KR20230077346A - 효율적인 무선 전력 충전 장치 및 그 방법 - Google Patents

효율적인 무선 전력 충전 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 충전 상태를 효율적으로 관리하는 무선 전력 충전 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 전원부로부터 제공된 전원을 이용하여 전력을 송신하며 하나의 캐패시터와 하나의 인덕터를 포함하는 송신 공진부를 각각 포함하는 적어도 하나의 송신단과; 적어도 하나의 송신단으로부터 전송된 전력을 수신하며 하나의 캐패시터와 하나의 인덕터를 포함하는 수신 공진부 및 수신된 전력을 이용하여 충전을 수행하는 부하를 각각 포함하는 적어도 하나의 수신단과; 적어도 하나의 송신단과 적어도 하나의 수신단 사이의 상호 인덕턴스를 이용하여 상기 적어도 하나의 송신단의 출력 전류를 결정하여 무선 충전을 진행하고 상기 적어도 하나의 수신단의 현재 수신전력이 목표 수신전력에 도달하는지 여부에 따라 적어도 하나의 송신단에 대한 적어도 하나의 수신단의 중요도 및 적어도 하나의 수신단의 수신 전력을 조절하기 위한 수신 전력 제어 방향을 이용하여 적어도 하나의 송신단의 출력 전류를 조절하는 제어부를 포함하는 장치에 관한 것이다.

Description

효율적인 무선 전력 충전 장치 및 그 방법{EFFICIENT WIRELESS POWER CHARGING APPARATUS AND METHOD THEREOF}
본 발명은 효율적인 무선 전력 충전 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 무선 충전 환경 변화를 감지하여 수신단에서 필요한 전력을 최대한 제공할 수 있는 무선 전력 충전 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
무선 전력 전송은 유선 대신 무선으로 전자기기에 전원을 공급하는 것을 말하며, 전원이 필요한 장치를 전원 콘센트에 연결하지 않고도 무선으로 충전이 가능하여 관련 연구가 활발히 진행되고 있다. 무선 전력 전송 기술은 자기유도방식, 자기공진방식 및 마이크로파 방식 등이 연구되고 있다.
무선 전력 전송 장치는 무선으로 전력을 전송하는 송신단과 송신된 전력을 수신하는 수신단으로 구성된다. 송신단은 자기장을 생성하여 수신단에 복사하는 방식으로 전력을 수신단에 전달한다. 전력 전송을 위해 송신단과 수신단은 코일을 이용하는데, 동일한 공진 주파수를 가질 때 무선 전력 전송 장치에서 최대의 전력 전송이 발생할 수 있다.
한편, 송신단 및 수신단은 하나 이상으로 구성하여 무선 충전이 진행될 수 있으며 하나의 송신단은 복수의 수신단에 전력을 전송하거나 하나의 수신단은 복수의 송신단에서 전력을 수신할 수 있다. 이러한 상황에서 어느 수신단에서 수신되는 전력의 조절이 필요한 경우에는 해당 수신단에 전력을 공급하는 송신단의 송신 전력 제어가 필요하지만, 수신단에 전력을 공급하는 송신단은 하나 이상이며 하나의 송신단에서 전송한 전력으로 인한 수신 전력은 수신단마다 상이하고 각 송신단은 해당 수신단 이외에 다른 수신단에도 전력을 전송하기 때문에 어느 송신단의 송신 전력을 제어해야 되는지 결정하기 어렵다는 문제가 있다.
또한, 충전 과정에서 이물질이 침입할 수 있고, 수신기의 개수가 증가하거나 감소할 수 있으며 수신기의 상태에 변화가 발생하는 등 무선 충전 환경이 변화할 수 있으며 이러한 충전 환경 변화를 무선 충전 진행에 반영하지 않으면 최대 효율로 무선 충전을 진행하기 어려워 수신단의 환경 변화를 감지하여 효율적으로 무선 충전을 진행할 수 있는 방안이 필요하다.
본 발명은 수신단에서 필요한 전력을 최대한 제공할 수 있는 무선 전력 충전 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 충전 환경 변화를 감지하여 효율적으로 무선 충전을 진행할 수 있는 무선 전력 충전 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
본 발명은 전원부로부터 제공된 전원을 이용하여 전력을 송신하며 하나의 캐패시터와 하나의 인덕터를 포함하는 송신 공진부를 각각 포함하는 적어도 하나의 송신단과; 상기 적어도 하나의 송신단으로부터 전송된 전력을 수신하며 하나의 캐패시터와 하나의 인덕터를 포함하는 수신 공진부 및 수신된 전력을 이용하여 충전을 수행하는 부하를 각각 포함하는 적어도 하나의 수신단과; 상기 적어도 하나의 송신단과 적어도 하나의 수신단 사이의 상호 인덕턴스를 이용하여 상기 적어도 하나의 송신단의 출력 전류를 결정하여 무선 충전을 진행하고 상기 적어도 하나의 수신단의 현재 수신전력이 목표 수신전력에 도달하는지 여부에 따라 상기 적어도 하나의 송신단에 대한 상기 적어도 하나의 수신단의 중요도 및 상기 적어도 하나의 수신단의 수신 전력을 조절하기 위한 수신 전력 제어 방향을 이용하여 상기 적어도 하나의 송신단의 출력 전류를 조절하는 제어부를 포함하는 무선 전력 충전 장치에 관한 것이다.
여기서, 제어부는 어느 하나의 송신단과 적어도 하나의 수신단 사이에서 송신단에서 전송한 전력이 각 수신단에 미치는 영향의 정도를 고려하여 상기 중요도를 결정할 수 있다.
또한, 제어부는 어느 하나의 송신단과 적어도 하나의 수신단 사이에서의 상호 인덕턴스의 크기에 따라 중요도의 레벨을 결정하며, 상기 어느 하나의 송신단과 적어도 하나의 수신단 사이에서 '0'이 아닌 상호 인덕턴스를 갖는 수신단의 전체 개수를 상기 중요도의 최상의 값으로 하고 차순위는 상기 최상의 값에서 소정의 값씩 차감하여 상기 중요도의 레벨을 결정할 수 있다.
또한, 제어부는 상기 적어도 하나의 수신단의 현재 수신전력이 목표 수신전력에 모두 도달한 경우 상기 적어도 하나의 송신단의 출력 전류를 현재의 상태로 유지하고, 상기 적어도 하나의 수신단의 현재 수신전력이 목표 수신전력에 모두 미달 또는 초과한 경우 상기 적어도 하나의 송신단의 출력 전류를 조절할 수 있다.
또한, 제어부는 상기 적어도 하나의 수신단의 일부의 현재 수신전력이 목표 수신전력에 미달 또는 초과한 경우 상기 적어도 하나의 송신단에 대한 중요도가 최상인 적어도 하나의 수신단의 현재 수신전력이 목표 수신전력에 도달하는지 여부에 따라 상기 송신단의 출력 전류를 조절할 수 있다.
또한, 제어부는 [수학식 5]을 이용하여 상기 적어도 하나의 송신단의 출력 전류를 조절하는 장치.
[수학식 5]
Figure pat00001
이때, St는 제t 번째 송신단의 전류 제어 방향으로 증가, 감소 및 유지 중 어느 하나
Wtk 는 제t 번째 송신단에 대한 제k 번째 수신단의 중요도
dk는 제k 수신단에 대한 수신 전력 제어 방향으로 (+1), 0 및 (-1) 중 어느 하나.
한편, 본 발명은 전원부로부터 제공된 전원을 이용하여 전력을 송신하며 하나의 캐패시터와 하나의 인덕터를 포함하는 송신 공진부를 각각 포함하는 적어도 하나의 송신단과; 상기 적어도 하나의 송신단으로부터 전송된 전력을 수신하며 하나의 캐패시터와 하나의 인덕터를 포함하는 수신 공진부 및 수신된 전력을 이용하여 충전을 수행하는 부하를 각각 포함하는 적어도 하나의 수신단과; 상기 적어도 하나의 송신단에서 상기 적어도 하나의 수신단을 바라본 임피던스의 변화를 이용하여 소정의 시간 단위로 무선 충전 환경의 변화 여부를 확인하고, 상기 적어도 하나의 송신단의 출력 전류를 결정하여 상기 결정된 출력 전류와 감지부로부터 수신된 상기 적어도 하나의 송신단의 출력 전류를 비교하여 상기 무선 충전 환경의 변화가 상기 적어도 하나의 수신단 자체의 변화 및 이물질의 충전 영역 침입 중 어느 하나인지 확인하는 제어부를 포함하는 무선 전력 충전 장치에 관한 것이다.
여기서, 제어부는 소정의 시간 단위로 상기 적어도 하나의 송신단에서 상기 적어도 하나의 수신단을 바라본 임피던스를 결정하고 결정된 임피던스의 변화가 소정의 범위를 초과하는 경우 상기 무선 충전 환경의 변화 여부를 확인할 수 있다.
또한, 제어부는 [수학식 6]을 이용하여 상기 적어도 하나의 송신단의 출력 전류(Imt)를 결정할 수 있다.
[수학식 6]
Figure pat00002
이때, IMONt는 제t 번째 송신단의 전류 제어부의 출력 전류
또한, 제어부는 상기 결정된 출력 전류와 수신된 상기 적어도 하나의 송신단의 출력 전류가 동일하거나 그 차이가 소정의 범위내에 있는 경우 상기 적어도 하나의 수신단 자체의 변화를 확인할 수 있다.
또한, 제어부는 상기 결정된 출력 전류와 수신된 상기 적어도 하나의 송신단의 출력 전류가 다르거나 그 차이가 소정의 범위를 초과하는 경우 상기 이물질의 충전 영역 침입으로 확인할 수 있다.
한편, 전원부로부터 제공된 전원을 이용하여 전력을 송신하며 하나의 캐패시터와 하나의 인덕터를 포함하는 송신 공진부를 각각 포함하는 적어도 하나의 송신단 및 상기 적어도 하나의 송신단으로부터 전송된 전력을 수신하며 하나의 캐패시터와 하나의 인덕터를 포함하는 수신 공진부 및 수신된 전력을 이용하여 충전을 수행하는 부하를 각각 포함하는 적어도 하나의 수신단 사이의 상호 인덕턴스를 결정하는 과정과; 상기 적어도 하나의 송신단과 적어도 하나의 수신단 사이의 상호 인덕턴스를 이용하여 상기 적어도 하나의 송신단의 출력 전류를 결정하여 무선 충전을 진행하는 과정과; 상기 적어도 하나의 수신단의 현재 수신전력이 목표 수신전력에 도달하는지 여부에 따라 상기 적어도 하나의 송신단에 대한 상기 적어도 하나의 수신단의 중요도 및 상기 적어도 하나의 수신단의 수신 전력을 조절하기 위한 수신 전력 제어 방향을 이용하여 상기 적어도 하나의 송신단의 출력 전류를 조절하는 과정을 포함하는 무선 전력 충전 방법에 관한 것이다.
여기서, 송신단의 출력 전류를 조절하는 과정은, 어느 하나의 송신단과 적어도 하나의 수신단 사이에서 '0'이 아닌 상호 인덕턴스를 갖는 수신단의 전체 개수를 확인하는 과정과; 상기 전체 개수를 상기 중요도의 최상의 값으로 하고, 차순위는 상기 최상의 값에서 소정의 값씩 차감하여 중요도의 레벨을 결정하는 과정을 포함할 수 있다.
또한, 송신단의 출력 전류를 조절하는 과정은, 상기 적어도 하나의 수신단의 현재 수신전력이 목표 수신전력에 모두 도달한 경우 상기 적어도 하나의 송신단의 출력 전류를 현재의 상태로 유지하는 과정과; 상기 적어도 하나의 수신단의 현재 수신전력이 목표 수신전력에 모두 미달 또는 초과한 경우 상기 적어도 하나의 송신단의 출력 전류를 조절하는 과정을 포함할 수 있다.
또한, 송신단의 출력 전류를 조절하는 과정은, 상기 적어도 하나의 수신단의 일부의 현재 수신전력이 목표 수신전력에 미달 또는 초과한 경우 상기 적어도 하나의 송신단에 대한 중요도가 최상인 적어도 하나의 수신단의 현재 수신전력이 목표 수신전력에 도달하는지 여부에 따라 상기 송신단의 출력 전류를 조절하는 과정을 포함할 수 있다.
한편, 본 발명은 전원부로부터 제공된 전원을 이용하여 전력을 송신하며 하나의 캐패시터와 하나의 인덕터를 포함하는 송신 공진부를 각각 포함하는 적어도 하나의 송신단에서 하나의 캐패시터와 하나의 인덕터를 포함하는 수신 공진부 및 수신된 전력을 이용하여 충전을 수행하는 부하를 각각 포함하는 적어도 하나의 수신단을 바라본 임피던스의 변화를 이용하여 소정의 시간 단위로 무선 충전 환경의 변화 여부를 확인하는 과정과; 상기 적어도 하나의 송신단의 출력 전류를 결정하는 과정과; 상기 결정된 출력 전류와 감지부로부터 수신된 상기 적어도 하나의 송신단의 출력 전류를 비교하여 상기 무선 충전 환경의 변화가 상기 적어도 하나의 수신단 자체의 변화 및 이물질의 충전 영역 침입 중 어느 하나인지 확인하는 과정을 포함할 수 있다.
또한, 상기 무선 충전 환경의 변화 여부를 확인하는 과정은, 소정의 시간 단위로 상기 적어도 하나의 송신단에서 상기 적어도 하나의 수신단을 바라본 임피던스를 결정하는 과정과; 결정된 임피던스의 변화가 소정의 범위를 초과하는 경우 상기 무선 충전 환경의 변화 여부를 확인하는 과정을 포함할 수 있다.
또한, 상기 어느 하나인지 확인하는 과정은, 상기 결정된 출력 전류와 감지부로부터 수신된 상기 적어도 하나의 송신단의 출력 전류가 동일하거나 그 차이가 소정의 범위내에 있는 경우 상기 적어도 하나의 수신단의 자체의 변화를 확인하는 과정을 포함할 수 있다.
또한, 상기 어느 하나인지 확인하는 과정은, 상기 결정된 출력 전류와 수신된 상기 적어도 하나의 송신단의 출력 전류가 다르거나 그 차이가 소정의 범위를 초과하는 경우 상기 이물질의 충전 영역 침입으로 확인하는 과정을 포함할 수 있다.
본 발명은 수신단이 복수의 송신단으로부터 전력을 전송받거나 송신단이 복수의 수신단에 전력을 전송하는 경우에도 수신단의 수신 전력이 목표로 정한 수신 전력에 미달하거나 초과하는 경우 송신단의 송신 전력을 제어하여 수신단의 수신 전력을 조절할 수 있다. 또한, 송신단과 수신단의 관계에서 송신단에 대한 수신단의 중요도를 고려하여 가장 영향이 높은 송신단과 수신단을 파악하여 전력을 공급하므로 효율적으로 전력 공급을 제어할 수 있다. 또한, 무선 충전 환경의 변화 여부를 신속하고 정확히 파악할 수 있어 최대 효율로 무선 충전을 진행할 수 있으며, 이물질 침입 여부를 확인할 수 있어 불필요한 전력 소모를 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 무선 전력 충전 장치의 구성도를 나타내는 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 무선 전력 충전 장치의 송신단 및 수신단을 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 무선 전력 충전 장치의 복수의 송신단 및 복수의 수신단의 연결 관계를 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 무선 전력 충전 장치에서 충전 진행 여부를 판단하는 방법을 설명하기 위한 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 무선 전력 충전 장치에서 상호 인덕턴스를 결정하는 방법을 설명하기 위한 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 무선 전력 충전 장치에서 송신단의 출력 전류를 제어하는 방법을 설명하기 위한 도면.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 무선 전력 충전 장치에서 무선 충전 환경 변화를 판단하는 방법을 설명하기 위한 도면.
도 8(a) 및 도8(b)는 본 발명의 일 실시예에 의한 무선 전력 충전 장치의 동작을 설명하기 위한 순서도.
이하, 본 발명의 실시예를 도면과 함께 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 무선 전력 충전 장치(10)의 구성도를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 무선 전력 충전 장치(10)는 전원부(100), 증폭부(110), 통신부(120), 감지부(130), 공진부(140), 정류부(150), 변환부(160) 및 제어부(170)를 포함한다.
전원부(100)는 본 발명의 무선 전력 충전 장치(10)에 전원을 공급하며, 일 예로 AC(Alternating current) 또는 DC(Direct current) 전원을 공급한다.
증폭부(110)는 전원부(100)에서 공급된 전원을 증폭하며, 파워 앰프(Power amp)로 구성할 수 있다.
통신부(120)는 외부 장치 또는 본 발명의 무선 전력 충전 장치(10)의 내부에서의 통신을 위한 것으로, 블루투스(Bluetooth), 와이파이(Wi-fi) 등 근거리 통신 수단 또는 LTE, 5G(5th Generation) 등과 같은 다양한 이동 통신 규격에 따라 이동 통신망에 접속하여 통신할 수 있는 통신 수단을 포함할 수 있다.
감지부(130)는 본 발명의 무선 전력 충전 장치(10)의 소정의 위치에서의 전압 또는 전류 등을 감지하며, 다양한 센서를 포함할 수 있다.
공진부(140)는 코일 사이의 공진 현상에 의해 전력이 전송되도록 하며, 캐패시터 및 인덕터를 각각 포함하는 적어도 하나의 송신 공진부 및 적어도 하나의 수신 공진부를 포함한다.
정류부(150)는 교류 전류를 직류 전류로 변화하기 위한 것으로, 정류기(Rectifier)로 구성할 수 있다. 정류부(150)는 수신 공진부에서 발생한 전류를 정류한다.
변환부(160)는 충전을 위한 전압 조건을 충족하기 위해 충전을 위해 제공되는 전압을 일정하게 유지하기 위한 것으로 DC-DC 컨버터(Converter)로 구성할 수 있으며, 전환 비율(conversion ratio)에 따라 전압을 조정할 수 있다.
제어부(140)는 무선 전력 충전이 최대 효율로 진행될 수 있도록 공진부(140)의 상호 인덕턴스, 송신부의 전류 또는 전압 등의 결정 등 본 발명의 무선 전력 충전 장치(10)를 전체적으로 제어한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 무선 전력 충전 장치(10)의 송신단(200) 및 수신단(210)을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 무선 전력 충전 장치(10)는 전력을 전송하는 송신단(200) 및 충전이 가능하도록 전력을 수신하는 수신단(210)을 포함한다.
송신단(200)은 제어부(170), 전원부(100), 증폭부(110) 및 송신 공진부(220)를 포함하며, 수신단(210)은 수신 공진부(230), 정류부(150), 변환부(160) 및 부하(RL)를 포함한다. 도 2에서는 제어부(170)를 송신단(200)에 도시하였으나, 제어부(170)는 송신단(200) 뿐만 아니라 수신단(210)을 포함하여 본 발명의 무선 전력 충전 장치(10)를 전체적으로 제어하도록 구성할 수 있다.
또한, 도 2에서는 도시하지 않았으나 감지부(130)는 송신단(200) 및 수신단(210)의 소정의 위치에서의 전압 또는 전류를 감지하고, 통신부(120)를 통해 상호 통신할 수 있다. 일 예로, 블루투스 통신을 통해 감지된 전류 또는 전압을 송수신하거나, 제어 정보를 송수신할 수 있다.
도 2에 도시된 각 문자에 대한 설명은 다음과 같다.
VP : 증폭부(110)의 출력 전압
IP : 송신단(200)의 출력 전류
CP : 송신 공진부(220)의 캐패시턴스
LP : 송신 공진부(220)의 자기 인덕턴스
M : 상호 인덕턴스
IS : 수신단(210)의 수신 전류
CS : 수신 공진부(230)의 캐패시턴스
LS : 수신 공진부(230)의 자기 인덕턴스
VR : 정류부(150)의 출력 전압
VOut : 수신단(210)의 부하의 충전 전압
RL : 수신단(210)의 부하 임피던스
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 무선 전력 충전 장치(10)의 복수의 송신단(200a,200b,200c) 및 복수의 수신단(210a,210b,210c)의 연결 관계를 설명하기 위한 도면이다.
이하에서 복수의 송신단에서 복수의 수신단에 전력을 전송하는 경우를 살펴보며, 하나의 송신단에서 전력을 전송하거나 또는 하나의 수신단에서 전력을 수신하는 경우에도 동일유사하게 적용할 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 무선 전력 충전 장치(10)는 제1 내지 제t 송신단(200a,200b,200c) 및 제1 내지 제q 수신단(210a,210b,210c)으로 구성되어 제1 내지 제t 송신단(200a,200b,200c)에서 송신한 전력을 이용하여 제1 내지 제q 수신단(210a,210b,210c)에서 전력 충전이 진행될 수 있도록 한다. 이때, 제1 내지 제t 송신단(200a,200b,200c) 각각은 도2에서 살펴본 송신단(200)과 동일 또는 유사한 구성을 포함할 수 있으며, 제1 내지 제q 수신단(210a,210b,210c) 각각은 도2에서 살펴본 수신단(210)과 동일 또는 유사한 구성을 포함할 수 있다.
또한, 제1 내지 제t 송신단(200a,200b,200c) 및 제1 내지 제q 수신단(210a,210b,210c) 각각은 캐패시턴스, 인덕턴스, 임피던스 등 각 구성 소자의 크기를 다른 송신단 또는 수신단과 동일하게 구성하거나 서로 상이하게 구성할 수 있다. 또한, 전원부(100) 및 제어부(170)는 각각 하나의 컴포넌트로 구성하여 본 발명의 무선 전력 충전 장치(10) 전체에 적용하고, 증폭부(110), 송신공진부(220), 감지부(130)는 제1 내지 제t 송신단(200a,200b,200c) 각각에 포함되는 복수의 컴포넌트로 구성하며, 수신공진부(230), 정류부(150), 변환부(160), 감지부(130)는 제1 내지 제q 수신단(210a,210b,210c) 각각에 포함되는 복수의 컴포넌트로 구성할 수 있다. 또한, 통신부(120)는 제1 내지 제t 송신단(200a,200b,200c)에서는 하나의 컴포넌트로 구성하여 송신단 전체에 적용하고 제1 내지 제q 수신단(210a,210b,210c)에서는 각각에 포함되는 복수의 컴포넌트로 구성할 수 있다. 또한, 제어부(170)는 전원부(100)로부터 공급된 전원을 이용하여 제1 내지 제t 송신단(200a,200b,200c)에 공급되는 전원을 제어한다.
제1 내지 제t 송신단(200a,200b,200c) 및 제1 내지 제q 수신단(210a,210b,210c) 사이에서는 각 송신단과 각 수신단 사이에서 Mtq 와 같은 상호 인덕턴스가 발생한다. 또한, 이물질이 충전 영역에 침입하는 경우 이물질도 인덕턴스 및 이물질의 부하가 있기 때문에 제1 내지 제t 송신단(200a,200b,200c)과 이물질 사이, 제1 내지 제q 수신단(210a,210b,210c)과 이물질 사이에서도 상호 인덕턴스가 발생한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 무선 전력 충전 장치(10)에서 충전 진행 여부를 판단하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
전력 소모를 최소화 하기 위해 수신단이 제1 내지 제t 송신단(200a,200b,200c)의 충전 영역에 들어오기 전에는 본 발명의 무선 전력 충전 장치(10)는 절전 모드에서 동작한다. 절전 모드에서 제어부(170)는 임의의 물체가 송신단의 충전 영역에 들어오면 무선 충전이 가능한 수신단이 송신단의 충전 영역내에 있는지 확인하여 무선 충전을 진행한다. 이때, 충전 영역에 이물질이 들어올 수 있기 때문에 충전 영역에 임의의 물체가 있는지 확인한 후 물체가 충전 가능한 수신단인지 이물질인지 판단하며 수신단인 경우 충전을 진행하고 이물질인 경우 충전을 진행하지 않는다.
이하에서는 제t 번째 송신단(200c)에 대해 살펴보며, 다른 송신단에 대해서도 동일 또는 유사하게 적용할 수 있다.
도 4는 제t 번째 송신단(200c)의 충전 영역내에 임의의 물체가 진입한 경우 등가회로를 나타내는 도면이다. 도 4에 도시된 바와같이 등가회로는 2개의 MOS-FET, 저항, 캐패시터 및 인덕터를 포함하며 각 문자에 대한 설명은 다음과 같다.
C.C.St(400): 제t 번째 송신단(200c)의 전류 제어부
w : 제t 번째 송신단(200c)의 동작 각주파수
Imt : 제t 번째 송신단(200c)의 출력 전류
VPt : 제t 번째 송신단(200c)의 입력 전압
RPt : 제t 번째 송신단(200c)의 내부 저항
CPt : 제t 번째 송신단(200c)의 캐패시턴스
LPt : 제t 번째 송신단(200c)의 인덕턴스
Zu.o(410): 제t 번째 송신단(200c)에서 바라보는 소정의 물체의 임피던스
Zint : 제t 번째 송신단(200c)에서 전체 수신단을 바라본 임피던스
C.C.St(400)는 제t번째 송신단(200c)에 공급하는 전류를 제어하는 것으로 일 예로 MCU(Micro Controller Unit )로부터 수신된 제어 신호에 따라 0.01(A)와 같이 소정의 전류 단위로 제t 번째 송신단(200c)에 공급하는 전류의 크기를 제어한다.
감지부(130)가 제t 번째 송신단(200c)의 입력 전압 또는 출력 전류를 감지하여 제어부(170)에 전송하면 제어부는 [수학식 1]을 이용하여 임피던스(Zint) 결정한다.
[수학식 1]
Figure pat00003
제t 번째 송신단(200c)의 충전 영역내에 소정의 물체가 위치하면 해당 물체로 인해 임피던스(Zu.o)가 발생하며 이로인해 임피던스(Zint)가 증가하게 된다. 이를 통해 임피던스(Zint)의 크기가 미리 결정된 임계값을 초과하는 경우 임의의 물체가 충전 영역내에 위치한 것으로 판단한다. 이후 임의의 물체가 무선 전력 충전이 가능한 수신단인지 또는 충전이 어려운 이물질인지 판단하여 수신단인 경우 무선 충전을 진행하고 이물질인 경우 충전을 진행하지 않는다.
일 예로, 제어부(170)는 임의의 물체가 충전 영역내에 위치하기 전의 제t번째 송신단(200c) 공진부의 공진 각주파수(wo)와 충전 영역내에 위치한 후의 공진 각주파수(wo')가 동일한지 여부로 이물질인지 판단하거나, 감지부(130)에서 감지한 출력 전류(Imt)가 아래에서 살펴보는 [수학식 6]을 이용하여 산출한 출력 전류(Imt)와 동일하거나 소정의 범위내에 있는지 여부를 이용하여 이물질 여부를 판단할 수 있다.
임의의 물체가 수신단으로 확인되면 무선 충전을 진행하기 위해 블루투스 등의 근거리 통신 수단을 이용하여 수신단의 개수를 확인하고 송신단과 수신단 사이의 상호 인덕턴스의 값과 부호를 결정한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 무선 전력 충전 장치(10)에서 상호 인덕턴스를 결정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
제어부(170)는 출원번호 10-2019-0092894 (출원일 : 2019.07.31)에서 설명한 방법을 통해 상호 인덕턴스를 결정할 수 있으며, 본 발명은 출원번호 10-2019-0092894에서 설명한 방법을 통해 결정된 상호 인덕턴스를 이용할 수 있다.
일 예로, 도 5와 같이 무선 전력 충전 장치의 등가회로가 제1 내지 제t 송신 공진회로부(300,320,340), 제1 내지 제t 전원부(VS1, VS2, VSt), 제1 내지 제q 수신 공진회로부(310,330,350) 및 부하 저항(RL1, RL2, RLq)으로 구성되는 경우를 살펴보도록 한다. 제1 내지 제t 전원부(VS1, VS2, VSt)에서 제1 내지 제t 송신 공진회로부(300,320,340)에 전원을 공급하면, 제1 내지 제t 송신 공진회로부(300,320,340)에는 입력 전압(VP1, VP2, VPt)이 발생하고, 제1 내지 제q 수신 공진회로부(310,330,350)에는 수신 전압(VR1, VR2, VRq)이 발생한다.
이때, 효율적으로 제1 내지 제t 송신 공진회로부(300,320,340)에서 제1 내지 제q 수신 공진회로부(310,330,350)로 전력 전송을 하기 위한 상호 인덕턴스 값은 [수학식 2]와 같이 결정된다.
[수학식 2]
Figure pat00004
이때, Mtq : 제t 번째 송신 공진회로부와 제q 번째 수신 공진회로부의 상호 인덕턴스
IPt : t번째 송신 공진회로부의 입력 전류
w : 제t 번째 송신 공진회로부의 동작 각주파수
RLq : 제q 번째 수신 공진회로부의 부하 저항
VRq : 제q 번째 수신 공진회로부의 수신 전압
ZSq : 제q 번째 수신 공진회로부의 임피던스
Figure pat00005
CSq : 제q 번째 수신 공진회로부의 캐패시터
LSq : 제q 번째 수신 공진회로부의 자기 인덕턴스
RSq : 제q 번째 수신 공진회로부의 내부 저항
본 발명은 상호 인덕턴스 값을 결정하기 위해서 어느 하나의 송신 공진회로부에만 전원을 공급하고 다른 공진회로부에는 전원 공급을 차단한 상태에서 [수학식 2]를 통해 상호 인덕턴스값을 결정한다.
일 예로, 제1 송신 공진회로부(300)에만 전류 IP1을 공급하고 제2 송신 공진회로부 내지 제t 송신 공진회로부(320,340)에는 전원 공급을 차단한 후 제1 송신 공진회로부(300)에 관련된 상호 인덕턴스(M11, M12내지 M1q)을 결정한다. 이후, 제2 송신 공진회로부(320)에만 전류 IP2을 공급하고 제1 송신 공진회로부(300) 및 제3 송신 공진회로부(미도시) 내지 제t 공진회로부(340)에는 전원 공급을 차단한 후 제2 송신 공진회로부(320)에 관련된 상호 인덕턴스(M21, M22 내지 M2q)를 결정한다. 동일한 방법으로 제t 송신 공진회로부(340)까지 진행하면 모든 상호 인덕턴스 값을 결정할 수 있다.
한편, 상호 인덕턴스 값이 결정되면 상호 인덕턴스의 부호를 결정하는데, 상호 인덕턴스의 부호는 [수학식 3]과 같이 결정된다.
[수학식 3]
if) VRq,in-phase > VRq,out of phase 의 경우 (+)
if) VRq,in-phase < VRq,out of phase 의 경우 (-)
이때, VRq,in-phase 는 기준 송신 공진회로부와 부호를 결정하기 위한 송신 공진회로부에 소정의 동일 크기 및 동일 위상 전류를 공급할 때, q번째 수신 공진회로부에서 발생하는 전압이며, VRq,out of phase 는 기준 송신 공진회로부와 부호를 결정하기 위한 송신 공진회로부에 소정의 동일 크기 및 서로 반대 위상 전류를 흘렸을 때, q번째 수신 공진회로부에서 발생하는 전압이다. 이때, 기준 송신 공진회로부 및 부호를 결정하기 위한 송신 공진회로부 이외에 다른 송신 공진회로부에는 전원 공급을 차단한다.
상호 인덕턴스의 부호가 (+)인 경우는 동일한 위상인 경우를 나타내며, (-)는 위상이 반대인 경우를 나타낸다. 또한, 기준 송신 공진회로부는 임의로 결정할 수 있으며, 기준 송신 공진회로부와 관련된 상호 인덕턴스의 부호는 모두 (+)가 된다.
일 예로, 제1 송신 공진회로부(300)를 기준 송신 공진회로부로 결정하면, 제1 송신 공진회로부(300)와 관련된 상호 인덕턴스(M11내지 M1q)의 부호는 모두 (+)가 된다.
제2 송신 공진회로부(320)와 관련된 상호 인덕턴스(M21 내지 M2q)의 부호를 결정하기 위해 기준이 되는 제1 송신 공진회로부(300) 및 부호를 결정하기 위한 제2 송신 공진회로부(320)에 동일 크기 및 동일 위상의 전류를 공급하여 제1 수신 공진회로부 내지 제q 수신 공진회로부(310,350)의 수신 전압을 측정한다. 이후, 제1 송신 공진회로부(300) 및 제2 송신 공진회로부(320)에 동일 크기 및 서로 반대 위상의 전류를 공급하여 제1 수신 공진회로부 내지 제q 수신 공진회로부(310,350)의 수신 전압을 측정한다. 제1 수신 공진회로부 내지 제q 수신 공진회로부(310,350)의 수신 전압이 측정되면 [수학식 3]을 이용하여 상호 인덕턴스의 부호를 결정한다. 이와 같은 방법으로 제3 송신 공진회로부(미도시) 내지 제t 송신 공진회로부(340)에 대해서도 상호 인덕턴스의 부호를 결정할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 무선 전력 충전 장치(10)에서 송신단의 출력 전류를 제어하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은 적어도 하나의 송신단 또는 수신단 사이에서 전력이 송수신되기 때문에 제어부(170)는 충전 효율을 높이기 위해 다른 송신단 또는 수신단과 영향이 없는 독립적인 송신단 또는 수신단으로 볼 수 있는 서브셋(Subset)을 설정한다. 서브셋을 설정하면 더 빠르게 최대 효율을 위한 제1 내지 제t 송신단(200a,200b,200c)의 각 출력 전류(IP1, IP2, IPt)를 결정할 수 있다.
제어부(170)는 상호 인덕턴스(Mtq)의 행렬을 이용하여 서브셋을 설정한다. 행렬에서 행은 송신단, 열은 수신단을 의미하며, i행 j열은 제i 송신단과 제j 수신단 사이의 상호 결합을 의미한다. 이와 같이 구성된 상태에서 소정의 상호 인덕턴스로부터 앞의 행과 열의 원소가 모두'0'이면 해당 상호 인덕턴스로부터 별도의 서브셋으로 본다. 일 예로, 도 6은 무선 충전 장치(10)가 제1 내지 제4 송신단(Tx1,Tx2,Tx3,Tx4) 및 제1 내지 제3 수신단(Rx1,Rx2,Rx3)으로 구성된 경우 서브셋을 결정하는 방법을 나타내고 있다.
도 6에서 제1 수신단(Rx1)은 제1 및 제2 송신단(Tx1,Tx2)으로부터 전력을 전송받고, 제2 수신단(Rx2)은 제2 및 제3 송신단(Tx2,Tx3)으로부터 전력을 전송받으며, 제3 수신단(Rx3)은 제4 송신단(Tx4)으로부터 전력을 전송받는 경우를 나타내고 있다. 제3 수신단(Rx3)과 제4 송신단(Tx4) 사이의 상호 인덕턴스(M43)는 앞의 행과 열의 원소가 모두'0'이기 때문에 별도의 서브셋을 구성한다. 따라서, 상호 인덕턴스(M11,M21,M22,M32)가 하나의 서브셋을 구성하고, 상호 인덕턴스(M43)은 하나의 서브셋을 구성한다. 즉, 제3 수신단(Rx3) 및 제4 송신단(Tx4)이 하나의 서브셋을 구성하고, 나머지 송신단 및 수신단이 하나의 서브셋을 구성한다.
서브셋이 결정되면 각 서브셋에 최적화 알고리즘을 적용하여 제1 내지 제t 송신단(200a,200b,200c)의 각 출력 전류(IP1, IP2, IPt)를 결정한다. 일 예로, 무선 충전 장치(10)의 충전시 제한 조건을 고려하여
Figure pat00006
을 구하며, 이때, Particle Swarm Optimization, Simmulated Annealing, Generic Algorithm 등을 이용할 수 있다.
제어부(170)는 제1 내지 제t 송신단(200a,200b,200c)의 출력 전류(IP1, IP2, IPt)가 결정되면 결정된 전류를 통해 제1 내지 제q 수신단(210a,210b,210c)에 전력을 전송하여 충전이 진행되도록 한다. 이때, 제1 내지 제t 송신단(200a,200b,200c)의 출력 전류(IP1, IP2, IPt)를 통해 제1 내지 제q 수신단(210a,210b,210c)에서 최대 효율로 충전을 진행하기 위해서는 각 수신단에서 수신되는 전력을 모니터링하여 각 송신단의 출력 전류(IP1, IP2, IPt)를 제어하는 것이 필요하다.
일 예로, 송신단 및 수신단이 복수인 경우 하나의 송신단에서 전송한 전력이 복수의 수신단에 영향을 미치고 어느 수신단에서는 목표로 정한 수신 전력(이하, '목표 수신전력'이라 함) 보다 더 높은 전력이 수신되고 다른 수신단에서는 목표 수신전력 보다 낮은 전력이 수신될 수 있기 때문에 각 수신단에서 수신되는 전력(이하, '현재 수신전력'이라 함)이 최대한 각 수신단의 목표 수신전력에 도달될 수 있도록 각 송신단의 출력 전류를 제어하는 것이 필요하다.
이를 위해 제어부(170)를 제1 내지 제t 송신단(200a,200b,200c)과 제1 내지 제q 수신단(210a,210b,210c) 사이에서 결정된 상호 인덕턴스를 이용하여 각 송신단에 대한 각 수신단의 중요도를 결정한다. 여기서 중요도는 어느 하나의 송신단과 각각의 수신단 사이에서 송신단에서 전송한 전력이 각 수신단에 미치는 영향의 정도를 나타내는 것으로 어느 하나의 송신단과 각 수신단 사이에서 상호 인덕턴스의 크기에 따라 결정되며, 상호 인덕턱스의 절대값을 이용하는 것이 바람직하다.
중요도는 어느 하나의 송신단과 각 수신단 사이에서 결정되기 때문에 중요도의 최대값은 해당 송신단과'0'이 아닌 상호 인덕턴스를 갖는 수신단의 전체 개수이고, 최대값과 최소값 사이는 중요도에 따라 최대값에서 소정의 값씩 차감하여 결정되며, 소정의 값은 '1'이 바람직하다. 중요도의 최소값은 '0'이며, 어느 하나의 송신단과 각 수신단 사이에서 상호 인덕턴스가 '0'인 경우에는 최소값은'0'이 된다.
일 예로, 제1 및 제2 송신단에서 제1 내지 제3 수신단으로 전력을 전송하여 무선 충전이 진행되는 경우, 각 송신단과 수신단 사이에서 상호 인덕턴스가 결정되어 [표 1]과 같이 상호 인덕턴스가 생성되는 경우를 살펴본다. [표 1]에서 제1 송신단과 제1 내지 제3 수신단 사이에서 '0'이 아닌 상호 인덕턴스를 갖는 수신기의 개수는 2개이며, 제2 송신단과 제1 내지 제3 수신단 사이에서 0'이 아닌 상호 인덕턴스를 갖는 수신기의 개수는 2개인 것을 알 수 있다.
Rx1 Rx2 Rx3
Tx1 120 95 0
Tx2 0 -45 80
제1 송신단과 제1 내지 제3 수신단에서 상호 인덕턴스가 가장 높은 수신단은 제1 수신단이므로 제1 송신단에 대한 중요도가 최대인 수신단은 제1 수신단이며 제1 수신단의 중요도 레벨은 '2'가 된다. 제2 수신단은 두번째로 높은 상호 인덕턴스를 가지므로 최대값에서 '1'이 차감되어 중요도 레벨은 '1'이되고, 제3 수신단은 최소값으로 중요도 레벨은'0'이된다. 또한, 제2 송신단의 경우 상호 인덕턴스가 가장 높은 수신단은 제3 수신단이므로 제2 송신단에 대한 중요도가 최대인 수신단은 제3 수신단이며 제3 수신단의 중요도 레벨은'2'가 된다. 제2 수신단은 두번째로 높은 상호 인덕턴스를 가지므로 최대값에서 '1'이 차감되어 중요도 레벨은 '1'이되고, 제1 수신단은 최소값으로 '0'이된다.
한편, 제어부(170)는 감지부(130)로부터 전송된 각 수신부의 수신 전압 또는 수신 전류를 이용하여 각 수신부의 현재 수신전력을 확인하며 각 수신부에서 목표 수신전력에 도달했는지 확인한다. 각 수신부에서 목표 수신전력에 도달하지 못한 경우에는 수신 전력을 증가시켜야 되며, 목표 수신전력에 도달한 경우에는 현재의 상태를 유지하고 목표 수신전력을 초과한 경우에는 수신 전력을 감소시켜야 된다. 이를 위해 제어부(170)는 각 수신단에 대한 수신 전력을 조절하기 위해 수신 전력 제어 방향을 결정한다. 일례로 수신 전력 제어 방향이 '+1'인 경우 현재 수신전력이 목표 수신전력에 도달하지 못해 수신 전력을 증가시켜야 되는것을 나타내며,'-1'은 현재 수신전력이 목표 수신전력을 초과하여 수신 전력을 감소시켜야 되는것을 나타내고,'0'은 현재 수신전력이 목표 수신전력에 도달하여 수신 전력을 유지시켜야 되는 것을 나타낸다.
제어부(170)는 각 수신단의 수신 전력 제어 방향이 결정되면 각 송신단의 출력 전류를 제어하여 각 수신단에 전송되는 전력을 조절한다. 이때, 하나의 송신단에서 전송하는 전력이 적어도 하나의 수신단에 영향을 미치므로 효율적인 전력 전송을 위해 모든 수신단의 전력 수신 상태 또는 각 송신단에 대한 중요도가 가장 높은 수신단의 전력 수신 상태를 고려하여 각 송신단의 출력 전류를 제어한다.
구체적으로 살펴보면, 먼저 제어부(170)는 제1 내지 제q 수신단(210a,210b,210c)의 현재 수신전력이 모두 목표 수신전력에 도달하였는지 확인하여 도달한 경우 제1 내지 제t 송신단(200a,200b,200c)의 출력 전류를 현재의 상태로 유지하고, 모두 도달하지 못한 경우 제1 내지 제q 수신단(210a,210b,210c)의 현재 수신전력이 모두 목표 수신전력에 미달 또는 초과하는지 확인한다. 모두 미달 또는 초과한 경우, 제1 내지 제t 송신단(200a,200b,200c)에 대한 제1 내지 제q 수신단(210a,210b,210c)의 중요도 및 제1 내지 제q 수신단(210a,210b,210c)에 대한 수신 전력 제어 방향을 이용하여 제1 내지 제t 송신단(200a,200b,200c)의 출력 전류를 조절한다.
또한, 모두 미달 또는 초과하지 않은 경우, 제1 내지 제t 송신단(200a,200b,200c)에 대한 중요도가 가장 높은 수신단의 현재 수신전력이 모두 목표 수신전력에 도달하는지 확인한다. 모두 도달한 경우, 제1 내지 제t 송신단(200a,200b,200c)의 출력 전류를 현재의 상태로 유지하고, 모두 도달하지 못한 경우 제1 내지 제t 송신단(200a,200b,200c)에 대한 제1 내지 제q 수신단(210a,210b,210c)의 중요도 및 제1 내지 제q 수신단(210a,210b,210c)에 대한 수신 전력 제어 방향을 이용하여 제1 내지 제t 송신단(200a,200b,200c)의 출력 전류를 조절한다.
각 수신단의 현재 수신전력을 조절하기 위해 각 송신단의 출력 전류 제어가 필요한 경우 제어부(170)는 [수학식 4]를 이용하여 각 송신단의 출력 전류를 제어한다.
[수학식 4]
Figure pat00007
이때, St는 제t 번째 송신단의 전류 제어 방향
Wtk 는 제t 번째 송신단에 대한 제k 번째 수신단의 중요도
dk는 제k 수신단에 대한 수신 전력 제어 방향
제어부(170)는 'St > 0'인 경우 제 t 번째 송신단의 출력 전류를 증가시키고, 'St < 0'인 경우 제 t 번째 송신단의 출력 전류를 감소시키며,'St = 0'인 경우 제 t 번째 송신단의 출력 전류를 유지시킨다. 일 예로, 제1 및 제2 송신단에서 제1 내지 제3 수신단에 전력을 전송하는 경우 각 송신단과 각 수신단 사이의 중요도는 [표 2]와 같이 정리할 수 있다.
Rx1 Rx2 Rx3
Tx1 2 1 0
Tx2 0 1 2
이러한 가운데 d1은 (-1), d2는 (+1), d3은 (-1)인 경우 St는 다음과 같이 결정된다.
Figure pat00008
Figure pat00009
S1 은 0 보다 작기 때문에 제어부(170)는 제1 송신단의 출력 전류를 감소시키고, S2 는 0 보다 작기 때문에 제어부(170)는 제2 송신단의 출력 전류를 감소시킨다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 무선 전력 충전 장치(10)에서 무선 충전 환경 변화를 판단하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
제1 내지 제t 송신단(200a,200b,200c)과 제1 내지 제q 수신단(210a,210b,210c) 사이에서 무선 전력 전송이 진행되는 중에 수신단 자체의 변화 또는 이물질 침입으로 무선 충전 환경에 변화가 발생할 수 있다. 이때, 수신단 자체의 변화는 충전 영역에 새로운 수신단이 들어오거나 기존의 충전 영역에 있던 수신단이 충전 영역 밖으로 나가게 되어 수신단이 증가하거나 또는 감소하는 경우, 수신단 자체의 부하가 변하는 경우, 충전 영역에서 수신단이 이동하는 경우 등이 해당될 수 있다. 제어부(170)는 무선 충전 환경에 변화가 발생하면 변화 내용을 확인하여 무선 충전이 효율적을 진행될 수 있도록 제어한다.
도 7를 참조하여 제어부(170)에서 무선 충전 환경의 변화를 판단하는 방법을 살펴보면, 제t 번째 송신단(200c)에서 제1 내지 제q 수신단(210a,210b,210c) 및 이물질(300)을 바라보면 등가회로는 도 7과 같이 나타낼 수 있으며, 도 7에 도시된 바와같이 등가회로는 2개의 MOS-FET, 저항, 캐패시터 및 인덕터를 포함하며 각 문자에 대한 설명은 다음과 같다.
ZRx1(410) : 제t 번째 송신단(200c)에서 제1 번째 수신단을 바라본 임피던스
ZRx2(420) : 제t 번째 송신단(200c)에서 제2 번째 수신단을 바라본 임피던스
ZRxq(430) : 제t 번째 송신단(200c)에서 제q 번째 수신단을 바라본 임피던스
ZF.O(440) : 제t 번째 송신단(200c)에서 이물질을 바라보는 임피던스
제어부(170)는 제t 번째 수신단(200c)에서 수신단을 바라본 임피던스(Zint)를 이용하여 무선 충전 환경을 변화를 확인한다.
도 7에서 임피던스(Zint)는 [수학식 5]와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 5]
Figure pat00010
충전 영역에서 수신단의 개수가 증가 또는 감소, 수신단 자체의 부하 변화, 수신단의 이동 및 이물질이 침입하게 되면 임피던스(Zint)가 변하게 된다. 따라서, 제어부(170)는 소정의 주기로 임피던스(Zint)를 확인하여 임피던스(Zint)가 동일하거나 임피던스(Zint)의 변화로 인한 차이가 소정의 범위 이내에 있는 경우 무선 충전 환경이 유지되고 있는 것으로 판단하고 임피던스(Zint)의 변화로 인한 차이가 소정의 범위를 초과하는 경우 무선 충전 환경의 변화가 발생한 것으로 판단할 수 있다.
한편, 수신단의 상태에 변화가 발생하여 무선 충전 환경의 변화가 발생한 경우 제어부(170)는 수신단의 상태 변화가 수신단 자체의 변화인지 이물질의 침입인지 확인하여 수신단의 전력 충전이 원활히 진행될 수 있도록 한다. 본 발명은 무선 전력 전송의 효율을 높이기 위해 제t 번째 송신단(200c)의 동작 각주파수(w)를 제t 번째 송신단(200c) 공진부의 공진 각주파수(wo)와 동일하게 무선 충전을 진행한다. 이때, 수신단 자체의 변화가 발생해도 동작 각주파수(w)는 공진 각주파수(wo)와 동일하게 동작하지만, 이물질이 침입하게 되면 제t 번째 송신단(200c) 공진부의 공진 각주파수가 wo 에서 wo'으로 변경되어 동작 각주파수와 공진 각주파수가 서로 상이하게 된다. 이를 통해 제어부(170)는 [수학식 6]을 이용하여 제t 번째 송신단(200c)의 출력 전류(Imt)를 결정하고, 감지부(130)에서 감지한 제t 번째 송신단(200c)의 출력 전류(Imt)를 비교하여 수신단 자체의 변화인지 이물질의 침입인지 판단한다.
[수학식 6]
Figure pat00011
Figure pat00012
이때, IMONt는 제t 번째 송신단(200c)의 전류 제어부의 출력 전류
수신단의 개수가 증가 또는 감소, 수신단 자체의 부하 변화, 수신단의 이동 등 수신단 자체의 변화인 경우 [수학식 6]을 이용하여 결정한 제t 번째 송신단(200c)의 출력 전류(Imt)는 감지부(130)에서 감지한 제t 번째 송신단(200c)의 출력 전류(Imt)와 동일하거나 오차가 발생하는 경우에도 무선 전력 전송의 효율에 영향이 미비한 정도의 소정의 오차 범위에서 차이가 발생하게 된다. 그러나 이물질이 침입한 경우에는 [수학식 6]을 이용하여 산출한 제t 번째 송신단(200c)의 출력 전류(Imt)와 감지부(130)에서 감지한 제t 번째 송신단(200c)의 출력 전류(Imt)는 다르거나 그 차이가 무선 충전 효율에 영향이 미비한 소정의 범위를 초과하게 된다. [수학식 6]에서 IMONt는 감지부(130)로부터 감지된 값을 수신받을 수 있다.
수신단 자체의 변화인 경우, 제어부(170)는 블루투스 통신 등 근거리 통신 방식을 통해 수신단의 개수에 변화가 있는지 확인하거나 각 상호인덕턴스의 변화 여부를 이용하여 각 수신단이 충전 영역에서 이동하였는지 확인할 수 있다. 또한, [수학식 7]를 통해 수신단의 내부 부하의 변화 여부를 확인할 수 있으며, 수신단의 개수 변화, 수신단의 내부 부하의 변화 및 수신단의 이동 여부는 소정의 순서로 순차적으로 확인할 수 있다.
[수학식 7]
Figure pat00013
Figure pat00014
,
이때, ZLq는 제q 번째 수신단(210c)의 내부 부하
ISq는 제q 번째 수신단(210c)의 수신 전류
VRq는 제q 번째 수신단(210c)의 수신 전압
수신단의 상태에 변화가 발생하여 무선 충전 환경의 변화가 발생한 경우 제어부(170)는 수신단의 개수의 증가 또는 감소가 있거나 또는 수신단이 이동한 경우에는 도 5 및 도 6에서 살펴본 바와같이 각 송신단과 각 수신단 사이의 상호 인덕턴스를 결정하고 각 송신단의 출력 전류를 제어하여 수신단에서 필요한 전력을 원활히 공급하기 위해 송신 전력을 조절하는 과정을 진행한다. 또한, 수신단 자체의 부하가 변화한 경우에는 도 6에서 살펴본 바와같이 각 송신단의 출력 전류를 제어하여 송신 전력을 조절하는 과정을 진행한다. 또한, 이물질이 침입한 경우에는 충전 효율에 영향을 미치므로 각 송신단의 출력 차단을 통해 전력 전송이 이루어지지 않도록 하여 무선 충전을 중지한다.
도 8(a) 및 도8(b)는 본 발명의 일 실시예에 의한 무선 전력 충전 장치(10)의 동작을 설명하기 위한 순서도이다.
도 8(a) 및 도8(b)를 참조하면, 제어부(170)는 임의의 물체가 제1 내지 제t 송신단(200a,200b,200c)의 충전 영역에 들어오면 해당 물체를 확인하고(800), 해당 물체가 무선 충전이 가능한 수신단인 경우(805의 예) 충전을 진행하고 이물질인 경우(805의 아니오) 충전을 진행하지 않는다. 충전을 진행하는 경우, 제어부(170)는 제1 내지 제t 송신단(200a,200b,200c)과 제1 내지 제q 수신단(210a,210b,210c) 사이의 상호 인덕턴스를 결정하고 각 수신단에 대한 서브셋을 결정하여 제1 내지 제t 송신단(200a,200b,200c)의 출력 전류를 결정하여 충전을 진행한다(810).
이후, 제어부(170)는 수신단의 충전 상태를 모니터링하여 제1 내지 제q 수신단(210a,210b,210c)의 현재 수신전력이 모두 목표 수신전력에 도달하는지 확인한다. 도달한 경우(815의 예) 제1 내지 제t 송신단(200a,200b,200c)의 출력 전류를 현재의 상태로 유지하고(840), 도달하지 못한 경우(815의 아니오) 제1 내지 제q 수신단(210a,210b,210c)의 현재 수신전력이 모두 목표 수신전력에 미달 또는 초과하는지 확인한다. 미달 또는 초과한 경우(820의 예), 제1 내지 제t 송신단(200a,200b,200c)에 대한 제1 내지 제q 수신단(210a,210b,210c)의 중요도 및 제1 내지 제q 수신단(210a,210b,210c)에 대한 수신 전력의 수신 전력 제어 방향을 이용하여 제1 내지 제t 송신단(200a,200b,200c)의 출력 전류를 조절한다(830).
또한, 미달 또는 초과하지 않은 경우(820의 아니오), 제1 내지 제t 송신단(200a,200b,200c)에 대한 중요도가 가장 높은 수신단의 현재 수신전력이 모두 목표 수신전력에 도달하는지 확인한다. 도달한 경우(825의 예), 제1 내지 제t 송신단(200a,200b,200c)의 출력 전류를 현재의 상태로 유지하고(840), 도달하지 못한 경우(825의 아니오) 제1 내지 제t 송신단(200a,200b,200c)에 대한 제1 내지 제q 수신단(210a,210b,210c)의 중요도 및 제1 내지 제q 수신단(210a,210b,210c)에 대한 수신 전력의 수신 전력 제어 방향을 이용하여 제1 내지 제t 송신단(200a,200b,200c)의 출력 전류를 조절한다(830).
한편, 제어부(170)는 무선 전력 전송을 통해 충전 중에 무선 충전 환경의 변화가 발생하는지 모니터링한다. 구체적으로 제어부(170)는 소정의 시간 단위로 [수학식 5] 및 감지부(130)로부터 수신된 제t 번째 송신단(200c)의 입력 전압 또는 출력 전류를 이용하여 제t 번째 수신단(200c)에서 수신단을 바라본 임피던스(Zint) 결정한다(850). 결정된 임피던스(Zint)가 동일하거나 소정의 범위내에서 변경된 경우(855의 아니오) 현재의 상태를 유지하고(880), 임피던스(Zint)의 변화된 차이가 소정의 범위를 초과하는 경우(855의 예) 무선 충전 상태의 변화를 확인한다(860).
이를 위해 제어부(170)는 [수학식 6] 및 감지부(130)로부터 수신된 제t 번째 송신단(200c)의 전류 제어부의 출력 전류(IMONt)를 이용하여 제t 번째 송신단(200c)의 출력 전류(Imt)를 결정하고, 결정된 전류와 감지부(130)로부터 수신된 제t 번째 송신단(200c)의 출력 전류(Imt)를 비교한다. 제어부(170)에서 산출한 전류와 감지부(130)에서 감지한 전류가 서로 동일하거나 그 차이가 소정의 범위내에 있는 경우(865의 예), 제어부(170)는 각 수신단 자체의 상태 변화를 확인한다(870). 이때, 각 수신단 자체의 상태 변화는 수신단의 개수에 변화가 있는지 여부, 각 수신단의 내부 부하의 변화 여부 및 수신단이 충전 영역에서 이동하였는지 등이다. 수신단 자체의 상태 변화가 확인되면 제어부(170)는 제t 번째 송신단(200c)의 출력 전류를 제어하여 송신 전력을 조절한다(890).
제어부(170)에서 산출한 전류와 감지부(130)에서 감지한 전류가 다르거나 그 차이가 소정의 범위를 초과하는 경우(865의 아니오), 제어부(170)는 이물질이 충전 영역에 침입한 것으로 판단하여 각 송신단의 출력을 차단하여 무선 충전을 중지한다(880).
한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다.
그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되지 않으며, 후술되는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: 전원부 110: 증폭부
120: 통신부 130: 감지부
140: 공진부 150: 정류부
160: 변환부 170: 제어부

Claims (19)

  1. 무선 전력 충전 장치에 있어서,
    전원부로부터 제공된 전원을 이용하여 전력을 송신하며 하나의 캐패시터와 하나의 인덕터를 포함하는 송신 공진부를 각각 포함하는 적어도 하나의 송신단과;
    상기 적어도 하나의 송신단으로부터 전송된 전력을 수신하며 하나의 캐패시터와 하나의 인덕터를 포함하는 수신 공진부 및 수신된 전력을 이용하여 충전을 수행하는 부하를 각각 포함하는 적어도 하나의 수신단과;
    상기 적어도 하나의 송신단과 적어도 하나의 수신단 사이의 상호 인덕턴스를 이용하여 상기 적어도 하나의 송신단의 출력 전류를 결정하여 무선 충전을 진행하고 상기 적어도 하나의 수신단의 현재 수신전력이 목표 수신전력에 도달하는지 여부에 따라 상기 적어도 하나의 송신단에 대한 상기 적어도 하나의 수신단의 중요도 및 상기 적어도 하나의 수신단의 수신 전력을 조절하기 위한 수신 전력 제어 방향을 이용하여 상기 적어도 하나의 송신단의 출력 전류를 조절하는 제어부를 포함하는 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 어느 하나의 송신단과 적어도 하나의 수신단 사이에서 송신단에서 전송한 전력이 각 수신단에 미치는 영향의 정도를 고려하여 상기 중요도를 결정하는 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 어느 하나의 송신단과 적어도 하나의 수신단 사이에서의 상호 인덕턴스의 크기에 따라 중요도의 레벨을 결정하며,
    상기 어느 하나의 송신단과 적어도 하나의 수신단 사이에서 '0'이 아닌 상호 인덕턴스를 갖는 수신단의 전체 개수를 상기 중요도의 최상의 값으로 하고 차순위는 상기 최상의 값에서 소정의 값씩 차감하여 상기 중요도의 레벨을 결정하는 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 적어도 하나의 수신단의 현재 수신전력이 목표 수신전력에 모두 도달한 경우 상기 적어도 하나의 송신단의 출력 전류를 현재의 상태로 유지하고,
    상기 적어도 하나의 수신단의 현재 수신전력이 목표 수신전력에 모두 미달 또는 초과한 경우 상기 적어도 하나의 송신단의 출력 전류를 조절하는 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 적어도 하나의 수신단의 일부의 현재 수신전력이 목표 수신전력에 미달 또는 초과한 경우 상기 적어도 하나의 송신단에 대한 중요도가 최상인 적어도 하나의 수신단의 현재 수신전력이 목표 수신전력에 도달하는지 여부에 따라 상기 송신단의 출력 전류를 조절하는 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 [수학식 5]을 이용하여 상기 적어도 하나의 송신단의 출력 전류를 조절하는 장치.
    [수학식 5]
    Figure pat00015

    이때, St는 제t 번째 송신단의 전류 제어 방향으로 증가, 감소 및 유지 중 어느 하나
    Wtk 는 제t 번째 송신단에 대한 제k 번째 수신단의 중요도
    dk는 제k 수신단에 대한 수신 전력 제어 방향으로 (+1), 0 및 (-1) 중 어느 하나.
  7. 무선 전력 충전 장치에 있어서,
    전원부로부터 제공된 전원을 이용하여 전력을 송신하며 하나의 캐패시터와 하나의 인덕터를 포함하는 송신 공진부를 각각 포함하는 적어도 하나의 송신단과;
    상기 적어도 하나의 송신단으로부터 전송된 전력을 수신하며 하나의 캐패시터와 하나의 인덕터를 포함하는 수신 공진부 및 수신된 전력을 이용하여 충전을 수행하는 부하를 각각 포함하는 적어도 하나의 수신단과;
    상기 적어도 하나의 송신단에서 상기 적어도 하나의 수신단을 바라본 임피던스의 변화를 이용하여 소정의 시간 단위로 무선 충전 환경의 변화 여부를 확인하고, 상기 적어도 하나의 송신단의 출력 전류를 결정하여 상기 결정된 출력 전류와 감지부로부터 수신된 상기 적어도 하나의 송신단의 출력 전류를 비교하여 상기 무선 충전 환경의 변화가 상기 적어도 하나의 수신단 자체의 변화 및 이물질의 충전 영역 침입 중 어느 하나인지 확인하는 제어부를 포함하는 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는 소정의 시간 단위로 상기 적어도 하나의 송신단에서 상기 적어도 하나의 수신단을 바라본 임피던스를 결정하고 결정된 임피던스의 변화가 소정의 범위를 초과하는 경우 상기 무선 충전 환경의 변화 여부를 확인하는 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는 [수학식 6]을 이용하여 상기 적어도 하나의 송신단의 출력 전류(Imt)를 결정하는 장치.
    [수학식 6]
    Figure pat00016

    이때, IMONt는 제t 번째 송신단의 전류 제어부의 출력 전류
  10. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 결정된 출력 전류와 수신된 상기 적어도 하나의 송신단의 출력 전류가 동일하거나 그 차이가 소정의 범위내에 있는 경우 상기 적어도 하나의 수신단 자체의 변화를 확인하는 장치.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 결정된 출력 전류와 수신된 상기 적어도 하나의 송신단의 출력 전류가 다르거나 그 차이가 소정의 범위를 초과하는 경우 상기 이물질의 충전 영역 침입으로 확인하는 장치.
  12. 무선 전력 충전 방법에 있어서,
    전원부로부터 제공된 전원을 이용하여 전력을 송신하며 하나의 캐패시터와 하나의 인덕터를 포함하는 송신 공진부를 각각 포함하는 적어도 하나의 송신단 및 상기 적어도 하나의 송신단으로부터 전송된 전력을 수신하며 하나의 캐패시터와 하나의 인덕터를 포함하는 수신 공진부 및 수신된 전력을 이용하여 충전을 수행하는 부하를 각각 포함하는 적어도 하나의 수신단 사이의 상호 인덕턴스를 결정하는 과정과;
    상기 적어도 하나의 송신단과 적어도 하나의 수신단 사이의 상호 인덕턴스를 이용하여 상기 적어도 하나의 송신단의 출력 전류를 결정하여 무선 충전을 진행하는 과정과;
    상기 적어도 하나의 수신단의 현재 수신전력이 목표 수신전력에 도달하는지 여부에 따라 상기 적어도 하나의 송신단에 대한 상기 적어도 하나의 수신단의 중요도 및 상기 적어도 하나의 수신단의 수신 전력을 조절하기 위한 수신 전력 제어 방향을 이용하여 상기 적어도 하나의 송신단의 출력 전류를 조절하는 과정을 포함하는 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 송신단의 출력 전류를 조절하는 과정은,
    어느 하나의 송신단과 적어도 하나의 수신단 사이에서 '0'이 아닌 상호 인덕턴스를 갖는 수신단의 전체 개수를 확인하는 과정과;
    상기 전체 개수를 상기 중요도의 최상의 값으로 하고, 차순위는 상기 최상의 값에서 소정의 값씩 차감하여 중요도의 레벨을 결정하는 과정을 포함하는 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 송신단의 출력 전류를 조절하는 과정은,
    상기 적어도 하나의 수신단의 현재 수신전력이 목표 수신전력에 모두 도달한 경우 상기 적어도 하나의 송신단의 출력 전류를 현재의 상태로 유지하는 과정과;
    상기 적어도 하나의 수신단의 현재 수신전력이 목표 수신전력에 모두 미달 또는 초과한 경우 상기 적어도 하나의 송신단의 출력 전류를 조절하는 과정을 포함하는 방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 송신단의 출력 전류를 조절하는 과정은,
    상기 적어도 하나의 수신단의 일부의 현재 수신전력이 목표 수신전력에 미달 또는 초과한 경우 상기 적어도 하나의 송신단에 대한 중요도가 최상인 적어도 하나의 수신단의 현재 수신전력이 목표 수신전력에 도달하는지 여부에 따라 상기 송신단의 출력 전류를 조절하는 과정을 포함하는 방법.
  16. 무선 전력 충전 방법에 있어서,
    전원부로부터 제공된 전원을 이용하여 전력을 송신하며 하나의 캐패시터와 하나의 인덕터를 포함하는 송신 공진부를 각각 포함하는 적어도 하나의 송신단에서 하나의 캐패시터와 하나의 인덕터를 포함하는 수신 공진부 및 수신된 전력을 이용하여 충전을 수행하는 부하를 각각 포함하는 적어도 하나의 수신단을 바라본 임피던스의 변화를 이용하여 소정의 시간 단위로 무선 충전 환경의 변화 여부를 확인하는 과정과;
    상기 적어도 하나의 송신단의 출력 전류를 결정하는 과정과;
    상기 결정된 출력 전류와 감지부로부터 수신된 상기 적어도 하나의 송신단의 출력 전류를 비교하여 상기 무선 충전 환경의 변화가 상기 적어도 하나의 수신단 자체의 변화 및 이물질의 충전 영역 침입 중 어느 하나인지 확인하는 과정을 포함하는 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 무선 충전 환경의 변화 여부를 확인하는 과정은,
    소정의 시간 단위로 상기 적어도 하나의 송신단에서 상기 적어도 하나의 수신단을 바라본 임피던스를 결정하는 과정과;
    결정된 임피던스의 변화가 소정의 범위를 초과하는 경우 상기 무선 충전 환경의 변화 여부를 확인하는 과정을 포함하는 방법.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 어느 하나인지 확인하는 과정은,
    상기 결정된 출력 전류와 감지부로부터 수신된 상기 적어도 하나의 송신단의 출력 전류가 동일하거나 그 차이가 소정의 범위내에 있는 경우 상기 적어도 하나의 수신단의 자체의 변화를 확인하는 과정을 포함하는 방법.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 어느 하나인지 확인하는 과정은,
    상기 결정된 출력 전류와 수신된 상기 적어도 하나의 송신단의 출력 전류가 다르거나 그 차이가 소정의 범위를 초과하는 경우 상기 이물질의 충전 영역 침입으로 확인하는 과정을 포함하는 방법.
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