特許 6591851 無線電力転送装置及び方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6591851

(24)【登録日】2019年9月27日

(45)【発行日】2019年10月16日

(54)【発明の名称】無線電力転送装置及び方法

(51)【国際特許分類】

   H02J 50/40 20160101AFI20191007BHJP

   H02J 50/12 20160101ALI20191007BHJP

   H02J 50/80 20160101ALI20191007BHJP

   H04B 5/02 20060101ALI20191007BHJP

【ＦＩ】

   H02J50/40

   H02J50/12

   H02J50/80

   H04B5/02

【請求項の数】10

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2015-199231(P2015-199231)

(22)【出願日】2015年10月7日

(65)【公開番号】特開2016-77142(P2016-77142A)

(43)【公開日】2016年5月12日

【審査請求日】2018年9月14日

(31)【優先権主張番号】10-2014-0135051

(32)【優先日】2014年10月7日

(33)【優先権主張国】KR

(73)【特許権者】

【識別番号】509256045

【氏名又は名称】ヒタチ−エルジー データ ストレージ コリア，インコーポレイティド

(74)【代理人】

【識別番号】100099759

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 篤

(74)【代理人】

【識別番号】100092624

【弁理士】

【氏名又は名称】鶴田 準一

(74)【代理人】

【識別番号】100114018

【弁理士】

【氏名又は名称】南山 知広

(74)【代理人】

【識別番号】100165191

【弁理士】

【氏名又は名称】河合 章

(74)【代理人】

【識別番号】100151459

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 健一

(74)【代理人】

【識別番号】100170380

【弁理士】

【氏名又は名称】黒田 裕也

(72)【発明者】

【氏名】ファン ホソン

【審査官】 赤穂 嘉紀

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１３−２４３８１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−１８３７３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２０１３２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１４／０１５３４９１（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｊ ５０／００−５０／９０

Ｈ０２Ｊ ７／００

Ｈ０４Ｂ ５／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

２つ以上の１次コイルに対して順次に無線電力受信装置の２次コイルとの誘導結合程度に該当する信号強度値を測定して格納するステップと、
前記信号強度値が最も大きい１次コイルを動作コイルとして選択するステップと、
前記動作コイルと隣接する１次コイルに対する信号強度値と前記動作コイルに対する信号強度値との差に基づいて電力損失を探知するためのモードに移行するための根拠となる電力損失量の基準値を調節するステップと、
前記動作コイルを通じて前記無線電力受信装置に電力を転送するステップと、を含む、無線電力転送方法。

【請求項2】

前記信号強度値は前記無線電力受信装置から受信される信号強度パケットをデコーディングして得られる、請求項１に記載の無線電力転送方法。

【請求項3】

前記差が所定値より小さい時、前記基準値を上向き調節する、請求項１に記載の無線電力転送方法。

【請求項4】

前記転送するステップは、
前記電力損失量を計算するステップと、
前記計算される電力損失量が前記調節される基準値より大きい時、前記電力損失を探知するためのモードに移行するステップと、を含む、請求項１に記載の無線電力転送方法。

【請求項5】

前記電力損失量は、入力電圧と入力電流とで計算される送信電力量から、前記無線電力受信装置から受信される受信パワーパケットでデコーディングされる受信電力量を引いた値で演算される、請求項４に記載の無線電力転送方法。

【請求項6】

直流電源を交流に変換するためのインバータ、受信装置の２次コイルとの磁気誘導結合により電力を転送するための１次コイルを含む２つ以上の共振回路、及び前記共振回路に流れる電流波形の変化を感知するためのセンシング部を含む電力変換部と、
前記２つ以上の共振回路を前記インバータに連結するためのスイッチング部と、
前記スイッチング部を制御して前記インバータに連結する共振回路を選択し、前記センシング部が感知する変化に基づいて前記受信装置が送るメッセージを抽出し、前記抽出されるメッセージに基づいて前記インバータの動作を制御して前記受信装置への電力転送を制御するための制御部とを含んで構成され、
前記制御部は、前記スイッチング部と前記電力変換部とを制御して前記２つ以上の共振回路に含まれる２つ以上の１次コイルに対して順次に前記受信装置の２次コイルとの誘導結合程度に該当する信号強度値を測定して格納し、前記信号強度値が最も大きい１次コイルを動作コイルとして選択し、前記動作コイルと隣接する１次コイルに対する信号強度値と前記動作コイルに対する信号強度値との差に基づいて電力損失を探知するためのモードに移行するための根拠となる電力損失量の基準値を調節する、無線電力転送装置。

【請求項7】

前記制御部は、前記受信装置から受信される信号強度パケットをデコーディングして前記信号強度値を得る、請求項６に記載の無線電力転送装置。

【請求項8】

前記制御部は、前記差が所定値より小さい時、前記基準値を上向き調節する、請求項７に記載の無線電力転送装置。

【請求項9】

前記制御部は、前記電力損失量を計算し、前記計算される電力損失量が前記調節される基準値より大きい時、前記電力損失を探知するためのモードに移行する、請求項６に記載の無線電力転送装置。

【請求項10】

前記制御部は、前記動作コイルを含む共振回路に入力される電圧と入力される電流とで計算される送信電力量から、前記受信装置から受信される受信パワーパケットでデコーディングされる受信電力量を引いた値で前記電力損失量を演算する、請求項９に記載の無線電力転送装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、無線で電力を転送する装置及び方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

通信及び情報処理技術が発達するにつれて、スマートフォンなどのスマート端末機の使用が徐々に増加しているが、現在スマート端末に多く適用されている充電方式は電源に連結されたアダプタをスマート端末機に直接連結して外部電源の供給を受けて充電するか、またはホストのＵＳＢ端子を通じてスマート端末機に連結してホストのＵＳＢ電源の供給を受けて充電する方式である。

【0003】

最近、連結線を介してアダプタに、またはホストにスマート端末機を直接連結しなければならない不便を減らすために、電気的接触無しで磁気結合を用いてバッテリーを無線で充電する無線充電方式が徐々にスマート端末機に適用されている。

【0004】

無線で電気エネルギーを供給するか、または供給を受けるための方法が幾つかあるが、代表的なものとしては、電磁気誘導現象に基づいた誘導結合（Inductive Coupling）方式、及び特定周波数の無線電力信号による電磁気的共振現象に基づいた共振結合（Electromagnetic Resonance Coupling）方式がある。

【0005】

２方式とも無線充電装置とスマート端末のような電子機器との間に通信チャンネルを形成してデータをやり取りすることによって、電力転送の安定性を確保し、転送効率を高めることができるが、誘導結合方式は無線で電力を転送する間、電力受信装置が移動して転送効率が低下し、また、共振結合方式は通信チャンネルに雑音が発生して電力転送が中断する現象が発生することもある。

【0006】

共振結合方式は実用化に時間が更に必要であり、標準化も少しずつ進行している状況であるが、誘導結合方式は技術の標準化及び製品化が速く進行している。

【0007】

最近、誘導結合方式の無線充電規格（ＷＰＣ １．１）を適用する製品に転送器と受信機との間に金属などの異質物が置かれて電力損失が発生する時、これを探知できるＦＯＤ（Foreign Object Detection）機能が必須的に具現されなければならない。多重コイル型の無線充電器ではコイルが重畳して形成されている重畳領域で効率低下が発生するが、このような効率低下は電力損失に繋がり、ＦＯＤ機能が遂行され、これによってコイル転換が頻繁に発生するようになる。

【0008】

これによって、多重コイル方式の無線充電器の設計目的である広い充電領域の確保が困難になり、多重コイル方式の製品商用化における障害要素として浮び上がっている。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

本発明はこのような状況を勘案したものであって、本発明の目的は無線電力転送の安定性を確保することにある。

【0010】

本発明の他の目的は、多重コイル方式の無線充電器で充電領域を最大限確保することにある。

【0011】

本発明の更に他の目的は、多重コイル方式の無線充電器のコイル重畳領域で電力損失探知機能の適用に従う不要なコイル転換を減らすことにある。

【課題を解決するための手段】

【0012】

前記の課題を実現するための本発明の一実施形態に係る無線電力転送方法は、２つ以上の１次コイルに対して順次に無線電力受信装置の２次コイルとの誘導結合程度に該当する信号強度値を測定して格納するステップと、前記信号強度値が最も大きい１次コイルを動作コイルとして選択するステップと、前記動作コイルと隣接する１次コイルに対する信号強度値と前記動作コイルに対する信号強度値との差に基づいて電力損失を探知するためのモードに移行するための根拠となる電力損失量の基準値を調節するステップと、前記動作コイルを通じて前記無線電力受信装置に電力を転送するステップとを含む。

【0013】

本発明の他の実施形態に係る無線電力転送装置は、直流電源を交流に変換するためのインバータ、受信装置の２次コイルとの磁気誘導結合により電力を転送するための１次コイルを含む２つ以上の共振回路、及び前記共振回路に流れる電流波形の変化を感知するためのセンシング部を含む電力変換部と、前記２つ以上の共振回路を前記インバータに連結するためのスイッチング部と、前記スイッチング部を制御して前記インバータに連結する共振回路を選択し、前記センシング部が感知する変化に基づいて前記受信装置が送るメッセージを抽出し、前記抽出されるメッセージに基づいて前記インバータの動作を制御して前記受信装置への電力転送を制御するための制御部を含んで構成され、前記制御部は、前記スイッチング部と前記電力変換部とを制御して前記２つ以上の共振回路に含まれる２つ以上の１次コイルに対して順次に前記受信装置の２次コイルとの誘導結合程度に該当する信号強度値を測定して格納し、前記信号強度値が最も大きい１次コイルを動作コイルとして選択し、前記動作コイルと隣接する１次コイルに対する信号強度値と前記動作コイルに対する信号強度値との差に基づいて電力損失を探知するためのモードに移行するための根拠となる電力損失量の基準値を調節する。

【0014】

一実施形態において、前記制御部は前記受信装置から受信される信号強度パケットをデコーディングして前記信号強度値を得ることができる。

【0015】

一実施形態において、前記制御部は前記の差が所定値より小さい時、前記基準値を上向き調節することができる。

【0016】

一実施形態において、前記制御部は前記電力損失量を計算し、前記計算される電力損失量が前記調節される基準値より大きい時、前記電力損失を探知するためのモードに移行することができる。

【0017】

一実施形態において、前記制御部は、前記動作コイルを含む共振回路に入力される電圧と入力される電流とで計算される送信電力量から、前記受信装置から受信される受信パワーパケットでデコーディングされる受信電力量を引いた値で前記電力損失量を演算することができる。

【発明の効果】

【0018】

したがって、多重コイル方式の無線充電器のコイル重畳領域で充電中断現象が減少するようになる。

【0019】

また、多重コイル方式の無線充電器で充電領域を最大限確保して安定的に電力を転送できるようになり、ユーザ満足度を高めることができるようになる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】無線電力転送装置から電子機器に電力が無線で転送されることを概念的に示す図である。

【図2】電磁気誘導方式により電力を無線で転送するための転送装置の電力変換部の回路構成を概念的に図示したものである。

【図3】無線電力転送装置と受信装置が電力とメッセージをやり取りするための構成を図示したものである。

【図4】無線電力転送装置と受信装置との間の電力転送を制御するためのループをブロックに図示したものである。

【図5】多重コイル方式の無線電力転送装置と受信装置との間に導体金属が配置される状態を図示したものである。

【図6】本発明が適用される多重コイル方式の無線電力転送装置の構成を図示したものである。

【図7】多重コイル方式の無線電力転送装置における無線受信装置と誘導結合するコイルを選択するための機能ブロックを概念的に図示したものである。

【図8】多重コイル方式の無線電力転送装置における動作コイルを選択するために各１次コイルに対してＬＣ共振を遂行する時に測定される波形を図示したものである。

【図9】本発明の一実施形態に従って無線電力転送装置が動作コイルを選択してＦＯＤオフセットを適用する方法に対する動作フローチャートを図示したものである。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下、本発明に係る無線電力転送装置に対する実施形態を添付する図面に基づいて詳細に説明する。

【0022】

図１は、無線電力転送装置から電子機器に電力が無線で転送されることを概念的に示す図である。

【0023】

無線電力転送装置１００は、無線電力受信装置または電子機器２００が必要とする電力を無線で伝達する電力伝達装置、無線で電力を伝達することによって電子機器２００のバッテリーを充電するための無線充電装置、または接触していない状態で電源が必要な電子機器２００に電力を伝達するさまざまな形態の装置で具現できる。

【0024】

電子機器２００は無線電力転送装置１００から無線で電力を受信して動作が可能な機器であって、無線で受信される電力を用いてバッテリーを充電することができる。無線で電力を受信する電子機器は携帯可能な電子機器、例えばスマートフォンやスマート端末、タブレットコンピュータ、マルチメディア端末、キーボード、マウス、映像、または音声の補助装置などの入出力装置などを含むことができる。

【0025】

無線電力転送装置１００の無線電力信号による電磁気誘導現象に基づいた誘導結合方式、即ち無線電力転送装置１００で転送する無線電力信号により電子機器２００で共振が発生し、共振現象により無線電力転送装置１００から電子機器２００に接触無く無線で電力が伝達できるが、電磁気誘導現象により１次コイルで交流電流により磁場を変化させて２次コイル側に電流を誘導することによって電力を伝達する。

【0026】

無線電力転送装置１００の１次コイルに流れる電流の強さが変化すれば、その電流により１次コイルまたは送信コイル（primary coil、Tx coil）を通過する磁場が変化し、変化した磁場は電子機器２００の内の２次コイルまたは受信コイル（secondary coil、Rx coil）側に誘導起電力を発生させる。

【0027】

無線電力転送装置１００側の送信コイルと電子機器２００側の受信コイルとが近接するように無線電力転送装置１００及び電子機器２００を配置し、無線電力転送装置１００を送信コイルの電流が変化するように制御すれば、電子機器２００は受信コイルに誘導された起電力を用いてバッテリーのような負荷に電源を供給する。

【0028】

誘導結合方式による無線電力伝達の効率は、無線電力転送装置１００と電子機器２００との間の配置と距離の影響を受けるようになるので、無線電力転送装置１００は平らなインターフェース表面を含むように構成され、インターフェース表面の下部には送信コイルが装着され、インターフェース表面の上部に１つ以上の電子機器を置くことができる。インターフェース表面の下部に装着された送信コイルとインターフェース表面の上部に位置した受信コイルとの間の空間を十分に小さくすることで、誘導結合方式による無線電力伝達の効率を高めることができる。

【0029】

インターフェース表面の上部には電子機器が置かれる位置を指示するマークが表示できるが、インターフェース表面の下部に装着された送信コイルと受信コイルとの間の配列が適合する電子機器の位置を指示することができる。電子機器の位置を案内するための突出形態の構造物がインターフェース表面の上部に形成されてもよく、インターフェース表面の下部に磁石のような磁性体を形成して電子機器の内部に設けられた異なる極の磁性体との引力により送信コイルと受信コイルとがよく配列されるように案内することもできる。

【0030】

図２は、電磁気誘導方式により電力を無線で転送するための転送装置の電力変換部の回路構成を概念的に示す図である。

【0031】

無線電力転送装置は、概して電源及びインバータと共振回路で構成される電力変換部を含んで構成できるが、電源は電圧源や電流源であってもよく、電力変換部は電源から供給される電力を無線電力信号に変換して受信装置に伝達するが、無線電力信号は共振特性を有する磁場または電磁場形態に形成され、共振回路は無線電力信号を発生させるコイルを含む。

【0032】

インバータはスイッチング素子と制御回路を通じて直流入力を所望の電圧と周波数の交流波形に変換する。図２はフルブリッジ（Full-bridge）インバータを図示したものであるが、ハーフブリッジインバータなど、他の種類のインバータも可能である。

【0033】

共振回路は、磁気誘導方式により電力を転送する送信コイル（Ｌｐ）とキャパシタ（Ｃｐ）を含んで構成されるが、コイルとキャパシタが電力転送の基本共振周波数を決定する。送信コイルは電流の変化によって無線電力信号に該当する磁場を形成するが、平板形態またはソレノイド形態に具現できる。

【0034】

インバータにより変換された交流電流が共振回路を駆動させることによって、送信コイルに磁場が形成される。インバータが共振回路の共振周波数に近い周波数の交流を生成して転送装置の転送効率を高めることができ、インバータを制御することによって転送装置の転送効率を変更することができる。

【0035】

図３は、無線電力転送装置と受信装置が電力とメッセージをやり取りするための構成を図示したものである。

【0036】

電力変換部は、受信装置の受信状態に関わらず、一方的に電力を転送するだけであるので、受信装置の状態に合うように電力を転送するためには受信装置から受信状態と関連したフィードバックを受けるための構成が無線電力転送装置に必要である。

【0037】

無線電力転送装置１００は、電力変換部１１０、通信部１２０、制御部１３０、及び電源部１４０を含んで構成することができる。無線電力受信装置２００は、電力受信部２１０、通信部２２０、及び制御部２３０を含んで構成することができ、受信される電力が供給される負荷２５０をさらに含んで構成できる。

【0038】

電力変換部１１０は図２のインバータと共振回路で構成され、無線電力信号を形成させるために使われる周波数、電圧、電流などの特性を調節できる回路をさらに含むように構成できる。

【0039】

通信部１２０は電力変換部１１０に連結されて、転送装置１００から磁気誘導方式により無線で電力を受信する受信装置２００により変調される無線電力信号を復調して電力制御メッセージを検出することができる。

【0040】

制御部１３０は、通信部１２０が検出するメッセージに基づいて、電力変換部１１０の動作周波数、電圧、電流のうち、１つ以上の特性を決定し、電力変換部１１０を制御して、電力変換部１１０がメッセージに適合した無線電力信号を生成するようにすることができる。通信部１２０と制御部１３０は、１つのモジュールで構成できる。

【0041】

電力受信部２１０は、電力変換部１１０の送信コイルで発生する磁場の変化によって誘導起電力が発生する受信コイルとキャパシタで構成されるマッチング回路を含み、受信コイルに流れる交流電流を整流して直流電流を出力する整流回路を含むことができる。

【0042】

受信装置の通信部２２０は電力受信部２１０に連結され、ＤＣでの抵抗負荷及び／又はＡＣでの容量性負荷を調節する方式により電力受信部の負荷を調節することによって、転送装置と受信装置との間の無線電力信号を変化させて電力制御メッセージを転送装置に転送することができる。

【0043】

受信装置の制御部２３０は受信装置に含まれた各構成要素を制御するが、電力受信部２１０の出力を電流または電圧形態に測定し、これに基づいて通信部２２０を制御して無線電力転送装置１００に電力制御メッセージを伝達することができる。メッセージは無線電力転送装置１００に無線電力信号の伝達を始めるか、または終了するように指示することができ、また無線電力信号の特性を調節するようにすることができる。

【0044】

転送装置の電力変換部１１０により形成された無線電力信号は電力受信部２１０により受信され、受信装置の制御部２３０は無線電力信号を変調するように通信部２２０を制御するが、制御部２３０は通信部２２０のリアクタンス（reactance）を変更させることによって、無線電力信号から受信する電力量が変わるようにする変調過程を遂行することができる。無線電力信号から受信される電力量が変われば、無線電力信号を形成する電力変換部１１０の電流及び／又は電圧も変わり、無線電力転送装置１００の通信部１２０は電力変換部１１０の電流及び／又は電圧の変更を感知して復調過程を遂行することができる。

【0045】

受信装置の制御部２３０は、無線電力転送装置１００に伝達しようとするメッセージを含むパケットを生成し、生成されるパケットを含むように無線電力信号を変調し、転送装置の制御部１３０は通信部１２０を通じて抽出したパケットをデコーディングして電力制御メッセージを獲得することができるが、受信装置の制御部２３０は受信されるパワーを調節するために電力受信部２１０を通じて受信される電力量に基づいて無線電力信号の特性の変更を要請するメッセージを転送することができる。

【0046】

図４は、無線電力転送装置と受信装置との間の電力転送を制御するためのループをブロックに図示したものである。

【0047】

転送装置１００の電力変換部１１０で発生する磁場の変化によって受信装置２００の電力受信部２１０で電流が誘導されて電力が転送されるが、受信装置の制御部２３０は所望の制御点、即ち所望の出力電流及び／又は電圧を選択し、電力受信部２１０を通じて受信される電力の実際制御点を決定する。

【0048】

受信装置の制御部２３０は電力が転送される間、所望の制御点と実際制御点を用いて制御エラー値を計算するが、例えば２つの出力電圧または電流の差を制御エラー値として取ることができる。所望の制御点に到達するために少ない電力が要求されれば、例えばマイナス値となり、所望の制御点に到達するために、より多い電力が必要であれば、プラス（＋）値になるように制御エラー値を決定することができる。受信装置の制御部２３０は、通信部２２０を通じて電力受信部２１０のリアクタンスを時間によって変更する方式により計算された制御エラー値を含むパケットを生成して転送装置１００に転送することができる。

【0049】

転送装置の通信部１２０は、受信装置２００により変調される無線電力信号に含まれるパケットを復調してメッセージを検出するが、制御エラー値を含む制御エラーパケットを復調することができる。

【0050】

転送装置の制御部１３０は、通信部１２０を通じて抽出した制御エラーパケットをデコーディングして制御エラー値を得て、電力変換部１１０に実際に流れる実際の電流値と制御エラー値を用いて受信装置が所望の電力を転送するための新たな電流値を決定することができる。

【0051】

転送装置の制御部１３０は、受信装置から制御エラーパケットを受信する過程からシステムが安定化されれば、送信コイルに流れる実際の電流値が新たな電流値になるように新たな動作点、即ち送信コイルに印加されるＡＣ電圧のサイズ、周波数、デューティ比などが新たな値に達するように電力変換部１１０を制御し、受信装置が追加で制御情報や状態情報を通信できるように新たな動作点を続けて維持するようにする。

【0052】

無線電力転送装置１００と無線電力受信装置２００との間の相互作用は、選択（selection）、ピング（ping）、識別／構成（identification & configuration）及びパワー転送（power transfer）の４ステップからなるが、選択ステップは転送装置がインターフェース表面の上に置かれた対象物を発見するためのステップであり、ピングステップは対象物が受信装置を含むか否かを確認するステップであり、識別／構成ステップは受信装置に電力を送るための準備ステップであって、受信装置から適切な情報を受信し、これに基づいて受信装置と電力転送契約（Power Transfer Contract）を締結し、パワー転送ステップは転送装置と受信装置との相互作用により実際に電力を無線で受信装置に転送するステップである。

【0053】

ピングステップでは、受信装置２００が送信コイルと受信コイルとの磁束結合程度を示す信号強度パケット（Signal Strength Packet：ＳＳＰ）を共振波形の変調を通じて転送装置１００に転送するが、信号強度パケット（ＳＳＰ）は受信装置で整流した電圧をモニタリングして生成するメッセージであって、送信装置１００はこれを受信装置２００から受信して電力転送のための初期駆動周波数を選定することに活用することができる。

【0054】

識別／構成ステップでは、受信装置２００のバージョン、製造社コード、装置識別情報などを含む識別パケット（Identification Packet）、受信装置２００の最大パワー、パワー転送方法などの情報を含む構成パケット（Configuration Packet）などを受信装置２００が転送装置１００に転送する。

【0055】

パワー転送ステップでは、受信装置２００が電力信号を受信する動作点とパワー転送契約で定めた動作点との差を示す制御エラーパケット（Control Error Packet：ＣＥＰ）、受信装置２００がインターフェース表面を通じて受信するパワーの平均値を示す受信パワーパケット（Received Power Packet：ＲＰＰ）などを受信装置２００が転送装置１００に転送する。

【0056】

受信パワーパケット（ＲＰＰ）は受信装置の電力受信部２１０の整流電圧、負荷電流、オフセット電力などを勘案した受信電力量データであって、受信装置２００により電力を受信中に続けて転送装置１００に転送され、転送装置１００はこれを受信して電力制御のための演算因子として使用する。

【0057】

転送装置の通信部１２０は、各々共振波形の変化からパケットを抽出し、制御部１３０は抽出されるパケットをデコーディングしてメッセージを得て、これに基づいて電力変換部１１０を制御して受信装置２００が要請するままにパワー転送特性を変えながら電力を無線で転送することができる。

【0058】

一方、誘導結合により電力を無線で伝達する方式において、その効率は周波数特性に従う影響は少ないが、転送装置１００と受信装置２００との間の配列と距離の影響を受けるようになる。

【0059】

無線電力信号が到達できる領域を２つに区分できるが、転送装置１００が受信装置２００に無線で電力を伝達する時、高い効率の磁場が通過できるインターフェース表面の部分を活動領域ということができ、転送装置１００が受信装置２００の存在を感知できる領域を感知領域ということができる。

【0060】

転送装置の制御部１３０は、受信装置２００が活動領域または感知領域に配置または除去されたか否かを感知できるが、電力変換部１１０で形成される無線電力信号を用いるか、または別途に備えられるセンサーにより受信装置２００が活動領域または感知領域に配置されたか否かを検出することができる。

【0061】

例えば、転送装置の制御部１３０は感知領域に存在する受信装置２００によって無線電力信号が影響を受けて電力変換部１１０の無線電力信号を形成するための電力の特性が変化するか否かをモニタリングすることで、受信装置２００の存在を検出することができる。転送装置の制御部１３０は、受信装置２００の存在を検出した結果によって受信装置２００を識別する過程を遂行するか、または無線電力転送を始めるか否かなどを決定することができる。

【0062】

転送装置の電力変換部１１０は位置決定部をさらに含むことができるが、位置決定部は誘導結合方式による無線電力伝達の効率を高めるために送信コイルを移動または回転させることができ、特に受信装置２００が転送装置１００の活動領域内に存在しない場合に使用できる。

【0063】

位置決定部は、転送装置１００の送信コイルと受信装置２００の受信コイルの中心との間の距離が一定範囲以内になるように送信コイルを移動させるか、または送信コイルと受信コイルの中心とが重畳するように送信コイルを移動させる駆動部を含むように構成できる。このために、転送装置１００は受信装置２００の位置を感知するためのセンサーや感知部をさらに備えることができ、転送装置の制御部１３０は感知部のセンサーから受信する受信装置２００の位置情報に基づいて位置決定部を制御することができる。

【0064】

または、転送装置の制御部１３０は通信部１２０を通じて受信装置２００との配列または距離に対する制御情報を受信し、これに基づいて位置決定部を制御することができる。

【0065】

また、転送装置１００は２つ以上の複数の送信コイルを含むように形成され、複数の送信コイルのうち、受信装置２００の受信コイルと適合するように配列される一部のコイルを選択的に用いて転送効率を高めることができる。この場合、位置決定部は複数の送信コイルのうちのどれが電力伝達のために使われるかを決定することができる。

【0066】

活動領域を通過する磁場を形成する単一送信コイルまたは１つ以上の送信コイルなどの組合を主要セル（primary cell）と指称することができるが、転送装置の制御部１３０は、受信装置２００の位置を感知し、これに基づいて活動領域を決定し、活動領域に対応する主要セルを構成する転送モジュールを連結し、該当転送モジュールの送信コイルと受信装置２００の受信コイルが誘導結合できるように制御することができる。

【0067】

一方、受信装置２００はスマートフォンまたはマルチメディア再生端末を含むスマートフォンやスマート機器のような電子機器内に内蔵され、電子機器が転送装置１００のインターフェース表面の上に垂直や水平方向に一定でない方向や位置に置かれるようになるので、転送装置は広い活動領域を必要とする。

【0068】

活動領域を広げるために複数個の転送コイルを使用する場合、転送コイルの個数だけ駆動回路が必要であり、複数個の転送コイルに対する制御が複雑になるため、製品化する時、転送装置、即ち無線充電器の費用が増加する。また、活動領域を拡大するために転送コイルの位置を変える方式を適用する場合にも転送コイルの位置を移すための移送メカニズムを具備しなければならないので、体積と重さが大きくなり、製作費用が高くなる問題がある。

【0069】

位置が固定された１つの送信コイルを有しても活動領域を拡張する方法があれば効果的であるが、単純に送信コイルのサイズを大きくすれば、送信コイルの単位面積当たりの磁束密度が落ち、送受信コイルの間の磁気結合力が弱くなり、期待するだけ活動領域が増加せず、転送効率も落ちるようになる。

【0070】

このように、活動領域の拡大と転送効率の向上のために送信コイルの適切な形状とサイズを決定することが重要である。２つ以上の送信コイルを採用する多重コイル方式が無線電力転送装置の活動領域を拡大する方法に効果的である。

【0071】

図５は、多重コイル方式の無線電力転送装置と受信装置との間に導体金属が配置される状態を図示したものである。

【0072】

多重コイル方式の無線電力転送装置は、位置を異にする２つ以上の１次コイル、図５のようにＣｏｉｌ １乃至Ｃｏｉｌ ３のように３個の１次コイルを含んで２つ以上の電子機器に同時に電力を転送することができるが、受信装置が１次コイル、例えばＣｏｉｌ １の中心から外れる場合、電力転送効率が落ちるようになる。

【0073】

また、受信装置２００は転送装置１００から無線電力信号を受けてリアルタイムに受信される電力量情報を転送装置１００に伝達するが、受信装置と転送装置との間に導体金属、例えばコインが配置される場合、導体金属に磁束が通過しながら導体金属を通過する磁気力線束の変化に従う渦流（eddy current）現象が起こり、これによって電力損失が発生するため、受信装置２００から転送される受信パワーパケット（ＲＰＰ）内の受信電力量と転送される電力量との間に差が発生し得る。受信電力量は導体による電力損失、１次／２次コイルの間の結合係数（相互インダクタンス）、電力受信機の整流効率など、多様な要素によって変動し得る。

【0074】

損失電力量は、送信電力量（入力電圧×入力電流）から受信電力量（ＲＰＰ）を引いた値に相当するが、損失電力量が、例えば５００ｍＷを超える場合、転送装置１００は１次コイルと２次コイルとの間に置かれた導体により電力損失があると判断し、電力転送を中断することができる。

【0075】

または、多重コイル方式の転送装置１００は、損失電力量が所定基準（ＦＯＤオフセット）より高い時、または電力転送効率が低い時、コイル重畳領域に置かれた受信装置２００の位置が変わったと判断し、１次コイルを他のコイルに転換しようと試みるＦＯＤ動作を不必要に頻繁に遂行して、充電が中断されることもある。

【0076】

このような点を考慮して、本発明では、電力転送効率が低くてＦＯＤモードに移行することによる充電中断現象を改善するために、ＦＯＤモードに移行するための根拠となる損失電力量の基準値を隣接するコイルとの信号強度差に基づいて調節することができる。

【0077】

例えば、多重コイル方式の転送装置における送信コイルと受信コイルとの磁束結合程度を示す信号強度値が最も高い第３コイルを電力転送コイルとして選定し、第３コイルと隣接した第２コイルの信号強度値と第３コイルの信号強度値が所定水準以内の時、ＦＯＤモードに移行するために必要な損失電力量の値を高めることができる。

【0078】

従来の損失電力量が５００ｍＷ以上の時にＦＯＤモードに移行する場合、受信装置がコイル重畳領域に配置されて２つのコイルの信号強度値の差が所定値以下の時、損失電力量の値が５００ｍＷより所定値（ＦＯＤオフセット）以上に大きい時にのみＦＯＤモードに移行するようにすることができる。ここでＦＯＤオフセットは受信装置の受信コイルが転送装置の転送コイルの外郭に位置することによって表れる効率低下部分を補償する概念であって、ＦＯＤオフセットを導入してＦＯＤモード移行によって充電中断が頻繁に発生する現象を改善することができる。

【0079】

図６は、本発明が適用される多重コイル方式の無線電力転送装置の構成を図示したものである。

【0080】

無線電力受信装置２００は、２次コイルを含むマッチング回路と整流回路で構成される電力受信部２１０、及び、電力受信部２１０の出力を電流または電圧形態に測定し、これに基づいて電力受信部２１０の負荷を調節することによって転送装置と受信装置との間の無線電力信号を変化させて電力制御メッセージを転送装置に転送するための制御部２３０を含んで構成できるが、通信部と制御部が１つに統合されたことを除いては、図３の受信装置構成と同一である。

【0081】

電力受信部２１０は共振する電磁場の形態に伝達される無線電力信号を受信するための２次コイルとキャパシタを含むマッチング回路、共振しながら交流形態に受信される電力信号を直流に変換するための整流回路、及び直流変換された電力信号の電流値または電圧値を測定して電力信号の電力量を検出するためのセンシング部を含んで構成されることができ、受信される電力信号により過電圧または過電流が発生しないように防止する回路をさらに含むことができる。

【0082】

制御部２３０は、電力受信部２１０のセンシング部から検出される電力量に基づいて無線電力信号の特性を調節するためのメッセージを生成して無線電力転送装置１００にメッセージを転送することができる。また、制御部２３０は無線電力の転送開始や転送終了を要請するメッセージを生成して無線電力転送装置１００に転送することができる。

【0083】

無線電力受信装置２００を含む電子機器、例えば無線充電が可能なスマート端末は、無線電力受信装置２００を通じて無線電力転送装置１００から伝達される電力の供給を受けて動作するか、または伝達される電力を用いて充電部を通じてバッテリーを充電し、バッテリーに充電された電力を用いて動作することができる。制御部２３０は、電力受信部２１０を通じて受信される電力を用いて充電器を充電するように充電部を制御することができる。

【0084】

図６の多重コイル方式の無線電力転送装置３００は、電力を無線で転送するための１次コイルを含む電力転送モジュールを２つ以上含み、電力を転送する１つ以上のモジュールを選択し、モジュールと連結するか、または連結を切って連結されたモジュールの動作を別個に、または統合して制御するためのシステム制御部３５０を含んで構成できるが、図６では２つの電力転送モジュールを含むものとして図示されている。

【0085】

各電力転送モジュールは、１次コイルの共振回路とインバータを含む電力変換部３１０と電力変換部３１０の動作を制御するための制御部３３０を含んで構成できるが、制御部３３０は図３の転送装置構成で通信部１２０と制御部１３０を統合した形態になるか、または通信部１２０の機能のみで構成され、制御部１３０の機能はシステム制御部３５０が担当することもできる。

【0086】

または、多重コイル方式の無線電力転送装置３００における各電力転送モジュールは１次コイルとキャパシタを含む共振回路のみで構成され、インバータは各電力転送モジュールが互いに共有し、１次コイルを流れる電流の波形の変化から受信装置が送るパケットを抽出するためのセンシング部は、各電力転送モジュールに含まれるか、または電力転送モジュールとは別個に設けられて各電力転送モジュールが共有することもできる。インバータ、２つ以上の共振回路、センシング部を電力変換部と通称することができる。電力転送モジュールとインバータ及び／又はセンシング部の連結を選択するためのスイッチング部が別途に設けられて、システム制御部３５０がスイッチング部を制御して電力転送モジュールを選択し、制御部３３０の役割を統合して遂行することもできる。

【0087】

電力転送モジュールの１次コイルは転送装置の平らなインターフェース表面の下にその位置を異にするか、一部重複した状態に配置できる。

【0088】

システム制御部３５０は、各モジュールを制御して、インターフェース表面の上にある受信装置から無線電力信号の強度を示す電力制御メッセージまたは受信装置の識別情報を示す電力制御メッセージを受信し、受信された結果に基づいて受信装置が１つ以上のモジュールのうち、どのモジュールの１次コイルと近いかを確認し、どのモジュールを通じて電力を転送するかを判断することができる。

【0089】

システム制御部３５０は受信装置２００の位置を感知し、これに基づいて活動領域を決定し、活動領域に対応する主要セルを構成する転送モジュールを連結し、該当転送モジュールの１次コイルと受信装置２００の２次コイルとが誘導結合できるように制御することができる。

【0090】

図７は、多重コイル方式の無線電力転送装置における無線受信装置と誘導結合するコイルを選択するための機能ブロックを概念的に図示したものである。

【0091】

受信装置に無線で電力を供給するための電力変換部には電圧ソースまたは電流ソースから電力が供給され（Input Power）、供給される電力はインバータでシステム制御部の制御によって無線転送のための制御点の周波数、電圧、デューティ比で交流電流に変換され（Inverter）、システム制御部により受信装置と磁気誘導結合される１次コイルが選択され（Coil Selection）、選択されたコイルにインバータで生成される交流電流が印加されて受信装置に無線で電力を転送し（Primary Coils）、１次コイルを通じて流れる電流や電圧を測定し、１次コイルを通じて流れる電流や電圧の波形に載せた振幅の変化を感知して（Sensing）、実際の動作点を検出し、受信装置からフィードバックされるパケットを測定し、これに基づいて受信装置との磁気誘導結合程度または損失電力量を確認し、磁気誘導結合程度が低くて損失電力量が高いと判断されれば、受信装置と結合する１次コイルを再び選択して１次コイルをそのまま維持するか、他の１次コイルに変更することができる。

【0092】

図８は、多重コイル方式の無線電力転送装置における動作コイルを選択するために各１次コイルに対してＬＣ共振を遂行する時に測定される波形を図示したものである。

【0093】

無線電力転送装置３００が、例えばＣｏｉｌ １乃至Ｃｏｉｌ ３のように３個の１次コイルを有する時、全てのコイルに対して順次にＬＣ共振を起こして、各コイルで信号強度パケット（ＳＳＰ）を受信して格納するが、図８で最初の波形はＣｏｉｌ １で測定されるものであり、２番目の波形はＣｏｉｌ ３で測定されるものであり、３番目の波形はＣｏｉｌ ２で測定されるものである。また、各波形で最も先の時間のものはＣｏｉｌ １をＬＣ共振させる時に各コイルで測定されるものであり、次の時間のものはＣｏｉｌ ２をＬＣ共振させる時に各コイルで測定されるものであり、その次の時間のものはＣｏｉｌ ３をＬＣ共振させる時に各コイルで測定されるものである。

【0094】

このように順次に全てのコイルをＬＣ共振させる時、各コイルで受信される信号強度パケットを格納し、これらを互いに比較して最も大きい値を受信するコイルを動作コイルとして選択するが、図８ではＣｏｉｌ ３をＬＣ共振させる時に受信される信号強度パケットが最も大きい値を有するため、Ｃｏｉｌ ３を動作コイルとして選択する。

【0095】

また、動作コイルとして選択されたコイルと隣接したコイルに対して格納された信号強度パケットを動作コイルに対して格納された信号強度パケットと差値を定めて、この差値によってＦＯＤオフセットの適用か否かを決定するが、即ちＦＯＤモードに移行するか否かを定める電力損失量の基準値を動作コイルと隣接するコイルに対する信号強度パケットとの差値によって可変することができる。

【0096】

図９は、本発明の一実施形態に従って無線電力転送装置が動作コイルを選択してＦＯＤオフセットを適用する方法に対する動作フローチャートを図示したものである。

【0097】

多重コイル方式の無線電力転送装置３００のシステム制御部３５０は、インターフェース表面の上に受信装置２００または受信装置を含む電子機器が載せられているかを感知するが（Ｓ９００）、各電力転送モジュールの１次コイルに交流電流を順次に供給し、各モジュールに含まれたセンシング部から１次コイルに印加される交流電流や１次コイルで測定される電圧の波形に発生する変化を検出し、これを通じて受信装置がインターフェース表面の上に置かれているかを確認することができる。または、転送装置３００は別途のセンサーを通じてインターフェース表面の上部に受信装置が載せられているかを感知することもできる。

【0098】

システム制御部３５０は、インターフェース表面の上に受信装置２００が感知されれば（Ｓ９００でＹＥＳ）、２つ以上の電力転送モジュールをスイッチングしながらインバータを制御して各モジュールの１次コイルに誘導起電力を発生させることができるようにする交流電流を順次に供給して複数個の１次コイルの各々と受信装置２００の２次コイルをＬＣ共振させて誘導結合程度を示す信号強度パケット（ＳＳＰ）を測定し格納するが（Ｓ９１０）、信号強度パケットの代わりにアナログピング（ping）電流値を測定することもできる。

【0099】

転送装置３００がＣｏｉｌ １乃至Ｃｏｉｌ ３の３個の１次コイル（電力転送モジュール）を含む場合、Ｃｏｉｌ １、Ｃｏｉｌ ２、Ｃｏｉｌ ３の順に電力転送モジュールを制御してＬＣ共振を遂行して受信装置とピングステップを遂行し、これを通じて受信装置２００の２次コイルとの誘導結合程度を測定し格納するが、ピングステップで受信装置２００は電力転送モジュールの１次コイルと２次コイルの誘導結合程度を示す信号強度パケット（ＳＳＰ）を共振波形の変調を通じて転送し、システム制御部３５０は電力転送モジュールのセンシング部を通じて１次コイルを流れる電流の波形の変化から信号強度パケットを抽出し、これをデコーディングし格納することができる。

【0100】

システム制御部３５０は、信号強度値のうちの最も大きい値に測定された電力転送モジュールの１次コイルを動作コイルとして選択することができる（Ｓ９２０）。

【0101】

また、システム制御部３５０は、動作コイルとして選択された１次コイルに隣接したコイルで測定された信号強度値を動作コイルに対する信号強度値と比較して受信装置２００がインターフェース表面のうち、どの電力転送モジュールに対応する活動領域に置かれているかを確認するが（Ｓ９３０）、動作コイルで測定された信号強度値と隣接するコイルで測定された信号強度値の差が大きければ、受信装置２００が動作コイルに対応する活動領域に置かれていると判断し、差が小さければ受信装置２００が動作コイルと隣接コイルとの間の重畳領域に置かれていると判断することができる。

【0102】

動作コイルで測定された信号強度値と隣接するコイルで測定された信号強度値の差が所定値より小さい時（Ｓ９３０でＹＥＳ）、受信装置２００が動作コイルと隣接コイルとの間の重畳領域に置かれていると判断し、不必要にＦＯＤモードに頻繁に移行することを防ぐために、ＦＯＤモードに移行するための根拠となる電力損失量の基準値にＦＯＤオフセットを適用してＦＯＤモードに移行するための根拠となる電力損失量のＦＯＤ基準値を上向き調節することができる（Ｓ９４０）。

【0103】

以後、システム制御部３５０は、受信装置に電力を送るための準備ステップとして識別／構成ステップを遂行して、受信装置から適切な情報を受信し、これに基づいて受信装置と電力転送契約を締結するが、受信装置から受信装置のバージョン、製造社コード、装置識別情報などを含む識別パケット、及び受信装置の最大パワー、パワー転送方法などの情報を含む構成パケットなどを受信することができる。

【0104】

また、システム制御部３５０は、受信装置２００の相互作用として実際に電力を無線で受信装置に転送する電力転送ステップを遂行するが（Ｓ９５０）、受信装置２００が電力信号を受信する動作点とパワー転送契約で定めた動作点との差を示す制御エラーパケットを転送すれば、これを受信し、これに基づいて電力転送モジュールを制御して共振回路の動作点を変更することができる。

【0105】

システム制御部３５０は、電力を無線で転送しながら受信装置２００から受信パワーパケット（ＲＰＰ）を受けて、これをデコーディングして受信装置２００が受信する受信電力量を計算し、入力電圧と入力電流で計算する送信電力量から受信電力量を引いて損失電力量を演算し、これをＦＯＤ基準値と比較する（Ｓ９６０）。

【0106】

ＦＯＤ基準値はＦＯＤモードに移行するための根拠となる電力損失量の基準値であって、動作コイルで測定された信号強度値と隣接するコイルで測定された信号強度値との差が所定値より小さい時、即ち受信装置２００が動作コイルと隣接コイルとの間の重畳領域に置かれている時、ＦＯＤオフセットが追加できる。

【0107】

システム制御部３５０は、損失電力量がＦＯＤ基準値より大きければ（Ｓ９６０でＹＥＳ）、転送装置３００のインターフェースの上部と受信装置２００との間に異質物が介入したか否かを探知するためのＦＯＤ機能を遂行することができ（Ｓ９７０）、損失電力量がＦＯＤ基準値より小さければ（Ｓ９６０でＮＯ）、ＦＯＤ機能が遂行できなくなる。

【0108】

システム制御部３５０は、制御エラーパケットに含まれた制御エラー値が小さければ受信装置２００が電力受信動作の動作点を変更するなどの正常な電力転送に従う制御エラー値の変化と判断し、パワー転送ステップを続けて遂行して無線電力転送を維持することができるが、制御エラー値が大きい場合、受信装置２００がインターフェースの表面から移動したと判断し、現在のモジュールを通じて受信装置に電力を転送する動作を暫定的に中止し、動作コイルを決定するためにステップＳ９１０からまた遂行することができる。

【0109】

このように、本発明に従う多重コイル方式の無線電力転送装置は、受信装置が動作コイル及びその隣接コイルの重畳領域に置かれて損失電力量が大きくなってもＦＯＤ動作が頻繁に遂行されることを防いで不要なＦＯＤ動作による充電中断現象を防げるようにする。

【0110】

本発明は、記載された実施形態に限定されるものでなく、本発明の思想及び範囲を逸脱することなく、多様に修正及び変形できることは、この技術の分野で通常の知識を有する者に自明である。したがって、そのような修正例または変形例は本発明の特許請求の範囲に属するというべきである。

【符号の説明】

【0111】

１００ 無線電力転送装置
１１０ 電力変換部
１２０ 通信部
１３０ 制御部
１４０ 電源部
２００ 電子機器
２１０ 電力受信部
２２０ 通信部
２３０ 制御部
２５０ 負荷
３００ 無線電力転送装置
３１０ 電力変換部
３３０ 制御部
３５０ システム制御部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】