KR20210100878A - 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; 원주를 n(n은 3 이상 자연수)개로 분할하여 부채꼴 형상으로 배치되는 n개의 분할 코일을 1차 코일로 포함하는 공진 회로; 및 1차 코일을 통해 수신 장치의 2차 코일에 전력을 전송하도록 인버터를 제어하되, n개의 분할 코일 중 2개 이상을 선택한 분할 코일 조합들 각각에 대해 2차 코일과의 자속 결합 데이터를 얻고, 자속 결합 데이터를 근거로 1차 코일과 2차 코일의 정렬 정도를 계산하기 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 수신 장치의 정렬 여부를 판단하는 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, 15W 이하의 저전력만 충전이 가능하며, 전송 거리도 수 mm 이하로 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 전송 효율이 저하되는 문제도 있다.

무선 전력 전송 장치의 전력 전송 능력과 전송 거리를 개선하고 무선 충전 영역을 넓히기 위해, 유도 결합 방식의 무선 전력 전송 장치에 전송 코일을 하나만 형성하지 않고 전송 코일을 복수 개 겹치도록 배치하는 다중 코일 유형의 전송 장치가 출시되고 있다.

전송 코일 복수 개가 겹치도록 배치된 다중 코일 유형의 전송 장치에서 복수 개의 전송 코일과 수신 코일의 정렬 상태를 확인할 필요가 있지만 구체적인 방안이 제시되지 않고 있는 실정이다.

이 명세서는 이러한 상황을 감안한 것으로, 이 명세서의 목적은 전송 코일과 수신 코일의 정렬 상태를 확인하는 방법을 제공하는 데 있다.

이 명세서의 다른 목적은, 전송 코일과 수신 코일의 정렬 상태의 변화를 인지하는 방법을 제공하는 데 있다.

상기한 과제를 실현하기 위한 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치는, 직류 전원을 교류로 변환하기 위한 인버터; 원주를 n(n은 3 이상 자연수)개로 분할하여 부채꼴 형상으로 배치되는 n개의 분할 코일을 1차 코일로 포함하는 공진 회로; 및 1차 코일을 통해 수신 장치의 2차 코일에 전력을 전송하도록 인버터를 제어하되, n개의 분할 코일 중 2개 이상을 선택한 분할 코일 조합들 각각에 대해 2차 코일과의 자속 결합 데이터를 얻고, 자속 결합 데이터를 근거로 1차 코일과 2차 코일의 정렬 정도를 계산하기 위한 제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

다른 실시예에 따른 무선 전력 전송 방법은, 원주를 n(n은 3 이상 자연수)개로 분할하여 부채꼴 형상으로 배치되는 n개의 분할 코일을 포함하는 1차 코일로 포함할 때, n개의 분할 코일 중 2개 이상을 선택한 분할 코일 조합들 각각에 대해 수신 장치의 2차 코일과의 자속 결합 데이터를 얻는 단계; 자속 결합 데이터를 근거로 1차 코일과 2차 코일의 정렬 정도를 계산하는 단계; 및 1차 코일과 2차 코일의 정렬 정도가 소정 값 이하일 때, n개의 분할 코일을 이용하여 수신 장치에 전력을 전송하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

따라서, 전송 코일과 수신 코일의 정렬 상태와 정렬 상태의 변경을 정확하게 파악하고, 사용자에게 수신 코일을 포함하는 수신 장치의 위치를 안내할 수 있게 되어, 높은 효율로 전력을 전송할 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 중첩 배치되는 코일과 전송할 전력 양에 따라 다중 코일을 다르게 구동하는 예를 도시한 것이고,
도 6a 내지 도 6c는 도 5의 센터 코일과 분할 코일의 상세 사양을 도시한 것이고,
도 7a와 도 7b는 수신 전력 벡터를 이용하여 전송 코일과 수신 코일이 정렬되지 않은 상태를 확인하는 실시예를 도시한 것이고,
도 8a와 도 8b는 수신 전력 벡터를 이용하여 전송 코일과 수신 코일이 정렬된 상태를 확인하는 실시예를 도시한 것이고,
도 9a 내지 도 9c는 전송 코일과 수신 코일의 정렬 상태가 바뀌었는지 여부를 확인하는 방법을 도시한 것이고,
도 10은 전송 코일과 수신 코일의 정렬 상태를 확인하는 기능을 적용하여 전력을 전송하는 방법에 대한 동작 흐름도를 도시한 것이고,
도 11은 도 5의 다중 코일을 구비하는 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 수 있다.

도 5a와 도 5b는 중첩 배치되는 코일과 전송할 전력 양에 따라 다중 코일을 다르게 구동하는 예를 도시한 것이다.

무선 전력 전송 장치의 전력 전송 능력과 전송 거리의 개선을 위해서 다중 코일을 사용하는 무선 충전기에 대한 개발이 진행되고 있고, 그 중에서도 도 5a와 도 5b와 같이 저전력 전송 및 기본 통신 동작을 위한 센터 코일과 중전력 이상의 전력 전송을 위한 분할 코일 또는 멀티 코일로 구성된 다중 코일이 개발되고 있다.

도 5a에 도시한 것과 같이, 중앙에 동그라미 형상으로 센터 코일이 배치되고, 센터 코일보다 더 큰 직경의 원주를 n개, 예를 들어 3개로 분할하여 부채꼴 형상으로 센터 코일과 중첩되는 3개의 분할 코일이 배치되어 다중 코일을 형성할 수 있다.

도 5a와 도 5b에서 음영으로 표시된 코일이 동작 중인 코일이고(Activated), 음영이 없는 코일이 동작하고 있지 않은 코일이다(Not activated).

도 5a는 저전력을 전송하기 위해 센터 코일만 구동하고 있는 상황이고, 도 5b는 중전력 이상의 전력을 전송하기 위해 센터 코일과 분할 코일을 모두 구동하고 있는 상황으로, 도 5b와 다르게 분할 코일 중 일부만을 센터 코일과 함께 구동하거나 센터 코일 없이 분할 코일만을 구동할 수도 있다. 중전력을 전송할 때 분할 코일에 흘리는 전류를 동일하게 할 수 있다.

도 5 구조의 다중 코일을 사용할 때, 전력을 무선으로 전송할 수 있는 전력 수신 장치까지의 거리를 늘릴 수 있고, 수신 장치의 사양에 따라 저전력 전송과 중전력 전송을 선택할 수 있다.

도 5 구조의 다중 코일을 포함하는 전송 장치는 수신 코일이 감지되면, 먼저 센터 코일을 이용하여 수신 코일과 통신을 할 수 있다. 전송 장치는 통신 데이터를 전력에 실어서 전송하는 인-밴드(In-Band) 방식으로 수신 코일로부터 데이터를 얻을 수 있다. 이때, 진폭 편이 방식(ASK: Amplitude Shift Keying)이나 주파수 편이 방식(FSK: Frequency Shift Keying)이 사용될 수 있다.

중전력 이상의 전력 전송 때에는 저전력 블루투스(BLE: Bluetooth Low Energy), 무선 근거리 통신(NFC: Near Field Communication), 지그비(ZigBee) 등을 이용하는 아웃어브 밴드(Out of Band) 방식으로 전송 장치와 수신 장치가 전력 전송을 위한 통신을 수행할 수 있다.

도 5a와 도 5b에서 각 분할 코일은 센터 코일보다 더 큰 직경의 원주를 3개로 분할하여 부채꼴 형상으로 형성되는데, 원주를 3개가 아니라 3 이상인 n개로 분할하여 분할 코일을 형성할 수도 있다.

도 6a 내지 도 6c는 도 5의 센터 코일과 분할 코일의 상세 사양을 도시한 것이다.

도 6a의 분할 코일 각각은 직경이 80mm인 원을 3개로 분할한 부채꼴 형상으로, 외경과 내경의 비율은 2:1이다. 멀티 코일의 루프를 형성하는 코일의 폭은 4mm이고, 각 분할 코일은 도 6b와 같이 리츠 선(Litz wire)을 한 층에 4번씩 감아 4층으로 형성하여 전체 16 턴으로 구성될 수 있다. 분할 코일의 자기 인덕턴스는 38uH 내지 40uH이고, 코일을 구성하는 리츠 선은 직경이 0.08mm인 전선 105가닥으로 구성될 수 있다.

도 6b의 센터 코일은 외경이 60mm, 내경이 20mm, 폭이 20mm의 도넛 형상으로, 외경과 권선 폭의 비율은 3:1이다. 리츠 선을 한 층에 16번 감아서 형성할 수 있고, 리츠 선은 직경이 0.08mm인 전선 105가닥으로 구성될 수 있다 다. 센터 코일의 자기 인덕턴스는 17uH 내지 19uH이다.

3개의 분할 코일과 센터 코일의 외경의 비율은 4/3:1이다.

도 7a와 도 7b는 수신 전력 벡터를 이용하여 전송 코일과 수신 코일이 정렬되지 않은 상태를 확인하는 실시예를 도시한 것이고, 도 8a와 도 8b는 수신 전력 벡터를 이용하여 전송 코일과 수신 코일이 정렬된 상태를 확인하는 실시예를 도시한 것이다.

전송 코일과 수신 코일이 정렬된 상태를 확인하기 위해, 3개의 분할 코일과 센터 코일로 구성된 다중 코일을 포함하는 전송 장치의 제어부는 통신부와 전력 변환부의 인버터를 제어하여 핑 단계를 3차례에 걸쳐 수행할 수 있다.

3개의 분할 코일 중에서 2개를 쌍으로 하여 3개의 분할 코일 쌍 각각에 대해서 디지털 핑(DP: Digital Ping) 동작을 수행하여 분할 코일 쌍과 수신 코일과의 자속 결합 정도를 얻을 수 있다.

즉, 분할 코일 쌍이 수신 코일에 전력을 전송하면 수신 장치가 활성화되고, 활성화된 수신 장치는 수신된 전력에 대응하는 신호, 즉 전송 코일과 수신 코일의 자속 결합 정도를 가리키는 신호 강도 패킷을 전송 장치에 인-밴드 통신으로 전달할 수 있다.

도 7과 도 8에서, 제1 디지털 핑(DP1) 동작에는, 아날로그 시계 12시를 기준으로 12시에서 4시 범위에 배치되어 있는 제1 분할 코일과 4시부터 8시 범위에 배치되어 있는 제2 분할 코일이 수신 코일에 전력을 전송하고, 제2 디지털 핑(DP2) 동작에는, 4시부터 8시 범위에 배치되어 있는 제2 분할 코일과 8시부터 12시 범위에 배치되어 있는 제3 분할 코일이 수신 코일에 전력을 전송하고, 제3 디지털 핑(DP3) 동작에는, 8시부터 12시 범위에 배치되어 있는 제3 분할 코일과 12시에서 4시 범위에 배치되어 있는 제1 분할 코일이 수신 코일에 전력을 전송할 수 있다.

제1 및 제2 분할 코일로 구성되는 제1 분할 코일 쌍, 제2 및 제3 분할 코일로 구성되는 제2 분할 코일 쌍 및 제3 및 제1 분할 코일로 구성되는 제3 분할 코일 쌍이 그 중심, 즉 수신 코일에 전력을 전송하면서 형성하는 자기장의 중심이 서로 다르고, 각 자기장이 센터 코일의 중앙을 중심으로 대칭으로 형성된다.

제1 분할 코일 쌍이 형성하는 제1 자기장의 중심 또는 제1 분할 코일 쌍의 중심은 4시 방향에 치우쳐 있고, 제2 분할 코일 쌍이 형성하는 제2 자기장의 중심은 8시 방향에 치우쳐 있고, 제3 분할 코일 쌍이 형성하는 제3 자기장의 중심은 12시 방향에 치우쳐 있다.

이러한 3개의 분할 코일 쌍이 각각 형성하는 자기장을 이용하여 수신 코일의 위치를 확인할 수 있다.

전송 장치는, 제1 디지털 핑(DP1)을 통해 제1 분할 코일 쌍과 수신 코일의 제1 자속 결합 데이터(또는 수신 장치가 수신하는 수신 전력 데이터)를 얻고, 제2 디지털 핑(DP2)을 통해 제2 분할 코일 쌍과 수신 코일의 제2 자속 결합 데이터를 얻고, 제3 디지털 핑(DP3)을 통해 제3 분할 코일 쌍과 수신 코일의 제3 자속 결합 데이터를 순차적으로 얻는데, 이를 그래프로 표현하면 도 7a과 도 8a의 오른쪽과 같다.

또한, 제1 내지 제3 디지털 핑(DP1~DP3)을 통해 얻은 제1 내지 제3 자속 결합 데이터를 벡터로 표현하면 도 7b와 도 8b와 같은데, 제1 분할 코일 쌍을 구동하는 제1 디지털 핑(DP1)을 통해 얻은 제1 자속 결합 데이터를 4시 방향(센터 코일의 중심에서 제1 분할 코일 쌍의 중심을 향한 방향)을 향하는 제1 벡터로 표현하고, 제2 분할 코일 쌍을 구동하는 제2 디지털 핑(DP2)을 통해 얻은 제2 자속 결합 데이터를 8시 방향(센터 코일의 중심에서 제2 분할 코일 쌍의 중심을 향한 방향)을 향하는 제2 벡터로 표현하고, 제3 분할 코일 쌍을 구동하는 제3 디지털 핑(DP3)을 통해 얻은 제3 자속 결합 데이터를 12시 방향(센터 코일의 중심에서 제3 분할 코일 쌍의 중심을 향한 방향)을 향하는 제3 벡터로 표현할 수 있다.

도 7a와 같이 수신 장치의 수신 코일이 전송 장치의 센터 코일에서 벗어나는 경우, 제1 내지 제3 자속 결합 데이터의 크기가 서로 다르고, 이를 도 7b와 같이 벡터로 표현하여 벡터 합을 구하면 수신 코일이 놓인 위치를 얻을 수 있다.

도 7a에서 수신 코일은 제1 분할 코일과 제2 분할 코일 쪽에 치우쳐 놓여 있기 때문에, 제1 디지털 핑(DP1) 때 얻은 제1 자속 결합 데이터에 대한 제1 벡터가 가장 크다. 따라서, 제1 내지 제3 벡터의 합은 3시와 4시 방향의 중간 정도의 방향을 향하는 벡터로 표현될 수 있고, 해당 방향이 수신 코일이 배치된 방향에 해당하고, 벡터의 크기가 수신 코일이 센터 코일로부터 벗어난 정도를 가리킬 수 있다.

도 8a와 같이 수신 장치의 수신 코일이 전송 장치의 센터 코일에 크게 어긋나지 않게 놓이는 경우, 제1 내지 제3 자속 결합 데이터의 크기가 서로 같고, 이를 도 8b와 같이 벡터로 표현하여 벡터 합을 구하면 제1 내지 제3 벡터의 크기가 거의 같기 때문에, 서로 방사 방향으로 대칭인 제1 내지 제3 벡터의 합은 0이 된다.

따라서, 전송 장치는, 제1 내지 제3 벡터의 벡터 합을 구하여 수신 장치가 놓인 위치를 확인할 수 있는데, 벡터 합이 0에 가까우면 또는 소정 문턱 값보다 작으면 수신 장치가 전송 장치의 중앙에 제대로 놓여 전력 전송 효율이 높은 것으로 판단하고, 벡터 합의 크기가 문턱 값보다 크면 수신 장치가 전송 장치의 중앙에서 벗어나 놓인 것으로 판단하고 벡터의 방향과 크기로부터 수신 장치의 위치를 확인할 수 있다.

전송 장치는 수신 장치가 전송 장치의 중앙에 제대로 정렬되지 않은 경우, 디스플레이나 스피커를 통해 사용자에게 알릴 수 있고, 벡터 합을 근거로 수신 장치가 중앙에서 벗어난 정도와 벗어난 방향을 디스플레이를 통해 알릴 수도 있다.

또한, 전송 장치는, 수신 장치로부터 전송되는 수신 전력과 관련된 정보가 바뀌거나 정보가 전달되지 않으면 수신 장치의 상태가 바뀐 것으로 인지할 수 있다.

도 7과 도 8에서는 3개의 원주 방향으로 3개로 분할된 분할 코일이 형성된 경우 3개의 분할 코일 쌍에 대해 자속 결합 데이터를 얻고 이를 벡터로 표현하고 벡터 합을 구하여 전송 코일과 수신 코일의 정렬 여부를 확인한다.

분할 코일이 3보다 큰 n개로 분할되는 경우, 둘 이상의 분할 코일 쌍(또는 둘 이상의 분할 코일 조합) 또는 셋 이상 (n-1) 이하의 분할 코일 조합이 3개보다 더 많이 발생하고, 이들 조합 각각에 대해 자속 결합 데이터를 얻고 이를 벡터로 표현하고 벡터 합을 구하여 전송 코일과 수신 코일의 정렬 여부를 확인할 수 있다.

도 9a 내지 도 9c는 전송 코일과 수신 코일의 정렬 상태가 바뀌었는지 여부를 확인하는 방법을 도시한 것이다.

사용자가 전송 장치가 출력하는 오정렬 표시를 인지하고 수신 장치를 이동시키면, 전송 장치는 다시 수신 장치의 정렬 상태를 파악해야 한다. 전송 장치는, 수신 장치로부터 주기적으로 수신 장치가 수신하는 수신 전력 데이터(또는 자속 결합 데이터 또는 신호 강도 패킷)를 전송 받고 이를 근거로 수신 장치의 정렬 상태를 파악할 수 있다.

도 9a는 수신 장치로부터 주기적으로 수신 전력 데이터를 받는 중에 수신 장치와 통신이 끊겨 수신 전력 데이터를 받지 못하게 되는 경우로, 전송 장치는 수신 장치가 이탈된 것으로 판단할 수 있다.

도 9b는 수신 장치로부터 주기적으로 수신 전력 데이터를 받는 중에 수신 전력 데이터의 값이 바뀌는 경우로, 전송 장치는 사용자가 수신 장치의 위치를 변경한 것으로 판단할 수 있다.

도 9c는 수신 장치로부터 주기적으로 받는 수신 전력 데이터에 변화가 없는 경우로, 전송 장치는 사용자가 수신 장치의 위치를 바꾸지 않은 것으로 판단하고, 수신 전력 데이터가 일정 시간 동안 바뀌지 않으면 전송 코일과 수신 코일의 정렬 상태를 다시 확인할 수 있다.

도 10은 전송 코일과 수신 코일의 정렬 상태를 확인하는 기능을 적용하여 전력을 전송하는 방법에 대한 동작 흐름도를 도시한 것이다.

전송 장치는, 핑(Ping) 또는 디지털 핑 동작을 수행하여 인-밴드 방식으로 수신 장치로부터 자속 결합 정도를 가리키는 신호 강도 패킷을 전송 받는데, 도 7과 도 8을 참조하여 설명한 것과 같이, 3개의 분할 코일 중 2개로 구성되는 3개의 분할 코일 쌍 각각에 대해 핑 동작을 수행하여, 수신 코일이 놓인 위치를 확인할 수 있다.

분할 코일이 3보다 큰 n개 형성되는 전송 코일의 경우, 2개 또는 3개 이상의 분할 코일 조합 각각에 대해 핑 동작을 수행하여, 수신 코일의 위치를 확인하고 전송 코일과 수신 코일의 정렬 여부를 확인할 수 있다.

전송 장치는, 식별/구성(Identification/Configuration) 동작을 수행하여, 수신 장치의 버전, 제조사 코드, 장치 식별 정보 등을 포함하는 식별 패킷과 수신 장치의 최대 파워, 파워 전송 방법 등의 정보를 포함하는 구성 패킷 등을 수신 장치로부터 전송 받는다.

전송 장치는, 핑 동작에서 얻은 수신 코일의 위치가 전송 코일에 정렬되어 있으면(Aligned?: YES), 식별/구성 동작 때 확인한 정보를 근거로 수신 장치가 5W의 기본 파워 프로파일(BPP: Basic Power Profile)을 따르는지, 15W의 확장 파워 프로파일(EPP: Extended Power Profile)을 따르는지 또는 중간 파워(Medium Power) 수신이 가능한지 판단한다.

즉, 전송 장치는, 수신 장치가 BPP에 해당하면(BPP?: YES), 센터 코일만을 구동하여 기본 파워, 예를 들어 5W로 전력을 수신 장치에 전송한다(Basic Power Transfer).

또는, 전송 장치는, 수신 장치가 중간 파워로 수신이 가능하면(Medium Power?: YES), 중간 파워로 전력을 전송하기 위한 전력 전송 계약 또는 협상을 하고(Medium Power Negotiation), 중간 파워, 예를 들어 3개의 분할 코일을 구동하여 전력을 수신 장치에 전송한다(medium Power Transfer).

또는, 전송 장치는, 수신 장치가 EPP에 해당하면(Medium Power?: NO), 확장된 파워, 예들 들어 15W로 전력을 전송하기 위한 전력 전송 협상을 하고(EPP Negotiation), 예를 들어 센터 코일과 3개의 분할 코일을 모두 구동하여 협상된 전력을 수신 장치에 전송한다(Extended Power Transfer).

전송 장치는, 핑 동작에서 얻은 수신 코일의 위치가 전송 코일에 정렬되어 있지 않으면(Aligned?: NO), 수신 장치의 수신 코일이 이동하는지 여부를 검출하고(RX movement detection), 수신 코일이 이동했다면(RX moved?: YES), 핑 동작을 다시 수행한다.

하지만, 수신 코일이 이동하지 않았다면(RX moved?: NO), 소정 시간이 경과했는지 확인하고, 소정 시간이 경과하지 않았다면(Time Out?: NO) 다시 수신 코일이 이동하는지 여부를 검출하고, 소정 시간이 경과하였다면(Time Out?: YES) 핑 동작을 다시 수행한다.

도 11은 도 5의 다중 코일을 구비하는 충전기의 분해 사시도를 도시한 것이다.

도 11의 충전기(300)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(300)는 전면 케이스(311)와 후면 케이스(312) 사이에 도 5와 같이 센터 코일과 복수 개의 분할 코일로 구성되는 다중 전송 코일(320)이 장착될 수 있고, 다중 전송 코일(320)의 아래에 차폐부(330)가 형성될 수 있다. 즉, 차폐부(330)는, 충전기(300)의 후면 케이스(312)와 다중 전송 코일(320)의 사이에 형성될 수 있고, 다중 전송 코일(320)의 외곽을 기준으로 적어도 일부가 초과하도록 형성될 수 있다.

차폐부(330)는, 다중 전송 코일(320)의 동작에 의해 회로 기판(미도시)에 장착되어 인버터, 통신부(120) 및 제어부(130)를 구성하는 마이크로 프로세서, 메모리 등의 소자가 전자기적인 영향을 받거나 회로 기판에 장착된 소자들의 동작에 의해 다중 전송 코일(320)이 전자기적인 영향을 받는 것을 방지할 수 있는데, 도금이 필요 없는 스테인레스나 티타늄 재질로 이루어질 수 있다.

또한, 다중 전송 코일(320)과 회로 기판(미도시) 사이에 페라이트 시트(미도시)가 마련되어, 다중 전송 코일(320)이나 회로 기판에서 발생하는 와전류(Eddy current) 등의 전자파 장애가 다른 부품에 영향을 미치지 않도록 할 수 있다.

충전기(300)는, 다중 전송 코일을 포함하는 전력 변환부, 통신부, 제어부, 전원부 등이 하나의 몸체에 구비되는 구조로 형성되거나 또는 다중 전송 코일(320)과 차폐부(330)가 장착되는 제1 몸체 및 제1 몸체와 연결되어 다중 전송 코일(320)의 동작을 제어하기 위한 변환부, 통신부, 제어부, 전원부 등을 포함하는 제2 몸체로 분리되어 구성될 수 있다.

또한, 충전기(300)의 몸체에는 디스플레이나 스피커와 같은 출력부, 사용자 입력부, 전원을 공급하기 위한 소켓이나 외부 기기가 결합되는 인터페이스 등이 배치될 수 있다. 디스플레이는 전면 케이스(311)의 상면에 형성될 수 있고, 사용자 입력부와 소켓 등은 몸체 측면에 배치될 수 있다.

디스플레이는, 수신 장치의 정렬 여부를 표시할 수 있고, 또한 수신 장치가 오정렬 상태일 때 오정렬된 방향과 오정렬된 정도를 가리킬 수도 있다. 또한, 수신 장치가 오정렬된 경우 사용자에게 스피커를 통해 이를 알릴 수도 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; 원주를 n(n은 3 이상 자연수)개로 분할하여 부채꼴 형상으로 배치되는 n개의 분할 코일을 1차 코일로 포함하는 공진 회로; 및 1차 코일을 통해 수신 장치의 2차 코일에 전력을 전송하도록 인버터를 제어하되, n개의 분할 코일 중 2개 이상을 선택한 분할 코일 조합들 각각에 대해 2차 코일과의 자속 결합 데이터를 얻고, 자속 결합 데이터를 근거로 1차 코일과 2차 코일의 정렬 정도를 계산하기 위한 제어부를 포함하여 구성될 수 있다.

일 실시예에서, 제어부는, 각 분할 코일 조합에 대해서 방향을 원주의 중심에서 해당 분할 코일 조합의 중심을 향하게 하고 크기를 해당 분할 코일 조합과 2차 코일과의 자속 결합 데이터로 하는 벡터를 계산하고, 각 분할 코일 조합에 대한 벡터의 벡터 합을 계산할 수 있다.

일 실시예에서, 제어부는 벡터 합의 크기를 근거로 1차 코일과 2차 코일의 정렬 여부를 판단할 수 있다.

일 실시예에서, 제어부는 벡터 합의 크기가 문턱 값 이상일 때 벡터 합의 방향을 1차 코일과 오정렬된 2차 코일이 놓인 방향으로 판단할 수 있다.

일 실시예에서, 무선 전력 전송 장치는 1차 코일과 2차 코일의 정렬 여부를 출력하기 위한 출력부를 더 포함하고, 제어부는 벡터 합의 크기가 문턱 값 이상일 때 출력부를 제어하여 2차 코일이 오정렬된 방향과 오정렬된 정도를 사용자에게 알릴 수 있다.

일 실시예에서, 제어부는 자속 결합 데이터를 주기적으로 얻고 자속 결합 데이터의 변동을 근거로 수신 장치의 이동 여부를 판단할 수 있다.

일 실시예에서, 1차 코일은 원주보다 작은 직경으로 n개의 분할 코일과 중첩하도록 원주의 중앙에 배치되는 센터 코일을 더 포함하고, 제어부는, 1차 코일과 2차 코일의 정렬 정도가 소정 값 이하일 때, 인버터를 제어하여, 센터 코일만을 이용하여 수신 장치에 전력을 전송하거나, n개의 분할 코일만을 이용하여 수신 장치에 전력을 전송하거나, 또는 센터 코일과 n개의 분할 코일을 이용하여 수신 장치에 전력을 전송 할 수 있다.

다른 실시예에 따른 무선 전력 전송 방법은, 원주를 n(n은 3 이상 자연수)개로 분할하여 부채꼴 형상으로 배치되는 n개의 분할 코일을 포함하는 1차 코일로 포함할 때, n개의 분할 코일 중 2개 이상을 선택한 분할 코일 조합들 각각에 대해 수신 장치의 2차 코일과의 자속 결합 데이터를 얻는 단계; 자속 결합 데이터를 근거로 1차 코일과 2차 코일의 정렬 정도를 계산하는 단계; 및 1차 코일과 2차 코일의 정렬 정도가 소정 값 이하일 때, n개의 분할 코일을 이용하여 수신 장치에 전력을 전송하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.

일 실시예에서, 전송하는 단계는, 1차 코일이 원주보다 작은 직경으로 n개의 분할 코일과 중첩하도록 원주의 중앙에 배치되는 센터 코일을 더 포함할 때, 센터 코일만을 이용하여 수신 장치에 전력을 전송하거나, n개의 분할 코일만을 이용하여 수신 장치에 전력을 전송하거나, 또는 센터 코일과 n개의 분할 코일을 이용하여 수신 장치에 전력을 전송할 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
120: 통신부 130: 제어부
140: 전원부 200: 무선 전력 수신 장치
210: 전력 수신부 220: 통신부
230: 제어부 250: 충전부
300: 충전기 311: 전면 케이스
312: 후면 케이스 320: 다중 전송 코일
330: 차폐부

Claims (14)

1. 직류 전원을 교류로 변환하기 위한 인버터;
   원주를 n(n은 3 이상 자연수)개로 분할하여 부채꼴 형상으로 배치되는 n개의 분할 코일을 1차 코일로 포함하는 공진 회로; 및
   상기 1차 코일을 통해 수신 장치의 2차 코일에 전력을 전송하도록 상기 인버터를 제어하되, 상기 n개의 분할 코일 중 2개 이상을 선택한 분할 코일 조합들 각각에 대해 상기 2차 코일과의 자속 결합 데이터를 얻고, 상기 자속 결합 데이터를 근거로 상기 1차 코일과 2차 코일의 정렬 정도를 계산하기 위한 제어부를 포함하여 구성되는 무선 전력 전송 장치.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 제어부는, 각 분할 코일 조합에 대해서 방향을 상기 원주의 중심에서 해당 분할 코일 조합의 중심을 향하게 하고 크기를 해당 분할 코일 조합과 상기 2차 코일과의 자속 결합 데이터로 하는 벡터를 계산하고, 각 분할 코일 조합에 대한 벡터의 벡터 합을 계산하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
3. 제2 항에 있어서,
   상기 제어부는 상기 벡터 합의 크기를 근거로 상기 1차 코일과 2차 코일의 정렬 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
4. 제3 항에 있어서,
   상기 제어부는 상기 벡터 합의 크기가 문턱 값 이상일 때 상기 벡터 합의 방향을 상기 1차 코일과 오정렬된 2차 코일이 놓인 방향으로 판단하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
5. 제4 항에 있어서,
   상기 1차 코일과 2차 코일의 정렬 여부를 출력하기 위한 출력부를 더 포함하고,
   상기 제어부는 상기 벡터 합의 크기가 문턱 값 이상일 때 상기 출력부를 제어하여 상기 2차 코일이 오정렬된 방향과 오정렬된 정도를 사용자에게 알리는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
6. 제1 항에 있어서,
   상기 제어부는 상기 자속 결합 데이터를 주기적으로 얻고 상기 자속 결합 데이터의 변동을 근거로 상기 수신 장치의 이동 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
7. 제1 항에 있어서,
   상기 1차 코일은 상기 원주보다 작은 직경으로 상기 n개의 분할 코일과 중첩하도록 상기 원주의 중앙에 배치되는 센터 코일을 더 포함하고,
   상기 제어부는, 상기 1차 코일과 2차 코일의 정렬 정도가 소정 값 이하일 때, 상기 인버터를 제어하여, 상기 센터 코일만을 이용하여 상기 수신 장치에 전력을 전송하거나, 상기 n개의 분할 코일만을 이용하여 상기 수신 장치에 전력을 전송하거나, 또는 상기 센터 코일과 상기 n개의 분할 코일을 이용하여 상기 수신 장치에 전력을 전송하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
8. 원주를 n(n은 3 이상 자연수)개로 분할하여 부채꼴 형상으로 배치되는 n개의 분할 코일을 포함하는 1차 코일로 포함할 때, 상기 n개의 분할 코일 중 2개 이상을 선택한 분할 코일 조합들 각각에 대해 수신 장치의 2차 코일과의 자속 결합 데이터를 얻는 단계;
   상기 자속 결합 데이터를 근거로 상기 1차 코일과 2차 코일의 정렬 정도를 계산하는 단계; 및
   상기 1차 코일과 2차 코일의 정렬 정도가 소정 값 이하일 때, 상기 n개의 분할 코일을 이용하여 상기 수신 장치에 전력을 전송하는 단계를 포함하여 이루어지는 무선 전력 전송 방법.
9. 제8 항에 있어서,
   상기 전송하는 단계는, 상기 1차 코일이 상기 원주보다 작은 직경으로 상기 n개의 분할 코일과 중첩하도록 상기 원주의 중앙에 배치되는 센터 코일을 더 포함할 때, 상기 센터 코일만을 이용하여 상기 수신 장치에 전력을 전송하거나, 상기 n개의 분할 코일만을 이용하여 상기 수신 장치에 전력을 전송하거나, 또는 상기 센터 코일과 상기 n개의 분할 코일을 이용하여 상기 수신 장치에 전력을 전송하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 방법.
10. 제8 항에 있어서,
    상기 계산하는 단계는, 각 분할 코일 조합에 대해서 방향을 상기 원주의 중심에서 해당 분할 코일 조합의 중심을 향하게 하고 크기를 해당 분할 코일 조합과 상기 2차 코일과의 자속 결합 데이터로 하는 벡터를 계산하고, 각 분할 코일 조합에 대한 벡터의 벡터 합을 계산하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
11. 제10 항에 있어서,
    상기 계산하는 단계는 상기 벡터 합의 크기를 근거로 상기 1차 코일과 2차 코일의 정렬 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
12. 제11 항에 있어서,
    상기 계산하는 단계는, 상기 벡터 합의 크기가 문턱 값 이상일 때 상기 벡터 합의 방향을 상기 1차 코일과 오정렬된 2차 코일이 놓인 방향으로 판단하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
13. 제12 항에 있어서,
    상기 벡터 합의 크기가 문턱 값 이상일 때 상기 2차 코일이 오정렬된 방향과 오정렬된 정도를 사용자에게 알리는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
14. 제8 항에 있어서,
    상기 자속 결합 데이터를 주기적으로 얻고 상기 자속 결합 데이터의 변동을 근거로 상기 수신 장치의 이동 여부를 판단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.

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