KR20220076328A - 온도 센서 내장 검출용 코일을 이용한 이물질 감지 시스템 및 방법 - Google Patents

온도 센서 내장 검출용 코일을 이용한 이물질 감지 시스템 및 방법 Download PDF

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박용주
임용석
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한국전자기술연구원
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Abstract

본 발명은 무선전력전송 시스템의 이물질 감지 시스템에 관한 것으로서, 송전단 코일과 수전단 코일 사이에 배치되며 맥스웰 브리지 회로를 포함하는 검출용 코일과, 상기 송전단 코일의 온도를 측정하는 온도 센서와, 상기 회로의 브리지 양단에서 검출되는 전압값을 기초로, 상기 송전단 코일과 상기 수전단 코일 사이의 이물질 존재 여부를 판단하는 프로세서를 포함한다.

Description

온도 센서 내장 검출용 코일을 이용한 이물질 감지 시스템 및 방법{Foreign Object Detection System and Method using FOD balanced coil with Temperature Sensor}
본 발명은 무선전력전송에서의 이물질 검출(FOD, Foreign Objects Detection)에 관한 것이다.
무선전력전송을 위한 전력 송전단(TX)과 전력 수전단(RX) 사이에 금속성 이물질(metallic foreign objects; metailic FOs)이 존재할 경우, 임피던스 부정합으로 인하여 송전단(TX)의 코일이 발열되어 회로의 손상과 시스템 안정성에 문제가 생길 수 있다. 특히 전기차 무선충전 시스템의 경우, 대출력을 필요로 하므로 코일의 발열은 전체 시스템의 발열로 이어질 수 있다. 금속 성분의 이물질 외에도 살아있는 생물체(Living Objects; LOs)가 존재할 경우는 생명 위협을 줄 수 있다. 이러한 이유로 이물질을 검출(Foreign Object Detection; FOD)하는 기술은 무선충전 제품에 필수적인 기술이다.
종래 기술의 경우, 무선전력전송 시스템의 특성을 나타내는 Q-팩터를 측정함으로써, 송신부와 수신부에 영향을 미치는 이물질의 유무를 판단하는 알고리즘을 사용하였다. 그러나 고출력 전력전달 시스템으로 넘어갈수록 단순한 Q-팩터 측정으로는 다양한 사이즈(특히 매우 작은 사이즈의 금속)와 다양한 이격거리에서의 FOD인식이 어려워진다.
이러한 문제점으로 최근의 전기차 같은 고출력 시스템에서는 검출용 코일(balanced coil)을 사용하여 이물질을 검출하는 알고리즘을 사용하고 있다.
검출용 코일을 송전단 코일(transmitter coil)과 수전단 코일(receiver coil)사이에 배치하면 금속성 이물질 삽입시 검출용 코일의 인덕턴스(L) 값이 변화하기 때문에, 이 변화를 기준값(상호 대칭되는 L)과 비교하는 방식으로 동작한다.
그런데, 금속성 이물질이 큰 경우에는 비교적 잘 인식하나, 작은 금속 삽입시에는 L의 변화를 감지하기에는 매우 변화량이 작아서 사용하기 어렵다는 단점이 존재한다.
또한, 송전단 전력전달 출력이 높을수록 오인식률이 급격히 증가한다.고출력 전력전달 무선충전 시스템에서 검출용 코일을 사용하는 경우 온도의 상승에 따라 검출용 코일의 위상 변화에 의한 상호 균형(balance)이 무너질 가능성이 매우 높기 때문이다. 따라서, 송전단의 출력이 높을수록 온도 상승에 대하여, 검출용 코일을 보정해 주어야 정확한 FO를 감지할 수 있다.
본 발명은 무선전력전송에 있어서 이물질의 종류나 크기에 대한 영향을 받지 않는 이물질 검출 방법 및 시스템을 제공하고자 한다.
또한, 온도 변화에 따른 검출용 코일의 적정 보정을 수행하여 신뢰도와 정확도가 향상되는 무선전력전송 시스템의 이물질 검출 방법 및 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명은 검출용 코일의 인덕턴스 변화를 감지하는 방식이 아니라, 검출용 코일을 맥스웰 브릿지 회로로 구성하여 브릿지 양단에 걸리는 전압 변화량을 측정하여 이물질을 감지하는 방식을 새롭게 제안한다.
또한, 1차측 코일에서 광섬유 센서 온도를 적용한(내장한) 이물질 검출 방법 및 시스템을 제안한다.
본 발명에 따른 무선전력전송 시스템의 이물질 감지 시스템은, 송전단 코일과 수전단 코일 사이에 배치되며 맥스웰 브리지 회로를 포함하는 검출용 코일과, 상기 회로의 브리지 양단에서 검출되는 전압값을 기초로, 상기 송전단 코일과 상기 수전단 코일 사이의 이물질 존재 여부를 판단하는 프로세서를 포함한다.
상기 검출용 코일은 횡방향으로 배치되는 복수의 단위 코일과, 종방향으로 배치되는 복수의 단위코일을 포함하며, 각 단위 코일은 다른 하나의 단위 코일과 대칭적으로 쌍을 이루도록 구성된다.
대칭적으로 쌍을 이루는 단위 코일들은 유도되는 전압값이 동일하도록 구성된다.
본 발명의 다른 면에 따른 무선전력전송 시스템의 이물질 감지 시스템은, 송전단 코일과 수전단 코일 사이에 배치되며 맥스웰 브리지 회로를 포함하는 검출용 코일과, 상기 송전단 코일의 온도를 측정하는 온도 센서와, 상기 회로의 브리지 양단에서 검출되는 전압값을 기초로, 상기 송전단 코일과 상기 수전단 코일 사이의 이물질 존재 여부를 판단하는 프로세서를 포함한다.
상기 온도 센서는 FBG 광섬유 온도센서이고, 상기 검출용 코일 PCB 또는 송전단 코일에 매립된다.
상기 프로세서는 상기 송전단 코일의 온도 변화에 따라 상기 회로의 브리지 양단에서 검출되는 전압값의 변화를 상기 온도 센서에 의하여 측정되는 온도를 기초로 보정하고, 보정된 전압값에 기초하여 이물질 존재 여부를 판단하는 것인 이물질 감지 장치.
본 발명의 또 다른 면에 따른 무선전력전송 시스템의 이물질 감지 시스템은 송전단 코일의 온도를 측정하는 온도 센서와, 상기 온도 센서에서 측정되는 온도를 기초로 상기 송전단 코일과 수전단 코일 사이의 이물질 존재 여부를 판단하는 프로세서를 포함한다.
상기 송전단 코일과 상기 수전단 코일 사이에 배치되는 검출용 코일을 더 포함하고, 상기 프로세서가 상기 검출용 코일에 기초한 이물질 감지 결과와 상기 온도 센서에 기초한 이물질 감지 결과를 함께 고려하여 이물질 감지 여부를 판단할 수도 있다.
본 발명에 따르면 이물질의 크기에 무관하게 높은 신뢰도로 이물질 검출이 가능하다.
또한, 송전용 코일의 표면 온도 및 이물질의 온도 측정이 가능하며, 이로 인하여 온도에 많은 영향을 받는 이물질 검출용 코일의 출력값을 값의 정확한 보정이 가능하다.
그 결과 이물질 검출의 정확성을 높일 수 있다.
도 1은 무선전력전송 시스템 구조도.
도 2a는 본 발명에서 채택한 FOD를 위한 검출용 코일(검출용 코일)이 개재된 개략 구성도.
도 2b는 본 발명에 따라 구성되는 온도센서, 검출용 코일, 송전단 코일의 개략 배치도.
도 3은 본 발명에 따른 검출용 코일의 구성을 설명하기 위한 참고도.
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따라 맥스웰 브리지를 포함하는 검출용 코일의 구성도.
도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 검출용 코일을 이용한 FOD 동작 원리를 설명하기 위한 참고도.
도 6a 및 6b는 검출용 코일의 출력 전압의 온도에 따른 영향을 도시한 측정 그래프.
도 7a는 본 발명에서 채택하는 온도센서 개요도.
도 7b는 본 발명에 따라 온도센서에 검출용 코일에 적용되는 구조 예시도.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 온도센서를 배치한 예시를 도시한 구조도.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 매립 위치에 대한 예시를 도시한 구조도.
도 10은 본 발명에 따른 FOD 시스템의 구성도.
도 11은 본 발명에 따라 온도센서의 배치에 따라 감지되는 온도의 특성을 도시한 온도 변화 그래프.
도 12는 본 발명에 따른 이물질 존재 여부에 따른 각 온도별 파형 변화를 도시한 온도 변화 그래프.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 무선전력전송의 전체적인 시스템 구조를 나타낸다. 송전단에서는 자기장을 형성하고 물리적인 접촉없이 수전단에 전력을 전송한다.
무선전력전송 중 금속성 이물질(FO)이 송전단과 수전단 사이에 끼어들면 고온 발열이 일어나므로 이물질을 검출하는 FOD 기법이 필요하다. 이를 위해서 일반적으로 고출력 무선충전에서는 검출용 코일을 사용한다. 도 2a와 같이 검출용 코일은 송전단 측에 송전단 코일과 수전단 코일 사이에 배치된다.
이때 송전단 측이란 수전단 코일을 제외한 모든 부분을 말한다.
본 발명에서는 송전단 측에는 도 2b와 같이 송전단 코일, 검출용 코일을 포함하며, 검출용 코일의 격자 모양의 한 단위를 FOD 단위 셀(unit cell)이라고 명칭한다.
또한, 온도 측정용 광센서를 더 포함하여 온도 변화에 따른 검출용 코일 보정을 수행할 수 있으며, 온도 측정용 광센서에 대해서는 후술하며, 우선 본 발명에 따른 검출용 코일의 구성에 대하여 설명한다.
기존의 방식에서는 검출용 코일을 이용하여 작은 인덕턴스(L)의 변화를 AMP로 증폭하여 센싱하였으나, 전술한 바와 같이 이물질 크기에 따라 검출 감도가 차이가 나는 문제가 있어서, 본 발명에서는 맥스웰 브릿지(Maxwell Bridge) 회로를 이용하여 브릿지 양단에 걸리는 전압의 변화량을 측정하는 방식을 제안한다.
즉, 본 발명에 따른 검출용 코일은 맥스웰 브리지 회로를 갖는다.
맥스웰 브리지는 도 3과 같이 브릿지 가운데 전압계가 위치한 구조로, 교류를 가해서 미지의 인덕턴스(L)의 값을 측정하는데 활용된다. 도 3에서 L1과 L2의 양단에 걸리는 전압을 각각 V1, V2이며, 도 4에서 이들의 전압차 |V1-V2|는 ΔV 또는 Δ'V로 표시된다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따라 맥스웰 브리지 회로를 겹쳐 검출용 코일을 만든 구조의 예시이다.
도 4a에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 검출용 코일은 수직 배치된 단위 코일들과 수평 배치된 단위 코일들(L1, L2, L3...R3, R2, R1)과 수평 배치된 단위 코일들T1, T2, T3...B3, B2, B1)을 포함하고 서로 쌍을 이루는 단위 코일들(L1과 R1, L2와 R2, L3와 R3 및 T1과 B1, T2와 B2, T3와 B3)은 상호 대칭으로 밸런스가 정확히 맞도록(유도되는 전압값이 동일하도록)고 구성한다. 또한 브릿지 양단의 전압 생성을 위한 전원이 추가될 수 있다. 한편, 도 4 및 관련 설명에서 부호(L1, L2, L3...R3, R2, R1)은 수직 배치된 둘 이상의 단위 코일 중 각각 왼쪽(Left), 오른쪽(Right)의 단위코일을 지시하는 것으로서, 전기회로의 인덕턴스(L), 저항(R)을 나타내기 위한 부호가 아니라는 점을 유의하라.
도 4a의 실시예에서, 한 쌍의 단위 코일(L1-R1)의 인덕턴스의 차이는 검출용 코일 하단의 |Lx1-Lxn|=ΔV1가 되고, 다른 단위 코일쌍(B1-T1)의 인덕턴스 차이는 |L'x1-L'xn|=ΔV'1 가 된다. 따라서 상호 밸런스된 검출용 코일을 이루는 각 단위 쌍 코일(예컨대, L1 및 R1, T1 및 B1)의 맥스웰 브리지 양단의 전압값의 차이를 감지함으로써 검출용 코일 상의 이물질 존재 유무 및 위치를 높은 신뢰도로 정확하게 파악할 수 있다.
도 4b는 검출용 코일에 맥스웰 브리지 회로가 적용되는 구성을 보다 구체적으로 나타낸다. 즉, 한 쌍을 이루는 단위 코일쌍(예컨대, L1 및 R1)은 하나의 맥스웰 브리지 회로의 양단에 전기적으로 연결된다.
도 5a 및 도 5b를 참조하여 이물질 감지를 위하여 FOD 검출코일을 검출용 코일로 활용한 검출 동작 원리를 보여준다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 검출용 회로는 각 단위 코일쌍(L1과 R1, L2와 R2, L3와 R3 및 T1과 B1, T2와 B2, T3와 B3)이 상호 대칭으로 밸런스가 정확히 맞도록(유도되는 전압값이 동일하도록)고 구성되고, 따라서 각 단위 쌍 코일의 전압값을 비교하여 이물질을 감지한다.
도 5b에 표시된 바와 같은 위치에 이물질이 삽입되면 L2와 R2, T3와 B3의 값(유도되는 전압)이 달라지게 된다. 이물질에 의해 유도되는 전압이 달라지는 이유는 금속성 이물질의 인덕턴스(L)가 근접한 단위 코일(본 실시예에서는 L2, T3)의 인덕턴스 L에 영향을 줘서 뮤추얼 인덕턴스(mutual inductance)를 변화시키기 때문이다. 이러한 방법으로 검출용 코일을 이루는 각 단위 코일의 전압값을 측정하여 FOD를 수행할 수 있다.
전술한 예시와 같이 검출용 코일이 잘 동작하려면, 상호 대칭으로 연결되어 있는 코일 (즉, L1과 R1, L2와 R2, L3와 R3, T1과 B1, T2와 B2, T3와 B3)이 정확히 밸런스가 맞거나 혹은 이물질이 없을 때의 초기 전압값을 알고 있어야 한다. 이물질을 감지하는 방식은 초기의 전압 값에 변화가 있는지를 측정하는 방식이기 때문이다.
아래의 논리식과 같이, 단위 코일 쌍의 초기 전압차 ΔV 이상의 변화량이 있다면 이물질이 있다고 판단할 수 있다.
If [Ln-Rn의 전압차 > (ΔVn or ΔV‘n)] or [Tm-Bm의 전압차 > (ΔVn or ΔV‘n)]
then 이물질 존재
이와 같이 종래의 검출용 코일과 달리 맥스웰 브릿지 회로를 적용한 본 발명의 검출용 코일은 이물질의 크기나 이물질의 자기 인덕턴스 크기에 무관하게 높은 신뢰도와 정확도로 이물질을 검출할 수 있다.
도시하지는 않았지만, 본 발명에 따른 이물질 검출 시스템은 검출용 코일의 맥스웰 브릿지 양단의 전압값에 기초하여 전술한 논리로 이물질을 검출하는 판단용 프로세서가 구비됨은 당연하다. 판단용 프로세서는 별도의 연산장치(PC, 노트북, 서버 컴퓨터 등)일 수 있고, 또는 송전단 또는 송전 시스템에 내장되거나 부착된 연산장치일 수 있다.
한편, 전술한 실시예에서 측정되는 ΔV나 Δ‘V의 변화량이 온도에 영향을 받을 수가 있다. 예컨대, 도 6a는 20도 상온(normal)일 때 ΔV의 전압 그래프이고 도 6b는 40도일 때 ΔV의 전압 변화 그래프이다. 그래프에서 Y축은 전압값이고 X축은 측정 시간(ms)이다. Δ'V 양상도 유사하다.
이러한 점을 고려하여, 본 발명의 발명자는 이하의 실시예에서와 같이, 보다 정확한 이물질 검출을 위한 추가 구성을 고려하였다.
도 6a 및 6b을 자세히 보면, 상온일 때 ΔV는 1V가 측정된 것을 확인할 수 있으며(ΔVnormal=1V), 40도일 때 ΔV는 1.2V가 측정(ΔV40=1.2V)됨을 알 수 있다. 온도가 높아질수록 ΔV의 값은 커진다고 가정한다면, 상온 20도에서 40도로 20도만큼의 온도가 변화할 때 전압차의 변화(ΔV(normal+20))는 아래의 수학식 1로부터 얻을 수 있다.
Figure pat00001
여기서 변수 e는 온도차에 따라 학습된 변수이며, e 값에 따라 온도 보정이 가능하다. (단, -1<e<1)
즉, 검출용 코일(정확히는 전력 전송을 하며 온도가 상승할 수 있는 송전단 코일)의 온도 변화를 정확히 측정하면 ΔV 및 Δ'V를 보정할 수 있고, 그럼으로써 정확한 FOD가 가능하다.
전력 전송시 온도가 주로 상승하는 부분은 송전단 코일(1차측 코일)이며, 따라서 송전단 코일에서 측정해야 표면 온도뿐 아니라 이물질의 온도도 측정할 수 있다. 그러나 송전단 코일에서 써모커플, RTD, 써미스터 등의 접촉식 온도 센서 또는 적외선 방식의 비접촉 온도 센서를 적용하기에는 EMI에 의한 간섭이 있어서 적용하기 어렵다. 따라서 EMI의 간섭을 받지 않는 온도 센서의 적용이 필요하다.
이러한 점을 감안하여 본 발명에서는 송전단 코일의 온도 변화와 검출용 코일 각 위치의 온도를 측정하기 위해 FBG 광섬유 온도 센서를 사용한다.
도 7a는 본 발명의 다른 실시예(제2 실시예)에 채택되는 FBG 광섬유 온도 센서의 도면이다. FBG(Fiber Bragg grating)는 Fiber 섬유 및 격자(grating)를 포함한다. FBG 광섬유 온도센서 가운데에는 코어가 존재하고, 격자는 도면에서 빨간 점으로 표시되어 있다. 격자는 광섬유 코어가 자외선에 노출되었을 때, 굴절률의 증가로 생겨난다. 각 격자에서는 진행하는 빛의 일부를 반사하게 되는데, 반사된 빛 신호가 합쳐지게 되면 특정 파장에서 하나의 큰 반사광이 되고 이것을 브래그(bragg) 파장이라고 한다. 이 파장 변화량을 검출하여 물리적 변화량으로 계산하는 것이 온도가 된다.
전술한 바와 같이 그 중 전자기 간섭(EMI)는 전기 센서 시스템에서 발생하는 측정 에러와 오작동 중 가장 흔한 경우인데, 본 발명에서는 전자기파에 영향이 거의 없는 광섬유를 사용하여 이러한 문제를 해결할 수 있다. FBG 광섬유 온도 센서는 빛이 소스이기 때문에 케이블 길이가 길어지거나 전기적 신호의 영향을 받더라도 신호에 노이즈 및 왜곡 현상이 발생하지 않는다.
도 7b는 본 발명의 제2 실시예에 따라, FOD 검출용 코일 PCB에 FGB 센서가 매립되는 구조를 보여주는 단면도이다. 광섬유 케이블 안에 센서를 내장하는 것으로, 광섬유 케이블 자체가 센서로 작용하는 것과 같다. 스트레인(strain)에 민감한 광섬유를 보호하기 위해 맞춤 튜브를 제작한다. 광섬유는 튜브 위에 떠있는 형태이며 이는 부착하는 형태가 아닌 매립하는 구조이다.
본 실시에에서, FBG 광섬유 온도 센서는 검출용 코일 단위 셀(unit cell)의 개수에 대응하거나 또는 비례한다. 싱글 채널에서 한 FBG 광섬유 케이블에 부착할 수 있는 최대 센서의 개수는 30개이다.
도 8의 (a)와 (b)와 같이 싱글 채널(단일 광 섬유)에서 횡, 종방향으로 설치하거나 또는 그 외의 어느 방향으로나 설치할 수 있다. 그러나, 그 이상의 센서를 필요로 하거나, 채널을 다른 목적으로 운용하려면 도 8의 (c)와 같이 멀티 채널을 선택할 수 있다.
도 9는 FBG 광섬유 온도 센서의 배치 예시도이다. FBG 광섬유 온도 센서는 검출용 코일과 송전단 코일을 따라 또는 이를 고려하여 배치된다. 도 9의 (a)는 검출용 코일 PCB에 매립한 경우의 예시이고, (b)는 송전단 코일(TX coil)에 매립한 경우의 예시이다. 송전단 코일에 매립된다는 것은 송전단 코일 사이, 송전단 코일 상측, 송전단 코일 하측 등과 같이 송전단 코일에 인접하게 매립되거나 근처에 매립된다는 의미이다. 이와 같이 매립하는 구조라면 코일의 아래나 위의 어떠한 패턴으로 모든 구조에 가능하다. FBG 광섬유 온도 센서의 유연성과 센서를 자유롭게 배치하는 특성을 이용한다면 어떤 구조의 어떤 코일에서도 FBG 광섬유 온도 센서를 부착하는 것이 가능하다.
이러한 구조로 측정된 송전단 코일 및/또는 검출용 코일의 온도값은 온도에 따른 보정을 수행하고 이물질을 검출하는 판단용 프로세서가 구비됨은 당연하다. 판단용 프로세서는 별도의 연산장치(PC, 노트북, 서버 컴퓨터 등)일 수 있고, 또는 송전단 또는 송전 시스템에 내장되거나 부착된 연산장치일 수 있다.
도 10은 본 발명에 따라 FBG 광섬유 온도 센서 값을 측정하기 위한 시스템 구성이다. FBG 광섬유 온도센서 값을 측정하기 위해 FBG 인테로게이터(Interrogator)를 사용한다. FBG 인테로게이터는 빛의 신호를 받아 온도를 센싱하기 위한 FBG 광섬유 온도 센서와 FBG 센서 모듈에서 반사되는 광 신호를 수신하여 온도 측정 및 변화 값을 모니터링하기 위한 사용자 PC를 연결한다.
도 10에서와 같이, 본 발명에 따른 FBG 광섬유 온도 센서는 단일 광섬유 안에 여러 개의 센서를 삽입하여 여러 지점(바람직하게는 검출용 코일의 각 단위 셀 위치)의 온도 변화량을 측정할 수 있다는 장점이 있다.
정리하면, 본 발명에서 검출용 코일은 송수전단이 정렬 상태일 때, ΔV를 측정해 이물질을 검출하기 위한 목적으로 사용한다. 또한 온도에 따른 전압차 변화가 일어날 수 있으므로 FBG 광섬유 온도 센서를 이용하여 측정된 온도를 토대로 ΔV를 보정하여 더 정확한 이물질 검출을 가능하게 한다.
그런데, 송전단과 수전단의 위치가 벗어난 오정렬 상태인 경우 전술한 방식으로는 이물질을 효과적으로 검출해내지 못할 수도 있다.
본 발명의 또 다른 실시예(제3 실시예)에서는, 위와 같은 검출용 코일의 단점을 보완하기 위해 각 지점마다 온도를 센싱하여 이물질을 검출할 수 있는 FBG 온도 센서를 개시한다.
예를 들어, 도 11의 (c)에서와 같이 검출용 코일의 여러 위치(예컨대, 각 단위 셀)의 온도를 측정하여, FBG 광섬유 온도 센서의 온도가 어떤 지점 마다 10도, 30도로 다르게 측정된다면 이물질이 있는 경우로 판단할 수 있는 것이다. 이처럼 FBG 광섬유 온도 센서의 온도를 보다 정교하게 측정할 수 있다는 장점을 이용하여 온도 변화를 기초로 이물질을 검출할 수 있다.
FOD와 광섬유 온도 센서를 추가한 무선충전 송전단의 개념도는 도 11의 (a)와 같다. 일차적으로 검출용 코일의 ΔV변화를 통해 송수전단의 정렬 상태를 체크한다. 다음으로 FBG 광섬유 온도 센서를 센싱하여 검출용 코일의 각 단위 셀의 온도를 측정하여 이물질을 검출한다.
본 실시예에서는 도 11의 (b)와 같이 검출용 코일 또는 송전단 코일의 구역을 총 5 x 67 = 30으로 나뉘어져 있다. 각 구역마다 FBG 광섬유의 온도 센서들이 위치할 수 있게 디자인한다. 송전단 코일은 직사각형(TX 1), 이중 원 구조(TX 2)인 두 경우를 예시하였다. (c)는 송전단 코일의 모양에 따라 온도 측정 그래프가 다르게 그려지는 것을 나타내고 있다.
본 실시예에서는 FBG 광섬유 온도 센서의 값 변화량에 따라 이물질을 측정하지만, 단순히 온도가 높게 측정된다고 해서 이물질이 있다고 판단하는 것이 아니다.
도 12는 송전단 코일이 발열됨에 따라 변화하는 온도를 6개소에서 FBG 광섬유 온도 센서로 측정하여 코일의 온도 변화 양상을 도시한 그래프다. 박스친 부분이 이물질이 존재하는 경우의 송전단 코일 온도 변화를 나타낸 그래프이고, 그 외의 부분은 도면은 이물질이 존재하지 않을 때 측정된 그래프다.
이물질의 존재하면 이물질 자체에서도 발열이 되어 해당 위치의 온도 변화가 급격해지므로 온도 파형이 특징적으로 변화하게 된다. 따라서 여러 개소의 온도 변화 그래프를 통하여 이물질의 존재 유무를 확인할 수 있으며, 어떤 위치에 이물질이 존재하는지도 파악할 수 있다.
즉, 도 10의 측정용 기기(FOD Embedded System, PC, 노트북, 서버 컴퓨터, 충전기에 내장된 임비딩 프로세서 등 다양한 형태로 구현 가능)에 온도 DB를 구축하거나 또는 별도의 온도 DB를 연결하여 이물질이 존재하지 않는 경우의 온도 변화값을 저장하고 현재 측정되는 온도값과 대비하여 이물질의 존재 여부 및/또는 이물질 위치를 확인할 수 있다.
또한, 이물질이 존재할 경우와 그렇지 않은 경우의 다양한 기 측정된 온도 데이터를 기초로 기계학습을 하여 학습모델을 생성하고, 이를 토대로 현재 측정되는 온도값으로부터 이물질 존재 여부 및/또는 이물질 위치를 추론하는 방식을 취할 수 있음은 물론이다.
즉, 본 발명의 제3 실시예에서는 송전단 코일(또는 검출용 코일)의 온도 변화에 기초하여 이물질을 감지한다.
온도 변화에 기초한 이물질 감지 방식은 검출용 코일과 함께 또는 검출용 코일 없이 사용될 수 있다.
예컨대, 온도 센서가 측정한 온도값을 검출용 코일의 온도 보정 및 온도 변화에 기초한 이물질 감지의 두가지 용도로 이용하여 검출용 코일에 기초한 이물질 감지 결과와 온도 변화에 기초한 이물질 감지 결과를 함께 고려하여 최종 이물질 감지 결과를 도출할 수 있다.
다른 한편으로, 송전단과 수전단의 오정렬로 인하여 검출용 코일에 기초한 이물질 감지를 정확하게 하지 못할 경우 온도 변화에 기초한 이물질 감지 결과만으로 이물질 감지 여부를 판단하거나, 또는 검출용 코일을 채택하지 않고 오로지 송전단에 매립된 온도 센서만으로 이물질 감지를 수행할 수 있다.
이상, 본 발명의 구성에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 물론이다. 따라서 본 발명의 보호범위는 상기 상세한 설명보다는 후술한 특허청구범위에 의하여 정해지며, 특허청구의 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태는 본 발명의 기술적 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (12)

  1. 무선전력전송 시스템의 이물질 감지 시스템에 있어서,
    송전단 코일과 수전단 코일 사이에 배치되며 맥스웰 브리지 회로를 포함하는 검출용 코일과,
    상기 회로의 브리지 양단에서 검출되는 전압값을 기초로, 상기 송전단 코일과 상기 수전단 코일 사이의 이물질 존재 여부를 판단하는 프로세서
    를 포함하는 이물질 감지 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 검출용 코일은 횡방향으로 배치되는 복수의 단위 코일과, 종방향으로 배치되는 복수의 단위코일을 포함하며, 각 단위 코일은 다른 하나의 단위 코일과 대칭적으로 쌍을 이루도록 구성되는 것인 이물질 감지 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 대칭적으로 쌍을 이루는 단위 코일들은 유도되는 전압값이 동일하도록 구성되는 것인 이물질 감지 시스템.
  4. 무선전력전송 시스템의 이물질 감지 시스템에 있어서,
    송전단 코일과 수전단 코일 사이에 배치되며 맥스웰 브리지 회로를 포함하는 검출용 코일과,
    상기 송전단 코일의 온도를 측정하는 온도 센서와,
    상기 회로의 브리지 양단에서 검출되는 전압값을 기초로, 상기 송전단 코일과 상기 수전단 코일 사이의 이물질 존재 여부를 판단하는 프로세서
    를 포함하는 이물질 감지 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 온도 센서는
    FBG 광섬유 온도센서인 이물질 감지 시스템.
  6. 제4항에 있어서, 상기 온도 센서는
    상기 검출용 코일 PCB에 매립되는 것인 이물질 감지 시스템.
  7. 제4항에 있어서, 상기 온도 센서는
    송전단 코일에 인접하여 매립되는 것인 이물질 감지 시스템.
  8. 제4항에 있어서, 상기 프로세서는
    상기 송전단 코일의 온도 변화에 따라 상기 회로의 브리지 양단에서 검출되는 전압값의 변화를 상기 온도 센서에 의하여 측정되는 온도를 기초로 보정하고, 보정된 전압값에 기초하여 이물질 존재 여부를 판단하는 것인 이물질 감지 장치.
  9. 제4항에 있어서, 상기 온도 센서는
    검출용 코일 단위 셀의 개수에 상응하는 것인 이물질 감지 시스템.
  10. 무선전력전송 시스템의 이물질 감지 시스템에 있어서,
    송전단 코일의 온도를 측정하는 온도 센서와,
    상기 온도 센서에서 측정되는 온도를 기초로 상기 송전단 코일과 수전단 코일 사이의 이물질 존재 여부를 판단하는 프로세서
    를 포함하는 이물질 감지 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 상기 온도 센서는
    상기 송전단 코일을 복수의 구역으로 나누고, 각 구역마다 배치되는 것인 이물질 감지 시스템.
  12. 제10항에 있어서, 상기 송전단 코일과 상기 수전단 코일 사이에 배치되는 검출용 코일을 더 포함하고,
    상기 프로세서는 상기 검출용 코일에 기초한 이물질 감지 결과와 상기 온도 센서에 기초한 이물질 감지 결과를 함께 고려하여 이물질 감지 여부를 판단하는 것인 이물질 감지 시스템.



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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115313677A (zh) * 2022-07-20 2022-11-08 广西电网有限责任公司电力科学研究院 一种用于无线充电的异物检测方法、无线充电方法及系统

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