KR20130071764A - 자기유도 방식의 무선 충전 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자기유도 방식의 무선 충전 장치, 특히 전기자동차에 자기유도를 통한 전력 전송시 급전 패드와 집전 패드 사이에서 발생하는 자기장의 누출을 효율적으로 차단할 수 있는 것으로, 본 발명은 일정한 장소의 바닥면에 설치된 상태로 외부에 전력을 전송하는 급전 패드(10); 전기자동차의 하면에 탑재된 상태로 급전 패드로부터 자기유도를 통해 전력을 전송받는 집전 패드(20); 집전 패드를 하부에 적층한 평판 형태로 전기자동차의 하면에 장착되되 집전 패드가 전기자동차의 하면에 돌출되지 않도록 상방으로 일정 깊이 함몰되며, 테두리부가 하방으로 일정 각도 절곡되어 급전 패드와 집전 패드 사이에서 자기유도로 발생된 자기장의 외부 노출을 차단하는 상부 차폐판(30);을 포함하여 구성된다.

Description

자기유도 방식의 무선 충전 장치 {Wireless charging apparatus of magnetic induction type}

본 발명은 전기자동차에 자기유도를 통한 전력 전달시 급전 패드와 집전 패드 사이에서 외부로 누출되는 자기장의 영향을 차단하는 무선 충전 장치에 관한 것으로, 상세하게는 별도의 자기장의 차폐 수단을 추가적으로 구비함 없이 전기자동차에 집전 패드를 고정시키는 고정판을 활용하여 급전 패드와 집전 패드 사이에서 외부로 누출되는 자기장을 차폐하는 기술에 관한 것이다.

전기자동차는 가솔린 자동차가 발명되기 전부터 실용화되었으나, 가솔린 자동차가 발달됨에 따라 자동차로서의 가속성능, 등판성능, 주행성능, 최고속도 등의 성능면에서 떨어지기 때문에 점차 자취를 감추었다. 그러나, 최근 자동차 배출가스 등의 공해문제와 에너지문제로 인하여 장래의 새로운 교통수단으로 적용하는데 목표를 두고 세계 각국에서 적극적으로 연구개발되고 있다.

그런데, 전기자동차를 운행시키는 전기모터는 전기에너지를 과도하게 소모하므로 1회 충전으로 운행할 수 있는 거리는 일반 자동차에 비해 상당히 짧은 반면 배터리를 충전하는 시간은 일반 연료를 급유하는 시간에 비하여 매우 길어 배터리를 자주 충전하여야 하는데, 배터리를 충전하기 위하여 전기에너지를 공급하는 케이블의 커넥터를 전기자동차의 커넥터에 접속시키는 과정이 매우 번거롭다는 문제점이 있다.

이를 해결하기 위하여 자기유도를 통해 전기자동차에 탑재된 배터리를 충전하는 기술들이 소개되었다.

그러나 자기유도에 의한 충전 방식은 충전 시스템의 용이성은 확보되었지만, 지상에 설치되는 급전 패드와 전기자동차에 탑재되는 집전 패드의 사이에서 자기 유도로 발생하는 자기장의 누출로 인해 대개 철(Fe)로 구성된 전기자동차 차체를 가열하는 문제나 전기자동차의 부근에 위치한 작업자의 인체에 유해한 영향을 미치는 문제가 있다.

또한 이와 같이 외부로 누출되는 자기장은 최근 전기자동차에 탑재되는 다양한 형태의 전자 장치에 간섭 현상을 발생시켜 전자장치의 오작동을 유발하는 원인이 되기도 한다.

본 발명은 상기 문제점을 감안하여 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 자기유도를 통하여 전기자동차에 전력을 전송할 때 급전 패드와 집전 패드 사이에서 발생하는 자기장의 누출을 효율적으로 차단할 수 있는 자기유도 방식의 무선 충전 장치를 제공함에 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 자기유도 방식의 무선 충전 장치는, 일정한 장소의 바닥면에 설치되어 전력을 전달하는 급전 패드; 전기자동차의 하면에 탑재되어 급전 패드로부터 자기유도를 통해 전력을 전달받는 집전 패드; 집전 패드를 하부에 적층한 평판 형태로 전기자동차의 하면에 장착되되 집전 패드가 전기자동차의 하면에 돌출되지 않도록 상방으로 일정 깊이 함몰되며, 테두리부가 하방으로 일정 각도 절곡되어 급전 패드와 집전 패드 사이에서 자기유도로 발생된 자기장의 외부 누출을 차단하는 상부 차폐판;을 포함하여 구성된다.

본 발명의 상부 차폐판은 그 폭이 급전 패드 및 집전 패드보다 상대적으로 더 넓게 형성되고, 그 테두리부는 하방을 향해 곡면 형태로 라운딩되게 구성됨이 바람직하다.

또한 본 발명은 급전 패드의 하부에 평판 형태로 적층되어 이 급전 패드를 바닥면에 고정시키고, 상부 차폐판과 연동하여 급전 패드와 집전 패드 사이에서 자기유도로 발생된 자기장의 외부 누출을 차단하는 하부 차폐판이 더 구비됨이 바람직하다.

본 발명의 상부 차폐판과 하부 차폐판은 알루미늄 재질과 같은 비철금속 재질로 구성됨이 바람직하다.

본 발명에 따른 자기유도 방식의 무선 충전 장치는,

첫째, 전기자동차에 자기유도를 통한 전력 전송시 급전 패드와 집전 패드 사이에서 발생하는 자속에 의한 자기장의 누출을 효율적으로 차단할 수 있는 장점이 있다.

둘째, 별도의 자기장 차폐 수단을 추가적으로 구비함 없이 전기자동차에 집전 패드를 고정시키는 고정판을 활용하여 자기장을 차폐시킴으로써 자기장 차폐 효과와 함께 설비 절감 효과도 기대할 수 있다.

[도 1]은 본 발명에 따른 자기유도 방식의 무선 충전 장치의 전체 구성도,
[도 2]는 일반적인 무선 충전 장치의 자기유도에 의한 자속 흐름도,
[도 3]은 본 발명의 실시예에 따른 자속 흐름도,
[도 4]는 급전, 집전 패드의 크기가 상이한 경우 본 발명의 상부 차폐판과 급전,집전 패드를 발췌하여 도시한 평면 예시도,
[도 5]는 급전, 집전 패드의 크기가 상이한 경우 본 발명의 급전 패드와 집전 패드의 편차에 따른 예시도,
[도 6]은 급전, 집전 패드의 크기가 동일한 경우 본 발명의 상부 차폐판과 급전, 집전 패드를 발췌하여 도시한 평면 예시도,
[도 7]은 급전, 집전 패드의 크기가 동일한 경우 본 발명의 급전 패드와 집전 패드의 편차에 따른 예시도,
[도 8]은 본 발명에 따른 급전 패드의 다양한 실시예를 도시한 예시도이다.

먼저, 자기유도에 대해 간략하게 설명하면 다음과 같다.

전력을 전달하는 급전 패드와 전력을 전달받는 집전 패드는 상호 일정 거리 갭(gap)을 유지하게 배치된다.

그리고 급전 패드는 자성을 띠는 급전 코어와, 이 급전 코어에 도전성 급전 코일이 권선되며, 집전 패드도 자성을 띠는 집전 코어와, 이 집전 코어에 도전성 집전 코일이 권선되는 구조로 이루어진다.

이와 같은 급전 패드와 집전 패드가 상호 이격된 상태에서 급전 패드에 권선된 급전 코일에 외부로부터 고주파 교류 전류를 흐르게 하면 자기유도에 의한 자속(flux)이 발생되고, 이 자속은 일정 거리 이격된 집전 코일을 관통하여 쇄교함으로써 집전 코일에 기전력이 유기된다.

집전 코일에 쇄교된 자속으로 인해 집전 패드에 무선으로 전력이 전달되고, 집전 패드에 전달된 전력은 정류부를 거쳐 전기자동차에 탑재된 배터리에 충전된다.

한편 급전 코어에 권선된 급전 코일에 의해서 발생된 자속(flux)은 집전 코어를 거치지 않고(집전 코일에 유도전류가 생성되지 않음), 급전 코어 자체적으로 돌아가는 누설 자속(leakage flux)이 있고, 급전 코일에 의해서 발생된 자속(flux)이 집전 코어를 거친 후(집전 코일에 유도전류가 생성됨), 다시 급전 코어로 돌아오는 쇄교 자속(linkage flux)이 있다.

이때, 누설자속은 전력 전달에 전혀 기여하지 못하는 반면, 쇄교자속은 집전 코어에 감긴 집전 코일에 유도전류를 생성하여 전기자동차의 배터리에 전력을 전달한다.

한편, 급전 패드와 집전 패드는 일정 거리 이격된 공극을 형성하므로 이 공극에서 자기유도가 이루어지는 경우, 급전 패드와 집전 패드 사이에서 발생하는 자기장의 일부는 외부로 누출될 수 있는 구조이다.

이렇게 급전 패드와 집전 패드 사이에서 발생한 자기장이 외부로 누출되면 인체 또는 전기자동차 내부의 전자 장치에 유해한 영향을 미친다.

위와 같은 점을 감안하여 본 발명은 전기자동차에 자기유도를 통한 전력 전송시 급전 패드와 집전 패드의 공극으로부터 발생한 자기장의 외부 누출을 효과적으로 차폐하는 자기장 차폐판을 구현하였다. 이러한 자기장 차폐판은 자기장이 철(Fe) 재질로 이루어진 전기자동차 차체를 가열하는 것을 방지하고 자기장으로 인한 전기자동차 내부의 전자 장치에 대한 오작동을 방지하게 된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 한정하지 않는 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

[도 1]은 본 발명에 따른 자기유도 방식의 무선 충전 장치의 전체 구성도이고, [도 2]는 일반적인 무선 충전 장치의 자기유도에 의한 자속 흐름도이고, [도 3]은 본 발명의 실시예에 따른 자속 흐름도를 나타낸다.

[도 2],[도 3]을 참조하면, 급전 패드(10)에 감긴 급전 코일(11)은 폐쇄형으로 이루어지며, 이 급전 코일(11)에 외부로부터 고주파 교류 전원이 인가되면, 급전 코일(11)에 자속(flux)이 발생되고, 급전 코일에 흐르는 고주파 교류 전류에 의해 발생한 자속중에서 집전 패드(20)와 쇄교하는 자속에 의해 집전 코일(21)에 유도 전류가 발생한다.

[도 2]에서 보는 바와 같이, 일반적인 무선 충전 장치에서 상부 차폐판(30)의 폭이 급전 패드(10)의 폭과 같거나 작은 경우 자속(F1)은 반경이 커질수록 외부로 흩어지는 형태를 이루게 되는데, 이 같은 경우는 외부로 자속이 쉽게 누출됨과 동시에 자기유도를 통한 전력 전달율도 상대적으로 떨어지게 된다.

또한 이렇게 누출된 자속에 의해 위에서 설명한 바와 같이, 철(Fe) 재질로 이루어진 전기자동차 차체를 가열하거나 전기자동차 내부의 전자 장치에 오작동을 유발하게 되기도 한다.

[도 1] 내지 [도 3]에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 자기유도 방식의 무선 충전 장치는 자기유도를 통해 전기자동차에 전력을 전달하는 것으로 급전 패드(10), 집전 패드(20), 상부 차폐판(30)을 포함하여 구성된다.

급전 패드(10)는 주차장 등 전기자동차(V)가 정차 또는 주차가 가능한 장소의 바닥면(E)에 설치된다. 또한 급전 패드(10)는 전기자동차(V)의 정차 한계를 표시하는 스토퍼(S)로부터 일정거리 이격되게 지상에 설치되며, 전기자동차의 하부에 대향하게 배치되어야 하므로 평판 형태로 형성됨이 바람직하다. 급전 코일에 권선된 급전 코일에 흐르는 고주파 교류 전류에 의해 자기 유도로 외부에 전력을 전달하는 급전 코일(10)은 폐쇄형으로 권선된다.

일반적인 전기자동차가 주차장에 주차되는 경우 전기자동차의 앞바퀴 및 뒷바퀴가 맞물리도록 하는 스토퍼 같은 구조로 배치됨이 바람직하다.

집전 패드(20)는 배터리가 내장된 전기자동차(V)의 하면에 장착되며, 상세하게 아래에서 설명하는 상부 차폐판(30)의 상방으로 함몰된 부분의 저면에 적층되어 전기자동차의 하면으로 돌출되지 않도록 하여 전기자동차의 최저 지상고를 만족하게 함이 바람직하다.

상부 차폐판(30)은 집전 패드를 하부에 적층한 평판 형태로 전기자동차의 하면에 장착되되 집전 패드가 전기자동차의 하면에 돌출되지 않도록 상방으로 일정 깊이 함몰되며, 테두리부가 하방으로 일정 각도 절곡되어 급전 패드와 집전 패드 사이에서 자기유도로 발생된 자기장의 외부 노출을 차단한다.

상세하게 상부 차폐판(30)은 [도 3]에 보는 바와 같이, 그 폭이 급전 패드(10) 및 집전 패드(20)보다 상대적으로 더 넓게 형성되고, 그 테두리부는 하방을 향해 곡면 형태로 라운딩된 라운딩부(31)가 형성됨이 바람직하다.

[도 4]는 급전, 집전 패드의 크기가 상이한 경우 본 발명의 상부 차폐판과 급전,집전 패드를 발췌하여 도시한 평면 예시도이고, [도 5]는 급전, 집전 패드의 크기가 상이한 경우 본 발명의 급전 패드와 집전 패드의 편차에 따른 예시도를 나타낸다.

[도 4],[도 5]에 보는 바와 같이, 상부 차폐판(30)의 폭이 급전 패드(10) 및 집전 패드(20)보다 상대적으로 더 넓게 형성되는데 보다 상세하게 설명하면, 집전 패드(20)와 급전 패드(10)의 얼라인먼트가 불일치하는 경우, 유효한 전력 전달을 위한 집전 패드(20)와 급전 패드(10)의 허용 편차(△X, △Y) 범위를 고려하여 상부 차폐판(30)은 급전 패드(10) 및 집전 패드(20)보다 좌우 방향(X축), 전후 방향(Y축)으로 각각 넓게 형성됨이 바람직하다([도 3] 참조).

[도 6]은 급전, 집전 패드의 크기가 동일한 경우 본 발명의 상부 차폐판과 급전, 집전 패드를 발췌하여 도시한 평면 예시도이고, [도 7]은 급전, 집전 패드의 크기가 동일한 경우 본 발명의 급전 패드와 집전 패드의 편차에 따른 예시도를 나타낸다.

[도 6],[도 7]에서 되시된 바와 같이, 상부 차폐판(30)의 폭이 급전 패드(10) 및 집전 패드(20)보다 상대적으로 더 넓게 형성되었는데, 이에 관하여 보다 상세하게 설명하면, 집전 패드(20)와 급전 패드(10)의 얼라이먼트가 불일치하는 경우, 유효한 전력 전달을 위한 집전 패드(20)와 급전 패드(10)의 허용 편차(△X', △Y') 범위를 고려하여 상부 차폐판(30)은 급전 패드(10) 및 집전 패드(20)보다 좌우 방향(X축), 전후 방향(Y축)으로 각각 일정 범위 더 넓게 형성됨이 바람직하다([도 3] 참조).

[도 8]은 본 발명에 따른 급전 패드의 다양한 실시예를 도시한 예시도로서, 급전 코어는 기본적으로 평판 형태로 구성된다.

[도 8]의 (a)는 급전 코어(12)에 감긴 폐쇄형의 급전 코일(11)의 외측으로 돌출된 부분을 형성한 구조를 나타내고, [도 8]의 (b)는 급전 코어(12)에 감긴 폐쇄형의 급전 코일(11)이 급전 코어(12)의 일면에 함몰된 홈에 끼워지는 구조로 형성된 구조를 나타내며, [도 8]의 (c)는 급전 코어(12)에 감긴 폐쇄형의 급전 코일(11)이 급전 코어(12)의 일면에 함몰된 홈에 끼워지고, 그 중앙부는 다시 함몰된 구조로 형성됨을 나타내며, 이와 같이 집전 코어에 대응하여 급전 코어(10)는 다양한 형태로 구성될 수 있다.

[도 8]을 참조하면, 본 발명은 급전 패드(10) 하부에 하부 차폐판(40)이 더 구비된다.

하부 차폐판(40)은 급전 패드(10)의 하부에 평판 형태로 적층되어 이 급전 패드(10)를 바닥면에 고정시키고, 상부 차폐판(30)과 연동하여 급전 패드(10)와 집전 패드(20) 사이에서 발생된 자기장의 외부 노출을 차단한다.

상부 차폐판(30)과 하부 차폐판(40)은 알루미늄 재질과 같은 비철금속으로 구성되고, 상부 차폐판(30)의 폭이 하부 차폐판(40)의 폭보다 넓게 형성됨이 바람직하다.

본 발명의 급전 패드(10)와 하부 차폐판(40) 사이에 적층되는 절연 패드(50)가 더 구비되는데, 이 절연 패드(50)는 급전 코일(11) 및 급전 코어(12)에서 발생하는 열을 외부로 방출하고 급전 패드(10) 내부의 급전 코어(12)와 알루미늄 재질의 하부 차폐판(40)을 서로 절연시키는 기능을 수행한다.

본 발명은 상술한 실시예에 한정되는 것은 아니며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재된 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

10 : 급전 패드 11 : 급전 코일
12 : 급전 코어 20 : 집전 패드
21 : 집전 코일 30 : 상부 차폐판
31 : 라운딩부 40 : 하부 차폐판
50 : 절연 패드 V : 전기자동차
E : 바닥면 F1,F2 : 자속

Claims (5)

1. 일정한 장소의 바닥면에 설치되어 전력을 전달하는 급전 패드(10);
   전기자동차의 하면에 탑재되어 상기 급전 패드로부터 자기유도를 통해 전력을 전달받는 집전 패드(20);
   상기 집전 패드를 하부에 적층한 평판 형태로 전기자동차의 하면에 장착되되 상기 집전 패드가 전기자동차의 하면에 돌출되지 않도록 상방으로 일정 깊이 함몰되며, 테두리부가 하방으로 일정 각도 절곡되어 상기 급전 패드와 상기 집전 패드 사이에서 자기유도로 발생된 자기장의 외부 누출을 차단하는 상부 차폐판(30);
   을 포함하는 자기유도 방식의 무선 충전 장치.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 상부 차폐판(30)은 그 폭이 상기 급전 패드 및 상기 집전 패드보다 상대적으로 더 넓게 형성된 것을 특징으로 하는 자기유도 방식의 무선 충전 장치.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 상부 차폐판(30)의 테두리부는 하방을 향해 곡면 형태로 라운딩된 것을 특징으로 하는 자기유도 방식의 무선 충전 장치.
   
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 급전 패드의 하부에 평판 형태로 적층되어 이 급전 패드를 바닥면에 고정시키고, 상기 상부 차폐판과 연동하여 상기 급전 패드와 상기 집전 패드 사이에서 자기유도로 발생된 자기장의 외부 누출을 차단하는 하부 차폐판(40)이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 자기유도 방식의 무선 충전 장치.
   
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 상부 차폐판과 상기 하부 차폐판은 비철금속 재질로 구성된 것을 특징으로 하는 자기유도 방식의 무선 충전 장치.

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