KR20090027312A

KR20090027312A - 무접점 충전 시스템

Info

Publication number: KR20090027312A
Application number: KR1020070092435A
Authority: KR
Inventors: 김성일; 서종고
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2007-09-12
Filing date: 2007-09-12
Publication date: 2009-03-17
Also published as: KR101425678B1

Abstract

본 발명은 무접점 충전 시스템에 관한 것으로서, 외부 전원을 이용하여 충전 전력을 발생시키는 충전 모체와, 충전 모체로부터 전자기 유도 현상을 통해 충전 전력을 공급받아 내부의 배터리를 충전하는 배터리 장치를 포함하여 이루어지며, 배터리 장치는 충전 모체에서 발생한 충전 전력을 수신하는 충전 전력 수신 모듈과, 충전 모체로부터 수신한 충전 전력으로 충전되는 배터리 사이에 접지 차폐층(Ground Shielding Layer)을 구비함으로써, 충전 모체에서 발생하는 자기장이 휴대형 전자기기의 본체까지 전달되지 않도록 하여 휴대형 전자기기의 무선 감도에 영향을 주지 않도록 하는 무접점 충전 시스템이 개시된다.

무접점 충전, 배터리, 전자기 유도, 접지 차폐층, 코일

Description

무접점 충전 시스템{ System for wireless charging }

본 발명은 무접점 충전 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 휴대폰, PDA(Personal Digital Assistant), 노트북 등과 같은 개인 휴대용 기기는 충전이 가능한 배터리를 통해 전원을 공급받는다. 이때, 개인 휴대용 기기의 배터리 전압이 소정 레벨 이하로 떨어지면, 충전기를 이용하여 배터리를 충전한 후 다시 사용하게 된다.

개인 휴대용 기기의 배터리는 충전기에 마련된 충전 단자에 전기적으로 연결될 수 있도록 외부로 노출된 접속 단자를 가지며, 배터리의 충전시에는 충전기의 충전 단자와 배터리의 접속 단자가 서로 접속되어 전기적으로 연결된 상태가 유지된다.

그러나, 충전기의 충전 단자와 배터리의 접속 단자는 상호 간의 접속을 위해 외부로 노출되어 있어 이물질에 의해 쉽게 오염이 되고, 충전 단자와 접속 단자가 접속되는 과정에서 양 단자의 마찰로 인해 마모가 발생한다.

그리고, 대기 중의 수분에 의해 충전 단자와 접속 단자가 부식됨으로써, 충전 단자와 접속 단자 간의 접속이 불량해진다는 문제가 있다.

또한, 배터리의 사용 과정에서 접속 단자의 미세한 틈을 통해 배터리 내부로 수분이 침투하면, 내부 회로의 단락에 의해 배터리가 완전히 방전되는 치명적 문제를 야기하기도 한다.

이러한 문제를 해결하기 위해, 최근에 전자기 유도 현상에 의해 무접점 방식으로 충전기와 결합한 상태에서 배터리를 충전할 수 있는 무접점 충전 기술이 제안되었다.

도 1은 종래의 무접점 충전 방식을 이용한 배터리와 충전기의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.

이에 도시된 바와 같이, 충전기(10)는 상용 교류 전원(11)과, 상기 상용 교류 전원(11)으로부터 전원을 공급받아 고주파 교류 전류를 출력하는 고주파 전력 발생 수단(12)과, 상기 고주파 전력 발생 수단(12)으로부터 고주파 교류 전류를 인가받아 자기장(M)을 발생하는 1차 측 코일(13)로 이루어진다.

그리고, 배터리(20)는 전기 에너지가 충전되는 배터리 셀(21)과, 상기 1차 측 코일(13)에서 발생한 자기장(M)의 쇄교에 따라 고주파 교류 전류가 유도되는 2차 측 코일(22)과, 상기 2차 측 코일(22)에서 유도된 고주파 교류 전류를 직류 전류로 변환하는 정류부(23)와, 상기 정류부(23)에서 정류된 직류 전류를 배터리 셀(21)에 인가하는 정전압/정전류 공급부(24)로 이루어진다.

상기 정전압/정전류 공급부(24)는 충전 초기에는 배터리 셀(21)에 전류를 일정하게 공급하다가 배터리 셀(21)의 충전 전압이 서서히 증가하여 특정 기준 값을 넘어서면 전류의 공급을 줄여가는 대신 배터리 셀(21)의 충전 전압을 일정하게 유지시켜주는 기능을 수행한다.

이러한 종래의 무접점 충전 방식을 이용한 충전기(10)와 배터리(20)에 의하면, 2차 측 코일(22)에 유도되는 고주파 교류 전류의 크기는 2차 측 코일(22)에 쇄교하는 자속의 크기에 비례한다.

그리고, 2차 측 코일(22)에 쇄교하는 자속의 크기는 1차 측 코일(13)과의 상대적 위치에 따라 변화한다.

즉, 2차 측 코일(22)이 충전기(10)의 1차 측 코일(13)에 가깝게 위치할수록 2차 측 코일(22)에 쇄교하는 자속의 크기가 증가하게 되고, 그 결과 2차 측 코일(22)에 유도되는 고주파 교류 전류의 크기도 함께 증가하게 된다.

종래의 무접점 충전 장치는 충전기 측에서 발생하는 자기장이 배터리가 내장된 휴대형 전자기기의 몸체에까지 이르러 무선 감도에 악영향을 미치는 문제점이 있다.

본 발명의 무접점 충전 시스템의 바람직한 실시예는, 외부 전원을 이용하여 충전 전력을 발생시키는 충전 모체와, 상기 충전 모체로부터 전자기 유도 현상을 통해 충전 전력을 공급받아 내부의 배터리를 충전하는 배터리 장치를 포함하여 이루어지며, 상기 배터리 장치는, 상기 충전 모체에서 발생한 충전 전력을 수신하는 충전 전력 수신 모듈과, 상기 수신한 충전 전력으로 충전되는 배터리 사이에 접지 차폐층(Ground Shielding Layer)을 구비하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 충전 모체는 코발트 또는 페라이트 재질의 소형 코어를 복수 개 붙인 평판 코어 상에 코일이 일정 패턴으로 권선된 코어 블록을 구비하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 충전 전력 수신 모듈은 비 정질 금속(Amorphous Metal)이 다수 겹으로 적층된 비 정질 금속 박막 코어에 일정 패턴을 가진 코일이 권선되어 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 배터리 장치의 충전 전력 수신 모듈과 배터리 사이에 접지 차폐층을 구비함으로써, 충전 모체에서 공급되는 전력을 충전 전력 수신 모듈을 통해 배터리에 전달하여 배터리를 충전시키는 한편, 충전 모체에서 발생하는 자기장이 휴대형 전자기기의 본체까지 전달되지 않도록 하여 휴대형 전자기기의 무선 감도에는 영향을 주지 않도록 한다.

이하, 도 2 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 무접점 충전 시스템에 대해 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 무접점 충전 시스템의 개략적인 사시도이다.

이에 도시된 바와 같이, 외부 전원을 이용하여 배터리에 공급할 충전 전력을 생성시키는 충전 모체(100)와, 상기 충전 모체(100)로부터 무접점으로 충전 전력을 공급받고, 이를 이용하여 내부의 배터리(미도시)를 충전시키는 배터리 장치(200)로 이루어진다.

상기 충전 모체(100)는 외부 전원으로부터 전기 에너지를 공급받아 상기 배터리 장치(200)에 공급할 충전 전력을 생성하는 장치로서, 배터리 장치(200)가 쉽게 안착할 수 있도록 패드 형태로 구성되는 것이 바람직하다.

상기 충전 모체(100)는 코발트 계열 또는 페라이트 재질의 소형 코어를 다수 개 붙인 평판 코어 상에 일정 패턴을 가진 코일을 형성한 코어 블록을 구비하여 변압기 1차측의 역할을 수행한다.

즉, 상기 충전 모체(100)는 상기 평판 코어 상에 코일이 다양한 패턴으로 권취되어 내장되어 있어 10kHz 이상의 스위칭을 통하여 쇄교된 자속이 배터리 장치 (200)측으로 유기되도록 한다.

상기 충전 모체(100)에 공급되는 외부 전원으로서는 가정용의 상용 교류 전원(60Hz, 220V/100V)이 가장 바람직하지만, 이에 한정되는 것은 아니며 다른 DC 전원을 사용할 수도 있다.

즉, 상기 충전 모체(100)는 DC 입력을 가지는 다양한 포트를 구비함으로써 다양한 형태의 외부 전원(예를 들어, AC 어댑터의 출력, 컴퓨터의 USB 포트, 자동차의 시거 잭 등)과 연결되어 사용될 수 있다.

상기 배터리 장치(200)는 배터리를 포함하는 배터리 팩이 내장된 휴대형 전자기기를 나타낸다. 상기 휴대형 전자기기로는 셀룰러폰, PDA, MP3플레이어 등을 들 수 있다.

상기 배터리 장치(200)에 내장되는 배터리는 재충전이 가능한 전지 셀로서, 리튬 이온 전지 또는 리튬 폴리머 전지 등의 2차 전지가 사용된다.

여기서, 배터리로 리튬 이온 전지를 사용하는 경우, 4.2V 이상 과충전 상태가 되면 전지의 누액, 발열, 폭파 등의 위험한 상황이 발생할 수 있다.

또한, 3.0V 이하까지 방전될 경우, 배터리의 충전 효율과 수명이 급격히 감소하여 외부의 단말기 또는 로더(Loader)에 의한 단락(Short) 등으로 인해 과대한 전류가 방전되어 전지에 심각한 피해를 입히게 된다.

따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위해 상기 배터리 장치(200)는 충전용 보호 회로 모듈을 구비하여 예상치 못한 외부 환경으로부터 전지를 안정화함으로써 배터리의 성능과 수명을 보장하고, 폭발로부터 사용자를 보호할 수 있도록 한다.

상기 배터리 장치(200)는 배터리 팩 내에 상기 충전 모체(100)로부터 발생된 충전 전력을 수신하는 충전 전력 수신 모듈과 배터리를 포함하는데, 특히 상기 배터리 장치(200)는 충전 전력 수신 모듈과 배터리 사이에 접지 차폐 층(Ground Shield Layer)을 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서는 충전 전력 수신 모듈과 배터리 사이에 접지 차폐층을 구비함으로써, 충전 모체(100)에서 공급되는 전력을 충전 전력 수신 모듈을 통해 배터리에 전달하여 배터리를 충전시키는 한편, 충전 모체(100)에서 발생하는 자기장이 휴대형 전자기기의 본체까지 전달되지 않도록 하여 휴대형 전자기기의 무선 감도에는 영향을 주지 않도록 한다.

이와 같이 구성된 무접점 충전 시스템에 있어서, 상기 배터리 장치(200)는 상기 충전 모체(100) 상부에 평행하게 수직 방향으로 일정 거리 이격되도록 위치시킨 후 충전하는데, 이때 상기 충전 모체(100) 내부의 코어 블록과 상기 배터리 장치(200)의 충전 전력 수신 모듈이 자기적으로 결합되어 무접점 충전을 수행한다.

즉, 상기 충전 모체(100)와 상기 배터리 장치(200)는 서로 대응되는 1차 코일(110) 및 2차 코일(210)을 각각 구비하고 있는데, 상기 1차 코일(110) 및 2차 코일(210)은 유도 결합에 의해 자기적으로 상호 커플링(Coupling)된다.

다시 말하면, 상기 2차 코일(210)이 상기 1차 코일(110) 위에 병렬됨에 따라 1차 코일(110)에 의해 생성되는 자기장이 2차 코일(210) 내에 유도 전류를 유기하게 된다.

그리고, 상기 1차 코일(110) 및 2차 코일(210)은 각각 제1 안테나(120) 및 제2 안테나(220)에 의해 둘러싸여 있으며, 상기 제1 안테나(120) 및 제2 안테나(220)는 충전 모체(100)와 배터리 장치(200) 간에 무선 신호의 송수신을 수행한다.

또한, 상기 충전 모체(100)는 1차 코일(110)을 구동하여 자기장을 생성하기 위한 충전 전력 공급회로(130)를 내장하고 있고, 상기 배터리 장치(200)는 2차 코일(210)에 의해 유기되는 유도 기전력을 이용하여 배터리(미도시)를 충전시키는 충전 회로(230)를 내장하고 있다.

도 3은 본 발명의 무접점 충전 구조를 나타낸 단면도이다.

이에 도시된 바와 같이, 배터리 장치(300)는 충전 모체(400)에서 수직 방향으로 일정 거리 이격되어 배치되며, 하부의 충전 모체(400)에서 자기장을 형성하여 상부의 배터리 장치(300)로 에너지를 전달하는 구조로 되어있다.

상기 배터리 장치(300)는 크게 휴대형 전자기기의 본체(310)와 배터리 팩(320)으로 나눌 수 있으며, 상기 배터리 팩(320)은 외곽 케이스(321), 충전 전력 수신 모듈(323), 접지 차폐층(Ground Shielding Layer)(325), 배터리 셀(327)의 계층 구조로 이루어진다.

상기 충전 전력 수신 모듈(323)은 변압기의 2차 측의 역할을 수행하는 것으로, 코발트 계열의 비 정질 금속(Amorphous Metal)이 다수 겹으로 적층된 비 정질 금속 박막 코어에 일정 패턴을 가진 코일이 권선된 형태로 이루어질 수 있다.

여기서, 상기 비 정질 금속 박막 코어는 코발트(Co), 철(Fe), 니켈(Ni), 붕소(B), 규소(Si) 등 코발트 계열의 비 정질 금속 재료가 다수 적층된 얇은 시트(Sheet) 또는 박막(Film)으로 제작되어 높은 투자율과 깨지지 않는 성질을 가진다.

또한, 상기 충전 전력 수신 모듈(323)은 PCB(Printed Circuit Board) 또는 FPCB(Flexible Printed Circuit Board) 상에 인덕터를 박막 형태의 권선으로 형성하여 이루어질 수 있으며, 만약 PCB 또는 FPCB가 다층 인쇄회로기판의 경우 상기 인덕터는 최하층 상에 형성하는 것이 바람직하다.

본 발명의 무접점 충전 구조에서는, 배터리 팩(320)의 충전 전력 수신 모듈(323)과 배터리 셀(327) 사이에 접지 차폐층(Ground Shielding Layer)(325)을 형성함으로써, 무접점 충전시 휴대형 전자기기의 무선 감도에 영향을 주지 않게 된다.

즉, 본 발명에서는 충전 모체(100)의 1차 측 코일에 의해 생성되는 자기장이 충전 전력 수신 모듀(323) 내의 2차 측 코일에 유도 전류를 유기하게 되고, 상기 유도 전류를 배터리 셀(327)에 전달하여 배터리를 충전하는 한편, 상기 생성된 자기장이 배터리 장치(300)의 본체(310)까지 전달되지 못하도록 접지 차폐층(325)을 형성하여 휴대형 전자기기의 무선 감도에는 영향을 주지 않도록 한다.

도 4는 본 발명의 무접점 충전 시스템의 구성을 나타낸 기능 블럭도이다.

이에 도시된 바와 같이, 충전 모체(500)는 배터리 장치(600)의 2차 코일(610)과 유도 결합하는 1차 코일(510)과, 상기 1차 코일(510)에 전원을 공급하는 파워 서플라이 유닛(520)과, 상기 파워 서플라이 유닛(520)으로부터 공급되는 전원을 온(On)/오프(Off)하기 위한 스위칭 콘트롤러(530)를 포함한다.

여기서, 상기 파워 서플라이 유닛(520)은 교류를 직류로 또는 직류를 교류로 변환하는 컨버터와 직류 전압의 전압 레벨을 조절하는 인버터를 포함하여 이루어진다.

또한, 상기 충전 모체(500)는 상기 배터리 장치(600)로부터 배터리의 상태 정보(충전 전압, 온도, 사용 시간, 충전 용량 등)를 수신하기 위한 제1 RF 모듈(540)과, 상기 파워 서플라이 유닛(520) 및 상기 스위칭 콘트롤러(530)를 제어하기 위한 제1 제어부(550)를 포함한다.

상기 제1 RF 모듈(540)은 배터리 장치(600)의 제2 RF 모듈(620)로부터 배터리의 상태 정보를 수신하여 제1 제어부(550)에 전달한다. 제1 제어부(550)는 배터리 상태 정보에 근거하여 상기 파워 서플라이 유닛(520)을 조절함으로써 1차 코일(510)에 인가되는 충전용 전압을 상기 배터리 상태에 최적화하도록 제어한다.

상기 충전 모체(500)와 유도 결합되어 자기 에너지를 공급받는 배터리 장치(600)는 1차 측으로부터 제공되는 자기 에너지를 전기 에너지로 전환하는 2차 코일(610)을 포함한다.

또한, 상기 배터리 장치(600)는 2차 코일(610)로부터 전달되는 충전 전원을 배터리(660)에 적합한 형태로 조절하는 충전 콘트롤러(630)와, 상기 충전 콘트롤러(630)를 배터리(660)의 전압과 온도에 근거하여 제어하기 위한 제2 제어부(640)를 포함한다.

상기 배터리 장치(600)는 배터리(660)에 공급되는 충전 전압을 감지하는 전압 센서(650)와, 상기 제2 제어부(640) 내부에 저장되어 있는 배터리(660)의 고유 정보(충전 용량, 정격 전압, 사용 시간 등) 및 상기 전압 센서(650)로부터 제공되는 배터리(660)의 충전 전압을 충전 모체(500)에 전송하기 위한 제2 RF 모듈(620)을 더 포함한다.

상기 1차 코일(510)과 2차 코일(610)은 경박 단소화 되고 있는 휴대형 전자기기의 추세에 따라 코어 없는 초박형의 코일(예를 들어, PCB 코일)로 구성되는 것이 바람직한데, 높은 충전 효율을 구현하기 위해서 코어를 포함시키는 것도 가능하다.

이와 같이 구성된 무접점 충전 시스템에 있어서, 상기 충전 모체(500) 상부에 배터리 장치(600)을 위치시키면, 배터리 장치(600)의 제2 RF 모듈(620)이 제2 제어부(640)로부터 전달되는 배터리 상태 정보를 무선을 통해 충전 모체(500)의 제 1 RF 모듈(540)에 전달한다.

이때, 1차 코일(510)과 2차 코일(610)의 커플링 효율을 높이기 위해서 1차 코일(510)의 중심과 2차 코일(610)의 중심을 가능한 일치시키는 것이 바람직하다.

상기 배터리 장치(600)로부터 배터리 상태 정보를 전달받은 충전 모체(500)는 파워 서플라이 유닛(520)을 제어하여 배터리 상태에 부합하는 1차 측 충전 전압을 생성하고, 이를 1차 코일(510)에 인가한다.

상기 인가된 전원에 의해 1차 코일(510)은 자기 에너지를 발생시키고, 자기 에너지를 2차 코일(610)에 전달한다. 상기 1차 코일(510)로부터 전달된 자기 에너지에 의해 2차 코일(610)에는 유도 기전력이 발생하고, 이 유도 기전력은 충전 콘트롤러(630)에 의해 소정 레벨의 직류 전류로 변환되어 배터리(660)에 공급된다.

상기 배터리(660)가 충전됨에 따라 배터리 장치(600)의 전압 센서(650)는 배터리(660)의 과전압, 과부하 상태를 감지하여 제2 제어부(640)에 감지된 정보를 전달한다.

상기 제2 제어부(640)는 감지된 충전 전압에 근거하여 충전 콘트롤러(630)를 조절하고, 내부 메모리에 저장된 배터리 상태 정보를 갱신한다.

이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다.

그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

도 1은 종래의 무접점 충전 방식을 이용한 배터리와 충전기의 구성을 개략적으로 나타낸 도면.

도 2는 본 발명의 무접점 충전 시스템의 개략적인 사시도.

도 3은 본 발명의 무접점 충전 구조를 나타낸 단면도.

도 4는 본 발명의 무접점 충전 시스템의 구성을 나타낸 기능 블럭도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

300 : 배터리 장치 310 : 휴대형 전자기기의 본체

320 : 배터리 팩 321 : 배터리 팩의 외곽 케이스

323 : 충전 전력 수신 모듈 325 : 접지 차폐층

327 : 배터리 셀 400 : 충전 모체

Claims

외부 전원을 이용하여 충전 전력을 발생시키는 충전 모체; 및

상기 충전 모체로부터 전자기 유도 현상을 통해 충전 전력을 공급받아 내부의 배터리를 충전하는 배터리 장치;를 포함하여 이루어지며,

상기 배터리 장치는,

상기 충전 모체에서 발생한 충전 전력을 수신하는 충전 전력 수신 모듈과, 상기 수신한 충전 전력으로 충전되는 배터리 사이에 접지 차폐층(Ground Shielding Layer)을 구비하는 것을 특징으로 하는 무접점 충전 시스템.
제1항에 있어서,

상기 충전 모체는 코발트 또는 페라이트 재질의 소형 코어를 복수 개 붙인 평판 코어 상에 코일이 일정 패턴으로 권선된 코어 블록을 구비하는 것을 특징으로 하는 무접점 충전 시스템.
제1항에 있어서,

상기 충전 전력 수신 모듈은 비 정질 금속(Amorphous Metal)이 다수 겹으로 적층된 비 정질 금속 박막 코어에 일정 패턴을 가진 코일이 권선되어 형성되는 것 을 특징으로 하는 무접점 충전 시스템.
제3항에 있어서,

상기 비 정질 금속은 코발트(Co), 철(Fe), 니켈(Ni), 붕소(B), 규소(Si) 중에서 선택된 어느 하나의 금속인 것을 특징으로 하는 무접점 충전 시스템.
제1항에 있어서,

상기 충전 전력 수신 모듈은 PCB(Printed Circuit Board) 또는 FPCB(Flexible Printed Circuit Board) 상에 인덕터를 박막 형태로 형성한 것을 특징으로 하는 무접점 충전 시스템.
제5항에 있어서,

상기 PCB 또는 FPCB가 다층 인쇄회로기판인 경우, 상기 인덕터는 최하층 상에 형성하는 것을 특징으로 하는 무접점 충전 시스템.