WO2018194223A1 - 에너지 밀도가 균일한 충전 영역을 형성하는 2차원 원형 배열 구조 무선 충전 방법 및 장치 - Google Patents

에너지 밀도가 균일한 충전 영역을 형성하는 2차원 원형 배열 구조 무선 충전 방법 및 장치 Download PDF

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transmitting
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김상원
김성민
문정익
조인귀
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한국전자통신연구원
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Definitions

  • the embodiments below relate to a wireless charging method and apparatus for creating a uniform chargeable area in a three-dimensional space by placing the transmission coils on a two-dimensional plane.
  • the self-induced wireless charging method performs wireless charging only under certain conditions (two-dimensional pad structure) where the limits of the transmission / reception distance and the alignment of the transmission / reception resonator face each other. There is a disadvantage that it does not, and the charging distance is also short.
  • the wireless charging method using magnetic resonance technology generates a rotating magnetic field in a cylindrical and square space by using coils of different phases (for example, 0 degrees and 90 degrees) facing each other on the wall through in-phase double feeding. This technology allows wireless charging regardless of the location of the receiving resonator.
  • Embodiments can provide a technique for creating a chargeable region in a three-dimensional space by placing the transmission coils on a two-dimensional plane.
  • a wireless charging method includes receiving a current by a plurality of transmitting coils, and generating a three-dimensional wirelessly chargeable region by using the rotating magnetic field and the vertical magnetic field,
  • the plurality of transmitting coils are arranged in a circle on a two-dimensional plane.
  • the receiving may include receiving a pair of transmission coils of the plurality of transmission coils by receiving a first in-phase current, and pairing transmission coils of the plurality of transmission coils by a second in-phase current. Receiving the; and wherein the first in-phase current and the second in-phase current may have a different phase from each other.
  • Each of the plurality of transmission coils may be arranged to have a uniform interval, and each of the pair of transmission coils and the other pair of transmission coils may be disposed to face each other to be symmetrical.
  • the plurality of transmission coils may be disposed vertically or horizontally with respect to the two-dimensional plane.
  • the first in-phase current and the second in-phase current are It may have a phase difference of.
  • the wireless charging method may further include controlling at least one of a magnitude and a phase of a current output from the transmission inverter to the plurality of transmission coils.
  • At least one pair of transmission coils of the pair of transmission coils and the other pair of transmission coils may be connected in parallel or in series.
  • a wireless charging device includes a transmission inverter and a plurality of transmission coils generating a three-dimensional wireless charging region by generating a rotating magnetic field and a vertical magnetic field in response to a current output from the transmission inverter.
  • the plurality of transmitting coils are arranged in a circle on a two-dimensional plane.
  • the transmitting inverter outputs a first in-phase current to any one of the plurality of transmitting coils and transmits a second in-phase current to another pair of transmitting coils among the plurality of transmitting coils.
  • the first in-phase current and the second in-phase current may have different phases from each other.
  • Each of the plurality of transmission coils may be arranged to have a uniform interval, and each of the pair of transmission coils and the other pair of transmission coils may be disposed to face each other to be symmetrical.
  • the plurality of transmission coils may be disposed vertically or horizontally with respect to the two-dimensional plane.
  • the first in-phase current and the second in-phase current are It may have a phase difference of.
  • the transmission inverter may control at least one of a magnitude and a phase of a current output to the plurality of transmission coils.
  • At least one pair of transmission coils of the pair of transmission coils and the other pair of transmission coils may be connected in parallel or in series.
  • the wireless charging device may further include a matching capacitor disposed between at least one of the plurality of transmission coils and the transmission inverter to resonate the plurality of transmission coils.
  • the transmitting inverter may use a frequency lower than a resonance frequency between the plurality of transmitting coils and the matching capacitor as a matching frequency.
  • the plurality of transmission coils may include a planar helical structure, a three-dimensional helical structure, a circular coil, a multi-layered coil, and a solenoid.
  • the two-dimensional plane may include a magnetic material and an iron plate structure installed under the magnetic material, and the magnetic material may include ferrite.
  • FIG. 1 is a schematic block diagram of a wireless charging device according to an embodiment.
  • FIG. 2 illustrates an example in which a plurality of transmission coils illustrated in FIG. 1 are arranged and a three-dimensional wirelessly chargeable region generated according to the present invention.
  • 3 is an example of coil size for describing charging efficiency according to sizes of a transmitting coil and a receiving coil.
  • FIG. 4 illustrates an example of applying a current to the plurality of transmission coils shown in FIG. 2.
  • FIG. 5 illustrates an example of connection of a transmission inverter and a plurality of transmission coils illustrated in FIG. 1.
  • FIG. 6 shows another example of the connection of the transmission inverter and the plurality of transmission coils shown in FIG. 1.
  • FIG. 7 shows an example in the case where the plurality of transmission coils shown in FIG. 1 is three or more pairs.
  • 10 (a) and 10 (b) are examples of magnetic flux density simulation results generated by the plurality of transmission coils shown in FIG. 2.
  • Embodiments according to the inventive concept may be variously modified and have various forms, so embodiments are illustrated in the drawings and described in detail herein. However, this is not intended to limit the embodiments in accordance with the concept of the present invention to specific embodiments, and includes modifications, equivalents, or substitutes included in the spirit and scope of the present invention.
  • first or second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are only for the purpose of distinguishing one component from another component, for example, without departing from the scope of the rights according to the inventive concept, the first component may be called a second component, Similarly, the second component may also be referred to as the first component.
  • a module in the present specification may mean hardware capable of performing functions and operations according to each name described in the present specification, and may mean computer program code capable of performing specific functions and operations.
  • an electronic recording medium for example, a processor or a microprocessor, in which computer program code capable of performing specific functions and operations is mounted.
  • a module may mean a functional and / or structural combination of hardware for performing the technical idea of the present invention and / or software for driving the hardware.
  • FIG. 1 is a schematic block diagram of a wireless charging device according to an embodiment.
  • the wireless charging device 10 includes a transmission inverter 100 and a plurality of transmission coils 200.
  • the wireless charging device 10 may perform wireless charging using at least one of a magnetic induction wireless charging method and a magnetic resonance charging method.
  • the wireless charging device 10 may arrange the plurality of transmission coils 200 on a two-dimensional plane to generate a chargeable area having a uniform energy density in the space.
  • the wireless charging apparatus 10 generates a three-dimensional space, that is, a three-dimensional wirelessly chargeable region by using a rotating magnetic field and a vertical magnetic field generated from the plurality of transmitting coils 200, so as to position or direction the receiving coil.
  • wireless charging can be performed.
  • the wireless charging device 10 may perform wireless charging even if the electronic device is rotated in any direction within the chargeable area. That is, the wireless charging device 10 may perform wireless charging even if the receiving device has any direction on the xyz space rather than the xy plane.
  • the wireless charging device 10 may provide a wireless charging and energy transmission technology having a three-dimensional degree of freedom without a wall structure in a specific area.
  • the wireless charging device 10 overcomes the limitations of the conventional two-dimensional pad structure and the conventional three-dimensional wireless power transmission technology through three-dimensional wireless power transmission, and allows the user to easily and freely use the wireless charging and wireless power transmission technology. .
  • the wireless charging device 10 may perform wireless power transmission and wireless charging regardless of the receiver coil structure of the receiver. Two or more pairs of receiving coils may be used in the receiver, such as a transmitting coil, but as the size of the individual receiving coils decreases, charging efficiency may decrease.
  • the wireless charging device 10 may perform wireless charging on a receiving coil having any structure such as a planar helical structure, a stereoscopic helical structure, or a solenoid structure.
  • the wireless charging apparatus 10 may perform wireless charging not only when the receiving coil has a horizontal and vertical arrangement with the transmitting coil but also when the receiving coil has an inclined angle.
  • the wireless charging device 10 may perform wireless charging on various IT devices.
  • IT devices include laptop computers, drones, personal electric mobile devices, mobile phones, smart phones, tablet PCs, mobile internet devices (MIDs), and personal digital assistants.
  • Enterprise digital assistant (EDA) digital still camera, digital video camera, portable multimedia player (PMP), personal navigation device or portable navigation device (PND), handheld game console game consoles, e-books, or smart devices.
  • the smart device may include a smart watch, a smart band, or a smart ring.
  • the transmission inverter 100 may output current to the plurality of transmission coils 200.
  • the transmission inverter 100 outputs a first in-phase current to any one of the plurality of transmission coils 200 among the plurality of transmission coils 200, and to the other pair of transmission coils among the plurality of transmission coils.
  • the current in the second in phase can be output.
  • the current in the first phase and the current in the second phase may have different phases.
  • the plurality of transmitting coils 200 may generate a rotating magnetic field and a vertical magnetic field.
  • different phase currents may be quadrature signals.
  • the transmission inverter 100 may control at least one of a magnitude and a phase of a current output to the plurality of transmission coils 200. For example, there may be two or more transmitting inverters.
  • the signal output from the transmission inverter 100 may be a quadrature signal.
  • the wireless charging device 10 may detect the received power delivered to the receiver according to the change in the position of the receiver and output the information to the transmitting inverter 100.
  • the transmission inverter 100 may control the transmission power based on the received power information. For example, the transmission inverter 100 may complete power transmission and charging if the reception power is in a normal state.
  • the plurality of transmitting coils 200 may generate a three-dimensional wirelessly chargeable region by generating a rotating magnetic field and a vertical magnetic field in response to a current output from the transmitting inverter 100.
  • the plurality of transmission coils 200 may include a plurality of pairs of coils.
  • the plurality of transmission coils 200 may be arranged in a circle on a two-dimensional plane.
  • the plurality of transmitting coils 200 may be disposed vertically or horizontally with respect to the two-dimensional plane.
  • Each of the plurality of transmission coils 200 may be disposed to have a uniform interval, and each of the pair of transmission coils and the other pair of transmission coils may be disposed to face each other to be symmetrical.
  • the plurality of transmitting coils 200 may be arranged such that the coils do not overlap or overlap each other.
  • a null point may occur in the center of a two-dimensional plane in which the plurality of transmission coils 200 are disposed.
  • a cradle structure such as a rod may be installed in the center of the wireless charging device 10.
  • the first in-phase current and the second in-phase current output from the transmission inverter 100 are It may have a phase difference of. That is, when the wireless charging device 10 uses two or more pairs of the plurality of transmission coils 200 having a high Q value, each transmission coil 200 is 0 degrees and 180 output by the transmission inverter 100. n currents with a phase of / n degrees can be received.
  • the wireless charging device 10 outputs a current having a phase of 0 degrees to a pair of coils through the transmission inverter 100 and a phase to another pair of coils. It can output a current of 90 degrees.
  • the wireless charging device 10 may generate a magnetic field of an orthogonal component, and the magnetic field may have a rotating magnetic field characteristic.
  • the wireless charging device 10 may generate a chargeable area in a three-dimensional space even if the coil is disposed on a two-dimensional plane instead of facing the wall to perform wireless charging regardless of the position and direction of the receiving coil. have.
  • the wireless charging device 10 guarantees the degree of freedom of the wireless charging device 10 even though the plurality of transmission coils 200 are disposed on a two-dimensional plane, thereby providing a user's convenience and a free wireless charging environment.
  • the chargeable area can be expanded while maintaining the efficiency required for charging.
  • FIG. 2 illustrates an example in which a plurality of transmission coils illustrated in FIG. 1 are arranged and a three-dimensional wirelessly chargeable region generated according to the present invention.
  • the plurality of transmission coils 210, 230, 250, and 270 may be fed in phase to a pair of coils facing each other, and the coils may be disposed at positions perpendicular to each other.
  • a three-dimensional rotating magnetic field and / or a vertical magnetic field may be generated by applying a current having 0 degrees and 90 degrees phases to the plurality of transmission coils 210, 230, 250, and 270 arranged as shown in FIG. 2.
  • the wireless charging device 10 may generate the three-dimensional chargeable region 400 while arranging the coils 210, 230, 250, and 270 in a planar shape. Accordingly, the wireless charging device 10 may perform wireless charging even when the receiving coils 310 and 330 are vertical as well as horizontal with the plurality of transmitting coils 210, 230, 250, and 270.
  • the chargeable region 400 is formed from the chargeable region and the plurality of transmission coils 210, 230, 250, and 270 corresponding to the two-dimensional plane in which the plurality of transmission coils 210, 230, 250, and 270 are disposed. It may include a chargeable region corresponding to the generated vertical magnetic field.
  • the chargeable region 400 may have a hemispherical shape or a cylindrical shape.
  • the plurality of transmitting coils 200 may be uniformly disposed to solve the efficiency reduction area in the chargeable region 400. 2n or more of the plurality of transmission coils 200 can be evenly arranged to eliminate the area of reduced efficiency, the transmission inverter 100 between the adjacent coils Each signal having a phase difference of may be input.
  • the transmission inverter 100 outputs a current having a zero degree phase to either pair of transmission coils 210 and 230, and a phase of 90 degrees to the other pair of transmission coils 250 and 270. Can output the excitation current.
  • the wireless charging device 10 is provided with a pillar in the center of the two-dimensional plane in which a plurality of transmitting coils (210, 230, 250, and 270) that can generate a null point is arranged, and the receiving coil Wireless charging can be performed while standing on a pole.
  • the shape of the plurality of transmission coils 200 may include a planar helical structure, a three-dimensional helical structure, a circular coil, a multiple coil, and a solenoid.
  • a planar helical structure may be used to fabricate a very low height of the transmitting coil.
  • FIG. 2 illustrates an example in which the plurality of transmitting coils 200 is four, the number of the plurality of transmitting coils 200 is illustrated. May be four or more.
  • 3 is an example of coil size for describing charging efficiency according to sizes of a transmitting coil and a receiving coil.
  • the charging coil may have a relatively small size compared to the size of the transmitting coil, and thus the charging efficiency may be seriously degraded. Therefore, in order to obtain a suitable efficiency, the size of the transmitting coil and the receiving coil can be manufactured so that there is no big difference, and in this case, the chargeable region 400 can be reduced.
  • a plurality of transmitting coils 210, 230, 250, and 270 having the same area may be disposed to increase charging efficiency.
  • Changing the shape of the plurality of transmitting coils 210, 230, 250, and 270 into an oval or rectangular shape and increasing the number of transmitting coils can widen the chargeable area 400, and achieve uniform transmission efficiency regardless of the position. Can be achieved.
  • the two-dimensional plane may include a magnetic plate structure installed below the magnetic material and the magnetic material such that the plurality of transmission coils 210, 230, 250, and 270 may have a high Q value and a high inductance value.
  • the magnetic material may comprise ferrite.
  • FIG. 4 illustrates an example of applying a current to the plurality of transmission coils shown in FIG. 2.
  • the coils 210 and 230 disposed on the y axis may receive a current having a zero degree phase, and the coils 250 and 270 disposed on the x axis may have a 90 degree phase. Can receive current.
  • the rotating magnetic field horizontal to the two-dimensional plane in which the plurality of transmitting coils 210, 230, 250, and 270 are disposed is in the current direction having a 90 degree phase at a current having a zero degree phase and the coils 210, 230, 250 and 270).
  • the vertical magnetic field generated from the two transmitting coils 210 and 270 points inward, and the current in the two transmitting coils 230 and 250 When flowing in the counterclockwise direction, the vertical magnetic fields generated from the two transmitting coils 230 and 250 can be directed out.
  • the vertical magnetic fields of the transmitting coils 210 and 230 facing each other may be connected to each other to generate a magnetic field (eg, a rotating magnetic field) perpendicular to the two-dimensional plane.
  • the vertical magnetic fields of the transmitting coils 230 and 250 facing each other may be connected to each other to generate a magnetic field (eg, a rotating magnetic field) perpendicular to the two-dimensional plane.
  • the plurality of transmitting coils 210, 230, 250, and 270 may generate a three-dimensional rotating magnetic field even with a coil arrangement having a two-dimensional planar structure rather than a three-dimensional solid structure.
  • the plurality of transmitting coils 210, 230, 250, and 270 are wirelessly charged to the receiving coils in all positions and directions within the chargeable region 400, including cases where the receiving coils are vertical and horizontal through a three-dimensional rotating magnetic field. Can be performed.
  • wireless charging efficiency may be increased by increasing the number of the plurality of transmitting coils 200.
  • FIG. 5 shows an example of connection of the transmission inverter and the plurality of transmission coils shown in FIG. 1
  • FIG. 6 shows another example of the connection of the transmission inverter and the plurality of transmission coils shown in FIG. 1.
  • the transmission inverter 100 may output current to the plurality of transmission coils 210, 230, 250, and 270.
  • the transmission inverter 100 may control the phase and the magnitude of the output current.
  • the transmission inverter 100 may selectively output current having different phases and magnitudes to each of the plurality of transmission coils 210, 230, 250, and 270.
  • the transmission inverter 100 outputs a current having a phase of zero degrees to one pair of transmission coils 210 and 230, and a current having a zero degree phase to the other pair of transmission coils 250 and 270.
  • a current having an orthogonal 90 degree phase can be output, and a current of the same magnitude can be used.
  • the transmission inverter 100 may appropriately adjust the magnitude and phase of the current to generate a uniform magnetic field in a constant chargeable region 400 or generate a strong magnetic field only in a specific direction.
  • the transmission inverter 100 may control the phase and the magnitude of the current by using an amplifier having excellent efficiency of Class-D, E, and F.
  • the wireless charging device 10 is disposed between a transmitting inverter and at least one of the plurality of transmitting coils 210, 230, 250, and 270 to resonate the plurality of transmitting coils 210, 230, 250, and 270.
  • the matching capacitors 510, 530, 550, and 270 may be disposed.
  • the transmission inverter 100 may use a frequency lower than a resonance frequency between the plurality of transmission coils 210, 230, 250, and 270 and the matching capacitors 510, 530, 550, and 270 as a matching frequency.
  • the resonance frequency may mean an operating frequency.
  • the transmission inverter 100 matches at a frequency 15-20% lower than the resonant frequency so that excessive current flows in the plurality of coils 510, 530, 550, and 270 or the transmission inverter 100 is ruptured. You can stop it.
  • the resonant frequency may be 140 kHz
  • the matching frequency used by the transmitting inverter may be 120 kHz.
  • Any one pair of transmission coils of the plurality of transmission coils 210, 230, 250, and 270 and at least one pair of transmission coils of the other pair of transmission coils may be connected in parallel or in series.
  • one pair of transmitting coils 210 and 230 and another pair of transmitting coils 250 and 270 may be connected in parallel, and as shown in FIG. 210 and 230 and another pair of transmitting coils 250 and 270 may be connected in series.
  • FIG. 210 and 230 and another pair of transmitting coils 250 and 270 may be connected in series.
  • the transmission inverter 100 may set the direction of the current in a direction in which magnetic flux is not canceled in the connection of FIGS. 5 and 6.
  • FIG. 7 shows an example in the case where the plurality of transmission coils shown in FIG. 1 is three or more pairs.
  • the wireless charging apparatus 10 may increase charging efficiency by reducing the size of each of the plurality of transmission coils 200 and minimizing an area where the coils do not overlap by increasing the number of transmission coils. .
  • the number of transmitting coils may use 2n to achieve geometric symmetry.
  • the current flowing through the n transmission coil pairs It may have a phase difference of.
  • FIG. 8 (a), (b), (c), (d), (e) and (f) show the results of the magnetic field distribution simulation when the current of the same phase flows through each transmission coil pair shown in FIG. 9 (a), (b), (c), (d), (e), and (f) are examples in which currents of 0 degree and 90 degree phases flow through each of the transmission coil pairs shown in FIG. Is an example of a magnetic field distribution simulation result.
  • the transmitting inverter 100 when the transmitting inverter 100 outputs current having the same phase to the plurality of transmitting coils 210, 230, 250, and 270 of FIG. 2, the plurality of transmitting coils 210, 230, 250 and 270 do not form a uniform magnetic field and may generate null-points, resulting in areas where charging is impossible.
  • a phase difference between a current output to a pair of transmission coils 210 and 230 and a current output to a pair of transmission coils 250 and 270 are different from each other. It can have 90 degrees.
  • the plurality of transmission coils 210, 230, 250, and 270 may form a uniform magnetic field (rotating magnetic field) in the chargeable region 400 even when the phase output by the transmission inverter 100 is changed.
  • the wireless charging device 10 may perform wireless charging regardless of the direction of the receiver.
  • 10 (a) and 10 (b) are examples of magnetic flux density simulation results generated by the plurality of transmission coils shown in FIG. 2.
  • (a) is a magnetic flux density distribution when the transmission inverter 100 outputs in-phase current to the plurality of transmission coils 210, 230, 250, and 270
  • (b) is a transmission inverter. It may be a distribution of magnetic flux densities when the 100 outputs a current having a phase difference of 90 degrees to one pair of transmission coils 210 and 230 and another pair of transmission coils 250 and 270.
  • the magnetic flux density in the case where the current flowing in one pair of transmission coils and the other pair of transmission coils has a phase difference of 90 degrees is uniform compared with the magnetic flux density in the case where in-phase current flows.
  • the apparatus described above may be implemented as a hardware component, a software component, and / or a combination of hardware components and software components.
  • the devices and components described in the embodiments are, for example, processors, controllers, arithmetic logic units (ALUs), digital signal processors, microcomputers, field programmable gate arrays (FPGAs).
  • ALUs arithmetic logic units
  • FPGAs field programmable gate arrays
  • PLU programmable logic unit
  • the processing device may execute an operating system (OS) and one or more software applications running on the operating system.
  • the processing device may also access, store, manipulate, process, and generate data in response to the execution of the software.
  • processing device includes a plurality of processing elements and / or a plurality of types of processing elements. It can be seen that it may include.
  • the processing device may include a plurality of processors or one processor and one controller.
  • other processing configurations are possible, such as parallel processors.
  • the software may include a computer program, code, instructions, or a combination of one or more of the above, and configure the processing device to operate as desired, or process it independently or collectively. You can command the device.
  • Software and / or data may be any type of machine, component, physical device, virtual equipment, computer storage medium or device in order to be interpreted by or to provide instructions or data to the processing device. Or may be permanently or temporarily embodied in a signal wave to be transmitted.
  • the software may be distributed over networked computer systems so that they may be stored or executed in a distributed manner.
  • Software and data may be stored on one or more computer readable recording media.
  • the method according to the embodiment may be embodied in the form of program instructions that can be executed by various computer means and recorded in a computer readable medium.
  • the computer readable medium may include program instructions, data files, data structures, etc. alone or in combination.
  • the program instructions recorded on the media may be those specially designed and constructed for the purposes of the embodiments, or they may be of the kind well-known and available to those having skill in the computer software arts.
  • Examples of computer-readable recording media include magnetic media such as hard disks, floppy disks, and magnetic tape, optical media such as CD-ROMs, DVDs, and magnetic disks, such as floppy disks.
  • Examples of program instructions include not only machine code generated by a compiler, but also high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter or the like.
  • the hardware device described above may be configured to operate as one or more software modules to perform the operations of the embodiments, and vice versa.

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Abstract

에너지 밀도가 균일한 충전 영역을 형성하는 2차원 원형 배열 구조 무선 충전 방법 및 장치가 개시된다. 일 실시예에 따른 무선 충전 방법은 복수의 송신 코일들이 전류를 수신하는 단계와, 상기 복수의 송신 코일들이 회전 자계와 수직 자계를 이용하여 3차원 무선충전 가능 영역을 생성하는 단계를 포함하고, 상기 복수의 송신 코일들은 2차원 평면 상에 원형으로 배치된다.

Description

에너지 밀도가 균일한 충전 영역을 형성하는 2차원 원형 배열 구조 무선 충전 방법 및 장치
아래 실시예들은 2차원 평면 상에 송신 코일들을 배치함으로써 3차원 공간 상에 균일한 충전 가능 영역을 생성하는 무선 충전 방법 및 장치에 관한 것이다.
최근, 사용자들의 휴대가 가능한 다양한 휴대용 전자기기의 수요가 폭발적으로 증가하고 있으며, IT 기술의 발전과 더불어 중, 소형 드론 및 1인승 개인형 전동 이동기기(예를 들어, 자전거, 퀵보드, 전동휠)의 선호도가 증가하고 있다.
이러한 휴대 전자기기들은 대부분 유선 충전기를 사용한 배터리를 사용하고 있으나 유선 충전의 불편함을 해소하기 위하여 다양한 무선 충전 기술이 꾸준히 연구되고 있다.
무선 충전 기술 중 자기유도 무선 충전 방식은 송수신 이격 거리의 한계와 송수신 공진기의 정렬이 정면으로 마주보는 특정한 조건(2차원 패드 구조)에서만 무선 충전이 이루어져서 사용자의 편의성이 떨어지고 정렬이 맞지 않으면 충전이 이루어지지 않으며, 충전 거리 또한 짧다는 단점이 있다.
자기 공명 기술을 이용한 무선 충전 방식은 동위상 이중 급전 방식을 통하여 서로 다른 위상(예를 들어, 0도, 90도)의 코일을 서로 벽면에 마주보게 사용하여 원통형 및 사각형의 공간 내에 회전 자계를 발생시켜 수신 공진기의 위치에 상관없이 무선 충전이 가능한 기술이다.
실시예들은 2차원 평면 상에 송신 코일들을 배치함으로써 3차원 공간 상에 충전 가능 영역을 생성하는 기술을 제공할 수 있다.
일 실시예에 따른 무선 충전 방법은, 복수의 송신 코일들이 전류를 수신하는 단계와, 상기 복수의 송신 코일들이 회전 자계와 수직 자계를 이용하여 3차원 무선충전 가능 영역을 생성하는 단계를 포함하고, 상기 복수의 송신 코일들은 2차원 평면 상에 원형으로 배치된다.
상기 수신하는 단계는, 상기 복수의 송신 코일들 중에서 어느 한 쌍의 송신 코일들이 제1 동위상 전류를 수신하는 단계와, 상기 복수의 송신 코일들 중에서 다른 한 쌍의 송신 코일들이 제2 동위상 전류를 수신하는 단계를 포함하고, 상기 제1 동위상 전류와 상기 제2 동위상 전류는 서로 상이한 위상을 가질 수 있다.
상기 복수의 송신 코일들 각각은 균일한 간격을 가지도록 배치되고, 상기 어느 한 쌍의 송신 코일들 및 상기 다른 한 쌍의 송신 코일들 각각은 대칭을 이루도록 서로 마주보고 배치될 수 있다.
상기 복수의 송신 코일들은, 상기 2차원 평면에 대하여 수직 또는 수평으로 배치될 수 있다.
상기 복수의 송신 코일 쌍의 수가 n인 경우에, 상기 제1 동위상 전류와 상기 제2 동위상 전류는
Figure PCTKR2017009796-appb-I000001
의 위상차를 가질 수 있다.
상기 무선 충전 방법은, 송신 인버터가 상기 복수의 송신 코일들로 출력하는 전류의 크기 및 위상 중에서 적어도 하나를 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 어느 한 쌍의 송신 코일들 및 상기 다른 한 쌍의 송신 코일들 중 적어도 한 쌍의 송신 코일들은 병렬 또는 직렬로 연결될 수 있다.
일 실시예에 따른 무선 충전 장치는, 송신 인버터와, 상기 송신 인버터로부터 출력되는 전류에 응답하여 회전 자계와 수직 자계를 발생시켜 3차원 무선 충전 가능 영역을 생성하는 복수의 송신 코일들을 포함하고, 상기 복수의 송신 코일들은 2차원 평면 상에 원형으로 배치된다.
상기 송신 인버터는, 상기 복수의 송신 코일들 중에서 어느 한 쌍의 송신 코일들로 제1 동위상의 전류를 출력하고, 상기 복수의 송신 코일들 중에서 다른 한 쌍의 송신 코일들로 제2 동위상의 전류를 출력하고, 상기 상기 제1 동위상 전류와 상기 제2 동위상 전류는 서로 상이한 위상을 가질 수 있다.
상기 복수의 송신 코일들 각각은 균일한 간격을 가지도록 배치되고, 상기 어느 한 쌍의 송신 코일들 및 상기 다른 한 쌍의 송신 코일들 각각은 대칭을 이루도록 서로 마주보고 배치될 수 있다.
상기 복수의 송신 코일들은, 상기 2차원 평면에 대하여 수직 또는 수평으로 배치될 수 있다.
상기 복수의 송신 코일 쌍의 수가 n인 경우에, 상기 제1 동위상 전류와 상기 제2 동위상 전류는
Figure PCTKR2017009796-appb-I000002
의 위상차를 가질 수 있다.
상기 송신 인버터는, 상기 복수의 송신 코일들로 출력하는 전류의 크기 및 위상 중에서 적어도 하나를 제어할 수 있다.
상기 어느 한 쌍의 송신 코일들 및 상기 다른 한 쌍의 송신 코일들 중 적어도 한 쌍의 송신 코일들은 병렬 또는 직렬로 연결될 수 있다.
상기 무선 충전 장치는 상기 복수의 송신 코일들의 공진을 위하여 상기 복수의 송신 코일들 중 적어도 하나의 송신 코일과 상기 송신 인버터 사이에 배치되는 매칭 캐패시터를 더 포함할 수 있다.
상기 송신 인버터는, 상기 복수의 송신 코일들 및 상기 매칭 캐패시터 간의 공진 주파수보다 낮은 주파수를 매칭 주파수로 사용할 수 있다.
상기 복수의 송신 코일들의 형태는, 평면 헤리컬 구조, 입체 헤리컬 구조, 원형 코일, 다격형 코일 및 솔레이노이드를 포함할 수 있다.
상기 2차원 평면은 자성 물질 및 상기 자성 물질 하부에 설치되는 철판 구조를 포함하고, 상기 자성 물질은 페라이트를 포함할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 무선 충전 장치의 개략적인 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 복수의 송신 코일들이 배치된 예 및 이에 따라 생성되는 3차원 무선 충전 가능 영역을 나타낸다.
도 3은 송신 코일과 수신 코일의 크기에 따른 충전 효율을 설명하기 위한 코일 크기의 예이다.
도 4는 도 2에 도시된 복수의 송신 코일들에 전류를 인가하는 예를 나타낸다.
도 5는 도 1에 도시된 송신 인버터와 복수의 송신 코일의 연결의 일 예를 나타낸다.
도 6은 도 1에 도시된 송신 인버터와 복수의 송신 코일의 연결의 다른 예를 나타낸다.
도 7은 도 1에 도시된 복수의 송신 코일이 3 쌍 이상인 경우의 예를 나타낸다.
도 8 (a), (b), (c), (d), (e) 및 (f)는 도 2에 도시된 각 송신 코일 쌍에 동일한 위상의 전류가 흐를 때의 자기장 분포 시뮬레이션의 결과의 예이다.
도 9 (a), (b), (c), (d), (e) 및 (f)는 도 2에 도시된 각 송신 코일 쌍에 0도 및 90도 위상의 전류가 흐를 때의 자기장 분포 시뮬레이션 결과의 예이다.
도 10 (a) 및 (b)는 도 2에 도시된 복수의 송신 코일이 발생시키는 자속 밀도(magnetic flux density) 시뮬레이션 결과의 예이다.
본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만, 예를 들어 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 “연결되어” 있다거나 “접속되어” 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 “직접 연결되어” 있다거나 “직접 접속되어” 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 표현들, 예를 들어 “~사이에”와 “바로~사이에” 또는 “~에 직접 이웃하는” 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 명세서에서의 모듈(module)은 본 명세서에서 설명되는 각 명칭에 따른 기능과 동작을 수행할 수 있는 하드웨어를 의미할 수도 있고, 특정 기능과 동작을 수행할 수 있는 컴퓨터 프로그램 코드를 의미할 수도 있고, 또는 특정 기능과 동작을 수행시킬 수 있는 컴퓨터 프로그램 코드가 탑재된 전자적 기록 매체, 예를 들어 프로세서 또는 마이크로 프로세서를 의미할 수 있다.
다시 말해, 모듈이란 본 발명의 기술적 사상을 수행하기 위한 하드웨어 및/또는 상기 하드웨어를 구동하기 위한 소프트웨어의 기능적 및/또는 구조적 결합을 의미할 수 있다.
이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 특허출원의 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 일 실시예에 따른 무선 충전 장치의 개략적인 블록도이다.
도 1을 참조하면, 무선 충전 장치(10)는 송신 인버터(100) 및 복수의 송신 코일(200)들을 포함한다. 무선 충전 장치(10)는 자기 유도 무선 충전 방식 및 자기 공명 충전 방식 중에서 적어도 하나를 이용하여 무선 충전을 수행할 수 있다.
무선 충전 장치(10)는 2차원 평면 상에 복수의 송신 코일들(200)을 배치하여 공간 상에 에너지 밀도가 균일한 충전 가능 영역을 생성할 수 있다. 예를 들어, 무선 충전 장치(10)는 복수의 송신 코일들(200)로부터 발생하는 회전 자계와 수직 자계를 이용하여 3차원 공간, 즉 3차원 무선 충전 가능 영역을 생성함으로써 수신 코일의 위치나 방향에 제한되지 않고 무선 충전을 수행할 수 있다.
무선 충전 장치(10)는 충전 가능 영역 내에서 전자기기가 어떠한 방향으로 회전되더라도 무선 충전을 수행할 수 있다. 즉, 무선 충전 장치(10)는 수신 기기가 xy 평면이 아닌 xyz 공간 상의 어떤 방향을 가진다 하여도 무선 충전을 수행할 수 있다.
무선 충전 장치(10)는 특정 영역 내에서 벽면 구조 없이 3차원 자유도를 갖는 무선 충전, 에너지 전송 기술을 제공할 수 있다. 무선 충전 장치(10)는 3차원 무선 전력 전송을 통하여 기존의 2차원 패드 구조 및 기존의 3차원 무선 전력 전송 기술의 한계를 극복하고 사용자가 쉽고 자유롭게 무선 충전, 무선 전력 전송 기술을 이용할 수 있도록 한다.
무선 충전 장치(10)는 수신기의 수신 코일 구조에 관계없이 무선 전력 전송 및 무선 충전을 수행할 수 있다. 수신기에는 송신 코일과 같이 2개 이상 쌍의 수신 코일이 사용될 수 있으나, 개별 수신 코일의 크기가 작아지면 충전 효율이 저하될 수 있다.
무선 충전 장치(10)는 평면 헤리컬 구조, 입체 헤리컬 구조 또는 솔레노이드 구조 등 어떤 구조의 수신 코일에 대해서도 무선 충전을 수행할 수 있다. 또한, 무선 충전 장치(10)는 수신 코일이 송신 코일과 수평, 수직한 배치를 가질 때뿐만 아니라 경사진 각도를 가질 때에도 무선 충전을 수행할 수 있다.
무선 충전 장치(10)는 다양한 IT 기기들에 대하여 무선 충전을 수행할 수 있다. IT 기기는 랩탑(laptop) 컴퓨터, 드론, 개인형 전동 이동 기기, 이동 전화기, 스마트폰(smart phone), 태블릿(tablet) PC, 모바일 인터넷 디바이스(mobile internet device(MID)), PDA(personal digital assistant), EDA(enterprise digital assistant), 디지털 스틸 카메라(digital still camera), 디지털 비디오 카메라(digital video camera), PMP(portable multimedia player), PND(personal navigation device 또는 portable navigation device), 휴대용 게임 콘솔(handheld game console), e-북(e-book), 또는 스마트 디바이스(smart device)를 포함할 수 있다. 스마트 디바이스는 스마트 와치(smart watch), 스마트 밴드(smart band), 또는 스마트 링(smart ring)을 포함할 수 있다.
송신 인버터(100)는 복수의 송신 코일들(200)로 전류를 출력할 수 있다. 예를 들어, 송신 인버터(100)는 복수의 송신 코일(200)들 중에서 어느 한 쌍의 송신 코일들로 제1 동위상의 전류를 출력하고, 복수의 송신 코일들 중에서 다른 한 쌍의 송신 코일들로 제2 동위상의 전류를 출력할 수 있다.
이때, 제1 동위상의 전류와 제2 동위상의 전류는 상이한 위상을 가질 수 있다. 제1 동위상의 전류와 제2 동위상의 전류가 상이한 경우, 복수의 송신 코일(200)들은 회전 자계 및 수직 자계를 생성할 수 있다. 예를 들어, 상이한 위상의 전류는 쿼드러처 신호일 수 있다.
송신 인버터(100)는 복수의 송신 코일(200)들로 출력하는 전류의 크기 및 위상 중에서 적어도 하나를 제어할 수 있다. 예를 들어, 송신 인버터는 2개 이상일 수 있다.
송신 인버터(100)가 출력하는 신호는 쿼드러처 신호일 수 있다.
무선 충전 장치(10)는 수신기의 위치 변화에 따라 수신기에 전달되는 수신 전력을 검출하고 이 정보를 송신 인버터(100)로 출력할 수 있다. 송신 인버터(100)는 수신 전력 정보에 기초하여 송신 전력을 제어할 수 있다. 예를 들어, 송신 인버터(100)는 수신 전력이 정상 상태이면 전력 전송 및 충전을 완료할 수 있다.
복수의 송신 코일(200)들은 송신 인버터(100)로부터 출력되는 전류에 응답하여 회전 자계와 수직 자계를 발생시켜 3차원 무선 충전 가능 영역을 생성할 수 있다.
복수의 송신 코일(200)들은 복수 쌍의 코일들을 포함할 수 있다. 복수의 송신 코일(200)들은 2차원 평면 상에 원형으로 배치될 수 있다. 복수의 송신 코일(200)들은 2차원 평면에 대하여 수직 또는 수평으로 배치될 수 있다.
복수의 송신 코일(200)들 각각은 균일한 간격을 가지도록 배치되고, 어느 한 쌍의 송신 코일들 및 상기 다른 한 쌍의 송신 코일들 각각은 대칭을 이루도록 서로 마주 보고 배치될 수 있다. 또한, 복수의 송신 코일(200)들은 코일들이 서로 겹치거나 겹치지 않도록 배치될 수 있다.
복수의 송신 코일(200)들의 간격이 멀어지면 복수의 송신 코일(200)이 배치된 2차원 평면의 중앙에 널포인트(null point)가 발생할 수 있다. 이 때, 무선 충전 장치(10) 중앙에 봉과 같은 거치대 구조를 설치할 수 있다.
복수의 송신 코일(200) 쌍의 수가 n인 경우에, 송신 인버터(100)로부터 출력되는 제1 동위상 전류와 제2 동위상 전류는
Figure PCTKR2017009796-appb-I000003
의 위상차를 가질 수 있다. 즉, 무선 충전 장치(10)가 높은 Q 값을 가지는 2 쌍 이상의 복수의 송신 코일(200)들을 사용하는 경우, 각각의 송신 코일(200)은 송신 인버터(100)에 의해 출력되는 0 도 및 180/n 도의 위상을 가지는 n 개의 전류를 수신할 수 있다.
예를 들어, 2 쌍의 송신 코일들을 사용하는 경우, 무선 충전 장치(10)는 송신 인버터(100)를 통해 한 쌍의 코일에 위상이 0도인 전류를 출력하고, 다른 한 쌍의 코일에는 위상이 90도인 전류를 출력할 수 있다. 이 때, 서로 마주보는 코일의 전류의 방향을 서로 반대 방향이 되도록 배치하면 무선 충전 장치(10)는 직교 성분의 자기장을 생성할 수 있고, 이 자기장은 회전 자계 특성을 가질 수 있다.
따라서, 무선 충전 장치(10)는 코일을 벽면에 마주보게 배치하지 않고 2차원 평면상에 배치하더라도 3차원 공간에 충전 가능 영역을 생성하여 수신 코일의 위치와 방향에 상관없이 무선 충전을 수행할 수 있다.
상술한 바와 같이, 무선 충전 장치(10)는 복수의 송신 코일(200)들을 2차원 평면 상에 배치함에도 불구하고, 무선 충전 장치(10)의 자유도를 보장하여 사용자의 편의성 및 자유로운 무선 충전 환경을 조성할 수 있고, 충전에 필요한 효율을 유지하면서 충전 가능 영역을 확장할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 복수의 송신 코일들이 배치된 예 및 이에 따라 생성되는 3차원 무선 충전 가능 영역을 나타낸다.
도 2를 참조하면, 복수의 송신 코일(210, 230, 250, 및 270)들은 서로 마주보는 코일 쌍에 동위상의 급전이 이루어지며, 서로 직교하는 위치에 코일을 배치할 수 있다. 도 2와 같이 배치된 복수의 송신 코일(210, 230, 250, 및 270)들에 0도 및 90도 위상을 가지는 전류를 인가함으로써 3차원 회전 자계 및/또는 수직 자계를 발생시킬 수 있다.
무선 충전 장치(10)는 평면형으로 코일들(210, 230, 250, 및 270)을 배치하면서도 3차원 충전 가능 영역(400)을 생성할 수 있다. 이에 따라, 무선 충전 장치(10)는 수신 코일(310,330)이 복수의 송신 코일(210, 230, 250, 및 270)들과 수평인 경우뿐만 아니라 수직인 경우에도 무선 충전을 수행할 수 있다.
충전 가능 영역(400)은 복수의 송신 코일(210, 230, 250, 및 270)들이 배치된 2차원 평면에 상응하는 충전 가능 영역과 복수의 송신 코일(210, 230, 250, 및 270)들로부터 발생하는 수직 자계에 상응하는 충전 가능 영역을 포함할 수 있다. 예를 들어, 충전 가능 영역(400)은 반구 형태 또는 원통 형태를 가질 수 있다.
복수의 송신 코일(200)들은 균일하게 배치되어, 충전 가능 영역(400) 내에서 효율 감소 지역을 해소할 수 있다. 2n 개 이상의 복수의 송신 코일(200)들이 균등하게 원형 배치되어 효율 감소 지역을 해소할 수 있고, 이 때, 송신 인버터(100)는 인접한 코일 간에
Figure PCTKR2017009796-appb-I000004
의 위상차를 가지는 신호를 각각 입력할 수 있다.
예를 들어, 송신 인버터(100)는 어느 한 쌍의 송신 코일들(210 및 230)로 0도의 위상을 가진 전류를 출력하고, 다른 한 쌍의 송신 코일들(250 및 270)로 90도의 위상을 가진 전류를 출력할 수 있다.
또한, 무선 충전 장치(10)는 널포인트(null point)가 발생할 수 있는 복수의 송신 코일(210, 230, 250, 및 270)이 배치된 2차원 평면의 중앙에 기둥을 설치하고, 수신 코일을 기둥에 세워둔 상태로 무선 충전을 수행할 수 있다.
복수의 송신 코일(200)들의 형태는 평면 헤리컬 구조, 입체 헤리컬 구조, 원형 코일, 다격형 코일 및 솔레이노이드를 포함할 수 있다. 예를 들어, 평면 헤리컬 구조를 이용하여 송신 코일의 높이를 매우 낮게 제작할 수 있다.도 2는 복수의 송신 코일(200)들이 4 개인 경우를 예로 설명하였으나, 복수의 송신 코일(200)들의 수는 4개 이상일 수 있다.
도 3은 송신 코일과 수신 코일의 크기에 따른 충전 효율을 설명하기 위한 코일 크기의 예이다.
도 3을 참조하면, 도 3과 같이 하나의 큰 송신 코일을 사용하는 경우, 송신 코일의 크기에 비하여 수신 코일의 크기가 상대적으로 작아서 충전 효율이 심각하게 저하될 수 있다. 따라서, 적당한 효율을 얻기 위해서 송신 코일과 수신 코일의 크기가 큰 차이가 나지 않게 제작할 수 있고, 이 경우 충전 가능 영역(400)은 감소할 수 있다.
도 3과 같이 제작할 경우, 충전 가능 영역(400)이 감소할 뿐만 아니라, 수신 코일을 수직으로 배치하였을 때 충전이 불가능할 수 있다. 이를 방지하기 위해서 도 2와 같이 2차원 평면 상에 동일한 면적을 가지는 복수의 송신 코일들(210, 230, 250 및 270)을 배치하여 충전 효율을 증가시킬 수 있다.
복수의 송신 코일들(210, 230, 250 및 270)의 형태를 타원형이나 직사각형으로 변경하고 송신 코일의 수를 증가시키면 충전 가능 영역(400)을 넓힐 수 있고, 위치에 관계없이 균일한 전송 효율을 달성할 수 있다.
복수의 송신 코일들(210, 230, 250 및 270)이 높은 Q 값 및 높은 인덕턴스 값을 가질 수 있도록 2차원 평면은 자성물질 및 자성 물질 하부에 설치되는 철판 구조를 포함할 수 있다. 예를 들어, 자성 물질은 페라이트를 포함할 수 있다.
도 4는 도 2에 도시된 복수의 송신 코일들에 전류를 인가하는 예를 나타낸다.
도 4를 참조하면, y축 상에 배치된 코일들(210 및 230)은 0도 위상을 갖는 전류를 수신할 수 있고, x축 상에 배치된 코일들(250 및 270)은 90도 위상을 갖는 전류를 수신할 수 있다.
복수의 송신 코일(210, 230, 250, 및 270)들이 배치된 2차원 평면에 수평인 회전 자계는 0도 위상을 갖는 전류에서 90도 위상을 갖는 전류 방향으로 코일들(210, 230, 250 및 270)로부터 발생할 수 있다.
코일이 감긴 방향에 의해 두 송신 코일(210 및 270)에서 전류가 시계 방향으로 흐르는 경우 두 송신 코일(210 및 270)로부터 발생하는 수직 자계는 안으로 향하고, 두 송신 코일(230 및 250)에서 전류가 반시계 방향으로 흐르는 경우 두 송신 코일(230 및 250)로부터 발생하는 수직 자계는 밖으로 향할 수 있다.
즉, 서로 마주보는 송신 코일들(210 및 230)의 수직 자계는 서로 연결되어 2차원 평면에 수직인 자계(예를 들어, 회전 자계)를 생성할 수 있다. 서로 마주보는 송신 코일들(230 및 250)의 수직 자계는 서로 연결되어 2차원 평면에 수직인 자계(예를 들어, 회전 자계)를 생성할 수 있다.
따라서, 복수의 송신 코일들(210, 230, 250 및 270)은 3차원 입체 구조가 아닌 2차원 평면 구조의 코일 배치로도 입체적인 회전 자계를 발생시킬 수 있다.
복수의 송신 코일들(210, 230, 250 및 270)은 입체적인 회전 자계를 통해 수신 코일이 수직, 수평인 경우를 포함하여 충전 가능 영역(400)내에서 모든 위치 및 방향의 수신 코일에 대하여 무선 충전을 수행할 수 있다.
또한, 복수의 송신 코일(200)들의 수를 증가시킴으로써 무선 충전 효율을 증가시킬 수 있다.
도 5는 도 1에 도시된 송신 인버터와 복수의 송신 코일의 연결의 일 예를 나타내고, 도 6은 도 1에 도시된 송신 인버터와 복수의 송신 코일의 연결의 다른 예를 나타낸다.
도 5를 참조하면, 송신 인버터(100)는 복수의 송신 코일들(210, 230, 250 및 270)에 전류를 출력할 수 있다. 송신 인버터(100)는 출력하는 전류의 위상 및 크기를 제어할 수 있다. 송신 인버터(100)는 상이한 위상 및 크기를 가지는 전류를 복수의 송신 코일들(210, 230, 250 및 270) 각각에 선택적으로 출력할 수 있다.
예를 들어, 송신 인버터(100)는 어느 한 쌍의 송신 코일(210 및 230)에 0도의 위상을 가지는 전류를 출력하고, 다른 한 쌍의 송신 코일(250 및 270)에 0도 위상의 전류와 직교하는 90도 위상을 가지는 전류를 출력할 수 있고, 이 때 동일한 크기의 전류를 사용할 수 있다.
송신 인버터(100)는 전류의 크기 및 위상을 적절히 조정하여 일정한 충전 가능 영역(400)에서 균일한 자기장을 생성하거나 특정한 방향에 대해서만 강한 자기장을 생성할 수 있다.
송신 인버터(100)는 Class-D,E,F의 효율이 우수한 증폭기를 사용하여 전류의 위상 및 크기를 제어할 수 있다.
무선 충전 장치(10)는 복수의 송신 코일들(210, 230, 250 및 270)의 공진을 위하여 복수의 송신 코일들(210, 230, 250 및 270) 중 적어도 하나의 송신 코일과 송신 인버터 사이에 배치되는 매칭 캐패시터(510, 530, 550 및 270)를 포함할 수 있다.
송신 인버터(100)는 복수의 송신 코일들(210, 230, 250 및 270) 및 매칭 캐패시터(510, 530, 550 및 270) 간의 공진 주파수보다 낮은 주파수를 매칭 주파수로 사용할 수 있다. 공진 주파수는 동작 주파수를 의미할 수 있다. 예를 들어, 송신 인버터(100)는 공진 주파수 보다 15~20% 낮은 주파수로 매칭하여 복수의 코일들(510, 530, 550 및 270)에 과도한 전류가 흐르거나 송신 인버터(100)가 파열되는 것을 막을 수 있다. 공진 주파수는 140 kHz일 수 있고, 송신 인버터가 사용하는 매칭 주파수는 120kHz 일 수 있다.
복수의 송신 코일들(210, 230, 250 및 270)의 어느 한 쌍의 송신 코일들 및 다른 한 쌍의 송신 코일들 중 적어도 한 쌍의 송신 코일들은 병렬 또는 직렬로 연결될 수 있다.
예를 들어, 도 5에서와 같이 어느 한 쌍의 송신 코일(210 및 230) 및 다른 한 쌍의 송신 코일(250 및 270)을 병렬로 연결할 수 있고, 도 6과 같이 어느 한 쌍의 송신 코일(210 및 230) 및 다른 한 쌍의 송신 코일(250 및 270)을 직렬로 연결할 수 있다. 도 6과 같이 직렬 연결한 경우, 코일의 인덕턴스를 조절하여 도 5의 병렬 연결과 같은 효과를 낼 수 있다.
송신 인버터(100)는 도 5 및 도 6의 연결에서, 자속이 상쇄되지 않는 방향으로 전류의 방향을 설정할 수 있다.
도 7은 도 1에 도시된 복수의 송신 코일이 3 쌍 이상인 경우의 예를 나타낸다.
도 7을 참조하면, 무선 충전 장치(10)는 복수의 송신 코일(200)들 각각의 크기를 감소시키고, 송신 코일의 수를 늘려 코일이 겹쳐지지 않는 면적을 최소화함으로써 충전 효율을 증가시킬 수 있다. 이 경우, 송신 코일의 수는 기하학적 대칭을 이루도록 2n 개를 사용할 수 있다. 이 때, n 개의 송신 코일 쌍에 흐르는 전류는
Figure PCTKR2017009796-appb-I000005
의 위상차를 가질 수 있다.
도 8 (a), (b), (c), (d), (e) 및 (f)는 도 2에 도시된 각 송신 코일 쌍에 동일한 위상의 전류가 흐를 때의 자기장 분포 시뮬레이션의 결과의 예이고, 도 9 (a), (b), (c), (d), (e) 및 (f)는 도 2에 도시된 각 송신 코일 쌍에 0도 및 90도 위상의 전류가 흐를 때의 자기장 분포 시뮬레이션 결과의 예이다.
도 8을 참조하면, 송신 인버터(100)가 도 2의 복수의 송신 코일들(210, 230, 250 및 270)에 동일한 위상의 전류를 출력하는 경우에, 복수의 송신 코일들(210, 230, 250 및 270)은 균일한 자기장을 형성하지 않고, 널포인트(null-point)를 발생시켜 충전이 불가능한 지역이 발생할 수 있다.
도 9를 참조하면, 송신 인버터(100)가 어느 한 쌍의 송신 코일들(210 및 230)에 출력하는 전류와, 다른 한 쌍의 송신 코일들(250 및 270)에 출력하는 전류의 위상의 차가 90도를 가질 수 있다.
시뮬레이션 결과, 복수의 송신 코일들(210, 230, 250 및 270)은 송신 인버터(100)가 출력하는 위상이 달라져도, 충전 가능 영역(400) 내에 균일한 자기장(회전 자기장)을 형성할 수 있다. 이 경우, 복수의 송신 코일들(210, 230, 250 및 270)은 널포인트를 발생시키지 않으므로, 무선 충전 장치(10)는 수신기의 방향에 관계없이 무선 충전을 수행할 수 있다.
도 10 (a) 및 (b)는 도 2에 도시된 복수의 송신 코일이 발생시키는 자속 밀도(magnetic flux density) 시뮬레이션 결과의 예이다.
도 10을 참조하면, (a)는 송신 인버터(100)가 복수의 송신 코일들(210, 230, 250 및 270)에 동위상 전류를 출력했을 때의 자속 밀도 분포이고, (b)는 송신 인버터(100)가 어느 한 쌍의 송신 코일들(210 및 230)과 다른 한 쌍의 송신 코일들(250 및 270)에 90도의 위상차를 가지는 전류를 출력할 때의 자속 밀도의 분포일 수 있다.
어느 한 쌍의 송신 코일과 다른 한 쌍의 송신 코일에 흐르는 전류가 90도 위상차를 가지는 경우의 자속 밀도가 동위상 전류가 흐르는 경우의 자속 밀도에 비하여 균일한 것을 확인할 수 있다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 컨트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPGA(field programmable gate array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 컨트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (18)

  1. 복수의 송신 코일들이 전류를 수신하는 단계; 및
    상기 복수의 송신 코일들이 회전 자계와 수직 자계를 이용하여 3차원 무선충전 가능 영역을 생성하는 단계
    를 포함하고,
    상기 복수의 송신 코일들은 2차원 평면 상에 원형으로 배치되는
    무선 충전 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수신하는 단계는,
    상기 복수의 송신 코일들 중에서 어느 한 쌍의 송신 코일들이 제1 동위상 전류를 수신하는 단계; 및
    상기 복수의 송신 코일들 중에서 다른 한 쌍의 송신 코일들이 제2 동위상 전류를 수신하는 단계
    를 포함하고,
    상기 제1 동위상 전류와 상기 제2 동위상 전류는 서로 상이한 위상을 갖는
    무선 충전 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 송신 코일들 각각은 균일한 간격을 가지도록 배치되고, 상기 어느 한 쌍의 송신 코일들 및 상기 다른 한 쌍의 송신 코일들 각각은 대칭을 이루도록 서로 마주보고 배치되는
    무선 충전 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 송신 코일들은,
    상기 2차원 평면에 대하여 수직 또는 수평으로 배치되는
    무선 충전 방법.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 송신 코일 쌍의 수가 n인 경우에,
    상기 제1 동위상 전류와 상기 제2 동위상 전류는
    Figure PCTKR2017009796-appb-I000006
    의 위상차를 가지는
    무선 충전 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    송신 인버터가 상기 복수의 송신 코일들로 출력하는 전류의 크기 및 위상 중에서 적어도 하나를 제어하는 단계
    를 더 포함하는 무선 충전 방법.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 어느 한 쌍의 송신 코일들 및 상기 다른 한 쌍의 송신 코일들 중 적어도 한 쌍의 송신 코일들은 병렬 또는 직렬로 연결되는
    무선 충전 방법.
  8. 송신 인버터; 및
    상기 송신 인버터로부터 출력되는 전류에 응답하여 회전 자계와 수직 자계를 발생시켜 3차원 무선 충전 가능 영역을 생성하는 복수의 송신 코일들
    을 포함하고,
    상기 복수의 송신 코일들은 2차원 평면 상에 원형으로 배치되는
    무선 충전 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 송신 인버터는,
    상기 복수의 송신 코일들 중에서 어느 한 쌍의 송신 코일들로 제1 동위상의 전류를 출력하고,
    상기 복수의 송신 코일들 중에서 다른 한 쌍의 송신 코일들로 제2 동위상의 전류를 출력하고,
    상기 제1 동위상 전류와 상기 제2 동위상 전류는 서로 상이한 위상을 갖는
    무선 충전 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 송신 코일들 각각은 균일한 간격을 가지도록 배치되고, 상기 어느 한 쌍의 송신 코일들 및 상기 다른 한 쌍의 송신 코일들 각각은 대칭을 이루도록 서로 마주보고 배치되는
    무선 충전 장치.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 송신 코일들은,
    상기 2차원 평면에 대하여 수직 또는 수평으로 배치되는
    무선 충전 장치.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 송신 코일 쌍의 수가 n인 경우에,
    상기 제1 동위상 전류와 상기 제2 동위상 전류는
    Figure PCTKR2017009796-appb-I000007
    의 위상차를 가지는
    무선 충전 장치.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 송신 인버터는,
    상기 복수의 송신 코일들로 출력하는 전류의 크기 및 위상 중에서 적어도 하나를 제어하는
    무선 충전 장치.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 어느 한 쌍의 송신 코일들 및 상기 다른 한 쌍의 송신 코일들 중 적어도 한 쌍의 송신 코일들은 병렬 또는 직렬로 연결되는
    무선 충전 장치.
  15. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 송신 코일들의 공진을 위하여 상기 복수의 송신 코일들 중 적어도 하나의 송신 코일과 상기 송신 인버터 사이에 배치되는 매칭 캐패시터
    를 더 포함하는 무선 충전 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 송신 인버터는,
    상기 복수의 송신 코일들 및 상기 매칭 캐패시터 간의 공진 주파수보다 낮은 주파수를 매칭 주파수로 사용하는
    무선 충전 장치.
  17. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 송신 코일들의 형태는,
    평면 헤리컬 구조, 입체 헤리컬 구조, 원형 코일, 다격형 코일 및 솔레이노이드를 포함하는
    무선 충전 장치.
  18. 제8항에 있어서,
    상기 2차원 평면은 자성 물질 및 상기 자성 물질 하부에 설치되는 철판 구조를 포함하는
    무선 충전 장치.
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