JP2014075963A - 有線−無線電力転送装置及びこれを用いた有線−無線電力転送方法 - Google Patents

Abstract

【課題】有線電力転送装置または無線電力転送装置の長短所を相互補完し、電力変換効率及び汎用性を向上する。
【解決手段】交流入力信号を直流信号に変換する整流部３００、直流に変換された上記入力信号を所定のサイズに変換する変圧部５００、上記変圧部で変換された信号を受けて無線で電力転送を行う無線電力転送部７００、及び上記変圧部で変換された信号の入力を受けて有線で電力供給を行う有線電力供給部９００を含む有線−無線電力転送装置１０及びこれを用いた有線−無線電力転送方法を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、有線−無線電力転送装置及びその方法に関するものである。

一般に、携帯電話、ノートブックコンピュータ、ＰＤＡなどの携帯型電子機器は、内部に蓄電池を備えてユーザが移動しながら使用可能に構成されている。

しかしながら、このような携帯型電子機器は、蓄電池の充電のために別途の充電器を備えて、充電器は一般常用電源と接続されて携帯型電子機器の蓄電池に充電電流を提供することによって充電を行う。一方、充電器が充電電流を携帯型電子機器の蓄電池に提供するためには、充電器を構成する充電母体と携帯型電子機器の蓄電池とは電気的に連結されなければならない。充電母体と携帯型電子機器の蓄電池とを電気的に連結するために、有線（接点方式）充電器では、充電母体と携帯型電子機器または蓄電池に各々別途の接続端子を構成した。したがって、携帯型電子機器の蓄電池を充電しようとする時には、携帯型電子機器または蓄電池の接続端子と充電母体の接続端子とを相互接続させなければならない。

しかしながら、携帯型電子機器または蓄電池と充電母体に接続端子を構成する接点方式の充電器は、接続端子が外部に突出することによって美観上、見苦しいという問題点の他に、接続端子が外部の異質物に汚染されて接続不良が発生する虞があり、場合によってはユーザの不注意により短絡が発生して蓄電池が完全放電できるという問題点があった。

このような問題を解決するために携帯型電子機器の蓄電池が無線（非接触式）で充電母体と電気的に結合されて充電母体のエネルギーを充電することができる方式が開発された。

無線で電気エネルギーを所望の機器に伝達する無線電力転送技術（wireless power transmissionまたはwireless energy transfer）は、既に１８００年代に電磁気誘導原理を用いた電気モーターや変圧器が使われ始めて、その後にはラジオ波（radio wave）やレーザー（laser）のような電磁気波を放射して電気エネルギーを転送する方法も試みられた。私達がよく使用する電動歯ブラシや一部の無線カミソリも実際は電磁気誘導原理により充電される。現在まで無線方式によるエネルギー伝達方式は、磁気誘導、磁気共振、及び短波長無線周波数を用いた遠距離送信技術などがある。

最近、イシューとなっている短距離無線電力転送技術の応用分野を見ると、建物の内に無線電力送信装置を設置し、建物の内部でユーザが携帯電話やノートブックなどのモバイル機器の内に無線電力受信装置を使用すれば、別途の電源ケーブルを連結しなくても続けて充電が遂行される場合が代表的である。

しかしながら、無線電力転送技術の場合、充電時間が長く、無線充電のための誘導起電力を使用するに当たって、充電機器の間に電力転送距離が短いため、無線充電中に機器を使用することができる距離が短くて不便であるという短所がある。

本発明の目的は、有線−無線電力転送装置であって、１つの装置を通じて有線電力転送と無線電力転送とを結合した電力供給装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、有線−無線電力供給装置を用いた電力供給方法を提供することにある。

本発明は、交流入力信号を直流信号に変換する整流部、直流に変換された上記入力信号を所定のサイズに変換する変圧部、上記変圧部で変換された信号を受けて無線で電力転送を行う無線電力転送部、及び上記変圧部で変換された信号の入力を受けて有線で電力供給を行う有線電力供給部を含む有線−無線電力転送装置及びこれを用いた有線−無線電力転送方法を提供する。

本発明によれば、無線電力転送の短所を改善して充電時間を減らし、充電中にモバイル機器を使用することが便利で、有線電力転送の短所を改善してモバイル機器の連結及び分離無しで電力転送を行うことができる長所がある。

また、多数個の機器に有線電源供給と無線電力転送を同時に実施することができる。

また、絶縁型オフライン直流電源供給器を内蔵しているので、製品の構造が簡単で、携帯が容易で、かつ直流電源供給器で２つ以上の電源を変圧器の多重巻線を用いて容易に構成することができ、多重出力のための別途のＤＣ−ＤＣコンバータを使用しなくてもよいので、費用が低く、電力変換効率が高い。

また、ＵＳＢポートを用いた有線電源供給が可能であるので、汎用性が高く、国家別の多様な電源規格を満たすために、ＡＣ電源ケーブルのみ変更すればよいので、開発費用と取替費用が少ない。

本発明の一実施形態である有線−無線電力転送装置のブロック図である。 図１の有線−無線電力転送装置の詳細構成図である。 図２の変圧器の一例を示す図である。 １つの転送コイルを有する無線電力転送部のコイル配置概念図である。 複数の転送コイルを有する無線電力転送部のコイル配置概念図である。 従来の無線電力転送装置のアダプタと本体の構成を示す概念図である。 本発明のアダプタを含む有線−無線電力転送装置を示す概念図である。 共振コイルを含む無線電力転送部及び無線電力システムを示す。 本発明の有線−無線電力転送装置の外観を示す。

以下、添付した図面を参考にして本発明の実施形態に対して本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳細に説明する。しかしながら、本発明はさまざまな相異する形態で具現されることができ、ここで説明する実施形態に限定されない。そして、図面において、本発明を明確に説明するために説明と関係のない部分は省略し、明細書の全体を通じて類似の部分に対しては類似の図面符号を与えた。

明細書の全体で、どの部分が他の部分と“連結”されているとする時、これは“直接的に連結”されている場合だけでなく、その中間に他の素子を挟んで“電気的に連結”されている場合も含む。

明細書の全体で、どの部分がどの構成要素を“含む”とする時、これは特別に反対になる記載がない限り、他の構成要素を除外するものでなく、他の構成要素をさらに含むことができることを意味する。また、明細書に記載された“…部”、“…器”、“モジュール”などの用語は少なくとも１つの機能や動作を処理する単位を意味し、これはハードウェアやソフトウェアまたはハードウェア及びソフトウェアの結合により具現できる。

図面において、多数の層及び領域を明確に表現するために厚さを拡大して表した。明細書の全体を通じて類似の部分に対しては同一な図面符号を与えた。層、膜、領域、板などの部分が他の部分の“上に”あるとする時、これは他の部分“真上に”ある場合だけでなく、その中間に更に他の部分がある場合も含む。反対に、どの部分が他の部分の“真上に”あるとする時には中間に他の部分がないことを意味する。

図１は、本発明の一実施形態である有線−無線電力転送装置のブロック図を示す。

図１を参考すると、実施形態の有線−無線電力転送装置１０は、フィルタ部１００、整流部３００、変圧部５００、無線電力送信部７００、及び有線電力供給部９００を含む。

上記フィルタ部１００は入力交流信号に沿って漏れて入る電子妨害雑音（ＥＭＩ：Electro Magnetic Interference）を除去して整流部３００に出力する。上記整流部３００は、上記フィルタ部１００の出力交流信号の入力を受けて上記交流信号を直流信号に変換して上記変圧部５００に出力する。

上記変圧部５００は、上記整流部３００から変換された直流信号を所定のサイズに変換して無線電力送信部７００及び有線電力供給部９００に出力する。

上記無線電力転送部７００は、上記変圧部５００から変換された信号の入力を受けて無線電力受信装置２０ａに無線電力転送を行う。

上記有線電力供給部９００は、上記変圧部５００から変換された信号の入力を受けて有線連結した有線電力受信装置２０ｂに有線電力転送を行う。

このような有線−無線電力転送装置１０は、無線電力受信装置２０ａ及び／または有線電力受信装置２０ｂに電力転送が可能である。

以下、図２乃至図６を参考して図１の有線−無線電力転送装置を詳細に説明する。

図２は図１の有線−無線電力転送装置の詳細構成図であり、図３は図２の変圧器の一例であり、図４Aは１つの転送コイルを有する無線電力転送部のコイル配置概念図であり、図４Bは複数の転送コイルを有する無線電力転送部のコイル配置概念図であり、図５Aは従来の無線電力転送装置のアダプタと本体の構成を示す概念図であり、図５Bは本発明のアダプタを含む有線−無線電力転送装置を示す概念図であり、図６は共振コイルを含む無線電力転送部及び無線電力システムを示す。

上記フィルタ部１００はキャパシタ１１０及びインダクタ１２０、１３０を含む。一実施形態に、上記フィルタ部１００は、入力信号が印加されるキャパシタ１１０、上記キャパシタ１１０の一端と連結されるインダクタ１２０、及び上記キャパシタ１１０の他端と連結されるインダクタ１３０を含む。上記各インダクタ１２０、１３０は電気的に連結され、上記フィルタ部１００の出力端である各インダクタの他端は上記整流部３００に連結できる。但し、上記フィルタ部１００の構成はこれに対して限定せず、電子妨害雑音（ＥＭＩ）フィルタリングできる構成を含む。

上記フィルタ部１００のキャパシタ１１０の両端を通じて入力される入力交流信号には電子妨害雑音（ＥＭＩ）が含まれていることがあり、これは電子機器の誤作動の原因となることができるため、これを除去する必要がある。したがって、上記フィルタ部１００は入力交流信号に沿って漏れて入る電子妨害雑音を除去して電子妨害雑音（ＥＭＩ）が除去された交流信号を整流部３００に出力することができる。

上記整流部３００は交流入力信号を直流信号に変換するものであって、ブリッジ整流器及びキャパシタを含む。

上記ブリッジ整流器はブリッジ連結されている４個のダイオードを含み、上記ブリッジ整流器を通過した交流入力信号は同一な方向に逆転された交流信号に変換される。上記逆転された交流信号はキャパシタに充電されて一定のサイズの直流電圧が変圧部に出力される。

より詳しくは、上記ブリッジ整流器は、第１ダイオード３１０、第２ダイオード３２０、第３ダイオード３３０、及び第４ダイオード３４０を含む。

上記変圧部５００は、変圧器５１０及び出力フィルタ５３０、５５０を含む。

上記変圧器５１０は、１次側インダクタ５１１、２次側インダクタ５１３、５１５、及びスイッチング素子５１７を含む。上記２次側インダクタ５１３、５１５は、２次側の第１インダクタ５１３及び２次側の第２インダクタ５１５を含む。また、上記２次側インダクタは２つ以上の複数のインダクタでありうる。

上記スイッチング素子５１７は、多数のスイッチング素子を直並列に組み合わせて構成することができ、好ましくはトランジスタでありうる。

上記出力フィルタ５３０、５５０は、第１出力フィルタ５３０及び第２出力フィルタ５５０を含む。上記出力フィルタ５３０、５５０の個数はこれに限定せず、上記変圧器の２次側インダクタ５１３、５１５の個数によって複数であることがあり、上記出力フィルタ５３０、５５０は整流素子５３１、５５１、及びキャパシタ５３３、５５３を含む。好ましくは、上記整流素子はダイオードでありうる。

上記変圧部５００は、一例として、フライバック（flyback）方式の直流−直流コンバータでありうる。一例に従う上記変圧部５００の連結関係を説明すると、上記変圧器５１０の１次側インダクタ５１１の一端は上記整流部３００の一端に連結され、他端は上記スイッチング素子５１７の一端に連結される。上記スイッチング素子５１７の他端は上記整流部３００の他端に連結される。上記２次側の第１インダクタ５１３の一端は第１出力フィルタのダイオード５３１に正方向連結され、他端は第１出力フィルタのキャパシタ５３３の一端に連結される。上記２次側の第２インダクタ５１５の一端は第２出力フィルタのダイオード５５１に正方向連結され、他端は第２出力フィルタのキャパシタ５５３の一端に連結される。第１出力フィルタのキャパシタ５３０の両端は無線電力送信部７００のインバータ７１０の両端に連結され、第２出力フィルタのキャパシタ５５３の両端は有線電力供給部９００の両端に連結される。上記１次側インダクタ５１１と上記２次側インダクタ５１３、５１５とは電気的に連結される。

上記変圧部の上記スイッチング素子５１７は制御信号によってオン−オフされて上記整流部３００で直流信号に変換された出力と１次側インダクタ５１１を連結する。上記１次側インダクタ５１１と上記２次側インダクタ５１３、５１５とは電気的に連結されており、１次側インダクタ５１１と２次側インダクタ５１３、５１５との巻線比によって変圧部５００の１次側インダクタ５１１に入力される信号を所定のサイズに変換して２次側インダクタ５１３、５１５から出力することができる。

即ち、上記変圧部５００の上記変圧器５１０は、上記スイッチング素子５１７のオン−オフを通じて変圧器５１０に入力される信号を１次側インダクタ５１１と２次側インダクタ５１３、５１５との巻線比によって所定のサイズに変換して上記変圧部５００の上記第１出力フィルタ５３０及び上記第２出力フィルタ５５０に出力することができる。上記第１出力フィルタ５３０は、上記変圧器５１０から入力を受けた信号をダイオード５３１及びキャパシタ５３３を通じてフィルタリングして上記無線電力転送部７００に出力することができ、上記第２出力フィルタ５５０は、上記変圧器５１０から入力を受けた信号をダイオード５５１及びキャパシタ５５３を通じてフィルタリングして有線電力供給部９００に出力することができる。

一方、変圧部は図３のように、複数の出力を出すためには２次側インダクタ５１３、５１５、５１６を追加構成することができる。図３で、変圧器５１０は２次側の第３インダクタ５１６をさらに含む。変圧器５１０は各々の２次側インダクタ５１３、５１５、５１６を通じて所定のサイズに変換された信号を出力することができる。

また、上記変圧部５００は追加された上記２次側の第３インダクタ５１６の出力をフィルタリングするために第３出力フィルタ５６０を含む。上記第３出力フィルタ５６０は、上記２次側の第３インダクタ５１６の出力を入力されてフィルタリングして無線電力転送部７００または有線電力供給部９００に転送することができる。

追加で構成することができる２次側インダクタの個数と出力フィルタの個数は実施形態に限定されず、追加で２次側インダクタ及び出力フィルタを構成するにつれて複数の変換された信号を出力することができる。

図２のように、上記無線電力送信部７００は、インバータ７１０、送信コイル７３０、及び無線送受信制御部７５０を含む。

上記インバータ７１０は、上記第１出力フィルタ５３０の出力直流信号の入力を受けて交流信号に変換して送信コイル７３０に伝達することができる。上記送信コイル７３０は、上記インバータ７１０から交流信号の入力を受けて無線電力転送を行うことができる。上記送信コイル７３０に交流電流が流れれば、電磁気誘導により物理的に離隔している無線電力受信装置のコイルにも交流電流が流れるようにして、無線電力転送を行うことができる。上記無線送受信制御部７５０は、無線電力送信部７００の各部の動作を制御し、無線電力受信装置からの信号を検出して無線電力受信装置が無線電力転送可能な距離にある場合、無線電力転送するか否かを判断し制御することができる。

上記送信コイル７３０は複数でありうる。複数の送信コイルが存在する場合、複数の無線受信装置に同時に無線電力転送が可能である。また、送信部及び受信部の構成において、無線送信部と無線受信部とが一対に構成できるだけでなく、多重無線送信部と１つの無線受信部、１つの無線送信部と多重無線受信部、多重無線送信部と多重無線受信部の構成も可能である。

また、無線電力受信装置のフリーポジショニング（free positioning）が可能である。図４を参考すると、図４Aは１つの送信コイル７３０が存在する場合であって、無線電力受信装置は特定の位置に置かれなければ無線電力転送が可能でない。一方、図４Bは複数の送信コイル７３０が存在する場合であって、フリーポジショニング方式の場合、無線電力受信装置が有線−無線電力転送装置１０の表面の特定の範囲の内に位置すれば、センサーが無線電力受信装置の位置を感知して電力転送を行うことができる。

本発明の有線−無線電力転送装置１０は、図５Aのような別途の無線電力転送のための別途のアダプタを利用しない。即ち、有線電力転送装置に含まれている整流器とＤＣ−ＤＣコンバータを用いるので、無線電力転送部のための別途のアダプタを必要としない。したがって、本発明では図５Bのようにアダプタ２００が有線−無線電力転送装置１０の内部に物理的に含まれることができる。このような構成は、有線電力転送装置に内蔵されている構成を用いるため、生産が容易で、価格競争力を高めて、構造が簡単で、かつ携帯が便利な効果がある。

一方、本発明の有線−無線電力転送装置１０の無線電力転送部７００は、図６のように送信用共振コイル７４０をさらに含むことができる。送信用共振コイルを含む場合、上記送信コイル７３０に交流電流が流れれば、電磁気誘導により物理的に離隔している送信用共振コイル７４０にも交流電流が誘導され、送信用共振コイルに伝えられた電力は磁気共振により上記送信用共振コイル７４０と物理的に離隔して共振回路をなす無線電力受信装置２０の共振コイル２１に電力を無線転送することができる。上記磁気共振による電力転送は、インピーダンスがマッチングされた２つのＬＣ回路の間に電力が転送される現象であって、電磁気誘導による電力転送より遠い距離まで高い効率で電力を伝達することができる。

また、図２を参考すると、上記有線電力供給部９００は上記第２出力フィルタの出力を入力されて有線で受信装置に電力を供給することができる。上記有線電力供給部９００は連結部９１０を含むことができ、上記連結部９１０は上記有線−無線電力転送装置１０と有線電力受信装置とを連結できる多様な形態のケーブルが連結できる接続構造を有する。

上記接続構造の一例に、上記連結部９１０はＵＳＢポートを用いることができる。また、上記連結部９１０は複数であることがあり、上記連結部が複数の場合、複数の有線電力受信装置に電力送信が可能である。

図７は、本発明である有線−無線電力転送装置を示す。

有線−無線電力転送装置１０の外部を見ると、電源入力部４００、充電領域７６０、及び連結部９１０を含む。電源入力部４００は、電源ソース（source）から電源の入力を受けて有線−無線電力転送装置に電力を供給することができる。充電領域７６０は、無線電力転送装置と無線転送受信装置との間に電磁気誘導による無線電力転送が可能な有線−無線電力転送装置１０の上板に存在する特定範囲である。連結部９１０は、上記有線−無線電力転送装置１０と有線電力受信装置とを連結できる多様な形態のケーブルが連結されることができ、複数の連結部９１０を通じて複数の有線電力受信装置に電力転送を行うことができる。

以上、本発明の実施形態に対して詳細に説明したが、本発明の権利範囲はこれに限定されるものではなく、請求範囲で定義している本発明の基本概念を用いた当業者のさまざまな変形及び改良形態も本発明の権利範囲に属するものである。

Claims (22)

1. 交流入力信号を直流信号に変換する整流部と、
   直流に変換された前記入力信号を所定のサイズに変換する変圧部と、
   前記変圧部で変換された信号を受けて無線で電力転送を行う無線電力転送部と、
   前記変圧部で変換された信号の入力を受けて有線で電力供給を行う有線電力供給部と、
   を含むことを特徴とする有線−無線電力転送装置。
2. 前記無線電力転送部は、
   前記変圧部から直流信号の入力を受けて交流信号に変換するインバータと、
   前記インバータから入力を受けた交流信号を電磁気誘導により無線電力受信装置に転送する送信コイルと、
   を含むことを特徴とする、請求項１に記載の有線−無線電力転送装置。
3. 前記無線電力受信装置からの信号を検出して無線電力転送を制御する無線送受信制御部を含むことを特徴とする、請求項２に記載の有線−無線電力転送装置。
4. 前記無線電力転送部は前記送信コイルを複数個含み、
   前記複数の送信コイルは複数の無線電力受信装置に同時に無線電力転送することを特徴とする、請求項３に記載の有線−無線電力転送装置。
5. 前記無線電力転送部は前記送信コイルを複数個含み、
   無線電力受信装置が前記複数の送信コイルの上面の特定の範囲の内に位置すれば、前記無線電力受信装置の位置を感知するセンサーを含むことを特徴とする、請求項４に記載の有線−無線電力転送装置。
6. 前記有線電力供給部は、有線電力受信装置と連結できるケーブルが連結される連結部を含むことを特徴とする、請求項５に記載の有線−無線電力転送装置。
7. 複数の前記連結部を含むことを特徴とする、請求項６に記載の有線−無線電力転送装置。
8. 前記連結部はＵＳＢポートを含むことを特徴とする、請求項７に記載の有線−無線電力転送装置。
9. 前記送信コイルと電気的に連結された送信用共振コイルをさらに含むことを特徴とする、請求項８に記載の有線−無線電力転送装置。
10. 前記変圧部は、
    前記直流に変換された信号を所定のサイズに変換する変圧器と、
    前記変圧器の動作を制御するスイッチング素子と、
    前記変圧部の出力をフィルタリングする出力フィルタと、
    を含むことを特徴とする、請求項２に記載の有線−無線電力転送装置。
11. 前記変圧器は、
    前記整流部で変換された信号の入力を受ける１次側インダクタと、
    １次側インダクタと電気的に連結される２次側インダクタとを含み、
    前記２次側インダクタは、２次側の第１インダクタ及び２次側の第２インダクタを含むことを特徴とする、請求項１０に記載の有線−無線電力転送装置。
12. 前記出力フィルタは、
    前記２次側の第１インダクタの出力を入力されてフィルタリングして前記無線電力転送部に出力する第１出力フィルタと、
    前記２次側の第２インダクタの出力を入力されてフィルタリングして前記有線電力供給部に出力する第２出力フィルタと、
    を含むことを特徴とする、請求項１１に記載の有線−無線電力転送装置。
13. 前記２次側インダクタは２つ以上であることを特徴とする、請求項１２に記載の有線−無線電力転送装置。
14. 前記出力フィルタは前記２次側インダクタの個数に対応する複数の出力フィルタを含むことを特徴とする、請求項１３に記載の有線−無線電力転送装置。
15. 前記変圧部はフライバック方式のＤＣ−ＤＣコンバータであることを特徴とする、請求項１４に記載の有線−無線電力転送装置。
16. 前記交流入力信号をフィルタリングして前記整流部に出力するフィルタ部を含むことを特徴とする、請求項１５に記載の有線−無線電力転送装置。
17. 有線 - 無線電力転送装置の電力転送方法において、
    入力交流信号を直流信号に変換するステップと、
    前記直流信号に変換された信号の入力を受けて所定のサイズに変換するステップと、
    前記所定のサイズに変換された信号の入力を受けて無線電力転送を行うステップと、
    前記所定のサイズに変換された信号の入力を受けて有線電力供給を行うステップと、
    を含むことを特徴とする有線−無線電力転送方法。
18. 前記直流信号に変換された信号を所定のサイズに変換するステップは、
    前記直流信号に変換された信号の入力を受けて互いに異なる複数の出力電圧に変換するステップと、
    各々の前記出力電圧をフィルタリングして出力するステップと、
    を含むことを特徴とする、請求項１７に記載の有線−無線電力転送方法。
19. 前記所定のサイズに変換された信号の入力を受けて無線電力転送を行うステップは、転送コイルを通じた電磁気誘導によって無線電力転送を行うことを特徴とする、請求項１８に記載の有線−無線電力転送方法。
20. 前記所定のサイズに変換された信号の入力を受けて無線電力転送を行うステップは、
    前記転送コイルが複数の時、複数の前記転送コイルを通じて複数の受信装置に同時に無線電力転送を行うことを特徴とする、請求項１９に記載の有線−無線電力転送方法。
21. 有線−無線電力転送装置は、前記転送コイルと電気的に連結される送信用共振コイルを含み、
    前記所定のサイズに変換された信号の入力を受けて無線電力転送を行うステップは、
    前記共振コイルを通じた電気共振によって無線電力転送を行うことを特徴とする、請求項２０に記載の有線−無線電力転送方法。
22. 前記入力交流信号を変換する前に、前記入力交流信号をフィルタリングして電磁波妨害雑音を除去するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項２１に記載の有線−無線電力転送方法。

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