KR102418335B1 - Foreign object detection apparatus for wireless power transmission - Google Patents
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Abstract
일 실시예에 따른 무선전력 송신용 이물질 센서 장치는, 자기 유도 방식에 의해 집전 코일부가 전기에너지를 수신할 수 있도록 전기에너지를 송신하는 급전 코일부와, 급전 코일부의 주변에 존재할 수 있는 전도성 이물질에 의하여 인덕턴스가 변화되는 센서 코일부와, 센서 코일부의 인덕턴스의 변화에 기초하여 전도성 이물질의 존재 여부를 판정하는 판정부를 포함한다.A foreign material sensor device for wireless power transmission according to an embodiment includes a feeding coil unit that transmits electrical energy so that the current collecting coil unit can receive electrical energy by a magnetic induction method, and conductive foreign substances that may exist in the vicinity of the feeding coil unit and a sensor coil part whose inductance is changed by the .
Description
본 발명은 무선전력을 송신할 때에 주변의 이물질을 감지하는 무선전력 송신용 이물질 센서 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a foreign material sensor device for wireless power transmission that detects a foreign object in the vicinity when wireless power is transmitted.
최근 친환경 교통수단으로서 전기자동차의 활용이 증가하고 있지만, 배터리의 낮은 에너지밀도에 따른 잦은 충전이 요구되는 한계점이 존재한다.Although the use of electric vehicles as an eco-friendly means of transportation is increasing recently, there is a limitation in that frequent charging is required due to the low energy density of the battery.
전기자동차의 충전 방식은 크게 완속 충전(Slow charging)과 급속 충전(Fast charging) 등으로 구분될 수 있다.The charging method of an electric vehicle may be largely divided into slow charging and fast charging.
완속 충전의 경우 가정용 전원 등을 활용하여 충전을 할 수 있다는 장점이 있지만, 3시간 이상이 충전 시간이 요구된다는 단점이 있다.In the case of slow charging, there is an advantage that it can be charged using a household power source, but there is a disadvantage that it requires a charging time of 3 hours or more.
이에 비해 급속 충전은 30분 이내의 충전 시간이 요구된다는 장점이 있지만, 높은 전압과 전류를 활용하는 고전력 무선충전 장치가 요구된다는 단점이 있다.In contrast, fast charging has the advantage that it requires a charging time of less than 30 minutes, but has a disadvantage in that a high-power wireless charging device using high voltage and current is required.
또한, 기존의 충전 방식은 플러그를 삽입하여 전기에너지를 공급하는 방법이 있으며, 이러한 방법은 운전자에게 충전을 위한 조작(manipulation)을 요구한다는 점에서 불편함을 유발할 수 있다.In addition, the conventional charging method includes a method of supplying electric energy by inserting a plug, which may cause inconvenience in that it requires a manipulation for charging from a driver.
이러한 단점에 대해 무선충전 기술을 적용하여 사용자에게 요구되는 잦은 충전 조작을 해소할 수 있다. 즉, 고전력을 기반으로 하는 무선전력 전송 장치를 활용할 경우, 충전을 위해 요구되는 시간을 절감할 수 있음과 더불어 충전을 위해 운전자에게 요구되는 조작을 최소화할 수 있다.In response to these shortcomings, the frequent charging operation required by the user can be eliminated by applying the wireless charging technology. That is, when a wireless power transmission device based on high power is used, the time required for charging can be reduced and manipulation required by the driver for charging can be minimized.
전기차 충전을 위한 무선충전 기술은 자기유도 결합 기반의 무선전력전송 기술인 유도전력전송이 주로 활용되며, 이는 전도체의 직접적인 연결 없이 자기장 결합을 통해 전기에너지가 유도되는 것을 원리로 동작한다.The wireless charging technology for charging electric vehicles mainly uses induction power transmission, a wireless power transmission technology based on magnetic induction coupling, which operates on the principle that electric energy is induced through magnetic field coupling without direct connection of conductors.
유도전력전송 기술은 전기에너지 전달의 매개체인 자기장의 강도가 증가할수록 전달할 수 있는 전기에너지의 규모가 증가하므로, 급속충전을 위한 유도전력전송 장치는 높은 강도의 자기장 생성이 요구된다.In the induction power transmission technology, as the strength of the magnetic field, which is the medium of electrical energy transmission, increases, the size of the electrical energy that can be transmitted increases.
무선충전 동작 시 전도성(conductivity)을 가지는 도체가 주변에 존재할 경우 무선충전 시스템으로부터 발생한 자기장이 전도성 물질에 유도되며, 이 때 도체 표면에서 와전류(eddy current)에 따른 역자기장이 발생한다. 와전류의 강도는 유기되는 자기장의 강도에 따라 달라지게 되며, 높은 강도의 자기장이 유도될 경우, 와전류 효과도 비례하여 증가하게 되고, 와전류 효과가 증가할수록 발열(heat) 또한 증가하게 된다.When a conductor having conductivity exists in the vicinity of the wireless charging operation, a magnetic field generated from the wireless charging system is induced in the conductive material, and at this time, a reverse magnetic field according to an eddy current is generated on the surface of the conductor. The strength of the eddy current varies depending on the strength of the induced magnetic field, and when a high strength magnetic field is induced, the eddy current effect also increases proportionally, and as the eddy current effect increases, heat also increases.
만약 자기장의 강도가 아주 클 경우, 전자레인지에 금속재 물질을 넣었을 때와 같이 물체가 발화(發火)될 수 있으며, 이 경우 전도성 물질에 따른 화재 위험이 증가하게 된다.If the strength of the magnetic field is very large, the object may ignite as when a metallic material is put in a microwave oven, and in this case, the risk of fire due to the conductive material increases.
무선충전 시스템에서 발생한 자기장이 도체에 유기될 경우, 도체는 무선충전 시스템에 대해 부하(負荷)로서 동작하게 되며, 이에 따라 충전 동작 시 전력 변동이 발생하게 되므로 이물질 감지가 가능할 수 있음.When the magnetic field generated in the wireless charging system is induced in the conductor, the conductor operates as a load to the wireless charging system, and as a result, power fluctuation occurs during the charging operation, so foreign substances can be detected.
하지만 무선충전 시 코일 간 좌우 부정합(misalignment) 등이 발생할 경우 정상 동작시와는 다른 전력 상태를 가지게 된다. 또한 무선충전 동작은 대부분 배터리를 충전 대상으로 동작하게 되며, 배터리는 충전 상태(State of charge: SOC)에 따라 공급 전력이 달라지게 된다.However, when there is a misalignment between the coils during wireless charging, the power state is different from that of normal operation. In addition, most of the wireless charging operation operates on the battery as a charging target, and the battery is supplied with different power according to the state of charge (SOC).
결과적으로, 무선충전 시스템의 전력 변동만으로는 전력변동의 발생이 이물질에 의한 것인지, 아니면 배터리 충전 상태 및 좌우 부정합 등에 의해 발생한 것인지를 판별하기 어렵기 때문에 부하전력의 변동만으로는 이물질을 감지하는 것에 한계가 있다.As a result, it is difficult to determine whether the occurrence of the power fluctuation is due to a foreign substance or whether it is caused by the battery charge state and left-right mismatch only with the power fluctuation of the wireless charging system. .
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전도성 이물질이 급전 코일의 주변에 존재하는 것을 높은 정확도로 감지하는 무선전력 송신용 이물질 센서 장치를 제공한다.According to an embodiment of the present invention, there is provided a foreign material sensor device for wireless power transmission that detects with high accuracy that a conductive foreign material is present in the vicinity of a power supply coil.
다만, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 것으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 해결하고자 하는 과제는 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the problems to be solved of the present invention are not limited to those mentioned above, and other problems to be solved that are not mentioned can be clearly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs from the following description. will be.
일 관점에 따른 무선전력 송신용 이물질 센서 장치는, 자기 유도 방식에 의해 집전 코일부가 전기에너지를 수신할 수 있도록 상기 전기에너지를 송신하는 급전 코일부와, 상기 급전 코일부의 주변에 존재할 수 있는 전도성 이물질에 의하여 인덕턴스가 변화되는 센서 코일부와, 상기 센서 코일부의 상기 인덕턴스의 변화에 기초하여 상기 전도성 이물질의 존재 여부를 판정하는 판정부를 포함한다.A foreign object sensor device for wireless power transmission according to an aspect includes a power supply coil unit for transmitting electrical energy so that a current collecting coil unit can receive electrical energy by a magnetic induction method, and a conductivity that may exist in the vicinity of the power supply coil unit The sensor coil unit includes a sensor coil in which inductance is changed by the foreign material, and a determination unit configured to determine whether the conductive foreign material is present based on the change in inductance of the sensor coil unit.
일 실시예에 따르면, 전도성 이물질이 급전 코일의 주변에 존재하는 것을 무선전력 송신에 대응한 무선전력 수신측의 배터리 충전 상태와 무관함과 아울러 코일 간의 부정합(misalignment)과 무관하게 높은 정확도로 감지할 수 있다.According to one embodiment, it is possible to detect the presence of a conductive foreign material in the vicinity of the feeding coil with high accuracy regardless of the battery charge state of the wireless power receiving side corresponding to the wireless power transmission and irrespective of misalignment between the coils. can
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 무선전력 송신용 이물질 센서 장치의 일부 구성을 투시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 무선전력 송신용 이물질 센서 장치의 상면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 무선전력 송신용 이물질 센서 장치의 정면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 무선전력 송신용 이물질 센서 장치의 등가 회로도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 무선전력 송신용 이물질 센서 장치의 센서 코일부의 사시도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 무선전력 송신용 이물질 센서 장치의 센서 코일부의 수평형 코일 및 수직형 코일의 턴 순서를 예시한 도면이다.
도 7 내지 도 12은 본 발명의 실시예에 따른 무선전력 송신용 이물질 센서 장치에서 센서 코일부의 자기장과 전도성 이물질의 역자기장의 영향을 나타낸 도면이다.
도 13 및 도 14는 본 발명의 실시예에 따른 무선전력 송신용 이물질 센서 장치에서 부정합이 발생하는 상황을 가정하는 도면이다.1 is a perspective view of a partial configuration of a foreign material sensor device for wireless power transmission according to an embodiment of the present invention.
2 is a top view of a foreign material sensor device for wireless power transmission according to an embodiment of the present invention.
3 is a front view of a foreign material sensor device for wireless power transmission according to an embodiment of the present invention.
4 is an equivalent circuit diagram of a foreign material sensor device for wireless power transmission according to an embodiment of the present invention.
5 is a perspective view of a sensor coil unit of a foreign material sensor device for wireless power transmission according to an embodiment of the present invention.
6 is a diagram illustrating a turn order of a horizontal coil and a vertical coil of a sensor coil unit of a foreign material sensor device for wireless power transmission according to an embodiment of the present invention.
7 to 12 are diagrams illustrating the effect of the magnetic field of the sensor coil part and the reverse magnetic field of the conductive foreign material in the foreign material sensor device for wireless power transmission according to an embodiment of the present invention.
13 and 14 are diagrams assuming a situation in which mismatch occurs in the foreign material sensor device for wireless power transmission according to an embodiment of the present invention.
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 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Advantages and features of the present invention and methods of achieving them will become apparent with reference to the embodiments described below in detail in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in various different forms, and only these embodiments allow the disclosure of the present invention to be complete, and common knowledge in the art to which the present invention pertains It is provided to fully inform those who have the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims.
본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.Terms used in this specification will be briefly described, and the present invention will be described in detail.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.The terms used in the present invention have been selected as currently widely used general terms as possible while considering the functions in the present invention, but these may vary depending on the intention or precedent of a person skilled in the art, the emergence of new technology, and the like. In addition, in a specific case, there is a term arbitrarily selected by the applicant, and in this case, the meaning will be described in detail in the description of the corresponding invention. Therefore, the term used in the present invention should be defined based on the meaning of the term and the overall content of the present invention, rather than the name of a simple term.
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. When a part 'includes' a certain component throughout the specification, this means that other components may be further included, rather than excluding other components, unless otherwise stated.
또한, 명세서에서 사용되는 '부'라는 용어는 소프트웨어 또는 FPGA나 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, '부'는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 '부'는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. '부'는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 '부'는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로 코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 '부'들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 '부'들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 '부'들로 더 분리될 수 있다.In addition, the term 'unit' used in the specification means software or a hardware component such as an FPGA or ASIC, and 'unit' performs certain roles. However, 'part' is not limited to software or hardware. The 'unit' may be configured to reside on an addressable storage medium or it may be configured to refresh one or more processors. Thus, as an example, 'part' refers to components such as software components, object-oriented software components, class components and task components, processes, functions, properties, procedures, subroutines, segments of program code, drivers, firmware, microcode, circuitry, data, databases, data structures, tables, arrays and variables. Functions provided within components and 'units' may be combined into a smaller number of components and 'units' or further divided into additional components and 'units'.
또한, 본 발명의 실시 예에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적인 연결뿐 아니라, 다른 매체를 통한 간접적인 연결의 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 포함한다는 의미는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.Also, in an embodiment of the present invention, when it is said that a part is connected to another part, this includes not only direct connection but also indirect connection through another medium. In addition, the meaning that a certain part includes a certain component means that other components may be further included, rather than excluding other components, unless specifically stated to the contrary.
아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예들을 도면을 참조하여 설명함에 있어서 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.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, the embodiments of the present invention will be described in detail so that those of ordinary skill in the art can easily implement them. In describing embodiments of the present invention with reference to the drawings, if it is determined that a detailed description of a well-known function or configuration may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted. In addition, the terms to be described later are terms defined in consideration of functions in an embodiment of the present invention, which may vary according to intentions or customs of users and operators. Therefore, the definition should be made based on the content throughout this specification.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 무선전력 송신용 이물질 센서 장치의 일부 구성을 투시한 사시도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 무선전력 송신용 이물질 센서 장치의 상면도이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 무선전력 송신용 이물질 센서 장치의 정면도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 무선전력 송신용 이물질 센서 장치의 등가 회로도이며, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 무선전력 송신용 이물질 센서 장치의 센서 코일부의 사시도이다.1 is a perspective view of a part of a foreign material sensor device for wireless power transmission according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a top view of a foreign material sensor device for wireless power transmission according to an embodiment of the present invention, FIG. is a front view of a foreign material sensor device for wireless power transmission according to an embodiment of the present invention, FIG. 4 is an equivalent circuit diagram of a foreign material sensor device for wireless power transmission according to an embodiment of the present invention, and FIG. 5 is an embodiment of the present invention It is a perspective view of the sensor coil unit of the foreign material sensor device for wireless power transmission according to the present invention.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 무선전력 송신용 이물질 센서 장치는 자기 유도 방식에 의해 집전 코일부(10)가 전기에너지를 수신할 수 있도록 전기에너지를 송신하는 급전 코일부(110)를 포함한다.1 to 5, the foreign material sensor device for wireless power transmission according to an embodiment of the present invention is a power supply nose that transmits electrical energy so that the current
집전 코일부(10)는 전기에너지를 수신할 수 있는 무선전력 수신 장치(예컨대, 전기자동차의 무선충전 장치 등)에 설치될 수 있다. 이러한 집전 코일부(10)는 집전 코일(11)과 집전 페라이트(12)를 포함할 수 있다. 집전 페라이트(12)는 집전 코일(11)에 의한 자기장의 자속 밀도를 높여 인덕턴스를 상승시키는 역할을 한다. 도 1에서는 이해를 돕기 위하여 집전 페라이트(12)를 투명하게 도시하였다.The collecting
집전 코일부(10)의 집전 페라이트(12)는 급전 코일부(110) 쪽에서 바라볼 때에 다각형의 외곽 테두리를 갖는다. 예를 들어, 도 1 등에 도시한 바와 같이 집전 페라이트(12)는 사각형의 외곽 테두리를 가질 수 있다.The current collecting
집전 코일부(10)의 집전 코일(11)은 급전 코일부(110) 쪽에서 바라볼 때에 다각형의 외곽 테두리 및 내곽 테두리를 각각 갖는 형상이다. 예를 들어, 도 1 등에 도시한 바와 같이 집전 코일(11)은 사각형의 외곽 테두리 및 내곽 테두리를 각각 가질 수 있다.The current collecting coil 11 of the current
또한, 급전 코일부(110)는 급전 코일(111)과 급전 페라이트(112)를 포함할 수 있다. 급전 페라이트(112)는 급전 코일(111)에 의한 자기장의 자속 밀도를 높여 인덕턴스를 상승시키는 역할을 한다.In addition, the
급전 코일부(110)의 급전 페라이트(112)는 집전 코일부(10) 쪽에서 바라볼 때에 다각형의 외곽 테두리를 갖는다. 예를 들어, 도 1 등에 도시한 바와 같이 급전 페라이트(112)는 사각형의 외곽 테두리를 가질 수 있다.The
급전 코일부(110)의 급전 코일(111)은 집전 코일부(10) 쪽에서 바라볼 때에 다각형의 외곽 테두리 및 내곽 테두리를 각각 갖는 형상이다. 예를 들어, 도 1 등에 도시한 바와 같이 급전 코일(111)은 사각형의 외곽 테두리 및 내곽 테두리를 각각 가질 수 있다.The feeding
그리고, 무선전력 송신용 이물질 센서 장치는 급전 코일부(110)의 주변에 존재할 수 있는 전도성 이물질에 의하여 인덕턴스가 변화되는 센서 코일부(120)를 더 포함한다. 이러한 센서 코일부(120)는 급전 코일부(110)의 다각형 형상에 의한 복수 방향의 외곽 테두리 중 적어도 하나의 외곽 테두리로부터 이격되어 배치된다. 예를 들어, 급전 코일부(110)의 사각형 형상에 의한 네 방향의 외곽 테두리에 센서 코일부(120)가 배치될 수 있다. 센서 코일부(120)는 상호 직교하는 수평형 코일(121)과 수직형 코일(122)을 포함할 수 있다. 수평형 코일(121) 및 수직형 코일(122)은 다각형의 내곽 테두리와 외곽 테두리를 각각 갖는 형상일 수 있다. 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이 수평형 코일(121) 및 수직형 코일(122)은 사각형의 내곽 테두리와 외곽 테두리를 각각 갖는 형상이고, 사각형에 의한 네 변 중 한 변을 서로 공유할 수 있다. 이러한 수평형 코일(121) 및 수직형 코일(122)의 턴(turn) 순서는 사각형에 의한 네 변 중 서로 공유하는 한 변보다 서로 공유하지 않은 세 변을 먼저 턴하는 순서일 수 있다. 도 6은 수평형 코일(121) 및 수직형 코일(122)의 턴 순서를 예시한 도면이다. 이 경우에, 수직으로 구성된 부분과 수평으로 구성된 부분이 전류의 방향 측면에서 상호 간섭이 발생하지 않는다. 수평형 코일(121)을 수직형 코일(122)보다 먼저 턴할 경우에 도 6에 예시된 순번의 화살표 방향으로 턴할 수 있다. 또는, 수직형 코일(122)을 수평형 코일(121)보다 먼저 턴할 수도 있다.In addition, the foreign material sensor device for wireless power transmission further includes a
아울러, 무선전력 송신용 이물질 센서 장치는 센서 코일부(120)의 인덕턴스의 변화에 기초하여 급전 코일부(110)의 주변에 대하여 전도성 이물질의 존재 여부를 판정하는 판정부(도시 생략됨)를 더 포함한다. 예를 들어, 판정부는 마이크로프로세서 등과 같은 컴퓨팅 연산수단을 포함할 수 있다. 도 1 내지 도 3은 무선전력 송신용 이물질 센서 장치의 구조적인 형태를 주로 나타내었기에 전기전자적 구성요소라 할 수 있는 판정부의 도시를 생략하였다.In addition, the foreign material sensor device for wireless power transmission further includes a determination unit (not shown) that determines whether there is a conductive foreign material in the vicinity of the power
이하의 설명에서는 센서 코일부(120)가 급전 코일부(110)의 사각형 형상에 의한 네 방향의 외곽 테두리에 각각 배치된 경우를 예시적으로 살펴보기로 한다. 예를 들어, 급전 코일부(110)의 동쪽(East) 주변, 서쪽(West) 주변, 남쪽(South) 주변 및 북쪽(North) 주변에 센서 코일부(120)가 배치되는 경우에 대하여 설명하기로 한다.In the following description, a case in which the
상술한 바와 같은 무선전력 송신용 이물질 센서 장치는 도 4에 나타낸 바와 같은 등가 회로도로 나타낼 수 있다. 도 4의 등가 회로도에 병기된 전기적 특성값들에 대하여 살펴보면 다음과 같다.The foreign material sensor device for wireless power transmission as described above may be represented by an equivalent circuit diagram as shown in FIG. 4 . The electrical characteristic values written together in the equivalent circuit diagram of FIG. 4 are as follows.
은 전원이며, 급전 코일(111)에 공급되는 전기적 에너지 발생원이다. is a power source, and is a source of electrical energy supplied to the
는 전류를 통해 자기장을 형성하여 자기 유도 결합에 의해 전기에너지를 전송하기 위한 급전 코일(111)이다. is a feeding
는 급전 코일(111)에서 발생한 자기장에 의해 자기 유도 결합 회로를 형성하여 전기에너지를 수신하기 위한 집전 코일(11)이다. is a current collecting coil 11 for receiving electrical energy by forming a magnetic inductively coupled circuit by the magnetic field generated in the
는 급전 코일(111)의 인덕턴스에 대응하는 용량성 리액턴스를 보상하여 특정 주파수에서 공진(Resonance)이 발생하도록 적용하는 커패시터이다. is a capacitor applied to generate resonance at a specific frequency by compensating for capacitive reactance corresponding to the inductance of the feeding
는 집전 코일(11)의 인덕턴스에 대응하는 용량성 리액턴스를 보상하여 특정 주파수에서 공진이 발생하도록 적용하는 커패시터이다. is a capacitor applied to generate resonance at a specific frequency by compensating for capacitive reactance corresponding to the inductance of the current collecting coil 11 .
, , , 는 전도성 이물질을 감지하기 위해 급전 코일(111)을 중심으로 동쪽(East), 서쪽(West), 남쪽(South), 북쪽(North)에 설치되는 센서 코일(121, 122)이다. , , , are
는 전력 전송이 이루어지는 급전 코일(111)과 집전 코일(11) 간의 상호 인덕턴스이다. is the mutual inductance between the
, , , 는 자기장을 발생시키는 급전 코일(111)과 센서 코일(121, 122) 간의 상호 인덕턴스이다. , , , is the mutual inductance between the feeding
, , , 는 급전 코일(111)로부터 자기장을 전달받는 집전 코일과 센서 코일(121, 122) 간의 상호 인덕턴스이다. , , , is the mutual inductance between the current collecting coil and the sensor coils 121 and 122 receiving the magnetic field from the feeding
급전 코일부(110)의 사방에 배치된 센서 코일부(120)는 급전 코일부(110)의 주변에 전도성 이물질이 존재할 경우에 인덕턴스 변화에 따른 전압 변동이 발생하게 되며, 이러한 전압 변동 발생에 기초하여 판정부(도시 생략됨)가 이물질이 존재하는지를 판별할 수 있다. 예를 들어, 동쪽에 설치된 센서코일 주변에 전도성 이물질이 위치할 경우, 는 와전류 영향을 받게 되며, 이에 따라 코일의 인덕턴스가 변화하게 된다. 이 때 동쪽의 센서 코일(121, 122)에 발생하게 되는 유도 전압은 [식 1]과 같이 정의되며, 이 때 상호 인덕턴스는 [식 2]와 같이 정의된다.In the
(식 1) (Equation 1)
(식 2) (Equation 2)
[식 1]과 [식 2]에 대해, 는 각주파수(, f=주파수)를 의미하고, k는 두 코일 간 결합 계수(Coupling coefficient)를 의미한다. 즉, 두 코일간 이격거리 변화가 없더라도 와전류 영향에 의해 가 감소하게 되며, 이는 상호 인덕턴스의 변화를 발생시켜 결과적으로 유도전압이 감소하게 되는 것을 의미한다.For [Equation 1] and [Equation 2], is the angular frequency ( , f = frequency), and k means a coupling coefficient between two coils. That is, even if there is no change in the separation distance between the two coils, the is decreased, which means that the mutual inductance changes and consequently the induced voltage decreases.
이제, 급전 코일부(110)의 주변에 전도성 이물질이 존재하는지를 센서 코일부(120)을 통하여 감지할 수 있는 원리에 대해서 살펴보기로 한다.Now, a principle of detecting whether a conductive foreign material is present in the vicinity of the power
도체에 자기장이 입사될 시 발생하는 역자기장은 입사된 자기장에 대해 의 위상차를 가지도록 발생한다. 이때, 발생하게 되는 역자기장이 코일에 쇄교하지 못하면 코일의 인덕턴스 변화가 발생하지 않는다.When a magnetic field is incident on a conductor, the reverse magnetic field generated is relative to the incident magnetic field. occurs to have a phase difference of . At this time, if the generated reverse magnetic field does not link to the coil, the inductance of the coil does not change.
도 7 내지 도 12은 급전 코일부(110)의 주변에 수직형 전도성 이물질(30)이 배치되거나 수평형 전도성 이물질(40)이 배치된 경우에 센서 코일부(120)의 수평형 코일(121)의 자기장(121a)과 수직형 코일(122)의 자기장(122a)에 대한 역자기장(30a, 40a)의 영향을 나타낸 도면이다.7 to 12 show a
전도성 이물질(30, 40)에서 발생하는 역자기장(30a, 40a)에 대해 수평형 코일(121) 또는 수직형 코일(122)이 영향을 받기 위해서는 센서 코일부(120)의 자기장(121a, 122a)과 역자기장(30a, 40a)이 서로 마주보는 방향으로 발생되어야 한다. 수직형 코일(122)의 자기장(122a)은 수직형 전도성 이물질(30)에 대해 반응하며, 수평형 코일(121)은 수평형 전도성 이물질(40)에 대해 유의한 반응이 발생한다. 즉, 자기장(121a, 122a)과 역자기장(30a, 40a)이 서로 마주보는 방향으로 발생되면 역자기장(30a, 40a)이 수평형 코일(121) 또는 수직형 코일(122) 내부를 쇄교하게 되며, 결과적으로 수평형 코일(121) 또는 수직형 코일(122)의 인덕턴스가 달라지게 된다. 바꿔 말하면, 수직형 코일(122)은 수평형 전도성 이물질(40)에 대한 감지가 어려우며, 반대로 수평형 코일(121)은 수직형 전도성 이물질(30)에 대한 감지가 어렵다. 그러므로, 센서 코일부(120)를 수평형 코일(121)가 수직형 코일(122)을 모두 포함하도록 설계하여 전도성 이물질의 형태와 관계없이 감지가 가능하도록 한다. 즉, 수직형 전도성 이물질(30)이 주변에 배치된 경우에 수직형 코일(122)을 통하여 감지할 수 있고, 수평형 전도성 이물질(40)이 주변에 배치된 경우에 수평형 코일(121)을 통하여 감지할 수 있다. 만약 전도성 이물질이 3차원의 형태로 구성될 경우에는 수평형 코일(121)과 수직형 코일(122)이 모두 반응하므로 감지 성능 또한 증가된다. 수평형 코일(121) 및 수직형 코일(122)의 반지름은 전도성 이물질(30, 40)에 대한 감지 거리와 관련되며, 수평형 코일(121) 및 수직형 코일(122)의 반지름이 증가할수록 더욱 먼 거리에 있는 이물질을 감지하는데 용이하다. 이러한 수평형 코일(121) 및 수직형 코일(122)의 반지름은 무선전력 송신용 이물질 센서 장치의 크기 증가와 이물질 감지 거리를 함께 고려하여 결정할 수 있다.In order for the
다음으로, 코일 간 부정합(misalignment)가 발생할 경우에 이물질 감지에 주는 영향에 대해서 살펴보기로 한다. 코일 간 부정합이 발생할 경우 상호 인덕턴스의 변화가 발생하게 되며, 이러한 영향은 집전 코일부(10)와 센서 코일부(120) 간의 상호 인덕턴스에도 동일하게 발생한다. 이 경우 이물질 감지에 있어 센서 코일부(120)에 발생하게 되는 전력 변화가 부정합에 의해 발생한 것인지, 아니면 이물질에 의해 발생한 것인지 불확실할 수 있다. 이러한 경우 부정합이 발생하는 집전 코일부(10)와의 결합계수 변화에 따른 전력 변화를 통해 부정합 여부를 구분할 수 있다. 예를 들어 도 13과 같이 부정합이 발생하는 상황을 가정하면, y축 한 방향으로만 부정합이 발생하였으며, 집전 코일부(10)의 중심으로부터 센서 코일부(120)의 네 방향의 센서 코일 중심점과의 거리가 차이가 발생함을 확인할 수 있다. 이러한 현상은 도 14와 같은 X-Y축의 부정합이 동시에 발생한 경우에도 동일하게 발생하게 된다. 즉, 각 센서 코일과 집전 코일부(10)과의 이격거리 변화에 따른 결합계수 변화가 발생하게 되며, 이에 따라 센서 코일부(120)에 발생하는 전력의 양상 변화가 발생하게 된다. 부정합 발생 시 이물질의 유무에 따라 동일한 부정합 상태라 할 지라도 결합계수의 변화 양상이 달라지고, 이물질이 없는 경우에는 집전 코일부(10)와 각 센서 코일과의 상대 거리에 따라 결합 계수의 변화가 일정한 규칙으로 변화하게 된다. 예를 들어, 동쪽 센서 코일(Sensor_E)과 서쪽 센서 코일(Sensor_W)의 중심과 집전 코일부(10)의 중심과의 거리는 일정한 관계를 가지며 변화하게 된다. 다시 말해, 동쪽 센서 코일과 집전 코일부(10)가 가까워지게 될 경우 서쪽 센서 코일과 집전 코일부(10)은 이에 비례해서 거리가 멀어지게 되는 상대성을 가지게 되며, 이에 따라 두 코일간의 결합 계수는 일정한 관계를 가지고 변화하게 된다. 이러한 규칙은 북쪽 센서 코일(Sensor_N)과 남쪽 센서 코일(Sensor_S)에서도 동일하게 작용되며, 결과적으로 어느 한쪽 센서 코일의 전력량 변화는 마주보는 코일의 전력량 변화와 관련이 되어 있음을 의미한다. 만약 부정합이 이루어진 상태에서 이물질이 접근하게 될 경우, 앞서 설명한 마주보는 코일과의 결합계수 규칙성에 위배가 되는 상황이 발생하게 되며, 이에 따라 부정합 상황에서도 이물질 감지가 가능하다.Next, when misalignment between the coils occurs, the effect on the detection of foreign substances will be examined. When a mismatch occurs between the coils, a change in mutual inductance occurs, and this effect also occurs in the mutual inductance between the current
지금까지 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예들에 의하면, 전도성 이물질이 급전 코일의 주변에 존재하는 것을 무선전력 송신에 대응한 무선전력 수신측의 배터리 충전 상태와 무관함과 아울러 코일 간의 부정합과 무관하게 높은 정확도로 감지할 수 있다.As described so far, according to the embodiments of the present invention, the presence of conductive foreign substances in the vicinity of the power supply coil is independent of the battery charge state of the wireless power receiving side corresponding to the wireless power transmission and irrespective of the mismatch between the coils. It can be detected with high accuracy.
본 발명에 첨부된 각 흐름도의 각 단계의 조합들은 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들에 의해 수행될 수도 있다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 범용 컴퓨터, 특수용 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서에 탑재될 수 있으므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서를 통해 수행되는 그 인스트럭션들이 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능들을 수행하는 수단을 생성하게 된다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 특정 방식으로 기능을 구현하기 위해 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 지향할 수 있는 컴퓨터 이용 가능 또는 컴퓨터 판독 가능 기록매체에 저장되는 것도 가능하므로, 그 컴퓨터 이용가능 또는 컴퓨터 판독 가능 기록매체에 저장된 인스트럭션들은 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능을 수행하는 인스트럭션 수단을 내포하는 제조 품목을 생산하는 것도 가능하다. 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에 탑재되는 것도 가능하므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에서 일련의 동작 단계들이 수행되어 컴퓨터로 실행되는 프로세스를 생성해서 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 수행하는 인스트럭션들은 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능들을 실행하기 위한 단계들을 제공하는 것도 가능하다.Combinations of each step in each flowchart attached to the present invention may be performed by computer program instructions. These computer program instructions may be embodied in a processor of a general purpose computer, special purpose computer, or other programmable data processing equipment, such that the instructions performed by the processor of the computer or other programmable data processing equipment provide the functions described in each step of the flowchart. It creates a means to do these things. These computer program instructions may also be stored in a computer-usable or computer-readable medium that may direct a computer or other programmable data processing equipment to implement a function in a particular manner, and thus the computer-usable or computer-readable medium. The instructions stored in the recording medium are also possible to produce an article of manufacture including instruction means for performing the functions described in each step of the flowchart. The computer program instructions may also be mounted on a computer or other programmable data processing equipment, such that a series of operational steps are performed on the computer or other programmable data processing equipment to create a computer-executed process to create a computer or other programmable data processing equipment. It is also possible that instructions for performing the processing equipment provide steps for performing the functions described in each step of the flowchart.
또한, 각 단계는 특정된 논리적 기능(들)을 실행하기 위한 하나 이상의 실행 가능한 인스트럭션들을 포함하는 모듈, 세그먼트 또는 코드의 일부를 나타낼 수 있다. 또, 몇 가지 대체 실시예들에서는 단계들에서 언급된 기능들이 순서를 벗어나서 발생하는 것도 가능함을 주목해야 한다. 예컨대, 잇달아 도시되어 있는 두 개의 단계들은 사실 실질적으로 동시에 수행되는 것도 가능하고 또는 그 단계들이 때때로 해당하는 기능에 따라 역순으로 수행되는 것도 가능하다.Further, each step may represent a module, segment, or portion of code comprising one or more executable instructions for executing the specified logical function(s). It should also be noted that in some alternative embodiments it is also possible for the functions recited in the steps to occur out of order. For example, it is possible that two steps shown one after another may in fact be performed substantially simultaneously, or that the steps may sometimes be performed in the reverse order according to the corresponding function.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The above description is merely illustrative of the technical spirit of the present invention, and various modifications and variations will be possible without departing from the essential characteristics of the present invention by those skilled in the art to which the present invention pertains. Accordingly, the embodiments disclosed in the present invention are not intended to limit the technical spirit of the present invention, but to explain, and the scope of the technical spirit of the present invention is not limited by these embodiments. The protection scope of the present invention should be construed by the following claims, and all technical ideas within the equivalent range should be construed as being included in the scope of the present invention.
10: 집전 코일부 11: 집전 코일
12: 집전 페라이트
110: 급전 코일부 111: 급전 코일
112: 급전 페라이트
120: 센서 코일부 121: 수평형 코일
122: 수직형 코일10: current collecting coil unit 11: current collecting coil
12: current collector ferrite
110: feeding coil unit 111: feeding coil
112: fed ferrite
120: sensor coil unit 121: horizontal coil
122: vertical coil
Claims (7)
상기 급전 코일부의 주변에 존재할 수 있는 전도성 이물질에 의하여 인덕턴스가 변화되는 센서 코일부와,
상기 센서 코일부의 상기 인덕턴스의 변화에 기초하여 상기 전도성 이물질의 존재 여부를 판정하는 판정부를 포함하고,
상기 급전 코일부는, 상기 집전 코일부 쪽에서 바라볼 때에 다각형의 외곽 테두리를 가지며,
상기 센서 코일부는, 다각형에 의한 복수 방향의 상기 외곽 테두리 중 적어도 하나의 외곽 테두리로부터 이격되어 배치되고,
상기 센서 코일부는, 상호 직교하는 수평형 코일과 수직형 코일을 포함하며,
상기 수평형 코일 및 상기 수직형 코일은, 다각형의 내곽 테두리와 외곽 테두리를 각각 갖는 형상인
무선전력 송신용 이물질 센서 장치.A power feeding coil unit for transmitting the electric energy so that the current collecting coil unit can receive the electric energy by a magnetic induction method;
a sensor coil unit whose inductance is changed by conductive foreign substances that may exist around the power supply coil unit;
And a determination unit for determining the presence of the conductive foreign material based on the change in the inductance of the sensor coil unit,
The power feeding coil unit has a polygonal outer edge when viewed from the current collecting coil unit side,
The sensor coil unit is disposed to be spaced apart from at least one of the outer edges in a plurality of directions by a polygon,
The sensor coil unit includes a horizontal coil and a vertical coil that are orthogonal to each other,
The horizontal coil and the vertical coil are each having a polygonal inner rim and an outer rim
Foreign matter sensor device for wireless power transmission.
상기 수평형 코일 및 상기 수직형 코일은, 사각형의 내곽 테두리와 외곽 테두리를 각각 갖는 형상이고, 사각형에 의한 네 변 중 한 변을 서로 공유하는
무선전력 송신용 이물질 센서 장치.The method of claim 1,
The horizontal type coil and the vertical type coil have a shape each having a rectangular inner rim and an outer rim, and share one of the four sides of the rectangle with each other.
Foreign matter sensor device for wireless power transmission.
상기 수평형 코일 및 상기 수직형 코일의 턴(turn) 순서는 사각형에 의한 네 변 중 서로 공유하는 한 변보다 서로 공유하지 않은 세 변을 먼저 턴하는
무선전력 송신용 이물질 센서 장치.7. The method of claim 6,
The turn order of the horizontal coil and the vertical coil is to turn three sides that are not shared with each other before one side shared with each other among the four sides of the quadrangle.
Foreign matter sensor device for wireless power transmission.
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