WO2019004753A1 - 멀티 코일 기반의 무선전력 전송장치 및 방법 - Google Patents

멀티 코일 기반의 무선전력 전송장치 및 방법 Download PDF

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WO2019004753A1
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primary
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power transmission
primary coils
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김성규
서정교
박진무
이성훈
곽봉식
이재성
이지현
육경환
박준호
조영찬
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엘지전자 주식회사
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    • H04L27/02—Amplitude-modulated carrier systems, e.g. using on-off keying; Single sideband or vestigial sideband modulation
    • H04L27/04—Modulator circuits; Transmitter circuits

Definitions

  • Another aspect of the present invention is to provide a method of selectively driving a primary coil and controlling power according to a change amount of a battery or a load of a receiving apparatus in a medium power class multi-coil wireless power transmission system.
  • the inverter when defining the primary coil array as a first cell, further includes at least one other second cell, wherein one inverter is connected to the first cell through the switch, One primary coil, and one primary coil included in the second cell.
  • FIG. 2 is a block diagram of a wireless power system 10 in accordance with another embodiment.
  • Maintaining compatibility between the same profiles may be mandatory, and maintaining compatibility between different profiles may be optional.
  • PRU P RX_OUT_MAX Example Application Category 1 TBD Bluetooth headset Category 2 3.5 W Feature phone Category 3 6.5 W Smartphone Category 4 13W Tablets, Category 5 25W Small Form Factor Laptop Category 6 37.5 W A typical laptop Category 7 50W
  • the OOB module may perform out-band communication through a communication antenna.
  • the communication / control unit 220 may be provided as a local communication module.
  • Examples of short-range communication modules include communication modules such as Wi-Fi, Bluetooth, Bluetooth LE, ZigBee, and NFC.
  • the wireless power transmission apparatus may receive a Foreign Object Detection (FOD) status packet including a reference quality factor value. Or a FOD state packet including a reference peak frequency value. Or receive a status packet including a reference quality factor value and a reference peak frequency value.
  • FOD Foreign Object Detection
  • the wireless power transmission apparatus can determine the quality factor threshold for FO detection based on the reference quality factor value.
  • the wireless power transmission apparatus can determine a peak frequency threshold for FO detection based on a reference peak frequency value.
  • the power transmitter 740 may include at least one of a coil assembly 760, an impedance matching circuit 770, an inverter 780, a communication unit 790, or a control unit 710.
  • a free format frame such as (B) may not have a concrete form other than a sync pattern and a measurement slot indicating the start of a frame. That is, the free-form frame is for performing a different function from the slot frame, for example, between the wireless power transmission apparatus and the wireless power receiving apparatus, long data packets (for example, additional owner information packets) Or may be used for a role of selecting any one of a plurality of coils in a wireless power transmission apparatus composed of a plurality of coils.
  • the wireless power receiving device performs an attempt to request a free slot to transmit a control information (CI) packet over the following configuration, negotiation, and power transmission steps.
  • the wireless power receiving apparatus selects a free slot and transmits the first CI packet. If the wireless power transmission device responds with an ACK to the corresponding CI packet, the wireless power transmission device enters the configuration phase. If the wireless power transmission device responds with a NACK, another wireless power receiving device is going through the configuration and negotiation steps. In this case, the wireless power receiving apparatus retries the request of the free slot.
  • CI control information
  • the primary coils according to this embodiment can be individually driven (or activated).
  • a dedicated drive circuit i.e., inverter
  • FIG. 12C For example, in the case of the primary coil arrays 1201, 1202, 1203, and 1204 of FIG. 12C, a primary coil and an inverter are connected in a 1: 1 ratio, requiring a total of four inverters. That is, an independent power source is applied to each primary coil. Accordingly, only one primary coil may be selectively driven (or activated) depending on the position where the secondary coil 1205 is placed on the module 1200 including the primary coil array as shown in FIG.
  • the wireless power transmission apparatus 100 adaptively selects and changes the primary coil according to the electric power demand of the wireless power receiving apparatus 200.
  • the wireless power transmission apparatus 100 determines whether it is a receiving apparatus of a medium power class (i.e., 60W or less) through the power class or profile of the wireless power receiving apparatus 200 and supplies power corresponding to the power class or profile Activates at least one primary coil for the < / RTI > For example, if the power class or profile of the wireless power receiving apparatus 200 is a 5 to 15 W class receiving apparatus, one primary coil is activated as shown in (a) , Two primary coils are activated as shown in (c) in case of 30 ⁇ 45W class receiver, and two primary coils are activated in case of 45 ⁇ 60W class receiver as shown in (b) Activate the coil.
  • a medium power class i.e. 60W or less
  • the wireless power transmission apparatus 100 determines whether it is a receiving apparatus of a medium power class (i.e., 60W or less) through the power class or profile of the wireless power receiving apparatus 200 and supplies power corresponding to the power class or profile Activates at
  • a user may experience smart wireless charging at home.
  • the wireless charger transmits the wireless power to the smartphone, and the smartphone receives the wireless power.
  • the wireless charger transmits information about the smart wireless recharging service to the smartphone. If the smartphone detects that the smartphone is located on the wireless charger, detects the reception of wireless power, or receives information from the wireless charger about the smart wireless charging service, the smartphone may inform the user of the acceptance of additional features opt-in). To this end, the smartphone may display a message on the screen in a manner that includes or does not include an alarm tone.

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Abstract

본 발명은 멀티 코일 기반의 무선전력 전송장치 및 방법에 관한 것이다. 본 명세서는 무선전력 수신장치에 구비된 2차 코일과 자기 커플링을 형성하여 상기 무선전력 수신장치로 무선전력을 전송하도록 구성된 1차 코일 배열, 상기 복수의 1차 코일들에 1:1로 연결되어 상기 복수의 1차 코일 각각을 선택적으로 구동하도록 구성된 복수의 인버터들, 및 각 1차 코일이 상기 2차 코일과 형성하는 자기 커플링의 정도를 기반으로 적어도 하나의 1차 코일이 구동되도록 상기 무선전력 수신장치와의 통신 및 상기 복수의 인버터들을 제어하여, 상기 복수의 1차 코일들 각각에 개별적으로 설정된 최대 출력을 모두 합한 값 이내에서 상기 1차 코일 배열이 제공 가능한 출력을 결정하는 통신/컨트롤 유닛을 포함하는 무선전력 전송장치를 개시한다. 중전력급 무선전력 전송 시스템에서 멀티 코일에 기반하여 코일 비정렬에 의한 충전 불가능한 상태를 보상할 수 있고, 저비용으로 충전 영역의 확장 설계가 용이하며, 수신장치의 위치 또는 정렬 자유도를 높일 수 있다.

Description

멀티 코일 기반의 무선전력 전송장치 및 방법
본 발명은 무선충전에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 멀티 코일 기반의 무선전력 전송장치 및 방법에 관한 것이다.
무선 전력 전송 기술은 전원 소스와 전자 기기 사이에 무선으로 전력을 전달하는 기술이다. 일 예로 무선 전력 전송 기술은 스마트폰이나 태블릿 등의 무선 단말기를 무선 충전 패드 상에 올려놓는 것만으로 무선 단말기의 배터리를 충전할 수 있도록 함으로써, 기존의 유선 충전 커넥터를 이용하는 유선 충전 환경에 비해 보다 뛰어난 이동성과 편의성 그리고 안전성을 제공할 수 있다. 무선 전력 전송 기술은 소비자 가전, 산업용 기기, 군용 기기, 자동차, 인프라, 의료기기 등 다양한 분야에서 기존의 유선 전력 전송 환경을 대체할 것으로 주목받고 있다.
무선전력 전송 기술의 표준화를 주도하는 단체인 WPC(Wireless Power Consortium)는 전자 기기들이 송신 및 수신하는 전력 양에 따라 몇 개의 그룹들을 분류하고, 각 그룹별로 표준을 제정하고 있다. 예를 들어 제1 그룹은 스마트 시계(Smart watch), 스마트 글래스(Smart Glass), HMD(Head Mounted Display), 및 스마트 링(Smart ring)과 같은 웨어러블 기기들 및 이어폰, 리모콘, 스마트폰, PDA, 태블릿 PC 등의 모바일 전자 기기들(또는 포터블 전자 기기들)을 대상으로 하는 소전력(약 5W이하 또는 약 20W 이하) 표준을 제정한다. 제2 그룹은 노트북, 로봇 청소기, TV, 음향 기기, 청소기, 모니터와 같은 중/소형 가전 기기들을 대상으로 하는 중전력(약 50W이하 또는 약 200W 이하) 표준을 제정한다. 제3 그룹은 믹서기, 전자 레인지, 전기 밥솥과 같은 주방용 가전 기기, 휠체어, 전기 킥보드, 전기 자전거, 전기 자동차 등의 개인용 이동 기기들(또는, 전자 기기/이동 수단들)을 대상으로 하는 대전력(약 2kW 이하 또는 22kW이하) 표준을 제정한다.
소전력 표준은 이미 다양한 버전으로 제정이 완료되어 상용화가 활발하게 이루어지고 있는데, 충전 영역의 확장 등 기존 단점을 보완하기 위한 새로운 디자인의 무선전력 송수신장치들이 개발되고 있다. 이와 함께 중전력과 대전력에 관한 표준도 점진적으로 논의되고 있는 실정이다.
본 발명의 기술적 과제는 멀티 코일 기반의 무선전력 전송장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 기술적 과제는 중전력급 무선전력 전송 시스템에서 멀티 코일에 기반하여 코일 비정렬에 의한 충전 불가능한 상태를 보상함에 있다.
본 발명의 또 다른 기술적 과제는 1차 코일 확장셋을 기반으로 충전 영역의 확장 설계가 용이한 무선전력 전송장치 및 수신장치, 그리고 이를 이용하는 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 기술적 과제는 중전력급 멀티 코일 무선전력 전송 시스템에서, 수신장치의 배터리 혹은 부하의 변화량에 따라 1차 코일을 선별적으로 구동하고 전력을 제어하는 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 일 양태에 따르면 무선전력 수신장치로 무선전력을 전송하는 무선전력 전송장치를 제공한다. 상기 장치는 상기 무선전력 수신장치에 구비된 2차 코일(secondary coil)과 자기 커플링(magnetic coupling)을 형성하여 상기 무선전력 수신장치로 무선전력을 전송하도록 구성된 1차 코일 배열(primary coil array), 1차 코일 배열은 각각 개별적으로 설정된 최대 출력을 가지는 복수의 1차 코일들을 포함함, 상기 복수의 1차 코일들에 1:1로 연결되어, 상기 복수의 1차 코일 각각을 선택적으로 구동하도록 구성된 복수의 인버터들, 및 각 1차 코일이 상기 2차 코일과 형성하는 자기 커플링의 정도를 기반으로 적어도 하나의 1차 코일이 구동되도록 상기 무선전력 수신장치와의 통신 및 상기 복수의 인버터들을 제어하여, 상기 복수의 1차 코일들 각각에 개별적으로 설정된 최대 출력을 모두 합한 값 이내에서 상기 1차 코일 배열이 제공 가능한 출력을 결정하는 통신/컨트롤 유닛을 포함한다.
일 측면에서, 상기 복수의 1차 코일들은 수직적으로 상호 중첩되고, 수평적으로 2×2 매트릭스 형태를 가질 수 있다.
다른 측면에서, 상기 개별적으로 설정된 최대 출력은 상기 복수의 1차 코일들마다 모두 동일하고, 상기 1차 코일 배열이 제공 가능한 출력은 상기 1차 코일 배열에 포함된 상기 복수의 1차 코일들의 개수에 따라 결정될 수 있다.
또 다른 측면에서, 상기 개별적으로 설정된 최대 출력이 15W인 경우, 상기 복수의 인버터들이 하나의 1차 코일을 구동한 경우 상기 제공 가능한 출력은 15W이하이고, 상기 복수의 인버터들이 2개의 1차 코일을 구동한 경우 상기 제공 가능한 출력은 30W이하이고, 상기 복수의 인버터들이 3개의 1차 코일을 구동한 경우 상기 제공 가능한 출력은 45W이하이고, 상기 복수의 인버터들이 4개의 1차 코일을 구동한 경우 상기 제공 가능한 출력은 60W이하일 수 있다.
또 다른 측면에서, 상기 통신/컨트롤 유닛은 ASK(amplitude shift keying) 방식에 기반하여 상기 무선전력 수신장치와의 통신을 수행할 수 있다.
또 다른 측면에서, 상기 자기 커플링의 정도는 변조 깊이(modulation depth)의 크기이고, 상기 적어도 하나의 1차 코일은 상기 변조 깊이의 크기가 일정 범위 이상으로 변화된 것일 수 있다.
또 다른 측면에서, 상기 자기 커플링의 정도는 상기 각 1차 코일의 전압 프로파일의 크기이고, 상기 적어도 하나의 1차 코일은 상기 전압 프로파일이 일정 범위 이상으로 변화된 것일 수 있다.
또 다른 측면에서, 상기 자기 커플링의 정도는 상기 각 1차 코일에서의 공진 전압 유무이고, 상기 적어도 하나의 1차 코일은 상기 공진 전압이 발생하는 것일 수 있다.
또 다른 측면에서, 상기 1차 코일 배열을 하나의 제1 셀(cell)로 정의할 때, 적어도 하나의 다른 제2 셀을 더 포함하되, 하나의 인버터는, 스위치를 통해 상기 제1 셀 포함된 하나의 1차 코일 및 상기 제2 셀에 포함되는 하나의 1차 코일 중 어느 하나에 연결되도록 구성될 수 있다.
또 다른 측면에서, 가변 충전 전압을 제공하는 복수의 병렬 피드백 저항을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 무선전력 수신장치로 무선전력을 전송하는 방법을 제공한다. 상기 방법은 개별적으로 설정된 최대 출력을 가지는 복수의 1차 코일들(primary coils)에 1:1로 연결된 복수의 인버터들을 이용하여, 상기 복수의 1차 코일 각각을 선택적으로 구동하는 단계, 각 1차 코일이 상기 무선전력 수신장치에 구비된 2차 코일(secondary coil)과 형성하는 자기 커플링의 정도를 기반으로 적어도 하나의 1차 코일이 구동되도록 상기 무선전력 수신장치와의 통신 및 상기 복수의 인버터들을 제어하는 단계, 상기 복수의 1차 코일들 각각에 개별적으로 설정된 최대 출력을 모두 합한 값 이내에서 상기 복수의 1차 코일들이 제공 가능한 출력을 결정하는 단계, 및 상기 결정된 출력 이내에서, 상기 구동된 적어도 하나의 1차 코일을 통해 상기 무선전력 수신장치로 무선전력을 전송하는 단계를 포함한다.
일 측면에서, 상기 복수의 1차 코일들은 수직적으로 상호 중첩되고, 수평적으로 2×2 매트릭스 형태를 가질 수 있다.
다른 측면에서, 상기 개별적으로 설정된 최대 출력은 상기 복수의 1차 코일들마다 모두 동일하고, 상기 1차 코일 배열이 제공 가능한 출력은 상기 1차 코일 배열에 포함된 상기 복수의 1차 코일들의 개수에 따라 결정될 수 있다.
또 다른 측면에서, 상기 개별적으로 설정된 최대 출력이 15W인 경우, 상기 복수의 인버터들이 하나의 1차 코일을 구동한 경우 상기 제공 가능한 출력은 15W이하이고, 상기 복수의 인버터들이 2개의 1차 코일을 구동한 경우 상기 제공 가능한 출력은 30W이하이고, 상기 복수의 인버터들이 3개의 1차 코일을 구동한 경우 상기 제공 가능한 출력은 45W이하이고, 상기 복수의 인버터들이 4개의 1차 코일을 구동한 경우 상기 제공 가능한 출력은 60W이하인 것일 수 있다.
또 다른 측면에서, ASK(amplitude shift keying) 방식에 기반하여 상기 무선전력 수신장치와의 통신이 수행될 수 있다.
또 다른 측면에서, 상기 자기 커플링의 정도는 변조 깊이(modulation depth)의 크기이고, 상기 적어도 하나의 1차 코일은 상기 변조 깊이의 크기가 일정 범위 이상으로 변화된 것일 수 있다.
또 다른 측면에서, 상기 자기 커플링의 정도는 상기 각 1차 코일의 전압 프로파일의 크기이고, 상기 적어도 하나의 1차 코일은 상기 전압 프로파일이 일정 범위 이상으로 변화된 것일 수 있다.
또 다른 측면에서, 상기 자기 커플링의 정도는 상기 각 1차 코일에서의 공진 전압 유무이고, 상기 적어도 하나의 1차 코일은 상기 공진 전압이 발생하는 것일 수 있다.
또 다른 측면에서, 상기 1차 코일 배열을 하나의 제1 셀(cell)로 정의할 때, 적어도 하나의 다른 제2 셀을 더 포함하되, 하나의 인버터는, 스위치를 통해 상기 제1 셀 포함된 하나의 1차 코일 및 상기 제2 셀에 포함되는 하나의 1차 코일 중 어느 하나에 연결되도록 구성될 수 있다.
중전력급 무선전력 전송 시스템에서 멀티 코일에 기반하여 코일 비정렬에 의한 충전 불가능한 상태를 보상할 수 있고, 저비용으로 충전 영역의 확장 설계가 용이하며, 수신장치의 위치 또는 정렬 자유도를 높일 수 있다. 중전력급 멀티 코일을 구동시 이물질을 검출할 수 있고, 배터리 혹은 부하의 변화량에 따라 1차 코일을 선별적으로 구동하고 전력을 제어할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 무선 전력 시스템(10)의 블록도이다.
도 2는 다른 실시예에 따른 무선 전력 시스템(10)의 블록도이다.
도 3은 무선 전력 전송 시스템이 도입되는 다양한 전자 기기들의 실시예를 나타낸다.
도 4는 다른 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 블록도이다.
도 5는 무선 전력 전송 절차를 설명하기 위한 상태 천이도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 전력 제어 컨트롤 방법을 나타낸다.
도 7은 다른 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치의 블록도이다.
도 8은 다른 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치를 나타낸다.
도 9는 일 실시예에 따른 통신 프레임 구조를 나타낸다.
도 10은 일 실시예에 따른 싱크 패턴의 구조이다.
도 11은 일 실시예에 따른 쉐어드 모드에서 무선 전력 전송장치 및 무선전력 수신장치의 동작 상태를 도시하였다.
도 12a 및 12b는 각각 일 실시예에 따른 무선전력 전송장치에 포함되는 1차 코일 배열과 차폐부재를 도시한 평면도와 측면도이다.
도 12c는 일 실시예에 따른 각 1차 코일에 전용인(dedicated) 구동회로가 연결된 것을 나타낸다.
도 13은 일 실시예에 따른 멀티 코일을 선택적으로 구동하는 방법을 도시한 것이다.
도 14는 일 실시예에 따른 멀티 코일 기반의 무선전력 전송장치의 시간별 전력 전송 페이즈를 도시한 것이고, 도 15는 일 실시예에 따라 단일 코일과 멀티 코일을 선택적으로 동작하는 제어 방법을 설명하는 블록도이다.
도 16은 일 실시예에 따른 복수의 1차 코일 선택 방법을 도시한 순서도이다.
도 17은 일 실시예에 따른 1차 코일 배열을 운용하여 충전 영역을 확대시키는 개념도이다.
도 18은 다른 실시예에 따른 무선전력 전송장치에 포함되는 1차 코일 배열을 도시한 평면도이다.
도 19는 본 실시예에 따른 1차 코일 확장셋을 기반으로, 충전 영역을 선택하는 방법을 도시한 것이다.
도 20은 일 실시예에 따라 충전 영역을 확대하는 경우의 1차 코일들의 물리적 배열을 도시한 것이다.
도 21은 다른 실시예에 따른 복수의 1차 코일 선택 방법을 설명하는 도면이다.
도 22는 또 다른 실시예에 따른 복수의 1차 코일 선택 방법을 설명하는 도면이다.
도 23은 일 실시예에 따른 모듈화된 무선전력 수신장치를 도시한 블록도이다.
도 24는 일 실시예에 따른 이물질 검출 및 1차 코일의 선택적 구동 방법을 도시한 것이다.
이하에서 사용되는 "무선 전력" 이라는 용어는, 물리적인 전자기 전도체들의 사용없이 무선전력 전송기(wireless power transmitter)로부터 무선전력 수신장치(wireless power receiver)로 전달되는 전기장, 자기장, 전자기장 등과 관련된 임의의 형태의 에너지를 의미하도록 사용된다. 무선전력은 무선 전력 신호(wireless power signal)이라고 불릴 수도 있으며, 1차 코일과 2차 코일에 의해 둘러싸이는(enclosed) 진동하는 자속(oscillating magnetic flux)을 의미할 수 있다. 예를 들어, 이동 전화기, 코드리스 전화기, iPod, MP3 플레이어, 헤드셋 등을 포함하는 디바이스들을 무선으로 충전하기 위해 시스템에서의 전력 변환이 여기에 설명된다. 일반적으로, 무선 전력 전송의 기본적인 원리는, 예를 들어, 자기 커플링(magnetic coupling)을 통해 전력을 전달하는 방식, 무선 주파수(radio frequency: RF)를 통해 전력을 전달하는 방식, 마이크로웨이브(microwave)를 통해 전력을 전달하는 방식, 초음파를 통해 전력을 전달하는 방식을 모두 포함한다.
도 1은 일 실시예에 따른 무선 전력 시스템(10)의 블록도이다.
도 1을 참조하면, 무선 전력 시스템(10)은 무선 전력 전송 장치(100)와 무선 전력 수신 장치(200)를 포함한다.
무선 전력 전송 장치(100)는 외부의 전원 소스(S)로부터 전원을 인가받아 자기장을 발생시킨다. 무선 전력 수신 장치(200)는 발생된 자기장을 이용하여 전류를 발생시켜 무선으로 전력을 수신받는다.
또한, 무선 전력 시스템(10)에서 무선 전력 전송 장치(100)와 무선 전력 수신 장치(200)는 무선 전력 전송에 필요한 다양한 정보를 송수신할 수 있다. 여기서, 무선 전력 전송 장치(100)와 무선 전력 수신 장치(200)간의 통신은 무선 전력 전송에 이용되는 자기장을 이용하는 인-밴드 통신(in-band communication)이나 별도의 통신 캐리어를 이용하는 아웃-밴드 통신(out-band communication) 중 어느 하나의 방식에 따라 수행될 수 있다.
여기서, 무선 전력 전송 장치(100)는 고정형 또는 이동형으로 제공될 수 있다. 고정형의 예로는 실내의 천장이나 벽면 또는 테이블 등의 가구에 임베디드(embedded)되는 형태, 실외의 주차장, 버스 정류장이나 지하철역 등에 임플란트 형식으로 설치되는 형태나 차량이나 기차 등의 운송 수단에 설치되는 형태 등이 있다. 이동형인 무선 전력 전송 장치(100)는 이동 가능한 무게나 크기의 이동형 장치나 노트북 컴퓨터의 덮개 등과 같이 다른 장치의 일부로 구현될 수 있다.
또 무선 전력 수신 장치(200)는 배터리를 구비하는 각종 전자 기기 및 전원 케이블 대신 무선으로 전원을 공급받아 구동되는 각종 가전 기기를 포함하는 포괄적인 개념으로 해석되어야 한다. 무선 전력 수신 장치(200)의 대표적인 예로는, 이동 단말기(portable terminal), 휴대 전화기(cellular phone), 스마트폰(smart phone), 개인 정보 단말기(PDA: Personal Digital Assistant), 휴대 미디어 플레이어(PMP: Portable Media Player), 와이브로 단말기(Wibro terminal), 태블릿(tablet), 패블릿(pablet), 노트북(notebook), 디지털 카메라, 네비게이션 단말기, 텔레비전, 전기차량(EV: Electronic Vehicle) 등이 있다.
무선 전력 시스템(100)에서 무선 전력 수신 장치(200)는 하나 또는 복수일 수 있다. 도 1에서는 무선 전력 전송 장치(100)와 무선 전력 수신 장치(200)가 일대일로 전력을 주고 받는 것으로 표현되고 있으나, 도 2와 같이 하나의 무선 전력 전송 장치(100)가 복수의 무선 전력 수신 장치(200-1, 200-2,..., 200-M)로 전력을 전달하는 것도 가능하다. 특히, 자기 공진 방식으로 무선 전력 전송을 수행하는 경우에는 하나의 무선 전력 전송 장치(100)가 동시 전송 방식이나 시분할 전송 방식을 응용하여 동시에 여러 대의 무선 전력 수신 장치(200-1, 200-2,...,200-M)로 전력을 전달할 수 있다.
또한, 도 1에는 무선 전력 전송 장치(100)가 무선 전력 수신 장치(200)에 바로 전력을 전달하는 모습이 도시되어 있으나, 무선 전력 전송 장치(100)와 무선 전력 수신 장치(200) 사이에 무선전력 전송 거리를 증대시키기 위한 릴레이(relay) 또는 중계기(repeater)와 같은 별도의 무선 전력 송수신 장치가 구비될 수 있다. 이 경우, 무선 전력 전송 장치(100)로부터 무선 전력 송수신 장치로 전력이 전달되고, 무선 전력 송수신 장치가 다시 무선 전력 수신 장치(200)로 전력을 전달할 수 있다.
이하 본 명세서에서 언급되는 무선전력 수신기, 전력 수신기, 수신기는 무선 전력 수신 장치(200)를 지칭한다. 또한 본 명세서에서 언급되는 무선전력 전송기, 전력 전송기, 전송기는 무선 전력 수신 전송 장치(100)를 지칭한다.
도 3은 무선 전력 전송 시스템이 도입되는 다양한 전자 기기들의 실시예를 나타낸다.
도 3에는 무선 전력 전송 시스템에서 송신 및 수신하는 전력 양에 따라 전자 기기들을 분류하여 도시하였다. 도 3을 참조하면, 스마트 시계(Smart watch), 스마트 글래스(Smart Glass), HMD(Head Mounted Display), 및 스마트 링(Smart ring)과 같은 웨어러블 기기들 및 이어폰, 리모콘, 스마트폰, PDA, 태블릿 PC 등의 모바일 전자 기기들(또는 포터블 전자 기기들)에는 소전력(약 5W이하 또는 약 20W 이하) 무선 충전 방식이 적용될 수 있다.
노트북, 로봇 청소기, TV, 음향 기기, 청소기, 모니터와 같은 중/소형 가전 기기들에는 중전력(약 50W이하 또는 약 200W)이하) 무선 충전 방식이 적용될 수 있다. 믹서기, 전자 레인지, 전기 밥솥과 같은 주방용 가전 기기, 휠체어, 전기 킥보드, 전기 자전거, 전기 자동차 등의 개인용 이동 기기들(또는, 전자 기기/이동 수단들)은 대전력(약 2kW 이하 또는 22kW이하) 무선 충전 방식이 적용될 수 있다.
상술한(또는 도 1에 도시된) 전자 기기들/이동 수단들은 후술하는 무선 전력 수신기를 각각 포함할 수 있다. 따라서, 상술한 전자 기기들/이동 수단들은 무선 전력 송신기로부터 무선으로 전력을 수신하여 충전될 수 있다.
이하에서는 전력 무선 충전 방식이 적용되는 모바일 기기를 중심으로 설명하나 이는 실시예에 불과하며, 본 발명에 따른 무선 충전 방법은 상술한 다양한 전자 기기에 적용될 수 있다.
무선전력 전송에 관한 표준(standard)은 WPC(wireless power consortium), AFA(air fuel alliance), PMA(power matters alliance)을 포함한다.
WPC 표준은 기본 전력 프로파일(baseline power profile: BPP)과 확장 전력 프로파일(extended power profile: EPP)을 정의한다. BPP는 5W의 전력 전송을 지원하는 무선전력 전송장치와 수신장치에 관한 것이고, EPP는 5W보다 크고 30W보다 작은 범위의 전력 전송을 지원하는 무선전력 전송장치와 수신장치에 관한 것이다.
서로 다른 전력레벨(power level)을 사용하는 다양한 무선전력 전송장치와 수신장치들이 각 표준별로 커버되고, 서로 다른 전력 클래스(power class) 또는 카테고리로 분류될 수 있다.
예를 들어, WPC는 무선전력 전송장치와 수신장치를 전력 클래스(power class :PC) -1, PC0, PC1, PC2로 분류하고, 각 PC에 대한 표준문서를 제공한다. PC-1 표준은 5W 미만의 보장전력(guaranteed power)을 제공하는 무선전력 전송장치와 수신장치에 관한 것이다. PC-1의 어플리케이션은 스마트 시계와 같은 웨어러블 기기를 포함한다.
PC0 표준은 5W의 보장전력을 제공하는 무선전력 전송장치와 수신장치에 관한 것이다. PC0 표준은 보장전력이 30W까지인 EPP를 포함한다. 인-밴드(in-band :IB) 통신이 PC0의 필수적인(mandatory) 통신 프로토콜이나, 옵션의 백업 채널로 사용되는 아웃-오브-밴드(out-of-band : OBB) 통신도 사용될 수 있다. 무선전력 수신장치는 OOB의 지원 여부를 구성 패킷(configuration packe)내의 OOB 플래그를 설정함으로써 식별할 수 있다. OOB를 지원하는 무선전력 전송장치는 상기 구성 패킷에 대한 응답으로서, OOB 핸드오버를 위한 비트패턴(bit-pattern)을 전송함으로써 OOB 핸드오버 페이즈(handover phase)로 진입할 수 있다. 상기 구성 패킷에 대한 응답은 NAK, ND 또는 새롭게 정의되는 8비트의 패턴일 수 있다. PC0의 어플리케이션은 스마트폰을 포함한다.
PC1 표준은 30W~150W의 보장전력을 제공하는 무선전력 전송장치와 수신장치에 관한 것이다. OOB는 PC1을 위한 필수적인 통신 채널이며, IB는 OOB로의 초기화 및 링크 수립(link establishment)로서 사용된다. 무선전력 전송장치는 구성 패킷에 대한 응답으로서, OOB 핸드오버를 위한 비트패턴을 OOB 핸드오버 페이즈로 진입할 수 있다. PC1의 어플리케이션은 랩탑이나 전동 공구(power tool)을 포함한다.
PC2 표준은 200W~2kW의 보장전력을 제공하는 무선전력 전송장치와 수신장치에 관한 것으로서, 그 어플리케이션은 주방가전을 포함한다.
이렇듯 전력 레벨에 따라 PC가 구별될 수 있으며, 동일한 PC간 호환성(compatibility)을 지원할지 여부는 선택 또는 필수 사항일 수 있다. 여기서 동일한 PC간 호환성은, 동일한 PC 간에는 전력 송수신이 가능함을 의미한다. 예를 들어, PC x인 무선 전력 전송장치가 동일한 PC x를 갖는 무선 전력 수신장치의 충전이 가능한 경우, 동일한 PC간 호환성이 유지되는 것으로 볼 수 있다. 이와 유사하게 서로 다른 PC간의 호환성 역시 지원 가능할 수 있다. 여기서 서로 다른 PC간 호환성은, 서로 다른 PC 간에도 전력 송수신이 가능함을 의미한다. 예를 들어, PC x인 무선 전력 전송장치가 PC y를 갖는 무선 전력 수신장치의 충전이 가능한 경우, 서로 다른 PC간 호환성이 유지되는 것으로 볼 수 있다.
PC간 호환성의 지원은 사용자 경험(User Experience) 및 인프라 구축 측면에서 매우 중요한 이슈이다. 다만, PC간 호환성 유지에는 기술적으로 아래와 같은 여러 문제점이 존재한다.
동일한 PC간 호환성의 경우, 예를 들어, 연속적으로 전력이 전송되는 경우에만 안정적으로 충전이 가능한 랩-탑 충전(lap-top charging) 방식의 무선 전력 수신장치는, 동일한 PC의 무선 전력 송신장치라 하더라도, 불연속적으로 전력을 전송하는 전동 툴 방식의 무선 전력 송신장치로부터 전력을 안정적으로 공급받는 데 문제가 있을 수 있다. 또한, 서로 다른 PC간 호환성의 경우, 예를 들어, 최소 보장 전력이 200W인 무선 전력 송신장치는 최대 보장 전력이 5W인 무선 전력 수신장치로 전력을 송신하는 경우, 과전압으로 인해 무선전력 수신장치가 파손될 위험이 있다. 그 결과, PC는 호환성을 대표/지시하는 지표/기준으로 삼기 어렵다.
이하에서는 호환성을 대표/지시하는 지표/기준으로 '프로필(profile)'을 새롭게 정의하기로 한다. 즉, 동일한 '프로필'을 갖는 무선 전력 송수신 장치간에는 호환성이 유지되어 안정적인 전력 송수신이 가능하며, 서로 다른 '프로필'을 갖는 무선 전력 송수신장치간에는 전력 송수신이 불가한 것으로 해석될 수 있다. 프로필은 전력 클래스와 무관하게(또는 독립적으로) 호환 가능 여부 및/또는 어플리케이션에 따라 정의될 수 있다.
예를 들어, 프로필은 크게 i) 모바일, ii) 전동 툴, iii) 주방 및 iv) 웨어러블 이렇게 4가지로 구분될 수 있다.
'모바일' 프로필의 경우, PC는 PC0 및/또는 PC1, 통신 프로토콜/방식은 IB 및 OOB, 동작 주파수는 87~205kHz로 정의될 수 있으며, 어플리케이션의 예시로는 스마트폰, 랩-탑 등이 존재할 수 있다.
'전동 툴' 프로필의 경우, PC는 PC1, 통신 프로토콜/방식은 IB, 동작 주파수는 87~145kHz로 정의될 수 있으며, 어플리케이션의 예시로는 전동 툴 등이 존재할 수 있다.
'주방' 프로필의 경우, PC는 PC2, 통신 프로토콜/방식은 NFC-기반, 동작 주파수는 100kHz 미만으로 정의될 수 있으며, 어플리케이션의 예시로는 주방/가전 기기 등이 존재할 수 있다.
'웨어러블' 프로필의 경우, PC는 PC-1, 통신 프로토콜/방식은 IB, 동작 주파수는 87~205kHz으로 정의될 수 있으며, 어플리케이션의 예시로는 사용자 몸에 착용하는 웨어러블 기기 등이 존재할 수 있다.
동일한 프로필간에는 호환성 유지는 필수 사항일 수 있으며, 다른 프로필간의 호환성 유지는 선택 사항일 수 있다.
상술한 프로필(모바일 프로필, 전동 툴 프로필, 주방 프로필 및 웨어러블 프로필)들은 제1 내지 제n 프로필로 일반화되어 표현될 수 있으며, WPC 규격 및 실시예에 따라 새로운 프로필이 추가/대체될 수 있다.
이와 같이 프로필이 정의되는 경우, 무선 전력 전송장치가 자신과 동일한 프로필의 무선 전력 수신장치에 대해서만 선택적으로 전력 송신을 수행하여 보다 안정적으로 전력 송신이 가능하다. 또한 무선 전력 전송장치의 부담이 줄어들고, 호환이 불가능한 무선 전력 수신장치로의 전력 송신을 시도하지 않게 되므로 무선 전력 수신장치의 파손 위험이 줄어든다는 효과가 발생한다.
'모바일' 프로필 내의 PC1은 PC0를 기반으로 OOB와 같은 선택적 확장을 차용함으로써 정의될 수 있으며, '전동 툴' 프로필의 경우, PC1 '모바일' 프로필이 단순히 변경된 버전으로서 정의될 수 있다. 또한, 현재까지는 동일한 프로필간의 호환성 유지를 목적으로 정의되었으나, 추후에는 서로 다른 프로필간의 호환성 유지 방향으로 기술이 발전될 수 있다. 무선 전력 전송장치 또는 무선 전력 수신장치는 다양한 방식을 통해 자신의 프로필을 상대방에게 알려줄 수 있다.
AFA 표준은 무선 전력 전송장치를 PTU(power transmitting unit)이라 칭하고, 무선 전력 수신장치를 PRU(power receiving unit)이라 칭하며, PTU는 표 1과 같이 다수의 클래스로 분류되고, PRU는 표 2와 같이 다수의 카테고리로 분류된다.
PTX_IN_MAX 최소 카테고리 지원 요구사항 지원되는 최대 기기 개수를 위한 최소값
Class 1 2W 1x 카테고리 1 1x 카테고리 1
Class 2 10W 1x 카테고리 3 2x 카테고리 2
Class 3 16W 1x 카테고리 4 2x 카테고리 3
Class 4 33W 1x 카테고리 5 3x 카테고리 3
Class 5 50W 1x 카테고리 6 4x 카테고리 3
Class 6 70W 1x 카테고리 7 5x 카테고리 3
PRU PRX_OUT_MAX' 예시 어플리케이션
Category 1 TBD 블루투스 헤드셋
Category 2 3.5W 피쳐폰
Category 3 6.5W 스마트폰
Category 4 13W 태블릿, 패플릿
Category 5 25W 작은 폼팩터 랩탑
Category 6 37.5W 일반 랩탑
Category 7 50W
표 1에서와 같이, 클래스 n PTU의 최대 출력 전력 성능(capability)은 해당 클래스의 PTX_IN_MAX 값보다 크거나 같다. PRU는 해당 카테고리에서 명세된(specified) 전력보다 더 큰 전력을 끌어당길(draw) 수는 없다.
도 4는 다른 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 블록도이다.
도 4를 참조하면, 무선 전력 전송 시스템(10)은 무선으로 전력을 수신하는 모바일 기기(Mobile Device)(450) 및 무선으로 전력을 송신하는 베이스 스테이션(Base Station)(400)을 포함한다.
베이스 스테이션(400)은 유도 전력 또는 공진 전력을 제공하는 장치로서, 적어도 하나의 무선 전력 전송장치(power transmitter, 100) 및 시스템 유닛(405)을 포함할 수 있다. 무선 전력 전송장치(100)는 유도 전력 또는 공진 전력을 전송하고, 전송을 제어할 수 있다. 무선 전력 전송장치(100)는, 1차 코일(primary coil(s))을 통해 자기장을 생성함으로써 전기 에너지를 전력 신호로 변환하는 전력 변환 유닛(power conversion unit, 110) 및 적절한 레벨로 전력을 전달하도록 무선 전력 수신장치(200)와의 통신 및 전력 전달을 컨트롤하는 통신/컨트롤 유닛(communications & control unit, 120)을 포함할 수 있다. 시스템 유닛(405)은 입력 전력 프로비저닝(provisioning), 복수의 무선전력 전송장치들의 컨트롤 및 사용자 인터페이스 제어와 같은 베이스 스테이션(100)의 기타 동작 제어를 수행할 수 있다.
1차 코일은 교류 전력(또는 전압 또는 전류)을 이용하여 전자기장을 발생시킬 수 있다. 1차 코일은 전력 변환 유닛(110)에서 출력되는 특정 주파수의 교류전력(또는 전압 또는 전류)을 인가받고, 이에 따라 특정 주파수의 자기장을 발생시킬 수 있다. 자기장은 비방사형 또는 방사형으로 발생할 수 있는데, 무선 전력 수신 장치(200)는 이를 수신하여 전류를 생성하게 된다. 다시 말해 1차 코일은 무선으로 전력을 전송하는 것이다.
자기 유도 방식에서, 1차 코일과 2차 코일은 임의의 적합한 형태들을 가질 수 있으며, 예컨대, 페라이트 또는 비정질 금속과 같은 고투자율의 형성물의 주위에 감긴 동선일 수 있다. 1차 코일은 1차 코어(primary core), 1차 와인딩(primary winding), 1차 루프 안테나(primary loop antenna) 등으로 불릴 수도 있다. 한편, 2차 코일은 2차 코어(secondary core), 2차 와인딩(secondary winding), 2차 루프 안테나(secondary loop antenna), 픽업 안테나(pickup antenna) 등으로 불릴 수도 있다.
자기 공진 방식을 이용하는 경우에는 1차 코일과 2차 코일은 각각 1차 공진 안테나와 2차 공진 안테나 형태로 제공될 수 있다. 공진 안테나는 코일과 캐패시터를 포함하는 공진 구조를 가질 수 있다. 이때 공진 안테나의 공진 주파수는 코일의 인덕턴스와 캐패시터의 캐패시턴스에 의해 결정된다. 여기서, 코일은 루프의 형태로 이루어질 수 있다. 또 루프의 내부에는 코어가 배치될 수 있다. 코어는 페라이트 코어(ferrite core)와 같은 물리적인 코어나 공심 코어(air core)를 포함할 수 있다.
1차 공진 안테나와 2차 공진 안테나 간의 에너지 전송은 자기장의 공진 현상을 통해 이루어질 수 있다. 공진 현상이란 하나의 공진 안테나에서 공진 주파수에 해당하는 근접장이 발생할 때 주위에 다른 공진 안테나가 위치하는 경우, 양 공진 안테나가 서로 커플링되어 공진 안테나 사이에서 높은 효율의 에너지 전달이 일어나는 현상을 의미한다. 1차 공진 안테나와 2차 공진 안테나 안테나 사이에서 공진 주파수에 해당하는 자기장이 발생하면, 1차 공진 안테나와 2차 공진 안테나가 서로 공진하는 현상이 발생되고, 이에 따라 일반적인 경우 1차 공진 안테나에서 발생한 자기장이 자유공간으로 방사되는 경우에 비해 보다 높은 효율로 2차 공진 안테나를 향해 자기장이 집속되며, 따라서 1차 공진 안테나로부터 2차 공진 안테나에 높은 효율로 에너지가 전달될 수 있다. 자기 유도 방식은 자기 공진 방식과 유사하게 구현될 수 있으나 이때에는 자기장의 주파수가 공진 주파수일 필요가 없다. 대신 자기 유도 방식에서는 1차 코일과 2차 코일을 구성하는 루프 간의 정합이 필요하며 루프 간의 간격이 매우 근접해야 한다.
도면에 도시되지 않았으나, 무선 전력 전송장치(100)는 통신 안테나를 더 포함할 수도 있다. 통신 안테나는 자기장 통신 이외의 통신 캐리어를 이용하여 통신 신호를 송수신할 수 있다. 예를 들어, 통신 안테나는 와이파이(Wi-Fi), 블루투스(Bluetooth), 블루투스 LE, 직비(ZigBee), NFC 등의 통신 신호를 송수신 할 수 있다.
통신/컨트롤 유닛(120)은 무선 전력 수신 장치(200)와 정보를 송수신할 수 있다. 통신/컨트롤 유닛(120)은 IB 통신 모듈 또는 OOB 통신 모듈 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
IB 통신 모듈은 특정 주파수를 중심 주파수로 하는 자기파를 이용하여 정보를 송수신할 수 있다. 예를 들어, 통신/컨트롤 유닛(120)은 자기파에 정보를 실어 1차 코일을 통해 송신하거나 또는 정보가 담긴 자기파를 1차 코일을 통해 수신함으로써 인-밴드 통신을 수행할 수 있다. 이때, 이진 위상 편이(BPSK: binary phase shift keying) 또는 진폭 편이(ASK: amplitude shift keying) 등의 변조 방식과 맨체스터(Manchester) 코딩 또는 넌 제로 복귀 레벨(NZR-L: non-return-to-zero level) 코딩 등의 코딩 방식을 이용하여 자기파에 정보를 담거나 정보가 담긴 자기파를 해석할 수 있다. 이러한 IB 통신을 이용하면 통신/컨트롤 유닛(120)은 수 kbps의 데이터 전송율로 수 미터에 이르는 거리까지 정보를 송수신할 수 있다.
OOB 통신 모듈은 통신 안테나를 통해 아웃-밴드 통신을 수행할 수도 있다. 예를 들어, 통신/컨트롤 유닛(120)은 근거리 통신 모듈로 제공될 수 있다. 근거리 통신 모듈의 예로는 와이파이(Wi-Fi), 블루투스(Bluetooth), 블루투스 LE, 직비(ZigBee), NFC 등의 통신 모듈이 있다.
통신/컨트롤 유닛(120)은 무선 전력 전송 장치(100)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 통신/컨트롤 유닛(120)은 각종 정보의 연산 및 처리를 수행하고, 무선 전력전송 장치(100)의 각 구성 요소를 제어할 수 있다.
통신/컨트롤 유닛(120)은 하드웨어, 소프트웨어 또는 이들의 조합을 이용하여 컴퓨터나 이와 유사한 장치로 구현될 수 있다. 하드웨어적으로 통신/컨트롤 유닛(120)은 전기적인 신호를 처리하여 제어 기능을 수행하는 전자 회로 형태로 제공될 수 있으며, 소프트웨어적으로는 하드웨어적인 통신/컨트롤 유닛(120)을 구동시키는 프로그램 형태로 제공될 수 있다.
통신/컨트롤 유닛(120)은 동작 포인트(operating point)를 컨트롤함으로써 송신 전력을 컨트롤할 수 있다. 컨트롤하는 동작 포인트는 주파수(또는 위상), 듀티 사이클(duty cycle), 듀티 비(duty ratio) 및 전압 진폭의 조합에 해당될 수 있다. 통신/컨트롤 유닛(120)은 주파수(또는 위상), 듀티 사이클, 듀티비 및 전압 진폭 중 적어도 하나를 조절하여 송신 전력을 컨트롤할 수 있다. 또한, 무선 전력 전송장치(100)는 일정한 전력을 공급하고, 무선 전력 수신장치(200)가 공진 주파수를 컨트롤함으로써 수신 전력을 컨트롤할 수도 있다.
모바일 기기(450)는 2차 코일(Secondary Coil)을 통해 무선 전력을 수신하는 무선전력 수신장치(power receiver, 200)와 무선전력 수신장치(200)에서 수신된 전력을 전력을 전달받아 저장하고 기기에 공급하는 부하(load, 455)를 포함한다.
무선전력 수신장치(200)는 전력 픽업 유닛(power pick-up unit, 210) 및 통신/컨트롤 유닛(communications & control unit, 220)을 포함할 수 있다. 전력 픽업 유닛(210)은 2차 코일을 통해 무선 전력을 수신하여 전기 에너지로 변환할 수 있다. 전력 픽업 유닛(210)은 2차 코일을 통해 얻어지는 교류 신호를 정류하여 직류 신호로 변환한다. 통신/컨트롤 유닛(220)은 무선 전력의 송신과 수신(전력 전달 및 수신)을 제어할 수 있다.
2차 코일은 무선 전력 전송 장치(100)에서 전송되는 무선 전력을 수신할 수 있다. 2차 코일은 1차 코일에서 발생하는 자기장을 이용하여 전력을 수신할 수 있다. 여기서, 특정 주파수가 공진 주파수인 경우에는 1차 코일과 2차 코일 간에 자기 공진 현상이 발생하여 보다 효율적으로 전력을 전달받을 수 있다.
도 4에는 도시되지 않았으나 통신/컨트롤 유닛(220)은 통신 안테나를 더 포함할 수도 있다. 통신 안테나는 자기장 통신 이외의 통신 캐리어를 이용하여 통신 신호를 송수신할 수 있다. 예를 들어, 통신 안테나는 와이파이(Wi-Fi), 블루투스(Bluetooth), 블루투스 LE, 직비(ZigBee), NFC 등의 통신 신호를 송수신할 수 있다.
통신/컨트롤 유닛(220)은 무선 전력 전송 장치(100)와 정보를 송수신할 수 있다. 통신/컨트롤 유닛(220)은 IB 통신 모듈 또는 OOB 통신 모듈 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
IB 통신 모듈은 특정 주파수를 중심 주파수로 하는 자기파를 이용하여 정보를 송수신할 수 있다. 예를 들어, 통신/컨트롤 유닛(220)은 자기파에 정보를 실어 2차 코일을 통해 송신하거나 또는 정보가 담긴 자기파를 2차 코일을 통해 수신함으로써 IB 통신을 수행할 수 있다. 이때, 이진 위상 편이(BPSK: binary phase shift keying) 또는 진폭 편이(ASK: amplitude shift keying) 등의 변조 방식과 맨체스터(Manchester) 코딩 또는 넌 제로 복귀 레벨(NZR-L: non-return-to-zero level) 코딩 등의 코딩 방식을 이용하여 자기파에 정보를 담거나 정보가 담긴 자기파를 해석할 수 있다. 이러한 IB 통신을 이용하면 통신/컨트롤 유닛(220)은 수 kbps의 데이터 전송율로 수 미터에 이르는 거리까지 정보를 송수신할 수 있다.
OOB 모듈은 통신 안테나를 통해 아웃-밴드 통신을 수행할 수도 있다. 예를 들어, 통신/컨트롤 유닛(220)은 근거리 통신 모듈로 제공될 수 있다.
근거리 통신 모듈의 예로는 와이파이(Wi-Fi), 블루투스(Bluetooth), 블루투스 LE, 직비(ZigBee), NFC 등의 통신 모듈이 있다.
통신/컨트롤 유닛(220)은 무선 전력 수신 장치(200)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 통신/컨트롤 유닛(220)은 각종 정보의 연산 및 처리를 수행하고, 무선 전력수신 장치(200)의 각 구성 요소를 제어할 수 있다.
통신/컨트롤 유닛(220)은 하드웨어, 소프트웨어 또는 이들의 조합을 이용하여 컴퓨터나 이와 유사한 장치로 구현될 수 있다. 하드웨어적으로 통신/컨트롤 유닛(220)은 전기적인 신호를 처리하여 제어 기능을 수행하는 전자 회로 형태로 제공될 수 있으며, 소프트웨어적으로는 하드웨어적인 통신/컨트롤 유닛(220)을 구동시키는 프로그램 형태로 제공될 수 있다.
부하(455)는 배터리일 수 있다. 배터리는 전력 픽업 유닛(210)으로부터 출력되는 전력을 이용하여 에너지를 저장할 수 있다. 한편, 모바일 기기(450)에 배터리가 반드시 포함되어야 하는 것은 아니다. 예를 들어, 배터리는 탈부착이 가능한 형태의 외부 구성으로 제공될 수 있다. 다른 예를 들어, 무선 전력 수신 장치(200)에는 전자 기기의 다양한 동작을 구동하는 구동 수단이 배터리 대신 포함될 수도 있다.
모바일 기기(450)는 무선전력 수신장치(200)을 포함하는 것을 도시되어 있고, 베이스 스테이션(400)은 무선전력 전송장치(100)를 포함하는 것으로 도시되어 있으나, 넓은 의미에서는 무선전력 수신장치(200)는 모바일 기기(450)와 동일시될 수 있고 무선전력 전송장치(100)는 베이스 스테이션(400)와 동일시 될 수도 있다.
이하에서 코일 또는 코일부는 코일 및 코일과 근접한 적어도 하나의 소자를 포함하여 코일 어셈블리, 코일 셀 또는 셀로서 지칭할 수도 있다.
도 5는 무선 전력 전송 절차를 설명하기 위한 상태 천이도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 전송장치로부터 수신기로의 파워 전송은 크게 선택 단계(selection phase, 510), 핑 단계(ping phase, 520), 식별 및 구성 단계(identification and configuration phase, 530), 협상 단계(negotiation phase, 540), 보정 단계(calibration phase, 550), 전력 전송 단계(power transfer phase, 560) 단계 및 재협상 단계(renegotiation phase, 570)로 구분될 수 있다.
선택 단계(510)는 파워 전송을 시작하거나 파워 전송을 유지하는 동안 특정 오류 또는 특정 이벤트가 감지되면, 천이되는 단계-예를 들면, 도면 부호 S502, S504, S508, S510 및 S512를 포함함-일 수 있다. 여기서, 특정 오류 및 특정 이벤트는 이하의 설명을 통해 명확해질 것이다. 또한, 선택 단계(510)에서 무선전력 전송장치는 인터페이스 표면에 물체가 존재하는지를 모니터링할 수 있다. 만약, 무선전력 전송장치가 인터페이스 표면에 물체가 놓여진 것이 감지되면, 핑 단계(520)로 천이할 수 있다. 선택 단계(510)에서 무선전력 전송장치는 매우 짧은 펄스의 아날로그 핑(Analog Ping) 신호를 전송하며, 송신 코일 또는 1차 코일(Primary Coil)의 전류 변화에 기반하여 인터페이스 표면의 활성 영역(Active Area)에 물체가 존재하는지를 감지할 수 있다.
선택 단계(510)에서 물체가 감지되는 경우, 무선전력 전송장치는 무선전력 공진 회로(예를 들어 전력전송 코일 및/또는 공진 캐패시터)의 품질 인자를 측정할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 선택단계(510)에서 물체가 감지되면, 충전 영역에 이물질과 함께 무선전력 수신장치가 놓였는지 판단하기 위하여 품질 인자를 측정할 수 있다. 무선전력 전송장치에 구비되는 코일은 환경 변화에 의해 인덕턴스 및/또는 코일 내 직렬저항 성분이 감소될 수 있고, 이로 인해 품질 인자 값이 감소하게 된다. 측정된 품질 인자 값을 이용하여 이물질의 존재 여부를 판단하기 위해, 무선전력 전송장치는 충전 영역에 이물질이 배치되지 않은 상태에서 미리 측정된 기준 품질 인자 값을 무선전력 수신장치로부터 수신할 수 있다. 협상 단계(S540)에서 수신된 기준 품질 인자 값과 측정된 품질 인자 값을 비교하여 이물질 존재 여부를 판단할 수 있다. 그러나 기준 품질 인자 값이 낮은 무선전력 수신장치의 경우-일 예로, 무선전력 수신장치의 타입, 용도 및 특성 등에 따라 특정 무선전력 수신장치는 낮은 기준 품질 인자 값을 가질 수 있음-, 이물질이 존재하는 경우에 측정되는 품질 인자 값과 기준 품질 인자 값 사이의 큰 차이가 없어 이물질 존재 여부를 판단하기 어려운 문제가 발생할 수 있다. 따라서 다른 판단 요소를 더 고려하거나, 다른 방법을 이용하여 이물질 존재 여부를 판단해야 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에서는 선택 단계(510)에서 물체가 감지되면, 충전 영역에 이물질과 함께 가 배치되었는지 판단하기 위하여 특정 주파수 영역 내(ex 동작 주파수 영역) 품질 인자 값을 측정할 수 있다. 무선전력 전송장치의 코일은 환경 변화에 의해 인덕턴스 및/또는 코일 내 직렬 저항 성분이 감소될 수 있고, 이로 인해 무선전력 전송장치의 코일의 공진 주파수가 변경(시프트)될 수 있다. 즉, 동작 주파수 대역 내 최대 품질 인자 값이 측정되는 주파수인 품질 인자 피크(peak) 주파수가 이동될 수 있다.
단계(520)에서 무선전력 전송장치는 물체가 감지되면, 수신기를 활성화(Wake up)시키고, 감지된 물체가 무선 전력 수신기인지를 식별하기 위한 디지털 핑(Digital Ping)을 전송한다. 핑 단계(520)에서 무선전력 전송장치는 디지털 핑에 대한 응답 시그널-예를 들면, 신호 세기 패킷-을 수신기로부터 수신하지 못하면, 다시 선택 단계(510)로 천이할 수 있다. 또한, 핑 단계(520)에서 무선전력 전송장치는 수신기로부터 파워 전송이 완료되었음을 지시하는 신호-즉, 충전 완료 패킷-을 수신하면, 선택 단계(510)로 천이할 수도 있다.
핑 단계(520)가 완료되면, 무선전력 전송장치는 수신기를 식별하고 수신기 구성 및 상태 정보를 수집하기 위한 식별 및 구성 단계(530)로 천이할 수 있다.
식별 및 구성 단계(530)에서 무선전력 전송장치는 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(510)로 천이할 수 있다.
무선전력 전송장치는 식별 및 구성 단계(530)에서 수시된 구성 패킷(Configuration packet)의 협상 필드(Negotiation Field) 값에 기반하여 협상 단계(540)로의 진입이 필요한지 여부를 확인할 수 있다. 확인 결과, 협상이 필요하면, 무선전력 전송장치는 협상 단계(540)로 진입하여 소정 FOD 검출 절차를 수행할 수 있다. 반면, 확인 결과, 협상이 필요하지 않은 경우, 무선전력 전송장치는 곧바로 전력 전송 단계(560)로 진입할 수도 있다.
협상 단계(540)에서, 무선전력 전송장치는 기준 품질 인자 값이 포함된 FOD(Foreign Object Detection) 상태 패킷을 수신할 수 있다. 또는 기준 피크 주파수 값이 포함된 FOD 상태 패킷을 수신할 수 있다. 또는 기준 품질 인자 값 및 기준 피크 주파수 값이 포함된 상태 패킷을 수신할 수 있다. 이때, 무선전력 전송장치는 기준 품질 인자 값에 기반하여 FO 검출을 위한 품질 계수 임계치를 결정할 수 있다. 무선전력 전송장치는 기준 피크 주파수 값에 기반하여 FO 검출을 위한 피크 주파수 임계치를 결정할 수 있다.
무선전력 전송장치는 결정된 FO 검출을 위한 품질 계수 임계치 및 현재 측정된 품질 인자 값(핑 단계 이전에 측정된 품질인자 값)을 이용하여 충전 영역에 FO가 존재하는지를 검출할 수 있으며, FO 검출 결과에 따라 전력 전송을 제어할 수 있다. 일 예로, FO가 검출된 경우, 전력 전송이 중단될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
무선전력 전송장치는 결정된 FO 검출을 위한 피크 주파수 임계치 및 현재 측정된 피크 주파수 값(핑 단계 이전에 측정된 피크 주파수 값)을 이용하여 충전 영역에 FO가 존재하는지를 검출할 수 있으며, FO 검출 결과에 따라 전력 전송을 제어할 수 있다. 일 예로, FO가 검출된 경우, 전력 전송이 중단될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
FO가 검출된 경우, 무선전력 전송장치는 선택 단계(510)로 회귀할 수 있다. 반면, FO가 검출되지 않은 경우, 무선전력 전송장치는 보정 단계(550)를 거쳐 전력 전송 단계(560)로 진입할 수도 있다. 상세하게, 무선전력 전송장치는 FO가 검출되지 않은 경우, 무선전력 전송장치는 보정 단계(550)에서 수신단에 수신된 전력의 세기를 결정하고, 송신단에서 전송한 전력의 세기를 결정하기 위해 수신단과 송신단에서의 전력 손실을 측정할 수 있다. 즉, 무선전력 전송장치는 보정 단계(550)에서 송신단의 송신 파워와 수신단의 수신 파워 사이의 차이에 기반하여 전력 손실을 예측할 수 있다. 일 실시예에 따른 무선전력 전송장치는 예측된 전력 손실을 반영하여 FOD 검출을 위한 임계치를 보정할 수도 있다.
전력 전송 단계(560)에서, 무선전력 전송장치는 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(510)로 천이할 수 있다.
또한, 전력 전송 단계(560)에서, 무선전력 전송장치는 무선전력 전송장치 상태 변화 등에 따라 파워 전송 계약을 재구성할 필요가 있는 경우, 재협상 단계(570)로 천이할 수 있다. 이때, 재협상이 정상적으로 완료되면, 무선전력 전송장치는 전력 전송 단계(560)로 회귀할 수 있다.
상기한 파워 전송 계약은 무선전력 전송장치와 수신기의 상태 및 특성 정보에 기반하여 설정될 수 있다. 일 예로, 무선전력 전송장치 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 6은 일 실시예에 따른 전력 제어 컨트롤 방법을 나타낸다.
도 6에서 전력 전송 단계(560)에서, 무선전력 전송장치(100) 및 무선전력 수신장치(200)는 전력 송수신과 함께 통신을 병행함으로써 전달되는 전력의 양을 컨트롤할 수 있다. 무선전력 전송장치 및 무선전력 수신장치는 특정 컨트롤 포인트에서 동작한다. 컨트롤 포인트는 전력 전달이 수행될 때 무선전력 수신장치의 출력단(output)에서 제공되는 전압 및 전류의 조합(combination)을 나타낸다.
더 상세히 설명하면, 무선전력 수신장치는 원하는 컨트롤 포인트(desired Control Point)- 원하는 출력 전류/전압, 모바일 기기의 특정 위치의 온도 등을 선택하고, 추가로 현재 동작하고 있는 실제 컨트롤 포인트(actual control point)를 결정한다. 무선전력 수신장치는 원하는 컨트롤 포인트와 실제 컨트롤 포인트를 사용하여, 컨트롤 에러 값(control error value)을 산출하고, 이를 컨트롤 에러 패킷으로서 무선전력 전송장치로 전송할 수 있다.
그리고 무선전력 전송장치는 수신한 컨트롤 에러 패킷을 사용하여 새로운 동작 포인트- 진폭, 주파수 및 듀티 사이클-를 설정/컨트롤하여 전력 전달을 제어할 수 있다. 따라서 컨트롤 에러 패킷은 전략 전달 단계에서 일정 시간 간격으로 전송/수신되며, 실시예로서 무선전력 수신장치는 무선전력 전송장치의 전류를 저감하려는 경우 컨트롤 에러 값을 음수로, 전류를 증가시키려는 경우 컨트롤 에러 값을 양수로 설정하여 전송할 수 있다. 이와 같이 유도 모드에서는 무선전력 수신장치가 컨트롤 에러 패킷을 무선전력 전송장치로 송신함으로써 전력 전달을 제어할 수 있다.
이하에서 설명할 공진 모드에서는 유도 모드에서와는 다른 방식으로 동작할 수 있다. 공진 모드에서는 하나의 무선전력 전송장치가 복수의 무선전력 수신장치를 동시에 서빙할 수 있어야 한다. 다만 상술한 유도 모드와 같이 전력 전달을 컨트롤하는 경우, 전달되는 전력이 하나의 무선전력 수신장치와의 통신에 의해 컨트롤되므로 추가적인 무선전력 수신장치들에 대한 전력 전달은 컨트롤이 어려울 수 있다. 따라서 본 발명의 공진 모드에서는 무선전력 전송장치는 기본 전력을 공통적으로 전달하고, 무선전력 수신장치가 자체의 공진 주파수를 컨트롤함으로써 수신하는 전력량을 컨트롤하는 방법을 사용하고자 한다. 다만, 이러한 공진 모드의 동작에서도 도 6에서 설명한 방법이 완전히 배제되는 것은 아니며, 추가적인 송신 전력의 제어를 도 6의 방법으로 수행할 수도 있다.
도 7은 다른 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치의 블록도이다. 이는 자기 공진 방식 또는 쉐어드 모드(shared mode)의 무선 전력 전송 시스템에 속할 수 있다. 쉐어드 모드는 무선전력 전송장치와 무선전력 수신장치간에 1대다 통신 및 충전을 수행하는 모드를 지칭할 수 있다. 쉐어드 모드는 자기 유도 방식 또는 공진 방식으로 구현될 수 있다.
도 7을 참조하면, 무선 전력 전송 장치(700)는 코일 어셈블리를 덮는 커버(720), 전력 송신기(740)로 전력을 공급하는 전력 어답터(730), 무선 전력을 송신하는 전력 송신기(740) 또는 전력 전달 진행 및 다른 관련 정보를 제공하는 사용자 인터페이스(750) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 특히, 사용자 인터페이스(750)는 옵셔널하게 포함되거나, 무선 전력 전송 장치(700)의 다른 사용자 인터페이스(750)로서 포함될 수도 있다.
전력 송신기(740)는 코일 어셈블리(760), 임피던스 매칭 회로(770), 인버터(780), 통신 유닛(790) 또는 컨트롤 유닛(710) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
코일 어셈블리(760)는 자기장을 생성하는 적어도 하나의 1차 코일을 포함하며, 코일 셀로 지칭될 수도 있다.
임피던스 매칭 회로(770)는 인버터와 1차 코일(들) 간의 임피던스 매칭을 제공할 수 있다. 임피던스 매칭 회로(770)는 1차 코일 전류를 부스팅(boost)하는 적합한(suitable) 주파수에서 공진(resonance)을 발생시킬 수 있다. 다중-코일(multi-coil) 전력 송신기(740)에서 임피던스 매칭 회로는 인버터에서 1차 코일들의 서브세트로 신호를 라우팅하는 멀티플렉스를 추가로 포함할 수도 있다. 임피던스 매칭 회로는 탱크 회로(tank circuit)로 지칭될 수도 있다.
임피던스 매칭 회로(770)는 캐패시터, 인덕터 및 이들의 연결을 스위칭하는 스위칭 소자를 포함할 수 있다. 임피던스의 매칭은 코일 어셈블리(760)를 통해 전송되는 무선전력의 반사파를 검출하고, 검출된 반사파에 기초하여 스위칭 소자를 스위칭하여 캐패시터나 인덕터의 연결 상태를 조정하거나 캐패시터의 캐패시턴스를 조정하거나 인덕터의 인덕턴스를 조정함으로써 수행될 수 있다. 경우에 따라 임피던스 매칭 회로(770)는 생략되어 실시될 수도 있으며, 본 명세서는 임피던스 매칭 회로(770)가 생략된 무선전력 전송장치(700)의 실시예도 포함한다.
인버터(780)는 DC 인풋을 AC 신호로 전환할 수 있다. 인버터(780)는 가변(adjustable) 주파수의 펄스 웨이브 및 듀티 사이클을 생성하도록 하프-브리지 또는 풀-브리지로 구동될 수 있다. 또한 인버터는 입력 전압 레벨을 조정하도록 복수의 스테이지들을 포함할 수도 있다.
통신 유닛(790)은 전력 수신기와의 통신을 수행할 수 있다. 전력 수신기는 전력 송신기에 대한 요청 및 정보를 통신하기 위해 로드(load) 변조를 수행한다. 따라서 전력 송신기(740)는 통신 유닛(790)을 사용하여 전력 수신기가 전송하는 데이터를 복조하기 위해 1차 코일의 전류 및/또는 전압의 진폭 및/또는 위상을 모니터링할 수 있다.
또한, 전력 송신기(740)는 통신 유닛(790)을 통해 FSK(Frequency Shift Keying) 방식 등을 사용하여 데이터를 전송하도록 출력 전력을 컨트롤할 수도 있다.
컨트롤 유닛(710)은 전력 송신기(740)의 통신 및 전력 전달을 컨트롤할 수 있다. 컨트롤 유닛(710)은 상술한 동작 포인트를 조정하여 전력 전송을 제어할 수 있다. 동작 포인트는, 예를 들면, 동작 주파수, 듀티 사이클 및 입력 전압 중 적어도 하나에 의해 결정될 수 있다.
통신 유닛(790) 및 컨트롤 유닛(710)은 별개의 유닛/소자/칩셋으로 구비되거나, 하나의 유닛/소자/칩셋으로 구비될 수도 있다.
도 8은 다른 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치를 나타낸다. 이는 자기 공진 방식 또는 쉐어드 모드(shared mode)의 무선 전력 전송 시스템에 속할 수 있다.
도 8에서, 무선전력 수신 장치(800)는 전력 전달 진행 및 다른 관련 정보를 제공하는 사용자 인터페이스(820), 무선 전력을 수신하는 전력 수신기(830), 로드 회로(load circuit, 840) 또는 코일 어셈블리를 받치며 커버하는 베이스(850) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 특히, 사용자 인터페이스(820)는 옵셔널하게 포함되거나, 전력 수신 장비의 다른 사용자 인터페이스(82)로서 포함될 수도 있다.
전력 수신기(830)는 전력 컨버터(860), 임피던스 매칭 회로(870), 코일 어셈블리(880), 통신 유닛(890) 또는 컨트롤 유닛(810) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
전력 컨버터(860)는 2차 코일로부터 수신하는 AC 전력을 로드 회로에 적합한 전압 및 전류로 전환(convert)할 수 있다. 실시예로서, 전력 컨버터(860)는 정류기(rectifier)를 포함할 수 있다. 정류기는 수신된 무선 전력을 정류하여 교류에서 직류로 변환할 수 있다. 정류기는 다이오드나 트랜지스터를 이용하여 교류를 직류로 변환하고, 캐패시터와 저항을 이용하여 이를 평활할 수 있다. 정류기로는 브릿지 회로 등으로 구현되는 전파 정류기, 반파 정류기, 전압 체배기 등이 이용될 수 있다. 추가로, 전력 컨버터는 전력 수신기의 반사(reflected) 임피던스를 적용(adapt)할 수도 있다.
임피던스 매칭 회로(870)는 전력 컨버터(860) 및 로드 회로(870)의 조합과 2차 코일 간의 임피던스 매칭을 제공할 수 있다. 실시예로서, 임피던스 매칭 회로는 전력 전달을 강화할 수 있는 100kHz 근방의 공진을 발생시킬 수 있다. 임피던스 매칭 회로(870)는 캐패시터, 인덕터 및 이들의 조합을 스위칭하는 스위칭 소자로 구성될 수 있다. 임피던스의 정합은 수신되는 무선 전력의 전압값이나 전류값, 전력값, 주파수값 등에 기초하여 임피던스 매칭 회로(870)를 구성하는 회로의 스위칭 소자를 제어함으로써 수행될 수 있다. 경우에 따라 임피던스 매칭 회로(870)는 생략되어 실시될 수도 있으며, 본 명세서는 임피던스 매칭 회로(870)가 생략된 무선전력 수신장치(200)의 실시예도 포함한다.
코일 어셈블리(880)는 적어도 하나의 2차 코일을 포함하며, 옵셔널하게는 자기장으로부터 수신기의 금속 부분을 쉴딩(shield)하는 엘러먼트(element)를 더 포함할 수도 있다.
통신 유닛(890)은 전력 송신기로 요청(request) 및 다른 정보를 통신하기 위해 로드 변조를 수행할 수 있다.
이를 위해 전력 수신기(830)는 반사 임피던스를 변경하도록 저항 또는 커패시터를 스위칭할 수도 있다.
컨트롤 유닛(810)은 수신 전력을 컨트롤할 수 있다. 이를 위해 컨트롤 유닛(810)은 전력 수신기(830)의 실제 동작 포인트와 원하는 동작 포인트의 차이를 결정/산출할 수 있다. 그리고 컨트롤 유닛(810)은 전력 송신기의 반사 임피던스의 조정 및/또는 전력 송신기의 동작 포인트 조정 요청을 수행함으로써 실제 동작 포인트와 원하는 동작 포인트의 차이를 조정/저감할 수 있다. 이 차이를 최소화하는 경우 최적의 전력 수신을 수행할 수 있다.
통신 유닛(890) 및 컨트롤 유닛(810)은 별개의 소자/칩셋으로 구비되거나, 하나의 소자/칩셋으로 구비될 수도 있다.
도 9는 일 실시예에 따른 통신 프레임 구조를 나타낸다. 이는 쉐어드 모드(shared mode)에서의 통신 프레임 구조일 수 있다.
도 9를 참조하면, 쉐어드 모드에서는, 서로 다른 형태의 프레임이 함께 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 쉐어드 모드에서는, (A)와 같은 복수의 슬롯을 가지는 슬롯 프레임(slotted frame) 및 (B)와 같은 특정 형태가 없는 자유 형식 프레임(free format frame)을 사용할 수 있다. 보다 구체적으로, 슬롯 프레임은 무선 전력 수신장치(200)로부터, 무선 전력 전송장치(100)에게 짧은 데이터 패킷들의 전송을 위한 프레임이고, 자유 형식 프레임은 복수의 슬롯들을 구비하지 않아, 긴 데이터 패킷들의 전송이 가능한 프레임일 수 있다.
한편, 슬롯 프레임 및 자유 형식 프레임은, 당업자에 의하여 다양한 명칭으로 변경될 수 있다. 예를 들어, 슬롯 프레임은, 채널 프레임으로, 자유 형식 프레임은, 메시지 프레임 등으로 변경되어 명명될 수 있다.
보다 구체적으로, 슬롯 프레임은, 슬롯의 시작을 나타내는 싱크 패턴, 측정 슬롯, 9개의 슬롯들 및 상기 9개의 슬롯들 각각에 앞서, 동일한 시간 간격을 갖는 추가적인 싱크 패턴을 포함할 수 있다.
여기에서, 상기 추가적인 싱크 패턴은, 앞서 설명한 프레임의 시작을 나타내는 싱크 패턴과 다른 싱크 패턴이다. 보다 구체적으로, 상기 추가적인 싱크 패턴은, 프레임의 시작을 나타내지 않고, 인접한 슬롯들(즉, 싱크 패턴의 양 옆에 위치한 연속하는 두 개의 슬롯들)과 관련된 정보를 나타낼 수 있다.
상기 9개의 슬롯들 중 연속하는 두 개의 슬롯들 사이에는, 각각 싱크 패턴이 위치할 수 있다. 이 경우, 상기 싱크 패턴은, 상기 연속하는 두 개의 슬롯들과 관련된 정보를 제공할 수 있다.
또한, 상기 9개의 슬롯들 및 상기 9개의 슬롯들 각각에 앞서 제공되는 싱크 패턴들은, 각각 동일한 시간 간격을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 9개의 슬롯들은 50ms의 시간 간격을 가질 수 있다. 또한, 상기 9개의 싱크 패턴들도 50ms의 시간 길이를 가질 수 있다.
한편, (B)와 같은 자유 형식 프레임은, 프레임의 시작을 나타내는 싱크 패턴 및 측정 슬롯 이외에, 구체적인 형태을 가지지 않을 수 있다. 즉, 상기 자유 형식 프레임은, 상기 슬롯 프레임과 다른 역할을 수행하기 위한 것으로, 예를 들어, 상기 무선 전력 전송장치와 무선 전력 수신장치 간에 긴 데이터 패킷들(예를 들어, 추가 소유자 정보 패킷들)의 통신을 수행하거나, 복수의 코일로 구성된 무선 전력 전송장치에 있어서, 복수의 코일 중 어느 하나의 코일을 선택하는 역할을 위하여 사용될 수 있다.
이하에서는, 각 프레임에 포함된 싱크 패턴(sync pattern)에 대하여 도면과 함께 보다 구체적으로 살펴본다.
도 10은 일 실시예에 따른 싱크 패턴의 구조이다.
도 10을 참조하면, 싱크 패턴은 프리앰블(preamble), 시작 비트(start bit), 응답 필드(Resonse field), 타입 필드(type field), 정보 필드(info field) 및 패리티 비트(parity bit)로 구성될 수 있다. 도 10에서는 시작 비트가 ZERO로 도시되어 있다.
보다 구체적으로, 프리앰블은 연속되는 비트들로 이루어져 있으며, 모두 0으로 설정될 수 있다. 즉, 프리앰블은 싱크 패턴의 시간 길이를 맞추기 위한 비트들일 수 있다.
프리앰블을 구성하는 비트들의 개수는 싱크 패턴의 길이가 50ms에 가장 가깝도록, 그러나, 50ms를 초과하지 않는 범위 내에서, 동작 주파수에 종속될 수 있다. 예를 들어, 동작 주파수가 100kHz인 경우, 싱크 패턴은 2개의 프리앰블 비트들로 구성되고, 동작 주파수가 105kHz인 경우, 싱크 패턴은, 3개의 프리앰블 비트들로 구성될 수 있다.
시작 비트는 프리앰블 다음에 따라오는 비트로 제로(ZERO)를 의미할 수 있다. 상기 제로(ZERO)는 싱크 패턴의 종류를 나타내는 비트일 수 있다. 여기에서, 싱크 패턴의 종류는, 프레임과 관련된 정보를 포함하는 프레임 싱크(frame sync)와 슬롯의 정보를 포함하는 슬롯 싱크(slot sync)를 포함할 수 있다. 즉, 상기 싱크 패턴은, 연속하는 프레임들 사이에 위치하며, 프레임의 시작을 나타내는 프레임 싱크이거나, 프레임을 구성하는 복수의 슬롯 중 연속하는 슬롯들 사이에 위치하며, 상기 연속하는 슬롯과 관련된 정보를 포함하는 슬롯 싱크일 수 있다.
예를 들어, 상기 제로가 0인 경우, 해당 슬롯이 슬롯과 슬롯 사이에 위치한, 슬롯 싱크임을 의미하고, 1인 경우, 해당 싱크 패턴이 프레임과 프레임 사이에 위치한 프레임 싱크임을 의미할 수 있다.
패리티 비트는 싱크 패턴의 마지막 비트로, 싱크 패턴의 데이터 필드들(즉, 응답 필드, 타입 필드, 정보 필드)를 구성하는 비트들의 개수 정보를 나타낼 수 있다. 예를 들어, 기 패리티 비트는 싱크 패턴의 데이터 필드들을 구성하는 비트의 개수가 짝수인 경우, 1, 그 밖의 경우(즉, 홀수인 경우), 0이 될 수 있다.
응답(Response) 필드는 싱크 패턴 이전의 슬롯 내에서, 무선 전력 수신장치와의 통신에 대한, 무선 전력 전송장치의 응답 정보를 포함할 수 있다. 예를 들어, 응답 필드는 무선 전력 수신장치와 통신의 수행이 감지되지 않은 경우, '00'을 가질 수 있다. 또한, 상기 응답 필드는 무선 전력 수신장치와의 통신에 통신 에러(communication error)가 감지된 경우, '01'을 가질 수 있다. 통신 에러는, 두 개 또는 그 이상의 무선 전력 수신장치가 하나의 슬롯에 접근을 시도하여, 두 개 또는 그 이상의 무선 전력 수신장치 간의 충돌이 발생한 경우일 수 있다.
또한, 응답 필드는, 무선 전력 수신장치로부터 데이터 패킷을 정확하게 수신하였는지 여부를 나타내는 정보를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 응답필드는, 무선 전력 전송장치가 데이터 패킷을 거부(deni)한 경우, "10"(10-not acknowledge, NAK), 무선 전력 전송장치가 상기 데이터 패킷을 확인(confirm)한 경우, "11"(11-acknowledge, ACK)이 될 수 있다.
타입 필드는 싱크 패턴의 종류를 나타낼 수 있다. 보다 구체적으로, 타입 필드는 싱크 패턴이 프레임의 첫번째 싱크 패턴인 경우(즉, 프레임의 첫번째 싱크 패턴으로, 측정 슬롯 이전에 위치한 경우), 프레임 싱크임을 나타내는 ‘1’을 가질 수 있다.
또한, 타입 필드는 슬롯 프레임에서, 싱크 패턴이 프렘임의 첫번째 싱크 패턴이 아닌 경우, 슬롯 싱크임을 나타내는 '0'을 가질 수 있다.
또한, 정보 필드는 타입 필드가 나타내는 싱크 패턴의 종류에 따라 그 값의 의미가 결정될 수 있다. 예를 들어, 타입 필드가 1인 경우(즉, 프레임 싱크를 나타내는 경우), 정보 필드의 의미는 프레임의 종류를 나타낼 수 있다. 즉, 정보 필드는 현재 프레임이 슬롯 프레임(slotted frame)인지 또는 자유 형식 프레임(free-format frame)인지 나타낼 수 있다. 예를 들어, 정보 필드가 '00'인 경우, 슬롯 프레임을, 정보 필드가 '01'인 경우, 자유 형식 프레임을 나타낼 수 있다.
이와 달리, 타입 필드가 0인 경우(즉, 슬롯 싱크인 경우), 정보 필드는 싱크 패턴의 뒤에 위치한 다음 슬롯(next slot)의 상태를 나타낼 수 있다. 보다 구체적으로, 정보 필드는 다음 슬롯이 특정(specific) 무선 전력 수신장치에 할당된(allocated) 슬롯인 경우, '00', 특정 무선 전력 수신장치가 일시적으로 사용하기 위하여, 잠겨 있는 슬롯인 경우, '01', 또는 임의의 무선 전력 수신장치가 자유롭게 사용 가능한 슬롯인 경우, '10'을 가질 수 있다.
도 11은 일 실시예에 따른 쉐어드 모드에서 무선 전력 전송장치 및 무선전력 수신장치의 동작 상태를 도시하였다.
도 11을 참조하면, 쉐어드 모드로 동작하는 무선 전력 수신장치는, 선택 상태(Selection Phase) (1100), 도입 상태(Introduction Phase)(1110), 설정 상태(Configuration Phase) (1120), 교섭 상태(Negotiation Phase)(1130) 및 전력 전송 상태(Power Transfer Phase) (1140) 중 어느 하나의 상태로 동작할 수 있다.
우선, 일 실시예에 따른 무선 전력 전송장치는 무선 전력 수신장치를 감지하기 위하여, 무선 전력 신호를 전송할 수 있다. 즉, 무선 전력 신호를 이용하여, 무선 전력 수신장치를 감지하는 과정을 아날로그 핑(Analog ping)이라 할 수 있다.
한편, 무선 전력 신호를 수신한 무선 전력 수신장치는 선택 상태(1100)에 진입할 수 있다. 선택 상태(1100)에 진입한 무선 전력 수신장치는 앞서 설명한 바와 같이, 상기 무선 전력 신호 상에 FSK신호의 존재를 감지할 수 있다.
즉, 무선 전력 수신장치는 FSK 신호의 존재 여부에 따라 익스클루시브 모드 또는 쉐어드 모드 중 어느 하나의 방식으로 통신을 수행할 수 있다.
보다 구체적으로, 무선 전력 수신장치는 무선 전력 신호에 FSK 신호가 포함되어 있으면, 쉐어드 모드로 동작하고, 그렇지 않은 경우, 익스클루시브 모드로 동작할 수 있다.
무선 전력 수신장치가 쉐어드 모드로 동작하는 경우, 상기 무선 전력 수신장치는 도입 상태(1110)에 진입할 수 있다. 도입 상태(1110)에서, 무선 전력 수신장치는, 설정 상태, 교섭 상태 및 전력 전송 상태에서, 제어 정보 패킷(CI, Control Information packet)을 전송하기 위하여, 무선 전력 전송장치에게 제어 정보 패킷을 전송할 수 있다. 제어 정보 패킷은, 헤더(Header) 및 제어와 관련된 정보를 가질 수 있다. 예를 들어, 제어 정보 패킷은, 헤더가 0X53일 수 있다.
도입 상태(1110)에서, 무선전력 수신장치는 제어정보(control information: CI) 패킷을 전송하기 위해 자유슬롯(free slot)을 요청하는 시도를 다음의 구성, 협상, 전력 전송 단계에 걸쳐 수행한다. 이때 무선전력 수신장치는 자유슬롯을 선택하고 최초 CI 패킷을 전송한다. 만약 무선전력 전송장치가 해당 CI 패킷에 ACK으로 응답하면, 무선전력 전송장치는 구성 단계로 진입한다. 만약 무선전력 전송장치가 NACK으로 응답하면, 다른 무선전력 수신장치가 구성 및 협상 단계를 통해 진행되고 있는 것이다. 이 경우, 무선전력 수신장치는 자유슬롯의 요구를 재시도한다.
만약 무선전력 수신장치가 CI 패킷에 대한 응답으로 ACK을 수신하면, 무선전력 수신장치는 최초 프레임 싱크까지 나머지 슬롯 싱크들을 카운팅함으로써 프레임 내의 개인 슬롯(private slot)의 위치를 결정한다. 모든 후속 슬롯 기반 프레임들에서, 무선전력 수신장치는 해당 슬롯을 통해 CI 패킷을 전송한다.
만약 무선전력 전송장치가 무선전력 수신장치에게 구성 단계로 진행함을 허락하면, 무선전력 전송장치는 무선전력 수신장치의 배타적 사용을 위한 잠금 슬롯(locked slot) 시리즈를 제공한다. 이는 무선전력 수신장치가 충돌없이 구성 단계를 진행하는 것을 확실시 해준다.
무선전력 수신장치는 2개의 식별 데이터 패킷들(IDHI와 IDLO)와 같은 데이터 패킷의 시퀀스들을 잠금 슬롯을 사용하여 전송한다. 본 단계를 완료하면, 무선전력 수신장치는 협상 단계로 진입한다. 협상 단계에서, 무선전력 전송장치가 무선전력 수신장치에게 배타적 사용을 위한 잠금 슬롯을 계속 제공한다. 이는 이는 무선전력 수신장치가 충돌없이 협상 단계를 진행하는 것을 확실시 해준다.
무선전력 수신장치는 해당 잠금 슬롯을 사용하여 하나 또는 그 이상의 협상 데이터 패킷들을 전송하며, 이는 사적 데이터 패킷들과 섞일 수도 있다. 결국 해당 시퀀스는 특정 요청 (specific request (SRQ)) 패킷과 함께 종료된다. 해당 시퀀스를 완료하면, 무선전력 수신장치는 전력 전송 단계로 진입하고, 무선전력 전송장치는 잠금 슬롯의 제공을 중단한다.
전력 전송 상태에서, 무선전력 수신장치는 할당된 슬롯을 사용하여 CI 패킷의 전송을 수행하며, 전력을 수신한다. 무선전력 수신장치는 레귤레이터 회로를 포함할 수 있다. 레귤레이터 회로는 통신/제어 유닛에 포함될 수 있다. 무선전력 수신장치는 레귤레이터 회로를 통해 무선전력 수신장치의 반사 임피턴스를 자가-조절(self-regulate)할 수 있다. 다시 말해, 무선전력 수신장치는 외부 부하에 의해 요구되는 양의 파워를 전송하기 위해 반사되는 임피던스를 조정할 수 있다. 이는 과도한 전력의 수신과 과열을 방지할 수 있다.
쉐어드 모드에서, 무선전력 전송장치는 수신되는 CI 패킷에 대한 응답으로서 전력을 조정하는 것을 수행하지 않을 수 있기 때문에(동작 모드에 따라), 이 경우에는 과전압 상태를 막기 위한 제어가 필요할 수 있다.
이하에서는 멀티 코일을 구비한 무선전력 전송장치와 상기 무선전력 전송장치의 동작에 관하여 상세히 개시된다.
도 12a 및 12b는 각각 일 실시예에 따른 무선전력 전송장치에 포함되는 1차 코일 배열과 차폐부재를 도시한 평면도와 측면도이다.
도 12a 및 12b를 참조하면, 무선전력 전송장치는 차폐부재(1210) 및 차폐부재(1210)상에 배치되되 복수의 1차 코일들이 서로 중첩 배열된 1차 코일 배열(array)(1201, 1202, 1203, 1204)로 구성된 모듈(1200)을 포함한다. 여기서 무선전력 전송장치는 도 4의 무선전력 전송장치(100)일 수 있고, 모듈(1200)은 전력 변환 유닛(110)일 수 있다.
1차 코일 배열(1201, 1202, 1203, 1204)은 수직적(z방향)으로는 각 1차 코일이 하나의 층(layer)을 형성하는 적층 구조이고, 수평면(x-y 평면)으로는 1층의 1차 코일(1201)에서부터 4층의 1차 코일(1204)까지 반시계방향(또는 시계방향)으로 중첩되는 구조이다. 따라서, 1차 코일 배열(1201, 1202, 1203, 1204)의 중심 C를 기준으로 평면적으로 4 사분면으로 나누었을 때, 각 사분면에 각 층의 1차 코일이 골고루 배치된다. 예를 들어, 3사분면에는 1층의 1차 코일(1201)이 배치되고, 4사분면에는 2층의 1차 코일(1202)이 배치되며, 1사분면에는 3층의 1차 코일(1203)이 배치되고, 2사분면에는 4층의 1차 코일(1204)이 배치된다. 즉, 1차 코일 배열(1201, 1202, 1203, 1204)은 수평면으로 2×2의 정사각형 형태를 가진다.
본 실시예에 따른 1차 코일은 개별적으로 구동(또는 활성화)될 수 있다. 1차 코일마다 개별적으로 구동(또는 활성화)되기 위해, 도 12c와 같이 각 1차 코일에 전용인(dedicated) 구동회로(즉, 인버터)가 연결될 수 있다. 예를 들어, 도 12c의 1차 코일 배열(1201, 1202, 1203, 1204)의 경우, 1차 코일과 인버터가 1:1로 연결되어, 총 4개의 인버터가 요구될 수 있다. 즉, 각 1차 코일에는 독립적인 전원이 인가되도록 구성된다. 이로써, 도 12c와 같이 1차 코일 배열을 포함하는 모듈(1200) 위에 2차 코일(1205)이 놓이는 위치에 따라 하나의 1차 코일만 선택적으로 구동(또는 활성화)될 수도 있고(a), 복수의 1차 코일이 동시에 선택적으로 구동(또는 활성화)될 수도 있다(b, c). 이와 같이 1차 코일 배열(1201, 1202, 1203, 1204)은 단일의 1차 코일 대비 충전 영역을 확장시키기 때문에 수신장치의 위치 또는 정렬 자유도(positional or alignment freedom)를 높이는 효과가 있다.
한편, 본 실시예에 따른 1차 코일은 개별적으로 설정된 최대 출력을 제공할 수 있다. 설정된 최대 출력은 모든 1차 코일에 대해 동일할 수도 있고, 다를 수도 있다. 예를 들어, 1층의 1차 코일(1201)에 설정된 최대 출력이 15W, 2층의 1차 코일(1202)에 설정된 최대 출력이 15W, 3층의 1차 코일(1203)에 설정된 최대 출력이 15W, 4층의 1차 코일(1204)에 설정된 최대 출력이 15W일 수 있다. 이 경우, 1차 코일 배열(1201, 1202, 1203, 1204) 전체에서 제공 가능한 최대 출력은 15W+15W+15W+15W=60W가 된다. 이 상태에서, 수신장치의 위치 및/또는 요구에 따라 2개의 1차 코일만 구동되는 경우(도 13의 (a)) 총 30W의 출력으로 무선충전이 수행되고, 수신장치의 위치에 따라 3개의 1차 코일이 구동되는 경우(도 13의 (b)) 총 45W의 출력으로 무선충전이 수행되며, 수신장치의 위치 및/또는 요구에 따라 4개의 1차 코일들이 모두 구동되는 경우(도 13의 (c)) 총 60W의 출력으로 무선충전이 수행될 수 있다. 따라서, 1차 코일 배열(1201, 1202, 1203, 1204)은 전술된 정렬 자유도 뿐만 아니라 수신장치의 위치(또는 비정렬(misalignment)) 또는 전력 클래스에 따른 적응적 출력(adaptive output)을 제공할 수 있고, 수 W급의 저전력급 수신장치부터 수십 W의 중전력급 수신장치(또는 60W이하의 수신장치)에 이르기까지 다양한 응용기기와 호환되므로 확장성이 커진다. 이하 본 명세서에서는 설명의 편의를 위해여 1차 코일 배열(1201, 1202, 1203, 1204)에 포함된 모든 1차 코일마다 설정된 최대 출력이 동일한 것을 가정하여 설명하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서는 4개의 1차 코일을 이용한 1차 코일 배열을 개시하고 있으나, 본 발명은 1차 코일 배열에 포함되는 1차 코일의 개수가 2개, 3개, 5개 및 그 이상이 되는 경우도 포함할 수 있다.
이와 같이 1차 코일의 개수, 충전 영역 및 출력이 확장 및 증가함에 따라 무선전력 전송장치와 수신장치 간 통신 제어의 중요성도 높아진다. 멀티 코일 무선충전 시스템에서 구동에 필요한 1차 코일 선택 알고리즘도 정의되어야 한다. 또한 1차 코일 선택 알고리즘을 기반으로 무선전력 전송장치(~60W급)와 무선전력 수신장치(15~60W급) 간에 코일 비정렬(Misalignment)에 의한 충전 불가능한 상태를 보상하고, 이물질을 검출하는 방법 또한 요구된다.
먼저, 수십W급(중전력급) 멀티 코일 무선전력 전송장치와 수신장치 간 통신 제어 방법에 관하여 개시된다.
도 14는 일 실시예에 따른 멀티 코일 기반의 무선전력 전송장치의 시간별 전력 전송 페이즈를 도시한 것이고, 도 15는 일 실시예에 따라 단일 코일과 멀티 코일을 선택적으로 동작하는 제어 방법을 설명하는 블록도이다.
무선 전력 전송장치(100)가 단일 1차 코일을 구동시, 도 4에서 설명된 바와 통신/컨트롤 유닛(120)은 WPC 규격 (WPC v1.0 또는 v1.2)에 따른 진폭 편이(ASK)에 기반하여 통신을 수행한다. 본 실시예에 따른 무선 전력 전송장치(100)가 도 12a 내지 12b와 같은 멀티 코일을 동시에 구동할 시, 60W급 어플리케이션에 맞게 무선충전을 수행할 수 있다. 멀티 코일이 동시에 구동될 때, 무선전력 수신장치(200)의 종류에 따라 무선전력 전송장치(100)가 송신 전력을 조절함에 따라 무선전력 수신장치(200)의 출력도 변하게 된다. 무선전력 전송장치(100)는 멀티 코일 무선충전(i.e. 15~60W급)을 위하여 초기에 무선전력 전송장치(100)와 무선전력 수신장치(200)간 ASK 통신을 통하여 변조 깊이(Modulation depth)의 신호 품질(signal quality) 또는 신호 세기(signal strength)가 가장 좋은 1차 코일로 ASK 통신 제어를 수행한다.
도 14 및 도 15를 참조하면, 무선전력 전송장치(100)는 1차 코일 배열(1201, 1202, 1203, 120)의 각 1차 코일별로 ASK 기반의 핑(ping) 신호를 순차적으로 전송하여(S1400), 각 1차 코일이 핑 신호에 대한 신호 세기 정보를 무선전력 수신장치(200)로부터 수신한다(S1405). 이를 통해 무선전력 전송장치(100)는 4개의 신호 세기를 획득하는데, 이 중에서 가장 좋은 신호 세기를 제공하는 1차 코일을 사용하여 ASK 통신 제어를 수행할 수 있다. 여기서, 1차 코일 배열(1201, 1202, 1203, 120)이 공통적으로 하나의 통신/컨트롤 유닛(120)에 연결될 수도 있고, 각 1차 코일마다 개별적인 통신/컨트롤 유닛(120)이 연결될 수도 있다. 후자의 경우에는 4개의 통신/컨트롤 유닛이 필요하다.
이후, 무선전력 수신장치(200)는 식별 및 구성 단계(S1410)에서 특정 구성 패킷(Configuration packet)의 예비 비트(Reserved bit)를 이용하여 단일 코일 또는 멀티 코일을 구동시킬 수 있다(S1415, S1420). 예를 들어, 상기 특정 구성 패킷의 헤더 또는 구성 패킷에 포함되는 예비 비트가 저전력급 표준(i.e. WPC v1.0 또는 v2.0)에 관련되거나 단일 1차 코일에 관련된 경우, 무선전력 전송장치(100)는 해당 단일 1차 코일을 이용하여 15W이하의 저전력급 무선 충전을 수행한다(S1415). 반면, 상기 특정 구성 패킷의 헤더 또는 구성 패킷에 포함되는 예비 비트가 중전력급 표준에 관련된 경우(i.e. 저전력급 표준에서의 구성 패킷의 헤더와 다른 값(i.e. 0xAA)으로 셋팅된 경우), 무선전력 전송장치(100)는 중전력급(15~60W)에 맞게 멀티 코일을 동시에 구동시킬 수 있다(S1420). 예를 들어 15W 미만의 어플리케이션은 단일 1차 코일 구동으로 커버되고, 15~60W의 어플리케이션은 2코일 이상 동시 구동으로 커버되기 때문에, 호환성과 확장성이 매우 커진다.
일례로서, 특정 1차 코일을 구동(활성화) 또는 비구동(비활성화)시키는 방법은 1:1로 연결된 인버터를 ON/OFF하는 단계를 포함할 수 있다. 따라서, 다수의 1차 코일을 구동시키는 방법은, 다수의 인버터를 ON하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어 도 12c를 참조하면, 1층의 1차 코일(1201), 2층의 1차 코일(1202), 3층의 1차 코일(1203), 4층의 1차 코일(1204)에 연결되는 인버터들을 각각 제1 인버터(1211), 제2 인버터(1212), 제3 인버터(1213), 제4 인버터(1214)라고 할 때, 도 13의 (a)의 경우에는 2층의 1차 코일(1202)에 연결된 제2 인버터(1212)와, 3층의 1차 코일(1203)에 연결된 제3 인버터(1213)만 ON되고, 나머지 제1 인버터(1211)와 제4 인버터(1214)들은 OFF된다.
다른 예로서, 특정 1차 코일을 구동시키는 동작은 상기 특정 1차 코일이 속하는 셀(cell)에 대응하는 인버터를 ON시키는 단계와, 상기 인버터를 상기 특정 1차 코일로 스위칭하는 단계를 포함할 수 있다. 이는 충전 영역을 더 확장하는데 사용될 수 있는 코일 선택 방법이다. 예를 들어, 도 12a와 같은 1차 코일 배열(1201, 1202, 1203, 1204)을 하나의 셀로 가정할 때, 다수의 셀을 조합하면 단일 셀에 비해 충전 영역이 더 확장될 수 있다.
무선전력 전송장치(100)가 1차 코일 배열 내의 복수의 1차 코일들을 동시에 구동하는 경우 단일 코일 구동 방식보다 충전 영역의 확장되고, 출력 파워가 커지는 효과가 있지만, 중전력급(i.e. 15~60W급)의 수신장치를 구동할 때에는 1차 코일과 2차 코일간의 사이즈 차이로 인한 비정렬(misalignment)에 의해 충전이 효율이 매우 저하되거나 불가능한 경우가 발생할 수 있다. 즉, 복수의 1차 코일들이 동시에 구동되어야 하는 상황에서, 무선전력 수신장치(200)가 무선전력 전송장치(100)의 일부분에만 올라온 경우 ASK 통신 알고리즘에 의해 복수의 1차 코일들의 동시 구동이 안되는 경우가 발생할 수 있다. 따라서 (N개의 1차 코일 : 1개의 2차 코일)과 같은 멀티 코일 무선충전 시스템에서 1차 코일과 2차 코일의 사이즈 차이로 인한 비정렬을 보상하기 위하여 1차 코일 배열 중에 2차 코일이 위치한 영역과 겹치는 1차 코일(들)을 구동시켜, 지속적으로 중전력급의 충전이 가능하도록 한다. 이를 순서도로 표시하면 도 16과 같다.
도 16은 일 실시예에 따른 복수의 1차 코일 선택 방법을 도시한 순서도이다.
도 16을 참조하면, 무선전력 전송장치(100)는 ASK 통신을 이용하여 변조 깊이의 크기를 검출한다(modulation detection, S1600). 1차 코일 배열과 2차 코일이 겹치는 면적(또는 커플링(coupling)의 정도)에 따라 변조 깊이에 차이가 발생하기 때문에, 무선전력 전송장치(100)는 각 1차 코일에서 변조 깊이의 크기로 2차 코일의 유/무에 따른 값을 비교할 수 있다. 이때, 2차 코일의 유/무를 검출할 수 있는 변조 깊이의 기준값(reference value)은 미리 정의 또는 설정될 수 있다. 따라서, 어느 1차 코일에서 일정한 범위 이상의 변조 깊이의 변화가 감지되면(i.e. 변조 깊이의 크기가 기준값보다 크거나 같으면), 무선전력 전송장치(100)는 해당 1차 코일 상에 2차 코일이 위치(located)하는 것으로 인식할 수 있다. 예를 들어, 도 13(a)와 같이 1차 코일 배열(1201, 1202, 1203, 1204) 상에서 우측 2개의 1차 코일들 상에 2차 코일이 유효하게 위치하고 있는 경우, 우측 2개의 1차 코일들에 대해서 일정 범위 이상의 변조 깊이의 변화가 감지될 것이고, 따라서 무선전력 전송장치(100)는 우측 2개의 1차 코일들 상에 2차 코일이 유효하게 위치하는 것으로 인식할 수 있다. 이러한 방법을 통해 무선전력 전송장치(100)는 2차 코일의 위치를 예측 또는 파악하고, 향후 중전력급 전력 전송 페이즈(power trasfer phase)에서 어느 1차 코일들을 구동할지를 결정할 수 있다.
본 실시예에서는 무선전력 전송장치(100)가 변조 깊이를 기반으로 무선전력 수신장치(200) 또는 2차 코일의 유/무를 판단하는 것을 개시하였으나, 이외에도 다양한 방법으로 무선전력 수신장치(200) 또는 2차 코일의 유/무를 판단할 수 있음은 물론이다. 일례로서, 무선전력 전송장치(100)는 1차 코일 배열 내에서 각 1차 코일의 전압 프로파일(profile)의 변화를 기반으로 무선전력 수신장치(200) 또는 2차 코일의 유/무를 판단할 수 있다. 다른 예로서, 특정 공진 주파수로 설계된 무선전력 전송장치(100)는 해당 공진 주파수로 전압을 인가하고, 1차 코일에서의 공진 전압의 여부로 무선전력 수신장치(200)의 유/무를 판별할 수 있다.
다음으로, 무선전력 전송장치(100)는 무선전력 수신장치(200)가 중전력급(i.e. 60W 이하)의 수신장치인지 확인한다(S1605). 일례로서, 무선전력 전송장치(100)는 식별 및 구성 단계에서 무선전력 수신장치(200)로부터 수신된 특정 구성 패킷(Configuration packet)의 헤더 또는 특정 구성 패킷에 포함된 예비 비트(Reserved bit)를 이용하여 멀티 코일을 구동시킬 수 있는지 판단한다. 예를 들어, 상기 특정 구성 패킷의 헤더 또는 구성 패킷에 포함되는 예비 비트가 저전력급 표준(i.e. WPC v1.0 또는 v2.0)에 관련되거나 단일 1차 코일에 관련된 경우, 무선전력 전송장치(100)는 해당 단일 1차 코일을 이용하여 15W이하의 저전력급 무선 충전을 수행한다).
반면, 상기 특정 구성 패킷의 헤더 또는 구성 패킷에 포함되는 예비 비트가 중전력급 표준에 관련된 경우(i.e. 저전력급 표준에서의 구성 패킷의 헤더와 다른 값(i.e. 0xAA)으로 셋팅된 경우), 무선전력 전송장치(100)는 중전력급(15~60W)에 맞게 멀티 코일을 동시에 구동시킬 수 있다(S1610). 일례로서, 무선전력 전송장치(100)가 동시에 구동하는 다수의 1차 코일들은 단계 S1600에서 일정한 범위 이상의 변조 깊이의 변화가 감지된 1차 코일들로 선택될 수 있다. 다른 예로서, 무선전력 전송장치(100)가 동시에 구동하는 다수의 1차 코일들은 이정한 범위 이상의 전압 프로파일(profile)의 변화가 감지된 1차 코일들로 선택될 수 있다. 또 다른 예로서, 무선전력 전송장치(100)가 동시에 구동하는 다수의 1차 코일들은 공진 주파수로 인가된 전압에 대해, 공진 전압이 발생하는 1차 코일들로 선택될 수 있다.
도 12a 및 12b에 따른 1차 코일 배열은 4개의 1차 코일이 커버하는 영역이 충전 영역으로 정의되기 때문에, 해당 충전영역에만 올려놓아야 충전이 가능하다. 특히 1차 코일 4개의 동시 구동이 필요한 45~60W의 어플리케이션의 경우 2차 코일이 4개의 1차 코일 모두에 대해 자기적 결합이 되는 조건에서만 원하는 전력전송이 가능하다. 사용자 편의성을 높이기 위해 도 17과 같이 더 많은 개수의 1차 코일 배열을 운용하여 충전 영역을 확대시킬 수도 있다. 예를 들어, 1차 코일들을 단순히 병렬로 연결하는 방식이 고려될 수 있으나, 이는 가격과 크기 등과 같은 측면에서 효율적이지 않다. 따라서 이하에서는 무선충전 시스템을 N개 코일로 확장하는데 있어 적은 비용과 크기로 충전영역 확대가 가능한 효율적인 설계방안을 제시한다.
도 18은 다른 실시예에 따른 무선전력 전송장치에 포함되는 1차 코일 배열을 도시한 평면도이다.
도 18을 참조하면, (a)와 같이 i×j의 매트릭스 형태의 1차 코일 배열로 구성되는 셀(cell)을 다시 x×y와 같이 매트릭스 형태로 다수개 배치함으로써 충전 영역을 확장시킬 수 있다. 도 18은 i=j=2인 경우이다. 만약 x=y=2이면, 무선전력 전송장치(100)는 총 16개의 1차 코일을 포함할 수 있다.
일 측면에서, 각 셀은 동일한 수의 1차 코일을 포함할 수 있다. 예를 들어, 하나의 셀은 4개의 1차 코일을 포함할 수 있다.
다른 측면에서, 각 셀은 동일한 형태의 1차 코일 배열을 가질 수 있다. 예를 들어, 하나의 셀은 2×2의 1차 코일 배열을 가질 수 있다.
셀 배열을 구동하기 위해 복수의 인버터들이 구비될 수 있다. 다만, 하나의 인버터가 하나의 1차 코일에 1:1로 대응될 경우, 1차 코일의 개수만큼 인버터가 필요하므로 단가 상승의 주요인이 되는 단점이 있다. 2차 코일의 크기를 고려하면 모든 1차 코일이 동시에 구동되는 경우는 없다고 해도 무방하므로, 이러한 점에 착안하여 하나의 인버터가 스위치를 통해 n개의 1차 코일에 연결 가능하도록 설계될 수 있다. 여기서, 하나의 인버터가 스위치에 의해 연결 가능한 n개의 1차 코일들을 1차 코일 확장셋이라 할 때, 1차 코일 확장셋에 포함된 1차 코일들은 서로 다른 셀에 속할 수 있다. 예를 들어, 각 셀의 왼쪽 상단의 1차 코일을 1번 코일이라 하면, (b)와 같이 서로 다른 셀1, 2, 3,...에 속하는 모든 1번 코일들은 1차 코일 확장셋1(1801)로 정의된다. 그리고 1차 코일 확장셋1(1801)은 스위치(1821)를 통해 동일한 제1 인버터(1811) 및 ADC(analog to digital converter, 도면에 미도시)에 연결(즉, 동일한 인버터를 공유)되도록 구성될 수 있다.
즉, 1차 코일 확장셋은 이격된 위치의 1차 코일들을 포함하되, 각 1차 코일이 스위치를 통해 하나의 인버터와 연결가능하도록 구성됨으로써 충전 영역의 확장에 기여할 수 있다.
한편, 셀 배열을 구동하는 인버터들의 개수는 하나의 셀에 포함되는 1차 코일의 개수에 기반하여 정해질 수 있다. 도 18과 같이 하나의 셀이 4개의 1차 코일을 포함하는 경우, 셀의 개수와 무관하게 인버터는 총 4개로 정해질 수 있다. 도 18에서 인버터와 1차 코일이 1:1로 연결되는 경우라면 16개의 인버터가 필요하지만, 본 실시예의 경우에는 4개의 인버터만 필요하므로 인버터 수가 1/4로 줄어드는 장점이 있다. 좀더 일반화하면, 하나의 셀을 구성하는 1차 코일의 개수를 n이라 하고, 셀의 개수가 m이라 하면, 총 n×m개의 1차 코일이 존재한다. 모든 1차 코일을 전용의 인버터와 연결하려면 n×m개의 인버터가 필요한데, 본 실시예에 따르면 n개의 인버터만 필요하므로 인버터의 개수가 1/m으로 줄어드는 효과가 있다. 즉, 충전 영역의 확장을 위해 셀의 개수 m이 아무리 증가하더라도, n개의 인버터(또는 인버터와 ADC)만으로 운용이 가능하다.
도 19는 본 실시예에 따른 1차 코일 확장셋을 기반으로, 충전 영역을 선택하는 방법을 도시한 것이다. 여기서, 충전 영역을 선택은 결국 특정 영역에 해당하는 1차 코일들을 구동(또는 활성화 또는 선택)하는 동작에 의해 구현되는 것이다.
도 19를 참조하면, (a)는 각 셀의 1차 코일을 구동하는 인버터들이 스위치에 의해 모두 제1셀의 1차 코일에 연결된 것으로서, 일반적인 셀 단위로 1차 코일들을 구동하는 동작에 해당한다. (b)는 1차 코일 확장셋1(1번 1차 코일들)을 구동하는 제1 인버터가 스위치에 의해 제4셀의 1차 코일에 연결되고, 1차 코일 확장셋2(2번 1차 코일들)을 구동하는 제2 인버터가 스위치에 의해 제3셀의 1차 코일에 연결되며, 1차 코일 확장셋3(3번 1차 코일들)을 구동하는 제3 인버터가 스위치에 의해 제2셀의 1차 코일에 연결되고, 1차 코일 확장셋4(4번 1차 코일들)을 구동하는 제4 인버터가 스위치에 의해 제1셀의 1차 코일에 연결된 것으로서, 1차 코일 확장셋을 이용하여 1차 코일들을 구동하는 동작이다. 이와 같이 하나의 인버터를 인접 셀과의 공유 시에도 1,2,3,4번 1차 코일을 한번씩만 사용하므로 어떠한 위치에서도 모든 조합의 4개 코일 동시 구동이 가능해진다.
도 18 및 도 19와 같이 셀 단위로 1차 코일을 배열함에 있어서, 수평과 수직적인 배열은 도 20과 같이 1층에는 각 셀의 1번 1차 코일을, 2층에는 각 셀의 2번 1차 코일을, 3층에는 각 셀의 3번 1차 코일을, 4층에는 각 셀의 4번 1차 코일을 구성할 수 있다. 즉, 동일한 인덱스의 1차 코일들은 동일한 층수를 갖게 배치함으로서, N개의 1차 코일 구성이 가능하다. 무선충전 시스템에서는 표면과의 거리에 따라서 커플링 정도가 바뀌고, 그에 따라 물리적 특성이 크게 변한다. 그런데, 도 20의 구조는 모든 각층의 거리가 동일하게 되므로, 동일한 공진 커패시터(capacitor)로 운용 가능하며, 통신신호의 복호화 또한 동일한 성능으로 할 수 있는 장점이 있다.
다수의 1차 코일을 선별적으로 구동(또는 선택)하는 방법은, 2차 코일의 위치에 기반하여 수행될 수도 있으나, 무선전력 수신장치(200)의 전력 수요량에 따라 수행될 수도 있다. 특히 수십 W급(i.e. 60W급)의 무선전력 수신장치(200)가 단일 코일과 멀티 코일 구조로 설계되는 경우, 배터리 혹은 부하의 변화량에 따라 1차 코일을 선별적으로 구동하고 전력을 제어할 수 있는 방법이 요구된다.
도 21은 다른 실시예에 따른 복수의 1차 코일 선택 방법을 설명하는 도면이다. 이는 단일 코일 구조로 설계된 무선전력 수신장치(200)의 전력 수요량(또는 전력 클래스 또는 프로파일)에 따라 적응적으로 구동하는 1차 코일의 개수를 선택 또는 변화시키는 방법이다.
도 21을 참조하면, 무선전력 전송장치(100)는 무선전력 수신장치(200)의 전력 수요량에 따라 적응적으로 1차 코일을 선택 및 변화시킨다.
일례로서, 무선전력 전송장치(100)는 무선전력 수신장치(200)의 전력 클래스 또는 프로파일을 통해 중전력급(i.e. 60W 이하)의 수신장치인지 확인하고, 해당 전력 클래스 또는 프로파일에 맞는 전력을 공급하기 위해 적어도 하나의 1차 코일을 활성화한다. 예를 들어, 무선전력 수신장치(200)의 전력 클래스 또는 프로파일이 5~15W급 수신장치인 경우 (a)와 같이 하나의 1차 코일을 활성화하고, 15~30W급 수신장치인 경우 (b)와 같이 2개의 1차 코일을 활성화하며, 30~45W급 수신장치인 경우 (c)와 같이 2개의 1차 코일을 활성화하고, 45~60W급 수신장치인 경우 (b)와 같이 2개의 1차 코일을 활성화한다.
다른 예로서, 무선전력 전송장치(100)는 무선전력 수신장치(200)의 전력 클래스 또는 프로파일을 통해 중전력급(i.e. 60W 이하)의 수신장치인지 확인하고, 전력 전송 페이즈에서 무선전력 수신장치(200)의 전력 수요량(i.e. requested power) 정보를 기반으로 적어도 하나의 1차 코일을 활성화한다. 예를 들어, 무선전력 수신장치(200)의 전력 수요량이 15W이하인 경우 (a)와 같이 하나의 1차 코일을 활성화하고, 전력 수요량이 30W이하인 경우 (b)와 같이 2개의 1차 코일을 활성화하며, 전력 수요량이 45W이하인 경우 (c)와 같이 2개의 1차 코일을 활성화하고, 전력 수요량이 60W이하인 경우 (b)와 같이 2개의 1차 코일을 활성화한다.
도 22는 또 다른 실시예에 따른 복수의 1차 코일 선택 방법을 설명하는 도면이다. 이는 멀티 코일 구조로 설계된 무선전력 수신장치(200)의 전력 수요량에 적응적으로 구동하는 1차 코일의 개수를 선택 또는 변화시키는 방법이다.
도 22를 참조하면, 무선전력 수신장치(200)가 예를 들어 4개의 멀티 코일을 포함하는 상황에서, 무선전력 전송장치(100)는 무선전력 수신장치(200) 또는 배터리의 전력 수요량에 맞춰 각각의 코일을 (a) 내지 (d)와 같이 구동한다. (a)는 무선전력 수신장치(200)의 전력 수요량이 15W이하인 경우에 무선전력 전송장치(100)가 1개의 1차 코일만을 구동(turn-on)하는 경우이다. (b)는 무선전력 수신장치(200)의 전력 수요량이 30W이하인 경우 무선전력 전송장치(100)가 2개의 1차 코일을 구동하는 경우이다. (c)는 무선전력 수신장치(200)의 전력 수요량이 45W이하인 경우 무선전력 전송장치(100)가 3개의 1차 코일을 구동하는 경우이다. (d)는 무선전력 수신장치(200)의 전력 수요량이 60W이하인 경우 무선전력 전송장치(100)가 4개의 1차 코일을 구동하는 경우이다.
(a) 내지 (d)에서 구동(또는 선택)되는 1차 코일의 위치는 고정되는 것은 아니며, 다른 위치의 1차 코일과 2차 코일의 커플링이 가장 클 경우에는 그 다른 위치의 1차 코일이 구동될 수 있다.
어플리케이션의 종류가 랩탑인 경우, 휴대용 스피커인 경우, 패드인 경우, 모니터인 경우, 휴대폰인 경우에 따라 요구되는 전력량이 다를 수 있다. 다양한 어플리케이션이 요구하는 전력의 범위를 단일 무선전력 수신장치로 커버하기 위해, 모듈화된 무선전력 수신장치가 소개될 필요가 있다.
도 23은 일 실시예에 따른 모듈화된 무선전력 수신장치를 도시한 블록도이다.
도 23을 참조하면, 수신 전력에 따라 출력 전압 (DC Output Voltage)이 다르기 때문에, 무선전력 수신장치(200)의 모듈화를 위해서는 충전 전압 가변이 가능하도록 회로를 설계해야 한다. 이를 위해, 무선전력 수신장치(200)는 각기 다른 배터리 충전 전압 5, 9, 12, 19, 24V에 따른 복수의 병렬 피드백(Feed back) 저항(2301, 2302, 2303, 2304)과 각 저항과 커플링되는 스위치(2311, 2312, 2313, 2314), DC-DC 컨버터(2320), 정류기(2330) 및 수신 매칭 네트워크(2340)를 포함할 수 있다. 무선전력 수신장치(200)는 병렬 피드백(Feed back) 저항(2301, 2302, 2303, 2304)과의 스위칭을 통해 DC-DC 컨버터(2320)의 출력 전압을 바꿀 수 있다.
수십 W급의 중전력으로 충전시, 특히 이물질로 인한 과열이 문제될 수 있다. 이하에서는 본 실시예에 따른 중전력급 멀티 코일 무선전력 전송장치(100)를 설계함에 있어서, 이물질 검출을 수행하는 방법이 개시된다.
도 24는 일 실시예에 따른 이물질 검출 및 1차 코일의 선택적 구동 방법을 도시한 것이다.
도 24를 참조하면, 무선전력 전송장치(100)는 1차 코일 배열상에 이물질의 위치에 따라, 1차 코일의 활성화와 비활성화를 결정한다. 무선전력 전송장치(100)는 이물질과 겹친 1차 코일을 제외한 나머지의 1차 코일을 이용하여 무선전력 수신장치(200)를 지속적으로 특정 전력급(i.e. 60W) 이하로 충전함으로써 무선전력 수신장치(200)와의 통신 및 무선충전이 끊기지 않도록 한다. 일부의 1차 코일들상에 이물질이 위치하는 경우, FRS, Q-Method, PLD 등과 같은 구현 가능한 별도의 이물질 검출 알고리즘을 적용하여, 정상 동작이 가능한 멀티 코일을 구동하여 60W 이하로 충전을 시작할 수 있다. 상세한 이물질 검출 방법은 제조사별 구현 방법에 따를 수 있다.
예를 들어, (a)와 같이 이물질이 1차 코일 배열 중 1 내지 3사분면의 1차 코일들에 걸쳐 위치하는 경우, 4사분면의 1차 코일만이 구동(활성화)된다. 이 경우, 하나의 1차 코일만이 활성화되므로 15W이하의 전력이 공급될 수 있다. (b)와 같이 이물질이 1차 코일 배열 중 3 내지 4사분면의 1차 코일들에 걸쳐 위치하는 경우, 1 내지 2사분면의 1차 코일들이 구동(활성화)된다. 이 경우, 2개의 1차 코일들이 활성화되므로 30W이하의 전력이 공급될 수 있다. (c)와 같이 이물질이 1차 코일 배열 중 4사분면의 1차 코일에만 위치하는 경우, 1 내지 3사분면의 1차 코일들이 구동(활성화)된다. 이 경우, 3개의 1차 코일들이 활성화되므로 45W이하의 전력이 공급될 수 있다. (d)와 같이 이물질이 없는 경우에는 4개의 1차 코일들이 모두 구동(활성화)될 수 있다. 이 경우, 4개의 1차 코일들이 활성화되므로 60W이하의 전력이 공급될 수 있다.
무선전력 전송 및 수신장치들은 매우 편리한 사용자 경험과 인터페이스(UX/UI)를 제공할 수 있다. 즉, 스마트 무선충전 서비스가 제공될 수 있다, 스마트 무선충전 서비스는 무선전력 전송장치를 포함하는 스마트폰의 UX/UI에 기초하여 구현될 수 있다. 이러한 어플리케이션을 위해, 스마트폰의 프로세서와 무선충전 수신장치간의 인터페이스는 무선전력 전송장치와 수신장치간의 "드롭 앤 플레이(drop and play)" 양방향 통신을 허용한다.
일례로서, 사용자는 호텔에서 스마트 무선 충전 서비스를 경험할 수 있다. 사용자가 호텔 방으로 입장하고 방안의 무선충전기 위에 스마트폰을 올려놓으면, 무선충전기는 스마트폰으로 무선전력을 전송하고, 스마트폰은 무선전력을 수신한다. 이 과정에서, 무선충전기는 스마트 무선 충전 서비스에 관한 정보를 스마트폰으로 전송한다. 스마트폰이 무선충전기 상에 위치됨을 감지하거나, 무선전력의 수신을 감지하거나, 또는 스마트폰이 무선충전기로부터 스마트 무선 충전 서비스에 관한 정보를 수신하면, 스마트폰은 사용자에게 부가적 특징으로의 동의(opt-in)를 문의하는 상태로 진입한다. 이를 위해, 스마트폰은 알람음을 포함하거나 또는 포함하지 않는 방식으로 스크린상에 메시지를 디스플레이할 수 있다. 메시지의 일례는 "Welcome to ### hotel. Select “Yes” to activate smart charging functions : Yes | No Thanks."와 같은 문구를 포함할 수 있다. 스마트폰은 Yes 또는 No Thanks를 선택하는 사용자의 입력을 받고, 사용자에 의해 선택된 다음 절차를 수행한다. 만약 Yes가 선택되면 스마트폰은 무선충전기에 해당 정보를 전송한다. 그리고 스마트폰과 무선충전기는 스마트 충전 기능을 함께 수행한다.
스마트 무선 충전 서비스는 또한 WiFi 자격(wifi credentials) 자동 입력(auto-filled)을 수신하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 무선충전기는 WiFi 자격을 스마트폰으로 전송하고, 스마트폰은 적절한 앱을 실행하여 무선충전기로부터 수신된 WiFi 자격을 자동적으로 입력한다.
스마트 무선 충전 서비스는 또한 호텔 프로모션을 제공하는 호텔 어플리케이션을 실행하거나, 원격 체크인/체크아웃 및 컨택 정보들을 획득하는 것을 포함할 수 있다.
다른 예로서, 사용자는 차량 내에서 스마트 무선 충전 서비스를 경험할 수 있다. 사용자가 차량에 탑승하고 스마트폰을 무선충전기 위에 올려놓으면, 무선충전기는 스마트폰에 무선전력을 전송하고, 스마트폰은 무선전력을 수신한다. 이러한 과정에서, 무선 충전기는 스마트 무선 충전 서비스에 관한 정보를 스마트폰으로 전송한다. 스마트폰이 무선충전기 상에 위치됨을 감지하거나, 무선전력의 수신을 감지하거나, 또는 스마트폰이 무선충전기로부터 스마트 무선 충전 서비스에 관한 정보를 수신하면, 스마트폰은 사용자에게 신분(identity)를 확인을 문의하는 상태로 진입한다.
이 상태에서, 스마트폰은 WiFi 및/또는 블루투스를 통해 자동적으로 자동차와 연결된다. 스마트폰은 알람음을 포함하거나 또는 포함하지 않는 방식으로 스크린상에 메시지를 디스플레이할 수 있다. 메시지의 일례는 "Welcome to your car. Select “Yes” to synch device with in-car controls : Yes | No Thanks."와 같은 문구를 포함할 수 있다. 스마트폰은 Yes 또는 No Thanks를 선택하는 사용자의 입력을 받고, 사용자에 의해 선택된 다음 절차를 수행한다. 만약 Yes가 선택되면 스마트폰은 무선충전기에 해당 정보를 전송한다. 그리고 스마트폰과 무선충전기는 차량내 어플리케이션/디스플레이 소프트웨어를 구동함으로서, 차량 내 스마트 제어 기능을 함께 수행할 수 있다. 사용자는 원하는 음악을 즐길 수 있고, 정규적인 맵 위치를 확인할 수 있다. 차량 내 어플리케이션/디스플레이 소프트웨어는 통행자들을 위한 동기화 접근을 제공하는 성능을 포함할 수 있다.
또 다른 예로서, 사용자는 스마트 무선 충전을 댁내에서 경험할 수 있다. 사용자가 방으로 들어가서 방안의 무선충전기 위에 스마트폰을 올려놓으면, 무선충전기는 스마트폰으로 무선전력을 전송하고, 스마트폰은 무선전력을 수신한다. 이 과정에서, 무선충전기는 스마트 무선 충전 서비스에 관한 정보를 스마트폰으로 전송한다. 스마트폰이 무선충전기 상에 위치됨을 감지하거나, 무선전력의 수신을 감지하거나, 또는 스마트폰이 무선충전기로부터 스마트 무선 충전 서비스에 관한 정보를 수신하면, 스마트폰은 사용자에게 부가적 특징으로의 동의(opt-in)를 문의하는 상태로 진입한다. 이를 위해, 스마트폰은 알람음을 포함하거나 또는 포함하지 않는 방식으로 스크린상에 메시지를 디스플레이할 수 있다. 메시지의 일례는 "Hi xxx, Would you like to activate night mode and secure the building?: Yes | No Thanks."와 같은 문구를 포함할 수 있다. 스마트폰은 Yes 또는 No Thanks를 선택하는 사용자의 입력을 받고, 사용자에 의해 선택된 다음 절차를 수행한다. 만약 Yes가 선택되면 스마트폰은 무선충전기에 해당 정보를 전송한다. 스마트폰과 무선 충전기는 적어도 사용자의 패턴을 인지하고 사용자에게 문과 창문을 잠그거나 불을 끄거나, 알람을 설정하도록 권유할 수 있다.
상술한 본 발명의 실시예에 따른 무선 전력 송신 방법 및 장치, 또는 수신 장치 및 방법은 모든 구성요소 또는 단계가 필수적인 것은 아니므로, 무선 전력 송신 장치 및 방법, 또는 수신 장치 및 방법은 상술한 구성요소 또는 단계의 일부 또는 전부를 포함하여 수행될 수 있다. 또 상술한 무선 전력 송신 장치 및 방법, 또는 수신 장치 및 방법의 실시예들은 서로 조합되어 수행될 수도 있다. 또 상술한 각 구성요소 또는 단계들은 반드시 설명한 순서대로 수행되어야 하는 것은 아니며, 나중에 설명된 단계가 먼저 설명된 단계에 앞서 수행되는 것도 가능하다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 이상에서 설명한 본 발명의 실시예들은 서로 별개로 또는 조합되어 구현되는 것도 가능하다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (19)

  1. 무선전력 수신장치로 무선전력을 전송하는 무선전력 전송장치에 있어서,
    상기 무선전력 수신장치에 구비된 2차 코일(secondary coil)과 자기 커플링(magnetic coupling)을 형성하여 상기 무선전력 수신장치로 무선전력을 전송하도록 구성된 1차 코일 배열(primary coil array), 1차 코일 배열은 각각 개별적으로 설정된 최대 출력을 가지는 복수의 1차 코일들을 포함함;
    상기 복수의 1차 코일들에 1:1로 연결되어, 상기 복수의 1차 코일 각각을 선택적으로 구동하도록 구성된 복수의 인버터들; 및
    각 1차 코일이 상기 2차 코일과 형성하는 자기 커플링의 정도를 기반으로 적어도 하나의 1차 코일이 구동되도록 상기 무선전력 수신장치와의 통신 및 상기 복수의 인버터들을 제어하여, 상기 복수의 1차 코일들 각각에 개별적으로 설정된 최대 출력을 모두 합한 값 이내에서 상기 1차 코일 배열이 제공 가능한 출력을 결정하는 통신/컨트롤 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는, 무선전력 전송장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 1차 코일들은 수직적으로 상호 중첩되고, 수평적으로 2×2 매트릭스 형태를 가지는 것을 특징으로 하는, 무선전력 전송장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 개별적으로 설정된 최대 출력은 상기 복수의 1차 코일들마다 모두 동일하고, 상기 1차 코일 배열이 제공 가능한 출력은 상기 1차 코일 배열에 포함된 상기 복수의 1차 코일들의 개수에 따라 결정됨을 특징으로 하는, 무선전력 전송장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 개별적으로 설정된 최대 출력이 15W인 경우,
    상기 복수의 인버터들이 하나의 1차 코일을 구동한 경우 상기 제공 가능한 출력은 15W이하이고,
    상기 복수의 인버터들이 2개의 1차 코일을 구동한 경우 상기 제공 가능한 출력은 30W이하이고,
    상기 복수의 인버터들이 3개의 1차 코일을 구동한 경우 상기 제공 가능한 출력은 45W이하이고,
    상기 복수의 인버터들이 4개의 1차 코일을 구동한 경우 상기 제공 가능한 출력은 60W이하인 것을 특징으로 하는, 무선전력 전송장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 통신/컨트롤 유닛은 ASK(amplitude shift keying) 방식에 기반하여 상기 무선전력 수신장치와의 통신을 수행함을 특징으로 하는, 무선전력 전송장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 자기 커플링의 정도는 변조 깊이(modulation depth)의 크기이고, 상기 적어도 하나의 1차 코일은 상기 변조 깊이의 크기가 일정 범위 이상으로 변화된 것임을 특징으로 하는, 무선전력 전송장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 자기 커플링의 정도는 상기 각 1차 코일의 전압 프로파일의 크기이고, 상기 적어도 하나의 1차 코일은 상기 전압 프로파일이 일정 범위 이상으로 변화된 것임을 특징으로 하는, 무선전력 전송장치.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 자기 커플링의 정도는 상기 각 1차 코일에서의 공진 전압 유무이고, 상기 적어도 하나의 1차 코일은 상기 공진 전압이 발생하는 것임을 특징으로 하는, 무선전력 전송장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 1차 코일 배열을 하나의 제1 셀(cell)로 정의할 때, 적어도 하나의 다른 제2 셀을 더 포함하되,
    하나의 인버터는, 스위치를 통해 상기 제1 셀 포함된 하나의 1차 코일 및 상기 제2 셀에 포함되는 하나의 1차 코일 중 어느 하나에 연결되도록 구성됨을 특징으로 하는, 무선전력 전송장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    가변 충전 전압을 제공하는 복수의 병렬 피드백 저항을 더 포함함을 특징으로 하는, 무선전력 전송장치.
  11. 무선전력 수신장치로 무선전력을 전송하는 방법에 있어서,
    개별적으로 설정된 최대 출력을 가지는 복수의 1차 코일들(primary coils)에 1:1로 연결된 복수의 인버터들을 이용하여, 상기 복수의 1차 코일 각각을 선택적으로 구동하는 단계;
    각 1차 코일이 상기 무선전력 수신장치에 구비된 2차 코일(secondary coil)과 형성하는 자기 커플링의 정도를 기반으로 적어도 하나의 1차 코일이 구동되도록 상기 무선전력 수신장치와의 통신 및 상기 복수의 인버터들을 제어하는 단계;
    상기 복수의 1차 코일들 각각에 개별적으로 설정된 최대 출력을 모두 합한 값 이내에서 상기 복수의 1차 코일들이 제공 가능한 출력을 결정하는 단계; 및
    상기 결정된 출력 이내에서, 상기 구동된 적어도 하나의 1차 코일을 통해 상기 무선전력 수신장치로 무선전력을 전송하는 단계를 포함하는 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 복수의 1차 코일들은 수직적으로 상호 중첩되고, 수평적으로 2×2 매트릭스 형태를 가지는 것을 특징으로 하는, 방법.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 개별적으로 설정된 최대 출력은 상기 복수의 1차 코일들마다 모두 동일하고, 상기 1차 코일 배열이 제공 가능한 출력은 상기 1차 코일 배열에 포함된 상기 복수의 1차 코일들의 개수에 따라 결정됨을 특징으로 하는, 방법.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 개별적으로 설정된 최대 출력이 15W인 경우,
    상기 복수의 인버터들이 하나의 1차 코일을 구동한 경우 상기 제공 가능한 출력은 15W이하이고,
    상기 복수의 인버터들이 2개의 1차 코일을 구동한 경우 상기 제공 가능한 출력은 30W이하이고,
    상기 복수의 인버터들이 3개의 1차 코일을 구동한 경우 상기 제공 가능한 출력은 45W이하이고,
    상기 복수의 인버터들이 4개의 1차 코일을 구동한 경우 상기 제공 가능한 출력은 60W이하인 것을 특징으로 하는, 방법.
  15. 제 11 항에 있어서, ASK(amplitude shift keying) 방식에 기반하여 상기 무선전력 수신장치와의 통신이 수행됨을 특징으로 하는, 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 자기 커플링의 정도는 변조 깊이(modulation depth)의 크기이고, 상기 적어도 하나의 1차 코일은 상기 변조 깊이의 크기가 일정 범위 이상으로 변화된 것임을 특징으로 하는, 방법.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 자기 커플링의 정도는 상기 각 1차 코일의 전압 프로파일의 크기이고, 상기 적어도 하나의 1차 코일은 상기 전압 프로파일이 일정 범위 이상으로 변화된 것임을 특징으로 하는, 방법.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 자기 커플링의 정도는 상기 각 1차 코일에서의 공진 전압 유무이고, 상기 적어도 하나의 1차 코일은 상기 공진 전압이 발생하는 것임을 특징으로 하는, 방법.
  19. 제 11 항에 있어서, 상기 1차 코일 배열을 하나의 제1 셀(cell)로 정의할 때, 적어도 하나의 다른 제2 셀을 더 포함하되,
    하나의 인버터는, 스위치를 통해 상기 제1 셀 포함된 하나의 1차 코일 및 상기 제2 셀에 포함되는 하나의 1차 코일 중 어느 하나에 연결되도록 구성됨을 특징으로 하는, 방법.
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