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KR101829257B1 - 셀 분할에 기초한 무선 전력 전송 시스템 - Google Patents

셀 분할에 기초한 무선 전력 전송 시스템 Download PDF

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KR101829257B1
KR101829257B1 KR1020110125810A KR20110125810A KR101829257B1 KR 101829257 B1 KR101829257 B1 KR 101829257B1 KR 1020110125810 A KR1020110125810 A KR 1020110125810A KR 20110125810 A KR20110125810 A KR 20110125810A KR 101829257 B1 KR101829257 B1 KR 101829257B1
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KR
South Korea
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power
source device
magnetic coupling
power transmission
target device
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김기영
김남윤
김동조
박윤권
유영호
윤창욱
최진성
홍영택
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Abstract

셀 분할에 기초한 무선 전력 전송 시스템을 개시한다.
무선 전력 전송 시스템의 통신 및 전력 제어 방법은, 소스 디바이스가 마그네틱 커플링 존을 설정하는 단계; 상기 설정된 마그네틱 커플링 존 내에 타겟 디바이스를 검출하는 단계; 상기 타겟 디바이스의 충전을 위한 충전 전력을 무선으로 상기 타겟 디바이스에 전송하는 단계; 및 상기 충전 전력의 전송 효율에 기초하여, 전력 전송을 중단하거나 전송 전력의 전력량을 조정하는 단계를 포함한다.

Description

셀 분할에 기초한 무선 전력 전송 시스템{WIRELESS POWER TRANSMISSION SYSTEM BASED ON CELL DIVISION}
기술분야는 셀 분할에 기초한 무선 전력 전송 시스템에 관한 것이다.
최근 들어 IT기술 발전과 함께 다양한 휴대 전자제품이 출시되었으며 이러한 환경은 각 개인이 소유하고 휴대하는 단말기의 수량이 급증하는 계기가 되었다
휴대용 전자제품의 다양화, 복잡화에 따라 기기의 전원 충전 또한 하나의 문제거리로 떠오르고 있다. 휴대기기뿐만 아니라 생활 가전 제품 등은 무선으로 data 전송이 가능하지만, power 때문에 기기간 전원 선이 항상 따라다닌다. 또한 data전송을 과 전력을 동시에 보내기 위해서 통신을 위한 antenna 및 그 antenna를 동작시키기 위한 system를 함께 장착해야 한다. 최근 들어 전선을 사용하지 않고 전력을 공급할 수 있는 무선전력전송기술 (wireless power transmission)이 큰 화제가 되고 있다. 무선 전력전송기술이 실용화가 된다면 현재 사용되고 있는 유선 충전 시스템에 대해서 에너지를 쉽게 공급할 수 있게 된다. 전력전송의 무선화는 곧 언제 어디서나 충전이 가능한 환경이란 의미이며 전원이 없어도 device간 전원 공유가 가능한 환경으로 가는 첫 걸음이다. 또한, 폐 건전지로부터 생길 수 있는 자연/환경 오염을 막는 것도 무선전력전송의 한 축의 application이기도 하다.
공진방식을 이용하여 무선으로 전력을 전송하는 방법에 있어서, 전송거리는 전송효율에 매우 많은 영향을 준다.
현재 1m 이하의 거리에서는 공진방식을 이용, 공진기 크기를 크게하여 높은 효율을 유지할 수 있음을 실험을 통해 많이 알려지고 있지만, 1m 이상의 거리에서는 전송 효율이 급격히 낮아지는 문제가 있다. 전송거리를 늘리기 위해 pseudo 공진기 및 repeater공진기를 이용하는 방법을 제안한 특허도 최근에 많이 나오고 있지만, 실 사용시에는 적용이 쉽지 않다. 따라서, room환경과 같이 전력을 필요로 하는 디바이스가 1m이상의 거리에 위치할 수 있는 경우를 위한 효율적 전송방법이 필요하다.
일 측면에 있어서, 무선 전력 전송 시스템의 통신 및 전력 제어 방법은, 소스 디바이스가 마그네틱 커플링 존을 설정하는 단계; 상기 설정된 마그네틱 커플링 존 내에 타겟 디바이스를 검출하는 단계; 상기 타겟 디바이스의 충전을 위한 충전 전력을 무선으로 상기 타겟 디바이스에 전송하는 단계; 및 상기 충전 전력의 전송 효율에 기초하여, 전력 전송을 중단하거나 전송 전력의 전력량을 조정하는 단계를 포함한다.
일 측면에 있어서, 무선 전력 전송 시스템의 전력 수신 방법은, 제1 소스 디바이스의 기 설정된 마그네틱 커플링 존으로 진입하는 단계; 상기 제1 소스 디바이스로부터 충전을 위한 충전 전력을 수신하는 단계; 및 제2 소스 디바이스의 기 설정된 마그네틱 커플링 존으로 이동하면 상기 제2 소스 디바이스로부터 충전을 위한 충전 전력을 수신하고, 상기 제1 소스 디바이스로부터 수신되는 충전 전력의 전송 효율 및 상기 제2 소스 디바이스로부터 수신되는 충전 전력의 전송 효율에 기초하여 상기 제1 소스 디바이스 및 상기 제2 소스 디바이스 중 적어도 어느 하나로부터 충전 전력을 수신하는 단계를 포함한다.
일 측면에 있어서, 무선 전력 전송 시스템의 소스 디바이스는, 공진 주파수를 이용하여 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 웨이크-업(wake-up) 전력 또는 충전 전력을 생성하는 전력변환부; 마그네틱 커플링을 통해 상기 웨이크-업(wake-up) 전력 또는 충전 전력을 기 설정된 마그네틱 커플링 존 내의 타겟 디바이스에 전송하는 소스 공진기; 및 마그네틱 커플링 존을 설정하고, 상기 설정된 마그네틱 커플링 존 내의 상기 타겟 디바이스를 검출하고, 상기 충전 전력의 전송 효율에 기초하여, 전력 전송을 중단하거나 전송 전력의 전력량을 조정하는 제어 및 통신부를 포함한다.
일 측면에 있어서, 무선 전력 전송 시스템의 타겟 디바이스는, 마그네틱 커플링을 통해, 소스 디바이스로부터 통신 및 제어 기능을 활성화 시키는 웨이크-업(wake-up) 전력 또는 충전을 위한 충전 전력을 수신하는 타겟 공진기; 및 상기 웨이크-업 요청 신호의 수신 감도 및 상기 충전 전력의 수신 레벨을 검출하는 제어 및 통신부를 포함하고, 상기 제어 및 통신부는 상기 소스 디바이스의 요청에 따라 상기 타겟 공진기의 공진 특성을 변경한다.
제안되는 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템은, room 또는 office 환경과 같이 실제로 무선전력전송을 적용할 수 있는 영역에 효율적인 전력전송이 가능하다.
무선전력전송 적용 범위가 pad type의 충전 방식에서 indoor환경까지 application 및 적용 영역이 확대될 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 나타낸다.
도 2는 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 셀의 분할 예를 나타낸다.
도 3은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 통신 및 전력 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 타겟 디바이스 검출 기준을 설명하기 위한 도면이다.
도 5 및 도 6은 일 실시예에 따른 사각형 루프 공진기의 구성을 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 나타낸다.
도 1을 참조하면, 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템은 소스 디바이스(110) 및 타겟 디바이스(120)를 포함한다.
소스 디바이스(110)는 AC/DC 컨버터(111), Power Detector(113), 전력변환부(114), 제어 및 통신부(115) 및 소스 공진기(116)을 포함한다.
타겟 디바이스(120)는 타겟 공진기(121), 정류부(122), DC/DC 컨버터(123), 스위치부(124), 디바이스 로드(Device load)(125), 제어 및 통신부(126) 및 더미 로드(dummy load)(127)를 포함한다. 또한, 타겟 디바이스(120)는 통신 모듈(도시 되지 않음)을 더 포함할 수 있다. 이때, 통신 모듈은 블루투스(Bluetooth) 또는 무선랜(WLAN)과 같은 통신 회로를 포함할 수 있다.
AC/DC 컨버터(111)는 Power Supply(112)로부터 출력되는 수십 Hz 대역의 AC 전압을 정류하여 DC 전압을 생성한다. AC/DC 컨버터(111)는 일정한 레벨의 DC 전압을 출력하거나, 제어 및 통신부(115)의 제어에 따라 DC 전압의 출력 레벨을 조정할 수 있다.
Power Detector(113)는 AC/DC 컨버터(111)의 출력 전류 및 전압을 검출하고, 검출된 전류 및 전압에 대한 정보를 제어 및 통신부(115)로 전달한다. 또한, Power Detector(113)는 전력변환부(114)의 입력 전류 및 전압을 검출할 수 도 있다.
전력변환부(114)는 공진 주파수를 이용하여 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 웨이크-업(wake-up) 전력 또는 충전 전력을 생성한다.
전력변환부(114)는 수십 KHz ~ 수십 MHz 대역의 스위칭 펄스 신호에 의하여 일정한 레벨의 DC 전압을 AC 전압으로 변환함으로써 전력을 생성할 수 있다. 즉, 전력변환부(114)는 공진 주파수를 이용하여 직류 전압을 교류 전압으로 변환함으로써, 타겟 디바이스에서 사용되는 "웨이크-업 전력" 또는 "충전 전력"을 생성할 수 있다. 전력변환부(114)는 스위칭 펄스 신호에 따라 DC 전압을 증폭하는 전력증폭기를 포함할 수 있다.
여기서, 웨이크-업 전력은 0.1~1mWatt의 작은 전력을 의미하고, 충전용 전력은 타겟 디바이스의 디바이스 로드에서 소비되는 1mWatt~200Watt의 큰 전력을 의미한다. 본 명세서에 있어서, "충전"이라는 용어는 전력을 충전하는 유닛(unit) 또는 요소(element)에 전력을 공급하는 의미로 사용될 수 있다.
또한, "충전"이라는 용어는 전력을 소비하는 유닛(unit) 또는 요소(element)에 전력을 공급하는 의미로도 사용될 수 있다. 예를 들어, "충전 전력"은 타겟 디바이스의 배터리를 충전하는데 필요한 전력 또는 타겟 디바이스의 동작에 소비되는 전력을 의미한다. 여기서, 유닛(unit) 또는 요소(element)는 예를 들어 배터리, 디스플레이, 음성 출력 회로, 메인 프로세서, 각종 센서들을 포함한다.
제어 및 통신부(115)는 마그네틱 커플링 존을 설정하고, 상기 설정된 마그네틱 커플링 존 내의 상기 타겟 디바이스를 검출하고, 상기 충전 전력의 전송 효율에 기초하여, 전력 전송을 중단하거나 전송 전력의 전력량을 조정할 수 있다.
제어 및 통신부(115)는 스위칭 펄스 신호의 주파수를 제어할 수 있다. 제어 및 통신부(115)의 제어에 의하여 스위칭 펄스 신호의 주파수가 결정될 수 있다.
제어 및 통신부(115)는 통신 채널을 이용하는 아웃-밴드 통신을 수행할 수 도 있다. 제어 및 통신부(115)는 Zigbee, Bluetooth 등의 통신 모듈을 포함할 수 있다. 제어 및 통신부(115)는 아웃-밴드 통신을 통해 타겟 디바이스(120)와 데이터를 송수신 할 수 있다.
제어 및 통신부(115)는 주변의 다른 소스 디바이스와의 통신을 통해 상기 마그네틱 커플링 존을 설정할 수 있다.
제어 및 통신부(115)는 주변의 다른 소스 디바이스와 전력 전송 효율을 비교하여 상기 마그네틱 커플링 존을 설정할 수 도 있다.
제어 및 통신부(115)는 전력 전송 가능 거리에 기초하여 상기 마그네틱 커플링 존을 설정할 수 도 있다.
제어 및 통신부(115)는 웨이크-업 요청 신호의 수신 감도에 대한 정보 및 상기 충전 전력의 수신 레벨에 대한 정보 중 적어도 어느 하나에 기초하여, 상기 충전 전력의 전송 효율을 계산할 수 있다.
제어 및 통신부(115)는 타겟 디바이스로 부하의 연결을 차단하도록 요구하는 전력 수신 중단 요청 신호를 전송할 수 있다.
소스 공진기(116)는 전자기(electromagnetic) 에너지를 타겟 공진기(121)로 전달(transferring)한다. 즉, 소스 공진기(116)는 타겟 공진기(121)와의 마그네틱 커플링을 통해 "웨이크-업 전력" 또는 "충전 전력"을 기 설정된 마그네틱 커플링 존 내의 타겟 디바이스(120)로 전달한다.
타겟 공진기(121)는 소스 공진기(116)로부터 전자기(electromagnetic) 에너지를 수신한다. 즉, 타겟 공진기(121)는 소스 공진기(116)와의 마그네틱 커플링을 통해 소스 디바이스(110)로부터 통신 및 제어 기능을 활성화 시키는 "웨이크-업 전력" 또는 충전을 위한 "충전 전력"을 수신한다.
타겟 공진기(121)의 성능지수(figure of merit)는 소스 디바이스(110)의 전력 분배율(Power dividing ratio)을 만족한다. 타겟 공진기(121)의 성능지수(figure of merit) 및 전력 분배율(Power dividing ratio)은 도 2 내지 도 10을 통해 구체적으로 설명한다.
정류부(122)는 교류 전압을 정류함으로써, DC 전압을 생성한다. 즉, 정류부(122)는 타겟 공진기(121)에 수신된 교류 전압을 정류한다.
DC/DC 컨버터(123)는 정류부(122)에서 출력되는 DC 전압의 레벨을 디바이스 로드(125)의 용량에 맞게 조정한다. 예를 들어, DC/DC 컨버터(123)는 정류부(122)에서 출력되는 DC 전압의 레벨을 3~10Volt로 조정할 수 있다.
스위치부(124)는 제어 및 통신부(126)의 제어에 따라 온/오프 된다. 스위치부(124)가 오프되는 경우, 소스 디바이스(110)의 제어 및 통신부(115)는 반사파를 검출하게 된다. 즉, 스위치부(124)가 오프되는 경우, 소스 공진기(116)와 타겟 공진기(121) 사이의 마그네틱 커플링이 제거 될 수 있다.
디바이스 로드(125)는 전력을 소비하는 유닛에 의해 형성되는 로드이다. 디바이스 로드(device load)(125)는 배터리, 디스플레이, 음성 출력 회로, 메인 프로세서, 각종 센서들을 포함할 수 있다. 즉, 디바이스 로드(125)는 배터리를 포함할 수 있다. 이때, 디바이스 로드(125)는 DC/DC 컨버터(123)로부터 출력되는 DC 전압을 이용하여 배터리를 충전할 수 있다.
더미 로드(dummy load)(127)는 capacitor 또는 dummy저항 또는 ground일 수 있다. 만일, 타겟 디바이스(120)에 전력 전송이 필요하지 않은 경우, 스위치부(124)는 DC/DC 변환부(123)의 출력을 더미 로드(dummy load)(127)로 연결할 수 있다.
DC/DC 변환부(123)의 출력을 더미 로드(dummy load)(127)로 연결하면, 공진 특성이 변할 수 있고, 타겟 공진기(121)와 소스 공진기(116) 사이의 마그네틱 커플링은 제거될 수 있다. 여기서, 공진 특성은 공진 주파수, 부하, 또는 임피던스 일 수 있다.
도 1에서, 제어 및 통신부(126)는 상기 웨이크-업 전력에 의해 활성화될 수 있다. 제어 및 통신부(126)는 소스 디바이스(110)와 통신하거나, 타겟 디바이스(120)의 동작을 제어할 수 있다.
제어 및 통신부(126)는 웨이크-업 요청 신호의 수신 감도 및 상기 충전 전력의 수신 레벨을 검출하고, 웨이크-업 요청 신호의 수신 감도 및 상기 충전 전력의 수신 레벨을 소스 디바이스(115)에 알려 줄 수 있다. 또한, 제어 및 통신부(126)는 소스 디바이스의 요청에 따라 상기 타겟 공진기(121)의 공진 특성을 변경할 수 있다.
도 1에서, 정류부(122), DC/DC 컨버터(123) 및 스위치부(124)는 전력 공급부라 칭해질 수 있다. 따라서, 타겟 디바이스(120)는 타겟 공진기(121), 수신된 전력을 디바이스 로드(125)로 공급하는 전력 공급부(122, 123, 124)를 포함한다. 여기서, 디바이스 로드(125)는 간단히 부하(load)라 표현될 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 셀의 분할 예를 나타낸다.
도 2를 참조하면, 멀티 소스 환경은 복수의 소스 디바이스들(211, 221)을 포함한다. Source Device 1(211)의 전력 전송 영역(210)은 Source Device 2(221)의 전력 전송 영역(220)과 겹치지 않도록 설정될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 복수의 소스 디바이스들(211, 221)이 있는 경우, room 환경에서 전력 전송 거리가 늘어나는 효과를 달성할 수 있다.
도 2는 무선 전력 전송 셀은 2개의 셀들(210, 220)로 구분된 예를 나타낸다. 즉, Source Device 1(211)의 전력 전송 영역(210)은 제1 무선 전력 전송 셀이고, Source Device 2(221)의 전력 전송 영역(220)은 제2 무선 전력 전송 셀이라 칭해질 수 있다.
예를 들어, 무선 전력 전송 셀은 해당 셀 내에서 전력 전송 효율이 30% 이상이 되도록 설정될 수 있다.
무선 전력 전송 셀은 마그네틱 커플링 존을 의미한다. 즉, 전력 전송 영역(210) 내에 위치한 Target Device 1(213) 및 Target Device 2(215)는 Source Device 1(211)의 마그네틱 커플링 존에 위치하고 있다고 말할 수 있다. 따라서, Target Device 1(213) 및 Target Device 2(215)는 Source Device 1(211)과 마그네틱 커플링을 형성할 수 있다.
한편, 무선 전력 전송 셀은 다양한 방식으로 할당될 수 있다.
예를 들어, 무선 전력 전송 셀은 사용자에 의해 할당될 수 있다. 즉, 사용자는 room 환경의 일부 영역은 Source Device 1(211)의 전력 전송 영역(210)으로 할당하고, room 환경의 다른 영역은 Source Device 2(221)의 전력 전송 영역(220)으로 할당할 수 있다. 전력전송 영역들(210, 220)은 해당 소스 디바이스의 전력 전송 가능 거리를 고려하여 할당되거나, 거리에 따른 전력 전송 효율을 고려하여 할당될 수 도 있다.
만일, 특정 위치에서 전력 전송 효율이 Source Device 1(211) 보다 Source Device 2(221)이 좋으면, 특정 위치에서 타겟 디바이스는 Source Device 2(221)로부터 전력을 수신할 수 있다. 또한, 전력전송 영역들(210, 220)의 경계 부근에 위치한 타겟 디바이스는 Source Device 1(211) 및 Source Device 2(221)로부터 동시에 전력을 수신할 수 도 있다. 예를 들어, 특정 위치에서 소스 1의 coupling효율이 40%이고, 소스 2의 coupling효율이 60%이면, 소스 1으로부터 필요전력의 40%만 받고, 소스 2로부터 필요 전력의 60%을 받는 것이 가능하다.
Source Device 1(211)을 중심으로 무선 전력 전송 시스템의 통신 및 전력 제어 방법을 설명하면 다음과 같다.
- 먼저, Source Device 1(211)은 마그네틱 커플링 존을 설정한다. 예를 들어, 커플링 존의 설정은 도 1의 전력변환부(114)의 출력 전력량을 설정하는 것일 수 있다. 즉, 전력변환부(114)의 출력 전력량에 따라 전력 전송 가능 거리가 결정될 수 있다.
- 다음, Source Device 1(211)는 설정된 마그네틱 커플링 존 내에 타겟 디바이스를 검출하고, 검출된 타겟 디바이스의 충전을 위한 충전 전력을 무선으로 타겟 디바이스로 전송한다.
- 이때, Source Device 1(211)는 충전 전력의 전송 효율에 기초하여, 전력 전송을 중단하거나 전송 전력의 전력량을 조정할 수 있다.
예를 들어, Source Device 1(211)는 반사파의 검출 또는 타겟 디바이스와의 통신을 통해 전력 전송 효율을 계산하고, 전력 전송 효율이 기 설정된 값보다 작으면 전력 전송을 중단하거나, 전송되는 전력량을 높일 수 도 있다.
Source Device 2(221)는 Source Device 1(211)으로부터 기 설정된 거리 내에 위치한 이웃 소스 디바이스라 칭할 수 있다.
Target Device 1(213) 및 Target Device 2(215)는 Source Device 1(211)의 전력 전송 영역(210) 내에 위치한다. Target Device 3(223)은 Source Device 2(221)의 전력 전송 영역(220) 내에 위치한다. 따라서, Target Device 3(223)의 타겟 공진기는 마그네틱 커플링을 통해 Source Device 2(221)로부터 통신 및 제어 기능을 활성화 시키는 웨이크-업(wake-up) 전력을 수신할 수 있다.
멀티 소스 환경에서 아웃 밴드 통신을 사용하면, Source Device 1(211)의 통신 가능 영역(230)은 전력 전송 영역(210) 보다 넓게 형성될 수 있다. 복수의 소스 디바이스들(211, 221) 각각은, 전력 전송이 가능한 영역 내에 존재하는 타겟 디바이스를 정확하게 검출하여야 한다. Target Device 3(223)은 Source Device 2(221)의 전력 전송 영역(220) 내에 위치하지만, Source Device 1(211)의 통신 가능 영역(230) 내에도 위치한다. 따라서, Target Device 3(223)의 통신모듈은 Source Device 2(221)로부터 수신된 웨이크-업 전력에 의해 활성화되고, Source Device 1(211)으로부터 초기 통신을 위한 웨이크-업 요청 신호를 수신할 수 있다. Target Device 3(223)은 웨이크-업 전력을 Source Device 2(221)로부터 수신하고, 웨이크-업 요청 신호를 Source Device 1(211)로부터 수신할 수 있다. Source Device 1(211)으로부터 초기 통신을 위한 웨이크-업 요청 신호를 수신한 경우, Target Device 3(223)의 통신모듈은 상기 웨이크-업 요청 신호의 수신 감도에 대한 정보를 Source Device 1(211)로 전송하여야 한다.
Source Device 1(211)은 Target Device 3(223)이 전력 전송 영역(210) 내에 위치하지 않음을 검출하여야 한다. Source Device 1(211)은 전력 전송 영역(220) 내에 위치하는 Target Device 1(213) 및 Target Device 2(215)에 제어 ID를 부여한다. 여기서, 제어 ID는 충전 모드에서 소스 디바이스가 타겟 디바이스를 식별하기 위한 식별자이다.
Source Device 1(211) 및 Source Device 2(221)는 통신을 통해 서로의 마그네틱 커플링 존을 설정할 수 있다. 예를 들어, Source Device 1(211)는 Source Device 2(221)에 마그네틱 커플링 존을 줄이거나 늘리도록 요청할 수 도 있다.
따라서, Source Device 1(211)는 주변의 다른 소스 디바이스인 Source Device 2(221)와의 통신을 통해 마그네틱 커플링 존을 설정할 수 있다.
또한, Source Device 1(211)는 주변의 다른 소스 디바이스인 Source Device 2(221)와 전력 전송 효율을 비교하여 마그네틱 커플링 존을 설정할 수 있다.
예를 들어, Source Device 1(211)로부터 Target Device 3(223)에 수신된 전력의 전송 효율이 Source Device 2(221)로부터 Target Device 3(223)에 수신된 전력의 전송 효율 보다 낮으면, Source Device 1(211)는 Source Device 2(221)에 마그네틱 커플링 존을 줄이도록 요청할 수 도 있다. 이때, Source Device 1(211)는 Source Device 1(211)로부터 Target Device 3(223)에 수신된 전력의 전송 효율이 기 설정된 값보다 낮으면, 전력 전송을 중단할 수 도 있다.
Source Device 1(211)는 전력 전송 가능 거리에 기초하여 마그네틱 커플링 존을 설정할 수 도 있다. 예를 들어, Source Device 1(211)는 전력 전송 가능 거리와 전송 전력량이 매칭된 룩업-테이블을 참조하여 마그네틱 커플링 존을 설정할 수 있다. 이때, 사용자가 특정 거리값을 입력하면, Source Device 1(211)는 입력된 특정 거리값에 매칭되는 전송 전력량에 따라 전력 변환부의 출력 전력량을 결정할 수 있다.
한편, Room환경과 같이 많은 타겟 디바이스들이 존재하는 경우, 특정 디바이스의 전력 수신을 중단시키거나, 특정 디바이스만 전력 수신이 가능하도록 설정할 수 있다.
예를 들어, 사용자가 소스 디바이스를 조정하여, 특정 디바이스의 전력 수신을 중단할 수 있다.
이때, 소스 디바이스는 타겟 디바이스로 부하의 연결을 차단하도록 요구하는 전력 수신 중단 요청 신호를 전송할 수 있다. 타겟 디바이스는 스위치의 조작 등을 통해 공진 특성을 변경함으로써, 전력 수신을 차단할 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 통신 및 전력 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, Target Device 1(213) 및 Target Device 2(215)는 Source Device 1(211)의 전력 전송 영역(210) 내에 위치하고, Target Device 3(223)은 Source Device 2(221)의 전력 전송 영역(220) 내에 위치한다.
310단계에서 Source Device 1(211)은, 적어도 하나의 타겟 디바이스의 통신 및 제어 기능을 활성화 시키는 웨이크-업(wake-up) 전력을 적어도 하나의 타겟 디바이스로 전송한다. 즉, Source Device 1(211)은 웨이크-업 전력을 Target Device 1(213) 및 Target Device 2(215)로 전송할 수 있다. 웨이크-업 전력은 310단계부터 340단계까지 끊어짐 없이 전송될 수 있다. 또한, 웨이크-업 전력은 주기적으로 전송될 수 도 있다. Target Device 1(213) 및 Target Device 2(215)는 웨이크-업 전력을 이용하여 통신 모듈을 활성화시킬 수 있다.
320단계에서 Source Device 1(211)는 통신을 통해 타겟 디바이스를 검출한다.
321단계에서 Source Device 1(211)은 적어도 하나의 타겟 디바이스로 초기 통신을 위한 웨이크-업 요청 신호를 전송한다. 즉, Source Device 1(211)는 Target Device 1(213) 및 Target Device 2(215)로 웨이크-업 요청 신호를 전송한다. 한편, Target Device 3(223)은 Source Device 1(211)의 통신 가능 영역(230) 내에 위치하기 때문에, 웨이크-업 요청 신호를 수신할 수 있다.
웨이크-업 요청 신호는 소스 디바이스에 의해 선택된 통신 채널을 유지하도록 상기 적어도 하나의 타겟 디바이스에게 요청하는 채널 고정 명령어를 포함한다. 웨이크-업 요청 신호는 채널 고정 명령어뿐만 아니라, 수신 전력량에 대한 정보를 요청하는 명령어, 통신 신호의 수신 감도(RSSI; received signal strength indicator)를 요청하는 명령어 및 LQI (Link Quality Indicator)를 요청하는 명령어를 포함할 수 있다. 여기서, LQI는 통신의 품질 상태를 나타내는 정보이다. 통신 신호의 수신 감도가 좋은 경우에도 통신 품질이 좋지 않을 수 있기 때문에, LQI 값을 통해 통신 채널이 좋은 채널을 선택할 수 있다.
323단계 내지 327 단계에서 타겟 디바이스들 각각은 웨이크-업 요청 신호에 대한 ACK 신호를 Source Device 1(211)로 전송한다.
330단계에서 Source Device 1(211)은 충전 전력을 적어도 하나의 타겟 디바이스로 전송한다. 즉, Source Device 1(211)은 충전 전력을 Target Device 1(213) 및 Target Device 2(215)로 전송한다. 여기서, Target Device 3(223)은 Source Device 1(211)의 전력 전송 영역(210) 밖에 있기 때문에, 충전 전력을 수신하지 못한다. 즉, Target Device 3(223)은 Source Device 1(221)의 전력 전송 영역(220)에 위치하기 때문에, Source Device 1(221)로부터 전력을 수신할 수 있다.
또한, 330단계에서 Source Device 1(211)은 충전 전력을 기 설정된 전송 타이밍에 따라 상기 적어도 하나의 타겟 디바이스로 전송할 수도 있다.
340단계에서 Source Device 1(211)은 적어도 하나의 타겟 디바이스로부터 상기 웨이크-업 요청 신호의 수신 감도에 대한 정보 및 상기 충전 전력의 수신 레벨에 대한 정보 중 적어도 어느 하나를 수신한다.
즉, Target Device 1(213), Target Device 2(215) 및 Target Device 3(223)은 341단계 내지 345 단계에서 웨이크-업 요청 신호의 수신 감도에 대한 정보 및 상기 충전 전력의 수신 레벨에 대한 정보를 Source Device 1(211)에 보고한다. Target Device 1(213), Target Device 2(215) 및 Target Device 3(223)은 341단계 내지 345 단계에서, 웨이크-업 요청 신호의 수신 감도에 대한 정보 및 상기 충전 전력의 수신 타이밍에 대한 정보를 Source Device 1(211)에 보고할 수 도 있다.
여기서, 충전 전력의 수신 타이밍에 대한 정보는, 상기 충전 전력의 수신 주기에 대한 정보, 상기 충전 전력의 수신 시작 시간에 대한 정보 및 상기 충전 전력의 수신 종료 시간에 대한 정보를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 기 설정된 전송 타이밍은 상기 소스 디바이스로부터 기 설정된 거리 내에 위치한 이웃 소스 디바이스의 충전 전력 전송 타이밍과 다르게 설정될 수 있다. Source Device 1(211)과 Source Device 2(221)는 충전 전력 전송 타이밍을 조율하기 위한 통신을 수행할 수 있다.
350단계에서 Source Device 1(211)은 전력 전송 영역 내에 있는 타겟 디바이스를 검출한다. 350단계 이후, Source Device 1(211)는 전력 전송 영역 내에 위치하는 타겟 디바이스에 대한 전력 전송 효율을 계산할 수 있다. 즉, Source Device 1(211)는 웨이크-업 요청 신호의 수신 감도에 대한 정보 및 상기 충전 전력의 수신 레벨에 대한 정보 중 적어도 어느 하나에 기초하여, 전력 전송 효율을 계산할 수 있다.
즉, Source Device 1(211)는 웨이크-업 요청 신호를 주기적으로 전송하여, 웨이크-업 요청 신호의 수신 감도를 주기적으로 체크함으로써, 전력 전송 효율을 계산할 수 있다.
또한, Source Device 1(211)는 충전 전력의 수신 레벨에 대한 정보를 주기적으로 수신 받고, 현재 수신된 충전 전력의 수신 레벨에 대한 정보를 이용하여 전력 전송 효율을 계산할 수 있다. 예를 들어, 전력 전송 효율은 도 1의 전력변환부(114)의 출력 전력량 및 충전 전력의 수신 전력량의 비율로 결정될 수 있다.
Target Device 3(223)은 충전 전력의 수신 레벨이 기 설정된 레벨보다 작거나 0에 가까운 레벨일 수 있다.
Source Device 1(211)과 Source Device 2(221)의 충전 전력 전송 타이밍은 다르게 설정될 수 있기 때문에, Target Device 3(223)은 Source Device 1(211)로부터 전력을 수신하지 못할 수 있다.
일 측면에 있어서, 소스 디바이스는 타겟 디바이스의 웨이크-업 시간을 통해 전력 전송 영역 내에 존재하는 타겟 디바이스를 정확하게 검출할 수 도 있다. 여기서, 웨이크-업 시간은 타겟 디바이스의 제어부 또는 통신 모듈이 활성화된 시간일 수 있다. 즉, Target Device 1(213) 및 Target Device 2(215)는 웨이크-업 전력에 의해 통신 기능 및 제어 기능이 활성화 된 후, 제어부 또는 통신 모듈이 활성화된 시간을 Source Device 1(211)로 전송할 수 있다. Source Device 1(211)는 웨이크-업 전력의 전송 시간과 웨이크-업 시간이 일치하는 경우, Target Device 1(213) 및 Target Device 2(215)에 제어 ID를 할당할 수 있다.
한편, Source Device 1(211), Source Device 2(221) Target Device 1(213), Target Device 2(215) 및 Target Device 3(223)은 아웃 밴드 통신을 수행할 수 있다. 따라서, 마그네틱 커플링을 형성하기 위한 공진 주파수의 대역 및 상기 웨이크-업 요청 신호를 상기 적어도 하나의 타겟 디바이스로 전송하기 위한 통신용 주파수의 대역은 서로 다른 주파수 대역일 수 있다. 예를 들어, 공진 주파수의 대역은 5MHz~20MHz이고, 통신용 주파수의 대역은 6MHz~70GHz일 수 있다.
상기 웨이크-업 전력 및 상기 충전 전력은 상기 소스 디바이스의 소스 공진기 및 상기 적어도 하나의 타겟 디바이스의 타겟 공진기 사이에 형성되는 마그네틱 커플링을 통해 전달된다.
한편, Target Device 1(213)를 중심으로, 무선 전력 전송 시스템의 전력 수신 방법의 예를 설명하면 다음과 같다.
- 먼저, Target Device 1(213)는 제1 소스 디바이스의 기 설정된 마그네틱 커플링 존으로 진입한다.
- 다음에, Target Device 1(213)는 제1 소스 디바이스로부터 충전을 위한 충전 전력을 수신한다.
- Target Device 1(213)는 제2 소스 디바이스의 기 설정된 마그네틱 커플링 존으로 이동하면 상기 제2 소스 디바이스로부터 충전을 위한 충전 전력을 수신한다.
- Target Device 1(213)는 제1 소스 디바이스로부터 수신되는 충전 전력의 전송 효율 및 상기 제2 소스 디바이스로부터 수신되는 충전 전력의 전송 효율에 기초하여 상기 제1 소스 디바이스 및 상기 제2 소스 디바이스 중 적어도 어느 하나로부터 충전 전력을 수신할 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 타겟 디바이스 검출 기준을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, Power(receive power)는 웨이크-업 신호의 수신 감도 또는 충전 전력의 수신 레벨일 수 있다. Target Device 1 및 Target Device 2는 기설정된 기준(310)보다 큰 전력을 수신하기 때문에, 제1 소스 디바이스의 마그네틱 커플링 존에 위치하는 것으로 판단될 수 있다. 그러나, Target Device 3은 기설정된 기준(310)보다 작은 전력을 수신하기 때문에, 제1 소스 디바이스의 마그네틱 커플링 존을 벗어난 것으로 판단될 수 있다. 또한, Target Device 1 및 Target Device 2는 기설정된 기준(310)보다 웨이크-업 신호의 수신 감도가 크기 때문에, 제1 소스 디바이스의 마그네틱 커플링 존에 위치하는 것으로 판단될 수 있다.
도 5 및 도 6은 일 실시예에 따른 사각형 루프 공진기의 구성을 나타내는 도면이다.
도 5을 참조하면, 공진기(510)는 캐패시터(511)를 포함할 수 있다. 피딩부(520)는 캐패시터(511)의 양단에 전기적으로 연결될 수 있다.
(b)는 (a)의 구조를 좀 더 구체적으로 표시한 도면이다. 이때, 소스 공진기(510)는 제1 전송선로, 제1 도체(541), 제2 도체(532), 적어도 하나의 제1 캐패시터(550)를 포함할 수 있다.
제1 캐패시터(550)는 제1 전송 선로에서 제1 신호 도체 부분(531)과 제2 신호 도체 부분(532) 사이에 위치에 직렬로 삽입되며, 그에 따라 전계(electric field)는 제1 캐패시터(550)에 갇히게 된다. 일반적으로, 전송 선로는 상부에 적어도 하나의 도체, 하부에 적어도 하나의 도체를 포함하며, 상부에 있는 도체를 통해서는 전류가 흐르며, 하부에 있는 도체는 전기적으로 그라운드 된다(grounded). 본 명세서에서는 제1 전송 선로의 상부에 있는 도체를 제1 신호 도체 부분(531)과 제2 신호 도체 부분(532)로 나누어 부르고, 제1 전송 선로의 하부에 있는 도체를 제1 그라운드 도체 부분(533)으로 부르기로 한다.
(b)에 도시된 바와 같이, 소스 공진기는 2 차원 구조의 형태일 수 있다. 제1 전송 선로는 상부에 제1 신호 도체 부분(531) 및 제2 신호 도체 부분(532)을 포함하고, 하부에 제1 그라운드 도체 부분(533)을 포함한다. 제1 신호 도체 부분(531) 및 제2 신호 도체 부분(532)과 제1 그라운드 도체 부분(533)은 서로 마주보게 배치된다. 전류는 제1 신호 도체 부분(531) 및 제2 신호 도체 부분(532)을 통하여 흐른다.
또한, (b)에 도시된 바와 같이 제1 신호 도체 부분(531)의 한쪽 단은 제1 도체(541)와 접지(short)되고, 다른 쪽 단은 제1 캐패시터(550)와 연결된다. 그리고, 제2 신호 도체 부분(532)의 한쪽 단은 제2 도체(532)와 접지되며, 다른 쪽 단은 제1 캐패시터(550)와 연결된다. 결국, 제1 신호 도체 부분(531), 제2 신호 도체 부분(532) 및 제1 그라운드 도체 부분(533), 도체들(541, 632)은 서로 연결됨으로써, 소스 공진기는 전기적으로 닫혀 있는 루프 구조를 갖는다. 여기서, '루프 구조'는 원형 구조, 사각형과 같은 다각형의 구조 등을 모두 포함하며, '루프 구조를 갖는다고 함은' 전기적으로 닫혀 있다는 것을 의미한다.
제1 캐패시터(550)는 전송 선로의 중단부에 삽입된다. 보다 구체적으로, 제1캐패시터(550)는 제1 신호 도체 부분(531) 및 제2 신호 도체 부분(532) 사이에 삽입된다. 이 때, 제1 캐패시터(550)는 집중 소자(lumped element) 및 분산 소자(distributed element) 등의 형태를 가질 수 있다. 특히, 분산 소자의 형태를 갖는 분산된 캐패시터는 지그재그 형태의 도체 라인들과 그 도체 라인들 사이에 존재하는 높은 유전율을 갖는 유전체를 포함할 수 있다.
제1 캐패시터(550)가 전송 선로에 삽입됨에 따라 소스 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 자연계에 존재하지 않는 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 제1 캐패시터(550)의 캐패시턴스가 적절히 정해지는 경우, 소스 공진기는 메타물질의 특성을 가질 수 있다. 특히, 제1 캐패시터(550)의 캐패시턴스를 적절히 조절함으로써, 소스 공진기는 음의 투자율을 가질 수 있으므로, 소스 공진기는 MNG 공진기로 불려질 수 있다. 제1 캐패시터(550)의 캐패시턴스를 정하는 전제(criterion)들은 다양할 수 있다.
소스 공진기가 메타물질(metamaterial)의 특성을 가질 수 있도록 하는 전제(criterion), 소스 공진기가 대상 주파수에서 음의 투자율을 갖도록 하는 전제 또는 소스 공진기가 대상 주파수에서 영번째 공진(Zeroth-Order Resonance) 특성을 갖도록 하는 전제 등이 있을 수 있고, 상술한 전제들 중 적어도 하나의 전제 아래에서 제1 캐패시터(550)의 캐패시턴스가 정해질 수 있다.
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 제1 캐패시터(550)를 적절히 설계하는 것으로 충분하므로, MNG 공진기의 물리적인 사이즈를 변경하지 않을 수 있다.
또한, 근접장(near field)에서 전계는 전송 선로에 삽입된 제1 캐패시터(550)에 집중되므로, 제1 캐패시터(550)로 인하여 근접 필드에서는 자기장(magnetic field)이 도미넌트(dominant)해진다. 그리고, MNG 공진기는 집중 소자의 제1 캐패시터(550)를 이용하여 높은 큐-팩터(Q-Factor)를 가질 수 있으므로, 전력 전송의 효율을 향상시킬 수 있다. 참고로, 큐-팩터는 무선 전력 전송에 있어서 저항 손실(ohmic loss)의 정도 또는 저항(resistance)에 대한 리액턴스의 비를 나타내는데, 큐-팩터가 클수록 무선 전력 전송의 효율이 큰 것으로 이해될 수 있다.
또한, (b)에 도시되지 아니하였으나, MNG 공진기를 관통하는 마그네틱 코어가 더 포함될 수 있다. 이러한 마그네틱 코어는 전력 전송 거리를 증가시키는 기능을 수행할 수 있다.
(b)를 참조하면, 피딩부(520)는 제2 전송선로, 제3 도체(571), 제4 도체(572), 제5 도체(581) 및 제6 도체(582)를 포함할 수 있다.
제2 전송 선로는 상부에 제3 신호 도체 부분(561) 및 제4 신호 도체 부분(562)을 포함하고, 하부에 제2 그라운드 도체 부분(563)을 포함한다. 제3 신호 도체 부분(561) 및 제4 신호 도체 부분(562)과 제2 그라운드 도체 부분(563)은 서로 마주보게 배치된다. 전류는 제3 신호 도체 부분(561) 및 제4 신호 도체 부분(562)을 통하여 흐른다.
또한, (b)에 도시된 바와 같이 제3 신호 도체 부분(561)의 한쪽 단은 제3 도체(571)와 접지(short)되고, 다른 쪽 단은 제5 도체(581)와 연결된다. 그리고, 제4 신호 도체 부분(562)의 한쪽 단은 제4 도체(572)와 접지되며, 다른 쪽 단은 제6 도체 (582)와 연결된다. 제5 도체(581)는 제1 신호 도체 부분(531)과 연결되고, 제6 도체 (582)는 제2 신호 도체 부분(532)과 연결된다. 제5 도체(581)와 제6 도체(582)는 제1 캐패시터(550)의 양단에 병렬로 연결된다. 이때, 제5 도체(581) 및 제6 도체(582)는 RF신호를 입력받는 입력 포트로 사용될 수 있다.
결국, 제3 신호 도체 부분(561), 제4 신호 도체 부분(562) 및 제2 그라운드 도체 부분(563), 제3 도체(571), 제4 도체(572), 제5 도체(581), 제6 도체(582) 및 소스 공진기(510)는 서로 연결됨으로써, 소스 공진기(510) 및 피딩부(520)는 전기적으로 닫혀 있는 루프 구조를 갖는다. 여기서, '루프 구조'는 원형 구조, 사각형과 같은 다각형의 구조 등을 모두 포함한다. 제5 도체(581) 또는 제6 도체(582)를 통하여 RF 신호가 입력되면, 입력 전류는 피딩부(520) 및 소스 공진기(510)에 흐르게 되고, 입력 전류에 의해 발생하는 자기장에 의하여, 소스 공진기(510)에 유도 전류가 유도 된다. 피딩부(520)에서 흐르는 입력 전류의 방향과 소스 공진기(510)에서 흐르는 유도 전류의 방향이 동일하게 형성됨으로써, 소스 공진기(510)의 중앙에서는 자기장의 세기가 강화되고, 소스 공진기(510)의 외곽에서는 자기장의 세기가 약화된다.
소스 공진기(510)와 피딩부(520) 사이 영역의 면적에 의해 입력 임피던스가 결정될 수 있으므로, 전력 증폭기의 출력 임피던스와 상기 입력 임피던스의 매칭을 수행하기 위해 별도의 매칭 네트워크는 필요하지 않다. 매칭 네트워크가 사용되는 경우에도, 피딩부(520)의 크기를 조절함으로써, 입력 임피던스를 결정할 수 있기 때문에, 매칭 네트워크의 구조는 단순해질 수 있다. 단순한 매칭 네트워크 구조는 매칭 네트워크의 매칭 손실을 최소화한다.
제2 전송 선로, 제3 도체(571), 제4 도체(572), 제5 도체(581), 제6 도체(582) 는 소스 공진기(510)와 동일한 구조를 형성할 수 있다. 즉, 소스 공진기(510)가 루프 구조인 경우에는 피딩부(520)도 루프 구조일 수 있다. 또한, 소스 공진기(510)가 원형 구조인 경우에는 피딩부(520)도 원형 구조일 수 있다.
앞에서 설명한, 소스 공진기(510) 및 피딩부(520)의 구성은 타겟 공진기 및 타겟 공진기의 피딩부에도 동일하게 적용될 수 있다.
무선 전력 전송에서 피딩은, 소스 공진기에 전력을 공급하는 것을 의미한다. 또한, 무선 전력 전송에서 피딩은, 정류부에 AC 전력을 공급하는 것을 의미할 수 있다.
도 6의 (a)는 피딩부에서 흐르는 입력 전류의 방향 및 소스 공진기에서 유도되는 유도 전류의 방향을 나타낸다.
또한, 도 6의 (a)는 피딩부의 입력 전류에 의해 발생하는 자기장의 방향 및 소스 공진기의 유도 전류에 의해 발생하는 자기장의 방향을 나타낸다. 도 6의 (a)는 도 5의 공진기(510) 및 피딩부(520)를 좀 더 간략하게 표현한 도면이다. 도 6의 (b)는 피딩부와 소스 공진기의 등가회로를 나타낸다.
도 6의 (a)를 참조하면, 피딩부의 제5 도체 또는 제6 도체는 입력 포트(601)로 사용될 수 있다. 입력 포트(601)는 RF 신호를 입력 받는다. RF 신호는 전력 증폭기로부터 출력될 수 있다. 전력 증폭기는 타겟 디바이스의 필요에 따라 RF 신호의 진폭을 증감시킬 수 있다.
입력 포트(601)에서 입력된 RF 신호는 피딩부에 흐르는 입력 전류의 형태로 표시될 수 있다. 피딩부를 흐르는 입력 전류는 피딩부의 전송선로를 따라 시계방향으로 흐른다. 그런데, 피딩부의 제5 도체는 소스 공진기와 전기적으로 연결된다. 좀 더 구체적으로, 제5 도체는 소스 공진기의 제1 신호 도체 부분과 연결된다. 따라서 입력 전류는 피딩부 뿐만 아니라 소스 공진기에도 흐르게 된다. 소스 공진기에서 입력 전류는 반시계 방향으로 흐른다.
소스 공진기에 흐르는 입력 전류에 의하여 자기장이 발생하고, 상기 자기장에 의해 소스 공진기에 유도 전류가 생성된다. 유도 전류는 소스 공진기에서 시계방향으로 흐른다. 이때 유도 전류는 소스 공진기의 캐패시터에 에너지를 전달할 수 있다. 또한, 유도 전류에 의해 자기장이 발생한다.
도 6의 (a)에서 피딩부 및 소스 공진기에 흐르는 입력 전류는 실선으로 표시되고, 소스 공진기에 흐르는 유도 전류는 점선으로 표시되었다.
전류에 의해 발생하는 자기장의 방향은 오른나사의 법칙을 통해 알 수 있다. 피딩부 내부에서, 피딩부에 흐르는 입력 전류에 의해 발생한 자기장의 방향(521)과 소스 공진기에 흐르는 유도 전류에 의해 발생한 자기장의 방향(623)은 서로 동일하다. 따라서, 피딩부 내부에서 자기장의 세기가 강화된다.
또한, 피딩부와 소스 공진기 사이의 영역에서, 피딩부에 흐르는 입력 전류에 의해 발생한 자기장의 방향(633)과 소스 공진기에 흐르는 유도 전류에 의해 발생한 자기장의 방향(631)은 서로 반대 위상이다. 따라서, 피딩부와 소스 공진기 사이의 영역에서, 자기장의 세기는 약화된다.
루프 형태의 소스 공진기에서는 일반적으로 소스 공진기의 중심에서는 자기장의 세기가 약하고, 소스 공진기의 외곽부분에서는 자기장의 세기가 강하다. 그런데 (a)를 참조하면, 피딩부가 소스 공진기의 캐패시터 양단에 전기적으로 연결됨으로써 소스 공진기의 유도 전류의 방향과 피딩부의 입력 전류의 방향이 동일해 진다.
소스 공진기의 유도 전류의 방향과 피딩부의 입력 전류의 방향이 동일하기 때문에, 피딩부의 내부에서는 자기장의 세기가 강화되고, 피딩부의 외부에서는 자기장의 세기가 약화된다. 결과적으로 루프 형태의 소스 공진기의 중심에서는 피딩부로 인하여 자기장의 세기가 강화되고, 소스 공진기의 외곽부분에서는 자기장의 세기가 약화될 수 있다. 그러므로 소스 공진기 내부에서는 전체적으로 자기장의 세기가 균일해질 수 있다. 또한, 소스 공진기에서 타겟 공진기로 전달되는 전력 전송의 효율은 소스 공진기에서 발생하는 자기장의 세기에 비례하므로, 소스 공진기의 중심에서 자기장의 세기가 강화됨에 따라 전력 전송 효율도 증가할 수 있다.
도 6의 (b)를 참조하면, 피딩부(640) 및 소스 공진기(650)는 등가회로로 표현될 수 있다. 피딩부(640)에서 소스 공진기 측을 바라볼 때 보이는 입력 임피던스 Zin은 다음의 수식과 같이 계산될 수 있다.
Figure 112011094685277-pat00001
여기서, M은 피딩부(640)와 소스 공진기(650) 사이의 상호 인덕턴스를 의미하고, ω 는 피딩부(640)와 소스 공진기(650) 간의 공진 주파수를 의미하고, Z는 소스 공진기(650)에서 타겟 디바이스 측을 바라볼 때 보이는 임피던스를 의미한다. Zin은 상호 인덕턴스 M에 비례한다. 따라서, 피딩부(640)와 소스 공진기(650) 사이에 상호 인덕턴스를 조절함으로써 Zin을 제어할 수 있다. 상호 인덕턴스 M은 피딩부(640)와 소스 공진기(650) 사이 영역의 면적에 따라 조절될 수 있다.
피딩부(640)의 크기에 따라 피딩부(640)와 소스 공진기(650) 사이 영역의 면적이 조절될 수 있다. Zin은 피딩부(640)의 크기에 따라 결정될 수 있다.
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.

Claims (17)

  1. 소스 디바이스는 마그네틱 커플링 존을 설정하는 단계;
    상기 설정된 마그네틱 커플링 존 내에 타겟 디바이스를 검출하는 단계;
    상기 소스 디바이스는 주변의 다른 소스 디바이스와 전력 전송 효율을 비교하여 상기 마그네틱 커플링 존을 설정하는 단계;
    상기 소스 디바이스는 상기 마그네틱 커플링 존을 이용하여 전력을 상기 검출된 타겟 디바이스에 전송하는 단계; 및
    상기 전력의 전송 효율에 기초하여, 전력량을 조정하는 단계를 포함하는,
    무선 전력 전송 시스템의 통신 및 전력 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 마그네틱 커플링 존을 설정하는 단계는,
    상기 소스 디바이스는 상기 주변의 다른 소스 디바이스와의 통신을 통해 상기 주변의 다른 소스 디바이스와 전력 전송 효율을 확인하여 상기 마그네틱 커플링 존을 설정하는,
    무선 전력 전송 시스템의 통신 및 전력 제어 방법.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 마그네틱 커플링 존을 설정하는 단계는,
    상기 소스 디바이스는 전력 전송 가능 거리에 더 고려하여 상기 마그네틱 커플링 존을 설정하는,
    무선 전력 전송 시스템의 통신 및 전력 제어 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 타겟 디바이스로 초기 통신을 위한 웨이크-업 요청 신호를 전송하는 단계;
    상기 웨이크-업 요청 신호의 수신 감도에 대한 정보 및 충전 전력의 수신 레벨에 대한 정보 중 적어도 어느 하나를 수신하는 단계; 및
    상기 웨이크-업 요청 신호의 수신 감도에 대한 정보 및 상기 충전 전력의 수신 레벨에 대한 정보 중 적어도 어느 하나에 기초하여, 상기 충전 전력의 전송 효율을 계산하는 단계를 더 포함하는,
    무선 전력 전송 시스템의 통신 및 전력 제어 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 타겟 디바이스로 부하의 연결을 차단하도록 요구하는 전력 수신 조정 요청 신호를 전송하는 단계를 더 포함하는,
    무선 전력 전송 시스템의 통신 및 전력 제어 방법.
  7. 마그네틱 커플링 존이 기 설정된 제1 소스 디바이스로부터 제1 타겟 디바이스가 충전 전력을 수신하는 단계;
    상기 제1 타겟디바이스가 제2 소스 디바이스의 기 설정된 마그네틱 커플링 존에 이동하면 상기 제2 소스 디바이스로부터 충전을 위한 충전 전력을 수신하고, 상기 제1 소스 디바이스로부터 수신되는 충전 전력의 전송 효율 및 상기 제2 소스 디바이스로부터 수신되는 충전 전력의 전송 효율에 기초하여 상기 제1 소스 디바이스 및 상기 제2 소스 디바이스 중 적어도 어느 하나로부터 충전 전력을 수신하는 단계를 포함하는,
    무선 전력 전송 시스템의 전력 수신 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 소스 디바이스로부터 부하의 연결을 차단하도록 요구하는 전력 수신 중단 요청 신호를 수신하는 단계; 및
    타겟 디바이스의 공진 특성을 변경하거나, 상기 부하의 연결을 차단하는 단계를 더 포함하는,
    무선 전력 전송 시스템의 전력 수신 방법.
  9. 제1 소스 디바이스의 기 설정된 제 1 마그네틱 커플링 존과, 제 2소스 디바이스의 기 설정된 제 2 마그네틱 커플링 존의 중첩된 영역에 배치된 타겟 디바이스가 상기 제 1소스 디바이스 및 상기 제 2소스 디바이스로부터 전력을 수신하는 단계;
    상기 제1 소스 디바이스 및 상기 제2 소스 디바이스로부터 수신된 전력의 전송 효율에 기초하여 상기 제1 소스 디바이스 및 상기 제2 소스 디바이스 중 적어도 어느 하나로부터 충전 전력을 수신하는 단계를 포함하고,
    상기 제1 소스 디바이스 및 상기 제2 소스 디바이스 중 적어도 어느 하나로부터 충전 전력을 수신하는 단계는,
    상기 제1 소스 디바이스로부터 부하의 연결을 차단하도록 요구하는 전력 수신 중단 요청 신호를 수신하는 단계; 및
    타겟 디바이스의 공진 특성을 변경하거나, 상기 부하의 연결을 차단하는 단계를 포함하는
    무선 전력 전송 시스템의 전력 수신 방법.
  10. 공진 주파수를 이용하여 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 웨이크-업(wake-up) 전력 또는 충전 전력을 생성하는 전력변환부;
    마그네틱 커플링을 통해 상기 웨이크-업(wake-up) 전력 또는 충전 전력을 기 설정된 마그네틱 커플링 존 내의 타겟 디바이스에 전송하는 소스 공진기; 및
    마그네틱 커플링 존을 설정하고, 상기 설정된 마그네틱 커플링 존 내의 상기 타겟 디바이스를 검출하고, 상기 충전 전력의 전송 효율에 기초하여, 전력 전송을 중단하거나 전송 전력의 전력량을 조정하는 제어 및 통신부를 포함하고,
    상기 제어 및 통신부는,
    주변의 다른 소스 디바이스와 전력 전송 효율을 비교하여 상기 마그네틱 커플링 존을 설정하는
    무선 전력 전송 시스템의 소스 디바이스.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제어 및 통신부는,
    주변의 다른 소스 디바이스와의 통신을 통해 상기 마그네틱 커플링 존을 설정하는,
    무선 전력 전송 시스템의 소스 디바이스.
  12. 삭제
  13. 제10항에 있어서,
    상기 제어 및 통신부는,
    전력 전송 가능 거리에 기초하여 상기 마그네틱 커플링 존을 설정하는,
    무선 전력 전송 시스템의 소스 디바이스.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 제어 및 통신부는,
    웨이크-업 요청 신호의 수신 감도에 대한 정보 및 상기 충전 전력의 수신 레벨에 대한 정보 중 적어도 어느 하나에 기초하여, 상기 충전 전력의 전송 효율을 계산하는,
    무선 전력 전송 시스템의 소스 디바이스.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 제어 및 통신부는,
    상기 타겟 디바이스로 부하의 연결을 차단하도록 요구하는 전력 수신 중단 요청 신호를 전송하는,
    무선 전력 전송 시스템의 소스 디바이스.
  16. 마그네틱 커플링을 통해, 소스 디바이스로부터 통신 및 제어 기능을 활성화 시키는 웨이크-업(wake-up) 전력 또는 충전을 위한 충전 전력을 수신하는 타겟 공진기; 및
    상기 웨이크-업 요청 신호의 수신 감도 및 상기 충전 전력의 수신 레벨을 검출하는 제어 및 통신부를 포함하고,
    상기 제어 및 통신부는 상기 소스 디바이스의 요청에 따라 상기 타겟 공진기의 공진 특성을 변경하는,
    무선 전력 전송 시스템의 타겟 디바이스.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제어 및 통신부의 제어에 따라 부하를 오프시키는 스위치부를 더 포함하는,
    무선 전력 전송 시스템의 타겟 디바이스.
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