JP2019068736A - 車両用無線電力送信機及び受信機 - Google Patents

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Abstract

【課題】充電可能領域は広くても、充電不可能領域は最小化され、充電性能及び効率が高い車両用無線電力送信機を提供する。【解決手段】無線電力受信機に電力を送信する車両用無線電力送信機は、一列に隣接して配置され、１１個のターン数及び単層構造を有する第１及び第２のボトムコイル及び第１及び第２のボトムコイル上に積層され、１２個のターン数及び単層構造を有するトップコイルを含むコイルアセンブリと、コイルアセンブリに含まれた各コイルを個別的に駆動するプル−ブリッジインバータと、を備える。第１及び第２のボトムコイルとトップコイルとは、中心に貫通孔が形成された実質的な四角形状のフレーム構造で形成され、トップコイルは、平面上で第１及び第２のボトムコイルの中心に位置し、第１及び第２のボトムコイルの中心からトップコイルの中心までの距離は、２３ｍｍ〜２５ｍｍの範囲に設定される。【選択図】図４

Description

本発明は、車両用無線電力送信機及び受信機の構造と制御方法をその対象とする。
無接点（Ｃｏｎｔａｃｔｌｅｓｓ）無線充電方式は、既存の有線を介してエネルギーを送信し、電子機器の電源として使用する方式から、線を除去し、電磁気的にエネルギーを伝達するエネルギー伝達方式である。無接点無線送信方式には、電磁気誘導方式及び共振方式が存在する。電磁気誘導方式は、電力送信部で電力送信コイル（１次コイル）を介して磁場を発生させ、電流が誘導され得る位置に受信コイル（２次コイル）を位置させることによって電力を伝達する方式である。共振方式は、送信コイル及び受信コイル間の共鳴現象を利用してエネルギーを送信する。ただし、１次コイルの共振周波数と２次コイルの共振周波数とを同様にしてシステムを構成することにより、コイル間の共振モードエネルギー結合を使用する。
本発明の目的は、充電効率及び性能の良い新しい車両用無線電力送信機のコイルアセンブリ構造と、このような車両用無線電力送信機を安定的に駆動するための駆動方法を提案することをその目的とする。
本発明の一実施形態によれば、無線電力受信機に電力を送信する車両用無線電力送信機において、一列に隣接して配置され、１１個のターン数及び単層構造を有する第１及び第２のボトム（ｂｏｔｔｏｍ）コイル及び前記第１及び第２のボトムコイル上に積層され、１２個のターン数及び前記単層構造を有するトップコイルを含むコイルアセンブリと、前記コイルアセンブリに含まれた各コイルを個別的に駆動する、プル−ブリッジ（ｆｕｌｌ−ｂｒｉｄｇｅ）インバータとを備え、前記第１及び第２のボトムコイルと前記トップコイルとは、中心に貫通孔が形成された実質的な四角形状のフレーム構造で形成され、前記トップコイルは、平面上で前記第１及び第２のボトムコイルの中心に位置し、前記第１及び第２のボトムコイルの中心から前記トップコイルの中心までの距離は、２３ｍｍ〜２５ｍｍの範囲に設定されることができる。
また、前記コイルアセンブリにより前記無線電力受信機に送信される電力レベルは、前記プル−ブリッジインバータに印加される入力電圧レベルに基づいて制御されることができる。
また、前記プル−ブリッジインバータに印加される電圧レベルは、１Ｖ〜１８Ｖの範囲内で調節されることができる。
また、前記コイルアセンブリの動作周波数（Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）は、１４０ｋＨｚ〜１５０ｋＨｚの範囲に固定されることができる。
また、前記第１及び第２のボトムコイルは、４８ｍｍ〜５０ｍｍの高さ（ｈｅｉｇｈｔ）及び４７ｍｍ〜４９ｍｍの幅（ｗｉｄｔｈ）を有し、前記第１及び第２のボトムコイルの前記貫通孔は、１８ｍｍ〜２０ｍｍの高さ及び幅を有することができる。
また、前記トップコイルは、４５ｍｍ〜４７ｍｍの高さ（ｈｅｉｇｈｔ）及び４８．５ｍ
ｍ〜５０．５ｍｍの幅（ｗｉｄｔｈ）を有し、前記第１及び第２のボトムコイルの前記貫通孔は、２０ｍｍ〜２２ｍｍの高さ及び２４．５ｍｍ〜２６．５ｍｍの幅を有することができる。
また、前記第１及び第２のボトムコイルと前記トップコイルとの厚さは、０．９ｍｍ〜１．３ｍｍの範囲に設定されることができる。
また、前記第１及び第２のボトムコイルと前記トップコイルとは、同一の自己インダクタンス（ｓｅｌｆ ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ）値を有することができる。
また、前記第１及び第２のボトムコイルと前記トップコイルとは、１０．６μＨ〜１２．０μＨの範囲の前記同一の自己インダクタンス値を有することができる。
本発明の一実施形態によれば、コイルアセンブリにマルチコイル駆動方式を適用するので、充電可能領域は広くても、充電不可能領域は最小化され、充電性能及び効率が高まるという効果を有する。
また、本発明の一実施形態によれば、電力送信機が固定された動作周波数で動作することで、車両内部の他の電子部品または機器との周波数干渉が起こることを予め防止できるという長所がある。
また、本発明の一実施形態によれば、電力送信機で調節される入力電圧の範囲が１Ｖないし１８Ｖで、その範囲が極めて広く、高い入力電圧の支援が可能であるため、ｚ ｄｉｓｔａｎｃｅ（ｄ＿ｚ）が増えるようになり、遠距離充電が可能であるという長所がある。その結果、車両製造業者の立場では、電力送信機を車両に設置するのにおいて自由度が増加するようになるという効果を有する。
その他、本発明の実施形態に係る様々な効果は、以下において詳しく後述する。
無線充電システムが導入される様々な電子機器の実施形態を示す。 本発明の一実施形態に係る無線電力送受信システムのブロック図である。 本発明の一実施形態に係る電力送信機のブロック図である。 本発明の一実施形態に係る電力送信機のコイルアセンブリ構造を例示した図である。 本発明の一実施形態に係るコイル構造を例示した図である。 本発明の一実施形態に係るコイルアセンブリをカバーする遮蔽材（ｓｈｉｅｌｄｉｎｇ）構造を例示した図である。 本発明の一実施形態に係る電力送信機の等価回路を例示した図である。 本発明の一実施形態によって設計された電力送信機の電力送信機能を試験した実験結果である。 本発明の一実施形態によって設計された電力送信機の電力送信機能を試験した実験結果である。 本発明の一実施形態によって設計された電力送信機の電力送信機能を試験した実験結果である。 本発明の一実施形態によって設計された電力送信機の送信電力レベルの調節機能を試験した実験結果である。 本発明の一実施形態によって設計された電力送信機の送信電力レベルの調節機能を試験した実験結果である。 本発明の一実施形態によって設計された電力送信機の送信電力レベルの調節機能を試験した実験結果である。 本発明の一実施形態によって設計された電力送信機の送信電力レベルの調節機能を試験した実験結果である。 本発明の一実施形態によって設計された電力送信機の熱性能（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）を試験した実験結果である。 本発明の一実施形態によって設計された電力送信機の熱性能（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）を試験した実験結果である。
本明細書において使用される用語は、本明細書での機能を考慮しつつ、なるべく現在広く使用される一般的な用語を選択したが、これは、当分野に従事する技術者の意図、慣例、または新しい技術の出現などによって変わることができる。また、特定の場合は、出願人が任意に選定した用語もあり、この場合、該当する実施形態の説明部分でその意味を記載するであろう。したがって、本明細書において使用される用語は、単純な用語の名称でない、その用語でない実質的な意味と本明細書の全般にかけての内容を基に解釈されなければならないことを明かしておく。
さらに、以下、添付図面及び添付図面に記載された内容を参照して実施形態を詳しく説明するが、実施形態等により制限されるか、限定されるものではない。
以下、添付した図面を参照して本発明の好ましい実施形態をより詳細に説明する。
無線電力送受信機（Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ／Ｒｅｃｅｉｖｅｒ）等の標準化のために、ＷＰＣ（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｓｏｒｔｉｕｍ）で無線電力送受信関連技術を規格化している。
最近まで開発される無線充電システムは、約５Ｗまでの低電力送受信を支援できる。ただし、近年、モバイル機器のサイズが大きくなり、バッテリの容量も増加されており、このような低電力充電方式の場合、充電時間が長く、効率が落ちるという問題がある。これにより、約１５Ｗ〜２０Ｗまでの中間電力送受信を支援する無線充電システムが開発されている。また、充電効率を増大させるために、複数の電子機器を同時に充電するための共振方式が追加された無線充電システムも開発されている。
本発明は、共振方式が追加された無線充電システムに関するものであって、低電力及び中間電力の電磁気誘導方式の無線充電送受信機と互換が可能な共振方式の無線充電送受信機を提案しようとする。
以下において、本発明が提案する共振タイプ（ｒｅｓｏｎａｎｔ）の無線電力送信機及び無線電力受信機と、これらを使用した無線充電方式及び通信プロトコルなどについて説明する。以下において、無線電力送信機は、電力送信機または送信機と、無線電力受信機は、電力受信機または受信機と略称することもできる。
図１は、無線充電システムが導入される様々な電子機器の実施形態を示す。
図１には、無線充電システムにおいて送信及び受信する電力量により電子機器を分類して図示した。
図１に示すように、スマート時計（Ｓｍａｒｔ ｗａｔｃｈ）、スマートグラス（Ｓｍａｒｔ Ｇｌａｓｓ）、ＨＭＤ（Ｈｅａｄ Ｍｏｕｎｔｅｄ Ｄｉｓｐｌａｙ）、及びスマ
ートリング（Ｓｍａｒｔ ｒｉｎｇ）のようなウェアラブル機器ら及びイヤホン、リモコン、スマートフォン、ＰＤＡ、タブレットＰＣなどのモバイル電子機器（または、ポータブル電子機器）には、小電力（約５Ｗ以下または約２０Ｗ以下）無線充電方式が適用され得る。ノートブック、ロボット掃除機、ＴＶ、音響機器、掃除機、モニタのような中小型家電機器には、中電力（約５０Ｗ以下または約２００Ｗ以下）無線充電方式が適用され得る。ミキサー、電子レンジ、炊飯器のような厨房機器、車椅子、電動キックボード、電気自転車、電気自動車などの個人用移動機器（または、電子機器／移動手段等）は、大電力（約２ｋＷ以下または２２ｋＷ以下）無線充電方式が適用され得る。
上述した（または、図１に示された）電子機器／移動手段等は、後述する無線電力受信機を各々含むことができる。したがって、上述した電子機器／移動手段等は、無線電力送信機から無線で電力を受信して充電されることができる。
以下では、説明の都合上、小電力無線充電方式が適用されるモバイル機器を中心として説明するが、これは、実施形態に過ぎず、本発明に係る無線充電方法は、上述した様々な電子機器に適用されることができる。
図２は、本発明の一実施形態に係る無線電力送受信システムのブロック図である。
図２に示すように、無線電力送受信システム２０００は、無線で電力を受信するモバイル機器（Ｍｏｂｉｌｅ Ｄｅｖｉｃｅ）２０１０及び無線で電力を送信するベースステーション（Ｂａｓｅ Ｓｔａｔｉｏｎ）２０２０を備える。以下において、モバイル機器は、「電力受信装備（Ｐｏｗｅｒ Ｒｅｃｅｉｖｅｒ Ｐｒｏｄｕｃｔ）」と、ベースステーションは、「電力送信装備（Ｐｏｗｅｒ Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ Ｐｒｏｄｕｃｔ）」と呼ばれることもできる。
モバイル機器２０１０は、２次コイル（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｃｏｉｌ）を介して無線電力を受信する電力受信機（Ｐｏｗｅｒ Ｒｅｃｅｉｖｅｒ）２０１１及び電力受信機２０１１で受信した電力を伝達されて格納し、機器に供給するロード（Ｌｏａｄ）２０１２を備える。
電力受信機２０１１は、電力ピックアップユニット（Ｐｏｗｅｒ Ｐｉｃｋ−Ｕｐ Ｕｎｉｔ）２０１３及びコントロール／通信ユニット（Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ＆ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）２０１４を備えることができる。電力ピックアップユニット２０１３は、２次コイルを介して無線電力信号を受信して電気エネルギーに変換することができる。コントロール／通信ユニット２０１４は、電力信号送受信（電力伝達及び受信）を制御できる。
ベースステーション２０２０は、誘導電力（ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ）または共振電力（ｒｅｓｏｎａｎｔ ｐｏｗｅｒ）を提供する装置であって、少なくとも１つの電力送信機（Ｐｏｗｅｒ Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ）２０２１及びシステムユニット２０２４を備えることができる。
電力送信機２０２１は、誘導電力または共振電力を送信し、送信を制御できる。電力送信機２０２１は、１次コイル（Ｐｒｉｍａｒｙ Ｃｏｉｌ（ｓ））を介して磁場を生成することで、電気エネルギーを電力信号に変換する電力変換ユニット（Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ Ｕｎｉｔ）２０２２及び適切なレベルで電力を伝達するように電力受信機２０１１との通信及び電力伝達をコントロールするコントロール／通信ユニット（Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ＆ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）２０２３を備えることができる。システムユニット２０２４は、入力電力プロビジョニング（ｐｒｏｖｉｓｉｏｎｉｎ
ｇ）、複数の電力送信機のコントロール、及びユーザインターフェース制御のようなベースステーション２０２０のその他の動作制御を行うことができる。
電力送信機２０２１は、動作ポイントをコントロールすることによって送信電力をコントロールできる。コントロールする動作ポイント（ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｐｏｉｎｔ）は、周波数（または、位相）、デューティサイクル（ｄｕｔｙ ｃｙｃｌｅ）、デューティ比（ｄｕｔｙ ｒａｔｉｏ）、及び電圧振幅の組み合わせに該当し得る。電力送信機２０２１は、周波数（または、位相）、デューティサイクル、デューティ比、及び電圧振幅のうち、少なくとも１つを調節して送信電力をコントロールできる。
また、電力送信機２０２１は、一定の電力を供給し、電力受信機２０１１が共振周波数をコントロールすることによって受信電力をコントロールすることもできる。
本明細書において、（１次／２次）コイルまたはコイル部は、コイル及びコイルと近接した少なくとも１つの素子を含んでコイルアセンブリ、コイルセル、またはセルと呼ぶこともできる。
図２と関連して上述した無線電力送受信システムは、無線電力送受信システムに含まれるコイル及び／又はコイルアセンブリの構造、コイル駆動方式などによって新しい構成ユニットが追加されるか、一部の構成ユニットが省略され得る。
以下では、本発明の一実施形態に係るコイル構造を有する電力送信機に含まれるユニットに関するブロック図を説明する。
図３は、本発明の一実施形態に係る電力送信機のブロック図である。
図３に示すように、電力送信機３０００は、２つのメインユニットとして電力変換ユニット３０２０及びコントロール／通信ユニット３０１０を備えることができる。電力変換ユニット３０２０は、コントロール／通信ユニット３０１０と通信を行うことができる。
電力変換ユニット３０２０は、電力送信機デザインのアナログパートを担当または含むことができる。電力変換ユニット３０２０は、インバータ、１次コイル選択ブロック、及び／又は電流センスユニットを備えることができる。電力変換ユニット３０２０（または、インバータ）は、ＤＣ（ｄｉｒｅｃｔ ｃｕｒｒｅｎｔ）入力を受信でき、これを直列キャパシタ及び１次コイルが含まれた共振回路を駆動するためのＡＣ波形に変換することができる。ここで、１次コイルは、電力送信機に含まれた少なくとも１つのコイルのうち、電力受信機を充電するために、電力受信機の位置に応じて適宜選択されたコイルを意味できる。
電力変換ユニット３０２０（または、コイル選択ブロック）は、コイルアセンブリ上に置かれた電力受信機の位置を考慮して、コイルアセンブリに含まれたコイルのうち、電力受信機を充電するのに適した位置の少なくとも１つのコイルを選択できる。
コイルの選択は、電力送信機３０００（または、電力変換ユニット３０２０／コイル選択ブロック）がコイルアセンブリに含まれた少なくとも１つのコイルを（または、全てのコイルを順に）用いて電力受信機と通信を行うか、または試みることによってリアルタイムで行われるか、進まれることができる。すなわち、電力送信機３０００（または、電力変換ユニット３０２０／コイル選択ブロック）は、少なくとも１つのコイルを用いて電力受信機と通信を行うことによって電力受信機の位置を取得でき、電力受信機の位置と対応する位置の１つのコイルを選択できる。
例えば、電力送信機３０００（または、電力変換ユニット３０２０／コイル選択ブロック）は、コイルアセンブリに含まれた少なくとも１つのコイルを用いて電力受信機と通信を試みることができ、このうち、第１のコイルを用いて試みた電力受信機との通信が成功した場合を仮定できる。この場合、電力送信機３０００（または、電力変換ユニット３０２０）は、現在、電力受信機が第１のコイル上に（または、第１のコイルと最も近接して）置かれていることを判断及び予測でき、第１のコイルを電力受信機の充電のために駆動するコイルとして選択することができる。
または、本図面には図示していないが、電力送信機３０００は、電力受信機の位置を取得するための別のセンサ（例えば、近接センサ、赤外線センサなど）を備えることもできる。この場合、電力送信機３０００は、当該センサを用いて電力受信機の位置を取得し、電力受信機を充電するのに適した位置のコイルを駆動コイルとして選択することもできる。
最後に、電力変換ユニット３０２０（または、電流センスユニット）は、選択したコイルに流れる電流を持続的にモニタリングすることができる。
コントロール／通信ユニット３０１０は、コイルアセンブリが含まれた電力送信機デザインのデジタル論理パートを担当するか、または含むことができる。
より具体的には、コントロール／通信ユニット３０１０は、電力受信機から送信されたメッセージを受信及びデコードすることができ、適切なコイルと連結されるためのコイル選択ブロックを構成し、これと関連した電力制御アルゴリズム／プロトコルを実行できる。また、コントロール／通信ユニット３０１０は、電力送信を制御するためのＡＣ波形の周波数を制御または駆動することができる。また、コントロール／通信ユニット３０１０は、ベースステーションの他のサブシステム等とインターフェースで接続することができる（例えば、ユーザインターフェースのための目的で）。
例え、本ブロック図では、電力変換ユニット３０００とコントロール／通信ユニット３０１０とを区別して図示及び説明したが、これに限定されるものではなく、電力変換ユニット３０００が行う機能のうち、少なくとも１つがコントロール／通信ユニット３０１０により行われるか、コントロール／通信ユニット３０１０が行う機能のうち、少なくとも１つが電力変換ユニット３０００により行われ得る。また、電力変換ユニット３０００及びコントロール／通信ユニット３０１０は、ハードウェアー的に別のチップで構成されるか、１つのチップで構成されることもできる。
以上より、本発明の一実施形態に係る電力送信機３０００のブロック図を説明した。以下では、このような電力送信機３０００に含まれ得るコイルアセンブリの構造について説明する。
図４は、本発明の一実施形態に係る電力送信機のコイルアセンブリ構造を例示した図である。
図４に示すように、本発明の一実施形態に係る電力送信機のコイルアセンブリは、３個のコイルを含むことができる。このとき、３個のコイルの各々は、中心に貫通孔が形成された実質的な四角形状のフレーム構造を有することができる。
コイルアセンブリは、一列に並べられて配置された２個のボトム（ｂｏｔｔｏｍ）コイル（または、ボトムプライマリコイルと呼ぶ）と、前記ボトムコイル上部（または、上）に配置される１つのトップ（ｔｏｐ）コイル（または、トッププライマリコイルと呼ぶ）と
を備えることができる。すなわち、言い換えれば、コイルアセンブリは、複数のコイルが平面上でオーバーラップされるように積層された積層構造を有し、第１の層にはボトムコイルが配列され、前記第１の層上にトップコイルが積層され得る。
仮に、コイルアセンブリに含まれた２個のボトムコイルのうちの１つは、第１のボトムコイル及び残りの１つを第２のボトムコイルと呼ぶならば、第１のボトムコイルの中心から第２のボトムコイルの中心までの距離ｄ＿１２は、約４６±４（ｍｍ）に設計されることができる。トップコイルは、ボトムコイルに対して垂直方向に位置（ｐｌａｃｅｄ ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ）することができ、一列に並べられた２個のボトムコイルの中心に置かれるように配置されることができる。このとき、第１及び／又は第２のボトムコイルの中心からトップコイルの中心までの長さｄ＿ｂｔは、約２３±２（ｍｍ）に設計されることができる。本図面には図示していないが、コイルアセンブリの上側面（または、トップコイルの上側面）からベース−ステーションのインターフェース面（ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｓｕｒｆａｃｅ）までの距離ｄ＿ｚは、約５．５±１．５（ｍｍ）に設計されることができる。ここで、インターフェース面は、ベースステーションを構成する複数の面のうち、プライマリコイルと最も近い位置の平たい面またはセカンダリコイルと最も近いモバイル機器の面のうち、平たい面を指すことができる。また、各コイル（または、プライマリコイル）の自己インダクタンス（ｓｅｌｆ ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ）Ｌ＿ｐは、約１１．３±０．７（μＨ）に設計されることができる。
以下では、本明細書において提案するコイルアセンブリを構成する各コイル（または、プライマリコイル）（すなわち、ボトムコイル及びトップコイル）の構造に関して、より詳細に説明する。
図５は、本発明の一実施形態に係るコイル構造を例示した図である。特に、図５（ａ）は、ボトムコイル構造を例示した図であり、図５（ｂ）は、トップコイル構造を例示した図である。以下では（または、本明細書では）、説明の都合上、ボトムコイル及びトップコイルを「プライマリコイル」と通称する。
プライマリコイルは、巻き線（ｗｉｒｅ−ｗｏｕｎｄ）タイプでありうるし、４０番ＡＷＧ（０．０８ｍｍの直径を有する）の１０５筋（ｓｔｒａｎｄｓ）を有する１７番ＡＷＧ（Ａｍｅｒｉｃａｎ ｗｉｒｅ ｇａｕｇｅ）リッツワイヤー（ｌｉｔｚ ｗｉｒｅ）またはこれと類似した構造またはタイプのリッツワイヤーで構成されることができる。また、前述したように、プライマリコイルは、四角形状の２つのタイプ（ボトムコイル及びトップコイル）で構成されることができ、各コイルは、単一層で構成されることができる。また、各プライマリコイルは、フェライト（ｆｅｒｒｉｔｅ）からの距離に対して独立的でありうるように、同じインダクタンス値を有するように設計されることができる。
ボトムコイルは、電力送信機のフェライトに近く配置されることができ、ボトムコイルの具体的なパラメータ値は、図５（ａ）に開示されている表のように設計されることができる。
図５（ａ）の表を参照すれば、ボトムコイルの外側（ｏｕｔｅｒ）の長さ（または、外側の高さ）ｄ＿ｏｌは、約４９．０±１．０（ｍｍ）、内側（ｉｎｎｅｒ）の長さ（または、内側の高さ）ｄ＿ｉｌは、約２６．０±１．０（ｍｍ）（または、約１９．０±１．０（ｍｍ））、外側の幅（ｗｉｄｔｈ）ｄ＿ｏｗは、約４４．０±１．０（ｍｍ）（約４８．０±１．０（ｍｍ））、内側の幅ｄ＿ｉｗは、約２２．０±１．０（ｍｍ）（約１９．０±１．０（ｍｍ））、及び厚さｄ＿ｃは、約１．１±０．２（ｍｍ）に設計されることができる。また、ボトムコイルは、単層構造に設計されることができ、層当たり、１１個のターン数（Ｎ）を有することができる。
トップコイルは、電力送信機のインターフェースに近く配置されることができ、トップコイルの具体的なパラメータ値は、図５（ｂ）に開示されている表のように設計されることができる。
図５（ｂ）の表を参照すれば、トップコイルの外側（ｏｕｔｅｒ）の長さ（または、外側の高さ）ｄ＿ｏｌは、約４６．０±１．０（ｍｍ）、内側（ｉｎｎｅｒ）の長さ（または、内側の高さ）ｄ＿ｉｌは、約２１．０±１．０（ｍｍ）、外側の幅（ｗｉｄｔｈ）ｄ＿ｏｗは、約４９．５±１．０（ｍｍ）、内側の幅ｄ＿ｉｗは、約２５．５±１．０（ｍｍ）、及び厚さｄ＿ｃは、約１．１±０．２（ｍｍ）に設計されることができる。また、トップコイルは、単層構造に設計されることができ、層当たり１２個のターン数（Ｎ）を有することができる。
図６は、本発明の一実施形態に係るコイルアセンブリをカバーする遮蔽材（ｓｈｉｅｌｄｉｎｇ）構造を例示した図である。
図６に示すように、軟磁性体（ｓｏｆｔ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌ）物質がプライマリコイルから生成された磁場からベースステーションを保護またはカバーできる。遮蔽材は、プライマリコイルの各外側の境界線から最小２ｍｍの分だけ拡張された形態に設計されることができ、厚さは、最小１．５ｍｍでありうる。また、遮蔽材は、プライマリコイルの下側に配置され、プライマリコイルとの距離ｄ＿ｓは、最大１．０ｍｍに設計されることができる。また、遮蔽材は、マンガン（Ｍｎ）−亜鉛（Ｚｎ）フェライトで構成されることができる（例えば、ＴＯＤＡＩＳＵのＰＭ１２）。
プライマリコイルの上面（ｔｏｐ ｆａｃｅ）からベースステーションのインターフェース面までの距離ｄ＿ｚ（または、ｚ ｄｉｓｔａｎｃｅ）は、約１．１±０．２（ｍｍ）に設計されることができる。また、ベースステーションのインターフェース面は、プライマリコイルの各外側の境界線から最小５ｍｍの分だけ拡張された形態に設計されることができる。
図７は、本発明の一実施形態に係る電力送信機の等価回路を例示した図である。
図７に示すように、本発明の一実施形態に係る電力送信機（または、コイルアセンブリ駆動回路）は、個別的なプライマリコイルを駆動するためのプル−ブリッジ（ｆｕｌｌ−ｂｒｉｄｇｅ）インバータ（以下、「インバータ」と略称する）と直列キャパシタＣ＿ｐとを使用または含むことができる。このようなプル−ブリッジインバータは、上述した電力変換ユニットと対応するか、電力変換ユニットに含まれる概念でありうる。
コイルアセンブリ及び遮蔽材は、約１１．３±０．７（μＨ）（すなわち、１０．６〜１２．０μＨ）の自己インダクタンスＬ＿ｐを有するように設計されることができ、直列キャパシタＣ＿ｐは、約１３９±６％（ｎＦ）（すなわち、１３３〜１４７ｎＦ）のキャパシタンス値を有するように設計されることができる。
電力送信機（または、コントロール／通信ユニット）は、電力受信機に送信される電力量を制御するために、インバータに印加する入力電圧を制御できる。より具体的には、電力送信機（または、コントロール／通信ユニット）は、送信電力量を制御するために、インバータに印加する入力電圧を１Ｖ〜１８Ｖの範囲に制御することができ、このときのレゾリューション（ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ）は、１０ｍＶに設定されることができる。また、インバータは、中間電力モード及び低電力モードで動作することができる。このとき、電力送信機（または、コイルアセンブリ）の動作周波数ｆ＿ｏｐは、約１４０〜１５０ｋＨ
ｚに実質的に固定されていることができ、デューティサイクルは、５０％に設定されることができる。ここで、動作周波数は、電力送信機（または、コイルアセンブリ）を駆動または動作させるために印加する電圧／電力信号の振動周波数を意味できる。また、電力送信機に印加される外部電圧は、１０Ｖ〜１４Ｖの範囲（一般的に、１２Ｖ）に設計されることができる。
電力送信機（または、コントロール／通信ユニット）が電力信号（例えば、デジタルピング（ｄｉｇｉｔａｌ ｐｉｎｇ）信号））を送信または適用する場合、ボトムコイル及びトップコイルに対して約５．０±０．５（Ｖ）の初期電圧を使用することができ、１４０ｋＨｚ〜１５０ｋＨｚの範囲内の動作周波数（例えば、１４５ｋＨＺの動作周波数）を適用できる。
電力送信機（または、コントロール／通信ユニット）の制御は、ＰＩＤ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ Ｉｎｔｅｇｒａｌ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ）アルゴリズムを利用して行われることができる。ここで、ＰＩＤアルゴリズム（または、ＰＩＤ制御機）は、基本的にフィードバック制御機の形態を有しており、制御しようとする対象の出力値（ｏｕｔｐｕｔ）を測定して、これを参照値（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｖａｌｕｅ）あるいは設定値（ｓｅｔｐｏｉｎｔ）と比較して誤差（ｅｒｒｏｒ）を計算し、この誤差値を利用して制御に必要な制御値を計算する構造からなっているアルゴリズムを示す。
正確な電力制御を保障するために、電力送信機（または、コントロール／通信ユニット）は、約７ｍＡのレゾリューションでプライマリセル電流（プライマリコイルの電流と同様）の振幅を決定できる。
以下において後述する表１及び表２は、ＴＩＤアルゴリズムで使用され得るパラメータ値を例示する。
上述した内容を総合するとき、本発明の一実施形態に係る電力送信機（または、電力送信機の回路、コントロール／通信ユニット）は、インバータに印加する入力電圧を制御することによって電力受信機への送信電力を制御でき、このとき、実質的に固定された動作周波数（動作周波数が約１４０ｋＨｚないし１５０ｋＨｚ内のみで調整または固定される）を使用できる。また、このときに調整される入力電圧の範囲は、１Ｖ〜１８Ｖで、他の電力送信機でインバータに印加する入力電圧に比べて極めて広い範囲を有するという特徴を有する。このような特徴により、本発明の電力送信機は、車両用無線電力送信機として下記のような長所及び効果を有する。
まず、本発明の電力送信機は、固定された動作周波数で動作することにより、車両内部の他の電子部品または機器との周波数干渉が起こることを予め防止できるという長所がある。電力送信機の他の電子部品または機器に対する周波数干渉は、運転手の生命及び安全と直結する極めて致命的な安全問題を起こす恐れがあるためである。したがって、本発明において提案する車両用電力送信機は、他の一般的な電力送信機とは異なり、動作周波数の代わりに、入力電圧を制御することによって送信電力が制御され得る。
また、本発明の電力送信機で調節される入力電圧の範囲が１Ｖないし１８Ｖで、その範囲が極めて広く、高い入力電圧の支援が可能であるため、ｚ ｄｉｓｔａｎｃｅ（ｄ＿ｚ）が増えるようになり、遠距離充電が可能であるという長所がある。これは、車両製造業者の立場では、電力送信機を車両に設置するのにおいて自由度が増加するようになるという効果を有する。
このように、図４〜図７によって設計された電力送信機は、約５Ｗの低電力充電が可能な車両用低電力送信機（Ｌｏｗ Ｐｏｗｅｒ Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ）または約１５Ｗの無線電力充電が可能な車両用中間電力送信機（Ｍｅｄｉｕｍ Ｐｏｗｅｒ Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ）として生産及び活用されることができる。
以下では、図４〜図７によって設計された電力送信機の電力送信性能に対する実験結果について説明する。
図８及び図９は、本発明の一実施形態によって設計された電力送信機の電力送信機能を試験した実験結果である。
図８及び図９の実験では、電力送信機から電力受信機に送信しようとする電圧レベルを６つのレベル（ａ〜ｆ）にターゲットを定め、電力を送信したとき、電力受信機が実際に受信した電圧を測定した実験結果に該当する。このとき、電力受信機に送信しようとするターゲット電圧レベルは、下記のように設定した。
−ａ：４．２Ｖ、ｂ：７．０Ｖ、ｃ：４．２Ｖ、ｄ：７．５Ｖ、ｅ：５．０Ｖ、ｆ：５．０Ｖ
図８の保障された電力（Ｇｕａｒａｎｔｅｅｄ Ｐｏｗｅｒ）カテゴリーを説明すれば、ターゲットとする６つの電圧レベル別（ａ〜ｆ）で電力送信機能試験結果が全て通過されたということを確認することができた。より具体的には、図９（ａ）〜図９（ｆ）に示すように、ターゲット電圧レベルから大きい誤差無しで適切なレベルの電圧が電力受信機に送信されたことを確認することができた。
この他にも、図８に示すように、本発明の電力送信機は、ＷＰＣ標準で定義する電力送信機規格を全て満たすことを確認することができた。
図１０及び図１１は、本発明の一実施形態によって設計された電力送信機の送信電力レベルの調節機能を試験した実験結果である。
より具体的には、図１０（ａ）は、ターゲット電力レベルが８Ｗ、図１０（ｂ）は、ターゲット電力レベルが１５Ｗ、図１１（ａ）は、ターゲット電力レベルが１２Ｗ、図１１（ｂ）は、ターゲット電力レベルが１５Ｗに該当する場合において、電力送信機の送信電力レベルを調節する機能を試験した実験結果に各々該当する。図１０及び図１１において、「Ｓｅｎｔ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｅｒｒｏｒ：ｎ」メッセージは、現在、電力受信機が受信する電力がターゲットとする送信電力よりｎ（Ｗ）の分だけ足りないことを意味する。
図１０及び図１１の実験結果を参照すれば、本発明の電力送信機は、現在、電力受信機に送信している電力レベルがターゲット電力レベルからどのぐらい足りないかを電力受信機と通信を行うことによって把握し、これに基づいて、送信電力レベルをターゲット電力レベルに調節する過程を確認できる。すなわち、図１０及び図１１の実験結果によれば、本発明の電力送信機は、電力受信機と適切に通信を行うことによってターゲットとする電力レベルで送信電力レベルの調節が可能であることを確認できる。
図１２及び図１３は、本発明の一実施形態によって設計された電力送信機の熱性能（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）を試験した実験結果である。
より具体的には、図１２は、本発明の一実施形態によって設計された電力送信機が電力受信機でない外部物質（Ｆｏｒｅｉｇｎ Ｏｂｊｅｃｔ、‘ＦＯ’）に対して低電力（約５Ｗ）を送信する場合、ＦＯの温度変化を測定した実験結果である。また、図１３は、電力受信機に低電力を送信する場合、電力受信機の温度変化を測定した実験結果である。
図１２に示すように、ＦＯの温度は上がらないか、最大４９℃まで増加することを確認できる。図１３に示すように、電力受信機の温度は、最大３２℃まで増加することを確認できる。
本実験結果によるとき、電力送信機から電力を受信する電力受信機またはＦＯは、特定温
度以上に上がらないので、爆発や火災の危険無しで本発明の電力送信機のユーザが安全に使用することができる。
説明の都合上、各図面を分けて説明したが、各図面に述べられている実施形態を併合して新しい実施形態を実現するように設計することも可能である。また、無線電力送受信機は、上述したように説明された実施形態等の構成と方法が限定して適用され得るものではなく、上述した実施形態等は、様々な変形がなされ得るように、各実施形態の全部または一部が選択的に組み合わせられて構成されることもできる。
また、以上では、好ましい実施形態について図示し、説明したが、本明細書は、上述した特定の実施形態に限定されず、請求の範囲で請求する要旨を逸脱せずに、当該明細書の属する技術分野における通常の知識を有する者によって様々な変形実施が可能であることはもちろん、このような変形実施は、本明細書の技術的思想や展望から個別的に理解されてはならないであろう。
様々な実施形態が本発明を実施するための最善の形態で説明された。
本発明は、様々な無線充電技術に適用されることができる。

Claims (9)

  1. 無線電力受信機に電力を送信する車両用無線電力送信機において、
    一列に隣接して配置され、１１個のターン数及び単層構造を有する第１及び第２のボトム（ｂｏｔｔｏｍ）コイル及び前記第１及び第２のボトムコイル上に積層され、１２個のターン数及び前記単層構造を有するトップコイルを含むコイルアセンブリと、
    前記コイルアセンブリに含まれた各コイルを個別的に駆動する、プル−ブリッジ（ｆｕｌｌ−ｂｒｉｄｇｅ）インバータと、
    を備え、
    前記第１及び第２のボトムコイルと前記トップコイルとは、中心に貫通孔が形成された実質的な四角形状のフレーム構造で形成され、
    前記トップコイルは、平面上で前記第１及び第２のボトムコイルの中心に位置し、前記第１及び第２のボトムコイルの中心から前記トップコイルの中心までの距離は、２３ｍｍ〜２５ｍｍの範囲に設定される無線電力送信機。
  2. 前記コイルアセンブリにより前記無線電力受信機に送信される電力レベルは、前記プル−ブリッジインバータに印加される入力電圧レベルに基づいて制御される請求項１に記載の無線電力送信機。
  3. 前記プル−ブリッジインバータに印加される電圧レベルは、１Ｖ〜１８Ｖの範囲内で調節される請求項２に記載の無線電力送信機。
  4. 前記無線電力送信機から送信される電力信号の動作周波数（Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）は、１４０ｋＨｚ〜１５０ｋＨｚの範囲に固定される請求項２に記載の無線電力送信機。
  5. 前記第１及び第２のボトムコイルは、４８ｍｍ〜５０ｍｍの高さ（ｈｅｉｇｈｔ）及び４７ｍｍ〜４９ｍｍの幅（ｗｉｄｔｈ）を有し、
    前記第１及び第２のボトムコイルの前記貫通孔は、１８ｍｍ〜２０ｍｍの高さ及び幅を有する請求項１に記載の無線電力送信機。
  6. 前記トップコイルは、４５ｍｍ〜４７ｍｍの高さ（ｈｅｉｇｈｔ）及び４８．５ｍｍ〜５０．５ｍｍの幅（ｗｉｄｔｈ）を有し、
    前記第１及び第２のボトムコイルの前記貫通孔は、２０ｍｍ〜２２ｍｍの高さ及び２４．５ｍｍ〜２６．５ｍｍの幅を有する請求項１に記載の無線電力送信機。
  7. 前記第１及び第２のボトムコイルと前記トップコイルとの厚さは、０．９ｍｍ〜１．３ｍｍの範囲に設定される請求項１に記載の無線電力送信機。
  8. 前記第１及び第２のボトムコイルと前記トップコイルとは、同一の自己インダクタンス（ｓｅｌｆ ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ）値を有する請求項１に記載の無線電力送信機。
  9. 前記第１及び第２のボトムコイルと前記トップコイルとは、１０．６μＨ〜１２．０μＨの範囲の前記同一の自己インダクタンス値を有する請求項８に記載の無線電力送信機。
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