KR20210079884A - 무선전력 송수신장치, 무선전력 송신장치 및 무선전력 수신장치 - Google Patents

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Abstract

실시예의 무선전력 송수신장치는 다상의 고주파 전력을 송신하는 송신 코일부와, 상기 송신 코일부로부터 자기 유도 방식에 의해 다상의 고주파 전력을 수신하는 수신 코일부를 포함하고, 상기 송신 코일부는 제1 상의 고주파 전력을 송신하는 복수의 제1 송신코일과, 제2 상의 고주파 전력을 송신하는 복수의 제2 송신코일과, 제3 상의 고주파 전력을 송신하는 복수의 제3 송신코일을 포함하고, 상기 제1 송신코일 내지 상기 제3 송신코일은 기준점을 기준으로 동일한 거리 내에 배치될 수 있다.
실시예는 하나의 상에 대해 복수의 코일로 이루어지도록 구성함으로써, 전력 효율을 극대화시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

무선전력 송수신장치, 무선전력 송신장치 및 무선전력 수신장치{APPARATUS FOR TRANSMITTING AND RECEIVING WIRELESS POWER, APPARATUS FOR TRANSMMITING WIRELESS POWER AND APPARATUS FOR RECEIVING WIRELESS POWER}
실시예는 무선전력 송수신장치에 관한 것이다.
오늘날 전기 자동차는 새로운 이동 수단으로서 주목 받고 있는데, 전기 에너지는 환경 오염을 유발하는 기존의 화석 연료를 대체할 수 있는 친환경 에너지원이다. 전기 자동차는 전기를 연료로 사용하기 때문에 매연과 이산화탄소가 거의 발생하지 않는다. 따라서, 전기 자동차는 친환경 이동 수단으로서 그 역할이 더 커지고 있다.
전기 자동차의 충전 방식은 크게 완속 충전(Slow charging)과 급속 충전(Fast charging)으로 구분될 수 있다. 완속 충전의 경우, 가정용 전원 등을 활용하여 충전을 할 수 있는 장점이 있으나, 3시간 이상 충전 시간이 요구되는 단점이 있다. 급속 충전의 경우, 30분 이내의 충전 시간이 요구된다는 장점이 있으나, 높은 전압과 전류를 활용하는 고전력 무선충전 장치가 요구되는 단점이 있다.
현재는 가정에서 충전할 경우 주로 완속 충전을 활용하지만, 주차장 및 충전소 등에서는 급속 충전이 활용되고 있다. 또한, 기존의 충전 방식은 플러그를 삽입하여 전기 에너지를 공급하는 플러그 인 방식이 있으나, 이러한 방법은 운전자에게 충전을 위한 조작이 요구된다는 점에서 불편함을 유발시키게 된다.
이러한 문제를 해소하기 위해 무선충전기술을 적용하여 사용자에게 요구되는 잦은 충전 조작을 해소할 수 있다.
고전력을 기반으로 하는 무선전력 전송장치를 활용할 경우, 충전을 위해 요구되는 시간을 절감할 수 있음과 더불어 충전을 위해 운전자에게 요구되는 조작을 최소화할 수 있게 된다.
전기차 충전을 위한 무선충전기술은 자기유도 결합 기반의 무선전력전송 기술인 유도전력전송이 주로 활용되며, 이는 전도체의 직접적인 연결없이 자기장 결합을 통해 전기 에너지가 유도되는 것을 원리로 동작된다.
유도전력전송 기술은 전기에너지 전달의 매개체인 자기장의 강도가 증가할수록 전달될 수 있는 전기에너지의 규모가 증가하므로, 급속 충전을 위한 유도전력전송 장치는 높은 강도의 자기장 생성이 요구된다.
무선충전 동작 시 전기차에 전송되지 않고 외부로 방사되는 누설자기장이 발생하게 되며, 고밀도의 자기장이 외부로 방사될 경우, 인제 및 주변 전자장치에 부정적인 영향을 미칠 수 있다.
누설자기장의 강도는 무선충전장치의 코일에 흐르는 전류의 강도가 증가할수록 증가하게 되므로 무선충전장치의 전력이 증가할수록 누설 자기장에 따른 위험성 또한 증가하게 된다.
이러한 누설자기장을 저감시키기 위해 부수적인 차폐 장치를 적용하는 방법이 소개된 바 있지만, 부수적인 장치의 적용이 요구된다는 점에서 무선충전장치의 효율이 저하되는 문제가 있다.
즉, 전기 자동차 급속 충전에 있어 높은 전력량을 기반으로 급속 충전을 가능하게 함과 동시에 누설자기장 발생으로 인체 및 주변 전자장치에 대한 부정적 영향을 최소화할 수 있는 무선충전 구현 방법이 요구된다.
전기자동차의 무선 충전에 있어서, 다수의 코일을 사용하는 3상(Three-Phase) 무선전력전송 시스템을 구성하여 문제를 해결하고 있다.
즉, 종래 무선전력전송 시스템은 3상 간 위상차를 활용하여 각 상에서 발생되는 누설 자기장들이 서로 상쇄될 수 있도록 한다. 이러한 종래 기술은 차폐를 위한 별도의 코일을 적용하지 않더라도 전력 전송을 위한 각각의 관계를 이용할 경우, 차폐를 위한 별도의 코일을 적용하지 않더라도 전력 전송을 위한 각각의 코일에서 발생하는 누설자기장이 서로 상쇄되어 결과적으로 인체 및 외부 전자기기에 대한 자기장의 영향을 저감시킬 수 있다.
종래 3상 무선전력전송 시스템은 각 상에 대해 각각의 코일이 적용되며 3개의 코일이 사용된다. 누설자기장의 저감은 3개의 코일 중 두 개의 코일에서 발생하는 자기장의 합성 자기장에 대해 남은 한 상의 코일에서 발생하는 자기장이 자기장 벡터에 따라 상쇄효과가 발생하는 것을 원리로 한다.
하지만, 종래 3상 무선전력전송 시스템은 각 코일의 중심으로부터 특정 측정지점까지의 이격 거리가 상이하여 누설 자기장 저감 효과가 감소하게 된다.
또한, 각 상에 대한 코일 간 상호 인덕턴스 형성에 따라 다른 코일로 유기되는 전력이 발생할 경우, 급전 효율 저감 현상 또한 발생할 수 있기 때문에 각 상간의 간섭에 따른 효율 저감을 방지할 수 있는 대안이 필요하게 된다.
상술한 문제점을 해결하기 위해, 실시예는 누설 자기장을 효과적으로 저감시키기 위한 무선전력 송수신장치, 무선전력 송신장치 및 무선전력 수신장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 실시예는 각 상간의 간섭에 따른 효율이 저감되는 것을 방지하기 위한 무선전력 송수신장치, 무선전력 송신장치 및 무선전력 수신장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 실시예는 인체에 미치는 영향이 적은 무선전력 송수신장치, 무선전력 송신장치 및 무선전력 수신장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
실시예의 무선전력 송수신장치는 다상의 고주파 전력을 송신하는 송신 코일부와, 상기 송신 코일부로부터 자기 유도 방식에 의해 다상의 고주파 전력을 수신하는 수신 코일부를 포함하고, 상기 송신 코일부는 제1 상의 고주파 전력을 송신하는 복수의 제1 송신코일과, 제2 상의 고주파 전력을 송신하는 복수의 제2 송신코일과, 제3 상의 고주파 전력을 송신하는 복수의 제3 송신코일을 포함하고, 상기 제1 송신코일 내지 상기 제3 송신코일은 기준점을 기준으로 동일한 거리 내에 배치될 수 있다.
상기 복수의 제1 송신코일은 상기 기준점을 기준으로 마주보도록 배치되고, 상기 복수의 제2 송신코일은 상기 제1 송신코일과 이격 배치되어 상기 기준점을 기준으로 마주보도록 배치되고, 상기 복수의 제3 송신코일은 상기 제2 송신코일과 이격 배치되어 상기 기준점을 기준으로 마주보도록 배치될 수 있다.
상기 복수의 제1 송신코일 내지 상기 복수의 제3 송신코일은 상기 기준점으로부터 일정 각도를 이루도록 배치될 수 있다.
상기 제1 송신코일 내지 상기 제3 송신코일 사이의 각각의 이격 거리는 동일하게 배치될 수 있다.
상기 이격 거리는 수학식 1에 의해 결정될 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00001
상기 수신 코일부는 상기 송신 코일부의 코일과 대응되는 개수의 수신코일을 구비할 수 있다.
또한, 실시예의 무선전력 송신장치는 다상의 고주파 전력을 공급하는 인버터와, 상기 고주파 전력을 통해 자기장을 형성하여 자기유도결합에 의해 고주파 전력을 송신하는 송신 코일부를 포함하고, 상기 송신 코일부는 제1 상의 고주파 전력을 송신하는 복수의 제1 송신코일과, 제2 상의 고주파 전력을 송신하는 복수의 제2 송신코일과, 제3 상의 고주파 전력을 송신하는 복수의 제3 송신코일을 포함하고, 상기 제1 송신코일 내지 상기 제3 송신코일은 기준점을 기준으로 동일한 거리 내에 배치될 수 있다.
또한, 실시예의 무선전력 수신장치는 다상의 고주파 전력을 수신하는 수신 코일부와, 상기 수신된 고주파 전력을 정류하는 정류기와, 상기 정류된 고주파 전력을 직류로 변환하는 평활커패시터와, 상기 직류 전력을 전달받아 충전하는 배터리를 포함하고, 상기 수신 코일부는 제1 상의 고주파 전력을 송신하는 복수의 제1 수신코일과, 제2 상의 고주파 전력을 송신하는 복수의 제2 수신코일과, 제3 상의 고주파 전력을 송신하는 복수의 제3 수신코일을 포함하고, 상기 제1 수신코일 내지 상기 제3 수신코일은 기준점을 기준으로 동일한 거리 내에 배치될 수 있다.
실시예는 하나의 상에 대해 복수의 코일로 이루어지도록 구성함으로써, 전력 효율을 극대화시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 실시예는 하나의 상에 대해 복수의 코일로 이루어지도록 구성함으로써, 누설 자기장을 효과적으로 저감시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 실시예는 하나의 상에 대해 복수의 코일로 이루어지도록 구성함으로써, 자기장이 인체에 미치는 영향을 최소화시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 실시예에 따른 무선젼력 송수신장치를 나타낸 회로도이다.
도 2는 실시예에 따른 송신 코일부의 구조를 나타낸 도면이다.
도 3은 2개의 코일 간 위치에 따른 배치 구조를 나타낸 도면이다.
도 4는 2개의 코일 간 위치에 따른 상호 인덕턴스의 변화를 나타낸 도면이다.
도 5는 실시예에 따른 송신 코일부의 이격 거리를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 송신 코일부의 배치 구조에 따른 각 상의 코일간 이격거리를 나타낸 도면이다.
도 7은 송신 코일부와 수신 코일부 사이의 배치 구조를 나타낸 도면이다.
도 8은 비교예에 따른 단상-1코일의 유도 전압, 자기장 간섭 및 자기장 인체 영향을 나타낸 그래프이다.
도 9는 비교예에 따른 단상-3코일의 유도 전압, 자기장 간섭 및 자기장 인체 영향을 나타낸 그래프이다.
도 10은 비교예에 따른 단상-6코일의 유도 전압, 자기장 간섭 및 자기장 인체 영향을 나타낸 그래프이다.
도 11은 비교예에 따른 3상-3코일의 유도 전압, 자기장 간섭 및 자기장 인체 영향을 나타낸 그래프이다.
도 12는 실시예에 따른 3상-6코일의 유도 전압, 자기장 간섭 및 자기장 인체 영향을 나타낸 그래프이다.
이하, 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 실시예에 따른 무선젼력 송수신장치를 나타낸 회로도이고, 도 2는 실시예에 따른 송신 코일부의 구조를 나타낸 도면이고, 도 3은 2개의 코일 간 위치에 따른 배치 구조를 나타낸 도면이고, 도 4는 2개의 코일 간 위치에 따른 상호 인덕턴스의 변화를 나타낸 도면이고, 도 5는 실시예에 따른 송신 코일부의 이격 거리를 설명하기 위한 도면이고, 도 6은 송신 코일부의 배치 구조에 따른 각 상의 코일간 이격거리를 나타낸 도면이고, 도 7은 송신 코일부와 수신 코일부 사이의 배치 구조를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 실시예에 따른 무선전력 송수신장치(1000)는 무선전력 송신장치(100)와 무선전력 수신장치(200)를 포함할 수 있다.
무선전력 송신장치(100)는 전원(110)과, 제1 정류기(120)와, 제1 평활 캐피시터(130)와, 인버터(140)와, 제1 신호발생기(Inverter Gate signal generator, 150)와, 제1 공진 커패시터(160)와, 송신 코일부(170)를 포함할 수 있다.
전원(110)은 교류의 고주파 전력(전기 에너지)을 발생시킬 수 있다. 제1 정류기(120)는 전원(110)으로부터 인가받은 교류(AC) 전력을 직류로 변환시킬 수 있다. 제1 정류기(120)는 4개의 다이오드를 포함할 수 있으며, 제1 다이오드(D1)와 제4 다이오드(D4)는 직렬로 연결될 수 있다. 제3 다이오드(D3)는 제1 다이오드(D1)와 병렬 연결되며, 제2 다이오드(D2)는 제4 다이오드(D4)와 병렬 연결될 수 있다.
제1 평활 캐피시터(130)는 제1 정류기(120)로부터 정류된 반파 정현파의 고주파 전력을 인버터(140)에 공급하기 위해 직류로 변환시킬 수 있다.
인버터(140)는 특정 주파수의 구형파 펄스 교류 전력을 발생시키기 위해 스위칭 동작을 수행할 수 있다. 인버터(140)는 MOS FET 또는 IGBT 일 수 있다. 인버터(140)는 6개의 인버터가 구비될 수 있다.
제1 신호발생기(150)는 3상 인버터(140)의 동작을 제어하기 위한 게이트 신호를 발생시킬 수 있다. 제1 공진 커패시터(160)는 송신 코일부(170)의 인덕턴스에 대응하는 용량성 리액턴스를 보상하여 특정 주파수에서 공진이 발생되도록 A,B,C 상에 대해 적용하는 커패시터일 수 있다. 이로 인해, 인버터(140)는 다상의 고주파 전력을 일정한 시간 차를 두고 위상을 달리하여 전력을 출력할 수 있다.
송신 코일부(170)는 전류를 통해 자기장을 형성하여 자기유도결합에 의해 고주파 전력을 전송할 수 있다. 송신 코일부(170)는 A상에 대한 복수의 제1 송신코일(LTA1,LTA2), B상에 대한 복수의 제2 송신코일(LTB1,LTB2), C상에 대한 복수의 제3 송신코일(LTC1,LTC2)을 포함할 수 있다. 송신 코일부(1701)의 구성은 추후 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
무선전력 수신장치(200)는 수신 코일부(210)와, 제2 공진 커패시터(220)와, 제2 정류기(230)와, 제2 평활 커패시터(240)와, 제2 신호발생기(260)와, 컨버터(250)와, 배터리(270)를 포함할 수 있다.
수신 코일부(210)는 송신 코일부(170)로부터 전송된 고주파 전력을 수신할 수 있다. 수신 코일부(210)는 A상에 대한 복수의 제1 수신코일(LRA1,LRA2), B상에 대한 복수의 제2 수신코일(LRB1,LRB2), C상에 대한 복수의 제3 수신코일(LRC1,LRC2)을 포함할 수 있다. A,B,C 의 각 상에 대해 송신코일과 수신코일의 자기장 결합에 의해 상호 인덕턴스(M)가 발생될 수 있다.
제2 공진 커패시터(220)는 수신 코일부(210)의 인덕턴스에 대응하는 용량성 리액턴스를 보상하여 특정 주파수에서 공진이 발생하도록 송신 코일부(170)의 A,B,C 상에 대해 적용할 수 있다.
제2 정류기(230)는 수신 코일부(210)로부터 자기유도결합에 의해 수신된 교류 전력을 반파 정현파의 전력으로 변환시킬 수 있다. 제2 정류기(230)는 복수의 다이오드를 포함할 수 있다.
제2 평활 커패시터(240)는 제2 정류기(230)로부터 정류된 반파 정현파의 전력을 배터리(270) 충전을 위한 직류로 변환시킬 수 있다.
컨버터(250)는 컨버터 다이오드(DBB)와, 컨버터 인덕터(LBB)와, 컨버터 커패시터(CBB)로 구성될 수 있다. 컨버터 다이오드(DBB), 컨버터 인덕터(LBB), 컨버터 커패시터(CBB)는 배터리(260)로부터 수신 코일부(210)로 역전류가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
제2 신호 발생기(260)는 컨버터의 동작을 제어하기 위한 게이트 신호를 발생시킬 수 있다.
배터리(270)는 직류로 변환된 전력을 저장할 수 있다. 예컨대, 배터리(270)는 차량에 탑재된 배터리일 수 있다. 배터리(270)는 차량의 모터에 직류 전원을 공급할 수 있다. 배터리(270)는 복수개의 단위 셀의 직렬 및/또는 병렬로 연결된 집합을 형성할 수 있다.
이하에서는 송신 코일부(170)의 구성에 대해 살펴보기로 한다. 여기서, 수신 코일부(210)의 구성도 송신 코일부(170)의 구성과 동일하며, 그 설명은 중복되므로 송신 코일부(170)의 구성에 대해서만 설명한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 송신 코일부(170)는 제1 상(A상)의 고주파 전력을 송신하는 복수의 제1 송신코일(LTA1,LTA2)과, 제2 상(B상)의 고주파 전력을 송신하는 복수의 제2 송신코일(LTB1,LTB2)과, 제3 상(C상)의 고주파 전력을 송신하는 복수의 제3 송신코일(LTC1,LTC2)을 포함할 수 있다. 여기서, 송신 코일부(170)를 6개로 구성하였으나, 그 개수는 한정되지 않는다.
제1 송신코일(LTA1,LTA2)은 2개의 송신코일로 분할 형성될 수 있다. 제1 송신코일(LTA1,LTA2)은 제1-1 송신코일(LTA1)과 제1-2 송신코일(LTA2)을 포함할 수 있다. 제1-1 송신코일(LTA1)과 제1-2 송신코일(LTA2)은 기준점(C)을 기준으로 마주보도록 배치될 수 있다. 여기서, 기준점(C)은 중심점일 수 있다.
제2 송신코일(LTB1,LTB2)은 2개의 송신코일로 분할 형성될 수 있다. 제2 송신코일(LTB1,LTB2)은 제2-1 송신코일(LTB1)과 제2-2 송신코일(LTB2)을 포함할 수 있다. 제2-1 송신코일(LTB1)과 제2-2 송신코일(LTB2)은 기준점(C)을 기준으로 마주보도록 배치될 수 있다.
제3 송신코일(LTC1,LTC2)은 2개의 송신코일로 분할 형성될 수 있다. 제3 송신코일(LTC1,LTC2)은 제3-1 송신코일(LTC1)과 제3-2 송신코일(LTC2)을 포함할 수 있다. 제3-1 송신코일(LTC1)과 제3-2 송신코일(LTC2)은 기준점(C)을 기준으로 마주보도록 배치될 수 있다.
제2 송신코일(LTB1,LTB2)은 제1 송신코일(LTA1,LTA2)과 이격 배치될 수 있다. 제3 송신코일(LTC1,LTC2)은 제2 송신코일(LTB1,LTB2)과 이격 배치될 수 있다. 제1 송신코일(LTA1,LTA2)은 제3 송신코일(LTC1,LTC2)과 이격 배치될 수 있다.
복수의 제1 송신코일(LTA1,LTA2)과, 복수의 제2 송신코일(LTB1,LTB2)과, 복수의 제3 송신코일(LTC1,LTC2)은 기준점(C)으로부터 일정 각도를 이루도록 배치될 수 있다. 예컨대, 송신코일이 6개일 경우, 이격 배치된 송신코일들은 60도를 이루도록 배치될 수 있다.
복수의 제1 송신코일(LTA1,LTA2)은 기준점(C)으로부터 동일한 거리를 가질 수 있다. 복수의 제2 송신코일(LTB1,LTB2)은 기준점(C)으로부터 동일한 거리를 가질 수 있다. 복수의 제3 송신코일(LTC1,LTC2)은 기준점(C)으로부터 동일한 거리를 가질 수 있다.
제1 송신코일(LTA1,LTA2) 중 어느 하나의 송신코일과 기준점(C) 사이의 거리는 제2 송신코일(LTB1,LTB2) 중 어느 하나의 송신코일과 기준점(C) 사이의 거리와 동일할 수 있다. 제2 송신코일(LTB1,LTB2) 중 어느 하나의 송신코일과 기준점(C) 사이의 거리는 제3 송신코일(LTC1,LTC2)과 기준점(C) 사이의 거리와 동일할 수 있다. 즉, 복수의 제1 송신코일(LTA1,LTA2), 복수의 제2 송신코일(LTB1,LTB2), 복수의 제3 송신코일(LTC1,LTC2)은 기준점(C)으로부터 동일한 거리를 가질 수 있다.
제1 송신코일(LTA1,LTA2), 제2 송신코일(LTB1,LTB2), 제3 송신코일(LTC1,LTC2)에 흐르는 전류의 방향은 동일할 수 있다.
인버터(140)로부터 각 상에 대해 공급되는 전류를 각각 IA, IB, IC라 할 때, 각 상의 전류의 크기는 모두 동일하므로, 송신코일에 대한 전류를 공통적으로 ITX로 표현이 가능하다. 즉, IA=IB=IC=ITX 일 수 있다. 각 상에 해당하는 송신코일에 흐르는 전류는 아래 수학식 1로 정의될 수 있다. 여기서, w는 각 주파수를 의미할 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00002
6개의 송신코일은 모두 동일한 인덕턴스를 가지게 되며(LTXa=LTXc=LTXc), 제1 상(A)을 기준으로 각 송신코일의 인덕턴스는 송신코일의 자기 인덕턴스 및 인접한 송신코일과의 상호 인덕턴스 등으로 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00003
여기서, LTXas는 제1 상의 송신코일에 대한 자기 인덕턴스를 의미하며, MTXab는 제1 상(A)과 제2 상(B) 간 상호 인덕턴스, 그리고 MTXac는 제1 상(A)과 제3 상 (C)간 상호 인덕턴스를 의미할 수 있다.
이러한 규칙을 통해 6개의 송신코일에 대한 시간 영역(time domain)에서의 전압은 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 3]
Figure pat00004
수신 코일부도 송신 코일부와 마찬가지로 수학식 4와 같이 시간 영역의 전압을 나타낼 수 있다.
[수학식 4]
Figure pat00005
각 상에 대한 송신-수신 코일간 상호 인덕턴스에 따른 유기 전압은 아래의 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 5]
Figure pat00006
앞서 정의된 각 상의 송신코일 및 수신코일에 발생하는 전압을 합한 총 전압은 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 6]
Figure pat00007
한편, 각 상의 송신코일에 대응하는 각 상의 송신코일과의 상호 인덕턴스를 제외한 다른 상의 송신코일과의 상호 인덕턴스 역전압을 발생시키게 되어 효율 저감이 발생된다. 예컨대, 제1 상의 송신코일에서 발생한 자기장은 제1 상의 수신코일에만 상호 인덕턴스를 형성하고, 제2 상, 제3 상의 송신코일 및 수신코일과의 상호 인덕턴스를 최소화하는 것이 높은 효율을 확보하는데 장점이 있다.
상호 인덕턴스는 두 송신코일 간 이격거리가 멀어질수록 감소하게 되므로, 각 상에 해당하는 송신코일 간 이격 거리를 충분히 멀리 설정할 경우, 원하지 않는 상호 인덕턴스에 의한 효율 저감을 방지할 수 있게 된다.
하지만, 각 상의 송신코일 간 이격 거리가 증가할수록, 시스템의 크기가 증가하게 되는 단점이 있다.
이에 대해 전력전송 효율과 공간활용 효율을 모두 향상시키기 위해 3상의 송신코일 간의 이격 거리는 두 송신코일 간 거리 변화에 따른 상호 인덕턴스 변화에 대한 모델링이 필요하며 두 송신코일 간 위치는 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 7]
Figure pat00008
도 3에 도시된 바와 같이, ,
Figure pat00009
: 자유공간의 투자율,
Figure pat00010
: 루프 코일 X의 반지름,
Figure pat00011
: 루프 코일 y의 반지름,
Figure pat00012
: 루프 코일 X의 단위 길이에 대한 내각,
Figure pat00013
: 루프 코일 y의 단위 길이에 대한 내각,
Figure pat00014
: X코일에 대한 y 코일의 이탈각,
Figure pat00015
: X코일과 y코일 사이의 종축(axial) 공극,
Figure pat00016
: X코일과 y코일 사이의 횡축(lateral) 공극, X코일, Y코일: 서로 인접하는 제1 송신코일 내지 제3 송신코일 중 두 개의 코일을 나타낼 수 있다.
수학식 7을 통해 횡축, 종축, 이탈각 변화에 따른 상호 인덕턴스 변화를 도 4의 그래프로 나타낼 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 횡축, 종축, 이탈각이 변화함에 따라 상호 인덕턴스는 일정하게 감소하지 않는 것을 알 수 있다.
도 4a에 도시된 바와 같이, 횡축 이격 거리가 0인 경우 예컨대, lateral distance=0인 경우, 종축 이격 거리(Axial distance)가 0.55m일 때가 종축 이격 거리가 0.6m 인 경우보다 상호 인덕턴스가 더 낮은 것을 확인할 수 있다.
이러한 현상은 횡축 이격 거리 조건에서도 동일하게 나타나는 것을 확인할 수 있으며, 이를 기초로 송신코일이 서로 인접해 있다 하더라도 특정 위치에서는 매우 낮은 상호 인덕턴스를 가지게 됨을 알 수 있다.
즉, 두 송신코일 간의 횡축, 종축, 이탈각 변화에 따라 상호 인덕턴스가 선형적으로 감소하는 것이 아닌, 두 송신코일 반지름과 같은 사양에 따라 특정 위치에서 상호 인덕턴스가 매우 낮게 형성되며, 이러한 특징을 활용하여 작은 이격 거리에서도 3상 송신코일 간 상호 인덕턴스를 최소화할 수 있는 위치를 선정하여 송신코일의 배열 방법이 도출될 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 각 상의 이격 거리 d를 상호 인덕턴스가 최소화되는 지점으로 결정하고, 모든 송신코일의 이격 거리를 같도록 배치함으로써, 상호 인덕턴스 간섭에 따른 효율 저하를 저감할 수 있는 효과가 있다.
또한, 송신코일은 다른 상에 대한 송신코일에 대해 균일하게 낮은 상호 인덕턴스를 가지게 되며, 각 송신코일 간의 이격 거리는 도 6에 도시된 바와 같이 구성할 수 있다. 이때, 각 상들 사이의 거리는 수학식 8로 나타낼 수 있다.
[수학식 8]
Figure pat00017
도 6에 도시된 바와 같이, A상의 코일은 인접해 있는 송신코일에 대해 da1b1,da2b2,da1c2,da2c1의 거리에 따른 상호 인덕턴스를 형성하게 되며, 1개의 송신코일을 사이에 두고 위치한 송신코일 과의 거리인 da1b2,da2b1,da1c2,da2c2 에 따라 상호 인덕턴스가 형성된다.
이로부터 인접한 B상의 송신코일과 C상의 송신코일 과의 거리는 모두 동일하며, 1개의 송신코일을 사이에 두고 위치한 송신코일 과의 거리 또한 모두 동일할 수 있다.
이를 바탕으로 각 송신코일은 수학식 9에 도시된 바와 같이, 인접한 송신코일과의 거리를 dabcs로, 1개의 송신코일을 사이에 둔 송신코일과의 거리를 dabcl로 대치하여 수학식 10과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00018
3상의 무선전력 송수신장치는 각 송신코일의 인덕턴스가 모두 동일하므로, 상호 인덕턴스는 송신코일 간의 이격 거리에 의해 결정되며, 이격 거리 또한 모두 동일하므로 각 송신코일이 영향을 받는 상호 인덕턴스는 모두 동일한 것으로 가정할 수 있게 된다.
송신코일에 대한 수신코일의 상호 인덕턴스와, 수신코일에 대한 송신코일의 상호 인덕턴스도 앞서 제시한 방법을 적용하면 수학식 11과 같이 단순화될 수 있다.
[수학식 11]
Figure pat00019
수학식 10, 수학식 11의 특성을 반영하면, 도 7에 도시된 바와 같이, 각 상의 송신코일과 각 상의 수신코일 간 거리 또한 동일하게 구성됨을 알 수 있다. 이를 바탕으로, 인접한 송신코일과 수신코일의 거리를 dTRs로, 코일을 사이에 둔 송신코일과 수신코일의 거리를 dTRl로 단순화시킬 수 있다.
이하에서는 도 8 내지 도 12를 참조하여, 단상 및 다상 전력 기반의 무선전력 송수신 장치의 유도전압, 자기장 간섭, 자기장 인체영향을 살펴본다.
도 8은 비교예에 따른 단상-1코일의 유도 전압, 자기장 간섭 및 자기장 인체 영향을 나타낸 그래프이고, 도 9는 비교예에 따른 단상-3코일의 유도 전압, 자기장 간섭 및 자기장 인체 영향을 나타낸 그래프이고, 도 10은 비교예에 따른 단상-6코일의 유도 전압, 자기장 간섭 및 자기장 인체 영향을 나타낸 그래프이고, 도 11은 비교예에 따른 3상-3코일의 유도 전압, 자기장 간섭 및 자기장 인체 영향을 나타낸 그래프이고, 도 12는 실시예에 따른 3상-6코일의 유도 전압, 자기장 간섭 및 자기장 인체 영향을 나타낸 그래프이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 단상-1코일(90 turn, 3 layer, 40A)인 경우, 도 8a에 도시된 바와 같이, 유도전압은 약 2.1kV가 발생되는 것을 알 수 있다. 도 8b에 도시된 바와 같이, 자기장 간섭에 대한 강도는 무선전력 송수신장치로부터 10m의 이격 거리에서 약 99.5dBuA/m의 강도를 가짐을 알 수 있다. 도 8c에 도시된 바와 같이, 인체에 대한 영향에 대해 IEC 62110에 따른 3점 측정 방법을 적용 시, 3개의 지점에서의 평균은 51.7uT의 자속 밀도를 가짐을 알 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 단상-3코일(30 turn, 3 layer, 40A)인 경우, 도 9a에 도시된 바와 같이, 각 코일에 약 703V의 유도 전압이 발생되었으며, 3개의 코일의 유도전압을 모두 합산하면 약 2.1kV가 발생되는 것을 알 수 있다. 도 9b에 도시된 바와 같이, 자기장 간섭에 대한 강도는 10m 이격 거리에서 99.7dBuA/m 임을 알 수 있다. 도 9c에 도시된 바와 같이, 자기장에 대한 인체의 영향은 25.7uT 임을 알 수 있다. 자기장에 대한 인체의 영향은 단상-1코일에서의 결과보다 저감된 것을 알 수 있다. 이러한 영향은 한 개의 송신코일에서 집중적으로 자속이 발생하게 되어 자속 밀도 또한 높아졌던 단상-1코일 대비, 자속이 발생하는 코일을 3개로 분할함에 따라 저감된 것을 알 수 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, 단상-6코일(15 turn, 3 layer, 40A)인 경우, 도 10a에 도시된 바와 같이, 한 쌍에서 발생하는 유도 전압이 650V로 앞선 구조들에 비해 저감된 것을 알 수 있다. 도 10b에 도시된 바와 같이, 자기장 간섭은 10m 지점에서 앞선 구조들에 비해 저감된 것을 알 수 있다. 자기장 간섭은 송신코일에 유기되는 전압이 감소하면서 간섭이 줄어든 것을 알 수 있다. 도 10c에 도시된 바와 같이, 자기장 인체의 영상은 단상-3코일 구조와 비슷한 것을 알 수 있다. 이에 따라 송신코일을 분할하는 것은 인체에 대한 영상이 없는 것을 알 수 있다.
도 11에 도시된 바와 같이, 3상-3코일(30 turn, 3 layer, 40A)인 경우, 도 11a에 도시된 바와 같이, 유도 전압은 약 700V 정도의 수준이며 송신코일을 통해 전달되는 전력은 단상 대비 큰 차이가 없음을 알 수 있다. 도 11b에 도시된 바와 같이, 자기장의 간섭 강도는 약 74.8dBuA/m로 나타나며, 단상 구조 대비 약 25dB 감소한 것을 알 수 있다. 도 11c에 도시된 바와 같이, 자기장의 인체 영향은 약 13.4uT의 자속 밀도를 보였으며, 이는 단상-6코일 구조에 비해 낮은 수치이며 이는 자기장 인체 영향에 대해 저감 효과가 있는 것을 알 수 있다.
도 12에 도시된 바와 같이, 실시예에 따른 3상-6코일(15 turn, 3 layer, 40A)인 경우, 도 12a에 도시된 바와 같이, 유도전압은 3상-3코일 구조에 비해 소폭 상승한 것을 확인할 수 있다. 도 12b에 도시된 바와 같이, 자기장 간섭 강도는 약 43.8dBuA/m로 나타나며, 이는 3상-3코일 구조에 비해 약 31dBuA/m 감소한 것을 알 수 있다. 도 12c에 도시된 바와 같이, 자기장 인체 영향은 약 5.8uT의 결과를 보이며, 이는 3항-3코일 구조에 비해 약 7.6uT 만큼 저감되었음을 알 수 있다.
상기에서는 도면 및 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 실시예의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 실시예는 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음은 이해할 수 있을 것이다.
100: 무선전력 송신장치
110: 전원
140: 인덕터
170: 송신 코일부
200: 무선전력 수신장치
210: 수신 코일부
270: 배터리

Claims (12)

  1. 다상의 고주파 전력을 송신하는 송신 코일부; 및
    상기 송신 코일부로부터 자기 유도 방식에 의해 상기 다상의 고주파 전력을 수신하는 수신 코일부를 포함하고,
    상기 송신 코일부는 제1 상의 고주파 전력을 송신하는 복수의 제1 송신코일과, 제2 상의 고주파 전력을 송신하는 복수의 제2 송신코일과, 제3 상의 고주파 전력을 송신하는 복수의 제3 송신코일을 포함하고,
    상기 복수의 제1 송신코일 내지 상기 복수의 제3 송신코일은 기준점을 기준으로 동일한 거리 내에 배치되는 무선전력 송수신장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 제1 송신코일은 상기 기준점을 기준으로 마주보도록 배치되고, 상기 복수의 제2 송신코일은 상기 복수의 제1 송신코일과 이격 배치되어 상기 기준점을 기준으로 마주보도록 배치되고, 상기 복수의 제3 송신코일은 상기 복수의 제2 송신코일과 이격 배치되어 상기 기준점을 기준으로 마주보도록 배치되는 무선전력 송수신장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 제1 송신코일 내지 상기 복수의 제3 송신코일은 상기 기준점으로부터 일정 각도를 이루도록 배치되는 무선전력 송수신장치.
  4. 제1항에 있어서,
    서로 인접하는 상기 복수의 제1 송신코일 내지 상기 복수의 제3 송신코일 사이의 거리는 동일한 무선전력 송수신장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 이격 거리는 수학식 1에 의해 결정되는 무선전력 송수신장치.
    [수학식 1]
    Figure pat00020

    (여기서,
    Figure pat00021
    : 자유공간의 투자율,
    Figure pat00022
    : 루프 코일 X의 반지름,
    Figure pat00023
    : 루프 코일 y의 반지름,
    Figure pat00024
    : 루프 코일 X의 단위 길이에 대한 내각,
    Figure pat00025
    : 루프 코일 y의 단위 길이에 대한 내각,
    Figure pat00026
    : X코일에 대한 y 코일의 이탈각,
    Figure pat00027
    : X코일과 y코일 사이의 종축(axial) 공극,
    Figure pat00028
    : X코일과 y코일 사이의 횡축(lateral) 공극, X코일, Y코일: 서로 인접하는 제1 송신코일 내지 제3 송신코일 중 두 개의 코일)
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수신 코일부는 상기 송신 코일부의 코일과 대응되는 개수의 수신코일을 구비하는 무선전력 송수신장치.
  7. 다상의 고주파 전력을 공급하는 인버터;
    상기 고주파 전력을 통해 자기장을 형성하여 자기유도결합에 의해 상기 고주파 전력을 송신하는 송신 코일부를 포함하고,
    상기 송신 코일부는 제1 상의 고주파 전력을 송신하는 복수의 제1 송신코일과, 제2 상의 고주파 전력을 송신하는 복수의 제2 송신코일과, 제3 상의 고주파 전력을 송신하는 복수의 제3 송신코일을 포함하고,
    상기 복수의 제1 송신코일 내지 상기 복수의 제3 송신코일은 기준점을 기준으로 동일한 거리 내에 배치되는 무선전력 송신장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 제1 송신코일은 상기 기준점을 기준으로 마주보도록 배치되고, 상기 복수의 제2 송신코일은 상기 복수의 제1 송신코일과 이격 배치되어 상기 기준점을 기준으로 마주보도록 배치되고, 상기 복수의 제3 송신코일은 상기 복수의 제2 송신코일과 이격 배치되어 상기 기준점을 기준으로 마주보도록 배치되는 무선 전력 송신 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 제1 송신코일 내지 상기 복수의 제3 송신코일은 상기 기준점으로부터 일정 각도를 이루도록 배치되는 무선전력 송신장치.
  10. 제7항에 있어서,
    서로 인접하는 상기 복수의 제1 송신코일 내지 상기 복수의 제3 송신코일 사이의 이격 거리는 동일한 무선전력 송신장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 이격 거리는 수학식 1에 의해 결정되는 무선전력 송신장치.
    [수학식 1]
    Figure pat00029

    (여기서,
    Figure pat00030
    : 자유공간의 투자율,
    Figure pat00031
    : 루프 코일 X의 반지름,
    Figure pat00032
    : 루프 코일 y의 반지름,
    Figure pat00033
    : 루프 코일 X의 단위 길이에 대한 내각,
    Figure pat00034
    : 루프 코일 y의 단위 길이에 대한 내각,
    Figure pat00035
    : X코일에 대한 y 코일의 이탈각,
    Figure pat00036
    : X코일과 y코일 사이의 종축(axial) 공극,
    Figure pat00037
    : X코일과 y코일 사이의 횡축(lateral) 공극, X코일, Y코일: 서로 인접하는 제1 송신코일 내지 제3 송신코일 중 두 개의 코일)
  12. 다상의 고주파 전력을 수신하는 수신 코일부;
    상기 수신된 고주파 전력을 정류하는 정류기;
    상기 정류된 고주파 전력을 직류로 변환하는 평활커패시터; 및
    상기 직류 전력을 전달받아 충전하는 배터리를 포함하고,
    상기 수신 코일부는 제1 상의 고주파 전력을 송신하는 복수의 제1 수신코일과, 제2 상의 고주파 전력을 송신하는 복수의 제2 수신코일과, 제3 상의 고주파 전력을 송신하는 복수의 제3 수신코일을 포함하고,
    상기 복수의 제1 수신코일 내지 상기 복수의 제3 수신코일은 기준점을 기준으로 동일한 거리 내에 배치되는 무선전력 수신장치.
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WO2023191451A1 (ko) * 2022-03-28 2023-10-05 현대자동차주식회사 무선 전력 전송을 위한 코일 구조를 포함하는 무선 전력 전송 장치 및 방법
WO2024053983A1 (ko) * 2022-09-05 2024-03-14 현대자동차주식회사 3상 무선 전력 전송을 위한 코일 구조, 코일 구조를 이용하는 무선 전력 전송 장치 및 방법

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