KR20230124677A - 무선 전력 전송 - Google Patents

Abstract

전력 송신기(101)는 전력 전송 신호를 생성하는 송신기 코일(103)을 포함하는 출력 공진 회로에 대한 구동 신호를 생성하는 구동기(201)를 포함한다. 공진 검출기(307)는 동안 출력 공진 회로에 대한 결합 공진 주파수를 결정하며, 여기서 결합 공진 주파수는 전력 수신기(105)의 전력 전송 입력 공진 회로의 일부인 수신기 코일(107)에 결합되는 송신기 코일(103)에 대한 출력 공진 회로에 대한 공진 주파수이다. 입력 공진 회로는 10 이상의 품질 계수를 갖는다. 추정 회로(309)는 출력 공진 회로의 비결합 공진 주파수 및 제1 유효 공진 주파수에 응답하여 송신기 코일(103)과 수신기 코일(107) 사이의 결합에 대한 결합 계수 추정치를 결정한다. 어댑터(311)는 결합 계수 추정치에 응답하여 동작 파라미터를 설정한다.

Description

무선 전력 전송

본 발명은 무선 전력 전송 시스템에 관한 것이며, 특히, 그러나 비배타적으로, 예를 들어 주방 기기들과 같은 높은 전력 디바이스들로의 유도 전력 전송을 제공하는 전력 송신기의 동작에 관한 것이다.

대부분의 오늘날의 전기 제품들은 외부 전력 공급 장치로부터 전력을 공급받기 위해 전용 전기 접촉을 필요로 한다. 그러나, 이것은 비실용적인 경향이 있으며 사용자가 커넥터를 물리적으로 삽입하거나 달리 물리적 전기 접촉을 확립할 것을 요구한다. 전형적으로, 전력 요건들이 또한 현저히 상이하고, 현재 대부분의 디바이스들은 그들 자신의 전용 전력 공급 장치를 갖추고 있고, 그 결과 전형적인 사용자는 다수의 상이한 전력 공급 장치들을 가지고 있으며 이때 각각의 전력 공급 장치는 특정 디바이스에 전용된다. 비록 내부 배터리의 사용이 사용 동안 전력 공급 장치에 대한 유선 연결에 대한 필요성을 회피할 수 있지만, 배터리는 재충전(또는 교체)을 필요로 할 것이기 때문에 이것은 부분적인 해결책만을 제공할 뿐이다. 배터리의 사용은 또한 디바이스의 무게와 잠재적으로 비용 및 크기를 상당히 증가시킬 수 있다.

현저히 개선된 사용자 경험을 제공하기 위해, 전력이 전력 송신기 디바이스 내의 송신기 인덕터로부터 개별 디바이스들 내의 수신기 코일로 유도적으로 전송되는 무선 전력 공급 장치를 사용하는 것이 제안되었다.

자기 유도를 통한 전력 송신은 1차 송신기 인덕터/코일과 2차 수신기 코일 간의 긴밀한 결합을 갖는 변압기들에서 대부분 적용되는 잘 알려진 개념이다. 2개의 디바이스 간에 1차 송신기 코일과 2차 수신기 코일을 분리함으로써, 이들 간의 무선 전력 전송이 느슨하게 결합된 변압기의 원리에 기초하여 가능해진다.

그러한 배열은 어떠한 유선 또는 물리적 전기 연결도 이루어질 것을 요구함이 없이 디바이스로의 무선 전력 전송을 허용한다. 실제로, 그것은 외부에서 재충전되거나 전력을 공급받기 위해 간단히 디바이스가 송신기 코일에 인접하게 또는 그 위에 배치되도록 허용할 수 있다. 예를 들어, 전력 송신기 디바이스들은 디바이스가 전력을 공급받기 위해 간단히 그 상에 배치될 수 있는 수평 표면을 갖도록 배열될 수 있다.

더욱이, 그러한 무선 전력 전송 배열들은 유리하게도 전력 송신기 디바이스가 다양한 전력 수신기 디바이스들과 함께 사용될 수 있도록 설계될 수 있다. 특히, Qi 사양으로 알려진 무선 전력 전송 접근법이 정의되었으며 현재 더욱 개발되고 있다. 이 접근법은 Qi 사양을 충족시키는 전력 송신기 디바이스들과 Qi 사양을 또한 충족시키는 전력 수신기 디바이스들이 동일한 제조자로부터의 것이어야 함 또는 서로 전용되어야 함이 없이 이들이 함께 사용되도록 허용한다. Qi 표준은 동작이 특정 전력 수신기 디바이스에 적응되도록(예를 들어, 특정 전력 소모에 의존하도록) 허용하기 위한 어떤 기능을 추가로 포함한다.

Qi 사양은 무선 전력 컨소시엄에 의해 개발되고, 더 많은 정보를 예를 들어 그들의 웹사이트: http://www.wirelesspowerconsortium.com/index.html에서 찾아볼 수 있으며, 그곳에서 특히 정의된 사양 문서들을 찾아볼 수 있다.

무선 전력 컨소시엄은 Qi 사양에 기초하여 주방 기기들에 안전하고, 신뢰성 있고, 효율적인 무선 전력 전송을 제공하는 것을 목표로 하는 Ki 사양(코드리스 키친 사양(Cordless Kitchen Specification)으로도 알려짐)을 계속해서 개발하였다. Ki는 최대 2.2 KW의 훨씬 더 높은 전력 레벨들을 지원한다.

EP2940415A1호는 전용 검출 공진 회로를 사용하는 이물체(foreign object) 검출을 위한 접근법을 개시한다.

무선 전력 전송에 관한 잠재적인 문제는 전력 전송 성능이 특정 조건들에 크게 의존할 수 있다는 것이다. 특히, 효율, 달성 가능한 전력 레벨들, 적응 응답 시간들 등의 면에서 전력 전송 성능은 송신기 코일과 수신기 코일이 어떻게 서로에 대해 상대적으로 위치되는지에 크게 의존하는 경향이 있다. 일반적으로, 더 효율적이고 신뢰성 있는 전력 전송은 서로에 대해 더 가깝게 정렬되고 더 가깝게 있는 코일들에 대해 달성되는 경향이 있다.

전형적으로, 전력 전송 성능은 결합 계수(coupling factor 또는 coupling coefficient)에 의존하며, 결합 계수가 높을수록 전력 전송은 더 효율적이다.

전력 송신기 디바이스에 대한 전력 수신기 디바이스의 위치설정이 극심하게 제한되도록 디바이스들을 설계함으로써, 예컨대 전력 수신기를 하나의 특정 위치로 제한함으로써 더 가까운 정렬 및 더 높은 결합 계수들이 달성될 수 있지만, 이것은 일반적으로 바람직하지 않은데, 왜냐하면 그것이 시스템의 실현 가능성을 제한하기 때문이다. 예를 들어, 전력 송신기가 조리대 내에 구현되는 주방 기기들에 대해, 사용자가 단순히 기기를 대략 전력 송신기 코일 부근에 위치시킬 수 있고 시스템이 이어서 그에 맞춰 적응하는 것이 바람직하다. 예컨대 전력 수신기 디바이스를 제한하는 기계적 또는 물리적 안내 특징부들을 요구함이 없이 전력 전송 기능이 구현되는 것이 또한 바람직한데, 예컨대 전력 송신기가 완전히 평평한 조리대 표면을 사용하여 구현될 수 있는 것이 요구된다.

동작 조건들이 크게 변할 수 있음을 고려하기 위해, 전력 전송은 최악의 조건들에 대해 허용 가능한 성능을 제공할 수 있는 초기 동작 포인트로 개시될 수 있다. 전력 전송 동안, 제어 루프(loop)들은 동작 포인트를 더 최적의 동작 포인트에 적응시킬 수 있다. 구체적으로, 전력 전송은 낮은 전력 레벨들로 개시되고 이어서 전력 전송 동안 점진적으로 증가될 수 있다.

그러나, 그러한 접근법들은 최적이 아니고 이상적인 성능을 제공하지 않는 경향이 있다. 그것은 최적 성능이 달성되기 전에 지연을 도입하는 경향이 있다. 많은 시나리오 및 상황에서, 접근법은, 예를 들어 제어 루프가 전역적 최적으로 진행하기보다는 국부적 극단(local extreme)에 정착하는 것으로 인해, 최적의 동작 포인트에 도달하는 것을 야기하지 못할 수 있다.

따라서, 전력 전송 시스템에 대한 개선된 동작이 유리할 것이고, 특히, 증가된 유연성, 감소된 비용, 감소된 복잡성, 개선된 결합 계수 추정, 하위 호환성, 더 높은 전력 레벨 전송들에 대한 개선된 적합성, 전력 전송의 개선된 초기화, 특정 동작 조건들에 대한 개선된 적응, 및/또는 개선된 성능을 허용하는 접근법이 유리할 것이다.

따라서, 본 발명은 전술한 불리한 점들 중 하나 이상을 단독으로 또는 임의의 조합으로 바람직하게 완화, 경감 또는 제거하고자 한다.

본 발명의 태양에 따르면, 유도 전력 전송 신호를 통해 전력 수신기에 전력을 무선으로 제공하기 위한 전력 송신기로서, 송신기 코일 및 적어도 하나의 커패시터를 포함하는 출력 공진 회로; 유도 전력 전송 신호를 생성하기 위해 출력 공진 회로에 대한 구동 신호를 생성하도록 배열된 구동기; 공진 측정 시간 구간 동안 출력 공진 회로에 대한 제1 결합 공진 주파수를 결정하도록 배열된 공진 검출기로서, 제1 결합 공진 주파수는 전력 수신기의 전력 전송 입력 공진 회로의 수신기 코일에 결합되는 송신기 코일에 대한 출력 공진 회로에 대한 공진 주파수이고, 전력 전송 입력 공진 회로는 공진 측정 시간 구간 동안 10 이상의 품질 계수를 갖는, 상기 공진 검출기; 출력 공진 회로의 비결합 공진 주파수 및 제1 결합 공진 주파수에 응답하여 송신기 코일과 수신기 코일 사이의 결합에 대한 결합 계수 추정치를 결정하도록 배열된 추정 회로; 및 결합 계수 추정치에 응답하여 동작 파라미터를 설정하기 위한 어댑터를 포함하는, 전력 송신기가 제공된다.

본 발명은 많은 실시예에서 개선된 전력 전송을 제공할 수 있다. 많은 실시예에서, 그것은 개선된 초기 성능 및/또는 선호되는 동작 포인트에 대한 더 빠른 적응 및 수렴을 제공할 수 있다. 많은 실시예에서, 접근법은 변화하는 동작 조건들에 대한 전력 전송의 개선된 적응을 제공할 수 있다. 접근법은 전형적으로 낮은 복잡성의 구현을 허용하면서 유리한 전력 전송 동작 및 성능을 제공할 수 있다. 접근법은 결합 계수의 효율적인 그리고/또는 신뢰성 있는 그리고/또는 정확한 결정을 가능하게 할 수 있으며, 이는 전력 전송의 전형적으로 중요한 파라미터들의 개선된 적응을 가능하게 하여서 개선된 전력 전송을 가능하게 할 수 있다.

접근법의 특별한 이점은 그것이 많은 실시예에서 특정한 추정 프로세스 또는 계산이 반드시 전력 수신기에서 수행될 필요는 없이 완전히 전력 송신기 기반일 수 있다는 것이다. 이것은 많은 시나리오에서 비용을 감소시킬 수 있다. 그것은 구현을 용이하게 하고/하거나 개선된 하위 호환성을 제공할 수 있다.

결합 계수 추정치는 결합 계수 변화 추정치일 수 있다.

공진 회로에 대한 비결합 공진 주파수는 공진 회로로부터, 공진 회로의 일부가 아닌 인덕터로의 유도 결합이 존재하지 않을 때의 공진 주파수일 수 있다. 출력 공진 회로에 대한 비결합 공진 주파수는 송신기 코일이 수신기 코일에(또한 전형적으로 임의의 다른 인덕터에도) 결합되지 않을 때의 공진 주파수일 수 있다.

제1 결합 공진 주파수는 출력 공진 회로가 수신기 코일(107)에 결합될 때의 그리고 전력 수신기가 전력 전송을 위한 전력 전송 위치에 있을 때의 출력 공진 회로의 공진 주파수일 수 있다.

몇몇 실시예들에서, 전력 전송 입력 공진 회로는 공진 측정 시간 구간 동안 20, 50, 100, 또는 심지어 500 이상의 품질 계수를 갖는다.

본 발명의 선택적인 특징에 따르면, 공진 검출기는, 공진 측정 시간 구간 동안 변화하는 주파수를 갖도록 구동 신호를 생성하도록 구동기를 제어하고, 구동 신호의 전압, 구동 신호의 전류, 및 구동 신호의 전압과 구동 신호의 전류 사이의 위상차 중 적어도 하나에 응답하여 제1 결합 공진 주파수를 결정하도록 배열된다.

이것은 특히 유리한 접근법을 제공할 수 있고, 결합 계수의 매우 효과적이고 실용적인 결정 및 이에 따라 동작 파라미터의 개선된 설정으로 이어질 수 있다.

본 발명의 선택적인 특징에 따르면, 공진 검출기는, 더 높은 주파수들로부터 더 낮은 주파수들을 향한 구동 신호의 주파수 스위프(frequency sweep)를 수행하도록 구동기를 제어하고, 구동 신호에 대한 공진 기준이 충족되는 제1 검출 주파수로서 제1 결합 공진 주파수를 결정하도록 배열된다.

이것은 많은 실시예에서 출력 공진 회로에 대한 결합 공진 주파수의 개선된 검출, 및 이에 따라 개선된 결합 계수 추정치 및 동작 파라미터의 개선된 설정을 제공할 수 있으며, 이는 개선된 전력 전송으로 이어진다.

본 발명의 선택적인 특징에 따르면, 공진 측정 시간 구간은 전력 전송 동작의 초기화 동안이고, 동작 파라미터는 전력 전송 동작에 대한 초기 동작 파라미터이다.

접근법은 전력 전송의 개선된 초기화를 가능하게 할 수 있다. 접근법은 전력 전송을 위한 선호되는 동작 포인트를 향한 더 빠른 그리고/또는 더 신뢰성 있는 수렴을 가능하게 할 수 있다.

본 발명의 선택적인 특징에 따르면, 구동기는, 전력 전송 단계 동안, 적어도 하나의 전력 전송 시간 구간 및 적어도 하나의 측정 시간 구간을 포함하는 반복 시간 프레임에 따라 구동 신호를 생성하도록 배열되고, 공진 측정 시간 구간은 측정 시간 구간에 포함된다.

접근법은 전력 전송 동안 변화하는 동작 조건들에 대한 개선된 적응, 예컨대 구체적으로 전력 송신기에 대한 전력 수신기의 이동들에 대한 개선된 적응을 가능하게 할 수 있다.

많은 실시예에서, 측정 시간 구간의 지속시간(duration)은 시간 프레임의 지속시간의 5%, 10%, 또는 20% 이하이다. 많은 실시예에서, 측정 시간 구간(들)의 지속기간은 시간 프레임의 70%, 80%, 또는 90% 이상이다. 측정 시간 구간(들)의 지속시간은 많은 시나리오에서 5 msec, 10 msec, 또는 50 msec를 초과하지 않을 수 있다.

본 발명의 선택적인 특징에 따르면, 동작 파라미터는 전력 전송 신호의 전력 레벨을 제어하는 파라미터이다.

이것은 많은 실시예에서 특히 유리한 동작을 제공할 수 있다.

전력 전송 신호의 전력 레벨을 제어하는 파라미터는 구체적으로 구동 신호의 주파수, 듀티 사이클, 위상, 전류, 및/또는 전압과 같은, 구동 신호의 파라미터일 수 있다.

본 발명의 선택적인 특징에 따르면, 동작 파라미터는 전력 수신기로부터 수신된 전력 제어 메시지들에 응답하여 전력 전송 신호의 전력 레벨을 적응시키도록 배열된 전력 제어 루프의 루프 파라미터인 전력 루프 파라미터이다.

이것은 많은 실시예에서 특히 유리한 동작을 제공할 수 있다. 그것은 전력 전송을 위한 제어 응답이 현재 조건들에 대해 동적으로 적응되고/되거나 최적화되는 것을 가능하게 할 수 있다. 접근법은 많은 시나리오에서 제어 루프의 안정성을 여전히 보장하면서 더 빠른 제어 동작을 가능하게 할 수 있다.

루프 파라미터는 구체적으로 루프 이득 및/또는 루프 지연일 수 있다.

본 발명의 선택적인 특징에 따르면, 추정 회로는 전력 전송 입력 공진 회로의 비결합 공진 주파수에 응답하여 결합 계수 추정치를 결정하도록 추가로 배열된다.

이것은 많은 시나리오에서 결합 계수의 개선된 추정을 가능하게 할 수 있다. 그것은 결합 계수 추정의 결정을 용이하게 할 수 있다.

전력 전송 입력 공진 회로의 비결합 공진 주파수는 수신기 코일이 송신기 코일에(또한 전형적으로 임의의 다른 인덕터에도) 결합되지 않을 때의 전력 전송 입력 공진 회로의 공진 주파수일 수 있다.

본 발명의 선택적인 특징에 따르면, 공진 검출기는 공진 측정 시간 구간 동안 출력 공진 회로에 대한 제2 결합 공진 주파수를 결정하도록 추가로 배열되며, 제2 동작 공진 주파수는 전력 수신기의 존재 시에 출력 공진 회로에 대한 상이한 공진 주파수이고, 추정 회로는 제2 동작 공진 주파수에 응답하여 결합 계수 추정치를 결정하도록 추가로 배열된다.

이것은 많은 실시예에서 특히 유리하고/하거나 촉진된 동작 및/또는 성능을 제공할 수 있다.

본 발명의 선택적인 특징에 따르면, 추정 회로는 다음 식들 중 적어도 하나에 응답하여 결합 계수 추정치를 결정하도록 배열되며,

여기서, f_p는 공진 출력 회로의 비결합 공진 주파수이고, f_s는 전력 전송 입력 공진 회로의 비결합 공진 주파수이고, Fres1은 제1 결합 공진 주파수이고, Fres2는 제2 결합 공진 주파수이고, k는 결합 계수이다.

이것은 많은 실시예에서 특히 유리하고/하거나 촉진된 동작 및/또는 성능을 제공할 수 있다.

본 발명의 다른 태양에 따르면, 전력 송신기 및 전력 수신기를 포함하는 무선 전력 전송 시스템으로서, 전력 송신기는 유도 전력 전송 신호를 통해 전력 수신기에 전력을 무선으로 제공하도록 배열되고, 전력 송신기는, 송신기 코일 및 적어도 하나의 커패시터를 포함하는 출력 공진 회로; 유도 전력 전송 신호를 생성하기 위해 출력 공진 회로에 대한 구동 신호를 생성하도록 배열된 구동기; 공진 측정 시간 구간 동안 출력 공진 회로에 대한 제1 결합 공진 주파수를 결정하도록 배열된 공진 검출기로서, 제1 결합 공진 주파수는 전력 수신기의 전력 전송 입력 공진 회로의 수신기 코일에 결합되는 송신기 코일에 대한 출력 공진 회로에 대한 공진 주파수이고, 전력 전송 입력 공진 회로는 공진 측정 시간 구간 동안 10 이상의 품질 계수를 갖는, 상기 공진 검출기; 출력 공진 회로의 비결합 공진 주파수 및 제1 결합 공진 주파수에 응답하여 송신기 코일과 수신기 코일 사이의 결합에 대한 결합 계수 추정치를 결정하도록 배열된 추정 회로; 및 결합 계수 추정치에 응답하여 동작 파라미터를 설정하기 위한 어댑터를 포함하고, 전력 수신기는, 전력 송신기로부터 전력을 추출하기 위한 수신기 코일(107) 및 적어도 하나의 커패시터를 포함하는 전력 전송 입력 공진 회로로서, 공진 측정 시간 구간 동안 10 이상의 품질 계수를 갖는, 상기 전력 전송 입력 공진 회로를 포함하는, 무선 전력 전송 시스템이 제공된다.

본 발명의 선택적인 특징에 따르면, 전력 수신기는 공진 측정 시간 구간 동안 품질 계수가 10 이상이도록 제한되지 않는 전력 전송 모드로부터 측정 모드로 스위칭하기 위한 회로를 추가로 포함하며, 품질 계수는 전력 수신기가 측정 모드에서 동작 중일 때 10 이상이다.

이것은 많은 실시예에서 특히 유리하고/하거나 촉진된 동작 및/또는 성능을 제공할 수 있다.

본 발명의 선택적인 특징에 따르면, 전력 수신기는 공진 측정 시간 구간 동안 전력 전송 입력 공진 회로를 단락시키기 위한 회로를 추가로 포함한다.

이것은 많은 실시예에서 특히 유리하고/하거나 촉진된 동작 및/또는 성능을 제공할 수 있다.

본 발명의 다른 태양에 따르면, 유도 전력 전송 신호를 통해 전력 수신기에 전력을 무선으로 제공하는 전력 송신기를 위한 동작의 방법으로서, 전력 송신기는, 송신기 코일 및 적어도 하나의 커패시터를 포함하는 출력 공진 회로를 포함하고, 방법은, 유도 전력 전송 신호를 생성하기 위해 출력 공진 회로에 대한 구동 신호를 생성하는 단계; 공진 측정 시간 구간 동안 출력 공진 회로에 대한 제1 결합 공진 주파수를 결정하는 단계로서, 제1 결합 공진 주파수는 전력 수신기의 전력 전송 입력 공진 회로의 수신기 코일(107)에 결합되는 송신기 코일(103)에 대한 출력 공진 회로에 대한 공진 주파수이고, 전력 전송 입력 공진 회로는 공진 측정 시간 구간 동안 10 이상의 품질 계수를 갖는, 상기 공진 측정 시간 구간 동안 출력 공진 회로에 대한 제1 결합 공진 주파수를 결정하는 단계; 출력 공진 회로의 비결합 공진 주파수 및 제1 결합 공진 주파수에 응답하여 송신기 코일과 수신기 코일 사이의 결합에 대한 결합 계수 추정치를 결정하는 단계; 및 결합 계수 추정치에 응답하여 동작 파라미터를 설정하는 단계를 포함하는, 방법이 제공된다.

본 발명의 실시예들이 도면을 참조하여 단지 예로서 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른 전력 전송 시스템의 요소들의 예를 예시한다.
도 2는 도 1의 전력 전송 시스템에 대한 등가 회로의 예를 예시한다.
도 3은 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른 전력 송신기의 요소들의 예를 예시한다.
도 4는 전력 송신기를 위한 하프 브리지 인버터(half bridge inverter)의 예를 예시한다.
도 5는 전력 송신기를 위한 풀 브리지 인버터(full bridge inverter)의 예를 예시한다.
도 6은 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른 전력 수신기의 요소들의 예를 예시한다.
도 7은 도 3의 전력 송신기의 출력 공진 회로의 응답의 예를 예시한다.
도 8은 결합 계수의 함수로서의 도 3의 전력 송신기의 출력 공진 회로의 결합 공진 주파수들의 예를 예시한다.
도 9는 결합 계수의 함수로서의 도 3의 전력 송신기의 출력 공진 회로의 결합 공진 주파수들의 예를 예시한다.
도 10은 도 3의 전력 송신기의 출력 공진 회로의 응답의 예를 예시한다.
도 11은 도 3의 전력 송신기의 출력 공진 회로의 응답의 예를 예시한다.
도 12는 도 3의 전력 송신기의 출력 공진 회로의 응답의 예를 예시한다.
도 13은 도 3의 전력 송신기의 출력 공진 회로의 응답의 예를 예시한다.
도 14는 도 3의 전력 송신기의 출력 공진 회로의 응답의 예를 예시한다.
도 15는 도 1의 무선 전력 전송 시스템에 대한 시간 프레임의 예를 예시한다.

다음의 설명은 Qi 사양 또는 Ki 사양으로부터 알려진 것과 같은 전력 전송 접근법을 이용하는 무선 전력 전송 시스템에 적용 가능한 본 발명의 실시예들에 중점을 둔다. 그러나, 본 발명은 이러한 응용으로 제한되는 것이 아니라 많은 다른 무선 전력 전송 시스템들에 적용될 수 있다는 것이 인식될 것이다.

도 1은 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른 전력 전송 시스템의 예를 예시한다. 전력 전송 시스템은 송신기 코일/인덕터(103)를 포함하는(또는 그에 결합되는) 전력 송신기(101)를 포함한다. 시스템은 수신기 코일/인덕터(107)를 포함하는(또는 그에 결합되는) 전력 수신기(105)를 추가로 포함한다.

시스템은 전력 송신기(101)로부터 전력 수신기(105)로 전력을 유도적으로 전송할 수 있는 유도 전자기 전력 전송 신호를 제공한다. 구체적으로, 전력 송신기(101)는 전자기 신호를 생성하며, 이는 송신기 코일 또는 인덕터(103)에 의해 자기 플럭스로서 전파된다. 전력 전송 신호는 전형적으로 약 20 ㎑ 내지 약 500 ㎑의, 그리고 종종 Qi 호환 가능 시스템에 대해 전형적으로 95 ㎑ 내지 205 ㎑의 범위의, 또는 Ki 호환 가능 시스템에 대해 전형적으로 20 ㎑ 내지 80 ㎑의 범위의 주파수를 가질 수 있다. 송신기 코일(103)과 전력 수신 코일(107)은 느슨하게 결합되고 이에 따라 전력 수신 코일(107)은 전력 송신기(101)로부터 전력 전송 신호(의 적어도 일부)를 픽업한다. 이에 따라, 전력은 송신기 코일(103)로부터 전력 수신 코일(107)로의 무선 유도 결합을 통해 전력 송신기(101)로부터 전력 수신기(105)로 전송된다. 용어 '전력 전송 신호'는 주로 송신기 코일(103)과 전력 수신 코일(107) 사이의 유도 신호/자기 필드(자기 플럭스 신호)를 지칭하는 데 사용되지만, 동등하게 그것은 또한 송신기 코일(103)에 제공되거나 전력 수신 코일(107)에 의해 픽업되는 전기 신호에 대한 지칭으로서 간주되고 사용될 수 있다는 것이 인식될 것이다.

예에서, 전력 수신기(105)는 구체적으로 수신기 코일(107)을 통해 전력을 수신하는 전력 수신기이다. 그러나, 다른 실시예들에서, 전력 수신기(105)는 금속 가열 요소와 같은 금속 요소를 포함할 수 있으며, 그 경우에 전력 전송 신호는 요소의 직접 가열을 야기하는 와전류를 직접 유도한다.

시스템은 상당한 전력 레벨들을 전송하도록 배열되고, 구체적으로 전력 송신기는 많은 실시예들에서 500 mW, 1 W, 5 W, 50 W, 100 W 또는 500 W를 초과하는 전력 레벨들을 지원할 수 있다. 예를 들어, Qi 대응 응용들에 대해, 전력 전송은 전형적으로 저전력 응용들에 대해 1 - 5 W 전력 범위(기본 전력 프로파일), Qi 사양 버전 1.2에 대해 최대 15 W, 전동 공구, 랩톱, 드론, 로봇 등과 같은 더 높은 전력 응용들에 대해 최대 100 W의 범위, 그리고 매우 높은 전력 응용들에 대해, 이를테면 예를 들어 Ki 주방 응용들에 대해 100 W 초과 및 최대 2000 W 초과일 수 있다.

이하에서, 전력 송신기(101) 및 전력 수신기(105)의 동작이 일반적으로 Qi 또는 Ki 사양들(본 명세서에 설명된(또는 결과적인) 수정들 및 향상들을 제외하고)에 따른 또는 무선 전력 컨소시엄에 의해 개발되고 있는 더 높은 전력의 주방 사양에 적합한 실시예를 특히 참조하여 설명될 것이다. 특히, 전력 송신기(101) 및 전력 수신기(105)는 Qi 사양 버전 1.0, 1.1 또는 1.2의 요소들을 따르거나 그와 실질적으로 호환 가능할 수 있다(본 명세서에 설명된(또는 결과적인) 수정들 및 향상들을 제외하고).

많은 무선 전력 전송 시스템들에 대해, 그리고 특히 Ki와 같은 고전력 시스템들에서, 공진 전력 전송을 이용하며, 여기서 송신기 코일(103)은 공진 회로의 일부이고 전형적으로 수신기 코일(107)이 또한 공진 회로의 일부이다. 많은 실시예에서, 공진 회로들은 직렬 공진 회로들일 수 있고, 이에 따라 송신기 코일(103)과 수신기 코일(107)은 대응하는 공진 커패시터와 직렬로 결합될 수 있다. 공진 회로들의 사용은 더 효율적인 전력 전송을 제공하는 경향이 있다.

대부분의 전력 전송 시스템들에서, 전력 전송이 개시되기 전에, 전력 송신기(101)와 전력 수신기(105) 사이의 통신 채널이 확립된다. 통신이 셋업되고 2개의 디바이스의 식별이 달성되었을 때, 전력 송신기(101)는 전력 수신기(105)로의 전력 송신을 시작할 수 있다.

전력 송신기(101) 및 전력 수신기(105)의 전력 전송 기능에 대한 전기적 등가 다이어그램의 예가 도 2에 예시되어 있다. 광범위한 전력 송신기들 및 전력 수신기들이 주어진 시스템에 존재할 수 있고, 이들은 실질적으로 상이한 특성들 및 파라미터들을 가질 수 있다. 예를 들어, 코일 크기들, 유도 값들, 및 부하들이 크게 변할 수 있다. 따라서, 도 2에 구체적으로 표현된 바와 같은, 시스템 파라미터들은 실제로 상이한 디바이스들, 기계적 구성들, 위치설정 등 사이에서 크게 변할 수 있다. 특히, 전력 수신기의 배치, 및 이에 따라 수신기 코일(107)과 송신기 코일(103)의 상대적 위치들은 코일들, 즉 1차(전력 송신기측) 인덕터(Lp)와 2차(전력 송신기측) 인덕터(Ls) 사이의 결합에 크게 영향을 미치며, 이에 따라 시스템 거동을 크게 변경할 수 있다.

게다가, 전력 수신 디바이스들은, 예를 들어 수개의 부하들이 상이한 모드들에서 스위치 온 또는 오프되는 것과 같이, 그들이 동작하는 수개의 상이한 모드들을 가질 수 있다. 예를 들어, 전력 수신기가 에어 프라이어 기기인 것에 대해, 가열 요소가 턴온 및 턴오프될 수 있다. 이것은 예를 들어, 말하자면, 50 W로부터 1200 W로의 그리고 그 반대로의 매우 상당한 부하 스텝(load step)을 야기할 수 있다. 게다가, 그러한 부하 스위칭은 온도를 일정하게 유지하기 위해 디바이스의 동작 동안 반복될 수 있다.

시스템들은 또한, 예를 들어 저항성 컴포넌트보다는, 비선형 부하들을 포함할 수 있으며, 전력 수신기는, 예를 들어 푸드 프로세서의 모터와 같은, 모터를 구동할 수 있다. 이것은 시스템의 완전히 상이한 응답을 야기하고, 이것은 특히 제어 시스템 설계에 큰 영향을 미친다.

보통, 무선 전력 전송 시스템은 적절한 동작 포인트를 향해 시스템을 조종하기 위해 전력 제어 루프를 이용한다. 이러한 전력 제어 루프는 전력 송신기로부터 전력 수신기로 송신되는 전력의 양을 변경한다. 수신된 전력(또는 전압 또는 전류)이 측정될 수 있고, 세트포인트 전력 값과 함께, 에러 신호가 생성될 수 있다. 기기는 이러한 에러 신호를 전력 송신기 내의 전력 제어 기능에 전송하여 정적 에러를, 이상적으로는 0으로 감소시킨다.

그러나, 시스템 성능 및 동작은 기존의 전력 송신기와 전력 수신기 조합 및 배치들에 따라 크게 변하기 때문에, 적절한 동작 포인트가 또한 크게 변한다. 이것은 전력 전송의 개시/초기화 시의 조건들을 포함하며, 이에 따라 최적의 초기 동작 포인트가 또한 크게 변한다.

동작에 영향을 미치는 주요 파라미터들 중 하나는 결합 계수이다. 게다가, 결합 계수는 전력 송신기에 대한 전력 수신기(그리고 구체적으로 송신기 코일(103)에 대한 수신기 코일(107))의 위치설정에 의존하는 경향이 있으며, 따라서 특정 동작 조건들에 의존한다. 대조적으로, 도 2의 대부분의 다른 파라미터들은 알려져 있는 경향이 있고, 특정 전력 송신기와 수신기 코일(107) 조합에 대해 비교적 일정한 경향이 있다. 이에 따라, 전형적으로, 결합 계수를 제외하고는 거의 모든 관련 시스템 파라미터들이 알려져 있을 수 있다. 결합 계수는 특히 코일의 크기/기하학적 구조 및 전력 송신기와 전력 수신기 사이의 거리를 포함한 다수의 파라미터에 의존한다.

도 1의 시스템에서, 시스템은 결합 계수를 추정하기 위한 그리고 결합 계수에 응답하여 동작 파라미터를 적응시키기 위한 기능을 포함한다. 구체적으로, 많은 실시예에서, 개루프 전달 함수 및/또는 루프 이득과 같은, 제어 루프의 파라미터가 폐루프 성능을 최적화하고 제어하기 위해 적응될 수 있다. 다른 예로서, 예를 들어 전력 레벨과 같은 선호되는(전형적으로 초기) 동작 포인트는 결합 계수에 따라 적응될 수 있다. 측정 및 적응은 몇몇 실시예들에서 전력 전송 전에 수행될 수 있거나, 대안적으로 또는 추가적으로 전력 전송 후에 수행될 수 있다.

예시적인 동작으로서, 전력 수신기가 전력 송신기 상에 배치될 때, 그들 사이의 통신이 확립될 수 있다. 이것은 전력 송신기가 전력을 송신하기 시작하는 것을 가능하게 할 수 있지만, 먼저 그것은 적합한 동작 포인트를 확립할 필요가 있다. 하나의 옵션은 최악의 시나리오들에서 동작이 가능한 것이 보장될 수 있는 매우 안전하고 신뢰성 있는 동작 포인트를 선택하고, 이어서 전력 전송 동안 동작 포인트의 점진적 적응을 행하는 것일 것이다. 그러나, 그러한 접근법은 느리고 비효율적인 경향이 있으며, 실제로 많은 시나리오에서 최적 동작 포인트에 점진적으로 적응하는 것이 실현 가능하지 않을 수 있다(예를 들어, 시스템은 전역적 최대로 진행하기보다는 국부적 최대에 고착될 수 있다).

따라서, 원하는 동작 포인트를 결정하고, 이러한 원하는 동작 포인트에서 또는 그 가까이에서 동작을 개시하는 것이 선호될 수 있다. 원하는 동작 포인트는 모든 알려져 있는 시스템 파라미터들을 사용하여 추정될 수 있다. 이들은 예를 들어 1차 및 2차 인덕턴스; 1차 및 2차 공진; 부하 저항, 전력 및 전압; 및 결합 계수를 포함할 수 있다(또는 이들로 이루어질 수 있다). 모든 이러한 파라미터들이 알려져 있는 상태에서, 전력 경로에 대한 전달 함수가 계산될 수 있고, 초기 동작 포인트가 결정될 수 있다. 그러나, 파라미터들 중 대부분은 예컨대 전력 수신기로부터의 전력 수신기 파라미터들의 통신에 기초하여 전력 송신기에 의해 알려져 있을 수 있는 반면, 결합 계수는 디바이스들의 배치/오정렬에 의존하며 그에 따라 미리 알려져 있을 수 없다.

예에서, 전력 송신기는 따라서 결합 계수를 측정/추정하도록 진행할 수 있다. 이것은 예를 들어 전력 수신기에 의해 부하 인가될 때 전력 송신기 공진 회로에 대한 하나 이상의 공진 주파수를 결정함으로써 행해질 수 있다. 전력 수신기는 그러한 측정 동안 하이(high)-Q 모드에 진입될 수 있고, 공진 주파수는 송신기 코일(103)을 구동하는 신호의 주파수 스위프에 의해 전력 송신기에 의해 결정될 수 있다. 공진 주파수에 기초하여, 결합 계수는 전력 수신기 공진 주파수 및 전력 송신기 공진 주파수의 프리 러닝 공진 주파수들에 기초하여 계산될 수 있다.

이러한 결합 계수는 이어서 완전한 전달 함수를 계산하는 데, 그리고 이어서 예를 들어 초기 전력 레벨 및/또는 루프 이득과 같은, 초기 동작 포인트 및 요구되는 동작 파라미터들을 계산하는 데 사용될 수 있다. 동작 파라미터들을 계산된 값들로 설정하는 것은 초기 동작 포인트가 전력 전송의 시작부터 도달되는 것을 가능하게 할 수 있으며, 이는 적절한 전력/전류가 전력 수신기에 전달되는 것을 야기할 것이다.

실제로, 전력이 전송되기 전에 전력 전송 시스템의 결합 계수를 측정함으로써, 시스템 응답의 더 양호한 추정이 이루어질 수 있다. 이것은 초기 동작 포인트(주파수, 전력 신호의 듀티 사이클, 루프 이득 등)의 더 양호한 선택을 야기할 수 있다. 이것은 원하는 전력 레벨이 훨씬 더 빠르게 도달되는 것을 가능하게 할 수 있다. 게다가, 그러한 접근법은 과전압 또는 과전류 조건들이 발생할 위험을 감소시킬 수 있다.

또한, 전력 전송 동안 결합 계수를 측정하고 그러한 측정에 기초하여 동작 파라미터(들)를 적응시키는 것은 개선된 성능을 제공할 수 있고 전형적으로 더 정확한 최적화 및 적응을 제공할 수 있다.

도 3은 도 1의 전력 송신기(101)의 요소들을 더 상세히 예시한다.

전력 송신기(101)는 송신기 코일(103)에 공급되는 구동 신호를 생성할 수 있는 구동기(301)를 포함하고, 송신기 코일(103)은 응답으로 전자기 전력 전송 신호를 생성하며, 그에 의해 전력 수신기(105)로의 전력 전송을 제공한다. 송신기 코일(103)은 송신기 코일(103) 및 커패시터(303)를 포함하는 출력 공진 회로의 일부이다. 예에서, 출력 공진 회로는 직렬 공진 회로이지만, 다른 실시예들에서, 출력 공진 회로는 병렬 공진 회로일 수 있다는 것이 인식될 것이다. 다수의 인덕터 및/또는 커패시터를 포함하는 것을 비롯한 임의의 적합한 공진 회로가 사용될 수 있다는 것이 인식될 것이다.

구동기(301)는 출력 공진 회로에 그리고 이에 따라 송신기 코일(103)에 공급되는 전류 및 전압을 생성한다. 구동기(301)는 전형적으로 DC 전압으로부터 교번하는 신호를 생성하는 인버터의 형태의 구동 회로이다. 구동기(301)의 출력은 전형적으로 스위치 브리지로서, 스위치 브리지의 스위치들의 적절한 스위칭에 의해 구동 신호를 생성하는, 상기 스위치 브리지이다. 도 4는 하프-브리지 스위치 브리지/인버터를 도시한다. 스위치들(S1 및 S2)은 그들이 결코 동시에 닫히지 않도록 제어된다. 교번하여 S1은 S2가 열려 있는 동안 닫히고 S2는 S1이 열려 있는 동안 닫힌다. 스위치들은 원하는 주파수로 열리고 닫히며, 그에 의해 출력에서 교번하는 신호를 생성한다. 전형적으로, 인버터의 출력은 공진 커패시터를 통해 송신기 인덕터에 연결된다. 도 5는 풀-브리지 스위치 브리지/인버터를 도시한다. 스위치들(S1 및 S2)은 그들이 결코 동시에 닫히지 않도록 제어된다. 스위치들(S3 및 S4)은 그들이 결코 동시에 닫히지 않도록 제어된다. 교번하여 스위치들(S1 및 S4)은 S2 및 S3이 열려 있는 동안 닫히고, 이어서 S2 및 S3은 S1 및 S4가 열려 있는 동안 닫히며, 그에 의해 출력에서 구형파 신호를 생성한다. 스위치들은 원하는 주파수로 열리고 닫힌다.

전력 송신기(101)는 원하는 동작 원리들에 따라 전력 송신기(101)의 동작을 제어하도록 배열된 전력 송신기 제어기(305)를 추가로 포함한다. 구체적으로, 전력 송신기(101)는 Qi 사양 또는 Ki 사양에 따라 전력 제어를 수행하기 위해 요구되는 기능들 중 많은 것을 포함할 수 있다.

전력 송신기 제어기(305)는 특히 구동기(301)에 의한 구동 신호의 생성을 제어하도록 배열되고, 그것은 구체적으로 구동 신호의 전력 레벨, 및 따라서 생성된 전력 전송 신호의 레벨을 제어할 수 있다. 전력 송신기 제어기(305)는 전력 전송 단계 동안 전력 수신기(105)로부터 수신된 전력 제어 메시지들에 응답하여 전력 전송 신호의 전력 레벨을 제어하는 전력 루프 제어기를 포함한다.

전력 송신기 제어기(305)는 전력 수신기(105)와 통신하기 위한 기능을 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 전력 송신기 제어기(305)는 전력 전송 신호를 변조함으로써 전력 수신기(105)에 데이터를 송신하고, 전력 전송 신호의 부하 변조를 검출함으로써 전력 수신기(105)로부터 데이터를 수신하도록 배열될 수 있다. 다른 실시예들에서, 다른 통신 수단이 사용될 수 있는데, 이를테면 예를 들어 NFC 통신과 같은 별개의 통신 기능이 구현될 수 있다는 것이 인식될 것이다.

송신기 코일(103)을 포함하는 공진 회로의 사용은 많은 시나리오에서 더 효율적인 전력 전송을 제공하는 것으로 잘 알려져 있다. 더욱이, 공진 회로를 또한 이용하는, 즉 수신기 코일(107)이 공진 회로의 일부인 전력 수신기를 갖는 것은, 매우 효율적인 전력 전송 및, 이를테면 예를 들어 구동 신호의 주파수를 제어하는 것에 의한, 전력 전송의 제어의 용이성을 포함한 다수의 이점을 제공하는 공진 전력 전송을 야기할 수 있다.

도 6은 전력 수신기(105)의 몇몇 예시적인 요소들을 예시한다.

수신기 코일(107)은 수신기 코일(107)과 함께 입력 공진 회로를 형성하는 커패시터(603)를 통해 전력 수신기 제어기(601)에 결합된다. 이에 따라, 전력 전송은 공진 회로들 사이의 공진 전력 전송일 수 있다.

전력 수신기 제어기(601)는 특히 부하(605)를 단락시키는 것이 가능할 수 있는 스위치(607)를 통해 수신기 코일(107)을 부하(605)에 결합한다. 전력 수신기 제어기(601)는 수신기 코일(107)에 의해 추출된 전력을 부하(605)를 위한 적합한 공급물로 변환하는 전력 제어 경로를 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 전력 수신기 제어기(601)는 간단히 입력 공진 회로를 스위치(607) 또는 부하(605)에 연결하는 직접 전력 경로를 제공할 수 있는데, 즉 전력 송신기 제어기(303)의 전력 경로는 간단히 2개의 와이어에 의해 구현될 수 있다. 다른 실시예들에서, 전력 경로는 DC 전압을 제공하기 위해 예를 들어 정류기들 및 가능하게는 평활 커패시터들을 포함할 수 있다. 또 다른 실시예들에서, 전력 경로는, 예를 들어 전압 제어 회로부, 임피던스 매칭 회로부, 전류 제어 회로부 등과 같은, 더 복잡한 기능들을 포함할 수 있다. 유사하게, 스위치(607)는 몇몇 실시예들에서만 존재할 수 있으며, 몇몇 실시예들에서 부하(605)는 입력 공진 회로에 영구적으로 결합될 수 있다는 것이 인식될 것이다.

또한, 전력 수신기 제어기(601)는 전력 전송을 수행하기 위해 요구되는 다양한 전력 수신기 제어기 기능, 및 특히 Qi 또는 Ki 사양에 따라 전력 전송을 수행하기 위해 요구되는 기능을 포함할 수 있다.

전력 수신기 제어기(601)는 전력 송신기(101)와 통신하기 위한 기능을 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 그것은 전력 전송 신호 상에 변조된 데이터를 디코딩 및 복조하도록 배열될 수 있고, 그것은 전력 전송 신호를 부하 변조함으로써 전력 송신기(101)에 데이터를 송신하도록 배열될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, NFC 통신 기능과 같은 별개의 통신 기능이 이용될 수 있다.

동작 시에, 시스템은 전력 전송 신호가 적합한 동작 파라미터들/특성들을 달성하도록, 그리고 전력 전송이 적합한 동작 포인트에서 동작하도록 구동 신호를 제어하도록 배열된다. 그렇게 하기 위해, 전력 송신기는 전력 전송 신호/구동 신호의 전력 특성이 전력 수신기로부터 수신되는 전력 제어 에러 메시지들에 응답하여 제어되는 전력 제어 루프를 사용하여 구동 신호의 파라미터를 제어하도록 배열된다.

규칙적인, 그리고 전형적으로 빈번한, 구간들에서, 전력 수신기는 전력 제어 에러 메시지를 전력 송신기에 송신한다. 전력 수신기(105)는 그러한 전력 제어 루프를 지원하기 위한 기능을 포함하며, 예컨대 전력 수신기 제어기(601)는 부하에 제공되는 부하 신호의 전력 또는 전압을 연속적으로 모니터링하고 이것이 원하는 값 초과인지 또는 미만인지를 검출할 수 있다. 그것은 규칙적인 구간들에서 전력 전송 신호의 전력 레벨이 증가되거나 감소될 것을 요청하는 전력 제어 에러 메시지를 생성할 수 있고, 그것은 이러한 전력 제어 에러 메시지를 전력 송신기에 송신할 수 있다.

전력 수신기로부터 전력 제어 에러 메시지를 수신할 때, 송신 제어기(305)는 요청된 바와 같은 전력 전송 신호의 전력 레벨을 증가시키거나 감소시키기 위해 구동 신호 파라미터가 어떻게 수정되어야 하는지를 결정할 수 있다. 이어서 그것은 구동 신호 파라미터를 그에 맞춰 제어하고 적응시킬 수 있다.

따라서 전력 수신기에서 원하는 동작 포인트를 야기하도록 전력 전송 신호의 전력 특성을 제어하는 전력 제어 루프가 이용된다. 이에 따라 전력 전송의 동작은 전력 제어 루프에 의해 제어되며, 이것의 효과적인 동작은 시스템의 성능에 중요하다. 이에 따라 동작 조건들에 대해 전력 제어 루프를 초기화하거나 적응시키는 것은 최적 성능을 위해 중요하다.

설명된 시스템에서, 전력 송신기는 결합 계수를 추정하기 위한, 그리고, 결합 계수에 기초하여, 전력 전송 시스템, 그리고 구체적으로 전력 제어 루프의 동작을 적응시키기 위한 기능을 포함한다.

전력 송신기는 구체적으로 그것이 전력 수신기에, 그리고 구체적으로 수신기 코일(107) 및 입력 공진 회로에 결합될 때 출력 공진 회로에 대한(그리고/또는 동등하게 구동 신호에 대한) 하나 이상의 공진 주파수의 검출/측정에 응답하여 결합 계수를 결정하도록 배열된다. 이어서 그것은 전력 전송 시스템의 동작을 그에 맞춰 적응시킬 수 있다.

전력 송신기(101)는 전력 수신기의 존재 시, 즉 송신기 코일(103)이 전력 수신기의 수신기 코일(107)에 결합될 때, 결합 공진 주파수가 출력 공진 회로에 대한 공진 주파수인 공진 측정 시간 구간 동안 출력 공진 회로에 대한 결합 동작 공진 주파수를 결정하도록 배열된 공진 검출기(307)를 포함한다. 따라서 결합 공진 주파수는 송신기 코일(103)이 수신기 코일(107)에 결합될 때 출력 공진 회로의 유효 공진 주파수를 반영한다. 2개의 코일의 결합으로 인해, 송신기 코일(103)의 유효 인덕턴스는 그것이 임의의 수신기 코일(107)에 결합되지 않을 때 송신기 코일(103)의 자기-인덕턴스와는 상이하다. 유사하게, 수신기 코일(107)의 유효 인덕턴스는 이것이 임의의 송신기 코일(103)에 결합되지 않을 때 수신기 코일(107)의 자기-인덕턴스와는 상이하다. 결과적으로, 유효 공진들은 결합이 없을 때 자기 공진들과는 상이할 것이다. 더욱이, 2개의 코일, 및 이에 따라 2개의 공진 회로의 결합으로 인해, 구동 신호들은 2개의 (상이한) 공진 주파수를 효과적으로 경험할 것인데, 즉 결합으로 인해 출력 공진 회로는 2개의 공진 주파수를 효과적으로 가질 것이며, 이들은 출력 공진 회로의 자기(비결합) 공진 주파수와는 상이하다.

출력 공진 회로에 대한 유효 또는 결합 공진 주파수는 그것이 임의의 다른 인덕터에 결합되지 않을 때 출력 공진 회로의 자기 공진 주파수와는 상이할 것이며, 차이는 결합에 의존할 것이다. 이에 따라, 출력 공진 회로의 결합 또는 동작 공진 주파수를 검출하는 것은 수신기 코일(107)에 대한 결합에 관한 정보를 제공할 수 있으며, 이것은 전력 송신기(101)에서 결합 계수를 추정하는 데 사용될 수 있다.

공진 검출기(307)는 공진 출력 회로의 적어도 결합 공진 주파수에 그리고 비결합 공진 주파수에 기초하여 송신기 코일(103)과 수신기 코일(107) 사이의 결합에 대한 결합 계수 추정치를 결정하도록 배열된 추정 회로(309)에 결합된다. 출력 공진 회로의 비결합 주파수는 그것이 인덕터에 그리고 구체적으로 수신기 코일(107)에 결합되지 않을 때의 출력 공진 회로의 공진 주파수이다. 비결합 공진 주파수는 출력 공진 회로의 자기-공진 주파수로도 지칭된다.

이에 따라, 추정 회로(309)는 송신기 코일(103)과 수신기 코일(107) 사이의 결합이 출력 공진 회로의 공진 주파수에 미치는 영향에 기초하여 결합 계수를 추정하도록 배열된다.

추정 회로(309)는 결합 계수 추정치에 응답하여 동작 파라미터를 설정하도록 배열된 어댑터(311)에 결합된다. 몇몇 실시예들에서, 설정은 상대적 또는 절대적 설정일 수 있다. 어댑터(311)는 예를 들어 파라미터 값을 주어진 양만큼 증가시키거나 감소시킴으로써 동작 파라미터의 상대적 설정을 수행할 수 있는데, 예를 들어 그것은 현재 값으로부터 전력 레벨을 증가시키거나 감소시킬 수 있다.

몇몇 실시예들에서, 어댑터(311)는 전력 전송 신호 파라미터에 대한 동작 값을 적응시키거나 설정하도록, 그리고 구체적으로 전력 전송 신호의 전력 레벨을 제어하는 전력 전송 신호에 대한 파라미터 값을 설정하도록 배열될 수 있다. 그러한 파라미터 값들은 전력 전송 신호에 대한 (공진 전력 전송 시스템에 대한 전력 레벨에 영향을 미치는) 주파수, 위상, 진폭(전류 및/또는 전압), 또는 듀티 사이클을 포함할 수 있다.

예를 들어, 높은 결합 계수에 대해, 코일들 사이의 전력 전송이 효율적일 수 있고 그에 따라 높은 전력 레벨이 설정될 수 있는 반면, 낮은 결합 계수에 대해, 전력 전송은 덜 효율적이고 그에 따라 그것은 더 낮은 레벨로 설정되어야 한다.

이에 따라, 결합 계수를 추정함으로써, 적합한 전력 레벨을 결정하는 것이 가능하며, 전력 전송 동작을 시작할 때, 이것은 전력 전송 신호의 동작 파라미터들을 적절하게 설정함으로써 원하는 값으로 설정된 그 전력 레벨로 초기화될 수 있다.

적절한 전력 레벨들은 예를 들어 제조 동안 생성된 룩업 테이블(LUT)을 사용하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 상이한 특성들(예를 들어, 코일 치수들, 전력 수신기 인덕턴스 값들 등)을 갖는 상이한 전력 수신기들에 대해 수행된 측정들에 기초하여, 적합한 전력 레벨들이 상이한 결합 계수들에 대해 결정되고 LUT에 저장될 수 있다. 동작 동안, 새로운 전력 수신기로 새로운 전력 전송을 초기화할 때, 전력 수신기는 관련 파라미터 값들을 전력 송신기에 송신할 수 있으며, 전력 송신기는 결합 계수를 추가로 추정할 수 있다. 결과적인 값들은 LUT에서 테이블 룩업을 수행하는 데 사용될 수 있으며, 전력 전송은 대응하는 전력 레벨로 초기화될 수 있다. LUT는 구체적으로 구동 신호에 대한 주파수, 듀티 사이클, 및/또는 진폭에 대한 적합한 값들을 출력할 수 있다. 이어서 어댑터(311)는 예를 들어 이러한 정보를 전력 송신기 제어기(305)에 제공할 수 있으며, 전력 송신기 제어기(305)는 이러한 특성들을 갖는 구동 신호를 생성하도록 구동기(301)를 제어할 수 있다. 이에 따라 시스템은 적합한 파라미터들로 전력 전송을 개시할 수 있으며, 그 후에 전력 제어 루프에 의해 적응이 수행될 수 있다.

몇몇 실시예들에서, 어댑터(311)는 대안적으로 또는 추가적으로 전력 수신기(105)로부터 수신된 전력 제어 메시지들에 기초하여 전력 전송 신호의 전력 레벨을 제어하는 전력 제어 루프의 전력 제어 루프 파라미터를 적응시킬 수 있다.

전력 제어 루프의 개루프 성능은 결합 계수에 크게 의존하며, 따라서 폐루프 성능도 그러하다. 실제로, 많은 시나리오에서, 폐루프는 결합 계수의 몇몇 값들에 대해서만 안정적일 수 있다. 전형적으로, 루프의 이득은 결합 계수에 실질적으로 비례할 수 있으며, 결합 계수가 실질적으로 변할 수 있듯이, 이득도 그러할 수 있다. 루프의 이득에 있어서의 변화는 루프의 안정성을 포함한 폐루프의 시간(및 주파수) 응답에 직접 영향을 미친다. 어댑터(311)는 전체 이득이 원하는 레벨에 있을 수 있도록 결합 계수에 있어서의 변화를 보상하기 위해 루프 이득을 수정하도록 배열될 수 있다. 이것은 최악의 시나리오에서 안정성을 보장하도록 루프 이득을 설정할 필요가 없으므로 더 빠르게 작용하는 루프로 최적화된 성능을 제공할 수 있다.

몇몇 실시예들에서, 지연 또는 (개루프) 주파수 응답의 조정과 같은, 루프의 더 복잡한 적응들이 이루어질 수 있다. 이것은 성능이 더 정확하게 맞춤화될 수 있게 할 수 있는 더 유연한 적응을 제공할 수 있다. 예를 들어, 필터 응답은 임의의 잠재적인 자기-발진 및 불안정성을 방지하도록 적응될 수 있다.

전력 전송 신호의 전력 레벨에 대해서, 파라미터들은 예를 들어 설계/제조 동안 측정 및 실험에 의해 결정될 수 있으며, 적절한 파라미터들은 LUT에 저장된다. 실제로, 동일한 LUT는 제어 루프 및 전력 레벨 설정 둘 모두에 대한 파라미터들을 저장할 수 있다.

적응될 수 있는 동작 파라미터들은 전력 레벨 파라미터들 또는 루프 파라미터들로 제한되는 것이 아니라, 예를 들어 이물체 검출 파라미터 또는 통신 파라미터와 같은 다른 파라미터들이 몇몇 실시예들에서 대안적으로 또는 추가적으로 설정될 수 있다는 것이 인식될 것이다.

상이한 실시예들에서, 추정기(309)는 결합 계수를 결정하기 위해 상이한 접근법들을 사용할 수 있다. 도 7의 예에 의해 예시된 바와 같이, 입력 공진 회로에 결합될 때의 출력 공진 회로의 응답은 2개의 공진을 포함하는 응답이다. 도 7은 전형적인 시스템 파라미터들에 대한 응답(구동 신호의 정전압 진폭에 대한 1차 전류의 진폭 및 위상)의 예를 도시하며, 명확히 예시된 바와 같이 응답은 2개의 공진 피크를 포함한다.

도 8은 결합된 출력 공진 회로의 공진 주파수들이 상이한 결합 계수들(k)에 대해 어떻게 변하는지의 예를 예시한다. 예에서, 출력 공진 회로 및 입력 공진 회로 둘 모두의 비결합 공진 주파수들은 0.3×10⁵의 정규화된 주파수에 있다. 알 수 있는 바와 같이, 결합된 경우는 비결합 주파수들 초과의 제1 공진 주파수를, 그리고 비결합 주파수들 미만의 제2 공진 주파수를 야기한다. 또한 알 수 있는 바와 같이, 공진 주파수들의 결합 계수에 대한 강한 의존성이 존재하며, 증가하는 결합 계수에 대해 차이가 증가한다.

도 9는 도 8의 예에 대응하지만, 출력 공진 회로의 정규화된 평균 비결합 공진 주파수가 0.268×10⁵에 있고 입력 공진 회로의 정규화된 평균 비결합 공진 주파수가 여전히 0.3×10⁵에 있는 예를 예시한다. 알 수 있는 바와 같이, 이것은 약간 상이한 결합 공진 주파수들을 야기한다.

몇몇 실시예들에서, 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같은 그러한 의존성들의 측정들은 관련 전력 송신기와 수신기 코일(107) 조합들에 대해 제조 및 설계 동안 이루어질 수 있다. 결과들은 전력 송신기에 포함된 LUT들에 저장될 수 있다(또는 예를 들어 중앙에 저장되고 새로운 전력 전송을 셋업할 때 검색될 수 있다). 결합 공진 주파수의 결정 후에, 추정된 결합 계수를 도출하기 위해 테이블 룩업이 추정기(309)에 의해 수행될 수 있다.

몇몇 실시예들에서, 공진 검출기(307)는 구동 신호의 주파수를 변경함으로써 공진 측정 시간 구간 동안 결합 공진 주파수를 검출하도록 배열될 수 있으며, 구체적으로 그것은 결합 공진 주파수가 위치해 있을 것으로 예상되거나, 결합 계수가 허용 가능한 전력 전송을 제공하기에 충분히 높은 것으로 간주될 수 있는 주파수 구간에 대응할 수 있는 주파수들의 범위에 걸쳐 주파수 스위프를 수행할 수 있다. 이어서 공진 검출기(307)는 구동 신호를 모니터링할 수 있고, 그것은 예를 들어 전류 또는 전압 진폭의 극단을 검출할 수 있다. 예를 들어, 직렬 공진 회로들에 대해, 공진 검출기(307)는 소정 범위에 걸쳐 그리고 고정된 전압 진폭으로 주파수를 변경하도록 구동기(301)를 제어할 수 있다. 이어서 그것은 상이한 주파수들에 대한 전류 진폭을 측정하고, 최고 전류 진폭이 결정되는 결합 공진 주파수를 결정할 수 있다. 다른 예로서, 공진 검출기(307)는 구동 신호의 전류와 전압 사이의 위상차가 0인 때를(또는 0에 가까운 때를), 즉 출력 공진 회로에 의한 부하 인가가 전적으로 저항성인 때를 검출할 수 있다. 주파수 구간 내에서 결합 공진 주파수가 검출되지 않는 경우, 이것은 결합 계수가 전력 전송에 대한 적합한 구간 내에 있지 않고 전력 전송이 종료될 수 있음을 나타낼 수 있다.

몇몇 실시예들에서, 구동 신호의 주파수 스위프는 더 높은 주파수들로부터 더 낮은 주파수들을 향할 수 있으며, 결합 공진 주파수는 공진 기준(예를 들어, 신호의 전류 또는 전압 진폭에 대한 극값 또는 전압과 전류 사이의 0 위상차)이 충족되는 제1 검출 주파수로서 결정될 수 있다. 이에 따라, 예를 들어 전역적 극단을 검출하는 대신에, 제1 국부적 극단이 검출될 수 있다.

그러한 접근법은 둘 중 최고 결합 공진 주파수가 검출되는 것을 가능하게 할 수 있다. 본 발명자들은 변화하는 결합 계수에 대한 결합 공진 주파수의 가장 큰 변화가 최고 결합 공진 주파수에 대해 발생하며, 그에 따라 이것은, 특히 하나의 결합 공진 주파수만이 사용되는 경우, 전형적으로 유리하게 사용될 수 있다는 것을 깨달았다.

몇몇 실시예들에서, 둘 모두의 결합 공진 주파수들이 검출되고, 결합 계수 추정치를 결정하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 더 낮은 결합 공진 주파수 및 더 높은 결합 공진 주파수 각각에 대해 2개의 별개의 LUT가 제공될 수 있으며, 결합 계수 추정치는 2개의 테이블 룩업 결과의 평균으로서 결정될 수 있다.

다른 실시예들에서, 출력 공진 회로의 결합 공진 주파수를 결정하기 위한 다른 접근법들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 몇몇 실시예들에서 연속 근사 접근법이 사용될 수 있다. 그러한 접근법은 공진 주파수의 결정을 주파수 구간들에 기초를 둘 때 매우 유리하고 유용할 것이다. 접근법은 공진 주파수 또는 주파수들의 빠른 검출을 가능하게 할 수 있다.

몇몇 실시예들에서, 전력 수신기는 예컨대 비결합 공진 주파수 및/또는 수신기 코일 인덕턴스와 같은 시스템 파라미터들을 전력 송신기에 통신할 수 있으며, 이것은 결합 공진 주파수로부터 결합 계수를 결정하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, LUT들이 또한 이러한 전력 수신기 계수들에 의존할 수 있거나, 상이한 전력 수신기들에 대해 상이한 LUT들이 제공될 수 있다(실제로, 몇몇 실시예들에서, LUT가 전력 수신기에 의해 제공될 수 있다).

몇몇 실시예들에서, 결합 계수의 결정은 분석 공식들에 기초할 수 있다. 구체적으로, 추정 회로(309)는 다음 식들 중 적어도 하나에 응답하여 결합 계수 추정치를 결정하도록 배열될 수 있으며,

여기서, f_p는 공진 출력 회로의 비결합 공진 주파수이고, f_s는 전력 전송 입력 공진 회로의 비결합 공진 주파수이고, Fres1은 최고 결합 동작 공진 주파수이고, Fres2는 최저 결합 공진 주파수이고, k는 결합 계수이다.

이러한 식들은 결합 공진 회로들에 적용되며, (직접적으로 또는 간접적으로) 공진 검출기(307)에 의해 사용될 수 있다.

몇몇 실시예들에서, 식들 중 하나만이 사용될 수 있으며, 실제로 결합 계수 추정치는 결합 공진 주파수들 중 하나에만 기초할 수 있다. 예를 들어, 설명된 바와 같이, 최고 결합 공진 주파수는 더 높은 주파수로부터 더 낮은 주파수로의 스위프에서 제1 피크를 검출함으로써 결정될 수 있다. 위의 제1 식에 기초하여, 그리고 입력 공진 회로 및 출력 공진 회로의 비결합 공진 주파수들에 대한 알려진 값들을 각각 사용하여, 이러한 최고 결합 공진 주파수는 이어서 결합 계수 추정치를 계산하는 데 사용될 수 있다.

동일한 접근법이 최저 결합 공진 주파수에 기초하여 결합 계수를 결정하는 데 사용될 수 있다.

몇몇 실시예들에서, 최고 결합 공진 주파수 및 최저 결합 공진 주파수 둘 모두가 측정될 수 있으며, 둘 모두의 식들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 2개의 결합 계수 값이 제1 및 제2 식 및 각자의 측정된 결합 공진 주파수들을 각각 사용하여 계산될 수 있으며, 결합 계수 추정치는 이들의 평균으로서 생성될 수 있다. 다른 실시예들에서, 결합 계수 추정치는 위의 식들과 측정된 값들 사이의 최저 에러들을 야기하는 것으로서 계산될 수 있다.

몇몇 실시예들에서, 둘 모두의 결합 공진 주파수들 및 둘 모두의 식들이 사용될 수 있지만, 입력 공진 회로의 비결합 공진 주파수는 사용되지 않는다. 대신에, 이 변수는 위의 식들 및 2개의 결합 공진 주파수를 사용하여 추정될 수 있다. 이에 따라, 그러한 접근법에서, 입력 공진 회로의 특정 특성들이 전력 송신기에 의해 알려질 필요성을 회피하기 위해 더 복잡한 추정 및 계산이 사용될 수 있다. 그러한 접근법은 몇몇 전력 수신기들이 이러한 정보를 통신하지 못할 수 있는 기존 시스템에서의 구현에 특히 유용할 수 있다.

설명된 접근법은 입력 공진 회로에의 출력 공진 회로의 결합에 의해 야기되는 공진 주파수에 있어서의 변화를 고려함으로써 결합 계수를 추정하는 것에 기초한다. 변화는 결합 계수에 의존하지만, 입력 공진 회로의 품질 계수(Q)에 또한 의존한다. 이것은 도 10 내지 도 14에서 알 수 있으며, 이들 도면은 2개의 결합 공진 주파수가 상이한 결합 계수들(각각의 그래프 내에서, k=[0.1, 0.2,...0.9])에 대해 어떻게 변하는지를 도시하지만, 또한 (Q=1000, 10, 3, 1, 0.1 각각에 대한 그래프들을 보여주는 상이한 그래프들을 비교함으로써 알 수 있는 바와 같이) 변화가 Q 값에 어떻게 의존하는지를 도시한다.

접근법에서, 입력 공진 회로의 품질 계수는 공진 측정 시간 구간 동안 10 이상이며, 전형적으로 그것은 더 높을 수 있다. 이것은 결합 공진 주파수(들)의 검출이 신뢰성 있고 상당히 정확한 것을 야기하고, 이에 따라 결합 계수 추정치가 유사하게 신뢰성 있고 정확한 것을 야기할 수 있다. 따라서 그것은 동작 포인트의 적응이 신뢰성 있는 것을 보장할 수 있고 효율적인 동작을 가능하게 할 수 있다.

몇몇 실시예들에서, 공진 측정 시간 구간 동안의 하이 Q는 입력 공진 회로에 대한 Q 값이 항상 10 초과인 것에 의해, 즉 입력 공진 회로가 항상 10 초과의 품질 계수를 갖도록 전력 수신기가 설계되는 것에 의해 보장될 수 있다. 그러나, 이것은 전형적으로 부하에 적절한 전력을 제공하려는 요구와는 대조적이다.

예를 들어, Ki 시스템들에 대해, 전형적인 전력 값들에 의한 입력 공진 회로의 부하 인가는 전형적으로 5 미만인, 그리고 종종 2 미만인 Q 값들을 야기한다.

따라서, 많은 실시예에서, 전력 수신기는 동작 모드를 공진 측정 시간 구간 밖의 적어도 얼마간의 시간 동안의 더 낮은 품질 계수 모드로부터 공진 측정 시간 구간 동안의 적어도 10의 Q 값을 갖는 더 높은 품질 계수 모드로 스위칭하도록 배열될 수 있다. 이것은 효율적인 전력 전송 및 효율적인 결합 계수 추정을 가능하게 할 수 있다. 이에 따라, 전력 수신기는 품질 계수가 10을 초과하도록 제한되지 않고, 효율적인 전력 전송을 허용하기 위해 그것이 실제로 실질적으로 10 미만일 수 있는 전력 전송 모드로부터, 품질 계수가 10 이상인 공진 측정 시간 구간 동안의 측정 모드로 스위칭하도록 배열될 수 있다.

이것은 예를 들어 스위치(607)에 의해 달성될 수 있다. 예를 들어, 전력 경로가 스위치(607) 및 부하(605)를 입력 공진 회로에 직접 결합하는 경우, 스위치는 공진 측정 시간 구간(들) 밖에서 정상 부하(605)를 입력 공진 회로에 결합할 수 있다. 그러나, 공진 측정 시간 구간(들) 동안, 스위치(607)는 부하(605)를 분리할 수 있다. 입력 병렬 공진 회로에 대해, 스위치(607)는 예를 들어 입력 공진 회로로부터 전류가 인출되지 않도록 부하(605)를 연결해제할 수 있다. 대조적으로, 입력 직렬 공진 회로에 대해, 스위치(607)는 부하(605)를 단락시켜서 공진 측정 시간 구간 동안 전력 전송 입력 공진 회로를 단락시킴으로써 부하를 분리할 수 있다.

몇몇 실시예들에서, 품질 계수의 그러한 변화는 전력 수신기가 특정 기능을 포함함이 없이 발생할 수 있다. 예를 들어, 몇몇 실시예들에서, 부하는 하이 Q 입력 공진 회로를 본질적으로 갖는 전력 전송 전에 공진 측정 시간 구간을 허용할 수 있는 시동 동안 근본적으로 단락 회로를 본질적으로 제공할 수 있다. 예를 들어, 부하가 모터일 때, 그것은 거의 단락 회로로서 시동될 수 있다. 다른 예로서, 정류기 및 큰 출력 커패시터가 전력 경로에 존재할 때, 이것은 또한 커패시터가 방전될 때 거의 단락 회로처럼 거동할 것이다.

많은 실시예에서, 공진 측정 시간 구간(또는 적어도 하나의 공진 측정 시간 구간)은 전력 전송 전일 수 있다. 구체적으로, 결합 계수 추정치의 결정 및 동작 파라미터의 설정은 전력 전송 동작의 초기화 동안 수행될 수 있다. 이에 따라, 전력 전송 전에, 전력 송신기는 특정 전력 수신기에 대한 적합한 동작 파라미터 값 및 전력 수신기의 특정 위치설정을 결정할 수 있다. 이어서 그것은 이러한 파라미터 값을 초기 동작 파라미터 값으로서 사용하여 전력 전송을 시작할 수 있다.

예를 들어, 많은 실시예에서, 접근법은 전력 전송 신호에 대한 초기 루프 이득 및 전력 레벨 값들을 결정하는 데 사용될 수 있다. 따라서, 시스템은 최적 동작 포인트에 가까울 가능성이 더 많은 상태에서 전력 전송을 개시할 수 있고, 초기의 최악의 안전한 동작 포인트로부터의 느리고 점진적인 적응은 필요하지 않다. 이에 따라, 더 빠른 최적화가 달성될 수 있고, 최상의 동작 포인트에 도달할 수 없는 위험이 감소될 수 있다.

게다가, 전력 전송-전 결합 계수 추정 동안, 전력 수신기는 결합 공진 주파수 검출을 위한 측정 모드에 진입될 수 있다. 구체적으로, 스위치(607)는 입력 공진 회로에 대한 높은 품질 계수를 제공하기 위해 부하를 단락시킬 수 있다. 시스템이 전력 전송 단계에 진입할 때, 전력 수신기는 정상 전력 전송 동작 모드로 다시 스위칭될 수 있으며, 구체적으로 단락 회로는 제거될 수 있다.

몇몇 실시예들에서, 접근법은 대안으로서 또는 추가적으로 전력 전송 단계 동안 적용될 수 있다. 그러한 접근법에서, 결합 계수 추정은 루프 파라미터들 및 성능을 적응시키는 데 특히 유용할 수 있다. 예를 들어, 그것은 전력 수신기의 상이한 위치들에 대해 실질적으로 동일한 제어 성능이 달성될 수 있도록 루프 파라미터들을 적응시키는 데 사용될 수 있다. 이에 따라, 개선된 성능, 그리고 특히 전력 수신기의 위치설정에 있어서의 변화들에 대한 감소된 민감성이 달성될 수 있다.

전력 전송 단계 동안 접근법이 이용되는 많은 실시예에서, 시스템은 측정들 및 결합 공진 주파수 검출이 측정 시간 구간들 동안 수행되는 타임 슬롯 모드에서 동작하도록 배열될 수 있다. 공진 측정 시간 구간은 구체적으로 전력 수신기에 전력이 전송되는 적어도 하나의 전력 전송 시간 구간을 추가로 포함하는 반복 시간 프레임의 감소된 그러한 측정 시간 구간들 동안 수행될 수 있다.

이에 따라, 그러한 실시예들에서, 시스템은 전력 전송 단계 동안 시분할을 이용할 수 있다. 특히, 결합 공진 주파수들의 검출과 전력 전송은 예를 들어 별개의 시간 구간들에서 수행될 수 있으며, 그에 의해 이들 간의 간섭이 크게 감소될 수 있게 할 수 있다.

예에서, 구동기(301) 및 송신기 코일(103)은 전력 전송 구간들 동안 전력 수신기에 전력을 전송할 목적으로 전자기 전력 전송 신호를 생성하도록 배열된다. 게다가, 구동 신호는 결합 계수 추정치를 결정하기 위해 측정 시간 구간 동안 결합 공진 주파수들을 검출하는 데 사용될 수 있다. 전력 송신기는 전력 전송 단계 동안 구동 신호에 대한 반복 시간 프레임을 이용할 수 있으며, 여기서 시간 프레임은 적어도 하나의 전력 전송 시간 구간 및 적어도 하나의 공진 측정 시간 구간을 포함한다. 그러한 반복 시간 프레임의 예가 도 15에 예시되어 있으며, 여기서 전력 전송 시간 구간들은 PT에 의해 표시되고 측정 시간 구간들은 D에 의해 표시된다(시간 구간들은 또한 검출 시간 구간들로 지칭될 수 있다). 예에서, 각각의 시간 프레임(FRM)은 하나의 공진 측정 시간 구간 및 하나의 전력 전송 시간 구간만을 포함하며, 이들(뿐만 아니라 시간 프레임 자체)은 각각의 프레임에서 동일한 지속시간을 갖는다. 그러나, 다른 실시예들에서, 다른 시간 구간들이 또한 시간 프레임에 포함될 수 있거나(이를테면 예를 들어 통신 구간들), 복수의 공진 측정 시간 구간들 및/또는 전력 전송 시간 구간들이 각각의 시간 프레임에 포함될 수 있다는 것이 인식될 것이다. 더욱이, 상이한 시간 구간들(및 실제로 시간 프레임 자체)의 지속시간은 몇몇 실시예들에서 동적으로 변할 수 있다.

이에 따라, 접근법에서, 측정들, 통신 및 전력 전송은 시간 도메인에서 분리되고, 그에 의해 전력 전송으로부터 측정 및 결합 계수 추정으로의 감소된 교차-간섭을 야기한다. 이에 따라, 전력 전송을 위한 동작 조건들에 있어서의 변화들로부터 기인하는 변동성 및 불확실성이 측정 및 추정으로부터 격리될 수 있어서, 더 신뢰성 있고 정확한 추정 프로세스를 야기할 수 있다. 게다가, 그것은 구동 신호가 결합 공진 주파수의 검출을 위해 생성(및 최적화)될 수 있게 한다. 특히, 그것은 공진 검출기(307)가 주파수 스위프를 수행할 수 있게 하고 이러한 검출에 대한 적합한 동작들을 수행할 수 있게 한다.

더욱이, 그것은 전력 수신기가 검출을 위한 개선된 또는 최적의 특성들을 제공하도록 특별히 적응될 수 있게 한다. 특히, 많은 실시예에서, 전력 수신기는 부하가 입력 공진 회로에 결합되는(그리고 이에 따라 입력 공진 회로의 품질 계수가 낮은) 전력 전송 시간 구간들 동안의 전력 동작 모드로부터, 예를 들어 스위치(607)가 부하를 단락시킴으로써, 입력 공진 회로의 품질 계수가 높은 것이 보장되는 측정 모드로 스위칭할 수 있다.

이에 따라 타임 슬롯 접근법은 전력 전송 단계 동안 결합 계수 추정의 수행을 가능하게 하거나 용이하게 할 수 있다.

몇몇 실시예들에서, 전력 송신기는 전력 송신기에 대한 전력 수신기의(그리고 구체적으로 송신기 코일(103)에 대한 수신기 코일(107))의 오정렬의 표시 또는 척도를 결정하도록 배열될 수 있다. 구체적으로, 결합 계수가 낮을수록, 오정렬은 더 높다. 게다가, 그러한 실시예들에서, 전력 송신기는 오정렬을 나타내는 사용자 출력을 생성하도록 배열될 수 있다. 구체적으로, 그것은 결합 계수가 임계치 미만인 경우에 전력 수신기가 재위치되어야 한다는 것을 사용자에게 표시하는 사용자 경보를 제공할 수 있다.

위의 설명은 명료함을 위해 상이한 기능 회로들, 유닛들 및 프로세서들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였음이 인식될 것이다. 그러나, 본 발명으로부터 벗어남이 없이 상이한 기능 회로들, 유닛들 또는 프로세서들 간의 기능의 임의의 적합한 분산이 사용될 수 있음이 명백할 것이다. 예를 들어, 별개의 프로세서들 또는 제어기들에 의해 수행되도록 예시된 기능이 동일한 프로세서 또는 제어기에 의해 수행될 수 있다. 따라서, 특정 기능 유닛들 또는 회로들에 대한 언급들은 오로지 엄격한 논리적 또는 물리적 구조 또는 조직을 나타내기보다는 설명된 기능을 제공하기 위한 적합한 수단에 대한 언급들로 간주되어야 한다.

본 발명은 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어 또는 이들의 임의의 조합을 포함한 임의의 적합한 형태로 구현될 수 있다. 본 발명은 선택적으로 하나 이상의 데이터 프로세서 및/또는 디지털 신호 프로세서 상에서 실행되는 컴퓨터 소프트웨어로서 적어도 부분적으로 구현될 수 있다. 본 발명의 실시예의 요소들 및 컴포넌트들은 임의의 적합한 방식으로 물리적으로, 기능적으로 그리고 논리적으로 구현될 수 있다. 실제로 기능은 단일 유닛에서, 복수의 유닛에서, 또는 다른 기능 유닛들의 일부로서 구현될 수 있다. 그렇기 때문에, 본 발명은 단일 유닛에서 구현될 수 있거나, 상이한 유닛들, 회로들 및 프로세서들 간에 물리적으로 그리고 기능적으로 분산될 수 있다.

본 발명이 몇몇 실시예들과 관련하여 설명되었지만, 본 발명은 본 명세서에 기재된 특정 형태로 제한되도록 의도되지 않는다. 오히려, 본 발명의 범위는 첨부된 청구항들에 의해서만 제한된다. 또한, 소정 특징이 특정 실시예들과 관련하여 설명되는 것처럼 보일 수 있지만, 당업자는 설명된 실시예들의 다양한 특징들이 본 발명에 따라 조합될 수 있음을 인식할 것이다. 청구항들에서, 용어 '포함하는'은 다른 요소들 또는 단계들의 존재를 배제하지 않는다.

또한, 개별적으로 열거되지만, 복수의 수단, 요소, 회로 또는 방법 단계는 예를 들어 단일 회로, 유닛 또는 프로세서에 의해 구현될 수 있다. 또한, 개개의 특징들이 상이한 청구항들에 포함될 수 있지만, 이들은 아마도 유리하게 조합될 수 있으며, 상이한 청구항들에의 포함은 특징들의 조합이 실현 가능하지 않고/않거나 유리하지 않다는 것을 암시하지 않는다. 또한 하나의 카테고리의 청구항들에의 소정 특징의 포함은 이 카테고리로의 제한을 암시하는 것이 아니라, 오히려 그 특징이 적절한 바에 따라 다른 청구항 카테고리들에 동등하게 적용될 수 있음을 나타낸다. 하나의 독립 청구항의 종속 청구항에의 소정 특징의 포함은 이러한 독립 청구항으로의 제한을 암시하는 것이 아니라, 오히려 그 특징이 적절한 바에 따라 다른 독립 청구항들에 동등하게 적용될 수 있음을 나타낸다. 또한, 청구항들에서의 특징들의 순서는 특징들이 작용되어야 하는 임의의 특정 순서를 암시하지 않으며, 특히 방법 청구항에서의 개별 단계들의 순서는 단계들이 이 순서대로 수행되어야 함을 암시하지 않는다. 오히려, 단계들은 임의의 적합한 순서로 수행될 수 있다. 또한, 단수형 언급은 복수를 배제하지 않는다. 이에 따라 "부정관사(a, an)", "제1", "제2" 등에 대한 언급은 복수를 배제하지 않는다. 청구항들에서의 참조 부호들은 단지 명료화 예로서 제공되며, 어떤 방식으로도 청구항들의 범위를 제한하는 것으로 해석되지 않아야 한다.

Claims (14)

1. 유도 전력 전송 신호를 통해 전력 수신기(105)에 전력을 무선으로 제공하기 위한 전력 송신기(101)로서,
   송신기 코일(103) 및 적어도 하나의 커패시터(303)를 포함하는 출력 공진 회로;
   상기 유도 전력 전송 신호를 생성하기 위해 상기 출력 공진 회로(103)에 대한 구동 신호를 생성하도록 배열된 구동기(201);
   공진 측정 시간 구간 동안 상기 출력 공진 회로에 대한 제1 결합 공진 주파수를 측정하도록 배열된 공진 검출기(307)로서, 상기 제1 결합 공진 주파수는 상기 전력 수신기(105)의 전력 전송 입력 공진 회로의 수신기 코일(107)에 결합되는 상기 송신기 코일(103)에 대한 상기 출력 공진 회로에 대한 공진 주파수이고, 상기 전력 전송 입력 공진 회로는 상기 공진 측정 시간 구간 동안 10 이상의 품질 계수를 갖는, 상기 공진 검출기(307);
   상기 출력 공진 회로의 비결합 공진 주파수 및 상기 제1 결합 공진 주파수에 응답하여 상기 송신기 코일(103)과 상기 수신기 코일(107) 사이의 결합에 대한 결합 계수 추정치를 결정하도록 배열된 추정 회로(309); 및
   상기 결합 계수 추정치에 응답하여 동작 파라미터를 설정하기 위한 어댑터(311)를 포함하는, 전력 송신기(101).
2. 제1항에 있어서, 상기 공진 검출기(307)는, 상기 공진 측정 시간 구간 동안 변화하는 주파수를 갖도록 상기 구동 신호를 생성하도록 상기 구동기(301)를 제어하고, 상기 구동 신호의 전압, 상기 구동 신호의 전류, 및 상기 구동 신호의 상기 전압과 상기 구동 신호의 상기 전류 사이의 위상차 중 적어도 하나에 응답하여 상기 제1 결합 공진 주파수를 측정하도록 배열되는, 전력 송신기.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 공진 검출기(307)는, 더 높은 주파수들로부터 더 낮은 주파수들을 향한 상기 구동 신호의 주파수 스위프(frequency sweep)를 수행하도록 상기 구동기(301)를 제어하고, 상기 구동 신호에 대한 공진 기준이 충족되는 제1 검출 주파수로서 상기 제1 결합 공진 주파수를 측정하도록 배열되는, 전력 송신기.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공진 측정 시간 구간은 전력 전송 동작의 초기화 동안이고, 상기 동작 파라미터는 상기 전력 전송 동작에 대한 초기 동작 파라미터인, 전력 송신기.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구동기(201)는, 전력 전송 단계 동안, 적어도 하나의 전력 전송 시간 구간 및 적어도 하나의 측정 시간 구간을 포함하는 반복 시간 프레임에 따라 상기 구동 신호를 생성하도록 배열되고, 상기 공진 측정 시간 구간은 측정 시간 구간에 포함되는, 전력 송신기.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 동작 파라미터는 상기 전력 전송 신호의 전력 레벨을 제어하는 파라미터인, 전력 송신기.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 동작 파라미터는 상기 전력 수신기(105)로부터 수신된 전력 제어 메시지들에 응답하여 상기 전력 전송 신호의 전력 레벨을 적응시키도록 배열된 전력 제어 루프의 루프 파라미터인 전력 루프 파라미터인, 전력 송신기.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 추정 회로(309)는 상기 전력 전송 입력 공진 회로의 비결합 공진 주파수에 응답하여 상기 결합 계수 추정치를 결정하도록 추가로 배열되는, 전력 송신기.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공진 검출기(307)는 상기 공진 측정 시간 구간 동안 상기 출력 공진 회로에 대한 제2 결합 공진 주파수를 측정하도록 추가로 배열되며, 상기 제2 동작 공진 주파수는 상기 전력 수신기(105)의 존재 시에 상기 출력 공진 회로에 대한 상이한 공진 주파수이고, 상기 추정 회로(309)는 상기 제2 동작 공진 주파수에 응답하여 상기 결합 계수 추정치를 결정하도록 추가로 배열되는, 전력 송신기.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 추정 회로(309)는 다음 식들 중 적어도 하나에 응답하여 상기 결합 계수 추정치를 결정하도록 배열되고,
    
    
    상기 식에서, f_p는 상기 공진 출력 회로의 상기 비결합 공진 주파수이고, f_s는 상기 전력 전송 입력 공진 회로의 비결합 공진 주파수이고, Fres1은 상기 제1 결합 공진 주파수이고, Fres2는 제2 결합 공진 주파수이고, k는 상기 결합 계수인, 전력 송신기.
11. 전력 송신기 및 전력 수신기를 포함하는 무선 전력 전송 시스템으로서, 상기 전력 송신기는 유도 전력 전송 신호를 통해 상기 전력 수신기(105)에 전력을 무선으로 제공하도록 배열되고,
    상기 전력 송신기(101)는,
    송신기 코일(103) 및 적어도 하나의 커패시터(303)를 포함하는 출력 공진 회로;
    상기 유도 전력 전송 신호를 생성하기 위해 상기 출력 공진 회로(103)에 대한 구동 신호를 생성하도록 배열된 구동기(201);
    공진 측정 시간 구간 동안 상기 출력 공진 회로에 대한 제1 결합 공진 주파수를 측정하도록 배열된 공진 검출기(307)로서, 상기 제1 결합 공진 주파수는 상기 전력 수신기(105)의 전력 전송 입력 공진 회로의 수신기 코일(107)에 결합되는 상기 송신기 코일(103)에 대한 상기 출력 공진 회로에 대한 공진 주파수이고, 상기 전력 전송 입력 공진 회로는 상기 공진 측정 시간 구간 동안 10 이상의 품질 계수를 갖는, 상기 공진 검출기(307);
    상기 출력 공진 회로의 비결합 공진 주파수 및 상기 제1 결합 공진 주파수에 응답하여 상기 송신기 코일(103)과 상기 수신기 코일(107) 사이의 결합에 대한 결합 계수 추정치를 결정하도록 배열된 추정 회로(309); 및
    상기 결합 계수 추정치에 응답하여 동작 파라미터를 설정하기 위한 어댑터(311)를 포함하고,
    상기 전력 수신기는,
    상기 전력 송신기로부터 전력을 추출하기 위한 수신기 코일(107) 및 적어도 하나의 커패시터를 포함하는 전력 전송 입력 공진 회로로서, 상기 공진 측정 시간 구간 동안 10 이상의 품질 계수를 갖는, 상기 전력 전송 입력 공진 회로를 포함하는, 무선 전력 전송 시스템.
12. 상기 전력 수신기는 상기 공진 측정 시간 구간 동안 상기 품질 계수가 10 이상이도록 제한되지 않는 전력 전송 모드로부터 측정 모드로 스위칭하기 위한 회로를 추가로 포함하며, 상기 품질 계수는 상기 전력 수신기가 상기 측정 모드에서 동작 중일 때 10 이상인, 무선 전력 전송 시스템.
13. 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 전력 수신기는 상기 공진 측정 시간 구간 동안 상기 전력 전송 입력 공진 회로를 단락시키기 위한 회로를 추가로 포함하는, 전력 송신기.
14. 유도 전력 전송 신호를 통해 전력 수신기(105)에 전력을 무선으로 제공하는 전력 송신기(101)를 위한 동작의 방법으로서, 상기 전력 송신기(101)는,
    송신기 코일(103) 및 적어도 하나의 커패시터(303)를 포함하는 출력 공진 회로를 포함하고,
    상기 방법은,
    상기 유도 전력 전송 신호를 생성하기 위해 상기 출력 공진 회로(103)에 대한 구동 신호를 생성하는 단계;
    공진 측정 시간 구간 동안 상기 출력 공진 회로에 대한 제1 결합 공진 주파수를 측정하는 단계로서, 상기 제1 결합 공진 주파수는 상기 전력 수신기(105)의 전력 전송 입력 공진 회로의 수신기 코일(107)에 결합되는 상기 송신기 코일(103)에 대한 상기 출력 공진 회로에 대한 공진 주파수이고, 상기 전력 전송 입력 공진 회로는 상기 공진 측정 시간 구간 동안 10 이상의 품질 계수를 갖는, 상기 공진 측정 시간 구간 동안 상기 출력 공진 회로에 대한 제1 결합 공진 주파수를 측정하는 단계;
    상기 출력 공진 회로의 비결합 공진 주파수 및 상기 제1 결합 공진 주파수에 응답하여 상기 송신기 코일(103)과 상기 수신기 코일(107) 사이의 결합에 대한 결합 계수 추정치를 결정하는 단계; 및
    상기 결합 계수 추정치에 응답하여 동작 파라미터를 설정하는 단계를 포함하는, 방법.

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