KR102233383B1 - 전송 스케쥴에 기초한 무선 전력 전송 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

무선 전력 전송 시스템이 제공된다. 전력 송신 장치는 복수의 전력 수신 장치가 분류된 서브셋에 기초하여 결정된 전송 스케쥴을 이용하여, 서브셋 별로 복수의 전력 수신 장치로 에너지를 무선으로 전송할 수 있다. 전력 수신 장치는 상술한 전송 스케쥴에 기초하여, 해당 서브셋에 대응하는 시간 동안 전력 송신 장치로부터 에너지를 전송 받을 수 있다.

Description

전송 스케쥴에 기초한 무선 전력 전송 시스템 및 방법{WIRELESS POWER TRANSFER SYSTEM AND METHOD BASED ON TRANSFER SCHEDULE}
아래의 실시 예들은 무선으로 에너지를 전송하는 방법 및 장치, 무선 에너지 전송 시스템에 관한 것이다.
무선 전력 전송에 대한 연구는 휴대기기를 포함한 다양한 전기기기의 폭발적 증가로 인한 유선 전력 공급의 불편 증가 및 기존 배터리(battery) 용량의 한계 봉착 등을 극복하기 위해 시작되었다. 그 중에서도 근거리 무선 전력 전송에 대한 연구가 집중되고 있다. 근거리 무선 전력 전송이라 함은 동작 주파수에서 파장의 길이에 비해 송수신 코일간의 거리가 충분히 작은 경우를 의미한다. 공진 특성을 이용하는 무선 전력 송수신 시스템은 전력을 공급하는 소스와 전력을 공급받는 타겟을 포함할 수 있다. 무선 전력을 전송하고 수신하는 과정에서 소스와 타겟은 제어 정보를 공유할 필요가 있다.
일 실시예에 따르면, 복수의 수신 노드를 적어도 하나의 서브셋으로 분류하고, 적어도 하나의 서브셋에 기초하여 전송 스케쥴(transfer schedule)을 결정하는 처리부(processor); 전송 스케쥴에 기초하여 적어도 하나의 서브셋에 대응하는 수신 노드로 에너지를 무선 전송하는 송신 공진기(TX resonator)를 포함하는 전력 송신 장치가 제공될 수 있다.
송신 공진기는, 전송 스케쥴에 기초하여, 전송 주기(transfer period) 동안 적어도 하나의 서브셋의 각 서브셋에 대해 순차적으로 에너지를 무선 전송할 수 있다.
처리부는, 전송 스케쥴에 기초하여, 서브셋에 미리 정한 시간 구간을 할당할 수 있다.
송신 공진기는, 전송 주기 중 미리 정한 시간 구간 동안 서브셋에 대응하는 적어도 하나의 수신 노드로 에너지를 무선 전송할 수 있다.
처리부는, 복수의 수신 노드로부터 상호 결합 계수가 미리 정한 임계값 이하인 적어도 하나의 수신 노드를 적어도 하나의 서브셋 중 하나의 서브셋으로 분류할 수 있다.
처리부는, 복수의 수신 노드로부터 복수의 수신 노드 간의 결합과 연관된 채널 정보를 수집할 수 있다.
송신 공진기는, 임시 서브셋(temporary subset)으로 지정된 적어도 하나의 수신 노드로 에너지를 전송하고, 처리부는, 임시 서브셋으로 전송된 에너지에 기초하여 추정된 채널 정보를 수신 노드로부터 수집할 수 있다.
처리부는, 수집된 채널 정보로부터 결합 계수 행렬을 생성하고, 결합 계수 행렬에 기초하여 복수의 수신 노드를 적어도 하나의 서브셋으로 분류할 수 있다.
송신 공진기는, 임시 서브셋으로 지정된 적어도 하나의 수신 노드에 에너지를 무선으로 전송하고, 처리부는, 에너지에 대응하는 송신 에너지 파형에 기초하여 임시 서브셋에 대한 전송 효율을 추정하며 임시 서브셋에 대한 전송효율에 기초하여 전송 스케쥴을 결정할 수 있다.
처리부는, 전송 주기에서, 적어도 하나의 서브셋의 개수에 기초하여 각 서브셋에 할당되는 시간 구간을 결정할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 송신 노드에 의해 결정된 전송 스케쥴(transfer schedule)에 기초하여 전력 수신 장치에 대응하는 서브셋을 판단하는 처리부; 및 송신 노드로부터 서브셋에 대응하는 에너지를 무선으로 수신하는 수신 공진기를 포함하는 전력 수신 장치가 제공될 수 있다.
수신 공진기는, 전력 수신 장치가 포함되는 서브셋에 대응하는 시간 구간 동안 송신 노드로부터 에너지를 무선 전송 받을 수 있다.
처리부는, 전송 스케쥴에 기초하여, 전력 수신 장치가 송신 노드로부터 에너지를 전송 받을 미리 정한 시간 구간을 할당할 수 있다.
전력 수신 장치는 송신 노드로부터 전력 수신 장치가 포함되는 서브셋과 연관된 어나운스 정보(announce information)를 수신하는 통신부를 더 포함할 수 있다.
전력 수신 장치는 전송 스케쥴을 결정하기 위한, 송신 노드로 전력 수신 장치 및 다른 수신 노드 간의 결합과 연관된 채널 정보를 송신하는 통신부를 더 포함할 수 있다.
수신 공진기는, 전력 수신 장치가 임시 서브셋으로 지정된 경우, 송신 노드로부터 에너지를 전송 받고, 처리부는, 에너지에 기초하여 채널 정보를 추정할 수 있다.
처리부는, 수신된 에너지에 대응하는 수신 에너지 파형을 분석하여, 주변의 임시 서브셋으로 지정된 수신 노드와 연관된 채널 정보를 추정할 수 있다.
처리부는, 전력 수신 장치와 결합이 형성되는 수신 노드가 주변에 존재하는지 판단한 결과를 포함하는 채널 정보를 생성하고, 전력 수신 장치는 채널 정보를 송신 노드로 송신하는 통신부를 더 포함할 수 있다.
처리부는, 수신 에너지 파형에 대응하는 상호 결합 계수가 미리 정한 임계값보다 큰 경우, 임시 서브셋으로 지정된 주변의 수신 노드 및 전력 수신 장치 간에 결합이 형성되는 것으로 판단할 수 있다.
처리부는, 전력 수신 장치 주변의 다른 수신 노드로 에너지를 전송하여 다른 수신 노드 및 전력 수신 장치 간의 채널 정보를 추정하고, 전력 수신 장치는 채널 정보를 송신 노드로 송신하는 통신부를 더 포함할 수 있다.
도 1은 일실시예에 따른 무선 에너지 전송 시스템의 등가회로를 나타낸 도면이다.
도 2는 다른 일실시예에 따른 무선 에너지 전송 시스템의 등가회로를 나타낸 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 도시한다.
도 4는 일 실시예에 따른 전력 송신 장치의 세부적인 구성을 도시한다.
도 5 및 도 6는 일 실시예에 따른 전력 수신 장치의 세부적인 구성을 도시한다.
도 7는 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 예시적인 구성을 도시한다.
도 8 내지 도 9은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 예시적인 스케쥴(schedule)을 도시한다.
도 10 및 도 11는 일 실시예에 따른 전력 수신 장치의 개수에 따른 이상적 전달 전력(transmission power)을 도시한 그래프이다.
도 12은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 방법을 도시한 흐름도이다.
도 13 및 도 14는 일 실시예에 따른 에너지 전송 스케쥴 방법을 도시한 흐름도이다.
도 15은 일 실시예에 따른 전송 스케쥴의 예시를 도시한 도면이다.
도 16 내지 도 18은 일 실시예에 따라 각 결합 정보(coupling information)에 대응하는 송신 노드 및 수신 노드에 유도되는(induced) 에너지를 도시한 그래프이다.
이하, 일 측에 따른 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
무선 전력 전송 시스템은 무선으로 전력을 필요로 하는 다양한 시스템에 응용될 수 있다. 무선 전력 전송 시스템은 핸드폰 또는 wireless TV 등 무선 전력의 사용이 가능한 시스템에 이용될 수 있다. 또한, 바이오 헬스 케어(bio health care) 분야에 응용이 가능하여, 인체에 삽입된 디바이스에 원격으로 전력을 전송하거나, 심박수 측정을 위한 붕대 모양의 디바이스에 무선으로 전력을 전송하는데 응용될 수 있다.
무선 전력 전송 시스템은 전력소모에 제약이 큰 센서 등의 디바이스에 응용될 수 있다.
또한, 무선 전력 전송 시스템은 전원 소스가 없는 정보 저장 장치의 원격 제어에 응용될 수 있다. 무선 전력 전송 시스템은 정보 저장 장치에 원격으로 장치를 구동할 수 있는 전력을 공급함과 동시에, 무선으로 정보 저장 장치에 저장된 정보를 불러오는 시스템에 응용될 수 있다.
무선 전력 전송 시스템은 신호의 발생을 위해 전원 공급 장치로부터 에너지를 공급받아, 소스 공진기에 저장하고, 전원 공급 장치와 소스 공진기를 전기적으로 연결하는 스위치를 오프 시킴으로써, 소스 공진기의 자체 공진을 유도할 수 있다. 자체 공진 하는 소스 공진기와 상호 공진을 할 만큼 충분히 가까운 거리에 소스 공진기의 공진 주파수와 동일한 공진 주파수를 가지는 타겟 공진기가 존재하는 경우, 소스 공진기와 타겟 공진기 간에 상호 공진 현상이 발생한다. 소스 공진기는 전원 공급 장치로부터 에너지를 공급받는 공진기를 의미하고, 타겟 공진기는 상호 공진 현상에 의해 소스 공진기로부터 에너지를 전달받는 공진기를 의미한다.
도 1은 일실시예에 따른 무선 에너지 전송 시스템의 등가회로를 나타낸 도면이다. 위와 같은 무선 에너지 전송 시스템은 RI(Resonator Isolation) 시스템이라고 정의될 수 있다.
도 1을 참조하면, 무선 에너지 전송 시스템은 소스와 타겟으로 구성되는 소스-타겟 구조이다. 무선 에너지 전송 시스템은 소스에 해당하는 무선 에너지 전송 장치와 타겟에 해당하는 무선 에너지 수신 장치를 포함할 수 있다.
무선 에너지 전송 장치는 전력 입력부(110), 전력 전송부(120) 및 스위치부(130)를 포함한다. 전력 입력부(110)는 전원 공급 장치를 이용하여 커패시터에 에너지를 저장한다. 스위치부(130)는 커패시터에 에너지가 저장되는 동안에는 전력 입력부(110)에 커패시터를 연결하고, 스위치부(130)는 커패시터에 저장된 에너지를 방전하는 동안에는 커패시터를 전력 전송부(120)에 연결한다. 즉, 스위치부(130)는 커패시터가 동시에 전력 입력부(110) 및 전력 전송부(120)에 연결되지 않도록 한다.
전력 전송부(120)는 전자기(electromagnetic) 에너지를 수신부(140)로 전달(transferring)한다. 보다 구체적으로 전력 전송부(120)는 전력 전송부(120)의 소스 공진기와 수신부(130)의 타겟 공진기 간의 상호 공진을 통해 전력을 전달할 수 있다. 이때, 소스 공진기는 커패시터(C1) 및 송신 코일(L1)을 포함할 수 있고, 타겟 공진기는 커패시터(C2) 및 수신 코일(L2)을 포함할 수 있다. 소스 공진기와 타겟 공진기 간에 발생하는 상호 공진의 정도는 상호 인덕턴스 M의 영향을 받는다.
전력 입력부(110)는 입력 전압(VDC), 내부 저항(Rin) 및 커패시터(C1)로, 전력 전송부(120)는 기초 회로 소자(R1, L1, C1)로, 스위치부(130)는 복수의 스위치들로 모델링 될 수 있다. 스위치로는 온/오프 기능을 수행할 수 있는 능동소자가 사용될 수 있다. R은 저항 성분, L은 인덕터 성분, C는 커패시터 성분을 의미한다. 입력 전압(VDC) 중 커패시터(C1)에 걸리는 전압은 Vin으로 표시될 수 있다.
무선 에너지 수신 장치는 수신부(140), 전력 출력부(150) 및 스위치부(160)를 포함한다. 수신부(140)는 전력 전송부(120)로부터 전자기(electromagnetic) 에너지를 수신한다. 수신부(140)는 수신한 전자기 에너지를 연결된 커패시터들에 저장한다. 스위치부(160)는 커패시터에 에너지가 저장되는 동안에는 수신부(140)에 커패시터를 연결하고, 스위치부(160)는 커패시터에 저장된 에너지를 부하에 전달하는 동안에는 커패시터를 전력 출력부(150)에 연결한다. 즉, 스위치부(160)는 커패시터가 동시에 수신부(140) 및 전력 출력부(150)에 연결되지 않도록 한다.
보다 구체적으로 수신부(140)의 수신 코일(L2)은 전력 전송부(120)의 송신 코일(L1)과의 상호 공진을 통하여 전력을 수신할 수 있다. 수신된 전력을 통하여 수신 코일(L2)과 연결된 커패시터가 충전될 수 있다. 전력 출력부(150)는 커패시터에 충전된 전력을 배터리로 전달한다. 전력 출력부(150)는 배터리 대신, 부하 또는 타겟 디바이스에 전력을 전달할 수 있다.
수신부(140)는 기초 회로 소자(R2, L2 , C2)로, 전력 출력부(150)는 연결되는 커패시터(C2) 및 배터리로, 스위치부(160)는 복수의 스위치들로 모델링 될 수 있다. 수신 코일(L2)에서 수신되는 에너지 중, 커패시터(C2)에 걸리는 전압은 Vout으로 표시될 수 있다.
위와 같이 전력 입력부(110)와 전력 전송부(120)를 물리적으로 분리하고, 수신부(140)와 전력 출력부(150)를 물리적으로 분리하여 전력을 전송하는 RI(Resonator Isolation) 시스템은 임피던스 매칭을 사용한 기존의 전력 전송 방식에 비하여 여러 가지의 장점을 가진다. 첫째, DC 전원으로부터 소스 공진기에 직접 전력 공급이 가능하기 때문에, 전력 증폭기를 사용하지 않을 수 있다. 둘째, 배터리의 충전을 위해 수신단의 커패시터에 충전된 전력에서 에너지를 채득(capture)하기 때문에, 정류기를 통한 정류작업이 필요 없다. 셋째, 임피던스 매칭을 할 필요가 없으므로 전송 효율이 송신단과 수신단 사이의 거리변화에 민감하지 않다. 또한, 복수의 송신단 및 복수의 수신단을 포함하는 무선 에너지 전송 시스템으로의 확장이 용이하다.
도 2는 다른 일실시예에 따른 무선 에너지 전송 시스템의 등가회로를 나타낸 도면이다. 도 2는 RI(Resonator Isolation) 시스템의 다른 예이다.
도 2를 참조하면, 무선 에너지 전송 시스템은 소스와 타겟으로 구성되는 소스-타겟 구조이다. 즉, 무선 에너지 전송 시스템은 소스에 해당하는 무선 에너지 전송 장치와 타겟에 해당하는 무선 에너지 수신 장치를 포함한다.
무선 에너지 전송 장치는 전력 충전부(210), 제어부(220) 및 전송부(230)를 포함할 수 있다. 전력 충전부(210)는 전원 공급 장치(Vin)와 저항(Rin)으로 구성될 수 있다. 소스 공진기는 커패시터(C1)와 인덕터(L1)로 구성될 수 있다. 전송부(230)는 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 상호 공진을 통하여 소스 공진기에 저장된 에너지를 전송할 수 있다. 제어부(220)는 전력 충전부(210)로부터 소스 공진기에 전력을 공급하기 위해 스위치를 온(on) 할 수 있다. 전원 공급 장치(Vin)로부터 커패시터(C1)에 전압이 인가되고, 인덕터(L1)에 전류가 인가될 수 있다. 소스 공진기가 정상 상태에 도달하게 되면, 커패시터(C1)에 인가되는 전압은 0이 되고, 인덕터(L1)에 흐르는 전류는 Vin/ Rin의 값을 가지게 된다. 정상 상태에서는 인덕터(L1)에 인가되는 전류를 통하여 인덕터(L1)에 전력이 충전된다.
제어부(220)는 정상 상태에서 소스 공진기에 충전된 전력이 소정 값에 도달하면, 스위치를 오프(off)할 수 있다. 소정 값에 대한 정보는 제어부(220)에 설정될 수 있다. 전력 충전부(210)와 전송부(230)는 스위치 동작에 의해 분리된다. 스위치가 오프 되면, 소스 공진기는 커패시터(C1)와 인덕터(L1)간에 자체 공진을 시작한다. 상호 인덕턴스 M(270)을 고려한, 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 상호 공진을 통하여, 소스 공진기에 저장된 에너지는 타겟 공진기로 전달될 수 있다. 이때, 소스 공진기의 공진 주파수(f1)와 타겟 공진기의 공진 주파수(f2)는 동일하다. 소스 공진기의 공진 주파수(f1)와 타겟 공진기의 공진 주파수(f2)는 하기 수학식 1을 통해서 계산될 수 있다.
Figure 112014069502674-pat00001
무선 에너지 수신 장치는 충전부(240), 제어부(250) 및 전력 출력부(260)를 포함할 수 있다. 타겟 공진기는 커패시터(C2)와 인덕터(L2)로 구성될 수 있다. 소스 공진기와 타겟 공진기 간에 상호 공진을 할 때는 소스 공진기는 전원 공급 장치(Vin)와 분리되어 있고, 타겟 공진기는 부하(LOAD) 및 커패시터(CL)와 분리되어 있다. 타겟 공진기의 커패시터(C2)와 인덕터(L2)는 상호 공진을 통하여 전력을 충전할 수 있다. 제어부(250)는 타겟 공진기에 전력을 충전하기 위해, 스위치를 오프(off)할 수 있다. 스위치가 오프인 동안, 타겟 공진기의 공진 주파수와 소스 공진기의 공진 주파수는 일치하여, 상호 공진이 발생할 수 있다. 제어부(250)는 타겟 공진기에 충전된 전력이 소정 값에 도달하면, 스위치를 온(on)할 수 있다. 소정 값에 대한 정보는 제어부(250)에 설정될 수 있다. 스위치가 온 되면, 커패시터(CL)이 연결되어, 타겟 공진기의 공진 주파수가 하기 수학식 2와 같이 변경된다.
Figure 112014069502674-pat00002
따라서, 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 공진 주파수가 일치하지 않게 되고, 소스 공진기와 타겟 공진기 간에 상호 공진이 종료된다. 보다 구체적으로는 타겟 공진기의 Q를 고려하여, f2'이 f2보다 충분히 작다면, 상호 공진 채널이 소멸할 수 있다. 또한, 전력 출력부(260)는 커패시터(C2)와 인덕터(L2)에 충전된 전력을 부하(LOAD)에 전달할 수 있다. 전력 출력부(260)는 부하(LOAD)의 필요에 적합한 방식으로 전력을 전달할 수 있다. 예를 들면, 전력 출력부(260)는 부하에서 요구하는 정격 전압으로 전압을 레귤레이션(regulation)하여 전력을 전달할 수 있다.
제어부(250)는 타겟 공진기에 충전된 전력이 소정 값 미만의 값을 갖게 되면, 스위치를 오프(off)할 수 있다. 오프(off)로 인하여 소스 공진기와 타겟 공진기의 공진 주파수가 다시 일치하게 되면, 충전부(240)는 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 상호 공진을 통하여 다시 타겟 공진기에 전력을 충전할 수 있다.
소스 공진기와 타겟 공진기 간에 상호 공진이 발생할 때는 스위치가 연결되지 않는다. 따라서, 스위치의 연결에 따른 전송 효율의 감소를 예방할 수 있다.
도 1의 커패시터에 충전된 에너지를 전달하는 방식에 비해, 도 2의 방식은 타겟 공진기에 저장된 에너지의 채득(capture) 시점을 제어하는 것이 좀 더 용이하다. 도 1의 커패시터에 충전된 에너지를 전달하는 방식에서는 무선 전력 수신 장치가 커패시터에 충전된 에너지를 채득(capture) 할 수 있지만, 도 2의 공진 주파수를 변경하여 에너지를 채득하는 방식은 타겟 공진기의 인덕터 및 커패시터에 저장된 에너지를 채득하므로, 에너지의 채득 시점에 대한 자유도가 향상된다.
RI(Resonator Isolation) 시스템의 송신단은 전력 혹은 데이터의 전송을 위해, 스위치의 연결을 통해 소스 공진기에 에너지의 충전과 방전과정을 반복 수행한다. 이러한 한 번의 에너지의 충전과 방전 과정은 하나의 심볼로 정의될 수 있다. 수신단은 송신단으로부터 에너지 또는 데이터를 수신하기 위해, 송신단의 충전 및 방전을 반복하는 스위치의 동작 주기에 맞추어, 수신단의 스위치를 동작시켜야 한다.
수신단은 송신단으로부터 오류 없이 전력 또는 데이터를 수신하기 위해, 송신단의 스위치가 언제 오프(off)되고 언제 온(on)되는지, 그리고 언제 상호 공진을 시작하고, 언제 타겟 공진기에 저장된 에너지가 피크 값을 가지는지 알 필요가 있다. 송신단 스위치의 온/오프 타임에 대한 정보를 알아내고, 수신단의 온/오프 타임을 송신단 스위치의 온/오프 타임에 대한 정보에 맞게 조절하는 과정을 시간 동기화 과정이라고 정의할 수 있다.
RI 시스템은 정보를 전달하기 위하여, 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 상호 공진 현상을 이용한다. 보다 구체적으로, 송신단은 상호 약속된 정해진 시간 구간 동안 소스 공진기로 에너지를 주입하거나/주입하지 않는 동작을 통해 해당 시간 구간 동안 상호 공진을 일으키거나/일으키지 아니하는 현상을 유도할 수 있고, 각각의 현상에 정보를 할당(assign)할 수 있다. 예를 들면, 송신단은 상호 공진이 발생하는 현상에 비트 1을, 상호 공진이 발생하지 않는 현상에 비트 0을 할당할 수 있다. 여기서 정해진 시간 구간은 예를 들면, 하나의 심볼로 정의될 수 있다.
수신단은 정해진 시간 구간 동안, 타겟 공진기의 공진주파수를 소스 공진기의 공진주파수와 맞추거나/맞추지 아니하는 동작으로 상호 공진을 일으키거나/일으키지 아니하는 현상을 유도할 수 있다. 이때, 수신단은 각각의 현상에 정보를 할당(assign)할 수 있다. 예를 들면, 수신단은 상호 공진이 발생하는 현상에 비트 1을, 상호 공진이 발생하지 않는 현상에 비트 0을 할당할 수 있다.
심볼 단위로 정보를 전달하는 방법에 있어서, 심볼의 동기를 맞추는 작업이 선행되어야 한다. 심볼의 동기를 맞추기 위해 수신단에서 동기 정합 작업을 수행할 수 있다. 수신단에서 동기 정합 작업이 이루어지면, 사전에 정해진 프로토콜에 의해 송신단과 수신단 간에 양방향 데이터 전송이 이루어질 수 있다.
이하, RI 시스템의 송신단은 송신 노드로 나타낼 수 있고, RI 시스템의 수신단은 수신 노드로 나타낼 수 있다.
이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
근거리 무선 전력 전송(Near field Wireless Power Transfer)의 방식으로는 전자기 유도 방식이나 자기 공명 방식이 사용되고 있다. 이러한 방식에서는 주어진 동작 주파수에서 송신 코일(예를 들어, 송신 공진기)을 통해 자기장을 생성하고, 생성된 자기장에 저장된 에너지를 수신 코일(예를 들어, 수신 공진기)에 유도함으로써 전류를 생성할 수 있다.
일반적으로 근거리 무선 전력 전송은 동작 주파수에 대응하는 파장(wavelength)에 비해 송신 코일 및 수신 코일 간 거리가 충분히 작은 경우의 무선 전력 전송을 나타낼 수 있다.
여기서, 송신 코일 및 수신 코일 간의 전력 전송 동작은, 송신 코일 및 수신 코일을 등가 회로 모델(equivalent circuit model)로 치환되어 해석될 수 있다. 예를 들어, 송신 코일 및 수신 코일의 물리적 성질이 회로 소자(circuit elementary)(예를 들어, R, L, 및 C)로 치환되면, 해당 소자들의 동작 주파수에서의 성질이 해석될 수 있다.
일 실시예에 따른 송신 공진기 및 수신 공진기에 의한 무선 전력 전송 시스템은 등가 회로 모델로 치환될 수 있다.
우선, 등가 회로 모델에서 전송효율을 높이기 위해서는, 전력 송신 장치 및 전력 수신 장치 간 거리에 따라서 전송효율이 최대화되는 주파수가 정합되어야 할 수 있다. 전력 송신 장치 및 전력 수신 장치 간 거리가 변화되면, 전송효율이 최대화되는 주파수가 변할 수 있다. 또한, 송신 공진기 및 수신 공진기 간의 공명 주파수가 정합된 상태에서도 전력 송신 장치 및 전력 수신 장치 간 거리에 따라 전송효율이 최대화되는 주파수가 변할 수 있다. 이와 같이, 전송효율을 높이기 위해서 전력 송신 장치 및 전력 수신 장치 간의 현재 동작 거리에서의 최적 주파수로, 무선 전력 전송 시스템의 동작 주파수가 보정되어야 할 수 있다.
또한, 등가 회로 모델에서 전송효율을 높이기 위해서는, 전력 송신 장치 및 전력 수신 장치의 입출력단의 임피던스 정합(impedance matching)이 필요할 수 있다. 예를 들어, 임피던스 정합은 송신 공진기에 입력되는 전력을 최대화 하고, 수신 공진기로부터 전력 수신 장치의 부하(load)에 전달되는 전력을 최대화할 수 있다. 임피던스가 미스매칭(mismatching)되는 경우, 입력 전력이 반사되면서 전송효율이 감소하고, 회로에 손상이 발생할 수 있다. 상술한 임피던스 정합이 달성되기 위해서, 송신 공진기 및 수신 공진기의 특성, 수신 공진기에 연결된 부하의 임피던스, 전력 송신 장치 및 전력 수신 장치 간의 채널 특성(예를 들어, 거리, 매체(media)의 매질 등)이 전체 무선 전력 전송 시스템의 설계에서 고려되어야 할 수 있다.
더 나아가, 전력 송신 장치의 PA (power amplifier) 및 전력 수신 장치의 정류기(Rectifier)가 필요할 수 있다. 이를테면, 전체 무선 전력 전송 시스템에서 전송효율을 높이기 위해서는 상술한 PA와 정류기의 효율이 개선되어야 할 수 있다.
일반적으로 근거리(Near field) 내 수신 공진기의 개수, 수신 공진기 간의 상대적인 위치에 따라 주파수 및 임피던스 정합이 변화하므로, 복수의 전력 수신 장치가 존재할 경우 전송효율이 저하될 수 있다. 예를 들어, 수신 공진기의 개수가 증가하면 고려되어야 하는 각 전력 수신 장치의 위치의 조합이 급격히 증가하고, 개별 수신 공진기의 특성이 최적으로 조절(tuning)되기 어려워질 수 있다.
RI 시스템(Resonator Isolation system)은 전력 입출력단(power I/O terminal)과 전력 송수신 회로(power TX/RX circuit)가 분리됨으로써, 전송효율이 개선될 수 있다. RI 시스템은 전력 입출력단 및 전력 송수신 회로를 분리하기 위해, 공진기의 커패시터(capacitor)에 에너지를 충전하는 과정 및 충전된 커패시터를 인덕터(inductor)와 연결하여 방전하는 과정을 반복 수행할 수 있다.
상술한 RI 시스템은 주파수 정합 및 임피던스 정합이 필요하지 않은 시스템일 수 있다. 예를 들어, RI 시스템은 수신 공진기의 개수, 및 상대적 위치에 따른 정합이 필요 없기 때문에, 복수의 전력 수신 장치가 존재하는 시스템에서 전송효율이 쉽게 개선될 수 있다.
이하, 복수의 전력 수신 장치가 존재하는 RI 시스템에서 전송효율을 극대화하는 전송 스케쥴에 기초하여 무선으로 에너지를 전송하는 전력 송신 장치, 전력 수신 장치 및 전력 전송 방법이 제공된다.
도 3은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템(300)을 도시한다.
일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템(300)은 전력 송신 장치(310) 및 복수의 전력 수신 장치(321, 322, 329)를 포함할 수 있다. 무선 전력 전송 시스템(300)의 예시는 하기 도 7에서 상세히 설명한다.
전력 송신 장치(310)는 송신 공진기(TX resonator)(311) 및 처리부(processor)(312)를 포함할 수 있다.
송신 공진기(311)는 전송 스케쥴에 기초하여 적어도 하나의 서브셋에 대응하는 수신 노드로 에너지를 무선 전송할 수 있다. 예를 들어, 송신 공진기(311)는 전송 스케쥴에서 특정 서브셋(예를 들어, 복수의 수신 노드 중 일부 수신 노드를 포함하는 서브셋)에 대응하는 시간 구간 동안, 특정 서브셋에 포함되는 모든 수신 노드에 대해 에너지를 무선 전송할 수 있다. 여기서, 복수의 수신 노드 중 적어도 하나의 서브셋 각각에 포함되는 수신 노드는 하기 처리부(312)에 의해 분류될 수 있다.
처리부(312)는 복수의 수신 노드를 적어도 하나의 서브셋으로 분류할 수 있다. 본 명세서에서 수신 노드는 전력 수신 장치(321, 322, 329)를 나타낼 수 있다.
예를 들어, 서브셋은 무선 전력 전송 시스템(300)에 포함된 복수의 수신 노드 중 일부 수신 노드의 집합으로서, 각 서브셋은 적어도 하나의 수신 노드를 포함할 수 있다. 각 서브셋은 일정한 기준(예를 들어, 수신 노드 상호 간의 결합 형성 여부)에 따라 분류된 수신 노드를 포함하고, 복수의 수신 노드의 서브셋은 하기 도 7에서 상세히 설명한다.
또한, 처리부(312)는 적어도 하나의 서브셋에 기초하여 전송 스케쥴(transfer schedule)을 결정할 수 있다. 여기서, 전송 스케쥴은 복수의 수신 노드에 에너지를 무선으로 전송하기 위한 스케쥴로서, 상술한 적어도 하나의 서브셋에 송신 노드가 에너지를 전송하는 순서를 포함할 수 있다. 전송 스케쥴은 하기 도 15에서 상세히 설명한다.
일 실시예에 따르면, 전력 송신 장치(310)의 처리부(312)는 적어도 하나의 서브셋 중 하나의 서브셋을 제1 전력 수신 장치(321), 제2 전력 수신 장치(322) 내지 제n 전력 수신 장치(329) 중에서, 상호 결합 계수(mutual coupling coefficient)가 미리 정한 임계값 이하인 전력 수신 장치들로 구성할 수 있다. 전력 송신 장치(310)는 송신 공진기(311)를 통해 서브셋 별로 에너지를 전송하도록 전송 스케쥴을 결정할 수 있다.
예를 들어, 각 서브셋에 포함되는 적어도 하나의 전력 수신 장치는 상호 결합 계수가 미리 정한 임계값 이하일 수 있다. 또한, 서브셋에 포함되는 전력 수신 장치가 하나인 경우에는, 상호 결합 계수가 존재할 수 없으므로 그 값이 0이 되고, 따라서 미리 정한 임계값보다 이하일 수 있다.
여기서, 처리부(312)는 복수의 수신 노드가 존재하는 근접 자기장 채널과 연관된 채널 정보를 구성할 수 있다. 예를 들어, 채널 정보는 복수의 수신 노드 간의 결합(coupling)과 연관된 결합 정보로서, 수신 노드 간의 상호 결합 계수, 전력 송신 장치(310)가 송신한 에너지의 파형(예를 들어, 송신 에너지 파형), 전력 수신 장치(321, 322, 329)가 수신한 에너지의 파형(예를 들어, 수신 에너지 파형), 및 임계값보다 큰 상호 결합 계수를 가지는 주변 수신 노드의 존재 여부 등을 포함할 수 있다. 여기서, 처리부(312)는 결합 정보 및 채널 정보로부터 결합 계수 행렬(coupling coefficient matrix)를 산출할 수 있다.
상술한 채널 정보를 수집하기 위하여, 처리부(312)는 복수의 수신 노드의 일부 수신 노드를 임시 서브셋으로 지정(designate)하고, 송신 공진기(311)를 통해 임시 서브셋으로 지정된 수신 노드로 채널 정보를 추정하기 위한 에너지를 전송할 수 있다. 수신 노드는 임시 서브셋의 수신 공진기에 인가되는 수신된 에너지의 파형을 분석하여 채널 정보를 추정할 수 있다. 예를 들어, 수신 노드는 상호 결합 계수가 미리 정한 임계값보다 큰 다른 수신 노드의 존재 여부를 판단하여, 송신 노드로 알릴 수 있다. 여기서, 임시 서브셋은 채널 정보를 수집하기 위하여 일시적으로 구성되는 서브셋으로서, 순차적으로 복수의 수신 노드의 모든 조합으로 구성될 수 있다. 구체적으로는 하기 도 13에서 상세히 설명한다.
또한, 처리부(312)는 채널 정보를 수집하기 위해 임시 서브셋으로 에너지를 송신하고, 자신의 에너지 파형을 분석하여 전체 전송효율을 추정할 수 있다. 구체적으로는 하기 도 14에서 상세히 설명한다.
일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템(300)은 에너지 및 데이터의 동시 전송이 필요한 다양한 시스템에 응용될 수 있다. 예를 들어, 핸드폰의 무선 충전이나 무선 TV 등과 같이 복수의 무선 충전 가능한 단말이 동시 존재하는 환경에서, 무선 전력 전송 시스템(300)은 충전을 위한 효율적 자원 운용에 활용될 수 있다. 여기서, 에너지 전송 및 데이터 전송은 서로 다른 채널에서 수행될 수 있다.
무선 전력 전송 시스템(300)은 복수의 수신 노드가 존재하는 RI 시스템에서 에너지의 전송효율을 최대화할 수 있다. 또한, 무선 전력 전송 시스템(300)은 복수의 수신 노드에 에너지를 전송하기 위한 전송 스케쥴을 결정할 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 전력 송신 장치(410)의 세부적인 구성을 도시한다.
전력 송신 장치(410)는 송신 공진기(411), 처리부(412) 및 통신부(413)를 포함할 수 있다.
송신 공진기(411)는 전송 스케쥴에 기초하여, 전송 주기(transfer period) 동안 적어도 하나의 서브셋의 각 서브셋에 대해 순차적으로 에너지를 무선 전송할 수 있다. 예를 들어, 송신 공진기(411)는 전송 주기 중 미리 정한 시간 구간 동안 서브셋에 대응하는 적어도 하나의 수신 노드로 에너지를 무선 전송할 수 있다.
처리부(412)는 복수의 수신 노드로부터 상호 결합 계수가 미리 정한 임계값 이하인 적어도 하나의 수신 노드를 적어도 하나의 서브셋 중 하나의 서브셋으로 분류할 수 있다. 또한, 처리부(412)는 전송 스케쥴에 기초하여, 서브셋에 미리 정한 시간 구간을 할당할 수 있다. 예를 들어, 처리부(412)는 전송 주기에서 적어도 하나의 서브셋의 개수에 기초하여 각 서브셋에 할당되는 시간 구간을 결정할 수 있다.
여기서, 처리부(412)는 전송 스케쥴을 결정하기 위해 복수의 수신 노드로부터 복수의 수신 노드와 연관된 채널 정보를 수집할 수 있다. 예를 들어, 송신 공진기(411)가 임시 서브셋(temporary subset)으로 지정된 적어도 하나의 수신 노드로 에너지를 전송하면, 처리부(412)는, 임시 서브셋으로 전송된 에너지에 기초하여 수신 노드에 의해 추정된 채널 정보를 수신 노드로부터 수신할 수 있다. 처리부(412)는 상술한 임시 서브셋에 포함되는 수신 노드의 조합을 변경함으로써, 모든 조합에 대한 채널 정보를 수신 노드로부터 수신할 수 있다. 다른 예를 들어, 처리부(412)는 결합 계수 행렬을 생성할 수 있을 정도의 개수의 조합에 대한 채널 정보를 수신할 수 있다.
이어서, 처리부(412)는 수집된 채널 정보로부터 결합 계수 행렬을 생성하고, 결합 계수 행렬에 기초하여 복수의 수신 노드를 적어도 하나의 서브셋으로 분류할 수 있다.
다른 예를 들면, 송신 공진기(411)가 임시 서브셋으로 지정된 적어도 하나의 수신 노드에 에너지를 무선으로 전송하면, 처리부(412)가 에너지에 대응하는 내부 에너지 파형에 기초하여 임시 서브셋에 대한 전송효율을 추정하며 임시 서브셋에 대한 전송효율에 기초하여 전송 스케쥴을 결정할 수 있다. 여기서, 처리부(412)는 각 임시 서브셋으로부터 추정된 전송효율에 기초하여, 최대 전송효율을 가지는 서브셋의 집합을 결정할 수 있고, 이에 기초하여 전송 스케쥴을 결정할 수 있다.
통신부(413)는 수신 노드로 임시 서브셋 및 서브셋을 알리거나, 수신 노드로부터 채널 정보를 수신할 수 있다. 예를 들어, 통신부(413)는 특정 수신 노드가 특정 서브셋(예를 들어, 임시 서브셋 또는 서브셋)에 포함된다는 어나운스 정보(announce information)를 송신할 수 있다. 도 4에서 통신부(413)는 송신 공진기(411)와 구분되도록 도시되었으나 이로 한정하는 것은 아니고, 통신부(413)는 송신 공진기(411)와 같은 모듈로 구성될 수도 있다. 다만, 통신부(413) 및 송신 공진기(411)에 의해 사용되는 에너지가 전송되는 채널과 채널 정보가 전송되는 채널은 서로 상이할 수 있다.
도 5 및 도 6은 일 실시예에 따른 전력 수신 장치(520, 620)의 세부적인 구성을 도시한다.
도 5에 도시된 전력 수신 장치(520)는 수신 공진기(521) 및 처리부(522)를 포함할 수 있다.
수신 공진기(521)는 송신 노드로부터 서브셋에 대응하는 에너지를 무선으로 수신할 수 있다. 예를 들어, 수신 공진기(521)는 전력 수신 장치(520)가 포함되는 서브셋에 대응하는 시간 구간 동안 송신 노드로부터 에너지를 무선 전송 받을 수 있다.
처리부(522)는 송신 노드에 의해 결정된 전송 스케쥴(transfer schedule)에 기초하여 전력 수신 장치(520)에 대응하는 서브셋을 판단할 수 있다. 여기서, 처리부(522)는 전송 스케쥴에 기초하여, 전력 수신 장치(520)가 송신 노드로부터 에너지를 전송 받을 미리 정한 시간 구간을 할당할 수 있다. 예를 들어, 처리부(522)는 통신부를 통해 송신 노드로부터 전력 수신 장치(520)가 특정 서브셋에 포함된다는 어나운스 정보를 수신할 수 있다. 송신 노드는 전송 스케쥴에 기초하여, 상술한 어나운스 정보를 전력 수신 장치(520)로 송신할 수 있다.
또한, 처리부(522)는 전력 수신 장치(520)와 상호 결합 계수가 미리 정한 임계값 이하인 적어도 하나의 수신 노드를, 적어도 하나의 서브셋 중 하나의 서브셋으로 분류할 수 있다. 여기서, 서브셋에 포함되는 수신 노드가 하나인 경우는, 해당 서브셋에 대해서는 상호 결합 계수가 존재할 수 없으므로 상호 결합 계수를 0으로 나타낼 수 있다.
예를 들어, 수신 공진기(521)가, 전력 수신 장치(520)가 임시 서브셋으로 지정된 경우, 송신 노드로부터 에너지을 전송 받으면, 처리부(522)는 에너지에 기초하여 주변의 수신 노드와 연관된 채널 정보를 추정할 수 있다. 여기서, 처리부(522)는, 수신된 에너지에 대응하는 에너지 파형을 분석하여, 주변의 임시 서브셋으로 지정된 수신 노드와 연관된 채널 정보를 추정할 수 있다. 또한, 처리부(522)는, 분석된 에너지 파형에 대응하는 상호 결합 계수가 미리 정한 임계값보다 큰 경우, 에너지 수신 시 임시 서브셋으로 지정된 주변의 수신 노드와 결합이 형성되는 것으로 판단할 수 있다.
다른 예를 들면, 처리부(522)는, 전력 수신 장치(520) 주변의 수신 노드로 에너지를 전송하여 주변의 수신 노드와 전력 수신 장치(520) 간의 채널 정보(예를 들어, 수신 노드 및 전력 수신 장치(520) 간의 상호 결합 계수 등)를 추정할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 수신 공진기(521)는 전력 수신 장치(520)가 임시 서브셋으로 지정된 경우, 송신 노드로부터 에너지를 전송 받고, 처리부(522)는, 전송된 에너지에 기초하여 채널 정보를 추정할 수 있다.
다른 일 실시예에 따르면, 처리부(522)는 전력 수신 장치(520) 주변의 다른 수신 노드로 에너지를 전송하여 다른 수신 노드 및 전력 수신 장치(520) 간의 채널 정보를 추정하고, 통신부(미도시됨)는 자체적으로 추정된 채널 정보를 송신 노드로 송신할 수 있다.
도 6에 도시된 전력 수신 장치(620)는 수신 공진기(621), 처리부(622) 및 통신부(623)를 포함할 수 있다. 도 6에 도시된 수신 공진기(621) 및 처리부(622)는 도 5의 수신 공진기(521) 및 처리부(522)와 유사하게 동작할 수 있다.
통신부(623)는 송신 노드로 복수의 수신 노드와 연관된 채널 정보를 송신할 수 있다. 또한, 통신부(623)는 송신 노드로부터 전력 수신 장치(620)가 포함되는 서브셋과 연관된 어나운스 정보를 수신할 수 있다.
도 7는 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템(700)의 예시적인 구성을 도시한다.
예를 들어, 무선 전력 전송 시스템(700)은 하나의 전력 송신 장치, 및 3개의 전력 수신 장치를 포함할 수 있다. 도 7에서, 하나의 전력 송신 장치는 송신 노드(710), 3 개의 전력 수신 장치는 제1 수신 노드(721), 제2 수신 노드(722), 및 제3 수신 노드(723)로 나타낼 수 있다. 송신 노드(710), 제1 수신 노드(721), 제2 수신 노드(722) 및 제3 수신 노드(723)는 동일한 근접 자기장 채널(Near Field Channel)을 형성할 수 있다. 다만, 전력 수신 장치(예를 들어, 수신 노드)의 개수(예를 들어, 3개)를 도 7에 도시된 바로 한정하는 것은 아니고, 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템(700)은 n개의 전력 수신 장치(여기서, n은 2 이상의 정수)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 도 7에 도시된 무선 전력 전송 시스템(700)에서, k01는 송신 노드(710) 및 제1 수신 노드(721) 간의 상호 결합 계수, k02는 송신 노드(710) 및 제2 수신 노드(722) 간의 상호 결합 계수, k03는 송신 노드(710) 및 제3 수신 노드(723) 간의 상호 결합 계수를 나타낼 수 있다. 또한, k12는 제1 수신 노드(721) 및 제2 수신 노드(722) 간의 상호 결합 계수, k13는 제1 수신 노드(721) 및 제3 수신 노드(723) 간의 상호 결합 계수, k23는 제2 수신 노드(722) 및 제3 수신 노드(723) 간의 상호 결합 계수를 나타낼 수 있다.
일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템(700)은 멀티 노드 공진기 고립 시스템(Multi node resonator isolation system)으로서, 하기 수학식 3에 대응하는 회로 모델(circuit model)에 대응할 수 있다. 이하, 노드는 송신 노드 및 수신 노드를 포함할 수 있다.
Figure 112014069502674-pat00003
상술한 수학식 3에서
Figure 112014069502674-pat00004
으로서, n은 무선 전력 전송 시스템(700)에 존재하는 총 노드의 개수를 나타낼 수 있다. ij(t)는 j번째 노드의 공진기에서 시간 t에 유도(induced)되는 전류, vj(t)는 j번째 노드의 공진기에서 시간 t에 유도되는 전압을 나타낼 수 있다. Rj, Cj, 및 Lj는 각각 j번째 노드의 공진기의 저항 값, 커패시턴스 값, 및 인덕턴스 값을 나타낼 수 있다. Mjk는 j번째 공진기 및 k번째 공진기 간의 상호 유도 인덕턴스를 나타낼 수 있다. 상술한 수학식 3으로부터, 초기 조건에 기초하여 개별 노드의 공진기에 시간에 따라 인가되는 에너지량(energy amount)이 계산될 수 있다. 구체적인 에너지량은 하기 수학식 4에 의해 계산될 수 있다.
Figure 112014069502674-pat00005
상술한 수학식 4에서 Ej(t)는 시간 t에 j번째 노드의 공진기에 유도되는 에너지량을 나타낼 수 있다.
RI 시스템은 에너지 송신단(예를 들어, 전력 송신 장치)에서 송신 공진기의 에너지 충전 소자(예를 들어, 인덕터 또는 커패시터)에 에너지를 충전하고 상호 공진을 유도함으로써, 근접 자기장(Near Field) 내에 존재하는 에너지 수신단(예를 들어, 전력 수신 장치)의 수신 공진기에 에너지를 무선 전송할 수 있다. 여기서, 에너지 수신단은 수신 공진기에 에너지가 최대로 유도된(maximum induced) 때, 상호 공진을 중단함으로써 수신된 에너지를 사용할 수 있다. 에너지 무선 전송의 관점에서, j번째 노드에 전송되는 에너지는 하기 수학식 5로 나타낼 수 있다.
Figure 112014069502674-pat00006
예를 들어, 하나의 에너지 송신단과 하나의 에너지 수신단이 있는 경우, 회로 모델은 2원 2차 연립 미분방정식의 형태로서 특성 다항식(characteristic polynomial)은 4차 방정식일 수 있다. 해당 4차 방정식으로부터 정규화된 입력 에너지(normalized input energy)(예를 들어, ETX = 1)에 대해 ERX은 하기 수학식 6으로 도출될 수 있다.
Figure 112014069502674-pat00007
상술한 수학식 6에서, k는 송신단, 수신단 간의 상호 결합 계수(mutual coupling coefficient)를 나타낼 수 있다. Q는 퀄리티 팩터(quality factor)로서
Figure 112014069502674-pat00008
로 나타낼 수 있다. 또한 수신단에 최대 에너지가 인가되는 시점은
Figure 112014069502674-pat00009
으로 나타낼 수 있다.
일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템(700)에, 하나의 에너지 송신단(예를 들어, 전력 송신 장치 내지 송신 노드(710))과 복수의 에너지 수신단(예를 들어, 전력 수신 장치 내지 수신 노드(721, 722, 723))이 존재하는 경우, 에너지 전송효율이 최대화되는 전송 스케쥴을 결정하기 위해서는 대응하는 회로 모델이 분석될 필요가 있을 수 있다.
상술한 무선 전력 전송 시스템(700)에서 각 수신단의 R값, L값, 및 C값은 에너지가 전송되기 전에 주어지는 값으로서, 상수로 간주될 수 있다. 전송 스케쥴을 결정하기 위해서는 결합 계수 행렬(coupling coefficient matrix)이 고려되어야 하는 바, 하기 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112014069502674-pat00010
상술한 수학식 7에서, kxy는 x번째 노드 및 y번째 노드 간의 상호 결합 계수를 나타낼 수 있다. (x, y는 각각 0 이상 n이하의 정수) 여기서, 0번째 노드를 송신단(예를 들어, 송신 노드(710)), 1번째 노드 내지 n번째 노드를 수신단(예를 들어 수신 노드)로 가정할 수 있다. 하나의 송신 노드(710) 및 n개의 수신 노드에 대응하는 회로 모델은 (n+1)원 2차 연립 미분방정식으로 나타낼 수 있다. 5차 이상의 특성 다항식은 일반해가 획득될 수 없으므로, 일반해를 획득하기 위해 심메트릭 케이스(symmetric case)를 가정할 수 있다.
심메트릭 케이스의 무선 전력 전송 시스템(700)에서 모든 공진기는 동일(identical)하고, 송신 노드(710)로부터 모든 수신 노드가 심메트릭(symmetric)하며, 수신 노드 간의 결합(coupling)이 모두 동일한 상태로 가정될 수 있다. 여기서, 상호 결합 계수 k는 하기 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112014069502674-pat00011
상술한 수학식 8에 따른 상호 결합 계수를 적용한 회로 모델은 하기 수학식 9 및 수학식 10으로 나타낼 수 있다.
Figure 112014069502674-pat00012
Figure 112014069502674-pat00013
상술한 수학식 9 및 수학식 10은 하기 수학식 11의 등가 결합 계수(equivalent coupling coefficient) keq를 가지는 하나의 수신 노드에 전송되는 에너지와 같다고 유도될 수 있다.
Figure 112014069502674-pat00014
상술한 수학식 11에서 keq는 송신 노드(710) 및 수신 노드 간의 상호 결합 계수(예를 들어, k1)가 클수록, 수신 노드 간의 상호 결합 계수(예를 들어, k2)가 작을수록 클 수 있다. 예를 들어, k2=0일 경우,
Figure 112014069502674-pat00015
이고 전달되는 에너지는 하기 수학식 12로 나타낼 수 있다.
Figure 112014069502674-pat00016
상술한 수학식 12에 따르면, 수신 노드 간 결합이 형성되지 않는 심메트릭한 채널에서 전송효율이 증가될 수 있다.
상술한 바와 같이 멀티 노드 채널(multi node channel)에서 전송효율을 극대화하기 위해서는, 수신 노드 간 결합이 최소화되도록 전송 스케쥴이 결정되어야 할 수 있다. 예를 들어, 송신 노드(710)는 결합 계수 행렬(Coupling coefficient matrix) K에 기초하여, 수신 노드 간 상호 결합 계수가 미리 정한 임계값 이하인 수신 노드로 구성되는 서브셋들의 조합을 결정할 수 있다. 송신 노드(710)는 전송 스케쥴에 기초하여 서브셋으로 시간 순차적으로(time sequentially) 에너지를 전송할 수 있다. 여기서, 전송 스케쥴은 각 서브셋으로 에너지를 전송하는 순서를 포함할 수 있다.
도 7에 도시된 n=3인 예시적인 무선 전력 전송 시스템(700)에서, 송신 노드(710)가 제1 수신 노드(721), 제2 수신 노드(722) 및 제3 수신 노드(723)로 에너지를 전송하는 예시적인 스케쥴은 하기 도 8 및 도 9에서 상세히 설명한다.
도 8 내지 도 9은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템(800, 900)의 예시적인 스케쥴(schedule)을 도시한다.
도 8 및 도 9는 상술한 도 7에 도시된 예시적인 무선 전력 전송 시스템(800, 900)의 전송 스케쥴에 따른 동작을 도시할 수 있다. 예를 들어, 도 7에 도시된 무선 전력 전송 시스템(800, 900)은 하기 수학식 13과 같은 결합 계수 행렬로 표현될 수 있다. 여기서, 무선 전력 전송 시스템(800, 900)은 n=3일 수 있고, 하기 수학식 13의 K를 가진 근접 자기장 채널에서 미리 정한 임계값 kth=0.01로 가정할 수 있다. kth는 미리 정한 임계값으로서, 수신 노드 간 결합의 정도(level)가 충분히 작은 지 여부를 판단하기 위한 임계 결합 계수(threshold coupling coefficient) 값을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 상호 결합 계수가 미리 정한 임계값보다 크지 않다면, 수신 노드 간에 결합이 형성되지 않는 것으로 판단될 수 있다.
Figure 112014069502674-pat00017
상술한 수학식 13은 n=3인 무선 전력 전송 시스템(800, 900)의 예시적인 결합 계수 행렬로서, 단순히 설명의 이해를 돕기 위해 임의로 설정된 것이다. 전송효율이 최대화하기 위한 복수의 수신 노드의 서브셋 및 전송 스케쥴을 결정하기 위해서는, 결합 계수 행렬 K가 추정되어야할 수 있다. 결합 계수 행렬 K를 추정하는 구체적인 과정은 하기 도 13 및 도 14에서 상세히 설명한다.
도 8에 도시된 무선 전력 전송 시스템(800, 900)에 대한 예시적인 결합 계수 행렬을 나타낸 상술한 수학식 13에 따르면, 제1 수신 노드(821, 921) 및 제2 수신 노드(822, 922) 간의 상호 결합 계수 k12=0.005가 상술한 미리 정한 임계값 kth=0.01 이하이므로, 제1 수신 노드(821) 및 제2 수신 노드(822)는 송신 노드(810)로부터 동시에 에너지를 수신할 수 있다. 여기서, 제3 수신 노드(823)는 송신 노드(810)와의 상호 공진을 중단함으로써 근접 자기장으로부터 제외될 수 있다.
여기서, 제3 수신 노드(923)는 제1 수신 노드(821, 921) 및 제2 수신 노드(822, 922)와 임계값보다 큰 상호 결합 계수(예를 들어, 0.03)를 가지므로, 제1 수신 노드(921) 및 제2 수신 노드(922)와 구별되는 시간 동안 도 9에 도시된 바와 같이 송신 노드(910)로부터 에너지를 수신할 수 있다. 예를 들어, 제1 수신 노드(821) 및 제2 수신 노드(822)가 송신 노드(810)로부터 동시에 에너지를 전송 받은 이후에, 제3 수신 노드(923)가 송신 노드(910)로부터 에너지를 전송 받을 수 있다.
상술한 수학식 13에 따른 결합 계수 행렬을 가지는 도 7 내지 도 9에 도시된 무선 전력 전송 시스템(700, 800, 900)에서, 복수의 수신 노드는 두 개의 서브셋으로 분류될 수 있다. 예를 들어, 복수의 수신 노드는 제1 서브셋 S1={제1 수신 노드, 제2 수신 노드}, 제2 서브셋 S2={제3 수신 노드}으로 분류될 수 있다. 도 8에서 송신 노드(810)는 제1 서브셋 S1으로 에너지를 전송하고, 도 9에서 송신 노드(910)는 제2 서브셋 S2로 에너지를 전송할 수 있다.
도 10 및 도 11는 일 실시예에 따른 전력 수신 장치의 개수에 따른 이상적 전달 전력(transmission power)을 도시한 그래프이다.
도 10 및 도 11은 송신 노드 및 각 수신 노드 간의 거리가 동일하고, 수신 노드 사이에 결합(coupling)이 형성되지 않는 경우, 수신 노드의 개수에 따른 총 전달 전력을 도시한 그래프이다. 수신 노드의 개수가 증가할 수록, 총 전달 전력이 증가될 수 있다.
예를 들어, 도 10은 송신 노드 및 수신 노드 간의 상호 결합 계수가 0.1이고, Q가 100인 경우를 도시한 그래프이고, 도 11은 송신 노드 및 수신 노드 간의 상호 결합 계수가 0.01이고 Q가 100인 경우를 도시한 그래프를 나타낼 수 있다. 도 10에 도시된 그래프에 비해 도 11에 도시된 그래프에서 수신 노드의 개수 증가에 따른 전송효율 증가 효과가 크게 나타날 수 있다. 이와 같이, 송신 노드 및 수신 노드 간의 결합의 정도가 작을 수록 수신 노드의 개수 증가에 따른 전송효율 증가효과가 클 수 있다.
도 12은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 방법을 도시한 흐름도이다.
우선, 단계(1210)에서 처리부는 복수의 수신 노드를 분류한 서브셋에 기초하여 전송 스케쥴을 결정할 수 있다. 전력 송신 장치의 처리부가 전송 스케쥴을 결정하는 구체적인 과정은 하기 도 13 및 도 14에서 상세히 설명한다.
그리고 단계(1220)에서 송신 공진기는 전송 스케쥴에 기초하여 전력을 무선 전송할 수 있다. 예를 들어, 송신 공진기는 전송 주기 중 미리 정한 시간 구간 동안 서브셋에 대응하는 적어도 하나의 수신 노드로 에너지를 무선 전송할 수 있다.
도 13 및 도 14는 일 실시예에 따른 전력 전송 스케쥴 방법을 도시한 흐름도이다.
도 13은 수신 노드가 추정한 채널 정보에 기초하여 전송 스케쥴을 결정하는 과정을 도시한 흐름도이다.
우선, 단계(1310)에서 처리부는 복수의 수신 노드에 대해 임시 서브셋(temporary subset)을 지정할 수 있다. 처리부는 통신부를 통해 임시 서브셋으로 지정된 각각의 수신 노드로, 임시 서브셋으로 지정된 수신 노드의 정보를 포함하는 임시 어나운스 정보를 송신할 수 있다.
여기서, 처리부는 임시 서브셋을 시퀀스마다 다른 조합의 수신 노드로 지정할 수 있고, 임시 어나운스 정보를 수신한 수신 노드는 해당 시퀀스에서 임시 에너지를 수신할 수 있다. 여기서, 임시 에너지는 임시 서브셋에 포함된 수신 노드 간의 결합 정보를 추정하기 위해 전송되는 에너지를 나타낼 수 있다. 예를 들어, 시퀀스는 단계(1340)에서 처리부가 결합 계수 행렬을 구축한 것으로 판단할 때까지, 반복될 수 있다.
그리고 단계(1320)에서 전력 송신 장치의 처리부는 송신 공진기를 통하여 임시 서브셋으로 에너지를 전송할 수 있다. 예를 들어, 송신 공진기는 임시 서브셋으로 지정된 적어도 하나의 수신 노드로 에너지를 전송할 수 있다.
여기서, 임시 서브셋에 포함된 다른 수신 노드와 동시에 에너지(예를 들어, 임시 에너지)를 전송 받는 전력 수신 장치의 처리부는 자신의 수신 공진기에 유도되는 수신 에너지 파형을 분석할 수 있다. 예를 들어, 전력 수신 장치의 처리부는 수신된 에너지에 대응하는 수신 에너지 파형을 분석하여, 주변의 임시 서브셋으로 지정된 수신 노드와 연관된 채널 정보를 추정할 수 있다. 처리부는, 분석된 에너지 파형에 대응하는 상호 결합 계수가 미리 정한 임계값보다 큰 경우, 에너지 수신 시 임시 서브셋으로 지정된 주변의 수신 노드와 결합이 형성되는 것으로 판단할 수 있다.
수신 에너지 파형은, 전력 수신 장치가 임시 에너지를 수신 시, 수신 공진기에 인가되는 에너지 파형을 나타낼 수 있다.
예를 들어, 전력 수신 장치의 처리부는, 전력 수신 장치와 상호 결합 계수가 미리 정한 임계값보다 큰 수신 노드가 주변에 존재하는지 판단한 결과를 포함하는 채널 정보를 생성하고, 전력 수신 장치의 통신부는 복수의 수신 노드와 연관된 채널 정보를 송신 노드로 송신할 수 있다.
이어서 단계(1330)에서 전력 송신 장치의 처리부는 통신부를 통해 임시 서브셋과 연관된 채널 정보를 획득할 수 있다. 예를 들어, 처리부는, 임시 서브셋으로 전송된 에너지에 기초하여 수신 노드에 의해 추정된 채널 정보를 수신 노드로부터 수집할 수 있다. 여기서, 임시 서브셋과 연관된 채널 정보는 임시 서브셋에 포함된 수신 노드 간의 상호 결합 계수, 미리 정한 상호 결합 계수보다 큰 결합이 형성되는 수신 노드가 주변에 존재하는지 여부 등을 포함할 수 있다.
그리고 단계(1340)에서 전력 송신 장치의 처리부는 결합 계수 행렬이 구축되었는지 판단할 수 있다. 처리부는 결합 계수 행렬이 구축되지 않은 경우에는 단계(1310)에서 다른 조합의 임시 서브셋을 지정하여 상술한 단계들(1310 내지 1330)을 반복할 수 있다. 예를 들어, 처리부는 수집된 채널 정보로부터 결합 계수 행렬을 생성할 수 있다. 여기서, 결합 계수 행렬은 수신 노드 간의 상호 결합 계수를 원소로 포함하는 행렬로서, 상술한 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.
이어서 단계(1350)에서 처리부는 결합 계수 행렬에 기초하여 전송 스케쥴을 결정할 수 있다. 여기서, 처리부는 결합 계수 행렬에 기초하여 복수의 수신 노드를 적어도 하나의 서브셋으로 분류할 수 있다. 예를 들어, 처리부는 결합 계수 행렬에 기초하여, 상호 결합 계수가 미리 정한 임계값 이하인 수신 노드들을 하나의 서브셋으로 분류할 수 있다.
이후, 송신 공진기는 결정된 전송 스케쥴에 기초하여 적어도 하나의 서브셋으로 분류된 수신 공진기에 에너지를 무선 전송할 수 있다.
도 14는 송신 노드가 추정한 채널 정보에 기초하여 전송 스케쥴을 결정하는 과정을 도시한 흐름도이다.
우선, 단계(1410)에서 전력 송신 장치의 처리부는 복수의 수신 노드 중 임시 서브셋을 지정할 수 있다. 임시 서브셋은 시퀀스마다 다른 조합의 수신 노드로 지정될 수 있다.
그리고 단계(1420)에서 전력 송신 장치의 송신 공진기는 임시 서브셋으로 에너지를 무선으로 전송할 수 있다.
이어서 단계(1430)에서 전력 송신 장치의 처리부는 송신 노드의 송신 에너지 파형을 획득할 수 있다. 처리부는 송신 에너지 파형에 기초하여 해당 임시 서브셋에 대한 채널 정보를 획득할 수 있다. 여기서, 채널 정보는 해당 임시 서브셋에 대해 추정된 전송효율을 포함할 수 있다. 예를 들어, 송신 에너지 파형은 임시 에너지 송신 시 송신 공진기에 인가되는 에너지의 파형을 나타낼 수 있다.
그리고 단계(1440)에서 전력 송신 장치의 처리부는 모든 서브셋에 대한 채널 정보를 획득하였는지 판단할 수 있다. 예를 들어, 전력 송신 장치의 처리부는 각 임시 서브셋에 대해 추정된 전송효율 중 가장 전송효율이 큰 임시 서브셋을 판별할 수 있다. 예를 들어, 무선 전력 전송 시스템의 노드 개수가 n=5이고, 동시에 에너지를 수신하는 서브셋의 최대 크기(예를 들어, 수신 노두의 개수)를 3이라고 한다면, 총 5C1+5C2+5C3=25번의 시퀀스 반복으로부터 송신 노드가 최대 전송효율을 가지는 서브셋의 집합을 결정할 수 있다.
예를 들어, 시퀀스는 단계(1440)에서 전력 송신 장치의 처리부가 모든 서브셋에 대한 채널 정보를 획득한 것으로 판단할 때까지, 처리부는 이전 시퀀스의 임시 서브셋과 다르게 조합된 임시 서브셋에 대해 단계(1410)부터 반복할 수 있다.
이어서 단계(1450)에서 전력 송신 장치의 처리부는 채널 정보에 기초하여 전송 스케쥴을 결정할 수 있다. 예를 들어, 전력 송신 장치의 처리부는 각 서브셋에 대한 전송효율을 포함하는 채널 정보로부터 결정된 최대 전송효율을 가지는 서브셋의 집합에 기초하여 전송 스케쥴을 결정할 수 있다.
도 15는 일 실시예에 따른 전송 스케쥴(1500)의 예시를 도시한 도면이다.
전송 스케쥴(1500)은 적어도 하나의 전송 주기(1590)를 포함할 수 있다. 여기서, 전송 주기(1590)는 미리 정한 에너지량을 모든 복수의 수신 노드에 전송하는데 요구되는 주기를 나타낼 수 있다. 예를 들어, 전송 스케쥴(1500)은 미리 정한 에너지량을 전송 주기(1590) 내에 모든 수신 노드에 대해 최대 전송효율로 전송하기 위해, 각 서브셋에 할당되는 시간 구간과 연관된 정보를 포함할 수 있다.
전송 주기(1590)는 채널 추정 시간(1510) CE(Channel Estimation) 및 에너지 전송 시간(1520)을 포함할 수 있다. 여기서, 채널 추정 시간(1510)은 상술한 도 13 및 도 14에서 처리부가 채널 정보를 수집하여 전송 스케쥴(1500)을 결정하는데 요구되는 시간을 나타낼 수 있다.
에너지 전송 시간(1520)은 각 서브셋에 할당된 시간 구간들(time intervals)의 집합을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 도 15에 도시된 바와 같이, 에너지 전송 시간(1520)은 n개의 수신 노드에 대해 제1 서브셋 S1에 할당된 시간 구간, 제2 서브셋 S2에 할당된 시간 구간 내지 제m 서브셋 Sm에 할당된 시간 구간 등을 포함할 수 있다. 여기서, 처리부는 전송 주기(1590)에서 적어도 하나의 서브셋의 개수에 기초하여 각 서브셋에 할당되는 시간 구간을 결정할 수 있다.
또한, 에너지 전송 시간(1520) 내에서 각 서브셋에 에너지를 전송하는 순서는 사용자의 선택, 우선순위, 서브셋 내의 수신 노드 개수 및 전송 효율을 최적화하기 위한 모든 기준에 따라 결정될 수 있다.
도 15에서는 전송 주기(1590)가 채널 추정 시간(1510)을 포함하는 것으로 도시되었으나 반드시 이로 한정하는 것은 아니다. 예를 들어, 최초 전송 주기는 채널 추정 시간(1510) 및 에너지 전송 시간(1520)을 포함하고, 이후 전송 주기는 최초 전송 주기에서 결정된 에너지 전송 시간(1520)만 포함하도록, 전송 스케쥴(1500)이 결정될 수 있다.
도 16 내지 도 18은 일 실시예에 따라 각 결합 정보(coupling information)에 대응하는 송신 노드 및 수신 노드에 유도되는(induced) 전력을 도시한 그래프이다.
도 16 내지 도 18은 하나의 송신 노드(예를 들어, node 0)와 두 수신 노드(예를 들어, node 1, node 2)가 존재하는 무선 전력 전송 시스템에서, 예시적인 상호 결합 계수 별로 각 노드에 유도되는 에너지를 도시한 그래프이다. 여기서, 수신 노드는 수신 공진기에 유도되는 최대 에너지 및 최대 에너지가 나타나는 시점을 관측할 수 있다.
도 16은 채널 정보가 k01=0.1, k02=0, k12=0인 경우를 가정한 것으로서, 하나의 수신 노드만 포함하는 서브셋에 에너지가 전송되는 경우를 도시할 수 있다.
도 17은 채널 정보가 k01=0.1, k02=0.1, k12=0인 경우를 가정한 것으로서, 두 개의 수신 노드를 포함하는 서브셋에 에너지가 전송되는 경우를 도시할 수 있다. 여기서, 두 수신 노드(예를 들어, node 1, node 2) 간에는 결합이 형성되지 않을 수 있다.
도 18은 채널 정보가 k01=0.1, k02=0.1, k12=0.3인 경우를 가정한 것으로서, 두 개의 수신 노드(예를 들어, node 1, node 2)를 포함하는 서브셋에 에너지가 전송되고, 두 수신 노드 간에는 유의미한 결합이 형성될 수 있다.
도 17에서 가정된 채널 정보에서는, 개별 수신 노드에 인가되는 최대 에너지(1701)는 도 16에서 인가되는 최대 에너지(1601)에 비해 감소되나, 최대 에너지가 관측되는 시점(1702)은 도 16의 시점(1602)에 비해 크게 지연되지 않을 수 있다.
다만, 도 18에서 가정된 채널 정보와 같이 수신 노드 간의 상호 결합 계수가 미리 정한 임계값보다 큰 경우에서는, 최대 에너지가 관측되는 시점(1802)이 크게 지연될 수 있다.
상술한 바와 같이, 개별 수신 노드는 수신된 에너지에 대응하는 수신 에너지 파형에 기초하여 임시 서브셋 내의 다른 수신 노드와의 결합 형성 여부를 판단할 수 있다. 수신 노드(예를 들어, 전력 수신 장치)는 결합 형성 여부와 관련된 채널 정보를 통신부를 통해 송신 노드로 피드백(feedback)할 수 있다. 예를 들어, 피드백되는 채널 정보는 최대 수신 에너지, 다른 수신 노드와의 결합 여부 등과 관련된 정보를 포함할 수 있다.
또한, 송신 노드는 송신 에너지 파형에 기초하여 수신 노드 간에 결합이 형성되는지 여부를 판단할 수 있다. 예를 들어, 도 18에 도시된 node 0의 송신 에너지 파형과 같이, 수신 노드 간에 미리 정한 임계값보다 큰 상호 결합 계수가 형성되는 경우, 송신 에너지 파형의 최소 에너지량이 증가될 수 있다.
도 13 및 도 14에서 상술한 바와 같이, 송신 노드는 상술한 바와 같이 각 임시 서브셋에 대한 송신 에너지 파형을 분석한 결과 및 수신 에너지 파형을 분석한 결과로부터 결합 계수 행렬 K를 구축할 수 있다. 송신 노드의 처리부는 결합 계수 행렬 K에 기초하여 결합이 형성되지 않는 서브셋을 조합하여 최대 전송효율을 가지는 전송 스케쥴을 결정할 수 있다. 송신 노드의 송신 공진기는 전송 스케쥴에 기초하여 순차적으로 각 서브셋에 에너지를 전송할 수 있다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
300: 무선 전력 전송 시스템
310: 전력 송신 장치
311: 송신 공진기
312: 처리부
321: 제1 전력 수신 장치
322: 제2 전력 수신 장치
323: 제n 전력 수신 장치

Claims (20)

  1. 복수의 수신 노드로 에너지를 무선 전송하는 송신 공진기(TX resonator);
    상기 복수의 수신 노드로부터 채널 정보를 수신하는 통신부; 및
    상기 수신된 채널 정보로부터 상기 복수의 수신 노드 간의 상호 결합 계수를 결정하고, 상기 결정된 상호 결합 계수에 기초하여 상기 복수의 수신 노드를 적어도 하나의 서브셋으로 분류하고, 상기 적어도 하나의 서브셋에 기초하여 전송 스케쥴(transfer schedule)을 결정하는 처리부(processor)
    를 포함하고,
    상기 송신 공진기는, 상기 전송 스케쥴에 기초하여 상기 적어도 하나의 서브셋에 대응하는 수신 노드로 에너지를 무선 전송하고,
    상기 통신부는, 임시 서브셋(temporary subset)과 연관된 어나운스 정보(announce information)를 상기 복수의 수신 노드로 송신하고,
    상기 어나운스 정보는, 상기 임시 서브셋에 대한 상기 복수의 수신 노드의 할당(assignment)을 포함하고,
    상기 송신 공진기는, 상기 임시 서브셋으로 지정된 적어도 하나의 수신 노드에 에너지를 무선으로 전송하고,
    상기 채널 정보는, 상기 적어도 하나의 수신 노드가 수신하는 에너지에 대응하는 분석된 수신 에너지 파형에 기초하여 상기 복수의 수신 노드 사이에서 추정되는,
    전력 송신 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 송신 공진기는,
    상기 전송 스케쥴에 기초하여, 전송 주기(transfer period) 동안 상기 적어도 하나의 서브셋의 각 서브셋에 대해 순차적으로 에너지를 무선 전송하는,
    전력 송신 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 처리부는,
    상기 전송 스케쥴에 기초하여, 상기 서브셋에 미리 정한 시간 구간을 할당하는,
    전력 송신 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 송신 공진기는,
    전송 주기 중 상기 미리 정한 시간 구간 동안 상기 서브셋에 대응하는 적어도 하나의 수신 노드로 에너지를 무선 전송하는,
    전력 송신 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 처리부는,
    상기 복수의 수신 노드로부터 상호 결합 계수가 미리 정한 임계값 이하인 적어도 하나의 수신 노드를 상기 적어도 하나의 서브셋 중 하나의 서브셋으로 분류하는,
    전력 송신 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 처리부는,
    상기 복수의 수신 노드로부터 상기 복수의 수신 노드 간의 결합과 연관된 채널 정보를 수집하는,
    전력 송신 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 처리부는,
    상기 임시 서브셋으로 전송된 에너지에 기초하여 추정된 상기 채널 정보를 상기 수신 노드로부터 수집하는,
    전력 송신 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 처리부는,
    상기 수집된 채널 정보로부터 결합 계수 행렬을 생성하고, 상기 결합 계수 행렬에 기초하여 상기 복수의 수신 노드를 상기 적어도 하나의 서브셋으로 분류하는,
    전력 송신 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 처리부는,
    상기 에너지에 대응하는 송신 에너지 파형에 기초하여 상기 임시 서브셋에 대한 전송 효율을 추정하며 상기 임시 서브셋에 대한 상기 전송 효율에 기초하여 상기 전송 스케쥴을 결정하는,
    전력 송신 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 처리부는,
    전송 주기에서, 상기 적어도 하나의 서브셋의 개수에 기초하여 각 서브셋에 할당되는 시간 구간을 결정하는,
    전력 송신 장치.
  11. 전력 수신 장치에 있어서,
    상기 전력 수신 장치와 다른 수신 노드 간의 결합에 기초하여 채널 정보를 추정하는 처리부;
    채널 정보를 송신 노드로 전송하고, 상기 송신된 채널 정보에 기초하여 상기 송신 노드로부터 전송 스케쥴(transfer schedule)을 수신하는 통신부; 및
    수신 공진기;
    를 포함하고,
    상기 처리부는, 상기 수신된 전송 스케쥴에 기초하여 상기 전력 수신 장치에 대응하는 서브셋을 판단하고,
    상기 수신 공진기는, 상기 송신 노드로부터 상기 서브셋에 대응하는 에너지를 무선으로 수신하며,
    상기 통신부는, 임시 서브셋(temporary subset)과 연관된 어나운스 정보(announce information)를 상기 송신 노드로부터 수신하고,
    상기 어나운스 정보는, 상기 임시 서브셋에 대한 상기 전력 수신 장치 및 상기 다른 수신 노드의 할당(assignment)을 포함하고,
    상기 수신 공진기는, 상기 임시 서브셋에 기초하여 상기 송신 노드로부터 에너지를 수신하고,
    상기 처리부는, 상기 수신된 에너지에 대응하는 수신 에너지 파형을 분석하고, 상기 수신 에너지 파형에 기초하여 상기 전력 수신 장치와 상기 다른 수신 노드 사이의 채널 정보를 추정하는,
    채널 정보를 추정하는,
    전력 수신 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 수신 공진기는,
    상기 전력 수신 장치가 포함되는 서브셋에 대응하는 시간 구간 동안 상기 송신 노드로부터 에너지를 무선 전송 받는,
    전력 수신 장치.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 처리부는,
    상기 전송 스케쥴에 기초하여, 상기 전력 수신 장치가 상기 송신 노드로부터 에너지를 전송 받을 미리 정한 시간 구간을 할당하는,
    전력 수신 장치.
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 제11항에 있어서,
    상기 처리부는,
    상기 전력 수신 장치와 결합이 형성되는 수신 노드가 주변에 존재하는지 판단한 결과를 포함하는 채널 정보를 생성하고,
    상기 채널 정보를 상기 송신 노드로 송신하는 통신부,
    를 더 포함하는 전력 수신 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 처리부는,
    수신 에너지 파형에 대응하는 상호 결합 계수가 미리 정한 임계값보다 큰 경우, 상기 임시 서브셋으로 지정된 주변의 수신 노드 및 상기 전력 수신 장치 간에 결합이 형성되는 것으로 판단하는,
    전력 수신 장치.
  20. 제11항에 있어서,
    상기 처리부는,
    상기 전력 수신 장치 주변의 다른 수신 노드로 에너지를 전송하여 상기 다른 수신 노드 및 상기 전력 수신 장치 간의 채널 정보를 추정하고,
    상기 채널 정보를 상기 송신 노드로 송신하는 통신부
    를 더 포함하는 전력 수신 장치.
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