KR101153179B1 - 공진 주파수 선택 기반 무선충전 방법 및 장치 - Google Patents

공진 주파수 선택 기반 무선충전 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자기공명 방식에서의 공진 주파수(Resonance Frequency) 선택에 기반하여 무선충전을 수행하는 방법 및 장치에 대한 것이다. 이를 위해 제 1 통신 모듈, 스케줄러 및 자기공명 방식 무선 충전을 위한 충전 모듈을 포함한 무선 충전 장치가 하나 이상의 기기들에 무선 충전을 수행하는 방법은, 무선충전을 위한 무선 충전 모듈 및 제 2 통신 모듈을 포함하는 하나 이상의 기기들의 상기 제 2 통신 모듈로부터 정적 제어 정보(Static Control Information)를 수신하는 단계; 상기 수신된 정적 제어 정보를 고려하여, 소정 간격 이상 이격된 공진 주파수들 각각에 상기 하나 이상의 기기들을 할당하는 단계; 상기 하나 이상의 기기들의 상기 제 2 통신 모듈로부터 동적 제어 정보(Dynamic Control Information)를 제 1 주기 마다 수신하는 단계; 각 충전 스테이지별로 상기 정적 제어 정보 및 해당 충전 스테이지에 앞서 수신된 상기 동적 제어 정보 중 하나 이상을 고려하여 상기 공진 주파수들 중 어느 하나를 선택하는 단계; 및 상기 선택된 공진 주파수를 이용하여 각 충전 스테이지별로 상기 선택된 공진 주파수에 할당된 기기를 무선충전하는 단계를 포함한다.

Description

공진 주파수 선택 기반 무선충전 방법 및 장치{Method And Apparatus For Wireless Charging Based on The Resonance Frequency Selection}
본 발명은 무선 충전에 대한 것으로서, 구체적으로 자기공명 방식에서의 공진 주파수(Resonance Frequency) 선택에 기반하여 무선충전을 수행하는 방법 및 장치에 대한 것이다.
일상 생활에서 사용하는 거의 모든 가전제품, 휴대기기와 사무용 기기 그리고 산업용 기기들은 발전소에서 유선으로 공급되는 전기 에너지를 사용하고 있다. 하지만, 최근 다양한 휴대기기의 발달과 광범위한 사용은 유선 전력 공급이 휴대기기에 적합한 전력 공급원이 아님을 보여주고 있다. 일상 생활의 필수품이 된 휴대폰의 경우 배터리를 모두 소모한 경우 쉽게 아무 곳에서나 충전하기 어려운 문제도 발생하며, 랩탑(LAP TOP) 컴퓨터의 사용 또한 늘어나면서 배터리의 용량과 무게의 문제는 더욱 심각한 상황으로 부각되고 있는 실정이다. 따라서 사무실에서나 산업체에서 에너지 전달이 무선으로 이루어질 수 있다면 경제적, 산업적 측면에서 새로운 혁명적 변화가 있으리라 예상할 수 있다.
본 발명은 상술한 산업적 수요를 해결하고자 무선으로 하나 이상의 기기들을 충전할 수 있는 방법 및 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
무선 충전을 수행함에 있어서, 사용자 기기들의 충전 가능 위치가 보다 자유로운 자기공명 방식 무선충전 방법을 이용하는 것을 제안하며, 사용자 기기들의 채널 상태, 충전률 및 우선순위 등을 고려하여 효율적으로 무선충전을 스케줄링하는 기법을 제공하고자 한다.
상술한 바와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에서는 제 1 통신 모듈, 스케줄러 및 자기공명 방식 무선 충전을 위한 충전 모듈을 포함한 무선 충전 장치가 하나 이상의 기기들에 무선 충전을 수행하는 방법을 제공한다. 본 방법은 무선충전을 위한 무선 충전 모듈 및 제 2 통신 모듈을 포함하는 하나 이상의 기기들의 상기 제 2 통신 모듈로부터 정적 제어 정보(Static Control Information)를 수신하는 단계; 상기 수신된 정적 제어 정보를 고려하여, 소정 간격 이상 이격된 공진 주파수들 각각에 상기 하나 이상의 기기들을 할당하는 단계; 상기 하나 이상의 기기들의 상기 제 2 통신 모듈로부터 동적 제어 정보(Dynamic Control Information)를 제 1 주기 마다 수신하는 단계; 각 충전 스테이지별로 상기 정적 제어 정보 및 해당 충전 스테이지에 앞서 수신된 상기 동적 제어 정보 중 하나 이상을 고려하여 상기 공진 주파수들 중 어느 하나를 선택하는 단계; 및 상기 선택된 공진 주파수를 이용하여 각 충전 스테이지별로 상기 선택된 공진 주파수에 할당된 기기를 무선충전하는 단계를 포함한다.
이때, 상기 정적 제어 정보는 기기별 식별 정보 및 우선순위 클래스 정보를 포함할 수 있다. 또한, 상기 정적 제어 정보는 기기별 지원 가능한 공진 주파수 정보를 포함할 수 있다. 상기 동적 제어 정보는 기기별 채널 상태 정보 및 충전률을 포함할 수 있다.
상기 무선 충전 방법은, 상기 기기별 채널 상태 정보, 충전률 및 우선순위 클래스 정보를 이용하여 기기별 효용 함수 값을 산정하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 이 경우 상기 공진 주파수 선택 단계는 상기 기기별 효용 함수 값에 기반하여 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 공진 주파수들 각각에는 하나의 기기가 할당될 수 있으며, 이 경우 상기 공진 주파수 선택 단계에서 선택되는 공진 주파수 각각은 하나의 기기에 대응할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시형태에 따르면, 상기 공진 주파수들 각각에는 복수의 기기들이 할당될 수 있으며, 이 경우 상기 공진 주파수 선택 단계에서 선택되는 공진 주파수 각각은 복수의 기기들에 대응할 수 있다. 이러한 실시형태는 상기 공진 주파수 선택 단계에서 각 공진 주파수당 할당된 복수의 기기들의 효용함수값의 합을 고려하여 상기 공진 주파수들 중 하나를 선택하도록 할 수 있다.
상기 제 1 주기는 상기 충전 스테이지를 구성하는 시간 단위의 정수배에 대응할 수 있다.
구체적인 일 실시형태에서, 상기 기기별 효용 함수 값은, 상기 기기별 우선순위 클래스 정보에 기반한 우선순위(W), 상기 기기별 채널 상태 정보에 기반한 충전 효율(G), 및 상기 기기별 충전률에 기반한 시급률(Q)의 함수로 결정될 수 있으며, 이때 상기 시급률은 상기 기기별 충전률에서 소정 임계값을 뺀 값으로 결정되며, 상기 공진 주파수 선택 단계에서 상기 시급률이 양의 값을 가지는 기기들에 할당된 공진 주파수만이 선택에 고려될 수 있다.
상기 제 1 통신 모듈 및 상기 제 2 통신 모듈은 WPAN(Wireless Personal Area Network) 모듈 또는 WLAN(Wireless Local Area Network) 모듈일 수 있다.
또한, 상기 충전 모듈은 캐패시턴스(C) 및 인덕턴스(L) 중 하나 이상을 조절할 수 있는 코일을 포함할 수 있다.
상술한 바와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 일 측면에서는 자기 공명 방식 무선 충전을 위한 충전 모듈을 포함하는 하나 이상의 기기들로부터, 상기 기기들의 제1 통신 모듈을 통해 기기별 식별 정보, 채널 상태 정보, 충전률 및 우선순위 클래스 정보를 수신하기 위한 제2 통신 모듈; 소정 간격 이상 이격된 공진 주파수들 각각에 하나 이상의 기기들을 할당하고, 상기 제 2 통신 모듈로부터 수신된 상기 기기별 채널 상태 정보, 충전률 및 우선순위 클래스 정보를 고려하여 각 충전 스테이지별로 상기 공진 주파수들 중 하나를 선택하도록 구성된 스케줄러; 및 각 충전 스테이지별로 상기 스케줄러에 의해 선택된 공진 주파수를 이용하여 상기 선택된 공진 주파수에 할당된 기기를 무선충전하는 무선 충전 모듈을 포함하는 무선충전 장치를 제안한다.
상기 제 2 통신 모듈은 상기 기기들의 제 1 통신 모듈로부터 각 기기별 지원 가능한 공진 주파수 정보를 추가적으로 수신할 수 있으며, 이 경우 상기 스케줄러는 상기 각 기기별 지원 가능한 공진 주파수 정보에 기반하여 상기 공진 주파수들 각각에 상기 기기들을 할당할 수 있다.
상기 스케줄러는 상기 기기별 채널 상태 정보, 충전률 및 우선순위 클래스 정보를 이용하여 기기별 효용 함수 값을 산정하고, 상기 기기별 효용 함수 값에 기반하여 상기 하나 이상의 공진 주파수를 선택할 수 있다.
또한, 상기 스케줄러는 상기 공진 주파수들 각각에 하나의 기기를 할당할 수도, 복수의 기기를 할당할 수도 있다. 만일, 공진 주파수들 각각에 복수의 기기들이 할당된 경우, 상기 스케줄러는 각 공진 주파수당 할당된 복수의 기기들의 효용함수값의 합을 고려하여 상기 공진 주파수들 중 하나를 선택할 수 있다.
또한, 상기 통신 모듈은 상기 공진 주파수 할당 이전에 상기 기기별 식별 정보 및 우선순위 클래스 정보를 수신하며, 상기 충전 스테이지를 구성하는 시간 단위의 정수배에 대응하는 주기로 상기 기기별 채널 상태 정보 및 충전률을 수신할 수 있다.
상기 기기별 효용 함수 값은, 상기 기기별 우선순위 클래스 정보에 기반한 우선순위(W), 상기 기기별 채널 상태 정보에 기반한 충전 효율(G), 및 상기 기기별 충전률에 기반한 시급률(Q)의 함수로 결정될 수 있다. 구체적인 예에서, 상기 시급률은 상기 기기별 충전률에서 소정 임계값을 뺀 값으로 결정될 수 있으며, 상기 스케줄러는 상기 시급률이 양의 값을 가지는 기기들에 할당된 공진 주파수만을 선택할 수도 있다.
상기 충전 모듈은 기기별로 할당된 공진 주파수에서 공진이 발생하도록 설정되는 캐패시턴스(C) 및 인덕턴스(L)를 가지는 코일을 포함할 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 실시형태들에 따를 경우, 충전 대상 기기들의 상황에 맞추어 효율적으로 무선충전을 수행할 수 있다.
또한, 공진 주파수 할당을 위한 정적 제어 신호와 각 충전 스테이지별로 필요한 동적 제어 정보의 수신 시점 및 빈도를 결정하여, 무선 충전 시스템의 시그널링 오버헤드를 최소화하고, 동작을 간단하게 할 수 있다.
일부 실시형태들의 경우, 하나의 공진 주파수에 복수의 기기들이 할당된 경우에 대해서도 효율적인 무선 충전 스케줄링이 이루어지도록 하는 해결책을 제시하고 있다.
도 1은 본 발명이 적용될 수 있는 홈 네트워킹 환경에서의 무선충전 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 무선충전 장치가 코일의 간격을 조정하여 공진 주파수를 조정하는 방법의 일례를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 무선충전 장치가 코일의 간격을 조정하여 공진 주파수를 조정하는 방법의 또 다른 일례를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시형태에 따라 무선충전을 수행하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 무선충전 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시형태를 시스템 측면에서 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 일 실시형태를 시스템 측면에서 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 형태를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면과 함께 이하에 개시될 상세한 설명은 본 발명의 예시적인 실시형태를 설명하고자 하는 것이며, 본 발명이 실시될 수 있는 유일한 실시형태를 나타내고자 하는 것이 아니다. 이하의 상세한 설명은 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위해서 구체적 세부사항을 포함한다. 그러나, 당업자는 본 발명이 이러한 구체적 세부사항 없이도 실시될 수 있음을 안다.
몇몇 경우, 본 발명의 개념이 모호해지는 것을 피하기 위하여 공지의 구조 및 장치는 생략되거나, 각 구조 및 장치의 핵심기능을 중심으로 한 블록도 형식으로 도시될 수 있다. 또한, 본 명세서 전체에서 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용하여 설명한다.
아울러, 이하의 설명에 있어서 사용자 기기(User Equipment: UE)는 이동 단말(Mobile Terminal), 노트북 PC (Laptop PC), MS(Mobile Station) 등을 포함하는 것을 가정한다. 또한, 혼동이 없는 경우 사용자 기기는 단순히 기기로 지칭될 수도 있다.
도 1은 본 발명이 적용될 수 있는 홈 네트워킹 환경에서의 무선충전 개념을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명이 적용되는 홈 네트워킹 환경 하에서 각 기기들은 제어 신호를 교환하기 위한 통신 모듈 및 무선 충전을 위한 충전 모듈을 포함하는 것을 가정한다. 통신 모듈로는 WPAN (Wireless Personal Area Network), WLAN (Wireless Local Area Network) 등이 적용될 수 있으나, 그 밖에도 다양한 통신 모듈이 이용될 수 있다. 무선 충전을 위한 충전 모듈로는 유도 결합(Inductive Coupling) 방식과 공진 결합(Resonance Coupling)이 이용 가능하다. 각각의 방식에 대해서는 이하에서 자세히 후술하기로 한다. 도 1에서 무선충전 대상이 되는 기기들의 예로서, TV 리모컨(130), 핸드폰(140), 노트북(150), 밥솥(160), 식기세척기(170), 토스터(180) 등을 예로서 도시하고 있으나, 이에 한정될 필요는 없다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 무선충전 장치(Charger)는 큰 배터리 용량을 가질 수 있으나, 이동성이 적어 안정적으로 전력을 공급할 수 있는 기기가 적절하며, 도 1에서는 TV(110), 냉장고(120) 등을 그 예로 도시하고 있다. 특히, TV(110), 냉장고(120) 등의 경우, 자체적인 디스플레이를 이용하여 홈 네트워킹 환경에서 기기들에 대한 정보를 확인하고, 사용자의 제어 정보를 입력 받기에 적합한 장점을 가진다.
본 발명의 일 실시형태에서는 모든 기기들에 일률적으로 무선 충전 서비스를 제공하는 것이 아니라, 각 기기들의 현재 상황(충전 시급도, 채널 상태)나, 각 기기들의 고유 특성(할당된 공진 주파수, 무선충전 서비스에 있어서의 우선순위) 등을 고려하여 각 충전 스테이지마다 효율적으로 무선 충전을 스케줄링하는 방식을 제안한다. 이하에서 후술할 바와 같이 자기공명 방식 무선 충전의 경우, 공진 주파수에 따라 충전 대상 기기를 선택할 수 있기 때문에, 대상 기기들의 상황에 대한 정보를 통해 효율성 및 공평성을 고려하여 무선충전을 제공하는 것이 보다 효과적일 것이다. 이를 위해 무선충전 장치는 WPAN/WLAN 등 통신 모듈을 구비하여 기기들과 상술한 제어 정보를 교환할 수 있는 것이 요구된다.
이와 같은 무선충전 스케줄링을 제공하는 스케줄러는, 효율적인 충전과 시그널링 오버헤드를 최소화하기 위해 무선충전 장치 내에 구비되는 것이 바람직하다. 이를 통해, 스케줄러에 의해 선택된 대상 기기 또는 공진 주파수에 바로 무선충전 서비스를 제공할 수 있다.
한편, 이하에서는 무선 충전 모듈의 구체적인 동작 원리에 대해 설명한다.
유도 결합(Inductive Coupling) 방식은, 인접한 두 개의 코일(coil) 중 1차 코일(coil)에 흐르는 전류의 세기를 변화시키면 그 전류에 의해 자기장이 변화하고, 이로 인하여 2차 코일(coil)을 지나는 자속이 변하게 되어 2차 코일(coil)측에 유도 기전력이 생기게 되는 원리는 이용한다. 즉, 이 방식에 따르면, 두 개 도선을 공간적으로 움직이지 않고도 두 개 코일(coil)을 근접시킨 채 1차 코일(coil)의 전류만 변화시키면 유도 기전력이 생기게 된다. 이 경우, 주파수 특성은 크게 영향을 받지 않으나, 각 코일(coil)을 포함하는 송신 장치 및 수신 장치 사이의 배열(Alignment) 및 거리(Distance)에 따라 전력 효율이 영향을 받게 된다.
반면, 공진 결합(Resonance Coupling) 방식은, 일정 거리가 떨어진 두 개의 코일(coil) 중 1차 코일(coil)에 공진 주파수(Resonance Frequency)를 인가하여 발생한 자기장 변화량 중 일부가 동일한 공진 주파수의 2차 코일(coil)에 인가되어 2차 코일(coil)에서 유도 기전력이 발생하게 되는 원리를 이용한다. 즉, 이 방식에 따르면, 송수신 장치가 각각 동일 주파수로 공진하는 경우 전자파가 근거리 전자장을 통해 전달되게 되므로, 주파수가 다르면 에너지 전달이 없게 된다. 이 경우, 주파수의 선택이 중요한 문제가 될 수 있으며, 본 발명의 일 실시형태에 따른 스케줄러는 각 충전 스테이지별로 충전 서비스를 제공할 공진 주파수를 선택하도록 구성되는 것을 제안한다. 소정 거리 이상 이격된 공진 주파수간에는 서로간에 에너지 전달이 없으므로, 이와 같은 공진 주파수 선택을 통해 충전 대상 기기를 선택할 수 있다. 만일, 하나의 공진 주파수에 하나의 기기만이 할당되는 경우, 공진 주파수의 선택은 곧 충전 대상 기기를 선택하는 의미를 가질 수도 있다.
이와 같은 자기 공명 방식 무선 충전 기법은 유도 결합 방식에 비해, 각 코일(coil)을 포함하는 송신 장치 및 수신 장치 사이의 배열(Alignment) 및 거리(Distance)가 상대적으로 전력 효율에 덜 영향을 주는 장점이 있다.
본 발명의 일 실시형태에서는 기기들의 충전 모듈이 이와 같은 공진 결합 방식을 이용하는 자기공명 방식 무선 충전이 가능하도록 설정되는 것을 가정한다.
자기공명 방식 무선 충전 방식의 간단한 일례를 설명한다.
자기공명 방식 무선 충전을 위해서는 전력 송신측 및 수신측이 각각 코일을 포함하며, 송신측과 수신측의 코일 각각에서 인접 코일 사이의 간격(d), 길이, 회전수에 의해 결정되는 인덕턴스(Inductance, L) 및 코일사이의 간격(d)과 코일의 면적에 의해 결정되는 캐패시턴스(Capacitance, C) 값에 따라 다음과 같이 공진 주파수(f)가 결정될 수 있다.
Figure 112010083845801-pat00001
공진 주파수가 상기 수학식 1과 같이 결정될 때 무선충전 장치는 상기 인덕턴스(L) 또는 캐패시턴스(C)를 조절하여 공진 주파수를 변경할 수 있으며, 이에 따라 각 충전 스테이지에서 선택된 공진 주파수로 무선충전 서비스를 제공할 수 있다.
도 2는 무선충전 장치가 코일의 간격을 조정하여 공진 주파수를 조정하는 방법의 일례를 설명하기 위한 도면이다.
도 2에 도시된 일례에서는 평판형 코일의 중심부에 회전 모터를 위치시켜 코일의 캐패시턴스(C)를 조절함으로써 공진 주파수를 조정하는 방식을 도시하고 있다. 코일의 캐패시턴스(C)는 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112010083845801-pat00002
즉, 도 2b와 같은 기본 상태 코일에서 중심부 회전 모터를 시계방향으로 회전시키는 경우, 도 2a에 도시된 바와 같이 코일 사이의 간격(d)이 감소하게 되며, 반대로 도 2b와 같은 기본 상태 코일에서 중심부 회전 모터를 반시계방향으로 회전시키는 경우, 도 2c에 도시된 바와 같이 코일 사이의 간격(d)은 증가하게 된다.
이를 통해 무선충전 장치는 무선충전 서비스를 제공할 공진 주파수를 선택할 수 있다.
도 3은 무선충전 장치가 코일의 간격을 조정하여 공진 주파수를 조정하는 방법의 또 다른 일례를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 나선형 코일을 이용하여, 나선형 코일의 양 끝단을 선형 모터 등을 이용하여 조절함으로써 코일 사이의 거리(d)를 조정할 수 있는 것을 도시하고 있다.
도 2 및 3의 예는 본 발명의 일 실시형태에 따른 무선충전 장치가 공진 주파수를 선택하기 위해 이용할 수 있는 구체적인 예를 설명하기 위한 것으로서, 본 발명에 따른 무선충전 장치는 다른 원리를 통해 공진 주파수를 선택할 수도 있다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시형태에 따라 무선충전을 수행하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
본 실시형태에서는 상술한 바와 같이 스케줄러가 충전 대상 기기들의 충전 시급도 등을 고려하여 각 충전 스테이지마다 공진 주파수를 선택하여 무선 충전을 수행하는 것을 제안한다. 또한, 무선 충전을 위한 공진 주파수들 각각에 충전 대상 기기들을 할당함에 있어서도 각 기기별 제어 정보를 활용할 수 있다.
이를 위해 먼저, 본 실시형태에 따른 무선 충전 장치는 충전 대상 기기들로부터 공진 주파수 할당을 위한 제어 정보를 수신할 수 있다(S410). 공진 주파수 할당을 위한 제어 정보로는 각 충전 대상 기기들의 식별자(ID), 충전 대상 기기들의 배터리 용량, 무선 충전 서비스에 있어서의 우선순위 클래스 정보 등이 포함될 수 있다. 이와 같은 정보들은 이후 각 충전 스테이지마다 또는 충전 스테이지의 시간 영역에서의 소정 배수 주기로 수신받는 동적 제어 정보(Dynamic Control Information)와 비교하여, 정적 제어 정보(Static Control Information)으로 지칭될 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시형태에서는 상술한 정적 제어 정보로서 충전 대상 기기가 지원하는 후보 공진 주파수 정보를 수신할 수 있다. 예를 들어, 특정 사용자 기기(노트북 PC)의 경우 지원 가능한 공진 주파수가 미리 결정되어 있거나, 제한된 수의 공진 주파수만이 이용가능할 수도 있다. 따라서, 본 실시형태에 따른 무선 충전 장치는 충전 대상 기기들로부터 각 기기들이 지원 가능한 공진 주파수 정보를 공진 주파수 할당을 위해 수신할 수 있다.
이와 같이 수신된 제어 정보(정적 제어 정보)를 기반으로 각 기기들에 공진 주파수를 할당할 수 있다(S420). 각 공진 주파수별로 하나의 기기가 할당될 수도 있으며, 경우에 따라서는 하나의 공진 주파수에 복수의 기기들이 할당될 수도 있다. 예를 들어, 특정 공진 주파수만을 지원하는 사용자 기기가 2 이상이고, 이들 모두에 대해 무선 충전 서비스를 제공해야 하는 경우, 해당 공진 주파수에 이들 모두를 할당할 수밖에 없을 것이다. 이를 기반으로 본 실시형태에 따른 무선 충전 장치는 무선 충전을 위한 공진 주파수별로 할당된 기기들의 ID 정보들을 저장할 수 있다.
이와 같이 각 충전 대상 기기에 공진 주파수가 할당된 경우, 본 실시형태에 따른 무선 충전 장치는 각 충전 스테이지별로 무선 충전을 수행할 공진 주파수를 선택하여, 선택된 공진 주파수에 할당된 기기들에 무선 충전 서비스를 제공할 수 있다. 이를 위해 무선충전 장치는 충전 대상 기기들로부터 각 충전 스테이지별로, 또는 각 충전 스테이지의 시간 영역 단위의 수정 배수 주기로 충전 대상 기기들로부터 채널 상태, 충전률 등의 동적 정보를 수신할 수 있다(S430). 또한, 각 기기의 우선순위 클래스 정보 역시 동적으로 변경될 수 있으므로, 이러한 정보도 동적 정보에 포함될 수 있다.
자기공명 방식 무선 충전에 사용되는 공진 주파수는 일반적으로 제어 정보 전송/데이터 전송에 이용되는 무선 통신 주파수와 구분되어 독립적으로 동작할 수 있도록 설정되는 것이 바람직하지만, 공진 주파수 대역에 따라 또는 홈 네트워크 환경에서 이용되는 통신 방식에 따라 서로간에 간섭을 줄 수 있다. 따라서, 이와 같은 간섭의 정도(무선 통신에서 느끼는 간섭, 무선충전에서 느끼는 간섭) 등을 채널 상태 정보로서 무선충전 장치의 스케줄러에 제공할 필요가 있으며, 무선충전 장치의 스케줄러는 이를 고려하여 무선 충전에 이용할 공진 주파수를 선택하는 것이 바람직하다.
또한, 각 충전 대상 기기별로 충전 시급도가 다를 수 있다. 특정 기기의 경우 배터리의 잔존 전력이 거의 없어 바로 충전이 시급한 반면, 다른 기기의 경우 몇회의 충전 스테이지를 대기한다고 하더라도 큰 영향이 없을 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에서는 충전 대상 기기들이 자신의 배터리의 충전률(Empty Ratio)를 주기적으로 무선충전 장치의 스케줄러에 제공하여, 스케줄러가 이를 고려하여 각 스테이지에서 무선 충전 서비스를 제공할 공진 주파수를 선택하도록 할 수 있다. 구체적으로, 충전 시급도(charging Emergency Rate)는 다음과 같이 결정되는 것을 가정한다.
Figure 112010083845801-pat00003
상기 수학식 3에서 Empty RatioThreshold는 각 기기별 우선순위 클래스 또는 기기별 특성에 따라 결정될 수 있다. 상기 수학식 3에 따라 특정 기기의 경우 충전 시급도가 음의 값을 가지는 경우도 있을 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에서는 이와 같이 충전 시급도가 음의 값을 가지는 경우, 해당 충전 스테이지에서 대상 기기를 무선 충전 대상에서 제외하고 고려하는 것을 제안한다. 본 발명의 또 다른 일 실시형태에서는 충전 시급도가 음의 값을 가지는 경우에도 다른 인자를 고려한 효용함수 값을 고려하는 방식을 제안한다. 이들 실시형태에 대해서는 이하 수학식 5 및 6과 관련하여 상세히 후술하기로 한다.
이와 같은 동적 정보를 고려하여 무선 충전 장치는 공진 주파수를 선택하고(S440), 선택된 공진 주파수를 이용하여 이에 할당된 기기들에 무선 충전을 수행할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서는 이와 같은 동적 제어 정보들을 이용하여 각 대상 기기들의 효용함수 값을 산정하고, 이에 기반하여 공진 주파수를 선택하는 것을 제안한다. 간단한 예로서 각 공진 주파수당 대상 기기가 하나씩만 할당되어 있는 경우의 효용함수의 일례에 대해 먼저 설명한다. 이 경우, 간단하게 공진 주파수의 선택은 대상 기기 ID의 선택으로 볼 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 무선충전 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5에서 각 기기들은 고유의 ID를 가지고 있으며, 무선충전을 수행하는 충전자를 포함하여 각 기기들이 12, 32, 27, 43과 같은 ID를 가지는 것을 가정한다. 이와 같은 정보를 통해 무선충전 장치는 각 기기에 공진 주파수를 할당할 수 있다. 충전 대상 기기들은 채널 상태(Efficiency), 충전률(Empty Ratio), 우선순위 클래스(Priority Class) 정보를 무선충전 기기의 스케줄러에 전송할 수 있고, 본 예에서는 다음과 같은 정보를 수신하는 경우를 가정한다.
Figure 112010083845801-pat00004
이와 같은 제어 정보에 기반하여 무선충전 장치는 다음 정보를 산정할 수 있다.
Figure 112010083845801-pat00005
표 2의 예에서 채널 이득(g)는 각 기기들로부터 수신한 채널 상태(Efficiency) 계수를 그대로 이용한 경우를 예시하고 있으며, 시급도(q)는 상기 수학식 3과 관련하여 상술한 바와 같이 각 기기로부터 수신한 충전률에서 일정 임계값을 감한 값을 이용할 수 있다. 이 경우, ID 27, 43인 기기들의 경우 충전 시급도가 음의 값을 가질 수 있으며, 본 발명의 일 실시형태에서는 이와 같이 충전 시급도가 음의 값을 가지는 경우는 공진 주파수 선택 단계에서 고려되지 않도록 할 수 있다. 또 다른 실시형태에서는 이와 같이 충전 시급도가 음의 값을 가지더라도 다른 인자들까지 모두 고려한 값을 통해 공진 주파수 선택을 수행하도록 할 수 있다. 이에 대해서는 후술한다.
또한, 표 2의 예에서 가중치(w)는 각 기기들로부터 수신한 우선순위 클래스를 고려하여 높은 우선순위 클래스인 기기에 높은 가중치를 부여한 예를 도시하고 있다.
본 실시예에서는 무선충전 장치가 각 기기들로부터 표 1과 같은 정보를 수신하고, 이에 기반하여 표 2와 같은 정보를 산출하는 경우를 가정하여 설명하지만, 각 기기들이 표 2와 같은 정보를 직접 전송하도록 할 수도 있다.
각 충전 스테이지의 시간 단위를 충전 슬롯(slot)으로 규정하고, 매 슬롯마다 충전 대상 기기의 ID값인 i를 선택하는 것을 가정하면, 공진 주파수 선택은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112010083845801-pat00006
상기 수학식 4는 g, q, w를 통해 규정되는 효용함수값(U) 중 가장 큰 효용함수값을 가지는 ID인 i*를 선택하는 알고리즘을 나타내고 있다. 물론, 여기서 고려되는 i로는 무선충전 장치 자신의 ID를 제외한다(도 5에서 12).
가장 간단한 효용함수의 예로서 다음과 같은 알고리즘을 제안한다.
Figure 112010083845801-pat00007
상기 수학식 5에서 n은 충전 슬롯 인덱스를 나타내며, g[n]은 충전 슬롯 n에서의 채널 이득(g)을 나타낸다. q[n]+는 다음과 같이 규정되는 것을 가정한다.
Figure 112010083845801-pat00008
즉, 충전 슬롯 n에서 충전 시급도 q값이 음인 경우 q[n]+는 0으로, 음이 아닌 경우 해당 q[n] 값이 q[n]+으로 규정될 수 있다. 만일, 상기 수학식 5에서
Figure 112010083845801-pat00009
가 0인 경우, 충전 시급도가 음의 값을 가진 기기는 공진 주파수 선택에 있어서 고려되지 않는 것을 의미한다.
한편, 상기 수학식 5에서 q[n]+가 q[n]이 음인 경우에도 그대로 q[n]값으로 설정되며,
Figure 112010083845801-pat00010
가 q[n] 음인 경우에도 (
Figure 112010083845801-pat00011
+ q[n])이 음이 아니도록 설정되는 경우, 이는 충전 시급도가 음인 경우에도 다른 인자를 고려한 효용함수값을 고려하는 실시형태에 따른 것이다.
상기 도 5의 실시예에 이러한 알고리즘을 적용하는 경우, 어느 경우이든 ID가 32인 기기가 해당 충전 슬롯에서 무선충전 서비스를 제공받을 것이다.
한편, 각 공진 주파수(f)에 복수개의 기기들이 할당되어 있는 경우에 대해 살펴본다. 이와 같이 전체 또는 일부 공진 주파수에 복수의 기기들이 할당되어 있는 경우, 기본적으로 해당 공진 주파수에 할당된 기기들의 효용함수들의 합을 고려하여, 전체 공진 주파수들 중 최대 효용함수 값(또는 효용함수들의 합산 값)을 가지는 공진 주파수를 선택하는 것을 제안한다. 이를 다음 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112010083845801-pat00012
상기 수학식 7에서 f는 본 실시형태에 따른 무선충전 장치가 이용할 수 있는 공진 주파수 집합에 포함되는 공진 주파수들을 나타내며, xi,f[n]은 ID값이 i인 기기가 공진 주파수 f에 할당된 경우에는 1, 그렇지 않은 경우에는 0을 나타내는 함수값이다.
한편, 본 발명의 바람직한 일 실시형태에서는 상기 수학식 7의 우측에 나타낸 바와 같이 충전 대상 기기들이 해당 공진 주파수에서 데이터 통신을 수행하는 경우, 이들 데이터 통신에 대한 간섭까지 고려하는 것을 제안한다. 예를 들어, 충전 대상 기기의 ID가 i인 기기가 주파수 f에서 데이터 통신을 수행하는 경우 yi, f[n]은 1, 그렇지 않은 경우에는 0의 값을 가지며, 따라서, 주파수 f에서 데이터 통신을 수행하는 기기가 많을수록 해당 주파수 f에서의 효용함수 값은 작아지게 된다. 여기서,
Figure 112010083845801-pat00013
는 각 기기가 공진 주파수 f를 통해 데이터 통신을 수행하는 경우 해당 주파수에서의 효용함수값에 미치는 간섭의 정보를 나타내는 계수를 나타낸다. 상기 수학식 7과 같이 전체 또는 일부 공진 주파수에 복수의 기기들이 할당되어 있는 경우, 각 공진 주파수별 효용함수값을 산정하고 이에 기반하여 공진 주파수 선택을 수행할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시형태를 시스템 측면에서 설명하기 위한 도면이다.
도 6에 도시된 무선 충전 시스템에 따르면, 각 충전 대상 기기들은 무선충전 장치에 무선 충전을 위한 등록을 수행하고, 각각의 충전 모듈을 가동시킬 수 있다(S610). 이와 같은 등록 요청을 수신한 무선 충전 장치(도 6의 코디네이터(coordinator))는 각 기기들에 공진 주파수를 할당할 수 있다(S620).
이후 충전 모드(S630)로 들어가면, 무선충전 장치는 충전 대상 기기들로부터 제어 정보를 수신하고, 이에 기반하여 대상 기기(공진 주파수)를 선택하여 무선충전을 수행할 수 있다(S640). 충전 대상 기기들의 경우, 자신이 전송한 충전 정보에 기반하여 선택된 경우 충전 인터페이스를 가동하여 무선충전을 수행하고(S650), 선택받지 못한 충전 슬롯에서는 충전 인터페이스를 가동하지 않고, 휴면 모드에 있을 수 있다(S660). 이와 같은 충전 모드(S630)를 거친 후, 각 기기들은 무선 충전을 위한 가입을 해지하고, 무선충전 모듈의 활성화를 해제할 수 있다.
도 7은 본 발명의 또 다른 일 실시형태를 시스템 측면에서 설명하기 위한 도면이다.
본 실시형태에서는 상술한 실시형태들과는 달리 고정된 공진 주파수로 무선충전 장치 및 충전 대상 기기들이 튜닝하여, 하나의 공진 주파수로 무선충전을 수행하는 경우를 가정한다. 이를 위해 무선 충전 장치뿐만 아니라 충전 대상 기기들도 정해진 공진 주파수로 무선 충전용 공진 주파수를 튜닝할 수 있도록 설정될 것이 필요하다.
먼저, 충전 대상 기기들은 무선충전 장치에 무선 충전을 위한 등록을 수행하고, 충전 모듈을 가동시킬 수 있다(S710). 이와 같이 무선 충전을 위한 등록을 수행하는 경우, 본 실시형태에 따른 무선 충전 장치는 충전 대상 기기들이 지원 가능한 공진 주파수 중 하나를 선택하여, 이를 충전 대상 기기들에 알려 주고, 충전 대상 기기들은 이 공진 주파수로 무선 충전 모듈을 튜닝할 수 있다(S720). 이와 같이 무선충전 장치 및 충전 대상 기기들이 특정 공진 주파수로 튜닝을 완료한 후, 충전 모드(S730)에 진입할 수 있다.
본 실시형태의 경우, 매 충전 슬롯마다 제어 정보의 교환 없이 고정된 공진 주파수로 무선 충전을 수행하는 것이 가능하다(S740, S750). 즉, 모든 기기들이 하나의 공진 주파수를 이용하여 무선 충전을 수행 가능하므로, 매 충전 슬롯마다 별도의 스케줄링이 필요하지 않다.
이와 같이 간단한 방식으로 무선 충전을 수행한 후, 충전 대상 기기들은 가입을 해지하고, 충전 모듈을 비활성화시킬 수 있다(S760).
도 6의 실시형태와 도 7의 실시형태의 절충적인 실시형태는 특정 공진 주파수에 복수의 기기들이 할당되어 있고, 다른 공진 주파수에는 하나의 기기가 할당되어 있는 경우를 들을 수 있다. 이 경우에도, 무선 충전 장치는 각 충전 대상 기기들로부터 (동적) 제어 정보를 소정 주기로 수신할 것이 요구되며, 이를 기반으로 상기 수학식 7과 같이 고려하여 공진 주파수를 선택하여 무선 충전을 수행할 수 있다.
상술한 바와 같이 개시된 본 발명의 바람직한 실시형태들에 대한 상세한 설명은 당업자가 본 발명을 구현하고 실시할 수 있도록 제공되었다. 상기에서는 본 발명의 바람직한 실시형태들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 당업자는 상술한 실시형태들에 기재된 각 구성을 서로 조합하는 방식으로 이용할 수 있다.
따라서, 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다.
상술한 바와 같은 무선충전을 위한 방법 및 장치는 홈 네트워크 환경에 적용되기에 적절하다. 다만, 홈 네트워크 환경 이외에도 통신 모듈과 무선 충전 모듈을 구비한 기기들이 존재하는 다양한 환경에서 동일한 방식으로 적용될 수 있다.

Claims (26)

  1. 제 1 통신 모듈, 스케줄러 및 자기공명 방식 무선 충전을 위한 충전 모듈을 포함한 무선 충전 장치가 하나 이상의 기기들에 무선 충전을 수행하는 방법에 있어서,
    무선충전을 위한 무선 충전 모듈 및 제 2 통신 모듈을 포함하는 하나 이상의 기기들의 상기 제 2 통신 모듈로부터 정적 제어 정보(Static Control Information)를 수신하는 단계;
    상기 수신된 정적 제어 정보를 고려하여, 소정 간격 이상 이격된 공진 주파수들 각각에 상기 하나 이상의 기기들을 할당하는 단계;
    상기 하나 이상의 기기들의 상기 제 2 통신 모듈로부터 동적 제어 정보(Dynamic Control Information)를 제 1 주기 마다 수신하는 단계;
    각 충전 스테이지별로 상기 정적 제어 정보 및 해당 충전 스테이지에 앞서 수신된 상기 동적 제어 정보 중 하나 이상을 고려하여 상기 공진 주파수들 중 어느 하나를 선택하는 단계; 및
    상기 선택된 공진 주파수를 이용하여 각 충전 스테이지별로 상기 선택된 공진 주파수에 할당된 기기를 무선충전하는 단계를 포함하는, 무선충전 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 정적 제어 정보는 기기별 식별 정보 및 우선순위 클래스 정보를 포함하는, 무선 충전 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 정적 제어 정보는 기기별 지원 가능한 공진 주파수 정보를 포함하는, 무선 충전 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 동적 제어 정보는 기기별 채널 상태 정보 및 충전률을 포함하는, 무선 충전 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 정적 제어 정보는 기기별 식별 정보 및 우선순위 클래스 정보를, 상기 동적 제어 정보는 기기별 채널 상태 정보 및 충전률을 포함하며,
    상기 무선 충전 방법은,
    상기 기기별 채널 상태 정보, 충전률 및 우선순위 클래스 정보를 이용하여 기기별 효용 함수 값을 산정하는 단계를 더 포함하며,
    상기 공진 주파수 선택 단계는 상기 기기별 효용 함수 값에 기반하여 수행되는, 무선충전 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 공진 주파수들 각각에는 하나의 기기가 할당되며,
    상기 공진 주파수 선택 단계에서 선택되는 공진 주파수 각각은 하나의 기기에 대응하는, 무선충전 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 공진 주파수들 각각에는 복수의 기기들이 할당되며,
    상기 공진 주파수 선택 단계에서 선택되는 공진 주파수 각각은 복수의 기기들에 대응하는, 무선충전 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 공진 주파수 선택 단계에서 각 공진 주파수당 할당된 복수의 기기들의 효용함수값의 합을 고려하여 상기 공진 주파수들 중 하나를 선택하는, 무선충전 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 공진 주파수 선택 단계에서 각 공진 주파수당 할당된 복수의 기기들의 효용함수값의 합에서 각 공진 주파수에서 데이터 통신을 수행하는 기기들의 간섭값을 뺀 값을 고려하여 상기 공진 주파수들 중 하나를 선택하는, 무선충전 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 주기는 상기 충전 스테이지를 구성하는 시간 단위의 정수배에 대응하는, 무선충전 방법.
  11. 제 5 항에 있어서,
    상기 기기별 효용 함수 값은,
    상기 기기별 우선순위 클래스 정보에 기반한 우선순위(W), 상기 기기별 채널 상태 정보에 기반한 충전 효율(G), 및 상기 기기별 충전률에 기반한 시급률(Q)의 함수로 결정되는, 무선충전 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 시급률은 상기 기기별 충전률에서 소정 임계값을 뺀 값으로 결정되는, 무선충전 방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 통신 모듈 및 상기 제 2 통신 모듈은 WPAN(Wireless Personal Area Network) 모듈 또는 WLAN(Wireless Local Area Network) 모듈인, 무선충전 방법.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 충전 모듈은 캐패시턴스(C) 및 인덕턴스(L) 중 하나 이상을 조절할 수 있는 코일을 포함하는, 무선충전 방법.
  15. 자기 공명 방식 무선 충전을 위한 충전 모듈을 포함하는 하나 이상의 기기들로부터, 상기 기기들의 제1 통신 모듈을 통해 기기별 식별 정보, 채널 상태 정보, 충전률 및 우선순위 클래스 정보를 수신하기 위한 제2 통신 모듈;
    소정 간격 이상 이격된 공진 주파수들 각각에 하나 이상의 기기들을 할당하고, 상기 제 2 통신 모듈로부터 수신된 상기 기기별 채널 상태 정보, 충전률 및 우선순위 클래스 정보를 고려하여 각 충전 스테이지별로 상기 공진 주파수들 중 하나를 선택하도록 구성된 스케줄러; 및
    각 충전 스테이지별로 상기 스케줄러에 의해 선택된 공진 주파수를 이용하여 상기 선택된 공진 주파수에 할당된 기기를 무선충전하는 무선 충전 모듈을 포함하는, 무선충전 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제 2 통신 모듈은 상기 기기들의 제 1 통신 모듈로부터 각 기기별 지원 가능한 공진 주파수 정보를 추가적으로 수신하며,
    상기 스케줄러는 상기 각 기기별 지원 가능한 공진 주파수 정보에 기반하여 상기 공진 주파수들 각각에 상기 기기들을 할당하는, 무선충전 장치.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 스케줄러는 상기 기기별 채널 상태 정보, 충전률 및 우선순위 클래스 정보를 이용하여 기기별 효용 함수 값을 산정하고, 상기 기기별 효용 함수 값에 기반하여 상기 하나 이상의 공진 주파수를 선택하는, 무선충전 장치.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 스케줄러는 상기 공진 주파수들 각각에 하나의 기기를 할당하며, 상기 스케줄러가 선택하는 공진 주파수 각각은 하나의 기기에 대응하는, 무선충전 장치.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 스케줄러는 상기 공진 주파수들 각각에 복수의 기기들을 할당하며, 상기 스케줄러가 선택하는 공진 주파수 각각은 복수의 기기들에 대응하는, 무선충전 장치.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 스케줄러는 각 공진 주파수당 할당된 복수의 기기들의 효용함수값의 합을 고려하여 상기 공진 주파수들 중 하나를 선택하는, 무선충전 장치.
  21. 제 19 항에 있어서,
    상기 스케줄러는 각 공진 주파수당 할당된 복수의 기기들의 효용함수값의 합에서 각 공진 주파수에서 데이터 통신을 수행하는 기기들의 간섭값을 뺀 값을 고려하여 상기 공진 주파수들 중 하나를 선택하는, 무선충전 장치.
  22. 제 15 항에 있어서,
    상기 통신 모듈은 상기 공진 주파수 할당 이전에 상기 기기별 식별 정보 및 우선순위 클래스 정보를 수신하며, 상기 충전 스테이지를 구성하는 시간 단위의 정수배에 대응하는 주기로 상기 기기별 채널 상태 정보 및 충전률을 수신하는, 무선충전 장치.
  23. 제 17 항에 있어서,
    상기 기기별 효용 함수 값은,
    상기 기기별 우선순위 클래스 정보에 기반한 우선순위(W), 상기 기기별 채널 상태 정보에 기반한 충전 효율(G), 및 상기 기기별 충전률에 기반한 시급률(Q)의 함수로 결정되는, 무선충전 장치.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 시급률은 상기 기기별 충전률에서 소정 임계값을 뺀 값으로 결정되는, 무선충전 장치.
  25. 제 15 항에 있어서,
    상기 제 1 통신 모듈 및 상기 제 2 통신 모듈은 WPAN(Wireless Personal Area Network) 모듈 또는 WLAN(Wireless Local Area Network) 모듈인, 무선충전 장치.
  26. 제 15 항에 있어서,
    상기 충전 모듈은 기기별로 할당된 공진 주파수에서 공진이 발생하도록 설정되는 캐패시턴스(C) 및 인덕턴스(L)를 가지는 코일을 포함하는, 무선충전 장치.
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