KR102605548B1 - 무선충전기의 fod 장치 - Google Patents

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KR102605548B1
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민병덕
최진하
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(주)화인파워엑스
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Abstract

본 발명은 무선으로 충전하는 무선충전기 중 바닥면에 배치되는 GA 패드 위에 예컨대 금속이물질이 위치하는 경우 이를 감지하기 위한 무선충전기의 FOD 장치에 관한 기술로서, 예컨대 차량의 비접촉식 무선충전기에서 바닥면에 배치되어 차량의 VA 패드에 무선으로 전력을 공급하는 GA 패드 상에 금속이물질이 위치하는 경우 전력전송의 효율이 떨어지게 되므로 이를 방지하기 위해 GA 패드 상의 금속이물질을 바로 감지하는 무선충전기의 FOD 장치에 관한 기술이다. 특히, GA 패드 상의 금속이물질을 감지하는 FOD 센서의 오작동이 방지되도록 하는 기술이다. 본 발명에 따르면 이물질 감지부재의 아날로그 회로를 통해서 FOD의 오작동을 감지하는 장점이 있다.

Description

무선충전기의 FOD 장치 {FOD device of wireless charger}
본 발명은 무선으로 충전하는 무선충전기 중 바닥면에 배치되는 GA 패드 위에 예컨대 금속이물질이 위치하는 경우 이를 감지하기 위한 무선충전기(wireless charger)의 FOD(Foreign Object Detection) 장치에 관한 기술이다.
더욱 상세하게는, 본 발명은 예컨대 차량의 비접촉식 무선충전기에서 바닥면에 배치되어 차량의 VA 패드에 무선으로 전력을 공급하는 GA 패드 상에 금속이물질이 위치하는 경우 전력전송의 효율이 떨어지게 되므로 이를 방지하기 위해 GA 패드 상의 금속이물질을 바로 감지하는 무선충전기의 FOD 장치에 관한 기술이다.
특히, GA 패드 상의 금속이물질을 감지하는 FOD 센서의 오작동이 방지되도록 하는 기술이다.
[도 1]은 일반적인 무선충전기의 구성인 GA 패드에 대한 TOP VIEW 예시도이고, [도 2]는 [도 1]의 FOD 코일에서 하나의 셀에 대응하는 부분을 발췌하여 확대 도시한 평면도 및 측면도이다.
[도 1]을 참조하면, 일반적인 무선충전기의 GA 패드(11)는 바닥면에 설치되고 그 GA 패드(11)의 동일면인 상면에 [도 2]에서와 같이 FOD 코일(12)인 제 1 코일(12a)과 제 2 코일(12b)이 패터닝될 수 있다.
여기서, GA 패드(11)는 무선충전을 위해 자기장이 [도 2]의 (b) 상에서 연직 상방향으로 형성되어 있다. 물론, GA 패드(11)의 연직 상방향으로 형성되는 자기장의 자속 세기가 GA 패드(11)에서 수평적으로는 균일하지 않지만 동일 영역의 연직 방향으로는 균일한 자속 세기를 나타낸다.
[도 2]의 (b)에서와 같이 GA 패드(11)의 동일면인 상면에 제 1 코일(12a)과 제 2 코일(12b)을 패터닝한 상태에서 무선충전을 위해 GA 패드(11)에 수평적으로 균일하지 않은 자속 세기가 형성되는 경우 GA 패드(11)의 수평 영역별로 발생전압이 달라지게 된다.
그 결과, [도 2]의 (b)에서와 같이 GA 패드(11)의 상면에 금속성 이물질이 없는 경우에도 FOD 코일(12) 상에 전압이 발생하여 전류가 흐름에 따라 FOD 코일(12)과 해당 FOD 센서(미도시)는 GA 패드(11)의 상면에 금속성 이물질이 있는 것으로 오작동하는 문제가 생긴다.
본 발명은 상기한 점을 감안하여 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 GA 패드 상에 금속이물질이 없는 정상 상태에서도 금속이물질이 있는 것으로 FOD 센서가 오작동되는 것을 방지하는 무선충전기의 FOD 장치를 제공함에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 제 1 실시예에 따른 무선충전기의 FOD 장치는 플레이트 형태로 이루어진 패드 부재(110); 패드 부재의 상면 소정영역에서 일방향 권선으로 형성된 상면 코일부재(121)와, 상면 코일부재부터 패드 부재의 하면으로 연통되어 패드 부재의 하면에서 상면 코일부재와 동일 방향 권선으로 형성된 하면 코일부재(122)를 구비하는 상하면 코일부재(120); 상하면 코일부재 양단의 전압이 미리 설정된 임계값 이상인 경우 금속성 이물질의 검출을 출력하는 이물질 감지부재(130);를 포함하여 구성될 수 있다.
그리고, 상면 코일부재와 하면 코일부재는 패드 부재의 연직 방향에서 상호 대응하는 위치에 배치될 수 있다.
여기서, 이물질 감지부재(130)는, 상하면 코일부재 양단의 전압 차이에 대응하는 절대값을 산출하는 절대값산출 회로부재(131); 절대값이 미리 설정된 임계값 이상인 경우 금속성 이물질의 검출을 출력하는 비교기 부재(132); 비교기 부재의 판단 결과에 따라 절대값이 미리 설정된 임계값 미만인 경우 비교기 부재로 입력되는 전원을 접지시키는 옵셋 부재(133);를 구비할 수 있다.
본 발명의 제 2 실시예에 따른 무선충전기의 FOD 장치는 플레이트 형태로 이루어진 패드 부재(110'); 패드 부재의 상면 소정영역에서 일방향 권선으로 형성된 상면 코일부재(121')와, 패드 부재의 하면에서 상면 코일부재와 동일 방향 권선으로 형성된 하면 코일부재(122')를 구비하는 상하면 코일부재(120'); 상면 코일부재(121') 양단의 전압과 하면 코일부재(122') 양단의 전압 간 차이가 미리 설정된 임계값 이상인 경우 금속성 이물질의 검출을 출력하는 이물질 감지부재(130');를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 이물질 감지부재(130')는, 상면 코일부재(121')의 양단과 하면 코일부재(122')의 양단에 연결된 상태로 상면 코일부재(121')의 양단으로부터 제공되는 아날로그 신호를 디지털신호로 전환시키고 하면 코일부재(122')의 양단으로부터 제공되는 아날로그 신호를 디지털신호로 전환시키는 ADC 부재(131'); 상면 코일부재(121') 양단의 전압과 하면 코일부재(122') 양단의 전압 간 차이가 미리 설정된 임계값 이상인 경우 금속성 이물질의 검출을 출력하는 디지털 제어부재(132');를 구비할 수 있다.
본 발명은 패드 부재의 상,하면에 동일 방향으로 권선되는 상면 코일부재와 하면 코일부재를 구비하고 이물질 감지부재를 구비함에 따라 패드 부재 상에 금속이물질 없는 정상 상태에서 이물질 감지부재의 오작동이 방지되는 장점을 나타낸다.
또한, 본 발명은 이물질 감지부재가 절대값산출 회로부재, 비교기 부재, 옵셋 부재를 구비함에 따라 이물질 감지부재의 아날로그 회로를 통해서 FOD의 오작동을 감지하는 장점을 나타낸다.
또한, 본 발명은 이물질 감지부재가 ADC 부재, 디지털 제어부재를 구비함에 따라 상면 코일부재와 하면 코일부재를 위해 패드 부재를 관통하지 않는 상태로 FOD의 오작동을 감지하는 장점을 나타낸다.
[도 1]은 일반적인 무선충전기의 구성인 GA 패드에 대한 TOP VIEW 예시도,
[도 2]는 [도 1]의 FOD 코일에서 하나의 셀에 대응하는 부분을 발췌하여 확대 도시한 평면도 및 측면도,
[도 3]은 본 발명에 따른 무선충전기의 FOD 장치가 설치되는 패드 부재의 TOP VIEW 예시도,
[도 4]는 [도 3]의 상하면 코일부재에서 하나의 셀에 대응하는 부분을 발췌하여 확대 도시한 사시도 및 측면도,
[도 5]는 [도 4]의 (a) 부분을 발췌하여 확대 도시한 도면,
[도 6]은 [도 5]에서 하면 코일부재의 권선방향이 상면 코일부재와 반대인 경우의 예시도,
[도 7]은 [도 4]의 (b)에서 상부에 금속 이물질이 위치한 경우의 사용상태도,
[도 8]은 [도 5]에 본 발명의 제 1 실시예에 따른 구성을 함께 도시한 도면,
[도 9]는 [도 5]에 본 발명의 제 2 실시예에 따른 구성을 함께 도시한 도면이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
[도 3]은 본 발명에 따른 무선충전기의 FOD 장치가 설치되는 패드 부재의 TOP VIEW 예시도이고, [도 4]는 [도 3]의 상하면 코일부재에서 하나의 셀에 대응하는 부분을 발췌하여 확대 도시한 사시도 및 측면도이고, [도 5]는 [도 4]의 (a) 부분을 발췌하여 확대 도시한 도면이고, [도 6]은 [도 5]에서 하면 코일부재의 권선방향이 상면 코일부재와 반대인 경우의 예시도이고, [도 7]은 [도 4]의 (b)에서 상부에 금속 이물질이 위치한 경우의 사용상태도이고, [도 8]은 [도 5]에 본 발명의 제 1 실시예에 따른 구성을 함께 도시한 도면이다.
[도 3] 내지 [도 8]을 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 무선충전기의 FOD 장치는 패드 부재(110), 상하면 코일부재(120), 이물질 감지부재(130)를 포함하여 구성될 수 있다.
패드 부재(110)는 [도 3]과 [도 4]를 참조하면 바닥면 설치가 용이하도록 바람직하게는 납작한 플레이트 형태로 구성될 수 있다.
상하면 코일부재(120)는 [도 4] 내지 [도 8]을 참조하면 패드 부재(110)의 상면과 하면에 패터닝되고 이물질 감지부재(130)에 연결되어 패드 부재(110)의 상면에 위치한 상면 코일부재(121)와 패드 부재(110)의 하면에 위치한 하면 코일부재(122) 간의 차전압 없이 전류가 흐르지 않게 되면 패드 부재(110)의 상면에 금속성 이물질이 없는 상태를 나타낸다.
여기서, 만일 상면 코일부재(121)와 하면 코일부재(122) 간의 차전압이 발생하여 전류가 흐르게 되면 패드 부재(110)의 상면에 금속성 이물질이 있는 상태를 나타낸다.
이를 위해, 상면 코일부재(121)는 [도 4]와 [도 5]에서와 같이 패드 부재(110)의 상면 소정영역에서 일방향(예: CCW) 권선으로 형성되고, 하면 코일부재(122)는 상면 코일부재(121)부터 패드 부재(110)의 하면으로 연통되어 패드 부재(110)의 하면에서 상면 코일부재(121)와 동일 방향(예: CCW) 권선으로 형성될 수 있다.
그리고, [도 4]와 [도 5]에서와 같이 상면 코일부재(121)와 하면 코일부재(122)는 바람직하게는 패드 부재(110)의 연직 방향에서 상호 대응하는 위치에 배치될 수 있다.
즉, [도 5]에서와 같이 서로 연결된 상태의 상면 코일부재(121)와 하면 코일부재(122)가 동일한 방향(예: CCW)으로 권선된 경우 무선충전을 위한 외부 조건으로서 [도 5]에서와 같이 자기장이 형성되면, 그 자기장에 대응하여 상면 코일부재(121)에는 [도 5] 상의 'i1'방향으로 전류가 흐르게 되고 하면 코일부재(122)는 [도 5] 상의 'i2'방향으로 전류가 흐르게 되므로 서로 상쇄되어 전류가 흐르지 않아 차전압이 '0'이 된다.
결과적으로, [도 5]에서와 같이 서로 연결된 상태의 상면 코일부재(121)와 하면 코일부재(122)가 동일한 방향(예: CCW)으로 권선된 경우 이물질 감지부재(130)는 패드 부재(110)의 상면에 금속성 이물질이 없는 정상 상태임을 감지하게 되는 것이다.
이때, [도 7]에서와 같이 패드 부재(110)의 상면에 금속성 이물질(FO)가 위치하면 그 금속성 이물질(FO)에는 외부 조건으로서의 자기장 영향을 받아 [도 7] 상의 '와전류'가 발생하게 되고 그 금속성 이물질(FO)에는 외부 조건으로서의 주변의 자기장과 반대방으로 [도 7]에서와 같이 '와전류에 의한 자기장'이 형성될 수 있다.
이와 같은 [도 7] 상의 '와전류에 의한 자기장'은 하면 코일부재(122)보다 상면 코일부재(121)에 더 크게 작용한다.
그 결과, 외부 조건으로서의 자기장에 의해 하면 코일부재(122)에 유기되는 전압보다 상면 코일부재(121)에 유기되는 전압이 줄어들어 하면 코일부재(122)와 상면 코일부재(121) 간에는 차전압이 발생하게 된다.
여기서, 이물질 감지부재(130)는 위와 같은 하면 코일부재(122)와 상면 코일부재(121) 간의 차전압이 발생을 감지하여 패드 부재(110)의 상면에 금속성 이물질이 존재함을 판별할 수 있게 된다.
만일, 예컨대 [도 6]에서와 같이 상면 코일부재(121)와 하면 코일부재(122)의 권선 방향이 정반대로 형성된 경우 무선충전을 위한 외부 조건으로서 [도 6]에서와 같이 자기장이 형성되면, 그 자기장에 대응하여 상면 코일부재(121)에는 [도 6] 상의 'i1'방향으로 전류가 흐르게 되고 하면 코일부재(122)는 [도 6] 상의 'i2'방향으로 전류가 흐르게 되므로 [도 6] 상의 상면 코일부재(121)와 하면 코일부재(122)에는 금속성 이물질의 존재 여부와 무관하게 [도 6]과 같이 외부 조건으로서의 자기장이 형성된 상태에서는 항상 전류가 흐르게 되어 이물질 감지부재(130)는 항상 금속성 이물질이 있다는 오감지 동작을 하게 될 것이다.
한편, 이물질 감지부재(130)는 [도 8]을 참조하면 상하면 코일부재(120) 양단의 전압이 미리 설정된 임계값(예: '0') 이상인 경우 그 상면 코일부재(121)와 하면 코일부재(122) 상에 흐르는 전류에 대응하여 금속성 이물질의 검출을 출력하도록 구성된다.
이를 위해, 이물질 감지부재(130)는 [도 8]에서와 같이 절대값산출 회로부재(131), 비교기 부재(132), 옵셋 부재(133)를 구비할 수 있다.
여기서, 절대값산출 회로부재(131)는 아날로그 회로서의 상면 코일부재(121)와 하면 코일부재(122)를 구비하는 상하면 코일부재(120) 양단의 전압 차이에 대응하는 절대값을 산출하도록 구성될 수 있다. [도 8]에 도시된 바와 같이, 절대값산출 회로부재(131)가 산출하는 절대값은 비교기 부재(132)를 구성하는 OP 앰프의 (+) 입력단자로 입력된다.
비교기 부재(132)는 절대값이 미리 설정된 임계값(예: '0') 이상인 경우 금속성 이물질의 검출을 출력하도록 구성될 수 있다.
옵셋 부재(133)는 비교기 부재(132)의 판단 결과에 따라 절대값이 미리 설정된 임계값(예: '0') 미만인 경우 비교기 부재(132)로 입력되는 전원을 [도 8]에서와 같이 접지시킨다. [도 8]에 도시된 바와 같이, 옵셋 부재(133)는 전압원(voltage source)로 모델링될 수 있으며 비교기 부재(132)를 구성하는 OP 앰프의 (-) 입력단자로 일정 전압을 입력한다.
[도 9]는 [도 5]에 본 발명의 제 2 실시예에 따른 구성을 함께 도시한 도면이다.
본 발명의 제 2 실시예에 따른 무선충전기의 FOD 장치는 [도 4]와 [도 9]를 참조하면 패드 부재(110'), 상하면 코일부재(120'), 이물질 감지부재(130')를 포함하여 구성될 수 있다.
패드 부재(110')는 [도 3]과 [도 4]를 참조하면 바닥면 설치가 용이하도록 바람직하게는 납작한 플레이트 형태로 구성될 수 있다.
상하면 코일부재(120')는 [도 4] 내지 [도 7] 및 [도 9]를 참조하면 패드 부재(110')의 상면과 하면에 패터닝되고 이물질 감지부재(130')에 연결되어 패드 부재(110')의 상면에 위치한 상면 코일부재(121')와 패드 부재(110')의 하면에 위치한 하면 코일부재(122) 간의 차전압 없이 전류가 흐르지 않게 되면 패드 부재(110')의 상면에 금속성 이물질이 없는 상태를 나타낸다.
여기서, 만일 상면 코일부재(121')와 하면 코일부재(122') 간의 차전압이 발생하면 패드 부재(110')의 상면에 금속성 이물질이 있는 상태를 나타낸다.
이를 위해, 상면 코일부재(121')는 [도 4]와 [도 5]에서와 같이 패드 부재(110')의 상면 소정영역에서 일방향(예: CCW) 권선으로 형성되고, 하면 코일부재(122')는 패드 부재(110')의 하면에서 상면 코일부재(121')와 동일 방향(예: CCW) 권선으로 형성될 수 있다.
그리고, [도 4]와 [도 5]에서와 같이 상면 코일부재(121')와 하면 코일부재(122')는 바람직하게는 패드 부재(110')의 연직 방향에서 상호 대응하는 위치에 배치될 수 있다.
즉, [도 5]를 참조하면 분리된 상태의 상면 코일부재(121')와 하면 코일부재(122')가 동일한 방향(예: CCW)으로 권선된 경우 무선충전을 위한 외부 조건으로서 [도 5]에서와 같이 자기장이 형성되면, 그 자기장에 대응하여 상면 코일부재(121')에는 [도 5] 상의 'i1'방향으로 전류가 흐르게 되고 하면 코일부재(122')는 [도 5] 상의 'i2'방향으로 전류가 흐르게 되므로 상면 코일부재(121') 양단의 전압과 하면 코일부재(122') 양단의 전압이 동일하여 차전압이 '0'이 된다.
결과적으로, [도 5]를 참조하면 서로 분리된 상태의 상면 코일부재(121')와 하면 코일부재(122')가 동일한 방향(예: CCW)으로 권선된 경우 이물질 감지부재(130')는 패드 부재(110')의 상면에 금속성 이물질이 없는 정상 상태임을 감지하게 되는 것이다.
여기서도, [도 7]에서와 같이 패드 부재(110')의 상면에 금속성 이물질(FO)가 위치하면 그 금속성 이물질(FO)에는 외부 조건으로서의 자기장 영향을 받아 [도 7] 상의 '와전류'가 발생하게 되고 그 금속성 이물질(FO)에는 외부 조건으로서의 주변의 자기장과 반대방으로 [도 7]에서와 같이 '와전류에 의한 자기장'이 형성될 수 있다.
이와 같은 [도 7] 상의 '와전류에 의한 자기장'은 하면 코일부재(122')보다 상면 코일부재(121')에 더 크게 작용한다.
그 결과, 외부 조건으로서의 자기장에 의해 하면 코일부재(122')에 유기되는 전압보다 상면 코일부재(121')에 유기되는 전압이 줄어들어 하면 코일부재(122')와 상면 코일부재(121') 간에는 차전압이 발생하게 된다.
이때, 이물질 감지부재(130')는 위와 같은 하면 코일부재(122')와 상면 코일부재(121') 간의 차전압이 발생을 감지하여 패드 부재(110')의 상면에 금속성 이물질이 존재함을 판별할 수 있게 된다.
만일, 예컨대 [도 6]에서와 같이 상면 코일부재(121')와 하면 코일부재(122')의 권선 방향이 정반대로 형성된 경우 무선충전을 위한 외부 조건으로서 [도 6]에서와 같이 자기장이 형성되면, 그 자기장에 대응하여 상면 코일부재(121')에는 [도 6] 상의 'i1'방향으로 전류가 흐르게 되고 하면 코일부재(122')는 [도 6] 상의 'i2'방향으로 전류가 흐르게 되므로 [도 6] 상의 상면 코일부재(121')와 하면 코일부재(122')에는 금속성 이물질의 존재 여부와 무관하게 [도 6]과 같이 외부 조건으로서의 자기장이 형성된 상태에서는 항상 차전압이 발생되어 이물질 감지부재(130')는 항상 금속성 이물질이 있다는 오감지 동작을 하게 될 것이다.
한편, 이물질 감지부재(130')는 [도 9]를 참조하면 상면 코일부재(121) 양단의 전압과 하면 코일부재(122) 양단의 전압 차이가 미리 설정된 임계값(예: '0') 이상인 경우 금속성 이물질의 검출을 출력하도록 구성된다.
이를 위해, 이물질 감지부재(130')는 [도 9]를 참조하면 ADC 부재(131'), 디지털 제어부재(132')를 구비할 수 있다.
ADC 부재(131')는 상면 코일부재(121')의 양단과 하면 코일부재(122')의 양단에 각각 연결된 상태로 상면 코일부재(121')의 양단으로부터 제공되는 아날로그 신호를 디지털신호로 전환시키고 하면 코일부재(122')의 양단으로부터 제공되는 아날로그 신호를 디지털신호로 전환시킨다.
디지털 제어부재(132')는 상면 코일부재(121') 양단의 전압과 하면 코일부재(122') 양단의 전압 간 차이가 미리 설정된 임계값 이상인 경우 금속성 이물질의 검출을 출력하도록 구성될 수 있다.
11 : GA 패드
12 : FOD 코일
12a : 제 1 코일
12b : 제 2 코일
110, 110' : 패드 부재
120, 120' : 상하면 코일부재
121, 121' : 상면 코일부재
122, 122' : 하면 코일부재
130, 130' : 이물질 감지부재
131 : 절대값산출 회로부재
131' : ADC 부재
132 : 비교기 부재
132' : 디지털 제어부재
133 : 옵셋 부재
FO : 금속성 이물질

Claims (5)

  1. 플레이트 형태로 이루어진 패드 부재(110);
    상기 패드 부재(110)의 상면 소정영역에서 일방향 권선으로 형성된 상면 코일부재(121)와, 상기 상면 코일부재(121)부터 상기 패드 부재(110)의 하면으로 연통되어 상기 패드 부재(110)의 하면에서 상기 상면 코일부재(121)와 동일 방향 권선으로 형성된 하면 코일부재(122)를 구비하는 상하면 코일부재(120); 및
    상기 상하면 코일부재(120) 양단의 전압이 미리 설정된 임계값 이상인 경우 금속성 이물질의 검출을 출력하는 이물질 감지부재(130);
    를 포함하여 구성되고,
    상기 이물질 감지부재(130)는,
    상기 상하면 코일부재(120) 양단의 전압 차이에 대응하는 절대값을 산출하는 절대값산출 회로부재(131);
    OP 앰프를 구비하여, 상기 절대값산출 회로부재(131)가 산출하는 절대값을 상기 OP 앰프의 제 1 입력단자로 입력받아 상기 절대값이 미리 설정된 임계값 이상인 경우 금속성 이물질의 검출을 출력하는 비교기 부재(132); 및
    상기 비교기 부재(132)의 상기 OP 앰프의 제 2 입력단자로 일정 전압을 입력하는 옵셋 부재(133);
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 무선충전기의 FOD 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 상면 코일부재(121)와 상기 하면 코일부재(122)는 상기 패드 부재(110)의 연직 방향에서 상호 대응하는 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 무선충전기의 FOD 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 입력단자는 상기 OP 앰프의 (+) 입력단자이고 상기 제 2 입력단자는 상기 OP 앰프의 (-) 입력단자인 것을 특징으로 하는 무선충전기의 FOD 장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
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