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KR20160030801A - 비접촉 방식 충전 장치 - Google Patents

비접촉 방식 충전 장치 Download PDF

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KR20160030801A
KR20160030801A KR1020140120454A KR20140120454A KR20160030801A KR 20160030801 A KR20160030801 A KR 20160030801A KR 1020140120454 A KR1020140120454 A KR 1020140120454A KR 20140120454 A KR20140120454 A KR 20140120454A KR 20160030801 A KR20160030801 A KR 20160030801A
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power
switching
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power transmission
coils
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정인화
임형진
김희욱
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삼성전기주식회사
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 비접촉 방식 충전 장치는, 비접촉 방식으로 전력을 전송하는 복수의 송전 코일; 복수의 송전 코일 각각에 연결되어 해당하는 송전 코일을 통해 전송되는 전력을 스위칭하는 복수의 스위칭부; 및 복수의 송전 코일 각각과, 수의 송전 코일로부터 전력을 전송받아 적어도 하나의 배터리 셀에 전력을 충전시키는 적어도 하나의 수전 코일을 갖는 복수의 배터리 장치의 각 적어도 하나의 수전 코일 간의 커플링 계수에 따라, 스위칭부의 전력 스위칭을 제어하는 스위칭 제어부를 포함한다.

Description

비접촉 방식 충전 장치{NON-CONTACT TYPE POWER CHARGING APPARATUS}
본 발명은 비접촉 방식으로 배터리 셀에 전력을 충전할 수 있는 충전 장치에 관한 것이다.
전자장치는 전기를 에너지원으로 하여 작동한다.
전자장치를 작동시키기 위해서는 에너지원인 전력의 공급이 필요하며, 전력의 공급은 장치가 스스로 자체 발전하여 조달할 수 있으며 또는 외부로부터 공급받을 수도 있다.
전자장치가 외부로부터 전력을 공급받기 위해서는 외부의 전력 공급 설비로부터 전자장치로 전력을 전달해 주기 위한 전력 공급 장치가 필요하게 된다.
이러한 전력 공급 장치로는 일반적으로 커넥터 등으로 전자 장치에 직접 연결되어 전자 장치에 내장된 배터리(battery)에 전력을 공급하는 접촉 방식의 전력 공급 장치가 주로 사용되거나, 하기의 선행 기술 문헌에 기재된 발명과 같이, 비접촉 방식으로 전자 장치에 내장된 배터리에 전력을 공급할 수 있다.
그러나, 하기의 선행 기술 문헌에는, 비접촉 방식으로 배터리 장치에 전력을 공급하는 경우 배터리 장치 내의 복수의 배터리 셀간의 전력 밸런스 및 배터리 셀의 유효 전류 극대화에 관한 기재는 개시되어 있지 않으며, 더하여 복수의 배터리 장치 간의 전력 밸런스 및 유효 전류 극대화에 관한 기재는 개시되어 있지 않다.
국내특허공개공보 제2013-0054897호
본 발명의 일 실시예에 따르면, 송전 코일과 수전 코일 간의 커플링 계수에 따라 비접촉 방식으로 복수의 배터리 장치 각각에 충전되는 전력을 제어할 수 있는 충전 장치가 제공된다.
상술한 본 발명의 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 비접촉 방식 충전 장치는, 비접촉 방식으로 전력을 전송하는 복수의 송전 코일; 복수의 송전 코일 각각에 연결되어 해당하는 송전 코일을 통해 전송되는 전력을 스위칭하는 복수의 스위칭부; 및 복수의 송전 코일 각각과, 수의 송전 코일로부터 전력을 전송받아 적어도 하나의 배터리 셀에 전력을 충전시키는 적어도 하나의 수전 코일을 갖는 복수의 배터리 장치의 각 적어도 하나의 수전 코일 간의 커플링 계수에 따라, 스위칭부의 전력 스위칭을 제어하는 스위칭 제어부를 포함한다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 비접촉 방식 충전 장치는, 직류 전력을 공급하는 전력부와, 전력부로부터의 직류 전력을 스위칭하는 스위칭부와, 스위칭부의 전력 스위칭에 따라 비접촉 방식으로 전력을 전송하는 송전 코일과, 송전 코일의 전력 상태 변동을 검출하는 검출부와, 검출부의 검출 결과에 따라 송전 코일과 수전 코일 간의 커플링 계수를 설정하여 스위칭부의 전력 스위칭을 제어하는 제어부를 각각 갖는 복수의 송전 유닛을 포함하고, 복수의 송전 유닛은 복수의 송전 유닛 각각의 송전 코일과, 송전 코일로부터 전력을 전송받아 적어도 하나의 배터리 셀에 전력을 충전시키는 적어도 하나의 수전 코일을 갖는 복수의 배터리 장치의 각 적어도 하나의 수전 코일 간의 커플링 계수에 따라 송전 전력을 제어한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 송전 코일과 수전 코일 간의 커플링 계수에 따라 전송되는 전력량을 배터리 셀별로 조정하여 배터리 셀간의 전력 밸런스를 유지하거나, 각 배터리 셀의 최대 충전 허용 전류로 충전하여 급속 충전할 수 있으며, 더하여 적어도 하나의 배터리 셀을 갖는 복수의 배터리 장치에 각각 전송되는 전력량을 조정하여 배터리 장치 간의 전력 밸런스를 유지하거나 각 배터리 장치의 최대 충전 허용 전류로 충전하여 급속 충전할 수 있는 효과가 있다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 충전 장치의 활용예들을 나타내는 도면이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 충전 장치 및 배터리 장치의 실시예들을 개략적으로 나타내는 회로도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 충전 장치에 채용된 전력 공급부의 실시예들을 계략적으로 나타내는 회로도이다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 충전 유닛의 제1 내지 제4 실시예를 개략적으로 나타내는 회로도이다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 배터리 장치의 실시예 및 활용예를 나타내는 도면이다.
도 6a 내지 도 6d와, 도 7a 내지 도 7d와, 도 8a 및 도 8b는 본 발명의 충전 동작의 실시예들을 나타내는 도면이다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 커플링 계수 센싱 방법의 실시예들을 나타내는 플로우 챠트이다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 충전 장치와 배터리 장치 간의 데이터 통신의 실시예들을 개략적으로 나타내는 회로도이다.
도 11은 본 발명의 충전 장치에서 배터리 장치에 전송되는 전력 제어의 일 실시예를 개략적으로 나타내는 회로도이다.
도 12는 본 발명의 충전 장치에서 복수의 배터리 장치에 전송되는 전력 제어의 일 실시예를 개략적으로 나타내는 회로도이다.
도 13a 내지 도 13d는 본 발명의 배터리 장치에서의 액티브 정류기의 스위칭 제어에 관한 일 실시예를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 충전 장치의 활용예들을 나타내는 도면이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 본 발명의 충전 장치(A)는 복수의 배터리 셀을 갖는 배터리 장치(B)를 구비한 휴대폰, 태블릿 PC, 랩탑 PC 등에 비접촉 방식으로 전력을 전송할 수 있다. 더하여 본 발명의 충전 장치(A)는 배터리 장치(B1,B2)를 갖는 복수의 휴대폰, 태블릿 PC, 랩탑 PC 등에 장치별로 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.)
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 충전 장치 및 배터리 장치의 실시예들을 개략적으로 나타내는 회로도이다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 발명의 충전 장치(A)는 비접촉 방식으로 전력을 전송하는 전력 공급부(110)를 포함할 수 있고, 전력 공급부(110)는 사전에 설정된 전력을 제공하는 전력 변환부(111) 및 전력 변환부(111)로부터의 전력을 비접촉 방식으로 전송하는 송전 코일(CTx1,CTx11,CTx12,CTx21,CTx22)를 포함할 수 있다.
도 2a와 같이 충전 장치(A)는 하나의 송전 코일(CTx1)을 구비할 수도 있고, 전력의 전송 효율을 높이기 위해, 도 2b과 같이, 복수의 송전 코일(CTx11,CTx12,CTx21,CTx22)를 구비할 수 있으며, 복수의 송전 코일(CTx11,CTx12,CTx21,CTx22)의 개수는 수전측의 수전 코일(CRx11,CRx12,CRx21,CRx22)에 대응되도록 형성할 수도 있다.
다시 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 배터리 장치(B)는 충전부(120) 및 배터리부(130)를 포함할 수 있고, 충전부(120)는 복수의 충전 유닛(121-1,121-2,122-1,122-2)를 배터리부(130)의 복수의 배터리 셀(BC11,BC12,BC21,BC22)에 일대일 되도록 구비할 수 있으며, 복수의 충전 유닛(121-1,121-2,122-1,122-2) 각각은 해당하는 배터리 셀(BC11,BC12,BC21,BC22)에 전력을 충전시키기 위해, 수전 코일(CRx11,CRx12,CRx21,CRx22) 및 충전 제어부(L11,L12,L21,L22)를 포함할 수 있다.
수전 코일(CRx11,CRx12,CRx21,CRx22)는 충전 장치(A)의 송전 코일(CTx1,CTx11,CTx12,CTx21,CTx22)로부터 비접촉 방식으로 전력을 전송받을 수 있으며, 충전 제어부(L11,L12,L21,L22)는 수전 코일(CRx11,CRx12,CRx21,CRx22)로부터의 전력을 해당하는 배터리 셀(BC11,BC12,BC21,BC22)에 충전시키며, 해당하는 배터리 셀에 충전되는 전력의 전류값을 제어할 수 있다. 해당되는 배터리 셀에 충전되는 전력은 송전 코일과 수전 코일 간에 설정된 커플링 계수에 따라 제어될 수 있다. 배터리부(130)는 적어도 하나의 배터리 셀 그룹을 포함할 수 있으며, 상기 적어도 하나의 배터리 셀 그룹은 서로 직렬 연결된 복수의 배터리 셀을 포함할 수 있다.
송전 코일과 수전 코일 간의 커플링 계수에 관해서는 도 9a 및 도 9b를 참조하여 보다 상세하게 후술하도록 한다.
한편, 상술한 충전 장치(A)와 배터리 장치(B)가 하나의 충전 장치로 실시되는 경우, 하나의 충전 장치는 송전 장치(A)와 수전 장치(B)로 실시될 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 충전 장치에 채용된 전력 공급부의 실시예들을 계략적으로 나타내는 회로도이다.
전력 공급부(110)는 전력을 스위칭하는 전력 변환부(111) 및 송전 코일(CTx1)을 포함할 수 있다. 송전 코일은 복수개 포함될 수 있다.
전력 변환부(111)는 스위칭부(111b), 스위칭 제어부(111a) 및 통신부(111c)를 포함할 수 있고, 스위칭부(111b)는 송전 코일(CTx1)에 전기적으로 연결되어 입력된 전력을 스위칭하여 송전 코일(CTx1)을 통해 전력을 무선 전송할 수 있으며, 스위칭 제어부(111a)는 스위칭부(111b)의 스위칭을 제어하는 스위칭 제어 신호(SQ1, SQ2, 또는 SQ1~SQ4)를 제공할 수 있다. 송전 코일이 복수개 포함될 경우, 복수개의 송전 코일에 각각 복수개의 스위칭부가 일대일 연결될 수도 있고, 적어도 하나의 스위칭부에 다수의 송전 코일이 연결될 수도 있다.
통신부(111c)는 무선 충전 대상 기기로부터 충전 상태 정보를 전달받아 이를 스위칭 제어부(111a)에 제공하여, 스위칭 제어부(111a)가 스위칭 듀티, 온/오프 타임 등을 조절하여 급속 충전 또는 배터리 셀간의 전력 밸런싱 유지 등의 기능을 도모할 수 있다.
스위칭부(111b)는 도 3a에 도시된 바와 같이 적어도 둘의 스위치(Q1,Q2)를 구비할 수 있으며, 각 스위치(Q1,Q2)는 전계효과 트랜지스터(Field effect transist;FET)로 구성될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 적어도 둘의 스위치(Q1,Q2)는 하프 브리지 스위치(Q1,Q2) 구조일 수도 있고, 도 3b에 도시된 바와 같이 풀 브리지 스위치(Q1,Q2,Q3,Q4) 구조일 수도 있으나 이에 한정되지 않고 다양하게 구성될 수 있다. 스위치(Q1,Q2)에는 구동 전력(Vcc)가 공급될 수 있으며, 구동 전력(Vcc)는 전압 레벨이 고정되거나 가변되어 공급될 수도 있다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 충전 유닛의 제1 내지 제4 실시예를 개략적으로 나타내는 회로도이다.
도 4a 내지 도 4d를 참조하면, 본 발명의 충전 유닛은 수전 코일(CRx) 및 충전 제어부를 포함할 수 있다.
수전 코일(CRx)은 전력 공급부로부터의 해당하는 송전 코일로부터 전력을 무선 전송받을 수 있으며, 충전 제어부(L)는 수신받는 무선 전력을 제어하고, 해당하는 배터리 셀에 전송받은 전력을 충전시킬 수 있다.
충전 제어부(L)는 정류부(La), 레귤레이터(Lb) 및 제어부(Lc)를 포함할 수 있다.
정류부(La)는 수전 코일(CRx)로부터의 전력을 정류할 수 있고, 레귤레이터(Lb)는 정류된 전력을 충전에 적합한 전력으로 변환하여 해당 배터리 셀의 충전을 제어할 수 있다. 제어부(Lc)는 수전 코일(CRx)에 전송된 전력의 상태를 검출하여 전력 공급부에 전력 상태 정보를 무선으로 전송할 수 있다.
이를 위해, 제어부(Lc)는 수전 코일(CRx)로부터의 전력 또는 레귤레이터(Lb)로부터 배터리 셀에 전달되는 전력의 상태를 검출할 수 있다.
한편, 제어부(Lc)는 수전 코일(CRx)을 통해 펄스 형태의 전력 상태 정보를 무선으로 송전측에 전송할 수도 있고, 별도의 통신부(Com)을 구비하여, 검출부(Det)에 의해 검출된 전력 상태 정보를 통신부(Com)를 통해 사전에 설정된 통신 방식으로 송전측에 전송할 수 있다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 배터리 장치의 실시예 및 활용예를 나타내는 도면이다.
도 5a를 참조하면, 본 발명의 배터리 장치(B)는 예를 들어 6개의 배터리 셀(BC11~BC23)를 포함할 수 있으며, 6개의 배터리 셀(BC11~BC23)은 3개의 배터리 셀(BC11,BC12,BC13),(BC21,BC22,BC23)이 직렬 연결되어 하나의 배터리 셀 그룹을 형성하고, 2개의 배터리 셀 그룹(BC11,BC12,BC13),(BC21,BC22,BC23)은 서로 병렬 연결되도록 구성될 수 있다.(본 발명의 배터리 장치(B)는 휴대폰, 태블릿 PC, 랩탑 PC 등에 채용될 수 있으나 그 각각의 상세한 도면은 생략한다.)
더하여, 도 5b에 도시된 바와 같이, 6개의 배터리 셀(BC11~BC23)에 각각 대응되는 6개의 수전 코일(CRx11~CRx23)이 구비될 수 있으며, 6개의 수전 코일(CRx11~CRx23)은 충전 장치(A)의 송전 코일로부터 전력을 무선 전송받을 수 있다.
예를 들어, 도 5a에 도시된 바와 같이 충전 장치(A)는 적어도 하나의 송전 코일(CTx1)을 포함할 수도 있고, 도 5b에 도시된 바와 같이 6개의 수전 코일(CRx11~CRx23)에 각각 대응되는 6개의 송전 코일(CTx11~CTx23)을 포함할 수도 있다.
또한, 도 5c를 참조하면, 충전 장치(A)는 복수개의 송전 코일(CTx1,CTx2)을 포함할 수도 있고, 배터리 장치(B) 또한 6개 이하 또는 6개 이상의 복수개의 수전 코일(CRx1,CRx2)을 구비할 수 있다.
도 6a 내지 도 6d와, 도 7a 내지 도 7d와, 도 8a 및 도 8b는 본 발명의 충전 동작을 나타내는 도면이다.
도 6a 내지 도 6d를 참조하면, 수전 코일 각각에 전달되는 전력 양((VRx1,VRx2,VRx3)이 다를 수 있으며, 이에 따라 전력 공급부에서 전력 상태 정보에 따라 수전 코일에서 해당하는 송전 코일에 전송되는 전력량을 균등한 상태에서 다르게 설정할 수 있다(VTx1,VTx2,VTx3).
도 6a에 도시된 바와 같이, 전력 공급부는 충전부로부터의 전력 상태 정보에 따라 복수의 수전 코일에 수신된 전압(VRx1,VRx2,VRx3) 중 최대 전압(VRx2)을 기준으로 수전 코일에 수신되는 전력량이 일정하도록 전력 간의 밸런스를 유지시킬 수 있고, 반대로 도 6d에 도시된 바와 같이, 복수의 수전 코일에 수신된 전압(VRx1,VRx2,VRx3) 중 최소 전압(VRx2)을 기준으로 수전 코일에 수신되는 전력량이 일정하도록 전력 간의 밸런스를 유지시킬 수 있다.
도 6b에 도시된 바와 같이 송전 코일에서 전송되는 전력량을 각각 제어하기 위해 해당하는 스위치회로의 스위칭 온 듀티 또는 오프 듀티를 제어할 수 있고, 도 6c에 도시된 바와 같이 해당하는 스위치회로의 스위칭 데드 타임을 제어할 수도 있다.
상술한 충전 동작을 도 7a 내지 도 7d를 참조하여, 보다 상세히 설명하도록 한다.
도 7a를 참조하면, 예를 들어 본 발명의 충전 장치가 하나의 송전 유닛(Tx1)이 구비하고, 하나의 송전 유닛(Tx1)는 적어도 둘의 수전 유닛(Rx1,Rx2)에 전력을 무선 전송할 수 있다.
여기서, 송전 유닛(Tx1)은 도 3a 또는 도 3b에 도시된 구성을 포함할 수 있으며, 수전 유닛(Rx1,Rx2)는 각각 도 4a 내지 도 4d에 도시된 구성을 포함할 수 있다.
예를 들어, 제2 수전 유닛(Rx2)에서 검출되는 전압(VRx2)(또는 검출된 전류(IRx2))이 제1 수전 유닛(Rx1)에서 검출되는 전압(VRx1)(또는 검출된 전류(IRx1)) 보다 작을 경우, 즉, 기호 ① 의 경우에는 제2 수전 유닛(Rx2)에서 검출되는 전압(VRx2)이 기준 전압(VRef)에 도달하도록 송전 유닛(Tx1)이 무선 전송하는 전력의 크기를 증가할 수 있다. 이에 따라, 송전 유닛(Tx1)이 무선 전송하는 전력을 같이 전달받는 제1 수전 유닛(Rx1)에서 검출되는 전압(VRx1)이 기준 전압(VRef)을 초과할 수 있으나, 급속 충전의 이점이 있다. 여기서 기준 전압(Verf)는 해당 배터리 셀에 최대 허용 전류가 흐르도록 설정될 수 있다.
기호 ②의 경우에는 제1 수전 유닛(Rx1)에서 검출되는 전압(VRx1)을 기준 전압(VRef)에 도달하도록 송전 유닛(Tx1)이 무선 전송하는 전력의 크기를 증가할 수 있다. 이에 따라, 송전 유닛(Tx1)이 무선 전송하는 전력을 같이 전달받는 제2 수전 유닛(Rx2)에서 검출되는 전압(VRx2)이 기준 전압(VRef)에 못미칠 수 있으나, 전력 전송의 효율이 증가하는 이점이 있다.
도 7b를 참조하면, 예를 들어 본 발명의 충전 장치가 하나의 송전 유닛(Tx1)이 구비하고, 하나의 송전 유닛(Tx1)는 적어도 셋의 수전 유닛(Rx1,Rx2, Rx3)에 전력을 무선 전송할 수 있다.
예를 들어, 제2 수전 유닛(Rx2)에서 검출되는 전압(VRx2)(또는 검출된 전류(IRx2))이 제1 수전 유닛(Rx1)에서 검출되는 전압(VRx1)(또는 검출된 전류(IRx1)) 보다 크고, 제3 수전 유닛(Rx3)에서 검출되는 전압(VRx3)(또는 검출된 전류(IRx3))이 제1 수전 유닛(Rx1)에서 검출되는 전압(VRx1)(또는 검출된 전류(IRx1)) 보다 작을 경우, 즉, 기호 ① 의 경우에는 최소값인 제3 수전 유닛(Rx3)에서 검출되는 전압(VRx3)을 기준 전압(VRef)에 도달하도록 송전 유닛(Tx1)이 무선 전송하는 전력의 크기를 증가할 수 있다. 이에 따라, 송전 유닛(Tx1)이 무선 전송하는 전력을 같이 전달받는 제1 수전 유닛(Rx1)에서 검출되는 전압(VRx1) 및 제2 수전 유닛(Rx2)에서 검출되는 전압(VRx2)이 기준 전압(VRef)을 초과할 수 있으나, 급속 충전의 이점이 있는 반면 전력 전송의 효율은 낮아질 수 있다.
기호 ②의 경우에는 중간값인 제1 수전 유닛(Rx1)에서 검출되는 전압(VRx1)을 기준 전압(VRef)에 도달하도록 송전 유닛(Tx1)이 무선 전송하는 전력의 크기를 증가할 수 있다. 이에 따라, 송전 유닛(Tx1)이 무선 전송하는 전력을 같이 전달받는 제2 수전 유닛(Rx2)에서 검출되는 전압(VRx2)은 기준 전압(VRef)을 초과하고, 제3 수전 유닛(Rx3)에서 검출되는 전압(VRx3)은 기준 전압(VRef)에 못 미칠 수 있다.
기호 ③의 경우에는 최대값인 제2 수전 유닛(Rx2)에서 검출되는 전압(VRx2)을 기준 전압(VRef)에 도달하도록 송전 유닛(Tx1)이 무선 전송하는 전력의 크기를 증가할 수 있다. 이에 따라, 송전 유닛(Tx1)이 무선 전송하는 전력을 같이 전달받는 제1 수전 유닛(Rx2)에서 검출되는 전압(VRx1)과 제3 수전 유닛(Rx3)에서 검출되는 전압(VRx3)은 기준 전압(VRef)에 못 미칠 수 있으나, 전력 전송 효율은 증가할 수 있다. 반면에 충전 속도는 낮아질 수 있다.
도 7c를 참조하면, 예를 들어 본 발명의 충전 장치가 적어도 둘의 송전 유닛(Tx1,Tx2)을 구비하고, 둘의 송전 유닛(Tx1,Tx2)는 적어도 둘의 수전 유닛(Rx1,Rx2)에 전력을 무선 전송할 수 있다.
예를 들어, 제2 수전 유닛(Rx2)에서 검출되는 전압(VRx2)(또는 검출된 전류(IRx2))이 제1 수전 유닛(Rx1)에서 검출되는 전압(VRx1)(또는 검출된 전류(IRx1)) 보다 작을 경우, 즉, 기호 ① 의 경우에는 제1 수전 유닛(Rx1)에서 검출되는 전압(VRx1)이 제2 수전 유닛(Rx2)에서 검출되는 전압(VRx2)과 동일하도록 제1 및 제2 송전 유닛(Tx1,Tx2)이 무선 전송하는 전력의 크기를 조절할 수 있다. 이후, 제1 수전 유닛(Rx1)에서 검출되는 전압(VRx1)과 제2 수전 유닛(Rx2)에서 검출되는 전압(VRx2)이 기준 전압(VRef)를 만족하도록 제1 및 제2 송전 유닛(Tx1,Tx2)이 무선 전송하는 전력의 크기를 조절할 수 있다.
기호 ②의 경우에는 제2 수전 유닛(Rx2)에서 검출되는 전압(VRx2)이 제1 수전 유닛(Rx1)에서 검출되는 전압(VRx1)과 동일하도록 제1 및 제2 송전 유닛(Tx1,Tx2)이 무선 전송하는 전력의 크기를 조절할 수 있다. 이후, 제1 수전 유닛(Rx1)에서 검출되는 전압(VRx1)과 제2 수전 유닛(Rx2)에서 검출되는 전압(VRx2)이 기준 전압(VRef)를 만족하도록 제1 및 제2 송전 유닛(Tx1,Tx2)이 무선 전송하는 전력의 크기를 조절할 수 있다.
반면에, 기호 ③ 또는 기호 ④의 경우에는 제2 수전 유닛(Rx2)에서 검출되는 전압(VRx2)을 기준 전압(VRef)에 도달하도록 제1 및 제2 송전 유닛(Tx1,Tx2)이 무선 전송하는 전력의 크기를 증가하거나, 제1 수전 유닛(Rx1)에서 검출되는 전압(VRx1)을 기준 전압(VRef)에 도달하도록 제1 및 제2 송전 유닛(Tx1,Tx2)이 무선 전송하는 전력의 크기를 증가할 수 있다. 상술한 전력의 량의 증가는 수전 유닛과 충전 유닛 간의 커플링 정도에 따라 조절하여 배터리 셀간의 밸런싱을 유지하거나 각 배터리 셀의 최대 충전 허용 전류로 충전하여 급속 충전할 수 있다.
도 7d를 참조하면, 예를 들어 본 발명의 충전 장치가 적어도 둘의 송전 유닛(Tx1,Tx2)을 구비하고, 둘의 송전 유닛(Tx1,Tx2)는 적어도 셋의 수전 유닛(Rx1,Rx2,Rx3)에 전력을 무선 전송할 수 있다.
제2 수전 유닛(Rx2)에서 검출되는 전압(VRx2)(또는 검출된 전류(IRx2))이 제1 수전 유닛(Rx1)에서 검출되는 전압(VRx1)(또는 검출된 전류(IRx1)) 보다 크고, 제3 수전 유닛(Rx3)에서 검출되는 전압(VRx3)(또는 검출된 전류(IRx3))이 제1 수전 유닛(Rx1)에서 검출되는 전압(VRx1)(또는 검출된 전류(IRx1)) 보다 작을 경우, 기호 ① 의 경우에는 제1 수전 유닛(Rx1)에서 검출되는 전압(VRx1)과 제2 수전 유닛(Rx2)에서 검출되는 전압(VRx2)이 최소값인 제3 수전 유닛(Rx3)에서 검출되는 전압(VRx3)과 동일하도록 제1 및 제2 송전 유닛(Tx1,Tx2)이 무선 전송하는 전력의 크기를 조절할 수 있고, 이후 제1 수전 유닛(Rx1)에서 검출되는 전압(VRx1)과 제2 수전 유닛(Rx2)에서 검출되는 전압(VRx2)과 제3 수전 유닛(Rx3)에서 검출되는 전압(VRx3)이 기준 전압(VRef)를 만족하도록 제1 및 제2 송전 유닛(Tx1,Tx2)이 무선 전송하는 전력의 크기를 조절할 수 있다.
기호 ②의 경우에는 제1 수전 유닛(Rx1)에서 검출되는 전압(VRx1)과 제3 수전 유닛(Rx3)에서 검출되는 전압(VRx3)이 최대값인 제2 수전 유닛(Rx2)에서 검출되는 전압(VRx2)과 동일하도록 제1 및 제2 송전 유닛(Tx1,Tx2)이 무선 전송하는 전력의 크기를 조절할 수 있고, 이후 제1 수전 유닛(Rx1)에서 검출되는 전압(VRx1)과 제2 수전 유닛(Rx2)에서 검출되는 전압(VRx2)과 제3 수전 유닛(Rx3)에서 검출되는 전압(VRx3)이 기준 전압(VRef)를 만족하도록 제1 및 제2 송전 유닛(Tx1,Tx2)이 무선 전송하는 전력의 크기를 조절할 수 있다.
기호 ③의 경우에는 제2 수전 유닛(Rx2)에서 검출되는 전압(VRx2)과 제3 수전 유닛(Rx3)에서 검출되는 전압(VRx3)이 중간값인 제1 수전 유닛(Rx1)에서 검출되는 전압(VRx1)과 동일하도록 제1 및 제2 송전 유닛(Tx1,Tx2)이 무선 전송하는 전력의 크기를 조절할 수 있고, 이후 제1 수전 유닛(Rx1)에서 검출되는 전압(VRx1)과 제2 수전 유닛(Rx2)에서 검출되는 전압(VRx2)과 제3 수전 유닛(Rx3)에서 검출되는 전압(VRx3)이 기준 전압(VRef)를 만족하도록 제1 및 제2 송전 유닛(Tx1,Tx2)이 무선 전송하는 전력의 크기를 조절할 수 있다.
더하여, 기호 ④,⑤ 또는 ⑥의 경우에는 제2 수전 유닛(Rx2)에서 검출되는 전압(VRx2)을 기준 전압(VRef)에 도달하도록 제1 및 제2 송전 유닛(Tx1,Tx2)이 무선 전송하는 전력의 크기를 증가하거나, 제3 수전 유닛(Rx3)에서 검출되는 전압(VRx3)을 기준 전압(VRef)에 도달하도록 제1 및 제2 송전 유닛(Tx1,Tx2)이 무선 전송하는 전력의 크기를 증가하거나, 제1 수전 유닛(Rx1)에서 검출되는 전압(VRx1)을 기준 전압(VRef)에 도달하도록 제1 및 제2 송전 유닛(Tx1,Tx2)이 무선 전송하는 전력의 크기를 증가할 수 있다. 제1 및 제2 송전 유닛(Tx1,Tx2)는 커플링된 수전 유닛에서 검출되는 전압이 기준 전압에 도달하도록 무선 전송하는 전력의 크기를 증가할 수 있으나, 이에 따라 주위에 있는 송전 유닛에도 전력이 무선 전송될 수 있다.
한편, 도 8a 및 도 8b를 참조하면, 도 7c 및 도 7d와 같이 본 발명의 충전 장치가 적어도 둘의 송전 유닛(Tx1,Tx2)을 구비하는 경우 적어도 둘 또는 셋 이상의 수전 유닛(Rx1,Rx2,Rx3)과 무선 전력 커플링이 설정될 수 있다. 보다 상세하게는 송전 유닛에서 전력을 무선 전송하는 경우 해당 송전 유닛으로부터의 전력을 가장 많이 전달받는 수전 유닛이 가장 높은 무선 전력 커플링 관계를 갖고 있는 것으로 설정될 수 있다.
이를 위해 수전 유닛(Rx1,Rx2,Rx3)으로부터의 검출된 전압 또는 전류 정보를 갖는 전력 상태 정보에 따라 해당 송전 유닛과 수전 유닛간에 전력 커플링 관계를 설정할 수 있는데, 도 8a와 같이 둘의 송전 유닛(Tx1,Tx2)을 순차적으로 온/오프시켜 해당 송전 유닛으로부터 전력을 가장 많이 전송받는 수전 유닛을 검색하거나, 도 8b와 같이 둘의 송전 유닛(Tx1,Tx2)의 무선 전력 전송량을 교대로 번갈아서 가변하여 해당 송전 유닛으로부터 전달받은 전력의 변화량이 가장 큰 수전 유닛을 검색할 수 있다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 커플링 계수 센싱 방법을 나타내는 플로우 챠트이다.
먼저, 도 9a를 참조하면, 사전에 설정된 주기로 커플링 계수를 센싱하는 센싱 타임이 되면(S11), 송전 유닛의 송전 코일에 의해 전송되는 전력의 전압 또는 레벨과 수전 유닛의 수전 코일 또는 배터리에 인가되는 전력의 전압 또는 전류 레벨을 검출하여(S21), 송전측과 수전측 간의 커플링 계수를 계산할 수 있다(S31).
계산된 커플링 계수는 송전 유닛의 전송 전력을 제어하는 제어 회로에 전달될 수 있다(S41).
도 9b를 참조하면, 충전 상태가 변동되는 경우(S12), 송전 유닛의 송전 코일에 의해 전송되는 전력의 전압 또는 레벨과 수전 유닛의 수전 코일 또는 배터리에 인가되는 전력의 전압 또는 전류 레벨을 검출하여(S22), 송전측과 수전측 간의 커플링 계수를 계산할 수 있다(S32). 마찬가지로, 계산된 커플링 계수는 송전 유닛의 전송 전력을 제어하는 제어 회로에 전달될 수 있다(S42).
여기서, 충전 상태가 변동되는 경우는 충전 장치 또는 배터리 장치의 위치 변화, 기존에 충전 장치로부터 전력을 충전받는 배터리 장치 외에 또 다른 배터리 장치의 추가 등의 새로운 충전 조건이 발생되는 경우를 의미할 수 있다. 상술한 새로운 충전 조건을 검출하는 방법으로 수전 유닛의 수전 코일 또는 배터리에 인가되는 전력의 전압 또는 전류 레벨이 기준 레벨 이상으로 변동되는 경우를 검출하는 경우를 예로 들 수 있다.
상술한 충전 장치와 배터리 장치 간의 커플링 계수의 계산은 도 8a와 같이 둘의 송전 유닛(Tx1,Tx2)을 순차적으로 온/오프시켜 해당 송전 유닛으로부터 전력을 가장 많이 전송받는 수전 유닛을 검색하거나, 도 8b와 같이 둘의 송전 유닛(Tx1,Tx2)의 무선 전력 전송량을 교대로 번갈아서 가변하여 해당 송전 유닛으로부터 전달받은 전력의 변화량이 가장 큰 수전 유닛을 검색할 수 있다.
먼저, 다음의 수식1과 같이 배터리 장치의 수전 유닛의 수전 코일 또는 배터리에 인가되는 전력의 전압 레벨과, 충전 장치의 송전 유닛의 송전 코일을 통해 전송되는 전력의 전압 레벨 간의 관계를 나타낼 수 있다.
(수식1)
Figure pat00001
(여기서, VRx1, VRx2는 각각 둘의 수전 유닛(Rx1,Rx2)의 수전 코일 또는 배터리에 인가되는 전력의 전압 레벨이고, VTx1, VTx2는 각각 둘의 송전 유닛(Tx1, Tx2)의 송전 코일에 인가되는 전력의 전압 레벨이며, C11,C12,C21,C22는 충전 장치와 배터리 장치 간 즉, 둘의 수전 유닛(Rx1,Rx2)과 둘의 송전 유닛(Tx1, Tx2) 간의 커플링 계수이다.)
송전 코일과 수전 코일이 각각 두개일 경우를 예를 들어 기재하였으며, 송전 코일과 수전 코일은 각각 세 개 이상인 경우에도 동일한 방식으로 배터리 장치의 수전 유닛의 수전 코일 또는 배터리에 인가되는 전력의 전압 레벨과, 충전 장치의 송전 유닛의 송전 코일을 통해 전송되는 전력의 전압 레벨 간의 관계를 나타낼 수 이다. 더하여, Cij는 VRxi와 VTxj 간의 커플링 계수를 의미한다.
도 8a에 도시된 바와 같이, 둘의 송전 유닛(Tx1,Tx2)을 순차적으로 온/오프시켜 해당 송전 유닛으로부터 전력을 가장 많이 전송받는 수전 유닛을 검색하여 커플링 계수를 계산하는 경우, 예를 들어 송전 유닛(Tx2)에 인가되는 전력을 턴 오프시키면 다음의 수식2와 같이 정리될 수 있다.
(수식2)
Figure pat00002
상술한 수식2로부터 커플링 계수 C11,C21는 다음의 수식3에 의해서 계산될 수 있다.
(수식3)
Figure pat00003
다음으로 송전 유닛(Tx1)에 인가되는 전력을 턴 오프시키면 다음의 수식4에 의해서 커플링 계수 C12,C22를 계산할 수 있다.
(수식4)
Figure pat00004
한편, 도 8b에 도시된 바와 같이, 둘의 송전 유닛(Tx1,Tx2)의 무선 전력 전송량을 교대로 번갈아서 가변하여 해당 송전 유닛으로부터 전달받은 전력의 변화량이 가장 큰 수전 유닛을 검색하여 커플링 계수를 계산하는 경우, 다음의 수식5와 같이 배터리 장치의 수전 유닛의 수전 코일 또는 배터리에 인가되는 전력의 전압 레벨의 가변량과, 충전 장치의 송전 유닛의 송전 코일을 통해 전송되는 전력의 전압 레벨의 가변량 간의 관계를 나타낼 수 있다.
(수식5)
Figure pat00005
(여기서, △VRx1, △VRx2는 각각 둘의 수전 유닛(Rx1,Rx2)의 수전 코일 또는 배터리에 인가되는 전력의 전압 레벨의 가변량이고, △VTx1, △VTx2는 각각 둘의 송전 유닛(Tx1, Tx2)의 송전 코일에 인가되는 전력의 전압 레벨의 가변량이며, C11,C12,C21,C22는 충전 장치와 배터리 장치 간, 즉, 둘의 수전 유닛(Rx1,Rx2)과 둘의 송전 유닛(Tx1, Tx2) 간의 커플링 계수이다.)
먼저, 송전 유닛(Tx2)의 출력 전압을 고정시키고(△VTx2=0), 송전 유닛(Tx1)의 출력 전압을 일정 크기 만큼 가변시키면, 둘의 수전 유닛(Rx1,Rx2)에서는 송전 유닛(Tx1)과의 커플링 정도에 따라 둘의 수전 유닛(Rx1,Rx2)에 전송된 전력의 전압 레벨이 변화되게 되고, 이러한 관계는 다음의 수식6과 같이 정리될 수 있다.
(수식6)
Figure pat00006
상술한 수식6으로부터 커플링 계수 C11,C21는 다음의 수식7에 의해서 계산될 수 있다.
(수식7)
Figure pat00007
다음으로, 송전 유닛(Tx1)의 출력 전압을 고정시키고(△VTx1=0), 송전 유닛(Tx2)의 출력 전압을 일정 크기 만큼 가변시켜 커플링 계수 C12,C22는 다음의 수식8에 의해서 계산될 수 있다.
(수식8)
Figure pat00008
이상에서는, 수전 코일 또는 배터리에 인가되는 전력의 전압 레벨과 송전 코일에 인가되는 전력의 전압 레벨을 기초로 커플링 계수를 계산하는 것을 예를 들어 설명하였으나, 수전 코일 또는 배터리에 인가되는 전력의 전류 레벨과 송전 코일에 인가되는 전력의 전류 레벨을 이용할 수도 있다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 충전 장치와 배터리 장치 간의 데이터 통신을 개략적으로 나타내는 회로도이다.
도 10a를 참조하면, 상기한 바와 같이 송전측과 수전측 간의 커플링 계수를계산하기 위해, 충전 장치(A)의 송전 유닛(Tx1,Tx2)은 각각 송전 코일(CTx1,CTx2) 및 송전 코일(CTx1,CTx2)에 전력을 전달하는 스위칭부(111b1,111b2)를 포함할 수 있다.
스위칭부(111b1,111b2)의 각 스위치(Q11,Q21,Q12,Q22)는 스위칭 제어부(111a)로부터의 스위칭 제어 신호(SQ11,SQ21,SQ12,SQ22)에 따라 구동 전력(VDC1,VDC2)을 스위칭하여 해당하는 송전 코일(CTx1,CTx2)을 통해 외부로 전력을 비접촉방식으로 전송할 수 있다.
스위칭 제어부(111a)는 통신부(111c)로부터 전달받은 배터리 장치(B)의 정보에 따라 스위칭부(111b1,111b2)의 전력 스위칭을 제어할 수 있는데, 각 스위치(Q11,Q21,Q12,Q22)의 스위칭 듀티 또는 온-오프 데드타임을 조절하여 송전 코일(CTx1,CTx2)을 통해 출력되는 전력의 전압 레벨(VTx1,VTx2)을 조정하거나, 구동 전력(VDC1,VDC2)의 전압 레벨을 조절하여 송전 코일(CTx1,CTx2)을 통해 출력되는 전력의 전압 레벨(VTx1,VTx2)을 조정하거나, 또는 스위칭 주파수를 제어하여 송전 코일(CTx1,CTx2)을 통해 전력이 전송되는 주파수(fTx1,fTx2)를 제어할 수 있다.
상술한 조정 또는 제어 동작은 송전측과 수전측 간의 커플링 계수에 기초하여 이루어질 수 있으며, 충전 장치(A)의 충전면에서의 배터리 장치(B)의 위치, 충전 상태, 동작 상태, 충전 전력 정보 등이 지속적으로 필요하므로, 충전 장치(A)의 통신부(111a)와 배터리 장치(B)의 통신부(Com) 간의 양방향 통신에 의해서 정보 전달이 이루어질 수 있다. 더하여, 충전 장치(A)의 송전 코일의 위치, 전력 전송 상태, 전력 변환 동작, 충전 전력 정보 등이 배터리 장치(B)의 통신부(Com)를 통해 배터리 장치(B)에 전달될 수 있다. 또한, 수전 코일이 수신한 전력 또는 배터리에 인가되는 전력의 전압 또는 전류 레벨이 통신부(111c)를 통해 충전 장치(A)로 전달될 수 있고, 송전 코일에 인가되는 전력의 전압 또는 전류 레벨이 통신부를 통해 배터리 장치(B)에 전달될 수도 있다. 또한, 배터리 장치(B)에서 충전 장치(A)의 송전 코일과 배터리 장치(B)의 수전 코일 사이의 커플링 계수를 계산한 경우, 계산된 커플링 계수가 상기 통신부를 통해 충전 장치(A)로 전달될 수 있다.
상술한 양방향 통신은 블루투스(bluetooth), 지그비(zigbee), 와이파이(wi-fi), 근거리 통신(Near Field Communication; NFC) 등 다양한 통신 방식과 통신 주파수가 적용될 수 있다.
도 10b를 참조하면, 충전 장치(A)와 배터리 장치(B) 간에는 송전 코일(CTx)와 수전 코일(CRx) 간에 비접촉 방식으로 전력이 전송될 수 있고, 정보 전달이 이루어질 수 있다.
충전 장치(A)의 전력 공급부(110)는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 전력부(111e), 전력부(111e)로부터의 직류 전원을 제어에 따라 스위칭하여 송전 코일(CTx)을 통해 외부로 전송하는 스위칭부(111b), 송전 코일(CTx)의 전력 상태를 검출하는 검출부(111d), 검출부(111d)로부터의 검출 정보에 따라 스위칭부(111b)의 스위칭을 제어하는 제어부(111a)를 포함할 수 있다.
배터리 장치(B)는 수전 코일(CRx)로부터의 전력을 정류하는 정류부(La), 정류된 전력을 배터리(Bc) 충전에 적절한 충전 전력으로 조절하는 레귤레이터(Lb), 레귤레이터(Lb)의 동작을 제어하는 제어부(Lc)를 포함할 수 있다.
레귤레이터(Lb)의 동작에 의해 수신 코일(CRx)에 전송되는 전력이 가변될 수 있으며, 수전 코일(CRx)과 송전 코일(CTx) 간의 자기 결합에 의해 수신 코일(CRx)의 전력 변동은 송전 코일(CTx)에 나타날 수 있으며, 검출부(111d)는 이를 검출하여 제어부(111a)에 전달하고, 제어부(111a)는 검출 정보에 따라 스위칭부(111b)의 스위칭을 제어할 수 있다.
상술한 전력 변동에 따라 배터리 장치(B)와 충전 장치(A) 간에 통신이 이루어질 수 있다. 또한, 이러한 방식으로 이루어진 통신을 이용하여, 배터리 장치(B)의 수전 코일이 수신하는 전력의 전압 또는 전류 레벨 정보, 배터리 장치(B)의 배터리에 인가되는 전력의 전압 또는 전류 레벨 정보, 배터리 장치(B)의 위치, 충전 상태, 동작 상태 및 충전 전력 정보, 충전 장치(A)의 송전 코일에 인가되는 전력의 전압 또는 전류 레벨 정보, 충전 장치(A)의 송전 코일의 위치, 전력 전송 상태, 전력 변환 동작, 충전 전력 정보 등이 서로 송수신될 수 있다.
이때, 송전 코일 또는 수전 코일이 복수개인 경우 시분할 방식으로 정보가 송수신될 수 있다.
송수신된 정보를 기초로, 충전 장치(A)의 송전 코일과 배터리 장치(B)의 수전 코일 간의 커플링 계수가 계산될 수 있다. 즉, 충전 장치(A)가 상기 송수신된 정보를 기초로 상기 커플링 계수를 계산할 수 있으며, 배터리 장치(B)가 상기 송수신된 정보를 기초로 상기 커플링 계수를 계산하고, 계산된 커플링 계수가 상술한 전력 변동에 따라 배터리 장치(B)와 충전 장치(A) 간에 이루어지는 통신에 의해 충전 장치(A)로 전송될 수 있다.
배터리 장치(B)와 충전 장치(A)의 송전 코일과 수전 코일 간의 커플링 계수에 기초하여, 충전 장치(A)의 스위칭부(111b)의 스위칭 동작이 제어될 수 있다.
도 11은 본 발명의 충전 장치에서 배터리 장치에 전송되는 전력의 제어를 개략적으로 나타내는 회로도이다.
도 11을 참조하면, 상기한 바와 같이 송전측과 수전측 간의 커플링 계수를 계산하기 위해, 충전 장치(A)의 송전 유닛(Tx1,Tx2)은 각각 송전 코일(CTx1,CTx2) 및 송전 코일(CTx1,CTx2)에 전력을 전달하는 스위칭부(111b1,111b2)를 포함할 수 있다.
스위칭부(111b1,111b2)의 각 스위치(Q11,Q21,Q12,Q22)는 스위칭 제어부(111a)로부터의 스위칭 제어 신호(SQ11,SQ21,SQ12,SQ22)에 따라 구동 전력(VDC1,VDC2)을 스위칭하여 해당하는 송전 코일(CTx1,CTx2)을 통해 외부로 전력을 비접촉방식으로 전송할 수 있다.
스위칭 제어부(111a)는 통신부(111c)로부터 전달받은 배터리 장치(B)의 정보에 따라 스위칭부(111b1,111b2)의 전력 스위칭을 제어할 수 있는데, 각 스위치(Q11,Q21,Q12,Q22)의 스위칭 듀티 또는 온-오프 데드타임을 조절하여 송전 코일(CTx1,CTx2)을 통해 출력되는 전력의 전압 레벨(VTx1,VTx2)을 조정하거나, 구동 전력(VDC1,VDC2)의 전압 레벨을 조절하여 송전 코일(CTx1,CTx2)을 통해 출력되는 전력의 전압 레벨(VTx1,VTx2)을 조정하거나, 또는 스위칭 주파수를 제어하여 송전 코일(CTx1,CTx2)을 통해 전력이 전송되는 주파수(fTx1,fTx2)를 제어할 수 있다.
상술한 조정 또는 제어 동작은 송전측과 수전측 간의 커플링 계수에 기초하여 이루어질 수 있다.
예를 들어, 제1 송전 코일(CTx1)과 제1 수전 코일(CRx1) 간의 커플링 계수가 낮은 경우, 제1 송전 유닛(Tx1)은 제1 수전 코일(CRx1)에 전달되는 전력을 효과적으로 제어하기 위해 스위칭부(111b1)의 각 스위치(Q11,Q21,Q12,Q22)의 스위칭 주파수를 제어하여 송전 코일(CTx1)을 통해 전력이 전송되는 주파수(fTx1)를 제어할 수 있다.
다른 예를 들어, 제2 송전 코일(CTx2)과 제2 수전 코일(CRx2) 간의 커플링 계수가 높은 경우, 제2 송전 유닛(Tx2)은 스위칭부(111b2)의 각 스위치(Q11,Q21,Q12,Q22)의 스위칭 듀티 또는 온-오프 데드타임을 조절하여 송전 코일(CTx2)을 통해 출력되는 전력의 전압 레벨(VTx2)을 조정하거나, 구동 전력(VDC2)의 전압 레벨을 조절하여 송전 코일(CTx2)을 통해 출력되는 전력의 전압 레벨(VTx2)을 조정하여 제2 수전 코일(CRx2)에 전달되는 전력을 제어할 수 있다.
충전 장치(A)의 충전면에서의 배터리 장치(B)의 위치, 충전 상태, 동작 상태, 충전 전력 정보 등이 지속적으로 필요하므로, 충전 장치(A)의 통신부(111a)와 배터리 장치(B)의 통신부(Com) 간의 양방향 통신에 의해서 정보 전달이 이루어질 수 있다. 더하여, 충전 장치(A)의 송전 코일의 위치, 전력 전송 상태, 전력 변환 동작, 충전 전력 정보 등이 배터리 장치(B)의 통신부(Com)를 통해 배터리 장치(B)에 전달될 수 있다.
도 12는 본 발명의 충전 장치에서 복수의 배터리 장치에 전송되는 전력의 제어를 개략적으로 나타내는 회로도이다.
도 12를 참조하면, 본 발명의 충전 장치(A)는 복수의 배터리 장치(B1,B2)에 비접촉 방식으로 전력을 전송할 수 있다.
복수의 배터리 장치(B1,B2) 각각은 적어도 하나의 수전 코일을 포함할 수 있으며, 복수개의 수전 코일을 포함할 수도 있고, 예를 들어 6개의 수전 코일(CRx1, CRx2, CRx3, CRx4, CRx5, CRx6)을 포함할 수 있다.
도 11과 마찬가지로, 송전측과 수전측 간의 커플링 계수를 계산하기 위해, 충전 장치(A)의 송전 유닛(Tx1,Tx2)은 각각 송전 코일(CTx1,CTx2) 및 송전 코일(CTx1,CTx2)에 전력을 전달하는 스위칭부(111b1,111b2)를 포함할 수 있다.
스위칭부(111b1,111b2)의 각 스위치(Q11,Q21,Q12,Q22)는 스위칭 제어부(111a)로부터의 스위칭 제어 신호(SQ11,SQ21,SQ12,SQ22)에 따라 구동 전력(VDC1,VDC2)을 스위칭하여 해당하는 송전 코일(CTx1,CTx2)을 통해 외부로 전력을 비접촉방식으로 전송할 수 있다.
스위칭 제어부(111a)는 전달받은 배터리 장치(B)의 정보에 따라 스위칭부(111b1,111b2)의 전력 스위칭을 제어할 수 있는데, 각 스위치(Q11,Q21,Q12,Q22)의 스위칭 듀티 또는 온-오프 데드타임을 조절하여 송전 코일(CTx1,CTx2)을 통해 출력되는 전력의 전압 레벨(VTx1,VTx2)을 조정하거나, 구동 전력(VDC1,VDC2)의 전압 레벨을 조절하여 송전 코일(CTx1,CTx2)을 통해 출력되는 전력의 전압 레벨(VTx1,VTx2)을 조정하거나, 또는 스위칭 주파수를 제어하여 송전 코일(CTx1,CTx2)을 통해 전력이 전송되는 주파수(fTx1,fTx2)를 제어할 수 있다.
상술한 조정 또는 제어 동작은 송전측과 수전측 간의 커플링 계수에 기초하여 이루어질 수 있다.
예를 들어, 제1 송전 코일(CTx1)과 제1 배터리 장치(B1)의 제1 수전 코일(CRx1) 간의 커플링 계수가 낮은 경우, 제1 송전 유닛(Tx1)은 제1 배터리 장치(B1)의 제1 수전 코일(CRx1)에 전달되는 전력을 효과적으로 제어하기 위해 스위칭부(111b1)의 각 스위치(Q11,Q21,Q12,Q22)의 스위칭 주파수를 제어하여 송전 코일(CTx1)을 통해 전력이 전송되는 주파수(fTx1)를 제어할 수 있다.
다른 예를 들어, 제2 송전 코일(CTx2)과 제2 배터리 장치(B2)의 제2 수전 코일(CRx2) 간의 커플링 계수가 높은 경우, 제2 송전 유닛(Tx2)은 스위칭부(111b2)의 각 스위치(Q11,Q21,Q12,Q22)의 스위칭 듀티 또는 온-오프 데드타임을 조절하여 송전 코일(CTx2)을 통해 출력되는 전력의 전압 레벨(VTx2)을 조정하거나, 구동 전력(VDC2)의 전압 레벨을 조절하여 송전 코일(CTx2)을 통해 출력되는 전력의 전압 레벨(VTx2)을 조정하여 제2 배터리 장치(B2)의 제2 수전 코일(CRx2)에 전달되는 전력을 제어할 수 있다.
더하여, 제1 송전 유닛(Tx1)과 제2 송전 유닛(Tx2)를 각각 제어하여 제1 배터리 장치(B1)에는 제1 주파수, 예를 들어 WPC(wireless power consortium) 규격의 대략 100KHz~300KHz의 주파수로 전력을 전송할 수 있고, 제2 배터리 장치(B2)에는 상대적으로 높은 제2 주파수, 예를 들어 A4WP(Alliance for Wireless Power) 규격의 6.78MHz의 주파수로 전력을 전송할 수도 있다.
또한, 제1 배터리 장치(B1)의 제1 수전 코일(CRx1)에는 WPC 규격의 주파수로 전력을 전송하고, 제2 수전 코일(CRx2)에는 A4WP 규격의 주파수로 전력을 전송할 수도 있다.
충전 장치(A)의 충전면에서의 배터리 장치(B1,B2)의 위치, 충전 상태, 동작 상태, 충전 전력 정보 등이 지속적으로 필요하므로, 충전장치(A)와 배터리 장치(B1,B2)의 간의 양방향 통신에 의해서 정보 전달이 이루어질 수 있다. 더하여, 충전 장치(A)의 송전 코일의 위치, 전력 전송 상태, 전력 변환 동작, 충전 전력 정보 등이 배터리 장치(B1,B2)에 전달될 수 있다.
도 13a 내지 도 13d는 본 발명의 배터리 장치에서의 액티브 정류기의 스위칭 제어에 관한 일 실시예를 나타내는 도면이다.
도 13a를 참조하면, 본 발명의 배터리 장치(B)는 수전 코일(CRx)을 통해 비접촉 방식으로 전송된 전력을 수전할 수 있는데, 수전된 전력의 전압과 전류 간의 위상차가 발생되거나 또는 레벨 차가 발생되어 전력 효율이 떨어질 수 있다.
본 발명의 배터리 장치(B)는 액티브 방식의 정류부(La)를 포함할 수 있다.
정류부(La)는 예를 들어, 풀 브리지(full bridge) 방식으로 연결된 4개의 스위치(S1,S2,S3,S4)를 포함할 수 있다.
제어부(Lc)는 게이트 신호(SS1,SS2,SS3,SS4)를 제공하여, 정류부(La)의 스위칭을 제어할 수 있으며, 펄스폭 변조(Pulse Width Modulatiom;PWM) 방식으로 스위칭을 제어할 수 있다.
예를 들어, 도 13b와 같이 비접촉 방식으로 전송되는 전력의 전송 주파수보다 높은 주파수를 갖는 캐리어 신호와 수전 코일(CRx)의 출력 전류를 비교하여 제1 및 제2 스위치(S1,S2)의 게이트 신호를 제공할 수 있다. 이때, 제3 및 제4 스위치(S3,S4)는 도 13c와 같이 비접촉 방식으로 전송되는 전력의 각 반주기 동안에 각각 턴-온될 수 있다. 예를 들어, 비접촉 방식으로 전송되는 전력의 양의 반주기 동안 제4 스위치(S4)가 턴-온하고, 음의 반주기 동안 제3 스위치(S3)가 턴-온할 수 있다.
도 13d를 참조하면, 수전 코일(CRx)의 출력 전류 제어에 필요한, 수전 코일(CRx)의 출력 전류의 기준 신호를 수전 코일(CRx)의 출력 전류의 상한선과 하한선 사이의 간격을 의미하는 히스테리시스 밴드를 사용하여 수전 코일(CRx)의 출력 전류를 제어할 수 있다.
상술한 히스테리시스 밴드의 폭을 줄이면 수전 코일(CRx)의 출력 전류의 리플이 감소하여 정밀한 수전 코일(CRx)의 출력 전류 제어가 가능해지지만, 정류부(La)의 스위치(S1,S2,S3,S4)의 스위칭 주파수가 증가하게 되어 전력 손실이 증가할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 송전 코일과 수전 코일 간의 커플링 계수에 따라 전송되는 전력량을 배터리 셀별로 조정하여 배터리 셀간의 전력 밸런스를 유지하거나, 각 배터리 셀의 최대 충전 허용 전류로 충전하여 급속 충전할 수 있으며, 더하여 적어도 하나의 배터리 셀을 갖는 복수의 배터리 장치에 각각 전송되는 전력량을 조정하여 배터리 장치 간의 전력 밸런스를 유지하거나 각 배터리 장치의 최대 충전 허용 전류로 충전하여 급속 충전할 수 있는 효과가 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.
A: 충전 장치
B: 배터리 장치
B1,B2: 제1 배터리 장치, 제2 배터리 장치
100: 전력 공급부
110: 전력 변환부
120: 충전부
130: 배터리부

Claims (11)

  1. 비접촉 방식으로 전력을 전송하는 복수의 송전 코일;
    상기 복수의 송전 코일 각각에 연결되어 해당하는 송전 코일을 통해 전송되는 전력을 스위칭하는 복수의 스위칭부; 및
    상기 복수의 송전 코일 각각과, 상기 복수의 송전 코일로부터 전력을 전송받아 적어도 하나의 배터리 셀에 전력을 충전시키는 적어도 하나의 수전 코일을 갖는 복수의 배터리 장치의 각 적어도 하나의 수전 코일 간의 커플링 계수에 따라, 상기 스위칭부의 전력 스위칭을 제어하는 스위칭 제어부
    를 포함하는 비접촉 방식 충전 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 제어부는 상기 복수의 스위칭부 각각에 입력되는 전력의 전압 레벨, 스위칭 듀티, 스위칭 온-오프 데드 타임 및 스위칭 주파수 중 적어도 하나를 제어하는 비접촉 방식 충전 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 스위칭 제어부는 상기 복수의 스위칭부 각각에 입력되는 전력의 전압 레벨, 스위칭 듀티, 스위칭 온-오프 데드 타임 및 스위칭 주파수 중 적어도 하나를 각각 서로 다르게 제어하는 비접촉 방식 충전 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 제어부는 상기 복수의 송전 코일 중 하나의 송전 코일을 선택적으로 동작시켜 해당 송전 코일과 복수의 수전 코일 간의 커플링 계수를 설정하는 비접촉 방식 충전 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 제어부는 상기 복수의 송전 코일 중 하나의 송전 코일의 송전 전력을 선택적으로 가변시켜 해당 송전 코일과 복수의 수전 코일 간의 커플링 계수를 설정하는 비접촉 방식 충전 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    외부로부터 수전된 전력 정보를 전달받는 통신부를 더 포함하고,
    상기 스위칭 제어부는 상기 통신부로부터의 전력 정보에 기초하여 커플링 계수를 설정하는 비접촉 방식 충전 장치.
  7. 직류 전력을 공급하는 전력부와, 상기 전력부로부터의 직류 전력을 스위칭하는 스위칭부와, 상기 스위칭부의 전력 스위칭에 따라 비접촉 방식으로 전력을 전송하는 송전 코일과, 상기 송전 코일의 전력 상태 변동을 검출하는 검출부와, 상기 검출부의 검출 결과에 따라 송전 코일과 수전 코일 간의 커플링 계수를 설정하여 상기 스위칭부의 전력 스위칭을 제어하는 제어부를 각각 갖는 복수의 송전 유닛을 포함하고,
    상기 복수의 송전 유닛은 상기 복수의 송전 유닛 각각의 송전 코일과, 상기 송전 코일로부터 전력을 전송받아 적어도 하나의 배터리 셀에 전력을 충전시키는 적어도 하나의 수전 코일을 갖는 복수의 배터리 장치의 각 적어도 하나의 수전 코일 간의 커플링 계수에 따라 송전 전력을 제어하는 비접촉 방식 충전 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 송전 유닛의 각 스위칭부에 입력되는 전력의 전압 레벨, 스위칭 듀티, 스위칭 온-오프 데드 타임 및 스위칭 주파수 중 적어도 하나를 각각 서로 다르게 제어하는 비접촉 방식 충전 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 송전 유닛 중 하나의 송전 유닛을 선택적으로 동작시켜 해당 송전 코일과 복수의 수전 코일 간의 커플링 계수를 계산하는 비접촉 방식 충전 장치.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 송전 유닛 중 하나의 송전 유닛의 송전 전력을 선택적으로 가변시켜 해당 송전 코일과 복수의 수전 코일 간의 커플링 계수를 계산하는 비접촉 방식 충전 장치.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 검출부는 상기 송전 코일로부터 전력을 전송받는 복수의 수전 코일 각각의 전력 상태 변동에 따라 가변하는 송전 코일의 전력 상태를 검출하는 비접촉 방식 충전 장치.
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