KR20230041804A - 자기장 관리를 통한 효율성 증진들 - Google Patents

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KR20230041804A
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피터 씨. 슈라펠
프란시스 제이. 멕마혼
매튜 엘. 워드
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인덕트이브이 인크.
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Abstract

저손실용으로 설계된 공진 유도 무선 전력 전송 코일 어셈블리는 무선 전력 전송 코일, 무선 전력 전송 코일에 인접한 비-포화 백킹 코어층, 와전류 차폐물, 백킹 코어층과 와전류 차폐물 사이의 간극층, 및 무선 전력 전송 코일, 백킹 코어층, 간극층 및 와전류 차폐물을 둘러싸는 인클로저를 포함한다. 간극층은 와전류 차폐물에서의 와전류 손실이 두께 범위에 걸쳐 실질적으로 평평하도록 백킹 코어층의 주어진 두께에 대해 두께 범위 내 두께를 갖는다. 백킹 코어층의 두께 및 간극층의 두께는 백킹 코어층에서의 전력 손실 플러스 간극층에 걸친 와전류 손실을 포함하는 전체 전력 손실이 실질적으로 최소화되도록 선택된다.

Description

자기장 관리를 통한 효율성 증진들
우선권
본 출원은 "EFFICIENCY GAINS THROUGH MAGNETIC FIELD MANAGEMENT"란 발명의 명칭으로, 2020년 7월 28일에 출원된 미국 특허 출원번호 제16/940,658호의 이익을 주장하며, 이는 그 전체가 본원에 참고로 포함된다.
관련 출원들에 대한 상호-참조
본 특허 출원은 "Wireless Power Transfer Thin Profile Coil Assembly"란 발명의 명칭으로, 2019년 11월 20일에 출원된 미국 특허 출원번호 제16/615,290호와 관련되며, 이는 2017년 5월 30일에 출원된 미국 가특허 출원번호 제62/512,544호에 대해 우선권을 주장하는, 2018년 5월 30일에 출원된 PCT/US2018/035060호의 국내 단계 진입이다. 이들 특허 출원들의 내용이 본원에 참고로 포함된다.
기술 분야
본 특허 출원은 자기 공진 유도의 사용을 통한 무선 충전과 관련되는 것으로 무선 전력 전송 코일 어셈블리를 설명한다. 본원에서 설명되는 무선 전력 전송 코일 어셈블리는 송신 무선 전력 전송 장치의 부분으로서 및/또는 수신 무선 전력 전송 장치의 부분으로서 사용될 수 있다.
공진 유도 무선 충전은 공통 코일 축을 따라 변위되는 2개의 동심 코일들로 구성되는 공심 변압기를 이용한다. 전력은 2개의 전송 코일들 사이의 자기 플럭스 연동에 의해 전송 장치로부터 수신 장치로 전송된다. 패러데이의 유도 법칙에서 자세히 설명되는 바와 같이, 제1 코일, 1차 또는 송신기는 시변 자기장을 생성한다. 대응하는 2차 또는 수신기 코일은 수신된 자기 플럭스를 전기 자동차와 같은 전기 시스템들 또는 전기 저장용 충전 시스템(예를 들어, 배터리)을 급전하는데 사용하기 위한 전기 신호로 변환한다. 이러한 공심 변압기들은 비-공심 변압기들에서 일반적인 것처럼 코일들 사이에 완전한 자기 회로를 만들도록 위치된 코어(들) 대신에 1차 코일 및 2차 코일 뒤에 위치된 개개의 코어들(명목상 페라이트로 제조됨)을 이용한다.
다음으로, 아래 상세한 설명에서 추가로 설명되는 간단한 형태로 컨셉들의 선택을 도입하기 위해 다양한 예들이 설명된다. 요약은 청구된 기술요지의 주요 또는 필수 특징들을 식별하도록 의도되지 않으며, 청구된 기술요지의 범위를 제한하는데 사용되도록 의도되지도 않는다.
샘플 실시형태들에서, 저전력 손실용으로 설계된 공진 유도 무선 전력 전송 코일 어셈블리가 제공된다. 어셈블리는 무선 전력 전송 코일; 무선 전력 전송 코일에 인접한 비-포화 백킹(backing) 코어층; 와전류 차폐물; 백킹 코어층과 와전류 차폐물 사이의 간극층; 및 무선 전력 전송 코일, 백킹 코어층, 간극층 및 와전류 차폐물을 둘러싸는 인클로저를 포함한다. 간극층은 와전류 차폐물에서의 와전류 손실이 간극층 두께 범위에 걸쳐 실질적으로 평평하도록, 백킹 코어층의 주어진 두께에 대해 간극층 두께 범위 내 간극층 두께를 갖는다. 백킹 코어층의 두께 및 간극층의 두께는, 백킹 코어층에서의 전력 손실 플러스 와전류 차폐물에서의 와전류 손실을 포함하는 전체 전력 손실이 실질적으로 최소화되도록 선택된다. 백킹 코어층은 백킹 코어, 적층 금속성 시트들, 분말 산화물들, 소결 분말 산화물들, 및/또는 비정질 금속들을 포함할 수도 있다.
샘플 실시형태들에서, 간극층은 공기 공간, 비-자성 충전제, 비-자성 구조적 지지 엘리먼트, 적어도 하나의 비-자성 도관, 및/또는 비-자성 냉각제를 포함할 수도 있다. 적어도 하나의 도관은 공기 또는 액체일 수도 있는 냉각/가열 유체를 순환시킬 수도 있다. 적어도 하나의 도관은 백킹 코어층에 바로 대향하여 및/또는 와전류 차폐물에 바로 대향하여 배치된 비-전도성, 비-자성 재료를 포함할 수도 있다. 또한, 열 관리 디바이스가 히스테리시스 가열로 인한 전력 손실을 실질적으로 최소화하기 위해 백킹 코어층을 열적으로 관리하고/하거나 무선 전력 전송(WPT) 코일 어셈블리를 열적으로 관리하기 위해, 적어도 하나의 도관에서 냉각/가열 유체를 순환시키도록 제공될 수도 있다.
다른 샘플 실시형태들에서, 와전류 차폐물은 온도 판독치들을 열 관리 디바이스에 제공하는 하나 이상의 온도 센서를 포함할 수도 있다. 결국, 열 관리 디바이스는 전력 손실을 최소화하기 위해 백킹 코어층을 미리 결정된 온도에서 유지하도록 냉각/가열 유체의 순환을 제어할 수도 있다. 열 관리 디바이스는 가열/냉각 요구사항들을 예상하기 위해 입구 공기 온도 및 백킹 코어층으로부터의 온도 판독치들을 예측 모델에 제공할 수도 있다. 냉각 또는 가열 요구사항들이 수동 냉각 또는 수동 가열의 능력들을 초과할 것으로 예상될 때, 냉각/가열 유체의 순환이 백킹 코어층의 온도를 조정하도록 제어된다. 냉각/가열 유체 저장소에는 열 관리 시스템에 의해 냉각/가열 유체를 적어도 하나의 도관을 통해 간극층에 제공하도록 제어되는 적어도 하나의 밸브가 제공될 수도 있다.
다른 양태들에 따르면, 무선 전력 전송 시스템의 무선 전력 전송 어셈블리를 어셈블리하는 방법이 제공된다. 본 방법은 무선 전력 전송 코일에 인접한 비-포화 백킹 코어층을 제공하는 단계; 백킹 코어층으로부터 간극층에 의해 분리된 와전류 차폐물을 제공하는 단계 - 간극층은 와전류 차폐물에서의 와전류 손실이 간극층 두께 범위에 걸쳐 실질적으로 평평하도록 백킹 코어층의 주어진 두께에 대해 간극층 두께 범위 내 간극층 두께를 가짐-; 및 인클로저에 무선 전력 전송 코일, 백킹 코어층, 간극층 및 와전류 차폐물을 둘러싸는 단계를 포함한다. 본 방법은 백킹 코어층에서의 전력 손실 플러스 간극층에 걸친 와전류 손실을 포함하는 전체 전력 손실이 실질적으로 최소화되도록, 백킹 코어층의 두께 대 간극층의 두께를 선택하는 단계를 더 포함한다. 샘플 실시형태들에서, 본 방법은 전체 구속 두께 C를 포함하며, 여기서, C= dg + df이며, df는 백킹 코어층의 두께이고, dg는 간극층 두께이다.
샘플 실시형태들에서, 본 방법은 간극층 내 적어도 하나의 도관을 통해 냉각/가열 유체를 순환시키는 단계를 포함한다. 적어도 하나의 도관이 백킹 코어층에 바로 대향하여 배치될 수도 있다. 열 관리 디바이스는 적어도 하나의 도관을 통해 냉각/가열 유체의 순환을 관리함으로써 전력 손실을 최소화하도록 백킹 코어층을 열적으로 관리할 수도 있다. 열 관리 디바이스는 가열/냉각 요구사항들을 예상하기 위해 입구 유체 온도 및 백킹 코어층으로부터의 온도 판독치들을 예측 모델에 추가로 제공할 수도 있다. 냉각 또는 가열 요구사항들이 수동 냉각 또는 수동 가열의 능력들을 초과할 것으로 예상될 때, 냉각/가열 유체의 순환이 백킹 코어층의 온도를 조정하도록 제어된다. 본 방법은 적어도 하나의 밸브를 갖는 적어도 하나의 냉각/가열 유체 저장소를 제공하는 단계를 더 포함할 수도 있다. 열 관리 시스템은 가열 또는 냉각을 백킹 코어층에 제공하여 전력 손실을 실질적으로 최소화하기 위해 냉각/가열 유체를 적어도 하나의 도관을 통해 간극층에 제공하도록 적어도 하나의 밸브를 제어할 수도 있다.
전술한 예들 중 임의의 하나가 본 개시내용의 범위 내에서 새로운 실시형태를 생성하기 위해 다른 전술한 예들 중 임의의 하나 이상과 결합될 수도 있음을 알 수 있을 것이다.
도면에서, 도면은 반드시 축척대로 도시되지 않는다, 유사한 숫자들은 상이한 도면들에서 유사한 컴포넌트들을 기술할 수도 있다. 도면들은 일반적으로 본 문서에서 설명되는 다양한 실시형태들을 제한하는 것이 아닌, 일 예로서 예시한다.
도 1은 무선 전력 전송 시스템에서의 차량 어셈블리의 주요 컴포넌트들을 도시한다.
도 2는 무선 전력 전송 시스템에서의 그라운드(ground) 어셈블리의 주요 컴포넌트들을 도시한다.
도 3은 와전류 차폐물들로서 기능하는 전도성 하우징들 내 인가된 자기장으로 인한 유도된 와전류들을 묘사한다.
도 4는 백킹 코어와 후면 플레이트 사이의 간극층 두께를 증가시키는 것이 자기 전력 전송 시스템에서 전력 손실에 미치는 영향을 예시한다.
도 5는 상이한 백킹 코어 두께들 및 확장된 간극층 두께들에 대해 예상되는 전력 손실들을 도시한다.
도 6은 백킹 코어층 두께 대 간극층 두께와 자기 전력 전송 시스템에서의 전력 손실들 사이의 상대적인 관계를 예시한다.
도 7a는 간극층 두께를 증가시키기 위해 상이한 백킹 코어 두께들이 점진적으로 박형화되는 고정 층에 대해 예상되는 전력 손실들을 도시한다.
도 7b는 전체 두께(백킹 코어와 간극층의 총합)의 예시적인 범위에 대해 백킹 코어 두께 대 간극층 두께의 실질적으로 최적화된 비율 범위를 도시한다.
도 8은 그라운드 어셈블리에서 백킹 코어층 간격의 유리한 사용을 예시한다.
도 9는 차량 어셈블리에서 백킹 코어층 간격의 유리한 사용을 예시한다.
도 10은 차량 사용을 위한 무선 전력 전송 시스템을 도식적으로 상세히 나타낸다.
도 11a는 예시적인 수동 또는 능동 공냉식 차량 어셈블리를 하이 레벨로 예시한다.
도 11b는 예시적인 수냉식 차량 어셈블리를 하이 레벨로 예시한다.
도 12는 전력 손실 밀도 대 백킹 코어 온도로서 표현되는 백킹 코어의 효율의 온도 민감도를 도시한다.
본원에서 설명되는 무선 전력 전송 코일 어셈블리, 인클로저, 마운팅들, 및 연관된 방법은 본 개시내용의 일부를 형성하는, 첨부 도면들 및 예들과 관련하여 취해진 다음의 상세한 설명을 참조하여, 보다 용이하게 이해될 수도 있다. 이 설명은 본원에서 설명 및/또는 도시된 특정의 제품들, 방법들, 조건들 또는 파라미터들에 제한되지 않으며, 그리고 본원에서 사용되는 용어는 특정의 실시형태들을 단지 일 예로서 설명하기 위한 목적을 위한 것이며 임의의 청구된 기술요지의 제한을 의도하려는 것은 아닌 것으로 이해되어야 한다. 이와 유사하게, 액션의 가능한 메커니즘 또는 모드 또는 향상에 대한 이유에 대한 임의의 설명은 단지 예시적이며, 본원에서 설명되는 기술요지는 액션의 임의의 이러한 제안된 메커니즘 또는 모드 또는 향상에 대한 이유의 정확성 또는 부정확성에 의해 제한되지 않는다. 이 텍스트 전체에 걸쳐, 설명들이 방법들 및 이러한 방법들을 구현하는 시스템들/소프트웨어 둘 모두를 지칭함을 알 수 있다.
다음으로, 예시적인 실시형태들의 상세한 설명을 도 1 내지 도 12를 참조하여 설명한다. 이 설명이 가능한 구현예들의 상세한 예를 제공하지만, 이들 세부사항들이 예시적인 것으로 의도되며 결코 본 발명의 기술요지의 범위를 제한하지 않는다는 점에 유의해야 한다.
PCT 출원 PCT/US2018/035060호, "WIRELESS POWER TRANSFER THIN PROFILE COIL ASSEMBLY"에서 이전에 교시된 바와 같이, 페라이트 코어층 박형화가 전송 코일 중량 및 비용을 감소시키는 수단으로서 바람직하다. 본원에서 설명된 바와 같이, 백킹 코어층들(예를 들어, 페라이트)의 두께 및 위치가 또한 가열 및 유도된 와전류들로 인한 전력 손실을 제어 및 최적화(명목상 최소화)하는데 사용될 수 있다.
도면들에서 예들 및 용어는 자동차들, 트럭들, 및 버스들과 같은, 종래의 전기 차량들(EVs)의 고정식 충전에 관한 것이다. 다른 용도들(예를 들어, 레일 엔진들, 보트들, 동적 충전 차도들 또는 철도들의 충전)도 이들 설명들에 의해 배제되지 않는다. EV들의 충전에 추가하여, 본원에서 설명되는 무선 전력 전송(WPT) 시스템은 대칭이며, (예를 들어, 가정용 전력 백업 또는 전기 그리드 관리 시스템으로서) 그라운드 측 전자기기를 급전하는데 사용하기 위해 EV의 전력 스토리지(예를 들어, 배터리, 용량성 뱅크, 가역 연료 셀)의 방전을 허용할 수도 있다.
단일 코일로 각각 구성된, 단일 그라운드 어셈블리(GA) 및 차량 어셈블리(VA) 시스템들이 예들에서 도시되지만, 다수의 GA 코일들이 클러스터들에 기하학적으로 배치되고 대응하는 VA 코일 클러스터들이 EV들 상에 배치되는 모듈식 접근법을 이용하는 고전력 시스템들이 또한 고려된다.
자기 플럭스를 안내하는데 사용되는 재료들을 기술하는데 사용되는 용어들 "백킹 코어" 및 "페라이트"는 이러한 재료들의 선택을 제한하려는 것이 아니다. 두 용어들 모두는 고투자율 자성 재료의 임의의 구성에 대한 총칭으로서 본원에서 사용되며, 고투자율은 1보다 실질적으로 큰(명목상 >100) 상대 투자율을 의미한다. 용어 페라이트는 백킹 코어의 구성에 사용될 수 있는 이러한 다른 유사한 또는 호환가능한 재료들의 사용을 배제하려는 것이 아니며, 적층 금속성 시트들, 분말 산화물들, 소결 분말 산화물들, 및/또는 비정질 금속들을 포함할 수도 있다.
도 1
도 1은 무선 전력 전송에 필요한 자기장을 관리하는 차량 어셈블리(VA)(101)의 주요 컴포넌트들을 예시한다. 이 분해도에서, 다양한 층들의 상대 두께들은 도시되지 않으며 층들 사이의 간격은 예시의 목적들을 위해 과장된다. 도면에서 생략된 것은 구조적 지지 엘리먼트들, 갈바닉 절연, 방수 및 연관된 회로부이며, 이들 모두는 자기 플럭스의 분포에 물질적으로 영향을 미치지 않는다.
VA(101)는 전기 자동차(EV)의 밑면에 부착되지만, 측면 또는 후면 설치가 일부 EV 애플리케이션들에서 가능하다. 여기에서 도시된 바와 같이, 차량 섀시(102)의 밑면은 전도성 금속 후면 플레이트(backplate)(103)에 대한 부착을 제공한다. 후면 플레이트(103)는 표류 자기 플럭스로부터 EV의 섀시 및 전도성 컴포넌트들을 보호하는 와전류 차폐물로서 기능한다. 간극층(104)은 백킹 코어(105)로부터 후면 플레이트(103)를 분리한다. 2차 코일(106)은 간격, 갈바닉 절연, 및 열 전달을 유지하기 위해 비-자성 기판에 유지 또는 매립된 권선들의 원형 또는 직사각형 코일일 수도 있다. 2차 코일(106)은 VA(101) 자기 컴포넌트들의 최하단 층이다.
도 2
도 2에서, 무선 전력 전송에 필요한 자기장을 관리하는 그라운드 어셈블리(GA)(201)의 주요 컴포넌트들이 도시된다. 이 분해도에서, 다양한 층들의 상대 두께들은 도시되지 않으며 층들 사이의 간격은 예시의 목적들을 위해 과장된다. 도면에서 생략된 것은 구조적 지지 엘리먼트들, 갈바닉 절연, 방수, 커버링들, 및 연관된 회로부이며, 이들 모두는 자기 플럭스의 분포에 물질적으로 영향을 미치지 않는다.
GA(201)는 접지(203)될 수도 있는 포장도로(202) 상에(또는, 에) 명목상 평평하게 배치된다. 자기장 발생 1차 코일(204)은 간격, 갈바닉 절연, 및 열 전달을 유지하기 위해 비-자성 기판에 매립된 권선들의 원형 또는 직사각형 코일일 수도 있다. 1차 코일(204)은 GA(201) 자기 컴포넌트들의 최상부 층이다. 백킹 코어(205)는 1차 코일(204) 아래에 배치되며, 1차 코일(204)에 의해 발생될 뿐만 아니라 VA 2차 코일(106)에 의해 발생되는 자기 플럭스를 안내하는 역할을 한다(도 1 참조). 간극층(206)은 백킹 코어(205) 바로 아래에 있다. 간극층(206)과 포장도로(202) 사이의 전도성 금속 후면 플레이트(207)는 GA(201)를 기계적으로 지지하는 역할을 할 뿐만 아니라 유닛에 전기 접지를 제공할 수도 있다. 일부 설치들에서, 이 접지는 로컬로 제공되거나, 유입하는 전력 접속들(미도시)에 의해 원격으로 제공되거나, 또는 선택적이다.
도 3
도 3은 와전류를 초래하는 자기 플럭스 거동, 따라서, 와전류 차폐물 내 주울 가열로부터의 전력 손실을 도시한다. 이 예에서, 와전류 차폐물은 어셈블리의 전도성 금속 후면 플레이트들(303, 304)에 의해 형성된다.
공심 변압기에서, 1차 코일은 공급된 발진 전류를 이용하여 시변 자기장을 발생시킨다. 미포함된 자기 플럭스의 일부는 둘러싸는 금속 하우징들 및 외부 전도성 물체들에 영향을 미칠 수도 있다.
도 3은 와전류 차폐물들(예를 들어, 금속성 하우징들)(303 및 304)에 와전류들(302)을 초래하는 이러한 미포함된 자기 플럭스(301)를 도시한다. 이들 와전류들(302)은 발진 자기 플럭스(301)가 하우징들(303, 304)의 전도성 금속을 깊게 관통할 수 없기 때문에, 개방형 변압기(미도시)의 병렬 1차 코일 및 2차 코일에 근접한 금속성 하우징들(303 및 304)의 내측 상에 거의 전적으로 생성된다. 이들 와전류들(302)은 주울 가열로부터의 상당한 손실의 소스이다.
도 4 내지 도 7
도 4 내지 도 7은 특정 두께의 백킹 코어(예를 들어, 페라이트 시트)와 차량 어셈블리(VA) 또는 그라운드 어셈블리(GA)의 금속 후면 플레이트 사이의 간극층의 영향을 예시하는데 사용되는 그래프들이다. 균일한 두께의 페라이트 백킹 코어 시트의 사용이 단순화의 목적들을 위해 도 4 내지 도 7에서 고려된다. 연속 시트들(또는, 백킹 코어 재료의 교합 또는 오버레이된 리본들로 구성된 시트들)의 사용이 자기 플럭스 누설 방지 관점 및 더 낮은 재료 비용의 경제적 이점 둘 모두에서 유리하다.
얇은 백킹 코어에서 자기 플럭스 분포는 도 4 내지 도 7에 도시된 시나리오들에 대한 상한을 생성한다. 백킹 코어층이 자기 플럭스 밀도(규정된 외부 인가 자기장(H)에서)가 두께 측면 전체에 걸쳐서 균일하도록 크기가 설정되면, 백킹 코어층은 얇은 코어이다. 얇은 코어들에서의 포화는 도 5에 도시된 시나리오에서 백킹 코어의 두께에 대한 하향 제한을 나타낸다. 얇은 백킹 코어에서, 백킹 코어가 너무 얇아져 자기 플럭스가 인가된 외부 자기장(H) 강도에서 완전히 재지향될 수 없을 때, 포화에 도달한다. 도 4 내지 도 7에 도시된 백킹 코어 두께들은 포화 효과들을 가질 만큼 충분히 작은 백킹 코어 두께들을 피하도록 선택되었다.
백킹 코어의 형상화 또는 윤곽화(즉, 백킹 코어의 포화를 피하면서, 높은 자기 플럭스의 영역들에서 두께를 증가시키고 낮은 자기 플럭스의 영역들에서 박형화함)는, 차량 중량이 차량 범위, 따라서 충전 시간에 직접 영향을 미치기 때문에, 모바일 애플리케이션들에서(예를 들어, 차량 어셈블리에서) 아주 중요한 전체 백킹 코어 중량을 감소시키기 위해, 도 4 내지 도 7에서 예상되는 시나리오들 중 임의의 시나리오와 결합될 수 있다. 범위를 증가시키고 충전 시간들을 감소시키는 것은 내연 엔진들을 사용하는 자동차들에 비해 전기 자동차들의 수용범위를 넓히는데 중요한 인자들이다.
도 1 및 도 2에 예시된 바와 같은 공심 변압기에서, 와전류들은 전도성 후면 플레이트들에 충돌하는 자기 플럭스에 의해 유도된다. 자기장 강도의 접선 성분은 유도된 와전류의 크기와 동일한 전도성 표면 인터페이스에서 불연속성을 갖는다. 자기장 강도는 백킹 코어에서 높으며 전도성 후면 플레이트에서 표피-효과 감쇠로 0까지 하락한다.
백킹 코어(예를 들어, 페라이트 층)와 전도성 후면 플레이트 사이의 간극층의 도입은 전도성 후면 플레이트의 에지를 가로질러 자기장 강도의 변화를 감소시킨다. 이는 와전류들의 크기 및 이들의 연관된 전력 손실을 감소시킨다. 간극층 사이즈에서의 지속적인 증가들은 전도성 후면 플레이트 인터페이스에 걸친 자기장 강도의 변화가 이미 현저하게 감소되었기 때문에, 전력 손실에 최소의 영향을 미친다.
설계에 대한 다른 영향은 백킹 코어의 두께(및 질량)가 또한 코일로부터의 열 전달 및 백킹 코어의 열 유지에 영향을 미친다는 것이다.
수학적으로, 백킹 코어(예를 들어, 페라이트) 및 유도된 와전류들에 의해 초래되는 손실들은 다음과 같이 표현될 수 있다:
Ptotal = Pcore + Peddy 수식 (1)
여기서; "Ptotal" = 전체 전력 손실이고, "Pcore" = 자기 손실(예를 들어, 백킹 코어에서)이며, "Peddy = 전도성 후면 플레이트에서의 와전류 손실이다.
백킹 코어 손실은 Steinmetz 방정식(면적 당 전력 손실 W/m2)의 수정 버전을 이용하여 계산될 수 있으며:
Figure pct00001
수식 (2)
여기서, 변수들은 k, a, b = 재료 의존적인 'Steinmetz 계수들'로, 여기서 1<a<2이고 2<b<3이며, f = 주파수이고, Φ = 전체 자기 플럭스이고, w = 유효 백킹 코어 폭(코일의 평면에 수직한 치수)이며, df = 백킹 코어 두께이다. 백킹 코어 손실은 발진 자기 플럭스에 의해 초래되는 백킹 코어 내 히스테리시스 가열에 주로 기인한다.
수정된 Steinmetz 수식에서, b > 2이기 때문에, 이 수식은 (플럭스를 더 잘 지향시키려는 시도로) 손실 재료인 더 많은 백킹 코어가 추가되더라도, 백킹 코어 두께가 증가함에 따라, Pcore가 내려가는 것을 나타낸다. 백킹 코어와 후면 플레이트 사이의 간극층을 추가하는 것에 의한 더 많은 플럭스 밀도의 감소는 더 많은 백킹 코어 재료를 추가시킨다.
와전류 전력 손실(면적 당 전력 손실 W/m2)은 또한 다음과 같이 몇 표피-두께들보다 더 두꺼운 큰 도체에 충돌하는 AC 자기장에 대해 계산될 수 있다:
Figure pct00002
수식 (3)
여기서, dg = 간극층 두께이고, B(dg) = 간극층 두께의 함수로서의 전도성 후면 플레이트의 표면에서의 자기 플럭스 밀도이다. 간극층 두께가 0일 때, B(dg) = Bcore이다. 간극층 두께가 증가함에 따라, B(dg)가 내려간다. μ0 = 자기 상수 (4π x 10-7 H/m)이고; f = Hz단위의 주파수이며, σ = 지멘스(siemens)/미터 단위의 전도성 후면 플레이트의 전도율이다.
일부 배치들에서, 비-전도성 후면 플레이트가 사용될 수도 있다(σ = 0인 경우에 근접). 후면 플레이트가 와전류 차폐물로서 기능하므로, 백킹 코어(예를 들어, 페라이트) 층을 지나 연장되는 플럭스가 표면 상의 사람 또는 장비에 영향을 주거나 또는 미치지 않을 것이기 때문에, 이러한 배치들은 포장도로에 매립된 이들 그라운드 어셈블리들(GA)을 포함한다. 주차장 바닥들에 매립된 GA들은 와전류 차폐물들을 이용하여 아래 바닥에 영향을 미치지 않도록 플럭스를 관리할 것이다. 표면 장착(포장도로 표면 상에 영구적으로 또는 일시적으로 장착된) GA들은 전체 설치 높이를 감소시키기 위해 적합한 간극층을 갖는 와전류 차폐물들을 이용할 수도 있다.
도 4
도 4에서, 고정-두께 백킹 코어층(예를 들어, 페라이트 층)의 위치가 간극층의 점진적 추가에 의해 금속성 후면 플레이트로부터 변위된다. 간극층은 공기 공간(들), 비-자성 충전제, 비-자성 구조적 지지 엘리먼트들 및 도관들, 비-자성 냉각제, 또는 이의 임의의 혼합으로 구성될 수도 있다. 도 4에 도시된 예에서, WPT 시스템은 60 킬로와트를 전송하고 있다.
도 4에서, x-축(401)은 증가하는 간극층의 두께(mm 단위), 따라서, 후면 플레이트로부터 멀어지는 백킹 코어의 변위를 나타내기 위해 사용된다. y-축(402)은 전력 손실들(와트 단위)을 나타내기 위해 사용된다. 와전류 손실은 곡선(404)에 도시된다. 표시된 바와 같이, 곡선(404)으로 도시된 와전류 손실들은 백킹 코어가 금속 후면 플레이트와 거의 접촉할 때, 즉, 간극층이 가장 얇을 때 가장 높다. 백킹 코어 전력 손실 성분 곡선(405)은 백킹 코어 손실이 409, 410, 및 그 이상의 유용한 영역들에서 거의 일정함을 나타낸다. 제2 영역(410)에서, 증가하는 간극층 두께는 제1 영역(409)에 비해 감소된 복귀량들(returns)을 나타낸다. 최저 와전류 손실을 갖는 간극층 두께(403)의 도입 후, 곡선(404)으로 도시된 와전류 손실들 및 백킹 코어 전력 손실 성분 곡선(405)으로 도시된 백킹 코어 전력 손실들 둘 모두는 정체된 상태로 유지된다. 따라서, 403을 초과하는 간극층 두께의 증가들은 추가적인, 바람직하지 않은 두께를 도입하는 한편, 사실상 효율성을 향상시키지 않는다.
전체 전력 손실 곡선(406)은 최적의 전력 손실 지점(407)이 결정될 수 있음을 나타낸다. 이 최적의 전력 손실 지점(407)은 사용되는 백킹 코어 두께에 따라 변할 것이지만, 백킹 코어 손실들과 후면 플레이트에서의 와전류 손실들 사이의 관계는 얇은 백킹 코어들에 대해 동일한 패턴을 따를 것이다. 간극층이 두꺼워 짐에 따라, 백킹 코어에서의 손실들은 백킹 코어 전력 손실 성분 곡선(405)에서 백킹 코어 손실들이 우세한 크로스오버 지점(408)의 y-축 값을 증가시킨다. 와전류 손실 곡선(404)은 제2 영역(410)에서 실질적으로 평평해지기 전에 초기 영역(409)에 걸쳐 계속 감소하는 가파른 감소를 나타낸다. 제2 영역(410)에 걸쳐 간극층 두께들이 와전류 전력 손실들에서 작은 감소들을 나타내지만, 간극층 두께의 추가가 냉각 장치 및 매체들의 도입에 유리할 수 있다. 403에 걸친 간극층 두께에서의 지속적인 증가들은 와전류 손실들에 거의 또는 전혀 영향을 미치지 않지만 더 낮은 압력들에서 증가된 냉각 흐름에 이용 가능하다.
일부 애플리케이션들에서, 최적(즉, 최소) 전력 손실 지점(407) 이전 후면 플레이트에서의 와전류들로 인한 증가된 전력 손실들이 (예를 들어, 백킹 코어 플러스 간극층 두께를 제한함으로써 전체 어셈블리 두께를 감소시키기 위해) 허용 가능할 수도 있다. 403을 초과하는 추가적인 간극층 두께의 도입은 증가된 효율을 전혀 나타내지 않지만 WPT 어셈블리(GA 또는 VA)에서 추가적인 두께를 희생하더라도, 추가적인 냉각 체적을 생성하는데 사용될 수 있다. 어셈블리가 특정의 두께 이하여야 하는 애플리케이션들(예를 들어, GA가 포장도로 상에 표면 장착되거나, 또는 VA가 제한된 차량 하부 제약들을 준수해야 하는 경우)에서, 간극층은 와전류 손실들이 최소화되는 간극층 두께(403)를 넘어서는 제3 간극층 두께 영역에서 효율에 대한 작은 반향들로 감소될 수 있다. 게다가, 손실들 및 가열의 추가가 허용될 수 있으면, 더 낮은 효율들이 제2 간극층 두께 영역(410)에서 가능하다. 제1 간극층 두께 영역(409)은 간극층 두께가 감소됨에 따라 와전류 손실들 측으로 가파르게 점근적인 거동을 가지며, 어셈블리의 구성이 이 범위에서 가능하지만, 백킹 코어 두께에 대한 감소들이 간극층 두께의 지속적인 감소들에 유리할 수도 있다.
도 5
도 5는 무선 전력 어셈블리(1차 또는 2차)에 대한 모델링된 전력 손실들을 나타낸다. 도 5는 백킹 코어와 후면 플레이트 사이에 삽입된 추가적인 간극층 두께의 점진적 범위에 걸쳐 다수의 백킹 코어 두께들에 대한 전력 손실들에 대한 플롯들을 예시한다.
X-축(501)은 제로 내지 5mm의 간극층의 추가를 도시한다. Y-축(502)은 전력 손실을 와트 단위로 도시한다.
5mm 두께 백킹 코어의 경우, 전체 전력 손실 라인(503)은 도시된 바와 같이 백킹 코어 손실 라인(506)과 후면 플레이트 유도된 와전류 손실 라인(509)의 총합이다.
6.35mm 백킹 코어 두께의 경우, 전체 전력 손실 라인(504)은 도시된 바와 같이 백킹 코어 손실 라인(507) 및 후면 플레이트 유도된 와전류 손실 라인(510)의 총합이다.
9.5mm 두께 백킹 코어의 경우, 전체 전력 손실 라인(505)은 도시된 바와 같이 백킹 코어 손실 라인(508)과 후면 플레이트 유도된 와전류 손실 라인(511)의 총합이다.
백킹 코어 두께들 각각에 대해, 503, 504, 및 505에서 전체 전력 손실에서의 동일한 거동이 최소 간극층 두께에서 발생하는 최고 전력 손실들로 나타난다. 간극층 두께가 증가됨에 따라 (x-축(501) 상에서 우측으로 이동함에 따라), 증가하는 간극층 두께는 509, 510, 및 511에서 와전류 손실들을 감소시키는 반면, 506, 507, 및 508에서 백킹 코어 손실들은 정적으로 유지된다. 각각의 백킹 코어 두께에 대해, 간극층의 추가는 상당히 정적인 상태가 될 때까지 전력 손실 절감들에 대해 감소하는 복귀량들을 나타낸다.
도 6 내지 도 7a
도 6은 도입된 백킹 코어-대-후면 플레이트 간극층들을 갖고 백킹 코어의 상이한 두께들에서 초래되는 전력 손실들을 예시한다. 도 5에 예시된 바와 같이, 백킹 코어 두께, 따라서 잠재적인 간극층 두께들이 증가됨에 따라, 전체 어셈블리 두께가 증가한다.
도 6 및 도 7a에서, 전체 허용된 두께가 수식들 (1)-(3)에 대해 위에서 설명한 바와 같이 제한되므로, 간극층 두께 및 백킹 코어 두께가 dg + df = C를 산출하도록 제한되며, 여기서, C = 구속 두께이고, df = 백킹 코어 두께이며 dg = 간극층 두께이다. 도 6 및 도 7a 둘 모두에서, x-축을 따라 우측으로 이동하면, C가 일정하게 유지됨에 따라, dg가 증가된다.
도 6
도 6에서, 간극층의 추가(두꺼워짐)와 함께 백킹 코어(예를 들어, 페라이트 시트)의 대체(박형화)가 도시된다. 특히, 수신기 측(예를 들어, 차량 장착 어셈블리) 상에서, 어셈블리 두께가 (예를 들어, 차량 지상고를 유지하기 위해) 사용 가능한 설치 공간에 의해 제한될 수 있으므로, 어셈블리 두께의 최소화가 중요하다. 이와 같이, 자기 플럭스 제어 층(즉, 도 6에서 설명된 바와 같은 백킹 코어층 및 간극층)의 두께는 전체 두께 설계 목표에 의해 제한될 수도 있다. 간극층은 공기 공간(들), 비-자성 충전제, 비-자성 구조적 지지 엘리먼트들 및 도관들, 비-자성 냉각제, 또는 이의 임의의 혼합으로 구성될 수도 있다.
도 6에 예시된 바와 같이, x-축(601)은 간극층 및 백킹 코어 시트의 전체 두께가 일정하게 유지될 때 간극층의 두께를 나타내기 위해 사용된다. y-축(602)은 전력 레벨 손실(와트 단위)을 나타내기 위해 사용된다. 3개의 곡선들(603, 604, 및 605)이 플롯된다. 와전류 손실은 곡선(605)에 도시된다. 와전류 손실 곡선(605)은 백킹 코어가 가장 두꺼울 때 및 금속 후면 플레이트와 거의 접촉할 때 둘 모두일 때 손실이 가장 높다는 것을 표시한다. 백킹 코어 전력 손실 성분 곡선(604)은 백킹 코어가 얇아지고 최종적인 간극층 두께가 증가됨에 따라 전력 손실이 증가함을 나타낸다. 백킹 코어층이 얇아짐에 따라, 백킹 코어에서의 손실들이 증가한다. 크로스오버 지점(606)에서, 백킹 코어 전력 손실들(604)이 우세하지만, 와전류 전력 손실들(605)은 계속해서 감소한다.
전체 전력 손실 곡선(603)은 최적의(실질적으로 최소의) 전력 손실 지점(607)이 결정될 수 있음을 나타낸다. 도 6에서, 전력 손실이 약 0.25mm 내지 1.0 mm의 간극층(및 백킹 코어층의 최종적인 박형화)의 도입된 두께들에 걸쳐 실질적으로 최소화된다.
와전류 손실 곡선(605)은 제2 영역(609)에서 실질적으로 평평해 지기 전에 초기 영역(608)에 걸쳐 계속 감소하는 가파른 감소를 나타낸다. 백킹 코어 시트의 두께에서의 지속적인 감소들 및 간극층의 최종적인 추가는 영역(609)에 걸쳐 와전류 손실들에 거의 또는 전혀 영향을 미치지 않는다.
일부 애플리케이션들에서, 최적의 손실 지점(607)을 지나 증가된 백킹 코어 전력 손실들이 (예를 들어, 전체 어셈블리 두께를 감소시키고, 백킹 코어의 박형화로 인한 비용 또는 중량 감소를 달성하기 위해, 또는 추가적인 냉각/냉각제 체적을 제공하기 위해) 허용 가능할 수도 있다.
도 7a
도 5는 도입된 백킹 코어-대-후면 플레이트 간극층들을 갖고 백킹 코어의 상이한 두께들에서 초래되는 전력 손실들을 예시하지만, 도 7a는 간극층이 도입되고 백킹 코어 두께가 제거되므로 전체 어셈블리 두께가 증가할 수 없음을 예시한다. X-축(701)은 간극층으로 백킹 코어의 대체를 도시하는 반면, Y-축(702)은 전력 손실을 와트 단위로 도시한다.
백킹 코어 손실과 와전류 손실들의 전체 전력 손실 합계가 3개의 백킹 코어 두께들에 대해 도시된다. 이들 백킹 코어 두께들의 각각은 간극층이 추가됨에 따라 감소된다. 5mm 백킹 코어(703)에 대한 전체 전력 손실 라인은 백킹 코어 손실들(706)과 와전류 손실들(709)의 합계이다. 도시된 6.35mm 백킹 코어 전력 손실 라인(704)은 6.35mm 백킹 코어 손실들(707)과 와전류 손실들(710)의 총합이다. 9.5mm 백킹 코어 시나리오 전체 손실 라인(705)은 백킹 코어 손실들(708)과 와전류 손실(711)의 총합이다.
모든 시작 백킹 코어 두께들에 대해, 백킹 코어 손실(706, 707, 및 708)은 백킹 코어 두께가 감소함에 따라 비례하여 증가한다. 와전류 손실들(709, 710, 및 711)은 추가적인 간극층이 백킹 코어로 대체함에 따라 전력 손실들에서 예상된 향상들을 나타낸다. 도 7a에서, 각각의 백킹 코어에 대해, 5 mm 백킹 코어(703)의 경우, 대체 간극층 두께들 약 0.25 mm 내지 약 0.75 mm, 내지 9.5 mm 백킹 코어의 경우, 대체 간극층 두께들 약 0.25 mm 내지 약 2.0 mm에 걸쳐, 전력 손실이 실질적으로 최소화된다.
도 7b
도 7b는 전체 두께(백킹 코어와 간극층의 총합)의 예시적인 범위에 대해 백킹 코어 두께 대 간극층 두께의 실질적으로 최적화된 비율 범위를 도시한다. 이들 비율들을 이용하여, 전체 전력 손실이 실질적으로 최소화된 간극층 두께가 얇은 백킹 코어의 제약들이 주어진 백킹 코어층의 주어진 두께에 대해 선택될 수 있다.
x-축(712)은 전체 두께를 밀리미터 단위로 도시한다. y-축(713)은 백킹 코어층 두께 대 간극층 두께의 비율을 도시한다. 최상부 경계(714) 및 최하부 경계(715)는 주어진 백킹 코어 두께에 대한 비율들의 상한 및 하한을 각각 도시한다. 경계(714)와 경계(715) 사이에서, 백킹 코어 손실들과 와전류 손실들로 인한 전체 전력 손실이 실질적으로 최소화된다, 즉 절대 최소치의 5% 이내이다. 상이한 백킹 코어들의 특성들로 인해, 백킹 코어 포화(716)의 정확한 지점은 변할 수도 있다. 동일한 이유로, 백킹 코어에서의 자기 플럭스 밀도가 불균일하게 되는 정확한 지점(717)은 변할 수도 있다.
도 8
도 8에서, GA(801)의 분해도가 도시된다. 이 도면을 이용하면, 다양한 층들의 상대적인 두께들은 도시되지 않으며 층들 사이의 간격이 예시의 목적들을 위해 과장된다. 도면에서 생략된 것은 구조적 지지 엘리먼트들, 갈바닉 절연, 방수 및 연관된 회로부이며, 이들 모두는 자기 플럭스의 분포에 물질적으로 영향을 미치지 않는다. 이 예시적인 예에서, GA는 포장도로 표면(802)에 부착되어 표면 장착된다.
도 8에 예시된 바와 같이, GA(801)는 와전류 차폐물로서 기능하는 금속 후면 플레이트(803), 간극층(804), 백킹 코어층(807), 및 1차 코일(808)을 포함한다. 샘플 실시형태들에서, 백킹 코어 간격은 도 4 및 도 7에 대해 설명된 바와 같이 최저 전력 손실을 위해 최적화하도록 설정될 수도 있다. 도 8에 예시된 바와 같이, 결과적인 간극층(804)이 냉각제 파이프들(806)을 이용한 코일 어셈블리의 냉각(및 가열)에 사용될 수 있다. 이상적으로는, GA(801)는 폐열 발생이 거의-일정하고 충전/사용 세션들 사이의 냉각 기간들이 제한되어 높은-사용률을 가질 것이다. 냉각제 리소스들 공급장치들에 대한 외부, 입력 및 출력, 접속들(809)은 포장도로 위 또는 아래에 놓일 수도 있다. 로컬 또는 원격 그라운드 접속이 필요한 경우, 접지를 제공하기 위해, 제공될 수도 있다.
샘플 실시형태들에서, 간극층(804)은 비-자성 재료, 예를 들어 공기 공간(들), 능동 또는 수동 냉각/가열 시스템(액체 또는 공기-기반), 도관들, 구조적인 지지 멤버들, 또는 전술한 것들의 혼합으로 충진된다. 일 예에서, 비-전도성, 비-자성 재료로 제조된 냉각제 파이프들(806)은 열을 발생시키고 무선 전력 충전 세션 동안 1차 코일(808)로부터의 열을 전도하는 것 둘 다를 하는 백킹 코어층(807) 또는 와전류 차폐물(803)에 바로 대향하여 배치된다. 백킹 코어가 특정의 온도 범위들에서 최상으로 작동하므로, 냉각제는 필요에 따라 냉각 및 가열 둘 모두를 제공할 수 있다. 배관 또는 열 전도성 표면처리에 사용되지 않는 간극층(804)은 기계적 지지 구조체들을 갖는 비-자성 열 전도성 재료(805)로 충진될 수도 있다. 일 예에서, 유휴상태 GA (또는, GA 클러스터)는 효율적인 백킹 코어 온도를 유지하기 위해 전력 전자기기 및/또는 병치된 충전소들로부터 폐열을 공급받는다.
도 9
도 9는 차량 어셈블리(VA)(901)의 분해도를 제공한다. 도 9에서, 다양한 층들의 상대적인 두께들은 도시되지 않으며 층들 사이의 간격이 예시의 목적들을 위해 과장된다. 도면에서 생략된 것은 구조적 지지 엘리먼트들, 갈바닉 절연, 방수 및 연관된 회로부이며, 이들 모두는 자기 플럭스의 분포에 물질적으로 영향을 미치지 않는다.
VA(901)는 GA(801)와는 상이한 환경 및 기계적 제약들 하에서 동작하지만 간극층을 이용할 수 있다. 하나의 주요 제약은 일부 설치들에서 VA(901)가 차량의 섀시 하에 더 잘 배치되도록 가능한 한 얇아야 한다는 것이다. 중량의 감소는 제한된 충전 시간과 마찬가지로 다른 제약이다. VA(901)는 와전류 차폐물로서 기능하는 금속 후면 플레이트(903)에의 접속들에 의해 기계적으로 차량 하부(902)에 명목상 부착된다. 간극층(904)은 비-자성 재료, 예를 들어 능동 또는 수동 냉각/가열 시스템(액체 또는 공기-기반), 도관들, 구조적인 지지 멤버들, 공기 공간, 또는 예를 들어, GA(801)의 간극층(804)에 대해 도시된 바와 같은 전술한 것들의 혼합으로 충진된다. 백킹 코어층(905)은 간극층(904)을 통해 연장되는 구조체들에 의해 지지된다. 백킹 코어층(905)에 부착된, 2차 코일(906)은 대응하는 GA의 1차 코일(808)에 의해 발생된 자기 플럭스를 수신하는 역할을 한다. 2차 코일(906) 내에서 발생된 열은 부착된 백킹 코어층(905)에 전도되고 백킹 코어층(905)을 통해서, 그리고 한 쌍의 입구 및 출구 배관(907)을 경유하여 VA의 커버 및 케이스(미도시)를 통해 환경으로 전도된다. 분산 센서들(909)(예를 들어, 열전대) 보고 및 제어 시그널링이 필요에 따라 양방향 또는 단방향 데이터링크(908)를 통해 달성된다. 하나 이상의 온도 센서(909)가 유리하게는 VA 스택에 위치될 수도 있다. 샘플 실시형태들에서, 백킹 코어 간격은 도 6 및 도 7에 대해 설명된 바와 같이 최저 전력 손실을 위해 최적화하도록 설정된다.
도 10
도 10은 배터리 스토리지를 가진 전기 차량들을 위한 고전력 무선 전력 전송 시스템을 예시한다. 이 시스템에서, 그라운드-측 전자기기(1001)는 조정된 전력 신호를 1차 어셈블리(1002)에 제공한다. 고전력 시스템들에서 선호되는 바와 같이, 1차(1002)는 커패시터들(1004 및 1005)와 매칭된 1차 코일 권선들(1003)을 갖는 평형 직렬-직렬 구성을 가질 수도 있다. 공기-간극(1010)을 가로질러, 2차 어셈블리의 코일(1006)이 1차(1002)에 의해 발생된 자기 신호를 수신하기 위해 사용된다. 2차 코일(1006)은 또한 커패시터들(1008 및 1009)과 매칭된 2차 코일 권선들(1007)을 갖는 평형 직렬-직렬 구성을 가질 수도 있다. 2차 코일(1006)에 의해 발생된 AC 전력 레벨, 주파수 및 위상(즉, AC 신호 데이터)은 이들 측정치들을 디지털 데이터링크(1012)를 통해 능동 정류기 제어기(ARC)(1013)에 보고하는 센서(1011)에 의해 측정된다. ARC(1013)는 능동 정류를 최적화하기 위해 AC 신호 데이터를 이용하여 신호를 예측 모델링함으로써 제로 교차점들을 결정한다. 정류 제어 신호들은 제어 링크들(1017)을 통해, AC 신호 입력들(1015)을 취하고 이들을 DC 전력 출력(1019)로 변환하는 능동 정류기(1016)로 전달된다. 정류기 모듈의 온도 센서들은 디지털 데이터링크들(1018)을 이용하여 ARC(1013)에 보고한다. 전력 컨디셔너(1020)는 정류기(1016) DC 출력(1019)을 취하고 필터(1021)에서 리플 및 잡음을 제거하여 배터리 팩(1024)을 충전한다. 조정된 DC 신호 특성들은 센서(1022)에 의해 모니터링되고 디지털 데이터링크(1023)를 통해 ARC(1013)로 다시 보고된다. ARC(1013)는 저장 및 보고를 위해 AC 및 DC 전력 특성들 둘 모두를 네트워크화된 제어기(1014)에 보고한다.
도 11a 및 11b
도 11a 및 도 11b는 개방형-코어, 자기 공명-기반 무선 전력 전송(WPT) 시스템의 2차 권선들을 포함하는 냉각 어셈블리(명목상, 차량 어셈블리(VA))에 대한 실시형태들의 예들을 예시한다. VA는 비주기적 충전 세션들 및 충전 세션들 이후의 긴 냉각 기간들로, 간헐적으로 사용될 것으로 예상된다.
도 11a
도 11a는 무선 전력 전송(WPT) 시스템에서 이동식 보조장치를 공냉하는 시스템을 예시한다. 자기 공명-기반 WPT에서 2차 코일 권선(미도시)를 이용하여, VA(1101)는 포장도로(1103)에 매립된, 여기에 도시된 GA(1102)로부터 전력을 수신하지만, 지상 설치들이 고려된다. 자기 플럭스(미도시)는 1차 코일과 2차 코일 사이의 간극(1104)과 교차한다.
차량 장착된 어셈블리(VA)(1101)는 열 전도성 후면 플레이트(1105)에 의해 차량(미도시)에 구조적으로 연결된다. 후면 플레이트(1105)는 또한 VA(1101)에 대한 수동 히트 싱크로서 역할을 한다. 후면 플레이트(1105)에는 양방향 또는 단방향 데이터링크(1107)(예를 들어, CAN 버스 인터페이스)를 통해 판독치들을 열 관리 시스템(TMS)(1106)에 제공하는, VA 내 및 후면 플레이트(1105)의 전면 및/또는 후면 표면들 상의 하나 이상의 온도 센서(미도시)가 탑재될 수도 있다. 온도 센서들은 VA 1101 어셈블리 내에 승온들이 예상되거나 또는 역사적으로 조우한 적이 있는 어떤 곳이든 배치될 수도 있다.
TMS(1106)는 예측 모델에서 입구(1108) 공기 온도 및 VA(1101)로부터의 다양한 온도 판독치들을 이용하여 냉각 요구사항들을 예상한다. 냉각 요구사항들이 수동 냉각의 능력들을 초과할 것으로 예상될 때, 입구(1108) 및 출구(1109)에서의 능동 공냉 컴포넌트들은 필요에 따라 양방향 데이터링크(1107)를 통해 제어 링크들에 의해 사용된다. 결과적인 유입(1110) 및 배출(1111)은 VA(1101)를 냉각하는 역할을 한다. VA(1101) 내 내부 구조체들(1112)은 기류를 지향시키고 열을 전달하는데 사용된다. 내부 구조체들의 예들은 히트 파이프들, 냉각 핀들, 방향 날개들, 및 예상된 열 부하에 대한 비례 냉각을 위해 원활한 기류를 제공하는 사이즈로 된 도관들을 포함한다. 비-자성 재료로 구성되는 냉각 구조체들은 백킹 코어층 및/또는 후면 플레이트에 매달리거나 또는 아니면 부착될 수 있으며, 백킹 코어와 후면 플레이트 사이의 간극층을 가로질러 어느 정도의 구조적인 지지를 제공할 수 있다.
도 11b
도 11b는 무선 전력 전송(WPT) 시스템에서 이동식 보조장치를 액체 냉각하는 시스템을 예시한다. 자기 공명-기반 WPT에서 2차 코일 권선(미도시)을 이용하여, VA(1101)는 GA(1102)로부터, 포장도로(1103)에 매립된 1차 코일(미도시)을 통해 전력을 수신하지만, 지상 설치들이 고려된다. 자기 플럭스(미도시)는 1차 코일과 2차 코일 사이의 간극(1104)과 교차한다.
차량 장착된 어셈블리(VA)(1101)는 열 전도성 후면 플레이트(1105)에 의해 차량(미도시)에 구조적으로 연결된다. 후면 플레이트(1105)는 또한 VA(1101)에 대한 수동 히트 싱크로서 역할을 한다. 후면 플레이트(1105)에는 단방향 또는 양방향 데이터링크(1107)(예를 들어, CAN 버스 인터페이스)를 통해 판독치들을 열 관리 시스템(TMS)(1106)에 제공하는, VA(1101) 및 후면 플레이트(1105) 내 하나 이상의 온도 센서가 탑재된다. 온도 센서들(미도시)은 VA 1101 어셈블리 내에 승온들이 예상되거나 또는 역사적으로 조우한 적이 있는 어떤 곳이든 배치될 수도 있다.
TMS(1106)는 예측 모델에서 공기 온도 및 VA(1101)로부터의 다양한 온도 판독치들을 이용하여 냉각 요구사항들을 예상한다. 냉각 요구사항들이 수동 냉각의 능력들을 초과할 것으로 예상될 때, 능동 액체 냉각이 양방향 또는 단방향 데이터링크들(1107)의 네트워크 상에 걸쳐 제어 링크들을 통해 사용된다. 차량-기반 냉각제 저장소(1118)는 액체 냉각제를 VA(1101)에 제공한다. 액체 유입(1113)은 입구 밸브(1114)를 통해 제어되고 유출(1115)은 VA(1101)를 냉각하는 역할을 하는 출구 밸브(1116)를 통해 제어된다. VA(1101) 내 내부 구조체들(1117)은 기류를 지향시키고 열을 전달하는데 사용된다. 내부 구조체들의 예들은 열 교환기들, 냉각 루프들, 히트 파이프들, 및 예상된 열적 부하에 대한 비례 냉각을 위한 통과 도관들을 포함한다. 이러한 방식으로, TMS(1106)는 WPT 코일 어셈블리를 열적으로 관리하기 위해 하나 이상의 도관을 통해 냉각/가열 유체를 순환시킬 수도 있다.
도 12
도 12는 대표적인 고투자율 자성 재료, 예를 들어, 망간 아연 철(MnZnFe)로 구성된 백킹 코어의 전력 손실 밀도 대 온도 특성의 일 예를 나타낸다. 자성 재료에 관한 추가 정보는 Pennsylvania, Bethlehem의 National Magnetics Group, Inc.에 의해 제공되는 데이터시트 "Material M25, Rev1"에서 찾아볼 수 있으며, 그 내용이 참고로 포함된다. 도 12의 예에서, 전력 손실은 샘플 실시형태에서 원하는 최적의 범위일 수도 있는 약 60℃ 내지 약 80℃ 사이에서 실질적으로 최소화된다.
다양한 구현예들이 위에서 설명되었지만, 이는 단지 제한이 아닌 예로서 제시된 것으로 이해해야 한다. 예를 들어, 위에서 설명한 시스템들 및 방법들과 연관된 엘리먼트들 중 임의의 엘리먼트는 위에서 개시된 원하는 기능 중 임의의 기능을 채용할 수도 있다. 따라서, 바람직한 구현예의 넓이 및 범위는 위에서 설명한 샘플 구현예들 중 임의의 구현예에 의해 제한되어서는 안된다.

Claims (20)

  1. 무선 전력 전송 시스템용 어셈블리로서,
    무선 전력 전송 코일;
    상기 무선 전력 전송 코일에 인접한 비-포화 백킹 코어층;
    와전류 차폐물;
    상기 백킹 코어층과 상기 와전류 차폐물 사이의 간극층 - 상기 간극층은 상기 와전류 차폐물에서의 와전류 손실이 상기 간극층 두께 범위에 걸쳐 실질적으로 평평하도록 상기 백킹 코어층의 주어진 두께에 대해 간극층 두께 범위 내 간극층 두께를 가짐-; 및
    상기 무선 전력 전송 코일, 백킹 코어층, 간극층 및 와전류 차폐물을 둘러싸는 인클로저를 포함하는, 무선 전력 전송 시스템용 어셈블리.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 백킹 코어층의 두께 및 상기 간극층의 두께는 상기 백킹 코어층에서의 전력 손실 플러스 상기 와전류 차폐물에서의 와전류 손실을 포함하는 전체 전력 손실이 실질적으로 최소화되도록 선택되는, 무선 전력 전송 시스템용 어셈블리.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 간극층은 공기 공간, 비-자성 충전제, 비-자성 구조적 지지 엘리먼트, 적어도 하나의 비-자성 도관, 또는 비-자성 냉각제 중 적어도 하나를 포함하는, 무선 전력 전송 시스템용 어셈블리.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 도관은 냉각/가열 유체를 순환시키는, 무선 전력 전송 시스템용 어셈블리.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 유체는 액체인, 무선 전력 전송 시스템용 어셈블리.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 도관은 상기 백킹 코어층에 바로 대향하여 배치된 비-전도성, 비-자성 재료를 포함하는, 무선 전력 전송 시스템용 어셈블리.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 비-자성 도관은 상기 와전류 차폐물에 바로 대향하여 배치된 비-전도성, 비-자성 재료를 포함하는, 무선 전력 전송 시스템용 어셈블리.
  8. 제4항에 있어서,
    히스테리시스 가열로 인한 전력 손실을 실질적으로 최소화하도록 상기 백킹 코어층을 열적으로 관리하기 위해 상기 적어도 하나의 도관에서 상기 냉각/가열 유체를 순환시키는 열 관리 디바이스를 더 포함하는, 무선 전력 전송 시스템용 어셈블리.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 무선 전력 전송 코일 어셈블리를 열적으로 관리하기 위해 상기 적어도 하나의 도관에서 상기 냉각/가열 유체를 순환시키는 열 관리 디바이스를 더 포함하는, 무선 전력 전송 시스템용 어셈블리.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 와전류 차폐물은 상기 백킹 코어층을 미리 결정된 온도에서 유지하여 전력 손실을 최소화하도록 상기 냉각/가열 유체의 순환을 제어하는, 온도 판독치들을 상기 열 관리 디바이스에 제공하는 하나 이상의 온도 센서를 포함하는, 무선 전력 전송 시스템용 어셈블리.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 열 관리 디바이스는 가열/냉각 요구사항들을 예상하기 위해 입구 공기 온도 및 온도 판독치들을 백킹 코어로부터 예측 모델에 제공하고 상기 냉각 또는 가열 요구사항들이 수동 냉각 또는 수동 가열의 능력들을 초과할 것으로 예상될 때, 상기 냉각/가열 유체의 순환이 상기 백킹 코어층의 온도를 조정하기 위해 상기 열 관리 디바이스에 의해 제어되는, 무선 전력 전송 시스템용 어셈블리.
  12. 제11항에 있어서,
    냉각/가열 유체를 상기 적어도 하나의 도관을 통해 상기 간극층에 제공하도록 상기 열 관리 시스템에 의해 제어되는 적어도 하나의 밸브를 갖는 냉각/가열 유체 저장소를 더 포함하는, 무선 전력 전송 시스템용 어셈블리.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 백킹 코어층은 페라이트, 적층 금속성 시트들, 분말 산화물들, 소결 분말 산화물들, 또는 비정질 금속들 중 적어도 하나를 포함하는, 무선 전력 전송 시스템용 어셈블리.
  14. 무선 전력 전송 시스템의 무선 전력 전송 어셈블리를 어셈블리하는 방법으로서,
    무선 전력 전송 코일에 인접한 비-포화 백킹 코어층을 제공하는 단계;
    상기 백킹 코어층으로부터 간극층에 의해 분리된 와전류 차폐물을 제공하는 단계 - 상기 간극층은 상기 와전류 차폐물에서의 와전류 손실이 상기 간극층 두께 범위에 걸쳐 실질적으로 평평하도록 상기 백킹 코어층의 주어진 두께에 대해 간극층 두께 범위 내 간극층 두께를 가짐-; 및
    상기 무선 전력 전송 코일, 백킹 코어층, 간극층 및 와전류 차폐물을 인클로저에 둘러싸는 단계를 포함하는, 무선 전력 전송 시스템의 무선 전력 전송 어셈블리를 어셈블리하는 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 백킹 코어층에서의 전력 손실 플러스 상기 간극층에 걸친 와전류 손실을 포함하는 전체 전력 손실이 실질적으로 최소화되도록, 상기 백킹 코어층의 두께 대 상기 간극층의 두께를 선택하는 단계를 더 포함하는, 무선 전력 전송 시스템의 무선 전력 전송 어셈블리를 어셈블리하는 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    전체 두께 C= dg + df를 제한하는 단계를 더 포함하며, 여기서, df는 상기 백킹 코어층의 두께이고 dg는 상기 간극층 두께인, 무선 전력 전송 시스템의 무선 전력 전송 어셈블리를 어셈블리하는 방법.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 백킹 코어층에 바로 대향하여 배치된 상기 간극층에서 적어도 하나의 도관을 통해 냉각/가열 유체를 순환시키는 단계를 더 포함하는, 무선 전력 전송 시스템의 무선 전력 전송 어셈블리를 어셈블리하는 방법.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 도관을 통해 상기 냉각/가열 유체의 순환을 관리함으로써 전력 손실을 최소화하기 위해 상기 백킹 코어층을 열적으로 관리하는 열 관리 디바이스를 더 포함하는, 무선 전력 전송 시스템의 무선 전력 전송 어셈블리를 어셈블리하는 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    가열/냉각 요구사항들을 예측하기 위해 입구 공기 온도 및 온도 판독치들을 백킹 코어로부터 예측 모델에 제공하고, 상기 냉각 또는 가열 요구사항들이 수동 냉각 또는 수동 가열의 능력들을 초과할 것으로 예상될 때, 상기 백킹 코어층의 온도를 조정하기 위해 상기 냉각/가열 유체의 순환을 제어하는 상기 열 관리 디바이스를 더 포함하는, 무선 전력 전송 시스템의 무선 전력 전송 어셈블리를 어셈블리하는 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    적어도 하나의 밸브 및 상기 열 관리 시스템을 갖는 적어도 하나의 냉각/가열 유체 저장소를 제공하는 단계를 더 포함하며, 상기 열 관리 시스템은 냉각/가열 유체를 상기 적어도 하나의 도관을 통해 상기 간극층에 제공하여 상기 백킹 코어에 가열 또는 냉각을 제공함으로써 전력 손실을 실질적으로 최소화하도록 상기 적어도 하나의 밸브를 제어하는, 무선 전력 전송 시스템의 무선 전력 전송 어셈블리를 어셈블리하는 방법.
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