KR101171142B1 - 공진자기유도 기반의 차량용 무선충전장치, 방법 및 시스템 - Google Patents

공진자기유도 기반의 차량용 무선충전장치, 방법 및 시스템 Download PDF

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Abstract

공진자기유도 기반의 차량용 무선충전장치가 개시된다. 공진채널을 이용하여 외부 충전기기와 자기장 통신을 수행하고, 외부 충전기기로 충전파워를 전송하는 복수의 서로 다른 축을 구비하는 다축입체 코일부와, 자기장신호를 패킷 데이터형태로 변환하는 자기장 통신모뎀부와, 충전파워가 전송될 코일을 선택하는 대역선택부 및 충전효율을 고려하여 충전파워를 전송할 대역이 저주파 대역 인지 고주파 대역 인지를 판단하여 고주파 대역 또는 저주파 대역 중 어느 하나를 선택하도록 대역선택부를 제어하는 제어부를 포함한다.
본 발명에 따르면 외부 충전기기의 개수 및 위치에 따라 최적의 충전환경을 제공함으로써 충전효율을 높일 수 있다.
공진, 자기유도, 충전기, 핸드프리, 스마트키

Description

공진자기유도 기반의 차량용 무선충전장치, 방법 및 시스템{APPARATUS, METHOD AND SYSTEM FOR WIRELESS CHARGING FOR VEHICLE USING RESONANCE MAGNETIC INDUCTION}
본 발명은 무선충전장치, 방법 및 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 공진자기유도 방식을 이용하여 충전효율을 높일 수 있는 공진자기유도 기반의 차량용 무선충전장치, 방법 및 시스템에 관한 것이다.
무선으로 전기에너지를 원하는 기기로 전달하는 무선전력전송 기술 중에서 자기유도(magnetic induction) 현상을 이용한 기술은 이미 1800년대에 저기 모터나 변압기에 적용되어 사용되기 시작했다. 예컨대, 전동칫솔 또는 무선 면도기는 전자기 유도의 원리로 충전된다. 하나의 코일에서 다른 코일로 자기장을 통해 전류를 유도하는 자기유도는 양 코일의 상대적 위치와 거리, 부하전력이 정확해야만 하는 이유로 일부 제품에만 적용되어 왔다.
최근에는 전자기유도를 이용하여 핸드폰이나 PDA, MP 3 플레이어, 노트북에까지 충전할 수 있는 무선충전제품들이 출시되고 있다. 이와 관련하여 자기 유도 결합을 통하여 비접촉형, 무접점형 충전방식을 휴대 이동장치에 적용하는 기술이 있다. 그러나 이와같은 기술들은 무선 파워 전송에 있어서 비공진 자기 유도 방식을 사용하기 때문에 크기와 효율성의 문제로 수 ㎜이하의 근거리에서만 사용해야하는 단점이 있었다.
또한, 이와같은 무선충전제품에 통신기능을 추가하여 충전상황을 모니터링 하는 기술이 있으나 충전중에 기기들의 충전상태에 따라서 온 오프를 결정하는 등 단순한 기능만을 제공할 뿐 충전기기의 개수, 무선으로 파워를 전송하기 때문에 충전되는 기기의 위치에 따라 최적화된 충전환경을 제공할 수 없었다.
한편, 차량 내부에서 휴대용 기기의 간편한 충전을 위하여 비스테온(Visteon Corporation)이 자동차용 컵 홀더에 적용한 예가 있으나, 이는 자동차의 12V 전원에 상기 컵 홀더를 연결하여 핸드폰이나 MP 3를 상기 컵 홀더 내부에 장착하며 자동으로 충전되도록 하는 기술일 뿐, 이와 같은 최적화된 충전환경이 차량 운전자의 휴대용 기기 또는 차량 내부의 무선기기에 적용된 예는 없다.
본 발명의 목적은 최적의 충전환경을 제공함으로써 충전효율을 높일 수 있는 공진자기유도 기반의 차량용 무선충전장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 최적의 충전환경을 제공함으로써 충전효율을 놓을 수 있는 공진자기유도 기반의 차량용 무선충전방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 최적의 충전환경을 제공함으로써 충전효율을 높일 수 있는 공진자기유도 기반의 차량용 무선충전시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 공진자기유도 기반의 차량용 무선충전장치는 외부 충전기기의 코일과 공진주파수가 매칭되어 형성되는 공진채널을 이용하여 외부 충전기기와 자기장 통신을 수행하고, 공진채널을 이용하여 외부 충전기기로 충전파워를 전송하는 복수의 서로 다른 축을 구비하는 다축입체 코일부와, 수신되는 자기장신호를 자기장통신 프로토콜을 통해 패킷 데이터형태로 변환하는 자기장 통신모뎀부와, 충전파워가 전송될 코일을 선택하는 대역선택부 및 충전효율을 고려하여 충전파워를 전송할 대역이 저주파 대역 인지 고주파 대역 인지를 판단하여 고주파 대역 또는 상기 저주파 대역 중 어느 하나를 선택하도록 대역선택부를 제어하는 제어부를 포함한다.
다축입체코일부는 저주파 다축입체코일과 고주파 다축입체코일을 포함한다.
저주파 다축입체코일은 공진채널을 이용하여 외부 충전기기와 자기장통신을 수행하고, 외부 충전기기로 충전파워를 전송한다.
고주파 다축입체코일은 자기장통신을 수행하지는 않고 공진채널을 통해 충전파워를 전송한다.
고주파 다축입체코일을 이용한 충전파워 전송효율은 저주파 다축입체코일을 이용한 충전파워 전송효율보다 높다.
제어부는 하나의 외부 충전기기가 감지되는 경우, 대역선택부를 통해 선택되는 다축입체코일 중 최대의 큐팩터(Q-factor) 값을 가지는 코일을 선택하고, 선택된 코일을 통해 충전파워가 전송되도록 제어한다.
또한, 제어부는 감지되는 외부 충전기기가 복수인 경우, 대역선택부를 통해 선택되는 다축입체코일 중 복수의 외부 충전기기를 동시에 충전시킬 수 있는 큐팩터값을 가지는 코일을 선택하고, 선택된 코일을 통해 충전파워가 복수의 외부 충전기기에 전송하도록 제어할 수 있다.
또한, 제어부는 감지되는 외부 충전기기가 복수인 경우, 대역선택부를 통해 선택되는 다축입체코일 중 상기 각각의 외부 충전기기에 대하여 최대의 큐팩터값을 가지는 코일을 각각 선택하고, 시분할(time division)에 의해 상기 선택된 각 코일에 대응하는 외부 충전기기에 상기 충전파워를 전송하도록 제어할 수 있다.
또한, 제어부는 감지되는 외부 충전기기가 존재하지 않는 경우에는 무선충전 장치의 전원을 오프시킬 수 있다.
또한, 제어부는 외부 충전기기와 연동되어 외부 충전기기의 충전상황을 제어하는 차량 내부의 디스플레이 장치에 외부 충전기기의 충전상황을 표시할 수 있다.
차량 내부의 디스플레이 장치는 네비게이션 장치일 수 있다.
다축입체코일은 차량의 시트, 천장, 유리, 도어, 바닥 또는 컵 홀더를 포함하는 차량 내부구조물에 설치될 수 있다.
본 발명의 다른 면에 따른 공진자기유도 기반의 차량용 무선충전방법은 자기장 통신을 통해 차량 내부에 위치하는 외부 충전기기를 감지하고, 외부 충전기기의 충전상태를 인식하는 무선충전환경 인식단계와, 고주파 대역 및 저주파 대역을 포함하는 이중대역(dual band) 중에서 외부 충전기기로 자기장신호를 전송할 대역을 선택하는 대역선택단계와, 상기 선택된 대역에서 외부 충전기기와 무선충전장치 사이에 공진주파수를 매칭시키는 공진채널 형성단계 및 공진채널을 통해 전송되는 자기장신호로부터 유도되는 충전파워를 이용하여 외부 충전기기를 충전시키는 외부 충전기기 충전단계를 포함한다.
공진채널 형성단계는 차량 내부에 장착된 복수의 축을 구비하는 다축입체코일 중에서 최대의 큐팩터(Q-factor)값을 가지는 코일을 선택하는 단계 및 외부 충전기기의 커패시턴스(capacitance) 또는 인덕턴스(inductance) 값을 조절하여 외부 충전기기와 무선충전장치 사이의 공진주파수를 매칭시키는 단계를 포함한다.
충전상태정보는 충전 방해물질 유무, 상기 외부 충전기기 개수, 위치 또는 현재 충전상황을 포함할 수 있다.
대역선택단계에서 상기 고주파 대역이 선택되는 경우, 무선충전장치에서 공진채널을 이용하여 외부 충전기기로 충전파워를 전송할 수 있다.
대역선택단계에서 상기 저주파 대역이 선택되는 경우, 무선충전장치에서 공진채널을 이용하여 외부 충전기기로 충전파워를 전송하는 단계 및 공진채널을 이용하여 무선충전장치와 외부 충전기기간 사이에 자기장 통신을 수행하는 단계를 포함한다.
무선충전환경 인식단계는 외부 충전기기와 연동되는 차량 내부의 디스플레이 장치의 표시부에 상기 외부 충전기기의 충전상태를 표시하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 면에 다른 차량용 공진자기유도 방식을 이용한 무선충전시스템은 고주파 코일 및 저주파 코일을 포함하는 제1 코일을 통해 전달되는 충전파워에 의해 충전되는 외부 충전기기와, 차량 내부에 장착되어 외부 충전기기와 자기장 통신을 통해 외부 충전기기를 감지하고, 복수의 서로 다른 축을 구비하는 다축입체코일 중 제1 코일과의 관계에서 최대의 큐팩터(Q-factor)값을 가지는 코일과 제1 코일 사이에 형성되는 공진채널을 이용하여 외부 충전기기로 충전파워를 전송하는 무선충전장치 및 외부 충전기기의 충전상황을 표시하는 차량 내부의 디스플레이 장치를 포함한다.
외부 충전기기는 현재 충전상태정보를 자기장 신호로 변환하는 자기장 통신모뎀과, 자기장 신호를 무선충전장치로 전송하는 제1 코일과, 무선충전장치와 충전기기 사이의 공진주파수가 일치되도록 제어하는 제어부 및 무선충전장치에 의해 전 송되는 충전파워를 저장하는 배터리를 포함한다.
제어부는 외부 충전기기의 커패시턴스(capacitance) 또는 인덕턴스(inductance) 값을 조절하여 무선충전장치의 공진주파수와 일치하도록 제어할 수 있다.
외부 충전기기는 유도전류에 의한 근접센서 기능을 구비하는 스마트 키 시스템일 수 있다.
외부 충전기기는 음성 압축신호를 자기장 통신을 이용하여 전송하는 핸드프리 시스템일 수 있다.
차량 내부의 디스플레이 장치는 무선충전장치의 상부로 소정의 충전거리만큼 이격되어 설치되는 외장형 네비게이션 장치일 수 있다.
차량 내부의 디스플레이 장치는 무선충전장치에 의해 감지되는 외부 충전기기가 복수인 경우, 무선충전장치에 의해 충전될 우선순위를 정하는 우선순위 조정부 및 무선충전장치에 의해 충전되는 충전효율을 정하는 충전효율 조정부를 포함할 수 있다.
다축입체코일은 외부 충전기기 및 인접하는 무선충전장치와 충전상태정보를 포함하는 자기장신호 송수신하여 자기장 통신을 수행하고, 외부 충전기기로 충전파워를 전송하는 저주파 다축입체코일 및 충전기기로 충전파워를 전송하는 고주파 다축입체코일을 포함할 수 있다.
무선충전장치는 수신된 자기장신호를 자기장통신 프로토콜 패킷을 통해 패킷 데이터형태로 변환하는 자기장 통신모뎀과, 충전파워가 전송될 코일을 선택하는 대 역선택부 및 충전효율을 고려하여 상기 충전파워를 전송할 대역이 저주파 대역 인지 고주파 대역 인지를 판단하여 고주파 대역 또는 상기 저주파 대역 중 어느 하나를 선택하도록 대역선택부를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명에 따르면 다축입체코일을 이용하여 외부 충전기기의 개수 및 위치에 따라 최적의 충전환경을 제공함으로써 충전효율을 높일 수 있다.
또한, 요구되는 충전효율에 따라 상기 다축입체코일을 고주파 다축코일과 저주파 다축코일로 구분하여 사용함으로써 충전효율을 높일 수 있다. 특히, 다축입체 코일을 통해 빔포밍 기술을 구현함으로써 에너지 전송효율을 높일 수 있다.
또한, 이중밴드(dual band)를 적용함으로써 최적의 충전환경에서 외부 충전기기의 충전과 동시에 통신을 수행할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 종래의 네비게이션 또는 하이패스 등의 외부 충전기기에 적용되던 유선을 제거함으로써 차량 내부의 미관을 향상시킬 수 있다.
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 발 명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공진자기유도 기반의 차량용 무선충전장치의 개략적인 블록구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 공진자기유도 기반의 차량용 무선충전장치(100)는 저주파 다축코일(110), 고주파 다축코일(120), 자기장 통신모뎀(130), 제어부(140) 및 대역선택부(150)를 포함한다.
본 발명에서 무선충전장치(100)는 차량 내부의 다양한 구조물에 내장되어 있을 수 있으며, 외부 충전기기(200)는 무선충전장치(100)로부터 무선 충전파워를 전송받아 충전되는 장치이다.
무선충전장치(100)는 복수의 서로 다른 축을 구비하는 다축 입체코일을 포함한다. 예컨대, 3개의 서로 다른 축으로 형성되는 코일일 수 있다. 무선충전장치(100)와 외부 충전기기(200)는 소정의 거리만큼 이격되어 있으며, 무선충전장치(100)의 코일 축과 외부 충전기기(200)의 코일 축이 일치되는 경우에 충전효율이 높아진다.
그러나 무선충전장치(100)는 복수개가 차량 내부의 구조물에 내장되어 고정되어 있으며, 외부 충전기기(200) 또한 운전자의 편의에 따라 장착되는 위치가 변경될 수 있다. 따라서, 무선충전장치(100)의 코일 축과 외부 충전기기(200)의 코일 축이 일치되는 것이 바람직하나, 그렇지 못하는 경우가 더 많은 관계로 무선충전장치(100)의 코일이 자기장 빔포밍을 지원할 수 있도록 복수의 축을 구비하도록 하 고, 상기 복수의 축 중에서 외부 충전기기(200)로 소정의 자기장을 집중시킬 수 있는 축을 가지는 코일을 선택하여 이를 통해 무선충전을 한다. 상기 다축입체코일은 차량의 천장에 설치될 수 있으며, 차량 유리에 내장될 수도 있다.
저주파 다축코일(110)은 자기장 통신과 무선 충전기능을 수행한다. 예컨대, 수백 Kbps의 속도로 상대적으로 원거리에 있는 단일 외부 충전기기(200) 또는 복수의 외부 충전기기(200)에 대하여 자기장 통신과, 공진자기유도를 통한 무선충전이 가능하다. 저주파 다축코일(100)에서는 동일대역에서(in-band) 자기장 통신과 무선 충전을 함께 수행할 수 있다.
고주파 다축코일(120)은 무선 충전기능을 수행한다. 예컨대, 수 Mbps의 속도로 근거리에 있는 단일 외부 충전기기(200) 또는 복수의 외부 충전기기(200)에 대하여 공진자기유도를 통한 무선충전이 가능하다. 또한, 고주파 다축코일(120)의 경우 저주파 다축코일(120)보다 충전효율이 높기 때문에 충전효율을 고려하여 저주파 다축코일(100) 또는 고주파 다축코일(120)을 선택적으로 사용할 수 있다.
공진자기유도방식은 파워를 전송하는 코일과 수신받는 코일 사이에 공진을 형성하여 에너지가 무선에서 전송되는 효율을 극대화시키는 방법이다. 고효율의 충전을 위해서는 자기장 통신을 통하여 실시간으로 시스템 내의 공진주파수를 확인하고, 시스템 내의 커패시턴스(capacitance) 또는 인덕턴스(inductance) 값을 변경하여 소정의 충전거리 내에 존재하는 외부 충전기기(200)들과 무선충전장치(100) 사이에 공진주파수를 일치시켜서 공진채널을 형성한다. 이와 같이 형성되는 공진채널은 차량 내부구조물에 내장되는 무선충전장치(100)의 코일을 통해 외부 충전기 기(200)로 무선 파워를 전송할 수 있다.
자기장 통신모뎀부(130)는 자기장 통신 프로토콜을 통해 수신되는 자기장신호를 패킷 데이터 형태로 변환하여 자기장 통신을 수행할 수 있도록 한다.
제어부(140)는 후술하는 대역선택부(150)를 제어하여 저주파 다축코일(110) 또는 고주파 다축코일(120) 중 어느 하나를 선택하여 자기장 통신과 무선 파워전송을 수행토록 제어한다. 제어부(140)는 차량 내부에 존재하는 소정의 외부 충전기기(200)를 인식하고, 자기장 통신을 통해 외부 충전기기(200)의 충전상태 등을 확인할 수 있다. 무선충전장치(100)를 통해 인지되는 외부 충전기기(200)가 존재하지 않으면 무선충전장치(100)의 전원을 자동으로 오프시킨다.
인지되는 외부 충전기기(200)가 존재하는 경우에는 충전상태를 파악하고, 이를 외부 충전기기(200)와 연동하는 장치(차량 내부의 디스플레이 장치 예컨대, 네비게이션 등)에 표시하도록 제어한다. 충전상태 확인 결과, 충전이 필요한 상황이라 판단되면, 고효율의 충전이 필요한지 충전과 동시에 자기장 통신을 할 필요가 있는지 등의 무선충전환경을 고려하여 저주파 다축코일(110) 또는 저주파 다축코일(120) 중 어느 하나를 선택하도록 제어한다. 사용될 다축입체코일이 선정되면, 상기 선정된 다축입체 코일 중에서 어떠한 축의 코일을 사용할지 여부를 선택한다. 다양한 축을 가지는 소정의 코일과 충전파워를 전송받을 외부 충전기기(200)의 코일 사이에서 최대의 큐팩터(Q-factor)를 가지는 코일을 통해 충전파워가 전송되도록 한다.
한편, 제어부(140)는 외부 충전기기(200)를 인식하는 무선충전장치(100)가 복수인 경우, 소정의 무선충전장치(100)가 외부 충전기기(200)와 자기장통신을 수행하고, 충전파워를 전송하며 인접하는 다른 무선충전장치(100)를 자동으로 오프시킬 수 있다.
대역선택부(150)는 자기장 통신모뎀(130)을 통해 생성되는 송신될 자기장 신호를 제어부(140)에서 선택된 다축입체코일로 스위칭한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 공진자기유도 기반의 차량용 무선충전방법을 나타내는 순서도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 공진자기유도 기반의 차량용 무선충전방법은 먼저, 차량 내부의 구조물에 내장되어 있는 무선충전장치가 차량 내부의 소정의 위치에 존재하는 외부 충전기기를 감지한다(S110). 감지되는 외부 충전기기가 존재하지 않으면 무선충전장치의 전원을 자동으로 오프시킨다. 감지되는 외부 충전기기가 존재하면 상기 외부 충전기기의 무선충전환경을 인식한다(S120). 무선충전환경은 충전효율을 높이기 위한 공진주파수의 매칭여부, 충전 방해물질의 존재유무, 외부 충전기기의 개수, 위치 또는 현재 충전상황 등을 포함한다. 특히, 차량 내부의 각종 무선장치들과 간섭을 일으키는 경우, 공진주파수가 변경될 수 있으므로 무선충전장치와 외부 충전기기 사이에 공진주파수가 서로 일치하는지 여부를 실시간으로 확인할 필요가 있다.
무선충전환경을 인식한 후에 외부 충전기기와 자기장통신 또는 충전파워를 전송할 대역을 선택한다(S130). 무선충전장치에 내장되는 코일은 고주파 대역 또는 저주파 대역을 모두 사용할 수 있도록 고주파 다축코일과 저주파 다축코일을 모두 구비한다. 한편, 대역선택과정에서 무선충전장치에서 외부 충전기기로 자기장 통신과 충전파워를 모두 전송하고자 할 때는 저주파 대역을 선택하고(S150), 고효율의 충전파워 전송만을 수행할 때는 고주파 대역을 선택한다(S180).
저주파 대역이 선택되면 저주파 다축코일과 무선충전장치 사이의 공진주파수를 일치시켜 공진채널을 형성한다(S160). 한편, 상기 공진채널을 형성하기 전에 무선충전장치의 다축입체코일 중에서 최대의 큐택터(Q-fator)값을 가지는 코일을 선택한 후, 선택된 축의 코일과 외부 충전기기 사이에 공진채널을 형성한다(S160). 공진채널 형성되면 이를 통해 자기장 통신을 수행하고(S170), 충전파워를 전송한다(S200). 충전파워는 상기 다축입체코일에 전류를 흘려 자기장을 생성하고, 상기 자기장을 통해 외부 충전기의 코일에 전류를 유도함으로써 충전파워를 전달한다.
고주파 대역이 선택되면 고주파 다축코일과 무선충전장치 사이에 공진주파수를 일치시켜 공진채널을 형성한다(S190). 공진채널을 형성하기 전에 최대의 큐팩터값을 가지는 축의 코일을 선정하는 과정은 저주파 대역에서와 동일하다. 고주파 대역에서는 자기장 통신이 이루어지지 않으므로 충전파워만을 전송한다(S200)
도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 공진자기유도 방식을 이용한 무선충전시스템의 개략적인 블록구성도이고, 도 3b는 도 3a에 도시된 무선충전시스템이 차량 내부에 배치된 모습을 도시한 도면이다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 본 발명에 따른 차량용 공진자기유도 방식을 이 용한 무선충전시스템은 외부 충전기기(300), 무선충전장치(400) 및 차량 내부의 디스플레이 장치(500)를 포함한다.
외부 충전기기(300)는 고주파 코일(311)과 저주파 코일(312)로 구성되는 외부 충전기기 코일(310)을 구비하며, 무선충전장치(400)는 다축입체코일(410)을 포함하되, 다축입체코일은(410)은 고주파 대역에서 고효율의 무선 충전파워를 상기 외부 충전기기 코일(310)에 전송하는 고주파 다축코일(411)과 저주파대역에서 자기장통신을 수행하며, 외부 충전기기 코일(310)로 충전파워를 전송하는 저주파 다축코일(412)을 포함한다. 일 실시예에 따라서 도 3a에서는 상기 다축입체코일이 3개의 축으로 구성된 코일을 나타낸 것이다.
외부 충전기기 코일(310)과 무선충전장치의 다축입체코일(410) 간에 공진주파수 매칭을 통해 공진채널이 형성되고, 상기 공진채널을 통해 자기장 통신이 이루어 지고 충전파워가 전송된다.
차량 내부의 디스플레이 장치(500)는 예컨대, 네비게이션 장치 등이 이용될 수 있는데 외부 충전기기(300)의 충전에 필요한 각종 제어상황을 차량 내부의 디스플레이 장치(500)에 구비되는 인터페이스를 통해 조절할 수 있다. 외부 충전기기(300)와 연동하여 외부 충전기기(300)의 충전상태 등이 차량 내부의 디스플레이 장치(500)의 표시부를 통해 표시될 수 있다.
한편, 무선충전장치(400)는 도 3b에 도시된 바와 같이 차량 내부의 콘솔박스 내부에 설치될 수 있으며, 차량도어 내부의 손잡이 부분에 내장형으로 설치될 수도 있다. 또한, 네비게이션의 하단부에 외장형으로 설치될 수도 있다. 다축입체코 일(410)은 차량의 천장 또는 차량의 유리에 내장되도록 장착될 수 있다.
도 4는 도 3a에 도시된 무선충전시스템 중에서 외부 충전기기의 블록구성도이고, 도 5는 도 3a에 도시된 무선충전시스템 중에서 차량 내부의 디스플레이 장치의 개략적인 블록구성도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 외부 충전기기(300)는 저주파 코일(311)과 고주파 코일(312)로 구성되어 자기장신호를 무선충전장치(400)로 전송하는 외부 충전기기 코일(310), 현재의 충전상태정보를 자기장 신호로 변환하는 자기장 통신모뎀(320), 무선충전장치(400)와 외부 충전기기 사이의 공진주파수가 일치되도록 제어하는 제어부(300) 및 무선충전장치(400)에 의해 공진자기유도방식에 의해 전송되는 충전파워를 저장하는 배터리를 포함한다.
저주파 코일(311)은 무선충전장치의 다축입체코일 중에서 저주파 다축코일과 자기장 통신을 수행하고 저주파 다축코일로부터 충전파워를 전송받는다. 고주파 코일(312)은 무선충전장치의 다축입체코일 중에서 고주파 다축코일로부터 충전파워를 전송받는다. 제어부(300)는 무선충전장치(400)와 공진주파수를 일치시키기 위하여 외부 충전기기(300) 시스템의 커패시턴스(capacitance) 또는 인덕턴스(inductance) 값을 조절한다. 배터리(340)는 무선충전장치(400)와 외부전압공급부(360)를 통해 공급되는 충전파워를 저장한다. 외부전압공급부(360)는 무선충전장치(400)가 오프되는 경우에 전압을 공급할 수 있다. 컨버터(450)는 저주파코일(311)과 고주파코일(312)로부터 전송되는 충전파워신호를 베터리(340)로 스위칭해준다.
차량 내부의 디스플레이 장치(500)는 무선충전장치(400)에 의해 감지되는 외부 충전기기(300)가 복수인 경우 무선충전장치(400)에 의해 충전될 우선순위를 결정하는 우선순위 조정부(510)를 포함한다. 또한, 무선장치에 의해 충전되는 충전효율을 정하는 충전효율 조정부(520)의 인터페이스를 구비한다. 충전효율에 따라서 무선충전장치(400)에서 고주파 다축코일을 사용할지 저주파 다축코일을 사용할지를 판단할 수 있게 된다. 한편, 외부 충전기기(300)의 충전상태를 표시할 수 있는 표시부(510)를 더 구비할 수 있다.
일 실시예에 따르면 외부 충전기기(300)는 유도전류에 의한 근접센서 기능을 구비하는 스마트 키 시스템이 될 수 있다. 종래의 스마트키는 별도의 자체 배터리를 구비하고 있으면서 배터리 소모시에 교환을 요구했으나, 본 발명에 따른 차량용 공진자기유도 방식을 이용한 무선충전시스템에서는 자기장을 이용하여 차제 충전이 가능하다. 특히, 자기장의 특성이 종래의 근접센서기능을 대체할 수 있다. 저주파 대역으로 무선 보안 알고리즘이 적용된 KEY 및 ID 등을 송수신하고 고주파 대역을 통해 스마트키에 무선으로 충전파워를 전송할 수 있다.
또 다른 실시예에 따르면 외부 충전기기(300)는 하나의 대역으로 자기장 통신과 충전파워를 전송할 수 있는 in-band 자기장 통신을 이용하여 구현되는 핸드프리 시스템일 수 있다. 즉, 이동 휴대전화기의 충전 및 핸드프리 기능을 in-band 자기장 통신을 통해 구현할 수 있게 된다. 차량용 핸드프리의 음성 압축률에 따라서 채널 스위치를 통해 저주파 또는 고주파의 캐리어를 선택할 수 있다. 예컨대, 음성 압축 전송 bit rate가 8K인 압축방식은 저주파 대역의 채널을 선택하여 음성신호를 송수신하고, 충전파워는 고주파 대역으로 송수신할 수 있다. 이와 달리 높은 압축률을 가지는 음성 압축 전송 알고리즘의 경우는 고주파 대역을 통해 음성 송수신을 수행하고 저주파 대역을 통해 충전될 수 있다. 자기장 통신을 이용한 화자식별 및 인증기능 등을 추가하여 핸드프리 기능을 구현할 수 있다.
도 6은 도 3a에 도시된 무선충전시스템 중에서 무선충전장치와 외부 충전기기의 자기장 통신모뎀의 개략적인 블록구성도이다.
자기장 통신모뎀(320,410)은 양방향 통신을 지원하며 송신기(무선충전장치 또는 외부 충전기기)에서 전송을 원하는 정보를 자기장 통신 프로토콜 패킷으로 생성한다. 생성된 패킷은 MAC 계층과 DSP(321,411)를 거쳐 DAC(322,412)를 통해 아날로그 신호로 변환되고, Filter(324,414)를 통해 고주파 성분을 제거한 후, AMP(325,415)를 통해 증폭된다. 증폭된 신호는 코일(327,417)을 통해 증폭된 전류를 생성하고, 상기 전류는 수신기(무선충전장치 또는 외부 충전기기)의 코일에 유도 전류를 발생시켜 전달된다. 별도의 주파수 대역이 필요하지 않고 저주파 무선 충전 대역을 in-band로 사용하고 필요에 따라서 무선충전장치는 자기장 빔포밍을 이용하여 에너지를 전달한다. 전달된 자기장 신호는 수신기의 AMP(325,415)를 통해 인식할 수 있는 규모의 파형으로 변형되고 Filter(324,414)를 거쳐 노이즈가 제거된 후에 ADC(323,413)를 통해 디지털화된다. 디지털화된 신호는 DSP(321,411)와 MAC 계층을 거쳐 패킷 데이터 형태로 변환되어 복원된다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공진자기유도 기반의 차량용 무선충전장치의 개략적인 블록구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 공진자기유도 기반의 차량용 무선충전방법을 나타내는 순서도이다.
도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 공진자기유도 방식을 이용한 무선충전시스템의 개략적인 블록구성도이다.
도 3b는 도 3a에 도시된 무선충전시스템이 차량 내부에 배치된 모습을 도시한 도면이다.
도 4는 도 3a에 도시된 무선충전시스템 중에서 외부 충전기기의 블록구성도이다.
도 5는 도 3a에 도시된 무선충전시스템 중에서 차량 내부의 디스플레이 장치의 개략적인 블록구성도이다.
도 6은 도 3a에 도시된 무선충전시스템 중에서 무선충전장치와 외부 충전기기의 자기장 통신모뎀의 개략적인 블록구성도이다.
《도면의 주요부분에 대한 부호의 설명》
100,400: 무선충전장치 110: 저주파 다축코일
120: 고주파 다축코일 130,320: 자기장 통신모뎀
140,330: 제어부 150: 대역선택부
200,300: 외부 충전기기 311: 저주파코일
312: 고주파코일 340: 배터리
350: 컨버터 360: 외부전압공급부
500: 디스플레이 장치 510: 표시부
520: 우선순위 조정부 530: 충전효율 조정부

Claims (25)

  1. 외부 충전기기의 코일과 공진주파수가 매칭되어 형성되는 공진채널을 이용하여 상기 외부 충전기기와 자기장 통신을 수행하고, 상기 공진채널을 이용하여 상기 외부 충전기기로 충전파워를 전송하는 복수의 서로 다른 축을 구비하는 다축입체 코일부;
    자기장통신 프로토콜을 통해 수신되는 자기장신호를 패킷 데이터형태로 변환하는 자기장 통신모뎀부;
    상기 충전파워가 전송될 코일을 선택하는 대역선택부; 및
    상기 충전파워를 전송할 대역이 제1 대역 인지 제2 대역 인지를 결정하여, 상기 제1 대역 또는 상기 제2 대역 중 어느 하나를 선택하도록 상기 대역선택부를 제어하는 제어부
    를 포함하고,
    상기 제1 대역의 주파수대는 상기 제2 대역의 주파수대 보다 낮으며,
    상기 다축입체 코일부는,
    상기 제1 대역을 이용하여 상기 외부 충전기기와 자기장통신을 수행하고, 상기 외부 충전기기로 충전파워를 전송하는 제1 다축입체코일; 및
    상기 제2 대역을 통해 상기 외부 충전기기로 충전파워를 전송하는 제2 다축입체코일
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 공진자기유도 기반의 차량용 무선충전장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 다축입체코일을 이용한 충전파워 전송효율은 상기 제1 다축입체코일을 이용한 충전파워 전송효율보다 높은 것을 특징으로 하는 공진자기유도 기반의 차량용 무선충전장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제어부는
    하나의 상기 외부충전기기가 감지되는 경우,
    상기 대역선택부를 통해 선택되는 다축입체코일 중 최대의 큐팩터(Q-factor)값을 가지는 코일을 선택하고, 상기 선택된 코일을 통해 상기 충전파워가 전송되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 공진자기유도 기반의 차량용 무선충전장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제어부는
    감지되는 상기 외부 충전기기가 복수인 경우,
    상기 대역선택부를 통해 선택되는 다축입체코일 중 상기 복수의 외부 충전기기기를 동시에 충전시킬 수 있는 큐팩터(Q-factor)값을 가지는 코일을 선택하고, 상기 선택된 코일을 통해 상기 충전파워가 상기 복수의 외부 충전기기에 전송되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 공진자기유도 기반의 차량용 무선충전장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제어부는
    감지되는 상기 외부 충전기기가 복수인 경우,
    상기 대역선택부를 통해 선택되는 다축입체코일 중 상기 각각의 외부 충전기기에 대하여 최대의 큐팩터(Q-factor)값을 가지는 코일을 각각 선택하고, 시분할(time division)에 의해 상기 선택된 각 코일에 대응하는 외부 충전기기에 상기 충전파워가 전송되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 공진자기유도 기반의 차량용 무선충전장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제어부는
    감지되는 상기 외부 충전기기가 존재하지 않는 경우,
    상기 무선충전장치의 전원을 오프시키는 것을 특징으로 하는 공진자기유도 기반의 차량용 무선충전장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제어부는
    상기 외부 충전기기와 연동되어 상기 외부 충전기기의 충전상황을 제어하는 차량 내부의 디스플레이 장치에 상기 외부 충전기기의 충전상황을 표시하는 것을 특징으로 하는 공진자기유도 기반의 차량용 무선충전장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 차량 내부의 디스플레이 장치는
    네비게이션 장치인 것을 특징으로 하는 공진자기유도 기반의 차량용 무선충전장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 다축입체 코일부는,
    차량의 시트, 천장, 유리, 도어, 바닥 또는 컵 홀더를 포함하는 차량 내부구조물에 설치되는 것을 특징으로 하는 차량용 공진자기유도방식을 이용한 무선충전장치.
  11. 자기장 통신을 통해 차량 내부에 위치하는 외부 충전기기를 감지하고, 상기 외부 충전기기의 충전상태를 인식하는 무선충전환경 인식단계;
    제1 대역 및 제2 대역을 포함하는 이중대역(dual band) 중에서 상기 외부 충전기기로 자기장신호를 전송할 대역을 선택하는 대역선택단계;
    상기 선택된 대역에서 상기 외부 충전기기와 무선충전장치 사이에 공진주파수를 매칭시키는 공진채널 형성단계; 및
    상기 공진채널을 통해 전송되는 자기장신호로부터 유도되는 충전파워를 이용하여 상기 외부 충전기기를 충전시키는 외부 충전기기 충전단계
    를 포함하고,
    상기 제1 대역의 주파수대는, 상기 외부 충전기기와 자기장통신을 수행하고, 상기 외부 충전기기로 충전파워를 전송하는 주파수대이고,
    상기 제2 대역의 주파수대는, 상기 외부 충전기기로 충전파워를 전송하는 주파수대이며,
    상기 제1 대역의 주파수대는 상기 제2 대역의 주파수대 보다 낮은 것을 특징으로 하는 공진자기유도 기반의 차량용 무선충전방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 공진채널 형성단계는
    차량 내부에 장착된 복수의 축을 구비하는 다축입체코일 중에서 최대의 큐팩터(Q-factor)값을 가지는 코일을 선택하는 단계; 및
    상기 외부 충전기기의 커패시턴스(capacitance) 또는 인덕턴스(inductance) 값을 조절하여 상기 외부 충전기기와 상기 무선충전장치 사이의 공진주파수를 매칭 시키는 단계
    를 포함하는 것인 공진자기유도 기반의 차량용 무선충전방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 충전상태는
    충전 방해물질 유무, 상기 외부 충전기기 개수, 위치 또는 현재 충전상황을 포함하는 것인 공진자기유도 기반의 차량용 무선충전방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 대역선택단계에서 상기 제2 대역이 선택되는 경우,
    상기 무선충전장치에서 상기 공진채널을 이용하여 상기 외부 충전기기로 충전파워를 전송하는 하는 것인 공진자기유도 기반의 차량용 무선충전방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 대역선택단계에서 상기 제1 대역이 선택되는 경우,
    상기 무선충전장치에서 상기 공진채널을 이용하여 상기 외부 충전기기로 충전파워를 전송하는 단계; 및
    상기 공진채널을 이용하여 상기 무선충전장치와 상기 외부 충전기기간 사이에 자기장 통신을 수행하는 단계
    를 포함하는 것인 공진자기유도 기반의 차량용 무선충전방법.
  16. 제11항에 있어서, 상기 무선충전환경 인식단계는
    상기 외부 충전기기와 연동되는 차량 내부의 디스플레이 장치의 표시부에 상기 외부 충전기기의 충전상태를 표시하는 단계
    를 더 포함하는 것인 공진자기유도 기반의 차량용 무선충전방법.
  17. 제1 대역 코일 및 제2 대역 코일을 포함하는 제1 코일을 통해 전달되는 충전파워에 의해 충전되는 외부 충전기기;
    차량 내부에 장착되어 상기 외부 충전기기와 자기장 통신을 통해 상기 외부 충전기기를 감지하고, 복수의 서로 다른 축을 구비하는 다축입체코일 중 상기 제1 코일과의 관계에서 최대의 큐팩터(Q-factor)값을 가지는 코일과 상기 제1 코일 사이에 형성되는 공진채널을 이용하여 상기 외부 충전기기로 충전파워를 전송하는 무선충전장치; 및
    상기 외부 충전기기의 충전상황을 표시하는 차량 내부의 디스플레이 장치
    를 포함하고,
    상기 제1 대역의 주파수대는 상기 제2 대역의 주파수대 보다 낮은 것을 특징으로 하는 공진자기유도 기반의 차량용 무선충전시스템.
  18. 제17항에 있어서, 상기 외부 충전기기는
    현재 충전상태정보를 자기장 신호로 변환하는 자기장 통신모뎀;
    상기 자기장 신호를 상기 무선충전장치로 전송하는 제1 코일;
    상기 무선충전장치와 상기 충전기기 사이의 공진주파수가 일치되도록 제어하는 제어부; 및
    상기 무선충전장치에 의해 전송되는 충전파워를 저장하는 배터리
    를 포함하는 것인 공진자기유도 기반의 차량용 무선충전시스템.
  19. 제18항에 있어서, 상기 제어부는
    상기 외부 충전기기의 커패시턴스(capacitance) 또는 인덕턴스(inductance) 값을 조절하여 상기 무선충전장치의 공진주파수와 일치하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 공진자기유도 기반의 차량용 무선충전시스템.
  20. 제17항에 있어서, 상기 외부 충전기기는
    유도전류에 의한 근접센서 기능을 구비하는 스마트 키 시스템인 것을 특징으로 하는 공진자기유도 기반의 차량용 무선충전시스템.
  21. 제17항에 있어서, 상기 외부 충전기기는
    음성 압축신호를 자기장 통신을 이용하여 전송하는 핸드프리 시스템인 것을 특징으로 하는 공진자기유도 기반의 차량용 무선충전시스템.
  22. 제17항에 있어서, 상기 차량 내부의 디스플레이 장치는
    상기 무선충전장치의 상부로 소정의 충전거리만큼 이격되어 설치되는 외장형 네비게이션 장치인 것을 특징으로 하는 공진자기유도 기반의 차량용 무선충전시스템.
  23. 제17항에 있어서, 상기 차량 내부의 디스플레이 장치는
    상기 무선충전장치에 의해 감지되는 상기 외부 충전기기가 복수인 경우, 상기 무선충전장치에 의해 충전될 우선순위를 정하는 우선순위 조정부; 및
    상기 무선충전장치에 의해 충전되는 충전효율을 정하는 충전효율 조정부
    를 포함하는 것인 공진자기유도 기반의 차량용 무선충전시스템.
  24. 제17항에 있어서, 상기 다축입체코일은
    상기 외부 충전기기 및 인접하는 무선충전장치와 충전상태정보를 포함하는 자기장신호 송수신하여 자기장 통신을 수행하고, 상기 외부 충전기기로 충전파워를 전송하는 제1 다축입체코일; 및
    상기 충전기기로 충전파워를 전송하는 제2 다축입체코일
    을 포함하는 것인 공진자기유도 기반의 차량용 무선충전시스템.
  25. 제17항에 있어서, 상기 무선충전장치는
    수신된 자기장신호를 자기장통신 프로토콜 패킷을 통해 패킷 데이터형태로 변환하는 자기장 통신모뎀;
    충전파워가 전송될 코일을 선택하는 대역선택부; 및
    상기 충전파워를 전송할 대역이 제1 대역 인지 제2 대역 인지를 결정하여, 상기 제1 대역 또는 상기 제2 대역 중 어느 하나를 선택하도록 상기 대역선택부를 제어하는 제어부
    를 더 포함하는 공진자기유도 기반의 차량용 무선충전시스템.
KR1020090112523A 2009-11-20 2009-11-20 공진자기유도 기반의 차량용 무선충전장치, 방법 및 시스템 KR101171142B1 (ko)

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