KR102682437B1 - 무선 전력 전송 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
무선 전력 전송 방법 및 장치가 개시된다. 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 방법은, 수신 장치에 전력을 무선으로 전송하면서 수신 장치의 위치를 확인하고, 수신 장치가 충전 영역 밖에 있을 때 수신 장치에 전송한 전송 전력과 수신 장치가 수신한 수신 전력의 차이인 전력 손실과 비교하는 충전 중지 레벨을 변경할 수 있다. 수신 장치가 수신한 수신 전력이 기준 전력 이상이고 수신 장치에 전력을 전송할 때의 전력 제어 레벨이 기준 값 이상일 때 수신 장치가 충전 영역 밖에 있는 것으로 판단할 수 있다. 충전 중지 레벨을 변경하고 소정 시간이 경과할 때까지 전력 손실이 변경된 충전 중지 레벨보다 낮을 때, 충전 중지 레벨을 원래 값으로 복귀시킬 수 있다.
Description
이 명세서는 무선으로 전력을 전송하는 장치와 방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로 충전 영역 밖에서 수신 장치가 놓여 전력 전송 진행이 어려울 때 전력 전송을 서둘러 종료하는 방법에 관한 것이다.
통신 및 정보 처리 기술이 발달함에 따라 스마트 폰 등은 스마트 단말기의 사용이 점차적으로 증가되고 있는데, 현재 스마트 단말에 많이 적용되고 있는 충전 방식은 전원에 연결된 어댑터를 스마트 단말기에 직접 연결하여 외부 전원을 공급받아 충전하거나 또는 호스트의 USB 단자를 통해 스마트 단말기에 연결하여 호스트의 USB 전원을 공급받아 충전하는 방식이다.
최근에는, 연결 선을 통해 어댑터에 또는 호스트에 스마트 단말기를 직접 연결해야 하는 불편함을 줄이기 위하여, 전기적 접촉 없이 자기 결합을 이용하여 배터리를 무선으로 충전하는 무선 충전 방식이 점차 스마트 단말기에 적용되고 있다.
무선으로 전기 에너지를 공급하거나 공급받기 위한 방법이 몇 가지 있는데, 대표적으로 전자기 유도 현상에 기초한 유도 결합(Inductive Coupling) 방식과 특정 주파수의 무선 전력 신호에 의한 전자기적 공진 현상에 기초한 공진 결합(Electromagnetic Resonance Coupling) 방식이 있다.
두 방식 모두 무선 충전 장치와 스마트 단말과 같은 전자 기기 사이에 통신 채널을 형성하여 데이터를 주고받음으로써 전력 전송의 안정성을 확보하고 전송 효율을 높일 수 있다. 유도 결합 방식은 무선으로 전력을 전송하는 동안 전력 수신 장치가 이동하여 전송 효율이 저하되는 문제가 있고, 공진 결합 방식은 통신 채널에 잡음이 발생하여 전력 전송이 중단되는 현상이 발생하는 문제가 있다.
수신 장치가 전송 장치의 충전 영역 밖에서 충전을 시도할 때, 즉 사용자가 스마트 단말을 충전기의 충전 영역에 맞추지 못하고 충전 영역 언저리에 놓은 상태로 충전이 진행되는 경우, 충전이 제대로 진행되지 않을 수 있다. 이러한 경우, 일정 시간이 경과한 후 스마트 단말이 충전될 것을 기대했던 사용자는 스마트 단말이 충전되지 않은 상태를 확인하고 낭패를 겪을 수 있다.
이 명세서는 이러한 상황을 감안한 것으로, 이 명세서의 목적은 수신 장치가 충전 영역 밖에 놓인 상태로 충전이 시도될 때 사용자가 위치를 변경하도록 신속히 충전을 종료하는 방법을 제공하는 데 있다.
상기한 과제를 실현하기 위한 이 명세서의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 방법은, 수신 장치에 전력을 무선으로 전송하면서 수신 장치의 위치를 확인하는 단계; 및 수신 장치가 충전 영역 밖에 있을 때, 수신 장치에 전송한 전송 전력과 수신 장치가 수신한 수신 전력의 차이인 전력 손실과 비교하는 충전 중지 레벨을 변경하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이 명세서의 다른 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치는, 직류 전원의 전압을 변경하기 위한 벅 컨버터 및 전압이 변경된 직류 전원을 교류로 변환하기 위한 인버터와 수신 장치의 2차 코일과의 자기 유도 결합에 의해 전력을 전송하기 위한 1차 코일을 포함하는 공진 회로를 포함하는 전력 변환부; 및 전력 변환부를 제어하여 수신 장치에 전력을 무선으로 전송하면서 수신 장치의 위치를 확인하고, 수신 장치가 충전 영역 밖에 있을 때 수신 장치에 전송한 전송 전력과 수신 장치가 수신한 수신 전력의 차이인 전력 손실과 비교하는 충전 중지 레벨을 변경하기 위한 제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
따라서, 충전 영역 밖에서 충전이 시도될 때 충전을 끊어 사용자가 단말 위치를 변경하여 다시 충전을 시도할 수 있도록 안내할 수 있게 된다. 또한, 충전을 시작하고 일정 시간 이상 충전이 계속되면 사용자는 100% 완충을 기대할 수 있게 된다.
도 1은 무선 전력 전송 장치로부터 전자 기기로 전력이 무선으로 전송되는 것을 개념적으로 나타낸 것이고,
도 2는 전자기 유도 방식으로 전력을 무선으로 전송하기 위한 전송 모듈의 전력 변환부의 회로 구성을 개념적으로 도시한 것이고,
도 3은 무선 전력 전송 모듈과 수신 모듈이 전력과 메시지를 주고받기 위한 구성을 도시한 것이고,
도 4는 무선 전력 전송 모듈과 수신 모듈 사이 전력 전송을 제어하기 위한 루프를 블록으로 도시한 것이고,
도 5는 전송 장치의 충전 영역을 도시한 것이고,
도 6은 전력 손실과 충전 중지 레벨의 비교를 통해 결정되는 충전 영역의 경계 및 충전 영역에서의 전력 제어 레벨의 변화를 도시한 것이고,
도 7은 충전 영역의 중심으로부터의 이격 옵셋에 따른 벅 듀티(Buck Duty)와 제어 에러 패킷을 표로 도시한 것이고,
도 8은 수신 장치가 충전 영역 밖에 놓일 때 충전 중지 레벨을 하향 조절하는 실시예를 그래프로 도시한 것이고,
도 9는 충전 중지 레벨을 하향 조절하여 일정 시간이 경과한 이후에도 충전이 진행되는 경우 충전 중지 레벨을 종래 레벨로 변경하는 실시예를 그래프로 도시한 것이고,
도 10은 이 명세서의 일 실시예에 따라 충전 중지 레벨을 조절하면서 무선으로 전력을 전송하는 방법에 대한 동작 흐름도를 도시한 것이다.
도 2는 전자기 유도 방식으로 전력을 무선으로 전송하기 위한 전송 모듈의 전력 변환부의 회로 구성을 개념적으로 도시한 것이고,
도 3은 무선 전력 전송 모듈과 수신 모듈이 전력과 메시지를 주고받기 위한 구성을 도시한 것이고,
도 4는 무선 전력 전송 모듈과 수신 모듈 사이 전력 전송을 제어하기 위한 루프를 블록으로 도시한 것이고,
도 5는 전송 장치의 충전 영역을 도시한 것이고,
도 6은 전력 손실과 충전 중지 레벨의 비교를 통해 결정되는 충전 영역의 경계 및 충전 영역에서의 전력 제어 레벨의 변화를 도시한 것이고,
도 7은 충전 영역의 중심으로부터의 이격 옵셋에 따른 벅 듀티(Buck Duty)와 제어 에러 패킷을 표로 도시한 것이고,
도 8은 수신 장치가 충전 영역 밖에 놓일 때 충전 중지 레벨을 하향 조절하는 실시예를 그래프로 도시한 것이고,
도 9는 충전 중지 레벨을 하향 조절하여 일정 시간이 경과한 이후에도 충전이 진행되는 경우 충전 중지 레벨을 종래 레벨로 변경하는 실시예를 그래프로 도시한 것이고,
도 10은 이 명세서의 일 실시예에 따라 충전 중지 레벨을 조절하면서 무선으로 전력을 전송하는 방법에 대한 동작 흐름도를 도시한 것이다.
이하, 무선 전력 전송 장치 및 방법에 대한 실시예를 첨부하는 도면에 의거하여 상세히 설명한다.
도 1은 무선 전력 전송 장치로부터 전자 기기로 전력이 무선으로 전송되는 것을 개념적으로 나타낸 것이다.
무선 전력 전송 장치(1)는, 전자 기기(2)가 필요로 하는 전력을 무선으로 전달하는 전력 전달 장치이거나, 무선으로 전력을 전달함으로써 전자 기기(2)의 배터리를 충전하기 위한 무선 충전 장치일 수 있고, 또는 접촉되지 않은 상태에서 전원이 필요한 전자 기기(2)에 전력을 전달하는 여러 가지 형태의 장치로 구현될 수 있다.
전자 기기(2)는 무선 전력 전송 장치(1)로부터 무선으로 전력을 수신하여 동작이 가능한 기기로, 무선으로 수신되는 전력을 이용하여 배터리를 충전할 수도 있다. 무선으로 전력을 수신하는 전자 기기는 휴대가 가능한 전자 기기, 예를 들어 스마트 폰이나 스마트 단말, 태블릿 컴퓨터, 멀티미디어 단말, 키보드, 마우스, 영상 또는 음성의 보조 장치 등의 입출력 장치, 보조 배터리 등을 포함할 수 있다.
무선 전력 전송 장치(1)의 무선 전력 신호에 의한 전자기 유도 현상에 기초한 유도 결합 방식, 즉 무선 전력 전송 장치(1)에서 전송하는 무선 전력 신호에 의하여 전자 기기(2)에서 공진이 발생하고 공진 현상에 의하여 무선 전력 전송 장치(1)로부터 전자 기기(2)로 접촉 없이 무선으로 전력이 전달될 수 있는데, 전자기 유도 현상에 의하여 1차 코일에서 교류 전류에 의해 자기장을 변화시켜 2차 코일 쪽에 전류를 유도함으로써 전력을 전달한다.
무선 전력 전송 장치(1)의 1차 코일에 흐르는 전류의 세기가 변화하면, 그 전류에 의해 1차 코일 또는 전송 코일(primary coil, TX coil)을 통과하는 자기장이 변화하고, 변화된 자기장은 전자 기기(2) 내의 2차 코일 또는 수신 코일(secondary coil, RX coil) 측에 유도 기전력을 발생시킨다.
무선 전력 전송 장치(1) 측의 1차 코일과 전자 기기(2) 측의 2차 코일이 근접하도록 무선 전력 전송 장치(1) 및 전자 기기(2)를 배치하고, 무선 전력 전송 장치(1)가 1차 코일의 전류가 변화하도록 제어하면, 전자 기기(2)는 2차 코일에 유도된 기전력을 이용하여 배터리와 같은 부하에 전원을 공급한다.
유도 결합 방식에 의한 무선 전력 전달의 효율은, 무선 전력 전송 장치(1)와 전자 기기(2) 사이의 배치와 거리의 영향을 받게 되므로, 무선 전력 전송 장치(1)는 평평한 인터페이스 표면을 포함하도록 구성되고 인터페이스 표면의 하부에는 1차 코일이 장착되고, 인터페이스 표면 상부에 하나 이상의 전자 기기가 놓일 수 있다. 인터페이스 표면 하부에 장착된 1차 코일과 인터페이스 표면 상부에 위치한 2차 코일 사이 공간을 충분히 작게 함으로써 유도 결합 방식에 의한 무선 전력 전달의 효율을 올릴 수 있다.
인터페이스 표면 상부에는 전자 기기가 놓일 위치를 지시하는 마크가 표시될 수 있는데, 인터페이스 표면 하부에 장착된 1차 코일과 2차 코일 사이의 배열이 적합하게 이루어지도록 하는 전자 기기의 위치를 지시할 수 있다. 전자 기기의 위치를 안내하기 위한 돌출 형태의 구조물이 인터페이스 표면 상부에 형성될 수도 있고, 인터페이스 표면 하부에 자석과 같은 자성체를 형성하여 전자 기기 내부에 마련된 다른 극의 자성체와의 인력에 의하여 1차 코일과 2차 코일이 잘 배열되도록 안내할 수도 있다.
도 2는 전자기 유도 방식으로 전력을 무선으로 전송하기 위한 전송 모듈의 전력 변환부의 회로 구성을 개념적으로 도시한 것이다.
무선 전력 전송 모듈은 크게 전원 및 인버터와 공진 회로로 구성되는 전력 변환부를 포함하여 구성될 수 있는데, 전원은 전압원이나 전류원이 될 수 있고 전력 변환부는 전원으로부터 공급되는 전력을 무선 전력 신호로 변환하여 무선 전력 수신 모듈에 전달한다. 무선 전력 신호는 공진 특성을 갖는 자기장 또는 전자기장 형태로 형성되고, 공진 회로는 무선 전력 신호를 발생시키는 코일을 포함한다.
인버터는 스위칭 소자와 제어 회로를 통해 직류 입력을 원하는 전압과 주파수의 교류 파형으로 변환하는데, 도 2에서는 풀 브리지(Full-bridge) 인버터를 도시한 것이고, 하프 브리지 인버터 등 다른 종류의 인버터도 가능하다.
공진 회로는 자기 유도 방식으로 전력을 전송할 1차 코일(Lp)과 커패시터(Cp)를 포함하여 구성되는데, 코일과 커패시터가 전력 전송의 기본 공진 주파수를 결정한다. 1차 코일은 전류의 변화에 따라 무선 전력 신호에 해당하는 자기장을 형성하고, 평판 형태 또는 솔레노이드 형태로 구현될 수 있다.
인버터에 의해 변환된 교류 전류가 공진 회로를 구동시킴으로써 1차 코일에 자기장이 형성되는데, 인버터가 포함된 스위치의 온/오프 타이밍을 제어하여 공진 회로의 공진 주파수에 가까운 주파수의 교류를 생성하여 전송 모듈의 전송 효율을 높일 수 있고, 인버터를 제어함으로써 전송 모듈의 전송 효율을 변경할 수 있다.
도 3은 무선 전력 전송 모듈과 수신 모듈이 전력과 메시지를 주고받기 위한 구성을 도시한 것이다.
전력 변환부는 수신 모듈의 수신 상태와 상관없이 일방적으로 전력을 전송할 뿐이므로, 수신 모듈의 상태에 맞도록 전력을 전송하기 위해서는 수신 모듈로부터 수신 상태와 관련된 피드백을 받기 위한 구성이 무선 전력 전송 모듈에 필요하다.
무선 전력 전송 모듈(100)은 전력 변환부(110), 통신부(120), 제어부(130) 및 전원부(140)를 포함하여 구성될 수 있고, 무선 전력 수신 모듈(200)은 전력 수신부(210), 통신부(220) 및 제어부(230)를 포함하여 구성될 수 있고 수신되는 전력이 공급될 부하(또는 전원부)(240)를 더 포함하여 구성될 수 있다. 부하(240)는 전력 수신부(210)로부터 공급되는 전력으로 내부 배터리를 충전하기 위한 충전부를 포함할 수 있다.
전력 변환부(110)는, 도 2의 인버터와 공진 회로로 구성되고, 무선 전력 신호를 형성시키기 위해 사용되는 주파수, 전압, 전류 등의 특성을 조절할 수 있는 회로를 더 포함하도록 구성될 수 있다.
통신부(120)는, 전력 변환부(110)에 연결되어, 전송 모듈(100)로부터 자기 유도에 따라 무선으로 전력을 수신하는 수신 모듈(200)에 의하여 변조되는 무선 전력 신호를 복조하여 전력 제어 메시지를 검출할 수 있다.
제어부(130)는, 통신부(120)가 검출하는 메시지를 기초로, 전력 변환부(110)의 동작 주파수, 전압, 전류 중 하나 이상의 특성을 결정하고, 전력 변환부(110)를 제어하여 전력 변환부(110)가 메시지에 적합한 무선 전력 신호를 생성하도록 할 수 있다. 통신부(120)와 제어부(130)는 하나의 모듈로 구성될 수 있다.
전력 수신부(210)는, 전력 변환부(110)의 1차 코일에서 발생하는 자기장의 변화에 따라 유도 기전력이 발생하는 2차 코일과 커패시터로 구성되는 매칭 회로를 포함하고, 2차 코일에 흐르는 교류 전류를 정류하여 직류 전류를 출력하는 정류 회로를 포함할 수 있다.
수신 모듈의 통신부(220)는, 전력 수신부(210)에 연결되고, DC에서의 저항 부하 및/또는 AC에서의 용량성 부하를 조절하는 방식으로 전력 수신부의 부하를 조절함으로써, 전송 모듈과 수신 모듈 사이의 무선 전력 신호를 변화시켜 전력 제어 메시지를 전송 모듈에 전송할 수 있다.
수신 모듈의 제어부(230)는, 수신 모듈에 포함된 각 구성 요소를 제어하는데, 전력 수신부(210)의 출력을 전류 또는 전압 형태로 측정하고, 이를 근거로 통신부(220)를 제어하여 무선 전력 전송 모듈(100)에 전력 제어 메시지를 전달할 수 있다. 메시지는 무선 전력 전송 모듈(100)로 하여금 무선 전력 신호의 전달을 시작하거나 종료하도록 지시할 수 있고 또한 무선 전력 신호의 특성을 조절하도록 할 수 있다.
전송 모듈의 전력 변환부(110)에 의하여 형성된 무선 전력 신호는 전력 수신부(210)에 의하여 수신되고, 수신 모듈의 제어부(230)는 무선 전력 신호를 변조하도록 통신부(220)를 제어하는데, 제어부(230)는 통신부(220)의 리액턴스(reactance)를 변경시킴으로써 무선 전력 신호로부터 수신하는 전력량이 변하도록 하는 변조 과정을 수행할 수 있다. 무선 전력 신호로부터 수신되는 전력량이 변하면 무선 전력 신호를 형성시키는 전력 변환부(110)의 전류 및/또는 전압도 바뀌고, 무선 전력 전송 모듈(100)의 통신부(120)는 전력 변환부(110)의 전류 및/또는 전압의 변경을 감지하여 복조 과정을 수행할 수 있다.
수신 모듈의 제어부(230)는, 무선 전력 전송 모듈(100)에게 전달하고자 하는 메시지를 포함하는 패킷을 생성하고 생성되는 패킷을 포함하도록 무선 전력 신호를 변조하고, 전송 모듈의 제어부(130)는 통신부(120)를 통해 추출한 패킷을 디코딩 하여 전력 제어 메시지를 획득할 수 있는데, 수신 모듈의 제어부(230)는 수신되는 파워를 조절하기 위하여 전력 수신부(210)를 통해 수신되는 전력량을 근거로 무선 전력 신호의 특성을 변경을 요청하는 메시지를 전송할 수 있다.
도 4는 무선 전력 전송 모듈과 수신 모듈 사이 전력 전송을 제어하기 위한 루프를 블록으로 도시한 것이다.
전송 모듈(100)의 전력 변환부(110)에서 발생하는 자기장의 변화에 따라 수신 모듈(200)의 전력 수신부(210)에서 전류가 유도되어 전력이 전송되고, 수신 모듈의 제어부(230)는 원하는 제어 점, 즉 원하는 출력 전류 및/또는 전압을 선택하고, 전력 수신부(210)을 통해 수신되는 전력의 실제 제어 점을 결정한다.
수신 모듈(100)의 제어부(230)는 전력이 전송되는 동안 원하는 제어 점과 실제 제어 점을 이용하여 제어 에러 값을 계산하는데, 예를 들어 2개의 출력 전압 또는 전류의 차이를 제어 에러 값으로 취할 수 있다. 원하는 제어 점에 도달하기 위해 적은 전력이 요구되면, 예를 들어 마이너스 값이 되고, 원하는 제어 점에 도달하기 위해 더 많은 전력이 필요하면 플러스 값이 되도록 제어 에러 값을 결정할 수 있다. 수신 모듈(200)의 제어부(230)는 통신부(220)를 통해 전력 수신부(210)의 리액턴스를 시간에 따라 변경하는 방식으로 계산된 제어 에러 값을 포함하는 패킷을 생성하여 전송 모듈(100)에 전송할 수 있다.
전송 모듈의 통신부(120)는 수신 모듈(200)에 의하여 변조되는 무선 전력 신호에 포함되는 패킷을 복조하여 메시지를 검출하는데, 제어 에러 값을 포함하는 제어 에러 패킷을 복조할 수 있다.
전송 모듈의 제어부(130)는, 통신부(120)를 통해 추출한 제어 에러 패킷을 디코딩 하여 제어 에러 값을 얻고, 전력 변환부(110)에 실제로 흐르는 실제 전류 값과 제어 에러 값을 이용하여 수신 모듈이 원하는 전력을 전송하기 위한 새로운 전류 값을 결정할 수 있다.
전송 모듈의 제어부(130)는, 수신 모듈로부터 제어 에러 패킷을 수신하는 과정으로부터 시스템이 안정화되면, 1차 코일에 흐르는 실제 전류 값이 새로운 전류 값이 되도록 새로운 동작 점, 즉 1차 코일에 인가되는 AC 전압의 크기, 주파수, 듀티 비 등이 새로운 값에 이르도록 전력 변환부(110)를 제어하고, 수신 모듈이 추가로 제어 정보나 상태 정보를 통신할 수 있도록 새로운 동작 점을 계속 유지하도록 한다.
무선 전력 전송 모듈(100)과 무선 전력 수신 모듈(200) 사이 상호 작용은 선택(selection), 핑(ping), 식별/구성(identification & configuration) 및 파워 전송(power transfer)을 포함하여 4가지 단계로 이루어질 수 있다. 선택 단계는 전송 모듈이 인터페이스 표면 위에 놓인 대상물을 발견하기 위한 단계이고, 핑 단계는 대상물이 수신 모듈을 포함하는 지 여부를 확인하는 단계이고, 식별/구성 단계는 수신 모듈에 전력을 보내기 위한 준비 단계로 수신 모듈로부터 적절한 정보를 수신하고 이를 근거로 수신 모듈과 전력 전송 계약(Power Transfer Contract)을 체결하고, 파워 전송 단계는 전송 모듈과 수신 모듈의 상호 작용으로 실제로 전력을 무선으로 수신 모듈에 전송하는 단계이다.
핑 단계에서는, 수신 모듈(200)이 1차 코일과 수신 코일의 자속 결합 정도를 가리키는 신호 강도 패킷(Signal Strength Packet, SSP)을 공진 파형의 변조를 통해 전송 모듈(100)에 전송하는데, 신호 강도 패킷(SSP)은 수신 모듈에서 정류한 전압을 모니터링 하여 생성하는 메시지로서, 전송 모듈(100)은 이를 수신 모듈(200)로부터 수신하여 전력 전송을 위한 초기 구동 주파수를 선정하는 데 활용할 수 있다.
식별/구성 단계에서는, 수신 모듈(200)의 버전, 제조사 코드, 장치 식별 정보 등을 포함하는 식별 패킷(Identification Packet), 수신 모듈(200)의 최대 파워, 파워 전송 방법 등의 정보를 포함하는 구성 패킷(Configuration Packet) 등을 수신 모듈(200)이 전송 모듈(100)에 전송한다.
파워 전송 단계에서는, 수신 모듈(200)이 전력 신호를 수신하는 동작 점과 파워 전송 계약에서 정한 동작 점과의 차이를 가리키는 제어 에러 패킷(Control Error Packet, CEP), 수신 모듈(200)이 인터페이스 표면을 통해 수신하는 파워의 평균 값을 가리키는 수신 파워 패킷(Received Power Packet, RPP) 등을 수신 모듈(200)이 전송 모듈(100)에 전송한다.
수신 파워 패킷(RPP)은, 수신 모듈의 전력 수신부(210)의 정류 전압, 부하 전류, 옵셋 전력 등을 감안한 수신 전력량 데이터로, 수신 모듈(200)에 의해 전력을 수신 중에 계속하여 전송 모듈(100)로 전송되고, 전송 모듈(100)은 이를 수신하여 전력 제어를 위한 연산 인자로 사용한다.
전송 모듈의 통신부(120)는 각각 공진 파형의 변화로부터 패킷을 추출하고, 제어부(130)는 추출되는 패킷을 디코딩 하여 메시지를 얻고 이를 기초로 전력 변환부(110)를 제어하여 수신 모듈(200)이 요청하는 대로 파워 전송 특성을 바꾸면서 전력을 무선으로 전송할 수 있다.
한편, 유도 결합에 의해 전력을 무선으로 전달 방식에서 그 효율은 주파수 특성에 따른 영향은 적으나, 전송 모듈(100)과 수신 모듈(200) 사이의 배열과 거리의 영향을 받게 된다.
무선 전력 신호가 도달할 수 있는 영역을 두 가지로 구분할 수 있는데, 전송 모듈(100)이 수신 모듈(200)에 무선으로 전력을 전달할 때 높은 효율의 자기장이 통과할 수 있는 인터페이스 표면의 부분을 활동 영역이라고 할 수 있고, 전송 모듈(100)이 수신 모듈(200)의 존재를 감지할 수 있는 영역을 감지 영역이라 할 수 있다.
전송 모듈의 제어부(130)는, 수신 모듈(200)이 활동 영역 또는 감지 영역에 배치되거나 제거되었는지 여부에 대하여 감지할 수 있는데, 전력 변환부(110)에서 형성되는 무선 전력 신호를 이용하거나 별도로 구비되는 센서에 의하여 수신 모듈(200)이 활동 영역 또는 감지 영역에 배치되었는지 여부를 검출할 수 있다.
예를 들어, 전송 모듈의 제어부(130)는 감지 영역에 존재하는 수신 모듈(200)로 인하여 무선 전력 신호가 영향을 받아 전력 변환부(110)의 무선 전력 신호를 형성하기 위한 전력의 특성이 변화하는지 여부를 모니터링 함으로써 수신 모듈(200)의 존재를 검출할 수 있다. 전송 모듈의 제어부(130)는 수신 모듈(200)의 존재를 검출한 결과에 따라 수신 모듈(200)을 식별하는 과정을 수행하거나 무선 전력 전송을 시작할 것인지 여부 등을 결정할 수 있다.
전송 모듈의 전력 변환부(110)는 위치 결정부를 더 포함할 수 있는데, 위치 결정부는 유도 결합 방식에 의한 무선 전력 전달의 효율을 높이기 위하여 1차 코일을 이동 또는 회전시킬 수 있고, 특히 수신 모듈(200)이 전송 모듈(100)의 활동 영역 내에 존재하지 않는 경우에 사용될 수 있다.
위치 결정부는 전송 모듈(100)의 1차 코일과 수신 모듈(200)의 2차 코일의 중심간 거리가 일정 범위 이내가 되도록 1차 코일을 이동시키거나 1차 코일과 수신 코일의 중심이 중첩되도록 1차 코일을 이동시키는 구동부를 포함하도록 구성될 수 있다. 이를 위해 전송 모듈(100)은 수신 모듈(200)의 위치를 감지하기 위한 센서나 감지부를 더 구비할 수 있고, 전송 모듈의 제어부(130)는 감지부의 센서로부터 수신하는 수신 모듈(200)에 대한 위치 정보를 기초로 위치 결정부를 제어할 수 있다.
또는, 전송 모듈의 제어부(130)는 통신부(120)를 통하여 수신 모듈(200)과의 배열 또는 거리에 대한 제어 정보를 수신하고 이를 기초로 위치 결정부를 제어할 수도 있다.
또한, 전송 모듈(100)은 둘 이상 복수의 1차 코일을 포함하도록 형성되어 복수의 1차 코일 중에서 수신 모듈(200)의 수신 코일과 적합하게 배열되는 일부의 코일을 선택적으로 이용하여 전송 효율을 높일 수 있는데, 이 경우 위치 결정부는 복수의 1차 코일 중에서 어느 것이 전력 전달을 위하여 사용될 것인지 결정할 수 있다.
활동 영역을 통과하는 자기장을 형성시키는 단일 1차 코일 또는 하나 이상의 1차 코일들의 조합을 주요 셀(primary cell)로 지칭할 수 있는데, 전송 모듈의 제어부(130)는, 수신 모듈(200)의 위치를 감지하고 이를 기초로 활동 영역을 결정하고, 활동 영역에 대응되는 주요 셀을 구성하는 전송 모듈을 연결하고 해당 전송 모듈의 1차 코일과 수신 모듈(200)의 2차 코일이 유도 결합될 수 있도록 제어할 수 있다.
한편, 수신 모듈(200)은 스마트 폰 또는 멀티미디어 재생 단말을 포함하는 스마트 폰이나 스마트 기기와 같은 전자 기기 내에 내장되고, 전자 기기가 전송 모듈(100)의 인터페이스 표면 위에 수직이나 수평 방향으로 일정하지 않은 방향이나 위치로 놓이게 되므로, 전송 모듈은 넓은 활동 영역을 필요로 한다.
활동 영역을 넓히기 위하여 복수 개의 1차 코일을 사용할 경우, 1차 코일 개수만큼 구동 회로가 필요하고 복수 개의 1차 코일에 대한 제어가 복잡해지므로, 제품화할 때 전송 모듈 즉 무선 충전기의 비용 증가가 발생한다. 또한, 활동 영역을 확대하기 위하여 전송 코일의 위치를 바꾸는 방식을 적용하는 경우에도 1차 코일의 위치를 옮기기 위한 이송 메커니즘을 구비해야 하므로, 부피와 무게가 커지고 제작 비용이 많아지는 문제가 있다.
위치가 고정된 하나의 1차 코일을 가지고도 활동 영역을 확장하는 방법이 있다면 효과적이지만, 단순하게 1차 코일의 크기를 키운다면 1차 코일의 단위 면적당 자속 밀도가 떨어지고 송수신 코일 사이에 자기 결합력이 약해져 기대하는 만큼 활동 영역이 증가하지도 않고 전송 효율도 떨어지게 된다.
이와 같이, 활동 영역의 확대와 전송 효율의 향상을 위하여 1차 코일의 적절한 형상과 크기를 결정하는 것이 중요하다. 둘 이상의 1차 코일을 채용하는 다중 코일 방식이 무선 전력 전송 모듈의 활동 영역을 확대하는 방법으로 효과적이다.
도 5는 전송 장치의 충전 영역을 도시한 것이다.
무선 전력 전송 장치 즉 충전기는, 수신 장치가 활동 영역에 놓이면 수신 장치에 전력을 공급하는 충전 동작을 시도하고, 충전 중에 전력 손실이 이물질 검출 레벨보다 높아질 경우 충전을 중지한다. 전력 손실은 전송 장치가 전송한 전송 전력과 수신 장치가 수신한 수신 전력의 차이로 계산하고, 수신 전력은 수신 장치가 전송하는 수신 파워 패킷으로부터 확인할 수 있다.
특히, 충전기는 수신 장치가 충전 영역 밖에 놓이는 경우 전력 손실이 이물질 검출 레벨보다 높아지게 되어 충전을 끊을 수 있는데, 충전을 중지할 때까지 걸리는 시간은 충전기나 수신 장치에 따라 달라진다.
충전기는 활동 영역 또는 충전 영역 안에서는 충전에 대한 신뢰성을 확보할 수 있으나, 충전 영역 밖에서는 수신 장치의 100% 충전을 보장할 수 없어서 충전에 대한 신뢰성을 확보하지 못하여, 수신 장치가 충전 영역 밖에 놓인 상태에서는 언제 충전이 종료될지 모른다. 경우에 따라서는 충전을 위해 단말을 충전기 위해 놓았는데 소정 시간이 경과된 이후에도 100% 중전이 되지 않고 충전을 종료되는 경우가 발생한다.
도 6은 전력 손실과 충전 중지 레벨의 비교를 통해 결정되는 충전 영역의 경계 및 충전 영역에서의 전력 제어 레벨의 변화를 도시한 것으로, 도 6은 수신 장치가 수신한 파워가 같을 때 충전 영역의 중심으로부터 이격된 옵셋에 따른 전력 제어 레벨의 변화를 도시하고 있다.
도 6에서는 전력 손실이 중전 중지 레벨보다 높게 될 때 충전 영역 밖으로 판단하는 것으로 도시하지만, 전송 장치는 전력 손실을 정확히 계산하기 어렵기 때문에 충전 영역의 경계를 정확하게 판단하기가 쉽지 않다. 또한, 충전 중지 레벨로는 이물질 검출 레벨을 사용하기 때문에, 이물질이 있는 경우 충전 영역의 경계를 정확하게 판단하기 어렵다.
도 6에서 보듯이, 충전 영역의 중심으로부터의 이격 옵셋에 따라 전력 제어 레벨이 전력 손실과 어느 정도 비례하여 변하기 때문에, 전력 제어 레벨을 충전 영역의 경계를 결정하는데 사용할 수 있다.
이러한 점을 고려하여, 이 명세서에 따른 실시예는, 수신 장치가 충전 영역 안인지 밖인지 정확하게 판단하는 방안과, 충전 영역 밖에 있다고 판단될 때 충전 동작이 빨리 종료되도록 하는 방안을 제공할 수 있다.
도 7은 충전 영역의 중심으로부터의 이격 옵셋에 따른 벅 듀티(Buck Duty)와 제어 에러 패킷을 표로 도시한 것이다.
도 7 예에서, 충전 영역의 중심으로부터 약 8mm 이격된 위치까지는 제어 에러 패킷(CEP)이 수신 장치로부터 수신되지 않고, 9mm 이격된 위치에서부터 제어 에러 패킷(CEP)이 수신되기 시작하여 더 외곽으로 갈수록 제어 에러 패킷(CEP)의 개수가 증가한다.
반면, 벅 듀티(Buck Duty)는 충전 영역의 중심으로부터 외곽으로 이동하면서 점점 커지게 되어, 예를 들어 약 9mm 이격된 위치부터는 벅 듀티가 최대 값까지 증가한다.
따라서, 충전을 시작하여 벅 듀티(파워 제어 레벨)를 얻고 이를 기준 값과 비교하여 충전 영역의 경계를 결정할 수 있는데, 벅 듀티가 기준 값 이상일 때 수신 장치가 충전 영역 밖에 있다고 판단할 수 있다.
참고로, 벅 컨버터(Buck Converter)는 DC-DC 컨버터의 일종으로 전압을 강압하기 위한 회로로, 입력 전압보다 낮은 전압을 생성하기 위해 사용한다. 전압 강하를 위해 제너 다이오드를 사용하는 회로는 줄어든 전압이 열로 바뀌어 효율이 낮게 된다.
하지만, 벅 컨버터는 다이오드와 인덕터를 사용하여 회로를 온/오프 시켜 부하에 걸리는 전압을 조절하는데, 온 시킬 때 인덕터에 에너지를 저장하면서 부하에 전류를 흘리고, 오프 시킬 때 인덕터에 축적된 에너지가 다이오드를 통해 부하에 전류가 공급된다. 온/오프 듀티를 조절함으로써 출력 전압의 크기 또는 전류량을 조절할 수 있다. 벅 컨버터는 전력 변환부(110)에 포함되어 수신 장치에 공급할 전력을 조절할 수 있다.
수신 장치가 충전 영역 중심에 가까운 위치에 있는 경우, 전력 전송 효율이 높아 전력 변환부의 동작 전압을 낮게 해도 수신 장치로 전력을 전송할 수 있게 되어 벅 컨버터의 벅 듀티를 낮은 값으로 유지해도 된다. 하지만, 수신 장치가 충전 영역의 외곽이나 충전 영역 밖에 있는 경우, 전력 전송 효율이 낮아 변환부의 동작 전압을 높게 유지해야 하고 이를 위해 벅 듀티가 높게 유지될 수밖에 없다.
도 8은 수신 장치가 충전 영역 밖에 놓일 때 충전 중지 레벨을 하향 조절하는 실시예를 그래프로 도시한 것이다.
벅 듀티가 기준 값 이상이 될 때 수신 장치가 충전 영역의 외곽이나 충전 영역 바깥에 놓인 것으로 판단하고, 충전 동작을 중지할 수 있도록 충전 중지 레벨 또는 이물질 검출 레벨을 도 8과 같이 하향 조절할 수 있다.
수신 장치가 충전 영역의 외곽이나 충전 영역 바깥에 있을 때라도, 전력 손실이 커지지만 충전 중지 레벨과 비슷하거나 충전 중지 레벨보다 낮아 낮은 충전 효율로 충전 동작이 계속되어 충전기와 수신 장치에 열이 많이 발생하고 충전 시간만 길어질 수도 있다.
이러한 상황에 대처하기 위해, 전송 장치는, 수신 장치가 충전 영역의 외곽이나 충전 영역 바깥에 있다고 판단될 때, 충전 중지 레벨을 낮춤으로써 전력 손실이 충전 중지 레벨보다 높아지게 하여 충전 동작을 빨리 그리고 확실하게 중지시킬 수 있다.
도 9는 충전 중지 레벨을 하향 조절하여 일정 시간이 경과한 이후에도 충전이 진행되는 경우 충전 중지 레벨을 종래 레벨로 변경하는 실시예를 그래프로 도시한 것이다.
수신 장치가 충전 영역에 벗어난 것으로 판단하여 충전 중지 레벨을 낮춘 이후에도 일정 시간 충전 동작이 멈추지 않게 계속 진행되는 경우, 즉 전력 손실이 낮춰진 충전 중지 레벨보다 낮게 계속 유지되어 충전 동작이 계속되는 경우, 충전 끊김이 발생하지 않을 확률이 높다고 판단하여, 도 9에 도시한 것과 같이 충전 중지 레벨을 다시 이전 레벨로 높여 전력 손실에 대한 마진을 확보할 수 있다.
도 10은 이 명세서의 일 실시예에 따라 충전 중지 레벨을 조절하면서 무선으로 전력을 전송하는 방법에 대한 동작 흐름도를 도시한 것이다.
전송 장치는 수신 장치(수신 모듈)의 위치를 결정하는데(S1010), 수신 장치로부터 전송받은 수신 파워 패킷 및 파워 제어 레벨, 즉 벅 듀티를 근거로 수신 장치의 위치를 판단할 수 있다.
전송 장치는, 수신 장치에 전력을 무선으로 전송하면서 수신 장치가 충전 영역 밖인지 여부를 판단하는데(S1020), 수신 패킷으로부터 확인한 수신 파워가 기준 파워 이상이고 벅 듀티가 기준 값 이상일 때 수신 장치가 충전 영역(또는 활동 영역) 밖이라고 판단할 수 있고, 그렇지 않으면 수신 장치가 충전 영역 안이라고 판단할 수 있다.
참고로, 수신 파워 패킷으로부터 확인한 파워가 기준 파워 이하일 때는 충전 동작이 제대로 이루어지고 있지 않은 상황이므로, 수신 장치가 충전 영역 안인지 밖인지 판단할 수 없다.
수신 장치가 충전 영역 안에 있으면(S1020에서 NO), 전송 장치는 수신 장치에 전력을 무선으로 공급하는 충전 동작을 수행한다.
수신 장치가 충전 영역 밖에 있으면(S1020에서 NO), 전송 장치는 충전 중지 레벨을 하향 조절할 수 있다(S1030). 전송 장치는 전력 손실과 충전 중지 레벨을 비교하면서 전력 손실이 충전 중지 레벨보다 높을 때 충전을 중지시킬 수 있다.
전송 장치는 충전 중지 레벨을 하향 조절한 이후 소정 시간이 경과할 때까지 충전 동작이 계속 진행되는지 확인한다(S1040).
충전 동작이 계속 진행되면, 즉 충전 중지 레벨을 하향 조절한 이후 소정 시간이 경과할 때가지 전력 손실이 충전 중지 레벨보다 낮은 상태를 유지하면(S1040에서 YES), 전송 장치는 충전 중지 레벨을 다시 종래 레벨로 복귀, 즉 충전 중지 레벨을 상향 조절할 수 있다(S1050).
충전 중지 레벨을 낮춘 이후에도 전력 손실이 충전 중지 레벨보다 낮은 상태를 유지하므로, 충전 중지 레벨을 종래 레벨로 변경하더라도 전력 손실은 더 확실하게 변경된 충전 중지 레벨보다 낮게 되므로, 전송 장치는 충전 동작이 계속 수행하게 된다.
반면, 충전 중지 레벨을 하향 조절한 이후 소정 시간이 경과하기 전에 전력 손실이 충전 중지 레벨보다 높아져 충전 동작이 중지되면(S1040에서 NO), 전송 장치는 인터페이스 표면에 마련된 디스플레이나 부저를 통해 충전이 중지되었음을 사용자에게 알릴 수 있다(S1060).
따라서, 수신 장치가 충전 영역 외곽이나 밖에 놓인 경우 서둘러 충전을 중지하고 사용자에게 이를 알려 사용자가 수신 장치의 위치를 변경할 수 있게 된다. 또한, 충전이 시작되고 일정 시간 이상 충전이 계속될 때 사용자에게 100% 완전 충전을 기대할 수 있게 한다.
이 명세서에 기재된 무선 전력 전송 방법 및 장치는 아래와 같이 설명될 수 있다.
일 실시예에 따른 무선 전력 전송 방법은, 수신 장치에 전력을 무선으로 전송하면서 수신 장치의 위치를 확인하는 단계; 및 수신 장치가 충전 영역 밖에 있을 때, 수신 장치에 전송한 전송 전력과 수신 장치가 수신한 수신 전력의 차이인 전력 손실과 비교하는 충전 중지 레벨을 변경하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.
일 실시예에서, 확인하는 단계는 수신 장치가 수신한 수신 전력이 기준 전력 이상이고 수신 장치에 전력을 전송할 때의 전력 제어 레벨이 기준 값 이상일 때 수신 장치가 충전 영역 밖에 있는 것으로 판단할 수 있다.
일 실시예에서, 전력 변환부에 포함된 벅 컨버터의 벅 듀티를 전력 제어 레벨로 이용할 수 있다.
일 실시예에서, 변경하는 단계는 충전 중지 레벨을 하향 조절할 수 있다.
일 실시예에서, 전력 손실이 충전 중지 레벨보다 높을 때 전력 전송을 중지할 수 있다.
일 실시예에서, 전력 전송이 중지된 것을 알릴 수 있다.
일 실시예에서, 충전 중지 레벨을 변경하고 소정 시간이 경과할 때까지 전력 손실이 변경된 충전 중지 레벨보다 낮을 때, 충전 중지 레벨을 원래 값으로 복귀시킬 수 있다.
다른 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치는, 직류 전원의 전압을 변경하기 위한 벅 컨버터 및 전압이 변경된 직류 전원을 교류로 변환하기 위한 인버터와 수신 장치의 2차 코일과의 자기 유도 결합에 의해 전력을 전송하기 위한 1차 코일을 포함하는 공진 회로를 포함하는 전력 변환부; 및 전력 변환부를 제어하여 수신 장치에 전력을 무선으로 전송하면서 수신 장치의 위치를 확인하고, 수신 장치가 충전 영역 밖에 있을 때 수신 장치에 전송한 전송 전력과 수신 장치가 수신한 수신 전력의 차이인 전력 손실과 비교하는 충전 중지 레벨을 변경하기 위한 제어부를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명은 기재된 실시예들에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
1: 무선 전력 전송 장치 2: 전자 기기
100: 무선 전력 전송 모듈 110: 전력 변환부
120: 통신부 130: 제어부
140: 전원부 200: 무선 전력 수신 모듈
210: 전력 수신부 220: 통신부
230: 제어부 240: 부하
100: 무선 전력 전송 모듈 110: 전력 변환부
120: 통신부 130: 제어부
140: 전원부 200: 무선 전력 수신 모듈
210: 전력 수신부 220: 통신부
230: 제어부 240: 부하
Claims (14)
- 수신 장치에 전력을 무선으로 전송하면서 상기 수신 장치의 위치를 확인하는 단계;
상기 수신 장치가 수신한 수신 전력이 기준 전력 이상이고 상기 수신 장치에 전력을 전송할 때의 전력 제어 레벨이 기준 값 이상인 것에 기초하여 상기 수신 장치가 충전 영역 밖에 있는 것으로 판단할 때, 상기 수신 장치에 전송한 전송 전력과 상기 수신 장치가 수신한 수신 전력의 차이인 전력 손실과 비교되는 충전 중지 레벨을 하향 조절하는 단계;
상기 전력 손실이 상기 충전 중지 레벨보다 높을 때 전력 전송을 중지하는 단계; 및
상기 충전 중지 레벨을 하향 조절하고 소정 시간이 경과할 때까지 상기 전력 손실이 상기 변경된 충전 중지 레벨보다 낮을 때, 상기 충전 중지 레벨을 원래 값으로 복귀시키는 단계를 포함하는, 무선 전력 전송 방법. - 삭제
- 제1 항에 있어서,
전력 변환부에 포함된 벅 컨버터의 벅 듀티를 상기 전력 제어 레벨로 이용하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 방법. - 삭제
- 삭제
- 제1 항에 있어서,
전력 전송이 중지된 것을 알리는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 방법. - 삭제
- 직류 전원의 전압을 변경하기 위한 벅 컨버터 및 상기 전압이 변경된 직류 전원을 교류로 변환하기 위한 인버터와 수신 장치의 2차 코일과의 자기 유도 결합에 의해 전력을 전송하기 위한 1차 코일을 포함하는 공진 회로를 포함하는 전력 변환부; 및
상기 전력 변환부를 제어하여 상기 수신 장치에 전력을 무선으로 전송하면서 상기 수신 장치의 위치를 확인하고, 상기 수신 장치가 수신한 수신 전력이 기준 전력 이상이고 상기 수신 장치에 전력을 전송할 때의 전력 제어 레벨이 기준 값 이상인 것에 기초하여 상기 수신 장치가 충전 영역 밖에 있는 것으로 판단할 때 상기 수신 장치에 전송한 전송 전력과 상기 수신 장치가 수신한 수신 전력의 차이인 전력 손실과 비교되는 충전 중지 레벨을 하향 조절하고, 상기 전력 손실이 상기 충전 중지 레벨보다 높을 때 상기 전력 변환부를 제어하여 전력 전송을 중지하고, 상기 충전 중지 레벨을 하향 조절하고 소정 시간이 경과할 때까지 상기 전력 손실이 상기 변경된 충전 중지 레벨보다 낮을 때 상기 충전 중지 레벨을 원래 값으로 복귀시키기 위한 제어부를 포함하는, 무선 전력 전송 장치. - 삭제
- 제8 항에 있어서,
상기 제어부는 상기 벅 컨버터의 벅 듀티를 상기 전력 제어 레벨로 이용하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치. - 삭제
- 삭제
- 제8 항에 있어서,
상기 제어부는 디스플레이 또는 부저를 이용하여 전력 전송이 중지된 것을 알리는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치. - 삭제
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