KR20150105172A - 비접촉 방식 충전 장치 및 비접촉 방식 배터리 장치 - Google Patents

비접촉 방식 충전 장치 및 비접촉 방식 배터리 장치 Download PDF

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KR20150105172A
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르면, 복수의 배터리 셀 각각에 정전식 결합(capacitive coupled) 방식으로 전력이 전송되는 비접촉 방식 충전 장치 및 비접촉 방식 배터리 장치가 제공되며, 본 발명의 일실시예에 따른 비접촉 방식 충전 장치는 정전식 결합(capacitive coupled) 방식으로 전력을 전송하는 송전 장치; 및 송전 장치로부터 전송된 전력을 수전하여 복수의 배터리 셀 각각에 충전시키는 수전 장치를 포함하고, 본 발명의 일실시예에 따른 비접촉 방식 배터리 장치는 정전식 결합(capacitive coupled) 방식으로 송전된 전력을 각각 수전하는 복수의 수전 전극; 및 복수의 수전 전극에 수전된 전력을 각각 충전하는 복수의 배터리 셀을 포함한다.

Description

비접촉 방식 충전 장치 및 비접촉 방식 배터리 장치 {NON-CONTACT TYPE POWER CHARGING APPARATUS AND NON-CONTACT TYPE BATTERY APPARATUS}
본 발명은 비접촉 방식으로 배터리 셀에 전력을 충전할 수 있는 충전 장치 및 배터리 장치에 관한 것이다.
일반적으로 이동통신단말기, PDA(Personal Digital Assistant) 등과 같은 휴대형 전자기기에는 충전 가능한 이차전지를 내장한 배터리가 장착되어 내부 회로에 전원을 제공한다.
이차전지를 충전하기 위해서는 입력된 교류 전원을 적절한 전압으로 조정하여 휴대형 전자기기에 공급하는 별도의 충전장치가 필요하다. 통상적으로, 충전장치와 배터리에는 외부에 각각 별도의 접촉단자가 구성되어 있어서, 두 접촉단자를 서로 접속시키는 것에 의해 충전장치와 배터리를 전기적으로 연결한다.
그러나, 이와 같이 접촉단자가 외부에 돌출되면, 미관상 좋지 않고 접촉단자가 외부의 이물질에 오염되어 접촉상태가 쉽게 불량해지는 문제점이 있다. 또한, 사용자의 부주의로 배터리에 단락이 발생하거나 습기에 노출되면, 충전에너지가 쉽게 소실될 수 있다.
이러한 접촉식 충전방식의 문제점을 해결하기 위하여, 하기의 선행 기술 문헌에 기재된 발명과 같이, 충전장치와 배터리를 비접촉 방식으로 충전하는 비접촉 방식 충전 장치가 제안되었다.
그러나, 선행 기술 문헌에 기재된 바와 같이 통상적으로 비접촉 방식 충전 장치는 1차 코일이 설치된 송전 장치를 구비하며, 충전 패드의 상면에 배터리 혹은 배터리가 장착된 전자기기를 올려놓은 상태에서 비접촉 충전동작을 수행한다. 여기서, 수전 장치에는 비접촉 방식 충전용 2차 코일이 내장되고, 배터리가 장착된 수전 장치로는 상술한 바와 같이 이동통신단말기, PDA 등이 해당될 수 있다.
그런데, 이와 같은 비접촉 방식 충전 장치는 전자기유도 현상의 특성상 충전용 전자기기가 전극의 자속 밀도 중심부로부터 벗어나도록 놓여질 경우 충전 효율이 현저히 저하되거나 충전에 실패할 수 있는 취약점이 있다.
또한, 일단 제대로 놓여지더라도 진동이나 외부의 충격에 의해 그 위치가 상기 중심부로부터 변동될 경우 마찬가지로 충전 효율이 저하되는 문제가 발생한다.
더하여, 선행기술 문헌에 기재된 비접촉 방식 충전 장치에는 비접촉 방식으로 배터리 장치에 전력을 공급하는 경우 배터리 장치 내의 복수의 배터리 셀간의 전력 밸런스에 관한 기재는 개시되어 있지 않다.
국내특허공개공보 제2013-0054897호
본 발명의 일 실시예에 따르면, 복수의 배터리 셀 각각에 정전식 결합(capacitive coupled) 방식으로 전력이 충전되는 비접촉 방식 충전 장치 및 비접촉 방식 배터리 장치가 제공된다.
상술한 본 발명의 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일실시예에 따른 비접촉 방식 충전 장치는 정전식 결합(capacitive coupled) 방식으로 전력을 전송하는 송전 장치; 및 송전 장치로부터 전송된 전력을 수전하여 복수의 배터리 셀 각각에 충전시키는 수전 장치를 포함한다.
본 발명의 일실시예에 따른 비접촉 방식 배터리 장치는 정전식 결합(capacitive coupled) 방식으로 송전된 전력을 각각 수전하는 복수의 수전 전극; 및 복수의 수전 전극에 수전된 전력을 각각 충전하는 복수의 배터리 셀을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 복수의 배터리 셀에 균등하게 전력을 충전시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비접촉 방식 충전 장치의 개략적인 투시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 비접촉 방식 충전 장치의 개략적인 절개도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 비접촉 방식 충전 장치의 충전 원리를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 비접촉 방식 충전 장치의 개략적인 회로도이다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 비접촉 방식 충전 장치의 배터리 장치에 수전된 전력을 나타내는 그래프이고, 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 비접촉 방식 충전 장치의 배터리 장치에 수전된 전력이 변환된 전력을 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비접촉 방식 충전 장치의 개략적인 투시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 비접촉 방식 충전 장치는 송전 장치(100)와 수전 장치(200)를 포함할 수 있다.
송전 장치(100)는 수전 장치(200)에 비접촉 방식으로 전력을 전송할 수 있다.
여기서 비접촉 방식은 전력이 송신측에서 수신측으로 전송되는 과정에서 송신측과 수신측의 도전체 간의 직접적인 연결을 통하지 않는 방식을 의미하며 다른 말로 무접점 방식 또는 무선 전송 방식 등을 의미할 수 있다.
이러한 비접촉 방식은 일반적으로, 송전측과 수전측 사이에 형성된 자계를 통해 전력을 전송하는 자기 유도 방식 또는 자기 공진 방식이 있을 수 있다.
한편, 본 발명의 비접촉 방식 충전 장치는 송전측과 수전측 사이에 형성된 전계를 통해 전력을 전송하는 정전식 결합(capacitive coupled) 방식으로 전력을 전송할 수 있다.
송전 장치(100)는 하나의 송전 전극(110)를 포함할 수 있고, 송전 전극(110)은 수전 장치(또는 배터리 장치)(200)에 정전식 결합 방식으로 전력을 전송할 수 있다.
수전 장치(또는 배터리 장치)(200)는 복수의 수전 전극(211,212,213,214,215,216)를 포함할 수 있다.
복수의 수전 전극(211,212,213,214,215,216)는 예를 들어서, 제1 내지 제6 수전 전극(211,212,213,214,215,216)로 구성될 수 있고, 제1 내지 제6 수전 전극(211,212,213,214,215,216)는 송전 장치(100)의 하나의 송전 전극(110)로부터 정전식 결합 방식으로 전력을 수전할 수 있다.
제1 내지 제6 수전 전극(211,212,213,214,215,216)는 복수의 배터리 셀에 각각 전력을 충전시킬 수 있으며, 이는 도 2 및 도 3을 참조하면 보다 상세히 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 비접촉 방식 충전 장치의 개략적인 절개도이다.
도 2를 참조하면, 송전 장치(100)는 송전 전극(110) 및 송전 회로부(120)를 포함할 수 있다.
송전 전극(110) 및 송전 회로부(120)는 송전 장치(100) 내부에 형성될 수 있다.
송전 회로부(120)는 송전 전극(110)에 전력을 인가할 수 있다.
송전 회로부(120)는 송전 전극(110)에 수십 볼트(volt) 내지 수백 볼트의 고압의 전력을 인가할 수 있으며, 이에 따라 고압 인버터 회로가 채용될 수 있다.
송전 전극(110)에 고압이 인가되면 송전 전극(110)와 복수의 수전 전극(211,213,215) 간의 전계에 의해 송전 전극(110) 및 복수의 수전 전극(211,213,215)에 수밀리 암페어(mA)의 변위 전류가 흐를 수 있다.
송전 장치(100)는 송전 전극(110) 및 송전 회로부(120)를 둘러싸는 케이스가 구비될 수 있으며, 상기 케이스의 형상, 두께등은, 특히 한정되지 않는다. 더하여, 송전 전극(110)는 상기 케이스 내부에 위치할 수도 있고, 송전 전극(110)의 일면이 외부에 개방될 수도 있다.
한편, 전자 노이즈 대책으로서 송전 전극(110)의 이면 측에, 실드층을 배치할 수 있다.
수전 장치(또는 배터리 장치)(200)는 복수의 수전 전극(211,213,215)을 포함하고, 복수의 수전 전극(211,213,215)에 각각 수전된 전력은 수전 회로부(220)를 통해 충전 전력으로 변환되어 복수의 배터리 셀에 각각 전력이 충전될 수 있다.
본 발명의 비접촉 방식 충전 장치는 도시된 바와 같이 휴대 전화의 충전기를 예로 들어 구현하였다. 그러나, 본 발명의 비접촉 방식 충전 장치는, 다른 전자기기에 대한 충전기 등, 다양한 비접촉 방식의 전력 전송에 이용할 수 있다.
수전 장치의 부하는 배터리와 같은 2차 전지 외, 소정의 동작을 실시하는 모터(motor), 발광 다이오드(Light Emitting Diode;LED) 등 이어도 된다.
더하여, 수전측 전극의 재질, 형상, 크기 등은, 특히 한정되지 않는다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 비접촉 방식 충전 장치의 충전 원리를 나타내는 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 비접촉 방식 충전 장치는 송전 장치의 송전 전극과 수전 장치의 수전 전극 간의 정전유도 작용에 의해 비접촉 방식 충전이 수행된다.
송전 장치의 송전 전극과 수전 장치의 수전 전극은 하나의 캐패시터 구조로 볼 수 있다.
도 3을 참조하면, 유전체를 사이에 두고 대향하는 한 쌍의 도체판을 구비한 커패시터 구조에 전압을 공급했을 때 도체판에 전하가 유도되는 원리가 개략적으로 도시되어 있다.
도 3에서 Va는 공급전압, Vb는 커패시터 구조의 충전 전압을 나타낸다. 전극 사이의 거리를 d, 전극의 면적을 A, 전극 사이의 유전율을 ε이라고 할 때, 커패시터 구조의 정전용량은 아래의 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
(수학식1)
Figure pat00001

상술한 커패시터 구조에서 전극에는 상기 정전용량과 공급전압의 곱에 상응하는 전하량이 유도되는데, 교류 전원이 공급되는 경우에는 하기의 수학식 2와 같이 도체판에 유도되는 전하가 시간에 따라 변화하게 되므로 전류(I)가 발생하게 된다.
(수학식2)
Figure pat00002

본 발명의 일 실시예에 따른 비접촉 방식 충전 장치는 상술한 과정을 통해 전극 사이를 흐르는 전류를 이용하여 수전 장치의 배터리 셀에 충전을 수행한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 비접촉 방식 충전 장치의 개략적인 회로도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 비접촉 방식 충전 장치의 송전 전극(110) 및 송전 회로부(120)를 갖는 송전 장치(100)를 포함한다.
송전 장치(100)의 송전 회로부(120)는 송전 전극(110)에 고압 전력을 인가하며, 송전 전극(110)과 복수의 수전 전극(211,212,213) 간에는 정전 용량과 인가된 전압의 곱에 상응하는 전하량이 유도된다.
송전 전극(110)에 교류 전력이 공급되면 유도되는 전하가 시간에 따라 변화하게 되므로 복수의 수전 전극(211,212,213)에 전류가 발생될 수 있다.
수전 장치(200)는 전극부(210), 수전 회로부(220), 배터리부(230) 및 스위치부(240)를 포함할 수 있다.
전극부(210)는 제1 내지 제3 수전 전극(211,212,213)을 포함할 수 있다.
송전 전극(110)과 제1 내지 제3 수전 전극(211,212,213) 간의 전계는 화살표 방향과 같이 송전 전극(110)로부터 직선으로 제1 내지 제3 수전 전극(211,212,213) 각각에 형성될 수 있으므로, 제1 내지 제3 수전 전극(211,212,213)의 면적이 서로 동일하고, 송전 전극(110)과 제1 내지 제3 수전 전극(211,212,213) 각각의 거리가 동일하면 제1 내지 제3 수전 전극(211,212,213)에 유도되는 전력은 서로 동일할 수 있다.
송전 전극(110)에는 송전 회로부(120)로부터의 고압 전력이 인가될 수 있다. 상기 고압 전력은 고압의 교류 전력으로, 송전 전극(110)에는 시간에 따라 극성이 변화하는 전하가 생성될 수 있다.
송전 전극(110)에는 제1 내지 제3 수전 전극(211,212,213)은 송전 전극(110)으로부터 전하 유도 작용에 따라 교류 전력을 전달받을 수 있다. 제1 내지 제3 수전 전극(211,212,213)에 생성되는 전하는 송전 전극(110)에 생성되는 전하에 반대되는 극성의 전하가 유도될 수 있다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 비접촉 방식 충전 장치의 배터리 장치에 수전된 전력을 나타내는 그래프이다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 제1 내지 제3 수전 전극(211,212,213)에는 변위 전류가 발생되며, 발생된 전류는 수전 회로부(220)에 인가된다.
수전 회로부(220)는 복수의 충전 유닛(221,222,223)을 포함할 수 있다.
복수의 충전 유닛(221,222,223)은 제1 내지 제3 수전 전극(211,212,213)에 대응되는 개수가 구비될 수 있으며, 제1 내지 제3 수전 전극(211,212,213)에 각각 대응되는 제1 내지 제3 충전 유닛(221,222,223)을 구비할 수 있다.
제1 내지 제3 충전 유닛(221,222,223) 각각은 정류부(221a,222a,223a) 및 변환부(221b,222b,223b)를 포함할 수 있다.
정류부(221a,222a,223a)는 제1 내지 제3 수전 전극(211,212,213) 중 해당하는 수전 전극으로부터의 교류 전력을 정류할 수 있고, 변환부(221b,222b,223b) 각각은 제1 내지 제3 정류부(221a,222a,223a) 중 해당하는 정류부로부터의 정류된 전력을 배터리 셀에 충전이 가능한 충전 전력으로 변환할 수 있다.
도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 비접촉 방식 충전 장치의 배터리 장치에 수전된 전력이 변환된 전력을 나타내는 그래프이다.
상술한 정류 및 변환 동작에 관한 결과는 도 5b에 도시된 그래프와 같을 수 있다.
변환부(221b,222b,223b)의 후단에는 배터리부(230)가 연결되고, 배터리부(230)는 복수의 배터리 셀(231,232,233)를 포함할 수 있다.
복수의 배터리 셀(231,232,233)은 제1 내지 제3 변환부(221b,222b,223b) 중 해당하는 변환부로부터의 충전 전력을 저장할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 비접촉 방식 충전 장치의 배터리 장치는 스위칭부(240)를 더 포함할 수 있다.
스위칭부(240)는 복수의 스위치(S1,S2)를 포함할 수 있다.
제1 스위치(S1)의 일단은 제1 배터리 셀(231)의 일단에 연결되고, 제1 스위치(S1)의 타단은 제어에 따라 제1 배터리 셀(231)에 인접한 제2 배터리 셀(232)의 타단과 접지 간에 선택적으로 연결될 수 있다.
마찬가지로, 제2 스위치(S2)의 일단은 제2 배터리 셀(232)의 일단에 연결되고, 제2 스위치(S2)의 타단은 제어에 따라 제2 배터리 셀(232)에 인접한 제3 배터리 셀(233)의 타단과 접지 간에 선택적으로 연결될 수 있다.
상술한 스위칭부(240)의 스위칭 동작에 의해, 복수의 배터리 셀(231,232,233)에 충전 전력이 각각 충전될 수 있고, 복수의 배터리 셀(231,232,233) 간에 충전되는 전력을 미세 조정할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 복수의 배터리 셀 각각에 정전식 결합(capacitive coupled) 방식으로 전력이 충전되어, 복수의 배터리 셀 간에 균형있게 전력이 충전될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고 후술하는 특허청구범위에 의해 한정되며, 본 발명의 구성은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 그 구성을 다양하게 변경 및 개조할 수 있다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 쉽게 알 수 있다.
100: 송전 장치
110: 송전 전극
120: 송전 회로부
200: 배터리 장치(수전 장치)
210: 전극부
211: 제1 수전 전극
212: 제2 수전 전극
213: 제3 수전 전극
214: 제4 수전 전극
215: 제5 수전 전극
216: 제6 수전 전극
220: 수전 회로부
221: 제1 충전 유닛
222: 제2 충전 유닛
223: 제3 충전 유닛
221a,222a,223a: 정류부
221b,222b,223b: 변환부
230: 배터리부
231: 제1 배터리 셀
232: 제2 배터리 셀
233: 제3 배터리 셀
240: 스위치부
S1: 제1 스위치
S2: 제2 스위치

Claims (11)

  1. 정전식 결합(capacitive coupled) 방식으로 전력을 전송하는 송전 장치; 및
    상기 송전 장치로부터 전송된 전력을 수전하여 복수의 배터리 셀 각각에 충전시키는 수전 장치
    를 포함하는 비접촉 방식 충전 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수전 장치는
    상기 송전 장치로부터 전송된 전력을 상기 복수의 배터리 셀 중 해당하는 배터리 셀별로 수전하는 복수의 수전 전극을 포함하는 비접촉 방식 충전 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 수전 전극 각각은 상기 복수의 배터리 셀 각각에 일대일 대응되어 해당하는 배터리 셀별로 수전하는 비접촉 방식 충전 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 수전 장치는
    복수의 수전 전극 각각으로부터 수전된 전력을 정류하는 복수의 정류부; 및
    상기 복수의 정류부 각각으로부터의 정류된 전력을 충전 전력으로 변환하는 복수의 변환부를 더 포함하는 비접촉 방식 충전 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 수전 장치는
    일측이 복수의 배터리 셀 각 일단에 연결되고, 해당 배터리 셀을 인접한 배터리 셀의 타단 또는 접지에 선택적으로 연결하는 복수의 스위치를 더 포함하는 비접촉 방식 충전 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 송전 장치는
    상기 수전 장치에 정전식 결합 방식으로 전력을 전송하는 송전 전극; 및
    상기 송전 전극에 송전 전력을 인가하는 송전 회로부
    를 포함하는 비접촉 방식 충전 장치.
  7. 정전식 결합(capacitive coupled) 방식으로 송전된 전력을 각각 수전하는 복수의 수전 전극; 및
    상기 복수의 수전 전극에 수전된 전력을 각각 충전하는 복수의 배터리 셀
    을 포함하는 비접촉 방식 배터리 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 수전 전극 각각은 상기 복수의 배터리 셀 각각에 일대일 대응되어 해당하는 배터리 셀별로 수전하는 비접촉 방식 배터리 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 수전 전극으로부터의 수전된 전력을 충전 전력으로 변환하여 각각 해당하는 배터리 셀에 전력을 충전시키는 복수의 충전 유닛을 더 포함하는 비접촉 방식 배터리 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 충전 유닛 각각은
    해당 수전 전극 각각으로부터 수전된 전력을 정류하는 정류부; 및
    상기 정류부 각각으로부터의 정류된 전력을 충전 전력으로 변환하는 변환부를 포함하는 비접촉 방식 배터리 장치.
  11. 제8항에 있어서,
    일측이 복수의 배터리 셀의 각 일단에 연결되고, 해당 배터리 셀을 인접한 배터리 셀의 타단 또는 접지에 선택적으로 연결하는 복수의 스위치를 더 포함하는 비접촉 방식 배터리 장치.
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