KR20160043678A - 다중 코일 구조를 갖는 무선전력전송 급집전 시스템의 급전장치 및 집전장치 - Google Patents

다중 코일 구조를 갖는 무선전력전송 급집전 시스템의 급전장치 및 집전장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다중 코일 구조를 갖는 무선전력전송 급집전 시스템의 급전장치 및 집전장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 무선전력전송 시스템에서 기존의 더블디 구상 코일(Double D Quadrature coil) 구조에서 페라이트 코어의 형상을 이용하여 좌우편차 성능을 유지하면서 전자기장(EMF) 성능 또한 우수한 무선전력전송 성능을 향상시킬 수 있는 무선전력전송 급집전 시스템의 급전장치 및 집전장치에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 무선전력전송 시스템에서 기존의 더블디 구상 코일(Double D Quadrature coil) 구조에서 페라이트 코어의 형상을 이용하여 좌우편차 성능을 유지하면서 전자기장(EMF) 성능 또한 우수한 무선전력전송 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

다중 코일 구조를 갖는 무선전력전송 급집전 시스템의 급전장치 및 집전장치{power supply and pickup apparatus for wireless power transmission system with multi coil structure}
본 발명은 다중 코일 구조를 갖는 무선전력전송 급집전 시스템의 급전장치 및 집전장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 무선전력전송 시스템에서 기존의 더블디 구상 코일(Double D Quadrature coil) 구조에서 페라이트 코어의 형상을 이용하여 좌우편차 성능을 유지하면서 전자기장(EMF) 성능 또한 우수한 무선전력전송 성능을 향상시킬 수 있는 무선전력전송 급집전 시스템의 급전장치 및 집전장치에 관한 것이다.
자기장을 이용한 유도 결합 방식의 무선전력전송 기술에서 페라이트 코어는 자기장의 집속도를 높이고 자기장의 분포를 변화시키는데 이용된다.
하기의 종래 기술 [1],[2]에서 제안된 무선 급집전 구조는 DDQ(Double-D Quadrature) 코일을 가지는 구조로써 무선 급집전 구조가 장착된 차량의 움직임으로 인하여 급전 코일과 충전(집전) 코일이 동일 위치에 있지 않는 상태인 좌우 편차 발생 시에 무선 충전 성능의 저하를 방지하는 것을 목적으로 하고 있다.
[1] 유도 전력 전송 장치(출원번호 10-2011-7020758, 출원일 2010. 2. 5.)
[2] M. Budhia, J. T. Boys, G. A. Covic, and G. Y. Huang, “Development of a single-sided flux magnetic coupler for electric vehicle IPT charging systems”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 60, No. 1, pp. 318-328, 2013.
즉, 일반적인 DD 코일(Double D coil)을 사용했을 시보다 구상 코일인 Q 코일(Quadrature coil)을 추가하여 DDQ 구조를 적용하면 Q 코일의 효과로 인하여 좌우 편차가 발생했을 때 무선 충전 성능 저하 현상을 완화시킬 수 있다.
도 1은 종래의 무선전력전송 급집전 시스템 구조를 나타내는 도면이고, 도 2는 도 1에서 무선전력전송 급집전 시스템 구조의 측면도이며, 도 3은 도 1의 무선전력전송 급집전 시스템 구조에서 좌우편차가 발생된 경우의 일예를 나타내는 도면으로서, 도면의 하측에 급전장치가 배치되고 상측에 집전장치가 배치된다. 급전장치는 2개의 사각 코일로 구성된 DD 코일이 있으며, 코일 아래에는 자기장을 집속하기 위한 페라이트 코어 바가 4개가 설치되어 있다. 그러나 집전장치의 경우 DD 코일과 페라이트 코어 바가 있는 것은 급전장치와 동일하지만 코어 바와 DD 코일 사이에 구상 코일(Q 코일)이 포함되어 있다. 즉, 도 3에서와 같이 집전장치가 좌우로 편차가 발생하였을 경우 Q 코일로 인하여 전력전송 성능의 저하를 방지시킬 수 있다.
그러나 종래의 기술에서는 페라이트 코어를 직사각형의 긴 바(bar) 형태로 간격을 두어 배치를 하였으며, 코어 바(Core bar)의 두께와 간격에 따라 최적화를 수행하여 최소의 페라이트를 사용하는데 중점을 두었다.
또한, 종래의 기술에서는 일반적으로 코일의 배치만을 주로 다루었으며, 무선 충전 시스템의 또 다른 중요 요소인 페라이트 코어 형상 기술이 적용되지 않았다.
KR 10-2011-0121624 A
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 무선전력전송 시스템에서 기존의 더블디 구상 코일(Double D Quadrature coil) 구조에서 페라이트 코어의 형상을 이용하여 좌우편차 성능을 유지하면서 전자기장(EMF) 성능 또한 우수한 무선전력전송 성능을 향상시킬 수 있도록 한 무선전력전송 급집전 시스템의 급전장치 및 집전장치를 제공함을 목적으로 한다.
또한, 무선충전 차량 관점에서 무게 및 부피에 제한성이 더 높은 집전 구조에 페라이트 코어를 적게 사용하고, 지면에 기반하는 급전 구조에는 페라이트 코어를 많이 사용하는 비대칭적인 페라이트 코어 구조를 가질 수 있도록 한 무선전력전송 급집전 시스템의 급전장치 및 집전장치를 제공함을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 다중 코일 구조를 갖는 무선전력전송 급집전 시스템의 급전장치의 일 측면에 따르면, 소정의 길이를 갖는 바 형상으로 양측 종단부가 집전장치의 'ㄷ'자 형상을 갖는 다수개의 집전 코어 방향으로 접힌 'ㄷ'자 형상을 갖는 다수개의 급전 코어; 및 상기 다수개의 급전 코어의 상부 내측에 2개의 사각 코일이 이웃하여 배치되는 급전 코일을 포함한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 다중 코일 구조를 갖는 무선전력전송 급집전 시스템의 집전장치의 일 측면에 따르면, 소정의 길이를 갖는 바 형상으로 양측 종단부가 급전장치의 'ㄷ'자 형상을 갖는 다수개의 급전 코어 방향으로 접힌 'ㄷ'자 형상을 갖는 다수개의 집전 코어; 상기 다수개의 집전 코어의 하부 내측에 2개의 사각 코일이 이웃하여 배치되는 집전 코일; 및 상기 다수개의 집전 코어와 상기 집전 코일의 사이에 배치되어 상기 급전장치와의 좌우 편차 발생시 전력전송 성능의 저하를 방지하는 구상 코일을 포함한다.
본 발명에 의하면, 무선전력전송 시스템에서 기존의 더블디 구상 코일(Double D Quadrature coil) 구조에서 페라이트 코어의 형상을 이용하여 좌우편차 성능을 유지하면서 전자기장(EMF) 성능 또한 우수한 무선전력전송 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 무선전력전송 급집전 시스템 구조를 나타내는 도면.
도 2는 도 1에서 무선전력전송 급집전 시스템 구조의 측면도.
도 3은 도 1의 무선전력전송 급집전 시스템 구조에서 좌우편차가 발생된 경우의 일예를 나타내는 도면.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 무선전력전송 급집전 시스템의 구조를 나타내는 도면.
도 5는 도 4에서 무선전력전송 급집전 시스템 구조의 측면도.
도 6은 도 1과 도 4의 무선전력전송 급집전 시스템 구조에서 자기장 분포의 모의실험 비교 결과를 나타내는 도면.
도 7은 도 4의 무선전력전송 급집전 시스템의 구조에 수직 코어 바가 형성된 경우를 나타내는 도면.
도 8은 도 7에서 수직 코어 바가 형성된 무선전력전송 급집전 시스템 구조의 측면도.
도 9는 도 1, 도 4, 도 7 각각의 무선전력전송 급집전 시스템 구조에서 좌우편차 모의실험 비교 결과를 나타내는 도면.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 무선전력전송 급집전 시스템의 구조를 나타내는 도면이고, 도 5는 도 4에서 무선전력전송 급집전 시스템 구조의 측면도이며, 도 6은 도 1과 도 4의 무선전력전송 급집전 시스템 구조에서 자기장 분포의 모의실험 비교 결과를 나타내는 도면이고, 도 7은 도 4의 무선전력전송 급집전 시스템의 구조에 수직 코어 바가 형성된 경우를 나타내는 도면이며, 도 8은 도 7에서 수직 코어 바가 형성된 무선전력전송 급집전 시스템 구조의 측면도이고, 도 9는 도 1, 도 4, 도 7 각각의 무선전력전송 급집전 시스템 구조에서 좌우편차 모의실험 비교 결과를 나타내는 도면이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 무선전력전송 급집전 시스템 구조는 크게 도로의 길이 방향으로 연장되는 급전장치(10)와, 전기자동차의 하부에 장착되어 급전장치(10)에서 무선으로 전력을 공급받는 집전장치(20)를 포함한다.
급전장치(10)는 소정의 길이를 갖는 바 형상으로 양측 종단부가 집전장치(20)의 'ㄷ'자 형상을 갖는 다수개의 집전 코어(21) 방향으로 접힌 'ㄷ'자 형상을 갖는 다수개의 급전 코어(11)와, 'ㄷ'자 형상을 갖는 다수개의 급전 코어(11)의 상부 내측에 2개의 사각 코일이 이웃하여 배치되는 급전 코일(12)을 포함한다.
집전장치(20)는 소정의 길이를 갖는 바 형상으로 양측 종단부가 급전장치(10)의 'ㄷ'자 형상을 갖는 다수개의 급전 코어(11) 방향으로 접힌 'ㄷ'자 형상을 갖는 다수개의 집전 코어(21)와, 'ㄷ'자 형상을 갖는 다수개의 집전 코어(21)의 하부 내측에 2개의 사각 코일이 이웃하여 배치되는 집전 코일(22)과, 'ㄷ'자 형상을 갖는 다수개의 집전 코어(21)와 집전 코일(22)의 사이에 배치되어 좌우로 이동되어 급전장치(10)와의 좌우 편차 발생시 전력전송 성능의 저하를 방지하는 구상 코일(23)을 포함한다.
이와 같은 구조를 갖는 본 발명의 무선전력전송 급집전 시스템 구조에서는, 'ㄷ'자 형상을 갖는 다수개의 급전 코어(11)의 양측 종단부는 'ㄷ'자 형상을 갖는 다수개의 집전 코어(21)의 양측 종단부와 대향되는 위치에서 자기장을 집중적으로 전달하고, 'ㄷ'자 형상을 갖는 다수개의 집전 코어(21)의 양측 종단부는 'ㄷ'자 형상을 갖는 다수개의 급전 코어(11)의 양측 종단부와 대향되는 위치에서 자기장을 집중적으로 집속하게 됨으로써 자기장의 집속도가 급전장치(10)와 집전장치(20) 상호간에 더욱 집중될 수 있게 된다.
또한, 이와 같은 구조를 갖는 본 발명의 무선전력전송 급집전 시스템 구조와 도 1에서의 종래 무선전력전송 급집전 시스템 구조에서의 자기장 분포 모의실험 결과는 도 6에 나타난 바와 같이 종래의 무선전력전송 급집전 시스템 구조(A)에서의 자기장 분포와 비교해 볼 때, 본 발명의 무선전력전송 급집전 시스템 구조(B)에서는 급집전 시스템의 인접한 외곽에서 발생되는 자기장의 세기가 미약해진 것을 확인할 수 있다. 이것은 무선전력전송 기술에서 중요한 성능 중 하나인 전자기장(EMF : Electromagnetic Field)의 수치를 낮출 수 있기 때문에 전자파에 대한 인체 유해성 및 전파 간섭 측면에서 장점이 될 수 있다.
하기에서는 도 4에서 설명한 본 발명의 무선전력전송 급집전 시스템 구조에 수직 코어 바가 추가로 형성된 경우의 무선전력전송 급집전 시스템 구조에 대하여 첨부된 도 7 및 도 8을 참조하여 설명하기로 한다. 도 4의 무선전력전송 급집전 시스템 구조와 동일한 부분에 대해서는 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 7 및 도 8에 나타난 바와 같이, 도 4의 무선전력전송 급집전 시스템 구조에서, 급전 코일(12)을 구성하는 2개의 사각 코일이 이웃한 부분의 내측으로 'ㄷ'자 형상을 갖는 다수개의 급전 코어(11) 각각의 내측 중앙부에 'ㄷ'자 형상을 갖는 다수개의 급전 코어(11)의 양측 종단부의 높이와 동일한 높이를 갖는 수직 코어 바(13)가 추가로 형성된다.
즉, 이와 같이 수직 코어 바(13)가 추가로 형성된 무선전력전송 급집전 시스템 구조는 도 4의 무선전력전송 급집전 시스템 구조와 비교해 보면, 도 4의 구조에서 가지고 있는 장점을 그대로 유지하고 무선전력전송 성능을 개선시킨 것으로 급전장치(10)와 집전장치(20) 사이의 자기장 집속도가 더욱 높아지게 된다.
또한, 도 4의 무선전력전송 급집전 시스템 구조에 추가로 형성된 수직 코어 바(13)는 시스템의 무게를 증가시킬 수 있으나, 무게의 영향을 많이 받는 차량에 장착되는 집전장치(20)에는 수직 코어 바를 추가하지 않는 비대칭 구조로써 성능 개선을 구현하였다.
하기에서는 도 1, 도 4, 도 7 각각의 무선전력전송 급집전 시스템 구조에서의 좌우편차 모의실험 비교 결과에 대하여 첨부된 도 9를 참조하여 설명하기로 한다.
도 9에 나타난 바와 같이, 가로축은 좌우편차(Deviation)를 나타내고 세로축은 유도전압(Induced Voltage)을 나타낸다. 그리고, Previous type, Type 1, Type 2는 각각 도 1, 도 4, 도 7의 무선전력전송 급집전 시스템 구조에서 좌우 편차에 따른 무부하 유도 기전력의 변화를 나타낸 것으로 코어-코일 구조에서의 무선전력전송 성능만을 비교할 수 있다.
즉, 도 9에서 Type 2에 해당하는 도 7의 수직 코어 바가 추가로 형성된 무선전력전송 급집전 시스템 구조가 가장 높은 유도 기전력과 좌우편차 성능을 가지는 것으로 나타나고, 우수한 무선전력전송 성능을 보이고 있음을 알 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
10 : 급전장치 11 : 급전 코어
12 : 급전 코일 20 : 집전장치
21 : 집전 코어 22 : 집전 코일
23 : 구상 코일

Claims (5)

  1. 소정의 길이를 갖는 바 형상으로 양측 종단부가 도로의 길이 방향으로 연장되는 급전장치 방향으로 접힌 'ㄷ'자 형상을 갖는 다수개의 집전 코어와, 상기 다수개의 집전 코어의 하부 내측에 2개의 사각 코일이 이웃하여 배치되는 집전 코일과, 상기 다수개의 집전 코어와 상기 집전 코일의 사이에 배치되어 상기 급전장치와의 좌우 편차 발생시 전력전송 성능의 저하를 방지하는 구상 코일로 구성되는 집전장치를 포함하는 무선전력전송 급집전 시스템의 급전장치로서,
    소정의 길이를 갖는 바 형상으로 양측 종단부가 상기 집전장치의 'ㄷ'자 형상을 갖는 다수개의 집전 코어 방향으로 접힌 'ㄷ'자 형상을 갖는 다수개의 급전 코어; 및
    상기 다수개의 급전 코어의 상부 내측에 2개의 사각 코일이 이웃하여 배치되는 급전 코일을 포함하는 무선전력전송 급집전 시스템의 급전장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 'ㄷ'자 형상을 갖는 다수개의 급전 코어의 양측 종단부는 상기 'ㄷ'자 형상을 갖는 다수개의 집전 코어의 양측 종단부와 대향되는 위치에서 자기장을 집중적으로 전달하는
    것을 특징으로 하는 무선전력전송 급집전 시스템의 급전장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 급전 코일을 구성하는 2개의 사각 코일이 이웃한 부분의 내측으로 상기 'ㄷ'자 형상을 갖는 다수개의 급전 코어 각각의 내측 중앙부에 상기 'ㄷ'자 형상을 갖는 다수개의 급전 코어의 양측 종단부의 높이와 동일한 높이를 갖는 수직 코어 바가 형성된
    것을 특징으로 하는 무선전력전송 급집전 시스템의 급전장치.
  4. 소정의 길이를 갖는 바 형상으로 양측 종단부가 전기자동차의 하부에 장착되는 집전장치 방향으로 접힌 'ㄷ'자 형상을 갖는 다수개의 급전 코어와, 상기 다수개의 급전 코어의 상부 내측에 2개의 사각 코일이 이웃하여 배치되는 급전 코일로 구성되는 급전장치를 포함하는 무선전력전송 급집전 시스템의 집전장치로서,
    소정의 길이를 갖는 바 형상으로 양측 종단부가 상기 급전장치의 'ㄷ'자 형상을 갖는 다수개의 급전 코어 방향으로 접힌 'ㄷ'자 형상을 갖는 다수개의 집전 코어;
    상기 다수개의 집전 코어의 하부 내측에 2개의 사각 코일이 이웃하여 배치되는 집전 코일; 및
    상기 다수개의 집전 코어와 상기 집전 코일의 사이에 배치되어 상기 급전장치와의 좌우 편차 발생시 전력전송 성능의 저하를 방지하는 구상 코일을 포함하는 무선전력전송 급집전 시스템의 집전장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 'ㄷ'자 형상을 갖는 다수개의 집전 코어의 양측 종단부는 상기 'ㄷ'자 형상을 갖는 다수개의 급전 코어의 양측 종단부와 대향되는 위치에서 자기장을 집중적으로 집속하는
    것을 특징으로 하는 무선전력전송 급집전 시스템의 집전장치.
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