JP4695691B2 - 無接点充電バッテリー及び充電器、これらを含むバッテリー充電セット、並びに充電制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、電磁気誘導現象を用いて充電できる無接点充電バッテリー、及びこれを充電することができる充電器、並びに充電制御方法に関し、より詳しくは、バッテリーの充電時、定電圧／定電流を供給する回路部品の両端に過電圧が印加されても、無線フィードバック制御を通じて過電圧状態を解消することができる無接点充電バッテリー、及びこれを充電するための無接点充電器、これらを含むバッテリー充電セット、並びに充電制御方法に関する。

携帯電話、ＰＤＡ、ノートパソコンなどのような個人携帯用装置は、充電可能なバッテリーを通じて電源が供給される。個人携帯用装置のユーザーはバッテリーの電圧が所定レベル以下に落ちると、充電器を用いてバッテリーを充電した後、再び使用する。

一般的な個人携帯用装置のバッテリーは、充電器に設けられた充電端子に電気的に連結できるように外部に露出した接続端子を備える。バッテリーを充電するときには、充電器の充電端子とバッテリーの接続端子とが相互接続されて電気的に連結された状態が維持される。

ところが、前記充電端子及び接続端子は、相互の接続のために外部に露出しており、異物によって汚染され易く、充電端子と接続端子とが接続される過程で両端子の摩擦によって摩耗が発生し、大気中の水分によって充電端子及び接続端子が腐食されることで、充電端子と接続端子との接続が不良になるという問題がある。そして、バッテリーの使用過程で接続端子の微細な隙間を通じてバッテリーの内部に水分が浸透されると、内部回路の短絡によってバッテリーが完全に放電される致命的な問題が引き起される。

このような問題を解決するために、近年、個人携帯用装置のバッテリーが電磁気誘導現象によって無接点方式で充電器と結合された状態でバッテリーを充電することができる無接点充電技術が提案された。現在、無接点充電技術は、電動歯ブラシ、電気シェーバーなどの日常生活用品に広く活用されている。

図１には、従来技術による無接点充電方式を採用したバッテリーと充電器の構成を概略的に示す。この図１を参照して理解できるように、充電器１０は、商用交流電源２０から電源を供給され、高周波交流電流を出力する高周波電力駆動手段３０、及び前記高周波電力駆動手段３０から高周波交流電流を印加されて磁場Ｍを形成する１次側コイル４０を備える。

そして、バッテリー５０は、電気エネルギーが充電されるバッテリーセル６０、１次側コイル４０で発生した磁場Ｍの鎖交によって高周波交流電流が誘導される２次側コイル７０、２次側コイル７０で誘導された高周波交流電流を直流電流に変換する整流部８０、及び整流部８０で整流された直流電流をバッテリーセル６０に印加する定電圧／定電流供給部９０を備える。

ここで、前記定電圧／定電流供給部９０は、バッテリー充電装置に広く使われる公知の回路素子である。前記定電圧／定電流供給部９０は、充電初期にはバッテリーセル６０に電流を一定に供給し、バッテリーセル６０の充電電圧が徐々に増加して特定の基準値を超えると、電流の供給を減らしていく代わりに電圧を一定に維持させる機能を果たす。

前述した従来の無接点充電方式を採用した充電器１０及びバッテリー５０によれば、２次側コイル７０に誘導される高周波交流電流の大きさは２次側コイル７０に鎖交する磁束の大きさに比例する。そして、２次側コイル７０に鎖交する磁束の大きさは１次側コイル４０との相対的位置によって変化する。すなわち、２次側コイル７０が充電器１０の１次側コイル４０に近くに位置するほど、２次側コイル７０に鎖交する磁束の大きさが増加するようになり、その結果、２次側コイル７０に誘導される高周波交流電流の大きさも共に増加するようになる。

一方、無接点充電バッテリー５０に備えられた充電回路モジュールの核心素子である定電流／定電圧供給部９０の規格は、２次側コイル７０で誘導される高周波交流電流の大きさによって規定される。ところが、前述したように２次側コイル７０に誘導される交流電流の大きさは、１次側コイル４０と２次側コイル７０との相対的位置によって変化する。

したがって、小さい高周波交流電流に応じて定電流／定電圧供給部９０の規格を規定すると、相対的に大きい高周波交流電流が誘導される地点にバッテリー５０を位置させる場合、バッテリー１０を充電する過程で定電流／定電圧供給部９０の両端に規格以上の過電圧が印加されて部品が焼損する問題が発生することがある。

前述したような点に鑑みて、従来の無接点充電方式を採用した充電器１０及びバッテリー５０は、定電流／定電圧供給部９０の規格を規定した時点で、相互間の位置を相対的に固定できる構造を採用していることが一般的である。

図２には、従来の無接点充電方式を採択している電動歯ブラシ１００の結合斜視図を示す。この図２を参照すれば、前記電動歯ブラシ１００は下端にバッテリー１１５を装着した歯ブラシ本体１１０及び前記バッテリー１１５を無接点方式で充電する充電器１２０から構成される。前記歯ブラシ本体１１０の下端には、メイン溝１３０及びサブ溝１４０が設けられ、前記充電器１２０の上部には前記メイン溝１３０及びサブ溝１４０に整合する形状を持つメイン突起１５０及びサブ突起１６０がそれぞれ設けられる。

前記歯ブラシ本体１１０と充電器１２０とは、溝１３０、１４０と突起１５０、１６０とが整合することによって緊密に固定され、その結果、歯ブラシ本体１１０に備えられたバッテリー１１５と充電器１２０との相対的位置も緊密に固定されることになる。

前記バッテリー１１５に備えられた定電圧／定電流供給部１７０の規格は、歯ブラシ本体１１０と充電器１２０とが緊密に結合された状態を仮定して規定される。よって、定電圧／定電流供給部１７０の両端には規格以上の過電圧が印加されず、その結果、予期せぬ過電圧によって定電圧／定電流供給部１７０が焼損されることが防止できることになる。

しかし、前述したようにバッテリー１１５と充電器１２０との相対的位置に厳密な制約を要するとすれば、ユーザーの使い勝手が悪く、不都合になるという問題がある。すなわち、ユーザーは、歯ブラシ本体１１０に備えられたバッテリー１１５を充電する度に、充電器１２０を基準にして一定位置に歯ブラシ本体１１０を固定するための努力を繰り返さなければならず、煩雑である。よって、ユーザーの便利性を最大限に得るためには、バッテリー１１５と充電器１２０との相対的位置の制約を克服できる新しい代替え技術が必要と言える。

以上のことから、本発明は、前述した従来技術の問題を解決するために創案されたものであり、無接点充電方式でバッテリーを充電することにおいて、バッテリーと充電器との間の相対的位置の厳密な制約を必要とせず、バッテリー内部回路の焼損を防止できる無接点充電バッテリー及び充電器、そしてこれらを含むバッテリー充電セットを提供することを目的とする。

また、本発明の他の目的は、無接点充電方式を採用したバッテリーと充電器との相対的位置の制約性を解消できると共にバッテリー内部回路の焼損を防止できるバッテリー充電制御方法を提供することである。

そこで、前述した技術的課題を達成するため、本発明に係る無接点充電バッテリーは、外部の無接点充電器から電磁気的誘導現象によって充電電力を伝達されて内部のバッテリーセルに電気エネルギーを充電する充電回路モジュールを備えるものを採用する。

具体的には、前記充電回路モジュールは、無接点充電器で発生する磁場によって高周波交流電流が誘導される高周波交流電流誘導部と、前記誘導された高周波交流電流が入力されて直流電流に変換する整流部と、前記整流部から直流電流を入力されて定電圧−定電流モードでバッテリーセルに充電電力を供給する定電圧／定電流供給部と、
前記定電圧／定電流供給部の両端電圧（入力側と出力側との電圧差）をモニタリングし、そのモニタリング結果を高周波交流電流の誘導が行われない間に無線通信を通じて外部の無接点充電器に伝達して、当該両端電圧が過電圧状態とならないように磁場の強さ変化を誘導する過電圧モニタリング部と、を含むものである。

前述した技術的課題を達成するための本発明による無接点充電器は、無接点充電バッテリー側に電磁気誘導現象によって充電電力を伝達する。このために、前記充電器は、交流電流を入力されて外部空間に磁場を形成する磁場発生部と、前記磁場発生部に高周波交流電流を印加する高周波電力駆動部と、前記磁場発生部に高周波交流電流が印加されない間に、無線通信を通じて前記無接点充電バッテリーから定電圧／定電流供給部の両端電圧差（入力側と出力側との電圧差）に対するモニタリング結果を伝達され、前記高周波電力駆動部を制御して前記磁場発生部に印加される高周波交流電流の電力を調整することで、当該両端電圧が過電圧状態とならないようにバッテリー側に伝達される充電電力を調整する充電電力調整部と、を含む。

望ましくは、前記モニタリング結果は、充電電力調整要求信号、定電圧／定電流供給部の両端電圧差（入力側と出力側との電圧差）、両端の電圧値または両端の電圧が過電圧状態であることを表すコードである。

望ましくは、前記高周波交流電流誘導部は、外部の無接点充電器から発生する磁場の磁束が鎖交するコイルであり、前記磁場発生部は両端に高周波交流電流が印加されるコイルである。

望ましくは、前記過電圧モニタリング部は、アンテナを通じて前記充電電力の調整要求を無線で伝播する無線送信部と、前記定電圧／定電流供給部の前端及び後端で電圧（入力側と出力側との電圧差）をそれぞれ検出する第１及び第２電圧検出部と、前記第１及び第２電圧検出部によって検出された第１及び第２電圧を比べて電圧比較結果を出力する電圧比較部と、前記電圧比較結果に応じたモニタリング結果を前記無線送信部に出力するマイクロプロセッサと、を含む。

望ましくは、前記過電圧モニタリング部は、前記高周波交流電流誘導部から出力される高周波交流電流を入力されて高周波交流電流の誘導が終了する時点を検出し、前記マイクロプロセッサに出力する充電休止検出部をさらに含む。このような場合、前記マイクロプロセッサは、前記時点が入力された以後に前記モニタリング結果を前記無線送信部に出力する。

望ましくは、前記充電電力調整部は、アンテナを通じて前記モニタリング結果を受信する無線受信部と、前記無線受信部からモニタリング結果を伝達されて前記高周波電力駆動部を制御して前記磁場発生部に印加される高周波交流電流の電力を調整するマイクロプロセッサと、を含む。

望ましくは、前記充電器は商用交流電流を入力し、一定の電圧の直流に変換した後、前記高周波電力駆動部に定電圧電流を供給する定電圧供給部をさらに含み、前記高周波電力駆動部は、前記マイクロプロセッサからパルス駆動信号を入力されてパルス信号を出力するパルス信号発生部と、前記パルス信号を入力されて前記定電圧供給部から入力される定電圧直流を高速にスイッチングしてパルス状の高周波交流電流を生成する電力駆動部と、を含む。

望ましくは、前記充電電力調整部は、高周波交流電流のパルス幅、パルス振幅、パルスの数、またはパルスの周波数を制御して充電電力を調整する。

望ましくは、前記定電圧供給部は、商用交流電流を入力されて過電圧電流を遮断する過電圧遮断フィルタ部と、前記フィルタ部を通過した交流電流を整流して直流電流に変換する整流部と、前記変換された直流電流を入力されて定電圧電流を出力する定電圧供給部と、を含む。

前述した技術的課題を達成するための本発明による充電制御方法は、無接点充電器を用いて電磁気的誘導現象によって無接点充電バッテリーの充電を制御する方法において、以下の（ａ）〜（ｆ）の各ステップを含む。
（ａ）前記充電器に備えられた１次側コイルに高周波交流電流を断続的に印加して外部に磁場を断続的に発生させるステップと、
（ｂ）前記発生した磁場の磁束を前記バッテリーに備えられた２次側コイルに鎖交させて電磁気的に誘導された高周波交流電流を断続的に出力させるステップと、
（ｃ）前記出力された高周波交流電流を整流して直流電流に変換するステップと、
（ｄ）前記直流電流を定電圧−定電流供給部を通じてバッテリーセルに印加してバッテリーセルを定電圧−定電流モードで充電するステップと、
（ｅ）前記定電圧−定電流供給部の両端電圧（入力側と出力側との電圧差）をモニタリングして前記２次側コイルで高周波交流電流が誘導されない間にモニタリング結果を無線通信を通じて前記充電器側に伝達するステップと、
（ｆ）前記伝達されたモニタリング結果に応じて、当該両端電圧が過電圧状態にならないように前記１次側コイルに印加される高周波交流電流の電力を調整するステップと、を含むことを特徴とする充電制御方法。

以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施例を詳しく説明する。これに先立ち、本明細書及び請求範囲に使われた用語や単語は、通常的、辞書的な意味に限定して解釈されるものではなく、発明者自らが発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義できるという原則に則して、本発明の技術的な思想に応ずる意味及び概念で解釈されねばならない。したがって、本明細書に記載された実施例及び図面に示された構成は、本発明のもっとも望ましい一実施例に過ぎず、本発明の技術的な思想のすべてを代弁したものではないため、本出願の時点においてこれらに代替できる多様な均等物及び変形例があり得ることを理解せねばならない。

図３は、本発明の望ましい実施例による無接点充電器ＣとバッテリーＢの構成を概略的に示したブロック図である。この図３を参照すれば、本発明に係る実施例における無接点充電器Ｃは、１次側コイル２００、高周波電力駆動部２１０、１次側アンテナ２２０、無線受信部２３０、マイクロプロセッサ２４０、及び電源供給部２６０を含むものである。

前記高周波電力駆動部２１０は、高速のスイッチング動作を通じて１次側コイル２００に数十ＫＨｚの高周波交流電流を印加して磁場を発生させる。例えば、前記高周波電力駆動部２１０は、８０ＫＨｚの高周波交流電流を１次側コイル２００に印加する。１次側コイル２００に高周波交流電流によって磁場が発生すると、電磁気誘導現象によって充電電力がバッテリーＢ側に無接点方式で伝達される。

望ましくは、前記高周波電力駆動部２１０として公知のＳＭＰＳ（Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ Ｍｏｄｅ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ）を採用することができるが、本発明はこれに限定されるものではない。

前記無線受信部２３０は、アンテナ２２０を通じてバッテリーＢ側から無線伝送される充電電力の調整要求信号を受信した後、マイクロプロセッサ２４０に入力する。

前記調整要求信号は、バッテリー側に過度な充電電力が伝達されて定電圧／定電流を供給する回路部品が焼損される危険があるときに伝送される信号である。前記調整要求信号は、バッテリーＢ側から変調されて伝送され、したがって前記無線受信部２３０は前記調整要求信号を復調した後、マイクロプロセッサ２４０に入力する。

望ましくは、前記調整要求信号の無線伝送のために１０〜１５ＭＨｚ帯域の搬送波が使われる。そして、前記無線受信部２３０はフォトカプラを用いて構成する。しかし、本発明が前記搬送波の周波数帯域及び無線受信部２３０を構成するための素子の種類に限定されることを意味するものではない。

前記調整要求信号がバッテリーＢ側から無線伝送されるときには、１次側コイル２００に高周波交流電流が印加されないようにすることが望ましい。これは、数十ＫＨｚ帯域の高周波交流電流の印加によって１次側コイル２００で磁場が発生した状態で調整要求信号が無線伝送されると、磁場によって調整要求信号がスクリーニングされて無線受信部２３０を通じて調整要求信号が正確に受信されないからである。

したがって、前記高周波電力駆動部２１０は、１次側コイル２００に高周波交流電流を継続的に印加するのではなく周期的に休止期間を置く。例えば、前記高周波電力駆動部２１０は、充電電力をバッテリーＢ側に伝達するとき、３秒が経過する度に５０ｍｓの間は高周波交流電流を１次側コイル２００に印加しないようにする。このような場合、前記調整要求信号は、高周波交流電流が１次側コイル２００に印加されない５０ｍｓ以内に無線伝送される。

前記マイクロプロセッサ２４０は、充電器Ｃの全般的な動作を制御し、特に無線受信部２３０から充電電力の調整要求信号が受信されると、高周波電力駆動部２１０を制御して１次側コイル２００に印加される高周波交流電流の電力を調整する。

望ましくは、マイクロプロセッサ２４０は、高周波電力駆動部２１０を制御して高周波パルスの幅を変調（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）したり、パルスの周波数を変調（Ｐｕｌｓｅ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）したり、パルスの数を変調（Ｐｕｌｓｅ Ｎｕｍｂｅｒ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）したり、パルスの振幅を変調（Ｐｕｌｓｅ Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）して高周波交流電流の電力を調整する。この結果、バッテリーＢ側に伝達される充電電力のレベルが調整されることで、バッテリーＢ内部の回路損傷を防止することができる。

前記電源供給部２６０は、商用交流電流２５０を入力し、直流電流に変換した後、前記高周波電力駆動部２１０及び前記マイクロプロセッサ２４０に動作電源を供給する。

本発明に係る実施例における無接点バッテリーＢは、２次側コイル２７０、整流部２８０、定電圧／定電流供給部２９０、マイクロプロセッサ３１０、無線送信部３２０、及びアンテナ３３０を含む充電回路モジュールと、前記充電回路モジュールによって充電が行われるバッテリーセル３００と、を含む。

前記２次側コイル２７０は、充電器Ｃに備えられた１次側コイル２００に高周波交流電流が印加される間に、電磁気誘導現象によって高周波交流電流を発生させる。このとき、２次側コイル２７０に誘導される高周波交流電流の大きさは、２次側コイル２７０に鎖交される磁束に比例する。

前記整流部２８０は、２次側コイル２７０で誘起された高周波交流電流を平滑化して直流電流に変換する。

前記定電圧／定電流供給部２９０は、マイクロプロセッサ３１０の制御によって整流された直流電流を、バッテリーセル２９０に印加して、バッテリーセル２９０を充電するが、充電初期には定電流モードでバッテリーセル２９０を充電し、充電電圧が一定基準を超えると、電流を減らす代わりに充電電圧を一定に維持する定電圧モードでバッテリーセル２９０を充電する。

前記マイクロプロセッサ３１０は、前記定電圧／定電流供給部２９０を制御してバッテリーセル３００を充電し、前記定電圧／定電流供給部２９０の両端に過度な電圧が印加されるか否かをモニタリングして、過度な電圧が印加されると、充電電力の調整要求信号を無線送信部３２０側に出力する。

望ましくは、前記定電圧／定電流供給部２９０の両端電圧に対するモニタリング動作は、前記定電圧／定電流制御部３００の前端電圧Ｖ_ｐｐと後端電圧Ｖ_ｃｈを測定し、その差が基準値を超過するか否かを検査することによって行われる。

前記無線送信部３２０は、マイクロプロセッサ３１０から出力される充電電力の調整要求信号が入力された後、調整要求信号を変調してアンテナ３３０を通じて充電器Ｃ側に備えられた無線受信部２３０のアンテナ２２０に無線伝送する。このとき、１０〜１５ＭＨｚ帯域の搬送波を用い、前記無線送信部３２０は無線受信部２３０と同様にフォトカプラを用いることが出来る。

前記調整要求信号が充電器Ｃ側に伝送されると、マイクロプロセッサ２４０の制御によって、高周波電力駆動部２１０を通じて出力される高周波交流電流の電力が減少する。その結果、電磁気誘導現象によって、２次側コイル２７０に誘導される高周波交流電流の電力が減少する。これにより、定電圧／定電流供給部２９０の両端に印加される電圧も減少する。望ましくは、このような１次側コイル２００に印加される高周波交流電流の電力に対するフィードバック制御は、定電圧／定電流供給部２９０の両端に過電圧が印加されなくなるまで続く。

図４は、本発明に係る実施例における無接点充電器Ｃの構成をより具体的に示したブロック図である。この図４を参照すれば、電源供給部２６０は、商用交流電源２５０から印加される過電圧を遮断する過電圧遮断フィルタ部２６０ａと、過電圧遮断フィルタ部２６０ａを通過した交流電流を直流電流に変換する整流部２６０ｂと、整流された直流電流を入力されてマイクロプロセッサ２４０及び高周波電力駆動部２１０に定電圧直流電流を供給する定電圧供給部２６０ｃとを含むものである。

前記高周波電力駆動部２１０は、マイクロプロセッサ２４０からパルス駆動信号が入力されパルス信号を生成するパルス信号発生部（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：２１０ａ）と、パルス信号発生部２１０ａから出力されるパルス信号に応じて、定電圧供給部２６０ｃから入力される定電圧直流電流を高速にスイッチングすることで高周波交流電流を生成して１次側コイル２００に印加する電力駆動部２１０ｂと、を含む。

図５は、本発明に係る実施例における無接点充電バッテリーＢの構成を、より具体的に示したブロック図である。この図５を参照すれば、本発明に係る実施例における無接点バッテリーＢは、定電圧／定電流供給部２９０の両端に過電圧が印加されるか否かをモニタリングするために、定電圧／定電流供給部２９０の前端及び後端にそれぞれ備えられた第１電圧検出部３５０及び第２電圧検出部３６０と、前記第１電圧検出部３５０及び前記第２電圧検出部３６０によって、それぞれ測定された第１電圧Ｖ_ｐｐ及び第２電圧Ｖ_ｃｈの比較結果をマイクロプロセッサ３１０に入力する電圧比較部３８０と、をさらに含むものである。

前記電圧比較結果は、第１及び第２電圧の差異値または過電圧が印加された状態であるか否かを表す両端電圧の状態（１は過電圧状態、０は通常電圧状態）である。後者の場合、前記電圧比較部３８０は過電圧状態の基準になる電圧差と、前記第１電圧及び第２電圧の差とを相互対比する。

一方、定電圧／定電流供給部２９０両端の電圧をモニタリングした結果、過電圧が印加されていると判断されると、マイクロプロセッサ３１０は無線送信部３２０を用いて無線を通じて充電電力の調整要求信号を充電器Ｃ側に伝達する。

ところが、充電器Ｃの１次側コイル２００からバッテリーＢの２次側コイル２７０に充電電力が伝達されている間に、前記調整要求信号が無線として伝播すると、１次側コイル２００から生成された磁場によって調整要求信号がスクリーニングされるという問題が発生する。

したがって、本発明は前述したような問題を解決するために充電器ＣからバッテリーＢ側に充電電力を伝達するとき、一定週期毎に充電電力の伝達を一時的に中断する。すなわち、図６に示したように、電磁気誘導現象によって２次側コイル２７０に高周波交流電流が誘導されて充電が行われる充電区間Δｔ_Ａと、１次側コイル２００に対する高周波交流電流の印加を意図的に一時中止して充電が休止される区間Δｔ_Ｂと、を周期的に繰り返す。そして、２次側コイル２７０で高周波交流電流の誘導が停止されて充電が休止される間に、充電電力の調整要求信号を充電器Ｃ側に伝達する。

このために、本発明に係る実施例におけるバッテリーＢは、２次側コイル２７０で誘導された高周波交流電流を入力されて充電区間が終了する時点（図６のｔ_ｓ参照）を検出する充電休止検出部３９０を含む。

前記充電休止検出部３９０は、充電区間の終了時点（図６のｔ_ｓ参照）を検出した後、これをマイクロプロセッサ３１０に入力する。すると、マイクロプロセッサ３１０は、充電電力の調整のための調整要求信号を、充電電力が伝達されていない間に無線送信部３２０を通じて充電器Ｃ側に無線伝送する。このようにして、充電電力の調整要求信号が１次側コイル２００によって生成された磁場によってスクリーニングされることを防止することができる。

充電器Ｃ側に充電電力の調整要求信号が無線伝送されると、前述したようなフィードバック制御によって、１次側コイル２００に印加される高周波交流電流の電力が調整されることで、定電圧／定電圧供給部２９０の両端電圧を適正なレベルに維持することができる。

以上、前述した本発明による無接点充電器及びバッテリーは、定電圧／定電流供給部２９０の両端に過電圧が印加されても、フィードバック制御を通じて充電電力をリアルタイムで減少させることで直ちに過電圧状態を解消することができる。

したがって、本発明の無接点充電器及びバッテリーは、２次側コイル２７０に鎖交する磁束の大きさを一定に維持するために、従来のように相互間の相対的位置が固定される必要が全く無くなり、図７に示されたように充電器Ｃをパッド状に製作し、ユーザーがパッドの所定位置にバッテリーＢが結合されている携帯電話のような充電対象体を置くだけで便利に充電できる形態で、充電器及びバッテリーセットを製作することができる。

以下、図４及び図５を参照して本発明による無接点充電制御方法を詳細に説明する。まず、非充電モードである場合、充電器Ｃの高周波電力駆動部２１０は、マイクロプロセッサ２４０の制御によって、一定時間間隔で高周波交流電流を短い時間１次側コイル２００に印加する。例えば、１秒間隔で５０ｍｓの間８０ＫＨｚの高周波交流電流を印加する。すると、１次側コイル２００は高周波交流電流が印加される度に周辺に磁場を形成する。

ユーザーは、バッテリーＢの充電のために、バッテリーＢを充電器Ｃ上に載置させる。バッテリーＢが載置された後に、充電器Ｃの１次側コイル２００に高周波交流電流が所定時間印加されると、１次側コイル２００に磁場が発生し、その結果バッテリーＢの２次側コイル２７０に磁束が鎖交する。これにより、２次側コイル２７０では高周波交流電流が所定時間誘導され、１次側コイル２００に高周波交流電流が印加されなくなれば、磁場の消滅によって高周波交流電流の誘導が一時的に中断される。

一方、充電休止検出部２９０は、高周波交流電流の誘導が一時中断される時点を検出して、マイクロプロセッサ３１０に入力する。これに応答して、マイクロプロセッサ３１０は、応答信号を無線送信部３２０に出力する。ここでの応答信号は、バッテリーＢに備えられた２次コイル２７０が、充電器Ｃ側の１次コイル２００で発生した磁場に結合された状態であることを充電器Ｃ側のマイクロプロセッサ２４０に知らせるための信号である。この応答信号が、無線送信部３２０に出力されると、無線送信部３２０は、当該応答信号を変調してアンテナ３３０を通じて充電器Ｃ側に無線伝送する。

応答信号が無線伝送されると、充電器Ｃの無線受信部２３０は、応答信号を復調して、マイクロプロセッサ２４０に入力する。その結果、マイクロプロセッサ２４０は、充電電力をバッテリーＢ側に伝達し始める。すなわち、マイクロプロセッサ２４０は、高周波電力駆動部２１０を制御し所定時間間隔で高周波交流電流を１次側コイル２００に印加し、所定時間高周波交流電流の印加を休止する動作を繰り返す。例えば、８０ＫＨｚの高周波交流電流を３秒間印加してから５０ｍｓの間は休止する。

前記１次側コイル２００に高周波交流電流が印加される間は、電磁気誘導現象によってバッテリーＢの２次側コイル２７０でも高周波交流電流が誘導される。このように高周波交流電流の誘導が持続される時間は、前記１次側コイル２００に高周波交流電流の印加が持続される時間と実質的に同一である。

前記２次側コイル２７０に誘導された高周波交流電流は、整流部２８０によって直流電流に変換された後、定電圧／定電流供給部２９０を介してバッテリーセル３００に印加される。すると、バッテリーセル３００の充電が漸次行われながら、バッテリーセル３００の両端電圧がフル充電状態になるまで上昇する。

マイクロプロセッサ３１０は、定電圧／定電流供給部２９０を制御することで、バッテリーセルの充電電圧がある程度上昇するまでは、定電流モードでバッテリーセル３００を充電し、バッテリーセル３００の電圧が所定レベル以上に増加すると、定電圧モードでバッテリーセル３００を充電する。

一方、１次側コイル２００に印加されていた高周波交流電流が休止すると、２次側コイル２７０でも高周波交流電流の誘導が一時的に停止し、充電が一時的に中断される。すると、充電休止検出部３９０は、高周波交流電流の誘導が中止された時点を検出して、マイクロプロセッサ３１０に入力する。このような動作は、高周波交流電流の誘導が一時的に中断することが何度も繰り返して行われると、充電の一時的な中断もこれに応じて行われるものである。

前述したようなバッテリーセル３００の充電過程とは別に、マイクロプロセッサ３１０は、定電圧／定電流供給部２９０の両端に過電圧が印加されるか否かをモニタリングする。

このために、電圧比較部３８０は、定電圧／定電流供給部２９０の前端及び後端にそれぞれ備えられた第１電圧検出部３５０及び第２電圧検出部３６０によって測定された電圧を周期的に入力され、その値を相互比較し、電圧比較結果をマイクロプロセッサ３１０に入力する。ここで、前記電圧比較結果は、測定された２つの電圧の差異値または過電圧状態であるか否かを表す電圧状態信号である。

前記マイクロプロセッサ３１０は、電圧比較部３８０から電圧比較結果を入力された後、定電圧／定電流供給部２９０の両端に過電圧が印加されているか否かを判断する。

その結果、定電圧／定電流供給部２９０の両端に過電圧が印加されていると判断されると、マイクロプロセッサ３１０は充電休止検出部３９０が入力した高周波交流電流の誘導が一時停止された時点を参照し、現在１次側コイルに高周波誘導電流が印加されない休止期間であるかを判断する。

その結果、休止期間であると判断されると、マイクロプロセッサ３１０は無線送信部３２０に充電電力の調整要求信号を出力する。すると、無線送信部３２０は、充電電力の調整要求信号を変調してアンテナ３３０を通じて充電器Ｃに無線送信する。

これに応答して、充電器Ｃに備えられた無線受信部２３０はアンテナ２２０を通じて充電電力の調整要求信号を受信及び復調した後、マイプロプロセッサ２４０に入力する。その結果、マイクロプロセッサ２４０は、高周波電力駆動部２１０を制御して１次側コイル２００に印加される高周波交流電流の電力を、予め定めたレベルに低くする。

前述のように、１次側コイル２００に印加される高周波交流電流の電力が減少すると、電磁気誘導現象によって２次側コイル２７０に誘導される高周波交流電流の電力も共に減少する。

一方、高周波交流電流の電力に対するフィードバック制御とは別に、マイクロプロセッサ３１０による定電圧／定電流供給部２９０両端の過電圧状態に対するモニタリング動作は、周期的に繰り返される。その結果、１次フィードバック制御を通じて、定電圧／定電流供給部２９０両端の過電圧状態が相変らず解消されていないと判断されると、マイクロプロセッサ３１０は、再び充電電力の調整要求信号を充電器Ｃ側に無線伝送し、１次側コイル２００に印加される高周波交流電流の電力を一定レベルにもう一度減少させる。このような過程は、フィードバック制御を通じて定電圧／定電流供給部２９０の両端に過電圧が印加されなくなるまで続く。

前述したようなフィードバック制御を通じて、定電圧／定電流供給部２９０の両端にかかる電圧差を適正なレベルに維持することで、無接点方式でバッテリーＢが充電される過程において、定電圧／定電流供給部２９０が過電圧によって焼損されることを防止することができる。

前述した本発明の実施例では、無接点充電バッテリーＢの定電圧／定電流供給部２９０の両端に過電圧が印加されることを防止するために、バッテリーＢ側のマイクロプロセッサ３１０が、定電圧／定電流供給部２９０の両端で測定された電圧をモニタリングして直接過電圧状態であるか否かを確認する。そして、過電圧状態に該当すると、バッテリーＢ側のマイクロプロセッサ３１０が、充電電力調整要求信号を無線通信を通じて充電器Ｃ側のマイクロプロセッサ２４０に伝達する。すると、充電器Ｃ側のマイクロプロセッサ２４０は、充電電力調整要求信号の受信を条件に、１次側コイル２００に印加される高周波交流電流の電力を調整する。

しかし、その他の代案的な例を採用することも可能である。具体的には、図４及び図５を参照して説明すれば、バッテリーＢ側のマイクロプロセッサ３１０は、周期的に定電圧／定電流供給部２９０両端の電圧をモニタリングして一定の電圧状態を得る。ここでの電圧状態は、定電圧／定電流供給部２９０両端の電圧または両端の電圧差である。このような電圧状態は、電圧比較部３８０から入力されてもよいが、第１及び第２電圧検出部３４０、３６０から測定された電圧Ｖ_ｐｐ、Ｖ_ｃｈが入力された後、これらを用いた演算によって電圧状態を定めても良い。

バッテリーＢ側のマイクロプロセッサ３１０は、電圧状態が得られる度に充電休止検出部３９０が入力する時点を参照し、２次側コイル２７０に高周波交流電流が誘導されていない間に定電圧／定電流供給部２９０両端の電圧状態を無線通信を通じて充電器Ｃ側のマイクロプロセッサ２４０に伝達する。

その結果、充電器Ｃ側のマイクロプロセッサ２４０は、電圧状態が伝達される度に電圧状態が過電圧状態であるか否か確認する。このような確認は、定電圧／定電流供給部２９０の両端電圧の差が、予め定められた基準値を超過するか否かを検査することで行われる。

その結果、定電圧／定電流供給部２９０両端の電圧状態が、過電圧状態に該当すると、高周波電力駆動部２１０を制御して１次側コイル２００に印加される高周波交流電流の電力を調整することで、バッテリーＢ側に伝達される充電電流を調整する。

前述したような充電電流の調整過程が必要な回数繰り返されると、定電圧／定電流供給部２９０の両端に過電圧が印加されても過電圧状態が速い時間内に解消されることで、定電圧／定電流素子２９０が焼損されることを防止することができる。

以上、本発明による望ましい実施例を添付した図面を参照して、本発明の内容を詳細に説明した。しかし、本発明の実施例は、本発明の属した技術分野で通常の知識を持つ者によって、多様な変形や応用が可能であり、本発明による技術的思想の範囲は特許請求の範囲に基づいて決められる。

本発明によれば、無接点バッテリーの充電過程において、定電圧／定電流供給部の両端に過電圧が印加されても、無線フィードバック制御によって、充電電力をリアルタイムで調整することで、定電圧／定電流供給部が両端にかかった過電圧による焼損を防止することができる。

これにより、無接点充電方式を採用する充電器とバッテリーにおいて、相互間の相対的位置制約性を克服することができ、その結果ユーザーの便利性を飛躍的に向上させることが出来る。

本明細書に添付される次の図面は、本発明の望ましい実施例を例示するものであり、発明の開示とともに本発明の技術的思想をさらに理解させる役割を果たすものであり、本発明を図面に記載された事項だけに限定されて解釈されるものではない。
図１は、従来の無接点充電方式を採用した充電器とバッテリーの概略的なブロック図である。 図２は、従来の無接点充電方式を採用した電動歯ブラシの結合斜視図である。 図３は、本発明の望ましい実施例による無接点充電バッテリーと充電器の構成を概略的に示したブロック図である。 図４は、図３の無接点充電器の構成を詳細に示した詳細ブロック図である。 図５は、図３の無接点充電バッテリーの構成を詳細に示した詳細ブロック図である。 図６は、無接点充電バッテリーの２次側コイルで充電電力が断続的に出力されることを示したグラフである。 図７は、本発明の無接点充電バッテリーと充電器の使用状態図である。

Claims (23)

1. バッテリーセルに電気エネルギーを充電するための充電回路を内蔵した無接点充電バッテリーにおいて、
   外部の無接点充電器で発生する磁場によって高周波交流電流が誘導される高周波交流電流誘導部と、
   前記誘導された高周波交流電流を入力されて直流電流に変換する整流部と、
   前記整流部から直流電流を入力されて定電圧−定電流モードでバッテリーセルに充電電力を供給する定電圧／定電流供給部と、
   前記定電圧／定電流供給部の両端電圧（入力側と出力側との電圧差）をモニタリングし、そのモニタリング結果を高周波交流電流の誘導が行われない間に無線通信を通じて外部の無接点充電器に伝達して、当該両端電圧が過電圧状態とならないように磁場の強さ変化を誘導する過電圧モニタリング部と、を含むことを特徴とする無接点充電バッテリー。
2. 前記高周波交流電流誘導部は、外部の無接点充電器から発生する磁場の磁束が鎖交するコイルであることを特徴とする請求項１に記載の無接点充電バッテリー。
3. 前記過電圧モニタリング部は、
   アンテナを通じて前記モニタリング結果を無線で伝播する無線送信部と、
   前記定電圧／定電流供給部の前端及び後端で電圧をそれぞれ検出する第１及び第２電圧検出部と、
   前記第１及び第２電圧検出部によって検出された第１及び第２電圧を比べて電圧比較結果を出力する電圧比較部と、
   前記電圧比較結果によるモニタリング結果を前記無線送信部に出力するマイクロプロセッサと、を含むことを特徴とする請求項１に記載の無接点充電バッテリー。
4. 前記無接点充電器で発生する磁場は断続的に発生し、
   前記過電圧モニタリング部は、前記高周波交流電流誘導部から出力される高周波交流電流を入力されて高周波交流電流の誘導が終了する時点を検出し、前記マイクロプロセッサに出力する充電休止検出部をさらに含み、
   前記モニタリング結果は、前記時点が入力された後、高周波交流電流の誘導が行われない間に無線通信を通じて外部の無接点充電器に伝達することを特徴とする請求項３に記載の無接点充電バッテリー。
5. 前記モニタリング結果は、充電電力調整要求信号であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の無接点充電バッテリー。
6. 前記モニタリング結果は、前記定電圧／定電流供給部の両端の電圧差、両端の電圧値または両端の電圧が過電圧状態であることを表すコードであることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の無接点充電バッテリー。
7. バッテリーセルに電気的に連結されて無接点方式で電気エネルギーを充電するための充電回路モジュールにおいて、
   外部の無接点充電器で発生する磁場によって高周波交流電流が誘導される高周波交流電流誘導部と、
   前記誘導された高周波交流電流を入力されて直流電流に変換する整流部と、
   前記整流部から直流電流を入力されて定電圧−定電流モードでバッテリーセルに充電電力を供給する定電圧／定電流供給部と、
   前記定電圧／定電流供給部の両端電圧（入力側と出力側との電圧差）をモニタリングし、そのモニタリング結果を高周波交流電流の誘導が行われない間に無線通信を通じて外部の無接点充電器に伝達して、当該両端電圧が過電圧状態とならないように磁場の強さ変化を誘導する過電圧モニタリング部と、を含むことを特徴とする無接点充電回路モジュール。
8. 前記高周波交流電流誘導部は、外部の無接点充電器から発生する磁場の磁束が鎖交するコイルであることを特徴とする請求項７に記載の無接点充電回路モジュール。
9. 前記過電圧モニタリング部は、
   アンテナを通じて前記モニタリング結果を無線で伝播する無線送信部と、
   前記定電圧／定電流供給部の前端及び後端で電圧をそれぞれ検出する第１及び第２電圧検出部と、
   前記第１及び第２電圧検出部によって検出された第１及び第２電圧を比べて電圧比較結果を出力する電圧比較部と、
   前記電圧比較結果に応じたモニタリング結果を前記無線送信部に出力するマイクロプロセッサと、を含むことを特徴とする請求項７に記載の無接点充電回路モジュール。
10. 前記無接点充電器で発生する磁場は断続的に発生し、
    前記過電圧モニタリング部は、前記高周波交流電流誘導部から出力される高周波交流電流を入力されて高周波交流電流の誘導が終了する時点を検出し、前記マイクロプロセッサに出力する充電休止検出部をさらに含み、
    前記時点が入力された以後、高周波交流電流の誘導が行われない間にモニタリング結果を無線通信を通じて外部の無接点充電器に伝達することを特徴とする請求項９に記載の無接点充電回路モジュール。
11. 前記モニタリング結果は、充電電力調整要求信号であることを特徴とする請求項７乃至請求項１０のいずれかに記載の無接点充電回路モジュール。
12. 前記モニタリング結果は、前記定電圧／定電流供給部の前端と後端との電圧差、前端及び後端の電圧値または過電圧状態を表すコードであることを特徴とする請求項７乃至請求項１０のいずれかに記載の無接点充電回路モジュール。
13. 定電圧／定電流供給部を備えて定電圧／定電流モードで充電可能であり、前記定電圧／定電流供給部の両端電圧に対するモニタリング結果を無線送出する無接点充電バッテリー側に電磁気誘導現象によって充電電力を伝達する無接点充電器において、
    交流電流を入力されて外部空間に磁場を形成する磁場発生部と、
    前記磁場発生部に高周波交流電流を印加する高周波電力駆動部と、
    前記磁場発生部に高周波交流電流が印加されない間に、無線通信を通じて前記無接点充電バッテリーから前記モニタリング結果を伝達されて前記高周波電力駆動部を制御して前記磁場発生部に印加される高周波交流電流の電力を調整することで、当該両端電圧が過電圧状態とならないようにバッテリー側に伝達される充電電力を調整する充電電力調整部と、を含むことを特徴とする無接点充電器。
14. 前記磁場発生部は、両端に高周波交流電流が印加されるコイルであることを特徴とする請求項１３に記載の無接点充電器。
15. 前記充電電力調整部は、
    アンテナを通じて前記モニタリング結果を受信する無線受信部と、
    前記無線受信部からモニタリング結果を伝達されて前記高周波電力駆動部を制御して前記磁場発生部に印加される高周波交流電流の電力を調整するマイクロプロセッサと、を含むことを特徴とする請求項１３に記載の無接点充電器。
16. 商用交流電流を入力されて、一定の電圧の直流に変換した後、前記高周波電力駆動部に定電圧電流を供給する定電圧供給部をさらに含み、
    前記高周波電力駆動部は、前記マイクロプロセッサからパルス駆動信号を入力されてパルス信号を出力するパルス信号発生部と、
    前記パルス信号を入力されて前記定電圧供給部から入力される定電圧直流を高速にスイッチングしてパルス状の高周波交流電流を生成する電力駆動部と、を含むことを特徴とする請求項１５に記載の無接点充電器。
17. 前記充電電力調整部は、パルス電流の幅、パルス電流の周波数、パルスの振幅またはパルスの数を変調して充電電力を調整することを特徴とする請求項１６に記載の無接点充電器。
18. 前記定電圧供給部は、
    商用交流電流を入力されて過電圧電流を遮断する過電圧遮断フィルタ部と、
    前記フィルタ部を通過した交流電流を整流して直流電流に変換する整流部と、
    前記変換された直流電流を入力されて定電圧電流を出力する定電圧供給部と、を含むことを特徴とする請求項１６に記載の無接点充電器。
19. 前記モニタリング結果は、定電圧／定電流供給部の両端の電圧差、両端の電圧値、両端電圧が過電圧状態であることを表すコードまたは充電電力調整要求信号であることを特徴とする請求項１３乃至請求項１８のいずれかに記載の無接点充電器。
20. 無接点充電バッテリーと無接点充電器とを含むバッテリー充電セットにおいて、
    前記バッテリーは、外部の無接点充電器で断続的に発生する磁場によって高周波交流電流が断続的に誘導される高周波交流電流誘導部と、前記誘導された高周波交流電流を入力されて直流電流に変換する整流部と、前記整流部から直流電流を入力されて定電圧−定電流モードでバッテリーセルに充電電力を供給する定電圧／定電流供給部と、前記定電圧／定電流供給部の両端電圧（入力側と出力側との電圧差）をモニタリングしてモニタリング結果を高周波交流電流の誘導が行われない間に無線通信を通じて外部の無接点充電器に伝達することで、当該両端電圧が過電圧状態とならないように磁場の強さの変化を誘導する過電圧モニタリング部と、を含み、
    前記充電器は、交流電流を入力されて外部空間に磁場を形成する磁場発生部と、前記磁場発生部に高周波交流電流を断続的に印加する高周波電力駆動部と、前記磁場発生部に高周波交流電流が印加されない間に、無線通信を通じて前記モニタリング結果を伝達されて前記高周波電力駆動部を制御して前記磁場発生部に印加される高周波交流電流の電力を調整することで、当該両端電圧が過電圧状態にならないようにバッテリー側に伝達される充電電力を調整する充電電力調整部と、を含むことを特徴とするバッテリー充電セット。
21. 前記モニタリング結果は、定電圧／定電流供給部の両端の電圧差、両端の電圧値、両端の電圧が過電圧状態であるかを表すコードまたは充電電力調整要求信号であることを特徴とする請求項２０に記載のバッテリー充電セット。
22. 無接点充電器を用いて電磁気的誘導現象によって無接点充電バッテリーの充電を制御する方法において、
    （ａ）前記充電器に備えられた１次側コイルに高周波交流電流を断続的に印加して外部に磁場を断続的に発生させるステップと、
    （ｂ）前記発生した磁場の磁束を前記バッテリーに備えられた２次側コイルに鎖交させて電磁気的に誘導された高周波交流電流を断続的に出力させるステップと、
    （ｃ）前記出力された高周波交流電流を整流して直流電流に変換するステップと、
    （ｄ）前記直流電流を定電圧−定電流供給部を通じてバッテリーセルに印加してバッテリーセルを定電圧−定電流モードで充電するステップと、
    （ｅ）前記定電圧−定電流供給部の両端電圧（入力側と出力側との電圧差）をモニタリングして前記２次側コイルで高周波交流電流が誘導されない間にモニタリング結果を無線通信を通じて前記充電器側に伝達するステップと、
    （ｆ）前記伝達されたモニタリング結果に応じて、当該両端電圧が過電圧状態にならないように前記１次側コイルに印加される高周波交流電流の電力を調整するステップと、を含むことを特徴とする充電制御方法。
23. 前記モニタリング結果は、定電圧／定電流供給部の両端の電圧差、両端の電圧値、両端の電圧が過電圧状態であるかを表すコードまたは充電電力調整要求信号であることを特徴とする請求項２２に記載の充電制御方法。

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