KR20240033679A

KR20240033679A - 무선 전력 전송을 위한 자성체 코어 구조, 코어 구조를 이용하는 무선 전력 전송 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20240033679A
Application number: KR1020230117392A
Authority: KR
Inventors: 지성환; 성재용
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아 주식회사
Priority date: 2022-09-05
Filing date: 2023-09-05
Publication date: 2024-03-12
Also published as: WO2024053981A1

Abstract

무선 전력 전송(WPT, Wireless Power Transfer)을 위하여 일차 코일 (primary coil)과 함께 제공되는 자성체 코어 구조는, 일차 코일의 중심을 포함하는 제1 영역 내에서 제1축 방향으로 연장된 구조를 가지며 돌출되는 제1 구조체; 제1 구조체와 제2축 방향으로 이격되어 제1축 방향으로 연장된 구조를 가지며 돌출되는 제2 구조체; 및 제1 구조체 및 제2 구조체와 동일한 자기 특성을 가지며 제1 구조체 및 제2 구조체를 지지하는 지지 구조체를 포함한다.

Description

무선 전력 전송을 위한 자성체 코어 구조, 코어 구조를 이용하는 무선 전력 전송 장치 및 방법 {MAGNETIC CORE STRUCTURE FOR WIRELESS POWER TRANFER, WIRELESS POWER TRANSFER APPARATUS AND METHOD USING CORE STRUCTURE}

본 발명은 무선 전력 전송(WPT, Wireless Power Transfer)을 위한 장치의 코일과 함께 제공되는 자성체 코어 구조에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 송신 코일과 수신 코일의 전송 거리 및 코일 정렬에 대한 자유도를 높이는 자성체 코어 구조, 및 이를 이용하는 무선 전력 전송 장치 및 방법에 관한 것이다.

최근 개발되고 있는 전기 자동차(Electric Vehicle, EV)는 배터리의 동력으로 모터를 구동하여, 종래의 가솔린 엔진 자동차에 비해 배기 가스 및 소음 등과 같은 공기 오염원이 적으며, 고장이 적고, 수명이 길고, 운전 조작이 간단하다는 장점이 있다.

전기 자동차는 구동원에 따라 하이브리드 전기 자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그인 하이브리드 전기 자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) 및 전기 자동차(EV)로 분류된다. HEV는 주전력인 엔진과 보조 전력인 모터를 가지고 있다. PHEV는 주전력인 모터와 배터리가 방전될 때 사용되는 엔진을 가지고 있다. EV는 모터를 가지고 있으나, 엔진은 가지고 있지 않다.

전기차 충전 시스템은 기본적으로 상용 전원의 배전망(grid)이나 에너지 저장 장치의 전력을 이용하여 전기차에 탑재된 배터리를 충전하는 시스템으로 정의할 수 있다. 이러한 전기차 충전 시스템은 전기차의 종류에 따라 다양한 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 전기차 충전 시스템은 케이블을 이용한 전도성 충전 시스템이나 비접촉 방식의 무선 전력 전송 시스템을 포함할 수 있다.

전기차의 충전 시, 전기차에 탑재되는 차량 어셈블리(vehicle assembly, VA)는 충전 스테이션(charge station)이나 충전 스팟(charging spots)에 위치하는 그라운드 어셈블리(ground assembly, GA)의 송신 패드와 유도 공진 결합을 형성하고, 유도 공진 결합을 통해 그라운드 어셈블리로부터 전달되는 전력을 이용하여 전기차의 배터리를 충전할 수 있다.

한편, 자기 유도 방식의 무선 전력 전송 시스템에서 전력 전달 효율을 확보하기 위해서는 송신 패드와 수신 패드의 구조가 중요한 요소가 된다. 특히 송신 패드와 수신 패드에는 무선 전력 전달에 도움을 주는 자성체인 페라이트가 내장되며, 페라이트 구조체를 둘러싸는 코일이 형성되는데, 페라이트 구조 및/또는 코일의 구조에 따라 전력 전달 효율이 달라질 수 있다.

따라서, 무선 전력 전송 시스템에서의 전력 전송 효율을 높일 수 있는 코어 구조에 대한 필요성이 대두된다.

자기 유도 방식의 무선 전력 전송 기술은 매우 간단한 구조를 가지지만 송신 코일/일차 코일(primary coil)과 수신 코일/이차 코일(secondary coil) 간의 전송 거리 및 코일 간 정렬에 대한 자유도를 좀 더 높일 수 있는 기술이 요구된다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 전기차를 위한 자기 유도 무선 전력 전송 시스템에서 일차 코일과 이차 코일 간 전송 거리, 코일 간 정렬 위치에 따른 성능 저하를 보완하여 효율적으로 전력을 전송할 수 있는 자성체 구조를 제안하는 것이다.

본 발명의 목적은 일차 코일과 이차 코일 간 전송 거리, 및 정렬 위치의 자유도를 높일 수 있는 자성체 구조를 제안하는 것이다.

본 발명의 목적은 일차 코일로 둘러싸인 영역에 2개의 벽 구조를 가지는 자성체 코어를 배치하여 코일의 자기 인덕턴스 및 결합계수를 조정함으로써 비정렬 상태에서도 전송 효율을 개선할 수 있는 자성체 구조를 제안하는 것이다.

본 발명의 목적은 벽 구조의 자성체 코어를 최대 가용 비정렬 위치에 배치함으로써 정렬 위치에서 결합 계수를 감소시키지 않고 비정렬 위치에서 결합계수를 증가시켜 최대 가용 비정렬 위치 범위 내의 여러 비정렬 위치에서 전송 성능을 향상시킬 수 있는 자성체 구조를 제안하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 새로운 자성체 코어 구조를 배치하고 이를 최적화함으로써 전력 전송 효율이 높은 무선 전력 전송(WPT, Wireless Power Transfer) 장치 및 방법을 제안하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송(WPT, Wireless Power Transfer)을 위하여 일차 코일 (primary coil)과 함께 제공되는 자성체 코어 구조는, 일차 코일의 중심을 포함하는 제1 영역 내에서 제1축 방향으로 연장된 구조를 가지며 돌출되는 제1 구조체; 제1 구조체와 제2축 방향으로 이격되어 제1축 방향으로 연장된 구조를 가지며 돌출되는 제2 구조체; 및 제1 구조체 및 제2 구조체와 동일한 자기 특성을 가지며 제1 구조체 및 제2 구조체를 지지하는 지지 구조체를 포함한다.

제1 구조체 및 제2 구조체는 제1 영역 내에서 최대한의 이격 거리를 가지도록 배치될 수 있다.

제1 구조체 및 제2 구조체는 일차 코일의 중심에 대하여 대칭으로 배치될 수 있다.

제1 구조체 및 제2 구조체는 제3축 방향으로 제1 기준치 이상 돌출될 수 있다.

제1 기준치는 50 mm일 수 있다.

제1 구조체 및 제2 구조체는 제2축 방향으로 제2 기준치 이상의 폭을 가질 수 있다.

제2 기준치는 25 mm일 수 있다.

또 다른 실시예에서는, 제2 기준치는 50 mm일 수 있다.

일차 코일은 제1 구조체 및 제2 구조체를 둘러싸고, 제3축 방향으로 일정한 높이를 가지도록 정렬되어 배치될 수 있다.

일차 코일은 제1 구조체 및 제2 구조체를 둘러싸고, 일차 코일의 중심에 가까울수록 제3축 방향으로 높은 위치에 배치될 수 있다.

일차 코일은 제1 구조체 및 제2 구조체를 둘러싸고, 일차 코일의 중심에 가까울수록 제3축 방향으로 낮은 위치에 배치될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른, 이차 코일(secondary coil)을 포함하는 수신 패드로 무선 전력을 전송하도록 준비되는 무선 전력 전송 장치로서, 일차 코일(primary coil); 일차 코일의 중심을 포함하는 제1 영역 내에서 제1축 방향으로 연장된 구조를 가지며 돌출되는 제1 자성체 구조체; 제1 자성체 구조체와 제2축 방향으로 이격되어 제1축 방향으로 연장된 구조를 가지며 돌출되는 제2 자성체 구조체; 제1 자성체 구조체 및 제2 자성체 구조체와 동일한 자기 특성을 가지며 제1 구조체 및 제2 구조체를 지지하는 지지 자성체 구조체; 및 일차 코일, 제1 자성체 구조체, 제2 자성체 구조체, 및 지지 자성체 구조체를 지지하는 하우징을 포함한다.

제1 자성체 구조체 및 제2 자성체 구조체는 제1 영역 내에서 최대한의 이격 거리를 가지도록 배치될 수 있다.

제1 자성체 구조체 및 제2 자성체 구조체는 일차 코일의 중심에 대하여 대칭으로 배치될 수 있다.

제1 자성체 구조체 및 제2 자성체 구조체는 제3축 방향으로 제1 기준치 이상 돌출될 수 있다.

제1 자성체 구조체 및 제2 자성체 구조체는 제2축 방향으로 제2 기준치 이상의 폭을 가질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 방법은, 일차 코일(primary coil)을 포함하는 송신 패드로부터 이차 코일(secondary coil)을 포함하는 수신 패드로 무선 전력을 전송하는 방법으로서, 일차 코일의 중심을 포함하는 제1 영역 내에서 제1축 방향으로 연장된 구조를 가지며 돌출되는 제1 자성체 구조체, 및 제1 자성체 구조체와 제2축 방향으로 이격되어 제1축 방향으로 연장된 구조를 가지며 돌출되는 제2 자성체 구조체를 포함하는 자성체 코어 구조가 제공되는 단계; 이차 코일의 중심이 이차 코일의 중심으로부터 미리 결정된 오프셋 범위 내에 위치되는 단계; 및 일차 코일에 입력 전원이 인가되어 이차 코일로 무선 전력이 전송되도록 제어되는 단계를 포함한다.

이때 자성체 코어 구조가 제공되는 단계에서, 제1 자성체 구조체 및 제2 자성체 구조체는 제3축 방향으로 제1 기준치 이상 돌출될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 방법은, 제1 자성체 구조체 및 제2 자성체 구조체를 둘러싸고 제3축 방향으로 일정한 높이를 가지도록 정렬되는 일차 코일이 제공되는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 방법은, 제1 자성체 구조체 및 제2 자성체 구조체를 둘러싸고 일차 코일의 중심에 가까울수록 제3축 방향으로 높은 위치에 배치되는 일차 코일이 제공되는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 방법은, 제1 자성체 구조체 및 제2 자성체 구조체를 둘러싸고 일차 코일의 중심에 가까울수록 제3축 방향으로 낮은 위치에 배치되는 일차 코일이 제공되는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면 전기차를 위한 자기 유도 무선 전력 전송 시스템에서 일차 코일과 이차 코일 간 전송 거리, 코일 간 정렬 위치에 따른 성능 저하를 보완하여 효율적으로 전력을 전송할 수 있는 자성체 구조를 제공할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면 일차 코일과 이차 코일 간 전송 거리, 및 정렬 위치의 자유도를 높일 수 있는 자성체 구조를 제공할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면 일차 코일로 둘러싸인 영역에 2개의 벽 구조를 가지는 자성체 코어를 배치하여 코일의 자기 인덕턴스 및 결합계수를 조정함으로써 비정렬 상태에서도 전송 효율을 개선할 수 있는 자성체 구조를 제공할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면 벽 구조의 자성체 코어를 최대 가용 비정렬 위치에 배치함으로써 정렬 위치에서 결합 계수를 감소시키지 않고 비정렬 위치에서 결합계수를 증가시켜 최대 가용 비정렬 위치 범위 내의 여러 비정렬 위치에서 전송 성능을 향상시킬 수 있는 자성체 구조를 제공할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면 새로운 자성체 코어 구조를 배치하고 이를 최적화함으로써 전력 전송 효율이 높은 무선 전력 전송(WPT, Wireless Power Transfer) 장치 및 방법을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예가 적용되는 전기차를 위한 무선 전력 전송(WPT, Wireless Power Transfer) 시스템의 일 예에 대한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기차 무선 충전 회로를 도시하는 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 단상-단상 무선 전력 전송(WPT) 시스템의 등가 회로이다.
도 4는 본 발명의 비교례로서, 종래 기술의 무선 전력 송신 패드의 개념적인 단면도와 입면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 자성체 코어 구조를 포함하는 전력 송신 패드 및 전력 수신 패드를 도시하는 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 자성체 코어 구조를 포함하는 전력 송신 패드 및 전력 수신 패드를 도시하는 정면도와 측면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 자성체 코어 구조를 포함하는 전력 송신 패드 및 전력 수신 패드를 도시하는 개념적인 평면도이다.
도 8은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 자성체 코어 구조를 포함하는 전력 송신 패드 및 전력 수신 패드를 도시하는 사시도이다.
도 9는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 자성체 코어 구조를 포함하는 전력 송신 패드 및 전력 수신 패드를 도시하는 정면도와 측면도이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 자성체 코어 구조를 포함하는 전력 송신 패드 및 전력 수신 패드를 도시하는 사시도이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 자성체 코어 구조를 포함하는 전력 송신 패드 및 전력 수신 패드를 도시하는 정면도와 측면도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 방법을 개념적으로 도시하는 동작 흐름도이다.
도 13은 본 발명의 무선 전력 송신 패드 및/또는 무선 전력 수신 패드 내에 포함되거나, 본 발명의 무선 전력 송신 패드 및/또는 무선 전력 수신 패드와 관련되어 무선 전력 전송을 위한 시퀀스를 제어하는 하드웨어의 일반화된 구성을 도시하는 블록도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는 데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는"이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

본 출원의 실시예들에서, "A 및 B 중에서 적어도 하나"는 "A 또는 B 중에서 적어도 하나" 또는 "A 및 B 중 하나 이상의 조합들 중에서 적어도 하나"를 의미할 수 있다. 또한, 본 출원의 실시예들에서, "A 및 B 중에서 하나 이상"은 "A 또는 B 중에서 하나 이상" 또는 "A 및 B 중 하나 이상의 조합들 중에서 하나 이상"을 의미할 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

한편 본 출원일 전에 공지된 기술이라 하더라도 필요 시 본 출원 발명의 구성의 일부로서 포함될 수 있으며, 이에 대해서는 본 발명의 취지를 흐리지 않는 범위 내에서 본 명세서에서 설명한다. 다만 본 출원 발명의 구성을 설명함에 있어, 본 출원일 전에 공지된 기술로서 당업자가 자명하게 이해할 수 있는 사항에 대한 자세한 설명은 본 발명의 취지를 흐릴 수 있으므로, 공지 기술에 대한 지나치게 자세한 사항의 설명은 생략한다.

본 명세서에 사용되는 일부 용어를 정의하면 다음과 같다.

전기차(Electric Vehicle, EV)는 49 CFR(code of federal regulations) 523.3 등에서 정의된 자동차(automobile)를 지칭할 수 있다. 전기차는 고속도로 이용이 가능하고, 차량 외부의 전원공급원으로부터 재충전 가능한 배터리 등의 차량 탑재 에너지 저장 장치에서 공급되는 전기에 의해 구동될 수 있다. 전원공급원은 주거지나 공용 전기서비스 또는 차량 탑재 연료를 이용하는 발전기 등을 포함할 수 있다.

전기차(electric vehicle, EV)는 일렉트릭 카(electric car), 일렉트릭 오토모바일(electric automobile), ERV(electric road vehicle), PV(plug-in vehicle), xEV(plug-in vehicle) 등으로 지칭될 수 있고, xEV는 BEV(plug-in all-electric vehicle 또는 battery electric vehicle), PEV(plug-in electric vehicle), HEV(hybrid electric vehicle), HPEV(hybrid plug-in electric vehicle), PHEV(plug-in hybrid electric vehicle) 등으로 지칭되거나 구분될 수 있다.

플러그인 전기차(Plug-in Electric Vehicle, PEV)는 전력 그리드에 연결하여 차량 탑재 일차 배터리를 재충전하는 전기차로 지칭될 수 있다.

플러그인 차량(Plug-in vehicle, PV)은 본 명세서에서 전기차 전원공급장치(Electric Vehicle Supply Equipment; EVSE)로부터 물리적인 플러그와 소켓을 사용하지 않고 무선 충전 방식을 통해 재충전 가능한 차량으로 지칭될 수 있다.

중량 자동차(Heavy duty vehicles; H.D. Vehicles)는 49 CFR 523.6 또는 CFR 37.3(bus)에서 정의된 네 개 이상의 바퀴를 가진 모든 차량을 지칭할 수 있다.

경량 플러그인 전기차(Light duty plug-in electric vehicle)는 주로 공공 거리, 도로 및 고속도로에서 사용하기 위한 재충전 가능한 배터리나 다른 에너지 장치의 전류가 공급되는 전기 모터에 의해 추진력을 얻는 3개 또는 4개 바퀴를 가진 차량을 지칭할 수 있다. 경량 플러그인 전기차는 총 중량이 4.545㎏보다 작게 규정될 수 있다.

무선 충전 시스템(Wireless power charging system, WCS)은 무선 전력 전송과 얼라인먼트(위치 정렬) 및 통신을 포함한 Supply Device(또는 Ground Assembly, GA)와 EV device (또는 Vehicle Assembly, VA) 간의 제어를 위한 시스템을 지칭할 수 있다.

무선 전력 전송(Wireless power transfer, WPT)은 유틸리티(Utility)나 그리드(Grid) 등의 교류(AC) 전원공급 네트워크에서 전기차로 무접촉 수단을 통해 전기적인 전력을 전송하는 것을 지칭할 수 있다.

유틸리티(Utility)는 전기적인 에너지를 제공하며 통상 고객 정보 시스템(Customer Information System, CIS), 양방향 검침 인프라(Advanced Metering Infrastructure, AMI), 요금과 수익(Rates and Revenue) 시스템 등을 포함하는 시스템들의 집합으로 지칭될 수 있다. 유틸리티는 가격표 또는 이산 이벤트(discrete events)를 통해 플러그인 전기차가 에너지를 이용할 수 있도록 한다. 또한, 유틸리티는 관세율, 계측 전력 소비에 대한 인터벌 및 플러그인 전기차에 대한 전기차 프로그램의 검증 등에 대한 정보를 제공할 수 있다.

스마트 충전(Smart charging)은 EVSE 및/또는 전기차(플러그인 하이브리드 전기차 포함)가 차량 충전율이나 방전율을 그리드 용량이나 사용 비용 비율의 시간을 최적화하기 위해 전력 그리드와 통신하는 시스템으로 설명할 수 있다.

자동 충전(Automatic charging)은 전력을 전송할 수 있는 1차측 충전기 어셈블리(primary charger assembly)에 대하여 적절한 위치에 차량을 위치시키고 컨덕티브 또는 인덕티브 충전하는 동작으로 정의될 수 있다. 자동 충전은 필요한 인증 및 권한을 얻은 후에 수행될 수 있다.

상호운용성(Interoperabilty)은 서로 상대적인 시스템의 성분들이 전체 시스템의 목적하는 동작을 수행하기 위해 함께 작동할 수 있는 상태를 지칭할 수 있다. 정보 상호운용성(Information interoperability)은 두 개 이상의 네트워크들, 시스템들, 디바이스들, 애플리케이션들 또는 성분들이 사용자가 거의 또는 전혀 불편함 없이 안전하고 효과적으로 정보를 공유하고 쉽게 사용할 수 있는 능력을 지칭할 수 있다.

유도 충전 시스템(Inductive charging system)은 두 파트가 느슨하게 결합된 트랜스포머를 통해 전기 공급 네트워크에서 전기차로 정방향에서 전자기적으로 에너지를 전송하는 시스템을 지칭할 수 있다. 본 실시예에서 유도 충전 시스템은 전기차 충전 시스템에 대응할 수 있다.

유도 커플러(Inductive coupler)는 1차측 장치(primary device)와 2차측 장치(secondary device)로 형성되어 전력이 전기적인 절연을 통해 전력을 전송하는 트랜스포머를 지칭할 수 있다.

유도 결합(Inductive coupling)은 두 코일들 간의 자기 결합을 지칭할 수 있다. 두 코일은 1차측 코일(primary coil)/그라운드 어셈블리 코일(Ground assembly coil)과 2차측 코일(secondary coil)/차량 어셈블리 코일(Vehicle assembly coil)을 지칭할 수 있다.

공급전력회로(supply power circuit, SPC)/그라운드 어셈블리(Ground assembly, GA)는 1차측 코일/GA 코일과 다른 적절한 부품을 포함하여 1차측/그라운드 어셈블리 또는 인프라스트럭처(infrastructure) 측에 배치되는 어셈블리를 지칭할 수 있다. 다른 적절한 부품은 임피던스와 공진주파수를 제어하기 위한 적어도 하나의 부품, 자기 경로(magnetic path)를 강화하기 위한 페라이트 및 전자기 차폐 재료를 포함할 수 있다. 예컨대, SPC 또는 GA는 무선 충전 시스템의 전력 소스로서 기능하는 데 필요한 전력/주파수 변환 장치, SPC 컨트롤러/GA 컨트롤러 및 그리드로부터의 배선과 각 유닛과 필터링 회로들, 하우징 등의 사이의 배선을 포함할 수 있다.

전기차전력회로(EV power circuit, EVPC)/차량 어셈블리(Vehicle assembly, VA)는 2차측 코일/VA 코일과 다른 적절한 부품을 포함하여 차량에 배치되는 어셈블리를 지칭할 수 있다. 다른 적절한 부품은 임피던스와 공진주파수를 제어하기 위한 적어도 하나의 부품, 자기 경로를 강화하기 위한 페라이트 및 전자기 차폐 재료를 포함할 수 있다. 예를 들면, EVPC 또는 VA는 무선 충전 시스템의 차량 부품으로서 기능하는 데 필요한 정류기/전력변환장치와 EVPC 컨트롤러/VA 컨트롤러 및 차량 배터리의 배선뿐 아니라 각 유닛과 필터링 회로들, 하우징 등의 사이의 배선을 포함할 수 있다.

전술한 SPC는 그라운드 어셈블리(ground assembly, GA) 등으로 지칭되거나 구분될 수 있고, 이와 유사하게 EVPC는 차량 어셈블리(vehicle assembly, VA) 등으로 지칭되거나 구분될 수 있다.

전술한 GA는 프라이머리 디바이스(primary device, PD), 1차측 장치 등으로 지칭될 수 있고, 이와 유사하게 VA는 세컨더리 디바이스(secondary device, SD), 2차측 장치 등으로 지칭될 수 있다.

전술한 GA는 서플라이 디바이스(supply device), 전원공급측 장치 등으로 지칭될 수 있고, 이와 유사하게 VA는 전기차 디바이스(EV device), 전기차량 측 장치 등으로 지칭될 수 있다.

프라이머리 디바이스(Primary device)는 세컨더리 디바이스에 무접촉 결합을 제공하는 장치 즉, 전기차 외부의 장치일 수 있다. 프라이머리 디바이스는 1차측 장치로 지칭될 수 있다. 전기차가 전력을 받을 때, 프라이머리 디바이스는 전력을 전송하는 전원 소스로서 동작할 수 있다. 프라이머리 디바이스는 하우징과 모든 커버들을 포함할 수 있다.

세컨더리 디바이스(Secondary device)는 프라이머리 디바이스에 무접촉 결합을 제공하는 전기차 탑재 장치일 수 있다. 세컨더리 디바이스는 2차측 장치로 지칭될 수 있다. 전기차가 전력을 받을 때, 세컨더리 디바이스는 프라이머리 디바이스로부터의 전력을 전기차로 전달할 수 있다. 세컨더리 디바이스는 하우징과 모든 커버들을 포함할 수 있다.

공급 전력 전자장치(supply power electronics)는 차량으로부터의 정보를 토대로 1차측 코일/GA 코일에 대한 출력 전력 레벨을 조절하는 SPC 또는 GA의 일부분일 수 있다. 전기차 전력 전자장치(EV power electronics)는 충전 동안 특정 차량용 파라미터를 모니터링하고 SPC 또는 GA와의 통신을 개시하여 출력 전력 레벨을 제어하는 EVPC 또는 VA의 일부분일 수 있다.

전술한 공급 전력 전자장치(supply power electronics)는 그라운드 어셈블리 전자장치(GA electronics), 그라운드 어셈블리 컨트롤러(GA controller), 또는 프라이머리 디바이스 통신제어기(Primary device communication controller, PDCC)로 지칭될 수 있고, 전기차 전력 전자장치(EV power electronics)는 차량 어셈블리 전자장치(VA electronics), 차량 어셈블리 컨트롤러(VA controller), 또는 전기차 통신제어기(electric vehicle communication controller, VA 제어기)로 지칭될 수 있다.

마그네틱 갭(Magnetic gap)은 리츠선(litz wire)의 상부 또는 1차측 코일/GA 코일의 마그네틱 재료의 상부의 가장 높은 평면과 상기 리츠선의 하부 또는 2차측 코일/VA 코일의 마그네틱 재료의 가장 낮은 평면이 서로 정렬되었을 때 이들 사이의 수직 거리를 지칭할 수 있다.

주위 온도(Ambient temperature)는 직접적으로 햇빛이 비치지 않는 대상 서브시스템의 대기에서 측정된 그라운드 레벨 온도를 지칭할 수 있다.

차량 지상고(Vehicle ground clearance)는 도로 또는 도로포장과 차량 플로어 팬의 최하부 사이의 수직 거리를 지칭할 수 있다.

차량 마그네틱 지상고(Vehicle magnetic ground clearance)는 리츠선의 바닥 최하위 평면 또는 차량에 탑재된 2차측 코일/VA 코일의 절연 재료와 도로포장 사이의 수직 거리를 지칭할 수 있다.

2차측 코일 표면 간격(secondary coil surface distance)/차량 어셈블리(VA) 코일 표면 간격(Vehicle assembly coil surface distance)은 리츠선의 바닥 최하부의 평면 또는 2차측 코일/VA 코일의 마그네틱 재료와 2차측 코일/VA 코일의 최하위 외부 표면 사이의 수직 거리를 지칭할 수 있다. 이러한 거리는 보호 커버재 및 코일 포장재로 포장된 추가 아이템을 포함할 수 있다.

전술한 2차측 코일(secondary coil)은 VA 코일(VA coil), 차량 코일(vehicle coil), 수신 코일(receiver coil) 등으로 지칭될 수 있고, 이와 유사하게 1차측 코일(primary coil)은 그라운드 어셈블리 코일(ground assembly coil, GA coil), 송신 코일(transmit coil) 등으로 지칭될 수 있다.

노출 도전 부품(Exposed conductive component)은 사람에 의해 접촉될 수 있고 평상시 전기가 흐르지 않지만 고장 시에 전기가 흐를 수 있는 전기적인 장치(예컨대, 전기차)의 도전성 부품을 지칭할 수 있다.

유해 라이브 요소(Hazardous live component)는 어떤 조건하에서 유해한 전기 쇼크를 줄 수 있는 라이브 구성요소를 지칭할 수 있다.

라이브 요소(Live component)는 기본적인 용도에서 전기적으로 활성화되는 모든 도체 또는 도전성 부품을 지칭할 수 있다.

직접 접촉(Direct contact)은 생물체인 사람의 접촉을 지칭할 수 있다.

간접 접촉(Indirect contact)은 절연 실패로 사람이 노출된, 도전된, 전기가 흐르는 활성 성분에 접촉하는 것을 지칭할 수 있다(IEC 61140 참조).

얼라인먼트(Alignment)는 규정된 효율적인 전력 전송을 위해 프라이머리 디바이스에 대한 세컨더리 디바이스의 상대적인 위치를 찾는 절차 및/또는 세컨더리 디바이스에 대한 프라이머리 디바이스의 상대적인 위치를 찾는 절차를 가리킬 수 있다. 본 명세서에서 얼라인먼트는 무선 전력 전송 시스템의 위치 정렬을 지칭할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.

페어링(Pairing)은 전력을 전송할 수 있도록 배치된 단일 전용 그라운드 어셈블리(프라이머리 디바이스)와 차량(전기차)가 연관되는 절차를 지칭할 수 있다. 본 명세서에서 페어링은 충전 스팟 또는 특정 SPC/그라운드 어셈블리와 EVPC/차량 어셈블리 제어기의 연관 절차를 포함할 수 있다.

연관(Correlation/Association)은 두 피어(peer) 통신 실체들 사이의 관계 성립 절차를 포함할 수 있다.

명령 및 제어 통신(Command and control communication)은 무선 전력 전송 프로세스의 시작, 제어 및 종료에 필요한 정보를 교환하는 전기차 전력공급장치와 전기차 사이의 통신을 지칭할 수 있다.

하이 레벨 통신(High level communication)은 명령 및 제어 통신에서 담당하는 정보를 초과하는 모든 정보를 처리할 수 있다. 하이 레벨 통신의 데이터 링크는 PLC(Power line communication)을 사용할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.

저전력 기동(Low power excitation)은 정밀 포지셔닝과 페어링을 수행하기 위해 전기차가 프라이머리 디바이스를 감지하도록 그것을 활성화하는 것을 지칭할 수 있으나, 이에 한정되지 않으며 그 역도 가능하다.

SSID(Service set identifier)는 무선랜 상에서 전송되는 패킷의 헤더에 붙는 32-character로 이루어진 유니크한 식별자이다. SSID는 무선 장비에서 접속하려고 하는 BSS(basic service set)를 구분해 준다. SSID는 기본적으로 여러 개의 무선랜을 서로 구별해준다. 따라서 특정한 무선랜을 사용하려는 모든 AP(access point)와 모든 단말(terminal)/스테이션(station) 장비들은 모두 같은 SSID를 사용할 수 있다. 유일한 SSID를 사용하지 않는 장비는 BSS에 조인하는 것이 불가능하다. SSID는 평문으로 그대로 보이기 때문에 네트워크에 어떠한 보안 특성도 제공하지 않을 수 있다.

ESSID(Extended service set identifier)는 접속하고자 하는 네트워크의 이름이다. SSID와 비슷하지만 보다 확장된 개념일 수 있다.

BSSID(Basic service set identifier)는 통상 48bits로 특정 BSS(basic service set)를 구분하기 위해 사용한다. 인프라스트럭쳐 BSS 네트워크의 경우, BSSID는 AP 장비의 MAC(medium access control)가 될 수 있다. 독립적인(independent) BSS나 애드훅(ad hoc) 네트워크의 경우, BSSID는 임의의 값으로 생성될 수 있다.

충전 스테이션(charging station)은 적어도 하나 이상의 그라운드 어셈블리와 적어도 하나 이상의 그라운드 어셈블리를 관리하는 적어도 하나 이상의 그라운드 어셈블리 제어기를 포함할 수 있다. 그라운드 어셈블리는 적어도 하나 이상의 무선통신기를 구비할 수 있다. 충전 스테이션은 가정, 사무실, 공공장소, 도로, 주차장 등에 설치되는 적어도 하나 이상의 그라운드 어셈블리를 구비한 장소를 지칭할 수 있다.

본 명세서에서 연결(association)은 전기차 통신제어기(EVCC, Electric Vehicle Communication Controller) 및 충전 인프라를 제어하는 전원 공급 장치 통신제어기(SECC, Supply Equipment Communication Controller) 간에 무선 통신을 설정하는 절차를 의미하는 용어로 사용될 수 있다.

전기차 충전 시스템은 케이블을 이용한 전도성 충전 시스템 또는 비접촉 방식의 무선 전력 전송 시스템을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 전기차 충전 시스템은 기본적으로 상용 전원의 배전망(grid)이나 에너지 저장 장치의 전력을 이용하여 전기차에 탑재된 배터리를 충전하는 시스템으로 정의할 수 있으며, 이러한 전기차 충전 시스템은 전기차의 종류에 따라 다양한 형태를 가질 수 있다.

무선 충전을 위한 대표적인 표준인 SAE TIR J2954는 가벼운 의무 전기 및 플러그인 전기 자동차의 무선 충전을 위한 상호 운용성, 전자기 호환성, 최소 성능, 안전성 및 테스트를 위한 허용 기준을 정의하는 업계 표준 사양 가이드라인을 수립하고 있다.

무선 충전 시스템의 일 예를 나타내는 J2954표준에 따른 WCS(Wireless Communication System)는 유틸리티 인터페이스, 고주파 전력 인버터, 커플링 코일, 정류기, 필터, 선택적 레귤레이터, 그리고 차량 에너지 충전/저장 시스템과 유틸리티에 연결된 전력 인버터 간의 통신으로 구성될 수 있다. 유틸리티 인터페이스는 단상 또는 3상 AC 전원에 대한 기존 EVSE 연결과 유사하다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예가 적용되는 전기차를 위한 무선 전력 전송(WPT, Wireless Power Transfer) 시스템의 일 예에 대한 개념도이다.

도 1을 참조하면, 무선 전력 전송은 전기차(electric vehicle, 10)의 적어도 하나의 구성요소와 차징 스테이션(charging station, 20)에 의해서 수행될 수 있고, 전기차(10)에 무선으로 전력을 전송하기 위해서 이용될 수 있다.

다만, 본 발명에 따른 전기차(10)는 전기 모터와 일반적인 내연기관(internal combustion engine)을 함께 가지는 하이브리드 자동차를 포함할 수 있고, 자동차(automobile)뿐만 아니라 모터사이클(motorcycle), 카트(cart), 스쿠터(scooter) 및 전기 자전거(electric bicycle)를 포함할 수 있다.

여기서, 전기차(10)는 일반적으로 배터리(12)와 같이 충전 가능한 에너지 저장 장치로부터 유도된 전류를 동력장치인 전기 모터의 에너지원으로 공급하는 차량(automobile)으로 정의할 수 있다.

또한, 전기차(10)는 무선으로 배터리(12)를 충전할 수 있도록 수신 코일이 포함된 전력 수신 패드(11)를 포함할 수 있으며, 유선으로 배터리(12)를 충전할 수 있도록 플러그 접속구를 포함할 수도 있다. 이때, 유선으로 배터리(12)를 충전할 수 있는 전기차(10)를 플러그인 전기차(Plug-in Electric Vehicle, PEV)로 지칭할 수 있다.

여기서, 차징 스테이션(20)은 전력망(power grid, 30) 또는 전력 백본(power backbone)에 연결될 수 있고, 전력 링크(power link)를 통하여 송신 코일이 포함된 전력 송신 패드(21)에 교류(AC) 또는 직류(DC) 전력을 제공할 수 있다.

또한, 차징 스테이션(20)은 유무선 통신을 통하여 전력망(power grid, 30) 또는 전력망을 관리하는 인프라 관리 시스템(infrastructure management system) 또는 인프라 서버와 통신할 수 있고, 전기차(10)와 무선 통신을 수행할 수 있다. 여기서, 무선 통신에는 블루투스(Bluetooth), 지그비(zigbee), 셀룰러(cellular), 무선 로컬 영역 네트워크(wireless local area network) 등이 있을 수 있다.

또한, 예를 들어 차징 스테이션(20)은 전기차(10) 소유자의 집에 부속된 주차장, 주유소에서 전기차 충전을 위한 주차구역, 쇼핑 센터나 직장의 주차구역 등과 같이 다양한 장소에 위치할 수 있다.

여기서, 전기차(10)의 배터리(12)를 무선 충전하는 과정은 먼저 전기차(10)의 전력 수신 패드(11)가 전력 송신 패드(21)에 의한 에너지 장(energy field)에 위치하고, 전력 송신 패드(21)의 송신 코일과 전력 수신 패드(11)의 수신 코일이 서로 상호작용 또는 커플링됨으로써 수행될 수 있다. 상호작용 또는 커플링의 결과로 전력 수신 패드(11)에 기전력이 유도되고, 유도된 기전력에 의해 배터리(12)가 충전될 수 있다.

또한, 차징 스테이션(20)과 전력 송신 패드(21)는 그 전부 또는 일부를 공급전력회로(SPC) 또는 그라운드 어셈블리(Ground Assembly, GA)로 지칭할 수 있고, SPC 또는 그라운드 어셈블리는 앞서 정의한 의미를 참조할 수 있다.

또한, 전기차(10)의 전력 수신 패드(11)와 다른 전기차 내부 구성요소 전부 또는 일부를 전기차전력회로(EV power circuit, EVPC) 또는 차량 어셈블리(Vehicle Assembly, VA)로 지칭할 수 있는데, 여기서 EVPC 또는 차량 어셈블리는 앞서 정의한 의미를 참조할 수 있다.

여기서, 전력 송신 패드(21) 또는 전력 수신 패드(11)는 비극성(non-polarized) 또는 극성(polarized)으로 구성될 수도 있다.

이때, 패드가 비극성이면 패드의 중앙에 하나의 극이 있고, 바깥 주변에 반대 극을 가질 수 있다. 여기서, 자속(flux)는 패드의 중앙에서 나가고(exit), 패드의 모든 바깥 경계에서 복귀(return)하도록 형성될 수 있다.

또한, 패드가 극성인 경우, 패드의 어느 한쪽 끝에 각각의 극을 가질 수 있다. 여기서, 자속은 패드의 방향(orientation)에 기초하여 형성될 수 있다.

본 발명에서 전력 송신 패드(21) 또는 전력 수신 패드(11)는 통칭하여 무선 충전 패드라 지칭될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 적용할 수 있는 XYZ 좌표계에서는, 차량(vehicle)의 앞쪽 방향 또는 전후 방향을 y축, 차량의 좌우측을 x축, 차량의 위쪽 또는 위아래 방향을 z축, 전력 송신 패드(21) 또는 전력 수신 패드(11)의 코일의 자기 중심(magnetic center)을 x=0 및 y=0, 그리고 그라운드 표면을 z=0으로 정의할 수 있다.

본 발명의 다른 일 실시예에서는 차량의 전후 방향을 x축, 차량의 좌우측을 y축으로 정의할 수도 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기차 무선 충전 회로를 도시하는 개념도이다.

도 2의 좌측 회로는 전력망에서 공급되는 전원(Vsrc), 도 1에서의 차징 스테이션(20), 전력 송신 패드(21)의 구성 중 전부 또는 일부를 표현한 것으로 해석될 수 있고, 도 2의 우측 회로는 수신 패드 및 배터리를 포함한 전기차의 일부 또는 전부를 표현한 것으로 해석될 수 있다.

도 2의 좌측 회로는 전력망에서 공급되는 전원(Vsrc)에 대응되는 출력 전력(Psrc)를 무선 충전 전력 변환기(converter)에 제공하고, 무선 충전 전력 변환기는 송신 코일(L1)에서 희망하는 동작 주파수에서의 전자기장을 방출할 수 있도록, 제공받은 전력(Psrc)의 주파수 및 AC/DC 변환을 수행한 전력(P1)을 출력할 수 있다.

무선 충전 전력 변환기는 전력망에서 공급된 전력(Psrc)이 AC 전력인 경우 DC 전력으로 변환하는 AC/DC 변환기 및 DC전력을 무선 충전에 적합한 동작 주파수의 전력으로 변환하는 저주파수 변환기(또는 LF 변환기) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 동작 주파수는 예를 들면, 80 내지 90 kHz 사이에 위치하도록 결정할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.

무선 충전 전력 변환기에서 출력된 전력(P1)은 다시 송신 코일(L1), 제1 커패시터(C1) 및 제1 저항(R1)으로 구성된 회로에 공급될 수 있고, 이때 제1 커패시터(C1)는 송신 코일(L1)과 함께 충전에 적합한 동작 주파수를 갖도록 하는 소자값을 가지도록 결정될 수 있다. 또한, 여기서 제1 저항(R1)은 송신 코일(L1) 및 제1 커패시터(C1)에 의해 발생하는 전력손실을 의미할 수 있다.

여기서, 송신 코일(L1)은 수신 코일(L2)과 커플링 계수 m으로 정의되는 전자기적 커플링이 이루어져 전력이 전송되도록 하거나, 또는 전력이 수신 코일(L2)로 유도될 수 있다. 따라서, 본 발명에서 전력이 전송된다는 의미는 전력이 유도된다는 의미와 혼용하여 사용될 수 있다.

여기서, 수신 코일로 유도되거나 전송받은 전력(P2)은 전기차 전력 변환기로 제공될 수 있다. 이때, 제2 커패시터(C2)는 수신 코일(L2)과 함께 충전에 적합한 동작 주파수를 갖도록 하는 소자값으로 결정될 수 있고, 제2 저항(R2)은 수신 코일(L2) 및 제2 커패시터(C2)에 의해 발생하는 전력손실을 의미할 수 있다.

전기차 전력 변환기는 제공받은 특정 동작 주파수의 전력(P2)을 다시 전기차의 배터리(VHV)에 적합한 전압 레벨을 갖는 DC 전력으로 변환하는 LF/DC 변환기를 포함할 수 있다.

전기차 전력 변환기가 제공받은 전력(P2)을 변환한 전력(PHV)을 출력하면, 출력된 전력(PHV)는 전기차에 내장된 배터리(VHV)의 충전에 사용될 수 있다.

도 2의 우측 회로에는 수신 코일(L2)을 배터리(VHV)와 선택적으로 접속 또는 해제하기 위한 스위치(switch)를 더 포함할 수 있다.

송신 코일(L1)과 수신 코일(L2)의 공진 주파수(resonance frequency)는 서로 유사하거나 동일하도록 구성될 수 있으며, 송신 코일(L1)에서 발생된 전자기장에 수신 코일(L2)이 근거리에 위치할 수 있도록 구성될 수 있다.

도 2의 회로는 본 발명의 실시예들을 위해서 이용 가능한 전기차 무선 충전 시스템에서의 전력 전송에 관한 예시적 회로로 이해되어야 하며, 본 발명의 사상이 도 2에서의 회로에 한정하여 해석되는 것은 아니다.

한편, 송신 코일(L1)과 수신 코일(L2)이 원거리에 위치할수록 전력 손실이 증가할 수 있으므로, 양자의 위치를 설정하는 것은 중요한 요소일 수 있다.

이때, 송신 코일(L1)은 도 1에서의 전력 송신 패드(21)에 포함되고, 수신 코일(L2)은 도 1에서의 전력 수신 패드(11)에 포함될 수 있다. 또한, 송신 코일은 1차측 코일(primary coil) 또는 GA 코일(Ground Assembly coil)로 지칭될 수도 있고, 수신 코일은 2차측 코일(secondary coil) 또는 VA 코일(Vehicle Assembly coil)로 지칭될 수도 있다. 따라서, 전력 송신 패드(21)와 전력 수신 패드(11) 상호간의 위치 결정 또는 전기차(10)와 전력 송신 패드(21) 상호간의 위치 결정 또한 중요한 요소이다.

도 1에서의 전력 송신 패드(21) 및 전기차(10)에 내장된 전력 수신 패드(11) 사이의 위치 정렬은 앞서 설명한 용어인 얼라인먼트(alignment)에 대응될 수 있고, 따라서, SPC/GA와 EVPC/VA간의 위치 정렬로 정의할 수도 있고, 전력 송신 패드(21)와 전력 수신 패드(11)의 위치 정렬로 한정해석되지 않는다.

전력 송신 패드(21)는 실시예에 따라서는 지표면 아래에 위치할 수도 있고, 지표면 위에 위치할 수도 있고, 지표면 아래에서 전력 송신 패드(21)의 상면이 노출되도록 위치할 수도 있다. 이때, 도 2 및 도 3에서 도시된 것처럼 x 축은 차량의 전후 방향을 지시할 수 있고, y축은 차량의 좌우 방향을 지시할 수 있으며, z축은 차량의 위아래 방향을 지시할 수 있다.

또한, 전기차의 전력 수신 패드(11)는 지표면을 기준으로 측정된 높이(z방향으로 정의)에 따라 카테고리를 달리하여 정의할 수 있고, 예를 들어 지표면에서 전력 수신 패드(11)의 높이가 100-150(mm) 인 경우 class 1, 140-210(mm) 인 경우 class 2, 170-250(mm)인 경우 class 3와 같이 설정할 수 있다. 이때, 전력 수신 패드(11)에 따라 class 1만을 지원하거나, class 1과 2를 지원할 수도 있는 등 부분적 지원이 가능할 수 있다.

지표면을 기준으로 측정된 높이는 앞서 설명한 용어인 차량 마그네틱 지상고에 대응될 수 있다.

또한, 전력 송신 패드(21)의 높이 방향(z방향으로 정의)의 위치는 상기 전력 수신 패드(11)에서 지원하는 최대 클래스와 최소 클래스 사이에 위치하도록 결정할 수 있는데, 예를 들어 전력 수신 패드(11)가 class1과 2만을 지원한다면, 전력 수신 패드(11)를 기준으로 100-210 (mm) 사이에 송신 패드가 위치하도록 결정할 수 있다.

또한, 전력 송신 패드(21)의 중심과 전력 수신 패드(11)의 중심 사이의 격차는 가로 및 세로 방향(y 및 x 방향으로 정의)의 한계값 이내에 위치하도록 결정할 수 있다. 예를 들어, 가로 방향(y방향으로 정의)으로는 ±75 (mm) 이내에 위치하도록 결정할 수 있고, 세로 방향(x방향으로 정의)으로는 ±100 (mm) 이내에 위치하도록 결정할 수 있다.

여기서, 전력 송신 패드(21)와 전력 수신 패드(11)의 상대적 위치는 그 실험적 결과에 따라 한계값이 달라질 수 있고, 상기 수치들은 예시적인 것으로 이해되어야 한다.

또한, 전력 송신 패드(21)와 전력 수신 패드(11)는 각각 코일을 포함하는 것으로 전제하고 패드 상호간의 정렬로 설명하였으나, 더 구체적으로는 전력 송신 패드(21)와 전력 수신 패드(11)에 각각 내장된 1차측 코일(송신 코일 또는 GA 코일)과 2차측 코일(수신 코일 또는 VA 코일) 상호간의 정렬로 정의할 수도 있다.

도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 단상-단상 무선 전력 전송(WPT) 시스템의 등가 회로이다.

본 발명의 다양한 실시예들의 일차 코일(primary coil)과 이차 코일(secondary coil) 간에 형성되는 자기/유도 결합 또는 공진 구조는 도 3의 트랜스포머에 의하여 등가적으로 표현될 수 있다.

도 3을 참조하면 일차 코일의 앞단에 교류 신호를 인가하기 위한 단상 AC-DC 정류 회로(210), 및 SPWM(sinusoidal pulse width modulation) 인버터(220)가 도시된다.

또한 도 3을 참조하면 이차 코일로부터 부하/배터리에 전력을 전달하기 위한 정류기(110), 및 충전기(120)가 도시된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치는 전력 전달 회로를 포함할 수 있다. 도 3에 도시된 전력 전달 회로는 일차 코일 측에 단상 AC-DC 정류 회로(210), 및 SPWM 인버터(220)를 포함하는 구조를 기술적 특징으로 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 도 3의 전력 전달 회로는 일차 코일 측에 전력을 전달하기 위한 단상 AC-DC 정류 회로(210), 및 SPWM 인버터(220)를 제어하기 위하여 단상 AD-DC 정류 회로(210) 상의 측정값에 기반한 PI 제어 구조를 기술적 특징으로 포함할 수 있다.

SPWM 인버터(220)는 단상 AC-DC 정류기(210)의 출력을 수신하여 교류 신호를 생성하고, 교류 신호를 출력으로서 일차 코일에 전달할 수 있다.

정류기(110) 및 충전기(120)의 동작에 의하여 정류된 교류 신호가 배터리에 인가되어 배터리를 충전할 수 있다.

도 4는 본 발명의 비교례로서 종래 기술의 무선 전력 송신 패드(21)의 개념적인 단면도와 입면도이다.

도 4를 참조하면 도 3과 같은 단상 동작에 의한 무선 전력 전송이 수행되는 장치에서 전력 송신 패드(21)에 포함되는 송신 코일(21d)이 도시된다. 도 4의 전력 송신 패드(21)는 단상 동작 모드를 제공할 수 있다. 또한 도 4의 전력 송신 패드(21)와 대응하는 형상의 수신 코일(도시되지 않음)을 포함하는 전력 수신 패드(11)를 이용하면, 전력 수신 패드(11)가 단상 동작 모드에 의하여 무선 전력을 수신할 수 있다. 전력 수신 패드(11)의 단상 동작 모드를 위한 코일 및 하드웨어 구성은 도 4를 변형하여 당업자가 용이하게 구현할 수 있을 것이므로 상세한 설명은 생략한다.

도 4를 참조하면, 전력 송신 패드(21)는 외형을 이루는 외부 케이스(21a), 외부 케이스(21a) 내부에 평판 형태로 설치된 알루미늄 쉴드(21b), 알루미늄 쉴드의 상부에 설치되는 평판형 페라이트(21c) 및 평판형 페라이트(21c)의 상부에 설치되는 송신 코일(21d)을 포함할 수 있다. 여기서 상부는 전력 송신 패드(21)가 설치되는 지면을 기준으로 지면의 위를 의미할 수 있다.

여기서 평판형 페라이트(21c)에 사용되는 재료인 페라이트(ferrite)는 산화철을 포함한 자성체로서 자기 저항을 감소시키고 자속의 흐름을 도움으로써 무선 전력을 송수신하는 데 보조적 역할을 할 수 있다.

이하에서는 도 4의 종래 기술의 구성을 참조하되, 종래 기술과 차별화되는 본 발명의 구성을 설명한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 자성체 코어 구조를 포함하는 전력 송신 패드 및 전력 수신 패드를 도시하는 사시도이다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 자성체 코어 구조를 포함하는 전력 송신 패드 및 전력 수신 패드를 도시하는 정면도와 측면도이다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 자성체 코어 구조를 포함하는 전력 송신 패드 및 전력 수신 패드를 도시하는 개념적인 평면도이다.

도 5 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 송신 패드/장치(21)는 일차 코일(primary coil)(400), 자성체 코어 구조(310, 320, 320a), 및 하우징을 포함할 수 있다.

하우징은 일차 코일(400) 및 자성체 코어 구조(310, 320, 320a)를 지지할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 전력 수신 패드/장치(11)는 이차 코일(secondary coil)(500)을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송(WPT, Wireless Power Transfer)을 위하여 일차 코일(primary coil)(400)과 함께 제공되는 자성체 코어 구조(310, 320, 320a)는, 일차 코일(400)의 중심을 포함하는 제1 영역(330) 내에서 제1축 방향으로 연장된 구조를 가지며 돌출되는 제1 구조체(320); 제1 구조체와 제2축 방향으로 이격되어 제1축 방향으로 연장된 구조를 가지며 돌출되는 제2 구조체(320a); 및 제1 구조체(320) 및 제2 구조체(320a)와 동일한 자기 특성을 가지며 제1 구조체(320) 및 제2 구조체(320a)를 지지하는 지지 구조체(310)를 포함한다.

지지 구조체(310), 제1 구조체(320) 및 제2 구조체(320a)는 자성체일 수 있다. 자성체의 일 예로는 앞서 설명한 페라이트 등이 이용될 수 있지만 본 발명의 사상이 특정한 물질에 국한되는 것은 아니다.

제1 구조체(320) 및 제2 구조체(320a)는 제1 영역(330) 내에서 최대한의 이격 거리를 가지도록 배치될 수 있다. 제1 영역(330)은 일차 코일(400)의 중심을 포함하며 일차 코일(400)과 접촉하지 않고 일차 코일(400)에 둘러싸일 수 있는 유효한 가용 영역을 의미할 수 있다.

제1 구조체(320) 및 제2 구조체(320a)는 일차 코일(400)의 중심에 대하여 대칭으로 배치될 수 있다.

제1 구조체(320) 및 제2 구조체(320a)는 제3축 방향으로 제1 기준치 이상 돌출될 수 있다.

제1 기준치는 무선 전력 전송이 이루어지는 주파수에서 일차 코일(400)과 이차 코일(500) 간 전송 거리 허용 범위 내에서 결합 계수 k의 목표 비율을 달성할 수 있는 제1 구조체(320) 및 제2 구조체(320a)의 돌출 높이일 수 있다.

예를 들어, 전송 거리(Z-gap)의 허용 범위는 140 mm, 175 mm, 210 mm 등의 값을 포함할 수 있다. 전송 거리(Z-gap)의 허용 범위는 차량 어셈블리(VA, Vehicle Assembly) Ground Clearance Range에 영향받을 수 있다. 예를 들어, VA Grond Clearance Range는 Class Z1에서는 100-150 mm, Class Z2에서는 150-200 mm, Class Z3에서는 200-250 mm의 값을 가지는 것을 가정할 때 각 Class에 대응할 수 있도록 전송 거리(Z-gap)의 허용 범위가 설정될 수 있다.

예를 들어, 주파수 85 kHz에서 결합 계수 k의 목표 비율은 70%로 설정될 수 있다.

예를 들어, 주파수 85 kHz에서 제1 기준치는 50 mm일 수 있다.

제1 구조체(320) 및 제2 구조체(320a)는 제2축 방향으로 제2 기준치 이상의 폭을 가질 수 있다.

제2 기준치는 XY 평면 상에서 일차 코일(400)과 이차 코일(500)의 중심 간 이격 거리의 허용 범위 내에서 결합 계수 k의 목표 비율을 달성할 수 있는 제1 구조체(320) 및 제2 구조체(320a)의 Y축 방향의 폭일 수 있다. 제2 기준치는 벽 구조체의 두께에 대한 기준치로 해석될 수도 있다.

예를 들어, 이격 거리의 허용 범위는 X축 방향의 오프셋은 75 mm, Y축 방향의 오프셋은 100 mm일 수 있다.

예를 들어, 주파수 85 kHz에서 제2 기준치는 25 mm일 수 있다.

또 다른 실시예에서는, 주파수 85 kHz에서 제2 기준치는 50 mm일 수 있다.

일차 코일(400)은 제1 구조체(320) 및 제2 구조체(320a)를 둘러싸고, 제3축 방향으로 일정한 높이를 가지도록 정렬되어 배치될 수 있다.

무선전력전송은 유선으로 전기 에너지를 전달하는 방식대신 RF 신호, 레이저, 음파 등을 이용하여 에너지를 전송하는 기술이다.

무선전력전송 기술의 일 예로 자기적으로 유도되어 있는 코일을 통해 에너지를 전송하는 자기 유도 방식 무선전력전송 기술을 들 수 있으며 전기차 등 대용량 배터리 충전을 위한 고출력 전력 전송 방식에 적합하다.

자기 유도방식 무선전력전송은 송신 코일(일차 코일)과 수신 코일(이차 코일)을 포함하며, 송신 코일과 수신 코일을 동일한 주파수에서 공진시키기 위해 정합 회로를 함께 구성하여 전송 효율을 높일 수 있다.

자기 유도 방식 무선전력전송 기술은 매우 간단한 구조를 가지고 있지만 코일 간 전송 거리 및 코일 간 정렬에 대한 자유도가 높지 않다.

본 발명은 전기차용 무선 전력 전송 시스템에서 송/수신 코일의 전송 거리 및 코일 정렬에 대한 전력 전송 효율 저하를 보완할 수 있는 자성체 구조를 제안하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면 전기차를 위한 자기 유도 무선 전력 전송 시스템에서 일차 코일(400)과 이차 코일(500) 간 전송 거리, 코일 간 정렬 위치에 따른 성능 저하를 보완하여 효율적으로 전력을 전송할 수 있는 자성체 구조를 제공할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면 일차 코일(400)과 이차 코일(500) 간 전송 거리, 및 정렬 위치의 자유도를 높일 수 있는 자성체 구조를 제공할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면 일차 코일(400)로 둘러싸인 영역에 2개의 벽 구조(320, 320a)를 가지는 자성체 코어를 배치하여 코일의 자기 인덕턴스 및 결합계수를 조정함으로써 비정렬 상태에서도 전송 효율을 개선할 수 있는 자성체 구조를 제공할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면 벽 구조(320, 320a)의 자성체 코어를 최대 가용 비정렬 위치에 배치함으로써 정렬 위치에서 결합 계수를 감소시키지 않고 비정렬 위치에서 결합계수를 증가시켜 최대 가용 비정렬 위치 범위 내의 여러 비정렬 위치에서 전송 성능을 향상시킬 수 있는 자성체 구조를 제공할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면 새로운 자성체 코어 구조를 배치하고 이를 최적화함으로써 전력 전송 효율이 높은 무선 전력 전송(WPT, Wireless Power Transfer) 장치(21) 및 방법을 제공할 수 있다.

본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 일차 코일(400)의 중심점과 이차 코일(500)의 중심점이 반드시 동일한 XY 좌표를 가지고 일치할 필요는 없다. 일차 측 중심과 이차 측 중심의 XY 좌표가 일치하지 않더라도 일차 코일(400)로부터 이차 코일(500)로 무선으로 전력이 전송될 수 있다. 다만 일차 측 중심과 이차 측 중심의 XY 좌표가 현저하게 어긋날 경우 무선 전력 전송의 효율이 현저하게 저하될 수 있으므로 일차 측 무게 중심과 이차 측 무게 중심 간 정렬 과정이 권고될 수 있다.

또한 무선 전력 전송이 소기의 효율과 함께 수행되기 위하여, 일차 측 중심과 이차 측 중심 간 XY 좌표의 오차가 미리 결정된 기준치 이내일 것이 함께 권고될 수 있다.

예를 들어, 전기차의 송/수신 패드의 관련 표준인 SAE J2954 등에서 XY 평면 상에서 일차 코일(400)의 중심과 이차 코일(500)의 중심 간의 최대 이격 거리/오프셋을 단축(x축)으로 ±75 mm, 장축(y축)으로 ±100 mm로 규정하고 있다.

일반적으로 일차 코일(400)의 중심과 이차 코일(500)의 중심이 이격되는 경우(비정렬 상태) 일차 코일(400)의 중심과 이차 코일(500)의 중심이 정렬되는 경우보다 전송 효율이 저하될 수 있다.

장축(y축)의 최대 허용 이격 거리만큼 일차 코일(400)의 중심과 이차 코일(500)의 중심이 이격되는 경우, 전송 효율이 저하될 수 있다. 일차 코일(400)의 중심을 포함하는 유효 내부 영역인 제1 영역(330)의 경계에서는 중심점보다 자기장이 감소하며, 이로 인하여 송/수신 코일 간 비정렬 거리가 클수록 결합 계수 및 전송 효율이 저하된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면 제1 영역(330)의 경계 근처에서 자기장이 급속히 감소하는 종래 기술의 문제를 극복할 수 있는 코어 자성체 구조를 제안할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면 제1 영역(330)의 양쪽 끝 경계에서도 전력 전송을 위한 자기장이 유지될 수 있고, 이로 인하여 송신/수신 코일 간 결합에 의한 전력 전송 효율이 개선될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면 송신/수신 코일 간의 비정렬 오프셋에 강인한(robust) 자기장 특성을 보유하고 전송 효율이 개선되는 코어 자성체 구조가 개시된다. 코일 간 비정렬 오프셋에 강인한 전송 효율 특성은 제1 영역(330)의 장축 경계에서도 결합계수(k)가 기준치 이상을 만족하는 특성에 기인한 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 장축 방향의 허용 오프셋이 단축 방향보다 더 긴 경우, 송신 코일은 장축 방향으로 더 긴 형태의 직사각형 코일 구조를 가질 수 있다.

일반적으로, 코일 중심 간 이격 거리에 따른 전송 효율의 저하를 코일과 쉴드 판 사이에 위치하는 자성체 판의 빈 공간에 돌출된 형태의 코어 구조체를 도입함으로써 보완할 수 있다. 다만 이러한 구조체는 일차 코일(400)과 이차 코일(500)이 코일 중심에서 정렬된 경우 코일 간 결합계수가 증가하여 높은 전송 효율을 가지지만 최대 오프셋 위치만큼 코일 중심들이 서로 이격되는 경우에는 결합계수가 감소하여 효율이 낮아지는 단점이 있다.

본 발명의 일 실시예에서는, 자성체 코어의 변형된 형태로서 보상 구조체가 일차 코일(400)에 의하여 둘러싸이도록 배치되나 단일 구조의 자성체 코어가 코일 내부 공간의 대부분을 차지하고 있는 종래의 트랜스포머와 달리 두개의 벽 구조의 자성체(320, 320a)가 전송 효율이 저하되는 특정 위치에 배치된다.

일반적으로 코일 내에 자성체 코어가 삽입되면 코어가 자화되고 코어 주변에서 자속이 강화되어 코일 간 결합계수가 증가한다.

일반적으로 코일 내에 단일 구조의 자성체 코어가 대부분의 내부 공간을 차지하고 있을 경우 코일 간 결합계수가 증가하지만 코일 중심에 정렬된 경우와 최대 이격 거리만큼 송신/수신 코일의 중심이 서로 이격되는 경우의 결합계수 차이가 심화된다.

본 발명의 일 실시예에서는 이러한 결합계수 차이에 의한 전송 효율 저하를 해결하기 위하여 이격 거리에 강인한 코어 구조로서, 종래 기술의 자성체 코어의 변형된 형태를 제안한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 벽 구조의 자성체 코어(320, 320a)는 직사각형 코일의 단축 방향으로 연장되는 구조를 가지고 코어 주변 자속을 강화하여 송신/수신 코일의 중심이 최대 이격 거리에 위치한 경우의 코일 간 결합계수를 증가시킨다. 이 경우 자성체 코어의 두께를 조절하면 코어가 없이 비어 있는 공간(코일 중심)에서의 결합계수를 동일한 수준으로 유지할 수 있으며 결과적으로 이격 거리에 따른 결합계수의 균일도를 증가시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 벽 구조의 자성체 코어(320, 320a)는 루프 형태의 무선전력전송 코일에 모두 적용될 수 있으며 코일의 구조에 따라 코어의 높이, 두께를 달리하여 결합계수의 손실 없이 균일도를 증가시킬 수 있다.

도 7을 참조하면 일차 코일(400)은 평면도 상에서 실질적 직사각형 구조를 가진다고 가정한다. 일차 코일(400)의 엣지 부분은 라운딩 처리될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 일차 코일(400) 및 이차 코일(500)은 장축 방향의 길이가 단축 방향의 길이보다 긴 실질적 직사각형 구조를 가질 수 있다.

도 8은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 자성체 코어 구조(320, 320a)를 포함하는 전력 송신 패드(21) 및 전력 수신 패드(11)를 도시하는 사시도이다.

도 9는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 자성체 코어 구조(320, 320a)를 포함하는 전력 송신 패드(21) 및 전력 수신 패드(11)를 도시하는 정면도와 측면도이다.

도 8 및 도 9를 참조하면, 일차 코일(420)은 제1 구조체(320) 및 제2 구조체(320a)를 둘러싸고, 일차 코일(420)의 중심에 가까울수록 제3축 방향으로 높은 위치에 배치되는 피라미드 구조를 가질 수 있다.

도 8 및 도 9의 실시예에서, 도 5 내지 도 7의 구성과 중복되는 구성의 설명은 생략한다.

도 10은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 자성체 코어 구조(320, 320a)를 포함하는 전력 송신 패드(21) 및 전력 수신 패드(11)를 도시하는 사시도이다.

도 11은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 자성체 코어 구조(320, 320a)를 포함하는 전력 송신 패드(21) 및 전력 수신 패드(11)를 도시하는 정면도와 측면도이다.

도 10 및 도 11을 참조하면, 일차 코일(440)은 제1 구조체(320) 및 제2 구조체(320a)를 둘러싸고, 일차 코일(440)의 중심에 가까울수록 제3축 방향으로 낮은 위치에 배치되는 역 피라미드 구조를 가질 수 있다.

도 10 및 도 11의 실시예에서, 도 5 내지 도 7의 구성과 중복되는 구성의 설명은 생략한다.

도 5 내지 도 11의 실시예에서, 코일들(400, 500)을 이루고 있는 것은 플랫 와이어(flat wire)일 수 있다. 코일들은 플랫 와이어가 적어도 1회 이상 감긴 상태로 형성될 수 있다.

본 발명의 다른 일 실시예에서는, 도 5 내지 도 11의 실시예의 코일들(400, 500)을 이루고 있는 것은 리츠 와이어(litz wire)일 수 있다. 코일들은 리츠 와이어(litz wire)가 적어도 1회 이상 감긴 상태로 형성될 수 있다.

리츠선은 일반 구리선과 비교해서 주파수가 증가할 수록 전류의 흐름이 불안정하지 않고, 손실이 적어 안정적인 전류의 흐름을 유지할 수 있고, 코일의 온도 상승이 적은 장점이 있다. 따라서, 리츠선은 79 ~ 90kHz 동작 주파수를 사용하는 전기차 무선전력전송 시스템에는 적절한 재료이다. 일반적으로 리츠선의 가격은 1m 당 가격으로 책정되는데, 이러한 리츠선의 특징을 반영하여 전기차 무선전력전송 시스템에 리츠선을 이용하려는 시도가 있다.

하지만, 승용차형 전기차에 적용되는 무선전력전송 시스템의 리츠선은 전류의 용량이 큰 제품을(최소 50A 이상) 사용해야 하기 때문에 일반적인 리츠선보다 수십배 이상 가격이 비싸 전기차량의 비용을 크게 증가시키는 원인으로 지목받고 있기도 하다.

전기차 무선충전시스템은 고용량의 전력을 무선으로 전송하기 때문에 항상 고열 관리가 중요하다. 뿐만 아니라 금속과 같은 이물질에 의한 간섭으로 비 정상적인 발열이 발생하였을 때의 관리도 중요하다.

하지만, 리츠선은 내부심을 외부심이 감싸고 있는 형태로 인해 발생하는 열이 빠르게 외부로 전달되기 쉽지 않은 구조이며 발열이 계속될수록 손실이 높아지는 전류의 전송 특성을 생각했을 때 장기간 사용하기에는 무리가 있다. 이로 인하여 리츠선을 이용한 전력 전송 시스템에서는 냉각 기능을 추가하기 위하여 비용의 증가가 예상되는 측면도 있다.

냉각 기능을 시스템에 추가하더라도 리츠선의 내부에서 발생한 열이 외부로 전달되는 열전도율이 낮아 효율에 좋지 않은 영향을 줄 수 있다.

또한, 리츠선이 코일의 형상을 일정하게 유지하기 위해서 사용되는 구조물이 안전성을 저하시킬 우려가 있다는 측면의 의견도 고려될 수 있다.

리츠선의 강도가 일반 구리선보다 강하며 형상 유지에 더 용이하다 하더라도 선 형태를 가지기 때문에 코일 형상으로 만들었을 때 형태를 유지하기 위해서는 리츠선의 형상을 잡아주는 틀이 필요하다. 이러한 틀은 전자기 영향성을 줄이기 위해 유전율이 낮은 유전체로 만들어지는데 유전율이 낮은 유전체는 대체로 열에 취약한 성능을 가지기 때문에 많은 열이 발생하는 22KW급 충전에 사용하기 어려우며 리츠선에 붙어있기 때문에 열 교환을 방해하는 요소로 작용하고 열이 가해지고 다시 냉각되는 과정에서 형태의 변환 또는 화재가 발생할 수 있다.

따라서 본 발명에서는 리츠선을 이용하는 실시예 외에, 대안적인 실시예도 제안한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 패드 또는 수신 패드는 flat wire를 이용하여 구현될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 flat한 평각선(flat & rectangular wire)는 일반 시중에 유통되는 flat한 평각선을 본 발명의 목적에 부합하도록 변형한 실시예일 수 있다.

일반적으로 시중에 유통되는 flat한 평각선은 일반적으로 코너가 거의 직각을 형성하는 경우가 빈번하다. 이러한 시중의 flat한 평각선/각선(flat & rectangular wire)는 점적율(Space factor)을 높이기 위하여 사용되기도 한다. 본 발명의 대안적인 실시예들에서는, flat한 성질을 유지하되 코너가 적어도 부분적으로 라운드된(rounded) wire가 제안된다.

본 발명에서 제안하는 wire는 1) flat 또는 평면형(planar) wire이며, 2) 부분적으로 라운드되고 부분적으로는 rectangular한 측면을 가지는 것을 특징으로 한다. 이러한 특징을 가지는 본 발명의 실시예들의 코일의 wire는 무선 전력 전송에 적합하도록 전자기장을 형성할 수 있는 최적화된 형태를 가지는 flat wire일 수 있다.

일반적으로 시중에 유통되는 flat한 평각선(flat & rectangular wire)은, 가닥수는 단선~8복선, 도체 두께는 1.0 ∼ 9.0mm, 도체 폭은 3 ∼ 20mm 등으로 비교적 자유롭게 크기 조절이 가능하다. 또한, CTC(Continuously Transposed Conductor)를 사용해 코일을 만드는 것이 용이하다.

이러한 wire를 이용하는 코일 형태의 장점은 고전압을 적용시킬 수 있으며 절연물의 도체 밀착성이 우수하여 KRAFT, THERMAL UPGRADE KRAFT, NOMEX, DENNISON, KAPTON, MICA, CONDUCTOFOL 등의 다양한 절연물을 구분하여 선택적으로 적용할 수 있는 장점이 있다.

이와 같이 절연에 대한 문제가 해결된다면 기존 리츠선을 사용하던 코일보다 감긴 횟수를 향상시킬 수 있기 때문에 더 많은 턴 수를 가지는 코일을 형성할 수 있어 강력한 자기력선을 만들어 전송 효율을 높일 수 있다.

또한 외부에서 관찰할 때 실질적으로 하나의 통으로 이루어진 금속 구조이기 때문에 내부에서 외부로 열이 전달되는 과정에 불연속점이 없이 빠르게 전달될 수 있다.

또한 리츠선은 앞서 설명한 바와 같이 내부심을 외부심이 감싸고 있는 형태로 인해 내부 단락 또는 절연체의 변형, 변질 등의 문제가 발생했을 때 문제가 발생한 위치를 확인하기 어려우며 부분적인 유지보수가 불가능하기 때문에 코일 전체를 교체하게 되며 이것은 유지보수 비용의 증가로 연결된다. 그러나 본 발명에서 제시하는 flat wire 또는 평면형 와이어를 사용한 코일 구조의 경우 리츠와이어보다 내구성이 좋아 전선의 단락과 같은 문제로부터 비교적 자유로우며 문제가 발생하더라도 발생지점을 바로 확인할 수 있는 구조를 가지기 때문에 즉각적인 유지보수가 가능하며, 만일 코일 자체를 교체한다 하더라도 교체비용이 낮아 유지보수에 소모되는 자원이 훨씬 적을 것으로 판단된다.

또한 플랫 와이어 구조를 이용하면, 열전달 효율이 높을 뿐 아니라 배치가 자유로운 장점이 있으므로, 이를 바탕으로 코일 구조(300)를 냉각시킬 수 있는 다양한 냉각기법(건식자냉식, 건식풍냉식, 건식밀폐자냉식, 유입자냉식, 유입풍냉식, 유입수냉식, 송유풍냉식, 송유수냉식, 냉매냉각방식)을 선택적으로 적용할 수 있다. 즉, 다양한 냉각기법을 선택적으로 또는 조합하여 적용할 수 있으므로, 본 발명의 실시예들은 전력 전송 시 발생하는 열을 냉각시키기에도 매우 유리한 효과를 가질 수 있다.

본 발명의 실시예에서 도시되는 flat wire는 구리 및 구리 합금 중 적어도 하나 이상의 재질을 이용하여 구현될 수 있으나, 본 발명의 사상은 이러한 실시예에 의하여 한정 해석되지 않고, 재질 또한 다양한 전도체를 이용할 수 있다.

또한 wire로 구현된 코일의 코너 부분은 적어도 부분적으로 라운드되는 것이 전자기장 형성에 유리할 수 있다. 코너 부분의 라운드되는 정도 또한 전력 전송 효율, 코일의 형태 등을 고려하여 결정될 수 있다.

본 발명의 코일을 구현하는 가능한 실시예 중 하나로는, 전기차(10) 내부에서 배터리와 연결되는 도선을 형성하는 버스바(bus bar)의 형태와 재료를 참조하되, wire 단면의 aspect ratio와 라운드된 코너 부분의 수치 범위를 결정함으로써 본 발명의 실시예들에 따른 코일 구조(400, 500)가 구현될 수 있다.

또한 리츠선 실시예와 대안적인 실시예를 비교하면, 리츠선은 단면적/부피 대비 표면적/전류 경로의 비율을 증가시키기 위하여 설계된 기술이지만, 리츠선 가닥들이 밀집한 내부, 즉, 리츠선 다발의 중심부에서는 개별적인 리츠선 요소들 간의 상호 간섭으로 인하여 전력 전달 효율이 저하되고 발열이 증가하는 측면도 발견되고 있다.

전류 경로는 전도체의 표면을 통하여 흐르므로 단면적 대비 표면적의 비율은 전체 부피 대비 전류 경로의 비율에 대응하는 것으로 이해될 수 있다.

본 발명의 실시예들은 flat wire를 이용하는 코일 구조를 제안함으로써 단면적 대비 표면적 비율을 높이고, 점적율(Space Factor)도 향상시킬 수 있으며, 이로 인하여 전력 전송 효율을 높일 수 있다.

라운드된 코너는 전자기장 형성에 기여하여 더욱 유리한 전자기적 특성을 도출할 수 있다.

도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 방법을 개념적으로 도시하는 동작 흐름도이다.

도 12는 도 5 내지 도 11의 실시예에 대응하는 무선 전력 전송 방법일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 방법은, 일차 코일(primary coil)(400)을 포함하는 송신 패드(21)로부터 이차 코일(secondary coil)(500)을 포함하는 수신 패드(11)로 무선 전력을 전송하는 방법으로서, 일차 코일(400)의 중심을 포함하는 제1 영역(330) 내에서 제1축 방향으로 연장된 구조를 가지며 돌출되는 제1 자성체 구조체(320), 및 제1 자성체 구조체(320)와 제2축 방향으로 이격되어 제1축 방향으로 연장된 구조를 가지며 돌출되는 제2 자성체 구조체(320a)를 포함하는 자성체 코어 구조가 제공되는 단계(S700); 이차 코일(500)의 중심이 일차 코일(400)의 중심으로부터 미리 결정된 오프셋 범위 내에 위치되는 단계(S800); 및 일차 코일(400)에 입력 전원이 인가되어 이차 코일(500)로 무선 전력이 전송되도록 제어되는 단계(S900)를 포함한다.

이때 자성체 코어 구조가 제공되는 단계(S700)에서, 제1 자성체 구조체(320) 및 제2 자성체 구조체(320a)는 제3축 방향으로 제1 기준치 이상 돌출될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 방법은, 제1 자성체 구조체(320) 및 제2 자성체 구조체(320a)를 둘러싸는 일차 코일(400)이 제공되는 단계(S600)를 더 포함할 수 있다.

이때 도 5 내지 도 7의 실시예를 참고하면, 단계(S600)에서는 제3축 방향으로 일정한 높이를 가지도록 정렬되는 일차 코일(400)이 제공될 수 있다.

이때 도 8 내지 도 9의 실시예를 참고하면 단계(S600)에서는 일차 코일(400)의 중심에 가까울수록 제3축 방향으로 높은 위치에 배치되는 피라미드 형태로 배열되는 일차 코일(400)이 제공될 수 있다.

이때 도 10 내지 도 11의 실시예를 참고하면 일차 코일(400)의 중심에 가까울수록 제3축 방향으로 낮은 위치에 배치되는 역 피라미드 형태로 배열되는 일차 코일(400)이 제공될 수 있다.

도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 패드 및/또는 무선 전력 수신 패드 내에 포함되거나, 본 발명의 무선 전력 송신 패드 및/또는 무선 전력 수신 패드와 관련되어 무선 전력 전송을 위한 시퀀스를 제어하는 하드웨어의 일반화된 구성을 도시하는 블록도이다.

설명의 편의상 무선 전력 전송을 위한 시퀀스를 제어하는 하드웨어를 컨트롤러(1000)라고 지칭할 수 있다.

컨트롤러(1000)는 전기차(10) 측에 배치될 수도 있고, 전기차 전원공급설비(EVSE)(20) 측에 배치되거나, 전력 송신 패드(21) 측에 배치될 수도 있다.

컨트롤러(1000)는 적어도 하나의 프로세서(1100), 프로세서(1100)를 통해 상술한 동작이 실행되는 적어도 하나의 명령을 저장하고 있는 메모리(1200) 및 네트워크와 연결되어 통신을 수행하는 통신 인터페이스(1300)를 포함할 수 있다. 무선 전력 전송을 위한 컨트롤러(1000)는 상술한 동작이 실행되는 적어도 하나 이상의 명령 또는 실행 과정에서 생성되는 데이터를 저장할 수 있는 저장 장치(1400)를 더 포함할 수 있다. 무선 전력 전송을 위한 컨트롤러(1000)는 사용자와의 인터랙션을 위한 입력 인터페이스(1500), 및 출력 인터페이스(1600)를 더 포함할 수 있다. 무선 전력 전송을 위한 컨트롤러(1000)에 포함된 각각의 구성 요소들은 시스템 버스(bus)(1700)에 의해 연결되어 서로 통신을 수행할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 컨트롤러(1000) 또는 컴퓨팅 시스템은, 적어도 하나의 프로세서(processor)(1100) 및 상기 적어도 하나의 프로세서(1100)가 적어도 하나의 단계를 수행하도록 지시하는 명령어들(instructions)을 저장하는 메모리(memory)(1200)를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 방법의 적어도 일부의 단계는 상기 적어도 하나의 프로세서(1100)가 상기 메모리(1200)로부터 명령어들을 로드하여 실행함으로써 수행될 수 있다.

프로세서(1100)는 중앙 처리 장치(central processing unit, CPU), 그래픽 처리 장치(graphics processing unit, GPU), 또는 본 발명의 실시예들에 따른 방법들이 수행되는 전용의 프로세서를 의미할 수 있다.

메모리(1200) 및 저장 장치(1400) 각각은 휘발성 저장 매체 및 비휘발성 저장 매체 중에서 적어도 하나로 구성될 수 있다. 예를 들어, 메모리(1200)는 읽기 전용 메모리(read only memory, ROM) 및 랜덤 액세스 메모리(random access memory, RAM) 중에서 적어도 하나로 구성될 수 있다.

여기서, 적어도 하나 이상의 명령은, 전기차(10), 전기차 전원공급설비(EVSE)(20), 전력 송신 패드(21) 중 적어도 하나 이상을 상호 식별할 수 있는 시퀀스, 전기차(10), 전기차 전원공급설비(EVSE)(20), 전력 송신 패드(21) 중 적어도 하나 둘 이상 간의 무선통신 연결(association) 시퀀스, 상호 측위(positioning)에 의하여 정렬(aligning) 및/또는 페어링(pairing)을 수행하는 시퀀스, 정렬 및/또는 페어링 이후에 전력이 전송되도록 교류 신호 인가를 허락하는 시퀀스 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.

또한, 컨트롤러(1000)는, 무선 네트워크를 통해 통신을 수행하는 통신 인터페이스(1300)를 포함할 수 있다.

또한, 컨트롤러(1000)는, 저장 장치(1400), 입력 인터페이스(1500), 출력 인터페이스(1600) 등을 더 포함할 수 있다.

또한, 컨트롤러(1000)에 포함된 각각의 구성 요소들은 버스(bus)(1700)에 의해 연결되어 서로 통신을 수행할 수 있다.

본 발명의 컨트롤러(1000)의 예를 들면, 통신 가능한 데스크탑 컴퓨터(desktop computer), 랩탑 컴퓨터(laptop computer), 노트북(notebook), 스마트폰(smart phone), 태블릿 PC(tablet PC), 모바일폰(mobile phone), 스마트 워치(smart watch), 스마트 글래스(smart glass), e-book 리더기, PMP(portable multimedia player), 휴대용 게임기, 네비게이션(navigation) 장치, 디지털 카메라(digital camera), DMB(digital multimedia broadcasting) 재생기, 디지털 음성 녹음기(digital audio recorder), 디지털 음성 재생기(digital audio player), 디지털 동영상 녹화기(digital video recorder), 디지털 동영상 재생기(digital video player), PDA(Personal Digital Assistant) 등일 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 방법의 동작은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 프로그램 또는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의해 읽힐 수 있는 정보가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산 방식으로 컴퓨터로 읽을 수 있는 프로그램 또는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.

또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 롬(rom), 램(ram), 플래시 메모리(flash memory) 등과 같이 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치를 포함할 수 있다. 프로그램 명령은 컴파일러(compiler)에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터(interpreter) 등을 사용해서 컴퓨터에 의해 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함할 수 있다.

본 발명의 일부 측면들은 장치의 문맥에서 설명되었으나, 그것은 상응하는 방법에 따른 설명 또한 나타낼 수 있고, 여기서 블록 또는 장치는 방법 단계 또는 방법 단계의 특징에 상응한다. 유사하게, 방법의 문맥에서 설명된 측면들은 또한 상응하는 블록 또는 아이템 또는 상응하는 장치의 특징으로 나타낼 수 있다. 방법 단계들의 몇몇 또는 전부는 예를 들어, 마이크로프로세서, 프로그램 가능한 컴퓨터 또는 전자 회로와 같은 하드웨어 장치에 의해(또는 이용하여) 수행될 수 있다. 몇몇의 실시 예에서, 가장 중요한 방법 단계들의 적어도 하나 이상은 이와 같은 장치에 의해 수행될 수 있다.

실시예들에서, 프로그램 가능한 로직 장치(예를 들어, 필드 프로그래머블 게이트 어레이)가 여기서 설명된 방법들의 기능의 일부 또는 전부를 수행하기 위해 사용될 수 있다. 실시예들에서, 필드 프로그래머블 게이트 어레이(field-programmable gate array)는 여기서 설명된 방법들 중 하나를 수행하기 위한 마이크로프로세서(microprocessor)와 함께 작동할 수 있다. 일반적으로, 방법들은 어떤 하드웨어 장치에 의해 수행되는 것이 바람직하다.

이상 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

무선 전력 전송(WPT, Wireless Power Transfer)을 위하여 일차 코일 (primary coil)과 함께 제공되는 자성체 코어 구조로서,
일차 코일의 중심을 포함하는 제1 영역 내에서 제1축 방향으로 연장된 구조를 가지며 돌출되는 제1 구조체;
상기 제1 구조체와 제2축 방향으로 이격되어 상기 제1축 방향으로 연장된 구조를 가지며 돌출되는 제2 구조체; 및
상기 제1 구조체 및 상기 제2 구조체와 동일한 자기 특성을 가지며 상기 제1 구조체 및 상기 제2 구조체를 지지하는 지지 구조체;
를 포함하는,
자성체 코어 구조.
제1항에 있어서,
상기 제1 구조체 및 상기 제2 구조체는 상기 제1 영역 내에서 최대한의 이격 거리를 가지도록 배치되는,
자성체 코어 구조.
제1항에 있어서,
상기 제1 구조체 및 상기 제2 구조체는 상기 일차 코일의 중심에 대하여 대칭으로 배치되는,
자성체 코어 구조.
제1항에 있어서,
상기 제1 구조체 및 상기 제2 구조체는 제3축 방향으로 제1 기준치 이상 돌출되는,
자성체 코어 구조.
제4항에 있어서,
상기 제1 기준치는 50 mm인,
자성체 코어 구조.
제1항에 있어서,
상기 제1 구조체 및 상기 제2 구조체는 상기 제2축 방향으로 제2 기준치 이상의 폭을 가지는,
자성체 코어 구조.
제6항에 있어서,
상기 제2 기준치는 25 mm인,
자성체 코어 구조.
제1항에 있어서,
상기 일차 코일은 상기 제1 구조체 및 상기 제2 구조체를 둘러싸고, 제3축 방향으로 일정한 높이를 가지도록 정렬되어 배치되는,
자성체 코어 구조.
제1항에 있어서,
상기 일차 코일은
상기 제1 구조체 및 상기 제2 구조체를 둘러싸고, 상기 일차 코일의 중심에 가까울수록 제3축 방향으로 높은 위치에 배치되는,
자성체 코어 구조.
제1항에 있어서,
상기 일차 코일은
상기 제1 구조체 및 상기 제2 구조체를 둘러싸고, 상기 일차 코일의 중심에 가까울수록 제3축 방향으로 낮은 위치에 배치되는,
자성체 코어 구조.
이차 코일(secondary coil)을 포함하는 수신 패드로 무선 전력을 전송하도록 준비되는 무선 전력 전송 장치로서,
일차 코일(primary coil);
상기 일차 코일의 중심을 포함하는 제1 영역 내에서 제1축 방향으로 연장된 구조를 가지며 돌출되는 제1 자성체 구조체;
상기 제1 자성체 구조체와 제2축 방향으로 이격되어 상기 제1축 방향으로 연장된 구조를 가지며 돌출되는 제2 자성체 구조체;
상기 제1 자성체 구조체 및 상기 제2 자성체 구조체와 동일한 자기 특성을 가지며 상기 제1 자성체 구조체 및 상기 제2 자성체 구조체를 지지하는 지지 자성체 구조체; 및
상기 일차 코일, 상기 제1 자성체 구조체, 상기 제2 자성체 구조체, 및 상기 지지 자성체 구조체를 지지하는 하우징을 포함하는,
무선 전력 전송 장치.
제11항에 있어서,
상기 제1 자성체 구조체 및 상기 제2 자성체 구조체는 상기 제1 영역 내에서 최대한의 이격 거리를 가지도록 배치되는,
무선 전력 전송 장치.
제11항에 있어서,
상기 제1 자성체 구조체 및 상기 제2 자성체 구조체는 상기 일차 코일의 중심에 대하여 대칭으로 배치되는,
무선 전력 전송 장치.
제11항에 있어서,
상기 제1 자성체 구조체 및 상기 제2 자성체 구조체는 제3축 방향으로 제1 기준치 이상 돌출되는,
무선 전력 전송 장치.
제11항에 있어서,
상기 제1 자성체 구조체 및 상기 제2 자성체 구조체는 상기 제2축 방향으로 제2 기준치 이상의 폭을 가지는,
무선 전력 전송 장치.
일차 코일(primary coil)을 포함하는 송신 패드로부터 이차 코일(secondary coil)을 포함하는 수신 패드로 무선 전력을 전송하는 방법에 있어서,
상기 일차 코일의 중심을 포함하는 제1 영역 내에서 제1축 방향으로 연장된 구조를 가지며 돌출되는 제1 자성체 구조체, 및 상기 제1 자성체 구조체와 제2축 방향으로 이격되어 상기 제1축 방향으로 연장된 구조를 가지며 돌출되는 제2 자성체 구조체를 포함하는 자성체 코어 구조가 제공되는 단계;
상기 이차 코일의 중심이 상기 일차 코일의 중심으로부터 미리 결정된 오프셋 범위 내에 위치되는 단계; 및
상기 일차 코일에 입력 전원이 인가되어 상기 이차 코일로 무선 전력이 전송되도록 제어되는 단계;
를 포함하는,
무선 전력 전송 방법.
제16항에 있어서,
상기 제1 자성체 구조체 및 상기 제2 자성체 구조체는 제3축 방향으로 제1 기준치 이상 돌출되는,
무선 전력 전송 방법.
제16항에 있어서,
상기 제1 자성체 구조체 및 상기 제2 자성체 구조체를 둘러싸고 제3축 방향으로 일정한 높이를 가지도록 정렬되는 상기 일차 코일이 제공되는 단계;
를 더 포함하는,
무선 전력 전송 방법.
제16항에 있어서,
상기 제1 자성체 구조체 및 상기 제2 자성체 구조체를 둘러싸고 상기 일차 코일의 중심에 가까울수록 제3축 방향으로 높은 위치에 배치되는 상기 일차 코일이 제공되는 단계;
를 더 포함하는,
무선 전력 전송 방법.
제16항에 있어서,
상기 제1 자성체 구조체 및 상기 제2 자성체 구조체를 둘러싸고 상기 일차 코일의 중심에 가까울수록 제3축 방향으로 낮은 위치에 배치되는 상기 일차 코일이 제공되는 단계;
를 더 포함하는,
무선 전력 전송 방법.