WO2016076480A1 - 무선 전력 전송 장치, 무선 전력 수신 장치 및 무선 충전 시스템 - Google Patents

무선 전력 전송 장치, 무선 전력 수신 장치 및 무선 충전 시스템 Download PDF

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WO2016076480A1
WO2016076480A1 PCT/KR2015/001215 KR2015001215W WO2016076480A1 WO 2016076480 A1 WO2016076480 A1 WO 2016076480A1 KR 2015001215 W KR2015001215 W KR 2015001215W WO 2016076480 A1 WO2016076480 A1 WO 2016076480A1
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WO
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wireless power
coil
power
wireless
power transmitter
Prior art date
Application number
PCT/KR2015/001215
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English (en)
French (fr)
Inventor
이성훈
곽봉식
Original Assignee
엘지전자 주식회사
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J5/00—Circuit arrangements for transfer of electric power between AC networks and DC networks
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries

Definitions

  • the present invention relates to a wireless power transmitter, a wireless power receiver and a wireless charging system in the field of wireless power transmission.
  • the wireless power receiver for receiving energy wirelessly may be directly driven by the received wireless power, or may be driven by the charged power by charging a battery using the received wireless power.
  • Version 1.00 relates to low power of 5W power transmission and reception, which has been mainly applied to mobile terminals. Recently, the application of wireless power transmission technology to home appliances that require power of several tens of W or more in addition to low power products has been considered.
  • Wireless charging method using the above-mentioned electromagnetic induction is already frequently encountered in our lives.
  • a wireless charging method using electromagnetic induction is commercially available in electric toothbrushes, wireless coffee ports, and the like.
  • the arrangement of the transmitter for transmitting power wirelessly and the kitchen apparatus for receiving the wireless power from the transmitter is greatly influenced by the size of the kitchen apparatus.
  • a method of optimizing the alignment between the wireless power transmitter and the kitchen appliance may be considered regardless of various sizes of the kitchen appliance.
  • One object of the present invention is to provide a medium power wireless power transmitter, a wireless power receiver and a wireless charging system.
  • Another object of the present invention is to provide a wireless power transmitter, a wireless power receiver and a wireless charging system that can be utilized in home appliances used in home appliances.
  • the first unit to supply wireless power to the wireless power receiver through at least one of the first and second coils and a shield having a plurality of shielding members sequentially spaced along at least one circumference of a coil;
  • a control unit configured to control the second coil.
  • the first coil and the second coil are each provided with a wire wound to transmit wireless power, and the wire of the first coil is wound along an edge of the shape of the second coil. do.
  • the wire of the first coil is wound along any one of an inner edge and an outer edge of the second coil.
  • the shape of the first coil may correspond to the shape of the second coil.
  • the wires of the first coil and the second coil may have a double layer structure.
  • the wire of the first coil is wound 14 14 times on the double layer and has a thickness of 3.3 mm + 0.3.
  • the first coil may be a coil having an inner diameter of 175 mm ⁇ 5 and an outer diameter of 223 mm ⁇ 5.
  • the inductance of the first coil is characterized in that 95 ⁇ H ⁇ 10.
  • the wire of the second coil is wound on the double layer, 28 ⁇ 2 times, and has a thickness of 3.3mm + 0.3.
  • the second coil may be a coil having an inner diameter of 66 mm ⁇ 5 and an outer diameter of 163 mm ⁇ 5.
  • the inductance of the second coil is characterized in that 168 ⁇ H ⁇ 10.
  • the plurality of shielding members may be spaced apart at a predetermined angle to form a radial shape.
  • the plurality of shielding materials may each include a base portion extending in a radial direction of the first and second coils and a protrusion formed to face at least one of the first and second coils. do.
  • the first coil may be formed to surround the second coil, and the protrusion may include a first protrusion facing an outer edge of the first coil and an inner edge of the second coil. It characterized in that it comprises two protrusions.
  • the protrusion has a thickness of 5 mm.
  • it characterized in that it further comprises a frame portion formed to be seated a plurality of the shield member forming the radial form.
  • the voltage induced by the first coil is greater than the voltage induced by the second coil.
  • the wireless power receiver includes a receiving coil and a circumference of the receiving coil configured to receive wireless power from the wireless power transmitter. It characterized in that it comprises a plurality of shielding members spaced apart.
  • the receiving coil is wound on 24 ⁇ 1 times on a double layer and has a thickness of 3.3mm + 0.3.
  • the inner diameter of the receiving coil is 70mm ⁇ 5, and the outer diameter is 153mm ⁇ 5.
  • the inductance of the receiving coil is characterized in that 100 ⁇ H ⁇ 10.
  • the present invention by providing a plurality of coils for wireless power transmission, it is possible to selectively control the coils to transmit the wireless power according to the size of the wireless power receiver. Therefore, according to the size of the wireless power receiver, by selecting the wireless power transmission coil, it is possible to optimize the alignment between the wireless power transmitter and the receiver.
  • FIG. 1 is an exemplary view conceptually showing a wireless power transmitter and a wireless power receiver according to embodiments of the present invention.
  • FIGS. 2A and 2B are exemplary block diagrams illustrating configurations of a wireless power transmitter and a wireless power receiver that can be employed in the embodiments disclosed herein.
  • FIG. 3 illustrates a concept of wirelessly transferring power from a wireless power transmitter to a wireless power receiver according to an inductive coupling method.
  • 4A and 4B are exemplary block diagrams illustrating a part of a configuration of a magnetic induction wireless power transmitter and a wireless power receiver employable in the embodiments disclosed herein.
  • FIG. 5 is a block diagram of a wireless power transmitter configured to have one or more transmitting coils receiving power according to an inductive coupling scheme that may be employed in the embodiments disclosed herein.
  • FIG. 6 illustrates a concept in which power is wirelessly transferred from a wireless power transmitter to a wireless power receiver according to a resonance coupling method.
  • FIGS. 7A and 7B are exemplary block diagrams illustrating a part of a configuration of a resonant wireless power transmitter and a wireless power receiver employable in the embodiments disclosed herein.
  • FIG. 8 is a block diagram of a wireless power transmitter configured to have one or more transmitting coils receiving power in accordance with a resonant coupling scheme employable in embodiments disclosed herein.
  • FIG. 9 illustrates a concept of transmitting and receiving a packet between a wireless power transmitter and an electronic device through modulation and demodulation of a wireless power signal in wireless power transfer according to embodiments of the present disclosure.
  • FIG. 10 illustrates a configuration for transmitting and receiving a power control message in wireless power transmission according to embodiments disclosed herein.
  • FIG. 11 illustrates the form of a signal in modulation and demodulation performed in wireless power transfer in accordance with embodiments disclosed herein.
  • FIG. 12 illustrates a packet including a power control message used in a wireless power transfer method according to embodiments disclosed herein.
  • FIG. 13 illustrates operation states of a wireless power transmitter and a wireless power receiver according to the embodiments disclosed herein.
  • 15A, 15B, and 16 to 18 illustrate structures of packets including a power control message between the wireless power transmitter 100 and the wireless power receiver.
  • 19 is a conceptual diagram illustrating a method of transmitting power to one or more wireless power receivers by a wireless power transmitter.
  • 20 and 21 are block diagrams illustrating a part of a configuration of a wireless power transmitter and a wireless power receiver according to the present invention.
  • 22 and 23 are detailed structural diagrams of a coil for transmission.
  • 26 is a conceptual diagram for describing a shield.
  • 27 is a block diagram illustrating a part of a configuration of a wireless power transmitter.
  • FIG. 28 is a conceptual diagram illustrating a structure of a receiving coil and a shield of the wireless power receiver according to the present invention.
  • 29 is a detailed structural diagram of a receiving coil.
  • FIG. 30 is a conceptual diagram illustrating a structure of a coil and a shield of the wireless power transmitter and the wireless power receiver according to the present invention.
  • the technology disclosed herein applies to wireless power transmission.
  • the technology disclosed herein is not limited thereto, and may be applied to all power transmission systems and methods, wireless charging circuits and methods, and other methods and devices using wirelessly transmitted power to which the technical spirit of the technology may be applied. .
  • first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.
  • first component may be referred to as the second component, and similarly, the second component may also be referred to as the first component.
  • One-way communication A communication method in which a receiver sends only necessary messages toward the transmitter
  • Bidirectional communication A method of communication in which the transmitter is a receiver and the receiver is a transmitter, i.
  • the transmitter and the receiver have the same meaning as the transmitter and the receiver, respectively.
  • these terms may be used interchangeably.
  • Wireless power transmitter and wireless power receiver conceptual diagram
  • FIG. 1 is an exemplary view conceptually showing a wireless power transmitter and a wireless power receiver according to embodiments of the present invention.
  • the wireless power transmitter 100 may be a power transmission device that transfers power wirelessly required by the wireless power receiver 200.
  • the wireless power transmitter 100 may be a wireless charging device that charges a battery of the wireless power receiver 200 by transferring power wirelessly.
  • the wireless power transmitter 100 may be implemented as various types of devices that deliver power to the wireless power receiver 200 that requires power in a non-contact state.
  • the wireless power receiver 200 is a device capable of operating by wirelessly receiving power from the wireless power transmitter 100.
  • the wireless power receiver 200 may charge the battery using the received wireless power.
  • the wireless power receiver for wirelessly receiving power described in the present specification includes all portable electronic devices such as an input / output device such as a keyboard, a mouse, an auxiliary output device for video or audio, and a mobile phone, a cellular phone, a smart device.
  • portable electronic devices such as an input / output device such as a keyboard, a mouse, an auxiliary output device for video or audio, and a mobile phone, a cellular phone, a smart device.
  • Smart phones, personal digital assistants (PDAs), portable multimedia players (PMPs), tablets, and multimedia devices should be interpreted in a comprehensive sense.
  • the wireless power receiver 200 may be a mobile communication terminal (eg, a mobile phone, a cellular phone, a tablet) or a multimedia device, as described below.
  • a mobile communication terminal eg, a mobile phone, a cellular phone, a tablet
  • a multimedia device as described below.
  • the wireless power transmitter 100 may wirelessly transfer power to the wireless power receiver 200 without contact with each other by using one or more wireless power transfer methods. That is, the wireless power transmitter 100 has an inductive coupling based on magnetic induction caused by the wireless power signal and a magnetic resonance coupling based on an electromagnetic resonance caused by a wireless power signal having a specific frequency. Power may be delivered using one or more of the following methods.
  • the wireless power transmission by the inductive coupling method is a technology for wirelessly transmitting power by using a primary coil and a secondary coil, and the electric power is induced by inducing current to the other coil through a magnetic field that is changed in one coil by a magnetic induction phenomenon. Say it is being delivered.
  • resonance occurs in the wireless power receiver 200 by a wireless power signal transmitted from the wireless power transmitter 100, and the wireless power transmitter is caused by the resonance phenomenon.
  • the power is transmitted from the 100 to the wireless power receiver 200.
  • FIGS. 2A and 2B are exemplary block diagrams illustrating configurations of the wireless power transmitter 100 and the wireless power receiver 200 that may be employed in the embodiments disclosed herein.
  • the wireless power transmitter 100 is configured to include a power transmission unit 110.
  • the power transmission unit 110 may include a power conversion unit 111 and a power transmission control unit 112.
  • the power converter 111 converts the power supplied from the transmission power supply 190 into a wireless power signal and transmits the converted power to the wireless power receiver 200.
  • the wireless power signal transmitted by the power converter 111 is formed in the form of a magnetic field or an electromagnetic field having an oscillation characteristic.
  • the power converter 111 may be configured to include a coil for generating the wireless power signal.
  • the power converter 111 may include a component for forming a wireless power signal of a different type according to each power transmission scheme.
  • the power converter 111 may be configured to include a primary coil that forms a changing magnetic field to induce a current in the secondary coil of the wireless power receiver 200 according to an inductive coupling method.
  • the power converter 111 may be configured to include a coil (or antenna) for forming a magnetic field having a specific resonance frequency in order to generate a resonance phenomenon in the wireless power receiver 200 according to a resonance coupling method. have.
  • the power converter 111 may transfer power using at least one of the above-described inductive coupling method and resonance coupling method.
  • the power converter 111 may be configured to further include a circuit that can adjust the characteristics such as the frequency, applied voltage, current used to form the wireless power signal.
  • the power transmission control unit 112 controls each component included in the power transmission unit 110.
  • the power transmission control unit 112 may be implemented to be integrated with another control unit (not shown) that controls the wireless power supply device 100.
  • the wireless power signal can reach the area can be divided into two.
  • an active area refers to an area through which a wireless power signal passing power to the wireless power receiver 200 passes.
  • a semi-active area refers to a region of interest in which the wireless power transmitter 100 may detect the existence of the wireless power receiver 200.
  • the power transmission control unit 112 may detect whether the wireless power receiver 200 is placed or removed in the active area or the detection area. Specifically, the power transmission control unit 112 uses the wireless power signal formed by the power conversion unit 111, or the wireless power receiver 200 to the active area or the detection area by a sensor provided separately. It can be detected whether it is deployed.
  • the power transmission controller 112 is affected by the wireless power signal due to the wireless power receiver 200 present in the sensing area, thereby forming the wireless power signal of the power converter 111.
  • the presence of the wireless power receiver 200 may be detected by monitoring whether a characteristic of power for the power is changed.
  • the active area and the sensing area may vary according to a wireless power transmission method such as an inductive coupling method and a resonance coupling method.
  • the power transmission control unit 112 may perform a process of identifying the wireless power receiver 200 or determine whether to start wireless power transmission according to a result of detecting the existence of the wireless power receiver 200. have.
  • the power transmission control unit 112 may determine one or more characteristics of the frequency, voltage, and current of the power conversion unit 111 for forming the wireless power signal. The determination of the characteristic may be made by the condition of the wireless power transmitter 100 side or by the condition of the wireless power receiver 200 side.
  • the power transmission control unit 112 may receive a power control message from the wireless power receiver 200.
  • the power transmission control unit 112 may determine one or more characteristics of the frequency, voltage, and current of the power conversion unit 111 based on the received power control message, and other control based on the power control message. You can perform the operation.
  • the power transmission control unit 112 may form the wireless power signal according to a power control message including at least one of rectified power amount information, charging state information, and identification information of the wireless power receiver 200. Can be used to determine the characteristics of one or more of the frequencies, currents, and voltages used.
  • the wireless power transmitter 100 may perform a general control operation related to wireless power transfer based on the power control message.
  • the wireless power transmitter 100 may receive information to be output audibly or visually related to the wireless power receiver 200 or receive information necessary for authentication between devices through the power control message. It may be.
  • the power transmission control unit 112 may use at least one of a method of receiving through the wireless power signal and a method of receiving other user data.
  • the wireless power transmitter 100 may further include a power demodulation / demodulation unit 113 electrically connected to the power converter 111. .
  • the demodulation unit 113 may be used to demodulate the wireless power signal modulated by the wireless power receiver 200 to receive the power control message.
  • the power transmission control unit 112 receives the user data including the power control message by a communication means (not shown) included in the wireless power transmitter 100 to control the power control message. May be obtained.
  • the power transmission control unit 112 may transmit data to the wireless power receiver 200.
  • the data transmitted by the power transmission control unit 112 may be a request for the wireless power receiver 200 to send a power control message.
  • the wireless power receiver 200 is configured to include a power supply unit 290.
  • the power supply unit 290 supplies power required for the operation of the wireless power receiver 200.
  • the power supply unit 290 may include a power receiver 291 and a power receiving control unit 292.
  • the power receiver 291 receives power transmitted wirelessly from the wireless power transmitter 100.
  • the power receiver 291 may include components required to receive the wireless power signal according to a wireless power transfer method.
  • the power receiver 291 may receive power according to one or more wireless power transfer schemes.
  • the power receiver 291 may include components required for each scheme.
  • the power receiver 291 may be configured to include a coil for receiving a wireless power signal transmitted in the form of a magnetic or electromagnetic field having a vibrating characteristic.
  • the power receiver 291 may include a secondary coil in which a current is induced by a changing magnetic field.
  • the power receiver 291 may include a coil and a resonance circuit in which a resonance phenomenon is generated by a magnetic field having a specific resonance frequency as a component according to a resonance coupling method.
  • the power receiver 291 when the power receiver 291 receives power according to one or more wireless power transfer schemes, the power receiver 291 is implemented to receive using one coil, or differently formed according to each power transfer scheme. It may be implemented to receive using a coil.
  • the power receiver 291 may further include a rectifier and a regulator for converting the wireless power signal into a direct current.
  • the power receiver 291 may further include a circuit for preventing overvoltage or overcurrent from occurring by the received power signal.
  • the power reception control unit 292 controls each component included in the power supply unit 290.
  • the power reception control unit 292 may transmit a power control message to the wireless power transmitter 100.
  • the power control message may instruct the wireless power transmitter 100 to start or end the transmission of the wireless power signal.
  • the power control message may instruct the wireless power transmitter 100 to adjust characteristics of the wireless power signal.
  • the power reception control unit 292 may use at least one of a method of transmitting through the wireless power signal and a method of transmitting through other user data.
  • the wireless power receiver 200 may be configured to further include a power demodulation / demodulation unit 293 electrically connected to the power receiver 291.
  • the modulation and demodulation unit 293 may be used to transmit the power control message through the wireless power signal as in the case of the wireless power transmitter 100 described above.
  • the modulation and demodulation unit 293 may be used as a means for adjusting a current and / or a voltage flowing through the power converter 111 of the wireless power transmitter 100.
  • a description will be given of a method used by each of the demodulation units 113 and 293 of the wireless power transmitter 100 and the wireless power receiver 200 to transmit and receive a power control message via a wireless power signal. do.
  • the wireless power signal formed by the power converter 111 is received by the power receiver 291.
  • the power reception control unit 292 controls the modulation / demodulation unit 293 on the wireless power receiver 200 side to modulate the wireless power signal.
  • the power reception control unit 292 may perform a modulation process so that the amount of power received from the wireless power signal is changed by changing the reactance of the modulation and demodulation unit 293 connected to the power reception unit 291. have.
  • the change in the amount of power received from the wireless power signal results in a change in the current and / or voltage of the power converter 111 forming the wireless power signal.
  • the demodulation unit 113 on the side of the wireless power transmitter 100 senses a change in current and / or voltage of the power converter 111 and performs a demodulation process.
  • the power reception control unit 292 generates a packet including a power control message to be transmitted to the wireless power transmitter 100 to modulate the wireless power signal to include the packet, and the power The transmission controller 112 may acquire the power control message included in the packet by decoding the packet based on a result of the demodulation process performed by the modulation / demodulator 113.
  • the power reception control unit 292 transmits the user data including the power control message by a communication means (not shown) included in the wireless power receiver 200 to control the power control message. May be transmitted to the wireless power transmitter 100.
  • the power receiving control unit 292 may receive data transmitted from the wireless power transmitter 100.
  • the data transmitted from the wireless power transmitter 100 may request to transmit a power control message.
  • the power supply unit 290 may be configured to further include a charging unit 298 and a battery 299.
  • the wireless power receiver 200 which is supplied with power for operation from the power supply unit 290 operates by the power delivered from the wireless power transmitter 100 or uses the transferred power to the battery. After charging the battery 299, the battery 299 may operate by power charged in the battery 299. In this case, the power receiving control unit 292 may control the charging unit 298 to perform charging by using the transferred power.
  • FIG. 3 illustrates a concept of wirelessly transferring power from a wireless power transmitter to a wireless power receiver according to an inductive coupling method.
  • the power transfer of the wireless power transmitter 100 follows an inductive coupling method
  • the intensity of the current flowing in the primary coil in the power transmitter 110 changes
  • the primary coil is changed by the current.
  • the magnetic field passing through changes.
  • the changed magnetic field generates induced electromotive force on the secondary coil side in the wireless power receiver 200.
  • the power converter 111 of the wireless power transmitter 100 is configured to include a transmission coil (Tx coil) 1111a that acts as a primary coil in magnetic induction.
  • the power receiver 291 of the wireless power receiver 200 is configured to include a Rx coil (2911a) to operate as a secondary coil in magnetic induction.
  • the wireless power transmitter 100 and the wireless power receiver 200 are located such that the transmitting coil 1111a of the wireless power transmitter 100 and the receiving coil of the wireless power receiver 200 are close to each other. Place it.
  • the power transmission control unit 112 controls the current of the transmitting coil 1111a to be changed
  • the power receiving unit 291 uses the electromotive force induced in the receiving coil 2911a to provide the wireless power receiver ( 200 to control the power supply.
  • the efficiency of wireless power transfer by the inductive coupling method has little influence on the frequency characteristics, but alignment between the wireless power transmitter 100 and the wireless power receiver 200 including each coil. And distance.
  • the wireless power transmitter 100 may be configured to include an interface surface (not shown) in the form of a flat surface for wireless power transfer by an inductive coupling method.
  • One or more wireless power receivers may be placed on top of the interface surface, and the transmitting coil 1111a may be mounted on the bottom of the interface surface.
  • a vertical spacing is formed at the lower portion of the interface surface between the mounted transmitting coil 1111a and the receiving coil 2911a of the wireless power receiver 200 located above the interface surface. The distance between the coils is small enough so that the wireless power transfer by the inductive coupling method can be made efficiently.
  • an array indicating unit (not shown) indicating a position where the wireless power receiver 200 is placed may be formed on the interface surface.
  • the alignment indicator indicates the position of the wireless power receiver 200 in which an arrangement between the transmitting coil 1111a and the receiving coil 2911a mounted below the interface surface can be suitably made.
  • the arrangement indicating unit may be a simple mark or may be formed in the form of a protruding structure that guides the position of the wireless power receiver 200.
  • the arrangement indicator may be formed in the form of a magnetic material such as a magnet mounted on the lower portion of the interface surface, such that the coils are arranged by mutual attraction with the magnetic material of the other pole mounted inside the wireless power receiver 200. You can also guide to achieve this.
  • the wireless power transmitter 100 may be formed to include one or more transmission coils.
  • the wireless power transmitter 100 may increase power transmission efficiency by selectively using a portion of the one or more transmission coils that are suitably arranged with the receiving coil 2911a of the wireless power receiver 200.
  • a wireless power transmitter 100 including the one or more transmission coils will be described below with reference to FIG. 5.
  • FIG. 4 is a block diagram illustrating a part of a configuration of a wireless power transmitter 100 and a wireless power receiver 200 of the magnetic induction method that can be employed in the embodiments disclosed herein.
  • a configuration of the power transmission unit 110 included in the wireless power transmitter 100 will be described with reference to FIG. 4A, and the power supply unit included in the wireless power receiver 200 will be described with reference to FIG. 4B.
  • the configuration of 290 will be described.
  • the power converter 111 of the wireless power transmitter 100 may be configured to include a transmission coil (Tx coil) 1111a and an inverter 1112.
  • the transmitting coil 1111a forms a magnetic field corresponding to the wireless power signal according to the change of the current.
  • the transmission coil 1111a may be implemented in a planar spiral type or a cylindrical solenoid type.
  • the inverter 1112 transforms a DC input obtained from the power supply unit 190 into an AC waveform.
  • the alternating current transformed by the inverter 1112 drives a resonant circuit including the transmitting coil 1111a and a capacitor (not shown) so that a magnetic field is formed in the transmitting coil 1111a. .
  • the power conversion unit 111 may be configured to further include a positioning unit 1114.
  • the positioning unit 1114 may move or rotate the transmitting coil 1111a to increase the efficiency of wireless power transfer by the inductive coupling method. This is because, as described above, the power transfer by the inductive coupling method (alignment) and the distance between the wireless power transmitter 100 and the wireless power receiver 200 including the primary and secondary coils ( distance). In particular, the location determiner 1114 may be used when the wireless power receiver 200 does not exist within an active area of the wireless power transmitter 100.
  • the position determiner 1114 has a distance between the centers of the transmitting coil 1111a of the wireless power transmitter 100 and the receiving coil 2911a of the wireless power receiver 200.
  • a driving unit (not shown) which moves the transmitting coil 1111a to be within a predetermined range, or rotates the transmitting coil 1111a such that the center of the transmitting coil 1111a and the receiving coil 2911a overlap. It can be configured to.
  • the wireless power transmitter 100 may further include a position detection unit (not shown) made of a sensor for detecting the position of the wireless power receiver 200, the power transmission control unit 112 may control the location determiner 1114 based on the location information of the wireless power receiver 200 received from the location sensor.
  • a position detection unit (not shown) made of a sensor for detecting the position of the wireless power receiver 200
  • the power transmission control unit 112 may control the location determiner 1114 based on the location information of the wireless power receiver 200 received from the location sensor.
  • the power transmission control unit 112 receives control information on the arrangement or distance from the wireless power receiver 200 through the modulation / demodulation unit 113, and controls information on the received arrangement or distance.
  • the positioning unit 1114 may be controlled based on the control.
  • the position determiner 1114 may determine which of the plurality of transmission coils will be used for power transmission.
  • the configuration of the wireless power transmitter 100 including the plurality of transmission coils will be described later with reference to FIG. 5.
  • the power converter 111 may be configured to further include a power sensing unit 1115.
  • the power sensing unit 1115 of the wireless power transmitter 100 monitors a current or voltage flowing through the transmission coil 1111a.
  • the power sensing unit 1115 is for checking whether the wireless power transmitter 100 operates normally.
  • the power sensing unit 1115 detects a voltage or current of a power supplied from the outside and determines whether the detected voltage or current exceeds a threshold. You can check it.
  • the power sensing unit 1115 compares a resistance for detecting a voltage or current of a power source supplied from an external source with a threshold value of a voltage value or a current value of the detected power source, and outputs a comparison result. It may include a comparator. Based on the check result of the power sensing unit 1115, the power transmission control unit 112 may control a switching unit (not shown) to cut off power applied to the transmission coil 1111a.
  • the power supply unit 290 of the wireless power receiver 200 may be configured to include a receiving coil (Rx coil) 2911a and a rectifier circuit 2913.
  • the current is induced in the receiving coil 2911a by the change in the magnetic field formed from the transmitting coil 1111a.
  • the implementation form of the receiving coil 2911a may be in the form of a flat spiral or a cylindrical solenoid, as in the case of the transmitting coil 1111a.
  • series and parallel capacitors may be connected to the receiving coil 2911a to increase reception efficiency of wireless power or to detect resonance.
  • the receiving coil 2911a may be in the form of a single coil or a plurality of coils.
  • the rectifier circuit 2913 performs full-wave rectification on the current to convert an alternating current into a direct current.
  • the rectifier circuit 2913 may be implemented as, for example, a full bridge rectifier circuit consisting of four diodes or a circuit using active components.
  • the rectifier circuit 2913 may further include a smoothing circuit (regulator) to make the rectified current to a more flat and stable direct current.
  • the output power of the rectifier circuit 2913 is supplied to each component of the power supply 290.
  • the rectifier circuit 2913 converts the output DC power to an appropriate voltage to match the power required for each component of the power supply unit 290 (for example, a circuit such as the charging unit 298). (DC-DC converter) may further include.
  • the modulation and demodulation unit 293 is connected to the power receiver 291, and may be configured as a resistive element having a change in resistance with respect to a DC current, and configured as a capacitive element having a reactance with respect to an alternating current. Can be.
  • the power reception control unit 292 may modulate the wireless power signal received by the power reception unit 291 by changing the resistance or reactance of the modulation and demodulation unit 293.
  • the power supply unit 290 may be configured to further include a power sensing unit 2914.
  • the power sensing unit 2914 of the wireless power receiver 200 monitors the voltage and / or current of the power rectified by the rectifying circuit 2913, and as a result of the monitoring, the voltage and / or voltage of the rectified power. When the current exceeds a threshold, the power reception control unit 292 transmits a power control message to the wireless power transmitter 100 to deliver appropriate power.
  • Wireless power transmitter comprising one or more transmitting coils
  • FIG. 5 is a block diagram of a wireless power transmitter configured to have one or more transmitting coils receiving power according to an inductive coupling scheme that may be employed in the embodiments disclosed herein.
  • the power converter 111 of the wireless power transmitter 100 may be composed of one or more transmission coils 1111a-1 to 1111a-n.
  • the one or more transmitting coils 1111a-1 to 1111a-n may be an array of partly overlapping primary coils.
  • An active area may be determined by some of the one or more transmitting coils.
  • the one or more transmitting coils 1111a-1 to 1111a-n may be mounted below the interface surface.
  • the power converter 111 may further include a multiplexer 1113 for establishing and releasing connection of some of the one or more transmission coils 1111a-1 to 1111a-n. .
  • the power transmission control unit 112 When the position of the wireless power receiver 200 placed on the upper surface of the interface is detected, the power transmission control unit 112 considers the sensed position of the wireless power receiver 200 to determine the one or more transmission coils ( The multiplexer 1113 may be controlled to connect coils which may be in an inductive coupling relationship with the receiving coil 2911a of the wireless power receiver 200 among 1111a-1 to 1111a-n.
  • the power transmission control unit 112 may obtain location information of the wireless power receiver 200.
  • the power transmission control unit 112 may acquire the position of the wireless power receiver 200 on the interface surface by the position sensing unit (not shown) included in the wireless power transmitter 100. Can be.
  • the power transmission control unit 112 may use the one or more transmission coils 1111a-1 to 1111a-n, respectively, to indicate a power control message indicating the strength of a wireless power signal from an object on the interface surface; Obtain location information of the wireless power receiver 200 by receiving a power control message indicating the identification information of the object and determining which one of the one or more transmission coils is close to the location of the one or more transmission coils based on the received result. You may.
  • the active area is a part of the interface surface, it means a portion that can pass a high-efficiency magnetic field when the wireless power transmitter 100 wirelessly transfers power to the wireless power receiver 200. Can be.
  • a single transmitting coil or a combination of one or more transmitting coils forming a magnetic field passing through the active region may be referred to as a primary cell.
  • the power transmission control unit 112 determines an active region based on the detected position of the wireless power receiver 200, establishes a connection of a main cell corresponding to the active region, and establishes the wireless power receiver ( The multiplexer 1113 may be controlled such that the receiving coil 2911a of the 200 and the coils belonging to the main cell may be in an inductive coupling relationship.
  • the power converter 111 may further include an impedance matching unit (not shown) for adjusting the impedance to form a resonant circuit with the connected coils.
  • an impedance matching unit (not shown) for adjusting the impedance to form a resonant circuit with the connected coils.
  • FIG. 6 illustrates a concept in which power is wirelessly transferred from a wireless power transmitter to a wireless power receiver according to a resonance coupling method.
  • Resonance refers to a phenomenon in which the vibration system receives a periodic external force having the same frequency as its natural frequency, and the amplitude increases markedly.
  • Resonance is a phenomenon that occurs in all vibrations, including mechanical and electrical vibrations. In general, when a force capable of vibrating the vibration system from the outside, if the natural frequency of the vibration system and the frequency of the force applied from the outside is the same, the vibration is severe and the amplitude becomes large.
  • inductors and capacitors can be used to create resonant circuits.
  • the magnetic field having a specific vibration frequency is formed by the AC power in the power transmission unit 110.
  • a resonance phenomenon occurs in the wireless power receiver 200 by the formed magnetic field, power is generated in the wireless power receiver 200 by the resonance phenomenon.
  • the resonance frequency may be determined by, for example, the following equation (1).
  • the resonance frequency f is determined by the inductance L and the capacitance C in the circuit.
  • the inductance may be determined by the number of rotations of the coil, etc.
  • the capacitance may be determined by the distance, area, etc. between the coils.
  • a capacitive resonance circuit other than the coil may be configured to be connected.
  • the power converter 111 of the wireless power transmitter 100 may include a transmission coil 1111b in which a magnetic field is formed. It may be configured to include a resonant circuit (or resonance forming circuit) 1116 (hereinafter, used in duplicate) for connecting to the transmitting coil 1111b and for determining a specific vibration frequency.
  • the resonant circuit 1116 may be implemented using capacitors, and the specific vibration frequency is determined based on the inductance of the transmission coil 1111b and the capacitance of the resonant circuit 1116.
  • the circuit element of the resonant circuit 1116 may be configured in various forms so that the power converter 111 may form a magnetic field, and may be connected in parallel with the transmission coil 1111b as shown in FIG. 6. It is not limited.
  • the power receiver 291 of the wireless power receiver 200 includes a resonance circuit 2912 and a Rx coil configured to cause a resonance phenomenon by a magnetic field formed in the wireless power transmitter 100.
  • the resonant circuit 2912 may also be implemented using a capacitive circuit, and the resonant circuit 2912 is determined based on the inductance of the receiving coil 2911b and the capacitance of the resonant circuit 2912.
  • the resonance frequency is configured to be equal to the resonance frequency of the formed magnetic field.
  • the circuit element of the resonant circuit 2912 may be configured in various forms such that the power receiver 291 may cause resonance by the magnetic field, and is connected in series with the receiving coil 2911b as shown in FIG. 6. It is not limited in form.
  • the specific vibration frequency in the wireless power transmitter 100 may be obtained by using Equation 1 with LTx and CTx.
  • Equation 1 when the result of substituting LRX and CRX of the wireless power receiver 200 into Equation 1 is equal to the specific vibration frequency, resonance occurs in the wireless power receiver 200.
  • the wireless power transmitter 100 and the wireless power receiver 200 each resonate at the same frequency, electromagnetic waves are transmitted through a near field, and if the frequencies are different, There is no energy transfer between devices.
  • the efficiency of the wireless power transfer by the resonance coupling method has a large influence on the frequency characteristic, while the arrangement between the wireless power transmitter 100 and the wireless power receiver 200 including each coil and The effect of distance is relatively small compared to inductive coupling.
  • FIG. 7 is a block diagram exemplarily illustrating a part of the configuration of the wireless power transmitter 100 and the wireless power receiver 200 of the resonance method that may be employed in the embodiments disclosed herein.
  • a configuration of the power transmitter 110 included in the wireless power transmitter 100 will be described with reference to FIG. 7A.
  • the power converter 111 of the wireless power transmitter 100 may be configured to include a transmission coil (Tx coil) 1111b, an inverter 1112, and a resonant circuit 1116.
  • the inverter 1112 may be configured to be connected to the transmitting coil 1111b and the resonant circuit 1116.
  • the transmitting coil 1111b may be mounted separately from the transmitting coil 1111a for transmitting power according to the inductive coupling method, but may also be configured to transmit power in an inductive coupling method and a resonance coupling method using one single coil.
  • the transmitting coil 1111b forms a magnetic field for transferring power, as described above.
  • vibration may occur.
  • the vibration frequency is based on the inductance of the transmission coil 1111b and the capacitance of the resonant circuit 1116. Can be determined.
  • the inverter 1112 transforms the DC input obtained from the power supply unit 190 into an AC waveform, and the modified AC current is applied to the transmission coil 1111b and the resonant circuit 1116.
  • the power converter 111 may be configured to further include a frequency adjuster 1117 for changing the resonance frequency value of the power converter 111. Since the resonant frequency of the power converter 111 is determined based on inductance and capacitance in the circuit constituting the power converter 111 by Equation 1, the power transmission controller 112 is the inductance and / or The resonance frequency of the power converter 111 may be determined by controlling the frequency adjusting unit 1117 to change the capacitance.
  • the frequency adjusting unit 1117 may include, for example, a motor capable of changing capacitance by adjusting a distance between capacitors included in the resonant circuit 1116, or the number of rotations of the transmission coil 1111b ( number of turns) or a motor that can change the inductance by adjusting its diameter, or can be configured to include active elements that determine the capacitance and / or inductance.
  • the power converter 111 may be configured to further include a power sensing unit 1115. Operation of the power sensing unit 1115 is the same as described above.
  • the power supply unit 290 may be configured to include the Rx coil 2911b and the resonant circuit 2912.
  • the power receiver 291 of the power supply unit 290 may be configured to further include a rectifier circuit 2913 for converting the alternating current generated by the resonance phenomenon into a direct current.
  • the rectifier circuit 2913 may be configured in the same manner as described above.
  • the power receiver 291 may be configured to further include a power sensing unit 2914 for monitoring the voltage and / or current of the rectified power.
  • the power sensing unit 2914 may be configured in the same manner as described above.
  • Wireless power transmitter comprising one or more transmitting coils
  • FIG. 8 is a block diagram of a wireless power transmitter configured to have one or more transmitting coils receiving power in accordance with a resonant coupling scheme employable in embodiments disclosed herein.
  • the power conversion unit 111 of the wireless power transmitter 100 is connected to one or more transmission coils 1111b-1 to 1111b-n and respective transmission coils. It may be configured to include the resonant circuit (1116-1 to 1116-n). In addition, the power converter 111 may further include a multiplexer 1113 for establishing and releasing connection of some of the one or more transmission coils 1111b-1 to 1111b-n. .
  • the one or more transmitting coils 1111b-1 to 1111b-n may be set to have the same resonant frequency, or some of them may be set to have different resonant frequencies. This is determined by what inductance and / or capacitance the resonant circuits 1116-1 through 1116-n respectively connected with the one or more transmitting coils 1111b-1 through 1111b-n have.
  • the frequency adjusting unit 1117 may change inductance and / or capacitance of the resonant circuits 1116-1 to 1116-n respectively connected to the one or more transmission coils 1111b-1 to 1111b-n. It can be configured to be.
  • FIG. 9 illustrates a concept of transmitting and receiving a packet between a wireless power transmitter and an electronic device through modulation and demodulation of a wireless power signal in wireless power transfer according to embodiments of the present disclosure.
  • the power converter 111 included in the wireless power transmitter 100 forms a wireless power signal.
  • the wireless power signal is formed through the transmission coil 1111 included in the power converter 111.
  • the wireless power signal 10a formed by the power converter 111 arrives at the electronic device 200 and is received through the power receiver 291 included in the electronic device 200.
  • the formed wireless power signal is received through the receiving coil 2911 included in the power receiver 291.
  • the power reception control unit 292 modulates the wireless power signal while the electronic device 200 receives the wireless power signal by controlling the modulation and demodulation unit 293 connected to the power reception unit 291. .
  • the wireless power signal forms a closed loop in a magnetic field or an electromagnetic field, so that the electronic device 200 performs the wireless operation.
  • the wireless power transmitter 100 may detect the modulated wireless power signal 10b.
  • the demodulation unit 113 may demodulate the sensed wireless power signal and decode the packet from the demodulated wireless power signal.
  • a modulation method used for communication between the wireless power transmitter 100 and the electronic device 200 may be amplitude modulation.
  • the modulation / demodulation unit 293 on the side of the electronic device 200 changes the amplitude of the wireless power signal 10a formed by the power conversion unit 111 so that the wireless power transmitter Modulation and demodulation unit 293 on the (100) side may be a backscatter modulation scheme for detecting the amplitude of the modulated wireless power signal 10b.
  • 10 illustrates a configuration for transmitting and receiving a power control message in wireless power transmission according to embodiments disclosed herein.
  • 11 illustrates the form of a signal in modulation and demodulation performed in wireless power transfer in accordance with embodiments disclosed herein.
  • the wireless power signal received through the power receiver 291 of the electronic device 200 is an unmodulated wireless power signal 10a as shown in FIG. 11A.
  • Resonant coupling is performed between the electronic device 200 and the wireless power transmitter 100 according to a resonance frequency set by the resonance forming circuit 2912 in the power receiver 291, and the receiving coil 2911b is connected to the electronic device 200.
  • the wireless power signal 10a is received through.
  • the power reception control unit 292 modulates the wireless power signal 10a received through the power reception unit 291 by changing a load impedance in the modulator 293.
  • the modulation and demodulation unit 293 may be configured to include a passive element 2927 and an active element 2932 for modulating the wireless power signal 10a.
  • the modulation and demodulation unit 293 modulates the wireless power signal 10a to include a packet to be transmitted to the wireless power transmitter 100. In this case, the packet may be input to the active element 2932 in the modulation and demodulation unit 293.
  • the power transmission control unit 112 of the wireless power transmitter 100 demodulates the modulated wireless power signal 10b through an envelope detection process, and decodes the detected signal 10c. It decodes into digital data 10d.
  • the demodulation process detects that a current or voltage flowing through the power converter 111 is divided into two states, a HI state and a LO state, by the modulated wireless power signal.
  • the electronic device 200 acquires a packet to be transmitted based on digital data classified according to FIG.
  • the power transmission control unit 112 detects an encoded bit from the envelope detected signal by using the clock signal CLK.
  • the detected encoded bits are encoded according to the bit encoding method used in the modulation process on the electronic device 200 side.
  • the bit encoding method may be non-return to zero (NRZ).
  • the bit encoding method may be bi-phase encoding.
  • the detected bit may be differential bi-phase (DBP) encoded.
  • DBP differential bi-phase
  • the power reception control unit 292 of the electronic device 200 has two state transitions for encoding data bit 1, and one state transition for encoding data bit 0. To have. That is, data bit 1 is encoded such that a transition between a HI state and a LO state occurs at a rising edge and a falling edge of the clock signal, and data bit 0 is HI at the rising edge of the clock signal.
  • the transition between state and LO state may be encoded to occur.
  • the power transmission control unit 112 may obtain data in units of bytes using a byte format constituting a packet from the detected bit string according to the bit encoding method.
  • the detected bit string may be transmitted using an 11-bit asynchronous serial format as shown in (c) of FIG. 11. That is, it may include a start bit for notifying the start of the byte and a stop bit for notifying the end of the byte, and include data bits b0 to b7 between the start bit and the end bit.
  • a parity bit may be added to check for errors in the data.
  • the byte data constitutes a packet including a power control message.
  • the wireless power receiver 200 transmits a packet using a carrier signal 10a formed by the wireless power transmitter 100, the wireless power transmission is illustrated.
  • the device 100 may also transmit data to the wireless power receiver 200 in a similar manner as above.
  • the power transmission control unit 112 may control the demodulation unit 113 to modulate data to be transmitted to the wireless power receiver 200 to be carried on the carrier signal 10a.
  • the power demodulation unit 293 controls the demodulation unit 293 to perform demodulation so that the power reception control unit 292 of the wireless power receiver 200 can acquire data from the modulated carrier signal 10a. Can be.
  • FIG. 12 illustrates a packet including a power control message used in a wireless power transfer method according to embodiments disclosed herein.
  • the wireless power transmitter 100 and the electronic device 200 may transmit and receive data to be transmitted in the form of a command packet (command_packet) 510.
  • the command packet 510 may be configured to include a header 511 and a message 512.
  • the header 511 may include a field indicating a type of data included in the message 512.
  • the size and type of the message may be determined based on a value indicated by a field indicating the type of data.
  • the header 511 may include an address field for identifying the sender of the packet.
  • the address field may indicate an identifier of the electronic device 200 or an identifier of a group to which the electronic device 200 belongs.
  • the electronic device 200 When the electronic device 200 intends to transmit the packet 510, the electronic device 200 generates the packet 510 such that the address field of the packet 510 indicates its own identification information. can do.
  • the message 512 includes data to be transmitted by the sender of the packet 510.
  • the data included in the message 512 may be a report, a request, or a response to the counterpart.
  • the command packet 510 may be configured as shown in FIG. 12B.
  • the header 511 included in the command packet 510 may be expressed in a constant size.
  • the header 511 may be two bytes in size.
  • the header 511 may be configured to include a reception address field.
  • the reception address field may be 6 bits in size.
  • the header 511 may be configured to include an operation command field (OCF) or an operation group field (OCF).
  • OGF is a value given to each group of commands for the electronic device 200
  • OCF is a value given to each command existing in each group in which the electronic device 200 is included.
  • the message 512 may be expressed by dividing the length field 5121 of the parameter and the value field 5122 of the parameter. That is, the sender of the packet 510 may configure the message in the form of length-value pairs (5121a-5122a, etc.) of one or more parameters required to express the data to be transmitted.
  • the wireless power transmitter 100 and the electronic device 200 may include a preamble 520 and a checksum 530 for transmission to the command packet 510.
  • the data can be transmitted and received in the form.
  • the preamble 520 is used to synchronize the data received by the wireless power transmitter 100 and accurately detect the start bit of the command packet 510.
  • the preamble 520 may be configured such that the same bit is repeated.
  • the preamble 520 may be configured such that data bit 1 according to the DBP encoding is repeated 11 to 25 times.
  • the checksum 530 is used to detect an error that may occur in the command packet 510 while a power control message is being transmitted.
  • FIG. 13 illustrates operating states of the wireless power transmitter 100 and the wireless power receiver 200 according to the embodiments disclosed herein.
  • 14 to 18 illustrate a structure of packets including a power control message between the wireless power transmitter 100 and the wireless power receiver 200.
  • an operation state of the wireless power transmitter 100 and the wireless power receiver 200 for wireless power transmission may include a selection phase 610 and a detection phase 620. , Identification and configuration phase 630, and power transfer phase 640.
  • the wireless power transmitter 100 detects whether objects exist within a range in which power can be transmitted wirelessly, and in the detection state 620, the wireless power transmitter ( 100 transmits a detection signal to the detected object, and the wireless power receiver 200 transmits a response to the detection signal.
  • the wireless power transmitter 100 identifies the selected wireless power receiver 200 through previous states and obtains setting information for power transmission.
  • the wireless power transmitter 100 adjusts the power transmitted in response to the control message received from the wireless power receiver 200, and to the wireless power receiver 200. Transmit power.
  • the wireless power transmitter 100 in the selection state 610 performs a detection process to select the wireless power receiver 200 existing in the sensing area.
  • the sensing area refers to an area in which an object in the corresponding area may affect the characteristics of the power of the power converter 111.
  • the detection process for the selection of the wireless power receiver 200 in the selection state 610 is to receive a response from the wireless power receiver 200 using a power control message.
  • the power converter of the wireless power transmitter 100 detects a change in the amount of power for forming the wireless power signal and checks whether an object exists within a predetermined range.
  • the detection process in the selection state 610 may be referred to as an analog detection process (analog ping) in that an object is detected using a wireless power signal instead of a digital packet in the detection state 620 to be described later. .
  • the wireless power transmitter 100 in the selection state 610 may detect that an object enters or leaves the detection area. In addition, the wireless power transmitter 100 may distinguish between the wireless power receiver 200 capable of transmitting power wirelessly from other objects within the sensing area and other objects (eg, a key, a coin, etc.). Can be.
  • the sensing areas in which the object is detected in the selection state 610 may be different from each other.
  • the wireless power transmitter 100 in the selection state 610 may monitor an interface surface (not shown) to detect placement and removal of objects.
  • the wireless power transmitter 100 may detect the position of the wireless power receiver 200 placed on the interface surface. As described above, the wireless power transmitter 100 formed to include one or more transmitting coils enters the detection state 620 in the selection state 610 and uses each coil in the detection state 620. To determine whether a response to the detection signal is transmitted from the object or to enter the identification state 630 to determine whether identification information is transmitted from the object. The wireless power transmitter 100 may determine a coil to be used for wireless power transmission based on the detected position of the wireless power receiver 200 obtained through the above process.
  • the wireless power transmitter 100 in the selection state 610 may change one or more of the frequency, current, and voltage of the power converter due to an object in the sensing area.
  • the object can be detected by detecting the object.
  • the wireless power transmitter 100 in the selection state 610 may detect an object by at least one of the detection methods according to the inductive coupling method and the resonance coupling method.
  • the wireless power transmitter 100 performs an object detection process according to each power transmission method, and then detects the object in a combination method for wireless power transfer in order to proceed to other states 620, 630, and 640. You can choose one.
  • the wireless power transmitter 100 in the selected state 610 performs digital detection, identification, setting, and power transmission in a wireless power signal formed to detect an object and subsequent states 620, 630, and 640.
  • the wireless power signal to be formed may have different characteristics such as frequency and strength. This is because the selected state 610 of the wireless power transmitter 100 corresponds to an idle phase for detecting an object, so that the wireless power transmitter 100 may reduce power consumption in standby or may be efficient. This is to generate a signal specialized for detecting an object.
  • the wireless power transmitter 100 in the detection state 620 detects the wireless power receiver 200 existing in the detection area through a power control message. Compared with the detection process of the wireless power receiver 200 using the characteristics of the wireless power signal in the selection state 610, the detection process in the detection state 620 may be referred to as a digital ping process. have.
  • the wireless power transmitter 100 forms a wireless power signal for detecting the wireless power receiver 200, and modulates the wireless power signal by the wireless power receiver 200. Demodulate and obtain a power control message in digital data form corresponding to the response to the detection signal from the demodulated wireless power signal.
  • the wireless power transmitter 100 may recognize the wireless power receiver 200 that is the target of power transmission by receiving a power control message corresponding to the response to the detection signal.
  • the detection signal formed by the wireless power transmitter 100 in the detection state 620 to perform a digital detection process is a wireless power signal formed by applying a power signal of a specific operating point for a predetermined time.
  • the operation point may mean a frequency, a duty cycle, and an amplitude of a voltage applied to a Tx coil.
  • the wireless power transmitter 100 may generate the detection signal generated by applying the power signal of the specific operation point for a predetermined time and attempt to receive a power control message from the wireless power receiver 200. have.
  • the power control message corresponding to the response to the detection signal may be a message indicating the strength (strength) of the wireless power signal received by the wireless power receiver 200.
  • the wireless power receiver 200 may include a signal strength packet 5100 including a message indicating the strength of a wireless power signal received as a response to the detection signal as shown in FIG. 14. ) Can be sent.
  • the packet 5100 may be configured to include a header 5120 indicating that the packet indicates a signal strength and a message 5130 indicating the strength of a power signal received by the wireless power receiver 200.
  • the strength of the power signal in the message 5130 may be a value representing a degree of coupling for inductive coupling or resonance coupling for power transmission between the wireless power transmitter 100 and the wireless power receiver 200. have.
  • the wireless power transmitter 100 After receiving the response message to the detection signal, the wireless power transmitter 100 discovers the wireless power receiver 200, the wireless power transmitter 100 may extend the digital detection process to enter the identification and detection state 630. have. That is, the wireless power transmitter 100 may receive the power control message required in the identification and detection state 630 by maintaining the power signal of the specific operation point after discovering the wireless power receiver 200. have.
  • the operation state of the wireless power transmitter 100 returns to the selection state 610. Can be.
  • the wireless power transmitter 100 in the identification and setting state 630 may receive the identification information and / or setting information transmitted by the wireless power receiver 200 and control the power transfer to be performed efficiently.
  • the wireless power receiver 200 may transmit a power control message including its own identification information.
  • the wireless power receiver 200 may transmit, for example, an identification packet 5200 including a message indicating identification information of the wireless power receiver 200 as illustrated in FIG. 15A. have.
  • the packet 5200 may be configured to include a header 5220 indicating that the packet represents identification information and a message 5230 including identification information of the wireless power receiver.
  • the message 5230 includes information (2531 and 5232) indicating the version of the protocol for wireless power transmission, information (5233) identifying the manufacturer of the wireless power receiver 200, information indicating the presence or absence of an extension device identifier. 5234 and a basic device identifier 5235.
  • the packet 5300 may be configured to include a header 5320 indicating that the packet indicates an extended device identifier and a message 5330 including the extended device identifier.
  • the extended device identifier is used as described above, in order to identify the wireless power receiver 200 based on the manufacturer's identification information 5333, the basic device identifier 5235, and the extended device identifier 5330. Information can be used.
  • the wireless power receiver 200 may transmit a power control message including information on the expected maximum power.
  • the wireless power receiver 200 may transmit, for example, a configuration packet 5400 as illustrated in FIG. 16.
  • the packet may be configured to include a header 5520 indicating that the packet is a setup packet and a message 5430 including information on the expected maximum power.
  • the message 5430 includes a power class 5523, information about an expected maximum power 5432, an indicator 5435 indicating how to determine the current of a primary cell on the wireless power transmitter side, and an optional number of configuration packets ( 5434).
  • the indicator 5433 may indicate whether or not the current of the main cell of the wireless power transmitter side is to be determined as specified in the protocol for wireless power transmission.
  • the wireless power transmitter 100 may generate a power transfer contract used for power charging with the wireless power receiver 200 based on the identification information and / or setting information.
  • the power transfer protocol may include limits of parameters that determine power transfer characteristics in the power transfer state 640.
  • the wireless power transmitter 100 may end the identification and setting state 630 before returning to the power transfer state 640 and return to the selection state 610.
  • the wireless power transmitter 100 may end the identification and setup state 630 to find another wireless power receiver capable of receiving power wirelessly.
  • the wireless power transmitter 100 in the power transmission state 640 transmits power to the wireless power receiver 200.
  • the wireless power transmitter 100 receives a power control message from the wireless power receiver 200 while transmitting power, and adjusts a characteristic of power applied to the transmission coil in response to the received power control message.
  • the power control message used to adjust the power characteristic of the transmitting coil may be included in a control error packet 5500 as shown in FIG. 17.
  • the packet 5500 may be configured to include a header 5520 indicating a control error packet and a message 5530 including a control error value.
  • the wireless power transmitter 100 may adjust power applied to the transmission coil according to the control error value. That is, the current applied to the transmitting coil can be adjusted to be maintained when the control error value is zero, to decrease when it is negative and to increase when it is positive.
  • the wireless power transmitter 100 may monitor parameters in a power transfer contract generated based on the identification information and / or configuration information. The wireless power transmitter 100 cancels the power transmission when the parameters are monitored and the power transmission with the wireless power receiver 200 violates the limitations included in the power transfer protocol.
  • the selection state 610 may be returned.
  • the wireless power transmitter 100 may end the power transfer state 640 based on a power control message transmitted from the wireless power receiver 200.
  • the wireless power receiver 200 requests power to stop the wireless power transmission to the wireless power transmitter 100. You can pass control messages. In this case, the wireless power transmitter 100 may end the wireless power transfer and return to the selection state 610 after receiving the message requesting to stop the power transmission.
  • the wireless power receiver 200 may transmit a power control message requesting renegotiation or reconfigure to update a power transfer protocol that has already been generated.
  • the wireless power receiver 200 may transmit a message requesting renegotiation of the power transfer protocol when a greater or less amount of power is required than the amount of currently transmitted power.
  • the wireless power transmitter 100 may terminate wireless power transmission and return to the identification and setting state 630.
  • the message transmitted by the wireless power receiver 200 may be, for example, an end power transfer packet 5600 as illustrated in FIG. 18.
  • the packet 5600 may be configured to include a message 5630 including a header 5620 indicating the power transmission interruption packet and a power transmission interruption code indicating the reason for the interruption.
  • the power transfer stop code includes charge complete, internal fault, over temperature, over voltage, over current, battery failure, reset, It may indicate one of a no response or an unknown error.
  • 19 is a conceptual diagram illustrating a method of transmitting power to one or more wireless power receivers by a wireless power transmitter.
  • the wireless power transmitter 100 may transmit power for one or more wireless power receivers 200 and 200 '. Although two electronic devices 200 and 200 ′ are illustrated in FIG. 19, the method according to the embodiments disclosed herein is not limited to the number of illustrated electronic devices.
  • the wireless power transmitter 100 may include a wireless power receiver disposed in an active area or a sensing area of a resonance coupling method, or a wireless power receiver disposed in an active area or a sensing area of an inductive coupling method. It can be determined whether it exists. According to the determination result, the wireless power transmitter 100 supporting each wireless power transfer method may change the power transfer method for each wireless power receiver.
  • the wireless power transmitter 100 transmits power for one or more electronic devices 200 and 200 ′ in the same wireless power transfer method
  • the electronic device Fields 200 and 200 ′ may communicate with each other via the wireless power signal without collision with each other.
  • the wireless power signal 10a formed by the wireless power transmitter 100 reaches the first electronic device 200 ′ and the second electronic device 200.
  • the first electronic device 200 ′ and the second electronic device 200 may transmit a power control message using the formed wireless power signal.
  • the first electronic device 200 ′ and the second electronic device 200 operate as a power receiver for receiving a wireless power signal.
  • the power receiver according to the embodiments disclosed in the present disclosure includes a power receiver 291 ′, 291 for receiving the formed wireless power signal; Modulation and demodulation units 293 'and 293 for performing modulation and demodulation on the received wireless power signal; And control units 292 'and 292 for controlling each component of the power receiver.
  • the wireless power transmission / reception method of the present invention has been described based on the WPC standard. Furthermore, the present invention proposes a medium power wireless power transmitter, a wireless power receiver and a wireless charging system. In addition, the present invention provides a new type of coil solution that can increase power transmission efficiency in a wireless charging system using heavy power. This will be described in more detail below.
  • the wireless power transmitter for medium power refers to a wireless power transmitter that transfers wireless power of medium power to the wireless power receiver.
  • the wireless power receiver for medium power refers to a wireless power receiver for receiving heavy power transmitted from the wireless power transmitter.
  • the medium power means power of several tens of W or more
  • the appliance using the medium power includes, for example, a citrus press, a hand blender, a blender, It may be a juicer, a smart pan, a kettle, a rice cooker, or the like.
  • Guaranteed Power can be largely classified into Class A, Class B, Class C as shown in Table 1 below.
  • Table 1 is a SPEC for each class proposed by the KWG (Kitchen Working Group), which was established for the discussion of SPEC for medium power in the Wireless Power Consortium (WPC).
  • Diameter means the diameter of the receiving coil in the wireless power receiver of the medium-power home appliance or the diameter of the transmitting coil in the wireless power transmitter.
  • a transmission / reception coil having a high inductance is used for high efficiency, and a high voltage of several tens of V to several hundred V is induced in the transmission / reception coil.
  • the size of the wireless power receiver that is, the kitchen appliances may vary. Accordingly, the size (or diameter) of the receiving coil provided in the kitchen appliance may also vary. Accordingly, the present invention proposes a structure of a wireless power transmitter capable of effectively transmitting wireless power to kitchen appliances of various sizes, although the sizes of kitchen appliances vary.
  • FIGS. 20 and 21 are block diagrams illustrating a part of a configuration of a wireless power transmitter and a wireless power receiver according to the present invention
  • FIGS. 22 and 23 are detailed structural diagrams of a coil for transmission.
  • the wireless power transmitter 100 and the wireless power receiver 200 may be implemented as shown in the block diagrams shown in FIGS. 20 and 21.
  • the power converter 111 of the wireless power transmitter 100 shown in FIG. 20 is a transmission coil Tx operating as a primary coil in magnetic induction. coil, 1111, 1111 ').
  • the transmitting coil is configured to include first and second transmitting coils (Tx coils, 1111, 1111 '), one of which is wrapped around the other.
  • the primary coil may be provided in the power converter 111 (refer to FIG. 2) included in the power transmission unit 110 (refer to FIG. 2), as described above with reference to FIG. 2. 20 illustrates at least some of the components of the power converter.
  • the power converter 111 converts the power supplied from the power supply unit 190 into a wireless power signal and transmits the converted power to the wireless power receiver 200 shown in FIG. 21.
  • the wireless power transmitter 100 for medium power a voltage of several tens of V to several hundred V is induced in the transmitting coil 1111.
  • the first and second coils 1111 and 1111 ′ of the wireless power transmission apparatus 100 may include the first and second coils 1111 and 1111 ′.
  • Each of the wires wound to transmit wireless power may be provided, and the wires 1111 of the first coil may be wound along an edge of the shape of the second coil 1111 ′.
  • the wire of the first coil 1111 may be wound along one of an inner edge and an outer edge of the second coil 1111 ′.
  • the wire of the first coil 1111 may be wound.
  • a case where the coil is wound along the outer edge of the second coil 1111 ', that is, the second coil 1111 is arranged to surround the second coil 1111' will be described as an example.
  • the shape of the first coil 1111 may correspond to the shape of the second coil 1111'.
  • the second coil 1111 ′ has a triangular shape
  • the first coil 1111 may also have a triangular shape.
  • the wireless power transmitter according to the present invention includes a plurality of coils, and thus, the alignment state of the wireless power receiver, the size (or coil size) of the wireless power receiver, or the amount of power to be supplied to the wireless power receiver. Accordingly, at least one of the plurality of coils may be selectively driven.
  • the voltage induced to the first coil 1111 which is formed to surround the second coil 1111 ′, may be greater than the voltage induced to the second coil.
  • the power transmission control unit 112 (hereinafter, referred to as a control unit) is selectively connected to the wireless power receiver through any one of the first and second coils 1111 and 1111 according to the situation of the wireless power receiver.
  • the power may be supplied to the wireless power receiver, or the power may be supplied to the wireless power receiver using both the first and second coils 1111 and 1111 '.
  • the size (or diameter) of the receiving coil (or the secondary coil) included in the controller 112 and the wireless power receiver corresponds to one of the first and second coils 1111 and 1111 '.
  • the size of the first and second coils 1111 and 1111 ' corresponds to the size of the receiving coil of the wireless power receiver.
  • the control unit 112 may not drive the other coil. That is, magnetic flux change may not occur in the other coil.
  • the controller 112 drives both the first and second coils 1111 and 1111 'to power the wireless power receiver. Can be supplied.
  • the power supply can be made more effective by changing the driving state according to the situation of the wireless power receiver through the plurality of transmission coils.
  • the wireless power transmitter and the wireless power receiver through the communication with the wireless power transmitter and the wireless power receiver according to the present invention, it is possible to receive information of the amount of power required by the wireless power receiver, or to receive the specification information of the coil included in the wireless power receiver. Can be.
  • the wireless power transmitter according to the present invention may be provided with at least one sensor (for example, a proximity sensor, an illuminance sensor, etc.) to determine the size of the wireless power receiver.
  • at least one sensor for example, a proximity sensor, an illuminance sensor, etc.
  • the first and second coils 1111 and 1111 ' are formed on a double layer.
  • the dual racer may be wound at different turns.
  • the wire of the first coil 1111 is formed on a double layer, and can be wound 14 ⁇ 1 (14 ⁇ 1 turns per layer) times.
  • the wire of the first coil 1111 may have a thickness of 3.3 mm + 0.3.
  • the inner diameter ID of the first coil 1111 may be 175 mm ( ⁇ 5), and the outer diameter (OD) may be configured at 223 mm ( ⁇ 5).
  • the first coil 1111 may have an inductance of 95 ⁇ H ⁇ 10.
  • the wire of the second coil 1111 ′ is made of a wire thickness of 3.3 mm + 0.3, is formed on a double layer, and wound 28 times 2 ⁇ 2 turns per layer.
  • the inner diameter (ID: Inner Diameter) of the second coil 1111 ' may be 66 mm ( ⁇ 5), and the outer diameter (OD: Outer Diameter) may be configured to 163 mm ( ⁇ 5).
  • the second coil 1111 ′ may have an inductance of 168 ⁇ H ⁇ 10.
  • the first coil 1111 when there is no shield, the first coil 1111 may have an inductance of 70 ⁇ H, and the second coil 1111 ′ may have an inductance of 93 ⁇ H.
  • the wireless power transmission apparatus proposes a structure of a shield member that can minimize the leakage magnetic flux.
  • a shield member that can minimize the leakage magnetic flux.
  • FIG. 24 looks at in more detail with respect to the structure of the shield member.
  • FIG. 26 is a conceptual diagram for explaining the shield
  • FIG. 27 is a block diagram illustrating a part of the configuration of the wireless power transmitter. to be.
  • the wireless power transmitter includes a shielding portion 1200 including a plurality of shielding members radially formed along at least one circumference of the first and second coils 1111 and 1111 ', as described above. More).
  • the plurality of shielding members may be spaced apart at a predetermined angle to form a radial shape. As described above, in the case of arranging a plurality of shield members in a radial shape, it is effective to secure the inductance and the coupling coefficient.
  • a shield or a plurality of shield members 1200 are disposed on one surface of the first and second coils 1111 and 1111 ′.
  • a shielding part 1200 may be disposed under the first and second coils 1111 and 1111 ′.
  • the shielding part 1200 may have an element (for example, a microprocessor) mounted on a circuit board due to the operation of the first and second coils 1111 and 1111 ′, or may be electromagnetically affected. It is formed to prevent the transmitting coil from being electromagnetically affected by the operation of the elements.
  • the shield 1200 overlaps the transmission coil.
  • the shield 1200 may be formed between the case (not shown) of the base station and the first and second coils 1111 and 1111 ′.
  • the shielding portion 1200 is formed so that at least a portion thereof exceeds the outer diameter OD of the first coil 1111, and at least a portion of the shielding portion 1200 based on the inner diameter ID of the second coil 1111 ′. It can be formed to exceed.
  • the shielding member of the shielding part 1200 may include a base part 1200a extending along the radial direction of the first and second coils, and the first and second parts.
  • Protrusions 1200b and 1200c may be provided to face at least one of the coils.
  • the protrusions 1200b and 1200c may extend from the base portion 1200a and have a shape protruding in one direction. More specifically, as shown, the protrusions 1200b and 1200c face the inner edges of the first protrusion 1200b and the second coil 1111 'facing the outer edge of the first coil 1111.
  • the second protrusion 1200c may be further included.
  • the shielding member has a protrusion, as shown in 26, the leakage magnetic flux can be reduced than when the protrusion is not provided.
  • the protrusion is made of a thickness of 5mm, it is possible to most effectively prevent the leakage of magnetic flux.
  • the wireless power transmitter according to the present invention may further include a frame part 1300 formed to seat the plurality of shielding members forming a radial shape, as described above.
  • the part 1300 may correspond to an angle at which the shielding member is spaced apart from each other so that the shielding member may be seated, and may be provided with grooves sequentially formed.
  • the wireless power receiver 200 for receiving wireless power from the wireless power transmitter 100 may be configured to include a receiving coil (Rx coil, 2911, 2911 ') that operates as a secondary coil.
  • the secondary coil may be provided in the power receiver 291 (see FIG. 2) included in the power supply unit 290 (see FIG. 2), which has been described with reference to FIG. 2, and FIG. 20B illustrates a power receiver. At least some of the components of 291 are shown.
  • FIG. 28 is a conceptual diagram showing the structure of the receiving coil and the shield of the wireless power receiver according to the present invention
  • Figure 29 is a detailed structural diagram of the receiving coil.
  • the wireless power receiver may include a receiving coil 2911 and a plurality of shields 2200 spaced apart along the circumference of the receiving coil 2911 to receive wireless power. have.
  • the wire of the receiving coil 2911 has a thickness of 3.3mm + 0.3, is formed on a double layer, and may be wound 24 ⁇ 1 (24 ⁇ 1 turns per layer) times. .
  • the inner diameter (ID) of the receiving coil 2911 may be 70 mm ( ⁇ 5), and the outer diameter (OD: Outer Diameter) may be configured to 153 mm ( ⁇ 5).
  • the receiving coil 2911 may have an inductance of 100 ⁇ H ⁇ 10. In this case, when the wireless power receiver does not include a shield, the receiving coil 2911 may have an inductance of 70 ⁇ H.
  • the wire of the receiving coil 2911 may have a thickness of 3.3 mm + 0.3 and formed on a double layer, and may be wound 26 ⁇ 1 turns per layer.
  • the inner diameter (ID) of the receiving coil 2911 may be 70 mm ( ⁇ 5), and the outer diameter (OD: Outer Diameter) may be configured to 160 mm ( ⁇ 5).
  • the receiving coil 2911 may have an inductance of 83 ⁇ H ⁇ 10.
  • the receiving coil 2911 may have an inductance of 118 ⁇ H.
  • a shielding part or a shielding member 2220 is disposed on one surface of the receiving coil 2911.
  • a shield 2200 may be disposed on the receiving coil 2911.
  • the shielding part 2200 may be caused by an operation of the receiving coil 2911, an element (for example, a microprocessor) mounted on a circuit board to be electromagnetically affected, or an operation of the element mounted on the circuit board. It is formed to prevent the electromagnetic influence.
  • the shielding members provided in the shielding part 2200 may be spaced apart at a predetermined angle to form a radial shape. As described above, in the case of arranging a plurality of shield members in a radial shape, it is effective to secure the inductance and the coupling coefficient.
  • the shield 2200 overlaps the receiving coil 2200.
  • the shield 2200 may be formed between the case (not shown) of the base station and the receiving coil 2911.
  • the shielding portion 2200 is formed so that at least a portion based on the outer diameter (OD) of the receiving coil (2911), the inner diameter (ID) of the second coil (2911) By reference to at least a portion.
  • the current induced through the receiving coil (2911) may be converted into direct current through a separate rectifier (rectifier), respectively.
  • Figure 30 is a conceptual diagram showing the structure of the coil and the shield of the wireless power transmitter and wireless power receiver according to the present invention. As shown in the drawing, the wireless power transmitter and the wireless power receiver having the above-described structure are positioned to overlap each other, thereby transmitting and receiving wireless power.
  • the wireless power transmitter and the wireless power receiver may configure a wireless charging system.
  • the primary coil of the wireless power transmitter and the secondary coil of the wireless power receiver may have an initial permability of ferrite of 2500 or more.
  • the wireless power transmitter and the wireless power transmitter may transmit and receive wireless power more effectively.
  • This spacing may be 20 mm.
  • the primary coil of the wireless power transmitter and the secondary coil of the wireless power receiver may be made of a Litz wire, the outer diameter of the Litz wire is 3.3 ⁇ 3.6mm, the thin wire diameter is 0.1mm It consists of, and may be made of 400 ⁇ 600 strands.
  • the method of transmitting and receiving a control message between the wireless power transmitter 100 and the wireless power receiver 200 may include FIGS. 1, 2A, 2B, 3, 4A, 4B, 5, 6, and FIG. 7a, 7b, 8 to 14, 15a, 15b and 16 to 19 are the same as or similar to the method of transmitting and receiving a control message, detailed description thereof will be replaced with the description of the drawings do.
  • the present invention by providing a plurality of coils for wireless power transmission according to the present invention, it is possible to selectively control the coil to transmit the wireless power according to the size of the wireless power receiver. Therefore, according to the size of the wireless power receiver, by selecting the wireless power transmission coil, it is possible to optimize the alignment between the wireless power transmitter and the receiver.

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Abstract

본 발명은 무선 전력 전송분야에서, 무선 전력 전송 장치, 무선 전력 수신 장치 및 무선 충전 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따른, 무선 전력 수신 장치에 무선 전력을 송신하도록 형성되는 무선 전력 전송장치는, 어느 하나가 다른 하나를 감싸도록 배치되는 제1 및 제2 코일, 방사 형태를 이루도록 상기 제1 및 제2 코일 중 적어도 하나의 원주를 따라 순차적으로 이격 배치된 복수의 차폐부재를 구비하는 차폐부 및 상기 제1 및 제2 코일 중 적어도 하나를 통해 상기 무선 전력 수신 장치에 무선 전력을 공급하도록, 상기 제1 및 제2 코일을 제어하도록 이루어지는 제어부를 포함한다.

Description

무선 전력 전송 장치, 무선 전력 수신 장치 및 무선 충전 시스템
본 발명은 무선 전력 전송분야에서, 무선 전력 전송 장치, 무선 전력 수신 장치 및 무선 충전 시스템에 관한 것이다.
전통적으로 무선 전력 수신장치들에게 유선으로 전기 에너지를 공급하는 방법 대신에, 최근에는 접촉 없이 무선으로 전기 에너지를 공급하는 방법이 사용된다. 무선으로 에너지를 수신하는 무선 전력 수신장치는 상기 수신된 무선 전력에 의하여 직접 구동되거나, 상기 수신된 무선 전력을 이용하여 배터리를 충전하고 상기 충전된 전력에 의하여 구동될 수 있다.
자기 유도 방식의 무선 전력 전송에 대한 기술을 다루는 무선 전력 협의체(Wireless Power Consortium)는 2010년 4월 12일에 무선 전력 전송에서의 호환성(interoperability)에 대한 "무선 전력 전송 시스템 설명서, 제1권, 저전력, 파트 1: 인터페이스 정의, 버전 1.00 RC1(System Description Wireless Power Transfer, Volume 1, Low Power, Part 1: Interface Definition, Version 1.00 Release Candidate 1)" 표준 문서를 공개하였다.
상기 버전 1.00은 5W 전력 송수신의 로우파워에 관한 것이며, 이는 주로 이동 단말기에 적용되어 왔다. 최근에는 저전력 제품 외에 수십W 이상의 전력을 필요로 하는 가전기기에 무선전력 전송기술의 적용이 검토되고 있다.
한편, 또 다른 기술표준협의체인 파워매터스얼라이언스(Power Matters Alliance)는 2012년 3월 설립되어, 인터페이스 표준의 제품군을 발전시키고, 유도 공진 전력을 제공하기 위하여 유도 결합 기술을 기반으로 한 표준 문서를 공개하였다.
상기와 같은 전자기유도를 이용한 무선 충전 방식은 우리 생활에서 이미 자주 접하고 있다. 예를 들어, 전자기유도를 이용한 무선 충전 방식은 전동 칫솔, 무선커피포트 등에서 상용화되어 활용되고 있다.
최근에는, 중전력을 요하는 주방기기 분야에서, 무선으로 전력을 전송 및 수신하기 위한, 전력 전송 방법 및 그 장치에 대한 개발의 필요성이 대두되고 있다.
나아가, 무선으로 전력을 전송하는 전송장치와, 이러한 전송장치로부터 무선 전력을 수신하는 주방기기의 정렬상태는, 주방기기의 크기에 크게 영향을 받는다. 이에, 주방기기의 다양한 크기에 구애받지 않고, 무선 전력 전송장치와, 주방기기 간의 정렬상태를 최적화할 수 있는 방안이 고려될 수 있다.
본 발명의 일 목적은, 중전력용 무선 전력 전송 장치, 무선 전력 수신 장치 및 무선 충전 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 일 목적은, 가전에서 사용되는 가전기기들에서 활용될 수 있는 무선 전력 전송 장치, 무선 전력 수신 장치 및 무선 충전 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 일 목적은, 무선으로 전력을 전송하는 전송장치로부터 무선 전력을 공급받는 무선 전력 수신 장치의 크기에 구애받지 않고, 무선 전력 전송장치와, 수신장치 간의 정렬상태를 최적화할 수 있는 무선 전력 전송 장치, 무선 전력 수신 장치 및 무선 충전 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명에 따른, 무선 전력 수신 장치에 무선 전력을 송신하도록 형성되는 무선 전력 전송장치는, 어느 하나가 다른 하나를 감싸도록 배치되는 제1 및 제2 코일, 방사 형태를 이루도록 상기 제1 및 제2 코일 중 적어도 하나의 원주를 따라 순차적으로 이격 배치된 복수의 차폐부재를 구비하는 차폐부 및 상기 제1 및 제2 코일 중 적어도 하나를 통해 상기 무선 전력 수신 장치에 무선 전력을 공급하도록, 상기 제1 및 제2 코일을 제어하도록 이루어지는 제어부를 포함한다.
실시 예에 있어서, 상기 제1 코일 및 제2 코일은 무선 전력을 송신하도록 권선된 와이어를 각각 구비하고, 상기 제1 코일의 와이어는, 상기 제2 코일의 형상의 가장자리를 따라 권선되는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 제1 코일의 와이어는, 상기 제2 코일의 내측 가장자리 및 외측 가장자리 중 어느 하나를 따라 권선되는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 제1 코일의 형상은, 상기 제2 코일의 형상과 대응되는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 제1 코일 및 제2 코일의 와이어는 2중 레이어 구조로 이루어 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 제1 코일의 와이어는, 상기 2중 레이어 상에서, 14±1번 감기며, 3.3mm+0.3의 두께를 가지는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 제1 코일은 내측 지름(Inner Diameter)은 175mm±5이고, 외측 지름(Outer Diameter)은 223mm±5인 코일인 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 제1 코일의 인덕턴스는 95μH±10인 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 제2 코일의 와이어는, 상기 2중 레이어 상에서, 28±2번 감기며, 3.3mm+0.3의 두께를 가지는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 제2 코일은 내측 지름(Inner Diameter)은 66mm±5이고, 외측 지름(Outer Diameter)은 163mm±5인 코일인 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 제2 코일의 인덕턴스는 168μH±10인 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 복수의 차폐부재는, 기 설정된 각도로 이격 배치되어 방사형태를 이루는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 복수의 차페재는 각각, 상기 제1 및 제2 코일의 직경방향을 따라 연장되는 베이스부 및 상기 제1 및 제2 코일 중 적어도 하나와 마주보도록 이루어지는 돌출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 제1 코일은, 상기 제2 코일을 감싸도록 이루어지고, 상기 돌출부는, 상기 제1 코일의 외측 가장자리와 마주보는 제1 돌출부 및 상기 제2 코일의 내측 가장자리와 마주보는 제2 돌출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 돌출부는, 5mm의 두께를 가지는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 방사형태를 이루는 복수의 차폐부재가 안착되도록 형성되는 프레임부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 제1 코일에 유도되는 전압은, 상기 제2 코일에 유도되는 전압보다 큰 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 무선 전력 전송장치 및 무선 전력 수신장치를 포함하는 무선 충전 시스템에서, 상기 무선 전력 수신장치는, 상기 무선 전력 전송장치로부터, 무선 전력을 수신하도록 이루어지는 수신 코일 및상기 수신 코일의 원주를 따라 이격 배치된 복수의 차폐부재를 포함하는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 수신 코일은, 2중 레이어 상에서, 24±1번 감기며, 3.3mm+0.3의 두께를 가지는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 수신 코일의 내측 지름(Inner Diameter)은 70mm±5이고, 외측 지름(Outer Diameter)은 153mm±5인 코일인 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 수신 코일의 인덕턴스는 100μH±10인 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 무선 전력 송신용 코일을 복수개 구비함으로써, 무선 전력 수신장치의 크기에 따라, 무선 전력을 전송할 코일을 선택적으로 제어할 수 있다. 따라서, 무선 전력 수신장치의 크기에 따라, 무선 전력 전송 코일이 선택됨으로써, 무선 전력 전송 장치와 수신장치 간의 정렬상태를 최적화시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예들에 따른 무선 전력 전송장치 및 무선 전력 수신장치를 개념적으로 나타낸 예시도이다.
도 2a 및 2b는 본 명세서에 개시된 실시 예들에서 채용 가능한 무선 전력 전송장치 및 무선 전력 수신장치의 구성을 예시적으로 나타낸 블록도이다.
도 3은 유도 결합 방식에 따라 무선 전력 전송장치로부터 무선 전력 수신장치에 무선으로 전력이 전달되는 개념을 도시한다.
도 4a 및 도 4b는 본 명세서에 개시된 실시 예들에서 채용 가능한 자기 유도 방식의 무선 전력 전송장치 및 무선 전력 수신장치의 구성의 일부를 예시적으로 나타낸 블록도이다.
도 5는 본 명세서에 개시된 실시 예들에서 채용 가능한 유도 결합 방식에 따라 전력을 수신하는 하나 이상의 전송 코일들을 가지도록 구성된 무선 전력 전송장치의 블록도이다.
도 6은 공진 결합 방식에 따라 무선 전력 전송장치로부터 무선 전력 수신장치에 무선으로 전력이 전달되는 개념을 도시한다.
도 7a 및 도 7b는 본 명세서에 개시된 실시 예들에서 채용 가능한 공진 방식의 무선 전력 전송장치 및 무선 전력 수신장치의 구성의 일부를 예시적으로 나타낸 블록도이다.
도 8은 본 명세서에 개시된 실시 예들에서 채용 가능한 공진 결합 방식에 따라 전력을 수신하는 하나 이상의 전송 코일들을 가지도록 구성된 무선 전력 전송장치의 블록도이다.
도 9는 본 명세서에 개시된 실시 예들을 따르는 무선 전력 전달에 있어서 무선 전력 신호의 변조 및 복조를 통하여 무선 전력 전송장치와 전자 기기 사이에 패킷을 송수신하는 개념을 도시한다.
도 10은 본 명세서에 개시된 실시 예들을 따르는 무선 전력 전송에서 전력 제어 메시지를 송수신하기 위한 구성을 도시한다.
도 11은 본 명세서에 개시된 실시 예들을 따르는 무선 전력 전송에서 수행되는 변조 및 복조에서의 신호의 형태를 도시한다.
도 12는 본 명세서에 개시된 실시 예들을 따르는 무선 전력 전달방법에 사용되는 전력 제어 메시지를 포함하는 패킷을 도시한다.
도 13은 본 명세서에 개시된 실시 예들을 따르는 무선 전력 전송장치 및 무선 전력 수신장치의 동작 상태들을 도시한다.
도 14, 도 15a, 도 15b, 도 16 내지 도 18은 상기 무선 전력 전송장치(100) 및 무선 전력 수신장치 간의 전력 제어 메시지를 포함하는 패킷들의 구조를 도시한다.
도 19는 무선 전력 전송장치가 하나 이상의 무선 전력 수신장치들에게 전력을 전달하는 방법을 도시한 개념도이다.
도 20 및 도 21은 본 발명에 따른 무선 전력 전송장치 및 무선 전력 수신장치의 구성의 일부를 예시적으로 나타낸 블록도이다.
도 22 및 도 23은 전송용 코일의 상세 구조도이다.
도 24, 도 25a 및 도 25b는 전송용 코일 및 차폐부의 구조를 나타내는 개념도이다.
도 26은 차폐부를 설명하기 위한 개념도들이다.
도 27은 무선 전력 전송 장치의 구성의 일부를 예시적으로 나타낸 블록도이다.
도 28은 본 발명에 따른 무선 전력 수신장치의 수신용 코일 및 차폐부의 구조를 나타내는 개념도들이다.
도 29는 수신용 코일의 상세 구조도이다.
도 30은 본 발명에 따른 무선 전력 전송장치 및 무선 전력 수신장치의 코일 및 차폐부의 구조를 나타내는 개념도이다.
본 명세서에 개시된 기술은 무선 전력 전송(wireless power transmission)에 적용된다. 그러나 본 명세서에 개시된 기술은 이에 한정되지 않고, 상기 기술의 기술적 사상이 적용될 수 있는 모든 전력 전송 시스템 및 방법, 무선 충전회로 및 방법, 그 외 무선으로 전송되는 전력을 이용하는 방법 및 장치에도 적용될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 본 명세서에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 또한, 본 명세서에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
정의
다대일 통신 방법: 송신기 (Tx) 하나가 다수의 수신기 (Rx)와 통신하는 방법
단방향 통신: 단지 수신기가 송신기 쪽으로만 필요한 메세지를 전송하는 통신 방법
양방향 통신: 송신기는 수신기로, 수신기는 송신기로, 즉 양쪽에서 메시지 전송이 가능한 통신 방법
여기서, 송신기 및 수신기는 각각 송신장치 및 수신장치와 동일한 의미이며, 이하, 이들 용어는 혼용될 수 있다.
무선 전력 전송장치 및 무선 전력 수신장치 개념도
도 1은 본 발명의 실시 예들에 따른 무선 전력 전송장치 및 무선 전력 수신장치를 개념적으로 나타낸 예시도이다.
도 1을 참조하여 알 수 있는 바와 같이, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 무선 전력 수신장치(200)가 필요로 하는 무선으로 전력을 전달하는 전력 전달 장치일 수 있다 .
또한, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 무선으로 전력을 전달함으로써 상기 무선 전력 수신장치(200)의 배터리를 충전하는 무선 충전 장치일 수 있다.
그 밖에도, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 접촉되지 않은 상태에서 전원이 필요한 무선 전력 수신장치(200)에게 전력을 전달하는 여러 가지 형태의 장치로 구현될 수 있다.
상기 무선 전력 수신장치(200)는 상기 무선 전력 전송장치(100)로부터 무선으로 전력을 수신하여 동작이 가능한 기기이다. 또한, 상기 무선 전력 수신장치(200)는 상기 수신된 무선 전력을 이용하여 배터리를 충전할 수 있다.
한편, 본 명세서에서 설명되는 무선으로 전력을 수신하는 무선 전력 수신장치는 휴대가 가능한 모든 전자 기기, 예컨대 키보드, 마우스, 영상 또는 음성의 보조 출력장치 등의 입출력장치를 비롯하여, 휴대폰, 셀룰러폰, 스마트 폰(smart phone), PDA(Personal Digital Assistants), PMP(Portable Multimedia Player)와, 태블릿, 혹은 멀티미디어 기기 등을 포괄하는 의미로 해석되어야 한다.
상기 무선 전력 수신장치(200)는, 후술하는 바와 같이, 이동 통신 단말기(예컨대 휴대폰, 셀룰러폰, 태블릿) 또는 멀티미디어 기기일 수 있다.
한편, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 하나 이상의 무선 전력 전달 방법을 이용하여 상기 무선 전력 수신장치(200)로 상호간 접촉이 없이 무선으로 전력을 전달할 수 있다. 즉, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 무선 전력 신호에 의한 자기 유도 현상에 기초한 유도 결합(Inductive Coupling) 방식과 특정한 주파수의 무선 전력 신호에 의한 전자기적 공진 현상에 기초한 공진 결합(Magnetic Resonance Coupling) 방식 중 하나 이상을 이용하여 전력을 전달할 수 있다.
상기 유도 결합 방식에 의한 무선 전력 송신은 1차 코일 및 2차 코일을 이용하여 전력을 무선으로 전송하는 기술로, 자기 유도 현상에 의하여 하나의 코일에서 변화하는 자기장 통해 다른 코일 쪽에 전류가 유도됨으로써 전력이 전달되는 것을 말한다.
상기 공진 결합 방식에 의한 무선 전력 송신은 상기 무선 전력 전송장치(100)에서 전송한 무선 전력 신호에 의하여 상기 무선 전력 수신장치(200)에서 공진이 발생하고, 상기 공진 현상에 의하여 상기 무선 전력 전송장치(100)로부터 상기 무선 전력 수신장치(200)로 전력이 전달되는 것을 말한다.
이하에서는 본 명세서에 개시된 무선 전력 전송장치(100) 및 무선 전력 수신장치(200)에 관한 실시 예들을 구체적으로 설명한다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 사용한다.
도 2a 및 2b는 본 명세서에 개시된 실시 예들에서 채용 가능한 무선 전력 전송장치(100) 및 무선 전력 수신장치(200)의 구성을 예시적으로 나타낸 블록도이다.
무선 전력 전송장치
도 2a를 참조하면, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 전력 전달부(Power Transmission Unit)(110)를 포함하도록 구성된다. 상기 전력 전달부(110)는 전력 변환부(Power Conversion Unit)(111) 및 전력 송신 제어부(Power Transmission Control Unit)(112)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 전력 변환부(111)는 송신측 전원 공급부(190)로부터 공급된 전력을 무선 전력 신호(wireless power signal)로 변환하여 상기 무선 전력 수신장치(200)로 전달한다. 상기 전력 변환부(111)에 의하여 전달되는 무선 전력 신호는 진동(oscillation)하는 특성을 가진 자기장(magnetic field) 또는 전자기장(electro-magnetic field)의 형태로 형성된다. 이를 위하여 상기 전력 변환부(111)는 상기 무선 전력 신호가 발생하는 코일을 포함하도록 구성될 수 있다.
상기 전력 변환부(111)는 각 전력 전달 방식에 따라 다른 형태의 무선 전력 신호를 형성하기 위한 구성 요소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 전력 변환부(111)는 유도 결합 방식에 따라 상기 무선 전력 수신장치(200)의 2차 코일에 전류를 유도시키기 위하여 변화하는 자기장을 형성시키는 1차 코일을 포함하도록 구성될 수 있다. 또한, 상기 전력 변환부(111)는 공진 결합 방식에 따라 상기 무선 전력 수신장치(200)에 공진 현상을 발생시키기 위하여 특정 공진 주파수를 가진 자기장을 형성시키는 코일(또는 안테나)를 포함하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 전력 변환부(111)는 전술된 유도 결합 방식과 공진 결합 방식 중 하나 이상의 방법을 이용하여 전력을 전달할 수 있다.
상기 전력 변환부(111)에 포함되는 구성 요소들 중 유도 결합 방식을 따르는 것들에 대하여는 도 4 및 도 5를 참조하여, 공진 결합 방식을 따르는 것들에 대하여는 도 7 및 도 8을 참조하여 후술된다.
한편, 상기 전력 변환부(111)는 상기 무선 전력 신호를 형성시키기 위해 사용되는 주파수, 인가되는 전압, 전류 등의 특성을 조절할 수 있는 회로를 더 포함하도록 구성될 수 있다.
상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 전력 전달부(110)에 포함되는 각 구성요소를 제어한다. 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 무선 전력 공급 장치(100)를 제어하는 다른 제어부(미도시)와 통합되도록 구현될 수 있다.
한편, 상기 무선 전력 신호가 도달할 수 있는 영역은 두 가지로 구분될 수 있다. 먼저, 활동 영역(active area)은 상기 무선 전력 수신장치(200)로 전력을 전달하는 무선 전력 신호가 통과하는 영역을 말한다. 다음으로, 감지 영역(semi-active area)은 상기 무선 전력 전송장치(100)가 상기 무선 전력 수신장치(200)의 존재를 감지할 수 있는 관심 영역을 말한다. 여기서, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 무선 전력 수신장치(200)가 상기 활동 영역 또는 감지 영역에 배치(placement)되거나 제거(removal)되었는지 여부에 대하여 감지할 수 있다. 구체적으로, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 전력 변환부(111)에서 형성되는 무선 전력 신호를 이용하거나, 별도로 구비된 센서에 의하여 상기 무선 전력 수신장치(200)가 상기 활동 영역 또는 감지 영역에 배치되었는지 여부를 검출할 수 있다. 예컨대, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 감지 영역에 존재하는 상기 무선 전력 수신장치(200)로 인하여 상기 무선 전력 신호가 영향을 받아, 상기 전력 변환부(111)의 상기 무선 전력 신호를 형성하기 위한 전력의 특성이 변화하는지 여부를 모니터링함으로써 상기 무선 전력 수신장치(200)의 존재를 검출할 수 있다. 다만, 상기 활동 영역 및 감지 영역은 유도 결합 방식 및 공진 결합 방식 등의 무선 전력 전달방식에 따라 다를 수 있다.
상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 무선 전력 수신장치(200)의 존재를 검출한 결과에 따라 상기 무선 전력 수신장치(200)를 식별하는 과정을 수행하거나, 무선 전력 전송을 시작할 것인지 여부를 결정할 수 있다.
또한, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 무선 전력 신호를 형성하기 위한 상기 전력 변환부(111)의 주파수, 전압, 전류 중 하나 이상의 특성을 결정할 수 있다. 상기 특성의 결정은 상기 무선 전력 전송장치(100) 측의 조건에 의하여 또는 상기 무선 전력 수신장치(200) 측의 조건에 의하여 이루어질 수 있다.
상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 무선 전력 수신장치(200)로부터 전력 제어 메시지를 수신할 수 있다. 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 수신된 전력 제어 메시지를 기초로 상기 전력 변환부(111)의 주파수, 전압, 전류 중 하나 이상의 특성을 결정할 수 있으며, 그 밖에 상기 전력 제어 메시지를 기초로 다른 제어 동작을 수행할 수 있다.
예를 들어, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 무선 전력 수신장치(200)의 정류된 전력량 정보, 충전 상태 정보 및 식별 정보 중 하나 이상을 포함하는 전력 제어 메시지에 따라 상기 무선 전력 신호를 형성시키기 위해 사용되는 주파수, 전류, 전압 중 하나 이상의 특성을 결정할 수 있다.
또한, 상기 전력 제어 메시지를 이용하는 그 밖의 다른 제어 동작으로서, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 무선 전력 전달과 관련된 일반적인 제어 동작을 상기 전력 제어 메시지를 기초로 수행할 수 있다. 예를 들어, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 전력 제어 메시지를 통하여 상기 무선 전력 수신장치(200)와 관련된 청각적 또는 시각적으로 출력할 정보를 수신하거나, 기기간의 인증 등에 필요한 정보를 수신할 수도 있다.
이와 같은 상기 전력 제어 메시지를 수신하기 위하여, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 무선 전력 신호를 통하여 수신하는 방법 및 그 외의 사용자 데이터를 수신하는 방법 중 적어도 하나를 이용할 수 있다.
상기 전력 제어 메시지를 수신하기 위하여, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 전력 변환부(111)와 전기적으로 연결된 변복조부(Power Communications Modulation/Demodulation Unit)(113)를 더 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 변복조부(113)는 상기 무선 전력 수신장치(200)에 의하여 변조된 무선 전력 신호를 복조하여 상기 전력 제어 메시지를 수신하기 위하여 사용될 수 있다.
그 밖에, 어떤 실시 예에서는 상기 전력 송신 제어부(112)가 상기 무선 전력 전송장치(100)에 포함되어 있는 통신 수단(미도시)에 의하여 전력 제어 메시지가 포함되어 있는 사용자 데이터를 수신함으로써 전력 제어 메시지를 획득할 수도 있다.
[In-band two-way communication을 지원 하는 경우]
또한, 본 명세서에 개시된 실시 예들을 따르는 양방향 통신이 가능한 무선 전력 전송환경에서는, 상기 전력 송신 제어부(112)가 상기 무선 전력 수신장치(200)로 데이터를 전송할 수 있다. 상기 전력 송신 제어부(112)가 전송하는 데이터는 상기 무선 전력 수신장치(200)가 전력 제어 메시지를 보내도록 요청하는 것일 수 있다.
무선 전력 수신장치
도 2b를 참조하면, 상기 무선 전력 수신장치는(200)는 전원 공급부(290)를 포함하도록 구성된다. 상기 전원 공급부(290)는 상기 무선 전력 수신장치(200)의 작동에 필요한 전력을 공급한다. 상기 전원 공급부(290)는 전력 수신부(291) 및 전력 수신 제어부(292)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 전력 수신부(291)는 상기 무선 전력 전송장치(100)로부터 무선으로 전달되는 전력을 수신한다.
상기 전력 수신부(291)는 무선 전력 전달 방식에 따라 상기 무선 전력 신호를 수신하기 위해 필요한 구성 요소를 포함할 수 있다. 또한, 상기 전력 수신부(291)는 하나 이상의 무선 전력 전달 방식에 따라 전력을 수신할 수 있으며, 이 경우 상기 전력 수신부(291)는 각 방식에 따라 필요한 서로 구성 요소들을 함께 포함할 수 있다.
먼저, 상기 전력 수신부(291)는 진동하는 특성을 가진 자기장 또는 전자기장의 형태로 전달되는 무선 전력 신호를 수신하기 위한 코일을 포함하도록 구성될 수 있다.
예컨대, 유도 결합 방식에 따른 구성 요소로서, 상기 전력 수신부(291)는 변화되는 자기장에 의하여 전류가 유도되는 2차 코일을 포함할 수 있다. 또한, 상기 전력 수신부(291)는 공진 결합 방식에 따른 구성 요소로서 특정 공진 주파수를 가진 자기장에 의하여 공진 현상이 발생되는 코일 및 공진 회로를 포함할 수 있다.
다만, 상기 전력 수신부(291)가 하나 이상의 무선 전력 전달 방식에 따라 전력을 수신하는 경우, 상기 전력 수신부(291)는 하나의 코일을 이용하여 수신하도록 구현되거나, 또는 각 전력 전달 방식에 따라 다르게 형성된 코일을 이용하여 수신하도록 구현될 수 있다.
상기 전력 수신부(291)에 포함되는 구성 요소들 중 유도 결합 방식을 따르는 것들에 대하여는 도 4를 참조하여, 공진 결합 방식을 따르는 것들에 대하여는 도 7을 참조하여 후술된다.
한편, 상기 전력 수신부(291)는 상기 무선 전력 신호를 직류로 변환하기 위한 정류 회로(rectifier) 및 평활 회로(regulator)를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 전력 수신부(291)는 수신된 전력 신호에 의하여 과전압 또는 과전류가 발생하지 않도록 방지하는 회로를 더 포함할 수 있다.
상기 전력 수신 제어부(292)는 상기 전원 공급부(290)에 포함되는 각 구성요소를 제어한다.
구체적으로, 상기 전력 수신 제어부(292)는 상기 무선 전력 전송장치(100)로 전력 제어 메시지를 전달할 수 있다. 상기 전력 제어 메시지는 상기 무선 전력 전송장치(100)에게 무선 전력 신호의 전달을 개시하거나 종료하도록 지시하는 것일 수 있다. 또한 상기 전력 제어 메시지는 상기 무선 전력 전송장치(100)에게 상기 무선 전력 신호의 특성을 조절하도록 지시하는 것일 수 있다.
이와 같은 상기 전력 제어 메시지를 전송하기 위하여, 상기 전력 수신 제어부(292)는 상기 무선 전력 신호를 통하여 전송하는 방법 및 그 외의 사용자 데이터를 통하여 전송하는 방법 중 적어도 하나를 이용할 수 있다.
상기 전력 제어 메시지를 전송하기 위하여, 상기 무선 전력 수신장치(200)는 상기 전력 수신부(291)와 전기적으로 연결된 변복조부(Power Communications Modulation/Demodulation Unit)(293)를 더 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 변복조부(293)는, 전술된 상기 무선 전력 전송장치(100)의 경우와 마찬가지로, 상기 무선 전력 신호를 통하여 상기 전력 제어 메시지를 전송하기 위하여 사용될 수 있다. 상기 변복조부(293)는 상기 무선 전력 송신장치(100)의 전력 변환부(111)를 흐르는 전류 및/또는 전압을 조절하는 수단으로 사용될 수 있다. 이하, 상기 무선 전력 전송장치(100) 측과 상기 무선 전력 수신장치(200) 측의 각각의 변복조부(113 및 293)가 무선 전력 신호를 통한 전력 제어 메시지의 송수신을 위하여 사용되는 방법에 대하여 설명된다.
상기 전력 변환부(111)에 의하여 형성된 무선 전력 신호는 상기 전력 수신부(291)에 의하여 수신된다. 이때, 상기 전력 수신 제어부(292)는 상기 무선 전력 신호를 변조(modulation)하도록 상기 무선 전력 수신장치(200) 측의 변복조부(293)를 제어한다. 예컨대, 상기 전력 수신 제어부(292)는 상기 전력 수신부(291)과 연결된 변복조부(293)의 리액턴스(reactance)를 변경시킴으로써 상기 무선 전력 신호로부터 수신하는 전력량이 그에 따라 변하도록 변조 과정을 수행할 수 있다. 상기 무선 전력 신호로부터 수신되는 전력량의 변경은 상기 무선 전력 신호를 형성시키는 상기 전력 변환부(111)의 전류 및/또는 전압의 변경을 가져온다. 이 때, 상기 무선 전력 전송장치(100) 측의 변복조부(113)는 상기 전력 변환부(111)의 전류 및/또는 전압의 변경을 감지하여 복조(demodulation) 과정을 수행한다.
즉, 상기 전력 수신 제어부(292)는 상기 무선 전력 전송장치(100)에게 전달하고자 하는 전력 제어 메시지를 포함하는 패킷(packet)을 생성하여 상기 패킷이 포함되도록 상기 무선 전력 신호를 변조하고, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 변복조부(113)의 복조 과정 수행 결과를 기초로 상기 패킷을 디코드함으로써, 상기 패킷에 포함되어 있는 상기 전력 제어 메시지를 획득할 수 있다.
그 밖에, 어떤 실시 예들에서는 상기 전력 수신 제어부(292)가 상기 무선 전력 수신장치(200)에 포함되어 있는 통신 수단(미도시)에 의하여 전력 제어 메시지가 포함되어 있는 사용자 데이터를 전송함으로써 전력 제어 메시지를 상기 무선 전력 전송장치(100)로 전송할 수도 있다.
[In-band two-way communication을 지원 하는 경우]
또한, 본 명세서에 개시된 실시 예들을 따르는 양방향 통신이 가능한 무선 전력 전송환경에서는, 상기 전력 수신 제어부(292)가 상기 무선 전력 전송장치(100)로부터 전송되는 데이터를 수신할 수 있다. 상기 무선 전력 전송장치(100)로부터 전송되는 데이터는 전력 제어 메시지를 전송할 것을 요청하는 것일 수 있다.
그 밖에, 상기 전원 공급부(290)는 충전부(298) 및 배터리(299)를 더 포함하도록 구성될 수 있다.
상기 전원 공급부(290)로부터 동작을 위한 전원을 공급받는 상기 무선 전력 수신장치(200)는 상기 무선 전력 전송장치(100)로부터 전달된 전력에 의하여 동작하거나, 또는 상기 전달된 전력을 이용하여 상기 배터리(299)를 충전한 후 상기 배터리(299)에 충전된 전력에 의하여 동작할 수 있다. 이때, 상기 전력 수신 제어부(292)는 상기 전달된 전력을 이용하여 충전을 수행하도록 상기 충전부(298)를 제어할 수 있다.
이하에서, 본 명세서에 개시된 실시 예들에 적용 가능한 무선 전력 전송장치 및 무선 전력 수신장치에 대하여 설명된다. 먼저, 도 3 내지 도 5를 참조하여 상기 무선 전력 전송장치가 상기 무선 전력 수신장치로 유도 결합 방식에 따라 전력을 전달하는 방법이 개시된다.
유도 결합 방식
도 3은 유도 결합 방식에 따라 무선 전력 전송장치로부터 무선 전력 수신장치에 무선으로 전력이 전달되는 개념을 도시한다.
무선 전력 전송장치(100) 의 전력 전달이 유도 결합 방식을 따르는 경우, 상기 전력 전달부(110) 내의 1차 코일(primary coil)에 흐르는 전류의 세기가 변화되면, 그 전류에 의해 1차 코일을 통과하는 자기장이 변화한다. 이와 같이 변화된 자기장은 상기 무선 전력 수신장치(200) 내의 2차 코일(secondary coil) 측에 유도 기전력을 발생시킨다.
이 방식에 따르면, 상기 무선 전력 전송장치(100)의 상기 전력 변환부(111)는 자기 유도에서의 1차 코일로 동작하는 전송 코일(Tx coil)(1111a)를 포함하도록 구성된다. 또한 상기 무선 전력 수신장치(200)의 상기 전력 수신부(291)는 자기 유도에서의 2차 코일로 동작하는 수신 코일(Rx coil)(2911a)을 포함하도록 구성된다.
먼저 상기 무선 전력 전송장치(100) 측의 상기 전송 코일(1111a)과 상기 무선 전력 수신장치(200) 측의 수신 코일이 근접하도록 상기 무선 전력 전송장치(100) 및 상기 무선 전력 수신장치(200)를 배치한다. 그 후 상기 전력 송신 제어부(112)가 상기 전송 코일(1111a)의 전류가 변화되도록 제어하면, 상기 전력 수신부(291)는 상기 수신 코일(2911a)에 유도된 기전력을 이용하여 상기 무선 전력 수신장치(200)에 전원을 공급하도록 제어한다.
상기 유도 결합 방식에 의한 무선 전력 전달의 효율은, 주파수 특성에 따른 영향은 적으나, 각 코일을 포함하는 상기 무선 전력 전송장치(100) 및 상기 무선 전력 수신장치(200) 사이의 배열(alignment) 및 거리(distance)의 영향을 받게 된다.
한편, 유도 결합 방식에 의한 무선 전력 전달을 위하여 상기 무선 전력 전송장치(100)는 평평한 표면(flat surface) 형태의 인터페이스 표면(interface surface)(미도시)을 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 인터페이스 표면의 상부에는 하나 이상의 무선 전력 수신장치가 놓일 수 있으며, 상기 인터페이스 표면의 하부에는 상기 전송 코일(1111a)가 장착될 수 있다. 그 경우, 상기 인터페이스 표면의 하부에는 장착된 상기 전송 코일(1111a)과 상기 인터페이스 표면의 상부에 위치한 무선 전력 수신장치(200)의 수신 코일(2911a) 사이의 수직 공간(vertical spacing)이 작게 형성됨으로써 상기 코일들 간의 거리는 유도 결합 방식에 의한 무선 전력 전달이 효율적으로 이루어질 수 있도록 충분히 작게 된다.
또한, 상기 인터페이스 표면의 상부에는 상기 무선 전력 수신장치(200)가 놓일 위치를 지시하는 배열 지시부(미도시)가 형성될 수 있다. 상기 배열 지시부는 상기 인터페이스 표면의 하부에 장착된 전송 코일(1111a)과 상기 수신 코일(2911a) 사이의 배열이 적합하게 이루어질 수 있는 상기 무선 전력 수신장치(200)의 위치를 지시한다. 상기 배열 지시부는 단순한 표시(marks)이거나, 상기 무선 전력 수신장치(200)의 위치를 가이드하는 돌출 구조의 형태로 형성될 수 있다. 또는 상기 배열 지시부는 상기 인터페이스 표면의 하부에 장착되는 자석과 같은 자성체의 형태로 형성되어, 상기 무선 전력 수신장치(200) 내부에 장착된 다른 극의 자성체와의 상호간 인력에 의하여 상기 코일들이 적합한 배열을 이루도록 가이드할 수도 있다.
한편, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 하나 이상의 전송 코일을 포함하도록 형성될 수 있다. 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 하나 이상의 전송 코일 중에서 상기 무선 전력 수신장치(200)의 수신 코일(2911a)과 적합하게 배열된 일부의 코일을 선택적으로 이용하여 전력 전송 효율을 높일 수 있다. 상기 하나 이상의 전송 코일을 포함하는 무선 전력 전송장치(100)에 관하여 도 5를 참조하여 후술된다.
이하에서는, 본 명세서에 개시된 실시 예들에 적용 가능한 유도 결합 방식의 무선 전력 전송장치 및 무선 전력 수신장치의 구성에 대하여 구체적으로 설명된다.
유도 결합 방식의 무선 전력 전송장치 및 무선 전력 수신장치
도 4는 본 명세서에 개시된 실시 예들에서 채용 가능한 자기 유도 방식의 무선 전력 전송장치(100) 및 무선 전력 수신장치(200)의 구성의 일부를 예시적으로 나타낸 블록도이다. 도 4a를 참조하여 상기 무선 전력 전송장치(100)에 포함된 상기 전력 전달부(110)의 구성에 대하여 설명하고, 도 4b를 참조하여 상기 무선 전력 수신장치(200)에 포함된 상기 전원 공급부(290)의 구성에 대하여 설명한다.
도 4a를 참조하면, 상기 무선 전력 전송장치(100)의 상기 전력 변환부(111)는 전송 코일(Tx coil)(1111a) 및 인버터(1112)를 포함하도록 구성될 수 있다.
상기 전송 코일(1111a)는, 전술된 바와 같이, 전류의 변화에 따라 무선 전력 신호에 해당하는 자기장을 형성한다. 상기 전송 코일(1111a)은 평판 나선형태(Planar Spiral type) 또는 원통형 솔레노이드 형태(Cylindrical Solenoid type)로 구현될 수 있다.
상기 인버터(1112)는 상기 전원 공급부(190)로부터 얻은 직류 입력(DC input)을 교류 파형(AC waveform)으로 변형시킨다. 상기 인버터(1112)에 의해 변형된 교류 전류는 상기 전송 코일(1111a) 및 커패시터(capacitor)(미도시)를 포함하는 진동 회로(resonant circuit)를 구동시킴으로써 자기장이 상기 전송 코일(1111a)에서 형성된다.
그 밖에, 상기 전력 변환부(111)는 위치 결정부(Positioning Unit)(1114)를 더 포함하도록 구성될 수 있다.
상기 위치 결정부(1114)는 상기 유도 결합 방식에 의한 무선 전력 전달의 효율을 높이기 위하여 상기 전송 코일(1111a)을 이동 또는 회전시킬 수 있다. 이는, 전술된 바와 같이, 유도 결합 방식에 의한 전력 전달은 1차 및 2차 코일을 포함하는 상기 무선 전력 전송장치(100) 및 상기 무선 전력 수신장치(200) 사이의 배열(alignment) 및 거리(distance)의 영향을 받기 때문이다. 특히, 상기 위치 결정부(1114)는 상기 무선 전력 수신장치(200)가 상기 무선 전력 전송장치(100)의 활동 영역 내에 존재하지 않는 경우에 사용될 수 있다.
따라서, 상기 위치 결정부(1114)는 상기 무선 전력 전송장치(100)의 상기 전송 코일(1111a)과 및 상기 무선 전력 수신장치(200)의 상기 수신 코일(2911a)의 중심간 거리(distance)가 일정 범위 이내가 되도록 상기 전송 코일(1111a)을 이동시키거나, 상기 전송 코일(1111a)과 상기 수신 코일(2911a)의 중심이 중첩되도록 상기 전송 코일(1111a)를 회전시키는 구동부(미도시)를 포함하도록 구성될 수 있다.
이를 위하여, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 무선 전력 수신장치(200)의 위치를 감지하는 센서로 이루어진 위치 감지부(detection unit)(미도시)를 더 구비할 수 있고, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 위치 감지 센서로부터 수신한 상기 무선 전력 수신장치(200)의 위치 정보를 기초로 상기 위치 결정부(1114)를 제어할 수 있다.
또한, 이를 위하여 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 변복조부(113)를 통하여 상기 무선 전력 수신장치(200)와의 배열 또는 거리에 대한 제어 정보를 수신하고, 상기 수신된 배열 또는 거리에 대한 제어 정보를 기초로 상기 위치 결정부(1114)를 제어할 수 있다.
만약, 상기 전력 변환부(111)가 복수의 전송 코일을 포함하도록 구성되었다면, 상기 위치 결정부(1114)는 상기 복수의 전송 코일 중에서 어느 것이 전력 전달을 위하여 사용될 것인지 결정할 수 있다. 상기 복수의 전송 코일을 포함한 무선 전력 전송장치(100)의 구성에 대해서는 도 5를 참조하여 후술된다.
한편, 상기 전력 변환부(111)는 전력 센싱부(1115)를 더 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 무선 전력 전송장치(100) 측의 전력 센싱부(1115)는 상기 전송 코일(1111a)에 흐르는 전류 또는 전압을 모니터링한다. 상기 전력 센싱부(1115)는 무선 전력 전송장치(100)의 정상동작 여부를 확인하기 위한 것으로, 외부로부터 공급되는 전원의 전압 또는 전류를 검출하고, 상기 검출된 전압 또는 전류가 임계값을 초과하는지를 확인할 수 있다. 상기 전력 센싱부(1115)는, 도시되지 않았으나, 외부로부터 공급되는 전원의 전압 또는 전류를 검출하기 위한 저항과 상기 검출된 전원의 전압값 또는 전류값과 임계값을 비교하여 그 비교 결과를 출력하는 비교기를 포함할 수 있다. 상기 전력 센싱부(1115)의 상기 확인 결과를 기초로, 상기 전력 송신 제어부(112)는 스위칭부(미도시)를 제어하여 상기 전송 코일(1111a)로 인가되는 전원을 차단할 수 있다.
도 4b를 참조하면, 상기 무선 전력 수신장치(200)의 상기 전원 공급부(290)는 수신 코일(Rx 코일)(2911a) 및 정류 회로(2913)를 포함하도록 구성될 수 있다.
상기 전송 코일(1111a)로부터 형성된 자기장에 변화에 의하여 상기 수신 코일(2911a)에서 전류가 유도된다. 상기 수신 코일(2911a)의 구현 형태는, 상기 전송 코일(1111a)의 경우와 마찬가지로, 평판 나선 형태 또는 원통형 솔레노이드 형태일 수 있다.
또한, 무선 전력의 수신 효율을 높이거나 공진 감지(resonant detection)를 위해 직/병렬 커패시터들(series and parallel capacitors)이 상기 수신 코일(2911a)과 연결되도록 구성될 수 있다.
상기 수신 코일(2911a)은 단일 코일 또는 복수의 코일 형태일 수 있다.
상기 정류 회로(2913)는 교류를 직류로 변환시키기 위하여 전류에 대하여 전파 정류(full-wave rectification)를 수행한다. 상기 정류 회로(2913)는, 예컨대, 4개의 다이오드로 이루어진 브릿지(full bridge) 정류 회로, 또는 능동 소자(active components)를 이용한 회로로 구현될 수 있다.
그 밖에, 상기 정류 회로(2913)는 정류된 전류를 보다 평탄하고 안정적인 직류로 만들어 주는 평활 회로(regulator)를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 정류 회로(2913)의 출력 전원은 상기 전원 공급부(290)의 각 구성 요소들에게 공급된다. 또한, 상기 정류 회로(2913)은 출력되는 직류 전원을 상기 전원 공급부(290)의 각 구성 요소(예컨대, 충전부(298)와 같은 회로)에 필요한 전원에 맞추기 위하여 적정한 전압으로 변환하는 직류-직류 변환기(DC-DC converter)를 더 포함할 수 있다.
상기 변복조부(293)는 상기 전력 수신부(291)과 연결되고, 직류 전류에 대해서는 저항(resistance)이 변하는 저항성 소자로 구성될 수 있고, 교류 전류에 대해서는 리액턴스(reactance)가 변하는 용량성 소자로 구성될 수 있다. 상기 전력 수신 제어부(292)는 상기 변복조부(293)의 저항 또는 리액턴스를 변경시킴으로써 상기 전력 수신부(291)에 수신되는 무선 전력 신호를 변조할 수 있다.
한편, 상기 전원 공급부(290)는 전력 센싱부(2914)를 더 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 무선 전력 수신장치(200) 측의 전력 센싱부(2914)는 상기 정류 회로(2913)에 의하여 정류된 전원의 전압 및/또는 전류를 모니터링하고, 상기 모니터링 결과 상기 정류된 전원의 전압 및/또는 전류가 임계값을 초과하는 경우 상기 전력 수신 제어부(292)는 적절한 전력을 전달하도록 상기 무선 전력 전송장치(100)에게 전력 제어 메시지를 송신한다.
하나 이상의 전송 코일을 포함하여 구성된 무선 전력 전송장치
도 5는 본 명세서에 개시된 실시 예들에서 채용 가능한 유도 결합 방식에 따라 전력을 수신하는 하나 이상의 전송 코일들을 가지도록 구성된 무선 전력 전송장치의 블록도이다.
도 5를 참조하면, 본 명세서에 개시된 실시 예들을 따르는 무선 전력 전송장치(100) 의 전력 변환부(111)는 하나 이상의 전송 코일들(1111a-1 내지 1111a-n)로 구성될 수 있다. 상기 하나 이상의 전송 코일들(1111a-1 내지 1111a-n)은 부분적으로 겹치는 1차 코일들의 배열(an array of partly overlapping primary coils)일 수 있다. 상기 하나 이상의 전송 코일들 중 일부에 의하여 활동 영역이 결정될 수 있다.
상기 하나 이상의 전송 코일들(1111a-1 내지 1111a-n)은 상기 인터페이스 표면의 하부에 장착될 수 있다. 또한, 상기 전력 변환부(111)는 상기 하나 이상의 전송 코일들(1111a-1 내지 1111a-n) 중 일부의 코일들의 연결을 수립하고 해제하는 다중화기(Multiplexer)(1113)를 더 포함할 수 있다.
상기 인터페이스 표면의 상부에 놓인 무선 전력 수신장치(200)의 위치가 감지되면, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 무선 전력 수신장치(200)의 감지된 위치를 고려하여 상기 하나 이상의 전송 코일들(1111a-1 내지 1111a-n) 중 상기 무선 전력 수신장치(200)의 수신 코일(2911a)과 유도 결합 관계에 놓일 수 있는 코일들이 연결될 수 있도록 상기 다중화기(1113)를 제어할 수 있다.
이를 위하여 상기 전력 송신 제어부(112)가 상기 무선 전력 수신장치(200)의 위치 정보를 획득할 수 있다. 예를 들어, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 무선 전력 전송장치(100)에 구비된 상기 위치 감지부(미도시)에 의하여 상기 인터페이스 표면 상의 상기 무선 전력 수신장치(200)의 위치를 획득할 수 있다. 또 다른 예를 들어, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 하나 이상의 전송 코일들(1111a-1 내지 1111a-n)을 각각 이용하여 상기 인터페이스 표면 상의 물체로부터 무선 전력 신호의 강도를 나타내는 전력 제어 메시지 또는 상기 물체의 식별 정보를 나타내는 전력 제어 메시지를 수신하고, 상기 수신된 결과를 기초로 상기 하나 이상의 전송 코일들 중 어느 코일의 위치와 근접한지를 판단함으로써 상기 무선 전력 수신장치(200)의 위치 정보를 획득할 수도 있다.
한편, 상기 활동 영역은 상기 인터페이스 표면의 일부로서, 상기 무선 전력 전송장치(100)가 상기 무선 전력 수신장치(200)에 무선으로 전력을 전달할 때 높은 효율의 자기장이 통과할 수 있는 부분을 의미할 수 있다. 이 때, 상기 활동 영역을 통과하는 자기장을 형성시키는 단일 전송 코일 또는 하나 이상의 전송 코일들의 조합을 주요 셀(primary cell)로 지칭할 수 있다. 따라서, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 무선 전력 수신장치(200)의 감지된 위치를 기초로 활동 영역을 결정하고, 상기 활동 영역에 대응되는 주요 셀의 연결을 수립하여 상기 무선 전력 수신장치(200)의 수신 코일(2911a)와 상기 주요 셀에 속한 코일들이 유도 결합 관계에 놓일 수 있도록 상기 다중화기(1113)을 제어할 수 있다.
또한, 상기 전력 변환부(111)는 연결된 코일들과 진동 회로(resonant circuit)를 형성하도록 임피던스를 조절하는 임피던스 매칭부(impedance matching unit)(미도시)를 더 포함할 수 있다.
이하에서, 도 6 내지 도 8을 참조하여 무선 전력 전송장치가 공진 결합 방식에 따라 전력을 전달하는 방법이 개시된다.
공진 결합 방식
도 6은 공진 결합 방식에 따라 무선 전력 전송장치로부터 무선 전력 수신장치에 무선으로 전력이 전달되는 개념을 도시한다.
먼저, 공진(resonance)(또는 공명)에 대해 간략하게 설명하면 다음과 같다. 공진(resonance)이란, 진동계가 그 고유 진동수와 같은 진동수를 가진 외력을 주기적으로 받아 진폭이 뚜렷하게 증가하는 현상을 말한다. 공진은 역학적 진동 및 전기적 진동 등 모든 진동에서 일어나는 현상이다. 일반적으로 외부에서 진동계에 진동시킬 수 있는 힘을 가했을 때 그 진동계의 고유 진동수와 외부에서 가해주는 힘의 진동수가 같으면 그 진동은 심해지고 진폭도 커진다.
같은 원리로, 일정 거리 내에서 떨어져 있는 복수의 진동체들이 서로 동일한 주파수로 진동하는 경우, 상기 복수의 진동체들은 상호 공진하며, 이 경우 상기 복수의 진동체들 간에는 저항이 감소하게 된다. 전기 회로에서는 인덕터과 커패시터를 사용하여 공진 회로를 만들 수 있다.
무선 전력 전송장치(100)의 전력 전달이 공진 결합 방식을 따르는 경우, 상기 전력 전달부(110)에서 교류 전원에 의하여 특정한 진동 주파수를 가진 자기장이 형성된다. 상기 형성된 자기장에 의하여 상기 무선 전력 수신장치(200)에서 공진 현상이 일어나는 경우 상기 무선 전력 수신장치(200) 내에서는 상기 공진 현상에 의하여 전력이 발생된다.
공진 주파수는, 예를 들어, 다음 수학식 1과 같은 수식에 의하여 결정될 수 있다.
수학식 1
Figure PCTKR2015001215-appb-M000001
여기서, 공진 주파수(f)는 회로 내의 인덕턴스(L) 및 커패시턴스(C)에 의하여 결정된다. 코일을 사용하여 자기장을 형성하는 회로에 있어서 상기 인덕턴스는 상기 코일의 회전 수 등에 의하여 결정되고, 상기 커패시턴스는 상기 코일 사이의 간격, 면적 등에 의하여 결정될 수 있다. 상기 공진 주파수를 결정하기 위하여 상기 코일 외에 용량성 공진 회로가 연결되도록 구성될 수도 있다.
도 6을 참조하면, 공진 결합 방식에 따라 무선으로 전력이 전송되는 경우, 상기 무선 전력 전송장치(100)의 상기 전력 변환부(111)는 자기장이 형성되는 전송 코일(Tx coil)(1111b) 및 상기 전송 코일(1111b)와 연결되고 특정한 진동 주파수를 결정하기 위한 공진 회로(또는 공진 형성 회로, 1116)(이하에서는 중복하여 사용하도록 한다)를 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 공진 회로(1116)는 용량성 회로(capacitors)를 이용하여 구현될 수 있으며, 상기 전송 코일(1111b)의 인덕턴스 및 상기 공진 회로(1116)의 커패시턴스를 기초로 상기 특정한 진동 주파수가 결정된다.
상기 공진 회로(1116)의 회로 소자의 구성은 상기 전력 변환부(111)가 자기장을 형성할 수 있도록 다양한 형태로 이루어질 수 있으며, 도 6과 같이 상기 전송 코일(1111b)과 병렬로 연결되는 형태로 제한되지 아니한다.
또한, 상기 무선 전력 수신장치(200)의 상기 전력 수신부(291)는 상기 무선 전력 전송장치(100)에서 형성된 자기장에 의하여 공진 현상이 일어날 수 있도록 구성된 공진 회로(2912) 및 수신 코일(Rx coil)(2911b)을 포함한다. 즉, 상기 공진 회로(2912)는 역시 용량성 회로를 이용하여 구현될 수 있으며, 상기 공진 회로(2912)는 상기 수신 코일(2911b)의 인덕턴스와 상기 공진 회로(2912)의 커패시턴스를 기초로 결정되는 공진 주파수가 상기 형성된 자기장의 공진 주파수와 동일하도록 구성된다.
상기 공진 회로(2912)의 회로 소자의 구성은 상기 전력 수신부(291)가 상기 자기장에 의하여 공진이 일어날 수 있도록 다양한 형태로 이루어질 수 있으며, 도 6과 같이 상기 수신 코일(2911b)과 직렬로 연결되는 형태로 제한되지 아니한다.
상기 무선 전력 전송장치(100)에서의 상기 특정한 진동 주파수는 LTx, CTx를 가지고 상기 수학식 1을 이용하여 획득될 수 있다. 여기서, 상기 무선 전력 수신장치(200)의 LRX 및 CRX를 상기 수학식 1에 대입한 결과가 상기 특정한 진동 주파수와 동일한 경우에 상기 무선 전력 수신장치(200)에서는 공진이 일어난다.
공진 결합에 의한 무선 전력 전송 방식에 따르면, 상기 무선 전력 전송장치(100) 및 상기 무선 전력 수신장치(200)가 각각 동일 주파수로 공진하는 경우 전자파가 근거리 전자장을 통해 전달되게 되므로, 주파수가 다르면 상기 기기간 에너지 전달이 없게 된다.
따라서, 상기 공진 결합 방식에 의한 무선 전력 전달의 효율은, 주파수 특성에 따른 영향이 큰 반면, 각 코일을 포함하는 상기 무선 전력 전송장치(100) 및 상기 무선 전력 수신장치(200) 사이의 배열 및 거리에 따른 영향은 유도 결합 방식에 비해 상대적으로 작다.
이하에서는, 본 명세서에 개시된 실시 예들에 적용 가능한 공진 결합 방식의 무선 전력 전송장치 및 무선 전력 수신장치의 구성에 대하여 구체적으로 설명된다.
공진 결합 방식의 무선 전력 전송장치
도 7은 본 명세서에 개시된 실시 예들에서 채용 가능한 공진 방식의 무선 전력 전송장치(100) 및 무선 전력 수신장치(200)의 구성의 일부를 예시적으로 나타낸 블록도이다.
도 7a를 참조하여 상기 무선 전력 전송장치(100)에 포함된 상기 전력 전달부(110)의 구성에 대하여 설명된다.
상기 무선 전력 전송장치(100)의 상기 전력 변환부(111)는 전송 코일(Tx coil)(1111b), 인버터(1112) 및 공진 회로(1116)를 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 인버터(1112)는 상기 전송 코일(1111b) 및 상기 공진 회로(1116)와 연결되도록 구성될 수 있다.
상기 전송 코일(1111b)은 유도 결합 방식에 따라 전력을 전달하기 위한 전송 코일(1111a)과 별도로 장착될 수 있으나, 하나의 단일 코일을 이용하여 유도 결합 방식 및 공진 결합 방식으로 전력을 전달할 수도 있다.
상기 전송 코일(1111b)은, 전술된 바와 같이, 전력을 전달하기 위한 자기장을 형성한다. 상기 전송 코일(1111b) 및 상기 공진 회로(1116)는 교류 전원이 인가되면 진동이 발생할 수 있으며, 이 때 상기 전송 코일(1111b)의 인덕턴스 및 상기 공진 회로(1116)의 커패시턴스를 기초로 진동 주파수가 결정될 수 있다.
이를 위하여 상기 인버터(1112)는 상기 전원 공급부(190) 로부터 얻은 직류 입력을 교류 파형으로 변형시키고, 상기 변형된 교류 전류가 상기 전송 코일(1111b) 및 상기 공진 회로(1116)에 인가된다.
그 밖에, 상기 전력 변환부(111)는 상기 전력 변환부(111)의 공진 주파수 값을 변경시키기 위한 주파수 조절부(1117)를 더 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 전력 변환부(111)의 공진 주파수는 수학식 1에 의하여 상기 전력 변환부(111)를 구성하는 회로내의 인덕턴스 및 커패시턴스를 기초로 결정되므로, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 인덕턴스 및/또는 커패시턴스가 변경되도록 상기 주파수 조절부(1117)를 제어함으로써 상기 전력 변환부(111)의 공진 주파수를 결정할 수 있다.
상기 주파수 조절부(1117)는, 예를 들어, 상기 공진 회로(1116)에 포함된 커패시터 간의 거리를 조절하여 커패시턴스를 변경시킬 수 있는 모터를 포함하거나, 또는 상기 전송 코일(1111b)의 회전 수(number of turns) 또는 직경을 조절하여 인덕턴스를 변경시킬 수 있는 모터를 포함하거나, 또는 상기 커패시턴스 및/또는 인덕턴스를 결정하는 능동 소자들을 포함하도록 구성될 수 있다.
한편, 상기 전력 변환부(111)는 전력 센싱부(1115)를 더 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 전력 센싱부(1115)의 동작에 대해서는 전술된 바와 동일하다.
도 7b를 참조하여 상기 무선 전력 수신장치(200)에 포함된 상기 전원 공급부(290)의 구성에 대하여 설명된다. 상기 전원 공급부(290)는, 전술된 바와 같이, 상기 수신 코일(Rx coil)(2911b) 및 공진 회로(2912)를 포함하도록 구성될 수 있다.
그 외에도, 상기 전원 공급부(290)의 전력 수신부(291)는 공진 현상에 의하여 생성된 교류 전류를 직류로 변환시키는 정류 회로(2913)를 더 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 정류 회로(2913)는 전술된 바와 동일하게 구성될 수 있다.
또한, 상기 전력 수신부(291)는 정류된 전원의 전압 및/또는 전류를 모니터링하는 전력 센싱부(2914)를 더 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 전력 센싱부(2914)는 전술된 바와 동일하게 구성될 수 있다.
하나 이상의 전송 코일을 포함하여 구성된 무선 전력 전송장치
도 8은 본 명세서에 개시된 실시 예들에서 채용 가능한 공진 결합 방식에 따라 전력을 수신하는 하나 이상의 전송 코일들을 가지도록 구성된 무선 전력 전송장치의 블록도이다.
도 8을 참조하면, 본 명세서에 개시된 실시 예들을 따르는 무선 전력 전송장치(100)의 전력 변환부(111)는 하나 이상의 전송 코일들(1111b-1 내지 1111b-n) 및 각 전송 코일들과 연결된 공진 회로(1116-1 내지 1116-n)를 포함하도록 구성될 수 있다. 또한, 상기 전력 변환부(111)는 상기 하나 이상의 전송 코일들(1111b-1 내지 1111b-n) 중 일부의 코일들의 연결을 수립하고 해제하는 다중화기(Multiplexer)(1113)를 더 포함할 수 있다.
상기 하나 이상의 전송 코일들(1111b-1 내지 1111b-n)은 동일한 공진 주파수를 갖도록 설정되거나, 일부가 서로 다른 공진 주파수를 갖도록 설정될 수 있다. 이는 상기 하나 이상의 전송 코일들(1111b-1 내지 1111b-n)과 각각 연결된 상기 공진 회로(1116-1 내지 1116-n)들이 어떠한 인덕턴스 및/또는 커패시턴스를 갖는지에 따라 결정된다.
이를 위하여, 상기 주파수 조절부(1117)는 상기 하나 이상의 전송 코일들(1111b-1 내지 1111b-n)과 각각 연결된 상기 공진 회로(1116-1 내지 1116-n)들의 인덕턴스 및/또는 커패시턴스를 변경시킬 수 있도록 구성될 수 있다.
In-band communication
도 9는 본 명세서에 개시된 실시 예들을 따르는 무선 전력 전달에 있어서 무선 전력 신호의 변조 및 복조를 통하여 무선 전력 전송장치와 전자 기기 사이에 패킷을 송수신하는 개념을 도시한다.
도 9를 참조하면, 무선 전력 전송장치(100)에 포함된 상기 전력 변환부(111)는 무선 전력 신호를 형성한다. 상기 무선 전력 신호는 상기 전력 변환부(111)에 포함된 전송 코일(1111)을 통하여 형성된다.
상기 전력 변환부(111)에 의하여 형성된 무선 전력 신호(10a)는 전자 기기(200)에 도달하여, 상기 전자 기기(200)에 포함된 전력 수신부(291)를 통하여 수신된다. 상기 형성된 무선 전력 신호는 상기 전력 수신부(291)에 포함된 수신 코일(2911)을 통하여 수신된다.
상기 전력 수신 제어부(292)는 상기 전력 수신부(291)와 연결된 상기 변복조부(293)을 제어하여 상기 전자 기기(200)가 상기 무선 전력 신호를 수신하는 중에 상기 무선 전력 신호를 변조(modulation)한다. 상기 수신되는 무선 전력 신호가 변조되는 경우에 상기 무선 전력 신호는 자기장(magnetic field) 또는 전자기장(electro-magnetic field) 내에서 폐루프(closed-loop)를 형성하므로 상기 전자 기기(200)가 상기 무선 전력 신호를 수신하는 중에 상기 무선 전력 신호를 변조(modulation)하는 경우 상기 무선 전력 전송장치(100)는 변조된 무선 전력 신호(10b)를 감지할 수 있다. 상기 변복조부(113)는 상기 감지된 무선 전력 신호를 복조(demodulation)하고, 복조된 무선 전력 신호로부터 상기 패킷을 디코드할 수 있다.
한편, 상기 무선 전력 전송장치(100)와 상기 전자 기기(200) 간의 통신에 사용되는 변조 방법은 진폭 변조(Amplitude Modulation)일 수 있다. 전술된 바와 같이, 상기 진폭 변조 방식은 상기 전력 변환부(111)가 형성한 무선 전력 신호(10a)의 진폭을 상기 전자 기기(200) 측의 변복조부(293)가 변경시켜 상기 무선 전력 전송장치(100) 측의 변복조부(293)가 상기 변조된 무선 전력 신호(10b)의 진폭을 검출하는 백스캐터 변조(backscatter modulation) 방식일 수 있다.
무선 전력 신호의 변조 및 복조
이하, 도 10 및 도 11을 참조하여 상기 무선 전력 전송장치(100) 및 상기 전자 기기(200) 사이에서 송수신되는 패킷의 변조 및 복조에 대하여 설명된다.
도 10은 본 명세서에 개시된 실시 예들을 따르는 무선 전력 전송에서 전력 제어 메시지를 송수신하기 위한 구성을 도시한다. 도 11은 본 명세서에 개시된 실시 예들을 따르는 무선 전력 전송에서 수행되는 변조 및 복조에서의 신호의 형태를 도시한다.
도 10을 참조하면, 상기 전자 기기(200) 측의 상기 전력 수신부(291)를 통하여 수신되는 무선 전력 신호는 도 11의 (a)에 도시된 바와 같이 변조되지 않은 무선 전력 신호(10a)이다. 상기 전력 수신부(291) 내의 공진 형성 회로(2912)에 의하여 설정된 공진 주파수에 따라 상기 전자 기기(200) 및 상기 무선 전력 전송장치(100) 사이에 공진 결합이 이루어지고, 상기 수신 코일(2911b)을 통하여 상기 무선 전력 신호(10a)가 수신된다.
전력 수신 제어부(292)는 상기 전력 수신부(291)을 통하여 수신되는 무선 전력 신호(10a)를 상기 변복조부(293) 내의 부하 임피던스(Impedance)를 변경시킴으로써 변조한다. 상기 변복조부(293)는 상기 무선 전력 신호(10a)를 변조하기 위한 수동 소자(2931) 및 능동 소자(2932)를 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 변복조부(293)는 상기 무선 전력 전송장치(100)로 전송하고자 하는 패킷이 포함되도록 상기 무선 전력 신호(10a)를 변조한다. 이때, 상기 패킷은 상기 변복조부(293) 내의 상기 능동 소자(2932)에 입력될 수 있다.
그 후, 상기 무선 전력 전송장치(100) 측의 전력 송신 제어부(112)는 상기 변조된 무선 전력 신호(10b)를 포락선 검출(Envelop Detection) 과정을 통하여 복조하고, 상기 검출된 신호(10c)를 디지털 데이터(10d)로 디코드한다. 상기 복조 과정은 변조된 무선 전력 신호에 의하여 상기 전력 변환부(111)를 흐르는 전류 또는 전압이 HI 상태(HI state) 및 LO 상태(state)로 두 가지 상태로 구분되는 것을 감지하고, 상기 상태들에 따라 구분되는 디지털 데이터를 기초로 상기 전자 기기(200)가 전송하고자 하는 패킷을 획득하는 것이다.
이하에서는, 상기 무선 전력 전송장치(100)가 복조된 디지털 데이터로부터 상기 전자 기기(200)가 전송하고자 하는 전력 제어 메시지를 획득하는 과정을 설명한다.
도 11의 (b)를 참조하면, 상기 전력 송신 제어부(112)는 포락선 검출된 신호로부터 클럭 신호(CLK)를 이용하여 인코딩된 비트를 검출한다. 상기 검출되는 인코딩된 비트는 상기 전자 기기(200) 측의 변조 과정에서 사용된 비트 인코딩 방법에 따라 인코딩 된 것이다. 어떤 실시 예들에서, 상기 비트 인코딩 방법은 NRZ(non-return to zero)일 수 있다. 어떤 실시 예들에서는, 상기 비트 인코딩 방법이 2-위상(bi-phase) 인코딩일 수 있다.
예컨대, 어떤 실시 예들에서, 상기 검출되는 비트는 차동 2-위상(differential bi-phase; DBP) 인코딩된 것일 수 있다. 상기 DBP 인코딩에 의하면, 상기 전자 기기(200) 측의 전력 수신 제어부(292)는 데이터 비트 1을 인코딩하기 위하여 두 번의 상태 전이(transitions)를 갖도록 하고, 데이터 비트 0을 인코딩하기 위하여 한 번의 상태 전이를 갖도록 한다. 즉, 데이터 비트 1은 상기 클럭 신호의 상승 에지(rising edge) 및 하강 에지(falling edge)에서 HI 상태 및 LO 상태간의 전이가 발생하도록 인코딩된 것이고, 데이터 비트 0은 상기 클럭 신호의 상승 에지에서 HI 상태 및 LO 상태간의 전이가 발생하도록 인코딩된 것일 수 있다.
한편, 상기 전력 송신 제어부(112)는 비트 인코딩 방법에 따라 검출된 비트열로부터 패킷을 구성하는 바이트 포맷(byte format)을 이용하여 바이트 단위의 데이터를 획득할 수 있다. 어떤 실시 예들에서, 상기 검출된 비트열은 도 11의 (c)에 도시된 바와 같은 11 비트 비동기 직렬 포맷(11-bit asynchronous serial format)을 이용하여 전송된 것일 수 있다. 즉, 바이트의 시작을 알리는 시작 비트(start bit)와 종료를 알리는 종료 비트(stop)를 포함하고, 시작 비트와 종료 비트 사이에 데이터 비트들(b0 내지 b7)을 포함할 수 있다. 또한, 데이터의 오류를 검사하기 위한 패러티 비트(parity bit)가 추가될 수 있다. 상기 바이트 단위의 데이터는 전력 제어 메시지를 포함하는 패킷을 구성한다.
[in-band two-way communication을 지원하는 경우]
이상, 도 9에는 상기 무선 전력 전송 장치(100)가 형성한 반송파 신호(carrier signal)(10a)를 이용하여 상기 무선 전력 수신장치(200)가 패킷을 송신하는 것에 대하여 도시되었으나, 상기 무선 전력 전송 장치(100)도 위와 유사한 방식으로 상기 무선 전력 수신장치(200)에 데이터를 전송할 수 있다.
즉, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 변복조부(113)를 제어하여 상기 무선 전력 수신장치(200)에 보낼 데이터가 상기 반송파 신호(10a)에 실리도록 변조할 수 있다. 이와 같은 경우 상기 무선 전력 수신장치(200) 측의 상기 전력 수신 제어부(292)가 상기 변조된 상기 반송파 신호(10a)로부터 데이터를 획득할 수 있도록 상기 변복조부(293)를 제어하여 복조를 수행할 수 있다.
패킷 포맷
이하에서는, 본 명세서에 개시된 실시 예들을 따르는 무선 전력 신호를 이용한 통신에서 사용되는 패킷의 구조가 설명된다.
도 12는 본 명세서에 개시된 실시 예들을 따르는 무선 전력 전달방법에 사용되는 전력 제어 메시지를 포함하는 패킷을 도시한다.
도 12의 (a)를 참조하면, 상기 무선 전력 전송장치(100) 및 상기 전자 기기(200)는 전송하고자 하는 데이터를 명령 패킷(command_packet)(510)의 형태로 송수신할 수 있다. 상기 명령 패킷(510)은 헤더(511) 및 메시지(512)를 포함하도록 구성될 수 있다.
상기 헤더(511)는 상기 메시지(512)에 포함되는 데이터의 종류를 지시하는 필드를 포함할 수 있다. 상기 데이터의 종류를 지시하는 필드가 나타내는 값을 기초로 상기 메시지의 크기 및 그 종류가 결정될 수 있다.
또한, 상기 헤더(511)는 상기 패킷의 발신자를 식별할 수 있는 주소 필드를 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 주소 필드는 상기 전자 기기(200)의 식별자 또는 상기 전자 기기(200)가 속한 그룹의 식별자를 나타낼 수 있다. 상기 전자 기기(200)가 상기 패킷(510)을 전송하고자 하는 경우에, 상기 전자 기기(200)는 상기 패킷(510)의 상기 주소 필드가 자신의 식별 정보를 나타내도록 상기 패킷(510)을 생성할 수 있다.
상기 메시지(512)는 상기 패킷(510)의 발신자가 전송하고자 하는 데이터를 포함한다. 상기 메시지(512)에 포함되는 데이터는 상대방에 대한 보고 사항(report), 요청 사항(request) 또는 응답 사항(response)일 수 있다.
한편, 어떤 실시 예에 있어서, 상기 명령 패킷(510)은 도 12의 (b)에 도시된 바와 같이 구성될 수 있다. 상기 명령 패킷(510)에 포함된 상기 헤더(511)는 일정한 크기로 표현될 수 있다. 예컨대, 상기 헤더(511)는 두 바이트의 크기일 수 있다.
상기 헤더(511)는 수신 주소 필드를 포함하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 상기 수신 주소 필드는 6 비트의 크기일 수 있다.
상기 헤더(511)는 OCF(Operation command field) 또는 OGF(Operation group field)를 포함하도록 구성될 수 있다. OGF는 상기 전자 기기(200)를 위한 커맨드의 그룹별로 부여되는 값이며, OCF는 상기 전자 기기(200)가 포함된 각 그룹 내에 존재하는 커맨드 별로 부여되는 값이다.
상기 메시지(512)는 파라미터의 길이(length) 필드(5121)와 파라미터의 값(value) 필드(5122)로 구분하여 표현될 수 있다. 즉, 상기 패킷(510)의 발신자는 상기 메시지를 상기 전송하고자 하는 데이터를 표현하기 위해 필요한 하나 이상의 파라미터의 길이-값 쌍(5121a-5122a 등)의 형태로 구성할 수 있다.
도 12의 (c)를 참조하면, 상기 무선 전력 전송장치(100) 및 상기 전자 기기(200)는 상기 명령 패킷(510)에 전송을 위한 프리앰블(520) 및 체크섬(530)을 부가한 패킷의 형태로 상기 데이터를 송수신 할 수 있다.
상기 프리앰블(520)은 상기 무선 전력 전송장치(100)가 수신되는 데이터와 동기화를 수행하고 상기 명령 패킷(510)의 시작 비트를 정확히 검출하기 위해 사용된다. 상기 프리앰블(520)은 동일한 비트가 반복되도록 구성될 수 있다. 예컨대, 상기 프리앰블(520)은 상기 DBP 인코딩에 따른 데이터 비트 1이 11번 내지 25번 반복되도록 구성될 수 있다.
상기 체크섬(530)은 전력 제어 메시지가 전송되는 도중에 상기 명령 패킷(510)에 발생할 수 있는 오류를 감지하기 위하여 사용된다.
동작 상태(Phases)
이하에서, 상기 무선 전력 전송장치(100) 및 상기 무선 전력 수신장치(200)의 동작 상태들에 대하여 설명된다.
도 13은 본 명세서에 개시된 실시 예들을 따르는 무선 전력 전송장치(100) 및 무선 전력 수신장치(200)의 동작 상태들을 도시한다. 또한, 도 14 내지 도 18은 상기 무선 전력 전송장치(100) 및 무선 전력 수신장치(200)간의 전력 제어 메시지를 포함하는 패킷들의 구조를 도시한다.
도 13을 참조하면, 무선 전력 전송을 위한 상기 무선 전력 전송장치(100) 및 무선 전력 수신장치(200)의 동작 상태는 선택 상태(Selection Phase) (610), 검출 상태(Ping Phase)(620), 식별 및 설정 상태(Identification and Configuration Phase)(630), 그리고 전력 전송 상태(Power Transfer Phase)(640)로 구분될 수 있다.
상기 선택 상태(610)에서는 상기 무선 전력 전송장치(100)가 무선으로 전력을 전송할 수 있는 범위 내에 물체(object)들이 존재하는지 여부를 감지하고, 상기 검출 상태(620)에서는 상기 무선 전력 전송장치(100)가 상기 감지된 물체로 검출 신호를 보내고, 상기 무선 전력 수신장치(200)는 상기 검출 신호에 대한 응답을 보낸다.
또한, 상기 식별 및 설정 상태(630)에서는 상기 무선 전력 전송장치(100)가 이전 상태들을 통하여 선택된 무선 전력 수신장치(200)를 식별하고 전력 전달을 위한 설정 정보를 획득한다. 상기 전력 전송 상태(640)에서는 상기 무선 전력 전송장치(100)가, 상기 무선 전력 수신장치(200)로부터 수신한 제어 메시지에 대응하여 전송하는 전력을 조절하면서, 상기 무선 전력 수신장치(200)로 전력을 전송한다.
이하에서는, 상기 각 동작 상태를 구체적으로 설명한다.
1) 선택 상태 (Selection Phase)
상기 선택 상태(610)에 있는 무선 전력 전송장치(100)는 감지 영역 내에 존재하는 무선 전력 수신장치(200)를 선택하기 위하여 검출 과정을 수행한다. 상기 감지 영역은, 전술된 바와 같이, 해당 영역 내의 물체가 상기 전력 변환부(111)의 전력의 특성에 영향을 미칠 수 있는 영역을 말한다. 상기 검출 상태(620)와 비교하여, 상기 선택 상태(610)에서 무선 전력 수신장치(200)의 선택을 위한 검출 과정은 전력 제어 메시지를 이용하여 상기 무선 전력 수신장치(200)로부터 응답을 수신하는 방식 대신에, 상기 무선 전력 전송장치(100) 측의 전력 변환부에서 무선 전력 신호를 형성하기 위한 전력량이 변화하는 것을 감지하여 일정 범위 내에 물체가 존재하는지 확인하는 과정이다. 상기 선택 상태(610)에서의 검출 과정은 후술될 검출 상태(620)에서 디지털 형식의 패킷을 이용하지 아니하고 무선 전력 신호를 이용하여 물체를 검출하는 점에서 아날로그 검출 과정(analog ping)으로 불릴 수 있다.
상기 선택 상태(610)의 무선 전력 전송장치(100)는 상기 감지 영역 내에 물체가 들어오고 나가는 것을 감지할 수 있다. 또한, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 감지 영역 내에 있는 물체들 중에서 무선으로 전력을 전달할 수 있는 무선 전력 수신장치(200)와 그 밖의 물체들(예를 들어, 열쇠, 동전 등)을 구분할 수 있다.
전술된 바와 같이, 유도 결합 방식 및 공진 결합 방식에 따라 무선으로 전력을 전송할 수 있는 거리가 다르므로 상기 선택 상태(610)에서 물체가 검출되는 감지 영역은 서로 다를 수 있다.
먼저, 유도 결합 방식에 따라 전력이 전송되는 경우에 상기 선택 상태(610)의 무선 전력 전송장치(100)는 물체들의 배치 및 제거를 감지하기 위하여 인터페이스 표면(미도시)을 모니터링할 수 있다.
또한, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 인터페이스 표면의 상부에 놓인 무선 전력 수신장치(200)의 위치를 감지할 수도 있다. 전술된 바와 같이, 하나 이상의 전송 코일을 포함하도록 형성된 무선 전력 전송장치(100)는 상기 선택 상태(610)에서 상기 검출 상태(620)로 진입하고, 상기 검출 상태(620)에서 각각의 코일을 이용하여 상기 물체로부터 검출 신호에 대한 응답이 전송되는지 여부를 확인하거나 또는 그 후 상기 식별 상태(630)로 진입하여 상기 물체로부터 식별 정보가 전송되는지 여부를 확인하는 방법을 수행할 수 있다. 상기 무선 전력 전송장치(100)는 이와 같은 과정을 통하여 획득한 상기 감지된 무선 전력 수신장치(200)의 위치에 기초하여 무선 전력 전송에 사용될 코일을 결정할 수 있다.
또한, 공진 결합 방식에 따라 전력이 전송되는 경우에 상기 선택 상태(610)의 무선 전력 전송장치(100)는 상기 감지 영역 내의 물체로 인한 상기 전력 변환부의 주파수, 전류, 전압 중 하나 이상이 변경되는 것을 감지함으로 써 상기 물체를 검출할 수 있다.
한편, 상기 선택 상태(610)의 무선 전력 전송장치(100)는 상기 유도 결합 방식 및 공진 결합 방식에 따른 검출 방법 중 적어도 하나의 방법에 의하여 물체를 검출할 수 있다. 상기 무선 전력 전송장치(100)는 각 전력 전송 방식에 따른 물체 검출 과정을 수행하고, 이후에 다른 상태들(620, 630, 640)로 진행하기 위하여 무선 전력 전달을 위한 결합 방식 중에서 상기 물체를 검출한 방식을 선택할 수 있다.
한편, 상기 선택 상태(610)의 무선 전력 전송장치(100)는 물체를 검출하기 위하여 형성하는 무선 전력 신호와 이후 상태들(620, 630, 640)에서의 디지털 검출, 식별, 설정 및 전력 전송을 위하여 형성하는 무선 전력 신호는 그 주파수, 세기 등의 특성이 다를 수 있다. 이는 상기 무선 전력 전송장치(100)의 선택 상태(610)는 물체를 검출하기 위한 대기 상태(idle phase)에 해당하여, 상기 무선 전력 전송장치(100)가 대기 중의 소비 전력을 줄이거나, 또는 효율적인 물체 검출을 위하여 특화된 신호를 생성시킬 수 있도록 하기 위함이다.
2) 검출 상태 (Ping Phase)
상기 검출 상태(620)에 있는 상기 무선 전력 전송장치(100)가 전력 제어 메시지를 통해 상기 감지 영역 내에 존재하는 무선 전력 수신장치(200)를 검출하는 과정을 수행한다. 상기 선택 상태(610)에서 무선 전력 신호의 특성 등을 이용한 무선 전력 수신장치(200)의 검출 과정과 비교하여, 상기 검출 상태(620)에서의 검출 과정은 디지털 검출 과정(digital ping)이라 불릴 수 있다.
상기 검출 상태(620)에서 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 무선 전력 수신장치(200)를 검출하기 위한 무선 전력 신호를 형성하고, 상기 무선 전력 수신장치(200)에 의하여 변조된 무선 전력 신호를 복조하고, 상기 복조된 무선 전력 신호로부터 상기 검출 신호에 대한 응답에 해당하는 디지털 데이터 형태의 전력 제어 메시지를 획득한다. 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 검출 신호에 대한 응답에 해당하는 전력 제어 메시지를 수신함으로써 전력 전송의 대상이 되는 상기 무선 전력 수신장치(200)를 인지 할 수 있다.
상기 검출 상태(620)에 있는 상기 무선 전력 전송장치(100)가 디지털 검출 과정을 수행하기 위하여 형성하는 검출 신호는 특정 동작 포인트(operating point)의 전력 신호를 일정한 시간 동안 인가함으로써 형성되는 무선 전력 신호일 수 있다. 상기 동작 포인트는 전송 코일(Tx coil)에 인가되는 전압의 주파수, 듀티 사이클(duty cycle) 및 진폭을 의미할 수 있다. 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 특정 동작 포인트의 전력 신호를 인가함으로써 생성된 상기 검출 신호를 일정한 시간 동안 생성하고, 상기 무선 전력 수신장치(200)로부터 전력 제어 메시지를 수신할 것을 시도할 수 있다.
한편, 상기 검출 신호에 대한 응답에 해당하는 전력 제어 메시지는 상기 무선 전력 수신장치(200)가 수신한 무선 전력 신호의 강도(strength)를 나타내는 메시지일 수 있다. 예를 들어, 상기 무선 전력 수신장치(200)는 도 14에 도시된 바와 같은 상기 검출 신호에 대한 응답으로서 수신된 무선 전력 신호의 강도를 나타내는 메시지가 포함된 신호 강도 패킷(Signal Strength Packet)( 5100)을 전송할 수 있다. 상기 패킷(5100)은 신호 강도를 나타내는 패킷임을 알리는 헤더(5120) 및 상기 무선 전력 수신장치(200)가 수신한 전력 신호의 강도를 나타내는 메시지(5130)를 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 메시지(5130) 내의 전력 신호의 강도는 상기 무선 전력 전송장치(100)와 상기 무선 전력 수신장치(200) 사이의 전력 전송을 위한 유도 결합 또는 공진 결합의 정도(degree of coupling)를 나타내는 값일 수 있다.
상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 검출 신호에 대한 응답 메시지를 수신하여 상기 무선 전력 수신장치(200)를 발견한 후에, 상기 디지털 검출 과정을 연장하여 식별 및 검출 상태(630)로 진입할 수 있다. 즉, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 무선 전력 수신장치(200)를 발견한 후에 상기 특정 동작 포인트의 전력 신호를 유지하여 상기 식별 및 검출 상태(630)에서 필요한 전력 제어 메시지를 수신할 수 있다.
다만, 상기 무선 전력 전송장치(100)가 전력을 전달할 수 있는 무선 전력 수신장치(200)를 발견하지 못한 경우, 상기 무선 전력 전송장치(100)의 동작 상태는 상기 선택 상태(610)로 되돌아갈 수 있다.
3) 식별 및 설정 상태 (Identification and Configuration Phase)
상기 식별 및 설정 상태(630)의 무선 전력 전송장치(100)는 상기 무선 전력 수신장치(200)가 전송하는 식별 정보 및/또는 설정 정보를 수신하여 전력 전달이 효율적으로 이루어지도록 제어할 수 있다.
상기 식별 및 설정 상태(630)에서 상기 무선 전력 수신장치(200)는 자신의 식별 정보를 포함하는 전력 제어 메시지를 전송할 수 있다. 이를 위하여, 상기 무선 전력 수신장치(200)는, 예컨대, 도 15a에 도시된 바와 같은 무선 전력 수신장치(200)의 식별 정보를 나타내는 메시지가 포함된 식별 패킷(Identification Packet)(5200) 을 전송할 수 있다. 상기 패킷(5200)은 식별 정보를 나타내는 패킷임을 알리는 헤더(5220) 및 상기 무선 전력 수신장치의 식별 정보를 포함하는 메시지(5230)를 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 메시지(5230)는 무선 전력 전송을 위한 규약의 버전을 나타내는 정보(2531 및 5232), 상기 무선 전력 수신장치(200)의 제조 업체를 식별하는 정보(5233), 확장 장치 식별자의 유무를 나타내는 정보(5234) 및 기본 장치 식별자(5235)를 포함하도록 구성될 수 있다. 또한, 상기 확장 장치 식별자의 유무를 나타내는 정보(5234)에 확장 장치 식별자가 존재하는 것으로 표시되는 경우, 도 15b에 도시된 바와 같은 확장 장치 식별자를 포함한 확장 식별 패킷(Extended Identification Packet)(5300) 이 별도로 전송될 수 있다. 상기 패킷(5300)은 확장 장치 식별자를 나타내는 패킷임을 알리는 헤더(5320) 및 확장 장치 식별자를 포함하는 메시지(5330)를 포함하도록 구성될 수 있다. 이와 같이 확장 장치 식별자가 사용되는 경우에, 상기 무선 전력 수신장치(200)를 식별하기 위하여 상기 제조 업체의 식별 정보(5233), 상기 기본 장치 식별자(5235) 및 상기 확장 장치 식별자(5330)에 기초한 정보가 사용될 수 있다.
상기 식별 및 설정 상태(630)에서 상기 무선 전력 수신장치(200)는 예상 최대 전력에 대한 정보를 포함하는 전력 제어 메시지를 전송할 수 있다. 이를 위하여, 상기 무선 전력 수신장치(200)는, 예컨대, 도 16에 도시된 바와 같은 설정 패킷(Configuration Packet)(5400) 을 전송할 수 있다. 상기 패킷은 설정 패킷임을 알리는 헤더(5420) 및 상기 예상 최대 전력에 대한 정보를 포함하는 메시지(5430)를 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 메시지(5430)는 전력 클래스(5431), 예상 최대 전력에 대한 정보(5432), 무선 전력 전송장치 측의 주요 셀의 전류를 결정하는 방법을 나타내는 지시자(5433), 선택적인 설정 패킷들의 수(5434)를 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 지시자(5433)는 무선 전력 전송을 위한 규약에 명시된 대로 상기 무선 전력 전송장치 측의 주요 셀의 전류가 결정될 것인지 여부를 나타내는 것일 수 있다.
한편, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 식별 정보 및/또는 설정 정보를 기초로 상기 무선 전력 수신장치(200)와 전력 충전에 사용되는 전력 전달 규약(power transfer contract)을 생성할 수 있다. 상기 전력 전달 규약은 상기 전력 전달 상태(640)에서의 전력 전달 특성을 결정하는 파라미터들의 한정 사항들(limits)을 포함할 수 있다.
상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 전력 전달 상태(640)로 진입하기 전에 상기 식별 및 설정 상태(630)를 종료하고, 상기 선택 상태(610)로 되돌아 갈 수 있다. 예컨대, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 무선으로 전력을 수신할 수 있는 다른 무선 전력 수신장치를 찾기 위하여 상기 식별 및 설정 상태(630)를 종료할 수 있다.
4) 전력 전송 상태 (Power Transfer Phase)
상기 전력 전송 상태(640)에서의 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 무선 전력 수신장치(200)로 전력을 전송한다.
상기 무선 전력 전송장치(100)는 전력을 전송하는 도중에 상기 무선 전력 수신장치(200)로부터 전력 제어 메시지를 수신하고, 상기 수신한 전력 제어 메시지에 대응하여 상기 전송 코일에 인가되는 전력의 특성을 조절할 수 있다. 예를 들어, 상기 전송 코일의 전력 특성을 조절하기 위해 사용되는 전력 제어 메시지는 도 17에 도시된 바와 같은 제어 오류 패킷(Control Error Packet)( 5500)에 포함될 수 있다. 상기 패킷(5500)은 제어 오류 패킷임을 알리는 헤더(5520)와 제어 오류 값을 포함하는 메시지(5530)를 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 제어 오류 값에 따라 상기 전송 코일에 인가되는 전력을 조절할 수 있다. 즉, 상기 전송 코일에 인가되는 전류는 상기 제어 오류 값이 0인 경우에 유지되고, 음수(negative value)인 경우에 감소되고, 양수(positive value)인 경우에 증가하도록 조절될 수 있다.
상기 전력 전송 상태(640)에서 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 식별 정보 및/또는 설정 정보를 기초로 생성된 전력 전달 규약(power transfer contract) 내의 파라미터들을 모니터링할 수 있다. 상기 파라미터들을 모니터링한 결과, 상기 무선 전력 수신장치(200)와의 전력 전송이 상기 전력 전달 규약 내에 포함되어 있는 한정 사항들을 위반하게 되는 경우에는 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 전력 전송을 취소하고 상기 선택 상태(610)로 되돌아갈 수 있다.
상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 무선 전력 수신장치(200)로부터 전달된 전력 제어 메시지를 기초로 상기 전력 전송 상태(640)를 종료할 수 있다.
예를 들어, 상기 무선 전력 수신장치(200)가 전달된 전력을 이용하여 배터리를 충전하는 도중에 상기 배터리의 충전이 완료된 경우 상기 무선 전력 전송장치(100)로 무선 전력 전송을 중지할 것을 요청하는 전력 제어 메시지를 전달할 수 있다. 이 경우, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 전력 전송의 중지를 요청하는 메시지를 수신한 후, 무선 전력 전송을 종료하고 상기 선택 상태(610)로 되돌아 갈 수 있다.
또 다른 예를 들어, 상기 무선 전력 수신장치(200)는 이미 생성된 전력 전달 규약을 갱신하기 위하여 재협상(renegotiation) 또는 재설정(reconfigure)을 요청하는 전력 제어 메시지를 전달할 수 있다. 상기 무선 전력 수신장치(200)는 현재 전송되는 전력량보다 많거나 적은 양의 전력이 필요한 경우에 상기 전력 전달 규약의 재협상을 요청하는 메시지를 전달할 수 있다. 이 경우, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 전력 전달 규약의 재협상을 요청하는 메시지를 수신한 후, 무선 전력 전송을 종료하고 상기 식별 및 설정 상태(630)로 되돌아 갈 수 있다.
이를 위하여, 상기 무선 전력 수신장치(200)가 전송하는 메시지는, 예컨대, 도 18에 도시된 바와 같은 전력 전송 중단 패킷(End Power Transfer Packet)(5600)일 수 있다. 상기 패킷(5600)은 전력 전송 중단 패킷임을 알리는 헤더(5620) 및 중단의 이유를 나타내는 전력 전송 중단 코드를 포함하는 메시지(5630)를 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 전력 전송 중단 코드는 충전 완료(Charge Complete), 내부 오류(Internal Fault), 과열(Over Temperature), 과전압(Over Voltage), 과전류(Over Current), 배터리 오류(Battery Failure), 재설정(Reconfigure), 무응답(No Response), 알려지지 않은 오류(Unknown) 중 어느 하나를 나타낼 수 있다.
다수의 전자 기기의 통신 방법
이하, 하나의 무선 전력 송신장치로부터 하나 이상의 전자 기기들이 무선 전력 신호를 이용하여 통신을 수행하는 방법이 설명된다.
도 19는 무선 전력 전송장치가 하나 이상의 무선 전력 수신장치들에게 전력을 전달하는 방법을 도시한 개념도이다.
상기 무선 전력 전송장치(100)는 하나 이상의 무선 전력 수신 장치(200, 200')들을 위하여 전력을 전송할 수 있다. 도 19에는 두 개의 전자 기기들(200, 200')이 도시되어 있으나, 본 명세서에 개시된 실시 예들을 따르는 방법은 도시된 전자 기기들의 숫자로 제한되지 아니한다.
상기 무선 전력 전송장치(100)의 무선 전력 전달 방식에 따라 상기 활동 영역 및 감지 영역은 차이가 있다. 따라서, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 공진 결합 방식의 활동 영역 또는 감지 영역에 배치된 무선 전력 수신장치가 존재하는지 여부, 또는 유도 결합 방식의 활동 영역 또는 감지 영역에 배치된 무선 전력 수신 장치가 존재하는지 여부를 판단할 수 있다. 상기 판단 결과에 따라 각 무선 전력 전달 방식을 지원 하는 상기 무선 전력 전송 장치(100)는 각 무선 전력 수신장치에 대하여 전력 전달 방식을 변경할 수 있다.
본 명세서에 개시된 실시 예들에 따른 무선 전력 전송에서는, 상기 무선 전력 전송장치(100)가 동일한 무선 전력 전달 방식으로 하나 이상의 전자 기기들(200, 200')을 위하여 전력을 전송하는 경우에 상기 전자 기기들(200, 200')이 서로간 충돌 없이 상기 무선 전력 신호를 통하여 통신을 수행할 수 있다.
도 19에 도시된 바와 같이, 상기 무선 전력 전송장치(100)에 의하여 형성된 무선 전력 신호(10a)는 제 1 전자 기기(200') 및 제 2 전자 기기(200)에 도달한다. 상기 제 1 전자 기기(200') 및 제 2 전자 기기(200)는 상기 형성된 무선 전력 신호를 이용하여 전력 제어 메시지를 전송할 수 있다.
상기 제 1 전자 기기(200') 및 제 2 전자 기기(200)는 무선 전력 신호를 수신하는 전력 수신장치로 동작한다. 본 명세서에 개시된 실시 예들에 따른 상기 전력 수신장치는 상기 형성된 무선 전력 신호를 수신하는 전력 수신부(291', 291); 상기 수신된 무선 전력 신호에 대하여 변조 및 복조를 수행하는 변복조부(293', 293); 및 전력 수신장치의 각 구성요소들을 제어하는 제어부(292', 292)를 포함하도록 구성될 수 있다.
이상에서는 WPC 규격을 중심으로 본 발명의 무선 전력 송수신 방법에 대하여 설명하였다. 나아가, 본 발명에서는 중전력용 무선 전력 전송 장치, 무선 전력 수신 장치 및 무선 충전 시스템을 제안한다. 또한, 본 발명에서는, 중전력을 이용하는 무선 충전 시스템에서 전력 전달 효율을 높일 수 있는 새로운 형태의 코일 솔루션을 제공한다. 이하, 이에 대하여 보다 상세히 설명한다.
여기에서, 중전력용 무선 전력 전송 장치는, 중전력의 무선 전력을 무선 전력 수신 장치로 전달하는 무선 전력 전송 장치를 의미한다. 나아가, 중전력용 무선 전력 수신 장치는, 상기 무선 전력 전송 장치로부터 전달되는 중전력을 수신하는 무선 전력 수신 장치를 의미한다.
여기에서, 중전력은 수십 W 이상 급의 전력을 의미하며, 이러한 중전력을 이용하는 가전기기(appliance)는, 예를 들어, 착즙기(citrus press), 핸드블렌더(handblender), 분쇄기(blender), 주스기(jeicer), 스마트팬(smart pan), 전기주전자(kettle), 밥솥(rice cooker) 등이 될 수 있다.
한편, 이러한 가전기기들은, Guaranteed Power에 따라, 아래의 표 1과 같이 크게 Class A, Class B, Class C로 분류될 수 있다.
표 1
Appliance Class Diameter Guaranteed Power
A 18-24 cm 2.4kW
B 13-17 cm 800W
C 8-12 cm 200W
상기 표 1은, WPC(Wireless Power Consortium)에서, 중전력용 SPEC 논의를 위해 설립된, KWG(KitchenWorking Group)에서 제안하고 있는 Class 별 SPEC이다. 여기에서, Diameter는, 중전력용 가전기기의 무선 전력 수신 장치에서 수신용 코일의 지름 또는 무선 전력 전송장치에서 송신용 코일의 지름을 의미한다.
중전력용 무선 충전 시스템에서는, 높은 효율을 위하여 높은 인덕턴스(Inductance)를 갖는 송수신 코일이 사용되고, 이러한 송수신용 코일에는, 수십 V ~ 수백 V의 높은 전압이 유도된다.
한편, 이러한 무선 충전 시스템에서, 무선 전력 수신 장치, 즉, 주방기기의 크기는 매우 다양할 수 있다. 이에 따라, 주방기기에 구비되는 수신용 코일의 크기(또는 직경)또한 다양할 수 있다. 이에, 본 발명에서는, 주방기기의 크기가 다양함에도 불구하고, 다양한 크기의 주방기기에, 무선 전력을 효과적으로 전송할 수 있는 무선 전력 전송장치의 구조를 제안한다.
이하에서는, 새로운 형태의 코일 솔루션을 제안하는 중전력용 무선 전력 전송장치에 대하여 첨부된 도면과 함께 보다 구체적으로 살펴본다. 도 20 및 도 21은 본 발명에 따른 무선 전력 전송장치 및 무선 전력 수신장치의 구성의 일부를 예시적으로 나타낸 블록도이고, 도 22 및 도 23은 전송용 코일의 상세 구조도이다.
무선 전력 전송 장치(100) 및 무선 전력 수신 장치(200)는 도 20 및 도 21에 도시된 블록도와 같이 구현될 수 있다. 먼저, 본 발명에 따른 무선 전력 전송 장치(100)를 살펴보면, 도 20에 도시된 무선 전력 전송 장치(100)의 전력 변환부(111)는 자기 유도에서의 1차 코일로 동작하는 전송코일(Tx coil, 1111, 1111')을 포함하도록 구성된다. 상기 전송 코일은, 어느 하나가 다른 하나를 감싸도록 이루어지는, 제1 및 제2 전송 코일(Tx coil, 1111, 1111')을 포함하도록 구성된다.
한편, 이러한, 1차 코일은, 앞서, 도 2에서 살펴본, 전력 전달부(Power Transmission Unit)(110, 도 2 참조)에 포함된 전력 변환부(111, 도 2 참조)에 구비될 수 있으며, 도 20은, 이러한, 전력 변환부의 구성 요소들 중 적어도 일부를 나타낸 것이다.
한편, 상기 전력 변환부(111)는 전력 공급부(190)로부터 공급된 전력을 무선 신호(wireless power signal)로 변환하여 도 21에 도시된 무선 전력 수신 장치(200)로 전달한다. 중전력용 무선 전력 전송 장치(100)에서 상기 전송 코일(1111)에는 수십 V ~ 수백 V의 전압이 유도된다.
한편, 상기 무선 전력 전송 장치(100)의 제1 및 제2 코일(1111, 1111')은, 도 22 및 도 23에 도시된 것과 같이, 제1 및 제2 코일(1111, 1111')은, 무선 전력을 송신하도록 권선된 와이어를 각각 구비하고, 제1 코일의 와이어(1111)는, 제2 코일(1111')의 형상의 가장자리를 따라 권선될 수 있다. 한편, 상기 제1 코일(1111)의 와이어는, 상기 제2 코일(1111')의 내측 가장자리 및 외측 가장자리 중 어느 하나를 따라 권선될 수 있는데, 이하의 설명에서는, 제1 코일(1111)의 와이어가, 제2 코일(1111')의 외측 가장자리를 따라 권선되는 경우, 즉, 제2 코일(1111)이, 제2 코일(1111')을 감싸도록 배치된 경우를 예를 들어 설명하기로 한다.
한편, 도시와 같이, 제1 코일(1111)이 제2 코일(1111')의 가장자리를 따라 권선되는 경우, 제1 코일(1111)의 형상은, 제2 코일(1111')의 형상과 대응될 수 있다. 즉, 제2 코일(1111')이 원형을 가지는 경우, 제1 코일(1111) 역시, 원형의 형상을 가질 수 있다. 다른 예로서, 제2 코일(1111')이, 삼각형의 형상을 가지는 경우, 제1 코일(1111) 또한, 삼각형의 형상을 가질 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 무선 전력 전송장치는, 복수의 코일을 구비함으로써, 무선 전력 수신장치의 정렬상태, 또는 무선 전력 수신 장치의 크기(또는 코일 크기), 또는 무선 전력 수신장치에 공급해야하는 전력량에 따라, 복수의 코일 중 적어도 하나를 선택적으로 구동시킬 수 있다.
한편, 제2 코일(1111')을 감싸도록 이루어지는, 제1 코일(1111)에 유도되는 전압은, 상기 제2 코일에 유도되는 전압보다 더 클 수 있다.
전력 송신 제어부(112, 이항, '제어부'로 명명함)는, 무선 전력 수신 장치의 상황에 따라, 선택적으로 제1 및 제2 코일(1111, 1111') 중 어느 하나를 통해, 무선 전력 수신장치로 전력을 공급하거나, 제1 및 제2 코일(1111, 1111') 모두를 이용하여, 무선 전력 수신장치로 전력을 공급할 수 있다.
일 예로, 제어부(112), 무선 전력 수신 장치에 포함된 수신용 코일(또는 2차 코일)의 크기(또는 직경)가, 상기 제1 및 제2 코일(1111, 1111') 중 어느 하나와 대응되는 크기이고, 상기 어느 하나의 코일만으로, 무선 전력 수신장치로 전력 공급이 가능한 경우, 상기 제1 및 제2 코일(1111, 1111') 중 상기 무선 전력 수신장치의 수신용 코일의 크기와 대응되는 어느 하나의 코일을 통해, 전력을 공급할 수 있다. 이 경우, 제어부(112)는, 다른 하나의 코일은, 구동시키지 않을 수 있다. 즉, 다른 하나의 코일에는, 자속변화가 일어나지 않을 수 있다.
다른 예로서, 제어부(112)는, 무선 전력 수신 장치에, 많은 량의 전력이 공급되어야 하는 경우, 상기 제1 및 제2 코일(1111, 1111')을 모두 구동시켜, 무선 전력 수신 장치에 전력을 공급할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따르면, 복수개의 송신용 코일을 통해, 무선 전력 수신 장치의 상황에 따라, 구동상태를 변경함으로써, 전원공급을 보다 효과적으로 할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 무선 전력 전송장치, 무선 전력 수신장치와의 통신을 통해, 무선 전력 수신 장치에서 필요로 하는 전력량의 정보를 수신하거나, 무선 전력 수신 장치에 포함된 코일의 스펙 정보를 수신할 수 있다.
나아가, 본 발명에 따른 무선 전력 전송장치는, 적어도 하나의 센서(예를 들어, 근접센서, 조도센서 등)를 구비함으로써, 무선 전력 수신장치의 크기를 파악할 수 있다.
한편, 제1 및 제2 코일(1111, 1111')의 구조에 대하여 보다 구체적으로 살펴보면, 제1 및 제2 코일(1111, 1111')은, 2중 레이어(2-layer) 상에 형성되고, 상기 2중 레이서 상에서 서로 다른 턴수로 감길 수 있다.
먼저, 제1 코일(1111)의 와이어는,2중 레이어 상에 형성되고, 14±1(14±1 turns per layer)번 감길 수 있다,
또한, 상기 제1 코일(1111)의 와이어는, 3.3mm+0.3의 두께(Wire Thickness)로 이루어질 수 있다. 나아가, 도시와 같이, 상기 제1 코일(1111)의 내측 지름(ID: Inner Diameter)은 175mm(±5)이고, 외측 지름(OD: Outer Diameter)은 223mm(±5)로 구성될 수 있다. 상기 제1 코일(1111)은 95μH±10의 인덕턴스를 가질 수 있다.
또한, 상기 제2 코일(1111')의 와이어는, 3.3mm+0.3의 두께(Wire Thickness)로 이루어지며, 2중 레이어 상에 형성되고, 28±2(28±2 turns per layer)번 감길 수 있다,
수 있다. 나아가, 도시와 같이, 상기 제2 코일(1111')의 내측 지름(ID: Inner Diameter)은 66mm(±5)이고, 외측 지름(OD: Outer Diameter)은 163mm(±5)로 구성될 수 있다. 상기 제2 코일(1111')은 168μH±10의 인덕턴스를 가질 수 있다.
한편, 상기 무선 전력 전송 장치에, 차폐부가 존재하지 않는 경우, 상기 제1 코일(1111)은 70μH의 인덕턴스를 가질 수 있고, 제2 코일(1111')은, 93μH의 인덕턴스를 가질 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 무선 전력 전송장치는, 누설 자속을 최소화할 수 있는 차폐부재의 구조를 제안한다. 이하에서는, 첨부된 도면과 함께, 차폐부재의 구조에 대하여 보다 구체적으로 살펴본다. 도 24, 도 25a 및 도 25b는 전송용 코일 및 차폐부의 구조를 나타내는 개념도이고, 도 26은 차폐부를 설명하기 위한 개념도이며, 도 27은 무선 전력 전송 장치의 구성의 일부를 예시적으로 나타낸 블록도이다.
도시와 같이, 본 발명에 따른 무선 전력 전송장치는, 위에서 살펴본, 제1 및 제2 코일(1111, 1111') 중 적어도 하나의 원주를 따라 방사 형태를 이루는 복수의 차폐부재로 이루어진 차폐부(1200)를 더 포함한다. 복수의 차폐부재는, 기 설정된 각도로 이격 배치되어, 방사형태를 이룰 수 있다. 이와 같이, 방사형태로 복수의 차폐부재를 배치하는 경우, 인덕턴스와 결합 계수를 확보하는데 효과적이다.
도시에 따르면, 제1 및 제2 코일(1111, 1111')의 일면에는, 차폐부, 또는 복수의 차폐부재(1200)가 배치된다. 도시와 같이, 제1 및 제2 코일(1111, 1111')의 하부에는, 차폐부(1200)가 배치될 수 있다. 상기 차폐부(1200)는 제1 및 제2 코일(1111, 1111')의 동작에 의해, 회로기판에 장착된 소자들(일 예로, 마이크로 프로세서)이 전자기적인 영향을 받거나, 회로기판에 장착된 소자들의 동작에 의해 송신 코일이 전자기적인 영향을 받는 것을 방지하도록 형성된다.
도시와 같이, 상기 차폐부(1200)는 상기 전송 코일에 중첩된다. 이러한 예로서, 상기 차폐부(1200)는 상기 베이스 스테이션의 케이스(미도시됨)와 상기 제1 및 제2 코일(1111, 1111')의 사이에 형성될 수 있다.
상기 차폐부(1200)는 상기 제1 코일(1111) 외측 지름(OD)을 기준으로 적어도 일부가 초과하도록 형성되고, 상기 제2 코일(1111')의 내측 지름(ID)을 기준으로, 적어도 일부과 초과하도록 형성될 수 있다.
한편, 상기 차폐부(1200)의 차폐부재는, 도 25a 및 도 25b에 도시된 것과 같이, 상기 제1 및 제2 코일의 직경방향을 따라 연장되는 베이스부(1200a), 상기 제1 및 제2 코일 중 적어도 하나와 마주보도록 이루어지는 돌출부(1200b, 1200c)를 구비할 수 있다.
상기 돌출부(1200b, 1200c)는, 상기 베이스부(1200a)에서 연장되어, 일방향으로 돌출된 형상을 가질 수 있다. 보다 구체적으로, 도시와 같이, 상기 돌출부(1200b, 1200c)는, 상기 제1 코일(1111)의 외측 가장자리와 마주보는 제1 돌출부(1200b) 및 상기 제2 코일(1111')의 내측 가장자리와 마주보다 제2 돌출부(1200c)를 포함할 수 있다. 이와 같이, 차폐부재가, 돌출부를 갖는 경우, 26에 도시된 것과 같이, 돌출부가 없을때보다, 누설자속을 줄일 수 있다. 한편, 돌출부는, 5mm의 두께로 이루어질때, 가장 효과적으로 자속의 누설을 방지할 수 있다.
한편, 도 27에 도시된 것과 같이, 본 발명에 따른 무선 전력 전송장치는, 앞서 살펴본, 방사형태를 이루는 복수의 차폐부재가 안착되도록 형성되는 프레임부(1300)를 더 포함할 수 있으며, 이러한 프레임부(1300)는 상기 차폐부재가 안착될 수 있도록, 상기 차폐부재가 이격 배치된 각도에 대응되어, 순차적으로 형성된 홈들이구비될 수 있다.
한편, 상기 무선 전력 전송 장치(100)로부터 무선 전력을 수신하는 무선 전력 수신 장치(200)는 도 20의 (b)에 도시된 것과 같이, 상기 무선 전력 전송 장치(100)로부터의 전류가 유도되는 2차 코일로 동작하는 수신 코일(Rx coil, 2911, 2911')을 포함하도록 구성될 수 있다. 이러한, 2차 코일은, 앞서, 도 2에서 살펴본, 전원 공급부(290, 도 2 참조)에 포함된 전력 수신부(291, 도 2 참조)에 구비될 수 있으며, 도 20의 (b)는 전력 수신부(291)의 구성 요소들 중 적어도 일부를 나타낸 것이다.
이하에서는, 이상에서 살펴본 무선 전력 전송장치(100)로부터 전력을 공급받는, 무선 전력 수신장치(200)에 대하여, 첨부된 도면과 함께 보다 구체적으로 살펴본다. 도 28은 본 발명에 따른 무선 전력 수신장치의 수신용 코일 및 차폐부의 구조를 나타내는 개념도들이고, 도 29는 수신용 코일의 상세 구조도이다.
도시된 것과 같이, 본 발명에 따른 무선 전력 수신장치는, 무선 전력을 수신하도록 이루어지는 수신 코일(2911) 및 상기 수신 코일(2911)의 원주를 따라 이격 배치된 복수의 차폐재(2200)를 구비할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 수신 코일(2911)의 와이어는, 3.3mm+0.3의 두께(Wire Thickness)로 이루어지며 2중 레이어 상에 형성되고, 24±1(24±1 turns per layer)번 감길 수 있다. 나아가, 도시와 같이, 상기 수신 코일(2911)의 내측 지름(ID: Inner Diameter)은 70mm(±5)이고, 외측 지름(OD: Outer Diameter)은 153mm(±5)로 구성될 수 있다. 상기 수신 코일(2911)은 100μH±10의 인덕턴스를 가질 수 있다. 한편, 이때 상기 무선 전력 수신장치가, 차폐부를 포함하지 않는 경우, 상기 수신 코일(2911)은, 70μH의 인덕턴스를 가질 수 있다.
다른 예로서, 상기 수신 코일(2911)의 와이어는, 3.3mm+0.3의 두께(Wire Thickness)로 이루어지며 2중 레이어 상에 형성되고, 26±1(26±1 turns per layer)번 감길 수 있다. 나아가, 도시와 같이, 상기 수신 코일(2911)의 내측 지름(ID: Inner Diameter)은 70mm(±5)이고, 외측 지름(OD: Outer Diameter)은 160mm(±5)로 구성될 수 있다. 상기 수신 코일(2911)은 83μH±10의 인덕턴스를 가질 수 있다. 한편, 이때 상기 무선 전력 수신장치가, 차폐부를 포함하지 않는 경우, 상기 수신 코일(2911)은, 118μH의 인덕턴스를 가질 수 있다.
한편, 도 28의 도시에 따르면, 상기 수신 코일(2911)의 일면에는, 차폐부, 또는 차폐부재(2220)가 배치된다. 도시와 같이, 수신 코일(2911)의 상부에는, 차폐부(2200)가 배치될 수 있다. 상기 차폐부(2200)는 수신 코일(2911)의 동작에 의해, 회로기판에 장착된 소자들(일 예로, 마이크로 프로세서)이 전자기적인 영향을 받거나, 회로기판에 장착된 소자들의 동작에 의해 송신 코일이 전자기적인 영향을 받는 것을 방지하도록 형성된다.
도시와 같이, 상기 차폐부(2200)에 구비된 차폐부재들은, 기 설정된 각도로 이격 배치되어, 방사형태를 이룰 수 있다. 이와 같이, 방사형태로 복수의 차폐부재를 배치하는 경우, 인덕턴스와 결합 계수를 확보하는데 효과적이다.
도시와 같이, 상기 차폐부(2200)는 상기 수신 코일(2200)에 중첩된다. 이러한 예로서, 상기 차폐부(2200)는 상기 베이스 스테이션의 케이스(미도시됨)와 상기 수신 코일(2911)의 사이에 형성될 수 있다.
한편, 비록 도시되지는 않았지만, 차폐부(2200)는 상기 수신 코일(2911) 외측 지름(OD)을 기준으로 적어도 일부가 초과하도록 형성되고, 상기 제2 코일(2911)의 내측 지름(ID)을 기준으로, 적어도 일부과 초과하도록 형성될 수 있다.
한편, 비록 도시되지는 않았지만, 수신 코일(2911)을 통해 유도되는 전류는, 각각 별도의 정류회로(rectifier)를 통해 직류로 변환될 수 있다.
한편, 도 30은 본 발명에 따른 무선 전력 전송장치 및 무선 전력 수신장치의 코일 및 차폐부의 구조를 나타내는 개념도이다. 도시와 같이, 앞서 살펴본 구조를 갖는 무선 전력 전송장치와 무선 전력 수신 장치는, 서로 중첩되도록 위치함으로써, 무선 전력을 송수신할 수 있다.
상기 무선 전력 전송장치와, 상기 무선 전력 수신장치는, 무선 충전 시스템을 구성할 수 있다. 이때, 무선 전력 전송 장치의 1차 코일과, 무선 전력 수신 장치의 2차코일은, 2500 이상의 initial permability of ferrite를 가질 수 있다.
나아가, 상기 무선 전력 전송장치와 상기 무선 전력 수신장치에 포함된 코일들은, 두께방향으로 일정거리가 이격된 상태로 배치된 경우, 보다 효과적으로 무선 전력을 송수신할 수 있다. 이러한, 이격 간격은, 20mm일 수 있다.
또한, 무선 전력 전송 장치의 1차 코일과, 무선 전력 수신 장치의 2차코일은, 리츠와이어(Litz wire)로 이루어질 수 있으며, 이러한 리츠 와이어의 외경은, 3.3~3.6mm, 세선 직경은 0.1mm로 구성되며, 400~600가닥으로 이루어질 수 있다.
한편, 무선 전력 전송 장치(100) 및 무선 전력 수신 장치(200) 간에 제어 메시지의 송수신 방법은, 도 1, 도 2a, 도 2b, 도 3, 도 4a, 도 4b, 도 5, 도 6, 도 7a, 도 7b, 도 8 내지 도 14, 도 15a, 도 15b 및 도 16 내지 도 19와 함께 설명된 제어 메시지 송수신 방법과 동일 또는 유사하므로, 이에 대한 구체적인 설명은, 상기 도면들에 대한 설명으로 갈음한다.
이상에서 살펴본 것과 같이, 본 발명에 따른 무선 전력 송신용 코일을 복수개 구비함으로써, 무선 전력 수신장치의 크기에 따라, 무선 전력을 전송할 코일을 선택적으로 제어할 수 있다. 따라서, 무선 전력 수신장치의 크기에 따라, 무선 전력 전송 코일이 선택됨으로써, 무선 전력 전송 장치와 수신장치 간의 정렬상태를 최적화시킬 수 있다.

Claims (21)

  1. 무선 전력 수신 장치에 무선 전력을 송신하도록 형성되는 무선 전력 송신 장치에 있어서,
    어느 하나가 다른 하나를 감싸도록 배치되는 제1 및 제2 코일;
    방사 형태를 이루도록 상기 제1 및 제2 코일 중 적어도 하나의 원주를 따라 순차적으로 이격 배치된 복수의 차폐부재를 구비하는 차폐부; 및
    상기 제1 및 제2 코일 중 적어도 하나를 통해 상기 무선 전력 수신 장치에 무선 전력을 공급하도록, 상기 제1 및 제2 코일을 제어하도록 이루어지는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 코일 및 제2 코일은 무선 전력을 송신하도록 권선된 와이어를 각각 구비하고,
    상기 제1 코일의 와이어는, 상기 제2 코일의 형상의 가장자리를 따라 권선되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 코일의 와이어는, 상기 제2 코일의 내측 가장자리 및 외측 가장자리 중 어느 하나를 따라 권선되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 제1 코일의 형상은, 상기 제2 코일의 형상과 대응되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 코일 및 제2 코일의 와이어는 2중 레이어 구조로 이루어 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 코일의 와이어는, 상기 2중 레이어 상에서, 14±1번 감기며, 3.3mm+0.3의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 코일은 내측 지름(Inner Diameter)은 175mm±5이고, 외측 지름(Outer Diameter)은 223mm±5인 코일인 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제1 코일의 인덕턴스는 95μH±10인 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송장치.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 제2 코일의 와이어는, 상기 2중 레이어 상에서, 28±2번 감기며, 3.3mm+0.3의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제2 코일은 내측 지름(Inner Diameter)은 66mm±5이고, 외측 지름(Outer Diameter)은 163mm±5인 코일인 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제2 코일의 인덕턴스는 168μH±10인 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 차폐부재는, 기 설정된 각도로 이격 배치되어 방사형태를 이루는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 복수의 차페재는 각각,
    상기 제1 및 제2 코일의 직경방향을 따라 연장되는 베이스부 및 상기 제1 및 제2 코일 중 적어도 하나와 마주보도록 이루어지는 돌출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 코일은, 상기 제2 코일을 감싸도록 이루어지고,
    상기 돌출부는,
    상기 제1 코일의 외측 가장자리와 마주보는 제1 돌출부 및 상기 제2 코일의 내측 가장자리와 마주보는 제2 돌출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송장치.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 돌출부는, 5mm의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송장치.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 방사형태를 이루는 복수의 차폐부재가 안착되도록 형성되는 프레임부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송장치.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 제1 코일에 유도되는 전압은, 상기 제2 코일에 유도되는 전압보다 큰 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송장치.
  18. 무선 전력 전송장치 및 무선 전력 수신장치를 포함하는 무선 충전 시스템에 있어서,
    상기 무선 전력 수신장치는,
    상기 무선 전력 전송장치로부터, 무선 전력을 수신하도록 이루어지는 수신 코일 및
    상기 수신 코일의 원주를 따라 이격 배치된 복수의 차폐부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 충전 시스템.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 수신 코일은, 2중 레이어 상에서, 24±1번 감기며, 3.3mm+0.3의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 무선 충전 시스템.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 수신 코일의 내측 지름(Inner Diameter)은 70mm±5이고, 외측 지름(Outer Diameter)은 153mm±5인 코일인 것을 특징으로 하는 무선 충전 시스템.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 수신 코일의 인덕턴스는 100μH±10인 것을 특징으로 하는 무선 충전 시스템.
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