KR20110131954A - 무선 전력 전송 장치 및 그 방법 - Google Patents

무선 전력 전송 장치 및 그 방법 Download PDF

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KR20110131954A KR1020100051672A KR20100051672A KR20110131954A KR 20110131954 A KR20110131954 A KR 20110131954A KR 1020100051672 A KR1020100051672 A KR 1020100051672A KR 20100051672 A KR20100051672 A KR 20100051672A KR 20110131954 A KR20110131954 A KR 20110131954A
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Abstract

무선 전력 전송 장치 및 그 방법이 제공된다. 일 측면에 따르면, 무선 전력 전송 장치는 무선 전력의 수신이 허용되지 않는 비타겟 수신기를 감지할 수 있다. 또한, 무선 전력 전송 장치는 감지된 비타겟 수신기에게 최대한으로 무선 전력이 전송되지 않도록 처리할 수 있다.

Description

무선 전력 전송 장치 및 그 방법{Wireless Power Transmission Apparatus and Method}
기술분야는 무선 전력 전송 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 무선 전력 전송 장치는 무선 전력의 수신이 허용되지 않은 비(非)타겟 수신기를 인지하여 무선 전력의 전송을 제어할 수 있다.
휴대용 전자제품의 특성 상, 배터리 성능이 중요한 문제로 대두되고 있다. 일반적으로, 휴대용 전자제품은 전력선(Power Line)을 이용하여 전력(power)을 제공받는다. 반면, 무선 전력 전송 기술(Wireless Power Transmission)이 휴대용 전자제품에 적용되면, 휴대용 전자제품은 이동 중에도 전력선 없이 전력을 제공받을 수 있다. 무선 전력을 전송하는 송신기는 무선 전력을 수신하도록 허락된 휴대용 전자제품에게 무선 전력을 제공할 수 있다. 그러나, 송신기 주변에 복수 개의 휴대용 전자제품들이 있는 경우, 송신기는 허락되지 않은 휴대용 전자제품에게도 무선 전력을 제공하는 경우가 발생한다.
일 측면에 있어서, 무선 전력의 수신이 허용된 타겟 수신기에게 상기 무선 전력을 전송하는 소스부; 및 상기 타겟 수신기로 전송되는 상기 무선 전력의 전송 결과를 기초로, 상기 무선 전력을 수신 중인 비(非)타겟 수신기-상기 무선 전력의 수신이 비허용된 수신기-의 존재를 판단하는 제어부를 포함하는 무선 전력 전송 장치가 제공된다.
상기 무선 전력의 전송 결과는 상기 무선 전력의 전송 전력량 및 상기 타겟 수신기로부터 반사되는 반사파의 양 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 무선 전력의 전송 결과가 임계값보다 크면, 상기 비타겟 수신기가 존재하는 것으로 판단할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 타겟 수신기에서 측정되는 상기 무선 전력의 수신 전력량의 변화량을 확인하고, 상기 확인된 수신 전력량의 변화량이 설정된 임계값보다 크면, 상기 비타겟 수신기가 존재하는 것으로 판단할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 비타겟 수신기의 존재가 판단되면, 상기 무선 전력을 송수신하는데 필요한 주파수를 변경하며, 상기 변경된 주파수의 정보를 상기 타겟 수신기에게 전송하는 통신부를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 비타겟 수신기의 존재가 판단되면, 상기 타겟 수신기와 상기 소스부 간의 임피던스 매칭을 위한 정보를 변경하며, 상기 변경된 임피던스 매칭을 위한 정보를 상기 타겟 수신기에게 전송하는 통신부를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 비타겟 수신기의 존재가 판단되면, 빔포밍(Beam Forming)을 이용하여 상기 비타겟 수신기를 제외한 상기 타겟 수신기에 상기 무선 전력을 송신하도록 상기 소스부를 제어할 수 있다.
다른 측면에 있어서, 무선 전력의 수신이 허용된 타겟 수신기에게 상기 무선 전력을 전송하는 단계; 및 상기 타겟 수신기로 전송되는 상기 무선 전력의 전송 결과를 기초로, 상기 무선 전력을 수신 중인 비(非)타겟 수신기-상기 무선 전력의 수신이 비허용된 수신기-의 존재를 판단하는 단계를 포함하는 무선 전력 전송 방법이 제공된다.
상기 판단하는 단계는, 상기 무선 전력의 전송 결과가 임계값보다 크면, 상기 비타겟 수신기가 존재하는 것으로 판단할 수 있다.
상기 판단하는 단계는, 상기 타겟 수신기에서 측정되는 상기 무선 전력의 수신 전력량의 변화량을 확인하는 단계; 및 상기 확인된 수신 전력량의 변화량이 설정된 임계값보다 크면, 상기 비타겟 수신기가 존재하는 것으로 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 비타겟 수신기의 존재가 판단되면, 상기 무선 전력을 송수신하는데 필요한 주파수를 변경하는 단계; 및 상기 변경된 주파수의 정보를 상기 타겟 수신기에게 전송하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 비타겟 수신기의 존재가 판단되면, 상기 타겟 수신기와 상기 소스부 간의 임피던스 매칭을 위한 정보를 변경하는 단계; 및 상기 변경된 임피던스 매칭을 위한 정보를 상기 타겟 수신기에게 전송하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 비타겟 수신기의 존재가 판단되면, 빔포밍(Beam Forming)을 이용하여 상기 비타겟 수신기를 제외한 상기 타겟 수신기에 상기 무선 전력을 송신하는 단계를 더 포함할 수 있다.
무선 전력 전송 장치 및 그 방법에 의하면, 무선 전력 전송 장치는 무선 전력의 수신이 비허용된 비타겟 수신기의 존재를 판단할 수 있다. 무선 전력 전송 장치는 무선 전력의 전송 전력량 또는 전송 효율 또는 반사파 등을 이용하여 쉽게 비타겟 수신기의 존재를 판단할 수 있다.
또한, 무선 전력 전송 장치는 비타겟 수신기에게 최대한으로 무선 전력이 전송되지 않도록 할 수 있다. 이로써, 무선 전력 전송 비용을 지불하지 않은 수신기가 전력을 못 받게 함으로써 과금 업무를 용이하게 한다. 또한 이로써, 타겟 수신기로 무선 전력이 집중적으로 전송될 수 있으며, 결과적으로 타겟 수신기의 무선 전력 수신 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 예시적인 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 나타낸다.
도 2는 일 실시예에 따른 meta-structured 공진기를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 공진기의 등가 회로를 나타낸 도면이다.
도 4는 다른 일 실시예에 따른 meta-structured 공진기를 나타낸 도면이다.
도 5는 도 4의 커패시터의 삽입 위치를 상세하게 나타내는 도면이다.
도 6은 일 예에 따른 무선 전력 송수신을 위한 시스템을 도시한 도면이다.
도 7은 도 6에 도시된 WP 송신기의 일 예를 도시한 블록도이다.
도 8은 소스부와 타겟 수신기 간에 사용될 주파수들을 도시한 도면이다.
도 9는 시간에 따라 변하는 주파수에 따른 타겟 수신기와 비타겟 수신기의 전송 효율을 도시한 도면이다.
도 10은 무선 전력 전송 방법의 일 예를 설명하기 위한 흐름도이다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
먼저, 무선 전력전송 시스템에 이용되는 무선 전력전송 기술을 설명한다. 무선전력전송 기술은 크게 전자기 유도 방식, 전파 수신 방식, 전장 혹은 자장의 공진방식 등 3가지 방식으로 구분할 수 있다.
첫째, 전자기 유도 방식은 서로 다른 두 개의 코일을 가까이 접근 시킨 후 한쪽 코일에 교류 전류를 흐르게 하면 자속이 발생하게 되고 이를 통해 다른 코일 한쪽에도 기전력이 발생하는 현상을 이용한다. 전자기 유도방식은 전력 이용 효율이 대략 60~98%에 이르는 등 고효율 및 실용화가 가장 많이 진행되어 있다.
둘째, 전파 수신 방식은 전파 에너지를 안테나로 수신하여 이용하는 것으로 교류 전파 파형을 정류회로를 통해 직류로 변환하여 전력을 얻는다. 전파수신방식은 가장 긴 거리간(수 m 이상) 무선전력전송이 가능하다.
셋째, 공진방식은 전장 혹은 자장의 공진을 이용한 것으로 기기간에 동일 주파수로 공진하여 에너지를 전달한다. 자장의 공진을 이용하는 경우 LC공진기 구조를 활용한 자계공진(magnetic resonance coupling)을 이용하여 전력을 발생시킨다. 자계공진방식은 사용 주파수의 파장에 비해 짧은 거리의 근접장(near field)효과를 이용하는 기술로써, 전파 수신 방식과는 달리 비방사형(non-radiative) 에너지 전송이며, 송수신부간의 공진주파수를 일치시켜 전력을 전송한다. 자계공진방식을 통해 전력 전송효율은 약 50~60% 정도로 높아지며, 이 정도의 효율은 전파 방사를 통한 전파 수신형 보다 상당히 높은 것이다. 송수신기간 거리는 약 수 m로써, 비록 전파 수신 방식보다는 근거리에서 사용되는 기술이나, 수 mm 이내의 전자 유도형 방식보다는 매우 먼 거리에서도 전력 전송이 가능하게 된다.
도 1은 예시적인 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 나타낸다.
도 1의 예에서, 무선 전력 전송 시스템을 통해 전송되는 무선 전력은 공진 전력(resonance power)이라 가정한다.
도 1을 참조하면, 무선 전력 전송 시스템은 소스와 타겟으로 구성되는 소스-타겟 구조이다. 즉, 무선 전력 전송 시스템은 소스에 해당하는 공진 전력 전송 장치(110)와 타겟에 해당하는 공진 전력 수신 장치(120)를 포함한다.
공진 전력 전송 장치(110)는 외부의 전압 공급기로부터 에너지를 수신하여 공진 전력을 발생시키는 소스부(111) 및 소스 공진기(115)를 포함한다. 또한, 공진 전력 전송 장치(110)는 공진주파수 또는 임피던스 매칭을 수행하는 매칭 제어부(Matching control)(113)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
소스부(111)는 외부의 전압 공급기로부터 에너지를 수신하여 공진 전력을 발생시킨다. 소스부(111)는 외부 장치로부터 입력되는 교류 신호의 신호 레벨을 원하는 레벨로 조정하기 위한 AC-AC Converter, AC-AC Converter로부터 출력되는 교류 신호를 정류함으로써 일정 레벨의 DC 전압을 출력하는 AC-DC Converter, AC-DC Converter에서 출력되는 DC 전압을 고속 스위칭함으로써 수 MHz ~ 수십MHz 대역의 AC 신호를 생성하는 DC-AC Inverter를 포함할 수 있다.
매칭 제어부(Matching control)(113)는 소스 공진기(115)의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth) 또는 소스 공진기(115)의 임피던스 매칭 주파수를 설정한다. 매칭 제어부(Matching control)(113)는 소스 공진 대역폭 설정부(도시 되지 않음) 또는 소스 매칭 주파수 설정부(도시 되지 않음) 중 적어도 하나를 포함한다. 소스 공진 대역폭 설정부는 소스 공진기(115)의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth)을 설정한다. 소스 매칭 주파수 설정부는 소스 공진기(115)의 임피던스 매칭 주파수를 설정한다. 이때, 소스 공진기의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth) 또는 소스 공진기의 임피던스 매칭 주파수 설정에 따라서 소스 공진기(115)의 Q-factor가 결정될 수 있다.
소스 공진기(115)는 전자기(electromagnetic) 에너지를 타겟 공진기로 전달(transferring)한다. 즉, 소스 공진기(115)는 타겟 공진기(121)와의 마그네틱 커플링(41)을 통해 공진 전력을 타겟 장치(120)로 전달한다. 이때, 소스 공진기(115)는 설정된 공진 대역폭 내에서 공진한다.
공진 전력 수신 장치(120)는 타겟 공진기(121), 공진주파수 또는 임피던스 매칭을 수행하는 Matching control부(123) 및 수신된 공진 전력을 부하로 전달하기 위한 타겟부(125)를 포함한다.
타겟 공진기(121)는 소스 공진기(115)로부터 전자기(electromagnetic) 에너지를 수신한다. 이때, 타겟 공진기(121)는 설정된 공진 대역폭 내에서 공진한다.
Matching control부(123)는 타겟 공진기(121)의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth) 또는 타겟 공진기(121)의 임피던스 매칭 주파수 중 적어도 하나를 설정한다. Matching control부(123)는 타겟 공진 대역폭 설정부(도시 되지 않음) 또는 타겟 매칭 주파수 설정부(도시 되지 않음) 중 적어도 하나를 포함한다. 타겟 공진 대역폭 설정부는 타겟 공진기(121)의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth)을 설정한다. 타겟 매칭 주파수 설정부는 타겟 공진기(121)의 임피던스 매칭 주파수를 설정한다. 이때, 타겟 공진기(121)의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth) 또는 타겟 공진기(121)의 임피던스 매칭 주파수 설정에 따라서 타겟 공진기(121)의 Q-factor가 결정될 수 있다.
타겟부(125)는 수신된 공진 전력을 부하로 전달한다. 이때, 타겟부(125)는 소스 공진기(115)로부터 타겟 공진기(121)로 수신되는 AC 신호를 정류하여 DC 신호를 생성하는 AC-DC Converter와, DC 신호의 신호 레벨을 조정함으로써 정격 전압을 디바이스(device) 또는 부하(load)로 공급하는 DC-DC Converter를 포함할 수 있다.
소스 공진기(115) 및 타겟 공진기(121)는 헬릭스(helix) 코일 구조의 공진기 또는 스파이럴(spiral) 코일 구조의 공진기, 또는 meta-structured 공진기로 구성될 수 있다.
도 1을 참조하면, 큐-펙터의 제어 과정은, 소스 공진기(115)의 공진 대역폭(Resonance Bandwidth) 및 타겟 공진기(121)의 공진 대역폭을 설정하고, 소스 공진기(115)와 타겟 공진기(121) 사이의 마그네틱 커플링을 통해 전자기(electromagnetic) 에너지를 상기 소스 공진기(115)로부터 상기 타겟 공진기(121)로 전달(transferring)하는 것을 포함한다. 이때, 소스 공진기(115)의 공진 대역폭은 타겟 공진기(121)의 공진 대역폭 보다 넓거나 좁게 설정될 수 있다. 즉, 소스 공진기(115)의 공진 대역폭이 타겟 공진기(121)의 공진 대역폭 보다 넓거나 좁게 설정됨으로써, 소스 공진기의 BW-factor와 상기 타겟 공진기의 BW-factor는 서로 불평형(unbalance) 관계가 유지된다.
공진 방식의 무선 전력 전송에서, 공진 대역폭은 중요한 factor이다. 소스 공진기(115)와 타겟 공진기(121) 사이의 거리 변화, 공진 임피던스의 변화, 임피던스 미스 매칭, 반사 신호 등을 모두 고려한 Q-factor를 Qt라 할 때, Qt는 수학식 1과 같이 공진 대역폭과 반비례 관계를 갖는다.
[수학식 1]
Figure pat00001
수학식 1에서, f0는 중심주파수,
Figure pat00002
는 대역폭,
Figure pat00003
는 공진기 사이의 반사 손실, BWS는 소스 공진기(115)의 공진 대역폭, BWD는 타겟 공진기(121)의 공진 대역폭을 나타낸다. 본 명세서에서 BW-factor는 1/ BWS 또는 1/BWD를 의미한다.
한편, 소스 공진기(115)와 타겟 공진기(121) 간의 거리가 달라지거나, 둘 중 하나의 위치가 변하는 등의 외부 영향에 의하여, 소스 공진기(115)와 타겟 공진기(121) 간의 임피던스 미스 매칭이 발생할 수 있다. 임피던스 미스 매칭은 전력 전달의 효율을 감소시키는 직접적인 원인이 될 수 있다. 매칭 제어부(Matching control)(113)는 전송신호의 일부가 반사되어 돌아오는 반사파를 감지함으로써, 임피던스 미스 매칭이 발생한 것으로 판단하고, 임피던스 매칭을 수행할 수 있다. 또한, 매칭 제어부(Matching control)(113)는 반사파의 파형 분석을 통해 공진 포인트를 검출함으로써, 공진 주파수를 변경할 수 있다. 여기서, 매칭 제어부(Matching control)(113)는 반사파의 파형에서 진폭(amplitude)이 최소인 주파수를 공진 주파수로 결정할 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 meta-structured 공진기를 나타낸 도면이다.
도 2을 참조하면, meta-structured 공진기는 전송 선로(210) 및 커패시터(220)를 포함한다. 여기서 커패시터(220)는 전송 선로(210)의 특정 위치에 직렬로 삽입되고, 전계(electric field)는 커패시터에 갇히게 된다.
또한, 도 2에 도시된 바와 같이 meta-structured 공진기는 3차원 구조의 형태를 갖는다. 도 2에 도시된 것과 달리 공진기는 전송 선로가 x, z평면에 배치된 2차원 구조로의 구현될 수 있다.
커패시터(220)는 집중 소자(lumped element 및 분산 소자(distributed element), 예를 들어 interdigital 커패시터나 높은 유전율을 갖는 기판을 가운데다 둔 gap 커패시터 등의 형태로 전송 선로(210)에 삽입된다. 커패시터(220)가 전송 선로(210)에 삽입됨에 따라 상기 공진기는 메타물질(metamaterial)의 특성을 가질 수 있다.
여기서, 메타물질이란 자연에서 발견될 수 없는 특별한 전기적 성질을 갖는 물질로서, 인공적으로 설계된 구조를 갖는다. 자연계에 존재하는 모든 물질들의 전자기 특성은 고유의 유전율 또는 투자율을 가지며, 대부분의 물질들은 양의 유전율 및 양의 투자율을 갖는다. 대부분의 물질들에서 전계, 자계 및 포인팅 벡터에는 오른손 법칙이 적용되므로, 이러한 물질들을 RHM(Right Handed Material)이라고 한다. 그러나, 메타물질은 1보다 작은 유전율 또는 투자율을 가진 물질로서, 유전율 또는 투자율의 부호에 따라 ENG(epsilon negative) 물질, MNG(mu negative) 물질, DNG(double negative) 물질, NRI(negative refractive index) 물질, LH(left-handed) 물질 등으로 분류된다.
이 때, 집중 소자로서 삽입된 커패시터의 커패시턴스가 적절히 정해지는 경우, 상기 공진기는 메타물질의 특성을 가질 수 있다. 특히, 커패시터의 커패시턴스를 적절히 조절함으로써, 공진기는 음의 투자율을 가질 수 있으므로, 본 발명의 일실시예에 따른 공진기는 MNG 공진기로 불려질 수 있다.
상기 MNG 공진기는 전파 상수(propagation constant)가 0일 때의 주파수를 공진 주파수로 갖는 영번째 공진(Zeroth-Order Resonance) 특성을 가질 수 있다. MNG 공진기는 영번째 공진 특성을 가질 수 있으므로, 공진 주파수는 MNG 공진기의 물리적인 사이즈에 대해 독립적일 수 있다. 즉, 아래에서 다시 설명하겠지만, MNG 공진기에서 공진 주파수를 변경하기 위해서는 커패시터를 적절히 설계하는 것으로 충분하므로, MNG 공진기의 물리적인 사이즈를 변경하지 않을 수 있다.
또한, 근접 필드(near field)에서 전계는 전송 선로(210)에 삽입된 직렬 커패시터(220)에 집중되므로, 직렬 커패시터(220)로 인하여 근접 필드에서는 자계(magnetic field)가 도미넌트(dominant)해진다.
또한, MNG 공진기는 집중 소자로의 커패시터(220)을 이용하여 높은 큐-팩터(Q-Factor)를 가질 수 있으므로, 전력 전송의 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, MNG 공진기는 임피던스 매칭을 위한 매칭기(230)를 포함할 수 있다. 이 때, 매칭기(230)는 MNG 공진기와의 결합을 위해 자계의 강도를 적절히 조절 가능(tunable)하고, 매칭기(230)에 의해 MNG 공진기의 임피던스는 조절된다. 그리고, 전류는 커넥터(240)를 통하여 MNG 공진기로 유입되거나 MNG 공진기로부터 유출된다.
또한, 도 2에 명시적으로 도시되지 아니하였으나, MNG 공진기를 관통하는 마그네틱 코어가 더 포함될 수 있다. 이러한 마그네틱 코어는 전력 전송 거리를 증가시키는 기능을 수행할 수 있다.
본 발명의 MNG 공진기가 갖는 특성들에 대해서는 아래에서 자세히 설명한다.
도 3은 도 2에 도시된 공진기의 등가 회로를 나타낸 도면이다.
도 2에 도시된 공진기는 도 3에 도시된 등가 회로로 모델링될 수 있다. 도 3의 등가 회로에서 CL은 도 2의 전송 선로의 중단부에 집중 소자의 형태로 삽입된 커패시터를 나타낸다.
이 때, 도 2에 도시된 무선 전력 전송을 위한 공진기는 영번째 공진 특성을 갖는다. 즉, 전파 상수가 0인 경우, 무선 전력 전송을 위한 공진기는
Figure pat00004
를 공진 주파수로 갖는다고 가정한다. 이 때, 공진 주파수
Figure pat00005
는 하기 수학식 1과 같이 표현될 수 있다. 여기서, MZR은 Mu Zero Resonator를 의미한다.
Figure pat00006
상기 수학식 1을 참조하면, 공진기의 공진 주파수
Figure pat00007
는
Figure pat00008
에 의해 결정될 수 있고, 공진 주파수
Figure pat00009
와 공진기의 물리적인 사이즈는 서로 독립적일 수 있음을 알 수 있다. 따라서, 공진 주파수
Figure pat00010
와 공진기의 물리적인 사이즈가 서로 독립적이므로, 공진기의 물리적인 사이즈는 충분히 작아질 수 있다.
도 4은 다른 일 실시예에 따른 meta-structured 공진기를 나타낸 도면이다.
도 4을 참조하면, meta-structured 공진기는 전송선로부(410) 및 커패시터(420)를 포함한다. 또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 공진기는, 피딩부(430)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
전송선로부(410)는 복수의 전송 선로 쉬트(Sheet)가 병렬로 배치된다. 복수의 전송 선로 쉬트가 병렬로 배치되는 구성은, 도 5를 통하여 보다 상세하기 설명하기로 한다.
커패시터(420)는, 전송선로부(410)의 특정 위치에 삽입된다. 이때, 커패시터(420)는 전송선로부(410)의 중단에 직렬로 삽입될 수 있다. 이때, 공진기에 생성되는 전계(electric field)는 커패시터(420)에 갇히게 된다.
커패시터(420)는 집중 소자(lumped element 및 분산 소자(distributed element), 예를 들어 interdigital 커패시터나 높은 유전율을 갖는 기판을 가운데다 둔 gap 커패시터 등의 형태로 전송 선로부(410)에 삽입될 수 있다. 커패시터(420)가 전송 선로부(410)에 삽입됨에 따라, 공진기는 메타물질(metamaterial)의 특성을 가질 수 있다.
피딩부(430)는 MNG 공진기에 전류를 공급(feeding)하는 기능을 수행할 수 있다. 이때, 피딩부(430)는, 공진기로 공급되는 전류를 복수의 전송 선로 쉬트로 균등하게 분배되도록 설계될 수 있다.
도 5는 도 4의 커패시터(420)의 삽입 위치를 상세하게 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 커패시터(420)는 전송선로부(410)의 중단부에 삽입된다. 이때, 전송선로부(410)의 중단부는 커패시터(420)가 삽입될 수 있도록 오픈(open)된 형태일 수 있으며, 각각의 전송 선로 쉬트들(410-1, 410-2, 410-n)은 중단부에서 서로 병렬 연결된 형태로 구성될 수 있다.
도 6은 일 예에 따른 무선 전력 송수신을 위한 시스템을 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 무선 전력 송수신을 위한 시스템은 무선 전력(WP: Wireless Power) 송신기(600), 타겟 수신기(700) 및 비타겟 수신기(800)를 포함한다.
WP 송신기(600), 타겟 수신기(700) 및 비타겟 수신기(800)는 도 1을 참조하여 설명한 무선 전력 전송 시스템에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 1의 공진 전력 전송 장치(110)는 WP 송신기(600)의 소스부(630)이며, 도 1의 공진 전력 수신 장치(120)는 타겟 수신기(700)일 수 있다. 타겟 수신기(700) 및 비타겟 수신기(800)는 무선 전력 수신이 가능한 모든 디바이스이다.
WP 송신기(600)는 도 1 내지 도 5를 참조하여 설명한 무선 전력 송신 기술을 이용하여, 공진 주파수를 통해 무선 전력을 발생시킨다. 커버리지(C)는 WP 송신기(600)의 송전 가능 영역이다. WP 송신기(600)는 무선 전력의 수신이 허용된 타겟 수신기에게 무선 전력을 전송할 수 있다.
도 6에 의하면, 타겟 수신기(700)는 커버리지(C)내에 위치하여 WP 송신기(600)로부터 무선 전력을 수신한다. 타겟 수신기(700)는 수신되는 무선 전력을 즉시 사용하거나 무선 전력으로 배터리를 충전할 수 있다. 타겟 수신기(700)는 무선 전력의 수신을 위한 과금을 사전에 마쳤거나 또는 인증 과정을 마침으로써 무선 전력을 수신할 수 있다. 즉, 타겟 수신기(700)는 무선 전력의 수신이 허용된 수신기에 해당한다.
도 7은 도 6에 도시된 WP 송신기(600)의 일 예를 도시한 블록도이다.
도 7을 참조하면, WP 송신기(600)는 통신부(610), 저장부(620), 소스부(630), 측정부(640) 및 제어부(650)를 포함한다.
타겟 수신기(700)에게 무선 전력의 전송이 허용되면, 통신부(610)는 통신 채널을 통해 타겟 수신기(700)와 유무선 통신할 수 있다. 예를 들어, 통신부(610)는 타겟 수신기(700)로부터 무선 전력의 전송을 요청하는 메시지를 수신하고, 타겟 수신기(700)에게 무선 전력의 송수신에 필요한 주파수 정보와 임피던스 매칭 정보를 전송한다. 이로써, 무선 전력에 필요한 주파수와 임피던스 매칭이 사전에 상호 정의된다.
또한, 통신부(610)는 타겟 수신기(700)로부터 무선 전력의 수신 전력량을 수신한다. 수신 전력량은 타겟 수신기(700)에서 측정되는 무선 전력의 수신 효율일 수 있다.
주파수 정보는 WP 송신기(600)와 타겟 수신기(700) 사이의 공진 주파수 동기화에 필요한 정보이다. 임피던스 매칭 정보는 WP 송신기(600)와 타겟 수신기(700) 사이의 임피던스 매칭에 필요한 정보이다. 임피던스 매칭에 대해서는 도1을 참조하여 설명하였다.
저장부(620)는 상술한 주파수 정보와 임피던스 매칭 정보를 저장한다. 또한, 저장부(620)는 WP 송신기(600)의 동작에 필요한 제어 프로그램을 저장한다.
소스부(630)는 상호 정의된 주파수를 이용하여 공진 주파수를 동기화하고, 임피던스 매칭 주파수를 설정한다. 그리고, 소스부(630)는 무선 전력을 타겟 수신기(700)에게 전송한다. 소스부(630)는 도 1의 공진 전력 전송 장치(110)일 수 있다. 따라서, 소스부(630)의 상세한 설명은 생략한다.
측정부(640)는 소스부(630)에서 타겟 수신기(700)로 전송되는 무선 전력의 전송 결과를 주기적으로 측정한다. 전송 결과는 무선 전력의 전송 효율, 전송 전력량 및 반사파(Reflected Wave)의 양 중 적어도 하나를 포함한다. 반사파는 무선 전력을 전송하는 전송신호의 일부가 타겟 수신기(700)로부터 반사되어 돌아오는 파(wave)로서, 도 1의 매칭 제어부(113)에서 측정될 수도 있다.
제어부(650)는 임피던스 매칭이 설정되면, 무선 전력을 타겟 수신기(700)에게 전송하도록 소스부(630)를 제어한다. 또한, 제어부(650)는 타겟 수신기(700)로 전송되는 무선 전력의 전송 결과를 기초로, 무선 전력을 수신 중인 비(非)타겟 수신기(700)가 존재하는지를 판단한다. 비타겟 수신기(800)는 무선 전력의 수신이 비허용된 WP 수신기이다.
제어부(650)가 비타겟 수신기(800)의 존재 여부를 판단하는 방법에 대해 설명하면 다음과 같다. 제어부(650)는 측정부(640)에서 측정된 전송 결과의 변화량이 설정된 제1임계값(TH1)보다 크면, 비타겟 수신기(800)가 존재하는 것으로 판단할 수 있다. 예를 들어, 제어부(650)는 측정된 전송 결과가 이전보다 감소한 경우, 감소량이 제1임계값(TH1)보다 크면, 비타겟 수신기(800)가 존재하는 것으로 판단할 수 있다. 즉, 제어부(650)는 무선 전력의 전송이 허용되지 않은 비타겟 수신기(800)에게 무선 전력이 전송되고 있는 것으로 판단한다.
또한, 제어부(650)는 타겟 수신기(700)에서 측정되는 수신 전력량의 변화량을 확인한다. 제어부(650)는 확인된 수신 전력량의 변화량이 설정된 제2임계값(TH2)보다 크면, 비타겟 수신기(800)가 존재하는 것으로 판단할 수 있다. 예를 들어, 제어부(650)는 확인된 수신 전력량이 이전보다 감소한 경우, 감소량이 제2임계값(TH2)보다 크면, 비타겟 수신기(800)가 존재하는 것으로 판단할 수 있다.
비타겟 수신기(800)가 존재하는 것으로 판단되면, 제어부(650)는 타겟 수신기(700)와 비타겟 수신기(800)가 서로 다른 수신효율을 갖도록 처리한다. 예를 들어, 제어부(650)는 타겟 수신기(700)의 수신효율은 최대가 되도록 하며, 비타겟 수신기(800)의 수신효율은 최소가 되도록 처리한다.
이를 위하여, 제어부(650)는, 비타겟 수신기(800)의 존재가 판단되면, 타겟 수신기(700)에게 무선 전력을 송신하는데 필요한 주파수를 변경한다. 그리고, 제 어부(650)는 변경된 주파수의 정보를 타겟 수신기(700)에게 전송하도록 통신부(610)를 제어한다. 변경된 주파수의 정보는 시간 별로 사용될 주파수의 패턴을 포함한다. 이로써, 소스부(630)와 타겟 수신기(700)는 변경된 주파수로 공진 주파수를 다시 동기화한다.
도 8은 소스부(630)와 타겟 수신기(700) 간에 사용될 주파수들을 도시한 도면이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 소스부(630)는 타겟 수신기(700)가 필요로 하는 무선 전력의 전송이 완료될 때까지, 무선 전력에 사용할 주파수를 제1 내지 제N주파수 중 하나로 랜덤하게 변경하면서 무선 전력을 타겟 수신기(700)에게 전송한다.
도 9는 시간에 따라 변하는 주파수에 따른 타겟 수신기(700)와 비타겟 수신기(800)의 전송 효율을 도시한 도면이다.
도 9를 참조하면, 소스부(630)는 설정된 시간마다 다른 주파수를 이용하여 무선 전력을 타겟 수신기(700)에게 전송한다. 즉, 소스부(630)는 제4주파수(f4)→제1주파수(f1)→제2주파수(f2)→제5주파수(f5)→제3주파수(f3)→제4주파수(f4)의 순서로 주파수를 이용한다. 비타겟 수신기(800)에 설정된 주파수가 f12이고, f12가 제1주파수(f1)와 거의 동일한 경우, 비타겟 수신기(800)의 전송 효율은 소스부(630)가 제1주파수(f1)를 이용할 때 높으며, 그 외의 주파수를 사용할 때는 낮다. 이에 의해, 비타겟 수신기(800)가 무선 전력을 정상적으로 수신할 가능성은 낮아진다.
또는, 제어부(650)는, 비타겟 수신기(800)의 존재가 판단되면, 타겟 수신기(700)와 소스부(630) 간의 임피던스 매칭을 위한 정보를 변경한다. 그리고, 제어부(650)는 변경된 임피던스 매칭을 위한 정보를 타겟 수신기(700)에게 전송하도록 통신부(610)를 제어한다. 이로써, 소스부(630)와 타겟 수신기(700)는 임피던스 매칭을 다시 설정한다.
또는, 제어부(650)는, 비타겟 수신기(800)의 존재가 판단되면, 빔포밍(Beam Forming)을 이용하여, 비타겟 수신기(800)를 제외한 타겟 수신기(700)에 무선 전력을 전송하도록 소스부(630)를 제어한다.
도 10은 무선 전력 전송 방법의 일 예를 설명하기 위한 흐름도이다.
도 10의 무선 전력 전송 방법은 도 6 내지 도 9를 참조하여 설명한 WP 송신기(600)에 의해 동작될 수 있다.
1010단계에서, WP 송신기는 타겟 수신기에게 무선 전력을 송신한다. 타겟 수신기는 WP 송신기로부터 무선 전력의 수신이 허용된 기기이다.
1020단계에서, WP 송신기는 타겟 수신기로 전송되는 무선 전력의 전송 결과를 주기적으로 측정한다. 전송 결과는 무선 전력의 전송 효율, 전송 전력량 및 반사파(Reflected Wave)의 양 중 적어도 하나를 포함한다.
1030단계에서, WP 송신기는 1020단계에서 측정된 전송 결과의 변화량이 설정된 제1임계값(TH1)보다 크면, 1040단계에서, 타겟 수신기에서 측정되는 수신 전력량의 변화량을 확인한다.
1050단계에서, WP 송신기는 1040단계에서 확인된 수신 전력량의 변화량이 설정된 제2임계값(TH2)보다 크면, 1060단계에서, 비타겟 수신기가 존재하는 것으로 판단한다. 비타겟 수신기는 무선 전력의 수신이 허용되지 않은 기기임에도 불구하고, WP 송신기로부터 무선 전력을 수신하고 있는 기기이다.
1070단계에서, WP 송신기는 타겟 수신기와 비타겟 수신기가 서로 다른 수신 효율을 갖도록 처리한다. 예를 들어, WP 송신기는 타겟 수신기에게 무선 전력을 송신하는데 필요한 주파수를 변경하고, 변경된 주파수의 정보를 타겟 수신기에게 전송한다. 이로써, WP 송신기와 타겟 수신기는 도 9에 도시된 바와 같이, 변경된 주파수를 통해 무선 전력을 송수신한다.
또 다른 예로, WP 송신기는 타겟 수신기와 소스부 간의 임피던스 매칭을 위한 정보를 변경하고, 변경된 임피던스 매칭을 위한 정보를 타겟 수신기에게 전송한다. 이로써, WP 송신기와 타겟 수신기는 임피던스 매칭을 다시 설정한 후, 무선 전력을 송수신한다.
또 다른 예로, WP 송신기는 빔포밍을 이용하여, 비타겟 수신기를 제외한 타겟 수신기에게 무선 전력을 전송한다.
1080단계에서, 무선 전력의 전송이 완료전이면, WP 송신기는 1020단계 내지 1070단계를 재수행한다.
본 발명의 실시 예에 따른 방법들은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
110: 공진 전력 전송 장치 120: 공진 전력 수신 장치
600: WP 송신기 700: 타겟 수신기
800: 비타겟 수신기

Claims (15)

  1. 무선 전력의 수신이 허용된 타겟 수신기에게 상기 무선 전력을 전송하는 소스부; 및
    상기 타겟 수신기로 전송되는 상기 무선 전력의 전송 결과를 기초로, 상기 무선 전력을 수신 중인 비(非)타겟 수신기-상기 무선 전력의 수신이 비허용된 수신기-의 존재를 판단하는 제어부
    를 포함하는 무선 전력 전송 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 무선 전력의 전송 결과는 상기 무선 전력의 전송 전력량 및 상기 타겟 수신기로부터 반사되는 반사파의 양 중 적어도 하나를 포함하는, 무선 전력 전송 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 무선 전력의 전송 결과가 임계값보다 크면, 상기 비타겟 수신기가 존재하는 것으로 판단하는, 무선 전력 전송 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 타겟 수신기에서 측정되는 상기 무선 전력의 수신 전력량의 변화량을 확인하고, 상기 확인된 수신 전력량의 변화량이 설정된 임계값보다 크면, 상기 비타겟 수신기가 존재하는 것으로 판단하는, 무선 전력 전송 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 비타겟 수신기의 존재가 판단되면, 상기 무선 전력을 송수신하는데 필요한 주파수를 변경하며,
    상기 변경된 주파수의 정보를 상기 타겟 수신기에게 전송하는 통신부
    를 더 포함하는, 무선 전력 전송 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 비타겟 수신기의 존재가 판단되면, 상기 타겟 수신기와 상기 소스부 간의 임피던스 매칭을 위한 정보를 변경하며,
    상기 변경된 임피던스 매칭을 위한 정보를 상기 타겟 수신기에게 전송하는 통신부
    를 더 포함하는, 무선 전력 전송 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 비타겟 수신기의 존재가 판단되면, 빔포밍(Beam Forming)을 이용하여 상기 비타겟 수신기를 제외한 상기 타겟 수신기에 상기 무선 전력을 송신하도록 상기 소스부를 제어하는, 무선 전력 전송 장치.
  8. 무선 전력의 수신이 허용된 타겟 수신기에게 상기 무선 전력을 전송하는 단계; 및
    상기 타겟 수신기로 전송되는 상기 무선 전력의 전송 결과를 기초로, 상기 무선 전력을 수신 중인 비(非)타겟 수신기-상기 무선 전력의 수신이 비허용된 수신기-의 존재를 판단하는 단계
    를 포함하는 무선 전력 전송 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 무선 전력의 전송 결과는 상기 무선 전력의 전송 전력량 및 상기 타겟 수신기로부터 반사되는 반사파의 양 중 적어도 하나를 포함하는, 무선 전력 전송 방법.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 판단하는 단계는, 상기 무선 전력의 전송 결과가 임계값보다 크면, 상기 비타겟 수신기가 존재하는 것으로 판단하는, 무선 전력 전송 방법.
  11. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 판단하는 단계는,
    상기 타겟 수신기에서 측정되는 상기 무선 전력의 수신 전력량의 변화량을 확인하는 단계; 및
    상기 확인된 수신 전력량의 변화량이 설정된 임계값보다 크면, 상기 비타겟 수신기가 존재하는 것으로 판단하는 단계
    를 포함하는, 무선 전력 전송 방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 비타겟 수신기의 존재가 판단되면,
    상기 무선 전력을 송수신하는데 필요한 주파수를 변경하는 단계; 및
    상기 변경된 주파수의 정보를 상기 타겟 수신기에게 전송하는 단계
    를 더 포함하는, 무선 전력 전송 방법.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 비타겟 수신기의 존재가 판단되면, 상기 타겟 수신기와 상기 소스부 간의 임피던스 매칭을 위한 정보를 변경하는 단계; 및
    상기 변경된 임피던스 매칭을 위한 정보를 상기 타겟 수신기에게 전송하는 단계
    를 더 포함하는, 무선 전력 전송 방법.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 비타겟 수신기의 존재가 판단되면,
    빔포밍(Beam Forming)을 이용하여 상기 비타겟 수신기를 제외한 상기 타겟 수신기에 상기 무선 전력을 송신하는 단계
    를 더 포함하는, 무선 전력 전송 방법.
  15. 제8항 내지 제14항 중 어느 한 항의 방법을 컴퓨터에서 실행하기 위한 프로그램을 기록하는 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체.
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