KR20140123222A - 인터렉티브 안테나 위치제어를 통해 에너지전송효율을 향상시키기 위한 무선전력전송 시스템 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 안테나 위치제어를 통한 무선전력전송 시스템 및 그 방법을 제공하는 것으로, 안테나를 사용하여 에너지를 전송하는데 있어 지향성 안테나를 사용함으로써, 전방향성 안테나에 비해 에너지 송신효율을 높이고, 종래의 안테나 시스템에 비해 설치의 편의성이 높고 관리가 용이하며 비용을 절감할 수 있고, 실생활에 사용함에 있어 수 미터까지 전력전송이 가능하고, 전력전송에 따른 전력손실을 최소화할 수 있으며, 지향성 안테나의 전송 각도(방향)을 조절하는데 있어, 에너지 수신기기의 수신모듈에서 수신되는 RF세기(RS) 값을 측정하여 안테나의 송신모듈에 전송하면 지향성 안테나가 최적의 수신 방향(각도)에 맞게 재조정되는 방법을 통해, 전력전송이 항상 최적화 되도록 유지하며, 타기기간의 간섭을 배제할 수 있고, 따로 무선통신을 추가하기 보다는 에너지 전송 시에 사용되는 무선채널을 이용하여 데이터를 송수신함으로써, 안테나기기 이용의 효율을 극대화하고, 무선자원을 아낄 수 있으며, 안테나 상세설정 기능을 제공하여 인체 유해성을 최소화하고 각종 상황에 스마트하게 대처할 수 있는 안테나 위치제어를 통한 무선전력전송 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.

Description

인터렉티브 안테나 위치제어를 통해 에너지전송효율을 향상시키기 위한 무선전력전송 시스템 및 그 방법{A SYSTEM FOR ENHANCING WIRELESS POWER TRANSMISSION EFFICIENCY THROUGH INTERACTIVE ANTENNA POSITION CONTROLS AND THE METHOD THEREOF}

본 발명은 인터렉티브 안테나 위치제어를 통해 에너지전송효율을 향상시키기 위한 무선전력전송 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 지향성 안테나를 포함하는 무선 전력송신기기의 무선전력송신모듈과 무선 전력수신기기의 무선전력수신모듈간에 송수신되는 전력세기를 측정하고, 에너지 송수신 정보를 별도의 데이터통신 채널을 통해 인터렉티브하게 송수신하여, 상기 지향성 안테나의 위치를 최적으로 제어함으로써, 전력 송수신 효율을 극대화하기 위한 무선전력전송 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.

무선전력전송기술란 특정 기기에 무선으로 에너지를 전송하여, 전송된 에너지가 상기 기기에서 충전되거나 혹은 적절한 용도로 사용되도록 하는 기술을 말하며, 최근 모바일기기의 급속한 보급 속에 전원공급을 유선으로 하고 있다는 불편함과 배터리 전원을 필요로 하는 상기 모바일기기를 포함한 휴대용기기에 대해서, 상기 기기들의 성능은 소형 컴퓨터 수준으로 빠르게 진화하고 있지만 여전히 기기 내 1차전지를 교체하여 사용하거나, 2차전지를 충전하는 충전기의 성능과 기능은 수십 년 전과 크게 다르지 않은 실정이다. 이로 인해서 무선충전 및 무선전력전송에 대한 관심이 크게 증대하여 최근 관련 산업 분야에 새로운 시장이 창출되고 있다.

먼저, 종래의 무선전력전송의 한 방법인 전자기파를 이용한 방식은 수 KW가 넘는 큰 에너지를 전송하는 용도로 주로 사용되고 있다. 특히 우주에서 태양광을 모아서 상기 모은 에너지를 지구로 전송하는 기술은 전자기파를 기반으로 하고 있고, 수 GHz 대역에서 약 1 마일 당 84% 정도의 전송효율을 갖는 것으로 알려져 있다. 상기와 같이 전자기파를 이용한 무선전력전송 방식은 수 킬로미터 이상의 거리에서 수십 KW 이상의 에너지를 전송한다는 장점이 있으나, 무선으로 수십 KW 이상의 에너지를 사람의 근접거리에서 전송한다는 것은 굉장한 위험을 수반하기 때문에, 현재는 사막이나 바다 같은 인적이 없는 곳에 시설을 설치하고 에너지를 수신하고, 다시 유선케이블을 이용하여 여러 장소로 전송하여 사용하고 있는 실정이다. 또한 상기 전자기파를 이용한 무선전력전송 방식은, 일예로 위성으로부터 에너지를 받는 수신코일의 크기가 직경 수 KM정도 되듯이, 관련시설의 규모가 너무 커서 실생활에 적용하기에는 한계가 있다.

종래의 무선전력전송의 또 다른 방법인 전자기유도를 이용한 방식은 전동칫솔, 전자 캔들 등의 제품들과 같이 예전부터 손쉽게 접할 수 있는 기술로서, 송신 코일에 전류를 흘리게 되면 자기장이 유도가 되고 시간에 따라 변하는 자기장은 다시 수신 코일에 전류를 유도하게 되며, 이렇게 유도된 전류를 에너지 소스로 사용하는 방법이다. 상기 전자기유도를 이용한 무선전력전송 방법은 인체에 유해성이 적고, 소형화가 손쉽다는 장점이 있으나, 전송거리가 수 mm 내외 정도로 짧고, 전송되는 전력량이 너무 적어 3W 이하의 소형기기에만(현재 무선에너지 전송방법 중 전송효율이 가장 좋음, 전기자동차 무선충전에 활용 가능) 적용가능하다. 따라서 이 방법은 공급 전력 효율에 비해 발열이 많은 문제가 있고, 또한 기기의 위치에 따라 전력전송의 효율이 크게 달라진다는 단점이 있다.

또한 종래의 무선전력전송의 방법 중 공진자기유도를 이용한 방법은, 전자기유도 방식에서 송신코일과 수신코일 간의 공진주파수가 정확히 일치하게 되면 무선상에서 에너지 전송효율이 급격히 증가하는 것을 이용한 방식으로서, 상기 자기유도를 이용한 무선전력전송 방법에 비해 에너지 전송 거리가 수 m 내외 정도로 길고, 실생활에 사용하기에 적당한 전력량과 전송효율을 보이고 있으나, 아직은 상용화되기에는 기술 성숙도가 낮고, 공진주파수가 정확히 일치하지 않으면 에너지 전송효율이 급격히 떨어지며, 공진주파수를 효율적으로 일치시키기 위한 기술이 아직은 미비하여 효과적인 장치 관리에 시간과 인력이 많이 소모되는 등의 문제점이 있어 상기 두 무선전력전송 방식(전자기파 및 자기유도를 이용한 방식)의 문제를 해결하기는 어려운 실정이었다.

상기와 같이 종래의 무선전력전송 기술 분야는 이제 막 시작단계에 있으므로 전력을 전송의 효율을 높이고, 인체유해성 최소화하기 위한 에너지 전송방법 등의 실생활에 응용되기 위해서 관련 기술의 개발에 대한 필요성이 절실한 실정이다.

이러한 필요성에 따라, 종래에 무선통신에서 사용하던 방식은 기지국 또는 무선랜 액세스포인트와 같은 송신부와 휴대폰 또는 노트북과 같은 수신부 구조에서 특정 사용자와 1:1통신을 하는 경우가 없어 수송신 안테나간에 인터렉티브한 안테나 제어를 할 필요가 없으며, 어느 방향에서든지 통신 효율성을 높이기 위한 방법으로 송신 안테나 다수 개를 어레이 형태로 설치하여 360도 어느 방향이던 단말기와 전파를 송수신할 수 있게 하는 방법이 대부분이다. 이러한 방법은 무선데이터 통신에는 적합하나, 무선 에너지를 전송방법으로는 전력 송수신 효율에 비해 에너지의 손실이 많으며, 안테나 비용이 높아 실효성이 떨어지는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서 창작된 것으로, 안테나를 사용하여 에너지를 전송하되, 지향성 안테나를 사용함으로써, 전방향성 안테나에 비해 에너지 송신효율을 높이고, 더 나아가 지향성 안테나의 각도를 상황에 맞게 조절할 수 있는 인터렉티브 안테나 위치제어를 통해 에너지전송효율을 향상시키기 위한 무선전력전송 시스템 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 안테나의 지향 각을 조정할 수 있는 지향성 안테나를 사용함으로써, 처음 안테나 설치 때 위치를 셋팅한 다음에는 안테나 위치를 변경하는 것이 불가능하여 다수의 안테나를 여러 개 사용하는 종래 안테나시스템에 비해, 설치의 편의성이 높고 관리가 용이하며, 비용을 절감할 수 있는 인터렉티브 안테나 위치제어를 통해 에너지전송효율을 향상시키기 위한 무선전력전송 시스템 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 에너지를 전송하는 거리에 있어, 종래의 짧은 거리의 자기유도방식 및 공진자기유도방식에 비해, 수 미터까지 전력전송이 가능하고, 전력전송 손실을 최소화할 수 있는 인터렉티브 안테나 위치제어를 통해 에너지전송효율을 향상시키기 위한 무선전력전송 시스템 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 상기 상황에 맞게 지향성 안테나의 전송 각도(방향)을 조절하는데 있어, 전력 수신기기의 수신모듈에서 수신되는 RF 전파 세기를 측정하여 전력송신모듈에 전송하면 지향성 안테나가 최적의 수신 방향(각도)에 맞게 인터랙티브하게 재조정되는 방법을 사용하여, 전력전송 효율이 최적화 되도록 유지하며, 타 기기간의 간섭을 배제할 수 있는 인터렉티브 안테나 위치제어를 통해 에너지전송효율을 향상시키기 위한 무선전력전송 시스템 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 안테나를 사용하여 에너지를 전송하는데 있어서, 따로 무선통신용 안테나를 추가하기 보다, 무선 전력전송 시에 사용되는 안테나를 이용하여 데이터통신을 위한 안테나로 공유함으로써, 전력 송신장치를 저렴하고 간단하게 구성할 수 있는 인터렉티브 안테나 위치제어를 통해 에너지전송효율을 향상시키기 위한 무선전력전송 시스템 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 데이터 통신용 무선 주파수와 전력송신용 무선 주파수를 공유하여, 데이터 통신이 필요없는 시간 구간에는 전력 전송을 위해 송신 파워를 높여 전력전송을 수행하여, 최소의 리소스를 활용하여 최대의 효과를 얻을 수 있는 인터렉티브 안테나 위치제어를 통해 에너지전송효율을 향상시키기 위한 무선전력전송 시스템 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 에너지 수신단말 또는 안테나 관리부에서 제공하는 인터페이스를 통해 특정 상황이나 시간에 따라 안테나의 방향(각도) 및 전송 전파의 세기(RF신호의 세기)에 대한 상세 설정을 통해 조절할 수 있게 하여, 예컨대 수신기기를 사람이 가까이서 사용하고 있을 경우에는 송신되는 전파 세기를 줄이거나, 아이가 근처에 있으면 전파송신을 중단하는 설정을 함으로써, 인체유해성을 최소화하고 각종 상황에 스마트하게 대처할 수 있는 인터렉티브 안테나 위치제어를 통해 에너지전송효율을 향상시키기 위한 무선전력전송 시스템 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명이 일 실시예에 따른 무선전력전송 시스템은, 적어도 하나 이상의 지향성 안테나; 무선전력송신부; 및 무선전력송수신 상태에 대한 정보를 공유하기 위한 유무선데이터송수신부;를 포함하며, 무선전력수신부로부터 전력 수신 상태 정보, 위치정보 혹은 이들의 조합을 포함한 정보를 상기 유무선데이터송수신부를 통해서 수신하여, 상기 정보에 따라 상기 무선전력송신부의 무선전력신호의 세기 및 상기 지향성 안테나의 위치, 방향 또는 이들의 조합을 제어하여 전력 전송효율을 극대화하는 것을 특징으로 하는 것이다. 또한 상기 전력 수신 상태 정보는 RF 수신신호 세기, 충전 및 전원 상태정보, 송신 안테나 출력정보, 에너지 수신 상태정보 또는 이들의 조합 중 적어도 하나 이상을 포함하며, 상기 위치정보는 무선전력수신부의 GPS 위치정보를 포함하는 것이며, 상기 제어는 무선전력전송부의 GPS 위치정보를 더 이용하여 이루어지는 것이고, 상기 정보에 따라 무선전력신호의 세기 및 상기 지향성 안테나의 위치, 방향 또는 이들의 조합을 제어하는 것은, 상기 무선전력수신부와 상호 인터렉티브한 상기 정보의 송수신을 통해서 이루어지며, 상기 지향성 안테나의 위치, 방향 또는 이들의 조합을 제어하는 것은 상기 안테나의 위치를 상하 및 좌우로 각각 0, +15, +30, -15, -30도 이동하면서 인터랙티브하게 무선전력신호의 세기를 측정하여 전력신호의 세기가 가장 큰 위치를 최적의 안테나 위치로 정하고, 상기 무선전력송신부 및 유무선데이터 송수신부는 상기 지향성 안테나 혹은 RF 주파수 혹은 이들의 조합을 공유하는 것을 특징으로 하는 것이다.

본 발명의 또다른 일실시예에 따른 무선전력전송 방법은, 적어도 하나 이상의 지향성 안테나를 통해서 무선전력송신부에서 무선전력수신부로 무선전력을 전송하는 단계; 무선전력송수신 상태에 대한 정보를 공유하기 위해 유무선데이터송수신부를 통해 무선전력수신부로부터 전력 수신 상태 정보, 위치정보 혹은 이들의 조합을 포함한 정보를 전송하는 단계; 전력 전송효율을 극대화하기 위해서, 상기 유무선데이터송수신부를 통해서 수신한 상기 정보를 바탕으로 상기 무선전력송신부의 무선전력신호의 세기 및 상기 지향성 안테나의 위치, 방향 또는 이들의 조합을 제어하여 무선전력을 전송하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한 상기 전력 수신 상태 정보는 RF 수신신호 세기, 충전 및 전원 상태정보, 송신 안테나 출력정보, 에너지 수신 상태정보 또는 이들의 조합 중 적어도 하나 이상을 포함하며, 상기 위치정보는 무선전력수신부의 GPS 위치정보를 포함하는 것이며, 상기 제어는 무선전력전송부의 GPS 위치정보를 더 이용하여 이루어지고, 상기 정보에 따라 무선전력신호의 세기 및 상기 지향성 안테나의 위치, 방향 또는 이들의 조합을 제어하는 것은, 상기 무선전력수신부와 상호 인터렉티브한 상기 정보의 송수신을 통해서 이루어지며, 상기 지향성 안테나의 위치, 방향 또는 이들의 조합을 제어하는 것은 상기 안테나의 위치를 상하 및 좌우로 각각 0, +15, +30, -15, -30도 이동하면서 인터랙티브하게 무선전력신호의 세기를 측정하여 전력신호의 세기가 가장 큰 위치를 최적의 안테나 위치로 정하는 것을 특징으로 하며, 상기 무선전력송신부 및 유무선데이터송수신부는 상기 지향성 안테나 혹은 RF 주파수 혹은 이들의 조합을 공유하는 것을 특징으로 하는 것이다.

본 발명은 안테나 위치제어를 통한 무선전력전송 시스템 및 그 방법을 제공하는 것으로, 지향성 안테나를 사용하여 전방향성 안테나에 비해 에너지 송신효율을 높이고, 종래의 안테나 시스템에 비해 설치의 편의성이 높고 관리가 용이하며 비용을 절감할 수 있고, 실생활에 사용함에 있어 수 미터까지 전력전송이 가능하고, 전력전송시 전력손실을 최소화할 수 있으며, 지향성 안테나의 RF 신호 전송 각도(방향)을 조절하는데 있어, 전력 수신기기의 수신모듈에서 수신되는 RF 전송세기를 측정하여 전력전송 기기로 전송하면 지향성 안테나를 최적의 전력수신 방향(각도)에 맞게 재조정하는 방법을 통해, 최적의 전력전송을 유지하며, 또한 타기기간의 간섭을 배제할 수 있는 효과가 있다. 또한, 따로 무선 데이터통신 수단을 추가하기 보다는 전력 전송시에 사용되는 무선채널을 이용하여 데이터를 송수신함으로써, 데이터통신 수단과 전력송신 수단이 하나의 안테나 기기를 이용하도록 하여 안테나 수를 줄이고, 나아가 전력송신과 데이터 통신용 무선 주파수를 공통으로 활용하여 무선자원을 아낄 수 있으며, 지향성 안테나의 상세설정 기능을 제공하여 인체 유해성을 최소화하고 각종 상황에 스마트하게 대처할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 지향성 안테나의 위치제어를 통한 무선전력전송 시스템의 개념을 설명하기 위한 예시도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 지향성 안테나의 위치제어를 통한 다중 무선전력전송 시스템의 개념을 설명하기 위한 예시도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 지향성 안테나의 위치제어를 위한 무선 전력송신기기의 무선 전력송신모듈에 대한 구성을 설명하기 위한 예시도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력수신기기의 무선 전력수신모듈의 구성을 설명하기 위한 예시도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 지향성 안테나 위치제어 알고리즘을 설명하기 위한 흐름도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력송수신기기에서 데이터 통신 및 전력송신을 위한 안테나 공유 및 RF 신호 공유를 위한 개념을 설명하기 위한 예시도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 안테나 위치제어를 통한 무선전력전송 시스템의 일 실시예를 설명한다.

본 발명에서 사용하는 용어에 대해서 무선전력전송과 전력전송은 서로 동일한 의미로 사용되며, 또한 무선전력수신과 전력수신도 동일한 의미로 사용될 수 있다. 아울러, RF는 무선과 같은 의미로 사용되고, 본 발명에서 안테나는 특별한 경우를 제외하고는 지향성 안테나를 의미하는 것으로 볼 수 있다.

상술한 바와 같이 종래의 무선전력전송시스템으로는 전력송신 및 수신 기기의 위치에 따라 전력전송 효율이 크게 변하고, 상황에 맞는 전력송신 및 수신 기기의 컨트롤이 안되는 고정방식으로 에너지전송 효율이 낮아 실생활에서 적절히 사용하기에 한계가 있는 실정이었다. 따라서 본 발명에서는 특정한 방향으로만 전파 에너지를 강하게 송출하는 지향성 안테나를 사용하며, 상기 지향성 안테나의 전파 송출방향을 무선전력수신기의 에너지 수신상태에 따라 전력송신기의 위치를 최적 방향으로 제어하고, 송출 전력의 세기를 각 실제 무선전력전송 시스템의 실제 운용 상황 및 사용자의 설정에 따라 조절할 수 있도록 하여 무선전력전송의 효율을 극대화하는 지향성 안테나의 위치제어를 통한 무선전력전송 시스템 및 그 방법을 제시한다.

이하 좀더 구체적인 실시예들을 참조하여 상기 무선전력전송 시스템 및 그 방법에 대해서 더욱 자세한 설명을 통해 제시하고자 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 위치제어를 통한 무선전력전송 시스템의 개념을 설명하기 위한 예시도이다.

도 1에 도시되어 있는 바와 같이 무선전력송신기기에서 지향성 안테나(100)를 통해서 무선단말기(300)로 전력을 공급하는 방법은, 무선전력송신모듈(200)에서 상기 지향성안테나를 통해 전력수신기기의 무선전력수신모듈(400)로 RF 신호를 통해 전력을 공급하고, 이때 RF 신호를 수신받은 무선전력수신기기의 무선전력수신모듈(400)은 수신받은 RF 신호를 전력으로 변환하여 저장하고, 상기 RF 신호의 세기를 측정하여 상기 무선전력송신모듈(200)로 전송하면, 무선전력송신모듈(200)은 상기 수신받은 전파 세기를 분석하여 최적의 안테나 위치(각도, 방향)를 구한 후, 안테나의 각도와 전파의 세기를 조절하여 전력전송 효율을 높이는 것이다.

도 1에서 무선전력전송기기는 지향성 안테나(100)와 무선전력전송모듈(200)로 구성되며, 이는 일체로 구성되거나 혹은 별개의 장치로 구성될 수 있으며, 또한 무선전력수신기기는 무선단말기(300)와 무선전력수신모듈(400)로 구성되나, 상기 무선전력수신모듈은 무선단말기(300)에 내장되어 구성되거나 혹은 별도의 장치로 구성될 수도 있다. 또한 상기 무선전력송신기기와 무선전력수신기기 간에는 양방향 무선 데이터 송수신 채널을 형성해 무선전력수신기기로부터 전력수신 상태정보를 무선전력송신기기에서 수신하여 지향성 안테나(100)의 위치정보 및 전파의 세기를 조절하는 것이 가능하다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 지향성 안테나의 위치제어를 통한 다중 무선전력전송 시스템의 개념을 설명하기 위한 예시도이다.

즉, 도 2는 복수개의 지향성 안테나를 포함하는 하나의 무선전력송신기기와 다수개의 무선 단말기 혹은 충전기로 다중 무선 전력 전송을 통해 전력전송하는 수행하는 것으로, 다수의 무선단말기 혹은 무선충전기로부터 양방향 무선 데이터 통신 채널을 통해 전력수신 상태정보를 수신하여, 이 정보를 토대로 각각의 무선전력수신기기로 향하는 각각의 지향성 안테나의 위치와 전력세기를 조절하여 전력전송을 수행하는 것이 가능하다.

한편, 하나의 지향성 안테나를 통해서 다수개의 무선 단말기 혹은 충전기로 동시에 무선 전력 전송을 수행하는 것도 가능하다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력송신모듈(200)의 구성을 설명하기 위한 예시도로서, 이에 도시되어 있는 바와 같이, 무선전력송신모듈(200)은 데이터 통신을 위한 RF 신호의 송수신 및 데이터통신 제어 업무를 수행하는 무선 데이터 송수신부(210)와 전력송신용 RF 신호의 세기를 제어하여 전력을 송신하고 모터를 이용해 안테나 위치를 제어하는 전력 송신부(220)로 구성된다.

상기 무선전력송신모듈(200)의 무선 데이터 송수신부(210)는 무선 데이터 통신을 위한 물리계층을 포함한 RF 신호처리부(212)와 통신 프로토콜, 데이터 송수신 관리, 자원관리 등을 담당하는 데이터통신 제어부(211)을 포함하고 있으며, 상기 무선데이터 송수신부(211)는 무선전력수신모듈(400)의 RF 수신신호 세기, 충전 및 전원 상태정보, 송신 안테나 출력정보, 에너지 수신 상태정보 또는 이들의 조합 중 적어도 하나 이상의 정보를 수신하여 전력송신부(220)으로 전달하는 역할을 수행하게 된다. 이러한 정보는 전력송신부(220)에서 송신출력정보로 활용되어 이를 바탕으로 안테나 위치 제어부(221)를 통해서 모터제어 신호를 발생하여 지향성 안테나의 위치를 제어하는데 활용되고, 아울러 RF 송신신호 세기 제어부(222)를 통해서 RF 송신신호의 세기를 높이거나 줄이는데 사용된다.

여기서 무선데이터 송수신부(210)는 데이터 통신 제어부(211)와 RF 신호처리부(212)로 구성되며, 더 상세하게는 데이터 통신 제어부(211)는 메인프로세서(main precessor)를 포함하며, 통신프로토콜, 데이터 송수신관리 또는 자원관리 기능을 포함하고, 또한 응용 소프트웨어가 실행된다. 상기 메인프로세서에는 운영체계(OS), 전용 드라이버 프로그램 또는 이들의 조합이 설치되며, 이를 통해서 통신프로토콜의 처리와 데이터 송수신관리 및 자원관리를 수행하게 되고, 또한 응용 소프트웨어가 실행되게 된다. 상기 응용 소프트웨어는 특정한 목적을 위해서 적어도 하나 이상이 존재할 것이며, 이 중에서 무선전력수신기기와 정보를 송수신하여 무선전력송신부에 정보를 전송하는 역할을 수행하는 응용 소프트웨어가 포함될 것이다.

즉, 상기 응용 소프트웨어는 무선전력수신기기에서 전송되어온 RF 수신신호 세기, 충전 및 전원 상태정보, 송신 안테나 출력정보, 에너지 수신 상태정보 또는 이들의 조합 중 적어도 하나 이상의 정보를 수신하여 전력송신부(220)로 전달하는 역할을 수행할 수 있다.

전력송신부(220)는 이렇게 전달된 상기 정보를 바탕으로 전력송신출력정보를 생성하고, 이에 따라서 안테나 위치 제어부(221)에서 모터제어를 통해서 지향성 안테나의 위치를 제어한다. 또한 상기 정보에 따라 RF 송신신호 세기 제어부(222)를 통해서 RF 송신 신호의 세기를 제어한다.

또한 전력송신부(220)는 전압제어를 통해 발진주파수를 제어하는 VCO(Voltage Controlled Oscillator), 내부전원으로부터의 전력으로 지속되는 전기진동을 발생시키는 발진회로, DC/RF 변환, 대역필터 및 RF 송신부를 포함하여 구성된다. 이때 RF 송신신호 제어부(222)를 통해서 RF 송신부의 송신 전력을 제어하게 된다.

따라서 상기 무선전력송신모듈(200)의 전력 송신부(220)는, 무선전력수신기기의 무선전력수신모듈(400)로 전력을 전송하고, 최적의 전력 전송효율을 위해 안테나의 위치(각도)를 조절/제어하는 기능을 수행하는 곳으로서, 무선전력수신모듈(400)로 부터 송신받은 RF 수신신호 세기 측정정보, 충전 및 전원 상태정보, 송신 안테나 출력정보, 에너지 수신상태 정보 또는 이들의 조합을 포함하는 정보를 바탕으로 안테나 위치제어 알고리즘에 따라 최적의 안테나 위치(각도, 방향)를 산출하고, 안테나 위치(각도, 방향) 제어를 위해 모터를 제어하는 기능을 포함하는 안테나 위치 제어부(221), 상기 무선전력수신모듈로 부터 송신받은 RF 수신신호 세기 측정정보에 따라 RF 송신신호 세기를 조절하는 RF 송신신호 세기 제어부(222), 전압제어를 통해 발진 주파수를 제어하는 VCO(Voltage Controlled Oscillator), 내부전원으로부터의 전력으로 지속되는 전기진동을 발생시키는 발진회로, 전력을 RF신호로 변환하는 DC/RF 변환회로, 대역필터, RF 송신부 및 모터(223)를 포함하여 구성된다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력수신기기의 무선전력수신모듈(400)의 구성을 설명하기 위한 예시도로서, 이에 도시되어 있는 바와 같이, 무선데이터 통신 인터페이스를 위한 RF 신호의 송수신 처리(412)와 데이터 통신을 제어(411)하는 무선 데이터 송수신부(410)와 상기 무선전력송신부(220)로부터 전송받은 RF 신호를 수신하여 RF/DC 변환하여 충전장치에 저장하고, 상기 전송받은 RF 신호의 세기, 충전 및 전원 상태정보, 송신 안테나 출력정보, 에너지 수신 상태정보 또는 이들의 조합을 포함하는 측정을 수행하는 전력 수신부(420)로 구성된다.

상기 무선전력수신모듈은 무선단말기(300)와 별도로 구성되거나 무선단말기(300)에 내장될 수도 있으며, 무선단말기(300)에 내장되는 경우, 상기 무선전력수신모듈의 무선 데이터 송수신부는 무선단말기(300)에 포함되어 있는 통신 인터페이스 기능을 사용하면 되므로, 별도의 무선 데이터 송수신부가 필요치 않게 되며, 전력수신부(420)를 무선단말기(300)의 내부에 내장하여 구성하면 비용이나 효율 면에서 효과적이다. 이때 무선단말기(300)에서는 응용 소프트웨어를 설치하여 무선전력전송모듈과 전력전송 상태정보를 교환할 수 있다. 좀 더 상세하게는 상기 무선단말기(300)에서는 스마트기기의 어플리케이션(어플) 형태로 소프트웨어를 실행하여, 무선전력 충전시에 상기 어플리케이션을 수행하여 무선전력송신모듈이 지향성 안테나를 제어하여 최적의 무선전력송신 및 수신이 가능하도록 제어하는 것이 가능하다. 아울러, 무선전력전송모듈은 상기 무선단말기의 GPS를 통한 위치정보를 상기 양방향 데이터통신 채널을 통해서 전달 받아서, 상기 무선전력송신모듈의 위치 정보와 비교하여 지향성 안테나의 제어를 위한 정보로 활용할 수도 있다.

따라서 상기 무선전력수신모듈(400)의 무선 데이터 송수신부(410)는 양방향 무선 데이터 통신을 위한 RF 신호처리부(412)와 데이터 통신 제어부(411)을 포함하여 구성되고, 전력수신부(420)에서 측정된 RF 수신 신호의 세기, 충전 및 전원 상태정보, 송신 안테나 출력정보, 에너지 수신 상태정보 또는 이들의 조합을 포함하는 정보를 전달받아 양방향 무선 데이터 통신 채널을 통해 송신하며, 무선전력송신모듈은 이를 수신하여 지향성 안테나의 위치와 전파의 세기를 제어하는데 활용하게 된다.

따라서 상기 무선전력수신모듈의(400) 전력수신부(420)는 상기 지향성 안테나로 부터 전송받은 RF 신호를 전력으로 변환하여 충전하고, 상기 지향성 안테나(100)가 RF 신호의 세기에 기반하여 최적의 송신 위치(각도, 방향)를 찾을 수 있도록 하기위해 상기 송신받은 RF 신호 세기의 측정을 수행하는 곳으로서, 수신한 RF 수신신호의 세기를 측정하는 RF 수신신호 세기 측정부(421), 충전 및 전원 상태정보와 송신 안테나 출력정보 및 에너지 수신 상태정보 처리 기능을 포함한다.

참고로, 상기 무선전력송신모듈(200)과 상기 무선전력수신모듈(400)를 구성하는 각 구성수단들은 설명의 편의를 위해 기재된 것일 뿐이며, 실질적으로는 어느 하나의 구성수단에서 모든 동작을 처리할 수도 있고, 더 다양한 구성수단으로 세분화하거나, 그 구성수단들을 조합하여 처리하도록 구성할 수도 있을 것이다.

또한 상기 무선전력송신모듈(200)과 상기 무선전력수신모듈(400)의 구성요소 는 상기에 기재된 것 말고도 다양하게 더 많을 수 있으나, 다만 본 실시예에서는 편의상 본 발명의 요지(안테나 위치제어를 통한 무선전력전송 시스템 및 그 방법)와 직접적인 관련이 없는 구성요소들에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

이하, 상기 지향성 안테나(100)가 전력송신효율을 높이기 위해 안테나 위치(각도, 방향)을 제어하는 상세한 과정에 대해 안테나 위치제어 알고리즘을 참조하여 설명한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 위치제어 알고리즘을 설명하기 위한 흐름도로서, 이에 도시되어 있는 바와 같이, 상기 안테나 위치제어 알고리즘은 안테나의 위치를 상하, 좌우로 30도 이내 범위에서 적정 위치를 옮겨가면서 수신된 에너지값을 비교하여 최적위치를 설정하는 알고리즘이다. 최적의 전력전송효율을 위한 안테나 위치를 제어하기 위해 먼저 지향성 안테나(100)의 안테나 위치 제어부는 자신의 안테나의 현재 위치를 원점 (h(좌우)=0, v(상하)=0)으로 초기화한다(S101). 상기 지향성 안테나(100)의 무선전력송신모듈(200)에서 전송한 에너지 RF 세기를 전력수신기기(300)의 무선전력수신모듈(400)에서 수신하고, RF 수신신호 세기 측정부(421)에서 RF 신호 세기를 측정하여, 데이터 통신을 통해 무선전력송신모듈로 전송하면(S102), 상기 무선전력송신모듈(200)에서 상기 최기화한 안테나 위치(h, v)값에 해당하는 에너지 RF 세기를 저장한다(S103). 상기 안테나 위치는 상기의 안테나 위치값을 구하는 과정을 반복할때마다 안테나 위치 제어부(221)는 안테나의 위치를 상하, 좌우로 위치를 변경한다(예: 초기화된 hv값에서 좌우(h) = 0, +15, +30, -15, -30. 상하(v) = 0, +15, +30, -15, -30 로 이동하여 위치를 조절하면서, 전력의 세기를 저장함). 상기와 같이 복수의 지점에 대한 안테나 위치에 대한 RF 세기를 다 구하였는지 판단하고(S104), 설정된 RF 전력의 세기를 아직 전부 구하지 못하였으면 다시 상기 과정을 반복한다(S105). 상기 과정을 반복하여 RF 전력의 세기를 전부 구하였으면 이를 기반으로 안테나 위치 제어부(221)는 최적의 안테나 위치를 판단하고(S106), 안테나 위치를 변경한다(S107).

상기 지향성 안테나(100)의 최적 위치를 구하는 과정은 단순히 안테나 위치 조정에만 그쳐서 제어하는 것이 아니라, 상기 지향성 안테나(100)의 RF 송신신호 세기 제어부(222)를 통해 RF 신호 세기를 조절하여 더욱 세밀하게 안테나의 에너지 전송 효율을 조절할 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력송수신기기에서 데이터 통신 및 전력송신을 위한 안테나 공유 및 RF 신호 공유를 위한 개념을 설명하기 위한 예시도이다.

도 6은 무선전력전송 및 무선데이터 통신을 위한 안테나를 별도로 사용하고, 또한 각각을 위한 RF 주파수를 각각 별도로 사용하는 경우에 대해서 보인 것으로, 이 경우 무선전력송신 및 양방향 데이터 송수신을 위해 안테나와 무선주파수를 별도로 필요로 하므로, 시스템 자원이 낭비되는 문제가 있다. 따라서 본 발명은 안테나를 사용하여 에너지를 전송하는데 있어서, 따로 무선통신용 안테나를 추가하기 보다, 무선 전력전송 시에 사용되는 안테나를 이용하여 데이터통신을 위한 안테나로 공유함으로써, 전력 송신장치를 저렴하고 간단하게 구성할 수 있다.

또한 도 6은 데이터 통신용 무선 주파수와 전력송신용 무선 주파수를 공유하여, 데이터 통신이 필요없는 시간 구간에는 전력 전송을 위해 송신 파워를 높여 전력전송을 수행하여, 최소의 리소스를 활용하여 최대의 효과를 얻을 수 있는 구성을 보인 것이다. 이러한 구성은 보다 세밀한 제어를 필요로하고 이로 인하여 더 복잡한 하드웨어 혹은 소프트웨어가 필요하지만, 그렇다고 하더라도 안테나와 주파수 자원을 절약할 수 있으므로 더 효과적인 구성이라고 할 수 있다.

한편, 안테나 위치제어를 통한 무선전력전송 시스템은 인체에 대한 유해성을 최소화하고 각 상황에 따라 상기 안테나(100)를 제어하기 위하여 안테나 또는 전력수신기기에서 지원하는 안테나 상세설정을 위한 인터페이스나 어플리케이션을 통하여 상기 무선전력전송 시스템(100)을 컨트롤할 수 있을 수 있다. 예컨대 일반가옥 내부에서 사용할 경우, 시간설정을 통해 집에 사람이 없는 시간대에만 급속하게 전력을 전송하여 기기들을 충전할 수도 있고, 어린아이나 임신부와 같이 전파노출에 취약한 대상이 있을 시에는, 전파세기 조절을 통해 인체에 미치는 피해를 최소화할 수 있다. 또한 이동 모바일 기기같은 경우 통화 시에는 자동으로 안테나의 전력전송를 잠시 꺼놓거나 다른기기로 전력전송을 할 수 있도록 설정을 할 수도 있고, 다수의 무선전력수신기기가 있을 경우 기기마다 수신 우선순위설정을 통해 사용하는 기기로부터의 전파 인체노출에 대한 피해를 최소화하고 무선전력송신 효율을 최대화할 수 있다.

이상으로 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

100 : 지향성 안테나 200 : 무선전력송신모듈
210 : 무선전력송신모듈의 무선 데이터 송수신부
211 : 무선전력송신모듈의 데이터 통신 제어부
212 : 무선전력송신모듈의 RF 신호 처리부
220 : 전력 송신부 221 : 안테나 위치 제어부
222 : RF 송신신호 세기 제어부 223 : 모터
300 : 무선단말기 400 : 무선전력수신모듈
410 : 무선전력수신모듈의 무선 데이터 송수신부
411 : 무선전력수신모듈의 데이터 통신 제어부
412 : 무선전력수신모듈의 RF 신호 처리부
420 : 전력 수신부 421 : RF 수신신호 세기 측정부

Claims (12)

1. 적어도 하나 이상의 지향성 안테나;
   무선전력송신부; 및
   무선전력송수신 상태에 대한 정보를 공유하기 위한 유무선데이터송수신부;를 포함하며,
   무선전력수신부로부터 전력 수신 상태 정보, 위치정보 혹은 이들의 조합을 포함한 정보를 상기 유무선데이터송수신부를 통해서 수신하여, 상기 정보에 따라 상기 무선전력송신부의 무선전력신호의 세기 및 상기 지향성 안테나의 위치, 방향 또는 이들의 조합을 제어하여 전력 전송효율을 극대화하는 것을 특징으로 하는 무선전력전송 시스템.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 전력 수신 상태 정보는 RF 수신신호 세기, 충전 및 전원 상태정보, 송신 안테나 출력정보, 에너지 수신 상태정보 또는 이들의 조합 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력전송 시스템.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 위치정보는 무선전력수신부의 GPS 위치정보를 포함하는 것이며, 상기 제어는 무선전력전송부의 GPS 위치정보를 더 이용하여 이루어지는 것을 특징으로하는 것을 특징으로 하는 무선전력전송 시스템.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 정보에 따라 무선전력신호의 세기 및 상기 지향성 안테나의 위치, 방향 또는 이들의 조합을 제어하는 것은, 상기 무선전력수신부와 상호 인터렉티브한 상기 정보의 송수신을 통해서 이루어지는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력전송 시스템.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 지향성 안테나의 위치, 방향 또는 이들의 조합을 제어하는 것은 상기 안테나의 위치를 상하 및 좌우로 각각 0, +15, +30, -15, -30도 이동하면서 인터랙티브하게 무선전력신호의 세기를 측정하여 전력신호의 세기가 가장 큰 위치를 최적의 안테나 위치로 정하는 것을 특징으로 하는 무선전력전송 시스템.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 무선전력송신부 및 유무선데이터송수신부는 상기 지향성 안테나 혹은 RF 주파수 혹은 이들의 조합을 공유하는 것을 특징으로 하는 무선전력전송 시스템.
7. 적어도 하나 이상의 지향성 안테나를 통해서 무선전력송신부에서 무선전력수신부로 무선전력을 전송하는 단계;
   무선전력송수신 상태에 대한 정보를 공유하기 위해 유무선데이터송수신부를 통해 무선전력수신부로부터 전력 수신 상태 정보, 위치정보 혹은 이들의 조합을 포함한 정보를 전송하는 단계;
   전력 전송효율을 극대화하기 위해서, 상기 유무선데이터송수신부를 통해서 수신한 상기 정보를 바탕으로 상기 무선전력송신부의 무선전력신호의 세기 및 상기 지향성 안테나의 위치, 방향 또는 이들의 조합을 제어하여 무선전력을 전송하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력전송 방법.
8. 청구항 7에 있어서,
   상기 전력 수신 상태 정보는 RF 수신신호 세기, 충전 및 전원 상태정보, 송신 안테나 출력정보, 에너지 수신 상태정보 또는 이들의 조합 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력전송 방법.
9. 청구항 7에 있어서,
   상기 위치정보는 무선전력수신부의 GPS 위치정보를 포함하는 것이며, 상기 제어는 무선전력전송부의 GPS 위치정보를 더 이용하여 이루어지는 것을 특징으로하는 것을 특징으로 하는 무선전력전송 방법.
10. 청구항 7에 있어서,
    상기 정보에 따라 무선전력신호의 세기 및 상기 지향성 안테나의 위치, 방향 또는 이들의 조합을 제어하는 것은, 상기 무선전력수신부와 상호 인터렉티브한 상기 정보의 송수신을 통해서 이루어지는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력전송 방법.
11. 청구항 10에 있어서,
    상기 지향성 안테나의 위치, 방향 또는 이들의 조합을 제어하는 것은 상기 안테나의 위치를 상하 및 좌우로 각각 0, +15, +30, -15, -30도 이동하면서 인터랙티브하게 무선전력신호의 세기를 측정하여 전력신호의 세기가 가장 큰 위치를 최적의 안테나 위치로 정하는 것을 특징으로 하는 무선전력전송 방법.
12. 청구항 7에 있어서,
    상기 무선전력송신부 및 유무선데이터송수신부는 상기 지향성 안테나 혹은 RF 주파수 혹은 이들의 조합을 공유하는 것을 특징으로 하는 무선전력전송 방법.

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