KR20140012189A - 배터리 유도 충전을 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

배터리(34)를 재충전하기 위한 유도 충전 시스템(4)이 개시된다. 이 시스템은 충전 회로(6)와 2차 회로(8)를 포함한다. 2차 회로(8)는 1차 코일(15)과 2차 코일(30)의 유도 결합을 통해 충전 회로(6)로 피드백을 제공하기 위해 피드백 메카니즘(84)을 포함한다. 충전 회로(6)는 피드백 메카니즘(84)으로부터 피드백에 응답하여 적어도 부분적으로 1차 코일(15)로 인가되는 전력 주파수를 제어하기 위해 주파수 제어 메카니즘(80)을 포함한다.

Description

배터리 유도 충전을 위한 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR INDUCTIVELY CHARGING A BATTERY}
본 발명은 배터리 유도 충전을 위한 시스템 및 방법에 관한 발명이다.
유도 전원(inductive power supply)을 가진 배터리의 충전은 잘 알려져 있다. 전기자동차용 배터리의 유도 충전뿐만 아니라 칫솔용 배터리와 같은 작은 전기기구 배터리의 충전은 다소의 성공을 보여왔다. 유도 충전은 배터리와 충전기 간의 물리적 연결을 필요로 하지 않으므로, 충전이 상당히 편리하다. 그러나 모든 배터리를 쉽게 유도 충전할 수 있는 것은 아니다. Li-Ion(Lithium-ion) 배터리가 바로 이러한 유형의 한 배터리이다.
Li-Ion 배터리의 재충전은 다른 배터리처럼 간단하지 않다. Li-Ion 배터리는 과충전을 흡수할 수 없다. 일정한 전류가 완전히 충전된 Li-Ion 배터리로 입력되는 경우, 금속 리튬 도금은 배터리의 고장을 일으킬 수 있도록 전개될 수 있다. 따라서 배터리를 과충전하지 않도록 조심해야 한다.
반대로, Li-Ion 배터리의 전체 용량을 충전하는 일은 다소 어려운 일로 보인다. Li-Ion 배터리의 최대 전압은 배터리로 일정 전류를 적용함으로써 재충전하는 동안에 비교적 쉽게 얻어질 수 있다. 그러나 Li-Ion 배터리가 최대 전압에 도달할 때, Li-Ion 배터리는 완전히 충전되지 않을 수도 있다. 더 이상 충전되지 않는다면, 배터리는 단지 약 65% 충전될 것이다. 배터리가 그의 최대 전압에 도달한 후에 배터리로 일정 전류를 계속 인가한다면, 배터리는 과충전될 수 있고, 이는 너무 빠른 배터리 고장을 일으킬 수 있다.
전형적인 배터리 충전기는 Li-Ion 배터리를 완전히 충전시키도록 개발되어 왔다. 통상, 배터리 충전기는 배터리를 충전시키는 데 일정 전류, 일정 전압 스키마를 사용한다. 방전된 배터리는 먼저, .1C 내지 1C 암페어(amperes) 범위의 일정 전류 레벨에서 충전되고, 여기서 C는 배터리가 약 4.2V의 원하는 전압에 도달할 때 까지 amp-hours에서 배터리 용량이다. 이 시점에서, 배터리 충전기는 일정 전압 모드로 전환하여, 배터리로 추가 충전을 제공하는 동안에 이 마지막 전압에서 배터리를 유지하기에 충분한 전력을 공급한다.
도 1에는 전형적인 Li-Ion 배터리에 대한 충전 프로파일이 도시되어 있다. 일정 전류가 사전결정된 주기 동안에 인가된다. 이 패이즈 동안에, Li-Ion 배터리의 충전은 통상 일정하다. 전형적인 배터리의 경우, 이 패이즈는 1 시간보다 다소 적은 시간 동안에 지속된다. Li-Ion 배터리는 결국에 완전 충전을 얻기 전에 선호 전압 부근의 일정 전압을 보여준다. 그 후, 일정 전압이 Li-Ion 배터리로 인가된다. 일정 전압으로써 약 1 시간 충전 후에, 배터리는 전형적으로 그의 최대 충전을 얻는다.
Li-Ion 배터리의 충전이 도 1에 도시된 충전 프로파일을 따르지 않는다면, 배터리가 완전히 충전되지 않거나, 또는 충전이 배터리를 손상시킬 위험이 있다.
배터리는 종종 충전 전에 완전히 방전되지 않으므로, Li-Ion 배터리의 충전은 보다 복잡해진다. 소정의 잔류 전하가 배터리에 남아 있는 경우에, 최적 충전은 소정량의 일정 전류 충전에 이은 일정 전압 충전을 요구하거나, 혹은 이 대신에 최적 충전이 단지 일정 전압 충전을 요구할 수 있다. 보다 양호한 성능을 위하여, 배터리 충전기는 배터리의 충전 상태를 보완하기 위한 메카니즘을 제공해야 한다.
Li-Ion 배터리의 충전은 특히 유도 충전이 사용될 때에 문제가 된다. 유도성 배터리 충전기에서, 충전기에 위치된 1차 코일은 배터리에 위치한 유도 2차 코일로 전력을 제공한다. 그러면, 2차 코일에 걸친 전압이 정류되고 배터리로 인가되어 배터리를 재충전시킨다. 배터리와 배터리 충전기 사이에 직접적인 물리적 연결이 없다. 배터리와 배터리 충전기 사이의 물리적 연결이 없으므로, 배터리 상태에 관한 정보를 배터리 충전기에 쉽게 사용할 수 없다.
동시에, 휴대용 장치는 경량일 필요가 있다. 따라서 배터리의 충전 상태를 모니터링하고 유도 충전기로 정보를 중계하는 복잡한 회로가 휴대용 장치의 비용, 크기 및 중량을 증가시킨다.
배터리로 직접 연결된 비교적 단순한 회로를 사용하면서 고유 충전 사이클을 가진 배터리를 충전할 수 있는 유도 시스템이 가장 바람직하다.
고유 충전 사이클을 가진 Li-Ion 배터리와 같은 배터리를 재충전하기 위한 유도 시스템은 통상 충전 전력을 유도 공급하기 위한 1차 코일을 가진 충전 회로, 그리고 유도적으로 충전 전력을 수신하고 전력을 배터리로 인가하기 위한 2차 회로를 포함한다. 2차 회로는 1차 코일과 2차 코일의 유도 결합(inductive coupling)을 통해 충전 회로로 피드백을 제공하기 위한 피드백 메카니즘을 포함한다. 충전 회로는 피드백 메카니즘으로부터의 피드백에 응답하여 적어도 부분적으로 1차 코일로 인가된 전력 주파수를 제어하기 위한 주파수 제어 메카니즘을 포함한다.
일 실시예에서, 피드백 메카니즘은 2차 회로의 반사 임피던스(reflected impedance)를 변경시키기 위한 부회로를 포함한다. 이 실시예에서, 충전 회로는 2차 회로의 반사 임피던스의 변동에 응답하여 적어도 부분적으로 변하는 충전 회로의 전력 특성을 모니터링하기 위한 피드백 검출기를 포함할 수 있다. 이 실시예에서, 피드백 검출기는 제어기가 1차 코일을 통한 전류를 모니터링할 수 있도록 1차 코일에 연결될 수 있다.
일 실시예에서, 피드백 메카니즘은 과전압 검출기 또는 과전류 검출기, 또는 이 둘 모두를 포함한다. 이 실시예에서, 검출기는 트랜지스터와 같은 하나 이상의 스위치를 제어하기 위하여 배치될 수 있다. 과전압 조건 또는 과전류 조건이 2차 회로에서 검출된다면, 스위치는 턴온되고, 2차 코일로부터의 전류는 저항기를 통해 배터리로부터 션트된다(shunt). 이런 식으로, 배터리는 많이 발생되는 과전압 또는 과전류 조건으로부터 보호된다. 피드백 메카니즘은 배터리에 직접 연결될 수 있다.
일 실시예에서, 피드백 검출기는 1차 탱크 회로(tank circuit)로 연결된 전류 센서이다. 이 실시예에서, 전류가 2차 코일에서 피드백 시그널링 저항기를 통해 션트될 때, 전류는 2차 코일을 통한 전류가 증가되어, 2차 회로의 반사 임피던스를 변경시켜 1차 코일을 통한 전류를 증가시킨다. 1차 코일을 통한 전류 증가는 피크 검출기를 포함할 수 있는 1차 회로에서 전류 센서에 의해 검출되고, 이로써 배터리가 과전압 또는 과전류 상태인지의 여부를 검출하기 위한 피드백 신호를 제어기로 공급하게 된다. 일 실시예에서, 주파수 제어 메카니즘은 2차 코일로 공급되는 전력을 감소시킴으로써 과전압 또는 과전류 상태를 교정하기 위하여 주파수를 적절히 조정한다.
일 실시예에서, 충전 회로는 인버터 및 탱크 회로를 포함한다. 이 실시예에서, 인버터의 동작 주파수는 1차 코일로 인가된 전력의 주파수를 탱크 회로의 공진 주파수에 보다 근접하게 이동시키기 위해서는 감소되는 반면에, 인버터의 동작 주파수는 1차 코일로 인가되는 전력의 주파수를 탱크 회로의 공진 주파수로부터 멀리 이동시키기 위해서는 증가된다. 동일하게, 인버터 주파수의 증가는 1차 코일로 인가되는 전력을 공진 주파수에 보다 근접하게 이동시켜 전력 전송을 증가시키는 반면에, 인버터 주파수의 감소는 1차 코일로 인가되는 전력을 탱크 회로의 공진 주파수로부터 멀리 이동시켜 전력 전송을 감소시키도록, 시스템을 배치하는 것이 가능하다.
또 다른 양상에서, 본 발명은 1차 코일을 가진 충전 회로와, 2차 코일을 가진 2차 회로를 구비한 유도 충전 시스템을 동작시키기 위한 방법을 제공한다. 이 방법은 일반적으로 배터리가 2차 회로에 존재하는지의 여부를 검출하는 단계와, 하나 이상의 충전 사이클에 의해 배터리를 충전시키는 단계를 포함한다. 충전 단계는 통상, 주파수에서 1차 코일로 전력을 인가하는 단계, 1차 코일 및 2차 코일 유도 결합을 통한 2차 회로로부터의 피드백을 평가하는 단계, 2차 회로로부터의 피드백 기능으로서 1차 코일로 인가되는 전력의 주파수를 조정하는 단계를 포함한다. 이런 식으로, 1차 코일로 인가되는 전력 주파수는 배터리 충전을 최적화하기 위하여 변경된다. 몇몇 충전 사이클이 배터리를 완전 충전하는 데 필요할 수 있다.
일 실시예에서, 이 방법은 탱크 회로를 가진 충전 회로와 함께 이용된다. 이 실시예에서, 충전 사이클은 1차 코일로 인가되는 전력을 탱크 회로의 공진 주파수에 보다 근접하게 이동시키거나, 혹은 1차 코일로 인가되는 전력을 탱크 회로의 공진 주파수로부터더 멀리 이동시키는 대안 단계를 포함할 수 있다. 이러한 실시예에서, 1차 코일로 인가되는 전력 주파수를 이동시키는 단계는 인버터의 동작 주파수를 이동시키는 것으로서 더 정의될 수 있다.
일 실시예에서, 충전 단계는 통상, 특정 주파수에서 1차 코일로 전력을 인가하는 단계, 충전 회로부터의 피드백 신호가 충전 회로에 수신되는 지의 여부를 결정하는 단계, 그리고 2차 회로로 전달되는 전력을 증가 또는 감소시키기 위하여 피드백 신호의 기능으로서 1차 코일로 인가되는 전력 주파수를 변경시키는 단계를 포함한다. 일 실시예에서, 주파수를 변경시키는 단계는 피드백 메카니즘으로부터의 피드백 신호를 수신한 경우에 1차 코일로 인가되는 전력 주파수를 공진 주파수로부터 더 멀리 이동시키거나, 혹은 피드백 메카니즘으로부터 피드백 신호를 수신하지 않은 경우에는 1차 코일로 인가되는 전력 주파수를 공진 주파수로 보다 근접하게 이동시키는 단계를 포함하는 것으로 더 정의된다.
일 실시예에서, 충전 단계는 일반적으로 피드백 신호를 수신할 때까지 1차 코일로 인가되는 전력 주파수를 공진 주파수에 보다 가깝도록 증분 이동시키는 단계, 피드백 신호를 수신한 후에, 피드백 신호를 더 이상 수신하지 않을 깨 까지 1차 코일로 인가되는 전력 주파수를 공진 주파수로부터 더 멀리 증분 이동시키는 단계, 그리고 충전 주기 동안에 주파수에서 1차 코일로 전력을 인가하는 단계를 포함한다. 이러한 프로세스는 반복된다.
일 실시예에서, 피드백 신호의 수신 여부를 결정하는 단계는 충전 회로에서 전류를 감지하는 단계와, 감지한 전류를 사전결정된 임계치와 비교하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 방법은 일 충전 사이클을 완료하는 시간이 최소 충전 사이클 시간보다 적을 때에 충전 사이클을 종료하는 단계를 더 포함한다. 방법은 1차 코일로 인가되는 전력 주파수가 상위 및/또는 하위 전력 임계치를 만날 때에 충전 사이클을 종료하는 단계를 더 포함한다.
일 실시예에서, 검출 단계는 사전결정된 프로브 주파수(probe frequency)에서 1차 코일로 전력 펄스를 인가하는 단계, 반사 임피던스를 감지하는 단계, 그리고 감지된 반사 임피던스의 기능으로서 배터리가 존재하는지의 여부를 결정하는 단계를 더 포함한다.
본 발명은 작은 수의 구성소자를 가진 유도 시스템에 구현되는 비선형 충전 프로파일을 허용하는 간단하고 효과적인 유도 충전 회로를 제공한다. 과전류 및 과전압 검출기는 충전 전력 주파수를 구동하는 데 사용되는 피드백을 제공할뿐만 아니라, 잠재적으로 해로운 전력 조건으로부터 배터리를 보호한다. 충전 프로파일은 시스템의 동작을 지시하는 다수의 저장 값을 변경시킴으로써 쉽게 변경될 수 있다. 본 발명은 셀폰, PDA(personal digital assistants), 핸드헬드 게이밍 장치, 퍼스널 미디어 플레이어 및 다른 유사한 장치와 같은 휴대용 전자장치의 충전에 사용하기에 충분히 적합하다. 이러한 상황에서, 2차 회로는 장치가 충전을 위해 충전 회로에 가장 근접한 곳에 배치될 수 있도록 휴대용 전자장치로 병합될 수 있고, 이로써 장치를 충전기로 플러그할 필요성이 없다.
본 발명의 상기 및 다른 목적, 장점 및 특징들은 현 실시예 및 도면의 설명을 참조함으로써 보다 충분히 이해 및 알 수 있을 것이다.
도 1은 전형적인 Li-Ion 배터리에 대한 충전 프로파일을 도시하는 도면.
도 2는 배터리의 유도 충전을 위한 시스템을 도시하는 도면.
도 3은 1차 코일과 2차 코일 사이의 전력 전송을 도시하는 도면.
도 4는 충전 회로에 대한 것으로 도 2의 블록도에 대응한 회로도.
도 5는 배터리측에 대한 것으로 도 2의 블록도에 대응한 회로도.
도 6은 2차 코일을 통해 증가된 전류에 의해 발생되는 피크 검출기의 출력을 도시하는 도면.
도 7은 배터리 충전기를 동작시키는 방법에 대한 흐름도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 유도 충전 시스템을 도시한다. 유도 충전 시스템(4)은 Li-Ion 배터리와 같이 비선형 충전 프로파일을 가진 배터리를 유도 충전하도록 구성된다. 시스템(4)은 일반적으로 충전 회로(6) 및 2차 회로(8)를 포함한다. 충전 회로(6)는 일반적으로 1차 코일(15), 원하는 주파수에서 1차 코일로 전력을 인가하기 위한 주파수 제어기(80), 그리고 2차 회로(8)로부터 피드백을 수신하기 위한 피드백 검출기(82)를 포함한다. 2차 회로(8)는 일반적으로 충전 회로(6)로부터 유도 전력을 수신하기 위한 2차 코일(30), 그리고 2차 회로(8)에서 전압 또는 전류를 표시하는 충전 회로로의 피드백을 제공하기 위한 피드백 메카니즘(84)을 포함한다. 주파수 제어기(80)는 2차 회로(8)로부터의 피드백 기능으로서 1차 코일(15)로 인가되는 전력 주파수를 변경시킨다. 종래의 Li-Ion 배터리의 충전과 함께 기술하였지만, 본 발명은 상이한 충전 프로파일을 가진 배터리를 포함한, 다른 유형의 배터리 충전에 사용하는 데에도 충분히 적합하다.
전술한 바와 같이, 충전 회로(6)는 일반적으로 주파수 제어기(80), 1차 코일(15) 및 피드백 검출기(82)를 포함한다. 도시된 실시예에서, 주파수 제어기(80)는 제어기(20), 발진기(18), 구동기(16) 및 인버터(10)를 포함한다. 이 실시예에서, 이들 구성소자는 탱크 회로(12)를 집합적으로 구동시킨다. 특히 인버터(10)는 DC(direct current) 전력원(14)으로부터 탱크 회로(12)로 AC(alternating current) 전력을 공급한다. 탱크 회로(12)는 1차 코일(15)을 포함한다. 탱크 회로(12)는 직렬 공진 탱크 회로 또는 병렬 공진 탱크 회로일 수 있다. 이 실시예에서, 구동기(16)는 인버터(10)내 스위치를 동작시키는 데 필요한 신호를 공급한다. 다음에, 구동기(16)는 발진기(18)에 의해 설정된 주파수에서 동작한다. 제어기(20)는 PIC18LF1320 또는 보다 일반적 용도의 마이크로프로세서와 같은 마이크로제어기일 수 있다. 구동기(16), 발진기(18)는 도시된 실시예에서 본질상 개별 장치로서 도시되었지만 그 대신에 통합될 수 있고, 제어기(20)내 모듈로서 구현될 수 있다.
도시된 실시예에서, 피드백 검출기(82)는 탱크 회로(12)에서 전류를 검출한다. 동작시에, 제어기(20)는 발진기(18)를 위한 동작 주파수, 따라서 인버터(10)의 주파수의 결정을 지원하기 위해 피크 검출기(22)로부터의 신호를 사용한다. 도시된 실시예의 피드백 검출기(82)가 탱크 회로(12)에서 전류를 검출하지만, 충전 회로(6)에서 전력의 다른 특성이 배터리에 관한 충전 정보를 제공하기 위해 평가될 수 있다.
2차 회로(8)는 일반적으로 2차 코일(30), 정류기(32) 및 피드백 메카니즘(84)을 포함한다. 2차 코일(30)은 1차 코일(15)로부터 전력을 유도 수신한다. 정류기(32)는 배터리(34)를 충전시키기 위해 DC 전력을 공급한다. 이 실시예에서, 피드백 메카니즘(84)은 배터리(34)로 인가되는 전류가 임계치를 초과할 때, 또는 배터리(34)로 인가되는 전압이 임계치를 초과할 때에 피드백을 제공하도록 구성된다. 도시된 바와 같이, 이 실시예의 피드백 메카니즘은 일반적으로 과전압 검출기(36), 과전류 검출기(40), OR 게이트(38), 스위치(42) 및 저항기(44)를 포함한다. 과전압 검출기(36)의 출력은 배터리(34)에 걸친 전압이 사전결정된 레벨보다 높은 지의 여부를 표시한다. 유사하게, 과전류 검출기(40)의 출력은 배터리(34)로 전류가 사전결정된 양보다 높은 지의 여부를 표시한다. 전류 검출기(40)의 출력뿐만 아니라 전압 검출기(36)의 출력은 OR 게이트(38)의 입력으로 연결된다. OR 게이트(38)는 개별 회로일 수 있거나, 혹은 검출기의 출력들 간의 연결일 수 있다. OR 게이트(38)의 출력은 스위치(42)로 연결된다. 스위치(42)는 OR 게이트(38)의 출력에 의해 제어되고, 정류기(32)와 저항기(44) 사이에 직렬로 연결된다. 스위치(42)는 바이폴라 트랜지스터, FET(field effect transistor) 또는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터와 같은 임의 적당한 스위치일 수 있다. 저항기(44)는 스위치(42)와 접지 사이에 직렬로 연결된다.
동작시에, 과전압 검출기(36)의 출력 또는 과전류 검출기(40)의 출력이 과전압 또는 과전류 조건을 표시한다면, OR 게이트(38)의 출력은 스위치(42)를 턴온(turn on)시킨다. 스위치(42)가 온일 때, 정류기(32)로부터 전류가 저항기(44)를 통해 접지로 흐른다.
저항기(44)의 임피던스가 배터리(34)의 임피던스보다 많이 작으므로, 전류 서지(current surge)가 저항기(44)를 통해 발생함으로써, 2차 코일(30)을 통한 전류 서지를 일으킨다. 다이오드(64)는 스위치(42)가 턴온일 때에 배터리(34)의 임의 전류 공급을 막는다. 2차 코일(30)을 통한 전류 서지는 1차 코일(15)을 통해 충전 회로(6)에서 유사한 전류 서지를 생성한다. 전류 서지는 피크 검출기(22)에 의해 검출된다. 그 후, 제어기(20)는 발진기(18)의 주파수를 변경시킨다.
도시된 실시예에서, 1차 코일(15)과 2차 코일(30)은 소결합된다(loosely coupled). 두 코일이 이 실시예에서 소결합되므로, 공진 주파수에 대한 전력 전송 곡선의 기울기는 코일(15, 30)이 밀결합되는(tightly coupled) 경우만큼 경사지지는 않는다. 코일(15, 30)에 대한 대표적 전력 전송 곡선은 도 3에 도시되어 있다. 이 실시예에서, 전력 전송은 인버터(10)가 공진 주파수에서 동작중일 때에 최고가 된다. 그러나 인버터가 공진 주파수에서 동작중이 아닐지라도, 인버터가 오프-공진(off-resonance)에서 동작중일 때에 상당한 전력 전송이 발생될 수 있다. 통상, 인버터(10)는 주파수 A와 주파수 B 사이에 동작한다. 주파수 B는 공진 주파수보다 다소 작다. 주파수 A와 주파수 B 사이에서, 전력 전송 곡선은 제어기(20)에 위치한 소프트웨어 룩업테이블에 의해 구분적으로(piece-wise) 선형화될 수 있다. 따라서 인버터(10)의 동작 주파수의 감소가 1차 코일(15)로부터 2차 코일(30)로 전송되는 전력 증가를 일으킬 것이라는 것을 통상 예측할 수 있을 것이다. 그래프로부터 알 수 있는 바와 같이, 그렇다면 동작 주파수에서의 증가는 전력 전송의 증가를 이끌고, 또한 이의 역도 가능하다.
도 4는 시스템의 충전회로(6)에 대한 것으로 도 2의 블록에 상응한 회로도를 도시한다. 피크 검출기(22A 및 22B를 포함한 22)는 1차 코일(15)와 직렬로 연결되고, 1차 코일(15)을 통과하는 전류에 비례하는 신호를 변환기(50)를 거쳐 공급한다. 신호는 다이오드(52)에 의해 정류되고, 커패시터(54)를 충전시키는데 사용된다. 연산 증폭기(56, 58)는 제어기(20)에 의한 샘플링을 위해 신호를 평활(smooth)시키는 데 사용된다. 이 특정 회로도는 예를 든 것이며, 본 발명의 범주를 특정 회로도로 제한시키려는 것은 아니다.
도 5는 시스템의 2차 회로(8)에 대한 회로도를 도시한다. 도 4의 충전 회로도에서와 같이, 도 5의 2차 회로도는 예를 든 것이며, 본 발명의 범주를 특정 회로도로 제한하려는 것은 아니다. 2차 코일(30)로부터의 전력은 커패시터(60)를 충전시키는데 사용되고, 다음에 배터리(34)에 연결된 회로에 대한 전원으로 사용된다. 정류기(32)는 2차 코일(30)에 의해 공급되는 AC 전류로부터 DC 전류를 생성한다. 커패시터(62)는 배터리(34)를 충전시키기 위해 DC 전원을 제공하도록 충전된다. 블록킹 다이오드(blocking diode)(64)는 2차 코일(30)이 전력을 수신중이 아니거나, 또는 피드백 메카니즘이 과전압 또는 과전류 조건을 시그널링할 때에 배터리(34)의 방전을 막는다.
과전압 검출기(36) 또는 과전류 검출기(40)가 너무 많은 전압 또는 너무 많은 전류가 배터리(34)로 인가된다고 결정하면, 트랜지스터(42)가 턴온되고, 이로써 저항기(44)를 통해 커패시터(62)를 방전시키고, 결과적으로 배터리(34)에 걸친 전압이 보다 낮아진다. 이 실시예에서, 2차 회로(8)는 블록킹 다이오드(64)를 포함하여, 배터리(34)로부터 커패시터(62)로 전류가 흐르지 않도록 막는다.
전류가 저항기(44)를 통해 흐를 때, 2차 코일(30)로부터 추가 전류가 인출되고, 다음에는 1차 코일(15)을 통한 전류를 증가시킨다.
커패시터(62)에 걸친 전압 강하로 인하여, 배터리(34)에 걸친 전압이 배터리(34)를 통한 전류에서 처럼 강하된다. 따라서 과전압 조건 또는 과전류 조건이 교정된다. 검출기(36, 40)가 클리어되고, 이로써 트랜지스타(42)가 턴오프된다. 트랜지스터(42)가 과전류 또는 과전압 조건으로 인하여 턴온되는 주기에서 트랜지스터가 과전류 또는 고전압 조건으로 인해 턴오프되는 시간까지가 신호 시간이다.
도시된 이 회로설계에서, 신호 시간의 지속기간은 검출 회로(36, 40)내 두 RC 회로(66, 68)에 의해 제어된다. 이 실시예에서, 전압 검출기(36)는 배터리(34) 전압이 과전압 조건 부근일 때에 발진을 감소시키기 위하여 약 80 mV의 이력을 가지도록 구성된다.
언급한 바와 같이, 트랜지스터(42)가 턴온될 때, 증가된 전류가 2차 코일(30)을 통해 흐르고, 이로써 증가된 전류가 1차 코일(15)을 통해 흐르게 된다. 이 전류 증가는 피크 검출기(22)에 의해 검출된다. 1차 코일을 통한 증가 전류에 의해 발생되는 피크 검출기의 출력은 도 6에 도시된다. 도시된 실시예에서 피크 검출기의 출력은 약 10 ms 동안 약 1.55V 만큼 증가된다. 이 신호의 특성은 회로 구성소자의 특성에 따라 애플리케이션으로부터 애플리케이션으로 변할 수 있다. 예를 들면 증가된 신호의 증가 크기 및 길이는 원하는 대로 제어될 수 있다.
제어기(20)는 피크 검출기(22)의 출력을 연속적으로 샘플링한다. 갑작스런 증가가 검출되면, 내부 플래그가 FB-flag로 설정된다. 감소가 검출되면, FB-flag가 클리어된다. 그러나 이후로부터 FB_latch로서 언급되는 FB-flag의 카피(copy)가 또한 설정된다. FB_latch는 감소가 검출될 때에 클리어되지 않는다. 이것은 단지 제어기(20)에 의해서만 클리어될 수 있다. 따라서 FB_latch는 주어진 시간 주기 동안에 과전압 조건 또는 과전류 조건의 발생을 결정하기 위해 제어기(20)에 의해 주기적으로 검사될 수 있다. 따라서 시스템은 제어기에게 피드백 메카니즘을 제공한다.
휴대용 장치의 사용자는 충분히 충전되기 전에 충전 회로(6)로부터 장치를 제거할 수 있다. 또한 사용자는 배터리를 충분히 방전시키기 전에 충전기에 장치를 배치할 수 있다. 배터리를 최적으로 충전하기 위해서, 유도성 배터리 충전기는 배터리에 고유한 충전 프로파일을 보완할 뿐만 아니라 배터리의 존재를 검출할 수 있다.
도 7은 2차 회로(8)가 충전 회로(6)에 근접한 지의 여부를 검출하고, 2차 회로(8)가 존재하는 경우에 배터리를 최적으로 충전하기 위한 프로세스의 일 실시예를 도시하는 흐름도이다.
프로세스는 단계 100에서 시작한다. 프로빙 프로세스(99)를 착수한다. 제어기(20)는 PROBE_INTERVAL의 사전결정된 시간 주기 동안에 대기한다(단계 102). PROBE_INTERVAL이 경과된 후에, 제어기(20)는 인버터(10)로 하여금 1차 코일(15)을 통해 PROBE_FREQUENCY에서 낮은 주파수 전류를 생성하게 한다(단계 104). 1차 코일(15)을 통한 전류를 검출한다(단계 106).
2차 회로(8)가 존재한다면, 충전 회로(6)에 의한 프로브가 2차 코일(30)에서 프로브 전류를 유도할 것이다. 배터리(34)는 프로브시에 완전히 충전될 지라도 손상되지 않을 것이다. 먼저, 프로브는 이 실시예에서 약 10 내지 20 밀리초의 짧은 지속기간을 가지는 반면에, 정지 주기(quiescent period)는 항상 몇몇 초 길이이다. 또한, 트랜지스터(42)를 경유한 과전압 검출기(36)와 과전류 검출기(40)는 배터리(34)를 통하기 보다는 저항기(44)를 통해 과도한 프로브 전류를 션트할 것이다.
이 실시예에서, PROBE_FREQUENCY에서 1차 코일을 통한 전류량은 실험적으로 미리 결정되었고, 제어기의 메모리로 저장된다. 1차 코일(15)을 통한 전류가 사전결정된 언로드된 1차 전류와 대략 동일한 경우(단계 108), 2차 회로(8)는 2차 회로(8)에 존재하지 않는다. CHARGED_FLAG를 클리어한다(단계 109). 그 후, 시스템은 프로세스를 다시 시작하기에 앞서 또 다른 PROBE_INTERVAL을 기다린다.
1차 코일(15)을 통해 흐르는 전류가 사전결정된 언로드된 1차 전류와 대략 동일하지 않다면, 2차 회로가 존재한다.
CHARGE_FLAG를 검사한다(단계 111). CHARGED_FLAG는 배터리의 완전한 충전 여부를 표시한다. CHARGED_FLAG가 설정되지 않는다면, 충전 프로세스가 시작된다.
제어기(20)는 인버터의 주파수를 FREQ_START로 설정한다(단계 110). 그 후, 시스템은 임의 과도전압(전류)를 제거하기 위해 사전결정된 시간 주기 동안에 지연시킨다(단계 112).
그 후, 제어기(20)는 전술한 바와 같이 피드백 신호의 수신 여부를 결정한다. 수신하지 않았다면, 주파수를 ΔFREQ만큼 감소시킨다(단계 116). 이 실시예에서, 주파수 감소는 공진을 향해 시스템을 이동시키고, 따라서 충전 회로(6)로부터 배터리(34)로의 전력 전송을 증가시킨다.
ΔFREQ는 일정할 수 있거나, 또는 ΔFREQ가 사용되는 특정 시간에 인버터의 동작 주파수에 의해 인덱스되는 룩업테이블로부터의 값을 얻음으로써 결정될 수 있다. ΔFREQ를 위해 선택된 값은 주파수 의존적일 수 있으며, 동작 주파수가 ΔFREQ만큼 감소 또는 증가되는 경우에 선택될 수 있고, 그 후 대응하는 전류 증가 또는 감소는 모든 동작 주파수 동안에 ΔFREQ에 대해 대략 동일하다. 예를 들면 충전 회로(6)는 탱크 회로(12)의 공진 주파수 부근에 동작하는 경우에, 100 Hz만큼 동작 주파수에서 감소는 탱크 회로(12)를 통한 전류를 상당히 증가시킬 것이다. 반면에 충전 회로(6)가 공진으로부터 비교적 멀리 동작중인 경우, 100Hz의 변경은 1차 코일을 통한 전류의 큰 증가를 일으키지 않을 것이다. 따라서 ΔFREQ는 고 주파수 또는 저 주파수에서 1차 전류의 대략 동일 변동을 일으키도록 선택될 수 있다.
그 후, 주파수를 Min_FREQ와 비교한다(단계 118). Min_FREQ는 인버터에 대해 사전결정된 최소 동작 주파수이다. 통상, Min-FREQ는 탱크 전류(12)에 대한 공진 주파수보다 다소 크다. 주파수가 Min_FREQ보다 작거나 또는 동일한 경우, 제어기(20)는 프로빙을 반환한다. 그렇지 않다면, 제어기(20)는 사전결정된 주기 시간동안에 대기하고(단계 112), 그 후 피드백 신호의 발생을 검사한다(단계 114).
따라서 제어기(20)에 의해 검출되는 피드백 신호가 없는 한, 인버터(10)의 주파수는 배터리(34)로의 전력 전송을 최대화시키기 위하여 반복적으로 감소된다.
피드백 신호가 검출되면, 배터리(34)로의 전력 전송이 감소되어야 한다. 따라서 주파수를, 룩업테이블로부터 다시 얻을 수 있는 ΔFREQ의 값을 두 배로 하는 것과 동일한 양만큼 증가시킨다(단계 122). 주파수를 Max_FREQ와 비교한다(단계 124). Max_FREQ는 인버터를 동작시키기 위한 최대 주파수를 나타내는 사전결정된 값이다. 주파수가 사전결정된 최대 주파수 Max_FREQ보다 크다면, 충전 회로(6)는 프로빙 프로세스(99)로 복귀한다. 그렇지 않다면, 제어기(20)는 대기하고(단계 126), 피드백 신호를 검사한다(단계 128).
피드백 신호가 검출된다면, 인버터 주파수를 ΔFREQ 값의 두 배 만큼 다시 감소시킨다(단계 122). 그 후, 프로세스를 계속한다. 반면에, 피드백 신호가 검출되지 않는다면, 시스템은 당시(then-current) 주파수에서 전력이 1차 코일(15)로 인가되는 동안에 대기한다(단계 130). 단계(130)의 긴 충전 지연은 일반적으로 단계(112) 또는 단계(126)의 지연보다 상당히 크다. 긴 충전 지연은 배터리(34)로 공급되는 상당한 양의 전력을 허용한다.
따라서 배터리(34)상의 충전이 증가하고 피드백 신호가 검출되므로, 시스템은 인버터(10)의 동작 주파수를 점차적으로 증가시키고, 이로써 배터리(34)로 전송되는 전력을 감소시킨다. 동작 주파수에서 증가는 피드백 신호를 더 이상 수신하지 ㅇ낳을 때 까지 계속되고, 이 경우 전력은 보다 긴 시간 주기에 걸쳐 배터리(34)로 공급되고, 이로써 배터리(34)가 최대로 충전될 수 있게 한다.
단계(124)를 다시 보면, 동작 주파수가 Max_FREQ보다 큰 경우, 제어기(20)는 CHARGE_TIME과 MIN_CHARGE_TIME을 비교한다(단계 132). CHARGE_TIME은 이전 충전 사이클 동안에 경과 시간 길이인 반면에, MIN_CHARGE_TIME보다 작은 경우, 배터리(34)는 완전히 충전된 것으로 간주되고, CHARGED_FLAG를 설정한다(단계 134). 부차적으로, LED는 배터리(34)가 완전히 충전됨을 사용자에게 가리키기 위하여 턴온된다.
시스템은 폴트 조건을 다루도록 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 제어기(20)는 피드백 신호를 생성하지 않고 전체 충전 사이클시 마다 증분되는 카운터를 포함할 수 있다. 카운터의 값이 사전결정된 최대 수의 폴트보다 클 때, 시스템은 최종 폴트 상태로 들어간다. 그 후, 제어기(20)는 구동 신호를 비활성화시킬 수 있고, 적색 LED를 급속히 플래시할 수 있다. 이 실시예에서, 충전 회로(6)는 단지, 충전기의 전력 사이클링에 의한 동작으로 복귀할 수 있다. 즉, 충전 회로(6)는 외부 전원으로부터 분리되어야 한다.
피드백이 FREQ_TRIGGER_SAFE로서 지명된 사전결정된 안전 주파수 위의 주파수를 구동하는 경우, 최소 주파수는 FREQ_MIN_SAFE로 설정된다. 알고리즘이 이 레벨보다 낮은 경우, 시스템은 여느 때 처럼 프로브로 계속된다. 시스템내 폴트가 있다면, 폴트 조건이 발생할 것이고, 충전 회로(6)는 충전 회로(6)가 전력 사이클링될 때 까지 디스에이블될 것이다.
본 발명은 (예를 들면 저항성 변동의 결과인) 2차 회로의 임피던스의 변경이 피드백 신호를 생성하는 데 사용되는 실시예와 함께 기술하였지만, 본 발명은 도시된 실시예의 피드백 기술로 제한되지 않는다. 본 발명은 다른 것들중에서, 피드백 신호를 생성하기 위해 직렬 또는 병렬 구성의 저항, 커패시턴스 및/또는 인덕턴스의 변동을 이용할 수 있다.
전술한 설명은 본 발명의 전류 실시예이다. 본 발명의 사상 및 보다 넓은 양상을 벗어나지 않고서도 다양한 변경 및 변동을 행할 수 있다.
4: 유도 충전 시스템
6: 충전 회로
8: 2차 회로
15: 1차 코일
30: 2차 코일
80: 주파수 제어기
82: 피드백 검출기

Claims (21)

  1. 유도 전원 시스템(inductive power supply system)으로서,
    전력원, 상기 전력원에 전기 결합된 제어기 및 상기 제어기에 전기 결합된 1차 코일을 포함한 1차 회로- 상기 제어기는 상기 전력원으로부터 상기 1차 코일로 주파수를 가진 전력을 인가함 -와,
    2차 회로 및 상기 2차 회로에 전기 결합된 피드백 회로를 가지며, 상기 1차 회로로부터 분리 가능한 휴대용 장치를 포함하며, 상기 2차 회로는 상기 1차 코일에 유도 결합되어 그로부터 전력을 수신하는 2차 코일을 포함하고, 상기 피드백 회로는 상기 2차 코일로부터의 전류를 임피던스 소자를 통하여 선택적으로 션트(shunt)하도록 구성되며, 전류가 상기 임피던스 소자를 통하여 선택적으로 션트되는 것에 응답하여, 상기 2차 코일을 통하는 전류 흐름이 증가하여, 상기 유도 결합을 통해 상기 1차 코일을 통하는 전류 내 단일 서지(surge)를 생성하고,
    상기 피드백 회로는 상기 휴대용 장치 내 하나 이상의 조건을 검출하도록 구성되고, 상기 하나 이상의 조건 검출에 응답하여, 상기 피드백 회로는 상기 임피던스 소자를 통하여 전류를 선택적으로 션트하여, 상기 1차 코일 내 상기 단일 서지를 생성하며,
    상기 1차 회로는 상기 제어기에 동작 가능하도록 결합된 피드백 검출기를 포함하고, 상기 피드백 검출기는 상기 1차 코일 내의 상기 단일 서지를 감지하도록 구성되며,
    상기 제어기는 상기 1차 코일 내의 상기 단일 서지를, 상기 하나 이상의 조건이 검출된 것을 나타내는 것으로서 인식하도록 구성됨으로써, 상기 제어기는, 상기 1차 코일 내의 상기 단일 서지의 검출에 응답하여, 상기 휴대용 장치 내 상기 하나 이상의 조건의 상태를 식별할 수 있는, 유도 전원 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는, 상기 피드백 회로에 의해 생성된 상기 단일 서지에 적어도 부분적으로 응답하여, 상기 1차 코일로 인가되는 상기 전력의 특성을 제어하는, 유도 전원 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전력의 특성은 상기 1차 코일로 인가되는 전력의 주파수인, 유도 전원 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 2차 코일을 통하여 증가하는 상기 전류 흐름은 상기 2차 회로의 반사 임피던스를 변경하는, 유도 전원 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 조건은 상기 휴대용 장치의 조건인, 유도 전원 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 하나 이상의 조건은 과전류 조건 및 과전압 조건 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 피드백 회로는 스위치를 제어하도록 배치된 과전압 검출기 및 과전류 검출기를 포함하고, 상기 휴대용 장치의 배터리의 과전압 조건 또는 과전류 조건에 응답하여, 상기 스위치가 작동되고, 상기 2차 코일로부터의 전류가 상기 임피던스 소자를 통해 션트되는, 유도 전원 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어기는, 상기 과전압 조건 및 상기 과전류 조건 중 적어도 하나를 교정하기 위해, 상기 1차 코일로 인가되는 상기 전력의 주파수를 조정하는, 유도 전원 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 피드백 검출기는 전류 센서이고, 상기 전류가 상기 임피던스 소자를 통해 션트되어, 상기 1차 코일 내 상기 단일 서지를 생성하는 것에 응답하여, 상기 전류 센서는 상기 1차 코일 내 상기 단일 서지를 검출하는, 유도 전원 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 피드백 검출기는, 상기 1차 코일 내 상기 단일 서지의 검출에 응답하여, 상기 제어기로 검출 신호를 공급하는 피크 검출기(peak detector)인, 유도 전원 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는 인버터를 포함하고, 상기 인버터의 동작 주파수는 상기 1차 코일로 인가되는 상기 전력의 주파수를 상기 1차 코일의 공진 주파수에 보다 근접하게 이동시키기 위해 감소되고, 상기 인버터의 상기 동작 주파수는 상기 1차 코일로 인가되는 상기 전력의 주파수를 상기 1차 코일의 상기 공진 주파수로부터 멀리 이동시키기 위해 증가되는, 유도 전원 시스템.
  11. 휴대용 장치로부터 유도 전원으로 통신하기 위한 방법으로서,
    상기 유도 전원은 전력원 및 상기 전력원에 결합된 제어기를 갖는 1차 회로를 포함하고, 상기 제어기는 상기 전력원으로부터 상기 유도 전원의 1차 코일로의 전력 공급을 제어하고, 상기 휴대용 장치는, 상기 유도 전원으로부터 분리 가능하고, 2차 코일 및 상기 2차 코일에 전기 결합된 피드백 회로를 가지며, 상기 휴대용 장치의 피드백 회로는 상기 2차 코일로부터의 전류를 션트하여 상기 유도 전원의 1차 코일 내 전류에 단일 서지를 생성하도록 선택적으로 제어될 수 있는 임피던스 소자를 포함하며,
    상기 방법은,
    상기 1차 코일 내 단일 서지를 상기 휴대용 장치 내 하나 이상의 조건과 연관시키는 단계와,
    상기 1차 코일을 상기 휴대용 장치의 2차 코일과 유도 결합하기 위하여 상기 유도 전원을 작동시키는 단계- 소정의 주파수에서 상기 전력원으로부터 상기 1차 코일로 전력을 공급함 -와,
    상기 휴대용 장치에서 하나 이상의 조건을 검출하고, 상기 하나 이상의 조건의 검출에 응답하여, 상기 유도 전원의 1차 코일 내 전류에 단일 서지를 생성하기 위하여, 상기 임피던스 소자를 통하여 전류를 선택적으로 션트하는 단계와,
    상기 유도 전원에서, 상기 1차 코일 내 상기 단일 서지의 발생에 기초하여 상기 휴대용 장치 내 상기 하나 이상의 조건의 상태를 판정하는 단계를 포함하는 통신 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 1차 코일 내 상기 단일 서지의 발생에 응답하여, 상기 1차 코일로 인가되는 전력의 특성을 조정하는 단계를 더 포함하는, 통신 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 전력의 특성은 상기 1차 코일로 인가되는 전력의 주파수인, 통신 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 하나 이상의 조건은 상기 휴대용 장치의 배터리의 충전 프로파일(charging profile)에 따라 과전류 조건 및 과전압 조건 중 적어도 하나로서 정의되고,
    상기 방법은,
    상기 과전압 조건 및 과전류 조건 중 적어도 하나가 만족되는 것에 응답하여, 상기 임피던스 소자를 통하여 전류를 선택적으로 션트함으로써, 상기 1차 코일 내 단일 서지를 생성하는 단계와,
    상기 단일 서지의 발생에 응답하여, 상기 1차 코일로 인가되는 전력의 주파수를 조정하는 단계를 더 포함하는, 통신 방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 하나 이상의 조건은 상기 휴대용 장치의 조건인, 통신 방법.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 유도 전원에서, 상기 1차 코일 내 단일 서지의 발생을 검출하는 단계를 더 포함하는, 통신 방법.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 2차 회로로 전달되는 전력량을 제어하기 위하여, 상기 1차 코일로 인가되는 전력의 주파수를 조정하는 단계를 더 포함하며,
    상기 1차 코일로 인가되는 전력의 주파수는 공진으로부터 멀리 이동시키기 위해 증가되며, 상기 1차 코일로 인가되는 전력의 주파수는 공진에 보다 근접하게 이동시키기 위해 감소되는, 통신 방법.
  18. 전력을 유도적으로 전달하도록 구성된 1차 코일을 갖는 유도 전원으로부터 분리 가능한 휴대용 전자 장치로서,
    유도 결합을 통해 상기 1차 코일로부터 유도적으로 전력을 수신하도록 구성된 2차 코일- 상기 휴대용 전자 장치의 반사 임피던스는 상기 유도 결합을 통하여 상기 유도 전원에 반사됨 -과,
    상기 2차 코일에 전기 결합된 피드백 회로를 포함하며,
    상기 피드백 회로는 상기 2차 코일로부터 전류를 션트하기 위하여 선택적으로 제어되도록 구성된 임피던스 소자를 갖고, 전류가 상기 임피던스 소자를 통하여 상기 2차 코일로부터 선택적으로 션트됨에 응답하여, 상기 2차 코일은 상기 휴대용 전자 장치의 상기 반사 임피던스 내 단일 서지를 생성하고,
    상기 피드백 회로는 상기 휴대용 전자 장치 내 하나 이상의 조건을 검출하도록 구성되며, 상기 하나 이상의 조건 검출에 응답하여, 상기 피드백 회로는 상기 임피던스 소자를 통하여 전류를 선택적으로 션트하여, 상기 반사 임피던스 내 단일 서지를 생성하고, 상기 단일 서지는 상기 휴대용 전자 장치 내 상기 하나 이상의 조건의 상태를 상기 유도 전원에 통신하는, 휴대용 전자 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 하나 이상의 조건은 상기 휴대용 전자 장치의 조건인, 휴대용 전자 장치.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 하나 이상의 조건은 상기 휴대용 전자 장치의 배터리의 과전압 조건 및 과전류 조건 중 적어도 하나를 포함하는, 휴대용 전자 장치.
  21. 제18항에 있어서,
    상기 단일 서지는 상기 휴대용 전자 장치 내 상기 하나 이상의 조건의 상태에 있어서의 변경을 통신하는, 휴대용 전자 장치.
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