KR20130135521A - 에너지 전송 시스템에서 무선 에너지 송수신 장치 및 그 방법 - Google Patents

에너지 전송 시스템에서 무선 에너지 송수신 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 에너지 전송 시스템에서 무선 에너지 송수신 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 무선 에너지 신호를 생성하는 송신 제어기; 상기 무선 에너지 신호를 제공하는 송신 공진체 포트; 및 상기 송신 공진체 포트를 통해 제공된 무선 에너지 신호를 복수의 수신 장치들로 송신하는 송신 공진체를 포함하며, 상기 송신 제어기는 상기 복수의 수신 장치들의 전송 특성을 고려하여 상기 복수의 수신 장치들의 수신 공진체 포트들 각각의 임피던스를 제어하기 위한 임피던스 제어 신호를 송신한다.

Description

에너지 전송 시스템에서 무선 에너지 송수신 장치 및 그 방법{Apparatus and method for transmitting/receiving wireless energy in energy transmission system}
본 발명은 에너지 전송 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 다중 기기에 대해 자기 공명 방식의 무선 에너지 송수신 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
기존의 다중 무선 에너지 전송 방식은 시분할 방식과 주파수 분할 방식이 있다. 상기 시분할 방식은 다수개의 수신기에 시간을 분할하여 순차적으로 에너지를 전달하는 방식이다. 상기 시분할 방식을 사용하면, 다수개의 수신기에 에너지를 전송하는데 소요되는 시간이 길어진다는 단점이 있다. 이러한 단점을 극복하기 위한, 상기 주파수 분할 방식은 다수개의 수신기들 각각에 서로 다른 주파수의 신호를 통해 에너지를 전송하는 방식이다. 상기 주파수 분할 방식은 수신기의 개수에 대응되는 주파수 성분의 신호들이 요구되고 이를 전송하기 위해 자기 공명 코일 간에 전송 특성이 넓은 대역폭을 가져야 한다. 하지만, 주파수 분할 방식은 다수개의 주파수 성분들을 발생시키기 위한 송신기의 구조가 복잡하고, 자기 공명의 전송에 넓은 대역폭을 갖도록 구성하는 것이 매우 어렵다는 문제점이 있었다.
따라서 본 발명의 목적은 에너지 전송 시스템에서 다수개의 수신기들에 동시에 에너지를 전송할 수 있는 무선 에너지 송수신 장치 및 그 방법을 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 에너지 전송 시스템에서 시간 지연이 없이 다수개의 수신기들에 동시에 에너지를 전송할 수 있는 무선 에너지 송수신 장치 및 그 방법을 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 에너지 전송 시스템에서 복잡하지 않는 구조와 넓은 대역폭의 필요 없이 다수개의 수신기들에 동시에 에너지를 전송할 수 있는 무선 에너지 송수신 장치 및 그 방법을 제공함에 있다.
상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 장치는, 에너지 전송 시스템에서 무선 에너지 송신 장치에 있어서, 무선 에너지 신호를 생성하는 송신 제어기; 상기 무선 에너지 신호를 제공하는 송신 공진체 포트; 및 상기 송신 공진체 포트를 통해 제공된 무선 에너지 신호를 복수의 수신 장치들로 송신하는 송신 공진체를 포함하며; 상기 송신 제어기는 상기 복수의 수신 장치들의 전송 특성을 고려하여 상기 복수의 수신 장치들의 수신 공진체 포트들 각각의 임피던스를 제어하기 위한 임피던스 제어 신호를 송신한다.
상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 다른 장치는, 에너지 전송 시스템에서 무선 에너지 수신 장치에 있어서, 무선 에너지 신호를 수신하는 수신 공진체; 상기 수신 공진체로부터 상기 무선 에너지 신호를 수신하는 수신 공진체 포트; 및 상기 무선 에너지 신호를 부하로 제공하고, 다른 수신 장치들의 전송 특성을 고려하여 생성된 임피던스 제어 신호에 따라 상기 수신 공진체 포트의 임피던스를 제어하는 수신 제어기를 포함한다.
상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 방법은, 에너지 전송 시스템에서 무선 에너지 송수신 방법에 있어서, 복수의 수신기들 각각은, 무선 에너지를 수신받기 위해 전송 상태 정보를 송신기로 제공하는 단계; 상기 송신기는, 상기 전송 상태 정보에 근거하여 상기 복수의 수신기들에서 요구되는 에너지량이 제공될 때까지 상기 복수의 수신기들 각각의 임피던스를 조절하는 임피던스 제어 신호를 송신하는 단계; 상기 복수의 수신기들 각각은, 상기 임피던스 제어 신호에 따라 수신 공진체 포트의 임피던스를 설정하고, 상기 설정된 임피던스에 따라 무선 에너지 신호를 수신하는 단계를 포함하며, 상기 전송 상태 정보는 상기 복수의 수신기들 각각의 수신 에너지량과 요구 에너지량에 대한 정보를 포함한다.
본 발명은, 에너지 전송 시스템에서 수신기의 임피던스를 조절함으로써, 다수개의 수신기들로 동시에 최적의 에너지를 전달할 수 있는 효과가 있다.
특히, 본 발명은 임피던스 조절을 통해 수신기들로 동시에 최적의 에너지를 전송함으로써, 시간 지연의 발생 없이 무선 에너지를 전송할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 하나의 주파수를 사용하여 수신기들로 무선 에너지를 동시에 전송함으로써, 넓은 주파수 대역을 필요로 하지 않으며, 복잡한 송신기의 구조를 사용하지 않고도 무선 에너지를 전송할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 무선 에너지를 전송하는 송신기와 수신기의 공진체들을 개략적으로 도시한 도면,
도 2는 도 1에 도시된 송신기와 수신기 간의 전송 특성과 반사 특성을 개략적으로 도시한 그래프,
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 다중 기기들 간의 무선 에너지를 전송하는 송신기와 수신기들의 공진체들을 개략적으로 도시한 도면,
도 4는 도 3에 도시된 송신기와 수신기들 간의 전송 특성과 반사 특성을 도시한 그래프,
도 5는 도 3에 도시된 송신기와 수신기들 간의 수신 공진체 포트들의 임피던스 변화에 따른 전송 특성과 반사 특성을 도시한 그래프,
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 다중 기기들 간의 무선 에너지를 전송하는 송신기와 수신기들을 개략적으로 도시한 도면,
도 7은 도 6에 도시된 송신 제어기를 개략적으로 도시한 도면,
도 8은 도 6에 도시된 수신 제어기를 개략적으로 도시한 도면,
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 송신기와 수신기들 간의 다중 에너지 전송 동작을 개략적으로 도시한 순서도이다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기의 설명에서는 본 발명에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩뜨리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
본 발명은, 에너지 전송 시스템에서 다중 기기들, 예컨대 복수 개의 수신기들로 무선 에너지를 전송하는 무선 에너지 전송 장치 및 방법을 제안한다. 즉, 본 발명의 실시 예에서는, 에너지 전송 시스템에서 하나의 주파수 성분을 갖는 송신기를 통해 다수개의 수신기들로 동시에 에너지를 전송하는 무선 에너지 전송 장치 및 방법을 제안한다. 여기서, 전송되는 에너지는 일 예로, 전력, 전압 등이 될 수 있으며, 본 발명은 전력 이외의 다른 형태의 에너지들의 전송에 대해서도 적용될 수 있다.
또한, 하기에서 설명의 편의를 위해, 무선 에너지를 전송하는 무선 에너지 송신 장치를 송신기라 칭하기로 하며, 상기 무선 에너지를 수신하는 무선 에너지 수신 장치를 수신기라 칭하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 무선 에너지를 전송하는 송신기와 수신기의 공진체들을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 송신기(100)는 무선 에너지 신호를 생성하고, 생성된 무선 에너지 신호를 송신한다. 상기 송신기(100)는 송신 공진체 포트(111)와 송신 공진체(112)를 포함한다.
상기 송신 공진체 포트(111)는 에너지의 송신을 위한 무선 에너지 신호를 입력받는다. 상기 송신 공진체 포트(111)는 입력된 무선 에너지 신호를 상기 송신 공진체(112)로 제공한다.
상기 송신 공진체(112)는 상기 송신 공진체 포트(111)를 통해 입력된 무선 에너지 신호를 전송한다. 일 예로, 상기 송신 공진체(112)는 공진 코일 등으로 구성될 수 있다.
수신기(200)는 무선 에너지 신호를 수신하고, 상기 수신기(200)에 연결되거나 결합된 기기(또는 부하)로 수신된 무선 에너지 신호를 제공한다. 상기 수신기(200)는 수신 공진체(211)와 수신 공진체 포트(212)를 포함한다.
상기 수신 공진체(211)는 무선 에너지 신호를 수신한다. 상기 수신 공진체(211)는 수신된 무선 에너지 신호를 상기 수신 공진체 포트(212)로 출력한다.
상기 수신 공진체 포트(212)는 무선 에너지 신호를 연결된 부하로 제공하기 위해 출력한다.
상기 송신기(100)와 상기 수신기(200)는 무선 에너지 신호를 전송하기 위해 자기 공명 방식을 이용할 수 있다. 여기서, 상기 송신 공진체(112)와 상기 수신 공진체(211)의 공진 코일들은 헬리컬 구조(Helical structure)를 가질 수 있다. 일 예로, 상기 송신 공진체 포트(111)와 상기 수신 공진체 포트(212)의 임피던스는 일 예로, 50옴(Ohm)으로 설정된다.
도 2는 도 1에 도시된 송신기와 수신기 간의 전송 특성과 반사 특성을 개략적으로 도시한 그래프이다.
도 2를 참조하면, 단일 기기들, 즉 하나의 송신기(100)와 하나의 수신기(200) 간에 무선 에너지를 전송할 때, 송신 공진체(112)와 수신 공진체(211)의 전송 특성과 반사 특성을 그래프 상에 나타낸다.
상기 그래프의 가로축은 주파수(메가헤르쯔(MHz) 단위를 갖는)를 나타내고, 세로축은 S-파라미터 크기(데시벨(dB) 단위를 갖는)를 나타낸다.
반사 특성(S1,1)과 전송 특성(S2,1)이 도시되어 있다. 상기 전송 특성(S2,1)은 상기 송신 공진체(112)로부터 상기 수신 공진체(211)로 전달되는 무선 에너지 신호의 전송 특성이다. 일 예로, 상기 전송 특성(S2,1)은 10.555MHz 대역에서 약 -0.28dB로 높은 전송 효율을 갖는다. 상기 전송 특성(S2,1)은 OdB에 가까울수록 에너지 전송 효율이 좋다. 또한, 상기 반사 특성(S1,1)은 10.555MHz 대역에서 약, -14.68dB의 값을 갖는다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 다중 기기들 간의 무선 에너지를 전송하는 송신기와 수신기들의 공진체들을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 송신기(300)는 무선 에너지 신호를 생성하고, 생성된 무선 에너지 신호를 송신한다. 여기서, 송신기(300)는 다중 기기들, 즉 복수의 수신기들(410,420)로 무선 에너지 신호를 송신한다.
상기 송신기(300)는 송신 공진체 포트(311)와 송신 공진체(312)를 포함한다.
상기 송신 공진체 포트(311)는 에너지의 송신을 위한 무선 에너지 신호를 입력받는다. 상기 송신 공진체 포트(311)는 입력된 무선 에너지 신호를 상기 송신 공진체(312)로 제공한다.
상기 송신 공진체(312)는 상기 송신 공진체 포트(311)를 통해 입력된 무선 에너지 신호를 전송한다. 일 예로, 상기 송신 공진체(312)는 공진 코일 등으로 구성될 수 있다.
상기 수신기들(410,420)은 무선 에너지 신호를 수신하고, 상기 수신기들(410,420) 각각에 연결되거나 결합된 기기(또는 부하)로 수신된 무선 에너지 신호를 제공한다.
상기 제 1 수신기(410)는 제 1 수신 공진체(411)와 제 1 수신 공진체 포트(412)를 포함한다.
상기 제 1 수신 공진체(411)는 무선 에너지 신호를 수신한다. 상기 제 1 수신 공진체(411)는 수신된 무선 에너지 신호를 상기 제 1 수신 공진체 포트(412)로 출력한다.
상기 제 1 수신 공진체 포트(412)는 무선 에너지 신호를 연결된 부하로 제공하기 위해 출력한다.
또한, 상기 제 2 수신기(420)는 제 2 수신 공진체(421)와 제 2 수신 공진체 포트(422)를 포함한다. 상기 제 2 수신기(420)는 상기 제 1 수신기(410)와 유사한 구조를 갖는다. 따라서 상기 제 2 수신 공진체(421)와 상기 제 2 수신 공진체 포트(422)는 상기 제 1 수신 공진체(411)와 상기 제 1 수신 공진체 포트(412)의 동작 설명을 참조하기로 한다.
여기서도, 상기 송신기(300)와 상기 수신기들(410,420)은 무선 에너지 신호를 전송하기 위해 자기 공명 방식을 이용할 수 있다. 여기서, 상기 송신 공진체(312)와 상기 수신 공진체들(411,421)의 공진 코일들은 헬리컬 구조(Helical structure)를 가질 수 있다.
상기 송신 공진체 포트(311)의 임피던스는 일 예로, 50옴(Ohm)으로 설정될 수 있다.
하지만, 본 발명의 수신기들(410,420)에서 수신 공진체 포트들(412,422)의 임피던스는 각 수신기들(410,420)의 요구 에너지량, 수신 에너지량 등을 고려하여 변화될 수 있다. 이러한, 임피던스 변화를 통해 상기 송신기(300)는 복수의 수신기들(410,420)로 무선 에너지를 전송할 수 있다.
여기서는, 송신 공진체(312)와 수신 공진체(411,421)의 구조는 일 예로 설명된 것으로 다른 형태를 갖는 공진체 구조에서도 동일한 특성을 가질 수 있다.
한편, 여기서는 하나의 송신기(300)로부터 무선 에너지를 수신하는 두 개의 수신기들(410,420)을 일 예로 설명하였으나, 이는 설명의 편의를 위한 것으로 세 개 이상의 수신기들에 대해서도 본 발명을 적용할 수 있다.
도 4는 도 3에 도시된 송신기와 수신기들 간의 전송 특성과 반사 특성을 도시한 그래프이다.
도 4를 참조하면, 다중 기기들, 즉 하나의 송신기(300)와 복수의 수신기(410,420)들 간에 무선 에너지를 전송할 때, 송신 공진체(312)와 수신 공진체들(411,421)의 전송 특성과 반사 특성을 그래프 상에 나타낸다. 상기 송신기(300)와 상기 수신기들(410,420)은 헬리컬 구조의 자기 공명 방식을 이용한다.
여기서, 상기 그래프는 상기 수신 공진체 포트들(412,422)의 임피던스는 모두 50옴(Ohm)으로 설정될 때의 전송 특성과 반사 특성을 도시한다.
상기 그래프의 가로축은 주파수(메가헤르쯔(MHz) 단위를 갖는)를 나타내고, 세로축은 S-파라미터 크기(데시벨(dB) 단위를 갖는)를 나타낸다.
반사 특성(S1,1)과 전송 특성들(S2,1,S3,1)이 도시되어 있다. 제 1 전송 특성(S2,1)은 상기 송신 공진체(312)로부터 상기 수신 공진체(411)로 전달되는 무선 에너지 신호의 전송 특성이다. 일 예로, 상기 전송 특성(S2,1)은 10.595MHz 대역에서 약 -3.40dB의 값을 갖는다. 제 2 전송 특성(S3,1)은 상기 송신 공진체(312)로부터 상기 수신 공진체(421)로 전달되는 무선 에너지 신호의 전송 특성이다. 일 예로, 상기 전송 특성(S3,1)은 10.595MHz 대역에서 약 -3.44dB의 값을 갖는다.
또한, 상기 반사 특성(S1,1)은 10.595MHz 대역에서 약, -12.12dB의 값을 갖는다.
따라서 상기 수신 공진체 포트들(412,422) 각각의 임피던스가 50옴(Ohm)으로 설정될 때, 동일한 전송 특성(약 -3dB)을 갖게 된다. 따라서 동일한 에너지량이 상기 수신기들(410,420)로 제공됨을 확인할 수 있다.
도 5는 도 3에 도시된 송신기와 수신기들 간의 수신 공진체 포트들의 임피던스 변화에 따른 전송 특성과 반사 특성을 도시한 그래프이다.
도 5를 참조하면, 다중 기기들, 즉 하나의 송신기(300)와 복수의 수신기(410,420)들 간에 무선 에너지를 전송할 때, 송신 공진체(312)와 수신 공진체들(411,421)의 전송 특성과 반사 특성을 그래프 상에 나타낸다. 상기 송신기(300)와 상기 수신기들(410,420)은 헬리컬 구조의 자기 공명 방식을 이용한다.
여기서, 상기 그래프는 상기 제 1 수신 공진체 포트(412)의 임피던스는 150옴(Ohm)으로 설정하고, 상기 제 2 수신 공진체 포트(422)의 임피던스는 50옴(Ohm)으로 설정될 때의 전송 특성과 반사 특성을 도시한다.
상기 그래프의 가로축은 주파수(메가헤르쯔(MHz) 단위를 갖는)를 나타내고, 세로축은 S-파라미터 크기(데시벨(dB) 단위를 갖는)를 나타낸다.
반사 특성(S1,1)과 전송 특성들(S2,1,S3,1)이 도시되어 있다. 제 1 전송 특성(S2,1)은 상기 송신 공진체(312)로부터 상기 수신 공진체(411)로 전달되는 무선 에너지 신호의 전송 특성이다. 일 예로, 상기 전송 특성(S2,1)은 10.548MHz 대역에서 약 -6.15dB의 값을 갖는다. 제 2 전송 특성(S3,1)은 상기 송신 공진체(312)로부터 상기 수신 공진체(421)로 전달되는 무선 에너지 신호의 전송 특성이다. 일 예로, 상기 전송 특성(S3,1)은 10.548MHz 대역에서 약 -1.44dB의 값을 갖는다.
또한, 상기 반사 특성(S1,1)은 10.548MHz 대역에서 약, -23.74dB의 값을 갖는다.
따라서 상기 제 1 수신 공진체 포트(412)의 임피던스가 150옴으로 설정되고, 상기 제 2 수신 공진체 포트(422)의 임피던스가 50옴(Ohm)으로 설정될 때, 상기 수신기들(410,420)로 전달되는 에너지량이 변화된다. 즉, 제 1 수신 공진체(411)에 비해 제 2 수신 공진체(421)로 더 많은 에너지가 전달되고 있음을 확인할 수 있다.
이와 반대로, 상기 제 2 수신 공진체 포트(422)의 임피던스를 증가시키면, 이와 반대의 특성을 갖는다. 이때는 상기 제 2 수신 공진체(421)에 비해 제 1 수신 공진체(411)로 더 많은 에너지가 전달된다.
본 발명에서는 복수의 수신기들의 수신 공진체 포트들 각각의 임피던스 제어를 통해 다중 기기들 간의 전송되는 에너지량을 제어할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 다중 기기들 간의 무선 에너지를 전송하는 송신기와 수신기들을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 송신기(500)는 무선 에너지 신호를 생성하고, 생성된 무선 에너지 신호를 송신한다. 여기서, 송신기(500)는 다중 기기들, 즉 복수의 수신기들(610,620)로 무선 에너지 신호를 송신한다. 상기 송신기(500)는 송신 제어기(511), 송신 공진체 포트(512), 및 송신 공진체(513)를 포함한다.
상기 수신기들(610,620)은 무선 에너지 신호를 수신하고, 상기 수신기들(610,620) 각각에 연결되거나 결합된 기기(또는 부하)로 수신된 무선 에너지 신호를 제공한다. 상기 제 1 수신기(610)는 제 1 수신 공진체(611), 제 1 수신 공진체 포트(612), 및 제 1 수신 제어기(613)를 포함한다. 그리고 상기 제 2 수신기(620)는 제 2 수신 공진체(621), 제 2 수신 공진체 포트(622), 및 제 2 수신 제어기(623)를 포함한다.
우선, 상기 송신기(500)를 설명하기로 한다. 상기 송신 제어기(511)는 무선 에너지 신호를 생성한다. 상기 송신 제어기(511)는 상기 송신 공진체 포트(512)에 연결되고, 상기 송신 공진체 포트(512)로 상기 무선 에너지 신호를 출력한다. 상기 송신 제어기(511)는 상기 송신기(500)의 전반적인 동작을 제어하고, 상기 수신기들(610,620)로부터 수신된 전송 특성 정보, 일 예로 요구 에너지량, 수신 에너지량, 수신 공진체 포트의 임피던스 정보 등을 이용하여 상기 수신 공진체 포트들(612,622)의 임피던스 제어를 위한 임피던스 제어 신호를 생성한다.
송신 공진체 포트(512)는 에너지의 송신을 위한 무선 에너지 신호를 상기 송신 제어기(511)로부터 입력받는다. 여기서, 상기 송신 공진체 포트(512)는 상기 송신 공진체(513)에 연결된다. 상기 송신 공진체 포트(512)는 입력된 무선 에너지 신호를 상기 송신 공진체(513)로 제공한다.
상기 송신 공진체(513)는 상기 송신 공진체 포트(512)를 통해 입력된 무선 에너지 신호를 전송한다. 일 예로, 상기 송신 공진체(513)는 공진 코일 등으로 구성될 수 있다.
다음으로, 상기 수신기들(610,620)을 설명하기로 한다. 또한, 상기 제 1 수신 공진체(611)는 무선 에너지 신호를 수신한다. 상기 제 1 수신 공진체(611)는 수신된 무선 에너지 신호를 상기 제 1 수신 공진체 포트(612)로 출력한다.
상기 제 1 수신 공진체 포트(612)는 무선 에너지 신호를 상기 제 1 수신 공진체(611)로부터 수신한다. 상기 제 1 수신 공진체 포트(612)는 무선 에너지 신호를 상기 제 1 수신 제어기(613)로 출력한다.
상기 제 1 수신 제어기(613)는 상기 제 1 수신 공진체 포트(612)에 연결되고, 상기 수신 공진체 포트를 통해 무선 에너지 신호를 수신한다. 상기 제 1 수신 제어기(613)는 상기 수신된 무선 에너지 신호를 변환하여 부하 등으로의 제공을 통해 전원으로 사용할 수 있다. 이를 위해, 상기 제 1 수신 제어기(613)는 내부에 상기 부하를 포함하거나 외부에 상기 부하가 연결될 수 있다. 또한, 상기 제 1 수신 제어기(613)는 상기 제 1 수신기(610)의 동작을 제어한다.
또한, 상기 제 2 수신기(620)는 상기 제 1 수신기(610)와 유사한 구조를 가지므로, 상기 제 1 수신기(610)의 구조에 대한 설명을 참조하기로 한다.
여기서도, 상기 송신기(500)와 상기 수신기들(610,620)은 무선 에너지 신호를 전송하기 위해 자기 공명 방식을 이용할 수 있다. 여기서, 상기 송신 공진체(512)와 상기 수신 공진체들(611,621)의 공진 코일들은 헬리컬 구조(Helical structure)를 가질 수 있다.
여기서는, 송신 공진체(512)와 수신 공진체들(611,621)의 구조는 일 예로 설명된 것으로 다른 형태를 갖는 공진체 구조에서도 동일한 특성을 가질 수 있다.
상기 송신 제어기(511)와 상기 수신 제어기들(613,623)은 무선 에너지 신호 송수신에 따라 필요한 메시지를 송수신하기 위해 통신 기능을 수행하는 블록을 포함할 수 있다. 따라서 상기 복수의 수신기들(610,620)로 무선 에너지를 전송하기 위해 상기 송신기(500)는 상기 복수의 수신기들(610,620)과 메시지를 송수신할 수 있다.
상기 송신기(500)와 상기 수신기들(610,620) 간에 메시지 전송을 통해 다중 무선 에너지 전송이 효율적으로 이루어질 수 있도록 한다.
한편, 여기서는 하나의 송신기(500)로부터 무선 에너지를 수신하는 두 개의 수신기들(610,620)을 일 예로 설명하였으나, 이는 설명의 편의를 위한 것으로 세 개 이상의 수신기들에 대해서도 본 발명을 적용할 수 있다.
도 7은 도 6에 도시된 송신 제어기를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7을 참조하면, 상기 송신 제어기(511)는 에너지 신호 생성부(710), 송신 에너지 측정부(720), 및 신호 처리부(730)를 포함한다.
상기 에너지 신호 생성부(710)는 무선 에너지 신호를 생성한다. 상기 에너지 신호 생성부(710)는 송신 공진체 포트(512)로 상기 무선 에너지 신호를 출력한다. 이때, 상기 에너지 신호 생성부(710)는 상기 신호 처리부(730)의 제어에 따라 상기 무선 에너지 신호의 송신 에너지량을 조절할 수 있다.
상기 송신 에너지 측정부(720)는 상기 에너지 신호 생성부에서 출력되는 무선 에너지 신호의 송신 에너지량을 측정한다. 상기 송신 에너지 측정부(720)는 상기 송신되는 무선 에너지 신호의 에너지량을 조절하기 위해 측정된 송신 에너지량을 상기 신호 처리부(730)로 출력한다.
상기 신호 처리부(730)는 상기 송신 에너지량을 수신하고, 상기 송신 에너지량에 근거하여 상기 에너지 신호 생성부(710)에서 생성되는 무선 에너지 신호의 송신 에너지량을 조절한다.
상기 신호 처리부(730)는 복수의 수신기들(610,620)과 통신하는 기능을 갖는다. 상기 신호 처리부(730)는 전송 특성 정보를 수신할 수 있다. 여기서, 상기 전송 특성 정보는 복수의 수신기들 각각의 수신 에너지량, 요구 에너지량,, 및 수신 공진체 포트의 임피던스에 대한 정보를 포함한다. 상기 수신 에너지량은 현재 수신기의 부하로 제공되고 있는 무선 에너지 신호의 에너지량이고, 상기 요구 에너지량은 상기 수신기의 부하에서 필요로 하는 에너지량이다. 상기 신호 처리부(730)는 상기 전송 특성 정보의 수신을 통해 상기 복수의 수신기들(610,620)의 전송 특성을 확인할 수 있다.
상기 신호 처리부(730)는 전송 특성 정보의 확인을 통해 복수의 수신기들(610,620) 각각으로 수신되는 수신 에너지량을 조절하기 위한 임피던스 제어 신호를 생성한다. 예를 들어, 상기 신호 처리부(730)는 상기 제 1 수신기(610)와 상기 제 2 수신기(620) 중에서 수신 에너지량의 증가를 필요로 하는 수신기의 임피던스를 감소시키도록 제어하는 임피던스 제어 신호를 생성한다. 또는, 상기 신호 처리부(730)는 상기 제 1 수신기(610)와 상기 제 2 수신기(620) 중에서 수신 에너지량의 감소를 필요로 하는 수신기의 임피던스를 증가시키도록 제어하는 임피던스 제어 신호를 생성한다.
상기 신호 처리부(730)는 상기 수신기들로부터 상기 전송 특성 정보를 미리 설정된 간격을 주기로 제공받아 상기 수신기들(610,620) 각각의 요구 에너지량을 만족할 때까지 상기 임피던스 제어 신호를 생성할 수 있다. 또한, 상기 신호 처리부(730)는 상기 에너지 신호 생성부(710)에서 생성되는 무선 에너지 신호의 송신 에너지량을 조절에 상기 전송 특성 정보를 이용할 수 있다.
상기 신호 처리부(730)는 상기 수신기들(610,620) 각각에 대해 생성된 상기 임피던스 제어 신호들을 상기 수신기들(610,620) 각각으로 송신한다.
도 8은 도 6에 도시된 수신 제어기를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 8을 참조하면, 상기 제 1 수신 제어기(613)는 부하(810), 수신 에너지 측정부(820), 신호 처리부(830), 및 임피던스 조절부(840)를 포함한다. 하지만, 도 6의 제 2 수신기(620)에 포함된 제 2 수신 제어기(623)도 상기 제 1 수신 제어기(613)와 유사한 구조를 가질 수 있다.
상기 부하(810)는 상기 제 1 수신 공진체 포트(612)를 통해 무선 에너지 신호를 수신한다. 부하(810)는 무선 에너지를 소비하는 기기이고, 상기 제 1 수신기(610)의 동작을 위한 동작 전원일 수도 있다. 한편, 상기 부하(810)는 제 1 수신기 제어기(613)에 포함되거나 제 1 수신 제어기(613) 외부에 위치할 수도 있다.
상기 수신 에너지 측정부(820)는 제 1 수신 공진체 포트(612)를 통해 수신되는 무선 에너지의 수신 에너지량을 측정한다. 상기 수신 에너지 측정부(820)는 측정된 수신 에너지량을 상기 신호 처리부(830)로 출력한다.
상기 신호 처리부(830)는 상기 수신 에너지량을 수신한다. 상기 신호 처리부(830)는 상기 부하(810)에서 요구되는 요구 에너지량을 측정하거나 수신할 수 있다.
상기 신호 처리부(830)는 상기 송신기(500)와 통신하는 기능을 갖는다. 상기 신호 처리부(830)는 전송 특성 정보를 상기 송신기로 송신한다. 여기서, 전송 특성 정보는 상기 수신 에너지량, 상기 요구 에너지량, 및 상기 제 1 수신 공진체 포트(612)의 임피던스를 포함한다. 상기 수신 에너지량은 현재 상기 부하(810)로 제공되고 있는 무선 에너지 신호의 에너지량이고, 상기 요구 에너지량은 상기 부하(810)에서 필요로 하는 에너지량이다. 또한, 상기 제 1 수신 공진체 포트(612)의 임피던스는 상기 제 1 수신 공진체 포트(612)에 설정된 임피던스 값이다. 상기 신호 처리부(830)는 상기 전송 특성 정보의 송신을 통해 상기 송신기(500)에서 전송 특성을 확인할 수 있게 한다. 상기 신호 처리부(830)는 상기 무선 에너지 신호의 수신 에너지량이 상기 요구 에너지량을 만족할 때까지 상기 전송 특성 정보를 상기 송신기(500)로 송신한다. 이때, 상기 신호 처리부(830)는 상기 제 1 수신기(610)의 구분을 위한 수신기의 식별자(ID: IDentifier)를 상기 전송 특성 정보와 함께 송신할 수 있다.
상기 신호 처리부(830)는 상기 전송 특성 정보의 송신에 따라 상기 송신기(500)로부터 임피던스 제어 신호를 수신할 수 있다. 여기서, 상기 임피던스 제어 신호는 상기 제 1 수신 공진체 포트(612)의 임피던스를 제어하기 위한 신호이다. 예를 들어, 상기 신호 처리부(830)는 상기 무선 에너지 신호의 수신 에너지량을 감소시키기 위해 상기 수신 공진체 포트의 임피던스를 증가하도록 제어하는 임피던스 신호를 상기 송신기(500)로부터 수신할 수 있다. 또한, 상기 신호 처리부(830)는 상기 무선 에너지 신호의 수신 에너지량을 증가시키기 위해 상기 수신 공진체 포트의 임피던스를 감소하도록 제어하는 임피던스 신호를 상기 송신기(500)로부터 수신할 수 있다.
상기 신호 처리부(830)는 상기 수신된 임피던스 제어 신호에 근거하여 임피던스 조절부(840)를 제어한다.
상기 임피던스 조절부(840)는 상기 제 1 수신 공진체 포트(612)에 연결된다. 상기 임피던스 조절부(840)는 상기 신호 처리부(840)의 제어에 따라 상기 제 1 수신 공진체 포트(612)의 임피던스를 제어한다. 상기 임피던스 조절부(840)는 상기 신호 처리부의 제어에 따라 상기 제 1 수신 공진체 포트(612)의 임피던스를 증가하거나 감소하도록 제어한다.
한편, 도 7과 도 8에서 상기 신호 처리부들(730, 830)은 별도의 안테나 등을 통해 메시지를 송수신할 수도 있고, 상기 송신 공진체(512)와 수신 공진체(611)를 이용하여 메시지를 송수신할 수도 있다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 송신기와 수신기들 간의 다중 에너지 전송 동작을 개략적으로 도시한 순서도이다.
도 9를 참조하면, 상기 송신기(500)와 상기 복수 개의 수신기들(610,620)은 다중 에너지 전송을 위해 준비하는 접속 대기 단계를 수행한다(910단계).
상기 송신기(500)는 무선 에너지를 상기 수신기들(610,620)로 전송하기 위한 전송 환경에 대한 검색을 수행한다. 이때, 상기 수신기들(610,620) 각각은 상기 수신 공진체 포트들(612,622)의 임피던스를 미리 설정된 임피던스 이상이 되도록 설정한다. 일 예로, 상기 수신기들(610,620) 각각은 상기 수신 공진체 포트들(612,622)의 임피던스를 약 500옴(Ohm) 이상이 되도록 설정한다. 이와 같이, 상기 수신기들(610,620)이 임피던스를 500옴 이상의 값으로 설정하는 것은 상기 송신기(500)와 기존에 전력을 전송하던 다른 수신기들의 에너지 전송 특성을 크게 변화시키지 않기 위한 것이다.
그러므로 상기 송신기(500)는 전송되는 무선 에너지의 전송 특성 변화를 통해 수신기들(610,620)이 전송 영역 내에 접근한 것을 인지할 수 있다. 예를 들어, 상기 송신기(500)는 상기 송신기에서 송신되는 무선 에너지량의 변화 또는 무선 에너지를 전송받는 수신기들로부터 수신된 수신 에너지량 변화 등에 근거하여 수신기들(610,620)의 접근을 인지한다. 하지만, 상기 송신기(500)는 상기 수신기들(610,620)의 접근을 다른 다양한 방식을 통해서도 인지할 수 있다.
상기 수신기들(610,620)의 접근을 인지(즉, 상기 수신기들(610,620)이 상기 송신기(500)의 무선 에너지 전송 영역 내에 위치함을 인지)하면, 상기 송신기(500)는 접속 단계로 동작을 천이한다.
상기 송신기(500)와 상기 복수 개의 수신기들(610,620)은 다중 에너지 전송을 위해 상호 간에 접속하는 접속 단계를 수행한다(920단계).
상기 접속 단계는 상기 송신기(500)와 수신기들(610,620)이 접속을 수행하는 단계로 상기 송신기(500)와 상기 수신기들(610,620) 간에 메시지 전달을 통해 송신 에너지량, 요구 에너지량, 수신 에너지량, 및 수신 공진체 포트의 임피던스에 대한 정보 등을 송수신한다.
상기 수신기들(610,620) 각각은 자신의 식별자(ID), 요구 에너지량, 수신 에너지량, 및 수신 공진체 포트의 임피던스를 송신기로 송신한다.
상기 송신기(500)는 새로 접속된 상기 수신기들(610,620) 각각으로부터 수신기의 식별자, 요구 에너지량, 수신 에너지량, 및 수신 공진체 포트의 임피던스에 대한 정보를 수신한다. 상기 송신기(500)는 상기 수신된 정보를 상기 송신기(500)에 접속된 수신기들로 브로드캐스팅 메시지의 형태로 모든 수신기들로 제공한다. 상기 송신기는 상기 정보가 포함된 메시지의 수신을 통해 상기 수신기들을 인식한다.
상기 송신기(500)는 현재 송신 에너지량과 상기 수신된 정보들에 근거하여 전송 특성을 확인할 수 있다. 상기 송신기(500)는 전송 특성에 따른 손실을 합산하여 송신할 무선 에너지 신호의 송신 에너지량을 산출한다. 상기 송신기(500)는 산출된 송신 에너지량에 근거하여 무선 에너지 신호의 송신 에너지량을 조절한다. 상기 송신기(500)는 송신 에너지량이 조절된 무선 에너지 신호를 상기 송신기들로 송신한다.
상기 수신기들(610,620) 각각은 상기 송신 에너지량이 조절된 무선 에너지 신호에 따른 수신 에너지량과 요구 에너지량을 포함한 메시지를 상기 송신기(500)로 송신한다.
상기 송신기(500)는 상기 메시지를 수신하면, 상기 수신 에너지량과 상기 요구 에너지량의 차이를 통해 상기 수신기들(610,620)에 대한 전송 특성을 확인할 수 있다. 상기 송신기(500)는 상기 수신기들(610,620) 각각의 전송 특성을 고려하여 상기 수신기들(610,620) 각각으로 송신하기 위한 임피던스 제어 신호들을 생성한다. 이때, 상기 송신기(500)는 상기 제 1 수신기(610)에 상기 제 2 수신기(620)에 비해 더 많은 무선 에너지를 전송해야하면, 상기 제 1 수신기(610)의 임피던스를 증가하도록 설정하거나 상기 제 2 수신기(620)의 임피던스를 감소하도록 설정하는 임피던스 제어 신호를 생성할 수 있다. 이와 반대로, 상기 송신기는 상기 송신기(500)는 상기 제 2 수신기(620)에 상기 제 1 수신기(610)에 비해 더 많은 무선 에너지를 전송해야하면, 상기 제 2 수신기(620)의 임피던스를 증가하도록 설정하거나 상기 제 1 수신기(610)의 임피던스를 감소하도록 설정하는 임피던스 제어 신호를 생성할 수 있다. 상기 송신기(500)는 생성된 임피던스 제어 신호들을 상기 수신기들(610,620) 각각으로 송신한다.
상기 수신기들(610,620)은 임피던스 제어 신호를 수신하면, 상기 임피던스 제어 신호에 따라 상기 수신 공진체 포트들(612,622)의 임피던스를 조절하는 동작을 현재 수신 에너지량과 요구 에너지량이 일치할 때까지 반복적으로 수행한다.
상술한 바와 같이, 상기 송신기(500)는 상기 수신기들(610,620)의 수신 공진체 포트들(612,622)의 임피던스 조절을 통해 상기 수신 에너지량과 요구 에너지량이 일치하면, 상기 수신기들(610,620)에 대한 에너지 전송 준비를 완료할 수 있다.
상기 송신기(500)와 상기 복수 개의 수신기들(610,620)은 다중 에너지 전송 단계를 수행한다(930단계). 이때, 상기 송신기(500)는 수신기들(610,620)로 동시에 무선 에너지를 전송할 수 있다. 이때, 상기 송신기(500)는 상기 수신기들(610,620)로 무선 에너지 신호를 전송하고, 상기 수신기들(610,620)은 미리 설정된 일정 주기를 간격으로 수신 에너지량과 요구 에너지량을 상기 송신기(500)로 송신할 수 있다. 이에 따라 상기 송신기(500)는 무선 에너지 신호의 송신 에너지량을 조절할 수 있고, 상기 수신기들(610,620)은 상기 수신 공진체 포트들(612,622)의 임피던스를 조절할 수 있다.
한편, 상기 송신기(500)는 상기 수신기들(610,620) 이외의 다른 수신기들이 추가되더라도 상기한 바와 같이 무선 에너지 신호의 송신 에너지량과 임피던스 조절을 통해 다중 기기들로 무선 에너지를 동시에 전송할 수 있다.
본 발명은 송신기와 수신기들의 동작을 통해서 수신 공진체 포트들의 임피던스를 조정하여 다중 에너지 전송이 가능하도록 한다. 특히, 본 발명은 하나의 주파수 성분을 갖는 송신기를 이용하여 다수개의 수신기들로 동시에 에너지를 전송할 수 있다.
이러한 다중 에너지 전송 방식은 기존의 시간 분할 방식에서 발생되는 전송 시간 지연, 또는 주파수 분할 방식에서 에너지 전송에 따라 발생되는 송신기 복잡한 구조와 광대역화에 따른 문제점을 해결할 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 하나의 송신기를 사용하여 복수의 수신기들로 무선 에너지를 전송함으로써, 수신기마다 무선 에너지 전송을 위한 송신기를 별도로 구비하지 않아도 된다. 이를 통해, 본 발명에서 제안된 수신기들은 수신기마다 별도로 대응되는 송신기를 가져야하는 수신기들에 비해 효율적인 무선 에너지 전송 방식을 사용할 수 있고, 효율적인 무선 에너지 전송망의 구성이 가능하다.
한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (17)

  1. 에너지 전송 시스템에서 무선 에너지 송신 장치에 있어서,
    무선 에너지 신호를 생성하는 송신 제어기;
    상기 무선 에너지 신호를 제공하는 송신 공진체 포트; 및
    상기 송신 공진체 포트를 통해 제공된 무선 에너지 신호를 복수의 수신 장치들로 송신하는 송신 공진체를 포함하며,
    상기 송신 제어기는 상기 복수의 수신 장치들의 전송 특성을 고려하여 상기 복수의 수신 장치들의 수신 공진체 포트들 각각의 임피던스를 제어하기 위한 임피던스 제어 신호를 송신하는, 무선 에너지 송신 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 송신 제어기는,
    상기 복수의 수신 장치들 각각으로부터 수신 에너지량과 요구 에너지량의 수신을 통해 상기 전송 특성을 확인하는 신호 처리부; 및
    상기 신호 처리부의 제어에 따라 상기 생성되는 무선 에너지 신호의 에너지량을 제어하는 에너지 신호 생성부
    를 포함하는 무선 에너지 송신 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 신호 처리부는,
    상기 복수의 수신 장치들 각각으로부터 수신 공진체 포트의 임피던스 정보를 수신하고, 상기 수신된 수신 공진체 포트의 임피던스 정보에 따라 상기 임피던스 제어 신호를 생성하는, 무선 에너지 송신 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 신호 처리부는,
    상기 복수의 수신 장치들 중에서 상기 무선 에너지 신호에 대한 에너지량의 감소를 필요로 하는 수신 장치로 수신 공진체 포트의 임피던스를 증가하도록 제어하는 임피던스 제어 신호를 송신하는, 무선 에너지 송신 장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 신호 처리부는,
    상기 복수의 수신 장치들 중에서 상기 무선 에너지 신호에 대한 에너지량의 증가를 필요로 하는 수신 장치로 수신 공진체 포트의 임피던스를 감소하도록 제어하는 임피던스 제어 신호를 송신하는, 무선 에너지 송신 장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 송신 제어기는,
    상기 에너지 신호 생성부를 통해 출력되는 무선 에너지 신호의 에너지량을 측정하는 송신 에너지 측정부
    를 더 포함하는 무선 에너지 송신 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 신호 처리부는,
    상기 전송 특성과 상기 측정된 무선 에너지 신호의 에너지량에 근거하여 전송할 에너지량을 산출하고, 상기 산출된 에너지량에 근거하여 상기 무선 에너지 신호의 에너지량을 제어하는, 무선 에너지 송신 장치.
  8. 에너지 전송 시스템에서 무선 에너지 수신 장치에 있어서,
    무선 에너지 신호를 수신하는 수신 공진체;
    상기 수신 공진체로부터 상기 무선 에너지 신호를 수신하는 수신 공진체 포트; 및
    상기 무선 에너지 신호를 부하로 제공하고, 다른 수신 장치들의 전송 특성을 고려하여 생성된 임피던스 제어 신호에 따라 상기 수신 공진체 포트의 임피던스를 제어하는 수신 제어기
    를 포함하는 무선 에너지 수신 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 수신 제어기는,
    수신되는 무선 에너지 신호의 수신 에너지량을 측정하는 수신 에너지 측정부;
    상기 수신 에너지량과 상기 부하의 에너지 소모에 따라 요구되는 요구 에너지량을 송신 장치로 송신하는 신호 처리부; 및
    상기 임피던스 제어 신호에 따라 상기 수신 공진체 포트의 임피던스를 제어하는 임피던스 조절부
    를 포함하는 무선 에너지 수신 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 신호 처리부는,
    상기 수신 공진체 포트의 임피던스 정보를 상기 송신 장치로 송신하는, 무선 에너지 수신 장치.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 신호 처리부는,
    상기 무선 에너지 신호의 에너지량을 감소시키기 위해 상기 수신 공진체 포트의 임피던스를 증가하도록 제어하는 임피던스 제어 신호를 수신하는, 무선 에너지 수신 장치.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 신호 처리부는,
    상기 무선 에너지 신호의 에너지량을 증가시키기 위해 상기 수신 공진체 포트의 임피던스를 감소하도록 제어하는 임피던스 제어 신호를 수신하는, 무선 에너지 수신 장치.
  13. 에너지 전송 시스템에서 무선 에너지 송수신 방법에 있어서,
    복수의 수신기들 각각은, 무선 에너지를 수신받기 위해 전송 상태 정보를 송신기로 제공하는 단계;
    상기 송신기는, 상기 전송 상태 정보에 근거하여 상기 복수의 수신기들에서 요구되는 에너지량이 제공될 때까지 상기 복수의 수신기들 각각의 임피던스를 조절하는 임피던스 제어 신호를 송신하는 단계;
    상기 복수의 수신기들 각각은, 상기 임피던스 제어 신호에 따라 수신 공진체 포트의 임피던스를 설정하고, 상기 설정된 임피던스에 따라 무선 에너지 신호를 수신하는 단계를 포함하며,
    상기 전송 상태 정보는 상기 복수의 수신기들 각각의 수신 에너지량과 요구 에너지량에 대한 정보를 포함하는, 무선 에너지 송수신 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 송신기는,
    상기 제공받은 전송 상태 정보에 근거하여 상기 무선 에너지 신호의 송신 에너지량을 조절하는 단계
    를 더 포함하는 무선 에너지 송수신 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 임피던스 제어 신호들을 송신하는 단계는,
    상기 복수의 수신기들 중에서 상기 무선 에너지 신호에 대한 에너지량의 감소를 필요로 하는 수신기로 수신 공진체 포트의 임피던스를 증가하도록 제어하는 임피던스 제어 신호를 송신하는 단계
    를 포함하는 무선 에너지 송수신 방법.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 임피던스 제어 신호들을 송신하는 단계는,
    상기 복수의 수신기들 중에서 상기 무선 에너지 신호에 대한 에너지량의 증가를 필요로 하는 수신기로 수신 공진체 포트의 임피던스를 감소하도록 제어하는 임피던스 제어 신호를 송신하는 단계
    를 포함하는 무선 에너지 송수신 방법.
  17. 제 13 항에 있어서,
    상기 전송 상태 정보는,
    상기 복수의 수신기들 각각의 식별자 정보와 상기 수신 공진체 포트의 임피던스 정보 중 적어도 하나를 포함하는, 무선 에너지 송수신 방법.
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