KR101975839B1 - 무선 충전식 전지 및 그 구성요소들 - Google Patents

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Abstract

횡방향의 제1 코일과 제2 코일 및 상기 제1 코일과 제2 코일을 둘러싸는 제3 코일을 포함하는 무선 충전식 전지용 수신기 코일 조립체가 개시된다. 상기 수신기 코일은 무선 충전식 전지의 전력 수신기에 사용될 수 있다. 또한, 전기화학 셀로부터 분리 가능한 전력 수신기를 갖는 무선 충전식 전지가 개시된다.

Description

무선 충전식 전지 및 그 구성요소들{Wirelessly rechargeable battery and components thereof}
본 발명은 무선 충전식 전지에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 배타적이지는 않지만, 본 발명은 수신기 코일 토폴로지(receiver coil topologies), 전지 차폐 및 분리 가능한 전력 수신기에 관한 것이다.
무선 충전식 전지는, 다년간, 전동칫솔과 같은 기기들의 범주에서 사용되어 왔다. 그러한 기기들은 전형적으로 비표준 전지를 이용하거나 또는 용이하게 교체될 수 없다. 일반 소비자 전지는 여전히 전형적으로 재충전에 영향을 미치는 갈바닉 접속(galvanic connections)을 필요로 한다. 어떤 특별한 방향 또는 갈바닉 접속을 필요로 하지 않고, 충전 영역에 놓여질 경우 편리하게 무선으로 충전될 수 있는 소비자용 충전식 전지에 대한 요구가 있다.
전력 수신기는 전형적으로 소비자 응용에 대한 적당한 전지 용량을 보장하기 위하여 가능한 한 작을 필요가 있다. 또한 상기 전력 수신기는 어떤 방향에서도 충전 교류 자기장과 결합할 수 있을 필요가 있다 - 이는 전지가 충전 영역에 어떤 방향으로도 놓여질 수 있거나 또는 기기 내에 어떤 방향으로도 있을 수 있기 때문이다.
또한, 전지는 또한 충전 자기장 내에서 전기화학적 셀의 과열 없이 빠르게 충전될 수 있을 필요가 있다.
더욱이, 전지의 전력 수신기는 소비자들에 의해 재활용 또는 재사용될 수 있는 것이 바람직하다.
다수의 수신기 코일 토폴로지가 제안되어 왔으며 하기에 논의된다.
WO 2001/67046은 십자가 형태의 코어(즉, 코어가 XYZ 좌표계의 원점의 형상임) 상에 권취된 세 개의 서로 직교하는 권선(windings)들을 갖는 무선 전력 수신기를 개시한다.
US 5,281,941은 세 개의 서로 직교하는 권선들을 지지하기 위한 구 형태를 개시한다.
US 7,414,380은 평행 육면체형 코어 상에 권취된 세 개의 서로 직교하는 유도자(inductor)들을 갖는 권취된 무선 전력 수신기를 개시한다.
US 7,248,017은 전지 외부의 코어 상에 권취되거나, 또는 전지 내부의 코어 상에 권취되고 상기 전지 내부에 수용된 권선을 갖는 무선 충전식 전지를 개시한다. 상기 권선의 축은 상기 전지의 세로축에 평행하다. 또한, 명세서는 충전시 전지에 회전 자유(rotational freedom)를 제공하는 두 개의 서로 직교하는 권선들을 갖는 것을 개시한다.
US 2011/0086256은 전지의 일단부에 배치된 수신기 전기 회로망을 갖는 무선충전식 전지를 개시하나, 상기 권선은 상기 전지의 외부에 있다.
상기 토폴로지들은 모두 어느 정도 부피가 크며, 및/또는 어떤 방향에서는 빈약한 결합을 갖는다. 더욱이, 상기 디자인들은 일체로 형성되고 용이한 재사용을 허용하지 않는다. 더욱이, 상기 디자인들은 전기화학적 셀의 차폐를 제공하지 않는다.
본 발명의 목적은 최소한 이러한 문제점들 중의 적어도 일부를 극복하는 코일 수신기 조립체, 전력 수신기 및 무선 충전식 전지를 제공하거나 또는 적어도 대중에게 유용한 선택을 제공하는 것이다.
예시적인 일 구현예에 따라 서로 횡방향으로 배향된 자기축들을 갖는 제1 코일과 제2 코일; 및 상기 제1 코일과 상기 제2 코일의 자기축들에 대해 횡방향이며 상기 제1 코일과 상기 제2 코일을 둘러싸는 자기축을 갖는 제3 코일을 포함하는 충전식 전지용 수신기 코일 조립체가 제공된다.
상기 제3 코일은 바람직하게는 실질적으로 관통코일이고 상기 조립체는 바람직하게 일반적으로 원통형의 형태를 갖는다.
상기 제1 코일 및 제2 코일은 바람직하게는 십자가(cross)에 배열되고 제1 코일 및 제2 코일은 상기 십자가의 암(arm)들 주위에 권취되고 상기 제3 코일은 상기 십자가 주위에 권취된다.
다른 예시적인 일 구현예에 따라 서로 횡방향으로 배향된 자기축들을 갖는 제1 코일, 제2 코일 및 제3 코일을 포함하고, 상기 코일들 중 하나는 다른 코일들보다 큰 전력 전달을 가능하게 하는 충전식 전지용 수신기 코일 조립체가 제공된다.
상기 제3 코일은 바람직하게는 다른 코일들을 둘러싸며 상기 제1 코일과 제2 코일은 바람직하게는 십자가 배열이다.
상기 제3 코일의 전력 전달 용량은 상기 제1 코일 및 제2 코일의 전력 전달 용량보다 바람직하게는 적어도 10%, 보다 바람직하게는 적어도 20% 더 크다. 상기 제3 코일의 도선 길이는 상기 제1 코일 및 제2 코일의 도선 길이보다 바람직하게는 적어도 25%, 보다 바람직하게는 적어도 50% 더 길다.
다른 예시적인 일 구현예에 따라 전력 수신기 및 전기화학적 셀을 가지며 상기 전력 수신기는 제1 전지 서브-케이싱 내에 수용되고 상기 전기화학적 셀은 제2 전지 서브-케이싱 내에 수용되며 상기 제1 서브-케이싱 및 제2 서브-케이싱은 분리 가능한 무선 충전식 전지가 제공된다.
상기 전력 수신기는 나사, 압입 끼워맞춤(push-fit) 또는 자기적 결합 때문에 전기화학적 셀로부터 사용자에 의해 분리될 수 있다.
상기 전기화학적 셀은 전기화학적 셀 주위의 금속층에 의해 자기적으로 차폐될 수 있다. 이러한 층은 약 1의 표피 깊이(skin depth)일 수 있고 구리 호일로 형성될 수 있다.
용어 "포함한다", "포함하는"은, 다양한 관할권 하에, 배타적 또는 포괄적인 의미를 갖는 것으로 불 수 있음이 인정된다. 본 명세서의 목적을 위해, 그리고 달리 언급되지 않는 한, 이러한 용어들은 포괄적인 의미를 갖는 것으로 의도된다 - 즉, 이러한 용어들은 용도가 직접적으로 인용된 상기 열거된 구성요소들, 및 가능하게는 다른 비특정 구성요소들 또는 요소들의 포함을 의미하는 것으로 해석될 것이다.
본 명세서에 있어서 어떠한 선행기술에 대한 인용도 그러한 선행기술이 주지관용기술의 부분을 형성한다는 자백을 구성하지 않는다.
본 명세서에 포함되고 본 명세서의 일부를 구성하는 첨부도면들은, 상기 기위에 제공된 발명의 일반적인 기술과 함께, 본 발명의 구현예들을 예시하고, 하기에 제공된 예시적인 구현예들의 상세한 기재는, 본 발명의 원리들을 설명하기 위해 사용된다.
도 1은 무선 충전식 전지를 나타내고;
도 2는 도 1에 나타낸 전지의 전력 수신기 코일 조립체를 나타내고; 및
도 3은 도 1에 나타낸 전지의 전력 수신기의 개략도를 나타낸다.
도 1은 두 부분 구성의 무선 충전식 전지를 나타낸다. 전력 수신기는 제1 전지 서브-케이싱(2) 내에 수용되고 제2 전지 서브-케이싱(3)으로부터 분리 가능하며, 상기 제2 전지 서브-케이싱(3)은 재충전 가능한 전기화학 셀을 수용한다. 상기 제1 전지 서브-케이싱(2) 및 제2 전지 서브-케이싱(3)은 나사산, 압입 끼워맞춤(push-fit) 연결, 자기적 결합 등에 의해 서로 연결되어 사용자가 상기 서브-케이싱(2)을 서브-케이싱(3)으로부터 분리하고 상기 제거된 서브-케이싱(2)을 새로운 전기화학 셀을 포함하는 새로운 서브-케이싱에 연결하는 것이 가능하겐 할 수 있다.
상기 전기화학 셀은 상기 전지가 충전 교류 자기장 내에 위치하는 경우 과열되는 것을 막기 위해 자기적으로 차폐될 수 있다. 이는 상기 전기화학 셀 주위에 금속 차폐를 제공함으로써 달성될 수 있다. 이는 서브-케이싱(3)의 외부 주위에 도포된 금속 호일의 형태를 취할 수 있다. 상기 금속 호일은 이의 바람직한 차폐 특성으로 인해 바람직한 금속인 구리로의 약 1 표피 깊이일 수 있다.
이제 도 2를 참조하면 일 구현예에 따른 수신기 코일 조립체가 보여진다. 제1 권선들(4a, 4b)은 십자가 형태의 페라이트 코어(6)의 암들 주위에 권취되고 제2 권선들(5a, 5b)은 십자가 형태의 페라이트 코어(6)의 다른 암들 주위에 권취된다. 제3 권선(7)은 십자가 형태의 페라이트 코어(6)의 둘레 주위에 권취된다. 이상적으로는, 상기 코일들은 서로 직교하여 어떤 방향에서도 충전 자기장과 결합하는 것을 보장한다. 그러나, 몇몇 응용에 있어서 상기 코일들은 공간 제약 또는 특정 응용에 대한 우선적 결합 방향으로 인해 직교하지 않을 수 있다.
상기 제3 코일은 바람직하게는 원통형 전지 케이싱에 매우 잘 들어맞도록 고리 모양이다. 상기 제3 코일은 다른 코일들보다 더 큰 전력 전달 용량을 갖도록 설계될 수 있다. 이는 전지가 정상 배향 또는 우선적 배향을 가지며, 그 결과 상기 제3 코일은 전형적으로 가장 빠른 속도로 전력을 공급하지만 상기 제1 코일과 제2 코일은 여전히 다른 방향들에 전력 전달을 허용하는 경우에 바람직할 수 있다. 상기 제3 코일의 전력 전달 용량은 상기 제1 코일 및 제2 코일의 전력 전달 용량보다 적어도 10%, 바람직하게는 적어도 20% 더 클 수 있다. 이를 달성하기 위해, 상기 제3 코일의 도선 길이는 상기 제1 코일 및 제2 코일 도선의 길이보다 적어도 25%, 바람직하게 적어도 50% 더 길 수 있다.
예시적인 일 구현예에서 상기 외부 코일의 평균 직경은 12mm이고 50 회전을 갖지만, 상기 제1 권선 및 제2 권선의 평균 직경은 약 4mm이고 각각 80회전을 갖는다. 상기 권선들은 모두 0.05mm 게이지(gauge)의 절연 구리 와이어일 수 있다.
도 3은 전지의 구성요소들의 개략도를 나타낸다. 코일들(4(4a, 4b)), 5(5a, 5b), 7)에 유도된 전류는 상기 코일들로부터 받은 교류 전류를 정류하고 조절할 수 있는 수신기 회로(8)에 공급된다. 전지 충전 관리 회로(9)는 사용된 전지 화학의 유형에 대한 충전 파라미터에 따라 충전식 전지(10)로의 전력 공급을 제어한다. 상기 전력 수신기는 코일들(4, 5, 7) 및 수신기 회로(8) 및 전지 충전 관리 회로(9)로 구성되어 있으며 서브-케이싱(2) 내에 포함된다. 상기 충전식 전지(10)는 서브-케이싱(3) 내에 수용된다.
상기 기술된 무선 충전식 전지는 모든 방향에서 적당한 결합을 보장하면서도 바람직한 방향에서 향상된 결합을 제공하는 간편한 디자인을 제공한다. 상기 분리 가능한 두 부분 전지 구성은 상기 전력 수신기의 용이한 재사용을 허용하여 폐기물 및 부정적인 환경의 영향을 피하도록 한다. 전기화학 셀을 차폐하는 것은 과열을 막고 빠른 충전을 허용한다.
본 발명은 이의 구현예들의 기술에 의해 예시되었으며 상기 구현예들이 상세하게 기술되었지만, 첨부된 청구항들의 범위를 그러한 세부사항들로 제한하거나 또는 어떤 식으로도 한정하는 것은 출원인의 의도가 아니다. 추가적인 이점들 및 변형은 통상의 기술자에게 용이하게 여겨질 것이다. 따라서, 보다 넓은 측면에서 본 발명은 보여지고 기술된 구체적인 세부사항들, 대표적인 장치 및 방법, 및 예시적인 실시예들에 한정되지 않는다. 따라서, 출원인의 총괄적인 발명 개념의 정신 또는 범위로부터 벗어남이 없이 그러한 세부사항들로부터 시도가 이루어질 수 있다.

Claims (25)

  1. 서로 교차하도록 배향된 자기축들을 갖는 두 개 이상의 수신기 코일,
    상기 수신기 코일에 접속되어 상기 수신기 코일로부터 받은 교류 전류를 정류하는 전력 수신기, 및
    전기화학 셀을 포함하며,
    상기 전력 수신기는 제1 전지 서브-케이싱 내에 수용되고 상기 전기화학 셀은 제2 전지 서브-케이싱 내에 수용되고 상기 제1 전지 서브-케이싱 및 상기 제2 전지 서브-케이싱은 분리 가능한(demountable) 무선 충전식 전지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전력 수신기는 상기 전기화학 셀로부터 분리 가능한 무선 충전식 전지.
  3. 제2항에 있어서, 상기 전력 수신기는 상기 전기화학 셀로부터 사용자에 의해 분리될 수 있는 무선 충전식 전지.
  4. 제1항에 있어서, 상기 전력 수신기 및 상기 전기화학 셀은 함께 나사로 조여진 무선 충전식 전지.
  5. 제1항에 있어서, 상기 전력 수신기 및 상기 전기화학 셀은 자기적으로 결합된 무선 충전식 전지.
  6. 제1항에 있어서, 상기 전력 수신기 및 상기 전기화학 셀은 압입 끼워맞춤(push-fit) 결합을 통해 결합된 무선 충전식 전지.
  7. 제1항에 있어서, 상기 전기화학 셀은 자기적으로 차폐된 무선 충전식 전지.
  8. 제7항에 있어서, 상기 전기화학 셀은 금속층에 의해 자기적으로 차폐된 무선 충전식 전지.
  9. 제8항에 있어서, 상기 금속층은 1 표피 깊이를 갖는 무선 충전식 전지.
  10. 제8항에 있어서, 상기 금속은 구리인 무선 충전식 전지.
  11. 제1항에 있어서, 상기 전력 수신기는 상기 제2 전지 서브-케이싱 내의 전기화학 셀의 유형에 따라 충전 파라미터를 선택하도록 구성된 무선 충전식 전지.


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