KR101666426B1 - 유도성 무선 충전 시스템과 이를 이용한 차량용 무선 충전 시스템 - Google Patents

유도성 무선 충전 시스템과 이를 이용한 차량용 무선 충전 시스템 Download PDF

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조병국
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본 발명은 전자기 유도 현상을 이용한 유도성 무선 충전 시스템과 이를 이용한 차량용 무선 충전 시스템에 관한 것이다. 유도성 무선 충전 시스템은, 급전용 코일이 권취된 급전코어와, 집전용 코일이 권취된 집전코어를 포함하고, 급전코어와 집전코어는 자계가 입출력되는 자계입출력면에 요철이 형성된다. 이를 통해 자계입출력면에서의 프린지 효과를 저감시켜 전력 전송 효율을 향상시킬 수 있으므로 급전장치와 차량의 집전장치의 간격이 다소 이격 되더라도 높은 전력 전송 효율을 유지할 수 있다.

Description

유도성 무선 충전 시스템과 이를 이용한 차량용 무선 충전 시스템{INDUCTIVE WIRELESS CHARGING SYSTEM AND VEHICLE WIRELESS CHARGING SYSTEM USING IT}
본 발명은 전자기 유도 현상을 이용한 유도성 무선 충전 시스템과 이를 이용한 차량용 무선 충전 시스템에 관한 것이다.
전기모터를 구동원으로 사용하는 친환경 자동차(전기자동차, 하이브리드 전기자동차 등)에는 모터 구동을 위한 배터리가 장착되는데, 배터리는 통상적으로 유선을 이용한 플러그인 충전방식 또는 급속충전방식 등으로 충전을 하고 있다.
최근에는 무선전력전송 시스템을 활용해서 차량의 고전압배터리를 충전하는 방식이 개발되고 있는데, 무선전력전송은 전선으로부터 자유를 추구하기 위해 개발된 기술로 크게 자기유도방식, 자기공명방식, 전자기파방식으로 구분할 수 있다.
자기공명방식이나 전자기파방식의 경우 충전 가능 거리가 길다는 장점이 있으나, 전력 손실이 크다는 문제점이 있었다.
자기유도방식은 비복사 특성과 비공진기를 활용한 기술로 전력 송신부 코일에서 자기장을 발생시키면, 그 자기장의 영향으로 수신부 코일에서 전기가 유도되는 전자기 유도 원리를 이용한 방식이다.
핸드폰이나 전기커피포트와 같이 소형 가전기기에 사용되는 자기유도방식의 충전시스템은 평면 형태의 코일을 사용하였다. 그러나 평면 형태의 코일은 대전력의 전송이 힘들고, 충전에 장시간이 요구된다는 점에서 실용화가 힘들다는 문제점이 있었다.
그리고 코어가 구비된 2개의 솔레노이드를 갖는 충전장치는 와전류 손실이나 히스테리시스 손실 등에 기인한 손실이 발생하는 이외에, 코일 주변에 발생하는 누설자속과, 자계가 입출입하는 코어의 자계입출력면 사이에서 발생하는 프린지 효과(코어의 자계입출력면에서 공간으로 퍼져나가는 자계에 의한 효과)에 의한 손실이 수반되는 문제점이 있었다. 이러한 누설자속과 프린지 효과에 의한 손실은 솔레노이드의 이격 거리가 클수록 커지게 된다.
한편 자기유도방식의 차량 충전 시스템의 경우 급전용 코일과 차량의 배터리와 연결된 집전용 코일 사이의 간격이 클수록 전력 전송 효율이 급격히 낮아지므로, 이들 사이의 간격을 가변적으로 좁힐 수 있는 리프팅 장치를 구비한 기술로서 한국특허출원 제10-2010-0099351호이 개시된 바 있다.
그러나 이러한 장치는 지면에 설치되는 급전장치를 승하강 시키기 위해 별도의 리프팅 장치를 구비하여야 하므로 충전 시스템의 설치 비용이 증가하고, 가정에서는 설치가 힘들다는 문제점이 있었다.
본 발명의 유도성 무선 충전 시스템은 대전력의 전송을 단시간 내 전송하면서도 전력 전송 효율을 향상시키기 위한 유도성 무선 충전 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.
또한 본 발명은 급전용 코일과 집전용 코일 사이의 간격이 다소 크더라도 근접시의 전력 전송 효율을 유지할 수 있는 차량용 무선 충전 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명 유도성 무선 충전 시스템은, 급전용 코일이 권취된 급전코어와, 집전용 코일이 권취된 집전코어를 포함하는 유도성 무선 충전 시스템에 있어서, 상기 급전코어와 상기 집전코어는, 자계가 입출력되는 자계입출력면에 요철이 형성된다.
바람직하게, 상기 요철의 상부에 절연층이 매립 형성된다.
바람직하게, 상기 급전코어와 상기 집전코어는 각각 'U'자 형상의 철심이 복수개 적층되어 이루어진다.
바람직하게, 상기 요철은, 상기 급전코어와 상기 집전코어 각각의 교차하는 자계입출력면에 형성된다.
바람직하게, 상기 적층되는 복수의 철심 중 적어도 어느 하나는, 상기 자계입출력면을 구성하는 양단부 중 적어도 어느 하나에 요철이 형성된다.
바람직하게, 상기 복수의 철심 중 인접한 철심은 격자 구조를 갖도록 요철의 순서가 바뀐 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 요철의 단면 형상은 사각형, 삼각형, 물결형 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 유도성 무선 충전 시스템.
바람직하게, 상기 적층되는 복수의 철심 중 적어도 어느 하나는, 상기 자계입출력면을 구성하는 양단부의 높이가 다르게 하여 요철이 형성된다.
상술한 다른 과제를 해결하기 위한 본 발명 차량용 무선 충전 시스템은, 전원과 연결되는 급전용 코일이 권취된 급전코어를 포함하는 급전장치; 및 차량 배터리와 연결되는 집전용 코일이 권취된 집전코어를 포함하는 집전장치;로 이루어진 차량용 무선 충전 시스템에 있어서, 상기 급전코어와 상기 집전코어는, 자계가 출력 또는 입력되는 자계입출력면에 요철이 형성된다.
본 발명의 유도성 무선 충전 시스템에 의하면, 자계입출력면에 요철이 형성되어 프린지 효과를 저감시키고 이를 통해 전력 전송 효율을 향상시킬 수 있다.
또한 본 발명의 차량용 무선 충전 시스템에 의하면, 급전장치와 차량의 집전장치의 간격이 다소 이격 되더라도 높은 전력 전송 효율을 유지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 의한 차량용 무선 충전 시스템의 개략도.
도 2는 제1실시예에 의한 코어를 구성하는 철심의 정면을 나타낸 도면.
도 3은 제1실시예에 의한 코어로 이루어진 급전코어의 평면을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 의한 차량용 무선 충전 시스템의 일부를 나타낸 개략도.
도 5는 제2실시예에 의한 코어를 구성하는 2종의 철심 정면을 나타낸 도면.
도 6은 제2실시예에 의한 코어로 이루어진 급전코어의 평면을 나타낸 도면.
도 7은 제2실시예에 의한 코어의 측면을 나타낸 도면.
도 8은 제3실시예에 의한 코어의 정면을 나타낸 도면.
도 9는 제4실시예에 의한 코어의 정면을 나타낸 도면.
이하에서는 본 발명의 실시예를 도면을 참고하여 설명한다. 도면 부호는 동일한 기능과 작용을 하는 구성에 대하여는 설명의 편의상 동일 부호를 부여한다.
도 1은 본 발명의 차량용 무선 충전 시스템의 전체 구성도로서, 본 발명의 다른 측면에 해당하는 유도성 무선 충전 시스템을 포함한다.
도 1에 의하면, 차량용 무선 충전 시스템은 크게 전력을 무선 공급하는 급전장치(100)와 차량에 설치되어 전력을 무선 공급 받는 집전장치(200)로 나누어진다.
급전장치(100)는 전원(140)으로부터 입력받은 직류 또는 교류의 전력을 고주파로 변환시키는 전기회로부(130)를 구비한다. 전기회로부(130)의 출력단은 급전코어(110)에 권취된 급전코일(120)에 연결된다.
집전장치(200)는 급전코어(110)와 이격하여 설치되며 집전코일(220)이 권취된 집전코어(210)를 구비한다. 집전코일(220)의 출력단은 정류기와 같은 전기회로부(230)에 연결되고, 전기회로부(230)는 차량의 배터리(240)와 모터(250)에 연결된다.
각각의 코어(110, 210)는 'U'자 형상의 철심이 복수개 적층되어 이루어진다. 이는 와전류에 의한 손실을 감소시키기 위함이다.
상술한 급전코어(110)에서 자계가 입출력되는 자계입출력면(111, 112)과, 집전코어(210)에서 자계가 입출력되는 자계입출력면(211, 212)의 표면에는 1 이상의 요철이 형성된다. 이때, 각 코어(110, 210)에 형성된 자계입출력면 모두에 요철을 형성하거나, 도 1과 같이 요철을 각 코어(110, 210)의 교차되는 부분에 해당하는 자계입출력면에만 형성할 수 있다.
이러한 요철은 철부(볼록한 부분)에 자기력선을 집중시켜, 각 코어(110, 210)의 대향하는 자계입출력면으로부터 수직하게 형성되는 자기력선 둘레에 주위 공간으로 퍼져 나가는 자기력선에 의한 손실(프린지 효과)을 최소화하는 기능을 한다.
이러한 요철의 요부(오목한 부분)는 이물질이 축전 될 수 있으므로, 절연층을 매립하는 것이 바람직하다.
이하에서는 무선 충전 시스템과 관련하여 통상의 기술에 해당하는 부분에 대하여는 설명을 생략하며, 본 발명 유도성 무선 충전 시스템의 핵심인 급전코어와 집전코어 구조에 대하여 도 2 내지 도 7을 참고하여 구체적으로 설명한다.
급전코어(110)과 집전코어(210)는 통상적으로 동일한 형상으로 이루어지거나, 다른 형상으로 구성할 수도 있는데, 이하에서는 급전코어(110)를 중심으로 설명한다.
먼저 제1실시예에 의한 급전코어(110)는, 도 2와 같이 'U'자 형상의 평면 구조를 갖는 철심(110a)이 적층되어, 도 3과 같은 평면 구조를 갖게 된다. 구체적으로 제1실시예의 철심(110a)은 자계입출력면을 구성하는 양단부 중 적어도 어느 하나에 사각형의 요철이 형성된다. 이러한 철심(110a)이 적층되면 길이 방향의 요철이 형성된다.
이때 도면에는 표시하지 않았지만, 도 2의 요철 구조를 갖는 철심(110a)과 요철의 순서만을 바꾼 다른 형태의 인접한 철심(미도시)을 차례로 적층하면, 격자 형태의 요철 구조를 형성할 수 있다.
제2실시예에 의한 급전코어(110)는, 도 4 내지 7과 같이, 기본적으로 'U'자 형상의 평면 구조를 갖는 철심(110b)이 적층된다는 점에서 제1실시예와 동일하다. 다만, 제2실시예의 철심(110b)은 자계입출력면을 구성하는 양단부의 높이가 다르게 하여 급전코어(110)에 요철을 형성하게 된다. 구체적으로 도 5의 정면도와 같이 인접한 2개의 철심(A, B) 각각의 양단부에 높이차(L)를 두어 도 6의 평면도와 같이 순서대로 적층하게 되면 도 7의 측면도와 같이 길이방향의 요철을 형성할 수 있다.
제2실시예의 철심(110b)은 동일한 형상을 갖는 1종의 철심을 순차적으로 뒤집어 적층함으로써 급전코어(110)를 구성할 수 있어 제조비용을 절감할 수 있다.
제3, 제4실시예의 철심(110c, 110d)은, 상술한 제1, 2실시예의 요철 형상과 달리, 요철부의 형상을 각각 삼각형 또는 물결형으로 구성한 것으로, 예시한 이외에 다양한 형태로 요철 형상을 구성할 수 있다.
상술한 유도성 무선 충전 시스템을 차량용 무선 충전 시스템에 적용하게 되면, 급전장치(100)의 급전코어(110)와 차량의 집전장치(200)의 집전코어(210)의 간격이 다소 이격 되더라도 높은 전력 전송 효율을 유지할 수 있다. 따라서 종래 기술과 같이 급전장치(100)를 승강시키기 위한 리프팅 장치 없이도 대전력의 전송이 가능하다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 도면을 중심으로 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 기술적 사상을 중심으로 하여 다양한 형태의 균등물에까지 그 효력이 미침은 자명하다 할 것이다.
100 : 급전장치
110 : 급전코어
120 : 급전코일
130 : 전기회로부
140 : 전원
200 : 집전장치
210 : 집전코어
220 : 집전코일
230 : 전기회로부
240 : 배터리
250 : 부하

Claims (9)

  1. 급전용 코일이 권취된 급전코어와, 집전용 코일이 권취된 집전코어를 포함하는 유도성 무선 충전 시스템에 있어서,
    상기 급전코어와 상기 집전코어는, 각각 'U'자 형상의 철심이 복수개 적층되어 이루어지고, 자계가 입출력되는 자계입출력면에 요철이 형성되고,
    상기 요철은, 상기 급전코어와 상기 집전코어 각각의 교차하는 자계입출력면에 형성되고,
    상기 복수의 철심 중 인접한 철심은 격자 구조를 갖도록 요철의 순서가 바뀐 것을 특징으로 하는 유도성 무선 충전 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 요철의 상부에 절연층이 매립 형성된 것을 특징으로 하는 유도성 무선 충전 시스템.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 요철의 단면 형상은 사각형, 삼각형, 물결형 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 유도성 무선 충전 시스템.
  8. 삭제
  9. 전원과 연결되는 급전용 코일이 권취된 급전코어를 포함하는 급전장치; 및
    차량 배터리와 연결되는 집전용 코일이 권취된 집전코어를 포함하는 집전장치;로 이루어진 차량용 무선 충전 시스템에 있어서,
    상기 급전코어와 상기 집전코어는, 각각 'U'자 형상의 철심이 복수개 적층되어 이루어지고, 자계가 입출력되는 자계입출력면에 요철이 형성되고,
    상기 요철은, 상기 급전코어와 상기 집전코어 각각의 교차하는 자계입출력면에 형성되고,
    상기 복수의 철심 중 인접한 철심은 격자 구조를 갖도록 요철의 순서가 바뀐 것을 특징으로 하는 차량용 무선 충전 시스템.
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