KR100573411B1 - 전기 차량의 전원급전용 비접촉 집전 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전력을 동력원으로 하는 전기 차량(전기 자동차)에 있어서 차량 외부로부터 전력을 선택적으로 공급받아 동작 가능하도록 하는 전원급전용 비접촉 집전 시스템에 관한 것이다.

본 발명에서는 차량이 주행하는 도로상에 전력송전선을 설치하고, 차량에 전력 집전장치를 설치하여 전자기 유도작용에 의해 비접촉방식의 차량전력공급이 가능하도록 하도록 하는 비접촉 급전시스템을 제공하고자 하는 것으로, 주행중 차량으로의 집전과 차량 내부 배터리 충전을 위한 전력집전이 가능하도록 하는 종래의 접촉방식의 장점은 살리면서, 종래의 접촉방식의 한계였던 기계적 마찰에 의한 마모, 소음 발생현상을 해소하고, 차량에의 집전 손실로 작용할 수 있는 아크, 공기마찰 등의 전기적, 환경적 손실, 피해성분을 제거하여 보다 효율적인 전기차량 급전용 집전 방식을 제공하고자 하는 것이다.

전기 차량의 급전, 집전장치, 전원급전, 비접촉집전

Description

전기 차량의 전원급전용 비접촉 집전 시스템{Non contact collection power system for power supply of electric car}

도 1은 본 발명 전기 차량의 전원급전용 비접촉 집전 시스템을 나타낸 사시도.

도 2는 본 발명에 있어서, 전원급전용 집전 시스템을 정면에서 나타낸 도면.

본 발명은 전력을 동력원으로 하는 전기 차량(전기 자동차)에 있어서 차량 외부로부터 전력을 선택적으로 공급받아 동작 가능하도록 하는 전원급전용 비접촉 집전 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 전기차량은 전기를 전력공급원으로 하여 운행하는 차량을 의미하며, 전기 자동차와 전동차로 구분할 수 있다.

전동차는 고전압, 전류가 흐르고 있는 가선에 판도그라프를 접촉시켜 전동차량에 전기에너지를 공급받아 운행하며, 전기 자동차는 차량 자체에 전력공급원으로 충전이 가능한 배터리를 탑재하고, 탑재된 배터리에서 공급되는 전력을 이용하여 운행하게 된다.

전동차의 경우 가선에 의해 정해진 궤도를 따라 이동하게 되므로, 대중 교통수단으로 한정해서 사용될 수 밖에 없으며, 주어진 선로 내에서만 운행이 가능하게 되므로, 운전자가 원하는 국부적인 장소까지의 이동이 불가능하다.

이와 달리 전기자동차는 운전자가 원하는 위치까지 자유로이 이동할 수 있어 개인교통수단으로 적절하나, 일반 가솔린 자동차와는 달리 축전지라 하여, 배터리에 의해 전력을 공급하게 되므로 일반 가솔린 자동차에 비해 저속 운행되며, 충전시간이 오래 걸리며, 또한 한번 충전에 의해 주행하는 거리가 제한적이다.

근래에 들어서는 환경 공해의 주범인 자동차의 배기가스에 대한 문제점이 재조명되면서 각 자동차 메이커에서는 상기한 바와 같은 전기 자동차의 단점을 개선한 전기 자동차의 다양한 모델을 개발하고 있으며, 상용화에 이르고 있다.

전기 자동차에 있어 앞서와 같이 고속주행 및 1회 충전 주행거리의 확보는 매우 중요하며, 이 같은 능력은 리튬 배터리나 모터용 마그넷, 신형 인버터용 트랜지스터 같은 신형 부품과 넓은 공간을 확보해주는 프레임 장착 등의 시스템 기술 개발에 힘입어 가능해진다.

그렇다고 하더라도 일반적인 사양을 고려할 때 일반 가솔린 자동차에 비해 토크(torque)가 떨어질 뿐만 아니라, 고속주행에 따른 배터리의 전력소모에 의한 주행거리 단축을 고려하지 않을 수 없다.

본 발명에서는 차량이 주행하는 도로상에 전력송전선을 설치하고, 차량에 전력 집전장치를 설치하여 전자기 유도작용에 의해 비접촉방식의 차량전력공급이 가 능하도록 하도록 하는 비접촉 급전시스템을 제공하고자 하는 것으로, 주행중 차량으로의 집전과 차량 내부 배터리 충전을 위한 전력집전이 가능하도록 하는 종래의 접촉방식의 장점은 살리면서, 종래의 접촉방식의 한계였던 기계적 마찰에 의한 마모, 소음 발생현상을 해소하고, 차량에의 집전 손실로 작용할 수 있는 아크, 공기마찰 등의 전기적, 환경적 손실, 피해성분을 제거하여 보다 효율적인 전기차량 급전용 집전방식을 제공하고자 한 것이다.

본 발명은, 차량이 주행하는 궤도 또는 도로의 하부에 설치(매설)되어 전원이 인가되는 전력송전선부와, 전력송전선부와 소정의 거리를 두고 차량의 저면단에 설치되는 집전장치부로 구성하고, 1차측인 전력송전선부와 2차측인 집전장치부의 자기적 에너지 경로에 공극을 두어 1,2차측을 분리하여, 2차측의 집전장치부의 철심과 코일부가 1차측의 전력송선전부의 코일과 일정 간격의 공극을 유지하면서 차량 운행중에 집전이 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 특징을 갖는 본 발명을 첨부된 도면 도 1 내지 도 2에 도시된 실시예를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

차량이 주행하는 도로에 매설되며 전원이 인가되는 전력송전선부(10)와, 차량에 설치되는 집전장치부(20)로 구성된다.

상기 전력송전선부(10)는 직선도체형식의 코일(12)과, 코일(12)의 상면으로 누설되는 자속량을 줄이기 위한 자로폐쇄형 비자성체(11)로 구성된다.

상기 집전장치부(20)는 상기 전력송전선부(10)의 코일(12)과 마주보는 철심(21)과, 철심(21)에 권선된 코일(22)로 구성된다.

상기 집전장치부(20)의 철심(21)은 전력송전선부(10)의 코일(12)이 위치에 대응하는 중앙부에 코일(22)의 설치부를 갖는 사다리꼴의 반개폐형의 관형상으로 이루어지며, 그 단면부(C)가 전력송전부(10)의 코일(12)에서 발생된 자속이 이동하도록 하는 자기에너지 경로를 형성한다.

상기 철심(21)에 권선된 코일(22)은 권선시 철심(21)으로부터 소정의 간격만큼 이격될 수 있도록 비자성체(23)를 설치하도록 한다.

이와 같은 본 발명은,

차량 주행시에 도로에 매설된 전력송전선부(10)와 집전장치부(20)는 일정하게 유지되는 공극을 형성한 상태에서 코일(12)과 철심(21)이 구성된다.

상기 철심(21)은 전력송전선부(10)의 코일(12)의 상단에 코일(12)의 매설된 방향으로 단면(C)을 갖도록 사다리꼴의 반개폐형의 관형상을 갖도록 구성되어, 코일(12)에서 발생된 자속이 이동하도록 자기에너지 경로를 형성한다.

이때 전력송전선부(10)의 코일(12)에 의한 자속의 분포를 고려하여 집전장치부(20)에서의 철심(21)의 형상을 설계할 수 있으며, 이를 고려하면 다양한 형상의 철심(21)을 적용할 수 있다.

전력송전선부(10)가 설치되는 위치 즉, 도로에 매설되는 점을 감안하여 직선도체형식의 코일(12)이 매립되며, 1차측 전력송전선부(10)에는 철심을 구성하지 않는다.

이는 철심을 도로하단에 연속적으로 설치하였을 경우 철심에 의한 철손, 동 손의 양이 상당하므로 이를 설치하지 않고, 효율을 증가시키기 위하여 전력송전선부(10)의 자로형성은 공심형으로 한다.

이때 코일(12)의 상면이 트여져 있는 상태이므로, 코일(12)의 상면으로 자로폐쇄형 비자성체(11)를 설치하여 누설 자속량을 줄여준다.

또한 상기 집전장치부(20)의 철심(21)에는 코일(22)을 도 1 및 도 2에서와 같이, 중앙부에 권선하게 되며, 권선시 비자성체(23)를 함께 권선하여 코일(22)을 철심(21)으로부터 소정의 간격을 두고, 코일(22)의 권선이 이루어질 수 있도록 한다.

이와 같은 구성에 따라 전원이 공급되는 전력송전선부(10)가 1차측으로 작용하여 전력송전선부(10)의 코일(12)에 흐르는 전류에 따라 발생된 자속이 2차측인 집전장치(20)에 유기되어 집전장치(20)내에서 교류기전력이 발생하게 되는 바,

여기서 본 발명에서 제시한 집전 장치는 다음과 같은 일반 변압기의 유기기전력식을 따른다.

단 위에서 사용된 기전력의 경우 1, 2차 철심의 분리가 없다고 보고, 그래서 자속의 누설분이 미미하다고 가정하였을 때에 적용되는 변압기 기전력 공식이다.

본 발명 시스템에서는 비접촉 급전방식이므로, 차량과 도로사이에 유지되어야 하는 공극이 존재하며, 이와 같은 공극은 차량의 이동을 방해하지 않는 범위에 서 충분하게 확보되어야 하고, 그 때문에 자연히 공극의 길이가 커질 수 밖에 없다.

따라서 집전장치부(20)와 전력송전선부(10) 사이의 공극에 의해 발생하는 자속의 누설분이 발생하게 된다.

이때, 발생하는 2차측인 집전 장치부(20)와 1차측인 전력송전선부(10) 사이의 자기적 누설성분은 1, 2차 측 전력전달효율을 결정짓는 중요한 요소로서 작용하므로 이러한 자속의 누설성분을 충분하게 고려하지 않은 일반 변압기의 계산방식의 경우, 이 수식의 적용으로 인하여 나타나는 계산, 설계의 오차가 무시할 수 없을 만큼 큰 값을 가지게 되므로, 누설 인덕턴스의 크기를 정확하게 계산할 필요가 있다.

누설성분, 다시 말해 변압기의 누설 인덕턴스를 정확히 구하기 위해서는 유한요소법을 이용한 자속의 분포정도를 계산한 후, 이를 이용하여 1, 2차 측의 자기적 결합정도를 나타내는 결합계수 q를 구함으로써, 누설 인덕턴스의 값을 정확하게 계산한다.

급전 장치의 동작에 중요 요소로서 작용하는 누설 인덕턴스를 포함한 등가회로를 완성하면 급전 장치 자체 특성의 분석, 설계가 가능하다.

이와 같은 본 발명 시스템의 동작과정을 설명하면 다음과 같다.

이와 같은 전체 본 발명 시스템은 변압기에서와 같이 1차측 전력송전선부(10)와 2차측 집전장치부(20)로 구분할 수 있다.

1차측 전력송전선부(10)에는 에너지를 공급하는 코일(전선)(12)과 2차측 집 전장치부(20)에는 공급받는 코일(22)이 구성되어 있는 바,

1차측 도로에 매설된 전력송전선부(10)는 일반 코일 권선방식을 따르지 않고 직선도체 형식으로 코일(12)이 매립되는 형태를 이룬다.

1차측 전력송전선(10)에 교류전력이 인가되면, Ampere의 주회적분 법칙

에 따라 이 교번전류가 흐르는 도선 주위에 자속을 발생시키게 된다.

따라서 발생된 자속은 전력송전선(10)의 코일(12)을 둘러싸고 2차측인 집전장치부(20)로 흐른다.

여기서 차량이 이동중에도 전력송전선(10)의 코일(12)과 집전장치부(20)의 철심(21)은 일정한 공극을 유지하게 되며 전원주파수가 차량운전속도에 비하여 상대적으로 높기 때문에 차량의 이동에 관계없이 2차측인 집전장치부(20)의 철심(21)을 투과하게 된다.

이때 Faraday 법칙

에 의하여, 2차측인 집전장치부(20)에는 1차측인 전력송전선부(10)에 인가된 교류주파수와 동일한 주파수를 가지는 교류기전력이 유기 된다.

이와 같이 전력송전선부(10)로부터 집전장치부(20)로 전력을 공급받으므로써 이동차량 전원의 공급 및 차량내 배터리 충전전력의 공급이 가능해진다.

이와 같은 본 발명 시스템을 적용하면, 일반 노면에의 집전 설비를 설치하는 것만으로 차량의 운행이 가능하기 때문에 궤도를 필요로하는 종전 철도시스템에서 뿐만 아니라 일반 도로 주행용 차량 시스템에 대해서도 적용이 가능하다.

또한 도로 또는 궤도내에 설치된 전력송전 시스템과 어떠한 물리적 접촉이 없이 완벽하게 분리되므로, 기계적인 마찰로 인한 손실없이 차량으로 전력을 공급하여 기후환경이나, 기계적인 요인으로 인한 집전 효율 저하 성분이 제거된다.

Claims (3)

1. 삭제
2. 삭제
3. 차량이 주행하는 궤도 또는 도로에 설치되어 전원이 인가되는 전력송전선부와,

   전력송전선부와 소정의 거리를 두고 차량의 저면에 설치되는 집전장치부로 구성되어 1차측인 전력송전선부와 2차측인 집전장치부의 자기적 에너지 경로에 일정한 공극을 유지하면서 차량 운행중에 집전이 이루어지는 전기 차량의 전원급전용 비접촉 집전 시스템에 있어서,

   상기 전력송전선부는 원통형 직선도체 형식의 코일이 설치되고, 코일의 상면으로는 누설되는 자속량을 줄이기 위해 자로폐쇄형 비자성체가 구성되며,

   상기 집전장치부는 상기 전력송전선부의 방향으로 자기에너지 경로를 제공 및 공유하는 사다리꼴의 반개폐형 관형상의 단면부로 이루어지는 철심이 설치되고, 철심에 소정의 간격을 두고 코일이 이격되게 권선될 수 있도록 구비된 비자성체가 구성된 것을 특징으로 전기 차량의 전원급전용 비접촉 집전 시스템.

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