KR200206552Y1 - 자가 충전가능한 배터리 - Google Patents

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KR200206552Y1
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최원석
이승엽
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원모콜주식회사
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Abstract

음극단자(11)를 포함하는 원통형의 전도성 케이스(10); 상기 전도성 케이스(10)와 절연되도록 상기 음극단자(11)의 타측에 설치된 양극단자(12); 상기 케이스(10) 내에 수납되며 중공부가 형성되어 있는 원통형의 보빈(21); 상기 보빈(21)의 외주면에 권선되는 적어도 하나 이상의 코일(22a)(22b); 상기 코일과 대응하도록 상기 보빈(21)의 중공부에 슬라이딩 가능하게 삽입 설치되는 적어도 하나 이상의 마그네트(23a)(23b); 상기 마그네트를 탄력적으로 지지하도록 결합되는 스프링(25a)(25b); 상기 코일로부터 발생된 유도전류를 충전하고 이를 상기 양극 및 음극단자를 통해 방전하는 충방전소자(30); 및 상기 코일로부터 발생된 교류유도전류를 정류 및 승압하여 상기 충방전소자로 인가하는 충전조정회로(40);를 포함하는 자가 충전가능한 배터리가 개시된다. 본 고안에 따르면, 별도의 충전기를 사용하여 배터리를 충전시키는 일 없이 언제든지 휴대용 전자기기를 사용하는 것이 가능하다.

Description

자가 충전가능한 배터리 {self-rechargeable batteries}
본 고안은 배터리에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기계적 운동에 의해 전력을 생산하는 자가발전 시스템을 내장하고 있어서 별도의 전원장치를 이용하지 않고도 재충전이 가능한 배터리에 관한 것이다.
최근, 전자산업 및 정보통신 기술의 발달로 MP3 플레이어, 이동통신 단말기 등과 같이 실외에서 휴대하면서 사용하는 휴대용 전자기기가 널리 보편화되고 있다. 이러한 휴대용 전자기기의 전력원으로서는 원통형의 DM, AA, AAA와 같이 규격화된 건전지 등의 1차전지와 충방전이 가능한 2차전지가 채용되는 것이 보통이다.
그런데, 상기 1차전지는 1회성으로 사용후에는 이를 폐기하여야 하며, 2차전지의 경우에는 충전기를 사용하여 별도의 전원장치인 콘센트에 플러그를 꽂고 일정시간 동안 재충전시켜야 하므로, 항상 충전을 위한 번거로운 작업을 해야될 뿐만 아니라 갑작스럽게 전지가 방전이 된 경우에는 이에 대처하지 못하고 휴대용 전자기기를 사용하지 못하게 된다.
본 고안자는 기존의 휴대용 전자기기에 채용되는 1차전지 또는 2차전지를 대신하여 언제든지 재충전하여 전원을 사용할 수 있는 배터리의 필요성을 절감하였다. 나아가, 그러한 배터리는 전혀 새로운 형태가 아니라 휴대용 전자기기의 전지 수납케이스에 수납되어 사용할 수 있도록 기존의 1차전지나 2차전지와 동일한 원통형인 것이 바람직하다는 사실도 깨닫게 되었다.
본 고안은 상기와 같은 문제점과 필요성을 감안하여 창안된 것으로서, 자가발전 시스템을 내장하고 있어서 언제든지 재충전하여 전원을 공급할 수 있을 뿐만 아니라, 기존의 1차전지나 2차전지를 채용하던 휴대용 전자기기에도 그대로 사용될 수 있도록 호환성을 가진 배터리를 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 본 고안의 제1 실시예에 따른 자가 충전 배터리를 도시한 측단면도,
도 2는 도 1의 II-II선에 따른 평단면도,
도 3은 본 고안의 자가 충전 배터리에 내장된 회로구성을 나타낸 구성도,
도 4는 본 고안의 제2 실시예에 따른 자가 충전 배터리를 도시한 측단면도,
도 5는 본 고안의 제3 실시예에 따른 자가 충전 배터리를 도시한 측단면도,
도 6은 본 고안의 제4 실시예에 따른 자가 충전 배터리를 도시한 측단면도.
<도면의 주요참조부호에 대한 설명>
10..케이스 20..자가발전유니트 21..보빈
22a,22b..코일 23a,23b..마그네트 25a,25b..스프링
26..연결부재 27..자기차폐막 30..충방전소자
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 고안에 따른 자가 충전 가능한 배터리는, 음극단자를 포함하는 원통형의 전도성 케이스; 상기 전도성 케이스와 절연되도록 상기 음극단자의 타측에 설치된 양극단자; 상기 케이스 내에 수납되며 중공부가 형성되어 있는 원통형의 보빈; 상기 보빈의 외주면에 권선되는 적어도 하나 이상의 코일; 상기 코일과 대응하도록 상기 보빈의 중공부에 슬라이딩 가능하게 삽입 설치되는 적어도 하나 이상의 마그네트; 상기 마그네트를 탄력적으로 지지하도록 결합되는 스프링; 상기 코일로부터 발생된 유도전류를 충전하고 이를 상기 양극 및 음극단자를 통해 방전하는 충방전소자; 및 상기 코일로부터 발생된 교류유도전류를 정류 및 승압하여 상기 충방전소자로 인가하는 충전조정회로;를 포함한다.
또한, 본 고안은 상기 마그네트 사이에 개재되어 이들을 상호 연결하는 연결부재; 및 상기 보빈과 케이스 내벽 사이에 설치되어 외부 자장을 차단하는 자기차폐막을 더 포함할 수 있다.
본 고안의 다른 측면에 따르면, 상기 원통형의 전도성 케이스는 두 개 마련되고 그들 사이에는 고무연결체가 개재되며, 일측 케이스의 양극단자와 타측 케이스의 양극단자가 상호 전기적으로 연결되는 동시에, 일측 케이스의 음극단자와 타측 케이스의 음극단자가 상호 전기적으로 연결되며, 일측 케이스 내에는 상기 충방전소자가 설치되고, 타측 케이스 내에는 상기 충방전조정회로가 설치된 것을 특징으로 하는 자가 충전가능한 배터리가 제공된다.
본 고안의 또 다른 측면에 따르면, 상기 원통형의 전도성 케이스는 두 개 마련되고 그들 사이에는 고무연결체가 개재되며, 일측 케이스의 양극단자와 타측 케이스의 음극단자가 상호 전기적으로 연결되는 동시에, 일측 케이스의 음극단자와 타측 케이스의 양극단자가 상호 전기적으로 연결되며, 일측 케이스 내에는 상기 충방전소자가 설치되고, 타측 케이스 내에는 상기 충방전조정회로가 설치된 것을 특징으로 하는 자가 충전가능한 배터리도 제공된다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 고안의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
도 1 및 도 2는 본 고안의 일 실시예에 따른 자가 충전가능한 배터리를 도시한 것이다. 도면을 참조하면, 본 실시예의 배터리는 원통형의 케이스(10)와, 상기 케이스(10) 내에 설치된 자가발전유니트(20)와, 상기 자가발전유니트(20)에서 생성된 전류를 충전한 뒤 방전하는 충방전소자(30)를 포함한다.
상기 케이스(10)는 알루미늄과 같은 도전성 금속박막으로 제작되는 것이 바람직하며, 배터리의 일단에 형성된 음극단자(11)와 전기적으로 연결되어 있다. 또한, 상기 음극단자(11)의 타측에는 양극단자(12)가 형성되며, 이 양극단자(12)와 케이스(10)는 패킹부재(13)에 의해 절연되어 있다.
상기 자가발전유니트(20)는 전자기 유도현상에 의해 전력을 생산하는 장치로, 중공부가 형성된 원통형의 보빈(21), 상기 보빈(21)의 외주면에 권선된 코일(22a)(22b) 및 상기 보빈(21)의 중공부에 삽입되는 마그네트(23a)(23b)를 포함한다.
구체적으로, 상기 보빈(21)에는 적어도 하나 이상의 권선홈(24a)(24b)이 형성되는데, 여기에 코일(22a)(22b)이 적절한 수로 권선된다. 본 실시예에서는 두 개의 권선부가 형성되어 있는 것으로 개시되어 있으나 후술하는 바와 같이 이러한 권선부의 수는 본 고안에 의해 한정되지 않는다.
상기 보빈(21)의 중공부에는 상기 권선된 코일(22a)(22b)에 대응하는 마그네트(23a)(23b)가 슬라이딩 가능하도록 삽입 설치된다. 즉, 상기 마그네트(23a)(23b)는 중공부 내에서 지지가능하도록 탄성스프링(25a)(25b)에 그 일단이 부착되어 지지되며, 상기 마그네트(23a)(23b) 사이에는 이들을 연결하는 연결부재(26)가 개재되어 있다. 상기 마그네트(23a)(23b)는 서로 동일한 극성이 마주하도록 배치되는 것이 바람직한데, 이것은 동일한 극성배치로 인해 자속을 서로 밀어냄으로써 코일을 지나는 자기력선의 수를 더욱 증대시키기 위함이다.
여기서, 상기 마그네트(23a)(23b)는 후술하는 바와 같이 보빈(21)의 중공부 내에서 슬라이딩 왕복운동하면서 코일에 전자기유도기전력을 발생시키게 되는데, 이때의 운동에너지를 최대한 전기에너지로 변환하기 위하여 상기 스프링(25a)(25b)의 탄성계수는 다음식을 만족하는 것이 바람직하다.
여기서, m은 상기 마그네트(23a)(23b)와 연결부재(26)의 무게합이며, ω는 배터리를 진동시켜 결국 마그네트(23a)(23b)를 운동시키는 사용자의 움직임 주파수를 나타낸다. 스프링(25a)(25b)이 위 식과 같은 탄성계수를 만족할 때 마그네트(23a)(23b)의 공진 변위(displacement)는 더욱 커져 작은 움직임으로도 큰 전력을 얻을 수 있게 된다.
상기 보빈(21)과 케이스(10) 내벽 사이에는 외부 자장을 차단하고 마그네트(23a)(23b)로부터 보다 많은 자속이 코일(22a)(22b)로 인입될 수 있도록 자기차폐막(27)이 개재될 수 있다.
또한, 본 고안의 배터리는 상기 자가발전유니트로부터 생성된 전류를 저장할 수 있도록 충방전소자(30)를 구비한다. 이러한 충방전소자(30)는 바람직하게, 전기 이중층 커패시터(electric double layer capacitor: EDLC), 메탈옥사이드 슈도(pseudo) 커패시터, 슈퍼커패시터 등과 같은 커패시터나 2차전지가 채용된다. 더욱 바람직하게, 충방전소자(30)로 전기 이중층 커패시터(electric double layer capacitor: EDLC), 메탈옥사이드 슈도(pseudo) 커패시터, 슈퍼커패시터 등이 사용되는데, 이들은 자체 저항값이 비교적 낮아 미약한 전류로도 큰 충전 효율을 얻을 수 있기 때문이다. 상기 전기 이중층 콘덴서는 기존의 커패시터에 비해 충전용량이 약 1,000 ∼ 100,000배 정도 더 큰 것으로 알려져 있으며, 상기 메탈옥사이드 슈도 커패시터는 전기 이중층 콘덴서보다 더 큰 전력밀도(power density)를 가져 소형화에 적합하다. 상기 충방전소자(30)는 본 고안의 실시예에 의해 한정되지 않으며 당업자의 기술수준에서 다양하게 적용될 수 있을 것이다.
본 배터리는 상기 자가발전유니트에서 생성된 전류를 상기 충방전소자(30)로 공급하여 충전시키기 위한 충전조정회로(40)를 포함하는데, 그러한 회로구성이 도 3에 도시되어 있다.
즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 각각 권선 코일(22a)(22b)과 마그네트(23a)(23b)로 구성된 두 개의 자가발전유니트(20a)(20b)에서 전류가 생성되며, 이러한 전류는 충전조정회로(40)를 거쳐 충방전소자(30)에 인가된다.
상기 충전조정회로(40)는, 예를 들어, 상기 자가발전유니트(20a)(20b)에서 생성된 교류전류를 직류전류로 변환하는 AC-DC변환기와, 이러한 전류를 다시 충방전소자(30)에 적합한 전압으로 승압시키는 승압기를 포함할 수 있다. 바람직하게 상기 AC-DC변환기는 회로구성에 소요되는 공간을 최소화하기 위해서 통상의 브리지정류기를 사용하지 아니하고 발전유니트 사이에 중간탭(42)을 연결하고 2개의 다이오우드를 사용함으로써 정류하는 방식을 택할 수 있다. 또한, 본 고안의 회로는 방전시 휴대용 전자기기의 부하에 적당한 전압으로 조정하여 출력하는 방전조정회로를 포함할 수도 있다.
본 고안에 따른 충전조정회로(40)는 실시예에 의해 한정되지 않으며 본 출원인이 먼저 출원한 대한민국 특허출원 제10-1999-043024호에 개시된 충방전조정회로의 구성을 적용할 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 도면에서 참조부호 (100)은 외부 부하를 가리킨다.
그러면, 상기와 같은 구성을 가진 본 고안의 일 실시예에 따른 자가 충전가능한 배터리의 동작에 대해서 살펴보기로 한다.
본 실시예의 배터리는 기존의 건전지 또는 2차전지에 상응하는 형상을 가지므로 휴대용 전자기기의 배터리 케이스에 호환성을 가지고 장착될 수 있다. 이렇게 배터리가 휴대용 전자기기에 장착된 상태에서 또는 미장착된 상태에서 사용자가 움직이거나 이동하게 되면 휴대용 전자기기 또는 배터리가 진동하면서 그 진동이 보빈(21)의 중공부에 수납된 마그네트(23a)(23b)로 전달된다. 따라서, 마그네트(23a)(23b)는 보빈(21)의 중공부를 따라서 슬라이딩 왕복진동운동을 하게 되고, 상기 스프링(25a)(25b)의 탄성계수가 전술한 식1과 같은 값을 가질 경우 그러한 진동운동은 더욱 효과적으로 촉진된다.
이렇게 상기 마그네트(23a)(23b)가 운동하게 되면 보빈(21)에 권선된 코일(22a)(22b)과 각각 전자기 유도현상을 유발하여 코일(22a)(22b)에는 교류 유도기전력이 발생한다. 이러한 교류전류는 코일(22a)(22b)과 연결된 충전조정회로(40)를 거쳐 승압되고 정류된 다음 충방전소자(30)에 인가되어 저장된다.
이어서, 상기 충방전소자(30)에 저장된 전류는 휴대용 전자기기 등을 작동시킴으로써 그 부하(100)가 연결되면 방전되게 되고, 그 결과 전자기기의 동작이 가능하다.
본 고안의 다른 실시예에 따르면 자가발전유니트를 다중으로 구비하여 용량이 증대된 배터리를 얻을 수 있는데 그러한 예가 도 4에 도시되어 있다. 여기서 도 1과 동일한 참조부호는 동일한 기능을 하는 동일한 부재를 가리킨다.
본 실시예에서는 복수개의 코일(22a-22f)과 마그네트(23a-23f)를 직렬로 배치함으로써 전체적인 용량의 증대 뿐만 아니라 위 식1의 탄성계수(k) 값이 커지게 되므로 스프링(55a)(55b)을 용이하게 제작할 수 있는 효과도 있다.
본 고안의 또 다른 실시예가 도 5에 도시되어 있다. 도면을 참조하며, 본 실시예의 배터리는 전술한 도 1에 개시된 배터리를 2개 연결한 형태를 가진다. 즉, 2개의 배터리를 병렬로 연결한 구조이다. 구체적으로, 음극단자가 되는 케이스(50)(60)는 서로 전선 또는 도전성부재(72) 등으로 연결되어 있으며, 양극단자(12a)(12b) 또한 도전성부재(71)로 연결되어 있다. 상기 배터리 사이에는 고무연결체(70)가 개재되는데, 상기 도전성부재(71)(72)는 이 고무연결체(70) 사이에 매립될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 발전용량을 증대시킬 수 있음은 물론이고, 배터리의 내부 공간을 효율적으로 설계할 수 있는데, 예를 들어 일측의 배터리(50)에는 충방전소자(80)가 설치되고 타측의 배터리(60)에는 충전조정회로(90)를 포함한 회로가 설치될 수 있다. 이러한 구조는 동일한 전지용량을 얻으면서도 원가를 줄일 수 있게 해준다. 본 실시예에서 타측 배터리에 충방전조정회로가 설치되는 것으로 설명하였으나 이것은 회로 구성의 일 예에 불과한 것이며 실시 불가능한 회로의 단적인 분리를 의미하지는 않는다. 예를 들어, 일측 배터리에는 충방전소자가 주요구성으로 설치되고, 타측 배터리에는 충전조정회로를 포함한 일련의 회로구성이 주요부로 설치되는 것으로 이해되어야 한다.
본 실시예에서 특히 주목되는 것은, 상기 고무연결체(70)의 역할이다. 즉, 본 고안의 전지는 두 개의 배터리가 수납되는 전지케이스에 끼워져 사용될 수 있는데 이때 전자기기에 따라서 수납케이스의 규격이 조금씩 차이가 있더라도 상기 고무연결체(70)의 유연성으로 인해 본 실시예의 배터리를 수납케이스에 끼워서 사용할 수 있게 된다. 즉, 상기 고무연결체(70)는 배터리의 기구적인 연결과 호환성을 확보하게끔 한다.
반면에, 상기 실시예와는 반대로 2개의 배터리가 직렬로 연결될 수도 있는데, 그러한 실시예는 도 6에 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 일측 배터리(51)의 양극단자(13a)는 타측 배터리(61)의 음극단자(14a)인 케이스와 도전성부재(73)에 의해 전기적으로 접속되어 있고, 일측 배터리(51)의 음극단자(14b) 역시 타측 배터리(61)의 양극단자(13b)와 도전성부재(74)로 연결되어 있다.
본 실시예의 경우에 있어서도 일측의 배터리(51)에는 충방전소자(81)가 구비되고 타측의 배터리(61)에는 충방전조정회로(91)를 포함한 회로가 구비되도록 함으로써 배터리의 내부공간 사용효율을 극대화할 수 있으며, 기구적 연결의 호환성 확보 역시 전술한 바와 같다.
이상과 같이 본 고안에 따른 자가 충전가능한 배터리는 기존의 건전지 또는 2차전지와 동일한 형상을 가져 호환성이 보장됨과 아울러, 기계적 진동을 전기에너지로 변환시킬 수 있는 자가발전유니트를 구비함으로써 별도의 충전기를 사용하여 충전시키는 일 없이 언제든지 휴대용 전자기기를 사용하는 것을 가능케 한다. 더욱이, 자기차폐막과 마그네트를 상호 동일한 극성으로 배치함으로써 코일을 지나는 자속밀도를 더욱 높여 전력발생효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라 2개의 배터리를 상호 연결하여 공간 배치효율을 높이고 전지용량을 증대시킬 수 있다.

Claims (6)

  1. 음극단자(11)를 포함하는 원통형의 전도성 케이스(10);
    상기 전도성 케이스(10)와 절연되도록 상기 음극단자(11)의 타측에 설치된 양극단자(12);
    상기 케이스(10) 내에 수납되며 중공부가 형성되어 있는 원통형의 보빈(21);
    상기 보빈(21)의 외주면에 권선되는 적어도 하나 이상의 코일(22a)(22b);
    상기 코일과 대응하도록 상기 보빈(21)의 중공부에 슬라이딩 가능하게 삽입 설치되는 적어도 하나 이상의 마그네트(23a)(23b);
    상기 마그네트를 탄력적으로 지지하도록 결합되는 스프링(25a)(25b);
    상기 코일로부터 발생된 유도전류를 충전하고 이를 상기 양극 및 음극단자를 통해 방전하는 충방전소자(30); 및
    상기 코일로부터 발생된 교류유도전류를 정류 및 승압하여 상기 충방전소자로 인가하는 충전조정회로(40);를 포함하는 것을 특징으로 하는 자가 충전가능한 배터리.
  2. 제1항에 있어서, 상기 마그네트 사이에 개재되어 이들을 상호 연결하는 연결부재(26); 및
    상기 보빈과 케이스 내벽 사이에 설치되어 외부 자장을 차단하는 자기차폐막(27)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자가 충전가능한 배터리.
  3. 제2항에 있어서, 상기 스프링의 탄성계수는,
    를 만족하며, 여기서 m은 상기 마그네트(23a)(23b)와 연결부재(26)의 무게합이며, ω는 사용자의 움직임 주파수인 것을 특징으로 하는 자가 충전가능한 배터리.
  4. 제1항에 있어서, 상기 충방전소자는 전기 이중층 커패시터(electric double layer capacitor: EDLC), 메탈옥사이드 슈도(pseudo) 커패시터, 슈퍼커패시터 또는 2차전지 중에서 어느 하나인 것을 특징으로 하는 자가 충전가능한 배터리.
  5. 제1항에 있어서, 상기 원통형의 전도성 케이스(50)(60)는 두 개 마련되고 그들 사이에는 유연한 고무연결체(70)가 개재되어 있으며, 일측 케이스(50)의 양극단자(12a)와 타측 케이스(60)의 양극단자(12b)가 도전성부재(71)에 의해 상호 전기적으로 연결되는 동시에, 일측 케이스(50)의 음극단자와 타측 케이스(60)의 음극단자가 도전성부재(72)에 의해 상호 전기적으로 연결되며, 일측 케이스 내에는 충방전소자(80)가 설치되고, 타측 케이스 내에는 충전조정회로(90)가 설치된 것을 특징으로 하는 자가 충전가능한 배터리.
  6. 제1항에 있어서, 상기 원통형의 전도성 케이스(51)(61)는 두 개 마련되고 그들 사이에는 유연한 고무연결체(70)가 개재되어 있으며, 일측 케이스(51)의 양극단자(13a)와 타측 케이스(61)의 음극단자(14a)가 도전성부재(73)에 의해 상호 전기적으로 연결되는 동시에, 일측 케이스(51)의 음극단자(14b)와 타측 케이스(61)의 양극단자(13b)가 도전성부재(74)에 의해 상호 전기적으로 연결되며, 일측 케이스 내에는 충방전소자(81)가 설치되고, 타측 케이스 내에는 충전조정회로(91)가 설치된 것을 특징으로 하는 자가 충전가능한 배터리.
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