KR101217655B1 - 차량용 무선 전력 전송 시스템 - Google Patents

차량용 무선 전력 전송 시스템 Download PDF

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윤힘찬
이건복
우대웅
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포항공과대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 차량용 무선 전력 전송 시스템에 관한 것이다. 이는 전원을 공급하기 위해 공진주파수를 발생시키는 송신기(310)가 지면 부근에 설치되어 있는 차량용 무선 전력 전송 시스템(300)으로서, 차량의 바퀴(T)의 타이어(T1)와 휠(T2) 사이에 설치되며, 상기 송신기(310)에서 발생된 제 1 공진 주파수에 맞추어 공진하는 공진코일(321) 및 상기 공진코일(321)로부터 전력을 수신하는 급전부(322)를 포함하여 상기 송신기로부터 무선으로 전력을 수신하는 수신기(320); 상기 바퀴(T)의 회전에 따라 위치가 변하지 않도록 휠 중심부에 배치되고, 상기 수신부(320)의 급전부(322)로부터 제공되는 전력에 의해 제 2 공진 주파수를 발생시키는 제 1 중계기(340); 차량의 차체(V)에 고정 설치되고, 상기 제 1 중계기(340)에서 발생시키는 제 2 공진 주파수에 의해 공진하여 상기 제 1 중계기로부터 무선으로 전력을 수신하는 제 2 중계기(350); 및 상기 제 2 중계기(350)에서 수신된 전력을 직류로 정류하여 출력하는 정류기(360)를 포함한다. 이에 따라, 차체에서 지면과 가장 가까운 위치에 있는 바퀴를 이용하기 때문에 자기 공명 방식의 무선 전력 전송에 있어서의 효율 손실을 최소화할 수 있고, 무선 전력 전송 효율이 향상되는 등의 현저한 효과를 제공한다.

Description

차량용 무선 전력 전송 시스템{Wireless Power Tranfer System For Automatic Car}
본 발명은 일반적으로 무선 전력 전송 시스템에 관한 것으로서, 더 상세하게는 예컨대 전기 자동차와 같은 차량의 배터리를 충전하기 위하여, 지면 이하에 설치된 송신코일로부터 송신되는 주파수에 대해 자기 공명 결합 방식으로 공진하는 수신코일을 차량의 바퀴에 설치하고, 바퀴와 차체 사이에 중계용 공진코일을 통해 수신코일로부터의 전력을 배터리로 전송하도록 구성함으로써, 송신코일과 수신코일 사이의 거리를 최소화할 수 있어 전력 전송의 손실을 최소화하고 배터리 충전 시간을 단축할 수 있도록 한 새로운 차량용 무선 전력 전송 시스템에 관한 것이다.
휴대 기기 또는 전기 자동차와 같은 장치 내의 전원장치인 배터리의 충전 기술이 요구되고 있는데, 이에 부응하기 위해 제안되고 있는 무선 전력 전송은 전자기 유도 결합 방식 또는 자기 공명 결합 방식 등의 기술들이 알려져 있다.
전자기 유도 결합 방식은 변압기(Transformer)의 기본 원리와 같으며, 예컨대 휴대폰 무선 충전 시스템의 경우, 변압기의 1차 코일과 2차 코일을 분리하여, 1차 코일은 충전장치에, 2차 코일은 휴대폰에 탑재하여 사용한다. 이러한 경우, 충전의 전력 효율은 1차 코일에 인가된 전력과 2차 코일에 유도된 전력의 비로 나타낼 수 있다. 충전 효율을 높이기 위해서는 1차 코일과 2차 코일의 정렬 상태 및 거리가 매우 중요하며, 거리가 수 cm 범위보다 조금만 더 떨어지게 되거나 정렬 오프셋이 생길 경우, 2차 코일에 유도 기전력이 충분히 유기되지 않으므로 유선 충전 시스템에 비하여 충전 효율이 매우 떨어지고 충전 시간 또한 증가하게 된다. 또한 와전류가 발생되어 위험한 발열을 일으킬 수 있다는 문제도 있었다.
이러한 문제점들을 해결하기 위하여 제안된 기술들 중 자기 공명 결합 방식의 무선 전력 전송 시스템이 알려져 있다. 이는 자기장의 공진 주파수를 이용하는 기술로서, 전송부와 수신부에 각각 공진을 일으키는 공진기(통상 코일 형태)가 포함되며, 심지어 수 미터 범위의 거리에서도 높은 전송 효율을 얻을 수 있다는 장점을 제공한다. 예컨대 국내 공개특허 10-2011-0062841 '무선 전력 전송 장치'에는, 본 명세서에 첨부된 도 1에 도시된 바와 같은 무선 전력 전송 시스템(100)이 개시되어 있다. 이 시스템(100)의 수신부(110)는 외부에서 전원이 인가되는 전원코일(111)과 이로부터 전력을 공급받아 일정 주파수의 전자기장을 발생시키는 송신코일(112)을 포함하여 구성된다. 송신코일(112)에서 발생된 주파수는, 시스템에 따라 추가될 수 있는 하나 이상의 공진기 즉 중계코일(121, 122)을 통해 중계된 후, 수신부(130)로 수신될 수 있다. 수신부(130)는 송신코일(112)으로부터 따라서 중계코일(122)에서부터 방사된 주파수에 대해 공진하는 수신코일(131)과 이 수신코일(131)에서 수신된 에너지를 수신하기 위한 부하코일(132)을 포함하여 구성될 수 있다.
자기 공명 결합 방식의 무선 전력 전송 시스템은 비록 상대적으로 먼 거리에도 높은 효율로 전력을 전송할 수는 있지만, 여전히 거리에 따라 전송 효율이 감소한다. 이에 따라 하이브리드 자동차 또는 전기 자동차와 같이 대전력의 전송이 필요한 경우, 송신코일과 수신코일 사이의 거리가 증감함에 따른 전송 효율의 증감은 매우 중요한 문제로 되어 있다. 종래에 차량에 적용된 자기 공명 결합 방식의 무선 전력 전송 시스템의 예로는 국내 공개특허 10-2011-0061874의 '무선 전력 전송 시스템'에 개시되어 있으며, 본 명세서에서 첨부되어 있는 도 2에 개략적으로 예시되어 있다.
이러한 종래 시스템(200)의 경우, 예컨대 주차장과 같은 지역의 지면 근처에 급전부 즉 전원코일(210)과 송신코일(220)을 설치하고, 이 지면/지하에 있는 송신코일(220)과의 거리를 좁히기 위하여, 차량에 설치되는 수신코일(230) 및 급전부 즉 부하코일(240)을 차량 차체의 하부면에 설치하였다. 그러나, 차체의 하부면은 통상 차량의 안전 운행을 위하여 도로 등의 지면에 대해 일정 거리만큼 항상 떨어져 있어야만 하므로, 수신코일(230)과 송신코일(220) 사이의 거리 때문에 전송 효율에 있어서 무시할 수 없는 손실이 존재한다는 문제점이 있었다. 또한 차량의 미관을 해칠 수도 있다는 문제도 있었다.
그러므로 하이브리드 자동차나 전기 자동차의 배터리를 무선 충전하기 위한 시스템에 있어서, 지면에 설치된 송신코일과 차량에 설치된 수신코일 사이의 거리를 최소화할 수 있어 전력 전송의 손실을 최소화하고 배터리 충전 시간을 단축할 수 있도록 하는 기술에 대한 요구가 여전히 존재한다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 전기 자동차와 같은 차량의 배터리를 충전하기 위하여, 지면 이하에 설치된 송신코일과 차량에 설치된 수신코일 사이의 거리를 최소화할 수 있어 전력 전송의 손실을 최소화하고 배터리 충전 시간을 단축할 수 있도록 한 새로운 차량용 무선 전력 전송 시스템을 제공하는데 있다.
또한 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 차량에 다수의 수신코일을 설치하고 이들로부터 수신된 에너지를 결합하여 배터리를 충전하도록 함으로써, 전기적 부하를 분산시킬 수 있고, 정차 시 또는 주행 시 여러 가지 환경 하에서도 무선 전력 전송을 원활하게 수행할 수 있는 차량용 무선 전력 전송 시스템을 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 차량용 무선 전력 전송 시스템은, 지면 부근에 설치되어 공진주파수를 발생시키는 송신기, 차량의 바퀴의 타이어와 휠 사이에 설치되며, 상기 송신기에서 발생된 제 1 공진 주파수에 맞추어 공진하는 공진코일 및 상기 공진코일로부터 전력을 수신하는 급전부를 포함하여 상기 송신기로부터 무선으로 전력을 수신하는 수신기, 상기 바퀴의 휠 중심부에 배치되고, 상기 수신기의 급전부로부터 제공되는 전력에 의해 제 2 공진 주파수를 발생시키는 제 1 중계기, 차량의 차체에 고정 설치되고, 상기 제 1 중계기에서 발생시키는 제 2 공진 주파수에 의해 공진하여 상기 제 1 중계기로부터 무선으로 전력을 수신하는 제 2 중계기 및 상기 제 2 중계기에서 수신된 전력을 직류로 정류하여 출력하는 정류기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 수신기의 급전부에서 출력되는 전력의 일부는, 상기 바퀴 상에 설치되어 상기 바퀴 상태를 모니터링하는 센서 또는 통신모듈에 공급될 수 있다.
다른 실시예에 있어서, 상기 수신기는 일정한 간격을 가지고 복수 개로 설치되고, 이 복수의 수신기들로부터 출력되는 전력은 상기 바퀴의 휠에 고정 설치되는 전력결합기에 의하여 결합된 후 상기 제 1 중계기에 공급될 수 있다.
또 다른 실시예에 있어서, 상기 제 2 중계기는, 차량의 차체 중 휀더의 일부가 바퀴의 휠 중심부까지 연장된 부분에서, 상기 바퀴의 휠 중앙부에 설치되어 있는 제 1 중계기와 정렬된 상태로 설치될 수 있다.
그리고, 또 다른 실시예에 있어서, 상기 제 2 중계기는, 차량의 차체 중 현가장치 상에서, 상기 바퀴의 휠 중앙부에 설치되어 있는 제 1 중계기와 정렬된 상태로 설치될 수 있다.
또한 또 다른 실시예에 있어서, 상기 정류기는, 하이브리드 자동차 또는 전기 자동차의 동력 발생용 배터리에 연결되어 상기 배터리를 충전할 수 있다.
상술한 구성을 가지는 본 발명에 따른 차량 무선 전력 전송 시스템은, 차량의 바퀴 내에 수신코일을 내장함으로써 지면의 송신코일과의 거리를 최소화할 수 있다. 즉 차체에서 지면과 가장 가까운 위치에 있는 바퀴를 이용하기 때문에 자기 공명 방식의 무선 전력 전송에 있어서의 효율 손실을 최소화할 수 있고, 무선 전력 전송 효율이 향상되기 때문에 차량 배터리 충전시간이 단축되는 효과를 기대할 수 있다.
본 발명에 따른 차량 무선 전력 전송 시스템에 의하면, 차량의 바퀴들에 각각 다수의 수신코일을 설치하고 이들로부터 수신된 에너지를 결합하여 배터리를 충전하도록 함으로써, 정차시 뿐만 아니라 주행시에도 무선 전력 전송이 원활하다는 장점을 제공할 수 있다. 뿐만 아니라 여러 개의 수신 코일에 의하여 전력을 전송받기 때문에 대전력의 전송시 각 부품에 가해지는 전기적인 부하를 분산할 수 있다는 이점이 있다.
또한 본 발명에 따른 차량 무선 전력 전송 시스템의 각 구성 부분은 차량의 내부에 위치하기 때문에 자동차의 미관을 해치지 않는다는 장점도 제공할 수 있다.
더 나아가 차량의 바퀴에 설치되는 수신코일과 이로부터 제공되는 에너지를 수신하는 급전부는 배터리 충전 용도 이외에 바퀴의 상태를 감지하는 센서 및 다른 자동차와의 통신용으로도 활용될 수 있다는 장점을 제공할 수 있다.
도 1은 일반적인 무선 전력 전송 시스템의 기본 원리를 설명하기 위한 개략적인 회로도이다.
도 2는 종래 차량용 무선 전력 전송 시스템을 설명하기 위한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 무선 전력 전송 시스템의 전체적인 구성을 보여주는 개략적인 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 무선 전력 전송 시스템에서 차량 바퀴의 타이어와 휠 사이에 설치되는 수신코일의 예를 보여주기 위한 개략도이다.
도 5는 본 발명에 따른 차량용 무선 전력 전송 시스템에서 차량 바퀴에 설치되는 다수의 수신코일, 전력결합부, 중계코일의 설치 위치를 예시하는 개략도이다.
도 6은 본 발명에 따른 차량용 무선 전력 전송 시스템에서 차량 바퀴에서 수신된 전력이 휀더에 설치된 중계코일을 통해 배터리에 전달되는 구성을 예시하는 개략도이다.
도 7은 본 발명에 따른 차량용 무선 전력 전송 시스템에서 차량 바퀴에서 수신된 전력이 현가장치에 설치된 중계코일을 통해 배터리에 전달되는 구성을 예시하는 개략도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명의 청구범위에 의해 한정된다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 구체적인 예를 들어 설명하면 다음과 같다.
도 3에 개략적으로 도시된 바, 본 발명에 따른 차량용 무선 전력 전송 시스템(300)은 전원을 공급하기 위해 공진주파수를 발생시키는 송신기(310)가 지면 부근에 설치되어 있는 상태에서, 이 지면을 통과하는 차량의 배터리 등에 전력을 무선으로 전송할 수 있게 하는 시스템이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 차량용 무선 전력 전송 시스템(300)은 송신기(310), 수신기(320), 전력결합기(330), 제 1 중계기(340), 제 2 중계기(350), 정류기(360), 및 배터리(370)를 포함한다.
송신기(310)는 예컨대 전기 자동차와 같은 차량의 충전을 위한 전용 충전 지역의 주차장 또는 도로의 일부일 수 있는 지면 상에 또는 지면에 근접한 지하에 설치될 수 있다. 이 송신기(310)는 일정한 공진 주파수(즉, 제 1 공진 주파수)를 발생시킬 수 있는 공진코일을 포함하며, 외부에서 전원을 공급받을 수 있다.
수신기(320)는 직접 송신기(310)로부터 무선으로 전력을 전송받는 부분이다. 수신기(320)는 도 4에 예시된 바와 같이 차량의 바퀴(T)의 타이어(T1)와 휠(T2) 사이에 설치될 수 있다. 수신기(320)는, 송신기와 제 1 및 제 2 중계기와 유사하게 공진코일과 급전부를 포함하여 구성될 수 있다. 수신기(320)의 공진코일(321)은 송신기(310)에서 발생된 제 1 공진 주파수에 맞추어 공진하는 코일이다. 수신기(320)의 급전부(322)는 공진코일(321)에서 발생된 공진 에너지로부터 전력을 수신하여 출력한다.
수신기(320)의 급전부(322)에서 출력되는 전력은 직접 제 1 중계기(340)로 전송될 수 있지만, 더 바람직하게는 도 3과 도 5 내지 도 7에 예시된 바와 같이, 복수의 수신기(320)의 급전부(322)로부터의 전력을 합쳐서 결합시키는 전력결합부(330)를 경유하여 제 1 중계기(340)에 제공될 수 있다.
이 경우, 도 5에 도시되어 있는 바와 같이, 바퀴(T) 내에서 수신기(320)는 일정한 간격을 가지고 복수 개로 설치될 수 있다. 비록 도면에서는 4개의 수신기(320)가 설치되어 있음이 예시되어 있으나, 본 발명이 이에만 한정되는 것이 아니고 필요에 따라 다양한 수로 구성될 수 있다는 것은 본 기술 분야의 통상의 기술자에게는 자명할 것이다. 이렇게 복수로 설치되어 있는 수신기(320)들로부터 출력되는 전력들은 바퀴(T)의 휠에 고정 설치되는 전력결합기(330)에 의하여 하나로 결합된 후 제 1 중계기(340)에 공급될 수 있다.
제 1 중계기(340)는, 바퀴(T)의 회전에 따라 위치가 변하지 않도록 휠 중심부에 배치되는 것이 바람직하며, 수신부(320)의 급전부(322)로부터 제공되는 전력에 의해 제 2 공진 주파수를 발생시킨다. 제 2 공진 주파수는 위에서 언급한 송신기(310)의 제 1 공진 주파수와 상이한 것이 바람직하다.
다시 말해서 수신기(320)는 송신기(310)에 의해서만 공진하도록 즉 송신기(310)와 수신기(320)는 제 1 공진 주파수에 의해서만 공진하도록 구성되고, 한편 제 1 중계기(340)는 제 2 중계기(350)만을 공진시키도록 즉 제 1 중계기(340)와 제 2 중계기(350)는 제 2 공진 주파수에 의해서만 공진하도록 구성될 수 있다.
제 2 중계기(350)는 차량의 차체(V)에 고정 설치되고, 제 1 중계기(340)에서 발생시키는 제 2 공진 주파수에 의해 공진하여 제 1 중계기로부터 무선으로 전력을 수신한다. 제 2 중계기(350)가 설치되는 위치는 바퀴(T)가 아니라 차체(V)에 있다.
도 6 및 도 7에 도시된 본 발명의 실시예들에 따라, 제 2 중계기(350)는 차체의 휀더(V1) 안쪽이거나 또는 바퀴에 동력을 전달하기 위한 엑슬과 같은 현가장치(V2) 상에 고정 설치될 수 있다.
즉 도 6에 도시된 바와 같이, 제 2 중계기(350)는 차량 휀더의 일부가 바퀴(T)의 휠 중심부까지 연장된 부분에서, 상바퀴의 휠 중앙부에 설치되어 있는 제 1 중계기(340)와 정렬된 상태로 설치될 수 있다. 이 경우 제 1 중계기(340)와 제 2 중계기(350) 사이의 거리가 최소화될 수 있다.
그런데, 도 6의 실시예에서는, 차체의 휀더가 불가피하게 바퀴의 윗부분 중 적어도 일부를 가리는 디자인만이 가능하다는 제약이 있다. 도 7에 도시된 실시예는 이러한 디자인적인 제약이 없다. 즉 제 2 중계기(350)는, 차량의 차체(V) 중 현가장치(V2) 상에서, 바퀴의 휠 중앙부에 설치되어 있는 제 1 중계기(340)와 정렬된 상태로 설치될 수 있다. 이 경우, 도시된 바와 같이, 제 2 중계기(350)의 공진코일은 현가장치(V2)를 감아 돌아 고정되는 방식으로 설치가능하며, 한편 제 2 중계기(350)의 급전부는 바퀴(T)의 회전 및 현가장치(V2)의 회전과는 무관하게, 즉 회전하지 않는 상태로 설치될 수 있다.
제 2 중계기(350)에서 수신된 전력은 직류로 정류하여 출력하는 정류기(360)에 전달되며, 정류기(360)에서 출력되는 직류는 차량에서 필요한 전기를 제공할 수도 있지만, 특히 하이브리드 자동차 또는 전기 자동차의 동력 발생용 배터리(370)에 연결되어 충전하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 변형된 실시예에 따라, 바퀴에 설치되어 있는 수신기(320)의 급전부(322)에서 출력되는 전력의 일부는, 상기 바퀴(T) 상에 설치되어 있는 상기 바퀴(T) 상태를 모니터링하는 센서 또는 통신모듈에 공급될 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따라 제공되는 차량용 무선 전력 전송 시스템은, 예컨대 주차장 또는 충전 구역과 같은 특정 지역의 지면 또는 도로의 지면에 설치되는 전원공급 설비로부터 무선으로 전력을 공급받아 차량 배터리를 충전할 수 있게 하는 용도로 사용될 수 있다. 특히 본 발명의 시스템에서는, 차량의 바퀴 내에 수신코일을 내장함으로써 지면의 송신코일과의 거리를 최소화할 수 있으며, 다수의 수신코일들에 의하여 분산 수신하기 때문에 전기적인 부하를 분산시킬 수 있는 등의 여러 가지 장점을 제공할 수 있다.
300 : 시스템
310 : 송신기
320 : 수신기
321 : 수신코일
322 : 급전부
330 : 전력결합기
340 : 제 1 중계기
350 : 제 2 중계기
360 : 정류기
370 : 배터리

Claims (6)

  1. 지면 부근에 설치되어 공진주파수를 발생시키는 송신기;
    차량의 바퀴의 타이어와 휠 사이에 설치되며, 상기 송신기에서 발생된 제 1 공진 주파수에 맞추어 공진하는 공진코일 및 상기 공진코일로부터 전력을 수신하는 급전부를 포함하여 상기 송신기로부터 무선으로 전력을 수신하는 수신기;
    상기 바퀴의 휠 중심부에 배치되고, 상기 수신기의 급전부로부터 제공되는 전력에 의해 제 2 공진 주파수를 발생시키는 제 1 중계기;
    차량의 차체에 고정 설치되고, 상기 제 1 중계기에서 발생시키는 제 2 공진 주파수에 의해 공진하여 상기 제 1 중계기로부터 무선으로 전력을 수신하는 제 2 중계기; 및
    상기 제 2 중계기에서 수신된 전력을 직류로 정류하여 출력하는 정류기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 무선 전력 전송 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 수신기는
    일정한 간격을 가지고 복수 개로 설치되고, 상기 복수 개의 수신기로부터 출력되는 전력은 상기 바퀴의 휠에 고정 설치되는 전력결합기에 의하여 결합된 후 상기 제 1 중계기에 공급되는 것을 특징으로 하는 차량용 무선 전력 전송 시스템.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 제 2 중계기는,
    차량의 차체 중 휀더의 일부가 바퀴의 휠 중심부까지 연장된 부분에서, 상기 바퀴의 휠 중앙부에 설치되어 있는 제 1 중계기와 정렬된 상태로 설치되는 것을 특징으로 하는 차량용 무선 전력 전송 시스템.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 제 2 중계기는,
    차량의 차체 중 현가장치 상에서, 상기 바퀴의 휠 중앙부에 설치되어 있는 제 1 중계기와 정렬된 상태로 설치되는 것을 특징으로 하는 차량용 무선 전력 전송 시스템.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 정류기는,
    하이브리드 자동차 또는 전기 자동차의 동력 발생용 배터리에 연결되어 상기 배터리를 충전하는 것을 특징으로 하는 차량용 무선 전력 전송 시스템.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 수신기의 급전부에서 출력되는 전력의 일부는,
    상기 바퀴 상에 설치되어 상기 바퀴 상태를 모니터링하는 센서 또는 통신모듈에 공급되는 것을 특징으로 하는 차량용 무선 전력 전송 시스템.
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