KR20120078676A - 멀티노드 무선충전 스위칭 명령 전송 방법 - Google Patents

멀티노드 무선충전 스위칭 명령 전송 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다수의 무선 충전기기를 대상으로 선택적 충전을 할 수 있는 자기공진유도 방식을 이용한 멀티노드 무선 전력 전송 시스템 및 무선 충전기기에 관한 것으로서, 무선 전력전송 장치가 다수의 무선 충전기기로부터 정보를 수신하여 이러한 정보를 바탕으로 충전하고자 하는 대상 기기를 선택하고, 무선 충전기기의 전력 변환부에 설치된 스위치를 제어하거나 매칭을 조정할 수 있는 적응형 매칭 네트워크를 이용하여 무선 충전기기의 전력수신 기능을 ON/OFF한다. 이에 따라 충전 대상 기기가 아닌 다른 무선 충전기기들의 전원을 유지한 채로 전원수신 기능만을 ON/OFF 제어할 수 있으므로 선택적 충전이 가능함과 동시에 충전 대기중의 무선 충전기기들을 불편없이 사용할 수 있다.

Description

자기공진유도 방식을 이용한 멀티노드 무선 전력 전송 방법{Multi-node wireless power transmission method using magnetic resonance induction}
본 발명은 무선 전력 전송 방법에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 다수의 무선 충전기기를 대상으로 선택적 충전을 할 수 있는 자기공진유도 방식을 이용한 멀티노드 무선 전력 전송 방법에 관한 것이다.
무선으로 에너지를 전달하는 무선 전력 전송 기술로서 자기유도 현상을 이용한 무선 충전 시스템이 사용되고 있다.
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.
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.
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.
본 발명은 상술한 바와 같은 기술적 배경에서 안출된 것으로서, 다수의 무선 충전기기를 대상으로 선택적 충전을 할 수 있는 자기공진유도 방식의 멀티노드 무선 전력 전송 방법을 제공하는 것을 그 과제로 한다.
이와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명에서는 무선 충전기기의 전력 변환부에 스위치를 설치하여 해당 스위치를 ON/OFF함으로써 무선 충전기기의 전력수신 기능을 ON/OFF한다.
본 발명의 일면에 따른 무선 충전 방법은, 무선 전력공급장치가 자기공진유도 방식으로 전력을 전송하는 방법으로서, 적어도 하나의 무선 충전기기로부터 상기 무선 충전기기의 식별정보, 종류정보, 위치정보 및 충전상태정보 중 적어도 하나의 정보를 수신하는 단계; 상기 적어도 하나의 정보에 기반하여 상기 적어도 하나의 무선 충전기기 중에서 충전대상 기기를 선택하는 단계; 무선전력 수신기능을 활성화시키는 ON 명령을 상기 선택된 충전대상 기기로 전송하는 단계; 무선전력 수신기능을 차단시키는 OFF 명령을 나머지 무선 충전기기로 전송하는 단계; 및 자기공진유도 방식에 기반하여 무선전력을 상기 적어도 하나의 무선 충전기기로 전송하는 단계를 포함함을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 ON 명령을 수신하면, 상기 선택된 충전대상 기기는 상기 무선 전력공급장치와 주파수 매칭을 수행할 수 있다.
또한, 상기 OFF 명령을 수신하면, 상기 나머지 무선 충전기기는 상기 무선 전력공급장치와 주파수 매칭을 수행하지 않을 수 있다.
본 발명에 따르면, 자기공진유도 방식을 이용한 멀티노드 무선 전력 전송 시스템에서 무선 전력전송 장치가 다수의 무선 충전기기로부터 정보를 수신하여 이러한 정보를 바탕으로 충전하고자 하는 대상 기기를 선택하여 충전하도록 무선 충전기기를 제어할 수 있다.
또한, 충전 대상 기기가 아닌 다른 무선 충전기기들의 전원을 유지한 채로 전원수신 기능만을 ON/OFF 제어할 수 있으므로 충전 대기중의 무선 충전기기들을 불편없이 사용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 자기공진유도 방식을 이용한 멀티노드 무선 에너지 전송 시스템의 전체 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 무선 충전기기의 전체 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 선택적 충전 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 4, 5, 7은 본 발명의 여러 실시예에 따른 무선 충전기기의 전력 관리부의 구성을 각각 나타내는 블록도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 수신용 안테나와 적응형 매칭 네트워크의 구성을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 충전기기의 수신 안테나부의 구성을 나타내는 블록도이다.
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.
이하에서, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 따른 자기공진유도 방식을 이용한 멀티노드 무선 에너지 전송 시스템에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 자기공진유도 방식을 이용한 멀티노드 무선 에너지 전송 시스템은 자기공진유도 방식을 통해 무선으로 전력을 공급하는 무선 전력공급 장치(100)와, 무선 전력공급 장치(100)와 소정의 거리만큼 떨어진 곳에 위치하며 무선 전력공급 장치(100)로부터 무선으로 전력을 공급받는 다수의 무선 충전기기(200_1, 200_2, .., 200_N)를 포함하여 구성된다.
자기공진유도 방식은 송신 안테나와 수신 안테나 사이의 공진에 의하여 에너지의 무선 전송 효율을 극대화시키는 방법이다. 이를 위하여 무선 전력공급 장치(100)와 무선 충전기기(200) 사이의 공진 주파수를 맞추어 공진 채널을 형성하고 이를 통하여 무선 전력을 송신한다.
무선 전력공급 장치(100)는 무선 충전기기(200_1, 200_2, .., 200_N)와 자기장 통신을 통해 충전기기의 식별정보, 종류, 위치, 또는 충전상태를 포함하는 무선 충전기기(200_1, 200_2, .., 200_N)의 정보를 수신할 수 있으며, 이와 같은 충전 정보를 바탕으로 무선 충전기기(200_1, 200_2, .., 200_N)로 전력을 전송할 수 있다.
무선 전력공급 장치(100)는 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 전력공급 장치(100)가 차량이나 기차, 지하철과 같은 이동체의 내부에 설치될 수도 있다. 무선 전력공급 장치(100)가 이동형으로 구현되는 경우에는, 무선 전력공급 장치(100) 자체가 별도의 이동형 장치로 구현될 수도 있고, 노트북 컴퓨터의 덮개 등과 같이 다른 디지털 기기의 일부로서 구현될 수도 있다.
무선 충전기기(200_1, 200_2, .., 200_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.
이제 본 발명의 실시예에 따른 자기공진유도 방식을 이용한 멀티노드 무선 에너지 전송 시스템의 무선 충전기기의 구성에 대하여 도 2를 참고로 하여 좀 더 자세히 설명한다.
도 2에 나타난 바와 같이, 무선 충전기기(200)는 무선 전력공급 장치(100)로부터 자기공진유도 방식을 이용하여 전력과 데이터를 수신하는 수신 안테나(210), 자기장 통신 프로토콜을 이용하여 무선 전력공급 장치(100)와의 자기장 통신을 수행하도록 하는 자기장 통신 모뎀(230), 전력 수신을 관리하는 전력 관리부(220), 전력 관리부 및 자기장 통신 모뎀(230)을 비롯한 무선 충전기기(200)의 구성요소들을 제어하는 제어부(240), 수신된 전력을 이용하여 충전되는 배터리(250)를 포함한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 자기공진유도 방식을 이용한 멀티노드 무선 에너지 전송 시스템에서 선택적으로 각 무선 충전기기를 충전하는 방법의 흐름도이다.
도 3에 나타난 바와 같이, 먼저 무선 전력공급 장치(100)가 켜지면(S310), 각 무선 충전기기(200_1, 200_2, .., 200_N)로부터 충전기기의 식별정보를 수신한다(S320). 이때, 충전기기의 식별정보 외에도 충전기기의 종류, 위치, 또는 충전상태 등의 정보를 더 수신할 수 있다.
다음, 무선 전력공급 장치(100)는 충전대상 기기를 선택한다(S330). 충전대상 기기의 선택은 다양한 방식으로 이루어질 수 있으며, 하나 이상의 충전 대상기기를 선택할 수도 있다.
충전대상 기기가 선택되면, 무선 전력공급 장치(100)는 각 무선 충전기기로 ON/OFF 명령을 전송한다(S340). 수신한 ON/OFF 명령에 따라 각 무선 충전기기는 전력수신 기능을 ON/OFF하게 되며, 무선 전력공급 장치(100)가 전력을 송신함에 따라 선택적 충전이 이루어진다(S350).
충전대상 기기로 선택되지 않은 무선 충전기기에 대하여 전원을 차단하는 대신, 전력수신 기능만을 OFF함으로써 효과적으로 멀티노드 무선 에너지 전송 시스템을 구현할 수 있다. 즉, 멀티노드 무선 에너지 전송 시스템에 포함되는 다수의 무선 충전기기 중 어느 하나만을 선택적으로 충전하고자 하는 경우, 다른 무선 충전기기에의 충전을 막기 위하여 충전기기의 전원을 차단하게 되면, 해당 무선 충전기기 자체를 사용할 수 없게 되어 몹시 불편하게 됨에 비하여, 본원 발명의 실시예에서와 같이 전력수신 기능만을 OFF하여 선택적 충전을 하는 경우 이러한 불편을 없앨 수 있다.
이를 위하여 본 발명의 실시예에서는 수신기(무선 충전기기)의 회로 제어를 통하여 전력수신 기능의 ON/OFF를 제어한다. 이제 발명의 실시예에 따른 자기공진유도 방식을 이용한 멀티노드 무선 에너지 전송 시스템의 각 무선 충전기기에 구비되는 전력 관리부의 구성에 대하여 상세히 설명한다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 무선 충전기기의 전력 관리부의 여러가지 구성을 각각 나타내는 블록도이다.
먼저 도 4를 참조하면, 전력 관리부(220_1)는 매칭 네트워크(221), 정류기(222), 전력제어 스위치(223) 및 DC-DC 컨버터(224)를 포함하여 이루어진다. DC-DC 컨버터(224)는 전력 관리부(220_1) 외부의 부하(도 2: 250), 즉 배터리 등과 연결되며, 전력제어 스위치(223)는 제어부(도 2: 240)와 연결되어 제어부(도 2: 240)로부터 ON/OFF 스위칭 신호를 받아 동작한다.
매칭 네트워크(221)는 무선 전력공급 장치(100)와 무선 충전기기(200)가 공진하도록 주파수를 맞추고 수신 안테나(210)와 무선 충전기기(200)의 임피던스 매칭을 수행한다.
매칭 네트워크(221)를 통하여 수신된 RF 전력은 정류기(222)를 통해 DC 전력으로 변화되고, DC-DC 컨버터(224)는 이를 각 부하에 맞는 전압으로 변환하여 제공한다. 즉, 정류기(222)와 DC-DC 컨버터(224)는 수신된 RF 전력을 각 부하에 맞는 DC 전력으로 변환하는 전력 변환부에 해당한다.
여기에서, 정류기(222)와 DC-DC 컨버터(224) 사이에 전력제어 스위치(223)가 위치하는데, 이 전력제어 스위치(223)를 ON/OFF함으로써 무선 충전기기(200)의 충전기능을 ON/OFF할 수 있다.
즉, 전력제어 스위치(223)가 ON인 경우, 수신된 전력이 정류기(222)와 DC-DC 컨버터(224)를 통하여 부하로 전달되지만, 전력제어 스위치(223)가 OFF되면 수신 전력이 차단되어 해당 무선 충전기기(200) 내에서 소비되지 않으므로 수신 전력에 해당하는 에너지는 되튕겨나가 주위의 다른 무선 충전기기로 전달되어 다른 무선 충전기기를 충전하는 데 사용될 수 있다.
도 5는 다른 실시예에 따른 전력 관리부의 구성을 나타내는데, 도 5에 나타난 실시예에서는 정류기와 DC-DC 컨버터 사이에 전력제어 스위치를 설치하는 대신 매칭 네트워크 내에 스위치를 설치한 것을 나타낸다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 관리부(220_2)에서는 도 4에서 나타난 매칭 네트워크(221) 대신 필요에 따라 주파수 매칭을 조절할 수 있는 적응형 매칭 네트워크(Adaptive Matching Network)(225)를 사용한다. 즉, 전력 관리부(220_2)는 적응형 매칭 네트워크(225), 정류기(222) 및 DC-DC 컨버터(224)를 포함한다. DC-DC 컨버터(224)는 도 4의 실시예에서와 마찬가지로 부하(도 2: 250)와 연결된다.
적응형 매칭 네트워크(225)의 구성은 도 6에 자세히 나타나 있다.
적응형 매칭 네트워크(225)는 매칭 회로에 병렬로 추가의 커패시터(227)를 연결하여 해당 커패시터(227)와의 연결을 스위칭함으로써 적응형 매칭 네트워크(225) 전체의 커패시턴스를 변화시킬 수 있다. 매칭 회로 중 Cr은 무선 전력공급 장치(100)와의 공진을 맞추기 위한 커패시터이고, Cm은 임피던스 매칭을 위한 커패시터이다. 여기에 추가로 공진 주파수의 조절을 위한 커패시터 Ct(227)를 연결하고, 스위치(226)를 이용하여 제어한다.
즉, 스위치(226)가 OFF된 상태에서는 적응형 매칭 네트워크(225)가 무선 전력공급 장치(100)와의 주파수 매칭을 수행하도록 구현되어 있으므로, 수신 안테나(210)는 무선 전력공급 장치(100)로부터 무선 전력을 수신하여 이를 정류기(222)로 전달한다. 반대로, 스위치(226)가 ON 상태에서는 무선 전력공급 장치(100)와 무선 충전기기(200)의 주파수가 매칭되지 않으므로 무선 전력공급 장치(100)와 무선 충전기기(200) 사이에 공진이 일어나지 않는다.
한편, 커패시터(227)의 용량을 조절함으로써 충전기능 ON/OFF 스위치로서의 기능을 최적화할 수 있다. 무선 전력공급 장치(100)가 송신하는 전력을 대부분 차단하기 위해서는 커패시터(227)가 매칭 회로의 커패시턴스의 2배 내지 10배의 용량을 갖도록 하는 것이 바람직하다.
필요에 따라서는 적응형 매칭 네트워크와 전력 차단 스위치의 두 가지를 모두 사용할 수도 있다. 도 7에서 이와 같은 실시예를 나타내고 있다.
도 7에 나타난 바와 같이, 전력 관리부(220_3)는 적응형 매칭 네트워크(225), 정류기(222), 전력 차단 스위치(223) 및 DC-DC 컨버터(224)를 포함한다. 이 경우 필요에 따라 적응형 매칭 네트워크(225) 내의 스위치(226)만을 사용하거나 전력 차단 스위치(223)만을 사용할 수도 있고, 두 스위치(226, 223)를 모두 사용할 수도 있다.
한편, 무선 충전기기(200)의 수신 안테나(210)는 루프 안테나를 포함하는 다양한 안테나로 구현될 수 있으며, 두 가지 다른 주파수를 갖는 둘 이상의 코일을 포함하여 구현될 수도 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 충전기기의 수신 안테나의 구성을 나타낸 도면이다.
도 8에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 무선 충전기기는 수신 안테나(210)로서 고주파 코일(212)과 저주파 코일(211)을 포함할 수 있다. 고주파 코일(212)과 저주파 코일(211)은 모두 무선 전력공급 장치(100)가 송신하는 전력을 자기공진유도 방식으로 수신할 수 있으며, 무선 전력수신을 위하여 고주파 코일(212)과 저주파 코일(211) 중 하나가 사용되거나 두 개가 동시에 사용될 수 있다.
한편, 무선 전력공급 장치(100)와의 자기장을 이용한 데이터 통신을 위해서는 저주파 코일(211)을 사용하는 것이 바람직하다.
이에 따라, 고주파 코일(212) 및 저주파 코일(211)은 전력 관리부(도 2: 220)와 연결되며, 저주파 코일(211)은 또한 자기장 통신 모뎀(도 2: 230)과 연결된다.
무선 충전기기(200)의 수신 안테나(210)를 고주파 코일(212)과 저주파 코일(211)로 구현하는 경우, 이에 대응하여 무선 전력공급 장치(100) 역시 고주파 코일과 저주파 코일을 포함하는 송신 안테나를 갖는 것이 바람직하다. 특히 송신 안테나로서는 다축 입체 코일을 사용할 수 있으며, 이에 따라 송신 안테나는 고주파 다축 입체 코일과 저주파 다축 입체 코일을 사용할 수 있다. 이와 같은 고주파 다축 입체 코일과 저주파 다축 입체 코일을 통해 전송되는 자기장 신호의 대역폭은 서로 다르며, 대역폭이 서로 다른 자기장 신호를 무선 충전기기(200)로 전송함으로써 듀얼 모드(고주파 대역 및 저주파 대역)로 충전을 수행할 수도 있다. 저주파 모드는 원거리의 무선 충전기기를 충전하기에 유리하며, 고주파 모드는 저주파 모드보다 충전거리가 가까우며 충전효율을 높여서 충전하고자 할 때 사용할 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따르면, 자기공진유도 방식을 이용한 멀티노드 무선 전력 전송 시스템에서 무선 전력전송 장치가 다수의 무선 충전기기로부터 정보를 수신하여 이러한 정보를 바탕으로 충전하고자 하는 대상 기기를 선택하여 충전하도록 무선 충전기기를 제어할 수 있다. 또한, 충전 대상 기기가 아닌 다른 무선 충전기기들의 전원을 유지한 채로 전원수신 기능만을 ON/OFF 제어할 수 있으므로 충전 대기중의 무선 충전기기들을 불편없이 사용할 수 있다.
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.
100: 무선 전력전송 장치 200: 무선 충전기기
210: 수신 안테나 220: 전력 관리부
230: 자기장 통신 모뎀 240: 제어부
250: 부하 221: 매칭 네트워크
222: 정류기 223: 전력제어 스위치
224: DC-DC 컨버터 225: 적응형 매칭 네트워크

Claims (3)

  1. 무선 전력공급장치가 자기공진유도 방식으로 전력을 전송하는 방법으로서,
    적어도 하나의 무선 충전기기로부터 상기 무선 충전기기의 식별정보, 종류정보, 위치정보 및 충전상태정보 중 적어도 하나의 정보를 수신하는 단계;
    상기 적어도 하나의 정보에 기반하여 상기 적어도 하나의 무선 충전기기 중에서 충전대상 기기를 선택하는 단계;
    무선전력 수신기능을 활성화시키는 ON 명령을 상기 선택된 충전대상 기기로 전송하는 단계;
    무선전력 수신기능을 차단시키는 OFF 명령을 나머지 무선 충전기기로 전송하는 단계; 및
    자기공진유도 방식에 기반하여 무선전력을 상기 적어도 하나의 무선 충전기기로 전송하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 무선전력 전송방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 ON 명령을 수신하면, 상기 선택된 충전대상 기기는 상기 무선 전력공급장치와 주파수 매칭을 수행하는 것을 특징으로 하는, 무선전력 전송방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 OFF 명령을 수신하면, 상기 나머지 무선 충전기기는 상기 무선 전력공급장치와 주파수 매칭을 수행하지 않는 것을 특징으로 하는, 무선전력 전송방법.
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