WO2018131764A1 - 레이저를 이용한 전력 전송 시스템 및 방법 - Google Patents

레이저를 이용한 전력 전송 시스템 및 방법 Download PDF

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WO2018131764A1
WO2018131764A1 PCT/KR2017/008007 KR2017008007W WO2018131764A1 WO 2018131764 A1 WO2018131764 A1 WO 2018131764A1 KR 2017008007 W KR2017008007 W KR 2017008007W WO 2018131764 A1 WO2018131764 A1 WO 2018131764A1
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power
laser
transmitter
receiver
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PCT/KR2017/008007
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Inventor
박용완
엄정숙
김건정
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영남대학교 산학협력단
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    • H04B5/00—Near-field transmission systems, e.g. inductive or capacitive transmission systems
    • H04B5/70—Near-field transmission systems, e.g. inductive or capacitive transmission systems specially adapted for specific purposes
    • H04B5/79—Near-field transmission systems, e.g. inductive or capacitive transmission systems specially adapted for specific purposes for data transfer in combination with power transfer

Definitions

  • the present invention relates to a power transmission system and method using a laser, and more particularly, to a power transmission system and method for transmitting and receiving power by selecting an optimal power transmitter in a power transmission system consisting of a plurality of power transmitters and power receivers. .
  • TCO Low total cost of ownership
  • EVs electric vehicles
  • the plug-in charging methods currently used by electric vehicles are complex and pose potential problems in terms of health, safety and reliability.
  • the public charging facilities on the road may be damaged by vandalism and may damage the urban landscape.
  • Wireless charging is also important for its simplified functionality with minimal user intervention, but high power transfer efficiency must be ensured first.
  • Laser-powered wireless power transmission technology uses high-power laser power beaming (LPB), which transmits power generated by solar power from space to the ground, transmits power from the earth to the moon, or military It is applied to a field requiring medium to long distance power transmission such as an unmanned aerial vehicle.
  • LPB laser power beaming
  • a power transmission system and method using a laser capable of effective power transmission by selecting an appropriate transmitter among a plurality of power transmitters in order to receive power required by the power receiver Is to provide.
  • Power transmission system using a laser comprises one or more power transmitter for outputting a laser; And a power receiver including a transmitter selector configured to receive the laser, convert the power into power, and select a power transmitter capable of transmitting power according to a predetermined criterion among the one or more power transmitters.
  • a method of transmitting power using a laser includes: broadcasting, by a power receiver, an information request message to one or more power transmitters; The power transmitter sequentially transmitting a first level of power for each optical channel; And collecting, by the power receiver, path information available through the received signal strength and power information of the first level, and selecting a power transmission path according to a predetermined criterion.
  • the power receiver when there are a plurality of power receivers and a plurality of power transmitters in a wireless power transmission system using a laser power beam, the power receiver is configured to receive power required by the power receiver. Efficient power transmission is possible by selecting an appropriate transmitter among several power transmitters.
  • the power transmission system and method using a laser according to an embodiment of the present invention has the effect of reducing the cost by building a power transmission system using the surrounding infrastructure, such as traffic lights.
  • FIG. 1 is a view showing the overall configuration of a power transmission system using a laser according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of a power transmitter according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration of a power receiver according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a view showing a specific operation of the power transmission system using a laser according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 illustrates an operation algorithm of a power transmitter according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 illustrates an operation algorithm of a power receiver according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a flowchart illustrating a power transmission method using a laser according to an embodiment of the present invention.
  • a power transmission system using a laser according to an embodiment of the invention includes a power transmitter (100-1, 100-2 ...) and a power receiver 250.
  • the power transmitters 100 100-1, 100-2... Transmit power to the power receiver 250 via a laser.
  • the power transmitter 100 may be formed in plural and, for example, may be mounted on a traffic signal to communicate with the electric vehicle 200 through a vehicle to infrastructure (V2I).
  • V2I vehicle to infrastructure
  • a power transmission system and method using a laser has been described using an electric vehicle as an example, but may be applied to a drone, but the present invention is not limited thereto.
  • the power transmitter 100 wirelessly supplies power to the power receiver 250 by using a laser power beam, and the 32-bit unique power information uniquely distinguishes the start signal having a 1-bit size and the power transmitter 250.
  • the wireless optical channel identification number indicates the direction in which the laser beam is sent in the hemispherical coordinate system.
  • the 7-bit size ⁇ is the angle formed by the positive z-axis direction in the spherical coordinate system
  • the 9-bit size ⁇ is the angle formed by the x-axis positive direction in the xy plane.
  • the checksum is used to detect an error in the power information transmission process, and the device identification number, the wireless fiber channel identification number, and the maximum transmit power information are generated as CRCs.
  • the power transmitter 100 transmits its own power information to the power receiver 250 using the laser beam in the searching step, and transmits it as the laser power beam of the maximum transmission power in the power supplying step.
  • the power transmitter 100 is always connected to V2I to receive a message broadcast by the power receiver 250.
  • the unique power information transmitted by the power transmitter 100 can be distinguished from the unique power information transmitted by the other power transmitter 100 so that DS-OCDMA (Direct Sequence Optical Code Division Multiple Access) can be distinguished. Access encoded data.
  • DS-OCDMA Direct Sequence Optical Code Division Multiple Access
  • the DS-OCDMA scheme is spread with a 1D Unipolar Synchronous Prime Sequence Code, and then nonzero-returned on-off modulation (Non-). Digital modulation is performed using Return-to-Zero On-Off Keying (NRZ-OOK) method.
  • NRZ-OOK Return-to-Zero On-Off Keying
  • a synchronous prime sequence code of length 17 is used so that 16 different power transmitters with 4-bit device identification numbers can be assigned different codes.
  • the power receiver 250 receives the transmission power from the power transmitter 100, and is coupled to the operation objects 200-1, 200-2:: 200 and transmits the received power to the driving unit of the operation object 200. To pass.
  • the power receiver 250 is connected to the electric vehicle 200 which communicates with the traffic light through V2I and receives the laser power beam supplied by the power transmitter 100 using the solar panel and converts it into electric power.
  • the power receiver 250 may send an information request message, a supply start message, and a supply stop message to the power transmitter 100 at V2I.
  • the power transmitter 100 decodes the information sent to the DS-OCDMA to receive unique information according to the wireless optical channel with the power transmitter 100, and receives the power transmitter 100 and the wireless optical channel based on the reception intensity of the laser beam. Calculate the maximum possible power.
  • the power supply and supply is selected by selecting an optimal power transmitter 100 and a wireless optical channel according to power required for supply and demand.
  • the power receiver 250 may receive transmit power from the plurality of power transmitters 100. That is, one power receiver 250 receives the transmission power from the one or more power transmitters 100 to enable fast power reception. A detailed configuration of the power receiver 250 will be described later with reference to FIG. 3.
  • the power transmitter 100 includes a laser source 110, a reception area detector 120, a direction controller 130, and a communication unit 140.
  • the plurality of power transmitters 100 may have different maximum transmit powers and wireless optical channels, and may be received by the power receiver 250 according to a geometric positional relationship such as a distance between the power transmitter 100 and the power receiver 250 and an incident angle. This is different.
  • the laser source 110 outputs laser light.
  • the laser source 110 outputs a first level output used in the searching step and a relatively high level second output used in the power supply step.
  • the first level is a level output to search for the power receiver 250, and the power transmitter 100 encodes its own power information by DS-OCDMA so that a first level per pulse (for example, 46 ⁇ J / m 2)
  • the laser power is transmitted sequentially for each wireless optical channel.
  • the second level refers to the laser power beam level of the maximum power transmitted to the power receiver 250 specified to transfer power to the power receiver 250.
  • the reception area detector 120 detects a power receiver 250 capable of receiving power energy, and senses a coordinate position of the reception area of the power receiver 250 and is a device capable of receiving power through a laser. Judge.
  • the direction controller 130 controls the direction of the laser source 110 in response to the reception area detected by the reception area detection unit 120. Accordingly, the laser of the second output is incident on the reception area of the power receiver 250.
  • the communication unit 140 communicates with the power receiver 250 and may receive and respond to an information request message, a supply start request message, a supply stop request message, and the like.
  • the power receiver 250 may include a communicator 251, a power converter 252, a transmitter selector 253, and a power transmitter 254.
  • the power receiver 250 may be attached to the ceiling of the electric vehicle 200 and used. When one power receiver 250 receives power from the plurality of power transmitters 100, the reception positions of the lasers may be allocated to different areas.
  • the communication unit 251 may transmit an information request message, a supply start request message, a supply stop request message, and the like to the power transmitter 100.
  • the power converter 252 converts the laser received from the power receiver 250 into power that can be used by the electric vehicle 200, which is an operation object, and the power transmission unit 254 converts the laser into the electric vehicle 200. Delivers power.
  • the transmitter selector 253 selects a power transmitter 100 capable of optimal power transmission among the plurality of power transmitters 100.
  • the selection criteria the power conversion efficiency, the amount of power required for charging, the number of power transmitters 100, etc. may be considered and may be set as necessary.
  • FIG. 4 is a view showing a specific operation of the power transmission system using a laser according to an embodiment of the present invention.
  • the power transmission system using a laser is a traffic light 10, the power transmitter 100 coupled to the traffic light 10, the power receiver 250 and the electric vehicle 200 that is the operation object ) May be included.
  • the power transmitter 100 and a power receiver 250 are illustrated in the drawing, a plurality of power transmitters 100 may be configured.
  • the power receiver 250 broadcasts an information request message to the power transmitter 100.
  • the information request message may be received by one or more power transmitters 100.
  • the power transmitter 100 receiving the information request message transmits the laser power of the first level by switching from the standby phase to the discovery phase. At this time, its own power information is encoded by DS-OCDMA to transmit 46 ⁇ J / m 2 of laser power per pulse.
  • the power receiver 250 collects power information and received signal strength information for each of the one or more power transmitters 100 and selects a power transmitter 100 capable of optimal power transmission among power supply-enabled paths. When two or more power transmitters 100 are selected, the selected power transmitter 100 may enter the power receiver 250 by adjusting the directions of the lasers so as not to overlap each other.
  • the operation stage of the power transmitter 100 is divided into a standby stage, a discovery stage, and a power supply stage, as shown in FIG. 5.
  • the waiting step is not performing laser transmission, and waits for receiving an information request message of the power receiver 250 through V2I.
  • the searching step is performed by the power transmitter 100 receiving the information request message of the power receiver 250.
  • the power transmitter 100 encodes its own power information by DS-OCDMA for each power transmitter 100, and then risks of laser exposure. It emits at 46 ⁇ J / m2 laser power per pulse to meet this first class exposure limit.
  • the power transmitter 100 sequentially transmits the encoded information using only one channel at a time on a wireless optical channel that can be transmitted.
  • the searching step is performed by all the power transmitters 100 having received the information request message at the same time, but the end times are different because the number of wireless optical channels is different for each power transmitter 100.
  • the process returns to the standby stage and waits for a message from the power receiver 250.
  • the power supply stage only the power transmitter 100 that is requested to supply power by the power receiver 250 operates.
  • the power receiver 250 After the power receiver 250 analyzes the information received in the discovery step, selects the optimal power transmitter 100, and then designates a wireless optical channel to transmit power to the power transmitter 100, and transmits a supply start message.
  • the power transmitter 100 transmits the maximum power using the laser power beam to the corresponding wireless optical channel.
  • Receiving a supply stop message from the power receiver 250 stops power transmission and switches to the standby step.
  • the operation phase of the power receiver 250 is divided into a standby phase, a discovery phase, and a power supply / demand phase.
  • the standby stage is a stage where laser reception is not performed.
  • the standby stage is switched to the discovery stage and the information request message is broadcasted to V2I.
  • the power transmitter 100 receives the response transmitted by the laser to the solar panel after broadcasting the message and records the signal strength together.
  • the power transmitter 100 transmits the laser at the first level, but the level received by the power receiver 250 is less than or equal to the first level due to an angle and a position.
  • the checksum is compared by CRC, and only the received power information is stored with the signal strength without error. Since all power transmitters 100 transmit their own power information at a first level per pulse, for example, 46 ⁇ J / m 2, the power transmitter 100 and the power receiver 250 have a distance and incidence angle. The received signal strength is received differently.
  • the maximum power that can be received by the power receiver 250 may be calculated according to the maximum power that the power transmitter 100 can send to the wireless optical channel.
  • the received signal intensity P R of the laser transmitted from the power receiver 250 to the solar panel is represented by Equation (1).
  • P R Received signal intensity (W)
  • P Tclass1 Size of transmitted laser (W)
  • ⁇ t Laser incidence angle (°) in solar panel
  • A Area of solar panel (m2)
  • D L Transmit
  • ⁇ t divergence angle of the transmitted laser (rad)
  • R T distance between transmitter and receiver (m)
  • ⁇ atm energy transfer rate due to atmospheric environment
  • the magnitude of the laser energy (P Tclass1 ) transmitted among the parameters of Equation (1) has an energy magnitude of 46 ⁇ J / m 2 per pulse during the search phase, but the maximum power transmitted by the power transmitter 100 when transmitting the laser energy. Change to the second level of.
  • Equation (2) the energy transfer rate ⁇ sys calculated by the received signal strength that varies in the search step according to the power transmitter 100 is simplified by Equation (2).
  • the power receiver 250 is most suitable using the power receiver 250 calculated by substituting the inherent power information of the power transmitter 100 and the received signal strength into Equation (3) and the maximum power available for each wireless optical channel.
  • the power transmitter 100 and the wireless optical channel are selected to generate an optimal power transmission path.
  • the power receiver 250 selects a power transmitter 100 capable of supplying a power slightly higher than the power required by the power receiver 250, in addition to the maximum power available.
  • the transmission path can also be selected.
  • the power receiver 250 transitions to a power supply and reception phase, and transmits wireless fiber channel information to the selected power transmitter 100 together with the supply start message. If the necessary power is not supplied by the power transmitted by one power transmitter 100, the power supply 100 distributes the required power and transmits a supply start message.
  • the power receiver 250 converts the received laser power beam into electric power by using a solar panel, and receives necessary power. If power supply is not required, a supply stop message is transmitted to the corresponding power transmitter 100. When all power transmitters 100 that have been supplying power stop power transmission, the power receiver 250 transitions to a standby state until power supply and demand is required.
  • FIG. 7 is a flowchart illustrating a power transmission method using a laser according to an embodiment of the present invention.
  • the power receiver 250 requiring power supply is switched to the discovery stage and broadcasts an information request message to the one or more power transmitters 100 through the V2I (S100).
  • the power transmitter 100 in the standby state switches to the discovery phase and then encodes its own power information by DS-OCDMA to generate a first level, for example, one pulse.
  • the laser power of 46 ⁇ J / m 2 is sequentially transmitted to each wireless optical channel (S200).
  • the power receiver 250 broadcasting the information request message collects route information available for all power information received while waiting for a predetermined time through power information without transmission error and received signal strength (S300).
  • the power receiver 250 converts the power receiver 250 into a magnitude of power available using Equation (2) and Equation (3) and stores the converted power.
  • the energy transfer rate may be calculated.
  • the power receiver 250 records power information and reception strength received by the solar panel, decodes the received power information by DS-OCDMA, and detects a transmission error with a checksum.
  • the power receiver 250 selects an optimal power transmission path among all paths capable of receiving power (S400). If one power transmitter does not receive the required power, it is possible to select the optimal power transmission path by allocating the required power to several other power transmitters 100.
  • the power receiver 250 transfers to the power supply stage, and then transmits the supply start message and the selected wireless optical channel information to the selected power transmitter 100 by V2I (S500), and the selected power transmitter 100 supplies power. After switching to the step, and transmits the laser power beam of maximum power to the selected wireless optical channel (S600).
  • the power receiver 250 converts and uses the laser power beam received by the solar panel into power.
  • the power receiver 250 broadcasts a supply stop message to the power transmitter 100 at V2I when power supply and demand are not needed. Receiving the supply stop message, the power transmitter 100 stops transmitting power and switches to the standby step.
  • the power receiver 250 confirms that all of the power transmitters 100 that have been supplying power have been stopped.

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Abstract

발명의 실시예에 따른 레이저를 이용한 전력 전송 시스템은 레이저를 출력하는 하나 이상의 전력 송신기; 및 상기 레이저를 수신하여 전력으로 변환하고, 상기 하나 이상의 전력 송신기 중에서 미리 정해진 기준에 따라 전력 전송이 가능한 전력 송신기를 선택하는 송신기 선택부를 포함하는 전력 수신기;를 포함한다.

Description

레이저를 이용한 전력 전송 시스템 및 방법
본 발명은 레이저를 이용한 전력 전송 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 복수의 전력 송신기와 전력 수신기로 구성된 전력 전송 시스템에서 최적의 전력 송신기를 선택하여 전력을 송수신하는 전력 전송 시스템 및 방법에 관한 것이다.
전기 자동차(Electric Vehicle, EV)와 같이 전기를 이용하는 작동 대상체의 보급에 있어서 낮은 총소유 비용(Total Cost of Ownership, TCO)과 단순한 충전은 소비자의 구매 결정에 가장 큰 영향을 미치는 요인이다. 현재 전기 자동차들이 사용하는 플러그인 충전 방식은 과정이 복잡하고 건강과 안전성, 신뢰성 측면에서 잠재적인 문제를 초래한다. 특히 노상의 공공 충전설비는 파괴 행위로 인한 손상의 우려가 있고, 도시경관을 해칠 수 있다.
무선 충전은 최소한의 사용자 개입으로 조작할 수 있는 단순화된 기능도 중요하지만, 높은 전력 전송 효율이 우선적으로 보장되어야 한다.
레이저를 이용한 무선 전력 전송 기술은 고출력의 레이저 파워 빔(LPB, Laser Power Beaming)을 이용하는 기술로서 우주에서 태양광 발전을 통해 생성된 전력을 지상에 보내거나, 지구에서 달에 전력을 전송하거나, 군사용 무인항공기처럼 중장거리 전력 전송이 요구되는 분야에 적용되고 있다.
본 발명은 여러 개의 전력 수신기와 여러 개의 전력 송신기가 있을 경우, 전력 수신기가 자신에게 필요한 전력을 전송받기 위하여 여러 개의 전력 송신기 중에서 적절한 송신기를 선택하여 효과적인 전력 전송이 가능한 레이저를 이용한 전력 전송 시스템 및 방법을 제공하고자 하는 것이다.
또한, 교통 신호등과 같은 주변 인프라를 이용하여 전력 송신 시스템을 구축함으로써, 비용이 절감되는 레이저를 이용한 전력 전송 시스템 및 방법을 제공하고자 하는 것이다.
발명의 실시예에 따른 레이저를 이용한 전력 전송 시스템은 레이저를 출력하는 하나 이상의 전력 송신기; 및 상기 레이저를 수신하여 전력으로 변환하고, 상기 하나 이상의 전력 송신기 중에서 미리 정해진 기준에 따라 전력 전송이 가능한 전력 송신기를 선택하는 송신기 선택부를 포함하는 전력 수신기;를 포함한다.
발명의 실시예에 따른 레이저를 이용한 전력 전송 방법은 전력 수신기가 하나 이상의 전력 송신기로 정보 요청 메시지를 방송하는 단계; 상기 전력 송신기는 제1 레벨의 전력을 각각의 광채널에 대해 순차적으로 송출하는 단계; 및 상기 전력 수신기가 상기 제1 레벨의 수신 신호세기와 전력 정보를 통해 수급 가능한 경로 정보를 수집하고, 미리 정해진 기준에 따라 전력 전송 경로를 선택하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 레이저를 이용한 전력 전송 시스템 및 방법은 레이저 파워 빔을 이용하는 무선 전력 전송 시스템에서 여러 개의 전력 수신기와 여러 개의 전력 송신기가 있을 경우, 전력 수신기가 자신에게 필요한 전력을 전송받기 위하여 여러 개의 전력 송신기 중에서 적절한 송신기를 선택하여 효율적인 전력 전송이 가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 레이저를 이용한 전력 전송 시스템 및 방법은 교통 신호등과 같은 주변 인프라를 이용하여 전력 송신 시스템을 구축함으로써, 비용이 절감되는 효과가 있다.
도 1은 발명의 실시예에 따른 레이저를 이용한 전력 전송 시스템의 전반적인 구성도를 나타내는 도면이다.
도 2는 발명의 실시예에 따른 전력 송신기의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 발명의 실시예에 따른 전력 수신기의 구성을 나타내는 도면이다.
도 4는 발명의 실시예에 따른 레이저를 이용한 전력 전송 시스템의 구체적인 작동을 나타내는 도면이다.
도 5는 발명의 실시예에 따른 전력 송신기의 동작 알고리즘을 나타내는 도면이다.
도 6은 발명의 실시예에 따른 전력 수신기의 동작 알고리즘을 나타내는 도면이다.
도 7은 발명의 실시예에 따른 레이저를 이용한 전력 전송 방법을 나타내는 흐름도이다.
본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 본 발명에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.
또한, 본 발명에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 발명에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계를 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
도 1은 발명의 실시예에 따른 레이저를 이용한 전력 전송 시스템의 전반적인 구성도를 나타내는 도면이다. 도시된 바와 같이, 발명의 실시예에 따른 레이저를 이용한 전력 전송 시스템은 전력 송신기(100-1, 100-2...) 및 전력 수신기(250)를 포함한다.
전력 송신기(100: 100-1, 100-2...)는 레이저를 통해 전력 수신기(250)로 전력을 송신한다. 전력 송신기(100)는 복수로 형성될 수 있으며, 예를 들어, 교통 신호등에 장착되어 전기 자동차(200)와 V2I(Vehicle to Infrastructure)로 통신할 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 전기 자동차를 예로 들어 레이저를 이용한 전력 전송 시스템 및 방법을 설명하였으나, 드론에도 적용될 수 있으며 이에 대해 한정하는 것은 아니다.
전력 송신기(100)는 레이저 파워 빔을 이용하여 전력 수신기(250)에 무선으로 전력을 공급하며, 32비트 크기의 고유 전력 정보는 1비트 크기의 시작 신호, 전력 송신기(250)를 구분하도록 고유하게 부여된 4비트 크기의 장치 식별 번호(TX ID), 전송 가능한 무선 광채널마다 고유하게 부여된 7비트와 9비트 크기의 2가지 무선 광채널 식별 번호(Polar angle θ, Azimuthal angle ), 8비트 크기의 kW 단위의 최대 전송 전력(Max Power), 3비트 크기의 체크섬(CRC, Cyclic Redundancy Check)으로 구성된다.
무선 광채널 식별 번호는 반구형 좌표계에서 레이저 빔이 송출되는 방향을 나타낸다. 7비트 크기의 θ는 구면 좌표계에서 z축 양의 방향과 이루는 각도이고, 9비트 크기의 φ는 xy 평면으로의 사영이 x축 양의 방향과 이루는 각도이다. 체크섬은 전력 정보 송신 과정에서 오류를 검출하기 위하여 사용하며, 장치 식별 번호, 무선 광채널 식별 번호, 최대 전송 전력 정보를 CRC로 생성한 것이다.
전력 송신기(100)는 탐색 단계에서는 자신의 고유 전력 정보를 레이저 빔을 이용하여 전력 수신기(250)에 송출하고, 전력 공급 단계에서는 최대 전송 전력의 레이저 파워 빔으로 송출한다. 전력 송신기(100)는 항상 V2I로 연결되어 전력 수신기(250)가 방송하는 메시지를 수신한다. 전력 송신기(100)가 전송하는 고유 전력 정보들은 다른 전력 전송기(100)가 전송하는 고유 전력 정보들과 섞여도 구분할 수 있도록 DS-OCDMA(직접 수열 광 코드분할 다원접속: Direct-Sequence Optical Code Division Multiple Access)로 부호화된 데이터이다.
본 발명의 실시예에서 사용되는 DS-OCDMA 방식은 1차원 단극성 동기식 프라임 시퀀스 코드(1D Unipolar Synchronous Prime Sequence Code)로 대역확산(Spread Spectrum)한 후, 비제로-복귀 온-오프변조(Non-Return-to-Zero On-Off Keying, NRZ-OOK) 방법으로 디지털 변조를 수행한다. 4비트 크기의 장치 식별 번호를 가진 16개의 전력 송신기마다 서로 다른 코드를 할당할 수 있도록 길이가 17인 동기식 프라임 시퀀스 코드를 사용한다.
전력 송신기(100)의 구체적인 구성에 대해서는 도 2를 참조하여 후술한다.
전력 수신기(250)는 전력 송신기(100)로부터의 송신 전력을 수신하는 것으로, 작동 대상체(200-1, 200-2...:200)에 결합되고 수신한 전력을 작동 대상체(200)의 구동부로 전달한다.
전력 수신기(250)는 교통 신호등과 V2I로 통신하는 전기 자동차(200)와 연결되며 솔라 패널을 이용하여 전력 송신기(100)가 공급한 레이저 파워 빔을 수신하고 이를 전력으로 전환하여 사용한다.
전력 수신기(250)는 V2I로 전력 송신기(100)에게 정보 요청 메시지, 공급 시작 메시지, 공급 중단 메시지를 보낼 수 있다. 전력 송신기(100)가 DS-OCDMA로 보낸 정보를 복호화하여 전력 송신기(100)와 무선 광채널에 따른 고유 정보를 수신하고, 레이저 빔의 수신 세기를 기반으로 전력 전송기(100)와 무선 광채널에 따라 수신 가능한 최대 전력을 계산한다. 수급이 필요한 전력에 따라 최적의 전력 전송기(100)와 무선 광채널을 선택하여 전력을 수급한다.
전력 수신기(250)는 복수의 전력 송신기(100)로부터의 송신 전력을 수신할 수 있다. 즉, 하나의 전력 수신기(250)가 하나 이상의 전력 송신기(100)로부터 송신 전력을 수신함으로써 신속한 전력 수신이 가능하다. 전력 수신기(250)의 구체적인 구성에 대해서는 도 3을 참조하여 후술한다.
도 2는 발명의 실시예에 따른 전력 송신기의 구성을 나타내는 도면이다. 발명의 실시예에 따른 전력 송신기(100)는 레이저 소스(110), 수신영역 감지부(120), 방향 조절부(130) 및 통신부(140)를 포함한다.
복수의 전력 송신기(100)는 최대 전송 전력과 무선 광채널이 서로 다르고, 전력 송신기(100)와 전력 수신기(250) 사이의 거리와 입사각과 같은 기하학적 위치 관계에 따라 전력 수신기(250)에서 수신 가능한 전력이 상이하다.
레이저 소스(Laser source: 110)는 레이저 광을 출력하는 것으로, 탐색 단계에서 사용되는 제1 레벨의 출력과, 전력공급단계에서 사용되는 상대적으로 높은 레벨의 제2 출력이 가능하다.
상기 제1 레벨은 전력 수신기(250)를 탐색하기 위해 출력되는 레벨로서, 전력 송신기(100)는 자신의 고유 전력 정보를 DS-OCDMA로 부호화하여 펄스 하나당 제1 레벨(예를 들어, 46μJ/㎡)의 레이저 전력으로 각각의 무선 광채널마다 순차적으로 송출한다. 또한, 상기 제2 레벨은 전력 수신기(250)로 전력을 전달하기 위한 것으로 특정된 전력 수신기(250)로 송출되는 최대 전력의 레이저 전력 빔 레벨을 의미한다.
수신영역 감지부(120)는 전력 에너지를 수신할 수 있는 전력 수신기(250)를 감지하는 것으로, 전력 수신기(250)의 수신 영역에 관한 좌표 위치를 감지하고, 레이저를 통해 전력 수신이 가능한 기기인가를 판단한다.
방향 조절부(130)는 상기 수신영역 감지부(120)에서 감지한 수신 영역에 대응하여 레이저 소스(110)의 방향을 제어한다. 이에 따라 제2 출력의 레이저가 전력 수신기(250)의 수신 영역에 입사하게 된다.
통신부(140)는 전력 수신기(250)와 통신하는 것으로, 정보 요청 메시지, 공급 시작 요청 메시지, 공급 중단 요청 메시지 등을 수신하고 이에 대해 응답할 수 있다.
도 3은 발명의 실시예에 따른 전력 수신기의 구성을 나타내는 도면이다. 전력 수신기(250)는 통신부(251), 전력 변환부(252), 송신기 선택부(253) 및 전력 전달부(254)를 포함할 수 있다. 전력 수신기(250)는 전기 자동차(200)의 천장에 부착되어 사용될 수 있다. 하나의 전력 수신기(250)가 복수의 전력 송신기(100)로부터 전력을 수신하는 경우, 레이저의 수신 위치는 각각 다른 영역으로 할당될 수 있다.
통신부(251)는 전력 송신기(100)로 정보 요청 메시지, 공급 시작 요청 메시지, 공급 중단 요청 메시지 등을 전달할 수 있다.
전력 변환부(252)는 전력 수신기(250)에서 수신한 레이저를 작동 대상체인 전기 자동차(200)에서 사용할 수 있는 전력으로 변환하고, 전력 전달부(254)는 전기 자동차(200)로 상기 변환된 전력을 전달한다.
송신기 선택부(253)는 복수의 전력 송신기(100) 중에서 최적의 전력 전송이 가능한 전력 송신기(100)를 선택한다. 선택 기준으로 전력 변환 효율, 충전이 필요한 전력량, 전력 송신기(100)의 개수 등이 고려될 수 있으며 필요에 따라 설정될 수 있다.
도 4는 발명의 실시예에 따른 레이저를 이용한 전력 전송 시스템의 구체적인 작동을 나타내는 도면이다.
도시된 바와 같이, 발명의 실시예에 따른 레이저를 이용한 전력 전송 시스템은 신호등(10), 상기 신호등(10)에 결합된 전력 송신기(100), 전력 수신기(250) 및 작동 대상체인 전기 자동차(200)를 포함할 수 있다. 도면에서는 하나의 전력 송신기(100) 및 전력 수신기(250)가 도시되었으나, 복수로 구성될 수도 있다.
전기 자동차(200)가 신호 대기 등의 이유로 정차하고 있으면, 전력 수신기(250)는 전력 송신기(100)로 정보 요청 메시지를 방송한다. 정보 요청 메시지는 하나 이상의 전력 송신기(100)가 수신할 수 있다.
정보 요청 메시지를 수신한 전력 송신기(100)는 대기 단계에서 탐색 단계로 전환하여 제1 레벨의 레이저 전력을 송출한다. 이때, 자신의 고유 전력 정보를 DS-OCDMA로 부호화하여 펄스 하나당 46μJ/㎡의 레이저 전력을 송출한다.
전력 수신기(250)는 하나 이상의 전력 송신기(100) 각각에 대해 전력 정보 및 수신 신호 세기에 대한 정보를 수집하여 전력 수급이 가능한 경로 중에서 최적의 전력 전송이 가능한 전력 송신기(100)를 선택한다. 둘 이상의 전력 송신기(100)를 선택하는 경우, 선택되는 전력 송신기(100)는 레이저의 방향이 서로 중첩되지 않도록 조절하여 전력 수신기(250)에 입사할 수 있다.
이후, 선택한 전력 송신기(100)로 공급 시작 요청 메시지를 전송하고, 필요한 만큼의 전력을 수신한다.
도 5는 발명의 실시예에 따른 전력 송신기의 동작 알고리즘을 나타내는 도면이다. 전력 송신기(100)의 동작 단계는 도 5에 도시된 바와 같이, 대기 단계, 탐색 단계, 전력 공급 단계로 나누어진다.
대기 단계는 레이저 송신을 하지 않는 단계로서, V2I로 전력 수신기(250)의 정보 요청 메시지를 수신할 때까지 기다린다. 탐색 단계는 전력 송신기(100)가 전력 수신기(250)의 정보 요청 메시지를 수신하여 수행되는 단계로서, 전력 송신기(100)마다 자신의 고유 전력 정보를 DS-OCDMA로 부호화한 후 레이저 노출에 대한 위험이 전혀없는 1급 노출방출한계에 부합하도록 펄스 하나당 46μJ/㎡의 레이저 전력으로 송출한다.
전력 송신기(100)는 부호화한 정보를 한 번에 하나의 채널만 사용하여 자신들이 전송 가능한 무선 광채널에 대하여 순차적으로 송출한다. 탐색 단계는 정보 요청 메시지를 수신한 모든 전력 송신기(100)가 동시에 수행을 시작하지만, 전력 송신기(100)마다 무선 광채널의 개수가 다르므로 끝나는 시간은 서로 상이하다.
모든 무선 광채널에 대하여 전력 정보 송출이 끝나면 대기 단계로 전환하여, 전력 수신기(250)의 메시지를 기다린다. 전력 공급 단계에서는 전력 수신기(250)에 의하여 전력 공급을 요청받은 전력 송신기(100)만 동작한다.
전력 수신기(250)가 탐색 단계에서 수신한 정보를 분석하여 최적의 전력 송신기(100)를 선택한 후, 해당 전력 송신기(100)에게 전력을 전송할 무선 광채널을 지정하여 공급 시작 메시지를 전송한다. 전력 송신기(100)는 해당 무선 광채널로 레이저 파워 빔을 이용하여 최대 전력을 송출한다. 전력 수신기(250)로부터 공급 중단 메시지를 수신하면 전력 송출을 중단하고 대기 단계로 전환한다.
도 6은 발명의 실시예에 따른 전력 수신기의 동작 알고리즘을 나타내는 도면이다. 전력 수신기(250)의 동작 단계는 대기 단계, 탐색 단계, 전력 수급 단계로 나누어진다.
대기 단계는 레이저 수신을 하지 않는 단계로서, 전력 수급이 필요하면 탐색 단계로 전환한 후 V2I로 정보 요청 메시지를 방송한다. 탐색 단계에서는 메시지를 방송한 후 전력 송신기(100)가 레이저로 송출한 응답을 솔라 패널로 수신하면서 신호의 세기를 함께 기록한다. 탐색 단계에서 전력 송신기(100)가 제1 레벨로 레이저를 송출하나, 각도 및 위치 등의 이유로 전력 수신기(250)가 수신하는 레벨은 제1 레벨 이하이다.
솔라 패널로 수신한 데이터를 DS-OCDMA로 복호화한 후, CRC로 체크섬을 비교하여 오류가 없이 수신된 전력 정보만 신호 세기와 함께 저장한다. 모든 전력 송신기(100)는 펄스 하나당 제1 레벨, 예를 들어, 46μJ/㎡의 전력으로 자신의 고유 전력 정보를 송신하기 때문에, 전력 송신기(100)와 전력 수신기(250) 사이의 거리와 입사각에 의하여 수신 신호 세기가 다르게 수신된다.
수신 신호 세기를 이용하면 전력 송신기(100)가 무선 광채널로 보낼 수 있는 최대 전력에 따라 전력 수신기(250)에서 수신 가능한 최대 전력을 계산할 수 있다. 전력 수신기(250)에서 솔라 패널로 전송받은 레이저의 수신 신호 세기(PR)는 수학식 (1)로 나타낸다.
Figure PCTKR2017008007-appb-M000001
(PR:수신 신호 세기(W), PTclass1: 전송한 레이저의 크기(W), θt:솔라 패널에서 레이저의 입사각(°), A: 솔라 패널의 면적(㎡), DL:송신한 레이저의 지름(m), αt: 송신한 레이저의 발산 각도(㎭), RT:송신기와 수신기 사이의 거리(m), τatm: 대기 환경에 의한 에너지 전송률)
수학식 (1)의 파라메터를 중에서 전송한 레이저 에너지의 크기(PTclass1)는 탐색 단계 동안 펄스 하나당 46μJ/㎡의 에너지 크기를 가지지만, 레이저 에너지를 전송할 때는 전력 송신기(100)에서 송출하는 최대 전력의 제2 레벨로 바뀐다.
솔라 패널의 면적(A)는 전력 수신기(250)의 특성이므로 전력 수신기(250)가 동일할 경우 모든 전력 송신기(100)가 동일한 값을 가진다. 따라서 전력 송신기(100)에 따라서 탐색 단계에서 달라지는 수신 신호 세기로 계산한 에너지 전송률(τsys)은 수학식 (2)로 간략화된다.
Figure PCTKR2017008007-appb-M000002
탐색 단계동안 수신한 레이저의 신호 세기로 계산한 에너지 전송률(τsys)을 이용하여 전력 송신기(100)가 최대 전력(PTmax)을 송출했을 때, 전력 수신기(250)에서 수급 가능한 전력의 크기(U)는 수학식(3)으로 나타낸다.
Figure PCTKR2017008007-appb-M000003
전력 수신기(250)는 전력 송신기(100)의 고유 전력 정보와 수신 신호 세기를 수학식(3)에 대입하여 계산한 전력 수신기(250)와 무선 광채널마다 수급 가능한 최대 전력의 크기를 이용하여 가장 적합한 전력 송신기(100)와 무선 광채널을 선택하여 최적의 전력 전송 경로를 생성한다.
전력 수신기(250)가 전력 송신기(100)를 선택함에 있어서, 수급 가능한 최대 전력의 크기 외에도, 전력 수신기(250)가 필요로 하는 전력보다 약간 상위의 전력을 공급할 수 있는 전력 송신기(100)를 선택하는 방법으로 전송 경로를 선택할 수도 있다.
이후, 전력 수신기(250)는 전력 수급 단계로 전환하고, 선택된 전력 송신기(100)에 공급 시작 메시지와 함께 무선 광채널 정보를 송신한다. 한 개의 전력 송신기(100)에서 송출하는 전력으로 필요로 하는 전력을 수급하지 못할 경우, 여러 개의 전력 송신기(100)로 필요한 전력을 배분하여 공급 시작 메시지를 전송한다.
전력 수신기(250)는 솔라 패널을 이용하여 수신된 레이저 파워 빔을 전력으로 전환하여, 필요한 전력을 수급한다. 전력 수급이 필요없을 경우 해당하는 전력 송신기(100)에게 공급 중단 메시지를 전송한다. 전력을 공급하던 모든 전력 송신기(100)가 전력 전송을 중단하면, 전력 수신기(250)는 전력 수급이 필요할 때까지 대기 상태로 전환한다.
도 7은 발명의 실시예에 따른 레이저를 이용한 전력 전송 방법을 나타내는 흐름도이다. 처음으로, 대기 단계에 있는 전력 수신기(250) 중에서 전력 수급이 필요한 전력 수신기(250)는 탐색 단계로 전환하여 하나 이상의 전력 송신기(100)에 대해 V2I를 통해 정보 요청 메시지를 방송한다(S100).
정보 요청 메시지를 수신한 전력 송신기(100) 중에서 대기 상태에 있는 전력 송신기(100)는 탐색 단계로 전환한 후, 자신의 고유 전력 정보를 DS-OCDMA로 부호화하여 펄스 하나당 제1 레벨, 예를 들어, 46μJ/㎡의 레이저 전력을 각각의 무선 광채널마다 순차적으로 송출한다(S200).
정보 요청 메시지를 방송한 전력 수신기(250)는 전송 오류가 없는 전력 정보와 수신 신호 세기를 통해 일정 시간 대기하면서 수신한 모든 전력 정보에 대하여 수급 가능한 경로 정보를 수집한다(S300).
S300의 단계에서 전력 수신기(250)는 상기 수학식 (2)와 수학식 (3)을 이용하여 수급 가능한 전력의 크기로 환산하여 저장한다. S300의 단계에서 에너지 전송률이 산출될 수 있다.
또한, 전력 수신기(250)는 솔라 패널로 수신한 전력 정보와 수신 세기를 기록하고, 수신한 전력 정보를 DS-OCDMA로 복호화하고, 체크섬으로 전송 오류를 검출한다.
전력 수신기(250)는 전력 수급이 가능한 모든 경로 중에서 최적의 전력 전송 경로를 선택한다(S400). 한 개의 전력 송신기로 필요한 전력을 수급하지 못할 경우, 다른 여러 개의 전력 송신기(100)에게 필요 전력을 배분하여 최적의 전력 전송 경로를 선택할 수도 있다.
다음으로, 전력 수신기(250)는 전력 수급 단계로 전환한 후, V2I로 선택된 전력 송신기(100)에 공급 시작 메시지와 선택한 무선 광채널 정보를 전송하고(S500), 선택된 전력 송신기(100)는 전력 공급 단계로 전환한 후, 선택받은 무선 광채널로 최대 전력의 레이저 파워 빔을 송출한다(S600).
전력 수신기(250)는 솔라 패널로 수신한 레이저 파워 빔을 전력으로 변환하여 사용한다. 전력 수신기(250)는 전력 수급이 필요없을 경우, V2I로 전력 송신기(100)로 공급 중단 메시지를 방송한다. 공급 중단 메시지를 수신한 전력 송신기(100)는 전력 송출을 중단하고 대기 단계로 전환한다. 전력을 공급하던 모든 전력 송신기(100)가 공급을 중단한 것을 확인한 전력 수신기(250)는 대기 상태로 전환한다.
상술한 실시예에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다.
따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다. 또한, 이상에서 실시예들을 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예들에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부한 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (12)

  1. 레이저 광을 통하여 전력을 전달하는 레이저를 이용한 전력 전송 시스템에서,
    레이저를 출력하는 하나 이상의 전력 송신기; 및
    상기 레이저를 수신하여 전력으로 변환하고, 상기 하나 이상의 전력 송신기 중에서 미리 정해진 기준에 따라 전력 송신기를 선택하는 송신기 선택부를 포함하는 전력 수신기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 전력 전송 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전력 송신기는,
    전력 수신기의 수신 영역에 관한 좌표 위치를 감지하는 수신영역 감지부를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 전력 전송 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전력 송신기는,
    상기 수신영역 감지부에서 감지한 수신 영역에 대응하여 레이저 소스의 방향을 제어하는 방향 조절부를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 전력 전송 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전력 송신기는,
    상기 전력 수신기 탐색을 위한 제1 레벨과, 전력 송신을 위한 제2 레벨의 레이저를 출력하는 레이저 소스를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 전력 전송 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 송신기 선택부는,
    상기 하나 이상의 전력 송신기 중에서 수급 가능한 전력의 크기에 근거하여 전력 송신기를 선택하는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 전력 전송 시스템.
  6. 전력 수신기가 하나 이상의 전력 송신기로 정보 요청 메시지를 방송하는 단계;
    상기 전력 송신기는 제1 레벨의 전력을 각각의 광채널에 대해 순차적으로 송출하는 단계; 및
    상기 전력 수신기가 상기 제1 레벨의 수신 신호세기와 전력 정보를 통해 수급 가능한 경로 정보를 수집하고, 미리 정해진 기준에 따라 전력 전송 경로를 선택하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 전력 전송 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 전력 수신기는, 상기 전력 전송 경로에 해당하는 전력 송신기로 전력 공급 시작 요청 메시지 및 무선 광채널 정보를 전송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 전력 전송 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전력 송신기는 상기 무선 광채널로 제2 레벨의 레이저 전력을 송출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 전력 전송 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 전력 전송 경로는 상기 전력 수신기에서 수급 가능한 전력의 크기(U)를 기준으로 선택되는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 전력 전송 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 수급 가능한 전력의 크기(U)는 하기의 수학식에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 전력 전송 방법.
    Figure PCTKR2017008007-appb-I000001
    (τsys: 에너지 전송률, PTmax: 전력 송신기의 최대 전력)
  11. 제10항에 있어서,
    상기 에너지 전송률(τatm)은 하기의 수학식에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 전력 전송 방법.
    Figure PCTKR2017008007-appb-I000002
    (PR:수신 신호 세기(W), PTclass1: 전송한 레이저의 크기(W), θt:솔라 패널에서 레이저의 입사각(°), DL:송신한 레이저의 지름(m), αt: 송신한 레이저의 발산 각도(㎭), RT:송신기와 수신기 사이의 거리(m), τatm: 대기 환경에 의한 에너지 전송률)
  12. 제11항에 있어서,
    상기 수신 신호 세기(PR)는 하기의 수학식에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 전력 전송 방법.
    Figure PCTKR2017008007-appb-I000003
    (A: 솔라 패널의 면적(㎡))
PCT/KR2017/008007 2017-01-10 2017-07-25 레이저를 이용한 전력 전송 시스템 및 방법 WO2018131764A1 (ko)

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KR1020170003538A KR101847330B1 (ko) 2017-01-10 2017-01-10 레이저를 이용한 전력 전송 시스템 및 방법
KR10-2017-0003538 2017-01-10

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