KR101225089B1 - Multi-node wireless charging base station hardware platform using magnetic resonance induction and energy transmission unit thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 자기공진유도 방식을 이용하여 다수의 기기를 무선 충전할 수 있는 멀티노드 무선 충전 베이스 스테이션 하드웨어 플랫폼과 그 에너지 전송부에 관한 것으로서, 본 발명의 멀티노드 무선 충전 베이스 스테이션 하드웨어 플랫폼은, 상기 무선 충전 베이스 스테이션의 주요기능을 제어하기 위한 MCU, 상기 MCU에 클럭을 제공하는 클럭 생성기, 무선 충전을 위한 전력 공급원인 전원을 제어하는 전원 제어부 및 통신 제어부를 포함하는 플랫폼 제어 모듈과, 부하에 따른 최적화된 상태로 전력 전송을 제어하는 최적화부와 에너지 전송부 및 통신부를 포함하는 충전 통신 융합 하드웨어 모듈과, 에너지를 무선 전송하는 안테나와 상기 에너지 전송부와 상기 안테나 사이의 인터페이스를 제공하는 안테나 인터페이스부를 포함하는 안테나 모듈을 포함한다.The present invention relates to a multi-node wireless charging base station hardware platform capable of wirelessly charging a plurality of devices by using a magnetic resonance induction method, and an energy transmission unit thereof. A platform control module including an MCU for controlling main functions of a wireless charging base station, a clock generator for providing a clock to the MCU, a power control unit for controlling a power source as a power supply for wireless charging, and a communication control unit, A charging communication fusion hardware module including an optimizer for controlling power transmission in an optimized state and an energy transmitter and a communication unit, an antenna interface unit providing an antenna for wirelessly transmitting energy, and an interface between the energy transmitter and the antenna. Including antenna module to include The.

Figure R1020110006850
Figure R1020110006850

Description

멀티노드 무선 충전 베이스 스테이션 하드웨어 플랫폼 및 그 에너지 전송부{Multi-node wireless charging base station hardware platform using magnetic resonance induction and energy transmission unit thereof } Multi-node wireless charging base station hardware platform using magnetic resonance induction and energy transmission unit

본 발명은 무선 충전 베이스 스테이션 하드웨어 플랫폼에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 자기공진유도 방식을 이용하여 다수의 기기를 무선 충전할 수 있는 멀티노드 무선 충전 베이스 스테이션 하드웨어 플랫폼과 그 에너지 전송부에 관한 것이다.The present invention relates to a wireless charging base station hardware platform, and more particularly, to a multi-node wireless charging base station hardware platform capable of wirelessly charging a plurality of devices using a magnetic resonance induction method and an energy transmitter thereof.

무선으로 에너지를 전달하는 무선 전력 전송 기술로서 자기유도 현상을 이용한 무선 충전 시스템이 사용되고 있다. A wireless charging system using a magnetic induction phenomenon is being used as a wireless power transmission technology for transferring energy wirelessly.

예컨대, 전동칫솔 또는 무선 면도기 등이 전자기 유도의 원리로 충전되며, 최근에는 전자기 유도를 이용하여 휴대전화나 PDA, MP3 플레이어, 노트북 컴퓨터와 같은 휴대기기를 충전할 수 있는 무선충전제품들이 출시되고 있다. For example, electric toothbrushes or wireless shavers are charged with the principle of electromagnetic induction. Recently, wireless charging products for charging mobile devices such as mobile phones, PDAs, MP3 players, and notebook computers using electromagnetic induction have been introduced. .

그러나, 하나의 코일에서 다른 코일로 자기장을 통해 전류를 유도하는 자기유도 방식은 코일 사이의 거리 및 상대적 위치에 매우 민감하여 두 코일 사이의 거리가 약간 떨어지거나 틀어져도 전송 효율이 급속히 떨어진다. 이에 따라 이러한 자기유도 방식의 충전 시스템은 수 cm 이하의 근거리에서만 사용할 수 있다는 약점이 있다.However, the magnetic induction method of inducing current through a magnetic field from one coil to another is very sensitive to the distance and relative position between the coils, so that the transmission efficiency drops rapidly even if the distance between the two coils is slightly dropped or twisted. Accordingly, such a magnetic induction type charging system has a weak point that it can be used only at a short distance of a few cm or less.

한편, 미국특허 7,741,735호에서는 공진장의 감쇄파 결합에 기반을 둔 비방사형 에너지 전달 방식을 개시하고 있다. 이는 두 개의 동일한 주파수를 갖는 공진체가 주위의 다른 비공진체와는 영향을 미치지 않지만 서로 커플링하려는 경향을 가지는 점을 이용한 것으로 기존의 전자기 유도에 비하여 먼 거리까지 에너지를 전달할 수 있는 기술로서 소개되고 있다. On the other hand, US Patent 7,741,735 discloses a non-radiative energy transfer method based on the attenuation wave coupling of the resonant field. This is because two resonators with the same frequency do not affect other non-resonators around them, but they tend to couple with each other and are introduced as a technology that can transfer energy over a long distance compared to conventional electromagnetic induction. .

그러나 공진을 이용하여 무선으로 에너지를 전송하는 시스템에서 다수의 수신측이 있을 경우에는 공진이 이루어지는 모든 수신측 기기로 전력이 전송되어 비효율적이다. However, when there are a plurality of receivers in a system for transmitting energy wirelessly using resonance, power is transmitted to all receiver apparatuses where resonance occurs, which is inefficient.

본 발명은 상술한 바와 같은 기술적 배경에서 안출된 것으로서, 다수의 무선 충전기기를 대상으로 효율적인 충전을 제공할 수 있는 자기공진유도 방식의 멀티노드 무선 충전 베이스 스테이션 하드웨어 플랫폼과 그 에너지 전송부를 제공하는 것을 그 과제로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above technical background, and provides a self-resonant multi-node wireless charging base station hardware platform capable of providing efficient charging for a plurality of wireless chargers and an energy transmitter thereof. It is a task.

본 발명의 다른 과제는 자기장 통신을 이용하여 다수의 노드를 효율적으로 충전할 수 있는 자기공진유도 방식의 멀티노드 무선 충전 베이스 스테이션 하드웨어 플랫폼과 그 에너지 전송부를 제공하고자 하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a magnetic resonance-induced multi-node wireless charging base station hardware platform and its energy transmitter capable of efficiently charging a plurality of nodes using magnetic field communication.

이와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명에서는 다수의 무선 충전기기로 자기공진유도 방식으로 전력을 송신하는 멀티노드 무선 충전 베이스 스테이션이 제공되는바, 본 발명의 일면에 따른 멀티노드 무선 충전 베이스 스테이션은, 상기 무선 충전 베이스 스테이션의 주요기능을 제어하기 위한 MCU, 상기 MCU에 클럭을 제공하는 클럭 생성기, 무선 충전을 위한 전력 공급원인 전원을 제어하는 전원 제어부 및 통신 제어부를 포함하는 플랫폼 제어 모듈과, 부하에 따른 최적화된 상태로 전력 전송을 제어하는 최적화부와 에너지 전송부 및 통신부를 포함하는 충전 통신 융합 하드웨어 모듈과, 에너지를 무선 전송하는 안테나와 상기 에너지 전송부와 상기 안테나 사이의 인터페이스를 제공하는 안테나 인터페이스부를 포함하는 안테나 모듈을 포함하여 이루어진다.In order to solve the above problems, the present invention provides a multi-node wireless charging base station that transmits power in a self-resonance induction manner to a plurality of wireless chargers. The multi-node wireless charging base station according to an aspect of the present invention includes: A platform control module including an MCU for controlling main functions of a wireless charging base station, a clock generator for providing a clock to the MCU, a power control unit for controlling a power source as a power supply for wireless charging, and a communication control unit, A charging communication fusion hardware module including an optimizer for controlling power transmission in an optimized state and an energy transmitter and a communication unit, an antenna interface unit providing an antenna for wirelessly transmitting energy, and an interface between the energy transmitter and the antenna. This includes the antenna module included Eojinda.

여기에서, 상기 통신 제어부는 USB/RS-232/Ethernet 인터페이스를 제공하는 USB/RS-232/Ethernet 통신 블록과 자기장 통신 인터페이스를 제공하는 자기장 통신 블록을 포함할 수 있으며, 상기 최적화부는 상기 무선 충전 베이스 스테이션과 충전하고자 하는 상기 무선 충전기기 사이의 공진효율을 개선하기 위한 공진효율 개선부와 상기 무선 충전 베이스 스테이션과 충전하고자 하는 상기 무선 충전기기 사이에서 자기공진유도 방식으로 전달되는 무선 전력 이외의 에너지 방출을 최소화하는 비의도 에너지 방출 최소화부를 포함할 수 있다. Herein, the communication control unit may include a USB / RS-232 / Ethernet communication block providing a USB / RS-232 / Ethernet interface and a magnetic field communication block providing a magnetic field communication interface, and the optimizer includes the wireless charging base. Emission of energy other than wireless power transmitted in a magnetic resonance induction method between the resonance efficiency improving unit for improving the resonance efficiency between the station and the wireless charger to be charged and the wireless charging base station and the wireless charger to be charged It may include an unintentional energy emission minimization unit to minimize the.

상기 에너지 전송부는 시스템 버스로 연결되는 다수의 슬롯을 포함하는 것이 바람직하며, 상기 다수의 슬롯은 LF LP(Low Frequency Low Power) 모드, LF HP(Low Frequency High Power) 모드, HF LP(High Frequency Low Power) 및 HF HP(High Frequency High Power) 모드 슬롯을 포함할 수 있다.Preferably, the energy transmitter includes a plurality of slots connected to a system bus, and the plurality of slots may include a low frequency low power (LF LP) mode, a low frequency high power (LF HP) mode, and a high frequency low HF LP. Power and HF High Frequency High Power (HP) mode slots.

또한, 상기 LF LP 모드 슬롯은 자기장 통신 블록을 포함하는 것이 바람직하며, 상기 다수의 슬롯 각각은 인버터 방식 또는 파워 앰프 방식의 에너지 전송 회로를 포함할 수 있다.In addition, the LF LP mode slot preferably includes a magnetic field communication block, each of the plurality of slots may include an inverter type or a power amplifier type energy transmission circuit.

상기 안테나 모듈은 듀얼 밴드 전송을 위하여 LF(Low Frequency) 안테나와 HF(High Frequency) 안테나를 포함하는 것이 바람직하다.The antenna module preferably includes a low frequency (LF) antenna and a high frequency (HF) antenna for dual band transmission.

본 발명의 다른 면에 따르면, 다수의 무선 충전기기로 자기공진유도 방식으로 전력을 송신하는 멀티노드 무선 충전 베이스 스테이션의 에너지 전송부가 제공되며, 이는 시스템 버스로 연결되는 다수의 슬롯에 장착하도록 형성된다.According to another aspect of the invention, there is provided an energy transmitter of a multi-node wireless charging base station that transmits power in a self-resonant manner to a plurality of wireless chargers, which are configured to be mounted in a plurality of slots connected to a system bus.

본 발명에 따르면, 자기공진유도 방식을 이용한 멀티노드 무선 충전 베이스 스테이션이 다수의 무선 충전기기를 효율적으로 충전할 수 있으며, 전체 멀티노드 무선 충전 시스템의 충전 과정을 효율적으로 관리할 수 있다. According to the present invention, the multi-node wireless charging base station using the magnetic resonance induction method can efficiently charge a plurality of wireless chargers, and can efficiently manage the charging process of the entire multi-node wireless charging system.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 자기공진유도 방식을 이용한 멀티노드 무선 충전 시스템의 전체 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 무선 충전 베이스 스테이션의 구성을 자세히 나타낸 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 무선 충전 베이스 스테이션의 구성을 기능블록으로 나타낸 것이다.
도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 실시예에 따른 무선 충전 시스템에서 무선 충전의 Link Budget을 위한 시스템 사양 분석과 시스템 Budget 설계를 위해 사용한 Simulink Model을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 무선 충전 베이스 스테이션의 주요사양을 정리한 표이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 무선 충전 베이스 스테이션의 에너지 전송부를 나타낸 블록도이다.
도 7 및 도 8은 도 6에 나타난 슬롯의 구성을 각각 나타내는 블록도이다.
1 is a block diagram schematically showing the overall configuration of a multi-node wireless charging system using a magnetic resonance induction method according to an embodiment of the present invention.
2 is a block diagram showing in detail the configuration of a wireless charging base station according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 shows the configuration of a wireless charging base station according to an embodiment of the present invention as a functional block.
4A to 4E illustrate a Simulink Model used for system specification analysis and system budget design for Link Budget of wireless charging in a wireless charging system according to an embodiment of the present invention.
5 is a table summarizing the main specifications of the wireless charging base station according to an embodiment of the present invention.
6 is a block diagram illustrating an energy transmitter of a wireless charging base station according to an embodiment of the present invention.
7 and 8 are block diagrams showing the configuration of the slots shown in FIG. 6, respectively.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. Advantages and features of the present invention, and methods of achieving the same will become apparent with reference to the embodiments described below in detail in conjunction with the accompanying drawings. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as being limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art. Is provided to fully convey the scope of the invention to those skilled in the art, and the invention is only defined by the scope of the claims. It is to be understood that the terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. In the present specification, the singular form includes plural forms unless otherwise specified in the specification. It is noted that the terms "comprises" and / or "comprising" used in the specification are intended to be inclusive in a manner similar to the components, steps, operations, and / Or additions.

이하에서, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 따른 자기공진유도 방식을 이용한 멀티노드 무선 충전 시스템에 대하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, a multi-node wireless charging system using a magnetic resonance induction method according to an embodiment of the present invention will be described in detail.

도 1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 자기공진유도 방식을 이용한 멀티노드 무선 충전 시스템은 자기공진유도 방식을 통해 무선으로 전력을 공급하는 무선 충전 베이스 스테이션(10)과, 무선 충전 베이스 스테이션(10)과 소정의 거리만큼 떨어진 곳에 위치하며 무선 충전 베이스 스테이션(10)으로부터 무선으로 전력을 공급받는 다수의 무선 충전기기(50_1, 50_2, .., 50_N)를 포함하여 구성된다. As shown in FIG. 1, the multi-node wireless charging system using the magnetic resonance induction method according to an embodiment of the present invention includes a wireless charging base station 10 that wirelessly supplies power through a magnetic resonance induction method, and a wireless charging base. A plurality of wireless chargers 50_1, 50_2,... 50_N, which are located at a predetermined distance from the station 10, and are wirelessly powered from the wireless charging base station 10, are included.

자기공진유도 방식은 송신 안테나와 수신 안테나 사이의 공진에 의하여 에너지의 무선 전송 효율을 극대화시키는 방법이다. 이를 위하여 무선 충전 베이스 스테이션(10)과 무선 충전기기(50_1, 50_2, .., 50_N) 사이의 공진 주파수를 맞추어 공진 채널을 형성하고 이를 통하여 무선 전력을 송신한다. Magnetic resonance induction is a method of maximizing the wireless transmission efficiency of energy by the resonance between the transmitting antenna and the receiving antenna. To this end, a resonance channel is formed by matching a resonance frequency between the wireless charging base station 10 and the wireless chargers 50_1, 50_2,..., 50_N to transmit wireless power.

무선 충전 베이스 스테이션(10)은 무선 충전기기(50_1, 50_2, .., 50_N)와 자기장 통신을 통해 충전기기의 식별정보, 종류, 위치, 또는 충전상태를 포함하는 무선 충전기기(50_1, 50_2, .., 50_N)의 정보를 수신할 수 있으며, 이와 같은 충전 정보를 바탕으로 무선 충전기기(50_1, 50_2, .., 50_N)로 전력을 전송할 수 있다. The wireless charging base station 10 may communicate with the wireless chargers 50_1, 50_2,..., 50_N through the magnetic field communication, and may include the wireless chargers 50_1, 50_2, including identification information, type, location, or state of charge of the charger. ..., 50_N) may be received, and power may be transmitted to the wireless chargers 50_1, 50_2,..., 50_N based on the charging information.

무선 충전 베이스 스테이션(10)은 자기장 통신과 무선 충전을 동시에 수행하기 위하여 듀얼 밴드(고주파 대역 및 저주파 대역)로 구성된다. 저주파 밴드는 통상 자기장 통신과 원거리 충전을 위해 사용되며, 고주파 밴드는 고효율 충전을 위해 사용될 수 있다. 또한 저주파 및 고주파 밴드 각각에 대하여 저출력 및 고출력 모드를 사용하여 충전할 수 있다. The wireless charging base station 10 is composed of dual bands (high frequency band and low frequency band) to simultaneously perform magnetic field communication and wireless charging. Low frequency bands are typically used for magnetic field communication and remote charging, while high frequency bands can be used for high efficiency charging. In addition, the low frequency and high frequency bands can be charged using the low power and high power modes, respectively.

무선 충전 베이스 스테이션(10)은 고정형 또는 이동형으로 구현될 수 있으며, 고정형으로 구현될 경우 실내에서는 천장이나 테이블 등의 가구 등에 설치될 수 있고, 실외에서는 버스 정류장이나 지하철역 등에 임플란트 형식으로 설치될 수 있으며, 무선 충전 베이스 스테이션(10)이 차량이나 기차, 지하철과 같은 이동체의 내부에 설치될 수도 있다. 무선 충전 베이스 스테이션(10)이 이동형으로 구현되는 경우에는, 무선 충전 베이스 스테이션(10) 자체가 별도의 이동형 장치로 구현될 수도 있고, 노트북 컴퓨터의 덮개 등과 같이 다른 디지털 기기의 일부로서 구현될 수도 있다. Wireless charging base station 10 may be implemented in a fixed or mobile, if the fixed type can be installed indoors, such as the ceiling or table furniture, and in the outdoors can be installed in the form of implants such as bus stops and subway stations The wireless charging base station 10 may be installed inside a moving object such as a vehicle, a train or a subway. When the wireless charging base station 10 is implemented as a mobile, the wireless charging base station 10 itself may be implemented as a separate mobile device, or may be implemented as part of another digital device such as a cover of a notebook computer. .

무선 충전기기(50_1, 50_2, .., 50_N)는 각종 모바일 단말기, 디지털 카메라, 노트북 컴퓨터 등 배터리를 구비하는 모든 디지털 기기를 포함할 수 있으며, 지중, 수중, 건물 내부 등 접근이 용이하지 않은 곳에 배치되는 센서 및 계측기 등의 전자기기가 될 수도 있다. The wireless chargers 50_1, 50_2, .., 50_N may include all digital devices including batteries such as various mobile terminals, digital cameras, and notebook computers, and are not easily accessible to underground, underwater, and inside buildings. It may also be an electronic device such as a sensor and a measuring instrument.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 자기공진유도 방식을 이용한 멀티노드 무선 충전 시스템의 무선 충전 베이스 스테이션(10)의 구성을 자세히 나타낸 블록도이다.2 is a block diagram showing in detail the configuration of the wireless charging base station 10 of the multi-node wireless charging system using the magnetic resonance induction method according to an embodiment of the present invention.

도 2에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 무선 충전 베이스 스테이션(10)은 크게 플랫폼 제어모듈(100), 충전 통신 융합 하드웨어 모듈(200) 및 안테나 모듈(300)을 포함하여 이루어진다.As shown in FIG. 2, the wireless charging base station 10 according to the embodiment of the present invention includes a platform control module 100, a charging communication fusion hardware module 200, and an antenna module 300.

플랫폼 제어모듈(100)은 무선 충전 베이스 스테이션(10)의 주요기능을 제어하기 위한 MCU(120), Clock generator(110), 전원 제어부(140), 아날로그 제어부(150), 디버깅과 상태 모니터링 등을 위한 표시부(LCD)(160) 및 통신 제어부(130)를 포함한다. 통신 제어부(130)는 USB/RS-232/Ethernet 인터페이스를 제공하는 블록(132)과 자기장 통신 인터페이스를 제공하는 블록(134)을 포함한다.The platform control module 100 controls the MCU 120, the clock generator 110, the power controller 140, the analog controller 150, debugging and status monitoring for controlling the main functions of the wireless charging base station 10. A display unit (LCD) 160 and a communication control unit 130. The communication control unit 130 includes a block 132 for providing a USB / RS-232 / Ethernet interface and a block 134 for providing a magnetic field communication interface.

충전 통신 융합 하드웨어 모듈(200)은 최적화된 충전을 제공하기 위한 최적화부(210), 통신부(220) 및 에너지 전송부(230)를 포함한다. 최적화부(210)는 부하에 따른 최적화된 상태로 전력 전송을 제어하기 위하여 공진효율 개선부(212)와 비의도 에너지 방출 최소화부(214)를 포함한다. 통신부(220)는 아날로그 및 디지털 모듈(222, 224)을 포함하며, 에너지 전송부(230)는 충전 거리와 에너지 전송 효율, 지향성 극복 등의 효율적인 충전을 위하여 LF 및 HF 모듈(232, 234)을 포함한다. The charging communication fusion hardware module 200 includes an optimizer 210, a communicator 220, and an energy transmitter 230 to provide optimized charging. The optimizer 210 includes a resonance efficiency improver 212 and an unintentional energy emission minimizer 214 to control power transmission in an optimized state according to a load. The communication unit 220 includes analog and digital modules 222 and 224, and the energy transmitter 230 uses the LF and HF modules 232 and 234 for efficient charging such as charging distance, energy transmission efficiency and directivity. Include.

안테나 모듈(300)은 충전 통신 융합 하드웨어 모듈(200)의 에너지 전송부(230)와 안테나(320) 사이의 인터페이스를 제공하는 안테나 인터페이스부(310)와 안테나(320)를 포함한다. 안테나 인터페이스부(310)는 다시 임피던스 매칭부(312)와 마그네틱 트랩퍼(314)를 포함하며, 안테나(320)는 듀얼 밴드 전송을 위해 LF 안테나(322)와 HF 안테나(324)를 포함한다.The antenna module 300 includes an antenna interface 310 and an antenna 320 that provide an interface between the energy transmitter 230 and the antenna 320 of the charging communication fusion hardware module 200. The antenna interface 310 again includes an impedance matching unit 312 and a magnetic trapper 314, and the antenna 320 includes an LF antenna 322 and an HF antenna 324 for dual band transmission.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 자기공진유도 방식을 이용한 멀티노드 무선 충전 시스템의 무선 충전 베이스 스테이션(10)의 구성을 기능블록으로 나타낸 것이다.Figure 3 shows the configuration of the wireless charging base station 10 of the multi-node wireless charging system using a magnetic resonance induction method according to an embodiment of the present invention as a functional block.

도 3에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 무선 충전 베이스 스테이션(10)은 무선 충전기기(50_1, 50_2, .., 50_N)의 최적 충전 모드를 선택하기 위하여 충전기기의 충전상태 정보를 분류하는 기능블록과 충전기기의 위치와 상황정보를 저장 및 판독하여 하드웨어에 설정된 리소스를 제어하는 기능블록을 갖는다.As shown in FIG. 3, the wireless charging base station 10 according to an embodiment of the present invention uses the charging state information of the charger to select the optimal charging mode of the wireless chargers 50_1, 50_2,..., 50_N. It has a functional block to classify and a functional block for controlling the resources set in the hardware by storing and reading the position and status information of the charger.

또, 최적 자기 공진 및 안테나 최적화를 위한 대역폭 변환기능과 LCR 제어회로를 내장한다. LF/HF 무선에너지 송수신 세기, 무선충전 채널 관측값, 충전기기의 위치 상황, 기기들의 충전정보와 간섭정보는 최적의 충전상황을 유지하기 위하여 상태 레지스터에 저장한다. 무선충전 통신융합 시스템의 베이스 스테이션은 LF와 HF 대역의 간섭을 최소화하여 최대 4개의 단말 노드의 동시 충전을 제공한다.It also incorporates a bandwidth conversion function and LCR control circuit for optimal magnetic resonance and antenna optimization. LF / HF wireless energy transmission / reception strength, wireless charging channel observation value, location status of charger, charging information and interference information of devices are stored in status register to maintain optimal charging status. The base station of the wireless charging communication convergence system provides simultaneous charging of up to four terminal nodes by minimizing interference of the LF and HF bands.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 자기공진유도 방식을 이용한 멀티노드 무선 충전 시스템에서 원하는 충전 성능을 얻기 위해서는 주파수 대역, 출력 제어 방식, 출력 범위, 매칭 특성, 유효 충전거리 등의 관계를 주의깊게 고려하여야만 한다. On the other hand, in order to obtain a desired charging performance in the multi-node wireless charging system using the magnetic resonance induction method according to an embodiment of the present invention, carefully consider the relationship between the frequency band, output control method, output range, matching characteristics, effective charging distance, etc. You must do it.

전력 송신기, 즉 무선 충전 베이스 스테이션(10)에서 송신하는 전력은 수신 단말, 즉 무선 충전기기의 수신 상태와 거리를 감안하여 제어되어야 한다. 이렇게 계산된 송신 전력은 경로 손실을 거쳐 무선 충전기기의 안테나로 들어가고 매칭블록을 포함한 전단 블록의 손실을 거쳐 아날로그 전력 수신부로 들어간다. 이 신호는 Voltage Multiplier와 Rectifier를 거처 DC-DC Converter에서 전력 수신부의 수신 특성을 얻게되는데, 이때의 효율 특성이 주요성능을 결정짓게 된다. 안정적인 DC 특성과 배터리 공급을 위한 특성은 LDO Regulator와 Charger 및 Battery Interface를 통해 Battery로 입력된다.The power transmitted from the power transmitter, i.e., the wireless charging base station 10, should be controlled in consideration of the reception state and distance of the receiving terminal, i.e., the wireless charger. The calculated transmission power enters the antenna of the wireless charger through the path loss and enters the analog power receiver through the loss of the front end block including the matching block. This signal obtains the reception characteristics of the power receiver in the DC-DC converter through the voltage multiplier and rectifier, and the efficiency characteristic at this time determines the main performance. Stable DC characteristics and characteristics for battery supply are input to the battery through the LDO regulator, charger and battery interface.

본 발명의 실시예에 따른 자기공진유도 방식을 이용한 멀티노드 무선 충전 시스템의 무선 충전 베이스 스테이션에서는, 무선 충전의 Link Budget을 위한 시스템 사양 분석과 시스템 Budget 설계를 위해 Matlab Simulink Tool을 이용한 베이스 스테이션 플랫폼에 필요한 환경변수를 제어하여 전력전송 기능을 수행할 수 있도록 모델링하였다. In the wireless charging base station of the multi-node wireless charging system using the magnetic resonance induction method according to the embodiment of the present invention, the system specification analysis for the Link Budget of wireless charging and the base station platform using the Matlab Simulink Tool for system budget design It is modeled to perform power transmission function by controlling necessary environmental variables.

도 4a는 Link Budget을 위한 Simulink Model을 나타낸다. 도 4b는 통신블록의 Simulink Model을 보여주고, 도 4c는 Simulink 블록 구성도를 나타낸다. 4A shows a Simulink Model for Link Budget. 4B shows a Simulink Model of a communication block, and FIG. 4C shows a schematic diagram of a Simulink block.

메인 시스템 블록, 모듈 인터페이스를 위한 슬롯, 전력 송신 모듈, 데이터 송수신 모듈, 매칭 회로 블록, 안테나 블록 등의 구성에 있어서 효율을 고려하여야 하며, 베이스 스테이션과 충전 디바이스 간의 효율적인 충전을 위하여 통신과 충전 대역의 동작을 보장할 수 있어야 한다.Efficiency should be considered in the configuration of the main system block, slot for module interface, power transmission module, data transmission / reception module, matching circuit block, antenna block, and the like. Operation must be guaranteed.

도 4a에서 나타난 바와 같이, LF/HF 수전부에서 4W 이상의 충분한 파워를 수신하기 위해서는 출력 파워의 세기, 매칭회로 특성, 유효충전 거리에 민감한 특성을 나타내고, 송전부의 출력파워를 6W에서 20W까지 충분한 power-control이 이뤄져야 함을 알 수 있다. 이때의 RF-frontend 모듈의 손실은 각각의 환경변수에 따라 50% 이상의 손실을 나타낼 수 있다. 따라서, 플랫폼에서 측정치를 입력받아서 충분한 Iteration을 통해 최적화하는 작업이 필수적이다. As shown in FIG. 4A, in order to receive sufficient power of 4 W or more in the LF / HF power receiver, the power is sensitive to the output power, matching circuit characteristics, and effective charging distance, and the output power of the transmitter is sufficient to be 6 W to 20 W. It can be seen that power-control should be achieved. At this time, the loss of the RF-frontend module can represent more than 50% of loss according to each environment variable. Therefore, it is essential to take measurements from the platform and optimize them through sufficient iteration.

도 4d는 환경변수에 따른 LF Simulink 모델링을 보여준다. RF-frontend 모듈의 손실은 매칭특성에 따라 가변될 수 있도록 설정되었고, Power Loop Control 블록의 손실을 0으로 가정한다.4D shows LF Simulink modeling according to environment variables. The loss of the RF-frontend module is set to be variable according to the matching characteristics, and the loss of the Power Loop Control block is assumed to be zero.

도 4e는 HF Simulink 모델링을 보여준다. 수전부 파라미터는 실제 implementation시 나타나는 예측치 못하는 수신 특성의 손실 등을 모두 여기에 넣을 수가 있다. 그러나, 실측치와 모의실험의 상이함을 최대한 줄이기 위하여 실제 측정된 값을 환경변수로 입력받아 반복 모의실험을 수행한다.4E shows HF Simulink modeling. The faucet parameter can contain all of the unforeseen loss of reception characteristics during actual implementation. However, in order to minimize the difference between the measured value and the simulation, the repeated simulation is performed by receiving the actual measured value as the environmental variable.

Simulink 모델과 Link Budget을 통해 LF 대역과 HF 대역에서 필요한 베이스 스테이션 플랫폼의 주요사양을 다음의 [표 1]로 정리하였다. Through the Simulink model and the Link Budget, the main specifications of the base station platform needed in the LF band and the HF band are summarized in the following [Table 1].

항목Item 세부항목Details 사양Specifications 비고Remarks

LF 밴드





LF band



주파수 범위Frequency range 20kHz-1MHz20 kHz-1 MHz 전력 송신시 125kHz125 kHz for power transmission
출력 제어 방식Output control method 가변 DUTY PWM Variable Duty PWM 출력 범위Output range 6W-20W6W-20W 가변, Slot typeVariable, Slot type 전력변환효율Power conversion efficiency >70%> 70% DC to RF 기준DC to RF standard 유효충전거리Effective charge distance >0.2m> 0.2m 통신 변조Communication modulation PSKPSK 자기장 통신 규격Magnetic Field Communication Specification 통신 전송거리Communication distance >1m> 1m

HF 밴드



HF band

주파수 범위Frequency range 6MHz-20MHz6 MHz-20 MHz 전력 송신시 13.56MHz13.56 MHz for power transmission
출력 제어 방식Output control method 가변 DUTYVariable duty 전력변환효율Power conversion efficiency >70%> 70% DC to RF 기준DC to RF standard 출력 범위Output range 6W-20W6W-20W 가변, Slot typeVariable, Slot type 유효충전거리Effective charge distance >0.2m> 0.2m




공통사항









Common




외부 InterfaceExternal Interface EthernetEthernet USB optionUSB option
내부 InterfaceInternal Interface RS-232RS-232 Android 기반 P/F ↔메인보드 Android-based P / F ↔ Mainboard 전원power 24V DC, 5A
3.5Φ잭
24 V DC, 5 A
3.5Φ jack
최대10A option10A option
메인보드 전원
Motherboard power
24V24V 동작전원Operating power
5V, 3.3V5V, 3.3V 시스템 전원System power 모듈 전원
Module power
24V24V 메인 앰프 전원Main amplifier power
5V5V 주변회로 전원Peripheral Circuit Power OSOS AndroidAndroid DisplayDisplay LCDLCD 모듈용 Slot 수Slot number for module 4개4 출력 커넥터Output connector 50ohm BNC Femail50ohm BNC Femail

[표 1]에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 무선 충전 베이스 스테이션(10)은 LF 밴드에서 20kHz 내지 1MHz의 주파수 범위에서 6W 내지 20W의 전력을 송신할 때 70% 이상의 전력변환효율을 갖고, 0.2 m 이상의 유효 충전 거리를 얻을 수 있으며 통신 전송 거리는 1m 이상이다. 또한, HF 밴드에서는 6MHz 내지 20MHz의 주파수 범위에서 6W 내지 20W의 전력을 송신할 때 70% 이상의 전력변환효율을 갖고, 0.2 m 이상의 유효 충전 거리를 얻을 수 있다.As shown in Table 1, the wireless charging base station 10 according to an embodiment of the present invention has a power conversion efficiency of 70% or more when transmitting power of 6W to 20W in the frequency range of 20kHz to 1MHz in the LF band. With this, an effective charging distance of 0.2 m or more can be obtained and the communication transmission distance is 1 m or more. In addition, the HF band has a power conversion efficiency of 70% or more and transmits an effective charging distance of 0.2 m or more when transmitting power of 6W to 20W in the frequency range of 6MHz to 20MHz.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 무선 충전 베이스 스테이션(10)의 에너지 전송부(230)를 좀 더 구체적으로 나타낸 도면이다.5 is a view showing in more detail the energy transmitter 230 of the wireless charging base station 10 according to an embodiment of the present invention.

에너지 전송부(230)는 입력된 주파수의 설정 데이터에 따른 캐리어를 생성하고 이를 RF 처리하여 안테나로 전송하는 블록이다. 본 발명의 실시예에 따른 무선 충전 베이스 스테이션(10)에서 LF 전력 전송 캐리어는 128kHz 대역을 사용하고, HF 전력 전송 캐리어는 13.5MHz 대역을 사용한다. The energy transmitter 230 is a block which generates a carrier according to the input data of the input frequency, RF-processes it, and transmits the same to the antenna. In the wireless charging base station 10 according to the embodiment of the present invention, the LF power transmission carrier uses a 128 kHz band, and the HF power transmission carrier uses a 13.5 MHz band.

에너지 전송부(230)는 메인보드의 다수의 슬롯에 실탈장되는 방식으로 제작될 수 있으며, 도 5에 나타난 바와 같이, 각각 다른 대역 및 출력 모드를 갖는 다수의 슬롯이 실장될 수 있으며, 다수의 슬롯은 시스템 버스로 연결된다. The energy transmitter 230 may be manufactured in a manner of being mounted in a plurality of slots of the main board. As shown in FIG. 5, a plurality of slots having different bands and output modes may be mounted, and a plurality of slots may be mounted. Slots connect to the system bus.

도 5에서는 첫번째 슬롯(232_1)에 LF LP(Low Frequency Low Power) 모드와 자기장 통신부가 할당되고, 두번째 슬롯(232_2)은 LF HP(Low Frequency High Power) 모드가 할당되며, 세번째 슬롯(234_1)과 네번째 슬롯(234_2)에는 각각 HF LP(High Frequency Low Power) 및 HF HP(High Frequency High Power) 모드가 할당되어 있다. In FIG. 5, a low frequency low power (LF LP) mode and a magnetic field communication unit are allocated to a first slot 232_1, a second slot 232_2 is assigned a low frequency high power (LF HP) mode, and a third slot 234_1 The fourth slot 234_2 is assigned an HF LP (High Frequency Low Power) and HF HP (High Frequency High Power) mode, respectively.

이와 같은 슬롯의 수는 4개에 한정되지 않으며, 필요에 따라 줄이거나 늘릴 수 있음은 물론이다. The number of such slots is not limited to four, of course, can be reduced or increased as needed.

도 6 및 도 7은 도 5에 나타난 각 슬롯의 구성을 나타내는 블록도이다. 6 and 7 are block diagrams illustrating the configuration of each slot shown in FIG. 5.

도 6는 도 5의 첫번째 슬롯의 구성을 나타내는데, 도 6에 나타난 바와 같이, LF LP 에너지 전송 회로와 임피던스 매칭 회로가 포함되어 있으며, 자기장 통신을 위한 통신 모듈과 이의 임피던스 매칭 회로를 또한 포함하고 있다. FIG. 6 shows a configuration of the first slot of FIG. 5, and as shown in FIG. 6, an LF LP energy transmission circuit and an impedance matching circuit are included, and a communication module for magnetic field communication and an impedance matching circuit thereof are also included. .

도 7은 도 5의 두번째 내지 네번째 슬롯의 구성을 나타내는데, 도 6과 달리 자기장 통신 기능을 위하여 사용되지 않고 에너지 전송을 위해서만 사용되므로 에너지 전송 회로와 이에 따른 임피던스 매칭 회로만을 포함한다.FIG. 7 shows the configuration of the second to fourth slots of FIG. 5, and unlike FIG. 6, it is not used for the magnetic field communication function but is used only for energy transmission, and thus includes only an energy transmission circuit and an impedance matching circuit.

한편, 도 6의 에너지 전송 회로는 인버터 방식을 사용하는 것으로 도시되어 있고, 도 7의 에너지 전송 회로는 파워 앰프(PA: Power Amplifier) 방식을 사용하는 것으로 도시되어 있지만, 에너지 전송 회로의 구성이 반드시 도 6 및 도 7에 도시된 구성을 따라야 하는 것은 아니며, 에너지 전송부의 각 슬롯에 대하여 인버터 방식 또는 파워 앰프 방식이 필요에 따라 적절히 선택되어 사용될 수 있다. On the other hand, the energy transfer circuit of FIG. 6 is shown as using an inverter scheme, and the energy transfer circuit of FIG. 7 is shown as using a power amplifier (PA) scheme, but the configuration of the energy transfer circuit is necessarily. It is not necessary to follow the configurations shown in FIGS. 6 and 7, and an inverter method or a power amplifier method may be appropriately selected and used for each slot of the energy transmitter.

이상에서 바람직한 실시예를 기준으로 본 발명을 설명하였지만, 본 발명의 장치 및 방법은 반드시 상술된 실시예에 제한되는 것은 아니며 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서, 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에 속하는 한 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다. While the invention has been described in terms of the preferred embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the invention. Accordingly, the appended claims will include such modifications and variations as long as they fall within the spirit of the invention.

10: 무선 충전 베이스 스테이션 50_1, 50_2, .. 50_n: 무선 충전기기
100: 플랫폼 제어모듈 200: 충전 통신 융합 하드웨어 모듈
300: 안테나 모듈 110: Clock generator
120: MCU 130: 통신 제어부
140: 전원 제어부 150: 아날로그 제어부
160: 표시부 210: 최적화부
220: 통신부 230: 에너지 전송부
310: 안테나 인터페이스 320: 안테나
10: Wireless charging base station 50_1, 50_2, .. 50_n: Wireless charger
100: platform control module 200: charging communication fusion hardware module
300: antenna module 110: clock generator
120: MCU 130: communication control unit
140: power control unit 150: analog control unit
160: display unit 210: optimizer
220: communication unit 230: energy transmission unit
310: antenna interface 320: antenna

Claims (12)

다수의 무선 충전기기로 자기공진유도 방식으로 전력을 송신하는 멀티노드 무선 충전 베이스 스테이션 하드웨어 플랫폼으로서,
상기 무선 충전 베이스 스테이션의 주요기능을 제어하기 위한 MCU, 상기 MCU에 클럭을 제공하는 클럭 생성기, 무선 충전을 위한 전력 공급원인 전원을 제어하는 전원 제어부 및 통신 제어부를 포함하는 플랫폼 제어 모듈과,
부하에 따른 최적화된 상태로 전력 전송을 제어하는 최적화부와 에너지 전송부 및 통신부를 포함하는 충전 통신 융합 하드웨어 모듈과,
에너지를 무선 전송하는 안테나와 상기 에너지 전송부와 상기 안테나 사이의 인터페이스를 제공하는 안테나 인터페이스부를 포함하는 안테나 모듈을 포함하는 멀티노드 무선 충전 베이스 스테이션 하드웨어 플랫폼.
A multi-node wireless charging base station hardware platform that transmits power in a self-resonant manner to multiple wireless chargers.
A platform control module including a MCU for controlling main functions of the wireless charging base station, a clock generator for providing a clock to the MCU, a power control unit for controlling a power source that is a power supply source for wireless charging, and a communication control unit;
A charging communication fusion hardware module including an optimizer for controlling power transmission in an optimized state according to a load, an energy transmitter, and a communication unit;
A multi-node wireless charging base station hardware platform comprising an antenna module including an antenna for wirelessly transmitting energy and an antenna interface for providing an interface between the energy transmitter and the antenna.
제1항에 있어서, 상기 통신 제어부는,
USB/RS-232/Ethernet 인터페이스를 제공하는 USB/RS-232/Ethernet 통신 블록과 자기장 통신 인터페이스를 제공하는 자기장 통신 블록을 포함하는 멀티노드 무선 충전 베이스 스테이션 하드웨어 플랫폼.
The method of claim 1, wherein the communication control unit,
Multi-node wireless charging base station hardware platform comprising a USB / RS-232 / Ethernet communication block providing a USB / RS-232 / Ethernet interface and a magnetic field communication block providing a magnetic field communication interface.
제1항에 있어서, 상기 최적화부는,
상기 무선 충전 베이스 스테이션과 충전하고자 하는 상기 무선 충전기기 사이의 공진효율을 개선하기 위한 공진효율 개선부와 상기 무선 충전 베이스 스테이션과 충전하고자 하는 상기 무선 충전기기 사이에서 자기공진유도 방식으로 전달되는 무선 전력 이외의 에너지 방출을 최소화하는 비의도 에너지 방출 최소화부를 포함하는 멀티노드 무선 충전 베이스 스테이션 하드웨어 플랫폼.
The method of claim 1, wherein the optimizer,
Wireless power delivered in a self-resonance induction method between the wireless charging base station and the wireless charging base station and the wireless charging base station to improve the resonant efficiency between the wireless charging base station and the wireless charger to charge A multi-node wireless charging base station hardware platform comprising an unintentional energy release minimizer that minimizes other energy emissions.
제1항에 있어서, 상기 에너지 전송부는,
시스템 버스로 연결되는 다수의 슬롯을 포함하는 멀티노드 무선 충전 베이스 스테이션 하드웨어 플랫폼.
The method of claim 1, wherein the energy transmission unit,
Multi-node wireless charging base station hardware platform with multiple slots connected to the system bus.
제4항에 있어서, 상기 다수의 슬롯은,
LF LP(Low Frequency Low Power) 모드, LF HP(Low Frequency High Power) 모드, HF LP(High Frequency Low Power) 및 HF HP(High Frequency High Power) 모드 슬롯을 포함하는 멀티노드 무선 충전 베이스 스테이션 하드웨어 플랫폼.
The method of claim 4, wherein the plurality of slots,
Multi-node wireless charging base station hardware platform with low frequency low power (LF LP) mode, low frequency high power (LF HP) mode, high frequency low power (HF LP), and high frequency high power (HF HP) mode slots .
제5항에 있어서, 상기 LF LP 모드 슬롯은,
자기장 통신 블록을 포함하는 멀티노드 무선 충전 베이스 스테이션 하드웨어 플랫폼.
The method of claim 5, wherein the LF LP mode slot,
A multi-node wireless charging base station hardware platform comprising a magnetic field communication block.
제4항에 있어서, 상기 다수의 슬롯 각각은,
인버터 방식 또는 파워 앰프 방식의 에너지 전송 회로를 포함하는 멀티노드 무선 충전 베이스 스테이션 하드웨어 플랫폼.
The method of claim 4, wherein each of the plurality of slots,
A multi-node wireless charging base station hardware platform that includes an inverter or power amplifier energy transfer circuit.
제1항에 있어서, 상기 안테나 모듈은,
듀얼 밴드 전송을 위하여 LF(Low Frequency) 안테나와 HF(High Frequency) 안테나를 포함하는 멀티노드 무선 충전 베이스 스테이션 하드웨어 플랫폼.
The method of claim 1, wherein the antenna module,
Multi-node wireless charging base station hardware platform that includes a low frequency (LF) antenna and a high frequency (HF) antenna for dual band transmission.
삭제delete 다수의 무선 충전기기로 자기공진유도 방식으로 전력을 송신하는 멀티노드 무선 충전 베이스 스테이션의 에너지 전송부로서,
시스템 버스로 연결되는 다수의 슬롯에 장착하도록 형성되어 있으며,
상기 다수의 슬롯은 LF LP(Low Frequency Low Power) 모드, LF HP(Low Frequency High Power) 모드, HF LP(High Frequency Low Power) 및 HF HP(High Frequency High Power) 모드 슬롯을 포함하는 멀티노드 무선 충전 베이스 스테이션의 에너지 전송부.
An energy transmitter of a multi-node wireless charging base station that transmits power in a magnetic resonance induction manner to a plurality of wireless chargers,
Is designed to fit into multiple slots that connect to the system bus,
The plurality of slots include a multi-node radio including a low frequency low power (LF LP) mode, a low frequency high power (LF HP) mode, a high frequency low power (HF LP), and a high frequency high power (HF HP) mode slot. Energy transmitter of the charging base station.
제10항에 있어서, 상기 LF LP 모드 슬롯은,
자기장 통신 블록을 포함하는 멀티노드 무선 충전 베이스 스테이션의 에너지 전송부.
The method of claim 10, wherein the LF LP mode slot,
An energy transmitter of a multi-node wireless charging base station comprising a magnetic field communication block.
제10항에 있어서, 상기 다수의 슬롯 각각은,
인버터 방식 또는 파워 앰프 방식의 에너지 전송 회로를 포함하는 멀티노드 무선 충전 베이스 스테이션의 에너지 전송부.

The method of claim 10, wherein each of the plurality of slots,
An energy transmission unit of a multi-node wireless charging base station including an inverter type or a power amplifier type energy transfer circuit.

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