KR20190120723A - 고정되거나 이동성이 있는 수용가에서 전기 에너지 저장장치의 무선 충전을 위한 방법 및 장치 - Google Patents

고정되거나 이동성이 있는 수용가에서 전기 에너지 저장장치의 무선 충전을 위한 방법 및 장치 Download PDF

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오레그 블라디미로비치 트루브니코브
블라디미르 자카로비치 트루브니코브
안드레 보리소비치 타라소브
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Abstract

본 발명은 전기 업계에 관련되는 것으로, 특히 고정된 전력 유닛들과 전기 에너지를 받는 이동성이 있는 디바이스들 사이의 공진 반파 기술들을 사용하여, 전기 에너지를 무선 전송하기 위한 방법 및 장치들에 관련되는 것이다.
고정되거나 이동성이 있는 전력 수용가에서 전기 에너지 저장장치를 무선으로 충전하는 방법은 상기 전력 수용가에서 전력원으로부터 전력 수신기로의 전기 에너지 전송을 포함하고, 전력원 포맷으로부터 고주파 AC 전류 포맷으로의 변환을 위해 제어되고 주파수 조정 가능한 전류 변환기를 사용하고, 자기 공진 결합을 갖는 수신기와 전송기, 고주파 포맷으로부터 충전되고 있는 상기 전기 에너지 저장장치의 정상적인 작동을 위해 요구되는 포맷으로의 변환을 위한 전류 변환기를 포함하고, 상기 전송기의 상기 자기 공진 와인딩은 중심으로부터 주변부까지 2중-와이어 와인딩을 갖는 플랫 나선으로 이루어지고; 상기 수신기의 상기 자기 공진 와인딩은 플랫 단일-와이어 나선으로 이루어지며; 상기 전송기의 상기 자기 공진 와인딩은 상기 전송기의 상기 자기 공진 와인딩에서의 상기 와인딩 주변부에서 최대 전류로 전류 및 전위 정상파들을 여기하기 위해 사용되고; 전류 정상파의 전자기장을 사용하여 상기 전송기와 수신기 사이에 에너지 전송이 마련되며, - 이를 위해, 상기 전송기의 상기 2중-와이어 나선 와인딩의 상기 중심 부분에서의 상기 리드들은 조정 가능한 고주파수들로 변환기들의 상기 출력 단자들에 접속되고, 고정되거나 이동성이 있는 수용가의 상기 수신기에서의 단일-와이어 나선 와인딩의 상기 리드들은 고주파 전류를 충전되고 있는 상기 에너지 저장장치의 정상적인 작동을 위해 요구되는 포맷으로 변환하기 위해 상기 변환기에 접속되는 것을 특징으로 한다.

Description

고정되거나 이동성이 있는 수용가에서 전기 에너지 저장장치의 무선 충전을 위한 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR WIRELESS CHARGING OF ELECTRICAL ENERGY STORAGE IN A FIXED OR MOBILE CONSUMER}
본 발명은 전기 산업에 관한 것으로, 구체적으로는 고정된 전력 유닛들과 전기 에너지를 수신하는 이동성이 있는 장치들 사이에서 공진 반파(half-wave) 기술들을 사용하여, 전기 에너지를 무선으로 전송하기 위한 방법들 및 장치들에 관한 것이다.
고정된 전송기로부터 고정되거나 이동성이 있는 전력 수용가로 무선으로 에너지를 전송하는 방법들 및 장치들은 촘촘하게(closely) 그리고 느슨하게(loosely) 결합된 물체(object)들로서 분류된다. 촘촘하게 결합된 방법들과 시스템들은 최소 에너지 손실들을 보장한다. 촘촘하게 결합된 무선 에너지 전송 시스템들의 결점은 전력 전송기 및 수신기에 대한 정밀한 상대적 위치선정(positioning)의 필요성이 존재한다는 것이다. 촘촘하게 결합된 시스템들에서의 결합 계수(coupling factor)는 100%에 가까운 값들까지 올라가야 한다.
결합 계수가 10% 미만이더라도, 느슨하게 결합된 방법들 및 시스템들은 전송기와 수신기의 공진 성질들로 인해, 전송기와 수신기의 상대적인 위치선정을 위한 상당히 더 낮은 요구 조건들을 가지고 0.8 이상의 효율을 달성할 수 있다. 주로 전기장 또는 자기장의 변수들로 인해, 느슨하게 그리고 촘촘하게 결합된 전송기들과 수신기들 모두에서 기전력이 여기될 수 있다. 전송 시스템들은 또한 공진 및 비공진인 것으로 분류된다.
전기 차량들, 이동 전화기들, 그리고 전기 에너지를 공진 전원(power supply) 시스템으로부터 f0인 공진 주파수에서의 고전압, 고주파 트랜스듀서(transducer), 단일-와이어 라인(single-wire line), 및 에어 갭(air gap)을 거쳐 수용가(consumer)의 개별 전류 컬렉터(current collector)들에 전기 에너지를 전송하는 다른 전자 장치들에 전기 에너지를 전송하기 위한 공지된 방법 및 장치가 존재하고(2011년 2월 10일자 불레틴(Bulletin) 4호에 실린 러시아 특허 2411142호), 이 경우 전기 에너지는 에어 커패시터 플레이트(air capacitor plate)들로 외부 측면(outer side) 상에서 차폐(shield)되는 2개의 전도성 와이어들 사이의 에어 갭을 통해 0.1 내지 1000㎸의 라인 전압에서 0.1 내지 1000㎑의 범위에 있는 주파수에서 전기 유도법을 사용하여 전송되며, 이러한 플레이트들 중 하나는 차폐되고 절연된 단일-와이어 라인으로 방사상으로 퍼져 연결되어 있고, 단일-와이어 라인의 절연된 차폐물(shield)의 용량(capacity)은 차폐물과 접지(ground)로의 인덕턴스의 접속에 의한 인덕턴스를 가지고 공진 주파수 f0에서 보상되고, 받는 플레이트는 에너지를 받고 수용가의 전류 컬렉터 내로 통합되며, 공진 루프, 정류기 및 충전기를 거쳐 전기 로드(electrical load)에 접속된다.
이러한 공지 방법의 결점은 전력 전송기 및 수신기에서의 높은 전위(최대 1000㎸)를 사용할 필요성이다.
고정되거나 이동성이 있는 수신기들에 대한 비접촉식 에너지 전송의 문제에 가장 가까운 해결책은 전기 차량들에 전력 공급을 제공하는 비접촉식 방법이다(2013년 7월 10일자 불레틴 19호에 실린 러시아 특허 2505427호). 전기 차량들에 전력 공급을 제공하는 이러한 알려진 방법에 관한 특허에 따르면, 전기 차량들의 전기 장비에 의해 수신되는, 도로 표면 상에 위치한 전송 시스템에 고주파 전류 소스로부터 전력을 공급하는 것을 포함하고, 전기 네트워크로부터의 전기 에너지의 주파수와 전압이 변환되고, 공진 전류와 전압 발진(oscillation)들이 전기 차량에서의 전기 회로의 고유 공진 주파수에서 전송 전력 공급 시스템에서 생성된다. 동시에, 전기 에너지가 고주파 피더(feeder)를 통해 전송 와인딩으로 공진 모드에서 공급된다. 전송(공급) 와인딩은 도로 표면 상에 위치하고, 와인딩 와이어 직경에 의한 각각의 와인딩 턴(winding turn)의 변위(displacement)를 가지고, 절연된 와이어의 플랫(flat) 직사각형 단일 층 와인딩으로 이루어진다. 높은 주파수의 교류 전류가 그것들을 통과할 때, 전송 와인딩의 부품들 모두에 자기장이 생성되고, 전자기 에너지 밀도 벡터가 배향되며, 전송 와인딩의 상부에 지향되고, 나선 코일들의 형태로 된 수신 와인딩들이 고무 휠(wheel)들의 원주를 따라서 전기 차량 상에 위치한다. 전기 차량은 또한 전기적으로 절연된 플레이트 상에 위치하고 그러한 플레이트에 고착되는 직사각형의 수신 와인딩을 구비하고, 이는 또한 전송 와인딩의 부품들 모두 위에서의 에어 갭을 가지고 도로 베드(road bed)에 평행하게 위치하며 차량 몸체의 바닥(bottom)에 고착된다. 이러한 전기 차량 상의 와인딩들은 정류기를 거쳐 에너지 저장장치(storage)에 공급되는 전자기 에너지를 받는다.
전기 차량들에 전력 공급을 제공하는 알려진 비접촉식 방법의 결점은 전도체들에 대해 가로지르는 자기 유도 플럭스(flux)의 높은 불규칙성이고, 이는 와인딩 전도체들에 대해 가로지르는 수신기 위치선정의 정확도를 위한 요구 조건을 더 엄격하게 만든다.
본 발명의 목적은 전송기의 활성 영역에서 자속의 균일한 강도(intensity), 에너지 전송에 관한 높은 효율, 및 낮은 방사 레벨(radiation level)를 가지는, 고정되거나 이동성이 있는 전기 수용가에서의 에너지 저장장치를 무선 충전하기 위한 방법 및 시스템을 생성하는 것이다.
제안된 발명은 고정되거나 이동성이 있는 전기 수용가에서 전기 에너지 저장장치의 무선 충전, 즉 교통 신호들 등과 교차하는 도로에서 이동성이 있는 전기 수용가가 존재할 때에서 움직이고 있는 동안의 차량들인 특별한 무선 충전 스테이션들에서 전기 에너지 저장장치를 충전하고 재충전하는 것, 큰 방들에서의 이동 전화기들, 랩톱(laptop)들, 태블릿 PC들에서 에너지 저장장치들을 충전하고 재충전하는 것, 쿼드콥터(quadcopter)들, 사람의 존재가 바람직하지 않은 자동 시스템들의 작동 조건(매우 낮은 작동 온도들을 갖는 창고들, 주위 환경의 특별한 구성을 갖는 창고들 등) 하에서 큰 창고들과 베이스(base)들, 및 저장소들에서의 화물(cargo) 이동의 자동화된 물류유통(logistical) 시스템들에서 에너지 저장장치들을 충전하고 재충전하는 것을 위한 가능성을 제공한다.
이러한 기술적 효과는 전력원 포맷으로부터 고주파 AC 전류 포맷으로의 변환을 위한 제어되고 주파수 조정 가능한 전류 변환기를 사용하여 전력 수용가에서 전력원으로부터 전력 수신기로의 전기 에너지 전송을 포함하는 고정되거나 이동성이 있는 전력 수용가에서 전기 에너지 저장장치를 무선으로 충전하는 방법을 통해 이루어지고, 자기 공진 결합을 갖는 수신기와 전송기를 포함하며, 고주파 포맷으로부터 충전되고 있는 전기 에너지 저장장치의 정상적인 작동을 위해 요구된 포맷으로의 변환을 위한 전류 변환기를 포함하고, 전송기의 자기 공진 와인딩은 중심으로부터 주변부로의 2중 나선 와인딩이 있는 플랫 나선으로 이루어지며, 수신기의 자기 공진 와인딩은 플랫 단일-와이어 나선(spiral)으로 이루어지고, 전송기의 자기 공진 와인딩은 전송기의 자기 공진 와인딩에서 주변부에서 최대 전류로 전류 및 전위 정상파들(current and potential standing waves)을 여기하기 위해 사용되고 에너지 전송은 전류 정상파의 전자기장을 사용하여, 전송기와 수신기 사이에서 마련되고, 이를 위해 전송기의 2중-와이어 나선 와인딩의 중심 부품에서의 리드들은 조정 가능한 고주파수들로 변환기들의 출력 단자들에 접속되며, 고정되거나 이동성이 있는 수용가의 수신기에서의 단일-와이어 나선 와인딩의 리드들은 고주파 전류를 충전되고 있는 에너지 저장장치의 정상적인 작동을 위해 요구된 포맷으로의 변환을 위한 변환기(converter)에 접속된다.
고정되거나 이동성이 있는 전력 수용가에서의 에너지 저장을 위한 무선 충전의 또 다른 방법에서는, 전송기의 자기 공진 와인딩이 중심으로부터 주변부로 이어지는(running) 와인딩 턴(turn)들을 갖는 플랫 2중-와이어 나선으로 이루어지고, 수신기에서의 2중-와이어 와인딩의 고유 공진 주파수는 전송기에서의 플랫 2중-와이어 와인딩의 공진 주파수와 같으며, 수신기에서의 2중-와이어 나선 와인딩의 중심 부분에서의 리드들은 수신기의 다른 전도성 부품들과 구성요소들로부터 절연되고 서로 절연되며, 나선 2중-와이어 와인딩의 주변부로부터의 리드들은 고주파 전류의 충전되고 있는 에너지 저장장치의 정상 작동을 위해 요구된 전류로의 변환을 위한 변환기의 입력에 접속되며, 출력 단자들은 수신기에서 에너지 저장의 인압(incoming) 단자들에 접속된다.
고정되거나 이동성이 있는 전력 수용가에서의 전기 에너지 저장의 무선 충전의 또 다른 방법에서는, 전송기에서의 플랫 2중-와이어 나선 와인딩의 주변 리드들은 단락되고, 변환기 출력으로부터의 전력은 자기 결합 코일을 사용하여 전송기의 플랫 2중-와이어 나선 와인딩에 공급되며, 자기 결합 코일은 2중-와이어 나선 와인딩의 평면에서, 주변부에서 전송기의 2중-와이어 나선 와인딩을 덮는다.
고정되거나 이동성이 있는 전력 수용가에서 전기 에너지 저장장치의 무선 충전을 위한 또 다른 방법에서는, 전송기에서의 플랫 2중-와이어 나선 와인딩의 자기 결합 코일이 결합 코일로 공진 루프를 형성하는 커패시터를 거쳐 전류 변환기 출력에 접속되고, 직렬 공진 루프의 고유 공진 주파수는 전송기의 플랫 2중-와이어 나선 와인딩의 공진 주파수와 같다.
고정되거나 이동성이 있는 전력 수용가에서의 전기 에너지 저장장치의 무선 충전을 위한 또 다른 방법에서는, 수신기의 단일-와이어의 플랫 나선 와인딩이 있는 직렬 공진 루프를 형성하는 커패시터를 거쳐 에너지 저장장치의 작동을 위해 요구된 포맷으로 고주파 전류를 변환하기 위한 변환기 입력에 수신기의 단일-와이어의 플랫 나선 와인딩이 접속되고, 형성된 루프의 공진 주파수는 전송기에서의 플랫 2중-와이어 와인딩의 공진 주파수와 같다.
고정되거나 이동성이 있는 전력 수용가에서의 전기 에너지 저장장치의 무선 충전을 위한 또 다른 방법에서는, 전류 변환기 출력으로부터 플랫 2중-와이어 나선 와인딩의 대향하는 단부들에서, 주변부를 따라서 위치한 2개의 원형 하프 와인딩(half winding)들의 형태로 전송기의 플랫 2중-와이어 나선 와인딩으로 전기 에너지를 전송하기 위한 자기 결합 코일이 존재하고, 이러한 원형 하프 와인딩들은 직렬로 그리고 일관되게(consistently) 전기적으로 상호 접속된다.
고정되거나 이동성이 있는 수용가에서의 전기 에너지 저장장치의 무선 충전을 위한 장치는, 전력원 포맷으로부터 높은 주파수의 교류 전류 포맷으로 전류를 변환하기 위한 제어되고 주파수 조정 가능한 변환기에 결합된 전력원, 자기 공진 결합이 있는 수신기와 전송기, 고주파 전류 포맷으로부터 충전되고 있는 에너지 저장장치의 정상 작동을 위해 요구된 포맷으로의 전류의 변환을 위한 변환기를 포함하고, 전송기의 자기 공진 와인딩은 중심으로부터 주변부까지의 2중-와이어 와인딩이 있는 플랫 나선으로 이루어지고, 수신기의 자기 공진 와인딩은 플랫 단일-와이어 나선으로 이루어지며, 전자기장을 사용하여 전송기의 자기 공진 와인딩과 수신기의 자기 공진 와인딩 사이에는 전기 에너지가 전송되고, 자기 공진 와인딩의 주변 리드들은 전기 에너지 소스 포맷으로부터 고주파 전류 포맷으로의 전류의 변환을 위해 주파수 변환기의 출력 단자들에 접속되며, 2중-와이어 나선 와인딩의 중심 부품의 리드들은 서로 절연되고 전송기의 다른 전도성 부품들과 구성요소들로부터 절연되며, 수신기에서 단일-와이어 나선 와인딩의 리드들은 고주파 전류를 충전되고 있는 에너지 저장장치의 정상 작동을 위해 요구된 포맷으로 변환하기 위해 변환기의 입력 단자들에 결합되며, 변환기의 출력 단자들은 고정되거나 이동성이 있는 수용가의 수신기에서 에너지 저장장치의 단자들에 접속된다.
고정되거나 이동성이 있는 수용가의 에너지 저장장치의 무선 충전을 위한 또 다른 장치에서는, 중심으로부터 주변부까지 이어지는 와인딩 턴들을 갖는 2중-와이어 나선을 수신기의 자기 공진 와인딩이 나타내고, 수신기에서의 2중-와이어 나선 와인딩의 중심 부품에서의 리드들은 서로 절연되고 수신기의 다른 전도성 부품들과 구성요소들로부터 절연되며, 나선 2중-와이어 와인딩의 주변부로부터의 리드들은 고주파 전류를 충전되고 있는 저장장치의 정상적인 작동을 위해 요구된 전류로 변환하기 위한 변환기의 입력에 접속되고, 변환기의 출력 단자들은 입력 에너지 저장장치 단자들에 접속되고, 수신기에서의 2중-와이어 와인딩의 고유 공진 주파수는 전송기의 플랫 2중-와이어 나선 와인딩의 공진 주파수와 같다.
고정되거나 이동성이 있는 수용가에서의 에너지 저장장치의 무선 충전을 위한 또 다른 장치에서는, 전송기에서의 2중-와이어 나선 와인딩의 주변 리드들이 단락되고, 주파수 변환기로 플랫 2중-와이어 나선 와인딩을 결합하기 위한 자기 결합 코일이 2중-와이어 나선 와인딩의 평면 상에 위치하며, 결합 코일 리드들은 전력원 포맷의 고주파 전류 포맷으로의 변환을 위해 주파수 변환기의 출력 단자들에 접속된다.
고정되거나 이동성이 있는 전력 수용가에서의 전기 에너지 저장의 무선 충전을 위한 또 다른 장치에서는, 전송기에서의 플랫 2중-와이어 나선 와인딩의 자기 결합의 코일이 결합 코일로 발진하는(oscillating) 루프를 형성하기 위한 커패시터를 거쳐 전류 변환기 출력에 접속되고, 직렬 공진 루프의 고유 공진 주파수는 전송기의 플랫 2중-와이어 나선 와인딩의 고유 공진 주파수와 같다.
고정되거나 이동성이 있는 전력 수용가에서의 전기 에너지 저장의 무선 충전을 위한 또 다른 장치에서는, 수신기에서의 단일-와이어 플랫 와이어 나선 와인딩의 리드들이 단일-와이어 플랫 나선 와인딩으로 직렬 공진 루프를 형성하는 커패시터를 거쳐 에너지 저장장치의 작동을 위해 요구된 전류 포맷으로 고주파 전류를 변환하기 위한 변환기의 입력 단자들에 접속되고, 수신기의 직렬 공진 루프의 공진 주파수는 전송기에서의 플랫 2중-와이어 와인딩의 공진 주파수와 같다.
고정되거나 이동성이 있는 전력 수용가에서의 전기 에너지 저장의 무선 충전을 위한 또 다른 장치에서는, 플랫 2중-와이어 나선 와인딩의 주파수 변환기와의 자기 결합 코일은 2개의 원형 하프 와인딩으로 이루어지고, 이러한 하프 와인딩들은 플랫 2중-와이어 나선 와인딩의 대향하는 단부들에서 주변부를 따라서 위치하며, 그러한 하프 와인딩들은 직렬로 그리고 일관되게 상호 접속된다.
제안된 방법들과 시스템들의 핵심은 도 1 내지 도 6에 예시된다.
도 1은 고정되거나 이동성이 있는 전력 수용가에서의 에너지 저장소의 무선 충전을 위한 방법 및 장치의 전기 회로도.
도 2는 고정되거나 이동성이 있는 전력 수용가에서의 에너지 저장소의 무선 충전을 위한 방법 및 장치의 전기 회로도.
도 3은 고정되거나 이동성이 있는 전력 수용가에서의 에너지 저장장치의 무선 충전을 위한 방법 및 장치의 전기 회로도.
도 4는 고정되거나 이동성이 있는 전력 수용가에서의 에너지 저장장치의 무선 충전을 위한 방법 및 장치의 전기 회로도.
도 5는 고정되거나 이동성이 있는 전력 수용가에서의 에너지 저장장치의 무선 충전을 위한 방법 및 장치의 전기 회로도.
도 6은 고정되거나 이동성이 있는 전력 수용가에서의 에너지 저장장치의 무선 충전을 위한 방법 및 장치의 전기 회로도.
도 1은 고정되거나 이동성이 있는 전력 수용가에서의 에너지 저장장치의 무선 충전을 위한 방법 및 장치의 전기 회로도를 보여주는 것으로, 수용가에서 전력원으로부터 전력 수신기로의 전기 에너지의 전송을 수반하고, 전송기에서의 자기 공진 와인딩은 중심으로부터 주변부까지의 2중-와이어 와인딩이 있는 플랫 나선을 나타내며, 2중-와이어 와인딩의 리드들은 중앙 부분에서 서로 절연되고, 2중-와이어 와인딩 주변부의 리드들은 그러한 와인딩에서의 전류 및 전위 정상파들의 여기를 위해, 주파수 변환기에 접속된다.
도 2는 고정되거나 이동성이 있는 전력 수용가에서의 에너지 저장장치의 무선 충전을 위한 방법 및 장치의 전기 회로도를 보여주는 것으로, 수용가에서 전력원으로부터 전력 수신기로의 전기 에너지의 전송을 수반하고, 수신기에서의 자기 공진 와인딩은 중심으로부터 주변부까지의 와인딩이 있는 플랫 2중-와이어 나선을 나타내며, 2중-와이어 나선 와인딩의 중앙 부품의 리드들은 서로 절연되고, 와인딩 주변부의 출력들은 에너지 저장장치의 작동을 위해 필요한 포맷으로의 고주파 전류의 변환을 위해 주파수 변환기에 접속된다.
도 3은 고정되거나 이동성이 있는 전력 수용가에서의 에너지 저장장치의 무선 충전을 위한 방법 및 장치의 전기 회로도를 보여주는 것으로, 수용가에서 전력원으로부터 전력 수신기로의 전기 에너지의 전송을 수반하고, 전송기에서의 플랫 2중-와이어 나선 와인딩의 주변 리드들은 단락되고, 그러한 전력은 변환기 출력으로부터 와인딩 표면 상의 주변부에서 전송기의 2중-와이어 나선 와인딩을 덮는, 자기 결합 코일을 사용하여 전송기의 플랫 2중-와이어 나선 와인딩으로 전송된다.
도 4는 고정되거나 이동성이 있는 전력 수용가에서의 에너지 저장장치의 무선 충전을 위한 방법 및 장치의 전기 회로도를 보여주는 것으로, 수용가에서 전력원으로부터 전력 수신기로의 전기 에너지의 전송을 수반하고, 전송기에서의 플랫 2중-와이어 나선 와인딩의 자기 결합 코일은 결합 코일로 직렬 공진 루프를 형성하는 커패시턴스를 거쳐 전류 변환기 출력에 접속된다.
도 5는 고정되거나 이동성이 있는 전력 수용가에서의 에너지 저장장치의 무선 충전을 위한 방법 및 장치의 전기 회로도를 보여주는 것으로, 수용가에서 전력원으로부터 전력 수신기로의 전기 에너지의 전송을 수반하고; 수신기의 단일-와이어 플랫 나선 와인딩으로 직렬 공진 루프를 형성하는 커패시터를 통해 수신기에서 에너지 저장장치를 작동시키기 위해 필요한 전류 포맷으로 고주파 전류를 변환하기 위해, 수신기의 단일-와이어 플랫 나선 와인딩이 변환기에 접속된다.
도 6는 고정되거나 이동성이 있는 전력 수용가에서의 에너지 저장장치의 무선 충전을 위한 방법 및 장치의 전기 회로도를 보여주는 것으로, 수용가에서 전력원으로부터 전력 수신기로의 전기 에너지의 전송을 수반하고, 전류 변환기 출력으로부터 전송기의 플랫 2중-와이어 나선 와인딩으로 전력을 전송하기 위한 자기 결합 코일이, 플랫 2중-와이어 나선 와인딩의 대향하는 단부들에서, 주변부를 따라서 위치하는 2개의 원형 하프 와인딩들에 의해 형성된다.
이러한 장치는 전력원(1)을 포함하고, 380V/3p/50㎐의 HF(1.0 내지 30.0㎑) 단일 위상 전류 변환기(2)가 전력원(1)의 단자들에 접속된다. 변환기(2) 출력에서의 전류 주파수는 조작자에 의해 또는 자동적으로 조정될 수 있다. 주파수 변환기 출력(2)은 플랫 2중-와이어 나선 와인딩(3)의 주변 리드들에 접속된다. 플랫 2중-와이어 나선 와인딩의 중앙 리드들은 서로 절연되고 전송기(4)의 전도성 부품들과 구성요소들로부터 절연된다. 전술한 바와 같이 구현된 플랫 2중-와이어 와인딩(3)은 주파수 조정 가능한 주파수 변환기(2)로부터 동력이 공급된 플랫 나선으로 뚤뚤 말린 긴 오픈-엔디드(open-ended) 라인을 나타낸다. 만약 주파수 변환기(2)가 2중-와이어 나선(3)으로 뚤뚤 말린 긴 라인을 따라서, 와인딩(3)의 1/4파 공진의 주파수로 설정된다면, 전류 및 전위 정상파들이 절연된 리드들 사이의 중심에서의 전류 최대치와, 주파수 변환기(2)의 출력 단자들에 접속되는 주변부 리드들에서의 전류 최대치로 여기된다. 최소 전류는 긴 라인(3)의 개방되고 절연된 리드들에서 형성되고, 최소 전위는 라인(3)의 입력 주변 리드들에서 여기된다. 2중-와이어 나선 와인딩(3)에서의 전류 및 전위 최소치들과 최대치들의 이러한 설계에 관해서, 2중-와이어 와인딩(3)의 자기장은 와인딩(3)의 주변부에서의 최소 전류의 위치로 인해 와인딩 주변부 쪽으로 감소하지 않고, 이는 주변부에서의 자기장이 에너지 수신기(5)의 전자기 수신기 유닛(6)으로의 에너지 전송에 효과적으로 관여하는 것을 가능하게 한다. 단일-와이어 나선 와인딩(6)에서의 여기된 에너지는, 변환기(7)를 거쳐 고주파 전류 에너지로부터 수신기(5)에서의 전력 저장장치(8)의 정상적인 작동을 위해 필요한 전류 포맷을 갖는 에너지로 전송된다. 플랫 단일-와이어 나선 와인딩(6)은 전송기(4)의 2중-와이어 1/4파 와인딩(3)의 전자기 교번 자장(alternating field)에 놓인 정상적인 비공진 와인딩으로서 기능을 한다.
나선의 중심 부분에서의 리드들이 분리될 때에는, 플랫 2중-와이어 나선 와인딩(3)이 전송기(4)에서 기능을 하는 것과 같은 방식으로, 도 2에서의 수신기(5)에서의 플랫 2중-와이어 나선 와인딩(6)이 2중-와이어의 긴 라인의 끝에서 개방된 뚤둘 말린 나선으로서 기능을 하기 시작한다. 최대 전위는 와인딩(6)의 중심 부분에서 여기되고, 최대 전류는 와인딩(6)의 주변부에서 여기된다. 그러므로 와인딩(6)에서의 자속의 최대 유도는 와인딩(6)의 주변부에서 여기되고, 이는 나선 2중-와이어 와인딩(3)의 전체 영역을 따라서 에너지 플럭스 밀도의 높은 규칙성을 보장한다.
도 3에서의 전송기(4)의 플랫 2중-와이어 나선 와인딩(3)에서의 주변 리드들의 접속은 공업용 AC 메인들(industrial AC mains)로부터의 플랫 2중-와이어 나선 와인딩(3)의 갈바닉 절연(galvanic isolation)을 보장하고, 이는 고정되고 이동성이 있는 전력 수용가들의 무선 충전기와 충전 스테이션의 사용자들과 에너지 저장장치들의 작동 요원에 관한 충전기로부터의 부상 위험을 상당히 감소시킨다.
도 4와 도 5에 도시된 것처럼, 컨덴서들(condensers)(10, 11)의 전송기(4)와 수신기(5)의 공급 및 배출 루프들로의 접속은 전송기(4)에서의 공급 결합 와인딩(9)으로의 펌핑 에너지와 수신기(5)에서의 단일 층 나선 와인딩(6)의 수신기로부터의 배출 에너지에 관한 직렬 공진의 출현을 위한 필수적인 조건을 생성한다.
전송기(4)에서 공급 와인딩(9)을 쪼개는 것은 와인딩(3)으로의 투-웨이(two-way) 에너지 펌핑으로 인해 2중-와이어 전송 와인딩(3)(도 6)으로의 펌핑 에너지의 과정(process)의 신뢰성을 증가시키고, 충전기로의 펌핑 에너지에 관한 유닛의 냉각 조건을 단순화시킨다.
고정되거나 이동성이 있는 수용가에서의 전기 에너지 저장장치의 무선 충전을 위한 샘플 방법 및 장치가 설명된다.
사례(case) 1.
공급 전송 코일(3)은 0.75㎟과 90회의 턴(turn)을 갖는 단면적을 갖는 2중 구리 와이어로 이루어진다. 와인딩 도체들은 동일한 평면에 위치하여 2중-와이어 아르키메데스 나선(Archimedean spiral)을 형성한다. 나선 와인딩의 내부 직경은 100㎜이고, 외부 직경은 480㎜이다. 각각의 나선의 인덕턴스는 5.1mH이다. 2중-와이어 나선 와인딩은 플랫 나선으로 뚤뚤 말린 1/4파 오픈 엔드 긴 라인이다. 라인 단부(line end)들은 서로 절연된다. 나선 와이어들 사이의 커패시턴스는 30.5㎋이다. 2중-와이어 나선 와인딩에서의 도체들의 저항은 2.3Ω와 2.4Ω이다. 공진 주파수는 f0=64-60㎑이다. 수신기(5)의 코일(6)은 내부 직경이 100㎜인 플랫 단일-와이어 나선 와인딩을 나타낸다. 와인딩 인덕턴스는 0.3mH이다. 100W의 전력과 최대 7%인 소비율(dissipation)을 갖는 전기 에너지가 수평 평면에서 2개의 서로 가로지르는 방향들로 움직일 때 전송기(3)와 수신기(6) 사이의 수직 방향으로 0.5m의 거리(중심으로부터 ±0.3m)에서 펌핑되었다.
사례 2.
도 1에서와 같이 에너지 전송 조건에서, 에너지는 펌핑 와인딩(9)을 사용하여 공급 와인딩(3) 내로 펌핑되었다. 펌핑 와인딩(9)은 2.5㎟의 단면적과 3회의 턴을 가지고 구리 와이어로 만들어진다. 와인딩(9)의 인덕턴스는 18.5μH이다. 와인딩(9)은 직렬로 접속된 전기 커패시터(10)를 거쳐 주파수 변환기(2)의 출력에 접속된다. 커패시터(10)의 커패시턴스는 180㎋이다. 와인딩(3)의 리드들은 단락되었다. 사례 1과 동일한 시험 조건 하에서의 전송기 전력 소비의 주변 측정은 중심으로부터 ±0.3m의 오차로 7%를 넘지 않으면서 수신기 와인딩의 편차로 소비되는 비슷한 결과를 산출해 내었다.
사례 1 및 사례 2에서와 같은 전력 전송의 조건 하에서는, 100W의 전력을 갖는 에너지가 1.0m의 거리까지 전송되었다. 이러한 소비는 최대 10%이었다.
그러므로, 0.5m와 1.0m의 거리들에서의 전력 전송 시험들은 약 0.3㎡의 면적에서 이동 전화기들, 랩톱들, 태블릿, PC들 등과 같은 저전력 도구들(low-power gadget)들에 관한 전자기장 강도의 불규칙성이 10% 보다 나쁘지 않음을 입증하였다. 이 사례에서의 평균 전자기 에너지 플럭스 강도는 약 0.3㎾/㎡와 같았다.
사례 3.
전송 공급 코일(3)은 단면적이 0.25㎟인 2중 구리 다중 도체 와이어 PVMTg-40로 이루어지고, 그 절연 세기는 40㎸ DC이며, 절연시의 외부 직경은 4.2㎜이다. 그러한 와인딩은 2.5m×1.0m인 외부 치수들을 갖는 플랫 직사각형 나선의 형태로 되어 있다. 2중 턴들의 개수는 150이다. 와인딩의 내부 리드들은 서로 절연된다. 외부 리드들은 공급 주파수 변환기에 접속된다. 공급 전류 주파수는 11㎑이다. 2중-와이어 와인딩에서의 각각의 브랜치의 인덕턴스는 6.2mH이다. 각각의 브랜치의 DC 저항은 11Ω이다. 수신기 코일은 단면적인 16㎟인 구리로 된 멀티-코어(multi-core) 와이어로 이루어진다. 수신기 코일은 1.4m×0.5m인 치수들을 가진다. 턴들의 개수는 25이다. 인덕턴스는 1.2mH이다. DC 저항은 0.16Ω이다. 전송기와 수신기 코일들 사이의 거리는 0.3m이고, 전송된 전력은 2.0㎾이다.
중심 위치로부터 4개의 사이드들 중 임의의 것 쪽으로의 0.5m만큼의 편차가 있는 경우에서의 전력 불규칙성은 최대 10%이었다. 평균 전자기 에너지 플럭스 강도는 약 3.0㎾/㎡와 같았다.
그러므로 ±0.5m(전송 코일 폭의 절반)만큼 수신기 코일을 옮겨 놓음으로써 2.0㎾의 전력으로 0.3m의 거리까지의 전송을 위한 전기 에너지 플럭스 불규칙성은 전력 소비율이 10%를 넘지 않는다는 것을 입증하였다.
사례 3에서와 같은 장치는, 충전기 및 서비스되어지는 유닛 또는 기구의 상호 위치선정을 위한 임의의 엄격한 요구 조건 없이, 자동차들, 전기 카트들, 또는 쿼드콥터들과 같은 이동성이 있는 기구들의 배터리들을 충전하기 위해 사용될 수 있고, 이 경우 몇몇 기구들은 동시에 나란하게 서비스되어질 수 있다. 제안된 본 발명은 고정되거나 이동성이 있는 전기 수용가에서 전기 에너지 저장장치의 무선 충전, 즉 교통 신호들 등과 교차하는 도로에서 이동성이 있는 전기 수용가가 존재할 때에서 움직이고 있는 동안의 차량들인 특별한 무선 충전 스테이션들에서 전기 에너지 저장장치를 충전하고 재충전하는 것, 큰 방들에서의 이동 전화기들, 랩톱들, 태블릿 PC들에서 에너지 저장장치들을 충전하고 재충전하는 것, 쿼드콥터들, 사람의 존재가 바람직하지 않은 자동 시스템들의 작동 조건(매우 낮은 작동 온도들을 갖는 창고들, 주위 환경의 특별한 구성을 갖는 창고들 등) 하에서 큰 창고들과 베이스(base)들, 및 저장소들에서의 화물(cargo) 이동의 자동화된 물류유통(logistical) 시스템들에서 에너지 저장장치들을 충전하고 재충전하는 가능성을 제공한다.

Claims (12)

  1. 고정되거나 이동성이 있는 전력 수용가(fixed or mobile power consumer)에서의 전기 에너지 저장장치(electrical energy storage)의 무선 충전 방법에 있어서,
    상기 전력 수용가에서 전력원으로부터 전력 수신기로의 전기 에너지 전송을 포함하고, 전력원 포맷으로부터 고주파 AC 전류 포맷으로의 변환을 위해 제어되고 주파수 조정 가능한 전류 변환기(a controlled and frequency-adjustable electrical current converter)를 사용하고, 자기 공진 결합을 갖는 수신기와 전송기, 고주파 포맷으로부터 충전되고 있는 상기 전기 에너지 저장장치의 정상적인 작동을 위해 요구되는 포맷으로의 변환을 위한 전류 변환기를 포함하고,
    상기 전송기의 상기 자기 공진 와인딩은 중심으로부터 주변부까지 2중-와이어 와인딩을 갖는 플랫 나선(flat spiral)으로 이루어지고; 상기 수신기의 상기 자기 공진 와인딩은 플랫 단일-와이어 나선(flat single-wire spiral)으로 이루어지며; 상기 전송기의 상기 자기 공진 와인딩은 상기 전송기의 상기 자기 공진 와인딩에서의 상기 와인딩 주변부에서 최대 전류로 전류 및 전위 정상파들(current and potential standing waves)을 여기하기 위해 사용되고; 전류 정상파의 전자기장을 사용하여 상기 전송기와 수신기 사이에 에너지 전송이 마련되며(arranged), - 이를 위해, 상기 전송기의 상기 2중-와이어 나선 와인딩의 상기 중심 부분에서의 상기 리드들은 조정 가능한 고주파수들로 변환기들의 상기 출력 단자들에 접속되고, 고정되거나 이동성이 있는 수용가의 상기 수신기에서의 단일-와이어 나선 와인딩의 상기 리드들은 고주파 전류를 충전되고 있는 상기 에너지 저장장치의 정상적인 작동을 위해 요구되는 포맷으로 변환하기 위해 상기 변환기에 접속되는 것을 특징으로 하는, 무선 충전 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 전송기의 상기 자기 공진 와인딩은 상기 중심으로부터 상기 주변부로 이어지는 와인딩 턴들(winding turn)들을 갖는 플랫 2중-와이어 나선(flat double-wire spiral)으로 이루어지고; 상기 수신기에서의 상기 2중-와이어 와인딩의 상기 고유 공진 주파수는 상기 전송기에서의 상기 플랫 2중-와이어 나선 와인딩의 상기 공진 주파수와 같고; 상기 수신기에서의 상기 2중-와이어 나선 와인딩의 상기 중심 부분에서의 상기 리드들은, 서로 절연되고 상기 수신기의 다른 전도성 부품들 및 구성요소들로부터 절연되며; 상기 나선 2중-와이어 와인딩의 상기 주변부로부터의 상기 리드들은, 충전되고 있는 상기 에너지 저장장치의 정상적인 작동을 위해 요구되는 전류로의 고주파 전류의 변환을 위해 상기 변환기의 상기 입력과 접속되고; 상기 출력 단자들은 상기 수신기에서 상기 에너지 저장장치의 상기 인입 단자들(incoming terminals)에 접속되는, 무선 충전 방법.
  3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 전송기에서의 상기 플랫 2중-와이어 나선 와인딩의 상기 주변 리드들은 단락되고, 상기 변환기 출력으로부터의 상기 전력은 자기 결합 코일을 사용하여 상기 전송기의 플랫 2중-와이어 나선 와인딩에 공급되며; 상기 2중-와이어 나선 와인딩의 상기 평면 상에서, 상기 자기 결합 코일은 상기 주변부에서 상기 전송기의 상기 2중-와이어 나선 와인딩을 덮는 것을 특징으로 하는, 무선 충전 방법.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 전송기에서 상기 플랫 2중-와이어 나선 와인딩의 상기 자기 결합 코일은, 결합 코일로 공진 루프를 형성하는 커패시터를 통해 상기 전류 변환기 출력에 접속되고; 상기 직렬 공진 루프의 상기 고유 공진 주파수는 상기 전송기의 상기 플랫 2중-와이어 나선 와인딩의 상기 공진 주파수와 같은 것을 특징으로 하는, 무선 충전 방법.
  5. 제1 항, 제3 항, 및 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수신기의 상기 단일-와이어 플랫 나선 와인딩은, 상기 수신기의 상기 단일-와이어 플랫 나선 와인딩으로 직렬 공진 루프를 형성하는 커패시터를 통해, 에너지 저장장치의 작동을 위해 요구되는 상기 포맷으로 상기 고주파 전류를 변환하기 위해 상기 변환기 입력에 접속되고; 상기 형성된 루프의 상기 공진 주파수는 상기 전송기에서 상기 플랫 2중-와이어 와인딩의 상기 공진 주파수와 같은 것을 특징으로 하는, 무선 충전 방법.
  6. 제3 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전류 변환기 출력으로부터 상기 전송기의 상기 플랫 2중-와이어 나선 와인딩으로 전기 에너지를 전송하기 위한 자기 결합의 상기 코일은, 상기 플랫 2중 나선 와인딩의 대향하는 단부들에서 상기 주변부를 따라서 위치하는 2개의 원형 하프 와인딩들로 이루어지고; 상기 원형 하프 와인딩들은 직렬로 그리고 일관되게(consistently) 전기적으로 상호 접속되는 것을 특징으로 하는, 무선 충전 방법.
  7. 고정되거나 이동성이 있는 수용가에서의 에너지 저장장치의 무선 충전 시스템에 있어서,
    전력원 포맷으로부터 고주파 교류 전류 포맷으로 전류를 변환하기 위해, 제어되고 주파수 조정 가능한 전류 변환기에 결합되는 전력원, 자기 공진 결합을 갖는 수신기와 전송기, 및 상기 전류를 고주파 전류 포맷으로부터 충전되고 있는 상기 에너지 저장장치의 정상적인 작동을 위해 요구되는 포맷으로의 변환을 위한 변환기를 포함하고,
    상기 전송기의 자기 공진 와인딩은 중심으로부터 주변부까지 2중-와이어 와인딩을 갖는 플랫 나선으로 이루어지고; 상기 수신기의 자기 공진 와인딩은 플랫 단일-와이어 나선을 나타내고; 상기 전송기의 상기 자기 공진 와인딩과 상기 수신기의 상기 자기 공진 와인딩 사이에서 전자기장을 사용하여 전기 에너지가 전송되고; 상기 자기 공진 와인딩의 상기 주변부 리드들은, 전기 에너지 소스 포맷으로부터 고주파 전류 포맷으로 전류를 변환하기 위해 상기 주파수 변환기의 상기 출력 단자들에 접속되고; 상기 2중-와이어 나선 와인딩의 중심 부분의 리드들은 서로 절연되고 상기 전송기의 다른 전도성 부품들 및 구성요소들로부터 절연되며; 상기 수신기에서의 상기 단일-와이어 나선 와인딩의 상기 리드들은, 고주파 전류를 충전되고 있는 상기 에너지 저장장치의 정상적인 작동을 위해 요구되는 포맷으로 변환하기 위해, 상기 변환기의 상기 입력 단자들에 결합되고, 상기 변환기의 상기 출력 단자들은 고정되거나 이동성이 있는 수용가의 상기 수신기에서 에너지 저장장치의 상기 단자들에 접속되는 것을 특징으로 하는, 무선 충전 시스템.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 수신기의 상기 자기 공진 와인딩은 중심으로부터 주변부로 이어지는 와인딩 턴들을 갖는 2중-와이어 나선으로 이루어지고; 상기 수신기에서 상기 2중-와이어 나선 와인딩의 상기 중심 부분에서의 상기 리드들은 서로 절연되고 상기 수신기의 다른 전도성 부품들 및 구성요소들로부터 절연되며, 상기 나선 2중-와이어 와인딩의 상기 주변부로부터의 상기 리드들은, 고주파 전류를 충전되고 있는 상기 저장장치의 정상적인 작동을 위해 요구되는 상기 전류로 변환하기 위해 상기 변환기의 상기 입력에 접속되고; 상기 변환기들의 상기 출력 단자들은 상기 입력 에너지 저장장치 단자들에 접속되고, 상기 수신기에서의 상기 2중-와이어 와인딩의 고유 공진 주파수는 상기 전송기의 상기 플랫 2중-와이어 나선 와인딩의 공진 주파수와 같은, 무선 충전 디바이스.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 전송기에서의 상기 2중-와이어 나선 와인딩의 상기 주변부 리드들은 단락되고; 상기 주파수 변환기와 상기 플랫 2중-와이어 나선 와인딩을 결합하기 위한 자기 결합 코일이 상기 2중-와이어 나선 와인딩의 평면에 위치하고; 상기 결합 코일 리드들은 상기 전류를 상기 전력원 포맷으로부터 고주파 전류 포맷으로 변환하기 위해, 상기 주파수 변환기의 상기 출력 단자들에 접속되는 것을 특징으로 하는, 무선 충전 디바이스.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 전송기에서의 상기 플랫 2중-와이어 나선 와인딩의 상기 자기 결합 코일은 상기 결합 코일로 발진하는 루프를 형성하는 커패시터를 통해 상기 전류 변환기 출력에 접속되고; 상기 직렬 공진 루프의 상기 고유 공진 주파수는 상기 전송기의 상기 플랫 2중-와이어 나선 와인딩의 상기 고유 공진 주파수와 같은 것을 특징으로 하는, 무선 충전 디바이스.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 수신기의 상기 단일-와이어 플랫 나선 와인딩의 상기 리드들은, 상기 단일-와이어 플랫 나선 와인딩으로 직렬 공진 루프를 형성하는 커패시터를 통해, 상기 고주파 전류를 상기 에너지 저장장치의 작동을 위해 요구되는 상기 전류 포맷으로 변환하기 위해 상기 변환기의 상기 입력 단자들에 접속되고; 상기 수신기의 상기 직렬 공진 루프의 상기 공진 주파수는 상기 전송기에서 상기 플랫 2중-와이어 와인딩의 상기 공진 주파수와 같은 것을 특징으로 하는, 무선 충전 디바이스.
  12. 제9 항에 있어서,
    상기 플랫 2중-와이어 나선 와인딩의 주파수 변환기를 갖는 상기 자기 결합 코일은 2개의 원형 하프 와인딩(circular half winding)들로 이루어지고, 상기 하프 와인딩들은 상기 플랫 2중-와이어 나선 와인딩의 대향하는 단부들에서 상기 주변부를 따라서 위치하고, 상기 하프 와인딩들은 직렬로 그리고 일관되게 상호 접속되는 것을 특징으로 하는, 무선 충전 디바이스.
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