KR20140085199A - 무선전력 전송을 이용한 차량의 tpms 장치 - Google Patents

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Abstract

자기장을 이용한 무선전력전송 방법으로 차량의 TPMS 장치에서 사용되는 압력 센서에 에너지를 전송하여 압력 센서의 배터리를 충전한다. 본 발명에 따른 무선전력 전송을 이용한 차량의 TPMS 장치는, 차량의 타이어에 각각 장착된 4개의 압력 센서; 상기 차량 내에 장착되어 있으며 자기장을 이용하여 상기 압력 센서에 무선으로 전력을 전송하고 상기 압력 센서로부터 정보를 수신하는 무선전력전송 및 정보수신기; 및 수신된 상기 정보를 표시하는 표시부를 포함한다.

Description

무선전력 전송을 이용한 차량의 TPMS 장치{TPMS for vehicle using wireless power transmission}
본 발명은 차량의 타이어 공기압 경고 장치(TPMS: Tire Pressure Monitoring System)에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 자기장을 이용한 무선전력 전송을 이용하는 차량의 TPMS 장치에 관한 것이다.
무선으로 에너지를 전달하는 무선 전력 전송 기술로서 자기유도 현상을 이용한 무선 전력전송 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 무선 전력전송 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.
한편, 자동차 타이어의 공기압을 측정하여 운전자에게 정보를 알려주고, 규정 압력 이하로 낮아졌을 때 경고 신호를 줌으로써 사고의 위험을 미연에 방지하도록 차량에 타이어 압력 모니터링 시스템(TPMS: Tire Pressure Monitoring System)이 장착되고 있다.
타이어의 공기압이 너무 높거나 낮으면 타이어가 터지거나 차량이 쉽게 미끄러져 대형사고로 이어질 가능성이 있으며, 또한 연료 소모량이 많아져 연비가 악화되고, 타이어 수명이 짧아질 뿐 아니라 승차감과 제동력도 많이 떨어진다.
TPMS는 이러한 타이어의 결함을 막기 위한 것으로서, 타이어에 부착된 센서로 타이어의 압력과 온도를 감지한 뒤 이 정보를 운전석으로 보내 운전자가 실시간으로 타이어의 압력 상태를 점검할 수 있게 설계되어 있다.
이 시스템을 이용하면 타이어의 내구성·승차감·제동력 향상은 물론, 연비도 높일 수 있고, 주행 중 차체가 심하게 흔들리는 것도 막을 수 있다.
TPMS에서 사용되는 TPMS 센서는 자동차 휠에 설치되어 타이어 내부의 공기압과 온도 및 가속도 등의 정보를 측정하고 이를 TPMS 컨트롤러로 전달하기 위하여 일반적으로 RF 무선 통신을 이용한다.
그러나, RF 무선 통신의 전력 효율이 충분히 높지 않아 전체적인 시스템의 전력 소모를 증대시킬 뿐만 아니라 데이터 송신율도 저하시킬 수 있다. 이에 따라 TPMS 센서에 배터리를 부착하여야 할 뿐만 아니라, 부착된 배터리를 자주 교체하여야 한다. 따라서, TPMS 센서의 장시간 사용이 어려우며, 배터리 교체의 불편이 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 기술적 배경에서 안출된 것으로서, 무선전력 전송을 이용하여 센서에 필요한 전력을 공급할 수 있는 차량의 TPMS 장치를 제공하고자 하는 것을 그 과제로 한다.
본 발명의 다른 과제는 배터리를 자주 교체할 필요가 없는 차량의 TPMS 장치를 제공하고자 하는 것이다.
이와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명에서는, 자기장을 이용한 무선전력전송 방법으로 차량의 TPMS 장치에서 사용되는 압력 센서에 에너지를 전송하여 압력 센서의 배터리를 충전한다.
즉, 본 발명의 일면에 따른 무선전력 전송을 이용한 차량의 TPMS 장치는, 차량의 타이어에 각각 장착된 4개의 압력 센서; 상기 차량 내에 장착되어 있으며 자기장을 이용하여 상기 압력 센서에 무선으로 전력을 전송하고 상기 압력 센서로부터 정보를 수신하는 무선전력전송 및 정보수신기; 및 수신된 상기 정보를 표시하는 표시부를 포함하여 이루어진다.
상기 무선전력전송 및 정보수신기와 상기 압력 센서는 자기장 통신 프로토콜을 이용하여 상기 다른 무선전력 송수신기와의 자기장 통신을 수행하는 자기장 통신 모뎀을 포함하며, 상기 무선전력전송 및 정보수신기는 자기장 통신을 통해 상기 압력 센서로부터 상기 정보를 수신할 수 있다.
상기 무선전력전송 및 정보수신기는, 외부의 전력 공급원으로부터 전력을 공급받아 상기 무선전력전송 및 정보수신기와 상기 압력 센서 간의 공진 주파수 대역을 갖는 AC 전력으로 변환하는 전력 변환부; 자기장 통신 프로토콜을 이용하여 상기 압력 센서와의 자기장 통신을 수행하도록 하는 자기장 통신 모뎀; 상기 전력 변환부로부터의 AC 전력을 상기 압력 센서로 송신하고 상기 압력 센서로부터의 센서 데이터를 수신하는 송수신 안테나; 상기 압력 센서로부터 수신한 센서 데이터를 처리하는 데이터 처리부; 및 상기 데이터 처리부에 의해 처리된 데이터를 상기 표시부로 송신하는 데이터 통신부를 포함할 수 있다.
상기 압력 센서는, 배터리에 의해 동작하며 타이어의 압력을 감지하는 센서부; 상기 무선전력전송 및 정보수신기로부터 자기공진 방식을 이용하여 전력을 수신하고 상기 센서부에 의해 감지된 데이터를 송신하는 송수신 안테나; 자기장 통신 프로토콜을 이용하여 상기 무선전력전송 및 정보수신기와의 자기장 통신을 수행하도록 하는 자기장 통신 모뎀; 전력 수신을 관리하는 전력 관리부; 및 수신된 전력을 이용하여 충전되는 배터리를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 면에 따른 차량의 TPMS 장치용 압력 센서는, 배터리에 의해 동작하며 타이어의 압력을 감지하는 센서부; 상기 압력 센서 외부의 무선전력전송장치로부터 자기공진 방식을 이용하여 전력을 수신하고 상기 센서부에 의해 감지된 데이터를 송신하는 송수신 안테나; 자기장 통신 프로토콜을 이용하여 상기 무선전력전송장치와의 자기장 통신을 수행하도록 하는 자기장 통신 모뎀; 전력 수신을 관리하는 전력 관리부; 및 수신된 전력을 이용하여 충전되는 배터리를 포함한다.
여기에서, 상기 센서부에 의해 감지된 압력 데이터를 상기 자기장 통신 프로토콜을 이용하는 자기장 통신 방식으로 상기 무선전력전송장치로 전송하거나, RF 무선 통신 방식으로 상기 무선전력전송장치로 전송할 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명에 따르면, 무선전력 전송을 이용하여 차량의 TPMS 장치의 압력 센서에 필요한 전력을 공급할 수 있어 압력 센서의 배터리를 자주 교체할 필요가 없이 반영구적으로 압력 센서를 사용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 무선전력 전송을 이용한 차량의 TPMS 장치의 전체 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 무선전력 전송을 이용한 차량의 TPMS 장치에서 사용되는 자기장 통신(MFAN: Magnetic Field Area Network)의 물리계층 구조를 나타낸다.
도 3은 MFAN의 매체접근제어계층의 슈퍼 프레임 구조를 나타낸다.
도 4는 MFAN 코디네이터의 상태도이다.
도 5는 MFAN 노드의 상태도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 무선전력 전송을 이용한 차량의 TPMS 장치의 무선전력전송 및 정보수신기의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 무선전력 전송을 이용한 차량의 TPMS 장치의 압력 센서의 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 무선전력 전송을 이용한 차량의 TPMS 장치에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 무선전력 전송을 이용한 차량의 TPMS 장치의 전체 구성을 나타내는 도면이다.
도 1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 무선전력 전송을 이용한 차량의 TPMS 장치는 차량의 타이어(20_1, 20_2, 20_3, 20_4)에 각각 장착된 4개의 압력 센서(200_1, 200_2, 200_3, 200_4)와 차량 내에 장착되어 있으며 자기장을 이용하여 압력 센서(200_1, 200_2, 200_3, 200_4)에 무선으로 전력을 전송하고 압력 센서(200_1, 200_2, 200_3, 200_4)로부터 정보를 수신하는 무선전력전송 및 정보수신기(100), 수신된 정보를 표시하는 표시부(300)를 포함하여 구성된다.
자기공진 방식은 송신 안테나와 수신 안테나 사이의 공진에 의하여 에너지의 무선 전송 효율을 극대화시키는 방법이다. 이를 위하여 무선전력 전송 및 정보 수신기(100)와 압력 센서(200_1, 200_2, 200_3, 200_4) 사이의 공진 주파수를 맞추어 공진 채널을 형성하고 이를 통하여 무선 전력을 송신한다.
또한, 무선전력전송 및 정보수신기(100)는 무선전력을 송신하기 위해 사용하는 자기장을 이용한 자기장 통신(MFAN: Magnetic Field Area Network) 방식으로 압력 센서(200_1, 200_2, 200_3, 200_4)로부터 정보를 수신할 수 있다. 즉, 무선전력전송 및 정보수신기(100)는 자기장 통신을 이용하여 압력 센서(200_1, 200_2, 200_3, 200_4)로부터 센서 정보를 수신할 수 있다.
또한, 무선전력전송 및 정보수신기(100)는 압력 센서(200)로부터 센서 데이터를 수신하는 것 외에도, 압력 센서(200)에 대한 효율적인 무선 충전을 달성하기 위해 자기장 통신을 사용한다. 무선전력전송 및 정보수신기(100)는 압력 센서(200)와의 자기장 통신을 통해 압력 센서의 식별정보, 종류, 위치, 또는 충전상태 등 포함하는 충전 정보를 수신할 수 있으며, 이와 같은 충전 정보를 바탕으로 압력 센서(200)를 충전함으로써 효과적인 무선 충전이 가능하다.
MFAN 시스템은 자기장 영역을 이용한 무선통신 시스템이다. MFAN 시스템은 에너지 전송을 기반으로 무선통신을 하는 방식이기 때문에 데이터 전송과 동시에 전력 전송이 가능하다.
본 발명의 실시예에 따른 무선전력 전송을 이용한 차량의 TPMS 장치에서, 무선전력전송 및 정보수신기(100)는 MFAN의 코디네이터가 되고, 압력 센서(200_1, 200_2, 200_3, 200_4)로는 MFAN의 노드가 된다.
도 2는 MFAN의 물리계층 구조를 나타낸다. 크게 프리엠블과 헤더, 페이로드로 구성되고 프리엠블에는 웨이크업 신호와 싱크 신호를 포함하며, 헤더에는 데이터 속도와 코딩 방법, 페이로드 길이, 에러 체크 코드를 포함한다. 특히, 웨이크업 신호는 코디네이터가 노드들에게 데이터를 보낼 때만 포함되는데, 노드들은 데이터 통신을 하지 않을 때 슬립(sleep) 상태에 있다가 코디네이터가 데이터를 보내는 시점부터 깨어나 통신을 시작하게 된다.
도 3은 MFAN의 매체접근제어계층의 슈퍼 프레임 구조를 나타낸다.
하나의 슈퍼 프레임은 요청구간과 응답구간, 자율구간으로 나누어지며 요청구간에서 코디네이터가 노드에게 요청 패킷을 전송하면 해당 노드는 응답구간에 요청된 데이터를 코디네이터에게 보낸다. 자율구간에서는 코디네이터의 요청 없이 노드가 임의로 데이터를 보낼 수 있는 구간이다. 자율구간에서는 랜덤하게 데이터를 보낼 수 있다. 전력전송을 할 경우, 하나의 슈퍼프레임에서 코디네이터가 전력전송 요청 패킷을 보내면 전력전송이 필요한 노드는 이 때, 전송전력 응답 패킷을 코디네이터에게 보낸다. 그러면 코디네이터는 응답받은 정보를 기반으로 전력전송 스케쥴을 하고 그 결과를 다음 슈퍼 프레임에서 요청 패킷을 통해서 전력전송 스케쥴링 정보를 노드에게 보낸 후, 응답구간에 각 노드들에게 전력을 전송한다.
도 4는 MFAN 코디네이터의 상태도이고, 도 5는 MFAN 노드의 상태도이다.
도 4에 나타난 바와 같이, 코디네이터는 전원을 켠 후, 대기와 패킷분석, 패킷생성, 파워 전송의 상태를 오가며 데이터 전송과 무선전력전송을 수행한다. 노드는 전원을 켠 후, 도 5에 나타난 바와 같이, 수면, 활성, 대기, 패킷분석, 패킷생성, 파워차단, 파워전송, 수면 패킷분석, 수면 패킷생성의 상태를 오가며 데이터를 전송과 무선전력수신을 수행한다.
무선 전력 전송은 근거리 자기장 내에서 송수신 코일 간의 주파수가 공진할 때 감쇄파 결합에 의하여 에너지가 전달되는 현상을 이용한 기술이다. 수십 cm에서 수 m까지 무선으로 전력을 전송할 수 있는 자기공진 기술은 송수신 코일의 방향성 자유도가 매우 높아서 근거리 장 이내에서는 위치에 관계없이 전력을 송수신할 수 있다. 또한 같은 주파수를 갖는 물질에만 전력을 전송하므로 충전시스템 및 충전기기 사이에 위치한 다른 기기들에 의한 영향이 거의 없다. 공진 주파수가 일치하는 전자기기에 동시에 전력을 전송할 수 있는 특징이 있어 자기유도 방식과는 달리 한 개의 송신 코일을 사용하여 다수의 충전기기에 전력을 전송할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 무선전력 전송을 이용한 차량의 TPMS 장치의 무선전력전송 및 정보수신기의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 6에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 무선전력 전송을 이용한 차량의 TPMS 장치의 무선전력전송 및 정보수신기(100)는, 외부의 전력 공급원으로부터 전력을 공급받아 무선전력전송 및 정보수신기(100)와 압력 센서(200) 간의 공진 주파수 대역을 갖는 AC 전력으로 변환하는 전력 변환부(120), 자기장 통신 프로토콜을 이용하여 압력 센서(200)와의 자기장 통신을 수행하도록 하는 자기장 통신 모뎀(130), 전력 변환부(120)로부터의 AC 전력을 압력 센서(200)로 송신하고 압력 센서(200)로부터의 센서 데이터를 수신하는 송수신 안테나(110), 압력 센서(200)로부터 수신한 센서 데이터를 처리하는 데이터 처리부(140), 데이터 처리부(140)에 의해 처리된 데이터를 표시부(도 1: 300)로 송신하는 데이터 통신부(150)를 포함한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 무선전력 전송을 이용한 차량의 TPMS 장치의 압력 센서의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 7에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 무선전력 전송을 이용한 차량의 TPMS 장치의 압력 센서(200)는, 무선전력전송 및 정보수신기(100)로부터 자기공진 방식을 이용하여 전력을 수신하고 센서에 의해 감지된 데이터를 송신하는 송수신 안테나(210), 자기장 통신 프로토콜을 이용하여 무선전력전송 및 정보수신기(100)와의 자기장 통신을 수행하도록 하는 자기장 통신 모뎀(230), 전력 수신을 관리하는 전력 관리부(220), 수신된 전력을 이용하여 충전되는 배터리(250), 배터리에 의해 동작하여 타이어의 압력을 감지하는 센서부(240)를 포함한다.
도 1 내지 도 7을 참고로 설명한 본 발명의 실시예에서는 무선전력전송 및 정보수신기(100)가 자기장 모뎀을 이용한 자기장 통신 방법으로 압력 센서(200)로부터의 센서 데이터를 수신하는 것을 예로 들어 설명하였지만, 무선전력전송 및 정보수신기(100)와 압력 센서(200)가 반드시 자기장 통신 방법을 이용하여 서로 통신하여야 하는 것은 아니며, 통상의 경우와 같은 RF 무선 통신 방식 등을 사용할 수도 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: 무선전력전송 및 정보수신기 20_1, 20_2, 20_3, 20_4: 타이어
200, 200_1, 200_2, 200_3, 200_4: 압력 센서 300: 표시부
110, 210: 송수신 안테나 120: 전력 변환부
130, 230: 자기장 통신모뎀 140: 데이터 처리부
150: 데이터 통신부 220: 전력 관리부
240: 센서부 250: 배터리

Claims (7)

  1. 차량의 타이어에 각각 장착된 4개의 압력 센서;
    상기 차량 내에 장착되어 있으며 자기장을 이용하여 상기 압력 센서에 무선으로 전력을 전송하고 상기 압력 센서로부터 정보를 수신하는 무선전력전송 및 정보수신기; 및
    수신된 상기 정보를 표시하는 표시부를 포함하는 무선전력 전송을 이용한 차량의 TPMS 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 무선전력전송 및 정보수신기와 상기 압력 센서는 자기장 통신 프로토콜을 이용하여 상기 다른 무선전력 송수신기와의 자기장 통신을 수행하는 자기장 통신 모뎀을 포함하며,
    상기 무선전력전송 및 정보수신기는 자기장 통신을 통해 상기 압력 센서로부터 상기 정보를 수신하는 무선전력 전송을 이용한 차량의 TPMS 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 무선전력전송 및 정보수신기는,
    외부의 전력 공급원으로부터 전력을 공급받아 상기 무선전력전송 및 정보수신기와 상기 압력 센서 간의 공진 주파수 대역을 갖는 AC 전력으로 변환하는 전력 변환부;
    자기장 통신 프로토콜을 이용하여 상기 압력 센서와의 자기장 통신을 수행하도록 하는 자기장 통신 모뎀;
    상기 전력 변환부로부터의 AC 전력을 상기 압력 센서로 송신하고 상기 압력 센서로부터의 센서 데이터를 수신하는 송수신 안테나;
    상기 압력 센서로부터 수신한 센서 데이터를 처리하는 데이터 처리부; 및
    상기 데이터 처리부에 의해 처리된 데이터를 상기 표시부로 송신하는 데이터 통신부를 포함하는 무선전력 전송을 이용한 차량의 TPMS 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 압력 센서는,
    배터리에 의해 동작하며 타이어의 압력을 감지하는 센서부;
    상기 무선전력전송 및 정보수신기로부터 자기공진 방식을 이용하여 전력을 수신하고 상기 센서부에 의해 감지된 데이터를 송신하는 송수신 안테나;
    자기장 통신 프로토콜을 이용하여 상기 무선전력전송 및 정보수신기와의 자기장 통신을 수행하도록 하는 자기장 통신 모뎀;
    전력 수신을 관리하는 전력 관리부; 및
    수신된 전력을 이용하여 충전되는 배터리를 포함하는 무선전력 전송을 이용한 차량의 TPMS 장치.
  5. 차량의 TPMS 장치에 사용되는 압력 센서로서,
    배터리에 의해 동작하며 타이어의 압력을 감지하는 센서부;
    상기 압력 센서 외부의 무선전력전송장치로부터 자기공진 방식을 이용하여 전력을 수신하고 상기 센서부에 의해 감지된 데이터를 송신하는 송수신 안테나;
    자기장 통신 프로토콜을 이용하여 상기 무선전력전송장치와의 자기장 통신을 수행하도록 하는 자기장 통신 모뎀;
    전력 수신을 관리하는 전력 관리부; 및
    수신된 전력을 이용하여 충전되는 배터리를 포함하는 압력 센서.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 센서부에 의해 감지된 압력 데이터를 상기 자기장 통신 프로토콜을 이용하는 자기장 통신 방식으로 상기 무선전력전송장치로 전송하는 압력 센서.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 센서부에 의해 감지된 압력 데이터를 RF 무선 통신 방식으로 상기 무선전력전송장치로 전송하는 압력 센서.
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