KR20140147650A - 전자 장치의 무선 충전 시스템 - Google Patents

전자 장치의 무선 충전 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기 공학 분야에 관련되며, 특히 복수의 모바일 디바이스의 동시 충전을 의도하는, 무선 에너지 전송을 위한 시스템 및 디바이스에 관한 것이다. 모바일 디바이스의 무선 충전 시스템으로서, 전송 유도 코일 및 전송 코일의 전력 회로의 하나 또는 복수의 구조에 의해 형성되는 하나 또는 복수의 충전 셀을 갖는 멀티포지션 충전기; 및 전력 회로 및 수신 유도 코일을 포함하는 에너지 수신 디바이스를 포함하고, 충전 셀은 적어도 양측에서 둘러싸는 전송 코일의 구조에 의해 형성되고, 전송 코일의 구조는, 균일하게 분포된 자기장의 발생으로 인해 충전 셀 내에 위치되며 임의로 3D 배향된 에너지 수신 디바이스의 충전 및/또는 전력을 제공하고, 전송 코일의 구조는, 에너지 수신 디바이스의 금속 표면의 2차 유도 전류로 인해 충전 셀 내의 에너지 수신 디바이스의 위치 및 3D 배향에 의해 자기장 분포가 결정되도록, 충전 셀 주위에 위치되고, 전송 코일의 구조는, 전송 코일의 구조 부품에서의 전류에 의해 발생된 자기장들이 충전 셀 외부에서 상쇄되고 에너지 수신 디바이스의 할당 에어리어 내의 충전 셀 내부에서 집약되도록 충전 셀 주위에 위치되는 것을 특징으로 하는 무선 충전 시스템이 청구되고 있다.

Description

전자 장치의 무선 충전 시스템{WIRELESS CHARGING SYSTEM FOR ELECTRONIC DEVICE}
본 개시는 모바일 디바이스를 포함하는 전자 장치에 관한 것으로서, 예컨대, 전자 장치로의 무선 에너지 전송을 위한 시스템 및 장치에 관한 것이다.
전자기 에너지의 전송을 위한 시스템은 방사계 및 비방사계(radiating and non-radiating system)로 분류할 수 있다. 에너지 전송을 위한 방사계는 협대역 트랜스미터(transmitter)에 기초하고 원거리장(far-field) 영역에서 전자기 방사를 이용한다. 에너지 전송을 위한 비방사계는 일반적으로 전자기 유도에 기초하며 근거리장(near-field) 영역에서 에바네센트장(evanescent field)을 이용한다.
에너지 무선 전송의 공진 유도 방식은, 동일한 공진 주파수(identical own resonance frequency)를 갖는 유도 코일들이 자기장을 통해 에너지를 교환하는 공진 시스템을 형성하는 원리에 기초한다.
무선 방식으로 충전되는 전자 장치는, 이하에서 내용을 전개함에 있어 때때로 에너지 리시버(receiver)라고도 하는 내장 수신 코일을 포함한다. 이 전자 장치는, 이하에서 내용을 전개함에 있어 때때로 에너지 트랜스미터(transmitter)라고도 하는 무선 충전기의 전송 코일을 통해 할당 충전된다. 전송 코일이 발생하는 자기장으로 인해 수신 코일에 유도 기전력이 생성된다. 무선으로 전송되는 에너지 수신 디바이스의 효율적인 설계를 기술하는 해결책의 예는 러시아 연방 특허 제2481689호 [1], 제2481704호 [2], 제2481705호 [3]에서 찾을 수 있다.
하나 또는 복수의 전자 장치에의 효율적인 동시 에너지 전송은 전송 코일의 치수 증가 또는 다수의 전송 코일의 사용의 필요성을 야기함을 고려할 필요가 있다. 전송 시스템의 치수 증가는 스퓨리어스(spurious) 전자기 방사 레벨을 증가시키고, 충전기 표면에 의한 균일한 에너지 전송 효율의 제공을 복잡하게 한다. 이로 인해, 모바일 디바이스 및 다른 가전 제품과 같은 전자 장치의 충전을 위해, 전력을 전송하는 종래의 무선 기술을 적용하는데 있어 어려움이 따르고 있다.
미국 특허 제8076801호 [4]는 구동 루프 및 하이 Q 멀티루프 나선형 코일을 포함하는 에너지 무선 전송 시스템의 트랜시버부를 기술하고 있다. 구동 루프는 대응하는 수신 및 전송 나선형 코일을 이용하여 에너지의 리시버와 트랜스미터의 정합을 제공한다. 결합 공진기의 홀수의 자신의 주파수(odd own frequency)에 대응하는 주파수에 시프트되며(shifted) 자신의 주파수와 다른 주파수에서 전송 공진 코일의 여자에 의한 스퓨리어스 전자기 방사를 억제하는 방법도 기술되어 있다. 주어진 해결책은 다음의 단점을 갖는다.
- 전송 코일에 대하여 에너지를 수신하는 전자 장치의 거리 및/또는 배향의 변화 시 에너지 전송 효율의 변화를 보상하기 위해 적응형 주파수 동조가 필요하다.
- 적응형 주파수 동조의 구현을 위해 일 유형의 송수신 공진 코일의 적용이 필요하다. 다양한 유형의 자기적으로 결합된 코일은 서로 다른 주파수 응답을 가지며 다양한 동작 주파수의 설정을 필요로 한다.
- 적응형 주파수 동조는 임계값보다 낮은 결합 계수를 갖는 수신 코일에는 적용할 수 없다.
- 재구성 가능한 전송 코일의 격자가 결정되지 않는다.
- 전자기장의 스퓨리어스 방사의 억제 대책이 마련되어 있지 않다.
미국 특허 제8299652호 [5]는 전송 디바이스로부터, 복수의 주파수 범위에서 전송 디바이스와 연결되는 복수의 에너지 수신 디바이스에 에너지 전송을 제공하는 방법 및 디바이스가 기술되어 있다. 이 주어진 해결책을 다음의 단점을 갖는다.
- 전송 코일에 대해 에너지 수신 디바이스의 거리 및/또는 배향의 변화 시 에너지 전송 효율의 변화를 보상하기 위해 적응형 주파수 동조가 필요하다.
- 적응형 주파수 동조의 구현을 위해 일 유형의 송수신 공진 코일의 적용이 필요하다. 다양한 유형의 자기적으로 결합된 코일은 서로 다른 주파수 응답을 가지며 다양한 동작 주파수의 설정을 필요로 한다.
- 적응형 주파수 동조는 임계값보다 낮은 결합 계수를 갖는 수신 코일에는 적용할 수 없다.
- 재구성 가능한 전송 구일의 격자가 결정되지 않는다.
- 전자기장의 스퓨리어스 방사의 억제 대책이 마련되어 있지 않다.
- 보다 많은 모바일 디바이스에 대해 무선 에너지 전송에 필요한 에어리어를 줄이는 방법이 구체적으로 나타나 있지 않다.
미국 특허 제8102147호 [6]은 무선 에너지 전송 디바이스의 세트를 포함하는 시스템을 기술하고 있다. 이것은 보다 많은 모바일 디바이스를 충전할 수 있게 한다. 에너지 무선 전송 시스템은, 전송 코일을 각각 포함하는 무선 에너지 전송 유닛의 세트가 표면에 장착되는 테이블을 나타내고 있다. 수신 디바이스의 축전지는 전송 코일의 자기장에서 차폐된다. 주어진 해결책은 다음의 단점을 갖는다.
- 전자기장의 스퓨리어스 방사의 억제 대책이 마련되어 있지 않다.
- 에너지 수신 디바이스의 자유 배향(free orientation)이 지원되지 않는다.
미국 특허 출원 제2011/0062914호 [7]은 모바일 디바이스의 무선 충전을 위한 방법 및 디바이스를 기술하고 있다. 이 방법 및 디바이스는, 모바일 디바이스의 고유 식별자에 의한 충전기에 위치된 모바일 디바이스의 탐지; 모바일 디바이스의 무선 충전의 지원 여부의 판정; 충전기에 대한 모바일 디바이스의 위치 정렬의 충전기의 1차 코일의 직류 공급; 직류 차단에 이어 1차 코일에의 교류 전압 피드(feed) 및 모바일 디바이스에 필요한 에너지의 충전기에의 공급을 포함한다. 주어진 해결책은 다음의 단점을 갖는다.
- 전자기장의 스퓨리어스 방사의 억제 대책이 마련되어 있지 않다.
- 에너지를 수신 모바일 디바이스의 자유 배향이 지원되지 않는다.
미국 특허 출원 제2011/0210621호 [8]은 캡슐형 내시경을 위한 무선 에너지 전송 디바이스를 기술하고 있다. 서로 직교하는 방향으로 자기장을 발생시키는 3 개의 코일; 중력의 벡터 방향을 탐지하는 중력 센서; 중력 방향으로 자기장을 발생시키는 코일을 선택하는 코일의 스위칭 유닛; 및 선택된 코일에 교류를 공급하는 전력 생성 유닛을 갖는 디자인을 갖는다. 주어진 해결책은 다음의 단점을 갖는다.
- 전자기장의 스퓨리어스 방사의 억제 대책이 마련되어 있지 않다.
- 에너지 리시버로부터의 데이터 전송이 기술되어 있지 않다.
- 복수의 에너지 수신 디바이스의 동시 충전이 지원되지 않는다.
미국 특허 출원 제2011/0046438호 [9]는, 전송 코일 및 커패시터로 이루어지는 공진 회로를 각각 포함하고 필요한 방향으로 자기장을 발생시키도록 배치되는 전송 안테나의 세트; 각 전송 안테나, 전송 안테나의 세트에 연결된 전력 생성 유닛의 세트의 공진 상태를 제어하고 전송 안테나의 세트로부터 각 전송 안테나를 제어하는 마이크로컨트롤러; 및 전력 생성 유닛의 세트의 전원 유닛을 포함하는 에너지 무선 전송 시스템을 기술하고 있다. 주어진 해결책은 다음의 단점을 갖는다.
- 전자기장의 스퓨리어스 방사의 억제 대책이 마련되어 있지 않다.
- 에너지 리시버로부터의 데이터 전송이 기술되어 있지 않다.
- 복수의 에너지 수신 디바이스의 동시 충전이 지원되지 않는다.
미국 특허 제8304935호 [10]은 에너지원에 연결되는 전송 공진기, 및 전송 공진기로부터 떨어진 위치의 수신 공진기를 포함하는 무선 에너지 전송 시스템을 기술하고 있다. 전송 공진기 및 수신 공진기는, 전송 공진기와 수신 공진기 사이의 무선 에너지 전송의 제공을 위해 근거리장에서 연결되며, 전송 및 수신 공진기 중 적어도 하나의 필드는 에너지 손실을 야기하는 오브젝트를 감싸는 형상을 갖는다. 주어진 해결책은 다음의 단점을 갖는다.
- 전자기장의 스퓨리어스 방사의 억제 대책이 마련되어 있지 않다.
- 보다 많은 모바일 디바이스에 대해 무선 에너지 전송에 필요한 에어리어를 줄이는 방법이 구체적으로 나타나 있지 않다.
유사한 해결책이 미국 특허 제7948208호 [11] 및 미국 특허 출원 제2011/0221385호 [12]에 기술되어 있지만, 미국 특허 제7952322호 [13]에 기술된 기술적 해결책이 프로토 타입으로서 선택되며, 여기에서 전기, 전자, 배터리식 모바일 및 다른 디바이스의 공급 또는 충전의 이용을 위한 디바이스 또는 유닛의 형태로 휴대용 유도 전원의 적용에 의거한 충전 시스템이 제안되어 있다. 실시예에 따르면, 시스템은 에너지 트랜스미터를 포함하는 테이블 또는 유사한 표면 형태의 베이스 유닛을 포함한다. 에너지 트랜스미터는 권선, 코일, 또는 임의의 다른 유형의 핫 와이어에의 교류 공급에 의해 가변 자기장을 발생시킨다. 무선 충전을 지원하며 베이스 유닛의 하나 또는 복수의 1차 코일에 대해 가깝게 및 중심에 위치되는 전자 디바이스의 존재가 하나 또는 복수의 1차 코일을 통과하는 전류의 제어의 의해 탐지된다. 수신 디바이스의 도전성 부분에 대해 에너지 트랜스미터에 의해 발생되는 전자기장의 영향을 없애기 위해, 수신 코일과 다른 도전성 부분 사이에 거리를 마련하거나 수신 코일과 수신 디바이스의 도전성 부분 사이에 페라이트 물질을 사용하는 것이 제안되어 있다. 주어진 해결책은 다음의 단점을 갖는다.
- 전자기장의 스퓨리어스 방사의 억제 대책이 마련되어 있지 않다.
- 보다 많은 모바일 디바이스에 대해 무선 에너지 전송에 필요한 에어리어를 줄이는 방법이 구체적으로 나타나 있지 않다.
- 에너지를 수신하는 수신 디바이스의 자유 배향이 지원되지 않는다.
본 발명의 실시 예들은 상기와 같은 종래 기술의 문제점들 중 적어도 하나를 해소하기 위한 것이다.
청구되는 발명이 초점을 맞추고 있는 것은, 축전지를 구비하며, 원거리장 영역에서 보다 낮은 방사, 스퓨리어스 전자기 간섭이 없고, 충전 모바일 디바이스의 임의 위치에 의해 차별화되는 다양한 모바일 디바이스용 무선 멀티포지션 충전 시스템 개발로 구성되어 있다.
기술적 결과는 모바일 디바이스의 무선 충전 시스템의 생성으로 인해 달성되고, 이 무선 충전 시스템은 전송 유도 코일 및 전송 코일의 전력 회로의 하나 또는 복수의 구조에 의해 형성되는 하나 또는 복수의 충전 셀(charge cell)을 갖는 멀티포지션 충전기; 및 전력 회로 및 수신 유도 코일을 포함하는 에너지 수신 디바이스를 포함하고,
- 충전 셀은 적어도 양측에서 둘러싸는 전송 코일의 구조에 의해 형성되고, 균일하게 분포된 자기장의 발생으로 인해 충전 셀 내에 임의로 3D 배향되어 위치되는 에너지 수신 디바이스의 충전 및/또는 전력을 제공하고,
- 전송 코일의 구조는, 에너지 수신 디바이스의 금속 표면의 2차 유도 전류로 인해 충전 셀 내의 에너지 수신 디바이스의 위치 및 3D 배향에 의해 자기장 분포가 결정되도록, 충전 셀 주위에 위치되고,
- 전송 코일의 구조는 충전 셀 주위에 위치되어, 전송 코일의 구조 부품에서의 전류에 의해 발생된 자기장들이 충전 셀 외부에서는 상쇄되고 에너지 수신 디바이스들이 위치된 영역 안에서 충전 셀 내부에 집약되는 것을 특징으로 한다.
전자기장의 스퓨리어스 방사의 억제 및 전자파 적합성의 문제는 다음의 수단에 의해 제안된 무선 멀티포지션 충전 시스템에서 해결된다.
- 자기장이 구조체 내부에 로컬화되고 충전 시스템의 한계 밖으로 나가지 않도록 전송 코일의 구조 할당.
청구되는 발명의 주된 장점은 다음과 같다.
- 전송 코일의 구조 부품의 상대적인 위치 결정에 인한 원거리장 영역에서의 방사 감쇄 및 스퓨리어스 전자기 간섭의 배제할 수 있다.
- 각 모바일 디바이스가 그에 대응하는 전송 코일의 구조에 자기적으로 연결됨에 따라, 전송 코일들의 구조의 세트를 이용하여 복수의 모바일 디바이스의 동시 무선 충전 능력을 확보할 수 있다. 모바일 디바이스가 전기 에너지를 수신할 수 있게 하는 목적으로, 모바일 디바이스는 전송 코일의 구조로 둘러싸인 충전 셀 내에 위치할 수 있다.
- 충전기의 하나 또는 복수의 셀에 자기 스트림의 발생을 제공하는 전송 코일의 구조 세트의 전기 피드와 부하 임피던스의 재구성된 매칭으로 무선 멀티포지션 충전 시스템의 구현.
- 전자기장은 모바일 디바이스의 무선 멀티포지션 충전 시스템 내부에 있게 둘러싸인다. 전송 코일의 구조 세트의 설계로 인해 긴 범위의 파장 영역의 방사가 억제된다. 제안된 시스템은 전자파 적합성 문제의 효과적인 해결책을 제공하고 전자파 방사의 영향에 대한 인간의 보호를 제공한다.
모바일 디바이스(추가적으로 시스템)의 무선 멀티포지션 충전 시스템은, 하나 이상의 에너지 수신 디바이스의 전기 피드 또는 충전을 의도하는 무선 멀티포지션 충전기(추가적으로 충전기)를 포함한다.
이 조건 하에 에너지 수신 디바이스는, 에너지를 소비하거나 자기장을 통한 무선 방식으로 충전될 수 있는 전기, 전자, 배터리 방식의 주로 모바일 디바이스일 수 있다.
일 실시예에서, 시스템은 다음의 부품을 포함한다. 제 1 부품은 충전기이다. 충전기는 충전 셀의 세트를 형성하는 전송 코일의 구조 세트를 포함한다. 무선 충전 시 에너지 수신 디바이스는 이들 셀에 위치된다.
각 충전기의 셀은 적어도 양측에서 전송 코일의 구조에 의해 둘러싸여, 이 셀 내에 위치되는 에너지 수신 디바이스와, 해당 디바이스에 대응하는 전송 코일의 구조 부품 사이에서 자기 스트림의 밀도 크기가 최대가 되게 한다.
각각의 모바일 디바이스는 수신 코일이 충전 셀 중 하나에 있고 전송 코일의 구조에 연결되게 위치한다. 이 경우에, 각 수신 코일은 전송 코일의 대응하는 구조에 의해 여자된 자기장의 강한 스트림을 갖는 에어리어에서 로컬화된다.
시스템의 제 2 부품은, 전기 피드를 수신하거나 수신 코일에 의해 충전될 수 있는 에너지 수신 디바이스이다. 에너지 수신 디바이스가 충전 셀에 놓이면, 수신 코일 및 그에 대응하는 전송 코일 구조는 두 코일을 통과하는 자기 스트림에 의해 연결된다. 따라서, 전송 코일의 구조에 의해 발생하는 자속은 수신 코일에 전류를 유도하여 에너지가 에너지의 수신 디바이스에 전송된다. 에너지 수신 디바이스는 수신 코일에 연결된 정류기, 및 축전지의 충전 회로에 전환되는 전기 공급 회로를 포함한다.
일 실시예에서, 충전기는 전송 코일의 구조 세트에 의해 자기장의 여자를 위한 내장 전원을 포함한다.
일부 실시예에서, 전송 코일의 구조 세트는 전송 코일의 대응하는 구조에 연결된 트랜스미터의 매칭 유닛에 의해 에너지를 수신한다. 트랜스미터의 매칭 유닛은 전송 코일의 각 구조에 대한 임피던스 매칭 및 전력 배분을 제공한다. 실시예에 따르면, 전력 배분 및 임피던스 매칭의 다이어그램은, 하나 또는 복수의 무선 주파수 전력 발생기를 갖는 전원, 트랜스미터의 매칭 유닛 및 스위치를 포함한다. 이들 구성 요소는 전송 코일의 각 구조에서 전류 밀도 및 전류 방향을 결정하고, 이에 따라 발생 자기 스트림 밀도 분포 및 충전 활성 셀의 수를 결정한다.
다른 실시예에 따르면, 전송 코일의 각 구성은 대응하는 전기 공급 회로로부터 에너지를 수신한다.
자동으로 에너지 수신 디바이스의 위치를 탐지하는 알고리즘은 일부 실시예에서 사용된다. 충전기의 대응하는 셀의 자기 스트림의 밀도 분포는 위치 탐지 후 변경된다.
본 개시의 실시 예들에 따른 무선 충전 시스템은 소형화되면서도 보다 많은 에너지 수신 디바이스들의 동시 충전이 가능하고, 스퓨리어스 방사를 억제할 수 있다. 에너지 효율을 균일하게 확보하면서도 에너지 수신 디바이스들을 무선 충전함에 있어 자유로운 배향(orientation)이 가능하다.
도 1a는 본 발명의 실시예들에 따른 전자 장치의 무선 멀티포지션 충전 시스템에서, 전송 코일의 구조들을 단순화하여 나타내는 도면이다.
도 1b는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 전자 장치의 무선 멀티포지션 충전 시스템에서, 전송 코일의 구조들을 단순화하여 나타내는 도면이다.
도 2는, 효율적인 무선 에너지 전송이 가능하며 전송 코일의 구조 부품이 직렬 및 병렬로 연결되는 충전기의 셀을 형성하는 전송 코일의 구조 세트의 할당 방식을 나타내는 도면이다.
도 3은 전송 코일의 구조 세트에의 전기 공급 회로의 연결도 및 충전 회로 및 축전지에의 수신 코일의 연결도를 나타내는 도면이다.
도 4a는 전송 코일의 구조의 다양한 구성에 의해 발생되는 자기장 분포를 나타내는 도면으로서, 평판 구조로 배열된 전송 코일의 구조도이다.
도 4b는 전송 코일의 구조의 다양한 구성에 의해 발생되는 자기장 분포를 나타내는 도면으로서, 다방향으로 전류가 흐르는 전송 코일의 구조도이다.
도 4c는 전송 코일의 구조의 다양한 구성에 의해 발생되는 자기장 분포를 나타내는 도면으로서, 동일 방향으로 전류가 흐르는 전송 코일의 구조도이다.
이하 본 발명의 다양한 실시 예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명의 실시 예들을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 아울러, 후술되는 용어들은 구체적인 실시 예에서의 기능을 고려하여 정의된 것으로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 다른 용어로 대체될 수 있다. 따라서 이러한 용어들은 본 발명의 다양한 실시 예들에 대한 설명에 따라 더욱 명확하게 정의될 것이다. 또한, 본 발명의 실시 예들을 설명함에 있어 '제1', '제2' 등의 서수를 사용한 것은 단지 동일한 명칭의 대상들을 서로 구분하기 위한 것으로서, 그 순서는 임의로 정해질 수 있는 것이다.
도 1a는 본 발명의 실시 예들에 따른 전자기 유도를 이용한 시스템(100)의 외관도를 다양한 형태로 나타내고, 도 1b는 본 발명의 다른 실시 예들에 따른 전자기 유도를 이용한 시스템(100)의 외관도를 다양한 형태로 나타낸다. 시스템(100)은 충전기(110) 및 복수의 에너지 수신 디바이스(120), 예를 들면, 모바일 디바이스와 같은 전자 장치를 포함한다. 충전기(110)는 복수의 충전 셀(111, 112, 113)을 포함한다. 에너지 수신 디바이스(121, 122, 123) 각각은 축전지 및 무선 충전을 위한 수단을 포함하거나, 충전기(110)로부터 에너지를 직접 수취하도록 동작한다.
에너지 수신 디바이스(120)에 장착되며, 예를 들면 리튬 이온, 리튬 폴리머 또는 다른 유형 등의 축전지가 재충전된다. 충전기(110)는 외부 전원으로부터 전기 에너지를 수신하고 에너지 수신 디바이스(120)의 축전지의 무선 충전을 위한 자기장을 발생시킨다. 도 1a에 도시된 바에 따르면, 충전기(110)는 에너지 수신 디바이스(120)를 각각 수용하는 다수의 수직의 평행한 충전 셀(111, 112, 113)의 형태로 실시되지만, 이와 다른 다양한 형태, 예를 들면, 도 1b에 도시된 형태를 취할 수 있다. 충전기(110)는 전송 코일(210)의 구조 세트를 포함하고, 각 에너지 수신 디바이스(120)는 수신 코일(130)을 포함한다.
각 에너지 수신 디바이스(120)는 각 전송 코일(210)의 대응하는 구조에 의해 발생되는 자기장으로부터 수신 코일(130)의 일측을 격리하는 차폐면(131)을 포함한다. 차폐면(131)은 페라이트 박막, 인공 자기 도체(artificial magnetically conductive materials), 전기 도전성 재료 또는 이들의 조합으로 구성될 수 있다.
도 1a에 나타낸 실시예에 따르면, 각 충전 셀(111, 112 또는 113)은 2개의 평행하게 위치된 부품(211 및 212)으로 구성되는 전송 코일(210)의 구조에 의해 적어도 2개의 측면이 감싸져 있다. 전송 코일(210)의 구조 부품(211 및 212)에 흐르는 전류는, 전송 코일(210)의 구조에 의해 발생된 자기장이 충전기(110) 내의 에너지 수신 디바이스(120)의 위치를 제외한 모든 공간 지점에서 상쇄되도록 유도된다.
도 2는 전송 코일(210) 및 충전기(110)의 충전 셀(111, 112)의 구조 세트(220)의 할당 구조를 나타낸다. 충전 셀(111, 112) 내에서 효과적인 무선 에너지 전송이 가능해진다. 전송 코일(210)의 각 구조는 적어도 양측에서 충전 셀(111)을 둘러싸는 부품(211, 212)으로 구성된다. 이 경우에, 자기 스트림의 밀도 크기는, 셀(111) 내에 위치되는 에너지 수신 디바이스(120)와 전송 코일(210)의 대응하는 구조 부품(211 또는 212) 사이에서 최대가 된다. 따라서, 충전 셀(111, 112) 내에 놓인 에너지 수신 디바이스(120)는 전기 공급을 받거나 무선 방식으로 충전된다.
도 3은 전송 코일(210)의 구조 세트에의 전기 공급 회로의 연결도 및 충전 회로(331) 및 축전지(371)에의 수신 코일(321)의 연결도를 나타낸다. 실시예에 따르면, 충전기(110)는, 전송 코일(210)의 구조 세트에 연결되며, 이에 따라 발생되는 자기장의 강도 및 공간 분포를 결정하는 전기 공급 회로(310)를 포함한다.
실시예에 따르면, 전기 공급 회로(310)는, 전원(311), 무선 주파수 전력 발생기(312), 스위치(313) 및 트랜스미터의 매칭 유닛(314)을 포함한다. 전기 공급 회로(310)는 전송 코일(210)의 구조 세트 내에 에너지 분포 및 임피던스 매칭에 이용된다.
전원(311)은 직류 전압에 의해 무선 주파수 전력 발생기(312)에 공급한다. 무선 주파수 전력 발생기(312)는 교류 전류를 생성하고, 이를 스위치(313)에 의해 트랜스미터의 매칭 유닛(314)의 입력에 인가한다.
다른 실시예에서, 전기 공급 회로(310)에는 스위치(313)가 없다. 이 경우에, 하나 또는 복수의 무선 주파수 전력 발생기(312)는 트랜스미터의 매칭 유닛(314)의 입력에 연결된다.
도 3에 나타내는 바와 같이, 전송 코일(210)의 N개의 구조로 이루어지는 격자는 트랜스미터의 N개의 매칭 유닛(314)으로부터 교류 전류를 공급받을 수 있다. 트랜스미터의 매칭 유닛(314)은 전송 코일(210)의 구조마다 전력 배분 및 임피던스 매칭을 제공한다.
충전 셀(111, 112)(도 2 참조)은 전송 코일(210)의 구조 부품(211, 212) 사이의 공간에 형성된다. 에너지 수신 디바이스(121, 122) 각각은, 해당 수신 코일(321)(도 3 참조)이 충전 셀(111, 112) 중 하나 내에서 자기장에 의해 대응하는 전송 코일(210)에 연결되게 놓일 수 있다. 이 경우, 수신 코일(321, 322)은 전송 코일(210)의 구조 중 하나에 의해 발생된 강한 자기 스트림의 영역 내에 위치될(locallized) 수 있다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 에너지 수신 디바이스(121)는 수신 코일(321), 충전 회로(331) 및 축전지(371)를 포함한다. 수신 코일(321)은 대응하는 전송 코일(210)의 구조와 유도 결합을 형성한다. 따라서, 전송 코일(210)의 구조에 의해 발생되는 자기장은 수신 코일(321)에 전류를 유도한다. 충전 회로(331)는 수신 코일(321)에 의해 수신된 에너지에 의해 축전지(371)의 충전을 의도하고 있다.
주어진 설명에서, 용어 "충전 회로(331)"는 축전지(371)의 충전의 경우 및 에너지 수신 디바이스(121)의 직접적인 전기 공급의 경우에 대해 "전기 공급 회로"로서 해석될 수 있다.
실시예에 따르면, 충전 회로(331)는 해당 축전지(371)의 충전 또는 에너지 수신 디바이스(121)의 전기 공급을 제공하거나 양쪽을 동시에 행한다. 충전 회로(331)는 임의의 적절한 컴포넌트를 포함한다. 대응하는 전송 코일(210)의 구조로부터 수신 코일(321)에 의해 수신된 에너지는 리시버의 매칭 유닛(341)에 의해 정류기(351)에 입력된다. 정류기(351)는 공급 레귤레이터(361)에 연결된다. 공급 레귤레이터(361)는, 에너지 수신 디바이스(121)의 전기 공급을 위한 정전압 레귤레이션, 축전지(371)의 파라미터(전압, 전류, 전력)의 측정을 포함하는 다양한 기능을 행한다. 축전지(371)의 충전에 필요한 모드는 공급 레귤레이터(361)에 프로그래밍된다. 이러한 기능의 수행은, 수신 코일(321) 및 전송 코일(210)의 구조에서 정류기(351)의 출력에 대한 올바른 전류 레귤레이션에 기초한다.
실시예에 따르면, 하나 이상의 에너지 수신 디바이스(120)가 충전기(110)에서 하나 이상의 충전 셀(111, 112)(도 1a, 도 1b 참조) 내에 위치할 수 있다. 충전기(110)는 이하에 열거되는 자동 탐지 구현 알고리즘 중 하나에 따라 에너지 수신 디바이스(120) 각각의 위치를 인식한다.
일부 실시예에서, 충전기(110) 및 에너지 수신 디바이스(120)(도 1a, 도 1b 참조)는 데이터 전송을 위해 서로 연결되어 있다. 에너지 수신 디바이스(120)의 자동 탐지를 위해, RFID, NFC, Bluetooth, BLE(Bluetooth low-energy), Zig-Bee, 2.4GHz Ant+ 또는 임의의 다른 데이터 전송 모드 등의 통신 네트워크에서 사용되는 방법이 적용 가능하다.
실시예에 따르면, 충전기(110) 및 하나 이상의 에너지 수신 디바이스(120)의 데이터 트랜스시버에 다양한 유형의 안테나가 적용 가능하다(도 1a, 도 1b 참조). 이는 에너지 수신 디바이스(120)의 유무, 그 식별 데이터 및 축전지 용량 및 충전 모드의 파라미터에 대한 데이터 전송을 의도하고 있다.
일부 실시예에서, 안테나는 전송 코일(210) 및 수신 코일(321)의 구조와 일체화될 수 있다(도 3 참조). 다른 실시예에서, 데이터 전송 안테나는 무선 에너지 전송 코일과는 별도로 적용될 수 있다.
실시예에 따르면, 하나 이상의 에너지 수신 디바이스(120)(도 1a, 도 1b 참조)의 위치 탐지를 위해 자동 탐지 알고리즘이 사용된다. 일부 실시예에서 알고리즘은 다음과 같이 동작한다. 무부하 모드에서, 충전기(110)는 보다 낮은 에너지 소비를 구현하고 있다. 지정된 시간 간격으로 전송 코일(210)은 순간적으로 에너지 수신 디바이스(120)의 활성화를 위해 에너지를 전송한다. 이어서, 충전기(110)는 대응하는 활성 충전 셀(111, 112)(도 2 참조)에 위치되는 에너지 수신 디바이스(120)로부터 역 신호를 기대한다. 하나 또는 복수의 에너지 수신 디바이스(120)의 탐지 후에, 충전기(110)는 그들 각각과의 데이터 교환을 개시한다. 메시지 디지트(digit)는, 디바이스(110 및 120)의 호환성을 이용한 체크되는 식별 코드, 에너지 수신 디바이스마다 필요한 에너지 레벨, 및 디바이스마다의 에너지 전송에 필요한 모드의 특성을 포함할 수 있다.
다른 단순화된 실시예에서는, 하나 이상의 에너지 수신 디바이스(120)와 충전기(110) 사이의 데이터 통신의 필요는 없다. 일부 실시예에서, 충전기(110)는, 에너지 수신 디바이스(120)가 충전 셀(111, 112) 중 하나에 위치될 경우, 일부 전송 코일(210)의 전기 공급 회로(310)(도 2, 3 참조)의 상태 변화를 탐지함으로써, 에너지 수신 디바이스(120)의 유무를 탐지할 수 있다. 다른 실시예에서, 에너지 수신 디바이스(120)의 유무는, 충전 셀(111) 내의 디바이스 유무를 탐지할 수 있는 커패시터, 자기, 광학 또는 다른 센서 등의 일련의 센서에 의해 탐지된다.
에너지 수신 디바이스(120)의 탐지 후, 충전기(110)는 대응하는 수신 코일(321 또는 322)에서, 결과적으로는 충전 회로(331 또는 332)에서 대응하는 충전 셀(111, 112)(도 2, 3 참조)을 통해, 자기장의 재분포 및 무선 에너지 전송의 구현을 위해 전송 코일(210)의 대응하는 구조를 활성화한다.
트랜스미터의 매칭 유닛(314)은 각 전송 코일과 무선 주파수 전력 발생기(312)의 출력 임피던스 매칭을 제공한다. 각 코일에서의 전류 밀도는 트랜스미터의 대응하는 매칭 유닛(314)의 임피던스 및 스위치(313)의 상태에 의해 결정된다.
도 4a 내지 도 4c는 각각 전송 코일(210)의 구조의 다양한 구성에 의해 발생되는 자기장의 밀도 분포의 예를 나타내는 도면으로서, 도 4a는 에너지 수신 디바이스(120)의 한쪽에 위치된 평판 구조 배열의 전송 코일(210) 구조에 대한 자기장의 밀도 분포의 예를 나타낸다. 전송 코일(210)의 이러한 구조, 멀티포지션 무선 충전기를 포함하는 무선 에너지 전송의 기존 디바이스에서 가장 일반적이다.
도 4b는, 에너지 수신 디바이스(120)의 양측에 위치되는 부품(211 및 212)의 전류가 다방향으로 흐르는(multidirectional) 전송 코일의 구조에서 자기장의 밀도 분포의 예를 나타낸다. 도 4c는, 에너지 수신 디바이스(120)의 양측에 위치되는 부품(211 및 212)의 전류가 동일한 방향으로 흐르는(codirectional) 전송 코일의 구조에서 자기장의 밀도 분포의 예를 나타낸다. 전송 코일(210)의 구조의 부품(211 및 212)에서의 다방향 전류일 경우에 충전 셀(111) 내부 및 그 경계의 외부 에어리어에서 자기장이 약해지고, 자기 스트림의 밀도 크기는 에너지 수신 디바이스(120)와 전송 코일(210)의 구조 부품(211) 사이에서 최대가 되는 것은, 도 4b 및 도 4c에 도시된 바와 같이, 분명하다.
일부 실시예에서, 충전기(110)는 더 많은 수의 충전 셀(111)(도 2 참조)을 제공하거나 추가의 다른 기능을 제공할 수 있다. 예를 들면, 충전기(110)의 기본 버전은 하나의 에너지 수신 디바이스(120)의 충전을 제공한다. 그러나, 제 2 모듈의 추가에 의해 복수의 에너지 수신 디바이스(120)의 충전이 동시에 구현된다. 각 모듈은, 전기 공급 회로(310)(도 3 참조)의 유닛으로 전송 코일(210)(도 2 참조)의 구조의 세트를 포함하는 대응하는 구성 요소에 의해 형성된 하나 이상의 충전 셀을 지원해야 한다.
몇몇 실시예에서, 충전기(110)는 다양한 유형의 모듈의 연결에 의해 적은 또는 높은 에너지 소비를 갖는 다양한 에너지 수신 디바이스(120)의 충전을 위해 확장 가능하다. 전송 코일(210)(도 2 참조)의 구조 세트의 구성에 따라 일부의 모듈은 낮은 또는 높은 에너지 소비를 갖는 특정 디바이스의 충전을 지원하도록 최적화될 수 있다.
실시예에 따르면, 충전기(110)는 다양한 추가적인 기능을 포함하며, 그 중 일부를 이하에 열거한다.
일부 실시 예에서, 스위치나 터치 패드와 같은 사용자의 접촉에 의해 조작되는 입력 또는 제어 패널이 충전기(110)에 제공될 수 있다.
일부 실시예에서, 에너지 수신 디바이스(120)의 상태, 축전지의 충전 프로세스의 시간 및 상태, 들어온 콜 및 메시지, 또는 다른 정보에 대해 사용자에게 알리는 음성 및/또는 시각적인 출력 장치가 충전기(10)에서 제공될 수 있다. 수신 에너지 디바이스(120)로부터의 정보의 지시는 음성 및/또는 시각 방식에 의해 충전기(110)에서 구현된다.
충전기의 일부 추가적인 선택적 기능을 언급할 필요가 있다. 특히, 모바일 디바이스의 표면의 미생물의 파괴에 의한 피충전 디바이스 살균을 위해 충전기 내에 자외선 방사 소스를 내장하는 것이 바람직하다. 먼지 또는 높은 공기 습도, 수분과 같은 이물질이나 환경 위험으로부터의 보호 수단도 내장될 수 있다. 이러한 보호 수단은 상기 차폐면과 같은 차폐 구조를 이용하여 구현될 수 있다.
청구되는 충전기는, 에너지를 소비하거나 무선 방식으로 충전될 수 있는 휴대폰, 스마트폰, 이어폰, 오디오 또는 비디오 플레이어, 태블릿 PC, 전자 책 또는 다른 임의의 휴대용 전자 디바이스를 포함하는 2개 이상의 전자 디바이스의 동시 충전을 의도하고 있다.
본 발명의 고유한 특징은, 복수의 에너지 수신 디바이스의 고효율 동시 충전에 대한 콤팩트한 구조이고, 에너지 수신 디바이스의 다양한 위치 및 배향에 대한 에너지 전송 효율이 균일하고, 및 공진기의 스퓨리어스 전자기 방사가 거의 제로인 것이다.
청구되는 발명이 예시의 형태로 제시되고 있으며, 이것이 이용 분야를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 됨을 유념할 필요가 있다. 청구되는 발명의 요지는 특허청구범위에서 제시되어 있다.
이상, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해서 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명하다 할 것이다.
100: 무선 충전 시스템 110: 충전기
111, 112, 113: 충전 셀 120, 121, 122, 123: 에너지 수신 디바이스
130: 수신 코일 131: 차폐면

Claims (17)

  1. 전자 장치의 무선 충전 시스템으로서,
    하나 또는 복수의 전송 유도 코일의 구조 및 전송 코일의 전력 회로에 의해 형성되는 하나 또는 복수의 충전 셀을 갖는 멀티포지션 충전기; 및 전력 회로 및 수신 유도 코일을 포함하는 에너지 수신 디바이스를 포함하고,
    · 상기 충전 셀은 적어도 양측에서 둘러싸는 전송 코일의 구조에 의해 형성되고,
    · 상기 전송 코일의 구조는, 균일하게 분포된 자기장을 발생시킴으로써, 충전 셀 내에서 임의로 3D 배향된 에너지 수신 디바이스의 충전 및/또는 전력을 제공하고,
    · 상기 전송 코일의 구조는 충전 셀 주위에 위치되어, 충전 셀 내의 에너지 수신 디바이스의 위치 및 3D 배향에 따라 에너지 수신 디바이스의 금속 표면의 2차 유도 전류에 의한 자기장 분포를 결정하고,
    · 상기 전송 코일의 구조는 충전 셀 주위에 위치되어, 상기 전송 코일의 구조 부품에서의 전류에 의해 발생된 자기장들이 충전 셀 외부에서 상쇄되고 상기 에너지 수신 디바이스가 위치되는 충전 셀 내부의 영역 내에 집약되는 무선 충전 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 멀티포지션 충전기 내의 전기 공급 회로는 상기 전송 코일의 구조들 세트의 임피던스 매칭 및 상기 전송 코일의 구조들 세트로 전력을 배분하고, 상기 전기 공급 회로는,
    · 전원 공급기;
    · 교류 전류를 생성하고 상기 전송 코일의 매칭 유닛의 입력으로 전류를 공급하는 무선 주파수 전력 발생기;
    · 상기 전송 코일 각각과 상기 무선 주파수 전력 발생기의 출력의 임피던스 매칭을 제공하는 상기 전송 코일의 매칭 유닛; 및
    · 상기 전송 코일의 매칭 회로 각각과, 그에 대응하는 상기 전송 코일의 구조를 연결하는 스위치를 포함하는 무선 충전 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 멀티포지션 충전기 내의 전기 공급 회로는, 전송 코일의 매칭 유닛의 입력에 출력이 연결되는 무선 주파수 전력 발생기를 포함하는 무선 충전 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 에너지 수신 디바이스의 전기 공급 회로는,
    · 상기 에너지 수신 디바이스와 정류기 입력 사이의 임피던스 매칭을 제공하는 에너지 수신 디바이스의 매칭 유닛;
    · 상기 매칭 유닛의 입력에 출력이 연결되는 정류기;
    · 축전지의 필요한 충전 모드의 제공을 위해 상기 정류기의 전류 레귤레이션을 제공하는 공급 레귤레이터; 및
    · 재충전 축전지를 더 포함하는 무선 충전 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 전송 코일의 전기 공급 회로의 상태 변화의 탐지 또는 센서에 기초하여 상기 충전 셀 내의 모바일 디바이스의 유무를 검출하는 자동 탐지 디바이스를 더 포함하는 무선 충전 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 멀티포지션 충전기 및 에너지 수신 디바이스는, RFID, NFC, Bluetooth, BLE(Bluetooth low-energy), Zig-Bee, 2.4GHz Ant+ 또는 임의의 다른 정보 전송 모드와 같은 데이터 전송 표준을 이용하여 데이터 전송을 위해 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 무선 충전 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 멀티포지션 충전기 및 상기 에너지 수신 디바이스는, 상기 에너지 수신 디바이스의 유무, 그 식별자 데이터, 및 축전지 용량 및 충전 모드를 포함하는 디바이스 충전 요건에 대한 정보를 송신하는 안테나를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 충전 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서, 제 1 안테나가 상기 멀티포지션 충전기의 전송 코일과 일체화되고 제 2 안테나가 상기 에너지 수신 디바이스의 수신 코일과 일체화되는 것을 특징으로 하는 무선 충전 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 멀티포지션 충전기는 전송 코일의 구조 세트를 둘러싸는 차폐 구조가 더 구비하고, 상기 차폐 구조는 스퓨리어스(spurious) 방사를 억제하고 전자기파 적합성을 제공하는 무선 충전 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 차폐 구조의 표면은, 페라이트 박막, 인공 자기 도체(artificial magnetically conductive materials), 전기 도전성 재료 또는 이들의 조합을 포함하는 무선 충전 시스템.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 멀티포지션 충전기의 상기 차폐 구조는, 먼지, 수분을 포함하는 이물질로부터 상기 에너지 수신 디바이스를 보호하는 무선 충전 시스템.
  12. 제 9 항에 있어서, 하나 또는 복수의 충전 셀을 지원하는 모듈을 다른 추가의 모듈과 연결함으로써 다수의 상기 에너지 수신 디바이스의 동시 충전을 제공하는 무선 충전 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서, 서로 연결된 두 모듈은 서로 다른 에너지 소비 능력을 갖는 디바이스의 충전을 지원하는 무선 충전 시스템.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 멀티포지션 충전기는, 무선 충전을 하는 동안 상기 에너지 수신 디바이스의 살균을 위해 하나 또는 복수의 충전 셀 내에 자외선 방사 소스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 충전 시스템.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 멀티포지션 충전기는, 공기 습도 제어 장비를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 충전 시스템.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 멀티포지션 충전기는 상기 에너지 수신 디바이스의 상태, 축전지의 충전 프로세스의 시간 및 상태, 들어온 콜 및 메시지를 포함하는 정보들을 사용자에게 제공하는 음성 및/또는 시각 출력 장치를 더 포함하는 무선 충전 시스템.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 에너지 수신 디바이스 각각의 상당 부분은 상기 멀티포지션 충전기에서의 무선 충전이 진행되는 동안 사용자 촉각 제어가 가능한 무선 충전 시스템.
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