KR101970324B1 - 유도 전력 수신기 장치 - Google Patents

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Abstract

자속을 수신하는 자속 패드(BPP)가 제공된다. 패드는 유도 전력 전송 시스템과 사용될 수 있고, 자기 투과성 코어(4) 및 코어(4)와 자기적으로 연관된 실질적으로 편평한 2개의 중첩 코일들(2, 3)을 포함한다.

Description

유도 전력 수신기 장치{INDUCTIVE POWER RECEIVER APPARATUS}
본 발명은 자속(magnetic flux)을 수신하는 장치에 대한 것이다. 특히, 본 발명은 유도 전력 전송(IPT: inductive power transfer) 시스템을 사용하는 전력 전송을 위한 패드(pad)와 같은 낮은 프로파일(profile)의 실질적으로 편평한 디바이스(device)에 적용되는 것이지만, 오직 이것에만 적용되는 것은 아니다.
IPT 시스템들, 및 유도 전력 전송을 위해 1차 또는 2차 권선들을 포함할 수 있는 하나 이상의 권선들을 포함하는 패드의 사용은 우리의 국제 특허 출원 공개 WO 2008/140333에 개시되어 있으며, 그 내용은 본 명세서에서 참고문헌으로 통합되어 있다.
IPT 전력 전송 패드들의 하나의 특정한 적용은 전기 자동차 충전이고, 그 적용은 본 발명의 하나의 적용에 대한 배경을 제공하기 위해 이 단락에서 논의된다. 그러나, 전기 자동차 충전은 단지 하나의 적용의 일례이고, 본 발명은 일반적으로 유도 전력 전송에 대한 적용을 갖는다. 전기 자동차 충전은 예를 들어, 자동차가 정지해 있는 동안, 또는 대안적으로 자동차가 차도를 따라 이동하고 있는 동안 발생할 수 있다. IPT 전력 전송 패드들은 자동차에서 전력 "픽업(pickup)"(즉, IPT 시스템의 2차측 권선)으로서, 및 예를 들어, 차고 바닥 또는 차도와 같은 정지 위치에서 전력이 공급되는 "충전 패드"(즉, 1차측 권선)로서 모두 사용될 수 있다.
IPT 차도 시스템의 목적은 자동차에 대한 물리적 접촉 없이 정지 또는 이동 자동차에 전력을 무선으로 전송하는 것이다. 시스템의 송신부는, 그러한 시스템이 적절한 주파수에서, 통상 10 kHz 내지 150 kHz의 사이에서 작동을 위해 동조(tune)되는 일괄 코일(lumped coil)(예를 들어, 상술한 바와 같은 패드) 또는 많은 유사한 일괄 코일들을 갖는 트랙(track)을 공급하는 전원으로 구성된다. 여기서, 수신기는 자동차 아래에 배치되고, 자동차가 1차 송신기 위에 정지하거나 1차 송신기에 근접(결합 전력에 충분히 가깝게 근접)할 때 전력을 수신하기 위해 결합된다. 또한, 픽업 수신기는 전력을 조절하기 위해 자동차 내의 컨버터(converter) 및 적절한 컨트롤러(controller)에 연결되는 일괄 코일(상술한 패드와 같은)을 전형적으로 포함한다. 편의를 위해, 전력이 유도적으로 수신될 수 있는 차도의 일부는 본 명세서에서 트랙으로서 지칭된다.
트랙은 차도 내의 차선의 중심을 따라 복수의 패드들을 배치함으로써 형성될 수 있다. 이는 자동차가 트랙의 바로 인근에서 차도를 따라 이동할 때 자동차에 본질적으로 연속적인 공급을 가능하게 한다.
최근에, 그러한 시스템들은 지속 가능한 무선 전동의 개인 운송을 가능하게 하는 그들의 잠재력으로 인해 점점 주목을 받았다. 그러한 시스템이 유용해지기 위해, 시스템은 합리적인 크기(예를 들어, 100-300mm)의 에어갭(airgap)에 걸쳐서 충분한 전력을 전송할 수 있을 뿐만 아니라, 자동차-트랙 안내 시스템에 의존하는 것을 회피하기 위해 트랙과 픽업 사이의 어떤 변위들에 대해서도 내성을 가짐을 보장해야 한다. 차도 시스템에서 그러한 변위는 움직이는 자동차들에 대하여 측면 방향(수직 방향과 이동 방향에 모두 직교하는)으로 대부분 발생할 것이다. 정지 자동차의 충전을 위해 적절한 세로 변위에서 수용가능한 레벨들의 전력을 전송하는 능력은 주차의 용이성을 보장하기 위해 특히 중요하다. 픽업 패드에서의 전력 전송 프로파일은 이상적으로 매끄러운 전력 프로파일이며, 이는 측면으로 가능한 넓은 거리에 걸쳐 본질적으로 일정하고(충분하며), 각 단부에서 매끄럽게 감소한다. 그러한 전력 전송 프로파일은 시스템 내의 전자(1차 및 2차) 조절기들에 대한 요구들을 완화시켜서, 작동시 상당한 변동들이 1차 및 수신기 패드 사이의 결합에서 상당한 변동을 겪게 되는 시스템을 통해 필적할 만한 결합을 위해 개선된 작동 성능을 가능하게 한다.
도 1을 참조하면, Boys, Covic, Huang 및 Budhia에 의해 이전에 개시된 자속 패드 구성이 도시되며, 이는 자동차 적용들에 대해 적절한 우수한 특성들을 갖는다. 도 1의 구성은 국제 특허 공개 WO2010/090539A1에 공개되어 있다. 편의를 위해, 이 일반적인 구성은 본 출원에서 DDP 패드로서 지칭되고, 이 명세서의 관련 도면들에서 일반적으로 DDP로 지칭된다.
도 1에 도시된 DDP 패드는 코어(4)와 자기적으로 연관되고 코어의 위에 안착되는 2 및 3으로 지칭된 실질적으로 동일 평면상의 2개의 코일들을 일반적으로 포함한다. 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 코어(4)는 서로 평행하게 배열되지만 이격되어 있는 페라이트 스트립들(ferrite strips) 또는 바들(bars)(5)과 같은, 투과성 재료(permeable material)의 복수의 개별적인 길이들로 구성될 수 있다. 패드 구성은 코어가 위치되는 스페이서(spacer)(6), 및 스페이서 아래의 플레이트(plate)(7)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 커버(cover)(8)는 평면 코일들(flat coils)(2 및 3)의 다른 표면상에 제공될 수 있다. 패딩(padding)(9)은 패드의 주변에 제공될 수 있다. 도시된 바와 같이, 코일들(2 및 3)은 폴 영역(pole area)(10 및 11)을 각각 정의한다. 도 1에 도시된 바와 같은 이러한 DDP 패드 구성은 자동차 충전과 같은 IPT 전력 전송 적용들에 적절한 매우 우수한 특성들을 나타내는 편광 패드(polarised pad)이다. 코일들(2, 3)은 직렬이지만 다른 위상으로 전기적으로 연결되고, 양호한 결합을 갖는 전기 자동차 전력 전송에 적절한 거리들에서 수신기(예를 들어, 실질적으로 동일하게 자기 설계(magnetic design)될 수 있음)와의 결합을 위한 정적 시변 자계를 생성하기 위해 단일 인버터(single inverter)에 의해 구동될 수 있다.
아래에서 도 2를 참조하면, 도 1의 DDP 구성이 도시되지만 직교 코일(quadrature coil)(12)(본 명세서에서 DDPQ 패드로서 지칭됨)을 더 포함한다. 또한, 이 구성은 특허 공개 WO2010/090539A1에 기재되어 있다. 직교 코일은 적절한 인버터에 의해 동력 공급될 때의 도 1의 DDP 패드와 같은 플럭스 발생기(flux generator)에 대하여 도 2에 도시된 구성의 측면 이동이 존재할 때의 전력 전송 프로파일을 확장한다. 직교 코일은 수신기 패드가 차단하는 자계의 "수직" 성분으로부터 전력이 추출되는 것을 가능하게 하는 한편, 다른 코일들(2, 3)은 차단된 플럭스의 "수평" 성분으로부터 전력 추출을 용이하게 한다. 그러므로, 도 2의 구성은 플럭스 수신기(flux receiver)에 적합하다.
본 발명의 목적은 유도 전력 전송을 위해 자속을 수신하는 장치를 제공하거나, 유용한 대안을 공중 또는 산업에 적어도 제공하는 것이다.
일 측면에서, 본 발명은 자속을 수신하는 자속 패드를 광범위하게 제공하고, 상기 패드는 자기 투과성 코어, 및 상기 코어와 자기적으로 연관된 2개의 중첩 코일들을 포함한다.
바람직하게는, 상기 코일들의 상기 자기적 성질들은 실질적으로 동일하다.
바람직하게는, 상기 코일들 사이에 어떤 상호 결합도 실질적으로 존재하지 않는다.
바람직하게는, 상기 코일들은 실질적으로 완전히 자기적으로 감결합(decoupling)된다.
바람직하게는, 상기 코일들은 부분적으로 중첩된다.
바람직하게는, 상기 코일들은 실질적으로 편평하다.
바람직하게는, 상기 코일들은 실질적으로 동일 평면상에 있다.
바람직하게는, 상기 코일들은 상기 투과성 코어의 하나의 측면에 제공되고, 차폐 수단(shielding means)은 코어의 다른 측면에 제공된다.
바람직하게는, 상기 차폐 수단은 알루미늄(aluminium)과 같은 적절한 재료로 제조된 차폐 플레이트를 포함한다.
바람직하게는, 유전체 커버(dielectric cover)는 자기 코어(magnetic core)에 대향하는 상기 코일들의 측면 상에 제공된다.
다른 측면에서, 본 발명은 유도 전력 전송 시스템을 위한 픽업 장치를 제공하며, 전원 장치는, 자속을 수신하는 자속 패드로서, 상기 패드는 자기 투과성 코어, 및 상기 코어와 자기적으로 연관된 실질적으로 편평한 2개의 중첩 코일들을 포함하는, 상기 자속 패드; 및 각 코일을 동조하고 각 동조된 코일의 출력을 결합하여 상기 픽업의 출력에 전력을 제공하도록 적응된 장치를 포함한다.
바람직하게는, 상기 장치는 상기 출력에서 이용가능한 상기 전력을 조절하기 위해 스위칭 수단(switching means)을 포함한다.
다른 측면에서, 본 발명은 상기 코일들 사이에 어떤 상호 자기 결합도 존재하지 않는 복수의 코일들을 갖는 IPT 자속 패드를 제공하는 방법을 광범위하게 제공하며, 상기 방법은, 상기 코일들을 중첩(overlapping)시키는 단계, 및 상기 코일들 사이에 실질적으로 어떤 상호 결합도 존재하지 않음으로써 중첩 위치가 얻어지도록, 상기 코일들 사이에서 상기 중첩을 변화시키는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상호 결합의 부재(absence)는 다른 코일의 전원 공급에 의한 상기 코일들 중 하나에서 유도되는 개방 회로 전압(open circuit voltage)이 최소화될 때를 검출함으로써 검출된다.
본 발명의 다른 측면들은 다음의 설명으로부터 명백해질 것이다.
본 발명의 하나 이상의 실시예들은 첨부 도면들을 참조하여 설명될 것이다.
도 1은 각각 자속 패드의 측면도 및 평면도이다.
도 2는 각각 직교 코일을 포함하는 도 1의 패드의 측면도 및 평면도이다.
도 3은 각각 자속 패드의 대안적인 형태의 측면도 및 평면도이다.
도 4는 csX= -80mm 및 중첩 = 115mm를 갖는 것으로 도시된 바이폴라 수신기 패드(Bipolar Receiver Pad)이다.
도 5는 제 1 수신기 코일이 전원 공급될 때 X 코일 간격(csX)을 변화시키는 것 대 2개의 코일들의 "중첩"을 변경하는 것을 갖는 제 2 수신기 코일에서의 유도 전압이다. csX 절대값(absolute values)들이 주어지는 동안, 모두가 도 3과 일치(co-inside)하도록 실질적으로 음인 것에 주목한다.
도 6은 250mm 수직 오프셋(vertical offset)에서 각종 BPRP 설계들 대 표준 DDP의 비보상(uncompensated) 전력 프로파일이다.
도 7은 250mm의 고정 높이에서 DDP 송신기보다 위에 배치될 때 csX= -80mm 및 중첩 = 115mm를 갖는 BPRP 수신기의 비보상 전력 프로파일이다. 여기서 각 바이폴라 코일의 기여는 BPRP가 양의 x 또는 양의 y 방향들에서 측면으로 시프트(shift)되는 바와 같이 명시적으로 도시된다.
도 8은 바이폴라 수신기 패드(BPRP: Bipolar Receiver pad)에 대한 예시적 감결합 조절기이다.
도 9는 250mm 수직 오프셋에서 csX= -80mm 및 중첩 = 115mm 대 DDQP를 갖는 BPRP의 비보상 전력이다.
이제 도 3을 참조하면, 이 문헌에서 바이폴라 수신기 패드로서 또는 대안적으로 BPRP로서 지칭되는 또 다른 구성이 도시되어 있다. BPRP 패드는 전기 자동차들의 충전 및 구동에 적절한 거리들에서 1차 수신기들과 우수한 결합을 가능하게 하는 바와 같이, 상기 도 1 및 도 2에 대하여 논의된 DDP와 유사한 구성을 갖지만, 매우 유사한 결과들을 달성하기 위해, 도 2의 DDPQ 패드의 구성보다 실질적으로 더 적은 구리를 사용한다. BPRP는 상기 설명된 DPP와 같은, 다른 송신기들, 또는 동일한 구성의 송신기로부터 플럭스를 수신하기 위해 사용될 수 있다.
일 실시예에서, BPRP 패드는 아래부터, 알루미늄 플레이트(7), 유전체 스페이서(6), 페라이트 바들(5)(본 명세서에서 페라이트들로서 지칭됨)의 4개의 행(row)들을 포함하는 코어(core)(4), 실질적으로 동일 평면상에 있고, 게다가 중첩되며 이상적으로 "직사각형" 형상인 측면 방향으로 펼쳐진 2개의 평면 코일들(2, 3)(실제로 이들이 권선 리츠 와이어(Litz wire)를 감는 용이성으로 인해 더 타원형일지라도), 및 유전체 커버(8)로 구성된다. 코일들(2 및 3)은 수직 플럭스에만 민감하지만, 양 코일들의 공간 배치는 다른 송신기 구조들로부터 전력을 결합할 시에 특정한 장점들을 제공한다. 코일들(2 및 3)은 적어도 일 실시예에서, 실질적으로 동일한 자기적 성질들을 갖는다. 코어(4)는 이상적으로 모든 플럭스가 패드의 상단을 통해서 코어(4)에 의하여 보급되도록 차폐물로서의 역할을 한다. 플레이트(7)는 a) 특정한 환경들에서 코어(4)(도 3에 도시된 바와 같이) 아래에 존재할 수 있는 스트레이(stray) 또는 스퓨리어스 필드들(spurious fields)을 제거하고 줄이기 위해, 및 b) 추가적인 구조적 강도를 제공하기 위해 단지 동작한다. 그러한 마그네슘(magnesium)은 유사한 결과를 달성하기 위해 사용될 수 있고 이것은 그러한 마그네슘이 유사한 결과를 달성하기 위해 사용될 수도 있다는 장점들을 갖고 이것은 매우 가볍다는 장점들을 갖고 기계적 충격의 조건들 하에서 패드 내의 페라이트들이 덜 손상되도록 높은 내부 댐핑(damping)을 갖는다.
BPRP의 자기적 구조는 나중에 설명되는 바와 같이, 기본적으로 코일들(2, 3) 중 어느 하나 사이에 실질적으로 어떤 상호 결합도 존재하지 않도록 설계되어 있다. 이것은 존재하면 그러한 코일의 전력 출력에 대향할 수 있는 전압을 서로 결합하지 않고 코일들이 임의의 크기 또는 위상에서 독립적으로 동조되는 것을 가능하게 한다. 각 코일은 다른 코일의 플럭스 캡처(flux capture) 및 전력 전송에 영향을 미치지 않고 독립적으로 동조 및 조절될 수 있다.
BPRP의 2개의 1차 코일들(2, 3)이 서로에 대하여 임의의 중첩으로 배치될 때, 코일들 사이에 상호 결합이 존재할 것이다. 그러나, 중첩 대 코일 폭의 특정한 비율에 대해, 이 상호 결합은 거의 제로이다. 각 코일 사이에 어떤 상호 결합도 존재하지 않는 것을 보장하는데 필요한 이상적인 중첩은, BPRP 및 가까운 송신기 패드(DDP 송신기와 같은) 둘 다에서 페라이트의 존재로 인해 간단한 것은 아니나, 송신기에 대하여 알려진 높이에서 원하는 동작 위치에 BPRP를 간단히 배치하여 하나의 코일을 고정하고 고정 주파수에서 미리 결정된 전류를 인가함으로써(예를 들어, 적절한 3D 시뮬레이터를 통해서 또는 적절한 실험 설정을 사용하여) 결정될 수 있다. 그 다음, 두번째 1차 코일에서 유도되는 개방 회로 전압이 측정될 수 있다. 중첩을 변경하도록 두번째 코일이 이동되면, 결합 전압에 변화가 존재할 것이다. 이것이 최소화(이상적으로 제로)될 때, 이상적인 구성이 설정될 수 있다. 특히, 이상적인 중첩은 송신기 페라이트에 비교적 근접한 시프트로 인해, DDP와 같은 공지된 송신기에 대하여 BPRP의 이동으로 약간 변경될 것이지만, 이 변경은 두 패드들 사이에 큰 에어갭이 존재하면 비교적 작다. 합리적으로 고려될 수 있는 거의 모든 작동 변동들과 같이, BPRP 코일들(2 및 3)은 수 퍼센트 내에서 실질적으로 상호 감결합된 상태로 지속될 것이다.
코일들(2 및 3)의 이러한 자기적 감결합은 코일들 중 어느 하나가 서로 영향을 미치지 않고 출력에 대해 독립적으로 동조되고 정류되는 것을 가능하게 한다. 이와 같이, 그들은 다른 코일의 플럭스 캡처에 영향을 미치지 않고 스위치들을 사용하여 턴 오프 될(turned off)(송신기로부터 독립적으로 감결합 될) 수도 있다.
*본 출원에서 설명된 평가에서, 페라이트 스트립들의 길이는 일정하게 유지되었고, 선택된 패드의 치수들 내에서 가능한 길게 이루어졌다. 페라이트 스트립들은 각각 93 mm의 표준 길이인 용이하게 이용가능한 슬랩(slap)들을 사용하여 구성되었다. 각 스트립은 이 길이의 배수가 되도록 알맞게 선택되고 이 설계에서 평가를 위해 선택되었으며, 각 스트립은 도 4에 표시된 바와 같이 9 페라이트 슬랩들(837mm)을 포함했다. 선택된 코일들의 폭이 84mm로 고정되었을지라도, 플럭스 캡처를 위해 최적 크기를 평가하고 수신기 내에서 요구되는 구리의 양이 플럭스 캡처를 손상시키지 않고 최소화될 수 있는지를 판단하는 것이 중요했다. 이와 같이, 페라이트 단부와 도 3에서 "X 코일 간격" 또는 "csX"로 불려지는 코일 에지 사이의 간격이 변화되었다. 이 평가에서 csX는 페라이트가 코일 아래에 확장되면 음의 값을 갖는다. 도 4의 예에서, -80mm의 csX는 페라이트의 단부와 21 회전을 포함하는 84mm 폭의 코일의 에지 사이에 대략 4 mm 분리가 존재하도록 사용된다(표 A3에 열거된 바와 같이). 코일의 길이는 도 4 내의 2개의 수신기 코일들의 중첩을 고정함으로써 고정된다(여기서 115mm 간격으로 도시됨). 중첩은 상술한 바와 같이 코일들 사이에 어떤 상호 결합도 존재하지 않는 것을 보장하기 위해 결정된다. 코일들의 y 치수는 패드의 치수들 내에서 허용가능한 최대 폭에서 일정하게 유지된다.
도 5 내의 시뮬레이션(simulation)의 결과들은 csX 값들(도면에서 csX의 절대값들이 나열되지만 모두가 도 3의 정의에 대하여 음이다)을 변화시키기 위해 수신기 코일들 사이에서 제로 상호 결합을 보장하기 위해 필요한 중첩 거리를 나타낸다. 필요한 중첩은 감소하는 음의 csX에 따라 증가한다. csX 변화들 = -80, -90, -100, -120 또는 -160mm에 대해, 필요한 중첩은 각각 대략 115, 100, 86, 65 및 35mm이다.
일 실시예에서, BPRP 내의 2개의 코일들은 도 8의 예시적 평행 조정 감결합 조절기에 도시된 바와 같이 부하에 대하여 독립적으로 동조되고 정류되지만, 당해 기술에서 통상의 기술자는 각종 다른 감결합 또는 비-감결합 제어 회로들이 이 패드로부터 전력을 추출하고 조절하기 위해 사용될 수 있는 것을 인식할 것이고, 그러한 경우들에서 도시된 바와 같이 병렬 동조로 작동되는 것보다는 오히려 동조 코일들(2 및 3)을 직렬 연결하는 것이 바람직할 수 있다. 도 8은 픽업에 연결된 부하에 전력을 공급하는 IPT 픽업 회로의 일부를 포함할 수 있는 BPRP 패드의 하나의 구성을 도시한다. 각각 N 회전을 갖는 2개의 코일들(801 및 802)은 본질적으로 동일하고, 페라이트(803)의 다수의 스트립들 위에 놓여서 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 필드를 증대시킨다. 커패시터들(804 및 805)은 공칭 시스템(nominal system) 주파수에서 동작할 때 공진(resonance)에 동조되도록, 각각 코일들(801 및 802)과 동일한 공칭 리액턴스(nominal reactance)를 갖기 위해 시스템의 동작 주파수에서 선택된다. 양 패드들의 출력들은 개별 풀 브리지(full bridge) 정류기들(806 및 807)을 사용하여 정류되고, 이 때 입력들은 DC 인덕터(808) 및 커패시터(811)를 포함하는 공통 저역 통과 필터(low pass filter)에 인가된다. 스위치(809)는 커패시터(811)의 출력에서 구성될 수 있는 부하에 대하여 전력을 조절하기 위해 사용될 수 있고, 스위치(809)가 폐쇄될 때, 다이오드(810)는 커패시터(811)가 방전되지 않는 것을 보장한다. AC 스위치들(812 및 813)은 선택적이지만, 일 실시예에서 공진 회로의 손상을 최소화하기 위해 수신기 코일 중 어느 하나(801 또는 802)가 플럭스를 결합하지 않으면 폐쇄된다. 플럭스 캡처의 간단한 측정은 이러한 AC 스위치들 중 어느 하나에서 단락 전류이다. 단락 전류가 적절한 임계값보다 위에 있는 것으로 결정되면, 스위치는 개방되고 회로는 당연히 공진될 것이다. 각 병렬 동조 커패시터 양단의 RMS 전압은 출력 DC 커패시터 양단의 전압이 조절되면 클램프(clamp)될 것이다. 실제로, 출력에 전달되는 전력은 코일들(801 및 802) 각각에 의해 공급되는 출력 전압 및 전류들에 의해 결정될 것이다.
유한 요소 솔버(finite element solver) JMAG 스튜디오 버전 10.0은 모든 제안된 자기 구조들을 시뮬레이션하기 위해 사용되었다. 여기서 주어진 전력 프로파일들은 수신기 개방 회로 전압(Voc) 및 단락 회로 전류(Isc)의 개별 측정들을 사용하여 결정되는 전체 비보상 VA 전력 출력이다. 비보상 VA는 Su=Voc*Isc에 의해 주어지는 패드의 전력 성능의 잘 알려진 측정이다. 각 코일의 결과들이 독립적으로 제어 및 처리될 수 있으므로, 이 때 여기서 도시된 전체 비보상 전력 프로파일들은 간단히 각 수신기 코일들의 비보상 전력의 추가이다.
csX를 변화시키는 것으로 초기에 설명된 모든 BPRP 구성들의 성능이 조사되었고, 그 결과들은 도 6에 도시되어 있다. 그들의 상대 위치를 관리하는 파라미터들(parameters)은 데카르트 좌표계(Cartesian coordinates)에서 오프셋 거리들, 즉 xos(가로), yos(세로) 및 zos(수직)로 지칭된다. 이 평가에서, DDP 송신기는 페라이트가 아래에 있고 코일들이 보다 위에 있는 상태에서 그라운드(ground)상에 배치되는 한편, BPRP 패드는 그의 코일들이 아래에 면하도록 그 위에 위치되고, 페라이트는 그 위에 안착된다. 양 패드들이 설계에 의해 편광되므로, 이 때 바람직하게는 각 패드 내의 페라이트 스트립들은 x 축을 따른다. 유전체 리드들(dielectric lids)이 터치되면서 서로의 위에 놓여 있는 2개의 패드들의 구성은 (0,0,0)이다. 도 6의 제시된 결과들에서, 수직 오프셋 zos = 250 mm가 사용되었고 DDP 송신기(도 1)는 7 페라이트 슬랩들(각 페라이트 스트립은 651 mm 길이임)를 각각 포함하는 6 페라이트 스트립들을 사용하여 구성되었고(표 A1에 정의된 바와 같이), 10mm의 양의 csX 간격이 사용되었으며(도 1) 이는 직렬로 각각 연결되고 20kHz에서 20A로 인가되는 21 회전을 포함하는 84mm의 권선 폭을 갖는다. DDP 송신기가 이 예에서 사용되었을지라도, 당해 기술에서 통상의 기술자는 BPRP 패드에 의해 수신되는 플럭스가 예를 들어, 다위상 시스템 및/또는 트랙을 포함하는 다수의 상이한 소스들로부터 기인될 수 있는 것을 이해할 것이다.
도 6으로부터 알 수 있는 바와 같이, IPT 시스템 설계자는 필요한 프로파일 즉, Psu 변경에 수평 오프셋을 제공하기 위해 csX를 선택할 수 있다. 설계자는 수신기에서 구리의 양을 최소화하기 위해 오프셋에 요구되는 전력의 양에 기초하여 csX를 선택할 수도 있다. 따라서, 본 발명은 또한 패드, 또는 패드 구성의 방법을 제공하며, 이는 필요한 전력 출력 프로파일 및/또는 필요한 코일/구리 양을 가능하게 한다.
비교를 위해, 표 A2(여기서 직교 코일이 사용되지 않을지라도)에 기재된 바와 같이 BPRP에 대해 동일한 치수들 및 페라이트(6x9 스트립들)를 갖는 DDP 수신기는 또한 공지된 수신기로서 시뮬레이션되었다. 특히, 대부분의 BPRP 구성들은 약 100mm의 수평 오프셋들에 대해 DDP를 능가한다. csX가 증가되므로, 중심에서 이용가능한 피크 전력은 낮아지고, 오프셋에서 전력 변경의 비율이 감소된다. 그러나, -80mm의 csX는 어떤 오프셋도 갖지 않는 이상적인 중심 위치에서 DDP와 동일한 피크 전력에서 거의 발생하고, 40mm 위의 수평 x 오프셋들에서 DDP를 능가한다. x 오프셋 방향에서 전력의 감소는 DDP에서 잘 알려져 있고, 직교 코일이 나중에 고려되는 도 2의 DDQP 구조에 도시된 바와 같이 도입되면 완화된다.
csX= -80mm 및 115mm의 중첩을 갖는 BPRP 구성에 대해(표 A3에 정의된 바와 같이), 도 7은 도 1의 DDP 송신기 위에서 수직으로 250mm에 위치되지만(표 A1에서와 같이 구성됨) x 또는 y 방향들에서 측면으로 시프트될 때, BPRP를 구성하는 수신기 코일들 각각의 명시적인 비보상 전력 기여들을 도시한다. 도 7에서 이 코일들 각각의 출력은 각각 라벨들 A 및 B를 사용하여 표시된다(여기서 A는 도 4의 좌측에 코일을 나타내고 B는 도 4의 우측에 코일을 나타낸다). 특히, 기여들은 수신기 코일들 각각이 DDP 송신기와 등거리이므로, 패드가 y 방향으로 시프트될 때 동일하다. 양의 x 방향으로 시프트될 때, 수신기 코일 B는 송신기로부터 더 떨어져서 시프트되므로 더 적은 플럭스를 캡처하는 한편, 코일 A는 이용가능한 플럭스의 더 큰 퍼센티지를 캡처한다. BPRP가 반대 양의 x 방향으로 시프트되면, 이 때 플럭스 캡처는 자연적으로 전도될 것이다.
csX= -80mm 및 115mm의 중첩을 갖는 최상의 BPRP 구성은 공정한 비교를 보장하는 표 A2에 주어진 바와 같은 치수들을 사용하는 즉, BPRP에 대하여 동일한 코일 폭들, 외부 치수들 및 페라이트(6x9 스트립들)의 수들을 사용하는 도 2의 DDQP 구조와 비교되었다. DDQP 픽업은 두 세트의 코일들(2, 3)(DD)(2개의 DD 코일들이 직렬인 것을 가정함) 및 직교(Q) 코일(12)을 갖는다. 이 경우에, 비보상 전력은 개별적으로 두 세트의 코일들에 대하여 발견되었고, 픽업으로부터 이용가능한 전체 비보상 전력은 두 세트의 코일들로부터의 전력의 합으로서 간단히 계산되는 전체 전력으로서 지칭된다. 전력 전송 프로파일에 기초가 되는 것은 이 전체 전력이다. 양 구조들은 7 페라이트 슬랩들을 각각 포함하는 6 페라이트 스트립들을 사용하여 DDP로서 구성된 송신기 패드를 사용하여 전력 공급되었고, 초기에 설명되고 표 A1에 열거된 바와 같이 동일하게 전력 공급되었다. 비교 결과들은 x 및 y 방향들 둘 다에서 비보상 전력 변동들을 나타내는 도 9에 도시되어 있다.
특히, BPRP는 바람직한 x 및 y 방향들 둘 다에서 오프셋과 거의 동일한 전력 프로파일들을 갖는다. 그에 비해 DDQP 출력은 유사하며; 여기서 직교 권선은 x 방향으로 전력 흐름만을 개선시키므로, 그의 완전한 프로파일은 y 방향에서 "DD yos" 및 x 방향에서 "DD+Q xos"로서 도시된다.
결과적으로, BPRP는 사용가능한 오프셋 범위의 대부분에 대해 거의 동일한 전력 프로파일을 갖는다. 그것은 DDP보다 17% 더 많은 구리를 필요로 하지만, DDQP는 DDP보다 56% 더 많은 구리를 사용한다. 결과적으로, DDQP는 BPRP보다 34% 더 많은 구리를 사용하고, x 방향으로 약간 개선된 전력 프로파일만을 생성한다(아마 200-250mm 오프셋에서 최대 20-25% 개선)
BPRP에 대해 각종 알려진 감결합 조절기들은 전력을 추출하기 위해 사용될 수 있거나, 대안적으로 동기화(synchronise)된 컨버터들은 자동차의 그리드(grid) 또는 그리드 구성들의 자동차에 요구되는 바와 같이 양방향 전력 전송을 가능하게 하기 위해 사용될 수 있다.
[표 A1]
송신기 DDP의 치수들
권선 폭 84 mm
내부 권선 폭 84mm
페라이트 간격 33 mm
페라이트 폭 28 mm
Y 코일 간격 10 mm
Y 패딩 0 mm
커버 두께 6 mm
코일 높이 4 mm
페라이트 높이 16 mm
스페이서 두께 6 mm
플레이트 두께 4 mm
페라이트 길이 651 mm
X 코일 간격(csX) 10 mm
X 패딩 0 mm
[표 A2]
수신기 DDP 및 DDQP의 치수들
권선 폭 84 mm
내부 권선 폭 84mm
페라이트 간격 33 mm
페라이트 폭 28 mm
Y 코일 간격 10 mm
Y 패딩 0 mm
커버 두께 6 mm
코일 높이 4 mm
페라이트 높이 16 mm
스페이서 두께 6 mm
플레이트 두께 4 mm
페라이트 길이 837 mm
X 코일 간격(csX) - 80 mm
X 패딩 0 mm
직교 코일 길이 516 mm
[표 A3]
수신기 BPRP의 치수들
권선 폭 84 mm
페라이트 간격 33 mm
페라이트 폭 28 mm
Y 코일 간격 10 mm
Y 패딩 0 mm
커버 두께 6 mm
코일 높이 4 mm
페라이트 높이 16 mm
스페이서 두께 6 mm
Al 플레이트 두께 4 mm
페라이트 길이 837 mm
중첩 115 mm
X 코일 간격(csX) - 80 mm
X 패딩 0 mm
또한, 본 명세서에서 설명된 플럭스 수신기 구성은 송신기와 함께 수신기의 존재 및 정렬을 감지하기 위해 사용될 수 있다. 송신기는 수신기와 유사한 구성을 가질 수 있지만, 상이한 구성일 수 있으며, 예를 들어 송신기는 WO2008/140333에 개시된 것과 같은 원형의 단일 코일 패드 구성일 수 있다. 일례에서, 코일들(2 및 3)이 도 8에서와 같이 병렬 동조되는 경우에, 정렬(또는 오정렬)의 범위는 감결합 스위치(809)를 활성화하고 서로에 대하여 코일들(2, 3) 중 하나에서 AC 단락 전류의 크기 및 위상을 감지함으로써 검출되는 반면, 코일들이 직렬 동조되는 적용들에서 정렬(또는 오정렬)의 범위는 양 수신기 코일들을 다시 감결합하고 코일들(2 및 3)의 개방 회로 전압의 크기 및 위상을 측정함으로써 결정될 수 있다.
자기적 어셈블리(magnetic assembly)의 상기 설명은 바람직하게 실질적으로 상호 감결합되는 2개의 중첩 코일들을 설명할지라도, 그것은 당해 기술에서 통상의 기술자에게 명백할 것이며, 일부 경우들에서 실질적으로 상호 감결합되지 않는 중첩 코일들을 갖는 것이 유용할 수 있다. 예를 들어, 코일들이 더 넓게 제조되는 것이 바람직할 수 있으므로 중첩은 필요한 것보다 더 크다. 그러한 경우들에서, 수신기가 적절한 송신기와 이상적으로 정렬될 때 양 코일들(2 및 3)로부터 수신되는 조합된 전력은 그들이 상호 감결합되도록 설계되면 더 적어질 것이지만, 코일들(2 및 3)이 더 넓게 제조되기 때문에 그들은 수신기가 적절한 송신기로부터 측면으로 변위될 때 이용가능한 플럭스를 더 잘 캡처할 수 있고 이것은 오정렬에 대한 내성을 개선하는데 도움이 되도록 일부 설계들에서 유리할 수 있다. 그러한 설계 하에, 수신 코일들(2 및 3) 사이에 도입되는 공지된 상호 결합이 계획되는 경우에, 이 때 도 8의 어느 하나의 스위치들(812 또는 813)이 어느 하나의 코일(2 또는 3)을 감결합하기 위해 사용되면, 그것은 다른 수신기 코일 내의 결합 전력에 반드시 영향을 미칠 것이다. AC 스위치(812 또는 813)를 활성화시키는지에 관한 그러한 판단은, 하나의 코일(2 또는 3)만이 모든 사용가능한 전력을 제공하도록 수신기가 변위될 때 추가되는 추가적인 손상에 대해 결정될 필요가 있는 한편, 다른 수신 코일은 부하에 임의의 사용가능한 전력을 전달함 없이 자유롭게 공진되도록 허용된다. 어느 하나의 경우에, 출력은 어떤 전력도 출력에서 요구되지 않을 때 양 코일들(2 및 3)을 감결합하기 위해, 감결합 스위치(809)를 사용하여 더욱 완전히 제어된다.
코일들은 리츠 와이어로 제조되는 것이 바람직하다. 우리는 알루미늄(종래의 구리보다는 오히려)으로 제조된 리츠 와이어가 중요한 예기치 않은 장점들을 제공하는 것을 발견했다. 알루미늄은 매우 부서지기 쉽고 종단들을 구성하기 위해 납땜될 수 없기 때문에 적절하지 않은 것으로 이전에 생각되었다. 그러나, 우리는 그것이 0.3mm 직경의 개별 스트랜드들(strands)로부터 리츠 와이어로서 제조될 수 있고 그러한 형태에서 더 가볍고 비교 비용에 대해 구리만큼 많은 유용한 와이어를 대략 7배까지 제공하는 것을 발견했다. 알루미늄 리츠 와이어는 이 문헌에서 설명된 패드 구조들을 포함하는 다른 플럭스 발생 및 수신 자기 구조들 및 예를 들어, WO2008/140333에서 참조된 원형의 패드들을 제한없이 포함하는 다른 것들에 사용될 수 있다. 또한, 알루미늄은 원하는 크기로 드로우(draw)될 수 있는 구리 클래드 알루미늄(copper clad aluminium)으로서 사용되고, 요구되면 리츠 와이어를 제공하기 위해 어셈블리될 수 있다. 따라서, 그것은 본질적으로 종래의 와이어뿐만 아니라 리츠 와이어로서 사용될 수 있음과 동시에 납땜될 수 있고, 종래의 구리 와이어보다 약 75% 더 가볍다.
이전 설명에서, 공지된 균등물들을 갖는 본 발명의 특정한 구성요소들 또는 정수(interger)들에 대한 참조가 이루어졌을지라도, 이 때 그러한 균등물들은 개별적으로 제시된 것처럼 본 명세서에 통함된다.
본 발명은 예로서 및 그의 가능한 실시예들을 참조하여 설명되었을지라도, 수정들 또는 개선들은 본 발명의 범위 또는 사상으로부터 벗어나지 않고 그에 대해 이루어질 수 있는 것이 이해되어야 한다.

Claims (17)

  1. 자속(magnetic flux)을 수신하는 자속 패드(magnetic flux pad)로서,
    상기 자속 패드는 자기 투과성 코어(magnetically permeable core) 및 상기 자기 투과성 코어와 자기적으로 연관된 2개의 중첩하는 실질적으로 동일평면인(substantially coplanar) 코일들을 포함하며,
    상기 코일들 사이에서 어떤 상호 자기 결합도 존재하지 않도록 상기 코일들이 중첩되며, 상기 자속 패드는, 각각의 코일을 동조(tune)하고 그리고 동조된 각각의 코일의 출력을 결합하여 전력을 제공하는 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 자속 패드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 코일들의 자기적 성질들은 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 자속 패드.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 코일들은 실질적으로 완전히 자기적으로 감결합(decouple)되는 것을 특징으로 하는 자속 패드.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 코일들은 부분적으로 중첩되는 것을 특징으로 하는 자속 패드.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 코일들은 실질적으로 편평한 것을 특징으로 하는 자속 패드.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 코일들은 상기 자기 투과성 코어의 하나의 측면에 제공되고,
    차폐 수단(shielding means)이 상기 자기 투과성 코어의 다른 하나 측면에 제공되는 것을 특징으로 하는 자속 패드.
  7. 제1항에 있어서,
    유전체 커버(dielectric cover)가 상기 자기 투과성 코어에 대향하는 상기 코일들의 측면에 제공되는 것을 특징으로 하는 자속 패드.
  8. 유도 전력 전송 시스템을 위한 픽업(Pick-up) 장치로서,
    자속을 수신하는 자속 패드, 상기 자속 패드는 자기 투과성 코어 및 상기 자기 투과성 코어와 자기적으로 연관된 2개의 실질적으로 동일평면인 중첩 코일들을 포함하며; 그리고
    상기 코일들 사이에서 어떤 상호 자기 결합도 존재하지 않도록 상기 코일들이 중첩되며, 상기 자속 패드는, 각각의 코일을 동조(tune)하고 그리고 동조된 각각의 코일의 출력을 결합하여 전력을 제공하는 장치를 포함하며; 그리고
    상기 각 코일을 동조하고 각 동조된 코일의 출력을 결합하여 상기 픽업 장치의 출력에 전력을 제공하도록 된 장치
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 픽업 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 출력에서 이용가능한 상기 전력을 조정하기 위한 스위칭 수단(switching means)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 픽업 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 픽업 장치의 상기 자속 패드와 송신기 플럭스 패드의 정렬을 검출하기 위해 검출 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 픽업 장치.
  11. 코일들 사이에 어떤 상호 자기 결합(mutual magnetic coupling)도 존재하지 않는 복수의 코일들을 갖는 IPT 자속 수신기 패드를 제공하는 방법으로서,
    상기 코일들을 중첩(overlapping)시키는 단계;
    상기 코일들 사이에서 실질적으로 어떤 상호 자기 결합도 존재하지 않는 중첩 위치가 획득되도록, 상기 코일들 사이의 중첩을 변화시키는 단계; 및
    각각의 코일을 독립적으로 동조하는 장치를 제공하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 자속 수신기 패드를 제공하는 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 코일들 중 다른 하나의 코일의 전원 공급(energisation)에 의해 상기 코일들 중 하나의 코일에서 유도되는 개방 회로 전압(open circuit voltage)이 최소화될 때를 검출함으로써 상기 상호 자기 결합이 존재하지 않음이 검출되는 것을 특징으로 하는 자속 수신기 패드를 제공하는 방법.
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