WO2022131509A1 - 무선충전 장치 및 이를 포함하는 이동 수단 - Google Patents

무선충전 장치 및 이를 포함하는 이동 수단 Download PDF

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WO2022131509A1
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wireless charging
magnetic
cooling
charging device
unit
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이승환
김태경
최종학
김나영
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에스케이씨 주식회사
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Definitions

  • the embodiment relates to a wireless charging device and a vehicle comprising 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 magnetic coupling, capacitive coupling, or an antenna without physical contact between a transmitter that supplies power and a receiver that receives power. to be sent to
  • 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.
  • a magnetic part is disposed adjacent to a coil part to improve wireless charging efficiency, and a metal plate for shielding is disposed spaced apart from the magnetic part by a predetermined interval.
  • the wireless charging device generates heat due to the resistance of the coil part and the magnetic loss of the magnetic part during the wireless charging operation.
  • the magnetic part in the wireless charging device generates heat in a part close to the coil part with high electromagnetic wave energy density, and the generated heat changes the magnetic properties of the magnetic part and causes an impedance mismatch between the transmitter and the receiver, thereby reducing charging efficiency,
  • the fever worsened again.
  • a wireless charging device since such a wireless charging device is mainly installed in the lower part of an electric vehicle, it is difficult to implement a heat dissipation structure because it adopts a sealed structure for dustproof, waterproof and shock absorption.
  • Patent Document 1 Korean Patent Publication No. 2011-0042403
  • a structure in which a cooling plate is attached to a magnetic part and circulates a coolant in the cooling plate to release heat may be considered, but in this structure, the coolant does not contact the magnetic part, so the cooling efficiency It is difficult to maximize
  • a structure in which cold air is blown into the wireless charging device to cool it may be considered, cooling efficiency is limited due to the low thermal conductivity of air even when cold air comes into contact with the surface of the magnetic part.
  • the coolant having high thermal conductivity is simply circulated in the wireless charging device, there is a problem in that it is easy to cause a short circuit in a circuit such as a coil part through which current flows.
  • an object of the embodiment is to provide a wireless charging device in which heat generated from a magnetic part is effectively radiated and a moving means including the same.
  • the coil unit a cooling unit disposed on the coil unit, the cooling unit including an inlet and an outlet, and having a sealed inner space to circulate cooling water; a magnetic unit disposed in the inner space of the cooling unit; and a fixing part for fixing the magnetic part, wherein the cooling water is introduced through the inlet and is discharged through the outlet after thermal contact with the magnetic part.
  • a moving means including the wireless charging device is provided.
  • the wireless charging device may not require an additional cooler because it can use the vehicle coolant as it is.
  • charging efficiency and impact resistance may be improved, and manufacturing cost may be reduced.
  • 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. 2 and 3A are a perspective view and a cross-sectional view of a wireless charging device according to an embodiment.
  • 3b and 3c show a cross-sectional view of a wireless charging device according to another embodiment.
  • FIG 4, 5A and 6A are perspective views and cross-sectional views of a cooling unit according to an exemplary embodiment.
  • 5B, 6B, 6C, 6D and 6E are cross-sectional views of a cooling unit according to another embodiment.
  • 310 a first magnetic part
  • 320 a second magnetic part
  • 330 a third magnetic part
  • 340 a fourth magnetic part
  • 511a, 511b integral fixing part, 512: side case,
  • 620 side housing
  • 630 top housing
  • h1 the height distance from the upper case to the magnetic part
  • h3 the height distance from the lower case to the magnetic part
  • W the width of the magnetic part
  • L the length of the magnetic part
  • t the thickness of the magnetic part.
  • one component being disposed above or below another component means that one component is directly above or below another component or indirectly through another component. including all those placed as
  • 1, 2, and 3A show an exploded perspective view, a perspective view, and a cross-sectional view of a wireless charging device according to an embodiment, respectively.
  • the wireless charging device 10 includes a coil unit 200; a cooling unit 500 disposed on the coil unit 200 and including an inlet 521 and an outlet 522 and having a sealed inner space to circulate cooling water; a magnetic unit 300 disposed in the inner space of the cooling unit 500; and a fixing part 511a for fixing the magnetic part 300, wherein the cooling water flows in through the inlet 521, makes thermal contact with the magnetic part 300, and then connects the outlet 522 discharged through
  • the coil unit 200 may include 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 may be wound in the form of a flat coil.
  • the planar coil may include a planar spiral coil.
  • the planar shape of the coil may be a circular shape, an oval 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 turns 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 spacing 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.
  • planar coil dimensions and specifications are within the range, it may be suitable for a field requiring large-capacity power transmission, such as an electric vehicle.
  • the cooling unit 500 is disposed on the coil unit 200 and includes an inlet 521 and an outlet 522 , and has a sealed inner space so that the cooling water is circulated.
  • the cooling unit 500 may include a lower case 511 , a side case 512 and an upper case 513 , and an inlet 521 to the side case 512 . and an outlet 522 . These case components may be tightly assembled to constitute a sealed inner space for cooling water to circulate.
  • the material of the case of the cooling unit is not particularly limited, but it is preferable not to include a metal material.
  • a plastic having excellent durability may be used as a material for the case of the cooling unit.
  • the material of the cooling unit case is polypropylene (PP), polyethylene (PE), polymethyl methacrylate (PMMA), acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS), polycarbonate (PC), polyethylene tere. phthalate (PET), polyamide (PA), polyetheretherketone (PEEK), polyimide (PI), and the like.
  • the inlet and outlet may be applied without being particularly limited as long as the material and shape are suitable for inflow and discharge of cooling water.
  • the material of the inlet and the outlet may be the same as or different from the material of the case of the cooling unit.
  • the inlet and outlet preferably have the same direction to facilitate the flow of the cooling water, and are preferably positioned to face each other.
  • the cooling unit side case may include one or more, two or more, preferably three or more inlets and outlets, respectively. Each may be positioned opposite to each other.
  • the inlet and outlet may have an inner diameter of 1 mm to 5 mm, specifically 2 mm to 4 mm, so that the coolant flows smoothly.
  • a fixing part for fixing the magnetic part is further disposed in the cooling part.
  • the material of the fixing part is not particularly limited, and may be the same as or different from the material of the case of the cooling part.
  • the shape of the fixing part is not particularly limited, but it is preferably configured so as not to obstruct the flow of the cooling water while fixing the position of the magnetic part.
  • the fixing unit may be provided integrally with the case of the cooling unit. 1 , 4 , 5A , and 6A , an integral fixing part 511a may be provided on the lower surface case 511 of the cooling part 500 .
  • One or more integral fixing parts may be provided, and these one or more integral fixing parts may form a groove in which the magnetic part is seated.
  • the fixing unit has a structure in which a part of the inner wall of the cooling unit protrudes and is integrally formed with the cooling unit, and two or more protruding structures of the fixing unit are combined to form a groove in which the cooling unit is seated.
  • the integral fixing part may be manufactured by molding the fixing part into a protruding shape during the molding process of the case.
  • the fixing part may not only fix the magnetic part, but may also separate the magnetic part from the inner wall of the cooling part by a predetermined interval.
  • the fixing part may include a spacer, and the spacer may separate the magnetic part from a bottom surface of the inner space of the cooling part.
  • the spacer may separate the magnetic part from the upper surface of the inner space of the cooling part.
  • the integral fixing part may be configured to also serve as a spacer. As shown in FIG. 6B , the integral fixing part 511b formed on the lower case 511 may space the magnetic part 300 apart from the case 511 at regular height intervals.
  • the wireless charging device may further include a spacer in the cooling unit, and the spacer may be used as a fixing unit for fixing the magnetic unit.
  • the spacer-type fixing part 530 is attached to the lower case 511 and the magnetic part 300 is attached thereon, thereby not only fixing the position of the magnetic part, but also separating the magnetic part from the inner wall of the case by a certain distance.
  • a conventional adhesive used in wireless charging devices may be used.
  • the magnetic part is disposed in the inner space of the cooling part.
  • the cooling water introduced into the cooling unit may be in thermal contact with the magnetic unit.
  • the cooling water may be in direct contact with the surface of the magnetic part or may be in contact through a thermal medium.
  • it is most effective to cool the cooling water by directly contacting the magnetic part, but may contact through a thermal medium if necessary.
  • the material and shape of the thermal medium are not particularly limited, and for example, may be made of a thermally conductive material such as metal, and may be applied in an appropriate form such as a covering, a case, or a pipe.
  • the magnetic unit 300 may be disposed in the case 510 of the cooling unit 500 , and specifically, may be disposed on the case 511 .
  • the magnetic part is required to be spaced apart from the inner wall of the cooling part by a predetermined interval for the flow of the coolant.
  • the magnetic part may be spaced apart from at least one inner wall of the cooling part by 1 mm or more. More specifically, the magnetic part may be spaced apart from at least one inner wall of the cooling part by 5 mm to 25 mm.
  • the width interval d1 from the side case 512 of the cooling unit to the magnetic unit 300 may be 1 mm or more, specifically 10 mm or more, more specifically 15 mm to 25 mm have.
  • the width w of the magnetic part 300 may be smaller than the width of the inner space of the cooling part 500 .
  • the magnetic part may be fixed by a fixing part to maintain a width gap with the inner wall of the cooling part.
  • a height gap between the magnetic part and the inner wall of the cooling part may be maintained by the fixing part.
  • the height interval h1 from the upper surface case 513 of the cooling unit to the magnetic unit 300 may be 1 mm or more, specifically 2 mm or more, more specifically 3 mm to 5 mm. have. To this end, the thickness t of the magnetic part 300 may be lower than the height of the inner space of the cooling part 500 .
  • the height interval h3 from the lower surface case 511 of the cooling unit to the magnetic unit 300 is 0.1 mm or more, specifically 0.2 mm or more, more specifically 0.4 mm to 2 mm can be
  • One or two or more magnetic units may be provided.
  • the magnetic part may include the first magnetic part and the second magnetic part, and in this case, it is important to arrange the cooling water so as not to obstruct the flow.
  • the cooling water flows into the cooling unit in a first direction and then is discharged to the outside in the first direction, and the magnetic unit includes a first magnetic unit spaced apart from each other by 1 mm or more in a direction perpendicular to the first direction; It may include a second magnetic part.
  • the first magnetic part 310 and the second magnetic part 320 may be disposed to be spaced apart from each other by a predetermined width interval d2 in a direction perpendicular to the flow of the coolant.
  • the width interval d2 may be 1 mm or more, specifically 10 mm or more, and more specifically 15 mm to 25 mm. To this end, the sum of the widths W of the first magnetic part and the second magnetic part is smaller than the width of the cooling part 500 , and the length L of the first magnetic part and the second magnetic part is the length of the cooling part 500 . may be smaller than
  • the magnetic part may have a structure in which two or more layers are stacked, and each layer may be spaced apart by 1 mm or more.
  • the first magnetic part 310 and the second magnetic part 320 are spaced apart from each other by a predetermined width, and the third magnetic part 330 and the fourth magnetic part 340 are disposed thereon.
  • the spacer-type fixing part 530 may be used.
  • the height interval h2 between the magnetic parts may be specifically 0.5 mm or more, and more specifically, 1 mm to 3 mm.
  • the material of the magnetic part is not particularly limited and may be a magnetic material used in a wireless charging device.
  • the magnetic part may include a ferritic magnetic material.
  • the specific chemical formula of the ferritic magnetic material may be expressed as MOFe 2 O 3 (where M is one or more divalent metal elements such as Mn, Zn, Cu, Ni).
  • the sintered ferritic magnetic material is advantageous in terms of magnetic properties such as magnetic permeability.
  • the sintered ferritic magnetic material may be manufactured in the form of a sheet or block by mixing raw material components, calcining, pulverizing, mixing this with a binder resin, molding, and firing.
  • the ferritic magnetic material may include Ni-Zn-based, Mg-Zn-based, or Mn-Zn-based ferrite.
  • the Mn-Zn-based ferrite is a Mn-Zn-based ferrite over a temperature range of room temperature to 100° C. or higher at a frequency of 85 kHz. It can exhibit high magnetic permeability, low investment loss, and high saturation magnetic flux density.
  • the magnetic part may include a magnetic powder and a binder resin. Accordingly, since the magnetic powders are combined with each other by the binder resin, the magnetic part may have fewer defects and less damage due to impact in a large area.
  • the magnetic powder may be an oxide-based magnetic powder, a metal-based magnetic powder, or a mixed powder thereof.
  • the oxide-based magnetic powder may be a ferrite-based powder, specifically, a Ni-Zn-based, Mg-Zn-based, or Mn-Zn-based ferrite powder.
  • the metal-based magnetic powder may be a Fe-Si-Al alloy magnetic powder or a Ni-Fe alloy magnetic powder, and more specifically, may be a sandust powder or a permalloy powder.
  • the magnetic powder may be a nanocrystalline magnetic powder, for example, may be a Fe-based nanocrystalline magnetic powder, specifically, Fe-Si-Al-based nanocrystalline magnetic powder, Fe-Si-Cr It may be a nanocrystalline magnetic powder based on nanocrystalline or Fe-Si-B-Cu-Nb based nanocrystalline magnetic powder.
  • the average particle diameter of the magnetic powder may be in the range of about 3 nm to about 1 mm, about 1 ⁇ m to 300 ⁇ m, about 1 ⁇ m to 50 ⁇ m, or about 1 ⁇ m to 10 ⁇ m.
  • the magnetic part may include the magnetic powder in an amount of 10 wt% or more, 50 wt% or more, 70 wt% or more, or 85 wt% or more.
  • the magnetic part may include the magnetic powder in an amount of 10 wt% to 99 wt%, 10 wt% to 95 wt%, or 50 wt% to 95 wt%.
  • binder resin polyimide resin, polyamide resin, polycarbonate resin, acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS) resin, polypropylene resin, polyethylene resin, polystyrene resin, polyphenylsulfide (PSS) resin, polyether ether ketone (PEEK) resin, silicone resin, acrylic resin, polyurethane resin, polyester resin, isocyanate resin, epoxy resin and the like may be exemplified, but is not limited thereto.
  • the magnetic part may include a nanocrystalline magnetic material.
  • the magnetic part may be a Fe-based nanocrystalline magnetic material, specifically, a Fe-Si-Al-based nanocrystalline magnetic material, a Fe-Si-Cr-based nanocrystalline magnetic material, or Fe-Si-B-Cu- It may be an Nb-based nanocrystalline magnetic material.
  • the nanocrystalline magnetic material is prepared by, for example, a Fe-based alloy by a rapid cooling and solidification method (RSP) by melt spinning, and in a temperature range of 300°C to 700°C to obtain a desired magnetic permeability for 30 minutes to 2 hours without a magnetic field. It can be manufactured by performing heat treatment.
  • RSP rapid cooling and solidification method
  • the magnetic part may have a sheet shape or a block shape.
  • the thickness of the magnetic part may be 0.5 mm to 5 mm, specifically, 0.5 mm to 3 mm, 0.5 mm to 2 mm, or 1 mm to 2 mm.
  • the area of the magnetic part may be 200 cm 2 or more, 400 cm 2 or more, or 600 cm 2 or more, and may be 10,000 cm 2 or less.
  • the magnetic unit may be configured by combining a plurality of magnetic units, and in this case, the area of the magnetic units may be 60 cm 2 or more, 90 cm 2 or more, or 95 cm 2 to 900 cm 2 .
  • the magnetic unit may have a magnetic characteristic of a certain level in the vicinity of the wireless charging standard frequency of the 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 at 85 kHz at 85 kHz may vary depending on the material, but may be 5 or more, for example, 5 to 150,000, and may be 5 to 300, 500 to 3,500, or 10,000 to 150,000 depending on the specific material.
  • the investment loss at 85 kHz of the magnetic part may vary depending on the material, but may be 0 or more, for example, 0 to 50,000, and 0 to 1,000, 1 to 100, 100 to 1,000, or 5,000 to 50,000 days depending on the specific material.
  • the wireless charging device may further include a shield unit.
  • 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 shield unit may be disposed on the cooling unit or inside the cooling unit.
  • the wireless charging device may further include a shield unit disposed on the cooling unit.
  • the shield unit 400 may be disposed on the outside of the case 510 of the cooling unit.
  • the wireless charging device may further include a shield unit disposed on the magnetic unit in the cooling unit, and the cooling water introduced into the cooling unit may be in thermal contact with the shield unit.
  • the cooling water may be in direct contact with the surface of the shield unit or may be in contact through a thermal medium.
  • the material and shape of the thermal medium are not particularly limited, and for example, may be made of a thermally conductive material such as metal, and may be applied in an appropriate form such as a covering, a case, or a pipe.
  • the shield unit 400 may be provided on the inside of the case 510 of the cooling unit, and at this time, the shield unit 400 and the magnetic unit 300 are spaced apart by a predetermined interval to prevent the flow 700 of the cooling water. you can do whatever you want For example, a distance between the shield and the magnetic part may be 3 mm or more, 5 mm or more, 3 mm to 10 mm, or 4 mm to 7 mm.
  • the wireless charging device may further include a shield unit disposed on the cooling unit, and heat generated in the shield unit may be discharged to the outside by the cooling water.
  • the shield unit 400 may be provided instead of the upper surface case of the cooling unit, and in this case, the heat generated in the shield unit 400 may be more effectively radiated to the outside.
  • the shield part may be disposed to be spaced apart from the coil part by a predetermined interval.
  • the separation distance between the shield part and the coil part may be 10 mm or more or 15 mm or more, and specifically, 10 mm to 30 mm, or 10 mm to 20 mm.
  • the shield part may be disposed to be spaced apart from the magnetic part, for example, by a predetermined distance from the magnetic part. .
  • 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.
  • the wireless charging device 10 may further include a support part 100 for supporting the coil part 200 .
  • 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 housing for protecting the above-described components.
  • the housing protects components of the wireless charging device, such as a coil unit, a cooling unit, a magnetic unit, and a shield unit.
  • the material and structure of the housing may adopt the material and structure of a typical housing used in a wireless charging device.
  • the housing may have a configuration in which a lower housing 610 , a side housing 620 , and an upper housing 630 are combined, but is not particularly limited thereto.
  • the heat generated in the magnetic part is effectively discharged without causing a short circuit of the coil part or a decrease in charging efficiency.
  • the wireless charging device may have a heating temperature reduction rate calculated by the following formula of 40% or more.
  • H1 is the temperature (°C) of the magnetic part during wireless charging for 60 minutes without circulating the cooling water at a frequency of 85 kHz
  • H2 is the magnetism during wireless charging for 60 minutes while circulating the cooling water at a frequency of 85 kHz It is the negative temperature (°C).
  • the heating temperature reduction rate may be 45% or more, or 50% or more, and more specifically, 40% to 70%, 45% to 60%.
  • the temperature (°C) of the magnetic part may not exceed a maximum of 100°C during wireless charging for 60 minutes while circulating the cooling water at a frequency of 85 kHz.
  • the wireless charging device may not require an additional cooler because it can use the vehicle coolant as it is.
  • the structure of the magnetic part disposed in the cooling part and the arrangement of other shield parts charging efficiency and impact resistance may be improved, and manufacturing cost may be reduced.
  • 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.
  • 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.
  • 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 a wireless charging device according to the embodiment as a 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 includes a coil unit; a cooling unit disposed on the coil unit, the cooling unit including an inlet and an outlet, and having a sealed inner space to circulate cooling water; a magnetic unit disposed in the inner space of the cooling unit; and a fixing part for fixing the magnetic part, wherein the cooling water is introduced through the inlet, in thermal contact with the magnetic part, and then discharged through the outlet.
  • the wireless charging device may include a cooler disposed outside the cooling unit to periodically cool the cooling water; and a connection passage connecting the cooler and the inlet and outlet of the cooling unit to circulate the cooling water.
  • the wireless charging device includes a temperature sensor for detecting the temperature of the coolant; and a controller for controlling whether to operate the cooler according to the temperature of the coolant sensed by the temperature sensor.
  • a vehicle coolant may be used as the coolant flowing into the wireless charging device.
  • a cooler of cooling water basically provided in the electric vehicle may be used as a cooler of the wireless charging device.
  • the cooler 15 of the coolant provided inside the electric vehicle 1 and the inlet and outlet of the wireless charging device 10 may be connected through the connection passage 16 . Accordingly, even without manufacturing a separate cooler, effective heat dissipation may be possible.
  • 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 electric vehicle.
  • 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 speed, charging state, and the like.
  • 1, 2 and 3A are an exploded perspective view, a perspective view, and a cross-sectional view of a wireless charging device according to an embodiment, respectively.
  • the height h3 from the lower case 511 to the magnetic part of the cooling part was 0.4 mm
  • the distance d1 between the side case 512 and the magnetic part of the cooling part was 15 mm
  • the first magnetic part 310 and the second magnetic part 320 were manufactured to have a length L of 300 mm, a width W of 150 mm, and a thickness t of 8 mm.
  • the size of the coil 200, the size of the shield 400, and the distance between each component were manufactured according to the charging efficiency measurement conditions of SAE J2954 WPT2 Z2 class Standard TEST.
  • Two identical wireless charging devices are manufactured and used as a transmitter and a receiver, respectively.
  • a current flows through the coil part of the transmitter to achieve a frequency of 85 kHz and a wireless power output of 6.6 kW.
  • Charging was carried out for 60 minutes.
  • a cooling water circulation tube for a vehicle was connected to the inlet 521 and the outlet 522 of the cooling unit 500 of the wireless charging device 10 of the embodiment to initially circulate the cooling water at 25° C. into the cooling unit.
  • the wireless charging device of the comparative example the charging efficiency was measured without the process of circulating the cooling water.
  • the temperature of the wireless charging device of Comparative Example continued to rise and reached 190° C., whereas the temperature of the wireless charging device of the Example was around 100° C. did not rise any further.
  • the charging efficiency of the wireless charging device of the embodiment was excellent compared to the comparative example.

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Abstract

일 구현예에 따른 무선충전 장치는 코일부와 분리된 냉각부 내에 자성부를 넣고 상기 냉각부 내에 냉각수를 순환시킴으로써, 코일부의 단락이나 충전 효율 저하를 유발하지 않으면서 자성부에 발생하는 열을 효과적으로 방출시킬 수 있다. 따라서 상기 무선충전 장치는, 송신기와 수신기 간의 대용량의 전력 전송을 요구하는 전기 자동차와 같은 이동 수단 등에 유용하게 사용될 수 있다.

Description

무선충전 장치 및 이를 포함하는 이동 수단
구현예는 무선충전 장치(wireless charging device) 및 이를 포함하는 이동 수단(vehicle)에 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 자기 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 제2011-0042403호 참조). 또한, 유럽에서는 시험 운행중인 전기차와 충전소가 눈에 띄기 시작했고, 일본에서는 자동차 제조 업체와 전력 회사들이 주도하여 전기 자동차 및 충전소를 시범적으로 운영하고 있다.
전기 자동차 등에 사용되는 종래의 무선충전 장치는, 무선충전 효율 향상을 위해 코일부에 인접하여 자성부가 배치되고, 차폐를 위한 금속판이 자성부와 일정 간격 이격하여 배치된다.
무선충전 장치는 무선충전 동작 중에 코일부의 저항과 자성부의 자기 손실에 의해 열을 발생한다. 특히 무선충전 장치 내의 자성부는 전자기파 에너지 밀도가 높은 코일부와 가까운 부분에서 열을 발생하고, 발생한 열은 자성부의 자기 특성을 변화시켜 송신기와 수신기 간의 임피던스 불일치를 유발하여, 충전 효율이 저하되고 이로 인해 다시 발열이 심화되는 문제가 있었다. 그러나 이러한 무선충전 장치는 주로 전기 자동차의 하부에 설치되기 때문에, 방진 및 방수와 충격 흡수를 위해 밀폐 구조를 채용하므로, 방열 구조를 구현하는데 어려움이 있었다.
[선행기술문헌]
(특허문헌 1) 한국 공개특허공보 제2011-0042403호
무선충전 장치의 방열 구조를 구현하기 위해, 자성부에 냉각판을 부착하고 상기 냉각판 내에 냉매를 순환시켜 열을 방출하는 구조를 고려할 수 있으나, 이러한 구조는 냉매가 자성부에 접촉하지 않으므로 냉각 효율을 최대로 높이기는 어렵다. 또한 무선충전 장치 내에 찬 공기를 불어넣어 냉각시키는 구조를 고려할 수 있으나, 자성부의 표면에 찬 공기가 접촉하더라도 공기의 낮은 열전도성으로 인해 냉각 효율에 한계가 있다. 또한 열전도율이 높은 냉각수를 무선충전 장치 내에 단순히 순환시킬 경우, 전류가 흐르는 코일부와 같은 회로에 단락을 일으키기 쉬운 문제가 있다.
이에 본 발명자들이 연구한 결과, 코일부와 분리된 냉각부 내에 자성부를 넣고 상기 냉각부 내에 냉각수를 순환시킴으로써, 코일부의 단락이나 충전 효율 저하를 유발하지 않으면서 자성부에 발생하는 열을 효과적으로 방출할 수 있음을 알아내었다.
따라서 구현예의 과제는, 자성부에서 발생하는 열이 효과적으로 방출되는 무선충전 장치 및 이를 포함하는 이동 수단을 제공하는 것이다.
일 구현예에 따르면, 코일부; 상기 코일부 상에 배치되며 유입구 및 배출구를 포함하고, 냉각수가 순환되도록 밀폐된 내부 공간을 갖는 냉각부; 상기 냉각부의 내부 공간에 배치되는 자성부; 및 상기 자성부를 고정하는 고정부를 포함하고, 상기 냉각수는 상기 유입구를 통해 유입되어 상기 자성부와 열적 접촉한 뒤 상기 배출구를 통해 배출되는, 무선충전 장치가 제공된다.
다른 구현예에 따르면, 상기 무선충전 장치를 포함하는 이동 수단이 제공된다.
상기 구현예에 따르면 코일부와 분리된 냉각부 내에 자성부를 넣고 상기 냉각부 내에 냉각수를 순환시킴으로써, 코일부의 단락이나 충전 효율 저하를 유발하지 않으면서 자성부에 발생하는 열을 효과적으로 방출시킬 수 있다. 특히 상기 무선충전 장치는 자동차용 냉각수를 그대로 사용할 수 있어서 추가적인 냉각기를 필요로 하지 않을 수 있다. 아울러, 상기 냉각부 내에 배치되는 자성부의 구조와 그 외 쉴드부의 배치 등을 조절함으로써 충전 효율과 내충격성을 향상시키고 제조 비용도 줄일 수 있다.
따라서 상기 무선충전 장치는, 송신기와 수신기 간의 대용량의 전력 전송을 요구하는 전기 자동차와 같은 이동 수단 등에 유용하게 사용될 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 무선충전 장치의 분해사시도를 나타낸 것이다.
도 2 및 3a는 일 구현예에 따른 무선충전 장치의 사시도 및 단면도이다.
도 3b 및 3c는 다른 구현예에 따른 무선충전 장치의 단면도를 나타낸다.
도 4, 5a 및 6a는 일 구현예에 따른 냉각부의 사시도 및 단면도를 나타낸 것이다.
도 5b, 6b, 6c, 6d 및 6e는 또 다른 구현예에 따른 냉각부의 단면도를 나타낸 것이다.
도 7은 실시예 및 비교예의 무선충전 장치의 무선충전 시간에 따른 발열 온도 및 충전 효율을 나타낸 것이다.
도 8 및 9는 무선충전 장치가 적용된 전기 자동차를 도시한 것이다.
<부호의 설명>
1: 이동 수단, 10: 무선충전 장치,
15: 냉각기, 16: 연결유로,
21: 수신기, 22: 송신기,
100: 지지부, 200: 코일부,
300: 자성부,
310: 제 1 자성부, 320: 제 2 자성부,
330: 제 3 자성부, 340: 제 4 자성부,
400: 쉴드부, 500: 냉각부,
510: 케이스, 511: 하면 케이스,
511a, 511b: 일체형 고정부, 512: 측면 케이스,
513: 상면 케이스, 521: 유입구,
522: 배출구, 530: 스페이서형 고정부,
600: 하우징, 610: 하면 하우징,
620: 측면 하우징, 630: 상면 하우징,
700: 냉각수의 흐름,
h1: 상면 케이스로부터의 자성부까지의 높이 간격,
h2: 자성부 간의 높이 간격,
h3: 하면 케이스로부터의 자성부까지의 높이 간격,
d1: 측면 케이스로부터 자성부까지의 폭 간격,
d2: 자성부 간의 폭 간격,
W: 자성부의 폭, L: 자성부의 길이,
t: 자성부의 두께.
이하의 구현예의 설명에 있어서, 하나의 구성요소가 다른 구성요소의 상 또는 하에 배치되는 것으로 기재되는 것은, 하나의 구성요소가 다른 구성요소의 상 또는 하에 직접, 또는 또 다른 구성요소를 개재하여 간접적으로 배치되는 것을 모두 포함한다.
본 명세서에서 각 구성요소의 상/하 관계는 이해하기 쉽도록 첨부된 도면을 참조하여 기술된다. 그러나 도면과 다른 방식으로 대상을 관찰 시에는 이들 구성요소의 상/하 관계가 관찰 방향에 따라 달라지게 되는 것으로 이해하여야 한다. 또한 도면에서의 각 구성요소들의 크기는 설명을 위하여 과장될 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 물성 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 해석되어야 한다.
무선충전 장치
도 1, 도 2 및 도 3a는 일 구현예에 따른 무선충전 장치의 분해 사시도, 사시도 및 단면도를 각각 나타낸 것이다.
일 구현예에 따른 무선충전 장치(10)는, 코일부(200); 상기 코일부(200) 상에 배치되며 유입구(521) 및 배출구(522)를 포함하고, 냉각수가 순환되도록 밀폐된 내부 공간을 갖는 냉각부(500); 상기 냉각부(500)의 내부 공간에 배치되는 자성부(300); 및 상기 자성부(300)를 고정하는 고정부(511a)를 포함하고, 상기 냉각수는 상기 유입구(521)를 통해 유입되어, 상기 자성부(300)와 열적 접촉한 뒤, 상기 배출구(522)를 통해 배출된다.
이하 상기 무선충전 장치의 각 구성요소별로 구체적으로 설명한다.
코일부
상기 코일부(200)는 전도성 와이어를 포함할 수 있다.
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 감길 수 있다. 구체적으로 상기 평면 코일은 평면 나선 코일(planar spiral coil)을 포함할 수 있다. 또한 상기 코일의 평면 형태는 원형, 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.
상기 평면 코일 치수 및 규격 범위 내일 때, 전기 자동차와 같은 대용량 전력 전송을 요구하는 분야에 적합할 수 있다.
냉각부 및 고정부
상기 냉각부(500)는 상기 코일부(200) 상에 배치되며 유입구(521) 및 배출구(522)를 포함하고, 냉각수가 순환되도록 밀폐된 내부 공간을 갖는다.
도 4, 5a 및 6a에서 보듯이, 상기 냉각부(500)는 하면 케이스(511), 측면 케이스(512) 및 상면 케이스(513)을 포함할 수 있고, 측면 케이스(512)에 유입구(521) 및 배출구(522)를 구비할 수 있다. 이러한 케이스 구성 요소들은 단단히 조립되어 냉각수가 순환되도록 밀폐된 내부 공간을 구성할 수 있다.
상기 냉각부의 케이스의 소재는 특별히 한정되지 않으나 금속 소재를 포함하지 않는 것이 좋다. 예를 들어 상기 냉각부의 케이스의 소재로서 내구성이 우수한 플라스틱 등을 사용할 수 있다. 구체적으로, 상기 냉각부 케이스의 소재는 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 아크릴로니트릴-부타디엔-스타이렌(ABS), 폴리카보네이트(PC), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리아미드(PA), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리이미드(PI) 등을 포함할 수 있다.
또한 상기 유입구 및 배출구는 냉각수의 유입 및 배출에 적합한 소재 및 형태라면 특별히 한정되지 않고 적용될 수 있다. 예를 들어 상기 유입구 및 배출구의 소재는 상기 냉각부의 케이스 소재와 동일하거나 또는 다를 수 있다. 상기 유입구 및 배출구는 상기 냉각수의 흐름이 원활하도록 방향이 일치하는 것이 바람직하며, 서로 대향하여 위치하는 것이 바람직하다. 또한 상기 냉각부 측면 케이스에는 각각 1개 이상, 2개 이상, 바람직하게는 3개 이상의 유입구 및 배출구를 포함할 수 있으며, 유입구 및 배출구가 2개 이상일 때에는 유입구 및 배출구가 일정 간격을 이격한 채, 각각 대향하여 위치할 수 있다. 또한 유입구 및 배출구는 냉각수의 흐름이 원활하도록 내부 직경은 1 mm 내지 5 mm, 구체적으로 2 mm 내지 4 mm일 수 있다.
상기 냉각부 내에는 상기 자성부를 고정시키는 고정부가 더 배치된다.
상기 고정부의 소재는 특별히 한정되지 않으며, 상기 냉각부의 케이스의 소재와 동일하거나 또는 다를 수 있다. 또한 상기 고정부의 형상은 특별히 한정되지 않으나, 상기 자성부의 위치를 고정시키면서 상기 냉각수의 흐름을 방해하지 않도록 구성되는 것이 좋다.
예를 들어 상기 고정부는 상기 냉각부의 케이스와 일체형으로 구비될 수 있다. 도 1, 4, 5a, 6a를 참조하여 냉각부(500)의 하면 케이스(511)에 일체형 고정부(511a)가 구비될 수 있다. 상기 일체형 고정부는 하나 이상 구비될 수 있고, 이들 하나 이상의 일체형 고정부는 상기 자성부가 안착되는 홈을 형성할 수 있다. 이와 같이, 상기 고정부는 상기 냉각부의 내벽 중 일부가 돌출된 구조를 가지고 상기 냉각부와 일체형으로 형성되며, 둘 이상의 상기 고정부의 돌출된 구조가 조합되어 상기 냉각부가 안착되는 홈을 형성할 수 있다. 상기 일체형 고정부는 케이스의 성형 과정에서 고정부가 돌출된 형상으로 성형하여 제작될 수 있다.
상기 고정부는 상기 자성부를 고정시킬 뿐만 아니라, 상기 냉각부의 내벽에서 상기 자성부를 일정 간격 이격시킬 수도 있다. 구체적으로 상기 고정부는 스페이서를 포함하고, 상기 스페이서는 상기 냉각부의 내부 공간의 바닥면으로부터 상기 자성부를 이격시킬 수 있다. 또는 상기 스페이서는 상기 냉각부의 내부 공간의 상면으로부터 상기 자성부를 이격시킬 수 있다.
일례로서 상기 일체형 고정부는 스페이서로서의 역할도 수행하도록 구성될 수 있다. 도 6b에서 보듯이, 하면 케이스(511)에 형성된 일체형 고정부(511b)가 자성부(300)를 일정 높이 간격으로 하면 케이스(511)로부터 이격시킬 수 있다.
다른 예로서 상기 무선충전 장치가 상기 냉각부 내에 스페이서를 추가로 포함하고, 상기 스페이서가 상기 자성부를 고정시키는 고정부로서 사용될 수 있다. 도 6c를 참조하여, 하면 케이스(511)에 스페이서형 고정부(530)가 부착되고 그 위에 자성부(300)가 부착됨으로써, 자성부의 위치를 고정시킬 뿐만 아니라 케이스 내벽으로부터 자성부를 일정 간격 이격시킬 수 있다. 상기 부착을 위해 무선충전 장치에 사용되는 통상적인 접착제가 사용될 수 있다.
자성부의 배치
상기 자성부는 상기 냉각부의 내부 공간에 배치된다.
이에 따라 상기 냉각부의 내부로 유입된 냉각수가 상기 자성부와 열적 접촉할 수 있다. 구체적으로 상기 냉각수는 상기 자성부의 표면에 직접 접촉하거나 또는 열적 매개체를 통해 접촉할 수 있다. 상기 자성부와 냉각수의 열적 접촉을 위해서, 상기 냉각수가 상기 자성부에 직접 접촉하여 냉각시키는 것이 가장 효과적이나, 필요에 따라 열적 매개체를 통해 접촉할 수도 있다. 상기 열적 매개체의 소재와 형태는 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어 금속과 같은 열전도성 소재로 구성될 수 있고, 피복, 케이스, 파이프 등의 적절한 형태로 적용될 수 있다.
도 4에서 보듯이, 상기 자성부(300)는 상기 냉각부(500)의 케이스(510) 내에 배치될 수 있고, 구체적으로 하면 케이스(511) 상에 배치될 수 있다.
상기 자성부는 상기 냉각부의 내벽으로부터 일정 간격 이격되는 것이, 냉각수의 흐름을 위해 필요하다. 예를 들어 상기 자성부는 상기 냉각부의 적어도 하나의 내벽으로부터 0.5 mm 이상 이격되는 것이 냉각수의 흐름을 원활하게 하는데 유리하다. 구체적으로 상기 자성부는 상기 냉각부의 적어도 하나의 내벽으로부터 1 mm 이상 이격될 수 있다. 보다 구체적으로 상기 자성부는 상기 냉각부의 적어도 하나의 내벽으로부터 5 mm 내지 25 mm 이격될 수 있다.
도 5a를 참조하여, 상기 냉각부의 측면 케이스(512)로부터의 상기 자성부(300)까지의 폭 간격(d1)이 1 mm 이상, 구체적으로 10 mm 이상, 보다 구체적으로 15 mm 내지 25 mm일 수 있다. 이를 위해 상기 자성부(300)의 폭(w)은 상기 냉각부(500)의 내부 공간의 폭에 비해 작을 수 있다.
이와 같이 상기 냉각부의 내벽과의 폭 간격을 유지하도록 상기 자성부는 고정부에 의해 고정될 수 있다. 또한 상기 고정부에 의해 상기 자성부와 상기 냉각부의 내벽 간의 높이 간격도 유지될 수 있다.
도 6a를 참조하여, 상기 냉각부의 상면 케이스(513)로부터의 상기 자성부(300)까지의 높이 간격(h1)이 1 mm 이상, 구체적으로 2 mm 이상, 보다 구체적으로 3 mm 내지 5 mm일 수 있다. 이를 위해 상기 자성부(300)의 두께(t)는 상기 냉각부(500)의 내부 공간의 높이 대비 낮을 수 있다.
도 6b 및 6c를 참조하여, 상기 냉각부의 하면 케이스(511)로부터의 상기 자성부(300)까지의 높이 간격(h3)이 0.1 mm 이상, 구체적으로 0.2 mm 이상, 보다 구체적으로 0.4 mm 내지 2 mm일 수 있다.
상기 자성부는 1개 또는 2개 이상 구비될 수 있다.
예를 들어 상기 자성부는 제 1 자성부 및 제 2 자성부를 포함할 수 있으며, 이때 냉각수의 흐름을 방해하지 않도록 배치하는 것이 중요하다. 구체적으로, 상기 냉각수가 상기 냉각부에 제 1 방향으로 유입된 뒤 상기 제 1 방향으로 외부에 배출되고, 상기 자성부는 상기 제 1 방향에 수직한 방향으로 1 mm 이상 서로 이격된 제 1 자성부 및 제 2 자성부를 포함할 수 있다. 구체적으로 도 5b 및 6d를 참조하여 냉각수의 흐름에 수직한 방향으로 제 1 자성부(310) 및 제 2 자성부(320)가 일정한 폭 간격(d2)으로 이격되어 배치될 수 있다. 상기 폭 간격(d2)은 1 mm 이상, 구체적으로 10 mm 이상, 보다 구체적으로 15 mm 내지 25 mm일 수 있다. 이를 위해 제 1 자성부와 제 2 자성부의 폭(W)의 합은 냉각부(500)의 폭보다 작으며, 제 1 자성부와 제 2 자성부의 길이(L)는 냉각부(500)의 길이보다 작을 수 있다.
또한 상기 자성부는 2층 이상으로 적층된 구조를 가지되 각 층 사이가 1 mm 이상 이격될 수 있다. 도 6e를 참조하여, 제 1 자성부(310) 및 제 2 자성부(320)를 일정 폭 간격으로 이격하여 배치하고, 그 위에 제 3 자성부(330) 및 제 4 자성부(340)를 배치할 수 있으며, 이때 스페이서형 고정부(530)가 사용될 수 있다. 상기 자성부 간의 높이 간격(h2)은 구체적으로 0.5 mm 이상, 보다 구체적으로 1 mm 내지 3 mm일 수 있다.
자성부의 소재 및 특성
상기 자성부의 소재는 특별히 한정되지 않으며 무선충전 장치에 사용되는 자성체일 수 있다.
일례로서, 상기 자성부는 페라이트계 자성체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 페라이트계 자성체의 구체적인 화학식은 MOFe2O3(여기서 M은 Mn, Zn, Cu, Ni 등의 1종 이상의 2가 금속 원소이다)로 표시될 수 있다. 상기 페라이트계 자성체는 소결된 것이 투자율과 같은 자성 특성 면에서 유리하다. 상기 소결된 페라이트계 자성체는 원료 성분들을 혼합하고 하소 후 분쇄하고, 이를 바인더 수지와 혼합하여 성형하고 소성하여 시트 또는 블록 형태로 제조될 수 있다. 구체적으로 상기 페라이트계 자성체는 Ni-Zn계, Mg-Zn계, 또는 Mn-Zn계 페라이트를 포함할 수 있고, 특히 Mn-Zn계 페라이트는 85 kHz의 주파수에서 실온 내지 100 ℃ 이상의 온도 범위에 걸쳐 높은 투자율, 낮은 투자손실, 및 높은 포화자속밀도를 나타낼 수 있다.
다른 예로서 상기 자성부는 자성 분말 및 바인더 수지를 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 자성부는 바인더 수지에 의해 자성 분말들이 서로 결합됨으로써, 넓은 면적에서 전체적으로 결함이 적으면서 충격에 의해 손상이 적을 수 있다. 상기 자성 분말은 산화물계 자성 분말, 금속계 자성 분말, 또는 이들의 혼합 분말일 수 있다. 예를 들어, 상기 산화물계 자성 분말은 페라이트계 분말, 구체적으로 Ni-Zn계, Mg-Zn계, Mn-Zn계 페라이트 분말일 수 있다. 또한 상기 금속계 자성 분말은 Fe-Si-Al 합금 자성 분말, 또는 Ni-Fe 합금 자성 분말일 수 있고, 보다 구체적으로 샌더스트(sendust) 분말, 또는 퍼말로이(permalloy) 분말일 수 있다. 또한 상기 자성 분말은 나노결정성(nanocrystalline) 자성 분말일 수 있고, 예를 들어 Fe계 나노결정성 자성 분말일 수 있으며, 구체적으로 Fe-Si-Al계 나노결정성 자성 분말, Fe-Si-Cr계 나노결정성 자성 분말, 또는 Fe-Si-B-Cu-Nb계 나노결정성 자성 분말일 수 있다. 상기 자성 분말의 평균 입경은 약 3 nm 내지 약 1 mm, 약 1 ㎛ 내지 300 ㎛, 약 1 ㎛ 내지 50 ㎛ 또는 약 1 ㎛ 내지 10 ㎛의 범위일 수 있다. 상기 자성부는 상기 자성 분말을 10 중량% 이상, 50 중량% 이상, 70 중량% 이상, 또는 85 중량% 이상의 양으로 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 자성부는 상기 자성 분말을 10 중량% 내지 99 중량%, 10 중량% 내지 95 중량%, 또는 50 중량% 내지 95 중량%의 양으로 포함할 수 있다. 상기 바인더 수지로서 폴리이미드 수지, 폴리아미드 수지, 폴리카보네이트 수지, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌(ABS) 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리에틸렌 수지, 폴리스티렌 수지, 폴리페닐설파이드(PSS) 수지, 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 수지, 실리콘 수지, 아크릴 수지, 폴리우레탄 수지, 폴리에스테르 수지, 이소시아네이트 수지, 에폭시 수지 등이 예시될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또 다른 예로서 상기 자성부는 나노결정성(nanocrystalline) 자성체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 자성부는 Fe계 나노결정성 자성체일 수 있고, 구체적으로 Fe-Si-Al계 나노결정성 자성체, Fe-Si-Cr계 나노결정성 자성체, 또는 Fe-Si-B-Cu-Nb계 나노결정성 자성체일 수 있다. 상기 나노결정성 자성체는, 예를 들어 Fe계 합금을 멜트 스피닝에 의한 급냉응고법(RSP)으로 제조하며, 원하는 투자율을 얻을 수 있도록 300℃ 내지 700℃의 온도 범위에서 30분 내지 2시간 동안 무자장 열처리를 행하여 제조될 수 있다.
상기 자성부는 시트 형태 또는 블록 형태를 가질 수 있다. 상기 자성부의 두께는 0.5 mm 내지 5 mm일 수 있고, 구체적으로, 0.5 mm 내지 3 mm, 0.5 mm 내지 2 mm, 또는 1 mm 내지 2 mm일 수 있다. 상기 자성부의 면적은 200 cm2 이상, 400 cm2 이상, 또는 600 cm2 이상일 수 있고, 또한 10,000 cm2 이하일 수 있다. 또한 상기 자성부는 다수의 자성 단위체가 조합되어 구성될 수 있으며, 이때, 상기 자성 단위체의 면적은 60 cm2 이상, 90 cm2 이상, 또는 95 cm2 내지 900 cm2일 수 있다.
상기 자성부는 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 자성부의 85 kHz에서 투자율은 소재에 따라 달라질 수 있으나 5 이상, 예를 들어 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 자성부의 85 kHz에서 투자손실은 소재에 따라 달라질 수 있으나 0 이상, 예를 들어 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.
쉴드부
상기 무선충전 장치는 쉴드부를 더 포함할 수 있다. 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 쉴드부는 상기 냉각부 상에 또는 상기 냉각부 내부에 배치될 수 있다.
일례로서, 상기 무선충전 장치는 상기 냉각부 상에 배치되는 쉴드부를 더 포함할 수 있다. 구체적으로 도 3a에서 보듯이, 냉각부의 케이스(510)의 외측에 쉴드부(400)가 배치될 수 있다.
다른 예로서, 상기 무선충전 장치는 상기 냉각부 내에서 상기 자성부 상에 배치되는 쉴드부를 더 포함하고, 상기 냉각부 내로 유입된 냉각수가 상기 쉴드부와 열적 접촉할 수 있다. 구체적으로, 상기 냉각수는 상기 쉴드부의 표면에 직접 접촉하거나 또는 열적 매개체를 통해 접촉할 수 있다. 상기 열적 매개체의 소재와 형태는 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어 금속과 같은 열전도성 소재로 구성될 수 있고, 피복, 케이스, 파이프 등의 적절한 형태로 적용될 수 있다. 도 3b에서 보듯이, 냉각부의 케이스(510)의 내측에 쉴드부(400)가 구비될 수 있고, 이때 쉴드부(400)와 자성부(300) 간에는 일정 간격 이격되어 냉각수의 흐름(700)을 원할하게 할 수 있다. 예를 들어, 상기 쉴드부과 상기 자성부의 이격 거리는 3 mm 이상, 5 mm 이상, 3 mm 내지 10 mm, 또는 4 mm 내지 7 mm일 수 있다.
또 다른 예로서, 상기 무선충전 장치는 상기 냉각부 상에 배치된 쉴드부를 더 포함하고, 상기 쉴드부에서 발생하는 열이 상기 냉각수에 의해 외부로 방출할 수 있다. 구체적으로 도 3c에서 보듯이, 냉각부의 상면 케이스 대신 쉴드부(400)가 구비될 수 있고, 이 경우에 쉴드부(400)에서 발생하는 열이 보다 효과적으로 외부로 방출될 수 있다.
상기 쉴드부는 상기 코일부와 일정 간격 이격되어 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 쉴드부와 상기 코일부의 이격 거리는 10 mm 이상 또는 15 mm 이상일 수 있고, 구체적으로 10 mm 내지 30 mm, 또는 10 mm 내지 20 mm일 수 있다. 또한 쉴드부는 상기 자성부, 예를 들어 자성부와 일정 간격 이격되어 배치될 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.
그 외 구성요소
상기 무선충전 장치(10)는 상기 코일부(200)를 지지하는 지지부(100)을 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.
상기 무선충전 장치는 전술한 구성 요소들을 보호하는 하우징을 더 포함할 수 있다. 상기 하우징은 코일부, 냉각부, 자성부, 쉴드부 등의 무선충전 장치의 구성 요소를 보호한다. 상기 하우징의 재질 및 구조는 무선충전 장치에 사용되는 통상적인 하우징의 재질 및 구조를 채용할 수 있다.
예를 들어, 도 1, 2 및 3a에서 보듯이, 상기 하우징은 하면 하우징(610), 측면 하우징(620) 및 상면 하우징(630)이 결합된 구성을 가질 수 있으나, 이에 특별히 한정되지 않는다.
발열 성능
이와 같이 상기 구현예에 따르면 코일부와 분리된 냉각부 내에 자성부를 넣고 상기 냉각부 내에 냉각수를 순환시킴으로써, 코일부의 단락이나 충전 효율 저하를 유발하지 않으면서 자성부에 발생하는 열을 효과적으로 방출시킬 수 있다.
예를 들어, 상기 무선충전 장치는 아래 식으로 계산되는 발열 온도 감소율이 40% 이상일 수 있다.
발열 온도 감소율(%) = [(H1 - H2) / H1] × 100
여기서 H1은 85 kHz의 주파수에서 상기 냉각수를 순환시키지 않으면서 60분간 무선충전 시의 상기 자성부의 온도(℃)이고, H2는 85 kHz의 주파수에서 상기 냉각수를 순환시키면서 60분간 무선충전 시의 상기 자성부의 온도(℃)이다.
구체적으로, 상기 무선충전 장치는 상기 발열 온도 감소율이 45% 이상, 또는 50% 이상일 수 있고, 보다 구체적으로 40% 내지 70%, 45% 내지 60%일 수 있다. 또한 상기 무선충전 장치는 85 kHz의 주파수에서 상기 냉각수를 순환시키면서 60분간 무선충전 시에 상기 자성부의 온도(℃)가 최대 100℃를 넘지 않을 수 있다.
특히 상기 무선충전 장치는 자동차용 냉각수를 그대로 사용할 수 있어서 추가적인 냉각기를 필요로 하지 않을 수 있다. 아울러, 상기 냉각부 내에 배치되는 자성부의 구조와 그 외 쉴드부의 배치 등을 조절함으로써 충전 효율과 내충격성을 향상시키고 제조 비용도 줄일 수 있다.
따라서 상기 무선충전 장치는, 송신기와 수신기 간의 대용량의 전력 전송을 요구하는 전기 자동차와 같은 이동 수단 등에 유용하게 사용될 수 있다.
[이동 수단]
상기 무선충전 장치는, 송신기와 수신기 간의 대용량의 전력 전송을 요구하는 전기 자동차와 같은 이동 수단 등에 유용하게 사용될 수 있다.
도 8은 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 9를 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.
이와 같이 상기 이동 수단은 무선충전 장치를 포함하고, 상기 무선충전 장치가 코일부; 상기 코일부 상에 배치되며 유입구 및 배출구를 포함하고, 냉각수가 순환되도록 밀폐된 내부 공간을 갖는 냉각부; 상기 냉각부의 내부 공간에 배치되는 자성부; 및 상기 자성부를 고정하는 고정부를 포함하고, 상기 냉각수는 상기 유입구를 통해 유입되어 상기 자성부와 열적 접촉한 뒤 상기 배출구를 통해 배출된다.
상기 이동 수단에 포함되는 무선충전 장치의 각 구성요소들의 구성 및 특징은 앞서 설명한 바와 같다.
상기 무선충전 장치는 상기 냉각부의 외부에 배치되어 냉각수를 주기적으로 냉각시키는 냉각기; 및 상기 냉각기와 상기 냉각부의 유입구 및 배출구를 연결하여 냉각수가 순환될 수 있도록 하는 연결유로를 더 포함할 수 있다. 그 외에도 상기 무선충전 장치는 상기 냉각수의 온도를 감지하는 온도센서; 및 상기 온도센서에서 감지된 냉각수의 온도에 따라 상기 냉각기를 가동 여부를 제어하는 제어기를 더 포함할 수 있다.
또는 상기 무선충전 장치에 유입되는 냉각수로서 자동차용 냉각수를 사용할 수도 있다. 이 경우 무선충전 장치의 냉각기로서 상기 전기 자동차에 기본적으로 구비되는 냉각수의 냉각기를 이용할 수 있다. 구체적으로, 도 8에서 보듯이, 전기 자동차(1)의 내부에 구비된 냉각수의 냉각기(15)와 무선충전 장치(10)의 유입구 및 배출구가 연결유로(16)를 통해 연결될 수 있다. 이에 따라, 별도의 냉각기를 제작하지 않더라도, 효과적인 방열이 가능할 수 있다.
상기 이동 수단은 상기 무선충전 장치로부터 전력을 전달받는 배터리를 더 포함할 수 있다. 상기 무선충전 장치는 무선으로 전력을 전송받아 상기 배터리에 전달하고, 상기 배터리는 상기 전기 자동차의 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, 충전 상태 등일 수 있다.
이하 실시예를 통해 보다 구체적으로 기술하지만, 구현 가능한 범위가 이들로 한정되는 것은 아니다.
실시예
도 1, 2 및 3a는 일 구현예에 따른 무선충전 장치의 분해사시도, 사시도 및 단면도를 각각 나타낸 것이다. 상기 도면과 같이 무선충전 장치를 구성하되, 냉각부(500) 및 그 내부에 배치되는 자성부(300)의 구성을 도 5b 및 6d와 같이 제 1 자성부(310) 및 제 2 자성부(320)가 스페이서형 고정부(530)에 올려진 구조로 제작하였다. 이때 냉각부의 하면 케이스(511)로부터 자성부까지의 높이(h3)는 0.4 mm로 하였고, 냉각부의 측면 케이스(512)와 자성부 간의 거리(d1)는 15 mm로 하였고, 제 1 자성부(310)와 제 2 자성부(320) 간의 거리(d2)는 15 mm로 하였다. 또한 제 1 자성부(310) 및 제 2 자성부(320)의 길이(L)는 300 mm, 폭(W)은 150 mm, 두께(t)는 8 mm로 제작하였다. 그 외 코일(200)의 규격, 쉴드부(400)의 크기 및 각 구성품 간의 거리 등은 SAE J2954 WPT2 Z2 class Standard TEST의 충전 효율 측정 조건대로 제작하였다.
비교예
비교예로서 상기 실시예의 무선충전 장치와 동일하게 제작하되, 냉각부 없이 자성부만 구비하도록 제작하였다.
충전 효율 측정
동일한 무선충전 장치를 2개 제작하여 송신기와 수신기로 각각 이용하고, SAE J2954 WPT2 Z2 class Standard TEST 충전 효율 측정 조건에서 송신기의 코일부에 전류를 흘려 85 kHz의 주파수 및 6.6 kW의 출력의 무선전력의 충전을 60분 동안 수행하였다. 이때 실시예의 무선충전 장치(10)의 냉각부(500)의 유입구(521)와 배출구(522)에는 자동차용 냉각수 순환 튜브를 연결하여 최초 25℃의 냉각수를 냉각부 내부로 순환시켰다. 반대로 비교예의 무선충전 장치에서는 냉각수를 순환시키는 과정 없이 충전 효율을 측정하였다.
발열 온도 측정
상기 충전 효율 측정 시에 실시예 및 비교예의 무선충전 장치의 자성부의 표면 중심부의 온도를 측정하였다.
그 결과를 하기 표 1, 2, 및 도 7에 나타내었다.
시간(분) 실시예
발열 온도(℃) 충전 효율(%)
0 18.9 90.2
9 66.2 89.5
15 77.6 89.1
18 86.4 88.8
22 92.1 88.8
24 92.8 88.7
26 93.6 88.5
29 94.5 88.4
33 95.4 88.4
38 96.4 88.3
40 96.9 88.3
46 97.7 88.3
50 98 88.3
55 98.4 88.3
60 98.8 88.3
시간(분) 비교예
발열 온도(℃) 충전 효율(%)
0 20 88.8
9 70 88.3
29 135 87.6
60 190 86.4
상기 표 1, 2, 및 도 7에서 보듯이, 무선충전 시간이 경과함에 따라 비교예의 무선충전 장치의 온도가 지속적으로 상승하여 190℃에 도달하였던 반면, 실시예의 무선충전 장치의 온도는 100℃ 부근에서 더 이상 상승하지 않았다. 또한 실시예의 무선충전 장치의 충전 효율은 비교예에 대비하여 우수하였다.

Claims (10)

  1. 코일부;
    상기 코일부 상에 배치되며 유입구 및 배출구를 포함하고, 냉각수가 순환되도록 밀폐된 내부 공간을 갖는 냉각부;
    상기 냉각부의 내부 공간에 배치되는 자성부; 및
    상기 자성부를 고정하는 고정부를 포함하고,
    상기 냉각수는 상기 유입구를 통해 유입되어 상기 자성부와 열적 접촉한 뒤 상기 배출구를 통해 배출되는, 무선충전 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 고정부는 스페이서를 포함하고,
    상기 스페이서는 상기 냉각부의 내부 공간의 바닥면으로부터 상기 자성부를 이격시키는, 무선충전 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 고정부는 상기 냉각부의 내벽 중 일부가 돌출된 구조를 가지고 상기 냉각부와 일체형으로 형성되며,
    둘 이상의 상기 고정부의 돌출된 구조가 조합되어 상기 냉각부가 안착되는 홈을 형성하는, 무선충전 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 무선충전 장치는 아래 식으로 계산되는 발열 온도 감소율이 40% 이상인, 무선충전 장치:
    발열 온도 감소율(%) = [(H1 - H2) / H1] × 100
    여기서
    H1은 85 kHz의 주파수에서 상기 냉각수를 순환시키지 않으면서 60분간 무선충전 시의 상기 자성부의 온도(℃)이고,
    H2는 85 kHz의 주파수에서 상기 냉각수를 순환시키면서 60분간 무선충전 시의 상기 자성부의 온도(℃)이다.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각수는 상기 냉각부에 제 1 방향으로 유입된 뒤 상기 제 1 방향으로 외부에 배출되고,
    상기 자성부는 상기 제 1 방향에 수직한 방향으로 1 mm 이상 서로 이격된 제 1 자성부 및 제 2 자성부를 포함하는, 무선충전 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 자성부는 2층 이상으로 적층된 구조를 가지되 각 층 사이가 1 mm 이상 이격된, 무선충전 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 자성부는 상기 냉각부의 적어도 하나의 내벽으로부터 1 mm 이상 이격되는, 무선충전 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 무선충전 장치는
    상기 냉각부 내에서 상기 자성부 상에 배치되는 쉴드부를 더 포함하고,
    상기 냉각부 내로 유입된 냉각수가 상기 쉴드부와 열적 접촉하는, 무선충전 장치.
  9. 무선충전 장치를 포함하고,
    상기 무선충전 장치가
    코일부;
    상기 코일부 상에 배치되며 유입구 및 배출구를 포함하고, 냉각수가 순환되도록 밀폐된 내부 공간을 갖는 냉각부;
    상기 냉각부의 내부 공간에 배치되는 자성부; 및
    상기 자성부를 고정하는 고정부를 포함하고,
    상기 냉각수는 상기 유입구를 통해 유입되어 상기 자성부와 열적 접촉한 뒤 상기 배출구를 통해 배출되는, 이동 수단.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 이동 수단이 전기 자동차이고,
    상기 냉각수가 자동차용 냉각수인, 이동 수단.
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