KR20210140883A - 무선 충전 시스템 - Google Patents

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Abstract

이 명세서는 무선 충전 시스템에 관한 것이다. 일 실시예에 따른 무선 충전 시스템은, 무선 충전 모듈과 통신 모듈을 포함하는 하나 이상의 무선 충전기; 무선 충전기와 탈부착 가능하고 무선 충전기와 결합하여 무선 충전기에 동작 전원을 공급하기 위한 하나 이상의 배터리 팩; 및 하나 이상의 무선 충전기에 무선으로 연결되는 관리 터미널을 포함하여 구성되고, 통신 모듈은 배터리 팩의 상태 정보를 관리 터미널에 전송할 수 있다. 무선 충전기는 배터리 팩의 노화 정도 정보, 무선 충전 모듈이 충전을 진행하고 있는지 여부를 가리키는 정보, 무선 충전기를 식별하는 식별 정보, 및 무선 충전기의 위치 정보 중 하나 이상을 더 관리 터미널에 전송할 수 있다.

Description

무선 충전 시스템 {Wireless charging system}
이 명세서는 무선 충전 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 탈부착되는 배터리에 의해 공급되는 전원을 이용하여 휴대용 단말기에 전력을 무선으로 공급하기 위한 무선 충전 시스템에 관한 것이다.
현재 스마트 폰이나 태블릿 PC 등과 같은 스마트 단말기를 충전하는 주요 방식은, 어댑터에 연결하여 외부 전원을 직접 공급 받거나 호스트나 보조 배터리의 USB 단자에 연결되어 USB 전원을 공급 받는 것이다.
최근에는 연결 선을 통해 어댑터에 또는 호스트에 직접 연결해야 하는 불편함을 줄이기 위하여, 전기적 접촉 없이 자기 결합을 이용하여 무선으로 전력을 공급받아 배터리를 충전하는 무선 충전 방식이 인기를 끌고 있다.
스마트 단말기를 무선으로 충전시키는 무선 충전기가 상당히 많은 사용자에게 보급되고 있고, 또한 카페, 레스토랑, 바와 같은 매장이나 도서관, 비즈니스 센터, 공항과 같은 공공장소에도 무선 충전 인프라가 갖춰지고 있다.
예를 들어, 카페는 고객 서비스 차원에서 여러 테이블에 무선 충전기를 장착할 수 있는데, 인테리어나 사용자의 요구에 따라 테이블 배치를 바꾸는 일이 자주 발생할 수 있다. 이러한 경우, 바닥이나 벽에 고정된 콘센트로부터 테이블의 무선 충전기에 전원을 공급하는 전원 라인을 깔끔하게 정리하는 것이 쉽지 않고, 또한 전원 라인이 고정되지 않은 채 외부로 노출되면 위험할 수 있다.
이 명세서는 이러한 상황을 감안한 것으로, 이 명세서의 목적은 공공장소에서 무선 충전 인프라를 안전하고 효율적으로 운용하기 위한 무선 충전 시스템을 제공하는 데 있다.
이 명세서의 다른 목적은, 테이블에 장착되는 무선 충전기에 유선 전원 연결 없이 전원을 공급하는 시스템을 제공하는 데 있다.
이 명세서의 또 다른 목적은, 무선 충전기의 전원 상태를 효과적으로 관리하는 시스템을 제공하는 데 있다.
상기한 과제를 실현하기 위한 일 실시예에 따른 무선 충전 시스템은, 무선 충전 모듈과 통신 모듈을 포함하는 하나 이상의 무선 충전기; 무선 충전기와 탈부착 가능하고 무선 충전기와 결합하여 무선 충전기에 동작 전원을 공급하기 위한 하나 이상의 배터리 팩; 및 하나 이상의 무선 충전기에 무선으로 연결되는 관리 터미널을 포함하여 구성되고, 통신 모듈은 배터리 팩의 상태 정보를 관리 터미널에 전송하는 것을 특징으로 한다.
다른 실시예에 따른 무선 충전기는, 유도 결합 방식으로 전력을 수신 장치에 전달하기 위한 무선 충전 모듈; 분리 가능한 배터리 팩으로부터 전력을 공급 받기 위한 통로를 제공하는 접속 단자; 및 전력을 공급하는 배터리 팩의 충전 상태를 관리 터미널에 전송하기 위한 통신 모듈을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
탈부착이 가능한 배터리 팩을 통해 테이블에 장착된 무선 충전기에 전원을 공급함으로써, 전원 공급을 위한 전원 라인이 불필요해져 전원 라인이 노출되어 발생할 수 있는 위험을 없애고, 무선 충전기가 장착된 테이블을 자유롭게 이동시킬 수 있어서 무선 충전 서비스를 제공하는 공간을 효율적으로 이용할 수 있게 된다.
또한, 무선 충전기에 마련된 통신 모듈을 통해 무선 충전기에 전원을 공급하는 배터리 팩이 부착된 무선 충전기의 위치와 배터리 팩의 충전 상태를 관리 단말기에 전송함으로써, 복수 개의 무선 충전기로 구성되는 무선 충전 인프라를 적은 인원으로 효율적으로 관리할 수 있게 된다.
또한, 무선 충전기의 통신 모듈이 제공하는 정보를 근거로 고객이 자주 사용하는 테이블 위치나 사용 빈도를 파악할 수 있게 되고, 이를 이용하여 테이블 배치, 청소 등을 효과적으로 관리할 수 있게 되고, 이에 따라 고객의 만족도를 높여 매출을 증가시킬 수 있게 된다.
도 1은 테이블에 장착되는 무선 충전 모듈에 배터리 팩을 부착시켜 무선 충전기에 전원을 공급하는 예를 도시한 것이고,
도 2는 탈부착 가능한 배터리 팩에 의해 전원이 공급되는 무선 충전기에 마련된 통신 모듈이 배터리 팩의 상태와 관련된 정보를 관리 단말기에 제공하는 예를 도시한 것이고,
도 3은 무선 충전 인프라의 구성을 도시한 것이고,
도 4는 전원을 공급하기 위해 탈부착되도록 구성되는 무선 충전기와 배터리 팩의 탈부착 구조를 도시한 것이고,
도 5는 통신 모듈을 구비하는 무선 충전기의 구성을 기능 블록으로 도시한 것이고,
도 6은 무선 충전기의 충전 모듈과 스마트 단말의 전력 수신 모듈이 전력과 메시지를 주고받기 위한 구성을 도시한 것이고,
도 7은 중전력 전송이 가능한 분할 코일로 구성된 다중 코일을 도시한 것이다.
도 8은 무선 충전 인프라를 구성하는 무선 충전기의 통신 모듈이 관리 단말기에 제공하는 정보를 도시한 것이고,
도 9는 무선 충전기의 통신 모듈이 관리 단말기에 정보를 제공하는 동작 흐름도를 도시한 것이다.
이하, 무선 충전 시스템에 대한 실시예를 첨부하는 도면에 의거하여 상세히 설명한다.
무선 전력 전송 장치 또는 무선 충전기는, 무선 전력 수신 장치 또는 전자 기기가 필요로 하는 전력을 무선으로 전달하거나 전자 기기의 배터리를 충전하기 위한 장치일 수 있고, 접촉되지 않은 상태에서 전원이 필요한 전자 기기에 전력을 전달하는 여러 가지 형태의 장치로 구현될 수 있다.
전자 기기는 무선 충전기로부터 무선으로 전력을 수신하여 동작이 가능한 기기로, 무선으로 수신되는 전력을 이용하여 배터리를 충전할 수도 있다. 무선으로 전력을 수신하는 전자 기기는 휴대가 가능한 전자 기기, 예를 들어 스마트 폰이나 스마트 단말, 태블릿 컴퓨터, 멀티미디어 단말, 키보드, 마우스, 영상 또는 음성의 보조 장치 등의 입출력 장치, 보조 배터리 등을 포함할 수 있다.
무선 충전기는 전자기 유도 현상에 기초한 유도 결합 방식으로 전가 기기에 전력을 전달할 수 있다. 즉, 무선 충전기가 1차 코일 또는 전송 코일(primary coil, TX coil)에 교류 전류를 흘리면 1차 코일을 통과하는 자기장이 변화하고 이러한 자기장 변화에 의해 전자 기기의 2차 코일 또는 수신 코일(secondary coil, RX coil)에 전류가 유도되어 유도 기전력이 발생하므로, 접촉 없이 무선으로 무선 충전기에서 전자 기기로 전력을 전달할 수 있다.
무선 충전기의 1차 코일과 전자 기기의 수신 코일이 근접하도록 무선 충전기 및 전자 기기를 배치하고, 무선 충전기가 1차 코일의 전류가 변화하도록 제어하면, 전자 기기는 수신 코일에 유도된 기전력을 이용하여 배터리와 같은 부하에 전원을 공급할 수 있다.
유도 결합 방식에 의한 무선 전력 전달의 효율은, 무선 충전기와 전자 기기 사이의 배치와 거리의 영향을 받게 되므로, 무선 충전기는 평평한 인터페이스 표면을 포함하도록 구성되고 인터페이스 표면의 하부에는 1차 코일이 장착되고, 인터페이스 표면 상부에 하나 이상의 전자 기기가 놓일 수 있다. 인터페이스 표면 하부에 장착된 1차 코일과 인터페이스 표면 상부에 위치한 2차 코일 사이 공간을 충분히 작게 함으로써 유도 결합 방식에 의한 무선 전력 전달의 효율을 올릴 수 있다.
도 1은 테이블에 장착되는 무선 충전 모듈에 배터리 팩을 부착시켜 무선 충전기에 전원을 공급하는 예를 도시한 것이다.
도 1과 같이 매장이나 공공장소의 테이블 상면에 무선 충전 모듈을 매립하여 장착하면 해당 장소를 이용하는 사용자가 테이블에 스마트 단말기 또는 전자 기기를 올려놓고 무선으로 충전할 수 있다.
이때, 벽이나 바닥에 마련된 콘센트로부터 전원 라인을 통해 무선 충전 모듈에 전원을 공급하는 대신, 도 1과 같이 무선 충전 모듈만을 테이블에 매립하고, 탈부착 가능한 배터리 팩을 통해 무선 충전 모듈에 동작 전원을 공급할 수 있다. 따라서, 무선 충전 모듈이 매립된 테이블을 이동시키는데 제한이 없어서, 카페나 도서관 등의 장소에서 공간 배치를 자유롭게 할 수 있게 된다.
테이블 표면에서 무선 충전 모듈의 1차 코일과 전자 기기의 2차 코일 사이에 유도 결합이 발생해야 하므로, 배터리 팩은 테이블 아랫면에서 무선 충전 모듈과 결합할 수 있다.
이와 같이 탈부착이 가능한 배터리 팩을 통해 무선 충전 모듈에 전력을 공급하는 경우 배터리 팩의 충전 상태를 파악하는 것이 중요하고, 여러 테이블에 무선 충전 모듈이 장착된 장소를 관리하는 관리자는 배터리 팩의 상태를 파악하는 것이 쉽지 않다.
특히, 배터리 팩이 테이블 밑에서 무선 충전 모듈에 결합하므로, 관리자가 배터리 팩의 충전 상태를 파악하기 위해 번거롭게 테이블마다 테이블 밑으로 몸을 숙여 배터리 팩을 무선 충전 모듈로부터 분리하고 배터리 상태를 확인한 후 다시 결합하는 동작을 반복할 수밖에 없다.
테이블 위에 노출된 무선 충전 모듈의 상면 인터페이스에 배터리 팩의 충전 상태를 알리는 디스플레이를 마련하여 이를 통해 배터리 팩의 배터리 상태(또는 충전 상태)를 표시할 수도 있다.
하지만, 이것도 무선 충전 모듈이 사용되고 있지 않을 때만 가능하고, 무선 충전 모듈이 전자 기기를 충전하고 있는 동안은 디스플레이가 전자 기기에 가려 관리자가 배터리 팩의 충전 상태를 확인할 수 없다. 또한, 관리자가 여러 테이블을 일일이 찾아가 각 테이블에 결합된 배터리 팩의 충전 상태를 확인하는 동작도 몹시 번거롭고, 일정 시간 간격으로 이러한 동작을 반복해야 한다.
이러한 수고를 줄이기 위해, 이 명세서에서는, 무선 충전 모듈과 통신 모듈을 결합한 무선 충전기를 테이블에 장착하고, 통신 모듈이 무선 충전기에 결합된 배터리 팩의 배터리 상태 정보와 해당 무선 충전기를 식별할 수 있는 정보를 관리 서버 또는 관리 단말기에 전송하여, 관리자가 전송되는 정보를 근거로 복수 개의 무선 충전기를 포함하는 무선 충전 인프라를 쉽게 관리할 수 있도록 한다.
도 2는 탈부착 가능한 배터리 팩에 의해 전원이 공급되는 무선 충전기에 마련된 통신 모듈이 배터리 팩의 상태와 관련된 정보를 관리 단말기에 제공하는 예를 도시한 것이다.
무선 충전 인프라를 구축한 카페에서, 도 2에 도시한 것과 같이, 각 테이블의 표면에는 무선 충전기가 장착되고, 무선 충전기는 충전 모듈과 통신 모듈을 포함한다. 또한, 무선 충전기는 테이블 아래에 노출된 부분이 탈부착 가능한 배터리 팩과 결합하여 배터리 팩으로부터 전력을 공급 받아 동작하므로, 테이블은 바닥이나 벽면에 전원 라인으로 연결될 필요가 없고 자유롭게 배치될 수 있다.
도 2에서 제2 테이블(Table #2)을 차지한 사용자가 제2 무선 충전기를 통해 스마트 기기(Smart device)를 충전하고 있고, 제2 무선 충전기의 통신 모듈은 제2 무선 충전기에 결합된 배터리 팩의 상태 정보와 해당 무선 충전기가 장착된 제2 테이블 식별 정보를 관리 터미널로 전송할 수 있다.
충전 동작을 하고 있지 않는 제1 및 제3 무선 충전기도 소정 주기로 배터리 팩의 상태 정보와 테이블 식별 정보를 관리 터미널로 전송할 수 있다.
만약 통신 모듈을 배터리 팩에 일체형으로 구성한다면, 여러 개의 배터리 팩을 동시에 충전 스테이지에 충전하기 때문에, 무선 충전기에 배터리 팩이 결합될 때마다 배터리 팩이 바뀔 수 있게 된다. 배터리 팩이 장착되는 테이블이 바뀌면, 통신 모듈이 배터리 팩의 배터리 상태 정보를 관리 터미널에 전달하더라도 관리 터미널은 배터리 팩이 결합한 테이블의 위치를 파악하기 힘들게 된다. 이러한 점을 고려할 때 통신 모듈을 배터리 팩 대신 무선 충전 모듈과 일체형으로 하는 것이 유리하다.
또한, 무선 충전 모듈보다 배터리 팩의 개수가 더 많기 때문에, 통신 모듈을 무선 충전 모듈에 일체화하는 것이 비용 면에서도 더 유리할 수 있다.
도 3은 무선 충전 인프라의 구성을 도시한 것이다.
카페나 레스토랑과 같은 매장이나 도서관 같은 공공장소에 마련된 무선 충전 인프라는, 복수 개(1~#n)의 무선 충전기(100), 복수 개(1~#m)의 배터리 팩(200), 관리 터미널(300) 및 배터리 충전 스테이지(400)를 포함하여 구성될 수 있다.
무선 충전기(100)는, 무선 충전 모듈과 통신 모듈로 구성되고, 무선 충전 모듈의 1차 코일을 덮는 인터페이스가 상면에 노출되도록 테이블에 매립될 수 있다.
배터리 팩(200)은, 테이블 아래에서 무선 충전기(100)에 예를 들어 슬라이드 방식으로 결합되어 무선 충전기(100)에 전력을 공급할 수 있다.
관리 터미널(300)은, 복수 개의 무선 충전기(100)에 무선으로 연결되어, 복수 개의 무선 충전기(100)의 동작 상황, 복수 개의 배터리 팩(200)의 상태 및 무선 충전기(100)의 식별 정보(또는 위치 정보)를 각 무선 충전기(100)의 통신 모듈로부터 전달 받고, 이를 근거로 관리자에게 배터리 팩(200)의 교체 시기 등의 정보를 제공할 수 있다.
관리 터미널(300)은 무선 충전기(100)로부터 전송 받은 무선 충전기(100)의 식별 정보(또는 위치 정보)를 근거로, 해당 무선 충전 인프라가 형성된 장소를 표현하는 지도에 각 무선 충전기(100)의 위치를 표시하고, 또한 각 무선 충전기(100) 위치에 해당 무선 충전기(100)의 충전 중 여부와 배터리 팩(200)의 상태 등을 함께 표시할 수도 있다.
배터리 충전 스테이지(400)는 복수 개의 배터리 팩(200)의 전부 또는 일부를 동시에 충전할 수 있다.
무선 충전 인프라를 관리하는 관리자는, 관리 터미널(300)이 제공하는 정보를 근거로, 충전이 필요한 배터리 팩과 해당 배터리 팩이 장착된 테이블을 확인하여, 완전히 충전된 배터리 팩으로 해당 배터리 팩을 교체하고 해당 배터리 팩을 배터리 충전 스테이지(400)를 통해 충전시킬 수 있다.
도 4는 전원을 공급하기 위해 탈부착되도록 구성되는 무선 충전기와 배터리 팩의 탈부착 구조를 도시한 것이다.
무선 충전 모듈과 통신 모듈을 포함하는 무선 충전기(100)는 1차 코일을 덮은 인터페이스가 테이블 상면에 노출되도록 테이블 아랫면에 장착되고, 테이블 아래에 노출되는 부분에 가이드 레일이 마련되어, 배터리 팩(200)이 가이드 레일을 따라 슬라이드 방식으로 무선 충전기(100)와 결합할 수 있다.
관리자는 배터리 팩(200)을 한 손으로 잡고 무선 배터리 팩(200)을 도 4의 화살표 방향, 즉 무선 충전기(100) 쪽으로 밀어 넣어 무선 충전기(100)에 결합시키는데, 무선 충전기(100)에 마련된 후크(110)와 배터리 팩(200)에 마련된 홈(210)이 서로 결합하여 배터리 팩(200)이 무선 충전기(100)에 고정될 수 있다.
또한, 배터리 팩(200)을 한 손으로 잡고 있는 관리자가 무선 충전기(100) 후면에 배치된 버튼을 누르면, 후크(110)가 회전하여 홈(210)과 분리되고, 이 때 관리자가 배터리 팩(200)을 화살표 반대 방향으로 당겨 배터리 팩(200)을 무선 충전기(100)로부터 분리할 수 있다.
한편, 무선 충전기(100)와 배터리 팩(200)에는 서로 결합할 때 배터리 팩(200)의 전력을 무선 충전기(100) 쪽으로 전달할 수 있도록 접촉하는 접촉 단자가 마련되는데, 도 4에서는 무선 충전기(100)의 접촉 단자(120)만 도시되어 있다.
도 5는 통신 모듈을 구비하는 무선 충전기의 구성을 기능 블록으로 도시한 것이다.
무선 충전기(100)는, 제어부(130), 무선 충전 모듈(140) 및 통신 모듈(150)을 포함하여 구성될 수 있다.
제어부(130)는 무선 충전기(100)의 전반적인 동작을 제어하는데, 배터리 팩(200)이 연결되어 무선 충전기(100)에 전원이 공급되면 무선 충전 모듈(140)과 통신 모듈(150)을 구동시킬 수 있다.
제어부(130)는 접촉 단자(120)를 통해 배터리 팩(200)으로부터 전달되는 전기 신호를 이용하여 배터리 팩(200)의 충전 상태나 배터리의 노화 정도를 확인하고, 이를 통신 모듈(150)에 전달할 수 있다.
또한, 제어부(130)는, 무선 충전 모듈(140)의 동작을 점검하여 무선 충전 모듈(140)이 현재 인터페이스에 놓인 스마트 기기를 충전하고 있는지 여부를 판단하고, 충전 중 여부 정보를 통신 모듈(150)에 전달할 수 있다.
또한, 제어부(130)는, 해당 무선 충전기(100)의 식별 정보 또는 해당 무선 충전기(100)가 장착된 테이블 식별 정보를 내부 메모리에 저장하고, 이를 통신 모듈(150)에 전달할 수 있다. 무선 충전기(100)나 테이블 식별 정보는 무선 충전기(100)에 딥 스위치 형태로 설정될 수도 있다.
무선 충전 모듈(140)은, 접촉 단자(120)를 통해 배터리 팩(200)으로부터 전달되는 전력을 무선 전력 신호로 변환하여 무선 충전기(100)의 인터페이스에 올려진 스마트 기기에 전달할 수 있는데, 아래에서 도 6을 참조로 구체적으로 설명한다.
통신 모듈(150)은, 와이파이(Wi-Fi), 블루투스(Bluetooth), 지그비(ZigBee) 등의 무선 데이터 전송 규격에 따라, 무선 충전기(100)와 배터리 팩(200)과 관련된 정보 및 충전 중 여부 정보 중 하나 이상을 관리 터미널(300)에 전송할 수 있다.
여기서, 무선 충전기(100)와 관련된 정보는 해당 무선 충전기(100) 또는 해당 무선 충전기(100)가 장착된 테이블의 식별 정보를 포함하고, 배터리 팩(200)과 관련된 정보는 배터리 팩(200)의 충전 상태와 배터리의 노화 정도 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
무선 충전기(100)는, 제어부(130) 없이, 무선 충전 모듈(140)과 통신 모듈(150)만으로 구성될 수도 있는데, 무선 충전기(100)와 관련된 식별 정보는 통신 모듈(150)에 설정되어 저장되고, 배터리 팩(200)과 관련된 정보와 충전 중 여부 정보는 무선 충전 모듈(140)이 직접 확인하여 통신 모듈(150)에 전달하거나 통신 모듈(150)이 무선 충전 모듈(140)의 상태를 직접 확인할 수도 있다.
통신 모듈(150)은, 무선 충전기(100)이나 무선 충전기(100)가 장착된 테이블의 식별 정보를 저장하거나 제어부(130)로부터 수신하는 대신, 해당 무선 충전 인프라가 형성된 장소에 배치되는 복수 개의 비콘(Beacon)으로부터 신호를 수신하고 이를 근거로 무선 충전기(100)의 위치 정보를 계산하고 이를 관리 터미널(300)에 전달할 수도 있다.
무선 충전기(100)가 장착된 복수 개의 테이블의 위치가 변경될 때 테이블 식별자만으로 테이블을 특정하기 어려울 수 있기 때문에, 비콘 신호를 이용하여 얻은 위치를 관리 터미널(300)에 전달하는 경우 배터리 팩의 교체가 필요한 테이블(무선 충전기 또는 배터리 팩)을 특정하는 데 유용할 수 있다.
도 6은 무선 충전기의 충전 모듈과 스마트 단말의 전력 수신 모듈이 전력과 메시지를 주고받기 위한 구성을 도시한 것이다.
무선 충전 모듈(140)은 전력 변환부(141), 통신부(142), 마이콤(143) 및 전원부(144)를 포함하여 구성될 수 있는데, 여기서 전원부(144)는 배터리 팩(200)에 연결되는 접촉 단자(120)가 될 수 있다. 전력 수신 모듈(500)은, 전력 수신부(510), 통신부(520) 및 마이콤(530)을 포함하여 구성될 수 있고, 수신되는 전력이 공급될 부하(540)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
전력 변환부(141)는 전력 수신 모듈(500)의 수신 상태와 상관없이 일방적으로 전력을 전송할 뿐이므로, 전력 수신 모듈의 상태에 맞도록 전력을 전송하기 위해서는 전력 수신 모듈로부터 수신 상태와 관련된 피드백을 받기 위한 구성이 무선 충전 모듈에 필요하다. 이러한 통신을 위해 무선 충전 모듈(140)과 전력 수신 모듈(500)에 각각 통신부(152, 520)가 마련된다.
무선 충전 모듈(140)과 전력 수신 모듈(500)의 통신부(152, 520)는 인-밴드(In-Band) 방식으로 무선 전력 신호에 통신 데이터를 실어서 전송하는데, 이때 진폭 편이 방식(ASK: Amplitude Shift Keying)이나 주파수 편이 방식(FSK: Frequency Shift Keying)이 사용될 수 있다.
전력 변환부(141)는, 인버터와 공진 회로로 구성되고, 무선 전력 신호를 형성시키기 위해 사용되는 주파수, 전압, 전류 등의 특성을 조절할 수 있는 회로를 더 포함하도록 구성될 수 있다.
무선 전력 신호는 공진 특성을 갖는 자기장 또는 전자기장 형태로 형성되고, 공진 회로는 전류의 변화에 따라 무선 전력 신호에 해당하는 자기장을 형성하는 1차 코일과 커패시터를 포함하여 구성되고, 코일과 커패시터가 전력 전송의 기본 공진 주파수를 결정한다.
인버터는 스위칭 소자와 제어 회로를 통해 직류 전원 입력을 원하는 전압과 주파수의 교류 파형으로 변환할 수 있는데, 인버터가 공진 회로의 공진 주파수에 가까운 주파수의 교류를 생성하여 전송 장치의 전송 효율을 높일 수 있다.
통신부(142)는, 전력 변환부(141)에 연결되어, 무선 충전 모듈(100)로부터 자기 유도에 따라 무선으로 전력을 수신하는 전력 수신 모듈(500)의 전력 수신부(510)에 의하여 변조되는 무선 전력 신호를 복조하여 전력 제어 메시지를 검출할 수 있다.
마이콤(143)은, 통신부(142)가 검출하는 메시지를 기초로, 전력 변환부(141)의 동작 주파수, 전압, 전류 중 하나 이상의 특성을 결정하고, 전력 변환부(141)를 제어하여 전력 변환부(141)가 메시지에 적합한 무선 전력 신호를 생성하도록 할 수 있다. 통신부(142)와 마이콤(143)은 하나의 모듈로 구성될 수 있다.
전력 수신부(510)는, 전력 변환부(141)의 1차 코일에서 발생하는 자기장의 변화에 따라 유도 기전력이 발생하는 수신 코일과 커패시터로 구성되는 매칭 회로를 포함하고, 수신 코일에 흐르는 교류 전류를 정류하여 직류 전류를 출력하는 정류 회로를 포함할 수 있다.
전력 수신 모듈(500)의 통신부(520)는, 전력 수신부(510)에 연결되고, DC에서의 저항 부하 및/또는 AC에서의 용량성 부하를 조절하는 방식으로 전력 수신부의 부하를 조절함으로써, 전송 장치와 수신 장치 사이의 무선 전력 신호를 변화시켜 전력 제어 메시지를 무선 충전 모듈(140)에 전송할 수 있다.
전력 수신 모듈(500)의 마이콤(530)은, 전력 수신 모듈(500)에 포함된 각 구성 요소를 제어하는데, 전력 수신부(510)의 출력을 전류 또는 전압 형태로 측정하고, 이를 근거로 통신부(520)를 제어하여 무선 충전 모듈(140)에 전력 제어 메시지를 전달할 수 있다. 메시지는 무선 충전 모듈(140)로 하여금 무선 전력 신호의 전달을 시작하거나 종료하도록 지시할 수 있고 또한 무선 전력 신호의 특성을 조절하도록 할 수 있다.
무선 충전 모듈의 전력 변환부(141)에 의하여 형성된 무선 전력 신호는 전력 수신부(510)에 의하여 수신되고, 전력 수신 모듈의 마이콤(530)은 무선 전력 신호를 변조하도록 통신부(520)를 제어한다. 마이콤(530)은 통신부(520)의 리액턴스(reactance)를 변경시킴으로써 무선 전력 신호로부터 수신하는 전력량이 변하도록 하는 변조 과정을 수행할 수 있다. 무선 전력 신호로부터 수신되는 전력량이 변하면 무선 전력 신호를 형성시키는 전력 변환부(141)의 전류 및/또는 전압도 바뀌고, 무선 충전 모듈(140)의 통신부(142)는 전력 변환부(141)의 전류 및/또는 전압의 변경을 감지하여 복조 과정을 수행할 수 있다.
전력 수신 모듈의 마이콤(530)은, 무선 충전 모듈(140)에게 전달하고자 하는 메시지를 포함하는 패킷을 생성하고 생성되는 패킷을 포함하도록 무선 전력 신호를 변조하고, 무선 충전 모듈의 마이콤(143)은 통신부(142)를 통해 추출한 패킷을 디코딩 하여 전력 제어 메시지를 획득할 수 있다. 전력 수신 모듈의 마이콤(530)은 수신되는 파워를 조절하기 위하여 전력 수신부(510)를 통해 수신되는 전력량을 근거로 무선 전력 신호의 특성을 변경을 요청하는 메시지를 전송할 수 있다.
도 7은 중전력 전송이 가능한 분할 코일로 구성된 다중 코일을 도시한 것이다.
전력 전송 능력과 전송 거리의 개선을 위해서 다중 코일을 사용하는 무선 충전기에 대한 개발이 진행되고 있고, 그 중에서도 도 7과 같이 중전력 이상의 전력 전송을 위한 분할 코일로 구성된 다중 코일이 개발되고 있다.
도 7에 도시한 것과 같이, 원주를 n개, 예를 들어 3개로 분할하여 부채꼴 형상으로 3개의 분할 코일이 배치되어 다중 코일을 형성할 수 있는데, 원주를 3개가 아니라 3 이상인 n개로 분할하여 분할 코일을 형성할 수도 있다. 도 7에서 음영으로 표시된 코일이 동작 중인 코일이고(Activated), 음영이 없는 코일이 동작하고 있지 않은 코일이다(Not activated).
저전력 전송을 위해 분할 코일 중 일부만을 구동하거나 중전력 전송을 위해 분할 코일을 모두 구동할 수 있는데, 중전력을 전송할 때 분할 코일에 흘리는 전류를 동일하게 할 수 있다.
도 7 구조의 다중 코일을 사용할 때, 전력을 무선으로 전송할 수 있는 전력 수신 장치까지의 거리를 늘릴 수 있고, 수신 장치의 사양에 따라 저전력 전송과 중전력 전송을 선택할 수 있다.
도 7 구조의 다중 코일을 포함하는 무선 충전 모듈(140)은 전력 수신 장치의 수신 코일이 감지되면, 3개의 분할 코일 중 적어도 하나를 이용하여 인밴드 방식으로 ASK나 FSK에 따라 수신 코일과 통신을 할 수 있다.
분할 코일을 모두 사용하여 중전력 이상의 전력 전송 때에는 저전력 블루투스(BLE: Bluetooth Low Energy), 무선 근거리 통신(NFC: Near Field Communication), 지그비(ZigBee) 등을 이용하는 아웃어브 밴드(Out of Band) 방식으로 무선 충전기와 전력 수신 모듈 사이 전력 전송을 위한 통신을 수행할 수 있다.
도 5에서 관리 터미널(300)과의 통신을 위해 사용될 통신 모듈(150)은, 중전력 이상으로 전력을 전송할 때는, 아웃어브 밴드 방식으로 전력 수신 모듈(500)과 전력 전송과 관련된 메시지를 주고받을 수도 있다.
즉, 중전력을 전송할 수 있도록 도 7과 같은 다중 코일을 구비한 무선 충전기의 통신 모듈(150)은, 전력 전송 전의 핑 단계, 식별/구성 단계, 협상 단계뿐만 아니라 전력 전송 단계에 걸쳐, 아웃어브 밴드 방식으로 전력 수신 모듈(500)과 통신 동작을 수행하여 무선 충전 모듈(140)이 전력 수신 모듈(500)로 전력을 전송할 수 있도록 제어할 수 있다.
도 8은 무선 충전 인프라를 구성하는 무선 충전기의 통신 모듈이 관리 단말기에 제공하는 정보를 도시한 것이고, 도 9는 무선 충전기의 통신 모듈이 관리 단말기에 정보를 제공하는 동작 흐름도를 도시한 것이다.
통신 모듈(150)은, 소정 시간 간격으로 해당 무선 충전기(100)와 관련된 정보를 관리 터미널(300)로 전송할 수 있고, 또한 배터리 팩(200)이 무선 충전기에 부착되어 전원이 공급될 때에도 바로 해당 무선 충전기와 관련된 정보를 관리 터미널(300)로 전송할 수 있다.
제어부(130)는, 소정 주기가 경과하는지 확인하고, 소정 주기가 경과하면 배터리 팩(200)의 배터리 상태를 확인하고 또한 무선 충전 모듈(140)이 스마트 기기를 충전하고 있는지 여부를 확인하고, 확인된 정보 및 해당 무선 충전기가 장착된 테이블 식별 정보를 통신 모듈(150)에 전달한다.
통신 모듈(150)은 제어부(130)가 전달하는 정보, 즉 테이블 식별 정보(ID), 배터리 상태 정보 및 충전 중 여부 정보를 관리 터미널(300)에 무선으로 전송할 수 있다.
통신 모듈(150)은, 비콘 신호를 근거로 해당 무선 충전기(100)의 위치를 계산하고, 계산한 위치 정보를 테이블 식별 정보 대신 전송할 수도 있다.
관리 터미널(300) 또는 관리 터미널(300)에서 실행되는 어플리케이션 프로그램은, 복수 개의 무선 충전기의 통신 모듈이 전송하는 정보를 취합하여 디스플레이나 소리를 통해 관리자에게 전달할 수 있는데, 특히 배터리 상태 정보를 소정의 문턱 값과 비교하여 배터리 팩(200)의 배터리 상태가 문턱 값보다 낮은 무선 충전기(100) 또는 테이블을 관리자가 쉽게 인지할 수 있도록 다른 테이블과 구분하여 출력할 수 있다.
관리자는, 관리 터미널(300)이 제공한 정보를 근거로, 무선 충전 스테이지(400)에 소정 레벨 이상 충전된 배터리 팩(400)을 배터리 상태가 문턱 값보다 낮은 배터리 팩(200) 대신 해당 무선 충전기(100)에 결합시키고, 해당 무선 충전기(100)에서 분리된 배터리 팩(200)을 무선 충전 스테이지(400)에 장착하여 다시 충전을 진행시킬 수 있다.
관리 터미널(300)은, 복수의 무선 충전기(100)가 주기적으로 제공하는 정보를 근거로, 해당 무선 충전 인프라를 이용하는 양태를 분석하고 이를 근거로 추가 서비스를 위한 자료를 관리자에게 제공할 수 있다.
즉, 관리 터미널(300)이 고객이 많이 이용하는 테이블이나 고객이 많이 이용하는 시간대를 확인하여 관리자에게 제공하면, 관리자는 고객이 선호하는 테이블이나 위치를 파악하여 매장 내 테이블을 재배치할 수 있고, 또한 고객이 주로 사용하는 테이블의 청소 빈도를 높이거나 청소 시간을 바꿀 수 있다.
이 명세서에 기재된 무선 충전 시스템은 아래와 같이 설명될 수 있다.
일 실시예에 따른 무선 충전 시스템은, 무선 충전 모듈과 통신 모듈을 포함하는 하나 이상의 무선 충전기; 무선 충전기와 탈부착 가능하고 무선 충전기와 결합하여 무선 충전기에 동작 전원을 공급하기 위한 하나 이상의 배터리 팩; 및 하나 이상의 무선 충전기에 무선으로 연결되는 관리 터미널을 포함하여 구성되고, 통신 모듈은 배터리 팩의 상태 정보를 관리 터미널에 전송할 수 있다.
일 실시예에서, 무선 충전 시스템은 하나 이상의 배터리 팩을 충전하기 위한 충전 스테이지를 더 포함하여 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 배터리 팩의 상태 정보는 배터리 팩의 충전 상태와 배터리 팩의 노화 정도를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 무선 충전기는 무선 충전 모듈이 충전을 진행하고 있는지 여부를 가리키는 정보를 관리 터미널에 전송할 수 있다.
일 실시예에서, 무선 충전기는 소정 시간 간격으로 배터리 팩의 상태 정보와 무선 충전기를 식별하는 식별 정보를 관리 터미널에 전송할 수 있다.
일 실시예에서, 식별 정보는 무선 충전기가 매립되는 테이블을 식별하는 테이블 식별 정보일 수 있다.
일 실시예에서, 무선 충전기는 소정 시간 간격으로 배터리 팩의 상태 정보와 무선 충전기의 위치 정보를 관리 터미널에 전송할 수 있다.
일 실시예에서, 통신 모듈은 하나 이상의 비콘 신호를 근거로 무선 충전기의 위치 정보를 계산할 수 있다.
일 실시예에서, 통신 모듈은 무선 충전 모듈이 전력 수신 모듈로 중전력을 전송할 수 있도록 전력 수신 모듈과 통신 동작을 수행할 수 있다.
일 실시예에서, 통신 모듈은 핑 단계, 식별/구성 단계, 협상 단계 및 전력 전송 단계에 걸쳐 아웃어브 밴드 방식으로 전력 수신 모듈과 통신 동작을 수행할 수 있다.
일 실시예에서, 관리 터미널은 상태 정보를 근거로 충전이 필요한 배터리 팩을 알릴 수 있다.
다른 실시예에 따른 무선 충전기는, 유도 결합 방식으로 전력을 수신 장치에 전달하기 위한 무선 충전 모듈; 분리 가능한 배터리 팩으로부터 전력을 공급 받기 위한 통로를 제공하는 접속 단자; 및 전력을 공급하는 배터리 팩의 충전 상태를 관리 터미널에 전송하기 위한 통신 모듈을 포함하여 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 통신 모듈은 무선 충전 모듈이 충전을 진행하고 있는지 여부를 가리키는 정보를 관리 터미널에 전송할 수 있다.
일 실시예에서, 통신 모듈은 무선 충전기를 식별하는 식별 정보 또는 무선 충전기의 위치 정보를 관리 터미널에 더 전송할 수 있다.
일 실시예에서, 통신 모듈은 하나 이상의 비콘 신호를 근거로 위치 정보를 계산할 수 있다.
일 실시예에서, 무선 충전 모듈은 복수 개의 분할 코일을 1차 코일로 포함하는 공진 회로를 포함하고, 통신 모듈은 복수 개의 분할 코일 중 둘 이상을 이용하여 중전력을 전력 수신 모듈로 전송할 때 아웃어브 밴드 방식으로 전력 수신 모듈과 통신 동작을 수행할 수 있다.
본 발명은 기재된 실시예들에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
100: 무선 충전기 110: 후크
120: 접촉 단자 130: 제어부
140: 무선 충전 모듈 150: 통신 모듈
200: 배터리 팩 210: 홈
300: 관리 터미널 400: 배터리 충전 스테이지
500: 전력 수신 모듈

Claims (17)

  1. 무선 충전 모듈과 통신 모듈을 포함하는 하나 이상의 무선 충전기;
    상기 무선 충전기와 탈부착 가능하고 상기 무선 충전기와 결합하여 상기 무선 충전기에 동작 전원을 공급하기 위한 하나 이상의 배터리 팩; 및
    상기 하나 이상의 무선 충전기에 무선으로 연결되는 관리 터미널을 포함하여 구성되고,
    상기 통신 모듈은 상기 배터리 팩의 상태 정보를 상기 관리 터미널에 전송하는 것을 특징으로 하는 무선 충전 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 배터리 팩을 충전하기 위한 충전 스테이지를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 무선 충전 시스템.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 배터리 팩의 상태 정보는 상기 배터리 팩의 충전 상태와 상기 배터리 팩의 노화 정도를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 충전 시스템.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 무선 충전기는 상기 무선 충전 모듈이 충전을 진행하고 있는지 여부를 가리키는 정보를 상기 관리 터미널에 전송하는 것을 특징으로 하는 무선 충전 시스템.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 무선 충전기는 소정 시간 간격으로 상기 배터리 팩의 상태 정보와 상기 무선 충전기를 식별하는 식별 정보를 상기 관리 터미널에 전송하는 것을 특징으로 하는 무선 충전 시스템.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 식별 정보는 상기 무선 충전기가 매립되는 테이블을 식별하는 테이블 식별 정보인 것을 특징으로 하는 무선 충전 시스템.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 무선 충전기는 소정 시간 간격으로 상기 배터리 팩의 상태 정보와 상기 무선 충전기의 위치 정보를 상기 관리 터미널에 전송하는 것을 특징으로 하는 무선 충전 시스템.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 통신 모듈은 하나 이상의 비콘 신호를 근거로 상기 무선 충전기의 위치 정보를 계산하는 것을 특징으로 하는 무선 충전 시스템.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 통신 모듈은 상기 무선 충전 모듈이 전력 수신 모듈로 중전력을 전송할 수 있도록 상기 전력 수신 모듈과 통신 동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 무선 충전 시스템.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 통신 모듈은 핑 단계, 식별/구성 단계, 협상 단계 및 전력 전송 단계에 걸쳐 아웃어브 밴드 방식으로 상기 전력 수신 모듈과 상기 통신 동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 무선 충전 시스템.
  11. 제1 항, 제5 항 및 제7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 관리 터미널은 상기 상태 정보를 근거로 충전이 필요한 배터리 팩을 알리는 것을 특징으로 하는 무선 충전 시스템.
  12. 유도 결합 방식으로 전력을 수신 장치에 전달하기 위한 무선 충전 모듈;
    분리 가능한 배터리 팩으로부터 전력을 공급 받기 위한 통로를 제공하는 접속 단자; 및
    상기 전력을 공급하는 배터리 팩의 충전 상태를 관리 터미널에 전송하기 위한 통신 모듈을 포함하여 구성되는 무선 충전기.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 통신 모듈은 상기 무선 충전 모듈이 충전을 진행하고 있는지 여부를 가리키는 정보를 상기 관리 터미널에 전송하는 것을 특징으로 하는 무선 충전기.
  14. 제12 항에 있어서,
    상기 통신 모듈은 상기 무선 충전기를 식별하는 식별 정보를 상기 관리 터미널에 더 전송하는 것을 특징으로 하는 무선 충전기.
  15. 제12 항에 있어서,
    상기 통신 모듈은 상기 무선 충전기의 위치 정보를 상기 관리 터미널에 더 전송하는 것을 특징으로 하는 무선 충전기.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 통신 모듈은 하나 이상의 비콘 신호를 근거로 상기 위치 정보를 계산하는 것을 특징으로 하는 무선 충전기.
  17. 제12 항에 있어서,
    상기 무선 충전 모듈은 복수 개의 분할 코일을 1차 코일로 포함하는 공진 회로를 포함하고,
    상기 통신 모듈은, 상기 복수 개의 분할 코일 중 둘 이상을 이용하여 중전력을 전력 수신 모듈로 전송할 때, 아웃어브 밴드 방식으로 상기 전력 수신 모듈과 통신 동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 무선 충전기.
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