KR20110065969A

KR20110065969A - 무접점 전력전송장치, 무접점 충전장치, 무접점 충전 시스템 및 이를 이용한 무선 전력전송방법

Info

Publication number: KR20110065969A
Application number: KR1020090122678A
Authority: KR
Inventors: 김우태; 정관옥
Original assignee: 김우태; 정관옥
Priority date: 2009-12-10
Filing date: 2009-12-10
Publication date: 2011-06-16
Also published as: KR101161836B1

Abstract

수신측 부하 전력 상태에 따라 전자기 유도에 의한 전력전송 및 무접점 충전을 수행하는 무접점 전력전송장치, 무접점 충전장치, 무접점 충전 시스템 및 이를 이용한 무선 전력전송방법을 제공한다. 무접점 전력전송장치는 유도 결합을 위한 2차 코일 및 충전 가능한 배터리를 포함하는 수신측 무접점 충전장치에 무접점으로 결합되는 송신측 무접점 전력전송장치로서, 2차 코일에 충전 전력을 유도하는 1차 코일과, 1차 코일을 구동시키는 구동부와, 1차 코일에 공급되는 전력량을 조절하는 PWM 제어부, 및 수신측 부하 전력의 상태에 따라 PWM 제어부를 제어하여 수신측으로 전송되는 전력량에 대한 제어가 이루어지도록 하는 중앙제어부를 포함한다.

전자기 유도, 무접점, 충전, 전력전송

Description

무접점 전력전송장치, 무접점 충전장치, 무접점 충전 시스템 및 이를 이용한 무선 전력전송방법{Non-contact power transferring device, non-contact power charge device, non-contact charge system and method for wireless power transferring using the same}

본 발명은 무접점 전력전송장치, 무접점 충전장치, 무접점 충전 시스템 및 이를 이용한 무선 전력전송방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수신측 부하 전력 상태에 따라 전자기 유도에 의한 전력전송 및 무접점 충전을 수행하는 무접점 전력전송장치, 무접점 충전장치, 무접점 충전 시스템 및 이를 이용한 무선 전력전송방법에 관한 것이다.

일반적으로 PDA, PMP, MP3 등과 같은 휴대용 장치는 이동하면서 사용되기 때문에 일반 가정 전원을 직접 연결하여 전원을 공급받을 수 없고 일회용 배터리를 장착하거나 충방전이 가능한 배터리가 장착되어 사용된다. 이러한 휴대용 장치의 배터리에 전기를 충전시키기 위한 충전기는 단자공급방식으로 배터리팩에 전원을 공급하고 있다.

그러나 충전기와 배터리가 서로 결합되거나 분리될 경우, 양측의 단자들이 서로 다른 전위차를 가지고 있어서 단자부분에서 순간방전현상이 발생될 수 있다. 따라서 시간이 지남에 따라 양측 단자에 이물질이 쌓일 수 있고, 이로 인한 화재 발생 및 습기 또는 먼지로 인한 자연 방전, 충전기 및 배터리의 수명 단축 및 성능 저하를 초래하게 된다. 종래에는 이러한 단자공급방식의 문제점을 해결하기 위해 무접점 충전기가 제공되고 있다.

도 1은 종래 무접점 충전 시스템에 있어서 송신측과 수신측의 구성도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래 무접점 충전기를 통한 충전 방식은 송신측 무접점 충전기의 1차 코일(1) 상부에 충전하고자 하는 배터리가 내재된 단말기를 위치시키면 수신측 배터리의 2차 코일(2)에 의하여 충전이 이루어지는 방식이다.

이때, 전력을 송신하는 송신측의 전자계 발생을 위해서 풀 브리지(Full bridge) 또는 하프 브리지(Half bridge) 구성을 사용하는 LC직렬공진방식을 사용하여 전자계를 발생시키는 종래의 방식은, 통신과 제어 등을 고려하여 공진점을 벗어나 공진의 우반면 일정 지점을 기준으로 제어를 수행하므로, 전력전송 효율이 떨어질 수 있다. 또한, LC공진을 위해서 고가의 제약된 특성의 콘덴서가 사용되어야 하는 문제점이 있다.

그리고, LC공진을 이용한 무선전력전송의 경우, 전력을 전송하는 송신측과 충전을 수행하는 수신측의 상태를 파악하기 위하여 전자계방식의 상호 통신 또는 포토 커플러(photo coupler) 등을 이용한 통신을 통해 수신측의 상태가 송수신된다.

여기서 전자계의 강도에 따라 통신 신호를 구분할 수 없는 영역에서는 전력 전송이 이루어지지 않을 수 있다. 또한, 송수신측 간에 특정화된 통신이 사용되어 배타적인 결합 관계로 이루어져 있으므로 특정하게 설계된 전용 ASIC(Application Specific IC)가 사용되어야 하는 한계가 있다.

본 발명은 수신측 부하 전력의 상태를 감지하여 수신측 상태에 따라 효율적인 전력 전송 및 충전이 이루어지도록 하는 무접점 전력전송장치, 무접점 충전장치, 무접점 충전 시스템 및 이를 이용한 무선 전력전송방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 센터탭을 갖는 평면공심코일을 1차 코일 및 2차 코일 중 적어도 하나에 구성하고 1차 코일의 평면공심코일에 소정 개수의 센싱코일을 구비함으로써 수신측의 부하 전력의 상태를 보다 효과적으로 감지하여 무선전력 전송이 이루어지도록 하는 무접점 전력전송장치, 무접점 충전장치, 무접점 충전 시스템 및 이를 이용한 무선 전력전송방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 수신측 무접점 충전장치의 충전 상태에 따라 PWM(Pulse Width Modulation) 제어, PFM(Pulse Frequency Modulation) 제어 또는 이를 혼합한 방식으로 효과적으로 무접점 충전장치로 전송되는 전력을 제어하는 무접점 전력전송장치, 무접점 충전장치, 무접점 충전 시스템 및 이를 이용한 무선 전력전송방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 충전이 완료 되어가는 시점이 되어 부하 전력이 감소하여 설정된 기준치 이하가 되었다고 판단되면, PFM(Pulse Frequency Modulation) 제어가 이루어지도록 하여 수신측 배터리에 소전력의 미세 제어를 통한 만충전이 이루어지도록 하는 무접점 전력전송장치, 무접점 충전장치, 무접점 충전 시스템 및 이를 이용한 무선 전력전송방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 무접점 전력전송장치는 유도 결합을 위한 2차 코일 및 충전 가능한 배터리를 포함하는 수신측 무접점 충전장치에 무접점으로 결합되는 송신측 무접점 전력전송장치로서, 2차 코일에 충전 전력을 유도하는 1차 코일과, 1차 코일을 구동시키는 구동부와, 1차 코일에 공급되는 전력량을 조절하는 PWM 제어부, 및 수신측 부하 전력의 상태에 따라 PWM 제어부를 제어하여 수신측으로 전송되는 전력량에 대한 제어가 이루어지도록 하는 중앙제어부를 포함한다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 무접점 충전장치는 송신측 무접점 전력전송장치로부터 무접점 충전 전력을 공급받아 배터리에 충전하는 수신측 무접점 충전장치로서, 충전 전력을 유도하는 송신측 1차 코일에 자기적으로 결합되어 유도 기전력을 생성하고 송신측 펄스 신호에 응답하여 부하 전력의 상태를 나타내는 응답 신호를 송신측으로 전달하는 2차 코일과, 2차 코일에서 생성된 유도 기전력을 전력으로 생성하는 전파정류회로, 및 전파정류회로로부터 공급되는 전력으로 배터리를 충전시키는 충전회로를 포함한다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 무접점 충전 시스템은 수신측 무접점 충전장 치의 충전 상태에 따라 PWM(Pulse Width Modulation) 제어, PFM(Pulse Frequency Modulation) 제어 또는 이를 혼합한 방식으로 무접점 충전장치로 전송되는 전력을 제어하는 송신측 무접점 전력전송장치, 및 무접점 전력전송장치로부터 수신된 신호에 응답하여 수신측의 충전 상태를 응답신호로 무접점 전력전송장치에 전송하고, 무접점 전력전송장치로부터 수신한 전력을 배터리에 충전하는 무접점 충전장치를 포함한다.

본 발명의 무접점 전력전송장치, 무접점 충전장치, 무접점 충전 시스템 및 이를 이용한 무선 전력전송방법에 따르면 다음과 같은 장점이 있다.

첫째, 본 발명은 수신측 부하 전력의 상태를 감지하여 수신측 상태에 따라 효율적인 전력 전송 및 충전이 이루어지도록 하는 장점이 있다.

둘째, 본 발명은 센터탭을 갖는 평면공심코일을 1차 코일 및 2차 코일 중 적어도 하나에 구성하고 1차 코일의 평면공심코일에 소정 개수의 센싱코일을 구비함으로써 수신측의 부하 전력의 상태를 보다 효과적으로 감지하여 무선전력 전송이 이루어지도록 하는 장점도 있다.

셋째, 본 발명은 수신측 무접점 충전장치의 충전 상태에 따라 PWM(Pulse Width Modulation) 제어, PFM(Pulse Frequency Modulation) 제어 또는 이를 혼합한 방식으로 효과적으로 무접점 충전장치로 전송되는 전력을 제어하는 장점도 있다.

넷째, 본 발명은 충전이 완료 되어가는 시점이 되어 부하 전력이 감소하여 설정된 기준치 이하가 되었다고 판단되면, PFM(Pulse Frequency Modulation) 제어 가 이루어지도록 하여 수신측 배터리에 소전력의 미세 제어를 통한 만충전이 이루어지도록 하는 장점도 있다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무접점 전력전송장치 및 무접점 충전장치의 구성도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 송신측 무접점 전력전송장치(100)는 수신측 무접점 충전장치(200)로 최적의 전력전송 및 충전이 이루어지도록 한다. 이때, 무접점 전력전송장치(100)로부터 발생되는 유도 자기장으로 인하여 유도 전력이 발생하고 이를 무접점 충전장치(200)가 충전하여 휴대용 장치로 전원이 공급되도록 한다. 이하, 무접점 전력전송장치(100) 및 무접점 충전장치(200)의 동작 및 구성요소에 대해서 구체적으로 설명하기로 한다.

무접점 전력전송장치(100)는 중앙제어부(110), PWM(Pulse Width Modulation) 제어부(120), 구동부(130), 전류 검출부(140), Tx 검출부(150), 비교제어부(160), 표시부(170), 및 온도센서(180)를 포함한다.

중앙제어부(110)는 전력전송 및 데이터 송수신이 정상적으로 이루어지도록 무접점 전력전송장치(100)의 각 구성요소들을 제어한다. 예컨대, 중앙제어부(110)는 무접점 충전장치(200)의 수신상태를 체크하기 위한 펄스 신호를 발생시키고, 수신측으로부터 해당 펄스 신호에 대한 응답 신호를 수신하여 처리하고 이를 통해 수신측 부하 전력의 상태를 인지할 수 있다.

이때, 응답 신호는 물질의 고유 공진 특성에 따라 생성될 수 있다. 그리고, 중앙제어부(110)는 비교제어부(160)로부터 응답 신호에 따른 제어신호를 수신하고 이를 통해 무접점 충전장치(200)에 이물질이 포함되어 있거나 전력을 수신하기에 정상적인 상태인지 여부를 판단할 수 있다. 또한, 중앙제어부(110)는 판단 결과에 따라 PWM 제어부(120)를 제어하여 1차 코일에 공급되는 전력량을 조절할 수 있다.

보다 구체적으로, 중앙제어부(110)는 무접점 충전장치(200)에 이물질이 포함되어 있거나 전력을 수신하기에 비정상적인 상태로 판단된 경우 PWM 제어부(120)를 제어하여 전력전송을 차단하고 수신측의 상태를 모니터링하는 모드로 변경할 수 있다. 그리고, 중앙제어부(110)는 무접점 충전장치(200)가 전력을 수신하기에 정상적인 상태인 경우 수신측에서 소요로 하는 전력이 공급되도록 PWM 제어부(120)를 제어할 수 있다.

PWM 제어부(120)는 1차 코일(10)에 공급되는 전력의 강도를 조절한다. 즉, PWM 제어부(120)는 중앙제어부(110)의 제어 명령에 따라 수신측에서 소요로 하는 전력이 공급되도록 1차 코일(10)에 공급되는 전력의 강도를 조절할 수 있다. 이때, PWM 제어부(120)는 PWM(Pulse Width Modulation) 제어 방식, PFM(Pulse Frequency Modulation) 제어 방식, 또는 이를 혼합한 방식에 따라 1차 코일(10)에 공급되는 전류의 양을 조절할 수 있다. PWM 제어 방식은 펄스의 폭을 이용해 전압을 제어하는 방법을 나타내며, PFM 제어 방식은 주파수를 이용해 전압을 제어하는 방법을 나타낸다.

구동부(130)는 1차 코일(10)을 구동시킨다. 이때, 구동부(130)는 1차 코일(10)에 전자계를 발생시키는 프리드라이버(pre-driver)(130a) 및 푸쉬풀(push pull) 드라이버(미도시) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 구동부(130)는 PWM 제어부(120)로부터 제어신호를 수신하면 1차 코일(10)을 구동시키게 된다.

전류 검출부(140)는 1차 코일(10)에 유입되는 전류 상태를 감지한다. 전류 검출부(140)는 1차 코일(10)에 유입되는 전류 흐름을 감지하여 수신측의 전류 공급이 완료되어 만충전 상태로 판단되면 중앙제어부(110)로 신호를 전송하여 수신측으로의 전력전송이 중단되도록 요청할 수 있다. 이러한, 전류 검출부(140)는 선터탭에 공급되는 전원 라인에 설치된 제어 소자(Q3)(143), 및 제어 소자의 드레인과 소스간에 연결된 센서저항(Rs)(145)을 포함할 수 있다.

이때, 전류 검출부(140)는 제어 소자(143)의 동작에 따라 1차 코일(10)에 유입되는 전류 흐름을 감지하게 된다. 여기서, 제어 소자(143)로서 FET 전압 제어 소자가 사용될 수 있으며, 전류 검출부(140)는 평상시 제어 소자(143)를 온상태로 유지시키다가 중앙제어부(110)로부터 소정 신호를 수신하면 제어 소자(143)를 오픈시켜 1차 코일(10)의 전류 상태를 확인할 수 있다. 이러한, 전류 검출부(140)는 PFM 제어가 이루어질 때 동작되어 미세 전류의 흐름 감지에 이용될 수 있다.

Tx 검출부(150)는 수신측 전력 상태에 대한 신호를 수신한다. 예컨대, Tx 검출부(150)는 수신측으로부터 부하 전력의 상태, 및 이물질 유무 중 적어도 하나를 체크하기 위한 상술된 펄스 신호에 대한 응답 신호를 수신할 수 있다. 또한, Tx 검출부(150)는 Tx 검출 회로(150a)를 포함하고, Tx 검출 회로(150a)를 통해 센터탭을 포함하는 평면공심코일로 구성된 1차 코일(10)의 양단 또는 일단의 출력값을 복수개의 다이오드를 통해 전파정류하고, 전파정류된 출력값을 적분수단을 통해 적분하여 해당 적분치에 대한 신호를 비교제어부(160)로 전송할 수 있다.

또한, Tx 검출부(150)는 1차 코일(10)에 구성된 센싱코일을 통하여 1차 코일(10)의 양단 또는 어느 한쪽 단의 출력값을 복수개의 다이오드를 통해 전파정류하고, 전파정류된 출력값을 적분수단을 통해 적분하여 해당 적분치에 대한 신호를 비교제어부(160)로 전송할 수 있다. 여기서, 1차 코일(10)은 센터탭을 갖는 평면공심코일로 구성될 수 있고, 1차 코일(10)의 평면공심코일은 리쯔형태의 권선 중 복수개의 권선이 센싱코일로 구비될 수 있다.

또한, Tx 검출부(150)는 1차 코일(10)에서 과전류 및 과전압이 검출되면 중앙제어부(110)로 신호를 전송하여 1차 코일(10)의 전류 흐름을 차단하거나 조절하도록 할 수 있다. 여기서, 중앙제어부(110)는 해당 신호를 통해 PWM 제어부(120)를 제어하여 1차 코일(10)의 전력량을 조절하게 된다.

비교제어부(160)는 Tx 검출부(150)로부터 수신된 적분치에 대한 신호를 설정된 기준치와 비교하고, 비교된 결과치를 통해 수신측 부하의 전력 상태에 따른 제어신호를 생성한다. 또한, 비교제어부(160)는 PWM 제어 또는 PFM 제어가 이루어지도록 중앙제어부(110)로 제어신호를 송출한다. 이때, 중앙제어부(110)는 비교제어부(160)로부터 수신된 제어신호에 따라 PWM 제어부(120)를 제어하여 PWM 제어 또는 PFM 제어가 이루어지도록 한다.

표시부(170)는 수신측 또는 송신측의 동작 상태, 충전 상태 등을 표시한다. 또한, 표시부(170)는 과전압, 과전류 등의 상태가 발생하면 이에 대한 신호를 표시할 수 있다. 그리고, 온도센서(180)는 1차 코일(10)의 온도를 검출하고, 설정된 기준치를 초과한 온도가 검출된 경우 중앙제어부(110)를 통해 전력전송이 차단되도록 할 수 있다.

한편, 무접점 충전장치(200)는 전파정류회로(210), 및 부하(250)를 포함하며, 부하(250)는 용도에 따라 배터리(240)를 충전시키는 충전회로(230)와 배터리 충전외에 기타 모바일 기기의 전원의 용도로 사용될 수 있는 정전압회로(220)로 구분될 수 있으며, 각각은 최종 부하인 배터리(240) 또는 일반 부하(251)로 연결되도록 구성될 수 있다. 정전압회로(220)는 레귤레이터(Regulator)로 구성될 수 있다.

수신측에 있어서 센터탭을 가진 2차 코일(20)을 통해 무선전력수신 또는 무접점 충전이 가능하게 된다.

무접점 전력전송장치(100)에서 발생되는 유도자기장을 수신받은 2차 코일(20)에서 유도전류가 발생되며, 전파정류회로(210)는 2차 코일(20)에서 얻어진 전력을 직류로 변환시킨다. 즉, 전파정류회로(210)는 2차 코일(20)에서 생성된 유도 기전력으로 배터리(240)를 충전시킬 정전압과 정전류를 생성할 수 있다. 그리고 충전회로(230)는 전파정류회로(210)로부터 공급되는 전력이 배터리(240)에 충전되도록 한다.

또한, 정전압회로(220)는 전파정류회로(210)로부터 공급되는 전력을 배터리(240) 충전외에 기타의 용도로 사용하기 위한 정전압으로 출력한다. 이때, 정전압회로(220)는 불안정한 직류전압을 인가받아 일정하게 안정된 직류전압으로 출력할 수 있다.

한편, 상술된 1차 코일(10) 및 2차 코일(20) 중 적어도 하나는 센터탭을 포함하는 평면공심코일로 구현될 수 있다. 이하, 도 3 내지 도 7에서는 이러한 평면공심코일에 대해서 보다 구체적으로 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 센터탭을 포함하는 평면공심코일의 구조를 도시한다.

종래에는 센터탭이 없이 단선 또는 리쯔 형태의 전선을 이용하여 단권으로 감아나가는 방법으로 공심코일이 구성된다. 이에 반해, 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 있어서 센터탭(CT)을 갖는 평면공심코일은 리쯔(litz) 형태, 직조(mesh)형태, 또는 단선 형태의 전선을 구비한다.

그리고 평면공심코일은 전선(A(30), B(40))을 동일 평면상에서 나선형으로 감아서 제1 전선(A(30))의 인출선(A2(32))과 제2 전선(B(40))의 인입선(B2(42))을 회로적으로 결합하여 센터탭으로 형성하고, 제1 전선(A(30))의 인입선(A1(31))과 제2 전선(B(40))의 인출선(B1(41))을 공심코일의 입출력선으로 형성한 형태일 수 있다.

그리고, 평면공심코일은 리쯔 형태의 동선을 2중 또는 다중의 회선을 같은 방향으로 나선형으로 감아서 형성된 다중의 센터탭을 갖는 나선형 평면공심코일일 수 있다. 여기서, 1차 코일의 평면공심코일은 리쯔형태의 다수(m)개의 권선 중 일부 n개의 권선을 센싱코일로 구비할 수 있고, 해당 센싱코일은 별도의 색상 처리로 구별될 수 있다.

도 4는 도 3의 센터탭을 갖는 평면공심코일의 등가회로를 도시한다. 도 5는 센터탭을 갖는 평면공심코일에 의해 생성되는 자계의 방향을 도시한다.

이어서 설명하자면, 도 4는 도 3에 도시된 센터탭(70)을 갖는 평면공심코일의 등가회로를 도시한다. 도 4에 도시된 바와 같이 PWM 제어부(120)에 의해 생성된 제어신호는 구동부(130)의 프리드라이버(130a)를 통해 최종 드라이버인 Q1(133)과 Q2(135)의 입력부인 게이트 G1(131)과 G2(132)에 입력된다.

그리고, 제어신호에 의해 1차 코일(10)은 센터탭(70)을 중심으로 하여 푸쉬풀 형태로 동작하게 된다. 즉, Q1(133)의 입력단에 제어신호가 입력되면 1차 코일(10)의 Tx1 방향으로 전류 I1이 흐르고, Q2(135)의 입력단에 제어신호가 입력되면 1차 코일(10)의 Tx2 방향으로 전류 I2가 흐르게 된다.

이와 같이 푸쉬풀로 작동하는 전류는 도 3 형태의 평면공심코일에서 서로 같은 방향의 전류가 된다. 이때 도 5에 도시된 바와 같이, 같은 방향의 상하부로 자계가 발생하게 된다. 그리고, 이러한 자계 상에 2차 코일(20)이 존재하게 되면 적절한 유도 결합에 의해 소전의 수신전력이 발생된다. 이하, 도 6에서 제1 전선(A(30)) 또는 제2 전선(B(40))이 리쯔 코일이고, 이중 일부가 센싱(또는 센서) 코일인 구조를 예로 들어 설명하기로 한다.

도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 평면공심코일의 등가 회로를 도시한다.

도 6(a)에 도시된 바와 같이, 1차 코일의 평면공심코일은 복수개의 센싱코일이 권선된 센터탭을 가진 평면공심코일 형태로 구성될 수 있다. 이때, 평면공심코일을 구성하는 리쯔권선은 m개의 주 권선과 n개의 센싱코일로 구성되어 여러 가닥의 코일들이 나선형으로 감아진 형태일 수 있다.

이때, n개의 센싱코일에 대해서는 다른 코일과 구별될 수 있도록 별도의 색상 처리가 이루어질 수 있다. 그리고, 바람직하게는 n<<m의 관계를 갖도록 하여 센싱코일(60)에 비해 리쯔 코일(주 권선)의 개수가 많도록 구성될 수 있다.

도 6의 (b)는 이러한 평면공심코일의 등가 회로를 도시한다. 센싱코일을 구비한 평면공심코일이 1차 코일(10)에 적용된 경우, 상술된 Tx 검출부(150)는 센싱코일(60)의 출력값에 대해서 다이오드 D1 및 D2를 통하여 전파정류하고, 전파정류된 값의 적분치에 의해 수신측측의 상태에 대한 데이터를 검출할 수 있다. 그리고, 이러한 적분치에 대한 신호는 비교제어부(160)로 전송된다.

도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 1차 코일의 상부 또는 하부에 박형의 센싱코일을 구비한 구조의 평면공심코일의 예를 도시한다.

도 7에 도시된 바와 같이, 1차 코일(10)의 상부 또는 하부에 박형의 센싱코일(50a, 50b)이 구성된 경우, Tx 검출부(150)는 해당 센싱코일(50a, 50b)에서 유기되는 전력의 변화를 감지하여 비교제어부(160)로 수신측의 충전상태에 대한 신호를 전송한다.

또한, Tx 검출부(150)는 센터탭을 포함하는 평면공심코일에서 1차 코일(10)의 한쪽 단의 출력(Tx1 또는 Tx2)에 대해서 다이오드 D1 또는 D2를 통하여 전압을 검출하고 검출된 값에 대한 적분치를 구하여 비교제어부(160)로 그에 따른 신호를 출력한다.

그리고, 비교제어부(160)는 해당 신호와 기준치를 비교하여 부하(250)의 전력 상태에 따른 제어신호를 중앙제어부(110)로 전송한다. 그러면, 중앙제어부(110)는 PWM 제어부(120)를 제어하여 1차 코일(10)에 공급되는 전력을 제어하여 수신측에 일정 전력을 공급할 수 있도록 한다. 여기서, 비교제어부(160)는 Tx 검출부(150)로부터 수신된 전압값을 기준치와 비교 및 증폭하고 그 결과치를 시정수 값으로 적분하고 적분된 값을 상술된 제어신호로 변환하여 중앙제어부(110)로 전송할 수 있다.

이하, 도 8에 있어서, 상술된 내용을 기초로 도 2에서 설명된 각 구성요소들을 보다 유기적으로 설명하고, 수신측의 상태에 따라 전력전송이 이루어지는 과정에 대해서 구체적으로 설명하기로 한다.

도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 수신측의 상태를 감지하여 전력전송이 이루어지는 과정을 도시한다.

도 8에 도시된 바와 같이, 송신측 무접점 전력전송장치(100)에 직류전원(Vcc)이 인가되면 중앙제어부(110)는 PWM 제어부(120) 및 구동부(130)에 수신측의 부하(250) 전력 상태를 체크하기 위한 펄스 신호를 발생시킨다(S801). 구체적으로, 해당 펄스 신호를 통해 수신측의 충전상태, 금속 이물질 유무 상태 등을 포함 하는 부하(250) 전력 상태에 대한 체크가 이루어질 수 있다.

다음으로, 펄스 신호는 1차 코일(10)에서 2차 코일(20)로 전달되고, 해당 펄스 신호에 대해서 수신측의 부하(250) 전력 상태를 나타내는 응답 신호가 2차 코일(20)을 통해 1차 코일(10)로 유기된다(S811). 여기서, 해당 펄스 신호에 대한 응답 신호는 물질의 고유 공진 특성에 따른 데이터를 포함할 수 있다. 또한, 부하(250)의 전력 상태에 대한 정보에는 수신측의 전류흐름상태, 충전상태, 이물질 유무 상태 등에 대한 정보가 포함될 수 있다.

다음으로, 송신측 Tx 검출부(150)는 1차 코일(10)이 수신한 응답 신호를 검출하여 비교제어부(160)로 전송한다(S821). 그러면, 비교제어부(160)는 검출된 신호를 기준치와 비교하여 부하의 전력 상태에 따라 기준치에 적합한 제어신호로 변환하여 중앙제어부(110)로 전송한다(S831). 여기서, S805 및 S807에 있어서, 응답 신호는 Tx 검출부(150)에 포함된 적분수단을 통해 적분되고 해당 적분치에 대한 신호가 비교제어부(160)로 전송될 수 있다. 또한, 다른 실시 예에서는 비교제어부(160)에 포함된 적분수단을 통해 해당 응답 신호에 대한 적분이 이루어지고 이에 대한 비교가 이루어질 수도 있음은 물론이다.

다음으로, 중앙제어부(110)는 수신된 제어신호를 통해 수신측의 충전상태, 금속 등의 이물질이 존재하는 지 여부를 체크하고 이를 통해 수신측의 상태가 전력전송을 받기에 정상적인 수신 상태인지를 판단한다(S841). 만약, 초기 판단 결과, 수신측의 (수신) 상태가 정상적인 상태인 경우, 중앙제어부(110)는 송신측의 각 구성요소들을 구동시키고, PWM 제어에 의해 부하(250)의 전력 상태에 따른 전력 전송 이 이루어지도록 한다(S851).

만약, 초기 판단 결과, 수신측의 수신 상태가 비정상적인 상태인 경우, 중앙제어부(110)는 체크모드로 들어가서 Tx 검출부(150) 및 비교제어부(160)를 통해 수신측의 상태를 지속적으로 감시하게 된다(S861). 여기서, 비정상적인 상태란 이물질이 감지되거나 비정상적인 전력의 변동, 과전압, 과전류 등의 상태를 포함할 수 있다.

한편, 상술된 펄스 신호를 통해 수신측의 상태를 체크한 이후, 발명의 구성에 따라 중앙제어부(110)는 PWM 제어 주파수를 변화시켜서 수신측으로 전달하고, 물질에 따른 주파수 특성이 다른 것을 이용하여 그 반향 결과를 통해 수신측의 수신 상태를 체크할 수도 있다. 또한, 중앙제어부(110)는 이러한 주파수 특성 및 상기 물질의 고유 공진 특성을 조합하여 수신측의 상태를 체크될 수도 있음은 물론이다.

이하, 도 9에서는 이어서 수신측의 수신 상태가 정상인 경우 충전이 이루어지는 과정에 대해서 설명하기로 한다.

배터리(240) 충전의 경우에는 최대전력 또는 소정의 전력(또는 전류)에서 충전을 시작하여 일정 시간이 경과함에 따라 감소하는 특성을 유지한다. 따라서, 이러한 출력의 변화를 감지하여 충전 정도에 대한 상태가 송신측에 의해 검출 되어 송신측의 송출 전력이 제어될 수 있다. 또한, PWM 제어가 이루어져 전력 전송이 이루어지고 있는 상태에서 충전이 완료 되어가는 시점이 되면, 전력이 감소하여 소정치 이하로 된다.

또한, 수신측에 공급될 수 있는 최대 전력은 송신측의 내부 설정된 값(예를 들어 5V/800mA=4W)으로 제어되며, 설정된 값 이상의 전력이 수신측에서 인출될 경우에는 Tx 검출부(150)를 통하여 검출된 결과치에 의해 전력전송이 차단될 수 있다.

도 9에 도시된 바와 같이, Tx 검출부(150)는 수신측의 상태를 검출하기 위해 1차 코일(10)의 양단 또는 어느 한쪽 단의 출력값을 복수개의 다이오드를 통해 전파정류하고 전파정류된 출력값을 적분수단을 통해 적분하여 해당 적분치에 대한 적분신호를 생성한다(S901). 여기서 적분신호는 부하(250) 전력의 상태에 따라 일정한 비례 또는 반비례한 함수 곡선으로 나타날 수 있으며, 또한 특정 함수 곡선으로 나타날 수 있다.

다음으로, 비교제어부(160)는 Tx 검출부(150)로부터 수신된 적분신호를 설정된 기준치와 비교하고, 비교된 결과치를 통해 수신측 부하(250)의 전력 상태에 따른 제어신호를 생성한다(S911). 그리고, 중앙제어부(110)는 비교제어부(160)로부터 제어신호를 수신하여 부하(250) 전력의 상태를 인지하고, PWM 제어부(120)를 통해 부하(250) 전력의 상태에 따라 1차 코일(10)에 적절한 전력이 전송되도록 제어한다(S921). 여기서, PWM 제어부(120)를 통해 PWM 제어가 이루어질 수 있다.

여기서, 중앙제어부(110)는 Tx 검출부(150) 및 비교제어부(160)를 통해 충전이 완료 되어가는 시점이 되어 부하 전력이 감소하여 기준치 이하가 되었다고 판단되면(S931), PWM 제어부(120)를 통해 PFM 제어가 이루어지도록 한다(S941). 따라서, PFM 제어에 의해 소전력의 미세 제어가 가능하게 되어 배터리(240)의 충전을 만충전의 상태가 될 수 있도록 할 수 있다.

다음으로, 수신측의 배터리(240) 충전이 완료되면(S951), 표시부(170)에 의해 충전완료상태가 표시된다(S961). 그리고 이후 송신측은 지속적으로 수신측의 상태에 따라 트리클(Trickle) 충전 또는 수신측의 충전상태에 따른 전력을 송신하게 된다.

한편, 상술된 중앙제어부(110)는 Tx 검출부(150)에 의해 검출된 신호에 의해 수신측의 부하(250) 전력이 설정된 기준치 이하로 감소하거나 배터리 충전이 완료되었다고 판단되면, 송신측의 전류 검출부(140)를 통해 제어 소자(Q3)(143)를 오픈하고 1차 코일(10)에 유입되는 전류 상태를 체크할 수 있다. 그리고, 중앙제어부(110)는 해당 전류 상태에 대한 데이터를 기초로 전력전송에 대한 미세 제어가 수행되도록 할 수 있다.

또한, 수신측의 부하(250) 전력이 증가하는 경우에는 1차 코일(10)측의 송신 전력이 증가된다. 그리고, 중앙제어부(110)는 Tx 검출부(150)에서 모니터링된 신호를 통해 부하(250) 전류의 변화를 판단하고, 그 이상 유무에 따라 전력전송을 지속시키거나 중단할 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

도 4는 도 3의 센터탭을 갖는 평면공심코일의 등가회로를 도시한다.

도 5는 센터탭을 갖는 평면공심코일에 의해 생성되는 자계의 방향을 도시한다.

<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>

110: 중앙제어부 120: PWM 제어부

130: 구동부 140: 전류 검출부

150: Tx 검출부 160: 비교제어부

170: 표시부 180: 온도센서

210: 전파정류회로 220: 정전압회로

230: 충전회로 240: 배터리

250: 부하

Claims

유도 결합을 위한 2차 코일 및 충전 가능한 배터리를 포함하는 수신측 무접점 충전장치에 무접점으로 결합되는 송신측 무접점 전력전송장치로서,

상기 2차 코일에 충전 전력을 유도하는 1차 코일;

상기 1차 코일을 구동시키는 구동부;

상기 1차 코일에 공급되는 전력량을 조절하는 PWM 제어부; 및

수신측 부하 전력의 상태에 따라 상기 PWM 제어부를 제어하여 수신측으로 전송되는 전력량에 대한 제어가 이루어지도록 하는 중앙제어부;를 포함하는 무접점 전력전송장치.
제 1항에 있어서, 상기 1차 코일은

센터탭을 갖는 평면공심코일로 구성된 것을 특징으로 하는 무접점 전력전송장치.
제 2항에 있어서, 상기 평면공심코일은

리쯔(litz) 형태, 직조(mesh)형태, 또는 단선 형태의 전선을 동일 평면상에서 나선형으로 감아서 제1 전선의 인출선과 제2 전선의 인입선을 회로적으로 결합하여 상기 센터탭으로 형성하고, 제1 전선의 인입선과 제2 전선의 인출선을 평면공심코일의 입출력선으로 형성한 형태인 것을 특징으로 하는 무접점 전력전송장치.
제 2항에 있어서, 상기 1차 코일의 평면공심코일은 리쯔형태의 권선 중 복수개의 권선이 센싱코일로 구성된 구조인 것을 특징으로 하는 무접점 전력전송장치.
제 2항에 있어서,

상기 선터탭에 공급되는 전원 라인에 설치된 제어 소자, 및 상기 제어 소자의 드레인과 소스간에 연결된 센서저항을 포함하고, 상기 제어 소자의 동작에 따라 상기 1차 코일에 유입되는 전류 흐름을 감지하여 수신측의 전류 공급이 완료되어 만충전 상태로 판단되면 수신측으로의 전력전송이 중단되도록 하는 전류 검출부;를 더 포함하는 무접점 전력전송장치.
제 2항에 있어서,

상기 1차 코일의 양단 또는 어느 한쪽 단의 출력값을 복수개의 다이오드를 통해 전파정류하고 전파정류된 출력값을 적분수단을 통해 적분하여 해당 적분치에 대한 적분신호를 생성하는 Tx 검출부; 및

상기 Tx 검출부로부터 수신된 적분신호를 설정된 기준치와 비교하고, 비교된 결과치를 통해 수신측 부하의 전력 상태에 따른 제어신호를 생성하는 비교제어부;를 더 포함하는 무접점 전력전송장치.
제 6항에 있어서, 상기 중앙제어부는

배터리 충전 상태, 및 이물질 유무 상태 중 적어도 하나를 포함하는 상기 부하 전력의 상태를 체크하기 위한 펄스 신호를 발생시켜 상기 1차 코일을 통해 수신측으로 전달하고, 상기 펄스 신호에 대한 수신측 응답 신호를 감지하여 상기 부하 전력의 상태를 인지하는 것을 특징으로 하는 무접점 전력전송장치.
제 7항에 있어서, 상기 중앙제어부는

수신측 무접점 충전장치에 이물질이 포함되어 있거나 전력을 수신하기에 비정상적인 상태로 판단된 경우 상기 PWM 제어부를 제어하여 전력전송을 차단하고 수신측 부하의 전력 상태에 대한 모니터링을 수행하는 것을 특징으로 하는 무접점 전력전송장치.
제 1항 내지 제 8항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 PWM 제어부는

PWM(Pulse Width Modulation) 제어 방식 또는 PFM(Pulse Frequency Modulation) 제어 방식에 따라 상기 1차 코일에 공급되는 전류의 양을 조절하는 것을 특징으로 하는 무접점 전력전송장치.
제 1항에 있어서, 상기 구동부는

상기 1차 코일에 전자계를 발생시키는 프리드라이버(pre-driver) 및 푸쉬풀(push pull) 드라이버 중 적어도 하나를 포함하는 무접점 전력전송장치.
제 1항에 있어서,

상기 1차 코일의 온도를 검출하는 온도센서;를 더 포함하고, 상기 온도센서는 설정된 기준치를 초과한 온도가 검출된 경우 상기 중앙제어부를 통해 전력전송이 차단되도록 하는 것을 특징으로 하는 무접점 전력전송장치.
송신측 무접점 전력전송장치로부터 무접점 충전 전력을 공급받아 배터리에 충전하는 수신측 무접점 충전장치로서,

충전 전력을 유도하는 송신측 1차 코일에 자기적으로 결합되어 유도 기전력을 생성하고 송신측 펄스 신호에 응답하여 부하 전력의 상태를 나타내는 응답 신호를 송신측으로 전달하는 2차 코일;

상기 2차 코일에서 생성된 유도 기전력을 전력으로 생성하는 전파정류회로; 및

상기 전파정류회로로부터 공급되는 전력으로 배터리를 충전시키는 충전회로;를 포함하는 무접점 충전장치.
제 12항에 있어서, 상기 2차 코일은

센터탭을 갖는 평면공심코일로 구성된 것을 특징으로 하는 무접점 충전장치.
제 13항에 있어서, 상기 평면공심코일은

리쯔(litz) 형태, 직조(mesh)형태, 또는 단선 형태의 전선을 동일 평면상에 서 나선형으로 감아서 제1 전선의 인출선과 제2 전선의 인입선을 회로적으로 결합하여 상기 센터탭으로 형성하고, 제1 전선의 인입선과 제2 전선의 인출선을 평면공심코일의 입출력선으로 형성한 형태인 것을 특징으로 하는 무접점 충전장치.
수신측 무접점 충전장치의 충전 상태에 따라 PWM(Pulse Width Modulation) 제어, PFM(Pulse Frequency Modulation) 제어 또는 이를 혼합한 방식으로 상기 무접점 충전장치로 전송되는 전력을 제어하는 송신측 무접점 전력전송장치; 및

상기 무접점 전력전송장치로부터 수신된 신호에 응답하여 수신측의 충전 상태를 응답신호로 상기 무접점 전력전송장치에 전송하고, 상기 무접점 전력전송장치로부터 수신한 전력을 배터리에 충전하는 상기 무접점 충전장치;를 포함하는 무접점 충전 시스템.
제 15항에 있어서, 상기 무접점 전력전송장치는

유도 결합을 위한 수신측 2차 코일에 충전 전력을 유도하는 1차 코일;

상기 1차 코일을 구동시키는 구동부;

상기 1차 코일에 공급되는 전력량을 조절하는 PWM 제어부; 및

수신측 부하 전력의 상태에 따라 상기 PWM 제어부를 제어하여 수신측으로 전송되는 전력량에 대한 제어가 이루어지도록 하는 중앙제어부;를 포함하고, 상기 1차 코일은 센터탭을 갖는 평면공심코일로 구성된 것을 특징으로 하는 무접점 충전 시스템.
제 15항에 있어서, 상기 무접점 충전장치는

송신측 1차 코일에 자기적으로 결합되어 유도 기전력을 생성하는 2차 코일;

상기 2차 코일에서 생성된 유도 기전력을 전력으로 생성하는 전파정류회로; 및

상기 전파정류회로로부터 공급되는 전력으로 배터리를 충전시키는 충전회로;를 포함하고, 상기 2차 코일은 센터탭을 갖는 평면공심코일로 구성된 것을 특징으로 하는 무접점 충전 시스템.
제 16항 또는 제 17항에 있어서, 상기 평면공심코일은

리쯔(litz) 형태, 직조(mesh)형태, 또는 단선 형태의 전선을 동일 평면상에서 나선형으로 감아서 제1 전선의 인출선과 제2 전선의 인입선을 회로적으로 결합하여 상기 센터탭으로 형성하고, 제1 전선의 인입선과 제2 전선의 인출선을 평면공심코일의 입출력선으로 형성한 형태인 것을 특징으로 하는 무접점 충전 시스템.
제 16항에 있어서,

상기 1차 코일의 상부 또는 하부에 센싱코일이 형성된 것을 특징으로 하는 무접점 충전 시스템.
유도 결합을 위한 2차 코일 및 충전 가능한 배터리를 포함하는 수신측 무접 점 충전장치에 무접점으로 결합되는 송신측 무접점 전력전송장치가 무접점 충전 전력을 상기 무접점 충전장치로 전송하는 방법에 있어서,

무접점 전력전송장치가 수신측 부하의 전력 상태를 체크하기 위한 펄스 신호를 발생시키는 단계;

상기 무접점 전력전송장치가 상기 펄스 신호에 대한 응답 신호를 상기 무접점 충전장치로부터 수신하여 해당 응답 신호를 검출하는 단계; 및

상기 무접점 전력전송장치가 상기 응답 신호를 통해 판단한 결과 수신측의 수신 상태가 정상으로 판단되면, PWM(Pulse Width Modulation) 제어에 의해 수신측 부하의 전력 상태에 따라 전력 전송을 수행하는 단계;를 포함하는 무선 전력전송방법.
제 20항에 있어서,

상기 무접점 전력전송장치는 송신측 1차 코일을 통해 수신측 2차 코일로 상기 펄스 신호를 전달하고, 상기 1차 코일은 센터탭을 갖는 평면공심코일로 구성되고, 상기 평면공심코일은 리쯔(litz) 형태, 직조(mesh)형태, 또는 단선 형태의 전선을 동일 평면상에서 나선형으로 감아서 제1 전선의 인출선과 제2 전선의 인입선을 회로적으로 결합하여 상기 센터탭으로 형성하고, 제1 전선의 인입선과 제2 전선의 인출선을 평면공심코일의 입출력선으로 형성한 형태인 것을 특징으로 하는 무선 전력전송방법.
제 21항에 있어서,

상기 1차 코일의 평면공심코일은 리쯔형태의 권선 중 복수개의 권선이 센싱코일로 구성된 구조인 것을 특징으로 하는 무선 전력전송방법.
제 20항에 있어서,

상기 무접점 전력전송장치는 충전이 완료 되어가는 시점이 되어 부하 전력이 감소하여 설정된 기준치 이하가 되었다고 판단되면, PFM(Pulse Frequency Modulation) 제어가 이루어지도록 하여 수신측 배터리에 소전력의 미세 제어를 통한 만충전이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 무선 전력전송방법.