KR100903464B1 - 전력 손실을 줄일 수 있는 무접점 충전 배터리 및 이를구비한 배터리 충전 세트 - Google Patents

전력 손실을 줄일 수 있는 무접점 충전 배터리 및 이를구비한 배터리 충전 세트 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전자기 유도 현상을 이용하여 충전을 할 수 있는 무접점 충전 배터리 및 이를 구비한 배터리 충전 세트에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 피드백 제어를 통해 내부 부품의 소손을 방지하고 불필요한 전력의소모를 줄일 수 있는 무접점 충전 배터리 및 이를 구비한 배터리 충전 세트에 관한 것이다. 본 발명에 따른 무접점 충전 배터리는 배터리 셀에 전기에너지를 충전하기 위한 충전회로를 내장한 무접점 충전 배터리에 있어서, 외부의 무접점 충전기에서 발생되는 자기장에 의해 고주파 교류전류가 유도되는 고주파 교류전류 유도부; 상기 배터리 셀에 충전에 필요한 전압을 공급하는 충전전압 공급부; 상기 충전전압 공급부로부터 인가받은 전압을 이용하여 상기 배터리 셀로 충전전류를 공급하는 충전전류 공급부; 및 상기 충전전류 공급부가 공급하는 전류의 값을 모니터링하고, 모니터링 결과를 고주파 교류전류의 유도가 이루어지지 않는 동안 무선 통신을 통해 외부의 무접점 충전기로 전달하는 충전전류 모니터링부;를 포함한다.
Figure R1020070040409
무접점, 충전, 배터리, 충전전압, 충전전류, 손실

Description

전력 손실을 줄일 수 있는 무접점 충전 배터리 및 이를 구비한 배터리 충전 세트{Contact-less chargeable battery in capable of lessening power loss and Battery charging set having the same}
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 종래기술에 따른 무접점 충전 방식을 채용한 배터리와 충전기의 구성을 개략적으로 도시한다.
도 2는 종래기술에 따른 충전전압 및 배터리 전압의 시간단위에 따른 변화를 도시하는 그래프이다.
도 3는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 무접점 충전기와 배터리의 구성을 개략적으로 도시한 블록 다이어그램이다.
도 4은 도 3의 무접점 충전기의 구성을 상세하게 도시한 상세 블록 다이어그램이다.
도 5는 도 3의 무접점 배터리의 구성을 상세하게 도시한 상세 블록 다이어그램이다.
도 6는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 충전전류 공급부의 전압-전류 특성을 도시하는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 충전전류 공급부 및 허용전류설정부를 도시한 회로도이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 충전전압 및 배터리 전압의 시간단위에 따른 변화를 도시하는 그래프이다.
도 9은 무접점 충전 배터리의 2차측 코일에서 충전전력이 단속적으로 출력되는 것을 도시한 그래프이다.
<도면의 주요 참조부호에 대한 설명>
C...무접점 충전기 B...무 점점 배터리
200...1차측 코일 210...고주파 전력 구동부
220...1차측 안테나 230...무선수신부
240,335...마이크로프로세서 250...AC전원공급부
260...전원공급부 300...2차측 코일
310...충전전압 공급부 311...정류부
312...전압공급부 320...충전전류 공급부
321...전류공급부 322...허용전류 설정부
330...전류검출부 340...무선송신부
350...2차측 안테나 360...충전휴지 검출부
400...배터리 셀
본 발명은 전자기 유도 현상을 이용하여 충전을 할 수 있는 무접점 충전 배터리 및 이를 구비한 배터리 충전 세트에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 피드백 제어를 통해 내부 부품의 소손을 방지하고 불필요한 전력의 소모를 줄일 수 있는 무접점 충전 배터리 및 이를 구비한 배터리 충전 세트에 관한 것이다.
휴대폰, PDA, 노트북 등과 같은 개인 휴대용 장치는 충전이 가능한 배터리를 통해 전원을 공급받는다. 개인 휴대용 장치의 사용자는 배터리의 전압이 소정 레벨 이하로 떨어지면, 충전기를 이용하여 배터리를 충전한 후 다시 사용한다.
일반적인 개인 휴대용 장치의 배터리는 충전기에 마련된 충전 단자에 전기적으로 연결될 수 있도록 외부로 노출된 접속 단자를 구비한다. 배터리의 충전시에는 충전기의 충전 단자와 배터리의 접속 단자가 서로 접속되어 전기적으로 연결된 상태가 유지된다.
그런데, 상기 충전 단자와 접속 단자는 상호 간의 접속을 위해 외부로 노출되어 있어 이물질에 의해 쉽게 오염이 되고, 충전 단자와 접속 단자가 접속되는 과정에서 양 단자의 마찰로 마모가 발생 되고, 대기 중의 수분에 의해 충전 단자와 접속 단자가 부식됨으로써 충전 단자와 접속 단자의 접속이 불량해진다는 문제가 있다. 그리고 배터리의 사용 과정에서 접속 단자의 미세한 틈을 통해 배터리 내부로 수분이 침투되면, 내부 회로의 단락에 의해 배터리가 완전히 방전되는 치명적 문제가 야기된다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 최근에 개인 휴대용 장치의 배터리가 전자기유도 현상에 의해 무접점 방식으로 충전기와 결합 된 상태에서 배터리를 충전할 수 있는 무접점 충전 기술이 제안되었다. 현재 무접점 충전 기술은 전동 칫솔, 전기 면도기 등의 일상 생활 용품에 널리 활용되고 있다.
도 1은 종래기술에 따른 무접점 충전 방식을 채용한 배터리와 충전기의 구성을 개략적으로 도시한다.
도 1을 참조하면, 충전기(10)는 상용 교류 전원(20)으로부터 전원을 공급받아 고주파 교류전류를 출력하는 고주파 발생수단(30)과, 상기 고주파 발생수단(30)으로부터 고주파 교류전류를 인가받아 자기장(M)을 형성하는 1차측 코일(40)을 구비한다.
그리고, 배터리(50)는 전기에너지가 충전되는 배터리 셀(60), 1차측 코일(40)에서 발생 된 자기장(M)의 쇄교에 따라 고주파 교류전류가 유도되는 2차측 코일(70), 2차측 코일(70)에서 유도된 고주파 교류전류를 직류전류로 변환하는 정류부(80) 및 정류부(80)에서 정류된 직류전류를 배터리 셀(60)에 인가하는 정전압/정전류 제어부(90)를 구비한다.
여기서, 상기 정전압/정전류 제어부(90)는 배터리 충전 장치에 널리 사용되는 공지의 회로 소자이다. 상기 정전압/정전류 제어부(90)는 충전 초기에는 배터리 셀(60)에 전류를 일정하게 공급하다가 배터리 셀(60)의 충전 전압이 서서히 증가하여 특정 기준 값을 넘어서면 전류의 공급을 줄여나가는 대신 전압을 일정하게 유지시켜 주는 기능을 수행한다.
상기 정전압/정전류 제어부(90)는 배터리 셀(60)의 충전을 위하여, 도 2에 도시된 바와 같이 배터리의 완충시의 전압보다 상대적으로 큰 충전전압을 공급한다. 그러나, 배터리 셀(60)은 충전 잔량이 적을수록 그 전압이 낮게 형성되므로, 배터리의 완충을 위하여 상기 정전압/정전류 제어부(90)가 공급하는 충전전압은 높게 설정된다. 따라서, 정전압/정전류 제어부(90)에서 충전전압과 배터리 셀(60)의 전압 차이만큼의 전력손실이 발생하게 된다.
본 발명은 상술한 종래기술의 문제를 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 무접점 충전 방식으로 배터리를 충전함에 있어서, 배터리의 충전을 위하여 공급하는 충전전압을 배터리 셀에 충전된 전압의 변화에 따라 능동적으로 공급할 수 있는 무접점 충전 배터리 및 이를 구비한 배터리 충전 세트를 제공하는데 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 측면에 따른 무접점 충전 배터리는 배터리 셀에 전기에너지를 충전하기 위한 충전회로를 내장한 무접점 충전 배터리에 있어서, 외부의 무접점 충전기에서 발생되는 자기장에 의해 고주파 교류전류가 유도되는 고주파 교류전류 유도부; 상기 배터리 셀에 충전에 필요한 전압을 공급하는 충전전압 공급부; 상기 충전전압 공급부로부터 인가받은 전압을 이용하여 상기 배터리 셀로 충전전류를 공급하는 충전전류 공급부; 및 상기 충전전류 공급부가 공급하는 전류의 값을 모니터링하고, 모니터링 결과를 고주파 교류전류의 유도가 이루어지지 않는 동안 무선 통신을 통해 외부의 무 접점 충전기로 전달하는 충전전류 모니터링부;를 포함한다.
상기 고주파 교류전류 유도부는 외부의 무접점 충전기로부터 발생되는 자기장의 자속이 쇄교하는 코일일 수 있다.
상기 충전전류 모니터링부는, 안테나를 통해 상기 모니터링 결과를 무선으로 전파하는 무선송신부; 및 상기 충전전류 공급부가 배터리 셀에 공급하는 전류를 측정하는 전류검출부;를 포함한다. 나아가, 상기 충전전류 모니터링부는 상기 모니터링 결과를 무접점 충전기로 전달하여 자기장의 세기 변화를 요청하는 조정요구신호를 생성하여 출력하는 마이크로프로세서;를 더 포함할 수 있다.
상기 무접점 충전기에서 발생되는 자기장은 단속적으로 발생되고, 상기 충전전류 모니터링부는, 상기 고주파 교류전류 유도부에서 출력되는 고주파 교류전류를 입력받아 고주파 교류전류의 유도가 종료되는 시점을 검출하여 상기 마이크로프로세서로 출력하는 충전휴지 검출부;를 더 포함하고, 상기 모니터링 결과는 상기 시점이 입력된 이후 고주파 교류전류의 유도가 이루어지지 않는 동안 무선 통신을 통해 외부의 무접점 충전기로 전달할 수 있다.
또한, 상기 충전전류 공급부가 공급하는 충전전류의 상한값을 설정하는 허용전류 설정부를 더 포함할 수 있고, 상기 허용전류 설정부는 충전전류 공급부의 충전전류를 배터리 셀의 충전시 필요한 충전전류를 고려하여 충전 전류의 최대값을 설정할 수 있다.
상기 충전전류 공급부는 트렌지스터일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 무접점 충전 세트는 무접점 충전 배터리와 무접점 충전기를 포함하는 배터리 충전세트에 있어서,상기 배터리는, 외부의 무접점 충전기에서 발생되는 자기장에 의해 고주파 교류전류가 유도되는 고주파 교류전류 유도부; 상기 배터리 셀로 충전에 필요한 전압을 공급하는 충전전압 공급부; 상기 충전전압 공급부로부터 인가받은 전압을 이용하여 상기 배터리 셀로 충전전류를 공급하는 충전전류 공급부; 및 상기 충전전류 공급부가 공급하는 전류의 값을 모니터링하고, 그 결과를 무선 통신을 통해 외부의 무접점 충전기로 전달하여 자기장의 세기 변화를 유도하는 충전전류 모니터링부;를 포함하고, 상기 충전기는, 교류전류를 입력받아 외부 공간에 자기장을 형성하는 자기장 발생부; 상기 자기장 발생부에 고주파 교류전류를 단속적으로 인가하는 고주파 전력 구동부; 및 상기 자기장 발생부에 고주파 교류전류가 인가되지 않는 동안, 무선 통신을 통해 상기 모니터링 결과를 전달받아 상기 고주파 전력 구동부를 제어하여 상기 자기장 발생부에 인가되는 고주파 교류전류의 전력을 조정함으로써 배터리 측으로 전달되는 충전전력을 조정하는 충전전력 조정부;를 포함한다.
상기 고주파 교류전류 유도부는 외부의 무접점 충전기로부터 발생되는 자기장의 자속이 쇄교하는 코일일 수 있다.
상기 충전전류 모니터링부는 안테나를 통해 상기 모니터링 결과를 무선으로 전파하는 무선송신부; 및 상기 충전전류 공급부가 배터리 셀에 공급하는 전류를 측정하는 전류검출부;를 포함한다. 나아가, 상기 충전전류 모니터링부는 상기 모니터링 결과를 무접점 충전기로 전달하여 자기장의 세기 변화를 요청하는 조정요구신호를 생성하여 출력하는 마이크로프로세서;를 더 포함할 수 있다.
상기 무접점 충전기에서 발생되는 자기장은 단속적으로 발생되고, 상기 충전전류 모니터링부는, 상기 고주파 교류전류 유도부에서 출력되는 고주파 교류전류를 입력받아 고주파 교류전류의 유도가 종료되는 시점을 검출하여 상기 마이크로프로세서로 출력하는 충전휴지 검출부;를 더 포함하고, 상기 모니터링 결과는 상기 시점이 입력된 이후 고주파 교류전류의 유도가 이루어지지 않는 동안 무선 통신을 통해 외부의 무접점 충전기로 전달하는 것이 바람직하다.
상기 자기장 발생부는 양단에 고주파 교류전류가 인가되는 코일임일 수 있다.
상기 충전전력 조정부는 안테나를 통해 상기 모니터링 결과를 수신하는 무선수신부; 및 상기 무선수신부로부터 모니터링 결과를 전달받아 상기 고주파 전력 구동부를 제어하여 상기 자기장 발생부에 인가되는 고주파 교류전류의 전력을 조정하는 마이크로프로세서;를 포함한다.
상용 교류 전류를 입력받아 직류로 변환한 후 상기 고주파 전력 구동부로 정전압 전류를 공급하는 정전압 공급부;를 더 포함하고, 상기 고주파 전력 구동부는, 상기 마이크로프로세서로부터 펄스구동신호를 입력받아 펄스신호를 출력하는 펄스신호 발생부; 및 상기 펄스신호를 입력받아 상기 정전압 공급부로부터 입력되는 정전압 직류를 고속으로 스위칭하여 펄스 형태의 고주파 교류전류를 생성하는 전력 구동부;를 포함한다.
상기 정전압 공급부는 상용 교류전류를 입력받아 과전압 전류를 차단하는 과 전압 과전류 보호회로; 상기 과전압 과전류 보호회로를 통과한 교류전류를 정류하여 직류전류로 변환하는 정류부; 및 상기 변환된 직류전류를 입력받아 정전압 전류를 출력하는 정전압 공급부;를 포함한다.
상기 고주파 전력 구동부는 자기장 발생부에 고주파 교류전류를 단속적으로 인가하고, 상기 충전전력 조정부는 상기 자기장 발생부에 고주파 교류전류가 인가되지 않는 동안 상기 모니터링 결과를 전달받는 것이 바람직하다.
상기 충전전력 조정부는 펄스 전류의 폭, 펄스 전류의 주파수, 펄스의 진폭 또는 펄스의 수를 변조하여 충전전력을 조정할 수 있다.
상기 충전전류 공급부가 공급하는 충전전류의 상한값을 설정하는 허용전류 설정부를 더 포함하고, 상기 허용전류 설정부는 충전전류 공급부의 충전전류를 배터리 셀의 충전시 필요한 충전전류를 고려하여 충전 전류의 최대값을 설정할 수 있다.
상기 충전전류 공급부는 트렌지스터일 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니 므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 3는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 무접점 충전기(C)와 배터리(B)의 구성을 개략적으로 도시한 블록 다이어그램이다.
도 3를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 무접점 충전기(C)는, 1차측 코일(200), 고주파 전력 구동부(210), 1차측 안테나(220), 무선수신부(230), 마이크로 프로세서(240) 및 전원공급부(260)를 포함한다.
상기 고주파 전력 구동부(210)는 고속의 스위칭 동작을 통해 1차측 코일(200)에 수십 KHz의 고주파 교류전류를 인가하여 자기장을 발생시킨다. 예를 들어, 상기 고주파 전력 구동부(210)는 80KHz의 고주파 교류전류를 1차측 코일(200)에 인가한다. 1차측 코일(200)에 고주파 교류전류에 의해 자기장이 발생 되면, 전자기 유도현상에 의해 충전전력이 배터리(B) 측에 무접점 방식으로 전달된다.
바람직하게, 상기 고주파 전력 구동부(210)로는 공지의 SMPS(Switching Mode Power Supply)가 채용될 수 있는데, 본 발명이 이에 한하는 것은 아니다.
상기 무선수신부(230)는 1차측 안테나(220)를 통해 배터리(B) 측으로부터 무선 전송되는 측정 전류값을 수신한 후 마이크로 프로세서(240)로 입력한다.
바람직하게, 상기 측정 전류값의 무선 전송을 위해 10 ~ 15 MHz 대역의 반송파가 사용된다.
상기 측정 전류값이 배터리(B) 측으로부터 무선 전송될 때에는 1차측 코일(200)에 고주파 교류전류가 인가되지 않는 것이 바람직하다. 이는 수십 KHz 대역 의 고주파 교류전류의 인가에 의해 1차측 코일(200)에서 자기장이 발생된 상태에서 조정요구 신호가 무선 전송되면 자기장에 의해 측정 전류값이 스크리닝 되어 무선수신부(230)를 통해 측정 전류값이 제대로 수신되지 않기 때문이다.
따라서, 상기 고주파 전력 구동부(210)는 1차측 코일(200)에 고주파 교류전류를 계속적으로 인가하는 것이 아니라 주기적으로 휴지 기간을 둔다. 예를 들어, 상기 고주파 전력 구동부(210)는 충전전력을 배터리(B) 측으로 전달할 때 3초가 경과될 때마다 50ms 동안은 고주파 교류전류를 1차측 코일(200)에 인가하지 않는다. 이러한 경우, 상기 측정 전류값은 고주파 교류전류가 1차측 코일(200)에 인가되지 않는 50ms 이내에 무선 전송된다.
상기 마이크로프로세서(240)는 충전기(C)의 전반적인 동작을 제어하며, 특히 무선수신부(230)로부터 충전전력의 상기 측정 전류값이 수신되면 고주파 전력 구동부(210)를 제어하여 1차측 코일(200)에 인가되는 고주파 교류전류의 전력을 조정한다.
바람직하게, 마이크로프로세서(240)는 고주파 전력 구동부(210)를 제어하여 고주파 펄스의 폭을 변조(Pulse Width Modulation)하거나, 펄스의 주파수를 변조(Pulse Frequency Modulation)하거나, 펄수의 수를 변조(Pulse Number Modulation)하거나, 펄스의 진폭을 변조(Pulse Amplitude modulation)하여 고주파 교류전류의 전력을 조정한다. 그러면, 배터리(B) 측에 전달되는 충전전력의 레벨이 조정됨으로써 배터리(B) 내부의 회로 손상을 방지할 수 있다.
상기 전원 공급부(260)는 상용 교류전류(250)를 입력받아 직류전류로 변환한 후 상기 고주파 전력 구동부(210)와 상기 마이크로 프로세서(240)에 동작 전원을 공급한다.
본 발명의 실시 예에 따른 무접점 배터리(B)는 2차측 코일(300), 충전전압 공급부(310), 충전전류 공급부(320), 전류검출부(330), 마이크로프로세서(335), 무선송신부(340), 및 2차측 안테나(350)를 포함하는 충전회로 모듈과, 이 충전회로 모듈에 의해 충전이 이루어지는 배터리 셀(400)을 포함한다.
상기 2차측 코일(300)은 충전기(C)에 구비된 1차측 코일(200)에 고주파 교류전류가 인가되는 동안 전자기 유도 현상에 의해 고주파 교류전류를 발생시킨다. 이 때, 2차측 코일(300)에 유도되는 고주파 교류전류의 크기는 2차측 코일(300)에 쇄교되는 자속에 비례한다.
충전전압 공급부(310)는 2차측 코일(300)에서 유기된 고주파 교류전류를 평활하여 직류전류로 변환하고, 배터리 셀(400)을 충전하기 위한 충전전압을 공급한다.
충전전류 공급부(320)는 충전전압 공급부(310)에서 공급하는 전압(V1)과 배터리에 충전된 전압(V2)의 차이(ΔV)에 비례하여 충전전류를 공급할 수 있도록 구현된다.
전류검출부(330)는 충전전류 공급부(320)가 배터리 셀(400)에 공급하는 전류 값을 지속적으로 측정하여 무선 송신부(340)에 제공한다. 예컨대, 전류검출부(330)는 전류값을 직접 측정할 수 있는 저항소자를 포함하는 회로일 수 있다.
무선송신부(340)는 전류검출부(330)로부터 출력되는 상기 측정 전류값을 변조하여 2차측 안테나(350)를 통해 충전기(C) 측에 구비된 무선수신부(230)의 1차측 안테나(220)로 무선 전송한다. 이때, 10~15MHz 대역의 반송파가 사용된다.
상기 측정 전류값이 충전기(C) 측으로 전송되면, 마이크로프로세서(240)의 제어에 따라 고주파 전력 구동부(210)를 통해 출력되는 고주파 교류전류의 전력이 증가 또는 감소된다. 그 결과, 전자기 유도 현상에 의해 2차측 코일(300)에 유도되는 고주파 교류전류의 전력이 증가 또는 감소한다. 이에 따라, 충전전압 공급부(310)가 공급하는 전압도 증가 또는 감소한다. 바람직하게, 이러한 1차측 코일(200)에 인가되는 고주파 교류전류의 전력에 대한 피드백 제어는 충전전압 공급부(310)에서 공급하는 전압과 배터리의 충전전압이 서로 동일하게 될 때까지 계속된다.
바람직하게, 무접점 배터리(B)는 마이크로프로세서(335)를 더 포함할 수 있으며, 상기 마이크로프로세서(335)는 전류검출부(330)로부터 수신한 측정 전류값 및 충전전압 공급부(310)에서 공급하는 전압과 배터리의 충전전압의 차이값을 고려하여 차이값의 크기에 대응하여 충전전류 공급부(320)가 공급하는 전류값이 증가 또는 감소하도록 조정요구신호를 생성하여 충전기(C) 측으로 전송할 수 있다. 그러면, 충전기(C)의 마이크로프로세서(240)는 수선수신부(230)를 통해 수신한 조정요구신호를 참조하여 고주파 전력 구동부(210)의 출력을 제어한다.
이에 대한 대안으로써, 충전기(C)의 마이크로프로세서(240)가 무접점 배터리(B)에 구비된 마이크로프로세서(335)의 기능을 포함하여 구현될 수도 있다. 즉, 무접점 배터리(B)는 무선송신부(340)를 통해 전류검출부(330)가 검출한 상기 측정 전류값을 충전기(C)로 전송하고, 마이크로프로세서(240)는 무선수신부(230)를 통해 수신한 측정 전류값을 이용하여, 충전전압 공급부(310)에서 공급하는 전압과 배터리의 충전전압의 차이값을 고려하여 차이값의 크기에 대응하여, 충전전류 공급부(320)가 공급하는 전류값이 증가하도록 고주파 전력 구동부(210)의 출력을 제어할 수 있다.
도 4은 본 발명의 실시 예에 따른 무접점 충전기(C)의 구성을 보다 구체적으로 도시한 블럭 다이어그램이다.
도 4을 참조하면, 전원공급부(260)는 상용 교류 전원(250)으로부터 인가되는 과전압을 차단하는 과전압 과전류 보호회로(260a)와, 과전압 과전류 보호회로(260a)를 통과한 교류전류를 직류전류로 변환하는 정류부(260b)와, 정류된 직류전류를 입력받아 마이크로프로세서(240)와 고주파 전력 구동부(210)에 정전압 직류전류를 공급하는 정전압 공급부(260c)를 포함한다.
상기 고주파 전력 구동부(210)는 마이크로프로세서(240)로부터 펄스구동신호를 입력받아 펄스 신호를 생성하는 펄스 신호 발생부(Pulse Width Modulation: 210a)와, 펄스 신호 발생부(210a)로부터 출력되는 펄스 신호에 의해 정전압 공급부(260c)로부터 입력되는 정전압 직류전류를 고속으로 스위칭함으로써 고주파 교류전류를 생성하여 1차측 코일(200)에 인가하는 전력 구동부(210b)를 포함한다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 무접점 충전 배터리(B)의 구성을 보다 구체적으로 도시한 블록 다이어그램이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 무접점 배터리(B)는, 충전전압 공급부(310)로서, 2차측 코일(300)에 유도되는 고주파 교류전류를 직류전류로 변환하는 정류부(311) 및 정류된 전류를 이용하여 배터리 셀(400)의 충전에 필요한 충전전압을 공급하는 전압공급부(312)를 구비하고, 충전전류 공급부(320)로서, 전압공급부(312)로부터 공급발은 전압을 충전전류로 변환하는 전류 공급부(321)를 구비한다.
충전전류 공급부(320)는 전압 공급부(312)에서 공급하는 전압(V1)과 배터리에 충전된 전압(V2)의 차이(ΔV)에 비례하여 충전전류를 공급할 수 있도록 구현된다(도 6 참조).
바람직하게, 충전전류 공급부(320)는 전류 공급부(321)가 공급하는 충전전류의 상한을 설정하는 허용전류설정부(322)를 더 포함할 수 있다. 허용전류설정부(322)는 전압 공급부(312)에서 공급하는 전압(V1)과 배터리에 충전된 전압(V2)의 차이값(ΔV)이 최대가 되는 상태(즉, 배터리 셀(400)이 완전 방전된 상태)(ΔVmax)를 고려하여 전류 공급부(321)가 공급하는 충전전류의 최대값(Ich_max)을 설정하도록 구현된다.
바람직하게, 상기 전류 공급부(321)는 PNP형 트랜지스터 일 수 있다(도 7참조). 이 경우, 상기 PNP형 트랜지스터의 이미터 단자(Tre)는 전압공급부(312)의 출력단자와 연결되고, 컬렉터 단자(Trc)는 배터리 셀(400)의 단자에 연결되고, 베이스 단자(Trb)는 허용전류설정부(322)에 연결될 수 있다. 예컨대, 허용전류설정부(322)는 가변저항 또는 트랜지스터일 수 있으며, PNP형 트랜지스터의 베이스 단자(Trb)에 연결될 수 있다.
결국, 전압 공급부(312)에서 공급하는 전압(V1)과 배터리 셀(400)에 충전된 전압(V2)의 차이값(ΔV)만큼 전류 공급부(321)에 구비된 소자가 소비하게 되어 전력의 손실이 발생한다(도 8참조). 본 발명의 실시예에 따르면, 배터리 셀(400)에 유입되는 전류를 감지하여 배터리 셀(400)의 충전에 필요한 만큼의 충전전압만을 공급할 수 있으므로, 불필요한 충전전압을 공급하지 않고, 배터리 셀(400)에 충전된 전압(V2)의 변화에 따라 능동적으로 충전전압(V1)을 공급할 수 있다. 결국, 배터리 셀(400)에 충전을 위하여 공급되는 전력의 손실을 최소화할 수 있다.
한편, 전류검출부(330)가 검출한 전류값 또는 조정요구신호가 무선송신부(340)를 통해 충전기(C) 측에 전달되는데, 충전기(C)의 1차측 코일(200)로부터 배터리(B)의 2차측 코일(300)로 충전전력이 전달되고 있는 중에 상기 조정요구 신호가 무선으로 전파되면, 1차측 코일(200)로부터 생성된 자기장에 의해 조정요구 신호가 스크리닝 되는 문제가 발생한다. 따라서, 본 발명은 위와 같은 문제를 해결하기 위해 충전기(C)에서 배터리(B) 측으로 충전전력을 전달할 때 일정한 주기마다 충전전력의 전달을 일시적으로 중단한다.
즉, 도 9에 도시된 바와 같이, 전자기 유도 현상에 의해 2차측 코일(300)에 고주파 교류전류가 유도되어 충전이 이루어지는 충전구간(△tA)과, 1차측 코일(200)에 대한 고주파 교류전류의 인가를 의도적으로 일시 중지하여 충전이 휴지되는 구간(△tB)을 주기적으로 반복한다. 그리고, 2차측 코일(300)에서 고주파 교류전류의 유도가 정지되어 충전이 휴지되는 동안 충전전력의 조정요구 신호를 충전기(C) 측에 전달한다.
이를 위해, 본 발명의 실시 예에 따른 배터리(B)는 2차측 코일(300)에서 유도된 고주파 교류전류를 입력받아 충전구간이 종료되는 시점(도 9의 ts 참조)을 검출하는 충전휴지 검출부(360)를 포함한다.
상기 충전휴지 검출부(360)는 충전구간의 종료 시점(도 9의 ts 참조)을 검출한 후 이를 무선송신부(340)로 입력한다. 그러면, 무선송신부(340)는 측정된 상기 전류값 또는 조정요구신호를 충전전력이 전달되지 않는 동안 충전기(C) 측으로 무선 전송한다. 따라서, 측정된 상기 전류값 또는 조정요구신호가 1차측 코일(200)에 의해 생성된 자기장에 의해 스크리닝 되는 것을 방지할 수 있다.
충전기(C) 측으로 충전전력의 조정요구 신호가 무선 전송되면, 이미 상술한 바와 같은 피드백 제어에 의해 1차측 코일(200)에 인가되는 고주파 교류전류의 전력이 조정됨으로써, 충전전압 공급부(310)의 양단 전압을 적정한 레벨로 유지할 수 있다.
이상에서 상술한 본 발명에 따른 무접점 충전기(C)와 배터리(B)는 배터리 셀(400)에 충전된 전압(V2)의 변화에 따라 능동적으로 충전전압(V1)을 공급할 수 있다.
이하에서는 전술한 구성요소를 참조하여 본 발명에 따른 무접점 충전기(C)와 배터리(B)의 동작을 상세하게 설명하기로 한다.
먼저 비 충전 모드의 경우, 충전기(C)의 고주파 전력구동부(210)는 마이크로프로세서(240)의 제어에 따라 일정한 시간 간격으로 고주파 교류전류를 짧은 시간 동안 1차측 코일(200)에 인가한다. 예를 들어, 1초 간격으로 50ms 동안 80KHz의 고주파 교류전류를 인가한다. 그러면, 1차측 코일(200)은 고주파 교류전류가 인가될 때마다 주변에 자기장을 형성한다.
사용자는 배터리(B)의 충전을 위해 배터리(B)를 충전기(C) 상에 위치시킨다. 배터기(B)가 위치된 이후에, 충전기(C)의 1차측 코일(200)에 고주파 교류전류가 소정 시간 동안 인가되면 1차측 코일(200)에 자기장이 발생되고, 그 결과 배터리(B)의 2차측 코일(300)에 자속이 쇄교된다. 이에 따라, 2차측 코일(300)에서는 고주파 교류전류가 소정 시간 동안 유도되었다가, 1차측 코일(200)에 고주파 교류전류가 인가되지 않으면 자기장의 소멸로 인해 고주파 교류전류의 유도가 일시 중지된다.
한편, 충전휴지 검출부(360)는 고주파 교류전류의 유도가 일시 중지되는 시점을 검출하여 무선송신부(340)로 입력한다. 이에 따라, 무선송신부(340)는 전류 검출부(330)로부터 입력되는 전류값을 변조하여 2차측 안테나(350)를 통해 충전기(C) 측으로 무선 전송한다. 이때, 무선송신부(340)는 응답신호를 전송한다. 여기서, 응답신호는 배터리(B)에 구비된 2차 코일(300)이 충전기(C) 측의 1차 코일(200)에서 발생된 자기장에 결합된 상태임을 충전기(C) 측의 마이크로프로세서(240)로 알리기 위한 신호이다.
측정된 상기 전류값 및 응답신호가 무선 전송되면, 충전기(C)의 무선수신부(230)는 응답신호를 복조하여 마이크로프로세서(240)로 입력한다. 그러면, 마이크로프로세서(240)는 충전전력을 배터리(B) 측으로 전달하기 시작한다. 즉, 마이크로프로세서(240)는 고주파 전력 구동부(210)를 제어하여 소정 시간 간격 동안 고주파 교류 전류를 1차측 코일(200)에 인가하였다가 소정 시간 동안 고주파 교류 전류의 인가를 휴지하는 동작을 반복한다. 예를 들어, 80KHz의 고주파 교류 전류를 3초 동안 인가하였다가 50ms 동안은 휴지한다.
상기 1차측 코일(200)에 고주파 교류전류가 인가되는 동안은 전자기 유도현상에 의해 배터리(B)의 2차측 코일(300)에서도 고주파 교류전류가 유도된다. 이렇게 고주파 교류전류의 유도가 지속되는 시간은 상기 1차측 코일(200)에 고주파 교류전류의 인가가 지속되는 시간과 실질적으로 같다.
상기 2차측 코일(300)에 유도된 고주파 교류전류는 정류부(311)에 의해 직류전류로 변환된 후, 전압 공급부(312) 및 전류공급부(321)를 거쳐 배터리 셀(400)로 인가된다. 그러면, 배터리 셀(400)의 충전이 점차적으로 이루어지면서 배터리 셀(400)의 양단 전압이 만 충전 상태가 될 때까지 상승한다.
한편, 1차측 코일(200)로 인가되던 고주파 교류전류가 휴지되면, 2차측 코일(300)에서도 고주파 교류전류의 유도가 일시적으로 정지되면서 충전이 일시 중지 된다. 그러면, 충전휴지 검출부(360)는 고주파 교류전류의 유도가 중지된 시점을 검출하여 무선 송신부(340)로 입력한다. 이러한 동작은 고주파 교류전류의 유도가 일시 중지되는 시점이 도래할 때마다 반복적으로 이루어진다.
위와 같은 배터리 셀(400)의 충전 과정에서, 전류검출부(330)가 검출하는 상기 측정 전류값은 고주파 교류전류의 유도가 중지된 시점에 충전기(C) 측으로 무선 전송된다. 그리고, 충전기(C)에 구비된 무선수신부(230)는 1차측 안테나(220)를 통해 전송된 전류값을 수신 및 복조한 후 마이프로프로세서(240)로 입력한다. 그러면, 마이크로프로세서(240)는 고주파 전력 구동부(210)를 제어하여 전압공급부(310)가 공급하는 충전전압의 양을 계산하고, 1차측 코일(200)에 인가되는 고주파 교류전류의 전력을 미리 정한 레벨로 조정한다.
위와 같은 피드백 제어를 통해 전압공급부(310)가 공급하는 충전전압(V1)을 배터리 셀(400)에 충전된 전압(V2)의 변화에 따라 능동적으로 공급할 수 있어, 배터리 셀(400)에 충전을 위하여 공급되는 전력의 손실을 최소화할 수 있다.
상술한 본 발명의 실시 예에서는, 무접점 충전 배터리(B)의 배터리 셀(400)에 충전을 위하여 공급되는 전력의 손실의 줄이기 위하여 배터리 셀(400)에 인가되는 전류를 검출하고, 검출된 상기 측정 전류값을 충전기(C)측으로 전송한다. 그리고, 마이크로프로세서(240)가 상기 측정 전류값을 이용하여 전압공급부(310)가 공급하는 충전전압의 양을 계산하고, 1차측 코일(200)에 인가되는 고주파 교류전류의 전력을 미리 정한 레벨로 조정한다.
하지만, 대안적인 예도 가능하다. 구체적으로, 무접점 배터리(B)가 마이크로프로세서(335)를 더 구비하고, 검출된 상기 측정 전류값을 이용하여 전압공급부(310)가 공급하는 충전전압의 양을 계산하고, 1차측 코일(200)에 인가되는 고주파 교류전류의 전력을 미리 정한 레벨로 조정하기 위한 조정요구신호를 발생시켜 무접점 충전기(C)로 무선 전송한다. 그러면, 마이크로프로세서(240)는 상기 조정요구신호에 기초하여 고주파 전력 구동부(210)의 구동을 제어한다.
그 결과, 전압공급부(310)가 공급하는 충전전압(V1)을 배터리 셀(400)에 충전된 전압(V2)의 변화에 따라 능동적으로 공급할 수 있다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
본 발명에 따르면, 무접점 배터리의 충전 과정에서 정전압/정전류 공급부의 양단에 과전압이 인가되더라도 무선 피드백 제어에 의해 충전전력을 실시간으로 조정할 수 있다.
또한, 배터리의 충전을 위하여 공급하는 충전전압을 배터리 셀에 충전된 전압의 변화에 따라 능동적으로 공급할 수 있어, 불필요한 충전전압의 공급을 방지 할 수 있다.

Claims (22)

  1. 배터리 셀에 전기에너지를 충전하기 위한 충전회로를 내장한 무접점 충전 배터리에 있어서,
    외부의 무접점 충전기에서 발생되는 자기장에 의해 고주파 교류전류가 유도되는 고주파 교류전류 유도부;
    상기 배터리 셀에 충전에 필요한 전압을 공급하는 충전전압 공급부;
    상기 충전전압 공급부로부터 인가받은 전압을 이용하여 상기 배터리 셀로 충전전류를 공급하는 충전전류 공급부; 및
    상기 충전전류 공급부가 공급하는 전류의 값을 모니터링하고, 모니터링 결과를 고주파 교류전류의 유도가 이루어지지 않는 동안 무선 통신을 통해 외부의 무 접점 충전기로 전달하는 충전전류 모니터링부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 무접점 충전 배터리.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고주파 교류전류 유도부는 외부의 무접점 충전기로부터 발생되는 자기장의 자속이 쇄교하는 코일임을 특징으로 하는 무접점 충전 배터리.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 충전전류 모니터링부는,
    안테나를 통해 상기 모니터링 결과를 무선으로 전파하는 무선송신부; 및
    상기 충전전류 공급부가 배터리 셀에 공급하는 전류를 측정하는 전류검출부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 무접점 충전 배터리.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 충전전류 모니터링부는,
    상기 모니터링 결과를 무접점 충전기로 전달하여 자기장의 세기 변화를 요청하는 조정요구신호를 생성하여 출력하는 마이크로프로세서;를 구비한 것을 특징으로 하는 무접점 충전 배터리.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 충전전류 모니터링부는, 상기 고주파 교류전류 유도부에서 출력되는 고주파 교류전류를 입력받아 고주파 교류전류의 유도가 종료되는 시점을 검출하여 상기 마이크로프로세서로 출력하는 충전휴지 검출부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 무접점 충전 배터리.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 충전전류 공급부가 공급하는 충전전류의 상한값을 설정하는 허용전류 설정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무접점 충전 배터리.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 허용전류 설정부는 충전전류 공급부의 충전전류를 배터리 셀의 충전시 필요한 충전전류를 고려하여 충전 전류의 최대값을 설정하는 것을 특징으로 하는 무접점 충전 배터리.
  8. 제1항 내지 제7항 중 선택된 어느 한 항에 있어서,
    상기 충전전류 공급부는 트렌지스터인 것을 특징으로 하는 무접점 충전 배터리.
  9. 무접점 충전 배터리와 무접점 충전기를 포함하는 배터리 충전세트에 있어서,
    상기 배터리는,
    외부의 무접점 충전기에서 발생되는 자기장에 의해 고주파 교류전류가 유도되는 고주파 교류전류 유도부; 상기 배터리 셀로 충전에 필요한 전압을 공급하는 충전전압 공급부; 상기 충전전압 공급부로부터 인가받은 전압을 이용하여 상기 배터리 셀로 충전전류를 공급하는 충전전류 공급부; 및 상기 충전전류 공급부가 공급하는 전류의 값을 모니터링하고, 모니터링 결과를 고주파 교류전류의 유도가 이루어지지 않는 동안 무선 통신을 통해 외부의 무 접점 충전기로 전달하는 충전전류 모니터링부;를 포함하고,
    상기 충전기는, 교류전류를 입력받아 외부 공간에 자기장을 형성하는 자기장 발생부; 상기 자기장 발생부에 고주파 교류전류를 단속적으로 인가하는 고주파 전력 구동부; 및 상기 자기장 발생부에 고주파 교류전류가 인가되지 않는 동안, 무선 통신을 통해 상기 모니터링 결과를 전달받아 상기 고주파 전력 구동부를 제어하여 상기 자기장 발생부에 인가되는 고주파 교류전류의 전력을 조정함으로써 배터리 측으로 전달되는 충전전력을 조정하는 충전전력 조정부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 무접점 충전 세트.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 고주파 교류전류 유도부는 외부의 무접점 충전기로부터 발생되는 자기장의 자속이 쇄교하는 코일임을 특징으로 하는 무접점 충전 세트.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 충전전류 모니터링부는,
    안테나를 통해 상기 모니터링 결과를 무선으로 전파하는 무선송신부; 및
    상기 충전전류 공급부가 배터리 셀에 공급하는 전류를 측정하는 전류검출부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 무접점 충전 세트.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 충전전류 모니터링부는,
    상기 모니터링 결과를 무접점 충전기로 전달하여 자기장의 세기 변화를 요청하는 조정요구신호를 생성하여 출력하는 마이크로프로세서;를 구비한 것을 특징으로 하는 무접점 충전 세트.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 충전전류 모니터링부는, 상기 고주파 교류전류 유도부에서 출력되는 고주파 교류전류를 입력받아 고주파 교류전류의 유도가 종료되는 시점을 검출하여 상기 마이크로프로세서로 출력하는 충전휴지 검출부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 무접점 충전 세트.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 자기장 발생부는 양단에 고주파 교류전류가 인가되는 코일임을 특징으로 하는 무접점 충전 세트.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 충전전력 조정부는,
    안테나를 통해 상기 모니터링 결과를 수신하는 무선수신부; 및
    상기 무선수신부로부터 모니터링 결과를 전달받아 상기 고주파 전력 구동부 를 제어하여 상기 자기장 발생부에 인가되는 고주파 교류전류의 전력을 조정하는 마이크로프로세서;를 포함하는 것을 특징으로 하는 무접점 충전 세트.
  16. 제15항에 있어서,
    상용 교류 전류를 입력받아 직류로 변환한 후 상기 고주파 전력 구동부로 정전압 전류를 공급하는 정전압 공급부;를 더 포함하고,
    상기 고주파 전력 구동부는, 상기 마이크로프로세서로부터 펄스구동신호를 입력받아 펄스신호를 출력하는 펄스신호 발생부; 및
    상기 펄스신호를 입력받아 상기 정전압 공급부로부터 입력되는 정전압 직류를 고속으로 스위칭하여 펄스 형태의 고주파 교류전류를 생성하는 전력 구동부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 무접점 충전 세트.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 정전압 공급부는,
    상용 교류전류를 입력받아 과전압 전류를 차단하는 과전압 과전류 보호회로;
    상기 과전압 과전류 보호회로를 통과한 교류전류를 정류하여 직류전류로 변환하는 정류부; 및
    상기 변환된 직류전류를 입력받아 정전압 전류를 출력하는 정전압 공급부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 무접점 충전 세트.
  18. 삭제
  19. 제9항에 있어서,
    상기 충전전력 조정부는 펄스 전류의 폭, 펄스 전류의 주파수, 펄스의 진폭 또는 펄스의 수를 변조하여 충전전력을 조정하는 것을 특징으로 하는 무접점 충전 세트.
  20. 제9항에 있어서,
    상기 충전전류 공급부가 공급하는 충전전류의 상한값을 설정하는 허용전류 설정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무접점 충전 세트.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 허용전류 설정부는 충전전류 공급부의 충전전류를 배터리 셀의 충전시 필요한 충전전류를 고려하여 충전 전류의 최대값을 설정하는 것을 특징으로 하는 무접점 충전 세트.
  22. 제9항에 있어서,
    상기 충전전류 공급부는 트렌지스터인 것을 특징으로 하는 무접점 충전 세트.
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