KR101543059B1

KR101543059B1 - 무선전력 수신장치 및 그의 전력 제어 방법

Info

Publication number: KR101543059B1
Application number: KR1020120126956A
Authority: KR
Inventors: 배수호
Original assignee: 엘지이노텍 주식회사
Priority date: 2012-11-09
Filing date: 2012-11-09
Publication date: 2015-08-07
Anticipated expiration: 2032-11-09
Also published as: KR20140060180A; US9793747B2; EP2917997B1; EP2917997A1; CN104782025B; WO2014073863A1; CN104782025A; US20150295450A1; EP2917997A4

Abstract

본 발명의 실시 예에 따른 무선전력 송신장치로부터 무선으로 전력을 수신하여 부하에 전달하는 무선전력 수신장치는 상기 무선전력 송신장치로부터 공진을 이용하여 전력을 수신하는 수신부 및 상기 수신부가 상기 무선전력 송신장치로부터 조절된 전력을 수신하도록 상기 부하의 충전 상태에 따라 상기 부하의 임피던스를 가변시키는 부하 관리부를 포함한다.

Description

무선전력 수신장치 및 그의 전력 제어 방법{WIRELESS POWER RECEIVING DEVICE AND POWER CONTROL METHOD THEREOF}

본 발명은 무선전력 전송 기술에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 전력 전송 효율을 극대화시킬 수 있는 무선전력 수신장치 및 그의 전력 제어 방법에 관한 것이다.

무선으로 전기 에너지를 원하는 기기로 전달하는 무선전력전송 기술(wireless power transmission 또는 wireless energy transfer)은 이미 1800년대에 전자기유도 원리를 이용한 전기 모터나 변압기가 사용되기 시작했고, 그 후로는 라디오파나 레이저와 같은 전자파를 방사해서 전기에너지를 전송하는 방법도 시도 되었다. 우리가 흔히 사용하는 전동칫솔이나 일부 무선면도기도 실상은 전자기유도 원리로 충전된다. 전자기 유도는 도체의 주변에서 자기장을 변화시켰을 때 전압이 유도되어 전류가 흐르는 현상을 말한다. 전자기 유도 방식은 소형 기기를 중심으로 상용화가 빠르게 진행되고 있으나, 전력의 전송 거리가 짧은 문제가 있다.

현재까지 무선 방식에 의한 에너지 전달 방식은 전자기 유도 이외에 공진 및 단파장 무선 주파수를 이용한 원거리 송신 기술 등이 있다.

최근에는 이와 같은 무선 전력 전송 기술 중 공진을 이용한 에너지 전달 방식이 많이 사용되고 있다.

공진을 이용한 무선전력 전송 시스템은 송신 측과 수신 측에 형성된 전기신호가 코일을 통해 무선으로 전달되기 때문에 사용자는 휴대용 기기와 같은 전자기기를 손쉽게 충전할 수 있다.

그러나, 기존에는 수신 측의 충전이 완료된 경우, 송신 측은 이를 고려하지 않고, 전력을 전송하여 전력 전송 효율이 나빠지는 문제가 있었다.

본 발명은 무선전력 송신장치와 무선전력 수신장치 간 전력 전송 효율을 극대화시킬 수 있는 무선전력 수신장치 및 그의 전력 제어 방법의 제공을 목적으로 한다.

본 발명은 부하의 충전이 완료된 경우, 부하 임피던스를 조절하여 무선전력 수신장치에 전달되는 전력을 감소시킬 수 있고, 이에 따라 불필요한 전력 낭비를 방지하는 무선전력 수신장치 및 그의 전력 제어 방법의 제공을 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 무선전력 송신장치로부터 무선으로 전력을 수신하여 부하에 전달하는 무선전력 수신장치는 상기 무선전력 송신장치로부터 공진을 이용하여 전력을 수신하는 수신부 및 상기 수신부가 상기 무선전력 송신장치로부터 조절된 전력을 수신하도록 상기 부하의 충전 상태에 따라 상기 부하의 임피던스를 가변시키는 부하 관리부를 포함한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 무선전력 송신장치로부터 무선으로 전력을 수신하여 부하에 전달하는 무선전력 수신장치의 전력 제어 방법은 상기 부하의 충전 상태를 확인하는 단계와 상기 확인된 부하의 충전 상태에 따라 상기 부하의 임피던스를 가변시키는 단계 및 상기 가변된 부하의 임피던스에 따라 상기 무선전력 송신장치로부터 조절된 전력을 수신하여 상기 부하에 전달하는 단계를 포함한다.

상기 기록매체는 상기 무선전력 수신장치의 전력 제어 방법을 수행하기 위한 프로그램을 기록할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 무선전력 송신장치와 무선전력 수신장치 간 전력 전송 효율을 극대화시킬 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 부하의 충전이 완료된 경우, 부하 임피던스를 조절하여 무선전력 수신장치에 전달되는 전력을 감소시킬 수 있고, 이에 따라 불필요한 전력 낭비가 방지 될 수 있다.

한편 그 외의 다양한 효과는 후술될 본 발명의 실시 예에 따른 상세한 설명에서 직접적 또는 암시적으로 개시될 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 공급 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선전력 전송 시스템의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 무선전력 수신장치의 블록도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 무선전력 수신장치의 구성 예이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 무선전력 수신장치의 또 다른 구성 예이다.
도 6은 부하 임피던스와 무선전력 송신장치의 입력 임피던스 간 관계를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선전력 수신장치의 전력 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 공급 장치(100)의 블록도이다.

도 1을 참고하면, 전력 공급 장치(100)는 전원 공급부(110), 스위치(120), 직류 직류 변환기(130), 전류 센서부(140), 발진기(150), 교류 전력 생성부(160), 저장부(170), 제어부(180)를 포함할 수 있다.

전원 공급부(110)는 전력 공급 장치(100)의 각 구성요소에 직류전원을 공급할 수 있다.

일 실시 예에서 무선전력 송신장치(200)가 공진을 이용하여 무선전력 수신장치(300)에 전력을 전송하는 경우라면, 무선전력 송신장치(200)는 후술할 송신 유도 코일부(211) 및 송신 공진 코일부(212)를 포함하지만, 전자기 유도를 이용하여 무선전력 수신장치(300)에 전력을 전송하는 경우라면, 무선전력 송신장치(200)는 송신 공진 코일부(212)를 포함하지 않을 수 있다.

스위치(120)는 전원 공급부(110)와 직류 직류 변환기(130)를 연결하거나 분리시킬 수 있다.

스위치(120)는 제어부(180)의 개방 신호 또는 단락 신호에 의해 개방되거나 단락될 수 있다. 스위치(120)는 다양한 종류의 스위치가 사용될 수 있다.

직류 직류 변환기(DC-DC converter)(130)는 전원 공급부(110)로부터 공급받은 직류전압을 이용하여 소정의 전압 값을 갖는 직류전압으로 변환하여 출력할 수 있다.

직류 직류 변환기(DC-DC converter)(130)는 전원 공급부(110)에서 출력된 직류전압을 교류전압으로 변환한 다음, 변환된 교류전압을 승압 또는 강압하고 정류하여 소정의 전압 값을 갖는 직류전압을 출력할 수 있다.

직류-직류 변환기(DC-DC converter)(230)로 스위칭 레귤레이터(Switching regulator) 또는 리니어 레귤레이터(Linear regulator)가 사용될 수 있다.

리니어 레귤레이터(Linear regulator)는 입력전압을 받아 필요한 만큼 출력전압을 내보내고, 나머지 전압은 열로 방출하는 변환기이다.

스위칭 레귤레이터(Switching regulator)는 펄스 폭 변조(PWM: Pulse Width Modulation)를 이용하여 출력전압을 조절할 수 있는 변환기이다.

전류 센서부(140)는 직류 직류 변환기(130)에서 출력된 직류전압이 교류 전력 생성부(160)에 인가될 때, 흐르는 전류를 감지하고, 감지된 전류의 세기를 측정할 수 있다.

전류 센서부(140)에서 측정되는 전류는 교류 전력 생성부(160)를 거쳐 무선전력 송신장치(200)로 흐르므로, 후술할 무선전력 송신장치에 입력되는 입력 전류에 비례한다. 즉, 전류 센서부(140)에서 측정한 전류가 증감하면, 그에 따라 무선전력 송신장치(200)에 입력되는 입력 전류도 증감한다.

일 실시 예에서 전류 센서부(140)는 변류기(CT: Current Transformer)가 사용될 수 있다.

일 실시 예에서 교류 전력 생성부(160)에 인가되는 전류의 세기는 무선전력 송신장치(200)와 무선전력 수신장치(300)간 근접해 있는 근접거리를 알아내는데 사용될 수 있다.

일 실시 예에서 교류 전력 생성부(160)에 인가되는 전류의 세기는 무선전력 송신장치(200)와 무선전력 수신장치(300) 간 결합계수(Coupling Coefficient)를 알아내는데 사용될 수 있다.

전류 센서부(140)는 상기 감지된 전류의 세기에 대한 신호를 제어부(180)로 전달할 수 있다.

도 1에서 전류 센서부(140)는 제어부(180)와 별도의 구성요소로 도시되어 있지만, 제어부(180)안에 포함될 수도 있다.

발진기(Oscillator)(150)는 소정의 주파수를 갖는 교류신호를 생성할 수 있다. 발진기(Oscillator)(150)에서 생성된 교류신호는 교류 전력 생성부(160)에 인가된다.

교류 전력 생성부(160)는 직류 직류 변환기(130)로부터 전달받은 직류전압을 교류전압으로 변환할 수 있다.

교류 전력 생성부(160)는 발진기(Oscillator)(150)에서 생성된 교류신호를 증폭할 수 있다. 교류신호의 증폭량은 직류-직류 변환기(DC-DC converter)(230)를 통해 인가되는 직류전압의 크기에 따라 가변될 수 있다.

일 실시 예에서 교류 전력 생성부(160)는 푸쉬 풀 타입(push-pull type)의 듀얼 모스펫(Dual MOSFET)이 사용될 수 있다.

제어부(180)는 전력 공급 장치(100)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다.

제어부(180)는 미리 정해진 직류전압이 교류 전력 생성부(160)에 인가되도록 직류 직류 변환기(130)를 제어할 수 있다.

제어부(180)는 전류 센서부(140)로부터 직류 직류 변환기(130)에서 출력된 직류전압이 교류 전력 생성부(160)에 인가될 때, 흐르는 전류의 세기에 대한 신호를 수신하고, 수신된 전류의 세기에 대한 신호를 이용해 직류 직류 변환기(130)에서 출력되는 직류전압 및 발진기(150)에서 출력하는 교류신호의 주파수를 조절할 수 있다.

제어부(180)는 교류 전력 생성부(160)에 인가되는 전류의 세기에 대한 신호를 전류 센서부(140)로부터 수신하여 무선전력 수신장치(300)의 검출 여부를 판단할 수 있다. 즉, 제어부(180)는 교류 전력 생성부(160)에 인가되는 전류의 세기를 이용해 무선전력 수신장치(300)가 무선전력 송신장치(200)로부터 전력을 수신할 수 있는 상태인지를 확인할 수 있다.

후술하겠지만, 교류 전력 생성부(160)에 인가되는 전류의 세기는 무서전력 송신장치(200)에 입력되는 입력 전류의 세기에 비례한다.

제어부(180)는 소정의 주파수를 갖는 교류신호를 생성하도록 발진기(150)를 제어할 수 있다. 소정의 주파수는 공진을 이용하여 전력 전송이 이루어지는 경우, 무선전력 송신장치(200)와 무선전력 수신장치(300)의 공진 주파수를 의미할 수 있다.

무선전력 송신장치(200)는 교류 전력 생성부(160)로부터 교류전력을 공급받는다.

무선전력 송신장치(200)가 공진을 이용해 무선전력 수신장치(300)에 전력을 전송하는 경우, 무선전력 송신장치(200)는 후술할 도 2에 도시된 송신부(210)의 구성인 송신 유도 코일부(211) 및 송신 공진 코일부(212)를 포함할 수 있다.

무선전력 송신장치(200)가 전자기 유도를 이용해 무선전력 수신장치(300)에 전력을 전송하는 경우, 무선전력 송신장치(200)는 후술할 도 2에 도시된 송신부(210)의 구성 중 송신 유도 코일부(211)만을 포함할 수 있다.

송신 공진 코일(220)은 수신한 교류전력을 공진을 이용해 무선전력 수신장치(300)에 전달한다. 이 때, 무선전력 수신장치(300)는 도 1에 도시된 수신 공진 코일(310) 및 수신 유도 코일(320)을 포함할 수 있다.

다음으로 본 발명의 일 실시 예에 따른 공진형 무선전력 전송 시스템(10)을 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 공진형 무선전력 전송 시스템(10)의 구성도이다.

도 1을 참고하면, 무선전력 전송 시스템(10)은 전력 공급 장치(100), 무선전력 송신장치(200), 무선전력 수신장치(300), 부하(400)를 포함할 수 있다.

전력 공급 장치는 도 1에서 설명한 구성요소들을 모두 포함하고, 그 구성요소의 기능 또한, 도 1에서 설명한 내용을 본질적으로 포함한다.

무선전력 송신장치(200)는 송신부(210), 검출부(220)를 포함할 수 있다.

송신부(210)는 송신 유도 코일부(211), 송신 공진 코일부(212)를 포함할 수 있다.

전력 공급 장치(100)에서 생성된 전력은 무선전력 송신장치(200)로 전달되고, 진 현상에 의해 무선전력 송신장치(200)와 공진을 이루는 무선전력 송신장치(200)로 전달된다. 무선전력 수신장치(300)로 전달된 전력은 정류부(320)를 거쳐 부하(400)로 전달된다.

부하(400)는 충전지 또는 기타 전력을 필요로 하는 임의의 장치를 의미할 수 있고, 본 발명의 실시 예에서는 부하(400)의 부하저항을 RL로 나타낸다. 일 실시 예에서 부하(400)는 무선전력 수신장치(300)에 포함될 수도 있다.

전력 공급 장치(100)는 소정 주파수를 갖는 교류 전력을 무선전력 송신장치(200)에 공급할 수 있다. 전력 공급 장치(100)는 무선전력 송신장치(200)와 무선전력 수신장치(300)간 공진 시의 공진주파수를 갖는 교류전력을 제공할 수 있다.

송신부(210)는 송신 유도 코일부(211)와 송신 공진 코일부(212)로 구성될 수 있다.

송신 유도 코일부(211)는 전력 공급 장치(100)와 연결되며, 전력 공급 장치(100)부터 제공받은 전력에 의해 교류 전류가 흐르게 된다. 송신 유도 코일부(211)에 교류 전류가 흐르면, 전자기 유도에 의해 물리적으로 이격되어 있는 송신 공진 코일부(212)에도 교류 전류가 유도되어 흐르게 된다. 송신 공진 코일부(212)로 전달된 전력은 공진에 의해 무선전력 송신장치(200)와 공진 회로를 이루는 무선전력 수신장치(300)로 전달된다.

임피던스가 매칭된 2개의 LC 회로 사이는 공진에 의해 전력이 전송될 수 있다. 이와 같은 공진에 의한 전력 전송은 전자기 유도에 의한 전력 전송보다 더 먼 거리까지 더 높은 효율로 전력 전달이 가능하게 한다.

무선전력 송신장치(200)의 송신 공진 코일부(212)는 자기장을 통해 무선전력 수신장치(300)의 수신 공진 코일부(311)에 전력을 전송할 수 있다.

구체적으로, 송신 공진 코일부(212)와 수신 공진 코일부(311)는 공진 주파수에서 동작하도록 자기적으로 공진 결합되어 있다.

송신 공진 코일부(212)와 수신 공진 코일부(311)의 공진 결합으로 인해 무선전력 송신장치(200)와 무선전력 수신장치(300)간 전력 전송의 효율을 크게 향상될 수 있다.

무선전력 전송에서 품질 지수(Quality Factor)와 결합계수(Coupling Coefficient)는 중요한 의미를 갖는다.

품질 지수(Quality Factor)는 무선전력 송신장치 또는 무선전력 수신장치 부근에 축척할 수 있는 에너지의 지표를 의미할 수 있다.

품질 지수(Quality Factor)는 동작 주파수(w), 코일의 형상, 치수, 소재 등에 따라 달라질 수 있다. 수식으로는 Q=w*L/R로 표현될 수 있다. L은 코일의 인덕턴스이고, R은 코일자체에서 발생하는 전력손실의 양에 해당하는 저항을 의미한다.

품질 지수(Quality Factor)는 0에서 무한대의 값을 가질 수 있다.

결합계수(Coupling Coefficient)는 송신 측 코일과 수신 측 코일 간 자기적 결합의 정도를 의미하는 것으로 0에서 1의 범위를 갖는다.

결합계수(Coupling Coefficient)는 송신 측 코일과 수신 측 코일의 상대적인 위치나 거리 등에 따라 달라질 수 있다.

송신 유도 코일부(211)는 송신 유도 코일(L1)과 캐패시터(C1)를 포함할 수 있다. 여기서, 캐패시터(C1)의 캐패시턴스는 공진주파수 w에서 공진하도록 조절된 값이다.

캐패시터(C1)의 일단은 전력 공급 장치(100)의 일단에 연결되고, 캐패시터(C1)의 타단은 송신 유도 코일(L1)의 일단에 연결된다. 송신 유도 코일(L1)의 타단은 전력 공급 장치(100)의 타단에 연결된다.

송신 공진 코일부(212)는 송신 공진 코일(L2), 캐패시터(C2), 저항(R2)을 포함한다. 송신 공진 코일(L2)은 캐패시터(C2)의 일단에 연결된 일단과 저항(R2)의 일단에 연결된 타단을 포함한다. 저항(R2)의 타단은 캐패시터(C2)의 타단에 연결된다. R2는 송신 공진 코일(L2)에서 전력손실로 발생하는 양을 저항으로 나타낸 것이다. 캐패시터(C2)의 캐패시턴스는 공진주파수 w에서 공진하도록 조절된 값이다.

검출부(220)는 제1 입력 임피던스(Z1)를 검출할 수 있다. 일 실시 예에서 제1 입력 임피던스(Z1)는 전력 공급 장치(100)에서 무선전력 송신장치(200) 측을 바라본 임피던스를 의미할 수 있다.

무선전력 수신장치(300)는 수신부(310), 정류부(320), 부하 관리부(330)를 포함할 수 있다.

무선전력 수신장치(300)는 휴대폰, 마우스, 노트북, MP3 플레이어 등과 같은 전자기기에 내장될 수 있다.

수신부(310)는 수신 공진 코일부(311)와 수신 유도 코일부(312)를 포함할 수 있다.

수신 공진 코일부(311)는 수신 공진 코일(L3), 캐패시터(C3), 저항(R3)을 포함한다. 수신 공진 코일(L3)은 캐패시터(C3)의 일단에 연결된 일단과 저항(R3)의 일단에 연결된 타단을 포함한다. 저항(R3)의 타단은 캐패시터(C2)의 타단에 연결된다. 저항(R3)는 수신 공진 코일(L3)에서 전력손실로 발생하는 량을 저항으로 나타낸 것이다. 캐패시터(C3)의 캐패시턴스는 공진주파수 w에서 공진하도록 조절된 값이다.

수신 유도 코일부(312)는 수신 유도 코일(L4) 및 캐패시터(C4)를 포함할 수 있다. 수신 유도 코일(L4)의 일단은 캐패시터(C4)의 일단에 연결되고, 수신 유도 코일(L4)의 타단은 정류부(320)의 타단에 연결된다. 캐패시터(C4)의 타단은 정류뷰(320)의 일단에 연결된다. 캐패시터(C4)의 캐패시턴스는 공진주파수 w에서 공진하도록 조절된 값이다.

수신 공진 코일부(311)는 송신 공진 코일부(212)와 공진주파수에서 공진 상태를 유지한다. 즉, 수신 공진 코일부(311)는 송신 공진 코일부(212)와 커플링(coupling)되어 교류전류가 흐르게 되고, 이에 따라 비방사(Non-Radiative) 방식으로 무선전력 송신장치(200)로부터 전력을 수신할 수 있다.

수신 유도 코일부(312)는 수신 공진 코일부(311)로부터 전자기 유도에 의해 전력을 수신하고, 수신 유도 코일부(312)로 수신된 전력은 정류부(320)를 통해 정류되어 부하(400)으로 전달된다.

정류부(320)는 수신 유도 코일부(312)로부터 교류전력을 전달받고, 전달받은 교류전력을 직류전력으로 변환시킬 수 있다.

정류부(320)는 정류회로(미도시)와 평활회로(미도시)를 포함할 수 있다.

정류회로는 다이오드와 캐패시터로 구성될 수 있으며, 수신 유도 코일부(312)로부터 전달받은 교류전력을 직류전력으로 정류하여, 부하(400)에 전달할 수 있다.

평활 회로는 정류 출력을 매끄럽게 하는 역할을 한다. 평활회로는 캐패시터로 구성될 수 있다.

부하 관리부(330)는 정류부(320)로부터 정류된 직류전력을 전달받아 부하(400)에 제공할 수 있다. 부하 관리부(330)에 대한 자세한 설명은 후술한다.

부하(400)는 직류 전력을 필요로 하는 임의의 충전지 또는 장치일 수 있다. 일 실시 예에서 부하(400)는 배터리를 의미할 수 있으나, 이에 한정될 필요는 없다.

일 실시 예에서 부하(400)는 무선전력 수신장치(300)에 포함될 수도 있다.

무선전력 수신장치(300)는 휴대폰, 노트북, 마우스 등 전력이 필요한 전자기기에 장착될 수 있다.

다음으로 도 3 내지도 도 5를 참조하여, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 무선전력 수신장치를 설명한다.

또한, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 무선전력 수신장치를 도 2의 내용에 결부시켜 설명한다.

도 3은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 무선전력 수신장치의 블록도이고, 도 4는 도 3의 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 무선전력 수신장치의 구성 예를 설명하기 위한 도면이고, 도 5는 도 3의 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 무선전력 수신장치의 또 다른 구성 예를 설명하기 위한 도면이다.

먼저, 도 3을 설명한다.

우선, 무선전력 수신장치(300)로부터 전력을 공급받는 부하(400)를 설명하면, 부하(400)는 배터리 셀(410), 스위치(420) 및 충전 제어부(430)를 포함할 수 있다.

부하(400)는 전자기기를 구동시킬 수 있는 배터리일 수 있으나, 이에 한정될 필요는 없다.

배터리 셀(410)은 무선전력 수신장치(300)로부터 전력을 공급받아 공급받은 전력을 이용해 전자기기를 구동시킬 수 있다. 배터리 셀(410)은 배터리 팩을 구성하는 단위 전지를 의미할 수 있다.

스위치(420)는 후술할 충전 제어부(430)의 제어에 따라 개방 또는 단락되어 배터리 셀(410)에 공급되는 전력을 유지하거나 차단할 수 있다.

충전 제어부(430)는 부하(400)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다.

특히, 충전 제어부(430)는 배터리 셀(410)의 충전 상태를 확인하여 스위치(420)의 동작을 제어할 수 있다.

구체적으로, 도 4를 참조하여 설명하면, 충전 제어부(430)는 배터리 셀(410)의 충전이 완료된 경우, 스위치(420)에 개방 신호를 전송하여 스위치(420)를 개방시켜 배터리 셀(410)에 공급되는 전력을 차단시킬 수 있다. 배터리 셀(410)의 충전이 완료되지 않은 경우, 충전 제어부(430)는 스위치(420)에 단락 신호를 전송하여 스위치(420)를 단락시켜, 배터리 셀(410)에 전력 공급을 유지시킬 수 있다.

다시 도 3을 설명하면, 무선전력 수신장치(300)는 수신부(310), 정류부(320) 및 부하 관리부(330)를 포함할 수 있다.

수신부(310)는 수신 공진 코일부(311)와 수신 유도 코일부(312)를 포함할 수 있고, 이에 대한 내용은 도 2에서 설명한 것과 같다.

정류부(320)는 수신부(310)로부터 전달받은 교류전력을 직류전력으로 정류하여 부하 관리부(330)에 전달할 수 있다. 도 4를 참조하여, 정류부(320)의 구성 예를 설명하면, 정류부(320)는 정류기(321) 및 평활회로(323)을 포함할 수 있다.

정류기(321)는 수신 유도 코일부(312)로부터 전달받은 교류전력을 직류전력으로 정류할 수 있다. 일 실시 예에서 정류기(321)는 도 4에 도시된 바와 같이, 다이오드가 사용될 수 있다.

평활회로(323)는 정류기(321)에서 정류된 직류전력을 매끄럽게 변환하여 출력할 수 있다. 일 실시 예에서 정류기(321)는 도 4에 도시된 바와 같이, 커패시터가 사용될 수 있다.

정류부(320)는 도 5에 도시된 바와 같이, 구성될 수도 있다.

도 5를 참조하면, 무선전력 수신장치(300)는 수신 유도 코일부(312), 정류부(320), 부하 관리부(330)를 포함한다.

수신 유도 코일부(312)는 제1 수신 유도 코일(312a), 제2 수신 유도 코일(312b)를 포함할 수 있다.

정류부(320)는 제1 정류 다이오드(325a) 제2 정류 다이오드(325b), 평활회로(323)를 포함할 수 있다.

평활회로(323)는 도 4에서 설명한 내용과 같다.

제1 수신 유도 코일(312a) 및 제2 수신 유도 코일(312b)은 각각 수신 공진 코일(311)로부터 전자기 유도에 의해 전력을 수신할 수 있다.

정류부(320)는 수신 유도 코일부(312)로부터 전달받은 전력을 부하(400)에 전달한다.

제1 정류 다이오드(325a)는 제1 수신 유도 코일(312a)에 인가되는 교류전류의 극성에 따라 교류전류를 흘려보내거나 차단시킬 수 있다. 정류 다이오드의 특성상 전류는 교류전류의 극성에 따라 한쪽 방향으로만 흐른다.

예를 들어, 제1 정류 다이오드(325a)에 인가되는 교류전류의 극성이 플러스인 경우, 전류를 흘려보내지만, 제1 정류 다이오드(325a)에 인가되는 교류전류의 극성이 마이너스인 경우, 전류를 차단시킨다. 극성이 바뀌어 전류흐름이 차단되는 경우, 정류 다이오드의 저항 값이 높아져서 마치 회로가 개방된 것처럼 동작한다.

제2 정류 다이오드(325b) 또한, 제1 정류 다이오드(325a)와 마찬가지로 제2 수신 유도 코일(312b)에 인가되는 교류전류의 극성에 따라 교류전류를 흘려보내거나 차단시킬 수 있다.

다시 도 3을 설명하면, 부하 관리부(330)는 정류부(320)로부터 전달받은 직류전력을 부하(400)에 제공할 수 있다.

부하 관리부(330)는 전류 측정부(331), 임피던스 가변부(333) 및 제어부(335)를 포함할 수 있다.

전류 측정부(331)는 배터리 셀(410)에 제공되는 전류를 측정할 수 있다. 일 실시 예에서 전류 측정부(331)는 전류 센서가 사용될 수 있으나, 이에 한정될 필요는 없다.

임피던스 가변부(333)는 전류 측정부(331)에서 측정된 전류에 따라 부하(400)의 임피던스를 가변시켜 무선전력 송신장치(200)의 입력 임피던스를 변화시킬 수 있다. 무선전력 송신장치(200)의 입력 임피던스가 변화되는 경우, 무선전력 송신장치(200)로부터 무선전력 수신장치(300)에 전송되는 송신 전력은 달라질 수 있다. 이에 대해서는 후술한다.

일 실시 예에서 임피던스 가변부(333)는 도 4에 도시된 바와 같이, 스위치가 사용될 수 있다. 상기 스위치는 커패시터(323)과 병렬로 연결될 수 있다.

제어부(335)는 부하 관리부(330)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다.

특히, 제어부(335)는 전류 측정부(331)에서 측정된 전류를 이용하여 임피던스 가변부(333)의 동작을 제어할 수 있다. 구체적으로, 제어부(335)는 상기 측정된 전류가 0인 경우, 임피던스 가변부(333)에 단락 신호를 전송할 수 있고, 상기 측정된 전류가 0이 아닌 경우, 임피던스 가변부(333)에 개방 신호를 전송할 수 있다.

이하에서는, 부하(400)의 임피던스(RL)을 가변시켜 무선전력 송신장치(200)의 입력 임피던스를 변화시키고, 변화된 입력 임피던스에 따라 무선전력 송신장치(200)로부터 무선전력 수신장치(300)에 전송되는 송신 전력이 조절되는 과정을 설명한다.

우선, 도 2를 참조하여, 무선전력 송신장치(200)의 입력 임피던스(Zin)를 구하기 위한 과정을 설명한다.

Z1은 수신 공진 코일부(311)에서 수신 유도 코일부(312)를 바라본 임피던스이고, 다음의 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.

[수학식 1]

여기서, w는 송신 공진 코일(L2)와 수신 공진 코일(L3)이 공진할 때의 공진주파수이고, M3는 수신 공진 코일(L3)와 수신 유도 코일(L4)간 상호 인덕턴스를 의미한다. 또한, RL은 부하(400)의 임피던스를 의미한다.

[수학식 1]은 주파수 영역을 기준으로 한 수식이고, 이하의 수식들도 주파수 영역을 기준으로 하여 표현하기로 한다.

Z2는 수신 공진 코일(L3)의 전력 손실량을 나타내는 저항(R3)과 임피던스 Z1를 합한 임피던스로 다음의 [수학식 2]와 같이 표현될 수 있다.

[수학식 2]

Z3은 송신 공진 코일부(212)에서 수신 공진 코일부(311)를 바라본 임피던스이고, 다음의 [수학식 3]과 같이 표현될 수 있다.

[수학식 3]

여기서, w는 송신 공진 코일(L2)와 수신 공진 코일(L3)이 공진할 때의 공진주파수이고, M2는 송신 공진 코일(L2)과 수신 공진 코일(L3) 간 상호 인덕턴스를 의미한다.

Z4는 송신 공진 코일(L2)의 전력 손실량을 나타내는 저항(R2)과 임피던스 Z3를 합한 임피던스로 다음의 [수학식 4]와 같이 표현될 수 있다.

[수학식 4]

Z5는 송신 공진 코일부(211)에서 송신 유도 코일부(212)를 바라본 임피던스이고, 다음의 [수학식 5]와 같이 표현될 수 있다.

[수학식 5]

여기서, w는 송신 공진 코일(L2)와 수신 공진 코일(L3)이 공진할 때의 공진주파수이고, M1는 송신 공진 코일(L1)과 송신 유도 코일(L2)간 상호 인덕턴스를 의미한다.

Zin은 전력 공급 장치(100)에서 무선전력 송신장치(200)를 바라본 입력 임피던스이다. 만약, 송신 유도 코일(L1)의 인덕턴스와 커패시터(C1)의 커패시턴스가 공진주파수 w에서 동작하도록 조절된다면, Zin은 Z5와 같아질 수 있다. 즉, Zin은 다음의 [수학식 6]과 같이 표현될 수 있다.

[수학식 6]

한편, 부하 임피던스(RL)가 무한대 값을 갖는 경우, 입력 임피던스(Zin)는 다음의 [수학식 7]과 같이 표현될 수 있다.

[수학식 7]

부하(400)의 임피던스(RL)가 무한대 값을 갖는 경우란, 배터리 셀(410)의 충전이 완료되어 스위치(420)가 개방된 상태를 의미할 수 있다.

[수학식 5] 및 [수학식 6]을 이용하여 무선전력 송신장치(200)의 입력 임피던스(Zin)와 부하 임피던스(RL)와의 관계를 그래프로 나타내면, 도 6과 같이 도시될 수 있다.

도 6은 부하 임피던스와 무선전력 송신장치의 입력 임피던스 간 관계를 나타내는 그래프이다.

도 6을 참조하면, 부하 임피던스(RL)이 증가할수록 입력 임피던스(Zin)는 감소하고, 부하 임피던스(RL)가 감소할수록 입력 임피던스(Zin)는 증가함을 확인할 수 있다. 무선전력 송신장치(200)에 일정전압을 인가하는 경우, 입력 임피던스(Zin)가 증가하면, 무선전력 송신장치(200)에 입력되는 입력 전류가 감소하고, 전력 관계식(P=VI)에 따라 무선전력 송신장치(200)가 무선전력 수신장치(300)에 전송하는 송신 전력이 감소될 수 있다.

반대로, 무선전력 송신장치(200)에 일정전압을 인가하는 경우, 입력 임피던스(Zin)가 감소하면, 무선전력 송신장치(200)에 입력되는 입력 전류가 증가하고, 전력 관계식(P=VI)에 따라 무선전력 송신장치(200)가 무선전력 수신장치(300)에 전송하는 송신 전력이 증가될 수 있다.

즉, 입력 임피던스(Zin)가 감소하면, 무선전력 송신장치(200)가 무선전력 수신장치(300)에 전송하는 송신 전력이 증가되고, 입력 임피던스(Zin)가 증가하면, 무선전력 송신장치(200)가 무선전력 수신장치(300)에 전송하는 송신 전력이 감소된다.

만약, 배터리 셀(410)이 충전이 완료되면, 부하(400)의 스위치(420)가 개방되어, 부하 임피던스(RL)는 무한대 값을 갖는다. 이 경우, 도 6에서 보는 바와 같이, 입력 임피던스(Zin)는 감소하여 [수학식 7]과 같이 표현될 수 있다. 입력 임피던스(Zin)가 감소되면, 배터리 셀(410)이 충전 완료가 되었음에도 불구하고, 송신 전력이 증가되어, 불필요한 전력 소모가 발생한다.

따라서, 배터리 셀(410)의 충전이 완료되더라도, 불필요한 전력 낭비를 방지하기 위해 부하 임피던스(RL)를 최대한 낮추어 입력 임피던스(Zin)을 높이는 방법이 요구된다.

부하(400)의 임피던스(RL)는 부하 관리부(330)에 의해 가변될 수 있다. 구체적으로, 도 4를 참조하면, 배터리 셀(410)의 충전이 완료되면, 충전 제어부(430)는 스위치(420)를 개방시킬 수 있다.

스위치(420)가 개방된 경우, 전류 측정부(331)에서 측정된 전류는 0이 되고, 제어부(335)는 임피던스 가변부(333)에 단락 신호를 전송한다.

임피던스 가변부(333)로 스위치(333)가 사용되는 경우, 스위치(333)는 제어부(335)로부터 수신한 단락 신호에 따라 단락된다. 그러면, 부하(400)의 임피던스(RL)는 0옴이 된다.

부하(400)의 임피던스가 0옴이 되는 경우, 도 6의 그래프에서 보는 바와 같이, 무선전력 송신장치(200)의 입력 임피던스(Zin)은 매우 커질 수 있다. 무선전력 송신장치(200)에 일정전압이 인가되는 경우, 무선전력 송신장치(200)의 입력 임피던스(Zin)가 매우 커져, 무선전력 송신장치(200)에 입력되는 입력 전류는 감소할 수 있다. 무선전력 송신장치(200)에 입력되는 입력 전류가 감소하게 되면, 전력 관계식(P=VI)에 따라 무선전력 송신장치(200)가 무선전력 수신장치(300)에 전송하는 송신 전력이 감소될 수 있다.

즉, 부하(400)의 충전이 완료된 경우, 무선전력 수신장치(300)는 부하(400)의 임피던스(RL)를 0옴으로 가변시켜, 송신 전력을 감소시키고, 부하(400)에 불필요한 전력이 제공되는 것을 방지할 수 있다.

이로 인해, 무선전력 송신장치(200)와 무선전력 수신장치(300)간 전력 전송 효율은 크게 향상될 수 있다.

다음으로 도 1 내지 도 6의 내용을 결부시켜 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선전력 수신장치(300)의 전력 제어 방법을 설명한다.

도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선전력 수신장치(300)의 전력 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

먼저, 무선전력 수신장치(300)의 수신부(310)는 무선전력 송신장치(200)의 송신부(210)로부터 교류 전력을 수신한다(S101). 수신부(310)는 송신부(210)로부터 공진을 이용하여 전력을 수신할 수 있다.

무선전력 수신장치(300)의 정류부(320)는 수신한 교류 전력을 직류 전력으로 정류한다(S103).

부하 관리부(330)는 정류된 직류 전력을 부하(400)에 전달한다(S105).

상기 직류 전력이 부하(400)에 전달되는 과정에서 전류 측정부(331)는 부하(400)로 흐르는 전류를 측정한다(S107).

부하 관리부(330)의 제어부(335)는 측정된 전류가 0인지 확인한다(S109).

일 실시 예에서 부하(400)에 흐르는 전류를 측정하는 이유는 부하(400)의 배터리 셀(410)이 충전 완료가 되었는지를 확인하기 위함이다. 즉, 부하(400)에 흐르는 전류가 0인 경우, 배터리 셀(410)의 충전이 완료된 것으로 볼 수 있다.

만약, 측정된 전류가 0인 경우, 부하 관리부(330)의 제어부(335)는 임피던스 가변부(333)에 단락 신호를 전송하여 부하 임피던스(RL)를 단락시킨다(S111). 임피던스 가변부(333)로부는 스위칭 소자가 사용될 수 있으며, 스위칭 소자의 단락에 의해 부하 임피던스(RL)은 0 또는 0에 가까운 값을 가질 수 있다.

부하 임피던스(RL)이 0 또는 0에 가까운 값을 갖는 경우, 도 6에 도시된 그래프와 같이, 무선전력 송신장치(200)의 입력 임피던스(Zin)는 매우 커질 수 있다. 무선전력 송신장치(200)의 입력 임피던스(Zin)가 매우 커지는 경우, 무선전력 송신장치(200)에 일정한 전압이 인가된다면, 무선전력 송신장치(200)에 입력되는 입력 전류가 감소될 수 있다.

이에 따라. 전력 관계식(P=VI)을 통해 무선전력 송신장치(200)가 무선전력 수신장치(300)에 전송하는 송신 전력이 감소될 수 있다.

수신부(310)는 부하 임피던스의 단락에 따른 전력을 무선전력 송신장치(200)의 송신부(210)로부터 수신한다(S113). 즉, 배터리 셀(410)이 충전 완료된 경우, 무선전력 수신장치(300)는 감소된 전력을 수신할 수 있어, 불필요한 전력 낭비가 방지될 수 있다.

상술한 본 발명에 따른 무선전력 수신장치의 제어 방법은 컴퓨터에서 실행되기 위한 프로그램으로 제작되어 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체에 저장될 수 있으며, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다.

컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고, 상기 방법을 구현하기 위한 기능적인(function) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.

또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해 되어서는 안될 것이다.

100: 전력 공급 장치
200: 무선전력 송신장치
210: 송신부
211: 송신 유도 코일부
212: 송신 공진 코일부
220: 검출부
300: 무선전력 수신장치
310: 수신부
311: 수신 공진 코일부
312: 수신 유도 코일부
320: 정류부
330: 부하 관리부
331: 전류 측정부
333: 임피던스 가변부
335: 제어부
400: 부하
410: 배터리 셀
420: 스위치
430: 충전 제어부

Claims

무선전력 송신장치로부터 무선으로 전력을 수신하여 부하에 전달하는 무선전력 수신장치로서,
상기 무선전력 송신장치로부터 공진을 이용하여 전력을 수신하는 수신부; 및
상기 부하의 충전 상태에 따라 상기 수신부가 상기 무선전력 송신장치로부터 조절된 전력을 수신하도록 하는 임피던스 가변부를 구비한 부하 관리부를 포함하고,
상기 임피던스 가변부는
상기 부하의 충전이 완료된 경우, 상기 수신부가 상기 무선전력 송신장치로부터 감소된 전력을 수신하도록 상기 무선전력 송신장치에 입력되는 전압을 일정하게 유지시킨 상태에서 상기 부하의 임피던스를 단락시켜 상기 무선전력 송신 장치의 입력 임피던스를 증가시키는,
무선전력 수신장치.
제1항에 있어서,
상기 부하 관리부는,
상기 수신부가 상기 감소된 전력을 수신하도록 상기 부하의 임피던스를 단락시켜 상기 무선전력 송신장치의 입력 임피던스를 증가시키는 것을 특징으로 하는
무선전력 수신장치.
삭제
삭제
제1항에 있어서,
상기 부하 관리부는,
상기 부하의 충전 상태를 확인하기 위해 상기 부하로 흐르는 전류를 측정하는 전류 측정부를 더 포함하고,
상기 임피던스 가변부는 상기 측정된 전류에 따라 상기 수신부가 상기 무선전력 송신장치로부터 조절된 전력을 수신하도록 상기 부하의 임피던스를 가변시키는 것을 특징으로 하는
무선전력 수신장치.
제5항에 있어서,
상기 임피던스 가변부는
상기 측정된 전류가 0인 경우, 상기 부하의 충전이 완료되었음을 확인하고, 상기 수신부가 상기 무선전력 송신장치로부터 감소된 전력을 수신하도록 상기 부하의 임피던스를 단락시키는 것을 특징으로 하는
무선전력 수신장치.
제6항에 있어서,
상기 수신부가 수신한 전력을 정류하여 부하에 전달하는 정류부를 더 포함하고,
상기 임피던스 가변부는 상기 정류부와 연결된 스위치로 구성된 것을 특징으로 하는 무선전력 수신장치.
제1항에 있어서,
상기 수신부는
상기 무선전력 송신장치에 구비된 송신 공진 코일과 공진 결합되어 전력을 수신하는 수신 공진 코일과
상기 수신 공진 코일과 커플링되어 수신한 전력을 상기 부하에 전달하는 수신 유도 코일을 포함하는
무선전력 수신장치.
제2항에 있어서,
상기 무선전력 송신장치의 입력 임피던스는
상기 무선전력 송신장치에 전력을 공급하는 전력 공급 장치에서 상기 무선전력 송신장치를 바라본 임피던스 인 것을 특징으로 하는
무선전력 수신장치.
무선전력 송신장치로부터 무선으로 전력을 수신하여 부하에 전달하는 무선전력 수신장치의 전력 제어 방법으로서,
상기 부하의 충전 완료 여부를 확인하는 단계;
상기 확인된 부하의 충전 완료된 경우, 상기 무선전력 송신장치에 입력되는 전압을 일정하게 유지시킨 상태에서 상기 부하의 임피던스를 단락시켜 상기 무선전력 송신 장치의 입력 임피던스를 증가시키는 단계; 및
상기 단락된 부하의 임피던스에 따라 상기 무선전력 송신장치로부터 감소된 전력을 수신하여 상기 부하에 전달하는 단계를 포함하는
무선전력 수신장치의 전력 제어 방법.
삭제
제10항에 있어서,
상기 부하에 흐르는 전류를 측정하는 단계를 더 포함하고
상기 부하의 충전 완료 여부를 확인하는 단계는
상기 측정된 전류에 따라 상기 부하의 충전 완료 여부를 확인하는
무선전력 수신장치의 전력 제어 방법.
제12항에 있어서,
상기 측정된 전류가 0인 경우, 부하의 충전이 완료된 것으로 판단하고, 상기 부하의 임피던스를 단락 시키는
무선전력 수신장치의 전력 제어 방법.
제13항에 있어서,
상기 부하의 임피던스를 단락시키는 단계는
스위칭 소자를 이용하여 상기 부하의 임피던스를 단락시키는 단계를 포함하는
무선전력 수신장치의 전력 제어 방법.
제10항, 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 기재된 무선전력 수신장치의 전력 제어 방법을 수행하기 위한 프로그램이 기록된 기록매체.