WO2017065526A1 - 무전전력전송 시스템 및 이의 구동 방법 - Google Patents

무전전력전송 시스템 및 이의 구동 방법 Download PDF

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박재희
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    • H02M7/4815—Resonant converters

Definitions

  • the present invention relates to a radio power transmission system and a driving method thereof.
  • various electronic devices have a battery and are driven by using the electric power charged in the battery.
  • the battery may be replaced and may be charged again.
  • the electronic device has a contact terminal for contacting an external charging device.
  • the electronic device is electrically connected to the charging device through the contact terminal.
  • the contact terminals are exposed to the outside in the electronic device, they may be contaminated by foreign matter or shorted by moisture. In this case, a poor contact occurs between the contact terminal and the charging device, so that the battery is not charged in the electronic device.
  • the wireless power transmission system is a technology that delivers power without space through a space, and maximizes the convenience of power supply to mobile devices and digital home appliances.
  • the wireless power transmission system has strengths such as saving energy through real-time power usage control, overcoming space constraints in power supply, and reducing waste battery emissions by recharging batteries.
  • Representative methods of the wireless power transmission system include a magnetic induction method and a magnetic resonance method.
  • the magnetic induction method is a non-contact energy transmission technology in which two coils are brought close to each other, current flows through one coil, and electromotive force is generated in the other coil through the magnetic flux generated. Therefore, a frequency of several hundred kHz can be used.
  • the magnetic resonance method is a magnetic resonance technique using only an electric field or a magnetic field without using an electromagnetic wave or a current, and the power transmission distance is several meters or more, and thus a band of several MHz may be used.
  • the wireless power transmission system includes a transmitter for wirelessly transmitting power and a receiver for receiving power and charging a load such as a battery.
  • a charging method of the receiving apparatus that is, any one of a magnetic induction method and a magnetic resonance method may be selected, and a transmitting apparatus capable of wirelessly transmitting power corresponding to the charging method of the receiving apparatus has been developed.
  • the coupling device may suddenly change due to a misalignment between the transceivers. There has been a problem of damaging the receiving apparatus due to the sudden change in the transmission power.
  • the receiver has a function to provide feedback to reduce the transmit power to the transmitter in order to prevent overvoltage, or has a clamp capacitor on its own to discharge the overcurrent due to excessive transmit power, but according to the excess transmit power
  • the receiver is already damaged before providing feedback, or clamp capacitors alone are limited in dealing with instantaneous rapidly changing overcurrents.
  • the embodiment can provide a wireless power transmission system and a driving method thereof capable of resolving instability of power transmission due to a sudden change in a coupling coefficient between a transmitter and a receiver due to shaking of a receiver that is being wirelessly charged.
  • a method of transmitting power wirelessly from a transmitter to a receiver comprising: transmitting a signal for detection of the receiver; Receiving an identification packet from the receiving device; Resetting a range of a driving frequency of the transmitter based on the identification packet of the receiver; And transmitting the wireless power generated within the range of the reset driving frequency.
  • resetting the range of the driving frequency may provide a power transmission method for resetting the minimum frequency and the maximum frequency of the driving frequency.
  • the range of the driving frequency may provide a power transmission method is reset based on the current threshold value of the receiving coil portion included in the identification packet.
  • the range of the driving frequency may provide a power transmission method that is reset based on the identification packet after receiving a control error packet from the receiver.
  • the minimum frequency of the reset driving frequency may provide a power transmission method larger than the minimum frequency of the preset driving frequency of the transmitter.
  • the maximum frequency of the reset driving frequency may provide a power transmission method smaller than the maximum frequency of the preset driving frequency of the transmitter.
  • the step of generating the wireless power to provide a power transmission method for generating wireless power based on proportional control, integral control and proportional integral differential control (PID control). It may be.
  • the current control variable according to the previous control error packet is set to the current control variable based on the difference value of the product of the current PID control amount according to the current control error packet and the scaling factor and set the current control variable to the current control variable.
  • a power transmission method for generating wireless power based on this may be provided.
  • the scaling factor may provide a power transmission method that is changed based on the reset range of the driving frequency.
  • a method of receiving power by a receiver wirelessly receiving power from a transmitter comprising: transmitting a response signal to a detection signal from the transmitter; Transmitting an identification packet to the transmitter; And receiving wireless power generated according to a range of a reset driving frequency based on the identification packet.
  • the identification packet may include a current threshold value of the receiving device, and based on the current threshold value may provide a power receiving method in which the range of the driving frequency is reset.
  • the power receiving method it is possible to provide a power receiving method in which the range of the driving frequency is reset by resetting the minimum frequency and the maximum frequency of the driving frequency.
  • the minimum frequency of the reset driving frequency may provide a power transmission method larger than the minimum frequency of the preset driving frequency of the transmitter.
  • the maximum frequency of the reset driving frequency may provide a power transmission method smaller than the maximum frequency of the preset driving frequency of the transmitter.
  • the power receiving method Comparing the received wireless power and the required power; And transmitting a control error packet to the transmitter according to the comparison result, wherein the control error value is any one of positive, zero, or negative, and the power increase request signal corresponds to a positive control error value.
  • the power retention request signal may correspond to a zero control error value, and the power reduction request signal may provide a power reception method corresponding to a negative control error value.
  • a transmission device includes: a transmission coil for wireless power transmission; A power converter for outputting power to the transmitting coil; A control unit controlling the power conversion unit to control the amount of power output to the transmission coil; The controller may provide a transmitter for resetting a range of a driving frequency of the power converter based on an identification packet of a receiver that receives the wireless power.
  • the identification packet may include a current threshold value of the receiver, and may provide a transmitter for resetting the range of the driving frequency based on the current threshold value.
  • the power conversion unit may provide a transmission apparatus that operates either a half bridge inverter or a full bridge inverter based on the identification packet.
  • control unit the transmission to control the amount of the wireless power by adjusting any one of a driving frequency, an input voltage, a duty cycle and a phase shift of the power converter. It is also possible to provide a device.
  • the control unit may include a first calculating unit determining a second current based on a power increase request signal from the receiving device and a first current of the transmission coil; A PID control unit for determining a control amount based on proportional control, integral control, and differential control (hereinafter, referred to as PID control); And a second calculator configured to determine a current control variable based on the control amount and a previous control variable, and may provide a transmitter for controlling the power converter based on the current control variable.
  • the second calculator may provide a transmitter that determines the current control variable based on a value obtained by multiplying the control amount by a scaling factor and a difference value of the previous control variable.
  • the scaling factor may provide a transmission apparatus that is changed based on the reset range of the driving frequency.
  • a receiving apparatus includes a control unit for transmitting an identification packet by communicating with the transmitting apparatus; And a receiving coil configured to receive wireless power generated according to a range of a reset driving frequency based on the identification packet.
  • the receiver according to the embodiment may provide a receiver in which the identification packet includes a current threshold value of the receiver, and the range of the driving frequency is reset based on the current threshold value.
  • the receiving apparatus may provide a receiving apparatus in which the range of the driving frequency is reset by resetting the minimum frequency and the maximum frequency of the driving frequency.
  • the minimum frequency of the reset driving frequency is greater than the minimum frequency of the preset driving frequency of the transmitter
  • the maximum frequency of the reset driving frequency is the maximum of the preset driving frequency of the transmitter It is also possible to provide a receiver smaller than frequency.
  • the embodiment can prevent the power transmission instability, the heat generation, and the system damage of the receiver due to the sudden change in the coupling coefficient between the transmitter and the receiver due to the shaking of the receiver during wireless charging.
  • 3A and 3B are block diagrams illustrating a transmitter as one of sub-systems constituting a wireless power transmission system.
  • 3c is a detailed circuit diagram of a transmission-side power conversion unit according to the embodiment.
  • 4A and 4B are block diagrams illustrating a receiver as one of sub-systems constituting a wireless power transmission system.
  • FIG. 5 is a flowchart illustrating an operation of a wireless power transmission system, with an operation flowchart centering on an operating state of a transmitter according to an embodiment.
  • FIG. 6 is a graph illustrating a driving state of a power converter according to a load of a receiver
  • FIG. 7 is a flowchart of a method for determining a required power of a receiving device.
  • FIG. 8 is a graph showing the magnitude of the coil current on the transmitting-side coil unit according to the driving frequency.
  • 9 and 10 are operation flowcharts of the transmitter including the driving frequency threshold setting step.
  • 11 is a detailed view of a control unit of a transmitter for a power transmission control method.
  • the embodiment selectively uses various types of frequency bands from low frequency (50 kHz) to high frequency (15 MHz) for wireless power transmission, and may include a communication system capable of exchanging data and control signals for system control. .
  • the embodiment can be applied to various industrial fields such as a mobile terminal industry, a smart watch industry, a computer and laptop industry, a home appliance industry, an electric vehicle industry, a medical device industry, and a robotics industry that use a battery or use electronic devices. .
  • Embodiments may consider a system capable of transmitting power to one or more devices using one or more transmission coils.
  • a battery shortage problem may be solved in a mobile device such as a smart phone or a notebook.
  • a mobile device such as a smart phone or a notebook.
  • the battery is automatically charged and thus can be used for a long time.
  • a wireless charging pad is installed in public places such as cafes, airports, taxis, offices, restaurants, and the like, it is possible to charge various mobile devices regardless of different charging terminals for each mobile device manufacturer.
  • wireless power transmission technology is applied to household appliances such as vacuum cleaners and fans, there is no need to search for power cables, and complicated wires disappear in the home, which reduces wiring in the building and expands space utilization.
  • Wireless Power Transfer System A system that provides wireless power transfer within the magnetic field
  • Transmitter (Wireless Power Transfer System-Charger; Power Transfer Unit ( PTU): A device that provides wireless power transmission to a power receiver in a magnetic field area and manages the entire system, and may be referred to as a transmitter or a transmitter.
  • PRU Power Receiver Unit
  • Charging Area The area where the actual wireless power transmission takes place in the magnetic field area, and can vary according to the size of the application, required power, and operating frequency.
  • S parameter is a ratio of input voltage to output voltage in the frequency distribution, which is determined by the ratio of input port to output port (S21) or its own reflection of each input / output port, ie its own input. The value of the reflected return (Reflection; S11, S22).
  • Quality index Q In resonance, the value of Q means the quality of frequency selection. The higher the value of Q, the better the resonance characteristics.
  • the Q value is expressed as the ratio of energy stored in the resonator to energy lost.
  • the magnetic induction method is a non-contact energy transmission technology in which electromotive force is generated in the load inductor Ll through the magnetic flux generated when the source inductor Ls and the load inductor Ll are close to each other and current flows through one source inductor Ls. to be.
  • the magnetic resonance method combines two resonators and transmits energy wirelessly by using a resonance technique that generates electric and magnetic fields in the same wavelength range while vibrating at the same frequency due to magnetic resonance caused by natural frequencies between the two resonators. It is a technique to do.
  • a transmitter performs magnetic coupling with a source voltage (Vs), a source resistor (Rs), a source capacitor (Cs) for impedance matching, and a receiver according to a device for supplying power. It can be implemented as a source coil (Ls) for the receiver, the receiver is implemented as a load resistance (Rl), the equivalent resistance of the receiver, a load capacitor (Cl) for impedance matching and a load coil (Ll) for magnetic coupling with the transmitter
  • the magnetic coupling degree of the source coil Ls and the load coil Ll may be represented by mutual inductance Msl.
  • Equation 1 when the ratio of the inductance of the transmitting coil (Ls) and the source resistance (Rs) and the ratio of the inductance of the load coil (Ll) and the load resistance (Rl) is the maximum power transmission is possible.
  • the self-reflection value (S11) of the input / output port cannot be zero, and the mutual inductance ( The power transfer efficiency may vary greatly depending on the Msl) value.
  • the source capacitor Cs may be added to the transmitter and the load capacitor Cl may be added to the receiver.
  • the compensation capacitors Cs and Cl may be connected to each of the receiving coil Ls and the load coil Ll in series or in parallel.
  • passive elements such as additional capacitors and inductors may be further added to each of the transmitter and the receiver for impedance matching.
  • a transmitter in a self-resonant equivalent circuit, includes a source coil and a transmitter-side resonant inductor constituting a closed circuit in series connection of a source voltage Vs, a source resistor Rs, and a source inductor Ls.
  • the receiver is connected to the load resistor (Rl) and load inductor (Ll) in series connection
  • a load coil, a receiving side resonant inductor L2, and a receiving side resonant inductor L2 and a receiving side resonant capacitor C2 are implemented as a receiving side resonant coil constituting a closed circuit
  • a source inductor Ls and a transmitting side inductor ( L1) is magnetically coupled with the coupling coefficient of K01
  • the load inductor Ll and the load-side resonant inductor L2 are magnetically coupled with the coupling coefficient of K23
  • the transmitting-side resonant inductor L1 and the receiving-side resonant inductor (L2) is magnetically determined by the coupling coefficient of K12 Sums up.
  • an element for impedance matching may be added, and the impedance matching element may be a passive element such as an inductor and a capacitor.
  • 3A and 3B are block diagrams illustrating a transmitter as one of sub-systems constituting a wireless power transmission system.
  • 3C is a detailed circuit diagram of a transmission-side power converter according to an embodiment.
  • the wireless power transmission system may include a transmitter 1000 and a receiver 2000 that receives power wirelessly from the transmitter 1000.
  • the transmitter 1000 generates and charges a magnetic field based on an AC signal output from the transmitter side power converter 101 and an AC signal output from the transmitter side power converter 101, which converts an input AC signal into an AC signal.
  • the transmitter side control unit 103 may wirelessly communicate with the receiver 2000.
  • the transmitting power converter 101 may include at least one of a power converter for converting an AC signal into a direct current, a power converter for outputting a direct current by varying the level of the direct current, and a power converter for converting a direct current into an alternating current. Can be.
  • the transmission-side resonant circuit unit 102 may include a coil and an impedance matching unit that may resonate with the coil.
  • the transmitting side controller 103 may include a sensing unit and a wireless communication unit for sensing impedance, voltage, and current information.
  • the transmitter 1000 includes a transmitter AC / DC converter 1100, a transmitter DC / AC converter 1200, a transmitter impedance matcher 1300, and a transmitter coil 1400. And a transmitter-side communication and a controller 1500.
  • the transmission-side AC / DC converter 1100 is a power converter that converts an AC signal provided from the outside into a DC signal under the control of the transmission-side communication and the controller 1500, and the transmission-side AC / DC converter 1100.
  • the sub system may include a rectifier 1110 and a transmitter DC / DC converter 1120.
  • the rectifier 1110 is a system for converting an provided AC signal into a DC signal.
  • the rectifier 1110 is a diode rectifier having a relatively high efficiency at high frequency operation, a synchronous rectifier or a one-chip capable synchronous rectifier, or a cost. And a hybrid rectifier capable of saving space and having a high degree of dead time.
  • the transmitter DC / DC converter 1120 adjusts the level of the DC signal provided from the rectifier 1110 under the control of the transmitter-side communication and the control unit 1500. It may be a buck converter, a boost converter that raises the level of the input signal, a buck boost converter or a coke converter that lowers or raises the level of the input signal.
  • the DC-to-DC converter 1120 of the transmitting side includes a switch element having a power conversion control function, an inductor and a capacitor having a power conversion mediating function or an output voltage smoothing function, and a voltage gain adjusting or electrical separation function (isolating function).
  • It may include a transformer, etc., and may function to remove the ripple component or pulsation component (AC component included in the DC signal) included in the input DC signal.
  • an error between the command value of the output signal of the transmitting side DC / DC converter 1120 and the actual output value may be adjusted through a feedback method, which may be performed by the transmitting side communication and the control unit 1500.
  • the transmitter DC / AC converter 1200 converts a DC signal output from the transmitter AC / DC converter 1100 into an AC signal under the control of the transmitter-side communication and the control unit 1500, and converts the frequency of the converted AC signal.
  • An example of implementing the system is a half bridge inverter or a full bridge inverter.
  • various amplifiers for converting direct current into alternating current may be applied. Examples include class A, B, AB, C, and E class F amplifiers.
  • the transmitter DC / AC converter 1200 may include an oscillator for generating a frequency of the output signal and a power amplifier for amplifying the output signal.
  • the transmission-side power converter 101 of FIG. 3A or the transmission-side DC / AC converter 1200 of FIG. 3B is a half bridge inverter according to the control of the first to fourth switching elements Q1 to Q4 as shown in FIG. 3C.
  • it can be driven by a full bridge inverter.
  • the first switching element Q1 maintains turn off.
  • the fourth switching element Q4 may be driven by a half bridge inverter by turning on and turning off the second and third switching elements Q2 and Q3 while maintaining the turn-on state.
  • the switching elements Q1 to Q4 may be driven by a full bridge inverter by controlling the turning on and off.
  • the AC converter 1200 may alternately drive the second and third switching elements Q2 and Q3 in the half bridge inverter driving state, and the first and fourth switching elements Q1 and Q4 in the full bridge interlock driving state. ) And the second and third switching elements Q2 and Q3 may be alternately driven.
  • first to fourth switching elements Q1 to Q4 may be transistors.
  • the AC / DC converter 1100 and the transmitter DC / AC converter 1200 may be replaced with an AC power supply, and may be omitted or replaced with another configuration.
  • the transmission impedance matching unit 1300 minimizes the reflected waves at points having different impedances to improve signal flow. Since the two coils of the transmitter 1000 and the receiver 2000 are spatially separated, there is much leakage of the magnetic field, thereby improving the power transmission efficiency by correcting the impedance difference between the two connection terminals of the transmitter 1000 and the receiver 2000. You can.
  • the transmitter impedance matching unit 1300 may be configured of at least one of an inductor, a capacitor, and a resistor. The impedance may be changed by varying the inductance of the inductor, the capacitance of the capacitor, and the resistance of the resistor under the control of the communication and control unit 1500. You can adjust the impedance value for matching.
  • the transmission impedance matching unit 1300 may have a series resonance structure or a parallel resonance structure, and an inductive coupling between the transmitter 1000 and the receiver 2000 is performed. Increasing the coefficient can minimize energy loss.
  • the transmission impedance matching unit 1300 may change a separation distance between the transmitter 1000 and the receiver 2000, or may have a plurality of foreign objects (FOs).
  • the correction method is a multi-matching method using a capacitor and a multi-antenna. It may be a matching method or a method using a multi-loop.
  • the transmitting coil 1400 may be implemented by a plurality of coils or a singular coil, and when the transmitting coil 1400 is provided in plural, they may be spaced apart from each other or overlapping with each other, and they may be overlapped with each other. In this case, the overlapping area may be determined in consideration of the variation in magnetic flux density.
  • the transmitting side coil 1400 may be manufactured in consideration of the internal resistance and radiation resistance, in this case, if the resistance component is small, the quality factor (Quality factor) can be increased and the transmission efficiency can be increased.
  • the communication and control unit 1500 may include a transmitting side control unit 1510 and a transmitting side communication unit 1520.
  • the transmitter side control unit 1510 takes into account at least one or more of a power request amount of the receiver 2000, a current charge amount, a voltage Vrect of the rectifier output terminal of the receiver unit, each charging efficiency of a plurality of receivers, and a wireless power scheme. It may serve to adjust the output voltage of the DC converter 1100 or the current Itx_coil flowing in the transmission coil.
  • the power to be transmitted may be controlled by generating frequency and switching waveforms for driving the transmission DC / AC converter 1200 in consideration of the maximum power transmission efficiency.
  • the overall operation of the receiver 2000 may be controlled by using an algorithm, a program, or an application required for control read from a storage unit (not shown) of the receiver 2000.
  • the transmitting side controller 1510 may be referred to as a microprocessor, a micro controller unit, or a micom.
  • the transmitting side communicator 1520 may perform communication with the receiving side communicator 2620, and may use a short range communication scheme such as Bluetooth, NFC, or Zigbee as an example of a communication scheme.
  • the transmitter-side communication unit 1520 and the receiver-side communication unit 2620 may perform transmission and reception of charging status information and a charging control command.
  • the charging status information may include the number of the receiver 2000, the remaining battery amount, the number of charges, the usage amount, the battery capacity, the battery ratio, and the amount of transmission power of the transmitter 1000.
  • the transmitter-side communication unit 1520 may transmit a charging function control signal for controlling the charging function of the receiver 2000, and the charging function control signal controls the receiver 2000 to enable or disable the charging function. It may be a control signal that makes it disabled.
  • the transmitting-side communication unit 1520 may be communicated in an out-of-band format configured as a separate module, but is not limited thereto.
  • the receiving unit may use a power signal transmitted by the transmitting unit.
  • the transmitter may perform communication in an in-band format in which the transmitter transmits a signal to the receiver by using a feedback signal transmitted to the transmitter and a frequency shift of a power signal transmitted by the transmitter.
  • the receiver may modulate the feedback signal and transmit information such as charge start, charge end, battery state, etc. to the transmitter through the feedback signal.
  • the transmitting side communication unit 1520 may be configured separately from the transmitting side control unit 1510, and the receiving unit 2000 may also include the receiving side communication unit 2620 in the control unit 2610 of the receiving apparatus or may be configured separately. have.
  • the transmitter 1000 of the wireless power transmission system may further include a detector 1600.
  • the detector 1600 may include an input signal of the transmitting side AC / DC converter 1100, an output signal of the transmitting side AC / DC converter 1100, an input signal of the transmitting side DC / AC converter 1200, and a transmitting side.
  • the output signal of the DC / AC converter 1200, the input signal of the transmitting impedance matching unit 1300, the output signal of the transmitting impedance matching unit 1300, the input signal of the transmitting coil 1400, or the transmitting coil At least one of the signals on the 1400 may be detected.
  • the signal may include at least one of information on current, information on voltage, or information on impedance.
  • the detected signal is fed back to the communication and control unit 1500, and based on this, the communication and control unit 1500 transmits an AC / DC converter 1100, a DC / AC converter 1200, and an impedance matching transmitter.
  • the unit 1300 may be controlled.
  • the communication and control unit 1500 may perform Foreign Object Detection (FOD).
  • FOD Foreign Object Detection
  • the detected signal may be at least one of a voltage and a current.
  • the detector 1600 may be configured with different hardware from the communication and control unit 1500, or may be implemented with one piece of hardware.
  • the wireless power transmission system may include a transmitter 1000 and a receiver 2000 that receives power wirelessly from the transmitter 1000.
  • the receiving device 2000 converts the AC power from the receiving side resonant circuit unit 201 and the receiving side resonant circuit unit 201 to receive an AC signal transmitted from the transmitting apparatus 1000 and outputs the DC signal as a DC signal.
  • the current voltage of the load 2500 and the receiving side resonant circuit unit 201 that are charged by receiving the DC signal output from the receiving power converter 202 and the receiving power converter 202 are sensed or received.
  • the receiving side power converter 202 may include a power converter that converts an AC signal into a direct current, a power converter that outputs a direct current by varying the level of the direct current, and a power converter that converts a direct current into an alternating current.
  • the receiving side power converter 202 may include a power converter that converts an AC signal into a direct current, a power converter that outputs a direct current by varying the level of the direct current, and a power converter that converts a direct current into an alternating current.
  • the wireless power transmission system includes a transmitter (or a transmitter) 1000 and a receiver (or receiver) 2000 that receives power from the transmitter 1000 wirelessly.
  • the receiver 2000 may include a receiver side resonant circuit unit 2120, a receiver side AC / DC converter 2300, and a DC / DC receiver including a receiver side coil unit 2100 and a receiver side impedance matching unit 2200.
  • the DC converter 2400, the load 2500, and the receiver side communication and control unit 2600 may be included.
  • the receiving side AC / DC converter 2300 may be referred to as a rectifying unit rectifying the AC signal into a DC signal.
  • the receiving coil unit 2100 may receive power through a magnetic induction method or a magnetic resonance method. As such, it may include at least one of an induction coil and a resonant coil according to a power reception method.
  • the receiving side coil unit 2100 may be disposed in a portable terminal together with a near field communication (NFC).
  • the receiving side coil unit 2100 may be the same as the transmitting side coil unit 1400, and the dimensions of the receiving antenna may vary according to electrical characteristics of the receiving unit 200.
  • the receiving impedance matching unit 2200 performs impedance matching between the transmitter 1000 and the receiver 2000.
  • the receiving AC / DC converter 2300 rectifies the AC signal output from the receiving coil unit 2100 to generate a DC signal.
  • the output voltage of the receiving side AC / DC converter 2300 may be referred to as a rectified voltage Vrect, and the receiving side communication and control unit 2600 may output the output voltage of the receiving side AC / DC converter 2300.
  • the minimum rectified voltage Vrect_min (or the minimum output voltage Vrect_min), which is the minimum value of the output voltage of the receiving side AC / DC converter 2300, and the maximum rectified voltage Vrect_max, which is the maximum value, may be detected or changed.
  • the same state parameter information may be transmitted to the transmitter 1000.
  • the receiving DC / DC converter 2400 may adjust the level of the DC signal output from the receiving AC / DC converter 2300 according to the capacity of the load 2500.
  • the load 2500 may include a battery, a display, a voice output circuit, a main processor, a battery manager, and various sensors.
  • the load 2500 may include at least a battery 2510 and a battery manager 2520 as shown in FIG. 4A.
  • the battery manager 2520 may adjust the voltage and current applied to the battery 2510 by detecting a charging state of the battery 2510.
  • the receiving side communication and control unit 2600 may be activated by the wake-up power from the transmitting side communication and the control unit 1500, perform communication with the transmitting side communication and the control unit 1500, and serve as a sub-unit of the receiving unit 2000. You can control the operation of the system.
  • the receiver 2000 may be configured in singular or plural to receive energy from the transmitter 1000 at the same time wirelessly. That is, in the wireless resonant wireless power transmission system, the plurality of target receivers 2000 may receive power from one transmitter 1000.
  • the transmitter matching unit 1300 of the transmitter 1000 may adaptively perform impedance matching between the plurality of receivers 2000. The same may be applied to the case where a plurality of receiving side coil parts are independent of each other in a magnetic induction method.
  • the power reception method may be the same system or may be a different type of system.
  • the transmitter 1000 may be a system for transmitting power in a magnetic induction method or a magnetic resonance method or a system using both methods.
  • the transmitting side AC / DC converter 1100 in the transmitter 1000 is tens or hundreds of V (for example It can receive and transmit AC signal of tens or hundreds of Hz (for example, 60Hz) of 110V ⁇ 220V) and convert it into DC signal of several to tens of V and hundreds of V (for example, 10V ⁇ 20V).
  • the side DC / AC converter 1200 may receive a DC signal and output an AC signal having a KHz band (for example, 125 KHz).
  • the receiving side AC / DC converter 2300 of the receiving unit 2000 receives an AC signal having a KHz band (for example, 125 KHz) and receives a direct current of several V to several tens of V and hundreds of V (for example, 10 V to 20 V).
  • the signal may be converted into a signal and output, and the receiving side DC / DC converter 2400 may output a DC signal suitable for the load 2500, for example, a 5V DC signal, and transmit the DC signal to the load 2500.
  • the transmitting side AC / DC converter 1100 in the transmitting unit 1000 has tens or hundreds of V bands (for example, 110V to 220V) of several tens or hundreds of Hz bands (for example, It receives the AC signal of 60Hz) and converts it into a DC signal of several V to several tens of V and several hundred V (for example, 10V to 20V), and outputs the DC signal.
  • the transmitter DC / AC converter 1200 applies a DC signal.
  • AC signal in the MHz band (for example, 6.78 MHz) can be output.
  • the receiver AC / DC converter 2300 of the receiver 2000 receives an AC signal of MHz (for example, 6.78 MHz) and receives a receiver of several V to several tens of V and several hundred V (for example, 10 V to 20 V).
  • the DC signal may be converted into a DC signal and output, and the DC / DC converter 2400 may output a DC signal of, for example, 5V suitable for the load 2500 and transmit the DC signal to the load 2500.
  • 5 is a flowchart illustrating an operation of a wireless power transmission system, focusing on an operation state of a transmitter according to an embodiment.
  • 6 is a graph showing a driving state of the power converter according to the load of the receiver.
  • the transmitting apparatus may have at least 1) a selection state, 2) a detection state, 3) an identification and setting state, 4) a power transmission state, and 5) a charging termination state.
  • the transmitting apparatus 1000 may perform a detection process to select the receiving apparatus 2000 present in the sensing region or the charging region.
  • the sensing area or the charging area may refer to an area in which an object in the corresponding area may affect the characteristics of the power of the transmitting power converter 101.
  • the detection process for selecting the reception apparatus 2000 in the selection state is based on the transmission apparatus 1000 instead of receiving a response from the reception apparatus 2000 using a power control message.
  • the power conversion unit 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 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 packet in a digital format in a detection state to be described later.
  • the transmitter 1000 may detect that an object enters or exits the sensing area or the charging area. In addition, the transmitter 1000 may distinguish between the receiver 2000 capable of wirelessly transmitting power from other objects in the sensing area or the charging area and other objects (eg, a key, a coin, etc.). .
  • the sensing areas in which the object is detected in the selected state may be different from each other.
  • the transmission apparatus 1000 in the selected state may monitor an interface surface (not shown) to detect the placement and removal of objects.
  • the transmitter 1000 may detect the position of the wireless power receiver 2000 placed on the interface surface.
  • the selection state enters the detection state, and in response to the detection signal from the object is transmitted using the respective coils in the detection state. Or whether the identification information is transmitted from the object after entering the identification state.
  • the transmitter 1000 may determine a coil to be used for wireless power transmission based on the detected position of the receiver 2000 obtained through the above process.
  • the transmission apparatus 1000 in the selected state may detect an object by at least one of the detection methods according to the inductive coupling method and the resonance coupling method.
  • the transmitter 1000 may perform an object detection process according to each power transmission method, and then select a method of detecting the object from a combination method for wireless power transfer in order to proceed to other states. .
  • the wireless power signal formed by the transmitting apparatus 1000 in the selected state to detect an object and the wireless power signal formed for digital detection, identification, setting, and power transmission in subsequent states have their frequency. , Strength, etc. may vary. This means that the selected state of the transmitter 1000 corresponds to an idle phase for detecting an object, so that the transmitter 1000 reduces power consumption in the air or generates a specialized signal for efficient object detection. To make it possible.
  • the transmitter 1000 may perform a process of detecting the receiver 2000 existing in the sensing area or the charging area through a power control message. Compared with the detection process of the receiving apparatus 2000 using the characteristics of the wireless power signal in the selected state, the detection process in the detection state may be referred to as digital ping.
  • the transmitter 1000 forms a wireless power signal for detecting the receiver 2000, demodulates a wireless power signal modulated by the receiver 2000, and from the demodulated wireless power signal, A power control message in the form of digital data corresponding to the response to the detection signal may be obtained.
  • the transmitter 1000 may recognize the receiver 2000 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 transmitter 1000 in the detection state to perform a digital detection process may be a wireless power signal formed by applying a power signal of a specific operating point for a predetermined time.
  • the operation point herein may mean a frequency, a duty cycle, and an amplitude of a voltage applied to the transmitting coil unit 1400.
  • the transmitter 1000 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 receiver 2000.
  • the power control message corresponding to the response to the detection signal may be a message indicating the strength of the wireless power signal received by the receiver 2000.
  • the receiver 2000 may transmit a signal strength packet including a message indicating the strength of the received wireless power signal as a response to the detection signal.
  • the packet may be configured to include a header indicating that the packet indicates a signal strength and a message indicating the strength of the power signal received by the receiving apparatus 2000.
  • the strength of the power signal in the message may be a value representing a degree of coupling of inductive coupling or resonance coupling for power transmission between the transmitter 1000 and the receiver 2000.
  • the transmitter 1000 may extend the digital detection process to enter the identification and detection state. That is, the transmitter 1000 may receive the power control message required in the identification and detection state by maintaining the power signal of the specific operation point after discovering the receiver 2000.
  • the operating state of the transmitter 1000 may return to the selected state.
  • the transmitting apparatus 1000 may receive the identification information and / or setting information transmitted by the receiving apparatus 2000 so as to efficiently transmit power.
  • the receiving device 2000 may transmit a power control message including its own identification information.
  • the receiving device 2000 may transmit, for example, an identification packet including a message indicating the identification information of the receiving device 2000.
  • the packet may be configured to include a header indicating that the packet indicates identification information and a message including identification information of the receiving apparatus 2000.
  • the message may be configured to include information indicating a version of a protocol for wireless power transmission, information identifying a manufacturer of the receiver 2000, information indicating whether an extended device identifier exists, and a basic device identifier.
  • an extended identification packet including the extended device identifier may be separately transmitted.
  • the packet may be configured to include a message indicating that the packet indicates an extension device identifier and an extension device identifier.
  • information based on the manufacturer's identification information, the basic device identifier, and the extended device identifier may be used to identify the receiver 2000.
  • the receiving device 2000 may transmit a power control message including information on the expected maximum power.
  • the receiving device 2000 may transmit, for example, a configuration packet.
  • the packet may be configured to include a header indicating that the packet is a setup packet and a message including information on the expected maximum power.
  • the message may be configured to include a power class, information on an expected maximum power, an indicator indicating a method of determining a current of a main cell on the side of the wireless power transmitter 1000, and an optional number of configuration packets.
  • the indicator may indicate whether or not the current of the main cell of the transmitter 1000 side is to be determined as specified in the protocol for wireless power transmission.
  • the transmitter 1000 may generate a power transfer contract used for power charging with the receiver 2000 based on the identification information and / or configuration information.
  • the power transfer protocol may include limits of parameters that determine power transfer characteristics in the power transfer state.
  • the transmitter 1000 may end the identification and setting state before returning to the power transmission state and return to the selection state. For example, the transmitter 1000 may terminate the identification and setup state in order to find another receiver 2000 that can receive power wirelessly.
  • the transmitter 1000 in the power transmission state transmits power to the receiver 2000.
  • the transmitter 1000 may transmit the wireless power by controlling the power converter 101 according to the version of the receiver 2000 based on the received identification packet.
  • the power converter 101 may be driven by a half bridge inverter to transmit wireless power.
  • the power conversion unit 101 may be driven by a full bridge inverter to transmit wireless power.
  • the load of the receiver 2000 increases as the version of the receiver 2000 moves from the low power class to the middle power class.
  • the power converter 101 of the transmitter 1000 may transmit the wireless power to the receiver 2000 corresponding to a small load, that is, a low power class, as the half converter is driven by the half bridge inverter.
  • the wireless power may be changed through at least one of a duty ratio and a switching frequency of the switching elements Q2 and Q3.
  • the amount can be adjusted.
  • the switching frequency of the switching elements Q2 and Q3 of the power converter 101 with respect to the receiver 2000 having a load smaller than that of the first load Load1 is a duty in a state where the third driving frequency f3 is fixed.
  • the amount of wireless power can be adjusted by adjusting the duty ratio and switching under a fixed duty ratio for the receiver 2000 having a load larger than one load 1 and smaller than a second load 2.
  • the amount of wireless power may be adjusted according to the frequency adjustment, that is, the frequency change between the third driving frequency f3 and the second driving frequency f2.
  • the present invention is not limited to the drawings, and the amount of wireless power may be adjusted according to the switching frequency change with respect to the receiver 2000 having a load smaller than the first load Load1, and the first load Load1.
  • the amount of wireless power may be adjusted for the receiver 2000 having a larger load and smaller than the second load Load2 according to the duty ratio change.
  • the switching frequency and the duty ratio may be simultaneously changed and the amount of wireless power may be adjusted.
  • the power converter 101 drives the full bridge inverter with respect to the middle power receiver 2000 having a load larger than that of the second load Load2, and the switching frequency of the switching elements Q1 to Q4 is set to the second.
  • the amount of wireless power can be adjusted through phase shift or switching frequency change.
  • the driving frequency of the switching elements Q1 to Q4 of the power converter 101 is the second driving frequency with respect to the receiving device 2000 having a load larger than the second load Load2 and smaller than the third load Load3.
  • the amount of wireless power can be adjusted through the phase shift, and the switching elements Q1 to the power conversion unit 101 of the receiving device 2000 having a load larger than the third load (Load3).
  • the amount of wireless power can be adjusted according to the change of the switching frequency of Q4), that is, the change of the driving frequency between the second driving frequency f2 and the first driving frequency f1.
  • the present invention is not limited to the drawings, and the amount of wireless power can be adjusted according to the switching frequency change with respect to the receiver 2000 having a load larger than the second load 2 and smaller than the third load 3.
  • the amount of wireless power may be adjusted according to the phase shift with respect to the receiver 2000 having a load larger than the third load Load3.
  • the amount of wireless power may be adjusted by simultaneously changing the switching frequency and shifting the phase with respect to the receiving apparatus 2000 having a load larger than the second load Load2.
  • the transmitting apparatus 1000 receives a power control message from the receiving apparatus 2000 while transmitting power, and the characteristic of the power applied to the transmitting coil unit 1400 in response to the received power control message. Can be adjusted.
  • the power control message used to adjust the power characteristic of the transmitting coil may be included in a control error packet.
  • the packet may be configured to include a message indicating a control error packet and a message including a control error value.
  • the transmitter 1000 may adjust power applied to the transmitter coil according to the control error value. That is, when the control error value is 0, since the control point required by the receiver 2000 and the actual control point of the receiver 2000 are substantially the same, The applied current can be maintained, reduced for negative values, and adjusted to increase for positive values.
  • the power converter 101 drives the half bridge inverter at the initial driving time of the power transmission state, and the first control error packet (1 st Control Error Packet), which is the first control error packet.
  • the version of the receiver 2000 is determined based on the received identification packet, and when the receiver 2000 corresponds to a low power level, the half-bridge inverter of the power converter 101 is driven. In the case of the middle power class, it can be changed to drive the full bridge inverter.
  • the transmitter 1000 may monitor parameters in a power transfer contract generated based on the identification information and / or configuration information. As a result of monitoring the parameters, if the power transmission with the receiving apparatus 2000 violates the limitations included in the power transmission protocol, the transmitting apparatus 1000 cancels the power transmission and returns to the selection state. I can go.
  • the power transfer protocol also relates to the threshold current value of the current induced on the receiving coil unit 2100 of the receiving apparatus 2000 and the characteristics of the power transmitted from the transmitting apparatus 1000 to the receiving apparatus 2000. It may include boundary conditions.
  • the transmitting apparatus 1000 may terminate the power transmission state based on the power control message transmitted from the receiving apparatus 2000.
  • a power control message requesting the transmission device 1000 to stop the wireless power transmission is sent. I can deliver it.
  • the transmitter 1000 may end the wireless power transmission and return to the selection state.
  • the receiver 2000 may transmit a power control message requesting renegotiation or reconfigure to update an already generated power transfer protocol.
  • the receiver 2000 may transmit a message for 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 transmitter 1000 may end the wireless power transmission and return to the identification and setting state.
  • the message transmitted by the receiving device 2000 may be, for example, an end power transfer packet as shown in FIG. 18.
  • the packet may be configured to include a message indicating a power transmission interruption packet and a message including a power transmission interruption code indicating a reason for the interruption.
  • the power transmission stop code includes charge complete, internal fault, over temperature, over voltage, over current, battery failure, reconfigure, It may indicate one of a no response and an unknown error.
  • FIG. 7 is a flowchart illustrating a method for determining a required power of a receiver.
  • the reception apparatus 2000 1) determines a desired control point (S210), 2) detects an actual control point (S230), and 3 )
  • the control error value generation step S250 may be performed to determine the power to be received, that is, the required power.
  • the receiving device 2000 may determine a required control point regarding voltage, current, temperature, and the like.
  • the receiver 2000 may determine an actual control point regarding an actual voltage, a current, a temperature, and the like.
  • various methods such as voltage, current detection, and temperature sensing may be applied, and the process may be performed at any time during the power transmission state.
  • the receiving device 2000 may generate a control error value based on a difference between a required control voltage value and an actual control voltage value.
  • the control error value may be a parameter indicating a positive value and a negative value.
  • the control error value may refer to a positive value, and the actual power amount is greater than the required power amount. In many cases, the control error value may refer to a negative value and may have a zero value when the required amount of power and the actual amount of power are the same.
  • the coupling coefficient may be drastically lowered according to the alignment between the transmitter 1000 and the receiver 2000 in the power control process, and thus the required amount of power of the receiver 2000 may be instantaneously increased.
  • the receiver 2000 may request the transmitter 1000 the amount of power required so that the current induced in the receiver coil unit 2100 exceeds a threshold value, but the transmitter 1000 receives the receiver side nose. Since the wireless power generated within the range of the reset driving frequency is transmitted based on the threshold value of the current induced in the portion 2100, the problem that the receiver 2000 is damaged is prevented.
  • the control error value may be transmitted to the transmitter 1000 in the form of a control error packet.
  • the new transmission power When the new transmission power is received from the transmitting device that has received the control error value, it may be determined whether the new transmission power satisfies the requested power through the above-described steps.
  • FIG. 8 is a graph showing the magnitude of the coil current on the transmitting-side coil unit according to the driving frequency.
  • 9 and 10 are flowcharts illustrating operations of a transmitter including a driving frequency threshold value setting step.
  • the power conversion unit 101 may determine whether a version of the reception device 2000 included in the identification packet received in the identification and setting state, that is, whether the reception device 2000 is low power or middle power.
  • One of the half-bridge inverters and the full-bridge inverters may operate, and the switching frequency of the power converter 101 may be any one of the driving frequency values in the range of the first driving frequency f1 to the third driving frequency f3. Can be.
  • the frequency values of the first driving frequency f1, which is the minimum frequency, and the third driving frequency f3, which is the maximum frequency may be preset according to the capacity or type of the transmitter 1000.
  • the switching frequency may be formed at the second driving frequency f2.
  • the transmitting coil current on the transmitting side coil unit 1400 may be the first current A1.
  • the driving frequency may be changed. That is, in the half bridge inverter driving state, the amount of wireless power can be increased by increasing the driving frequency, and in the full bridge inverter driving state, the amount of wireless power can be increased by decreasing the driving frequency.
  • the coupling coefficient becomes smaller than 0.5, and the half-bridge inverter driving state is maintained in order to keep the amount of power to be received by the receiving device 2000 constant.
  • the wireless power amount may be increased by increasing the driving frequency
  • the full bridge inverter driving state the wireless power amount may be increased by lowering the driving frequency.
  • the coupling coefficient may be abruptly changed or the coupling coefficient is significantly lowered, there may be a change to the first drive frequency f1 having the lowest driving frequency or to a third drive frequency f3 having the maximum driving frequency. have.
  • the current applied on the transmitting side coil unit 1400 may be equal to or greater than the second current A2 and the third current A3.
  • the amount of current induced in the receiving coil unit 2100 of the receiving apparatus 2000 may also increase rapidly, which may damage the receiving apparatus 2000, thus resetting the threshold value of the driving frequency. This can be prevented.
  • the threshold value of the driving frequency may be reset before entering the power transfer state based on the information on the current threshold value of the receiver 2000 included in the identification packet.
  • the threshold value of the driving frequency may be reset based on the information on the current threshold value of the receiver 2000 included in the identification packet after receiving the first control error packet in the state of entering the power transmission state as shown in FIG. 10. have.
  • the transmitter 1000 The threshold of the driving frequency may be determined as a frequency within a range of the fourth to fifth driving frequencies f4 and f5 that match the fourth current A4.
  • the magnitude of the transmitting coil current on the transmitting coil unit 1400 may be changed through the duty ratio or the phase shift of the switching element, and accordingly, the amount of current induced in the receiving coil unit 2100 may be adjusted. have. Even in this case, the size of the transmitting coil current on the transmitting coil unit 1400 is limited in consideration of the threshold value of the amount of current induced in the receiving coil unit 2100, thereby preventing the receiving apparatus 2000 from being damaged. Can be.
  • 11 is a diagram illustrating in detail a control unit of a transmitter for a power transmission control method.
  • 12 is a timing diagram of a transmitter in a power transmission state.
  • the control unit 103 of the transmission apparatus 1000 may control the current of the transmission coil unit 1400 to become a new transmission coil current.
  • This power transfer control can be implemented based on a proportional integral differential (PID) algorithm.
  • the transmitter 1000 may include a first operator 11 and a second operator 15, a proportional controller 12a, an integral controller 12b, and a derivative controller 12c.
  • the first to fifth amplifiers 13a, 13b, 13c, 13d, and 13e and the first and second summers 14a and 14b may be included.
  • the power conversion unit 101 may be performed by performing the following process. Can be controlled.
  • Each of the first to fifth amplifiers 13a, 13b, 13c, 13d, and 13e may have at least one function of an amplifier, a buffer, and a delay.
  • the new transmitter coil current td (j) may be calculated according to Equation (3).
  • ta (j-1) refers to the actual (current) actual primary cell current, determined according to the previous control error packet c (j-1), and c (j) is j (th) It may refer to a control error value included in a control error packet.
  • ta (0) may refer to a current of the transmitting coil unit 1400 at the start of the power transmission state.
  • a magnetic field may be generated in the transmission coil unit 1400 based on the transmission coil current to generate output power.
  • the first operator 11 receives an actual transmission coil current ta (j-1) through a j-th control error packet and a first amplifier 13a, and performs a calculation process according to Equation 3 above. After passing through the new transmission coil current td (j) can be calculated and output.
  • the transmitter 1000 may adjust the transmit coil current for a preset time (t_active in FIG. 13). . To this end, the transmitter 1000 may execute a loop including a step to be described later.
  • ta (j, i-1) may refer to the transmission coil current determined by the i-1 th loop.
  • ta (j, 0) may refer to the actual transmission coil current at the start of the loop.
  • the first adder 14a sums the new transmit coil current td (j) and the actual transmit coil current ta (j, i-1) determined by the i-1 th loop from the second amplifier 13a. By calculating the error (error) and output the calculated error to the PID controller 12.
  • the PID controller 12 of the transmitter 1000 determines a control amount through a proportional control (P) for changing the control amount in proportion to an error, an integral control (I) for integrating and controlling the error, and an amount of change in the error.
  • P proportional control
  • I integral control
  • Differential control D can be executed.
  • the PID controller 12 may calculate a proportional term, an integral term, and a derivative term, as represented by equation (5). Specifically, proportional controller 12a calculates proportional element P (j, i) based on the error, integral controller 12b calculates integral element I (j, i) based on the cumulative value of the error, and derivative The controller 12c may calculate the derivative element D (j, i) based on the amount of change in the error.
  • the transmitter 1000 may limit the integral term I (j, i) within the range of -M_I .. + M_I, and may change the calculated integral element I (j, i) to an appropriate boundary value as necessary.
  • M_I is an integral term limit parameter.
  • the output signal of the integrating controller 12b can be fed back to its input via the fourth amplifier 13d, where the fed back output signal is the integral term I of the previous (i-1 < th >) loop. (j, i-1)).
  • the input signal of the derivative controller 12c can be input to the differential controller 12c via the third amplifier 13c, where the input signal is the error (e (j) of the previous (i-1 < th >) loop. , i-1)).
  • the second summer 14b of the transmitter 1000 is the proportional element P (j, i) output from the proportional controller 12a and the integral element I output from the integration controller 12b, as shown in equation (6).
  • the sum (i) and the control amount PID (j, i) can be calculated by summating (j, i) and the derivative element D (j, i) output from the derivative controller 12c.
  • the transmitter 1000 may output the current control amount PID (j, i), and the current control amount PID (j, i) is within the range of -M_PID .. + M_PID. You can limit it.
  • M_PID is a PID output limit parameter.
  • the transmitter 1000 may calculate a new controlled variable value based on Equation (7).
  • Sv may refer to a scaling factor based on a control variable.
  • control variable v (i, 0) v (j-1, i_max), and v (0,0) refers to the actual value of the controlled variable at the start of the power transfer state. can do.
  • the control variable may be any one of an operating frequency, a duty cycle of the DC / AC converter 1200, or an amount of change in an input voltage or a phase shift of the DC / AC converter 1200. Can be one.
  • the transmitter 1000 may change the calculated v (j, i) to an appropriate limit value.
  • the second operator 15 controls the current (i) control amount PID (j, i) and its output via the fifth amplifier 13e to feed back the control variable of the previous (i-1st) loop. Based on the value, a new control variable value v (j, i) may be calculated according to Equation 7.
  • At least one of the scaling factor Sv or the new control variable value v (j, i) may be adjusted to appropriately limit the current induced in the receiving coil unit 2100 within the current threshold value range.
  • scaling factor Sv may vary depending on the driving frequency range as shown in Table 1 as an example.
  • the driving frequency of the transmitter 1000 is in the range of 110 kHz to 205 kHz as shown in Table 1, the current threshold value induced on the receiver side coil part 2100 of the receiver 2000 received in the identification state. If it is necessary to limit the driving frequency to a value larger than 110 kHz and smaller than 205 kHz, the lowest scaling factor Sv of the scaling factors Sv may be changed to a value larger than 1.5, and the maximum scaling factor Sz. ) Can be changed to a value less than 5.
  • the frequency range of the driving frequency can be reset by making the minimum and maximum values of the driving frequency different.
  • the scaling factor Sv may be reset before entering the power transfer state as described with reference to FIG. 9 or after receiving the first control error packet as described with reference to FIG. 10.
  • the power conversion unit 101 when the control variable becomes an operating frequency, the power conversion unit 101 operates at a frequency higher than 160 kHz in the driving state of the half bridge inverter of the power conversion unit 101 at the boundary of 160 kHz in Table 1.
  • the new control variable value v (j, i) may be changed so that the driving frequency does not exceed the limit maximum value (for example, the fourth driving frequency f4 of FIG. 7).
  • the power conversion unit 101 In the full bridge inverter driving state of the unit 101, the power conversion unit 101 may drive at a driving frequency lower than 160 kHz, and the driving frequency is the minimum limit value (for example, the fifth driving frequency f5 of FIG. 7).
  • the new control variable value v (j, i) can be changed so as not to exceed.
  • the transmitter 1000 may apply a control value v (j, i) of a new value to the DC / AC converter 1200, and the new control variable v (j, i) may be a receiving coil unit ( The current value induced at 2100 does not exceed the current threshold value and does not damage the receiving device 2000 even when the coupling coefficient is suddenly changed.
  • the transmitter 1000 may generate new power according to the transmission coil current ta (j, i) determined by the first calculator 11 based on the control value v (j, i) of the new value. have.
  • the transmitter 1000 may determine the transmission coil current ta (j) for a time t_delay + t_active + t_settle after the reception end time of the j (th) control error packet.
  • t_delay may mean a time delay for performing power control according to the previous control error packet after receiving the previous control error packet, and t_active performs power control according to the previous control error packet (transmitted as an example according to the drawing). Power may be increased), and t_settle may mean settling time of a target power value.
  • the integral term limit parameter M_I, the PID output limit parameter M_PID, and v (j, i) exceed the preset ranges
  • the predetermined range and the scaling factor Sv at the time of determination are characterized by the transmission power characteristics of the power transfer contract, the specification of the transmitting apparatus 1000, the specification and capacity of the transmitting coil unit 1400, and the receiving apparatus. It may be determined in consideration of the current threshold of 2000 and the like.
  • the transmitter 1000 receiving the control error packet may determine a new transmission coil current and determine a new transmission power based on the new transmission coil current. According to the new transmission power amount, the wireless power transmission may be stopped without generating the new transmission power, or the new transmission power may be generated to continue the wireless power transmission.
  • the reception power of the receiver 2000 is lower than the power output from the transmitter 1000.
  • the receiver 2000 may require more power, and thus the amount of transmit power of the transmitter 1000 may increase.
  • the receiving device 2000 since the wireless power is generated and transmitted within the reset driving frequency range in consideration of the current threshold value of the receiving device 2000, the receiving device 2000 is damaged due to excessive transmission power and heat generation due to excessive transmission power. You can solve the problem.
  • the transmission power of the transmitter 1000 suddenly changes suddenly. Even in such a situation, since the induced current on the receiving side coil unit 2100 does not exceed a threshold value, damage to the receiving device 2000 can be prevented in advance.

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Abstract

송신장치로부터 수신장치에 무선으로 전력을 전송하는 방법으로서, 상기 수신장치의 검출을 위한 신호를 송신하는 단계, 상기 수신장치로부터 식별 패킷을 수신하는 단계, 상기 수신장치의 식별 패킷에 기초하여 송신장치의 구동 주파수의 범위를 재 설정하는 단계 및 상기 재 설정된 구동 주파수의 범위 내에서 생성된 무선 전력을 전송하는 단계를 포함하는 전력 전송 방법.

Description

무전전력전송 시스템 및 이의 구동 방법
본 발명은 무전전력전송 시스템 및 이의 구동 방법에 관한 것이다.
일반적으로 각종 전자 기기가 배터리를 구비하고, 배터리에 충전된 전력을 이용하여 구동한다. 이 때 전자 기기에서, 배터리는 교체될 수 있으며, 재차 충전될 수도 있다. 이를 위해, 전자 기기는 외부의 충전 장치와 접촉하기 위한 접촉 단자를 구비한다. 즉 전자 기기는 접촉 단자를 통해, 충전 장치와 전기적으로 연결된다. 그런데, 전자 기기에서 접촉 단자가 외부로 노출됨에 따라, 이물질에 의해 오염되거나 습기에 의해 단락(short)될 수 있다. 이러한 경우, 접촉 단자와 충전 장치 사이에 접촉 불량이 발생되어, 전자 기기에서 배터리가 충전되지 않는 문제점이 있다.
상기한 문제점을 해결하기 위하여, 무선으로 전자 기기를 충전하기 위한 무선전력전송(Wireless Power Transfer; WPT)이 제안되고 있다.
무선전력전송 시스템은 공간을 통하여 선 없이 전력을 전달하는 기술로써, 모바일(Mobile) 기기 및 디지털 가전 기기들에 대한 전력 공급의 편의성을 극대화한 기술이다.
무선전력전송 시스템은 실시간 전력 사용 제어를 통한 에너지 절약, 전력 공급의 공간 제약 극복 및 배터리 재충전을 이용한 폐 건전지 배출량 절감 등의 강점을 지닌다.
무선전력전송 시스템의 구현 방법으로써 대표적으로 자기유도방식과 자기공진방식이 있다. 자기유도방식은 두 개의 코일을 근접시켜 한쪽의 코일에 전류를 흘려 그에 따라 발생한 자속을 매개로 하여 다른 쪽의 코일에도 기전력이 발생하는 비접촉 에너지 전송기술로써, 수백 kHz의 주파수를 사용할 수 있다. 자기 공진 방식은 전자파나 전류를 이용하지 않고 전장 또는 자장만을 이용하는 자기 공명 기술로써 전력 전송이 가능한 거리가 수 미터 이상으로써, 수 MHz의 대역을 이용할 수 있다.
무선전력전송 시스템은 무선으로 전력을 전송하는 송신장치와 전력을 수신하여 배터리 등 부하를 충전하는 수신장치를 포함한다. 이 때 수신장치의 충전 방식, 즉 자기 유도 방식과 자기 공진 방식 중 어느 하나의 충전 방식을 택할 수 있고, 수신장치의 충전 방식에 대응하여 무선으로 전력을 전달할 수 있는 송신장치가 개발되고 있다.
한편 송신장치의 충전영역에 배치된 수신장치를 의도적으로 흔들거나, 자동차와 같이 수신장치의 흔들림 현상이 빈번하게 나타나는 경우, 상기 송수신장치 간의 미스 얼라인에 따른 결합계수의 급변으로 상기 송신장치로부터의 송신 전력이 급변함으로써 상기 수신장치에 손상을 가하는 문제가 있었다.
이처럼 송신 전력의 급변함에 따라 과도한 송신 전력이 송신되는 경우, 수신장치의 수신코일 상에 과전압이 걸리는 문제가 있다. 수신장치는 과전압을 방지하기 위하여 송신장치로 송신 전력을 감소하라는 피드백을 제공하거나, 자체적으로 클램프 커패시터(clamp capacitor)를 구비하여 과도한 송신 전력에 따른 과전류를 방전하는 기능을 가지나, 과도한 송신 전력에 따라 수신장치가 피드백 제공 전에 이미 손상을 입거나, 클램프 커패시터만으로는 순간적으로 급변하는 과전류에 대응하는데 한계가 있다.
실시예는 무선 충전 중인 수신장치의 흔들림 등의 원인으로 송신장치와 수신장치의 결합 계수가 급변함에 따른 전력 전송의 불안정을 해결할 수 있는 무전전력전송 시스템 및 이의 구동 방법을 제공할 수 있다.
실시예에 따른 전력 전송 방법은, 송신장치로부터 수신장치에 무선으로 전력을 전송하는 방법으로서, 상기 수신장치의 검출을 위한 신호를 송신하는 단계; 상기 수신장치로부터 식별 패킷을 수신하는 단계; 상기 수신장치의 식별 패킷에 기초하여 송신장치의 구동 주파수의 범위를 재 설정하는 단계; 및 상기 재 설정된 구동 주파수의 범위 내에서 생성된 무선 전력을 전송하는 단계;를 포함하는 전력 전송 방법을 제공할 수 있다.
실시예에 따른 전력 전송 방법에서, 상기 구동 주파수의 범위를 재 설정하는 단계는, 상기 구동 주파수의 최소 주파수와 최대 주파수를 재 설정하는 전력 전송 방법을 제공할 수도 있다.
실시예에 따른 전력 전송 방법에서, 상기 구동 주파수의 범위는, 상기 식별 패킷에 포함된 수신측 코일부의 전류 임계 값에 기초하여 재 설정되는 전력 전송 방법을 제공할 수도 있다.
실시예에 따른 전력 전송 방법에서, 상기 구동 주파수의 범위는, 상기 수신장치로부터 제어 오차 패킷을 수신한 후, 상기 식별 패킷에 기초하여 재 설정되는 전력 전송 방법을 제공할 수도 있다.
실시예에 따른 전력 전송 방법에서, 상기 재 설정된 구동 주파수의 최소 주파수는 상기 송신장치의 기 설정된 구동 주파수의 최소 주파수보다 큰 전력 전송 방법을 제공할 수도 있다.
실시예에 따른 전력 전송 방법에서, 상기 재 설정된 구동 주파수의 최대 주파수는 상기 송신장치의 기 설정된 구동 주파수의 최대 주파수보다 작은 전력 전송 방법을 제공할 수도 있다.
실시예에 따른 전력 전송 방법에서, 상기 수신장치로부터 제어 오차 패킷을 수신하는 단계; 및 상기 제어 오차 패킷의 수신장치의 요구 전력량에 대한 정보에 기초하여 무선 전력을 생성하는 단계;를 더 포함하는 전력 전송 방법을 제공할 수도 있다.
실시예에 따른 전력 전송 방법에서, 상기 무선 전력을 생성하는 단계는, 비례 제어, 적분 제어 및 미분 제어(proportional integral differential control; 이하 PID 제어)에 기초하여 무선 전력을 생성하는 전력 전송 방법을 제공할 수도 있다.
실시예에 따른 전력 전송 방법에서, 이전 제어 오차 패킷에 따른 전회 제어 변수에 현재 제어 오차 패킷에 따른 금회 PID 제어량과 스케일링 팩터의 곱의 차이 값에 기초하여 금회 제어 변수를 설정하고 상기 금회 제어 변수에 기초하여 무선 전력을 생성하는 전력 전송 방법을 제공할 수도 있다.
실시예에 따른 전력 전송 방법에서, 상기 스케일링 팩터는 재 설정된 상기 구동 주파수의 범위에 기초하여 변경되는 전력 전송 방법을 제공할 수도 있다.
실시예에 따른 전력 수신 방법은, 수신장치가 송신장치로부터 무선으로 전력을 수신하는 방법으로서, 상기 송신장치로부터의 검출 신호에 대한 응답 신호를 송신하는 단계; 상기 송신장치로 식별 패킷를 송신하는 단계; 및 상기 식별 패킷에 기초하여 재 설정된 구동 주파수의 범위에 따라 생성된 무선 전력을 수신하는 단계;를 포함하는 전력 수신 방법을 제공할 수도 있다.
실시예에 따른 전력 수신 방법에서, 상기 식별 패킷은 상기 수신장치의 전류 임계 값을 포함하고, 상기 전류 임계 값에 기초하여 상기 구동 주파수의 범위는 재 설정되는 전력 수신 방법을 제공할 수도 있다.
실시예에 따른 전력 수신 방법에서, 상기 구동 주파수의 최소 주파수와 최대 주파수를 재 설정하여 상기 구동 주파수의 범위가 재 설정되는 전력 수신 방법을 제공할 수도 있다.
실시예에 따른 전력 수신 방법에서, 상기 재 설정된 구동 주파수의 최소 주파수는 상기 송신장치의 기 설정된 구동 주파수의 최소 주파수보다 큰 전력 전송 방법을 제공할 수도 있다.
실시예에 따른 전력 수신 방법에서, 상기 재 설정된 구동 주파수의 최대 주파수는 상기 송신장치의 기 설정된 구동 주파수의 최대 주파수보다 작은 전력 전송 방법을 제공할 수도 있다.
실시예에 따른 전력 수신 방법에서, 수신한 무선 전력과 요구 전력을 비교하는 단계; 및 상기 비교 결과에 따라 상기 송신장치로 제어 오차 패킷을 송신하는 단계;를 더 포함하고, 상기 제어 오차 값은 양수, 영 또는 음수 중 어느 하나이고, 상기 전력 증가 요청 신호는 양수의 제어 오차 값에 대응하고, 전력 유지 요청 신호는 영의 제어 오차 값에 대응하며, 전력 감소 요청 신호는 음수의 제어 오차 값에 대응하는 전력 수신 방법을 제공할 수도 있다.
실시예에 따른 송신장치는, 무선 전력 송신을 위한 송신 코일; 상기 송신 코일에 전력을 출력하는 전력변환부; 상기 송신 코일에 출력되는 전력의 양을 제어하기 위해 상기 전력변환부를 제어하는 제어부; 상기 제어부는, 상기 무선 전력을 수신하는 수신장치의 식별 패킷에 기초하여 상기 전력변환부의 구동 주파수의 범위를 재 설정하는 송신장치를 제공할 수도 있다.
실시예에 따른 송신장치에서, 상기 식별 패킷은 상기 수신장치의 전류 임계 값을 포함하고, 상기 전류 임계 값에 기초하여 상기 구동 주파수의 범위는 재 설정하는 송신장치를 제공할 수도 있다.
실시예에 따른 송신장치에서, 상기 전력변환부는 상기 식별 패킷에 기초하여 하프 브릿지 인버터(half bridge inverter) 또는 풀 브릿지 인버터(full bridge inverter) 중 어느 하나로 동작하는 송신장치를 제공할 수도 있다.
실시예에 따른 송신장치에서, 상기 제어부는, 상기 전력 변환부의 구동 주파수, 입력 전압, 듀티 사이클(duty cycle) 및 위상 천이(phase shift) 중 어느 하나를 조절하여 상기 무선 전력의 양을 제어하는 송신장치를 제공할 수도 있다.
실시예에 따른 송신장치에서, 상기 제어부는, 상기 수신장치로부터의 전력 증가 요청 신호와 상기 송신코일의 제1 전류에 기초하여 제2 전류를 결정하는 제1 연산부; 비례 제어, 적분 제어 및 미분 제어(proportional integral differential control; 이하 PID 제어)에 기초하여 제어량을 결정하는 PID 제어부; 및 상기 제어량 및 전회 제어 변수에 기초하여 금회 제어 변수를 결정하는 제2 연산부;를 포함하고, 상기 금회 제어 변수에 기초하여 상기 전력변환부를 제어하는 송신장치를 제공할 수도 있다.
실시예에 따른 송신장치에서, 상기 제2 연산부는, 상기 제어량에 스케일링 팩터를 곱한 값과 상기 전회 제어 변수의 차이 값에 기초하여 상기 금회 제어 변수를 결정하는 송신장치를 제공할 수도 있다.
실시예에 따른 송신장치에서, 상기 스케일링 팩터는 재 설정된 상기 구동 주파수의 범위에 기초하여 변경되는 송신장치를 제공할 수도 있다.
실시예에 따른 수신장치는, 상기 송신장치와 통신하여 식별 패킷을 전송하는 제어부; 및 상기 식별 패킷에 기초하여 재 설정된 구동 주파수의 범위에 따라 생성된 무선 전력을 수신하는 수신 코일;를 포함하는 수신장치를 제공할 수도 있다.
실시예에 따른 수신장치는, 상기 식별 패킷은 상기 수신장치의 전류 임계 값을 포함하고, 상기 전류 임계 값에 기초하여 상기 구동 주파수의 범위는 재 설정되는 수신장치를 제공할 수도 있다.
실시예에 따른 수신장치는, 상기 구동 주파수의 최소 주파수와 최대 주파수를 재 설정하여 상기 구동 주파수의 범위가 재 설정되는 수신장치를 제공할 수도 있다.
실시예에 따른 수신장치는, 상기 재 설정된 구동 주파수의 최소 주파수는 상기 송신장치의 기 설정된 구동 주파수의 최소 주파수보다 크고, 상기 재 설정된 구동 주파수의 최대 주파수는 상기 송신장치의 기 설정된 구동 주파수의 최대 주파수보다 작은 수신장치를 제공할 수도 있다.
실시예는 무선 충전 중인 수신장치의 흔들림 등의 원인으로 송신장치와 수신장치의 결합 계수가 급변함에 따른 전력 전송의 불안정, 발열, 수신장치의 시스템 손상 문제점을 미연에 방지할 수 있다.
도 1은 자기 유도 방식 등가회로.
도 2는 자기 공진 방식 등가회로.
도 3a 및 3b는 무선전력전송 시스템을 구성하는 서브 시스템 중 하나로 송신부를 나타낸 블록도.
도 3c는 실시예에 따른 송신측 전력변환부의 구체적인 회로도.
도 4a 및 도 4b는 무선전력전송 시스템을 구성하는 서브 시스템 중 하나로 수신부를 나타낸 블록도.
도 5는 무선전력전송 시스템의 동작 흐름도로써, 실시예에 따른 송신장치의 동작 상태를 중심으로 한 동작 흐름도.
도 6은 수신장치의 로드에 따른 전력변환부의 구동 상태를 나타낸 그래프.
도 7은 수신장치의 요구 전력 결정 방법에 관한 흐름도.
도 8은 구동 주파수에 따른 송신측 코일부 상의 코일 전류의 크기를 나타낸 그래프.
도 9 및 도 10은 구동 주파수 경계값 설정 단계를 포함한 송신장치의 동작 흐름도.
도 11은 전력 전송 제어 방법을 위한 송신장치의 제어부를 상세히 나타낸 도면.
도 12는 전력 전송 상태에서 송신장치의 타이밍도.
이하, 본 발명의 실시예에 의한 무선으로 전력을 전송하는 기능을 구비한 송신장치와 무선으로 전력을 수신하는 수신장치를 포함한 무선전력전송 시스템을 도면을 참고하여 상세하게 설명한다. 다음에 소개되는 실시 예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 장치의 크기 및 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조 번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
실시예는 무선 전력 전송을 위하여 저주파(50kHz)부터 고주파(15MHz)까지의 다양한 종류의 주파수 대역을 선택적으로 사용하며, 시스템 제어를 위하여 데이터 및 제어신호를 교환할 수 있는 통신시스템을 포함할 수도 있다.
실시예는 배터리를 사용하거나 필요로 하는 전자기기를 사용하는 휴대단말 산업, 스마트 시계 산업, 컴퓨터 및 노트북 산업, 가전기기 산업, 전기자동차 산업, 의료기기 산업, 로봇 산업 등 다양한 산업분야에 적용될 수 있다.
실시예는 하나 또는 복수개의 전송 코일을 사용하여 한 개 이상의 다수기기에 전력 전송이 가능한 시스템을 고려할 수 있다.
실시예에 따르면 스마트폰, 노트북 등 모바일 기기에서의 배터리 부족문제를 해결할 수 있고, 일 예로 테이블에 무선충전패드를 놓고 그 위에서 스마트폰, 노트북을 사용하면 자동으로 배터리가 충전되어 장시간 사용할 수 있게 된다. 또한 까페, 공항, 택시, 사무실, 식당 등 공공장소에 무선충전패드를 설치하면 모바일기기 제조사별로 상이한 충전단자에 상관없이 다양한 모바일기기를 충전할 수 있다. 또한 무선전력전송 기술이 청소기, 선풍기 등의 생활가전제품에 적용되면 전원케이블을 찾아 다닐 필요가 없게 되고 가정 내에서 복잡한 전선이 사라지면서 건물 내 배선이 줄고 공간활용 폭도 넓어질 수 있다. 또한 현재의 가정용 전원으로 전기자동차를 충전할 경우 많은 시간이 소요되지만 무선전력전송 기술을 통해서 고전력을 전송한다면 충전시간을 줄일 수 있게 되고 주차장 바닥에 무선충전시설을 설치하게 되면 전기자동차 주변에 전원케이블을 준비 해야 하는 불편함을 해소 할 수 있다.
실시예에서 사용되는 용어와 약어는 다음과 같다.
무선전력전송 시스템 (Wireless Power Transfer System): 자기장 영역 내에서 무선 전력 전송을 제공하는 시스템
송신장치(Wireless Power Transfer System-Charger; Power Transfer Unit: PTU): 자기장 영역 내에서 전력수신기에게 무선전력전송을 제공하며 시스템 전체를 관리하는 장치로 송신장치 또는 송신기로 지칭할 수 있다.
수신장치(Wireless Power Receiver System-Device; Power Receiver Unit: PRU): 자기장 영역 내에서 전력송신기로부터 무선전력 전송을 제공받는 장치로 수신장치 또는 수신기로 지칭할 수 있다.
충전 영역(Charging Area): 자기장 영역 내에서 실제적인 무선 전력 전송이 이루어지는 지역이며, 응용 제품의 크기, 요구 전력, 동작주파수에 따라 변할 수 있다.
S 파라미터(Scattering parameter): S 파라미터는 주파수 분포상에서 입력전압 대 출력전압의 비로 입력 포트 대 출력 포트의 비(Transmission; S21) 또는 각각의 입/출력 포트의 자체 반사값, 즉 자신의 입력에 의해 반사되어 돌아오는 출력의 값(Reflection; S11, S22).
품질 지수 Q(Quality factor): 공진에서 Q의 값은 주파수 선택의 품질을 의미하고 Q 값이 높을수록 공진 특성이 좋으며, Q 값은 공진기에서 저장되는 에너지와 손실되는 에너지의 비로 표현됨.
무선으로 전력을 전송하는 원리를 살펴보면, 무선 전력 전송 원리로 크게 자기 유도 방식과 자기 공진 방식이 있다.
자기 유도 방식은 소스 인덕터(Ls)와 부하 인덕터(Ll)를 서로 근접시켜 한쪽의 소스 인덕터(Ls)에 전류를 흘리면 발생하는 자속을 매개로 부하 인덕터(Ll)에도 기전력이 발생하는 비접촉 에너지 전송기술이다. 그리고 자기 공진 방식은 2개의 공진기를 결합하는 것으로 2개의 공진기 간의 고유 주파수에 의한 자기 공진이 발생하여 동일 주파수로 진동 하면서 동일 파장 범위에서 전기장 및 자기장을 형성시키는 공명 기법을 활용하여 에너지를 무선으로 전송하는 기술이다.
도 1은 자기 유도 방식 등가회로이다.
도 1을 참조하면, 자기 유도 방식 등가회로에서 송신부는 전원을 공급하는 장치에 따른 소스 전압(Vs), 소스 저항(Rs), 임피던스 매칭을 위한 소스 커패시터(Cs) 그리고 수신부와의 자기적 결합을 위한 소스 코일(Ls)로 구현될 수 있고, 수신부는 수신부의 등가 저항인 부하 저항(Rl), 임피던스 매칭을 위한 부하 커패시터(Cl) 그리고 송신부와의 자기적 결합을 위한 부하 코일(Ll)로 구현될 수 있고, 소스 코일(Ls)과 부하 코일(Ll)의 자기적 결합 정도는 상호 인덕턴스(Msl)로 나타낼 수 있다.
도 1에서 임피던스 매칭을 위한 소스 커패시터(Cs)와 부하 커패시터(Cl)이 없는 오로지 코일로만 이루어진 자기 유도 등가회로로부터 입력전압 대 출력전압의 비(S21)를 구하여 이로부터 최대 전력 전송 조건을 찾으면 최대 전력 전송 조건은 이하 수학식 1을 충족한다.
수학식 1
Ls/Rs=Ll/Rl
상기 수학식 1에 따라 송신 코일(Ls)의 인덕턴스와 소스 저항(Rs)의 비와 부하 코일(Ll)의 인덕턴스와 부하 저항(Rl)의 비가 같을 때 최대 전력 전송이 가능하다. 인덕턴스만 존재하는 시스템에서는 리액턴스를 보상할 수 있는 커패시터가 존재하지 않기 때문에 최대 전력 전달이 이루이지는 지점에서 입/출력 포트의 자체 반사값(S11)의 값은 0이 될 수 없고, 상호 인덕턴스(Msl) 값에 따라 전력 전달 효율이 크게 변화할 수 있다. 그리하여 임피던스 매칭을 위한 보상 커패시터로써 송신부에 소스 커패시터(Cs)가 부가될 수 있고, 수신부에 부하 커패시터(Cl)가 부가될 수 있다. 상기 보상 커패시터(Cs, Cl)는 예로 수신 코일(Ls) 및 부하 코일(Ll) 각각에 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다. 또한 임피던스 매칭을 위하여 송신부 및 수신부 각각에는 보상 커패시터 뿐만 아니라 추가적인 커패시터 및 인덕터와 같은 수동 소자가 더 부가될 수 있다.
도 2는 자기 공진 방식 등가회로이다.
도 2를 참조하면, 자기 공진 방식 등가회로에서 송신부는 소스 전압(Vs), 소스 저항(Rs) 그리고 소스 인덕터(Ls)의 직렬 연결로 폐회로를 구성하는 소스 코일(Source coil)과 송신측 공진 인덕터(L1)와 송신측 공진 커패시터(C1)의 직렬 연결로 폐회로를 구성하는 송신측 공진 코일(Resonant coil)로 구현되고, 수신부는 부하 저항(Rl)와 부하 인덕터(Ll)의 직렬 연결로 폐회로를 구성하는 부하 코일(Load coil)과 수신측 공진 인덕터(L2)와 수신측 공진 커패시터(C2)의 직렬 연결로 폐회로를 구성하는 수신측 공진 코일로 구현되며, 소스 인덕터(Ls)와 송신측 인덕터(L1)는 K01의 결합계수로 자기적으로 결합되고, 부하 인덕터(Ll)와 부하측 공진 인덕터(L2)는 K23의 결합계수로 자기적으로 결합되고, 송신측 공진 인덕터(L1)와 수신측 공진 인덕터(L2)는 K12의 결합 계수로 자기적으로 결합된다. 또 다른 실시예의 등가회로에서는 소스 코일 및/또는 부하 코일을 생략하고 송신측 공진 코일과 수신측 공진 코일만으로 이루어질 수도 있다.
자기 공진 방식은 두 공진기의 공진 주파수가 동일할 때에는 송신부의 공진기의 에너지의 대부분이 수신부의 공진기로 전달되어 전력 전달 효율이 향상될 수 있고, 자기 공진 방식에서의 효율은 이하 수학식 2를 충족할 때 좋아진다.
수학식 2
k/Γ >> 1 (k는 결합계수, Γ 감쇄율)
자기 공진 방식에서 효율을 증가시키기 위하여 임피던스 매칭을 위한 소자를 부가할 수 있고, 임피던스 매칭 소자는 인덕터 및 커패시터와 같은 수동 소자가 될 수 있다.
이와 같은 무선 전력 전송 원리를 바탕으로 자기 유도 방식 또는 자기 공진 방식으로 전력을 전달하기 위한 무선전력전송 시스템을 살펴본다.
<송신부>
도 3a 및 도 3b는 무선전력전송 시스템을 구성하는 서브 시스템 중 하나로 송신부를 나타낸 블록도이다. 또한 도 3c는 실시예에 따른 송신측 전력변환부의 구체적인 회로도이다.
도 3a를 참조하면, 실시예에 따른 무선전력전송 시스템은 송신부(1000)와 상기 송신부(1000)로부터 무선으로 전력을 전송받는 수신부(2000)를 포함할 수 있다. 상기 송신부(1000)는 입력되는 교류 신호를 전력 변환하여 교류 신호로 출력하는 송신측 전력변환부(101)와 상기 송신측 전력변환부(101)로부터 출력되는 교류 신호에 기초하여 자기장을 생성하여 충전 영역 내의 수신부(2000)에 전력을 제공하는 송신측 공진회로부(102) 및 상기 송신측 전력변환부(101)의 전력 변환을 제어하고, 상기 송신측 전력변환부(101)의 출력 신호의 진폭과 주파수를 조절하고, 상기 송신측 공진회로부(102)의 임피던스 매칭을 수행하며, 상기 송신측 전력변환부(101) 및 상기 송신측 공진회로부(102)로부터 임피던스, 전압, 전류 정보를 센싱하며, 상기 수신부(2000)와 무선 통신할 수 있는 송신측 제어부(103)를 포함할 수 있다. 상기 송신측 전력변환부(101)는 교류신호를 직류로 변환하는 전력변환부, 직류의 레벨을 가변하여 직류를 출력하는 전력변환부, 직류를 교류로 변환하는 전력변환부 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 그리고 상기 송신측 공진회로부(102)는 코일과 상기 코일과 공진할 수 있는 임피던스 매칭부를 포함할 수 있다. 또한 상기 송신측 제어부(103)는 임피던스, 전압, 전류 정보를 센싱하기 위한 센싱부와 무선 통신부를 포함할 수 있다.
또한 도 3b를 참조하면, 상기 송신부(1000)는 송신측 교류/직류 변환부(1100), 송신측 직류/교류 변환부(1200), 송신측 임피던스 매칭부(1300), 송신 코일부(1400) 그리고 송신측 통신 및 제어부(1500)을 포함할 수 있다.
송신측 교류/직류 변환부(1100)는 송신측 통신 및 제어부(1500)의 제어 하에 외부로부터 제공되는 교류 신호를 직류 신호로 변환하는 전력 변환부로써, 상기 송신측 교류/직류 변환부(1100)는 서브 시스템으로 정류기(1110)와 송신측 직류/직류 변환부(1120)을 포함할 수 있다. 상기 정류기(1110)는 제공되는 교류 신호를 직류 신호로 변환하는 시스템으로써 이를 구현하는 실시예로 고주파수 동작 시 상대적으로 높은 효율을 가지는 다이오드 정류기, 원-칩(one-chip)화가 가능한 동기 정류기 또는 원가 및 공간 절약이 가능하고 및 데드 타임(Dead time)의 자유도가 높은 하이브리드 정류기가 될 수 있다. 다만 이에 한정되는 것은 아니고, 교류를 직류로 변환하는 시스템이라면 적용 가능하다. 또한 상기 송신측 직류/직류 변환부(1120)는 송신측 통신 및 제어부(1500)의 제어 하에 상기 정류기(1110)으로부터 제공되는 직류 신호의 레벨을 조절하는 것으로 이를 구현하는 예로 입력 신호의 레벨을 낮추는 벅 컨버터(Buck converter), 입력 신호의 레벨을 높이는 부스트 컨버터(Boost converter), 입력 신호의 레벨을 낮추거나 높일 수 있는 벅 부스트 컨버터(Buck Boost converter) 또는 축 컨버터(Cuk converter)가 될 수 있다. 또한 상기 송신측 직류/직류 변환부(1120)는 전력 변환 제어 기능을 하는 스위치소자와 전력 변환 매개 역할 또는 출력 전압 평활 기능을 하는 인덕터 및 커패시터, 전압 이득을 조절 또는 전기적인 분리 기능(절연 기능)을 하는 트랜스 등을 포함할 수 있으며, 입력되는 직류 신호에 포함된 리플 성분 또는 맥동 성분(직류 신호에 포함된 교류 성분)을 제거하는 기능을 할 수 있다. 그리고 상기 송신측 직류/직류 변환부(1120)의 출력 신호의 지령치와 실제 출력 치와의 오차는 피드백 방식을 통해 조절될 수 있고, 이는 상기 송신측 통신 및 제어부(1500)에 의하여 이루어 질 수 있다.
송신측 직류/교류 변환부(1200)는 송신측 통신 및 제어부(1500)의 제어 하에 송신측 교류/직류 변환부(1100)으로부터 출력되는 직류 신호를 교류 신호로 변환하고, 변환된 교류 신호의 주파수를 조절할 수 있는 시스템으로 이를 구현하는 예로 하프 브릿지 인버터(Half bridge inverter) 또는 풀 브릿지 인버터(Full bridge inverter)가 있다. 그리고 무선전력전송 시스템은 직류를 교류로 변환하는 다양한 증폭기가 적용될 수 있고, 예로 A급, B급, AB급, C급, E 급 F급 증폭기가 있다. 또한 상기 송신측 직류/교류 변환부(1200)는 출력 신호의 주파수를 생성하는 오실레이터(Ocillator)와 출력 신호를 증폭하는 파워 증폭부를 포함할 수 있다.
또한 도 3a의 송신측 전력변환부(101) 또는 도 3b의 송신측 직류/교류 변환부(1200)는 도 3c와 같이 제1 내지 제4 스위칭 소자(Q1~Q4)의 제어에 따라 하프 브릿지 인버터 또는 풀 브릿지 인버터로 구동할 수 있다.
예를 들어, 제1 스위칭 소자(Q1)는 턴 오프를 유지하고. 제4 스위칭 소자(Q4)는 턴 온을 유지한 상태에서 제2 및 제3 스위칭 소자(Q2, Q3)를 턴온 및 턴오프 제어함에 따라 하프 브릿지 인버터로 구동할 수 있고, 상기 제1 내지 제4 스위칭 소자(Q1 ~ Q4)를 턴온 및 턴오프 제어함에 따라 풀 브릿지 인버터로 구동할 수 있다.
실시예에 따른 송신측 직류. 교류 변환부(1200)는 하프 브릿지 인버터 구동 상태에서 제2 및 제3 스위칭 소자(Q2, Q3)의 교번 구동할 수 있고, 풀 브릿지 인터버 구동 상태에서 제1 및 제4 스위칭 소자(Q1, Q4)와 제2 및 제3 스위칭 소자(Q2, Q3)를 교번 구동할 수 있다.
또한 상기 제1 내지 제4 스위칭 소자(Q1~Q4)는 트랜지스터가 될 수 있다.
상기 교류/직류 변환부(1100) 및 송신측 직류/교류 변환부(1200)의 구성은 교류 전력 공급기로 대체할 수 있으며, 생략되거나 또 다른 구성으로 대체할 수도 있다.
송신측 임피던스 매칭부(1300)는 서로 다른 임피던스를 가진 지점에서 반사파를 최소화하여 신호의 흐름을 좋게 한다. 송신부(1000)와 수신부(2000)의 두 코일은 공간적으로 분리되어 있어 자기장의 누설이 많으므로 상기 송신부(1000)와 수신부(2000)의 두 연결단 사이의 임피던스 차이를 보정하여 전력 전달 효율을 향상시킬 수 있다. 상기 송신측 임피던스 매칭부(1300)는 인덕터, 커패시터 그리고 저항 소자 중 적어도 하나로 구성될 수 있고, 통신 및 제어부(1500)의 제어 하에 상기 인덕터의 인덕턴스와 커패시터의 커패시턴스 그리고 저항의 저항 값을 가변하여 임피던스 매칭을 위한 임피던스 값을 조정할 수 있다. 그리고 무선전력전송 시스템이 자기 유도 방식으로 전력을 전송하는 경우, 송신측 임피던스 매칭부(1300)는 직렬 공진 구조 또는 병렬 공진 구조를 가질 수 있고, 송신부(1000)와 수신부(2000) 사이의 유도 결합 계수를 증가시켜 에너지 손실을 최소화 할 수 있다. 그리고 무선전력전송 시스템이 자기 공진 방식으로 전력을 전송하는 경우, 송신측 임피던스 매칭부(1300)는 송신부(1000)와 수신부(2000) 간의 이격 거리가 변화되거나 금속성 이물질(FO; Foreign Object), 다수의 디바이스에 의한 상호 영향 등에 따라 코일의 특성의 변화로 에너지 전송 선로상의 매칭 임피던스 변화에 따른 임피던스 매칭의 실시간 보정을 가능하게 할 수 있고, 그 보정 방식으로써 커패시터를 이용한 멀티 매칭 방식, 멀티 안테나를 이용한 매칭 방식, 멀티 루프를 이용한 방식 등이 될 수 있다.
송신측 코일(1400)은 복수개의 코일 또는 단수개의 코일로 구현될 수 있고, 송신측 코일(1400)이 복수개로 구비되는 경우 이들은 서로 이격되어 배치되거나 서로 중첩되어 배치될 수 있고, 이들이 중첩되어 배치되는 경우 중첩되는 면적은 자속 밀도의 편차를 고려하여 결정할 수 있다. 또한 송신측 코일(1400)을 제작할 때 내부 저항 및 방사 저항을 고려하여 제작할 수 있고, 이 때 저항 성분이 작으면 품질 지수(Quality factor)가 높아지고 전송 효율이 상승할 수 있다.
통신 및 제어부(1500)는 송신측 제어부(1510)와 송신측 통신부(1520)를 포함할 수 있다. 상기 송신측 제어부(1510)는 수신부(2000)의 전력 요구량, 현재 충전량, 수신부의 정류기 출력단의 전압(Vrect), 복수 수신부의 각 충전 효율 그리고 무선 전력 방식 중 적어도 하나 이상을 고려하여 상기 송신측 교류/직류 변환부(1100)의 출력 전압 또는 송신 코일에 흐르는 전류(Itx_coil)을 조절하는 역할을 할 수 있다. 그리고 최대 전력 전송 효율를 고려하여 상기 송신측 직류/교류 변환부(1200)를 구동하기 위한 주파수 및 스위칭 파형들을 생성하여 전송될 전력을 제어할 수 있다. 또한 수신부(2000)의 저장부(미도시)로부터 독출한 제어에 요구되는 알고리즘, 프로그램 또는 어플리케이션을 이용하여 수신부(2000)의 동작 전반을 제어할 수 있다. 한편 상기 송신측 제어부(1510)는 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤유닛(Micro Controller Unit) 또는 마이콤(Micom)이라고 지칭할 수 있다. 상기 송신측 통신부(1520)는 수신측 통신부(2620)와 통신을 수행할 수 있고, 통신 방식의 일 예로 블루투스, NFC, Zigbee 등의 근거리 통신 방식을 이용할 수 있다. 상기 송신측 통신부(1520)와 수신측 통신부(2620)는 서로간에 충전 상황 정보 및 충전 제어 명령 등의 송수신을 진행할 수 있다. 그리고 상기 충전 상황 정보로는 수신부(2000)의 개수, 배터리 잔량, 충전 횟수, 사용량, 배터리 용량, 배터리 비율 그리고 송신부(1000)의 전송 전력량 등을 포함할 수 있다. 또한 송신측 통신부(1520)는 수신부(2000)의 충전 기능을 제어하는 충전 기능 제어 신호를 송신할 수 있고, 상기 충전 기능 제어 신호는 수신부(2000)를 제어하여 충전 기능을 인에이블(enabled) 또는 디스에이블(disabled)하게 하는 제어 신호일 수 있다.
이처럼, 송신측 통신부(1520)는 별도의 모듈로 구성되는 아웃-오브-밴드(out-of-band) 형식으로 통신될 수도 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 송신부가 전송하는 전력신호를 이용하여 수신부가 송신부에 전달하는 피드백 신호를 이용하고, 송신부가 전송하는 전력신호의 주파수 쉬프트(Frequency shift)를 이용하여 송신부가 수신부에 신호를 전송하는 인-밴드(in-band) 형식으로 통신을 수행할 수도 있다. 예를 들어, 수신부는 피드백 신호를 변조하여 충전 개시, 충전 종료, 배터리 상태 등의 정보를 피드백 신호를 통해 송신기에 전달할 수도 있다. 또한 상기 송신측 통신부(1520)는 상기 송신측 제어부(1510)와 별도로 구성될 수 있고, 상기 수신부(2000) 또한 수신측 통신부(2620)가 수신 장치의 제어부(2610)에 포함되거나 별도로 구성될 수 있다.
또한 실시예에 따른 무선전력전송 시스템의 송신부(1000)는 검출부(1600)를 추가로 구비할 수 있다.
상기 검출부(1600)는 송신측 교류/직류 변환부(1100)의 입력 신호, 송신측 교류/직류 변환부(1100)의 출력 신호, 송신측 직류/교류 변환부(1200)의 입력 신호, 송신측 직류/교류 변환부(1200)의 출력 신호, 송신측 임피던스 매칭부(1300)의 입력 신호, 송신측 임피던스 매칭부(1300)의 출력 신호, 송신측 코일(1400)의 입력 신호 또는 송신측 코일(1400) 상의 신호 중 적어도 하나를 검출할 수 있다. 일 예로, 상기 신호는 전류에 대한 정보, 전압에 대한 정보 또는 임피던스에 대한 정보 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 검출된 신호는 통신 및 제어부(1500)로 피드백되고 이를 기초로 상기 통신 및 제어부(1500)는 송신측 교류/직류 변환부(1100), 송신측 직류/교류 변환부(1200), 송신측 임피던스 매칭부(1300)를 제어할 수 있다. 또한 상기 검출부(1600)의 검출 결과를 기초하여 상기 통신 및 제어부(1500)는 FOD(Foreign object detection)를 수행할 수 있다. 그리고 상기 검출되는 신호는 전압 및 전류 중 적어도 하나일 수 있다. 한편 상기 검출부(1600)는 통신 및 제어부(1500)와 상이한 하드웨어로 구성되거나, 하나의 하드웨어로 구현될 수 있다.
<수신부>
도 4a 및 도 4b는 무선전력전송 시스템을 구성하는 서브 시스템 중 하나로 수신부(또는, 수신 장치)를 나타낸 블록도이다. 도 4a를 참조하면, 실시예에 따른 무선전력전송 시스템은 송신부(1000)와 상기 송신부(1000)로부터 무선으로 전력을 전송받는 수신부(2000)를 포함할 수 있다. 상기 수신장치(2000)는 상기 송신장치(1000)로부터 전송되는 교류 신호를 수신하는 수신측 공진회로부(201), 상기 수신측 공진회로부(201)로부터의 교류 전력을 전력 변환하여 직류 신호로 출력하는 수신측 전력변환부(202)와 상기 수신측 전력변환부(202)로부터 출력되는 직류 신호를 수신하여 충전되는 부하(2500) 그리고 상기 수신측 공진회로부(201)의 전류 전압을 센싱하거나, 상기 수신측 공진회로부(201)의 임피던스 매칭을 수행하거나, 상기 수신측 전력변환부(202)의 전력 변환을 제어하고, 상기 수신측 전력변환부(202)의 출력 신호의 레벨을 조절하거나, 상기 수신측 전력변환부(202)의 입력 또는 출력 전압이나 전류를 센싱하거나, 상기 수신측 전력변환부(202)의 출력 신호의 상기 부하(2500)로의 공급 여부를 제어하거나, 상기 송신장치(1000)와 통신할 수 있는 수신측 제어부(203)를 포함할 수 있다. 그리고 상기 수신측 전력변환부(202)는 교류신호를 직류로 변환하는 전력변환부, 직류의 레벨을 가변하여 직류를 출력하는 전력변환부, 직류를 교류로 변환하는 전력변환부를 포함할 수 있다. 또한 도 4b를 참조하면, 실시예에 따른 무선전력전송 시스템은 송신부(또는, 송신 장치)(1000)와 상기 송신부(1000)로부터 무선으로 전력을 전송받는 수신부(또는, 수신 장치)(2000)를 포함할 수 있고, 상기 수신부(2000)는 수신측 코일부(2100) 및 수신측 임피던스 매칭부(2200)로 구성된 수신측 공진회로부(2120), 수신측 교류/직류 변환부(2300), 직류/직류변환부(2400), 부하(2500) 및 수신측 통신 및 제어부(2600)를 포함할 수 있다. 그리고 상기 수신측 교류/직류 변환부(2300)는 교류 신호를 직류 신호로 정류하는 정류부로 지칭할 수 있다.
수신측 코일부(2100)은 자기 유도 방식 또는 자기 공진 방식을 통해 전력을 수신할 수 있다. 이와 같이 전력 수신 방식에 따라서 유도 코일 또는 공진 코일 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
일 실시예로, 수신측 코일부(2100)는 근거리 통신용 안테나(NFC: Near Field Communication)와 함께 휴대단말에 배치될 수 있다. 그리고 상기 수신측 코일부(2100)은 송신측 코일부(1400)와 동일할 수도 있고, 수신 안테나의 치수는 수신부(200)의 전기적 특성에 따라 달라질 수도 있다.
수신측 임피던스 매칭부(2200)는 송신기(1000)와 수신기(2000) 사이의 임피던스 매칭을 수행한다.
상기 수신측 교류/직류 변환부(2300)는 수신측 코일부(2100)으로부터 출력되는 교류 신호를 정류하여 직류 신호를 생성한다. 그리고 상기 수신측 교류/직류 변환부(2300)의 출력 전압은 정류 전압(Vrect)로 지칭할 수 있고, 수신측 통신 및 제어부(2600)는 상기 수신측 교류/직류 변환부(2300)의 출력 전압을 검출하거나 변경할 수 있고, 상기 수신측 교류/직류 변환부(2300)의 출력 전압의 최소값인 최소 정류 전압(Vrect_min)(또는 최소 출력 전압(Vrect_min)으로 지칭), 최대값인 최대 정류 전압(Vrect_max)(또는 최대 출력 전압(Vrect_max)으로 지칭), 상기 최소값과 최대값 사이의 값 중 어느 하나의 전압 값을 가지는 최적 정류 전압(Vrect_set)(또는 최적 출력 전압(Vrect_set)으로 지칭)에 대한 정보와 같은 상태 파라미터 정보를 송신부(1000)에 전송할 수 있다.
수신측 직류/직류변환부(2400)는 수신측 교류/직류 변환부(2300)에서 출력되는 직류 신호의 레벨을 부하(2500)의 용량에 맞게 조정할 수 있다.
상기 부하(2500)는 배터리, 디스플레이, 음성 출력 회로, 메인 프로세서, 배터리 관리부 그리고 각종 센서들을 포함할 수 있다. 그리고 상기 부하(2500)는 도 4a와 같이 적어도 배터리(2510) 및 배터리 관리부(2520)을 포함할 수 있다. 상기 배터리 관리부(2520)는 상기 배터리(2510)의 충전 상태를 감지하여 상기 배터리(2510)로 인가되는 전압과 전류를 조절할 수 있다.
수신측 통신 및 제어부(2600)는 송신측 통신 및 제어부(1500)로부터 웨이크-업 전력에 의해 활성화 될 수 있고, 상기 송신측 통신 및 제어부(1500)와 통신을 수행하고, 수신부(2000)의 서브 시스템의 동작을 제어할 수 있다.
상기 수신부(2000)는 단수 또는 복수개로 구성되어 송신부(1000)로부터 동시에 에너지를 무선으로 전달 받을 수 있다. 즉 자기 공진 방식의 무선전력전송 시스템에서는 하나의 송신부(1000)로부터 복수의 타켓 수신부(2000)가 전력을 공급받을 수 있다. 이때 상기 송신부(1000)의 송신측 매칭부(1300)는 복수개의 수신부(2000)들 사이의 임피던스 매칭을 적응적으로 수행할 수 있다. 이는 자기 유도 방식에서 서로 독립적인 수신측 코일부를 복수개 구비하는 경우에도 동일하게 적용될 수 있다.
또한 상기 수신부(2000)가 복수개로 구성된 경우 전력 수신 방식이 동일한 시스템이거나, 서로 다른 종류의 시스템이 될 수 있다. 이 경우, 송신부(1000)는 자기 유도 방식 또는 자기 공진 방식으로 전력을 전송하는 시스템이거나 양 방식을 혼용한 시스템일 수 있다.
한편 무선전력전송 시스템의 신호의 크기와 주파수 관계를 살펴보면, 자기 유도 방식의 무선 전력 전송의 경우, 송신부(1000)에서 송신측 교류/직류 변환부(1100)은 수십 또는 수백 V대(예를 들어 110V~220V)의 수십 또는 수백 Hz 대(예를 들어 60Hz)의 교류 신호를 인가 받아 수V 내지 수십V, 수백V(예를 들어 10V~20V)의 직류 신호로 변환하여 출력할 수 있고, 송신측 직류/교류 변환부(1200)는 직류 신호를 인가 받아 KHz대(예를 들어 125KHz)의 교류 신호를 출력할 수 있다. 그리고 수신부(2000)의 수신측 교류/직류 변환부(2300)는 KHz대(예를 들어 125KHz)의 교류 신호를 입력 받아 수V 내지 수십V, 수백V대(예를 들어 10V~20V)의 직류 신호로 변환하여 출력할 수 있고, 수신측 직류/직류변환부(2400)는 부하(2500)에 적합한, 예를 들어 5V의 직류 신호를 출력하여 상기 부하(2500)에 전달할 수 있다. 그리고 자기 공진 방식의 무선 전력 전송의 경우, 송신부(1000)에서 송신측 교류/직류 변환부(1100)은 수십 또는 수백 V대(예를 들어 110V~220V)의 수십 또는 수백 Hz 대(예를 들어 60Hz)의 교류 신호를 인가 받아 수V 내지 수십V, 수백V(예를 들어 10V~20V)의 직류 신호로 변환하여 출력할 수 있고, 송신측 직류/교류 변환부(1200)는 직류 신호를 인가받아 MHz대(예를 들어 6.78MHz)의 교류 신호를 출력할 수 있다. 그리고 수신부(2000)의 수신측 교류/직류 변환부(2300)는 MHz(예를 들어 6.78MHz)의 교류 신호를 입력 받아 수V 내지 수십V, 수백V (예를 들어 10V~20V)의 수신측 직류 신호로 변환하여 출력할 수 있고, 직류/직류변환부(2400)는 부하(2500)에 적합한, 예를 들어 5V의 직류 신호를 출력하여 상기 부하(2500)에 전달할 수 있다.
<송신장치의 동작 상태>
도 5는 무선전력전송 시스템의 동작 흐름도로써, 실시예에 따른 송신장치의 동작 상태를 중심으로 한 동작 흐름도이다. 또한 도 6은 수신장치의 로드에 따른 전력변환부의 구동 상태를 나타낸 그래프이다.
도 5를 참조하면, 실시예에 따른 송신장치는 적어도 1) 선택 상태, 2) 검출 상태, 3) 식별 및 설정 상태, 4) 전력 전달 상태 및 5) 충전 종료 상태를 가질 수 있다.
[선택 상태(Selection Phase)]
(1) 선택 상태에서 송신장치(1000)는 감지 영역 또는 충전 영역에 존재하는 수신장치(2000)를 선택하기 위하여 검출 과정을 수행할 수 있다.
(2) 상기 감지 영역 또는 충전 영역은, 전술된 바와 같이, 해당 영역 내의 물체가 상기 송신측 전력변환부(101)의 전력의 특성에 영향을 미칠 수 있는 영역을 지칭할 수 있다. 검출 상태와 비교하여, 상기 선택 상태에서 수신장치(2000)의 선택을 위한 검출 과정은 전력 제어 메시지를 이용하여 상기 수신장치(2000)로부터 응답을 수신하는 방식 대신에, 상기 송신장치(1000) 측의 전력 변환부에서 무선 전력 신호를 형성하기 위한 전력량이 변화하는 것을 감지하여 일정 범위 내에 물체가 존재하는지 확인하는 과정이다. 상기 선택 상태에서의 검출 과정은 후술될 검출 상태에서 디지털 형식의 패킷을 이용 않고, 무선 전력 신호를 이용하여 물체를 검출하는 점에서 아날로그 검출 과정(analog ping)으로 지칭할 수 있다.
(3) 선택 상태에서 송신장치(1000)는 상기 감지 영역 또는 충전 영역 내에 객체(object)가 들어오고 나가는 것을 감지할 수 있다. 또한 상기 송신장치(1000)는 상기 감지 영역 또는 충전 영역 내에 있는 물체들 중에서 무선으로 전력을 전달할 수 있는 수신장치(2000)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 상태에서 물체가 검출되는 감지 영역은 서로 다를 수 있다.
(4) 먼저, 유도 결합 방식에 따라 전력이 전송되는 경우에 상기 선택 상태의 송신장치(1000)는 물체들의 배치 및 제거를 감지하기 위하여 인터페이스 표면(미도시)을 모니터링 할 수 있다.
또한 상기 송신장치(1000)는 상기 인터페이스 표면의 상부에 놓인 무선 전력 수신장치(2000)의 위치를 감지할 수도 있다.
(5) 상기 송신장치(1000)가 하나 이상의 전송 코일을 포함하는 경우, 상기 선택 상태에서 상기 검출 상태로 진입하고, 상기 검출 상태에서 각각의 코일을 이용하여 상기 object로부터 검출 신호에 대한 응답이 전송되는지 여부를 확인하거나 또는 그 후 상기 식별 상태로 진입하여 상기 object로부터 식별 정보가 전송되는지 여부를 확인하는 방법을 수행할 수 있다.
상기 송신장치(1000)는 이와 같은 과정을 통하여 획득한 상기 감지된 수신장치(2000)의 위치에 기초하여 무선 전력 전송에 사용될 코일을 결정할 수 있다.
(6) 또한, 공진 결합 방식에 따라 전력이 전송되는 경우에 상기 선택 상태의 송신장치(1000)는 상기 감지 영역 또는 충전 영역 내의 물체로 인한 상기 전력 변환부의 주파수, 전류, 전압 중 하나 이상이 변경되는 것을 감지함으로써 상기 object를 검출할 수 있다.
(7) 한편, 상기 선택 상태의 송신장치(1000)는 상기 유도 결합 방식 및 공진 결합 방식에 따른 검출 방법 중 적어도 하나의 방법에 의하여 물체를 검출할 수 있다.
(8) 상기 송신장치(1000)는 각 전력 전송 방식에 따른 물체 검출 과정을 수행하고, 이후에 다른 상태들로 진행하기 위하여 무선 전력 전달을 위한 결합 방식 중에서 상기 물체를 검출한 방식을 선택할 수 있다.
(9) 한편, 상기 선택 상태의 송신장치(1000)는 물체를 검출하기 위하여 형성하는 무선 전력 신호와 이후 상태들에서의 디지털 검출, 식별, 설정 및 전력 전송을 위하여 형성하는 무선 전력 신호는 그 주파수, 세기 등의 특성이 다를 수 있다. 이는 상기 송신장치(1000)의 선택 상태는 물체를 검출하기 위한 대기 상태(idle phase)에 해당하여, 상기 송신장치(1000)가 대기 중의 소비 전력을 줄이거나 또는 효율적인 물체 검출을 위하여 특화된 신호를 생성시킬 수 있도록 하기 위함이다.
[검출 상태(Ping Phase)]
(1) 검출 상태에서 송신장치(1000)가 전력 제어 메시지를 통해 감지 영역 또는 충전 영역 내에 존재하는 수신장치(2000)를 검출하는 과정을 수행할 수 있다. 상기 선택 상태에서 무선 전력 신호의 특성 등을 이용한 수신장치(2000)의 검출 과정과 비교하여, 상기 검출 상태에서의 검출 과정은 디지털 검출 과정(digital ping)이라 지칭할 수 있다.
(2) 송신장치(1000)는 수신장치(2000)를 검출하기 위한 무선 전력 신호를 형성하고, 상기 수신장치(2000)에 의하여 변조된 무선 전력 신호를 복조하고, 상기 복조된 무선 전력 신호로부터 상기 검출 신호에 대한 응답에 해당하는 디지털 데이터 형태의 전력 제어 메시지를 획득할 수 있다.
(3) 상기 송신장치(1000)는 상기 검출 신호에 대한 응답에 해당하는 전력 제어 메시지를 수신함으로써 전력 전송의 대상이 되는 상기 수신장치(2000)를 인지 할 수 있다.
(4) 검출 상태에 있는 송신장치(1000)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.
여기서의 동작 포인트는 송신 코일부(1400)에 인가되는 전압의 주파수, 듀티 사이클(duty cycle) 및 진폭을 의미할 수 있다.
상기 송신장치(1000)는 상기 특정 동작 포인트의 전력 신호를 인가함으로써 생성된 상기 검출 신호를 일정한 시간 동안 생성하고, 상기 수신장치(2000)로부터 전력 제어 메시지를 수신할 것을 시도할 수 있다.
(5) 한편, 상기 검출 신호에 대한 응답에 해당하는 전력 제어 메시지는 상기 수신장치(2000)가 수신한 무선 전력 신호의 강도(strength)를 나타내는 메시지일 수 있다. 예를 들어, 상기 수신장치(2000)는 상기 검출 신호에 대한 응답으로서 수신된 무선 전력 신호의 강도를 나타내는 메시지가 포함된 신호 강도 패킷(Signal Strength Packet)을 전송할 수 있다. 상기 패킷은 신호 강도를 나타내는 패킷임을 알리는 헤더 및 상기 수신장치(2000)가 수신한 전력 신호의 강도를 나타내는 메시지를 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 메시지 내의 전력 신호의 강도는 상기 송신장치(1000)와 상기 수신장치(2000) 사이의 전력 전송을 위한 유도 결합 또는 공진 결합의 정도(degree of coupling)를 나타내는 값일 수 있다.
(6) 상기 송신장치(1000)는 상기 검출 신호에 대한 응답 메시지를 수신하여 상기 수신장치(2000)를 발견한 후에, 상기 디지털 검출 과정을 연장하여 식별 및 검출 상태로 진입할 수 있다. 즉, 상기 송신장치(1000)는 상기 수신장치(2000)를 발견한 후에 상기 특정 동작 포인트의 전력 신호를 유지하여 상기 식별 및 검출 상태에서 필요한 전력 제어 메시지를 수신할 수 있다.
다만, 상기 송신장치(1000)가 전력을 전달할 수 있는 수신장치(2000)를 발견하지 못한 경우, 상기 송신장치(1000)의 동작 상태는 상기 선택 상태로 되돌아갈 수 있다.
[식별 및 설정 상태(Identification and Configuration Phase)]
(1) 상기 식별 및 설정 상태에서 송신장치(1000)는 수신장치(2000)가 전송하는 식별 정보 및/또는 설정 정보를 수신하여 전력 전달이 효율적으로 이루어지도록 제어할 수 있다.
(2) 상기 식별 및 설정 상태에서 상기 수신장치(2000)는 자신의 식별 정보를 포함하는 전력 제어 메시지를 전송할 수 있다. 이를 위하여, 상기 수신장치(2000)는, 예컨대, 상기 수신장치(2000)의 식별 정보를 나타내는 메시지가 포함된 식별 패킷(Identification Packet)을 전송할 수 있다. 상기 패킷은 식별 정보를 나타내는 패킷임을 알리는 헤더 및 상기 수신장치(2000)의 식별 정보를 포함하는 메시지를 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 메시지는 무선 전력 전송을 위한 규약의 버전을 나타내는 정보, 상기 수신장치(2000)의 제조 업체를 식별하는 정보, 확장 장치 식별자의 유무를 나타내는 정보 및 기본 장치 식별자를 포함하도록 구성될 수 있다. 또한, 상기 확장 장치 식별자의 유무를 나타내는 정보에 확장 장치 식별자가 존재하는 것으로 표시되는 경우, 확장 장치 식별자를 포함한 확장 식별 패킷(Extended Identification Packet)이 별도로 전송될 수 있다. 상기 패킷은 확장 장치 식별자를 나타내는 패킷임을 알리는 헤더 및 확장 장치 식별자를 포함하는 메시지를 포함하도록 구성될 수 있다. 이와 같이 확장 장치 식별자가 사용되는 경우에, 상기 수신장치(2000)를 식별하기 위하여 상기 제조 업체의 식별 정보, 상기 기본 장치 식별자 및 상기 확장 장치 식별자에 기초한 정보가 사용될 수 있다.
(3) 상기 식별 및 설정 상태에서 상기 수신장치(2000)는 예상 최대 전력에 대한 정보를 포함하는 전력 제어 메시지를 전송할 수 있다. 이를 위하여, 상기 수신장치(2000)는, 예컨대, 설정 패킷(Configuration Packet)을 전송할 수 있다. 상기 패킷은 설정 패킷임을 알리는 헤더 및 상기 예상 최대 전력에 대한 정보를 포함하는 메시지를 포함하도록 구성될 수 있다.
상기 메시지는 전력 클래스, 예상 최대 전력에 대한 정보, 무선 전력 송신장치(1000) 측의 주요 셀의 전류를 결정하는 방법을 나타내는 지시자, 선택적인 설정 패킷들의 수를 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 지시자는 무선 전력 전송을 위한 규약에 명시된 대로 상기 송신장치(1000) 측의 주요 셀의 전류가 결정될 것인지 여부를 나타내는 것일 수 있다.
(4) 한편, 상기 송신장치(1000)는 상기 식별 정보 및/또는 설정 정보를 기초로 상기 수신장치(2000)와 전력 충전에 사용되는 전력 전달 규약(power transfer contract)을 생성할 수 있다. 상기 전력 전달 규약은 상기 전력 전달 상태에서의 전력 전달 특성을 결정하는 파라미터들의 한정 사항들(limits)을 포함할 수 있다.
(5) 상기 송신장치(1000)는 상기 전력 전달 상태로 진입하기 전에 상기 식별 및 설정 상태를 종료하고, 상기 선택 상태로 되돌아 갈 수 있다. 예컨대, 상기 송신장치(1000)는 무선으로 전력을 수신할 수 있는 다른 수신장치(2000)를 찾기 위하여 상기 식별 및 설정 상태를 종료할 수 있다.
[전력 전달 상태(Power Transfer Phase)]
(1) 상기 전력 전송 상태에서의 상기 송신장치(1000)는 상기 수신장치(2000)로 전력을 전송한다.
(2) 이 경우, 송신장치(1000)는 수신한 식별 패킷에 기초하여 수신장치(2000)의 버전에 따라 전력변환부(101)를 제어하여 무선 전력을 전송할 수 있다. 구체적으로 상기 수신장치(2000)의 버전을 확인하여 상기 수신장치(2000)가 로우(Low) 파워급에 해당하는 경우, 전력변환부(101)를 하프 브릿지 인버터로 구동하여 무선 전력을 전송할 수 있고, 상기 수신장치(2000)가 미들(Middle) 파워급에 해당하는 경우, 전력변환부(101)를 풀 브릿지 인버터로 구동하여 무선 전력을 전송할 수 있다.
보다 더 구체적으로 도 6를 참조하면, 수신장치(2000)의 버전이 로우 파워급에서 미들 파워급으로 갈수록 수신장치(2000)의 로드(Load)는 커지는 것으로 볼 수 있다. 이 경우, 송신장치(1000)의 전력변환부(101)는 하프 브릿지 인버터로 구동함에 따라 작은 부하, 즉 로우 파워급에 해당하는 수신장치(2000)로 무선 전력을 전송할 수 있다.
또한 제2 로드(Load2)보다 작은 로드를 가진 로우 파워급 수신장치(2000)에 대해서 스위칭 소자(Q2, Q3)의 듀티비(Duty ratio) 및 스위칭 주파수 변경 중 적어도 하나의 방식을 통해 무선 전력의 량을 조절할 수 있다. 구체적으로 제1 로드(Load1)보다 작은 로드를 가진 수신장치(2000)에 대해서 전력변환부(101)의 스위칭 소자(Q2, Q3)의 스위칭 주파수는 제3 구동 주파수(f3)로 고정한 상태에서 듀티비(Duty ratio)를 조절함에 따라 무선 전력의 량을 조절할 수 있고, 1 로드(Load1)보다 크고 제2로드(Load2)보다 작은 로드를 가진 수신장치(2000)에 대해서 고정된 듀티비 하에서, 스위칭 주파수를 조절, 즉 제3 구동 주파수(f3)와 제2 구동 주파수(f2) 사이에서의 주파수 변경에 따라 무선 전력의 량을 조절할 수 있다. 다만, 도면의 도시된 바에 한정되는 것은 아니고, 제1 로드(Load1)보다 작은 로드를 가진 수신장치(2000)에 대해서 스위칭 주파수 변경에 따라 무선 전력의 량을 조절할 수 있고, 제1 로드(Load1)보다 크고 제2로드(Load2)보다 작은 로드를 가진 수신장치(2000)에 대해서 듀티비 변경에 따라 무선 전력의 량을 조절할 수도 있다. 아울러, 제2 로드(Load2)보다 작은 로드를 가진 수신장치(2000)에 대해서 스위칭 주파수 및 듀티비를 동시에 변경하며 무선 전력의 량을 조절할 수도 있다.
또한 제2 로드(Load2)보다 큰 로드를 가진 미들 파워급 수신장치(2000)에 대해서 전력변환부(101)는 풀 브릿지 인버터로 구동함과 함께 스위칭 소자(Q1~Q4)의 스위칭 주파수는 제2 구동 주파수(f2)로 고정한 상태에서 위상 천이(phase shift)이나, 스위칭 주파수 변경을 통해 무선 전력의 량을 조절할 수 있다. 구체적으로 제2 로드(Load2) 보다 크고 제3 로드(Load3)보다 작은 로드를 가진 수신장치(2000)에 대해서 전력변환부(101)의 스위칭 소자(Q1~Q4)의 구동 주파수는 제2 구동 주파수(f2)로 고정한 상태에서 위상 천이를 통해 무선 전력의 량을 조절할 수 있고, 제3 로드(Load3)보다 큰 로드를 가진 수신장치(2000)에 대해서 전력변환부(101)의 스위칭 소자(Q1~Q4)의 스위칭 주파수의 변경, 즉 제2 구동 주파수(f2)와 제1 구동 주파수(f1) 사이에서 구동 주파수의 변경에 따라 무선 전력의 량을 조절할 수 있다. 다만, 도면의 도시된 바에 한정되는 것은 아니고, 제2 로드(Load2) 보다 크고 제3 로드(Load3)보다 작은 로드를 가진 수신장치(2000)에 대해서 스위칭 주파수 변경에 따라 무선 전력의 량을 조절할 수 있고, 제3 로드(Load3)보다 큰 로드를 가진 수신장치(2000)에 대해서 위상 천이에 따라 무선 전력의 량을 조절할 수도 있다. 아울러, 제2 로드(Load2)보다 큰 로드를 가진 수신장치(2000)에 대해서 스위칭 주파수 변경 및 위상 천이를 동시에 진행하여 무선 전력의 량을 조절할 수도 있다.
(3) 상기 송신장치(1000)는 전력을 전송하는 도중에 상기 수신장치(2000)로부터 전력 제어 메시지를 수신하고, 상기 수신한 전력 제어 메시지에 대응하여 상기 송신 코일부(1400) 인가되는 전력의 특성을 조절할 수 있다. 예를 들어, 상기 송신 코일의 전력 특성을 조절하기 위해 사용되는 전력 제어 메시지는 제어 오차 패킷(Control Error Packet)에 포함될 수 있다. 상기 패킷은 제어 오차 패킷임을 알리는 헤더와 제어 오차 값을 포함하는 메시지를 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 송신장치(1000)는 상기 제어 오차 값(control error value)에 따라 상기 송신 코일에 인가되는 전력을 조절할 수 있다. 즉, 상기 제어 오차 값이 0인 경우, 수신장치(2000)가 요구하는 제어 포인트(desired control point)와 수신장치(2000)의 실제 제어 포인트(actual control point)가 실질적으로 동일하므로 상기 전송 코일에 인가되는 전류는 유지되고, 음수(negative value)인 경우에 감소되고, 양수(positive value)인 경우에 증가하도록 조절될 수 있다.
(4) 또한 송신장치(1000)는 전력 전달 상태의 초기 구동 시점에 전력변환부(101)가 하프 브릿지 인버터로 구동하고, 첫 번째 제어 오차 패킷인 제1 제어 오차 패킷(1st Control Error Packet)을 수신한 이후에 이미 수신된 식별 패킷에 기초하여 수신장치(2000)의 버전을 판단하고, 상기 수신장치(2000)가 로우 파워급에 해당하는 경우, 전력변환부(101)의 하프 브릿지 인버터 구동을 유지하고, 미들 파워급에 해당하는 경우, 풀 브릿지 인버터 구동으로 변경할 수도 있다.
(5) 상기 전력 전송 상태에서 상기 송신장치(1000)는 상기 식별 정보 및/또는 설정 정보를 기초로 생성된 전력 전달 규약(power transfer contract) 내의 파라미터들을 모니터링할 수 있다. 상기 파라미터들을 모니터링 한 결과, 상기 수신장치(2000)와의 전력 전송이 상기 전력 전달 규약 내에 포함되어 있는 한정 사항들을 위반하게 되는 경우에는 상기 송신장치(1000)는 상기 전력 전송을 취소하고 선택 상태로 되돌아갈 수 있다.
(6) 또한 상기 전력 전달 규약은 수신장치(2000)의 수신 코일부(2100) 상에 유도되는 전류의 임계 전류 값과 송신장치(1000)로부터 수신장치(2000)로 전송되는 전력의 특성에 관한 경계 조건(boundary conditions)을 포함할 수 있다. (5) 상기 송신장치(1000)는 상기 수신장치(2000)로부터 전달된 전력 제어 메시지를 기초로 상기 전력 전송 상태를 종료할 수 있다.
예를 들어, 상기 수신장치(2000)가 전달된 전력을 이용하여 배터리를 충전하는 도중에 상기 배터리의 충전이 완료된 경우, 상기 송신장치(1000)로 무선 전력 전송을 중지할 것을 요청하는 전력 제어 메시지를 전달할 수 있다. 이 경우, 상기 송신장치(1000)는 상기 전력 전송의 중지를 요청하는 메시지를 수신한 후, 무선 전력 전송을 종료하고 상기 선택 상태로 되돌아 갈 수 있다.
또 다른 예를 들어, 상기 수신장치(2000)는 이미 생성된 전력 전달 규약을 갱신하기 위하여 재협상(renegotiation) 또는 재설정(reconfigure)을 요청하는 전력 제어 메시지를 전달할 수 있다. 상기 수신장치(2000)는 현재 전송되는 전력량보다 많거나 적은 양의 전력이 필요한 경우에 상기 전력 전달 규약의 재협상을 요청하는 메시지를 전달할 수 있다. 이 경우, 상기 송신장치(1000)는 상기 전력 전달 규약의 재협상을 요청하는 메시지를 수신한 후, 무선 전력 전송을 종료하고 상기 식별 및 설정 상태로 되돌아 갈 수 있다.
이를 위하여, 상기 수신장치(2000)가 전송하는 메시지는, 예컨대, 도 18에 도시된 바와 같은 전력 전송 중단 패킷(End Power Transfer Packet)일 수 있다. 상기 패킷은 전력 전송 중단 패킷임을 알리는 헤더 및 중단의 이유를 나타내는 전력 전송 중단 코드를 포함하는 메시지를 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 전력 전송 중단 코드는 충전 완료(Charge Complete), 내부 오차(Internal Fault), 과열(Over Temperature), 과전압(Over Voltage), 과전류(Over Current), 배터리 오차(Battery Failure), 재설정(Reconfigure), 무응답(No Response), 알려지지 않은 오차(Unknown) 중 어느 하나를 나타낼 수 있다.
<전력 전송 제어>
- 수신장치의 요구 전력 결정 방법.
도 7은 수신장치의 요구 전력 결정 방법에 관한 흐름도이다.
도 7을 참조하면, 수신장치(2000)는 1) 요구되는 제어 포인트(desired control point)를 결정하는 단계(S210), 2) 실제 제어 포인트(actual control point)를 검출하는 단계(S230), 3) 제어 오차(오류) 값(control error value) 생성 단계(S250)를 수행하여 수신하고자 하는 전력, 즉 요구 전력을 결정할 수 있다.
구체적으로 요구되는 제어 포인트(desired control point)를 결정하는 단계(S210)에서 수신장치(2000)는 전압, 전류, 온도 등에 관한 요구되는 제어 포인트를 결정할 수 있다. 그리고 실제 제어 포인트(actual control point)를 검출하는 단계(S230)에서 수신장치(2000)는 실제 전압, 전류, 온도 등에 관한 실제 제어 포인트를 결정할 수 있다. 상기 수신장치(2000)가 상기 실제 제어 포인트를 결정할 때 전압이나 전류 검출, 온도 센싱 등 다양한 방법을 적용할 수 있고, 전력 전송 상태 중 어느 시간에서든 이와 같은 과정을 수행할 수 있다. 그리고 제어 오차 값(control error value) 생성 단계(S250)에서 수신장치(2000)는 예를 들어 요구되는 제어 전압 값과 실제 제어 전압 값의 차이 등을 기초하여 제어 오차 값을 생성할 수 있다. 그리고 상기 제어 오차 값은 양의 값과 음의 값을 지칭하는 파라미터일 수 있고, 요구되는 전력량보다 실제 전력량이 작은 경우 상기 제어 오차 값은 양의 값을 지칭할 수 있고, 요구되는 전력량보다 실제 전력량이 많은 경우 상기 제어 오차 값은 음의 값을 지칭할 수 있으며 요구되는 전력량과 실제 전력량이 동일한 경우, 0(zero) 값을 가질 수 있다. 이와 같이 전력 제어 과정에 있어서 송신장치(1000)와 수신장치(2000) 간의 얼라인에 따라서 결합계수가 급격히 낮아질 수 있고, 그에 따라 수신장치(2000)의 요구 전력량은 순간적으로 높아질 수 있다. 또한 수신장치(2000)는 수신측 코일부(2100)에 유도되는 전류는 임계 값을 상회할 수 있을 정도의 요구 전력량을 송신장치(1000)로 요청할 수 있으나, 송신장치(1000)는 수신측 코일부(2100)에 유도되는 전류의 임계 값을 기초하여 재 설정된 구동 주파수의 범위 내에서 생성된 무선 전력이 전송되므로, 수신장치(2000)가 손상되는 문제는 방지된다.
한편 상기 제어 오차 값은 제어 오차 패킷(control error packet) 형태로 송신장치(1000)로 전송될 수 있다.
상기 제어 오차 값을 수신한 송신장치로부터 신규 송신전력이 수신되면, 전술한 단계를 거쳐 상기 신규 송신전력이 요구된 전력을 만족시키는지 판단할 수 있다.
<전력 제어 방법>
도 8은 구동 주파수에 따른 송신측 코일부 상의 코일 전류의 크기를 나타낸 그래프이다. 그리고 도 9 및 도 10은 구동 주파수 경계값 설정 단계를 포함한 송신장치의 동작 흐름도이다.
도 8을를 참조하면, 전력변환부(101)는 식별 및 설정 상태에서 수신한 식별 패킷에 포함된 수신장치(2000)의 버전, 즉 수신장치(2000)가 로우 파워급인지 미들 파워급인지에 따라 하프 브릿지 인버터 또는 풀 브릿지 인버터 중 어느 하나로 동작할 수 있고, 전력변환부(101)의 스위칭 주파수는 제1 구동 주파수(f1) 내지 제3 구동 주파수(f3) 범위의 구동 주파수 값 중 어느 하나가 될 수 있다.
또한 상기 최소 주파수인 제1 구동 주파수(f1)와 최대 주파수인 제3 구동 주파수(f3)의 주파수 값은 송신장치(1000)의 용량이나 타입(Type)에 따라 기 설정될 수 있다.
보통 송신장치(1000)와 수신장치(2000)의 결합 계수가 0.5보다 큰 경우, 스위칭 주파수는 제2 구동 주파수(f2)에서 형성될 수 있다. 이 때, 송신측 코일부(1400) 상의 송신 코일 전류는 제1 전류(A1)가 될 수 있다. 이 때 무선 전력 량을 증가시키기 위해, 구동 주파수를 변경할 수 있다. 즉, 하프 브릿지 인버터 구동 상태에서는 구동 주파수를 높임에 따라 무선 전력 량을 증가시킬 수 있고, 풀 브릿지 인버터 구동 상태에서는 구동 주파수를 낮춤에 따라 무선 전력 량을 증가시킬 수 있다. 그리고 수신장치(2000)의 미스 얼라인(mis-align)에 따라 결합 계수가 0.5보다 작아지는 것에 대응하여, 수신장치(2000)로 수신될 전력 량을 일정하게 유지시키기 위해, 하프 브릿지 인버터 구동 상태에서는 구동 주파수를 높임에 따라 무선 전력 량을 증가시킬 수 있고, 풀 브릿지 인버터 구동 상태에서는 구동 주파수를 낮춤에 따라 무선 전력 량을 증가시킬 수 있다.
다만, 결합 계수의 급격한 변화나, 결합 계수가 현저히 낮아지는 경우, 구동 주파수가 최저 구동 주파수인 제1 구동 주파수(f1)로의 변동 또는 최대 구동 주파수인 제3 구동 주파수(f3)로의 변동이 있을 수 있다. 이 경우, 송신측 코일부(1400) 상에 인가되는 전류가 제2 전류(A2) 이상 그리고 제3 전류(A3)에 이를 수 있다. 이 경우, 도 9와 같이 수신장치(2000)의 수신측 코일부(2100)에 유도되는 전류의 량도 급격히 증가하여 수신장치(2000)에 손상을 가할 수 있으므로, 구동 주파수의 경계 값을 재 설정하여 이를 방지할 수 있다. 상기 구동 주파수의 경계 값은 식별 패킷에 포함된 수신장치(2000)의 전류 임계 값에 대한 정보에 기초하여 전력 전달 상태 돌입 전에 재 설정될 수 있다. 또한 상기 구동 주파수의 경계 값은 도 10과 같이 전력 전달 상태 돌입한 상태에서 1차 제어 오차 패킷 수신 후 식별 패킷에 포함된 수신장치(2000)의 전류 임계 값에 대한 정보에 기초하여 재 설정될 수 있다. 예를들어 송신측 코일부(1400)에 인가되는 전류가 제4 전류(A4)에 해당할 때, 수신측 코일부(2100)에 유도되는 전류 량이 임계값에 해당하는 경우라면, 송신장치(1000)의 구동 주파수의 경계값은 제4 전류(A4)에 매칭되는 제4 내지 제5 구동 주파수(f4, f5) 범위 내의 주파수로 결정될 수 있다.
또한 구동 주파수가 고정된 상태에서는 스위칭 소자의 듀티비나 위상 천이를 통해서 송신측 코일부(1400) 상의 송신 코일 전류의 크기를 변경하고, 그에 따라 수신측 코일부(2100)에 유도되는 전류량을 조절할 수 있다. 이 경우에도 송신측 코일부(1400) 상의 송신 코일 전류의 크기를 수신측 코일부(2100)에 유도되는 전류 량의 임계값을 고려하여 제한함에 따라 수신장치(2000)가 손상되는 문제를 방지할 수 있다.
<전력 전송 제어 방법>
도 11은 전력 전송 제어 방법을 위한 송신장치의 제어부를 상세히 나타낸 도면이다. 그리고 도 12는 전력 전송 상태에서 송신장치의 타이밍도이다.
도 11을 참조하면, 전력 전송 제어 방법으로, 송신장치(1000)의 제어부(103)는 송신 코일부(1400)의 전류를 제어하여 새로운 송신 코일 전류가 되도록 할 수 있다. 이러한 전력 전송 제어는 proportional integral differential(PID) algorithm에 기반하여 실행될 수 있다.
PID 알고리즘을 실행하기 위하여 송신장치(1000)는 제1 연산기(11)와 제2 연산기(15) 그리고 비례 제어기(12a), 적분 제어기(12b), 미분 제어기(12c)를 포함할 수 있고, 또한 제1 내지 제5 증폭기(13a, 13b, 13c, 13d, 13e) 그리고 제1 및 제2 합산기(14a, 14b)를 포함할 수 있으며, 다음과 같은 과정을 수행하여 전력변환부(101)을 제어 할 수 있다.
이하의 j=1, 2, 3,..은 송신장치(1000)가 수신한 제어 오차 패킷(Control Error Packet)의 순번을 지칭할 수 있다. 그리고 상기 제1 내지 제5 증폭기(13a, 13b, 13c, 13d, 13e) 각각은 증폭기, 버퍼, 지연기 중 적어도 하나의 기능을 가질 수 있다.
(1) 새로운 송신 코일 전류 계산 단계.
1) 송신장치(1000)의 제1 연산기(11)가 j(th) 제어 오차 패킷(Control Error Packet)을 수신하면 수학식 3에 따라 새로운 송신 코일 전류(td(j))를 계산할 수 있다.
수학식 3
Figure PCTKR2016011498-appb-I000001
2) 여기서 ta(j-1)은 이전 제어 오차 패킷 c(j-1)에 따라 결정된, 실제(현재) 송신 코일 전류(actual Primary Cell current)를 지칭하고, c(j)는 j(th) 제어 오차 패킷(Control Error Packet)에 포함된 제어 오차 값(Control Error Value)를 지칭할 수 있다. 또한 ta(0)은 전력 전송 상태의 시작 시점의 송신 코일부(1400)의 전류를 의미할 수 있다.
상기 송신 코일 전류에 기초하여 송신 코일부(1400)에 자기장이 발생하여 출력 전력이 생성될 수 있다.
3) 상기 제1 연산기(11)는 j번째 제어 오차 패킷(Control Error Packet) 및 제1 증폭기(13a)를 통해 실제 송신 코일 전류 ta(j-1)을 입력 받아 상기 수학식 3에 따른 연산 과정을 거친 후 새로운 송신 코일 전류 td(j)를 계산하여 출력 할 수 있다.
4) 만약 제어 오차 값(Control Error Value)인 c(j)가 0이 아닌 경우(non-zero), 송신장치(1000)는 기 설정된 시간(도 13의 t_active) 동안 송신 코일 전류를 조절할 수 있다. 이를 위해 송신장치(1000)는 후술할 스텝을 포함하는 루프(loop)를 실행할 수 있다.
여기서 i=1, 2, 3,..max는 루프의 반복 횟수를 지칭할 수 있다.
(2) 오차(error) 계산 단계.
1) 송신장치(1000)는 수학식 4에 따라 새로운 송신 코일 전류(td(j))와 i-1번째 루프에 따른 실제 송신 코일 전류(ta(j,i-1))의 차이에 따라 i번째 루프에서의 오차( error)를 계산할 수 있다.
수학식 4
Figure PCTKR2016011498-appb-I000002
여기서 ta(j, i-1)는 i-1번째 루프에 의해 결정된 송신 코일 전류를 지칭할 수 있다. 여기서 ta(j,0)은 루프의 시작 시점에서의 실제 송신 코일 전류를 지칭할 수 있다.
2) 상기 제1 합산부(14a)는 새로운 송신 코일 전류 td(j)와 제2 증폭기(13a)로부터의 i-1번째 루프에 의해 결정된 실제 송신 코일 전류 ta(j, i-1)을 합산하여 오차(error)를 계산하고 계산된 오차를 PID 제어기(12)로 출력할 수 있다.
(3) 제어량 계산 단계.
1) 송신장치(1000)의 PID 제어기(12)는 오차에 비례하여 제어량을 변화 시키 위한 비례 제어(P), 오차를 적분하여 제어하는 적분 제어(I) 및 오차의 변화량을 통해 제어량을 결정하는 미분 제어(D)를 실행할 수 있다.
PID 제어기(12)는 수학식 5에서 표현된 바와 같이 비례 요소(proportional term), 적분 요소(integral term) 및 미분 요소(derivative term)를 계산할 수 있다. 구체적으로 비례 제어기(12a)는 오차에 기초하여 비례 요소 P(j,i)를 계산하고, 적분 제어기(12b)는 오차의 누적값에 기초하여 적분 요소 I(j,i)를 계산하며, 미분 제어기(12c)는 오차의 변화량에 기초하여 미분 요소 D(j,i)를 계산할 수 있다.
수학식 5
2) 여기서 Kp는 비례 게인(Gain)이고, Ki는 적분 게인이며, Kd는 미분 게인이다. 그리고 t_inner은 하나의 루프가 반복되는데 요구되는 시간이다. 그리고 적분 항 I(j,0)=0, 오차 e(j,0)=0이다. 그리고 송신장치(1000)는 적분 항 I(j,i)는 -M_I..+M_I 범위 내로 제한할 수 있고, 필요에 따라서 계산된 적분 요소 I(j,i)를 적절한 경계값으로 변경할 수 있다. 여기서 M_I는 적분 요소 제한 파라미터(Integral term limit Parameter)이다.
3) 상기 적분 제어기(12b)의 출력 신호는 제4 증폭기(13d)를 경유하여 자신의 입력으로 피드백 될 수 있고, 이 때 피드백된 출력 신호는 전회(i-1번째) 루프의 적분항(I(j,i-1))이다. 또한 미분 제어기(12c)의 입력 신호는 제3 증폭기(13c)를 경유하여 상기 미분 제어기(12c)로 입력될 수 있고, 이 때 입력 신호는 전회(i-1번째) 루프의 오차(e(j,i-1))이다..
4) 송신장치(1000)의 제2 합산기(14b)는 수학식 6과 같이, 비례 제어기(12a)로부터 출력되는 비례 요소 P(j,i), 적분 제어기(12b)로부터 출력되는 적분 요소 I(j,i) 및 미분 제어기(12c)로부터 출력되는 미분 요소 D(j,i)를 합산(sum)하여 금회(i) 제어량 PID(j,i)를 계산할 수 있다.
수학식 6
Figure PCTKR2016011498-appb-I000004
5) 이러한 계산에 따라 송신장치(1000)는 금회(i) 제어량 PID(j,i)를 출력할 수 있고, 상기 금회(i) 제어량 PID(j,i)는 -M_PID..+M_PID 범위 내로 제한할 수 있다. 여기서 M_PID는 제어량 제한 파라미터(PID output limit Parameter)이다.
(4) 새로운 제어 변수 값 계산 단계.
1) 송신장치(1000)는 수학식 7을 기초한 새로운 제어 변수(controlled variable) 값을 계산할 수 있다.
수학식 7
Figure PCTKR2016011498-appb-I000005
2) 여기서 Sv는 제어 변수에 기초한 스케링 팩터(scaling factor)를 지칭할 수 있다.
또한 제어 변수 v(i,0)=v(j-1, i_max)이고, v(0,0)은 전력 전송 상태의 시작 시점에서의 제어 변수의 실제 값(actual value of the controlled variable)을 지칭할 수 있다. 그리고 상기 제어 변수는 동작 주파수(Operating Frequency), 직류/교류 변환부(1200)의 듀티 싸이클(duty cycle) 또는 직류/교류 변환부(1200)의 입력 전압이나 위상 천이(phase shift)의 변화량 중 어느 하나가 될 수 있다.
만약 계산된 v(j,i)가 기 설정 범위를 초과하는 경우 송신장치(1000)는 상기 계산된 v(j,i)를 적절한 한계값으로 변경할 수 있다.
3) 제2 연산기(15)는 입력되는 금회(i) 제어량 PID(j,i)과 자신의 출력이 제5 증폭기(13e)를 경유하여 피드백 되는, 전회(i-1번째) 루프의 제어 변수 값을 기초하여 상기 수학식 7에 따라 새로운 제어 변수 값 v(j,i)을 계산할 수 있다.
4) 또한 수신측 코일부(2100)에 유도되는 전류를 전류 임계 값 범위 내로 적절히 제한하기 위하여 스케일링 팩터(Sv)나 새로운 제어 변수 값(v(j,i) 중 적어도 하나를 조절할 수 있다.
구체적으로 상기 스케일링 팩터(Sv)는 일 예로써 표 1과 같이 구동 주파수의 범위에 따라서 달라질 수 있다.
표 1
Figure PCTKR2016011498-appb-I000006
또한 송신장치(1000)의 구동 주파수가 표 1과 같이 110kHz 내지 205 kHz의 범위를 가진다고 하여도, 식별 상태에서 수신한 수신장치(2000)의 수신측 코일부(2100) 상에 유도되는 전류 임계 값에 기초하여 구동 주파수를 110kHz 보다 크고 205kHz 보다 작은 값으로 제한할 필요가 있는 경우, 상기 스케일링 팩터(Sv) 중 최저 스케일링 팩터(Sv)는 1.5보다 큰 값으로 변경될 수 있고, 최대 스케일링 팩터(Sz)는 5보다 작은 값으로 변경될 수 있다. 그리하여 구동 주파수의 최소 및 최대 값이 달라지도록 하여 구동 주파수의 주파수 범위를 재 설정할 수 있다. 이러한 스케일링 팩터(Sv)는 도 9에서 설명한 바와 같이 전력 전달 상태에 돌입하기 전 또는 도 10에서 설명한 바와 같이 1차 제어 오차 패킷 수신 후에 재 설정될 수 있다.
또한 다른 예로 제어 변수가 동작 주파수(Operating Frequency)가 될 때, 표 1에서의 160kHz를 경계로 전력변환부(101)의 하프 브릿지 인버터 구동 상태에서 상기 전력변환부(101)는 160kHz보다 높은 구동 주파수로 구동할 수 있고, 상기 구동 주파수를 한계 최대값(예를 들어 도 7의 제4 구동 주파수, f4)을 초과하지 않도록 새로운 제어 변수 값(v(j,i)을 변경할 수 있다. 마찬가지로 전력변환부(101)의 풀 브릿지 인버터 구동 상태에서 상기 전력변환부(101)는 160kHz보다 낮은 구동 주파수로 구동할 수 있고, 상기 구동 주파수를 한계 최저값(예를 들어 도 7의 제5 구동 주파수, f5)을 초과하지 않도록 새로운 제어 변수 값(v(j,i)을 변경할 수 있다.
(5) 새로운 제어 변수를 기초하여 전력변환부를 제어하는 단계.
1) 송신장치(1000)는 새로운 값의 제어 변수 v(j,i)를 직류/교류 변환부(1200)에 적용할 수 있고, 상기 새로운 제어 변수 v(j,i)는 수신측 코일부(2100)에 유도되는 전류값이 전류 임계 값을 초과하지 않도록 설정된 값으로 결합계수의 급격한 변동에도 수신장치(2000)에 손상을 가하지 않는다.
2) 송신장치(1000)는 새로운 값의 제어 변수 v(j,i)에 기초하여 제1 연산부(11)에 의해 결정된 송신 코일 전류(ta(j,i))에 따른 신규 전력을 생성할 수 있다.
(6) 한편 도 12를 참조하면, 송신장치(1000)는 송신 코일 전류(ta(j))를 j(th) 제어 오차 패킷의 수신 종료 시점 이후 t_delay+t_active+t_settle 시간 동안 결정할 수 있다.
여기서 t_delay는 이전 제어 오차 패킷을 수신 후 상기 이전 제어 오차 패킷에 따른 전력 제어를 수행하는데 지연되는 시간을 의미할 수 있고, t_active는 상기 이전 제어 오차 패킷에 따라 전력 제어를 수행(도면에 따른 예로 전송 전력 증가)하는데 걸린 시간을 의미 할 수 있으며, t_settle는 목표하는 전력 값의 정착 시간을 의미할 수 있다.
한편, PID 제어기(12)의 게인들(Ki, Ki, Kd)와, 적분 항 제한 파라미터(M_I), PID 출력 제한 파라미터(M_PID), v(j,i)가 기 설정 범위를 초과하는 경우를 판단할 때의 상기 기 설정 범위와 상기 스케링 팩터(Sv)는 전력 전달 규약(power transfer contract)의 전송 전력 특성, 송신장치(1000)의 스펙, 송신 코일부(1400)의 규격과 용량 및 수신장치(2000)의 전류 임계 값 등을 고려하여 결정될 수 있다.
이와 같이, 상기 제어 오차 패킷을 수신하는 송신장치(1000)는 새로운 송신 코일 전류를 결정하고 상기 새로운 송신 코일 전류에 기초하여 신규 송신 전력을 결정할 수 있다. 그리고 상기 신규 송신 전력량에 따라, 상기 신규 송신 전력을 생성하지 않고 무선 전력 송신을 중단하거나, 상기 신규 송신 전력을 생성하여 무선 전력 송신을 지속할 수 있다.
실시예에 따르면, 송신장치(1000)와 수신장치(2000)의 미스 얼라인으로 인하여 결합 계수가 낮은 경우, 상기 송신장치(1000)로부터 출력되는 전력 대비 상기 수신장치(2000)의 수신전력이 낮아, 상기 수신장치(2000)는 더 많은 전력을 요구할 수 있어 상기 송신장치(1000)의 송신 전력 량은 증가할 수 있다. 이 때, 수신장치(2000)의 전류 임계 값을 고려하여 재 설정된 구동 주파수 범위 내에서 무선 전력을 생성하여 전송하므로 과도한 송신 전력 및 과도한 송신 전력에 따른 발열에 기인하여 수신장치(2000)가 손상되는 문제를 해결할 수 있다.
특히 차량 무선 충전 시스템과 같이, 송신장치(1000)와 수신장치(2000)가 차량의 흔들림 등의 원인으로 미스 얼라인이 순간적이고 반복적으로 일어나는 경우, 송신장치(1000)의 송신 전력이 순간적으로 급변할 수 있는 상황에서도 수신측 코일부(2100) 상의 유도 전류는 임계 값을 초과하지 않으므로 상기 수신장치(2000)에 손상을 가하는 것을 미연에 방지할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술할 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.

Claims (20)

  1. 송신장치로부터 수신장치에 무선으로 전력을 전송하는 방법으로서,
    상기 수신장치의 검출을 위한 신호를 송신하는 단계;
    상기 수신장치로부터 식별 패킷을 수신하는 단계;
    상기 수신장치의 식별 패킷에 기초하여 송신장치의 구동 주파수의 범위를 재 설정하는 단계; 및
    상기 재 설정된 구동 주파수의 범위 내에서 생성된 무선 전력을 전송하는 단계;를 포함하는 전력 전송 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 구동 주파수의 범위를 재 설정하는 단계는,
    상기 구동 주파수의 최소 주파수와 최대 주파수를 재 설정하는 전력 전송 방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 구동 주파수의 범위는,
    상기 식별 패킷에 포함된 수신측 코일부의 전류 임계 값에 기초하여 재 설정되는 전력 전송 방법.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 구동 주파수의 범위는,
    상기 수신장치로부터 제어 오차 패킷을 수신한 후, 상기 식별 패킷에 기초하여 재 설정되는 전력 전송 방법.
  5. 제2 항에 있어서,
    상기 재 설정된 구동 주파수의 최소 주파수는 상기 송신장치의 기 설정된 구동 주파수의 최소 주파수보다 큰 전력 전송 방법.
  6. 제2 항에 있어서,
    상기 재 설정된 구동 주파수의 최대 주파수는 상기 송신장치의 기 설정된 구동 주파수의 최대 주파수보다 작은 전력 전송 방법.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 수신장치로부터 제어 오차 패킷을 수신하는 단계; 및
    상기 제어 오차 패킷의 수신장치의 요구 전력량에 대한 정보에 기초하여 무선 전력을 생성하는 단계;를 더 포함하는 전력 전송 방법.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 무선 전력을 생성하는 단계는,
    비례 제어, 적분 제어 및 미분 제어(proportional integral differential control; 이하 PID 제어)에 기초하여 무선 전력을 생성하고,
    이전 제어 오차 패킷에 따른 전회 제어 변수에 현재 제어 오차 패킷에 따른 금회 PID 제어량과 스케일링 팩터의 곱의 차이 값에 기초하여 금회 제어 변수를 설정하고
    상기 금회 제어 변수에 기초하여 무선 전력을 생성하는 전력 전송 방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 스케일링 팩터는 재 설정된 상기 구동 주파수의 범위에 기초하여 변경되는 전력 전송 방법.
  10. 수신장치가 송신장치로부터 무선으로 전력을 수신하는 방법으로서,
    상기 송신장치로부터의 검출 신호에 대한 응답 신호를 송신하는 단계;
    상기 송신장치로 식별 패킷를 송신하는 단계; 및
    상기 식별 패킷에 기초하여 재 설정된 구동 주파수의 범위에 따라 생성된 무선 전력을 수신하는 단계;를 포함하는 전력 수신 방법.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 식별 패킷은 상기 수신장치의 전류 임계 값을 포함하고,
    상기 전류 임계 값에 기초하여 상기 구동 주파수의 범위는 재 설정되는 전력 수신 방법.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 구동 주파수의 최소 주파수와 최대 주파수를 재 설정하여 상기 구동 주파수의 범위가 재 설정되는 전력 수신 방법.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 재 설정된 구동 주파수의 최소 주파수는 상기 송신장치의 기 설정된 구동 주파수의 최소 주파수보다 큰 전력 수신 방법.
  14. 제12 항에 있어서,
    상기 재 설정된 구동 주파수의 최대 주파수는 상기 송신장치의 기 설정된 구동 주파수의 최대 주파수보다 작은 전력 수신 방법.
  15. 무선 전력 송신을 위한 송신 코일;
    상기 송신 코일에 전력을 출력하는 전력변환부;
    상기 송신 코일에 출력되는 전력의 양을 제어하기 위해 상기 전력변환부를 제어하는 제어부;
    상기 제어부는,
    상기 무선 전력을 수신하는 수신장치의 식별 패킷에 기초하여 상기 전력변환부의 구동 주파수의 범위를 재 설정하는 송신장치.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 식별 패킷은 상기 수신장치의 전류 임계 값을 포함하고,
    상기 전류 임계 값에 기초하여 상기 구동 주파수의 범위는 재 설정하는 송신장치.
  17. 제16 항에 있어서,
    상기 전력변환부는 상기 식별 패킷에 기초하여 하프 브릿지 인버터(half bridge inverter) 또는 풀 브릿지 인버터(full bridge inverter) 중 어느 하나로 동작하는 송신장치.
  18. 제15 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 전력 변환부의 구동 주파수, 입력 전압, 듀티 사이클(duty cycle) 및 위상 천이(phase shift) 중 어느 하나를 조절하여 상기 무선 전력의 양을 제어하는 송신장치.
  19. 제15 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 수신장치로부터의 전력 증가 요청 신호와 상기 송신코일의 제1 전류에 기초하여 제2 전류를 결정하는 제1 연산부;
    비례 제어, 적분 제어 및 미분 제어(proportional integral differential control; 이하 PID 제어)에 기초하여 제어량을 결정하는 PID 제어부; 및
    상기 제어량 및 전회 제어 변수에 기초하여 금회 제어 변수를 결정하는 제2 연산부;를 포함하고,
    상기 금회 제어 변수에 기초하여 상기 전력변환부를 제어하고,
    상기 제2 연산부는,
    상기 제어량에 스케일링 팩터를 곱한 값과 상기 전회 제어 변수의 차이 값에 기초하여 상기 금회 제어 변수를 결정하는 송신장치.
  20. 제19 항에 있어서,
    상기 스케일링 팩터는 재 설정된 상기 구동 주파수의 범위에 기초하여 변경되는 송신장치.
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