WO2017078285A1 - 무선 전력 송신기 - Google Patents

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WO2017078285A1
WO2017078285A1 PCT/KR2016/011405 KR2016011405W WO2017078285A1 WO 2017078285 A1 WO2017078285 A1 WO 2017078285A1 KR 2016011405 W KR2016011405 W KR 2016011405W WO 2017078285 A1 WO2017078285 A1 WO 2017078285A1
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wireless power
distance
coil
transmission
transmitter
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PCT/KR2016/011405
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배수호
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엘지이노텍(주)
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    • H02J7/02—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries for charging batteries from ac mains by converters

Definitions

  • the present invention relates to a wireless power transmission technology, and more particularly, to a wireless power transmitter that can improve performance by improving the efficiency of wireless power transmission.
  • Wireless power transmission or wireless energy transfer is a technology that transmits electrical energy wirelessly from a transmitter to a receiver using the principle of induction of magnetic field, which is already used by electric motors or transformers using the electromagnetic induction principle in the 1800s. Since then, there have been attempts to transmit electrical energy by radiating electromagnetic waves such as radio waves and lasers. Electric toothbrushes and some wireless razors that we commonly use are actually charged with the principle of electromagnetic induction.
  • energy transmission using wireless may be classified into magnetic induction, electromagnetic resonance, and RF transmission using short wavelength radio frequency.
  • the magnetic induction method uses the phenomenon that magnetic flux generated at this time causes electromotive force to other coils when two coils are adjacent to each other and current flows to one coil, and is rapidly commercialized in small devices such as mobile phones. Is going on. Magnetic induction is capable of transmitting power of up to several hundred kilowatts (kW) and has high efficiency, but the maximum transmission distance is less than 1 centimeter (cm).
  • the magnetic resonance method is characterized by using an electric or magnetic field instead of using electromagnetic waves or current. Since the magnetic resonance method is hardly affected by the electromagnetic wave problem, it has the advantage of being safe for other electronic devices or the human body. On the other hand, it can be utilized only in limited distances and spaces, and has a disadvantage in that energy transmission efficiency is rather low.
  • the short wavelength wireless power transmission scheme implies, the RF transmission scheme— takes advantage of the fact that energy can be transmitted and received directly in the form of RadioWave.
  • This technology is a wireless power transmission method of the RF method using a rectenna, a compound word of an antenna and a rectifier (rectifier) refers to a device that converts RF power directly into direct current power.
  • the RF method is a technology that converts AC radio waves to DC and uses them. Recently, research on commercialization has been actively conducted as efficiency is improved.
  • Wireless power transfer technology can be used in various industries, such as the mobile, IT, railroad and consumer electronics industries.
  • the plurality of coils may be formed in a plurality of layers.
  • the efficiency of the wireless power transmission is dependent on the distance between the coil and the surface on which the wireless power receiver is placed. That is, the wireless power transmission efficiency of the coil located at the lower part far from the wireless power receiver among the plurality of coils becomes relatively small, resulting in performance degradation.
  • the present invention has been devised to solve the above problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide a wireless power transmitter.
  • Another object of the present invention is to provide a wireless power transmitter capable of improving wireless power transmission efficiency of a transmission coil belonging to a lower layer.
  • a wireless power transmitter includes a first transmitting coil and a second region including a first region spaced a first distance from an interface surface and a second region spaced a second distance from the interface surface. And a second transmission coil overlapping the region, wherein the first distance is smaller than the second distance.
  • the first transmitting coil may be bent toward the interface surface.
  • an average distance between the first transmission coil and the interface surface may be smaller as the ratio of the horizontal length of the first region to the total horizontal length of the first transmission coil is increased.
  • the average distance between the first transmitting coil and the interface surface may be smaller as the ratio of the area of the first area to the total area of the first transmitting coil is larger.
  • the difference between the first distance and the second distance may be a thickness of the first transmission coil.
  • it may further include a third transmission coil having a symmetrical structure with the first transmission coil.
  • a wireless power transmitter includes a first transmission coil including a first area spaced a first distance from an interface surface and a second area spaced a second distance from the interface surface, and the first transmission coil; And a second transmission coil overlapping one region in a horizontal direction, wherein the first distance may be smaller than the second distance.
  • the wireless power transmitter by implementing a bent form of the coil located in the lower portion of the overlapping coil to reduce the average distance between the coil and the interface surface can improve the wireless power transmission efficiency It works.
  • the wireless power transmitter by reducing the average distance between the coil and the interface surface by implementing the bent coil in the lower form, the power consumption for transmitting the detection signal can be reduced Power transmission efficiency can be increased.
  • FIG. 1 is a view for explaining a detection signal transmission procedure in a wireless power transmitter according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a state transition diagram for explaining a wireless power transmission procedure defined in the WPC standard.
  • 3 is a state transition diagram for explaining a wireless power transmission procedure defined in the PMA standard.
  • FIG. 4 is a view for explaining a wireless charging system of the electromagnetic induction method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a transmitting coil according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a view for explaining a method of manufacturing a transmitting coil layer according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a front view of the transmitting coil layer illustrated in FIG. 6.
  • a wireless power transmitter includes a first transmission coil and a first region including a first region spaced a first distance from an interface surface and a second region spaced a second distance from the interface surface. And a second transmission coil overlapping the two regions, wherein the first distance may be smaller than the second distance.
  • the top (bottom) or the bottom (bottom) is the two components are in direct contact with each other or One or more other components are all included disposed between the two components.
  • up (up) or down (down) may include the meaning of the down direction as well as the up direction based on one component.
  • the apparatus for transmitting wireless power on the wireless power system is a wireless power transmitter, a wireless power transmitter, a wireless power transmitter, a wireless power transmitter, a transmitter, a transmitter, a transmitter, a transmitter, a transmitter, A wireless power transmitter, a wireless power transmitter, and the like will be used interchangeably.
  • a wireless power receiver, a wireless power receiver, a wireless power receiver, a wireless power receiver, a wireless power receiver, a receiver terminal, a receiver, a receiver, a receiver Or the like can be used in combination.
  • the transmitter according to the present invention may be configured in a pad form, a cradle form, an access point (AP) form, a small base station form, a stand form, a ceiling buried form, a wall hanging form, and the like. You can also transfer power.
  • the transmitter may comprise at least one wireless power transmission means.
  • the wireless power transmission means may use various wireless power transmission standards based on an electromagnetic induction method that generates a magnetic field in the power transmitter coil and charges using the electromagnetic induction principle in which electricity is induced in the receiver coil under the influence of the magnetic field.
  • the wireless power transmission means may include a wireless charging technology of the electromagnetic induction method defined by the Wireless Power Consortium (WPC) and the Power Matters Alliance (PMA) which is a wireless charging technology standard apparatus.
  • WPC Wireless Power Consortium
  • PMA Power Matters Alliance
  • the receiver according to an embodiment of the present invention may be provided with at least one wireless power receiving means, and may simultaneously receive wireless power from two or more transmitters.
  • the wireless power receiving means may include an electromagnetic induction wireless charging technology defined by the Wireless Power Consortium (WPC) and the Power Matters Alliance (PMA), which are wireless charging technology standard organizations.
  • WPC Wireless Power Consortium
  • PMA Power Matters Alliance
  • the receiver according to the present invention is a mobile phone, smart phone, laptop computer, digital broadcasting terminal, PDA (Personal Digital Assistants), PMP (Portable Multimedia Player), navigation, MP3 player, electric It may be used in a small electronic device such as a toothbrush, an electronic tag, a lighting device, a remote control, a fishing bobber, a wearable device such as a smart watch, but is not limited thereto. If the device is equipped with a wireless power receiver according to the present invention, the battery can be charged. It is enough.
  • FIG. 1 is a view for explaining a detection signal transmission procedure in a wireless power transmitter according to an embodiment of the present invention.
  • the wireless power transmitter may be equipped with three transmitting coils 111, 112, and 113. Each transmission coil may overlap some other area with another transmission coil, and the wireless power transmitter may detect a predetermined detection signal 117, 127 for detecting the presence of the wireless power receiver through each transmission coil, for example, Digital ping signals are sent sequentially in a predefined order.
  • the wireless power transmitter sequentially transmits a sensing signal 117 through a primary sensing signal transmitting procedure shown in FIG. 110, and receives a signal strength indicator from the wireless power receiver 115.
  • the strength indicator 116 can identify the received transmission coils 111, 112.
  • the wireless power transmitter sequentially transmits the detection signal 127 through the secondary detection signal transmission procedure shown in FIG. 120, and transmits power among the transmission coils 111 and 112 where the signal strength indicator 126 is received.
  • the reason why the wireless power transmitter performs two sensing signal transmission procedures is to more accurately identify which transmitting coil is well aligned with the receiving coil of the wireless power receiver.
  • the wireless power transmitter If the signal strength indicators 116 and 126 are received in the first transmitting coil 111 and the second transmitting coil 112, as shown in reference numerals 110 and 120 of FIG. 1, the wireless power transmitter. Based on the signal strength indicator 126 received at each of the first transmitting coil 111 and the second transmitting coil 112 selects the best-aligned transmitting coil, and performs wireless charging using the selected transmitting coil. .
  • FIG. 2 is a state transition diagram for explaining a wireless power transmission procedure defined in the WPC standard.
  • power transmission from a transmitter to a receiver according to the WPC standard can be divided into a selection phase 210, a ping phase 220, an identification and configuration phase 230, It may be divided into a power transfer phase 240.
  • the selection step 210 may be a step of transitioning when a specific error or a specific event is detected while starting or maintaining power transmission.
  • the transmitter may monitor whether an object exists on the interface surface. If the transmitter detects that an object is placed on the interface surface, the transmitter may transition to the ping step 220 (S201).
  • the transmitter transmits an analog ping signal of a very short pulse, and detects whether an object exists in an active area of the interface surface based on a change in current of a transmitting coil.
  • the transmitter activates the receiver and sends a digital ping to identify whether the receiver is a receiver that is compliant with the WPC standard. If the transmitter does not receive a response signal for the digital ping (eg, signal strength indicator) from the receiver in the ping step 220, it may transition back to the selection step 210 (S202). In addition, in the ping step 220, when the transmitter receives a signal indicating that the power transmission is completed, that is, the charging completion signal, the transmitter may transition to the selection step 210 (S203).
  • a response signal for the digital ping eg, signal strength indicator
  • the transmitter may transition to the identification and configuration step 230 for collecting receiver identification and receiver configuration and status information (S204).
  • the transmitter receives an unexpected packet, a desired packet has not been received for a predefined time, a packet transmission error, or a power transmission contract. If this is not set (no power transfer contract) it may transition to the selection step 210 (S205).
  • the transmitter may transition to the power transmission step 240 for transmitting the wireless power (S206).
  • the transmitter receives an unexpected packet, an outgoing desired packet for a predefined time, or a violation of a predetermined power transmission contract occurs. transfer contract violation), if the filling is completed, the transition to the selection step (210) (S207).
  • the transmitter may transition to the identification and configuration step 230 (S208).
  • the power transmission contract may be set based on state and characteristic information of the transmitter and the receiver.
  • the transmitter state information may include information about the maximum amount of power that can be transmitted, information about the maximum number of receivers that can be accommodated, and the receiver state information may include information about required power.
  • 3 is a state transition diagram for explaining a wireless power transmission procedure defined in the PMA standard.
  • power transmission from a transmitter to a receiver according to the PMA standard is divided into a standby phase (310), a digital ping phase (320), an identification phase (330), and a power transmission.
  • the operation may be divided into a power transfer phase 340 and an end of charge phase 350.
  • the waiting step 310 may be a step of transitioning when a specific error or a specific event is detected while performing a receiver identification procedure for power transmission or maintaining power transmission.
  • specific errors and specific events will be apparent from the following description.
  • the transmitter may monitor whether an object exists on a charging surface. If the transmitter detects that an object is placed on the charging surface or the RXID retry is in progress, the transmitter may transition to the digital ping step 320 (S301).
  • RXID is a unique identifier assigned to a PMA compatible receiver.
  • the transmitter transmits a very short pulse of analog ping, and an object is placed on the active surface of the interface surface-for example, the charging bed-based on the current change of the transmitting coil. You can detect if it exists.
  • the transmitter transitioned to the digital ping step 320 sends a digital ping signal to identify whether the detected object is a PMA compatible receiver.
  • the receiver may modulate the received digital ping signal according to the PMA communication protocol to transmit a predetermined response signal to the transmitter.
  • the response signal may include a signal strength indicator indicating the strength of the power received by the receiver.
  • the receiver may transition to the identification step 330 (S302).
  • the transmitter may transition to the standby step 310.
  • the Foreign Object may be a metallic object including coins, keys, and the like.
  • the transmitter may transition to the waiting step 310 if the receiver identification procedure fails or the receiver identification procedure needs to be re-executed and if the receiver identification procedure has not been completed for a predefined time ( S304).
  • the transmitter transitions from the identification step 330 to the power transmission step 340 to start charging (S305).
  • the transmitter waits if the desired signal is not received within a predetermined time (Time Out), if a Foreign Object (FO) is detected, or if the voltage of the transmitting coil exceeds a predefined reference value. It may transition to 310 (S306).
  • the transmitter may transition to the charging completion step 350 (S307).
  • the transmitter may transition to the standby state 310 (S309).
  • the transmitter may transition from the charging completion step 350 to the digital ping step 320 (S310).
  • the transmitter when the transmitter receives an end of charge (EOC) request from the receiver, the transmitter may transition to the charging completion step 350 (S308 and S311).
  • EOC end of charge
  • FIG. 4 is a view for explaining a wireless charging system of the electromagnetic induction method according to an embodiment of the present invention.
  • an electromagnetic induction type wireless charging system includes a wireless power transmitter 400 and a wireless power receiver 450.
  • the wireless power transmitter 400 and the wireless power receiver 450 are substantially the same as the wireless power transmitter and the wireless power receiver described with reference to FIG. 1, respectively.
  • the coils of the wireless power transmitter 400 and the wireless power receiver 450 may be coupled to each other by an electromagnetic field.
  • the wireless power transmitter 400 may modulate the power signal and change the frequency to generate an electromagnetic field for power transmission.
  • the wireless power receiver 450 receives power by demodulating an electromagnetic signal according to a protocol set to be suitable for a wireless communication environment, and controls the power output strength of the wireless power transmitter 400 based on the received power.
  • the feedback signal may be transmitted to the wireless power transmitter 400 through in-band communication.
  • the wireless power transmitter 400 may increase or decrease the transmission power by controlling an operating frequency according to a control signal for power control.
  • the amount (or increase / decrease) of the transmitted power may be controlled using a feedback signal transmitted from the wireless power receiver 450 to the wireless power transmitter 400.
  • communication between the wireless power receiver 450 and the wireless power transmitter 400 is not limited to in-band communication using the above-described feedback signal, but out of band having a separate communication module. It may also be achieved using -of-band communication.
  • a short range wireless communication module such as Bluetooth, Bluetooth Low Energy (BLE), NFC, or Zigbee may be used.
  • a frequency modulation scheme may be used as a protocol for exchanging state information and control signals between the wireless power transmitter 400 and the wireless power receiver 450.
  • the device identification information, the charging state information, the power control signal, etc. may be exchanged through the protocol.
  • the wireless power transmitter 400 may sense a feedback signal transmitted from the signal generator 420 and the wireless power receiver 450 that generate a power signal.
  • Coil L1 and capacitors C1 and C2 located between power supply terminals V_Bus and GND, and switches SW1 and SW2 whose operation is controlled by the signal generator 420.
  • the signal generator 420 controls the demodulator 424 for demodulating the feedback signal transmitted through the coil L1, the frequency driver 426 for changing the frequency, the modulator 424, and the frequency driver 426. It may be configured to include a transmission control unit 422 for.
  • the feedback signal transmitted through the coil L1 is demodulated by the demodulator 424 and then input to the transmission control unit 422, and the transmission control unit 422 controls the frequency driver 426 based on the demodulated signal.
  • the frequency of the power signal transmitted to the coil L1 may be changed.
  • the wireless power receiver 450 includes a modulator 452 for transmitting a feedback signal through the coil L2, a rectifier 454 for converting an AC signal received through the coil L2 into a DC signal, It may include a receiving controller 460 for controlling the modulator 452 and the rectifier 454.
  • the reception controller 460 is a power supply unit 462 for supplying power required for the operation of the rectifier 454 and other wireless power receiver 450, the rectifier 454 is the output DC voltage of the charge target (load, 468) Providing the wireless power transmitter 400 with the DC-DC converter 464 for changing the DC voltage to meet the charging requirements, the load 468 for outputting the converted power, and the received power state and the state of the charging target. It may include a feedback communication unit 466 for generating a feedback signal for.
  • the coil L1 included in the wireless power transmitter 400 refers to three transmission coils 111, 112, and 113 illustrated in FIG. 1, and a switch (eg, a switch connected to the transmission coils 111, 112, and 113).
  • SW1 and SW2 and the capacitors C1 and C2 may be provided independently for each of the transmission coils 111, 112, and 113, but the scope of the present invention is not limited thereto.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a transmitting coil according to an embodiment of the present invention.
  • the transmitting coil 500 has a conductive wire (for example, copper) located at the center thereof, and an electric wire in which an insulating coating (for example, fiber or plastic material) is wrapped around the conductive coil. It can be implemented in a structure wound around this concentric circle.
  • a conductive wire for example, copper
  • an electric wire in which an insulating coating (for example, fiber or plastic material) is wrapped around the conductive coil. It can be implemented in a structure wound around this concentric circle.
  • the transmitting coil 500 is illustrated in FIG. 5 as a concentric rectangular structure, the scope of the present invention is not limited thereto and may be implemented in various structures such as a concentric spiral structure or an octagonal structure.
  • the first terminal 510 may be formed at the inner end of the transmitting coil 500, and the second terminal 520 may be formed at the outer end of the transmitting coil 500.
  • the first terminal 510 and the second terminal 520 correspond to both ends of the coil L1 illustrated in FIG. 4, and may be connected to the control circuit board.
  • the control circuit board corresponds to a board including components for controlling the operation of the wireless power transmitter 400 such as the switches SW1 and SW2 and the signal generator 420.
  • FIG. 6 is a view for explaining a method of manufacturing a transmitting coil layer according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a front view of the transmitting coil layer illustrated in FIG. 6.
  • the transmission coil layer may include first to third coils 610, 620, and 630.
  • Each of the first to third transmission coils 610, 620, and 630 is implemented with the transmission coil 500 illustrated in FIG. 5, and a dead spot that is a region where wireless charging is possible and the charging is impossible. It may be arranged overlapped with each other so that this does not occur. As a result, the first to third transmission coils 610, 620, and 630 form at least two or more layers.
  • the conducting wires constituting each of the first to third transmission coils 610, 620, and 630 are insulated with an insulating coating, the first to third transmission coils 610, 620, and 630 may be in close contact with each other.
  • the first transmitting coil 610 and the third transmitting coil 630 may be symmetrically disposed about the second transmitting coil 620, and the second transmitting coil 620 is an outer boundary of the wireless power transmitter. There may be a distance spaced apart from the interface surface 600, on which the wireless power receiver may be placed. In the space of the predetermined distance, a case for forming an external appearance of the wireless power transmitter and protecting an internal configuration may be provided.
  • the third transmission coil 630 has a symmetrical structure substantially the same as the first transmission coil 610, only the structure of the first transmission coil 610 will be described in detail with reference to FIG. 6.
  • the first transmitting coil 610 may include a first area and a second area, wherein the first area is an area where the distance (shortest distance) from the interface surface 600 is the first distance D1 and the first area.
  • the second region is the region where the distance (shortest distance) from the interface surface 600 is the second distance D2.
  • the difference between the second distance D2 and the first distance D1 is illustrated as being the thickness of the first transmission coil 610, but the scope of the present invention is not limited thereto.
  • the first transmitting coil 610 may have a bent shape toward the interface surface 600, and the bent corner is shown to be vertically bent in FIG. 6, but may have a smooth shape.
  • At least a portion of the first region may overlap the second transmission coil 620 in the horizontal direction, and at least a portion of the second region may overlap the second transmission coil 620 in the vertical direction.
  • the first transmission coil 610 is assumed to have a straight shape such that the distance from the interface surface 600 is the second distance D2, unlike in FIG. 6, the first transmission coil ( The average distance between 610 and the interface surface 600 becomes the second distance D2.
  • A is the horizontal length of the first region
  • B corresponds to the horizontal length of the second region.
  • the distance D_DCR of the interface surface 600 in which the first transmission coil 610 is reduced compared to the comparative example may be calculated by Equation 2 below.
  • the average between the first transmitting coil 610 and the interface surface 600 is increased.
  • the distance D_AVR can be made smaller.
  • the matching between the transmitting coil and the receiving coil has a great influence on the wireless power transmission efficiency, and the closer the distance between the transmitting coil and the receiving coil is, the wireless power transmission efficiency increases.
  • the average distance between the first transmitting coil 610 and the interface surface 600 is 3.5 mm and the wireless power transmission efficiency is 59. May be%.
  • the average distance between the second transmission coil 620 and the interface surface 600 may be 2mm and the wireless power transmission efficiency may be 62%.
  • the average distance between the first transmission coil 610 and the interface surface 600 according to an embodiment of the present invention is 2.75 mm by Equation 1
  • the reduced distance is 0.75 mm by Equation 2.
  • the first transmission coil 610 according to the embodiment of the present invention is reduced in distance from the interface surface 600 by 0.75 mm due to the bent shape, and the wireless power transmission efficiency may be improved from 59% to 60.7%. Can be.
  • the wireless power transmission efficiency may be improved.
  • a phenomenon in which the wireless power transmission efficiency of the transmission coil belonging to the lower layer is relatively lowered may occur.
  • a coil positioned below the overlapping coils may be bent to reduce the average distance between the coil and the interface surface, thereby improving wireless power transmission efficiency. It can be effective.
  • each of the transmitting coils 610, 620, 630 transmits the sensing signals 117, 127 described in FIG. 1 in the standby mode, which is identical to the sensing signals 177, 127 with respect to the interface surface 600.
  • Receive sensitivity should be implemented. Since the signal is attenuated as the transmission distance increases, the voltage applied to the lower transmission coils 610 and 630 should be greater than the voltage applied to the upper transmission coil 620.
  • the wireless power transmitter by implementing a coil located in the lower portion of the bent form to reduce the average distance between the coil and the interface surface power consumption for the transmission of the detection signal can be reduced Power transmission efficiency can be increased.
  • FIG. 7 shows a front view of the transmitting coil layer from the interface surface 600.
  • the second transmission coil 620 and the first and third transmission coils 610 and 630 may be disposed to overlap each other so that a dead spot does not occur.
  • the transmission coil layer illustrated in FIG. 6 corresponds to a cross section vertically cut along the straight line S-S ′ of FIG. 7.
  • each of the transmission coils 610, 620, and 630 is implemented in a rectangular shape having different horizontal lengths and vertical lengths is illustrated.
  • an area 640 that is located on the same line as the second area of FIG. 6 but does not overlap with the second transmission coil 620 is generated, but does not overlap with the second transmission coil 620.
  • it may be implemented in a bent shape such that the distance to the interface surface 600 is the first distance D1.
  • the distance from the interface surface 600 is the first distance D1. It may be implemented in a bent form to be.
  • the scope of the present invention is not limited to the shape and arrangement of the respective transmission coils 610, 620, and 630 of FIG. 7, and such a structure may be applied regardless of the shape and arrangement.
  • the average distance D_AVR 'between the first transmitting coil 610 and the interface surface 600 can be calculated by the following equation (3).
  • C is the area of the first region
  • D corresponds to the area of the second region
  • the distance D_DCR 'of the first transmission coil 610 according to the embodiment of the present invention is reduced compared to the comparative example mentioned in FIG. 6 by the following equation (4). Can be calculated.
  • the average distance between the first transmission coil 610 and the interface surface 600 ( D_AVR ') can be made small.
  • the wireless power transmitter according to an embodiment of the present invention, by implementing an area except for the overlapped area of the coil located below the overlapping coils in a bent form by reducing the average distance between the coil and the interface surface There is an effect that can improve the wireless power transmission efficiency.
  • the method according to the embodiment described above may be stored in a computer-readable recording medium that is produced as a program for execution on a computer, and examples of the computer-readable recording medium include ROM, RAM, CD-ROM, magnetic tape , Floppy disks, optical data storage devices, and the like, and also include those implemented in the form of carrier waves (eg, transmission over the Internet).
  • the computer readable recording medium can be distributed over network coupled computer systems so that the computer readable code is stored and executed in a distributed fashion.
  • functional programs, codes, and code segments for implementing the above-described method may be easily inferred by programmers in the art to which the embodiments belong.
  • the present invention relates to a wireless charging technology, can be applied to a wireless power transmission device for transmitting power wirelessly.

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Abstract

본 발명은 무선 전력 전송 기술에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 무선 전력 전송의 효율을 향상시켜 성능을 높일 수 있는 무선 전력 송신기에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신기는, 인터페이스 표면과 제1 거리가 이격된 제1 영역 및 상기 인터페이스 표면과 제2 거리가 이격된 제2 영역을 포함하는 제1 송신 코일, 및 상기 제2 영역과 오버랩(overlap)되는 제2 송신 코일을 포함하고, 상기 제1 거리는 상기 제2 거리보다 작을 수 있다.

Description

무선 전력 송신기
본 발명은 무선 전력 전송 기술에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 무선 전력 전송의 효율을 향상시켜 성능을 높일 수 있는 무선 전력 송신기에 관한 것이다.
최근 정보 통신 기술이 급속도로 발전함에 따라, 정보 통신 기술을 기반으로 하는 유비쿼터스 사회가 이루어지고 있다.
언제 어디서나 정보통신 기기들이 접속되기 위해서는 사회 모든 시설에 통신 기능을 가진 컴퓨터 칩을 내장시킨 센서들이 설치되어야 한다. 따라서 이들 기기나 센서의 전원 공급 문제는 새로운 과제가 되고 있다. 또한 휴대폰뿐만 아니라 블루투스 핸드셋과 아이팟 같은 뮤직 플레이어 등의 휴대기기 종류가 급격히 늘어나면서 배터리를 충전하는 작업이 사용자에게 시간과 수고를 요구하고 됐다. 이러한 문제를 해결하는 방법으로 무선 전력 전송 기술이 최근 들어 관심을 받고 있다.
무선 전력 전송 기술(wireless power transmission 또는 wireless energy transfer)은 자기장의 유도 원리를 이용하여 무선으로 송신기에서 수신기로 전기 에너지를 전송하는 기술로서, 이미 1800년대에 전자기유도 원리를 이용한 전기 모터나 변압기가 사용되기 시작했고, 그 후로는 라디오파나 레이저와 같은 전자파를 방사해서 전기에너지를 전송하는 방법도 시도되었다. 우리가 흔히 사용하는 전동칫솔이나 일부 무선면도기도 실상은 전자기유도 원리로 충전된다.
현재까지 무선을 이용한 에너지 전달 방식은 크게 자기 유도 방식, 자기 공진(Electromagnetic Resonance) 방식 및 단파장 무선 주파수를 이용한 RF 전송 방식 등으로 구분될 수 있다.
자기 유도 방식은 두 개의 코일을 서로 인접시킨 후 한 개의 코일에 전류를 흘려보내면 이 때 발생한 자속(MagneticFlux)이 다른 코일에 기전력을 일으키는 현상을 사용한 기술로서, 휴대폰과 같은 소형기기를 중심으로 빠르게 상용화가 진행되고 있다. 자기 유도 방식은 최대 수백 키로와트(kW)의 전력을 전송할 수 있고 효율도 높지만 최대 전송 거리가 1센티미터(cm) 이하이므로 일반적으로 충전기나 바닥에 인접시켜야 하는 단점이 있다.
자기 공진 방식은 전자기파나 전류 등을 활용하는 대신 전기장이나 자기장을 이용하는 특징이 있다. 자기 공진 방식은 전자파 문제의 영향을 거의 받지 않으므로 다른 전자 기기나 인체에 안전하다는 장점이 있다. 반면, 한정된 거리와 공간에서만 활용할 수 있으며 에너지 전달 효율이 다소 낮다는 단점이 있다.
단파장 무선 전력 전송 방식-간단히, RF 전송 방식-은 에너지가 라디오 파(RadioWave)형태로 직접 송수신될 수 있다는 점을 활용한 것이다. 이 기술은 렉테나(rectenna)를 이용하는 RF 방식의 무선 전력 전송 방식으로서, 렉테나는 안테나(antenna)와 정류기(rectifier)의 합성어로서 RF 전력을 직접 직류 전력으로 변환하는 소자를 의미한다. 즉, RF 방식은 AC 라디오파를 DC로 변환하여 사용하는 기술로서, 최근 효율이 향상되면서 상용화에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
무선 전력 전송 기술은 모바일 뿐만 아니라 IT, 철도, 가전 산업 등 산업 전반에 다양하게 활용될 수 있다.
최근에는 충전 베드에 놓여진 무선 전력 수신기의 인식률을 높이기 위해 복수의 코일들이 장착된 무선 전력 송신기가 출시되고 있다. 복수의 코일들은 다수의 층을 이루어 형성될 수 있다.
특히, 전자기 유도 방식으로 무선 전력을 전달하는 경우, 무선 전력 전송의 효율은 무선 전력 수신기가 놓이는 면과 코일 간의 거리에 의존하게 된다. 즉, 복수의 코일들 중 무선 전력 수신기와의 거리가 먼 하부에 위치하는 코일의 무선 전력 전송 효율은 상대적으로 작아지게 되어 성능 저하가 발생하게 된다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로, 본 발명의 목적은 무선 전력 송신기를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 하부 층에 속하는 송신 코일의 무선 전력 전송 효율을 개선할 수 있는 무선 전력 송신기를 제공하는 것이다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신기는, 인터페이스 표면과 제1 거리가 이격된 제1 영역 및 상기 인터페이스 표면과 제2 거리가 이격된 제2 영역을 포함하는 제1 송신 코일 및 상기 제2 영역과 오버랩(overlap)되는 제2 송신 코일을 포함하고, 상기 제1 거리는 상기 제2 거리보다 작을 수 있다.
실시예에 따라, 상기 제1 송신 코일은 상기 인터페이스 표면을 향해 구부러진 형태를 가질 수 있다.
실시예에 따라, 상기 제1 송신 코일과 상기 인터페이스 표면 사이의 평균 거리는 상기 제1 송신 코일의 전체 수평 길이에 대한 상기 제1 영역의 수평 길이의 비율이 커질수록 작아질 수 있다.
실시예에 따라, 상기 제1 송신 코일과 상기 인터페이스 표면 사이의 평균 거리는 상기 제1 송신 코일의 전체 면적에 대한 상기 제1 영역의 면적의 비율이 커질수록 작아질 수 있다.
실시예에 따라, 상기 제1 거리와 상기 제2 거리의 차는 상기 제1 송신 코일의 두께일 수 있다.
실시예에 따라, 상기 제1 송신 코일과 대칭 구조를 갖는 제3 송신 코일을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 전력 송신기는, 인터페이스 표면과 제1 거리가 이격된 제1 영역 및 상기 인터페이스 표면과 제2 거리가 이격된 제2 영역을 포함하는 제1 송신 코일, 및 상기 제1 영역과 수평 방향으로 오버랩(overlap)되는 제2 송신 코일을 포함하고, 상기 제1 거리는 상기 제2 거리보다 작을 수 있다.
상기 본 발명의 양태들은 본 발명의 바람직한 실시예들 중 일부에 불과하며, 본원 발명의 기술적 특징들이 반영된 다양한 실시예들이 당해 기술분야의 통상적인 지식을 가진 자에 의해 이하 상술할 본 발명의 상세한 설명을 기반으로 도출되고 이해될 수 있다.
본 발명에 따른 장치에 대한 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신기에 의하면, 오버랩된 코일들 중 하부에 위치한 코일을 구부러진 형태로 구현하여 상기 코일과 인터페이스 표면 사이의 평균 거리를 감소시킴으로써 무선 전력 전송 효율을 개선할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신기에 의하면, 하부에 위치한 코일을 구부러진 형태로 구현하여 상기 코일과 인터페이스 표면 사이의 평균 거리를 감소시킴으로써 감지 신호 전송을 위한 소모 전력이 감소될 수 있고 전력 전송 효율이 증대될 수 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이하에 첨부되는 도면들은 본 발명에 관한 이해를 돕기 위한 것으로, 상세한 설명과 함께 본 발명에 대한 실시예들을 제공한다. 다만, 본 발명의 기술적 특징이 특정 도면에 한정되는 것은 아니며, 각 도면에서 개시하는 특징들은 서로 조합되어 새로운 실시예로 구성될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신기에서의 감지 신호 전송 절차를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 WPC 표준에 정의된 무선 전력 전송 절차를 설명하기 위한 상태 천이도이다.
도 3은 PMA 표준에 정의된 무선 전력 전송 절차를 설명하기 위한 상태 천이도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 유도 방식의 무선 충전 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 송신 코일을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 송신 코일 층의 제작 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 도 6에 도시된 송신 코일 층의 정면도를 나타낸 도면이다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 무선 전력 송신기는, 인터페이스 표면과 제1 거리가 이격된 제1 영역 및 상기 인터페이스 표면과 제2 거리가 이격된 제2 영역을 포함하는 제1 송신 코일 및 상기 제2 영역과 오버랩(overlap)되는 제2 송신 코일을 포함하고, 상기 제1 거리는 상기 제2 거리보다 작을 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예들이 적용되는 장치 및 다양한 방법들에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
실시예의 설명에 있어서, 각 구성 요소의 " 상(위) 또는 하(아래)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)는 두개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되거나 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 배치되어 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 “상(위) 또는 하(아래)”으로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
실시예의 설명에 있어서, 무선 전력 시스템상에서 무선 전력을 송신하는 장치는 설명의 편의를 위해 무선 파워 송신기, 무선 파워 송신 장치, 무선 전력 송신 장치, 무선 전력 송신기, 송신단, 송신기, 송신 장치, 송신측, 무선 파워 전송 장치, 무선 파워 전송기 등을 혼용하여 사용하기로 한다. 또한, 무선 전력 송신 장치로부터 무선 전력을 수신하는 장치에 대한 표현으로 설명의 편의를 위해 무선 전력 수신 장치, 무선 전력 수신기, 무선 파워 수신 장치, 무선 파워 수신기, 수신 단말기, 수신측, 수신 장치, 수신기 등이 혼용되어 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 송신기는 패드 형태, 거치대 형태, AP(Access Point) 형태, 소형 기지국 형태, 스텐드 형태, 천장 매립 형태, 벽걸이 형태 등으로 구성될 수 있으며, 하나의 송신기는 복수의 무선 전력 수신 장치에 파워를 전송할 수도 있다. 이를 위해, 송신기는 적어도 하나의 무선 파워 전송 수단을 구비할 수도 있다. 여기서, 무선 파워 전송 수단은 전력 송신단 코일에서 자기장을 발생시켜 그 자기장의 영향으로 수신단 코일에서 전기가 유도되는 전자기유도 원리를 이용하여 충전하는 전자기 유도 방식에 기반한 다양한 무전 전력 전송 표준이 사용될 수 있다. 여기서, 무선파워 전송 수단은 무선 충전 기술 표준 기구인 WPC(Wireless Power Consortium) 및 PMA(Power Matters Alliance)에서 정의된 전자기 유도 방식의 무선 충전 기술을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 수신기는 적어도 하나의 무선 전력 수신 수단이 구비될 수 있으며, 2개 이상의 송신기로부터 동시에 무선 파워를 수신할 수도 있다. 여기서, 무선 전력 수신 수단은 무선 충전 기술 표준 기구인 WPC(Wireless Power Consortium) 및 PMA(Power Matters Alliance)에서 정의된 전자기 유도 방식의 무선 충전 기술을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 수신기는 휴대폰(mobile phone), 스마트폰(smart phone), 노트북 컴퓨터(laptop computer), 디지털방송용 단말기, PDA(Personal Digital Assistants), PMP(Portable Multimedia Player), 네비게이션, MP3 player, 전동 칫솔, 전자 태그, 조명 장치, 리모콘, 낚시찌, 스마트 워치와 같은 웨어러블 디바이스 등의 소형 전자 기기 등에 사용될 수 있으나, 이에 국한되지는 아니하며 본 발명에 따른 무선 전력 수신 수단이 장착되어 배터리 충전이 가능한 기기라면 족하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신기에서의 감지 신호 전송 절차를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 무선 전력 송신기는 3개의 송신 코일(111, 112, 113)이 장착될 수 있다. 각각의 송신 코일은 일부 영역이 다른 송신 코일과 서로 중첩될 수 있으며, 무선 전력 송신기는 각각의 송신 코일을 통해 무선 전력 수신기의 존재를 감지하기 위한 소정 감지 신호(117, 127)-예를 들면, 디지털 핑 신호-를 미리 정의된 순서로 순차적으로 송출한다.
상기 도 1에 도시된 바와 같이, 무선 전력 송신기는 도면 번호 110에 도시된 1차 감지 신호 송출 절차를 통해 감지 신호(117)를 순차적으로 송출하고, 무선 전력 수신기(115)로부터 시그널 세기 지시자(Signal Strength Indicator, 116)가 수신된 송신 코일(111, 112)을 식별할 수 있다. 연이어, 무선 전력 송신기는 도면 번호 120에 도시된 2차 감지 신호 송출 절차를 통해 감지 신호(127)를 순차적으로 송출하고, 시그널 세기 지시자(126)가 수신된 송신 코일(111, 112) 중 전력 전송 효율(또는 충전 효율)-즉, 송신 코일과 수신 코일 사이의 정렬 상태-이 좋은 송신 코일을 식별하고, 식별된 송신 코일을 통해 전력이 송출되도록-즉, 무선 충전이 이루어지도록- 제어할 수 있다.
상기의 도 1에서 보여지는 바와 같이, 무선 전력 송신기가 2회의 감지 신호 송출 절차를 수행하는 이유는 어느 송신 코일에 무선 전력 수신기의 수신 코일이 잘 정렬되어 있는지를 보다 정확하게 식별하기 위함이다.
만약, 상기한 도 1의 도면 번호 110 및 120에 도시된 바와 같이, 제1 송신 코일(111), 제2 송신 코일(112)에 시그널 세기 지시자(116, 126)가 수신된 경우, 무선 전력 송신기는 제1 송신 코일(111)과 제2 송신 코일(112) 각각에 수신된 시그널 세기 지시자(126)에 기반하여 가장 정렬이 잘된 송신 코일을 선택하고, 선택된 송신 코일을 이용하여 무선 충전을 수행한다.
도 2는 WPC 표준에 정의된 무선 전력 전송 절차를 설명하기 위한 상태 천이도이다.
도 2를 참조하면, WPC 표준에 따른 송신기로부터 수신기로의 파워 전송은 크게 선택 단계(Selection Phase, 210), 핑 단계(Ping Phase, 220), 식별 및 구성 단계(Identification and Configuration Phase, 230), 파워 전송 단계(Power Transfer Phase, 240) 단계로 구분될 수 있다.
선택 단계(210)는 파워 전송을 시작하거나 파워 전송을 유지하는 동안 특정 오류 또는 특정 이벤트가 감지되면, 천이되는 단계일 수 있다. 여기서, 특정 오류 및 특정 이벤트는 이하의 설명을 통해 명확해질 것이다. 또한, 선택 단계(210)에서 송신기는 인터페이스 표면에 물체가 존재하는지를 모니터링할 수 있다. 만약, 송신기가 인터페이스 표면에 물체가 놓여진 것이 감지되면, 핑 단계(220)로 천이할 수 있다(S201). 선택 단계(210)에서 송신기는 매우 짧은 펄스의 아날로그 핑(Analog Ping) 신호를 전송하며, 송신 코일의 전류 변화에 기반하여 인터페이스 표면의 활성 영역(Active Area)에 물체가 존재하는지를 감지할 수 있다.
핑 단계(220)에서 송신기는 물체가 감지되면, 수신기를 활성화시키고, 수신기가 WPC 표준이 호환되는 수신기인지를 식별하기 위한 디지털 핑(Digital Ping)을 전송한다. 핑 단계(220)에서 송신기는 디지털 핑에 대한 응답 시그널-예를 들면, 시그널 세기 지시자-을 수신기로부터 수신하지 못하면, 다시 선택 단계(210)로 천이할 수 있다(S202). 또한, 핑 단계(220)에서 송신기는 수신기로부터 파워 전송이 완료되었음을 지시하는 신호-즉, 충전 완료 신호-를 수신하면, 선택 단계(210)로 천이할 수도 있다(S203).
핑 단계(220)가 완료되면, 송신기는 수신기 식별 및 수신기 구성 및 상태 정보를 수집하기 위한 식별 및 구성 단계(230)로 천이할 수 있다(S204).
식별 및 구성 단계(230)에서 송신기는 원하지 않은 패킷이 수신되거나(unexpected packet), 미리 정의된 시간 동안 원하는 패킷이 수신되지 않거나(time out), 패킷 전송 오류가 있거나(transmission error), 파워 전송 계약이 설정되지 않으면(no power transfer contract) 선택 단계(210)로 천이할 수 있다(S205).
수신기에 대한 식별 및 구성이 완료되면, 송신기는 무선 전력을 전송하는 파워 전송 단계(240)로 천이할 수 있다(S206).
파워 전송 단계(240)에서, 송신기는 원하지 않은 패킷이 수신되거나(unexpected packet), 미리 정의된 시간 동안 원하는 패킷이 수신되지 않거나(time out), 기 설정된 파워 전송 계약에 대한 위반이 발생되거나(power transfer contract violation), 충전이 완료된 경우, 선택 단계(210)로 천이할 수 있다(S207).
또한, 파워 전송 단계(240)에서, 송신기는 송신기 상태 변화 등에 따라 파워 전송 계약을 재구성할 필요가 있는 경우, 식별 및 구성 단계(230)로 천이할 수 있다(S208).
상기한 파워 전송 계약은 송신기와 수신기의 상태 및 특성 정보에 기반하여 설정될 수 있다. 일 예로, 송신기 상태 정보는 최대 전송 가능한 파워량에 대한 정보, 최대 수용 가능한 수신기 개수에 대한 정보 등을 포함할 수 있으며, 수신기 상태 정보는 요구 전력에 대한 정보 등을 포함할 수 있다.
도 3은 PMA 표준에 정의된 무선 전력 전송 절차를 설명하기 위한 상태 천이도이다.
도 3을 참조하면, PMA 표준에 따른 송신기로부터 수신기로의 파워 전송은 크게 대기 단계(Standby Phase, 310), 디지털 핑 단계(Digital Ping Phase, 320), 식별 단계(Identification Phase, 330), 파워 전송 단계(Power Transfer Phase, 340) 단계 및 충전 완료 단계(End of Charge Phase, 350)로 구분될 수 있다.
대기 단계(310)는 파워 전송을 위한 수신기 식별 절차를 수행하거나 파워 전송을 유지하는 동안 특정 오류 또는 특정 이벤트가 감지되면, 천이되는 단계일 수 있다. 여기서, 특정 오류 및 특정 이벤트는 이하의 설명을 통해 명확해질 것이다. 또한, 대기 단계(310)에서 송신기는 충전 표면(Charging Surface)에 물체가 존재하는지를 모니터링할 수 있다. 만약, 송신기가 충전 표면에 물체가 놓여진 것이 감지되거나 RXID 재시도가 진행중인 경우, 디지털 핑 단계(320)로 천이할 수 있다(S301). 여기서, RXID는 PMA 호환 수신기에 할당되는 고유 식별자이다. 대기 단계(310)에서 송신기는 매우 짧은 펄스의 아날로그 핑(Analog Ping)을 전송하며, 송신 코일의 전류 변화에 기반하여 인터페이스 표면-예를 들면, 충전 베드-의 활성 영역(Active Area)에 물체가 존재하는지를 감지할 수 있다.
디지털 핑 단계(320)로 천이된 송신기는 감지된 물체가 PMA 호환 수신기인지를 식별하기 위한 디지털 핑 신호를 송출한다. 송신기가 전송한 디지털 핑 신호에 의해 수신단에 충분한 전력이 공급되는 경우, 수신기는 수신된 디지털 핑 신호를 PMA 통신 프로토콜에 따라 변조하여 소정 응답 시그널을 송신기에 전송할 수 있다. 여기서, 응답 시그널은 수신기에 수신된 전력의 세기를 지시하는 신호 세기 지시자가 포함될 수 있다. 디지털 핑 단계(320)에서 수신기는 유효한 응답 시그널이 수신되면, 식별 단계(330)로 천이할 수 있다(S302).
만약, 디지털 핑 단계(320)에서, 응답 시그널이 수신되지 않거나, PMA 호환 수신기가 아닌 것으로 확인되면-즉, FOD(Foreign Object Detection)인 경우-, 송신기는 대기 단계(310)로 천이할 수 있다(S303). 일 예로, FO(Foreign Object)는 동전, 키 등을 포함하는 금속성 물체일 수 있다.
식별 단계(330)에서, 송신기는 수신기 식별 절차가 실패하거나 수신기 식별 절차를 재수행하여야 하는 경우 및 미리 정의된 시간 동안 수신기 식별 절차를 완료하지 못한 경우에 대기 단계(310)로 천이할 수 있다(S304).
송신기는 수신기 식별에 성공하면, 식별 단계(330)에서 파워 전송 단계(340)로 천이하여 충전을 개시할 수 있다(S305).
파워 전송 단계(340)에서, 송신기는 원하는 신호가 미리 정해진 시간 이내에 수신되지 않거나(Time Out), FO(Foreign Object)가 감지되거나, 송신 코일의 전압이 미리 정의된 기준치를 초과하는 경우, 대기 단계(310)으로 천이할 수 있다(S306).
또한, 파워 전송 단계(340)에서, 송신기는 내부 구비된 온도 센서에 의해 감지된 온도가 소정 기준치를 초과하는 경우, 충전 완료 단계(350)로 천이할 수 있다(S307).
충전 완료 단계(350)에서, 송신기는 수신기가 충전 표면에서 제거된 것이 확인되면, 대기 상태(310)으로 천이할 수 있다(S309).
또한, 송신기는 Over Temperature 상태에서, 일정 시간 경과 후 측정된 온도가 기준치 이하로 떨어진 경우, 충전 완료 단계(350)에서 디지털 핑 단계(320)로 천이할 수 있다(S310).
디지털 핑 단계(320) 또는 파워 전송 단계(340)에서, 송신기는 수신기로부터 EOC(End Of Charge) 요청이 수신되면, 충전 완료 단계(350)로 천이할 수도 있다(S308 및 S311).
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 유도 방식의 무선 충전 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 전자기 유도 방식의 무선 충전 시스템은 무선 전력 송신기(400)와 무선 전력 수신기(450)을 포함한다. 무선 전력 송신기(400)와 무선 전력 수신기(450)는 각각 도 1에서 설명된 무선 전력 송신기와 무선 전력 수신기와 실질적으로 동일하다.
무선 전력 수신기(450)를 포함하는 전자 기기를 무선 전력 송신기(400) 상에 위치시키면 무선 전력 송신기(400)와 무선 전력 수신기(450)의 코일은 전자기장에 의해 서로 결합될 수 있다.
무선 전력 송신기(400)는 전력 전송을 위한 전자기장을 생성하기 위해 전력 신호를 변조하고, 주파수를 변경할 수 있다. 무선 전력 수신기(450)는 무선 통신 환경에 적합하도록 설정된 프로토콜에 따른 전자기 신호를 복조하여 전력을 수신하고, 수신된 전력의 세기에 기반하여 무선 전력 송신기(400)의 송출 전력 세기를 제어하기 위한 소정 피드백 신호를 인-밴드 통신을 통해 무선 전력 송신기(400)에 전송할 수 있다. 일 예로, 무선 전력 송신기(400)는 전력 제어를 위한 제어 신호에 따라 동작 주파수를 제어하여 송출 전력을 증가시키거나 감소시킬 수 있다.
전송되는 전력의 양(혹은 증가/감소)은 무선 전력 수신기(450)에서 무선 전력 송신기(400)로 전달되는 피드백신호를 이용하여 제어될 수 있다. 또한, 무선 전력 수신기(450)와 무선 전력 송신기(400) 사이의 통신은 상술한 피드백신호를 이용하는 인 밴드(in-band) 통신에만 한정되는 것은 아니며, 별도 통신 모듈을 구비한 아웃 오브 밴드 (out-of-band) 통신을 이용하여 이루어질 수도 있다. 예를 들어, 블루투스, BLE(Bluetooth Low Energy), NFC, Zigbee 등의 근거리 무선통신 모듈이 이용될 수도 있다.
전자기 유도 방식에서 무선 전력 송신기(400)와 무선 전력 수신기(450) 사이의 상태 정보 및 제어 신호 교환을 위한 프로토콜은 주파수 변조 방식이 사용될 수 있다. 상기 프로토콜을 통해 장치 식별 정보, 충전 상태 정보, 전력 제어 신호 등이 교환될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신기(400)는 도 4에 도시된 바와 같이, 전력 신호를 생성하는 신호 발생기(420), 무선 전력 수신기(450)로부터 전달되는 피드백 신호를 감지할 수 있는 전원 공급단(V_Bus, GND) 사이에 위치한 코일(L1) 및 캐패시터(C1, C2), 및 신호 발생기(420)에 의해 동작이 제어되는 스위치(SW1, SW2)를 포함한다. 신호 발생기(420)는 코일(L1)을 통해 전달된 피드백 신호의 복조를 위한 복조부(424), 주파수 변경을 위한 주파수 구동부(426), 변조부(424)와 주파수 구동부(426)을 제어하기 위한 송신 제어부(422)를 포함하여 구성될 수 있다. 코일(L1)을 통해 전달된 피드백 신호는 복조부(424)에 의해 복조된 후 송신 제어부(422)로 입력되고, 송신 제어부(422)는 복조된 신호에 기반하여 주파수 구동부(426)를 제어하여 코일(L1)로 전달되는 전력 신호의 주파수를 변경할 수 있다.
무선 전력 수신기(450)는 코일(L2)을 통해 피드백 신호를 전송하기 위한 변조부(452), 코일(L2)을 통해 수신된 교류(AC) 신호를 DC 신호로 변환하기 위한 정류부(454), 변조부(452)와 정류부(454)를 제어하기 위한 수신 제어기(460)를 포함할 수 있다. 수신 제어기(460)는 정류기(454) 및 기타 무선 전력 수신기(450)의 동작에 필요한 전원을 공급하기 위한 전원 공급부(462), 정류기(454)가 출력 DC 전압을 충전 대상(부하, 468)의 충전 요건에 맞는 DC 전압으로 변경하기 위한 DC-DC 변환부(464), 변환된 전력이 출력되는 부하(468), 및 수신 전력 상태 및 충전 대상의 상태 등을 무선 전력 송신기(400)에 제공하기 위한 피드백 신호를 발생시키는 피드백 통신부(466)을 포함할 수 있다.
도 4에서 무선 전력 송신기(400)에 포함된 코일(L1)은 도 1에 도시된 3개의 송신 코일(111, 112, 113)을 의미하며, 송신 코일(111, 112, 113)에 연결된 스위치(SW1, SW2), 커패시터(C1, C2)는 송신 코일(111, 112, 113) 별로 독립적으로 구비될 수 있으나 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않는다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 송신 코일을 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 송신 코일(500)은 중심에 전도성이 높은 도선(예를 들어, 구리(Cu))가 위치하고 그 주위를 절연 피복(예를 들어, 섬유, 플라스틱 소재)이 감싸는 형태의 전선이 동심원을 중심으로 감긴 구조로 구현될 수 있다.
도 5에는 송신 코일(500)이 동심원의 사각형 구조로 예시되어 있으나, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않고 동심원의 나선형 구조, 또는 팔각형 구조 등 다양한 구조로 구현될 수 있다.
송신 코일(500)의 내측 말단에는 제1 단자(510)가 형성되고, 송신 코일(500)의 외측 말단에는 제2 단자(520)가 형성될 수 있다. 제1 단자(510)와 제2 단자(520)는 도 4에 도시된 코일(L1)의 양단에 해당하는 것으로 제어 회로 기판에 연결될 수 있다. 상기 제어 회로 기판은 스위치(SW1, SW2)와 신호 발생기(420) 등의 무선 전력 송신기(400)의 동작을 제어하는 구성들을 포함하는 기판에 해당한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 송신 코일 층의 제작 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 7은 도 6에 도시된 송신 코일 층의 정면도를 나타낸 도면이다.
도 6과 도 7을 참조하면, 송신 코일층은 제1 내지 제3 코일(610, 620, 630)을 포함할 수 있다.
제1 내지 제3 송신 코일(610, 620, 630) 각각은 도 5에 도시된 송신 코일(500)로 구현되며, 무선 충전이 가능한 영역이 완전히 분리되어 충전이 불가능한 영역인 데드 스팟(dead spot)이 발생하지 않도록 서로 겹쳐지게(overlapped) 배치될 수 있다. 이로 인해, 제1 내지 제3 송신 코일(610, 620, 630)은 적어도 2 이상의 층을 이루게 된다.
제1 내지 제3 송신 코일(610, 620, 630) 각각을 구성하는 도선은 절연 피복으로 절연되어 있으므로, 제1 내지 제3 송신 코일(610, 620, 630)은 서로 밀착되어 배치될 수 있다.
제1 송신 코일(610)과 제3 송신 코일(630)은 제2 송신 코일(620)을 중심으로 대칭적으로 배치될 수 있으며, 제2 송신 코일(620)은, 무선 전력 송신기의 외부 경계면으로서 무선 전력 수신기가 놓일 수 있는, 인터페이스 표면(600)에 일정 거리가 이격되어 배치될 수 있다. 상기 일정 거리의 공간에는 무선 전력 송신기의 외형을 이루고 내부의 구성을 보호하기 위한 케이스 등이 마련될 수 있다.
제3 송신 코일(630)은 제1 송신 코일(610)과 실질적으로 동일하게 대칭적인 구조를 가지므로, 도 6에서는 제1 송신 코일(610)의 구조에 대해서만 상세히 설명하기로 한다.
제1 송신 코일(610)은 제1 영역과 제2 영역을 포함할 수 있으며, 상기 제1 영역은 인터페이스 표면(600)과의 거리(최단 거리)가 제1 거리(D1)인 영역이고 상기 제2 영역은 인터페이스 표면(600)과의 거리(최단 거리)가 제2 거리(D2)인 영역이다. 도 6에서는 제2 거리(D2)와 제1 거리(D1)의 차이가 제1 송신 코일(610)의 두께인 것으로 도시되었으나, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않는다.
이러한 구조를 위해 제1 송신 코일(610)은 인터페이스 표면(600)을 향해 구부러진 형태를 가질 수 있고, 도 6에서 구부러진 모서리는 수직으로 꺾어진 것으로 가정하고 도시되었으나, 완만한 형태일 수 있다.
따라서, 수평 방향으로는 제1 영역의 적어도 일부가 제2 송신 코일(620)과 오버랩되며, 수직 방향으로는 제2 영역의 적어도 일부가 제2 송신 코일(620)과 오버랩될 수 있다.
만일, 제1 송신 코일(610)의 전 영역이 도 6과 달리 인터페이스 표면(600)과의 거리가 제2 거리(D2)가 되도록 곧은 형태를 가진다고 가정(비교예)하면, 제1 송신 코일(610)과 인터페이스 표면(600) 사이의 평균 거리는 제2 거리(D2)가 된다.
반면, 도 6에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 송신 코일(610)과 같이 제1 영역과 제2 영역을 포함할 경우, 제1 송신 코일(610)과 인터페이스 표면(600) 사이의 평균 거리(D_AVR)는 다음의 수학식 1에 의해 계산될 수 있다.
Figure PCTKR2016011405-appb-M000001
여기서, A는 제1 영역의 수평 길이이며, B는 제2 영역의 수평 길이에 해당한다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 송신 코일(610)이 상기 비교예에 비해 감소된 인터페이스 표면(600)과의 거리(D_DCR)는 다음의 수학식 2에 의해 계산될 수 있다.
Figure PCTKR2016011405-appb-M000002
따라서, 제1 송신 코일(610)의 전체 수평 길이(A+B)에 대한 제1 영역의 수평 길이(A)의 비율이 커질수록 제1 송신 코일(610)과 인터페이스 표면(600) 사이의 평균 거리(D_AVR)가 작아질 수 있다.
전자기 유도 방식의 무선 충전 시스템에서 송신 코일과 수신 코일 사이의 정합성은 무선 전력 전송 효율에 큰 영향을 미치며, 이중에서 송신 코일과 수신 코일 사이의 거리가 가까울수록 무선 전력 전송 효율이 증가된다.
만일 제1 거리(D1)가 2mm이고 제2 거리가 3.5mm라 가정하면, 상기 비교예에서 제1 송신 코일(610)과 인터페이스 표면(600) 사이의 평균 거리는 3.5mm이고 무선 전력 전송 효율은 59%일 수 있다. 또한, 제2 송신 코일(620)과 인터페이스 표면(600) 사이의 평균 거리는 2mm이고 무선 전력 전송 효율은 62%일 수 있다.
그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 송신 코일(610)과 인터페이스 표면(600) 사이의 평균 거리는 수학식 1에 의해 2.75mm가 되며, 줄어든 거리는 수학식 2에 의해 0.75mm가 된다.
결과적으로 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 송신 코일(610)은 구부러진 형태로 인해 인터페이스 표면(600)과의 거리가 0.75mm만큼 줄어들게 되며, 무선 전력 전송 효율은 59%로부터 60.7%로 개선될 수 있다.
마찬가지로, 제1 송신 코일(610)과 실질적으로 동일한 구조를 갖는 제3 송신 코일(630)에서도 동일하게 무선 전력 전송 효율이 개선될 수 있다.
데드 스팟이 발생되지 않도록 적어도 2 이상의 층을 이루게 되는 복수의 송신 코일들을 포함하는 무선 전력 송신기에서는, 하부 층에 속하는 송신 코일의 무선 전력 전송 효율이 상대적으로 저하되는 현상이 발생될 수 있다.
그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신기에 의하면, 오버랩된 코일들 중 하부에 위치한 코일을 구부러진 형태로 구현하여 상기 코일과 인터페이스 표면 사이의 평균 거리를 감소시킴으로써 무선 전력 전송 효율을 개선할 수 있는 효과가 있다.
또한, 각 송신 코일(610, 620, 630)은 대기 모드에서 도 1에서 설명된 감지 신호(117, 127)를 송출하게 되는데, 인터페이스 표면(600)을 기준으로 감지 신호(177, 127)의 동일한 수신 감도가 구현되어야 한다. 전송거리가 길어질수록 신호가 감쇄되므로 하부의 송신 코일(610, 630)에 인가되는 전압은 상부의 송신 코일(620)에 인가되는 전압보다 커야 한다.
그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신기에 의하면, 하부에 위치한 코일을 구부러진 형태로 구현하여 상기 코일과 인터페이스 표면 사이의 평균 거리를 감소시킴으로써 감지 신호 전송을 위한 소모 전력이 감소될 수 있고 전력 전송 효율이 증대될 수 있다.
도 7에는 송신 코일층을 인터페이스 표면(600)에서 바라본 정면도가 도시되어 있다.
제2 송신 코일(620)과 제1 및 제3 송신 코일(610, 630)은 데드 스팟이 발생하지 않도록 서로 겹쳐지게(overlapped) 배치될 수 있다.
도 6에 도시된 송신 코일층은 도 7의 직선(S-S')을 따라 수직으로 자른 단면에 해당한다.
도 7에서는 각 송신 코일(610, 620, 630)이 가로 길이와 세로 길이가 서로 다른 직사각형 형태로 구현된 예시가 도시되어 있다. 이 경우 위치상 도 6의 제2 영역과 같은 선상에 위치하면서도 제2 송신 코일(620)과 오버랩되지 않는 영역(640)이 발생하게 되는데, 제2 송신 코일(620)과 오버랩되지 않으므로 제1 영역과 마찬가지로 인터페이스 표면(600)과의 거리가 제1 거리(D1)로 되도록 구부러진 형태로 구현될 수 있다.
즉, 상부에 위치하는 제2 송신 코일(620)과 겹쳐지는 제1 및 제3 송신 코일(610, 630)의 일부를 제외한 나머지 영역은 인터페이스 표면(600)과의 거리가 제1 거리(D1)가 되도록 구부러진 형태로 구현될 수 있다. 본 발명의 범위는 도 7의 각 송신 코일(610, 620, 630)의 모양과 배치 형태에 한정되지 않으며, 상기 모양과 배치 형태에 무관하게 이러한 구조가 적용될 수 있다.
이로 인해, 제1 송신 코일(610) 전체로 볼 때, 제1 송신 코일(610)과 인터페이스 표면(600) 사이의 평균 거리(D_AVR')는 다음의 수학식 3에 의해 계산될 수 있다.
Figure PCTKR2016011405-appb-M000003
여기서, C는 제1 영역의 면적이며, D는 제2 영역의 면적에 해당한다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 송신 코일(610)이 도 6에서 언급된 비교예에 비해 감소된 인터페이스 표면(600)과의 거리(D_DCR')는 다음의 수학식 4에 의해 계산될 수 있다.
Figure PCTKR2016011405-appb-M000004
따라서, 제1 송신 코일(610)의 전체 면적(C+D)에 대한 제1 영역의 면적(C)의 비율이 커질수록 제1 송신 코일(610)과 인터페이스 표면(600) 사이의 평균 거리(D_AVR')가 작아질 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신기에 의하면, 오버랩된 코일들 중 하부에 위치한 코일의 오버랩된 영역을 제외한 영역을 구부러진 형태로 구현하여 상기 코일과 인터페이스 표면 사이의 평균 거리를 감소시킴으로써 무선 전력 전송 효율을 개선할 수 있는 효과가 있다.
상술한 실시예에 따른 방법은 컴퓨터에서 실행되기 위한 프로그램으로 제작되어 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체에 저장될 수 있으며, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다.
컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고, 상술한 방법을 구현하기 위한 기능적인(function) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 실시예가 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
본 발명은 무선 충전 기술에 관한 것으로서, 무선으로 전력을 전송하는 무선 전력 송신 장치에 적용될 수 있다.

Claims (12)

  1. 인터페이스 표면과 제1 거리가 이격된 제1 영역 및 상기 인터페이스 표면과 제2 거리가 이격된 제2 영역을 포함하는 제1 송신 코일; 및
    상기 제2 영역과 오버랩(overlap)되는 제2 송신 코일을 포함하고,
    상기 제1 거리는 상기 제2 거리보다 작은 무선 전력 송신기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 송신 코일은 상기 인터페이스 표면을 향해 구부러진 형태를 갖는 무선 전력 송신기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 송신 코일과 상기 인터페이스 표면 사이의 평균 거리는 상기 제1 송신 코일의 전체 수평 길이에 대한 상기 제1 영역의 수평 길이의 비율이 커질수록 작아지는 무선 전력 송신기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 송신 코일과 상기 인터페이스 표면 사이의 평균 거리는 상기 제1 송신 코일의 전체 면적에 대한 상기 제1 영역의 면적의 비율이 커질수록 작아지는 무선 전력 송신기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 거리와 상기 제2 거리의 차는 상기 제1 송신 코일의 두께인 무선 전력 송신기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 송신 코일과 대칭 구조를 갖는 제3 송신 코일을 더 포함하는 무선 전력 송신기.
  7. 인터페이스 표면과 제1 거리가 이격된 제1 영역 및 상기 인터페이스 표면과 제2 거리가 이격된 제2 영역을 포함하는 제1 송신 코일; 및
    상기 제1 영역과 수평 방향으로 오버랩(overlap)되는 제2 송신 코일을 포함하고,
    상기 제1 거리는 상기 제2 거리보다 작은 무선 전력 송신기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 송신 코일은 상기 인터페이스 표면을 향해 구부러진 형태를 갖는 무선 전력 송신기.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제1 송신 코일과 상기 인터페이스 표면 사이의 평균 거리는 상기 제1 송신 코일의 전체 수평 길이에 대한 상기 제1 영역의 수평 길이의 비율이 커질수록 작아지는 무선 전력 송신기.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 제1 송신 코일과 상기 인터페이스 표면 사이의 평균 거리는 상기 제1 송신 코일의 전체 면적에 대한 상기 제1 영역의 면적의 비율이 커질수록 작아지는 무선 전력 송신기.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 제1 거리와 상기 제2 거리의 차는 상기 제1 송신 코일의 두께인 무선 전력 송신기.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 제1 송신 코일과 대칭 구조를 갖는 제3 송신 코일을 더 포함하는 무선 전력 송신기.
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