KR20220156902A

KR20220156902A - 무선 전력 전송 시스템에서의 전류 감지

Info

Publication number: KR20220156902A
Application number: KR1020227036534A
Authority: KR
Inventors: 존 엠. 월게무쓰; 벤자민 에이치. 코헨; 다니엘 에스. 핵맨
Original assignee: 모멘텀 다이나믹스 코오퍼레이션
Priority date: 2020-03-20
Filing date: 2021-03-19
Publication date: 2022-11-28
Also published as: EP4121990A1; MX2022011620A; CN115428105A; JP2023526722A; US20210293855A1; CA3175942A1; US11585836B2; EP4121990A4; WO2021188964A1

Abstract

전류 감지 방법은 전류 감지 저항기를 사용하여 복수의 코일 권선들의 서브세트를 통과하는 전류를 측정하고 전압 센서를 사용하여 전류 감지 저항기의 양단의 전압 강하를 측정함으로써 복수의 코인 권선들을 갖는 코일을 통과하는 부분 전류를 측정한다. 측정된 전류 및 전압 값들은 프로세서에 제공되어 코일의 부분 전류 및 위상을 결정한다. 예를 들어, 코일의 부분 전류 및 위상은 코일의 총 전류를

로서 계산함으로써 결정될 수 있으며, 여기서, n은 코일의 코일 권선들의 수이고, V는 측정된 전압이고, Rx는 전류 감지 저항기의 임피던스이다. 코일은 무선 전력 전송 시스템에 사용되는 세컨더리 권선일 수 있다.

Description

무선 전력 전송 시스템에서의 전류 감지

본 개시내용은 전류 측정에 관한 것으로, 보다 특정적으로는, 무선 전력 전송 시스템에서의 전류 측정에 관한 것이다.

공진 유도 무선 충전(resonant induction wireless charging)은 공통 코일 축을 따라 변위된 2개의 동심 코일(concentric coil)로 구성되는 에어 코어 트랜스포머(air core transformer)를 사용한다. 전기 전력은 2개의 전송 코일 사이의 쇄교 자속(magnetic flux linkage)에 의해 전송 장치(즉, 프라이머리 코일(primary coil))로부터 수신 장치(즉, 세컨더리 코일(secondary coil))로 전송된다. 프라이머리 코일에 흐르는 교류는 세컨더리 코일에 교류를 유도한다.

코일들을 구성하기 위한 한 가지 옵션은 Litzendraht(Litz로 알려짐) 와이어 또는 다른 전도성 필라멘트들의 사용이다. Litz 와이어는 고주파 권선들에서 AC 손실들을 감소시키는 주요 이점이 있는 균일한 패턴으로 트위스트(twist)되거나 또는 편조(braid)된 개별 절연 와이어들로 구성된다. 대안적으로는, PCT 특허 출원 제US2018035060호 "WIRELESS POWER TRANSFER THIN PROFILE COIL ASSEMBLY"에 설명된 바와 같이, 코일 컨덕터들은 절연성 유전체 기판(예를 들어, 인쇄 회로 보드)에 적층된 다수의 전도성 트레이스들을 포함할 수 있다.

전기 전류는 움직이는 전하(예를 들어, 전자들)로서 정의된다. 전류는 dq/dt, 또는 전하의 시간 변화율이다. 전기의 전류 흐름의 측도(measure)는 암페어(ampere)로 표시된다. 단위 암페어(A)는 초당 1쿨롱의 전하 흐름과 동일한 것으로서 정의된다. 전기 회로의 전류 측정은 직접적으로(예를 들어, 감지 저항기(sense resistor) 사용) 또는 간접적으로(예를 들어, 홀-효과 센서(Hall-effect sensor) 또는 유도성 센서(inductive sensor) 사용) 달성될 수 있다.

무선 전력 전송 시스템의 동작에 악영향을 미치지 않으면서 무선 전력 전송 시스템들에 존재할 수 있는 고전류들에 대한 전류 측정 디바이스를 제공하는 것이 바람직하다.

본 발명 대상의 실시예들에 대한 다양한 세부사항들은 첨부 도면들 및 아래의 상세한 설명 텍스트에서 제공된다.

샘플 실시예들에서, 복수의 코일 권선들(예를 들어, Litz 와이어, 인쇄 회로 보드 트레이스들, 또는 전도성 필라멘트들)을 갖는 코일을 통해 전류를 측정하기 위한 전류 감지 디바이스가 제공된다. 코일 권선들은 임피던스 정합되고, 상호 인덕턴스를 통해 서로 밀접하게(tightly) 결합된다. 전류 감지 디바이스는 복수의 코일 권선들의 서브세트에 연결되어 복수의 코일 권선들의 서브세트를 통과하는 전류를 측정하는 전류 감지 저항기(current sensing resistor), 전류 감지 저항기의 양단(across)의 전압 강하를 측정하는 전압 센서, 및 측정된 전류 및 전압으로부터 코일의 부분(fractional) 전류 및 위상을 결정하는 프로세서를 포함한다. 샘플 실시예들에서, 코일은 무선 전력 전송 시스템(유도성 시스템(inductive system) 및 용량성 결합 시스템(capacitively coupled system))에 사용되는 세컨더리 권선이고, 무선 전력 전송 시스템은 세컨더리 권선의 교류를 부하에 인가하기 위한 직류로 컨버팅하는 정류기를 포함한다. 전압 센서에 의해 측정된 전압을 디지털화하고, 측정된 전압을 프로세서에 제공하기 위해 아날로그 대 디지털 컨버터가 또한 제공될 수 있다.

샘플 응용들에서, 프로세서는 세컨더리 권선을 통과하는 총 전류 I를

로서 결정하며, 여기서, n은 세컨더리 권선의 코일 권선들의 수이고, V는 측정된 전압이고, R은 전류 감지 저항기의 저항이고, L은 세컨더리 권선의 인덕턴스이고, f는 세컨더리 권선의 교류의 주파수이다. 대안적으로, 프로세서는 세컨더리 권선을 통과하는 총 전류 I를

으로서 결정할 수 있으며, 여기서, Vn은 각각의 세컨더리 권선에 대해 측정된 전압이고, Rn은 각각의 세컨더리 권선의 각각의 전류 감지 저항기에 대한 저항이고, n은 샘플링된 코일 권선들의 수이고, m은 코일의 코일 권선들의 총 수이다. 프로세서는 코일의 총 전류를

로서 계산함으로써 코일의 부분 전류 및 위상을 결정하며, 여기서, n은 코일의 코일 권선들의 수이고, V는 측정된 전압이고, Rz는 전류 감지 저항기의 임피던스이다.

샘플 실시예들에서, 감지 저항기는 값

를 가지며, 여기서,

이고, L은 세컨더리 권선의 인덕턴스이고, f는 세컨더리 권선의 교류의 주파수이다. 예를 들어,

이며, 여기서, n은 코일의 코일 권선들의 수이다.

복수의 코일 권선들을 포함하는 코일을 통과하는 전류를 측정하는 방법이 또한 제공된다. 방법은 전류 감지 저항기를 사용하여 복수의 코일 권선들의 서브세트를 통과하는 전류를 측정하는 단계, 전류 감지 저항기의 양단의 전압 강하를 측정하는 단계; 및 측정된 전류 및 전압으로부터 코일의 부분 전류 및 위상을 결정하는 단계를 포함한다. 방법은, 코일이 무선 전력 전송 시스템에 사용되는 세컨더리 권선이고, 무선 전력 전송 시스템은 세컨더리 권선의 교류를 부하에 인가하기 위한 직류로 컨버팅하는 정류기를 포함하는 실시예들에서 구현될 수 있다. 방법은 측정된 전압을 디지털화하고, 측정된 전압을, 코일의 부분 전류 및 위상을 결정하고 정류기의 동작을 제어하는 정류기 제어기에 제공하는 단계를 추가로 포함한다.

방법의 샘플 실시예들에서, 방법은 세컨더리 권선을 통과하는 총 전류 I를

로서 계산하는 단계를 포함하며, 여기서, n은 세컨더리 권선의 코일 권선들의 수이고, V는 측정된 전압이고, R은 전류 감지 저항기의 저항이고, L은 세컨더리 권선의 인덕턴스이고, f는 세컨더리 권선의 교류의 주파수이다. 방법은 세컨더리 권선을 통과하는 총 전류 I를

으로서 계산하는 단계를 추가로 포함할 수 있으며, 여기서, Vn은 각각의 샘플링된 세컨더리 권선에 대해 측정된 전압이고, Rn은 각각의 샘플링된 세컨더리 권선의 각각의 전류 감지 저항기에 대한 저항이고, n은 샘플링된 코일 권선들의 수이고, m은 코일의 코일 권선들의 총 수이다. 방법은 또한 코일의 총 전류를

로서 계산하는 단계를 포함할 수 있으며, 여기서, n은 코일의 코일 권선들의 수이고, V는 측정된 전압이고, Rz는 전류 감지 저항기의 임피던스이다.

방법은 전류 감지 저항기가 (a) 측정된 전류가 복수의 코일 권선들로 리턴할 때 이위상 감산(out-of-phase subtraction)을 방지하기 위해 인덕턴스를 제한하는 것 및/또는 (b) 가열 및 전력 손실을 최소로 유지하면서 인덕턴스의 영향을 감소시키는 것을 하도록 선택하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 샘플 실시예들에서, 전류 감지 저항기는 값

를 갖도록 선택되며, 여기서,

이고, L은 세컨더리 권선의 인덕턴스이고, f는 세컨더리 권선의 교류의 주파수이다. 예를 들어, R은

가 되도록 선택될 수 있으며, 여기서, n은 코일의 코일 권선들의 수이다.

이 요약 섹션은 본 발명 대상의 양태들을 단순화된 형태로 소개하기 위해 제공되며, 본 발명 대상의 추가 설명은 상세한 설명의 텍스트에서 이어진다. 이 요약 섹션은 청구되는 대상의 본질적인 또는 필수 피처들을 식별하도록 의도되지 않고, 이 요약 섹션에 나열된 요소들의 특정 조합 및 순서는 청구되는 대상의 요소들에 대한 제한을 제공하도록 의도되지 않는다. 오히려, 다음의 섹션은 아래의 상세한 설명에서 설명되는 실시예들 중 일부의 것의 요약된 예들을 제공한다는 것이 이해될 것이다.

본 발명의 상기 및 기타 유익한 피처들 및 이점들은 첨부된 도면들과 관련하여 다음의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1은 샘플 실시예에서 무선 전력 송신 시스템에서의 전류 측정을 개략적으로 예시한다.
도 2는 샘플 실시예에서 전류 측정들을 사용하는 무선 전력 전송 시스템을 기능적으로 예시한다.
도 3은 샘플 실시예에서 전류 측정 하드웨어를 예시한다.

본 명세서에 설명된 무선 전력 송신을 위한 전류 감지 및 연관된 방법은 본 개시내용의 일부를 형성하는 첨부 도면들 및 예들과 관련하여 취해진 다음의 상세한 설명을 참조하여 더 쉽게 이해될 수 있다. 이 설명은 본 명세서에 설명 및/또는 도시된 특정 제품들, 방법들, 조건들 또는 파라미터들로 제한되지 않고, 또한 본 명세서에 사용된 용어는 단지 예로서 특정 실시예들을 설명하기 위한 목적이며 임의의 청구 대상을 제한하는 것으로 의도되지 않는다는 점이 이해되어야 한다. 유사하게, 가능한 메커니즘 또는 액션 모드 또는 개선에 대한 이유에 대한 임의의 설명은 단지 예시적인 것으로 의미되며, 본 명세서에 설명된 대상은 임의의 이러한 제안된 메커니즘 또는 액션 모드 또는 개선에 대한 이유의 정확성 또는 부정확성에 의해 제한되지 않는다. 이 텍스트 전반에서, 설명들은 방법들 및 이러한 방법들을 구현하기 위한 시스템들/소프트웨어 모두를 참조한다는 것이 인식된다.

예시적인 실시예들의 상세한 설명은 이제 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명될 것이다. 이 설명은 가능한 구현들의 상세한 예를 제공하지만, 이러한 세부 사항들은 예시적인 것으로 의도되며 본 발명 대상의 범위를 제한하지 않는다는 점에 유의해야 한다.

간접적인 전류 감지(indirect current sensing)는 전형적으로 100A-1000A 범위의 부하 전류들을 갖는 회로들에 사용된다. 간접적인 전류 감지는 측정 중인 컨덕터로부터 갈바닉 분리(galvanic isolation)를 허용한다. 홀-효과 기반 센서를 사용할 때, 센서는 애노드와 부하 사이에 설치된다. 홀 효과 센서는 로렌츠 힘(자기장을 통해 이동하는 전자에 가해지는 힘)을 사용하여 전기 컨덕터의 전류 및 전류에 수직으로 인가된 자기장을 가로질러 컨덕터의 양단의 전압 차이(홀 전압(Hall voltage))를 생성하여 교류(alternating current)(AC) 및 직류(direct current)(DC) 흐름을 결정한다. 유도 전류 센서(inductive current sensor) 또는 전류 감지 트랜스포머(current sense transformer)는 전도성 와이어가 프라이머리로서 작용하고 전압 출력이 세컨더리로서 작용하는 패러데이의 유도 법칙을 사용하여 생성된 자속에 기초하여 전도성 와이어의 교류(AC)를 측정한다.

고임피던스 부하가 있는 고전력에서, 무선 전력 전송(wireless power transfer)(WPT) 시스템은 항상 전류 소스(즉, AC 전압 제어 전류 소스)일 것이므로, 또한 고전력 WPT 시스템들은 표유 자속(stray magnetic flux)을 발생시킬 것이므로, 간접적인 측정 기법들 및 기술들의 사용은 특히 능동 정류기(active rectifier)의 폐쇄 제어 루프의 일부로서 문제가 된다.

전류 측정의 직접적인 방법은 감지 저항기를 사용하는 것이다. 명목상 작은 옴 값을 갖는 저항기인 감지 저항기는 전형적으로 회로 접지 또는 배터리 캐소드에 가까이, 회로 네트워크와 인-라인(in-line)으로 배치된다. 그런 다음, 감지 저항기를 통과하는 총 전류는 저항기의 양단의 전압 강하를 측정하고 전류를

로서 계산함으로써 측정되며, 여기서, i(t)는 시간의 함수로서의 전류(암페어)이고, v(t)는 시간의 함수로서의 감지 저항기의 양단의 전압(볼트)이고, R은 감지 저항기의 저항(옴)이다. (감지 저항기의 전력 손실(power loss)은 저항에 비례하기 때문에) 감지 저항기는 부하에 대한 전력 전달의 과도한 가열 및 섭동(perturbation)을 피하기 위해 최소 저항을 갖도록 선택된다.

교류 시스템들의 경우, 예를 들어, 자기 공명-기반 WPT 시스템에서의 사용의 경우, 선택된 감지 저항기는 동일한 이유들로 인해 총 임피던스의 최소 리액턴스 컴포넌트를 가져야 한다. 해당 주파수에서 정확한 AC 신호 측정(예를 들어, 전류, 주파수, 위상)에 대한 요구 사항은 저항에 비해 작아야 하는 리액턴스에 대한 요구 사항을 유발한다.

전체 AC 전류를 측정하기 위해 고전류 시스템(예를 들어, 125Amps RMS 이상)에서 전류 감지 저항기를 사용하는 것은 전력 소실(power dissipation) 가열로 인해 금지된다. 또 다른 이슈는 피할 수 없는 큰 인덕턴스를 생성하지 않고 해당 전류를 핸들링할 수 있을 만큼 물리적으로 충분히 큰 저항기를 구성하는 것에 대한 물리학이다. 그러면, 추가 기생 인덕턴스가 정확한 측정을 위해 AC 신호에 너무 많은 위상각(phase angle)을 추가할 수 있다.

그러나, 세컨더리의 코일 권선들의 멀티-컨덕터 구성을 활용하여 낮은 옴 정격(Ohm rating)을 갖는 저항기를 통해 연결되는 컨덕터들의 서브세트를 분리하는 부분 전류 감지 방법(fractional current sensing method)이 WPT 시스템에 대해 구성될 수 있다. 컨덕터 전류가 매우 작은 값의 저항기(고유한 기생 인덕턴스 포함)를 통과하고, 전압 강하가 저항기의 양단에서 측정되어 부분 전류 및 위상을 결정한다.

전류 감지 저항기는 저렴하고 WPT 시스템에 의해 발생된 표유 자속이 존재하는 경우에도 신뢰성을 유지한다. 그러나, 전류 감지 저항기는 (일부 자기-인덕턴스(self-inductance)가 있는 것이지만) 저항성 요소이기 때문에, 그것이 발생시키는 열이 통과하는 전류의 제곱에 비례하므로, WPT 시스템에 사용되는 것과 같은 고전류 전력 공급기에서 그것의 유용성을 제한한다. 그러나, 자기 코일의 멀티-요소 구성을 활용함으로써, 단일 컨덕터에 배치된 감지 저항기는 과도한 열을 발생시키지 않고 또한 전체 시스템의 전력 전달 능력들에도 영향을 미치지 않으면서 부분 전류의 측정을 생성할 수 있다. 이 부분 전류 측정은 제어 시스템(예를 들어, 능동 정류 시스템 및 전력 제어 피드백)에 대한 정확한 전류 측정 및 곱셈(multiplication)을 통한 정확한 위상 측정을 제공한다.

실제로, 임의의 저항기는 불가피한 기생 인덕턴스를 포함한다. 이 인덕턴스는 출력의 위상 시프트로 이어진다. 측정된 컨덕터는 밀접하게 결합된 병렬 컨덕터들의 번들로 리턴되고 상호 인덕턴스를 통해 총 전류 부하를 공유하므로, 전력 감소가 단지 저항 가열 손실의 것보다 훨씬 더 클 수 있다.

저항기 구성은 다양하기 때문에, 낮은 인덕턴스 모델이 선택될 수 있다. 전달된 전력(및 소산 가열)에 대한 저항기의 영향은 컨덕터들의 총 수에 대한 감지된 컨덕터들의 비율(fraction)에 의해 감소되기 때문에, 부분 전류 측정 시스템에서는, 자기-인덕턴스 컴포넌트의 상대적인 영향을 감소시키기 위해 (상대적으로) 더 큰 옴의 저항기가 선택될 수 있다. 더 큰 저항기의 값은 또한 더 정확한 전압 및 이에 따른 부분 전류 레벨 및 전류 위상 감지를 위한 더 큰 동적 전압 범위를 생성한다.

샘플 실시예들에서, 감지 저항기는 가열 및 전력 손실을 최소로 유지하면서 인덕터의 영향을 감소시키기 위해 인덕턴스를 제한하거나 또는 높지만 여전히 상대적으로 낮은 값을 사용하도록 선택된다. 더 높은 저항은 더 정확한 전류 감지로 이어지는 전압에 더 높은 동적 범위를 제공한다. 인덕턴스는 또한 측정된 전류가 밀접하게 결합된 컨덕터들의 번들로 리턴할 때 이위상 감산을 방지하기 위해 제한된다.

도 1

도 1에서, 다수의 컨덕터들(예를 들어, Litz 와이어, 인쇄 회로 보드 트레이스들, 또는 전도성 필라멘트들)이 WPT 시스템(예를 들어, 유도성 시스템, 자기 공명 결합 유도성 시스템, 또는 심지어 용량성 결합 시스템)의 세컨더리 코일에 사용된다. 세컨더리(101)는 각각이 그 자신의 컨덕터(105)를 갖는 독립 전류 공급기들의 뱅크로서 회로에 나타난다. 각각의 컨덕터(105)는 임피던스 정합되고, 상호 인덕턴스를 통해, 다른 컨덕터들(105)과 밀접하게 결합된다. 도 1은 단지 예시의 목적들을 위해 10개의 컨덕터(105)를 사용한다. 부하(106)에는 개별 컨덕터들(105)을 단일 컨덕터 또는 전력 버스로 결합하는 전력 버스(107)를 통해 세컨더리(101)로부터 전력이 공급된다. 회로는 부하(106)로부터 세컨더리(101)로의 리턴 전기 버스(108)에 의해 완성된다.

전류 측정은 전류 감지 저항기(102)를 통해 연결되는 독립 컨덕터들(105)의 서브세트(이 예에서는 단일 컨덕터(109))를 선택함으로써 달성된다. 전류 감지 저항기(102)는 저항성 임피던스 컴포넌트(리액턴스)(103)뿐만 아니라 유도성 임피던스 컴포넌트(104)를 모두 포함한다. 전압 센서(107)는 전류 감지 저항기(102)의 양단의 전압 강하를 판독한다.

전압 센서 판독들(107) 및 저항기(102)의 임피던스가 전류를 도출하는 데 사용된다. 임피던스가 정합되고, 밀접하게 결합된 컨덕터들(105)이 세컨더리(101)에 의해 생성된 전류를 공유하므로, 부하(106)에 전달되는 총 전류가 계산될 수 있다. 예를 들어, 단일 컨덕터(109)가 측정될 때, 총 전류는

이며, 여기서, n은 컨덕터들의 수이고(예를 들어, 단일 컨덕터의 경우, n=1), V는 감지 저항기(102)의 양단에서 측정된 전압이고, Rz는 감지 저항기(102)의 임피던스이다.

도 2

도 2에는, 샘플 실시예에서 전류 측정과 함께 자기 유도를 사용하는 직류 배터리 충전 회로에 대한 고레벨 개략도가 도시되어 있다. 수신기(201) 또는 세컨더리는 다수의 권선들(202)을 갖는 세컨더리 코일로 구성된다. 수신기(201)는 유도성, 공진 유도성 또는 용량성일 수 있다. 수신기(201)는 송신기(도시되지 않음)로부터의 자기장을 교류 전류로 컨버팅한다. 공진 네트워크(201)에 의해 전개된 교류(208)는 부하(203)에 전력을 공급하는 데 사용된다. 부하의 제1 스테이지는 교류를 배터리(206)(배터리는 습식, 건식, 솔리드 상태, 용량성 또는 하이브리드(예를 들어, 용량성 컴포넌트를 갖는 배터리)일 수 있음)를 충전하는 데 필요한 직류로 컨버팅하는 데 사용될 수 있는 수동(다이오드-기반) 또는 능동(스위치-기반) 정류기(204)이다. 배터리(206)를 충전하기 위해, 정류된 DC 신호는 평활화되고 컨디셔너 회로망(conditioner circuitry)(205)에 의해 레벨-컨버팅될 수 있다.

전류 센서(209)는 수신기(201)에 의해 전개된 교류(208)를 모니터링하는 데 사용된다. 전류 레벨, 주파수, 및 위상이 제어기(207)에 보고된다. 제어기(207)는 전기 신호 특성들을 디스플레이들, 폐쇄 루프 제어 시스템들, 안전 시스템(safety system)들, 및 능동 정류 제어 스위칭과 같은 보조 시스템들에 보고할 수 있다.

도 3

도 3은 전류 감지 저항기(301)를 사용하는 전류 센서의 예시적인 실시예를 도시한다. 전류 감지 저항기(301)는 저항성(옴)(302) 및 유도성(303) 임피던스 컴포넌트들을 모두 갖는다. 이 예에서, 아날로그-대-디지털 컨버터(ADC)(304)가 전류 감지 저항기(301)의 양단에서 생성된 전압을 디지털화하는 데 사용된다. ADC(304)는 디지털 인터페이스(305)를 사용하여 능동 정류 제어기(207)와 같은 다른 시스템들에 연결된다. 능동 정류 제어기(207)는 본 명세서에 설명된 바와 같이 측정된 값들로부터 전류를 계산하는 프로세서를 포함할 수 있다.

예로서, 단일 컨덕터가 측정되는 60개의 전도성 요소 수신기가 있는 WPT 시스템의 경우, 측정된 컨덕터를 통과하는 전류는

일 것이며, 여기서, i는 단일 컨덕터 전류(암페어)이고, V는 측정된 전압(볼트)이고, R2는 저항 값(옴)이고, L은 세컨더리 코일의 인덕터 값(헨리)이고, f는 AC 신호의 주파수(헤르츠)이다.

대안적인 실시예 - 다수의 병렬 전류 감지

단일 컨덕터 전류(i)가 계산되면, 시스템 전류 레벨을 결정하기 위해 전류에 밀접하게 결합된 컨덕터들의 수가 곱해진다. 다시 말해서, 전류는

일 것이며, 여기서, n은 컨덕터들의 수이다. 다수의 컨덕터들이 측정되는 경우, 개별 측정된 전류들의 합이 평균화된다. 그런 다음, 이 컨덕터당 평균 전류에 밀접하게 결합된 컨덕터들의 수를 곱하여 총 시스템 전류 레벨을 결정한다.

가장 단순한 경우에는, 부분 전류 감지를 위해 단일 컨덕터가 밀접한 유도성 코일 권선들로부터 분리된다. 일부 경우들에서는, 각각이 그 자신의 전류 감지 저항기를 갖는 다수의 컨덕터들이 감지될 수 있다. 다수의 컨덕터들의 경우에, 감지된 전류는 평균화된 다음, 다음과 같이 곱해지며,

여기서, i(total)은 시스템 전류이고, Vn은 컨덕터들 1 내지 n의 샘플링된 전압이고, Rn은 각각의 저항기에 대한 전류 저항기들 임피던스이고, n은 샘플링된 컨덕터들의 수이고, m은 컨덕터들의 총 수이다.

대안적인 실시예 - 알려지지 않은 기생 유도(Parasitic Induction)

고전력(즉, 고전류) 시스템들의 경우, 전체 교류를 감지하기 위해 단일 전류 감지 저항기를 사용하는 것은 해당 저항기의 (가열을 통한) 전력 소실로 인해 바람직하지 않다. 이 가열은 임의의 작은 값의 저항기를 사용함으로써 완화될 수 있다. 그러나, 저항 값이 너무 작아지면, 감지 저항기의 임피던스가 리액턴스, 즉, 감지 저항기의 기생 인덕턴스(parasitic inductance)에 의해 지배되기 시작한다. 이 리액턴스 우세는 원치않은 위상 시프트들로 이어지고, 다음과 같은 교류의 측정의 크기에도 영향을 미친다.

여기서, v(t)는 전압이고, i(t)는 전류이고, R은 감지 저항기의 옴 값이고, L은 감지 저항기에 고유한 인덕턴스이고, f는 AC 신호의 주파수이다.

전압 v(t)는 측정 시스템(예를 들어, 도 3 참조)에 의해 측정되는 양이므로, 라디칼(radical) 하의 양이 증가하는 경우, 감지된 전압 v(t)가 증가할 것이라는 점을 조사에 의해 알 수 있다. 따라서,

인 감지 저항기의 경우(여기서,

임), 전류가 계산되는 감지된 전압은 인덕턴스에 의해 지배될 것이다. 정확한 인덕턴스가 알려지지 않은 경우, 정확한 전류를 계산하는 것은 거의 불가능하다. 그러나, 밀접하게 결합된 병렬 컨덕터들의 부분 전류 감지 시스템 및 방법은 R이

가 되도록 함으로써 이 문제를 우회한다.

예를 들어, n=60개의 컨덕터의 경우, 총 전류의 1/60(전체의 단일 컨덕터)을 감지할 때, 감지 저항기의 저항은 단일 감지 저항기를 사용하여 총 전류를 감지하는 경우보다 60배 더 클 수 있다. 보다 일반적으로는,

이며, 여기서, n은 코일의 코일 권선들의 수이다. 이것은 물론 감지 저항기의 전력 소실이 일정하게 유지된다고 가정한다.

부분 감지(fractional sensing) 개념의 이점은,

에서, 위상각이 0에 매우 가까울 뿐만 아니라, 전압 신호의 진폭이 임피던스의 실수 성분, 즉, 옴 저항에 의해 지배된다는 것이다. 따라서, 실질적으로 말해서, 저항 컴포넌트가 유도성 컴포넌트에 의해 생성된 리액턴스보다 훨씬 큰 한, 정확한 전압 측정(및 이에 따른 전류 레벨, 위상 및 주파수)를 계산하기 위해 감지 저항기의 정확한 기생 인덕턴스를 알 필요가 없다.

결론

다양한 구현들이 위에서 설명되었지만, 이들은 단지 예로서 제시되었고 제한이 아님을 이해하여야 한다. 예를 들어, 위에서 설명된 시스템들 및 방법들과 연관된 요소들 중 임의의 것은 여기서 설명된 원하는 기능성 중 임의의 것을 채택할 수 있다. 따라서, 선호되는 구현의 폭과 범위는 위에서 설명된 샘플 구현들 중 임의의 것에 의해 제한되어서는 안된다.

본 명세서에서 논의된 바와 같이, 본 명세서에 설명된 방법들의 양태들을 구현하는 로직, 커맨드들, 또는 명령어들은 컴퓨팅 시스템, 예를 들어, 데스크탑 또는 노트북 개인용 컴퓨터들, 모바일 디바이스들, 예를 들어, 태블릿들, 넷북들, 및 스마트폰들, 클라이언트 단말들 및 서버-호스팅 머신 인스턴스들 등에 대한 임의의 수의 폼 팩터들을 포함하여 컴퓨팅 시스템에 제공될 수 있다. 본 명세서에서 논의된 다른 실시예는 본 명세서에서 논의된 기법들을, 이러한 기법들의 기능들을 수행하기 위한 개개의 수단을 갖는 장치를 포함하여, 다른 형태들의 프로그래밍된 로직, 하드웨어 구성들, 또는 특수화된 컴포넌트들 또는 모듈들로를 포함하여 다른 형태들로 통합하는 것을 포함한다. 이러한 기법들의 기능들을 구현하는 데 사용되는 개개의 알고리즘들은 본 명세서에 설명된 전자 동작들의 일부 또는 전부의 시퀀스, 또는 첨부 도면들 및 아래의 상세한 설명에 도시된 다른 양태들을 포함할 수 있다. 본 명세서에 설명된 방법들을 구현하기 위한 이러한 시스템들 및 이를 위한 명령어들을 포함하는 컴퓨터 판독가능 매체들 또한 샘플 실시예들을 구성한다.

본 명세서에 설명된 제어기(207)의 모니터링 및 제어 기능들은 일 실시예에서 소프트웨어로 구현될 수 있다. 소프트웨어는 컴퓨터 판독가능 매체들 또는 컴퓨터 판독가능 저장 디바이스, 예를 들어, 로컬이거나 또는 네트워크화된 하나 이상의 비일시적 메모리 또는 다른 유형의 하드웨어-기반 저장 디바이스들에 저장된 컴퓨터 실행가능 명령어들로 구성될 수 있다. 또한, 이러한 기능들은 소프트웨어, 하드웨어, 펌웨어, 또는 이들의 임의의 조합일 수 있는 모듈들에 대응한다. 다수의 기능들은 원하는 대로 하나 이상의 모듈에서 수행될 수 있으며, 설명된 실시예들은 단지 예들에 불과하다. 소프트웨어는 디지털 신호 프로세서, ASIC, 마이크로프로세서, 또는 개인용 컴퓨터, 서버, 또는 기타 컴퓨터 시스템과 같은 컴퓨터 시스템에서 동작하는 다른 유형의 프로세서에서 실행되어, 이러한 컴퓨터 시스템을 특별히 프로그래밍된 머신으로 전환할 수 있다.

본 명세서에 설명된 예들은 프로세서들, 로직, 또는 다수의 컴포넌트들, 모듈들, 또는 메커니즘들(여기서는 "모듈들")을 포함할 수도 있고, 또는 이들에서 동작할 수도 있다. 모듈들은 지정된 동작들을 수행할 수 있는 유형의(tangible) 엔티티들(예를 들어, 하드웨어)이며, 특정 방식으로 구성 또는 배열될 수 있다. 예에서, 회로들은 모듈로서 지정된 방식으로 (예를 들어, 내부적으로 또는 다른 회로들과 같은 외부 엔티티들에 대해) 배열될 수 있다. 예에서, 하나 이상의 컴퓨터 시스템(예를 들어, 독립형, 클라이언트 또는 서버 컴퓨터 시스템) 또는 하나 이상의 하드웨어 프로세서의 전체 또는 부분은 지정된 동작들을 수행하도록 동작하는 모듈로서 펌웨어 또는 소프트웨어(예를 들어, 명령어들, 애플리케이션 일부, 또는 애플리케이션)에 의해 구성될 수 있다. 예에서, 소프트웨어는 머신 판독가능 매체에 상주할 수 있다. 소프트웨어는, 모듈의 기본 하드웨어에 의해 실행될 때, 하드웨어로 하여금, 지정된 동작들을 수행하게 한다.

따라서, 용어 "모듈"은 유형의 하드웨어 및/또는 소프트웨어 엔티티를 포괄하거나, 지정된 방식으로 동작하거나 또는 본 명세서에 설명된 임의의 동작의 부분 또는 전체를 수행하도록 물리적으로 구성되거나, 구체적으로 구성되거나(예를 들어, 하드와이어드), 또는 임시적으로(temporarily)(예를 들어, 일시적으로(transitorily)) 구성되는(예를 들어, 프로그래밍되는) 엔티티인 것으로 이해된다. 모듈들이 임시적으로 구성되는 예들을 고려할 때, 모듈들 각각은 임의의 한 시간 순간에 인스턴스화될 필요가 없다. 예를 들어, 모듈들이 소프트웨어를 사용하여 구성되는 범용 하드웨어 프로세서를 포함하는 경우, 범용 하드웨어 프로세서는 상이한 시간들에 개개의 상이한 모듈들로서 구성될 수 있다. 따라서, 소프트웨어는, 예를 들어, 한 시간 인스턴스에서 특정 모듈을 구성하고 상이한 시간 인스턴스에서 상이한 모듈을 구성하도록 하드웨어 프로세서를 구성할 수 있다.

본 기술분야의 통상의 기술자들은 본 명세서에 설명된 토폴로지 및 회로 구현 방법론이 단일 애플리케이션 특정 집적 회로로서 효과적인 실현을 가능하게 한다는 것을 이해할 것이다. 또한, 본 명세서에 포함된 개시내용은 차량들에 전기 전력을 제공하는 것에 관한 것이지만, 이것은 많은 가능한 응용들 중 하나일 뿐이며 비-차량 응용들을 포함하는 다른 실시예들도 가능하다는 것이 이해되어야 한다. 예를 들어, 본 기술분야의 통상의 기술자들은 칫솔들, 셀룰러 전화들, 및 기타 디바이스들을 충전하는 데 사용되는 것들(예를 들어, PowerMat™)과 같은 휴대용 소비자 전자 디바이스 충전기들과 같은 비-차량 유도성 충전 응용들에 전류 소스 안전 회로를 제공하는 많은 응용들이 있음을 이해할 것이다. 따라서, 이들 및 기타 그러한 응용들은 다음 청구범위의 범위 내에 포함된다.

Claims

복수의 코일 권선들을 포함하는 코일을 통과하는 전류를 측정하는 방법으로서,
전류 감지 저항기(current sensing resistor)를 사용하여 상기 복수의 코일 권선들의 서브세트를 통과하는 전류를 측정하는 단계;
상기 전류 감지 저항기의 양단(across)의 전압 강하를 측정하는 단계; 및
상기 측정된 전류 및 전압으로부터 상기 코일의 부분(fractional) 전류 및 위상을 결정하는 단계
를 포함하는, 방법.
제1항에 있어서, 상기 코일은 무선 전력 전송 시스템에 사용되는 세컨더리 권선(secondary winding)이고, 상기 무선 전력 전송 시스템은 상기 세컨더리 권선의 교류를 부하에 인가하기 위한 직류로 컨버팅하는 정류기를 포함하는, 방법.
제2항에 있어서, 상기 측정된 전압을 디지털화하고, 상기 측정된 전압을, 상기 코일의 부분 전류 및 위상을 결정하고 상기 정류기의 동작을 제어하는 정류기 제어기에 제공하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
제3항에 있어서, 상기 세컨더리 권선을 통과하는 총 전류 I를
로서 계산하는 단계를 추가로 포함하며, n은 상기 세컨더리 권선의 코일 권선들의 수이고, V는 상기 측정된 전압이고, R은 상기 전류 감지 저항기의 저항이고, L은 상기 세컨더리 권선의 인덕턴스이고, f는 상기 세컨더리 권선의 교류의 주파수인, 방법.
제3항에 있어서, 상기 세컨더리 권선을 통과하는 총 전류 I를
으로서 계산하는 단계를 추가로 포함하며, Vn은 각각의 샘플링된 세컨더리 권선에 대해 측정된 전압이고, Rn은 각각의 샘플링된 세컨더리 권선의 각각의 전류 감지 저항기에 대한 저항이고, n은 샘플링된 코일 권선들의 수이고, m은 상기 코일의 코일 권선들의 총 수인, 방법.
제3항에 있어서, 상기 코일의 총 전류를
로서 계산하는 단계를 추가로 포함하며, n은 상기 코일의 코일 권선들의 수이고, V는 상기 측정된 전압이고, Rz는 상기 전류 감지 저항기의 임피던스인, 방법.
제1항에 있어서, 상기 전류 감지 저항기가 (a) 측정된 전류가 상기 복수의 코일 권선들로 리턴할 때 이위상 감산(out-of-phase subtraction)을 방지하기 위해 인덕턴스를 제한하는 것 및 (b) 가열 및 전력 손실을 최소로 유지하면서 인덕턴스의 영향을 감소시키는 것 중 적어도 하나를 하도록 선택하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
제2항에 있어서, 상기 전류 감지 저항기가 값
를 갖도록 선택하는 단계를 추가로 포함하며,
이고, L은 상기 세컨더리 권선의 인덕턴스이고, f는 상기 세컨더리 권선의 교류의 주파수인, 방법.
제8항에 있어서,
이며, n은 상기 코일의 코일 권선들의 수인, 방법.
복수의 코일 권선들을 포함하는 코일을 통과하는 전류를 측정하기 위한 전류 감지 디바이스로서,
상기 복수의 코일 권선들의 서브세트에 연결되어 상기 복수의 코일 권선들의 서브세트를 통과하는 전류를 측정하는 전류 감지 저항기;
상기 전류 감지 저항기의 양단의 전압 강하를 측정하는 전압 센서; 및
상기 측정된 전류 및 전압으로부터 상기 코일의 부분 전류 및 위상을 결정하는 프로세서
를 포함하는, 디바이스.
제10항에 있어서, 상기 코일은 무선 전력 전송 시스템에 사용되는 세컨더리 권선이고, 상기 무선 전력 전송 시스템은 상기 세컨더리 권선의 교류를 부하에 인가하기 위한 직류로 컨버팅하는 정류기를 포함하는, 디바이스.
제11항에 있어서, 상기 전압 센서에 의해 측정된 전압을 디지털화하고, 상기 측정된 전압을 상기 프로세서에 제공하는 아날로그 대 디지털 컨버터를 추가로 포함하는, 디바이스.
제12항에 있어서, 상기 프로세서는 상기 세컨더리 권선을 통과하는 총 전류 I를
로서 결정하며, n은 상기 세컨더리 권선의 코일 권선들의 수이고, V는 상기 측정된 전압이고, R은 상기 전류 감지 저항기의 저항이고, L은 상기 세컨더리 권선의 인덕턴스이고, f는 상기 세컨더리 권선의 교류의 주파수인, 디바이스.
제12항에 있어서, 상기 프로세서는 상기 세컨더리 권선을 통과하는 총 전류 I를
으로서 결정하며, Vn은 각각의 세컨더리 권선에 대해 측정된 전압이고, Rn은 각각의 세컨더리 권선의 각각의 전류 감지 저항기에 대한 저항이고, n은 샘플링된 코일 권선들의 수이고, m은 상기 코일의 코일 권선들의 총 수인, 디바이스.
제12항에 있어서, 상기 프로세서는 상기 코일의 총 전류를
로서 계산함으로써 상기 코일의 부분 전류 및 위상을 결정하며, n은 상기 코일의 코일 권선들의 수이고, V는 상기 측정된 전압이고, Rz는 상기 전류 감지 저항기의 임피던스인, 디바이스.
제11항에 있어서, 상기 감지 저항기는 값
를 가지며,
이고, L은 상기 세컨더리 권선의 인덕턴스이고, f는 상기 세컨더리 권선의 교류의 주파수인, 디바이스.
제16항에 있어서,
이며, n은 상기 코일의 코일 권선들의 수인, 디바이스.
제10항에 있어서, 상기 코일 권선들은 Litz 와이어, 인쇄 회로 보드 트레이스들, 및 전도성 필라멘트들 중 하나를 포함하는, 디바이스.
제10항에 있어서, 상기 코일 권선들은 임피던스 정합되고, 상호 인덕턴스를 통해 서로 밀접하게(tightly) 결합되는, 디바이스.
제11항에 있어서, 상기 무선 전력 전송 시스템은 유도성 시스템(inductive system) 및 용량성 결합 시스템(capacitively coupled system) 중 하나를 포함하는, 디바이스.