KR20210100876A - 무선 전력 전송 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

이 명세서는 무선 전력 전송 장치와 방법에 관한 것이다. 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치는, 직류 전원을 교류로 변환하기 위한 인버터; 수신 장치의 2차 코일에 전력을 전송하기 위한 1차 코일을 포함하는 공진 회로; 공진 회로의 출력 전압을 검출하기 위한 센서; 둘 이상의 컬러를 표시하기 위한 출력부; 및 인버터를 제어하여 인버터의 동작 주파수를 변경하면서 1차 코일과 2차 코일의 자기 유도 결합에 따른 제1 공진 주파수를 검출하고, 인버터를 제1 공진 주파수로 구동할 때 공진 회로의 제1 출력 전압을 센서를 통해 검출하고, 제1 출력 전압을 근거로 1차 코일과 2차 코일의 이격 거리를 계산하고, 이격 거리에 상응하는 컬러를 표시하도록 출력부를 제어하기 위한 제어부를 포함하여 구성될 수 있다.

Description

무선 전력 전송 장치 및 방법 {Apparatus and method for transmitting power wirelessly}

이 명세서는 무선으로 전력을 전송하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로 사용자가 무선 전력 수신 장치를 제 위치에 놓을 수 있도록 안내하는 장치와 방법에 관한 것이다.

통신 및 정보 처리 기술이 발달함에 따라 스마트 폰이나 태블릿 PC 등과 같은 스마트 단말기의 사용이 점차적으로 증가되고 있는데, 현재 스마트 단말에 많이 적용되고 있는 충전 방식은 전원에 연결된 어댑터를 스마트 단말기에 직접 연결하여 외부 전원을 공급받아 충전하거나 또는 호스트의 USB 단자를 통해 스마트 단말기에 연결하여 호스트의 USB 전원을 공급받아 충전하는 방식이다.

최근에는, 연결 선을 통해 어댑터에 또는 호스트에 스마트 단말기를 직접 연결해야 하는 불편함을 줄이기 위하여, 전기적 접촉 없이 자기 결합을 이용하여 배터리를 무선으로 충전하는 무선 충전 방식이 점차 스마트 단말기에 적용되고 있다.

최근에 보편적으로 일반적으로 사용되는 무선 충전기의 경우, 저전력만 충전이 가능하며 전송 거리도 짧아서, 무선 충전을 위해서 전력 수신 장치인 스마트 단말기를 전력 전송 장치인 무선 충전기에 접촉시켜야 한다. 이와 같이 기존의 전력 전송 장치에서는 전력 전송 능력이 낮고 전송 거리가 짧은 문제가 있다.

또한, 전력 수신 장치가 전력 전송 장치 표면 위에서 이동하여 수신 장치가 전송 장치의 중앙에 정렬하지 않을 때 전송 효율이 저하되고 열이 발생하고 심할 때는 전력 전송이 되지 않는 형상이 발생하기도 한다.

사용자는 수신 장치가 전송 장치와 정확히 정렬되는지 눈대중으로만 확인할 뿐, 수신 장치가 전송 효율이 높은 위치에 놓이는지 정확하게 판단하기 어려운 문제가 있다.

이 명세서는 이러한 상황을 감안한 것으로, 이 명세서의 목적은 사용자가 무선 전력 수신 장치를 전송 장치에 정확히 정렬할 수 있도록 안내하는 장치와 방법을 제공하는 데 있다.

이 명세서의 다른 목적은, 사용자에게 무선 전력 전송을 위한 전송 장치와 수신 장치의 정렬 정도를 알려주는 장치를 제공하는 데 있다.

상기한 과제를 실현하기 위한 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치는, 직류 전원을 교류로 변환하기 위한 인버터; 수신 장치의 2차 코일에 전력을 전송하기 위한 1차 코일을 포함하는 공진 회로; 공진 회로의 출력 전압을 검출하기 위한 센서; 둘 이상의 컬러를 표시하기 위한 출력부; 및 인버터를 제어하여 인버터의 동작 주파수를 변경하면서 1차 코일과 2차 코일의 자기 유도 결합에 따른 제1 공진 주파수를 검출하고, 인버터를 제1 공진 주파수로 구동할 때 공진 회로의 제1 출력 전압을 센서를 통해 검출하고, 제1 출력 전압을 근거로 1차 코일과 2차 코일의 이격 거리를 계산하고, 이격 거리에 상응하는 컬러를 표시하도록 출력부를 제어하기 위한 제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

다른 실시예에 따른 무선 전력 전송 방법은, 1차 코일과 수신 장치의 2차 코일의 자기 유도 결합에 따른 제1 공진 주파수와 제1 공진 주파수로 인버터를 구동할 때 1차 코일의 제1 출력 전압을 검출하는 단계; 제1 공진 주파수가 공진 주파수 문턱 값보다 작고 제1 출력 전압이 출력 전압 문턱 값보다 클 때, 제1 컬러를 표시하는 단계; 및 제1 공진 주파수가 공진 주파수 문턱 값보다 크거나 또는 제1 공진 주파수가 공진 주파수 문턱 값보다 작고 제1 출력 전압이 출력 전압 문턱 값보다 작을 때, 1차 코일과 2차 코일의 이격 거리를 계산하고 이격 거리에 상응하는 컬러를 표시하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

따라서, 사용자는 무선 전력 전송 장치의 안내에 따라 수신 장치를 전송 장치가 잘못 정렬되는 것을 막아, 수신 장치와 전송 장치의 오정렬로 인한 발열 위험을 방지하고, 오정렬로 인해 수신 장치를 충전하지 못하게 되는 상황을 미리 막을 수 있게 된다. 또한, 사용자가 수신 장치와 전송 장치를 정확하게 정렬할 수 있게 되어, 전력 전송 효율을 높이고, 수신 장치의 충전 시간을 줄일 수 있게 된다.

도 1은 무선 전력 전송 장치로부터 전자 기기로 전력이 무선으로 전송되는 것을 개념적으로 나타낸 것이고,
도 2는 전자기 유도 방식으로 전력을 무선으로 전송하기 위한 전송 장치의 전력 변환부의 회로 구성을 개념적으로 도시한 것이고,
도 3은 무선 전력 전송 장치와 수신 장치가 전력과 메시지를 주고 받기 위한 구성을 도시한 것이고,
도 4는 무선 전력 전송 장치와 수신 장치 사이 전력 전송을 제어하기 위한 루프를 블록으로 도시한 것이고,
도 5a와 도 5b는 각각 수신 장치가 전송 장치의 중앙으로부터 벗어난 거리에 따른 공진 주파수와 출력 전압을 그래프로 도시한 것이고,
도 6은 본 발명에 따른 무선 전력 전송 장치의 기능 블록을 도시한 것이고,
도 7은 공진 주파수를 검출하는 방법에 대한 동작 흐름도를 도시한 것이고,
도 8은 공진 주파수와 출력 전압을 측정하고 각각의 문턱 값을 계산하여 저장하는 동작 흐름도를 도시한 것이고,
도 9는 수신 장치를 이동시키면서 측정한 공진 주파수와 공진 주파수의 문턱 값을 표시한 것이고,
도 10은 출력 전압의 문턱 값과 출력 전압의 변동에 따라 출력부의 컬러를 다르게 표시하는 실시예를 도시한 것이고,
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 수신 장치의 위치를 가리키는 정보를 출력부에 표시하고 수신 장치에 전력을 전송하는 방법에 대한 동작 흐름도를 도시한 것이고,
도 12는 수신 장치의 위치와 출력 전압 측정값의 관계를 2차 방정식으로 근사화하여 표현하는 그래프를 도시한 것이고,
도 13은 수신 장치의 위치에 따라 출력부가 표현하는 컬러를 계산하는 테이블을 도시한 것이고,
도 14는 본 발명에 따른 충전기의 분해 사시도를 도시한 것이다.

이하, 무선 전력 전송 장치 및 방법에 대한 실시예를 첨부하는 도면에 의거하여 상세히 설명한다.

도 1은 무선 전력 전송 장치로부터 전자 기기로 전력이 무선으로 전송되는 것을 개념적으로 나타낸 것이다.

무선 전력 전송 장치(100)는, 무선 전력 수신 장치 또는 전자 기기(200)가 필요로 하는 전력을 무선으로 전달하는 전력 전달 장치이거나, 무선으로 전력을 전달함으로써 전자 기기(200)의 배터리를 충전하기 위한 무선 충전 장치일 수 있고, 또는 접촉되지 않은 상태에서 전원이 필요한 전자 기기(200)에 전력을 전달하는 여러 가지 형태의 장치로 구현될 수 있다.

전자 기기(200)는 무선 전력 전송 장치(100)로부터 무선으로 전력을 수신하여 동작이 가능한 기기로, 무선으로 수신되는 전력을 이용하여 배터리를 충전할 수도 있다. 무선으로 전력을 수신하는 전자 기기는 휴대가 가능한 전자 기기, 예를 들어 스마트 폰이나 스마트 단말, 태블릿 컴퓨터, 멀티미디어 단말, 키보드, 마우스, 영상 또는 음성의 보조 장치 등의 입출력 장치, 보조 배터리 등을 포함할 수 있다.

무선 전력 전송 장치(100)의 무선 전력 신호에 의한 전자기 유도 현상에 기초한 유도 결합 방식, 즉 무선 전력 전송 장치(100)에서 전송하는 무선 전력 신호에 의하여 전자 기기(200)에서 공진이 발생하고 공진 현상에 의하여 무선 전력 전송 장치(100)로부터 전자 기기(200)로 접촉 없이 무선으로 전력이 전달될 수 있는데, 전자기 유도 현상에 의하여 1차 코일에서 교류 전류에 의해 자기장을 변화시켜 2차 코일 쪽에 전류를 유도함으로써 전력을 전달한다.

무선 전력 전송 장치(100)의 1차 코일에 흐르는 전류의 세기가 변화하면, 그 전류에 의해 1차 코일 또는 전송 코일(primary coil, TX coil)을 통과하는 자기장이 변화하고, 변화된 자기장은 전자 기기(200) 내의 2차 코일 또는 수신 코일(secondary coil, RX coil) 측에 유도 기전력을 발생시킨다.

무선 전력 전송 장치(100) 측의 1차 코일과 전자 기기(200) 측의 수신 코일이 근접하도록 무선 전력 전송 장치(100) 및 전자 기기(200)를 배치하고, 무선 전력 전송 장치(100)가 1차 코일의 전류가 변화하도록 제어하면, 전자 기기(200)는 수신 코일에 유도된 기전력을 이용하여 배터리와 같은 부하에 전원을 공급한다.

유도 결합 방식에 의한 무선 전력 전달의 효율은, 무선 전력 전송 장치(100)와 전자 기기(200) 사이의 배치와 거리의 영향을 받게 되므로, 무선 전력 전송 장치(100)는 평평한 인터페이스 표면을 포함하도록 구성되고 인터페이스 표면의 하부에는 1차 코일이 장착되고, 인터페이스 표면 상부에 하나 이상의 전자 기기가 놓일 수 있다. 인터페이스 표면 하부에 장착된 1차 코일과 인터페이스 표면 상부에 위치한 수신 코일 사이 공간을 충분히 작게 함으로써 유도 결합 방식에 의한 무선 전력 전달의 효율을 올릴 수 있다.

인터페이스 표면 상부에는 전자 기기가 놓일 위치를 지시하는 마크가 표시될 수 있는데, 인터페이스 표면 하부에 장착된 1차 코일과 수신 코일 사이의 배열이 적합하게 이루어지도록 하는 전자 기기의 위치를 지시할 수 있다. 전자 기기의 위치를 안내하기 위한 돌출 형태의 구조물이 인터페이스 표면 상부에 형성될 수도 있고, 인터페이스 표면 하부에 자석과 같은 자성체를 형성하여 전자 기기 내부에 마련된 다른 극의 자성체와의 인력에 의하여 1차 코일과 수신 코일이 잘 배열되도록 안내할 수도 있다.

도 2는 전자기 유도 방식으로 전력을 무선으로 전송하기 위한 전송 장치의 전력 변환부의 회로 구성을 개념적으로 도시한 것이다.

무선 전력 전송 장치는 크게 전원 및 인버터와 공진 회로로 구성되는 전력 변환부를 포함하여 구성될 수 있는데, 전원은 전압원이나 전류원이 될 수 있고 전력 변환부는 전원으로부터 공급되는 전력을 무선 전력 신호로 변환하여 수신 장치에 전달한다. 무선 전력 신호는 공진 특성을 갖는 자기장 또는 전자기장 형태로 형성되고, 공진 회로는 무선 전력 신호를 발생시키는 코일을 포함한다.

인버터는 스위칭 소자와 제어 회로를 통해 직류 입력을 원하는 전압과 주파수의 교류 파형으로 변환하는데, 도 2에서는 풀 브리지(Full-bridge) 인버터를 도시한 것이고, 하프 브리지 인버터 등 다른 종류의 인버터도 가능하다.

공진 회로는 자기 유도 방식으로 전력을 전송할 1차 코일(Lp)과 커패시터(Cp)를 포함하여 구성되는데, 코일과 커패시터가 전력 전송의 기본 공진 주파수를 결정한다. 1차 코일은 전류의 변화에 따라 무선 전력 신호에 해당하는 자기장을 형성하고, 평판 형태 또는 솔레노이드 형태로 구현될 수 있다.

인버터에 의해 변환된 교류 전류가 공진 회로를 구동시킴으로써 1차 코일에 자기장이 형성되는데, 인버터가 공진 회로의 공진 주파수에 가까운 주파수의 교류를 생성하여 전송 장치의 전송 효율을 높일 수 있고, 인버터를 제어함으로써 전송 장치의 전송 효율을 변경할 수 있다.

도 3은 무선 전력 전송 장치와 수신 장치가 전력과 메시지를 주고 받기 위한 구성을 도시한 것이다.

전력 변환부는 수신 장치의 수신 상태와 상관 없이 일방적으로 전력을 전송할 뿐이므로, 수신 장치의 상태에 맞도록 전력을 전송하기 위해서는 수신 장치로부터 수신 상태와 관련된 피드백을 받기 위한 구성이 무선 전력 전송 장치에 필요하다.

무선 전력 전송 장치(100)는 전력 변환부(110), 통신부(120), 제어부(130) 및 전원부(140)를 포함하여 구성될 수 있고, 무선 전력 수신 장치(200)는 전력 수신부(210), 통신부(220) 및 제어부(230)를 포함하여 구성될 수 있고 수신되는 전력이 공급될 부하(250)를 더 포함하여 구성될 수 있다.

전력 변환부(110)는, 도 2의 인버터와 공진 회로로 구성되고, 무선 전력 신호를 형성시키기 위해 사용되는 주파수, 전압, 전류 등의 특성을 조절할 수 있는 회로를 더 포함하도록 구성될 수 있다.

통신부(120)는, 전력 변환부(110)에 연결되어, 전송 장치(100)로부터 자기 유도에 따라 무선으로 전력을 수신하는 수신 장치(200)에 의하여 변조되는 무선 전력 신호를 복조하여 전력 제어 메시지를 검출할 수 있다.

제어부(130)는, 통신부(120)가 검출하는 메시지를 기초로, 전력 변환부(110)의 동작 주파수, 전압, 전류 중 하나 이상의 특성을 결정하고, 전력 변환부(110)를 제어하여 전력 변환부(110)가 메시지에 적합한 무선 전력 신호를 생성하도록 할 수 있다. 통신부(120)와 제어부(130)는 하나의 모듈로 구성될 수 있다.

전력 수신부(210)는, 전력 변환부(110)의 1차 코일에서 발생하는 자기장의 변화에 따라 유도 기전력이 발생하는 수신 코일과 커패시터로 구성되는 매칭 회로를 포함하고, 수신 코일에 흐르는 교류 전류를 정류하여 직류 전류를 출력하는 정류 회로를 포함할 수 있다.

수신 장치의 통신부(220)는, 전력 수신부(210)에 연결되고, DC에서의 저항 부하 및/또는 AC에서의 용량성 부하를 조절하는 방식으로 전력 수신부의 부하를 조절함으로써, 전송 장치와 수신 장치 사이의 무선 전력 신호를 변화시켜 전력 제어 메시지를 전송 장치에 전송할 수 있다.

수신 장치의 제어부(230)는, 수신 장치에 포함된 각 구성 요소를 제어하는데, 전력 수신부(210)의 출력을 전류 또는 전압 형태로 측정하고, 이를 근거로 통신부(220)를 제어하여 무선 전력 전송 장치(100)에 전력 제어 메시지를 전달할 수 있다. 메시지는 무선 전력 전송 장치(100)로 하여금 무선 전력 신호의 전달을 시작하거나 종료하도록 지시할 수 있고 또한 무선 전력 신호의 특성을 조절하도록 할 수 있다.

전송 장치의 전력 변환부(110)에 의하여 형성된 무선 전력 신호는 전력 수신부(210)에 의하여 수신되고, 수신 장치의 제어부(230)는 무선 전력 신호를 변조하도록 통신부(220)를 제어하는데, 제어부(230)는 통신부(220)의 리액턴스(reactance)를 변경시킴으로써 무선 전력 신호로부터 수신하는 전력량이 변하도록 하는 변조 과정을 수행할 수 있다. 무선 전력 신호로부터 수신되는 전력량이 변하면 무선 전력 신호를 형성시키는 전력 변환부(110)의 전류 및/또는 전압도 바뀌고, 무선 전력 전송 장치(100)의 통신부(120)는 전력 변환부(110)의 전류 및/또는 전압의 변경을 감지하여 복조 과정을 수행할 수 있다.

수신 장치의 제어부(230)는, 무선 전력 전송 장치(100)에게 전달하고자 하는 메시지를 포함하는 패킷을 생성하고 생성되는 패킷을 포함하도록 무선 전력 신호를 변조하고, 전송 장치의 제어부(130)는 통신부(120)를 통해 추출한 패킷을 디코딩 하여 전력 제어 메시지를 획득할 수 있는데, 수신 장치의 제어부(230)는 수신되는 파워를 조절하기 위하여 전력 수신부(210)를 통해 수신되는 전력량을 근거로 무선 전력 신호의 특성을 변경을 요청하는 메시지를 전송할 수 있다.

도 4는 무선 전력 전송 장치와 수신 장치 사이 전력 전송을 제어하기 위한 루프를 블록으로 도시한 것이다.

전송 장치(100)의 전력 변환부(110)에서 발생하는 자기장의 변화에 따라 수신 장치(200)의 전력 수신부(210)에서 전류가 유도되어 전력이 전송되고, 수신 장치의 제어부(230)는 원하는 제어 점, 즉 원하는 출력 전류 및/또는 전압을 선택하고, 전력 수신부(210)을 통해 수신되는 전력의 실제 제어 점을 결정한다.

수신 장치의 제어부(230)는 전력이 전송되는 동안 원하는 제어 점과 실제 제어 점을 이용하여 제어 에러 값을 계산하는데, 예를 들어 2개의 출력 전압 또는 전류의 차이를 제어 에러 값으로 취할 수 있다. 원하는 제어 점에 도달하기 위해 적은 전력이 요구되면, 예를 들어 마이너스 값이 되고, 원하는 제어 점에 도달하기 위해 더 많은 전력이 필요하면 플러스 값이 되도록 제어 에러 값을 결정할 수 있다. 수신 장치의 제어부(230)는 통신부(220)를 통해 전력 수신부(210)의 리액턴스를 시간에 따라 변경하는 방식으로 계산된 제어 에러 값을 포함하는 패킷을 생성하여 전송 장치(100)에 전송할 수 있다.

전송 장치의 통신부(120)는 수신 장치(200)에 의하여 변조되는 무선 전력 신호에 포함되는 패킷을 복조하여 메시지를 검출하는데, 제어 에러 값을 포함하는 제어 에러 패킷을 복조할 수 있다.

전송 장치의 제어부(130)는, 통신부(120)를 통해 추출한 제어 에러 패킷을 디코딩 하여 제어 에러 값을 얻고, 전력 변환부(110)에 실제로 흐르는 실제 전류 값과 제어 에러 값을 이용하여 수신 장치가 원하는 전력을 전송하기 위한 새로운 전류 값을 결정할 수 있다.

전송 장치의 제어부(130)는, 수신 장치로부터 제어 에러 패킷을 수신하는 과정으로부터 시스템이 안정화되면, 1차 코일에 흐르는 실제 전류 값이 새로운 전류 값이 되도록 새로운 동작 점, 즉 1차 코일에 인가되는 AC 전압의 크기, 주파수, 듀티 비 등이 새로운 값에 이르도록 전력 변환부(110)를 제어하고, 수신 장치가 추가로 제어 정보나 상태 정보를 통신할 수 있도록 새로운 동작 점을 계속 유지하도록 한다.

무선 전력 전송 장치(100)와 무선 전력 수신 장치(200) 사이 상호 작용은 선택(selection), 핑(ping), 식별/구성(identification & configuration) 및 파워 전송(power transfer)을 포함하여 4가지 단계로 이루어질 수 있다. 선택 단계는 전송 장치가 인터페이스 표면 위에 놓인 대상물을 발견하기 위한 단계이고, 핑 단계는 대상물이 수신 장치를 포함하는 지 여부를 확인하는 단계이고, 식별/구성 단계는 수신 장치에 전력을 보내기 위한 준비 단계로 수신 장치로부터 적절한 정보를 수신하고 이를 근거로 수신 장치와 전력 전송 계약(Power Transfer Contract)을 체결하고, 파워 전송 단계는 전송 장치와 수신 장치의 상호 작용으로 실제로 전력을 무선으로 수신 장치에 전송하는 단계이다.

핑 단계에서는, 수신 장치(200)가 1차 코일과 수신 코일의 자속 결합 정도를 가리키는 신호 강도 패킷(Signal Strength Packet, SSP)을 공진 파형의 변조를 통해 전송 장치(100)에 전송하는데, 신호 강도 패킷(SSP)은 수신 장치에서 정류한 전압을 모니터링 하여 생성하는 메시지로서, 전송 장치(100)는 이를 수신 장치(200)로부터 수신하여 전력 전송을 위한 초기 구동 주파수를 선정하는 데 활용할 수 있다.

식별/구성 단계에서는, 수신 장치(200)의 버전, 제조사 코드, 장치 식별 정보 등을 포함하는 식별 패킷(Identification Packet), 수신 장치(200)의 최대 파워, 파워 전송 방법 등의 정보를 포함하는 구성 패킷(Configuration Packet) 등을 수신 장치(200)가 전송 장치(100)에 전송한다.

파워 전송 단계에서는, 수신 장치(200)가 전력 신호를 수신하는 동작 점과 파워 전송 계약에서 정한 동작 점과의 차이를 가리키는 제어 에러 패킷(Control Error Packet, CEP), 수신 장치(200)가 인터페이스 표면을 통해 수신하는 파워의 평균 값을 가리키는 수신 파워 패킷(Received Power Packet, RPP) 등을 수신 장치(200)가 전송 장치(100)에 전송한다.

수신 파워 패킷(RPP)은, 수신 장치의 전력 수신부(210)의 정류 전압, 부하 전류, 옵셋 전력 등을 감안한 수신 전력량 데이터로, 수신 장치(200)에 의해 전력을 수신 중에 계속하여 전송 장치(100)로 전송되고, 전송 장치(100)는 이를 수신하여 전력 제어를 위한 연산 인자로 사용한다.

전송 장치의 통신부(120)는 각각 공진 파형의 변화로부터 패킷을 추출하고, 제어부(130)는 추출되는 패킷을 디코딩 하여 메시지를 얻고 이를 기초로 전력 변환부(110)를 제어하여 수신 장치(200)가 요청하는 대로 파워 전송 특성을 바꾸면서 전력을 무선으로 전송할 수 있다.

한편, 유도 결합에 의해 전력을 무선으로 전달 방식에서 그 효율은 주파수 특성에 따른 영향은 적으나, 전송 장치(100)와 수신 장치(200) 사이의 배열과 거리의 영향을 받게 된다.

무선 전력 신호가 도달할 수 있는 영역을 두 가지로 구분할 수 있는데, 전송 장치(100)가 수신 장치(200)에 무선으로 전력을 전달할 때 높은 효율의 자기장이 통과할 수 있는 인터페이스 표면의 부분을 활동 영역이라고 할 수 있고, 전송 장치(100)가 수신 장치(200)의 존재를 감지할 수 있는 영역을 감지 영역이라 할 수 있다.

전송 장치의 제어부(130)는, 수신 장치(200)가 활동 영역 또는 감지 영역에 배치되거나 제거되었는지 여부에 대하여 감지할 수 있는데, 전력 변환부(110)에서 형성되는 무선 전력 신호를 이용하거나 별도로 구비되는 센서에 의하여 수신 장치(200)가 활동 영역 또는 감지 영역에 배치되었는지 여부를 검출할 수 있다.

예를 들어, 전송 장치의 제어부(130)는 감지 영역에 존재하는 수신 장치(200)로 인하여 무선 전력 신호가 영향을 받아 전력 변환부(110)의 무선 전력 신호를 형성하기 위한 전력의 특성이 변화하는지 여부를 모니터링 함으로써 수신 장치(200)의 존재를 검출할 수 있다. 전송 장치의 제어부(130)는 수신 장치(200)의 존재를 검출한 결과에 따라 수신 장치(200)를 식별하는 과정을 수행하거나 무선 전력 전송을 시작할 것인지 여부 등을 결정할 수 있다.

전송 장치의 전력 변환부(110)는 위치 결정부를 더 포함할 수 있는데, 위치 결정부는 유도 결합 방식에 의한 무선 전력 전달의 효율을 높이기 위하여 1차 코일을 이동 또는 회전시킬 수 있고, 특히 수신 장치(200)가 전송장치(100)의 활동 영역 내에 존재하지 않는 경우에 사용될 수 있다.

위치 결정부는 전송 장치(100)의 1차 코일과 수신 장치(200)의 수신 코일의 중심간 거리가 일정 범위 이내가 되도록 1차 코일을 이동시키거나 1차 코일과 수신 코일의 중심이 중첩되도록 1차 코일을 이동시키는 구동부를 포함하도록 구성될 수 있다. 이를 위해 전송 장치(100)는 수신 장치(200)의 위치를 감지하기 위한 센서나 감지부를 더 구비할 수 있고, 전송 장치의 제어부(130)는 감지부의 센서로부터 수신하는 수신 장치(200)에 대한 위치 정보를 기초로 위치 결정부를 제어할 수 있다.

또는, 전송 장치의 제어부(130)는 통신부(120)를 통하여 수신 장치(200)와의 배열 또는 거리에 대한 제어 정보를 수신하고 이를 기초로 위치 결정부를 제어할 수도 있다.

또한, 전송 장치(100)는 둘 이상 복수의 1차 코일을 포함하도록 형성되어 복수의 1차 코일 중에서 수신 장치(200)의 수신 코일과 적합하게 배열되는 일부의 코일을 선택적으로 이용하여 전송 효율을 높일 수 있는데, 이 경우 위치 결정부는 복수의 1차 코일 중에서 어느 것이 전력 전달을 위하여 사용될 것인지 결정할 수 있다.

활동 영역을 통과하는 자기장을 형성시키는 단일 1차 코일 또는 하나 이상의 1차 코일들의 조합을 주요 셀(primary cell)로 지칭할 수 있는데, 전송 장치의 제어부(130)는, 수신 장치(200)의 위치를 감지하고 이를 기초로 활동 영역을 결정하고, 활동 영역에 대응되는 주요 셀을 구성하는 전송 모듈을 연결하고 해당 전송 모듈의 1차 코일과 수신 장치(200)의 수신 코일이 유도 결합될 수 있도록 제어할 수 있다.

한편, 수신 장치(200)는 스마트 폰 또는 멀티미디어 재생 단말을 포함하는 스마트 폰이나 스마트 기기와 같은 전자 기기 내에 내장되고, 전자 기기가 전송 장치(100)의 인터페이스 표면 위에 수직이나 수평 방향으로 일정하지 않은 방향이나 위치로 놓이게 되므로, 전송 장치는 넓은 활동 영역을 필요로 한다.

활동 영역을 넓히기 위하여 복수 개의 전송 코일을 사용할 경우, 전송 코일 개수만큼 구동 회로가 필요하고 복수 개의 전송 코일에 대한 제어가 복잡해지므로, 제품화할 때 전송 장치 즉 무선 충전기의 비용 증가가 발생한다. 또한, 활동 영역을 확대하기 위하여 전송 코일의 위치를 바꾸는 방식을 적용하는 경우에도 전송 코일의 위치를 옮기기 위한 이송 메커니즘을 구비해야 하므로, 부피와 무게가 커지고 제작 비용이 많아지는 문제가 있다.

위치가 고정된 하나의 1차 코일을 가지고도 활동 영역을 확장하는 방법이 있다면 효과적이지만, 단순하게 1차 코일의 크기를 키운다면 1차 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 1차 코일의 적절한 형상과 크기를 결정하는 것이 중요하다. 둘 이상의 1차 코일을 채용하는 다중 코일 방식이 무선 전력 전송 장치의 활동 영역을 확대하는 방법으로 효과적일 수도 있다.

도 5a와 도 5b는 각각 수신 장치가 전송 장치의 중앙으로부터 벗어난 거리에 따른 공진 주파수와 출력 전압을 그래프로 도시한 것이다.

1차 코일과 2차 코일 사이에 무선 전력 신호에 의해 공진이 발생하고, 수신 장치가 전송 장치의 중앙에서 멀어질수록 공진 주파수가 증가하는데, 도 5a에 도시한 것과 같이 공진 주파수의 변화는 포물선 형태가 된다.

또한, 1차 코일을 포함하는 공진 회로에서 측정되는 출력 전압은 도 5b와 같은 형태가 된다. 즉, 수신 장치가 전송 장치의 중앙 부근에 위치할 때는 출력 전압이 어느 정도 일정한 값을 유지하지만, 수신 장치가 전송 장치의 중앙으로부터 소정 거리, 도 5b에서는 약 3~4mm만큼 이격되면 출력 전압이 급하게 떨어지고, 해당 거리보다 더 멀리 이격되면 출력 전압이 서서히 증가한다.

본 발명에서는 수신 장치가 전송 장치의 중앙 위치와 정렬되지 않을 때 도 5a와 도 5b와 같이 공진 주파수가 커지고 출력 전압이 바뀌는 현상을 이용하여, 수신 장치가 전송 장치의 중앙으로부터 벗어난 이격 거리 정보를 컬러로 표현할 수 있다.

본 발명이 적용되는 전송 장치는, 수신 장치와 전자기 유도 결합을 위해 공진 주파수를 변경하기 위한 구성과 공진 회로의 출력 전압을 측정하기 위한 구성을 포함할 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 무선 전력 전송 장치의 기능 블록을 도시한 것이다.

도 6의 전송 장치(100)는, 전력 변환부(110), 통신부(120), 제어부(130), 전원부(140) 및 출력부(150)를 포함하여 구성될 수 있다.

수신 장치(200)와 무선 전력 전송을 위한 구성인 통신부(120)와 전원부(140)의 기능은 도 3을 참조로 설명한 것과 비슷하므로 설명을 생략한다.

전력 변환부(110)는 공진 회로(111), 전압 센서(112) 및 인버터(113)를 포함하여 구성될 수 있는데, 공진 회로(111)와 인버터(113)의 기능도 도 2를 참조로 설명한 것과 같기 때문에 설명을 생략한다.

전압 센서(112)는, 공진 회로(111)와 인버터(113) 사이 또는 공진 회로(111) 내부에서 커패시터와 코일 사이에 마련되어, 공진 회로(111)의 출력 전압을 측정한다.

출력부(150)는 수신 장치와 활동 영역의 중앙과의 정렬 정도를 컬러로 표현하기 위한 디스플레이를 포함할 수 있다. 수신 장치와 활동 영역의 중앙과의 정렬 정도를 사용자에게 효과적으로 전달할 수 있도록, 출력부(150)는 수신 장치와 활동 영역의 중앙이 정확하게 정렬될 때의 컬러와 오정렬될 때의 컬러를 다르게 표시하고, 또한 수신 장치와 활동 영역의 중앙과의 이격 거리에 따라 컬러를 점진적으로 다르게 표시할 수 있다.

이를 위해, 출력부(150)는, 둘 이상의 디스플레이, 예를 들어 둘 이상의 LED를 포함할 수 있는데, 수신 장치와 활동 영역의 중앙이 정확하게 정렬될 때는 그린(Green) LED를 켜고 수신 장치와 활동 영역의 중앙이 오정렬될 때는 레드(Red) LED를 켜되, 수신 장치와 활동 영역의 중앙과의 이격 거리가 작을 때 그린에 가까운 색을 표시하고 클 때 레드에 가까운 색을 표시할 수 있도록, 이격 거리에 비례하게 그린 LED와 레드 LED를 턴-온 시키는 듀티(Duty)를 변경할 수 있다.

제어부(130)는, 외부 이물질이 없고 수신 장치가 활동 영역의 중앙에 배치된 상태에서, 인버터(113)와 전압 센서(112)를 이용하여 자기 공진 주파수(f0)와 출력 전압(Q 팩터)을 측정하고 이를 비휘발성 메모리에 저장한다.

또한, 제어부(130)는, 수신 장치를 활동 영역의 중앙으로부터 좌우로 소정 거리 간격, 예를 들어 1mm씩 이동시키면서 공진 주파수의 출력 전압을 측정하고 이를 비휘발성 메모리에 저장할 수 있다.

제어부(130)는, 활동 영역에 수신 장치(200)가 놓여 수신 장치(200)가 검출되면, 인버터(113)를 제어하여 공진 회로(111)의 동작 주파수를 변경하면서 전압 센서(112)를 통해 출력 전압을 검출하여, 자기 공진 주파수와 출력 전압을 검출한다. 제어부(130)는 인버터(113)를 구성하는 트랜지스터의 온/오프 타이밍을 바꾸면서 공진 회로(111)의 주파수를 변경할 수 있다.

제어부(130)는, 검출되는 자기 공진 주파수와 출력 전압을 메모리에 저장되어 있는 값과 비교하여, 수신 장치(200)가 올려져 있는 위치를 계산하고, 계산된 위치에 대응하는 컬러를 결정하고, 출력부(150)를 제어하여 결정된 컬러를 디스플레이에 표시할 수 있다.

제어부(130)는, 예를 들어 수신 장치(200)가 활동 영역의 중앙에 놓여 있다고 판단하면, 출력부(150)의 그린 LED를 켜서 그린 컬러를 표시하도록 하고, 수신 장치(200)에 대한 충전 동작을 시작할 수 있다.

반면, 제어부(130)는, 수신 장치(200)가 활동 영역의 중앙에서 벗어난 위치에 놓여 있다고 판단하면, 출력부(150)의 그린 LED와 레드 LED를 번갈아 가면서 켜서 사용자가 수신 장치의 위치가 중앙이 아닌 것을 인지할 수 있도록 하고, 사용자가 수신 장치의 위치를 바꿀 때가지 충전을 대기할 수 있다.

제어부(130)는, 수신 장치(200)와 활동 영역의 중앙과의 거리에 따라 그린 LED와 레드 LED를 번갈아 가면서 켜는 듀티(Duty)를 조절하여, 사용자가 수신 장치가 활도 영역의 중앙으로부터 벗어난 정도를 인지할 수 있도록 할 수 있다.

제어부(130)는, 계산된 위치가 활동 영역의 중앙으로부터 소정 크기 이상 이격된 경우, 사용자가 이를 알 수 있도록 경고를 의미하는 컬러, 예를 들어 출력부(150)의 레드 LED를 계속 켜면서 수신 장치로의 전력 전송을 중지하여 수신 장치의 충전을 대기할 수 있다.

또한, 제어부(130)는, 수신 장치(200)가 활동 영역의 중앙에서 벗어난 위치에 놓여 있다고 판단하면, 주기적으로 자기 공진 주파수와 출력 전압을 측정하여 사용자가 수신 장치의 위치를 바꾸었는지 확인할 수 있다.

제어부(130)는, 일정 시간 동안 수신 장치의 위치 변동이 감지되지 않으면, 최대 전송 파워를 제한한 상태로 수신 장치에 대한 충전 동작을 시작할 수 있다.

도 7은 공진 주파수를 검출하는 방법에 대한 동작 흐름도를 도시한 것이다.

제어부(130)는 수신 장치와 전자기 유도 결합을 이룰 때 공진이 발생하는 주파수를 검출하기 위해, 인버터(113)의 동작 주파수를 소정 스텝씩 변경하면서 전압 센서(112)를 통해 공진 회로(111)의 출력 전압을 검출한다.

제어부(130)는, 먼저 인버터(113)의 동작 주파수를 변경하기 위한 변수들을 초기화하고, 인버터(113)의 동작 주파수를 변경할 스텝과 시작 주파수를 설정하는데, 최대 출력 전압을 최소값으로 설정한다.

제어부(130)는, 인버터(113)를 시작 주파수로 동작시키면서 전압 센서(112)를 이용하여 공진 회로(111)의 출력 전압(코일 전압)을 측정한다.

제어부(130)는, 측정한 출력 전압이 이 전에 설정된 최대 출력 전압보다 크면 이 때의 인버터(113)의 동작 주파수를 공진 주파수로 갱신하고, 그렇지 않으면 공진 주파수를 그대로 유지한다.

제어부(130)는, 인버터(113)의 동작 주파수를 스텝만큼 증가시키고, 증가시킨 동작 주파수에 대해서 공진 회로(111)의 출력 전압 측정, 측정된 코일 전압과 최대 출력 전압 비교, 및 공진 주파수 갱신 동작을 수행하는데, 동작 주파수가 종료 주파수보다 작을 때까지 이러한 동작을 반복한다.

제어부(130)는, 동작 주파수가 종료 주파수보다 커지면, 출력 전압이 최대가 될 때의 동작 주파수를 공진 주파수로 저장한다.

도 8은 공진 주파수와 출력 전압을 측정하고 각각의 문턱 값을 계산하여 저장하는 동작 흐름도를 도시한 것이고, 도 9는 수신 장치를 이동시키면서 측정한 공진 주파수와 공진 주파수의 문턱 값을 표시한 것으로, 도 8의 동작은 무선 전력 전송 장치를 출하할 때 수행될 수 있다.

전송 장치의 제어부(130)는, 전송 장치의 인터페이스 표면, 즉 수신 장치를 올려 놓고 전력을 전송하는 활동 영역에 수신 장치를 올려 놓고 수신 장치를 소정 거리만큼, 예를 들어 1mm씩 이동시키면서 도 7을 참조하여 설명한 방법으로 공진 주파수와 출력 전압을 측정하고 각 거리에서의 공진 주파수와 출력 전압을 저장한다.

전송 장치의 제어부(130)는, 저장된 공진 주파수 데이터를 이용하여 공진 주파수 문턱 값을 계산하는데, 수신 장치가 활동 영역의 중앙으로부터 좌우로 소정 거리, 예를 들어 6mm 이동했을 때 측정된 두 공진 주파수의 평균 값을 공진 주파수 문턱 값으로 계산하고 이를 비휘발성 메모리에 저장할 수 있다. 도 9에 수신 장치를 이동시키면서 측정한 공진 주파수와 공진 주파수의 문턱 값이 표시되어 있는데, 도 9에서는 공진 주파수의 문턱 값이 약 94.5Khz로 표시되어 있다.

또한, 제어부(130)는, 저장된 출력 전압 데이터를 이용하여 출력 전압 문턱 값을 계산하는데, 공진 주파수의 문턱 값보다 낮은 공진 주파수일 때 측정된 출력 전압들 중에서 최대 출력 전압 값과 최소 출력 전압 값의 평균 값을 출력 전압의 문턱 값을 계산하여 비휘발성 메모리에 저장할 수 있다. 도 10에 출력 전압의 문턱 값이 표시되어 있는데, 도 10에서 출력 전압의 문턱 값이 약 100 정도이다.

도 10의 출력 전압 그래프에서, 수신 장치가 활동 영역의 중앙으로부터 약 3mm 좌우로 이동하면 출력 전압이 출력 전압 문턱 값보다 작아지는 것을 볼 수 있다.

즉, 활동 영역의 중앙으로부터 좌우로 약 3mm 이내 범위가 수신 장치를 효율적으로 충전시킬 수 있는 공간에 해당하므로, 제어부(130)는 도 10과 같이 출력부(150)의 디스플레이에 그린 컬러를 표시할 수 있다.

반면, 수신 장치가 활동 영역의 중앙으로부터 좌우로 3mm 또는 4mm 이상을 벗어나면 전력 전송 효율이 떨어지므로, 제어부(130)는, 이를 사용자에게 알리기 위해 도 10과 같이 그린 컬러와 다른 컬러를 표시하되, 중앙으로부터 멀어질수록 경고의 의미를 담도록 레드 컬러에 더 가깝게 표시할 수 있다.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 수신 장치의 위치를 가리키는 정보를 출력부에 표시하고 수신 장치에 전력을 전송하는 방법에 대한 동작 흐름도를 도시한 것이다.

전송 장치(100)의 제어부(130)는, 수신 장치가 충전이 이루어지는 활동 영역 또는 감지 영역에 놓여진 것을 검출하면, 도 7을 참조하여 설명한 방법에 따라 전송 장치의 1차 코일과 수신 장치의 2차 코일 사이 공진 주파수를 검출하여 저장하고 그 때의 출력 전압도 저장한다.

제어부(130)는, 검출한 공진 주파수를 비휘발성 메모리에 저장되어 있는 공진 주파수 문턱 값과 비교하고, 검출한 공진 주파수가 문턱 값보다 작으면(YES), 검출한 출력 전압을 비휘발성 메모리에 저장되어 있는 출력 전압 문턱 값과 비교하여 검출한 출력 전압이 문턱 값보다 크면(YES), 수신 장치가 활동 영역의 중앙에서 크게 벗어나지 않았다고 판단하여 출력부(150)의 디스플레이에 그린 컬러를 표시한다.

반면에, 제어부(130)는, 검출한 공진 주파수가 문턱 값보다 크거나(NO), 검출한 공진 주파수가 문턱 값보다 작지만 검출한 출력 전압이 문턱 값보다 작으면(NO), 수신 장치가 활동 영역의 중앙에서 벗어나 충전 효율이 낮아진다고 판단하고 이를 사용자에게 출력부(150)의 디스플레이에 표시되는 컬러를 통해 알린다.

즉, 제어부(130)는, 검출한 공진 주파수와 출력 전압을 비휘발성 메모리에 연계되어 저장되어 있는 공진 주파수와 출력 전압 데이터와 비교하여 수신 장치의 위치를 계산하고, 해당 위치에 대응하는 컬러를 계산하고, 출력부(150)의 디스플레이를 통해 계산된 컬러를 표시한다.

도 12는 수신 장치의 위치와 출력 전압 측정값의 관계를 2차 방정식으로 근사화하여 표현하는 그래프를 도시한 것이다.

도 10의 출력 전압 그래프에서 출력 전압 문턱 값보다 큰 출력 전압을 제외하고 나머지 출력 전압은 아래가 볼록한 포물선 형태를 띠므로, 2차 방정식으로 근사화할 수 있다.

제어부(130)는, 수신 장치를 이동시키면서 측정한 출력 전압 데이터에서, 출력 전압 문턱 값보다 큰 값을 제외하고 나머지 데이터를 이용하여, 수신 장치와 활동 영역의 중앙과의 이격 거리를 변수 x로 하고 출력 전압을 변수 y로 하는 2차 방정식(y= 0.3923x² 9.8148x + 127.35)을 얻을 수 있다.

참고로, 도 12에서 계산된 2차 방정식이 x=0을 기준으로 대칭이 되지 않는데, 이는 출력 전압 데이터가 중앙으로부터 약 0.49mm 오프셋을 가지고 측정되었기 때문이고, 2차 방정식을 이용하여 x 값을 구할 때 오프셋을 보정할 수 있다.

제어부(130)는, 수신 장치와 활동 영역 중앙의 이격 거리와 출력 전압 데이터를 연계하여 저장하는 대신, 이를 근사화한 2차 방정식을 저장할 수 있다.

제어부(130)는, 수신 장치와 공진 유도 결합을 시도하여 공진 주파수와 이 때의 출력 전압을 측정하고, 측정한 출력 전압을 2차 방정식에 y 값으로 대입하여 x 값, 즉 수신 장치와 활동 영역의 중앙과의 이격 거리를 구할 수 있다.

여기서 이격 거리는, 전송 장치의 1차 코일과 수신 장치의 2차 코일의 정렬 정도를 가리키는 값으로, 1차 코일과 2차 코일이 자기 유도 결합에 의해 자기장이 진행하는 방향과 수직인 평면을 기준으로 1차 코일과 2차 코일의 중심이 서로 이격된 거리에 해당한다.

도 13은 수신 장치의 위치에 따라 출력부가 표현하는 컬러를 계산하는 테이블을 도시한 것이다.

출력부(150)는, 수신 장치의 위치와 관련된 정보를 표시하기 위해, 다른 컬러를 표시하는 둘 이상의 디스플레이, 예를 들어 그린 컬러의 LED와 레드 컬러의 LED를 포함하여 2개의 LED를 포함할 수 있다. 2개의 LED는 따로 외부에 노출되거나 하나의 개구를 통해 노출되어 컬러가 섞여서 출력될 수도 있다.

출력부(150)는, 수신 장치가 활동 영역의 중앙 부근에 있을 때는 그린 LED를 켜고, 수신 장치가 활동 영역으로부터 소정 거리 이상 떨어져 충전 효율이 낮을 때는 레드 LED를 켤 수 있다.

또한, 출력부(150)는, 수신 장치와 활동 영역의 중앙과의 이격 거리를 2개의 LED로 표현하기 위해, PWM 방식으로 2개의 LED를 번갈아 가면서 켜되, 거리에 비례하여 듀티 비를 다르게 제어할 수 있는데, 이격 거리가 작을 때는 그린 LED를 켜는 기간을 길게 하고 이격 거리가 클 때는 레드 LED를 켜는 기간을 길게 할 수 있다.

도 10에서 보듯이, 수신 장치가 활도 영역의 중앙으로부터 좌우로 약 4mm 이내에 있는 경우 출력 전압이 문턱 값 이상으로 검출되기 때문에, 제어부(130)는 검출되는 출력 전압이 문턱 값보다 클 때 출력부(150)를 제어하여 100% 듀티로 그린 LED를 켤 수 있다.

제어부(130)는, 측정된 출력 전압을 2차 방정식에 대입하여 얻은 거리, 즉 수신 장치가 활동 영역의 중앙으로부터 벗어난 이격 거리가 10mm 이상일 때, 출력부(150)를 제어하여 100% 듀티로 레드 LED를 켤 수 있다.

또한, 제어부(130)는, 측정된 출력 전압과 2차 방정식을 이용하여 구한 이격 거리가 4mm 이상이고 10mm 이하일 때는, 출력부(150)를 제어하여, 그린 LED와 레드 LED의 듀티 비를 조절하여 엘로우(Yellow) 컬러부터 레드 컬러를 이격 거리에 비례하도록 표시할 수 있다.

예를 들어 이격 거리가 4mm일 때는 그린 LED와 레드 LED의 듀티 비를 각각 50%로 하여 엘로우 컬러가 표시되도록 하고, 이격 거리가 10mm일 때는 그린 LED와 레드 LED의 듀티 비를 각각 0%와 100%로 하여 레드 컬러가 표시되도록 할 수 있다.

도 14는 본 발명에 따른 충전기의 분해 사시도를 도시한 것이다.

도 14의 전송 장치 또는 충전기(100)는, 유도 전력을 제공하는 무선 전력 전송 장치를 포함하고, 상면에 충전 대상인 수신 장치를 포함하는 전자 기기가 놓이고 동작 영역을 갖는 안착 면이 형성될 수 있고, 안착 면에 전자 기기가 놓이면 충전기가 이를 감지하여 무선 충전을 시작할 수 있다.

충전기(100)는 전면 케이스(161)와 후면 케이스(162) 사이에 전송 장치의 공진 회로(111)를 구성하는 전송 코일(Coil)이 장착될 수 있고, 전송 코일(Coil) 아래에 차폐부(170)가 형성될 수 있다. 즉, 차폐부(170)는, 충전기(100)의 후면 케이스(162)와 전송 코일(Coil)의 사이에 형성될 수 있고, 전송 코일(Coil)의 외곽을 기준으로 적어도 일부가 초과하도록 형성될 수 있다.

차폐부(170)는, 전송 코일(Coil)의 동작에 의해 회로 기판(미도시)에 장착되어 전송 장치의 인버터(113), 통신부(120) 및 제어부(130)를 구성하는 마이크로 프로세서, 메모리 등의 소자가 전자기적인 영향을 받거나 회로 기판에 장착된 소자들의 동작에 의해 전송 코일(Coil)이 전자기적인 영향을 받는 것을 방지할 수 있는데, 도금이 필요 없는 스테인레스나 티타늄 재질로 이루어질 수 있다.

또한, 전송 코일(Coil)과 회로 기판(미도시) 사이에 페라이트 시트(미도시)가 마련되어, 전송 코일(Coil)이나 회로 기판에서 발생하는 와전류(Eddy current) 등의 전자파 장애가 다른 부품에 영향을 미치지 않도록 할 수 있다.

충전기(100)는, 전송 코일을 포함하는 전력 변환부, 통신부, 제어부, 전원부 등이 하나의 몸체에 구비되는 구조로 형성되거나 또는 전송 코일과 차폐부(170)가 장착되는 제1 몸체 및 제1 몸체와 연결되어 전송 코일의 동작을 제어하기 위한 변환부, 통신부, 제어부, 전원부 등을 포함하는 제2 몸체로 분리되어 구성될 수 있다.

또한, 충전기(100)의 몸체에는 디스플레이나 스피커와 같은 출력부(150), 사용자 입력부, 전원을 공급하기 위한 소켓이나 외부 기기가 결합되는 인터페이스 등이 배치될 수 있다. 수신 장치의 정렬 여부를 표시하도록, 예를 들어 둘 이상의 LED를 포함하는 디스플레이(151)는 전면 케이스(161)의 상면에 형성될 수 있고, 사용자 입력부와 소켓 등은 몸체 측면에 배치될 수 있다.

둘 이상의 LED를 포함하는 디스플레이(151)는, 각 LED가 모두 외부로 노출되어 따로 빛을 출력하거나, 또는 LED가 따로 외부에 노출되지 않고 하나의 개구만 형성되어 개구를 통해 각 LED의 빛이 혼합된 상태로 외부로 출력되게 할 수 있다.

이 명세서에 기재된 무선 전력 전송 장치 및 방법은 아래와 같이 설명될 수 있다.

일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치는, 직류 전원을 교류로 변환하기 위한 인버터; 수신 장치의 2차 코일에 전력을 전송하기 위한 1차 코일을 포함하는 공진 회로; 공진 회로의 출력 전압을 검출하기 위한 센서; 둘 이상의 컬러를 표시하기 위한 출력부; 및 인버터를 제어하여 인버터의 동작 주파수를 변경하면서 1차 코일과 2차 코일의 자기 유도 결합에 따른 제1 공진 주파수를 검출하고, 인버터를 제1 공진 주파수로 구동할 때 공진 회로의 제1 출력 전압을 센서를 통해 검출하고, 제1 출력 전압을 근거로 1차 코일과 2차 코일의 이격 거리를 계산하고, 이격 거리에 상응하는 컬러를 표시하도록 출력부를 제어하기 위한 제어부를 포함하여 구성될 수 있다.

일 실시예에서, 제어부는, 제1 공진 주파수가 공진 주파수 문턱 값보다 작고 제1 출력 전압이 출력 전압 문턱 값보다 클 때, 제1 컬러를 표시하도록 출력부를 제어할 수 있다.

일 실시예에서, 제어부는, 제1 공진 주파수가 공진 주파수 문턱 값보다 크거나 또는 제1 공진 주파수가 공진 주파수 문턱 값보다 작고 제1 출력 전압이 출력 전압 문턱 값보다 작을 때, 이격 거리에 상응하는 컬러를 표시하도록 출력부를 제어할 수 있다.

일 실시예에서, 출력부는, 적어도 제1 컬러를 출력하는 제1 디스플레이와 제2 컬러를 출력하는 제2 디스플레이를 포함하고, 제1 디스플레이와 제2 디스플레이를 번갈아 가면서 켜되 듀티를 조절하여 이격 거리에 상응하는 컬러를 표시할 수 있다.

일 실시예에서, 제어부는, 이격 거리가 소정 값 이상일 때, 제2 디스플레이를 듀티 100%로 켜도록 출력부를 제어할 수 있다.

일 실시예에서, 제어부는, 제1 공진 주파수가 공진 주파수 문턱 값보다 크거나 또는 제1 공진 주파수가 공진 주파수 문턱 값보다 작고 제1 출력 전압이 출력 전압 문턱 값보다 작을 때, 최대 전송 파워를 제한한 상태로 수신 장치에 전력을 전송하도록 인버터를 제어할 수 있다.

일 실시예에서, 제어부는, 2차 코일을 소정 간격으로 이동시키면서 각 이격 거리에 대해서 검출한 1차 코일과 2차 코일의 자기 유도 결합에 따른 공진 주파수와 출력 전압을 근거로 공진 주파수 문턱 값과 출력 전압 문턱 값을 계산하여 저장하고, 이격 거리에 대한 출력 전압을 근사화한 방정식을 구하여 저장하고, 방정식을 이용하여 제1 출력 전압에 대응하는 이격 거리를 계산할 수 있다.

다른 실시예에 따른 무선 전력 전송 방법은, 1차 코일과 수신 장치의 2차 코일의 자기 유도 결합에 따른 제1 공진 주파수와 제1 공진 주파수로 인버터를 구동할 때 1차 코일의 제1 출력 전압을 검출하는 단계; 제1 공진 주파수가 공진 주파수 문턱 값보다 작고 제1 출력 전압이 출력 전압 문턱 값보다 클 때, 제1 컬러를 표시하는 단계; 및 제1 공진 주파수가 공진 주파수 문턱 값보다 크거나 또는 제1 공진 주파수가 공진 주파수 문턱 값보다 작고 제1 출력 전압이 출력 전압 문턱 값보다 작을 때, 1차 코일과 2차 코일의 이격 거리를 계산하고 이격 거리에 상응하는 컬러를 표시하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.

일 실시예에서, 제1 컬러를 출력하는 제1 디스플레이와 제2 컬러를 출력하는 제2 디스플레이를 번갈아 가면서 켜되 듀티를 조절하여 이격 거리에 상응하는 컬러를 표시할 수 있다.

일 실시예에서, 이격 거리가 소정 값 이상일 때 제2 디스플레이를 듀티 100%로 켤 수 있다.

일 실시예에서, 제1 공진 주파수가 공진 주파수 문턱 값보다 크거나 또는 제1 공진 주파수가 공진 주파수 문턱 값보다 작고 제1 출력 전압이 출력 전압 문턱 값보다 작을 때, 최대 전송 파워를 제한한 상태로 수신 장치에 전력을 전송할 수 있다.

일 실시예에서, 2차 코일을 소정 간격으로 이동시키면서 각 이격 거리에 대해서 검출한 1차 코일과 2차 코일의 자기 유도 결합에 따른 공진 주파수와 출력 전압을 근거로 공진 주파수 문턱 값과 출력 전압 문턱 값이 계산되어 저장되고 이격 거리에 대한 출력 전압을 근사화한 방정식이 계산되어 저장된 상태에서, 방정식을 이용하여 제1 출력 전압에 대응하는 이격 거리를 계산할 수 있다.

본 발명은 기재된 실시예들에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

100: 무선 전력 전송 장치 110: 전력 변환부
111: 공진 회로 112: 전압 센서
113: 인버터 120: 통신부
130: 제어부 140: 전원부
150: 출력부 115: 디스플레이
161: 전면 케이스 162: 후면 케이스
170: 차폐부 200: 무선 전력 수신 장치
210: 전력 수신부 220: 통신부
230: 제어부 250: 충전부

Claims (12)

1. 직류 전원을 교류로 변환하기 위한 인버터;
   수신 장치의 2차 코일에 전력을 전송하기 위한 1차 코일을 포함하는 공진 회로;
   상기 공진 회로의 출력 전압을 검출하기 위한 센서;
   둘 이상의 컬러를 표시하기 위한 출력부; 및
   상기 인버터를 제어하여 상기 인버터의 동작 주파수를 변경하면서 상기 1차 코일과 2차 코일의 자기 유도 결합에 따른 제1 공진 주파수를 검출하고, 상기 인버터를 상기 제1 공진 주파수로 구동할 때 상기 공진 회로의 제1 출력 전압을 상기 센서를 통해 검출하고, 상기 제1 출력 전압을 근거로 상기 1차 코일과 2차 코일의 이격 거리를 계산하고, 상기 이격 거리에 상응하는 컬러를 표시하도록 상기 출력부를 제어하기 위한 제어부를 포함하여 구성되는 무선 전력 전송 장치.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 제어부는, 상기 제1 공진 주파수가 공진 주파수 문턱 값보다 작고 상기 제1 출력 전압이 출력 전압 문턱 값보다 클 때, 제1 컬러를 표시하도록 상기 출력부를 제어하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
3. 제2 항에 있어서,
   상기 제어부는, 상기 제1 공진 주파수가 상기 공진 주파수 문턱 값보다 크거나 또는 상기 제1 공진 주파수가 상기 공진 주파수 문턱 값보다 작고 상기 제1 출력 전압이 상기 출력 전압 문턱 값보다 작을 때, 상기 이격 거리에 상응하는 컬러를 표시하도록 상기 출력부를 제어하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
4. 제3 항에 있어서,
   상기 출력부는, 적어도 상기 제1 컬러를 출력하는 제1 디스플레이와 제2 컬러를 출력하는 제2 디스플레이를 포함하고, 상기 제1 디스플레이와 제2 디스플레이를 번갈아 가면서 켜되 듀티를 조절하여 상기 이격 거리에 상응하는 컬러를 표시하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
5. 제4 항에 있어서,
   상기 제어부는, 상기 이격 거리가 소정 값 이상일 때, 상기 제2 디스플레이를 듀티 100%로 켜도록 상기 출력부를 제어하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
6. 제3 항에 있어서,
   상기 제어부는, 상기 제1 공진 주파수가 상기 공진 주파수 문턱 값보다 크거나 또는 상기 제1 공진 주파수가 상기 공진 주파수 문턱 값보다 작고 상기 제1 출력 전압이 상기 출력 전압 문턱 값보다 작을 때, 최대 전송 파워를 제한한 상태로 상기 수신 장치에 전력을 전송하도록 상기 인버터를 제어하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
7. 제3 항에 있어서,
   상기 제어부는, 상기 2차 코일을 소정 간격으로 이동시키면서 각 이격 거리에 대해서 검출한 상기 1차 코일과 2차 코일의 자기 유도 결합에 따른 공진 주파수와 출력 전압을 근거로 상기 공진 주파수 문턱 값과 상기 출력 전압 문턱 값을 계산하여 저장하고, 상기 이격 거리에 대한 출력 전압을 근사화한 방정식을 구하여 저장하고,
   상기 제어부는 상기 방정식을 이용하여 상기 제1 출력 전압에 대응하는 이격 거리를 계산하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
8. 1차 코일과 수신 장치의 2차 코일의 자기 유도 결합에 따른 제1 공진 주파수와 상기 제1 공진 주파수로 인버터를 구동할 때 상기 1차 코일의 제1 출력 전압을 검출하는 단계;
   상기 제1 공진 주파수가 공진 주파수 문턱 값보다 작고 상기 제1 출력 전압이 출력 전압 문턱 값보다 클 때, 제1 컬러를 표시하는 단계; 및
   상기 제1 공진 주파수가 상기 공진 주파수 문턱 값보다 크거나 또는 상기 제1 공진 주파수가 상기 공진 주파수 문턱 값보다 작고 상기 제1 출력 전압이 상기 출력 전압 문턱 값보다 작을 때, 상기 1차 코일과 2차 코일의 이격 거리를 계산하고 상기 이격 거리에 상응하는 컬러를 표시하는 단계를 포함하여 이루어지는 무선 전력 전송 방법.
9. 제8 항에 있어서,
   상기 이격 거리에 상응하는 컬러를 표시하는 단계는, 상기 제1 컬러를 출력하는 제1 디스플레이와 제2 컬러를 출력하는 제2 디스플레이를 번갈아 가면서 켜되 듀티를 조절하여 상기 이격 거리에 상응하는 컬러를 표시하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 방법.
10. 제9 항에 있어서,
    상기 이격 거리가 소정 값 이상일 때 상기 제2 디스플레이를 듀티 100%로 켜는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 방법.
11. 제8 항에 있어서,
    상기 제1 공진 주파수가 상기 공진 주파수 문턱 값보다 크거나 또는 상기 제1 공진 주파수가 상기 공진 주파수 문턱 값보다 작고 상기 제1 출력 전압이 상기 출력 전압 문턱 값보다 작을 때, 최대 전송 파워를 제한한 상태로 상기 수신 장치에 전력을 전송하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 방법.
12. 제8 항에 있어서,
    상기 이격 거리에 상응하는 컬러를 표시하는 단계는, 상기 2차 코일을 소정 간격으로 이동시키면서 각 이격 거리에 대해서 검출한 상기 1차 코일과 2차 코일의 자기 유도 결합에 따른 공진 주파수와 출력 전압을 근거로 상기 공진 주파수 문턱 값과 상기 출력 전압 문턱 값이 계산되어 저장되고 상기 이격 거리에 대한 출력 전압을 근사화한 방정식이 계산되어 저장된 상태에서, 상기 방정식을 이용하여 상기 제1 출력 전압에 대응하는 이격 거리를 계산하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 방법.

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