KR20210061030A - 무선충전 패드, 무선충전 장치, 및 이를 포함하는 전기 자동차 - Google Patents

무선충전 패드, 무선충전 장치, 및 이를 포함하는 전기 자동차 Download PDF

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Abstract

일 구현예에 따른 무선충전 패드는 2종의 자성 소재를 구비함으로써, 충전 효율이 향상됨과 함께 방열 특성이 개선될 수 있다. 따라서 상기 무선충전 패드 및 이의 구조를 채용하는 무선충전 장치는, 송신기와 수신기 간의 대용량의 전력 전송을 요구하는 전기 자동차 등에 유용하게 사용될 수 있다.

Description

무선충전 패드, 무선충전 장치, 및 이를 포함하는 전기 자동차{WIRELESS CHARGING PAD, WIRELESS CHARGING DEVICE, AND ELECTRIC VEHICLE COMPRISING SAME}
구현예는 무선충전 패드, 무선충전 장치, 및 이를 포함하는 전기 자동차에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 구현예는 방열 구조를 적용하여 충전 효율이 향상된 무선충전 패드, 무선충전 장치, 및 이를 포함하는 전기 자동차에 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 제 2011-0042403 호 참조). 또한, 유럽에서는 시험 운행중인 전기차와 충전소가 눈에 띄기 시작했고, 일본에서는 자동차 제조 업체와 전력 회사들이 주도하여 전기 자동차 및 충전소를 시범적으로 운영하고 있다.
한국 공개특허공보 제2011-0042403호
전기 자동차 등에 사용되는 종래의 무선충전 패드는, 도 3을 참조하여, 무선충전 효율 향상을 위해 코일(200')에 인접하여 자성 소재(300')가 배치되고, 차폐를 위한 쉴드부(400')가 자성 소재(300')와 일정 간격 이격하여 배치된다.
무선충전 패드는 무선충전 동작 중에 코일의 저항과 자성 소재의 자기 손실에 의해 열을 발생한다. 특히 무선충전 패드 내의 자성 소재는 전자기파 에너지 밀도가 높은 코일과 가까운 부분에서 열을 발생하고, 발생한 열은 자성 소재의 자기 특성을 변화시켜 송신 패드와 수신 패드 간의 임피던스 불일치를 유발하여, 충전 효율이 저하되고 이로 인해 다시 발열이 심화되는 문제가 있었다. 그러나 이러한 무선충전 패드는 전기 자동차의 하부 등에 설치되기 때문에, 방진 및 방수와 충격 흡수를 위해 밀폐 구조를 채용하므로 방열 구조를 구현하는데 어려움이 있었다.
이에 본 발명자들이 연구한 결과, 무선충전 패드에 사용되는 자성 소재와 자기 특성이 다른 추가적인 자성 소재를 활용함으로써, 방열 특성이 개선됨과 함께 충전 효율이 향상될 수 있음을 발견하였다.
따라서 구현예의 과제는, 추가적인 자성 소재를 활용함으로써 충전 효율이 향상됨과 함께, 방열 특성이 개선된 무선충전 패드, 무선충전 장치 및 이를 포함하는 전기 자동차를 제공하는 것이다.
일 구현예에 따르면, 전도성 와이어를 포함하는 코일; 상기 코일 상에 배치된 쉴드부; 상기 코일과 상기 쉴드부 사이에 배치된 제 1 자성 소재; 및 상기 쉴드부의 상기 제 1 자성 소재를 향하는 일면 상에 배치된 제 2 자성 소재를 포함하는, 무선충전 패드가 제공된다.
다른 구현예에 따르면, 하우징; 상기 하우징 내에 배치되고 전도성 와이어를 포함하는 코일; 상기 코일 상에 배치된 쉴드부; 상기 코일과 상기 쉴드부 사이에 배치된 제 1 자성 소재; 및 상기 쉴드부의 상기 제 1 자성 소재를 향하는 일면 상에 배치된 제 2 자성 소재를 포함하는, 무선충전 장치가 제공된다.
또 다른 구현예에 따르면, 무선충전 장치를 포함하는 전기 자동차로서, 상기 무선충전 장치가 하우징; 상기 하우징 내에 배치되고 전도성 와이어를 포함하는 코일; 상기 코일 상에 배치된 쉴드부; 상기 코일과 상기 쉴드부 사이에 배치된 제 1 자성 소재; 및 상기 쉴드부의 상기 제 1 자성 소재를 향하는 일면 상에 배치된 제 2 자성 소재를 포함하는, 전기 자동차가 제공된다.
상기 구현예에 따른 무선충전 패드는 2종의 자성 소재를 구비함으로써, 충전 효율이 향상됨과 함께 방열 특성이 개선될 수 있다.
구체적으로, 상기 무선충전 패드는, 기존 자성 소재(예: 페라이트 시트, 고분자형 자성 소재)와 다른 자성 특성을 갖는 추가적인 자성 소재(예: 나노결정성 소재와 같은 금속계 자성 소재)를 쉴드부의 일면에 배치함으로써, 상기 추가 자성 소재의 우수한 자성 특성으로 인해 무선충전 효율을 높이면서, 상기 추가 자성 소재에서 발생하는 열을 쉴드부를 통해 방출시켜 방열 특성도 향상시킬 수 있다.
따라서 상기 무선충전 패드 및 이의 구조를 채용하는 무선충전 장치는, 송신기와 수신기 간의 대용량의 전력 전송을 요구하는 전기 자동차 등에 유용하게 사용될 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 무선충전 패드의 구성도를 나타낸 것이다.
도 2는 일 구현예에 따른 무선충전 장치의 단면도를 나타낸 것이다.
도 3은 종래의 무선충전 패드의 구성도를 나타낸 것이다.
도 4는 무선충전 장치가 수신기로 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 특성 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 패드]
도 1은 일 구현예에 따른 무선충전 패드의 구성도를 나타낸 것이다.
도 1을 참조하여, 일 구현예에 따른 무선충전 패드(10)는, 전도성 와이어를 포함하는 코일(200); 상기 코일(200) 상에 배치된 쉴드부(400); 상기 코일(200)과 상기 쉴드부(400) 사이에 배치된 제 1 자성 소재(300); 및 상기 쉴드부(400)의 상기 제 1 자성 소재(300)를 향하는 일면 상에 배치된 제 2 자성 소재(500)를 포함한다.
이하 상기 무선충전 패드의 각 구성요소별로 구체적으로 설명한다.
지지판
상기 무선충전 패드(10)는 상기 코일(200)을 지지하는 지지판(100)을 더 포함할 수 있다. 상기 지지판의 재질 및 구조는 무선충전 패드에 사용되는 통상적인 지지판의 재질 및 구조를 채용할 수 있다. 상기 지지판은 평판 구조 또는 코일을 고정시킬 수 있도록 코일 형태를 따라 홈이 파여진 구조를 가질 수 있다.
코일
상기 코일은 전도성 와이어를 포함한다.
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 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.
상기와 같은 바람직한 평면 코일 치수 및 규격 범위 내일 때, 전기 자동차와 같은 대용량 전력 전송을 요구하는 분야에 적합할 수 있다.
쉴드부
상기 쉴드부는 상기 코일 상에 배치된다.
상기 쉴드부는 전자파 차폐를 통해 외부로 전자파가 누설되어 발생될 수 있는 전자기 간섭(EMI, electromagnetic interference)을 억제한다.
상기 쉴드부는 상기 코일과 일정 간격 이격되어 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 쉴드부와 상기 코일의 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.
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 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.
제 1 자성 소재
상기 제 1 자성 소재는 상기 코일과 상기 쉴드부 사이에 배치된다.
상기 제 1 자성 소재는 상기 쉴드부와 일정 간격 이격되어 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 자성 소재와 상기 쉴드부의 이격 거리는 3 mm 이상, 5 mm 이상, 3 mm 내지 10 mm, 또는 4 mm 내지 7 mm일 수 있다.
또한 상기 제 1 자성 소재는 상기 코일과 일정 간격 이격되어 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 자성 소재와 상기 코일의 이격 거리는 0.2 mm 이상, 0.5 mm 이상, 0.2 mm 내지 3 mm, 또는 0.5 mm 내지 1.5 mm일 수 있다.
자성 분말
상기 제 1 자성 소재는 바인더 수지 및 상기 바인더 수지 내에 분산된 자성 분말을 포함할 수 있다.
이에 따라, 상기 제 1 자성 소재는 바인더 수지에 의해 자성 분말들이 서로 결합됨으로써, 넓은 면적에서 전체적으로 결함이 적으면서 충격에 의해 손상이 적을 수 있다.
상기 자성 분말은 페라이트(Ni-Zn계, Mg-Zn계, Mn-Zn계 페라이트 등)와 같은 산화물계 자성 분말; 퍼말로이(permalloy), 샌더스트(sendust), 나노결정성(nanocrystalline) 자성체와 같은 금속계 자성 분말; 또는 이들의 혼합 분말일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 자성 분말은 Fe-Si-Al 합금 조성을 갖는 샌더스트 입자일 수 있다.
일례로서, 상기 자성 분말은 하기 화학식 1의 조성을 가질 수 있다.
[화학식 1]
Fe1-a-b-c Sia Xb Yc
상기 식에서, X는 Al, Cr, Ni, Cu, 또는 이들의 조합이고; Y는 Mn, B, Co, Mo, 또는 이들의 조합이고; 0.01 ≤ a ≤ 0.2, 0.01 ≤ b ≤ 0.1, 및 0 ≤ c ≤ 0.05 이다.
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 제 1 자성 소재는 상기 자성 분말을 50 중량% 이상, 70 중량% 이상, 또는 85 중량% 이상의 양으로 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제 1 자성 소재는 상기 자성 분말을 50 중량% 내지 99 중량%, 70 중량% 내지 95 중량%, 70 중량% 내지 90 중량%, 75 중량% 내지 90 중량%, 75 중량% 내지 95 중량%, 80 중량% 내지 95 중량%, 또는 80 중량% 내지 90 중량%의 양으로 포함할 수 있다.
바인더 수지
상기 바인더 수지는 경화성 수지일 수 있다. 구체적으로, 상기 바인더 수지는 광경화성 수지, 열경화성 수지 및/또는 고내열 열가소성 수지를 포함할 수 있으며, 바람직하게는 열경화성 수지를 포함할 수 있다.
이와 같이 경화되어 접착성을 나타낼 수 있는 수지로서, 글리시딜기, 이소시아네이트기, 히드록실기, 카복실기 또는 아미드기 등과 같은 열에 의한 경화가 가능한 관능기 또는 부위를 하나 이상 포함하거나; 또는 에폭시드(epoxide)기, 고리형 에테르(cyclic ether)기, 설파이드(sulfide)기, 아세탈(acetal)기 또는 락톤(lactone)기 등과 같은 활성 에너지에 의해 경화가 가능한 관능기 또는 부위를 하나 이상 포함하는 수지를 사용할 수 있다. 이와 같은 관능기 또는 부위는 예를 들어 이소시아네이트기(-NCO), 히드록실기(-OH), 또는 카복실기(-COOH)일 수 있다.
구체적으로, 상기 경화성 수지는, 상술한 바와 같은 관능기 또는 부위를 적어도 하나 이상 가지는 폴리우레탄 수지, 아크릴 수지, 폴리에스테르 수지, 이소시아네이트 수지 또는 에폭시 수지 등이 예시될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
일례로서, 상기 바인더 수지는 폴리우레탄계 수지, 이소시아네이트계 경화제 및 에폭시계 수지를 포함할 수 있다.
상기 제 1 자성 소재는 상기 바인더 수지를 5 중량% 내지 40 중량%, 5 중량% 내지 20 중량%, 5 중량% 내지 15 중량%, 또는 7 중량% 내지 15 중량%의 양으로 함유할 수 있다.
또한, 상기 제 1 자성 소재는 이의 중량을 기준으로, 상기 바인더 수지로서, 6 중량% 내지 12 중량%의 폴리우레탄계 수지, 0.5 중량% 내지 2 중량%의 소시아네이트계 경화제, 및 0.3 중량% 내지 1.5 중량%의 에폭시계 수지를 포함할 수 있다.
제 1 자성 소재의 제조방법
상기 제 1 자성 소재는 자성 분말과 고분자 수지 조성물을 혼합하여 슬러리화한 후 시트 형상으로 성형하고 경화(열 경화 등)하는 등의 시트화 과정으로 제조할 수 있으나, 일정한 두께를 갖는 대면적의 자성 소재를 제조하기 위해 몰드를 이용한 성형의 방식으로 블록을 제조할 수 있다.
상기 제조의 방법에는 통상의 시트화 또는 블록화 방법이 적용될 수 있다.
제 1 자성 소재의 면적 및 두께
상기 제 1 자성 소재는 자성 시트, 자성 시트 적층체, 또는 자성 블록일 수 있다.
상기 제 1 자성 소재는 대면적을 가질 수 있고, 구체적으로 200 cm2 이상, 400 cm2 이상, 또는 600 cm2 이상의 면적을 가질 수 있다. 또한, 상기 제 1 자성 소재는 10,000 cm2 이하의 면적을 가질 수 있다.
상기 대면적의 제 1 자성 소재는 다수의 단위 자성 소재가 조합되어 구성될 수 있으며, 이때, 상기 단위 자성 소재의 면적은 60 cm2 이상, 90 cm2, 또는 95 cm2 내지 900 cm2일 수 있다.
상기 자성 시트의 두께는 80 ㎛ 이상, 또는 85 ㎛ 내지 150 ㎛일 수 있다. 이러한 자성 시트는 통상의 필름 또는 시트를 제조하는 방법으로 제조될 수 있다.
상기 자성 시트의 적층체는 상기 자성 시트가 20장 이상, 또는 50장 이상 적층된 것일 수 있다. 또한 상기 자성 시트의 적층체는 상기 자성 시트가 150장 이하, 또는 100장 이하로 적층된 것일 수 있다.
상기 자성 블록의 두께는 1 mm 이상, 2 mm 이상, 3 mm 이상, 또는 4 mm 이상일 수 있다. 또한, 상기 자성 블록의 두께는 6 mm 이하일 수 있다.
제 1 자성 소재의 자성 특성
상기 제 1 자성 소재는 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 제 1 자성 소재의 79 kHz 내지 90 kHz의 주파수 대역에서 투자율은 소재에 따라 달라질 수 있고, 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 제 1 자성 소재의 79 kHz 내지 90 kHz의 주파수 대역에서 투자손실은 소재에 따라 달라질 수 있고, 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.
구체적인 예로서, 상기 제 1 자성 소재는 79 kHz 내지 90 kHz의 주파수 대역에서 30 내지 220의 투자율 및 3 내지 20의 투자손실을 가질 수 있다.
제 1 자성 소재의 특성
상기 제 1 자성 소재는 일정 비율로 신장될 수 있다. 예를 들어 상기 제 1 자성 소재의 신장율은 0.5% 이상일 수 있다. 상기 신장 특성은 고분자를 적용하지 않는 세라믹계 자성 소재에서는 얻기 어려운 것으로, 대면적의 자성 소재가 충격에 의해 뒤틀림 등이 발생하더라도 손상을 줄여줄 수 있다. 구체적으로, 상기 제 1 자성 소재의 신장율은 0.5% 이상, 1% 이상, 또는 2.5% 이상일 수 있다. 상기 신장율의 상한에는 특별한 제한이 없으나, 신장율 향상을 위해 고분자 수지의 함량이 많아지는 경우, 자성 소재의 인턱턴스 등의 특성이 떨어질 수 있으므로, 상기 신장율은 10% 이하인 것이 좋다.
상기 제 1 자성 소재는 충격 전후의 특성 변화율이 적으며, 일반적인 페라이트 자성시트와 비교하여 월등하게 우수하다.
본 명세서에서 충격 전후의 특성 변화율(%)은 아래 식으로 계산될 수 있다.
특성 변화율(%)=|충격 전 특성 값-충격 후 특성 값|/충격 전 특성 값×100
예를 들어, 상기 제 1 자성 소재는 1 m의 높이에서 자유 낙하시켜 인가한 충격 전과 후의 인덕턴스 변화율이 5% 미만, 또는 3% 이하일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 인덕턴스 변화율은 0% 내지 3%, 0.001% 내지 2%, 또는 0.01% 내지 1.5%일 수 있다. 상기 범위 내일 때, 충격 전후의 인덕턴스 변화율이 상대적으로 적어서 자성 소재의 안정성이 보다 향상될 수 있다.
또한, 상기 제 1 자성 소재는 1 m의 높이에서 자유 낙하시켜 인가한 충격 전과 후의 품질계수(Q factor) 변화율이 0% 내지 5%, 0.001% 내지 4%, 또는 0.01% 내지 2.5%일 수 있다. 상기 범위 내일 때, 충격 전후의 특성 변화가 적어서 자성 소재의 안정성과 내충격성이 보다 향상될 수 있다.
또한, 상기 제 1 자성 소재는 1 m의 높이에서 자유 낙하시켜 인가한 충격 전과 후의 저항 변화율이 0% 내지 2.8%, 0.001% 내지 1.8%, 또는 0.1% 내지 1.0%일 수 있다. 상기 범위 내일 때, 실재 충격과 진동이 가해지는 환경에서 반복하여 적용하더라도 저항값이 일정 수준 이하로 잘 유지될 수 있다.
또한, 상기 제 1 자성 소재는 1 m의 높이에서 자유 낙하시켜 인가한 충격 전과 후의 충전효율 변화율이 0% 내지 6.8%, 0.001% 내지 5.8%, 또는 0.01% 내지 3.4%일 수 있다. 상기 범위 내일 때, 대면적의 자성 소재가 충격이나 뒤틀림이 반복적으로 발생하더라도 특성을 보다 안정적으로 유지할 수 있다.
제 2 자성 소재
상기 구현예에 따른 무선충전 패드는 상기 제 1 자성 소재 외에 추가의 제 2 자성 소재를 구비함으로써, 충전 효율이 향상됨과 함께 방열 특성을 개선할 수 있다.
상기 제 2 자성 소재는 상기 쉴드부의 상기 제 1 자성 소재를 향하는 일면 상에 배치된다.
예를 들어, 상기 제 2 자성 소재는 상기 쉴드부의 일면에 부착되어, 상기 제 2 자성 소재에서 발생하는 열이 상기 쉴드부를 통해 효과적으로 배출될 수 있다. 구체적으로, 상기 제 2 자성 소재는 상기 쉴드부의 일면에 열전도성 접착제로 부착됨으로써, 방열 효과를 더욱 높일 수 있다.
상기 열전도성 접착제는 금속계, 카본계, 세라믹계 등의 열전도성 소재를 포함할 수 있으며, 예를 들어, 열전도성 입자가 분산된 접착제 수지일 수 있다.
상기 제 2 자성 소재는 상기 제 1 자성 소재와 일정 거리 이격되어 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 자성 소재와 상기 제 2 자성 소재의 이격 거리는 1 mm 이상, 2 mm 이상, 1 mm 내지 10 mm, 2 mm 내지 7 mm, 3 mm 내지 5 mm, 또는 5 mm 내지 10 mm일 수 있다. 구체적으로 제 2 자성 소재는 상기 제 1 자성 소재와 1 mm 내지 6 mm 이격되어 배치될 수 있다.
상기 제 2 자성 소재는 시트 형태 또는 리본 형태를 가질 수 있다. 상기 제 2 자성 소재는 상기 제 1 자성 소재와 동일한 면적을 갖거나, 이와 다른 면적을 가질 수 있다.
예를 들어, 상기 제 2 자성 소재는 상기 제 1 자성 소재와 동일하게 대면적을 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 제 2 자성 소재의 면적은 200 cm2 이상, 400 cm2 이상, 또는 600 cm2 이상일 수 있다. 또한, 상기 제 2 자성 소재의 면적은 10,000 cm2 이하일 수 있다.
또는 상기 제 2 자성 소재는 상기 제 1 자성 소재보다 작은 면적을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 제 2 자성 소재는 상기 코일이 존재하는 영역에 대응하여 배치될 수 있다. 구체적으로, 상기 제 2 자성 소재는 상기 코일의 면적에 대응하는 면적을 가질 수 있다. 이에 따라 상기 제 2 자성 소재는 작은 면적으로도 충전 효율과 방열 특성을 효과적으로 향상시킬 수 있다.
제 2 자성 소재의 자성 특성
상기 제 2 자성 소재는 전기 자동차의 무선충전 표준 주파수 근방에서 특정 범위의 자성 특성을 가질 수 있다.
예를 들어 상기 제 2 자성 소재의 79 kHz 내지 90 kHz의 주파수 대역에서 투자율은 소재에 따라 달라질 수 있고, 넓게는 5 내지 150,000일 수 있으며, 구체적인 소재에 따라 5 내지 300, 500 내지 3,500, 100 내지 50,000, 또는 10,000 내지 150,000일 수 있다. 또한 상기 제 2 자성 소재의 79 kHz 내지 90 kHz의 주파수 대역에서 투자손실은 소재에 따라 달라질 수 있고, 넓게는 0 내지 50,000일 수 있으며, 구체적인 소재에 따라 0 내지 1,000, 1 내지 100, 100 내지 1,000, 또는 1,000 내지 10,000일 수 있다.
구체적인 예로서, 상기 제 2 자성 소재는 79 kHz 내지 90 kHz의 주파수 대역에서 800 내지 15,000의 투자율 및 70 내지 9,000의 투자손실을 가질 수 있다.
바람직하게는, 상기 제 2 자성 소재는 상기 제 1 자성 소재에 비해 비교적 높은 투자율을 가짐으로써 무선충전 패드의 충전효율을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 제 2 자성 소재는 상기 제 1 자성 소재 대비 79 kHz 내지 90 kHz에서 높은 투자율을 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 제 2 자성 소재와 상기 제 1 자성 소재 간의 79 kHz 내지 90 kHz에서의 투자율 차이는 100 이상, 500 이상, 1,000 이상, 또는 10,000 이상일 수 있고, 구체적으로 100 내지 200,000, 500 내지 50,000, 또는 1,000 내지 10,000일 수 있다.
무선충전 시에 자속 밀도는 코일과 근접할수록 높지만, 자성 소재가 코일 주위에 있을 경우에 자성 소재에 자속이 집속되며, 하나 이상의 자성 소재가 있을 경우에는 자성 소재의 투자율의 크기 순서로 자속 밀도가 커지게 된다. 따라서, 제 1 자성 소재 대비 높은 투자율을 갖는 제 2 자성 소재를 적절히 배치하게 되면 자속을 효과적으로 배분할 수 있다.
또한 상기 제 2 자성 소재의 수평 열전도율은 1 W/m·K 이상일 수 있고, 예를 들어 1 W/m·K 내지 30 W/m·K, 또는 10 W/m·K 내지 20 W/m·K일 수 있다. 또한 상기 제 2 자성 소재의 수직 열전도율은 0.1 W/m·K 이상일 수 있고, 예를 들어 0.1 W/m·K 내지 2 W/m·K, 또는 0.5 W/m·K 내지 1.5 W/m·K일 수 있다. 구체적으로, 상기 제 2 자성 소재는 1 W/m·K 내지 30 W/m·K의 수평 열전도율 및 0.1 W/m·K 내지 2 W/m·K의 수직 열전도율을 가질 수 있다.
따라서 상기 제 2 자성 소재에서 투자손실로 인해 무선충전 중에 발생된 열은 상기 제 2 자성 소재에 인접한 쉴드부를 통해 배출될 수 있다.
제 2 자성 소재의 조성
상기 제 2 자성 소재는 금속계 자성 소재를 포함할 수 있다.
상기 제 2 자성 소재는 나노결정성(nanocrystalline) 자성 소재를 포함할 수 있다.
상기 제 2 자성 소재로 나노결정성 자성 소재를 적용 시에, 코일과 거리가 멀어질수록 코일의 인덕턴스(Ls)가 낮아지더라도 저항(Rs)이 더욱 낮아짐으로써 코일의 품질계수(Q factor: Ls/Rs)가 높아져서 충전 효율이 향상되고 발열이 줄어들 수 있다.
예를 들어, 상기 제 2 자성 소재는 Fe계 나노결정성 자성 소재일 수 있고, 구체적으로 Fe-Si-Al계 나노결정성 자성 소재, Fe-Si-Cr계 나노결정성 자성 소재, 또는 Fe-Si-B-Cu-Nb계 나노결정성 자성 소재일 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 제 2 자성 소재는 Fe-Si-B-Cu-Nb계 나노결정성 자성 소재일 수 있고, 이 경우, Fe가 70 원소% 내지 85 원소%, Si 및 B의 합이 10 원소% 내지 29 원소%, Cu와 Nb의 합이 1 원소% 내지 5 원소%일 수 있다(여기서 원소%란 자성 소재를 이루는 총 원소의 갯수에 대한 특정 원소의 갯수의 백분율을 의미한다). 상기 조성 범위에서 Fe-Si-B-Cu-Nb계 합금이 열처리에 의해 나노결정성 자성 소재로 쉽게 형성될 수 있다.
제 2 자성 소재의 제조방법
상기 나노결정성 자성 소재는, 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.
만약 열처리 온도가 300℃ 미만인 경우 나노결정이 충분히 생성되지 않아 원하는 투자율이 얻어지지 않으며 열처리 시간이 길게 소요될 수 있고, 700℃를 초과하는 경우는 과열처리에 의해 투자율이 현저하게 낮아질 수 있다. 또한, 열처리 온도가 낮으면 처리시간이 길게 소요되고, 반대로 열처리 온도가 높으면 처리시간은 단축되는 것이 바람직하다.
상기 제 2 자성 소재의 두께는 15 ㎛ 내지 150 ㎛일 수 있다. 한편 나노결정성 자성 소재는 제조 공정상 두꺼운 두께를 만들기 어려우며 예를 들어 15 ㎛ 내지 35 ㎛의 두께의 박막 시트로 형성될 수 있다. 따라서 이러한 박막 시트를 여러 장 적층하여 제 2 자성 소재를 형성할 수 있다. 이때 상기 박막 시트 사이에는 접착 테이프와 같은 접착제층이 삽입될 수 있다.
또한 상기 제 2 자성 소재는 제조 공정 후단에 가압 롤 등에 의해 파쇄하여 박막 시트에 다수의 크랙을 형성함으로써, 복수 개의 나노결정성 미세 조각들을 포함하도록 제조할 수 있다.
[무선충전 장치]
도 2는 일 구현예에 따른 무선충전 장치의 단면도를 나타낸 것이다.
도 2를 참조하여, 일 구현예에 따른 무선충전 장치(11)는, 하우징(600); 상기 하우징(600) 내에 배치되고 전도성 와이어를 포함하는 코일(200); 상기 코일(200) 상에 배치된 쉴드부(400); 상기 코일(200)과 상기 쉴드부(400) 사이에 배치된 제 1 자성 소재(300); 및 상기 쉴드부(400)의 상기 제 1 자성 소재(300)를 향하는 일면 상에 배치된 제 2 자성 소재(500)를 포함한다.
상기 무선충전 장치의 구성요소 중에서 코일, 쉴드부, 제 1 자성 소재 및 제 2 자성 소재의 구성 및 특징은 앞서 무선충전 패드에서 설명한 바와 같다. 따라서, 상기 무선충전 장치는 앞서 무선충전 패드의 구성 및 특성을 실질적으로 포함한다.
상기 하우징은 상기 코일, 쉴드부, 제 1 자성 소재 및 제 2 자성 소재가 적절하게 배치되어 조립될 수 있게 한다. 상기 하우징의 재질 및 구조는 무선충전 장치에 사용되는 통상적인 하우징의 재질 및 구조를 채용할 수 있다.
상기 구현예에 따른 무선충전 장치는, 상기 코일을 지지하는 지지판을 더 포함할 수 있다. 상기 무선충전 장치의 지지판, 코일, 쉴드부, 자성 소재의 구성 및 특징은 앞서 설명한 바와 같다.
또한 상기 구현예에 따른 무선충전 장치는, 상기 쉴드부와 자성 소재 간의 공간을 확보하기 위한 스페이서를 더 포함할 수 있다. 상기 스페이서의 재질 및 구조는 무선충전 장치에 사용되는 통상적인 하우징의 재질 및 구조를 채용할 수 있다.
상기 무선충전 장치는, 2종의 자성 소재를 구비하는 무선충전 패드를 채용함으로써 충전 효율이 향상됨과 함께 방열 특성이 개선될 수 있다.
따라서 상기 무선충전 장치는, 송신기와 수신기 간의 대용량의 전력 전송을 요구하는 전기 자동차 등에 유용하게 사용될 수 있다.
[전기 자동차]
도 4는 무선충전 장치가 적용된 전기 자동차를 나타낸 것이다.
상기 전기 자동차는 전기 자동차용 무선 충전 시스템이 구비된 주차 구역에서 무선으로 충전될 수 있다.
도 4를 참조하여, 일 구현예에 따른 전기 자동차(1)는, 상기 구현예에 따른 무선충전 장치를 수신기(21)로 포함한다. 상기 무선충전 장치는 전기 자동차(1)의 무선충전의 수신기(21)로 역할하고 무선충전의 송신기(22)로부터 전력을 공급받을 수 있다.
구체적으로, 상기 전기 자동차는 무선충전 장치를 포함하고, 상기 무선충전 장치가 하우징; 상기 하우징 내에 배치되고 전도성 와이어를 포함하는 코일; 상기 코일 상에 배치된 쉴드부; 상기 코일과 상기 쉴드부 사이에 배치된 제 1 자성 소재; 및 상기 쉴드부의 상기 제 1 자성 소재를 향하는 일면 상에 배치된 제 2 자성 소재를 포함한다.
상기 전기 자동차에 포함되는 무선충전 장치의 각 구성요소들의 구성 및 특징은 앞서 설명한 바와 같다.
상기 무선충전 장치는 상기 자동차의 하부에 구비될 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.
또한 상기 전기 자동차는 충전에 대한 정보를 전기 자동차용 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.
[실시예]
이하 보다 구체적인 실시예들이 설명되나, 이들 실시예의 범위로 한정되는 것은 아니다.
제조예 1: 자성 소재의 제조
단계 1) 자성 분말 슬러리 제조
42.8 중량부의 자성 분말, 15.4 중량부의 폴리우레탄계 수지 분산액(폴리우레탄계 수지 25 중량%, 2-부탄온 75 중량%), 1.0 중량부의 이소시아네이트계 경화제 분산액(이소시아네이트계 경화제 62 중량%, n-부틸 아세테이트 25 중량%, 2-부탄온 13 중량%), 0.4 중량부의 에폭시계 수지 분산액(에폭시계 수지 70 중량%, n-부틸 아세테이트 3 중량%, 2-부탄온 15 중량%, 톨루엔 12 중량%), 및 40.5 중량부의 톨루엔을 플래너터리 믹서(planetary mixer)에서 약 40~50 rpm의 속도로 약 2시간 동안 혼합하여, 자성 분말 슬러리를 제조하였다.
단계 2) 자성 시트 적층체의 제조
앞서 제조된 자성 분말 슬러리를 캐리어 필름 상에 콤마 코터에 의해서 코팅하고, 약 110℃의 온도로 건조하여 건조 자성복합체를 형성하였다. 상기 건조 자성복합체를 약 170℃의 온도에서 약 9 Mpa의 압력으로 약 60분간 핫프레스 공정으로 압축 경화시켜 시트형 자성복합체를 얻었다. 이렇게 제조된 자성복합체의 자성 분말 함량은 약 90 중량%이었고, 시트 한 장의 두께는 약 100 ㎛이었다. 상기 시트는 40~50장을 적층하여 약 4.8 mm 두께의 자성복합체를 형성하여 이후 실시예에 적용하였다.
비교예: 페라이트 자성 시트
TDK 사의 PC-95 페라이트 자성 시트(두께 5mm)를 사용하였다.
실시예 1: 무선충전 패드의 제조
SAE J2954 WPT2 Z2 Class standard TEST 규격 코일 및 하우징을 적용하고, 상기 제조예 1에서 얻은 자성 소재, 나노결정성 자성 시트(두께 0.2 mm, 히타치사), 스페이서 및 알루미늄판을 조립하여, 35.5 cm × 35.5 cm 규격의 무선충전 패드를 제조하였다.
실시예 2: 무선충전 패드의 제조
상기 실시예 1과 동일한 절차를 반복하여, 67.48 cm × 59.1 cm 규격의 무선충전 패드를 제조하였다.
시험예 - 자성 소재 평가
상기 제조예 1에서 얻은 자성 소재에 대해 아래의 방법으로 시험을 수행하였다. 또한 비교예로서 시중에서 판매하는 페라이트 자성 시트(PC-95, TDK사)에 대해 동일한 시험을 하였다. 시험은 상기 실시예 1의 무선충전 패드를 수신기로, 상기 실시예 2의 무선충전 패드를 송신기로 사용하였다.
(1) 신장율
ASTM D412 Type C의 방법으로 충격 전의 두께 70 ㎛ 샘플에 대해, UTM 기기(INSTRON 5982, INSTRON사)를 이용하여 신장율을 측정하였다.
(2) 충격 전/후 특성
샘플을 1m의 높이에서 자유 낙하하여 충격을 인가한 뒤, 충격 전후의 특성을 아래 식에 의해 계산하였다.
특성 변화율(%)=|충격 전 특성 값-충격 후 특성 값|/충격 전 특성 값×100
인덕턴스는 LCR Meter(IM3533, HIOKI사)를 이용하여 측정하였다.
저항은 LCR Meter(IM3533, HIOKI사)를 이용하여 측정하였다.
품질계수(Q Factor)는 인덕턴스×주파수×2π/저항 값으로 계산되었다.
충전효율은 출력전력 1000W, 주파수 85 kHz의 조건에서 측정하였다.
구 분 충격인가 신장율
(%)		 인덕턴스
(μH)		 품질계수 저항
(mΩ)		 충전효율
(%)
비교예 전 0 230 481 263 94
후 0 218 414 290 91
제조예 1 전 3 225 444 279 93
후 3 225 442 280 93
구 분 신장율(%) 인덕턴스
변화율(%)		 품질계수
변화율(%)		 저항
변화율(%)		 충전효율
변화율(%)
비교예 0 5.2 14 10.3 3
제조예 1 3 0 0.36 0.36 0
상기 표 1에서 보듯이, 비교예의 페라이트 시트는 신장율이 0%인 반면, 제조예 1의 자성 소재는 신장율이 3%로 측정되었다. 또한 제조예 1의 자성 소재는 인덕턴스, 품질계수 및 저항 면에서 충격 전의 특성이 우수할 뿐만 아니라, 충격 후의 특성 변화율이 0~1% 범위로 측정되어 내충격 특성도 우수하였다. 반면, 비교예의 페라이트 시트는 인덕턴스, 품질계수 및 저항 면에서 충격 후의 변화율이 높게 측정되었으며, 특히 충전효율 변화율(감소율)이 3%로 높게 측정되었다. 이로부터 전기차와 같이 운행 과정에서 충격이 가해지기 쉬운 환경에서, 종래의 페라이트 시트 대비 제조예 1의 자성 소재가 무선충전 장치에 적합함을 확인할 수 있었다.
1: 전기 자동차, 10, 10': 무선충전 패드,
11: 무선충전 장치,
21: 수신기, 22: 송신기,
100, 100': 지지판, 200, 200': 코일,
300: 제 1 자성 소재, 300': 자성 소재
400, 400': 쉴드부, 500: 제 2 자성 소재,
600: 하우징.

Claims (13)

  1. 전도성 와이어를 포함하는 코일;
    상기 코일 상에 배치된 쉴드부;
    상기 코일과 상기 쉴드부 사이에 배치된 제 1 자성 소재; 및
    상기 쉴드부의 상기 제 1 자성 소재를 향하는 일면 상에 배치된 제 2 자성 소재를 포함하는, 무선충전 패드.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 자성 소재가 79 kHz 내지 90 kHz의 주파수 대역에서 800 내지 15,000의 투자율 및 70 내지 9,000의 투자손실을 갖는, 무선충전 패드.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 자성 소재가 79 kHz 내지 90 kHz의 주파수 대역에서 30 내지 220의 투자율 및 3 내지 20의 투자손실을 갖는, 무선충전 패드.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 자성 소재가 1 W/m·K 내지 30 W/m·K의 수평 열전도율 및 0.1 W/m·K 내지 2 W/m·K의 수직 열전도율을 갖는, 무선충전 패드.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 자성 소재가 금속계 자성 소재를 포함하는, 무선충전 패드.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 자성 소재가 나노결정성(nanocrystalline) 자성 소재를 포함하는, 무선충전 패드.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 자성 소재가 바인더 수지 및 상기 바인더 수지 내에 분산된 자성 분말을 포함하는, 무선충전 패드.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 자성 소재가 상기 쉴드부의 일면에 열전도성 접착제로 부착되는, 무선충전 패드.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 자성 소재가 상기 코일이 존재하는 영역에 대응하여 배치되는, 무선충전 패드.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 자성 소재가 상기 제 1 자성 소재와 1 mm 내지 6 mm 이격되어 배치되는, 무선충전 패드.
  11. 하우징;
    상기 하우징 내에 배치되고 전도성 와이어를 포함하는 코일;
    상기 코일 상에 배치된 쉴드부;
    상기 코일과 상기 쉴드부 사이에 배치된 제 1 자성 소재; 및
    상기 쉴드부의 상기 제 1 자성 소재를 향하는 일면 상에 배치된 제 2 자성 소재를 포함하는, 무선충전 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 자성 소재가 바인더 수지 및 상기 바인더 수지 내에 분산된 자성 분말을 포함하고, 상기 제 2 자성 소재가 금속계 자성 소재를 포함하는, 무선충전 장치.
  13. 무선충전 장치를 포함하는 전기 자동차로서,
    상기 무선충전 장치가
    하우징;
    상기 하우징 내에 배치되고 전도성 와이어를 포함하는 코일;
    상기 코일 상에 배치된 쉴드부;
    상기 코일과 상기 쉴드부 사이에 배치된 제 1 자성 소재; 및
    상기 쉴드부의 상기 제 1 자성 소재를 향하는 일면 상에 배치된 제 2 자성 소재를 포함하는, 전기 자동차.
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KR20110042403A (ko) 2009-10-19 2011-04-27 김현민 전기자동차용 무선충전 시스템 및 그충전방법

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