KR102432872B1 - 무선충전 장치 및 이를 포함하는 이동 수단 - Google Patents

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Abstract

일 구현예에 따른 무선충전 장치는 코일부와 분리된 냉각부 내에 자성부를 넣고 상기 냉각부 내에 냉각수를 순환시킴으로써, 코일부의 단락이나 충전 효율 저하를 유발하지 않으면서 자성부에 발생하는 열을 효과적으로 방출시킬 수 있다. 따라서 상기 무선충전 장치는, 송신기와 수신기 간의 대용량의 전력 전송을 요구하는 전기 자동차와 같은 이동 수단 등에 유용하게 사용될 수 있다.

Description

무선충전 장치 및 이를 포함하는 이동 수단{WIRELESS CHARGING DEVICE AND VEHICLE COMPRISING SAME}
구현예는 무선충전 장치 및 이를 포함하는 이동 수단에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 구현예는 방열 구조를 적용하여 충전 효율이 향상된 무선충전 장치 및 이를 포함하는 전기 자동차와 같은 이동 수단에 관한 것이다.
오늘날 정보통신 분야는 매우 빠른 속도로 발전하고 있으며, 전기, 전자, 통신, 반도체 등이 종합적으로 조합된 다양한 기술들이 지속적으로 개발되고 있다. 또한, 전자기기의 모바일화 경향이 증대함에 따라 통신분야에서도 무선 통신 및 무선 전력 전송 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히, 전자기기 등에 무선으로 전력을 전송하는 방안에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.
상기 무선 전력 전송은 전력을 공급하는 송신기와 전력을 공급받는 수신기 간에 물리적인 접촉 없이 자기 결합(inductive coupling), 용량 결합(capacitive coupling) 또는 안테나 등의 전자기장 공진 구조를 이용하여 공간을 통해 전력을 무선으로 전송하는 것이다. 상기 무선 전력 전송은 대용량의 배터리가 요구되는 휴대용 통신기기, 전기 자동차 등에 적합하며 접점이 노출되지 않아 누전 등의 위험이 거의 없으며 유선 방식의 충전 불량 현상을 막을 수 있다.
한편, 최근 들어 전기 자동차에 대한 관심이 급증하면서 충전 인프라 구축에 대한 관심이 증대되고 있다. 이미 가정용 충전기를 이용한 전기 자동차 충전을 비롯하여 배터리 교체, 급속 충전 장치, 무선충전 장치 등 다양한 충전 방식이 등장하였고, 새로운 충전 사업 비즈니스 모델도 나타나기 시작했다(대한민국 공개특허 제2011-0042403호 참조). 또한, 유럽에서는 시험 운행중인 전기차와 충전소가 눈에 띄기 시작했고, 일본에서는 자동차 제조 업체와 전력 회사들이 주도하여 전기 자동차 및 충전소를 시범적으로 운영하고 있다.
전기 자동차 등에 사용되는 종래의 무선충전 장치는, 무선충전 효율 향상을 위해 코일부에 인접하여 자성부가 배치되고, 차폐를 위한 금속판이 자성부와 일정 간격 이격하여 배치된다.
무선충전 장치는 무선충전 동작 중에 코일부의 저항과 자성부의 자기 손실에 의해 열을 발생한다. 특히 무선충전 장치 내의 자성부는 전자기파 에너지 밀도가 높은 코일부와 가까운 부분에서 열을 발생하고, 발생한 열은 자성부의 자기 특성을 변화시켜 송신기와 수신기 간의 임피던스 불일치를 유발하여, 충전 효율이 저하되고 이로 인해 다시 발열이 심화되는 문제가 있었다. 그러나 이러한 무선충전 장치는 전기 자동차의 하부 등에 설치되기 때문에, 방진 및 방수와 충격 흡수를 위해 밀폐 구조를 채용하므로 방열 구조를 구현하는데 어려움이 있었다.
한국 공개특허공보 제2011-0042403호
무선충전 장치의 방열 구조를 구현하기 위해, 자성부에 냉각판을 부착하고 상기 냉각판 내에 냉매를 순환시켜 열을 방출하는 구조를 고려할 수 있으나, 이러한 구조는 냉매가 자성부에 접촉하지 않으므로 냉각 효율을 최대로 높이기는 어렵다. 또한 무선충전 장치 내에 찬 공기를 불어넣어 냉각시키는 구조를 고려할 수 있으나, 자성부의 표면에 찬 공기가 접촉하더라도 공기의 낮은 열전도성으로 인해 냉각 효율에 한계가 있다. 또한 열전도율이 높은 냉각수를 무선충전 장치 내에 단순히 순환시킬 경우, 전류가 흐르는 코일부와 같은 회로에 단락을 일으키기 쉬운 문제가 있다.
이에 본 발명자들이 연구한 결과, 코일부와 분리된 냉각부 내에 자성부를 넣고 상기 냉각부 내에 냉각수를 순환시킴으로써, 코일부의 단락이나 충전 효율 저하를 유발하지 않으면서 자성부에 발생하는 열을 효과적으로 방출할 수 있음을 알아내었다.
따라서 구현예의 과제는, 자성부에서 발생하는 열이 효과적으로 방출되는 무선충전 장치 및 이를 포함하는 이동 수단을 제공하는 것이다.
일 구현예에 따르면, 코일부; 상기 코일부 상에 배치되며 유입구 및 배출구를 포함하고, 냉각수가 순환되도록 밀폐된 내부 공간을 갖는 냉각부; 상기 냉각부의 내부 공간에 배치되는 자성부; 및 상기 자성부를 고정하는 고정부를 포함하고, 상기 냉각수는 상기 유입구를 통해 유입되어 상기 자성부와 열적 접촉한 뒤 상기 배출구를 통해 배출되는, 무선충전 장치가 제공된다.
다른 구현예에 따르면, 상기 무선충전 장치를 포함하는 이동 수단이 제공된다.
상기 구현예에 따르면 코일부와 분리된 냉각부 내에 자성부를 넣고 상기 냉각부 내에 냉각수를 순환시킴으로써, 코일부의 단락이나 충전 효율 저하를 유발하지 않으면서 자성부에 발생하는 열을 효과적으로 방출시킬 수 있다. 특히 상기 무선충전 장치는 자동차용 냉각수를 그대로 사용할 수 있어서 추가적인 냉각기를 필요로 하지 않을 수 있다. 아울러, 상기 냉각부 내에 배치되는 자성부의 구조와 그 외 쉴드부의 배치 등을 조절함으로써 충전 효율을 저해하지 않으면서 내충격성을 향상시키고 제조 비용도 줄일 수 있다.
따라서 상기 무선충전 장치는, 송신기와 수신기 간의 대용량의 전력 전송을 요구하는 전기 자동차와 같은 이동 수단 등에 유용하게 사용될 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 무선충전 장치의 분해사시도를 나타낸 것이다.
도 2 및 3a는 일 구현예에 따른 무선충전 장치의 사시도 및 단면도이다.
도 3b 및 3c는 다른 구현예에 따른 무선충전 장치의 단면도를 나타낸다.
도 4, 5a 및 6a는 일 구현예에 따른 냉각부의 사시도 및 단면도를 나타낸 것이다.
도 5b, 6b, 6c, 6d 및 6e는 또 다른 구현예에 따른 냉각부의 단면도를 나타낸 것이다.
도 7은 실시예 및 비교예의 무선충전 장치의 무선충전 시간에 따른 발열 온도 및 충전 효율을 나타낸 것이다.
도 8 및 9는 무선충전 장치가 적용된 전기 자동차를 도시한 것이다.
이하의 구현예의 설명에 있어서, 하나의 구성요소가 다른 구성요소의 상 또는 하에 형성되는 것으로 기재되는 것은, 하나의 구성요소가 다른 구성요소의 상 또는 하에 직접, 또는 또 다른 구성요소를 개재하여 간접적으로 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 구성요소의 상/하에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다. 도면에서의 각 구성요소들의 크기는 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 실제로 적용되는 크기와 다를 수 있다.
본 명세서에서 어떤 구성요소를 "포함"한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 그 외 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 본 명세서에 기재된 구성요소의 물성 값, 치수 등을 나타내는 모든 수치 범위는 특별한 기재가 없는 한 모든 경우에 "약"이라는 용어로 수식되는 것으로 이해하여야 한다.
본 명세서에서 단수 표현은 특별한 설명이 없으면 문맥상 해석되는 단수 또는 복수를 포함하는 의미로 해석되어야 한다.
[무선충전 장치]
도 1, 도 2 및 도 3a는 일 구현예에 따른 무선충전 장치의 분해 사시도, 사시도 및 단면도를 각각 나타낸 것이다.
일 구현예에 따른 무선충전 장치(10)는, 코일부(200); 상기 코일부(200) 상에 배치되며 유입구(521) 및 배출구(522)를 포함하고, 냉각수가 순환되도록 밀폐된 내부 공간을 갖는 냉각부(500); 상기 냉각부(500)의 내부 공간에 배치되는 자성부(300); 및 상기 자성부(300)를 고정하는 고정부(511a)를 포함하고, 상기 냉각수는 상기 유입구(521)를 통해 유입되어, 상기 자성부(300)와 열적 접촉한 뒤, 상기 배출구(522)를 통해 배출된다.
이하 상기 무선충전 장치의 각 구성요소별로 구체적으로 설명한다.
코일부
상기 코일부(200)는 전도성 와이어를 포함할 수 있다.
상기 전도성 와이어는 전도성 물질을 포함한다. 예를 들어, 상기 전도성 와이어는 전도성 금속을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 전도성 와이어는 구리, 니켈, 금, 은, 아연 및 주석으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속을 포함할 수 있다.
또한, 상기 전도성 와이어는 절연성 외피를 구비할 수 있다. 예를 들어, 상기 절연성 외피는 절연성 고분자 수지를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 절연성 외피는 폴리염화비닐(PVC) 수지, 폴리에틸렌(PE) 수지, 테프론 수지, 실리콘 수지, 폴리우레탄 수지 등을 포함할 수 있다.
상기 전도성 와이어의 직경은 예를 들어 1 mm 내지 10 mm 범위, 1 mm 내지 5 mm 범위, 또는 1 mm 내지 3 mm 범위일 수 있다.
상기 전도성 와이어는 평면 코일 형태로 감길 수 있다. 구체적으로 상기 평면 코일은 평면 나선 코일(planar spiral coil)을 포함할 수 있다. 또한 상기 코일의 평면 형태는 원형, 타원형, 다각형, 또는 모서리가 둥근 다각형의 형태일 수 있으나, 특별히 한정되지 않는다.
상기 평면 코일의 외경은 5 cm 내지 100 cm, 10 cm 내지 50 cm, 10 cm 내지 30 cm, 20 cm 내지 80 cm, 또는 50 cm 내지 100 cm일 수 있다. 구체적인 일례로서, 상기 평면 코일은 10 cm 내지 50 cm의 외경을 가질 수 있다.
또한, 상기 평면 코일의 내경은 0.5 cm 내지 30 cm, 1 cm 내지 20 cm, 또는, 2 cm 내지 15 cm일 수 있다.
상기 평면 코일의 감긴 횟수는 5회 내지 50회, 10회 내지 30회, 5회 내지 30회, 15회 내지 50회, 또는 20회 내지 50회일 수 있다. 구체적인 일례로서, 상기 평면 코일은 상기 전도성 와이어를 10회 내지 30회 감아 형성된 것일 수 있다.
또한 상기 평면 코일 형태 내에서 상기 전도성 와이어 간의 간격은 0.1 cm 내지 1 cm, 0.1 cm 내지 0.5 cm, 또는 0.5 cm 내지 1 cm일 수 있다.
상기 평면 코일 치수 및 규격 범위 내일 때, 전기 자동차와 같은 대용량 전력 전송을 요구하는 분야에 적합할 수 있다.
냉각부 및 고정부
상기 냉각부(500)는 상기 코일부(200) 상에 배치되며 유입구(521) 및 배출구(522)를 포함하고, 냉각수가 순환되도록 밀폐된 내부 공간을 갖는다.
도 4, 5a 및 6a에서 보듯이, 상기 냉각부(500)는 하면 케이스(511), 측면 케이스(512) 및 상면 케이스(513)을 포함할 수 있고, 측면 케이스(512)에 유입구(521) 및 배출구(522)를 구비할 수 있다. 이러한 케이스 구성 요소들은 단단히 조립되어 냉각수가 순환되도록 밀폐된 내부 공간을 구성할 수 있다.
상기 냉각부의 케이스의 소재는 특별히 한정되지 않으나 금속 소재를 포함하지 않는 것이 좋다. 예를 들어 상기 냉각부의 케이스의 소재로서 내구성이 우수한 플라스틱 등을 사용할 수 있다. 구체적으로, 상기 냉각부 케이스의 소재는 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 아크릴로니트릴-부타디엔-스타이렌(ABS), 폴리카보네이트(PC), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리아미드(PA), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리이미드(PI) 등을 포함할 수 있다.
또한 상기 유입구 및 배출구는 냉각수의 유입 및 배출에 적합한 소재 및 형태라면 특별히 한정되지 않고 적용될 수 있다. 예를 들어 상기 유입구 및 배출구의 소재는 상기 냉각부의 케이스 소재와 동일하거나 또는 다를 수 있다. 상기 유입구 및 배출구는 상기 냉각수의 흐름이 원활하도록 방향이 일치하는 것이 바람직하며, 서로 대향하여 위치하는 것이 바람직하다. 또한 상기 냉각수 측면 케이스에는 각각 1개 이상, 2개 이상, 바람직하게는 3개 이상의 유입구 및 배출구를 포함할 수 있으며, 유입구 및 배출구가 2개 이상일 때에는 유입구 및 배출구가 일정 간격을 이격한 채, 각각 대향하여 위치할 수 있다. 또한 유입구 및 배출구는 냉각수의 흐름이 원활하도록 내부 직경은 1 mm 내지 5 mm, 구체적으로 2 mm 내지 4 mm일 수 있다.
상기 냉각부 내에는 상기 자성부를 고정시키는 고정부가 더 배치된다.
상기 고정부의 소재는 특별히 한정되지 않으며, 상기 냉각부의 케이스의 소재와 동일하거나 또는 다를 수 있다. 또한 상기 고정부의 형상은 특별히 한정되지 않으나, 상기 자성부의 위치를 고정시키면서 상기 냉각수의 흐름을 방해하지 않도록 구성되는 것이 좋다.
예를 들어 상기 고정부는 상기 냉각부의 케이스와 일체형으로 구비될 수 있다. 도 1, 4, 5a, 6a를 참조하여 냉각부(500)의 하면 케이스(511)에 일체형 고정부(511a)가 구비될 수 있다. 상기 일체형 고정부는 하나 이상 구비될 수 있고, 이들 하나 이상의 일체형 고정부는 상기 자성부가 안착되는 홈을 형성할 수 있다. 이와 같이, 상기 고정부는 상기 냉각부의 내벽 중 일부가 돌출된 구조를 가지고 상기 냉각부와 일체형으로 형성되며, 둘 이상의 상기 고정부의 돌출된 구조가 조합되어 상기 냉각부가 안착되는 홈을 형성할 수 있다. 상기 일체형 고정부는 케이스의 성형 과정에서 고정부가 돌출된 형상으로 성형하여 제작될 수 있다.
상기 고정부는 상기 자성부를 고정시킬 뿐만 아니라, 상기 냉각부의 내벽에서 상기 자성부를 일정 간격 이격시킬 수도 있다. 구체적으로 상기 고정부는 스페이서를 포함하고, 상기 스페이서는 상기 냉각부의 내부 공간의 바닥면으로부터 상기 자성부를 이격시킬 수 있다. 또는 상기 스페이서는 상기 냉각부의 내부 공간의 상면으로부터 상기 자성부를 이격시킬 수 있다.
일례로서 상기 일체형 고정부는 스페이서로서의 역할도 수행하도록 구성될 수 있다. 도 6b에서 보듯이, 하면 케이스(511)에 형성된 일체형 고정부(511b)가 자성부(300)를 일정 높이 간격으로 하면 케이스(511)로부터 이격시킬 수 있다.
다른 예로서 상기 무선충전 장치가 상기 냉각부 내에 스페이서를 추가로 포함하고, 상기 스페이서가 상기 자성부를 고정시키는 고정부로서 사용될 수 있다. 도 6c를 참조하여, 하면 케이스(511)에 스페이서형 고정부(530)가 부착되고 그 위에 자성부(300)가 부착됨으로써, 자성부의 위치를 고정시킬 뿐만 아니라 케이스 내벽으로부터 자성부를 일정 간격 이격시킬 수 있다. 상기 부착을 위해 무선충전 장치에 사용되는 통상적인 접착제가 사용될 수 있다.
자성부의 배치
상기 자성부는 상기 냉각부의 내부 공간에 배치된다.
이에 따라 상기 냉각부의 내부로 유입된 냉각수가 상기 자성부와 열적 접촉할 수 있다. 구체적으로 상기 냉각수는 상기 자성부의 표면에 직접 접촉하거나 또는 열적 매개체를 통해 접촉할 수 있다. 상기 자성부와 냉각수의 열적 접촉을 위해서, 상기 냉각수가 상기 자성부에 직접 접촉하여 냉각시키는 것이 가장 효과적이나, 필요에 따라 열적 매개체를 통해 접촉할 수도 있다. 상기 열적 매개체의 소재와 형태는 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어 금속과 같은 열전도성 소재로 구성될 수 있고, 피복, 케이스, 파이프 등의 적절한 형태로 적용될 수 있다.
도 4에서 보듯이, 상기 자성부(300)는 상기 냉각부(500)의 케이스(510) 내에 배치될 수 있고, 구체적으로 하면 케이스(511) 상에 배치될 수 있다.
상기 자성부는 상기 냉각부의 내벽으로부터 일정 간격 이격되는 것이, 냉각수의 흐름을 위해 필요하다. 예를 들어 상기 자성부는 상기 냉각부의 적어도 하나의 내벽으로부터 0.5 mm 이상 이격되는 것이 냉각수의 흐름을 원활하게 하는데 유리하다. 구체적으로 상기 자성부는 상기 냉각부의 적어도 하나의 내벽으로부터 1 mm 이상 이격될 수 있다. 보다 구체적으로 상기 자성부는 상기 냉각부의 적어도 하나의 내벽으로부터 5 mm 내지 25 mm 이격될 수 있다.
도 5a를 참조하여, 상기 냉각부의 측면 케이스(512)로부터의 상기 자성부(300)까지의 폭 간격(d1)이 1 mm 이상, 구체적으로 10 mm 이상, 보다 구체적으로 15 mm 내지 25 mm일 수 있다. 이를 위해 상기 자성부(300)의 폭(w)은 상기 냉각부(500)의 내부 공간의 폭에 비해 작을 수 있다.
이와 같이 상기 냉각부의 내벽과의 폭 간격을 유지하도록 상기 자성부는 고정부에 의해 고정될 수 있다. 또한 상기 고정부에 의해 상기 자성부와 상기 냉각부의 내벽 간의 높이 간격도 유지될 수 있다.
도 6a를 참조하여, 상기 냉각부의 상면 케이스(513)로부터의 상기 자성부(300)까지의 높이 간격(h1)이 1 mm 이상, 구체적으로 2 mm 이상, 보다 구체적으로 3 mm 내지 5 mm일 수 있다. 이를 위해 상기 자성부(300)의 두께(t)는 상기 냉각부(500)의 내부 공간의 높이 대비 낮을 수 있다.
도 6b 및 6c를 참조하여, 상기 냉각부의 하면 케이스(511)로부터의 상기 자성부(300)까지의 높이 간격(h3)이 0.1 mm 이상, 구체적으로 0.2 mm 이상, 보다 구체적으로 0.4 mm 내지 2 mm일 수 있다.
상기 자성부는 1개 또는 2개 이상 구비될 수 있다.
예를 들어 상기 자성부는 제 1 자성부 및 제 2 자성부를 포함할 수 있으며, 이때 냉각수의 흐름을 방해하지 않도록 배치하는 것이 중요하다. 구체적으로, 상기 냉각수가 상기 냉각부에 제 1 방향으로 유입된 뒤 상기 제 1 방향으로 외부에 배출될 때, 상기 자성부는 상기 제 1 방향에 수직한 방향으로 1 mm 이상 서로 이격된 제 1 자성부 및 제 2 자성부를 포함할 수 있다. 구체적으로 도 5b 및 6d를 참조하여 냉각수의 흐름에 수직한 방향으로 제 1 자성부(310) 및 제 2 자성부(320)가 일정한 폭 간격(d2)으로 이격되어 배치될 수 있다. 상기 폭 간격(d2)은 1 mm 이상, 구체적으로 10 mm 이상, 보다 구체적으로 15 mm 내지 25 mm일 수 있다. 이를 위해 제 1 자성부와 제 2 자성부의 폭(W)의 합은 냉각부(500)의 폭보다 작으며, 제 1 자성부와 제 2 자성부의 길이(L)는 냉각부(500)의 길이보다 작을 수 있다.
또한 상기 자성부는 2층 이상으로 적층된 구조를 가지되 각 층 사이가 1 mm 이상 이격될 수 있다. 도 6e를 참조하여, 제 1 자성부(310) 및 제 2 자성부(320)를 일정 폭 간격으로 이격하여 배치하고, 그 위에 제 3 자성부(330) 및 제 4 자성부(340)를 배치할 수 있으며, 이때 스페이서형 고정부(530)가 사용될 수 있다. 상기 자성부 간의 높이 간격(h2)은 구체적으로 0.5 mm 이상, 보다 구체적으로 1 mm 내지 3 mm일 수 있다.
자성부의 소재 및 특성
상기 자성부의 소재는 특별히 한정되지 않으며 무선충전 장치에 사용되는 자성체일 수 있다.
일례로서, 상기 자성부는 페라이트계 자성체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 페라이트계 자성체의 구체적인 화학식은 MOFe2O3(여기서 M은 Mn, Zn, Cu, Ni 등의 1종 이상의 2가 금속 원소이다)로 표시될 수 있다. 상기 페라이트계 자성체는 소결된 것이 투자율과 같은 자성 특성 면에서 유리하다. 상기 소결된 페라이트계 자성체는 원료 성분들을 혼합하고 하소 후 분쇄하고, 이를 바인더 수지와 혼합하여 성형하고 소성하여 시트 또는 블록 형태로 제조될 수 있다. 구체적으로 상기 페라이트계 자성체는 Ni-Zn계, Mg-Zn계, 또는 Mn-Zn계 페라이트를 포함할 수 있고, 특히 Mn-Zn계 페라이트는 85 kHz의 주파수에서 실온 내지 100 ℃ 이상의 온도 범위에 걸쳐 높은 투자율, 낮은 투자손실, 및 높은 포화자속밀도를 나타낼 수 있다.
다른 예로서 상기 자성부는 자성 분말 및 바인더 수지를 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 자성부는 바인더 수지에 의해 자성 분말들이 서로 결합됨으로써, 넓은 면적에서 전체적으로 결함이 적으면서 충격에 의해 손상이 적을 수 있다. 상기 자성 분말은 산화물계 자성 분말, 금속계 자성 분말, 또는 이들의 혼합 분말일 수 있다. 예를 들어, 상기 산화물계 자성 분말은 페라이트계 분말, 구체적으로 Ni-Zn계, Mg-Zn계, Mn-Zn계 페라이트 분말일 수 있다. 또한 상기 금속계 자성 분말은 Fe-Si-Al 합금 자성 분말, 또는 Ni-Fe 합금 자성 분말일 수 있고, 보다 구체적으로 샌더스트(sendust) 분말, 또는 퍼말로이(permalloy) 분말일 수 있다. 또한 상기 자성 분말은 나노결정성(nanocrystalline) 자성 분말일 수 있고, 예를 들어 Fe계 나노결정성 자성 분말일 수 있으며, 구체적으로 Fe-Si-Al계 나노결정성 자성 분말, Fe-Si-Cr계 나노결정성 자성 분말, 또는 Fe-Si-B-Cu-Nb계 나노결정성 자성 분말일 수 있다. 상기 자성 분말의 평균 입경은 약 3 nm 내지 약 1 mm, 약 1 ㎛ 내지 300 ㎛, 약 1 ㎛ 내지 50 ㎛ 또는 약 1 ㎛ 내지 10 ㎛의 범위일 수 있다. 상기 자성부는 상기 자성 분말을 10 중량% 이상, 50 중량% 이상, 70 중량% 이상, 또는 85 중량% 이상의 양으로 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 자성부는 상기 자성 분말을 10 중량% 내지 99 중량%, 10 중량% 내지 95 중량%, 또는 50 중량% 내지 95 중량%의 양으로 포함할 수 있다. 상기 바인더 수지로서 폴리이미드 수지, 폴리아미드 수지, 폴리카보네이트 수지, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌(ABS) 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리에틸렌 수지, 폴리스티렌 수지, 폴리페닐설파이드(PSS) 수지, 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 수지, 실리콘 수지, 아크릴 수지, 폴리우레탄 수지, 폴리에스테르 수지, 이소시아네이트 수지, 에폭시 수지 등이 예시될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또 다른 예로서 상기 자성부는 나노결정성(nanocrystalline) 자성체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 자성부는 Fe계 나노결정성 자성체일 수 있고, 구체적으로 Fe-Si-Al계 나노결정성 자성체, Fe-Si-Cr계 나노결정성 자성체, 또는 Fe-Si-B-Cu-Nb계 나노결정성 자성체일 수 있다. 상기 나노결정성 자성체는, 예를 들어 Fe계 합금을 멜트 스피닝에 의한 급냉응고법(RSP)으로 제조하며, 원하는 투자율을 얻을 수 있도록 300℃ 내지 700℃의 온도 범위에서 30분 내지 2시간 동안 무자장 열처리를 행하여 제조될 수 있다.
상기 자성부는 시트 형태 또는 블록 형태를 가질 수 있다. 상기 자성부의 두께는 0.5 mm 내지 5 mm일 수 있고, 구체적으로, 0.5 mm 내지 3 mm, 0.5 mm 내지 2 mm, 또는 1 mm 내지 2 mm일 수 있다. 상기 자성부의 면적은 200 cm2 이상, 400 cm2 이상, 또는 600 cm2 이상일 수 있고, 또한 10,000 cm2 이하일 수 있다. 또한 상기 자성부는 다수의 자성 단위체가 조합되어 구성될 수 있으며, 이때, 상기 자성 단위체의 면적은 60 cm2 이상, 90 cm2 이상, 또는 95 cm2 내지 900 cm2일 수 있다.
상기 자성부는 전기 자동차의 무선충전 표준 주파수 근방에서 일정 수준의 자성 특성을 가질 수 있다. 상기 전기 자동차의 무선충전 표준 주파수는 100 kHz 미만일 수 있고, 예를 들어 79 kHz 내지 90 kHz, 구체적으로 81 kHz 내지 90 kHz, 보다 구체적으로 약 85 kHz일 수 있으며, 이는 휴대폰과 같은 모바일 전자기기에 적용하는 주파수와 구별되는 대역이다. 상기 자성부의 85 kHz에서 투자율은 소재에 따라 달라질 수 있으나 5 이상, 예를 들어 5 내지 150,000일 수 있으며, 구체적인 소재에 따라 5 내지 300, 500 내지 3,500, 또는 10,000 내지 150,000일 수 있다. 또한 상기 자성부의 85 kHz에서 투자손실은 소재에 따라 달라질 수 있으나 0 이상, 예를 들어 0 내지 50,000일 수 있으며, 구체적인 소재에 따라 0 내지 1,000, 1 내지 100, 100 내지 1,000, 또는 5,000 내지 50,000일 수 있다.
쉴드부
상기 무선충전 장치는 쉴드부를 더 포함할 수 있다. 상기 쉴드부는 전자파 차폐를 통해 외부로 전자파가 누설되어 발생될 수 있는 전자기 간섭(EMI, electromagnetic interference)을 억제한다. 상기 쉴드부의 소재는 예를 들어 금속일 수 있고, 이에 따라 상기 쉴드부는 금속판일 수 있으나 특별히 한정되지 않는다. 구체적인 일례로서 상기 쉴드부의 소재는 알루미늄일 수 있으며, 그 외 전자파 차폐능을 갖는 금속 또는 합금 소재가 사용될 수 있다.
상기 쉴드부는 상기 냉각부 상에 또는 상기 냉각부 내부에 배치될 수 있다.
일례로서, 상기 무선충전 장치는 상기 냉각부 상에 배치되는 쉴드부를 더 포함할 수 있다. 구체적으로 도 3a에서 보듯이, 냉각부의 케이스(510)의 외측에 쉴드부(400)가 배치될 수 있다.
다른 예로서, 상기 무선충전 장치는 상기 냉각부 내에서 상기 자성부 상에 배치되는 쉴드부를 더 포함하고, 상기 냉각부 내로 유입된 냉각수가 상기 쉴드부와 열적 접촉할 수 있다. 구체적으로, 상기 냉각수는 상기 쉴드부의 표면에 직접 접촉하거나 또는 열적 매개체를 통해 접촉할 수 있다. 상기 열적 매개체의 소재와 형태는 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어 금속과 같은 열전도성 소재로 구성될 수 있고, 피복, 케이스, 파이프 등의 적절한 형태로 적용될 수 있다. 도 3b에서 보듯이, 냉각부의 케이스(510)의 내측에 쉴드부(400)가 구비될 수 있고, 이때 쉴드부(400)와 자성부(300) 간에는 일정 간격 이격되어 냉각수의 흐름(700)을 원할하게 할 수 있다. 예를 들어, 상기 쉴드부과 상기 자성부의 이격 거리는 3 mm 이상, 5 mm 이상, 3 mm 내지 10 mm, 또는 4 mm 내지 7 mm일 수 있다.
또 다른 예로서, 상기 무선충전 장치는 상기 냉각부 상에 배치된 쉴드부를 더 포함하고, 상기 쉴드부에서 발생하는 열이 상기 냉각수에 의해 외부로 방출할 수 있다. 구체적으로 도 3c에서 보듯이, 냉각부의 상면 케이스 대신 쉴드부(400)가 구비될 수 있고, 이 경우에 쉴드부(400)에서 발생하는 열이 보다 효과적으로 외부로 방출될 수 있다.
상기 쉴드부는 상기 코일부와 일정 간격 이격되어 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 쉴드부와 상기 코일부의 이격 거리는 10 mm 이상 또는 15 mm 이상일 수 있고, 구체적으로 10 mm 내지 30 mm, 또는 10 mm 내지 20 mm일 수 있다. 또한 쉴드부는 상기 자성부, 예를 들어 자성부와 일정 간격 이격되어 배치될 수 있다. .
상기 쉴드부의 두께는 0.2 mm 내지 10 mm, 0.5 mm 내지 5 mm, 또는 1 mm 내지 3 mm일 수 있다. 또한 상기 쉴드부의 면적은 200 cm2 이상, 400 cm2 이상, 또는 600 cm2 이상일 수 있다.
지지부
상기 무선충전 장치(10)는 상기 코일부(200)를 지지하는 지지부(100)을 더 포함할 수 있다. 상기 지지부의 재질 및 구조는 무선충전 장치에 사용되는 통상적인 지지부의 재질 및 구조를 채용할 수 있다. 상기 지지부는 평판 구조 또는 코일부를 고정시킬 수 있도록 코일부 형태를 따라 홈이 파여진 구조를 가질 수 있다.
하우징
상기 무선충전 장치는 전술한 구성 요소들을 보호하는 하우징을 더 포함할 수 있다. 상기 하우징은 코일부, 냉각부, 자성부, 쉴드부 등의 무선충전 장치의 구성 요소를 보호한다. 상기 하우징의 재질 및 구조는 무선충전 장치에 사용되는 통상적인 하우징의 재질 및 구조를 채용할 수 있다.
예를 들어, 도 1, 2 및 3a에서 보듯이, 상기 하우징은 하면 하우징(610), 측면 하우징(620) 및 상면 하우징(630)이 결합된 구성을 가질 수 있으나, 이에 특별히 한정되지 않는다.
발열 성능
이와 같이 상기 구현예에 따르면 코일부와 분리된 냉각부 내에 자성부를 넣고 상기 냉각부 내에 냉각수를 순환시킴으로써, 코일부의 단락이나 충전 효율 저하를 유발하지 않으면서 자성부에 발생하는 열을 효과적으로 방출시킬 수 있다.
예를 들어, 상기 무선충전 장치는 아래 식으로 계산되는 발열 온도 감소율이 40% 이상일 수 있다.
발열 온도 감소율(%) = (H1 - H2) / H1 × 100
상기 식에서 H1은 85 kHz의 주파수에서 상기 냉각수를 순환시키지 않으며 60분간 무선충전 시의 상기 자성부의 온도(℃)이고, H2는 85 kHz의 주파수에서 상기 냉각수를 순환시키면서 60분간 무선충전 시의 상기 자성부의 온도(℃)이다.
구체적으로, 상기 무선충전 장치는 상기 발열 온도 감소율이 45% 이상, 또는 50% 이상일 수 있고, 보다 구체적으로 40% 내지 70%, 45% 내지 60%일 수 있다. 또한 상기 무선충전 장치는 85 kHz의 주파수에서 상기 냉각수를 순환시키면서 60분간 무선충전 시에 상기 자성부의 온도(℃)가 최대 100℃를 넘지 않을 수 있다.
특히 상기 무선충전 장치는 자동차용 냉각수를 그대로 사용할 수 있어서 추가적인 냉각기를 필요로 하지 않을 수 있다. 아울러, 상기 냉각부 내에 배치되는 자성부의 구조와 그 외 쉴드부의 배치 등을 조절함으로써 충전 효율을 저해하지 않으면서 내충격성을 향상시키고 제조 비용도 줄일 수 있다.
따라서 상기 무선충전 장치는, 송신기와 수신기 간의 대용량의 전력 전송을 요구하는 전기 자동차와 같은 이동 수단 등에 유용하게 사용될 수 있다.
[이동 수단]
상기 무선충전 장치는, 송신기와 수신기 간의 대용량의 전력 전송을 요구하는 전기 자동차와 같은 이동 수단 등에 유용하게 사용될 수 있다.
도 8은 무선충전 장치가 적용된 이동 수단, 구체적으로 전기 자동차를 나타낸 것으로서, 하부에 무선충전 장치를 구비하여 전기 자동차용 무선 충전 시스템이 구비된 주차 구역에서 무선으로 충전될 수 있다.
도 9를 참조하여, 일 구현예에 따른 이동 수단(1)은 상기 구현예에 따른 무선충전 장치를 수신기(21)로 포함한다. 상기 무선충전 장치는 이동 수단(1)의 무선충전의 수신기(21)로 역할하고 무선충전의 송신기(22)로부터 전력을 공급받을 수 있다.
이와 같이 상기 이동 수단은 무선충전 장치를 포함하고, 상기 무선충전 장치가 코일부; 상기 코일부 상에 배치되며 유입구 및 배출구를 포함하고, 냉각수가 순환되도록 밀폐된 내부 공간을 갖는 냉각부; 상기 냉각부의 내부 공간에 배치되는 자성부; 및 상기 자성부를 고정하는 고정부를 포함하고, 상기 냉각수는 상기 유입구를 통해 유입되어 상기 자성부와 열적 접촉한 뒤 상기 배출구를 통해 배출된다.
상기 이동 수단에 포함되는 무선충전 장치의 각 구성요소들의 구성 및 특징은 앞서 설명한 바와 같다.
상기 무선충전 장치는 상기 냉각부의 외부에 배치되어 냉각수를 주기적으로 냉각시키는 냉각기; 및 상기 냉각기와 상기 냉각부의 유입구 및 배출구를 연결하여 냉각수가 순환될 수 있도록 하는 연결유로를 더 포함할 수 있다. 그 외에도 상기 무선충전 장치는 상기 냉각수의 온도를 감지하는 온도센서; 및 상기 온도센서에서 감지된 냉각수의 온도에 따라 상기 냉각기를 가동 여부를 제어하는 제어기를 더 포함할 수 있다.
또는 상기 무선충전 장치에 유입되는 냉각수로서 자동차용 냉각수를 사용할 수도 있다. 이 경우 무선충전 장치의 냉각기로서 상기 전기 자동차에 기본적으로 구비되는 냉각수의 냉각기를 이용할 수 있다. 구체적으로, 도 8에서 보듯이, 전기 자동차(1)의 내부에 구비된 냉각수의 냉각기(15)와 무선충전 장치(10)의 유입구 및 배출구가 연결유로(16)를 통해 연결될 수 있다. 이에 따라, 별도의 냉각기를 제작하지 않더라도, 효과적인 방열이 가능할 수 있다.
상기 전기 자동차는 상기 무선충전 장치로부터 전력을 전달받는 배터리를 더 포함할 수 있다. 상기 무선충전 장치는 무선으로 전력을 전송받아 상기 배터리에 전달하고, 상기 배터리는 상기 전기 자동차의 구동계에 전력을 공급할 수 있다. 상기 배터리는 상기 무선충전 장치 또는 그 외 추가적인 유선충전 장치로부터 전달되는 전력에 의해 충전될 수 있다.
상기 이동 수단은 상기 무선충전 장치로부터 전력을 전달받는 배터리를 더 포함할 수 있다. 상기 무선충전 장치는 무선으로 전력을 전송받아 상기 배터리에 전달하고, 상기 배터리는 상기 전기 자동차의 구동계에 전력을 공급할 수 있다. 상기 배터리는 상기 무선충전 장치 또는 그 외 추가적인 유선충전 장치로부터 전달되는 전력에 의해 충전될 수 있다.
또한 상기 이동 수단은 충전에 대한 정보를 무선 충전 시스템의 송신기에 전달하는 신호 전송기를 더 포함할 수 있다. 이러한 충전에 대한 정보는 충전 속도와 같은 충전 효율, 충전 상태 등일 수 있다.
이하 실시예를 통해 보다 구체적으로 기술하지만, 구현 가능한 범위가 이들로 한정되는 것은 아니다.
실시예
도 1, 2 및 3a는 일 구현예에 따른 무선충전 장치의 분해사시도, 사시도 및 단면도를 각각 나타낸 것이다. 상기 도면과 같이 무선충전 장치를 구성하되, 냉각부(500) 및 그 내부에 배치되는 자성부(300)의 구성을 도 5b 및 6d와 같이 제 1 자성부(310) 및 제 2 자성부(320)가 스페이서형 고정부(530)에 올려진 구조로 제작하였다. 이때 냉각부의 하면 케이스(511)로부터 자성부까지의 높이(h3)는 0.4 mm로 하였고, 냉각부의 측면 케이스(512)와 자성부 간의 거리(d1)는 15 mm로 하였고, 제 1 자성부(310)와 제 2 자성부(320) 간의 거리(d2)는 15 mm로 하였다. 또한 제 1 자성부(310) 및 제 2 자성부(320)의 길이(L)는 300 mm, 폭(W)은 150 mm, 두께(t)는 8 mm로 제작하였다. 그 외 코일(200)의 규격, 쉴드부(400)의 크기 및 각 구성품 간의 거리 등은 SAE J2954 WPT2 Z2 class Standard TEST의 충전 효율 측정 조건대로 제작하였다.
비교예
비교예로서 상기 실시예의 무선충전 장치와 동일하게 제작하되, 냉각부 없이 자성부만 구비하도록 제작하였다.
충전 효율 측정
동일한 무선충전 장치를 2개 제작하여 송신기와 수신기로 각각 이용하고, SAE J2954 WPT2 Z2 class Standard TEST 충전 효율 측정 조건에서 송신기의 코일부에 전류를 흘려 85 kHz의 주파수 및 6.6 kW의 출력의 무선전력의 충전을 60분 동안 수행하였다. 이때 실시예의 무선충전 장치(10)의 냉각부(500)의 유입구(521)와 배출구(522)에는 자동차용 냉각수 순환 튜브를 연결하여 최초 25℃의 냉각수를 냉각부 내부로 순환시켰다. 반대로 비교예의 무선충전 장치에서는 냉각수를 순환시키는 과정 없이 충전 효율을 측정하였다.
발열 온도 측정
상기 충전 효율 측정 시에 실시예 및 비교예의 무선충전 장치의 자성부의 표면 중심부의 온도를 측정하였다.
그 결과를 하기 표 1, 2, 및 도 7에 나타내었다.
시간(분) 실시예
발열 온도(℃) 충전 효율(%)
0 18.9 90.2
9 66.2 89.5
15 77.6 89.1
18 86.4 88.8
22 92.1 88.8
24 92.8 88.7
26 93.6 88.5
29 94.5 88.4
33 95.4 88.4
38 96.4 88.3
40 96.9 88.3
46 97.7 88.3
50 98 88.3
55 98.4 88.3
60 98.8 88.3
시간(분) 비교예
발열 온도(℃) 충전 효율(%)
0 20 88.8
9 70 88.3
29 135 87.6
60 190 86.4
상기 표 1, 2, 및 도 7에서 보듯이, 무선충전 시간이 경과함에 따라 비교예의 무선충전 장치의 온도가 지속적으로 상승하여 190℃에 도달하였던 반면, 실시예의 무선충전 장치의 온도는 100℃ 부근에서 더 이상 상승하지 않았다. 또한 실시예의 무선충전 장치의 충전 효율은 비교예에 대비하여 동등 이상으로 평가되었다.
1: 이동 수단, 10: 무선충전 장치,
15: 냉각기, 16: 연결유로,
21: 수신기, 22: 송신기,
100: 지지부, 200: 코일부,
300: 자성부,
310: 제 1 자성부, 320: 제 2 자성부,
330: 제 3 자성부, 340: 제 4 자성부,
400: 쉴드부, 500: 냉각부,
510: 케이스, 511: 하면 케이스,
511a, 511b: 일체형 고정부, 512: 측면 케이스,
513: 상면 케이스, 521: 유입구,
522: 배출구, 530: 스페이서형 고정부,
600: 하우징, 610: 하면 하우징,
620: 측면 하우징, 630: 상면 하우징,
700: 냉각수의 흐름,
h1: 상면 케이스로부터의 자성부까지의 높이 간격,
h2: 자성부 간의 높이 간격,
h3: 하면 케이스로부터의 자성부까지의 높이 간격,
d1: 측면 케이스로부터 자성부까지의 폭 간격,
d2: 자성부 간의 폭 간격,
W: 자성부의 폭, L: 자성부의 길이,
t: 자성부의 두께.

Claims (10)

  1. 코일부;
    상기 코일부 상에 배치되며 유입구 및 배출구를 포함하고, 냉각수가 순환되도록 밀폐된 내부 공간을 갖는 냉각부;
    상기 냉각부의 내부 공간에 배치되는 자성부; 및
    상기 자성부를 고정하는 고정부를 포함하고,
    상기 냉각수는 상기 유입구를 통해 유입되어 상기 자성부와 열적 접촉한 뒤 상기 배출구를 통해 배출되는, 무선충전 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 고정부는 스페이서를 포함하고,
    상기 스페이서는 상기 냉각부의 내부 공간의 바닥면으로부터 상기 자성부를 이격시키는, 무선충전 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 고정부는 상기 냉각부의 내벽 중 일부가 돌출된 구조를 가지고 상기 냉각부와 일체형으로 형성되며,
    둘 이상의 상기 고정부의 돌출된 구조가 조합되어 상기 냉각부가 안착되는 홈을 형성하는, 무선충전 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 무선충전 장치는 아래 식으로 계산되는 발열 온도 감소율이 40% 이상인, 무선충전 장치:
    발열 온도 감소율(%) = (H1 - H2) / H1 × 100
    상기 식에서
    H1은 85 kHz의 주파수에서 상기 냉각수를 순환시키지 않으며 60분간 무선충전 시의 상기 자성부의 온도(℃)이고,
    H2는 85 kHz의 주파수에서 상기 냉각수를 순환시키면서 60분간 무선충전 시의 상기 자성부의 온도(℃)이다.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각수는 상기 냉각부에 제 1 방향으로 유입된 뒤 상기 제 1 방향으로 외부에 배출되고,
    상기 자성부는 상기 제 1 방향에 수직한 방향으로 1 mm 이상 서로 이격된 제 1 자성부 및 제 2 자성부를 포함하는, 무선충전 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 자성부는 2층 이상으로 적층된 구조를 가지되 각 층 사이가 1 mm 이상 이격된, 무선충전 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 자성부는 상기 냉각부의 적어도 하나의 내벽으로부터 1 mm 이상 이격되는, 무선충전 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 무선충전 장치는
    상기 냉각부 내에서 상기 자성부 상에 배치되는 쉴드부를 더 포함하고,
    상기 냉각부 내로 유입된 냉각수가 상기 쉴드부와 열적 접촉하는, 무선충전 장치.
  9. 무선충전 장치를 포함하고,
    상기 무선충전 장치가
    코일부;
    상기 코일부 상에 배치되며 유입구 및 배출구를 포함하고, 냉각수가 순환되도록 밀폐된 내부 공간을 갖는 냉각부;
    상기 냉각부의 내부 공간에 배치되는 자성부; 및
    상기 자성부를 고정하는 고정부를 포함하고,
    상기 냉각수는 상기 유입구를 통해 유입되어 상기 자성부와 열적 접촉한 뒤 상기 배출구를 통해 배출되는, 이동 수단.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 이동 수단이 전기 자동차이고,
    상기 냉각수가 자동차용 냉각수인, 이동 수단.
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