KR20220085711A - 무선전력전송에서 공진 주파수 변이를 이용한 금속 이물질 검출 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 무선전력전송 시스템의 이물질 검출 시스템은, 송전단 코일과 수전단 코일 사이에 배치되며 맥스웰 브리지 회로를 포함하는 검출용 코일과, 상기 맥스웰 브리지 회로에 전류를 인가하는 AC 전원과, 상기 회로의 브리지 양단에서 검출되는 전압값을 기초로, 상기 송전단 코일과 상기 수전단 코일 사이의 이물질 존재 여부를 판단하는 프로세서를 포함하여, 특히 브릿지 회로에서의 공진 주파수 스위핑(sweeping)을 이용하여, 금속이 반응하는 최대의 공진 대역을 찾아서 FOD를 인식한다.

Description

무선전력전송에서 공진 주파수 변이를 이용한 금속 이물질 검출 시스템{Metal foreign object detecting system using resonance frequency shift in wireless power transfer}

본 발명은 무선전력전송에서 이물질을 검출하는 시스템에 관한 것이다.

무전전력전송에서는 전력 송전단(TX)과 전력 수전단(RX) 사이에 금속 성분 물체(metallic objects)가 삽입되어 있을 경우 임피던스 부정합이 발생 발생하고, 이로 인해 회로가 손상될 수 있다. 특히, 전기차 무선충전과 같이 송전단과 수전단 사이에 약 15~30cm 이상 이격 거리가 존재할 때, 금속 성분의 이물질 외에도 살아있는 생물체가 존재할 경우는 생명 위협을 줄 수 있다. 이러한 이유로 이물질 검출(FOD; Foreign Object Detection) 기술은 무선충전시 매우 중요한 기술로 정의되고 있다.

종래 기술의 경우, 무선전력전송 시스템의 특성을 나타내는 Q-factor를 측정함으로써, 송신부와 수신부에 영향을 미치는 이물질의 유무를 판단하는 알고리즘을 사용하였다. 그러나 고출력 전력전달 시스템으로 넘어갈수록 단순한 Q-factor 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.

최근에, 고출력의 응용에서는 검출용 코일을 응용한 FOD 기법들이 소개되고 있다. 검출용 코일은 송전단 코일(transmitter coil)과 수전단 코일(receiver coil)사이에 위치하여, 이물질을 검출하는 목적으로 활용되고 있다. 검출용 코일의 경우 금속 이물질 삽입시 인덕턴스(L)의 변화를 기준값(상호 대칭되는 L)과 비교하는 방식으로 동작하며, 메탈 이물질이 큰 경우에는 비교적 잘 인식하나, 작은 메탈 금속 삽입시에는 L의 변화를 검출하기에는 매우 변화량이 작아서 사용하기 어렵다는 단점이 존재한다.

다른 한편, 전기차와 같이 85KHz대역의 주파수를 사용하는 시스템으로는 FOD 코일에 유도되는 전압의 출력이 매우 작기 때문에 이물질에 의한 작은 L값의 변화를 검출하기가 어렵다. 이러한 이유로 85kHz 대역이 아니라 수MHz 대역의 별도의 공진 주파수 생성기(AC 생성기)를 두고 높은 주파수 대역에서 검출하는 검출용 코일을 이용하기도 한다.

금속성 이물질이 삽입되면 검출용 코일 공진 주파수가 변화될 수 있다. 이러한 공진 주파수 대역 변화는 이물질의 다양한 형태, 사이즈, 재질에 따라 다르게 나타날 것이다. 따라서, 최적의 L 변화를 찾기 위해서는 공진대역을 변이하면서 검출하는 기능이 필요하다.

따라서, 본 특허에서는 일정한 이격거리가 있는 무선충전 송수신 환경에서 최적의 FOD를 위하여, 작은 L값의 변화량도 검출할 수 있는 이물질 탐지 방법을 제공하고자 한다.

또한, 공진 주파수 변이가 가능한 금속 탐지 방법에 대해 제공하고자 한다. 특히, 금속 이물질에 의해 변화되는 검출용 코일 구조 및 이 구조에서의 다양한 형태, 사이즈, 재질의 금속에 반응하도록 공진 주파수 스위핑(sweeping)을 이용한 금속 탐지 방법을 제공하고자 한다.

본 발명에 따른 무선전력전송 시스템의 이물질 검출 시스템은, 송전단 코일과 수전단 코일 사이에 배치되며 맥스웰 브리지 회로를 포함하는 검출용 코일과, 상기 맥스웰 브리지 회로에 전류를 인가하는 AC 전원과, 상기 회로의 브리지 양단에서 검출되는 전압값을 기초로, 상기 송전단 코일과 상기 수전단 코일 사이의 이물질 존재 여부를 판단하는 프로세서를 포함한다.

프로세서는 상기 별도의 AC 전원을 가변적으로 변화시키면서 상기 맥스웰 브릿지 양단의 전압차가 최대가 되는 주파수(fmax)와 전압차가 최저가 되는 주파수(fmin)를 도출하며, 최대 전압차 주파수(fmax)에서의 전압차와 최저 전압차 주파수(fmin)에서의 전압차에 기초하여 이물질을 여부를 판단한다.

상기 프로세서는 상기 전압차가 최대가 되는 주파수에 기초하여 이물질의 종류를 판단할 수 있다.

상기 AC 전원은 NCO(numerically controlled oscillator)을 이용하여 교류를 생성하여 직류-교류 변환기 및 아날로그 앰프를 거쳐 상기 맥스엘 브리지에 인가할 교류 신호를 생성한다.

본 발명의 다른 면에 따른 무선전력전송 시스템의 이물질 검출 시스템은, 송전단 코일과 수전단 코일 사이에 배치되며 맥스웰 브리지 회로를 포함하는 검출용 코일과, 상기 맥스웰 브리지 회로에 전류를 인가하는 AC 전원과, 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 온도센서일 수 있다.

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 판단한다.

본 발명에 따르면, 다양한 형태, 사이즈, 재질의 금속에 대하여 공진주파수 대역에서 반응 민감도(Response sensitivity)를 높일 수 있다.

본 발명을 통하여 로봇이나 이동체(AGV, 전기차 등)의 무선충전에 FOD나 LOD의 기술로써 활용할 수 있다.

특히, 송수전단 이격 거리가 다양할 수 있고, 삽입되는 종류의 이물질도 다양한 무선전력전송환경에서 인식률 100%에 근접하는 FOD기술이 구현될수 있으며, 이를 통하여 무선충전 기술의 안정성과 안전성을 확보할 수 있다.

도 1은 일반적인 무선전력전송 시스템의 구성도
도 2는 무선전력 송수전단 사이의 금속성 이물질 삽입되는 경우를 도시한 예시도.
도 3은 Transmitter coil위에 이물질이 삽입되었을 때의 등가회로도.
도 4는 본 발명에 따른 검출용 코일의 위치 및 구조를 도시한 도면.
도 5는 본 발명에 따른 검출용 코일의 배치(좌), 이물질 삽입시에 비교 사례(우)를 도시한 도면.
도 6은 본 발명에서 적용하고자 하는 맥스웰 브릿지 구조도.
도 7은 본 특허에서 제안하는 맥스웰 브릿지 회로를 갖는 검출용 코일 구성도.
도 8은 일반 구조(좌)와 본 특허 제안구조(우)에서의 측정 비교도.
도 9는 본 발명에 따른 검출 시스템의, 이물질이 한화 500원 동전일 경우의 전압 파형도.
도 10는 본 발명에 따른 검출 시스템의, 이물질이 WPC FOD 표준 시료일 경우의 전압 파형도.
도 11은 본 발명에 따른 검출 시스템의, 이물질이 클립일 경우의 전압 파형도.
도 12는 본 발명에 따른 검출 시스템의, 이물질이 없을때와 있을때의 전압 파형도.
도 13은 본 발명에 따라 입력 교류를 생성하기 위한 로직 회로도.
도 14a 및 14b는 검출용 코일의 출력 전압의 온도에 따른 영향을 도시한 측정 그래프.
도 15a는 본 발명에서 채택하는 온도센서 개요도.
도 15b는 본 발명에 따라 온도센서에 검출용 코일에 적용되는 구조 예시도.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따라 온도센서를 배치한 예시를 도시한 구조도.
도 17는 본 발명의 일 실시예에 따라 매립 위치에 대한 예시를 도시한 구조도.

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.

무선전력전송에서의 충전환경변화 검출하여 전력송신기와 수신기 사이의 이물질을 검출하는 기술에서, 기존의 방식에서는 검출용 코일을 이용하여 작은 인덕턴스(L)의 변화를 AMP로 증폭하여 전압으로 변화하여 센싱하였으나, 본 발명에서는 맥스웰 브릿지(Maxwell Bridge) 회로를 이용하여 브릿지 양단에 걸리는 전압의 변화량을 측정하는 방식을 활용한다. 나아가 브릿지 회로에서의 공진 주파수 스위핑을 이용하여, 금속이 반응하는 최대의 공진 대역을 찾아서 FOD를 인식하는 점에서 기존 기술과 차별성이 있다.

본 발명에서는 일정한 이격거리가 있는 무선충전 송수신 환경에서 최적의 FOD를 위하여, 작은 L값의 변화량도 검출할 수 있는 맥스웰 브릿지(Maxwell Bridge) 회로를 갖는 검출용 코일구조에서 공진 주파수 스위핑(sweeping)이 가능한 구조를 제안한다.

본 발명에 따른 무선전력전송 시스템의 이물질 검출 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.

또한, 검출용 코일에 별도의 입력 교류를 만들어 주는 AC 생성기를 더 포함할 수 있다. 이 경우는 상대적으로 높은 주파수를 생성해서 AC를 생성하기 때문에 이물질의 크기나 종류에 무관하게 인식가능하다. 또한, 검출용 코일에 인가하는 교류 주파수를 변경하면서 전압차를 측정하여 더 높은 신뢰도로 정확한 이물질 검출이 가능하며 나아가 이물질의 종류도 파악할 수 있다.

이하, 본 발명의 구성에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 무선전력전송의 전기에너지를 공간 상에 전달하는 종래의 일반적인 시스템을 보여준다. 송전단에서는 전력변환 회로를 통하여 AC 전력을 생성하고, 이를 송전단 코일을 통하여 공간상으로 자기장을 형성, 전력을 전송한다. 수전단에서는 수전단 코일을 통해 수신되는 전력을 정류기를 거쳐서 DC로 변환하여 부하에 전달하게 된다. 송전단 코일과 수전단 코일이 비접촉되기 때문에 송전단과 수전단은 물리적으로 일정거리 이격된다.

문제는 도 2와 같이 이격된 공간에 금속성 이물질(MO; metallic object)가 송전단 코일과 수전단 코일 사이에 삽입되었을 경우, 와전류(eddy current)가 발생하고 결국은 임피던스와 인턱턴스가 변화되면서 마그네틱 플럭스의 왜곡이 발생하게 된다.

도 3의 (a)와 같이 송전단 코일 위에 금속성 이물질이 위치할을 때의 등가회로를 분석하면 다음과 같다. 도 3의 (b)와 같은 등가 회로에서 L_tx와 R_tx는 각각 송전단 코일의 인덕턴스와 저항이고, L_mo와 R_mo는 각각 금속성 이물질의 인덕턴스와 저항이다. I_tx는 송신기 코일을 통해 흐르는 전류이며 M은 송신기 코일과 금속 물체 사이의 상호 인덕턴스, U_tx는 송신기 시스템의 AC 전원을 나타낸다.

금속성 이물질이 없는 경우 송신기 회로의 임피던스 Z_tx는 다음과 같이 표현할 수 있다.

여기서, f는 AC 전원(U_tx)의 주파수를 의미한다.

그러나 만약, 여기에 금속성 이물질(MO)가 삽입될 경우 송신기 회로의 임피던스 Z’_tx는 다음과 같이 변화하게 된다.

위 수학식 2에서 알 수 있듯이 송신기 코일 임피던스의 실수 부분(R part)은 증가하고 허수 부분(L part)부분은 감소한다. 결과적으로 송신기 코일과 수신기 코일 사이에 금속성 이물질(MO)이 삽입되면 송신기 코일의 인덕턴스가 감소하고 송신기의 공진 주파수가 변경되어 전력 전달 효율이 급격히 떨어진다. 금속성 이물질에 기인한 와전류로 인한 열 위험 외에도 송신기 코일의 전도도가 증가하여 열이 발생하여 송신기 회로 고장 또는 화재와 같은 심각한 손상을 초래한다. 이러한 이유로 금속성 FOD 기술은 고출력 무선 전력 전송에서 매우 중요하다.

FOD 위해 최근의 무선충전의 경우에는 검출용 코일을 제안하고 있다. 검출용 코일은 복수의 단위 코일(L1, L2, L3...R3, R2, R1; T1, T2, T3...B3, B2, B1)이 도 4와 같이 송전단 1차측 코일 상단에 위치하고 매트릭스 형태로 배치된다. 동작 방법은 도 5의 좌측과 같이 L1과 R1, L2와 R2, L3, R3가 서로 대칭되고, T1과 B1, T2와 B2, T3와 B3가 상호 대칭되도록 배치하고 L의 변화량을 측정한다. 서로 비교되는 코일은 서로 균형(balance)이 맞도록 초기 보상을 한다.

이러한 상황에서 도 5 우측과 같이 금속성 이물질이 L2과 T3 위치에 이물질이 삽입되었을시 L2와 R2의 균형이 틀어지게 되고, T3와 B3의 균형이 틀어지게 된다. 균형이 틀어지는 현상과 균형이 틀어지는 코일을 찾게 되면 이물질의 위치까지도 알게 되는 방식이 검출용 코일(balanced coil)을 이용한 FOD 방식이다.

일반적으로 검출용 코일은 송전단 1차측 코일(primary transmitter coil)에서 형성되는 마그네틱 플럭스에 공진되어 전압이 유도된다. 상호 대칭되는 코일의 전압차를 측정하면 이물질의 여부와 위치를 알게 되는 구조이다. 그러나, 검출용 코일을 이용한 FOD검출 기술은 이물질의 사이즈가 작을 때는 유도되는 전압 또한 매우 작게 된다. 이러한 문제로 FOD를 정확하게 센싱 할 수 없게 되는 문제가 있다.

매우 작은 전압차를 AMP로 증폭하여 센싱하는 경우가 일반적이나 노이즈까지도 증폭이 되기 때문에 정확한 값을 측정하기 어렵게 된다.

이에, 본 발명의 바람직한 실시에에서는 작은 L값의 변화량도 검출할 수 있는 맥스웰 브릿지(Maxwell Bridge) 회로를 갖는 검출용 코일구조를 제안한다. 맥스웰 브릿지는 일반적으로 보정된(calibrated) 저항 및 인덕턴스 또는 저항 및 커패시턴스를 이용하여 알 수 없는 미지의 인덕턴스(일반적으로 낮은 Q 값)를 측정하는데 사용되는 휘스톤 브리지(Wheatstone bridge)의 일종이다.

맥스웰 브릿지는 도 6과 같은 구조를 갖는다. 브릿지 회로의 중앙에는 정밀도가 높은 전압계, V_O(0점이 중앙에 위치)가 설치되어 있다. 전압계의 지침이 어느 방향으로도 편향되지 않고, 중앙(0점)에 위치하게 하면 브릿지는 평형이 된다.

도 6에서 L1과 Lx에 걸리는 전압/전류는 다음과 같이 표현이 가능하다.

따라서, Lx를 구하고자 한다면, Lx는 다음과 같이 R2, R1, 그리고 L1의 비로 표현될 수 있다.

본 발명에서는 도 7과 같이 상호 대칭의 검출용 코일(balanced coil)을 맥스웰 브릿지의 인덕턴스로 활용한다.

즉, 각 맥스웰 브릿지와 검출용 코일 하면의 Ln과 Rn, 측면의 Tm과 Bm의 각 단위 코일 쌍을 전기적으로 연결하여 사용하는 방식이다. 하면의 Ln과 Rn, 측면의 Tm과 Bm에 의해 각각의 쌍(pair)의 V1-V2의 전압차가 특정 임계값 이상 변화가 생기면 이물질이 삽입되었음을 판별하는 시스템이다.

맥스웰 브릿지의 입력 교류의 경우는 다음과 같이 2가지의 방법을 사용할 수 있다.

첫째는 무선전력 송전단에서 전력을 송신하는 대역에서 AC를 생성할 수 있다. 검출용 코일에서는 송전단 자장에 의해 유기되는 전압을 활용하여 FOD를 판단한다. 그러나 이러한 방법은 85kHz 의 낮은 주파수 대역으로 이물질에 의한 낮은 L값을 센싱하기가 어려운 단점이 있다.

두 번째 방법은 검출용 코일에 별도의 입력 교류를 만들어 주는 방식이 있다. 이 경우는 상대적으로 높은 주파수를 생성해서 AC를 생성하기 때문에 이물질에 의한 L의 변화가 작아도 인식가능하다. 또한, 무선전력 송전단에서 전력을 송신하고 있지 않을 경우에도 유효하다.

도 8의 측정은 본 특허에서 제시하는 맥스웰 브릿지를 사용하는 경우와 사용하지 않는 경우를 비교한 측정치이다. 맥스웰 브릿지로 측정시, 약 동일한 FO에 비하여 약 13배의 voltage 변화가 발생한다.

도 8에서는 도 7의 AC 전원을 1Mhz로 인가했을때의 △V(V1-V2)를 보여준다.

그러나 이물질의 종류에 따라 맥스웰 브릿지의 입력 교류에 따라 △V의 차이가 달라진다.

도 9, 도 10, 도 11은 이물질의 종류가 한화 500원 동전, WPC FOD 표준 시료, 클립일 경우의 맥스웰 브릿지의 입력 교류에 따라 △V(V1-V2)를 측정한 그래프이다.

한화 500원에 대해서는 교류 입력이 820kHz, WPC FOD 표준 시료는 1.4MHz, 클립에 대해서는 1.25MHz에서 최대의 △V를 확인할 수 있다.

즉, 이와 같이 이물질 종류에 따라 최대 전압차가 다르게 되므로, AC 전원의 주파수를 변화시키면서 최대 전압차를 측정하면 이물질의 종류를 파악할 수 있다.

도 12는 FO가 없을때와 있을때의 △Vmax 와 △Vmin을 표시한 도이다. 교류 입력를 변화시키면 △V가 최대(△Vmax)가 되는 주파수(fmax)와 △V가 최저(△Vmin)가 되는 주파수(fmin)를 찾아서 △|Vmax - △Vmin|을 찾을 수 있다. 이물질이 있을 경우 |Vmax - △Vmin|_FO와 없을 경우의 |Vmax - △Vmin|_{NO_FO}의 차이로 FO의 여부를 측정할 수 있다. 즉, |Vmax - △Vmin|_{NO_FO} +△Vth < |Vmax - △Vmin|_FO 혹은 |Vmax - △Vmin|_{NO_FO} - △Vth > |Vmax - △Vmin|_FO 인 관계가 성립한다.

이와 같은 방식을 취함으로써 이물질의 크기나 종류에 무관하게 높은 신뢰도로 정확하게 이물질의 존재 여부를 확인할 수 있다. 또한 전술한 바와 같이 최대 전압차가 나타나는 AC 주파수를 확인하여 이물질의 종류도 파악할 수 있다.

도 12는 맥스웰 브릿지 회로에서 AC를 생성하기 위한 구성을 나타낸다. 입력 교류는 NCO(NCO(numerically controlled oscillator)을 통하여 생성이 될 수 있다. NCO는 디지털 적분기와 어드레스 디코딩부 그리고 0~π/2의 Sinewave LUT(look-up table)로 구성되어 있으며, NCO의 출력은 DAC(디지털-아날로그 컨버터)를 거쳐서 아날로그 Sinewave가 생성된다. 이를 AMP를 통해 증폭하여 검출용 코일의 채널에 입력된다.

도시하지는 않았지만, 본 발명에 따른 이물질 검출 시스템은 AC 전원을 제어하며, 검출용 코일의 맥스웰 브릿지 양단의 전압값에 기초하여 전술한 논리로 이물질을 검출하고 종류를 판단하는 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 ΔV의 변화량이 온도에 영향을 받을 수가 있다. 예컨대, 도 14a는 20도 상온(normal)일 때 ΔV와 Δ‘V(붉은색)의 전압 그래프이고 도 14b는 40도일 때 ΔV의 전압 변화 그래프이다. 그래프에서 Y축은 전압값이고 X축은 측정 시간(ms)이다.

이러한 점을 고려하여, 본 발명의 발명자는 이하의 실시예에서와 같이, 보다 정확한 이물질 검출을 위한 추가 구성을 고려하였다.

도 14a 및 14b을 자세히 보면, 상온일 때 ΔV는 1V가 측정된 것을 확인할 수 있으며(ΔV_normal=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 로부터 얻을 수 있다.

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 ΔV를 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 15a는 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 15b는 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 16의 (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 17은 FBG 광섬유 온도 센서의 배치 예시도이다. FBG 광섬유 온도 센서는 검출용 코일과 송전단 코일을 따라 또는 이를 고려하여 배치된다. 도 17의 (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.

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 (8)

1. 무선전력전송 시스템의 이물질 검출 시스템에 있어서,
   송전단 코일과 수전단 코일 사이에 배치되며 맥스웰 브리지 회로를 포함하는 검출용 코일과,
   상기 맥스웰 브리지 회로에 전류를 인가하는 AC 전원과,
   상기 회로의 브리지 양단에서 검출되는 전압값을 기초로, 상기 송전단 코일과 상기 수전단 코일 사이의 이물질 존재 여부를 판단하는 프로세서
   를 포함하는 이물질 검출 시스템.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 프로세서는
   상기 별도의 AC 전원을 가변적으로 변화시키면서 상기 맥스웰 브릿지 양단의 전압차가 최대가 되는 주파수(fmax)와 전압차가 최저가 되는 주파수(fmin)를 도출하는 것인 이물질 검출 시스템.
   
3. 제2항에 있어서, 상기 프로세서는
   최대 전압차 주파수(fmax)에서의 전압차와 최저 전압차 주파수(fmin)에서의 전압차에 기초하여 이물질을 여부를 판단하는 것인 이물질 검출 시스템.
   
4. 제2항에 있어서, 상기 프로세서는
   상기 전압차가 최대가 되는 주파수에 기초하여 이물질의 종류를 판단하는 것인 이물질 검출 시스템.
   
5. 제1항에 있어서, 상기 AC 전원은
   NCO(numerically controlled oscillator)을 이용하여 교류를 생성하여 직류-교류 변환기 및 아날로그 앰프를 거쳐 상기 맥스엘 브리지에 인가할 교류 신호를 생성하는 것인 이물질 검출 시스템.
   
6. 무선전력전송 시스템의 이물질 검출 시스템에 있어서,
   송전단 코일과 수전단 코일 사이에 배치되며 맥스웰 브리지 회로를 포함하는 검출용 코일과,
   상기 맥스웰 브리지 회로에 전류를 인가하는 AC 전원과,
   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 검출 시스템.
   
7. 제8항에 있어서, 상기 온도 센서는
   FBG 광섬유 온도센서인 이물질 검출 시스템.
   
8. 제8항에 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 검출 시스템.
   
   
   

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