KR101229909B1 - 피씨비 일체형 무접점 배터리 장치 및 충전 시스템 - Google Patents

피씨비 일체형 무접점 배터리 장치 및 충전 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명에 의한 피씨비 일체형 무접점 배터리 장치는 무접점 충전에 의한 전원공급장치의 자기 발생 코일과 자기적으로 결합되어 유도 기전력이 생성되는 수신코일; 상기 생성된 유도 기전력을 직류 전원으로 변환하는 변환부; 및 PCB 기판상에 구비되며 상기 변환된 직류 전원에 의하여 배터리 모듈이 충전되도록 제어하는 BMU모듈을 포함하며, 상기 수신 코일은 상기 PCB 기판상에 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 본 발명에 의하면, 무접점 충전을 위한 배터리 제조 공정을 더욱 단순화시킬 수 있음은 물론, 사용자 충전 환경을 개선시킬 수 있어 더욱 사용자 지향적인 장치를 제공할 수 있다.

Description

피씨비 일체형 무접점 배터리 장치 및 충전 시스템{Apparatus for wireless charging battery with PCB-integrated type and system thereof}
본 발명은 전자기 유도에 의한 무접점 방식으로 충전이 수행되는 무접점 배터리 장치 및 이를 이용한 충전 시스템에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 전자기 유도를 위한 코일을 배터리의 충방전을 제어하는 BMU모듈이 구비되는 피씨비 기판상의 전단에 구비되도록 구성하여 무접점 충전에 대한 편의성 및 효율을 증진시킬 수 있는 피씨비 일체형 무접점 배터리 장치 및 충전 시스템에 관한 것이다.
모바일 단말, PDA 등을 비롯하여 휴대형 전자기기나 소형 가전 제품 등에서는 사용자 편의성을 높이기 위하여 구동 전력원으로 재충전 가능한 이차전지 배터리가 흔히 이용되고 있다. 이러한 이차전지 배터리를 구동원으로 사용함으로써, 사용자는 전력 공급을 위한 유선 환경에서 자유로울 수 있어 더욱 편리한 제품 사용이 가능하다고 할 수 있다.
이차전지 배터리는 외부 전원에 의한 충전으로 에너지가 저장되는데 이와 같은 배터리의 충전을 위해서, 가정용 상용 전원을 이차전지 배터리에 필요한 가용 정격 전력으로 공급하는 별도의 유선 충전장치가 주로 사용되고 있다.
유선 충전 방식은 통상적으로 충전 장치의 단자와 배터리의 단자(또는 배터리가 탑재된 상태에서 배터리와 전기적으로 연결된 전자기기의 단자)가 서로 물리적으로 접촉됨으로써 전기적으로 연결되는 방식이 주로 이용되고 있다.
그러나 상기와 같은 방식의 전기적 결합은 단자가 상호 물리적으로 결합되는 방식으로 이루어지므로, 물리적 마모 현상이 발생하여 접속 신뢰성이 저하될 수 있으며, 접촉 단자가 외부로 노출되는 형태가 많아 이물질에 의한 오염 등으로 접촉 상태가 쉽게 불량해지는 문제점이 있다고 할 수 있다. 또한, 수분이나 습기가 많은 환경에서는 전기 단락 사고가 발생하거나 충전된 에너지가 쉽게 소실되는 등의 문제가 발생될 수 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 충전 장치와 배터리가 물리적으로 비접촉되는 방식의 무접점 충전 시스템이 개시되고 있는데, 상기 무접점 충전은 알려진 바와 같이 1차 코일에서 자기장의 자속이 시간에 따라 변화하면 인접한 2차 코일에서 상기 시간에 따라 변화되는 자기장에 의하여 상기 2차 코일에 전력이 유도되는 현상을 이용하는 충전 방식이다.
상기 무접점 충전에 의하여 발생되는 유도 기전력은 다음 수식으로 정의될 수 있다.
Figure 112010046371691-pat00001
전가기 유도에 의하여 발생되는 유도 기전력은 상기 수식과 같이 코일의 수 내지 단위 면적당 분포 수에 비례된다고 할 수 있다.
종래 휴대 기기 등에 채용되는 무접점 충전 시스템은 첨부된 도 1 및 도 2과 같이 휴대폰 케이스(11) 등의 안쪽 면에 평면형 나선형 코일(12)을 형성하고, 무선 충전을 위한 패드(20)에 상기 나선형 코일(12)에 대응되는 형태의 1차 코일(21)을 형성하고 휴대폰(10)을 무선 패드(20) 상면에 거치 내지 안착시키는 방식이 주로 이용되고 있다.
그러나, 상기 방식은 유도 기전력 발생을 위한 코일을 평면형으로 구성하고 있어 코일의 수(상기 수식의 N)의 확장에 한계를 가지고 있어, 1차 코일에 공급되는 전력의 크기에 대한 조건이 동일하게 유지되는 범위에서 유도 기전력을 발생시키는 효율이 상당히 낮다고 할 수 있으며, 배터리의 일면 또는 배터리 케이스 등에 자기 유도 코일을 형성시켜야하는 다소 복잡하고 번거로운 추가 공정이 필요하다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 배경에서 상기 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 전자기 유도에 의한 유도 기전력이 발생되는 2차 코일을 배터리 장치에 구비되는 PCB기판 상에 형성시켜 무접점 충전을 위한 코일이 구비된 배터리의 제조 공정을 더욱 간단히 수행할 수 있고 충전 환경에 대한 사용자 편의성을 더욱 증진할 수 있는 배터리 장치 및 충전 시스템을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명에 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시예에 의해 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타난 구성과 구성의 조합에 의해 실현될 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 피씨비 일체형 무접점 배터리 장치는 무접점 충전에 의한 전원공급장치의 자기 발생 코일과 자기적으로 결합되어 유도 기전력이 생성되는 수신코일; 상기 생성된 유도 기전력을 직류 전원으로 변환하는 변환부; 및 PCB 기판상에 구비되며 상기 변환된 직류 전원에 의하여 배터리 모듈이 충전되도록 제어하는 BMU모듈을 포함하며, 상기 수신 코일은 상기 PCB 기판상에 형성되도록 구성된다.
여기에서, 상기 수신 코일은 상기 배터리 장치의 길이 방향 전단에 구비되도록 구성하는 것이 더욱 바람직하다.
한편, 본 발명의 다른 측면에 의한 피씨비 일체형 무접점 충전 시스템은 자기 발생을 위한 교류 전력을 공급하는 전원부와 상기 공급된 교류 전력에 의하여 전자기를 발생시키는 자기 발생 코일을 포함하는 전원공급장치; 및 무접점 충전에 의한 전원공급장치의 자기 발생 코일과 자기적으로 결합되어 유도 기전력이 생성되는 수신코일, 상기 생성된 유도 기전력을 직류 전원으로 변환하는 변환부와 PCB 기판상에 구비되며 상기 변환된 직류 전원에 의하여 배터리 모듈이 충전되도록 제어하는 BMU모듈을 포함하며 상기 수신 코일이 상기 PCB 기판상에 형성되는 배터리 장치를 포함하여 구성된다.
상기 본 발명의 전원공급장치는 이격 공간을 가지도록 대면하며 형성되고, 상기 이격 공간으로 상기 배터리 장치의 장착을 가이드하는 가이드벽부; 및 상기 가이드벽부 일측 양단과 연결되며 내부에 상기 자기 발생 코일이 구비되는 지지보드를 포함하여 구성될 수 있으며, 또한, 상기 가이드벽부 및 지지보드를 커버링하는 이탈방지덮개를 더 포함하여 구성하는 것이 더욱 바람직하다.
상기 본 발명에 의하면, 무접점 충전을 위한 코일을 배터리의 내부 구성 중의 하나인 피씨비 기판상에 구비시킴으로써, 제조 공정을 더욱 단순화할 수 있음은 물론, 전력 공급 장치와 상기 배터리 장치의 구조를 개선시킴으로써 충전 환경에 대한 사용자 편의성이 더욱 향상된 장치와 시스템을 구현할 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 종래 무접점 충전에 의한 2차 코일 구성을 도시한 도면,
도 2는 종래 무접점 충전에 의한 배터리와 충전 패드의 구성을 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 피씨비 일체형 무접점 배터리 장치의 구성을 도시한 블록도,
도 4는 본 발명에 따른 피씨비 일체형 무접점 배터리 장치의 바람직한 일 실시예에 대한 분해 사시도,
도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 전력공급장치의 구성을 도시한 블록도,
도 6은 본 발명에 따른 배터리 장치와 전력공급장치의 결합 관계에 대한 바람직한 일 실시예를 도시한 도면,
도 7은 본 발명의 배터리 장치와 전력공급장치의 결합 관계에 대한 바람직한 다른 실시예를 도시한 도면이다.
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 아니 되며, 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 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 피씨비 일체형 무접점 배터리 장치(이하 배터리 장치로 칭한다)(100)의 구성을 도시한 블록도이다. 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 배터리 장치(100)는 수신 코일(110), 변환부(120), BMU모듈(130) 및 배터리 모듈(140)로 구성될 수 있다.
상기 수신 코일(110)은 앞서 설명된 바와 같이 무접점 충전에 의한 전원공급장치(200)에 구비된 자기 발생 코일(210)과 자기적으로 결합되어 유도 기전력이 생성되는 2차 코일에 해당한다. 상기 발생된 유도 기전력은 교류 형태의 전원에 해당하는데, 본 발명의 변환부(120)는 이차 전지 등의 충전에 이용하기 위하여 상기 교류 전원을 직류 형태의 전원으로 변환하는 기능을 수행한다.
상기 변환부(120)는 다이오드 등을 이용한 정류 회로로 구현될 수 있으며, 발생된 유도 기전력의 크기를 탑재되는 배터리 모듈(140)의 정격 전압과 대응되도록 전력의 크기를 조정하는 구성을 실시형태에 따라 추가적으로 포함할 수 있음은 물론이다.
통상적으로 배터리 장치는 배터리 전압의 센싱, 전기 특성의 모니터링, 배터리의 충방전 등을 제어하는 BMU(Battery Management Unit)모듈(130)이 PCB기판에 탑재된 형태로 이루어지는데, 상기와 같은 기능을 수행하는 BMU모듈(130)은 상기 기능과 함께 상기 변환부(120)에서 출력되는 직류 전원에 의하여 상기 배터리 모듈(140)이 충전될 수 있도록 제어하는 기능을 수행한다. 실시형태에 따라 본 발명의 기능을 수행하는 BMU모듈은 통상적인 BMU모듈과는 독립적으로 구성될 수 있음은 물론이다.
본 발명의 상기 수신 코일(110)은 첨부된 도 4에 도시된 바와 같이 상기 BMU모듈(130)이 구비되는 피씨비 기판(150) 상에 형성되도록 구성한다. 통상의 배터리 장치는 앞서 설명된 바와 같이 다양한 전자 소자 등이 탑재되는 피씨비 기판을 포함하고 있는데, 본 발명은 이와 같이 추가적인 공정이나 추가 구성의 필요성이 최소화될 수 있도록 필수적으로 구비되는 상기 피씨비 기판(150) 상에 수신 코일(110)이 형성되도록 구성한다.
상기 피씨비 기판(150)에는 상기 수신 코일(110)에서 유도된 유도 기전력이 상기 변환부(120)에 제공될 수 있는 라인 패턴이 형성되어 있으며, 배터리 모듈(140)의 전극 단자(141)와 전기적으로 접속되는 접속 단자(131)가 형성될 수 있다. 실시형태에 따라 상기 접속단자(131)는 배터리 하우징 케이스(160)의 통공부를 통하여 외부로 노출되어 배터리 장치의 전극 단자로 기능할 수 있도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 수신 코일(110)은 후술되는 전원공급장치와의 자기 커플링 효과를 높이고 이에 의한 전자기 유도에 의한 기전력을 향상시키기 위하여 도 4에 도시된 바와 같이 상기 배터리 장치(100)의 길이 방향 전단에 구비되도록 구성하는 것이 바람직하며, 이와 유사한 측면에서 상기 수신 코일(110)은 평면 나선형이 아닌 입체적인 형상을 가지는 권선형으로 구성하는 것이 바람직하다.
이하에서는 첨부된 도 5 내지 도 7을 통하여 본 발명의 전원공급장치 및 이를 포함하는 무접점 충전 시스템에 대한 상세한 설명을 기술하도록 한다.
도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 전원공급장치(200)의 구성을 도시한 블록도이다. 상기 전원공급장치(200)는 전원공급의 모체가 되는 구성으로서, 외부 전원으로부터 전기 에너지를 공급받아 이를 상기 배터리 장치(100)로 전달하는 기능을 수행한다. 상기 외부 전원은 일반적인 상용 교류 전원(60Hz, 220V/100V)이 이용될 수 있으며 전력 공급 환경이나 스펙 등에 따라 다른 형태의 교류 또는 DC 전원도 채택 가능함은 물론이다.
상기 전원공급장치(200)의 전원부(220)는 외부 전원을 이용하여 자기 발생을 위한 교류 전력을 상기 자기 발생 코일(210)에 공급하는 역할을 수행하며, 구체적인 실시형태에 따라 상기 전원부(220)는 정류부(223), 전력 구동부(225) 및 PWM발생부(227)를 포함하여 구성될 수 있다.
1차 및 2차 코일 간의 자기 커플링이 발생되기 위해서는 상기 자기 발생 코일(210)에는 교류 전원이 인가되어야 하며, 실시형태에 따라 외부 교류 전원을 필요한 가공만을 거쳐 그대로 상기 자기 발생 코일인 1차 코일(210)에 전달되도록 구성할 수도 있다.
또한, 실시형태에 따라 더욱 정교한 교류 주파수의 조정이 가능하도록 외부 교류 전원을 직류 전원으로 변환한 후, 다시 후속 프로세싱을 수행하여 상기 자기 발생 코일(210)에 교류 전원이 인가되도록 구성할 수도 있다.
상기 전원공급장치(200)의 정류부(223)는 이와 같은 실시형태 구현을 위한 구성으로서 외부 상용 교류 전원을 직류로 정류한 후, 전력 구동부(225)로 전달한다.
상기 전력 구동부(225)는 상기 정류부(223)로부터 공급받은 직류 전원을 이용하여 상용 주파수 이상의 고주파 교류 전원 펄스를 생성하고, 이를 상기 자기 발생 코일(210)에 인가하여 시간에 따라 가변하는 자계(magnetic filed)를 생성시킨다.
바람직하게, 소정 레벨의 직류전압을 변환하여 상용 주파수 이상의 고주파 교류전압을 발진하는 고주파 발진회로와 펄스폭 변조(PWM: pulse width modulation)된 고주파 교류 전류전압 펄스를 1차 코일(210)에 인가할 수 있도록 PWM발생부(227)를 추가적으로 구성할 수 있다.
앞서 설명된 바와 같이 배터리 장치(100)에 구비되는 권선형 수신 코일(100)과의 자계 커플링의 효과를 높이기 위하여 상기 전원공급장치(200)의 자기 발생 코일(210) 또한, 입체적 형상의 권선형으로 구성하는 것이 바람직하다.
상기 본 발명의 전원공급장치(200)는 도 6에 도시된 바와 같이 상기 배터리 장치(100)가 끼움식 또는 삽입식으로 장착될 수 있는 포켓 형태로 구성하는 것이 더욱 바람직하다.
도 6에 도시된 바와 같이 상기 가이드벽부(230)는 배터리장치(100)가 장착되는 소정의 이격된 공간을 가질 수 있도록 서로 마주보는 한 쌍의 벽부로 구성되는데 무접점 충전을 위한 배터리 장치(110)는 상기 가이드벽부(230)의 안내 가이드를 받을 수 있어 사용자는 더욱 편리하게 전가기 유도에 의한 무접점 충전을 수행할 수 있으며, 상기와 같은 구성에 의하여 자계 커플링의 정합(매칭)에 대한 번거로움을 최소할 수도 있다.
상기 가이드벽부(230) 일단 측에는 상기 가이드벽부(230)와 연결되는 지지보드(240)가 형성되는데, 상기 지지보드(240)는 배터리 장치(100)(또는 배터리 장치가 장착된 휴대폰 등의 전자 기기)가 장착되는 경우 이를 물리적인 지지할 뿐만 아니라, 상기 배터리 장치(100)의 전단부에 구비된 수신 코일(110)과의 전자기 유도 현상을 발생시키기 위하여 내부에 앞서 설명된 자기 발생 코일(210)이 구비된다.
이와 같은 전원공급장치의 형상과 자기 발생 코일이 구비되는 위치 구성에 의하여 사용자는 무접점 충전의 대상이 되는 배터리 장치(100)를 더욱 효과적이고 간편하게 충전시킬 수 있게 된다.
상기 전원공급장치(200)는 실시형태에 따라 지면을 중심으로 수직방향으로 세워져 실시될 수도 있으며, 또한, 벽부 등에 부착되는 형태로도 구현될 수 있다. 이러한 경우, 무접점 충전에 대한 정합(매칭) 효율을 그대로 유지함과 동시에 사용자 편의성을 더욱 높이기 위하여 도 7에 도시된 바와 같이 상기 가이드벽부(230) 및 지지보드(240)를 커버하여 덮는 이탈방지 덮개(250)가 추가적으로 구성될 수 있다.
상기 구성을 통하여 수직 방향으로 세워진 형태 또는 벽부에 부착되는 형태로 실시되는 형태에서도 충전의 대상이 되는 배터리 장치를 용이하게 착탈시킬 수 있음은 물론, 충전 중 이탈을 원천적으로 방지할 수 있는 효과를 가질 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 발명을 설명함에 있어, 상기 본 발명에 의한 리시버 장치(100) 또는 충전 시스템(100, 200) 등의 각 구성요소는 물리적으로 구분되는 구성요소라기보다는 논리적으로 구분되는 구성요소로 이해되어야 한다.
즉, 각각의 구성은 본 발명의 기술사상을 실현하기 위하여 논리적인 구성요소에 해당하므로 각각의 구성요소가 통합 또는 분리되어 수행되더라도 본 발명의 논리 구성이 수행하는 기능이 실현될 수 있다면 본 발명의 범위 내에 있다고 해석되어야 하며, 동일 또는 유사한 기능을 수행하는 구성요소라면 그 명칭 상의 일치성 여부와는 무관히 본 발명의 범위 내에 있다고 해석되어야 함은 물론이다.
또한, 본 발명의 설명에 있어 제1, 제2 등과 같은 표현은 상호 간의 각 구성을 상대적으로 구분하기 위하여 사용되는 도구적 개념의 용어일 뿐, 특정의 순서, 우선순위 등을 물리적으로 구분하기 위하여 사용된 용어가 아님은 자명하다.
100: 배터리 장치 110: 수신 코일
120: 변환부 130: BMU모듈
140: 배터리 모듈 150: 피씨비 기판(PCB)
160: 하우징 케이스 200: 전원공급장치
220: 전원부 223: 정류부
225: 전력구동부 227: PWM발생부
230: 가이드벽부 240:지지보드
250: 이탈방지 덮개

Claims (6)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 자기 발생을 위한 교류 전력을 공급하는 전원부와 상기 공급된 교류 전력에 의하여 전자기를 발생시키는 자기 발생 코일을 포함하는 전원공급장치; 및
    무접점 충전에 의한 전원공급장치의 자기 발생 코일과 자기적으로 결합되어 유도 기전력이 생성되는 수신코일, 상기 생성된 유도 기전력을 직류 전원으로 변환하는 변환부와 PCB 기판상에 구비되며 상기 변환된 직류 전원에 의하여 배터리 모듈이 충전되도록 제어하는 BMU모듈을 포함하며 상기 수신 코일이 상기 PCB 기판상에 형성되는 배터리 장치를 포함하며,
    이격 공간을 가지도록 대면하며 형성되고, 상기 이격 공간으로 상기 배터리 장치의 장착을 가이드하는 가이드벽부; 및
    상기 가이드벽부 일측 양단과 연결되며 내부에 상기 자기 발생 코일이 구비되는 지지보드를 포함하는 것을 특징으로 하는 피씨비 일체형 무접점 충전 시스템.
  4. 삭제
  5. 제 3항에 있어서, 상기 가이드벽부 및 지지보드를 커버링하는 이탈방지덮개를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 피씨비 일체형 무접점 충전 시스템.
  6. 제 3항에 있어서, 상기 수신 코일은,
    상기 배터리 장치의 길이 방향 전단에 구비되는 것을 특징으로 하는 피씨비 일체형 무접점 충전 시스템.
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