KR101374525B1 - 자기공진 방식 기반 무선 충전 제어 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 자기공진 방식 기반 무선 충전 제어 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 무접점 충전을 위한 전력을 발생하는 발진수단(110)과, 상기 전력이 입력되는 전원 소스 코일(120) 및 상기 전원 소스 코일(120)에 병렬로 연결되어, 정전용량(캐패시턴스, Capacitance)을 변환시켜 특정 주파수로 발진을 일으키는 전원 소스 콘덴서(121)를 포함하는 송신 발진 회로와, 상기 송신 발진 회로에 동일한 주파수로 공진할 수 있도록 유도용량 또는 정전용량을 변화시켜 공진을 일으키는 송신 공진 코일(130) 및 상기 송신 공진 코일(130)에 직렬로 연결되는 송신 공진 콘덴서(131)를 포함하는 송신 공진 회로를 포함하는 전력 송신부(100) 및 상기 전력 송신부(100)에 의해 발생된 전자파가 입력되며, 동일한 주파수에서 공진되어 입력된 에너지를 흡수할 수 있는 수신 공진 코일(210) 및 상기 수신 공진 코일(210)에 직렬로 연결되는 수신 공진 콘덴서(211)를 포함하는 수신 공진 회로와, 임피던스를 변화시켜 상기 수신 공진 회로에 저장된 에너지의 수전이 이루어지도록 하는 부하 소자 코일(220) 및 상기 부하 소자 코일(220)에 직렬로 연결되는 부하 소자 콘덴서(221)를 포함하는 수전 회로와, 배터리부로 전달되는 전류의 세기 및 충전 전압을 감지하여, 상기 수신 공진 콘덴서(211) 또는 상기 부하 소자 콘덴서(221)를 가변하는 제어 수단(230)을 포함하는 수신 충전부(200)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 자기공진 방식 기반 무선 충전 제어 시스템에 관한 것이다.

Description

자기공진 방식 기반 무선 충전 제어 시스템{System for Wireless charging control based Magnetic resonance type}
본 발명은 자기공진 방식 기반 무선 충전 제어 시스템에 관한 것으로, 상세하게는 전력 송신부와 수신 충전부 간에 수신 충전부의 현재 충전 상태 파악을 위한 별도의 송, 수신부를 필요로 하지 아니하고, 수신 충전부에 의한 배터리부의 충전 상태에 맞추어 가변 콘덴서나 스위치를 이용하여 부하 소자 코일의 부하 임피던스를 변화시킴으로써, 실시간으로 전력 송신부의 송신 출력을 변화하도록 하여 충전 중에 불필요한 송신 전력을 방지하여 보다 효율적이고 안전한 무선 충전이 이루어질 수 있는 자기공진 방식 기반 무선 충전 제어 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 배터리팩은 휴대전화, PDA(Personal Digital Assistants), MP3 플레이어, DMB(Digital Multimedia Broadcasting) 및 PMP(Portable Music Player) 등의 각종 휴대용 단말기에 전원을 공급하도록 휴대용 단말기와 결합되어 사용된다.
휴대용 단말기의 사용자는 배터리팩의 전압이 소정 레벨 이하로 떨어지면, 충전기를 이용하여 배터리팩을 충전한 후 다시 사용하게 되는데, 대부분의 배터리팩에는 충전기에 마련된 충전 단자에 전기적으로 연결될 수 있도록 외부로 노출된 접속 단자가 구비되어 있으며, 사용자는 충전기의 충전 단자와 배터리팩의 접속 단자를 서로 접촉하여 전기적인 연결 상태를 유지한 상태로 충전을 진행하게 된다.
그러나, 충전기의 충전 단자와 배터리팩의 접속 단자가 외부에 항상 노출되어 있으므로, 이물질에 의해 쉽게 오염될 수 있고, 뿐만 아니라 충전기와 배터리팩을 접촉하거나 분리하는 과정에서 마모가 발생되며, 습기가 있는 경우에는 충전 단자 또는 접속 단자가 부식되어 접속이 불량해짐을 물론이고, 배터리팩 내부에 습기가 침투하는 경우에는 배터리팩 자체의 수명 및 성능이 저하되는 많은 문제점이 있었다.
이에 따라서, 최근에는 휴대 장치의 전력 충전을 무접점 형식으로 하는 무접점 충전기가 개발되어 사용되고 있다.
무접점 충전기는 종래의 충전기와 배터리팩에 형성된 전기신호 전달을 위한 커넥터와 같이 무접점 충전기와 배터리팩 사이에 접점이 필요치 않은 제품을 말하며, 무접점 충전기와 배터리팩 사이에 전기신호가 코일을 통해 무선으로 전달되기 때문에 사용자는 배터리팩을 무접점 충전기 위에 올려놓으면 충전이 진행되게 된다..
즉, 배터리팩을 무선으로 충전하는 것을 의미하며, 이러한 무선 충전 방식은 크게 2가지로 나뉘어진다. 하나는 자기유도 방식이며, 또다른 하나는 자기공진 방식이다.
자기유도 방식은 무접점 충전기에 구비되어 있는 자기장 방사 코일 패드의 1차 코일에 전류를 흘려 자기장이 발생되며, 따라서 무접점 충전기의 바로 위에 놓인 배터리팩의 2차 코일에 유도전류가 흐르게 되어 충전되는 방식을 의미한다. 이러한 자기유도 방식은 수 mm ~ 수 cm 내외의 거리에서의 무선 충전이 가능하게 된다.
또한 자기공진 방식은 무접점 충전기와 배터리팩에 공진 코일을 장착하여, 무접점 충전기와 배터리팩의 공진 주파수가 일치할 때, 장치로 에너지가 전달되고 , 일치하지 않을 경우 전자장으로 흡수되는 방식을 의미하며, 이러한 자기공진 방식은 구현 방법에 따라 수 m 까지의 거리의 무선 충전이 가능하게 된다.
그러나, 이러한 무선 충전 방식을 이용하여 무선 전력 전송을 효율적으로 수행하기 위해서는, 전력을 송신하는 무접점 충전기에서 충전 전력을 무선으로 수신하여 충전하는 배터리팩의 현재 충전 상태를 정확하게 파악하여 불필요한 전력 송신을 제어할 수 있어야 한다.
이를 위해서, 배터리팩의 현재 충전 상태를 송신 측에 전달하여 송신되는 충전 전력을 제어할 수 있으나, 이는 무접점 충전기와 배터리팩에 각각 별도의 송, 수신 기능을 갖추어야 하는 불편함이 있다.
또한, 종래에는 자기유도 방식에서, 배터리팩의 임피던스를 변환하여 무접점 충전기의 송신 출력단의 전류 흐름을 변화하게 하여, 이 변화를 무접점 충전기에서 감지하여 배터리팩의 신호 정보를 해석하고, 이에 따라서 송신 정보를 만드는 변조부가 추가적으로 필요하며, 수신 정보를 알기 위해서 복조기가 추가적으로 필요하게 되는 문제점이 있다.
국내등록특허 제10-0971717호 ("휴대 단말기용 무접점 충전 및 데이터 통신 제어 모듈과 그 배치 구조", 이하 선행기술 1)에서는 휴대용 단말기의 배터리팩 및 커버 케이스에 충전 시스템의 전력 수신 코일과 전자 결재 시스템의 루프 안테나를 모두 탑재함으로써, 하나의 휴대용 단말기에서 무접점 충전 및 전자 결재가 모두 가능한 휴대 단말기용 무접점 충전 및 데이터 통신 제어 모듈과 그 배치 구조를 개시하고 있다.
하지만, 상기 선행기술 1은 무접점 충전을 위한 전력 수신 코일과 전자 결재 시스템을 위한 루프 안테나가 하나의 휴대용 단말기 안에 모두 탑재되어 있기 때문에, 휴대용 단말기 자체의 두께가 두꺼워질 뿐만 아니라, 휴대용 단말기의 면적이 증가됨으로써 휴대용 단말기임에도 불구하고, 정작 휴대하기가 불편한 문제점이 있다.
더불어, 종래의 유도방식에서 사용하는 QI 표준에 따른 무선 충전 칩은 배터리팩의 충전상태 정보의 전달 방법으로, 수신기의 임피던스를 변환하여 무접점 충전기인 무선 송신 패드의 송신 출력단의 전류 흐름이 변화하게 하고, 이를 감지하여 통신 신호를 변화시키는 것이나, 이는 수신단의 정보를 송신단에 전달하는 단일방향 통신에 불과하며, QI 표준 칩에서만 구현할 수 있고, 110KHz에서 250KHz 이내의 유도방식에서만 사용되기 때문에 다양한 구조, 다양한 주파수 및 다양한 충전방식 등에 적용할 수 없는 불편함이 있다.
국내등록특허 제10-0971717호 (등록일자 2010.07.15.)
본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 전력 송신부와 수신 충전부 간에 수신 충전부의 현재 충전 상태 파악을 위한 별도의 송, 수신부를 필요로 하지 아니하고, 수신 충전부에 의한 배터리부의 충전 상태에 맞추어 가변 콘덴서나 스위치를 이용하여 부하 소자 코일의 부하 임피던스를 변화시킴으로써, 실시간으로 전력 송신부의 송신 출력을 변화하도록 하여 충전 중에 불필요한 송신 전력을 방지하며, 변, 복조 및 디코더가 필요없게 되어 간략하게 회로를 구성할 수 있는 자기공진 방식 기반 무선 충전 제어 시스템을 제공함에 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자기공진 방식 기반 무선 충전 제어 시스템은, 무접점 충전을 위한 전력을 발생하는 발진수단(110)과, 상기 전력이 입력되는 전원 소스 코일(120) 및 상기 전원 소스 코일(120)에 병렬로 연결되어, 정전용량(캐패시턴스, Capacitance)을 변환시켜 특정 주파수로 발진을 일으키는 전원 소스 콘덴서(121)를 포함하는 송신 발진 회로와, 상기 송신 발진 회로에 동일한 주파수로 공진할 수 있도록 유도용량 또는 정전용량을 변화시켜 공진을 일으키는 송신 공진 코일(130) 및 상기 송신 공진 코일(130)에 직렬로 연결되는 송신 공진 콘덴서(131)를 포함하는 송신 공진 회로를 포함하는 전력 송신부(100) 및 상기 전력 송신부(100)에 의해 발생된 전자파가 입력되며, 동일한 주파수에서 공진되어 입력된 에너지를 흡수할 수 있는 수신 공진 코일(210) 및 상기 수신 공진 코일(210)에 직렬로 연결되는 수신 공진 콘덴서(211)를 포함하는 수신 공진 회로와, 임피던스를 변화시켜 상기 수신 공진 회로에 저장된 에너지의 수전이 이루어지도록 하는 부하 소자 코일(220) 및 상기 부하 소자 코일(220)에 직렬로 연결되는 부하 소자 콘덴서(221)를 포함하는 수전 회로와,배터리부로 전달되는 전류의 세기 및 충전 전압을 감지하여, 상기 수신 공진 콘덴서(211) 또는 상기 부하 소자 콘덴서(221)를 가변하는 제어 수단(230)을 포함하는 수신 충전부(200)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 수신 공진 콘덴서(211) 및 상기 부하 소자 콘덴서(221)는 버랙터 다이오드(varactor diode)로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 자기공진 방식 기반 무선 충전 제어 시스템은 상기 수신 충전부(200)의 상기 수신 공진 콘덴서(211)의 전압을 제어하여 상기 수신 공진 회로의 임피던스를 조절하거나, 상기 부하 소자 콘덴서(221)의 전압을 제어하여 상기 수전 회로의 임피던스를 조절하는 것을 특징으로 한다.
더불어, 상기 자기공진 방식 기반 무선 충전 제어 시스템은 상기 수신 공진 콘덴서(211) 또는 상기 부하 소자 콘덴서(221)의 정전용량에 따라, 상기 전력 송신부(100)의 입력 임피던스(impedance)를 변화시켜 상기 전력 송신부(100)에서 공급하는 충전 전류량을 제어하는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 제어 수단(230)은 상기 수신 공진 콘덴서(211) 또는 상기 부하 소자 콘덴서(221)의 정전용량을 가변하기 위해서, 하나의 콘덴서로 구성되어 상기 수신 공진 코일(210) 및 상기 부하 소자 코일(220)에 병렬 또는 직렬로 연결되는 것을 특징으로 한다.
또는, 상기 제어 수단(230)은 상기 수신 공진 콘덴서(211) 또는 상기 부하 소자 콘덴서(221)의 정전용량을 가변하기 위해서, 다수개의 콘덴서로 구성되어 상기 수신 공진 코일(210) 또는 상기 부하 소자 코일(220)에 직렬, 병렬 및 혼합으로 연결되며, 미리 설정된 고정값에 따라 선택 스위치로 제어하는 것을 특징으로 한다.
또는, 상기 제어 수단(230)은 상기 수신 공진 콘덴서(211) 또는 상기 부하 소자 콘덴서(221)의 정전용량을 가변하기 위해서, 온/오프 스위치로 구성되어 상기 수신 공진 코일(210) 또는 상기 부하 소자 코일(220)에 연결되며, 상기 온/오프 스위치를 이용하여 펄스시간 변조를 수행하여, 상기 수신 공진 회로 또는 상기 수전 회로의 부하 임피던스를 전류가 잘 전달되는 값 또는, 전류가 전달되지 않는 값으로 전환시켜 상기 전력 송신부(100)에서 공급하는 충전 전류를 펄스폭이나 펄스 주파수로 조정하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 자기공진 방식 기반 무선 충전 제어 시스템은 전력 송신부와 수신 충전부 간에 수신 충전부의 현재 충전 상태 파악을 위한 별도의 송, 수신부를 필요로 하지 아니하고, 수신 충전부에 의한 배터리부의 충전 상태에 맞추어 가변 콘덴서나 스위치를 이용하여 부하 소자 코일의 부하 임피던스를 변화시킴으로써, 실시간으로 전력 송신부의 송신 출력을 변화하도록 하여 충전 중에 불필요한 송신 전력을 방지하여 보다 효율적이고 안전한 무선 충전을 수행할 수 있는 장점이 있다.
또한, 완충이 된 경우, 전력 송신부에서 전력 송신을 중지하여, 전력 낭비를 막아주고 과충전으로부터 수신 충전부 및 배터리부를 보호할 수 있는 효과가 있다.
더불어, 별도의 변, 복조 및 디코더가 필요하지 않으므로 회로를 간단하게 구성할 수 있기 때문에 경제적이고, 기능적으로 효과적이다.
도 1은 통상의 무선 전력 전송 시스템을 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기공진 방식 기반 무선 충전 제어 시스템을 간략하게 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기공진 방식 기반 무선 충전 제어 시스템의 기본 결합 코일 구조를 나타낸 도면이다.
도 4는 도 3의 기본 결합 코일 구조를 최종 해석을 위해 간략하게 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기공진 방식 기반 무선 충전 제어 시스템의 제어 수단(230)을 나타낸 다양한 실시예이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기공진 방식 기반 무선 충전 제어 시스템을 이용한 무접점 충전 시, 전압과 전류의 관계를 나타낸 도면이다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 자기공진 방식 기반 무선 충전 제어 시스템을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한, 명세서 전반에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
이 때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
무선 전력 전송 분야의 국제 표준을 추진하고 있는 대표적인 사설표준화 기구로는 WPC(Wireless Power Consortium)이 있다. WPC는 세계 최초로 아시아, 유럽, 북미 등의 회사들의 협력체로 출발한 기구로서, 상호 호환되는 무선 충전에 대한 국제적인 표준을 제정하고자 설립되었다.
WPC의 설립 목적은 무선 전력 전송에 대한 상업적인 요구가 대두됨에 따라, 글로벌 시장에서 다양한 제품들이 사용될 수 있도록 무선으로 전력을 전송하기 위한 기술적인 솔루션을 표준화하고, 전력 송수신 관련한 사업체가 상호 호환할 수 있는 표준을 만들고 이러한 표준에 대한 로고를 채택하고 홍보하는 역할 및 개발된 제품에 대하여 검증, 시험, 인증 서비스를 구성하고 로고의 가이드 라인을 준수토록 하는데 있다.
한편, WPC의 설립은 2008년 10월에 이루어졌으며, 도 1은 WPC의 무선 전력 전송 시스템을 간략하게 나타낸 도면이다. 도 1은 충전기기 배터리 관리를 위하여 송, 수신부 사이에 통신이 제공되며, 전력 신호를 이용한 통신 방식을 채택하고 있다.
즉, 파워 변환 장치(Power Conversion Unit)는 전기를 무선 전력 신호로 변환하고, 파워 픽업 장치(Power Pick-up Unit)는 무선 전력 신호를 전기로 변환한다. 수신부(Receiver Unit)는 전력 신호에 부하변조를 통하여 제어 정보를 송신부(Transmitter Unit)로 전송하고, 송신부는 수신부로부터 제어 정보를 받기 위해 반사된 부하의 복조(demodulation)를 통해 메시지를 받고, 수신부가 부하에 필요로 하는 전력을 공급하기 위해 제어한다.
수신부의 요구되는 전력을 제어하기 위하여, 수신부는 실제 유도된 전력과의 차이를 계산하여 송신부에 에러 패킷을 전달하고, 송신부에서는 실제 인가된 전류를 측정하여 오차를 보상하기 위해 새롭게 인가할 전류를 계산하여, 적응제어 알고리즘을 통해 제어하고자 하는 파라미터의 동작점을 결정하고, 전려 변환 장치에 인가하여 조정하는 방식을 가지게 된다.
이러한 통신 프로토콜에 있어서,
수신부에서 일방적으로 송신부에 패킷(packet)을 전송하는 통신 구조로 되어 있으며, 인코딩 방식으로 Bi-Phase 방식을 사용한다. 통신 속도는 2Kbps의 전송 속도를 가지며, 패킷의 구조는 프리앰블(Preamble), 헤더(Header), 메시지(Message) 및 체크섬(Checksum)으로 이루어져 있다.
더불어, WPC의 무선 전력 전송 단계는 디바이스를 감지하는 Selection 단계, 처음 패킷을 받는 Ping 단계, 제품에 대한 고유 ID, 확장 ID 및 제어 파라미터에 대한 정보를 받기 위한 ID & Configuration 단계 및 전력 전송 단계인 Power transfer 단계로 이루어진다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자기공진 방식 기반 무선 충전 제어 시스템은 이러한 종래 기술의 단점인 전력 송신부와 수신 충전부 사이의 현재 충전 상태 정보의 송, 수신을 위한 송, 수신 수단을 없애고, 수신 충전부 자체에서 현재 충전 상태를 감지하여 수신 안테나에 연결된 동조 회로의 콘덴서 용량을 가변 콘덴서나 스위치를 이용하여 전압으로 가변하여 임피던스를 변화시켜, 전력 송신부의 송출 충전 전류가 제어될 수 있게 함으로써, 변조, 복조 및 디코더가 필요치 않게 되므로, 회로가 간단하게 구성되어 경제적으로 유리할 뿐만 아니라, 무선 충전을 보다 안전하고 효율적으로 제어할 수 있게 된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기공진 방식의 무선 충전 제어 시스템에 대해 간략하게 도시한 도면이다. 도 2를 참조로 하여 본 발명의 일 실시예에 따른 자기공진 반식의 무선 충전 제어 시스템의 구성에 대해 상세하게 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자기공진 방식의 무선 충전 제어 시스템은 전력 송신부(100), 수신 충전부(200) 및 상기 수신 충전부(200)로 인해 무접점 충전이 이루어지는 배터리부(미도시)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 전력 송신부(100)는 도 2에 도시된 바와 같이, 발진수단(110), 전원 소스 코일(120)과 상기 전원 소스 코일(120)에 연결되는 전원 소스 콘덴서(동조 콘덴서)(121)를 포함하는 송신 발진 회로 및 송신 공진 코일(130)과 상기 송신 공진 코일(130)에 연결되는 송신 공진 콘덴서(동조 콘덴서)(131)를 포함하는 송신 공진 회로를 포함하여 구성되며, 상기 수신 충전부(200)는 수신 공진 코일(210)과 상기 수신 공진 회로(210)에 연결되는 수신 공진 콘덴서(가변 콘덴서)(211)를 포함하는 수신 공진 회로, 부하 소자 코일(220)과 상기 부하 소자 코일(220)에 연결되는 부하 소자 콘덴서(가변 콘덴서)(221)를 포함하는 수전 회로, 및 제어 수단(230)을 포함하여 구성된다.
각 구성에 대해서 상세히 알아보자면, 상기 전력 송신부(100)의
상기 발진수단(110)은 상기 전력 송신부(100)와 상기 수신 충전부(200)간의 무접점 충전을 위한 전력을 발생할 수 있으며, 즉, 상기 발진수단(110)에서 발생한 전력이 상기 전력 송신부(100)와 상기 수신 충전부(200)간의 자기공진 방식 기반 무선 충전에 따라, 상기 배터리부로 전달될 수 있다.
상기 송신 발진 회로는 상기 전원 소스 코일(120)의 유도용량(인덕턴스, Inductance) 또는 상기 전원 소스 콘덴서(121)의 정전용량(캐패시컨스, Capacitance)을 변화시켜 상기 발진수단(110)의 발진 주파수와 공진을 일으킬 수 있다.
자세히 알아보자면, 상기 송신 발진 회로는 상기 발진수단(110)으로부터 발생하는 상기 전력이 입력되는 상기 전원 소스 코일(120) 및 상기 전원 소스 코일(120)에 병렬로 연결되어, 상기 전원 소스 코일(120)의 정전용량(캐패시턴스, Capacitance)을 변화시켜 특정 주파수로 발진을 일으키는 전원 소스 콘덴서(121)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 송신 공진 회로는 상기 송신 발진 회로와 마찬가지로, 상기 송신 공진 코일(130)의 유도용량 또는 상기 송신 공진 콘덴서(131)의 정전용량을 변화시켜 상기 발진수단(110)의 발진 주파수와 공진을 일으킬 수 있으며,
자세히 알아보자면, 상기 송신 공진 회로는 상기 송신 발진 회로에 동일한 주파수로 공진할 수 있도록 유도용량 또는 정전용량을 변화시켜 공진을 일으키는 상기 송신 공진 코일(130) 및 상기 송신 공진 코일(130)에 직렬로 연결되는 송신 공진 콘덴서(131)를 포함하여 구성될 수 있다.
이 때, 상기 송신 공진 회로는 상기 송신 발진 회로와 결합되어, 자기공진에 의해 전자파를 발생시킬 수 있다.
이 때, 상기 유도용량(기호 ; L, 단위 ; [H]), 즉, 인덕턴스란 코일 자체에 흐르는 전류의 변화에 의해 그 코일을 관통하는 자속이 변화하고, 코일 자체에서 자속의 변화를 방해하는 기전력이 유도된다. 이러한 현상을 자기 유도 작용이라 하며, 자기 유도 작용은 코일의 권선수, 철심의 유무 등에 따라 다르며, 그 작용의 정도를 의미한다. 다시 말하자면, 자기장에서 에너지를 일시적으로 저장하여 교류의 흐름에 저항하는 성질을 의미하며, 인덕터에 의해서 발생되며, 통상적으로 상기 유도용량이 증가하면 전류의 시간 변화율은 느려지고, 상기 인덕터의 권선수가 증가하면 상기 유도용량이 증가한다.
또한, 상기 정전용량(기호 ; C, 단위 ; [F]), 즉, 캐패시턴스는 절연된 도체간에서 전위를 주었을 때 전하를 축적하는 것을 의미하며, 다시 말하자면, 전기장에서 에너지를 일시적으로 저장하여 교류의 흐름에 저항하는 성질을 의미한다. 캐패시터에 의해 발생하며, 통상적으로 캐패시턴스의 값이 높다면 전압의 변화율이 더욱 느리고, 두 도체의 전압이 높다면 캐패시턴스는 증가한다.
더불어, 임피던스(기호 ; Z, 단위 ; [Ω])는 교류 회로에서의 인가전압 및 회로에 흐르는 전류의 비율을 의미하며, 통상적으로 임피던스는 하기의 수학식 1로 나타낼 수 있다.
Figure 112013076456679-pat00001
여기서, 실수부 R은 저항을 의미하며,
허수부 X는 리액턴스를 의미한다.
상기 수신 충전부(200)의
상기 수신 공진 회로는 상기 수신 공진 코일(210) 및 상기 수신 공진 코일(210)에 직렬로 연결되는 상기 수신 공진 콘덴서(211)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 수신 공진 회로는 상기 송신 공진 코일(130)을 포함하는 상기 송신 공진 회로에 의해 발생된 상기 전자파가 입력되며, 상기 수신 공진 콘덴서(211)는 상기 수신 공진 회로의 임피던스(impedance)를 변화시켜 상기 송신 공진 회로와 동일한 주파수로 공진을 일으킬 수 있다.
이 때, 상기 수신 공진 콘덴서는 버랙터 다이오드(varactor diode) 또는, 고정값의 콘덴서, 스위치로 구성될 수 있으며, 상기 버랙터 다이오드는 전압 변동에 의하여 정전용량을 변화시킬 수 있다. 즉, 상기 버랙터 다이오드는 전기적인 신호로 정전용량을 제어할 수 있다.
상기 수전 회로는 상기 부하 소자 코일(220) 및 상기 부하 소자 코일(220)에 직렬로 연결되는 상기 부하 소자 콘덴서(221)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 수전회로는 상기 수신 공진 회로에 저장된 에너지를 수신하며, 상기 수신 공진 회로와 마찬가지로, 상기 부하 소자 코일(220)의 임피던스를 변화시켜 공진을 일으킬 수 있다.
즉, 상기 부하 소자 콘덴서(221)는 상기 부하 소자 코일(220)에 직렬로 연결되어, 상기 임피던스를 변화시킴으로써 상기 송신 발진 회로와 동일한 주파수에서 수신 소자가 잘 수신할 수 있도록 한다.
더불어, 상기 부하 소자 콘덴서(221)는 상기 수신 공진 콘덴서(211)와 동일하게, 상기 버랙터 다이오드 또는, 고정값의 콘덴서, 스위치로 구성될 수 있다.
상기 제어 수단(230)은 상기 배터리부로 전달되는 전류의 세기 및 충전 전압을 감지하여, 상기 수신 공진 콘덴서(211) 및 상기 부하 소자 콘덴서(221)를 가변할 수 있다.
상기 제어 수단(230)은 상기 버랙터 다이오드를 사용할 경우, 상기 수신 충전부(200)의 상기 수신 공진 콘덴서(211) 또는 상기 부하 소자 콘덴서(221)의 전압을 제어함으로써 용량을 제어할 수 있으며, 고정값의 콘덴서, 스위치를 사용할 경우, 스위치 조절을 통해서 용량을 제어할 수 있다.
이를 통해서, 상기 수신 공진 회로 또는 상기 수전 회로의 조절된 정전용량에 따라,
상기 전력 송신부(100)의 입력 임피던스를 변화시킬 수 있으며, 상기 전력 송신부(100)에서 상기 수신 충전부(200)로 공급하는 충전 전류랑을 제어할 수 있다.
좀 더 자세히 알아보자면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기공진 방식 기반 무선 충전 제어 시스템의 기본 결합 코일 구조를 나타낸 도면이며, 도 4는 도 3의 기본 결합 코일 구조를 최종 해석을 위해 간략하게 나타낸 도면이다.
본 발명의 자기공진 방식 기반 무선 충전 제어 시스템에서 상기 수신 충전부(200)의 상기 수신 공진 회로 또는 상기 수전 회로의 정전용량의 조절하여, 상기 전력 송신부(100)의 입력 임피던스의 변화시키는 방법을 도 3 및 도 4를 참조로 하여 알아보자면,
상기 전력 송신부(100)의 입력 임피던스는 하기의 수학식 2로 나타낼 수 있다.
Figure 112013076456679-pat00002
Figure 112013076456679-pat00003

여기서, ／／는 병렬연결을 나타내며,
Figure 112013076456679-pat00004
이다.
상기의 수학식 2를 세부적으로 표현하자면, 하기의 수학식 3과 같다.
Figure 112013076456679-pat00005
즉, 상기 수학식 1의 입력 임피던스는 상기 수학식 3의 ZPM의 영향을 받고, 상기 ZPM은 상기 전원 소스 코일(120)의 유도용량 LP, 상기 송신 공진 코일(130)의 유도용량 LS, 상기 수신 공진 코일(210)의 유도용량 LR, 상기 부하 소자 코일(220)의 유도용량 LD 및 상기 송신 공진 콘덴서(131)의 정전용량 CS가 고정값일 때, 상기 수신 공진 콘덴서(211)의 정전용량 CR 또는 상기 부하 소자 콘덴서(221)의 정전용량 CD를 가변하여 변화시킬 수 있다.
다시 말하자면,
상기 부하 소자 콘덴서(221)의 정전용량 CD가 커지면 ZPM은 커지게 되며, 따라서, 상기 전력 송신부(100)의 입력 임피던스(ZIN)이 커지게 된다.
또한, 상기 수신 공진 콘덴서(211))의 정전용량 CR이 커지면 ZPM은 작아지게 되며, 따라서 상기 전력 송신부(100)의 입력 임피던스(ZIN)이 작아지게 된다.
더불어, 상기 전력 송신부(100)의 발진전압의 소스 임피던스가 Z0인 경우, V+, 반사된 전압을 V-로 표현하면,
반사계수 ρ는 하기의 수학식 4로 나타낼 수 있다.
Figure 112013076456679-pat00006
또한, 상기 배터리부로 전달되는 전력은 하기의 수학식 5로 나타낼 수 있다.
Figure 112013076456679-pat00007
이 때, 상기 제어 수단(230)은 상기 수신 공진 콘덴서(211) 또는 상기 부하 소자 콘덴서(221)의 정전용량을 가변하기 위해서, 도 5의 (a), (b), (c)에 도시된 바와 같이, 다양한 실시예로 구성될 수 있다.
상기 도 5의 (a)의 상기 제어 수단(230)은 하나의 콘덴서로 구성되어, 상기 수신 공진 코일(210) 및 상기 부하 소자 코일(220)에 병렬 또는 직렬로 연결될 수 있으며,
상기 도 5의 (b)의 상기 제어 수단(230)은 다수개의 콘덴서로 구성되어, 상기 수신 공진 코일(210) 또는 상기 부하 소자 코일(220)에 직렬, 병렬 및 혼합으로 연결되며, 미리 설정된 고정값에 따라 선택 스위치로 이용될 수 있다.
또한, 상기 도 5의 (c)의 상기 제어 수단(230)은 온/오프 스위치로 구성되어, 상기 수신 공진 코일(210) 또는 상기 부하 소자 코일(220)에 연결되며, 상기 온/오프 스위치를 이용하여 펄스시간 변조를 수행하여, 상기 수신 공진 회로 또는 상기 수전 회로의 부하 임피던스를 전류가 잘 전달되는 최적의 값 또는, 전류가 전달되지 않는 값으로 전환시켜 상기 전력 송신부(100)에서 공급되는 충전 전류를 펄스 폭이나 펄스 주파수로 조정할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기공진 방식 기반 무선 충전 제어 시스템을 이용한 무접점 충전 시, 전압과 전류의 관계를 나타낸 도면이며,
통상의 배터리부는 배터리 전압이 3V 이하가 되면, 시스템 전원을 차단하여 내부회로를 보호하게 된다. 이에 따라서, 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이, 충전의 시작은 3V로 나타나게 된다. 일정시간 동안 정전류가 최대로 흐르면서 전압이 상승하게 되며, 그 후로 상당시간동안 전압이 일정한 정전압 상태에서 전류가 떨어지며 충전이 이루어지게 된다.
도 6의 (b)는 배터리부가 완전 방전된 경우의 전압과 전류의 관계를 나타낸 도면이며, 이러한 경우, 도 6의 (a)와 같이 곧바로 정전류를 공급하게 되면 상기 배터리부가 손상되기 때문에, 일정 시간동안 세류(trickle) 전류를 공급하여 전압이 어느정도 상승한 후 정전류를 공급하게 된다.
이를 위해서, 상기 전력 송신부(100)는 별도의 동작을 통해서 상기 수신 충전부(200)로 제공되는 정전류를 제어할 수 있으나, 이 때, 불필요한 전력은 전력의 낭비 뿐만 아니라, 시스템에도 무리를 주게 된다.
즉, 다시 말하자면, 본 발명의 일 실시예에 따른 자기공진 방식 기반 무선 충전 제어 시스템은 상기 전력 송신부(100)를 통해서 상기 수신 충전부(200)로 제공되는 충전 전류를 적절히 제어하기 위해서, 상기 제어 수단(230)을 통해서 상기 배터리부에 유입되는 전류의 세기 및 상기 배터리부의 전압을 측정할 수 있다.
상기 수신 공진 콘덴서(211) 및 상기 부하 소자 콘덴서(221)를 버랙터 다이오드로 사용할 경우, 전압 제어를 통해 정전용량을 조절할 수 있으며, 고정값의 콘덴서, 스위치를 사용할 경우, 스위치 제어를 통해 정전용량을 조절할 수 있다.
이에 따라, 상기 전력 송신부(100)의 입력 임피던스를 변화시켜 상기 수신 충전부(200)로 공급되는 충전 전류값을 제어할 수 있다.
즉, 상기 배터리부의 전류량이 낮아지면 임피던스를 공급 전류량과 동일하게 낮아지도록 가변하고, 일정 시간이 지난 후, 상기 배터리부에 유입되는 전류의 세기 및 상기 배터리부의 전압을 재측정하여 지속적으로 상기 수신 충전부(200)로 공급되는 충전 전류값을 적절히 제어할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 소자 등과 같은 특정 사항들과 한 정된 실시예 도면에 의해 설명되었으나 이는 본발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것 일 뿐, 본 발명은 상기의 일 실시예에 한정되는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술되는 특허 청구 범위뿐 아니라 이 특허 청구 범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100 : 전력 송신부
110 : 발진수단
120 : 전원 소스 코일 121 : 전원 소스 콘덴서
130 : 송신 공진 코일 131 : 송신 공진 콘덴서
200 : 수신 충전부
210 : 수신 공진 코일 211 : 수신 공진 콘덴서
220 : 부하 소자 코일 221 : 부하 소자 콘덴서
230 : 제어 수단

Claims (7)

  1. 무접점 충전을 위한 전력을 발생하는 발진수단(110)과,
    상기 전력이 입력되는 전원 소스 코일(120) 및 상기 전원 소스 코일(120)에 병렬로 연결되어, 정전용량(캐패시턴스, Capacitance)을 변환시켜 특정 주파수로 발진을 일으키는 전원 소스 콘덴서(121)를 포함하는 송신 발진 회로와,
    상기 송신 발진 회로에 동일한 주파수로 공진할 수 있도록 유도용량 또는 정전용량을 변화시켜 공진을 일으키는 송신 공진 코일(130) 및 상기 송신 공진 코일(130)에 직렬로 연결되는 송신 공진 콘덴서(131)를 포함하는 송신 공진 회로를 포함하는 전력 송신부(100); 및
    상기 전력 송신부(100)에 의해 발생된 전자파가 입력되며, 동일한 주파수에서 공진되어 입력된 에너지를 흡수할 수 있는 수신 공진 코일(210) 및 상기 수신 공진 코일(210)에 직렬로 연결되는 수신 공진 콘덴서(211)를 포함하는 수신 공진 회로와,
    임피던스를 변화시켜 상기 수신 공진 회로에 저장된 에너지의 수전이 이루어지도록 하는 부하 소자 코일(220) 및 상기 부하 소자 코일(220)에 직렬로 연결되는 부하 소자 콘덴서(221)를 포함하는 수전 회로와,
    배터리부로 전달되는 전류의 세기 및 충전 전압을 감지하여, 상기 수신 공진 콘덴서(211) 또는 상기 부하 소자 콘덴서(221)를 가변하는 제어 수단(230)을 포함하는 수신 충전부(200);
    를 포함하여 구성되며,
    상기 제어 수단(230)은
    상기 수신 공진 콘덴서(211) 또는 상기 부하 소자 콘덴서(221)의 정전용량을 가변하기 위해서,
    온/오프 스위치로 구성되어 상기 수신 공진 코일(210) 또는 상기 부하 소자 코일(220)에 연결되며, 상기 온/오프 스위치를 이용하여 펄스시간 변조를 수행하여, 상기 수신 공진 회로 또는 상기 수전 회로의 부하 임피던스를 전류가 잘 전달되는 값 또는, 전류가 전달되지 않는 값으로 전환시켜 상기 전력 송신부(100)에서 공급하는 충전 전류를 펄스폭이나 펄스 주파수로 조정하는 것을 특징으로 하는 자기공진 방식 기반 무선 충전 제어 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 수신 공진 콘덴서(211) 및 상기 부하 소자 콘덴서(221)는
    버랙터 다이오드(varactor diode)로 구성되는 것을 특징으로 하는 자기공진 방식 기반 무선 충전 제어 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 자기공진 방식 기반 무선 충전 제어 시스템은
    상기 수신 충전부(200)의 상기 수신 공진 콘덴서(211)의 전압을 제어하여 상기 수신 공진 회로의 임피던스를 조절하거나, 상기 부하 소자 콘덴서(221)의 전압을 제어하여 상기 수전 회로의 임피던스를 조절하는 것을 특징으로 하는 자기공진 방식 기반 무선 충전 제어 시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 자기공진 방식 기반 무선 충전 제어 시스템은
    상기 수신 공진 콘덴서(211) 또는 상기 부하 소자 콘덴서(221)의 정전용량에 따라, 상기 전력 송신부(100)의 입력 임피던스(impedance)를 변화시켜 상기 전력 송신부(100)에서 공급하는 충전 전류량을 제어하는 것을 특징으로 하는 자기공진 방식 기반 무선 충전 제어 시스템.
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