KR101253669B1 - 무접점 충전기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 휴대형 전자기기의 충전장치에 관한 것으로서, 특히 유도 결합을 이용한 무접점 충전시스템에 관한 것이다.
본 발명의 무접점 충전시스템은 1차 코일과 무선수신모듈을 포함하는 제 1 충전 유닛과, 이 1차 코일과 자기적으로 결합되는 2차 코일과 무선송신모듈을 포함하는 제 2 충전 유닛 및 이 제 2 충전 유닛으로부터 충전 전압을 제공받는 배터리로 이루어진다. 특히, 상기 제 1 충전 유닛은, 상용 교류전원이 인가됨에 따라 상용 주파수 이상의 교류 전력 펄스를 생성하고, 이를 1차 코일에 인가하여 상기 2차 코일에 고주파 교류 전압 펄스를 유도하는 수단을 포함하고; 상기 제 2 충전유닛은, 상기 2차 코일에 의해 유도되는 교류전압 펄스의 펄스간 유휴 시간을 이용하여 배터리의 충전상태정보를 상기 제 1 충전유닛에 전송하는 수단을 포함한다.
따라서, 상기 1차 코일과 2차 코일 사이의 전력 신호와 상기 무선송신모듈과 무선수신모듈 사이의 통신 신호가 시간적으로 중첩되지 않게 된다.
Figure R1020060098462
무접점 충전, 시분할, 피드백 제어

Description

무접점 충전기{A contact-less charger}
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 무접점 충전시스템의 개략 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 무접점 충전시스템의 내부 기능 블록도이다.
도 3은 충전시작 시점으로부터 만충전 시점까지의 전력 신호와 통신 신호의 시분할 배치를 설명하기 위한 타이밍 챠트이다.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 무접점 충전 방법의 절차를 설명하기 위한 플로우 챠트이다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 제 1 충전유닛의 기능 블록도이다.
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 제 2 충전유닛의 기능 블록도이다.
도 7은 2차 충전유닛의 2차 코일에서 충전 전력이 단속적으로 출력되는 것을 도시한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 무접점 충전시스템의 사용 상태도이다.
도 9는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 무접점 충전장치를 이용하여 휴대형 전자기기의 배터리를 충전하는 상태를 도시한 사시도이다.
도 10은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 무접점 충전장치의 1차측 코일의 개략 평면도이다.
도 11은 종래 기술과 본 발명의 제 3 실시예에 따른 무접점 충전장치의 1차측 코일에 의해 생성되는 자기장의 자속밀도 프로파일을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 무접점 충전장치의 1차측 코일의 변형예를 도시한 개략 평면도이다.
도 13은 휴대전화용 배터리의 무접점 충전장치로서 본 발명의 제 3 실시예에 따라 1차측 코일을 구성하고, 휴대전화용 배터리의 2차측 코일의 위치를 변화시켜가면서 유도전력을 측정한 실험을 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 도 13의 구성에 따라 실험한 결과의 유도전력 프로파일을 도시한 그래프이다.
도 15a 및 도 15b는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 무접점 충전장치의 사용 상태도이다.
도 16은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 무접점 충전장치의 다른 사용 상태도이다.
도 17은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 무접점 충전시스템의 내부 기능 블록도이다.
도 18은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 송신 코일의 순차적인 구동과 피드백 응답 신호의 상호 관계를 설명하기 위한 타이밍 챠트이다.
도 19는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 무접점 충전방법의 절차를 설명하기 위한 플로우 챠트이다.
도 20은 본 발명의 제 4 실시예의 다른 변형예에 따른 송신 코일의 동시 구동과 피드백 응답 신호의 상호 관계를 설명하기 위한 타이밍 챠트이다.
도 21은 본 발명의 제 4 실시예의 다른 변형예에 따른 무접점 충전 방법의 절차를 설명하기 위한 플로우 챠트이다.
도 22는 본 발명의 제 5 실시예에 따른 무접점 충전장치의 분해 사시도이다.
도 23은 본 발명의 제 5 실시예에 따른 무접점 충전장치의 내부 기능 블록도이다.
도 24는 본 발명의 제 5 실시예의 다른 변형예에 따른 무접점 충전장치의 내부 기능 블록도이다.
도 25는 본 발명의 제 6 실시예에 따른 무접점 충전장치를 나타낸 사시도이다.
도 26은 상기 도 25의 무접점 충전장치를 나타낸 사시도로서, 커넥터가 외부 로 인출된 것을 나타낸 도면이다.
도 27 내지 도 29는 각각 상기 도 25의 무접점 충전장치의 내부 기능 블록도이다.
도 30은 본 발명의 제 7 실시예에 따른 무접점 충전장치의 내부 기능 블록도이다.
<도면의 주요 참조 부호에 대한 설명>
100: 충전 모체 200: 배터리 장치
150: 충전전력 공급장치 250: 충전 장치
110: 1차 코일 210: 2차 코일
120: 무선수신모듈 220: 무선송신모듈
151: 상용 교류전원 153: 구동 회로
261: 보호 회로(PCM) 262: 배터리
본 발명은 휴대형 전자기기의 충전장치에 관한 것으로서, 특히 유도 결합을 이용한 무접점 충전시스템에 관한 것이다.
이동통신단말, PDA 등과 같은 휴대형 전자기기에는 재충전 가능한 2차전지(배터리)가 장착된다. 2차 전지(배터리)를 충전하기 위해서는 가정용 상용 전원을 이용하여 휴대형 전자기기의 배터리에 전기 에너지를 제공하는 별도의 충전장치가 필요하다. 통상적으로, 충전장치와 배터리에는 외부에 각각 별도의 접촉 단자가 구성되어 있어서, 두 접촉 단자를 서로 접속시키는 것에 의해 충전장치와 배터리를 전기적으로 연결한다.
그러나, 이와 같이 접촉 단자가 외부에 돌출되면, 미관상 좋지 않고 접촉 단자가 외부의 이물질에 오염되어 접촉 상태가 쉽게 불량해지는 문제점이 있다. 또한, 사용자의 부주의로 배터리에 단락이 발생하거나 습기에 노출되면, 충전에너지가 쉽게 소실될 수 있다.
이러한 접촉식 충전방식의 문제점을 해결하기 위하여, 충전장치와 배터리를 비접촉 방식으로 충전하는 무선 충전 시스템이 제안되었다.
대한민국 공개특허 제 2002-57468 호, 대한민국 공개특허 제 2002-57469 호, 대한민국 등록특허 제 363,439 호, 대한민국 등록특허 제 428,713 호, 대한민국 공개특허 제 2002-35242 호, 대한민국 등록실용신안 제 217,303 호, 영국 공개특허 제 2,314,470 호 및 미국 공개특허 제 2003/0,210,106 호는 충전모체의 1차 코일과 배터리팩의 2차 코일간의 유도 결합을 이용하여 접촉단자 없이 배터리를 충전시키는 비접촉식 충전시스템을 개시한다.
또한, 대한민국 공개특허공보 제 2004-87037 호는 배터리의 전압 및 전류를 측정하여 사용시간 및 충전용량 등의 정보를 누적하고, 이렇게 누적된 정보에 근거하여 배터리의 충,방전 용량을 보정하기 위한 제어회로를 포함하는 무접점 충전 배터리팩을 개시한다. 특히, 상기 제어회로는 배터리에서 검출되는 충전 전압과 온도센서부에서 검출되는 배터리의 온도에 근거하여 충전 전압과, 배터리 온도를 보상 하는 보상회로를 더 포함하고 있다.
그러나, 상기 037'호 공개 특허는 배터리의 충전상태정보(충전 전류, 충전전압 등)를 피드백 받고, 이 충전상태정보에 대응하는 충전 전력을 생성하는 전력공급장치나 이를 이용한 무접점 충전 시스템을 개시하고 있지 않다.
또한, 무접점 충전 시스템에 있어서는 1차측 코일과 2차측 코일의 상대적 위치에 따라 2차측 코일에 유기되는 교류 전류의 크기가 변화한다. 즉, 상대적으로 매우 큰 고주파 교류전류가 유기되는 지점에 1,2차 코일이 놓일 경우 2차측의 회로가 소손되는 문제가 발생된다.
따라서, 1차 충전유닛(충전모체)과 2차 충전유닛(배터리팩)의 상대적 위치와 무관하게 2차 충전유닛의 내부 회로를 과전압으로부터 보호할 수 있는 새로운 기술적 대안이 요구된다.
본 발명의 제 1 목적은 1차 코일과 2차 코일의 유도 결합을 이용한 무접점 충전시스템에 있어서, 무선으로 배터리의 상태정보를 피드백 받아 배터리의 상태에 가장 적합한 충전 전력을 생성하는 것이다.
본 발명의 제 2 목적은 1차 충전유닛(충전모체)과 2차 충전유닛(배터리팩) 사이의 전력 신호와 통신 신호간의 간섭 현상을 해소하는 것이다.
본 발명의 제 3 목적은 불필요한 전력 소모가 방지될 수 있도록 1차 코일과 2차 코일이 자기적으로 완전히 결합된 후에 충전전력을 공급하는 것이다.
본 발명의 제 4 목적은 배터리의 충전 상태를 대기모드, 충전모드 및 완충모 드로 나누고, 배터리의 모드 상태를 파악하여 각 모드에 가장 적합한 충전 전력을 공급하는 것이다.
본 발명의 제 5 목적은 1차 충전유닛(충전모체)과 2차 충전유닛(배터리팩)의 상대적 위치 제약성을 해소할 수 있으면서도 2차측 내부 회로의 소손을 방지하는 것이다.
본 발명의 제 6 목적은 배터리 장치의 위치에 따른 충전효율의 편차가 개선된 무접점 충전장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 제 7 목적은 1차 코일과 2차 코일간의 위치와 무관하게 2차측에 유도 기전력을 효율적으로 전달할 수 있는 무접점 충전장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 제 8 목적은 다수개의 휴대형 전자기기를 동시에 충전시킬 수 있는 무접점 충전장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 제 9 목적은 높은 충전효율을 가지면서도 에너지 낭비를 최소화시킬 수 있는 무접점 충전장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 제 10 목적은 코일부의 디자인을 자유로이 변경할 수 있는 무접점 충전장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 제 11 목적은 충전 회로부와 코일부중 어느 하나만을 선택적으로 교체하는 것이 가능한 무접점 충전장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 제 12 목적은 배터리를 충전하면서 동시에 전자기기를 사용할 수 있도록 유선 방식의 충전과 무접점 방식의 충전을 함께할 수 있는 무접점 충전장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 제 13 목적은 충전 모체의 충전영역에 존재하는 금속성 이물질에 의한 과전류 발생을 조기에 탐지하여 최적의 충전 상태를 유지하고, 충전 효율을 향상시킬 수 있는 무접점 충전장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시예에 의해 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 첨부된 특허청구범위에 나타낸 수단 및 조합에 의해 실현될 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 제 1 양태는 유도 결합을 위한 2차 코일, 데이터를 무선 송신하기 위한 무선송신모듈, 배터리의 충전상태를 조절하는 충전제어회로 및 재충전 가능한 배터리를 포함하는 배터리장치와 무접점으로 결합되는 충전전력 공급장치에 관한 것이다.
본 발명의 제 1 양태에 따른 상기 충전전력 공급장치는, 상기 2차 코일에 충전 전력을 유도하는 1차 코일; 상기 무선송신모듈로부터 충전상태정보를 수신하기 위한 무선수신모듈; 상기 1, 2차 코일 사이의 전력 신호와 상기 무선 송,수신 모듈 사이의 통신 신호가 서로 시간적으로 중첩되지 않도록 상기 1차 코일을 구동하는 수단을 포함한다.
또한, 본 발명의 제 2 양태는, 상용 교류전압을 이용하여 상용 주파수 이상의 교류 전압 펄스를 생성하는 상기 충전전력 공급장치로부터 무접점으로 전력을 공급받고, 이 전력을 이용하여 재충전 가능한 배터리를 충전하는 장치에 관한 것이다.
이 충전 장치는, 상기 충전전력 공급장치의 1차 코일과 자기적으로 결합되어 상기 교류 전압 펄스에 대응하는 유도 기전력 펄스를 생성하는 2차 코일; 이 유도 기전력 펄스에 근거하여 배터리를 충전시킬 정전압과 정전류를 생성하는 충전제어회로; 상기 유도 기전력 펄스의 폴링 타임(falling time)을 체크하여 폴링이 감지되면, 배터리의 충전상태정보와 같은 피드백 응답 신호를 상기 충전전력 공급장치에 무선으로 피드백하는 피드백 제어수단을 포함한다.
또한, 본 발명의 충전 장치는, 배터리의 충전 상태를 모니터링하여 충전상태정보를 생성하고, 이를 상기 메모리에 저장하는 모니터링회로; 상기 충전상태정보와 배터리 사양정보를 저장하는 메모리; 상기 충전상태정보에 근거하여 피드백 응답 신호를 생성하고, 이를 상기 충전전력 공급장치에 무선으로 전송하는 무선송신모듈을 더 포함한다.
본 발명의 제 3 양태는, 상용 교류전원을 이용하여 상용 주파수 이상의 펄스폭 변조 신호를 생성하는 상기 전력공급장치로부터 무접점으로 충전 전력을 공급받는 배터리 장치에 관한 것이다.
이 배터리 장치는, 재충전 가능한 배터리; 상기 전력공급장치의 1차 코일과 자기적으로 결합되어 상기 펄스폭 변조 신호에 대응하는 유도 기전력 펄스를 생성하는 2차 코일; 상기 유도 기전력에 근거하여 배터리를 충전시킬 정전압과 정전류를 생성하고, 이를 이용하여 상기 배터리를 충전하는 충전제어회로; 상기 유도 기전력 펄스의 폴링 타임(falling time)을 검출하는 폴링 검출기; 배터리의 충전상태정보와 배터리 사양정보를 저장하는 메모리; 상기 배터리의 충전 상태를 모니터링 하여 충전상태정보를 생성하고, 이를 상기 메모리에 저장하는 모니터링회로; 상기 충전상태정보를 변조하여 피드백 응답신호를 생성하고, 이를 상기 전력공급장치에 무선으로 전송하는 무선송신모듈; 상기 폴링 타임을 검출하면, 상기 메모리로부터 충전 상태정보를 읽어들이고, 이 충전상태정보를 상기 무선송신모듈에 전달하는 피드백 제어기를 포함한다.
본 발명의 제 4 양태는, 1차 코일과 무선수신모듈을 포함하는 제 1 충전 유닛과, 이 1차 코일과 자기적으로 결합되는 2차 코일과 무선송신모듈을 포함하는 제 2 충전 유닛 및 이 제 2 충전 유닛으로부터 충전 전압을 제공받는 배터리로 이루어지는 무접점 충전 시스템에서의 배터리 충전방법에 관한 것이다.
이 방법은, (A) 폭 W1을 갖는 전력 펄스열을 1차 코일에 인가하는 것에 의해 대응하는 자계를 외부로 방사하는 단계; (B) 상기 제 1 코일과 제 2 코일이 자기적으로 결합되었음을 확인하는 충전시작신호를 상기 제 2 충전유닛으로부터 무선으로 응답받는 단계; (C) 상기 충전시작신호에 따라 적어도 상기 W1 보다 큰 펄스폭(W2)을 갖는 충전 전력 펄스열을 생성하고, 이를 1차 코일에 인가하는 것에 의해 2차 코일에 대응하는 유도 기전력 펄스를 생성하는 단계; (D) 상기 유도 기전력 펄스를 이용하여 상기 배터리를 충전하는 단계; (E) 상기 배터리의 충전상태정보를 제 2 충전유닛으로부터 피드백 받는 단계; (F) 상기 충전상태정보에 근거하여 상기 충전 전력 펄스의 펄스폭을 조절하는 단계를 포함한다. 이로 인해, 상기 제 2 충전유닛으로부터의 무선 피드백 신호는 상기 유도 기전력 펄스의 폴링 타임(falling time) 에 동기된다.
또한, 상기 (B)단계는 다시, 상기 제 1 코일과 제 2 코일이 자기적으로 결합됨에 따라 제 2 코일로부터 유도 기전력 펄스가 생성되는 단계; 상기 유도 기전력 펄스의 폴링 타임(falling time)을 체크하여 메모리로부터 충전상태정보를 읽어들이는 단계; 상기 메모리에 충전상태정보가 기록되어 있지 않은 경우, 초기 충전으로 판단하여 초기충전신호를 생성하는 단계; 상기 초기충전신호를 무선송신모듈을 경유하여 제 1 충전유닛의 무선수신모듈로 전송하는 단계로 이루어진다.
상기 (A)단계는 다시, 상용 교류 전압을 직류로 정류하는 단계; 정류된 직류를 이용하여 상용 주파수 이상의 교류 전압을 생성하는 단계; 상기 교류 전압을 펄스폭 변조하여 폭 W1을 갖는 전력 펄스열을 생성하는 단계; 상기 전력 펄스열을 1차 코일에 인가하는 단계로 이루어진다.
상기 (D)단계는 다시, 상기 유도 기전력(교류 전압)을 직류로 정류하는 단계; 정류된 직류 전압을 이용하여 배터리에 충전할 일정한 레벨의 정전압과 정전류를 생성하는 단계; 배터리 전압이 일정 수준에 도달할때까지 정전류 모드로 배터리를 충전하고, 일정 수준 이상의 전압에 도달하면, 충전 전류의 양을 조절하여 정전압 모드로 배터리를 충전하는 단계로 이루어진다.
또한, 상기 (E)단계는 다시, 2차 코일로부터 유기되는 유도 기전력 펄스의 폴링 타임을 체크하는 단계; 폴링 타임이 체크되면, 메모리로부터 충전상태정보를 판독하는 단계; 상기 충전상태정보에 근거하여 피드백 응답신호를 생성하고, 이를 무선송신모듈을 통해 제 1 충전유닛의 무선수신모듈로 전송하는 단계로 이루어진다.
상기 (F)단계는 다시, 충전상태정보를 분석하여, 배터리의 만충전 여부를 판단하는 단계; 배터리가 만충전되지 않은 경우, 충전상태에 대응하도록 1차 코일에 인가되는 전력 펄스의 펄스폭을 조절하는 단계를 포함한다.
본 발명의 제 5 양태는, 1차 코일과 무선수신모듈을 포함하는 제 1 충전 유닛과, 이 1차 코일과 자기적으로 결합되는 2차 코일과 무선송신모듈을 포함하는 제 2 충전 유닛 및 이 제 2 충전 유닛으로부터 충전 전압을 제공받는 배터리로 이루어지는 무접점 충전 시스템에 관한 것으로서, 상기 제 1 충전 유닛은, 상용 교류전원이 인가됨에 따라 상용 주파수 이상의 교류 전력 펄스를 생성하고, 이를 1차 코일에 인가하여 상기 2차 코일에 고주파 교류 전압 펄스를 유도하는 수단을 포함하고; 상기 제 2 충전유닛은, 상기 2차 코일에 의해 유도되는 교류전압 펄스의 펄스간 유휴 시간을 이용하여 배터리의 충전상태정보를 상기 제 1 충전유닛에 전송하는 수단을 포함한다. 따라서, 상기 1차 코일과 2차 코일 사이의 전력 신호와 상기 무선송신모듈과 무선수신모듈 사이의 통신 신호가 시간적으로 중첩되지 않게 된다.
상기 전송 수단은, 유도 기전력 펄스의 폴링 타임(falling time)을 검출하고, 폴링 타임의 검출과 동시에 상기 배터리 충전상태정보를 전송한다.
또한, 상기 1차 충전유닛의 유도 수단은, 상용 교류 전원을 정류한 직류 전압에 근거하여 상용 주파수 이상의 교류 전압을 생성하는 수단과, 이 상용 주파수 이상의 교류 전압을 이용하여 펄스폭 변조신호를 생성하는 수단을 포함한다.
상기 1차 충전유닛은, 상기 배터리 충전상태정보를 분석하여 상기 펄스폭을 조절하는 수단을 더 포함한다.
상기 제 2 충전유닛은, 상기 2차 코일로부터 생성되는 유도 기전력 펄스의 폴링 타임을 검출하는 수단과; 상기 폴링 타임의 검출에 따라 배터리 충전상태정보를 추출하고, 이 충전상태정보를 이용하여 제 1 충전유닛의 무선수신모듈에 송신할 피드백 응답신호를 생성하는 수단, 상기 2차 코일로부터 생성되는 유도 기전력을 직류로 정류하는 수단, 상기 정류된 직류 전압을 이용하여 배터리에 공급할 정전압 및 정전류를 생성하는 수단, 배터리의 충전 전압과 충전 전류를 검출하는 수단과, 상기 충전 전압과 충전 전류를 저장하는 수단을 더 포함한다.
본 발명의 제 6 양태에 따른 배터리 셀에 전기적으로 연결되어 무접점 방식으로 전기에너지를 충전하기 위한 충전회로 모듈은, 외부의 무접점 충전기에서 발생되는 자기장에 의해 고주파 교류전류가 유도되는 고주파 교류전류 유도부; 상기 유도된 고주파 교류전류를 입력받아 직류전류로 변환하는 정류부; 상기 정류부로부터 직류전류를 입력받아 정전압-정전류 모드로 배터리 셀에 충전전력을 공급하는 정전압/정전류 공급부; 및 상기 정전압/정전류 공급부의 양단 전압을 모니터링 하여 모니터링 결과를 무선 통신을 통해 외부의 무 접점 충전기로 전달하여 자기장의 세기 변화를 유도하는 과전압 모니터링부;를 포함한다.
본 발명의 제 7 양태에 따른 정전압/정전류 공급부를 구비하여 정전압/정전류 모드로 충전이 가능하고 상기 정전압/정전류 공급부의 양단 전압에 대한 모니터링 결과를 무선 송출하는 무 접점 충전 배터리 측으로 전자기 유도현상에 의해 충 전전력을 전달하는 무접점 충전장치는,
교류전류를 입력받아 외부 공간에 자기장을 형성하는 자기장 발생부; 상기 자기장 발생부에 고주파 교류전류를 인가하는 고주파 전력 구동부; 및 무선 통신을 통해 상기 무 접점 충전 배터리로부터 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.
본 발명의 제 8 양태에 따른 무접점 충전 배터리와 무접점 충전기를 포함하는 배터리 충전세트에 있어서,
상기 충전 배터리는, 외부의 무접점 충전기에서 단속적으로 발생되는 자기장에 의해 고주파 교류전류가 단속적으로 유도되는 고주파 교류전류 유도부; 상기 유도된 고주파 교류전류를 입력받아 직류전류로 변환하는 정류부; 상기 정류부로부터 직류전류를 입력받아 정전압-정전류 모드로 배터리 셀에 충전전력을 공급하는 정전압/정전류 공급부; 및 상기 정전압/정전류 공급부의 양단 전압을 모니터링 하여 모니터링 결과를 고주파 교류전류의 유도가 이루어지지 않는 동안 무선 통신을 통해 외부의 무 접점 충전기로 전달하는 과전압 모니터링부;를 포함하고,
상기 무접점 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.
본 발명의 제 9 양태에 따른 무접점 충전기를 이용하여 전자기적 유도현상에 의해 무접점 충전 배터리의 충전을 제어하는 방법은,
(a) 상기 충전기에 구비된 1차측 코일에 고주파 교류전류를 단속적으로 인가하여 외부에 자기장을 단속적으로 발생시키는 단계; (b) 상기 발생된 자기장의 자속을 상기 배터리에 구비된 2차측 코일에 쇄교시켜 전자기적으로 유도된 고주파 교류전류를 단속적으로 출력시키는 단계; (c) 상기 출력된 고주파 교류전류를 정류하여 직류전류로 변환하는 단계; (d) 상기 직류전류를 정전압-정전류 소자를 통해 배터리 셀에 인가하여 베터리 셀을 정전압-정전류 모드로 충전하는 단계; (e) 상기 정전압-정전류 소자의 양단 전압을 모니터링 하여 상기 2차측 코일에서 고주파 교류전류가 유도되지 않는 동안 모니터링 결과를 무선 통신을 통해 상기 충전기 측으로 전달하는 단계; 및 (f) 상기 전달된 모니터링 결과에 따라 상기 1차측 코일에 인가되는 고주파 교류전류의 전력을 조정하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 제 10 양태에 따른 2차측 코일을 구비하는 충전대상에 대하여, 상기 2차측 코일과 유도 결합을 통해 충전을 행할 수 있도록 자기장을 생성하는 1차측 코일을 구비하는 무선 충전기에 있어서,
상기 1차측 코일이,
소정의 권수와 크기를 가지고 배치된 외곽 코일; 및
상기 외곽 코일의 내부에 포함되도록 배치된 적어도 하나의 내부 코일을 구 비하고,
상기 외곽 코일 및 내부 코일은, 상기 외곽 코일과 내부 코일에 1차측 전류를 인가하였을 때 각 코일의 내부에서 생성되는 자속의 방향이 동일하도록 배치된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 11 양태에 따른 2차측 코일을 구비하는 충전대상에 대하여, 상기 2차측 코일과 유도 결합을 통해 충전을 행할 수 있도록 자기장을 생성하는 1차측 코일을 구비하는 무선 충전기에 있어서,
상기 1차측 코일이 소정의 권수와 크기를 가지고 배치되고,
상기 1차측 코일에 1차측 전류를 인가하였을 때 형성되는 자속의, 상기 1차측 코일의 횡단선을 따라 본 밀도 프로파일이, 상기 1차측 코일의 내부에서 적어도 세 개의 극대점을 가지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 12 양태에 따른 2차측 코일을 구비하는 충전대상에 대하여, 상기 2차측 코일과 유도 결합을 통해 충전을 행할 수 있도록 자기장을 생성하는 1차측 코일을 구비하는 무선 충전기에 있어서,
상기 1차측 코일이 소정의 권수와 크기를 가지고 배치되고,
상기 1차측 코일에 1차측 전류를 인가하였을 때 형성되는 자속의 밀도가, 상기 1차측 코일의 내부 어느 지점에서도 상기 자속밀도의 최대값의 적어도 50% 이상이 되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 13 양태에 따른 수신 코일을 내장하고 있는 배터리 장치와 자기적으로 결합되어, 무접점으로 배터리를 충전하는 장치는,
상기 수신 코일에 충전 전력을 유도하기 위하여 다수의 송신 코일을 배열하고 있는 송신 코일 어레이; 상기 수신 코일과 자기적으로 커플링되어 있는 송신 코일을 검출하고, 이렇게 검출된 송신 코일만을 선별적으로 구동하기 위한 수단을 포함한다.
본 발명의 제 14 양태는, 유도 결합을 위한 2차 코일, 데이터를 무선 송신하기 위한 무선송신모듈, 배터리의 충전상태를 조절하는 충전제어회로 및 재충전 가능한 배터리를 포함하는 배터리 장치와 자기적으로 결합되는 장치로서,
상기 2차 코일에 충전 전력을 유도하기 위하여 다수의 1차 코일을 배열하고 있는 1차 코일 어레이; 외부의 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 정류 회로; 상기 직류 전압에 근거하여 상기 1차 코일을 구동하기 위한 구동 전력을 생성하는 코일 구동 회로; 상기 무선송신모듈로부터 피드백 신호를 응답받기 위한 무선수신모듈; 상기 코일 구동 회로를 제어하여 상기 1차 코일들을 예비적으로 구동시키고, 이 1차 코일의 예비 구동에 따라 상기 배터리 장치로부터 피드백 신호가 응답되는 1차 코일만을 선별하며, 이렇게 선별된 1차 코일만을 구동시키는 것에 의해 상기 배터리를 충전시키는 구동제어회로를 포함한다.
본 발명의 제 15 양태는, 다수의 1차 코일들이 배열되어 있는 1차 코일 어레이와, 무선수신모듈을 포함하는 1차측 충전 장치와, 이 1차 코일과 자기적으로 결합되는 2차 코일과 무선송신모듈 및 배터리를 포함하는 2차측 배터리 장치로 이루어지는 무접점 충전 시스템에서의 배터리 충전방법으로서,
(A) 상기 1차 코일들중 어느 하나를 선택하고, 이 선택된 1차 코일을 상대적 으로 짧은 시간 동안 예비, 구동하는 단계; (B) 상기 배터리 장치로부터의 피드백 응답을 미리 정해진 시간 동안 대기하는 단계; (C) 상기 피드백 응답이 존재하는 경우, 해당 1차 코일의 식별정보를 메모리에 임시 저장하는 단계; (D) 상기 1차 코일 어레이로부터 다른 1차 코일을 선택하고, 상기 (A) 내지 (C) 단계를 반복 실행하는 단계; (E) 상기 (D) 단계를 상기 1차 코일 어레이를 구성하는 모든 1차 코일에 대해서 순차적으로 실행하는 단계; (F) 상기 메모리로부터 1차 코일의 식별정보를 판독하고, 해당하는 1차 코일에 대해서만 선별적으로 충전 전력을 공급하는 단계를 포함한다.
본 발명의 제 16 양태는 다수의 1차 코일들이 배열되어 있는 1차 코일 어레이와, 무선수신모듈을 포함하는 1차측 충전 장치와, 이 1차 코일과 자기적으로 결합되는 2차 코일과 무선송신모듈 및 배터리를 포함하는 2차측 배터리 장치로 이루어지는 무접점 충전 시스템에서의 배터리 충전방법으로서,
(A) 상기 1차 코일들을 상대적으로 짧은 시간 동안 순차적으로 예비, 구동하는 단계; (B) 상기 배터리 장치로부터의 피드백 응답을 미리 정해진 시간 동안 대기하는 단계; (C) 상기 피드백 응답이 존재하는 1차 코일을 적어도 하나 이상 선별하는 단계; (D) 상기 선별된 1차 코일에 충전 전력을 인가하는 것에 의해 상기 배터리 장치를 충전하는 단계를 포함한다.
본 발명의 제 16 양태는 다수의 1차 코일들이 배열되어 있는 1차 코일 어레이와, 무선수신모듈을 포함하는 1차측 충전 장치와, 이 1차 코일과 자기적으로 결합되는 2차 코일과 무선송신모듈 및 배터리를 포함하는 2차측 배터리 장치로 이루 어지는 무접점 충전 시스템에서의 배터리 충전방법으로서,
(A) 상기 1차 코일 어레이를 구성하는 모든 1차 코일들을 상대적으로 짧은 시간 동안 동시에 예비, 구동하는 단계; (B) 상기 배터리 장치로부터의 피드백 응답을 미리 정해진 시간 동안 대기하는 단계; (C) 상기 피드백 응답이 존재하는 1차 코일을 적어도 하나 이상 선별하는 단계; (D) 상기 선별된 1차 코일에 충전 전력을 인가하는 것에 의해 상기 배터리 장치를 충전하는 단계를 포함한다.
본 발명의 제 17 양태는 다수의 1차 코일들이 배열되어 있는 1차 코일 어레이와, 무선수신모듈을 포함하는 제 1 충전 유닛과, 이 1차 코일과 자기적으로 결합되는 2차 코일과 무선송신모듈을 포함하는 제 2 충전 유닛 및 이 제 2 충전 유닛으로부터 충전 전압을 제공받는 배터리로 이루어지는 무접점 충전 시스템으로서,
상기 제 1 충전 유닛은, 상기 2차 코일에 충전 전력을 유도하기 위하여 다수의 1차 코일들을 배열하고 있는 1차 코일 어레이; 상기 1차 코일들을 대기 모드로 구동한 후, 상기 제 2 충전 유닛으로부터 피드백 응답이 존재하는 1차 코일을 선택하고, 이렇게 선택된 1차 코일만을 충전 모드로 구동하기 위한 수단을 포함하고,
상기 제 2 충전유닛은, 상기 2차 코일에 내부 회로를 구동하기에 충분한 전압이 유기되면, 충전 개시를 알리는 피드백 신호를 생성하여 상기 제 1 충전유닛에 전송하는 수단을 포함한다.
따라서, 상기 1차 코일 어레이를 구성하는 1차 코일들중 상기 2차 코일과 위치 정합을 형성하는 1차 코일만을 선별적으로 구동하는 것이 가능하다.
본 발명의 제 18 양태는 정류기를 포함하는 충전 회로부 및, 상기 충전 회로 부로부터 공급된 전류를 이용하여 무접점으로 배터리를 충전하기 위해서 자기장을 형성하는 1차 코일을 포함하는 코일부를 구비하는 무접점 충전장치로서,
상기 충전 회로부와 코일부가 분리되고, 상기 충전 회로부와 코일부는 소정 길이의 케이블에 의하여 전기적으로 서로 연결된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 19 양태는 배터리를 무접점으로 충전하는 무접점 충전장치로서, 상기 무접점 충전장치의 프레임 내부에 내장되고, 유선 방식으로 상기 배터리를 충전하는 유선 충전부를 포함한다.
본 발명의 제 20 양태에 따른 무접점 충전장치는 상용전원을 이용하여 무접점 충전장치의 구동에 필요한 전원을 공급하는 전원 공급부; 충전 전력을 유도하는 1차 코일; 상기 전원 공급부로부터 입력받은 전원을 변환하여 상기 1차 코일에 고주파 교류전류를 인가하는 전력구동부; 및 상기 1차 코일에 인가되는 전류값을 참조하여 상기 전력구동부의 작동을 제어하는 전류 감시부;를 포함한다.
본 발명의 제 21 양태에 따른 배터리 셀에 전기적으로 연결 가능하며 무접점 방식으로 전기에너지를 충전하기 위한 충전회로 모듈은, 외부의 무접점 충전기에서 발생되는 자기장에 의해 고주파 교류전류가 유도되는 고주파 교류전류 유도부; 상기 유도된 고주파 교류전류를 입력받아 직류전류로 변환하는 정류부; 상기 정류부로부터 직류전류를 입력받아 전기적으로 연결되는 배터리 셀에 충전전력을 공급하는 정전압 공급부; 및 상기 정전압 공급부의 양단 전압을 모니터링 하여 모니터링 결과를 무선 통신을 통해 상기 외부의 무접점 충전기로 전달하여 자기장의 세기 변화를 유도하는 과전압 모니터링부;를 포함한다.
상기 고주파 교류전류 유도부는 상기 외부의 무접점 충전기로부터 발생되는 자기장의 자속이 쇄교하는 코일임을 특징으로 한다. 상기 모니터링 결과는 충전전력 조정요구신호이거나 상기 정전압 공급부의 전단과 후단의 전압차와, 전단과 후단의 전압값 또는 과전압 상태를 나타내는 코드인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 22 양태에 따른 전기적으로 연결되는 배터리 셀에 충전전력을 공급하는 정전압 공급부를 구비하여 상기 정전압 공급부의 양단 전압에 대한 모니터링 결과를 무선 송출하는 무 접점 충전회로 모듈측으로 전자기 유도현상에 의해 충전전력을 전달하는 무접점 충전기는, 교류전류를 입력받아 외부 공간에 자기장을 형성하는 자기장 발생부; 상기 자기장 발생부에 고주파 교류전류를 인가하는 고주파 전력 구동부; 및 무선 통신을 통해 상기 무접점 충전회로 모듈로부터 상기 모니터링 결과를 전달받아 상기 고주파 전력 구동부를 제어하여 상기 자기장 발생부에 인가되는 고주파 교류전류의 전력을 조정함으로써 상기 무접점 충전회로 모듈측으로 전달되는 충전전력을 조정하는 충전전력 조정부를 포함한다.
상기 자기장 발생부는 양단에 고주파 교류전류가 인가되는 코일이다.
또한, 상기 무접점 충전기는, 상용 교류전류를 입력받아 일정한 직류로 변환하여 상기 고주파 전력 구동부로 공급하는 전원 공급부를 더 포함하고, 상기 고주파 전력 구동부는, 마이크로프로세서로부터 펄스구동신호를 입력받아 펄스신호를 출력하는 펄스신호 발생부 및 상기 펄스신호를 입력받아 상기 전원 공급부로부터 입력되는 정전압의 직류를 고속으로 스위칭하여 펄스 형태의 고주파 교류전류를 생성하는 전력 구동부;를 포함한다.
상기 충전전력 조정부는 펄스 전류의 폭, 펄스 전류의 주파수, 펄스 전류의 진폭 또는 펄스의 수를 변조하여 충전전력을 조정하는 것을 특징으로 한다.
상기 전원 공급부는, 상용 교류전류를 입력받아 과전압 전류를 차단하는 과전압차단 필터부; 상기 필터부를 통과한 교류전류를 정류하여 전압이 일정한 직류전류로 변환하는 정류부; 및 상기 직류전류를 입력받아 고주파 전력 구동부로 공급하는 정전압 공급부;를 포함한다.
상기 모니터링 결과는, 정전압/정전류 공급부의 양단 전압차, 양단 전압 값, 양단 전압이 과전압 상태임을 나타내는 코드 또는 충전전력 조정요구 신호인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 무접점 충전기는, 상기 자기장 발생부에 인가되는 전류값을 참조하여 상기 고주파 전력구동부의 작동을 제어하는 전류 감시부를 포함한다.
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 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들 이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
[ 실시예 1]
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 무접점 충전 시스템의 개략적인 사시도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 무접점 충전시스템은 외부 전원을 이용하여 배터리에 공급할 충전 전력을 생성시키는 충전 모체(100)와, 이 충전 모체(100)로부터 무접점으로 충전 전력을 공급받고, 이를 이용하여 내부의 배터리(미도시)를 충전시키는 배터리 장치(200)로 이루어진다.
상기 배터리 장치(200)는 배터리가 내장된 배터리팩이나 배터리를 내장하고 있는 휴대형 전자기기를 나타낸다. 바람직한 휴대형 전자기기로서는 셀룰러폰, PDA, MP3 플레이어 등을 들 수 있다. 이 배터리 장치(200)에 내장되는 배터리는 재충전 가능한 전지셀로서 리튬 이온 전지나 리튬 폴리머 전지 등을 포함한다.
상기 충전 모체(100)는 외부 전원으로부터 전기에너지를 공급 받아 상기 배터리 장치(200)에 공급할 충전 전력을 생성하는 장치로서, 배터리 장치(200)가 쉽게 안착될 수 있도록 패드 형태로 구성되는 것이 바람직하다. 또한, 충전 모체(100)에 공급되는 외부 전원으로서는 가정용의 상용 교류 전원(60Hz,220V/100V)이 가장 바람직하지만, 다른 DC 전원도 채택 가능하다.
상기 충전 모체(100)와 상기 배터리 장치(200)는 서로 대응되는 1차 코일(110) 및 2차 코일(210)과 안테나(120, 220)를 구비하고 있다.
상기 1, 2차 코일(110, 210)은 유도 결합에 의해 자기적으로 상호 커플링된 다. 따라서, 상기 2차 코일이 상기 1차 코일 위에 병렬됨(juxtaposed)에 따라 1차 코일에 의해 생성되는 자기장이 2차 코일내에 유도 전류를 유기하게 된다. 또한, 상기 1, 2차 코일(110, 210)은 각각 안테나(120, 220)에 의해 둘러 싸여져 있다.
또한, 상기 충전 모체(100)는 1차 코일(110)을 구동하여 자기장을 생성하기위한 충전전력 공급회로(150)(도 2 참조)를 내장하고 있고, 상기 배터리 장치(200)는 2차 코일(210)에 의해 유기되는 유도 기전력을 이용하여 배터리를 충전시키는 충전 회로(250)(도 2 참조)를 내장하고 있다.
이하에서, 도 2를 참조하여 상기 충전전력 공급회로(150)와 충전 회로(250)의 상세 구성을 살펴보기로 한다.
충전 모체(100)내에 내장되는 충전전력 공급회로(150)는 1차 코일(110), 정류기(152), 구동회로(153), 제어기(155), 무선수신모듈(120, 156)을 포함한다.
상기 정류기(152)는 상용 교류 전원(151)으로부터의 교류 전압을 직류로 정류한 후, 구동 회로(153)에 전달한다. 상기 구동 회로(153)는 정류기(152)에 의해 정류된 직류 전압을 이용하여 상용 주파수 이상의 고주파 교류 전압 펄스를 생성하고, 이를 1차 코일(110)에 인가하여 자계(magnetic field)를 생성한다.
상기 구동 회로(153)는 다시 PWM 신호 발생기(154b)와 전력 구동부(154a)로 이루어진다. 상기 전력 구동부(154a)는 소정 레벨의 직류 전압을 컨버팅하여 상용 주파수 이상의 고주파 교류 전압을 발진하는 고주파 발진회로와 펄스폭 변조된 고주파 교류 전압 펄스를 1차 코일(110)에 인가하는 것에 의해 1차 코일(110)을 구동하는 드라이브 회로를 포함한다. 상기 PWM 신호 발생기(154b)는 상기 고주파 교류 전압을 펄스폭 변조(PWM : pulse width modulation)시킨다. 따라서, 전력 구동부(153)의 출력단을 통해 배출되는 출력 신호는 고주파 교류 전압 펄스가 된다. 이 고주파 교류 전압 펄스는 도 3에 도시된 것과 같은 펄스열(pulse train)이다. 이 펄스열의 펄스폭은 제어기(155)에 의해 조절된다. 본 발명에 따른 구동 회로(153)로는 예를 들어, 스위칭 모드 파워 서프라이(SMPS: switching mode power supply)가 채택될 수 있는데, 동일한 기능과 역할을 수행할 수 있다면 다른 균등 수단이 채택될 수 있음은 물론이다.
상기 제어기(155)는 무선 송,수신모듈(156, 120, 220, 256)을 경유하여 피드백 되는 배터리의 충전상태정보에 근거하여 상기 펄스폭 변조되는 고주파 교류 전압 펄스의 펄스폭을 조절한다. 특히, 제어기(155)는 충전 회로(250)로부터 피드백되는 응답신호가 충전시작신호인 경우, 도 3과 같이 1차 코일(110)의 구동 모드를 대기 모드에서 충전 모드로 전환한다. 또한, 충전 회로(250)로부터 피드백 되는 충전상태정보를 분석한 결과, 배터리가 만충전인 것으로 판단되면, 도 3과 같이 1차 코일의 구동 모드를 충전 모드에서 완충 모드로 전환한다. 상기 제어기(155)는 충전 회로(250)로부터 피드백되는 응답 신호가 없는 경우, 1차 코일(110)의 구동 모드를 대기 모드로 유지한다.
이와 같이, 충전전력 공급회로(150)의 제어기(155)는 배터리 장치(200)로부터의 응답 신호의 유,무와 그 내용에 따라 1차 코일(110)을 구동하는 모드를 대기 모드, 충전 모드 및 완충 모드로 전환한다.
상기 무선수신모듈(120, 156)은 충전 회로(250)의 무선송신모듈(220, 256)로 부터 전송되는 피드백 응답 신호를 수신하는 안테나(120)와, 이 피드백 응답 신호를 복조하여 배터리의 충전상태정보를 복원하는 복조기와 같은 수신부(156)를 포함한다.
본 발명의 충전전력 공급회로(150)는 회로를 과전압으로부터 보호하기 위하한 과전압 필터회로나 정류기에 의해 정류된 직류 전압을 소정 레벨의 전압으로 유지시키기 위한 정전압 회로를 더 포함할 수 있다. 상기 과전압 필터회로는 상용 교류전원(151)과 정류기(152) 사이에 배치되고, 상기 정전압 회로는 정류기(152)와 구동 회로(153) 사이에 배치되는 것이 바람직하다.
다음으로, 상기 충전전력 공급회로(150)로부터 전력을 공급받아 배터리(262)를 충전하는 충전 회로(250)에 대해서 살펴본다. 이 충전 회로(250)는 배터리(262)와 함께 배터리 장치(200)의 내부에 내장된다.
상기 충전 회로(250)는 2차 코일(210), 정류기(251), 정전압/정전류 회로(252), 폴링 검출기(253), 제어기(255), 무선송신모듈(220, 256)을 포함한다.
상기 2차 코일(210)은 상기 1차 코일(110)에 자기적으로 결합되어 유도 기전력을 발생시킨다. 상술한 바와 같이, 1차 코일(110)에 인가되는 전력 신호가 펄스폭 변조신호이기 때문에 2차 코일(210)에 유기되는 유기 기전력 역시 교류 전압 펄스열이다. 또한, 1차 코일(110)의 구동 모드에 따라 2차 코일(210)에 유기되는 교류 전압 펄스 역시 도 3과 같이 대기 모드, 충전 모드 및 완충 모드중 어느 하나의 형태를 따르게 된다.
상기 정류기(251)는 상기 2차 코일(210)의 출력단에 연결되어 2차 코일(210) 에 의해 유도된 교류 전압 펄스를 일정한 레벨의 직류로 평탄화한다.
상기 정전압/정전류 회로(252)는 소정 레벨의 직류 전압을 이용하여 배터리에 충전할 정전압과 정전류를 생성한다. 즉, 배터리의 초기 충전시점에서 정전류 모드를 유지하다가 배터리의 충전전압이 포화상태가 되면, 정전압 모드로 전환한다.
상기 폴링 검출기(253)는 2차 코일에 의해 유도된 교류 전압 펄스의 하강 시점 즉, 폴링 시점(falling time)을 검출하는 장치이다. 이 폴링 검출 신호는 제어기(255)로 입력된다.
상기 제어기(255)는 일종의 마이크로 프로세서로서 폴링 검출 신호, 충전 전류, 충전 전압 등과 같은 모니터링 신호를 입력 받고, 이 모니터링 신호에 근거하여 상기 정전압/정전류 회로(252)와 무선송신모듈(220, 256)을 제어한다.
즉, 폴링 검출기(253)로부터 입력되는 폴링 검출 신호에 근거하여 펄스의 하강 시점을 파악하고, 상기 충전전력 공급장치(150)에 전송할 피드백 응답 신호의 전송 시점을 상기 펄스의 하강 시점에 동기화시킨다.
상기 제어기(255)는 배터리의 충전 전류와 충전 전압을 상시적으로 모니터링하고, 이 모니터링 값을 내부 메모리(미도시)에 임시 저장한다. 미도시된 상기 메모리는 모니터링된 충전 전류와 충전 전압과 같은 배터리 충전상태정보 뿐만 아니라 배터리 사양정보(제품 코드, 정격 등)도 함께 저장한다.
또한, 상기 제어기(255)는 배터리의 충전 상태에 따라 정전압 모드와 정전류 모드를 적절히 선택, 전환하고, 상기 정전압/정전류 회로(252)의 양단에 과도한 전 압이 인가되는지 모니터링하며, 과도한 전압이 인가되면 충전 전력의 조정요구 신호를 생성한다. 이 조정요구 신호는 무선송신모듈(220, 256)를 거쳐 1차측의 충전전력 공급회로(150)로 피드백된다.
바람직하게, 상기 정전압/정전류 회로(252)의 양단 전압에 대한 모니터링 동작은, 상기 정전압/정전류 회로(252)의 전단 전압(Vpp)과 후단 전압(Vch)를 측정하여 그 차이가 기준값을 초과하는지 여부를 검사하는 것에 의해 이루어진다.
상기 무선송신모듈은 충전전력 공급장치(150)에 전송할 피드백 응답 신호(충전시작신호, 충전상태신호, 조정요구 신호)를 송신하는 안테나(220)와, 충전상태정보와 같은 베이스밴드 신호를 변조하여 피드백 응답 신호를 생성하는 송신부(256)를 포함한다.
상기 정전압/정전류 회로(252)와 배터리(262) 사이에는 배터리에 과전압이나 과전류가 인가되는 것을 방지하기 위한 보호 회로(PCM)(261)가 배치된다. 이 보호 회로(261)와 배터리(262)는 하나의 단일 배터리 유닛(260)을 구성한다.
다음으로 도 3을 참조하여 배터리의 충전 상태를 모드별로 나누어서 설명한다. 여기서, 설명의 편의상 상기 충전전력 공급장치 또는 충전 모체는 1차 충전유닛으로 상기 충전회로 또는 배터리 장치는 2차 충전유닛으로 정의한다.
상용 교류 전원(151)과 같은 외부 전원이 1차 충전유닛에 인가되면, 1차 충전 유닛의 제어기(155)가 깨어나서(wake-up) 구동 회로(153)를 제어함으로써 1차 코일(110)을 드라이브한다.
즉, 제어기(155)는 2차 충전유닛으로부터 어떠한 응답도 수신되지 않는 경 우, 이를 대기모드로 판단하고, 도 3과 같이 폭이 w1이고, 주기가 t1인 대기모드 전력 펄스열을 1차 코일(110)에 인가하도록 상기 구동 회로(153)를 제어한다. 이에 따라, 1차 코일(110)은 상기 대기모드 전력 펄스열에 대응하는 자계를 발생시키고, 이를 외부로 방사한다. 이러한 자계의 방사는 도 3에 도시된 충전시작신호가 1차 충전유닛의 무선수신모듈(120, 156)로 수신될 때까지 계속된다.
도 1과 같이 배터리 장치(200)가 충전 모체(100)에 안착됨에 따라 1차 코일(110)과 2차 코일(210)이 자기적으로 커플링되면(도 3의 T지점), 1차 코일(110)로부터 발생된 자기장에 의해 2차 코일(210)의 출력단에도 폭이 w1이고, 주기가 t1인 대기모드 전력 펄스열이 유도된다. 이 전력 펄스열은 그 전력량이 배터리를 충전하기에는 미약하기 때문에 2차 충전유닛의 내부 회로의 구동전원(특히, 마이크로 프로세서의 구동 전원)으로 사용된다. 즉, 대기모드의 전력 펄스는 1차 코일과 2차 코일이 커플링되기 전에는 외부로 방사되어 소비되고, 1차 코일과 2차 코일이 커플링되면 마이크로 프로세서를 깨우는(wake-up) 구동전원으로 사용된다.
이와 같이, 2차측에 유도 기전력이 유기되면, 2차 충전유닛의 폴링 검출기(253)는 상기 유도 펄스의 하강 시점(또는 폴링 타임)을 체킹한다. 이때, 폴링 검출기(253)가 펄스의 하강 시점을 검출하게 되면, 폴링 검출 신호가 2차 충전유닛의 제어기(255)에 입력되고, 제어기(255)는 도 3과 같은 충전시작신호를 무선송신모듈(220, 256)을 경유하여 1차 충전유닛으로 피드백 응답한다. 즉, 보다 상세하게 설명하면, 폴링 검출 신호가 입력됨에 따라, 제어기는 내부 메모리를 조회하여 충 전상태정보가 존재하는지 여부를 판단한다. 이때, 메모리내에 충전상태정보가 존재하지 않으면, 현재의 상태가 대기모드인 것으로 판단하여 1차 충전유닛에 충전 모드로의 전환을 지시하는 충전시작신호를 응답한다.
2차 충전유닛으로부터 충전시작신호를 피드백 받은 1차 충전유닛의 제어기(155)는 도 3과 같이 대기모드를 충전모드로 전환한다. 즉, 구동 회로(153)를 제어하여 1차 코일에 폭이 w2이고, 주기가 t2인 충전모드 전력 펄스열을 드라이브한다. 여기서, w2는 적어도 w1에 비해서 더 크다.
이에 따라, 2차 코일(210)의 출력단에는 폭이 w2이고, 주기가 t2인 충전모드 전력 펄스열이 유도되고, 이 전력 펄스열을 정류하여 배터리(262)를 충전하게 된다. 배터리의 충전은 공지의 정전류 모드와 정전압 모드를 사용한다.
한편, 2차 코일(210)의 출력단에 폭이 w2이고, 주기가 t2인 충전모드 전력 펄스열이 유도됨에 따라, 폴링 검출기(253)는 각 펄스의 하강 시점을 체킹한다. 이때, 펄스의 하강 시점이 검출되면, 제어기는 미리 모니터링 되어 메모리에 저장되어 있는 충전상태정보(예를 들어, 충전 전압, 충전 전류)를 판독한다. 이렇게 판독된 충전상태정보는 충전송신모듈을 경유하여 1차 충전유닛으로 피드백 응답된다.
2차 충전유닛으로부터 충전상태정보를 피드백 받은 1차 충전유닛의 제어기(155)는 이 충전상태정보를 분석하고, 이 분석 결과에 근거하여 구동회로(153)를 제어함으로써 1차 코일(110)에 인가되는 전력 펄스의 펄스폭을 조절한다.
이때, 상기 충전상태정보를 분석한 결과, 배터리가 이미 만충전된 것으로 판 단되면, 1차 충전유닛의 제어기(155)는 도 3과 같이 충전모드를 완충모드로 전환한다.
즉, 구동 회로를 제어하여 1차 코일에 폭이 w3이고, 주기가 t3인 완충모드 전력 펄스열을 드라이브한다. 여기서, w3는 w2 보다는 작고 w1과 같거나 더 큰 것이 바람직하다.
상기 완충 모드의 경우에도 펄스의 하강 시점에 충전상태정보가 2차 충전유닛으로부터 1차 충전유닛으로 피드백 되고, 1차 충전유닛의 제어기는 이 충전상태정보를 분석하여 완충모드를 계속 유지할 것인지 아니면, 충전 모드로 복귀할 것인지를 결정한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 경우 1차 코일과 2차 코일 사이에 전달되는 전력 신호(전력 펄스열)와 무선송신모듈과 무선수신모듈 사이에 전달되는 통신 신호(피드백 응답 신호)가 서로 시간적으로 중첩되지 않도록 시분할 되어 있다. 즉, 상기 통신 신호는 전력 신호의 하강 시점에 동기되어 전송된다. 따라서, 전력 신호와 통신 신호가 동시에 전달됨으로서 발생하게 되는 신호(특히, 통신 신호)의 간섭현상이나 왜곡 및 희석화 현상을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 경우, 충전 모드와 별개로 대기 모드와 완충 모드를 가진다. 따라서, 1차 코일에 의해 외부로 방사되어 소비되는 에너지를 최소화시킴으로써 기존의 무접점 충전장치에 비해 전력 소모를 절감하는 것이 가능하다.
이하에서, 도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명의 제 1 실시예에 따른 무접점 충전시스템의 동작 관계를 설명한다.
상용 교류 전원(151)과 같은 외부 전원이 1차 충전유닛에 인가되면(S11), 1차 충전 유닛의 제어기(155)가 깨어나서(wake-up) 1차 코일(110)을 드라이브한다. 즉, 1차 코일(110)에 도 3의 대기 모드 전력 펄스(펄스폭 변조된 고주파 교류 전압)를 인가하고, 1차 코일은 이에 대응하는 자기장을 형성하여 외부로 방사한다.(S12)
상기 자기장에 의해 2차 코일(210)의 출력단에는 상기 대기모드 전력 펄스에 대응하는 유도 기전력 펄스가 생성된다.(S30) 이 유도기전력 펄스는 배터리를 충전시키기에는 그 크기가 미약하기 때문에 2차 충전유닛내의 회로(특히, 마이크로 프로세서)를 구동시키기 위한 구동전원으로만 사용된다. 또한, 2차 충전유닛의 폴링 검출기(253)는 상기 대기모드 전력 펄스의 하강 시점을 체크하여 폴링 타임(falling time)을 검출한다.(S31)
이때, 폴링 타임이 검출되면, 2차 충전유닛의 제어기(255)는 내부 메모리를 검색하여 상태정보(특히, 충전상태정보)를 판독한다.(S33) 이 상태정보에는 충전전압과 충전전류와 같은 충전상태정보와 제품 코드, 정격과 같은 배터리 사양정보가 포함된다.
상기 단계 S33에서, 메모리내에 충전상태정보가 존재하지 않으면, 제어기(255)는 현재의 동작 상태를 대기 모드로 판단하여 충전시작신호를 생성하고(S36), 이를 무선송신모듈(210, 256)을 통해 1차 충전유닛에 전송한다.(S37)
반면에, 상기 단계 S33에서, 메모리내에 상태정보가 존재하면, 메모리로부터 상기 상태정보를 읽어들이고, 이 상태정보에 근거하여 상태 피드백 신호(또는 피드백 응답 신호)를 생성한 후, 이를 무선송신모듈(210, 256)을 통해 1차 충전유닛에 전송한다.(S37)
한편, 1차 충전유닛의 제어기(155)는 2차 충전유닛으로부터 피드백되는 응답이 존재하는지 여부를 판단하고(S13), 존재하지 않는 경우에는 1차 코일과 2차 코일이 커플링되지 않은 상태로 판단하여 기존의 대기 모드를 그대로 유지한다.(S14)
반면에, 2차 충전유닛으로부터 피드백되는 응답이 존재하는 경우에는 해당 응답을 분석하여 충전시작신호인지 여부를 판단한다.(S15, S16)
이때, 충전시작신호로 판별 되면, 시스템의 동작 모드를 대기 모드에서 충전 모드로 전환한다.(S17) 반면에, 상기 응답이 충전시작신호가 아닌 경우에는 상태정보를 보다 정밀하게 분석한다.(S18)
상기 단계 S18에서 상태정보를 분석한 결과, 배터리가 만충전 상태로 판별되면, 시스템의 동작모드를 충전모드에서 완충모드로 전환한다.(S20)
반면에, 배터리가 만충전 상태가 아닌 경우에는 상기 상태정보에 포함된 충전상태정보에 근거하여 충전 전력의 크기를 조절한다. 즉, 1차 코일에 인가되는 고주파 교류 전압 펄스의 펄스폭을 조절한다.(S21)
[ 실시예 2]
이하에서는 도 5 내지 도 8을 참조하여 본 발명에 따른 제 2 실시예의 무접점 충전시스템을 살펴본다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 제 1 충전유닛(충전 모체)의 구성을 보다 구체적으로 도시한 블록 다이어그램이다.
도 5를 참조하면, 전원공급부(157)는 상용 교류 전원(151)으로부터 인가되는 과전압을 차단하는 과전압 차단 필터부(157a)와, 과전압 차단 필터부(157a)를 통과한 교류전류를 직류전류로 변환하는 정류부(157b)와, 정류된 직류전류를 입력받아 제어기(155)와 구동 회로(153)에 정전압 직류전류를 공급하는 정전압 공급부(157c)를 포함한다.
상기 구동 회로(153)는 제어기(155)로부터 펄스구동신호를 입력받아 펄스 신호를 생성하는 펄스 신호 발생부(Pulse Width Modulation: 154b)와, 펄스 신호 발생부(154b)로부터 출력되는 펄스 신호에 의해 정전압 공급부(157c)로부터 입력되는 정전압 직류전류를 고속으로 스위칭함으로써 고주파 교류전류를 생성하여 1차측 코일(110)에 인가하는 전력 구동부(154a)를 포함한다.
도 6은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 제 2 충전 유닛(배터리팩)의 구성을 보다 구체적으로 도시한 블록 다이어그램이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 제 2 충전 유닛(배터리팩)은, 정전압/정전류 회로(252)의 양단에 과전압이 인가되는지 여부를 모니터링 하기 위해 정전압/정전류 회로(252)의 전단과 후단에 각각 구비된 제 1 전압 검출부(272) 및 제 2 전압 검출부(273)와, 상기 제 1 전압 검출부(272) 및 상기 제 2 전압 검출부(273)에 의해 각각 측정된 제1전압(Vpp) 및 제2전압(Vch)의 비교 결과를 제어기(255)로 입력하는 전압비교부(274)를 더 포함한다.
상기 전압비교 결과는 제1 및 제2전압의 차이 값 또는 과전압이 인가된 상태인지 여부를 나타내는 양단 전압의 상태(1은 과전압 상태, 0은 통상 전압 상태)이다. 후자의 경우, 상기 전압비교부(274)는 과전압 상태의 기준이 되는 전압차와 상기 제1전압 및 제2전압의 차이를 상호 대비한다.
한편, 정전압/정전류 회로(252) 양단의 전압을 모니터링 한 결과 과전압이 인가되고 있는 것으로 판단되면, 제어기(255)는 송신부(256)를 이용하여 무선을 통해 충전전력의 조정요구 신호를 제 1 충전유닛(150)측에 전달한다.
그런데, 제 1 충전유닛(150)의 1차측 코일(110)로부터 제 2 충전유닛(200)의 2차측 코일(210)로 충전전력이 전달되고 있는 중에 상기 조정요구 신호가 무선으로 전파되면, 1차측 코일(110)로부터 생성된 자기장에 의해 조정요구 신호가 간섭되는 문제가 발생한다.
따라서, 본 발명은 위와 같은 문제를 해결하기 위해 제 1 충전유닛(150)에서 제 2 충전 유닛(200)측으로 충전전력을 전달할 때 일정한 주기마다 충전전력의 전달을 일시적으로 중단한다.
즉, 도 7에 도시된 바와 같이, 전자기 유도 현상에 의해 2차측 코일(210)에 고주파 교류전류가 유도되어 충전이 이루어지는 충전구간(△tA)과, 1차측 코일(110)에 대한 고주파 교류전류의 인가를 의도적으로 일시 중지하여 충전이 휴지되는 구간(△tB)을 주기적으로 반복한다. 그리고, 2차측 코일(210)에서 고주파 교류전류의 유도가 정지되어 충전이 휴지되는 동안 충전전력의 조정요구 신호를 제 1 충전유 닛(150)측에 전달한다.
이를 위해, 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 제 2 충전유닛(200)은 2차측 코일(210)에서 유도된 고주파 교류전류를 입력받아 충전구간이 종료되는 시점(도 7의 ts 참조)을 검출하는 충전휴지 검출부(270)를 포함한다.
상기 충전휴지 검출부(270)는 충전구간의 종료 시점(도 7의 ts 참조)을 검출한 후, 이를 제어기(255)로 입력한다. 그러면, 제어기(255)는 충전전력의 조정을 위한 조정요구 신호를 충전전력이 전달되지 않는 동안 송신부(256)를 통해 제 1 충전유닛(150)측으로 무선 전송한다. 따라서, 충전전력의 조정요구 신호가 1차측 코일(100)에 의해 생성된 자기장에 의해 간섭되는 것을 방지할 수 있다.
제 1 충전유닛(150) 측으로 충전전력의 조정요구 신호가 무선 전송되면, 이미 상술한 바와 같은 피드백 제어에 의해 1차측 코일(110)에 인가되는 고주파 교류전류의 전력이 조정됨으로써, 정전압/정전류 회로(252)의 양단 전압을 적정한 레벨로 유지할 수 있다.
상기한 본 발명의 제 2 실시예에 따른 무접점 충전 시스템은 정전압/정전류 회로(252)의 양단에 과전압이 인가되더라도 피드백 제어를 통해 충전전력을 실시간으로 감소시킴으로써 즉각적으로 과전압 상태를 해소할 수 있다.
따라서, 본 실시예의 무접점 충전 시스템은 2차측 코일(210)에 쇄교하는 자속의 크기를 일정하게 유지하기 위해 종래와 같이 서로 간의 상대적 위치가 고정될 필요가 전혀 없으며, 도 8에 도시된 바와 같이 충전모체(제 1 충전유닛)(C)를 패드 형상으로 제작하여 사용자가 패드의 소정 위치에 배터리가 결합되어 있는 휴대폰과 같은 충전 대상체(제 2 충전 유닛)(B)를 올려놓기만 하면 편리하게 충전을 할 수 있는 형태로 충전기와 배터리 세트를 제작할 수 있다.
이하에서는 도 5 및 도 6을 참조하여 본 실시예에 따른 무접점 충전 제어 방법을 상세하게 설명하기로 한다.
먼저 비 충전 모드의 경우, 제 1 충전유닛(150)의 고주파 전력구동부(153)는 제어기(155)의 제어에 따라 일정한 시간 간격으로 고주파 교류전류를 짧은 시간 동안 1차측 코일(110)에 인가한다. 예를 들어, 1초 간격으로 50ms 동안 80KHz의 고주파 교류 전류를 인가한다. 그러면, 1차측 코일(110)은 고주파 교류전류가 인가될 때마다 주변에 자기장을 형성한다.
사용자는 배터리(262)의 충전을 위해 제 2 충전유닛(200)을 제 1 충전유닛(150)상에 위치시킨다. 제 2 충전유닛(200)이 위치된 이후에, 제 1 충전유닛(150)의 1차측 코일(110)에 고주파 교류전류가 소정 시간 동안 인가되면 1차측 코일(110)에 자기장이 발생되고, 그 결과 제 2 충전유닛(200)의 2차측 코일(210)에 자속이 쇄교된다. 이에 따라, 2차측 코일(210)에서는 고주파 교류전류가 소정 시간 동안 유도되었다가, 1차측 코일(110)에 고주파 교류전류가 인가되지 않으면 자기장의 소멸로 인해 고주파 교류전류의 유도가 일시 중지된다.
한편, 충전휴지 검출부(270)는 고주파 교류전류의 유도가 일시 중지되는 시점을 검출하여 제어기(255)로 입력한다. 이에 응답하여, 제어기(255)는 응답신호를 송신부(256)로 출력한다. 여기서, 응답신호는 제 2 충전유닛(200)에 구비된 2차 코 일(210)이 제 1 충전유닛(150) 측의 1차 코일(110)에서 발생된 자기장에 결합된 상태임을 제 1 충전유닛(150) 측의 제어기(155)로 알리기 위한 신호이다. 응답신호가 송신부(256)로 출력되면, 송신부(256)는 응답신호를 변조하여 안테나(220)를 통해 제 1 충전유닛(150) 측으로 무선 전송한다.
응답신호가 무선 전송되면, 제 1 충전유닛(150)의 수신부(156)는 응답신호를 복조하여 제어기(155)로 입력한다. 그러면, 제어기(155)는 충전전력을 제 2 충전유닛(200) 측으로 전달하기 시작한다. 즉, 제어기(255)는 고주파 전력 구동부(153)를 제어하여 소정 시간 간격 동안 고주파 교류 전류를 1차측 코일(110)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(110)에 고주파 교류전류가 인가되는 동안은 전자기 유도현상에 의해 제 2 충전유닛(200)의 2차측 코일(210)에서도 고주파 교류전류가 유도된다. 이렇게 고주파 교류전류의 유도가 지속되는 시간은 상기 1차측 코일(110)에 고주파 교류전류의 인가가 지속되는 시간과 실질적으로 같다.
상기 2차측 코일(210)에 유도된 고주파 교류전류는 정류기(251)에 의해 직류전류로 변환된 후, 정전압/정전류 회로(252)를 거쳐 배터리(262)로 인가된다. 그러면, 배터리(262)의 충전이 점차적으로 이루어지면서 배터리(262)의 양단 전압이 만 충전 상태가 될 때까지 상승한다.
제어기(255)는 정전압/정전류 회로(252)를 제어함으로써 배터리(262)의 충전 전압이 어느 정도 상승할 때까지는 정전류 모드에서 배터리(262)를 충전하였다가 배터리(262)의 전압이 소정 레벨 이상 증가하면 정전압 모드에서 배터리(262)를 충전한다.
한편, 1차측 코일(110)로 인가되던 고주파 교류전류가 휴지되면, 2차측 코(210)에서도 고주파 교류전류의 유도가 일시적으로 정지되면서 충전이 일시 중지된다. 그러면, 충전휴지 검출부(270)는 고주파 교류전류의 유도가 중지된 시점을 검출하여 제어기(255)로 입력한다. 이러한 동작은 고주파 교류전류의 유도가 일시 중지되는 시점이 도래할 때마다 반복적으로 이루어진다.
위와 같은 배터리(262)의 충전 과정과는 별도로 제어기(255)는 정전압/정전류 회로(252)의 양단에 과전압이 인가되는지를 모니터링 한다.
이를 위해, 전압비교부(274)는 정전압/정전류 회로(252)의 전단과 후단에 각각 구비된 제 1 전압검출부(272) 및 제 2 전압검출부(273)에 의해 측정된 전압을 주기적으로 입력받아 그 값을 서로 비교하고 전압비교 결과를 제어기(255)로 입력한다. 여기서, 상기 전압비교 결과는 측정된 두 전압의 차이값 또는 과전압 상태인지 아닌지를 나타내는 전압상태 신호이다.
상기 제어기(255)는 전압비교부(274)로부터 전압비교 결과를 입력받은 후, 정전압/정전류 회로(252)의 양단에 과전압이 인가되고 있는지 판단한다.
그 결과, 정전압/정전류 회로(252)의 양단에 과전압이 인가되고 있다고 판단되면, 제어기(255)는 충전휴지 검출부(270)가 입력한 고주파 교류전류의 유도가 일시 정지된 시점을 참조하여 현재 1차측 코일(110)에 고주파 유도전류가 인가되지 않는 휴지기간인지 판단한다.
그 결과, 휴지기간인 것으로 판단되면, 제어기(255)는 송신부(256)로 충전전력의 조정요구 신호를 출력한다. 그러면, 송신부(256)는 충전전력의 조정요구 신호를 변조하여 안테나(220)를 통해 제 1 충전유닛(150)로 무선 송신한다.
이에 응답하여, 제 1 충전유닛(150)에 구비된 수신부(156)는 안테나(120)를 통해 충전전력의 조정요구 신호를 수신 및 복조한 후 제어기(155)로 입력한다. 그러면, 제어기(155)는 고주파 전력 구동부(153)를 제어하여 1차측 코일(110)에 인가되는 고주파 교류전류의 전력을 미리 정한 레벨만큼 낮춘다.
상기와 같이 1차측 코일(110)에 인가되는 고주파 교류전류의 전력이 감소 되면, 전자기 유도현상에 의해 2차측 코일(210)에 유도되는 고주파 교류전류의 전력도 함께 감소한다.
한편, 고주파 교류전류의 전력에 대한 피드백 제어와는 별도로, 제어기(255)에 의한 정전압/정전류 회로(252) 양단의 과전압 상태에 대한 모니터링 동작은 주기적으로 반복된다. 그 결과, 1차 피드백 제어를 통하여 정전압/정전류 회로(252) 양단의 과전압 상태가 여전히 해소되지 않은 것으로 판단되면, 제어기(255)는 다시 충전전력의 조정요구 신호를 제 1 충전유닛(150) 측으로 무선 전송하여 다시 한번 1차측 코일(110)에 인가되는 고주파 교류전류의 전력을 일정 레벨 다시 감소시킨다. 이러한 과정은 피드백 제어를 통해 정전압/정전류 회로(252) 양단에 과전압이 인가되지 않을 때까지 계속된다.
위와 같은 피드백 제어를 통해 정전압/정전류 회로(252)의 양단에 걸리는 전압 차를 적정한 레벨로 유지함으로써, 무 접점 방식으로 배터리(262)가 충전되는 과정에서 정전압/정전류 회로(252)가 과전압에 의해 소손되는 것을 방지할 수 있다.
상술한 본 발명의 실시예에서는, 무접점 충전 배터리(262)의 정전압/정전류 회로(252)의 양단에 과전압이 인가되는 것을 방지하기 위해 배터리 장치(즉, 제 2 충전유닛)(200) 측의 제어기(255)가 정전압/정전류 회로(252)의 양단에서 측정된 전압을 모니터링 하여 직접 과전압 상태인지를 확인한다. 그리고, 과전압 상태에 해당하면 배터리 장치(200) 측의 제어기(255)가 충전전력 조정요구 신호를 무선 통신을 통해 충전모체(즉, 제 1 충전유닛)(150) 측의 제어기(155)로 전달한다. 그러면, 충전모체(150) 측의 제어기(155)는 충전전력 조정요구 신호의 수신을 조건으로 1차측 코일(110)에 인가되는 고주파 교류전류의 전력을 조정한다.
하지만, 대안적인 예도 가능하다. 구체적으로, 도 5 및 도 6을 참조하여 설명하면, 배터리 장치(200) 측의 제어기(255)는 주기적으로 정전압/정전류 회로(252) 양단의 전압을 모니터링 하여 전압 상태를 획득한다.
여기서, 전압 상태는 정전압/정전류 회로(252) 양단의 전압 또는 양단의 전압 차이다. 이러한 전압 상태는 전압비교부(274)로부터 입력받아도 무방하고, 제1 및 제2전압 검출부(272, 273)로부터 측정된 전압(Vpp, Vch)을 입력받은 후 연산을 통해 전압 상태를 얻어도 무방하다.
배터리 장치(200) 측의 제어기(255)는 전압 상태가 얻어질 때마다 충전휴지 검출부(270)가 입력하는 시점을 참조하여 2차측 코일(210)에 고주파 교류전류가 유 도되지 않는 동안 정전압/정전류 회로(252) 양단의 전압 상태를 무선 통신을 통해 충전 모체(150) 측의 제어기(155)로 전달한다.
그러면, 충전 모체(150) 측의 제어기(155)는 전압 상태를 전달받을 때마다 전압 상태가 과전압 상태인지 여부를 확인한다. 이러한 확인은 정전압/정전류 ㅎ호회로(252)의 양단 전압의 차이가 미리 정해진 기준값을 초과하는지를 검사하는 것에 의해 이루어진다.
그 결과, 정전압/정전류 회로(252) 양단의 전압 상태가 과전압 상태에 해당되면, 고주파 전력 구동부(153)를 제어하여 1차측 코일(110)에 인가되는 고주파 교류전류의 전력을 조정함으로써 배터리 장치(200) 측으로 전달되는 충전전류를 조정한다.
위와 같은 충전전류의 조정 과정이 필요한 수만큼 반복되면, 정전압/정전류 회로(252)의 양단에 과전압이 인가되더라도 과전압 상태가 빠른 시간 안에 해소됨으로써 정전압/정전류 회로(252)가 소손되는 것을 방지할 수 있다.
[ 실시예 3]
다음으로, 도 9 내지 도 14를 참조하여 본 발명의 제 3 실시예에 따른 충전효율의 편차가 개선된 무접점 충전시스템을 살펴본다.
유도 결합을 이용한 무접점 충전 시스템의 경우, 배터리 장치가 놓여지는 위치에 따라 충전효율의 편차가 커진다는 문제점이 있다. 즉, 다양한 형상과 크기의 휴대형 전자기기(예컨대, 축전지의 정격전압 등이 일정한 휴대전화만 보더라도 그 형상과 크기가 매우 다양하다)에 호환가능하게 하기 위해서, 충전 모체는 특정 충 전대상에만 형합하는 형상과 구조를 가질 수 없고, 충전대상의 크기 보다는 약간 크게 설계되어야 한다. 나아가 동시에 두 개 이상의 휴대형 전자기기 또는 축전지를 충전하는 구조까지 고려한다면 충전 모체의 크기는 더욱 커지고, 그에 따라 충전 모체에 대한 충전대상인 휴대형 전자기기 또는 배터리 장치의 위치에는 상당한 편차가 발생한다. 그런데, 충전 모체의 1차 회로 즉, 1차 코일에 의해 발생되는 자기장의 세기(자속밀도)는 코일로부터 멀어질수록 급격하게 저감된다. 따라서, 유도 결합되는 자속밀도에 비례하는 충전효율은 1차 코일에 대한 충전대상의 위치에 따라 엄청난 편차를 가지게 되고, 충전대상의 위치가 좋지 않은 경우에는 완전 충전에 걸리는 시간이 급격히 늘어나게 되며, 최악의 경우에는 충전이 거의 이루어지지 않을 수도 있다.
특히, 휴대전화나 PDA, MP3 플레이어 등과 휴대형 전자기기는, 하루 중 극히 짧은 시간만 사용하고 거의 하루 종일 무선 충전기에 놓아두는 전동 칫솔이나 전기 면도기와는 달리, 취침시간 등 상대적으로 짧은 시간 동안 충전을 행하고 있으므로 위치에 따른 충전효율의 편차가 훨씬 더 심각한 문제가 된다.
따라서, 무선 충전기를 휴대전화 등의 휴대형 전자기기에 널리 사용하기 위해서는 충전대상이 놓여지는 위치에 따른 충전효율의 편차를 개선하는 것이 절실히 요구된다 하겠다.
따라서, 본 실시예에서는 무선 충전기에 대한 충전대상의 위치에 따른 충전효율의 편차를 개선하고자 한다.
도 9는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 무선 충전기를 이용하여 휴대형 전자 기기의 배터리를 충전하는 상태를 도시한 사시도이다.
도 9에 도시된 바와 같이 본 실시예의 무선 충전기(310)는, 충전대상인 휴대형 전자기기(320) 또는 그 배터리를 올려놓는 패드부(311), 무선 충전기에 필요한 각종 1차측 회로가 기판 상에 집적되어 내장된 회로부(312), 및 충전 상태를 표시하는 상태 표시등(313)을 구비한다.
대략 원반형으로 이루어진 패드부(311)에는 고주파의 1차측 전류를 인가하였을 때 자기장을 생성하는 1차측 코일(도 10의 330)이 배치되어 있다. 회로부(312) 안에는 상용 교류전원으로부터 원하는 고주파의 1차측 전류를 생성하기 위한 정류기, SMPS(Switching Mode Power Supply), 2차측인 배터리와 통신하기 위한 무선 통신 모듈, 및 이들을 제어하는 제어 회로 등이 내장되어 있다. 상태 표시등(313)은 전원이 연결되어 있는지, 현재 충전중인지, 완전 충전이 되었는지 등의 충전기 상태를 표시하기 위한 것으로 적절한 수와 색의 LED로 이루어진다.
그러나, 본 실시예의 특징은 후술하는 1차측 코일의 형상과 배치에 있고, 상기의 패드부(311), 회로부(312), 상태 표시등(313) 등의 구성과 배치, 형상은 얼마든지 변경가능하다.
예컨대, 패드부(311)와 회로부(312)를 포함한 무선 충전기(310)의 전체 형상은 원반형이 아니라 사각형, 육각형 등 다각형 형상으로 이루어질 수 있고, 회로부(312)가 돌출된 구조가 아니어도 되며, 나아가 도 9에서 무선 충전기(310)는 지면에 평평하게 놓여지는 구조로 도시되어 있으나 예컨대 벽걸이 형태로 이루어져 패드부가 휴대형 전자기기(320)를 수납하는 주머니나 서랍 형태로 이루어질 수도 있다.
또한, 회로부(312) 안에 내장되는 회로도, 예컨대 110V나 220V의 상용 교류전원이 아닌 자동차의 시거 라이터 전원과 같이 직류전원을 사용하는 경우 정류기 등을 구비하지 않을 수 있다.
나아가, 상태 표시등(313) 또한 LED가 아닌 소형의 액정 표시소자를 사용하거나 음성이나 경고음을 표시하는 스피커로 대체될 수도 있다.
패드부(311)에 놓여지는 휴대전화(320)의 패드부(311)와 접하는 면 쪽에는 배터리(예를 들어, 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지 등)가 장착되어 있고, 이 배터리의 내부에는 패드부(311)에 배치된 1차측 코일(330)과 유도 결합하여 유도 전류를 생성하는 2차측 코일(미도시)이 내장되어 있다.
한편, 도 9에서 휴대형 전자기기는 휴대전화(320)를 예로 들어 도시하였으나, 본 발명이 이에 한하지 않고 PDA, 휴대형 MP3 플레이어, CD 플레이어 등 다양한 휴대형 전자기기에 적용가능함은 물론이다. 또한, 도면에서 휴대전화(320) 전체를 무선 충전기(310)에 놓아 충전하는 것으로 도시하였으나 휴대전화의 배터리 셀만을 올려놓고 충전할 수도 있음은 물론이다.
그러면, 도 10을 참조하여 본 실시예의 1차측 코일(330)의 구성과 배치에 대해 상세히 설명한다.
도 10에 도시된 바와 같이, 패드부(311)에 형성되는 1차측 코일(330)은 외곽 코일(331)과 내부 코일(332)로 이루어진다. 외곽 코일(331)은 소정의 권수와 반경 ro를 가지고 배치되며, 내부 코일(332)은 소정의 권수와 반경 ri를 가지고 외곽 코일(331)의 내부에 완전히 포함되도록 배치된다. 한편, 도면에서 각 코일(331, 332)의 권수와 반경은 정확한 권수와 반경을 표현한 것이 아니라, 설명의 편의를 위해 단순화 한 것이다. 도면에서 Si 및 So는 각각, 내부 코일(332) 및 외곽 코일(331)의 공심 면적으로, 각각 Si=πri 2 및 So=πro 2의 관계를 가진다. 여기서, 각 코일의 권수, 반경 및 공심 면적은 충전하고자 하는 축전지의 정격, 충전전원의 정격과 주파수, 코일의 임피던스, 2차측 코일의 형상과 크기 등을 고려하고, 또한 도 11을 참조하여 후술하는 자속밀도 프로파일을 고려하여 정해진다.
한편, 도 10에서 외곽 코일(331)과 내부 코일(332)은 모두 평면 나선형으로 이루어져 있으나, 코일의 형상은 패드부(311)의 형상이나 2차측 코일의 형상에 따라 사각형, 육각형 등 다각형의 형상을 가질 수 있고, 나아가 외곽 코일(331)과 내부 코일(332)의 형상이 다를 수도 있다. 또한, 도 10에서 외곽 코일(331)과 내부 코일(332)은 그 중심이 일치하는 동심원 상으로 배치되었으나 그 중심이 반드시 일치하지 않아도 된다. 나아가, 도 10에서 내부 코일(332)은 하나인 것을 도시하였으나, 도 12에 도시된 바와 같이 2 이상의 내부 코일(332a, 332b)을 순차적으로 내부에 포함하도록 배치할 수도 있다.
또한, 각 코일(331, 332)은 표면이 절연재로 피복된 동선을 사용하는 것이 일반적이나, 금, 은, 알루미늄 등 도전성이 우수한 재료라면 특별히 한정되지 않는다. 나아가, 각 코일(331, 332)은 단선(單線)의 도선이 감긴 것이어도 되나, 다수 의 가는 단선을 복수 개 집합시킨 리츠(Litz)선을 사용하는 것이 고주파 전류를 이용한 충전에 바람직하다.
또한, 각 코일(331, 332)은 도선이 감긴 형태가 아닌 도체 패턴으로 이루어질 수도 있다. 즉, 각 코일(331, 332)은 PCB 기판 또는 폴리이미드와 같은 플렉시블한 절연 필름(기재 필름) 상에 동, 알루미늄 등의 도전성이 우수한 금속 박막을 적층하고 이를 도 10이나 도 12에 도시된 바와 같은 패턴으로 에칭하여 형성된 도체 패턴일 수 있다. 나아가, 본 실시예는 1차측 코일에 대한 것이지만, 2차측 즉 휴대용 전자기기의 코일도 본 발명의 1차측 코일(331, 332)과 같이 동선 등의 도선이 감긴 형태이거나 도체 패턴으로 이루어질 수 있다. 따라서, 본 명세서에서 '코일'이라 함은 넓은 의미로서, 도선이 감겨서 이루어진 것이든 금속박막을 에칭하여 형성된 것이든 코일 모양의 패턴을 가지는 모든 것을 포함한다.
외곽 코일(331)과 내부 코일(332)은, 도 10에 도시된 바와 같이 직렬로 연결되어 1차측 전류를 인가할 수 있도록 배치될 수 있으나, 각각 별체로 형성되어 각각에 별도의 1차측 전류를 인가하도록 배치될 수도 있다. 여기서 주의할 점은, 1차측 코일(330)에 1차측 전류를 인가하였을 때 각 코일의 내부에서 생성되는 자기장의 방향이 동일하도록 배치되어야 한다는 점이다(그 이유는 후술한다).
그러면, 도 11을 참조하여 본 실시예의 원리를 보다 상세히 설명한다. 도 11은 1차측 코일(330)에 1차측 전류를 인가했을 때, 외곽 코일(331)과 내부 코일(332)을 횡단하는 선(도 10의 Ⅲ-Ⅲ선)을 따라 본 자기장의 세기(자속밀도) 프로파일을 개략적으로 도시한 도면으로서, 도 11의 (a)는 내부 코일이 없는 종래의 일 반적인 1차측 코일의 경우, 도 11의 (b)는 도 10에 도시된 본 발명의 실시예에 따라 외곽 코일(331)과 내부 코일(332)을 구비한 경우를 나타낸다.
먼저, 도 11의 (a)에 도시된 바와 같이 내부 코일이 없는 경우, 1차측 코일(외곽 코일)(331)에 1차측 전류를 인가하면 오른나사 법칙(앙페르의 법칙)에 따른 방향의 자기장이 생성되고, 코일(331) 근방의 임의의 지점에서의 자기장의 세기(자속밀도)는 코일(331)로부터의 거리의 세제곱에 반비례한다. 따라서, 화살표(341)로 나타낸 바와 같이, 코일(331)로부터 멀어질수록 자속밀도(341)는 급격하게 감소하고 코일(331) 내부에서 자속밀도는 점선(340)으로 나타낸 바와 같은 프로파일을 가진다. 이 자속밀도 프로파일(340)로부터 알 수 있듯이, 코일(331) 내부에 형성되는 자속의 밀도는 코일(331)의 최근접 위치에서 최대값을 가지고, 코일 내부 중심에서 최소값을 가진다. 따라서, 코일(331)의 반경이나 1차측 전류의 세기와 관련되겠지만, 휴대전화(320) 또는 배터리의 놓인 위치에 따라서는 충전효율이 급격히 떨어지고 완전 충전까지 걸리는 시간이 급격히 증가한다.
한편, 내부 코일(332)이 존재하는 도 11의 (b)에서는, 내부 코일(332)에 의한 자기장이 형성되고 그 자속밀도는, 화살표(342)로 나타낸 바와 같이, 내부 코일(332)로부터의 거리의 세제곱에 반비례하여 감소된다. 따라서, 외곽 코일(331)과 내부 코일(332)에 의한 전체 자속밀도는 두 코일(331, 332)에 의한 각각의 자속밀도의 합이 되어, 실선(350)으로 나타낸 바와 같은 프로파일을 보인다. 이 전체 자속밀도 프로파일(350)은, 내부 코일(332)의 바깥쪽에서 외곽 코일(331)에 의한 자속과 약간 상쇄되어 외곽 코일만에 의한 프로파일(340)보다 약간 줄어들지만 내부 코일(332)의 내부에서는 보강되어, 1차측 코일의 중심 근방에서도 극대점을 가지는 독특한 프로파일을 형성한다. 또한, 전체 자속밀도 프로파일(350)은, 내부 코일(332)의 바깥쪽 근방에서 최소가 되는데, 이 최소값은 외곽 코일(331)만에 의한 자속밀도 프로파일(340)의 최소값보다는 커지게 된다. 따라서, 전체 자속밀도 프로파일(350)은 외곽 코일만에 의한 자속밀도 프로파일(340)에 비해, 전체적으로 평탄화되어 1차측 코일(외곽 코일)(331) 내부에서 자속밀도의 편차가 훨씬 저감되고, 이에 따라 유도전력의 편차와 충전효율의 편차도 훨씬 저감되며, 결과적으로 완전 충전까지 걸리는 시간의 편차도 훨씬 줄어든다.
여기서, 외곽 코일(331)과 내부 코일(332)은, 전술한 바와 같이, 1차측 전류를 인가하였을 때 생성되는 자기장의 방향이 같도록 배치되어야 하는데, 이는 각각의 코일(331, 332)에 의한 자속밀도(341, 342)가 코일(331, 332)의 중심 근방에서 서로 보강되어 자속밀도의 최소값을 증가시켜야 하기 때문이다.
한편, 전체 자속밀도 프로파일(350)은 외곽 코일(331) 및 내부 코일(332)의 반경, 권수, 임피던스, 1차측 전류의 세기와 주파수 등에 의해 변화되나 도 11에 도시된 기본적인 형태는 유지되며, 다만 극대, 극소점의 구체적인 위치와 값은 코일의 반경, 권수, 임피던스, 1차측 전류의 세기와 주파수 등을 적절히 조절함으로써 조절할 수 있다. 이러한 전체 자속밀도 프로파일(350)의 조절에 의해 1차측 코일(330) 내부의 자속밀도 최소값을 원하는 수준으로 설정할 수 있다. 바람직하게는, 전체 자속밀도의 최소값을 최대값의 50% 이상으로 설정하면, 충전효율의 편차를 줄임으로써 완전 충전에 걸리는 시간의 편차를 단축할 수 있다. 또한, 더욱 바 람직하게는, 전체 자속밀도의 최소값을 최대값의 70% 이상으로 설정하면, 최악의 경우의 완전 충전에 걸리는 시간을 더욱 단축할 수 있다.
다음은, 휴대전화용 배터리에 대한 충전의 경우를 예로 들어 1차측 코일의 구성과 배치의 바람직한 예를 제시한다. 그러나 다음의 구체예는 어디까지나 예에 지나지 않고 본 발명이 다음의 구체예로 한정되는 것이 아님은 물론이다. 나아가, 2차측의 충전대상이 휴대전화용 배터리가 아닌 PDA나 노트북 컴퓨터의 배터리 등 다른 휴대형 전자기기의 배터리인 경우에 다음의 구체적인 배치예는 얼마든지 변경가능하다.
입력 전원 : 교류 220V
충전 전류의 주파수 : 80kHz
충전 전류의 세기 : 110~160A
내부 코일의 직류 저항 : 0.1~0.5Ω
외곽 코일의 직류 저항 : 1.0~3.0Ω
코일간 반경의 비(ri/ro) : 0.1~0.9
코일간 공심 면적의 비(Si/So) : 0.01~0.81
내부 코일의 권수 : 5~15
외곽 코일의 권수 : 40~60
내부 코일의 교류(1kHz~1MHz) 저항 : 0.1~0.4Ω
외곽 코일의 교류(1kHz~1MHz) 저항 : 2.0~20Ω
내부 코일의 인덕턴스 : 4.7~5.0μH
외곽 코일의 인덕턴스 : 240~250μH
한편, 더욱 구체적으로 입력 전원은 교류 220V, 충전 전류의 주파수는 80kHz로 사용하고 1차측 코일과 2차측 코일을 도 13 및 다음 표 1과 같이 구성하여, 그 자속밀도와 정비례관계에 있는 유도전력 프로파일과 유도전력의 최대값, 최소값을 측정하였다. 여기서, 1차측 코일(331, 332)로는 리츠(Litz) 형태의 구리재질로 된 외곽코일과 내부코일을 직렬로 연결하여 다중 코일을 제작하였고, 2차측 코일(321)로는 역시 리츠 형태의 구리재질로 된 원형의 단일 코일을 사용하였다.
코일의 파라미터 1차측 코일(331,332) 2차측 코일(321) 비고
직류 저항(Ω) 내부 코일: 0.1
외곽 코일: 2.0		 1.3
인덕턴스(μH) 373.3(1kHz) 38(80kHz)
권수 내부 코일: 12
외곽 코일: 50		 25
코일선의 직경(mm) 0.15 0.08 리츠선의 단위 세선의 직경
코일의 두께(mm) 2.5 0.3~0.4 도 13의 평면에 수직한 방향의 두께
내반경(mm) 내부 코일(r1): 18
외곽 코일(ro): 35		 r': 15
외반경(mm) 내부 코일(R1): 19
외곽 코일(Ro): 37		 R': 20
코일간 간격 d(mm) 16 -
또한, 본 실시예의 효과를 종래의 경우와 비교하기 위해, 비교예로서 내부 코일이 없는 것만 제외하고 위 실시예와 동일하게 1차측 코일을 구성하고 그 유도전력 프로파일과 유도전력의 최대값, 최소값을 측정하였다.
위와 같이 구성한 실험예에서 실시예와 비교예의 2차 코일에 유도되는 전압, 전류 및 전력은 다음 표 2와 같이 측정되었으며, 유도전력의 프로파일은 도 14에 도시된 바와 같다.
중심간 간격 D(mm) 실시예(2중 코일) 비교예(단일 코일)
전압(V) 전류(mA) 전력(W) 전압(V) 전류(mA) 전력(W)
25 5.07 366 1.9 5.07 366 1.86
22 4.84 366 1.8 4.71 366 1.72
20 4.01 366 1.5 4.11 366 1.50
18 3.83 366 1.4 3.92 366 1.43
15 3.28 366 1.2 5.80 200 1.16
13 3.19 366 1.2 5.31 200 1.06
11 3.00 366 1.1 4.98 200 1.00
8 3.17 366 1.2 4.52 200 0.90
6 3.43 366 1.3 4.26 200 0.85
4 3.95 366 1.4 4.12 200 0.82
2 4.18 366 1.5 4.00 200 0.80
0 4.08 366 1.5 3.98 200 0.80
위의 표 2와 도 14으로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 2차측 유도전력의 최대값과 최소값은 각각 1.9W 및 1.1W로, 최소값은 최대값의 약58%에 달했다. 한편, 비교예의 2차측 유도전력의 최대값과 최소값은 각각 1.86W 및 0.8W로, 최소값은 최대값의 약43%에 달했다.
이상의 실험예를 통해 알 수 있듯이, 본 발명에 의한 1차측 코일을 구비하는 무선 충전기에서는 충전효율의 편차가 현저하게 줄어듦을 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 제 3 실시예의 무선 충전기는 1차측 코일을 외곽 코일과 내부 코일의 다중 구조로 함으로써, 외곽 코일의 내부 중심 근방에서 급감하는 자속밀도를 내부 코일에 의한 자속으로 보충한다. 따라서, 1차측 코일의 내부에서 자속밀도의 편차가 현저하게 줄어들고, 그에 따라 충전대상인 축전지가 놓이는 위치에 따른 충전효율의 편차가 현저하게 줄어든다.
[ 실시예 4]
다음으로, 도 15 내지 도 21을 참조하여 본 발명의 제 4 실시예에 따른 코일 어레이를 구비한 무접점 충전장치, 무접점 충전 시스템 및 충전 방법을 살펴본다.
통상적인 무접점 충전시스템의 경우, 1차 코일과 2차 코일 사이의 위치 관계(positional relationship)에 따라 충전 효율이 좌우되는 단점을 가지게 된다. 즉, 1차 코일과 2차 코일 사이에 위치 어긋남(positional offset)이 존재하면, 2차 코일에 유도기전력이 충분히 유기되지 않기 때문에 유점점 충전시스템에 비해 충전 효율이 매우 떨어지게 된다. 따라서, 사용자는 2차 코일이 내장된 휴대형 전자기기나 배터리팩을 충전모체상의 최적의 위치에 놓을 수 있도록 노력해야만 한다.
이러한 문제를 해소하기 위해서, 2차 코일의 위치나 방향과 무관하게 높은 충전 효율을 보장할 수 있도록 1차 코일의 배치 패턴을 변화시키는 노력들이 수행되었다.
대한민국 등록특허 제 524,254 호(이하, 254'호 특허로 약칭한다)는 무선 충전용 패드(1차측 충전모체)상에 코발트 계열 또는 페라이트 재질의 소형 코어를 다수개 붙인 평판 코어상에 일정 패턴을 가진 코일을 형성한 코어블록을 배치한 무접점 충전 시스템을 개시하고 있다.
상기 254'호 특허와 같이 1차 코일과 2차 코일간의 위치 어긋남을 보상하기 위해서, 충전모체의 동일 평면상에 다수개의 코일을 교호적으로 또는 병렬로 배치하는 것은 단일한 코일을 이용하는 경우에 비해 에너지 낭비가 과도하다는 문제점을 갖게 된다.
따라서, 본 발명의 제 4 실시예는 1차 코일과 2차 코일간의 위치와 무관하게 2차측에 유도 기전력을 효율적으로 전달할 수 있고, 높은 충전효율을 가지면서도 에너지 낭비를 최소화시킬 수 있는 무접점 충전장치를 제공한다.
또한, 본 발명의 제 4 실시예는 다수개의 휴대형 전자기기를 동시에 충전시킬 수 있는 무접점 충전장치를 제공한다.
도 15a 및 도 15b는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 충전장치의 개략적인 사용 상태도를 도시하고 있다.
도 15a를 참조하면, 본 실시예의 충전장치(400)는 도 1의 충전 장치(100)와 달리 충전 패드내에 단일한 코일이 내장되는 것이 아니라 다수의 코일(410)이 내장되어 코일 어레이(coil arry)를 이루고 있는 것이 특징이다. 또한, 이 코일 어레이(410)는 안테나 코일(420)에 의해 둘러싸여져 있다. 상기 안테나 코일(420)은 코일 어레이를 둘러싸도록 하나가 설치될 수도 있으며, 1차코일 각각 또는 예를 들어 1차코일 4~6개를 둘러싸도록 복수 개 설치될 수도 있다.
이와 같이, 다수의 코일(410)이 코일 어레이를 이루는 경우, 단일한 코일로 이루어지는 경우에 비해 1차 코일과 2차 코일간의 위치 정합(positional conformation)을 달성하는 것이 용이해진다. 도 15a와 같이, 배터리 장치(450)를 충전 장치(400)상에 기울어지게 놓더라도 1차 코일과 2차 코일간에 위치 어긋남(positional offset)이 발생하지 않는다. 즉, 배터리 장치(450)를 충전 장치(400)상의 소정 위치 어느 곳에 놓더라도 배터리 장치(400)에 배치된 2차 코일과 정합을 이루는 1차 코일이 적어도 하나 이상 존재하게 된다.
따라서, 본 실시예의 충전 장치를 사용하게 되면, 사용자는 의식적으로 1차 코일과 2차 코일의 위치 관계를 고민할 필요가 없기 때문에 사용상의 편의성을 높일 수 있다. 또한, 본 실시예의 코일 어레이(410)는 도 15a와 같이 다수의 코일을 매트릭스 형태로 배치하는 것 뿐만 아니라 도 15b와 같이 지그-재그 형태로 엇갈리게 배치하는 것이 모두 가능하다.
도 16은 본 실시예에 따른 충전 장치의 다른 사용 상태도를 도시하고 있다.
도 16을 참조하면, 코일 어레이(410)가 구비된 충전 장치(400)상에 하나 이상의 배터리 장치(450a, 450b, 450c)가 놓여 있다. 따라서, 본 발명의 충전 장치(400)는 동시에 여러개의 배터리 장치(450a, 450b, 450c)를 충전시킬 수 있는 장점을 갖는다.
그러나, 도 15a, 도 15b 및 도 16에 도시된 충전 장치(400)는 1차 코일과 2차 코일간의 위치 관계와 무관하게 안정된 충전 효율을 보장하고, 다수의 배터리 장치를 동시에 충전시킬 수 있다는 장점에도 불구하고, 에너지 소비가 지나치게 심하다는 단점을 가진다.
따라서, 코일 어레이를 구성하는 다수의 1차 코일들중 배터리 장치의 2차 코일과 적어도 부분적으로 커플링되는 1차 코일만을 구동시키는 것에 의해 에너지 소비를 현저히 저감시킬 수 있다. 이하에서, 상세히 살펴본다.
먼저, 도 17는 본 실시예에 따른 무접점 충전시스템의 기능 블록도이다.
도 17을 참조하면, 본 실시예에 따른 무접점 충전시스템은 충전 장치(400)와 배터리 장치(450)로 구성된다.
상기 충전 장치(400)는 송신 코일 어레이(410), 정류기(402), 전력분배회로(403), 코일 구동 회로(404), 제어 회로(405), 충전모드 조절회로(406), 무선수신모듈(407, 408)을 포함한다.
상기 송신 코일 어레이(410)는 적어도 하나 이상의 송신 코일들(TC1, TC2 ㆍㆍㆍTCn)로 이루어지는데, 이 송신 코일들(TC1, TC2 ㆍㆍㆍTCn)은 도 15a, 도 15b 또는 도 16과 같이 매트릭스 형태로 배열되는 것이 바람직하다.
상기 정류기(402)는 상용 교류 전원(60Hz, 22OV)(401)으로부터의 교류 전압을 직류로 정류한 후, 전력 분배 회로(403)에 전달한다.
상기 전력 분배 회로(403)는 정류기(402)에 의해 정류된 직류 전압을 선택된 코일 구동 회로(404)에 전달한다. 즉, 전력 분배 회로(403)는 제어 회로(405)로부터 선택 명령을 전달받고, 이 선택 명령이 지시하는 코일 구동 회로(404)로 상기 정류된 직류 전압을 전달한다. 예를 들어, 상기 전력 분배 회로(403)는 상기 정류기(402)와 상기 코일 구동 회로(404) 사이에 위치하는 일종의 스위칭 회로로서 제어 회로(405)에 의해 선택된 코일 구동 회로(404)와 정류기(402) 사이를 전기적으로 연결한다.
상기 충전모드 조절회로(406)는 제어 회로(405)에 의해 선택된 코일 구동 회로(404)를 제어하는 것에 의해 대응하는 송전 코일(410)의 구동 모드를 조절한다. 예를 들어, 상기 구동 모드는 대기 모드, 충전 모드, 완충 모드로 이루어질 수 있다.
도 18를 참조하면, 상기 대기 모드는 1차 코일과 2차 코일의 커플링 상태를 확인하기 위한 모드로서, 예를 들어, 50msec(w1) 동안 구동되고, 1sec(t1) 동안 정지되는 모드이다. 상기 충전 모드는 2차 코일과 위치 정합된 1차 코일에 대해서 상기 대기 모드 보다 긴 시간(w2)동안 1차 코일을 구동하는 것에 의해 배터리 장치를 충전시키는 모드이다. 또한, 상기 완충 모드는 배터리장치가 만충전 되었을때, 소비전력을 절감하기 위해서 1차 코일의 구동 시간(w3)을 줄이는 모드이다.
본 실시예에서는, 상기 송전 코일의 구동 모드가 도 18과 같이 대기 모드, 충전 모드 및 완충 모드를 갖는 예로 설명하고 있으나, 본 실시예가 반드시 이러한 예로 한정되는 것은 아니다.
상기 코일 구동 회로(404)는 다수의 송신 코일 각각을 구동하기 위하여 정류기로부터의 직류 전압을 일정한 레벨과 주파수(예를 들어, 80kHz)를 갖는 교번 전압으로 발진한다. 특히, 본 실시예의 코일 구동 회로(404)는 충전모드 조절회로(406)의 제어에 따라 도 18과 같이 각 모드(예를 들어, 대기모드, 충전모드, 완충모드)별로 미리 결정된 교류 펄스 전압을 생성한다.
상기 무선 수신 모듈(407, 408)은 안테나 코일(408)과 수신 회로(407)로 이루어지는데, 배터리 장치(450)로부터 피드백 되는 충전시작신호(FR1, FR2 등)와 충전상태신호(CS1, CS2 등)를 무선 수신한 후, 이를 복조하여 제어 회로(405)에 전달한다.
상기 제어 회로(405)는 상기 수신 회로(407)로부터 배터리 장치(450)의 피드백 신호를 전달받고, 이 피드백 신호를 분석하여 상기 전력 분배 회로(403)와 충전모드 조절회로(406)를 제어한다. 특히, 상기 제어 회로(405)는 펄스발생기(미도시) 및 타이머(미도시)와 연결되는 것이 바람직하다. 즉, 타이머는 펄스 발생기로부터 전달되는 펄스를 카운트하고, 이 카운트된 값을 제어 회로(405)로 전달한다. 이에 따라, 상기 제어 회로(405)는 미리 결정된 주기(T = w1+ t1)에 따라 상기 전력 분배 회로(403)를 제어함으로써 상기 코일 구동 회로(404)를 순차적으로 발진시킨다.
즉, 상기 제어 회로(405)는 미리 정해진 시간(w1, t1)에 따라 상기 코일 구동 회로(404)를 순차적으로 구동시키고, 배터리 장치(450)로부터 피드백 신호를 수신하여 충전 모드로 전환할 송신 코일(TC1, TC2 ㆍㆍㆍTCn)을 선택한다.
상기 배터리 장치(450)는 2차 코일(451), 정류기(453), 정전압/정전류 회로(454), 충전상태 검출회로(458), 제어회로(457), 무선송신모듈(452, 456)을 포함한다.
상기 2차 코일(451)은 상기 1차 코일(또는 송신 코일)(410)에 자기적으로 결합되어 유도 기전력을 발생시키는 수신 코일이다. 1차 코일(410)에 인가되는 전력 신호가 도 18과 같은 펄스열 신호(폭이 w1인 펄스)이기 때문에 2차 코일(451)에 유기되는 유도 기전력 역시 교류 전압 펄스열이 된다. 또한, 1차 코일(410)의 구동 모드에 따라 2차 코일(451)에 유기되는 교류 전압 펄스 역시 도 18과 같이 대기 모드, 충전 모드 및 완충 모드중 어느 하나의 형태를 따르게 된다.
상기 정류기(453)는 상기 2차 코일(451)의 출력단에 연결되어 2차 코일(451)에 의해 유도된 교류 전압 펄스를 일정한 레벨의 직류로 평탄화한다.
상기 정전압/정전류 회로(454)는 소정 레벨의 직류 전압을 이용하여 배터리에 충전할 정전압과 정전류를 생성한다. 즉, 배터리의 초기 충전시점에서 정전류 모드를 유지하다가 배터리의 충전전압이 포화상태가 되면, 정전압 모드로 전환한다.
상기 충전상태 검출회로(458)는 2차 코일의 출력단에 유기되는 전기적 상태, 정류기 출력단의 전기적 상태 또는 정전압/정전류 회로의 양단 전압과 같은 충전상태를 검출하는 장치이다. 이렇게 검출된 충전상태 검출신호는 상기 제어회로(457)로 입력된다.
상기 제어회로(457)는 일종의 마이크로 프로세서로서 상기 충전상태 검출신호와 같은 모니터링 신호를 입력 받고, 이 모니터링 신호에 근거하여 상기 정전압/정전류 회로(454)와 무선송신모듈(452, 456)을 제어한다.
즉, 상기 제어 회로(457)는 상기 충전상태 검출회로(458)로부터 입력되는 충전상태 검출신호에 근거하여 1차 코일과 2차 코일의 커플링 여부, 1차 코일과 2차 코일의 위치 관계, 배터리의 충전 상태(정전류 모드, 정전압 모드, 충전 정도 등) 및 정전압/정전류 회로 양단의 전압 상태 등을 파악한다. 특히, 상기 제어 회로(457)는 2차 코일에 유기되는 교류 전압 펄스의 하강 시점을 파악하고, 상기 충전 장치(400)에 전송할 피드백 응답 신호의 전송 시점을 상기 펄스의 하강 시점에 동기화시킨다.
또한, 상기 제어 회로(457)는 2차 코일(451)의 출력단으로부터 제어 회로(457)를 구동할 수 있는 최소 레벨의 전류가 존재하는 경우, 1차측의 충전 장치(400)에 충전시작신호(FR1, FR2 등)(도 18 참조)를 피드백한다. 이에 따라, 충전 장치(400)의 제어 회로(405)는 현재 구동되고 있는 송신 코일(410)이 2차 코일(451)과 적어도 일부분 커플링된 것으로 판단하고, 이 정보를 내부 메모리(미도시)에 임시 저장한다.
또한, 상기 2차측의 제어 회로(457)는 배터리(459b)의 충전 전류와 충전 전압을 상시적으로 모니터링하고, 이 모니터링 값을 내부 메모리(미도시)에 임시 저장한다. 미도시된 상기 메모리는 모니터링된 충전 전류와 충전 전압과 같은 배터리 충전상태정보 뿐만 아니라 배터리 사양정보(제품 코드, 정격 등)도 함께 저장한다.
또한, 상기 제어 회로(457)는 배터리의 충전 상태에 따라 정전압 모드와 정전류 모드를 적절히 선택, 전환한다.
상기 무선송신모듈(452, 456)은 1차측의 충전 장치(400)에 전송할 피드백 응답 신호(충전시작신호 또는 충전상태신호)를 송신하는 안테나(452)와, 충전상태정보와 같은 베이스밴드 신호를 변조하여 피드백 응답 신호를 생성하는 송신 회로(456)를 포함한다.
상기 정전압/정전류 회로(454)와 배터리(459b) 사이에는 배터리에 과전압이나 과전류가 인가되는 것을 방지하기 위한 보호 회로(PCM)(459a)가 배치된다. 이 보호 회로(459a)와 배터리(459b)는 하나의 단일 배터리 유닛(459)을 구성한다.
상술한 도 17의 무접점 충전시스템의 기능적 구성은 본 실시예의 원리를 설명하기 위한 하나의 구체예에 불과한 것으로서, 본 실시예의 기술적 원리를 훼손하지 않는 범위내에서 다양한 변형들이 가능하다.
다음으로, 도 18과 도 19를 참조하여 본 실시예에 따른 무접점 충전시스템의 동작 관계를 설명한다.
먼저, 설명의 편의를 위해서 본 실시예의 충전 장치(400)가 도 15a 또는 도 15b와 같은 코일 어레이 구조(15개의 1차 코일이 안테나 코일 내부에 매트릭스 구조로 배열된 형태)를 갖고, 이 충전 장치(400) 위에 배터리 장치(예를 들어, 셀룰러폰)가 도 15a 또는 도 15b와 같이 놓였다고 가정한다. 즉, 도 15a 또는 도 15b와같이, 배터리 장치(450)가 충전장치(400)의 송신 코일중 #7, #8, #9, #12, #13, #14에 걸쳐서 놓여 있다고 가정한다.
상용 교류 전원(401)과 같은 외부 전원이 충전 장치(400)에 인가되면, 충전 장치의 제어 회로(405)가 깨어나서(wake-up) 전력분배회로(403)와 코일구동회로(404)를 제어함으로써 송신 코일(410)들을 순차적으로 드라이브한다.(S10) 이때, 타이머는 미도시된 펄스 발생기로부터 입력되는 소정의 펄스를 카운트하고, 이 카운트 정보를 제어 회로(405)에 입력한다.(S15)
먼저, 제어 회로(405)는 전력분배회로(403)를 제어하여 정류기(402)에 의해 정류된 직류 전압을 미리 결정된 시간(w1) 동안 코일 구동 회로 1(404)에 인가한다. 즉, 도 18과 같이 코일 구동 회로 1(404)을 발진시켜 송신 코일 TC1을 w1시간(예를 들어, 50msec)동안 구동하고, t1시간(예를 들어, 1sec) 동안 대기시킨다.(S20) 이때, 제어 회로(405)는 상기 t1시간 내에 2차측의 배터리 장치(450)로부터 피드백 응답 신호(충전시작신호)가 존재하는지 여부를 판단한다.(S25)
이때, 2차측의 배터리 장치(450)로부터 어떠한 응답도 수신되지 않으면, 상기 제어 회로(405)는 송신 코일 TC1에 커플링되는 2차 코일이 존재하지 않는 것으로 판단하고, 코일 구동 회로 2(404)가 발진되도록 전력분배회로(403)를 제어한다. 즉, 제어 회로(405)는 송신 코일(또는 코일 구동 회로)의 순번 n이 15에 도달되었는지 여부를 판단하고(S35), 도달되지 않은 경우 n값을 1 증가시킨다.(S40) 이에 따라, 제어 회로(405)로부터 출력되는 선택 신호는 코일 구동 회로 2(404)를 지시하게 되고, 상기 S20과 마찬가지로 코일 구동 회로 2(404)가 발진된다.
한편, 상기 S25에서 2차측의 배터리 장치(450)로부터 피드백 응답 신호가 존재하는 경우에는, 송신 코일 TC1과 적어도 부분적으로 커플링되는 2차 코일(451)이 존재하는 것으로 판단하여 해당하는 송신 코일의 순번(#1)을 내부 메모리에 임시 저장하고, 상기 S35로 진행한다.(S30)
본 실시예의 경우, 도 15a 또는 도 15b와 같이 송신 코일 TC1 내지 송신 코일 TC6이 2차 코일과 자기적으로 커플링되어 있지 않다. 따라서, 도 18과 같이 송신 코일 TC1 내지 송신 코일 TC6이 구동되는 시간 동안에는 안테나 코일(408)에 어떠한 피드백 응답 신호도 수신되지 않는다. 반면에, 송신 코일 TC7, TC8, TC12, TC13의 경우는 배터리 장치(450)의 2차 코일(451)과 자기적으로 커플링되어 있다. 따라서, 배터리 장치의 2차 코일(451)에는 유도 기전력이 생성되고, 이 유도 기전력에 의해 배터리 장치의 제어 회로(457)가 구동된다. 한편, 2차 코일(451)의 출력단에 생성되는 유도 기전력 역시 도 18과 같이 교류 펄스로 되고, 충전상태 검출회로(458)는 이 교류 펄스의 하강 시점을 검출하여 제어 회로(457)에 보고한다. 이에 따라, 제어 회로(457)는 피드백 응답 신호(FR1, FR2, FR3 등)를 무선송신모듈(452, 456)을 통해 충전 장치(400)의 무선수신모듈(407, 408)로 전송한다. 도 18에는 송신 코일 TC7, TC8, TC13의 대기시간(t1) 동안 충전 장치의 안테나 코일(408)에 각기 FR1, FR2 및 FR3의 피드백 응답 신호가 수신된 상태를 도시하고 있다.
송신 코일 TC14의 경우, 물리적으로는 배터리 장치와 커플링되고 있지만, 배터리 장치의 2차 코일(451)과는 자기적으로 커플링되어 있지 않다. 따라서, 대기 모드 상태에서 송신 코일 TC14가 구동되더라도 안테나 코일에는 피드백 응답 신호가 수신되지 않는다. 또한, 송신 코일 TC12의 경우, 2차 코일(451)과 자기적으로 일부 커플링되고 있지만, 위치 어긋남으로 인해 2차 코일에 유기되는 전압은 매우 낮을 수 밖에 없다. 따라서, 비록 유도 기전력은 생성되지만, 배터리 장치의 제어 회로(457)를 구동할 수 없기 때문에 안테나 코일에는 여전히 피드백 응답 신호가 수신되지 않는다.
이와 같이, 제어 회로(457)는 송신 코일 TC1 내지 TC14를 순차적으로 구동하면서, 배터리 장치(450)로부터의 피드백 응답 신호를 대기한다. 이때, 특정한 송신 코일의 구동시에 피드백 응답신호가 수신되면, 해당 송신 코일의 순번(#)을 내부 메모리에 임시 저장한다.
한편, 상기 단계 S35에서, n의 값이 15에 도달하면, S45로 진행하여 피드백 응답 신호를 대기한다. 이때, 피드백 응답신호가 존재하면, 상기 S30과 마찬가지로 해당 송신 코일의 순번인 #15를 내부 메모리에 임시 저장하고(S50), 피드백 응답 신호가 존재하지 않으면, 대기 모드를 중단하고 충전 모드로 전환한다.
즉, 상기 제어 회로(405)는 상기 내부 메모리를 조회하여 임시 저장되어 있는 송신 코일의 순번(#7, #8, #13)을 판독하고, 이 판독 결과에 근거하여 전력분배회로(403)와 충전모드 조절회로(406)를 제어함으로써 송신 코일 TC7, TC8, TC13를 충전 모드로 전환하고, 나머지 송신 코일은 구동을 중단한다.(S55, S60)
이에 따라, 송신 코일(TC7, TC8, TC13)에는 폭 w2인 구동 펄스가 인가되고, 이 송신 코일들과 자기적으로 커플링 되는 2차 코일(451)에는 대응하는 충전 전력 펄스가 유도된다. 이렇게 유도된 충전 전력은 정류기(453)를 거쳐 직류로 변환된 후, 정전압/정전류 회로(454)를 거쳐 배터리(259b)에 충전된다. 이때, 충전상태 검출회로(458)는 배터리(259b)에 인가되는 충전전류와 충전전압을 검출하여 제어 회로(457)에 전달한다. 제어 회로(457)는 상기 충전 전력 펄스의 하강 시점에 도 18과 같은 충전상태신호(CS1, CS2 등)를 충전장치(400)에 피드백한다.
배터리 장치(450)로부터 충전상태신호(CS1, CS2 등)를 피드백 받은 충전 장치의 제어 회로(405)는 배터리의 충전상태에 맞게 송신 코일(TC7, TC8, TC13)의 구동 레벨을 조절한다. 또한, 충전 모드를 진행하던중에 배터리가 만충전 상태에 도달하면, 상기 제어 회로(405)는 충전모드 조절회로(406)를 제어함으로써 송신 코일(TC7, TC8, TC13)의 구동 모드를 도 18과 같이 완충 모드로 전환한다. 완충 모드의 구동 펄스(w3)는 충전 모드의 구동 펄스(w2)에 비해 그 펄스폭(w3)이 매우 작고, 대기 모드의 구동 펄스(w1)와 비슷한 폭을 갖는다.
상술한 바와 같이, 본 실시예의 무접점 충전시스템은 송신 코일 어레이를 구성하는 모든 송신 코일을 구동시키는 것이 아니라 배터리 장치의 수신 코일과 자기적으로 커플링되는 송신 코일만을 구동시키기 때문에 종래의 시스템에 비해 에너지 소비를 현저하게 저감시키는 것이 가능하다. 또한, 배터리 장치의 수신 코일과 자기적으로 커플링되는 송신 코일을 검출하기 위해서 충전 모드에 비해 상대적으로 낮은 소비 전력을 갖는 예비적인 대기 모드를 운영한다. 또한, 송신 코일 어레이내에 다수의 송신 코일이 포함되어 있기 때문에 다수의 배터리 장치를 동시에 충전시키는 것도 가능하다.
상술한 본 발명의 제 4 실시예에서는 전력 분배 회로(403)를 정류기(402)와 코일 구동 회로(404) 사이에 배치하고 있으나, 전력 분배 회로를 단일한 코일 구동 회로와 다수의 송신 코일 사이에 배치하는 것도 가능하다.
또한, 본 발명의 제 4 실시예의 경우, 송신 코일의 구동 레벨을 조절하기 위해서 펄스폭 변조를 사용하고 있으나, 주파수 변조와 같은 다른 방법도 채택 가능하다.
상기 도 17에 도시된 실시예의 경우는 단일한 안테나 코일(408)이 코일 어레이(410)를 전체적으로 둘러싸는 구조를 갖지만, 송신 코일(TC1, TC2 ~ TCn) 각각에 대해 안테나 코일을 각기 별도로 배치하는 것도 가능하다.
이와 같이, 송신 코일과 안테나 코일이 한조를 이루면서 코일 블록을 형성하게 되면, 도 18과 같이 송신 코일을 순차적으로 구동시키면서 2차 코일과 커플링된 송신 코일을 일일이 찾을 필요가 없게 된다. 즉, 도 20과 같이 모든 송신 코일을 동시에 구동시키고, 2차 코일과 자기적으로 커플링을 이루는 송신 코일에 대해서만 피드백 신호를 응답받는 것이 가능해진다. 이 경우, 서로 다른 안테나 코일로 수신되는 피드백 신호를 구분하기 위하여 서로 다른 주파수를 사용하거나 서로 다른 코드를 사용할 수 있다.
본 실시예의 다른 변형예를 도 20 및 도 21을 참조하여 간략하게 설명하면 다음과 같다.
충전 장치(400)에 외부 전원(401)이 인가되면(S200), 제어 회로(405)는 전력분배회로(403)와 충전모드 조절회로(406)를 제어하여 송신 코일 어레이(410)를 구성하는 모든 송신 코일(TC1 ~ TC15)을 대기모드로 동시 구동한다.(S202)
송신 코일(TC1 ~ TC15)로부터 발생된 자기장은 외부로 방사되고, 2차 코일(451)과 자기적으로 커플링되는 송신 코일(예를 들어, TC2, TC8)로부터 발생된 자기장에 의해 2차 코일(451)의 출력단에 유기 기전력이 생성된다. 이때, 2차측 배터리 장치(450)가 송신 코일(TC1 ~ TC15)을 서로 구분할 수 있도록 송신 코일(TC1 ~ TC15)로부터 방사되는 신호는 서로 다른 주파수를 갖거나 서로 다른 코드를 가져야 한다.
2차측의 배터리 장치(450)는 2차 코일(451)의 출력단에 유기된 대기모드 전력 펄스를 분석하여 유도 기전력을 발생시킨 송신 코일의 순번(#)을 결정하고, 이 순번에 대한 정보를 피드백 응답 신호로서 1차측 충전 장치(400)에 전달한다.
이때, 1차측 충전 장치의 제어 회로(405)는 송신 코일들(TC1 ~ TC15)을 대기 모드로 발진시킨 후, 피드백 응답신호를 대기하면서 미리 결정된 시간(예를 들어, 50msec)을 초과하였는지 여부를 판단한다.(S204, S206)
이때, 미리 결정된 시간내에 2차측의 배터리 장치(450)로부터 피드백 응답 신호가 수신되면, 이 응답 신호를 분석하여 2차 코일(451)과 자기적으로 커플링(또는 위치 정합)을 이루는 송신 코일(예를 들어, TC2, TC8)을 선택한다.(S208)
제어 회로(405)는 전력분배회로(403)와 충전모드 조절회로(406)를 제어하는 것에 의해 상기에서 선택된 송신 코일(예를 들어, TC2, TC8)의 구동 모드를 대기 모드에서 충전 모드로 전환한다.(S210)
상술한 바와 같이, 송신 코일 어레이를 구성하는 모든 송신 코일을 동시에 구동하게 되면, 대기 모드로 운영하는 시간이 짧아지게 되어 불필요한 전력 소비를 절감할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 제 4 실시예는 충전 패드상에 다수의 송신 코일을 매트릭스 형태로 배치하고 있기 때문에 2차 코일과의 위치 어긋남을 사전에 예방하고, 다수의 휴대형 전자기기를 동시에 무접점 충전하는 것이 가능하다.
또한, 휴대형 전자기기측의 2차 코일과 위치 정합을 이루고 있는 1차 코일만을 선별하여 구동하는 것이 가능하기 때문에 에너지 낭비를 획기적으로 줄일 수 있다.
[ 실시예 5]
다음으로, 도 22 내지 도 24를 참조하여 본 발명의 제 5 실시예에 따른 충전 회로부와 코일부가 분리된 무접점 충전장치를 살펴본다.
도 1에 도시된 무접점 충전장치의 충전 모체(100)는 교류를 직류로 변환시키는 정류기와, 배터리 팩으로부터 송신된 데이터를 수신하는 수신부와, 수신된 데이터에 따라 1차 코일에 인가되는 펄스폭 변조신호를 생성하는 구동부를 포함한다.
이러한 충전 모체(100)는 정류기와 수신부와 구동부 등의 장치가 내부에 설치되기 때문에 그 디자인을 자유로이 변경시킬 수 없다는 문제점을 가지고 있다. 또한, 정류기와, 수신부 및 구동부 중 어느 하나에만 결함이 발생된 경우에도 충전모체 전체를 교환하여야 한다는 문제점을 가지고 있다.
따라서, 본 발명에 따른 제 5 실시예는 코일부의 디자인을 자유로이 변경할 수 있고, 충전 회로부와 코일부중 어느 하나만을 선택적으로 교체하는 것이 가능한 무접점 충전장치를 제공한다.
도 22는 본 발명의 제 5 실시예에 따른 충전 회로부와 코일부가 분리된 무접점 충전장치의 분해 사시도이고, 도 23은 상기 무접점 충전장치의 내부 기능 블록도이다.
도면을 참조하면, 상기 무접점 충전장치(500)는 서로 분리되고 선택적으로 접속되는 코일부(510)와 충전 회로부(550)를 구비한다.
상기 코일부(510)는 1차 코일(511)과, 배터리 장치(600)의 무선 송신모듈(620)(656)로부터 데이터를 수신하는 수신 안테나(512) 및, 충전 회로부(550)와의 연결을 위한 접속부재(515)를 구비한다. 코일부(510)는 배터리 장치(600)가 쉽게 안착될 수 있도록 패드 형태로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 1차 코일(511)과 후술하는 2차 코일(610)은 유도 결합에 의해 자기적으로 상호 커플링된다. 따라서, 2차 코일(610)이 1차 코일(511) 위에 병렬됨(juxtaposed)에 따라 1차 코일(511)에 의해 생성되는 자기장이 2차 코일(610) 내에 유도 전류를 유기하게 된다. 또한, 1,2차 코일(511)(610)은 각각 안테나(512)(620)에 의해 둘러 싸여져 있다.
상기 수신 안테나(512)는 무선송신모듈(620)(656)로부터 전송되는 피드백 응답 신호를 수신하여 수신부(556)에 전달한다. 이에 관해서는 아래에서 설명된다.
상기 접속부재(515)에는 케이블(559)의 끝단에 설치된 접속단자(551)가 삽입된다. 케이블(559)은 코일부(510)와 충전 회로부(550)를 서로 연결한다. 접속부재(515)와 접속단자(551)는 일반적인 유선 충전기 등에 널리 사용되는 부재이다.
상기 접속부재(515)와 접속단자(551)에 의하여 코일부(510)와 충전 회로부(550)가 선택적으로 접속되기 때문에 코일부(510)와 충전 회로부(550) 중 어느 하나에 결함이 발생한 경우에는 결함이 발생한 부분만을 교체할 수 있다.
이와 같이, 상기 무접점 충전장치(500)는 배터리(662)의 충전을 위해 필요한 정류기(552)와 구동수단(553)(555) 및 수신부(556) 등이 코일부(510)에 설치되지 않고 후술하는 충전 회로부(550)에 설치되기 때문에 코일부(510)의 크기와 디자인 등을 자유로이 변경할 수 있다는 장점이 있다.
상기 충전 회로부(550)는 정류기(552)와, 1차 코일(511)을 구동할 전력 펄스의 폭을 조절하는 구동 수단(553)(555) 및, 케이블(559)의 끝단에 설치된 접속단자(551)를 포함한다. 상기 구동 수단은 구동 회로(553) 및, 구동 회로(553)의 작동을 제어하는 제어기(555)를 구비한다. 한편, 접속단자(551)에 관해서는 전술한 바 있다.
상기 정류기(552)는 상용 교류 전원(501)으로부터 공급된 교류를 직류로 정류한 후, 구동 회로(553)에 전달한다. 구동 회로(553)는 정류기(552)에 의해 정류된 직류 전압을 이용하여 상용 주파수(60Hz) 이상의 고주파 교류 전압 펄스를 생성하고, 이를 1차 코일(511)에 인가하여 자기장(magnetic field)을 생성한다. 정류기(552)에 공급되는 외부 전원으로서는 가정용의 상용 교류 전원(60Hz,220V/100V)이 가장 바람직하지만, 다른 DC 전원도 채택 가능하다.
상기 구동 회로(553)는 다시 PWM 신호 발생기(554b)와 전력 구동부(554a)로 이루어진다.
상기 전력 구동부(554a)는 소정 레벨의 직류 전압을 컨버팅하여 상용 주파수 이상의 고주파 교류 전압을 발진하는 고주파 발진회로와 펄스폭 변조된 고주파 교류 전압 펄스를 1차 코일(511)에 인가하는 것에 의해 1차 코일(511)을 구동하는 드라이브 회로를 포함한다.
상기 PWM 신호 발생기(554b)는 고주파 교류 전압을 펄스폭 변조(PWM : pulse width modulation)시킨다. 따라서, 전력 구동부(553)의 출력단을 통해 배출되는 출력 신호는 고주파 교류 전압 펄스가 된다. 상기 고주파 교류 전압 펄스는 도 3에 도시된 것과 같은 펄스열(pulse train)이다. 상기 펄스열의 펄스폭은 제어기(555)에 의해 조절된다. 본 실시예에 따른 구동 회로(553)로는 예를 들어, 스위칭 모드 파워 서프라이(SMPS: switching mode power supply)가 채택될 수 있는데, 동일한 기능과 역할을 수행할 수 있다면 다른 균등 수단이 채택될 수 있음은 물론이다.
상기 제어기(555)는 무선 송,수신모듈(556)(512)(620)(656)을 경유하여 피드백되는 배터리의 충전상태정보에 근거하여 펄스폭 변조되는 고주파 교류 전압 펄스의 펄스폭을 조절한다. 특히, 제어기(555)는 충전 회로(550)로부터 피드백되는 응답신호가 충전시작신호인 경우, 도 3과 같이 1차 코일(511)의 구동 모드를 대기 모드에서 충전 모드로 전환한다. 또한, 충전 회로(550)로부터 피드백되는 충전상태정보를 분석한 결과, 배터리가 만충전인 것으로 판단되면, 도 3과 같이 1차 코일의 구동 모드를 충전 모드에서 완충 모드로 전환한다. 제어기(555)는 충전 회로(550)로부터 피드백되는 응답 신호가 없는 경우, 1차 코일(511)의 구동 모드를 대기 모드로 유지한다.
이와 같이, 충전 회로부(550)의 제어기(555)는 배터리 장치(600)로부터의 응답 신호의 유,무와 그 내용에 따라 1차 코일(511)을 구동하는 모드를 대기 모드, 충전 모드 및 완충 모드로 전환한다.
상기 수신부(556)는 무선송신모듈(620, 656)로부터 전송되는 피드백 응답 신호를 복조하여 배터리(662)의 충전상태정보를 복원한다.
본 실시예의 충전 회로부(550)는 회로를 과전압으로부터 보호하기 위한 과전압 필터회로나 정류기에 의해 정류된 직류 전압을 소정 레벨의 전압으로 유지시키기 위한 정전압 회로를 더 포함할 수 있다. 상기 과전압 필터회로는 상용 교류전원(501)과 정류기(552) 사이에 배치되고, 정전압 회로는 정류기(552)와 구동 회로(553) 사이에 배치되는 것이 바람직하다.
다음으로, 상기 코일부(510)로부터 전력을 공급받아 배터리(662)를 충전하는 배터리 장치(600)에 대해서 살펴본다. 배터리 장치(600)는 배터리(662)와, 배터리(662)를 충전하는 충전부(650)를 구비한다.
상기 배터리 장치(600)는 배터리가 내장된 배터리팩이나, 배터리를 내장하고 있는 휴대형 전자기기를 나타낸다. 바람직한 휴대형 전자기기로서는 셀룰러폰, PDA, MP3 플레이어 등을 들 수 있다. 배터리 장치(600)에 내장되는 배터리(662)는 재충전 가능한 전지셀로서 리튬 이온 전지나 리튬 폴리머 전지 등을 포함한다.
상기 충전부(650)는 2차 코일(610)과, 정류기(651)와, 정전압/정전류 회로(652)와, 폴링 검출기(653)와, 제어기(655) 및, 무선송신모듈(620)(656)을 포함한다.
상기 2차 코일(610)은 1차 코일(511)에 자기적으로 결합되어 유도 기전력을 발생시킨다. 상술한 바와 같이, 1차 코일(511)에 인가되는 전력 신호가 펄스폭 변조신호이기 때문에 2차 코일(610)에 유기되는 유기 기전력 역시 교류 전압 펄스열이다. 또한, 1차 코일(511)의 구동 모드에 따라 2차 코일(610)에 유기되는 교류 전압 펄스 역시 도 3과 같이 대기 모드, 충전 모드 및 완충 모드중 어느 하나의 형태를 따르게 된다.
상기 정류기(651)는 2차 코일(610)의 출력단에 연결되어 2차 코일(610)에 의해 유도된 교류 전압 펄스를 일정한 레벨의 직류로 평탄화한다.
상기 정전압/정전류 회로(652)는 소정 레벨의 직류 전압을 이용하여 배터리에 충전할 정전압과 정전류를 생성한다. 즉, 배터리의 초기 충전시점에서 정전류 모드를 유지하다가 배터리의 충전전압이 포화상태가 되면, 정전압 모드로 전환한다.
상기 폴링 검출기(653)는 2차 코일에 의해 유도된 교류 전압 펄스의 하강 시점 즉, 폴링 시점(falling time)을 검출하는 장치이다. 이 폴링 검출 신호는 제어기(655)로 입력된다.
상기 제어기(655)는 일종의 마이크로 프로세서로서, 폴링 검출 신호, 충전 전류, 충전 전압 등과 같은 모니터링 신호를 입력 받고, 모니터링 신호에 근거하여 정전압/정전류 회로(652)와 무선송신모듈(620)(656)을 제어한다.
즉, 폴링 검출기(653)로부터 입력되는 폴링 검출 신호에 근거하여 펄스의 하강 시점을 파악하고, 수신 안테나(512)에 전송할 피드백 응답 신호의 전송 시점을 상기 펄스의 하강 시점에 동기화시킨다.
또한, 제어기(655)는 배터리(662)의 충전 전류와 충전 전압을 상시적으로 모니터링하고, 상기 모니터링 값을 내부 메모리(미도시)에 임시 저장한다. 상기 메모리는 모니터링된 충전 전류와 충전 전압과 같은 배터리 충전상태 정보 뿐만 아니라 배터리 사양정보(제품 코드, 정격 등)도 함께 저장한다.
또한, 제어기(655)는 배터리(662)의 충전 상태에 따라 정전압 모드와 정전류 모드를 적절히 선택, 전환한다.
상기 무선송신모듈(620)(656)은 수신 안테나(512)에 전송할 피드백 응답 신호(충전시작신호 또는 충전상태신호)를 송신하는 송신 안테나(620)와, 충전상태정보와 같은 베이스밴드 신호를 변조하여 피드백 응답 신호를 생성하는 송신부(656)를 포함한다.
상기 정전압/정전류 회로(652)와 배터리(662) 사이에는 배터리(662)에 과전압이나 과전류가 인가되는 것을 방지하기 위한 보호 회로(PCM)(661)가 배치된다. 보호 회로(661)와 배터리(662)는 하나의 단일 배터리 유닛(660)을 구성한다.
다음으로, 도 3을 참조하여 배터리의 충전 상태를 모드별로 나누어서 설명한다. 여기서, 설명의 편의상 상기 충전 회로부(550)와 코일부(510)는 1차 충전유닛으로, 상기 배터리 장치(600)는 2차 충전유닛으로 정의한다.
상용 교류 전원(501)과 같은 외부 전원이 1차 충전유닛에 인가되면, 1차 충전 유닛의 제어기(555)가 깨어나서(wake-up) 구동 회로(553)를 제어함으로써 1차 코일(511)을 드라이브한다.
즉, 제어기(555)는 2차 충전유닛으로부터 어떠한 응답도 수신되지 않는 경우, 이를 대기모드로 판단하고, 도 3과 같이 폭이 w1이고, 주기가 t1인 대기모드 전력 펄스열을 1차 코일(511)에 인가하도록 구동 회로(553)를 제어한다. 이에 따라, 1차 코일(511)은 대기모드 전력 펄스열에 대응하는 자계를 발생시키고, 이를 외부로 방사한다. 이러한 자계의 방사는 도 3에 도시된 충전시작신호가 1차 충전유닛의 무선수신모듈(512)(556)로 수신될 때까지 계속된다.
배터리 장치(600)가 코일부(550)에 안착됨에 따라 1차 코일(511)과 2차 코일(610)이 자기적으로 커플링되면(도 3의 T지점), 1차 코일(511)로부터 발생된 자기장에 의해 2차 코일(610)의 출력단에도 폭이 w1이고, 주기가 t1인 대기모드 전력 펄스열이 유도된다. 상기 전력 펄스열은 그 전력량이 배터리를 충전하기에는 미약하기 때문에 2차 충전유닛의 내부 회로의 구동전원(특히, 마이크로 프로세서의 구동 전원)으로 사용된다. 즉, 대기 모드의 전력 펄스는 1차 코일(511)과 2차 코일(610)이 커플링 되기 전에는 외부로 방사되어 소비되고, 1차 코일(511)과 2차 코일(610)이 커플링 되면 마이크로 프로세서를 깨우는(wake-up) 구동 전원으로 사용된다.
이와 같이, 2차측에 유도 기전력이 유기되면, 2차 충전유닛의 폴링 검출기(653)는 상기 유도 펄스의 하강 시점(또는 폴링 타임)을 체킹한다. 이때, 폴링 검출기(653)가 펄스의 하강 시점을 검출하게 되면, 폴링 검출 신호가 2차 충전유닛의 제어기(655)에 입력되고, 제어기(655)는 도 3의 충전시작신호를 무선송신모듈(620)(656)을 경유하여 1차 충전유닛으로 피드백 응답한다. 즉, 보다 상세하게 설명하면, 폴링 검출 신호가 입력됨에 따라, 제어기(655)는 내부 메모리를 조회하여 충전상태정보가 존재하는지 여부를 판단한다. 이때, 메모리 내에 충전상태정보가 존재하지 않으면, 현재의 상태가 대기 모드인 것으로 판단하여 1차 충전유닛에 충전 모드로의 전환을 지시하는 충전시작신호를 응답한다.
2차 충전유닛으로부터 충전시작신호를 피드백 받은 1차 충전유닛의 제어기(555)는 도 3와 같이 대기모드를 충전모드로 전환한다. 즉, 구동 회로(553)를 제어하여 1차 코일에 폭이 w2이고, 주기가 t2인 충전모드 전력 펄스열을 드라이브한다. 여기서, w2는 적어도 w1에 비해서 더 크다.
이에 따라, 2차 코일(610)의 출력단에는 폭이 w2이고, 주기가 t2인 충전모드 전력 펄스열이 유도되고, 이 전력 펄스열을 정류하여 배터리(262)를 충전하게 된다. 배터리의 충전은 공지의 정전류 모드와 정전압 모드를 사용한다.
한편, 2차 코일(610)의 출력단에 폭이 w2이고, 주기가 t2인 충전모드 전력 펄스열이 유도됨에 따라, 폴링 검출기(653)는 각 펄스의 하강 시점을 체킹한다. 이때, 펄스의 하강 시점이 검출되면, 제어기(655)는 미리 모니터링 되어 메모리에 저장되어 있는 충전상태정보(예를 들어, 충전 전압, 충전 전류)를 판독한다. 이렇게 판독된 충전상태정보는 무선 송신모듈(656)(620)을 경유하여 1차 충전유닛으로 피드백 응답된다.
2차 충전유닛으로부터 충전상태정보를 피드백 받은 1차 충전유닛의 제어기(555)는 이 충전상태정보를 분석하고, 이 분석 결과에 근거하여 구동회로(553)를 제어함으로써 1차 코일(511)에 인가되는 전력 펄스의 펄스폭을 조절한다.
이때, 상기 충전상태정보를 분석한 결과, 배터리가 이미 만충전된 것으로 판단되면, 1차 충전유닛의 제어기(555)는 도 3과 같이 충전모드를 완충모드로 전환한다.
즉, 구동 회로를 제어하여 1차 코일에 폭이 w3이고, 주기가 t3인 완충모드 전력 펄스열을 드라이브한다. 여기서, w3는 w2 보다는 작고 w1과 같거나 더 큰 것이 바람직하다.
상기 완충 모드의 경우에도 펄스의 하강 시점에 충전상태정보가 2차 충전유닛으로부터 1차 충전유닛으로 피드백 되고, 1차 충전유닛의 제어기는 이 충전상태정보를 분석하여 완충모드를 계속 유지할 것인지 아니면, 충전 모드로 복귀할 것인지를 결정한다.
상술한 바와 같이, 본 실시예의 경우 1차 코일(511)과 2차 코일(610) 사이에 전달되는 전력 신호(전력 펄스열)와 무선송신모듈(656)(620)과 무선수신모듈(512)(556) 사이에 전달되는 통신 신호(피드백 응답 신호)가 서로 시간적으로 중첩되지 않도록 시분할 되어 있다. 즉, 상기 통신 신호는 전력 신호의 하강 시점에 동기되어 전송된다. 따라서, 전력 신호와 통신 신호가 동시에 전달됨으로서 발생하게 되는 신호(특히, 통신 신호)의 간섭현상이나 왜곡 및 희석화 현상을 방지할 수 있다.
또한, 본 실시예의 경우, 충전 모드와 별개로 대기 모드와 완충 모드를 가진다. 따라서, 1차 코일에 의해 외부로 방사되어 소비되는 에너지를 최소화시킴으로써 기존의 무접점 충전장치에 비해 전력 소모를 절감하는 것이 가능하다.
한편, 도 24는 본 발명에 따른 제 5 실시예의 다른 변형예에 따른 무접점 충전장치(500')의 내부 기능 블록도이다. 상기 충전장치(500')는 서로 분리되고 선택적으로 접속되는 코일부(510')와 충전 회로부(550')를 구비한다. 상기 충전장치(500')에서는 구동수단(553)(555)과 수신부(556)가 코일부(510')에 내장된다. 도 24에서 도 23의 참조 부호와 동일한 부호를 가진 부재는 동일한 기능을 하는 동일한 부재이다.
즉, 코일부(510')는 1차 코일(511)과, 배터리 장치(600)의 무선 송신모듈(656)(620)로부터 데이터를 수신하는 무선 수신모듈(512)(556)과, 1차 코일(511)을 구동할 전력 펄스의 폭을 조절하는 구동 수단(553)(555)을 포함한다. 충전 회로부(550')는 교류 전원(501)으로부터 공급된 교류를 직류로 변환하는 정류기(552)를 포함한다.
이와 같이, 본 발명의 제 5 실시예에 따른 충전 회로부와 코일부가 분리된 무접점 충전장치는 코일부의 디자인을 자유로이 변경할 수 있고, 충전 회로부와 코일부중 어느 하나만을 선택적으로 교체하는 것이 가능하다.
[ 실시예 6]
다음으로, 도 25 내지 도 29를 참조하여 본 발명의 제 6 실시예에 따른 유선 충전부를 구비하는 무접점 충전장치를 살펴본다.
통상적인 무접점 충전장치는 배터리를 충전하면서 동시에 전자기기를 사용할 수 없다는 문제점을 가지고 있다.
따라서, 본 발명의 제 6 실시예는 배터리를 충전하면서 동시에 전자기기를 사용할 수 있도록 유선 방식의 충전과 무접점 방식의 충전을 함께할 수 있는 충전장치를 제공한다.
도 25는 본 발명의 제 6 실시예에 따른 유선 충전부를 구비하는 무접점 충전장치를 나타낸 사시도이고, 도 26은 상기 도 25의 무접점 충전장치의 커넥터가 외부로 인출된 것을 나타낸 도면이며, 도 27은 상기 무접점 충전장치의 내부 기능 블록도이다.
도면을 참조하면, 상기 무접점 충전장치(700)는 유선 충전부(740)와 무접점 충전부(750)를 구비한다. 유선 충전부(740)와 무접점 충전부(750)는 소정의 프레임(751) 내부에 함께 내장된다.
상기 유선 충전부(740)는 교류 전원(701)으로부터의 교류를 직류로 정류하는 정류기(744)와, 고주파 발진회로 및 드라이브 회로를 포함하는 전력 구동부(745)와, 변압기(746)와, 변압기(746)의 2차 코일에 유도된 교류 전압 펄스를 일정한 레벨의 직류로 평탄화하는 정류기(747)와, 소정 레벨의 직류 전압을 이용하여 배터리에 충전할 정전압과 정전류를 생성하는 정전압/정전류 회로(748) 및, 배터리(862)와의 접속을 위한 커넥터(743)를 구비한다.
상기 정류기(744)는 상용 교류 전원(701)으로부터의 교류를 직류로 정류한 후 전력 구동부(745)에 전달한다.
상기 전력 구동부(745)는 소정 레벨의 직류 전압을 컨버팅하여 상용 주파수 이상의 고주파 교류 전압을 발진하는 고주파 발진회로와, 펄스폭 변조된 고주파 교류 전압 펄스를 변압기(746)의 1차 코일에 인가하는 것에 의해 1차 코일을 구동하는 드라이브 회로를 포함한다.
상기 변압기(746)는 1차 코일과 2차 코일을 포함한다. 상기 정류기(747)는 2차 코일의 출력단에 연결되어 2차 코일에 의해 유도된 교류 전압 펄스를 일정한 레벨의 직류로 평탄화한다.
상기 정전압/정전류 회로(748)는 소정 레벨의 직류 전압을 이용하여 배터리에 충전할 정전압과 정전류를 생성한다. 즉, 배터리의 초기 충전시점에서 정전류 모드를 유지하다가 배터리의 충전전압이 포화상태가 되면, 정전압 모드로 전환한다.
상기 커넥터(743)는 유선 충전부(740)와 배터리(862)를 연결하는 케이블(742)의 끝단에 설치된다. 상기 커넥터(743)는 휴대폰 충전용 등으로 널리 사용되는 부재이다.
바람직하게, 상기 프레임(751)에는 커넥터(743)와 형합하는 관통홈이 형성되고, 커넥터(743)는 관통홈에 삽입된 상태로 보관되고 유선 충전부(740)를 사용하는 경우에는 관통홈으로부터 인출된다.
한편, 상기 전력 구동부(745)는 정류기(744)로부터 직류 전류를 공급받고 정류기(747)의 전류는 정전압/정전류 회로(748)로 공급되고 있으나, 도 28에 나타난 바와 같이, 전력 구동부(745)는 무접점 충전부(750)의 정류기(752)로부터 직류 전류를 공급받고 정류기(747)는 충전 회로(850)의 정전압/정전류 회로(852)와 연결되어 전류를 공급할 수도 있다.
또한, 도 29에 나타난 바와 같이, 변압기(746)는 무접점 충전부(750)의 전력 구동부(754a)로부터 전류를 공급받고, 변압기(746)의 전류는 충전 회로(850)의 정류기(851)로 공급될 수도 있다.
상기 무접점 충전부(750)는 1차 코일(710), 정류기(752), 구동회로(753), 제어기(755) 및, 무선수신모듈(720)(756)을 포함한다.
상기 정류기(752)는 상용 교류 전원(701)으로부터의 교류 전압을 직류로 정류한 후, 구동 회로(753)에 전달한다. 상기 구동 회로(753)는 정류기(752)에 의해 정류된 직류 전압을 이용하여 상용 주파수 이상의 고주파 교류 전압 펄스를 생성하고, 이를 1차 코일(710)에 인가하여 자계(magnetic field)를 생성한다.
상기 구동 회로(753)는 다시 PWM 신호 발생기(754b)와 전력 구동부(754a)로 이루어진다.
상기 전력 구동부(754a)는 소정 레벨의 직류 전압을 컨버팅하여 상용 주파수 이상의 고주파 교류 전압을 발진하는 고주파 발진회로와, 펄스폭 변조된 고주파 교류 전압 펄스를 1차 코일(710)에 인가하는 것에 의해 1차 코일(710)을 구동하는 드라이브 회로를 포함한다.
상기 PWM 신호 발생기(754b)는 상기 고주파 교류 전압을 펄스폭 변조(PWM : pulse width modulation)시킨다. 따라서, 전력 구동부(753)의 출력단을 통해 배출되는 출력 신호는 고주파 교류 전압 펄스가 된다. 상기 고주파 교류 전압 펄스는 도 3에 도시된 것과 같은 펄스열(pulse train)이다. 상기 펄스열의 펄스폭은 제어기(755)에 의해 조절된다. 본 실시예에 따른 구동 회로(753)로는 예를 들어, 스위칭 모드 파워 서프라이(SMPS: switching mode power supply)가 채택될 수 있는데, 동일한 기능과 역할을 수행할 수 있다면 다른 균등 수단이 채택될 수 있음은 물론이다.
상기 제어기(755)는 무선 송,수신모듈(756)(720)(820)(856)을 경유하여 피드백 되는 배터리(862)의 충전상태 정보에 근거하여 펄스폭 변조되는 고주파 교류 전압 펄스의 펄스폭을 조절한다. 특히, 제어기(755)는 충전 회로(850)로부터 피드백되는 응답신호가 충전 시작신호인 경우, 도 3과 같이 1차 코일(710)의 구동 모드를 대기 모드에서 충전 모드로 전환한다. 또한, 충전 회로(850)로부터 피드백 되는 충전상태정보를 분석한 결과, 배터리가 만충전인 것으로 판단되면, 도 3과 같이 1차 코일(710)의 구동 모드를 충전 모드에서 완충 모드로 전환한다. 상기 제어기(755)는 충전 회로(850)로부터 피드백되는 응답 신호가 없는 경우, 1차 코일(710)의 구동 모드를 대기 모드로 유지한다.
이와 같이, 제어기(755)는 배터리 장치(800)로부터의 응답 신호의 유,무와 그 내용에 따라 1차 코일(710)을 구동하는 모드를 대기 모드, 충전 모드 및 완충 모드로 전환한다.
상기 무선수신모듈(720)(756)은 충전 회로(850)의 무선송신모듈(820)(856)로부터 전송되는 피드백 응답 신호를 수신하는 안테나(720)와, 상기 피드백 응답 신호를 복조하여 배터리(862)의 충전상태정보를 복원하는 복조기와 같은 수신부(756)를 포함한다.
본 실시예의 무접점 충전부(750)는 회로를 과전압으로부터 보호하기 위한 과전압 필터회로나 정류기에 의해 정류된 직류 전압을 소정 레벨의 전압으로 유지시키기 위한 정전압 회로를 더 포함할 수 있다. 상기 과전압 필터회로는 상용 교류전원(701)과 정류기(752) 사이에 배치되고, 상기 정전압 회로는 정류기(752)와 구동 회로(753) 사이에 배치되는 것이 바람직하다.
다음으로, 무접점 충전부(750)로부터 전력을 공급받아 배터리(862)를 충전하는 충전 회로(850)에 대해서 살펴본다. 충전 회로(850)는 배터리(862)와 함께 배터리 장치(800)의 내부에 내장된다.
상기 충전 회로(850)는 2차 코일(810), 정류기(851), 정전압/정전류 회로(852), 폴링 검출기(853), 제어기(855) 및, 무선송신모듈(820)(856)을 포함한다.
상기 2차 코일(810)은 1차 코일(710)에 자기적으로 결합되어 유도 기전력을 발생시킨다. 상술한 바와 같이, 1차 코일(710)에 인가되는 전력 신호가 펄스폭 변조신호이기 때문에 2차 코일(810)에 유기되는 유기 기전력 역시 교류 전압 펄스열이다. 또한, 1차 코일(710)의 구동 모드에 따라 2차 코일(810)에 유기되는 교류 전압 펄스도 도 3과 같이 대기 모드, 충전 모드 및 완충 모드 중 어느 하나의 형태를 따르게 된다.
상기 정류기(851)는 2차 코일(810)의 출력단에 연결되어 2차 코일(810)에 의해 유도된 교류 전압 펄스를 일정한 레벨의 직류로 평탄화한다.
상기 정전압/정전류 회로(852)는 소정 레벨의 직류 전압을 이용하여 배터리에 충전할 정전압과 정전류를 생성한다. 즉, 배터리의 초기 충전시점에서 정전류 모드를 유지하다가 배터리의 충전전압이 포화상태가 되면, 정전압 모드로 전환한다.
상기 폴링 검출기(853)는 2차 코일(810)에 의해 유도된 교류 전압 펄스의 하강 시점 즉, 폴링 시점(falling time)을 검출하는 장치이다. 이 폴링 검출 신호는 제어기(855)로 입력된다.
상기 제어기(855)는 일종의 마이크로 프로세서로서, 폴링 검출 신호, 충전 전류, 충전 전압 등과 같은 모니터링 신호를 입력 받고, 상기 모니터링 신호에 근거하여 정전압/정전류 회로(852)와 무선송신모듈(820)(856)을 제어한다.
즉, 폴링 검출기(853)로부터 입력되는 폴링 검출 신호에 근거하여 펄스의 하강 시점을 파악하고, 무접점 충전부(750)에 전송할 피드백 응답 신호의 전송 시점을 상기 펄스의 하강 시점에 동기화시킨다.
또한, 제어기(855)는 배터리의 충전 전류와 충전 전압을 상시적으로 모니터링하고, 상기 모니터링 값을 내부 메모리(미도시)에 임시 저장한다. 미도시된 상기 메모리는 모니터링된 충전 전류와 충전 전압과 같은 배터리 충전상태정보 뿐만 아니라 배터리 사양정보(제품 코드, 정격 등)도 함께 저장한다.
아울러, 제어기(855)는 배터리(862)의 충전 상태에 따라 정전압 모드와 정전류 모드를 적절히 선택, 전환한다.
상기 무선 송신모듈(820)(856)은 무접점 충전부(750)에 전송할 피드백 응답 신호(충전시작신호 또는 충전상태신호)를 송신하는 안테나(820)와, 충전상태정보와 같은 베이스밴드 신호를 변조하여 피드백 응답 신호를 생성하는 송신부(856)를 포함한다.
상기 정전압/정전류 회로(852)와 배터리(862) 사이에는 배터리에 과전압이나 과전류가 인가되는 것을 방지하기 위한 보호 회로(PCM)(861)가 배치된다. 상기 보호 회로(861)와 배터리(862)는 하나의 단일 배터리 유닛(860)을 구성한다.
다음으로, 도 3을 참조하여 배터리의 충전 상태를 모드별로 나누어서 설명한다. 여기서, 설명의 편의상 무접점 충전부(750)는 1차 충전유닛으로, 배터리 장치(800)는 2차 충전유닛으로 정의한다.
상용 교류 전원(701)과 같은 외부 전원이 1차 충전유닛에 인가되면, 1차 충전 유닛의 제어기(755)가 깨어나서(wake-up) 구동 회로(753)를 제어함으로써 1차 코일(710)을 드라이브한다.
즉, 제어기(755)는 2차 충전유닛으로부터 어떠한 응답도 수신되지 않는 경우, 이를 대기모드로 판단하고, 도 3과 같이 폭이 w1이고, 주기가 t1인 대기모드 전력 펄스열을 1차 코일(710)에 인가하도록 구동 회로(753)를 제어한다. 이에 따라, 1차 코일(710)은 상기 대기모드 전력 펄스열에 대응하는 자계를 발생시키고, 이를 외부로 방사한다. 이러한 자계의 방사는 도 3에 도시된 충전시작신호가 1차 충전유닛의 무선수신모듈(720)(756)로 수신될 때까지 계속된다.
배터리 장치(800)가 충전 모체(700)에 안착됨에 따라 1차 코일(710)과 2차 코일(810)이 자기적으로 커플링되면(도 3의 T지점), 1차 코일(710)로부터 발생된 자기장에 의해 2차 코일(810)의 출력단에도 폭이 w1이고, 주기가 t1인 대기모드 전력 펄스열이 유도된다. 상기 전력 펄스열은 그 전력량이 배터리를 충전하기에는 미약하기 때문에 2차 충전유닛의 내부 회로의 구동전원(특히, 마이크로 프로세서의 구동 전원)으로 사용된다. 즉, 대기모드의 전력 펄스는 1차 코일과 2차 코일이 커플링되기 전에는 외부로 방사되어 소비되고, 1차 코일과 2차 코일이 커플링되면 마이크로 프로세서를 깨우는(wake-up) 구동전원으로 사용된다.
이와 같이, 2차측에 유도 기전력이 유기되면, 2차 충전유닛의 폴링 검출기(853)는 상기 유도 펄스의 하강 시점(또는 폴링 타임)을 체킹한다. 이때, 폴링 검출기(853)가 펄스의 하강 시점을 검출하게 되면, 폴링 검출 신호가 2차 충전유닛의 제어기(855)에 입력되고, 제어기(855)는 도 3과 같은 충전시작신호를 무선송신모듈(820)(856)을 경유하여 1차 충전유닛으로 피드백 응답한다. 즉, 보다 상세하게 설명하면, 폴링 검출 신호가 입력됨에 따라, 제어기는 내부 메모리를 조회하여 충전상태정보가 존재하는지 여부를 판단한다. 이때, 메모리 내에 충전상태정보가 존재하지 않으면, 현재의 상태가 대기 모드인 것으로 판단하여 1차 충전유닛에 충전 모드로의 전환을 지시하는 충전시작신호를 응답한다.
2차 충전유닛으로부터 충전시작신호를 피드백 받은 1차 충전유닛의 제어기(755)는 도 3과 같이 대기모드를 충전모드로 전환한다. 즉, 구동 회로(753)를 제어하여 1차 코일에 폭이 w2이고, 주기가 t2인 충전모드 전력 펄스열을 드라이브한다. 여기서, w2는 적어도 w1에 비해서 더 크다.
이에 따라, 2차 코일(810)의 출력단에는 폭이 w2이고, 주기가 t2인 충전모드 전력 펄스열이 유도되고, 이 전력 펄스열을 정류하여 배터리(862)를 충전하게 된다. 배터리의 충전은 공지의 정전류 모드와 정전압 모드를 사용한다.
한편, 2차 코일(810)의 출력단에 폭이 w2이고, 주기가 t2인 충전모드 전력 펄스열이 유도됨에 따라, 폴링 검출기(853)는 각 펄스의 하강 시점을 체킹한다. 이때, 펄스의 하강 시점이 검출되면, 제어기는 미리 모니터링 되어 메모리에 저장되어 있는 충전상태정보(예를 들어, 충전 전압, 충전 전류)를 판독한다. 이렇게 판독된 충전상태정보는 충전송신모듈을 경유하여 1차 충전유닛으로 피드백 응답된다.
2차 충전유닛으로부터 충전상태정보를 피드백 받은 1차 충전유닛의 제어기(755)는 이 충전상태정보를 분석하고, 이 분석 결과에 근거하여 구동회로(753)를 제어함으로써 1차 코일(710)에 인가되는 전력 펄스의 펄스폭을 조절한다.
이때, 상기 충전상태정보를 분석한 결과, 배터리가 이미 만충전된 것으로 판단되면, 1차 충전유닛의 제어기(755)는 도 3과 같이 충전모드를 완충모드로 전환한다.
즉, 구동 회로를 제어하여 1차 코일에 폭이 w3이고, 주기가 t3인 완충모드 전력 펄스열을 드라이브한다. 여기서, w3는 w2 보다는 작고 w1과 같거나 더 큰 것이 바람직하다.
상기 완충 모드의 경우에도 펄스의 하강 시점에 충전상태정보가 2차 충전유닛으로부터 1차 충전유닛으로 피드백 되고, 1차 충전유닛의 제어기는 이 충전상태정보를 분석하여 완충모드를 계속 유지할 것인지 아니면, 충전 모드로 복귀할 것인지를 결정한다.
상술한 바와 같이, 본 고안의 경우 1차 코일과 2차 코일 사이에 전달되는 전력 신호(전력 펄스열)와 무선송신모듈과 무선수신모듈 사이에 전달되는 통신 신호(피드백 응답 신호)가 서로 시간적으로 중첩되지 않도록 시분할 되어 있다. 즉, 상기 통신 신호는 전력 신호의 하강 시점에 동기되어 전송된다. 따라서, 전력 신호와 통신 신호가 동시에 전달됨으로서 발생하게 되는 신호(특히, 통신 신호)의 간섭현상이나 왜곡 및 희석화 현상을 방지할 수 있다.
또한, 본 실시예의 경우, 충전 모드와 별개로 대기 모드와 완충 모드를 가진다. 따라서, 1차 코일에 의해 외부로 방사되어 소비되는 에너지를 최소화시킴으로써 기존의 무접점 충전장치에 비해 전력 소모를 절감하는 것이 가능하다.
이와 같이, 본 발명의 제 6 실시예인 유선 충전부를 구비하는 무접점 충전장치는 유선 방식의 충전과 무접점 방식의 충전을 모두 할 수 있기 때문에 배터리를 충전하면서도 전자기기를 사용할 수 있다.
[ 실시예 7]
다음으로, 도 30을 참조하여 본 발명의 제 7 실시예에 따른 과전류 감지 수단을 구비하는 무접점 충전 장치를 살펴본다.
무접점 충전 장치의 자기장(M)이 형성되는 영역에 금속성 이물질이 존재하면, 1차측 코일에서 바라본 부하 임피던스가 감소하여 무접점 충전장치의 충전 효율이 급격히 저하된다. 뿐만 아니라, 충전 전력을 동일하게 유지하기 위해 과전류가 발생되어 무접점 충전장치가 파손될 수 있고, 유도 가열 현상에 의해 금속성 이물질이 가열됨으로써 충전전력을 열손실에 의해 낭비하는 문제가 발생된다.
따라서, 본 발명의 제 7 실시예는 충전 모체의 충전영역에 존재하는 금속성 이물질에 의한 과전류 발생을 조기에 탐지하여 최적의 충전 상태를 유지하고, 충전 효율을 향상시킬 수 있는 무접점 충전 장치에 관한 것이다.
도 30는 본 발명의 제 7 실시예에 따른 무접점 충전 장치(900)의 구성을 도시한다. 도 30을 참조하면, 본 실시예에 따른 무접점 충전장치는 전원 공급부(910), 전력구동부(920), 1차 코일(930), 전류 측정 수단(940), 및 제어부(950)를 구비한다.
전원 공급부(910)는 상용 교류 전원(220V/60Hz)으로부터 인가되는 교류전압을 직류전압으로 변환하고, 일정한 레벨로 평탄화하여 전력구동부(920)에 전달한다.
전력구동부(920)는 전원 공급부(910)로부터 공급받는 직류 전압을 이용하여 상용 주파수(60Hz) 이상의 고주파 교류 전압 펄스를 생성하고, 이를 1차 코일(930)에 인가하여 자계를 생성한다.
바람직하게, 전력구동부(920)는 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(930)에 인가하는 구동회로를 포함할 수 있다.
전류 측정 수단(940)은 1차 코일(930)에 인가되는 전류를 측정하는 수단이다. 바람직하게, 전류 측정 수단(940)으로 홀소자(hall element)나 분로(shunt)회로를 이용한 회로가 채택될 수 있다. 구체적으로, 홀소자(hall element)는 전력구동부(920)와 1차 코일(930)을 연결하는 전력전송로 상에 설치되며, 전력전송로 상에 흐르는 전류로부터 발생하는 홀기전력을 전류로 변환하는 회로에 전달한다. 상기 변환회로는 변환된 전류값을 제어부(950)로 전송한다. 분로(shunt)회로는 전력전송로 상에 저항성이 작은 저항을 병렬로 연결하고, 다시 상기 저항에 캐패시터를 병렬로 연결하는 회로이다. 상기 분로회로에서 강하되는 전압과 임피던스 값은 전류 연산 회로에 전달되고, 이를 통해 산출되는 전류값은 제어부(950)로 전송된다.
제어부(950)는 전류 측정 수단(940)으로부터 입력되는 전류값을 기준값과 비교하고, 입력된 전류값이 기준값을 초과할 경우, 전력구동부(920)의 구동을 중단한다.
상기 기준값의 설정에 있어서, 1차 코일(930)에서 생성하는 자계에 2차 코일을 구비하는 배터리만 위치하는 상태에서, 1차 코일(930)에 인가되는 최대 전류값을 기준값으로 설정한다. 예컨대, 2차 코일에 의해 배터리에 유기되는 정격전류가 500mA일 때, 상기 정격전류를 유도하기 위해 1차 코일(930)에 요구되는 전류를 환산하고, 환산된 전류값을 기준값으로 설정한다.
구체적으로, 1차 코일(930)에서 생성하는 자계에 금속성 이물질이 위치할 경우, 1차 코일(930)에서 바라본 부하 임피던스 값이 감소하게 된다. 충전전력이 일정하게 유지되는 상태에서, 부하에 의한 임피던스가 감소하면, 1차 코일(930)에 인가되는 전류가 급격하게 증가한다.
하지만, 본 발명에서는 전류 측정 수단(940)이 1차 코일(930)에 인가되는 전류를 지속적으로 측정하여 제어부(950)로 입력하므로, 제어부(950)는 전류 측정 수단(940)을 통해 측정된 전류값이 기준값을 초과할 경우, 자계 내에 금속성 이물질이 위치함을 감지하여 전력구동부(920)의 구동을 중단한다.
또한, 본 실시예에 따른 무접점 충전장치(900)는 표시등, 경보음, 또는 음성안내 등의 경보수단(960)을 더 구비할 수 있다.
경보수단(960)은 제어부(950)에 의해 작동되며, 제어부(950)는 전류변화에 근거하여 금속성 이물질이 거치 되었다고 판단되면, 경보수단(960)을 작동시켜 무선충전 장치(900)에 이물질이 거치 되었음을 사용자에게 알려준다.
이하 첨부된 전술한 구성요소들을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 무접점 충전장치의 동작을 설명한다.
우선, 무접점 충전장치(900)가 상용전원(220V/60Hz)에 연결되면, 상용전원은 전원 공급부(910)를 통해 일정 레벨의 직류전압으로 변환되어 출력된다. 전원 공급부(910)에서 출력되는 직류 전압은 전력구동부(920)에 입력되고, 상용 주파수 이상의 고주파 교류전압으로 변환되어 출력된다. 이때, 고주파 교류전압은 펄스폭 변조되어 1차 코일(930)에 인가되고, 1차 코일(930)은 이에 대응하는 자기장을 형성하여 외부로 방사한다.
한편, 전류 측정 수단(940)은 수 내지 수십[μsec] 단위로 1차 코일(930)에 인가되는 전류를 모니터링 하여 제어부(950)에 전송한다. 제어부(950)는 입력되는 전류값을 기준값과 비교하여 전력구동부(920)의 구동 여부를 결정하고, 이에 상응하는 제어 신호를 전송한다.
만약, 1차 코일(930)에서 생성하는 자계에 이물질이 위치하게 되면, 1차 코일(930)에 인가되는 전류가 기준값 이상으로 증가하게 된다. 전류 측정 수단(940)을 통해 이(기준 전류값 초과)를 감지한 제어부(950)는 전력구동부(920)의 구동을 중단하고, 경보수단(960)을 작동시킨다.
이와 같이, 본 발명의 제 7 실시예에 따르면, 1차 코일에 의해 형성되는 자계에 거치되는 금속성 이물질을 탐지하기 위하여 1차 코일에 인가되는 전류를 감지함으로써, 무선 충전 장치의 충전 영역의 안정화 및 충전 효율을 높일 수 있다.
이상과 같이, 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.
상술한 바와 같이 본 발명은 배터리의 상태정보를 피드백 받아 충전 전력을 조절하기 때문에 2차측에 보다 적합한 전력의 공급이 가능하다.
또한, 본 발명은 1차측과 2차측 사이에서 송,수신되는 전력 신호와 통신 신호가 서로 중첩되지 않도록 동기화하고 있기 때문에 신호의 간섭, 왜곡 및 희석화로 인한 문제점을 손쉽게 해결한다.
또한, 시스템의 동작 모드를 충전 모드 이외에 절전형의 대기 모드와 완충 모드로 자유롭게 절환이 가능하도록 설계함으로써 기존의 시스템에 비해 전력을 95%까지 절감할 수 있다.

Claims (21)

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  5. 전기적으로 연결되는 배터리 셀에 충전전력을 공급하는 정전압 공급부를 구비하여 상기 정전압 공급부의 양단 전압에 대한 모니터링 결과를 무선 송출하는 무 접점 충전회로 모듈측으로 전자기 유도현상에 의해 충전전력을 전달하는 무접점 충전기에 있어서,
    교류전류를 입력받아 외부 공간에 자기장을 형성하는 자기장 발생부;
    상용 교류전류를 입력받아 일정한 직류로 변환하는 전원공급부;
    마이크로프로세서로부터 펄스구동신호를 입력받아 펄스신호를 출력하는 펄스신호 발생부 및 상기 펄스신호를 입력받아 상기 전원 공급부로부터 입력되는 정전압의 직류를 고속으로 스위칭하여 펄스 형태의 고주파 교류전류를 생성하는 전력 구동부를 포함하고, 상기 고주파 교류전류를 상기 자기장 발생부에 인가하는 고주파 전력 구동부; 및
    무선 통신을 통해 상기 무접점 충전회로 모듈로부터 상기 모니터링 결과를 전달받아 상기 고주파 전력 구동부를 제어하여 상기 자기장 발생부에 인가되는 고주파 교류전류의 전력을 조정함으로써 상기 무접점 충전회로 모듈측으로 전달되는 충전전력을 조정하는 충전전력 조정부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 무접점 충전기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 자기장 발생부는 양단에 고주파 교류전류가 인가되는 코일임을 특징으로 하는 무접점 충전기.
  7. 삭제
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 충전전력 조정부는 펄스 전류의 폭, 펄스 전류의 주파수, 펄스 전류의 진폭 또는 펄스의 수를 변조하여 충전전력을 조정하는 것을 특징으로 하는 무접점 충전기.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 전원 공급부는,
    상용 교류전류를 입력받아 과전압 전류를 차단하는 과전압차단 필터부;
    상기 필터부를 통과한 교류전류를 정류하여 전압이 일정한 직류전류로 변환하는 정류부; 및
    상기 직류전류를 입력받아 고주파 전력 구동부로 공급하는 정전압 공급부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 무접점 충전기.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 모니터링 결과는, 정전압/정전류 공급부의 양단 전압차, 양단 전압 값, 양단 전압이 과전압 상태임을 나타내는 코드 또는 충전전력 조정요구 신호인 것을 특징으로 하는 무접점 충전기.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 자기장 발생부에 인가되는 전류값을 참조하여 상기 고주파 전력구동부의 작동을 제어하는 전류 감시부를 포함하는 것을 특징으로 하는 무접점 충전기.
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