KR20230057298A - 트랙 기반 차량 시스템용 전력 구동 슈퍼 커패시터, 유도 전원 및 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 차량 경주 키트에서 배터리 교체로서 슈퍼 커패시터를 사용하는 전원을 포함한다.
Description
본 출원은 2020년 9월 1일자로 출원된 미국 가출원 일련 번호 63/073,079에 대한 우선권을 주장하는 PCT 국제 출원이며, 이는 그 전체가 본원에 참조로 포함된다.
본 발명은 장난감 경주(toy racing) 또는 트랙 기반 차량(track-based vehicle), 세트 및 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 본 발명은 이러한 차량, 세트 및 시스템에 전력을 공급하는 것에 관한 것이다.
역사적으로, 장난감 경주 시스템은 장난감 차량과 차량이 달리는 상호 연결된 트랙을 포함한다. 차량은 스프링 파워형(spring-powered) 및/또는 배터리 파워형(battery powered)인 것을 포함하는 그러나 이에 국한되지 않는 다양한 수단을 통해 전력을 공급받거나 및/또는 전기 모터 갖는다. 일부 시스템에서, 차량은 트랙 내의 전도성 스트립(conducting strips)으로부터 전류를 수신한다. 다른 시스템에서, 차량은 그것들을 트랙에 놓기 전에 충전되어야 한다.
사용되기 전에 충전을 요구하는 시스템은 어린이(및 성인)에게 실망스러울 수 있는데, 왜냐하면 이러한 시스템은 사용자가 경주 시스템을 사용하기를 원할 때를 예상하고 사용하기 전에 최대 몇 시간 동안 차량을 충전하고 그런 다음 차량과 시스템을 가지고 놀 것을 요구하기 때문이다. 일부 어린이의 경우 이러한 정도의 예상과 계획은 장난감을 실망스럽고 바람직하지 않게 만든다. 차량이 사용하기 전에 충전될 것을 요구하는 현재 시장에 나와 있는 인기 있는 경주트랙 시스템의 한 예는 Anki Overdrive® 시스템이다. Anki Overdrive® 차량은 10분 완전 충전 후 대략 12분 동안 주행한다. Anki Overdrive® 차량은 제공된 충전 플랫폼과 어댑터를 사용하여 충전되어야 한다. 차량을 사전 충전해야 하는 요구 사항은 상대적으로 짧은 주행 시간(더 빠른 속도로 사용하면 단축될 수 있음)과 결합되어 사용자에게 실망스러울 정도로 제한된 플레이 상황을 제공한다. 사전 충전 및 짧은 주행 시간은 Anki Overdrive® 시스템만의 문제가 아니라 오늘날 시장에 나와 있는 많은 경주 시스템 및 차량에 존재한다. 본 발명은 트랙(들)에서 주행하는 동안 차량을 충전하는 전력 구동 커패시터(power drive capacitor), 유도 전원 및 관련 시스템을 제시함으로써 이러한 문제 및 요구를 해결한다.
이하의 기술 요약은 Anki Overdrive® 자동차 경주 키트를 포함하지만 이에 제한되지 않는, 차량 경주 키트 내의 배터리 교체 또는 충전기로서 슈퍼 커패시터를 사용하는 전원(power source)을 상세히 설명한다.
본원에서 차량 전원 어셈블리라고 지칭되는 슈퍼 커패시터(super capacitor)는, Anki Overdrive® 시스템 및 기타 유사하게 전력을 공급받는 장난감 경주 시스템 시스템 및/또는 트랙 기반 차량 시스템에서 자동차의 모터 및 전자 장치를 구동하는 데 사용되는, 제한 없이 NiMh 배터리와 같은, 현재 배터리를 대체하거나 보완한다.
일 실시예에서, 본 발명의 전원 및 시스템은 기성(off-the-shelf) 기술의 임의의 재설계 없이 현재의 Anki Overdrive® 스타터 키트(또는 임의의 유사한 경주 키트)에 추가하도록 설계되었다. 본 실시예에서, 현재 배터리의 치수에 맞는 인쇄 회로 기판("PCB")은 배터리를 본 발명의 차량 전원 어셈블리 보드로 교체함으로써 용이한 제조를 가능하게 한다.
본 발명의 시스템 및 방법은: (1) 트랙의 트랙 세그먼트에 연결되고, 트랙 클립에서 차량의 진입 및 진출(entry to and departure)을 감지하도록 작동 가능한 적어도 하나의 트랙 클립(track clip); (2) 트랙 클립 내에 하우징되고, 차량이 트랙 클립 상에 있을 때 유도 코일에 대한 전류의 방향을 통해 비접촉 전자기장에서 에너지를 생성하도록 구성된 전원 공급장치 어셈블리(power supply assembly); 및 (3) 차량 내에 위치되고, 차량에 전력을 공급하기 위한 용량으로 전자기장 에너지를 변환 및 저장하도록 구성된 차량 전원 어셈블리(vehicle power assembly)를 포함한다. 본 발명의 시스템 및 방법은 차량이 트랙 클립 위로 주행할 때 차량 전원 어셈블리 내의 커패시터가 재충전되도록(recharge) 작동한다.
본원에서 보다 충분히 설명된 바와 같이, 이들 구성요소(components)는 설명된 바와 같이 또는 현재 이용 가능한 매우 다양한 차량 경주 시스템 및 구성요소와 함께 약간의 수정을 가하여 사용될 수 있다.
본 발명의 이해를 용이하게 하기 위한 목적으로, 첨부된 도면 및 설명은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하며, 이로부터 본 발명, 그 구조, 구성 및 작동 방법의 다양한 실시예 및 많은 이점이 이해되고 인식될 수 있다. 첨부 도면은 본원에 참조로 포함된다.
도 1a는 차량 경주 트랙의 부분, 특히 트랙의 측단면도 및 경주 트랙 내의 본 발명의 트랙 클립의 일 실시예를 도시한다;
도 1b는 본 발명에 따른 차량 경주 트랙의 상면도이다;
도 2는 본 발명에 따른 전원 공급장치 어셈블리(power supply assembly)의 일 실시예의 블록도이다;
도 3a는 전통적인 장난감 경주용 차량 내의 배터리를 교체하는 차량 전원 어셈블리(vehicle power assembly)를 갖는 차량을 도시한다;
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 전원 어셈블리를 도시한다; 그리고
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 공급장치 어셈블리로부터 전송할 원하는 에너지를 생성하기 위한 프로세스 단계의 흐름도를 도시한다.
도 1a는 차량 경주 트랙의 부분, 특히 트랙의 측단면도 및 경주 트랙 내의 본 발명의 트랙 클립의 일 실시예를 도시한다;
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도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 공급장치 어셈블리로부터 전송할 원하는 에너지를 생성하기 위한 프로세스 단계의 흐름도를 도시한다.
이하는 본 발명이 실시될 수 있는 예시적인 실시예를 설명한다. 그러나 본 발명은 많은 상이한 방식으로 구현될 수 있고, 본원에 제공된 설명은 어떤 식으로든 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다. 무엇보다도 이하의 발명은 시스템, 방법 또는 장치로 구현될 수 있다. 이하의 상세한 설명은 제한적인 의미로 받아들여져서는 안된다. 첨부된 도면은 본원에 참조로 통합된다.
이 문서에서 단수 용어("a" 또는 "an")는 특허 문서에서 일반적으로 사용되어 하나 또는 둘 이상을 포함한다. 이 문서에서 "또는(or)" 이라는 용어는 비독점적인 "또는"을 지칭하기 위해 사용되어서, "A 또는 B(A or B)"는 달리 명시되지 않는 한 "A 이지만 B는 아닌(A but not B)", "B 이지만 A는 아닌(B but not A)"과 "A 및 B(A and B)"를 포함한다. 또한, 이 문서에 언급된 모든 간행물, 특허 및 특허 문서는 참조에 의해 개별적으로 통합된 것처럼 그 전체가 참조로 본원에 통합된다. 본 문서와 참조로 통합된 문서들 간의 사용이 일치하지 않는 경우, 통합된 참조(들)의 사용은 본 문서의 사용을 보완하는 것으로 간주되어야 한다; 양립할 수 없는 불일치에 대해서는 본 문서에서의 사용이 제어한다.
본 발명은 트랙 기반 차량이 트랙(들) 상에서 주행하는 동안 트랙 기반 차량을 충전하는 전력 구동 커패시터, 유도 전원 및 관련 시스템이다. 본 발명은 자동차가 재충전식 리튬 배터리(또는 리튬 폴리머 배터리)에 의해 전력을 공급받는 장난감 경주용 차량 및 시스템과 함께 작동한다. 본 발명의 이점은 (보통 별도의 충전소 상에서) 사용 전에 충전될 필요했을 경주용 차량 및 시스템에 통합될 때 가장 적절하다(most applicable). 본 발명은 기존의 경주용 차량 및 시스템과 결합될 수 있지만, 새로운 차량 및 경주 시스템, 로봇 또는 베이스 트랙을 사용하는 임의의 다른 유형의 장난감에 구성요소로 통합되고 판매될 수도 있다. 본 발명의 목적을 위해, 트랙은 임의의 모양(shape), 크기(size) 또는 형태(form)를 가질 수 있다.
비제한적인 예로는 경주용 자동차 및 트랙 시스템이 있다. 역사적으로 경주용 자동차는 트랙에서 경주하기 전에 충전되어야 했다. 그러나, 본 발명은 충전되지 않은 자동차의 즉각적인 사용을 가능하게 한다. 보다 구체적으로, 사용자는 트랙에 연결된 관련 전원 공급장치 어셈블리 및 트랙 클립을 갖는 트랙 상에 자동차를 배치할 수 있다. 잠시 후(이 예에서는 대략 60초) 자동차와 트랙 클립 상의 표시등(녹색등과 같은)이 녹색 또는 기타 사전 설정 색상으로 켜진다. 이제 자동차는 무제한 경주 시간 동안 트랙을 주행할 수 있다. 자동차가 트랙 클립, 및 트랙에 연결된 관련 전원 공급장치 어셈블리 위를 지날 때마다, 차량 전원 어셈블리 내의 슈퍼 커패시터가 충전된다. 사용자가 경주에서 휴식을 취하기로 결정하면, 자동차는 최대 절전 모드에 있으며 이는 전류가 거의 흐르지 않음을 의미한다. 대부분의 전하가 여전히 슈퍼 커패시터에 있기 때문에 사용자는 1시간, 2시간 또는 심지어 8시간 등 이후에도 경주를 계속할 수 있다.
도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 트랙 클립(11)은 임의의 직선 트랙 피스(10)(또는 기성 시스템의 유사한 트랙 피스) 아래에 부착된다. 일 실시예에서, 클립(11)은 트랙 피스(10) 위로 스냅(snap)되지만, 다른 형태의 부착도 활용될 수 있다. 클립(11)의 각 측면에는 적어도 한 세트의 근접 센서(12A, 12B)가 임베드되어 있다(embedded). 일 실시예에서, 센서(11)는 적외선 센서이며; 그러나, 차량 또는 자동차(13)의 움직임을 검출하도록 작동하는 센서의 형태 및 유형이 사용될 수 있다. 특히, 도 1a를 참조하면, 좌측 트랙(10 또는 10A) 상의 센서들(12A 및 12B)는 차량(13)이 클립(11)에 진입하는 때를 결정하고, 차량(13)의 속력(speed) 또는 속도(velocity) 및 가속도(acceleration) 계산을 돕는다. 도 1a에서, 차량(13)은 화살표 A의 방향으로 왼쪽에서 오른쪽으로 움직이고 있고, 제1 세트의 센서들(12A 및 12B)은 차량(13)을 그리고 또한 후술하는 바와 같이 차량(13)의 속력을 검출하도록 작동한다. 다수의 세트들의 센서들(12A 및 12B)은 차량(13)의 가속도 또는 감속도(deceleration)를 검출하는 데 사용될 수 있다. 클립(11)은 또한 차량(13)이 트랙 클립(11) 내의 전원 공급장치 어셈블리(20) 위를 주행하여 차량(13)이 충전되고 있을 때 점등 및/또는 녹색과 같은 특정 색상을 생성하는 표시등(16A, 16B)을 갖는다. 본 발명의 트랙 클립(11)은 다양한 모양, 크기 및 브랜드의 트랙 피스(10) 아래에 맞도록 다양한 치수로 설계될 수 있다.
대안적으로, 본 발명의 트랙 클립(11)은 임의의 유사한 트랙 기반 차량 시스템으로 설계 및 통합될 수 있다. 예를 들어, 클립(11)은 경주장의 직선 트랙에 직접 임베드될 수 있다. 다른 실시예에서, 선택적인 트랙 어셈블리가 도 1b에 도시된 바와 같이 사용될 수 있다. 이 선택적 트랙 어셈블리는 화살표 B로 도시된 이차적인 "피트 스톱(pit stop)" 레인(10A)을 제공한다. 트랙 클립(11)은 피트 스톱 또는 기타 경주 응용을 위해 메인 트랙(10)에 드나들(merging on and off) 수 있게 하는 이 대체 레인(10A)에 위치될 수 있다. 도 1b의 점선(19)은 (직선 트랙(10) 위에 도시된 대안적인 피트 스톱 레인(10A)이 제거된) 직선 트랙(10)의 구성을 도시한다.
본 발명의 표준 스타터 키트에는 하나의 클립(11)만이 필요하며, 이는 고정된 길이를 가지며 4대의 자동차(13)를 사용할 수 있게 한다. 더 큰 트랙 배열의 경우, 더 많은 클립(11)이 추가되어 트랙(10)의 넓은 영역에 걸쳐 모든 자동차(13)를 충전하도록 보장할 수 있다. 필요한 추가 클립(11)의 수를 평가하고 식별하기 위해, 테스트 트랙 주행은 미리 설정된 속도로 트랙 주위에 자동차(13)를 이동시키는 주행이 될 수 있어서 회전시켜 필요한 에너지가 계산될 수 있으며, 그리고 필요한 경우 더 많은 클립(11)이 추가될 수 있다. 또한, 시스템은 트랙(10)의 특정 길이에 대해 권장되는 클립(11)의 수를 리스트하는 차트를 제공할 수 있다.
도 2를 참조하면, 전원 공급장치 어셈블리(20)는 트랙 클립(11)의 평평한 표면(또는 평평한 부분)(14) 내부에 그리고 트랙(10)의 폭 아래에 임베드된다. 전원 공급장치 어셈블리(20)는 유도 코일(21), 마이크로컨트롤러 유닛 또는 MCU(22), 하나 이상의 고전류 드라이버(one or more high current drivers)(23), 및 직류 또는 DC 전원(24)을 포함한다. 작동 시, 전원(24)은 전원 공급장치 어셈블리(20)에 전압을 공급한다. 일 실시예에서, 도 2에 도시된 바와 같이, USB 어댑터(25)는 전류를 제공하는 데 사용된다. USB 어댑터(25)는 또한 대안적인 실시예에서 사용자로부터 MCU(22)로의 외부 통신을 제공하고 MCU(22)로부터의 출력을 사용자에게 제공하도록 사용될 수 있다. USB 어댑터(25)에 의해 제공되는 전류는 최소 5볼트이다. 이 전압은 차량(13)에 더 많은 속도와 거리 능력을 제공하도록 증가될 수 있다. 유사한 전압 범위를 갖는, 벽면 콘센트 또는 다양한 외부 배터리에 연결하는 기존의 전선 및 플러그와 같은 다른 더 전통적인 에너지원 및 어댑터가 사용될 수 있다. 벽면 콘센트가 전류와 전력을 공급하는 데 사용되는 경우, AC를 DC 전류로 변환하는 컨버터(converter)가 필요하다.
전류는, 코일에 에너지를 공급하고 트랙(10 또는 10A)을 통해 차량 전원 구성요소(vehicle power component)(30)(도 3에 도시됨) 내의 수신 유도 코일(31)과 결합하는 비접촉 전자석 유도장(non-contact electromagnet induction field)을 전송하기 위해, 유도 코일(21)로 향한다. 코일(21)로 향하는 전압의 양은, 생성된 비접촉 전자석 유도장에 대해 원하는 공진 주파수를 생성하기 위해 MCU(22)에 의해 지시된 바와 같이 코일(21)의 코일들을 진동시키는 하나 이상의 고전류 드라이버(23)에 의해 제어된다. 코일(21)은 일 실시예에서 TX 코일이지만, 유도에 사용할 수 있는 다른 공지된 유형의 코일이 사용될 수 있다. 드라이버(drivers)(23) 및 MCU(22)는 본 발명의 설명된 시스템에서 사용할 수 있는 표준 구성요소다. 충분한 에너지가 코일(21)을 통해 전달되도록 보장하기 위해, 커패시터(26)는 또한 충분한 전류가 소싱되어 코일(21)에 에너지를 공급할 수 있도록 보장하기 위해 MCU(22)와 관련되어 사용된다.
관련된 높은 전류 때문에, 코일(21)의 연속적인 충전은 불가능하다. 이러한 이유로, 센서(12A, 12B)는 전술한 바와 같이 전력 구동 클립(the power drive clip)(11)에 진입하는 차량(13)을 검출하는 데 사용된다. 센서(12A, 12B)가 MCU(22)에 연결되어 자동차(13)의 속력이 MCU 컨트롤러(22)에 의해 계산되고, MCU(22)는 차례로 차량(13)이 전원 공급장치 어셈블리(20) 상단에서 주행하는 동안 생성되는 비접촉 전자기장의 필요한 펄스 또는 장(field) "온 타임(on time)"을 지시한다(direct). 이 프로세스는 차량(13)에 완전 충전을 보장하기 위해 자동차 클립(13)에 얼마나 많은 에너지가 전달되는지를 결정한다. 보다 구체적으로, 차량(13)의 속력 또는 속도는 센서(12A, 12B)에 의해 검출된 차량(13)의 앞바퀴와 뒷바퀴의 통과 사이의 시간차를 측정함으로써 결정된다. 앞바퀴와 뒷바퀴 사이의 거리는 미리 설정되고 고정되어 있으며, 이 시간차는 속력 결정을 위해 MCU(22)로 전송된다. 센서(12A 및 12B)의 오리지널 세트 사이의 거리도 미리 설정되며, 차량(13)의 결정된 속도에 기초하여 MCU(22)는 또한 차량(13)이 언제 전원 공급장치 어셈블리(20)로 이동하는지와 차량(13)이 전원 공급장치 어셈블리(20) 위에 얼마나 오래 있는지를 결정한다.
MCU(22)는 또한 얼마나 많은 전력이 코일(21)에 의해 얼마나 오래 전달되어야 하는지를 결정한다. 코일(21)은 그 프로세스에서 열이 발생하기 때문에 오랜 기간 동안 전력을 공급받을 수 없다. 예를 들어, 25와트의 전력이 생성될 수 있으며 이는 상당한 열을 발생시킨다. 따라서 전력 생성을 위한 "온 타임(on time)"은 차량(13)이 전력을 수신할 수 있는 때로 제한될 필요가 있다. 따라서, 추가 실시예에서, MCU(22)는 임의의 외부 철 재료가 코일(21)과 접촉하는지 여부를 검출할 수도 있다. 이러한 검출은 낮은 에너지에서 코일(21)로부터 주기적인 짧은 펄스를 방출함으로써 버스트 검출(burst detection)을 사용하는 공지된 프로세스를 통해 발생한다. 이 펄스는 예를 들어 매 초마다 발생할 수 있다. 이 동일한 프로세스가 표준 금속 검출기에 사용된다. MCU(22)는 코일(21)에 의해 생성된 파형을 모니터링 및 샘플링하도록 작동하며, 이 파형은 외부 철 재료가 트랙(10 또는 10A)에 있는 경우 왜곡될 것이다.
동시에, 전력은 동일한 프로세스를 통해 다시 재충전될 때까지 사전 설정된 트랙 길이에 걸쳐 원하는 속도로 차량(13)에 전력을 공급하기에 충분할 필요가 있다. MCU(22)는 다른 요인들 중에서: (1) 차량(13)의 속력, (2) 트랙(10)의 길이, (3) 코일(21)에 전달되는 전압의 양, (4) 코일(21) 내의 코일 수, (5) 차량(13)의 원하는 최고 속력, 및 (6) 재충전할 때까지 원하는 랩 수를 기반으로 이를 결정한다. 속력 및 거리에 대한 원하는 성능을 기반으로, 코일(21) 전력은 MCU(22)를 통해 약 5와트에서 25와트까지 변할 수 있다.
이러한 장(field) "온 타임(on time)"은 경주를 위한 실제 연료 효율을 시뮬레이션하기 위해 MCU(225)에 의한 계산에 따라 변할 수 있다. 포뮬러 1 경주용 자동차와 마찬가지로, 피트 레인(10A)을 주행하는 동안 자동차(13)의 속도를 줄이는 것도 가능하다. 이것은 자동차가 운전하는 방식으로 연료가 제한되는 NASCAR와 유사하다. 자동차(13)의 속력은 일반적으로 본 발명에서 다루지 않는 별도의 구성요소를 통해 자동차(13)와 통신하는 스마트 폰 또는 스마트 태블릿 애플리케이션을 통해 사용자에 의해 제어된다.
작동 시, 그리고 도 4에 도시된 바와 같이, MCU(22)는 이하의 방법 단계들을 제어한다: (단계 41) 전원 공급장치 어셈블리(20)의 범위 내의 물체를 체크하기 위한 단락(short)(예를 들어, 1ms 펄스들)의 주기적 방출(예를 들어, 매초), (단계 42) 차량(13)이 검출될 때 센서(12A 및 12B)로부터 전송 수신, (단계 43) 차량 속력의 결정, (단계 44) 코일(21)로부터 전송할 원하는 에너지의 결정, 및 (단계 45) 차량(13)이 전원 공급장치 어셈블리(21) 위에(over) 또는 상단(top)에 있거나 및/또는 충전 중일 때 표시등(16A 및 16B)(MCU(22)에 연결됨)의 활성화. 이 마지막 단계는 선택적이지만, 표시등은 다른 기능도 수행할 수 있다. 예를 들어, 표시등(16A, 16B)은 또한 경주의 시작(예를 들어, 적색에서 녹색으로) 또는 경주의 종료를 알리도록 제어될 수 있다. 이것은 경주 장소에서 경주 라이트를 시작하는 것과 매우 유사하여 애플리케이션 또는 다른 드라이버와 경주할 때 진정한 흥분의 또 다른 층을 더한다. 또한, 단계 43과 관련해서, MCU(22)는 필요한 경우 센서(12A, 12B)와 코일(21) 사이의 거리에 따라 차량(13)이 코일(21) 위에 위치하는 때를 결정할 수 있다. 이 결정은 차량(13)의 속도 및 센서(12A, 12B)와 코일(21) 사이의 공지된 거리에 기반한다. 이러한 시간 결정은 코일(21)로부터의 전력 전달의 조기 또는 늦은 활성화 및 임의의 관련된 불필요한 열 발생을 방지한다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 차량 전원 어셈블리(30)는 배터리에 대한 대체 전원으로서 차량(13) 위로 클립핑(clipped)되거나 차량(13)내로 삽입될 수 있다. 전원 어셈블리(30)는 유도 수신기 코일(31), 정류기(32), DC-DC 컨버터(33), 충전기(34), 통신 모듈(35), 및 슈퍼 커패시터(36)를 포함한다. 작동 시, 자동차(13)가 표준 트랙(10) 상의 또는 피트 레인(10A) 내의 클립(11) 위를 지나감에 따라, 유도 코일(21)에 의해 생성된 비접촉 전자기장은 수신 코일(31)에 결합된다. 수신 코일은 바람직하게는 RX 코일이지만, 다른 코일 형태가 사용될 수 있다. 수신기 코일(31)은 차량(13)에 부착되는 클립 또는 내부 인서트를 통해 차량(13)의 바닥 근처에 위치된다. 차량 전원 어셈블리(30)가 차량(13)에 클립핑되면, 수신기 코일(31)은 차량(13)의 섀시(chassis) 아래 PCB 상에 위치한다. 어셈블리(30)가 차량(13) 내에 위치하는 경우, 수신기 코일(31)은 어셈블리(30)의 바닥에 유사하게 위치한다. 이들 실시예 중 어느 하나에서, 적어도 1 내지 2 mm의 에어 갭. 그런 다음 전류가 수신기 코일(31) 내부에서 생성되고, 이는 다음으로 정류기(32)에 의해 정류되고, 필터링되어 슈퍼 커패시터(36)를 충전하도록 향한다. 보다 구체적으로, 정류기(32)는 AC 전류를 DC 전류로 변환한다. DC-DC 컨버터(33)는 전류의 전압을 조절한다. 충전기(34)는 차량(13)에 전력을 전달한다. 이 전력은 표준 배터리의 충전, 방전된 배터리 활성화, 또는 그 외 배터리 대체를 포함하는 대안적인 방식으로 제공될 수 있다. 통신 모듈은 전압을 포함하는 차량 전원 어셈블리(30)의 작동 파라미터에 대해 사용자에게 블루투스와 같은 무선 통신을 생성한다. 슈퍼 커패시터(36)의 커패시턴스 값은 커패시터의 충전이 얼마나 오래 지속되어야 하는지에 따라 달라진다. 이들 값은 커패시터(36)의 대부분의 실시예에서 약 0.2F(패럿) 내지 4.7F의 범위이다. 이 값은 또한 차량(13)의 크기 및 구성요소(30)에 대해 이용가능한 내부 공간에 의해 제한될 수 있다.
커패시터(36)의 큰 커패시턴스 때문에, 저장된 에너지는 트랙을 따라 차량(13)을 이동시키는 모터에 에너지를 공급하면서 시간이 지남에 따라 소산된다. 차량(13)이 트랙 클립(11)에 진입할 때마다, 차량(13)은 슈퍼 커패시터(36)를 충전하여 트랙 레이아웃의 다음 회전을 완료하기에 충분한 에너지를 준다. 이것은 트랙 상의 자동차(13)를 무한 시간 주행할 수 있게 한다. 차량(13)이 어떻게 운전되는지에 따라, 이 충전은 약 60초에서 몇 분 또는 몇 시간까지 지속될 수 있다.
차량(13)이 트랙에 배치될 때, 커패시터(36)는 종종 방전되고 에너지가 없다. 이러한 이유로, 차량(13)이 적어도 한 시간 동안 트랙에서 벗어난 임의의 경주를 시작하기 전에, 클립(11) 상에 차량(13)을 배치하는 것은 커패시터(36)가 충전될 수 있게 한다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 전력 구동 클립 및 시스템은 다양한 기성 경주 시스템과 결합되거나 판매 전에 시스템에 통합될 수 있다. 트랙의 길이, 차량의 전력 요구 사항 및 사용되는 차량의 수에 따라 임의의 수의 전력 구동 클립 및 시스템이 경주트랙과 함께 사용될 수 있다. 전력 구동 클립과 시스템은 메인 경주 트랙에 내장(integral)되거나 사이드트랙 또는 피트 레인에 통합될 수 있다. 추가로, 본 발명은 경주용 트랙의 접촉에 대해 설명되었지만, 본 발명이 모델 기차, 로봇, 드론, 기본적으로 전원이 필요한 모든 것과 같은 전력을 위한 유사한 배터리 구조를 사용하는 다른 트랙 기반 장난감 및 장치에 통합될 수 있음은 당업자에게 명백할 것이다.
본 개시가 그의 특정 실시예를 참조하여 상세하게 설명되었지만, 실시예의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양한 변경 및 수정이 이루어질 수 있다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 본 개시는 첨부된 청구범위 및 그 균등물의 범위 내에 있는 한 본 개시의 모든 수정 및 변형을 포함하도록 의도된다. 무엇보다도, 이하의 발명은 방법 또는 장치로서 구현될 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예의 상세한 설명은 제한적인 의미로 취해져서는 안된다.
Claims (20)
- 고정 트랙 상에서 작동하도록 구성된 차량용 재충전식 전원 시스템으로서, 상기 시스템은:
트랙의 트랙 세그먼트에 연결되고, 트랙 클립에서의 차량의 진입(entry) 및 진출(departure)을 감지하도록 작동 가능한 적어도 하나의 트랙 클립;
트랙 클립 내에 하우징되고, 차량이 트랙 클립 상에 있을 때 유도 코일에 대한 전류의 방향을 통해 비접촉 전자기장 내에서 에너지를 생성하도록 구성된 전원 공급장치 어셈블리; 및
차량 내에 위치하고, 전자기장 에너지를 차량에 전력을 공급하기 위한 용량으로 변환 및 저장하도록 구성된 차량 전원 어셈블리;를 포함하고,
이로써 차량이 트랙 클립 위로 주행할 때 차량 전원 어셈블리 내의 커패시터가 재충전되는 것을 특징으로 하는, 재충전식 전원 시스템. - 제1항에 있어서, 트랙 클립은 적어도 트랙 클립이 연결된 트랙 세그먼트의 바닥 표면만큼 넓은 평평한 상부 표면을 갖고, 트랙 클립이 연결되어 트랙 클립의 상부 표면이 트랙 세그먼트의 바닥 표면에 안착되는(rest) 것을 특징으로 하는, 재충전식 전원 시스템.
- 제1항에 있어서, 트랙 클립은 트랙 세그먼트 내에 위치되는 것을 특징으로 하는, 재충전식 전원 시스템.
- 제1항에 있어서, 트랙 클립은, 트랙 세그먼트 위로 연장되는 2개의 대향 측면들을 가지며 차량이 트랙 클립에 진입하고 나가는 때를 결정하는 적어도 하나의 센서 세트를 포함하는 것을 특징으로 하는, 재충전식 전원 시스템.
- 제4항에 있어서, 전원 공급장치 어셈블리는 유도 코일, 마이크로컨트롤러 유닛 또는 MCU, 하나 이상의 고전류 드라이버, 및 직류 전원을 포함하는 것을 특징으로 하는, 재충전식 전원 시스템.
- 제5항에 있어서, 전원 공급장치 어셈블리는 커패시터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 재충전식 전원 시스템.
- 제4항에 있어서, 트랙 클립으로부터의 차량의 진입 및 진출에 관한 센서들로부터의 신호들은 마이크로컨트롤러 유닛으로 전송되고, 이에 의해 마이크로컨트롤러 유닛은 차량의 속력 및 가속도를 결정할 수 있는 것을 특징으로 하는, 재충전식 전원 시스템.
- 제5항에 있어서, 유도 코일로 향하는 전류에서의 전압의 양은 생성된 전자기장에 대해 원하는 공진 주파수를 생성하도록 하나 이상의 고전류 드라이버 및 마이크로컨트롤러 유닛에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는, 재충전식 전원 시스템.
- 제1항에 있어서, 차량 전원 어셈블리는 수신기 유도 코일, 정류기, DC-DC 컨버터, 충전기, 통신 모듈, 및 슈퍼 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는, 재충전식 전원 시스템.
- 제9항에 있어서, 커패시터의 커패시턴스 값은 차량 작동을 위해 커패시터의 전하가 얼마나 오래 필요한지에 따라 변할 수 있고, 커패시턴스 값은 약 0.2F 내지 4.7F 범위에 있는 것을 특징으로 하는, 재충전식 전원 시스템.
- 고정 트랙 상의 차량의 전원 공급장치를 재충전하는 방법으로서, 상기 방법은:
적어도 하나의 트랙 클립을 트랙의 트랙 세그먼트에 연결하는 단계로서, 트랙 클립은 트랙 클립에서의 차량 진입(entry) 및 진출(departure)을 감지하도록 작동 가능한, 단계;
전원 공급장치 어셈블리를 트랙 클립 내에 하우징하는 단계로서, 전원 공급장치 어셈블리는 차량이 트랙 클립 상에 있을 때 유도 코일에 대한 전류의 방향을 통해 비접촉 전자기장 내에서 에너지를 생성하도록 구성된, 단계; 및
차량 전원 어셈블리를 차량 내에 위치시키는 단계로서, 차량 전원 어셈블리는 전자기장 에너지를 차량에 전력을 공급하기 위한 용량으로 변환 및 저장하도록 구성된, 단계;를 포함하고,
이로써 차량이 트랙 클립 위로 주행할 때 차량 전원 어셈블리 내의 커패시터가 재충전 것을 특징으로 하는, 고정 트랙 상의 차량의 전원 공급장치를 재충전하는 방법. - 제11항에 있어서, 트랙 클립은 적어도 트랙 클립이 연결된 트랙 세그먼트의 바닥 표면만큼 넓은 평평한 상부 표면을 갖고, 트랙 클립이 연결되어 트랙 클립의 상부 표면이 트랙 세그먼트의 바닥 표면에 안착되는 것을 특징으로 하는, 고정 트랙 상의 차량의 전원 공급장치를 재충전하는 방법.
- 제11항에 있어서, 트랙 클립은 트랙 세그먼트 내에 위치되는 것을 특징으로 하는, 고정 트랙 상의 차량의 전원 공급장치를 재충전하는 방법.
- 제11항에 있어서, 트랙 클립은, 트랙 세그먼트 위로 연장되는 2개의 대향 측면들을 갖지며 차량이 트랙 클립에 진입하고 나가는 때를 결정하는 적어도 하나의 센서 세트를 포함하는 것을 특징으로 하는, 고정 트랙 상의 차량의 전원 공급장치를 재충전하는 방법.
- 제14항에 있어서, 전원 공급장치 어셈블리는 유도 코일, 마이크로컨트롤러 유닛 또는 MCU, 하나 이상의 고전류 드라이버, 및 직류 전원을 포함하는 것을 특징으로 하는, 고정 트랙 상의 차량의 전원 공급장치를 재충전하는 방법.
- 제15항에 있어서, 전원 공급장치 어셈블리는 커패시터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 고정 트랙 상의 차량의 전원 공급장치를 재충전하는 방법.
- 제14항에 있어서, 트랙 클립으로부터의 차량의 진입 및 진출에 관한 센서들로부터의 신호들은 마이크로컨트롤러 유닛으로 전송되고, 이에 의해 마이크로컨트롤러 유닛은 차량의 속력 및 가속도를 결정할 수 있는 것을 특징으로 하는, 고정 트랙 상의 차량의 전원 공급장치를 재충전하는 방법.
- 제15항에 있어서, 유도 코일로 향하는 전류에서의 전압의 양은 생성된 전자기장에 대해 원하는 공진 주파수를 생성하도록 하나 이상의 고전류 드라이버 및 마이크로컨트롤러 유닛에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는, 고정 트랙 상의 차량의 전원 공급장치를 재충전하는 방법.
- 제11항에 있어서, 차량 전원 어셈블리는 수신기 유도 코일, 정류기, DC-DC 컨버터, 충전기, 통신 모듈, 및 슈퍼 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는, 고정 트랙 상의 차량의 전원 공급장치를 재충전하는 방법.
- 제19항에 있어서, 커패시터의 커패시턴스 값은 차량 작동을 위해 커패시터의 전하가 얼마나 오래 필요한지에 따라 변할 수 있고, 커패시턴스 값은 약 0.2F 내지 4.7F 범위에 있는 것을 특징으로 하는, 고정 트랙 상의 차량의 전원 공급장치를 재충전하는 방법.
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