KR20170028900A - 전기 저장 유닛의 유도 충전 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고정형 1차 코일, 및 자동차에 할당된 또는 할당될 수 있는 2차 코일을 포함하는 특히 자동차의 전기 저장 유닛의 유도 충전 장치(1)에 관한 것이며, 상기 1차 코일(2) 및 2차 코일에는 각각 적어도 하나의 공진 커패시터가 할당된다. 본 발명에 따라, 공진 커패시터(7) 중 적어도 하나는 각각의 코일(2)을 적어도 실질적으로 둘러싸도록 또는 각각의 코일(2)에 의해 적어도 실질적으로 둘러싸이도록 설계된다.

Description

전기 저장 유닛의 유도 충전 장치{DEVICE FOR INDUCTIVELY CHARGING AN ELECTRICAL STORAGE UNIT}
본 발명은 고정 1차 코일 및 자동차에 할당된/할당 가능한 2차 코일을 포함하고, 상기 1차 코일과 2차 코일에는 각각 적어도 하나의 공진 커패시터가 할당되는, 전기 저장 유닛의 유도 충전 장치에 관한 것이다.
전술한 유형의 장치들은 종래 기술에 공지되어있다. 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차를 유도 충전하는 장치의 경우, 차량 배터리를 충전하는데 필요한 에너지가 충전 케이블을 통해 차량으로 전달(전도성 충전)되는 것이 아니라, 큰 에어 갭을 가진 변압기를 통해 전달된다. 이 경우, 일반적으로 변압기의 1차 코일은 도로 바닥에 설치되거나 바닥에 놓인 로딩 플레이트로서 형성되고 적합한 전자 장치를 통해 전원 공급 장치에 연결된다. 변압기의 2차 코일은 전형적으로 차량/자동차 하부에 고정식으로 장착되고, 적절한 전자 장치에 의해 차량 배터리에 연결된다. 에너지 전달을 위해, 1차 코일은 고주파 교번 자기장을 생성하고, 상기 자기장은 2차 코일을 관통하며 거기서 상응하는 전류를 유도한다. 상기 유도를 위해, 높은 스위칭 주파수로 작동되는 인버터가 1차 측에 제공된다. 에어 갭을 통해 무효 전력을 전송할 필요가 없도록 하기 위해, 공진 회로가 구성된다. 이것은 1차 코일의 인덕턴스와 적절히 선택된 공진 커패시터의 커패시턴스로 구성된다. 2차 코일 및 공진 커패시터로 이루어진 공진 회로가 2차 측에도 형성된다. 두 공진 회로는 동일한 공진 주파수로 설계되고 작동되므로, 무시할 수 있는 무효 전력만이 이렇게 형성된 전송 네트워크 외부에 생성된다.
통상적으로, 각각의 면의 구성 요소들은, 1차 전자 유닛과 1차 코일뿐만 아니라 2차 코일과 2차 전자 유닛이 각각 결합하도록 분할된다. 이 경우, 통상 상기 공진 커패시터는 각각의 전자 유닛에 수용된다.
본 발명의 과제는 공진 회로 내부의 또는 1차 코일 및/또는 2차 코일과 각각의 공진 커패시터 사이의 케이블 접속이 생략될 수 있는, 유도 충전 장치를 제공하는 것이다.
청구항 제 1 항의 특징을 갖는 본 발명에 따른 장치는 공진 회로 내부의 또는 1차 코일 및/또는 2차 코일과 각각의 공진 커패시터 사이의 케이블 접속이 생략될 수 있다는 장점을 갖는다. 상기 공진 커패시터는 각각의 코일과 함께 매우 콤팩트하게 배치되므로, 설치 공간의 장점이 얻어지고, 전류 전달 용량, 절연 성능 및 개별 케이블의 차폐에 대한 요구 조건이 없어지거나 또는 적어도 줄어들 수 있다. 본 발명에 따르면, 이를 위해 공진 커패시터들 중 적어도 하나에, 이에 할당된 코일, 즉 1차 코일 또는 2차 코일이 적어도 실질적으로 둘러싸도록, 특히 링형으로 형성된다. 즉, 본 발명에서는 공진 커패시터가 각각의 코일에 할당되는 것이 아니라, 코일을 둘러싸도록 형성되므로, 공진 커패시터가 각각의 코일 주위로 연장된다. 대안으로서, 본 발명에 따라 적어도 하나의 공진 커패시터가 각각의 코일에 의해 적어도 실질적으로 둘러싸이도록 형성된다. 이 경우, 공진 커패시터는 코일을 둘러싸는 것이 아니라, 코일이 공진 커패시터를 둘러싸므로, 공진 커패시터가 코일 내부에 놓인다. 코일은 이를 위해 바람직하게는 상응하는 리세스 또는 수용부를 포함하고, 상기 리세스 또는 수용부 내에 공진 커패시터가 삽입될 수 있다. 이로 인해, 공진 커패시터는 각각의 코일 또는 상기 코일을 수용하는 하우징 내에 직접 통합된다.
본 발명의 바람직한 개선예에 따라, 각각의 공진 커패시터의 형상은 그것에 할당된 코일에 맞춰진다. 이로 인해, 바람직한 진동 거동을 가진, 코일 및 공진 커패시터로 이루어진 매우 컴팩트한 유닛이 제공된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 각각의 공진 커패시터는 필름 커패시터로서 형성된다. 공진 커패시터는 이 경우에 권선 캐리어 상에 제조된 복수의 필름을 포함하며, 상기 필름은 예를 들어 원형 또는 사각형으로 중첩하여 감길 수 있다. 이 경우, 임의의 코일 권선 형상은 권선 캐리어의 형상에 의해 간단한 방식으로 시뮬레이트 될 수 있다. 본 발명에 따른 장치를 제조하기 위한 바람직한 방법에 따라, 권취 캐리어는 이미 제조될 공진 커패시터의 형상을 갖는다. 이로 인해, 필름의 권취에 의해 공진 커패시터가 원하는 형상으로, 특히 각각의 코일에 맞춰져서 제조 될 수 있다.
또한, 바람직하게는 각각의 공진 커패시터가 그것에 할당된 코일과 함께 공통 하우징 내에 배치된다. 이로 인해, 콤팩트한 코일 유닛, 특히 1차 코일 및 관련 공진 커패시터를 가진 1차 유닛, 및/또는 2차 코일 및 관련 공진 커패시터를 가진 2차 유닛이 얻어진다. 공통 하우징에 의해, 유닛들이 간단히 취급될 수 있고, 도로 바닥 상에 또는 차량 하부 상에 배치될 수 있다.
또한, 바람직하게는 각각의 공진 커패시터의 접촉 접속부는 할당된 코일의 권선과 반대 방향인 또는 동일 방향인 코일 권선을 형성한다. 여기서 반대 방향 형성은 작동 시에 반대되는 전류 흐름 방향을 의미한다. 예를 들어, 각각의 공진 커패시터의 접촉 면은, 전류 흐름이 2차 코일 또는 1차 코일의 나머지 코일 권선과는 반대로 이루어지는 외부 코일 권선을 형성하므로, 간섭 표유 자기장의 부분 제거가 이루어진다. 이 경우, 1차 코일 또는 2차 코일의 자기장의 형성에 적절히 기여하는 보조 자기장이 생성된다.
또한, 적어도 하나의 차폐 부재가 각각의 공진 커패시터 및 그에 할당된 코일에 할당되는 것이 바람직하다. 차폐 부재는 특히 각각의 공진 회로에 의해 생성 된 자기장을 차폐하고 안내하는 역할을 한다. 바람직하게는, 차폐 부재가 페라이트 또는 다른 적절한 재료로 제조된다.
특히 바람직하게는, 차폐 부재가 차폐 플레이트로서 형성된다. 차폐 플레이트는 로딩 플레이트에 대해 평행하게 연장될 수 있거나 또는 로딩 플레이트 자체를 형성한다. 차폐 플레이트는 바람직하게는 동시에 각각의 코일 및 공진 커패시터용 지지 부재로서 사용된다. 코일 및 이와 관련된 공진 커패시터는 바람직하게는 차폐 플레이트 상에 지지되거나 고정된다.
각각의 코일 및 관련 공진 커패시터가 차폐 플레이트의 한 면 상에 함께 배치되는 것이 바람직하다. 이로 인해, 차폐 플레이트가 특히 로딩 플레이트로서 사용될 수 있다.
대안으로서, 바람직하게는 차폐 플레이트가 부분적으로 공진 커패시터와 각각의 코일 사이에 연장된다. 이로 인해, 예컨대 링 커패시터는 2차 코일 또는 1차 코일로부터 공간적으로 분리되어 배치될 수 있다.
본 발명의 바람직한 개선예에 따르면, 각각의 공진 커패시터는 적어도 2개의 커패시터를 포함한다. 특히, 접지에 대해 각각의 코일 내에 전압 공급을 제한하기 위해, 대칭 구성을 달성하기 위해, 그리고 에너지원에 대한, 특히 자동차의 고전압 배터리에 대한 각각의 코일 권선의 갈바닉 분리를 달성하기 위해, 2배의 용량 및 절반의 전기 강도를 갖는, 2개의 커패시터로 이루어진 공진 커패시터가 제조된다.
이하, 본 발명의 실시예가 상세히 설명된다.
도 1은 전기 저장 유닛의 바람직한 유도 충전 장치의 개략적인 회로도.
도 2a 및 도 2b는 장치의 1차 유닛을 나타낸 상이한 실시예.
도 3a 내지 도 3d는 차폐 부재를 포함한 1차 유닛의 여러 실시예.
도 4는 1차 유닛의 다른 실시예의 평면도.
도 5a 내지도 5d는 1차 유닛의 여러 실시예.
도 6은 1차 유닛의 다른 실시예.
도 1은 전기 저장 유닛의 유도 충전 장치(1)를 개략적인 회로도로 도시한다. 회로도는 1차 코일(2)을 도시하고, 상기 1차 코일은 전자 유닛 (3)에 의해 에너지원, 특히 전원 공급 장치에 연결되거나 연결될 수 있다. 이를 위해, 전자 유닛(3)은 높은 스위칭 주파수로 작동 가능한 인버터(4)를 포함한다. 전자 유닛(3)은 케이블 (5)에 의해 1차 코일(2)에 연결된다. 1차 코일(2)은 공진 커패시터(7)가 제공된 하우징(6) 내에 배치된다. 공진 커패시터(7)의 형상은 하기에서 상세히 설명되는 바와 같이 1차 코일(2)의 코일 권선의 형상에 상응한다. 1차 코일(2)과 공진 커패시터(7)는 함께 장치(1)의 1차 유닛(8)을 형성한다. 2차 코일 및 공진 커패시터를 갖는 2차 유닛(여기서는 도시되지 않음)은 1차 유닛(8)에 상응하게 구성되는 것이 바람직하다.
도 2는 1차 코일(2) 및 공진 커패시터(7)에 의해 형성되는 1차 유닛(8)을 상이한 도면으로 나타낸다. 도 2a는 1차 유닛(8)을 평면도로 도시하고, 도 2b는 도 2a의 A-A 선을 따른 단면도로 도시한다.
특히, 도 2a에는, 1차 코일(2)의 코일 권선(9)이 원형 또는 나선형으로 연장하며, 공진 커패시터(7)가 마찬가지로 코일 권선(9)을 원형으로 둘러싸고 있는 것이 나타난다. 특히 도 2b에 나타나는 바와 같이, 공진 커패시터의 접촉 면들(7', 7 ")은 한편으로는 코일(3)과 다른 한편으로는 전자 유닛(3)과 접촉하기 위해 전기적으로 접촉될 수 있다.
공진 커패시터(7)는 복수의 중첩된 층으로 이루어진 필름 커패시터로서 형성된다. 공진 커패시터(7)의 형상은 간단한 방식으로 공진 커패시터의 제조 시에 권선 캐리어의 상응하는 형상에 의해 달성될 수 있다. 필름 커패시터로서의 형성에 의해, 공진 커패시터의 임의의 형상이 간단하고 비용 효율적인 방식으로 구현될 수 있다. 1차 코일(2) 및 공진 커패시터(7)는 공통 하우징(6) 내에 수용되고, 이 경우 하우징 내부에서 서로 접촉되기 때문에, 공진 회로 내부의 케이블 접속이 하우징(6)의 외부로 안내될 필요가 없다. 공진 커패시터(7)를 위해 이용 가능한 넓은 표면에 의해, 공진 커패시터(7)는 실질적으로 보다 쉽게 가열될 수 있고, 경우에 따라 수동적으로만 냉각될 수 있다.
동시에, 전자 유닛(3) 내에서 비교적 큰 면적이 절감되고, 전자 유닛(3)은 차량 내에서 하우징(6)으로부터 떨어져서 또는 도로 상에 수용될 수 있는데, 그 이유는 하우징(6)과 전자 유닛(3) 사이의 연결 케이블(5)에서 배터리 전압 및 배터리 충전 전류만이 생기기 때문이다. 특히, 하우징(6)은 도로 또는 차량 플로어 상에 장착 될 수있는 로딩 플레이트를 형성한다.
장치(1)의 다른 장점은 공진 커패시터(7)에 대한 별도의 하우징이 생략되기 때문에, 전체 비용이 감소한다는 것이다. 바람직하게는, 코일 플레이트 구조에서 통상적인 포팅이 동시에 커패시터 절연체로서 사용된다.
공진 커패시터(7)의 통전 접촉 면 (7 ', 7")은 바람직하게는 그 전류 흐름에 의해 형성되는 자기장이 1차 코일(2)의 자기장을 형성하는데 적합한 방식으로 기여하도록 구성된다. 특히, 커패시터(7)의 접촉 면들 (7 ', 7")은 외부의 코일 권선을 형성하고, 상기 코일 권선의 전류 흐름은 1차 코일(2)의 나머지 코일 권선들과 반대로 이루어지므로, 1차 코일(2)의 자기장의 부분 제거가 나타난다.
도 2a에서 알 수 있는 바와 같이, 공진 커패시터(7)는 바람직하게는 링 커패시터로서 형성되므로, 공진 커패시터(7)의 접촉 면(7 ', 7 ")은 도 2a의 도면 평면에 대해 평행하다. 접촉을 위해, 공진 커패시터(7)는 도 2b의 단면도에 도시된 바와 같이 "위로" 및 "아래로" 연결되어야 한다.
도 3a 내지 도 3d는 차폐 부재(10)가 추가된 유닛(8)의 여러 실시예들을 각각 단면도로 도시한다. 특히 페라이트로 제조된 차폐 부재(10)는 생성된 자기장(들)의 안내 및 차폐를 위해 사용된다. 링형 공진 커패시터(7)의 통합과 관련하여, 페라이트와 차폐부, 공진 커패시터(7)와 1차 코일(2) 사이의 상이한 배치가 제공된다.
도 3a에 따라, 공진 커패시터(7)는 1차 코일(2)과 함께 차폐 부재(10)의 일 측면 상에 배치된다.
도 3b에 따라, 차폐 부재가 컵 형으로 형성되고, 이 경우 1차 코일(2)은 차폐 부재(10)의 내부에 배치되는 한편, 공진 커패시터(7)는 차폐 부재(10)의 외벽을 외부에서 둘러싸고있다.
도 3c에 따라, 차폐 부재(10)는 돌출부(11)를 갖는 컵 형상으로 형성되므로, 1차 코일(2)은 차폐 부재(10) 내에 배치되고 공진 커패시터(7)는 돌출부에 외부에서 접촉한다.
도 3d에 따라, 공진 커패시터(7)가 1차 코일(2)을 둘러싸는 것이 아니라, 1차 코일(2)이 공진 커패시터(7)를 둘러싼다. 이를 위해, 1차 코일(2)은 중앙에 리세스 또는 수용부를 갖고, 상기 리세스 또는 수용부 내에 공진 커패시터(7)가 적어도 부분적으로, 도 3d에 도시된 바와 같이, 삽입된다. 이를 위해, 차폐 부재(10)는 중앙에 팽창부를 가지며, 상기 팽창부 내에 공진 커패시터(7)가 놓인다.
접지에 대해 1차 코일(2) 내의 전압 과도 상승을 제한하고, 대칭 구성을 달성하며, 차량의 고전압 배터리로부터 코일 권선(9)의 갈바닉 분리를 달성하기 위해, 공진 커패시터(7)는 도 4에 예시적으로 도시된 바와 같이, 2배의 용량과 절반의 전기 강도를 갖는 2개의 커패시터(12, 13)로 분할된다. 커패시터(12, 13)는 절반 링형의 형태로 형성되고, 일단에서 코일(2)에 그리고 타단에서 전자 유닛(3)에 연결된다.
공진 커패시터(7)와 코일 권선(9)의 다양한 형상이 가능하다. 상기 하우징(6) 또는 로딩 플레이트는 차량에 통합 시 종종 직사각형 윤곽을 갖기 때문에, 직사각형 공진 커패시터(7)는 예를 들면 코일 권선과의 거리를 증가시키고 그에 따라 코일 자기장에 의한 간섭을 줄이기 위해, 직사각형 공진 커패시터(7)가 바람직할 수 있다.
도 5a 내지 도 5d에는 1차 유닛(8)의 다양한 실시예가 도시된다. 도 5a는 사각형 윤곽을 가진 1차 유닛(8), 도 5b는 타원형 윤곽을 가진 1차 유닛(8), 도 5c는 팔각형 윤곽을 가진 1차 유닛(8)을 도시하고, 도 5d는 사각형 윤곽을 가진 공진 커패시터(7) 및 원형 또는 나선형 형상을 가진 1차 코일(2)을 도시한다. 도 5c와 도 5d는 공진 커패시터(7)의 형상이 반드시 1차 코일(2)의 형상에 맞춰질 필요가 없다는 것을 명확히 나타낸다. 도 5a 및 도 5d의 설명된 실시예는 도 3d에 도시된 바와 같이, 공진 커패시터(7)가 1차 코일(2)에 의해 둘러싸이도록 형성되는 구성에도 동일하게 적용된다. 여기서도, 공진 커패시터는 예를 들어, 바람직하게는 1차 코일(2)의 형상 또는 윤곽에 상응하는 또는 1차 코일(2)의 형상 또는 윤곽과는 다른, 사각형 또는 직사각형 형상 또는 윤곽을 가질 수 있다.
또한, 도 6에 예시적으로 도시된 바와 같이, 하우징(6) 또는 로딩 플레이트의 매우 작은 공간 수요를 달성하기 위해, 공진 커패시터 (7)의 링형 부분만을 사용하는 것도 가능하다. 하우징의 외부 윤곽은 파선으로 표시되어 있다. 전술한 설명은 위에서 이미 설명한 바와 같이 바람직하게는 유도 충전 시스템의 2차 유닛에도 동일하게 적용된다.
1 유도 충전 장치
2 1차 코일
7 공진 커패시터
10 차폐 부재

Claims (10)

  1. 고정형 1차 코일(2), 및 자동차에 할당된 또는 할당될 수 있는 2차 코일을 포함하는 특히 자동차의 전기 저장 유닛의 유도 충전 장치(1)로서, 상기 1차 코일(2) 및 상기 2차 코일에는 각각 적어도 하나의 공진 커패시터(7)가 할당되는, 상기 유도 충전 장치에 있어서,
    상기 공진 커패시터(7) 중 적어도 하나는 각각의 코일(2)을 적어도 실질적으로 둘러싸도록 또는 각각의 코일(2)에 의해 적어도 실질적으로 둘러싸이도록 설계되는 것을 특징으로 하는 유도 충전 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 공진 커패시터(7)의 형상은 상기 각각의 코일(2)에 맞춰지는 것을 특징으로 하는 유도 충전 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 각각의 공진 커패시터(7)는 필름 커패시터로서 형성되는 것을 특징으로 하는 유도 충전 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 각각의 공진 커패시터(7)는 그것에 할당된 코일(2)과 함께 공통 하우징(6) 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 유도 충전 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 각각의 공진 커패시터(7)의 접촉 접속부(7', 7")는 상기 할당된 코일의 권선과 반대 방향인 또는 동일 방향인 코일 권선을 형성하는 것을 특징으로 하는 유도 충전 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 각각의 공진 커패시터(7) 및 관련 코일(2)에는 적어도 하나의 차폐 부재(10)가 할당되는 것을 특징으로 하는 유도 충전 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 차폐 부재(10)는 차폐 플레이트로서 형성되는 것을 특징으로 하는 유도 충전 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공진 커패시터(7) 및 관련 코일(20)은 상기 차폐 플레이트의 하나의 면 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 유도 충전 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 차폐 플레이트는 부분적으로 상기 공진 커패시터와 관련 코일(2) 사이에 놓이는 것을 특징으로 하는 유도 충전 장치.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 각각의 공진 커패시터(7)는 2개의 커패시터(12, 13)를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 충전 장치.
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