KR20140087684A - 공진기가 구비된 무선 충전기 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따르면, 무선 전력 에너지를 송신하는 송신부와 무선전력 에너지를 수신하는 수신부가 구비되는 공진기가 구비된 무선충전기에서, 상기 송신부와 수신부에는 무전전력 에너지를 송신하고 수신하는 루프 코일이 구비되고, 상기 코일은 콘덴서와 직렬 혹은 병렬로 결합되며, 상기 송신부와 수신부의 한쪽에만 공진기가 더 구비되고, 송신부 코일의 길이가 "CL" 이라고 하고 송신부 중계기 코일의 크기가 "RL"이라고 할 때, 그 관계가 " RL X 0.8 ≤ CL ≤ 1.2 " 인 것을 특징으로 하여, 송신부 혹은 수신부 중에서 한 곳에만 공진기가 구비되도록 하며, 이를 위해 수신부의 전력양과 전류양을 감지하여 제어하여 효율을 극대화 함은 물론, 안테나 루프 코일을 케이스 덮개에서 가깝게 구비될 수 있도록 한다.

Description

공진기가 구비된 무선 충전기{WIRELESS CHARGER WITH THE RESONATOR}

본 발명은 공진기가 구비된 무선 충전기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 무선 송신부 혹은 수신부 중에서 한쪽에만 공진기가 구비되도록 설계 구조를 변경한 무선충전기에 관한 것이다.

전자기기에서 무선 송,수신부가 구비되어 무선충전이 이루어지는 기술이 개발되고 있는 실정이다. 최근의 이동통신단말기는 다양한 형태로 개발되고, 이에 따라 다양한 전원충전기의 형태만큼 다양한 충전잭이 있었다. 이에 따른 충전기의 호환성 문제가 부각되었으나 이러한 충전잭들은 표준화되어 이용자들에게 충전기간의 호환성 문제를 해결하였다.

그러나, 상기와 같은 접속 단자 방식은 기기에 따라 단자의 규격과 모양이 다르게 되어, 사용자는 매번 새로운 충전 장치를 구입해야 하는 어려움이 따르게 되며, 이러한 방식은 새로운 기기를 구입하게 되면 종래 충전기는 폐기하게 되는 새로운 문제를 발생시키게 된다.

그리고, 이러한 문제를 해결하기 위하여 비 접촉식 자기 유도 방법, 즉 무선 충전 방식이 고안되었다. 비접촉식 충전 방법은 고주파로 동작하는 1차 회로를 충전 모체에 구성하고 2차 회로를 밧테리측 즉, 휴대형 전자기기 내 또는 축전지 내에 구성함으로써, 충전 모체의 전류 즉, 에너지를 유도 결합에 의하여 휴대형 전자기기의 축전지에 제공하는 방식이다. 유도 결합을 이용한 비접촉식 충전 방식은 이미 일부 응용분야(예: 전동 칫솔, 전기 면도기 등)에 이용되고 있다.

그러나 고 효율의 무선 충전 시스템을 만들기 위해서는 무전 전력을 송수신할 수 있는 코일과 함께 공진기가 각각 구비되어야 하는데, 즉 송신부에는 전력 송신용 코일과 공진기 그리고 수신부에도 전력 수신 코일과 공진기가 각각 구비되어야 하는 것이다. 그리고 코일과 공진기는 일정 공간을 유지하여야 하기 때문에 휴대성이 구비되는 휴대용 기기에는 적용하기 어려운 문제점이 있게 된다.

본 발명의 목적은 송수신 코일과 공진기를 구비한 무선전력 충전기에서, 무선으로 전력을 송수신 하는 코일과 함께 각각 공진기가 구비되어야 하지만 송신부 혹은 수신부 중에서 한쪽에만 공진기를 구비하도록 하여 좀더 효율적인 무선충전기 구조를제공하는 것이다.

상기 목적은 무선 전력 에너지를 송신하는 송신부와 무선전력 에너지를 수신하는 수신부가 구비되는 공진기가 구비된 무선충전기에서, 상기 송신부와 수신부에는 무전전력 에너지를 송신하고 수신하는 루프 코일이 구비되고, 상기 코일은 콘덴서와 직렬 혹은 병렬로 결합되며, 상기 송신부와 수신부의 한쪽에만 공진기가 더 구비되고, 송신부 코일의 길이가 "CL" 이라고 하고 송신부 중계기 코일의 크기가 "RL"이라고 할 때, 그 관계가 "RL X 0.8 ≤ CL ≤ 1.2" 이므로서 달성된다.

그리고, 코일의 길이보다 중계기 길이가 3 배 이상 더 크고, 송신부 코일의 개수와 송신부 중개기 코일의 개수가 동일하다.

또한, 가변 콘덴서를 더 구비할 수 있고, 송신부 코일이 N 개 예를들어 1번, 2번, 3번,,, N번 존재한다고 했을 때, 2번과 3번의 코일에 수신부 코일이 가까지 접근하게 될 경우에는 2번과 3번 코일에는 전류가 흐르게 되지만, 나머지 다른 코일은 전류가 흐르지 않게 된다.

한편, 전류가 흐르는 2번과 3번 코일은 스위치를 연결 상태로 하고, 전류가 흐르지 않는 다른 코일에는 스위치를 차단 상태로 하게 되고, 제어하는 부품의 수를 줄이기 위해 상기 스위치의 차단을 제어는 제어장치가 더 구비된다.

아울러, 가변 콘덴서의 값의 조절은 임피던스 값이 조절되고 결과적으로 코일의 인덕턴스 값이 조절되게 되는 원리를 이용한다.

본 발명의 또 다른 실시예로서, 무선 전력 에너지를 송신하는 송신부와 무선전력 에너지를 수신하는 수신부가 구비되는 공진기가 구비된 선충전기에서, 상기 송신부와 수신부에는 무전전력 에너지를 송신하고 수신하는 루프 코일이 구비되고, 상기 코일은 콘덴서와 직렬 혹은 병렬로 결합되며, 센싱부 혹은 감지부를 더 구비하여 상기 센싱부 혹은 감지부에서, 무선전력에너지를 전달하는 파라미터(Parameter) 값을 측정하고, 마이콤이 더 구비되어 출력에너지를 제어하고, 상기 센싱부 혹은 감지부를 제어하고, 상기 측정된 파라미터 값과 미지 정해진 정상 값과 비교하여, 무선 전력 충전을 위한 출력 에너지를 조정한다.

그리고, 상기 파라미터 값은 주파수, 전류, 전압, 혹은 온도이고, 코일의 온도가 정상 값보다 높게 되면, 상기 마이콤은 출력 에너지를 낮추며, 또한, 주파수, 전류, 혹은 전압의 측정 값이 미리 정해진 정상 값이 아닌 경우 상기 마이콤은 출력 에너지를 낮추게 된다.

아울러, 송신부와 수신부의 전력 에너지를 비교하여 무선 충전 효율을 계산하고, 출력에너지를 변화시켜 가면서 무선 충전 효율을 계산하여 가장 효율이 높은 상태에서 무선 충전을 실시한다.

본 발명에 따르면, 송신부 혹은 수신부 중에서 한 곳에만 공진기가 구비되도록 하며, 이를 위해 수신부의 전력양과 전류양을 감지하여 제어하여 효율을 극대화 함은 물론, 안테나 루프 코일을 케이스 덮개에서 가깝게 구비될 수 있도록 한다.

도 1과 도 2는 공진기가 구비된 무선충전기의 회로도를 나타낸 도면이다.
도 3은 송신부의 회로 구성도를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 수신부의 블럭도를 나타낸 도면이다.
도 5와 도 6은 코일의 실시예를 나타낸 모양이다.
도 7은 코일의 배치를 나타내는 실시예의 도면이다.
도 8과 도 9는 전력 에너지를 최적화하기 위한 실시예의 도면이다.
도 10 내지 도 12는 코일의 실시예의 도면이다.
도 13과 도 14는 송신부와 수신부의 블록도를 나타낸 도면이다.
도 15 내지 도 20은 코일의 다양한 형상과 배치를 나타낸 실시예의 도면이다.
도 21과 도 22은 각 부품의 세부 설계도를 나타낸 도면이다,
도 23 내지 도 25는 공진 필터의 상세 실시예를 나타낸 도면이다.
도 26과 도 27은 센서가 감지된 값에 의하여 출력 값을 변화시킬 수 있는 실시예의 도면이다.
도 28 은 무선 충전 전력 값을 변화시키는 흐름도는 나타낸 실시예의 도면이다.
도 29는 최적 효율을 제공하는 흐름도에 대한 실시예의 도면이다.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 공진기가 구비된 무선 충전기에 대해 상세히 설명한다.

- 실시예 1 -

도 1내지 도 5는 무선충전기의 코일 구조를 나타낸 도면이다.

도 1은 무선충전기 원리를 설명한 도면이다.

도 1 무선 충전기가 전력에너지를 공급하기 위한 일반적인 구조이며, 먼저 수신부(200)는 안테나 루프 코일(52)(53)이 콘덴서(C)로 직렬 연결된 구조를 가지고, 송신부(300)도 안테나 루프 코일(31)이 콘덴서(C)로 병렬 연결된 구조를 가진다. 단지 차이점은 송신부(300)는 공진 필터가 더 구비되는 것이며, 상기 공진 필터(Resonance Filter)는 코일(52)과 콘덴서(C)가 직렬 연결되는 구조로서 구성된다. 이때, 상기 루프 코일과 콘덴서의 직렬과 병렬 연결은 변경될 수 있음은 당연하다.

무선 충전기에서 일반적으로 사용하는 방식은 WPC(Wireless Power Consortium) 방식으로, WPC 방식의 무선 전력 에너지가 전달되기 위해서는 일반적으로 아래와 같은 조건을 가진다.

"전압 : 7-15V(수신부 기준), 주파수 : 100 - 200kHz, 전류 : 5V (0.7A), 전력 : 3.5W, 코일의 인덕턴스 값 : 8 마이크로 헨리(Micro Henry) - 12 마이크로 헨리 "

한편, 코일과 콘덴서는 직렬로 연결된 구조를 가진다. 무선 전력 에너지 전달에서 매개체는 안테나 루프 코일(52)(53)이며 상기 안테나 코일(52)(53)은 콘덴서와 연결되는 구조를 가지는데 직렬로 연결된다는 것이다.

한편 당사가 자체적으로 개발한 방식인 KTP 방식은 다음과 같은 특징을 가진다.

"전압 : 7-24V(수신부 기준), 주파수: 1MHz - 6.78MHz, 전류 : 5V(1A), 전력 : 5W, 코일의 인덕턴스 값 : 600nH(Nano Henry) - 2 마이크로 헨리 "

이때 상기에 표시된 전압과 전류 값은 상기의 숫자에 정확히 일치함을 의미하는 것은 아니고 범위를 나타냄은 당연하다.

하여간, WPC 방식과 KTP 방식의 가장 큰 차이점은 코일의 인덕턴스 값과 주파수 값의 차이이다. 먼저 주파수 값의 차이에서 그 기준을 1MHz 로 할 수가 있다. 즉, WPC 방식은 1MHz(Mega Hertz) 이하로 저주파이고 KTP 방식은 1MHz(Mega Hertz) 이상으로 고주파이다.

그러나, 실제 사용하는 주파수로는 WPC 방식은 100 - 200 KHz의 주파수를 사용하며, KTP 방식 6 - 8 MHz 이상으로 고주파를 사용한다는 것이다.

또한, 코일의 인덕턴스 값으로 WPC 방식은 "8 마이크로 헨리 - 12 마이크로 헨리" 이고, KTP 방식은 " 600 나노 헨리 - 2 마이크로 헨리" 이다.

상기의 특징을 가지는 KTP 방식은 상당한 장점을 가지게 된다. 예을 주파수를 발진 시키는 부품에 있어서도 고 주파수를 사용하므로서 부품의 소형화(고주파는 일반적으로 부품의 크기를 작게 할 수 있다.)가 가능하고, 코일의 인덕턴스 값을 작게 하므로서 안테나 루프 코일을 스파이럴 코일 대신, PCB 기판(혹은 수지 기판)에 인쇄 방식으로 형성한 코일을 사용할 수가 있는 것이다.

기판에 코일을 형성하므로서 양산시 유리하고 단가 절감의 효과를 가져올 수가 있는 것이다. 그리고 코일의 턴수(Turns, 감김 횟수)도 WPC 방식은 50회 이상을 넘어가게 되는 데, KTP 방식은 50 회 이하로도 가능할 수가 있는 것이다.

한편 상기 턴수는 휴대폰 기기에 적용되는 기준으로 언급된 숫자이다, 통상 휴대폰 기기는 그 면적이 최대 100 cm제곱 이내인 경우에 일반적으로 산정한 숫자이다.

도 2는 수신부(200)에서만 공진기(중계기)(52a)가 구비한 실시예이며, 도 3은 송신부(300)에서만 공진기(중계기)가 구비된 실시예의 도면이다.

무선 충전기는 전력에너지를 공급하기 위한 일반적인 구조이며, 먼저 수신부(200)는 무선 전력을 수신하는 안테나 루프 코일(52)이 콘덴서(C)로 직렬 연결된 구조를 가지고, 송신부(300)도 무선 전력을 송신하는 안테나 루프 코일(31)이 콘덴서(C)로 병렬 연결된 구조를 가진다. 이때, 상기 루프 코일과 콘덴서의 직렬과 병렬 연결은 변경될 수 있음은 당연하다.

그리고, 통상적으로는 수신부(200)에도 공진기(52a)(통상적으로 공진기는 코일과 콘덴서(C)를 모두 합쳐서 공진기라고 하지만, 본 발명에서는 도시 편의상 공진기 코일에 만 부호를 부가하였다. 따라서, 본 발명에서도 공진기는 코일과 컨덴서를 모두 포함하는 것을 의미한다.)가 구비되지만 송신부(300)에도 공진기(31a)가 구비되는 것이 일반적이다.

이때, 안테나 루프 코일(31)(52)은 무선 전력 에너지를 송신 혹은 수신하는데 사용되고, 공진기(31a)(52a)는 무선전력 에너지를 증폭하는 역할을 하게 된다.

그리고, 좋은 효율을 갖도록 하기 위해서는 안테나 루프 코일(52)(31)과 공진기(52a)(31a)가 어느정도 이격 거리를 가져야 한다. 하지만 상기의 이격거리를 유지하기 위해서 결과적으로 기기의 두께가 두꺼워지는 문제를 야기하게 되고, 또한 추가로 공진기가 더 구비되므로서 단가 상승의 역할을 갖게 된다.

이러한 문제를 해결하기 위해서, 본 발명에서는 도 2에서와 같이 수신부(200)에서만 공진기(52a)가 구비될 수도 있고, 도 3에서와 같이 송신부(300)에서만 공진기가 구비될 수도 있도록 하였다.

또한, 본 발명의 무선 충전기에서 제 1 방식은 아래와 같은 조건을 가진다.

"전압 : 7-15V(수신부 기준), 주파수 : 100 - 200kHz, 전류 : 1 - 0.7A, 전력 : 3 - 10W, 코일의 인덕턴스 값 : 1 마이크로 헨리(Micro Henry) - 30 마이크로 헨리 "

한편, 코일과 콘덴서는 직렬로 연결된 구조를 가진다. 무선 전력 에너지 전달에서 매개체는 안테나 루프 코일(52)(53)이며 상기 안테나 코일(52)(53)은 콘덴서와 연결되는 구조를 가지는데 직렬로 연결된다는 것이다.

그리고, 또 다른 방법으로서 제 2 방식은 다음과 같은 조건을 가질 수도 있다.

"전압 : 7-24V(수신부 기준), 주파수: 1MHz - 20 MHz, 전류 : 1A- 3A, 전력 : 5 -30 W, 코일의 인덕턴스 값 : 600nH(Nano Henry) - 100 마이크로 헨리 "

이때 상기 두가지 방식을 구별하는 기준은 주파수 차이가 된다. 즉, 그 기준을 1MHz 로 할 수가 있다. 즉, 제 1 방식은 1MHz(Mega Hertz) 이하로 저주파이고 제 2 방식은 1MHz(Mega Hertz) 이상으로 고주파이다.

그러나, 실제 주로 사용하는 주파수로는 100 - 200 KHz의 주파수를 사용하며, 또는 6 - 8 MHz 이상으로 고주파를 사용한다는 것이다.

또한, 코일의 인덕턴스 값으로 제 1 방식은 "8 마이크로 헨리 - 12 마이크로 헨리" 이고, 제 2 방식은 " 600 나노 헨리 - 2 마이크로 헨리" 이다.

이때, 제 2 방식의 장점은 기판에 코일을 형성하므로서 양산시 유리하고 단가 절감의 효과를 가져올 수가 있는 것이다. 그리고 코일의 턴수(Turns, 감김 횟수)도 50 회 이하로도 가능할 수가 있는 것이다.

도 4는 공진 필터를 나타낸 회로도이고, 도 5는 E-앰프를 나타낸 회로도이다. 도 4에서 보는 것처험, 공진 필터는 코일(62a)과 콘덴서(C)가 직렬 연결된 상태로 구성되고, 또한, 상기 공진 필터의 코일(62a)은 송신부 코일(31)과 직렬로 연결되어 있게 된다.

한편, 도 5는 E-앰프를 나타낸 도면으로, 증폭 기능을 하는 것으로, 코일(63a) 성분이 부품으로 포함된다.

- 실시예 2 -

도 6과 도7은 멀티 코일로 구성된 송신부 코일을 나타낸 도면이다,

송신부에서 무선 전력 에서지를 송신하는 안테나 루프 코일(31-1)(31-2)(31-3)이 3 개 구성된 실시예의 도면이다. 이때, 도 6에서 보는바와 같이 각각의 코일은 병렬로 연결되어 있다. 따라서, 병렬로 연결된 구조라면 송신부 코일을 2개 사용할 수도 있고, 3개 혹은 그 이상 사용할 수도 있음은 당연하다. 단지, 가장 최적화된 구조가 3개의 코일을 사용하는 것이므로, 본 발명에서는 3개를 사용하는 실시예를 설명한 것이다.

그리고, 도면에서 보는 것처럼 각각의 코일(31-1)(31-2)(31-3)은 공진 필터의 코일 (62a)과는 직렬로 연결되어 있다.

또한, 안테나 루프 코일(31-1)(31-2)(31-3)에 대응하여, 공진 필터(중계기)(31a-1)(31a-2)(31a-3)가 동일 개수 만큼 구비된다. 그러나 안테나 루프 코일과 공진 필터가 반드시 동일 수 개수 만큼 구비될 필요는 없으며, 이에 대해서는 본 발명의 또 다른 실시예에서 설명할 것이다.

도 7은 코일과 접지 사이에 스위치(31-1a)(31-2a)(31-3a)를 구비한 경우이며, 도면에서 보는 바와 같이 각각의 부품을 제어하고 프로그램적으로 수행하는 제어장치(MCU)(60)와 스위치(31-1a)(31-2a)(31-3a)를 연결하게 된다.

그리고, 상기 스위치의 작용에 의해 송신부 코일(31-1)(31-2)(31-3)이 무선전력 에너지를 방사하도록 하거나 방사하지 않도록 제어할 수가 있는 것이다.

송신부 코일이 N 개 예를들어 1번, 2번, 3번,,, N번 존재한다고 했을 때, 2번과 3번의 코일에 수신부 코일이 가까지 접근하게 될 경우에는 2번과 3번 코일에는 전류가 흐르게 되지만, 나머지 다른 코일은 전류가 흐르지 않게 된다.

이때, 전류가 흐르는 2번과 3번 코일은 스위치를 연결 상태로 하고, 전류가 흐르지 않는 다른 코일에는 스위치를 차단 상태로 하게 된다. 그리고, 제어하는 부품의 수를 줄이기 위해 상기 스위치(31-1a)(31-2a)(31-3a)의 차단을 제어는 제어장치(MCU)(60)가 하게 된다.

- 실시예 3 -

도 8과 도 9는 전력 에너지를 최적화하기 위한 실시예의 도면이다.

가변 콘덴서(혹은 캐퍼시터(capacitor)를 사용하여, C(정전용량) 값을 조절하는 방법을 사용하게 된다. 이때, C 값이 조절되면 임피던스 값이 조절되고 결과적으로 코일의 인덕턴스 값이 조절되게 되는 원리를 이용하는 것이다.

이를 위해 도면에서처럼, 각각의 코일(31-1)(31-2)(31-3)과 접지 사이에 저항을 구비하도록 하고, 상기 저항과 코일(31-1)(31-2)(31-3) 사이에 인출선이 구비되도록 한다. 그리고, 상기 인출선이 제어부(60)의 전류 모니터(60b)부와 연결되도록 한다.

따라서, 제어부(60)에 구비된 전류 모니터(60b)에서 전류량의 변화가 감지 될 수가 있는 것이다. 이때, 전류량이 변화되는 이유는, 송신부 코일에 수신부 코일(52)이 접근하여 송신부 코일의 전력 에너지가 수신부 코일에 전달되게 되면서 발생하게 된다.

이 경우, 새로운 코일과 컨덴서와의 관계에서 새로운 최적화 조건이 필요하게 되고, 새로운 조건이 필요하다는 것은 코일의 인덕턴스 값의 변화가 필요하다는 것이다, 그리고 코일의 인덕턱스 값은 C(정전용량) 값의 변화에 영향을 받게 되므로, 가변 콘덴서를 사용하여 새로운 최적화 조건을 만드는 것이다.

즉, "(Ca X Cb)/ (Ca + Cb) = C " (이때, Ca와 Cb는 임의의 두 개의 콘덴서의 정전용량 값을 의미한다.)에 의해 원래의 콘덴서와 연결된 가변 콘덴서의 값이 변하게 되면 전체 콘덴서 값이 변화게 되는 원리를 이용하게 되는 것이다.

이를 위해, 제어부에 PWM(Pulse With Modulation)(60a) 기능을 더 구비하게 된다, 그리고. 원래의 콘덴서(C1)(C2)(C3)와 접지(E) 사이에 가변 콘덴서(C1-1)(C2-1)(C3-1)을 더 구비하게 된다. 그리고, 상기 가변 콘덴서와 원래의 콘덴서 사이에 인출선을 구비하고, 상기 인출선을 PWM(Pulse With Modulation)(60a)와 연결되도록 하는 것이다.

즉, 전류모니터(60b)의 송신부 코일(31-1)(31-2)(31-3)의 전류량 감지 변화에 따라, 전류 변화가 감지된 코일과 병렬로 연결되어 있는 가변 컨덴서(C1-1)(C2-1)(C3-1)의 전압 값을 PWM(60a)가 변화 시켜 주는 것이다. 예를들어 송신부 코일(31-1)(31-2)(31-3 중에서 첫 번째 코일(31-1) 만 전류량 변화가 감지되게 되면, 상기 첫 번 째 코일((31-1)과 병렬로 연결된 가변 콘덴서(C1-1)의 전압값을 PWM(60a)가 변화시켜 준다는 것이다.

이때, 전류량의 변화에 따른 최적화 조건의 콘덴서 값의 변화는 제어부와 제어부의 메모리부에 미리 저장된 알고리즘에 따라 제어부가 수행하도록 한다.

도 9는 송신부 코일을 한번에 제어하는 실시예의 도면이다. 도 9에서처럼 송신부 코일(31-1)(31-2)(31-3)과 병렬로 연결된 컨덴서(C)와 가변 컨덴서(C-1)을 1 개 구비하게 된다. 즉, 송신부 코일이 N 개 존재하여도, 콘덴서와 가변 콘덴서는 1개 구비한다는 것이다.

그리고, 도 8의 실시예 설명에서처럼 전류값의 변화에 따라 가변 콘덴서의 전압의 값을 변화시켜 주어, 수신부 코일(52)이 송신부 코일에 가까이 접근하게 되면, 전류값이 변화게 되고 그 변화 값을 감지하여 가변 콘덴서의 전압 값을 변화 시켜 주는 것이다.

그리고 이러한 제어는 도 8의 실시예에서처럼 전류 모니터(60b)와 PWM(60a)에 의하여 수행되고, 부품의 수를 최소화 하기 위해 상기 전류 모니터(60b)와 PWM(60a)부를 별도 부품으로 하지 않고, 제어부(60)가 그 기능을 포함하도록 하는 것이다.

- 실시예 4 -

도 10 내지 도 12는 코일의 실시예의 도면이다.

상기 코일은 송신부 코일(31), 수신부 코일(52) 및 중계기 코일(31a)(52a)에 모두 해당되는 구조이다.

도 10은 스파이럴 코일의 형태를 나타낸 실시예의 도면으로, 코일은 도면에서처럼 감은 형태이며, 도 11의 (가)는 기판(PCB 혹은 플렉서블 기판으로, 인쇄 방식에 의해 코일을 형성할 수 있는 기판을 의미한다.)에 코일을 형성한 실시예의 도면이다.

그리고, 도 11의(나)는 중계기 코일의 실시예를 나타낸 도면이다. 통상적으로 송신부 코일(31)의 인덕턴스 값과, 송신부에 구비된 중계기 코일(31a)의 인덕턴스 값은 서로 다르게 되며, 일반적으로 상기 중계기 코일(31a)의 인덕턴스 값은 송신부 코일(31)의 인덕턴스 값에 비해 2-12배 더 높게 된다.

따라서, 중계기 코일(31a)의 길이는 송신부 코일의 길이에 비해 더 길게 제작되게 된다. 즉, 인덕턴스 값이 2-12배 더 높게 되므로, 중계기 코일의 길이도 송신부 코일의 길이보다 2-12배 더 길게 형성되게 되는 것이다, 그리고, 도 11의 (나)는 도(가)보다 코일의 길이를 더 길게하여, 송신부 코일과 중계기 코일의 상기의 관계를 코일 길이로서 나타낸 실시예의 도면이다.

한편, 최적화 관계는 송신부 코일(31)의 인덕턴스 값보다 중계가 코일의 인덕턴스 값이 7-12배 더 클 경우가 가장 최적화 값이 되기도 한다. 그렇게 되면 중계기 코일의 길이도 7-12 배 더 길게 형성되게 된다.

도 12는 송신부 코일과 중계기 코일의 비교를 나타낸 실시예의 도면이다. 아울러 수신부 코일과 수신부 중계기 코일의 비교도 나타낸다.

도면에서 보는 바와 같이 송신부 코일과 송신부 중계기 코일이 크기 비교 혹은 수신부 코일과 수신부 중계기 코일의 크기 비교를 나타낸 도면이다.

송신부 코일(31)의 길이가 "CL" 이라고 하고 송신부 중계기 코일(31a)의 크기가 "RL"이라고 할 때, 그 관계는 다음과 같다.

RL X 0.8 ≤ CL ≤ 1.2

마찬가지로 수신부 코일(52)의 길이도 CL" 이라고 하고 수신부 중계기 코일(52a)의 크기도 "RL"이라고 할 때 그 관계는 상기의 관계와 같다. 즉, 코일과 중계기의 크기가 비슷하여야 효율이 증가되게 된다.

이때, 각 코일은 도체 패턴으로 이루어질 수도 있다. 즉, 각 코일은 PCB 기판 또는 폴리이미드와 같은 플렉시블한 절연 필름 상에 동, 알루미늄 등의 도전성이 우수한 금속 박막을 적층하고 이를 본 발명의 도면에서 도시된 바와 같이 패턴으로 에칭하여 형성된 도체 패턴일 수 있다. 그리고, 본 발명에서는 3 개의 복수 코일을 사용한 실시예를 보였으나 하나의 코일을 사용하여도 되고 2 개 혹은 3개 이상의 코일을 사용하여도 된다. 그리고, 각각의 코일은 병렬 연결 구조를 가진다.

한편, 코일은 표면이 절연재로 피복된 동선을 사용하는 것이 일반적이나, 금, 은, 알루미늄 등 도전성이 우수한 재료라면 특별히 한정되지 않는다. 나아가, 각 코일은 단선(單線)의 도선이 감긴 것이어도 되나, 다수의 가는 단선을 복수 개 집합시킨 리츠(Litz)선을 사용하는 것도 고주파 전류를 이용한 충전에 바람직하다

한편, 코일의 인덕턴스 값으로 제 1 방식(스파이럴 코일을 사용하는 경우)은 "8 마이크로 헨리 - 12 마이크로 헨리" 이고, 제 2 방식은 방식 (피시비 기판을 사용하여 코일을 형성하는 경우)은 " 600 나노 헨리 - 2 마이크로 헨리"이다.

이때, 제 2 방식의 장점은 기판에 코일을 형성하므로서 양산시 유리하고 단가 절감의 효과를 가져 올 수가 있는 것이다. 그리고 코일의 턴수(Turns, 감김 횟수)도 50 회 이하로도 가능할 수가 있는 것이다. 그리고, 송신부에서 무선전력 에너지를 송신하는 코일과 송신부 공진기 코일은 모양가 크기가 비슷한 것이 좋고, 수신부에서 무선전력에너지를 수신하는 코일은 수신부의 공진기 코일과 크기과 모양이 비슷한 것이 좋다.

한편, 도 12는 송신부 코일과 송신부 중계기 코일의 비교를 나타낸 실시예의 도면이다. 아울러 수신부 코일과 수신부 중계기 코일의 비교도 나타낸다.

만일 공진기가 수신부에 구비되지 않았다면 도 12는 수신부를 나나탠 것이고, 만일 공진기가 송신부 구비되지 않았다면 도 12는 송신부를 나타낸 도면이 된다.

공진기(31a)(52a)와 안테나 루프 코일(31)(52)사이의 거리(GL)은 수 mm에서 10 mm까지 거리가 떨어지게 된다. 따라서 만일 안테나 루프 코일(31)(52)과 기기의 덮개 케이스(25) 사이에 공진기(31a)(52a)가 구비되면, 안테나 루프 코일(31)(52)과 덮개 케이스(25) 사이의 거리 D 는 더 커지게 된다.

그러나 현대의 휴대용 기기는 휴대성을 감안하여 크기를 최대한 줄이게된다. 따라서, 공진기(31a)(52a)를 한쪽에만 구비되게 된다.

따라서, 만일 공진기가 송신부(300) 구비되지 않았다면, 송신부에서 덮개 케이스(25)와 코일(31) 까지의 거리는 2mm 이내로 할 수가 있다. 그리고, 만일 수신부(200)에 공진기가 구비되지 않았다면 수신부에서 덮개 케이스(25)와 코일(52)까지의 거리는 2mm 이내로 할 수가 있는 것이다.

그리고 공진부가 구비될 경우에는 공진기(31a)(52a)와 코일(52)(31) 사이의 거리는 10mm까지 혹은 그 이상 늘어날 수가 있는 것이다.

- 실시예 5 -

도 13과 도 14는 송신부와 수신부의 블록도를 나타낸 도면이다.

도 13은 공진기(중계기)(31a)가 구비된 송신부의 회로 구성도를 나타낸 도면으로, 각 구성 부품의 기능은 다음의 설명과 같다.

그리고, 통상의 전원을 공급하는 방법에 의해 송신부(300)에 직류 혹은 교류의 전원을 공급할 수 있다. 그러나 본 발명의 실시예에서는 잭(68)을 사용하였다. 잭을 통해 직류 전원이 인가되면, 컨버터(66)를 통해 원하는 전원을 공급받도록 전압 변환을 시켜 주게 된다.

본 발명의 실시예에서는 직류 전원을 공급 받는 실시예를 사용하였으므로 DC/DC 컨버터를 사용하지만 교류 전원을 공급받으면 정류기 기능도 부과되어야 함은 당연하다. 그리고 과 전압 방지를 위한 보호기(67)가 더 구비되어 과전압에서 송신부의 기기를 보호하게 된다.

한편, 과전류 보호기(65)가 더 구비되어 과전류에서도 송신부를 보호하고, 또한 고온에서도 송신부를 보호하기 위한 과 온도 보호기(64)도 구비되게 된다.

그리고, 제어부(60)에서는 근거리 통신 모듈(61)을 제어하고, 또한 공진필터(62)를 제어하게 된다. 본발명에서는 제어부(60)로 32 Bit를 사용하였으나 반드시 그 성능에 한정되는 것은 아니며 통상의 제어부는 얼마든지 사용가능하다.

한편, 본 밞명에서는 송수신부(200)(300)에서 상호 데이터 통신을 하기 위한 근거리 통신 모듈을 사용하였으며, 근거리 통신 모듈로 지그비(Zigbee)를 사용하였고, 전파를 송수신 하기 위해서 칩 안테나(16)를 사용하였다. 이때에도, 근거리 통신 모듈과 안테나를 통상의 방법으로 할 수 있음은 당연하다.

또한, 본 발명의 제어부(60)에서는 증폭기(63)를 사용하여, 공진필터(62)를 발진시켜 무전전력을 송신하는 송신부 루프 코일(31)(31)을 통해 무선전력 에서지는 송신하게 된다. 여기서, 상기 공진 필터(Resonance Filter)는 코일(52)과 콘덴서(C)가 직렬 연결되는 구조로서 구성되며. 에너지를 갖는 주파수를 발생시켜 안테나 루프 코일(31, 32)이 무선전력에너지를 송신할 수 있도록 한다.

한편, 무선전력 에너지를 송신하는 안테나 루프 코일(31,32)는 본 발명의 송신부(300)와 회로적으로 연결되지만, 상기 송신부와 회로적으로 완전히 분리된 공진기(31a)가 더 구비된다. 그리고, 공진기(31a)(52a)는 무선전력 에너지를 증폭하는 역할을 하게 된다.

도 14는 공진기(중계기)(52a)가 구비된 수신부의 블럭도를 나타낸 도면이다.

통상 무선 충전 시스템은 전력 에너지를 송신하는 송신부와 전력에너지를 수신하는 수신부로 구성되고, 송신부는 일정신호를 감지하기 위해 주기적으로 센서가 구동되고, 충전 요청신호가 감지되는 지를 판단하게 된다. 충전요청신호가 감지되는 경우, 송신부의 송전부는 켜지게 된다. 그리고, 수신부의 신호를 통해 수신부측의 배터리 전압을 확인하고, 충전 가능 상태를 확인하게 되면, 송전이 이루어진다.

이때, 상기의 상태에 돌입하게 되면, 수신부에서는 전력에너지의 수신이 수행되고, 수신부의 밧테리에 전원은 충전되게 된다.

그리고, 상기의 설명에서 송수신부의 상호 신호를 주고 받는 통신 모듈인 지그비(Zigbee)(11), 각각의 신호와 부품을 정해진 프로그램에 의해 제어하는 제어부(10) 및 전압 혹은 전력을 최종적인 휴대폰(60) 등의 밧테리 전압에 맞도록 하여 주는 컨버터(12)가 구비된다. 이때, 상기 컨버터(12)는 상황에 따라 전압을 높이거나 낮추는 역할을 할 수 있고, 마찬가지로 전력량을 높이거나 낮출 수 있는 것이다.

그리고, 매칭 파트(Matching Part)(15)가 구비되어, 수신된 무선 전력에너지를 제어부에 전달하게 된다.

한편, 무선 전력에너지를 수신할 수 있는 안테나 루프 코일(52)이 구비되고, 상기 안테나 루프 코일(52)은 본 발명의 수신부(200)의 기기들과 회로적으로 연결된다.

하지만, 공진기(52a)는 본 발명의 회로부와 회적적으로 분리된다. 수신부의 공진기(52a) 회로 구조는 송신부의 공진기 회로 구조와 비슷하다.

단지 코일의 모양이나 크기에 있어서는 수신부(200) 공진기(52a)는 수신부 코일(52)와 비슷하고, 송신부(300) 공진기(31a)는 송신부 코일(31)과 비슷하게 된다.

하지만, 공진기는 다양한 형태가 가능하며, 전도성-와이어 루프(capacitively-loaded conducting-wire loop), 유전체 구, 금속 구, 금속유전체, 플라스몬, 폴라리토, 전도성-와이어 루프, 음향 공진 필드 등의 구조를 모두 포함할 수가 있다.

한편, 본 발명에서는 공진기를 송신부(300) 혹은 수신부(200) 중에서 하나만 설치되는 것을 그 특징으로 한다. 따라서 한 부분만 공진기(31a)(52a)기 구비됨에 따라 만약에 발생되는 효율 감소를 근거리 통신 모듈을 동한 프로그램 제어로서 보안을 하게 된다.

즉, 수신부(200) 코일에서 수신하는 전압과 전류량을 매칭 파트(15)를 통해 받아들이면, 커뮤니케이션 파트(13)에서는 전류와 전압의 크기를 파악하여 제어부(10)에 보내주게 된다.

그러면 송신부(200)의 제어부는 정해진 알고리즘에 따라 원하는 전류량이나 전압의 량이 충분히 수신되지 않았거나 너무 많이 수신되게 되면, 그 차이 값을 근거리 통신 모듈(11)을 통해 송신하게 된다.

한편, 송신부(300)의 근거리 통신 모듈(61)(16)은 수신부에서 보낸 신호를 받아 제어부에 보내게 되고, 제어부는 전압 혹은 전류량을 늘리거나 줄이도록 증폭기(62)에 신호를 보내고 공진필터(62)는 제어부의 새로운 명령 값에 맞는 무선전력에너지 신호를 발생하고, 안테나 루프 코일(31,32)는 새롭게 만들어진 무선전력 에너지를 송신하게 된다.

즉, 하나의 송신부와 수신부를 통해 하나의 공진기만 구비된 경우 수신부에서 수신되는 전력 에너지를 판단하여 수신부의 제어부가 추가로 보정해야 할 값을 근거리 통신모듈을 통해 송신부에 보내게 되면, 송신부의 제어부는 공진필터(62)가 그에 맞는 전력 에너지를 발생하도록 하는 것이다.

- 실시예 6 -

도 15내지 도 20은 코일의 다양한 형상과 배치를 나타낸 실시예의 도면이다.

도 15내지 17은 신부 코일을 세 개 형성하였을 때의 실시예의 도면으로, 설계 구조에 따라 3개 이상 혹은 2개의 코일을 형성할 수가 있음은 당연하다. 그리고, 이때 상기 구조는 송신부 코일의 구조에도 그대로 적용 가능하다.

따라서, 도 15내지 17은 송신부 혹은 수신부 코일의 구조를 나타낸 도면이 된다.

도면에서처럼, 세 개의 송수신부 코일(52-1)(52-2)(52-3)을 서로 겹쳐지게 배치하고 그 사이에 절연판(52c)를 구비하도록 한다, 상기 절연판(52c)은 필름, 기판, 코팅재 등 다양한 형태로 할 수가 있으며, 통상적으로 전기의 흐름을 차단해 주는 필름 혹은 판이면, 소재와 상관없이 모두 사용이 가능하다,

또한, 너무 두꺼우면 효율이 떨어질 수 있으므로, 2mm 이내가 적당하다. 그리고, 두께는 얇을수록 좋을 수도 있으며, 절연 효과만 있다면 1마이크로 미터(micro meter) 정도의 두께로도 가능할 수 있다.

도 16은 입체적인 배치를 나타내는 도면으로, 코일과 코일 사이에는 절연판(52c)이 형성됨을 보이는 도면이다, 즉, 코일의 수가 N개 이면 절연판은 N-1개(코일 수 보다 하나 적은 수)사용되게 되는 것이다.

또한, 도 17의 도면에서처럼, 코일(52-1)(52-2)(52-3)의 면적과 절연판(31c)의 면적을 비교해 볼 수가 있다. 도 17의 (A)는 겹쳐진 전체 코일의 면적이고, (B)는 절연판의 면적이라고 했을 때, 도 15에서처럼 절연판의 면적은 코일의 면적보다 같거나 더 커야 한다. 그러나 현실적으로는 더 큰 것이 좋다.

도 18은 겹쳐지는 면적의 비율을 나타내는 도면이다, 도 18의 도(A)는 송신부 제 1 코일(52-1) 혹은 제 2 코일(52-2)에서 겹쳐지는 면적을 나타낸 도면이고, 도 18의 도(B)는 제 3 코일(52-3)에서 겹쳐지는 면적을 나타내는 도면이다.

이때, 제 1 코일 혹은 제 2 코일에서 겹쳐지는 면적을 "AA" 라고 하고, 제 3 코일에서 겹쳐지는 면적을 "AB"라고 했을 때, 상기 "AA"와 "AB"의 면적은 서로 비슷하면 좋고, 차이가 나도 한쪽이 다른 한쪽 보다 3 배 이내로 구성되는 것이 좋다.

무선전력 에너지를 방출하는 전계의 밀도 분포가 균일할수록 좋기 때문이다.

한편, 겹쳐지는 면적 자체의 비율을 생각해 볼 수 있는데, 도 17과 도 18은 중첩되는(겹쳐지는) 면적 자체의 비율을 나타낸 실시예의 도면이다. 즉, 도면에서 설명한 "AA"의 면적 혹은 " AB"의 면적에 대한 서술이 되는 것이다.

이때, 자속의 강도를 강화시키기 위한 중첩이 아니라 자속의 균일성을 증가 시키기 위한 중첩이다.

한편, 도 19에서처럼 제1 코일(52-1)과 제 2 코일(52-2)가 중첩되는 면적을 A2 라고 할 때, 코일을 중첩하는 목적을 고려하여 그 값을 생각할 수가 있는 것이다.

앞의 도면의 실시예에서 도시된 것처럼 통상 코일이 접쳐지는 이유는 자속 밀도가 존재하는 편차를 줄이기 위함이다. 마찬가지로 코일을 중첩되도록 설계하는 이유도 자속 밀도의 편차를 줄이기 위함이다. 따라서 이러한 점을 고려하면 중첩되는 면적이 너무 작거나 너무 크면 좋지 않다.

예를 들어 한 개 코일의 면적이 100 이라면 중첩되는 면적은 20에서 80정도가 적당하다는 것이다. 그러나 디자인 편의상 부득이하게 중첩되는 면적을 10 정도 에서 90 정도까지도 할 수 있음은 물론이다.

도 20은 중첩되는 길이의 비율을 나타낸 실시예의 도면이다. (A)는 중첩되는 않은 경우이며, (B)는 코일 길이 만큼 중첩된 경우이고, (C)는 코일 길이 만큼 만 빼고 중첩된 경우이다.

그리고 각각의 경우를 보면 하나의 코일 만 존재할 경우보다 자속의 균일도는 증가될 수 밖에 없다. 동일한 거리에 코일의 수가 증가되기 때문이다. 그리고 증가된 코일이 일치되지 않는 구조를 가지기 때문이다. 우선 최대한 겹치지 않는 (A)의 경우보다 (B)와 (C)의 경우는 무조건 자속의 균일성이 증가된다.

도면에서 "c"를 코일 전체 길이라고 하고, "d"를 코일 만의 길이라고 하고, 두 개의 코일에서 나오는 자기력선의 총수를 Φ 라고 할 때, 상기 자기력선의 총수를 거리로 나누어 거리당 자속의 밀도를 생각할 수 있다.(실제로는 면적으로 자속의 밀도를 나타내지만, 본 실시예에서는 자속의 상호 비교를 위한 방법의 한 예이다. (A)의 경우에서 거리를 기준으로 한 자속 밀도는 M/2c 이고, (B)의 경우에서 거리를 기준으로 한 자속 밀도는 M/(2c-2d) 이며, (C)의 경우에서 거리를 기준으로 한 자속 밀도는 M/(C+d)가 된다.

즉, (B)와 (C)이 경우 모두 (A)의 경우 보다 자속밀도가 증가되게 된다, 따라서, 중첩될 수 있는 정도를 거리로 나타내면 최소로 중첩될 수 있는 거리는 "d"이고 최대로 중첩될 수 있는 거리는 "c-d" 가 된다. 중첩되는 정도의 거리를 비율로 나타내면, 최소 "d/c"에서 최대 "(c-d)/c"가 된다.

만일 d가 0.4cm이고 c가 4cm 라면 최소 10에서 최대 90이 되는 것이다.

- 실시예 7 -

도 21과 도 22은 각 부품의 세부 설계도를 나타낸 도면이다,

도 21은 송신부에서 전압 보호 회로의 실시예를 나타낸 도면으로 도 13의 실시예에서 나타난 전압 보호 블록도의 상세 실시예이다. 일정 전압 이상이되면 특성이 변화되는 제너 다이오우드를 사용한 실시예이다,

일반 다이오우드는 역전압이 결리면 미약한 전류가 흐르며 한도를 지나치게 되면 파손이 되게 된다, 그러나 제너 다이오우드는 역전압이 가해졌을 때 일정 역전압 이상이 되면 브레이크 다운(Break down)이 일어나지 않고 급격히 전류가 증가되게 된다. 따라서 이러한 제너 다이오우드의 현상을 이용하여 전압 조절에 사용하게 되는 것이다.

송신부 입력잭(68)에서 전압이 가해지고, 어느정도 이상의 전압이 가해지게 되면, 제너 다이오우드(67a)와 연결된 접지 방향으로 전류가 흐르게 도어, 회로를 보호한다는 원리이다,

그리고, 도면에서 G는 Gate, S는 Source, D는 Drain을 나타내게 된다.

그리고, 본 발명에서의 실시예에서는 DC Jack(68)가 19 Volt의 전압을 가하여 주는 것으로 한다면, 제너 다이오우드의 용량은 20 Volt 정도로 하게 된다, 즉, 20 Volt 이상이 되면, 제너 다이오우드 효과에 의해 회로를 보호하게 되는 것이다.

도 22는 수신부 정류 회로에 대한 실시예를 나타낸 도면으로, 도 14실시예에서처럼 수신부는 코일(52)을 통해 무선 전력 에너지를 교류로 받게 되고, 상기 교류를 직류로 변환하여 주어야 되는 것이다.

본 발명에서는 클리핑 정류회를 사용하게 된다, 도면에서처럼 1 개의 다이오우드를 사용하고, 상기 다이오우드는 콘덴서와 코일과 직류로 각각 직류로 연결된다.

이렇게 하므로서, 정류용 다이오우드를 감소시킬 수 있고, 실장 면적을 최소화 할 수 있으며, 또한 출력부에 전류는 더 증가될 수 있는 효과를 가지게 된다.

- 실시예 8 -

도 23내지 도 25는 공진 필터의 상세 실시예를 나타낸 도면이다,

도 13에 나타낸 공진필터(Resonance Filter)(62)의 상세 실시예도 인 것이다.

도 23에서처럼 도우넛 모양의 철심(62b)에, 코일(62a)을 감은 형태이다. 즉, 송신부 코일(31)이나 중계기(31a) 코일은 평면 상으로 코일을 감은 형태이지만, 공진 필터 코일(62a)는 입체적으로 코일을 형성한 형태를 가진다.

입체적으로 공진 필터의 코일을 형성한 이유는 부품으로 사용될 경우 표면적을 줄이기 위함도 있다. 즉 송신부 기기 표면에서 대부분의 면적을 차지하는 송신부 코일(31)과 면적이 서로 중첩되지 않은 위치에서 부품으로 존재하기 위함이다.

도 24는 철심(62b)의 재료에 대한 실시예을 나타낸 것으로서, 감은 회수(Turn)나 인덕턴스 갑에 의해 그 사용되는 재료가 달라짐을 보이는 도면이다.

도 25는 운통형 바 형태의 철심(62b')에 코일(62a')을 감은 실시예이 도면이다, 도 22에서처럼 반드시 도우넛 형태를 하지 않아도 되며, 철심 형태도 가능함은 당연하다.

- 실시예 9 -

도 26과 도 27은 센서가 감지된 값에 의하여 출력 값을 변화시킬 수 있는 실시예의 도면이다.

도 26에서와 같이, 무선충전기 송신부의 구성은 마이컴(60)과 데이터 수신부, 전력 전달 주파수 발진기(62), 정전류 회로(62a), 전류 센싱부(62c), 온도 및 주파수 센싱부(62b)등으로 구성된다. 그리고, 1차측 코일(31)이 더 구성된다. 이때, 전압을 감지할 수 있는 전압감지부도 더 구비될 수 있다. 그러므로, 필요에 따라서는 혹은 미리 정해진 설정에 따라서는 상기 전압감지부에서 전압을 감지하게 된다.

이때, 본 발명의 무선 충전기 송신부의 일반 구성을 나타내고자 하는 것이므로, 통상의 무선 충전기 송신부를 구성한다면 본 발명의 기술 구성에 포함된다고 할 수 있다.

일반적으로 WPC 방식은 무선 전력 전달 주파수가 100 - 205 Khz로 되어 있다. 따라서, 1차측 코일은 WPC 방식에 서 사용하는 100 - 205에서 최대 전력이 나도록 회전 권선수가 있다. 물론 본 발명의 반드시 상기의 주파수 값에 한정되는 것은 아니다.

일반적으로 1차 코일과 2차 코일의 위치가 서로 잘 맞을 수록 전력 에너지 전달의 효율이 좋다. 그러나, 1차 코일과 2차 코일의 위치가 서로 어긋나게 되면, 전력에너지 전달 효율이 높지 못하게 된다. 그렇게 되면, 무선 에너지 송수신 코일에 열이 더 발생되며, 주파수 값과 전류 값도 변화게 된다.

따라서, 본 발명에서는 전류를 감지하는 전류 센싱부(62c), 온도와 주파부를 감지하는 센싱부(62b)를 각각 더 구비한다.

본 발명에서 적용한, 무선충전기의 정상적인값과 비 정상적인 값의 실시예는 아래와 같다.

1) 전압

- 정상 값 범위 : 5.5 V - 4.75 V 또는 13.2 V - 10.5 V

- 비정상 값 범위 : 4.74 V - 4.1 V 또는 11V 이하 2) 전류

- 정상값 : 1100 mA 이하

- 비 정상 값 : 1100 m A 이상

3) 주파수

- 정상 값 : 150 - 205 Khz

- 비정상 값 : 150 Khz 이하

즉, 본 발명에서는 감지된 전류의 값이 비정상 범위에 속하거나, 감지된 주파수 값이 비 정상 값에 속하거나, 코일의 온도가 정상 값보다 높게 되면, 본 발명의 마이컴(MCU)(60)는 출력 전력(혹은 에너지)을 낮추게 된다. 그러므로 송신 코일과 수신 코일의 위치가 서로 어긋나게 되어 무선 전력 에너지 전달 효율이 떨어지게 되어 열 발생이 될 경우 온도가 올라가게 되는 문제점을 해결해 주게 된다.

즉, 본 발명에서는 센싱부 혹은 감지부에서, 무선전력에너지를 전달하는 파라미터(Parameter) 값을 측정하고, 상기 측정된 파라미터 값과, 미지 정해진 정상 값과 비교하여, 무선 전력 충전을 위한 출력 에너지를 조정하는 것이다. 그리고, 상기 파라미터 값은 온도, 전류, 전압 또는 주파수 값이 된다.

이러한 실행은 미리 정해진 알고리즘과, 정해진 센싱 값에 의해 MCU(60)가 출력 전력을 제어하므로서 이루어진다.

도 27은 수신부에 센서가 구비되는 또 다른 실시예의 도면이다. 수신부에는 일반적으로 마이콤(MCU)(10), 전류검출회로(60d), DC 정류기(10a), DC 정전압 충전회로(12)등으로 구성되고, 최종적으로 밧테리(60a)로 에너지가 전달된다.

이때, 본 발명에서는 수신부에도 센서(13a)를 더 구비할 수가 있다. 그리고, 상기 센서(13a)는 온도센서, 전류 센서, 주파수 센서를 모두 포함한다. 따라서 도 26의 실시예에서처럼, 온도, 전류 혹은 주파수 값이 정상 범위를 벗어나게 되면, 상기 센서의 감지 신호에 의하여 정상 범위가 범어남을 상기 마이콤(MCU)(10)이 판단하고, 정상 범위를 벗어 났다는 신호를 출력하게 된다.

그려면, 근거리 통신부(11)(도 14에서 Zigbee를 실시예로 예를 들었으나, 반드시 Zigbee 통신에 한정되는 것은 아니다.)에서는 무선 전력 전달 상태가 비정상 상태라는 신호를 전력 에너지 송신부에 송신하게 된다.

그리고, 상기 신호를 송신부의 근거리 통신부(61)(도 13에서 Zigbee를 실시예로 예를 들었으나, 반드시 Zigbee 통신에 한정되는 것은 아니다.)에서 수신하고, 상기 수신된 신호는 최종적으로 송신부 마이콤(MCU)(60)에 전달되게 되고, 송신부 마이콤(MCU)(60)은 무선전력 전달 에너지의 출력 전력을 낮추게 된다.

즉, 수신부 센서(13a)의 감지 신호에 의해 비정상 상태가 감지되면, 이를 신호화하여 근거리 통신부을 통하여 송신부 마이컴(60)에 전달되고, 상기 송신부 마이콤(60)은 출력 전력을 낮추게 되는 것이다. 이러한 실행은 미리 정해진 알고리즘과, 정해진 텅신 신호 값에 의해 MCU(60)가 출력 전력을 제어하므로서 이루어진다.

도 28 은 무선 충전 전력 값을 변화시키는 흐름도는 나타낸 실시예의 도면이다.

무선 충전을 시작하게 되면, 송신부는 충전 에너지 송신하고, 수신부는 충전 에너지 수신하게 된다.(S 100 - S 102)

이때, 본 발명에서는 도 26과 27의 실시예에서처럼 전력, 전압, 전류를 센싱하여 충전 상태를 판단하게 된다. 그리고, 이러한 센싱을 송신부에서도 할 수 있고 수신부에서도 할 숙사 있다.

만일 송신부의 센싱부에서 전압, 전류, 온도 및 주파수를 감지한다면, 정해진 기준에 의하여 정해진 회수를 측정하게 된다. (S 104 - S 106) 즉, 측정의 정확성을 확보하기 위하여 반복적으로 2 회 이상을 측정하게 된다.

그리고, 각각의 측정한 값의 평균값을 산정하여, 미리 정해진 기준 값(정상적으로 충전이 되었을 때의 값)과 비교하게 된다. (S 108)

예를들어, 전압을 측정한다고 가정했을 때, 5 회를 측정한 평균 값이 4.60 V라면, 미리 정해진 기준 값 "5.5 V - 4.75 V" 과 비교를 하는 것이다.

그리고, 측정 평균 값을 미리 정해진 기준 값과 비교하여 비율로 표시할 수도 있다.즉, 평균 값이 4.60 V 이라면, 4.60/4.75(4.75는 미리 정해진 기준값)이므로 97 ％ 가 된다, 또한, 평균값이 4.2 V 라면, 4.2/4.75 이므로, 88％ 가 된다.

따라서, 본 발명에서는 미리 정해진 기준 값보다 3 ％ 내지 5 ％ 정도 작게 되면, 출력 전력을 조절하여 주게 된다, 물론, 10 ％ 정도 작아야 조절해 줄 수도 있다. 이러한 작용은 도 27에 도시된 센싱부(62c)(62b)의 센싱값을 근거로 제어부(MCU)가 제어 하므로서 수행 가능하게 된다.

한편, 수신부 센싱부에서 전압, 전류, 온도를 감지하고, 정해진 기준에 의하여 정해진 회수를 측정하고, 각각의 평균값을 미리 정해진 기준 값과 비교할 수도 있다. 이때에도, 수신부 센싱부에서도 각각의 평균값을 미리 정해진 기준 값과 비교하게 된다. (S 110 - S 112)

그리고, 상기의 과정은 수신부 센싱부(13a)(60d)를 통한 센싱 값을 MCU(10)가 제어하므로서 가능하게 된다. 또한, 송신부 방법에서와 마찬가지로, 미리 정해진 기준값과 평균값의 비율을 계산하게 된다. 그리고 상기 비율에 의하여 기준 값에서 00 ％ 부족한가를 판단할 수가 있게 된다.

상기의 알고리즘 수행 과정후 비교값을 송신부(300)에 전송할 수도 있고 휴대 단말기(60)에 전송할 수도 있게 된다.

만일 비교 값을 송신부에 전송하게 되면, 송신부는 상기 전송 받은 비교값을 근거로 하여 출력 값을 변화시켜 주게 된다. (S 114 - S 118) 그리고, 수신부에 전달되는 전력(전압, 전류)를 모니터링하여 해당값으로 설정하게 된다.(S 118)

또한, 비교 값을 휴대 단말기에 전송하여 주게 되면, 휴대 단말기 제어부에서 기준 값과 차이를 판단하고, 미리 정해진 방법에 의해 출력 전력을 변화 시키게 된다. (S 120 - S 122)

충전 완료되면, 충전은 종료되게 된다.(S 124 - S 126)

아울러, 센싱부가 감지하는 감지 값은 온도, 주파수, 전류가 될 수 있으며, 상기 특성도 모두 2회 이상을 측정하여 평균 값을 산정할 수 있다. 또한, 전류의 측정 결과 비율이 0.9 이고, 주파수의 측정 결과 비율이 0.88이고, 전압의 측정 결과 비율이 0.8 이고, 온도의 측정 결과 비율이 0.85 라고 하면, 상기 네가지 비율 0.9, 0.8, 0.85를 모두 반영하여 출력 전력을 변화시킬 수도 있다. 물론 상기 네가지를 모두 반영하지 않고 상기 네가지 중에서 일부만 반영하여 출력 전력을 변화시킬 수도 있다. 또한, 상기 수신부 센싱부(13a)(60d)와 송신부 센싱부(62c)(62b)가 감지하는 부분은 코일(31)(52) 영역이다.

도 29는 최적 효율을 제공하는 흐름도에 대한 실시예의 도면이다.

충전이 시작되면, 송신부 충전 에너지 송신 및 수신부 충전 에너지 수신하게 된다.(S 130 - S 132)

송신부(300) 혹은 수신부(200) 센싱부에서 전압, 전류, 온도를 정해진 기준에 의하여 정해진 회수 만큼 측정하고, 측정 결과를 반영하고, 미리 정해진 방법에 의해 출력 전력을 변화 시킨다.(S 134 - S 136) 그리고, 이러한 과정은 도 28의 실시예와 준하게 된다.

한편, 본 발명에서는 송신부와 수신부의 효율을 계산하여 최적의 효율이 되도록 할 수가 있게 된다. 예를들어 송신부 전력이 5A 이고, 수신부 전력이 2 A 이면 효율이 40 ％ 가 된다. 그리고, 출력 값을 변화시켜 가면서 가장 좋은 효율 값을 선정하여 출력 전력을 선택하게 되므로서, 에너지 효율도 증가시키고 무선충전기에 발열도 줄여 줄 수가 있게 된다.

송신부(300)와 수신부(200) 센싱부(13a)(60d)(62c)(62b)에 의하여 감지된 값을 근거로 무선충전기 효율을 계산하게 된다. (S 138)

현재의 효율을 a 라고 하고, 출력 전력을 변화 시킨 효율이 b라고 할 때, b 값이 a 값 보다 크면, 136 단계(S 136)의 과정을 다시 수행하게 된다. 그러나, b 값이 a 값 보다 작게 되면, 효율을 증가시키기 전의 출력값 (a 의 효율 값을 갖는 충전 전력)으로 충전을 계속하게 된다.(S 140 - S 142)

충전 완료되면, 충전은 종료되게 된다. (S 144 - S 146)

상기의 과정은 도 28의 흐름도를 설명하는 방법에 의하여 각각의 제어부가 수행하게 된다. 물론 최종적으로 출력 값을 변화 시키는 제어는 송신부(300)의 제어부(MCU)(60)가 수행하게 된다.

200 : 수신부 300 : 송신부
31, 52 : 코일 31a, 52a : 공진기
60 : 제어부 66 : 컨버터
64, 65, 67 ; 보호기 25 : 덮개 케이스
62 : 공진 필터 63 : 증폭기

Claims (14)

1. 무선 전력 에너지를 송신하는 송신부와 무선전력 에너지를 수신하는 수신부가 구비되는 공진기가 구비된 무선충전기에서,
   상기 송신부와 수신부에는 무전전력 에너지를 송신하고 수신하는 루프 코일이 구비되고, 상기 코일은 콘덴서와 직렬 혹은 병렬로 결합되며, 상기 송신부와 수신부의 한쪽에만 공진기가 더 구비되고,
   송신부 코일의 길이가 "CL" 이라고 하고 송신부 중계기 코일의 크기가 "RL"이라고 할 때, 그 관계가 "RL X 0.8 ≤ CL ≤ 1.2" 인 것을 특징으로 하는 공진기가 구비된 무선 충전기.
2. 제 1항에 있어서, 코일의 길이보다 중계기 길이가 3 배 이상 더 큰 것을 특징으로 하는 공진기가 구비된 무선 충전기.
3. 제 2항에 있어서, 송신부 코일의 개수와 송신부 중개기 코일의 개수가 동일한 것을 특징으로 하는 공진기가 구비된 무선 충전기.
4. 제 1항에 있어서, 가변 콘덴서를 더 구비할 수 있는 것을 특징으로 하는 공진기가 구비된 무선 충전기.
5. 제 1항에 있어서, 송신부 코일이 N 개 예를들어 1번, 2번, 3번,,, N번 존재한다고 했을 때, 2번과 3번의 코일에 수신부 코일이 가까지 접근하게 될 경우에는 2번과 3번 코일에는 전류가 흐르게 되지만, 나머지 다른 코일은 전류가 흐르지 않게 되는 것을 특징으로 하는 공진기가 구비된 무선 충전기.
6. 제 5항에 있어서, 전류가 흐르는 2번과 3번 코일은 스위치를 연결 상태로 하고, 전류가 흐르지 않는 다른 코일에는 스위치를 차단 상태로 하게 되는 것을 특징으로 하는 공진기가 구비된 무선 충전기.
7. 제 6항에 있어서, 제어하는 부품의 수를 줄이기 위해 상기 스위치의 차단을 제어는 제어장치가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 공진기가 구비된 무선 충전기.
8. 제 4항에 있어서, 가변 콘덴서의 값의 조절은 임피던스 값이 조절되고 결과적으로 코일의 인덕턴스 값이 조절되게 되는 원리를 이용하는 것을 특징으로 하는 공진기가 구비된 무선 충전기.
9. 무선 전력 에너지를 송신하는 송신부와 무선전력 에너지를 수신하는 수신부가 구비되는 공진기가 구비된 무선충전기에서,
   상기 송신부와 수신부에는 무전전력 에너지를 송신하고 수신하는 루프 코일이 구비되고, 상기 코일은 콘덴서와 직렬 혹은 병렬로 결합되며,
   센싱부 혹은 감지부를 더 구비하여 상기 센싱부 혹은 감지부에서, 무선전력에너지를 전달하는 파라미터(Parameter) 값을 측정하고,
   마이콤이 더 구비되어 출력에너지를 제어하고, 상기 센싱부 혹은 감지부를 제어하고,
   상기 측정된 파라미터 값과 미지 정해진 정상 값과 비교하여, 무선 전력 충전을 위한 출력 에너지를 조정하는 것을 특징으로 하는 무선 충전기.
10. 제 9항에 있어서, 상기 파라미터 값은 주파수, 전류, 전압, 혹은 온도인 것을 특징으로 하는 무선 충전기.
11. 제 9항에 있어서, 코일의 온도가 정상 값보다 높게 되면, 상기 마이콤은 출력 에너지를 낮추는 것을 특징으로 하는 무선 충전기.
12. 제 9항에 있어서, 주파수, 전류, 혹은 전압의 측정 값이 미리 정해진 정상 값이 아닌 경우 상기 마이콤은 출력 에너지를 낮추는 것을 특징으로 하는 무선 충전기.
13. 제 9항에 있어서, 송신부와 수신부의 전력 에너지를 비교하여 무선 충전 효율을 계산하는 것을 특징으로 하는 무선 충전기.
14. 제 13항에 있어서, 출력에너지를 변화시켜 가면서 무선 충전 효율을 계산하여 가장 효율이 높은 상태에서 무선 충전을 실시하는 것을 특징으로 하는 무선 충전기.

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