KR20220003494A - 에너지 밀도가 균일한 충전 영역을 형성하는 2차원 원형 배열 구조 무선 충전 방법 및 장치 - Google Patents
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Abstract
에너지 밀도가 균일한 충전 영역을 형성하는 2차원 원형 배열 구조 무선 충전 방법 및 장치가 개시된다. 일 실시예에 따른 무선 충전 방법은 복수의 송신 코일들이 전류를 수신하는 단계와, 상기 복수의 송신 코일들이 회전 자계와 수직 자계를 이용하여 3차원 무선충전 가능 영역을 생성하는 단계를 포함하고, 상기 복수의 송신 코일들은 2차원 평면 상에 원형으로 배치된다.
Description
아래 실시예들은 2차원 평면 상에 송신 코일들을 배치함으로써 3차원 공간 상에 균일한 충전 가능 영역을 생성하는 무선 충전 방법 및 장치에 관한 것이다.
최근, 사용자들의 휴대가 가능한 다양한 휴대용 전자기기의 수요가 폭발적으로 증가하고 있으며, IT 기술의 발전과 더불어 중, 소형 드론 및 1인승 개인형 전동 이동기기(예를 들어, 자전거, 퀵보드, 전동휠)의 선호도가 증가하고 있다.
이러한 휴대 전자기기들은 대부분 유선 충전기를 사용한 배터리를 사용하고 있으나 유선 충전의 불편함을 해소하기 위하여 다양한 무선 충전 기술이 꾸준히 연구되고 있다.
무선 충전 기술 중 자기유도 무선 충전 방식은 송수신 이격 거리의 한계와 송수신 공진기의 정렬이 정면으로 마주보는 특정한 조건(2차원 패드 구조)에서만 무선 충전이 이루어져서 사용자의 편의성이 떨어지고 정렬이 맞지 않으면 충전이 이루어지지 않으며, 충전 거리 또한 짧다는 단점이 있다.
자기 공명 기술을 이용한 무선 충전 방식은 동위상 이중 급전 방식을 통하여 서로 다른 위상(예를 들어, 0도, 90도)의 코일을 서로 벽면에 마주보게 사용하여 원통형 및 사각형의 공간 내에 회전 자계를 발생시켜 수신 공진기의 위치에 상관없이 무선 충전이 가능한 기술이다.
실시예들은 2차원 평면 상에 송신 코일들을 배치함으로써 3차원 공간 상에 충전 가능 영역을 생성하는 기술을 제공할 수 있다.
일 실시예에 따른 무선 충전 방법은, 복수의 송신 코일들이 전류를 수신하는 단계와, 상기 복수의 송신 코일들이 회전 자계와 수직 자계를 이용하여 3차원 무선충전 가능 영역을 생성하는 단계를 포함하고, 상기 복수의 송신 코일들은 2차원 평면 상에 원형으로 배치된다.
상기 수신하는 단계는, 상기 복수의 송신 코일들 중에서 어느 한 쌍의 송신 코일들이 제1 동위상 전류를 수신하는 단계와, 상기 복수의 송신 코일들 중에서 다른 한 쌍의 송신 코일들이 제2 동위상 전류를 수신하는 단계를 포함하고, 상기 제1 동위상 전류와 상기 제2 동위상 전류는 서로 상이한 위상을 가질 수 있다.
상기 복수의 송신 코일들 각각은 균일한 간격을 가지도록 배치되고, 상기 어느 한 쌍의 송신 코일들 및 상기 다른 한 쌍의 송신 코일들 각각은 대칭을 이루도록 서로 마주보고 배치될 수 있다.
상기 복수의 송신 코일들은, 상기 2차원 평면에 대하여 수직 또는 수평으로 배치될 수 있다.
상기 복수의 송신 코일 쌍의 수가 n인 경우에, 상기 제1 동위상 전류와 상기 제2 동위상 전류는 π/n의 위상차를 가질 수 있다.
상기 무선 충전 방법은, 송신 인버터가 상기 복수의 송신 코일들로 출력하는 전류의 크기 및 위상 중에서 적어도 하나를 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 어느 한 쌍의 송신 코일들 및 상기 다른 한 쌍의 송신 코일들 중 적어도 한 쌍의 송신 코일들은 병렬 또는 직렬로 연결될 수 있다.
일 실시예에 따른 무선 충전 장치는, 송신 인버터와, 상기 송신 인버터로부터 출력되는 전류에 응답하여 회전 자계와 수직 자계를 발생시켜 3차원 무선 충전 가능 영역을 생성하는 복수의 송신 코일들을 포함하고, 상기 복수의 송신 코일들은 2차원 평면 상에 원형으로 배치된다.
상기 송신 인버터는, 상기 복수의 송신 코일들 중에서 어느 한 쌍의 송신 코일들로 제1 동위상의 전류를 출력하고, 상기 복수의 송신 코일들 중에서 다른 한 쌍의 송신 코일들로 제2 동위상의 전류를 출력하고, 상기 제1 동위상 전류와 상기 제2 동위상 전류는 서로 상이한 위상을 가질 수 있다.
상기 복수의 송신 코일들 각각은 균일한 간격을 가지도록 배치되고, 상기 어느 한 쌍의 송신 코일들 및 상기 다른 한 쌍의 송신 코일들 각각은 대칭을 이루도록 서로 마주보고 배치될 수 있다.
상기 복수의 송신 코일들은, 상기 2차원 평면에 대하여 수직 또는 수평으로 배치될 수 있다.
상기 복수의 송신 코일 쌍의 수가 n인 경우에, 상기 제1 동위상 전류와 상기 제2 동위상 전류는 π/n의 위상차를 가질 수 있다.
상기 송신 인버터는, 상기 복수의 송신 코일들로 출력하는 전류의 크기 및 위상 중에서 적어도 하나를 제어할 수 있다.
상기 어느 한 쌍의 송신 코일들 및 상기 다른 한 쌍의 송신 코일들 중 적어도 한 쌍의 송신 코일들은 병렬 또는 직렬로 연결될 수 있다.
상기 무선 충전 장치는 상기 복수의 송신 코일들의 공진을 위하여 상기 복수의 송신 코일들 중 적어도 하나의 송신 코일과 상기 송신 인버터 사이에 배치되는 매칭 캐패시터를 더 포함할 수 있다.
상기 송신 인버터는, 상기 복수의 송신 코일들 및 상기 매칭 캐패시터 간의 공진 주파수보다 낮은 주파수를 매칭 주파수로 사용할 수 있다.
상기 복수의 송신 코일들의 형태는, 평면 헤리컬 구조, 입체 헤리컬 구조, 원형 코일, 다격형 코일 및 솔레이노이드를 포함할 수 있다.
상기 2차원 평면은 자성 물질 및 상기 자성 물질 하부에 설치되는 철판 구조를 포함하고, 상기 자성 물질은 페라이트를 포함할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 무선 충전 장치의 개략적인 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 복수의 송신 코일들이 배치된 예 및 이에 따라 생성되는 3차원 무선 충전 가능 영역을 나타낸다.
도 3은 송신 코일과 수신 코일의 크기에 따른 충전 효율을 설명하기 위한 코일 크기의 예이다.
도 4는 도 2에 도시된 복수의 송신 코일들에 전류를 인가하는 예를 나타낸다.
도 5는 도 1에 도시된 송신 인버터와 복수의 송신 코일의 연결의 일 예를 나타낸다.
도 6은 도 1에 도시된 송신 인버터와 복수의 송신 코일의 연결의 다른 예를 나타낸다.
도 7은 도 1에 도시된 복수의 송신 코일이 3 쌍 이상인 경우의 예를 나타낸다.
도 8은 도 2에 도시된 각 송신 코일 쌍에 동일한 위상의 전류가 흐를 때의 자기장 분포 시뮬레이션의 결과의 예이다.
도 9는 도 2에 도시된 각 송신 코일 쌍에 0도 및 90도 위상의 전류가 흐를 때의 자기장 분포 시뮬레이션 결과의 예이다.
도 10은 도 2에 도시된 복수의 송신 코일이 발생시키는 자속 밀도(magnetic flux density) 시뮬레이션 결과의 예이다.
도 2는 도 1에 도시된 복수의 송신 코일들이 배치된 예 및 이에 따라 생성되는 3차원 무선 충전 가능 영역을 나타낸다.
도 3은 송신 코일과 수신 코일의 크기에 따른 충전 효율을 설명하기 위한 코일 크기의 예이다.
도 4는 도 2에 도시된 복수의 송신 코일들에 전류를 인가하는 예를 나타낸다.
도 5는 도 1에 도시된 송신 인버터와 복수의 송신 코일의 연결의 일 예를 나타낸다.
도 6은 도 1에 도시된 송신 인버터와 복수의 송신 코일의 연결의 다른 예를 나타낸다.
도 7은 도 1에 도시된 복수의 송신 코일이 3 쌍 이상인 경우의 예를 나타낸다.
도 8은 도 2에 도시된 각 송신 코일 쌍에 동일한 위상의 전류가 흐를 때의 자기장 분포 시뮬레이션의 결과의 예이다.
도 9는 도 2에 도시된 각 송신 코일 쌍에 0도 및 90도 위상의 전류가 흐를 때의 자기장 분포 시뮬레이션 결과의 예이다.
도 10은 도 2에 도시된 복수의 송신 코일이 발생시키는 자속 밀도(magnetic flux density) 시뮬레이션 결과의 예이다.
본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만, 예를 들어 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 “연결되어” 있다거나 “접속되어” 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 “직접 연결되어” 있다거나 “직접 접속되어” 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 표현들, 예를 들어 “~사이에”와 “바로~사이에” 또는 “~에 직접 이웃하는” 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 명세서에서의 모듈(module)은 본 명세서에서 설명되는 각 명칭에 따른 기능과 동작을 수행할 수 있는 하드웨어를 의미할 수도 있고, 특정 기능과 동작을 수행할 수 있는 컴퓨터 프로그램 코드를 의미할 수도 있고, 또는 특정 기능과 동작을 수행시킬 수 있는 컴퓨터 프로그램 코드가 탑재된 전자적 기록 매체, 예를 들어 프로세서 또는 마이크로 프로세서를 의미할 수 있다.
다시 말해, 모듈이란 본 발명의 기술적 사상을 수행하기 위한 하드웨어 및/또는 상기 하드웨어를 구동하기 위한 소프트웨어의 기능적 및/또는 구조적 결합을 의미할 수 있다.
이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 특허출원의 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 일 실시예에 따른 무선 충전 장치의 개략적인 블록도이다.
도 1을 참조하면, 무선 충전 장치(10)는 송신 인버터(100) 및 복수의 송신 코일(200)들을 포함한다. 무선 충전 장치(10)는 자기 유도 무선 충전 방식 및 자기 공명 충전 방식 중에서 적어도 하나를 이용하여 무선 충전을 수행할 수 있다.
무선 충전 장치(10)는 2차원 평면 상에 복수의 송신 코일들(200)을 배치하여 공간 상에 에너지 밀도가 균일한 충전 가능 영역을 생성할 수 있다. 예를 들어, 무선 충전 장치(10)는 복수의 송신 코일들(200)로부터 발생하는 회전 자계와 수직 자계를 이용하여 3차원 공간, 즉 3차원 무선 충전 가능 영역을 생성함으로써 수신 코일의 위치나 방향에 제한되지 않고 무선 충전을 수행할 수 있다.
무선 충전 장치(10)는 충전 가능 영역 내에서 전자기기가 어떠한 방향으로 회전되더라도 무선 충전을 수행할 수 있다. 즉, 무선 충전 장치(10)는 수신 기기가 xy 평면이 아닌 xyz 공간 상의 어떤 방향을 가진다 하여도 무선 충전을 수행할 수 있다.
무선 충전 장치(10)는 특정 영역 내에서 벽면 구조 없이 3차원 자유도를 갖는 무선 충전, 에너지 전송 기술을 제공할 수 있다. 무선 충전 장치(10)는 3차원 무선 전력 전송을 통하여 기존의 2차원 패드 구조 및 기존의 3차원 무선 전력 전송 기술의 한계를 극복하고 사용자가 쉽고 자유롭게 무선 충전, 무선 전력 전송 기술을 이용할 수 있도록 한다.
무선 충전 장치(10)는 수신기의 수신 코일 구조에 관계없이 무선 전력 전송 및 무선 충전을 수행할 수 있다. 수신기에는 송신 코일과 같이 2개 이상 쌍의 수신 코일이 사용될 수 있으나, 개별 수신 코일의 크기가 작아지면 충전 효율이 저하될 수 있다.
무선 충전 장치(10)는 평면 헤리컬 구조, 입체 헤리컬 구조 또는 솔레노이드 구조 등 어떤 구조의 수신 코일에 대해서도 무선 충전을 수행할 수 있다. 또한, 무선 충전 장치(10)는 수신 코일이 송신 코일과 수평, 수직한 배치를 가질 때뿐만 아니라 경사진 각도를 가질 때에도 무선 충전을 수행할 수 있다.
무선 충전 장치(10)는 다양한 IT 기기들에 대하여 무선 충전을 수행할 수 있다. IT 기기는 랩탑(laptop) 컴퓨터, 드론, 개인형 전동 이동 기기, 이동 전화기, 스마트폰(smart phone), 태블릿(tablet) PC, 모바일 인터넷 디바이스(mobile internet device(MID)), PDA(personal digital assistant), EDA(enterprise digital assistant), 디지털 스틸 카메라(digital still camera), 디지털 비디오 카메라(digital video camera), PMP(portable multimedia player), PND(personal navigation device 또는 portable navigation device), 휴대용 게임 콘솔(handheld game console), e-북(e-book), 또는 스마트 디바이스(smart device)를 포함할 수 있다. 스마트 디바이스는 스마트 와치(smart watch), 스마트 밴드(smart band), 또는 스마트 링(smart ring)을 포함할 수 있다.
송신 인버터(100)는 복수의 송신 코일들(200)로 전류를 출력할 수 있다. 예를 들어, 송신 인버터(100)는 복수의 송신 코일(200)들 중에서 어느 한 쌍의 송신 코일들로 제1 동위상의 전류를 출력하고, 복수의 송신 코일들 중에서 다른 한 쌍의 송신 코일들로 제2 동위상의 전류를 출력할 수 있다.
이때, 제1 동위상의 전류와 제2 동위상의 전류는 상이한 위상을 가질 수 있다. 제1 동위상의 전류와 제2 동위상의 전류가 상이한 경우, 복수의 송신 코일(200)들은 회전 자계 및 수직 자계를 생성할 수 있다. 예를 들어, 상이한 위상의 전류는 쿼드러처 신호일 수 있다.
송신 인버터(100)는 복수의 송신 코일(200)들로 출력하는 전류의 크기 및 위상 중에서 적어도 하나를 제어할 수 있다. 예를 들어, 송신 인버터는 2개 이상일 수 있다.
송신 인버터(100)가 출력하는 신호는 쿼드러처 신호일 수 있다.
무선 충전 장치(10)는 수신기의 위치 변화에 따라 수신기에 전달되는 수신 전력을 검출하고 이 정보를 송신 인버터(100)로 출력할 수 있다. 송신 인버터(100)는 수신 전력 정보에 기초하여 송신 전력을 제어할 수 있다. 예를 들어, 송신 인버터(100)는 수신 전력이 정상 상태이면 전력 전송 및 충전을 완료할 수 있다.
복수의 송신 코일(200)들은 송신 인버터(100)로부터 출력되는 전류에 응답하여 회전 자계와 수직 자계를 발생시켜 3차원 무선 충전 가능 영역을 생성할 수 있다.
복수의 송신 코일(200)들은 복수 쌍의 코일들을 포함할 수 있다. 복수의 송신 코일(200)들은 2차원 평면 상에 원형으로 배치될 수 있다. 복수의 송신 코일(200)들은 2차원 평면에 대하여 수직 또는 수평으로 배치될 수 있다.
복수의 송신 코일(200)들 각각은 균일한 간격을 가지도록 배치되고, 어느 한 쌍의 송신 코일들 및 상기 다른 한 쌍의 송신 코일들 각각은 대칭을 이루도록 서로 마주 보고 배치될 수 있다. 또한, 복수의 송신 코일(200)들은 코일들이 서로 겹치거나 겹치지 않도록 배치될 수 있다.
복수의 송신 코일(200)들의 간격이 멀어지면 복수의 송신 코일(200)이 배치된 2차원 평면의 중앙에 널포인트(null point)가 발생할 수 있다. 이 때, 무선 충전 장치(10) 중앙에 봉과 같은 거치대 구조를 설치할 수 있다.
복수의 송신 코일(200) 쌍의 수가 n인 경우에, 송신 인버터(100)로부터 출력되는 제1 동위상 전류와 제2 동위상 전류는 π/n의 위상차를 가질 수 있다. 즉, 무선 충전 장치(10)가 높은 Q 값을 가지는 2 쌍 이상의 복수의 송신 코일(200)들을 사용하는 경우, 각각의 송신 코일(200)은 송신 인버터(100)에 의해 출력되는 0 도 및 180/n 도의 위상을 가지는 n 개의 전류를 수신할 수 있다.
예를 들어, 2 쌍의 송신 코일들을 사용하는 경우, 무선 충전 장치(10)는 송신 인버터(100)를 통해 한 쌍의 코일에 위상이 0도인 전류를 출력하고, 다른 한 쌍의 코일에는 위상이 90도인 전류를 출력할 수 있다. 이 때, 서로 마주보는 코일의 전류의 방향을 서로 반대 방향이 되도록 배치하면 무선 충전 장치(10)는 직교 성분의 자기장을 생성할 수 있고, 이 자기장은 회전 자계 특성을 가질 수 있다.
따라서, 무선 충전 장치(10)는 코일을 벽면에 마주보게 배치하지 않고 2차원 평면상에 배치하더라도 3차원 공간에 충전 가능 영역을 생성하여 수신 코일의 위치와 방향에 상관없이 무선 충전을 수행할 수 있다.
상술한 바와 같이, 무선 충전 장치(10)는 복수의 송신 코일(200)들을 2차원 평면 상에 배치함에도 불구하고, 무선 충전 장치(10)의 자유도를 보장하여 사용자의 편의성 및 자유로운 무선 충전 환경을 조성할 수 있고, 충전에 필요한 효율을 유지하면서 충전 가능 영역을 확장할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 복수의 송신 코일들이 배치된 예 및 이에 따라 생성되는 3차원 무선 충전 가능 영역을 나타낸다.
도 2를 참조하면, 복수의 송신 코일(210, 230, 250, 및 270)들은 서로 마주보는 코일 쌍에 동위상의 급전이 이루어지며, 서로 직교하는 위치에 코일을 배치할 수 있다. 도 2와 같이 배치된 복수의 송신 코일(210, 230, 250, 및 270)들에 0도 및 90도 위상을 가지는 전류를 인가함으로써 3차원 회전 자계 및/또는 수직 자계를 발생시킬 수 있다.
무선 충전 장치(10)는 평면형으로 코일들(210, 230, 250, 및 270)을 배치하면서도 3차원 충전 가능 영역(400)을 생성할 수 있다. 이에 따라, 무선 충전 장치(10)는 수신 코일(310,330)이 복수의 송신 코일(210, 230, 250, 및 270)들과 수평인 경우뿐만 아니라 수직인 경우에도 무선 충전을 수행할 수 있다.
충전 가능 영역(400)은 복수의 송신 코일(210, 230, 250, 및 270)들이 배치된 2차원 평면에 상응하는 충전 가능 영역과 복수의 송신 코일(210, 230, 250, 및 270)들로부터 발생하는 수직 자계에 상응하는 충전 가능 영역을 포함할 수 있다. 예를 들어, 충전 가능 영역(400)은 반구 형태 또는 원통 형태를 가질 수 있다.
복수의 송신 코일(200)들은 균일하게 배치되어, 충전 가능 영역(400) 내에서 효율 감소 지역을 해소할 수 있다. 2n 개 이상의 복수의 송신 코일(200)들이 균등하게 원형 배치되어 효율 감소 지역을 해소할 수 있고, 이 때, 송신 인버터(100)는 인접한 코일 간에 π/n의 위상차를 가지는 신호를 각각 입력할 수 있다.
예를 들어, 송신 인버터(100)는 어느 한 쌍의 송신 코일들(210 및 230)로 0도의 위상을 가진 전류를 출력하고, 다른 한 쌍의 송신 코일들(250 및 270)로 90도의 위상을 가진 전류를 출력할 수 있다.
또한, 무선 충전 장치(10)는 널포인트(null point)가 발생할 수 있는 복수의 송신 코일(210, 230, 250, 및 270)이 배치된 2차원 평면의 중앙에 기둥을 설치하고, 수신 코일을 기둥에 세워둔 상태로 무선 충전을 수행할 수 있다.
복수의 송신 코일(200)들의 형태는 평면 헤리컬 구조, 입체 헤리컬 구조, 원형 코일, 다격형 코일 및 솔레이노이드를 포함할 수 있다. 예를 들어, 평면 헤리컬 구조를 이용하여 송신 코일의 높이를 매우 낮게 제작할 수 있다.도 2는 복수의 송신 코일(200)들이 4 개인 경우를 예로 설명하였으나, 복수의 송신 코일(200)들의 수는 4개 이상일 수 있다.
도 3은 송신 코일과 수신 코일의 크기에 따른 충전 효율을 설명하기 위한 코일 크기의 예이다.
도 3을 참조하면, 도 3과 같이 하나의 큰 송신 코일을 사용하는 경우, 송신 코일의 크기에 비하여 수신 코일의 크기가 상대적으로 작아서 충전 효율이 심각하게 저하될 수 있다. 따라서, 적당한 효율을 얻기 위해서 송신 코일과 수신 코일의 크기가 큰 차이가 나지 않게 제작할 수 있고, 이 경우 충전 가능 영역(400)은 감소할 수 있다.
도 3과 같이 제작할 경우, 충전 가능 영역(400)이 감소할 뿐만 아니라, 수신 코일을 수직으로 배치하였을 때 충전이 불가능할 수 있다. 이를 방지하기 위해서 도 2와 같이 2차원 평면 상에 동일한 면적을 가지는 복수의 송신 코일들(210, 230, 250 및 270)을 배치하여 충전 효율을 증가시킬 수 있다.
복수의 송신 코일들(210, 230, 250 및 270)의 형태를 타원형이나 직사각형으로 변경하고 송신 코일의 수를 증가시키면 충전 가능 영역(400)을 넓힐 수 있고, 위치에 관계없이 균일한 전송 효율을 달성할 수 있다.
복수의 송신 코일들(210, 230, 250 및 270)이 높은 Q 값 및 높은 인덕턴스 값을 가질 수 있도록 2차원 평면은 자성물질 및 자성 물질 하부에 설치되는 철판 구조를 포함할 수 있다. 예를 들어, 자성 물질은 페라이트를 포함할 수 있다.
도 4는 도 2에 도시된 복수의 송신 코일들에 전류를 인가하는 예를 나타낸다.
도 4를 참조하면, y축 상에 배치된 코일들(210 및 230)은 0도 위상을 갖는 전류를 수신할 수 있고, x축 상에 배치된 코일들(250 및 270)은 90도 위상을 갖는 전류를 수신할 수 있다.
복수의 송신 코일(210, 230, 250, 및 270)들이 배치된 2차원 평면에 수평인 회전 자계는 0도 위상을 갖는 전류에서 90도 위상을 갖는 전류 방향으로 코일들(210, 230, 250 및 270)로부터 발생할 수 있다.
코일이 감긴 방향에 의해 두 송신 코일(210 및 270)에서 전류가 시계 방향으로 흐르는 경우 두 송신 코일(210 및 270)로부터 발생하는 수직 자계는 안으로 향하고, 두 송신 코일(230 및 250)에서 전류가 반시계 방향으로 흐르는 경우 두 송신 코일(230 및 250)로부터 발생하는 수직 자계는 밖으로 향할 수 있다.
즉, 서로 마주보는 송신 코일들(210 및 230)의 수직 자계는 서로 연결되어 2차원 평면에 수직인 자계(예를 들어, 회전 자계)를 생성할 수 있다. 서로 마주보는 송신 코일들(230 및 250)의 수직 자계는 서로 연결되어 2차원 평면에 수직인 자계(예를 들어, 회전 자계)를 생성할 수 있다.
따라서, 복수의 송신 코일들(210, 230, 250 및 270)은 3차원 입체 구조가 아닌 2차원 평면 구조의 코일 배치로도 입체적인 회전 자계를 발생시킬 수 있다.
복수의 송신 코일들(210, 230, 250 및 270)은 입체적인 회전 자계를 통해 수신 코일이 수직, 수평인 경우를 포함하여 충전 가능 영역(400)내에서 모든 위치 및 방향의 수신 코일에 대하여 무선 충전을 수행할 수 있다.
또한, 복수의 송신 코일(200)들의 수를 증가시킴으로써 무선 충전 효율을 증가시킬 수 있다.
도 5는 도 1에 도시된 송신 인버터와 복수의 송신 코일의 연결의 일 예를 나타내고, 도 6은 도 1에 도시된 송신 인버터와 복수의 송신 코일의 연결의 다른 예를 나타낸다.
도 5를 참조하면, 송신 인버터(100)는 복수의 송신 코일들(210, 230, 250 및 270)에 전류를 출력할 수 있다. 송신 인버터(100)는 출력하는 전류의 위상 및 크기를 제어할 수 있다. 송신 인버터(100)는 상이한 위상 및 크기를 가지는 전류를 복수의 송신 코일들(210, 230, 250 및 270) 각각에 선택적으로 출력할 수 있다.
예를 들어, 송신 인버터(100)는 어느 한 쌍의 송신 코일(210 및 230)에 0도의 위상을 가지는 전류를 출력하고, 다른 한 쌍의 송신 코일(250 및 270)에 0도 위상의 전류와 직교하는 90도 위상을 가지는 전류를 출력할 수 있고, 이 때 동일한 크기의 전류를 사용할 수 있다.
송신 인버터(100)는 전류의 크기 및 위상을 적절히 조정하여 일정한 충전 가능 영역(400)에서 균일한 자기장을 생성하거나 특정한 방향에 대해서만 강한 자기장을 생성할 수 있다.
송신 인버터(100)는 Class-D,E,F의 효율이 우수한 증폭기를 사용하여 전류의 위상 및 크기를 제어할 수 있다.
무선 충전 장치(10)는 복수의 송신 코일들(210, 230, 250 및 270)의 공진을 위하여 복수의 송신 코일들(210, 230, 250 및 270) 중 적어도 하나의 송신 코일과 송신 인버터 사이에 배치되는 매칭 캐패시터(510, 530, 550 및 270)를 포함할 수 있다.
송신 인버터(100)는 복수의 송신 코일들(210, 230, 250 및 270) 및 매칭 캐패시터(510, 530, 550 및 270) 간의 공진 주파수보다 낮은 주파수를 매칭 주파수로 사용할 수 있다. 공진 주파수는 동작 주파수를 의미할 수 있다. 예를 들어, 송신 인버터(100)는 공진 주파수 보다 15~20% 낮은 주파수로 매칭하여 복수의 코일들(510, 530, 550 및 270)에 과도한 전류가 흐르거나 송신 인버터(100)가 파열되는 것을 막을 수 있다. 공진 주파수는 140 kHz일 수 있고, 송신 인버터가 사용하는 매칭 주파수는 120kHz 일 수 있다.
복수의 송신 코일들(210, 230, 250 및 270)의 어느 한 쌍의 송신 코일들 및 다른 한 쌍의 송신 코일들 중 적어도 한 쌍의 송신 코일들은 병렬 또는 직렬로 연결될 수 있다.
예를 들어, 도 5에서와 같이 어느 한 쌍의 송신 코일(210 및 230) 및 다른 한 쌍의 송신 코일(250 및 270)을 병렬로 연결할 수 있고, 도 6과 같이 어느 한 쌍의 송신 코일(210 및 230) 및 다른 한 쌍의 송신 코일(250 및 270)을 직렬로 연결할 수 있다. 도 6과 같이 직렬 연결한 경우, 코일의 인덕턴스를 조절하여 도 5의 병렬 연결과 같은 효과를 낼 수 있다.
송신 인버터(100)는 도 5 및 도 6의 연결에서, 자속이 상쇄되지 않는 방향으로 전류의 방향을 설정할 수 있다.
도 7은 도 1에 도시된 복수의 송신 코일이 3 쌍 이상인 경우의 예를 나타낸다.
도 7을 참조하면, 무선 충전 장치(10)는 복수의 송신 코일(200)들 각각의 크기를 감소시키고, 송신 코일의 수를 늘려 코일이 겹쳐지지 않는 면적을 최소화함으로써 충전 효율을 증가시킬 수 있다. 이 경우, 송신 코일의 수는 기하학적 대칭을 이루도록 2n 개를 사용할 수 있다. 이 때, n 개의 송신 코일 쌍에 흐르는 전류는 π/n의 위상차를 가질 수 있다.
도 8은 도 2에 도시된 각 송신 코일 쌍에 동일한 위상의 전류가 흐를 때의 자기장 분포 시뮬레이션의 결과의 예이고, 도 9는 도 2에 도시된 각 송신 코일 쌍에 0도 및 90도 위상의 전류가 흐를 때의 자기장 분포 시뮬레이션 결과의 예이다.
도 8을 참조하면, 송신 인버터(100)가 도 2의 복수의 송신 코일들(210, 230, 250 및 270)에 동일한 위상의 전류를 출력하는 경우에, 복수의 송신 코일들(210, 230, 250 및 270)은 균일한 자기장을 형성하지 않고, 널포인트(null-point)를 발생시켜 충전이 불가능한 지역이 발생할 수 있다.
도 9를 참조하면, 송신 인버터(100)가 어느 한 쌍의 송신 코일들(210 및 230)에 출력하는 전류와, 다른 한 쌍의 송신 코일들(250 및 270)에 출력하는 전류의 위상의 차가 90도를 가질 수 있다.
시뮬레이션 결과, 복수의 송신 코일들(210, 230, 250 및 270)은 송신 인버터(100)가 출력하는 위상이 달라져도, 충전 가능 영역(400) 내에 균일한 자기장(회전 자기장)을 형성할 수 있다. 이 경우, 복수의 송신 코일들(210, 230, 250 및 270)은 널포인트를 발생시키지 않으므로, 무선 충전 장치(10)는 수신기의 방향에 관계없이 무선 충전을 수행할 수 있다.
도 10은 도 2에 도시된 복수의 송신 코일이 발생시키는 자속 밀도(magnetic flux density) 시뮬레이션 결과의 예이다.
도 10을 참조하면, (a)는 송신 인버터(100)가 복수의 송신 코일들(210, 230, 250 및 270)에 동위상 전류를 출력했을 때의 자속 밀도 분포이고, (b)는 송신 인버터(100)가 어느 한 쌍의 송신 코일들(210 및 230)과 다른 한 쌍의 송신 코일들(250 및 270)에 90도의 위상차를 가지는 전류를 출력할 때의 자속 밀도의 분포일 수 있다.
어느 한 쌍의 송신 코일과 다른 한 쌍의 송신 코일에 흐르는 전류가 90도 위상차를 가지는 경우의 자속 밀도가 동위상 전류가 흐르는 경우의 자속 밀도에 비하여 균일한 것을 확인할 수 있다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 컨트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPGA(field programmable gate array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 컨트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
Claims (16)
- 복수의 송신 코일들이 전류를 수신하는 단계; 및
상기 복수의 송신 코일들이 회전 자계와 수직 자계를 이용하여 3차원 무선 충전 가능 영역을 생성하는 단계
를 포함하고,
상기 복수의 송신 코일들은 2차원 평면 상에 원형으로 배치되는
무선 충전 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 수신하는 단계는,
상기 복수의 송신 코일들 중에서 어느 한 쌍의 송신 코일들이 제1 동위상 전류를 수신하는 단계; 및
상기 복수의 송신 코일들 중에서 다른 한 쌍의 송신 코일들이 제2 동위상 전류를 수신하는 단계
를 포함하고,
상기 제1 동위상 전류와 상기 제2 동위상 전류는 서로 상이한 위상을 갖는
무선 충전 방법.
- 제2항에 있어서,
상기 복수의 송신 코일들 각각은 균일한 간격을 가지도록 배치되고, 상기 어느 한 쌍의 송신 코일들 및 상기 다른 한 쌍의 송신 코일들 각각은 대칭을 이루도록 서로 마주보고 배치되는
무선 충전 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 복수의 송신 코일들은,
상기 2차원 평면에 대하여 수직 또는 수평으로 배치되는
무선 충전 방법.
- 제2항에 있어서,
상기 복수의 송신 코일 쌍의 수가 n인 경우에,
상기 제1 동위상 전류와 상기 제2 동위상 전류는 π/n의 위상차를 가지는
무선 충전 방법.
- 제1항에 있어서,
송신 인버터가 상기 복수의 송신 코일들로 출력하는 전류의 크기 및 위상 중에서 적어도 하나를 제어하는 단계
를 더 포함하는 무선 충전 방법.
- 제2항에 있어서,
상기 어느 한 쌍의 송신 코일들 및 상기 다른 한 쌍의 송신 코일들 중 적어도 한 쌍의 송신 코일들은 병렬 또는 직렬로 연결되는
무선 충전 방법.
- 송신 인버터; 및
상기 송신 인버터로부터 출력되는 전류에 응답하여 회전 자계와 수직 자계를 발생시켜 3차원 무선 충전 가능 영역을 생성하는 복수의 송신 코일들
을 포함하고,
상기 복수의 송신 코일들은 2차원 평면 상에 원형으로 배치되는
무선 충전 장치.
- 제8항에 있어서,
상기 송신 인버터는,
상기 복수의 송신 코일들 중에서 어느 한 쌍의 송신 코일들로 제1 동위상의 전류를 출력하고,
상기 복수의 송신 코일들 중에서 다른 한 쌍의 송신 코일들로 제2 동위상의 전류를 출력하고,
상기 제1 동위상 전류와 상기 제2 동위상 전류는 서로 상이한 위상을 갖는
무선 충전 장치.
- 제9항에 있어서,
상기 복수의 송신 코일들 각각은 균일한 간격을 가지도록 배치되고, 상기 어느 한 쌍의 송신 코일들 및 상기 다른 한 쌍의 송신 코일들 각각은 대칭을 이루도록 서로 마주보고 배치되는
무선 충전 장치.
- 제8항에 있어서,
상기 복수의 송신 코일들은,
상기 2차원 평면에 대하여 수직 또는 수평으로 배치되는
무선 충전 장치.
- 제9항에 있어서,
상기 복수의 송신 코일 쌍의 수가 n인 경우에,
상기 제1 동위상 전류와 상기 제2 동위상 전류는 π/n의 위상차를 가지는
무선 충전 장치.
- 제8항에 있어서,
상기 송신 인버터는,
상기 복수의 송신 코일들로 출력하는 전류의 크기 및 위상 중에서 적어도 하나를 제어하는
무선 충전 장치.
- 제9항에 있어서,
상기 어느 한 쌍의 송신 코일들 및 상기 다른 한 쌍의 송신 코일들 중 적어도 한 쌍의 송신 코일들은 병렬 또는 직렬로 연결되는
무선 충전 장치.
- 제8항에 있어서,
상기 복수의 송신 코일들의 공진을 위하여 상기 복수의 송신 코일들 중 적어도 하나의 송신 코일과 상기 송신 인버터 사이에 배치되는 매칭 캐패시터
를 더 포함하는 무선 충전 장치.
- 제15항에 있어서,
상기 송신 인버터는,
상기 복수의 송신 코일들 및 상기 매칭 캐패시터 간의 공진 주파수보다 낮은 주파수를 매칭 주파수로 사용하는
무선 충전 장치.
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