수행될 수 있다. 상기 코드의 설계, 개발 및 구현은 본 발명의 설명에 기초하여 당업자에게 자명하다고 할 것이다.

이상 본 발명에 대하여 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시켜 실시할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 상술한 실시예에 한정되지 않고, 본 발명은 이하의 특허청구범위의 범위 내의 모든 실시예들을 포함한다고 할 것이다.

Claims

무선전력 수신장치에서 이물질을 검출하는 방법에 있어서,
충전 전 이물질 감지 동작을 수행하는 단계; 및
충전이 개시될 때까지 이물질이 감지되지 않은 경우, 단방향 통신 또는 양방향 통신을 이용하여 충전 중 이물질 감지 동작을 수행하는 단계를 포함하고,
상기 충전 전 이물질 감지 동작은:
외부 부하에 연결된 출력 단자의 전압을 측정하는 단계; 및
상기 전압이 홀드 상태이고, 상기 전압의 정상상태의 값이 소정의 기준전압 범위 내에 존재하는 경우, 이물질 검출 페이즈로 진입하여 이물질 상태 패킷을 생성하여 무선전력 전송장치로 전송하는 단계를 포함하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 단방향 통신을 이용하는 충전 중 이물질 감지 동작은,
무선전력 전송장치에서 이물질이 감지되지 않은 경우, 충전 모드에서는 1차 코일에 전력을 인가하여 유도 자기장 또는 공진을 발생시키는 무선전력 전송장치로부터 무선 전력을 수신하는 단계를 포함하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 양방향 통신을 이용하는 충전 중 이물질 감지 동작은,
충전 모드에서 1차 코일에 전력을 인가하여 유도 자기장 또는 공진을 발생시킨 상기 무선전력 전송장치로부터, 측정된 송신 전력을 지시하는 송신전력 측정보고를 수신하는 단계;
상기 측정된 송신 전력 및 측정한 수신전력 값의 차이값을 기초로 이물질을 감지하는 단계; 및
상기 이물질 감지 결과를 포함하는 ASK 신호를 상기 무선전력 전송장치로 전송하는 단계를 포함하는 방법.
제 3 항에 있어서, 상기 송신전력 측정보고는 FSK 방식을 이용하여 전송되는 FSK 신호로 전송되며,
상기 FSK 신호는 AC 전류 신호에 따라 상기 1차 코일에서 생성되는 전력을 측정한 송신 전력량을 포함하는 방법.
제 4 항에 있어서,
상기 FSK 신호는 소정의 주기마다 반복적으로 전송되며,
상기 소정의 주기는 소정의 개수의 데이터 신호가 전송되는 구간인 것을 특징으로 하는 방법
제 4 항에 있어서,
상기 FSK 신호는 요구되는 고정된 전력주파수를 변환 시키는 일정범위의 가변주파수를 스위칭(switching)하거나 셀렉트(select)하여 0 또는 1을 전송하는 신호인 것을 특징으로 하는 방법.
제 3 항에 있어서,
상기 ASK 신호는 상기 무선전력 전송장치가 자기 유도 방식에 기반하여 무선전력을 생성하도록 요구하는 정보인 요구 전력 정보를 포함하는 방법.
이물질을 검출하는 무선전력 수신장치로서,
무선전력 전송장치에 구비된 1차 코어블락과 자기 유도 또는 자기 공진에 의해 결합함으로써 무선 전력을 상기 무선전력 전송장치로부터 수신하는 2차 코어블락;
상기 2차 코어블락에 연결되고, 상기 2차 코어블락에서 생성되는 AC 파형(waveform)에 대한 전파 정류(full-wave rectification)를 수행하여 제어 유닛과 외부 부하에 전력을 제공하는 정류 유닛; 및
상기 외부 부하에 연결되는 출력 단자의 전압을 측정하고, 상기 전압이 기준전압 범위에 존재하는 경우 상기 무선전력 수신장치를 이물질 검출 페이즈(phase)로 진입하도록 제어하는 제어 유닛을 포함하며,
상기 제어 유닛은
충전 전 이물질 감지 동작을 수행하거나, 충전이 개시될 때까지 이물질이 감지되지 않은 경우 단방향 통신 또는 양방향 통신을 이용하여 충전 중 이물질 감지 동작을 수행하고,
상기 충전 전 이물질 감지 동작은
외부 부하에 연결된 출력 단자의 전압을 측정하는 것; 및
상기 전압이 홀드 상태이고, 상기 전압의 정상상태의 값이 소정의 기준전압 범위 내에 존재하는 경우, 이물질 검출 페이즈로 진입하여 이물질 상태 패킷을 생성하여 무선전력 전송장치로 전송하는 것을 포함하는, 무선전력 수신장치.
제 8 항에 있어서, 상기 제어 유닛은
충전 모드에서 1차 코일에 전력을 인가하여 유도 자기장 또는 공진을 발생시킨 상기 무선전력 전송장치로부터, 측정된 송신 전력을 지시하는 송신전력 측정보고를 수신하고, 상기 측정된 송신 전력 및 측정한 수신전력 값의 차이값을 기초로 이물질을 감지하고, 상기 이물질 감지 결과를 포함하는 ASK 신호를 상기 무선전력 전송장치로 전송하도록 제어하여 상기 양방향 통신을 이용하는 충전 중 이물질 감지 동작을 수행하는, 무선전력 수신장치.
제 9 항에 있어서, 상기 송신전력 측정보고는 FSK 방식을 이용하여 전송되는 FSK 신호로 전송되며,
상기 FSK 신호는 AC 전류 신호에 따라 상기 1차 코일에서 생성되는 전력을 측정한 송신 전력량을 포함하는, 무선전력 수신장치.
제 10 항에 있어서,
상기 FSK 신호는 소정의 주기마다 반복적으로 전송되며,
상기 소정의 주기는 소정의 개수의 데이터 신호가 전송되는 구간인 것을 특징으로 하는, 무선전력 수신장치.
제 10 항에 있어서,
상기 FSK 신호는 요구되는 고정된 전력주파수를 변환 시키는 일정범위의 가변주파수를 스위칭하거나 셀렉트하여 0 또는 1을 전송하는 신호인 것을 특징으로 하는, 무선전력 수신장치.
제 9 항에 있어서,
상기 ASK 신호는 상기 무선전력 전송장치가 자기 유도 방식에 기반하여 무선전력을 생성하도록 요구하는 정보인 요구 전력 정보를 포함하는, 무선전력 수신장치.