WO2019199029A1 - 무선전력 전송 및 수신 시스템, 그리고 장치 - Google Patents

무선전력 전송 및 수신 시스템, 그리고 장치 Download PDF

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WO2019199029A1
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wireless power
coil
secondary coil
wireless
communication
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PCT/KR2019/004219
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문현욱
김양경
김의성
성호재
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엘지전자 주식회사
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    • H05B6/1236—Cooking devices induction cooking plates or the like and devices to be used in combination with them adapted to induce current in a coil to supply power to a device and electrical heating devices powered in this way
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B40/00—Technologies aiming at improving the efficiency of home appliances, e.g. induction cooking or efficient technologies for refrigerators, freezers or dish washers

Definitions

  • 4A is a block diagram of a wireless power transfer system according to another embodiment.
  • 15 is a conceptual diagram illustrating a structure of a secondary coil assembly according to an embodiment.
  • FIG. 16 illustrates a structure of a secondary coil assembly used in an actual experiment according to an embodiment.
  • FIG. 24A shows the measured efficiency for each sample in another example experiment
  • FIG. 24B is a verification result report for the samples.
  • FIG. 3 illustrates electronic devices classified according to the amount of power transmitted and received in the wireless power transmission system.
  • wearable devices such as a smart watch, smart glass, head mounted display (HMD), and a smart ring, and earphones, a remote controller, a smartphone, a PDA, and a tablet
  • a small power (about 5W or less or about 20W or less) wireless charging method may be applied to mobile electronic devices (or portable electronic devices) such as a PC.
  • Wireless transmit and receive devices can provide a very convenient user experience and interface (UX / UI). That is, the smart wireless charging service may be provided.
  • the smart wireless charging service may be implemented based on the UX / UI of the smart phone including the wireless power transmitter.
  • the interface between the smartphone's processor and the wireless charging receiver allows for "drop and play" bidirectional communication between the wireless power transmitter and the receiver.
  • the smartphone is automatically connected to the car via WiFi and / or Bluetooth.
  • the smartphone may display the message on the screen in a manner with or without an alarm sound.
  • An example of the message may include phrases such as "Welcome to your car. Select" Yes "to synch device with in-car controls: Yes
  • the smartphone receives the user's input of selecting Yes or No Thanks and performs the following procedure selected by the user. If Yes is selected, the smartphone sends the information to the wireless charger.
  • the smart phone and the wireless charger can perform in-vehicle smart control functions by driving in-vehicle application / display software. The user can enjoy the desired music and can check the regular map position.
  • In-vehicle application / display software may include the capability to provide a synchronized access for passers-by.
  • NFC communication may be used between the wireless power transmitter and the receiver.
  • the wireless power transmitter and the receiver can confirm that they are NFC devices by exchanging WPC NDEF (NFC Data Exchange Profile Format).
  • WPC NDEF NFC Data Exchange Profile Format
  • the WPC NDEF may include an application profile field (eg 1B), a version field (eg 1B), and profile specific data (eg 1B) as shown in FIG. 3B.
  • the application profile field indicates whether the device is i) mobile and computing, ii) power tools, and iii) kitchen, the upper nibble of the version field indicates the major version and the lower nibble. (lower nibble) indicates a minor version.
  • Profile-specific data also defines the content for the kitchen.
  • the AFA standard refers to a wireless power transmitter as a power transmitting unit (PTU), a wireless power receiver as a power receiving unit (PRU), and PTUs are classified into a number of classes as shown in Table 1, and PRUs as shown in Table 2 Are classified into a number of categories.
  • the host stack (or host module) 470 refers to a wireless transceiver module receiving a 2.4 GHz Bluetooth signal and hardware for transmitting or receiving a Bluetooth packet, and the controller stack 460 is connected to a Bluetooth module to connect a Bluetooth module. Control and perform actions.
  • the BR / EDR baseband layer 14 plays a role of transmitting a digital signal, selects a channel sequence hopping 1400 times per second, and transmits a 625us length time slot for each channel.
  • the logical link control and adaptation protocol (L2CAP) 21 may provide one bidirectional channel for transmitting data to a specific protocol or profile.
  • controller stack and the host stack can be operated or executed on the same processing device in the processor module.
  • L2CAP Logical Link Control and Adaptation Protocol 41 may provide one bidirectional channel for transmitting data to a specific protocol or profile.
  • the L2CAP 41 may be operable to multiplex data among higher layer protocols, segment and reassemble packages, and manage multicast data transmission.
  • BR / EDR Base Rate / Enhanced Data Rate
  • the generic attribute profile GATT 44 may be operable as a protocol describing how the attribute protocol 43 is used in the construction of services.
  • the generic attribute profile 44 may be operable to specify how ATT attributes are grouped together into services, and may be operable to describe features associated with the services.
  • the BLE procedure may be classified into a device filtering procedure, an advertising procedure, a scanning procedure, a discovery procedure, a connecting procedure, and the like.
  • the advertising device or scanning device may perform the device filtering procedure to limit the device receiving the advertising packet, scan request or connection request.
  • the device performing the scanning i.e., the scanning device, performs a scanning procedure to listen to the non-directional broadcast of the user data from the advertising devices using the advertising physical channel.
  • the link layer enters the scanning state by the indication of the host (stack). In the scanning state, the link layer listens for advertising channel indices.
  • ScanInterval is defined as the interval (interval) between the starting points of two consecutive scan windows.
  • the advertising channel PDU Packet Data Unit
  • PDU Packet Data Unit
  • the PDUs are transmitted at the link layer in the advertisement state and received by the link layer in the scanning state or initiating state.
  • CONNECT_REQ Sent by the link layer in the initiating state and received by the link layer in the advertising state.
  • the procedure, state, packet format, etc. in the BLE technology may be applied to perform the methods proposed herein.
  • the mobile device 450 is illustrated to include a wireless power receiver 200
  • the base station 400 is illustrated to include a wireless power transmitter 100, but in a broad sense, the wireless power receiver ( 200 may be identified with the mobile device 450 and the wireless power transmitter 100 may be identified with the base station 400.
  • the wireless power transmitter receives an unexpected packet, a desired packet has not been received for a predefined time, a packet transmission error, or a transmission error. If a power transfer contract is not established (no power transfer contract) it may transition to selection step 510.
  • the wireless power transmitter may receive a Foreign Object Detection (FOD) status packet including a reference quality factor value.
  • FOD status packet including the reference peak frequency value may be received.
  • a status packet including a reference quality factor value and a reference peak frequency value may be received.
  • the wireless power transmitter may determine a quality factor threshold for FO detection based on a reference quality factor value.
  • the wireless power transmitter may determine a peak frequency threshold for FO detection based on the reference peak frequency value.
  • the wireless power receiver selects the desired control point-the desired output current / voltage, the temperature at a particular location of the mobile device, and additionally the actual control point currently operating. Is determined.
  • the wireless power receiver may calculate a control error value using a desired control point and an actual control point, and transmit the control error value to the wireless power transmitter as a control error packet.
  • the wireless power transmitter may control power delivery by setting / controlling a new operation point—amplitude, frequency, and duty cycle—using the received control error packet. Therefore, the control error packet is transmitted / received at predetermined time intervals in the strategy delivery step.
  • the wireless power receiver attempts to reduce the current of the wireless power transmitter to a negative control error value and to increase the current. The value can be set to a positive number to send.
  • the wireless power receiver may control power transfer by transmitting a control error packet to the wireless power transmitter.
  • the power transmitter 740 may control the output power to transmit data by using a frequency shift keying (FSK) scheme through the communication unit 790.
  • FSK frequency shift keying
  • the slot frame and the free form frame may be changed to various names by those skilled in the art.
  • the slot frame may be renamed as a channel frame and the free frame may be changed to a message frame.
  • the additional sync pattern is a sync pattern different from the sync pattern indicating the start of the frame described above. More specifically, the additional sync pattern may indicate information related to adjacent slots (ie, two consecutive slots located next to the sync pattern) without indicating the start of the frame.
  • the nine slots and the sync patterns provided in advance of each of the nine slots may have the same time interval.
  • the nine slots may have a time interval of 50 ms.
  • the nine sync patterns may have a time length of 50 ms.
  • the free-form frame as shown in (B) may not have a specific shape other than the sync pattern and the measurement slot indicating the start of the frame. That is, the free-form frame is to play a different role than the slot frame, for example, long data packets (eg, additional owner information packets) between the wireless power transmitter and the wireless power receiver.
  • the coil may be used for selecting any one of a plurality of coils.
  • the preamble consists of consecutive bits and may be set to all zeros. That is, the preamble may be bits for adjusting the time length of the sync pattern.
  • the type field may indicate the type of sync pattern. More specifically, the type field may have a '1' indicating that the sync pattern is a frame sync when the sync pattern is the first sync pattern of the frame (ie, the first sync pattern of the frame, located before the measurement slot).
  • Such a wireless power receiver belongs to class C for power size but belongs to class B for secondary coil size. That is, a wireless power receiver conforming to the above design may be defined as a new class between class B and class C.
  • the inventor of the present invention experiments with the various electromagnetic design parameters of the wireless power transmission system, wireless power transmitter and receiver in various combinations, as a result of deriving the optimum electromagnetic design parameters to meet the new class requirements as follows: It was.
  • the present embodiment includes a method of designing a relatively low inductance Ls of the secondary coil and a relatively high operating frequency fop for stable ZVC operation.
  • the present embodiment indicates a position tolerance as a ratio of the size of the integrated transmission coil and discloses a method of designing a wireless power transmission system based on the position tolerance.
  • the position tolerance may be defined as 5% of the size of the integrated transmission coil, and the wireless power transmission system may be designed to satisfy this position tolerance.
  • the positional tolerance of the secondary coil is indicated as a ratio rather than an absolute size such as ⁇ 5 cm, so it can be designed as the ratio of the integrated transmission coil and the secondary coil without considering various small kitchen appliances. System design can be relatively simplified and more precise at the same time.
  • the physical parameters of the integrated transmission coil for the induction hop driven at 2 kW may be designed as shown in Table 4, for example.
  • FIG. 14 An integrated transmission coil manufactured by physical design parameters according to Table 5 is shown in FIG. 14.
  • a secondary coil assembly having a maximum power of 2 kW wireless power is provided based on secondary coils belonging to a class B section having an outer diameter of 140 mm.
  • the small size of the secondary coil allows the aesthetic design and the weight to be reduced through the compact design of the wireless small home appliance. Therefore, this embodiment designs a secondary coil assembly having a maximum of 2 kW wireless power transmission based on 140 mm, which is the outer diameter of the smallest secondary coil in the Class B section.
  • a secondary coil assembly designed based on a magnitude of a resonance current of a wireless power transmitter is provided.
  • the output of the wireless power transmitter decreases, and in this case, it is difficult to secure the performance of the small household appliance. Therefore, in order for the product which needs continuous operation to operate stably, it is necessary to secure an operating time, and for this, it is necessary to minimize the resonance current of the integrated transmission coil side.
  • the secondary coil assembly 1700 may include a plurality of ferrite bars 1720, and the number thereof may be at least seven.
  • the length of the ferrite bar 1720 may be at least 60mm.
  • the ferrite bar 1720 may have a length extending outward of the outer diameter of the secondary coil 1710.
  • the secondary coil assembly 1700 may be designed such that the magnitude of the resonant current of the integrated transmission coil is less than or equal to 30 A (rms).
  • the secondary coil assembly 1700 may have an inductance measured including an AI base of 100 uH or more.
  • the area of the ferrite bar 1720 or the magnetic circuit may be designed to be at least 6300mm 2 or more.

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Abstract

본 발명은 무선전력 수신장치 및 방법에 관한 것으로서, 무선전력 전송장치에 구비된 1차 코일(primary coil)과 자기 커플링(magnetic coupling)되어 무선전력 전송장치로부터 무선전력을 수신하는 2차 코일(secondary coil), 상기 2차 코일을 지지하는 차폐부재, 상기 2차 코일에 의해 수신된 무선전력에 따른 교류 신호를 직류 신호로 정류하는 정류회로를 포함하는 전력 픽업 유닛, 및 상기 무선전력의 전송을 제어하고, 상기 무선전력 전송장치와 통신을 수행하는 통신/컨트롤 유닛을 포함하는 무선전력 수신장치가 개시된다. 본 실시예에 따른 2차 코일과 차폐부재를 기반으로 응용제품의 슬림화를 달성함과 동시에, 동일한 목표 성능 지수(중전력급(예를 들어 60W) 표준에서 요구하는)가 구현될 수 있다.

Description

무선전력 전송 및 수신 시스템, 그리고 장치
본 발명은 무선전력에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 무선전력 전송 및 수신 시스템, 그리고 장치에 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 있으며, 이제는 중전력과 대전력에 관한 표준이 점진적으로 논의되고 있는 실정이다. 중전력 또는 대전력 무선충전은 소전력 무선충전과 달리 수십 V 내지 수백 V로 유도되는 전압에 의하여 안전성 등 여러 가지 문제가 발생할 수 있고, 소전력 무선충전까지 지원해야 하는 경우에는 편심(1차 코일과 2차 코일의 정렬이 벗어난 상태)의 문제가 발생할 수도 있다. 따라서, 이러한 문제들에 대한 해결하기 위한 무선전력 전송 및 수신 시스템, 그리고 장치들이 요구된다.
본 발명의 기술적 과제는 고밀도, 고효율 무선전력 전송 시스템 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 기술적 과제는 중전력 또는 대전력의 무선충전에 적용 가능한 1차 코일, 2차 코일, 차폐제 및 이들의 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 기술적 과제는 쿡탑 인덕션용 코일로 고출력 무선전력 전송을 구현하기 위한 무선전력 전송장치의 최적 디자인 구조, 이러한 무선전력 전송장치와의 고밀도/고효율 커플링을 위한 무선전력 수신장치의 최적 디자인 구조, 그리고 이들을 포함하는 플랫폼을 제공함에 있다.
본 발명의 일 양태에 따르면 무선전력 전송장치를 제공한다. 상기 장치는 무선전력 수신장치에 구비된 2차 코일(secondary coil)과 자기 커플링(magnetic coupling)되어 상기 무선전력 수신장치로 무선전력을 전송하거나, 외부 물체를 가열하도록 구성된 통합 전송 코일(integrated transmitting coil), 상기 통합 전송 코일의 일 면에 배치되는 자기회로(magnetic circuit), 상기 통합 전송 코일과 상기 자기회로를 지지하는 차폐부재, 상기 통합 전송 코일에 연결되어 상기 통합 전송 코일을 구동하는 인버터를 포함하는 전력 변환 유닛, 및 상기 통합 전송 코일을 가열 모드 또는 무선전력 전송 모드 중 어느 하나로 제어하고, 상기 무선전력 수신장치와의 통신을 수행하는 통신/컨트롤 유닛을 포함한다.
일 측면에서, 상기 2차 코일의 외경 ф=13~16cm이며 상기 무선전력 수신장치가 1500W 내지 2000W의 출력의 클래스에 속하는 경우, 상기 통합 전송 코일의 동작 주파수는 상기 클래스보다 더 높은 출력의 클래스에 관한 동작 주파수 보다 더 크고, 상기 통합 전송 코일의 인덕턴스는 상기 클래스보다 더 높은 출력의 클래스에 의해 요구되는 값보다 더 작을 수 있다.
다른 측면에서, 상기 무선전력 수신장치가 상기 1500W 내지 2000W의 전력을 90% 이상의 효율로 수신하도록 상기 통합 전송 코일 및 상기 2차 코일의 전기적 또는 물리적 파라미터들이 상호 연관되어 설계될 수 있다.
또 다른 측면에서, 상기 통합 전송 코일과 상기 2차 코일 간의 자기 결합 계수는 0.65일 수 있다.
또 다른 측면에서, 상기 통합 전송 코일의 인덕턴스는 44uH 또는 45uH이고, 상기 2차 코일의 인덕턴스는 90uH일 수 있다.
또 다른 측면에서, 상기 통합 전송 코일의 동작 주파수는 30 내지 40kHz일 수 있다.
또 다른 측면에서, 상기 통합 전송 코일의 동작 주파수는 37kHz일 수 있다.
또 다른 측면에서, 상기 2차 코일의 외경은 14cm 일 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 무선전력 수신장치를 제공한다. 상기 장치는 무선전력 전송장치에 구비된 통합 전송 코일(integrated transmitting coil)과 자기 커플링(magnetic coupling)되어 상기 무선전력 전송장치로부터 무선전력을 수신하는 2차 코일(secondary coil), 상기 2차 코일의 일 면에 배치되는 자기회로(magnetic circuit), 상기 2차 코일과 상기 자기회로를 지지하는 차폐부재, 상기 2차 코일에 의해 수신된 무선전력에 따른 교류 신호를 직류 신호로 정류하는 정류회로를 포함하는 전력 픽업 유닛, 및 상기 무선전력의 전송을 제어하고, 상기 무선전력 전송장치와 통신을 수행하는 통신/컨트롤 유닛을 포함한다.
일 측면에서, 상기 2차 코일의 외경 ф=13~16cm이며, 상기 무선전력 수신장치는 1500W 내지 2000W의 출력의 클래스에 속하고, 상기 무선전력 수신을 위한 동작 주파수는 상기 클래스보다 더 높은 출력의 클래스에 관한 동작 주파수 보다 더 크고, 상기 2차 코일의 인덕턴스는 상기 클래스보다 더 높은 출력의 클래스에 의해 요구되는 값보다 더 작을 수 있다.
다른 측면에서, 상기 2차 코일의 턴수는 28턴일 수 있다.
또 다른 측면에서, 상기 2차 코일 및 상기 자기회로의 전기적 또는 물리적 파라미터들은, 상기 2차 코일이 상기 통합 전송 코일로부터 25mm 편심된 경우에 87%의 전송 효율을 제공하도록 설계될 수 있다.
또 다른 측면에서, 상기 2차 코일 및 상기 자기회로의 전기적 또는 물리적 파라미터들은, 상기 2차 코일이 상기 통합 전송 코일로부터 25mm 편심된 경우 상기 통합 전송 코일 측의 공진 전류가 27A(rms)이 되도록 설계될 수 있다.
또 다른 측면에서, 상기 2차 코일의 외경 ф=14cm이고, 내경은 4cm일 수 있다.
또 다른 측면에서, 상기 자기회로는 적어도 하나의 페라이트 바(ferrite bar)를 포함하고, 상기 적어도 하나의 페라이트 바의 길이는 적어도 60mm이고 그 개수는 적어도 7개일 수 있다.
또 다른 측면에서, 상기 적어도 하나의 페라이트 바의 길이는 65mm이고, 그 개수는 8개일 수 있다.
또 다른 측면에서, 상기 통합 전송 코일과 상기 2차 코일간의 거리는 16mm로 설계될 수 있다.
본 실시예에 따른 2차 코일과 차폐부재를 기반으로 응용제품의 슬림화를 달성함과 동시에, 동일한 목표 성능 지수(중전력급(예를 들어 60W) 표준에서 요구하는)가 구현될 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 3A는 무선 전력 전송 시스템이 도입되는 다양한 전자 기기들의 실시예를 나타낸다.
도 3B는 무선 전력 전송 시스템에서 WPC NDEF의 일례를 나타낸다.
도 4A는 다른 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 블록도이다.
도 4B는 본 발명이 적용될 수 있는 블루투스 통신 아키텍처(Architecture)의 일 예를 나타낸 도이다.
도 4C는 일례에 따른 BLE 통신을 사용하는 무선전력 전송 시스템을 도시한 블록도이다.
도 4D는 다른 예에 따른 BLE 통신을 사용하는 무선전력 전송 시스템을 도시한 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 무선전력 전송장치의 통합 전송 코일과 차폐부재를 도시한 것이다.
도 12는 일 실시예에 따른 전자기적 설계 파라미터와, 클래스 C의 전자기적 설계 파라미터 간에 동작 주파수와 효율을 비교한 그래프이다.
도 13은 무선전력 전송 시스템의 전자기적 설계 파라미터를 정리한 표이다.
도 14는 표 5에 따른 물리적 설계 파라미터에 의해 제조된 통합 전송 코일을 도시한 것이다.
도 15는 일 실시예에 따른 2차 코일 어셈블리의 구조를 도시한 개념도이다.
도 16은 일 실시예에 따른 실제 실험에 사용된 2차 코일 어셈블리의 구조를 도시한 것이다.
도 17은 일례에 따른 2차 코일들의 턴수에 따른 통합 전송 코일의 공진 전류 및 효율을 비교한 것이다.
도 18은 바람직한 2차 코일의 턴수를 도출하기 위해 통합 전송 코일과 2차 코일 파라미터를 측정한 결과이다.
도 19는 일 실시예에 따른 중심합성 설계 실험 방법을 도시한 것이다.
도 20은 도 19의 실험 결과를 나타낸 표이다.
도 21은 페라이트 개수와 페라이트 길이의 관계를 Overlaid Contour Plot에 나타낸 것이다.
도 22A는 일례의 실험에서 각 시료에 대해 측정된 효율을 나타내고, 도 22B는 시료들에 대한 검증 결과 리포트이다.
도 23A는 일례의 실험에서 각 시료에 의해 측정된 통합 전송 코일 측 공진 전류를 나타내고, 도 23B는 시료들에 대한 검증 결과 리포트이다.
도 24A는 다른 예의 실험에서 각 시료에 대해 측정된 효율을 나타내고, 도 24B는 시료들에 대한 검증 결과 리포트이다.
도 25A는 다른 예의 실험에서 각 시료에 의해 측정된 통합 전송 코일 측 공진 전류를 나타내고, 도 25B는 시료들에 대한 검증 결과 리포트이다.
도 26은 바람직한 실시예에 다른 2차 코일 어셈블리의 전기적/물리적 설계 파라미터를 비교군과 대조한 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. 아웃-밴드 통신은 아웃-오브-밴드(out-of-band) 통신이라 불릴 수도 있다. 이하에서는 아웃-밴드 통신으로 용어를 통일하여 기술한다. 아웃-밴드 통신의 예로서 NFC, 블루투스(bluetooth), BLE(bluetooth low energy) 등을 포함할 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(phablet), 노트북(notebook), 디지털 카메라, 네비게이션 단말기, 텔레비전, 전기차량(EV: Electronic Vehicle) 등이 있다.
무선 전력 시스템(10)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-밴드(out-band : OB) 통신도 사용될 수 있다. 무선전력 수신장치는 OB의 지원 여부를 구성 패킷(configuration packe)내의 OB 플래그를 설정함으로써 식별할 수 있다. OB를 지원하는 무선전력 전송장치는 상기 구성 패킷에 대한 응답으로서, OB 핸드오버를 위한 비트패턴(bit-pattern)을 전송함으로써 OB 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. OB는 PC1을 위한 필수적인 통신 채널이며, IB는 OB로의 초기화 및 링크 수립(link establishment)로서 사용된다. 무선전력 전송장치는 구성 패킷에 대한 응답으로서, OB 핸드오버를 위한 비트패턴을 이용하여 OB 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.
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.
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.
프로필은 크게 i) 모바일 및 컴퓨팅, ii) 전동 툴, 및 iii) 주방 이렇게 3가지로 구분될 수 있다.
또는, 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 OB, 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 또는 블루투스 기반, 동작 주파수는 100kHz 미만으로 정의될 수 있으며, 어플리케이션의 예시로는 주방/가전 기기 등이 존재할 수 있다.
전동 툴과 주방 프로필의 경우, 무선전력 전송장치와 수신장치 간에 NFC 통신이 사용될 수 있다. 무선전력 전송장치와 수신장치는 WPC NDEF(NFC Data Exchange Profile Format)을 교환함으로써 상호간에 NFC 기기임을 확인할 수 있다. 예를 들어 WPC NDEF는 도 3B와 같이 어플리케이션 프로파일(application profile) 필드(예를 들어 1B), 버전 필드(예를 들어 1B), 및 프로파일 특정 데이터(profile specific data, 예를 들어 1B)를 포함할 수 있다. 어플리케이션 프로파일 필드는 해당 장치가 i) 모바일 및 컴퓨팅, ii) 전동 툴, 및 iii) 주방 중 어느 것인지를 지시하고, 버전 필드의 상위 니블(upper nibble)은 메이저 버전(major version)을 지시하고 하위 니블(lower nibble)은 마이너 버전(minor version)을 지시한다. 또한 프로파일 특정 데이터는 주방을 위한 컨텐츠를 정의한다.
'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 OB와 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 가전
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 4a는 다른 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 블록도이다.
도 4a를 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(400)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 전송 코일(transmitting coil), 1차 코어(primary core), 1차 와인딩(primary winding), 1차 루프 안테나(primary loop antenna) 등으로 불릴 수도 있다. 한편, 2차 코일은 수신 코일(receiving coil), 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 OB 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.
OB 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 4a에는 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 OB 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.
OB 통신 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.
통신/컨트롤 유닛(120)과 통신/컨트롤 유닛(220)이 OB 통신 모듈 또는 근거리 통신 모듈로서 블루투스 또는 블루투스 LE일 경우, 통신/컨트롤 유닛(120)과 통신/컨트롤 유닛(220)은 각각 도 4b와 같은 통신 아키텍처로 구현되어 동작할 수 있다.
도 4b는 본 발명이 적용될 수 있는 블루투스 통신 아키텍처(Architecture)의 일 예를 나타낸 도이다.
도 4b를 참고하면, 도 4b의 (a)는 GATT를 지원하는 블루투스 BR(Basic Rate)/EDR(Enhanced Data Rate)의 프로토콜 스택의 일 예를 나타내며, (b)는 블루투스 LE(Low Energy)의 프로토콜 스택의 일 예를 나타낸다.
구체적으로, 도 4b의 (a)에 도시된 바와 같이, 블루투스 BR/EDR 프로토콜 스택은 호스트 컨트롤러 인터페이스(Host Controller Interface, HCI, 18)를 기준으로 상부의 컨트롤러 스택(Controller stack, 460)과 하부의 호스트 스택(Host Stack, 470)을 포함할 수 있다.
상기 호스트 스택(또는 호스트 모듈)(470)은 2.4GHz의 블루투스 신호를 받는 무선 송수신 모듈과 블루투스 패킷을 전송하거나 수신하기 위한 하드웨어를 말하며, 상기 컨트롤러 스택(460)은 블루투스 모듈과 연결되어 블루투스 모듈을 제어하고 동작을 수행한다.
상기 호스트 스택(470)은 BR/EDR PHY 계층(12), BR/EDR Baseband 계층(14), 링크 매니저 계층(Link Manager, 16)을 포함할 수 있다.
상기 BR/EDR PHY 계층(12)은 2.4GHz 무선 신호를 송수신하는 계층으로, GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying) modulation을 사용하는 경우 79 개의 RF 채널을 hopping 하여 데이터를 전송할 수 있다.
상기 BR/EDR Baseband 계층(14)은 Digital Signal을 전송하는 역할을 담당하며, 초당 1400번 hopping 하는 채널 시퀀스를 선택하며, 각 채널 별 625us 길이의 time slot을 전송한다.
상기 링크 매니저 계층(16)은 LMP(Link Manager Protocol)을 활용하여 Bluetooth Connection의 전반적인 동작(link setup, control, security)을 제어한다.
상기 링크 매니저 계층(16)은 아래와 같은 기능을 수행할 수 있다.
- ACL/SCO logical transport, logical link setup 및 control을 한다.
- Detach: connection을 중단하고, 중단 이유를 상대 디바이스에게 알려준다.
- Power control 및 Role switch를 한다.
- Security(authentication, pairing, encryption) 기능을 수행한다.
상기 호스트 컨트롤러 인터페이스 계층(18)은 Host 모듈과 Controller 모듈 사이의 인터페이스 제공하여 Host 가 command와 Data를 Controller에게 제공하게 하며, Controller가 event와 Data를 Host에게 제공할 수 있도록 해준다.
상기 호스트 스택(또는 호스트 모듈, 20)은 논리적 링크 제어 및 적응 프로토콜(L2CAP, 21), 속성 프로토콜(Protocol, 22), 일반 속성 프로파일(Generic Attribute Profile, GATT, 23), 일반 접근 프로파일(Generic Access Profile, GAP, 24), BR/EDR 프로파일(25)을 포함한다.
상기 논리적 링크 제어 및 적응 프로토콜(L2CAP, 21)은 특정 프로토콜 또는 포로파일에게 데이터를 전송하기 위한 하나의 양방향 채널을 제공할 수 있다.
상기 L2CAP(21)은 블루투스 상위에서 제공하는 다양한 프로토콜, 프로파일 등을 멀티플렉싱(multiplexing)할 수 있다.
블루투스 BR/EDR의 L2CAP에서는 dynamic 채널 사용하며, protocol service multiplexer, retransmission, streaming mode를 지원하고, Segmentation 및 reassembly, per-channel flow control, error control을 제공한다.
상기 일반 속성 프로파일(GATT, 23)은 서비스들의 구성 시에 상기 속성 프로토콜(22)이 어떻게 이용되는지를 설명하는 프로토콜로서 동작 가능할 수 있다. 예를 들어, 상기 일반 속성 프로파일(23)은 ATT 속성들이 어떻게 서비스들로 함께 그룹화되는지를 규정하도록 동작 가능할 수 있고, 서비스들과 연계된 특징들을 설명하도록 동작 가능할 수 있다.
따라서, 상기 일반 속성 프로파일(23) 및 상기 속성 프로토콜(ATT, 22)은 디바이스의 상태와 서비스들을 설명하고, 특징들이 서로 어떻게 관련되며 이들이 어떻게 이용되는지를 설명하기 위하여, 특징들을 사용할 수 있다.
상기 속성 프로토콜(22) 및 상기 BR/EDR 프로파일(25)은 블루트스 BR/EDR를 이용하는 서비스(profile)의 정의 및 이들 데이터를 주고 받기 위한 application 프로토콜을 정의하며, 상기 일반 접근 프로파일(Generic Access Profile, GAP, 24)은 디바이스 발견, 연결, 및 보안 수준을 정의힌다.
도 4b의 (b)에 도시된 바와 같이, 블루투스 LE 프로토콜 스택은 타이밍이 중요한 무선장치 인터페이스를 처리하도록 동작 가능한 컨트롤러 스택(Controller stack, 480)과 고레벨(high level) 데이터를 처리하도록 동작 가능한 호스트 스택(Host stack, 490)을 포함한다.
먼저, 컨트롤러 스택(480)은 블루투스 무선장치를 포함할 수 있는 통신 모듈, 예를 들어, 마이크로프로세서와 같은 프로세싱 디바이스를 포함할 수 있는 프로세서 모듈을 이용하여 구현될 수 있다.
호스트 스택(490)은 프로세서 모듈 상에서 작동되는 OS의 일부로서, 또는 OS 위의 패키지(package)의 인스턴스 생성(instantiation)으로서 구현될 수 있다.
일부 사례들에서, 컨트롤러 스택 및 호스트 스택은 프로세서 모듈 내의 동일한 프로세싱 디바이스 상에서 작동 또는 실행될 수 있다.
상기 컨트롤러 스택(480)은 물리 계층(Physical Layer, PHY, 32), 링크 레이어(Link Layer, 34) 및 호스트 컨트롤러 인터페이스(Host Controller Interface, 36)를 포함한다.
상기 물리 계층(PHY, 무선 송수신 모듈, 32)은 2.4 GHz 무선 신호를 송수신하는 계층으로 GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying) modulation과 40 개의 RF 채널로 구성된 frequency hopping 기법을 사용한다.
블루투스 패킷을 전송하거나 수신하는 역할을 하는 상기 링크 레이어(34)는 3개의 Advertising 채널을 이용하여 Advertising, Scanning 기능을 수행한 후에 디바이스 간 연결을 생성하고, 37개 Data 채널을 통해 최대 257bytes 의 데이터 패킷을 주고 받는 기능을 제공한다.
상기 호스트 스택은 GAP(Generic Access Profile, 40), 논리적 링크 제어 및 적응 프로토콜(L2CAP, 41), 보안 매니저(Security Manager, SM, 42), 속성 프로토콜(Attribute Protocol, ATT, 440), 일반 속성 프로파일(Generic Attribute Profile, GATT, 44), 일반 접근 프로파일(Generic Access Profile, 25), LT 프로파일(46)을 포함할 수 있다. 다만, 상기 호스트 스택(490)은 이것으로 한정되지는 않고 다양한 프로토콜들 및 프로파일들을 포함할 수 있다.
호스트 스택은 L2CAP을 사용하여 블루투스 상위에서 제공하는 다양한 프로토콜, 프로파일 등을 다중화(multiplexing)한다.
먼저, L2CAP(Logical Link Control and Adaptation Protocol, 41)은 특정 프로토콜 또는 프로파일에게 데이터를 전송하기 위한 하나의 양방향 채널을 제공할 수 있다.
상기 L2CAP(41)은 상위 계층 프로토콜들 사이에서 데이터를 다중화(multiplex)하고, 패키지(package)들을 분할(segment) 및 재조립(reassemble)하고, 멀티캐스트 데이터 송신을 관리하도록 동작 가능할 수 있다.
블루투스 LE 에서는 3개의 고정 채널(signaling CH을 위해 1개, Security Manager를 위해 1개, Attribute protocol을 위해 1개)을 기본적으로 사용한다. 그리고, 필요에 따라 동적 채널을 사용할 수도 있다.
반면, BR/EDR(Basic Rate/Enhanced Data Rate)에서는 동적인 채널을 기본적으로 사용하며, protocol service multiplexer, retransmission, streaming mode 등을 지원한다.
SM(Security Manager, 42)은 디바이스를 인증하며, 키 분배(key distribution)를 제공하기 위한 프로토콜이다.
ATT(Attribute Protocol, 43)는 서버-클라이언트(Server-Client) 구조로 상대 디바이스의 데이터를 접근하기 위한 규칙을 정의한다. ATT에는 아래의 6가지의 메시지 유형(Request, Response, Command, Notification, Indication, Confirmation)이 있다.
① Request 및 Response 메시지: Request 메시지는 클라이언트 디바이스에서 서버 디바이스로 특정 정보 요청 및 전달 하기 위한 메시지이며, Response 메시지는 Request 메시지에 대한 응답 메시지로서, 서버 디바이스에서 클라이언트 디바이스로 전송하는 용도로 사용할 수 있는 메시지를 말한다.
② Command 메시지: 클라이언트 디바이스에서 서버 디바이스로 주로 특정 동작의 명령을 지시하기 위해 전송하는 메시지로, 서버 디바이스는 Command 메시지에 대한 응답을 클라이언트 디바이스로 전송하지 않는다.
③ Notification 메시지: 서버 디바이스에서 클라이언트 디바이스로 이벤트 등과 같은 통지를 위해 전송하는 메시지로, 클라이언트 디바이스는 Notification 메시지에 대한 확인 메시지를 서버 디바이스로 전송하지 않는다.
④ Indication 및 Confirm 메시지: 서버 디바이스에서 클라이언트 디바이스로 이벤트 등과 같은 통지를 위해 전송하는 메시지로, Notification 메시지와는 달리, 클라이언트 디바이스는 Indication 메시지에 대한 확인 메시지(Confirm message)를 서버 디바이스로 전송한다.
본 발명은 상기 속성 프로토콜(ATT, 43)을 사용하는 GATT 프로파일에서 긴 데이터 요청 시 데이터 길이에 대한 값을 전송하여 클라이언트가 데이터 길이를 명확히 알 수 있게 하며, UUID를 이용하여 서버로부터 특성(Characteristic) 값을 전송 받을 수 있다.
상기 일반 접근 프로파일(GAP, 45)은 블루투스 LE 기술을 위해 새롭게 구현된 계층으로, 블루투스 LE 디바이스들 간의 통신을 위한 역할 선택, 멀티 프로파일 작동이 어떻게 일어나는지를 제어하는데 사용된다.
또한, 상기 일반 접근 프로파일(45)은 디바이스 발견, 연결 생성 및 보안 절차 부분에 주로 사용되며, 사용자에게 정보를 제공하는 방안을 정의하며, 하기와 같은 attribute의 type을 정의한다.
① Service: 데이터와 관련된 behavior의 조합으로 디바이스의 기본적인 동작을 정의
② Include: 서비스 사이의 관계를 정의
③ Characteristics: 서비스에서 사용되는 data 값
④ Behavior: UUID(Universal Unique Identifier, value type)로 정의된 컴퓨터가 읽을 수 있는 포맷
상기 LE 프로파일(46)은 GATT에 의존성을 가지는 profile 들로 주로 블루투스 LE 디바이스에 적용된다. LE 프로파일(46)은 예를 들면, Battery, Time, FindMe, Proximity, Time 등이 있을 수 있으며, GATT-based Profiles의 구체적인 내용은 하기와 같다.
① Battery: 배터리 정보 교환 방법
② Time: 시간 정보 교환 방법
③ FindMe: 거리에 따른 알람 서비스 제공
④ Proximity: 배터리 정보 교환 방법
⑤ Time: 시간 정보 교환 방법
상기 일반 속성 프로파일(GATT, 44)은 서비스들의 구성 시에 상기 속성 프로토콜(43)이 어떻게 이용되는지를 설명하는 프로토콜로서 동작 가능할 수 있다. 예를 들어, 상기 일반 속성 프로파일(44)은 ATT 속성들이 어떻게 서비스들로 함께 그룹화되는지를 규정하도록 동작 가능할 수 있고, 서비스들과 연계된 특징들을 설명하도록 동작 가능할 수 있다.
따라서, 상기 일반 속성 프로파일(44) 및 상기 속성 프로토콜(ATT, 43)은 디바이스의 상태와 서비스들을 설명하고, 특징들이 서로 어떻게 관련되며 이들이 어떻게 이용되는지를 설명하기 위하여, 특징들을 사용할 수 있다.
이하에서, 블루투스 저전력 에너지(Bluetooth Low Energy:BLE) 기술의 절차(Procedure)들에 대해 간략히 살펴보기로 한다.
BLE 절차는 디바이스 필터링 절차(Device Filtering Procedure), 광고 절차(Advertising Procedure), 스캐닝 절차(Scanning Procedure), 디스커버링 절차(Discovering Procedure), 연결 절차(Connecting Procedure) 등으로 구분될 수 있다.
디바이스 필터링 절차(Device Filtering Procedure)
디바이스 필터링 절차는 컨트롤러 스택에서 요청, 지시, 알림 등에 대한 응답을 수행하는 디바이스들의 수를 줄이기 위한 방법이다.
모든 디바이스에서 요청 수신 시, 이에 대해 응답하는 것이 불필요하기 때문에, 컨트롤러 스택은 요청을 전송하는 개수를 줄여서, BLE 컨트롤러 스택에서 전력 소비가 줄 수 있도록 제어할 수 있다.
광고 디바이스 또는 스캐닝 디바이스는 광고 패킷, 스캔 요청 또는 연결 요청을 수신하는 디바이스를 제한하기 위해 상기 디바이스 필터링 절차를 수행할 수 있다.
여기서, 광고 디바이스는 광고 이벤트를 전송하는 즉, 광고를 수행하는 디바이스를 말하며, 광고자(Advertiser)라고도 표현된다.
스캐닝 디바이스는 스캐닝을 수행하는 디바이스, 스캔 요청을 전송하는 디바이스를 말한다.
BLE에서는, 스캐닝 디바이스가 일부 광고 패킷들을 광고 디바이스로부터 수신하는 경우, 상기 스캐닝 디바이스는 상기 광고 디바이스로 스캔 요청을 전송해야 한다.
하지만, 디바이스 필터링 절차가 사용되어 스캔 요청 전송이 불필요한 경우, 상기 스캐닝 디바이스는 광고 디바이스로부터 전송되는 광고 패킷들을 무시할 수 있다.
연결 요청 과정에서도 디바이스 필터링 절차가 사용될 수 있다. 만약, 연결 요청 과정에서 디바이스 필터링이 사용되는 경우, 연결 요청을 무시함으로써 상기 연결 요청에 대한 응답을 전송할 필요가 없게 된다.
광고 절차(Advertising Procedure)
광고 디바이스는 영역 내 디바이스들로 비지향성의 브로드캐스트를 수행하기 위해 광고 절차를 수행한다.
여기서, 비지향성의 브로드캐스트(Undirected Advertising)는 특정 디바이스를 향한 브로드캐스트가 아닌 전(모든) 디바이스를 향한 광고(Advertising)이며, 모든 디바이스가 광고(Advertising)을 스캔(Scan)하여 추가 정보 요청이나 연결 요청을 할 수 있다.
이와 달리, 지향성 브로드캐스트(Directed advertising)는 수신 디바이스로 지정된 디바이스만 광고(Advertising)을 스캔(Scan)하여 추가 정보 요청이나 연결 요청을 할 수 있다.
광고 절차는 근처의 개시 디바이스와 블루투스 연결을 확립하기 위해 사용된다.
또는, 광고 절차는 광고 채널에서 리스닝을 수행하고 있는 스캐닝 디바이스들에게 사용자 데이터의 주기적인 브로드캐스트를 제공하기 위해 사용될 수 있다.
광고 절차에서 모든 광고(또는 광고 이벤트)는 광고 물리 채널을 통해 브로드캐스트된다.
광고 디바이스들은 광고 디바이스로부터 추가적인 사용자 데이터를 얻기 위해 리스닝을 수행하고 있는 리스닝 디바이스들로부터 스캔 요청을 수신할 수 있다. 광고 디바이스는 스캔 요청을 수신한 광고 물리 채널과 동일한 광고 물리 채널을 통해, 스캔 요청을 전송한 디바이스로 스캔 요청에 대한 응답을 전송한다.
광고 패킷들의 일 부분으로서 보내지는 브로드캐스트 사용자 데이터는 동적인 데이터인 반면에, 스캔 응답 데이터는 일반적으로 정적인 데이터이다.
광고 디바이스는 광고 (브로드캐스트) 물리 채널 상에서 개시 디바이스로부터 연결 요청을 수신할 수 있다. 만약, 광고 디바이스가 연결 가능한 광고 이벤트를 사용하였고, 개시 디바이스가 디바이스 필터링 절차에 의해 필터링 되지 않았다면, 광고 디바이스는 광고를 멈추고 연결 모드(connected mode)로 진입한다. 광고 디바이스는 연결 모드 이후에 다시 광고를 시작할 수 있다.
스캐닝 절차(Scanning Procedure)
스캐닝을 수행하는 디바이스 즉, 스캐닝 디바이스는 광고 물리 채널을 사용하는 광고 디바이스들로부터 사용자 데이터의 비지향성 브로드캐스트를 청취하기 위해 스캐닝 절차를 수행한다.
스캐닝 디바이스는 광고 디바이스로부터 추가적인 데이터를 요청 하기 위해, 광고 물리 채널을 통해 스캔 요청을 광고 디바이스로 전송한다. 광고 디바이스는 광고 물리 채널을 통해 스캐닝 디바이스에서 요청한 추가적인 데이터를 포함하여 상기 스캔 요청에 대한 응답인 스캔 응답을 전송한다.
상기 스캐닝 절차는 BLE 피코넷에서 다른 BLE 디바이스와 연결되는 동안 사용될 수 있다.
만약, 스캐닝 디바이스가 브로드캐스트되는 광고 이벤트를 수신하고, 연결 요청을 개시할 수 있는 개시자 모드(initiator mode)에 있는 경우, 스캐닝 디바이스는 광고 물리 채널을 통해 광고 디바이스로 연결 요청을 전송함으로써 광고 디바이스와 블루투스 연결을 시작할 수 있다.
스캐닝 디바이스가 광고 디바이스로 연결 요청을 전송하는 경우, 스캐닝 디바이스는 추가적인 브로드캐스트를 위한 개시자 모드 스캐닝을 중지하고, 연결 모드로 진입한다.
디스커버링 절차(Discovering Procedure)
블루투스 통신이 가능한 디바이스(이하, '블루투스 디바이스'라 한다.)들은 근처에 존재하는 디바이스들을 발견하기 위해 또는 주어진 영역 내에서 다른 디바이스들에 의해 발견되기 위해 광고 절차와 스캐닝 절차를 수행한다.
디스커버링 절차는 비대칭적으로 수행된다. 주위의 다른 디바이스를 찾으려고 하는 블루투스 디바이스를 디스커버링 디바이스(discovering device)라 하며, 스캔 가능한 광고 이벤트를 광고하는 디바이스들을 찾기 위해 리스닝한다. 다른 디바이스로부터 발견되어 이용 가능한 블루투스 디바이스를 디스커버러블 디바이스(discoverable device)라 하며, 적극적으로 광고 (브로드캐스트) 물리 채널을 통해 다른 디바이스가 스캔 가능하도록 광고 이벤트를 브로드캐스트한다.
디스커버링 디바이스와 디스커버러블 디바이스 모두 피코넷에서 다른 블루투스 디바이스들과 이미 연결되어 있을 수 있다.
연결 절차(Connecting Procedure)
연결 절차는 비대칭적이며, 연결 절차는 특정 블루투스 디바이스가 광고 절차를 수행하는 동안 다른 블루투스 디바이스는 스캐닝 절차를 수행할 것을 요구한다.
즉, 광고 절차가 목적이 될 수 있으며, 그 결과 단지 하나의 디바이스만 광고에 응답할 것이다. 광고 디바이스로부터 접속 가능한 광고 이벤트를 수신한 이후, 광고 (브로트캐스트) 물리 채널을 통해 광고 디바이스로 연결 요청을 전송함으로써 연결을 개시할 수 있다.
다음으로, BLE 기술에서의 동작 상태 즉, 광고 상태(Advertising State), 스캐닝 상태(Scanning State), 개시 상태(Initiating State), 연결 상태(connection state)에 대해 간략히 살펴보기로 한다.
광고 상태(Advertising State)
링크 계층(LL)은 호스트 (스택)의 지시에 의해, 광고 상태로 들어간다. 링크 계층이 광고 상태에 있을 경우, 링크 계층은 광고 이벤트들에서 광고 PDU(Packet Data Unit)들을 전송한다.
각각의 광고 이벤트는 적어도 하나의 광고 PDU들로 구성되며, 광고 PDU들은 사용되는 광고 채널 인덱스들을 통해 전송된다. 광고 이벤트는 광고 PDU가 사용되는 광고 채널 인덱스들을 통해 각각 전송되었을 경우, 종료되거나 광고 디바이스가 다른 기능 수행을 위해 공간을 확보할 필요가 있을 경우 좀 더 일찍 광고 이벤트를 종료할 수 있다.
스캐닝 상태(Scanning State)
링크 계층은 호스트 (스택)의 지시에 의해 스캐닝 상태로 들어간다. 스캐닝 상태에서, 링크 계층은 광고 채널 인덱스들을 리스닝한다.
스캐닝 상태에는 수동적 스캐닝(passive scanning), 적극적 스캐닝(active scanning)의 두 타입이 있으며, 각 스캐닝 타입은 호스트에 의해 결정된다.
스캐닝을 수행하기 위한 별도의 시간이나 광고 채널 인덱스가 정의되지는 않는다.
스캐닝 상태 동안, 링크 계층은 스캔윈도우(scanWindow) 구간(duration) 동안 광고 채널 인덱스를 리스닝한다. 스캔인터벌(scanInterval)은 두 개의 연속적인 스캔 윈도우의 시작점 사이의 간격(인터벌)으로서 정의된다.
링크 계층은 스케쥴링의 충돌이 없는 경우, 호스트에 의해 지시되는 바와 같이 스캔윈도우의 모든 스캔인터벌 완성을 위해 리스닝해야한다. 각 스캔윈도우에서, 링크 계층은 다른 광고 채널 인덱스를 스캔해야한다. 링크 계층은 사용 가능한 모든 광고 채널 인덱스들을 사용한다.
수동적인 스캐닝일 때, 링크 계층은 단지 패킷들만 수신하고, 어떤 패킷들도 전송하지 못한다.
능동적인 스캐닝일 때, 링크 계층은 광고 디바이스로 광고 PDU들과 광고 디바이스 관련 추가적인 정보를 요청할 수 있는 광고 PDU 타입에 의존하기 위해 리스닝을 수행한다.
개시 상태(Initiating State)
링크 계층은 호스트 (스택)의 지시에 의해 개시 상태로 들어간다.
링크 계층이 개시 상태에 있을 때, 링크 계층은 광고 채널 인덱스들에 대한 리스닝을 수행한다.
개시 상태 동안, 링크 계층은 스캔윈도우 구간 동안 광고 채널 인덱스를 리스닝한다.
연결 상태(connection state)
링크 계층은 연결 요청을 수행하는 디바이스 즉, 개시 디바이스가 CONNECT_REQ PDU를 광고 디바이스로 전송할 때 또는 광고 디바이스가 개시 디바이스로부터 CONNECT_REQ PDU를 수신할 때 연결 상태로 들어간다.
연결 상태로 들어간 이후, 연결이 생성되는 것으로 고려된다. 다만, 연결이 연결 상태로 들어간 시점에서 확립되도록 고려될 필요는 없다. 새로 생성된 연결과 기 확립된 연결 간의 유일한 차이는 링크 계층 연결 감독 타임아웃(supervision timeout) 값뿐이다.
두 디바이스가 연결되어 있을 때, 두 디바이스들은 다른 역할로 활동한다.
마스터 역할을 수행하는 링크 계층은 마스터로 불리며, 슬레이브 역할을 수행하는 링크 계층은 슬레이브로 불린다. 마스터는 연결 이벤트의 타이밍을 조절하고, 연결 이벤트는 마스터와 슬레이브 간 동기화되는 시점을 말한다.
이하에서, 블루투스 인터페이스에서 정의되는 패킷에 대해 간략히 살펴보기로 한다. BLE 디바이스들은 하기에서 정의되는 패킷들을 사용한다.
패킷 포맷(Packet Format)
링크 계층(Link Layer)은 광고 채널 패킷과 데이터 채널 패킷 둘 다를 위해 사용되는 단지 하나의 패킷 포맷만을 가진다.
각 패킷은 프리앰블(Preamble), 접속 주소(Access Address), PDU 및 CRC 4개의 필드로 구성된다.
하나의 패킷이 광고 채널에서 송신될 때, PDU는 광고 채널 PDU가 될 것이며, 하나의 패킷이 데이터 채널에서 전송될 때, PDU는 데이터 채널 PDU가 될 것이다.
광고 채널 PDU(Advertising Channel PDU)
광고 채널 PDU(Packet Data Unit)는 16비트 헤더와 다양한 크기의 페이로드를 가진다.
헤더에 포함되는 광고 채널 PDU의 PDU 타입 필드는 하기 표 3에서 정의된 바와 같은 PDU 타입을 나타낸다.
변조 레벨 비트당 사이클의 개수
0 (default) 256
1 128
2 64
3 32
4 16
5 8
광고 PDU(Advertising PDU)아래 광고 채널 PDU 타입들은 광고 PDU로 불리고 구체적인 이벤트에서 사용된다.
ADV_IND: 연결 가능한 비지향성 광고 이벤트
ADV_DIRECT_IND: 연결 가능한 지향성 광고 이벤트
ADV_NONCONN_IND: 연결 가능하지 않은 비지향성 광고 이벤트
ADV_SCAN_IND: 스캔 가능한 비지향성 광고 이벤트
상기 PDU들은 광고 상태에서 링크 계층(Link Layer)에서 전송되고, 스캐닝 상태 또는 개시 상태(Initiating State)에서 링크 계층에 의해 수신된다.
스캐닝 PDU(Scanning PDU)
아래 광고 채널 PDU 타입은 스캐닝 PDU로 불리며, 하기에서 설명되는 상태에서 사용된다.
SCAN_REQ: 스캐닝 상태에서 링크 계층에 의해 전송되며, 광고 상태에서 링크 계층에 의해 수신된다.
SCAN_RSP: 광고 상태에서 링크 계층에 의해 전송되며, 스캐닝 상태에서 링크 계층에 의해 수신된다.
개시 PDU(Initiating PDU)
아래 광고 채널 PDU 타입은 개시 PDU로 불린다.
CONNECT_REQ: 개시 상태에서 링크 계층에 의해 전송되며, 광고 상태에서 링크 계층에 의해 수신된다.
데이터 채널 PDU(Data Channel PDU)
데이터 채널 PDU는 16 비트 헤더, 다양한 크기의 페이로드를 가지고, 메시지 무결점 체크(Message Integrity Check:MIC) 필드를 포함할 수 있다.
앞에서 살펴본, BLE 기술에서의 절차, 상태, 패킷 포맷 등은 본 명세서에서 제안하는 방법들을 수행하기 위해 적용될 수 있다.
다시 도 4a를 참조하면, 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.
통신/컨트롤 유닛(120)과 통신/컨트롤 유닛(220)이 IB 통신 모듈 이외에 OB 통신 모듈 또는 근거리 통신 모듈로서 블루투스 또는 블루투스 LE을 포함하는 경우, 통신/컨트롤 유닛(120)을 포함하는 무선전력 전송장치(100)와 통신/컨트롤 유닛(220)을 포함하는 무선전력 수신장치(200)은 도 4c와 같은 단순화된 블록도로 표현될 수 있다.
도 4c는 일례에 따른 BLE 통신을 사용하는 무선전력 전송 시스템을 도시한 블록도이다.
도 4c를 참조하면, 무선전력 전송장치(100)는 전력 변환 유닛(110)과 통신/컨트롤 유닛(120)을 포함한다. 통신/컨트롤 유닛(120)은 인밴드 통신 모듈(121) 및 BLE 통신 모듈(122)를 포함한다.
한편 무선전력 수신장치(200)는 전력 픽업 유닛(210)과 통신/컨트롤 유닛(220)을 포함한다. 통신/컨트롤 유닛(220)은 인밴드 통신 모듈(221) 및 BLE 통신 모듈(222)를 포함한다.
일 측면에서, BLE 통신 모듈들(122, 222)은 도 4b에 따른 아키텍처 및 동작을 수행한다. 예를 들어, BLE 통신 모듈들(122, 222)은 무선전력 전송장치(100)와 무선전력 수신장치(200) 사이의 접속을 수립하고, 무선전력 전송에 필요한 제어 정보와 패킷들을 교환하는데 사용될 수도 있다.
다른 측면에서, 통신/컨트롤 유닛(120)은 무선충전을 위한 프로파일을 동작시키도록 구성될 수 있다. 여기서, 무선충전을 위한 프로파일은 BLE 전송을 사용하는 GATT일 수 있다.
한편, 통신/컨트롤 유닛들(120, 220)은 도 4d와 같이 각각 인밴드 통신 모듈들(121, 221)만을 포함하고, BLE 통신 모듈들(122, 222)은 통신/컨트롤 유닛들(120, 220)과 분리되어 구비되는 형태도 가능하다.
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 구간(duration)에 해당하는 전력 신호(또는 펄스)인 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(540)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 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.
본 실시예에서는 보정 단계(550과 전력 전송 단계(560)를 별개의 단계로 구분하였지만, 보정 단계(550)는 전력 전송 단계(560)에 통합될 수 있다. 이 경우 보정 단계(550)에서의 동작들은 전력 전송 단계(560)에서 수행될 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(840)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.
이하에서는 주방가전과 같은 고출력용 무선전력 수신장치에서부터 중/소출력 무선전력 수신장치까지 확장된 응용범위를 지원하고, 전력 전달 효율을 향상시킬 수 있는 무선전력 전송 시스템, 무선전력 전송장치 및 수신장치를 개시한다.
무선전력 전송 시스템을 어떤 응용분야에 융합하는 경우, 해당 응용분야의 소비전력에 맞는 별도의 무선전력 전송장치를 두고, 해당 응용분야의 기기들에 무선전력을 공급할 수 있다. 이 경우, 별도의 무선전력 전송장치를 위한 공간이 요구되고, 비용이 증가할 수 있다. 반면 해당 응용분야의 특정한 기기를 무선전력 전송장치와 일체형으로 구비하는 경우, 무선전력 전송장치가 차지할 공간을 절약할 수 있고, 비용절감 효과도 거둘 수 있다. 예컨대 주방가전 분야의 경우, 주방가전용 고출력 무선전력 전송장치를 별도로 구비하기 보다는, 인덕션 홉(induction hop: IH)과 같은 빌트인 형식의 주방가전에 고출력 무선전력 전송장치를 일체형으로 구비하는 것이 그것이다.
이에 따라 최근 인덕션 홉, 쿡탑(cook top) 또는 히든 인덕션(hidden induction)과 같은 주방가전(특히 빌트인 타입)에 무선전력 전송 시스템을 융합 또는 부가하는 방법에 관하여 논의되고 있으며, 이러한 접근 방식은 무선 주방가전들을 확대시키는 현실적인 방안으로 대두되고 있다. 예를 들어, 무선전력 전송장치를 포함하는 인덕션 홉은, 본래 용도에 따라 냄비나 프라이팬 등을 가열할 수 있을 뿐만 아니라, 무선전력 수신장치를 구비한 다른 주방가전(예컨대 무선 전기밥솥, 무선 전기포트)에 무선으로 전력을 공급할 수 있다.
무선전력 전송 시스템을 주방가전 분야에 적용할 때, 어떤 주방가전들은 무선전력을 전송하고, 어떤 주방가전들은 무선전력을 수신하는 역할을 수행하도록 구성될 수 있다. 물론, 상황에 따라서는 무선전력의 전송과 수신을 모두 수행하는 주방가전도 존재할 수도 있다. 이하에서 무선전력 전송을 수행하는 주방가전을 단순히 무선전력 전송장치라 하고, 무선전력 수신을 수행하는 주방가전을 단순히 무선전력 수신장치라 한다. 다만, 무선전력 전송장치 또는 수신장치는 특정 주방가전의 일부 구조 또는 기능을 구성하기 때문에 단순히 해당 주방가전의 명칭으로 호칭될 수도 있다. 예를 들어, 무선전력을 전송하는 인덕션 홉을 단순히 인덕션 홉이라 호칭할 수 있고, 상기 인덕션 홉으로부터 무선전력을 수신하는 전기밥솥을 단순히 전기밥솥이라 호칭할 수 있다. 그러나 무선전력 전송 시스템 관점에서 보면 인덕션 홉은 무선전력 전송장치이고, 전기밥솥은 무선전력 수신장치로 취급된다.
본 명세서는 고출력 무선전력이 요구되는 응용분야로서 주방가전을 예시적으로 설명하지만, 본 명세서에서 개시되는 고효율 무선전력 전송 시스템은 주방가전 이외도 의료기기, 전기 자동차, 로봇, 산업기기, 군용장비, 기차, 시설물, 항공/우주, 가구, 서비스 인프라, 디스플레이 장치 등과 같은 다양한 응용 분야에도 적용 또는 융합될 수 있음은 물론이다.
본 실시예에 따른 무선전력을 전송하는 인덕션 홉은 하나의 코일만을 구비할 수 있다. 즉, 하나의 코일이 타 주방기기의 가열용으로 사용되기도 하고, 무선전력 전송용으로 사용되기도 한다. 이와 같이 가열용 코일과 전력 전송용 1차 코일이 분리되지 않고 통합된 형태를 통합 전송 코일(integrated Tx coil) 또는 단일 전송 코일(single Tx coil)이라 한다. 통합 전송 코일은 세그먼트(segmented) 타입일 수도 있고, 넌-세그먼트(non-segmented) 타입일 수도 있다. 본 실시예에서는 하나의 넌-세그먼트 타입을 가정하여 설명한다.
통합 전송 코일이 가열용으로 사용되는 모드를 가열 모드라 하고, 전력 전송용으로 사용되는 모드를 전력 전송 모드라 한다. 다시 말해, 인덕션 홉은 가열 모드에서 통합 전송 코일을 이용하여 타 주방기기의 가열을 수행하고, 전력 전송 모드에서 통합 전송 코일을 이용하여 타 주방기기에게 무선전력을 전송한다. 무선전력 전송 시스템의 관점에서 보면, 무선전력 전송장치는 가열 모드에서 통합 전송 코일을 이용하여 타 기기의 가열을 수행하고, 전력 전송 모드에서 통합 전송 코일을 이용하여 타 무선전력 수신장치에게 무선전력을 전송한다.
이와 같이 무선전력 전송장치는 그 위에 놓여지는 물체의 종류에 따라 2가지 모드 중 어느 하나의 모드로 스위칭되어 동작할 수 있다. 예를 들어, 만약 무선전력 전송장치가 감지한 물체를 무선전력 수신장치인 것으로 판단하면, 무선전력 전송장치는 전력 전송 모드로 설정되어 무선전력 수신장치에게 무선전력을 전송할 수 있다. 반면, 만약 무선전력 전송장치가 감지한 물체를 무선전력 수신장치가 아닌 가열이 필요한 물체로 판단하면, 무선전력 전송장치는 가열 모드로 동작하면서 해당 물체의 가열을 수행할 수 있다.
무선전력 전송장치가 하나의 통합 전송 코일을 기반으로 2가지 모드를 모두 지원하기 위해, 트레이드 오프(trade-off)를 감수해야 할 수 있다. 예를 들어, 어느 하나의 모드에서 좋은 성능을 내는 무선전력 전송장치 및 수신장치의 구조는 다른 모드에서 오히려 효율 저하를 가져올 수 있다. 따라서, 어느 모드에서도 우수한 효율과 고밀도의 전력 전송을 위한 무선전력 전송 시스템의 최적 설계가 요구된다.
WPC와 같은 표준에서는 무선전력 수신장치를 소비전력의 크기와 2차 코일의 크기에 따라 다수의 클래스들(클래스 A(~200W, ф=8~13cm), 클래스 B(~1200W, ф=13~18cm), 클래스 C(~2400W, ф=18~24cm))로 분류하고 있는데, 이와 같은 클래스의 분류는 최적 무선전력 전송 시스템의 설계를 제약하는 측면이 있다. 왜냐하면 통합 전송 코일과 2차 코일의 설계 방법에 따라 더 작은 2차 코일을 가진 무선전력 수신장치에 대해 더 큰 전력이 공급될 수가 있기 때문이다. 예를 들어 본 발명의 일 실시예에 따르면, 통합 전송 코일과 2차 코일간의 거리(coil-to-coil distance)가 15mm인 조건에서, 1500W까지 전력을 수신하고 2차 코일의 지름 ф=13~16cm이며 최소 90%의 효율이라는 요구조건을 만족하는 무선전력 수신장치의 최적 설계 구조 또는 새로운 클래스를 개시한다. 이러한 무선전력 수신장치는 전력 크기로서는 클래스 C이나 2차 코일 크기로서는 클래스 B에 속할 수 있다.
도 4A의 무선전력 수신장치(200)는 이하에서 개시되는 무선전력 수신장치일 수 있다. 그리고 도 4A의 무선전력 전송장치(100)는 이하에서 개시되는 무선전력 전송장치일 수 있다.
도 11은 일 실시예에 따른 무선전력 전송장치의 통합 전송 코일과 차폐부재를 도시한 것이다.
도 11을 참조하면, 무선전력 전송장치(1100)는 통합 전송 코일(1110) 및 차폐부재(shielding unit, 1120)를 포함하여 구성된다.
통합 전송 코일(1110)은 평면 나선(planar spiral) 패턴으로 권선(winding)되어, 차폐부재(1120)의 일면상에 배치된다. 통합 전송 코일(1110)로서 리츠 코일(litz coil)이 사용될 수 있다. 통합 전송 코일의 권선 형태는 평면 나선형태일 수도 있으나, 이에 한정될 필요는 없고, 사각형, 타원형, 삼각형 등 다양한 패턴을 형성할 수 있음은 물론이다. 또한, 통합 전송 코일로서 리츠 코일 대신 하나의 구리선이 사용될 수도 있다. 도면에 도시되지 않았으나, 통합 전송 코일(1110)은 인버터(inverter)에 연결될 수 있다. 이때 인버터는 도 4A에서 전력 변환 유닛(110)에 대응될 수 있다.
본 실시예에 따른 최적의 통합 전송 코일 및 2차 코일의 설계를 도출하기 위해, 다음과 같은 설계 목표(또는 요구사항)을 가정한다.
1) 무선전력 전송장치는 단일 넌-세그먼트 타입의 통합 전송 코일을 포함
2) 2차 코일의 지름 ф=13~16cm
3) 통합 전송 코일과 2차 코일간의 거리(coil-to-coil distance)는 15mm
4) 무선전력 수신장치는 1500W±10%까지 전력을 수신 가능할 것
5) 최소 90%의 시스템 효율을 만족할 것
6) 기존의 인덕션 홉 디자인을 유지할 것
위 설계 목표와 요구사항들은 주방가전의 실제 디자인과 사용 현실에 부합하는 무선전력 전송 시스템의 최소한의 물리적/전기적 설계 요구사항에 해당한다. 이러한 무선전력 수신장치는 전력 크기로서는 클래스 C이지만 2차 코일 크기로서는 클래스 B에 속한다. 즉, 위의 설계에 부합하는 무선전력 수신장치는 클래스 B와 클래스 C 사이의 새로운 클래스로서 정의될 수 있다.
먼저, 위와 같은 요구사항을 구현하기 위해 고려될 수 있는 무선전력 전송 시스템, 무선전력 전송장치 및 수신장치의 전자기적 설계 파라미터들은 다음과 같다.
1) 무선전력 전송 시스템의 전자기적 설계 파라미터
- 통합 전송 코일의 자기 결합(coupling) 계수 K
2) 무선전력 전송장치의 전자기적 설계 파라미터
- 인버터의 토폴로지
- 통합 전송 코일의 인덕턴스 Lp
- 동작 주파수(operating frequency: OP) fop
- 최대 전송 전력 Ptmax
- 통합 전송 코일에 흐르는 전류 Ipmax
- Ucmax
3) 무선전력 수신장치의 전자기적 설계 파라미터
- 전류와 2차 코일의 인덕턴스의 곱(Iload*Ls)
- 무선전력 수신장치의 동작 전압(operating voltage) Uload
- 2차 코일의 인덕턴스 Ls
- 수신 전력 PL
- 부하 전압 UL
본 발명의 발명자는 상기 무선전력 전송 시스템, 무선전력 전송장치 및 수신장치의 전자기적 설계 파라미터들을 다양한 조합으로 실험을 실시한 결과, 새로운 클래스 요구사항에 부합하는 최적의 전자기적 설계 파라미터를 다음과 같이 도출하였다.
1) 본 실시예에 따른 무선전력 전송 시스템의 설계 파라미터
- 통합 전송 코일의 자기 결합(coupling) 계수 K : 무선전력 전송장치(1100)가 인덕션 홉에 사용되는 경우, K는 0.65
2) 본 실시예에 따른 무선전력 전송장치의 설계 파라미터
- 인버터의 토폴로지 = 하프 브릿지 토폴로지(half-bridge topology)
- 통합 전송 코일의 인덕턴스 Lp = 44~45uH
- 동작 주파수(operating frequency: OP) fop = 20~50KHz
- 최대 전송 전력 Ptmax < 2000W(avg)
- 통합 전송 코일에 흐르는 전류 Ipmax <30A(rms)
- Ucmax < 1000V(pk-pk)
3) 본 실시예에 따른 무선전력 수신장치의 설계 파라미터
- 전류와 2차 코일의 인덕턴스의 곱(Iload*Ls)은 최소화되어야 함. 무선전력을 수신하는 응용제품의 크기와 비용을 최소화함
- 무선전력 수신장치의 동작 전압(operating voltage) Uload = 220~230V(rms)
- 2차 코일의 인덕턴스 Ls = 90uH
- 수신 전력 PL = 1500W±10%
- 부하 전압 UL = 220V 또는 230V(rms)
위와 같은 새로운 클래스에 대한 전자기적 설계 파라미터를 기반으로 동작 주파수에 따른 효율을 실험한 결과, 도 12와 같은 결과를 얻을 수 있었다.
도 12는 일 실시예에 따른 전자기적 설계 파라미터와, 클래스 C의 전자기적 설계 파라미터 간에 동작 주파수와 효율을 비교한 그래프이다.
도 12를 참조하면, 위 실시예에서 도출한 전자기적 설계 파라미터에 따른 무선전력 수신장치와 클래스 C에 따른 무선전력 수신장치를 비교하면, 위 실시예에 따른 무선전력 수신장치가 동작 주파수 fop=24KHz~37KHz 구간에서 더 뛰어난 효율을 나타낸다. 다만, 1.5kW 보다 전력이 더 큰 클래스 C의 구간에 대해서, 2차 코일의 인덕턴스 Ls가 클수록 공진 분리(resonance split)가 발생하고, 제어가 불안정해짐을 관찰할 수 있었다.
참고로, 비교군인 클래스 C에 따른 무선전력 전송 시스템의 전자기적 설계 파라미터는 다음과 같다.
1) 클래스 C에 따른 무선전력 전송 시스템의 설계 파라미터
- 통합 전송 코일의 자기 결합(coupling) 계수 K : 무선전력 전송장치(1100)가 인덕션 홉에 사용되는 경우, K = 0.72
2) 본 실시예에 따른 무선전력 전송장치의 설계 파라미터
- 인버터의 토폴로지 = 하프 브릿지 토폴로지(half-bridge topology)
- 통합 전송 코일의 인덕턴스 Lp = 58uH
- 동작 주파수(operating frequency: OP) fop = 20~50KHz
- 최대 전송 전력 Ptmax > 2700W(avg)
- 통합 전송 코일에 흐르는 전류 Ipmax > 30A(rms)
- Ucmax > 500V(pk-pk)
3) 본 실시예에 따른 무선전력 수신장치의 설계 파라미터
- 전류와 2차 코일의 인덕턴스의 곱(Iload*Ls)은 최소화되어야 함. 무선전력을 수신하는 응용제품의 크기와 비용을 최소화함
- 무선전력 수신장치의 동작 전압(operating voltage) Uload = 230V(rms)
- 2차 코일의 인덕턴스 Ls = 210uH
- 수신 전력 PL = 2400W
- 부하 전압 UL = 230V(rms)
따라서, 본 실시예는 안정적인 ZVC 동작을 위해 2차 코일의 인덕턴스 Ls를 상대적으로 낮게 설계하고, 동작 주파수 fop를 상대적으로 높게 설계하는 방법을 포함한다.
본 실시예와 같은 무선전력 전송 시스템의 전자기적 설계 파라미터를 정리하면 도 13의 표와 같다.
인덕션 홉과 같은 주방가전의 경우, 일반적인 통합 전송 코일의 크기는 15cm보다 작거나 같다. 그런데 만약 2차 코일의 위치 허용 오차(positional tolerance)를 ±5cm로 정의하고 이를 보장하려면, 인덕션 홉의 통합 전송 코일이 재설계되어야 하며, 그렇지 않으면 2차 코일을 구비한 소형 주방가전에는 적용되기 어려울 수 있다. 여기서, 위치 오차는 통합 전송 코일과 2차 코일간에 정렬 오차를 의미하며, 위치 허용 오차는 특정 시스템에서 최대한으로 허용 가능한 정렬 오차를 의미한다. 위치 허용 오차는 무선전력 전송 시스템의 응용분야나 설계 목적에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
본 실시예는 위치 허용 오차를 통합 전송 코일의 크기 대비 비율로써 지시하고, 이러한 위치 허용 오차를 기준으로 무선전력 전송 시스템을 설계하는 방법을 개시한다. 예를 들어, 위치 허용 오차는 통합 전송 코일의 크기의 5%와 같이 정의하고, 이러한 위치 허용 오차를 만족시키도록 무선전력 전송 시스템이 설계될 수 있다. 이 경우, 2차 코일의 위치 허용 오차를 ±5cm 와 같은 절대적인 크기로 지시하지 않고 비율로서 지시하기 때문에, 다양한 소형 주방가전을 일일이 고려함이 없이 통합 전송 코일과 2차 코일의 비율로서 설계할 수 있어 시스템 설계가 비교적 단순화됨과 동시에 더 정밀해질 수 있다.
상기에서 새로운 클래스에 대한 전자기적 설계 파라미터를 개시하였는 바, 이하에서는 새로운 클래스에 관한 무선전력 전송장치의 구조적 또는 물리적 설계 파라미터를 개시한다.
일례로서, 주방가전인 전기 포트의 연속 동작에 따른 온도 성능을 확보하기 위해, 2kW로 구동되는 인덕션 홉에 관한 통합 전송 코일의 물리적 파라미터는 예를 들어 표 4와 같이 설계될 수 있다.
최대 출력[kW] 1.8
정격 출력[kW] 1.2
턴수 17
코일의 외경 6 inch
선경[mm] / 가닥수 Φ0.2 / 100
페라이트 바(WDH,mm) 15×60×5(6ea)
공진 Cap. [uF] 0.39×2ea
다른 예로서, 주방가전인 전기 포트의 연속 동작에 따른 온도 성능을 확보하기 위해, 2.2kW로 구동되는 인덕션 홉에 관한 통합 전송 코일의 물리적 파라미터는 예를 들어 표 5와 같이 설계될 수 있다.
최대 출력[kW] 2.2
정격 출력[kW] 1.4
턴수 19
코일의 외경 6 inch
선경[mm] / 가닥수 Φ0.18 / 100(Φ0.2 / 80)
페라이트 바(WDH,mm) 15×60×5(8ea)
공진 Cap. [uF] 0.39×2ea
표 5에 따른 물리적 설계 파라미터에 의해 제조된 통합 전송 코일은 도 14와 같다.
도 14를 참조하면, 통합 전송 코일(1410)의 일면에 다수의 페라이트 바 (1420)들이 배치될 수 있다. 페라이트 바는 페라이트 레그(leg)라 불릴 수도 있다. 특히, 다수의 페라이트 바들은 각각 통합 전송 코일의 중심에서 외주면으로 뻗어지는 방향으로 배치되되, 각 페라이트 바는 일정 각도 간격으로 순환 배치된다. 본 실시예에 따른 무선전력 전송장치(1100)는 통합 전송 코일(1110)과 차폐부재(1120)가 서로 견고하게 고정 접착되도록, 통합 전송 코일(1110)과 차폐부재(1120) 사이에 접착부가 개재될 수 있다. 페라이트 바의 형상은 도 14에 도시된 직사각형 이외에도, 타원형과 같이 응용분야에 따라 다양한 형태로 제조될 수 있다.
이하에서는 일 실시예에 따른 새로운 클래스에 관한 무선전력 수신장치의 구조적 또는 물리적 설계 파라미터를 개시한다. 본 실시예에 따른 2차 코일 어셈블리(assembly)가 고밀도의 전력수신 및 고효율의 전력 전송 특성을 갖기 위해 요구되는 물리적/전기적 특성 및 고려사항은 다음과 같다.
첫째, 중전력/고전력의 가전 뿐만 아니라 소출력/소물 가전에의 적용을 위해, 적은 2차 코일의 면적을 이용하여 큰 전력을 수신할 수 있는 2차 코일의 설계 방법이 요구된다.
둘째, 2차 코일에 흐르는 공진전류의 크기를 작게 유지할 수 있는 통합 전송 코일 및 2차 코일의 설계 방법이 요구된다.
셋째, 전송 효율을 개선하고 2차 코일 어셈블리의 발열을 감소시킴으로써 안정적인 출력 유지가 가능한 2차 코일의 설계 방법이 요구된다(일반적으로 코일 발열은 출력을 감소시킴).
넷째, 편심(송수신 코일의 정렬이 벗어난 상태 또는 위치 오차)시에도 최소한의 효율을 유지하는 2차 코일의 설계 방법이 요구된다.
이를 위한 일 실시예는 통합 전송 코일이 단일 코일로서 전송 면적이 한정되고 2차 코일의 지름도 약 140mm이내의 적은 면적에도 불구하고, 전송 효율과 에너지 전송 밀도를 높이고 편심시에도 안정적인 무선전력 전송이 가능한 2차 코일 어셈블리를 포함한다.
무선전력 수신장치를 포함하는 소형가전들은 그 종류가 다양한 만큼 2차 코일이 구비될 수 있는 바닥면의 크기 또한 다양하다. 그런데 고출력(i.e. 1.2kW 이상) 전력을 수신하는 무선전력 수신장치의 수신 코일은 그 외경이 일반적으로 약 140mm이상의 크기로 설계된다. 전술된 바와 같이 고출력 사양의 가전들은 그 출력의 크기 및/또는 2차 코일의 사이즈에 따라 다양한 클래스로 분류되어 설계된다.
통합 전송 코일의 크기가 21cm인 경우 36가지 가전들의 출력을 제공하기 위한 2차 코일 외경의 크기들을 클래스 A, B, C로 분류할 수 있다. 각 클래스는 2차 코일의 외경과 출력의 상관도가 유사한 것들끼리 묶어 놓은 것이다. 일반적으로 가전의 출력이 클수록 그 가전이 수용해야 하는 있는 2차 코일의 외경이 커지는 양상을 볼 수 있다. 그러나, 2차 코일의 외경과 출력의 상관도가 정형화되지 않는 가전들도 존재한다. 예를 들어, 출력이 클래스 C에 속하는 일부의 가전들 중에서, 2차 코일의 외경 크기는 클래스 B의 구간에 존재하는 경우가 있다. 따라서 이러한 가전들의 출력과 2차 코일 외경의 조건을 모두 만족시키는 설계 방법이 요구된다.
일 실시예에 따르면, 외경 140mm를 갖는 클래스 B 구간에 속하는 2차 코일들을 기반으로 최대 2kW 무선전력전송을 갖는 2차 코일 어셈블리를 제공한다. 크기가 작은 2차 코일은 무선 소형 가전의 컴팩트한 디자인을 통해 심미적 디자인이 가능하고 무게를 경량화할 수 있는 장점이 있다. 따라서, 본 실시예는 클래스 B 구간에서 가장 작은 2차 코일의 외경인 140mm을 기준으로 최대 2kW 무선전력전송을 갖는 2차 코일 어셈블리를 설계한다.
다른 실시예에 따르면, 무선전력 전송장치의 공진전류의 크기를 기반으로 설계된 2차 코일 어셈블리를 제공한다. 무선전력 전송장치의 통합 전송 코일의 온도가 상승할 경우, 무선전력 전송장치의 출력이 감소하고, 이 경우 소형 가전의 성능을 확보하기 어렵다. 따라서, 연속 동작이 필요한 제품이 안정적으로 동작하려면 동작 시간을 확보하여야 하고, 이를 위해서는 통합 전송 코일 측의 공진 전류를 최소화하는 것이 필요하다.
또 다른 실시예에 따르면, 정심 또는 편심시 효율을 기반으로 기반으로 설계된 2차 코일 어셈블리를 제공한다. 사용자가 무선 소형기기를 통합 전송 코일 상에 놓을 때 정확한 위치 정렬이 보장되지 않고, 때에 따라 편심 상황이 발생할 수 있다. 그러나 편심은 효율/출력 감소를 발생시킨다. 따라서 본 실시예는 편심시에도 무선기기 동작에 충분한 효율을 제공하도록 2차 코일 어셈블리를 설계하여 무선소물기기의 성능을 일정하게 유지하도록 한다.
도 15는 일 실시예에 따른 2차 코일 어셈블리의 구조를 도시한 개념도이다.
도 15를 참조하면, 2차 코일 어셈블리(1600)는 리츠 코일로 구성된 2차 코일(1610), 페라이트 바(Ferrite bar, 1620), 2차 코일(1610)과 페라이트 바(1620)를 지지하는 몰드부(1630), 및 차폐부재(1640, 예를 들어 Al 베이스)를 포함한다. 2차 코일(1610)은 평면 나선 패턴으로 권선되어, 차폐부재(1640)의 일면상에 배치된다. 2차 코일(1610)의 권선 형태는 평면 나선형태일 수도 있으나, 이에 한정될 필요는 없고, 사각형, 타원형, 삼각형 등 다양한 패턴을 형성할 수 있음은 물론이다. 또한, 2차 코일(1610)로서 리츠 코일 대신 하나의 구리선이 사용될 수도 있다.
도 16은 일 실시예에 따른 실제 실험에 사용된 2차 코일 어셈블리의 구조를 도시한 것이다.
도 16을 참조하면, 2차 코일 어셈블리(1700)는 리츠 코일로 구성된 2차 코일(1710), 페라이트 바(1720), 2차 코일(1710)과 페라이트 바(1720)를 지지하는 몰드부(1730), 및 차폐부재(1740, 예를 들어 Al 베이스)를 포함한다.
일례로서, 2차 코일(1710)의 외경은 140mm이하이고, 내경은 40mm 이상일 수 있다.
다른 예로서, 2차 코일(1710)의 턴수는 최소 20턴 이상일 수 있다.
또 다른 예로서, 2차 코일 어셈블리(1700)는 다수개의 페라이트 바(1720)를 구비하되, 그 개수는 최소 7개일 수 있다. 여기서, 페라이트 바(1720)의 길이는 적어도 60mm일 수 있다. 또한, 페라이트 바(1720)는 2차 코일(1710)의 외경의 바깥쪽으로 연장되는 길이를 가질 수 있다.
또 다른 예로서, 2차 코일 어셈블리(1700)는 통합 전송 코일 측 공진 전류의 크기가 30A(rms) 이하가 되도록 설계될 수 있다.
또 다른 예로서, 2차 코일 어셈블리(1700)는 AI 베이스를 포함하여 측정된 인덕턴스가 100 uH 이상을 가질 수 있다.
또 다른 예로서, 페라이트 바(1720) 또는 자기회로의 면적은 최소 6300mm2 이상이 되도록 설계될 수 있다.
이하에서는 2차 코일 어셈블리가 고밀도/고효율의 전력 특성을 갖기 위해 도 16과 같은 전기적/물리적 설계 파라미터에 의해 설계됨이 바람직함을 입증하기 위해 실시된 실험을 개시한다.
본 실험의 목표는 편심 조건에서 규격하한(lower specification limit: LSL) 효율이 85%이고, 편심 조건에서 통합 전송 코일측의 공진 전류 규격상한(upper specification limit: USL)이 30A(rms)인 2차 코일 어셈블리를 설계하는 것이다.
효율의 규격하한과 관련하여, 정규 분포의 z=4.5, 표준편차(σ)=0.42842를 기준으로 목표 효율=z*σ+LSL=4.5*0.42842+85=86.92%가 된다.
통합 전송 코일측의 공진 전류 규격상한과 관련하여, 정규 분포의 z=4.5, 표준편차(σ)=0.48233을 기준으로 목표 공진 전류 =USL-z*σ=30-4.5*0.48233=27.83A(rms)이 된다.
먼저, 정심 조건에서 규격하한 효율 85%를 만족하기 위한 2차 코일 어셈블리를 설계하기 위해, 2차 코일의 최적 턴수를 도출하는 실험을 실시하였다. 일례로서, 코일의 턴수와 효율간의 상관성을 통해 2차 코일의 최적 턴수를 도출할 수 있다. 본 실험에서 사용된 페라이트 바는 6개이다.
도 17은 일례에 따른 2차 코일들의 턴수에 따른 통합 전송 코일의 공진 전류 및 효율을 비교한 것이다.
도 17을 참조하면, (a)는 2차 코일의 턴수가 20인 경우이고 (b)는 2차 코일의 턴수가 15인 경우이다. 2차 코일의 턴수가 20일 때와 15일 때 통합 전송 코일에 흐르는 공진 전류는 각각 32.3A(rms), 37.5A(rms)이고, 2차 코일에 흐르는 공진 전류는 각각 11.36A(rms), 9.82A(rms)였다.
본 실험 결과에 따르면, 최소 효율 85%를 만족하기 위해서 2차 코일의 최소 턴수는 20임을 알 수 있다. 즉, 2차 코일의 턴수는 20 이상이 바람직하다. 따라서, 목표 효율 87%를 달성하기 위한 2차 코일의 턴수는 적어도 최소 효율 85%를 만족하는 최소 턴수 20보다는 커야 함을 알 수 있다.
목표 효율 87%를 제공하는 2차 코일의 턴수를 도출하기 위해, 통합 전송 코일과 2차 코일 파라미터를 측정(LCR Meter)한 결과, 도 18과와 같이 2차 코일의 턴수는 28이 바람직함을 확인할 수 있었다.
다음으로, 편심 조건에서 목표 효율 87%를 만족하기 위한 2차 코일 어셈블리의 전기적/물리적 파라미터를 설계한다. 2차 코일의 턴수는 도 18에서 도출된 턴수인 28을 사용하되, 페라이트 바의 길이와 개수의 다양한 조합(SET)으로 효율을 측정하였다. 구체적으로, 본 실험은 i) 먼저 목표 효율 87%를 만족하는 페라이트 바의 길이와 개수의 최적 조합을 도출하고, ii) 상기 도출된 최적 조합으로 10개의 2차 코일 어셈블리 샘플을 제작하여 z값을 확인(검증)하는 순서로 진행되었다.
1) 목표 효율 87%를 만족하는 페라이트 바의 길이와 개수의 최적 조합을 도출 - 중심합성설계(Central Composite Design) 실험
도 19는 일 실시예에 따른 중심합성 설계 실험 방법을 도시한 것이다.
도 19를 참조하면, 페라이트 바의 개수와 페라이트 바의 길이의 조합(set)을 (X1, X2)로 나타내고, 각 조합별로 인자 및 인자별 수준 설계 및 22 FD + 중심점 실험을 실시하였다.
중심합성설계 실험의 조건을 보면, 고정인자는 전송 출력=2000W, 갭(gap)=16mm, 2차 코일의 외경=140mm, 2차 코일의 내경=42mm, 편심=25mm으로 설정하였다. 그 외 나머지 인자들은 아래와 같다.
- factors : 2
- base runs : 13
- base blocks : 1
- replicates : 1
- Total runs : 13
- Total blocks : 1
- Two-level factorial : Full factorial
- Cube points : 4
- Center points in cube : 5
- Axial points : 4
- Center points in axial : 0
- Alpha : 1
중심합성설계 실험 횟수를 보면, 중심점(6, 55)에서 5회 반복 실험을 실시하였고, 4개의 요인점 SET(4, 65), SET(4, 45), SET(8, 65), SET(8, 45)에서 4회 실험을 실시하였으며, 4개의 축점(face centered) SET(4, 55), SET(6, 65), SET(8, 55), SET(6, 45)에서 4회 실험을 실시하였다. 이렇게 총 13회의 실험을 실시한 결과, 도 20과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
도 20은 도 19의 실험 결과를 나타낸 표이다.
도 20을 참조하면, 페라이트 바의 길이와 개수의 13가지 조합에 대해 각각 효율을 측정한 결과, 효율이 85% 이상인 조합은 총 3가지{(6, 65), (8, 65), (8, 55)}로 나타났다.
위 조합들을 다시 순차적으로 조합 번호 1, 2, 3으로 인덱싱한 뒤, 최적 예상점(또는 예상영역)을 확인하기 위해 도 21과 같이 페라이트 개수와 페라이트 길이의 관계를 Overlaid Contour Plot에 나타내었다.
도 21을 참조하면, Overlaid Contour Plot내 통합 전송 코일 측 공진 전류 30A(rms) 이하 및 목표 효율 85% 이상 영역이 존재함을 알 수 있다. 여기서, 효율이 가장 높게 나타나는 최적의 페라이트 개수와 페라이트 길이 인자의 조합은 조합 번호 2(효율 86.96%)임을 알 수 있다. 따라서, 조합번호 2를 우선순위로 하여 실제 샘플을 제작한 뒤 검증을 실시하였다.
2) 최적 조합으로 10개의 2차 코일 어셈블리 샘플을 제작하여 z값을 확인(검증)
조합 (8, 65)로서 10개의 2차 코일 어셈블리 샘플(시료)들을 제작한 뒤, 효율 및 공진 전류를 측정하고 검증을 실시하여 도 22A 내지 도 23B의 결과를 얻었다. 실험 조건은 코일간 간격(gap)=16mm, 편심=25mm(30%)이다.
도 22A는 일례의 실험에서 각 시료에 대해 측정된 효율을 나타내고, 도 22B는 시료들에 대한 검증 결과 리포트이다. 여기서, Assy#는 시료의 번호이다.
도 22A 및 22B를 참조하면, 10개 시료에서 측정된 평균 효율은 87.31%였고, 표준편차는 0.27469이며, 정규성 P-value는 0.745였다. 여기서, z값은 8.41(>4.5)이므로, 위 조합은 본 실험이 요구하는 효율 요구사항을 만족하였고, 도 22B와 같이 효율 테스트를 통과하였음을 확인하였다.
도 23A는 일례의 실험에서 각 시료에 의해 측정된 통합 전송 코일 측 공진 전류를 나타내고, 도 23B는 시료들에 대한 검증 결과 리포트이다. 여기서, Assy#는 시료의 번호이다.
도 23A 및 23B를 참조하면, 10개 시료에서 측정된 통합 전송 코일 측 공진 전류는 27.546A(rms)였고, 표준편차는 0.44237이며, 정규성 P-value는 0.821이었다. 여기서, z값은 5.55(>4.5)이므로, 위 조합은 본 실험이 요구하는 공진 전류 요구사항을 만족하였고, 도 23B와 같이 효율 테스트를 통과하였음을 확인하였다.
편심 조건에서 위 조합이 최적 조합임을 도출하였는 바, 이제 위 조합으로 정심 조건에서의 효율과 공진 전류가 목표에 부합하는지를 다시 검증해보았다.
즉, 정심 조건에서 조합 (8, 65)로서 10개의 2차 코일 어셈블리 샘플(시료)들을 제작한 뒤, 효율 및 공진 전류를 측정하고 검증을 실시하여 도 24A 내지 도 25B의 결과를 얻었다. 실험 조건은 코일간 간격(gap)=16mm, 편심=0mm(0%)이다.
도 24A는 다른 예의 실험에서 각 시료에 대해 측정된 효율을 나타내고, 도 24B는 시료들에 대한 검증 결과 리포트이다. 여기서, Assy#는 시료의 번호이다.
도 24A 및 24B를 참조하면, 10개 시료에서 측정된 평균 효율은 89.855%였고, 표준편차는 0.03739이며, 정규성 P-value는 0.078이었다. 여기서, z값은 129.85(>4.5)이므로, 위 조합은 본 실험이 요구하는 효율 요구사항을 만족하였고, 도 24B와 같이 효율 테스트를 통과하였음을 확인하였다.
도 25A는 다른 예의 실험에서 각 시료에 의해 측정된 통합 전송 코일 측 공진 전류를 나타내고, 도 25B는 시료들에 대한 검증 결과 리포트이다. 여기서, Assy#는 시료의 번호이다.
도 25A 및 25B를 참조하면, 10개 시료에서 측정된 통합 전송 코일 측 공진 전류는 23.272A(rms)였고, 표준편차는 0.059853이며, 정규성 P-value는 0.209이었다. 여기서, z값은 112.4(>4.5)이므로, 위 조합은 본 실험이 요구하는 공진 전류 요구사항을 만족하였고, 도 25B와 같이 효율 테스트를 통과하였음을 확인하였다.
이러한 실험 결과에 따라 설계된 바람직한 2차 코일 어셈블리의 전기적/물리적 설계 파라미터를 정리하면 표 6과 같다.
공진주파수 29kHz(0.26uF)
턴수 28턴
인덕턴스 112.6uH
자기회로(페라이트 바) 크기 65×15×5T
자기회로(페라이트 바) 개수 8개
또한, 본 실험 결과에 따라 설계된 바람직한 2차 코일 어셈블리의 전기적/물리적 설계 파라미터를 다른 비교군과 대조하면 도 27과 같다. 도 26은 바람직한 실시예에 다른 2차 코일 어셈블리의 전기적/물리적 설계 파라미터를 비교군과 대조한 것이다. 구체적으로, 편심과 정심의 경우에 페라이트 바의 길이와 개수에 따른 효율과 통합 전송 코일의 공진 전류를 비교한 것이다.
도 26을 참조하면, (a)는 페라이트 바가 8개이고 각 페라이트 바의 길이=65mm인 경우에, 편심과 정심 조건에서 효율과 통합 전송 코일의 공진 전류를 측정한 결과이다. 그리고 (b)는 페라이트 바가 8개이고 각 페라이트 바의 길이=60mm인 경우에, 편심과 정심 위치에서 효율과 통합 전송 코일의 공진 전류를 측정한 결과이다.
(a)와 (b)를 비교하면, (a)의 경우에 더 높은 효율이 관찰되었고, 이는 편심의 상황에서도 페라이트 바의 길이가 길면 더 높은 효율이 달성될 수 있음을 의미한다.
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 (15)

  1. 무선전력 전송장치로서,
    무선전력 수신장치에 구비된 2차 코일(secondary coil)과 자기 커플링(magnetic coupling)되어 상기 무선전력 수신장치로 무선전력을 전송하거나, 외부 물체를 가열하도록 구성된 통합 전송 코일(integrated transmitting coil), 상기 통합 전송 코일의 일 면에 배치되는 자기회로(magnetic circuit), 상기 통합 전송 코일과 상기 자기회로를 지지하는 차폐부재, 상기 통합 전송 코일에 연결되어 상기 통합 전송 코일을 구동하는 인버터를 포함하는 전력 변환 유닛; 및
    상기 통합 전송 코일을 가열 모드 또는 무선전력 전송 모드 중 어느 하나로 제어하고, 상기 무선전력 수신장치와의 통신을 수행하는 통신/컨트롤 유닛을 포함하되,
    상기 2차 코일의 외경 ф=13~16cm이며 상기 무선전력 수신장치가 1500W 내지 2000W의 출력의 클래스에 속하는 경우, 상기 통합 전송 코일의 동작 주파수는 상기 클래스보다 더 높은 출력의 클래스에 관한 동작 주파수 보다 더 크고, 상기 통합 전송 코일의 인덕턴스는 상기 클래스보다 더 높은 출력의 클래스에 의해 요구되는 값보다 더 작은 것을 특징으로 하는, 무선전력 전송장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 무선전력 수신장치가 상기 1500W 내지 2000W의 전력을 90% 이상의 효율로 수신하도록 상기 통합 전송 코일 및 상기 2차 코일의 전기적 또는 물리적 파라미터들이 상호 연관되어 설계됨을 특징으로 하는, 무선전력 전송장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 통합 전송 코일과 상기 2차 코일 간의 자기 결합 계수는 0.65인 것을 특징으로 하는, 무선전력 전송장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 통합 전송 코일의 인덕턴스는 44uH 또는 45uH이고,
    상기 2차 코일의 인덕턴스는 90uH인 것을 특징으로 하는, 무선전력 전송장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 통합 전송 코일의 동작 주파수는 30 내지 40kHz인 것을 특징으로 하는, 무선전력 전송장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 통합 전송 코일의 동작 주파수는 37kHz인 것을 특징으로 하는, 무선전력 전송장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 2차 코일의 외경은 14cm인 것을 특징으로 하는, 무선전력 전송장치.
  8. 무선전력 수신장치로서,
    무선전력 전송장치에 구비된 통합 전송 코일(integrated transmitting coil)과 자기 커플링(magnetic coupling)되어 상기 무선전력 전송장치로부터 무선전력을 수신하는 2차 코일(secondary coil), 상기 2차 코일의 일 면에 배치되는 자기회로(magnetic circuit), 상기 2차 코일과 상기 자기회로를 지지하는 차폐부재, 상기 2차 코일에 의해 수신된 무선전력에 따른 교류 신호를 직류 신호로 정류하는 정류회로를 포함하는 전력 픽업 유닛; 및
    상기 무선전력의 전송을 제어하고, 상기 무선전력 전송장치와 통신을 수행하는 통신/컨트롤 유닛을 포함하되,
    상기 2차 코일의 외경 ф=13~16cm이며, 상기 무선전력 수신장치는 1500W 내지 2000W의 출력의 클래스에 속하고, 상기 무선전력 수신을 위한 동작 주파수는 상기 클래스보다 더 높은 출력의 클래스에 관한 동작 주파수 보다 더 크고, 상기 2차 코일의 인덕턴스는 상기 클래스보다 더 높은 출력의 클래스에 의해 요구되는 값보다 더 작은 것을 특징으로 하는, 무선전력 수신장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 2차 코일의 턴수는 28턴인 것을 특징으로 하는, 무선전력 수신장치.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 2차 코일 및 상기 자기회로의 전기적 또는 물리적 파라미터들은, 상기 2차 코일이 상기 통합 전송 코일로부터 25mm 편심된 경우에 87%의 전송 효율을 제공하도록 설계됨을 특징으로 하는, 무선전력 수신장치.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 2차 코일 및 상기 자기회로의 전기적 또는 물리적 파라미터들은, 상기 2차 코일이 상기 통합 전송 코일로부터 25mm 편심된 경우 상기 통합 전송 코일 측의 공진 전류가 27A(rms)이 되도록 설계됨을 특징으로 하는, 무선전력 수신장치.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 2차 코일의 외경 ф=14cm이고, 내경은 4cm인 것을 특징으로 하는, 무선전력 수신장치.
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 자기회로는 적어도 하나의 페라이트 바(ferrite bar)를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 페라이트 바의 길이는 적어도 60mm이고 그 개수는 적어도 7개인 것을 특징으로 하는, 무선전력 수신장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 페라이트 바의 길이는 65mm이고, 그 개수는 8개인 것을 특징으로 하는, 무선전력 수신장치.
  15. 제 8 항에 있어서,
    상기 통합 전송 코일과 상기 2차 코일간의 거리는 16mm로 설계되는 것을 특징으로 하는, 무선전력 수신장치.
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