KR20230067526A - 유도 결합에 의해 전기 소비재의 방향으로 에너지의 무선 전달을 위한 디바이스를 동작시키기 위한 방법 및 디바이스 - Google Patents

Abstract

유도 결합에 의해 전기 소비재의 방향으로 에너지의 무선 전달을 위한 디바이스를 동작시키기 위한 방법으로서, 디바이스는: 그리드 전압으로부터 DC 전압을 생성하기 위한 정류기, DC 전압으로부터 공급되고 펄스 폭 변조된 작동 신호를 생성하도록 설계되는 인버터, 펄스 폭 변조된 작동 신호에 의해 작동되고, 에너지를 전달하기 위해 교류 자기장이 생성될 수 있는 전력 코일, 및 전기 소비재와 양방향으로 데이터를 교환하도록 설계되는 통신 유닛을 가지며, 방법은: 순차적으로 전력 전달 (LTX) 을 수행하는 단계, 데이터 교환 (DAT) 을 수행하는 단계, 셋업 파라미터들의 측정 (MAP) 을 수행하는 단계, 및 공진 주파수의 측정 (MRF) 을 수행하는 단계를 갖고, 전력 전달 (LTX) 동안, 인버터에 의해 방출된 실제 전력이 미리 결정된 전기 설정값으로 조절되고, 데이터 교환 (DAT) 동안, 데이터가 통신 유닛에 의해 디바이스와 전기 소비재 사이에서 교환되고, 셋업 파라미터들의 측정 (MAP) 동안, 전력 코일 위에 배열될 수 있는 물체들, 특히 이물질들이 검출되고, 공진 주파수의 측정 (MRF) 동안, 전력 코일을 갖는 공진 회로의 공진 주파수가 확인되고, 그리고 공진 주파수의 측정 (MRF) 은 셋업 파라미터들의 측정 (MAP) 직전 또는 직후에 실행되거나 또는 데이터 교환 (DAT) 직전 또는 직후에 실행된다.

Description

유도 결합에 의해 전기 소비재의 방향으로 에너지의 무선 전달을 위한 디바이스를 동작시키기 위한 방법 및 디바이스{Method for operating a device for wireless transfer of energy in the direction of an electrical consumer by means of inductive coupling and device}

본 발명은, 가능한 가장 신뢰가능한 동작을 가능하게 하는, 유도 결합에 의해 전기 소비재의 방향으로 에너지의 무선 전달을 위한 디바이스를 동작시키기 위한 방법 및 대응하는 디바이스를 제공하는 목적에 기초한다.

방법은, WPT (Wireless Power Transfer) 로서 또한 지칭되는, 유도 결합에 의해 전기 소비재의 방향으로 에너지의 무선 전달을 위한 디바이스를 동작시키기 위해 사용된다. WPT 의 기초와 관련하여 관련 기술 문헌을 참조한다. 방법은 바람직하게는 WPC (Wireless Power Consortium) Ki (Cordless Kitchen) 표준에 따라 동작된다. 유도 결합에 의해 전기 소비재의 방향으로 에너지의 무선 전달을 위한 디바이스는 또한 송신기로서 지칭될 수 있고, 전기 소비재는 수신기로서 지칭될 수 있다.

디바이스는, 특히 사인곡선 그리드 전압으로부터 DC 전압을 생성하기 위한 종래의 단상 또는 다상 정류기를 갖는다.

디바이스는 DC 전압으로부터 전력공급되는 인버터를 갖는다. 인버터는, 예를 들어, 하프 브리지 인버터 또는 풀 브리지 인버터일 수 있다. 인버터는 설정가능한 주파수 및/또는 설정가능한 듀티 사이클을 갖는 펄스 폭 변조된 작동 신호를 생성하도록 설계된다.

디바이스는 인버터에 의해 작동되고 에너지를 전달하기 위해 자기장을 생성하도록 설계되는 종래의 전력 코일 또는 송신기 코일을 갖는다. 이를 위해, 특히 주기적인 작동 신호가 특히 작동 전압의 형태로 인버터에 의해 생성되고, 전력 코일 또는 전력 코일을 갖는 공진 회로가 작동 신호에 의해 작동되거나 또는 작동 신호에 영향을 받는다. 작동 신호는 통상적으로 전력 설정값에 의존하거나 또는 전력 설정값과 매칭하는 동작 포인트를 갖는다. 동작 포인트는 이 경우에 특히 작동 신호의 하나 이상의 속성들, 예를 들어, 작동 신호의 진폭, 듀티 사이클, 및/또는 주파수를 지칭한다.

디바이스는 전기 소비재와 양방향으로 데이터를 교환하도록 설계되는 통신 유닛을 갖는다.

방법은 다음의 순차적으로 실행되는 단계들: 디바이스에 의해 전력 전달을 수행하는 단계, 디바이스와 전기 소비재 사이에서 데이터 교환을 수행하는 단계, 디바이스에 의해 셋업 파라미터들의 측정을 수행하는 단계, 및 디바이스에 의해 공진 주파수의 측정을 수행하는 단계를 갖는다. 단계들은 항상 동일한 순서로 실행될 수 있다.

전력 전달 동안, 인버터에 의해 방출된 전력이 미리 결정된 설정값으로 조절되고, 여기서 펄스 폭 변조된 작동 신호의 주파수 및/또는 듀티 사이클이 그 조절의 조작된 변수(들)로서 사용된다.

데이터 교환 동안, 데이터가 특히 NFC 방법에 따라, 통신 유닛에 의해 디바이스와 전기 소비재 사이에서 교환된다.

셋업 파라미터들의 측정 동안, 전력 코일 위에 배열될 수 있는 물체들, 특히 이물질들이 검출된다. 이것은 또한 이물질 검출 (Foreign Object Detection; FOD) 로서 지칭된다.

공진 주파수의 측정 동안, 전력 코일을 갖는 공진 회로의 공진 주파수가 확인된다. 공진 주파수의 측정은 예를 들어, 본질적으로 EP 2 330 866 A2 에 기재된 바와 같이, 수행될 수 있다.

본 발명에 따르면, 공진 주파수의 측정은 셋업 파라미터들의 측정 직전 또는 직후에 실행되고 및/또는 공진 주파수의 측정은 데이터 교환 직전 또는 직후에 실행된다.

일 실시형태에서, 데이터 교환 및/또는 셋업 파라미터들의 측정은 네트워크 전압이 제로 크로싱을 갖는 시간 범위들에서 수행된다.

일 실시형태에서, 공진 주파수의 측정은 네트워크 전압의 제로 크로싱보다 0.5 ms 내지 2 ms 전에 중료하는 시간 범위들에서 수행되거나 또는 네트워크 전압의 제로 크로싱보다 0.5 ms 내지 2 ms 후에 시작하는 시간 범위들에서 수행된다.

일 실시형태에서, 공진 주파수의 측정 동안, 인버터는 특히 비감쇠 진동을 달성하기 위해, 전력 코일에서의 전류의 부호 변화 또는 제로 크로싱의 검출로 작동 전압이 스위칭 오버하는 방식으로 작동된다. 제로 크로싱의 검출은 또한, 인버터의 작동의 지연이 보상될 수 있도록, 제로 크로싱 직전의 전류량 (amperage) 에 기초하여 수행될 수 있음이 명백하다. 제로 크로싱을 검출하는데 사용되는 전류량은 인버터의 실제 스위칭 프로세스가 실제 전류 제로 크로싱과 일치하는 방식으로 동적으로 추적될 수 있다. 제로 크로싱을 검출하는데 사용되는 전류량은, 예를 들어, 비교기 임계치로서 비교기에 공급되는 대응하는 전압 값으로 변환될 수 있다.

일 실시형태에서, 전력 코일에 흐르는 전류의 미리 결정된 피크 전류량을 초과하면, 공진 주파수의 측정은 종료된다.

일 실시형태에서, 전력 전달 동안 전력 코일이 후속적으로 작동되는 동작 주파수는 디바이스에 의해 확인된 공진 주파수에 기초하여 확인된다.

일 실시형태에서, 동작 주파수는 공진 주파수보다 0.5 kHz 내지 3 kHz 더 크게 설정된다.

일 실시형태에서, 전기 소비재는 예를 들어, 그의 유효 전기 부하 임피던스에 관한 동작 주파수 관련 정보 항목들을 디바이스에 전달한다. 디바이스는 동작 주파수를 공진 주파수 및 동작 주파수 관련 정보 항목들의 함수로서 설정한다. 예를 들어, 공진 주파수와 동작 주파수 사이의 차이는 유효 전기 부하 임피던스가 증가함에 따라 더 작게 설정될 수 있다.

유도 결합에 의해 전기 소비재의 방향으로 에너지의 무선 전달을 위한 본 발명에 따른 디바이스는 상기 설명된 방법을 수행하도록 설계된다.

다음의 설명에서, 유도 결합에 의해 전기 소비재의 방향으로 에너지의 무선 전달을 위한 디바이스는 송신기로서 지칭되고, 전기 소비재는 수신기로서 지칭된다.

본 발명은 송신기에 의해 전달 함수의 특수 특성 동작 포인트 (special characteristic operating point) 들을 결정하기 위한 방법을 제공하고, 여기서 전달 함수는 주파수에 걸친 전달가능한 전력을 기술한다.

전달 함수의 측정은 수신기의 시변 거동 때문에 실제로 합리적으로 적용가능하지 않다. 예를 들어, 주파수 스위프 (frequency sweep) 에 의해 전달 함수를 측정하면, 모터는 그 후 스위프된 주파수 스펙트럼에 의존하여 여기되고 측정 지속기간에 걸쳐 그의 속성을 변화시키며, 따라서 전달 함수가 또한 측정 동안 변화할 수 있다.

전달 함수의 측정은 송신기가 동작 주파수들의 전체 스펙트럼에 대한 최대 전달가능한 전력을 알고 있다는 이점이 있다. 그러나, 공진 주파수 (주파수들) 의 본 발명에 따른 결정은 더 강건하고, 또한 에너지 전달의 시작을 위해 그리고 또한 예를 들어, 수신기의 시프트, 즉, 결합의 변화로 인해, 또는 부하 변화, 즉 가변 모터 속도 또는 가변 모터 토크, 부하 저항기들의 스위칭 인 또는 아웃 등으로 인해, 전달 함수를 변화시킨 후의 동작 동안 양자 모두에 적합한 동작 주파수들의 결정을 허용한다.

본 발명에 따른 방법에 의해, 설정값 전력에 대한 매우 빠른 조절을 가능하게 하는 적합한 동작 주파수가 결정될 수 있다. 두 번째의 더 높은 주파수 공진 주파수가 또한 결정될 수 있으며, 이는 더 높은 전달 효율을 갖는 대응하는 동작 포인트들의 결정을 위한 기초로서 사용될 수 있음이 분명하다.

본 발명에 따르면, 공진 주파수의 측정은 본질적으로 데이터 전달 또는 셋업 파라미터들의 측정 (이물질 검출 (FOD)) 직후에 수행된다. 데이터 전달 또는 셋업 파라미터들의 측정은 그리드 전압의 절대 값이 여전히 상대적으로 낮고 따라서 공진 동작에도 불구하고, 결과적인 전류가 과도하게 커지지 않는 한 모든 그리드 제로 크로싱들 주위에서 매 +/-1 ms 마다 능동 동작에서 발생한다. 데이터 전달 직전 또는 셋업 파라미터들의 측정 직전의 공진 주파수의 측정이 대안적으로 고려될 수 있다.

무선 전력 전달 동안, 임피던스 및 공진 주파수는 셋업 수신기에 의존하여 상당히 변화하며, 심지어 전달 함수에서 더블 피크 (double peak) 들이 발생할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 예를 들어, 수신기의 시프트 또는 부하 변화를 흡수하고 수신기의 동작 거동을 안정적으로 유지하기 위해 전력의 빠른 조절이 필요하다.

인버터에 의해 방출된 실제 전력은 미리 결정가능한 설정값 전력으로 조절될 수 있고, 여기서 펄스 폭 변조된 작동 신호의 주파수 및 듀티 사이클이 그 조절의 조작된 변수들로서 사용된다. 설정값 전력으로의 조절을 위해, 다음의 단계들: a) 시작 주파수를 설정하는 단계, b) 설정값 전력에 도달하지 않는 방식으로 시작 듀티 사이클을 설정하는 단계, c) 설정된 시작 주파수 및 설정된 시작 듀티 사이클에서 인버터에 의해 방출된 실제 전력을 측정하는 단계, d) 설정값 전력 이하인 조절 설정값 전력을 선택하는 단계, e) 계산상 조절 설정값 전력에 대응하는 듀티 사이클을 계산하는 단계, f) 계산된 듀티 사이클을 설정하는 단계, g) 설정된 주파수 및 설정된 듀티 사이클에서 인버터에 의해 방출된 실제 전력을 측정하는 단계, 및 h) 설정값 전력과 실제 전력 사이의 편차가 미리 결정된 임계치 아래로 떨어질 때까지 조절 설정값 전력을 증가시키면서 단계 d) 내지 단계 g) 를 반복하는 단계가 수행된다.

상기 설명된 시작 주파수는 본 발명에 따른 방법에 의한 공진 주파수의 측정에 기초하여 쉽게 확인될 수 있다.

동일한 전력 레벨을 갖는 대응하는 동작 포인트들이 주위에 놓일 수 있는 더 높은 주파수 공진 주파수가 결정될 수 있으며, 이는 더 높은 전달 효율을 가질 수 있다. 이를 위해, 공진 주파수의 측정은 고주파수에서 시작되고, 주파수 조절의 변화 속도는 예를 들어, < 2 kHz 로 제한되어야 한다.

본 발명에 따른 방법은 무선 소비재로의 에너지 전달을 위한 하프 브리지 또는 풀 브리지 기술에서 인버터에 대한 공진 주파수를 결정하기 위해 사용된다. 공진 주파수의 확인 동안, 인버터의 출력 전압 및 전력 코일 또는 송신기 코일에서의 전류는 적어도 측정의 종료 시 대략 동위상이며 (전압과 전류 사이의 위상각 <+/-20°, 바람직하게는 <+/-5), 즉, 인버터의 스위칭 수단의 스위칭은 전력 코일 전류의 전류 제로 크로싱에서 발생한다.

송신기로부터 수신기로의 전력 전달은 주기적으로 중단되며 (슬롯 모드), 여기서 그 중단들은 바람직하게는 네트워크 전압의 제로 크로싱 주위에서 발생한다. 중단들 (슬롯들) 은 송신기와 수신기 사이의 통신을 위해 및/또는 측정들, 예를 들어, 허용가능하지 않은 금속 이물질들의 검출 (이물질 검출 (FOD)) 을 위해 사용될 수 있다.

공진 주파수의 측정은 바람직하게는 데이터 전달 또는 통신 슬롯의 종료 직전 또는 직후에 발생한다 (Ki WPT 에서 통상적으로 제로 크로싱보다 1 ms 후에, 동작 모드에 의존하여 그로부터 벗어날 수 있다).

공진 주파수의 측정은 통상적으로 0.5 ms 보다 오래 지속되지 않으며, 바람직하게는 0.2 ms 보다 길지 않다.

데이터 전달 또는 통신 슬롯들은 네트워크 전압의 제로 크로싱 주위에서 발생한다.

공진 주파수의 측정은 바람직하게는, 최대 전류를 초과하면 종료된다.

공진 주파수의 측정은 바람직하게는, 측정된 주파수가 더 이상 상당히 변화하지 않을 때, 즉, 예를 들어, 2 개의 주기들 사이의 주파수 변화가 < 1 kHz, 바람직하게는 < 0.5 kHz 일 때 종료된다.

공진 시의 전류 레벨 및 연관된 전압이 결정될 수 있고, 공진 동작에서 가능한 전달가능한 전력은 그에 기초하여 추정될 수 있다.

전력 전달을 위한 동작 주파수는 Delta-f 가 측정된 공진 주파수에 추가된다는 점에서 계산될 수 있으며, 여기서 Delta-f 는 최대 5 kHz, 바람직하게는 최대 2 kHz 이다. Delta-f 는 공진 동작에서 추정된 전력 및/또는 수신기의 통신된 파라미터에 의존하여 변화될 수 있다.

인버터는 바람직하게는 공진 주파수의 측정 직후에, 적어도 여전히 통신 슬롯 바로 다음의 그리드 전압의 그리드 반파 (half-wave) 에서, 바람직하게는 그리드 전압의 그리드 전압 최대치에 도달하기 적어도 1.5 ms 전에 새로운 동작 주파수를 사용하여 동작된다.

인버터는 바람직하게는 전력 전달을 위해 듀티 사이클 < 30% 를 사용하여 그리드 전압의 제 1 반파에서 동작 주파수를 사용하여 유리하게 작동된다.

바람직하게는, 데이터 전달로부터 전력 전달로의 스위칭 오버로 전력 전달의 시작 시, 공진 주파수의 측정이 수행되고 제 1 공진 주파수가 결정된다. 공진 주파수의 새로운 측정은 바람직하게는 그리드 전압의 그리드 반파의 측정된 실제 전력이 다음 그리드 반파에 대한 설정값 전력보다 적어도 20%, 특히 적어도 10% 더 작고 듀티 사이클이 이미 40% 보다 더 클 때 수행된다. 동작 주파수의 재결정을 위한 트리거는 바람직하게는 전달 함수의 변화로 인한 실제 전력의 강하 (sinking) 에 의해 그리고 또한 설정값 전력 점프에 의해 트리거될 수 있는 관련된 부적절한 전력이다. 양의 편차들은 듀티 사이클에 의해 즉시 보정될 수 있고, 작은 음의 편차들은 수백 헤르츠만큼의 작업 주파수 (working frequency) 의 감소에 의해 보상될 수 있다.

공진 주파수의 측정은 인버터의 하프 브리지의 하나 또는 양자의 스위칭 수단의 제어된 온-주기 (on-period) 를 사용하여 시작될 수 있다. 제 1 온-주기는 최저 동작 주파수의 반주기 지속기간에 대응할 수 있다.

공진 주파수의 측정은 인버터의 미리 결정된 높은 작동 주파수에서 시작될 수 있으며, 여기서 작동 주파수의 변화는 국부 최대치가 더 높은 주파수들에서 발견될 수 있도록 +/- 5 kHz, 바람직하게는 +/- 2kHz 미만으로 제한된다.

실제 전력의 편차는 소비재로의 전력 전달 동안 공진 주파수의 측정의 적분에 의해 검출되고 그리드 전압의 다음 또는 하나 다음의 그리드 반파에서 즉시 보상될 수 있어서, 수신기의 평균 전력은 일정하게 유지된다.

공진 주파수의 측정은 본 발명에 따라, 수신기와 독립적으로 송신기에서 완전히 수행될 수 있다. 수신기로부터 선택적으로 통신된 파라미터들은 적합한 Delta_f 의 결정을 위해서만 사용될 수 있다.

전달 함수는 수신기와 송신기 사이의 결합 및 수신기의 부하에 의존한다. 따라서, 특정 동작 포인트에서 전달된 전력은 수신기가 예를 들어 모터로부터 히터로 부하를 스위칭 오버하면, 수신기가 시프트되고 결합이 변화하면, 또는 부하 변화, 예를 들어, 모터에 대한 토크 변화를 야기하는, 믹서로의 음식들의 추가로 인해 변화할 수 있다. 전달 함수의 변화는 원칙적으로 다른 균일한 동작 포인트 (주파수 및 듀티 사이클) 에서 변화된 전력에 의해 정의될 수 있다. 전달 함수의 변화가 발생하면, 따라서 요구된 설정값 전력은 가능한 한 빨리 설정되어야 한다.

전력 감소는 듀티 사이클을 통해 즉시 발생할 수 있다. 방출된 전력의 증가는 균일한 동작 주파수에서만, 그리고 듀티 사이클이 여전히 < 50% 일 때 약간만 가능하다. 그렇지 않으면, 동작 주파수가 변화되어야 한다. 결합 및 부하에 의존하여, 변화된 주파수에 따른 전력 차이 dP/df 는 매우 클 수 있으며, 이는 후에 가파른 전달 함수 (steep transfer function) 로서 지칭된다. 또한, 전달 함수가 강하게 변화했기 때문에, 가능한 이전에 저장된 동작 포인트들은 더 이상 유효하지 않다. 극단적인 경우에, dP/df 는 심지어 부호를 변화시킬 수 있으며, 즉 이전의 전달 함수와의 전력 차이를 감소시켰을 주파수 변화는 더 큰 전력 편차를 초래할 수 있다.

적합한 주파수에 대해 느리게 느끼는 대신에, 적어도 공칭 전력까지의 임의의 요구된 전력이 가능한, 시작 주파수가 본 발명에 따라 즉시 미리 결정된다. 동일한 원리가 처음으로 시작 동작 포인트를 찾기 위해 사용된다.

본 발명에 따르면, 공진 주파수의 측정은 이러한 목적을 위해 수행된다. 공진 주파수는 이 경우에 반드시 최대 전력이 전달될 수 있는 주파수가 아니라, 오히려 전류와 전압 사이의 위상각이 0° 인 주파수이다. 따라서, 유리한 IGBT들의 무전류 스위칭이 발생한다. 최대 전력이 전달될 주파수는 보통 용량성 주파수 범위에 있고, 이는 인덕션의 동작에 불리하다. 전력 최대치에서 달성가능한 전력은 또한 상당히 너무 높으며, 즉 듀티 사이클에서의 분해능에 대한 요구들이 증가한다. 공진 주파수에서, 달성가능한 전력은 공칭 전력보다 여전히 더 커서, 이 동작 포인트가 바람직하다.

측정을 위한 인버터의 작동 신호의 생성은 하드웨어에서 및/또는 소프트웨어에서 구현될 수 있다. 비교기는 예를 들어, 인버터의 IGBT들의 구동기들에 대한 작동 신호를 생성할 수 있다. 전력 코일을 통한 전류가 양인지 음인지에 의존하여, 하이 레벨 또는 로우 레벨이 출력된다. 따라서, 스위칭은 항상 전류 제로 크로싱에서 수행되고 0° 에 가까운 위상각이 달성된다. 정확히 0° 의 위상각이 달성되어야 한다면, 따라서 스위칭은 제로 크로싱보다 약간 전의 전류량에서 수행되어야 하고, 그 때 제로 크로싱까지의 주기는 비교기, 구동기들, 및 IGBT 에 의한 작동 지연에 대응한다. 그 다음, 실제 주파수가 예를 들어, 주기 지속기간을 측정함으로써 측정될 수 있다.

소프트웨어에서 신호를 생성하면 주파수를 즉시 알 수 있다는 이점이 있다. 또한, IGBT들에 대한 부동 시간 (dead time) 들 및 구동기의 부동 시간들은 소프트웨어에서 보상될 수도 있어서, 공진이 목표에 더 가까울 수 있고 주파수가 더 정확히 결정될 수 있다.

공진 회로 커패시터들 및 중간 회로 커패시터의 잔류 전하에 의존하여, 전력 코일을 통한 전류가 저절로 발생하지 않고 따라서 측정이 시작되지 않을 수 있다. 이 거동을 방지하기 위해, 인버터의 비교기-기반 작동으로의 스위칭 오버 전에, 처음으로 비교기를 스위칭하고 공진 진동을 개시하기에 충분한, 몇몇, 바람직하게는 하나 또는 심지어 단지 절반의 PWM 주기 동안 작동이 발생할 수 있다.

공진 주파수에서 높은 최대 전력 (50% 듀티 사이클) 으로 인해, 전력의 매우 동적인 조절이 여기서 가능하다. 요구된 듀티 사이클은 미리 결정된 설정값 전력에 대해 간단히 계산될 수 있고, 동작 포인트는 몇몇 조절 단계들 내에서 설정될 수 있다. 설정값 전력에 도달하면, 동작 주파수는, 예를 들어, 효율이 증가하거나, 주파수 동기화가 쿠킹 및 Ki 포인트들 사이에서 인에이블되거나, 또는 EMC 가 개선되는 방식으로 천천히 최적화될 수 있다.

측정된 공진 주파수에서의 최대 전력은 공칭 전력보다 더 높고, 통상적으로는 또한 결합 등으로 인한 손실들을 보상하기 위해 요구된 전력보다 더 높다. 전력을 보다 정밀하게 조절할 수 있으려면, 이 공진 주파수보다 약간 위에서 동작하는 것이 유리하다.

이를 위해, 측정된 공진 주파수에 오프셋이 추가된다. 이 오프셋은 공진 주파수에서의 기울기 dP/df 에 의존하고, 팩터 QPRx 또는 수신기 인덕턴스와 부하 저항의 조합을 통해 추정될 수 있다. 팩터가 수신기로부터 전달되지 않으면, 오프셋으로서 고정된 값, 예를 들어, 2 kHz 가 추가될 수 있다. 대안적으로는, 공진 주파수를 사용하여, 따라서 0 Hz 의 오프셋에서 즉시 동작하는 것이 또한 가능하다.

측정 동안 전달된 전력은 수신기 및 중간 회로 및 공진 회로 커패시터들에서의 기존 전하에 의존한다. 0.2 ms 내지 0.5 ms 의 짧은 측정 주기는 전달된 전력을 감소시킨다. 가능한 보상을 위해, 공진 주파수의 측정 동안 전력을 또한 기록하는 것이 유리하다. 짧은 주기에도 불구하고, 동작이 공진 주파수에서 발생하기 때문에, 사소하지 않은 전력이 전달될 수 있다.

원칙적으로, 공진 주파수의 측정은 안전하지만, 측정은 공진에서 수행되는데, 이는 한편으로는 측정의 주기가 짧게 유지되고 수신기의 존재, 및 따라서 부하가 NFC 통신의 형태의 데이터 전달에 의해 이미 확인되었기 때문이다.

그러나, 수신기들은 장애의 경우에 그리고 보호 메커니즘으로서 수신기 회로를 중단하기 위한 스위칭 수단을 포함한다. 이 스위치가 닫혀 있지 않으면, 송신기는 따라서 부하를 알지 못하고, 공진 주파수에서의 동작 또는 측정이 바람직하지 않을 것이다. 그에 반해서, 과전류의 발생 시 신속한 스위칭 오프가 사용된다. 최상의 경우, 비교기를 사용하여 전류 한계가 모니터링되고, 최대 전류를 초과하면, 측정은 즉시 종료된다. 대안적으로는, 특정 전력에서 종료가 또한 발생할 수 있다.

측정은 공진 주파수가 인식되자마자 조기에 종료될 수 있다.

공진 주파수의 측정의 전체 측정 주기는 측정이 전달된 전력의 상당한 증가 (낮은 설정값 전력에서) 또는 감소 (높은 설정값 전력에서) 없이 실행 중인 동작에서 발생할 수 있도록 짧아야 한다. 실질적인 면에서, 전력은 임의의 설정값 전력보다 공진 주파수에서 항상 더 크며, 즉 증가만은 피해야 한다.

그리드 전압의 그리드 반파의 시작 시 측정은 전달된 전력이 전체 그리드 반파의 전력의 단지 일부인 시간 주기에 발생한다. P~U² 로 인해, 대부분의 전력이 그리드 전압 최대치에서 전달되므로, 측정의 영향은 그리드 반파의 시작 시 작게 유지된다.

설정값 전력으로부터 편차는 다음 또는 하나 다음의 AC 반파에서 그에 따라 보정될 수 있어서, 수신기의 평균 전력은 일정하게 유지된다.

측정은 전달된 전력의 조절의 시작 전에 수행되어야 하지만, 또한 수신기의 시프팅 또는 부하 변화로 인한 전달 함수의 변화들을 확립하기 위해 동작 중에 반복될 수 있다.

공진 주파수의 측정이 발생할 수 있기 전에, 시스템은 충분히 안정화되어야 하며, 즉 동일한 주파수에서의 다음 주기의 측정은 단지 허용가능한 범위에서만 벗어나야 한다. 안정화는 전력 전달을 시작하기 전의 측정의 시작 시에 그리고 또한 전력 전달의 동작으로부터 측정 동작으로 동작 주파수를 스위칭 오버할 때 관찰되어야 한다.

진동 여기로부터 측정 동작으로 그리고 측정 동작으로부터 정상 동작으로 스위칭 오버할 때, 주파수들이 조화적으로 병합하고, 즉 스위칭 오버가 고조파들로 인한 잡음 생성 및 안정화를 위한 추가 지연들을 실질적으로 회피하기 위해 현재의 스위칭 시점들과 동기화되는 것이 보장되어야 한다.

송신기에서, 단지 상대적으로 작은 에너지 저장 디바이스가 비용의 이유로 중간 회로에 제공된다. 많은 양의 전력이 선행 그리드 반파 동안 전달되면, 따라서 다음 시작 주파수 측정을 위한 전압은 낮다.

편향, 따라서 전류를 통한 비선형성들은 이들이 전달된 전력에 강한 영향을 주지만, 주파수에 거의 영향을 주지 않거나 또는 전혀 영향을 주지 않기 때문에 측정을 위한 역할을 하지 않는다. 공칭 전력보다 더 큰 전력이 임의의 경우에 동작 포인트에서 달성될 수 있고, 즉 실제 동작 주파수에 대한 탐색을 위한 가능한 시작 주파수들이 놓이는 일종의 허용 범위가 있기 때문에 가능한 에러들은 중요하지 않다.

공진 주파수의 측정은 각각의 그리드 반파에서 수행되지 않는다. 원칙적으로, 전달 함수를 알 수 없는 경우에만 항상 요구된다. 예를 들어, 맨 처음에 부하 임피던스 및 셋업 위치, 따라서 결합이 알려지지 않고, 수신기의 셋업 위치, 따라서 결합이 변화하였고, 수신기의 부하가 변화한 경우, 수신기 제어기에 의한 상이한 부하들로부터의 계획된 스위칭 오버로 인해서든, 계획되지 않은, 예를 들어, 믹서에서와 같은 모터에서 변화하는 부하로 인해서든, 또는 주파수 변화가 5 kHz 의 배수들에 걸쳐 필요하도록, 상당히 더 높은 설정값 전력이 균일한 부하 임피던스에서 요청되는 경우 이것이 사실이다.

본 발명은 도면들을 참조하여 이하에 상세히 설명된다. 도면들에서:
도 1 은 에너지의 무선 전달을 위한 디바이스 및 연관된 전기 소비재의 블록도를 도시한다,
도 2 는 본 발명에 따른 방법의 개략적 시간 시퀀스를 도시한다, 그리고
도 3 은 그리드 전압의 반파 동안 전력 코일에서의 전류의 시간 곡선을 도시한다.

도 1 은 유도 결합에 의해 전기 소비재 (200) 의 방향으로 에너지의 무선 전달을 위한 디바이스 (100) 의 블록도를 도시한다.

디바이스 (100) 는 AC 전압 그리드 (300) 의 종래의 단상 그리드 전압 (U_N) 으로부터 DC 전압 (U_S) 을 생성하기 위한 정류기 (108) 를 갖는다.

디바이스 (100) 는 또한, 스위칭 수단 (109 및 110) 을 갖는 DC 전압 (U_S) 으로부터 공급되고, 펄스 폭 변조된 작동 신호 (A_S) 를 생성하도록 설계되는 인버터 (102) 를 갖는다.

디바이스 (100) 는 또한, 각각 공급 전압 (U_S) 또는 정류기 (108) 의 출력 단자들 사이에 직렬로 연결되는 커패시터들 (104, 105) 을 갖는다.

디바이스 (100) 는 또한, 펄스 폭 변조된 작동 신호 (A_S) 에 의해 작동된 전력 코일 (101) 을 가지며, 여기서 커패시터들 (104, 105) 및 전력 코일 (101) 은 이들이 공진 회로 (103) 를 형성하는 방식으로 상호연결된다. 이를 위해, 전력 코일 (101) 의 일단은 인버터 (102) 의 반도체 스위칭 수단 (109, 110) 의 연결 노드에 전기적으로 연결되고, 전력 코일 (101) 의 타단은 커패시터들 (104, 105) 의 연결 노드에 연결된다.

예시된 인버터 및 공진 회로 토폴로지는 단지 예시적임이 명백하다. 예를 들어, 풀 브리지를 갖는 인버터가 본 발명의 범위에서 사용될 수 있고, 상이하게 상호연결된 직렬 또는 병렬 공진 회로들이 사용될 수 있는 등이다.

에너지를 전달하기 위한 교류 자기장이 전력 코일 (101) 에 의해 생성된다.

디바이스 (100) 는 또한, 통신 코일 (112) 에 결합되는 통신 유닛 (111) 을 갖는다. 통신 유닛 (111) 은 통신 코일 (112) 과 함께 전기 소비재 (200) 와의 양방향 데이터 교환을 위해 사용된다.

디바이스 (100) 는 또한, 인버터 (102) 에 의해 방출된 전력을 미리 결정가능한 설정값으로 조절하도록 설계되는 레귤레이터 (116) 를 가지며, 여기서 작동 신호 (A_S) 의 주파수 및/또는 듀티 사이클이 조작된 변수로서 사용된다.

전기 소비재 (200) 는 전력 코일 (201) 및 하류에 연결된 수동 LC 공진 회로 (202) 를 갖는다.

전기 소비재 (200) 는 또한, 전기 소비재 (200) 의 부하 임피던스를 변화시키기 위한 스위칭 유닛 (203) 을 갖는다. 엘리먼트들 (204 및 205) 은 일 예로 스위칭 인 및 아웃될 수 있는 부하들로서 도시된다.

전기 소비재 (200) 는 또한, 통신 코일 (207) 에 결합되는 통신 유닛 (206) 을 갖는다. 통신 유닛 (206) 은 통신 코일 (207) 과 함께 디바이스 (100) 와의 양방향 데이터 교환을 위해 사용된다.

전기 소비재 (200) 는 또한, 전기 소비재 (200) 의 동작을 제어하는 제어 유닛 (208) 을 갖는다. 제어 유닛 (208) 은 스위칭 유닛 (203) 및 통신 유닛 (206) 에 대한 데이터 연결 (data connection) 을 갖는다. 제어 유닛 (208) 는 그 중에서도, 스위칭 유닛 (203) 의 적합한 작동 및 디바이스 (100) 와의 통신에 의해 부하 임피던스의 동기화된 변화를 제어한다.

도 2 는 시간에 경과에 따라 본 발명에 따른 방법의 개략적 시퀀스를 도시한다.

도 2 에 도시된 바와 같이, DC 전압 (U_S) 은 그리드 전압 (U_N) 의 본질적으로 정류된 그리드 반파들에 대응하는 반파 형상 프로파일을 갖는다.

그리드 전압 (U_N) 이 제로 크로싱을 갖는 시간 범위들 또는 슬롯들에서, 디바이스 (100) 와 소비재 (200) 사이의 데이터 교환 (DAT) 또는 이물질 검출 (FOD) 로서 또한 지칭되는 셋업 파라미터들의 측정 (MAP) 중 어느 하나가 발생한다. 전력 전달 (LTX) 은 종래에는 연관된 시간 범위들 또는 슬롯들 사이에서 발생한다.

전력 코일 (101) 을 갖는 공진 회로 (103) 의 공진 주파수의 측정 (MRF) 은 셋업 파라미터들의 측정 (MAP) 직전 또는 직후에 또는 데이터 교환 (DAT) 직전 또는 직후에 발생한다. 예시를 목적으로 도 2 에 도시된 것과 대조적으로, 공진 주파수의 측정 (MRF) 은 일반적으로 데이터 전달 (DAT) 또는 셋업 파라미터들의 측정 (MAP) 후에 실제로 발생하지 않는다. 대신에, 공진 주파수의 측정 (MRF) 은 전기 소비재 (200) 의 방향으로 에너지의 무선 전달의 시작 시 그리고 후속적으로 전력 전달의 관련 변화들 시에 발생한다. 관련 변화들은 동작 주파수의 재결정을 요구하는, 더 큰 설정값 전력 점프들, 결합 변화에 의한 소비재 (200) 의 시프팅, 및 수신기 (200) 의 공지된 부하 점프들을 나타낼 수 있다.

공진 주파수의 측정 (MRF) 은 도 2 에 도시된 바와 같이, 그리드 전압 (U_N) 의 제로 크로싱보다 0.5 ms 내지 2 ms 전에 종료하는 시간 범위들에서 또는 그리드 전압 (U_N) 의 제로 크로싱보다 0.5 ms 내지 2 ms 후에 시작하는 시간 범위들에서 발생한다.

공진 주파수의 측정 (MRF) 동안, 인버터 (102) 는 작동 전압 (A_S) 이 전력 코일 (101) 에서의 전류 (i_s) 의 제로 크로싱의 검출로 스위칭 오버되는 방식으로 작동된다.

확인된 공진 주파수에 기초하여, 동작 주파수가 그 직후에 설정되고, 그를 사용하여 전력 코일 (101) 이 전력 전달 (LTX) 동안 그 직후에 작동된다. 동작 주파수는 예를 들어, 공진 주파수보다 0.5 kHz 내지 3 kHz 더 작게 설정된다. 또한, 전기 소비재 (200) 는 동작 주파수 관련 정보 항목들을 디바이스 (100) 에 전달할 수 있으며, 여기서 동작 주파수는 공진 주파수 및 동작 주파수 관련 정보 항목들의 함수로서 설정된다.

도 3 은 50 Hz 에서 그리드 전압 (U_N) 의 반파 동안 전력 코일 (101) 에서의 전류 (i_s) 의 시간 곡선을 도시한다.

0 ms 내지 1 ms 의 슬롯에서, 데이터 교환 (DAT) 이 각각, 디바이스 (100) 와 소비재 (200) 사이에서 그들의 통신 코일들 (112 및 207) 을 통해 발생한다.

1 ms 내지 1.5 ms 의 슬롯에서, 공진 주파수의 측정 (MRF) 이 발생한다.

그리드 반파의 종료 직전의 1.5 ms 내지 9 ms 의 슬롯에서, 전력 전달 (LTX) 은 측정된 공진 주파수의 함수로서 설정되는 동작 주파수에서 발생한다.

9 ms 에서, 전력 전달이 중단되고 다음 슬롯이 다음 데이터 전달을 위해 또는 셋업 파라미터들을 측정하기 위해 시작된다.

Claims (9)

1. 유도 결합에 의해 전기 소비재 (electrical consumer) (200) 의 방향으로 에너지의 무선 전달을 위한 디바이스 (100) 를 동작시키기 위한 방법으로서,
   상기 디바이스는:
   - 그리드 전압 (U_N) 으로부터 DC 전압 (U_S) 을 생성하기 위한 정류기 (108),
   - 상기 DC 전압 (U_S) 으로부터 공급되고 펄스 폭 변조된 작동 신호 (A_S) 를 생성하도록 설계되는 인버터 (102),
   - 상기 펄스 폭 변조된 작동 신호 (A_S) 에 의해 작동되고, 상기 에너지를 전달하기 위해 교류 자기장이 생성될 수 있는 전력 코일 (101), 및
   - 상기 전기 소비재 (200) 와 양방향으로 데이터를 교환하도록 설계되는 통신 유닛 (111) 을 갖고,
   상기 방법은:
   - 순차적으로 전력 전달 (LTX) 을 수행하는 단계, 데이터 교환 (DAT) 을 수행하는 단계, 셋업 파라미터들의 측정 (MAP) 을 수행하는 단계, 및 공진 주파수의 측정 (MRF) 을 수행하는 단계를 갖고,
   - 상기 전력 전달 (LTX) 동안, 상기 인버터 (102) 에 의해 방출된 실제 전력이 미리 결정된 전기 설정값으로 조절되고,
   - 상기 데이터 교환 (DAT) 동안, 데이터가 상기 통신 유닛 (111) 에 의해 상기 디바이스 (100) 와 상기 전기 소비재 (200) 사이에서 교환되고,
   - 상기 셋업 파라미터들의 측정 (MAP) 동안, 상기 전력 코일 (101) 위에 배열될 수 있는 물체들, 특히 이물질들이 검출되고,
   - 상기 공진 주파수의 측정 (MRF) 동안, 상기 전력 코일 (101) 을 갖는 공진 회로 (103) 의 공진 주파수가 확인되고, 그리고
   - 상기 공진 주파수의 측정 (MRF) 은 상기 셋업 파라미터들의 측정 (MAP) 직전 또는 직후에 실행되거나 또는 상기 데이터 교환 (DAT) 직전 또는 직후에 실행되는, 디바이스 (100) 를 동작시키기 위한 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   - 상기 데이터 교환 (DAT) 및/또는 상기 셋업 파라미터들의 측정 (MAP) 은 상기 그리드 전압 (U_N) 이 제로 크로싱을 갖는 시간 범위들에서 수행되는 것을 특징으로 하는 디바이스 (100) 를 동작시키기 위한 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   - 상기 공진 주파수의 측정 (MRF) 은 상기 그리드 전압 (U_N) 의 제로 크로싱보다 0.5 ms 내지 2 ms 전에 종료하는 시간 범위들에서 수행되거나 또는 상기 그리드 전압 (U_N) 의 제로 크로싱보다 0.5 ms 내지 2 ms 후에 시작하는 시간 범위들에서 수행되는 것을 특징으로 하는 디바이스 (100) 를 동작시키기 위한 방법.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   - 상기 공진 주파수의 측정 (MRF) 동안, 상기 인버터 (102) 는 상기 작동 전압 (A_S) 이 상기 전력 코일 (101) 에서의 전류 (i_s) 의 제로 크로싱의 검출로 스위칭 오버되는 방식으로 작동되는 것을 특징으로 하는 디바이스 (100) 를 동작시키기 위한 방법.
5. 제 4 항에 있어서,
   - 상기 전력 코일 (101) 에서 흐르는 상기 전류 (i_s) 의 미리 결정된 피크 전류량 (amperage) 을 초과하면, 상기 공진 주파수의 측정 (MRF) 은 종료되는 것을 특징으로 하는 디바이스 (100) 를 동작시키기 위한 방법.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   - 확인된 상기 공진 주파수에 기초하여, 동작 주파수가 확인되고, 그를 사용하여 상기 전력 코일 (101) 이 상기 전력 전달 (LTX) 동안 후속적으로 작동되는 것을 특징으로 하는 디바이스 (100) 를 동작시키기 위한 방법.
7. 제 6 항에 있어서,
   - 상기 동작 주파수는 상기 공진 주파수보다 0.5 kHz 내지 3 kHz 더 크게 설정되는 것을 특징으로 하는 디바이스 (100) 를 동작시키기 위한 방법.
8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
   - 상기 전기 소비재 (200) 는 동작 주파수 관련 정보 항목들을 상기 디바이스 (100) 에 전달하고, 상기 동작 주파수는 상기 공진 주파수 및 상기 동작 주파수 관련 정보 항목들의 함수로서 설정되는 것을 특징으로 하는 디바이스 (100) 를 동작시키기 위한 방법.
9. 유도 결합에 의해 전기 소비재 (200) 의 방향으로 에너지의 무선 전달을 위한 디바이스 (100) 로서,
   상기 디바이스는:
   - 그리드 전압 (U_N) 으로부터 DC 전압 (U_S) 을 생성하기 위한 정류기 (108),
   - 상기 DC 전압 (U_S) 으로부터 공급되고 펄스 폭 변조된 작동 신호 (A_S) 를 생성하도록 설계되는 인버터 (102),
   - 상기 펄스 폭 변조된 작동 신호 (A_S) 에 의해 작동되고, 상기 에너지를 전달하기 위해 교류 자기장이 생성될 수 있는 전력 코일 (101), 및
   - 상기 전기 소비재 (200) 와 양방향으로 데이터를 교환하도록 설계되는 통신 유닛 (111) 을 가지며,
   - 상기 디바이스는 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 기재된 방법을 수행하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 디바이스 (100).

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