KR20200114072A - 무선충전코일 - Google Patents

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KR20200114072A
KR20200114072A KR1020190035175A KR20190035175A KR20200114072A KR 20200114072 A KR20200114072 A KR 20200114072A KR 1020190035175 A KR1020190035175 A KR 1020190035175A KR 20190035175 A KR20190035175 A KR 20190035175A KR 20200114072 A KR20200114072 A KR 20200114072A
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임성현
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엘지이노텍 주식회사
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    • H02J50/12—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling of the resonant type

Abstract

무선충전코일은 제1 코일부와, 제1 코일부 안에 배치되는 제2 코일부와, 제1 코일부와 제2 코일부를 연결하는 제1 연결부를 포함한다. 실시예에 따르면, 무선전력수신기의 배치 위치에 관계없이 넓은 충전면적을 확보하고 무선충전효율을 향상시킬 수 있다.

Description

무선충전코일{Wireless charging coil}
실시예는 무선충전코일에 관한 것이다.
휴대폰, 노트북과 같은 휴대용 단말은 전력을 저장하는 배터리와 배터리의 충전 및 방전을 위한 회로를 포함한다. 이러한 단말의 배터리가 충전되려면, 외부의 충전기로부터 전력을 공급받아야 한다.
일반적으로 배터리에 전력을 충전시키기 위한 충전장치와 배터리 간의 전기적 연결방식의 일 예로, 상용전원을 공급받아 배터리에 대응하는 전압 및 전류로 변환하여 해당 배터리의 단자를 통해 배터리로 전기에너지를 공급하는 단자공급방식을 들 수 있다. 이러한 단자공급방식은 물리적인 케이블(cable) 또는 전선의 사용이 동반된다. 따라서 단자공급방식의 장비들을 많이 취급하는 경우, 많은 케이블들이 상당한 작업 공간을 차지하고 정리가 곤란하며 외관상으로도 좋지 않다. 또한 단자공급방식은 단자들간의 서로 다른 전위차로 인한 순간방전현상, 이물질에 의한 소손 및 화재 발생, 자연방전, 배터리의 수명 및 성능 저하 등의 문제점을 야기할 수 있다.
최근 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 무선으로 전력을 전송하는 방식을 이용한 충전시스템(이하 “무선충전시스템”이라 칭함.)과 제어방법들이 제시되고 있다. 또한, 무선충전시스템이 과거에는 일부 휴대용 단말에 기본 장착되지 않고 소비자가 별도 무선충전 수신기 액세서리를 별도로 구매해야 했기에 무선충전시스템에 대한 수요가 낮았으나 무선충전 사용자가 급격히 늘어날 것으로 예상되며 향후 단말 제조사에서도 무선충전 기능을 기본 탑재할 것으로 예상된다.
실시예는 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
실시예의 다른 목적은 새로운 구조의 무선충전코일을 제공한다.
실시예의 또 다른 목적은 코일개수를 줄여 비용을 절감하고 구조를 단순화할 수 있는 무선충전코일을 제공한다.
실시예의 또 다른 목적은 1개의 코일로 충전영역을 극대화할 수 있는 무선충전코일을 제공한다.
실시예의 또 다른 목적은 무선 전력 수신기의 배치 위치에 관계없이 높은 무선전력전송효율(또는 무선충전효율)을 얻을 수 있는 무선충전코일을 제공한다.
상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 실시예의 일 측면에 따르면, 무선충전코일는, 제1 코일부; 상기 제1 코일부 안에 배치된 제2 코일부; 및 상기 제1 코일부와 상기 제2 코일부를 연결하기 위한 제1 연결부를 포함한다. 상기 제1 코일부의 제1 방향의 내경은 47.6±10%mm이고, 상기 제1 코일부의 상기 제1 방향의 외경은 67.5±10%mm일 수 있다. 상기 제1 코일부의 제2 방향의 내경은 29.6±10%mm이고, 상기 제1 코일부의 상기 제2 방향의 외경은 51.7±10%mm일 수 있다. 상기 제2 코일부은 상기 제1 방향의 내경과 상기 제2 방향의 내경이 동일하고, 상기 제2 코일부은 상기 제1 방향의 외경과 상기 제2 방향의 외경이 동일할 수 있다.
실시예에 따른 다른 측면에 따르면, 무선충전코일은, 제1 코일부; 및 상기 제1 코일부 안에 배치된 제2 코일부; 상기 제1 코일부과 상기 제2 코일부를 연결하기 위한 제1 연결부; 및 상기 제2 코일부의 내측에 연결되고 상기 제2 코일부와 상기 제1 코일부를 가로질러 배치되는 제2 연결부를 포함한다. 상기 제1 코일부의 제1 방향의 내경은 47.6±10%mm이고, 상기 제1 코일부의 상기 제1 방향의 외경은 67.5±10%mm일 수 있다. 상기 제1 코일부의 제2 방향의 내경은 29.6±10%mm이고, 상기 제1 코일부의 상기 제2 방향의 외경은 51.7±10%mm일 수 있다. 상기 제2 코일부은 상기 제1 방향의 내경과 상기 제2 방향의 내경이 동일하고, 상기 제2 코일부은 상기 제1 방향의 외경과 상기 제2 방향의 외경이 동일할 수 있다. 상기 제2 코일부은 상기 제1 방향의 내경은 14±10%mm이고, 상기 제2 코일부은 상기 제1 방향의 외경은 26±10%mm일 수 있다. 상기 제2 코일부은 상기 제2 방향의 내경은 14±10%mm이고, 상기 제2 코일부은 상기 제2 방향의 외경은 26±10%mm일 수 있다.
실시예에 따른 무선충전코일의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 제1 연결부에 의해 제1 코일부와 제2 코일부가 연결되어, 동일 전원에 의해 제1 코일부와 제2 코일부 모두에 전류가 흐르고, 이러한 전류에 의해 제1 코일부와 제2 코일부에 의해 동일 방향을 향해 자기장이 형성되어 무선전력전송효율(또는 무선충전효율)이 향상될 수 있다는 장점이 있다.
실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 타원 형상의 제1 코일부 내에 원 형상의 제2 코일부가 배치되어 제1 코일부의 내측에서도 제2 코일부에 의해 자기장이 발생됨으로써, 넓은 면적에서 균일한 충전영역을 확보할 수 있다는 장점이 있다.
실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 1개의 무선충전코일을 이용하여 넓은 면적에서 균일한 충전영역을 확보할 수 있어, 비교예서와 같이 3개의 무선충전코일(도 4의 610, 620, 630)이 필요하지 않아, 코일개수가 줄어 비용이 절감되고 구조가 단순해질 수 있다는 장점이 있다.
실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 기구적 제약으로 타원 형상의 제1 코일부가 배치되는 경우에 제1 코일부의 내측에서의 자기장의 세기 저하를 보완하기 위해 제1 코일부의 내측에 제1 코일부와 연결되는 제2 코일부가 배치됨으로써, 무선전력수신기의 배치 위치에 관계없이 높은 무선전력전송효율(또는 무선충전효율)을 얻을 수 있다는 장점이 있다.
실시예의 적용 가능성의 추가적인 범위는 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나 실시예의 사상 및 범위 내에서 다양한 변경 및 수정은 당업자에게 명확하게 이해될 수 있으므로, 상세한 설명 및 바람직한 실시예와 같은 특정 실시예는 단지 예시로 주어진 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 실시예에 따른 무선 충전 시스템을 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 실시예에 따른 무선전력송신기의 구조를 설명하기 위한 블록도이다.
도 3은 도 2에 따른 무선전력송신기와 연동되는 무선전력수신기의 구조를 설명하기 위한 블록도이다.
도 4는 실시예에 따른 무선전력송신기의 분해사시도이다.
도 5a는 무선전력수신기의 장축이 비교예의 무선전력송신기의 송신코일의 장축과 일치되도록 안착되는 모습을 보여준다.
도 5b는 무선전력수신기의 장축이 비교예의 무선전력송신기의 송신코일의 장축과 수직되도록 안착되는 모습을 보여준다.
도 6은 실시예에 따른 무선충전코일을 도시한다.
도 7a는 무선전력수신기의 장축이 실시예에 따른 무선충전코일의 제1 코일부의 장축과 일치되도록 안착되는 모습을 보여준다.
도 7b는 무선전력수신기의 장축이 실시예에 따른 무선충전코일의 제1 코일부의 장축과 수직되도록 안착되는 모습을 보여준다.
도 8은 비교예와 실시예에서의 충전영역을 보여준다.
도 9는 비교예와 실시예에서의 3차원 전력전송효율을 보여준다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 기술 사상은 설명되는 일부 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서라면, 실시 예들간 그 구성 요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합, 치환하여 사용할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, “B 및(와) C 중 적어도 하나(또는 한 개 이상)”로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다. 그리고, 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 '연결', '결합' 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속되는 경우 뿐만아니라, 그 구성 요소와 그 다른 구성요소 사이에 있는 또 다른 구성 요소로 인해 '연결', '결합' 또는 '접속＇되는 경우도 포함할 수 있다. 또한, 각 구성 요소의 " 상(위) 또는 하(아래)"에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, 상(위) 또는 하(아래)는 두개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되는 경우 뿐만아니라 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다. 또한 “상(위) 또는 하(아래)”으로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
실시예의 설명에 있어서, 무선 전력 충전 시스템상에서 무선 전력을 송신하는 장치는 설명의 편의를 위해 무선 전력 송신기, 무선 전력 송신 장치, 무선 전력 송신기, 송신단, 송신기, 송신 장치, 송신측, 무선 전력 전송 장치, 무선 전력 전송기, 무선충전장치 등을 혼용하여 사용하기로 한다. 또한, 무선 전력 송신 장치로부터 무선 전력을 수신하는 장치에 대한 표현으로 설명의 편의를 위해 무선 전력 수신 장치, 무선 전력 수신기, 무선 전력 수신 장치, 무선 전력 수신기, 수신 단말기, 수신측, 수신 장치, 수신기 단말 등이 혼용되어 사용될 수 있다.
실시예에 따른 무선충전장치는 패드 형태, 거치대 형태, AP(Access Point) 형태, 소형 기지국 형태, 스텐드 형태, 천장 매립 형태, 벽걸이 형태 등으로 구성될 수 있으며, 하나의 송신기는 복수의 무선 전력 수신 장치에 전력을 전송할 수도 있다.
일 예로, 무선 전력 송신기는 통상적으로 책상이나 탁자 위 등에서 놓여서 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 자동차용으로도 개발되어 적용되어 차량 내에서 사용될 수 있다. 차량에 설치되는 무선 전력 송신기는 간편하고 안정적으로 고정 및 거치할 수 있는 거치대 형태로 제공될 수 있다.
실시예에 따른 단말은 휴대폰(mobile phone), 스마트폰(smart phone), 노트북 컴퓨터(laptop computer), 디지털방송용 단말기, PDA(Personal Digital Assistants), PMP(Portable Multimedia Player), 네비게이션, MP3 player, 전동 칫솔, 전자 태그, 조명 장치, 리모콘, 낚시찌 등의 소형 전자 기기 등에 사용될 수 있으나, 이에 국한되지는 아니하며 실시예에 따른 무선 전력 수신 수단이 장착되어 배터리 충전이 가능한 모바일 디바이스 기기(이하, "디바이스"라 칭함.)라면 족하고, 단말 또는 디바이스라는 용어는 혼용하여 사용될 수 있다. 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 수신기는 차량, 무인 항공기, 에어 드론 등에도 탑재될 수 있다.
실시예에 따른 무선 전력 수신기는 적어도 하나의 무선 전력 전송 방식이 구비될 수 있으며, 2개 이상의 무선 전력 송신기로부터 동시에 무선 전력을 수신할 수도 있다. 여기서, 무선 전력 전송 방식은 상기 전자기 유도 방식, 전자기 공진 방식, RF 무선 전력 전송 방식 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일반적으로, 무선 전력 시스템을 구성하는 무선 전력 송신기와 무선 전력 수신기는 인밴드 통신 또는 BLE(Bluetooth Low Energy) 통신을 통해 제어 신호 또는 정보를 교환할 수 있다. 여기서, 인밴드 통신, BLE 통신은 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation) 방식, 주파수 변조 방식, 위상 변조 방식, 진폭 변조 방식, 진폭 및 위상 변조 방식 등으로 수행될 수 있다. 일 예로, 무선 전력 수신기는 수신 코일을 통해 유도된 전류를 소정 패턴으로 ON/OFF 스위칭하여 궤환 신호(feedback signal)를 생성함으로써 무선 전력 송신기에 각종 제어 신호 및 정보를 전송할 수 있다. 무선 전력 수신기에 의해 전송되는 정보는 수신 전력 세기 정보를 포함하는 다양한 상태 정보를 포함할 수 있다. 이때, 무선 전력 송신기는 수신 전력 세기 정보에 기반하여 충전 효율 또는 무선전력전송효율(또는 무선충전효율)을 산출할 수 있다.
<무선 충전 시스템>
도 1은 실시예에 따른 무선 충전 시스템을 설명하기 위한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 무선 충전 시스템은 크게 무선으로 전력을 송출하는 무선 전력 송신단(10), 상기 송출된 전력을 수신하는 무선 전력 수신단(20) 및 수신된 전력을 공급 받는 전자기기(30)로 구성될 수 있다.
일 예로, 무선 전력 송신단(10)과 무선 전력 수신단(20)은 무선 전력 전송에 사용되는 동작주파수와 동일한 주파수 대역을 이용하여 정보를 교환하는 인밴드(In-band) 통신을 수행할 수 있다. 다른 일예로, 무선 전력 송신단(10)과 무선 전력 수신단(20)은 무선 전력 전송에 사용되는 동작주파수와 상이한 별도의 주파수 대역을 이용하여 정보를 교환하는 대역외(Out-of-band) 통신을 수행할 수도 있다.
일 예로, 무선 전력 송신단(10)과 무선 전력 수신단(20) 사이에 교환되는 정보는 서로의 상태 정보뿐만 아니라 제어 정보도 포함될 수 있다. 여기서, 송수신단 사이에 교환되는 상태 정보 및 제어 정보는 후술할 실시예들의 설명을 통해 보다 명확해질 것이다.
인밴드 통신 및 대역외 통신은 양방향 통신을 제공할 수 있으나, 이에 한정되지않으며, 다른 실시예에 있어서는 단방향 통신 또는 반이중 방식의 통신을 제공할 수도 있다.
일 예로, 단방향 통신은 무선 전력 수신단(20)이 무선 전력 송신단(10)으로만 정보를 전송하는 것일 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 무선 전력 송신단(10)이 무선 전력 수신단(20)으로 정보를 전송하는 것일 수도 있다.
반이중 통신 방식은 무선 전력 수신단(20)과 무선 전력 송신단(10) 사이의 양방향 통신은 가능하나, 어느 한 시점에 어느 하나의 장치에 의해서만 정보 전송이 가능한 특징이 있다.
실시예에 따른 무선 전력 수신단(20)은 전자 기기(30)의 각종 상태 정보를 획득할 수도 있다. 일 예로, 전자 기기(30)의 상태 정보는 현재 전력 사용량 정보, 실행중인 응용을 식별하기 위한 정보, CPU 사용량 정보, 배터리 충전 상태 정보, 배터리 출력 전압/전류 정보 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 전자 기기(30)로부터 획득 가능하고, 무선 전력 제어에 활용 가능한 정보이면 족하다.
<무선전력송신기>
도 2는 실시예에 따른 무선전력송신기의 구조를 설명하기 위한 블록도이다.
도 2를 참조하면 무선전력송신기(200)는 크게, 전력 변환부(210), 전력 전송부(220), 통신부(230), 제어부(240), 센싱부(250)를 포함하여 구성될 수 있다. 상기한 무선전력송신기(200)의 구성은 반드시 필수적인 구성은 아니어서, 그보다 많거나 적은 구성 요소를 포함하여 구성될 수도 있음을 주의해야 한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 전력 변환부(210)는 전원부(260)로부터 전원이 공급되면, 이를 소정 세기의 전력으로 변환하는 기능을 수행할 수 있다.
이를 위해, 전력 변환부(210)는 전원부(260)로부터 공급된 전력을 무선 송신용 전력으로 변환할 수 있다.
전력 전송부(220)는 다중화기(221)(또는 멀티플렉서), 송신 코일(222)을 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 전력 전송부(220)는 전력 전송을 위한 특정 동작주파수를 생성하기 위한 반송파 생성기(미도시)를 더 포함할 수도 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 전력 전송부(220)는 전력변환부(210)의 출력 전력이 송신 코일에 전달되는 것을 제어하기 위한 다중화기(221)와 복수의 송신 코일(222)-즉, 제1 내지 제n 송신 코일-을 포함하여 구성될 수 있다.
실시예에 따른 제어부(240)는 복수의 무선전력수신기가 연결된 경우, 송신 코일 별 시분할 다중화를 통해 전력을 전송할 수도 있다. 예를 들어, 무선전력송신기(200)에 3개의 무선전력수신기-즉, 제1 내지 3 무선전력수신기-가 각각 3개의 서로 다른 송신 코일-즉, 제1 내지 3 송신 코일-을 통해 식별된 경우, 제어부(240)는 다중화기(221)를 제어하여, 특정 타임 슬롯에 특정 송신 코일을 통해 전력이 송출될 수 있도록 제어할 수 있다. 송신 코일 별 할당된 타임 슬롯의 길이에 따라 해당 무선전력수신기로 전송되는 전력의 양이 제어될 수 있으나, 이는 하나의 실시예에 불과하며, 다른 일 예는 송신 코일 별 할당된 타임 슬롯 동안의 증폭기(212) 증폭률을 제어하여 무선전력수신기 별 송출 전력을 제어할 수도 있다.
제어부(240)는 제1차 감지 신호 송출 절차 동안 제1 내지 제n 송신 코일(222)을 통해 감지 신호가 순차적으로 송출될 수 있도록 다중화기(221)를 제어할 수 있다.
또한, 제어부(240)는 제1차 감지 신호 송출 절차 동안 복조부(232)로부터 어느 송신 코일을 통해 신호 세기 지시자(Signal Strength Indicator)가 수신되었는지를 식별하기 위한 소정 송신 코일 식별자 및 해당 송신 코일을 통해 수신된 신호 세기 지시자를 수신할 수 있다. 연이어, 제2차 감지 신호 송출 절차에서 제어부(240)는 제1차 감지 신호 송출 절차 동안 신호 세기 지시자가 수신된 송신 코일(들)을 통해서만 감지 신호가 송출될 수 있도록 다중화기(221)를 제어할 수도 있다. 다른 일 예로, 제어부(240)는 제1차 감지 신호 송출 절차 동안 신호 세기 지시자가 수신된 송신 코일이 복수개인 경우, 가장 큰 값을 갖는 신호 세기 지시자가 수신된 송신 코일을 제2차 감지 신호 송출 절차에서 감지 신호를 가장 먼저 송출할 송신 코일로 결정하고, 결정 결과에 따라 다중화기(221)를 제어할 수도 있다.
변조부(231)는 제어부(240)에 의해 생성된 제어 신호를 변조하여 다중화기(221)에 전달할 수 있다. 여기서, 제어 신호를 변조하기 위한 변조 방식은 FSK(Frequency Shift Keying) 변조 방식, 맨체스터 코딩(Manchester Coding) 변조 방식, PSK(Phase Shift Keying) 변조 방식, 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation) 방식, 차등 2단계(Differential bi-phase) 변조 방식 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
복조부(232)는 송신 코일을 통해 수신되는 신호가 감지되면, 감지된 신호를 복조하여 제어부(240)에 전송할 수 있다. 여기서, 복조된 신호에는 신호 세기 지시자, 무선 전력 전송 중 전력 제어를 위한 오류 정정(EC: Error Correction) 지시자, 충전 완료(EOC: End Of Charge) 지시자, 과전압/과전류/과열 지시자 등이 포함될 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 무선전력수신기의 상태를 식별하기 위한 각종 상태 정보가 포함될 수 있다.
또한, 복조부(232)는 복조된 신호가 어느 송신 코일로부터 수신된 신호인지를 식별할 수 있으며, 식별된 송신 코일에 상응하는 소정 송신 코일 식별자를 제어부(240)에 제공할 수도 있다.
일 예로, 무선전력송신기(200)는 무선 전력 전송에 사용되는 동일한 주파수를 이용하여 무선전력수신기와 통신을 수행하는 인밴드(In-Band) 통신을 통해 신호 세기 지시자를 획득할 수 있다.
또한, 무선전력송신기(200)는 송신 코일(222)을 이용하여 무선 전력을 송출할 수 있을 뿐만 아니라 송신 코일(222)을 통해 무선전력수신기와 각종 정보를 교환할 수도 있다. 다른 일 예로, 무선전력송신기(200)는 송신 코일(222)-즉, 제1 내지 제n 송신 코일)에 각각 대응되는 별도의 코일을 추가로 구비하고, 구비된 별도의 코일을 이용하여 무선전력수신기와 인밴드 통신을 수행할 수도 있음을 주의해야 한다.
이상이 도 2의 설명에서는 무선전력송신기(200)와 무선전력수신기가 인밴드 통신을 수행하는 것을 예를 들어 설명하고 있으나, 이는 하나의 실시예에 불과하며, 무선 전력 신호 전송에 사용되는 주파수 대역과 상이한 주파수 대역을 통해 근거리 양방향 통신을 수행할 수 있다. 일 예로, 근거리 양방향 통신은 저전력 블루투스 통신, RFID 통신, UWB 통신, 지그비 통신 중 어느 하나일 수 있다.
<무선전력수신기>
도 3은 도 2에 따른 무선전력송신기와 연동되는 무선전력수신기의 구조를 설명하기 위한 블록도이다.
도 3을 참조하면, 무선전력수신기(300)는 수신코일(310), 정류기(320), 직류/직류 변환기(DC/DC Converter, 330), 부하(340), 통신부(360), 주제어부(370)를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 통신부(360)는 복조부(361) 및 변조부(362) 중 적어도 하나를 포함하여 구성될 수 있다.
상기한 도 3의 예에 도시된 무선전력수신기(300)는 인밴드 통신을 통해 무선전력송신기와 정보를 교환할 수 있는 것으로 도시되어 있으나, 이는 하나의 실시예에 불과하며, 다른 일 실시예에 따른 통신부(360)는 무선 전력 신호 전송에 사용되는 주파수 대역과는 상이한 주파수 대역을 통해 근거리 양방향 통신을 제공할 수도 있다.
수신코일(310)을 통해 수신되는 AC 전력은 정류부(320)에 전달할 수 있다. 정류기(320)는 AC 전력을 DC 전력으로 변환하여 직류/직류 변환기(330)에 전송할 수 있다. 직류/직류 변환기(330)는 정류기 출력 DC 전력의 세기를 부하(340)에 의해 요구되는 특정 세기로 변환한 후 부하(340)에 전달할 수 있다. 또한 수신코일(310)은 복수의 수신코일(미도시)-즉, 제1 내지 제n 수신코일-을 포함하여 구성될 수 있다. 일 실시예에 따른 각각의 수신코일(미도시)에 전달되는 AC 전력의 주파수가 서로 상이할 수도 있고, 다른 일 실시예는 LC 공진 특성을 수신코일마다 상이하게 조절하는 기능이 구비된 소정 주파수 제어기를 이용하여 각각의 수신코일 별 공진주파수를 상이하게 설정할 수도 있다.
센싱부(350)는 정류기(320) 출력 DC 전력의 세기를 측정하고, 이를 주제어부(370)에 제공할 수 있다. 또는, 센싱부(350)는 무선 전력 수신에 따라 수신코일(310)에 인가되는 전류의 세기를 측정하고, 측정 결과를 주제어부(370)에 전송할 수도 있다.
일 예로, 센싱부(350)는 무선전력수신기(300)의 내부 온도를 측정하고, 측정된 온도 값을 주제어부(370)에 제공할 수도 있다.
일 예로, 주제어부(370)는 측정된 정류기 출력 DC 전력의 세기가 소정 기준치와 비교하여 과전압 발생 여부를 판단할 수 있다. 판단 결과, 과전압이 발생된 경우, 과전압이 발생되었음을 알리는 소정 패킷을 생성하여 변조부(362)에 전송할 수 있다. 여기서, 변조부(362)에 의해 변조된 신호는 수신코일(310) 또는 별도의 코일(미도시)을 통해 무선전력송신기에 전송될 수 있다. 또한, 주제어부(370)는 정류기 출력 DC 전력의 세기가 소정 기준치 이상인 경우, 감지 신호가 수신된 것으로 판단할 수 있으며, 감지 신호 수신 시, 해당 감지 신호에 대응되는 신호 세기 지시자가 변조부(362)를 통해 무선전력송신기에 전송될 수 있도록 제어할 수 있다. 다른 일 예로, 복조부(361)는 수신코일(310)과 정류기(320) 사이의 AC 전력 신호 또는 정류기(320) 출력 DC 전력 신호를 복조하여 감지 신호의 수신 여부를 식별한 후 식별 결과를 주제어부(370)에 제공할 수 있다. 주제어부(370)는 감지 신호에 대응되는 신호 세기 지시자가 변조부(362)를 통해 전송될 수 있도록 제어할 수 있다.
도 4는 실시예에 따른 무선전력송신기의 분해사시도이다.
실시예에 따른 무선전력송신기는 도 1에 도시된 무선전력송신기(10)이나 도 2에 도시된 무선전력송신기(200) 일 수 있다.
도 4를 참조하면, 실시예에 따른 무선전력송신기는 제1 브라켓(400), 제1 기판(500), 제2 브라켓(600), 차폐재(605), 송신코일(610) 및 제2 기판(700)을 포함하여 구성될 수 있다. 상술한 무선전력송신기의 구성은 반드시 필수적인 구성은 아니어서, 그보다 많거나 적은 구성 요소를 포함하여 구성될 수도 있음을 주의해야 한다.
제1 및 제2 기판(500, 700)은 인쇄회로기판(PCB) 또는 플렉서블 인쇄회로기판(FPCB)일 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
제1 브라켓(400)은 제2 브라켓(600)과 체결될 수 있다. 즉, 나사와 같은 볼트류를 이용하여 제1 브라켓(400)과 제2 브라켓(600)이 체결될 수 있다.
제1 기판(500)은 제1 브라켓(400) 상에 위치될 수 있다. 제1 기판(500)은 제1 브라켓(400) 및/또는 제2 브라켓(600)에 체결될 수 있다. 예컨대, 나사가 제1 브라켓(400)과 제1 기판(500)을 관통하여 제2 브라켓(600)에 체결될 수 있다.
제1 기판(500)의 하면에는 송신코일(610)을 구동하거나 제어하기 위한 각 종 회로부가 실장될 수 있다. 예컨대, 회로부로는 도 2에 도시된 다중화기(221), 무선충전통신부(230), 타이머(255), 센싱부(250), 제어부(240)가 있고, 도 3에 도시된 무선충전통신부(360), 주제어부(370), 센싱부(350)가 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
제1 기판(500)은 리지드(rigid)한 사각 형상을 가질 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다. 따라서, 제1 기판(500)은 상면에 배치되는 차폐재(605), 송신코일(610) 등을 지지할 수 있다. 또한, 제1 기판(500)의 면적은 송신코일(610)의 면적, 차폐재(605)의 면적 보다 클 수 있다. 제1 기판(500)의 일측에는 단자부(660)를 포함할 수 있다. 단자부를 이용하여 제1 기판(500)의 회로부는 송신코일(610) 및 제2 기판(700)의 회로부에 전기적으로 접속될 수 있다. 단자부는 복수의 핀이나 패드로 이루어질 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
차폐재(605)가 제1 기판(500)의 상면 상에 배치될 수 있다.
구체적으로, 차폐재(605)가 제1 기판(500)의 상면에 제2 기판(700)의 개구부(601) 내에 배치될 수 있다. 다른 예로, 차폐재(605)가 제2 기판(700)의 아래 그리고 제1 기판(500)의 상부에 배치될 수 있다. 이러한 경우, 차폐재(605)의 면적은 제2 기판(700)의 개구부(601)의 면적보다 클 수 있다. 따라서, 차폐재(605)의 에지 영역은 제2 기판(700)의 프레임(603)과 중첩될 수 있다. 또 다른 예로, 차폐재(605)가 제2 기판(700)의 상부에 배치될 수 있다. 이러한 경우, 차폐재(605)의 면적은 제2 기판(700)의 개구부(601)의 면적보다 클 수 있다. 따라서, 차폐재(605)의 에지 영역은 제2 기판(700)의 프레임(603)과 중첩될 수 있다.
송신코일(610)의 자기장을 충분히 차폐하기 위해 차폐재(605)의 면적은 송신코일(610)의 면적보다 클 수 있다.
차폐재(605) 상에 송신코일(610)이 배치될 수 있다. 송신코일(610)은 하나 이상의 송신코일(620 내지 640)을 포함할 수 있다. 하나 이상의 송신코일(620 내지 640)은 무선전력송신기의 하나 이상의 송신코일이거나 무선전력수신기의 하나 이상의 수신코일일 수 있다. 또한, 송신코일(610)이 복수일 경우, 각각의 송신코일(620 내지 640)은 동일한 턴 수로 감겨있을 수 있다. 하지만, 이에 제한되는 것은 아니고 서로 다른 턴 수로 감겨 있을 수 있다. 또한, 복수의 송신코일(620 내지 640)은 동일한 인덕턴스를 구비할 수 있다. 하지만, 이에 제한되는 것은 아니고 서로 다른 인덕턴스를 구비할 수 있다. 또한, 복수의 송신코일(620 내지 640)은 하나 이상의 층으로 배치될 수 있다. 보다 구체적으로, 복수의 송신코일(620 내지 640)은 제1 내지 제3 송신코일(620 내지 640)을 포함할 수 있다. 제2 송신코일(630)과 제3 송신코일(640)은 동일한 층 즉, 제1 층에 서로 나란하게 배치될 수 있다. 이러한 경우, 제1 송신코일(620)은 제1 층과 상이한 제2 층에 배치될 수 있다. 예컨대, 제1 송신코일(620)의 일부 영역은 제2 송신코일(630)의 일부 영역과 중첩되고 다른 영역은 제3 송신코일(640)의 일부 영역과 중첩되도록 배치될 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
이와 같이, 복수의 송신코일(620 내지 640)을 서로 다른 층에 배치하여 무선전력을 효율적으로 전달할 수 있도록 충전영역을 확장시킬 수 있다. 특히, 제1 송신코일(620)은 기판(400)과 동일한 층에 배치될 수 있다.
송신코일(610)은 외면에 절연 물질로 코팅되거나 절연층으로 피복될 수 있다.
차폐재(605)의 면적은 제1 내지 제3 송신코일(620 내지 640)의 배치 점유 면적보다 클 수 있다. 배치 점유 면적이라 함은 제1 내지 제3 송신코일(620 내지 640)이 차지하고 있는 총 면적일 수 있다. 따라서, 제1 내지 제3 송신코일(620 내지 640)에 의해 발생된 전자기장이 차폐재(605)에 의해 차폐되어 제1 기판(500)에 실장된 회로부나 외부에 영향을 주지 않을 수 있다.
차폐재(605)는 송신코일(610)의 하면에 배치될 수 있다. 차폐재(605)의 상면은 송신코일(610)의 하면, 구체적으로 제2 및 제3 송신코일(630, 640)의 하면에 접할 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
예컨대, 차폐재(605)의 상면과 제2 및 제3 송신코일(630, 640)의 하면 사이에는 접착제 또는 접착부재(미도시)가 배치되어 차폐재(605)에 제2 및 제3 송신코일(630, 640)이 고정될 수 있다. 차폐재(605)는 상부에 배치된 송신코일(610)에서 발생된 무선전력을 충전 방향으로 가이드 할 수 있고, 제1 기판(500)의 아래에 실장되는 각종 회로부를 전자기장으로부터 보호할 수 있다.
송신코일(610) 또는 제2 브라켓(600) 상에는 제2 기판(700)이 배치될 수 있다. 제2 기판(700)은 나사와 같은 볼트류를 이용하여 제2 브라켓(600)에 체결될 수 있다.
예컨대, 송신코일(610)이 제1 층에 배치되는 제2 및 제3 송신코일(630, 640)과 제1 층 위의 제2 층에 제1 송신코일(620)이 배치되는 경우, 제1 층과 제2 층의 전체 두께가 제2 브라켓(600)의 두께보다 클 수 있다. 이를 위해, 제2 브라켓(600)의 양단의 일부 영역은 상부로 돌출된 제1 및 제2 돌출부(602, 604)를 가질 수 있다. 따라서, 제2 기판(700)은 제2 브라켓(600)의 양단에 돌출된 제1 및 제2 돌출부에 체결됨으로써, 적어도 제1 송신코일(620)의 상면이 제2 기판(700)의 하면과 접촉되지 않게 되어, 제2 기판(700)의 하면과의 접촉으로 인한 제1 송신코일(620)의 파손을 방지할 수 있다.
제2 기판(700)의 상면에는 예컨대, 도 2 또는 도 3에 도시된 근거리통신부(270, 380)과 같은 회로부가 실장될 수 있다. 또한, 제2 기판(700)의 상면에는 무선통신코일(280, 390)이 패턴으로 배치될 수 있다. 무선통신코일(280, 390)은 적어도 1회 이상의 턴수를 가질 수 있다. 도시되지 않았지만, 무선통신코일(280, 390)의 양단은 비아홀을 통해 근거리통신부(270, 380)와 같은 회로부와 전기적으로 접속될 수 있다. 또한, 제2 기판(700)의 회로부는 예컨대, 케이블이나 버스라인을 이용하여 제1 기판(500)에 실장된 제어부(도 2의 240)나 주제어부(도 3의 370)에 전기적으로 접속될 수 있다.
한편, 예컨대 도 4에 도시된 무선전력송신기의 송신코일(610, 이하 비교예라 함)은 서로 중첩되는 3개의 송신코일(610, 620, 630)을 포함할 수 있다. 3개의 송신코일의 전체 형상은 제1 방향을 따라 장축을 가지고 제2 방향을 따라 단축을 갖는 타원형 코일 구조를 가질 수 있다.
이는 송신코일의 기구적인 제약에 기인한다. 예컨대, 원 형상의 1개의 송신코일이 구비되는 경우, 자기장은 고르게 퍼지기는 하지만, 이러한 원 형상의 송신코일은 공간을 많이 차지하게 된다. 이러한 공간적인 제약을 해소하기 위해, 비교예에서와 같이 원 형상의 송신코일을 3개가 일 방향을 따라 서로 중첩되게 배치하여, 이들 전체의 형상이 타원 형상을 갖도록 한다. 하지만, 비교예에서와 같이 3개의 송신코일의 타원 형상으로 인해, 무선전력수신기의 배치 형태에 따라 서로 상이한 결합계수가 발생되므로, 이는 무선전력수신기의 배치 형태에 따라 무선충전효율이 상이하다는 것을 의미한다.
이를 보다 구체적으로 설명하면, 무선전력수신기, 예컨대 스마트폰이나 모바일폰 또한 직사각 형상을 가진다.
따라서, 도 5a와 도 5b에 도시된 바와 같이, 무선전력수신기(1000)가 비교예의 송신코일(620, 630, 640) 상에 안착될 수 있다. 즉, 도 5a에 도시한 바와 같이, 무선전력수신기(1000)의 장축이 비교예의 송신코일(620, 630, 640)의 장축과 일치되도록 안착될 수 있다. 도 5b에 도시한 바와 같이, 무선전력수신기(1000)의 장축이 비교예의 송신코일(620, 630, 640)의 장축과 수직되도록 안착될 수 있다.
실험 결과, 무선전력수신기(1000)의 장축이 비교예의 송신코일(620, 630, 640)의 장축과 일치되도록 안착되는 경우(도 5a)의 결합계수(Kp)에 비해 송신코일(620, 630, 640)의 장축이 비교예의 송신코일(620, 630, 640)의 장축과 수직되도록 안착되는 경우(도 5b)의 결합계수(Kv)가 작아진다. 이는 비교예의 송신코일(620, 630, 640)의 전체 형상이 타원 형상을 가지게 되어, 그 송신코일(620, 630, 640)의 내측에서의 자기장 세기가 약해지고, 이러한 약한 자기장 세기에 의해 송신코일(620, 630, 640)의 내측에서 무선전력수신기(1000)와의 결합계수가 낮아지는데 그 원인이 있다. 이와 같이 결합계수가 낮아지는 경우, 무선전력수신기(1000)의 인식이 어려워 무선전력수신기(1000)로의 무선전력전송효율(또는 무선충전효율)을 저하시키는 문제가 있다.
실시예는 무선전력수신기의 배치 위치에 관계없이 높은 무선전력전송효율(또는 무선충전효율)을 얻을 수 있다.
실시예는 코일개수를 줄여 비용을 절감하고 구조를 단순화할 수 있다.
실시예는 1개의 코일로 충전영역을 극대화할 수 있다.
이하에서, 이러한 기술적 장점이나 효과를 갖는 실시예에 따른 무선충전코일을 설명한다.
도 6은 실시예에 따른 무선충전코일을 도시한다.
도 6을 참조하면, 실시예에 따른 무선충전코일(710)은 제1 코일부(711)를 포함할 수 있다.
제1 코일부(711)는 제1 코일도선(712), 제1 단자(711a) 및 제2 단자(711b)를 포함할 수 있다. 제1 코일도선(712)은 복수로 권선될 수 있다. 제1 단자(711a)는 제1 코일도선(712)의 내측에 배치될 수 있다. 제1 단자(711a)는 제1 코일도선(712)에 연결될 수 있다. 제2 단자(711b)는 제1 코일도선(712)의 외측에 배치될 수 있다. 제2 단자(711b)는 제1 코일도선(712)에 연결될 수 있다. 제1 코일도선(712), 제1 단자(711a) 및 제2 단자(711b)은 일체로 형성될 수 있다.
실시예에서, 제1 코일부(711)는 예컨대, 타원 형상을 가질 수 있다. 예컨대, 제1 코일부(711)는 제1 방향을 따라 장축을 가지고, 제2 방향을 따라 단축을 가질 수 있다. 따라서, 제1 방향은 장축방향으로 지칭되고, 제2 방향은 단축방향으로 지칭될 수 있다.
실시예에서, 제1 코일부(711)의 제1 방향의 내경(D1_in)은 47.6±10%mm일 수 있다. 실시예에서, 제1 코일부(711)의 제1 방향의 외경(D1_out)은 67.5±10%mm일 수 있다. 실시예에서, 제1 코일부(711)의 제2 방향의 내경(D2_in)은 29.6±10%mm일 수 있다. 실시예에서, 제1 코일부(711)의 제2 방향의 외경(D2_out)은 51.7±10%mm일 수 있다.
실시예에 따른 무선충전코일(710)은 제2 코일부(713)를 포함할 수 있다.
제2 코일부(713)는 제1 코일부(711)의 안에 배치될 수 있다. 제2 코일부(713)는 제1 코일부(711)의 내측에 배치될 수 있다. 제2 코일부(713)는 제1 코일부(711)에 의해 둘러싸일 수 있다. 제2 코일부(713)의 외측은 제1 코일부(711)의 내측으로부터 이격되어 배치될 수 있다.
제2 코일부(713)는 제2 코일도선(714), 제3 단자(713a) 및 제4 단자(713b)를 포함할 수 있다. 제2 코일도선(714)은 복수로 권선될 수 있다. 제2 코일도선(714)의 권선방향은 제1 코일도선(712)의 권선방향과 동일할 수 있다. 따라서, 제1 코일도선(712)과 제2 코일도선(714)에 동일방향으로 전류가 흐르므로, 동일 방향을 향해 자기장이 형성될 수 있다. 제3 단자(713a)는 제2 코일도선(714)의 내측에 배치될 수 있다. 제3 단자(713a)는 제2 코일도선(714)에 연결될 수 있다. 제4 단자(713b)는 제2 코일도선(714)의 외측에 배치될 수 있다. 제4 단자(713b)는 제2 코일도선(714)에 연결될 수 있다. 제2 코일도선(714), 제3 단자(713a) 및 제4 단자(713b)은 일체로 형성될 수 있다.
실시예에서, 제2 코일부(713)는 예컨대, 원 형상을 가질 수 있다. 실시예에서, 제2 코일부(713)은 제1 방향의 내경(D3_in)과 제2 방향의 내경이 동일일 수 있다. 실시예에서, 제2 코일부(713)은 제1 방향의 외경(D3_out)과 제2 방향의 외경이 동일할 수 있다. 실시예에서, 제2 코일부(713)는 제1 방향의 내경(D3_in)은 14±10%mm일 수 있다. 실시예에서, 제2 코일부(713)는 제1 방향의 외경(D3_out)은 26±10%mm일 수 있다. 실시예에서, 제2 코일부(713)는 제2 방향의 내경은 14±10%mm일 수 있다. 실시예에서, 제2 코일부(713)는 제2 방향의 외경은 26±10%mm일 수 있다.
실시예에서, 제1 코일부(711)의 내측과 제2 코일부(713)의 외측은 제1 방향을 따라 제1 간격(d1)으로 이격되고 제1 코일부(711)의 제2 방향을 따라 제2 간격(d2)으로 이격될 수 있다. 이러한 경우, 제1 간격(d1)은 상기 제2 간격(d2)보다 클 수 있다.
제1 코일부(711) 내에 제2 코일부(713)가 배치되고, 제1 코일부(711)가 타원 형상을 갖고 제2 코일부(713)가 원 형상을 가지므로, 제1 간격(d1)이 최소가 되는 경우 제1 코일부(711)의 내측과 제2 제1 방향을 따라 코일부(713)의 외측은 서로 접할 수 있다. 즉, 제1 간격(d1)은 0mm가 될 수 있다. 하지만, 제1 코일부(711)의 내측과 제2 제1 방향을 따라 코일부(713)의 외측이 접하는 경우, 제1 코일부(711)에 흐르는 전류와 제2 코일부(713)가 인접하거나 겹쳐지게 되어 무선전력수신기의 장축이 실시예의 무선충전코일(710)의 제1 코일부(711)의 장축과 일치하거나 수직으로 배치될 때 각각의 결합계수가 달라진다. 예컨대, 무선전력수신기의 장축이 실시예의 무선충전코일(710)의 제1 코일부(711)의 장축과 일치되도록 배치될 때의 결합계수는 0.53이고, 무선전력수신기의 장축이 실시예의 무선충전코일(710)의 제1 코일부(711)의 장축과 수직되도록 배치될 때의 결합계수는 0.4일 수 있다. 따라서, 제1 코일부(711)의 내측과 제2 제1 방향을 따라 코일부(713)의 외측은 이격되는 것이 바람직하다.
예컨대, 제1 간격(d1)은 적어도 10mm이상일 수 있다. 이러한 경우, 제2 간격(d2)은 제1 간격(d1)보다 크므로, 11mm 이상일 수 있다.
제1 코일부(711)의 사이즈가 고정되는 경우, 제1 간격(d1)이 10mm 이상 계속 커지는 경우, 제2 코일부(713)의 사이즈는 계속 작아진다. 제2 코일부(713)의 사이즈의 감소는 인덕턴스값(L)이 줄어 결합계수가 줄어들게 된다.
제1 간격(d1)은 적어도 15mm 이하가 되도록 하여, 제2 코일부(713)의 결합계수의 감소를 방지할 수 있다.
실시예에 따른 무선충전코일(710)은 제1 연결부(715)를 포함할 수 있다. 제1 연결부(715)는 제1 코일부(711)와 제2 코일부(713)를 연결시킬 수 있다. 예컨대, 제1 연결부(715)는 제1 코일부(711)의 제1 단자(711a)와 제2 코일부(713)의 제4 단자(713b)를 연결시킬 수 있다. 제1 코일부(711)의 제1 단자(711a)와 제2 코일부(713)의 제4 단자(713b)는 인접하여 배치될 수 있다.
도시되지 않았지만, 제1 코일부(711)의 제1 단자(711a)와 제2 코일부(713)의 제4단자는 생략되고, 제1 연결부(715)의 일측이 직접 제1 코일부(711)의 제1 코일도선(712)에 연결되고 제1 연결부(715)의 타측이 직접 제2 코일부(713)의 제2 코일도선(714)에 연결될 수 있다.
실시예에서, 제1 코일부(711)의 내측과 제2 코일부(713)의 외측 사이에서 결정되는 제2 간격에 따라 제1 연결부(715)의 길이도 결정될 수 있다. 예컨대, 제2 간격이 커질수록 제1 연결부(715)의 길이도 증가될 수 있다. 제1 연결부(715)의 길이를 최소로 하기 위해서는 제1 연결부(715)가 제1 코일부(711)의 내측과 제2 코일부(713)의 외측 사이에서 제1 코일부(711)의 제2 방향을 따라 배치될 수 있다.
실시예에 따른 무선충전코일(710)은 제2 연결부(717)를 포함할 수 있다. 제2 연결부(717)는 제2 코일부(713)의 내측으로부터 제1 코일부(711)의 외측으로 연장될 수 있다. 제2 연결부(717)는 제2 코일부(713)의 제3 단자(713a)에 연결될 수 있다. 제2 연결부(717)는 제2 코일부(713)의 제3 단자(713a)로부터 제2 코일부(713)와 제3 코일부를 가로질러 배치될 수 있다. 제2 연결부(717)는 제2 코일부(713)와 제1 코일부(711)와 중첩될 수 있다. 제2 연결부(717)은 연장부로 지칭될 수 있다.
도시되지 안았지만, 무선충전코일(710) 아래에 차폐재가 배치될 수 있다.
일 예로, 제2 연결부(717)는 차폐재 위에 배치될 수 있다. 구체적으로, 제2 연결부(717)는 제1 코일부(711), 제2 코일부(713) 및 제1 연결부(715)와 함께 차폐재 상에 배치되고, 제1 코일부(711) 및 제2 코일부(713) 아래에 배치될 수 있다.
다른 예로, 차폐재의 상면에 제2 연결부(717)에 대응되는 홈(미도시, groove)이 형성되고, 이 홈에 제2 연결부(717)가 배치될 수 있다.
또 다른 예로, 제2 연결부(717)는 차폐재 아래에 배치될 수 있다. 이러한 경우, 제2 연결부(717)는 차폐재를 관통하여 차폐재 아래에서 제1 코일부(711)와 제2 코일부(713)와 중첩될 수 있다.
이와 같이, 제1 코일부(711)와 제2 코일부(713)와 중첩되는 제2 연결부(717)는 다양한 방식으로 배치될 수 있다.
실시예에서, 제1 코일부(711), 제2 코일부(713), 제1 연결부(715) 및 제2 연결부(717)는 일체로 형성될 수 있다.
실시예에서, 제1 코일부(711), 제2 코일부(713), 제1 연결부(715) 및 제2 연결부(717)는 리츠(Litz)와이어나 USTC를 포함할 수 있다. 리츠와이어나 USTC는 복수의 도전라인을 포함할 수 있다. 도전라인은 외면에 절연 물질로 코팅되거나 절연층으로 피복될 수 있다. 인접하는 도전라인은 서로 접할 수 있다.
실시예에서, 제1 코일부(711), 제2 코일부(713), 제1 연결부(715) 및 제2 연결부(717)는 외면에 절연 물질로 코팅되거나 절연층으로 피복될 수 있다.
실시예에서, 리츠와이어나 USTC는 예컨대, 105가닥의 도전라인을 포함할 수 있다. 각 도전라인의 직경은 예컨대, 0.08mm일 수 있다. 제1 코일부(711)의 리츠와이어의 가닥수와 제2 코일부(713)의 리츠와이어의 가닥수가 상이할 수도 있다.
실시예에서, 제1 코일부(711)는 예컨대 10턴(turns)을 가질 수 있다. 제1 코일부(711)의 제1 코일도선(712)은 예컨대 10턴(turns)을 가질 수 있다. 예컨대, 리츠와이어나 USTC가 반시계방향(또는 시계방향)을 따라 10회 권선되어 제1 코일도선(712)이 제조될 수 있다.
실시예에서, 제2 코일부(713)는 예컨대 6턴을 가질 수 있다. 제2 코일부(713)의 제2 코일도선(714)은 예컨대 6턴을 가질 수 있다. 예컨대, 리츠와이어나 USTC가 반시계방향(또는 시계방향)을 따라 6회 권선되어 제2 코일도선(714)이 제조될 수 있다.
실시예에 따르면, 제1 연결부(715)에 의해 제1 코일부(711)와 제2 코일부(713)가 연결되어, 동일 전원에 의해 제1 코일부(711)와 제2 코일부(713) 모두에 전류가 흐르고, 이러한 전류에 의해 제1 코일부(711)와 제2 코일부(713)에 의해 동일 방향을 향해 자기장이 형성되어 무선전력전송효율(또는 무선충전효율)이 향상될 수 있다.
실시예에 따르면, 타원 형상의 제1 코일부(711) 내에 원 형상의 제2 코일부(713)가 배치되어 제1 코일부(711)의 내측에서도 제2 코일부(713)에 의해 자기장이 발생됨으로써, 넓은 면적에서 균일한 충전영역을 확보할 수 있다.
실시예에 따르면, 1개의 무선충전코일(710)을 이용하여 넓은 면적에서 균일한 충전영역을 확보할 수 있어, 비교예서와 같이 3개의 무선충전코일(도 4의 610, 620, 630)이 필요하지 않아, 코일개수가 줄어 비용이 절감되고 구조가 단순해질 수 있다.
실시예에 따르면, 기구적 제약으로 타원 형상의 제1 코일부(711)가 배치되는 경우에 제1 코일부(711)의 내측에서의 자기장의 세기 저하를 보완하기 위해 제1 코일부(711)의 내측에 제1 코일부(711)와 연결되는 제2 코일부(713)가 배치됨으로써, 무선전력수신기, 즉 스마트폰이나 모바일폰의 배치 위치에 관계없이 높은 무선전력전송효율(또는 무선충전효율)을 얻을 수 있다.
도 7a는 무선전력수신기의 장축이 실시예에 따른 무선충전코일의 제1 코일부의 장축과 일치되도록 안착되는 모습을 보여주고, 도 7b는 무선전력수신기의 장축이 실시예에 따른 무선충전코일의 제1 코일부의 장축과 수직되도록 안착되는 모습을 보여준다.
도 7a 및 도 7b에 도시한 바와 같이, 타원 형상의 제1 코일부(711)의 내측에 제1 코일부(711)와 연결되는 제2 코일부(713)가 배치됨으로써, 무선전력수신기가 무선충전코일(710)의 제1 코일부(711)의 장축과 일치되도록 배치되거나 수직되도록 배치되든지에 관계없이 넓은 충전면적을 확보하고, 높은 무선전력전송효율(또는 무선충전효율)을 얻을 수 있으며, 아울러 비용이 저렴하고 구조가 단순해질 수 있다. 충전면적은 충전넓이나 충전영역으로 지칭될 수 있다.
도 8은 비교예와 실시예에서의 충전영역을 보여주고, 도 9는 비교예와 실시예에서의 3차원 전력전송효율을 보여준다.
비교예는 도 4 및 도 5에 도시된 3개의 무선충전코일(610, 620, 630)이고, 실시예는 도 6 및 도 7에 도시된 타원 형상의 제1 코일부(711)와 제1 코일부(711)에 연결된 제2 코일부(713)을 포함하는 무선충전코일(710)이다.
도 9a에서 가로축에서 0인 위치는 비교예의 무선충전코일(610, 620, 630)의 중심일 수 있다. 도 9a에서 x축 방향은 비교예의 무선충전코일(610, 620, 630)의 장축방향이고, y축 방향은 비교예의 무선충전코일(610, 620, 630)의 단축방향이며, z축 방향(세로축)은 무선전력전송효율(또는 무선충전효율)일 수 있다. 도 9b에서 실시예의 무선충전코일(710)의 중심일 수 있다. 도 9a에서 x축 방향은 실시예의 무선충전코일(710)의 장축방향이고, y축 방향은 실시예의 무선충전코일(710)의 단축방향이며, z축 방향(세로축)은 무선전력전송효율(또는 무선충전효율)일 수 있다.
비교예(도 8a)에서는 25*32mm2의 충전면적이 확보되는데 반해, 실시예(도 8b)에서는 25*39mm2의 충전면적이 확보될 수 있다. 따라서, 비교예(도 8a) 대비 실시예(도 8b)에서 보다 큰 충전면적을 얻을 수 있음을 확인하였다. 충전면적은 충전영역으로 지칭될 수 있다.
아울러, 비교예(도 8a)에서는 무선충전코일(610, 620, 630)의 장축방향을 따라 대략 30mm의 범위에서 50%의 무선전력전송효율(또는 무선충전효율)이 얻어지는데 반해, 실시예(도 8b)에서는 무선충전코일(610, 620, 630)의 장축방향을 따라 40mm 이상의 범위에서 적어도 50% 이상의 무선전력전송효율(또는 무선충전효율)이 얻어질 수 있다.
한편, 본 출원인은 무선전력수신기와 무선충전코일 사이의 배치 위치에 따른 비교예(도 5)와 실시예(도 7)에서의 결합계수를 측정하였다.
비교예(도 5)와 실시예(도 7)에서 측정된 각종 파라미터와 결합계수는 하기의 표 1로 나타내어진다.
배치 위치 Rs_Tx(Alone) [ohm] Ls_Tx(Alone) Lo_Tx(open) Rx_Tx(open) [ohm] Lo_Tx(close) Rx_Tx(close)[ohm] k
비교예(도 5) 동일 방향 0.07 11.46 12.49 0.12 8.18 0.158 0.59
수직방향 0.07 11.46 12.47 0.11 8.88 0.14 0.54
실시예(도 7) 동일 방향 0.11 19.40 23.9 0.16 15.4 0.2 0.6
수직방향 0.11 19.40 24.5 0.15 15.8 0.2 0.6
Rs_Tx(Alone)은 무선충전코일 상에 무선전력수신기가 안착되지 않은 상태에서의 무선충전코일의 저항값을 나타낼 수 있다. Ls_Tx(Alone)은 무선충전코일 상에 무선전력수신기가 안착되지 않은 상태에서의 무선충전코일의 인덕턴스값을 나타낼 수 있다.
Lo_Tx(open)은 무선충전코일 상에 무선전력수신기가 안착된 상태에서 무선전력수신기의 수신코일의 양단을 개방(open)시켰을 때에 무선충전코일의 저항값을 나타낼 수 있다.
Rx_Tx(open)은 무선충전코일 상에 무선전력수신기가 안착된 상태에서 무선전력수신기의 수신코일의 양단을 개방(open)시켰을 때에 무선충전코일의 인덕턴스값을 나타낼 수 있다.
Lo_Tx(close)은 무선충전코일 상에 무선전력수신기가 안착된 상태에서 무선전력수신기의 수신코일의 양단을 단락(close)시켰을 때에 무선충전코일의 인덕턴스값을 나타낼 수 있다.
Rx_Tx(close)은 무선충전코일 상에 무선전력수신기가 안착된 상태에서 무선전력수신기의 수신코일의 양단을 단락(close)시켰을 때에 무선충전코일의 저항값을 나타낼 수 있다.
결합계수는 하기의 수학식 1에 의해 산출될 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00001
표 1의 파라미터를 수학식 1에 대입하여, 결합계수가 산출될 수 있다.
표 1에 나타낸 바와 같이, 비교예에 있어서, 무선전력수신기의 장축과 무선충전코일의 장축과 동일방향으로 배치되거나 수직 방향으로 배치되는 경우, 결합계수가 상이함을 알 수 있다. 즉, 결합계수가 수직방향인 경우가 동일방향보다 결합계수가 낮고, 이는 수직 방향에서 동일방향보다 무선충전효율이 떨어짐을 의미한다.
실시예에 있어서, 결합계수가 동일방향과 수직방향 모두 동일한 값을 가지다. 이로부터, 실시예에서는 무선전력수신기와 무선충전코일 사이의 배치 위치에 관계없이 항상 높은 무선충전효율을 얻을 수 있음을 알 수 있다.
아울러, 본 출원인은 실시예에서 제1 코일부(711)의 제1 방향에 따른 제1 코일부(711)의 내측과 제2 코일부(713)의 외측 사이의 제1 간격(d1)의 가변에 따른 결합계수를 측정하였다.
3개의 실시예에서 측정된 결합계수는 하기의 표 2로 나타내어진다.
배치 위치 Rs_Tx(Alone) [ohm] Ls_Tx(Alone) Lo_Tx(open) Rx_Tx(open) [ohm] Lo_Tx(close) Rx_Tx(close)[ohm] k
실시예1 동일 방향 0.12 25.51 27.41 0.22 19.8 0.24 0.53
수직방향 0.12 25.51 27.64 0.2 21.87 0.23 0.46
실시예2 동일 방향 0.13 21.89 23.8 0.22 16.15 0.27 0.57
수직방향 0.13 21.89 23.92 0.2 17.77 0.24 0.51
실시예3 동일 방향 0.11 19.40 23.9 0.16 15.4 0.2 0.6
수직방향 0.11 19.40 24.5 0.15 15.8 0.2 0.6
실시예1은 제2 코일부(713)의 외측이 제1 코일부(711)의 내측에 접하는 경우이고, 실시예2는 제1 코일부(711) 내에 제2 코일부(713)가 배치되지 않은 경우이다. 실시예3은 제2 코일부(713)의 외측이 제1 코일부(711)의 내측 사이의 간격, 구체적으로 제1 코일부(711)의 제1 방향에 따른 제1 코일부(711)의 내측과 제2 코일부(713)의 외측 사이의 제1 간격(d1)을 최적화한 경우이다. 최적화된 제1 간격(d1)은 상술한 바와 같이, 적어도 10mm이상일 수 있다. 실시예1에서와 같이, 제2 코일부(713)의 외측이 제1 코일부(711)의 내측에 접하는 경우에서는 결합계수가 0.53(동일방향)과 0.46(수직방향)이다.
실시예2에서와 같이, 제1 코일부(711) 내에 제2 코일부(713)가 배치되지 않은 경우에는 결합계수가 0.57(동일방향)과 0.51(수직방향)이다. 이로부터, 제2 코일부(713)의 외측이 제1 코일부(711)의 내측에 접하는 경우(실시예1)가 제1 코일부(711) 내에 제2 코일부(713)가 배치되지 않은 경우(실시예2)보다 결합계수가 더 낮아짐을 알 수 있다.
따라서, 제2 코일부(713)의 외측은 제1 코일부(711)의 내측으로부터 이격되어야 하며, 그 최적 이격간격(d1)은 10mm 이상일 수 있다(실시예3). 실시예3에서와 같이 제1 코일부(711)의 제1 방향에 따른 제1 코일부(711)의 내측과 제2 코일부(713)의 외측 사이의 제1 간격(d1)이 최적화되는 경우, 결합계수는 실시예1과 실시예2보다 높은 0.6을 얻을 수 있다. 이와 같이, 제1 코일부(711)의 제1 방향에 따른 제1 코일부(711)의 내측과 제2 코일부(713)의 외측 사이의 제1 간격(d1)이 최적화됨으로써 보다 높은 결합계수를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 무선전력수신기의 배치 위치에 관계없이 동일한 결합계수를 얻을 수 있으므로, 넓은 충전면적을 확보하고, 높은 무선전력전송효율(또는 무선충전효율)을 얻을 수 있으며, 비용이 저렴하고 구조가 단순해질 수 있다.
상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 실시예의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 실시예의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 실시예의 범위에 포함된다.
710: 무선충전코일
711: 제1 코일부
711a: 제1 단자
711b: 제2 단자
712: 제1 코일도선
713: 제2 코일부
713a: 제3 단자
713b: 제4 단자
714: 제2 코일도선
715: 제1 연결부
717: 제2 연결부
1000: 무선전력수신기

Claims (24)

  1. 제1 코일부;
    상기 제1 코일부 안에 배치된 제2 코일부; 및
    상기 제1 코일부와 상기 제2 코일부를 연결하기 위한 제1 연결부를 포함하고,
    상기 제1 코일부의 제1 방향의 내경은 47.6±10%mm이고,
    상기 제1 코일부의 상기 제1 방향의 외경은 67.5±10%mm이고,
    상기 제1 코일부의 제2 방향의 내경은 29.6±10%mm이고,
    상기 제1 코일부의 상기 제2 방향의 외경은 51.7±10%mm이고,
    상기 제2 코일부은 상기 제1 방향의 내경과 상기 제2 방향의 내경이 동일하고,
    상기 제2 코일부은 상기 제1 방향의 외경과 상기 제2 방향의 외경이 동일한 무선충전코일.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 코일부은 상기 제1 방향의 내경은 14±10%mm이고,
    상기 제2 코일부은 상기 제1 방향의 외경은 26±10%mm이고,
    상기 제2 코일부은 상기 제2 방향의 내경은 14±10%mm이고,
    상기 제2 코일부은 상기 제2 방향의 외경은 26±10%mm인 무선충전코일.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 코일부과 상기 제2 코일부은 상이한 형상을 갖는 무선충전코일.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 코일부은 타원 형상을 갖고,
    상기 제2 코일부은 원 형상을 갖는 무선충전코일.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 코일부는,
    복수로 권선된된 제1 코일도선;
    상기 제1 코일도선의 내측에 제1 단자; 및
    상기 제1 코일도선의 외측에 제2 단자
    를 포함하는 무선충전코일.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 코일부는,
    복수로 권선된 제2 코일도선;
    상기 제2 코일도선의 내측에 제3 단자; 및
    상기 제2 코일도선의 외측에 제4 단자
    를 포함하는 무선충전코일.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 코일부의 상기 제1 단자와 상기 제2 코일부의 상기 제4 단자는 인접하여 배치되고,
    상기 제1 연결부는 상기 제1 코일부의 상기 제1 단자와 상기 제2 코일부의 상기 제4 단자를 연결하는 무선충전코일.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 코일부의 내측과 상기 제2 코일부의 외측은 상기 제1 코일부의 상기 제1 방향을 따라 제1 간격으로 이격되고 상기 제1 코일부의 상기 제2 방향을 따라 제2 간격으로 이격되고,
    상기 제1 간격은 상기 제2 간격보다 큰 무선충전코일.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 간격은 적어도 10mm이상인 무선충전코일.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 간격은 적어도 15mm이하인 무선충전코일.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 제1 연결부의 길이는 상기 제2 간격에 의해 결정되는 무선충전코일.
  12. 제6항에 있어서,
    상기 제2 코일부의 내측으로부터 상기 제1 코일부의 외측으로 연장되는 제2 연결부를 포함하는 무선충전코일.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제2 연결부는,
    상기 제2 코일부의 상기 제2 코일도선 및 상기 제1 코일부의 상기 제1 코일도선과 중첩되는 무선충전코일.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제1 코일부, 상기 제2 코일부, 상기 제1 연결부 및 상기 제2 연결부는 리츠와이어 또는 USTC를 포함하는 무선충전코일.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제1 코일부, 상기 제2 코일부, 상기 제1 연결부 및 상기 제2 연결부는 105가닥의 도전라인을 포함하고, 상기 도선라인 각각의 직경은 0.08mm인 무선충전코일.
  16. 제6항에 있어서,
    상기 제2 코일도선의 권선방향과 상기 제1 코일도선의 권선방향은 동일한 무선충전코일.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 제1 코일부는 10턴을 가지고, 상기 제2 코일부는 6턴을 갖는 무선충전코일.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 무선충전코일은 25*39mm2의 충전영역을 갖는 무선충전코일.
  19. 제1 코일부;
    상기 제1 코일부 안에 배치된 제2 코일부;
    상기 제1 코일부과 상기 제2 코일부를 연결하기 위한 제1 연결부; 및
    상기 제2 코일부의 내측에 연결되고 상기 제2 코일부와 상기 제1 코일부를 가로질러 배치되는 제2 연결부를 포함하고,
    상기 제1 코일부의 제1 방향의 내경은 47.6±10%mm이고,
    상기 제1 코일부의 상기 제1 방향의 외경은 67.5±10%mm이고,
    상기 제1 코일부의 제2 방향의 내경은 29.6±10%mm이고,
    상기 제1 코일부의 상기 제2 방향의 외경은 51.7±10%mm이고,
    상기 제2 코일부은 상기 제1 방향의 내경과 상기 제2 방향의 내경이 동일하고,
    상기 제2 코일부은 상기 제1 방향의 외경과 상기 제2 방향의 외경이 동일하고,
    상기 제2 코일부은 상기 제1 방향의 내경은 14±10%mm이고,
    상기 제2 코일부은 상기 제1 방향의 외경은 26±10%mm이고,
    상기 제2 코일부은 상기 제2 방향의 내경은 14±10%mm이고,
    상기 제2 코일부은 상기 제2 방향의 외경은 26±10%mm인 무선충전코일.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 제1 코일부은 타원 형상을 갖고,
    상기 제2 코일부은 원 형상을 갖는 무선충전코일.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 제1 코일부는 복수로 권선된 제1 코일도선을 포함하고,
    상기 제2 코일부는 복수로 권선된 제2 코일도선을 포함하고,
    상기 제1 연결부는 상기 제1 코일도선의 내측과 상기 제2 코일도선의 외측을 연결하는 무선충전코일.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 제1 코일부의 내측과 상기 제2 코일부의 외측은 상기 제1 코일부의 상기 제1 방향을 따라 제1 간격으로 이격되고 상기 제1 코일부의 상기 제2 방향을 따라 제2 간격으로 이격되고,
    상기 제1 간격은 상기 제2 간격보다 큰 무선충전코일.
  23. 제19항에 있어서,
    상기 제1 코일부는 10턴을 가지고, 상기 제2 코일부는 6턴을 갖는 무선충전코일.
  24. 제19항에 있어서,
    상기 무선충전코일은 25*39mm2의 충전영역을 갖는 무선충전코일.
KR1020190035175A 2019-03-27 2019-03-27 무선충전코일 KR20200114072A (ko)

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