KR101833777B1 - 무선전력전송장치의 집전 코일 및 그 제작 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무선전력전송장치의 집전 코일 및 그 제작 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 냉각수 직접 냉각 리쯔와이어로 제작된 무선전력전송장치의 집전 코일 및 그 제작 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일실시예에 따른 급전장치로부터 전력을 무선으로 수신하여 집전하는 무선전력전송장치의 집전 코일은 나선형의 솔레노이드 코일로 구성된 복수의 리쯔와이어; 복수의 리쯔와이어 각각을 외부와 절연시키는 절연 재료로 구성된 호스; 리쯔와이어를 외부와 전기적으로 연결하기 위한 단자인 전기접속 터미널; 및 복수의 리쯔와이어 각각에서 발생하는 열을 냉각수를 통해 직접 냉각하기 위하여 냉각수를 각 리쯔와이어에 제공하는 냉각수통로;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

무선전력전송장치의 집전 코일 및 그 제작 방법{Inductive power collection coil of Wireless Power Transfer Apparatus and a method}

본 발명은 무선전력전송장치의 집전 코일 및 그 제작 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 냉각수 직접 냉각 리쯔와이어로 제작된 무선전력전송장치의 집전 코일 및 그 제작 방법에 관한 것이다.

지구 온실가스의 증가와 환경오염, 원유가격 상승 등으로 인해 오늘날 전기 자동차는 새로운 이동 수단으로서 주목받고 있는데, 전기 에너지는 환경 오염을 유발하는 기존의 화석 연료를 대체할 수 있는 친환경 에너지원이며, 전기 자동차는 이러한 전기를 연료로 사용하기 때문에 매연과 이산화탄소가 거의 발생하지 않는다. 따라서, 전기 자동차는 친환경 이동 수단으로서 그 역할이 더 커질 것으로 기대된다. 전기자동차의 배터리를 충전함에 있어서 다양한 충전방식이 이용되고 있는데, 충전소에 설치된 충전기의 케이블을 차량에 직접 연결하여 충전하는 방식(플러그 인 방식)과 1차 코일과 2차 코일에 의해 발생하는 전자기 유도현상을 이용하는 비접촉식 충전방식(무선 충전방식)을 예로 들 수 있다.

이 중에서 플러그 인 방식은 충전을 할 때마다 플러그를 꽂고 빼야 하는 불편함이 있다. 특히 야외에 설치된 충전기의 경우에 눈, 비, 바람 등에 따라서 훨씬 더 불편한 단점을 갖는다. 이런 단점은 전기자동차의 보급 확산에 큰 장애물이 될 수도 있다.

이러한 문제점을 극복하기 위하여 최근에 시도되고 있는 무선 충전방식(무선전력전송기술)은, 도로에 매설된 급전부의 급전코일로부터 전기 자동차의 집전코일에 자기유도 작용을 이용하여 무선으로 전력을 공급하고 배터리를 충전한다. 무선 충전방식을 충전 시 전기 자동차의 주행 여부에 따라 분류하면, 정차 중 충전방식과 주행 중 충전방식으로 나눌 수 있다. 정지 중 충전방식은 전기 자동차가 정류장이나 주차장에 정지한 상태에서 급전 및 충전이 이루어지는 방식으로서, 급전코일과 집전코일 간의 에어 갭을 최소화할 수 있어서 주행 중 충전방식에 비하여 높은 충전효율을 달성할 수 있는 반면, 전기 자동차가 정류장에 잠시 정차 후에 출발하는 경우에는 짧은 충전시간으로 인하여 충분한 전력을 공급받지 못하는 단점이 있다. 이에 반하여 주행 중 충전방식은 전기 자동차가 정지하지 않고 운행하는 중에 급전부로부터 전력을 전송받기 때문에, 정지 중 충전방식에 비하여 상대적으로 충분한 충전시간을 확보할 수 있다.

상기의 전기 자동차의 무선전력전송기술은 무선으로 전력을 전송하는 급전장치와 전송된 전력을 수신하는 집전장치로 구성되며, 집전장치에는 집전 코일이 사용되는데, 큰 전류를 갖는 집전 코일을 공랭식 일반 리쯔와이어로 제작할 경우 두 중간다발 간 쇄교하는 자기장이 다르게 되는 경우에 어느 한 부분만 전류가 집중되어 공냉식 일반 리쯔와이어는 중간 다발 간의 전류 불평으로 인하여 단면적을 아무리 키워도 온도를 안전한 수준 이하로 만들 수 없는 문제가 있다.

한국등록특허공보 10-1627798B1 "무선충전 전기 자동차 및 무선충전 방법"

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 냉각수 직접 냉각 리츠와이어로 제작된 무선전력전송장치의 집전 코일 및 그 제작 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일실시예에 따른 급전장치로부터 전력을 무선으로 수신하여 집전하는 무선전력전송장치의 집전 코일은 나선형의 솔레노이드 코일로 구성된 리쯔와이어; 상기 리쯔와이어를 외부와 절연시키는 절연 재료로 구성된 호스; 상기 리쯔와이어의 양단에 각각 구비되고, 리쯔와이어를 외부와 전기적으로 연결하기 위한 단자인 전기접속 터미널; 및 상기 리쯔와이어와 호스 사이에 형성되고, 상기 리쯔와이어에서 발생하는 열을 직접 냉각하기 위하여 냉각수가 유동할 수 있는 냉각수통로를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 냉각수통로는 상기 호스의 일 측을 통해 소정의 속도로 소정의 냉각수를 계속하여 입력받고, 타 측을 통해 상기 소정의 냉각수를 내보내고, 상기 냉각수는 상기 리쯔와이어의 열을 흡수하면서 이동하게 되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 일실시예에 따른 급전장치로부터 전력을 무선으로 수신하여 집전하는 무선전력전송장치의의 집전장치는 알루미늄 프레임에 부착되는 복수개의 페라이트 코어; 및 복수개의 페라이트 코어들에 의해 형성된 프레임 내부에 위치하며, 급전장치로부터 자기장의 공진을 통해 전력을 무선으로 수신하여 집전하며, 솔레노이드 코일로 구성된 리쯔와이어 및 리쯔와이어에서 발생하는 열을 냉각수를 통해 직접 냉각하기 위한 냉각수통로를 포함하는 집전 코일을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 집전 코일은, 상기 리쯔와이어를 외부와 절연시키는 절연 재료로 구성된 호스; 및 상기 리쯔와이어의 양단에 각각 구비되고, 리쯔와이어를 외부와 전기적으로 연결하기 위한 단자인 전기접속 터미널을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 냉각수통로는 상기 호스의 일 측을 통해 소정의 속도로 소정의 냉각수를 계속하여 입력받고, 타 측을 통해 상기 소정의 냉각수를 내보내고, 상기 냉각수는 상기 리쯔와이어의 열을 흡수하면서 이동하게 되는 것을 특징으로 한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 무선전력전송장치의 집전 코일은 단면적이 작아서 같은 공간에 많이 감을 수 있게 되어 같은 집전 코일을 만들 때 길이가 짧아지고, 단위면적당 전류를 작게 쓰게 되고 수냉식 리쯔와이어를 사용함으로써 리쯔와이어의 중간 다발간의 전류 불평으로 인한 온도 상승을 막아주어 온도를 일정 수준 이하로 유지가 가능하다.

도 1은 무선전력전송장치의 일예를 도시한 것이다.
도 2는 집전장치의 일예를 도시한 것이다.
도 3은 공냉식 리쯔와이어로 구성된 집전 코일의 일예를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전송장치의 집전장치의 일예를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수냉식 리쯔와이어 집전 코일의 단말부 구조의 일예를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선전력전송장치의 집전 코일의 제작 방법의 일예를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선전력전송장치의 집전장치의 동작 방법의 일예를 도시한 것이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "구성된다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명은 수냉식 리쯔와이어로 제작된 무선전력전송장치의 집전 코일에 관한 것이다.

도 1은 무선전력전송장치의 일예를 도시한 것이다. 도 1에서 보듯이, 전기자동차용 무선전력전송장치(100)는 급전장치(110)와 집전장치(120)로 구성되며, 급전장치(110)는 전원공급부(130)로부터 전력을 공급받고, 공진기를 통해 집전장치로(120)로 무선으로 전력을 전송하게 된다. 집전장치(120)는 급전장치(110)에서 전송한 전력을 수신하고 집전하고, 집전된 전력을 전기자동차와 같은 부하(140)에 제공하게 된다.

도 2는 집전장치의 일예를 도시한 것이다. 집전장치는 자기장을 이용하여 무선으로 전력을 수신하기 위하여 공진기로 동작하게 되는데, 이를 위해 페라이트 코어(124), 집전 코일(121) 및 알루미늄(123)을 포함하여 구성된다. 페라이트 코어는 복수개가 사용되며, 알루미늄(123)에 접착하여 고정된다. 집전 코일(121)은 페라이트 코어(124) 내부에 포함되게 구성된다.

도 3은 공냉식 리쯔와이어로 구성된 집전 코일의 일예를 도시한 것이다. 도 2의 집전장치는 무선으로 전력을 집전하기 위해 집전 코일(121)이 사용되는데, 집전 코일은 공냉식 리쯔와이어로 통상 구성되며, 리쯔와이어(litz wire type)는 리츠와이어라고도 불린다. 기기와의 어떠한 접점 없이 1차측으로부터 2차측으로 전력을 수신하기 위하여 집전장치에 위치한 집전 코일(121)은 리쯔와이어(Litz Wire)로 구성된 나선형의 솔레노이드 코일(solenoidal coil)을 적용한다. 리쯔와이어는 복수개가 함께 결합되어 있으며, 각 리쯔와이어는 복수개의 중간다발(122a, 122b, 122c, 122d, 122e)을 포함하여 구성된다. 2가지의 자력선이 리쯔와이어 주변에 흐르는데, 페라이트 코어를 통해 흐르는 자력선과 공기중으로 흐르는 자력선이 형성된다.

도 3에서 보듯이, 두 중간다발 간, 가령 122a와 122c로 표시되는 중간다발 간 쇄교하는 자기장이 다른데, 이로 인해 어느 한 부분만 전류가 집중되어 과도한 온도상승이 발생하게 된다. 페라이트 코어 영역 중 일부분이 다른 부분보다 자속밀도가 휠씬 높게 된다. 그 이유는 페라이트의 단면적이 커져서 자속밀도의 전체 크기가 커지게 되는 것이다. 이로 인해 일 부분에서 손실이 커지게 된다. 즉, 누설 자속(leakage flux)이 엄청나게 된다. 공냉식 일반 리쯔와이어는 중간 다발이 복수의 클러스트로 구성되며, 클러스트는 복수의 전선들을 꼬아서 만들어져 있고, 클러스트들에 자속이 쇄교하면서 클러스트간에 서로 자속밀도가 달라지게 되는데, 이로 인해 클러스트간 유기 전압이 발생하게 되기 때문이다. 이로 인해 공냉식 일반 리쯔와이어는 중간 다발 간의 전류 불평으로 인하여 단면적을 아무리 키워도 온도를 안전한 수준 이하로 만들 수 없다.

상기한 문제를 해결하기 위하여 본 발명은 냉각수가 직접 냉각하는 수냉식 리쯔와이어를 집전 코일을 제조한 집전장치에 관한 것으로 이하에서 설명한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전송장치의 집전장치의 일예를 도시한 것이다. 본 발명의 집전장치는 전기자동차에 사용되는 무선전송장치의 집전장치로서, 그 용량이 250kW 이상인 대용량 무선 집전장치이다. 도 4에서 보듯이, 집전 코일을 제외하고는 도 2와 동일하며, 집전 코일이 수냉식 리쯔와이어(121)로 구성되는 점만 차이가 있다. 도 4에서 보듯이, 자기장의 공진을 통해 전력을 무선으로 수신하여 집전하는 무선전력전송장치의 집전장치는 페라이트 코어(124), 집전 코일(121) 및 알루미늄(123)을 포함하여 구성된다. 페라이트 코어는 복수개가 사용되며, 알루미늄(123)에 접착하여 고정된다. 집전 코일(121)은 복수의 페라이트 코어(124)들에 의해 형성된 프레임의 내부에 포함되게 구성된다.

페라이트 코어(124)는 페라이트를 알루미늄(123) 프레임에 접착제로 타일처럼 붙이게 된다. 각각의 페라이트 코어는 100mm x 100mm x 10mm 페라이트 판으로 형성될 수 있다. 복수개의 페라이트 판이 알루미늄(123)에 접착하여 고정되게 된다.

집전 코일(121)은 냉각수통로(125a), 복수의 리쯔와이어(125b) 및 절연 호스(125c)를 포함하여 구성된다.

냉각수통로(125a)는 복수의 리쯔와이어 각각에서 발생하는 열을 냉각수를 통해 직접 냉각하기 위한 통로로서 냉각수를 각 리쯔와이어로 제공한다.

복수의 리쯔와이어(125b)는 솔레노이드 코일로 구성되어, 급전장치가 자기장의 공진을 통해 전력을 무선으로 집전장치로 전송하는 전력을 수신하여 집전하게 된다. 복수의 리쯔와이어(125b)는 4개의 리츠와이어 다발로 구성될 수 있다.

호스(125c)는 절연재 재료로 만들어진 절연 호스이다. 복수의 리쯔와이어 각각에 대해 절연 호스가 감싸게 된다.

상기 리쯔와이어(125b)는 수냉식 직접 냉각 리쯔와이어이다. 수냉식 리쯔와이어는 1000A,8uH 크기를 가질 수 있다. 또한 200A,40uH 크기를 가질 수도 있다. 수냉식 리쯔와이어를 사용하면, 단위 면적당 전류를 10A/mm^2정도로 사용 가능하다. 또한 단면적이 작아서 같은 공간에 많이 감을 수 있는데, 이로 인해 같은 인덕턴스를 만들 때 길이가 짧아지게 된다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수냉식 리쯔와이어 집전 코일의 단말부 구조의 일예를 도시한 것이다. 도 5에서 보듯이, 수냉식 리쯔와이어는 호스(125c), 리쯔와이어(125b), 전기접속 터미널(125d) 및 냉각수통로(125a)를 포함하여 구성될 수 있다. 호스(125c)는 절연재 재료로 만들어진 절연 호스이고, 냉각수통로(125a)는 공기가 아닌 냉각수에 의해 리쯔와이어에서 발생하는 열을 직접 냉각하기 위한 것이다. 냉각수는 냉각수통로(125a)를 통하여 일정량이 일정 속도로 흐르게 되고, 냉각수는 열을 흡수하면서 이동하게 되는데, 계속하여 냉각수를 냉각수통로에 공급하게 된다. 즉, 냉각수통로는 자신의 일 측을 통해 소정의 속도로 소정의 냉각수를 계속하여 입력받고, 타 측을 통해 상기 소정의 냉각수를 내보내고, 상기 냉각수는 열을 흡수하면서 이동하게 된다.

전기접속 터미널(125d)은 리쯔와이어를 외부와 전기적으로 연결하기 위한 단자를 말한다. 전기접속 터미널은 구리로 만들어 질 수 있으며, 전기 전도성이 높은 금속 중 하나일 수 있다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선전력전송장치의 집전 코일의 제작 방법의 일예를 도시한 것이다. 도 6에서 보듯이, 무선전력전송장치의 집전 코일의 제작 방법은 리쯔와이어 제작단계(S100), 절연 호스 제작단계(S200), 냉각수통로 제작단계(S300) 및 전기접속 터미널 제작단계(S400)를 포함하여 구성된다.

리쯔와이어 제작단계(S100)에서는 나선형의 솔레노이드 코일로 리쯔와이어(Litz Wire)를 제작하는 단계로서, 상기 리쯔와이어는 복수개가 함께 결합되며, 각 리쯔와이어는 복수개의 중간다발을 포함하여 구성된다. 각 리츠와이어 마다 냉각수가 흐르게 된다.

절연 호스 제작단계(S200)에서는 리쯔와이어 제작단계(S100)에서 제작된 복수개의 리쯔와이어를 절연 호스의 내부에 포함시키게 된다. 여기서 호스는 리쯔와이어를 외부와 절연시키는 절연 재료로 구성된다.

냉각수통로 제작단계(S300)에서는 복수개의 리쯔와이어 각각에서 발생하는 열을 냉각수를 통해 직접 냉각하기 위하여 냉각수를 각 리쯔와이어에 제공하기 위해 각 리쯔와이어 별 냉각수가 지나가는 냉각수통로를 상기 호스와 리쯔와이어 사이에 일정 공간에 형성하도록 구성한다. 복수개로 구성된 리쯔와이어 중 각 리츠와이어 마다 냉각수가 흐르게 된다. 상기 냉각수통로는 일 측을 통해 소정의 속도로 소정의 냉각수를 계속하여 입력받고, 타 측을 통해 상기 소정의 냉각수를 내보내고, 상기 냉각수는 열을 흡수하면서 이동하게 된다.

전기접속 터미널 제작단계(S400)에서는 리쯔와이어를 외부와 전기적으로 연결하기 위한 단자인 전기접속 터미널을 리쯔와이어와 연결되도록 제작하는 단계이다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선전력전송장치의 집전장치의 동작 방법의 일예를 도시한 것이다. 도 7에서 보듯이, 무선전력전송장치의 집전장치의 동작 방법은 무선전력집전단계(S1100) 및 냉각수제공단계(S1200)를 포함하여 구성된다.

무선전력집전단계(S1100)에서는 솔레노이드 코일로 구성된 리쯔와이어를 이용하여 집전 코일이 자기장의 공진을 통해 급전장치로부터 전송된 전력을 무선으로 수신하여 집전하는 단계를 수행한다.

냉각수제공단계(S1200)에서는 무선전력집전단계(S1100)를 수행하는 중에 냉각수통로를 이용하여 리쯔와이어에서 발생하는 열을 냉각수를 통해 직접 냉각하는 단계를 수행한다. 상기 냉각수통로는 일 측을 통해 소정의 속도로 소정의 냉각수를 계속하여 입력받고, 타 측을 통해 상기 소정의 냉각수를 내보내고, 상기 냉각수는 열을 흡수하면서 이동하게 된다. 무선전력집전단계(S1100)가 수행을 중지하는 경우에는 냉각수제공단계도 같이 중단하게 된다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100 : 무선전력전송장치
110 : 급전장치
120 : 집전장치
121 : 집전 코일
123 : 알루미늄
124 : 페라이트 코어
125a : 냉각수통로
125b : 리쯔와이어
125c : 절연 호스
125d : 전기접속 터미널
130 : 전원공급부
140 : 부하

Claims (5)

1. 급전장치로부터 전력을 무선으로 수신하여 집전하는 무선전력전송장치의 집전 코일에 있어서,
   나선형의 솔레노이드 코일로 구성된 리쯔와이어;
   상기 리쯔와이어를 외부와 절연시키는 절연 재료로 구성된 호스;
   상기 리쯔와이어의 양단에 각각 구비되고, 리쯔와이어를 외부와 전기적으로 연결하기 위한 단자인 전기접속 터미널; 및
   상기 리쯔와이어와 호스 사이에 형성되고, 상기 리쯔와이어에서 발생하는 열을 직접 냉각하기 위하여 냉각수가 유동할 수 있는 냉각수통로를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 무선전력전송장치의 집전 코일.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 냉각수통로는 상기 호스의 일 측을 통해 소정의 속도로 소정의 냉각수를 계속하여 입력받고, 타 측을 통해 상기 소정의 냉각수를 내보내고, 상기 냉각수는 상기 리쯔와이어의 열을 흡수하면서 이동하게 되는 것을 특징으로 하는 무선전력전송장치의 집전 코일.
   
3. 급전장치로부터 전력을 무선으로 수신하여 집전하는 무선전력전송장치의 집전장치에 있어서,
   알루미늄 프레임에 부착되는 복수개의 페라이트 코어; 및
   복수개의 페라이트 코어들에 의해 형성된 프레임 내부에 위치하며, 급전장치로부터 자기장의 공진을 통해 전력을 무선으로 수신하여 집전하며, 솔레노이드 코일로 구성된 리쯔와이어 및 리쯔와이어에서 발생하는 열을 냉각수를 통해 직접 냉각하기 위한 냉각수통로를 포함하는 집전 코일을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 무선전력전송장치의 집전장치.
   
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 집전 코일은,
   상기 리쯔와이어를 외부와 절연시키는 절연 재료로 구성된 호스; 및
   상기 리쯔와이어의 양단에 각각 구비되고, 리쯔와이어를 외부와 전기적으로 연결하기 위한 단자인 전기접속 터미널을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 무선전력전송장치의 집전장치.
   
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 냉각수통로는 상기 호스의 일 측을 통해 소정의 속도로 소정의 냉각수를 계속하여 입력받고, 타 측을 통해 상기 소정의 냉각수를 내보내고, 상기 냉각수는 상기 리쯔와이어의 열을 흡수하면서 이동하게 되는 것을 특징으로 하는 무선전력전송장치의 집전장치.

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