KR20220042870A - 무선충전 장치 및 이를 포함하는 이동 수단 - Google Patents

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Abstract

일 구현예에 따른 무선충전 장치는 투자율이 서로 다른 2종 이상의 하이브리드(hybrid)형 자성부를 사용하되, 투자율이 더 높은 자성부를 상기 자성부의 중심부에 배치시킴으로써 발열을 효과적으로 분산시킬 수 있으며, 이로 인해 무선충전 시 충전 효율 및 발열 저감 특성을 더욱 향상시킬 수 있다.
따라서 상기 무선충전 장치는 송신기와 수신기 간의 대용량의 전력 전송을 요구하는 전기 자동차 등에 유용하게 사용될 수 있다.

Description

무선충전 장치 및 이를 포함하는 이동 수단{WIRELESS CHARGING DEVICE AND VEHICLE COMPRISING SAME}
구현예는 무선충전 장치 및 이를 포함하는 이동 수단에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 구현예는 발열을 효과적으로 분산시킬 수 있는 구조를 적용하여 충전 효율이 향상된 무선충전 장치 및 이를 포함하는 이동 수단에 관한 것이다.
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(한국 공개특허 제2011-0042403호 참조). 또한, 유럽에서는 시험 운행중인 전기차와 충전소가 눈에 띄기 시작했고, 일본에서는 자동차 제조 업체와 전력 회사들이 주도하여 전기 자동차 및 충전소를 시범적으로 운영하고 있다.
전기 자동차 등에 사용되는 종래의 무선충전 장치는, 무선충전 효율 향상을 위해 코일부에 인접하여 자성부가 배치되고, 차폐를 위한 쉴드부(금속판)이 자성부와 일정 간격 이격하여 배치된다.
무선충전 장치는 무선충전 동작 중에 코일부의 저항과 자성부의 자기 손실에 의해 열을 발생한다. 특히 무선충전 장치 내의 자성부는 전자기파 에너지 밀도가 높은 코일부와 가까운 부분에서 열을 발생하고, 발생한 열은 자성부의 자기 특성을 변화시켜 송신 패드와 수신 패드 간의 임피던스 불일치를 유발하여, 충전 효율이 저하되고 이로 인해 다시 발열이 심화되는 문제가 있었다.
특히, 종래의 무선충전 장치에서, 자성부는 주로 소결 페라이트 시트를 코일부와 쉴드부 사이, 특히 코일부에 가까운 일면 상에 배치되었다. 소결 페라이트 시트는 내충격성이 약하고 비중이 무거우며, 이를 코일부와 가깝게 배치할 경우, 충전 중에 코일부와 소결 페라이트 시트에서 열이 발생하는데, 특히 소결 페라이트 시트에서 발생하는 열은 열전도 특성이 낮은 공기 또는 스페이서부로 전달 및 방열되기 어렵다. 이에 따라 온도가 상승된 소결 페라이트 시트는 자기적 특성이 저하되고 이에 따른 코일부의 인덕턴스 값을 변화시켜 충전 효율을 저하시키며 더욱 심한 발열을 유발하는 문제점이 있을 수 있다.
한국 공개특허공보 제2011-0042403호
본 발명은 상기 종래 기술의 문제를 해결하기 위해 고안된 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 투자율이 서로 다른 2종 이상의 하이브리드(hybrid)형 자성부를 사용하되, 투자율이 더 높은 자성부를 상기 자성부의 중심부(center)에 배치시킴으로써 발열을 효과적으로 분산시킬 수 있으며, 이로 인해 무선충전 시 충전 효율 및 발열 저감 특성을 향상시킬 수 있는, 무선충전 장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는 상기 무선충전 장치를 포함하는 이동 수단을 제공하는 것이다.
일 구현예에 따르면, 코일부; 상기 코일부 상에 배치되는 자성부를 포함하고, 상기 자성부는 제 1 자성부 및 제 2 자성부를 포함하고, 상기 제 2 자성부는 상기 자성부의 중심부에 위치하고, 상기 제 2 자성부의 전체면 또는 둘레면이 상기 제 1 자성부에 의해서 둘러싸이고, 상기 제 2 자성부의 투자율이 상기 제 1 자성부의 투자율보다 높은 무선충전 장치가 제공된다.
또 다른 일 구현예에 따르면, 무선충전 장치를 포함하는 이동 수단이 제공된다.
상기 구현예에 따르면 투자율이 서로 다른 2종 이상의 하이브리드(hybrid)형 자성부를 사용하되, 투자율이 더 높은 자성부를 상기 자성부의 중심부에 배치시킴으로써 무선충전 시에 집속되는 자속을, 상대적으로 자속 분포가 더 적은 중심부 방향으로 분산시킬 수 있다. 이로 인해 자속과 발열을 효과적으로 분산시켜 무선충전 시 발열 저감 특성 및 무선충전 효율을 효율적으로 향상시킬 수 있다.
따라서 상기 무선충전 장치는 송신기와 수신기 간의 대용량의 전력 전송을 요구하는 전기 자동차와 같은 이동 수단 등에 유용하게 사용될 수 있다.
도 1은 각각 구현예에 따른 무선충전 장치의 분해사시도를 나타낸 것이다.
도 2는 상기 구현예에 따른 무선충전 장치의 사시도를 나타낸 것이다.
도 3a는 상기 구현예에 따른 무선충전 장치의 단면도를 나타낸 것이다.
도 3b 내지 3d는 다양한 구현예에 따른 무선충전 장치의 단면도를 나타낸 것이다.
도 4는 무선충전 장치에 포함되는 제 2 자성부의 구조를 정의하기 위한 도면이다.
도 5는 실시예 1과 2, 및 비교예 1 내지 3의 무선충전 장치의 단면도를 나타낸 것이다.
도 6은 실시예 1 및 비교예 1의 충전 유지 시간에 따른 무선충전 장치의 충전 효율을 나타내는 결과 그래프이다.
도 7은 실시예 1 및 비교예 1의 충전 유지 시간에 따른 발열 온도를 나타내는 결과 그래프이다.
도 8은 일 구현예에 따른 몰드를 통해 자성부를 성형하는 공정을 나타낸 것이다.
도 9는 일 구현예에 따른 무선충전 장치를 구비하는 이동 수단(전기 자동차)을 도시한 것이다.
이하에서는 본 발명의 사상을 구현하기 위한 구체적인 실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
아울러 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다.
본 명세서에서 사용된 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로 본 발명을 한정하려는 의도로 사용된 것은 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서 동일한 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
본 명세서에서 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 크기 및 두께는 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 실제로 적용되는 크기와 다를 수 있다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
또한, 본 명세서에 기재된 구성요소의 물성 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 해석된다.
[무선충전 장치]
도 1은 구현예에 따른 무선충전 장치의 분해 사시도를 나타낸 것이고, 도 2는 상기 구현예에 따른 무선충전 장치의 사시도를 나타낸 것이며, 도 3a는 상기 구현예에 따른 무선충전 장치의 단면도를 나타낸 것이다. 또한 도 3b 내지 3d는 다양한 무선충전 장치의 단면도를 나타낸 것이다.
상기 도 1 내지 3에 나타낸 도면은 구현예에 따라 예시적으로 도시한 것으로서, 본 발명의 효과를 저해하지 않는 한, 다양하게 변화시킬 수 있다.
도 1을 참조하면, 일 구현예에 따른 무선충전 장치(10)는, 코일부(200); 상기 코일부(200) 상에 배치되는 자성부를 포함하고, 상기 자성부는 제 1 자성부(300) 및 제 2 자성부(500)를 포함하고, 상기 제 2 자성부(500)는 상기 자성부의 중심부에 위치하고, 상기 제 2 자성부(500)의 전체면 또는 둘레면이 상기 제 1 자성부(300)에 의해서 둘러싸이고, 상기 제 2 자성부(500)의 투자율은 상기 제 1 자성부(300)의 투자율보다 높다.
일반적으로 코일부 및 자성부를 포함하는 무선충전 장치의 경우, 자속 밀도(magnetic flux density) 측정 시, 코일부에 대응하는 부분에 자속이 집중되어 자속 밀도가 높게 측정되며, 코일이 없는 부분, 예를 들어 상기 자성부의 중심부에는 코일이 없어서 상대적으로 자속 밀도가 낮게 측정된다. 이 경우, 자속이 고르게 분포되지 않아 발열 불균형, 즉 자속 밀도가 높은 코일부와 대응하는 부분에서 열이 집중적으로 발생하고, 발생한 열은 자성부의 자기 특성을 변화시켜 송신 패드와 수신 패드 간의 임피던스 불일치를 유발하여, 충전 효율이 저하되고 이로 인해 다시 발열이 심화될 수 있다.
이에, 본 발명의 일 구현예에 따르면, 투자율이 서로 다른 2종 이상의 하이브리드형 자성부(제 1 자성부 및 제 2 자성부를 포함)를 사용하고, 이때 상기 제 1 자성부보다 투자율이 더 높은 제 2 자성부를 상기 자성부의 중심부에 배치시킴으로써, 무선충전 시에 집속되는 자속을, 상대적으로 자속 분포가 더 적은 중심부 방향으로 분산시킬 수 있다. 이로 인해 코일부에 대응하는 부분의 자속 밀도를 낮추고 대신 코일부가 없는 중심부에 자속 밀도를 좀더 높임으로써 자속과 발열의 분포를 고르게 분산시켜 무선충전 시 발열 저감 특성 및 무선충전 효율을 효율적으로 향상시킬 수 있다.
이하 상기 무선충전 장치의 각 구성요소별로 구체적으로 설명한다.
코일부
본 발명의 구현예에 따른 무선충전 장치는, 교류 전류가 흘러 자기장을 발생시킬 수 있는 코일부를 포함한다.
상기 코일부는 전도성 와이어를 포함할 수 있다.
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 1 mm 내지 10 mm, 2 mm 내지 7 mm, 또는 3 mm 내지 5 mm일 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 1회 내지 50회, 5회 내지 30회, 5회 내지 20회, 또는 7회 내지 15회일 수 있다. 구체적인 일례로서, 상기 평면 코일은 상기 전도성 와이어를 7회 내지 15회 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.
상기 코일부는 상기 자성부와 일정 간격 이격되어 배치될 수 있다. 예를 들어, 코일부와 상기 자성부의 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.
자성부
상기 자성부는 코일부 주위에 생성되는 자기장의 자기 경로(magnetic path)를 형성할 수 있으며, 상기 코일부와 상기 쉴드부 사이에 배치된다.
도 1을 다시 참조하면, 상기 무선충전 장치(10)에 있어서, 상기 자성부는 제 1 자성부(300) 및 상기 제 1 자성부(300)의 투자율보다 높은 투자율을 갖는 제 2 자성부(500)를 포함하고, 상기 제 2 자성부(500)는 상기 자성부의 중심부에 위치하고, 상기 제 2 자성부(500)의 전체면 또는 둘레면이 상기 제 1 자성부(300)에 의해서 둘러싸일 수 있다.
이때, 도 4를 참조하면, 상기 제 2 자성부(500)의 전체면은 상기 제 2 자성부의 상면(510), 하면(520) 및 둘레면(530)을 포함하는 전체 표면을 의미할 수 있다. 또한, 상기 제 2 자성부(500)의 둘레면(530)은 상기 제 2 자성부의 전체면에서 상면(510) 및 하면(520)을 뺀 부분, 구체적으로 도 4의 (a)의 경우 서로 대향하는 두쌍의 측면(전면, 후면, 좌측면 및 우측면)을 의미하고, 도 4의 (b)의 경우 원통면을 의미할 수 있다. 상기 제 2 자성부(500)의 전체면 또는 둘레면은 육면체 및 원기둥 형태인 경우의 예로서 설명하였으나, 상기 제 2 자성부(500)의 형태는 다양할 수 있다.
본 발명의 구현예에 따라, 상기 제 1 자성부(300)보다 투자율이 더 높은 제 2 자성부(500)를 상기 자성부의 중심부에 배치시킴으로써, 무선충전 시에 집속되는 자속을, 상대적으로 자속 분포가 더 적은 중심부 방향으로 분산시킬 수 있으며, 이로 인해 무선충전 시 발열 온도를 감소시켜 충전 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
만일, 제 1 자성부 및 제 2 자성부 중 하나만 적용하거나, 제 1 자성부 및 제 2 자성부의 배치가 본 발명의 구현예에서 벗어나는 경우, 무선충전 장치 내의 자성부는 전자기파 에너지 밀도가 높은 코일부와 대응하는 부분에서 열이 많이 발생하고, 발생한 열은 자성부의 자기 특성을 변화시켜 송신기와 수신기 간의 임피던스 불일치를 유발하여, 충전 효율이 저하되고 이로 인해 다시 발열이 심화되어, 장치 구조물의 변형 및 파손이 발생 할 수 있다.
본 발명의 구현예에 따르면, 상기 코일부(200)가 외부로부터 무선 전력을 받을 때, 상기 제 1 자성부(300)보다 상기 제 2 자성부(500)에서 더 많은 열이 발생될 수 있다. 즉, 상기 제 2 자성부(500)의 발열량이 상기 제 1 자성부(300)의 발열량보다 더 높을 수 있다.
상기 하이브리드형 자성부는 서로 다른 자성 특성과 발열량을 가지므로 이들을 배치하여 조합하는 방식에 따라, 투자율의 크기 순서로 자속 밀도가 커지는 경향을 이용하여 무선충전 시에 집속되는 자속을 원하는 방향으로 배분시킬 수 있고, 자속의 양과 투자손실의 크기에 비례하여 발열량이 증가하는 경향을 이용하여 효과적으로 발열 온도를 감소시켜 충전 효율을 향상시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 구현예에 따라 상기 제 1 자성부(300) 대비 무선충전 시에 더 큰 투자율 및 발열량을 갖는 제 2 자성부(500)를 상기 자성부의 중심부에 배치시킴으로써, 자속과 발열을 효과적으로 분산시켜 자성부의 발열 온도를 감소시킬 수 있고, 이로 인해 무선충전 효율을 높일 수 있다. 본 발명의 구현예에 따른 무선충전 장치에 있어서, 상기 자성부는 코일부가 외부로부터 무선 전력을 받을 때 특정 범위의 온도, 또는 특정 범위의 온도 증가 경향을 가짐으로써 발열 저감 효과를 향상시킬 수 있다.
구체적으로, 상기 자성부가 상기 코일부에 85kHz의 주파수 및 6.6kW의 출력을 가지는 무선 전력이 15분 동안 송신될 때의 자성부 하면의 발열 온도를 T15라 하고, 상기 무선 전력이 30분 동안 송신될 때의 자성부 하면의 발열 온도를 T30이라 할 때, 상기 T15에서 상기 T30으로 30 ℃ 이하, 예를 들어 28 ℃ 이하, 27 ℃ 이하로 더 증가할 수 있다.
만일 상기 T15에서 상기 T30으로 30 ℃ 초과로 더 증가하는 경우, 자속 및 발열이 균일하게 분산되지 않아 발열 온도가 급격히 상승하여 충전 효율이 감소할 수 있다. 특히, 고속 충전 및 고전력 무선충전 시 발열 온도가 더 증가할 수 있으며, 이 경우, 무선충전 장치의 파손 및 전력변환 회로 파괴 가능성 등의 안전상 문제로 사용성에 제약을 초래하거나 충전 효율이 급격히 감소할 수 있다.
상기 T15는 40 ℃ 내지 65 ℃, 예를 들어 45 ℃ 내지 63 ℃, 예를 들어 50 ℃ 내지 62 ℃일 수 있다.
상기 T30은 50 ℃ 내지 95 ℃, 예를 들어 55 ℃ 내지 92 ℃, 예를 들어 60 ℃ 내지 89 ℃일 수 있다.
상기 T15 및 T30이 각각 상기 범위를 만족하는 경우, 충전 효율 및 발열 저감 특성을 극대화시킬 수 있다.
이에 반해, 제 1 자성부 및 제 2 자성부 중 하나만 사용하거나, 제 1 자성부 및 제 2 자성부의 배치가 본 발명의 구현예에서 벗어나는 경우, 고속 충전 및 고전력 무선충전 시 발열 온도가 더 증가할 수 있으며, 이 경우, 무선충전 장치의 파손 및 전력변환 회로 파괴 가능성 등의 안전상 문제로 사용성에 제약을 초래하거나 충전 효율이 감소할 수 있다.
본 발명의 구현예에 따르면 상기 무선충전 장치는 SAE J2954 WPT2 Z2 class Standard TEST 충전 효율 측정 조건에서, 상기 코일부에 85kHz의 주파수 및 6.6kW 의 출력을 가지는 무선 전력이 30분 동안 송신될 때, 자성부의 표면 온도를 측정하였다. 상기 SAE J2954 WPT2 Z2 class Standard TEST에서, 미국자동차기술자협회규격(Society of Automotive Engineers, SAE) J2954는 전기자동차용 자기유도방식을 이용하는 무선 전력 전송 시스템의 용량대별 성능, 상호 운용성, 정격 출력을 낼 수 있는 수직 및 수평 이격 거리 기준, 송수신 패드 간 통신 방법, 동작 주파수, EMI(Electromagnetic Interface)/EMC(Electromagnetic Compatibility), 안정성과 같은 다양한 내용을 포함하고 있는 규격이다. 이 규격은 시스템의 성능뿐만 아니라, 용량대별 송수신 패드의 규격에 대해서도 제시하고 있기 때문에, 대부분의 자동차 제조 업체들은 송수신 패드 제작 시, 규격에서 제시하는 송수신 패드의 구성 및 사이즈를 따르고 있다.
상기 자성부의 표면 온도는 퀄리트롤(Qualitrol)사의 T/GUARD 405-SYSTEM을 이용하여 자성부의 하면을 측정한다. 구체적으로, 상기 자성부의 표면 온도는 코일부에 대응되는 위치인 제 1 자성부의 중앙(최대 발열 온도, T)을 기준으로 측정한다(도 5 참조).
한편, 상기 제 2 자성부는 상기 제 1 자성부 대비 열전도도가 0.1 W/m·K 내지 6 W/m·K, 0.5 W/m·K 내지 5 W/m·K, 또는 1 W/m·K 내지 4 W/m·K 더 높을 수 있다. 상기 제 1 자성부 대비 열전도도가 더 높은 제 2 자성부가 상기 자성부의 중심부에 위치함으로써, 자속의 균일한 배분을 통해 무선충전 중에 발생하는 열을 효과적으로 분산시키면서 외부의 충격이나 뒤틀림 등에 대한 내구성을 향상시킬 수 있다.
아울러, 상기 2종 이상의 자성부의 자성 특성과 물리적 특성을 고려하여 각 자성부 별로 사용되는 양(체적)을 조절함으로써, 충전 효율을 저해하지 않으면서 내충격성을 향상시키고 제조 비용도 줄일 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 자성부가 상기 제 2 자성부 대비 2 내지 9.5 배 더 큰 체적을 가질 수 있다.
이하, 상기 제 1 자성부 및 제 2 자성부를 구체적으로 설명한다.
제 1 자성부
제 1 자성부의 종류
상기 제 1 자성부는 자성 분말 및 바인더 수지를 포함할 수 있다.
이에 따라, 상기 제 1 자성부는 바인더 수지에 의해 자성 분말들이 서로 결합됨으로써, 넓은 면적에서 전체적으로 결함이 적으면서 충격에 의해 손상이 적을 수 있다.
상기 자성 분말은 산화물계 자성 분말, 금속계 자성 분말, 또는 이들의 혼합 분말일 수 있다. 예를 들어, 상기 산화물계 자성 분말은 페라이트계 분말, 구체적으로 Ni-Zn계, Mg-Zn계, Mn-Zn계 페라이트 분말일 수 있다. 또한 상기 금속계 자성 분말은 Fe-Si-Al 합금 자성 분말, 또는 Ni-Fe 합금 자성 분말일 수 있고, 보다 구체적으로 센더스트(sendust) 분말, 또는 퍼말로이(permalloy) 분말일 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.
또한 상기 자성 분말은 나노결정성(nanocrystalline) 자성 분말일 수 있고, 예를 들어 Fe계 나노결정성 자성 분말일 수 있으며, 구체적으로 Fe-Si-Al계 나노결정성 자성 분말, Fe-Si-Cr계 나노결정성 자성 분말, 또는 Fe-Si-B-Cu-Nb계 나노결정성 자성 분말일 수 있다.
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 자성부는 상기 자성 분말을 10 중량% 이상, 50 중량% 이상, 70 중량% 이상, 또는 85 중량% 이상의 양으로 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제 1 자성부는 상기 자성 분말을 10 중량% 내지 99 중량%, 10 중량% 내지 95 중량%, 50 중량% 내지 95 중량%, 50 중량% 내지 92 중량%, 70 중량% 내지 95 중량%, 80 중량% 내지 95 중량%, 또는 80 중량% 내지 90 중량%의 양으로 포함할 수 있다.
상기 바인더 수지로서 폴리이미드 수지, 폴리아미드 수지, 폴리카보네이트 수지, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌(ABS) 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리에틸렌 수지, 폴리스티렌 수지, 폴리페닐설파이드(PSS) 수지, 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 수지, 실리콘 수지, 아크릴 수지, 폴리우레탄 수지, 폴리에스테르 수지, 이소시아네이트 수지, 에폭시 수지 등이 예시될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 바인더 수지는 경화성 수지일 수 있다. 구체적으로, 상기 바인더 수지는 광경화성 수지 및/또는 열경화성 수지일 수 있으며, 특히 경화되어 접착성을 나타낼 수 있는 수지일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 바인더 수지는 글리시딜기, 이소시아네이트기, 히드록시기, 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), 히드록시기(-OH), 또는 카복실기(-COOH)일 수 있다.
상기 제 1 자성부는 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 자성부는 이의 중량을 기준으로, 상기 바인더 수지로서, 6 중량% 내지 12 중량%의 폴리우레탄계 수지, 0.5 중량% 내지 2 중량%의 이소시아네이트계 경화제, 및 0.3 중량% 내지 1.5 중량%의 에폭시계 수지를 포함할 수 있다.
제 1 자성부의 구조적 특징
상기 제 1 자성부는 상기 코일부와 상기 쉴드부 사이에 배치된다.
상기 제 1 자성부는 상기 코일부와 일정 간격 이격되어 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 자성부와 상기 코일부의 이격 거리는 0.2 mm 이상, 0.5 mm 이상, 0.2 mm 내지 3 mm, 또는 0.5 mm 내지 2 mm일 수 있다.
또한 상기 제 1 자성부는 상기 쉴드부와 일정 간격 이격되어 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 자성부와 상기 쉴드부의 이격 거리는 3 mm 이상, 5 mm 이상, 3 mm 내지 10 mm, 또는 4 mm 내지 7 mm일 수 있다.
본 발명의 구현예에 따르면, 상기 제 1 자성부는 입체 구조를 가질 수 있으며, 이 경우 충전 효율 및 방열 특성을 향상시킬 수 있다.
도 1 및 3a를 참조하여, 상기 제 1 자성부(300)는 상기 코일부(200)가 배치되는 부분에 대응되는 부분(외곽부)에 배치될 수 있다. 즉, 상기 제 2 자성부(500)보다 투자율이 상대적으로 더 낮은 상기 제 1 자성부(300)를 전자기 에너지가 집중되는 코일부(200)가 배치되는 부분에 배치시킬 수 있다.
또한, 상기 제 1 자성부는 상기 코일부가 배치되는 부분에 대응되는 외곽부; 및 상기 외곽부에 의해서 둘러싸이는 중심부를 포함할 수 있고, 상기 외곽부의 두께가 상기 중심부의 두께보다 더 클 수 있다. 이때 상기 제 1 자성부에서 외곽부와 중심부는 서로 일체형으로 형성될 수 있다.
또한, 도 3b를 참조하여, 상기 제 1 자성부는 상기 코일부가 배치되는 부분에 대응되는 외곽부; 및 상기 외곽부에 의해서 둘러싸이는 중심부를 포함할 수 있고, 상기 중심부의 가운데(중앙부)는 제 2 자성부가 삽입되도록 제 1 자성부를 포함하지 않고, 상기 제 2 자성부의 전체면을 둘러싸도록 제 1 자성부가 배치될 수 있다. 마찬가지로, 상기 제 1 자성부에서 외곽부와 중심부는 서로 일체형으로 형성될 수 있다.
한편, 제 1 자성부는 상기 제 2 자성부의 하우징으로서 역할을 할 수 있어서, 상기 제 2 자성부를 고정하기 위한 별도의 접착제나 구조물이 필요하지 않을 수 있다. 특히 상기 제 1 자성부는 자성 분말과 바인더 수지를 이용한 고분자형 자성부를 이용하여 몰드를 통해 입체 구조로 성형이 가능하므로, 제 2 자성부를 삽입하도록 성형할 수 있다. 또한, 상기 제 1 자성부는 몰드를 통해 제 2 자성부를 넣기 위한 홈을 쉽게 형성할 수 있다.
또한, 도 3c 및 3d를 참조하여, 상기 자성부의 적어도 일부가 상기 쉴드부에 접촉하지 않거나(도 3c), 상기 자성부의 적어도 일부가 상기 쉴드부에 접촉할 수 있다(도 3d). 상기 자성부의 적어도 일부가 상기 쉴드부에 접촉하는 경우, 상기 제 1 자성부 및 상기 제 2 자성부 중 적어도 일부가 상기 쉴드부에 접촉할 수 있다. 이에 따라 상기 제 1 자성부 및/또는 상기 제 2 자성부에서 발생하는 열이 상기 쉴드부를 통해 효과적으로 배출될 수 있다.
상기 제 1 자성부의 두께는 1 mm 이상, 3 mm 이상, 또는 5 mm 이상일 수 있고, 또한 30 mm 이하, 20 mm 이하, 또는 11 mm 이하일 수 있다. 아울러, 상기 제 1 자성부의 중심부의 두께는 10 mm 이하, 7 mm 이하, 또는 5 mm 이하일 수 있고, 또한 0 mm이거나 0.1 mm 이상 또는 1 mm 이상일 수 있다. 구체적으로, 상기 제 1 자성부의 외곽부가 5 mm 내지 11 mm의 두께를 갖고, 상기 중심부가 0 mm 내지 5 mm의 두께를 가질 수 있다.
상기 제 1 자성부의 중심부의 두께가 0일 경우, 상기 제 1 자성부는 중심부에 비어 있는 형상을 가질 수 있다(예를 들어 도넛 형상). 이 경우 상기 제 1 자성부는 보다 작은 면적으로도 충전 효율을 효과적으로 향상시킬 수 있다.
한편, 상기 제 1 자성부는 대면적을 가질 수 있고, 구체적으로 200 cm2 이상, 400 cm2 이상, 또는 600 cm2 이상의 면적을 가질 수 있다. 또한, 상기 제 1 자성부는 10,000 cm2 이하의 면적을 가질 수 있다.
상기 대면적의 제 1 자성부는 다수의 단위 자성부가 조합되어 구성될 수 있으며, 이때, 상기 단위 자성부의 면적은 60 cm2 이상, 90 cm2, 또는 95 cm2 내지 900 cm2일 수 있다.
또는 상기 제 1 자성부는 중심부에 비어있는 형상을 가질 수 있고, 이 경우 상기 제 1 자성부는 외곽부의 면적, 즉 코일부에 대응하는 면적 또는 그 이상의 면적을 가질 수 있다.
상기 제 1 자성부는 몰드를 통한 성형 등의 방법으로 제조된 자성 블록일 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 자성부는 몰드를 통해 입체 구조로 성형된 것일 수 있다. 이러한 자성 시트는 자성 분말과 바인더 수지를 혼합하고 사출 성형 등에 의해 몰드로 주입하여 입체 구조로 성형될 수 있다.
구체적으로, 상기 성형은 사출성형에 의해 자성부의 원료를 몰드에 주입하여 수행될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 자성부는 자성 분말과 고분자 수지 조성물을 혼합하여 원료 조성물을 얻은 뒤, 도 8에서 보듯이, 상기 원료 조성물(701)을 사출성형기(702)에 의해 몰드(703)에 주입하여 제조될 수 있다. 이때 몰드(703)의 내부 형태를 입체 구조로 설계하여, 자성부의 입체 구조를 쉽게 구현할 수 있다. 이와 같은 공정은 기존의 소결 페라이트 시트를 자성부로 사용하는 경우에는 어려울 수 있다.
또는, 상기 제 1 자성부는 자성 시트의 적층체일 수 있으며, 예를 들어 자성 시트가 20장 이상, 또는 50장 이상 적층된 것일 수 있다.
이러한 자성 시트는 자성 분말과 바인더 수지를 혼합하여 슬러리화한 후 시트 형상으로 성형하고 경화하는 등의 통상적인 시트화 공정으로 제조될 수 있다.
제 1 자성부의 자성 특성
상기 제 1 자성부는 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 자성부의 85 kHz의 주파수 대역에서 투자율은 소재에 따라 달라질 수 있으나, 예를 들어 5 내지 500, 예를 들어 5 내지 400, 예를 들어 5 내지 300, 또는 예를 들어 10 내지 300일 수 있다.
상기 제 1 자성 소재가 자성 분말 및 바인더 수지를 포함하는 고분자형 자성 블록일 경우, 79 kHz 내지 90 kHz의 주파수 대역에서 투자율은 5 내지 500, 5 내지 400, 5 내지 200, 5 내지 130, 15 내지 80, 또는 10 내지 50일 수 있고, 투자손실은 0 내지 50, 0 내지 20, 0 내지 15, 또는 0 내지 5일 수 있다.
제 1 자성부의 물리적 특성
상기 제 1 자성부는 일정 비율로 신장될 수 있다. 예를 들어 상기 제 1 자성부의 신장율은 0.5% 이상일 수 있다. 상기 신장 특성은 고분자를 적용하지 않는 세라믹계 자성부에서는 얻기 어려운 것으로, 대면적의 자성부가 충격에 의해 뒤틀림 등이 발생하더라도 손상을 줄여줄 수 있다. 구체적으로, 상기 제 1 자성부의 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, 자성부의 인턱턴스 등의 특성이 떨어질 수 있으므로, 상기 신장율은 10% 이하인 것이 좋다.
상기 제 1 자성부는 충격 전후의 특성 변화율이 적으며, 일반적인 페라이트 자성시트와 비교하여 월등하게 우수하다.
본 명세서에서 어떤 특성의 충격 전후의 특성 변화율(%)은 아래 식으로 계산될 수 있다.
특성 변화율(%) = | 충격 전 특성 값 - 충격 후 특성 값 | / 충격 전 특성 값 x 100
예를 들어, 상기 제 1 자성부는 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 자성부의 안정성이 보다 향상될 수 있다.
또한, 상기 제 1 자성부는 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 자성부의 안정성과 내충격성이 보다 향상될 수 있다.
또한, 상기 제 1 자성부는 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, 실제 충격과 진동이 가해지는 환경에서 반복하여 적용하더라도 저항값이 일정 수준 이하로 잘 유지될 수 있다.
또한, 상기 제 1 자성부는 1 m의 높이에서 자유 낙하시켜 인가한 충격 전과 후의 충전 효율 변화율이 0% 내지 6.8%, 0.001% 내지 5.8%, 또는 0.01% 내지 3.4%일 수 있다. 상기 범위 내일 때, 대면적의 자성부가 충격이나 뒤틀림이 반복적으로 발생하더라도 특성을 보다 안정적으로 유지할 수 있다.
제 2 자성부
제 2 자성부의 종류
본 발명의 일 구현예에 따른 상기 무선충전 장치는 상기 제 1 자성부와 투자율이 다른, 구체적으로 제 1 자성부의 투자율보다 높은 제 2 자성부를 포함한다.
상기 제 2 자성부는 페라이트계 자성체(페라이트계 자성부)를 포함할 수 있고, 구체적으로, 산화물계 자성 소재, 금속계 자성 소재, 또는 이들의 복합 소재를 포함할 수 있다.
본 발명의 구현예에 따라 상기 제 2 자성부로서 자기 집속력이 강한 소재를 사용함으로써, 자기 집속력(인덕턴스)이 약하여 충전 효율 저하 발생을 야기할 수 있는 제 1 자성부의 단점을 보완해 줄 수 있다.
만일, 상기 제 2 자성부를 포함하지 않고, 상기 제 1 자성부만을 사용하는 경우 내충격성 및 무게 감소 등의 효과가 있을 수 있으나, 자기 집속력(인덕턴스)이 약하여 충전 효율 저하를 발생할 수 있다. 한편, 상기 제 2 자성부는 자기 집속력이 강하나, 평판 대형화 가공에 어려움이 있고, 자동차용 후막 형태로 제조 및 가공시 제약이 있을 수 있다. 따라서, 내충격성이 크고 무게 감소 효과가 있는 제 1 자성부와 함께 자기 집속력이 강한 제 2 자성부를 함께 사용함으로써, 무선충전 장치의 성능을 효율적으로 향상시킬 수 있다.
상기 산화물계 자성 소재는 페라이트계 소재일 수 있고, 구체적인 화학식은 MOFe2O3(여기서 M은 Mn, Zn, Cu, Ni 등의 1종 이상의 2가 금속 원소이다)로 표시될 수 있다. 상기 페라이트계 소재는 소결체인 것이 투자율과 같은 자성 특성 면에서 유리하다. 상기 페라이트계 소재는 원료 성분들을 혼합하고 하소 후 분쇄하고, 이를 바인더 수지와 혼합하여 성형하고 소성하여 시트 또는 블록 형태로 제조될 수 있다.
보다 구체적으로 상기 산화물계 자성 소재는 Ni-Zn계, Mg-Zn계, 또는 Mn-Zn계 페라이트일 수 있고, 특히 Mn-Zn계 페라이트는 79 kHz 내지 90 kHz의 주파수에서 실온 내지 100℃ 이상의 온도 범위에 걸쳐 높은 투자율, 낮은 투자손실, 및 높은 포화자속밀도를 나타낼 수 있다.
상기 Mn-Zn계 페라이트는 주성분으로 산화철 Fe2O3 66 mol% 내지 70 mol%, ZnO 10 mol% 내지 20 mol%, MnO 8 mol% 내지 24 mol%, NiO 0.4 mol% 내지 2 mol%를 포함하고, 그 외 부성분으로 SiO2, CaO, Nb2O5, ZrO2, SnO 등을 함유할 수 있다. 상기 Mn-Zn계 페라이트는 주성분을 소정의 몰비로 혼합하여 공기 중에서 800℃ 내지 1100℃의 온도로 1 시간 내지 3 시간 동안 하소 후 부성분을 첨가하여 분쇄하고, 이에 폴리비닐알코올(PVA) 등의 바인더 수지를 적당량 혼합하고 프레스를 이용하여 가압 성형한 후, 1200℃ 내지 1300℃까지 승온하여 2시간 이상 소성함으로써 시트 또는 블록 형태로 제조될 수 있다. 이후, 필요에 따라 와이어 톱(wire saw) 또는 워터젯(water jet) 등을 이용한 가공을 통해 요구되는 크기로 절단된다.
또한 상기 금속계 자성 소재는 Fe-Si-Al 합금 자성부, 또는 Ni-Fe 합금 자성부일 수 있고, 보다 구체적으로 센더스트(sendust), 또는 퍼말로이(permalloy)일 수 있다.
또한 상기 제 2 자성부는 나노결정성(nanocrystalline) 자성체(나노결정성 자성부)를 포함할 수 있고, 예를 들어 Fe계 나노결정성 자성체, 구체적으로 Fe-Si-Al계 나노결정성 자성체, Fe-Si-Cr계 나노결정성 자성체, 또는 Fe-Si-B-Cu-Nb계 나노결정성 자성체를 포함할 수 있다. 상기 제 2 자성부로 나노결정성 자성체를 적용 시에, 코일부와 거리가 멀어질수록 코일부의 인덕턴스(Ls)가 낮아지더라도 저항(Rs)이 더욱 낮아짐으로써 코일부의 품질계수(Q factor: Ls/Rs)가 높아져서 충전 효율이 향상되고 발열이 줄어들 수 있다.
상기 나노결정성 자성체는, 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.
또한 상기 나노결정성 자성체는 제조 공정 후단에 가압 롤 등에 의해 파쇄하여 박막 시트에 다수의 크랙을 형성함으로써, 복수 개의 나노결정성 미세 조각들을 포함하도록 제조할 수 있다.
상기 제 2 자성부는 상기 제 1 자성부와 종류가 다른 자성 소재로 구성될 수 있다. 구체적인 일례로서, 상기 제 1 자성부가 자성 분말 및 바인더 수지를 포함하는 고분자형 자성부(예컨대, 고분자형 자성 블록(PMB))를 포함하고, 상기 제 2 자성부가 페라이트계 자성체, 나노결정성 자성체, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 자성부가 Fe-Si-Al계 합금 자성부를 포함하고, 상기 제 2 자성부가 Mn-Zn계 페라이트, Fe-Si-Al계 나노결정성 자성 분말, Fe-Si-Cr계 나노결정성 자성 분말, 및 Fe-Si-B-Cu-Nb계 나노결정성 자성 분말로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 상기 제 1 자성부와 제 2 자성부의 조합은, 상기 제 2 자성부가 상기 제 1 자성부 대비 79 kHz 내지 90 kHz, 구체적으로 85 kHz에서 높은 투자율을 갖는데 유리하다.
제 2 자성부의 구조적 특징
상기 제 2 자성부는 상기 자성부의 중심부에 위치할 수 있다.
상기 제 1 자성부보다 투자율이 더 높은 상기 제 2 자성부를 상기 자성부의 중심부에 배치시킴으로써, 무선충전 시에 집속되는 자속을, 상대적으로 자속 분포가 더 적은 중심부 방향으로 분산시킬 수 있다. 이로 인해 코일부에 대응하는 부분의 자속 밀도를 낮추고 대신 코일부가 없는 중심부에 자속 밀도를 좀더 높임으로써 자속과 발열 분포를 고르게 분산시켜 무선충전 시 발열 저감 특성 및 무선충전 효율을 효율적으로 향상시킬 수 있다.
상기 제 2 자성부는 상기 제 2 자성부의 전체면 또는 둘레면이 상기 제 1 자성부에 의해 둘러싸일 수 있다.
구체적으로, 도 3a, 3c 및 3d를 참조하여, 상기 제 2 자성부는 상기 제 2 자성부의 둘레면이 상기 제 1 자성부에 의해 둘러싸일 수 있다.
또한, 도 3b를 참조하여, 상기 제 2 자성부는 상기 제 2 자성부의 전체면이 상기 제 1 자성부에 의해 둘러싸일 수 있다.
상기 제 2 자성부는 시트 형태 또는 블록 형태를 가질 수 있다.
상기 제 2 자성부는 상기 제 1 자성부와 동일한 두께를 가질 수 있다. 또한, 상기 제 2 자성부는 상기 제 1 자성부와 다른 두께를 가질 수 있다.
예를 들면, 상기 제 2 자성부의 두께는 0.5 mm 이상, 1 mm 이상, 3 mm 이상, 또는 5 mm 이상일 수 있고, 또한 30 mm 이하, 20 mm 이하, 또는 11 mm 이하일 수 있다.
또한, 상기 제 2 자성부의 두께는 10 mm 이하, 7 mm 이하, 또는 5 mm 이하일 수 있다.
상기 제 2 자성부의 두께는 0.5 mm 내지 5 mm일 수 있고, 구체적으로, 0.5 mm 내지 3 mm, 0.5 mm 내지 2 mm, 또는 1 mm 내지 2 mm일 수 있다.
상기 제 2 자성부의 수평 방향 최대 단면적이 자성부 전체 단면적의 10 % 내지 40 %일 수 있다. 상기 제 2 자성부의 수평 방향 최대 단면적이 자성부 전체 단면적의 예를 들어, 10 % 내지 38 %, 예를 들어, 10 % 내지 35 %, 예를 들어, 10 % 내지 34 %, 예를 들어, 10 % 내지 33 %, 예를 들어, 10 % 내지 31 %, 예를 들어, 10 % 내지 30 %, 예를 들어, 10 % 내지 25 %, 또는 예를 들어, 10 % 내지 20 %일 수 있다.
상기 제 2 자성부의 면적은 50 cm2 이상, 70 cm2 이상, 또는 100 cm2 이상, 일 수 있다. 또한, 상기 제 2 자성 소재의 면적은 4,000 cm2 이하일 수 있다.
상기 제 2 자성부는 상기 제 1 자성부보다 작은 면적을 가질 수 있다. 이 경우 상기 제 2 자성부는 작은 면적으로도 충전 효율을 효과적으로 향상시킬 수 있다.
제 2 자성부의 자성 특성
상기 제 2 자성부는 전기 자동차의 무선충전 표준 주파수 근방에서 특정 범위의 자성 특성을 가질 수 있다.
예를 들어 상기 제 2 자성부의 79 kHz 내지 90 kHz의 주파수 대역에서 투자율은 소재에 따라 달라질 수 있고, 넓게는 500 초과 내지 150,000일 수 있으며, 예를 들어 1,000 내지 20,000의 투자율을 가질 수 있다. 또한, 상기 제 2 자성부의 투자율은 구체적인 소재에 따라 500 내지 3,500, 1,000 내지 5,000, 5,000 초과 내지 20,000, 10,000 초과 내지 100,000, 또는 8,000 내지 150,000일 수 있다.
또한 상기 제 2 자성부의 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 5,000 내지 50,000일 수 있다.
구체적인 일례로서, 상기 제 2 자성부가 페라이트계 소재일 경우, 79 kHz 내지 90 kHz의 주파수 대역, 예컨대 85 kHz의 주파수 대역에서 투자율은 1,000 내지 5,000, 1,000 초과 내지 5,000 미만, 또는 2,000 내지 4,000일 수 있고, 투자손실은 0 내지 1,000, 0 내지 500, 0 내지 100, 또는 0 내지 50일 수 있다.
또 다른 일례로서, 상기 제 2 자성부가 나노결정성 자성체일 경우, 79 kHz 내지 90 kHz의 주파수 대역, 예컨대 85 kHz의 주파수 대역에서 투자율은 5,000 이상, 5,000 초과 내지 150,000, 5,000 초과 내지 120,000, 5,000 초과 내지 10,000, 10,000 초과 내지 150,000의 투자율을 가질 수 있다. 또한, 투자손실은 100 내지 50,000, 또는 1,000 내지 10,000일 수 있다.
상기 구현예에 따르면, 상기 제 2 자성부는 상기 제 1 자성부 대비 85 kHz의 주파수에서 높은 투자율을 갖는다. 예를 들어, 상기 제 2 자성부와 상기 제 1 자성부 간의 85 kHz의 주파수에서 투자율 차이는 100 이상, 500 이상, 또는 1,000 이상일 수 있고, 구체적으로 100 내지 10,000, 100 내지 5,000, 500 내지 4,500, 또는 1,000 내지 4,500일 수 있다.
구체적으로, 상기 제 1 자성부는 85 kHz의 주파수에서 5 내지 500, 또는 5 내지 300의 투자율을 갖고, 상기 제 2 자성부는 85 kHz의 주파수에서 500 초과 내지 150,000, 1,000 내지 20,000, 1,000 내지 10,000, 또는 5,000 초과 내지 20,000의 투자율을 가질 수 있다.
또한, 상기 제 1 자성부는 85 kHz에서 0 내지 50의 투자손실을 갖고, 상기 제 2 자성부는 85 kHz에서 0 내지 500의 투자손실을 가질 수 있다.
무선충전 시에 자속 밀도는 코일부와 근접할수록 높지만, 자성부가 코일부 주위에 있을 경우에 자성부에 자속이 집속되며, 하나 이상의 자성부가 있을 경우에는 자성부의 투자율의 크기 순서로 자속 밀도가 커지게 된다. 따라서, 제 1 자성부 대비 높은 투자율을 갖는 제 2 자성부를 적절히 배치하게 되면 자속을 효과적으로 배분할 수 있다.
쉴드부
상기 구현예에 따른 무선충전 장치(10)는 전자파 차폐를 통해 무선충전 효율을 높이는 역할을 하는 쉴드부(400)을 더 포함할 수 있다.
상기 쉴드부는 상기 코일의 일면 상에 배치된다.
상기 쉴드부는 금속판을 포함하며, 이의 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.
스페이서부
상기 구현예에 따른 무선충전 장치는, 상기 쉴드부와 자성부 간의 공간을 확보하기 위한 스페이서부를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 도 3a 및 3c를 다시 참조하면, 상기 자성부, 구체적으로 상기 제 1 자성부(300) 및/또는 상기 제 2 자성부(500)는 상기 쉴드부(400)와 일정 거리 이격되어 배치될 수 있다. 또한, 상기 제 1 자성부(300) 및/또는 상기 제 2 자성부(500), 및 상기 쉴드부(400) 사이에 빈 공간 또는 스페이서부(700)를 더 포함할 수 있다. 상기 스페이서부의 재질 및 구조는 무선충전 장치에 사용되는 통상적인 하우징의 재질 및 구조를 채용할 수 있다.
하우징
상기 구현예에 따른 무선충전 장치(10)는 상기 코일부(200), 상기 제 1 자성부(300) 및 제 2 자성부(500)를 수용하는 하우징(600)을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 하우징(600)은 상기 코일부(200), 쉴드부(400), 상기 제 1 자성부(300) 및 제 2 자성부(500) 등의 구성 요소가 적절하게 배치되어 조립될 수 있게 한다. 상기 하우징의 형상(구조)은 그 내부에 포함되는 구성 요소에 따라 또는 환경에 따라 임의로 설정할 수 있다. 상기 하우징의 재질 및 구조는 무선충전 장치에 사용되는 통상적인 하우징의 재질 및 구조를 채용할 수 있다.
지지부
상기 구현예에 따른 무선충전 장치(10)는 상기 코일부(200)을 지지하는 지지부(100)을 더 포함할 수 있다. 상기 지지부의 재질 및 구조는 무선충전 장치에 사용되는 통상적인 지지부의 재질 및 구조를 채용할 수 있다. 상기 지지부는 평판 구조 또는 코일부를 고정시킬 수 있도록 코일 형태를 따라 홈이 파여진 구조를 가질 수 있다.
한편, 본 발명의 무선충전 장치는 3kW 내지 22kW, 4kW 내지 20kW, 또는 5kW 내지 18kW의 고전력 무선충전을 하는 경우, 코일부가 외부로부터 무선 전력을 받을 때 발생하는 발열을 효율적으로 감소시킬 수 있고, 충전 효율을 향상시킬 수 있으므로, 고전력 무선충전용으로 유용하게 사용할 수 있다.
특히, 상기 무선충전 장치는 자성부에 입체 구조를 적용함으로써 충전 효율 및 발열 저감 특성을 더욱 향상시킬 수 있다.
본 발명의 구현예에 따른 무선충전 장치의 충전 효율은 85% 이상, 88% 이상, 89% 이상, 90% 이상, 또는 91% 이상일 수 있다.
따라서 상기 무선충전 장치는, 송신기와 수신기 간의 대용량의 전력 전송을 요구하는 전기 자동차 등에 유용하게 사용될 수 있다.
[이동 수단]
도 9는 무선충전 장치가 적용된 이동 수단, 구체적으로 전기 자동차를 나타낸 것으로서, 하부에 무선충전 장치를 구비하여 전기 자동차용 무선충전 시스템이 구비된 주차 구역에서 무선으로 충전될 수 있다.
도 9를 참조하여, 일 구현예에 따른 전기 자동차(1)는, 상기 구현예에 따른 무선충전 장치를 수신기(720)로 포함한다.
상기 무선충전 장치는 전기 자동차(1)의 무선충전의 수신기로 역할하고 무선충전의 송신기(730)로부터 전력을 공급받을 수 있다.
이와 같이 상기 이동 수단은 무선충전 장치를 포함하고, 상기 무선충전 장치는 코일부; 상기 코일부 상에 배치되는 자성부를 포함하고, 상기 자성부는 제 1 자성부 및 제 2 자성부를 포함하고, 상기 제 2 자성부는 상기 자성부의 중심부에 위치하고, 상기 제 2 자성부의 전체면 또는 둘레면이 상기 제 1 자성부에 의해서 둘러싸이고, 상기 제 2 자성부의 투자율이 상기 제 1 자성부의 투자율보다 높다.
상기 이동 수단에 포함되는 무선충전 장치의 각 구성요소들의 구성 및 특징은 앞서 설명한 바와 같다.
상기 이동 수단은 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 이동 수단은 충전에 대한 정보를 무선충전 시스템의 송신기에 전달하는 신호 전송기를 더 포함할 수 있다. 이러한 충전에 대한 정보는 충전 속도와 같은 충전 효율, 충전 상태 등일 수 있다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들을 제시한다. 다만, 하기에 기재된 실시예들은 본 발명을 구체적으로 예시하거나 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로서 본 발명이 제한되어서는 아니된다.
실시예
무선충전 장치의 제조
하기 실시예 1과 2, 및 비교예 1 내지 3의 무선충전 장치는 도 5를 참조하여 제공될 수 있다. 다만, 도 5에 있어서, 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다.
실시예 1
단계 1: 제 1 자성부(PMB 자성부)의 제조(입체 구조)
바인더 수지로서 폴리아미드 수지(제품명 L1724k,제조사 Daicel-Evonik) 10 중량%, 필러로서 샌더스트(제품명 C1F-02A, 제조사 Crystallite Technology) 85 중량%, 및 첨가제로서 인산 및 실란을 각각 5 중량%를 사용하여 약 170 내지 200 ℃ 의 온도, 120 내지 150 rpm의 조건으로 압출기에서 펠릿을 제조 하였다. 이 펠릿을 사출기에서 약 250 ℃ 의 온도 조건에서 사출하여 입체 구조를 갖는 제 1 자성부(300)(두께 5 mm)를 얻었다.
단계 2: 하이브리드형 자성부의 제조
상기 단계 1에서 제조한 제 1 자성부(300) 내부에 페라이트계 자성체(TDK 사의 PC-95 페라이트 자성 시트, 제 2 자성부)(두께 5 mm) (500)를 삽입하고 열압착하여 고정함으로써 상기 제 2 자성부(500)의 둘레면이 상기 제 1 자성부(300)에 의해서 둘러싸이는 구조의 하이브리드형 자성부를 얻었다.
단계 3: 무선충전 장치의 제조
상기 단계 2의 하이브리드형 자성부를 이용하여 전도성 와이어를 포함하는 코일부(200), 상기 하이브리드형 자성부(300, 500) 및 쉴드부(400)를 포함하는 무선충전 장치(도 5의 (a))를 얻었다.
실시예 2
실시예 1의 단계 1과 동일한 방법으로 입체 구조를 갖는 제 1 자성부(300)를 제조하되, 상기 제 1 자성부 및 상기 제 1 자성부 내부에 삽입된 제 2 자성부(페라이트계 자성체(TDK 사의 PC-95 페라이트 자성 시트)가 쉴드부(400)에 접촉하도록 배치하고, 상기 제 1 자성부 및 제 2 자성부의 두께를 각각 5 mm 및 3 mm로 변경한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 전도성 와이어를 포함하는 코일부(200), 상기 하이브리드형 자성부(300, 500) 및 쉴드부(400)를 포함하는 무선충전 장치(도 5의 (b))를 얻었다.
비교예 1
자성부로서 실시예 1의 단계 1에서 얻은 제 1 자성부(두께 5 mm)만을 사용하여, 전도성 와이어를 포함하는 코일부(200), 상기 제 1 자성부(300) 및 쉴드부(400)를 포함하는 무선충전 장치(도 5의 (c))를 얻었다.
비교예 2
실시예 1의 단계 1에서 얻은 제 1 자성부를 사용하지 않고, 나노결정성 자성체(Hitachi 사의 FINEMET FT3, 제 2 자성부)(두께 5 mm)만을 사용하여, 전도성 와이어를 포함하는 코일부(200), 상기 제 2 자성부(500) 및 쉴드부(400)를 포함하는 무선충전 장치(도 5의 (d))를 얻었다.
비교예 3
페라이트계 자성체(TDK 사의 PC-95 페라이트 자성 시트, 제 2 자성부)의 위치를 도 5의 (e)와 같이 제 1 자성부(300)의 둘레면이 상기 제 2 자성부(500)에 의해서 둘러싸이도록 배치시킨 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 전도성 와이어를 포함하는 코일부(200), 상기 하이브리드형 자성부(300, 500) 및 쉴드부(400)를 포함하는 무선충전 장치(도 5의 (e))를 얻었다.
시험예
(1) 발열 온도 측정
상기 실시예 및 비교예에서 얻은 무선충전 장치를 하우징 내에 배치하여 무선충전 장치를 얻었다.
상기 실시예 및 비교예에서 얻은 무선충전 장치를 SAE J2954 WPT2 Z2 class Standard TEST 충전 효율 측정 조건에서, 상기 코일부에 85kHz의 주파수 및 6.6kW 의 출력을 가지는 무선 전력이 30분 동안 송신될 때, 자성부의 표면 온도를 측정하였다.
구체적으로, 상기 자성부의 표면 온도는 퀄리트롤(Qualitrol)사의 T/GUARD 405-SYSTEM을 이용하여 실시예 및 비교예의 자성부의 하면 중 코일부에 대응되는 위치의 중앙(최대 발열 온도)을 기준으로 측정하였다(발열온도(T), 도 5 참조).
(2) 충전 효율 측정
충전 효율은 SAE J2954 WPT2 Z2 Class standard TEST 방법으로 측정하였다. 구체적으로, SAE J2954 WPT2 Z2 Class standard TEST 규격 코일부 및 프레임을 적용하고 자성부, 스페이서(spacer), 알루미늄플레이트를 쌓아 수신패드 (35 cm X 35 cm) 및 송신패드(75 cm X 60 cm) 제조하여, 85 kHz 주파수에서 출력전력 6.6kW 로 동일한 조건에서 충전 효율을 평가했다.
상기 측정 결과를 하기 표 1, 및 도 6와 7에 나타내었다.
Figure pat00001
상기 표 1, 및 도 6과 7에서 보듯이, 투자율이 서로 다른 2종의 하이브리드형 자성부를 사용하며, 이때 제 1 자성부보다 투자율이 더 높은 제 2 자성부를 상기 자성부의 중심부에 배치한 실시예 1 및 2의 무선충전 장치는 제 1 자성부만을 사용한 비교예 1, 제 2 자성부만을 사용한 비교예 2의 무선충전 장치뿐만 아니라, 제 1 자성부 및 제 2 자성부를 포함하는 하이브리드형이지만, 본원 발명과 구조가 다른 비교예 3의 무선충전 장치에 비해, 자속과 발열을 효과적으로 분산하여 발열 저감 특성 및 무선충전 효율을 현저히 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
구체적으로, 상기 코일부에 85kHz의 주파수 및 6.6kW의 출력을 가지는 무선 전력이 30분 동안 송신될 때, 실시예 1 및 2의 무선충전 장치의 경우, 자성부의 발열 온도가 비교예 1 내지 3의 자성부의 발열 온도에 비해 약 12 ℃ 내지 80 ℃까지 낮았다. 또한, 무선 전력이 30분 동안 송신될 때, 실시예 1 및 2의 무선충전 장치의 충전 효율은 각각 약 89.5% 및 약 89.9%인데 반해, 비교예 1의 무선충전 장치의 충전 효율은 87%, 비교예 2의 무선충전 장치의 충전 효율은 79%, 비교예 3의 무선충전 장치의 충전 효율은 87%로, 실시예 1 및 2의 무선충전 장치의 충전 효율이 충전 효율이 현저히 향상되었음을 확인할 수 있다.
특히, 실시예 1의 무선충전 장치는 무선 전력이 15분 동안 송신될 때의 자성부 상면의 발열 온도(T15)에서, 상기 무선 전력이 30분 동안 송신될 때의 자성부 하면의 발열 온도(T30)로 약 26.4℃ 정도 증가한 반면, 비교예 1의 무선충전 장치는 상기 T15에서 상기 T30으로 약 31.6℃이고 발열 온도가 급격히 증가함을 알 수 있었다.
한편, 실시예 2의 무선충전 장치와 같이, 제 1 자성부 및 제 2 자성부가 쉴드부에 접촉하는 경우, 상기 자성부들이 쉴드부에 접촉하지 않은 실시예 1의 무선충전 장치에 비해 충전 효율이 향상되었음을 알 수 있다.
반면, 비교예 3의 무선충전 장치와 같이, 제 1 자성부 및 제 2 자성부를 포함하는 하이브리드형 구조이지만, 제 1 자성부의 둘레면이 제 2 자성부에 의해서 둘러싸이도록 배치한 경우, 하이브리드형이 아닌 비교예 1 및 2의 무선충전 장치에 비해 발열 저감 특성 및 무선충전 효율은 향상되었지만, 실시예 1 및 2의 무선충전 장치에 비해 발열 저감 특성 및 무선충전 효율은 저하되었음을 알 수 있다.
따라서, 본 발명의 구현예에 따라 효율적인 방법으로 무선충전 장치의 충전 효율 및 발열 저감 특성을 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
1: 이동 수단(전기 자동차), 10: 무선충전 장치
100 : 지지부 200 : 코일부
300 : 제 1 자성부 400 : 쉴드부
500 : 제 2 자성부 510 : 상면
520 : 하면 530 : 둘레면
600 : 하우징 700 : 스페이서부
701 : 원료 조성물 702 : 사출 성형기
703 : 몰드
720 : 수신기 730 : 송신기
T: 발열 온도(측정 위치)

Claims (8)

  1. 코일부;
    상기 코일부 상에 배치되는 자성부를 포함하고,
    상기 자성부는 제 1 자성부 및 제 2 자성부를 포함하고,
    상기 제 2 자성부는 상기 자성부의 중심부에 위치하고,
    상기 제 2 자성부의 전체면 또는 둘레면이 상기 제 1 자성부에 의해서 둘러싸이고,
    상기 제 2 자성부의 투자율이 상기 제 1 자성부의 투자율보다 높은, 무선충전 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 자성부는 자성 분말 및 바인더 수지를 포함하고,
    상기 제 2 자성부는 페라이트계 자성체, 나노결정성 자성체, 또는 이들의 조합을 포함하는, 무선충전 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 자성부는 85 kHz에서 5 내지 500의 투자율을 갖고,
    상기 제 2 자성부는 85 kHz에서 500 초과 내지 150,000의 투자율을 갖는,
    무선충전 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    제 2 자성부의 수평 방향 최대 단면적이 자성부 전체 단면적의 10 % 내지 40 %이고,
    상기 코일부가 외부로부터 무선 전력을 받을 때, 상기 제 2 자성부의 발열량이 상기 제 1 자성부의 발열량보다 더 높은, 무선충전 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 자성부가 상기 코일부에 85kHz의 주파수 및 6.6kW의 출력을 가지는 무선 전력이 15분 동안 송신될 때의 자성부 상면의 발열 온도를 T15라 하고,
    상기 무선 전력이 30분 동안 송신될 때의 자성부 하면의 발열 온도를 T30이라 할 때,
    상기 T15에서 상기 T30으로 30 ℃ 이하로 더 증가한, 무선충전 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 T15가 40 ℃ 내지 65 ℃이고,
    상기 T30이 50 ℃ 내지 95 ℃인, 무선충전 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 자성부 상에 배치되는 쉴드부를 더 포함하고,
    상기 자성부의 적어도 일부가 상기 쉴드부에 접촉하는, 무선충전 장치.
  8. 제 1 항에 따른 무선충전 장치를 포함하는, 이동 수단.
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