KR102004445B1

KR102004445B1 - 전기자동차용 차폐형 무선전력 전송 장치

Info

Publication number: KR102004445B1
Application number: KR1020170141383A
Authority: KR
Inventors: 박기준; 임성우; 응웬반투언
Original assignee: 한국전력공사
Priority date: 2017-10-27
Filing date: 2017-10-27
Publication date: 2019-07-26
Also published as: KR20190047462A

Abstract

본 발명은 전기자동차용 차폐형 무선전력 전송 장치에 관한 것으로, 본 발명의 일실시예에 따른 전기자동차용 차폐형 무선전력 전송 장치는, 리츠선으로 이루어진 제1 코일과 상기 제1 코일의 하부에 적층되는 페라이트를 포함하는 전력 전송용 조립체; 및 상기 전력 전송용 조립체의 수용 공간을 형성함에 따라, 상기 전력 전송용 조립체의 바닥면 및 측면에 대해 차폐층을 형성하고, 상기 전력 전송용 조립체의 상부면에 대해 개방되어 있는 차폐구조물;을 포함한다.

Description

전기자동차용 차폐형 무선전력 전송 장치{SHIELDED WIRELESS POWER TRANSFERING APPARATUS FOR ELECTRIC VEHICLE}

본 발명은 전기자동차용 차폐형 무선전력 전송 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 꺽어진 금속망 또는 금속판 형태의 차폐구조물과 폐루프 코일로 이루어진 차폐코일을 이용하여 무선 충전용 송신 또는 수신 코일에서 발생된 누설자기장을 차폐함으로써, EMF 크기를 허용 기준치 이하로 줄이기 위한, 전기자동차용 차폐형 무선전력 전송 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 전기자동차용 무선전력 충/방전 인프라는 무선전력 전송 장치를 포함한다.

도 1은 기존 무선전력 전송 장치를 나타낸 도면이고, 도 2는 상기 도 1의 A-A' 단면을 나타낸 도면이다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 기존 무선전력 전송 장치는 리츠선(litz wire)으로 이루어진 코일(coil)(1), 코일(1)의 크기보다 약간 큰 평면 또는 블록 형태의 페라이트(ferrite)(2)와 얇은 평판 알루미늄 등의 금속판(3)으로 이루어진다. 여기서, 페라이트(2)와 금속판(3)은 차폐 기능을 가진다.

기존 무선전력 전송 장치는 코일(1)의 하면에만 차폐용 페라이트(2)와 금속판(3)이 형성되어 있으므로, 코일(1)의 상부와 측면으로 자기장이 많이 누설될 수 있다.

이러한 이유로, 10㎾급 이상의 고출력 무선전력 충/방전 인프라에 기존 무선전력 전송 장치를 적용하는 경우에는, 국내 누설 자기장 허용 기준을 만족시키기 쉽지 않다.

따라서, 기존에는 차량 또는 피적용체의 외곽 하단에 부착되는 차폐구조물과 송신 또는 수신 코일 근처에 코일을 추가한 다음, 별도의 전원장치를 설치함으로써, 반대 위상의 전류를 흘려 특정 위치의 자기장 크기를 줄이는 차폐 기술이 제안된 바 있다.

이러한 방식은 차량 외부에 무거운 금속재료로 추가 설치해야 하므로, 차량의 중량이 증가하고 외관을 해칠 수 있다. 또한, 능동형 차폐 코일의 경우에는 별도의 차폐코일, 전원장치, 센서 및 제어장치를 구비해야 하므로, 구조가 복잡해지고 비용이 증가할 수 있다.

이처럼, 기존 무선전력 전송 장치는 구조적인 문제로 인해 외부로 누설되는 자기장을 효과적으로 억제하기 어렵다는 한계가 있다.

따라서, 기존 무선전력 전송 장치는 전기자동차용 무선전력 인프라를 위해 구조적인 문제를 해결하여 외부로 누설되는 자기장을 효율적으로 억제할 수 있는 방안이 필요한 실정이다.

대한민국 등록특허공보 제10-1232035호 (2013.02.05 등록) 대한민국 등록특허공보 제10-1646492호 (2016.08.02 등록)

본 발명의 목적은 꺽어진 금속망 또는 금속판 형태의 차폐구조물과 폐루프 코일로 이루어진 차폐코일을 이용하여 무선 충전용 송신 또는 수신 코일에서 발생된 누설자기장을 차폐함으로써, EMF 크기를 허용 기준치 이하로 줄이기 위한, 전기자동차용 차폐형 무선전력 전송 장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 전기자동차용 차폐형 무선전력 전송 장치는, 리츠선으로 이루어진 제1 코일과 상기 제1 코일의 하부에 적층되는 페라이트를 포함하는 전력 전송용 조립체; 및 상기 전력 전송용 조립체의 수용 공간을 형성함에 따라, 상기 전력 전송용 조립체의 바닥면 및 측면에 대해 차폐층을 형성하고, 상기 전력 전송용 조립체의 상부면에 대해 개방되어 있는 차폐구조물;을 포함하고, 상기 전력 전송용 조립체의 상부면은, 외부 무선 충전용 제2 코일을 향하며, 상기 차폐구조물은, 비자성 재질의 금속망 또는 금속판 형태로 이루어지고, 상기 차폐구조물의 바닥면은, 상기 전력 전송용 조립체의 바닥면에 대향하며, 상기 차폐구조물의 측면은 상기 전력 전송용 조립체의 측면에 대향하고, 상기 차폐구조물의 바닥면과 측면은, 소정의 각도를 가지고 꺽이고, 상기 차폐구조물의 측면 높이는, 상기 제1 코일과 상기 제2 코일의 결합계수와 누설자기장을 고려하여 결정하되, 상기 제1 코일의 리츠선면과 동일하고, 상기 전력 전송용 조립체와 상기 차폐구조물 사이는 간극을 형성하며, 상기 차폐구조물의 측면은 상기 제1 코일의 외곽으로부터 이격되어 형성되고, 상기 차폐구조물의 측면과 상기 제1 코일의 외곽 간의 간격은 상기 전력 전송용 조립체의 대각선 길이의 5% 내지 35% 사이의 범위이며, 상기 차폐구조물의 둘레에 이격 배치되는 하나 이상의 폐루프 코일을 포함하는 차폐코일; 상기 차폐코일의 폐루프 코일 각각에 흐르는 전류를 조절하기 위한 전류가변기; 상기 차폐코일이 설치된 특정 위치의 누설자기장 세기를 측정하기 위한 자기장 센서; 및 상기 자기장 센서에 의해 측정된 누설자기장 세기의 측정값에 따라 상기 전류가변기를 제어하기 위한 제어기;를 더 포함하며, 상기 전류가변기의 조정값은 상기 차폐코일이 설치된 특정 위치에서 누설자기장의 측정값이 최소가 되도록 조정하여 고정하는 것일 수 있다.

삭제

상기 차폐구조물의 하부면과 측면이 형성하는 각도는, 45°내지 90°사이의 범위일 수 있다.

삭제

상기 차폐구조물의 차폐층이 금속망 형태로 이루어진 경우에는, 상기 차폐구조물의 망 간격이 상기 전력 전송용 조립체의 대각선 길이의 35% 미만일 수 있다.

상기 전력 전송용 조립체는, 상기 페라이트의 하부에 금속판을 더 포함할 수 있다.

삭제

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기자동차용 차폐형 무선전력 전송 장치는, 리츠선으로 이루어진 제1 코일과 상기 제1 코일의 하부에 적층되는 페라이트를 포함하는 전력 전송용 조립체; 및 상기 전력 전송용 조립체의 둘레에 이격 배치되는 하나 이상의 폐루프 코일을 포함하는 차폐코일;을 포함하고, 상기 차폐코일의 폐루프 코일 각각에 흐르는 전류를 조절하기 위한 전류가변기; 상기 차폐코일이 설치된 특정 위치의 누설자기장 세기를 측정하기 위한 자기장 센서; 및 상기 자기장 센서에 의해 측정된 누설자기장 세기의 측정값에 따라 상기 전류가변기를 제어하기 위한 제어기;를 더 포함하고, 상기 전류가변기의 조정값은 상기 차폐코일이 설치된 특정 위치에서 누설자기장의 측정값이 최소가 되도록 조정하여 고정하는 것일 수 있다.

본 발명은 꺽어진 금속망 또는 금속판 형태의 차폐구조물과 폐루프 코일로 이루어진 차폐코일을 이용하여 무선 충전용 송신 또는 수신 코일에서 발생된 누설자기장을 차폐함으로써, EMF 크기를 허용 기준치 이하로 줄일 수 있다.

또한, 본 발명은 외부 누설자기장을 50~70% 이상 감소시킬 수 있으므로, EMF 규제치를 충족시켜 고출력 무선 충전 인프라의 상용화를 앞당길 수 있다.

또한, 본 발명은 차폐구조물과 차폐코일을 동시에 적용하는 경우에, 외부 누설자기장을 90% 이상 감소시킬 수 있으므로, 수십 ㎾급 대용량 무선 충전 인프라의 실용성을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은 금속망 형태의 차페구조물을 적용 가능하므로, 주차장 바닥면에 매설이 용이하고, 전기자동차에 설치되는 경우 설치중량을 대폭 낮춰 전기자동차의 연비에 영향을 줄일 수 있다.

또한, 본 발명은 차폐코일을 이용하여 반대 방향의 자기장 형성을 위한 별도의 전원장치를 구비하지 않더라도 차폐효과를 얻을 수 있으므로, 구조가 간단하고 비용을 줄일 수 있다.

도 1은 기존 무선전력 전송 장치를 나타낸 도면,
도 2는 상기 도 1의 A-A' 단면을 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 전기자동차용 차폐형 무선전력 전송 장치를 나타낸 도면,
도 4 및 도 5는 상기 도 3의 전기자동차용 차폐형 무선전력 전송 장치 B-B' 단면을 나타낸 도면,
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 전기자동차용 차폐형 무선전력 전송 장치를 나타낸 도면,
도 7은 상기 도 6의 전기자동차용 차폐형 무선전력 전송 장치 C-C' 단면을 나타낸 도면,
도 8은 상기 도 3의 전력 전송용 조립체에서 금속판이 제외된 구조를 나타낸 도면,
도 9는 상기 도 6의 전력 전송용 조립체에서 금속판이 제외된 구조를 나타낸 도면,
도 10은 본 발명의 제3실시예에 따른 전기자동차용 차폐형 무선전력 전송 장치를 나타낸 도면,
도 11은 상기 도 10의 차폐코일에 전류가변기를 구비한 상태를 나타낸 도면,
도 12는 상기 도 10의 차폐코일에 능동적으로 제어되는 전류가변기를 구비한 상태를 나타낸 도면,
도 13은 상기 도 12의 무선 전력 전송 장치가 무선 충전 인프라에 적용된 상태를 나타낸 도면,
도 14는 상기 도 13에서 차폐구조물의 측면과 송신 코일 간 간격(W1)의 변화에 따라 EMF 감소 효과를 나타낸 도면,
도 15는 상기 도 13에서 차폐코일과 송신 코일 간 간격(W2)의 변화에 따라 EMF 감소 효과를 나타낸 도면이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 다만, 하기의 설명 및 첨부된 도면에서 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 공지 기능 또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 도면 전체에 걸쳐 동일한 구성 요소들은 가능한 한 동일한 도면 부호로 나타내고 있음에 유의하여야 한다.

이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위한 용어로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다. 본 발명은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되어지지 않는다.

명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. "포함하다" 또는 "가지다" 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.

아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 전기자동차용 차폐형 무선전력 전송 장치를 나타낸 도면이고, 도 4 및 도 5는 상기 도 3의 전기자동차용 차폐형 무선전력 전송 장치 B-B' 단면을 나타낸 도면이다. 도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 전기자동차용 차폐형 무선전력 전송 장치를 나타낸 도면이고, 도 7은 상기 도 6의 전기자동차용 차폐형 무선전력 전송 장치 C-C' 단면을 나타낸 도면이다.

도 3 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 전기자동차용 차폐형 무선전력 전송 장치(이하 '무선 전력 전송 장치'라 함, 10)는, 전술한 바와 같이 리츠선으로 이루어진 코일(11), 코일(11)의 크기보다 약간 큰 평면 또는 블록 형태의 페라이트(12)와 얇은 평판 알루미늄 등의 금속판(13)을 포함한다. 코일(11)은 일단에 무선 전력 전송을 위한 루프 형태를 형성하고, 타단에 정합회로(미도시) 또는 보상/매칭/공진 장치(미도시)를 연결한다.

여기서, 무선 전력 전송 장치(10)의 코일(11), 페라이트(12) 및 금속판(13)의 조립체를 편의상 이하 '전력 전송용 조립체(14)'로 통칭하여 설명하기로 한다.

무선 전력 전송 장치(10)는 전력 전송용 조립체(14)의 하부에 외부로 누설되는 자기장을 억제하기 위해 꺽어진 금속망(또는 그물망) 형태(도 3 내지 도 5 참조) 또는 금속면(또는 판) 형태(도 6 내지 도 7 참조)의 차폐구조물(shield structure)(15)을 포함한다. 여기서, 차폐구조물(15)은 비자성 금속(예, 구리, 알루미늄 등)의 재질로 이루어진다.

이러한 차폐구조물(15)은 전력 전송용 조립체(14)를 수용하는 공간을 형성하는데, 전력 전송용 조립체(14)가 외부에 있는 전기자동차에 설치된 코일에 대향하는 면(즉, 상부면)에 대해서만 개방된 형태로서, 전력 전송용 조립체(14)의 바닥면과 측면에 대해 차폐층을 형성한다.

여기서, 차폐구조물(15)의 바닥면은 전력 전송용 조립체(14)의 바닥면에 대향하고, 차폐구조물(15)의 측면은 전력 전송용 조립체(14)의 측면에 대향한다. 그리고, 차폐구조물(15)의 바닥면과 측면은 소정의 각도를 가지고 꺽어진다.

다시 말해, 차폐구조물(15)은 전력 전송용 조립체(14)의 코일(11)에서 발생되는 자기장에 의해 금속망 또는 금속면에 와전류가 형성되어 외부로 누설되는 자기장의 차폐효과를 제공할 수 있다.

도 3 내지 도 5를 참조하면, 금속망 형태의 차폐구조물(15)의 측면은 바닥면으로부터 소정의 높이(h)를 가지면서, 바닥면으로부터 소정의 각도(θ)를 형성할 수 있다. 즉, 차폐구조물(15)의 측면은 바닥면으로부터 소정의 각도(θ)를 갖더라도 소정의 높이(h)를 유지한다. 이는 전력 전송용 조립체(14)의 코일(11)에서 발생되는 자기장을 차폐구조물(15)의 측면을 통해 누설되지 않고 차폐시키기 위함이다.

여기서, 높이(h)는 전력 전송용 조립체(14)의 적층 높이에 해당할 수 있는데, 전력 전송용 조립체(14)의 코일(11)의 리츠선면과 동일하거나 높다. 이는 전력 전송용 조립체(14)의 코일(11)에서 발생된 자기장이 차폐구조물(15)의 측면을 넘어 외부로 누설되는 경우를 차단하기 위함이다.

이러한 높이(h)는 전력 전송용 조립체(14)의 코일(11)[즉, 송신 코일(Tx Coil)]과 전기자동차에 설치된 코일[즉, 수신 코일(Rx Coil)] 즉, 송수신 코일의 결합계수와 누설자기장의 감소 효과를 고려하여 실험적으로 결정될 수 있다.

따라서, 전력 전송용 조립체(14)와 차폐구조물(15)은 높이(h)에 따라 밀착되거나 일정한 간극을 가진다. 도 4, 도 5 및 도 7에서는 전력 전송용 조립체(14)와 차폐구조물(15)이 일정한 간극(G)을 가지는 경우를 도시하고 있다.

여기서, 전력 전송용 조립체(14)와 차폐구조물(15) 사이에는 일정한 간극(G)을 가질 수 있는 부도체 지지부(미도시)를 설치할 수 있다. 이와 같이, 전력 전송용 조립체(14)와 차폐구조물(15) 사이에 일정한 간극(G)을 형성하는 것은 차폐구조물(15)에 적절한 와전류를 생성시켜 차폐효과를 상승시키는 효과를 기대할 수 있다.

그리고, 차폐구조물(15)의 측면은 0°＜θ≤90°를 만족하는 각도(θ)를 가질 수 있지만, 45°내지 90°사이의 범위에서 꺽어진 구조인 것이 바람직하다.

이를 통해, 차폐구조물(15)의 측면이 꺽어진 구조는 전력 전송용 조립체(14)의 코일(11)에서 발생되는 자기장의 방사영역을 확장시켜 전기자동차에 설치된 수신 코일의 자기장 수신영역을 누락없이 전부 커버함으로써, 무선전력 충전 효율을 향상시킬 수 있다. 이러한 각도(θ)는 송수신 코일의 결합계수를 고려하여 조절될 수 있다.

또한, 차폐구조물(15)의 측면은 전력 전송용 조립체(14)에서 코일(11)의 외곽으로부터 소정의 간격(W1)으로 이격되어 형성된다. 이때, 차폐구조물(15)의 측면과 코일(11)의 외곽 간 간격(W1)은, 전력 전송용 조립체(14)에서 코일(11)의 외곽으로부터 차폐구조물(15)의 측면이 꺽이는 시작 지점까지의 거리에 해당한다. 여기서, 간격(W1)은 전력 전송용 조립체(14)의 대각선 길이(d)의 5% 내지 35% 사이의 범위에서 형성되는 것이 바람직하다. 즉, 0.05×d＜W1＜0.35×d이다. 이러한 간격(W1)은 송수신 코일의 결합계수 변화와 필요한 차폐효과를 고려하여 결정될 수 있다.

또한, 차폐구조물(15)의 망 간격(P)은 전력 전송용 조립체(14)의 대각선 길이(d)의 35% 미만으로 제한되는 것이 바람직하다. 즉, P＜0.35×d이다.

도 6 및 도 7을 참조하면, 금속면 형태의 차폐구조물(15)은 금속망 형태의 구조와 마찬가지로 동일하게 적용 가능하므로, 전술한 도 3 내지 도 5의 설명으로 중복되는 설명을 대신하기로 한다.

즉, 금속면 형태의 차폐구조물(15)은 망 간격(P)에 대한 설명만 해당되지 않고, 금속망 형태의 구조에 대한 도 3 내지 도 5의 설명이 그대로 적용될 수 있다.

다만, 금속면 형태의 차폐구조물(15)의 측면은 바닥면으로부터 소정의 각도를 형성하는 경우를 도시하고 있지는 않지만, 이에 대해서도 가능함을 통상의 기술자라면 쉽게 이해할 수 있을 것이다.

아울러, 도 3 내지 도 5의 금속망 형태의 차폐구조물(15)은 도 6 및 도 7의 금속면 형태의 구조에 비해 다음과 같은 장점이 있다.

먼저, 금속망 형태의 차폐구조물(15)은 무선 충전 인프라가 설치되는 지면의 구조나 여건에 따라 금속면 형태의 구조 대신에 적용 가능하므로, 주차장 바닥면에 매설이 용이하고 재료비가 적어 경제적이다.

다음, 금속망 형태의 차폐구조물(15)은 전기자동차에 설치되는 경우에, 설치중량을 대폭 낮춰 연비에 영향을 줄여 경제적이다.

도 8은 상기 도 3의 전력 전송용 조립체에서 금속판이 제외된 구조를 나타낸 도면이고, 도 9는 상기 도 6의 전력 전송용 조립체에서 금속판이 제외된 구조를 나타낸 도면이다.

도 8 및 도 9의 전력 전송용 조립체(14)는 도 3 및 도 6의 전력 전송용 조립체(14)에서 금속판(13)을 제외한 구조로서, 코일(11)과 페라이트(12)로만 구성될 수 있다. 이는 차폐구조물(15)이 금속판(13)과 같이 동일하게 비자성 금속 재질로 이루어지므로, 금속판(13)을 제외한 구조로 제작이 가능하다.

도 8 및 도 9의 전력 전송용 조립체(14)는 금속판(13)을 제외함으로써, 도 3 및 도 5의 전력 전송용 조립체(14)에 비해 높이가 줄어들어 콤팩트한 구조로 제작할 수 있을 뿐만 아니라, 무게가 줄어들어 전기자동차에 설치하기에 바람직한 구조로 제작할 수 있다.

도 10은 본 발명의 제3실시예에 따른 전기자동차용 차폐형 무선전력 전송 장치를 나타낸 도면이다.

도 10은 도 6의 무선 전력 전송 장치(10)에 추가로 루프 형태의 차폐코일(16)을 설치하는 구조를 나타낸다. 도면에 도시하고 있지는 않지만, 차폐코일(16)은 도 3의 무선 전력 전송 장치(10)에도 적용 가능하다. 이러한 차폐코일(16)은 도 3 및 도 6의 차폐구조물(15) 없이 전력 전송용 조립체(14) 주변에 단독으로 설치될 수도 있다.

차폐코일(16)은 전력 전송용 조립체(14)의 코일(11)로부터 소정의 거리(W2) 만큼 이격되며, 차폐구조물(15)의 측면이 형성된 지점보다 이격된다. 즉, 차폐코일(16)과 코일(11) 간 간격(W2)은 차폐구조물(15)의 측면과 코일(11) 간 간격(W1) 보다 크다. 이러한 차폐코일(16)은 전기자동차에 대해 전력 전송용 조립체(14)의 코일(11)이 장착되는 위치에 따라 직사각형 또는 그와 유사한 형태로 형성된다.

차폐코일(16)은 하나 이상의 폐루프 코일을 포함하며, 폐루프 코일은 복수 개일 경우에 누설자기장을 차폐시키기 원하는 위치에 각각 형성된다.

차폐코일(16)과 코일(11) 간 간격(W2)은 차폐구조로 사용되는 폐루프 코일의 개수에 따라 전력 전송용 조립체(14)의 일방향의 길이의 50%보다 큰 범위에서 결정된다. 그리고, 차폐코일(16)의 최대 길이(W3)는 무선 충전 인프라에 적용되는 전기자동차의 최외곽 폭보다 작아야 한다.

이처럼, 차폐코일(16)은 무선 전력 전송 장치(10)의 둘레에 추가로 형성하여, 무선 전력 전송 장치(10)의 외부로 누설되는 자속을 방해하여 누설자기장을 효과적으로 감소할 수 있다.

즉, 차폐코일(16)은 전력 전송용 조립체(14)의 코일(11)에 의해 유도된 자기장에 의해 전류의 흐름이 형성된다. 이때, 차폐코일(16)에 흐르는 전류는 전력 전송용 조립체(14)의 코일(11)에서 누설되는 자기장과 반대 방향의 자기장을 형성함으로써, 전력 전송용 조립체(14)의 코일(11)에서 발생되는 자기장을 상쇄한다. 즉, 차폐코일(16)은 전력 전송용 조립체(14)의 코일(11)의 외부 누설자기장을 감소시키는 효과를 제공할 수 있다.

도 11은 상기 도 10의 차폐코일에 전류가변기를 구비한 상태를 나타낸 도면이다.

도 11을 참조하면, 차폐코일(16)은 폐루프 코일 각각에 전류가변기(17)를 구비한다.

여기서, 전류가변기(17)는 커패시터, 인덕터 및 저항의 직병렬 회로를 구성하여 폐루프 코일에 흐르는 전류를 조절한다. 즉, 전류가변기(17)는 폐루프 코일에 흐르는 전류를 조절하여 상쇄자기장의 크기를 조절함으로써, 특정 위치에서 누설자기장의 크기를 최소화시킬 수 있다. 여기서, 전류가변기(17)의 조정값은 특정 위치에서 누설자기장의 측정값이 최소가 되도록 조정하여 고정할 수 있다.

도 12는 상기 도 10의 차폐코일에 능동적으로 제어되는 전류가변기를 구비한 상태를 나타낸 도면이다.

도 12를 참조하면, 차폐코일(16)은 폐루프 코일 각각에 전류가변기(17)를 구비하며, 전류가변기(17)는 특정 위치에 설치된 자기장 센서(18)로부터 측정된 누설자기장 세기가 최소화되도록 제어기(19)에 의해 능동적으로 제어된다.

자기장 센서(18)는 차폐코일(16)이 설치된 특정 위치의 누설자기장 세기를 측정하고, 그 측정값을 제어기(19)로 전달한다. 자기장 센서(18)는 EMF(ElectroMagnetic Field) 측정점에 설치된다.

제어기(19)는 자기장 센서(18)에 의해 측정된 누설자기장 세기의 측정값에 따라 전류가변기(17)를 제어한다. 이에 따라, 전류가변기(17)는 제어기(19)의 제어에 따라 차폐코일(16)에 흐르는 전류를 조절한다.

도 12의 무선 전력 전송 장치(10)는 전력 전송용 조립체(14)의 코일(11)에 대해 정렬이 틀어지거나 전송전력이 변화하더라도, 특정 위치에서의 누설자기장을 감지하여 그 측정값이 최소화되도록 차폐코일(16)에 흐르는 전류를 조절할 수 있다.

도 13은 상기 도 12의 무선 전력 전송 장치가 무선 충전 인프라에 적용된 상태를 나타낸 도면이고, 도 14는 상기 도 13에서 차폐구조물의 측면과 송신 코일 간 간격(W1)의 변화에 따라 EMF 감소 효과를 나타낸 도면이며, 도 15는 상기 도 13에서 차폐코일과 송신 코일 간 간격(W2)의 변화에 따라 EMF 감소 효과를 나타낸 도면이다.

도 13을 참조하면, 도 12의 무선 전력 전송 장치(10)는 전기자동차(20)의 무선 충전 인프라에 적용된 경우로서 송신 코일(Tx Coil)을 포함하고, 전기자동차(20)는 수신 코일(Rx Coil)을 포함한다.

이 경우, 무선 전력 전송 장치(10)는 금속망 형태의 차폐구조물(15)과 차폐코일(16)을 구비하고, 차폐코일(16)이 설치된 특정 위치의 누설자기장 세기를 측정하기 위한 자기장 센서(18)를 구비한다.

도 14는 자기장 센서(18)가 차폐구조물(15)의 측면과 송신 코일(10) 간 간격(W1)의 변화에 따라 누설자기장 세기를 측정한 결과를 나타낸다. 여기서, W1이 50㎜ 내지 200㎜일 때, 누설자기장 세기가 허용 기준치 이내인 것을 알 수 있다.

도 15는 자기장 센서(18)가 차폐코일(16)과 송신 코일(11) 간 간격(W2)의 변화에 따라 누설자기장 세기를 측정한 결과를 나타낸다. 여기서, 차폐코일(16)의 1번과 2번 폐루프 코일의 위치에 따라 누설자기장 세기가 허용 기준치 이내를 만족하면서 최소가 되는 것을 알 수 있다.

즉, 차폐코일(16)의 1번 폐루프 코일은 600㎜일 때 누설자기장 세기가 허용 기준치 이내를 만족하면서 최소가 되고, 차폐코일(16)의 1번 폐루프 코일은 500㎜일 때 누설자기장 세기가 허용 기준치 이내를 만족하면서 최소가 된다.

이처럼, 차폐코일(16)은 페루프 코일의 개수에 따라 누설자기장 세기를 허용 기준치 이내로 최소가 되도록 조절하는데 이용될 수 있다.

전술한 바와 같이, 무선 전력 전송 장치(10)는 무선 충전 인프라에서 송신용으로 설치되는 경우에 대해 설명하고 있으나, 이에 한정되지 않고 전기자동차에서 수신용으로 설치되는 경우에도 적용될 수 있다. 이에 대해서는 통상의 기술자라면 쉽게 이해할 수 있으므로, 자세한 설명을 생략하기로 한다.

비록 상기 설명이 다양한 실시예들에 적용되는 본 발명의 신규한 특징들에 초점을 맞추어 설명되었지만, 본 기술 분야에 숙달된 기술을 가진 사람은 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서도 상기 설명된 장치 및 방법의 형태 및 세부 사항에서 다양한 삭제, 대체, 및 변경이 가능함을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 상기 설명에서보다는 첨부된 특허청구범위에 의해 정의된다. 특허청구범위의 균등 범위 안의 모든 변형은 본 발명의 범위에 포섭된다.

10 : 무선 전력 전송 장치 1, 11 : 코일
2, 12 : 페라이트 3, 13 : 금속판
14 : 전력 전송용 조립체 15 : 차폐구조물
16 : 차폐코일 17 : 전류가변기
18 : 자기장 센서 19 : 제어기
20 : 전기자동차

Claims

리츠선으로 이루어진 제1 코일과 상기 제1 코일의 하부에 적층되는 페라이트를 포함하는 전력 전송용 조립체; 및
상기 전력 전송용 조립체의 수용 공간을 형성함에 따라, 상기 전력 전송용 조립체의 바닥면 및 측면에 대해 차폐층을 형성하고, 상기 전력 전송용 조립체의 상부면에 대해 개방되어 있는 차폐구조물;을 포함하고,
상기 전력 전송용 조립체의 상부면은, 외부 무선 충전용 제2 코일을 향하며,
상기 차폐구조물은, 비자성 재질의 금속망 또는 금속판 형태로 이루어지고, 상기 차폐구조물의 바닥면은, 상기 전력 전송용 조립체의 바닥면에 대향하며, 상기 차폐구조물의 측면은 상기 전력 전송용 조립체의 측면에 대향하고, 상기 차폐구조물의 바닥면과 측면은, 소정의 각도를 가지고 꺽이고,
상기 차폐구조물의 측면 높이는, 상기 제1 코일과 상기 제2 코일의 결합계수와 누설자기장을 고려하여 결정하되, 상기 제1 코일의 리츠선면과 동일하고, 상기 전력 전송용 조립체와 상기 차폐구조물 사이는 간극을 형성하며,
상기 차폐구조물의 측면은 상기 제1 코일의 외곽으로부터 이격되어 형성되고, 상기 차폐구조물의 측면과 상기 제1 코일의 외곽 간의 간격은 상기 전력 전송용 조립체의 대각선 길이의 5% 내지 35% 사이의 범위이며,
상기 차폐구조물의 둘레에 이격 배치되는 하나 이상의 폐루프 코일을 포함하는 차폐코일; 상기 차폐코일의 폐루프 코일 각각에 흐르는 전류를 조절하기 위한 전류가변기; 상기 차폐코일이 설치된 특정 위치의 누설자기장 세기를 측정하기 위한 자기장 센서; 및 상기 자기장 센서에 의해 측정된 누설자기장 세기의 측정값에 따라 상기 전류가변기를 제어하기 위한 제어기;를 더 포함하며,
상기 전류가변기의 조정값은 상기 차폐코일이 설치된 특정 위치에서 누설자기장의 측정값이 최소가 되도록 조정하여 고정하는 것인 전기자동차용 차폐형 무선전력 전송 장치.
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제 1 항에 있어서,
상기 차폐구조물의 바닥면과 측면이 형성하는 각도는,
45°내지 90°사이의 범위인 전기자동차용 차폐형 무선전력 전송 장치.
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제 1 항에 있어서,
상기 차폐구조물의 차폐층이 금속망 형태로 이루어진 경우에는,
상기 차폐구조물의 망 간격이 상기 전력 전송용 조립체의 대각선 길이의 35% 미만인 전기자동차용 차폐형 무선전력 전송 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 전력 전송용 조립체는,
상기 페라이트의 하부에 금속판을 포함하는 전기자동차용 차폐형 무선전력 전송 장치.
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리츠선으로 이루어진 제1 코일과 상기 제1 코일의 하부에 적층되는 페라이트를 포함하는 전력 전송용 조립체; 및
상기 전력 전송용 조립체의 둘레에 이격 배치되는 하나 이상의 폐루프 코일을 포함하는 차폐코일;을 포함하고,
상기 차폐코일의 폐루프 코일 각각에 흐르는 전류를 조절하기 위한 전류가변기; 상기 차폐코일이 설치된 특정 위치의 누설자기장 세기를 측정하기 위한 자기장 센서; 및 상기 자기장 센서에 의해 측정된 누설자기장 세기의 측정값에 따라 상기 전류가변기를 제어하기 위한 제어기;를 더 포함하고,
상기 전류가변기의 조정값은 상기 차폐코일이 설치된 특정 위치에서 누설자기장의 측정값이 최소가 되도록 조정하여 고정하는 것인 전기자동차용 차폐형 무선전력 전송 장치.
제 13 항에 있어서,
상기 전력 전송용 조립체의 상부면은,
외부 무선 충전용 제2 코일을 향하는 것인 전기자동차용 차폐형 무선전력 전송 장치.
제 13 항에 있어서,
상기 전력 전송용 조립체는,
상기 페라이트의 하부에 금속판을 포함하는 전기자동차용 차폐형 무선전력 전송 장치.
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