KR20150124716A - 자가충전형 스마트 무선충전거치대 - Google Patents

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Abstract

본 발명에서는 기존의 무선전력전송장치가기의 전력손실을 고려한 전력전송 및 획득거리, 무선전력획득부의 전력소모 및 무선전력 획득 효율, 무선전력 변환 효율을 고려하지 않아, 전자파 방사에 의한 근거리 전송의 경우 안테나의 전방향성으로 인해 전송 효율이 떨어지고, 큰 전력을 요구하는 스마트 기기의 경우, 충전시간이 많이 길어지며, 송신부의 출력을 높이게 되면 인체에 해를 끼게 되는 환경적 요인의 문제점과, 주로 상용전원만을 가지고 무선전원을 공급시키기 때문에, 전기에너지 소비가 많이 발생되는 문제점을 개선하고자, 거치대몸체(100), 태양전지모듈(200), 상용전원모듈(300), 마이크로컴퓨터유닛부(400), 마이크로파 무선전력송신모듈(500)로 구성됨으로서, 하나의 거치대몸체를 통해 차량내 및 가정에 위치한 스마트기기(하이패스모듈, 스마트폰, 블랙박스모듈, 네비게이션모듈, 청소로봇, LED 조명)에 1:N방식으로 무선충전시킬 수 있고, 스마트기기로부터 전송된 배터리충전요구신호를 수신받아 마이크로파 무선전력송신모듈을 실시간 구동시키거나 또는 셋팅된 기준시간에 따라 마이크로파 무선전력송신모듈을 주기적으로 구동시켜 스마트기기를 무선전력으로 자가충전시키도록 제어시킬 수 있으며, 500MHz~1500Mhz 주파수, 1W~5W 전력전송, 1m~3m미만의 전송거리의 특성을 갖는 마이크로파 무선전력을 구성시킬 수 있어, 무선전력을 수신받은 스마트기기상에 낮은 전력에서 고효율의 전력을 획득시킬 수 있고, 인체에 무해하며, 전력소모율을 기존에 비해 70% 향상시킬 수 있고, 태양전지모듈과 상용전원모듈을 통해 리튬폴리머전지를 실시간으로 충전시킬 수 있어, 기존에 비해 전기에너지 충전율을 80% 향상시킬 수 있는 자가충전형 스마트 무선충전거치대를 제공하는데 그 목적이 있다.

Description

자가충전형 스마트 무선충전거치대{wireless charging module-base}
본 발명에서는 하나의 거치대몸체를 통해 차량내 및 가정에 위치한 스마트기기(하이패스모듈, 스마트폰, 블랙박스모듈, 네비게이션모듈, 청소로봇, LED 조명)에 1:N방식으로 무선충전시킬 수 있고, 500MHz~1500Mhz 주파수, 1W~5W 전력전송, 1m~3m미만의 전송거리의 특성을 갖는 마이크로파 무선전력을 구성시켜 무선전력을 수신받은 스마트기기상에 낮은 전력에서 고효율의 전력을 획득시킬 수 있는 자가충전형 스마트 무선충전거치대에 관한 것이다.
무선으로 전기 에너지를 전력원에서 원하는 기기로 전달하는 무선전력전송기술(Wireless Power Transmission)은 이미 1800년대 전자기 유도 원리를 이용한 전기모터나 변압기에 적용되어 사용되기 시작했다.
그 이후 라이오파나 레이저와 같은 전자파를 방사하는 방법 등의 다양한 방법이 연구되었다.
현재 가장 상용화가 많이 이루어진 무선전력전송 기술로는 유도결합 특성을 이용한 비접촉식 방식으로 스마트폰용 자기유도방식 및 전기자동차용 자기유도방식이 있다.
하지만, 기존의 무선전력전송장치의 경우에는 공기의 전력손실을 고려한 전력전송 및 획득거리, 무선전력획득부의 전력소모 및 무선전력 획득 효율, 무선전력 변환 효율을 고려하지 않아, 전자파 방사에 의한 근거리 전송의 경우 안테나의 전방향성으로 인해 전송 효율이 떨어지고, 큰 전력을 요구하는 스마트 기기의 경우, 충전시간이 많이 길어지며, 송신부의 출력을 높이게 되면 인체에 해를 끼게 되는 환경적 요인의 문제점이 있었다.
또한, 기존의 무선전력전송장치의 경우에는 주로 상용전원만을 가지고 무선전원을 공급시키기 때문에, 전기에너지 소비가 많이 발생되는 문제점이 있었다.
등록특허공보 제10-1114989호(2012년03월06일 공고)
상기의 문제점을 해결하기 위해 본 발명에서는 하나의 거치대몸체를 통해 차량내 및 가정에 위치한 스마트기기(하이패스모듈, 스마트폰, 블랙박스모듈, 네비게이션모듈, 청소로봇, LED 조명)에 1:N방식으로 무선충전시킬 수 있고, 스마트기기로부터 전송된 배터리충전요구신호를 수신받아 마이크로파 무선전력송신모듈을 실시간 구동시키거나 또는 셋팅된 기준시간에 따라 마이크로파 무선전력송신모듈을 주기적으로 구동시킬 수 있으며, 태양전지모듈과 상용전원모듈을 통해 리튬폴리머전지를 실시간으로 충전시킬 수 있는 자가충전형 스마트 무선충전거치대를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 자가충전형 스마트 무선충전거치대는
유선형의 "L"자 형상으로 이루어져 각 기기를 외압으로부터 보호하고 지지하는 거치대몸체(100)와,
거치대몸체의 헤드쪽 전면방향에 위치되어, 태양빛을 받아 광에너지를 전기에너지로 생성시켜, 충전배터리에 충전시키는 태양전지모듈(200)과,
상용전원을 인가받아 충전배터리에 충전시키는 상용전원모듈(300)과,
태양전지모듈, 상용전원모듈, 마이크로파 무선전력송신모듈, 스마트기기와 연결되어, 각 기기의 전반적인 동작을 제어하고, 스마트기기로부터 전달된 배터리충전요구신호에 따라 마이크로파 무선전력송신모듈을 구동시켜, 1:N방식으로 스마트기기를 무선충전시키도록 제어시키는 마이크로컴퓨터유닛부(400)와,
마이크로컴퓨터유닛부의 제어신호에 따라 구동되어, 거치대 몸체에 접촉된 스마트기기(2) 또는, 이웃하는 또 다른 스마트기기(2)쪽으로 마이크로파 전력을 방사시켜 전달시키는 마이크로파 무선전력송신모듈(500)로 구성됨으로서 달성된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 하나의 거치대몸체를 통해 차량내 및 가정에 위치한 스마트기기(하이패스모듈, 스마트폰, 블랙박스모듈, 네비게이션모듈, 청소로봇, LED 조명)에 1:N방식으로 무선충전시킬 수 있어, 유선으로 복잡하게 얽힌 전선라인을 무선으로 깔끔하게 정리할 수 있고, 호환성이 우수하며,
스마트기기로부터 전송된 배터리충전요구신호를 수신받아 마이크로파 무선전력송신모듈을 실시간 구동시키거나 또는 셋팅된 기준시간에 따라 마이크로파 무선전력송신모듈을 주기적으로 구동시켜 스마트기기를 무선전력으로 자가충전시키도록 제어시킬 수 있으며,
500MHz~1500Mhz 주파수, 1W~5W 전력전송, 1m~3m미만의 전송거리의 특성을 갖는 마이크로파 무선전력을 구성시킬 수 있어, 무선전력을 수신받은 스마트기기상에 낮은 전력에서 고효율의 전력을 획득시킬 수 있고, 인체에 무해하며, 전력소모율을 기존에 비해 70% 향상시킬 수 있고, 태양전지모듈과 상용전원모듈을 통해 리튬폴리머전지를 실시간으로 충전시킬 수 있어, 기존에 비해 전기에너지 충전율을 80% 향상시킬 수 있는 좋은 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 자가충전형 스마트 무선충전거치대(1)의 구성요소를 도시한 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 자가충전형 스마트 무선충전거치대(1)의 구성요소를 도시한 외형사시도,
도 3은 본 발명에 따른 자가충전형 스마트 무선충전거치대의 거치대몸체 중 헤드부 전면방향에 형성된 태양전지셀의 구성을 도시한 정면도,
도 4는 본 발명에 따른 자가충전형 스마트 무선충전거치대의 거치대몸체 중 헤드부 후면방향에 형성된 마이크로파 무선전력송신모듈의 송신용 마이크로파안테나를 도시한 후면도,
도 5는 본 발명에 따른 자가충전형 스마트 무선충전거치대 중 태양전지모듈의 구성요소를 도시한 블럭도,
도 6은 본 발명에 따른 전지충전제어부의 구성요소를 도시한 회로도,
도 7은 본 발명에 따른 입출력센싱부의 구성요소를 도시한 회로도,
도 8은 본 발명에 따른 자가충전형 스마트 무선충전거치대 중 상용전원모듈의 구성요소를 도시한 블럭도,
도 9는 본 발명에 따른 자가충전형 스마트 무선충전거치대 중 마이크로컴퓨터유닛부의 구성요소를 도시한 블럭도,
도 10은 본 발명에 따른 자가충전형 스마트 무선충전거치대 중 마이크로파 무선전력송신모듈의 구성요소를 도시한 블럭도,
도 11은 본 발명에 따른 제1 AC/DC 컨버터부의 구성요소를 도시한 회로도,
도 12는 본 발명에 따른 스마트기기에 설치된 마이크로파 무선전력수신모듈의 구성요소를 도시한 블럭도,
도 13은 본 발명에 따른 DC/DC컨버터부의 구성요소를 도시한 회로도,
도 14는 본 발명에 따른 자가충전형 스마트 무선충전거치대가 차량내 설치되어, 스마트기기를 무선전력 충전시키는 것을 도시한 일실시예도,
도 15는 본 발명에 따른 자가충전형 스마트 무선충전거치대가 스마트기기에 설치된 마이크로파 무선전력수신모듈쪽으로 마이크로파 무선전력을 전송시켜 스마트기기를 충전시키는 것을 도시한 일실시예도.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 도면을 첨부하여 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 자가충전형 스마트 무선충전거치대(1)의 구성요소를 도시한 구성도에 관한 것으로, 이는 거치대몸체(100), 태양전지모듈(200), 상용전원모듈(300), 마이크로컴퓨터유닛부(400), 마이크로파 무선전력송신모듈(500)로 구성됨으로서 달성된다.
먼저, 본 발명에 따른 거치대몸체(100)에 관해 설명한다.
상기 거치대몸체(100)는 유선형의 "L"자 형상으로 이루어져 각 기기를 외압으로부터 보호하고 지지하는 역할을 한다.
이는 유선형의 "L"자 형상으로 이루어져, 도 3에 도시한 바와 같이, 헤드쪽 전면방향에 태양전지모듈의 태양전지셀이 형성되고, 도 4에 도시한 바와 같이, 태양전지셀의 반대편 후면방향에 마이크로파 무선전력송신모듈의 송신용 마이크로파안테나가 형성되며, 바닥면 내부 공간에 복수개의 제1 리튬폴리머전지와 제2 리튬폴리머전지가 형성되고, 제1 리튬폴리머전지와 제2 리튬폴리머전지 상단에 마이크로컴퓨터유닛부, 전지충전제어부, 상용전원제어부가 PCB 기판으로 형성되어 구성된다.
상기 거치대몸체는 측면 일측에 USB포트로 연결된 상용전원모듈의 전원입력부가 USB 포트로 연결되어 구성된다.
상기 거치대몸체는 유선형의 "L"자 형상의 몸체이외에도, "ㄷ"자형상의 몸체, "ㄹ"형상의 몸체", "ㅁ"자 형상의 몸체, "
Figure pat00001
" 형상의 몸체, "
Figure pat00002
"형상의 몸체, "ㅌ"형상의 몸체, "ㅍ"형상의 몸체, 삼각박스 형상의 몸체, 사각박스형상의 몸체 중 어느 하나가 선택되어 구성된다.
다음으로, 본 발명에 따른 태양전지모듈(200)에 관해 설명한다.
상기 태양전지모듈(200)은 거치대몸체의 헤드쪽 전면방향에 위치되어, 태양빛을 받아 광에너지를 전기에너지로 생성시켜, 충전배터리에 충전시키는 역할을 한다.
이는 도 5에 도시한 바와 같이, 태양전지셀(210), 전지충전제어부(220), 제1 리튬폴리머전지(230), 입출력센싱부(240)로 구성된다.
첫째, 본 발명에 따른 태양전지셀(210)에 관해 설명한다.
상기 태양전지셀(210)은 거치대몸체의 헤드쪽 전면방향에 위치되어, 태양빛을 받아 광에너지를 전기에너지로 생성시키는 역할을 한다.
이는 플러스 단자의 제1 단위셀과 마이너스 단자의 제2 단위셀이 다수개 상호 이격되어 매트릭스 형태로 배열되며, 각각의 단위셀은 알루미늄 금속박으로 이루어진 인터커넥터에 의해 상호 직렬 또는 병렬로 연결되어 솔라셀 어레이를 형성한다.
상기 각각의 단위셀을 연결하는 인터커넥터는 인쇄회로기판의 일측에 도금된 (+),(-)전원단자에 접속된다.
둘째, 본 발명에 따른 전지충전제어부(220)에 관해 설명한다.
상기 전지충전제어부(220)는 마이크로프로세서유닛부의 제어신호에 따라 태양전지셀에서 생성된 전기를 입출력센싱부를 통해 센싱한 후, 제1 리튬폴리머전지에 8채널 2단자망으로 급속충전시키도록 제어하고, 제1 리튬폴리머전지의 충전상태를 마이크로프로세서유닛부로 전달시키는 역할을 한다.
이는 일예로, 도 6에서 도시한 바와 같이, 전지 충전 제어를 위해 하나의 태양전지셀당 Li+ 전지 충전관리 IC인 MAX8856이 구성된다.
상기 전지충전제어부는 제1 리튬폴리머전지의 충전신호와 관련하여, 인터페이스 신호(CHG)를 마이크로컴퓨터유닛부로 전달시켜, 제1 리튬폴리머전지가 충전상태에 있음을 알려준다.
그리고, 본 발명에 따른 마이크로컴퓨터유닛부로부터 전달되는 전지충전제어부의 충전관련 제어는 인터페이스 신호(GPIO)를 통해 제어되도록 구성된다.
즉, 마이크로컴퓨터유닛부에서는 태양 에너지 수집 상황 인식과 판단에 따라, 게이트단자를 통해 SYS와 BAT의 연결여부를 우선적으로 결정할 수 있도록 지원한다.
셋째, 본 발명에 따른 제1 리튬폴리머전지(230)에 관해 설명한다.
상기 제1 리튬폴리머전지(230)는 태양전지셀에서 생성된 전기를 충전시키는 역할을 한다.
이는 태양에너지에서 생성된 전원공급을 고려하여, 높은 전압(3.7V)을 제공하며, 충방전 효율이 99.8%로 높고, 낮은 자연방전율(10%/month 이하)과 메모리 효과(memory effect)도 없는 특성을 가진다.
넷째, 본 발명에 따른 입출력센싱부(240)에 관해 설명한다.
상기 입출력센싱부(240)는 제1 리튬폴리머전지의 (+)연결잭에 입력전류 검출단자를 연결시키고, 제1 리튬폴리머전지의 (-)연결잭에 출력전류 검출단자를 연결시켜 제1 리튬폴리머전지의 충전량과 충전여부를 측정하고, 모니터링시키는 역할을 한다.
이는 도 7에서 도시한 바와 같이, MAX17040 소자로 구성된다.
상기 MAX17040 소자는 온도나 부하변동을 반영한 높은 신뢰도의 측정치를 제공하며, 초기 시동시 약 20ms 정도의 안정화 시간 유지와 약 49㎂의 소비전류 동작하는 특성을 가진다.
다음으로, 본 발명에 따른 상용전원모듈(300)에 관해 설명한다.
상기 상용전원모듈(300)은 상용전원을 인가받아 충전배터리에 충전시키는 역할을 한다.
이는 도 8에 도시한 바와 같이, 전원입력부(310), 보조전원 충전부(320), 상용전원제어부(330)로 구성된다.
상기 전원입력부(310)는 상용전원을 입력받아 제2 리튬폴리머전지 전원으로 사용하는 역할을 한다.
이는 UBS 포트를 가지는 어댑터로 구성된다.
상기 보조전원 충전부(320)는 상기 전원입력부로부터의 전원공급이 순간적으로 차단될 때 상기 제2 리튬폴리머전지(321)에 계속적으로 전원을 공급하기 위해 입력 전원을 충전하는 역할을 한다.
상기 상용전원제어부(330)는 상기 전원입력부로부터 공급되는 전원을 제2 리튬폴리머전지에 충전시키고, 제2 리튬폴리머전지에 충전된 충전전원을 마이크로컴퓨터유닛부의 제어신호에 따라 마이크로파 무선전력송신모듈로 출력시키는 역할을 한다.
다음으로, 본 발명에 따른 마이크로컴퓨터유닛부(400)에 관해 설명한다.
상기 마이크로컴퓨터유닛부(400)는 태양전지모듈, 상용전원모듈, 마이크로파 무선전력송신모듈, 스마트기기와 연결되어, 각 기기의 전반적인 동작을 제어하고, 스마트기기로부터 전달된 배터리충전요구신호 및 자체 셋팅된 기준시간에 따라 마이크로파 무선전력송신모듈을 구동시켜, 1:N방식으로 스마트기기를 무선충전시키도록 제어시키는 역할을 한다.
이는 도 9에 도시한 바와 같이, 스마트기기접속부(410), 스마트자가충전제어부(420), 전력제어알고리즘엔진부(430)로 구성된다.
첫째, 본 발명에 따른 스마트기기접속부(410)에 관해 설명한다.
상기 스마트기기접속부(410)는 거치대몸체를 기준으로 1cm~350cm 거리에 있는 스마트기기에 식별ID를 부가시켜 근거리통신망으로 연결시키는 역할을 한다.
둘째, 본 발명에 따른 스마트자가충전제어부(420)에 관해 설명한다.
상기 스마트자가충전제어부(420)는 스마트기기와 양방향데이터통신을 하면서 스마트기기로부터 전송된 배터리충전요구신호를 수신받아 마이크로파 무선전력송신모듈을 실시간 구동시키거나 또는 셋팅된 기준시간에 따라 마이크로파 무선전력송신모듈을 주기적으로 구동시켜 스마트기기를 무선전력으로 자가충전시키도록 제어시키는 역할을 한다.
셋째, 본 발명에 따른 전력제어알고리즘엔진부(430)에 관해 설명한다.
상기 전력제어알고리즘엔진부(430)는 태양에너지의 주기적 특성을 고려하여, 제1 리튬폴리머전지에서 마이크로파 무선전력송신모듈로 전송되는 전기에 대한 지연 전송, 제2 리튬폴리머전지 변환전송 및 주기를 조절시키도록 제어하는 역할을 한다.
이는 제1 리튬폴리머전지에서 마이크로파 무선전력송신모듈로 전송되는 전기에 대한 지연전송 제어, 제2 리튬폴리머전지 변환전송 제어 및 주기 조절 제어를 위해, 잔여 태양 에너지 n영역에 대한 잔여 에너지 임계값(
Figure pat00003
,1≤
Figure pat00004
≤n)과 각 영역에서 수행될 오퍼레이션(
Figure pat00005
, 1≤j≤n)을 설정한다.
이어서, 최저 잔여 에너지 임계값
Figure pat00006
은 일반적으로 평균 일조량에 근거하여 설정하게 되며, 측정된 잔여 에너지 C는 0~100% 구간을 갖는다.
이어서, 전원차단 단계(sleep)로서, 전원 절약을 위해 제1 리튬폴리머전지에서 마이크로파 무선전력송신모듈로 전기를 전송시, 태양전지모듈과 제1 리튬폴리머전지의 전원을 차단시킨다.
다음으로, 본 발명에 따른 마이크로파 무선전력송신모듈(500)에 관해 설명한다.
상기 마이크로파 무선전력송신모듈(500)은 마이크로컴퓨터유닛부의 제어신호에 따라 구동되어, 거치대 몸체에 접촉된 스마트기기(2) 또는, 이웃하는 또 다른 스마트기기(2)쪽으로 마이크로파 전력을 방사시켜 전달시키는 역할을 한다.
이는 도 10에 도시한 바와 같이, 제1 AC/DC 컨버터부(510), 전력증폭기(520), 무선전력송신제어부(530), 송신용 마이크로파안테나(540)로 구성된다.
첫째, 본 발명에 따른 제1 AC/DC 컨버터부(510)에 관해 설명한다.
상기 제1 AC/DC 컨버터부(510)는 태양전지모듈의 제1 리튬폴리머전지 및 상용전원모듈의 제2 리튬폴리머전지를 통해 획득한 AC전력을 전파정류기를 통해 DC 전력으로 변환시키는 역할을 한다.
이는 도 11에서 도시한 바와 같이, 전파정류기(511), 슈퍼캐패시터(512), 히스테리시스 스위치(513)로 구성된다.
상기 전파정류기(511)는 매칭회로와 정류기로 이루어져 입력되는 AC전력을 필터링시키고 정류시키는 역할을 한다.
상기 슈퍼캐패시터(512)는 전파정류기를 통해 변환된 DC전력을 1차로 충전시키는 역할을 한다.
상기 히스테리시스 스위치(513)는 1차 충전수단의 슈퍼캐패시터의 전압을 모니터링하여 기준전압 이상이 충전되지 않으면 전력증폭기로 입력되는 경로를 차단시켜주는 역할을 한다.
이는 OP앰프로 구성된다.
상기 히스테리시스 스위치가 구성됨으로서, 대기상태의 전력소모를 제거할 수 있으므로, DC전력 변환효율을 향상시킬 수가 있다.
둘째, 본 발명에 따른 전력증폭기(520)에 관해 설명한다.
상기 전력증폭기(520)는 AC/DC 컨버터부에서 변환된 DC전원을 구현파 스위칭 방식을 통해 가변저항으로 공진주파수를 500MHz~1500Mhz까지 변환시키는 역할을 한다.
이는 주파수 구동방식을 구현파 스위칭방식을 통해 가변저항으로 공진 주파수를 500MHz~1500Mhz로 발진시키는 발진 증폭기 IC가 구성된다.
셋째, 본 발명에 따른 무선전력송신제어부(530)에 관해 설명한다.
상기 무선전력송신제어부(530)는 마이크로컴퓨터유닛부의 제어신호에 따라 구동되어, 충전시키고자 하는 스마트기기쪽으로 무선전기를 송신시키도록 제어하는 역할을 한다.
이는 마이크로컴퓨터유닛부로부터 충전시키고자 하는 스마트기기의 식별ID번호를 수신받아 인증시킨 후, 인증이 완료되면, 송신용 마이크로파안테나를 구동시키도록 구성된다.
넷째, 본 발명에 따른 송신용 마이크로파안테나(540)에 관해 설명한다.
상기 송신용 마이크로파안테나(540)는 무선전력송신제어부의 제어신호에 따라 구동되어, 전력증폭기로부터 변환된 공진주파수에 따라 마이크로파 공명하면서 마이크로파를 생성시켜 1cm~350cm 거리에 있는 스마트기기쪽으로 무선전기를 송신시키는 역할을 한다.
이는 전력증폭기로부터 변환된 공진주파수를 환형상의 유도코일을 통해 마이크로파 공명을 한다.
이때, 수신용 마이크로파안테나는 1m~3m 거리에 위치되어, 송신용 마이크로안테나에서 생성된 마이크로파를 수신받도록 구성된다.
다음으로, 본 발명에 따른 스마트기기(2)에 관해 설명한다.
상기 스마트기기(2)는 차량내 및 가정에 위치되어, 자가충전형 스마트 무선충전거치대를 통해 전송되는 마이크로파 무선전력을 수신받아 충전시키는 마이크로파 무선전력수신모듈(600)이 포함되어 구성된다.
이는 하이패스모듈, 스마트폰, 블랙박스모듈, 네비게이션모듈, 청소로봇, LED 조명 중 어느 하나가 선택되어 구성된다.
상기 마이크로파 무선전력수신모듈(600)는 자가충전형 스마트 무선충전거치대를 통해 전송되는 마이크로파 무선전력을 수신받아 충전되도록 하기 위해, 도 12에 도시한 바와 같이, 수신용 마이크로파안테나(610), 제2 AC/DC컨버터부(620), DC/DC 컨버터부(630), 근거리데이터송수신부(640)로 구성된다.
상기 수신용 마이크로파안테나(610)는 거치대몸체의 송신용 마이크로파안테나로부터 전송된 무선전기를 수신받아 전원제어부 전달하는 역할을 한다.
이는 환형상의 유도코일을 통해 송신용 마이크로파 안테나로부터 전송된 무선전기를 수신받도록 구성된다.
상기 제2 AC/DC컨버터부(620)는 수신용 마이크로파안테나를 통해 획득한 AC전력을 전파정류기를 통해 DC전력으로 변환시키는 역할을 한다.
이는 도 에서 도시한 바와 같이, 전파정류기(621), 슈퍼캐패시터(622), 히스테리시스 스위치(623)로 구성된다.
상기 DC/DC 컨버터부(630)는 제2 AC/DC 컨버터부를 통해 변환된 DC 전압을 높은 전압으로 승압시켜 부하 배터리부로 공급시키는 역할을 한다.
이는 도 13에 도시한 바와 같이, 발진기 출력으로 온/오프되는 PMOS 스위치(631), 정류를 위한 다이오드(632), 출력전압을 모니터링하여 출력전압을 일정하게 유지하는 레귤레이터(633), 캐패시터 C1(634)로 구성된다.
상기 근거리데이터송수신부(640)는 부하 배터리부의 용량을 체크하여, 기준치 미달시, 거치대본체의 마이크로컴퓨터유닛부쪽으로 배터리충전요구신호를 근거리통신망을 통해 전송시키는 역할을 한다.
이는 블루투스통신, 지그비통신, 적외선 통신, LED 가시광통신 중 어느 하나가 선택되어 구성된다.
이하, 본 발명에 따른 자가충전형 스마트 무선충전거치대의 구성요소인 무선전력전송 주파수, 무선전송전력 및 전송거리의 구체적인 설계과정에 관해 설명한다.
먼저, 본 발명에 따른 마이크로파 무선전력전송은 대기중에 전력을 방사하는 방식을 사용함으로써, 거리에 따른 공간 손실은 프리스 방정식으로 주어진다.
따라서, 전력전송 주파수, 전송전력, 전송거리에 따라 공간손실이 발생하며 공간손실을 고려한 설계가 필요하다.
다음의 수학식 1은 공간손실 연산을 위한 프리스 공식에 관한 것이다.
Figure pat00007
여기서, PRX는 스마트기기(2)의 수신용 마이크로파안테나에 입사되는 전력을 나타내고, PTX는 송신용 마이크로파안테나의 전송안테나 출력을 나타내며, GTX 및 GRX는 송신용 마이크로파안테나 및 수신용 마이크로파안테나의 안테나 이득을 나타내고, λ는 사용주파수의 파장을 나타내며, d는 송신용 마이크로파안테나와 수신용 마이크로파안테나 사이의 거리를 나타낸다.
상기 수학식 1에서 송신용 마이크로파안테나 및 수신용 마이크로파안테나의 안테나 이득(GTX,GRX)은 고정되었다고 가정하면, 수신용 마이크로파안테나로 입사되는 전력은 전송전력(PTX), 전송거리(d), 전력전송 주파수(f)의 함수로 연산시킬 수가 있다.
상기 수학식 1을 주파수(f)를 포함하는 식으로 다시 표현하면 다음의 수학식 2와 같이 표현된다.
Figure pat00008
상기 수학식 2는 주파수에 따른 전송거리별 공간 손실을 연산하기 위한 식으로서, c는 빛의 속도를 나타내며, 3×108m/sec의 값을 갖는다.
즉, 무선전력전송에 사용할 주파수를 결정하고, 전송전력 또는 송신용 마이크로파안테나 및 수신용 마이크로파안테나 사이의 거리를 결정하면 나머지 요소를 수식으로 연산할 수가 있다.
본 발명에서의 전력전송주파수는 500MHz~1500Mhz 주파수 대역을 선택하고, 보다 구체적으로는 1000MHz 주파수를 선택하였다.
그 이유는 전송전력이 클 경우에 인체에 유해성의 문제가 발생할 수 있기 때문이다.
그리고, 본 발명에서의 무선전송전력은 1W~5W전력전송으로 설정하였고, 보다 구체적으로는 4W전력을 전송시키는 것으로 설정하였다.
본 발명에서는 이론값과 실제측정값의 비교를 위해 수학식 2를 사용하여 1000MHz주파수, 4W 전력전송의 공간손실을 계산하여 다음의 표 1과 같은 결과가 나왔다.
거리(m) 공간손실[dB]
3 38.24
4 41.51
5 43.45
6 45.23
7 46.57
8 48.53
9 49.63
10 50.89
상기 표 1은 4W 무선전력전송시 거리에 따라 입사되는 전력량과 계산값을 비교하였다.
거리에 따른 입사전력을 확인하기 위한 실험에서 송신용 마이크로파안테나 및 수신용 마이크로파안테나는 8dBi이득의 안테나를 설정하였다.
이때, 공간손실 및 무선전력전송, 수신용 마이크로파안테나의 안테나 이득을 고려한 거리에 따른 평균획득전력이 계산결과는 다음의 표 2와 같이 표현된다.
거리(m) 평균획득전력[dBm]
3 1.58
4 2.35
5 0.89
6 -1.02
7 -2.56
8 -4.6
9 -5.36
10 -6.56
이러한 실험을 통해 본 발명에 따른 자가충전형 스마트 무선충전거치대의 구성요소인 무선전력전송 주파수는 500MHz~1500Mhz 주파수로 설정되고, 무선전송전력은 1W~5W 전력전송으로 설정되며, 전송거리는 1m~3m미만의 전송거리로 설정되도록 구성된다.
이하, 본 발명에 따른 자가충전형 스마트 무선충전거치대의 구체적인 동작과정에 관해 설명한다.
먼저, 도 14에 도시한 바와 같이, 거치대몸체(100)를 차량내의 스마트기기 및 가정내의 스마트기기와 서로 근거리무선통신망으로 연결이 되도록 설치한다.
다음으로, 태양전지모듈에서 태양빛을 받아 광에너지를 전기에너지로 생성시켜, 충전배터리에 충전시킨다.
다음으로, 상용전원모듈에서 상용전원을 인가받아 충전배터리에 충전시킨다.
다음으로, 마이크로컴퓨터유닛부의 제어하에 스마트기기로부터 전달된 배터리충전요구신호 및 자체 셋팅된 기준시간에 따라 마이크로파 무선전력송신모듈을 구동시킨다.
다음으로, 마이크로파 무선전력송신모듈에서 거치대 몸체에 접촉된 스마트기기(2) 또는, 이웃하는 또 다른 스마트기기(2)쪽으로 마이크로파 전력을 방사시켜 전달시킨다.
끝으로, 도 15에서 도시한 바와 같이, 스마트기기(2)에서 자가충전형 스마트 무선충전거치대를 통해 전송되는 마이크로파 무선전력을 수신받아 부하 배터리에 무선충전시킨다.
이는 수신용 마이크로파안테나(610)에서 송신용 마이크로파안테나로부터 전송된 무선전기를 수신받아 전원제어부로 전달시킨다.
이어서, 제2 AC/DC컨버터부(620)에서 수신용 마이크로파안테나를 통해 획득한 AC전력을 전파정류기를 통해 DC전력으로 변환시킨다.
이어서, DC/DC 컨버터부(630)에서 제2 AC/DC 컨버터부를 통해 변환된 DC 전압을 높은 전압으로 승압시켜 부하 배터리부로 공급시킨다.
1 : 자가충전형 스마트 무선충전거치대
100 : 거치대몸체 200 : 태양전지모듈
300 : 상용전원모듈 400 : 마이크로컴퓨터유닛부
500 : 마이크로파 무선전력송신모듈

Claims (7)

  1. 유선형의 "L"자 형상으로 이루어져 각 기기를 외압으로부터 보호하고 지지하는 거치대몸체(100)와,
    거치대몸체의 헤드쪽 전면방향에 위치되어, 태양빛을 받아 광에너지를 전기에너지로 생성시켜, 충전배터리에 충전시키는 태양전지모듈(200)과,
    상용전원을 인가받아 충전배터리에 충전시키는 상용전원모듈(300)과,
    태양전지모듈, 상용전원모듈, 마이크로파 무선전력송신모듈, 스마트기기와 연결되어, 각 기기의 전반적인 동작을 제어하고, 스마트기기로부터 전달된 배터리충전요구신호 및 자체 셋팅된 기준시간에 따라 마이크로파 무선전력송신모듈을 구동시켜, 1:N방식으로 스마트기기를 무선충전시키도록 제어시키는 마이크로컴퓨터유닛부(400)와,
    마이크로컴퓨터유닛부의 제어신호에 따라 구동되어, 거치대 몸체에 접촉된 스마트기기(2) 또는, 이웃하는 또 다른 스마트기기(2)쪽으로 마이크로파 전력을 방사시켜 전달시키는 마이크로파 무선전력송신모듈(500)로 구성되는 것을 특징으로 하는 자가충전형 스마트 무선충전거치대.
  2. 제1항에 있어서, 상기 태양전지모듈(200)은
    거치대몸체의 헤드쪽 전면방향에 위치되어, 태양빛을 받아 광에너지를 전기에너지로 생성시키는 태양전지셀(210)과,
    마이크로프로세서유닛부의 제어신호에 따라 태양전지셀에서 생성된 전기를 입출력센싱부를 통해 센싱한 후, 리튬폴리머전지에 8채널 2단자망으로 급속충전시키도록 제어하고, 제1 리튬폴리머전지의 충전상태를 마이크로프로세서유닛부로 전달시키는 전지충전제어부(220)와,
    태양전지셀에서 생성된 전기를 충전시키는 제1 리튬폴리머전지(230)와,
    제1 리튬폴리머전지의 (+)연결잭에 입력전류 검출단자를 연결시키고, 제1 리튬폴리머전지의 (-)연결잭에 출력전류 검출단자를 연결시켜 제1 리튬폴리머전지의 충전량과 충전여부를 측정하고, 모니터링시키는 입출력센싱부(240)로 구성되는 것을 특징으로 하는 자가충전형 스마트 무선충전거치대.
  3. 제1항에 있어서, 상기 마이크로컴퓨터유닛부(400)는
    거치대몸체를 기준으로 1cm~350cm 거리에 있는 스마트기기에 식별ID를 부가시켜 근거리통신망으로 연결시키는 스마트기기접속부(410)와,
    스마트기기와 양방향데이터통신을 하면서 스마트기기로부터 전송된 배터리충전요구신호를 수신받아 마이크로파 무선전력송신모듈을 실시간 구동시키거나 또는 셋팅된 기준시간에 따라 마이크로파 무선전력송신모듈을 주기적으로 구동시켜 스마트기기를 무선전력으로 자가충전시키도록 제어시키는 스마트자가충전제어부(420)와,
    태양에너지의 주기적 특성을 고려하여, 제1 리튬폴리머전지에서 마이크로파 무선전력송신모듈로 전송되는 전기에 대한 지연 전송, 제2 리튬폴리머전지 변환전송 및 주기를 조절시키도록 제어하는 전력제어알고리즘엔진부(430)로 구성되는 것을 특징으로 하는 자가충전형 스마트 무선충전거치대.
  4. 제1항에 있어서, 상기 마이크로파 무선전력송신모듈(500)은
    태양전지모듈의 제1 리튬폴리머전지 및 상용전원모듈의 제2 리튬폴리머전지를 통해 획득한 AC전력을 전파정류기를 통해 DC 전력으로 변환시키는 제1 AC/DC 컨버터부(510)와,
    AC/DC 컨버터부에서 변환된 DC전원을 구현파 스위칭 방식을 통해 가변저항으로 공진주파수를 500MHz~1500Mhz까지 변환시키는 전력증폭기(520)와,
    마이크로컴퓨터유닛부의 제어신호에 따라 구동되어, 충전시키고자 하는 스마트기기쪽으로 무선전기를 송신시키도록 제어하는 무선전력송신제어부(530)와,
    무선전력송신제어부의 제어신호에 따라 구동되어, 전력증폭기로부터 변환된 공진주파수에 따라 마이크로파 공명하면서 마이크로파를 생성시켜 1cm~350cm 거리에 있는 스마트기기쪽으로 무선전기를 송신시키는 송신용 마이크로파안테나(540)로 구성되는 것을 특징으로 하는 자가충전형 스마트 무선충전거치대.
  5. 제1항에 있어서, 상기 스마트기기(2)는
    하이패스모듈, 스마트폰, 블랙박스모듈, 네비게이션모듈, 청소로봇, LED 조명 중 어느 하나가 선택되어 구성되는 것을 특징으로 하는 자가충전형 스마트 무선충전거치대.
  6. 제1항에 있어서, 상기 스마트기기(2)는
    차량내 및 가정에 위치되어, 자가충전형 스마트 무선충전거치대를 통해 전송되는 마이크로파 무선전력을 수신받아 충전시키는 마이크로파 무선전력수신모듈(600)이 포함되어 구성되는 것을 특징으로 하는 자가충전형 스마트 무선충전거치대.
  7. 제6항에 있어서, 상기 마이크로파 무선전력수신모듈(600)은
    거치대몸체의 송신용 마이크로파안테나로부터 전송된 무선전기를 수신받아 전원제어부 전달하는 수신용 마이크로파안테나(610)와,
    수신용 마이크로파안테나를 통해 획득한 AC전력을 전파정류기를 통해 DC전력으로 변환시키는 제2 AC/DC컨버터부(620)와,
    제2 AC/DC 컨버터부를 통해 변환된 DC 전압을 높은 전압으로 승압시켜 부하 배터리부로 공급시키는 DC/DC 컨버터부(630)와,
    부하 배터리부의 용량을 체크하여, 기준치 미달시, 거치대본체의 마이크로컴퓨터유닛부쪽으로 배터리충전요구신호를 근거리통신망을 통해 전송시키는 근거리데이터송수신부(640)로 구성되는 것을 특징으로 하는 자가충전형 스마트 무선충전거치대.
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