KR20100097796A - 전기화학 소자의 무선 충전 시스템 - Google Patents

전기화학 소자의 무선 충전 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광원을 이용하여 공간상으로 이격되어 있는 전기화학 소자를 충전하는 시스템으로서, 광원을 발생시키는 광원 발생기를 포함하고 있는 에너지 공급 장치, 상기 에너지 공급 장치로부터 조사된 광원을 전기로 변환하는 광전변환 발전기를 포함하고 있는 에너지 수신 장치, 및 상기 에너지 수신 장치로부터 공급된 전기에 의해 충전되는 전기화학 소자를 포함하는 것으로 구성되어 있고, 상기 에너지 수신 장치와 전기화학 소자는 전기적으로 연결된 상태에서 에너지 공급 장치로부터 공간상으로 이격되어 있는 구조의 전기화학 소자의 무선 충전 시스템을 제공한다.

Description

전기화학 소자의 무선 충전 시스템 {Wireless Charging System for Electrochemical Element}
본 발명은 광원을 이용하여 공간상으로 이격되어 있는 전기화학 소자를 충전하는 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 광원을 발생시키는 광원 발생기를 포함하고 있는 에너지 공급 장치, 상기 에너지 공급 장치로부터 조사된 광원을 전기로 변환하는 광전변환 발전기를 포함하고 있는 에너지 수신 장치, 및 상기 에너지 수신 장치로부터 공급된 전기에 의해 충전되는 전기화학 소자를 포함하는 것으로 구성되어 있고, 상기 에너지 수신 장치와 전기화학 소자는 전기적으로 연결된 상태에서 에너지 공급 장치로부터 공간상으로 이격되어 있는 전기화학 소자의 무선 충전 시스템에 관한 것이다.
최근, 환경오염에 대한 관심이 높아지고 있음에 따라, 가솔린, 경유 등의 화석 연료를 사용하는 기존 차량의 문제점을 해결하기 위한 방안으로서 차량의 동력원을 충방전이 가능한 이차전지로 사용하는 기술이 관심을 모으고 있다. 따라서, 배터리 만으로 운행될 수 있는 전기자동차(EV), 배터리와 기존 화석연료를 병용하는 하이브리드 전기자동차(HEV) 등이 개발되었고, 일부는 상용화되어 시판되고 있다.
하이브리드 자동차는 동력원으로서 충방전이 가능한 이차전지를 기반으로 하는 중대형 전지팩과 가솔린, 경유 등을 연소시키는 엔진을 함께 사용하여, 주행 조건 등에 따라 전지팩의 작동과 엔진의 작동을 제어하는 구조로 이루어져 있다.
하이브리드 전기자동차의 동력원으로 사용되는 배터리는 차량의 엔진에서 남는 출력, 제동 혹은 관성에 의한 주행시의 차량의 제동 및 관성 에너지를 이용한 모터의 발전을 통해 충전된다.
하이브리드 전기자동차는 기본적으로 엔진과 모터, 동력원으로서의 배터리를 가지는 자동차를 의미하고, 특히, 배터리의 용량을 종전의 하이브리드 전기자동차보다 크게 만들고 배터리를 외부 전원으로부터 충전하여, 근거리 주행시는 배터리로만 주행하고, 배터리가 고갈되면 배터리와 기존 엔진을 병용하여 주행하는 차량을 플러그-인 하이브리드 전기자동차라고 한다.
이와 같은 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-In HEV) 등의 배터리는 대체에너지나 청정에너지 또는 재생에너지를 통하여 얻어지는 전기에너지를 이용하여 충전될 수 있으며, 이중 재생에너지의 예로는 태양광 발전(photovoltaic generation), 태양열 발전(thermionic generation), 열전 발전(thermoelectric generation), 음파/진동 발전(Acoustic/Vibration generation), 전자기 발전 (electromagnetic generation) 등을 들 수 있다.
이와 관련하여, 미국 특허출원공개 제2007/0107766호는 여러 형태의 재생에너지가 저장되어 복수(multi-source)의 전원 공급원으로 활용되는 예를 보여 주고 있고, 미국특허 제7,116,036호는 주행시 지면에서 타이어의 축으로 전달되는 진동 에너지를 압전(piezoelectric) 소자를 통해 전기에너지로 변환한 후 배터리에 저장함으로써 하이브리드 전기자동차의 효율을 높이는 사례를 보여 주고 있다.
그러나, 상기와 같은 방식은 매우 복잡한 장치 구성을 필요로 하거나, 전기자동차 등의 배터리를 충전시키기에 충분한 전력을 발생시키기에는 어려움이 있다.
따라서, 대체에너지나 청정에너지 또는 재생에너지를 통하여 얻어지는 전기에너지를 이용하여 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 등을 충전하기 위하여, 현재까지는 케이블을 이용하여 자동차의 외부에서 직접 전력 공급을 수행할 필요가 있으므로, 케이블로 인한 전기에너지 소스와 차량간의 거리 및 공간상의 제약과 차량 충전시의 안전성과 편리성 등에 대한 문제점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여는 전기에너지를 무선으로 전송하는 시스템이 필요하며, 그러한 예로서, 미국 특허출원공개 2008/0278264는, 상호 유도(mutual inductance)를 이용하여 3차원 공간에서 전기에너지를 전송하는 적용사례를 보여 주고 있다.
그러나, 상기와 같이, 일정한 거리를 두고 있는 상태에서의 상호 유도를 통한 무선 배터리 충전 시스템은, 전원 송신기의 반경 내에 전원 수신기가 장착된 배 터리가 있어야 하고, 금속성 차량 소재로 인한 간섭현상 문제가 있으며, 임의의 전원 송신기의 위치에서 배터리가 내장된 차량으로의 상호 유도를 적용하기가 어려우므로, 이와 같은 상호 유도방식은 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 플러그-인 하이브리드 전기자동차 등에 적용하기 어렵다는 문제점이 있다.
따라서, 자동차용 전기화학 소자의 무선 충전 시스템에는 전자기파의 상호 유도현상과는 다른 개념의 전기에너지 전송기술에 대한 필요성이 매우 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은 에너지 공급 장치와 동적 디바이스 간의 거리에 따른 공간상의 제약을 극복하고 차량에 탑재된 전기화학 소자를 안전하면서 편리하게 충전할 수 있는 전기화학 소자의 무선 충전 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 전기화학 소자의 충전이 이루어지는 동안 차량정보의 교환, 공급되는 전력량과 시간, 차량 주위의 방해물에 대한 감시 등을 수행할 수 있도록, RFID 태그 리더기와 RFID 태그를 포함하는 전기화학 소자의 무선 충전 시스템을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전기화학 소자의 무선 충전 시스템은, 광원을 이용하여 공간상으로 이격되어 있는 전기화학 소자를 충전하는 시스템으로서,
광원을 발생시키는 광원 발생기를 포함하고 있는 에너지 공급 장치; 상기 에너지 공급 장치로부터 조사된 광원을 전기로 변환하는 광전변환 발전기(light-to-electricity converting generator)를 포함하고 있는 에너지 수신 장치; 및
상기 에너지 수신 장치로부터 공급된 전기에 의해 충전되는 전기화학 소자; 를 포함하는 것으로 구성되어 있고,
상기 에너지 수신 장치와 전기화학 소자는 전기적으로 연결된 상태에서 에너지 공급 장치로부터 공간상으로 이격되어 있는 구조로 구성되어 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전기화학 소자의 무선 충전 시스템은 광원을 전기에너지로 변환하여 전기화학 소자를 무선으로 충전할 수 있으므로, 에너지 공급 장치와 전기화학 소자가 장착되어 있는 동적 디바이스 간의 거리가 먼 경우에도 무선으로 충전이 가능하며, 동시에 동적 디바이스에 탑재된 전지화학 소자를 안전하고 편리하게 충전할 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 전기화학 소자의 무선 충전 시스템은 공간상으로 이격되어 있는 전기화학 소자를 충전하기 위하여 광원을 이용한다. 이러한 광원은 에너지 공급 장치에 탑재되어 있는 광원 발생기로부터 생성되는 바, 상기 광원 발 생기는 전기에너지를 광원의 형태로 조사하여 전달하며, 에너지 공급 장치로 조사된 광원은 에너지 공급 장치로부터 원거리에 위치한 에너지 수신 장치로 전달된다.
상기 에너지 수신 장치는 에너지 공급 장치로부터 조사된 광원을 전기로 변환하는 광전변환 발전기를 포함하고 있어서, 수신된 광원이 상기 광전변환 발전기에 의해 전기에너지로 변환된 후 전기화학 소자에 전달되어, 전기화학 소자를 효과적으로 충전할 수 있다.
상기 에너지 수신 장치와 전기화학 소자는 에너지 공급 장치로부터 공간상으로 이격되어 있는 동적 디바이스에 장착되어 있는 형태로 이루어질 수 있으며, 상기 동적 디바이스는, 예를 들어, 전기자동차, 하이브리드 전기자동차 또는 플러그-인 하이브리드 전기자동차일 수 있다.
따라서, 동적 디바이스는 원거리에 위치한 에너지 공급 장치로부터 광원을 조사받아 변환된 전기에너지를 디바이스의 구동을 위한 동력원으로 사용할 수 있다.
상기 에너지 공급 장치는 외부의 전력 공급원으로부터 전력을 공급 받을 수 있는 소정의 위치에 고정된 상태로 설치되어 있을 수 있으며, 예를 들어, 이러한 소정의 위치는 일반적으로 차량을 주차해 두는 장소인 주차 미터기, 공영 주차장, 또는 주택일 수 있다.
따라서, 동적 디바이스로서의 차량은 필요에 따라 선택적으로 주차 미터기, 공영 주차장, 또는 주택에서 차량의 동력원으로 사용되는 전기에너지를 주차된 상태에서 용이하게 공급 받을 수 있다.
상기 에너지 공급 장치는 앞서 언급한 바와 같이, 광원 발생기를 포함하고 있어서 에너지 공급 장치와 공간상으로 이격되어 있는 전기화학 소자를 충전하기 위하여 광원을 전달할 수 있으며, 예를 들어, 이러한 광원은 레이저(laser)이고, 광원 발생기는 전기 신호를 레이저로 변환하는 레이저 광원 발생기일 수 있다.
상기 레이저는 파장, 위상, 진행방향이 동일한 광(光)으로서, 세기가 아주 강하면서도 멀리까지 퍼지지 않고 전달되므로 레이저 광원 발생기는 공간상으로 멀리 이격되어 있는 에너지 수신장치에 에너지 손실을 최소화하면서 광원 에너지를 용이하게 전달할 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 레이저 광원 발생기는 전력 입력기, 레이저 다이오우드 펌프 소스, 레이저 결정체, 분광기, 및 출력 교합계를 포함하는 구성으로 이루어져 있어서, 전력 입력기에 입력된 전기에너지를 광에너지로 변환하여 출력 교합계를 통해 외부로 조사할 수 있다.
구체적으로, 상기 레이저 광원 발생기에서 전력 입력기는 외부로부터 전력을 공급 받고, 레이저 다이오우드 펌프 소스는 공급 받은 전력을 이용하여 레이저 광원을 발생시킨다. 다이오우드 펌프 소스에서 발생된 레이저 광원은 레이저 결정체를 거쳐 특정 파장 영역을 가지는 레이저 광원으로 변환되고, 분광기를 거치면서 레이저 광원의 직진성이 향상된다. 복수로 이루어진 레이저 광원은 출력 교합계를 통하여 단수의 일정한 레이저 광원으로 모아지고, 모아진 단수의 일정한 레이저 광원은 외부로 조사된다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 광전변환 발전기는
(a) 광원 발생기로부터 조사된 광원을 집중시키기 위한 광학집중렌즈;
(b) 상기 광학집중렌즈와 하기 광흡수층 사이의 화학반응을 방지하고 상기 광학집중렌즈로부터 광흡수층으로의 광원 초점거리를 제공하는 무반응 젤층;
(c) 광원을 열로 변환시키기 위한 광흡수층;
(d) 상기 광흡수층에서 발생한 열을 보존하기 위한 열저장층; 및
(e) 상기 열저장층으로부터 전달된 열을 전기로 변환하기 위한 열전소자;
를 포함하는 구성으로 이루어질 수 있다.
따라서, 상기 구조의 광전변환 발전기는 광원 발생기로부터 조사된 광원을 열로 변환하고, 다시 전기로 변환하여 전기화학 소자에 전달할 수 있다.
상기 구조에서, 광학집중렌즈, 무반응 젤층 및 광흡수층은 바람직하게는 외부로부터의 가스 유입을 방지하기 위한 가스 차단층으로 감싸여 있고, 상기 가스 차단층의 외면에는 보호막이 추가로 형성될 수 있다.
한편, 상기 광학집중렌즈에는 투과된 빛의 반사를 방지하기 위해 바람직하게는 반사방지 코팅층이 형성되어 있어서, 광학집중렌즈를 통과한 광원이 다시 반사되어 주위로 산란되는 것을 방지할 수 있다. 이러한 반사방지 코팅층은, 예를 들어, 광학집중렌즈의 전면에 형성될 수 있다.
상기 광학집중렌즈는 조사된 광원을 광흡수층에 다초점 방식으로 집중시킬 수 있도록 수평 배열된 둘 이상의 볼록렌즈들로 이루어질 수 있다.
따라서, 에너지 공급 장치로부터 조사된 광원은 복수의 볼록렌즈로 이루어진 광학집중렌즈를 통하여 반경이 줄어들게 되고 다초점 방식으로 집중되므로 광흡수 층에 도달하는 광원의 단위 면적당 에너지의 양을 극대화 할 수 있다.
상기 광흡수층은 광 에너지를 열 에너지로 변환시킬 수 있는 소재이면 특별한 제한은 없으나, 예를 들어 카본 소재를 포함할 수 있고, 상기 카본 소재는 바람직하게는 카본나노튜브로 이루어질 수 있거나 적어도 카본나노튜브를 포함하는 것으로 구성될 수 있다.
카본 소재로 이루어진 광흡수층은 가시광선 영역을 흡수할 수 있고, 특히 광원이 레이저인 경우에 레이저의 파장 영역을 효과적으로 흡수할 수 있으며, 광원의 산란 효과를 증가시켜 보다 효율적으로 광 에너지를 열 에너지로 변환시킬 수 있다.
상기 광흡수층을 통해 광 에너지로부터 열 에너지로 변환된 에너지를 효과적으로 보존하기 위한 상기 열저장층은 예를 들어 상변환 물질을 포함하는 구성으로 이루어질 수 있다.
상변환 물질은 액체가 고체·기체, 고체가 액체·기체, 또는 기체가 고체·액체로 변화하는 단계에서 열의 이동에 중점을 두어 물질 자신과 그 대상과의 열을 주고받는 역할을 하는 기능을 가지는 물질로서, 상변화 과정에서 변화 전후의 각 상의 에너지 차이에 해당하는 에너지를 잠열로 방출하거나 흡수하는 물질을 의미한다.
따라서, 이러한 상변환 물질을 포함하는 열저장층은 일정한 온도(예: 섭씨 70 내지 80도) 이상에서 고체에서 액체로 상이 변하면서 융해열을 흡수하여 잠열의 형태로 저장하여 두었다가 일정한 온도 이하로 내려가면 액체에서 고체상태로 상이 변화면서 저장하였던 잠열을 주위로 내어놓는 상변환 물질을 포함하고 있으므로, 보다 효율적으로 열 에너지를 저장할 수 있다.
상기 열전소자는 열저장층에 저장된 열 에너지를 전기에너지로 용이하게 변환할 수 있는 소자이면 특별한 제한은 없으며, 예를 들어 펠티어(peltier) 소자로 이루어질 수 있다.
구체적으로, 펠티어 소자는 2종의 서로 다른 금속을 결합시키거나 또는 n형 반도체와 p형 반도체를 상호 접합시켜 만들어진 소자로서, 2종의 금속 양단에 전위차를 걸어주면 전위차에 따른 전자의 이동에 따라 열의 이동이 같이 발생하는 펠티어 현상(Peltier effect)을 이용한 소자이다. 따라서, 펠티어 소자에 전기를 공급하면 한쪽은 냉각되고 반대쪽은 가열되며, 역으로 2종의 금속 양면에 온도차를 인가하면 전기가 발생된다.
따라서, 열저장층으로부터 전달된 열 에너지에 의해 펠티어 소자의 양측에서 온도차가 유발되면, 그러한 온도차로 인해 전기가 발생된다.
상기 전기화학 소자는, 충방전이 용이한 전지이면 특별한 제한은 없으며, 예를 들어, 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 리튬 이온 폴리머 전지, 니켈 수소전지, 니켈 카드뮴 전지, 유기 라디칼 전지, 연축전지, 공기 이차전지, 니켈 아연 전지, 은아연 전지, 또는 캐패시터 일 수 있으며, 바람직하게는 리튬을 함유하고 있는 리튬 이차전지일 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 에너지 공급 장치는 RFID(Radio Frequency Identification) 태그 리더기를 더 포함하고, 상기 에너지 수신 장치는 RFID 태그 를 더 포함한 구조로 이루어져 있어서, 에너지 공급 장치와 에너지 수신 장치의 정보 교환을 가능하게 할 수 있다.
또한, 상기와 같이 RFID 태그 리더기와 RFID 태그를 포함하고 있는 전기화학 소자의 무선 충전 시스템의 구조는, RFID 태그의 공간 좌표값(X좌표, Y좌표, Z좌표)을 RFID 태그 리더기가 감지하여, 에너지 발생 장치의 광원 발생기로부터의 광원이 에너지 수신 장치의 광전변환 발전기로 효과적으로 전달될 수 있도록, 광원 발생기의 위치를 이동시키거나, 광전변환 발전기를 탑재한 동적 디바이스를 이동시킬 수 있음은 물론이다.
상기 구조에서, RFID 태그 리더기와 RFID 태그 간에는 전기화학 소자의 충전상태, 전력량, 차량정보로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 정보가 전자기파 신호에 의해 전달될 수 있다.
참고로, RFID는 자동인식(AIDC) 기술의 한 종류로 마이크로 칩을 내장한 태그, 카드, 라벨 등에 저장된 데이터를 무선주파수를 이용하여 비접촉으로 읽는 기술을 의미한다.
구체적으로, RFID 태그는 RFID 태그 디바이스 회로와 RFID 태그 안테나로 구성되어 있어서, RFID 태그 안테나는 RFID 태그 디바이스 회로에 저장된 정보를 무선신호로 수 미터에서 수십 미터까지 송신하고, RFID 태그 리더기는 이러한 무선신호를 수신하게 된다.
또한, 상기 RFID 태그 리더기와 RFID 태그를 포함하는 전기화학 소자의 무선 충전 시스템은, 전력 공급원으로부터 전기화학 소자로의 전기에너지 공급이 이루어 지는 동안 RFID 태그 리더기와 RFID 태그간에 전자기파 신호로 지속적인 통신이 이루어지므로, 차량정보의 교환, 공급되는 전력량과 시간, 차량 주위의 방해물에 대한 감시 등을 수행할 수 있다. 더욱이, 사용한 전력의 상품 정보, 공급된 전력량과 시간 및 전력 요금 등의 데이터를 RFID 태그에 추가적으로 저장할 수 있음은 물론이다.
한편, 상기 전기화학 소자의 무선 충전 시스템은 상기 RFID 태그의 정보와 전기화학 소자의 작동을 제어하기 위한 제어장치를 더 포함하는 구조로 이루어질 수 있다.
따라서, 상기 제어장치는 전기화학 소자의 무선 충전 시스템의 전반적인 동작, 차량의 전기적인 신호를 제어함과 동시에 RFID 태그의 정보를 이용하여 전기화학 소자의 충전을 용이하게 제어할 수 있다.
본 발명은 또한, 전기화학 소자 무선 충전용 광전변환 발전기를 제공한다.
구체적으로, 상기 전기화학 소자 무선 충전용 광전변환 발전기는,
(a) 외부의 광원 발생기로부터 조사된 광원을 집중시키기 위한 광학집중렌즈;
(b) 상기 광학집중렌즈와 하기 광흡수층 사이의 화학반응을 방지하고, 상기 광학집중렌즈로부터 광흡수층으로의 광원 초점거리를 제공하는 무반응 젤층;
(c) 광원을 열로 변환시키기 위한 광흡수층;
(d) 상기 광흡수층에서 발생한 열을 보존하기 위한 열저장층; 및
(e) 상기 열저장층으로부터 전달된 열을 전기로 변환하기 위한 열전소자;
를 포함하는 구성으로 이루어져 있다.
이러한 구조의 전기화학 소자 무선 충전용 광전변환 발전기는 종래에는 전혀 알려져 있지 않은 신규한 구조의 장치로서, 광원 발생기로부터 조사된 광원을 높은 효율로 열로 변환한 후 전기로 변환하여 전기화학 소자에 효과적으로 전달할 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 광전변환 발전기와 상기 광전변환 발전기로부터 공급된 전기에 의해 충전되는 전기화학 소자를 포함하고 있고, 상기 전기화학 소자로부터 공급된 전기에 의해 구동되거나 또는 상기 전기가 구동력에 조력하는 것을 특징으로 하는 자동차를 제공한다.
이러한 자동차는, 전기화학 소자로부터 공급된 전기에 의해 구동되거나 전기가 구동력에 조력할 수 있는 구조의 자동차이면 특별한 제한은 없으며, 예를 들어, 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 및 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-In HEV)일 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1 및 도 2에는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 전기화학 소자의 무선 충전 시스템의 설치 예들이 모식적으로 도시되어 있다.
먼저 도 1을 참조하면, 전기화학 소자의 무선 충전 시스템에서 에너지 공급 장치들(100)은 주차 미터기(80) 및 주택(70)의 소정 위치에 고정된 상태로 설치되어 있고, 에너지 수신 장치들(200)은 자동차(10)의 전방부 및 측면부에 설치되어 있다.
다음으로 도 2를 참조하면, 에너지 공급 장치들(100)은 공용 주차장(40)에 설치되어 있다.
즉, 에너지 공급 장치들(100)은 일상 생활 속에서 일반적으로 차량을 주차하는 주차 미터기(80), 공용 주차장(40), 주택(70) 등의 소정 위치에 고정된 상태로 설치되며, 외부의 전력 공급원으로부터 전력을 공급 받도록 되어 있다. 에너지 공급 장치들(100)은 에너지 수신 장치들(200)과 공간상으로 서로 이격되어 있으며, 광원을 이용하여 에너지 수신 장치들(200)에게 광 에너지를 전달하고, 에너지 수신 장치들(200)은 광 에너지를 전기에너지로 변환시킨다.
도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전기화학 소자의 무선 충전 시스템의 구성도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 3을 도 1 및 도 2와 함께 참조하면, 전기화학 소자의 무선 충전 시스템(900)은, 광원을 발생시키는 광원 발생기(120)를 포함하는 에너지 공급 장치(100), 에너지 공급 장치(100)로부터 조사된 광원을 전기로 변환하는 광전변환 발전기(220)를 포함하는 에너지 수신 장치(200), 및 에너지 수신 장치(200)로부터 공급된 전기에 의해 충전되는 전기화학 소자(300)로 구성되어 있다.
또한, 에너지 수신 장치(200)의 광전변환 발전기(220)와 전기화학 소자(300)는 도 1에서 보는 바와 같이, 전기적으로 연결된 상태에서 에너지 공급 장치 들(100)로부터 공간상으로 이격되어 있다.
에너지 공급 장치들(100)은 광원 발생기(120)와 RFID 태그 리더기(140)를 포함하고 있고, 주차 미터기(80), 공용 주차장(40) 또는 주택(70) 등의 소정 위치에 고정된 상태로 설치되며, 외부로부터 교류(AC) 전기(251)를 공급 받는다.
에너지 수신 장치들(200)은 에너지 공급 장치들(100)의 광원 발생기들(120)로부터 조사된 광원(252)을 전기로 변환하는 광전변환 발전기(220)와 RFID 태그(240)를 포함하고 있고, 전기화학 소자(300)는 전기적으로 연결된 광전변환 발전기(220)로부터 공급되는 직류(DC) 전기(255)에 의해 충전이 이루어진다.
외부로부터 공급된 교류 전기(251)는 에너지 공급 장치(100)의 광원발생기(120)를 거쳐서 광원(252)의 형태로 변환되어 원거리에 위치한 에너지 수신장치(200)의 광전변환 발전기(220)에 의해 전기로 변환되어 전기화학 소자(300)를 충전하게 된다.
또한, 에너지 수신 장치(200)와 전기화학 소자(300)는 자동차(10)에 장착되어 있고, 에너지 공급 장치(100)와는 공간상으로 서로 이격되어 있으며, 제어장치(400)는 RFID 태그(240)의 정보를 이용하여 전기화학 소자(300)의 충전 과정 및 작동을 제어한다.
RFID 태그(240)는, 전기화학 소자의 충전상태, 전력량, 차량정보 등의 정보와 관련하여, 에너지 공급 장치(100)의 RFID 태그 리더기(140)와 전자기파 신호(253)에 의해 지속적인 통신을 수행하게 된다.
따라서, RFID 태그(240)와 RFID 태그 리더기(140)간의 RFID 통신을 통해 차 량정보의 교환, 전기화학 소자(300)에 공급되는 전력량과 시간, 차량 주위의 방해물에 대한 감시가 이루어지며, RFID 태그(240)는 사용전력 상품 정보, 공급 전력량과 시간 및 요금 등의 데이터를 저장하고 있으므로, RFID 태그(240)의 정보를 토대로 추후 충전 요금 등을 부과할 수 있다.
도 4에는 도 3의 에너지 공급 장치의 구성도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 4를 도 3과 함께 참조하면, 에너지 공급 장치(100)는 레이저 광원 발생기(120)와 RFID 태그 리더기(140)로 이루어져 있다.
레이저 광원 발생기(120)는 전력 입력기(121), 레이저 다이오우드 펌프 소스(122), 레이저 결정체(123), 분광기(124), 및 출력 교합계(125)로 구성되어 있다.
공영 주차장(40), 주택(70), 및 주차 미터기(80)와 같은 외부의 전력 공급원에서 공급되는 교류 전기(251)는 레이저 광원 발생기(120)의 전력 입력기(121)에 입력되고 레이저 다이오우드 펌프 소스(122)를 통하여 레이저 광원이 만들어진다. 이러한 레이저 광원은 레이저 결정체(123)를 거치면서 특정 파장 영역을 가지도록 변환되고, 분광기(124)를 통과하면서 직진성이 향상된다. 직진성이 향상된 레이저 광원은 출력 교합계(125)를 통해 단수의 일정한 레이저 광원으로 모아지고, 이는 에너지 수신장치(200)를 향해 조사된다.
또한, RFID 태그 리더기(140)는 전자신호 송신 안테나(141), 전자신호 발생기(143), 태그 신호 수신 안테나(142), 태그 신호 수신기(144), 및 태그 리더 컨트롤러(145)로 구성되어 있다.
도 5에는 도 3의 에너지 수신 장치와 전기화학 소자 및 제어장치의 구성도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 5를 도 4와 참조하면, 에너지 수신 장치(200)는 광전변환 발전기(220)와 RFID 태그(240)로 구성되어 있다.
광전변환 발전기(220)는 광학집중렌즈(226), 무반응 젤층(224), 광흡수층(223), 열저장층(222) 및 열전소자(221)로 구성되어 있으며, 광학집중렌즈(226)의 내면에는 반사방지 코팅층(225)이 형성되어 있다.
또한, 광학집중렌즈(226), 반사방지 코팅층(225), 무반응 젤층(224) 및 광흡수층(223)은 외부로부터의 가스 유입을 방지하기 위한 가스 차단층(227)으로 감싸여 있으며, 가스 차단층(227)의 외면에는 보호막(228)이 형성되어 있다.
광원 발생기(120)의 출력 교합계(125)로부터 전달된 레이저 광원은 먼저 보호막(228)과 가스 차단층(227)을 거쳐 광학집중렌즈(226)를 통과하면서 볼록 렌즈에 의해 광원의 반경이 줄어 들게 되고, 광흡수층(223)에서 열 에너지로 변환된다.
광학집중렌즈(226)는 조사된 광원을 광흡수층(223)에 다초점 방식으로 집중시킬 수 있도록 수평 배열된 둘 이상의 볼록렌즈들로 이루어져 있고, 광흡수층(223)은 카본 소재를 포함하고 있으므로 레이저 광원을 효과적으로 흡수한다.
무반응 젤층(223)은 광학집중렌즈(226)와 광흡수층(223)간의 화학반응을 방지하고, 광학집중렌즈(226)로부터 광흡수층(223)으로 전달되는 광원의 단위 면적당 에너지가 극대화 될 수 있는 초점거리를 제공할 수 있도록 광학집중렌즈(226)와 광흡수층(223) 사이에 형성되어 있다.
광흡수층(223)에서 변환된 열에너지는 열저장층(222)에 저장되고, 열저장층(222)은 상전이 물질로서, 상변화 과정에서 변화 전후의 각 상의 에너지 차이에 해당하는 에너지를 잠열로 방출하거나 흡수하여 열에너지를 저장하게 된다.
열저장층(222)에 저장된 열에너지는 열전소자(221)로 전달되어 전기로 변환된다. 즉, 열전소자(221)는 펠티어(peltier) 소자로서, 열전소자(221)의 일 측면에 열저장층(222)으로부터 전달된 열에너지를 가하면 전기가 발생되므로, 열 에너지를 전기로 변환하고, 변환된 전기는 전기화학 소자(300)에 전달되어 전기화학 소자(300)를 충전하게 된다.
한편, RFID 태그(240)는 RFID 태그 디바이스 회로(244)와 RFID 태그 안테나(242)로 구성되어 있다.
RFID 태그 디바이스 회로(244)는 전기화학 소자의 충전상태, 전력량과 차량정보 및 사용전력 상품 정보, 공급 전력량과 시간과 요금 등의 데이터를 저장하고, RFID 태그 안테나(242)는 RFID 태그(240)를 구성하는 기판에 패터닝된 구조로 이루어져 있으며, RFID 태그 디바이스 회로(244)에 저장된 정보를 무선으로 수 미터에서 수십 미터까지 송신하게 된다.
또한, 제어장치(400)는 RFID 태그(240)의 정보와 전기화학 소자(300)의 작동을 제어하기 위해 RFID 태그 디바이스 회로(244)와 전기화학 소자(300)에 전기적으로 연결되어 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 전기화학 소자의 무선 충전 시스템은 에너지 공급 장치와 동적 디바이스 간의 거리에 따른 공간상의 제약을 극복하고 차량에 탑재된 전기화학 소자를 안전하면서 편리하게 충전할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전기화학 소자의 무선 충전 시스템은 RFID 태그 리더기와 RFID 태그를 포함하고 있으므로, 전기화학 소자의 충전이 이루어지는 동안 차량정보의 교환, 공급되는 전력량과 시간, 차량 주위의 방해물 등에 대한 감시를 수행할 수 있고, 추가적으로 사용전력의 상품 정보, 요금 등의 데이터를 저장할 수 있으므로, 차량에 탑재된 전기화학 소자를 소망하는 만큼 충전할 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 전기화학 소자의 무선 충전 시스템의 설치 예를 나타낸 모식도들이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전기화학 소자의 무선 충전 시스템의 구성도이다;
도 4는 도 3의 에너지 공급 장치의 구성도이다;
도 5는 도 3의 에너지 수신 장치와 전기화학 소자 및 제어장치의 구성도이다.

Claims (23)

  1. 광원을 이용하여 공간상으로 이격되어 있는 전기화학 소자를 충전하는 시스템으로서,
    광원을 발생시키는 광원 발생기를 포함하고 있는 에너지 공급 장치;
    상기 에너지 공급 장치로부터 조사된 광원을 전기로 변환하는 광전변환 발전기(light-to-electricity converting generator)를 포함하고 있는 에너지 수신 장치; 및
    상기 에너지 수신 장치로부터 공급된 전기에 의해 충전되는 전기화학 소자;
    를 포함하는 것으로 구성되어 있고,
    상기 에너지 수신 장치와 전기화학 소자는 전기적으로 연결된 상태에서 에너지 공급 장치로부터 공간상으로 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 전기화학 소자의 무선 충전 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 에너지 수신 장치와 전기화학 소자는 동적 디바이스에 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전기화학 소자의 무선 충전 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 동적 디바이스는 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 또는 플러그-인 하이브리드 전기자동차인 것을 특징으로 하는 전기화학 소자의 무선 충전 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 에너지 공급 장치는 소정의 위치에 고정된 상태로 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 전기화학 소자의 무선 충전 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 에너지 공급 장치는 주차 미터기, 공영 주차장, 또는 주택에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 전기화학 소자의 무선 충전 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 광원은 레이저(laser)이고, 상기 광원 발생기는 전기 신호를 레이저로 변환하는 레이저 광원 발생기인 것을 특징으로 하는 전기화학 소자의 무선 충전 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 레이저 광원 발생기는 전력 입력기, 레이저 다이오우드 펌프 소스, 레이저 결정체, 분광기, 및 출력 교합계를 포함하는 구성으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기화학 소자의 무선 충전 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 광전변환 발전기는
    (a) 광원 발생기로부터 조사된 광원을 집중시키기 위한 광학집중렌즈;
    (b) 상기 광학집중렌즈와 하기 광흡수층 사이의 화학반응을 방지하고, 상기 광학집중렌즈로부터 광흡수층으로의 광원 초점거리를 제공하는 무반응 젤층;
    (c) 광원을 열로 변환시키기 위한 광흡수층;
    (d) 상기 광흡수층에서 발생한 열을 보존하기 위한 열저장층; 및
    (e) 상기 열저장층으로부터 전달된 열을 전기로 변환하기 위한 열전소자;
    를 포함하는 구성으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기화학 소자의 무선 충전 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 광학집중렌즈, 무반응 젤층 및 광흡수층은 외부로부터의 가스 유입을 방지하기 위한 가스 차단층으로 감싸여 있는 것을 특징으로 하는 전기화학 소자의 무선 충전 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 가스 차단층의 외면에는 보호막이 추가로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전기화학 소자의 무선 충전 시스템.
  11. 제 8 항에 있어서, 상기 광학집중렌즈에는 투과된 빛의 반사를 방지하기 위해 반사방지 코팅층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전기화학 소자의 무선 충전 시스템.
  12. 제 8 항에 있어서, 상기 광학집중렌즈는 조사된 광원을 광흡수층에 다초점 방식으로 집중시킬 수 있도록 수평 배열된 둘 이상의 볼록렌즈들로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기화학 소자의 무선 충전 시스템.
  13. 제 8 항에 있어서, 상기 광흡수층은 카본 소재를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전기화학 소자의 무선 충전 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 광흡수층은 카본나노튜브를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전기화학 소자의 무선 충전 시스템.
  15. 제 8 항에 있어서, 상기 열저장층은 상변환 물질을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전기화학 소자의 무선 충전 시스템.
  16. 제 8 항에 있어서, 상기 열전소자는 펠티어(peltier) 소자로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기화학 소자의 무선 충전 시스템.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 전기화학 소자는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 리튬 이온 폴리머 전지, 니켈 수소전지, 니켈 카드뮴 전지, 유기 라디컬 전지, 연축전지, 공기 이차전지, 니켈 아연 전지, 은아연 전지, 또는 캐패시터인 것을 특징으로 하는 전기화학 소자의 무선 충전 시스템.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 전기화학 소자는 리튬 이차 전지인 것을 특징으로 하는 전기화학 소자의 무선 충전 시스템.
  19. 제 1 항에 있어서, 상기 에너지 공급 장치는 RFID 태그 리더기를 더 포함하고, 상기 에너지 수신 장치는 RFID 태그를 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 전기화학 소자의 무선 충전 시스템.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 RFID 태그 리더기와 RFID 태그 간에는 전기화학 소자의 충전상태, 전력량 및 차량정보로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 정보가 전자기파 신호에 의해 전달되는 것을 특징으로 하는 전기화학 소자의 무선 충전 시스템.
  21. 제 19 항에 있어서, 상기 전기화학 소자의 무선 충전 시스템에는 상기 RFID 태그의 정보와 전기화학 소자의 작동을 제어하기 위한 제어장치가 더 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 전기화학 소자의 무선 충전 시스템.
  22. (a) 외부의 광원 발생기로부터 조사된 광원을 집중시키기 위한 광학집중렌즈;
    (b) 상기 광학집중렌즈와 하기 광흡수층 사이의 화학반응을 방지하고, 상기 광학집중렌즈로부터 광흡수층으로의 광원 초점거리를 제공하는 무반응 젤층;
    (c) 광원을 열로 변환시키기 위한 광흡수층;
    (d) 상기 광흡수층에서 발생한 열을 보존하기 위한 열저장층; 및
    (e) 상기 열저장층으로부터 전달된 열을 전기로 변환하기 위한 열전소자;
    를 포함하는 구성으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기화학 소자 무선 충전용 광전변환 발전기.
  23. 제 22 항에 따른 광전변환 발전기와 상기 광전변환 발전기로부터 공급된 전기에 의해 충전되는 전기화학 소자를 포함하고 있고, 상기 전기화학 소자로부터 공급된 전기에 의해 구동되거나 또는 상기 전기가 구동력에 조력하는 것을 특징으로 하는 자동차.
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