KR101131595B1

KR101131595B1 - 온라인 전기자동차용 가변전력 송출 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR101131595B1
Application number: KR1020090134970A
Authority: KR
Inventors: 정규범; 조동호; 임춘택; 정구호
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2009-12-30
Filing date: 2009-12-30
Publication date: 2012-03-30
Also published as: WO2011081400A2; WO2011081400A3; KR20110078219A

Abstract

본 발명의 온라인 전기자동차용 가변전력 송출 시스템은 교류전원을 공급하는 전원공급부; 상기 전원공급부로부터 공급되는 교류전원을 직류로 변환하는 컨버터; 상기 컨버터로부터 변환된 직류를 교류전력으로 변환하여 전력수신 시스템으로 송출하는 인버터; 및 상기 전력수신 시스템에서의 전력 수신 유무를 판단하여 상기 인버터에서 상기 전력수신 시스템으로 송출되는 전력을 가변적으로 제어하는 전력송출 제어부를 포함한다. 본 발명에 의하면, 온라인 전기자동차의 비접촉 전력송출 시스템에서 2차측 전력 수신시스템에서의 전력수신 여부에 따라 1차측 인버터의 전력 송출을 가변적으로 제어하여 2차측 전력 수신시스템에서 전력수신이 없는 경우 인버터의 송출전력을 줄임으로써, 인버터에서 발생하는 전력손실을 획기적으로 줄일 수 있는 효과가 있다.

온라인 전기자동차, 비접촉 전력송신, 인버터 효율, 무부하 효율향상

Description

온라인 전기자동차용 가변전력 송출 시스템 및 방법{VARIABLE POWER TRANSMISSION SYSTEM AND METHOD FOR ONLINE ELECTRIC VEHICLE}

본 발명은 온라인 전기자동차용 가변전력 송출 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 온라인 전기자동차의 비접촉 전력송출 시스템에서 2차측 전력 수신시스템에서의 전력수신 여부에 따라 1차측 인버터의 전력 송출을 가변적으로 제어하는 온라인 전기자동차용 가변전력 송출 시스템 및 방법에 관한 것이다.

최근 친환경적인 운송수단으로 전기자동차에 관한 관심이 폭발적으로 증가하고 있다. 전기자동차는 내연기관을 이용한 운송수단과는 달리 환경오염물질의 직접적인 배출이 없을 뿐 아니라, 이산화탄소 배출량, 소음, 진동을 크게 줄일 수 있는 장점을 가지고 있다. 동시에 전기자동차 구동의 원동력이 되는 전지가 중량, 크기, 비용 측면에서 큰 비중을 차지할 수밖에 없고 이를 주기적으로 충전해야 한다는 단점을 가지고 있다. 하지만, 온라인 전기자동차(On-Line Electric Vehicle, OLEV)는 급전도로 위를 주행하면서 전지를 충전하는 방식이므로 이러한 단점을 극복할 수 있다. 급전도로 위에 존재하는 유도 코일에서 자기장이 발생하고, 이를 이용해 주행 중이거나 정차 중인 온라인 전기자동차의 자체 전지를 충전함으로써 전기자동차에 장착되는 전지의 용량을 크게 줄이고, 별도의 충전시간 없이 장거리 전지 주행을 가능하게 한다. 즉, 온라인 전자동차와 같은 비접촉 전력송신은 일반적으로 공진형 인버터를 이용하여 1차측 공진전류

나 전압

을 일정하게 송출하여 2차측에 전달하게 된다. 이러한 기존의 온라인 전기자동차의 비접촉 전력송신 기술은 2차측 수신시스템의 수신 여부와 관계없이 인버터가 일정한 전압이나 전력을 송출하여 2차측 수신시스템에서 수신을 원하는 경우 언제든지 수신할 수 있다. 이 경우 2차측 수신시스템에서 수신이 없어도 인버터는 일정한 전류 혹은 전압을 발생해 주어야 하므로 인버터의 무효전력 발생으로 인한 손실이 크다는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 온라인 전기자동차의 비접촉 전력송출 시스템에서 2차측 전력 수신시스템에서의 전력수신 여부에 따라 1차측 인버터의 전력 송출을 가변적으로 제어함으로써, 인버터 효율 및 무부하 효율을 향상시킬 수 있도록 한 온라인 전기자동차용 가변전력 송출 시스템 및 방법을 제공함을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 온라인 전기자동차용 가변전력 송출 시스템의 일 측면에 따르면, 교류전원을 공급하는 전원공급부; 상기 전원공급부로부터 공급되는 교류전원을 직류로 변환하는 컨버터; 상기 컨버터로부터 변환된 직류를 교류전력으로 변환하여 전력수신 시스템으로 송출하는 인버터; 및 상기 전력수신 시스템에서의 전력 수신 유무를 판단하여 상기 인버터에서 상기 전력수신 시스템으로 송출되는 전력을 가변적으로 제어하는 전력송출 제어부를 포함한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 온라인 전기자동차용 가변전력 송출 방법의 일 측면에 따르면, (a) 전력수신 시스템으로 전력을 송신하는 인버터의 전력량을 측정하는 단계; (b) 상기 단계(a)에서 측정된 인버터의 전력량에 따라 상기 전력수신 시스템에서의 전력 수신 여부를 판단하는 단계; 및 (c) 상기 단 계(b)에서 상기 전력수신 시스템에서의 전력 수신 여부에 따라 상기 인버터에서 상기 전력수신 시스템으로 송출되는 전력을 가변적으로 제어하는 단계를 포함한다.

본 발명에 의하면, 온라인 전기자동차의 비접촉 전력송출 시스템에서 2차측 전력 수신시스템에서의 전력수신 여부에 따라 1차측 인버터의 전력 송출을 가변적으로 제어하여 2차측 전력 수신시스템에서 전력수신이 없는 경우 인버터의 송출전력을 줄임으로써, 인버터에서 발생하는 전력손실을 획기적으로 줄일 수 있는 효과가 있다.

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 1은 일반적인 비접촉 전력 송수신 시스템을 나타내는 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 일반적인 비접촉 전력 송수신 시스템은 입력 전원(삼상 혹은 단상)을 수신하여 AC/DC 변환기(10)를 통해 직류전원으로 변환된 후, 공진형 인버터(30)에 의해 사인파의 전류 혹은 전압이 1차측에서 코일을 통하여 발생되어 2차측으로 송출되며, 2차측에서는 코일을 통하여 자장에너지를 수신한다. 이때 1차측에서 송출되는 전류 혹은 전압은 2차측 수신시스템(50)에서 항상 수신이 가능하도록 일정한 전압 혹은 전류를 송출한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 온라인 전기자동차용 가변전력 송출 시스템을 나타내는 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 입력 전원(삼상 혹은 단상)을 수신하여 AC/DC 변환기(70)를 통하여 직류전원으로 변환된 후, 공진형 인버터(90)에 의해 사인파의 전류 혹은 전압이 1차측에서 코일을 통하여 발생되어 2차측으로 송출되며, 2차측 수신시스템(110)에서는 코일을 통하여 자장에너지를 수신한다. 이러한 시스템에서 전력송출 제어부(미도시됨)에 의해 2차측의 전력 수신 여부에 따라 1차측의 송출 전압이나 전류가 가변된다. 즉, 전력송출 제어부는 2차측에서의 전력수신 여부에 따라 2차측에서 전력수신이 없으면 1차측의 송출 전압이나 전류를 줄이고, 2차측에서 전력수신이 있으면 1차측의 전압이나 전류를 정상적으로 송출한다. 2차측의 전력 수신여부는 인버터의 전류와 전압을 센싱하여 전력을 계산하여 판단한다. 이에 대해 구체적으로 설명하면, 비접촉 전력송신의 경우 2차측에서 전력이 수신되면 1차측 전력송신기인 인버터의 전력량이 증가되므로 인버터의 평균전력 증가를 측정하여 결정하며, 이는 인버터의 입력전류

의 평균값이나

의 저역필터 통과값으로 결정한다. 즉 인버터의 공급전류의 평균값이나 인버터 필터 전단의 전류로 2차측의 전력수신여부를 판단한다. 전압원 인버터의 경우는 인버터 전압이 일정한 경우 인버터의 입력전류

의 평균값이나

의 저역필터 통과 값으로 결정한다. 인버터의 전력량 감지는 1차측의 전력송신부가 인버터인 경우 인버터로 입력되는 전류의

와 입력전압

의 곱으로 표시된다. 입력전압

가 일정한 경우에는 전류

의 증감으로 2차측의 전력수신 여부를 판단한다. 인버터의 스위칭 주기 내에는 전류

의 변동량이 매우 크므로 실제 전력의 증가유무는 평균전력 증가를 측정하며 전류

의 평균값이나 저역필터를 통과한 값으로 계산한다.

도 3은 2차측 전력 수신시스템이 있는 경우의 비접촉 전력 송수신 시스템을 나타내는 도면이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 2차측 수신시스템(110)이 있는 경우, 삼상 혹은 단상의 교류전원이 AC/DC 변환기(70)를 통하여 직류전원으로 변환된 후, 인버터(90)를 통하여 1차측의 전압 혹은 전류가 2차측 수신시스템(110)으로 송출된다.

도 4는 도 3에서 인버터 시스템의 송출 전류를 나타내는 도면이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 2차측 수신시스템이 있으면 1차측에서 2차측으로 송출되는 전압 혹은 전류는 2차측에서 수신할 수 있도록 인버터에서 발생되는 전력량이 조절되어 인버터의 전류 혹은 전압이 일정한 값으로 송출된다. 이 경우 2차측에서 수신이 없어도 인버터에는 일정한 전류 혹은 전압을 발생해 주어야 하므로 인버터의 무효전력 발생으로 인한 손실이 크게 존재할 수 있다.

도 5는 2차측 전력 수신시스템이 없는 경우의 비접촉 전력 송수신 시스템을 나타내는 도면이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 2차측 수신시스템이 없는 경우, 삼상 혹은 단상의 교류전원이 AC/DC 변환기(70)를 통하여 직류전원으로 변환된 후 인버터(90)를 통하여 1차측의 전압 혹은 전류가 2차측으로 송출된다. 여기서, 2차측 전력 수신시스템이 없는 경우이므로 2차측의 전력 수신이 없으므로 1차측에서 송출되는 전류나 전압을 대폭 줄여 인버터(90)에 흐르는 전류가 감소되어 인버터(90)의 전력 손실을 대폭 줄일 수 있다.

도 6은 도 5에서 인버터 시스템의 송출 전류를 나타내는 도면이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 2차측 수신시스템이 없으면 1차측에서 2차측으로 송출되는 전압 혹은 전류를

만큼 줄여준다. 즉, 2차측에서 수신이 없으면, 인버터의 전류 혹은 전압이 감소되어 인버터의 무효전력 발생으로 인한 손실을 크게 줄일 수 있다.

도 7은 2차측 전력 수신시스템의 유무에 따른 인버터 공진전압 혹은 공진전류제어를 나타내는 도면이다.

도 7에 도시된 바와 같이, 2차측 전력 수신시스템의 유무에 따라 1차측에서 송출되는 전압 혹은 전류가 제어된다. 즉, 수신측이 없는 경우에는 1차측에서 2차측으로 송출되는 전압 혹은 전류를

(k는 1보다 작은 값임)만큼 줄이고, 2차측에 수신측이 있는 경우에는 1차측에서 2차측으로 송출되는 전압 혹은 전류가 정상적인 값으로 송출된다.

도 8은 인버터의 소모 평균전력 측정에 따른 인버터 공급전압전류 제어를 나타내는 도면이다.

도 8에 도시된 바와 같이, 인버터 입력 평균파워 측정에 따른 인버터의 1차측 송출 전압 혹은 전류 제어에 있어서, 인버터 전력의 평균값이 일정 전력 이상이 되면 2차측이 수신된 것이므로 송출전압 혹은 전류를 높이고, 평균 소모 전력이 일정 이하이면 송출전압 혹은 전류를 줄인다. 즉, 인버터의 입력전력은 2차측에서 수신이 없을 경우에는 인버터의 손실만 존재하고, 2차측에서 수신전력이 있으면 인버터에 공급되는 입력전력이 증가하게 된다. 따라서 인버터에 입력되는 전력을 측정하여 무접점 전력송신시 2차측에서의 전력 수신여부를 알 수 있다. 즉, 인버터 입력전력의 평균값이 일정 전력 이상이 되면 2차측에서 전력을 수신하는 것이므로 송 출전압 혹은 전류를 높여 필요한 전력을 송신하고, 인버터의 입력 전력의 평균이 일정량 이하이면 송출전압 혹은 전류를 줄여 적은 전력만 송신한다. 따라서 인버터가 2차측에서 수신하지 않는 경우 인버터의 손실을 최소화할 수 있도록 제어한다.

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.

도 1은 일반적인 비접촉 전력 송수신 시스템을 나타내는 도면.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 온라인 전기자동차용 가변전력 송출 시스템을 나타내는 도면.

도 3은 2차측 전력 수신시스템이 있는 경우의 비접촉 전력 송수신 시스템을 나타내는 도면.

도 4는 도 3에서 인버터 시스템의 송출 전류를 나타내는 도면.

도 5는 2차측 전력 수신시스템이 없는 경우의 비접촉 전력 송수신 시스템을 나타내는 도면.

도 6은 도 5에서 인버터 시스템의 송출 전류를 나타내는 도면.

도 7은 2차측 전력 수신시스템의 유무에 따른 인버터 공진전압 혹은 공진전류제어를 나타내는 도면.

도 8은 인버터의 소모 평균전력 측정에 따른 인버터 공급전압전류 제어를 나타내는 도면.

Claims

온라인 전기자동차용 가변전력 송출 시스템으로서,

교류전원을 공급하는 전원공급부;

상기 전원공급부로부터 공급되는 교류전원을 직류로 변환하는 컨버터;

상기 컨버터로부터 변환된 직류를 교류전력으로 변환하여 전력수신 시스템으로 송출하는 인버터; 및

상기 인버터에 입력되는 전력량을 측정하여 상기 전력수신 시스템에서의 전력 수신 유무를 판단하여 상기 인버터에서 상기 전력수신 시스템으로 송출되는 전력을 가변적으로 제어하는 전력송출 제어부를 포함하는 온라인 전기자동차용 가변전력 송출 시스템.
삭제
청구항 1에 있어서,

상기 전력송출 제어부는 상기 인버터에 입력되는 전력량의 평균값이 기준값 이상이면 상기 전력수신 시스템에서 전력을 수신하는 것으로 판단하여 상기 인버터의 송출전력을 일정하게 유지하고, 상기 인버터에 입력되는 전력량의 평균값이 기준값 미만이면 상기 전력수신 시스템에서 전력을 수신하지 않는 것으로 판단하여 상기 인버터의 송출전력을 줄이는

것을 특징으로 하는 온라인 전기자동차용 가변전력 송출 시스템.
삭제
청구항 1에 있어서,

상기 인버터에 입력되는 입력전압이 일정한 경우 상기 인버터의 입력전류의 증감 유무에 따라 상기 전력수신 시스템에서의 전력 수신 여부를 판단하는

것을 특징으로 하는 온라인 전기자동차용 가변전력 송출 시스템.
청구항 1에 있어서,

상기 인버터의 스위칭 주기내에는 평균전력을 측정하여 상기 인버터에 입력되는 전력량의 증가 유무를 판단하는

것을 특징으로 하는 온라인 전기자동차용 가변전력 송출 시스템.
청구항 6에 있어서,

상기 평균전력은 상기 인버터의 입력전류의 평균값이나 저역필터를 통과한 값으로 계산되는

것을 특징으로 하는 온라인 전기자동차용 가변전력 시스템.
온라인 전기자동차용 가변전력 송출 방법으로서,

(a) 전력수신 시스템으로 전력을 송신하는 인버터로 입력되는 전력량을 측정하는 단계;

(b) 상기 단계(a)에서 측정된 인버터로 입력되는 전력량에 따라 상기 전력수신 시스템에서의 전력 수신 여부를 판단하는 단계; 및

(c) 상기 단계(b)에서 상기 전력수신 시스템에서의 전력 수신 여부에 따라 상기 인버터에서 상기 전력수신 시스템으로 송출되는 전력을 가변적으로 제어하는 단계를 포함하는 온라인 전기자동차용 가변전력 송출 방법.
청구항 8에 있어서,

상기 단계(c)는,

(c1) 상기 인버터로 입력되는 전력량의 평균값이 기준값 이상이면 상기 전력수신 시스템에서 전력을 수신하는 것으로 판단하여 상기 인버터의 송출전력을 일정하게 유지하는 단계;

(c2) 상기 인버터로 입력되는 전력량의 평균값이 기준값 미만이면 상기 전력수신 시스템에서 전력을 수신하지 않는 것으로 판단하여 상기 인버터의 송출전력을 줄이는 단계를 포함하는

것을 특징으로 하는 온라인 전기자동차용 가변전력 송출 방법.