KR102096203B1 - 무선 전력 전송 방식을 이용한 방사형 전력 공급 시스템 - Google Patents

무선 전력 전송 방식을 이용한 방사형 전력 공급 시스템 Download PDF

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무선 전력 전송 방식을 이용한 방사형 전력 공급 시스템을 개시한다.
본 실시예는 일반적인 UHF(Ultra High Frequency) 수동형 RFID(Radio Frequency IDentification) 리더기를 이용하여 RF 신호를 전송하면 태그에서 RF 신호를 전력으로 변환하여 태그를 구동시키고 AP(Access Point)와 무선 통신할 수 있도록 하는 무선 전력 전송 방식을 이용한 방사형 전력 공급 시스템을 제공을 제공한다.

Description

무선 전력 전송 방식을 이용한 방사형 전력 공급 시스템{System for Providing Radiational Power by Using Wireless Power Transmission}
본 실시예는 무선 전력 전송 방식을 이용한 방사형 전력 공급 시스템에 관한 것이다.
이하에 기술되는 내용은 단순히 본 실시예와 관련되는 배경 정보만을 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것이 아니다.
최근 많은 연구 및 상용화가 진행중인 근접거리로부터 발생한 자기장 내에 위치한 휴대기기로 에너지를 전달하는 자기장 공진 기반의 충전기술이 존재한다.
일반적인 무선 충전 방식은 유도 방식과 공진 방식이 존재한다.
유도 방식은 휴대기기와 무선 충전기를 직접 물리적으로 접촉해야 한다. 휴대기기와 충전기 내부의 충전 코일이 접촉 및 정렬되어야 한다. 충전대 안에 있는 송신 코일이 충전 신호를 보낸다. 충전 신호가 호환되는 휴대기기에 있는 것과 같은 수신 코일을 찾는다. 수신 코일을 감지하면 전자기 유도가 시작된다. 송신 코일 내부에 있는 전자(전기)들이 코일 주변을 흐르기 시작한다. 이로 인해 자기장이 발생되고, 자기장을 수신 코일 내의 전자들이 감지한다. 수신 코일 내에 갇힌 전자들이 자기장으로 인해 코일 주위로 흐르기 시작한다. 수신 코일 안에서 이루어지는 전자의 흐름이 휴대기기에 내에 있는 배터리를 충전해준다.
공진 방식은 휴대기기와 무선 충전기, 내부 충전 코일이 일정 거리 안에 있어야 하나, 접촉할 필요는 없다.
공진 방식의 경우 휴대기기 충전하는 방식은 전달거리가 제한적이고, 충전 태그 수의 제약이 존재한다. 전술한 단점을 극복하기 위해서는 방사형으로 에너지를 전달해야 하나, 아직까지 방사 방식을 적용한 제품이 존재하지 않으며, 2.4GHz 무선 통신 방식을 이용한 연구가 있지만 효율 개선 문제를 해결하지 못하고 있다.
본 실시예는 일반적인 UHF(Ultra High Frequency) 수동형 RFID(Radio Frequency IDentification) 리더기를 이용하여 RF 신호를 전송하면 태그에서 RF 신호를 전력으로 변환하여 태그를 구동시키고 AP(Access Point)와 무선 통신할 수 있도록 하는 무선 전력 전송 방식을 이용한 방사형 전력 공급 시스템을 제공하는 데 목적이 있다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 기 설정된 UHF 주파수 대역을 이용하여 전력을 RF 신호로서 원거리에서 송출하는 리더기(Leader); 원거리에서 상기 RF 신호를 수신하여 전력으로 변환한 후 상기 전력을 전원으로 인가하여 기 설정된 프로세서를 동작하며, 상기 프로세서의 동작으로 센싱된 센싱 신호를 생성하며, 상기 센싱 신호를 상기 기 설정된 UHF 주파수 대역과 상이한 기 설정된 주파수 대역으로 상기 센싱 신호를 전송하는 무선 태그(Tag); 상기 기 설정된 UHF 주파수 대역과 상이한 기 설정된 주파수 대역으로 상기 센싱 신호를 수신하여 외부 장치(서버)로 전송하는 AP(Access Point)를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 방식을 이용한 방사형 전력 공급 시스템을 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 실시예에 의하면, 일반적인 UHF(Ultra High Frequency) 수동형 RFID(Radio Frequency IDentification) 리더기를 이용하여 RF 신호를 전송하면 태그에서 RF 신호를 전력으로 변환하여 태그를 구동시키고 AP(Access Point)와 무선 통신할 수 있도록 하는 효과가 있다.
본 실시예에 의하면, 무선 전력 전송 방식을 이용한 전원 공급 및 무선 통신이 가능하도록 하여, 배터리를 내장한 태그 사용시 제한된 배터리 수명으로 인한 교체비용이 발생하거나 주기적으로 충전해 줘야 하는 부담을 줄여줄 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 실시예에 따른 무선 전력 전송 방식을 이용한 방사형 전력 공급 시스템을 개략적으로 나타낸 블럭 구성도이다.
도 2a는 본 실시예에 따른 태그에 포함된 수신부를 개략적으로 나타낸 블럭 구성도이다.
도 2b는 본 실시예에 따른 태그에 포함된 수신부의 회로를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 실시예에 따른 충전시간 및 송신시간을 나타낸 도면이다.
이하, 본 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 실시예에 따른 무선 전력 전송 방식을 이용한 방사형 전력 공급 시스템을 개략적으로 나타낸 블럭 구성도이다.
본 실시예에 따른 방사형 전력 공급 시스템은 리더기(110), 태그(120), AP(130)를 포함한다. 방사형 전력 공급 시스템에 포함된 구성요소는 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
본 실시예에 따른 방사형 전력 공급 시스템은 일반적인 UHF 수동형 RFID 리더기에서 송출하는 고출력의 방사 신호를 이용하여 원거리로부터 에너지를 송출한다. 원거리로부터 에너지를 전달받는 방식은 최근 많은 연구 및 상용화가 진행중인 근접거리로부터 발생한 자기장 내에 위치한 장치로 에너지를 전달하는 자기장 공진 기반의 비방식과는 차별화되는 기술이다.
방사형 에너지 전달기술은 효율은 낮으나 에너지 전달거리의 확장이 용이하다. 방사형 에너지 전달기술은 다수의 태그로 에너지 전달이 가능하다.
본 실시예에 따른 방사형 전력 공급 시스템은 방사형 에너지 전달기술에서의 전력 효율 문제로 인해 해결하기 위해 900MHz RFID 주파수 대역을 이용한다. 방사형 전력 공급 시스템은 송신부를 별도의 추가 개발없이 상용화된 RFID 리더기를 그대로 이용할 수 있다.
USN(Ubiquitous Sensor Network) 대역중에 4W 출력을 허용하는 대역은 900MHz RFID 대역이 유일한데, 방사형 전력 공급 시스템에서는 에너지 전달 효율 문제를 고출력으로 극복할 수 있다.
방사형 전력 공급 시스템에서는 무선으로 얻은 전력을 공급받은 태그가 안정적으로 통신할 수 있도록 효율적으로 전력을 사용할 수 있도록 전력을 제어한다.
리더기(110)는 기 설정된 UHF 주파수 대역을 이용하여 전력을 RF 신호로서 원거리에서 송출한다. 리더기(110)는 UHF(Ultra High Frequency) 수동형 RFID(Radio Frequency IDentification) 리더기로서, 900 MHz 주파수 대역을 이용하여 전력을 RF 신호로 송출한다.
태그(120)는 원거리에서 RF 신호를 수신하여 전력으로 변환한 후 전력을 전원으로 인가하여 기 설정된 프로세서를 동작한다. 태그(120)는 프로세서의 동작으로 센싱된 센싱 신호를 생성한다. 태그(120)는 센싱 신호를 기 설정된 UHF 주파수 대역과 상이한 기 설정된 주파수 대역으로 센싱 신호를 전송한다.
태그(120)는 2.4 GHz 주파수 대역, UWB(Ultra Wide-Band), NB(NarrowBand) 중 어느 하나의 주파수 대역으로 센싱 신호를 AP(130)로 전송한다.
다시 말해, 태그(120)는 리더기(110)에서 송출한 RF 신호(전력)을 무선으로 수신하여 전력으로 변환한 후 전원으로 인가하여 프로세스를 동작을 시킨다. 태그(120)는 내부로 전원을 인가하여 프로세스를 동작한 후 센서 신호를 2.4 GHz 주파수 대역을 이용하여 AP(130)로 전송한다. 태그(120)는 낮은 효율의 전력을 기 설정된 충분한 시간동안 충전한 후 기 설정된 짧은 시간동안만 신호를 출력함으로써 효율적으로 전력을 운영한다.
태그(120)는 AP(130)와 통신할 때, 2.4 GHz 대역으로 무선통신하는 것이 바람직하나 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, UWB(Ultra Wide-Band), NB(NarrowBand) 등의 주파수 대역으로 무선통신이 가능하다.
태그(120)가 RFID 리더기(110)로부터 무선 전력을 받아 무선통신 외에 LED 및 LCD 구동 등의 다른 기능을 동작시킨다. 태그(120)는 리더기(110)로부터 수신한 RF 신호를 전력으로 변환하여 전원으로 인가하기 때문에, 별도의 상시 전원 포트 등을 필요로 하지 않으며, 구비된 배터리를 별도로 충전할 필요없이 RF 신호를 상시 전력으로 이용할 수 있다.
태그(120)는 리더기(110)로부터 무선으로 전력을 수신하여 전원으로 인가하여 프로세스를 동작한다. 태그(120)는 센서 신호를 2.4GHz 무선 통신으로 AP(130)로 전송한다.
AP(Access Point)(130)는 기 설정된 UHF 주파수 대역과 상이한 기 설정된 주파수 대역으로 센싱 신호를 수신하여 외부 서버로 전송한다.
AP(130)는 복수의 태그(120)와 2.4 GHz 대역으로 무선통신하는 것이 바람직하나 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, UWB(Ultra Wide-Band), NB(NarrowBand) 등의 주파수 대역으로 무선통신이 가능하다.
AP(130)는 복수의 태그(120)로부터 센서 신호를 수신한다. AP(130)는 태그(120)로부터 수신된 센서 신호를 외부 장치(서버)로 전송하는 장치를 의미한다. AP(130)는 수신측 주소를 읽고 송신측에서 수신측으로의 통신 통로를 지정한다. AP(130)는 라우터(Router), 리피터(Repeater), 중계기 및 브릿지(Bridge)를 포함한다.
도 2a는 본 실시예에 따른 태그에 포함된 수신부를 개략적으로 나타낸 블럭 구성도이다.
본 실시예에 따른 태그(120) 내의 수신부(200)는 안테나(210), 매칭회로(220), 정류회로(230), 충전회로(240), 배터리(250)를 포함한다. 태그(120) 내의 수신부(200)에 포함된 구성요소는 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
태그(120) 내의 수신부(200)에 포함된 각 구성요소는 장치 내부의 소프트웨어적인 모듈 또는 하드웨어적인 모듈을 연결하는 통신 경로에 연결되어 상호 간에 유기적으로 동작할 수 있다. 이러한 구성요소는 하나 이상의 통신 버스 또는 신호선을 이용하여 통신한다.
도 2에 도시된 태그(120) 내의 수신부(200)의 각 구성요소는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 소프트웨어적인 모듈, 하드웨어적인 모듈 또는 소프트웨어와 하드웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
태그(120)는 리더기(110)(UHF 수동형 RFID 리더기)에서 보낸 무선 전력 신호를 수신하여 전력으로 변환하는 수신부(200)를 포함한다.
안테나(210)는 최대의 전력을 받기 위해 높은 효율을 갖도록 설계해야 한다. 안테나(210)는 효율이 높게 설계되며, 사이즈는 작게 설계된다. 안테나(210)는 리더기(110)에서 송출한 900 MHz 주파수 대역의 RF 신호를 수신한다. 안테나(210)는 900 MHz 주파수 대역의 RF 신호를 매칭회로(220)로 출력한다.
매칭회로(220)는 구비된 노치필터(Notch Filter)를 이용하여 RF 신호에 대한 임피던스 매칭(Impedance Matching)을 수행하여 임피던스 매칭 신호를 출력한다.
다시 말해, 매칭회로(220)는 안테나(210)로부터 900 MHz 주파수 대역의 RF 신호를 입력받는다. 매칭회로(220)는 구비된 노치필터를 이용하여 RF 신호에 대한 임피던스 정합을 수행한다.
매칭회로(220)는 밴드 노치필터를 포함한다. 밴드 노치필터는 RF 신호에 대해 서로 다른 두 연결단의 임피던스 차이에 의한 반사를 줄이기 위한 임피던스 매칭(정합)을 수행한다.
정류회로(230)는 임피던스 매칭 신호를 DC 전압으로 변환하여 출력한다. 다시 말해, 정류회로(230)는 매칭회로(220)로부터 임피던스 매칭이 된 RF신호를 입력받는다. 정류회로(230)는 임피던스 매칭이 된 RF신호를 DC 전압으로 변환한다. 정류회로(230)는 DC 전압을 충전회로(240)로 출력한다.
충전회로(240)는 DC 전압의 충전을 제어한다. 다시 말해, 충전회로(240)는 정류회로(230)로부터 DC 전압을 입력받는다. 충전회로(240)는 DC 전압을 배터리(250)에 충전하도록 제어한다. 충전회로(240)는 배터리(250)에 충전하는 DC 전압을 안정적으로 전원 공급한다.
충전회로(240)는 DC 전력이 낮은 효율을 갖도록 기 설정된 시간동안 배터리(250)로 충전하도록 제어하다가, 기 설정된 짧은 시간 주기로만 배터리(250)에 충전된 DC 전력이 출력되도록 제어한다.
배터리(250)는 DC 전압을 충전하는 충방전 소자를 구비한다. 배터리(250)는 니켈수소 배터리인 것이 바람직하나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
도 2b는 본 실시예에 따른 태그에 포함된 수신부의 회로를 나타낸 도면이다.
매칭회로(220)는 제1 캐패시터(C1), 제1 인덕터(L1)를 포함한다.
제1 캐패시터(C1)의 일단은 안테나(210)의 출력단에 연결된다. 제1 캐패시터(C1)의 타단은 제1 인덕터(L1)의 일단에 연결된다. 제1 인덕터(L1)의 일단은 제1 캐패시터(C1)의 타단에 연결된다. 제1 인덕터(L1)의 타단은 접지(GND)에 연결된다.
정류회로(230)는 제2 캐패시터(C2), 제1 다이오드(D1), 제2 다이오드(D2), 제3 캐패시터(C3)를 포함한다.
제2 캐패시터(C2)의 일단은 매칭회로(220)의 출력단에 연결된다. 제2 캐패시터(C2)의 타단은 제1 다이오드(D1)의 캐소드와 제2 다이오드(D2)의 애노드의 접점에 연결된다.
제1 다이오드(D1)의 캐소드는 제2 캐패시터(C2)의 타단과 제2 다이오드(D2)의 애노드의 접점에 연결된다. 제1 다이오드(D1)의 애노드는 접지(GND)에 연결된다.
제2 다이오드(D2)의 애노드는 제2 캐패시터(C2)의 타단과 제1 다이오드(D1)의 캐소드의 접점에 연결된다. 제2 다이오드(D2)의 캐소드는 제3 캐패시터(C3)의 일단에 연결된다.
제3 캐패시터(C3)의 일단은 제2 다이오드(D2)의 캐소드에 연결된다. 제3 캐패시터(C3)의 타단은 접지(GND)에 연결된다.
충전회로(240)는 니켈 수소 배터리 충전 회로로 설계된다.
도 3은 본 실시예에 따른 충전시간 및 송신시간을 나타낸 도면이다.
충전회로(240)는 낮은 효율로 DC 전력을 도 3에 도시된 바와 같이, 충분한 시간동안 배터리(250)에 충전하도록 제어하며, 기 설정된 짧은 시간(주기로)동안만 배터리(250)에 충전된 전력이 출력되도록 제어하여 효율적으로 전력이 운영되도록 한다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
110: 리더기 120: 태그
130: AP
200: 수신부
210: 안테나 220: 매칭회로
230: 정류회로 240: 충전회로
250: 배터리

Claims (9)

  1. 기 설정된 UHF 주파수 대역을 이용하여 전력을 RF 신호로서 원거리에서 송출하는 리더기(Leader); 및
    원거리에서 상기 RF 신호를 수신하여 DC 전력으로 변환한 후 상기 DC 전력이 기 설정된 시간동안 배터리에 충전하도록 제어하다가, 상기 기 설정된 시간보다 짧은 기 설정된 짧은 시간 주기로만 상기 배터리에 충전된 상기 DC 전력이 출력되도록 제어하는 충전회로(Charging Circuit)를 구비하는 무선 태그(Tag)를 포함하고,
    상기 무선 태그의 정류회로는
    임피던스 매칭회로에 연결되는 제2 캐패시터(C2), 상기 제2 캐패시터와 접지(GND) 간에 연결된 제1 다이오드(D1), 상기 제2 캐패시터에 연결된 제2 다이오드(D2), 상기 제2 다이오드에 연결된 제3 캐패시터(C3)를 포함하고,
    상기 제2 캐패시터(C2)의 일단은 상기 매칭회로의 출력단에 연결되며, 상기 제2 캐패시터(C2)의 타단은 제1 다이오드(D1)의 캐소드와 제2 다이오드(D2)의 애노드의 접점에 연결되며,
    상기 제1 다이오드(D1)의 캐소드는 상기 제2 캐패시터(C2)의 타단과 상기 제2 다이오드(D2)의 애노드의 접점에 연결되며, 상기 제1 다이오드(D1)의 애노드는 접지(GND)에 연결되고,
    상기 제2 다이오드(D2)의 애노드는 상기 제2 캐패시터(C2)의 타단과 상기 제1 다이오드(D1)의 캐소드의 접점에 연결되며, 상기 제2 다이오드(D2)의 캐소드는 상기 제3 캐패시터(C3)의 일단에 연결되며,
    상기 제3 캐패시터(C3)의 일단은 제2 다이오드(D2)의 캐소드에 연결되며, 상기 제3 캐패시터(C3)의 타단은 접지(GND)에 연결되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 방식을 이용한 방사형 전력 공급 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 리더기는 UHF(Ultra High Frequency) 수동형 RFID(Radio Frequency IDentification) 리더기로서, 900 MHz 주파수 대역을 이용하여 전력을 상기 RF 신호로 송출하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 방식을 이용한 방사형 전력 공급 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 무선 태그는 상기 DC 전력을 전원으로 인가하여 기 설정된 프로세서를 동작하며, 상기 프로세서의 동작으로 센싱된 센싱 신호를 생성하며, 상기 센싱 신호를 상기 기 설정된 UHF 주파수 대역과 상이한 기 설정된 주파수 대역으로 상기 센싱 신호를 전송하고,
    상기 기 설정된 UHF 주파수 대역과 상이한 기 설정된 주파수 대역으로 상기 센싱 신호를 수신하여 외부 서버로 전송하는 AP(Access Point)를 더 포함하고,
    상기 무선 태그는 2.4 GHz 주파수 대역, UWB(Ultra Wide-Band), NB(NarrowBand) 중 어느 하나의 주파수 대역으로 상기 센싱 신호를 상기 AP로 전송하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 방식을 이용한 방사형 전력 공급 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 무선 태그는,
    상기 리더기에서 보낸 상기 RF 신호를 수신하여 상기 전력으로 변환하는 수신부를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 방식을 이용한 방사형 전력 공급 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 수신부는,
    상기 리더기로부터 900 MHz 주파수 대역의 상기 RF 신호를 수신하는 안테나;
    구비된 노치필터(Notch Filter)를 이용하여 상기 RF 신호에 대한 임피던스 매칭(Impedance Matching)을 수행하여 임피던스 매칭 신호를 출력하는 매칭회로(Matching Circuit);
    상기 임피던스 매칭 신호를 DC 전압으로 변환하여 출력하는 정류회로(Rectifier);
    상기 DC 전압의 충전을 제어하는 상기 충전회로(Charging Circuit); 및
    상기 DC 전압을 충전하는 배터리(Battery);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 방식을 이용한 방사형 전력 공급 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 매칭회로는
    제1 캐패시터(C1), 제1 인덕터(L1)를 포함하는 상기 노치필터를 구현하며,
    상기 제1 캐패시터(C1)의 일단은 상기 안테나의 출력단에 연결되며, 상기 제1 캐패시터(C1)의 타단은 상기 제1 인덕터(L1)의 일단에 연결되며,
    상기 제1 인덕터(L1)의 타단은 접지(GND)에 연결되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 방식을 이용한 방사형 전력 공급 시스템.
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  8. 삭제
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