KR20140017758A - 다수 장치 동시 충전을 위한 무선 충전 방법 - Google Patents

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Abstract

다수 장치의 동시 충전을 위하여 시분할을 통한 전력전송 방법과 멀티 매칭을 통한 동시 전력전송 방법을 결합하여 이용한다. 본 발명의 멀티노드 무선 충전 방법은, 무선 전력공급 장치와 상기 무선 전력공급 장치와 이격되어 있으며 상기 무선 전력공급 장치와 무선통신하는 다수의 무선 충전기기를 포함하는 멀티노드 무선 전력 전송 시스템에서 상기 무선 전력공급 장치가 상기 무선 충전기기를 충전하는 방법으로서, 시분할 방식으로 무선 전력을 전송하기 위하여 두 개 이상의 슬롯으로 구분된 전력전송 구간 동안 상기 무선 충전기기로 무선 전력을 전송하되, 상기 하나의 슬롯에서 두 개 이상의 상기 무선 충전기기로 동시에 무선 전력을 전송한다. 상기 슬롯은, 상기 두 개 이상의 무선 충전기기로 동시에 무선 전력을 전송하는 충전 구간, 상기 무선 전력공급 장치가 상기 무선 충전기기로 전력수신상태 요청을 송신하는 요청 구간, 상기 두 개 이상의 무선 충전기기로부터 순차적으로 응답 패킷을 수신하는 두 개 이상의 응답 구간을 포함할 수 있다.

Description

다수 장치 동시 충전을 위한 무선 충전 방법{Charging method of multi-node wireless charging system capable of charging plural devices simultaneoulsy}
본 발명은 무선 충전 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 다수의 장치를 동시에 충전할 수 있는 멀티노드 무선 충전 방법에 관한 것이다.
무선으로 에너지를 전달하는 무선 전력 전송 기술로서 자기유도 현상을 이용한 무선 충전 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 충전 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.
본 발명은 상술한 바와 같은 기술적 배경에서 안출된 것으로서, 다수의 장치를 동시에 충전할 수 있는 무선 충전 방법을 제공하는 것을 그 과제로 한다.
이와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명에서는 다수 장치의 동시 충전을 위하여 시분할을 통한 전력전송 방법과 멀티 매칭을 통한 동시 전력전송 방법을 결합하여 이용한다.
본 발명의 일면에 따른 멀티노드 무선 충전 방법은, 무선 전력공급 장치와 상기 무선 전력공급 장치와 이격되어 있으며 상기 무선 전력공급 장치와 무선통신하는 다수의 무선 충전기기를 포함하는 멀티노드 무선 전력 전송 시스템에서 상기 무선 전력공급 장치가 상기 무선 충전기기를 충전하는 방법으로서, 시분할 방식으로 무선 전력을 전송하기 위하여 두 개 이상의 슬롯으로 구분된 전력전송 구간 동안 상기 무선 충전기기로 무선 전력을 전송하되, 상기 하나의 슬롯에서 두 개 이상의 상기 무선 충전기기로 동시에 무선 전력을 전송하는 것을 특징으로 한다.
상기 슬롯은, 상기 두 개 이상의 무선 충전기기로 동시에 무선 전력을 전송하는 충전 구간; 및 상기 무선 전력공급 장치가 상기 무선 충전기기로 전력수신상태 요청을 송신하는 요청 구간을 포함할 수 있으며, 상기 요청 구간 이후에 상기 두 개 이상의 무선 충전기기로부터 순차적으로 응답 패킷을 수신하는 두 개 이상의 응답 구간을 더 포함할 수도 있다.
상기 응답 구간의 길이는 고정되어 있는 것이 바람직하며, 상기 충전 구간 및 요청 구간의 길이는 가변일 수 있다.
상기 무선 전력공급 장치는, 이물질이 들어오거나 오류가 발생하는 경우 상기 요청 구간을 통해 이를 표시하며, 상기 요청 구간 동안 상기 멀티노드 무선 전력 전송 시스템에 포함된 모든 상기 무선 충전기기가 깨어나 상기 전력수신상태 요청을 수신할 수 있다.
또한, 상기 무선 전력을 전송하기 이전에, 상기 무선 충전기기에 대한 무선 충전 스케줄링 정보를 상기 무선 충전기기로 전송하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 멀티노드 무선전력전송 시스템에서 시분할 전력전송 시에 하나의 시간 슬롯 동안 동시에 여러 노드에게 전력전송을 할 수 있어 효율적인 동시 충전을 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티노드 무선 충전 시스템의 전체 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티노드 무선 충전 시스템의 무선 전력공급 장치와 무선 충전기기의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티노드 무선 충전 시스템에서 사용되는 슈퍼프레임 구조를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼프레임의 응답 구간을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼프레임의 전력전송 구간을 나타내는 도면이다.
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 멀티노드 무선 충전 시스템에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티노드 무선 충전 시스템의 전체 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티노드 무선 충전 시스템은 무선으로 전력을 공급하는 무선 전력공급 장치(100)와, 무선 전력공급 장치(100)와 소정의 거리만큼 떨어진 곳에 위치하며 무선 전력공급 장치(100)로부터 무선으로 전력을 공급받는 다수의 무선 충전기기(200_1, 200_2, .., 200_N)를 포함하여 구성된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 멀티노드 무선 충전 시스템에서는 무선 전력공급 장치(100)가 자기공진 방식을 통해 무선 충전기기(200)로 무선 전력을 공급할 수 있다. 자기공진 방식은 송신 안테나와 수신 안테나 사이의 공진에 의하여 에너지의 무선 전송 효율을 극대화시키는 방법이다. 이를 위하여 무선 전력공급 장치(100)와 무선 충전기기(200) 사이의 공진 주파수를 맞추어 공진 채널을 형성하고 이를 통하여 무선 전력을 송신한다.
무선 전력공급 장치(100)는 무선 충전기기(200_1, 200_2, .., 200_N)와 무선 통신을 통해 충전기기의 식별정보, 종류, 위치, 또는 충전상태를 포함하는 무선 충전기기(200_1, 200_2, .., 200_N)의 정보를 수신할 수 있으며, 이와 같은 충전 정보를 바탕으로 무선 충전기기(200_1, 200_2, .., 200_N)로 전력을 전송할 수 있다.
무선 전력공급 장치(100)와 무선 충전기기(200) 사이의 무선 통신의 한 방법으로는 자기장 통신 프로토콜을 이용하는 자기장 통신(MFAN: Magnetic Field Area Network)을 사용할 수 있다.
MFAN은 저주파 대역(30KHz~300KHz)에서 자기장 신호를 이용하여 정보를 송수신하는 무선 네트워크로서, 무선 통신의 동작 중심 주파수는 128KHz이며, 변조 방식은 이진위상편이(Binary Phase Shift Keying; BPSK) 방식 또는 진폭 편이(Amplitude Shift Keying; ASK)을 이용한다. 데이터율을 다양화하기 위하여 맨체스터(Manchester) 코딩과 비제로 복귀 레벨(Non-Return-to-Zero Level; NRZ-L) 코딩을 사용함으로써 수 m의 거리에서 수 Kbps의 데이터율을 제공한다. MFAN에 참여한 기기들은 그 역할에 따라 MFAN-C(Coordinator)와 MFAN-N(Node)으로 나뉘어진다. 하나의 MFAN 안에는 오직 하나의 MFAN-C만 존재하며, MFAN-C를 중심으로 다수의 MFAN-N 장치가 네트워크를 형성한다. MFAN-C는 MFAN-N의 합류 및 분리, 해제를 관리한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 멀티노드 무선 충전 시스템에서는 무선 전력공급 장치(100)가 코디네이터가 되고 무선 충전기기(200)가 노드가 된다.
그러나, 무선 전력공급 장치와 무선 충전기기 사이의 통신이 반드시 자기장 통신으로 제한되는 것은 아니며, 이와 동등하거나 유사한 다른 통신 방법이 사용될 수도 있음은 물론이다.
무선 전력공급 장치(100)는 고정형 또는 이동형으로 구현될 수 있으며, 고정형으로 구현될 경우 실내에서는 천장이나 테이블 등의 가구 등에 설치될 수 있고, 실외에서는 버스 정류장이나 지하철역 등에 임플란트 형식으로 설치될 수 있으며, 무선 전력공급 장치(100)가 차량이나 기차, 지하철과 같은 이동체의 내부에 설치될 수도 있다. 무선 전력공급 장치(100)가 이동형으로 구현되는 경우에는, 무선 전력공급 장치(100) 자체가 별도의 이동형 장치로 구현될 수도 있고, 노트북 컴퓨터의 덮개 등과 같이 다른 디지털 기기의 일부로서 구현될 수도 있다.
무선 충전기기(200_1, 200_2, .., 200_N)는 각종 모바일 단말기, 디지털 카메라, 노트북 컴퓨터 등 배터리를 구비하는 모든 디지털 기기를 포함할 수 있으며, 지중, 수중, 건물 내부 등 접근이 용이하지 않은 곳에 배치되는 센서 및 계측기 등의 전자기기가 될 수도 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티노드 무선 충전 시스템의 무선 전력공급 장치와 무선 충전기기의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2에 나타난 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티노드 무선 충전 시스템의 무선 전력공급 장치(100)는, 외부의 전력 공급원으로부터 전력을 공급받아 무선 전력공급 장치(100)와 무선 충전기기(200) 간의 공진 주파수 대역을 갖는 AC 전력으로 변환하는 전력 변환부(120), 자기장 통신 프로토콜을 이용하여 무선 충전기기(200)와의 자기장 통신을 수행하도록 하는 자기장 통신 모뎀(130), 전력 변환부(140)로부터의 AC 전력과 자기장 통신 모뎀(120)으로부터의 데이터를 무선 충전기기(200)로 송신하는 송신 안테나(110), 전력 변환부(140) 및 자기장 통신 모뎀(120)을 비롯한 무선 전력공급 장치(100)의 구성요소들을 제어하는 제어부(130)를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 멀티노드 무선 충전 시스템의 무선 충전기기(200)는, 무선 전력공급 장치(100)로부터 무선으로 전력과 데이터를 수신하는 수신 안테나(210), 자기장 통신 프로토콜을 이용하여 무선 전력공급 장치(100)와의 자기장 통신을 수행하도록 하는 자기장 통신 모뎀(230), 전력 수신을 관리하는 전력 관리부(220), 전력 관리부 및 자기장 통신 모뎀(230)을 비롯한 무선 충전기기(200)의 구성요소들을 제어하는 제어부(240), 수신된 전력을 이용하여 충전되는 배터리(250)를 포함한다.
단일 채널을 이용하는 멀티노드 무선 충전 시스템에서 다수의 무선 충전기기에 무선으로 전력을 전송하는 방법은 시분할을 통한 전력전송 방법과 멀티 매칭을 통한 동시 전력전송 방법이 있다. 시분할 전력전송 방법은 시간 스케쥴링을 통해 다수의 무선 충전기기가 무선전력 자원을 나누어 쓰는 방법이고, 동시 전력전송 방법은 능동적인 매칭 조절을 통해 동시에 여러 개의 무선 충전기기에 전력을 전송하는 방법이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티노드 무선 충전 시스템에서 사용되는 슈퍼프레임 구조를 나타내는 도면이다.
단일 채널을 이용한 자기장통신 기반 멀티노드 무선 충전 시스템에서는, 시간 분할을 통해 데이터를 주고 받고, 시간 분할을 기반으로 전력 전송을 하게 되며, 이를 위하여 도 3에 나타난 바와 같이 반복되는 슈퍼프레임 구조를 갖는다.
도 3에 나타난 바와 같이, 하나의 슈퍼프레임(300)은 요청 구간(310)과 응답 및 전력전송 구간(320), 능동 구간(330)으로 구성되며, 각 구간(310, 320, 330)의 길이는 가변적이다. 요청 구간(310)에는 무선 전력공급 장치가 무선 충전기기에게 합류 요청이나 전력수신 요청, 전력전송 스케쥴링 정보를 보낼 수 있고, 응답 구간(320)에는 무선 전력공급 장치의 요청에 따라 무선 충전기기가 합류응답이나 전력수신 응답 정보를 보낼 수 있다. 전력전송 구간(320)은 무선 전력공급 장치가 무선 충전기기에게 전력을 전송할 수 있는 구간이며, 능동 구간(330)에서는 무선 전력공급 장치나 무선 충전기기가 랜덤하게 데이터를 전송할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 슈퍼프레임의 응답 구간을 나타내는 도면이다.
도 4에서 나타난 바와 같이, 슈퍼프레임(400)은 무선 전력공급 장치가 요청 구간(410)에서 응답 요청 패킷을 전송함으로써 시작된다. 응답 요청 패킷에는 응답 구간(420) 동안 응답 패킷을 전송할 수 있는 디바이스들에 대한 정보를 가지고 있으며, 디바이스들은 응답 요청 패킷에 있는 정보를 사용하여 응답 구간(420) 동안 응답 패킷을 전송한다. 즉, 무선 전력 전송 시스템 내에 속한 다수의 무선 충전기기(디바이스 1 내지 디바이스 4)는 응답 요청 패킷을 수신한 다음, 응답 구간(420) 동안 자신에게 할당된 슬롯(420_1, 420_2, 420_3, 420_4) 동안 각각 응답 패킷을 전송한다.
본 발명의 실시예에 따른 멀티노드 무선 충전 시스템에서는 각 시간 슬롯 동안 하나 이상의 무선 충전기기가 무선 전력을 수신할 수 있다. 이를 위하여 충전 대상이 되는 하나 이상의 디바이스, 즉 무선 충전기기가 무선 전력전송 장치와 공진 주파수를 맞추어 공진 채널을 형성한다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 멀티노드 무선 충전 시스템은 시분할 전력전송과 동시 전력전송을 결합하여 사용할 수 있다.
도 5는 이를 위한 수퍼프레임의 구조를 나타내는 것으로서, 전력전송 구간(520)을 구성하는 각 시간 슬롯의 구조를 자세히 나타낸 것이다.
도 4에 나타난 바와 같은 각 디바이스의 응답에 따른 스케쥴링 결과를, 무선 전력전송 장치가 도 5에 나타난 바와 같은 요청 구간(510)을 통해 각 무선 충전기기로 전송하면, 전력전송 구간(520)에 해당하는 무선 충전기기들이 전력을 수신하게 된다. 스케쥴링 시 정해진 슬롯 시간 동안 하나 이상의 무선 충전기기가 전력을 수신할 수 있다. 이때 해당 무선 충전기기 외의 다른 무선 충전기기들은 매칭에 영향을 주지 않기 위하여 안테나를 오픈하고, 해당 슬롯의 전력전송 후에 무선 전력공급 장치의 요청 정보를 확인하기 위해서 안테나를 연결한다.
도 5에서는 전력전송 구간(520)의 첫번째 슬롯(520_1)에서 3개의 무선 충전기기(디바이스 1 내지 디바이스 3)가 전력을 수신할 수 있도록 스케줄링된 경우를 나타낸다.
한 슬롯에서 하나 이상의 무선 충전기기가 전력을 수신하는 경우, 도 5에 나타난 바와 같이, 무선 전력공급 장치는 충전 구간(521) 동안 대상이 되는 하나 이상의 무선 충전기기(디바이스 1 내지 디바이스 3)로 무선 전력을 전송하고, 무선 전력 전송이 끝난 후에 전력수신상태 요청(522)을 응답 순서 정보와 함께 보내면, 해당 무선 충전기기들은 순서에 따라 전력수신상태 응답(ACK)(523_1, 523_2, 523_3)을 보낸다. 그러나 이때, 무선 전력공급 장치는 전력을 수신한 무선 충전기기들에게 응답을 요청하지 않을 수도 있다.
전력수신상태 요청 패킷(522)은 요청 구간(310, 410, 510)에서 무선 전력공급 장치가 전송하는 요청 패킷에 비해 짧고 간단하며, 전력수신상태 응답(ACK) 역시 짧고 간단하게 구성된다. ACK 패킷의 길이는 고정할 수도 있으며 상술한 바와 같이 ACK 패킷을 전송하지 않도록 할 수도 있다.
전력수신상태 요청 구간(522)에서는 해당 전력전송 슬롯(520_1)의 충전 대상이 되는 무선 충전기기를 포함하여 무선 전력전송 시스템 내에 포함된 모든 무선 충전기기가 깨어나 전력수신상태 요청 패킷을 수신한다.
무선 전력공급 장치는 이물질이 들어오거나 오류가 발생하여 슈퍼프레임을 다시 시작하여야 할 경우, 전력수신상태 요청 패킷을 통해 이를 표시하며, 이에 따라 각 무선 충전기기는 다음 슬롯의 전력전송을 계속 수행할 것인가의 여부를 알 수 있고, 다음 슬롯 동안 전력 전송을 받을 무선 충전기기는 전력수신상태 요청정보를 받고 다음 슬롯을 준비한다.
한편, 상술한 실시예에서는 무선 전력전송 장치와 무선 충전기기가 자기공진 방식을 이용하여 무선 충전하는 것을 기준으로 설명하였지만, 유도 방식을 포함한 다른 충전 방식을 배제하고자 하는 의도는 아니며, 이와 동등하거나 유사한 다른 무선 충전 방식이 사용될 수도 있음은 물론이다.
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: 무선 전력전송 장치 200: 무선 충전기기
110: 송신 안테나 120: 전력 변환부
130: 자기장 통신 모뎀 140: 제어부
210: 수신 안테나 220: 전력 관리부
230: 자기장 통신 모뎀 240: 제어부
250: 부하 310, 410, 510: 요청구간
320, 420, 520: 응답 및 전력전송 구간 330, 430, 530: 능동 구간
521: 충전 구간 522: 전력수신상태 요청 구간
523_1, 523_2, 523_3: 전력수신상태 응답 구간

Claims (9)

  1. 무선 전력공급 장치와 상기 무선 전력공급 장치와 이격되어 있으며 상기 무선 전력공급 장치와 무선통신하는 다수의 무선 충전기기를 포함하는 멀티노드 무선 전력 전송 시스템에서 상기 무선 전력공급 장치가 상기 무선 충전기기를 충전하는 방법으로서,
    시분할 방식으로 무선 전력을 전송하기 위하여 두 개 이상의 슬롯으로 구분된 전력전송 구간 동안 상기 무선 충전기기로 무선 전력을 전송하되,
    상기 하나의 슬롯에서 두 개 이상의 상기 무선 충전기기로 동시에 무선 전력을 전송하는 멀티노드 무선 충전 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 슬롯은,
    상기 두 개 이상의 무선 충전기기로 동시에 무선 전력을 전송하는 충전 구간; 및
    상기 무선 전력공급 장치가 상기 무선 충전기기로 전력수신상태 요청을 송신하는 요청 구간을 포함하는 멀티노드 무선 충전 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 슬롯은,
    상기 요청 구간 이후에 상기 두 개 이상의 무선 충전기기로부터 순차적으로 응답 패킷을 수신하는 두 개 이상의 응답 구간을 더 포함하는 멀티노드 무선 충전 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 응답 구간의 길이는 고정되어 있는 멀티노드 무선 충전 방법.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 충전 구간의 길이는 가변인 멀티노드 무선 충전 방법.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 요청 구간의 길이는 가변인 멀티노드 무선 충전 방법.
  7. 제2항에 있어서, 상기 무선 전력공급 장치는,
    이물질이 들어오거나 오류가 발생하는 경우 상기 요청 구간을 통해 이를 표시하는 멀티노드 무선 충전 방법.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 요청 구간 동안 상기 멀티노드 무선 전력 전송 시스템에 포함된 모든 상기 무선 충전기기가 깨어나 상기 전력수신상태 요청을 수신하는 멀티노드 무선 충전 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 무선 전력을 전송하기 이전에,
    상기 무선 충전기기에 대한 무선 충전 스케줄링 정보를 상기 무선 충전기기로 전송하는 멀티노드 무선 충전 방법.
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