KR20210109246A - 유도 가열 구현 가능한 무선 전력 전송 장치 및 그의 제어 방법 - Google Patents

유도 가열 구현 가능한 무선 전력 전송 장치 및 그의 제어 방법 Download PDF

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KR20210109246A
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Abstract

본 발명의 실시예는 사용자 선택에 따라 모드를 변경하며 상기 모드에 따라 대상물을 유도 가열하거나 무선 전력을 전송하는 워킹 코일; 동작 주파수에 따라 온오프되어 상기 전력을 생성하는 인버터; 상기 사용자가 무선 전력 전송 모드를 선택하는 경우, 무선 전력 전송 전 준비 구간에서 복수의 모드에 걸쳐 상기 워킹 코일 위에 이물질이 있는지 판단하는 제어부를 포함하는 유도가열 가능한 무선 전력 전송 장치를 제공한다. 따라서, 하나의 워킹 코일을 사용하는 다기능 무선 전력 전송 장치에 있어서, 무선 전력 전송 모드 또는 유도 가열 모드를 선택적으로 구동하면서도, 무선 전력 전송 모드에서 이물질 여부를 감지하고 이를 보완하여 무선 전력 전송을 수행할 수 있다.

Description

유도 가열 구현 가능한 무선 전력 전송 장치 및 그의 제어 방법{Wireless power transmission apparatus capable of induction heating and the control method thereof}
본 발명은 무선 전력 전송 장치에 대한 것으로서, 더욱 상세하게는 유도 가열 구현 가능한 무선 전력 전송 장치 및 그의 제어 방법에 대한 것이다.
무선 충전이란 전선으로 전력을 전송하여 기기를 충전하는 방식 대신 전력을 대기를 통해 무선으로 전송하여 기기를 충전하는 방식이다.
무선 충전의 기본 원리는 송신 코일에 교류 전류를 흘리면 송신 코일 주변에 자기장이 형성되고, 이 자기장의 영향으로 수신기 코일에 교류 전류가 흐르게 되며, 이러한 교류 전류를 정류해서 배터리를 충전하게 된다.
한편, 주방에서 사용되는 다양한 소형 주방 기기, 즉 소물 가전들은 전력 공급이 필수적으로 요구되므로, 전자 기기들이 각각 개별적으로 구비하는 전기 코드(전원 연결 케이블)를 콘센트에 연결하여 전력을 공급받는다. 이 경우에, 다수의 전기 코드는 관리, 안전, 공간 활용 측면에서 부정적인 영향을 끼치는 문제점이 있었다.
따라서, 최근 주방에서 사용하는 소물 가전들에 대한 무선 전력 충전 수요가 급증하고 있다.
한편, 주방에서 사용하는 소물 가전들 중 유도 전류를 이용한 가열이 요구되는 장치들이 증가하고 있다.
이와 같은 유도 전류를 이용한 가열 장치는 자기장을 발생시켜 전자 유도를 통해 열을 가하는 인덕션 방식을 취하고 있으며, 전기 레인지와 동일하게 동작할 수 있다.
즉, 일반적인 전자 유도 가열장치는 내부에 구비된 워킹 코일(Working Coil) 또는 가열 코일에 고주파의 전류를 흐르게 한다.
워킹 코일 또는 가열 코일에 고주파의 전류가 흐르면 강력한 자력선이 발생하게 된다. 워킹 코일 또는 가열 코일에서 발생한 자력선은 조리기기를 통과할 때 와류전류(Eddy Current)를 형성하게 된다. 따라서, 조리기기에 와류전류가 흐름에 따라 열이 생성되어 용기 자체를 가열시키고, 용기가 가열됨에 따라 용기 안의 내용물을 가열시킨다.
이와 같은 유도 가열 가열장치는 한국공개번호 10-2016-0123672 등에 상세히 개시되어 있다.
한편, 한국공개번호 10-2016-0123672 호와 같이 주방에서 사용하는 소물 가전에 따라 유도 가열을 수행하는 것 외에, 무선 충전도 수행할 수 있는 다기능 무선 전력 전송 장치의 요구가 계속되고 있다.
다기능 무선 전력 전송 장치의 경우, 사용자의 모드 선택에 따라 하나의 워킹 코일 또는 가열 코일을 이용하여 주파수를 변경함으로써 유도 가열을 수행하거나 무선 전력 전송을 수행할 수 있다.
한편, 다기능 무선 전력 전송 장치의 대상 소물 가전에 유도 가열을 수행하거나, 무선 전력 전송을 하는 경우에는 대상 소물 가전의 수신 코일과 워킹 코일의정렬을 요구하며, 수신 코일과 워킹 코일 사이에 이물질이 없을 것을 요구한다.
이물질이 수신 코일과 워킹 코일 사이에 존재하면, 이물질의 재질에 따라 급격히 큰 소비 전력이 발생하게 될 수 있으며, 이물질의 크기와 재질에 따라 발화 또는 발연의 위험이 있다.
또한, 이물질이 존재하는 경우, 수신 코일과 워킹 코일 사이의 무선 전력 전송을 방해하여 전송 효율이 현저하게 저하된다.
이를 방지하기 위해, 한국 공개 특허 KR2017-0043774호는 이물질 감지 기능이 포함된 무선충전장치를 개시하고 있으며, 무선 충전 시에 송신 코일, 즉 워킹 코일의 전류 전압을 센서를 통해 측정하여 이물질 감지를 진행하게 된다.
즉, 송신 코일의 전류 및 전압의 변화량이 기준값 이상인 경우 이물질이 존재하는 것으로 판단하게 된다.
이와 같은 종래 기술은 이물질이 존재할 때 송신 코일의 전류 및 전압이 미세하게 변화하는 변화량을 감지하게 되는데, 본 발명과 같이 주방의 소물 가전을 위한 무선충전의 경우, 전송 전력이 매우 큰 상태에서 이와 같은 미세한 변화량은 감지가 어렵다.
또한, 미국 특허 US 10097052 호는 송신 코일과 이물질을 감지할 수 있는 전극 및 보조회로를 포함하며, 임피던스 변화를 측정하여 이물질 존재를 파악하는 것이 개시되어 있다.
또한, 한국 공개 특허 KR 2012-0074087 호는 수신 대상물로부터 응답 신호를 분석하여 이물질이 있는지 여부를 판단하게 된다.
이와 같은 종래 기술의 경우, 복잡한 보조 회로를 필요로 하거나 대상물로부터 수신 신호를 분석하여야 하므로 매칭 네트워크와 송신 안테나 사이에 각종 센서를 필요로한다.
한국 등록 특허 KR17-6449681 호 (등록일: 2017년 17월 27일) 한국 공개 특허 KR2017-0043774호 (공개일: 2014년 12월 26일) 미국 특허 US 10097052 호 (공개일: 2018년 02월 15일) 한국 공개 특허 KR2012-0074087 호 (공개일: 2014년 01월 22일)
본 발명의 제1 과제는 하나의 워킹 코일을 사용하는 다기능 무선 전력 전송 장치에 있어서, 무선 전력 전송 모드일 때, 안전한 구동을 위해 이물질이 존재하는지 여부를 감지하고, 이를 보완하여 무선 전력 전송을 수행할 수 있는 무선 전력 전송 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 제2 과제는 사용자의 모드 선택이 무선 전력 전송 모드인 경우에 올려져 있는 대상 소물 가전으로부터 무선 전력 전송을 시작하기 전 준비 구간을 두고, 상기 준비 구간에서 이물질 여부를 판단한 뒤 알람 등을 통해 이물질을 제거하고 안전하게 무선 전력 전송을 시작할 수 있는 무선 전력 전송 장치를 제공하는 것이다.
이와 같이 무선 전력 전송 모드가 선택될 때에 대상물이 수신 코일이 있는 소물 가전일 경우, 해당 소물 가전과의 통신 없이 송신측으로부터의 감지만으로 이물질 여부를 판단할 수 있는 무선 전력 전송 장치를 제공하는 것이, 본 발명의 제3 과제이다. 즉, 한국 공개 특허 KR2012-0074087 호와 같이 수신측으로부터의 신호를 수신하고 이를 분석하기 위한 다양한 통신 수단 및 해석 알고리즘 없이 이물질 여부를 판단할 수 있는 무선 전력 전송 장치를 제공하는 것이다.
또한, 한국 공개 특허 KR2017-0043774호와 미국 특허 US 10097052 호 같이 별도의 센서 또는 감지 회로부를 포함하지 않고, 하나의 감지 값이 아닌 복수의 파라미터를 종합하여 이물질 여부를 판단함으로써 정확도가 향상된 이물질 판단 방법을 제공하는 것이 본 발명의 제4 과제이다.
본 발명의 실시예에 따른 유도가열 가능한 무선 전력 전송 장치는 사용자 선택에 따라 모드를 변경하며 상기 모드에 따라 대상물을 유도 가열하거나 무선 전력을 전송하는 워킹 코일; 동작 주파수에 따라 온오프되어 상기 전력을 생성하는 인버터; 상기 사용자가 무선 전력 전송 모드를 선택하는 경우, 무선 전력 전송 전 준비 구간에서 복수의 모드에 걸쳐 상기 워킹 코일 위에 이물질이 있는지 판단하는 제어부를 포함한다.
상기 제어부는 상기 무선 전력 전송을 진행하는 정상 모드 이전에 상기 준비 구간을 포함하며, 상기 준비 구간이 시작되면 제1 이물질 감지 구간을 진행하고, 상기 준비 구간이 종료되기 전 제2 이물질 감지 구간을 진행하여 상기 워킹 코일 위에 이물질이 있는지 여부를 판단할 수 있다.
상기 유도가열 가능한 무선 전력 전송 장치는 상기 대상물이 올려지는 상부 글라스 및 상기 사용자로부터 모드 선택을 유도하는 사용자 입력부를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는 상기 사용자 입력부로부터 모드 선택 정보가 수신되면, 상기 제1 이물질 감지 모드로 진입하여 시작 주파수 및 동작 주파수에 대하여 상기 인버터를 구동하면서 입력 전류 및 공진 전류를 읽어 상기 이물질 여부를 판단할 수 있다.
상기 제어부는 상기 제1 이물질 감지 모드에서 상기 동작 주파수와 상기 시작 주파수에서의 상기 입력 전류의 차에 의해 상기 이물질 여부를 판단할 수 있다.
상기 제어부는 소정 기간 동안 복수회의 상기 공진 전류 및 상기 입력 전류를 읽어들여 상기 공진 전류 및 상기 입력 전류를 각각 적산하여 상기 적산 값을 기초로 상기 이물질 여부를 판단할 수 있다.
상기 제어부는 상기 이물질이 있는 것으로 판단되면 사용자 알람을 수행하여 상기 이물질 제거를 유도할 수 있다.
상기 제어부는 상기 공진 전류 적산값이 제1 임계값 이상이고, 상기 입력 전류 적산값이 제2 임계값 이상인 때, 이물질이 없는 것으로 판단할 수 있다.
상기 제어부는 상기 입력 전류 적산값의 편차가 제1값과 제2값 사이인 경우 이물질이 있는 것으로 판단할 수 있다.
상기 제어부는 상기 공진 전류 및 입력 전류를 상기 주 전원의 영전압 포인트에서 카운트할 수 있다.
상기 제어부는 상기 제2 이물질 감지 모드로 진입하면 상기 동작 주파수로 상기 인버터를 구동하면서 상기 공진 전류를 읽어들여 기준값과 비교할 수 있다.
상기 유도가열 가능한 무선 전력 전송 장치는 이물질이 없는 경우의 복수의 상기 동작 주파수에 대한 공진 전류의 값을 상기 기준값으로 저장할 수 있다.
상기 제어부는 상기 동작 주파수를 소정 구간동안 스윕하면서 스윕된 상기 동작 주파수에서의 공진 전류를 감지하고, 상기 감지한 공진 전류의 적산값과 스윕된 상기 동작 주파수에서의 공진 전류의 기준값의 적산값을 비교하여 상기 이물질 여부를 판단할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 사용자 선택에 따라 모드를 변경하며 상기 모드에 따라 대상물을 유도 가열하거나 무선 전력을 전송하는 워킹 코일을 포함하는 유도가열 가능한 무선 전력 전송 장치의 구동 방법에 있어서, 상기 사용자의 선택 정보가 무선 전력 전송 모드임을 확인하는 단계; 상기 대상물을 감지하고, 무선 전력 전송을 위한 인버터의 동작 주파수를 가변하면서 상기 워킹 코일 위에 이물질이 있는지 판단하는 준비 단계; 및 상기 무선 전력 전송 가능한 대상물에 상기 동작 주파수로 상기 무선 전력 전송을 수행하는 정상 동작 모드 단계를 포함하는 유도가열 가능한 무선 전력 전송 장치의 구동 방법을 제공한다.
상기 준비 단계는 시작 주파수와 특정 동작 주파수로 상기 인버터를 구동하면서 공진 전류 및 입력 전류를 읽어들여 상기 이물질 여부를 판단하는 제1 이물질 감지 단계; 및 상기 정상 동작 모드 전에 상기 특정 동작 주파수로 상기 인버터를 구동하면서 공진 전류를 읽어들여 상기 이물질 여부를 다시 판단하는 제2 이물질 감지 단계를 포함할 수 있다.
상기 제1 이물질 감지 단계는 상기 동작 주파수와 상기 시작 주파수에서의 상기 입력 전류의 차에 의해 상기 이물질 여부를 판단할 수 있다.
상기 제1 이물질 감지 단계는 소정 기간 동안 복수회의 상기 공진 전류 및 상기 입력 전류를 읽어들여 상기 공진 전류 및 상기 입력 전류를 각각 적산하여 상기 적산 값을 기초로 상기 이물질 여부를 판단할 수 있다.
상기 이물질이 있는 것으로 판단되면 사용자 알람을 수행하여 상기 이물질 제거를 유도할 수 있다.
상기 제1 이물질 감지 단계는 상기 공진 전류 적산값이 제1 임계값 이상이고, 상기 입력 전류 적산값이 제2 임계값 이상인 때, 이물질이 없는 것으로 판단할 수 있다.
상기 제1 이물질 감지 단계는 상기 입력 전류 적산값의 편차가 제1값과 제2값 사이인 경우 이물질이 있는 것으로 판단할 수 있다.
상기 제1 이물질 감지 단계 및 상기 제2 이물질 감지 단계는 상기 공진 전류 및 입력 전류를 상기 주 전원의 영전압 포인트에서 카운트할 수 있다.
상기 제2 이물질 감지 단계에서 상기 특정 동작 주파수로 상기 인버터를 구동하면서 상기 공진 전류를 읽어들여 기준값과 비교할 수 있다.
상기 제2 이물질 감지 단계는 상기 동작 주파수를 소정 구간동안 스윕하면서 스윕된 상기 동작 주파수에서의 공진 전류를 감지하고, 상기 감지한 공진 전류의 적산값과 스윕된 상기 동작 주파수에서의 공진 전류의 기준값의 적산값을 비교하여 상기 이물질 여부를 판단할 수 있다.
상기 해결 수단을 통해, 하나의 워킹 코일을 사용하는 다기능 무선 전력 전송 장치에 있어서, 무선 전력 전송 모드 또는 유도 가열 모드를 선택적으로 구동하면서도, 무선 전력 전송 모드에서 이물질 여부를 감지하고 이를 보완하여 무선 전력 전송을 수행할 수 있다.
또한, 사용자의 모드 선택이 무선 전력 전송 모드인 경우에 올려져 있는 대상 소물 가전으로부터 정보를 수신하지 않더라도, 송신측의 정보만으로 이물질 여부를 판단함으로써 전력 전송 전에 이물질 제거 후 안전하게 전력 전송이 가능하다.
이와 같이 무선 전력 전송 모드가 선택될 때에 이물질을 제거하고 전력 전송을 수행함으로써 전력 전송 효율이 확보될 수 있다.
또한, 이물질이 제거된 상태로 전력 전송이 가능하여 발화 또는 발연의 위험을 현저하게 줄일 수 있다.
또한, 하나의 감지값이 아닌 복수의 파라미터를 종합하여 이물질 여부를 판단함으로써 정확도가 향상되어 미세한 감지값의 변화를 확장함으로써 보다 센서티브한 이물질 감지를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 유도 가열 가능한 무선 전력 전송 장치의 상면 사시도이다.
도 2는 도 1의 유도 가열 가능한 무선 전력 전송 장치의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 유도 가열 상태를 설명하기 위한 회로도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 유도 가열 가능한 무선 전력 전송 장치의 무선 전력 전송을 설명하기 위한 회로도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 유도 가열 가능한 무선 전력 전송 장치의 개략적인 모드 순서도이다.
도 6은 도 5의 순서도에 대한 송신 장치 및 수신 장치의 상태도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 유도 가열 가능한 무선 전력 전송 장치의 무선 전력 전송 모드에서의 제1 이물질 ?y단에 대한 순서도이다.
도 8 내지 도 10은 도 7을 설명하는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 유도 가열 가능한 무선 전력 전송 장치의 무선 전력 전송 모드에서의 제2 이물질 ?y단에 대한 순서도이다.
도 12 및 도 13은 도 11을 설명하는 그래프이다.
이하에서 언급되는 “전(F)/후(R)/좌(Le)/우(Ri)/상(U)/하(D)” 등의 방향을 지칭하는 표현은 도면에 표시된 바에 따라 정의하나, 이는 어디까지나 본 발명이 명확하게 이해될 수 있도록 설명하기 위한 것이며, 기준을 어디에 두느냐에 따라 각 방향들을 다르게 정의할 수도 있음은 물론이다.
이하에서 언급되는 구성요소 앞에 ‘제1, 제2' 등의 표현이 붙는 용어 사용은, 지칭하는 구성요소의 혼동을 피하기 위한 것일 뿐, 구성요소 들 사이의 순서, 중요도 또는 주종관계 등과는 무관하다. 예를 들면, 제1 구성요소 없이 제2 구성요소 만을 포함하는 발명도 구현 가능하다.
도면에서 각 구성의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기와 면적은 실제크기나 면적을 전적으로 반영하는 것은 아니다.
또한, 본 발명의 구조를 설명하는 과정에서 언급하는 각도와 방향은 도면에 기재된 것을 기준으로 한다. 명세서에서 구조에 대한 설명에서, 각도에 대한 기준점과 위치관계를 명확히 언급하지 않은 경우, 관련 도면을 참조하도록 한다.
이하 도 1 내지 도 4를 참고하여 유도 가열 가능한 무선 전력 전송 장치를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 유도 가열 가능한 무선 전력 전송 장치의 상면 사시도이고, 도 2는 도 1의 유도 가열 가능한 무선 전력 전송 장치의 단면도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 유도 가열 상태를 설명하기 위한 회로도이며, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 유도 가열 가능한 무선 전력 전송 장치의 무선 전력 전송을 설명하기 위한 회로도이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 무선 전력 전송 장치(10)의 상부에 대상물(1)이 위치할 수 있다. 무선 전력 전송 장치(10)는 상부에 위치하고 있는 대상물(1)을 가열시키거나, 무선 전력을 전송할 수 있다.
이와 같은 대상물(1)은 수신 코일(15)을 가지는 소물 가전, 수신 코일(15)을 가지지 않는 소물 가전, 전자 제품이 아닌 일반적인 가열 가능한 조리 용기 또는 이물질일 수 있다.
수신 코일(15)을 가지는 소물 가전은 무선전력 전송 장치(1)를 통해 수신 코일(15)로 무선 전력을 수신하여 해당 전력을 동력으로 주된 동작할 수 있는 것으로, 일 예로, 무선 블랜더, 또는 무선 오븐토스터 등일 수 있다.
수신 코일(15)을 가지지 않는 소물 가전은 무선전력 전송 장치(10)의 워킹 코일(12), 즉 송신 코일이 자기장을 발생하여 해당 소물 가전을 직접 가열하는 가전기기로서, 일반적인 조리 용기라고 볼 수 없는 전자 제품을 의미한다. 일 예로, 무선 전기 포트 또는 무선 밥솥일 수 있으며, 이와 같은 수신 코일(15)을 가지지 않는 소물 가전은 주된 동작을 수행하는 영역, 즉 열을 받아 기능하는 영역 이외의 영역에서 구동 전력을 요하는 모듈부로의 전원 공급을 위한 픽업 코일이 존재한다. 이와 같은 픽업 코일은 송신 코일인 워킹 코일(12)과 대응하는 영역에 빗겨 존재할 수 있으며, 모듈부, 일 예로 통신모듈, 인터페이스, 디스플레이 등과 같은 제어 모듈부에 무선 전력 전송을 수신하여 전원을 공급할 수 있다.
한편, 일반적인 조리 용기로는, 워킹 코일(12)로부터 발생하는 자기장(20)에 의해 가열될 수 있는 자기장(20)이 통과가능한 전기 저항 성분이 포함되어 있는 용기를 의미한다. 조리 용기의 재질에 전기 저항 성분이 포함된 경우 자기장(20)은 조리 용기에 와류 전류를 발생 시킨다. 와류 전류는 조리 용기 자체를 발열시키고, 이 열은 전도되어 조리 용기의 내부까지 전달된다. 이에 따라, 조리 용기의 내용물이 조리될 수 있다.
한편, 이물질이 대상물(1)의 위치에 놓여지는 경우, 이물질은 무선 전력 전송을 방해할 수 있는 전기 저항 성분이 있는 물질로 이루어진 편으로서, 숟가락 또는 젓가락 등과 같은 철 바(Iron bar)일 수 있다.
이와 같은 무선 전력 전송 장치(10)는 사용자의 선택에 따라 전자 유도 가열 장치로서 기능할 수 있고, 또는 무선 전력 전송 장치로서 기능할 수 있다.
즉, 무선 전력 전송 장치(10)는 하나의 워킹 코일(12)에 대하여, 사용자의 선택에 따라 일반적인 가열 용기를 가열하는 유도 가열 모드로 기능할 수 있고, 수신 코일(15)이 있거나 수신 코일(15)이 없는 소물 가전에 무선 전력을 전송하는 무선 전력 전송 모드로 기능할 수 있다.
이와 같은 다기능 무선 전력 전송 장치(10)는 도 2와 같이 상판 글래스(11), 워킹 코일(12)을 적어도 하나 이상을 포함하는 케이싱(도시하지 않음)을 포함할 수 있다. 먼저, 무선 전력 전송 장치(10)를 구성하는 각각의 구성요소를 구체적으로 설명한다.
상판 글래스(11)는 무선 전력 전송 장치(10)의 내부를 보호하고, 대상물(1)을 지지하는 역할을 한다. 구체적으로, 상판 글래스(11)는 여러 광물질을 합성한 세라믹 재질의 강화 유리로 형성될 수 있다. 이에 따라, 무선 전력 전송 장치(10)의 내부를 외부로부터 보호할 수 있다. 또한, 상판 글래스(11)는 상부에 위치한 대상물(1)을 지지할 수 있다. 따라서, 상판 글래스(11)의 상부에는 대상물(1)이 위치할 수 있다.
워킹 코일(12)은 대상물(1)의 종류 및 사용자의 모드 선택에 따라 대상물(1)로 무선 전력을 전송하거나, 가열을 위한 자기장을 발생시키는 역할을 하며, 설계에 따라 적어도 하나의 워킹 코일(12)이 포함될 수 있다. 이때, 각 코일(12)에 따라 대상물(1)을 배치할 수 있는 영역이 결정될 수 있다.
상판 글래스(11)의 일 측에는 무선 전력 전송 장치의 모드를 결정할 수 있는 사용자 입력부(도시하지 않음)가 배치될 수 있다.
구체적으로, 워킹 코일(12)은 상판 글래스(11)의 하부에 위치할 수 있다. 워킹 코일(12)은 무선 전력 전송 장치(10)의 전원 온/오프에 따라 전류가 흐르거나 흐르지 않을 수 있다. 또한, 워킹 코일(12)에 전류가 흐르는 경우에도 무선 전력 전송 장치(10)의 모드 및 출력에 따라 워킹 코일(12)에 흐르는 전류의 양은 달라질 수 있다.
워킹 코일(12)에 전류가 흐르는 경우 워킹 코일(12)은 자기장(20)을 발생시킬 수 있다. 워킹 코일(12)에 흐르는 전류가 많을수록 자기장(20)은 많이 발생한다.
한편, 워킹 코일(12)에서 발생하는 자기장(20)의 방향은 워킹 코일(12)을 흐르는 전류의 방향에 의해 결정된다. 그러므로 워킹 코일(12)에 교류를 흘리게 되면 자기장(20)의 방향은 교류의 주파수만큼 변환된다. 예를 들어, 워킹 코일(12)에 60Hz의 교류를 흘리면 자기장의 방향이 1초에 60번 변환하게 된다.
케이싱 내에 사용자 입력부 및 워킹 코일(12)과 전기적으로 연결되며, 상용 전원으로부터 전압 및 전류를 수신하고 이를 변환하여 사용자 입력에 따라 워킹 코일(12)에 전력을 공급하는 구동 모듈(도시하지 않음)이 배치되어 있다.
이와 같은 구동 모듈은 하나의 인쇄회로기판 위에 실장되는 복수의 칩 형태로 구현될 수 있으나, 이에 한정되지 않고 일체화된 하나의 칩으로 구현가능하다.
무선 전력 전송 장치(10)는 내부에 페라이트(13)을 포함하여 내부의 구동 모듈을 보호할 수 있다.
즉, 페라이트(13)는 워킹 코일(12)에서 발생한 자기장 또는 외부에서 발생한 전자기장이 무선 전력 전송 장치(10)의 내부의 구동 모듈에 미치는 영향을 차단하는 차폐 역할을 한다.
이를 위해, 페라이트(13)는 투자율(permeability)이 매우 높은 물질로 형성될 수 있다. 페라이트(13)는 무선 전력 전송 장치(10)의 내부로 유입되는 자기장이 방사되지 않고, 페라이트(13)를 통해 흐르도록 유도하는 역할을 한다.
도 1 및 도 2에서는 적어도 1개의 워킹 코일(12)을 포함하는 무선 전력 전송 장치(10)를 개시하고 있으며, 일반적으로 가정에서는 2개 내지 4개의 워킹 코일(12)을 포함하도록 형성될 수 있다.
각각의 워킹 코일(12)의 코일 크기는 서로 상이하게 형성될 수 있으며, 각각의 코일(12)은 구동 모듈의 제어에 따라 인버터 구동하여 특정 주파수의 전류를 흘림으로써 유도 가열 모드일 때에는 사용자가 선택하는 화력 레벨에 해당하는 목표 전력을 발생하여 그에 해당하는 열을 발생할 수 있다.
또한, 무선 전력 전송 모드일 때에는 구동 모듈의 제어에 따라 인버터 구동하여 다른 크기의 주파수의 전류를 흘림으로써 소물 가전으로 무선 전력을 전송할 수 있다.
이를 위해 각각의 워킹 코일(12)은 구동 모듈 내에서 각각의 인버터와 연결되도록 구현 가능하며, 복수개의 워킹 코일(12)이 스위치에 의해 직병렬로 연결되어 하나의 인버터에 연결되도록 구현도 가능하다.
사용자의 선택에 따라 해당 무선 전력 전송 장치(10)가 유도 가열 모드로 동작하는 경우에는 소정 주파수의 전류에 의해 자기장을 발생하여 상판 글라스(11) 위에 올려진 가열 용기에 통과시킨다.
이때, 조리용기의 재질에 전기 저항 성분이 포함된 경우 자기장은 조리 용기에 와류 전류를 발생 시킨다. 와류 전류는 조리 용기 자체를 발열시키고, 이 열은 전도되어 조리용기의 내부까지 전달된다. 이에 따라, 조리 용기의 내용물이 조리되는 방식으로 유도 가열 모드가 진행된다.
페라이트(13)에 의해 워킹 코일(12)(12)에서 발생한 자기장(20)이 이동하는 모습은 도 2에 도시된 바와 같다.
이와 같은 무선 전력 전송 장치(10)가 유도 가열 모드로 동작할 때의 회로도를 참고하면, 도 3과 같은 구조를 가질 수 있다.
구체적으로, 도 3은 한 개의 인버터(140) 및 한 개의 워킹 코일(12)(이하에서는 150으로 명명함)을 포함하는 경우 전자 유도 가열 모드에서의 무선 전력 전송 장치의 회로도를 나타낸 것이다. 전자 유도 가열 모드에서의 무선 전력 전송 장치(10)는 정류부(120), DC 링크 커패시터(130), 인버터(140), 워킹 코일(12)(150) 및 공진 커패시터(160)를 포함한다.
외부 전원(110)은 AC(Alternation Current) 입력 전원일 수 있다. 외부 전원(110)은 전자 유도 가열 조리기로 교류 전원을 공급할 수 있다. 보다 구체적으로, 외부 전원(110)은 전자 유도 가열 조리기의 정류부(120)로 교류 전압을 공급할 수 있다.
정류부(120, Rectifier)는 교류를 직류로 변환하기 위한 전기적 회로로서, 정류부(120)는 외부 전원(110)을 통해 공급되는 교류 전압을 직류 전압으로 변환한다. 이때, 정류부(120)를 통해 출력되는 DC 양단을 DC 링크라고 한다. DC 양단에서 측정 되는 전압을 DC 링크 전압이라고 한다. 공진 곡선이 동일한 경우 DC 링크 전압에 따라 출력 전력이 달라질 수 있다. DC 링크 커패시터(130)는 외부 전원(110)과 인버터(140) 사이의 버퍼 역할을 수행한다. 구체적으로, DC 링크 커패시터(130)는 정류부(120)를 통해 변환된 DC 링크 전압을 유지시켜 인버터(140)까지 공급한다.
인버터(140)는 워킹 코일(12)(150)에 고주파의 전류가 흐르도록 워킹 코일(12)(150)에 인가되는 전압을 스위칭한다. 인버터(140)는 일반적으로 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)로 이루어진 스위칭 소자를 구동시킴으로써 워킹 코일(12)(150)에 고주파의 전류가 흐르게 하고, 이에 따라 워킹 코일(12)(150)에 고주파 자계가 형성된다.
워킹 코일(12)(150)은 스위칭 소자의 구동 여부에 따라 전류가 흐르거나 전류가 흐르지 않을 수 있다. 워킹 코일(12)(150)에 전류가 흐르면 자기장이 발생한다. 워킹 코일(12)(150)은 전류가 흐름에 따라 자기장을 발생시켜 조리 용기를 가열시킬 수 있다.
이와 같이, 전자 유도 가열 모드에서의 무선 전력 전송 장치(10)는 워킹 코일(12)(150)을 전자기 유도에 이용하여 조리 용기를 가열할 수 있다.
한편, 본 발명의 무선 전력 전송 장치가 무선전력 전송 모드로 기능하는 경우, 유도 가열에 이용되는 워킹 코일(12)(150)을 무선 전력 전송(WPT, Wireless Power Transfer)에 동일하게 이용할 수 있다.
무선 전력 전송이란 전선 없이 전력을 전송할 수 있는 기술을 의미한다. 현 재, 주로 무선 전력 전송에 활용되는 방식으로는 자기유도(MI) 방식, 자기공진(MR) 방식이 있다. 각각의 방식을 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 자기유도 방식은 1차 코일과 2차 코일간의 자기유도 현상을 이용하는 것이다. 구체적으로, 1차(송신) 코일에 전류가 주입되면 자기장이 발생할 수 있다. 2차(수신) 코일은 1차 코일에서 발생한 자기장에 의해 유도 전류가 발생한다. 2차 코일에서 발생한 유도 전류는 배터리를 충전시킬 수 있다. 자기 유도 방식에 따라 발생하는 자기장은 약하기 때문에, 1차 코일과 2차 코일은 매우 근접한 위치에 있어야 충전이 가능하다.
자기공진(자기공명) 방식은 1차 코일과 2차 코일이 같은 주파수를 사용하여 전력을 주고 받는 방식이다. 즉, 1차 코일에서 공진 주파수로 진동하는 자기장을 생성하면, 2차 코일은 1차 코일에서 생성된 자기장과 동일한 공진 주파수로 설계되어 에너지를 수신할 수 있다. 이 경우, 비교적 원거리에서도 충전이 가능하다.
이와 같이, 무선 전력 전송에 사용되는 코일을 유도 가열 모드에서 사용되는 워킹 코일(12)로 사용함으로써 동일한 구조를 이용하여 사용자 모드 선택에 따라 해당 기능을 선택적으로 수행할 수 있다.
다시, 도 3을 참조하면, 워킹 코일(12)(150)의 일측은 인버터(140)의 스위칭 소자의 접속점에 연결되어 있고, 다른 일측은 공진 커패시터(160)에 연결된다. 스위칭 소자의 구동은 제어부(190)(미도시)에 의해서 이루어지며, 제어부(190)에서 출력되는 스위칭 시간에 제어되어 스위칭 소자가 서로 교호로 동작하면서 워킹 코일(12)(150)로 고주파의 전압을 인가한다. 그리고, 제어부(190)로터 인가되는 스위칭 소자의 온/오프 시간은 점차 보상되는 형태로 제어되기 때문에 워킹 코일(12)(150)에 공급되는 전압은 저전압에서 고전압으로 변한다.
제어부(190)(미도시)는 무선 전력 전송 장치(10)의 전반적인 동작을 제어하는 역할을 한다. 즉, 제어부(190)는 무선 전력 전송 장치(10)를 구성하는 각각의 구성 요소의 동작을 제어할 수 있다. 공진 커패시터(160)는 완충기 역할을 하기 위한 구성요소이다. 공진 커패시터(160)는 스위칭 소자의 턴오프 동안 포화 전압 상승 비율을 조절하여, 턴오프 시간 동안 에너지 손실에 영향을 준다. 공진 커패시터(160)는 정류부(120)로부터 전압이 출력되는 DC 양단과 워킹 코일(12)(150) 사이에 직렬 연결된 복수의 커패시터(160a, 160b)를 포함할 수 있다. 공진 커패시터(160)는 제1 공진 커패시터(160a)와 제2 공진 커패시터(160b)로 구성될 수 있다. 구체적으로, 제1 공진 커패시터(160a)는 일단이 정류부(120)로부터 전압이 출력되는 일단과 연결되고, 타단이 제2 공진 커패시터(160b)와 워킹 코일(12)(150)의 접속점에 연결될 수 있다. 마찬가지로, 제2 공진 커패시터(160b)는 일단이 정 류부(120)로부터 저압이 출력되는 타단과 연결되고, 타단이 제1 공진 커패시터(160a)와 워킹 코일(12)(150)의 접속점에 연결될 수 있다.
제1 공진 커패시터(160a)의 커패시턴스와 제2 공진 커패시터(160b)의 커패시턴스는 동일하다.
한편, 공진 커패시터(160)의 커패시턴스는 무선 전력 전송 장치(10)의 공진 주파수(resonance frequency)를 결정할 수 있다.
구체적으로, 도 3에 도시된 바와 같은 회로도로 구성되는 무선 전력 전송 장치(10)의 공진 주파수는 워킹 코일(12)(150)의 인덕턴스(inductance)와 공진 커패시터(160)의 커패시턴스(capacitance)에 의해 결정된다. 또한, 워킹 코일(12)(150)의 인덕턴스와 공진 커패시터(160)의 커패시턴스에 의해 결정된 공진 주파수를 중심으로 공진 곡선이 형성될 수 있다. 공진 곡선은 주파수에 따른 출력 전력을 나타낼 수 있다.
다기능 무선 전력 전송 장치(10)에 포함된 워킹 코일(12)(150)의 인덕턴스 값과 공진 커패시터(160)의 커패시턴스 값에 따라 Q 팩터(quality factor)가 결정된다. Q 팩터에 따라 공진 곡선은 상이하게 형성된다. 최대 전력을 출력하는 주파수를 공진 주파수(f0)라 하며, 무선 전력 전송 장치는 공진 곡선의 공진 주파수(f0)를 기준으로 오른쪽 영역의 주파수를 이용한다. 따라서, 무선 전력 전송 장치(10)는 주파수를 감소시켜 화력 단계를 낮추고, 주파수를 증가시켜 화력 단계를 높일 수 있다. 무선 전력 전송 장치(10)는 이와 같이 주파수를 조절함으로써 출력 전력을 조절할 수 있다. 무선 전력 전송 장치(10)는 제1 주파수부터 제2 주파수의 범위에 해당하는 주파수를 이용할 수 있다. 즉, 무선 전력 전송 장치는 제1 주파수부터 제2 주파수의 범위에 포함된 어느 하나의 주파수로 변경하여, 화력을 조절할 수 있다. 무선 전력 전송 장치(10)에서 제어 가능한 최소 주파수인 제1 주파수 및 최대 주파수인 제2 주파수는 기 설정되어 있을 수 있다. 예를 들어, 제1 주파수는 20kHz이고, 제2 주파수는 75kHz일 수 있다.
제1 주파수를 20kHz로 설정함에 따라 무선 전력 전송 장치(10)가 가청 주파수(약 16Hz~ 20kHz)를 사용하는 경우를 방지할 수 있다. 따라서, 무선 전력 전송 장치(10)의 소음을 줄일 수 있는 효과가 있다. 제2 주파수를 IGBT 최대 스위칭 주파수로 설정할 수 있다. IGBT 최대 스위칭 주파수란 IGBT 스위칭 소자의 내압 및 용량 등을 고려하여, 구동 가능한 최대 주파수를 의미할 수 있다. 예를 들어, IGBT 최대 스위칭 주파수는 75kHz일 수 있다.
이와 같은 이유로, 무선 전력 전송 장치(10)에서 유도 가열로 조리기기를 가열하기 위해 일반적으로 사용하는 주파수는 약 20kHz 에서 75kHz에 포함된 주파수일 수 있다.
한편, 무선 전력 전송(WPT, Wireless Power Transfer)에 사용되는 주파수는 무선 전력 전송 장치(10)가 조리 용기를 유도 가열하기 위해 사용하는 주파수와 상이할 수 있다. 특히, 무선 전력 전송에 사용되는 주파수는 무선 전력 전송 장치가 조리용기를 가열하기 위해 사용하는 주파수보다 더 높은 대역의 주파수일 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 무선 전력 전송 장치는 공진 주파수를 조절함으로써 동일한 워킹 코일(12)(150)을 통해 조리기기 가열 기능 및 무선 전력 전송 기능을 모두 제공할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치가 무선 전력 전송 모드로 동작할 때의 회로도의 일 예를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 조리용기 유도 가열 모드 및 무선 전력 전송 모드를 선택적으로 제공할 수 있는 무선 전력 전송 장치(10)의 일 예를 나타낸다.
본 발명의 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치(10)는 정류부(120), DC 링크 커패시터 (130), 인버터(140), 워킹 코일(12)(150), 공진 커패시터(160a, 160b), WPT 커패시터(170a, 170b) 및 모드 전환 스위치(180a, 180b)를 포함할 수 있다.
도 3을 통해 설명한 바와 동일한 내용은 여기서 생략하기로 한다.
워킹 코일(12)(150)은 전류가 흐름에 따라 자기장을 발생시킨다. 워킹 코일(12)(150)에서 발생한 자기장은 2차측 조리 용기를 통과함에 따라 2차측 대상물(1)을 가열시킬 수 있다.
또는, 워킹 코일(12)(150)에서 발생한 자기장은 2차측 소물 가전을 통과함에 따라 2차측 소물 가전으로 전력을 전송할 수 있다.
공진 커패시터(160a, 160b)는 도 3을 통해 설명한 바와 동일하다. 즉, 도 4에 도시된 공진 커패시터(160a, 160b)는 도 3을 통해 설명한 무선 전력 전송 장치(10)에 포함된 공진 커패시터와 동일하다.
한편, 공진 커패시터(160a, 160b)는 무선 전력 전송 모드로 동작하거나 조리용기 유도 가열 모드로 동작함에 따라 WPT 커패시터(170a, 170b)와 병렬 연결되거나 병렬 연결되지 않을 수 있다.
WPT 커패시터(170a, 170b)는 공진 커패시터(160a, 160b)와 병렬 연결될 수 있다. WPT 커패시터(170a, 170b)는 전자 유도 가열 조리기(100)가 무선 전력 전송 모드로 동작하도록 무선 전력 전송의 공진 주파수를 낮추기 위한 구성 요소이다. 구체적으로, 무선 전력 전송 장치(10)가 조리용기 유도 가열 모드로 동작하는 경우 WPT 커패시터(170a, 170b)는 공진 커패시터(160a, 160b)와 연결되지 않는다. 반면에, 무선 전력 전송 장치(10)가 무선 전력 전송 모드로 동작하는 경우 WPT 커패시터(170a, 170b)는 공진 커패시터(160a, 160b)와 병결 연결된다. WPT 커패시터(170a, 170b)와 공진 커패시터(160a, 160b)가 병렬 연결 되면, 합성 커패시턴스는 증가하게 된다. 합성 커패시턴스가 증가하면, 아래 수학식 1에 의해 공진 주파수(f0)가 감소하게 된다.
즉, 전자 유도 가열 조리기(100)가 무선 전력 전송 모드로 동작하는 경우 공진 주파수(f0)가 감소하게 된다. 이와 같이, 무선 전력 전송 장치(10)는 공진 주파수(f0)를 감소시켜 기존의 인버터(140) 및 워킹 코일(12)(150)을 이용하여 2차측 제품으로 무선 전력을 전송할 수 있다.
WPT 커패시터(170a, 170b)는 제1 WPT 커패시터(170a)와 제2 WPT 커패시터(170b)로 구성된다. 제1 WPT 커패시터 (170a)는 제1 공진 커패시터(160a)와 병렬 연결될 수 있고, 제2 WPT 커패시터(170b)는 제2 공진 커패시터(160 b)와 병렬 연결될 수 있다.
제1 WPT 커패시터(170a)의 커패시턴스와 제2 WPT 커패시터(170b)의 커패시턴스는 동일하다.
모드 전환 스위치(180a, 180b)는 WPT 커패시터(170a, 170b)와 공진 커패시터(160a, 160b)의 병렬 연결 여부를 결정할 수 있다. 즉, 모드 전환 스위치(180a, 180b)는 WPT 커패시터(170a, 170b)를 공진 커패시터(160a, 160 b)와 병렬 연결되거나 병렬 연결되지 않도록 제어한다.
구체적으로, 모드 전환 스위치(180a, 180b)가 온(On)되면 회로가 단락(short)되어, WPT 커패시터(170a, 170b) 와 공진 커패시터(160a, 160b)는 병렬 연결된다. 이에 따라, 앞에서 설명한 바와 같이 공진 주파수(f0)가 감소 하게 된다.
반면에, 모드 전환 스위치(180a, 180b)가 오프(Off)되면 회로가 개방(open)되어, WPT 커패시터(170a, 170b)는 공진 커패시터(160a, 160b)와 연결되지 않는다. 따라서, 공진 주파수(f0)는 변경되지 않는다.
모드 전환 스위치(180a, 180b)는 제1 모드 전환 스위치(180a) 및 제2 모드 전환 스위치(180b)로 구성되며, 제1 모드 전환 스위치(180a)와 제2 모드 전환 스위치(180b)는 동시에 동작한다. 제1 모드 전환 스위치(180a)는 제1 WPT 커패시터(170a)와 제1 공진 커패시터(160a)의 병렬 연결 여부를 결정하고, 제2 모드 전환 스위치(180b)는 제2 WPT 커패시터(170b)와 제2 공진 커패시터(160b)의 벙렬 연결 여부를 결정할 수 있다.
본 발명은 앞에서 설명한 바와 같이 동작 모드에 따라 모드 전환 스위치(180a, 180b)를 제어하여, 동일한 워킹 코일(12)(150)을 통해 무선 전력 전송 모드로 동작시키거나 유도 가열 모드로 동작시킬 수 있다.
즉, 사용자의 선택에 따라 사용자 입력부를 통해 상기 2 가지의 모드 중 하나의 모드가 선택적으로 동작된다.
이와 같은 모드 선택에 따른 전환 스위치(180a, 180b)의 온오프, 인버터(140)의 스위칭 소자의 온오프 등을 제어하고, 전반적인 구동 모듈의 제어를 위한 제어부(190)를 더 포함한다.
사용자 입력부로 유도 가열 모드가 선택되면, 무선 전력 전송 장치(10)의 제어부(190)는 유도 가열 모드로 동작하며, 상기 전환 스위치(180a, 180b)가 오프되어 유도 가열이 진행된다.
한편, 사용자 입력부로 대상물(1)에 대한 무선 전력 전송 모드가 선택되면, 무선 전력 전송 장치(10)는 무선 전력 전송 모드로 동작하며, 상기 전환 스위치(180a, 180b)가 온되어 합성된 커패시턴스에 의한 공진 주파수에 따른 무선 전력 전송이 진행된다.
이때, 상기 무선 전력 전송 장치(10)에서는 상판 글라스(11) 위에 올려진 대상물(1)이 무선전력 전송 가능한 대상물(1)인지 판단하는 대상물(1) 판단을 수행하여야 한다.
이는, 사용자가 사용자 입력부를 통해 무선 전력 전송 모드를 선택하였다 하더라도, 무선 전력 전송 장치에 올려진 대상물(1)이 무선 전력 전송을 수행할 수 없는 전자 제품이거나, 수신 코일이 있는 소물 가전이 아닌 수신 코일이 없는 소물 가전인 경우에 그 동작을 서로 달리하여 진행하여야 한다.
사용자 입력부를 통해 수신된 모드 선택 정보에만 근거하여 동작을 수행하는 경우, 수신 코일이 없는 대상물(1)에 대하여 과전류가 흐르게 되거나, 이물질인 경우에도 과전류에 의한 전력 낭비가 유발될 수 있고 고열을 동반하여 장치 자체에 손상을 줄 수 있다.
따라서, 사용자 입력부를 통해 무선 전력 전송 모드에 대한 선택 정보를 수신하였다 하더라도 대상물(1)이 해당 모드로 진행 가능한 대상물(1)인지 판단하는 과정이 요구된다.
이하에서는 이와 같은 무선 전력 전송 모드에서의 대상물(1)의 판단 과정을 상세히 설명한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 유도 가열 가능한 무선 전력 전송 장치의 개략적인 모드 순서도이고, 도 6은 도 5의 순서도에 대한 송신 장치 및 수신 장치의 상태도이다.
도 5 및 도 6을 참고하면, 본 발명의 유도 가열 가능한 무선 전력 전송 장치는 사용자 입력부로부터 무선 전력 전송 모드에 대한 아이콘 또는 버튼이 선택되어 이에 해당 하는 선택 정보가 제어부(190)로 수신되면, 무선 전력 전송 모드로 변환되어 동작을 진행한다.
이와 같은 유도가열 가능한 무선 전력 전송 장치(10)는 정상 동작 모드(S60), 즉, 수신 대상물(1)을 향해 무선 전력을 방사하는 동작에 이르기까지 복수의 단계를 거치며 준비 구간을 가진다.
이와 같은 정상 동작 모드(S60) 전의 준비 구간에서 유도가열 가능한 무선 전력 전송 장치(10)는 상판 글라스(11)에 대상물(1)이 아닌 이물질이 있는지 감지를 수행한다.
즉, 대상물(1)이 없이 이물질만 존재하는지, 또는 대상물(1)과 함께 이물질이 존재하는지를 연속적으로 구분한다.
이와 같은 이물질 감지는 하나의 단계에서 동시에 진행하지 않고, 준비 구간에서 정상 동작 모드(S60)까지의 준비를 수행하면서 순차적으로 진행할 수 있다.
구체적으로, 모드 선택 정보가 수신되면(S10), 송신측을 기준으로 무선 전력 전송 장치(10)는 제1 이물질 감지 모드(S20)로 진입한다.
송신측으로 정의되는 무선 전력 전송 장치(10)는 제1 이물질 감지 모드(S20)에서 스탠바이 모드(Stand-by mode)(S30)를 지나 제2 이물질 감지 모드(S40), 및 소프트 스타트 모드(Soft start mode)(S50)를 진행한다.
소프트 스타트 모드(S50)에서 정상 동작 모드(S60)로 진입하기 전에 모든 대상물(1)에 대한 감지를 종료하고 해당하는 전력을 무선으로 전송할 수 있다(S70).
제1 이물질 감지 모드(S20)는 사용자가 사용자 입력부의 무선 전력 전송 모드 아이콘 또는 버튼을 누름과 동시에 진행될 수 있으며, 제어부(190)는 대상물(1)이 상판 글라스(11) 위에 놓여져 있는지 여부 판단과 함께 이물질 감지도 함께 진행하기 위한 다양한 주파수의 발진을 진행한다.
이때, 이와 같은 발진 주파수에 의해 상기 인버터(140)의 스위칭 소자가 교차로 온오프하여 전류를 흘리게 된다. 제1 이물질 감지 모드(S20)에서 구별되는 대상물(1)이 일반적인 가열 용기인지, 수신 코일이 있는 소물 가전인지 등을 판단할 수 있으며, 시작 주파수로부터 제1 동작 주파수 및 제2 주파수로 스위칭하면서 현재 워킹 코일(12)에 이물질이 놓여 있는지 여부에 대하여 판단할 수 있다.
이와 같은 제1 이물질 감지 모드(S20)에서는 대상물(1)이 있는지 여부 및 이물질이 있는지 여부를 판단할 수 있으며, 부가적으로 대상물(1)이 수신 코일이 존재하는 경우, 대상물(1)의 수신 코일(15)과 워킹 코일(12) 사이에 정렬 상태, 즉 정심인지 편심인지 여부에 대하여 구분할 수 있다.
이와 같은 제1 이물질 감지 모드(S20)에서는 무선 전력 전송 장치(10)가 대상물(1)로의 무선통신을 시도하고 있으나, 실제 무선통신을 통한 수신은 뒤에 제2 이물질 감지 모드(S40)에서 대상물(1)인 소물 가전의 전원이 인가될 때 통신 페어링이 시작될 수 있다.
Idle 모드는 사용자 입력부에서 사용자가 전원 버튼을 눌러 턴온하는 경우, 유도 가열 가능한 무선 전력 전송 장치(10)의 제어부(190)를 포함하는 구동 모듈에 전원이 인가되어 제어부(190)가 활성화되는 시작 상태로 정의한다.
이와 같은 Idle 모드는 사용자 입력부와 구동 모듈 사이에 유선통신이 진행되나 실질적인 제어부(190)의 구동이 시작되지 않는다.
스탠바이 모드(S30)는 제1 이물질 감지 모드(S20) 이후의 단계로서, 무선전력 전송을 위한 영역에 대상물(1)이 있는 경우에 이물질 판단을 위해 제2 동작 주파수로 인버터(140) 구동을 수행하는 주파수 변경 구간으로 정의한다.
이때, 스탠바이 모드(S30)에서는 초기 동작 주파수로부터 제2 동작 주파수로 주파수 스윕(sweep)이 발생하고, 제2 동작 주파수까지 도달하면 실질적인 제2 이물질 감지 모드(S40)로 진입하게 된다.
이때, 처음부터 제2 동작 주파수로 발진하지 않는 것은 dc 링크의 전압이 충전된 상태에서 제2 동작 주파수, 즉 초기 동작 주파수보다 낮은 주파수에서의 구동 시에 구동 소음이 발생할 수 있어 단계를 두고 발진을 유도하게 된다.
다음의 제2 이물질 감지 모드(S40)는 제2 동작 주파수로 구동하며 수신측, 즉 대상물(1)의 통신 페어링이 진행된 상태에서 대상물(1)의 유도 전압 정보를 수신하여 이물질 여부를 판단하는 구간으로 정의한다.
이때, 이 구간에서 이물질이 존재한다고 판단되면 Idle 모드로 다시 진입하고, 이물질이 있음을 사용자에게 알리고 이물질이 없는 경우 소프트 스타트 모드(S50)로 진입하게 된다.
즉, 제2 이물질 감지 모드(S40)부터 수신측, 즉 대상물(1)이 유도 전류에 의해 전원이 주입되어 활성화되는 상태로서, wakeup 모드로 정의되고, 무선 통신이 페어링되어 수신측과 송신측이 서로 통신 시작된다.
소프트 스타트 모드(S50)는 대상물(1)에서 요청하는 레벨의 파워를 무선 전력 전송 장치(10)에서 동작하기 위해 해당 전력에 해당하는 주파수까지 변동하는 구간으로 정의된다.
소프트 스타트 모드(S50)에서 대상물(1)이 요청하는 레벨의 파워 근처에 도달하면 정상 동작 모드(S60)로 진입할 수 있다.
한편, 소프트 스타트 모드(S50)에서도 추가 감지 모드를 수행할 수 있다.
추가 감지 모드에서는 소물 가전의 전력 전송 전 재확인을 위해 추가적인 감지를 수행하는 구간으로 정의된다.
즉, 추가 감지 모드에서 사용자가 실제 선택한 모드를 재확인하고, 무부하와 소물 가전 사이에 판단 착오가 있는지 여부를 재확인 할 수 있다.
정상 동작 모드(S60)는 대상물(1)이 요청하는 레벨의 전력까지 일정한 레벨을 두고, 요청 출력의 변동을 모니터링하여 실제 출력이 요청 출력과 차이가 있는지 판단하는 구간으로 정의한다.
이때, 실제 출력과 요청 출력 사이에 차이가 발생하는 경우, 실제 출력이 요청 출력보다 작은 경우 파워 업 모드(power up mode)로 진행하여 동작 주파수를 낮추어 출력을 높일 수 있으며, 실제 출력이 요청 출력보다 높은 경우 파워 다운 모드(power down mode)로 진행하여 동작 주파수를 높임으로써 출력을 낮출 수 있다.
대상물(1) 측에서는 사용자가 대상물(1)의 동작 선택 및 동작 시작에 따라서, 작은 파워 혹은 큰 파워의 요청에 따라 제어부(190)가 그에 맞게 요청 출력으로 동작을 수행하게 된다.
상기에 설명된 각 모드가 순차적으로 또는 역순으로 진행되면서 정상 동작 모드 전, 준비 구간에서 대상물(1)의 상태에 대한 판단을 선행하고, 이물질을 완전히 제거 후 정상 동작 모드(60)로 진입할 수 있다.
이하에서는 도 7 내지 도 13을 참고하여 이물질 감지 동작에 대하여 상세히 설명한다.
먼저, 도 7 내지 도 10을 참고하여, 제1 이물질 감지 모드에서의 동작을 설명한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 유도 가열 가능한 무선 전력 전송 장치의 무선 전력 전송 모드에서의 제1 이물질 ?y단에 대한 순서도이고, 도 8 내지 도 10은 도 7을 설명하는 그래프이다.
도 7을 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 유도 가열 가능한 무선 전력 전송 장치(10)는 제1 이물질 감지 모드에서 시작 주파수로부터 제1 동작 주파수 및 제2 동작 주파수로 주파수 변경을 진행하며, 이와 같이 주파수를 혼합하여 인버터를 발진하면서, 워킹 코일에 전류를 흘린다.
제1 이물질 감지 모드에서는 이때의 입력 전류, 공진 전류 및 입력 전류 기울기에 따라 이물질이 있는지 여부에 대하여 판단을 진행한다.
상기 시작 주파수는 설정되어 있는 기본 주파수로서, 일 예로 75kHz 근처의주파수일 수 있다.
먼저, 도 7과 같이, 인버터(140)의 스위칭 소자에 제공하는 스위칭 신호에 대하여 영전압 카운트를 시작한다(S100).
이때, 영전압 카운트란, 유도 가열 가능한 무선 전력 전송 장치(10)의 기준 전원인 상용 전력이 60Hz인 기준 전압에 대하여 정류 후 120Hz로 인가되는 정류된 기준 전압의 0전압인 시점에서 감지를 진행하는 것으로 정의한다.
이와 같이, 기준 전압이 0이 될 때 감지 또는 카운트를 진행함으로써 입력되는 기준 전압으로부터의 영향이 최소화되는 출력 값을 산출할 수 있다.
본 발명에서는 입력되는 기준 전압이 상용 전원인 바, 정류된 전압의 주파수인 120Hz를 기준으로 설명하나, 이에 한정되지 않고 기준 전압의 0전압 시에 감지 또는 카운트를 진행하는 것으로 이해할 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 120Hz, 즉 8.33ms 마다 카운트를 수행하는 것으로 설정할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
제1 이물질 감지 모드가 시작되면, 제어부(190)는 제1 이물질 감지 모드의 시작점, 즉 사용자 입력부로부터의 모드 선택 신호의 수신 시점부터의 영전압 카운트를 수행하여 정확한 영전압 시점을 찾는다.
제어부(190)는 소정 시간 동안 영전압 카운트를 시작하여 영전압 카운트의 정확도를 높임으로써 오차를 줄인다. 이때, 소정 시간은 적어도 1초일 수 있으며, 3초를 넘지 않는 시간으로 설정할 수 있다.
한편, 제어부(190)는 기준 시간 동안 카운트된 값이 없는 경우, Idle 모드로 진입하는 기준 시간을 설정한다.
이와 같은 기준 시간은 상기 소정 시간의 최대값인 3초로 설정될 수 있다.
다음으로, 제어부(190)는 각 영전압 시점에서 입력 전류 및 공진 전류를 읽어 들이는 카운트를 수행한다.
이때, 공진 전류는 송신 코일, 즉 워킹 코일(12, 150, 이하에서는 150으로 명명한다.)에 인가되는 전류를 의미하며, 해당 공진 전류를 읽어들여 소정 카운트에 대하여 적산을 수행함으로써 이물질이 있는지 여부 및 대상물(1)이 수신 코일(15)을 포함하는지, 편심되어 있는지 여부를 판단할 수 있다.
또한, 제어부(190)은 각 영전압 카운트에서 입력 전류를 함께 읽어들이며, 입력 전류는 해당 시점에서 인버터(140)의 스위칭 소자에 흐르는 전류를 의미한다.
이와 같은 입력 전류 역시 소정 카운트에 대하여 적산을 수행하고, 해당 적산 값에 대하여 이물질이 있는지 여부를 판단할 수 있다.
먼저, 영전압 카운트를 수행하여 소정 시간, 일 예로 1초의 시간 동안의 카운트가 모두 진행되어 1초가 경과되면, 제1 이물질 감지 준비가 완료된 것으로 판단하고, 변수를 모두 초기화한다. 이때 변수는 타이머와 플래그 값을 블랭크 처리하는 등의 리셋, 초기화를 수행할 수 있다.
이와 같이, 먼저 소정 시간이 경과된 때, 준비가 완료된 것으로 판단하고 다음 카운트로 진행된다.
제어부(190)가 소정 시간 경과 다음의 주기에서의 영전압 카운트를 수행하며, 즉, 1초+8.33ms 에서 카운트를 수행한다.
즉, 인버터(140)에 인가되는 스위칭 신호의 주파수를 초기 주파수로 설정하여 인버터(140)의 스위칭 소자를 구동하고, 일 예로 초기 주파수가 75kHz일 때, 스위칭 신호의 주파수를 75kHz로 설정한다. 이때, 제어부(190)는 소정 횟수의 카운트동안 각 영전압 카운트에서 입력전류, 공진전류를 감지하고, 해당 값을 읽어들인다.
이때, 횟수는 연속된 8회일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 시작 주파수에서 입력 전류 및 공진 전류를 감지하는 카운트를 8회 진행하는 경우, 10회차 카운트, 즉 1초+83.8ms가 경과한 후에 다음 주파수로 천이가 가능하다.
이때, 천이하는 주파수는 제1 주파수일 수 있으나, 제2 동작 주파수일 수 있다.
즉, 제1 이물질 감지 모드(S20)에서는 3개의 주파수가 혼합하여 인버터(140)를 발진할 수 있으나, 이와 달리 시작 주파수와 제2 동작 주파수만으로 천이 가능하다.
이때, 제1 동작 주파수는 편심 및 대상물(1)의 수신 코일(15) 여부를 판단할 수 있으며, 과전력이 부가되지 않는 임계 주파수로서, 일 예로 55kHz 일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
다만, 제1 동작 주파수는 초기 주파수보다 낮은 주파수로서, 후에 무선 통신이 진행되는 제2 동작 주파수보다 큰 값의 주파수일 수 있다.
이때, 제1 동작 주파수는 55kHz일때, 제2 동작 주파수는 44kHz일 수 있다.
제2 동작 주파수는 대상물을 감지할 수 있는 최대 주파수일 수 있다.
제어부(190)는 제2 동작 주파수로 인버터(140) 구동을 시작한 다음 카운트부터 소정 횟수의 카운트 동안 각 영전압 카운트에서 입력전류, 공진전류를 감지하고, 해당 값을 읽어들인다.
이때, 횟수는 연속된 8회일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 다만, 시작주파수에 대하여 입력전류 및 공진 전류를 감지한 횟수와 동일한 카운트만큼 감지할 수 있다.
일 예로, 제2 동작 주파수에서 입력 전류 및 공진 전류를 감지하는 카운트를 8회 진행하는 경우, 10회차 카운트, 즉 1초+83.8ms가 경과한 후에 감지한 데이터를 기초로 이물질 여부를 판단한다.
이때, 제어부(190)는 각 카운트에서의 읽어들인 공진 전류 및 입력 전류의 값을 적산한다.
즉, 제어부(190)는 시작 주파수에 대한 8회 카운트에 감지한 입력 전류값을 적산하고, 공진 전류 값을 적산한다.
또한, 제어부(190)는 제2 동작 주파수에 대한 8회 카운트에 감지한 입력 전류 값을 적산하고 공진 전류 값을 적산한다.
이와 같이 각 주파수에서의 공진 전류 및 입력 전류의 적산값 연산이 종료되면, 제어부(190)는 제2 동작 주파수에 대한 공진 전류 적산 값과 제1 임계값을 비교한다(S110).
제2 동작 주파수에 대한 공진 전류의 적산 값이 제1 임계값 이상인 경우, 공진 전류의 값이 비정상적으로 증가한 것으로 판단하고, 이물질이 존재한 것으로 본다(S150).
한편, 제2 동작 주파수에 대한 공진 전류의 적산 값이 제1 임계값보다 작은 경우, 제어부(190)는 제2 동작 주파수에 대한 입력 전류 적산 값과 제2 임계값을 비교한다(S120).
제2 동작 주파수에 대한 입력 전류의 값이 제2 임계값 이상인 경우, 입력 전류의 값이 비정상적으로 증가한 것으로 판단하고, 이물질이 존재한 것으로 본다(S150).
다음으로, 제2 동작 주파수에 대한 입력 전류의 적산 값이 제2 임계값보다 작은 경우, 제어부(190)는 제2 동작 주파수와 시작 주파수에 대한 입력 전류 적산값 사이의 편차를 연산한다.
이때, 각 주파수의 입력 전류의 적산값에 대한 편차가 제1 값보다 크고 제2값보다 작은 경우(S130), 주파수 변동에 대한 편차가 소정 범위 내를 충족하는 것으로 보아 이물질이 존재하는 것으로 판단한다(S150).
따라서, 제어부(190)은 제2 동작 주파수에 대한 공진 전류의 적산값이 제1 임계값보다 작고, 입력 전류의 적산값이 제2 임계값보다 작으며, 시작 주파수와 제2 동작 주파수에서의 입력 전류의 적산값의 편차가 제1값보다 작거나 제2 값보다 큰 경우에만 이물질이 없는 것으로 판단한다(S140).
이물질이 없는 것으로 판단되면, 제1 이물질 감지 모드를 종료하고 스탠바이 모드로 진입한다(S170). 한편, 제어부(190)는 이물질이 존재하는 것으로 판단되면, 사용자 알람을 통해 이물질을 제거하도록 유도하고(S60) 이물질이 제거될 때까지 Idle 모드로 진입한다.
이와 같은 제1 임계값, 제2 임계값, 제1 값 및 제2 값에 대하여는 다음과 같은 실험을 통해 각 값이 설정될 수 있다.
먼저, 이물질로 금속인 철(Fe), 알루미늄(Al)을 일 예로 실험하였으며, 원형의 형상을 가지는 시편으로서, 두께가 2mm이고, 직경이 10, 30, 50, 80mm인 시편을 각각 제작하였다.
이와 같은 시편에 대하여, 워킹 코일(12)의 지름이 150mm, 즉 6인치인 규격화된 인덕션 코일로 산정하였으며, 해당 워킹 코일(12)이 도 1과 같이 원형의 형상으로 배치되어 있을 때, 중심에서 0, 55, 80mm 이격되어 있을 경우에 제2 동작 주파수의 입력 전류 적산값, 공진 전류 적산값 및 시작 주파수와 제2 동작 주파수에서의 입력 전류 적산값의 차를 각각 산출하여 도 8 내지 도 10에 각각 도식화하였다.
먼저, 도 8은 제2 동작 주파수에서의 입력 전류 적산값을 각 시편에 대하여 검출한 것이다.
도 8의 x축은 각 시편의 상태를 나타내고, y축은 제2 동작 주파수의 입력 전류 적산 값을 나타낸다.
x축의 각 시편은 일 예로, Al_10_0의 경우, 알루미늄 시편으로서, 직경이 10mm인 시편으로, 워킹 코일(12)의 중심으로부터의 거리가 0인 상태의 이물질을 나타낸다.
도 8을 참고하면, 각 시편에 대한 제2 동작 주파수의 입력 전류의 적산 값 중 일부가 제1 임계값 이상에서 확연히 도출되는 것을 관찰할 수 있다.
즉, 박스A로 표시된 것으로서, 다른 시편들이 제1 임계값 이하의 값을 가지는 반면, 해당 박스 A의 시편은 큰 값을 가지고 입력 전류 적산값으로 필터링 가능하다.
이에 따라, 제1 임계값은 420 내지 440mA일 수 있으며, 구체적으로 425mA일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
한편, 도 9은 제2 동작 주파수에서의 공진 전류 적산값을 각 시편에 대하여 검출한 것이다.
도 9의 x축은 각 시편의 상태를 나타내고, y축은 제2 동작 주파수의 공진 전류 적산 값을 나타낸다.
x축의 각 시편은 일 예로, Al_10_0의 경우, 알루미늄 시편으로서, 직경이 10mm인 시편으로, 워킹 코일(12)의 중심으로부터의 거리가 0인 상태의 이물질을 나타낸다.
도 9를 참고하면, 각 시편에 대한 제2 동작 주파수의 공진 전류의 적산 값 중 일부가 제2 임계값 이상에서 확연히 도출되는 것을 관찰할 수 있다.
즉, 박스B로 표시된 것으로서, 다른 시편들이 제2 임계값 이하의 값을 가지는 반면, 해당 박스 B의 시편은 큰 값을 가지고 공진 전류 적산값으로 필터링 가능하다.
이에 따라, 제2 임계값은 480 내지 520mA일 수 있으며, 구체적으로 500mA일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
이때, 박스 A 및 박스 B는 서로 중첩되지 않으며, 이와 같이 제2 동작 주파수에 대한 공진 전류의 적산값 및 입력 전류의 적산값을 필터링하여 대부분의 이물질 시편이 필터링 가능하다.
도 10은 시작 주파수에서의 입력 전류의 적산값과 제2 동작 주파수에서의 입력 전류 적산값의 편차를 연산하여 해당 편차를 각 시편에 대하여 산출한 것이다.
도 10의 x축은 각 시편의 상태를 나타내고, y축은 시작 주파수에서의 입력 전류의 적산값과 제2 동작 주파수에서의 입력 전류 적산값의 편차를 나타낸다.
x축의 각 시편은 일 예로, Al_10_0의 경우, 알루미늄 시편으로서, 직경이 10mm인 시편으로, 워킹 코일(12)의 중심으로부터의 거리가 0인 상태의 이물질을 나타낸다.
도 10을 참고하면, 각 시편에 대한 2개의 주파수에 대한 편차값이 제1 값과제2 값 사이에 대부분 포함되는 것을 관찰할 수 있다.
즉, 박스 C로 표시된 것으로서, 도 8 및 도 9에서 포함되지 않은 나머지 시편들의 대부분이 박스 C 내에 포함되어 있는 것을 관찰할 수 있다.
제1 값은 7일 수 있으며, 제2 값은 28일 수 있다.
이와 같은 결과는 다음의 표 1로 정리 가능하다.
주파수 44kHz 44kHz 44kHz-75kHz
직경 편심 입력전류 공진전류 편차
Al 10 0 0 0
55 0
80 0 0
30 0 0 0
55 0 0
80 0 0
50 0 0 0
55 0 0
80 0 0
80 0 0
55 0 0
80 0 0
Fe 10 0 0 0
55 0 0
80 0 0
30 0 0
55 0
80 0
50 0 0
55 0
80 0
80 0 0
55 0
80 0
표 1에 도식화한 것과 같이, 도 8 내지 도 10의 단계를 모두 거치는 경우, 산정한 시편의 이물질이 모두 필터링 가능하다.따라서, 도 7의 이물질 감지에 의해 검출하고자 하는 이물질에 대한 필터링이 모두 가능하다.
이때, 카운트의 횟수 및 수신 코일의 크기, 시편의 크기 등에 따라 각 임계값들은 변경 가능한 것은 당업자에게 자명하다.
한편, 제1 이물질 감지 모드(S20)가 종료되고, 스탠 바이 모드(S30)로 진입하여 주파수 천이가 완전히 시작되면, 제2 이물질 감지 모드(S40)가 시작되어 해당 시점에서의 이물질이 존재하는지 여부를 다시 판단한다.
제2 이물질 감지 모드(S40)가 시작되면, 제어부190)는 소정 시간 이상 영전압 카운트를 수행하면서 각 카운트에서 공진 전류 및 공진 전압을 읽어들인다(S200).
이때, 인버터(140)에 인가되는 동작 주파수는 제2 동작 주파수와 동일한 값을 가질 수 있으며, 대상물(1)과 통신하기 이전의 최대로 낮출 수 있는 주파수인 44kHz일 수 있다.
이때, 고정 주파수인 제2 동작 주파수에 대하여 워킹 코일(12)의 공진 전압과 공진 전류의 값을 읽어들인다.
이때, 앞서 제1 이물질 감지 모드(S20)와 같이, 소정 횟수의 카운트에서 읽어들인 공진 전류의 값을 적산하여 이물질 판단에 사용할 수 있으며, 이를 위해 현재 카운트가 소정 횟수 이상인지 판단한다(S210).
이와 같이 카운트가 소정 횟수 일 예로 10회의 카운트를 진행하면 해당 카운트 동안의 공진 전압 및 공진 전류를 각각 적산하여 판단의 기초 데이터로 산정할 수 있다.
다음으로, 제2 이물질 감지 모드(S40)로 진입한다.
제어부(190)는 모든 동작 주파수에 대한 공진 전류 적산 값의 기준값을 데이터로 저장하며, 해당 기준값과 검출하여 적산된 공진 전류의 값을 비교한다(S230).
이물질이 존재하는 경우, 도 12와 같이 워킹 코일(12)에서 수신 코일(15)로 전달되는 자속이 이물질에 의해 가로막혀 유기가 일부 진행하지 않는다.
따라서, 해당 제2 동작 주파수, 일 예로 44kHz에서의 공진 전류의 값이 이물질이 존재하면 상승하게 된다.
제어부(190)는 이와 같이 기준값과 산출된 적산값을 비교하고 이에 따라 이물질 여부를 판단한다.
적산한 공진 전류의 값이 적산된 기준값 이하인 경우 이물질이 없는 것으로 판단하고, 소프트 스타트 모드로 진입하여 무선 전력 전송을 위한 준비를 수행한다(S250).
한편, 적산한 공진 전류의 값이 적산된 기준값보다 큰 경우, 이물질이 있는 것으로 보고 사용자 알람 하고 Idle 모드로 진입한다(S240).
도 11에서는 공진 전류에 대하여만 기재하였으나, 공진 전류에 대한 비교뿐만 아니라 공진 전압에 대하여 감지하고, 이를 저장되어 있는 제2 동작 주파수에 대한 공진 전압 데이터와 비교함으로써 이물질 여부를 판단할 수 있다.
공진 전압에 대하여도, 이물질이 있는 경우, 공진 전류의 증가에 의해 공진 전압 역시 증가하게 된다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 유도 가열 가능한 무선 전력 전송 장치는 도 13과 같이 복수의 동작 주파수에 대한 공진 전류값을 기준값 데이터와 비교하여 산출 가능하다.
즉, 도 13을 따르면, 제어부(190)는 제2 이물질 감지 모드(S40)에서 영전압 카운트를 수행할 때, 주파수 스윕을 진행한다.
즉, 각 카운트마다 주파수 스윕을 수행할 수 있으며, 이와 달리 각 주파수마다 몇회의 카운트 동안 진행되도록 설계 가능하다.
일 예로, 70kHz 의 시작 주파수로부터 시작하여 44kHz 의 제2 동작 주파수까지 몇단계의 주파수 스윕을 진행하면서 각 단계에서 공진 전류 값을 읽어들인다.
이때, 각 스윕하는 주파수의 차는 1kHz 씩 감소할 수 있으며, 이에 따라 각 동작 주파수에서의 공진 전류의 값을 적산한다.
제어부(190)는 해당 적산한 값을 저장되어 있는 공진 전류 기준값 적산 값과 비교한다.
즉 도 13과 같이 측정한 공진 전류의 적산값과 저장되어 있는 기준값의 공진 전류 적산값은, 이물질이 존재하는 경우에 측정된 공진 전류 적산 값이 기준값 적산값보다 매우 큰 결과를 보인다.
따라서, 주파수 스윕을 진행하여 각각의 동작 주파수에 대한 공진 전류 값을적산한 값을 기준값 적산값과 비교하면 이물질이 있는 경우와 이물질이 없는 경우가 명확히 구분될 수 있다.
이와 같이 제2 이물질 감지 모드(S40)에서의 공진 전류를 이용한 이물질 감지가 가능하며, 정상 동작 모드 전까지 이물질 여부를 명확히 하여 안전하게 무선 전력 전송이 가능하다.
1: 대상물 10: 유도 가열 가능한 무선 전력 전송 장치.
11: 상판 글라스 13: 폐라이트
15: 수신 코일 20: 자기장
12, 150 : 워킹 코일 120: 정류부
130: dc링크 커패시터 140: 인버터
160: 공진 커패시터 190: 제어부

Claims (23)

  1. 사용자 선택에 따라 모드를 변경하며 상기 모드에 따라 동작 주파수를 가변하여 대상물을 유도 가열하거나, 상기 대상물로 무선 전력을 전송하는 워킹 코일;
    동작 주파수에 따라 온오프되어 상기 전력을 생성하는 인버터;
    상기 사용자가 무선 전력 전송 모드를 선택하는 경우, 무선 전력 전송 전 준비 구간에서 복수의 모드에 걸쳐 상기 워킹 코일 위에 이물질이 있는지 판단하는 제어부
    를 포함하는
    유도가열 가능한 무선 전력 전송 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 무선 전력 전송을 진행하는 정상 모드 이전에 상기 준비 구간을 포함하며,
    상기 준비 구간이 시작되면 제1 이물질 감지 구간을 진행하고, 상기 준비 구간이 종료되기 전 제2 이물질 감지 구간을 진행하여 상기 워킹 코일 위에 이물질이 있는지 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 유도 가열 가능한 무선 전력 전송 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 유도가열 가능한 무선 전력 전송 장치는
    상기 대상물이 올려지는 상부 글라스 및
    상기 사용자로부터 모드 선택을 유도하는 사용자 입력부를 더 포함하는
    것을 특징으로 하는 유도 가열 가능한 무선 전력 전송 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 사용자 입력부로부터 모드 선택 정보가 수신되면, 상기 제1 이물질 감지 모드로 진입하여 시작 주파수 및 동작 주파수에 대하여 상기 인버터를 구동하면서 입력 전류 및 공진 전류를 읽어 상기 이물질 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 유도 가열 가능한 무선 전력 전송 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제1 이물질 감지 모드에서 상기 동작 주파수와 상기 시작 주파수에서의 상기 입력 전류의 차에 의해 상기 이물질 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 유도 가열 가능한 무선 전력 전송 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는
    소정 기간 동안 복수회의 상기 공진 전류 및 상기 입력 전류를 읽어들여 상기 공진 전류 및 상기 입력 전류를 각각 적산하여 상기 적산 값을 기초로 상기 이물질 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 유도 가열 가능한 무선 전력 전송 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 이물질이 있는 것으로 판단되면 사용자 알람을 수행하여 상기 이물질 제거를 유도하는 것을 특징으로 하는 유도 가열 가능한 무선 전력 전송 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 공진 전류 적산값이 제1 임계값 이상이고, 상기 입력 전류 적산값이 제2 임계값 이상인 때, 이물질이 없는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 유도 가열 가능한 무선 전력 전송 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 입력 전류 적산값의 편차가 제1값과 제2값 사이인 경우 이물질이 있는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 유도 가열 가능한 무선 전력 전송 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 공진 전류 및 입력 전류를 상기 주 전원의 영전압 포인트에서 카운트하는 것을 특징으로 하는 유도 가열 가능한 무선 전력 전송 장치.
  11. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 제2 이물질 감지 모드로 진입하면 상기 동작 주파수로 상기 인버터를 구동하면서 상기 공진 전류를 읽어들여 기준값과 비교하는 것을 특징으로 하는 유도 가열 가능한 무선 전력 전송 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 유도가열 가능한 무선 전력 전송 장치는 이물질이 없는 경우의 복수의 상기 동작 주파수에 대한 공진 전류의 값을 상기 기준값으로 저장하고 있는 것을 특징으로 하는 유도 가열 가능한 무선 전력 전송 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 동작 주파수를 소정 구간동안 스윕하면서 스윕된 상기 동작 주파수에서의 공진 전류를 감지하고, 상기 감지한 공진 전류의 적산값과 스윕된 상기 동작 주파수에서의 공진 전류의 기준값의 적산값을 비교하여 상기 이물질 여부를 판단하는 것을 특징으로 유도 가열 가능한 무선 전력 전송 장치.
  14. 사용자 선택에 따라 모드를 변경하며 상기 모드에 따라 대상물을 유도 가열하거나 무선 전력을 전송하는 워킹 코일을 포함하는 유도가열 가능한 무선 전력 전송 장치의 구동 방법에 있어서,
    상기 사용자의 선택 정보가 무선 전력 전송 모드임을 확인하는 단계;
    상기 대상물을 감지하고, 무선 전력 전송을 위한 인버터의 동작 주파수를 가변하면서 상기 워킹 코일 위에 이물질이 있는지 판단하는 준비 단계; 및
    상기 무선 전력 전송 가능한 대상물에 상기 동작 주파수로 상기 무선 전력 전송을 수행하는 정상 동작 모드 단계
    를 포함하는 유도가열 가능한 무선 전력 전송 장치의 구동 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 준비 단계는
    시작 주파수와 특정 동작 주파수로 상기 인버터를 구동하면서 공진 전류 및 입력 전류를 읽어들여 상기 이물질 여부를 판단하는 제1 이물질 감지 단계; 및
    상기 정상 동작 모드 전에 상기 특정 동작 주파수로 상기 인버터를 구동하면서 공진 전류를 읽어들여 상기 이물질 여부를 다시 판단하는 제2 이물질 감지 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 가열 가능한 무선 전력 전송 장치의 구동 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1 이물질 감지 단계는 상기 동작 주파수와 상기 시작 주파수에서의 상기 입력 전류의 차에 의해 상기 이물질 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 유도 가열 가능한 무선 전력 전송 장치의 구동 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제1 이물질 감지 단계는 소정 기간 동안 복수회의 상기 공진 전류 및 상기 입력 전류를 읽어들여 상기 공진 전류 및 상기 입력 전류를 각각 적산하여 상기 적산 값을 기초로 상기 이물질 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 유도 가열 가능한 무선 전력 전송 장치의 구동 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 이물질이 있는 것으로 판단되면 사용자 알람을 수행하여 상기 이물질 제거를 유도하는 것을 특징으로 하는 유도 가열 가능한 무선 전력 전송 장치의 구동 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 제1 이물질 감지 단계는 상기 공진 전류 적산값이 제1 임계값 이상이고, 상기 입력 전류 적산값이 제2 임계값 이상인 때, 이물질이 없는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 유도 가열 가능한 무선 전력 전송 장치의 구동 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 제1 이물질 감지 단계는 상기 입력 전류 적산값의 편차가 제1값과 제2값 사이인 경우 이물질이 있는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 유도 가열 가능한 무선 전력 전송 장치의 구동 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 제1 이물질 감지 단계 및 상기 제2 이물질 감지 단계는 상기 공진 전류 및 입력 전류를 상기 주 전원의 영전압 포인트에서 카운트하는 것을 특징으로 하는 유도 가열 가능한 무선 전력 전송 장치의 구동 방법.
  22. 제15항에 있어서,
    상기 제2 이물질 감지 단계에서 상기 특정 동작 주파수로 상기 인버터를 구동하면서 상기 공진 전류를 읽어들여 기준값과 비교하는 것을 특징으로 하는 유도 가열 가능한 무선 전력 전송 장치의 구동 방법.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 제2 이물질 감지 단계는 상기 동작 주파수를 소정 구간동안 스윕하면서 스윕된 상기 동작 주파수에서의 공진 전류를 감지하고, 상기 감지한 공진 전류의 적산값과 스윕된 상기 동작 주파수에서의 공진 전류의 기준값의 적산값을 비교하여 상기 이물질 여부를 판단하는 것을 특징으로 유도 가열 가능한 무선 전력 전송 장치의 구동 방법.
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