KR20120103309A

KR20120103309A - 임의의 위치에서 다수의 기기를 동시에 충전 가능한 무선충전 시스템

Info

Publication number: KR20120103309A
Application number: KR1020110021482A
Authority: KR
Inventors: 나기용
Original assignee: 주식회사 케이더파워
Priority date: 2011-03-10
Filing date: 2011-03-10
Publication date: 2012-09-19

Abstract

본 발명은 임의의 위치에서 다수의 기기를 동시에 충전 가능한 무선충전 시스템에 관한 것으로, 충전판 내의 1차 코일 배열과 기기 내에 장착되는 2차 코일 배열 상호간 정확한 위치에 정렬되지 않더라도 충전판 상의 임의의 위치에서 기기의 충전이 가능하도록 한다. 본 발명에 따르면, 충전 대상 기기를 충전판 상의 임의의 위치에 놓더라도 기기 내의 2차 코일 배열 및 충전판 내의 1차 코일 배열의 상호작용에 의해 충전에 필요한 자속이 고르게 형성되어 정상적인 충전이 가능하므로, 무선충전 시스템 이용 시 충전판과 기기의 상호 간 위치 정렬을 위한 부가적인 장치가 필요하지 않은 이점이 있다.

Description

임의의 위치에서 다수의 기기를 동시에 충전 가능한 무선충전 시스템{Wireless charging system for simultaneous charging plural devices at free position}

본 발명은 임의의 위치에서 다수의 기기를 동시에 충전 가능한 무선충전 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 충전판 내에 장착된 복수의 코일로 구성한 1차 코일 배열과 충전 대상 기기 내에 장착된 복수의 코일로 구성한 2차 코일 배열 사이에 유도기전력을 이용하여 충전 전력을 공급하되, 각 코일의 모양, 크기 및 배치, 그리고 1차 코일 배열과 2차 코일 배열의 상호간 위치에 따라 전력 전달 상태가 변하는 현상을 이용하여 1차 코일 배열과 2차 코일 배열 상호간 정확한 위치 정렬 없이도 충전판 상의 임의의 위치에서 충전 대상 기기가 정상적으로 충전되도록 하고, 동일한 충전판 상에 다수의 기기가 임의의 위치에 놓였을 때에도 모든 기기가 정상적으로 충전될 수 있도록 한 임의의 위치에서 다수의 기기를 동시에 충전 가능한 무선충전 시스템에 관한 것이다.

현재 사용하고 있는 무선충전 시스템은 충전판 내에 장착된 1차 코일과 충전 대상 기기 내에 장착된 2차 코일 사이에 유도기전력을 이용하여 충전 전력을 공급하되 1차 코일과 2차 코일의 중심이 정확히 일치되어야 전력이 전달되어 정상적인 충전이 가능하게 되어 있다.

중심 정렬을 위하여 1차 코일 및 2차 코일의 중심부에 각각 영구자석을 부착하여 구성하거나 지지에 특수한 기구물을 부착하고, 해당 기구물이 충전판의 모양과 찍을 이루어 기기가 충전판에 놓였을 때 자연적으로 1차 코일과 2차 코일의 중심이 정렬되도록 하는 방법을 적용하므로 사용이 불편하며, 충전 시스템의 소형화가 어려운 문제가 있었다.

또한, 동일한 충전판 상에서 다수의 기기를 충전하려면 독립적으로 전력을 전달하는 여러개의 1차 코일을 장착하여 각각의 기기에 장착된 2차 코일의 중심이 서로 다른 1차 코일의 중심에 각각 정확히 일치되어야 정상적인 충전이 가능하므로 이를 위하여 동일한 충전판 상에 별도의 중심 절렬 장치를 여러 개 장착하여 구성해야 하므로 사용이 불편하고 충전판의 소형화가 어려운 문제가 있었다.

본 발명의 목적은, 1차 코일과 2차 코일 간에 특정한 중심 정렬 필요 없이 1차 코일이 장착된 충전판 상의 임의의 위치에서도 기기에 장착된 2차 코일에 충분한 자속이 공급되어 충전에 필요한 전력이 유도되도록 한 임의의 위치에서 다수의 기기를 동시에 충전 가능한 무선충전 시스템을 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은, 충전판 내에 다수의 독립적인 1차 코일을 장착하지 않고도 동일한 충전판 상의 임의의 위치에 놓여진 다수의 기기에 각각 장착된 2차 코일에 충분한 자속이 공급되어 충전에 필요한 전력이 유도되도록 한 임의의 위치에서 다수의 기기를 동시에 충전 가능한 무선충전 시스템을 제공함에 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 임의의 위치에서 다수의 기기를 동시에 충전 가능한 무선충전 시스템은, 충전판 내의 1차 코일 배열과 기기 내에 장착되는 2차 코일 배열 상호간 정확한 위치에 정렬되지 않더라도 충전판 상의 임의의 위치에서 기기의 충전이 가능한 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 1차 코일 배열과 상기 2차 코일 배열이 상호간 기하학적으로 비대칭 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 2차 코일 배열은 상기 기기의 배터리, 외장 기구물 중 적어도 하나에 장착 가능한 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 무선충전 시스템은, 상기 2차 코일 배열을 서로 다른 복수의 기기에 장착하여, 하나의 충전판 상에서 상기 서로 다른 복수의 기기를 충전하는 것이 가능한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 충전 대상 기기를 충전판 상의 임의의 위치에 놓더라도 기기 내의 2차 코일 배열 및 충전판 내의 1차 코일 배열의 상호작용에 의해 충전에 필요한 자속이 고르게 형성되어 정상적인 충전이 가능하므로, 무선충전 시스템 이용 시 충전판과 기기의 상호 간 위치 정렬을 위한 부가적인 장치가 필요하지 않은 이점이 있다.

또한, 본 발명은 무선충전 시스템 이용 시 정확한 위치를 찾아서 충전판에 기기를 거치해야하는 불편함을 해소할 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명은 임의 위치의 전력 전달 특성을 이용하여 1차 코일 배열을 확장 구성하여 동일한 충전판 상에서 다수의 기기를 임의의 위치에서 동시에 충전할 수 있도록 하여 1차 코일 구동 장치의 구조를 간단하게 함으로써, 사용의 편리성이 증대되는 이점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 무선충전 시스템으로부터 충전판 상의 모든 위치에서 자속이 고르게 형성되는 동작을 나타낸 도이다.
도 2는 본 발명에 따른 무선충전 시스템의 1차 코일이 구현되는 회로 구성을 나타낸 도이다.
도 3은 도 2에 도시된 각각의 1차 코일에 자기장이 형성되는 동작을 설명하는데 참조되는 도이다.
도 4는 본 발명에 따른 무선충전 시스템의 1차 코일 및 2차 코일 배열을 설명하는데 참조되는 도이다.
도 5 내지 도 7은 본 발명에 따른 무선충전 시스템의 1차 코일 및 2차 코일 배열의 위치에 따라 자기장이 형성되는 동작을 설명하는데 참조되는 예시도이다.
도 8은 본 발명에 따른 무선충전 시스템의 구성을 설명하는데 참조되는 도이다.
도 9 내지 도 11은 본 발명에 다른 무선충전 시스템의 2차 코일 배열이 장착되는 위치에 따른 동작을 설명하는데 참조되는 예시도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 무선충전 시스템으로부터 충전판 상의 모든 위치에서 자속이 고르게 형성되는 동작을 나타낸 도로서, 두 개의 코일을 사용하여 1차 코일 배열을 구성한 실시예를 나타낸 것이다. 도 1에서 a는 1차 코일의 가로폭, b는 1차 코일의 세로폭, c는 1차 코일들 간의 간격을 나타낸다. 또한, 화살표는 자속의 흐름을 나타낸 것이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 무선충전 시스템은 두 개의 1차 코일(C11, C12) 각각에 인가되는 전기적 신호 간에 180도의 위상차를 주어, 1차 코일 배열(10)이 자치하는 영역과 그 인접한 영역 내에서 특정 위치에 관계없이 충전판에서 생성되는 자속의 세기가 고르게 형성된다.

도 2는 본 발명에 따른 무선충전 시스템의 1차 코일이 구현되는 회로 구성을 나타낸 도로서, 고주파(RF) 신호발생기에서 두 개의 1차 코일에 위상차가 있는 전기적 신호를 인가하는 전기회로를 나타낸 것이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 무선충전 시스템은 두 개의 1차 코일이 각각 0도와 180도의 위상차를 갖도록 한다. 여기서, 고주파(RF) 신호는 수백KHz 내지 수십MHz의 주파수를 가지는 전기적 신호를 말한다.

일 예로서, 두 개의 1차 코일 간에 위상차를 발생시키는 방법으로는, 도 2의 (a)와 같이, RF 신호발생기(20)에서 직접 또는 180도 위상 변환기(30)를 통하여 각 코일에 각 0도와 180도의 위상을 인가할 수 있다.

다른 예로서, 두 개의 1차 코일 간에 위상차를 발생시키는 방법으로는, 도 2의 (b)와 같이 RF 신호발생기(20)의 출력을 각 코일에 동일하게 인가하되, 두 개의 코일의 권선 방향을 반대로 하여 상호 간 위상이 180도의 차이를 갖도록 할 수도 있다.

도 3은 도 2에 도시된 각각의 1차 코일에 자기장이 형성되는 동작을 설명하는데 참조되는 도이다.

본 발명에 따른 무선충전 시스템은 두 개의 1차 코일에 180도의 위상차를 갖는 두 개의 전기적 신호를 인가하는 경우, 도 3에 도시된 바와 같이, 두 개의 1차코일에는 보다 넓은 영역에서 자기장의 세기가 고르게 증대된다.

여기서, ?는 들어가는 방향의 전류가 흐르는 코일의 단면을 나타낸 것이고, ⓧ는 나오는 방향의 전류가 흐르는 코일의 단면을 나타낸 것이다.

도 4는 본 발명에 따른 무선충전 시스템의 1차 코일 및 2차 코일 배열을 설명하는데 참조되는 도이다.

여기서, d는 2차 코일의 세로폭, e는 2차 코일의 선폭, f는 2차 코일들 간의 간격, 그리고 g는 2차 코일 배열의 폭을 나타낸 것이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 무선충전 시스템은 두 개의 1차 코일과 상호 간 정확한 정렬이 되지 않더라도 충분한 자속을 포함할 수 있도록 두 개의 2차 코일(C21, C22)을 이용하여 2차 코일 배열(20)을 구성한다.

이때, 2차 코일의 선폭(e)과 2차 코일 간의 간격(f)은 최소화하고, 2차 코일의 세로폭(d)과 2차 코일 배열의 폭(g)은 최대화한다.

이로써, 본 발명에 따른 무선충전 시스템은 자속을 받아들이는 2차 코일의 내부 영역을 최대화하도록 한다.

도 5 내지 도 7은 본 발명에 따른 무선충전 시스템의 1차 코일 및 2차 코일 배열의 위치에 따라 자기장이 형성되는 동작을 설명하는데 참조되는 예시도이다.

먼저, 도 5는 1차 코일 배열과 2차 코일 배열 상호 간 특정한 위치에 관계 없이 1차 코일에서 발생된 자기장의 상당 부분이 2차 코일에 유도되는 동작을 나타낸 것이다.

도 5에 도시된 바와 같이, '21'의 2차 코일 배열의 경우, 도 5에서 좌측에 위치한 1차 코일(C11)에서 발생하는 자속을 받게 된다. 또한, '22'의 2차 코일 배열의 경우에는 좌측에 위치한 1차 코일(C11)과, 우측에 위치한 1차 코일(C12)로부터 발생하는 자속을 모두 받게 된다.

한편, '23'의 2차 코잉ㄹ 배열의 경우, 도 5에서 우측에 위치한 1차 코일(C12)에서 발생하는 자속을 받게 된다.

도 5와 같은 2차 코일의 세 가지 배열(21, 22, 23)을 위하여, 도 4에 도시된 2차 코일 배열의 폭(g)은 도 1에 도시된 1차 코일의 세로 폭(b)과 같거나, 약간 넓게 구성하도록 한다. 이 경우, '21'의 2차 코일 배열 내의 2차 코일이 최대의 자속을 받으면서도 2차 코일 내부의 자속이 동일 방향을 유지하게 된다.

또한, 도 1에 도시된 1차 코일 간의 간격(c)은 도 4에 도시된 2차 코일의 선폭(e)과 같거나 좁게 구성하여, 마찬가지로 2차 코일 내부의 자속이 동일 방향을 유지하도록 한다.

도 6은 2차 코일 배열 내에 위치한 두 개의 2차 코일이 모두 180도 위상차를 갖는 두 개의 1차 코일 내부에 포함되는 위치에 배치되는 경우를 나타낸 것이다.

도 6에서와 같이 1차 코일(C11, C12) 및 2차 코일(C21, C22)이 배치되는 경우, 2차 코일(C21, C22)의 내부 영역 및 외부 영역에서 서로 상쇄하는 자속을 받게 되어 전력 전달이 불가하게 된다.

이런 현상은, 1차 코일 배열(10)과 2차 코일 배열(20)이 대칭 구조를 갖는 경우 특정한 위치에서 항상 발생하게 된다.

도 7은 1차 코일 배열과 2차 코일 배열이 비대칭 구조를 갖는 경우를 나타낸 것이다.

도 7에 도시된 바와 같이, 2차 코일 배열(25)은 세 개의 2차 코일(C21, C22, C23)로 구성하여 두 개의 1차 코일(C11, C12)로 구성된 1차 코일 배열(10)과 비대칭 구조를 갖게 된다. 이 경우, 도 6에서와 같이, 2차 코일 내부 영역 및 외부 영역에서 서로 상쇄하는 자속을 받게 되어 전력 전달이 불가하게 되는 현상을 방지한 것이다.

도 7의 경우, 2차 코일 배열(25) 내의 세 개의 2차 코일 중 하나의 2차 코일(C21)은 여전히 해당 2차 코일 내부의 자속이 상쇄하게 된다.

반면, 나머지 두 개의 2차 코일들(C22, C23)은 일정한 자속을 내부에 포함하게 된다. 따라서, 나머지 두 개의 2차 코일(C22, C23)을 통해 상당한 전력을 전달받을 수 있게 되어, 전력 전달이 불가한 위치를 제거하는 것이 가능하게 된다.

한편, 도 8은 본 발명에 따른 무선충전 시스템의 구성을 설명하는데 참조되는 도이다.

도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 무선충전 시스템은 송신측에 AC/DC 변환기(40), RF 신호 발생기(20), 위상 변환 장치(31) 및 1차 코일 배열(19)에 전기 신호를 주는 전력 송신부와, 수신측에 2차 코일 배열(29)로부터 전기 신호를 수신하여 배터리 충전이 가능한 직류 전기를 발생시키는 전력 수신부 및 정류 장치(50)를 포함할 수 있다.

여기서, 1차 코일 배열(19)은 n개의 1차 코일들로 구성되고, 2차 코일 배열(29)은 m개의 2차 코일 배역들로 구성된다.

도 9 내지 도 11은 본 발명에 다른 무선충전 시스템의 2차 코일 배열이 장착되는 위치에 따른 동작을 설명하는데 참조되는 예시도이다.

먼저, 도 9는 2차 코일 배열이 기기의 배터리에 장착되어 해당 기기에 전력을 공급하는 동작을 나타낸 것이다.

도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 무선충전 시스템은 고주파(RF)의 전기 신호를 사용하여 2차 코일 배열(20)이 기기(200)의 배터리(100)에 장착될 때 전기전도체인 배터리 케이스에 의해 자속이 끊기지 않고도 최대한 밀착할 수 있도록 한다. 이때, 소형기기의 배터리에 장착이 용이하도록 한다.

일 예로서, 투자율이 40 이상인 필름 형태의 페라이트 시트(Ferrite sheet)를 2차 코일 배열과 배터리 케이스 사이에 부착하여 격리시킨다. 이 경우, 이격 거리를 효과적으로 감소시킬 수 있게 된다.

도 10은 2차 코일 배열이 기기의 외장 기구물에 장착되는 경우를 나타낸 것이다. 도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 무선충전 시스템은 기기(200)의 외장 기구물(300)에 장착된 2차 코일 배열(20)로부터 해당 기기에 전력을 공급하는 것이 가능하게 된다.

도 11은 두 대의 서로 다른 기기에 각각 2차 코일 배열을 장착한 경우를 나타낸 것이다. 도 11에 도시된 바와 같이, 1차 코일 배열(10)과 서로 다른 두 대의 기기에 장착된 2차 코일 배열들(26, 27) 상호 간에 특정한 위치에 관계없이 1차 코일(C11, C12)에서 발생된 자기장의 상당 부분이 2차 코일에 유도되어 기기가 정상적으로 충전 가능하게 된다.

이상과 같이 본 발명에 의한 임의의 위치에서 다수의 기기를 동시에 충전 가능한 무선충전 시스템은 예시된 도면을 참조로 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명은 한정되지 않고, 기술사상이 보호되는 범위 이내에서 응용될 수 있다.

Claims

충전판 내의 1차 코일 배열과 기기 내에 장착되는 2차 코일 배열 상호간 정확한 위치에 정렬되지 않더라도 충전판 상의 임의의 위치에서 기기의 충전이 가능한 것을 특징으로 하는 무선충전 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 1차 코일 배열과 상기 2차 코일 배열이 상호간 기하학적으로 비대칭 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 무선 충전 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 2차 코일 배열은,
상기 기기의 배터리, 외장 기구물 중 적어도 하나에 장착 가능한 것을 특징으로 하는 무선충전 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 2차 코일 배열을 서로 다른 복수의 기기에 장착하여, 하나의 충전판 상에서 상기 서로 다른 복수의 기기를 충전하는 것이 가능한 것을 특징으로 하는 무선 충전 시스템.