KR20130128041A - 무선 충전 장치, 무선 충전 시스템 및 무선 충전 방법 - Google Patents

무선 충전 장치, 무선 충전 시스템 및 무선 충전 방법 Download PDF

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Abstract

무선 충전 장치, 무선 충전 시스템 및 무선 충전 방법이 제공된다. 충전 기기를 충전하는 무선 충전 장치는 교번 자기장을 포섭하여 전력을 수신하는 안테나부, 상기 안테나부의 공진 주파수를 변경시키는 매칭 회로 및 상기 매칭 회로를 이용하여 상기 안테나부의 공진 주파수를 상기 교번 자기장의 공진 주파수와 매칭시키는 제어부를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 충전 기기의 인접 여부를 판단하여, 상기 충전 기기가 인접한 경우에 상기 안테나부를 이용하여 상기 충전 기기로 전력을 전송한다.

Description

무선 충전 장치, 무선 충전 시스템 및 무선 충전 방법{Wireless Charging Device, Wireless Charging System and Wireless Charging Method}
본 발명은 무선 충전 시스템, 무선 충전 장치 및 이를 이용한 무선 충전 방법에 관한 것이다.
최근 에너지-IT 융합기술에 대한 관심도가 증가하고 있다. 에너지-IT 융합기술이란 종래의 에너지 기술에 급속히 발달하고 있는 IT 기술을 융합하는 것을 말하며, 이러한 에너지-IT 융합 기술의 한 분야로서 무선전력전송(Wireless Power Transfer, WPT) 기술이 있다. 무선전력전송이란 종래의 유선으로 된 전력선 대신 무선으로 가전기기나 전기자동차에 전원을 공급하는 기술을 말하며, 종래에 가전기기 등을 충전하기 위해서 전원 콘센트로부터 가전기기 또는 충전기기로 유선으로 된 전원 케이블을 연결하지 않고도 무선으로 가전기기 등을 충전할 수 있다는 장점 때문에 관련 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재 상용화 또는 연구 중인 무선전력전송 기술은 크게 4가지 방식으로 분류할 수 있다. 그 중 하나는 고출력 마이크로파 방사 방식으로서, 이 방식은 수 GHz 대의 주파수를 사용하여 고출력 전송이 가능하므로 원거리 전송을 할 수 있는 반면에, 인체에의 유해성 및 직진성 등의 문제로 인해 상용화되지 못하고 있다. 다른 하나는 방사(radiative) 방식의 근거리 전송 방식으로서, 이 방식은 UHF(Ultra High Frequency) 대역의 RFID/USN 주파수 대역 또는 2.4 GHz ISM 대역을 이용한 RFID 서비스이며, 현재는 유통 및 물류 분야 등의 일정 분야에서 상용화된 상태이며, 방사 손실에 의해 최대 수십 mW의 전력 전송만이 가능하다는 단점이 있다. 한편, 유도결합을 이용하는 접촉식 전송 방식은 수 mm ~ 수 cm 의 거리에서 접촉식으로 수 W의 전력을 전송하는 방식으로서, 125kHz 또는 135kHz 등의 주파수를 사용하고 있으며, 현재는 교통카드, 무선 면도기, 전동 칫솔 등에 적용되고 있다. 한편, 비방사(non-radiated) 자기공명 방식은 공진 결합(resonant coupling) 방식을 기반으로 하는 방식이다. 공진 결합이란, 자기공명의 경우에 두 매체가 같은 주파수로 공진하게 되면 전자파가 근거리 자기장을 통해 한 매체에서 다른 매체로 이동하는 현상을 말하며, 이 방식은 수 m 이내의 거리에서 수십 W의 대전력 전송이 가능하다는 장점이 있다. 하지만, 실제 구현을 위해서는 공진기의 Q(Quality Factor)값을 높게 유지할 필요가 있다.
한편, 각종 전자기기의 동작에 의해 다양한 주파수의 교번 자기장이 대기 중에 형성된다. 이러한 교번 자기장에서는 자기 에너지가 지속적으로 방사되어 낭비되고 있으며, 따라서, 이와 같은 대기 중의 교번 자기장을 상기의 유도 결합 전송 방식을 이용하여 포집한 후에, 포집된 자기 에너지를 이용하여 다른 전자기기를 충전할 수 있다.
따라서, 이러한 대기 중의 교번 자기장을 이용하는 경우, 별도의 전원 콘센트나 전원 어댑터를 소지하지 못한 경우라도 교번 자기장을 이용하여 다양한 충전 기기를 충전할 수 있을 것이다.
이와 관련하여, 한국공개특허 제2011-0131954호에는 "무선 전력 전송 장치 및 그 방법" 이라는 명칭의 발명이 개시되어 있다.
한국공개특허 제2011-0131954호의 발명은 무선 전력의 수신이 허용되지 않는 비타겟 수신기를 감지하고, 감지된 비타겟 수신기에게 최대한으로 무선 전력이 전송되지 않도록 처리할 수 있는 무선 전력 전송 장치에 관해 개시되어 있다.
한국공개특허 제2011-0131954호, "무선 전력 전송 장치 및 그 방법"
상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 한정된 영역에서 교번하고 있는 자기 에너지를 이용하여 부하 기기를 충전할 수 있는 무선 충전 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 별도의 외부 전원이 없는 경우에도 다양한 휴대 기기들을 충전할 수 있는 무선 충전 장치를 제공한다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따른 충전 기기를 충전하는 무선 충전 장치는, 교번 자기장을 포섭하여 전력을 수신하는 안테나부, 상기 안테나부의 공진 주파수를 변경시키는 매칭 회로 및 상기 매칭 회로를 이용하여 상기 안테나부의 공진 주파수를 상기 교번 자기장의 공진 주파수와 매칭시키는 제어부를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 충전 기기의 인접 여부를 판단하여, 상기 충전 기기가 인접한 경우에 상기 안테나부를 이용하여 상기 충전 기기로 전력을 전송한다.
여기서, 상기 무선 충전 장치는 상기 인접한 충전 기기와 통신을 수행하는 통신부를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 통신부는, 제1시간 간격으로 탐지 신호를 발신하고, 상기 탐지 신호의 발신 후 제2시간 이내에 상기 충전 기기로부터 상기 탐지 신호에 대응하는 응답 신호가 수신되지 않으면 제3시간 이후에 상기 탐지 신호를 상기 제1시간 간격으로 재발신하고, 상기 탐지 신호의 발신 후 제2시간 이내에 상기 충전 기기로부터 상기 응답 신호를 수신하면, 상기 제어부로 응답 신호 수신 여부를 통지할 수 있다.
여기서, 상기 무선 충전 장치는 상기 안테나부와 공진 주파수가 상이한 제2 안테나부를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 무선 충전 장치는 상기 제2 안테나부의 공진 주파수를 조절하는 제2 매칭 회로를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제어부는 상기 제2 매칭 회로를 이용하여 상기 제2 안테나부의 공진 주파수를 상기 충전 기기의 공진 주파수와 매칭시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따른 무선 충전 시스템은, 충전용 배터리를 구비한 충전 기기 및 교번 자기장을 포섭하여 전력을 획득하고, 상기 전력을 RF 신호로 상기 충전 기기로 전송하는 무선 충전 장치를 포함하고,
상기 무선 충전 장치는, 상기 교번 자기장을 포섭하고, 상기 RF 신호를 방사하는 안테나부, 상기 안테나부의 공진 주파수를 변경하는 매칭 회로 및 상기 매칭 회로를 이용하여 상기 안테나부의 공진 주파수를 상기 교번 안테나의 공진 주파수와 매칭시키는 제어부를 더 포함하며,
상기 충전 기기는, 상기 안테나부로부터 방사된 상기 RF 신호를 수신하는 기기 안테나부, 상기 기기 안테나부의 임피던스를 변경하여 상기 기기 안테나부의 공진 주파수를 변경하는 임피던스 매칭부 및 상기 RF 신호로부터 변환된 전력을 상기 충전용 배터리에 공급하는 충전부를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 충전 기기의 인접 여부를 판단하여, 상기 충전 기기가 인접한 경우에 상기 안테나부를 이용하여 상기 충전 기기로 전력을 전송한다.
여기서, 상기 무선 충전 장치는 상기 인접한 충전 기기와의 통신을 수행하는 장치 통신부를 더 포함하고, 상기 충전 기기는 상기 장치 통신부와 통신하는 기기 통신부를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 장치 통신부는 제1시간 간격으로 탐지 신호를 발신하고, 상기 탐지 신호의 발신 후 제2시간 이내에 상기 기기 통신부로부터 상기 탐지 신호에 대응하는 응답 신호가 수신되지 않으면 제3시간 이후에 상기 탐지 신호를 상기 제1시간 간격으로 재발신하고, 상기 탐지 신호의 발신 후 제2시간 이내에 상기 기기 통신부로부터 상기 응답 신호를 수신하면, 상기 제어부로 응답 신호 수신 여부를 통지할 수 있다.
여기서, 상기 무선 충전 장치는 상기 안테나부와 공진 주파수가 상이한 제2 안테나부를 더 포함하고, 상기 충전 기기는 상기 제2 안테나부에 대응되는 제2 기기 안테나부를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 무선 충전 시스템은 상기 제2 안테나부의 공진 주파수를 조절하는 제2 매칭 회로를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제어부는 상기 제2 매칭 회로를 이용하여 상기 제2 안테나부의 공진 주파수를 상기 제2 기기 안테나부의 공진 주파수와 매칭시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따른 교번 자기장을 이용한 무선 충전 방법은, 무선 충전 장치에 충전 기기가 인접하여 배치되면 통신부가 상기 충전 기기를 감지하는 단계, 안테나부를 통해 포섭된 교번 자기장으로부터의 수신 전력을 측정하여 상기 무선 충전 장치 및 상기 충전 기기를 배치시킬 위치를 결정하는 단계, 매칭 회로를 이용하여 상기 교번 자기장의 공진 주파수를 감지하는 단계, 상기 감지된 공진 주파수와 매칭되도록 상기 안테나부의 공진 주파수를 변경하는 단계 및 상기 교번 자기장으로부터 수신된 전력을 상기 충전 기기로 전송하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 교번 자기장의 공진 주파수를 감지하는 단계는 상기 매칭 회로를 이용하여 상기 안테나부의 공진 주파수를 변경시키며 상기 교번 자기장으로부터의 수신 전력이 최대인 주파수를 탐색하는 단계일 수 있다.
여기서, 상기 충전 기기를 탐색하는 단계는, 통신부가 제1시간 간격으로 탐지 신호를 발신하는 단계, 상기 통신부가 상기 탐지 신호의 발신 후 제2시간 동안 상기 충전 기기로부터 상기 탐지 신호에 대응하는 응답 신호의 수신을 대기하는 단계, 상기 제2시간 이내에 상기 응답 신호가 수신되지 않은 경우에 제3시간 이후에 상기 탐지 신호를 상기 제1시간 간격으로 재발신하는 단계 및 상기 제2시간 이내에 상기 응답 신호가 수신된 경우에 제어부가 상기 안테나부를 이용하여 상기 응답 신호를 송신한 충전 기기로 전력을 송신하는 단계를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 무선 충전 방법은 제2 매칭 회로를 이용하여 상기 충전 기기의 공진 주파수를 감지하는 단계 및 제2 안테나부의 공진 주파수를 상기 충전 기기의 공진 주파수와 매칭시키는 단계를 더 포함하며, 상기 무선 충전 장치는 상기 제2 안테나부를 이용하여 상기 충전 기기로 전력을 송신하거나 또는 상기 충전 기기와 통신을 수행할 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따른 교번 자기장을 이용한 무선 충전 방법은, 무선 충전 장치에 충전 기기가 인접하여 배치되면 통신부가 상기 충전 기기를 감지하는 단계, 안테나부를 통해 포섭된 교번 자기장으로부터의 수신 전력을 측정하여 상기 무선 충전 장치 및 상기 충전 기기를 배치시킬 위치를 결정하는 단계, 매칭 회로를 상기 교번 자기장의 공진 주파수를 감지하는 단계, 상기 감지된 공진 주파수와 매칭되도록 상기 안테나부의 공진 주파수를 변경하는 단계 및 상기 교번 자기장으로부터 수신된 전력을 상기 충전 기기로 전송하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 교번 자기장의 공진 주파수를 감지하는 단계는 상기 매칭 회로를 이용하여 상기 안테나부의 공진 주파수를 변경시키며 상기 교번 자기장으로부터의 수신 전력이 최대인 주파수를 탐색하는 단계일 수 있다.
여기서, 상기 충전 기기를 감지하는 단계는, 상기 통신부가 제1시간 간격으로 탐지 신호를 발신하는 단계, 상기 통신부가 상기 탐지 신호의 발신 후 제2시간 동안 상기 충전 기기로부터 상기 탐지 신호에 대응하는 응답 신호의 수신을 대기하는 단계, 상기 제2시간 이내에 상기 응답 신호가 수신되지 않은 경우에 제3시간 이후에 상기 탐지 신호를 상기 제1시간 간격으로 재발신하는 단계 및 상기 제2시간 이내에 상기 응답 신호가 수신된 경우에 제어부가 상기 안테나부를 이용하여 상기 응답 신호를 송신한 충전 기기로 전력을 송신하는 단계를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 무선 충전 방법은 상기 충전 기기를 감지하는 단계 이후에, 제2 매칭 회로를 이용하여 상기 충전 기기의 공진 주파수를 감지하는 단계 및 제2 안테나부의 공진 주파수를 상기 충전 기기의 공진 주파수와 매칭시키는 단계를 더 포함하며, 상기 무선 충전 장치는 상기 제2 안테나부를 이용하여 상기 충전 기기로 전력을 송신하거나 또는 상기 충전 기기와 통신을 수행할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 구체적인 사항들은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술된 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 서로 다른 다양한 형태로 구성될 수 있으며, 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
전술한 본 발명의 과제 해결 수단 중 하나에 의하면, 교번하고 있는 자기 에너지를 이용하여 부하 기기를 충전할 수 있다.
또한, 전술한 본 발명의 과제 해결 수단 중 하나에 의하면, 별도의 외부 전원이 없는 경우에도 다양한 휴대 기기들을 충전할 수 있다.
도 1은 일반적인 무선전력전송 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전 시스템에서 무선 충전 장치 및 충전 기기를 도시한 개요도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전 시스템의 세부 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전 장치의 세부 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전 시스템에서 무선 충전 장치와 충전 기기간의 통신 방법의 일례를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 충전 장치의 세부 구성도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 충전 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 무선 충전 방법을 나타내는 흐름도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제1, 제2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.
또한, 본 명세서에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "접속된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결되거나 또는 직접 접속될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결되거나 또는 접속될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서, 충전 기기는 충전 가능한 배터리를 장착하고 이동 가능한 장치로서, 휴대폰, 스마트 폰(smart phone), 노트북 컴퓨터(laptop computer), 디지털방송용 단말기, PDA(Personal Digital Assistants), PMP(Portable Multimedia Player), 내비게이션 등이 포함될 수 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 설명하도록 한다.
도 1은 일반적인 무선전력전송 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 무선전력 전송 장치는 무선전력 송신 장치(이하, 송전기)(10)와 무선전력 수신 장치(이하, 수전기)(20) 간에 자기 유도 방식 또는 자기 공명 방식으로 전력을 전송한다.
송전기(10)는 외부의 입력 전원(12)으로부터 입력된 AC 전원을 정류기(미도시), 파워 증폭기(미도시) 등의 내부 회로를 통해 전자파 신호로 변환한 후, 송전 안테나(11)를 통해 수전기(20)로 전송한다.
수전기(20)는 송전기(10)로부터 전송된 전자파 신호를 수신한다. 이를 위하여 수전기(20)는 수전 안테나(21)를 구비할 수 있다.
자기 공명 방식의 경우, 송전 안테나(11)와 수전 안테나(21)의 공진 주파수는 동일하거나 거의 동일한 것이 바람직하다. 이 경우, 송전 안테나(11)와 수전 안테나(21) 간에는 공진 결합(resonant coupling)에 의해 에너지 전달 채널이 형성된다. 송전 안테나(11)로부터 방출된 전자파는 에너지 전달 채널을 통해 수전 안테나(21)로 전송되며, 수전 안테나(21)를 통해 입력된 전자파는 수전기(20) 내부에서 임피던스 매칭 회로(미도시), 정류기(미도시) 등의 회로를 통해 전력으로 변환된다. 변환된 전력은 수전기(20)에 연결된 부하 기기(30)로 전달되어 부하 기기(30)를 충전시키거나 구동 전력을 제공한다.
자기 유도 방식을 이용하는 경우에는 송전 안테나(11)와 수전 안테나(21)의 공진 주파수가 거의 동일한 주파수일 필요는 없지만, 송전 안테나(11)와 수전 안테나(21)의 공진 주파수를 거의 동일하게 매칭시킴으로써 양단간의 전력 전송 효율을 향상시킬 수 있다.
이하에서, 상기 설명한 무선전력전송 방법을 기초로 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전 시스템을 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전 시스템을 구성하는 무선 충전 장치 및 충전 기기를 도시한 개요도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시에 따른 무선 충전 시스템은 무선 충전 장치(100)와 상기 무선 충전 장치(100)를 통해 전력을 공급받아 충전되는 충전 기기(200)를 포함한다.
무선 충전 장치(100)는 별도의 외부 전원과의 연결 없이 대기 중의 교번 자기장을 포집하여 전력으로 변환할 수 있다. 변환된 전력은 장치의 내부에 장착된 송신 안테나를 통해 외부의 충전 기기(200)로 전송될 수 있고, 무선 충전 기기(100) 내부에 장착된 배터리를 충전하기 위해 사용될 수 있다.
또한, 무선 충전 장치(100)는 현재 위치에서 감지된 교변 자기장의 크기를 외부에 표시하기 위한 표시부를 외부에 구비할 수 있다. 또는, 감지된 교번 자기장의 크기를 소리로 외부에 표시하기 위한 스피커를 더 구비할 수도 있다.
무선 충전 장치(100)는 송신 안테나를 통해 RF 신호로 전력을 충전 기기(200)로 전송하며, 전력 전송 방식은 자기 공명 방식 또는 자기 유도 방식일 수 있다.
이하에서, 무선 충전 장치(100)와 충전 기기(200) 간의 전력 전송 방법을 세부적인 구성 요소들의 설명과 함께 설명하기로 한다.
도 3에는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전 시스템의 세부 구성이 도시되어 있다. 무선 충전 장치(100)는 송신 안테나(110), 매칭회로(120), 제어부(130) 등을 포함한다. 또한, 무선 충전 장치(100)는 충전 기기와의 통신을 위한 통신부(140)를 더 포함할 수 있다. 또한, 충전 장치(200)는 수신 안테나(210), 임피던스 매칭부(220), 충전부(230) 및 배터리부(240)를 포함하며, 무선 충전 장치(100)의 통신부(140)와의 통신을 수행하는 통신부(250)를 더 포함할 수 있다. 무선 충전 장치(100)의 통신부(140)와 충전 기기(200)의 통신부(250) 간의 통신 방법은 도 5를 참조하여 후술하기로 한다.
송신 안테나(110)는 현재 위치에서의 교번 자기장을 포섭한다. 또한, 송신 안테나(110)는 후술할 제어부(130)의 제어 신호에 따라 수신 안테나(210)로 전력을 전송할 수 있다. 이때, 전송되는 전력은 RF 에너지 신호의 형태로 전송될 수 있다. 또한, 송신 안테나(110)와 후술할 수신 안테나(210)는 동일하거나 또는 근사한 공진 주파수를 갖는 것이 바람직하다.
무선 전력 방식에 따라 송신 안테나(110)의 구성이 상이하게 이루어질 수 있다. 가령, 무선 충전 장치(100)가 자기 유도 방식으로 구현되는 경우에는 송신 안테나(110)는 단일의 루프 안테나로 구성될 수 있다. 반면에 무선 충전 장치(100)가 자기 공명 방식으로 구현되는 경우에는 송신 안테나(110)는 송전 코일과 송전용 공진 코일의 한 쌍으로 구성될 수 있다.
또한, 송신 안테나(110)는 루프 형태로 구현될 수 있다. 이때, 송신 안테나(110)는 스파이럴 루프 형태 또는 헬리컬 루프 형태일 수 있다.
매칭 회로(120)는 송신 안테나(110)의 공진 주파수를 변경한다. 구체적으로, 매칭 회로(120)는 송신 안테나(110)의 후단에 위치하여, 송신 안테나(110)와 제어부(130) 사이의 임피던스를 정합시킬 수 있다. 이를 위하여, 매칭 회로(120)는 가변 커패시터를 포함하거나, 또는, 커패시터와 FET 스위치가 직렬 연결된 회로가 병렬로 다수 연결된 병렬 어레이 구조를 포함할 수 있다. 또한, 상기의 가변 커패시터 또는 병렬 어레이는 송신 안테나(110)와 직렬 연결되거나 또는 병렬 연결되어 매칭 회로(120)의 커패시턴스 값을 변경함으로써 송신 안테나(110)의 공진 주파수를 변경할 수 있다.
제어부(130)는 상기 매칭 회로(120)를 이용하여 송신 안테나(110)의 공진 주파수를 교번 자기장의 공진 주파수와 매칭시킨다. 또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 제어부(130)는 송신 안테나(110)를 통해 무선으로 수전된 전력을 정류부(132)를 통해 직류로 변환하고, 변환된 DC 신호를 전압 증폭부(134)를 통해 임의의 전압으로 변환시킨다.
또한, 제어부(130)는 주파수 제어부(136)를 더 포함할 수 있다. 주파수 제어부(136)는 매칭 회로(120)의 커패시턴스를 조절하여 공진 주파수를 변경시키면서 수신되는 전력량을 측정하여, 동일 위치에서 최대 전력량이 얻어지는 주파수를 감지한다. 주파수 제어부(136)는 최대 전력량이 얻어지는 주파수로 공진 주파수를 고정시켜서 교번 자기장으로부터 에너지를 최대로 수신하도록 제어할 수 있다.
제어부(130)를 통해 변환된 전력은 배터리부(150)에 저장되거나, 다시 필요한 직류 전원으로 변환하여 외부의 충전 장치(200)로 전송할 수 있다. 구체적으로, 제어부(130)는 무선 충전 장치(100)에 인접한 충전 기기(200)의 유무를 감지하면, 감지된 충전 기기(200)로 전력을 전송하도록 제어할 수 있다.
이때, 제어부(130)는 통신부(140)를 통해서 또는 임피던스 변화로 인한 전송 전류의 변화를 측정하여 인접한 충전 기기(200)의 유무를 감지할 수 있다.
구체적으로, 송신 안테나(110)를 통해 외부로 에너지를 방사하고 있는 상태에서 외부의 충전 기기(200)가 무선 충전 장치(100)에 인접하게 되면 충전 기기(200)의 부하에 따라 송신 안테나(110)에서 수신 안테나(210)로 무선으로 에너지가 전달되며 무선 충전 장치(100)에서의 소모 전류량이 증가하게 된다. 이때, 제어부(130)는 소모 전류량의 급격한 변화를 감지하여 인접한 위치에서의 충전 기기(200)의 존재를 감지할 수 있다.
또는, 외부의 충전 기기(200)와의 통신을 통해 충전 기기(200)의 인접 유무를 감지할 수 있다. 이에 관해서는 도 5에서 상세히 후술하기로 한다.
충전 기기(200)는 수신 안테나(210) 및 임피던스 매칭부(220)를 포함한다. 수신 안테나(210)는 무선 충전 장치(100)의 송신 안테나(110)로부터 전력을 수신하며, 임피던스 매칭부(220)는 수신 안테나(210)의 공진 주파수를 송신 안테나(110)의 공진 주파수에 매칭시킬 수 있다.
또한, 충전 기기(200)는 수신된 전력을 이용하여 배터리부(240)를 충전시키는 충전부(230) 및 무선 충전 장치(250)의 통신부(140)와 메시지를 송수신하는 통신부(250)를 더 포함할 수 있다.
다음으로, 도 5를 참조하여 무선 충전 장치와 충전 기기 간의 통신을 이용하여 충전 기기의 인접 여부를 판단하는 방법을 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전 시스템에서 무선 충전 장치와 충전 기기간의 통신 방법의 일례를 설명하기 위한 도면이다.
도 5에서, 무선 충전 장치(100)의 통신부(140)와 충전 기기(200)의 통신부(250)는 송신 안테나(110) 및 수신 안테나(210)를 이용하여 자기장 통신 또는 부하 변조 통신을 통해 상호간에 메시지를 전달할 수 있다. 또는, 무선 충전 장치(100)와 충전 기기(200) 간의 통신을 위한 별도의 통신 안테나(160, 260)를 더 포함할 수도 있다.
우선, 무선 충전 장치(100)의 통신부(140)는 미리 정의된 시간 간격(이하, 제1 시간 간격)으로 충전 기기(200)의 통신부(250)로 ACK 신호(탐지 신호)를 보낸다(S102). 이때, 통신부(140)는 충전 기기(200)의 통신부(250)가 가동될 정도의 전력을 탐지 신호에 포함시켜서 전송할 수도 있다.
이후, 미리 정의된 시간 간격(이하, 제2 시간 간격) 이내에 충전 기기(200)의 통신부(250)로부터 상기 탐지 신호에 응답하는 Response 신호(응답 신호)가 수신되면, 무선 충전 장치(100)의 통신부(140)는 상기 응답 신호의 수신 사실을 제어부(130)로 통지하고(S104), 제어부(130)는 응답 신호를 송신한 충전 기기(200)로 무선으로 전력 전송을 개시한다. 이때, 통신부(140)는 별도의 전력 전송 개시 신호를 충전 기기(200)의 통신부(250)로 전송할 수 있다. 또한, 통신부(140)는 전력 전송이 개시된 이후에도 전력 전송 과정에서 주기적으로 탐지 신호를 전송하고(S106), 이에 응답하는 응답 신호를 수신하도록 구성할 수 있다(S108).
이를 통해, 무선 충전 장치(100)는 충전 기기(200)의 상태를 모니터링 할 수 있으며, 만일 탐지 신호의 전송에 대해서(S110) 제2 시간 간격 이내에 응답 신호를 수신하지 못한 경우에는, 일정 확인 과정을 통해 충전 기기(200)가 무선 충전 장치(100)로부터 이탈된 것으로 판단하고, 충전 기기(200)로의 무선 전력 전송을 중지할 수 있다(S112). 이후, 무선 충전 장치(100)의 통신부(140)는 미리 정의된 시간(이하, 제3 시간)이 경과된 후에 다시 제1 시간 간격으로 탐지 신호를 재전송 하도록 구성될 수 있다(S114).
한편, 본 발명의 다른 실시예에서, 무선 충전 장치(100)는 충전 기기(200)와의 통신 및 전력 전송을 위하여 별도의 송신 안테나를 더 구비할 수 있다. 이러한 구성은 도 6에 도시되어 있다.
도 6에서, 무선 충전 장치(100)는 송신 안테나(110) 외에 별도로 제2 송신 안테나(160)를 더 포함할 수 있다. 또한, 제2 송신 안테나(160)의 임피던스 매칭을 수행하는 제2 매칭 회로(170)를 더 포함할 수 있다.
제2 송신 안테나(160)는 통신부(140)에 의해 충전 기기(200)와의 통신 용도로 사용될 수 있으며, 또는 송신 안테나(110) 대신 충전 기기(200)로 전력을 전송하기 위해 사용될 수 있다.
이때, 제2 송신 안테나(160)는 송신 안테나(110)와 상이한 공진 주파수를 갖도록 변경될 수 있으며, 제어부(130)는 충전 장치(200)의 공진 주파수를 감지하고 제2 매칭 회로(170)를 제어하여 제2 송신 안테나(160)의 공진 주파수를 충전 장치(200)의 공진 주파수와 매칭시킬 수 있다.
이와 같은 구성을 통해, 본 발명의 무선 충전 장치(100)는 송신 안테나(110)의 공진 주파수를 교변 자기장의 공진 주파수와 매칭시켜서 최적의 효율로 전력을 수신할 수 있으며, 또한, 제2 송신 안테나(160)의 공진 주파수를 충전 기기(200)의 공진 주파수와 매칭시켜서 충전 기기(200)로의 전력 전송 효율이 최적이 되도록 보장할 수 있다.
다음으로, 상기의 무선 충전 시스템을 이용한 무선 충전 방법을 설명하기로 한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 7을 참조하면, 우선, 본 발명의 무선 충전 장치(100)를 여러 위치로 이동시키며 교번 자기장의 크기가 가장 큰 위치를 탐색한다(S210). 이때, 무선 충전 장치(100)는 송신 안테나(110)를 이용하여 교번 자기장을 포섭하고, 포섭된 교번 자기장으로부터 전송되는 전력량을 제어부(130)에서 측정하여 현재 위치에서의 교번 자기장의 세기를 판단할 수 있다. 또한, 측정된 교번 자기장의 세기는 별도의 표시부 또는 스피커를 통해 사용자에게 표시될 수 있다.
이후, 탐색을 통해 최적의 위치가 결정되면, 해당 위치에 무선 충전 장치(100)를 위치시킨다(S220).
이후, 무선 충전 장치(100)는 인접한 위치에 충전이 필요한 충전 기기(200)의 여부를 검색을 통해 판단하고(S230), 충전 기기(200)가 검색되면, 교번 자기장의 공진 주파수를 감지하여 송신 안테나(110)의 공진 주파수를 매칭시킨다(S240).
이후, 무선 충전 장치(100)는 교번 자기장으로부터 수신된 전력을 이용하여 충전 기기(200)를 충전한다(S250). 이때, 무선 충전 장치(100)는 내장된 배터리부(150)의 충전을 동시에 수행할 수 있으며, 충전이 완료된 배터리부(150)로부터 전력을 제공받아 충전 기기(200)로 전송할 수도 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 충전 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 8을 참조하면, 우선, 충전하고자 하는 충전 기기(200)를 무선 충전 장치(100)에 인접시켜서 충전 기기(200)를 인식시킨다(S310). 이후, 무선 충전 장치(100)와 충전 기기(200)를 이동시키면서 송신 안테나(110)를 통해 포섭되는 교번 자기장으로부터 수신되는 전력량을 측정하여 최적의 위치를 검색한다(S320).
이후, 제어부(130)는 매칭 회로(120)를 제어하여 교번 자기장의 공진 주파수를 감지하고, 감지된 공진 주파수로 송신 안테나(110)의 공진 주파수를 매칭시킨다(S330).
이후, 교번 자기장으로부터 수신된 전력을 충전 기기(200)로 전송하여 충전 기기(200)를 충전한다(S340).
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 무선 충전 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 9을 참조하면, 우선, 본 발명의 무선 충전 장치(100)를 이동시키며 교번 자기장의 크기가 가장 큰 위치를 탐색한다(S410). 이때, 무선 충전 장치(100)는 송신 안테나(110)를 이용하여 교번 자기장을 포섭하고, 포섭된 교번 자기장으로부터 전송되는 전력량을 제어부(130)에서 측정하여 현위치에서의 교번 자기장의 세기를 판단할 수 있다. 또한, 측정된 교번 자기장의 세기는 별도의 표시부 또는 스피커를 통해 사용자에게 표시될 수 있다.
이후, 탐색을 통해 최적의 위치가 결정되면, 해당 위치에 무선 충전 장치(100)를 위치시킨다(S420).
이후, 무선 충전 장치(100)는 인접한 위치에 충전이 필요한 충전 기기(200)의 여부를 검색을 통해 판단하고(S430), 충전 기기(200)가 검색되면, 교번 자기장의 공진 주파수를 감지하여 송신 안테나(110)의 공진 주파수를 매칭시킨다(S440). 또한, 충전 기기(200)의 공진 주파수를 감지하여 제2 송신 안테나(160)의 공진 주파수를 매칭시킨다(S450).
이후, 무선 충전 장치(100)는 교번 자기장으로부터 수신된 전력을 매칭된 공진 주파수로 충전 기기(200)로 전송하여 충전 기기(200)를 충전한다(S460).
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (20)

  1. 충전 기기를 충전하는 무선 충전 장치에 있어서,
    교번 자기장을 포섭하여 전력을 수신하는 안테나부,
    상기 안테나부의 공진 주파수를 변경시키는 매칭 회로 및
    상기 매칭 회로를 이용하여 상기 안테나부의 공진 주파수를 상기 교번 자기장의 공진 주파수와 매칭시키는 제어부
    를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 충전 기기의 인접 여부를 판단하여, 상기 충전 기기가 인접한 경우에 상기 안테나부를 이용하여 상기 충전 기기로 전력을 전송하는,
    무선 충전 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 인접한 충전 기기와 통신을 수행하는 통신부를 더 포함하는,
    무선 충전 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 통신부는 제1시간 간격으로 탐지 신호를 발신하고,
    상기 통신부는 상기 탐지 신호의 발신 후 제2시간 이내에 상기 충전 기기로부터 상기 탐지 신호에 대응하는 응답 신호가 수신되지 않으면 제3시간 이후에 상기 탐지 신호를 상기 제1시간 간격으로 재발신하고,
    상기 통신부는 상기 탐지 신호의 발신 후 제2시간 이내에 상기 충전 기기로부터 상기 응답 신호를 수신하면 상기 제어부로 응답 신호 수신 여부를 통지하는,
    무선 충전 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 안테나부와 공진 주파수가 상이한 제2 안테나부를 더 포함하는,
    무선 충전 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제2 안테나부의 공진 주파수를 조절하는 제2 매칭 회로를 더 포함하는,
    무선 충전 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제2 매칭 회로를 이용하여 상기 제2 안테나부의 공진 주파수를 상기 충전 기기의 공진 주파수와 매칭시키는,
    무선 충전 장치.
  7. 무선 충전 시스템에 있어서,
    충전용 배터리를 구비한 충전 기기 및
    교번 자기장을 포섭하여 전력을 획득하고, 상기 전력을 RF 신호로 상기 충전 기기로 전송하는 무선 충전 장치를 포함하고,
    상기 무선 충전 장치는,
    상기 교번 자기장을 포섭하고, 상기 RF 신호를 방사하는 안테나부,
    상기 안테나부의 공진 주파수를 변경하는 매칭 회로 및
    상기 매칭 회로를 이용하여 상기 안테나부의 공진 주파수를 상기 교번 안테나의 공진 주파수와 매칭시키는 제어부
    를 더 포함하며,
    상기 충전 기기는,
    상기 안테나부로부터 방사된 상기 RF 신호를 수신하는 기기 안테나부,
    상기 기기 안테나부의 임피던스를 변경하여 상기 기기 안테나부의 공진 주파수를 변경하는 임피던스 매칭부 및
    상기 RF 신호로부터 변환된 전력을 상기 충전용 배터리에 공급하는 충전부를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 충전 기기의 인접 여부를 판단하여, 상기 충전 기기가 인접한 경우에 상기 안테나부를 이용하여 상기 충전 기기로 전력을 전송하는,
    무선 충전 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 무선 충전 장치는 상기 인접한 충전 기기와의 통신을 수행하는 장치 통신부를 더 포함하고,
    상기 충전 기기는 상기 장치 통신부와 통신하는 기기 통신부를 더 포함하는,
    무선 충전 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 장치 통신부는 제1시간 간격으로 탐지 신호를 발신하고,
    상기 장치 통신부는 상기 탐지 신호의 발신 후 제2시간 이내에 상기 기기 통신부로부터 상기 탐지 신호에 대응하는 응답 신호가 수신되지 않으면 제3시간 이후에 상기 탐지 신호를 상기 제1시간 간격으로 재발신하고,
    상기 장치 통신부는 상기 탐지 신호의 발신 후 제2시간 이내에 상기 기기 통신부로부터 상기 응답 신호를 수신하면, 상기 제어부로 응답 신호 수신 여부를 통지하는,
    무선 충전 시스템.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 무선 충전 장치는 상기 안테나부와 공진 주파수가 상이한 제2 안테나부를 더 포함하고,
    상기 충전 기기는 상기 제2 안테나부에 대응되는 제2 기기 안테나부를 더 포함하는,
    무선 충전 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제2 안테나부의 공진 주파수를 조절하는 제2 매칭 회로를 더 포함하는,
    무선 충전 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제2 매칭 회로를 이용하여 상기 제2 안테나부의 공진 주파수를 상기 제2 기기 안테나부의 공진 주파수와 매칭시키는,
    무선 충전 시스템.
  13. 교번 자기장을 이용한 무선 충전 방법에 있어서,
    안테나부를 통해 포섭된 교번 자기장으로부터의 수신 전력을 측정하여 무선 충전 장치를 배치시킬 위치를 결정하는 단계,
    상기 결정된 위치에 배치된 상기 무선 충전 장치와 인접한 충전 기기를 탐색하는 단계,
    매칭 회로를 이용하여 상기 교번 자기장의 공진 주파수를 감지하는 단계,
    상기 감지된 공진 주파수와 매칭되도록 상기 안테나부의 공진 주파수를 변경하는 단계 및
    상기 교번 자기장으로부터 수신된 전력을 상기 충전 기기로 전송하는 단계
    를 포함하는,
    무선 충전 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 교번 자기장의 공진 주파수를 감지하는 단계는,
    상기 매칭 회로를 이용하여 상기 안테나부의 공진 주파수를 변경시키며 상기 교번 자기장으로부터의 수신 전력이 최대인 주파수를 탐색하는 단계인,
    무선 충전 방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 충전 기기를 탐색하는 단계는,
    통신부가 제1시간 간격으로 탐지 신호를 발신하는 단계,
    상기 통신부가 상기 탐지 신호의 발신 후 제2시간 동안 상기 충전 기기로부터 상기 탐지 신호에 대응하는 응답 신호의 수신을 대기하는 단계,
    상기 제2시간 이내에 상기 응답 신호가 수신되지 않은 경우에 제3시간 이후에 상기 탐지 신호를 상기 제1시간 간격으로 재발신하는 단계 및
    상기 제2시간 이내에 상기 응답 신호가 수신된 경우에 제어부가 상기 안테나부를 이용하여 상기 응답 신호를 송신한 충전 기기로 전력을 송신하는 단계
    를 더 포함하는, 무선 충전 방법.
  16. 제 13 항에 있어서,
    제2 매칭 회로를 이용하여 상기 충전 기기의 공진 주파수를 감지하는 단계 및
    제2 안테나부의 공진 주파수를 상기 충전 기기의 공진 주파수와 매칭시키는 단계를 더 포함하며,
    상기 무선 충전 장치는 상기 제2 안테나부를 이용하여 상기 충전 기기로 전력을 송신하거나 또는 상기 충전 기기와 통신을 수행하는,
    무선 충전 방법.
  17. 교번 자기장을 이용한 무선 충전 방법에 있어서,
    무선 충전 장치에 충전 기기가 인접하여 배치되면 통신부가 상기 충전 기기를 감지하는 단계,
    안테나부를 통해 포섭된 교번 자기장으로부터의 수신 전력을 측정하여 상기 무선 충전 장치 및 상기 충전 기기를 배치시킬 위치를 결정하는 단계,
    매칭 회로를 이용하여 상기 교번 자기장의 공진 주파수를 감지하는 단계,
    상기 감지된 공진 주파수와 매칭되도록 상기 안테나부의 공진 주파수를 변경하는 단계 및
    상기 교번 자기장으로부터 수신된 전력을 상기 충전 기기로 전송하는 단계
    를 포함하는,
    무선 충전 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 교번 자기장의 공진 주파수를 감지하는 단계는,
    상기 매칭 회로를 이용하여 상기 안테나부의 공진 주파수를 변경시키며 상기 교번 자기장으로부터의 수신 전력이 최대인 주파수를 탐색하는 단계인,
    무선 충전 방법.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 충전 기기를 감지하는 단계는,
    상기 통신부가 제1시간 간격으로 탐지 신호를 발신하는 단계,
    상기 통신부가 상기 탐지 신호의 발신 후 제2시간 동안 상기 충전 기기로부터 상기 탐지 신호에 대응하는 응답 신호의 수신을 대기하는 단계,
    상기 제2시간 이내에 상기 응답 신호가 수신되지 않은 경우에 제3시간 이후에 상기 탐지 신호를 상기 제1시간 간격으로 재발신하는 단계 및
    상기 제2시간 이내에 상기 응답 신호가 수신된 경우에 제어부가 상기 안테나부를 이용하여 상기 응답 신호를 송신한 충전 기기로 전력을 송신하는 단계
    를 더 포함하는,
    무선 충전 방법.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 충전 기기를 감지하는 단계 이후에,
    제2 매칭 회로를 이용하여 상기 충전 기기의 공진 주파수를 감지하는 단계 및
    제2 안테나부의 공진 주파수를 상기 충전 기기의 공진 주파수와 매칭시키는 단계를 더 포함하며,
    상기 무선 충전 장치는 상기 제2 안테나부를 이용하여 상기 충전 기기로 전력을 송신하거나 또는 상기 충전 기기와 통신을 수행하는,
    무선 충전 방법.
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