WO2021153985A1 - 무선충전 장치 및 이를 포함하는 이동 수단 - Google Patents

무선충전 장치 및 이를 포함하는 이동 수단 Download PDF

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WO2021153985A1
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wireless charging
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magnetic
coil
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김태경
최종학
김나영
이승환
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    • Y02T90/10—Technologies relating to charging of electric vehicles
    • Y02T90/12—Electric charging stations

Definitions

  • the embodiment relates to a wireless charging device and a mobile means including the same. More specifically, the embodiment relates to a wireless charging device with improved charging efficiency by applying a heat dissipation structure, and a moving means such as an electric vehicle including the same.
  • the wireless power transmission wirelessly transmits power through space using an electromagnetic field resonance structure such as an inductive coupling, capacitive coupling, or antenna without physical contact between a transmitter that supplies power and a receiver that receives power.
  • an electromagnetic field resonance structure such as an inductive coupling, capacitive coupling, or antenna without physical contact between a transmitter that supplies power and a receiver that receives power.
  • the wireless power transmission is suitable for portable communication devices and electric vehicles that require a large-capacity battery, and since the contacts are not exposed, there is little risk of a short circuit, and a wired charging failure phenomenon can be prevented.
  • Patent Document 1 Korean Patent Publication No. 2011-0042403
  • a magnetic pad 300 ′ is disposed adjacent to the coil 200 ′ to improve wireless charging efficiency, and a shield unit for shielding 400 ′ is disposed to be spaced apart from the magnetic pad 300 ′ by a predetermined interval.
  • the wireless charging device generates heat due to the resistance of the coil and the magnetic loss of the magnetic pad during the wireless charging operation.
  • the magnetic pad in the wireless charging device generates heat in the vicinity of the coil with high electromagnetic wave energy density, and the generated heat changes the magnetic properties of the magnetic pad and causes an impedance mismatch between the transmitting pad and the receiving pad, thereby lowering the charging efficiency.
  • the heat was intensified again due to this.
  • such a wireless charging device is mainly installed under a moving means such as an electric vehicle, it was difficult to implement a heat dissipation structure by adopting a sealed structure for dustproof, waterproof and shock absorption.
  • an object of the embodiment is to provide a wireless charging device with improved heat dissipation and charging efficiency and a moving means including the same.
  • a coil comprising a conductive wire; a shield portion disposed on the coil; and a magnetic pad disposed between the coil and the shield unit, wherein the magnetic pad satisfies the following equation (1), a wireless charging device is provided:
  • C MAX is the maximum cross-sectional area among cross-sectional areas that can be derived when the magnetic pad is cut in the horizontal direction
  • STOT is the total surface area of the magnetic pad.
  • a moving means including the wireless charging device according to the embodiment is provided.
  • heat dissipation and charging efficiency can be improved by adjusting the surface area of the magnetic pad used in the wireless charging device.
  • the magnetic pad is formed to have a three-dimensional structure on a surface rather than a planar sheet structure, so that the magnetic pad has a larger surface area than that of a general type magnetic pad, so that heat can be easily dissipated.
  • the wireless charging device may be usefully used in a moving means such as an electric vehicle that requires large-capacity power transmission between a transmitter and a receiver.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view of a wireless charging device according to an embodiment.
  • FIGS. 2A and 2B illustrate a magnetic pad and a cross-section thereof according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 3 illustrates a magnetic pad and a unit area thereof according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 4 shows a process of forming a magnetic pad through a mold.
  • 5A and 5B are cross-sectional views of a wireless charging device according to an embodiment.
  • FIG. 6 is an exploded perspective view of a conventional wireless charging device.
  • FIG. 7 shows a moving means having a wireless charging device.
  • one component is described as being formed above/under another component, one component is directly above/under another component, or indirectly through another component including all that are formed by
  • the criteria for the top/bottom of each component may vary depending on the direction in which the object is observed.
  • the size of each component in the drawings may be exaggerated or omitted for explanation, and may be different from the size actually applied.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view of a wireless charging device according to an embodiment.
  • the wireless charging device 10 includes a coil 200 including a conductive wire; a shield unit 400 disposed on the coil 200; and a magnetic pad 300 disposed between the coil 200 and the shield unit 400 .
  • the wireless charging device may improve heat dissipation and charging efficiency by adjusting the surface area of the magnetic pad.
  • the magnetic pad is formed to have a three-dimensional structure on a surface rather than a flat sheet structure, so that it has a larger surface area than that of a magnetic pad having a general dimension standard, so that heat can be easily dissipated.
  • the wireless charging device can be usefully used in a moving means such as an electric vehicle that requires large-capacity power transmission between a transmitter and a receiver.
  • the coil includes a conductive wire.
  • the conductive wire includes a conductive material.
  • the conductive wire may include a conductive metal.
  • the conductive wire may include at least one metal selected from the group consisting of copper, nickel, gold, silver, zinc, and tin.
  • the conductive wire may have an insulating sheath.
  • the insulating shell may include an insulating polymer resin.
  • the insulating shell may include a polyvinyl chloride (PVC) resin, a polyethylene (PE) resin, a Teflon resin, a silicone resin, a polyurethane resin, and the like.
  • the diameter of the conductive wire may be, for example, in the range of 1 mm to 10 mm, in the range of 1 mm to 5 mm, or in the range of 1 mm to 3 mm.
  • the conductive wire is wound in the form of a flat coil.
  • the planar coil may include a planar spiral coil.
  • the shape of the planar coil may be an elliptical shape, a polygonal shape, or a polygonal shape with rounded corners, but is not particularly limited.
  • the outer diameter of the planar coil may be 5 cm to 100 cm, 10 cm to 50 cm, 10 cm to 30 cm, 20 cm to 80 cm, or 50 cm to 100 cm.
  • the planar coil may have an outer diameter of 10 cm to 50 cm.
  • the inner diameter of the planar coil may be 0.5 cm to 30 cm, 1 cm to 20 cm, or 2 cm to 15 cm.
  • the number of windings of the flat coil may be 5 to 50 times, 10 to 30 times, 5 to 30 times, 15 to 50 times, or 20 to 50 times.
  • the flat coil may be formed by winding the conductive wire 10 to 30 times.
  • the distance between the conductive wires in the planar coil shape may be 0.1 cm to 1 cm, 0.1 cm to 0.5 cm, or 0.5 cm to 1 cm.
  • the shield part is disposed on the coil.
  • the shield unit suppresses electromagnetic interference (EMI) that may be generated by leakage of electromagnetic waves to the outside through electromagnetic shielding.
  • EMI electromagnetic interference
  • the material of the shield part may be, for example, a metal, and thus the shield part may be a metal plate, but is not particularly limited.
  • the material of the shield part may be aluminum, and other metal or alloy materials having electromagnetic wave shielding ability may be used.
  • the thickness of the shield part may be 0.2 mm to 10 mm, 0.5 mm to 5 mm, or 1 mm to 3 mm.
  • the area of the shield part may be 200 cm 2 or more, 400 cm 2 or more, or 600 cm 2 or more.
  • a magnetic pad refers to a magnetic material having a pad shape, and as naturally associated with the term pad, refers to a magnetic material having an overall flat or flat shape. Accordingly, the magnetic pad may have a shape in which the size in the vertical direction is smaller than the size in the horizontal direction. From this point of view, a magnetic material having an isotropic shape, such as a sphere or a cube, or having a size similar to that in a horizontal direction and a size in a vertical direction is not included in the category of the magnetic pad mentioned herein.
  • the magnetic pad may have curves or irregularities on at least one surface, but may have a polyhedral shape such as a cuboid as a whole.
  • the magnetic pad is disposed between the coil and the shield unit.
  • the magnetic pad may be disposed to be spaced apart from the shield part by a predetermined interval.
  • the separation distance between the magnetic pad and the shield part may be 3 mm or more, 5 mm or more, 3 mm to 10 mm, or 4 mm to 7 mm.
  • the magnetic pad may be disposed to be spaced apart from the coil by a predetermined interval.
  • the separation distance between the magnetic pad and the coil may be 0.2 mm or more, 0.5 mm or more, 0.2 mm to 3 mm, or 0.5 mm to 1.5 mm.
  • the magnetic pad may include a binder resin and magnetic powder dispersed in the binder resin. Accordingly, since the magnetic powders are combined with each other by the binder resin, the magnetic pad may have fewer defects overall and less damage due to impact in a large area.
  • the magnetic powder may include oxide magnetic powder such as ferrite (Ni-Zn-based, Mg-Zn-based, Mn-Zn-based ferrite, etc.); metallic magnetic powders such as permalloy, sandust, and nanocrystalline magnetic material; Or it may be a mixed powder thereof. More specifically, the magnetic powder may be sandus particles having a Fe-Si-Al alloy composition.
  • the magnetic powder may have a composition of Formula 1 below.
  • X is Al, Cr, Ni, Cu, or a combination thereof; Y is Mn, B, Co, Mo, or a combination thereof; 0.01 ⁇ a ⁇ 0.2, 0.01 ⁇ b ⁇ 0.1, and 0 ⁇ c ⁇ 0.05.
  • the average particle diameter of the magnetic powder may be in the range of 3 nm to 1 mm, 1 ⁇ m to 300 ⁇ m, 1 ⁇ m to 50 ⁇ m, or 1 ⁇ m to 10 ⁇ m.
  • the magnetic pad may include the magnetic powder in an amount of 50 wt% or more, 70 wt% or more, or 85 wt% or more.
  • the magnetic pad may contain 50 wt% to 99 wt%, 70 wt% to 95 wt%, 70 wt% to 90 wt%, 75 wt% to 90 wt%, 75 wt% to 95 wt% of the magnetic powder. %, 80% to 95% by weight, or 80% to 90% by weight.
  • the binder resin may be a curable resin, specifically, a photocurable resin or a thermosetting resin.
  • the binder resin may include a high heat-resistant thermoplastic resin.
  • a resin capable of exhibiting adhesiveness by being cured in this way includes at least one functional group or site that can be cured by heat, such as a glycidyl group, an isocyanate group, a hydroxyl group, a carboxyl group, or an amide group; or at least one functional group or site that can be cured by active energy such as an epoxide group, a cyclic ether group, a sulfide group, an acetal group, or a lactone group resin can be used.
  • a functional group or moiety may be, for example, an isocyanate group (-NCO), a hydroxyl group (-OH), or a carboxyl group (-COOH).
  • the curable resin may be exemplified by a polyurethane resin, an acrylic resin, a polyester resin, an isocyanate resin, or an epoxy resin having at least one functional group or site as described above, but is not limited thereto.
  • the binder resin may include a polyurethane-based resin, an isocyanate-based curing agent, and an epoxy-based resin.
  • the magnetic pad may contain the binder resin in an amount of 5 wt% to 40 wt%, 5 wt% to 20 wt%, 5 wt% to 15 wt%, or 7 wt% to 15 wt%.
  • the binder resin 6 wt% to 12 wt% of a polyurethane-based resin, 0.5 wt% to 2 wt% of an isocyanate-based curing agent, and 0.3 wt% to 1.5 wt% It may include an epoxy-based resin.
  • the magnetic pad satisfies Equation (1) below.
  • C MAX is the maximum cross-sectional area among cross-sectional areas that can be derived when the magnetic pad is cut in the horizontal direction
  • STOT is the theoretical total surface area of the magnetic pad.
  • the value of STOT /C MAX may be 2.5 or more, 2.7 or more, 3.0 or more, 5.0 or more, or 10.0 or more.
  • the upper limit of the range of the STOT /C MAX value is not particularly limited, but may be, for example, 20.0 or less, 15.0 or less, 10.0 or less, 5.0 or less, or 3.0 or less.
  • C MAX is the maximum cross-sectional area among the cross-sectional areas that can be derived when the magnetic pad is cut in the horizontal direction. Areas (ie, cross-sectional areas) of the obtained various cross-sections, namely, the first cross-section (c1-1, c2-1), the second cross-section (c1-2, c2-2), and the third cross-section (c1-3, c2-3), etc. ), then C MAX can be determined with the largest area among them. That is, in FIG. 2A , C MAX is the area of the second cross-section c1-2, and in FIG. 2B, C MAX is the area of the third cross-section c2-3.
  • the cross-sectional area may be derived as a theoretical value by mathematically calculating or integrating using the edge length or diameter of the figures constituting the cross-section, or may be derived by actually measuring it with a measuring device.
  • C MAX can be derived from the shape of the magnetic pad by theoretical mathematical calculations without actually cutting the magnetic pad, and auxiliary means such as computer aided design (CAD) may be used for this operation.
  • CAD computer aided design
  • the horizontal direction of the magnetic pad means a direction parallel to the plane direction (X-axis and Y-axis) of the magnetic pad, that is, a direction perpendicular to the height or thickness direction (Z-axis) of the magnetic pad do.
  • S TOT is the total surface area of the magnetic pad, for example, the theoretical total surface area obtained by summing the surface areas of all surfaces calculated using the lengths of corners constituting the three-dimensional shape of the magnetic pad.
  • the theoretical total surface area is calculated by calculating the surface area of all surfaces constituting the magnetic pad by measuring the length of the corners present in the magnetic pad and taking into account the height and diameter of the three-dimensional shape made of the corners. They can all be summed up. Since it is assumed that the magnetic pad according to the above embodiment has a regular or reproducible shape, the theoretical total surface area can be calculated without difficulty and, if necessary, may be performed using an auxiliary means such as a CAD.
  • the theoretical total surface area of the magnetic pad calculated in this way may be approximately the same as the surface area obtained by a well-known surface area measurement method (BET method, etc.) does not For example, irregular or fine curves and irregularities may exist on the surface of the magnetic pad, and accordingly, the actual total surface area of the magnetic pad may be larger than the theoretical total surface area.
  • BET method surface area measurement method
  • the wireless charging device according to the embodiment can be sufficiently achieved even by applying to Equation (1) using a theoretical value, even irregular or minute curves and irregularities present on the surface of the magnetic pad must be It's not something to take into account.
  • the magnetic pad employed in the wireless charging device according to the embodiment may easily radiate heat by having a larger surface area than a magnetic pad having a general dimension standard.
  • the magnetic pad may have a three-dimensional structure rather than a general planar sheet structure.
  • the magnetic pad may be formed to have irregularities on the surface.
  • the unevenness may be formed in a regular pattern.
  • the surface of the magnetic pad 300 may have a shape in which cuboid-shaped protrusions are regularly arranged.
  • the sum of the surface areas of the plurality of protrusions may be 0.5 times or more of C MAX of the magnetic pad. Specifically, the sum of the surface areas of the plurality of protrusions may be greater than C MAX of the magnetic pad. More specifically, the sum of the surface areas of the plurality of protrusions may be 1.1 times or more, 1.5 times or more, or 2 times or more compared to the C MAX of the magnetic pad.
  • the surface area of one surface having the plurality of protrusions (that is, the sum of the surface areas of the plurality of protrusions on the surface and the total area where the other protrusions are not formed) may be 1.2 times or more than the C MAX of the magnetic pad. .
  • the height of the protrusion may be 0.1 mm or more, 0.5 mm or more, or 1 mm or more.
  • the height of the protrusion may be 10 mm or less, 5 mm or less, or 3 mm or less.
  • the height of the protrusion may be 0.1 mm to 5 mm, or 0.5 mm to 3 mm.
  • the planar shape of the protrusion may be a polyhedral shape including a quadrangle or a circular shape including an ellipse.
  • the length or diameter of one side of the polyhedral shape may be 0.1 mm or more, 0.5 mm or more, or 1 mm or more, and may be 10 mm or less, 5 mm or less, or 3 mm or less, specifically 0.1 mm to 5 mm, or 0.5 mm to 3 mm.
  • the thickness of the magnetic pad including the protrusion may be 1 mm or more, 2 mm or more, 3 mm or more, or 4 mm or more.
  • the thickness of the magnetic pad including the protrusion may be 20 mm or less, 10 mm or less, or 5 mm or less.
  • the thickness of the magnetic pad including the protrusion may be 1 mm to 20 mm, or 2 mm to 10 mm.
  • the magnetic pad may have a curved surface.
  • the curve may be a gentle or abrupt curve, and a plurality of curves may be formed.
  • the magnetic pad may further satisfy Equation (2) below.
  • C MAX is the maximum cross-sectional area among cross-sectional areas that can be derived when the magnetic pad is cut in the horizontal direction
  • S top and S bottom are the surface areas of the upper and lower surfaces of the magnetic pad, respectively.
  • the value of (S top +S bottom )/C MAX may be 2.2 or more, 2.5 or more, 2.7 or more, 3.0 or more, or 5.0 or more.
  • the upper limit of the range of the (S top +S bottom )/C MAX value is not particularly limited, but may be, for example, 15.0 or less, 10.0 or less, 5.0 or less, or 3.0 or less.
  • Equation (2) S top is the surface area of the upper surface of the magnetic pad.
  • the upper surface of the magnetic pad may refer to a surface present at an upper portion of a flat pad, and for example, may refer to a surface formed at an upper portion of the magnetic pad than a cross-section having a maximum cross-sectional area.
  • S bottom is the surface area of the lower surface of the magnetic pad, that is, the surface existing in the lower portion of the magnetic pad.
  • the surface areas of the upper and lower surfaces of the magnetic pad may be derived by theoretical calculation or actual measurement, as in the method of deriving STOT in Equation (1) above.
  • the magnetic pad may have a plurality of protrusions or curves on at least one surface as exemplified above.
  • the surface areas of the upper and lower surfaces of the magnetic pad may be derived including the surface areas of the plurality of protrusions or curves. there is.
  • the surface area of the upper surface or the lower surface of at least one unit region 310 of the magnetic pad is It may be more than a certain area.
  • the unit area 310 may be a square area, and the area of the surface (shaded portion) of the upper surface of the unit area (ie, the three-dimensional structure of the upper surface) compared to the area calculated as the square of the length (m) of its side. (surface area including up to) may be 1.2 times or more, specifically, 1.2 times to 5 times, or 1.5 times to 3 times.
  • the surface area of one surface (ie, the upper surface or the lower surface) of at least one of these unit areas may be 1.2 cm 2 or more.
  • the surface area of one surface of at least one unit area of the magnetic pad may be 2.4 cm 2 or more or 4.8 cm 2 or more. there is.
  • the surface area of one surface of at least one unit area of the magnetic pad is 3.6 cm 2 or more and 7.2 cm 2 or more , or 10.8 cm 2 or more.
  • the magnetic pad may be molded to have a three-dimensional structure.
  • the magnetic pad may be formed through a mold.
  • the molding may be performed by injecting the raw material of the magnetic pad into the mold by injection molding.
  • the magnetic pad is obtained by mixing a magnetic powder and a polymer resin composition to obtain a raw material composition, and then injecting the raw material composition 301 into the mold 3 by the injection molding machine 2 as shown in FIG. can be manufactured.
  • the internal shape of the mold 3 as a three-dimensional structure, the three-dimensional structure of the magnetic pad can be easily implemented. Such a process is impossible when using a conventional sintered ferrite sheet as a magnetic pad.
  • the magnetic pad may have a certain level of magnetic properties in the vicinity of a standard frequency for wireless charging of an electric vehicle.
  • the wireless charging standard frequency of the electric vehicle may be less than 100 kHz, for example, 79 kHz to 90 kHz, specifically 81 kHz to 90 kHz, more specifically about 85 kHz, which is a mobile electronic device such as a mobile phone. It is a band distinct from the applied frequency.
  • the magnetic permeability in the 85 kHz frequency band of the magnetic pad may vary depending on the material, and may be in the range of 5 to 150,000, and may be in the range of 5 to 300, 500 to 3,500, or 10,000 to 150,000 depending on the specific material.
  • the investment loss in the 85 kHz frequency band of the magnetic pad may vary depending on the material, and may be 0 to 50,000 in a wide range, and 0 to 1,000, 1 to 100, 100 to 1,000, or 5,000 to 50,000 depending on the specific material. can be
  • the magnetic permeability in the frequency band of 85 kHz may be 5 to 130, 15 to 80, or 10 to 50, and the investment loss is 0 to 20, 0 to 15, or 0 to 5.
  • the magnetic pad may be elongated at a certain rate.
  • the elongation of the magnetic pad may be 0.5% or more.
  • the elongation property is difficult to obtain in a ceramic-based magnetic pad that does not apply a polymer, and damage can be reduced even when a large-area magnetic pad is distorted due to an impact.
  • the elongation of the magnetic pad may be 0.5% or more, 1% or more, or 2.5% or more.
  • There is no particular limitation on the upper limit of the elongation but if the content of the polymer resin is increased to improve the elongation, properties such as inductance of the magnetic pad may be deteriorated, so the elongation is preferably set to 10% or less.
  • the magnetic pad has a small rate of change in characteristics before and after impact, and is significantly superior to that of a general ferrite magnetic sheet.
  • the property change rate (%) before and after the impact of a certain property can be calculated by the following formula.
  • Characteristic change rate (%)
  • the magnetic pad may have an inductance change rate of less than 5% or less than 3% before and after an impact applied by free-falling from a height of 1 m. More specifically, the inductance change rate may be 0% to 3%, 0.001% to 2%, or 0.01% to 1.5%. When within the above range, the inductance change rate before and after the impact is relatively small, so that the stability of the magnetic pad may be further improved.
  • the magnetic pad may have a quality factor (Q factor) change rate of 0% to 5%, 0.001% to 4%, or 0.01% to 2.5% before and after the impact applied by free falling from a height of 1 m.
  • Q factor quality factor
  • the magnetic pad may have a resistance change rate of 0% to 2.8%, 0.001% to 1.8%, or 0.1% to 1.0% before and after an impact applied by free falling from a height of 1 m.
  • the resistance value may be well maintained below a certain level even if it is repeatedly applied in an environment to which an actual shock and vibration are applied.
  • the magnetic pad may have a rate of change of charging efficiency before and after an impact applied by free-falling from a height of 1 m to 0% to 6.8%, 0.001% to 5.8%, or 0.01% to 3.4%.
  • the characteristics of the large-area magnetic pad may be more stably maintained even if impact or distortion occurs repeatedly.
  • the wireless charging device may further include a housing for accommodating the above-described components.
  • the housing allows components such as the coil unit, the shield unit, and the magnetic unit to be properly arranged and assembled.
  • the material and structure of the housing may adopt the material and structure of a typical housing used in a wireless charging device, and may be appropriately designed according to the components included therein.
  • the wireless charging device 10 includes a housing 600; a coil 200 disposed within the housing 600 and including a conductive wire; a shield unit 400 disposed on the coil 200; and a magnetic pad 300 disposed between the coil 200 and the shield unit 400, wherein the magnetic pad 300 satisfies Equation (1).
  • the wireless charging device 10 may further include a support part 100 for supporting the coil part.
  • the material and structure of the support part may adopt a material and structure of a conventional support part used in a wireless charging device.
  • the support part may have a flat plate structure or a structure in which a groove is dug along the shape of the coil part to fix the coil part.
  • the wireless charging device may further include a spacer for securing a space between the shield unit and the magnetic unit.
  • the material and structure of the spacer may employ the material and structure of a conventional spacer used in a wireless charging device.
  • a moving means to which a wireless charging device is applied, specifically, an electric vehicle, and may be wirelessly charged in a parking area equipped with a wireless charging system for an electric vehicle by providing a wireless charging device at the lower part.
  • the moving means 1 includes the wireless charging device according to the embodiment as the receiver 21 .
  • the wireless charging device may serve as a receiver 21 of wireless charging of the mobile means 1 and receive power from a transmitter 22 of wireless charging.
  • the moving means includes a wireless charging device, the wireless charging device is a coil including a conductive wire; a shield portion disposed on the coil; and a magnetic pad disposed between the coil and the shield part, wherein the magnetic pad satisfies Equation (1) described above.
  • the moving means may further include a battery receiving power from the wireless charging device.
  • the wireless charging device may receive power wirelessly and transmit it to the battery, and the battery may supply power to a driving system of the moving means.
  • the battery may be charged by power transmitted from the wireless charging device or other additional wired charging devices.
  • the moving means may further include a signal transmitter for transmitting information about the charging to the transmitter of the wireless charging system.
  • the information about such charging may be charging efficiency such as charging rate, the degree of charging, and the like.

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Abstract

일 구현예에 따른 무선충전 장치는 자성 패드의 표면적을 조절함으로써 방열 및 충전 효율을 향상시킬 수 있다. 따라서 상기 무선충전 장치는, 송신기와 수신기 간의 대용량의 전력 전송을 요구하는 전기 자동차와 같은 이동 수단에 유용하게 사용될 수 있다.

Description

무선충전 장치 및 이를 포함하는 이동 수단
구현예는 무선충전 장치 및 이를 포함하는 이동 수단에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 구현예는 방열 구조를 적용하여 충전 효율이 향상된 무선충전 장치 및 이를 포함하는 전기 자동차와 같은 이동 수단에 관한 것이다.
오늘날 정보통신 분야는 매우 빠른 속도로 발전하고 있으며, 전기, 전자, 통신, 반도체 등이 종합적으로 조합된 다양한 기술들이 지속적으로 개발되고 있다. 또한, 전자기기의 모바일화 경향이 증대함에 따라 통신분야에서도 무선 통신 및 무선 전력 전송 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히, 전자기기 등에 무선으로 전력을 전송하는 방안에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.
상기 무선 전력 전송은 전력을 공급하는 송신기와 전력을 공급받는 수신기 간에 물리적인 접촉 없이 유도 결합(inductive coupling), 용량 결합(capacitive coupling) 또는 안테나 등의 전자기장 공진 구조를 이용하여 공간을 통해 전력을 무선으로 전송하는 것이다. 상기 무선 전력 전송은 대용량의 배터리가 요구되는 휴대용 통신기기, 전기 자동차 등에 적합하며 접점이 노출되지 않아 누전 등의 위험이 거의 없으며 유선 방식의 충전 불량 현상을 막을 수 있다.
한편, 최근 들어 전기 자동차에 대한 관심이 급증하면서 충전 인프라 구축에 대한 관심이 증대되고 있다. 이미 가정용 충전기를 이용한 전기 자동차 충전을 비롯하여 배터리 교체, 급속 충전 장치, 무선충전 장치 등 다양한 충전 방식이 등장하였고, 새로운 충전 사업 비즈니스 모델도 나타나기 시작했다(대한민국 공개특허 제 2011-0042403 호 참조). 또한, 유럽에서는 시험 운행중인 전기차와 충전소가 눈에 띄기 시작했고, 일본에서는 자동차 제조 업체와 전력 회사들이 주도하여 전기 자동차 및 충전소를 시범적으로 운영하고 있다.
[선행기술문헌]
(특허문헌 1) 한국 공개특허공보 제2011-0042403호
전기 자동차과 같은 이동 수단에 사용되는 종래의 무선충전 장치는, 도 6을 참조하여, 무선충전 효율 향상을 위해 코일(200')에 인접하여 자성 패드(300')가 배치되고, 차폐를 위한 쉴드부(400')가 자성 패드(300')와 일정 간격 이격하여 배치된다.
무선충전 장치는 무선충전 동작 중에 코일의 저항과 자성 패드의 자기 손실에 의해 열을 발생한다. 특히 무선충전 장치 내의 자성 패드는 전자기파 에너지 밀도가 높은 코일과 가까운 부분에서 열을 발생하고, 발생한 열은 자성 패드의 자기 특성을 변화시켜 송신 패드와 수신 패드 간의 임피던스 불일치를 유발하여, 충전 효율이 저하되고 이로 인해 다시 발열이 심화되는 문제가 있었다. 그러나 이러한 무선충전 장치는 주로 전기 자동차와 같은 이동 수단의 하부에 설치되기 때문에, 방진 및 방수와 충격 흡수를 위해 밀폐 구조를 채용하여 방열 구조를 구현하는데 어려움이 있었다.
이에 본 발명자들이 연구한 결과, 무선충전 장치에 사용되는 자성 패드의 표면적을 조절함으로써 방열 및 충전 효율을 향상시킬 수 있음을 발견하였다.
따라서 구현예의 과제는, 방열 및 충전 효율이 개선된 무선충전 장치 및 이를 포함하는 이동 수단을 제공하는 것이다.
일 구현예에 따르면, 전도성 와이어를 포함하는 코일; 상기 코일 상에 배치된 쉴드부; 및 상기 코일과 상기 쉴드부 사이에 배치된 자성 패드를 포함하고, 상기 자성 패드가 아래 식 (1)을 만족하는, 무선충전 장치가 제공된다:
STOT/CMAX ≥ 2.5 (1)
상기 식에서 CMAX는 상기 자성 패드를 수평 방향으로 절단 시에 도출 가능한 단면적 중에서 최대 단면적이고, STOT는 상기 자성 패드의 전체 표면적이다.
다른 구현예에 따르면, 상기 구현예에 따른 무선충전 장치를 포함하는 이동 수단이 제공된다.
상기 구현예에 따르면 무선충전 장치에 사용되는 자성 패드의 표면적을 조절함으로써 방열 및 충전 효율을 향상시킬 수 있다.
구체적인 구현예에 따르면, 상기 자성 패드는 평면 시트 구조가 아닌 표면에 입체 구조를 갖도록 성형되어, 일반적인 형태의 자성 패드의 표면적보다 큰 표면적을 가짐으로써 열을 쉽게 방출할 수 있다.
따라서 상기 무선충전 장치는 송신기와 수신기 간의 대용량의 전력 전송을 요구하는 전기 자동차와 같은 이동 수단에 유용하게 사용될 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 무선충전 장치의 분해사시도를 나타낸 것이다.
도 2a 및 2b는 일 구현예에 따른 자성 패드 및 이의 단면을 나타낸 것이다.
도 3은 일 구현예에 따른 자성 패드 및 이의 단위 영역을 나타낸 것이다.
도 4는 몰드를 통해 자성 패드를 성형하는 공정을 나타낸 것이다.
도 5a 및 5b는 일 구현예에 따른 무선충전 장치의 단면도를 나타낸 것이다.
도 6은 종래의 무선충전 장치의 분해사시도를 나타낸 것이다.
도 7은 무선충전 장치를 구비하는 이동 수단을 나타낸 것이다.
<부호의 설명>
1: 이동 수단, 2: 사출 성형기,
3: 몰드, 301: 원료 조성물,
10: 일 구현예에 따른 무선충전 장치,
10': 종래의 무선충전 장치,
21: 수신기, 22: 송신기,
100, 100': 지지부, 200, 200': 코일,
300, 300': 자성 패드, 310: 단위 영역
400, 400': 쉴드부, 600: 하우징,
c1-1, c2-1: 제 1 단면, c1-2, c2-2: 제 2 단면,
c1-3, c2-3: 제 3 단면, m: 단위 영역의 변의 길이
이하의 구현예의 설명에 있어서, 하나의 구성요소가 다른 구성요소의 상/하에 형성되는 것으로 기재되는 것은, 하나의 구성요소가 다른 구성요소의 상/하에 직접, 또는 또 다른 구성요소를 개재하여 간접적으로 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 구성요소의 상/하에 대한 기준은 대상을 관찰하는 방향에 따라 달라질 수 있는 것으로 이해하여야 한다. 도면에서의 각 구성요소들의 크기는 설명을 위하여 과장되거나 생략될 수 있으며, 실제로 적용되는 크기와 다를 수 있다.
본 명세서에서 어떤 구성요소를 "포함"한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 그 외 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.
또한, 본 명세서에 기재된 구성요소의 특성 값, 치수 등을 나타내는 모든 수치 범위는 특별한 기재가 없는 한 모든 경우에 "약"이라는 용어로 수식되는 것으로 이해하여야 한다.
본 명세서에서 단수 표현은 특별한 설명이 없으면 문맥상 해석되는 단수 또는 복수를 포함하는 의미로 해석된다.
무선충전 장치
도 1은 일 구현예에 따른 무선충전 장치의 분해사시도를 나타낸 것이다.
도 1을 참조하여, 일 구현예에 따른 무선충전 장치(10)는, 전도성 와이어를 포함하는 코일(200); 상기 코일(200) 상에 배치된 쉴드부(400); 및 상기 코일(200)과 상기 쉴드부(400) 사이에 배치된 자성 패드(300)를 포함한다.
상기 구현예에 따른 무선충전 장치는, 자성 패드의 표면적을 조절함으로써 방열 및 충전 효율을 향상시킬 수 있다.
구체적인 구현예에 따르면, 상기 자성 패드는 평면 시트 구조가 아닌 표면에 입체 구조를 갖도록 성형되어, 일반적인 치수 규격의 자성 패드의 표면적보다 큰 표면적을 가짐으로써 열을 쉽게 방출할 수 있다.
따라서 상기 무선충전 장치는, 송신기와 수신기 간의 대용량의 전력 전송을 요구하는 전기 자동차와 같은 이동 수단에 유용하게 사용될 수 있다.
이하 상기 무선충전 장치의 각 구성요소별로 구체적으로 설명한다.
코일
상기 코일은 전도성 와이어를 포함한다.
상기 전도성 와이어는 전도성 물질을 포함한다. 예를 들어, 상기 전도성 와이어는 전도성 금속을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 전도성 와이어는 구리, 니켈, 금, 은, 아연 및 주석으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속을 포함할 수 있다.
또한, 상기 전도성 와이어는 절연성 외피를 구비할 수 있다. 예를 들어, 상기 절연성 외피는 절연성 고분자 수지를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 절연성 외피는 폴리염화비닐(PVC) 수지, 폴리에틸렌(PE) 수지, 테프론 수지, 실리콘 수지, 폴리우레탄 수지 등을 포함할 수 있다.
상기 전도성 와이어의 직경은 예를 들어 1 mm 내지 10 mm 범위, 1 mm 내지 5 mm 범위, 또는 1 mm 내지 3 mm 범위일 수 있다.
상기 전도성 와이어는 평면 코일 형태로 감긴 것이다. 구체적으로 상기 평면 코일은 평면 나선 코일(planar spiral coil)을 포함할 수 있다. 이때 상기 평면 코일의 형태는 타원형, 다각형, 또는 모서리가 둥근 다각형의 형태일 수 있으나, 특별히 한정되지 않는다.
상기 평면 코일의 외경은 5 cm 내지 100 cm, 10 cm 내지 50 cm, 10 cm 내지 30 cm, 20 cm 내지 80 cm, 또는 50 cm 내지 100 cm일 수 있다. 구체적인 일례로서, 상기 평면 코일은 10 cm 내지 50 cm의 외경을 가질 수 있다.
또한, 상기 평면 코일의 내경은 0.5 cm 내지 30 cm, 1 cm 내지 20 cm, 또는, 2 cm 내지 15 cm일 수 있다.
상기 평면 코일의 감긴 횟수는 5회 내지 50회, 10회 내지 30회, 5회 내지 30회, 15회 내지 50회, 또는 20회 내지 50회일 수 있다. 구체적인 일례로서, 상기 평면 코일은 상기 전도성 와이어를 10회 내지 30회 감아 형성된 것일 수 있다.
또한 상기 평면 코일 형태 내에서 상기 전도성 와이어 간의 간격은 0.1 cm 내지 1 cm, 0.1 cm 내지 0.5 cm, 또는 0.5 cm 내지 1 cm일 수 있다.
상기와 같은 바람직한 평면 코일 치수 및 규격 범위 내일 때, 전기 자동차와 같은 대용량 전력 전송을 요구하는 분야에 적합할 수 있다.
쉴드부
상기 쉴드부는 상기 코일 상에 배치된다.
상기 쉴드부는 전자파 차폐를 통해 외부로 전자파가 누설되어 발생될 수 있는 전자기 간섭(EMI, electromagnetic interference)을 억제한다.
상기 쉴드부의 소재는 예를 들어 금속일 수 있고, 이에 따라 상기 쉴드부는 금속판일 수 있으나 특별히 한정되지 않는다.
구체적인 일례로서 상기 쉴드부의 소재는 알루미늄일 수 있으며, 그 외 전자파 차폐능을 갖는 금속 또는 합금 소재가 사용될 수 있다.
상기 쉴드부의 두께는 0.2 mm 내지 10 mm, 0.5 mm 내지 5 mm, 또는 1 mm 내지 3 mm일 수 있다.
또한 상기 쉴드부의 면적은 200 cm2 이상, 400 cm2 이상, 또는 600 cm2 이상일 수 있다.
자성 패드
본 명세서에서 자성 패드라 함은 패드 형태를 갖는 자성 소재를 의미하며, 패드라는 용어에서 자연스럽게 연상되는 바와 같이 전체적으로 평평하거나 납작한 형태를 갖는 자성 소재를 의미한다. 따라서 상기 자성 패드는 수평 방향의 크기에 비해 수직 방향의 크기가 작은 형상을 가질 수 있다. 이러한 관점에서 볼 때, 구나 정육면체와 같이 등방성의 형태를 갖거나 수평 방향의 크기와 수직 방향의 크기가 비슷한 자성 소재는 본 명세서에서 언급되는 자성 패드의 범주에 포함되지 않는다. 또한 상기 자성 패드는 적어도 일면에 굴곡이나 요철을 가질 수 있으나, 전체적으로 직육면체와 같은 다면체의 형상을 가질 수 있다.
상기 자성 패드는 상기 코일과 상기 쉴드부 사이에 배치된다.
상기 자성 패드는 상기 쉴드부와 일정 간격 이격되어 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 자성 패드와 상기 쉴드부의 이격 거리는 3 mm 이상, 5 mm 이상, 3 mm 내지 10 mm, 또는 4 mm 내지 7 mm일 수 있다.
또한 상기 자성 패드는 상기 코일과 일정 간격 이격되어 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 자성 패드와 상기 코일의 이격 거리는 0.2 mm 이상, 0.5 mm 이상, 0.2 mm 내지 3 mm, 또는 0.5 mm 내지 1.5 mm일 수 있다.
자성 패드의 조성
상기 자성 패드는 바인더 수지 및 상기 바인더 수지 내에 분산된 자성 분말을 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 자성 패드는 바인더 수지에 의해 자성 분말들이 서로 결합됨으로써, 넓은 면적에서 전체적으로 결함이 적으면서 충격에 의해 손상이 적을 수 있다.
상기 자성 분말은 페라이트(Ni-Zn계, Mg-Zn계, Mn-Zn계 페라이트 등)와 같은 산화물 자성 분말; 퍼말로이(permalloy), 샌더스트(sendust), 나노결정질(nanocrystalline) 자성체와 같은 금속계 자성 분말; 또는 이들의 혼합 분말일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 자성 분말은 Fe-Si-Al 합금 조성을 갖는 샌더스트 입자일 수 있다.
일례로서, 상기 자성 분말은 하기 화학식 1의 조성을 가질 수 있다.
[화학식 1]
Fe1-a-b-c Sia Xb Yc
상기 식에서, X는 Al, Cr, Ni, Cu, 또는 이들의 조합이고; Y는 Mn, B, Co, Mo, 또는 이들의 조합이고; 0.01 ≤ a ≤ 0.2, 0.01 ≤ b ≤ 0.1, 및 0 ≤ c ≤ 0.05 이다.
상기 자성 분말의 평균 입경은 3 nm 내지 1 mm, 1 ㎛ 내지 300 ㎛, 1 ㎛ 내지 50 ㎛, 또는 1 ㎛ 내지 10 ㎛의 범위일 수 있다.
상기 자성 패드는 상기 자성 분말을 50 중량% 이상, 70 중량% 이상, 또는 85 중량% 이상의 양으로 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 자성 패드는 상기 자성 분말을 50 중량% 내지 99 중량%, 70 중량% 내지 95 중량%, 70 중량% 내지 90 중량%, 75 중량% 내지 90 중량%, 75 중량% 내지 95 중량%, 80 중량% 내지 95 중량%, 또는 80 중량% 내지 90 중량%의 양으로 포함할 수 있다.
상기 바인더 수지는 경화성 수지일 수 있고, 구체적으로 광경화성 수지 또는 열경화성 수지일 수 있다. 또는 상기 바인더 수지는 고내열 열가소성 수지를 포함할 수 있다.
이와 같이 경화되어 접착성을 나타낼 수 있는 수지로서, 글리시딜기, 이소시아네이트기, 히드록시기, 카복실기 또는 아미드기 등과 같은 열에 의한 경화가 가능한 관능기 또는 부위를 하나 이상 포함하거나; 또는 에폭시드(epoxide)기, 고리형 에테르(cyclic ether)기, 설파이드(sulfide)기, 아세탈(acetal)기 또는 락톤(lactone)기 등과 같은 활성 에너지에 의해 경화가 가능한 관능기 또는 부위를 하나 이상 포함하는 수지를 사용할 수 있다. 이와 같은 관능기 또는 부위는 예를 들어 이소시아네이트기(-NCO), 히드록시기(-OH), 또는 카복실기(-COOH)일 수 있다.
구체적으로, 상기 경화성 수지는, 상술한 바와 같은 관능기 또는 부위를 적어도 하나 이상 가지는 폴리우레탄 수지, 아크릴 수지, 폴리에스테르 수지, 이소시아네이트 수지 또는 에폭시 수지 등이 예시될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
일례로서, 상기 바인더 수지는 폴리우레탄계 수지, 이소시아네이트계 경화제 및 에폭시계 수지를 포함할 수 있다.
상기 자성 패드는 상기 바인더 수지를 5 중량% 내지 40 중량%, 5 중량% 내지 20 중량%, 5 중량% 내지 15 중량%, 또는 7 중량% 내지 15 중량%의 양으로 함유할 수 있다.
또한, 상기 자성 패드는 이의 중량을 기준으로, 상기 바인더 수지로서, 6 중량% 내지 12 중량%의 폴리우레탄계 수지, 0.5 중량% 내지 2 중량%의 이소시아네이트계 경화제, 및 0.3 중량% 내지 1.5 중량%의 에폭시계 수지를 포함할 수 있다.
자성 패드의 표면적
상기 구현예에 따르면, 상기 자성 패드는 아래 식 (1)을 만족한다.
STOT/CMAX ≥ 2.5 (1)
상기 식에서 CMAX는 상기 자성 패드를 수평 방향으로 절단 시에 도출 가능한 단면적 중에서 최대 단면적이고, STOT는 상기 자성 패드의 이론적인 전체 표면적이다.
상기 자성 패드가 상기 식 (1)을 만족할 때, 무선충전 중에 자성 패드에서 발생하는 열이 보다 효과적으로 방출될 수 있다.
구체적으로, 상기 STOT/CMAX의 값은 2.5 이상, 2.7 이상, 3.0 이상, 5.0 이상, 또는 10.0 이상일 수 있다. 한편, 상기 STOT/CMAX 값의 범위의 상한값은 특별히 한정되지 않으나, 예를 들어 20.0 이하, 15.0 이하, 10.0 이하, 5.0 이하, 또는 3.0 이하일 수 있다.
상기 식 (1)에서 CMAX는 상기 자성 패드를 수평 방향으로 절단 시에 도출 가능한 단면적 중에서 최대 단면적으로서, 일례로서 도 2a 및 2b에서 보듯이, 상기 자성 패드(300)를 수평 방향으로 다수 절단하여 얻은 여러 단면들, 즉 제 1 단면(c1-1, c2-1), 제 2 단면(c1-2, c2-2), 제 3 단면(c1-3, c2-3) 등의 면적(즉 단면적)을 도출한 뒤, 이들 중 가장 큰 면적으로 CMAX를 결정할 수 있다. 즉 도 2a에서 CMAX는 제 2 단면(c1-2)의 면적이고, 도 2b에서 CMAX는 제 3 단면(c2-3)의 면적이다. 이때 상기 단면적의 도출은, 단면을 구성하는 도형들의 모서리 길이 또는 직경을 이용하여 수학적으로 계산하거나 적분하여 이론적인 값으로 도출할 수 있고, 또는 측정 장비에 의해 실제로 측정하여 도출할 수 있다. 또한 상기 자성 패드를 실제 절단하지 않고도 상기 자성 패드의 형태로부터 이론적인 수학적 계산에 의해 CMAX를 도출할 수 있으며, 이러한 작업에는 캐드(computer aided design, CAD)와 같은 보조 수단이 이용될 수 있다.
또한 상기 자성 패드의 수평 방향이란, 상기 자성 패드의 면 방향(X축 및 Y축)에 평행한 방향을 의미하며, 다시 말해 상기 자성 패드의 높이 또는 두께 방향(Z축)에 수직한 방향을 의미한다.
상기 식 (1)에서 STOT는 상기 자성 패드의 전체 표면적으로서, 예를 들어 상기 자성 패드의 입체 형상을 구성하는 모서리들의 길이 등을 이용하여 계산된 모든 면들의 표면적을 합하여 얻어진 이론적인 전체 표면적일 수 있다. 상기 이론적인 전체 표면적은, 상기 자성 패드에 존재하는 모서리들의 길이를 측정하고 상기 모서리들로 이루어진 입체 형상의 높이와 직경 등을 고려하여, 상기 자성 패드를 구성하는 모든 면들의 표면적을 계산한 뒤 이들을 모두 합하여 도출될 수 있다. 상기 구현예에 따른 자성 패드는 규칙적이거나 재현 가능한 형태를 가지는 것을 가정하므로 이러한 이론적인 전체 표면적은 어렵지 않게 계산될 수 있고, 필요하다면 캐드와 같은 보조 수단을 이용하여 수행될 수도 있다.
이와 같이 계산된 상기 자성 패드의 이론적인 전체 표면적은, 잘 알려진 표면적 측정 방법(BET법 등)에 의해 얻어진 표면적과 거의 동일할 수 있고, 일부 차이가 있더라도 상기 구현예가 추구하는 목적을 벗어날 것으로 예상되지는 않는다. 예를 들어, 상기 자성 패드의 표면에 불규칙적이거나 미세한 굴곡 및 요철이 존재할 수 있고, 이에 따라 상기 자성 패드의 실제 전체 표면적은 이론적인 전체 표면적에 비해 더 클 수 있다. 그러나 이론적인 값을 이용하여 식 (1)에 적용하는 것으로도 상기 구현예에 따른 무선충전 장치가 추구하는 목적을 충분히 달성할 수 있으므로, 자성 패드의 표면에 존재하는 불규칙적이거나 미세한 굴곡 및 요철까지 반드시 감안해야 하는 것은 아니다.
상기 구현예에 따른 무선충전 장치에 채용되는 자성 패드는, 일반적인 치수 규격의 자성 패드보다 큰 표면적을 가짐으로써 열을 쉽게 방출할 수 있다.
상기 자성 패드는 일반적인 평면 시트 구조가 아닌 입체 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 자성 패드는 표면에 요철을 갖도록 형성된 것일 수 있다. 상기 요철은 규칙적인 패턴으로 형성될 수 있다. 일례로서, 도 1 및 2a에서 보듯이, 상기 자성 패드(300)의 표면은 직육면체 형상의 돌기들이 규칙적으로 배열된 형상을 가질 수 있다.
상기 자성 패드가 적어도 일 면에 복수의 돌기를 구비할 경우, 상기 복수의 돌기의 표면적의 합은 상기 자성 패드의 CMAX 대비 0.5 배 이상일 수 있다. 구체적으로, 상기 복수의 돌기의 표면적의 합이 상기 자성 패드의 CMAX보다 더 클 수 있다. 보다 구체적으로 상기 복수의 돌기의 표면적의 합은 상기 자성 패드의 CMAX 대비 1.1 배 이상, 1.5 배 이상, 또는 2 배 이상일 수 있다. 또한 상기 복수의 돌기를 구비하는 일 면의 표면적(즉 상기 면에서 복수의 돌기의 표면적의 합과 그 외 돌기가 형성되지 않은 면적의 총 합)은 상기 자성 패드의 CMAX 대비 1.2 배 이상일 수 있다.
상기 돌기의 높이는 0.1 mm 이상, 0.5 mm 이상 또는 1 mm 이상일 수 있다. 또한 상기 돌기의 높이는 10 mm 이하, 5 mm 이하 또는 3 mm 이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 돌기의 높이는 0.1 mm 내지 5 mm, 또는 0.5 mm 내지 3 mm일 수 있다. 또한, 상기 돌기의 평면 형상은 사각형을 포함하는 다면체 형상 또는 타원을 포함하는 원형일 수 있다. 이와 같은 다면체 형상의 한 변의 길이 또는 원형의 직경은 0.1 mm 이상, 0.5 mm 이상 또는 1 mm 이상일 수 있고, 또한 10 mm 이하, 5 mm 이하 또는 3 mm 이하일 수 있으며, 구체적으로 0.1 mm 내지 5 mm, 또는 0.5 mm 내지 3 mm일 수 있다.
이때 상기 돌기를 포함하는 자성 패드의 두께는 1 mm 이상, 2 mm 이상, 3 mm 이상, 또는 4 mm 이상일 수 있다. 또한 상기 돌기를 포함하는 자성 패드의 두께는 20 mm 이하, 10 mm 이하, 또는 5 mm 이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 돌기를 포함하는 자성 패드의 두께는 1 mm 내지 20 mm, 또는 2 mm 내지 10 mm일 수 있다.
또한, 상기 자성 패드는 표면에 굴곡을 가질 수 있다. 상기 굴곡은 완만하거나 또는 급격한 굴곡일 수 있으며, 다수의 굴곡이 형성될 수도 있다.
또한 상기 자성 패드는 하기 식 (2)를 더 만족할 수 있다.
(Stop+Sbottom)/CMAX ≥ 2.2 (2)
상기 식에서 CMAX는 상기 자성 패드를 수평 방향으로 절단 시에 도출 가능한 단면적 중에서 최대 단면적이고, Stop 및 Sbottom은 각각 상기 자성 패드의 상면 및 하면의 표면적이다.
상기 자성 패드가 상기 식 (2)를 만족할 때, 무선충전 중에 자성 패드에서 발생하는 열이 보다 효과적으로 방출될 수 있다.
구체적으로, 상기 (Stop+Sbottom)/CMAX의 값은 2.2 이상, 2.5 이상, 2.7 이상, 3.0 이상, 또는 5.0 이상일 수 있다. 한편, 상기 (Stop+Sbottom)/CMAX 값의 범위의 상한값은 특별히 한정되지 않으나, 예를 들어 15.0 이하, 10.0 이하, 5.0 이하, 또는 3.0 이하일 수 있다.
상기 식 (2)에서 CMAX에 대한 설명은 앞서 식 (1)에서 CMAX에서 대해 설명한 것과 동일하다.
상기 식 (2)에서 Stop은 상기 자성 패드의 상면의 표면적이다. 여기서 상기 자성 패드의 상면이란 납작한 형상의 패드에서 윗 부분에 존재하는 면을 의미하고, 일례로서 상기 자성 패드에서 최대 단면적을 갖는 단면보다 윗 부분에 형성된 면을 의미할 수 있다. 이와 유사하게 상기 식 (2)에서 Sbottom은 상기 자성 패드의 하면, 즉 자성 패드에서 아래 부분에 존재하는 면의 표면적이다.
상기 자성 패드의 상면 및 하면의 표면적은 앞서 식 (1)에서 STOT를 도출하는 방식과 같이 이론적인 계산 또는 실제 측정에 의해 도출될 수 있다. 또한 상기 자성 패드는 앞서 예시한 바와 같이 적어도 일 면에 복수의 돌기나 굴곡을 가질 수 있고, 이 경우 상기 자성 패드의 상면 및 하면의 표면적은 이들 복수의 돌기나 굴곡의 표면적까지 포함하여 도출될 수 있다.
또한, 도 3에서 보듯이, 상기 자성 패드(300)를 수평 방향에서 격자로 나누어 특정 치수의 단위 영역들로 구분할 때, 상기 자성 패드의 적어도 하나의 단위 영역(310)의 상면 또는 하면의 표면적이 일정 면적 이상일 수 있다. 예를 들어 단위 영역(310)은 정사각형의 영역일 수 있고, 이의 변의 길이(m)의 제곱으로 계산되는 면적에 대비하여 상기 단위 영역의 상면의 표면(음영 부분)의 면적(즉 상면의 입체 구조까지 포함하는 표면적)이 1.2 배 이상일 수 있고, 구체적으로 1.2 배 내지 5 배, 또는 1.5 배 내지 3 배일 수 있다.
일례로서, 상기 자성 패드를 수평 방향에서 한 변이 1 cm인 정사각형의 단위 영역들로 구분할 때, 이들 중 적어도 하나의 단위 영역의 일 면(즉 상면 또는 하면)의 표면적이 1.2 cm2 이상일 수 있다. 다른 예로서, 상기 자성 패드를 수평 방향에서 한 변이 2 cm인 정사각형의 단위 영역들로 구분할 때, 상기 자성 패드의 적어도 하나의 단위 영역의 일 면의 표면적이 2.4 cm2 이상 또는 4.8 cm2 이상일 수 있다. 또 다른 예로서, 상기 자성 패드를 수평 방향에서 한 변이 3 cm인 정사각형의 단위 영역들로 구분할 때, 상기 자성 패드의 적어도 하나의 단위 영역의 일 면의 표면적이 3.6 cm2 이상, 7.2 cm2 이상, 또는 10.8 cm2 이상일 수 있다.
이와 같이 상기 자성 패드는 입체 구조를 갖도록 성형된 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 자성 패드는 몰드를 통해 성형된 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 성형은 사출성형에 의해 자성 패드의 원료를 몰드에 주입하여 수행될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 자성 패드는 자성 분말과 고분자 수지 조성물을 혼합하여 원료 조성물을 얻은 뒤, 도 4에서 보듯이, 상기 원료 조성물(301)을 사출성형기(2)에 의해 몰드(3)에 주입하여 제조될 수 있다. 이때 몰드(3)의 내부 형태를 입체 구조로 설계하여, 자성 패드의 입체 구조를 쉽게 구현할 수 있다. 이와 같은 공정은 기존의 소결 페라이트 시트를 자성 패드로 사용하는 경우에는 불가능한 것이다.
자성 패드의 자성 특성
상기 자성 패드는 전기 자동차의 무선충전 표준 주파수 근방에서 일정 수준의 자성 특성을 가질 수 있다.
상기 전기 자동차의 무선충전 표준 주파수는 100 kHz 미만일 수 있고, 예를 들어 79 kHz 내지 90 kHz, 구체적으로 81 kHz 내지 90 kHz, 보다 구체적으로 약 85 kHz일 수 있으며, 이는 휴대폰과 같은 모바일 전자기기에 적용하는 주파수와 구별되는 대역이다.
상기 자성 패드의 85 kHz의 주파수 대역에서 투자율은 소재에 따라 달라질 수 있고, 넓게는 5 내지 150,000일 수 있으며, 구체적인 소재에 따라 5 내지 300, 500 내지 3,500, 또는 10,000 내지 150,000일 수 있다. 또한 상기 자성 패드의 85 kHz의 주파수 대역에서 투자손실은 소재에 따라 달라질 수 있고, 넓게는 0 내지 50,000일 수 있으며, 구체적인 소재에 따라 0 내지 1,000, 1 내지 100, 100 내지 1,000, 또는 5,000 내지 50,000일 수 있다.
구체적인 일례로서, 상기 자성 패드가 자성 분말 및 바인더 수지를 포함하는 고분자형 자성 블록일 경우, 85 kHz의 주파수 대역에서 투자율은 5 내지 130, 15 내지 80, 또는 10 내지 50일 수 있고, 투자손실은 0 내지 20, 0 내지 15, 또는 0 내지 5일 수 있다.
자성 패드의 특성
상기 자성 패드는 일정 비율로 신장될 수 있다. 예를 들어 상기 자성 패드의 신장율은 0.5% 이상일 수 있다. 상기 신장 특성은 고분자를 적용하지 않는 세라믹계 자성 패드에서는 얻기 어려운 것으로, 대면적의 자성 패드가 충격에 의해 뒤틀림 등이 발생하더라도 손상을 줄여줄 수 있다. 구체적으로, 상기 자성 패드의 신장율은 0.5% 이상, 1% 이상, 또는 2.5% 이상일 수 있다. 상기 신장율의 상한에는 특별한 제한이 없으나, 신장율 향상을 위해 고분자 수지의 함량이 많아지는 경우, 자성 패드의 인턱턴스 등의 특성이 떨어질 수 있으므로, 상기 신장율은 10% 이하로 하는 것이 좋다.
상기 자성 패드는 충격 전후의 특성 변화율이 적으며, 일반적인 페라이트 자성 시트와 비교하여 월등하게 우수하다.
본 명세서에서 어떤 특성의 충격 전후의 특성 변화율(%)은 아래 식으로 계산될 수 있다.
특성 변화율(%) = | 충격 전 특성 값 - 충격 후 특성 값 | / 충격 전 특성 값 x 100
예를 들어, 상기 자성 패드는 1 m의 높이에서 자유 낙하시켜 인가한 충격 전과 후의 인덕턴스 변화율이 5% 미만, 또는 3% 이하일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 인덕턴스 변화율은 0% 내지 3%, 0.001% 내지 2%, 또는 0.01% 내지 1.5%일 수 있다. 상기 범위 내일 때, 충격 전후의 인덕턴스 변화율이 상대적으로 적어서 자성 패드의 안정성이 보다 향상될 수 있다.
또한, 상기 자성 패드는 1 m의 높이에서 자유 낙하시켜 인가한 충격 전과 후의 품질계수(Q factor) 변화율이 0% 내지 5%, 0.001% 내지 4%, 또는 0.01% 내지 2.5%일 수 있다. 상기 범위 내일 때, 충격 전후의 특성 변화가 적어서 자성 패드의 안정성과 내충격성이 보다 향상될 수 있다.
또한, 상기 자성 패드는 1 m의 높이에서 자유 낙하시켜 인가한 충격 전과 후의 저항 변화율이 0% 내지 2.8%, 0.001% 내지 1.8%, 또는 0.1% 내지 1.0%일 수 있다. 상기 범위 내일 때, 실제 충격과 진동이 가해지는 환경에서 반복하여 적용하더라도 저항값이 일정 수준 이하로 잘 유지될 수 있다.
또한, 상기 자성 패드는 1 m의 높이에서 자유 낙하시켜 인가한 충격 전과 후의 충전효율 변화율이 0% 내지 6.8%, 0.001% 내지 5.8%, 또는 0.01% 내지 3.4%일 수 있다. 상기 범위 내일 때, 대면적의 자성 패드가 충격이나 뒤틀림이 반복적으로 발생하더라도 특성을 보다 안정적으로 유지할 수 있다.
하우징
상기 구현예에 따른 무선충전 장치는 전술한 구성 요소들을 수용하는 하우징을 더 포함할 수 있다.
상기 하우징은 상기 코일부, 쉴드부, 자성부 등의 구성 요소가 적절하게 배치되어 조립될 수 있게 한다. 상기 하우징의 재질 및 구조는 무선충전 장치에 사용되는 통상적인 하우징의 재질 및 구조를 채용할 수 있으며, 그 내부에 포함되는 구성 요소에 따라 적절히 설계될 수 있다.
도 5a 및 5b를 참조하여, 일 구현예에 따른 무선충전 장치(10)는, 하우징(600); 상기 하우징(600) 내에 배치되고 전도성 와이어를 포함하는 코일(200); 상기 코일(200) 상에 배치된 쉴드부(400); 및 상기 코일(200)과 상기 쉴드부(400) 사이에 배치된 자성 패드(300)를 포함하고, 상기 자성 패드(300)가 상기 식 (1)을 만족한다.
지지부
상기 무선충전 장치(10)는 상기 코일부를 지지하는 지지부(100)를 더 포함할 수 있다. 상기 지지부의 재질 및 구조는 무선충전 장치에 사용되는 통상적인 지지부의 재질 및 구조를 채용할 수 있다. 상기 지지부는 평판 구조 또는 코일부를 고정시킬 수 있도록 코일부 형태를 따라 홈이 파여진 구조를 가질 수 있다.
스페이서
또한 상기 구현예에 따른 무선충전 장치는, 상기 쉴드부와 자성부 간의 공간을 확보하기 위한 스페이서를 더 포함할 수 있다. 상기 스페이서의 재질 및 구조는 무선충전 장치에 사용되는 통상적인 스페이서의 재질 및 구조를 채용할 수 있다.
이동 수단
도 7은 무선충전 장치가 적용된 이동 수단, 구체적으로 전기 자동차를 나타낸 것으로서, 하부에 무선충전 장치를 구비하여 전기 자동차용 무선 충전 시스템이 구비된 주차 구역에서 무선으로 충전될 수 있다.
도 7를 참조하여, 일 구현예에 따른 이동 수단(1)은, 상기 구현예에 따른 무선충전 장치를 수신기(21)로 포함한다. 상기 무선충전 장치는 이동 수단(1)의 무선충전의 수신기(21)로 역할하고 무선충전의 송신기(22)로부터 전력을 공급받을 수 있다.
구체적으로, 상기 이동 수단은 무선충전 장치를 포함하고, 상기 무선충전 장치가 전도성 와이어를 포함하는 코일; 상기 코일 상에 배치된 쉴드부; 및 상기 코일과 상기 쉴드부 사이에 배치된 자성 패드를 포함하고, 상기 자성 패드가 앞서 기재한 식 (1)을 만족한다.
상기 이동 수단에 포함되는 무선충전 장치의 각 구성요소들의 구성 및 특징은 앞서 설명한 바와 같다.
상기 이동 수단을 상기 무선충전 장치로부터 전력을 전달받는 배터리를 더 포함할 수 있다. 상기 무선충전 장치는 무선으로 전력을 전송받아 상기 배터리에 전달하고, 상기 배터리는 상기 이동 수단의 구동계에 전력을 공급할 수 있다. 상기 배터리는 상기 무선충전 장치 또는 그 외 추가적인 유선충전 장치로부터 전달되는 전력에 의해 충전될 수 있다.
또한 상기 이동 수단은 충전에 대한 정보를 무선 충전 시스템의 송신기에 전달하는 신호 전송기를 더 포함할 수 있다. 이러한 충전에 대한 정보는 충전 속도와 같은 충전 효율, 충전된 정도 등일 수 있다.

Claims (10)

  1. 전도성 와이어를 포함하는 코일;
    상기 코일 상에 배치된 쉴드부; 및
    상기 코일과 상기 쉴드부 사이에 배치된 자성 패드를 포함하고,
    상기 자성 패드가 아래 식 (1)을 만족하는, 무선충전 장치:
    STOT/CMAX ≥ 2.5 (1)
    상기 식에서
    CMAX는 상기 자성 패드를 수평 방향으로 절단 시에 도출 가능한 단면적 중에서 최대 단면적이고, STOT는 상기 자성 패드의 전체 표면적이다.
    　
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 자성 패드가 하기 식 (2)를 더 만족하는, 무선충전 장치:
    (Stop+Sbottom)/CMAX ≥ 2.2 (2)
    상기 식에서
    CMAX는 상기 자성 패드를 수평 방향으로 절단 시에 도출 가능한 단면적 중에서 최대 단면적이고, Stop 및 Sbottom은 각각 자성 패드의 상면 및 하면의 표면적이다.
    　
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 자성 패드를 수평 방향에서 한 변이 1 cm인 정사각형의 단위 영역들로 구분할 때, 적어도 하나의 단위 영역의 일 면의 표면적이 1.2 cm2 이상인, 무선충전 장치.
    　
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 자성 패드가 적어도 일 면에 복수의 돌기를 구비하고,
    상기 복수의 돌기를 구비하는 일 면의 표면적이 상기 CMAX의 1.2 배 이상인, 무선충전 장치.
    　
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 자성 패드는 수평 방향의 크기에 비해 수직 방향의 크기가 작은 형상을 갖는, 무선충전 장치.
    　
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 자성 패드가 바인더 수지 및 상기 바인더 수지 내에 분산된 자성 분말을 포함하는, 무선충전 장치.
    　
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 자성 패드가 입체 구조를 갖도록 성형된 것인, 무선충전 장치.
    　
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 자성 패드가 몰드를 통해 성형된 것인, 무선충전 장치.
    　
  9. 무선충전 장치를 포함하는 이동 수단로서,
    상기 무선충전 장치가
    전도성 와이어를 포함하는 코일;
    상기 코일 상에 배치된 쉴드부; 및
    상기 코일과 상기 쉴드부 사이에 배치된 자성 패드를 포함하고,
    상기 자성 패드가 아래 식 (1)을 만족하는, 이동 수단:
    STOT/CMAX ≥ 2.5 (1)
    상기 식에서
    CMAX는 상기 자성 패드를 수평 방향으로 절단 시에 도출 가능한 단면적 중에서 최대 단면적이고, STOT는 상기 자성 패드의 전체 표면적이다.
    　
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 이동 수단이 전기 자동차인, 이동 수단.
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