KR101234126B1 - 공명형 비접촉 충전장치, 비접촉 송전장치 및 비접촉 수전장치 - Google Patents

공명형 비접촉 충전장치, 비접촉 송전장치 및 비접촉 수전장치 Download PDF

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Abstract

공명형 비접촉 충전장치는, 고주파 전원과, 1차측 공명 코일과, 2차측 공명 코일과, 충전기와, 이차전지와, 정지 제어부를 포함한다. 1차측 공명 코일은, 고주파 전원으로부터 고주파 전력의 공급을 받는다. 2차측 공명 코일은, 1차측 공명 코일과 이간하여 비접촉으로 배치된다. 2차측 공명 코일은, 1차측 공명 코일과 2차측 공명 코일의 자장 공명을 통하여 1차측 공명 코일로부터 전력을 수취한다. 충전기는, 2차측 공명 코일로부터 고주파 전력의 공급을 받는다. 이차전지는 충전기에 접속된다. 정지 제어부는, 충전의 정지시에 충전기보다 먼저 고주파 전원을 정지시킨다.

Description

공명형 비접촉 충전장치, 비접촉 송전장치 및 비접촉 수전장치{RESONANCE TYPE NONCONTACT CHARGING DEVICE, NONCONTACT POWER TRANSMISSION DEVICE AND NONCONTACT POWER RECEPTION DEVICE}
본 발명은, 공명형 비접촉 충전장치에 관한 것이다.
예를 들면, 특허문헌 1에는, 송전측의 1차측 공명 코일로부터 당해 1차측 공명 코일에 대하여 이간하여 배치된 수전측의 2차측 공명 코일에 대하여 무선으로 전력을 전송하는 공명 방식의 전력 전송 시스템이 개시되어 있다. 상세하게는, 이 전력 전송 시스템에서는, 고주파 전원으로부터의 교류 전압에 의해 1차측 공명 코일이 교류 전계를 발생시키면, 그 1차측 공명 코일의 주변에는 진동 자장이 발생하고, 그리고 공명 현상에 의해 1차측 공명 코일에서 2차측 공명 코일로 전력이 전달된다.
국제공개특허 WO/2007/008646호 공보
이 전력 전송 시스템을 공명형 비접촉 충전장치에 사용하는 경우, 송전측에 고주파 전원 및 1차측 공명 코일을 설치함과 함께 수전측에 2차측 공명 코일 및 충전기를 설치할 필요가 있다. 이 전력 전송 시스템은 고주파 전송방식이기 때문에, 고주파 전원보다 충전기를 먼저 정지하면, 1차측 공명 코일에서 2차측 공명 코일로 전송된 전력의 일부 또는 전부가 고주파 전원으로 반사되고, 그것에 의해 고주파 전원이 데미지를 받을 우려가 있다. 또, 고주파 전원보다 충전기를 먼저 정지시키면, 충전기로의 입력 전압(공명계의 출력 전압)이 급상승하여 충전기가 데미지를 받을 우려가 있다.
본 발명의 목적은, 충전의 정지시에 데미지를 받는 것을 방지할 수 있는 공명형 비접촉 충전장치를 제공하는 것에 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르는 공명형 비접촉 충전장치는, 고주파 전원과, 1차측 공명 코일과, 2차측 공명 코일과, 충전기와, 이차전지와, 정지 제어부를 포함한다. 상기 1차측 공명 코일은, 상기 고주파 전원으로부터 고주파 전력의 공급을 받는다. 상기 2차측 공명 코일은, 상기 1차측 공명 코일과 이간하여 비접촉으로 배치된다. 상기 2차측 공명 코일은, 상기 1차측 공명 코일과 2차측 공명 코일의 자장 공명을 통하여 1차측 공명 코일로부터 전력을 수취한다. 상기 충전기는, 상기 2차측 공명 코일로부터 고주파 전력의 공급을 받는다. 상기 이차전지는 상기 충전기에 접속된다. 상기 정지 제어부는, 충전의 정지시에 상기 충전기보다 먼저 상기 고주파 전원을 정지시킨다.
도 1은 본 발명의 실시형태와 관련된 공명형 비접촉 충전장치를 적용한 자동차의 개략 구성도,
도 2는 도 1의 공명형 비접촉 충전장치의 전기적 구성을 나타내는 회로 구성 도,
도 3은 도 1의 공명형 비접촉 충전장치의 작용을 설명하기 위한 타임 차트이다.
이하, 본 발명의 일 실시형태와 관련된 공명측 비접촉 충전장치를 도 1 내지 도 3에 따라 설명한다.
본 실시형태의 공명측 비접촉 충전장치는, 하이브리드차에 탑재된 배터리(이차전지)를 위한 충전 시스템, 즉, 차량 탑재 배터리를 충전하기 위한 충전장치에 적용되어 있다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 자동차(1)에 있어서, 차체의 전면부, 예를 들면 프론트 범퍼의 내부에는 2차측 공명 코일(21)이 장착되어 있다. 2차측 공명 코일(21)은 나선 형상으로 권회된 구리선으로 구성되어 있다. 2차측 공명 코일(21)은 당해 2차측 공명 코일(21)의 축선(나선의 중심축)이 차량의 상하방향과 일치하도록 프론트 범퍼의 내부에 배치되어 있다.
자동차(1)의 배터리(25)에 충전을 행하는 충전 스탠드에 있어서의 바닥에는 지상측 설비(10)가 매설되어 있다. 지상측 설비(10)는 1차측 공명 코일(11)을 가지고 있다. 1차측 공명 코일(11)은 나선 형상으로 권회된 구리선으로 구성되어 있다. 1차측 공명 코일(11)은 당해 1차측 공명 코일(11)의 축선(나선의 중심축)이 지상면에 대하여 직교하도록 배치되어 있다. 그리고, 자동차(1)의 배터리(25)가 충전 스탠드에 있어서 충전될 때에는, 1차측 공명 코일(11)의 축선(나선의 중심축)과 2차측 공명 코일(21)의 축선(나선의 중심축)이 일치 또는 접근하도록 자동차(1)가 충전 스탠드에 있어서 배치된다.
도 2는, 공명형 비접촉 충전장치의 전체 구성을 나타낸다. 지상측 설비(10)는, 1차측 공명 코일(11)과, 1차 코일(12)과, 고주파 전원(교류 전원)(13)과, 1차측 제어부로서의 전원측 컨트롤러(14)를 구비하고 있다. 차량에는 차량 탑재측 기기(20)가 탑재된다. 차량 탑재측 기기(20)는, 2차측 공명 코일(21)과, 2차 코일(22)과, 정류기(23)와, 충전기(24)와, 이차전지인 배터리(25)와, 2차측 제어부로서의 충전 ECU(26)와, 2차측 제어부로서의 차량측 컨트롤러(27)를 구비하고 있다.
고주파 전원(13)은, 예를 들면, 수MHz 정도의 고주파 전력을 출력한다. 고주파 전원(13)에는 1차 코일(12)이 접속되어 있다. 고주파 전원(13)이 1차 코일(12)에 고주파 전력을 공급하면, 1차측 공명 코일(11)이 1차 코일(12)에 전자유도작용을 통하여 결합되고, 그 결과 1차 코일(12)에서 1차측 공명 코일(11)로 전력이 전송된다. 이와 같이, 1차측 공명 코일(11)은 고주파 전원(13)으로부터 1차 코일(12) 을 통해 고주파 전력의 공급을 받는다. 즉, 고주파가 고주파 전원(13)으로부터 1차 코일(12)을 통해 1차측 공명 코일(11)에 공급된다. 1차측 공명 코일(11)에는 콘덴서(C)가 접속되어 있다.
고주파 전원(13)에는 전원측 컨트롤러(14)가 접속되어 있다. 전원측 컨트롤러(14)는, 고주파 전원(13)에 이 고주파 전원(13)을 온 또는 오프시키기 위한 전원 온/오프 신호를 보낸다. 전원측 컨트롤러(14)는 충전 개시/정지 신호를 입력한다.
이 충전 개시/정지 신호는 지상측에 있어서 사람에 의한 충전 개시/정지의 스위치 조작에 수반하는 신호이다.
2차측 공명 코일(21)은, 1차측 공명 코일(11)에 대하여 이간하여 비접촉으로 배치되어 있다. 2차측 공명 코일(21)은, 고주파 전력을 1차측 및 2차측 공명 코일(11, 21)의 자장공명을 통하여 1차측 공명 코일(11)로부터 수전한다. 2차 코일(22)은 2차측 공명 코일(21)에 전자유도작용을 통하여 결합되고, 그 결과 2차측 공명 코일(21)에서 2차 코일(22)로 전력이 전송된다. 2차 코일(22)에는 정류기(23)가 접속되어 있다. 정류기(23)는, 2차 코일(22)에서 수취한 전력을 정류한다. 2차측 공명 코일(21)에는 콘덴서(C)가 접속되어 있다.
정류기(23)에는 충전기(24)가 접속되어 있다. 충전기(24)는 정류기(23)로 정류된 전력을 승압 등 한다. 충전기(24)는 스위칭 소자를 구비하고 있고, 스위칭 소자를 온/오프 제어함으로써 충전기(24)로부터의 출력 전압 및 출력 전류가 조정된다. 충전기(24)에는 배터리(25)가 접속되고, 충전기(24)로부터의 출력 전력이 배터리(25)에 충전된다.
충전기(24)에는 충전 ECU(26)가 접속되어 있다. 배터리(25)의 충전시에는 충전 ECU(26)는 충전기(24)로부터의 출력 전류 및 출력 전압을 모니터하면서 충전기(24)의 스위칭 소자를 제어한다. 또, 충전 ECU(26)로부터 충전기(24)에 충전 온/오프 신호가 보내지고, 이 신호에 의해 충전기(24)가 온 및 오프된다. 또, 충전 ECU(26)는 배터리 전압(Vb)을 검지하고 있다. 충전 ECU(26)에는 차량측 컨트롤러(27)가 접속되어 있다. 충전 ECU(26)로부터 차량측 컨트롤러(27)에 충전 완료 신호가 보내진다. 차량측 컨트롤러(27)에는 이그니션 신호 및 충전 개시/정지 신호가 보내진다. 이그니션 신호는, 차량의 이그니션 스위치의 조작 신호이다. 또, 충전 개시/정지 신호는 탑승자에 의한 충전 개시/정지의 스위치 조작에 수반하는 신호이다.
지상측 설비(10)의 전원측 컨트롤러(14)와, 차량 탑재측 기기(20)의 차량측 컨트롤러(27)는 무선으로 서로 통신할 수 있게 되어 있다.
다음으로, 이와 같이 구성된 공명형 비접촉 충전장치의 동작을, 도 3의 타임 차트를 이용하여 설명한다.
도 3에 있어서, 지상측의 사람 또는 탑승자가, t1로 나타내는 타이밍에서 충전 개시 스위치를 온 조작한다. 그러면, 충전 개시 신호가 전원측 컨트롤러(14) 또는 차량측 컨트롤러(27)에 보내진다. 전원측 컨트롤러(14)와 차량측 컨트롤러(27)는 무선통신으로 충전 개시 스위치의 온 조작 정보를 공유한다. 전원측 컨트롤러(14)는 고주파 전원(13)으로 H 레벨의 전원 온/오프 신호를 출력한다. 즉, 전원측 컨트롤러(14)는 고주파 전원(13)으로 전원 온 지령을 출력한다. 또, 차량측 컨트롤러(27)는 충전 ECU(26)에 충전 개시 지령을 출력한다. 이것에 의해, 충전 ECU(26)는 충전기(24)로 H 레벨의 충전 온/오프 신호를 출력한다. 즉, 충전 ECU(26)는 충전기(24)로 충전 온 지령을 출력한다.
그러면, 충전기(24)가 충전을 개시하여, 배터리 전압(Vb)이 상승한다. 배터리 전압(Vb)이 미리 설정한 문턱값에 도달하면(도 3의 t2로 나타내는 타이밍), 충전 ECU(26)는 시간 경과적 동작을 개시한다. 그리고, 충전 ECU(26)는 문턱값을 넘고 나서 소정의 충전 시간(Tc)이 경과하면(도 3의 t3으로 나타내는 타이밍), 충전 ECU(26)는 배터리(25)에 대한 충전이 완료되었다고 판단하여 차량측 컨트롤러(27)에 충전 완료 신호를 출력한다.
차량측 컨트롤러(27)는 충전 ECU(26)로부터 충전 완료 신호를 입력하면, 무선통신에 의해 전원측 컨트롤러(14)에 충전이 완료된 것을 통지한다. 그러면, 전원측 컨트롤러(14)는 바로 고주파 전원(13)으로 L 레벨의 전원 온/오프 신호를 출력한다. 즉, 전원측 컨트롤러(14)는 고주파 전원(13)으로 전원 오프 지령을 출력한다. 이것에 의해 고주파 전원(13)이 오프된다.
또, 충전 ECU(26)는 소정의 충전 시간(Tc)이 경과하고 나서(도 3의 t3으로 나타내는 타이밍으로부터) 미리 정한 딜레이 시간(Td)이 경과하면(도 3의 t4로 나타내는 타이밍), 충전기(24)로 L 레벨의 충전 온/오프 신호를 출력한다. 즉, 충전 ECU(26)는 충전기(24)로 충전 오프 지령을 출력한다. 이것에 의해 충전기(24)가 오프된다.
이와 같이 하여, 전원측 컨트롤러(14), 차량측 컨트롤러(27) 및 충전 ECU(26)는, 충전을 정지할 때, 1차측의 장치인 고주파 전원(13)을 오프한 후에 2차측의 장치인 충전기(24)를 오프하도록, 서로 협동한다. 즉, 충전 ECU(26)가 충전 완료라고 판단한 경우, 먼저 고주파 전원(13)이 정지되고, 그 후에, 충전기(24)가 정지된다.
공명형 비접촉 충전장치는, 고주파 전송방식이기 때문에 고주파 전원(13)보다 충전기(24)을 먼저 정지하면, 1차측 공명 코일에서 2차측 공명 코일로 전송된 전력의 일부 또는 전부가 고주파 전원으로 반사되고, 그것에 의해 고주파 전원(13)이 데미지를 받을 가능성이 있다. 구체적으로는, 고주파 전원(13)으로 반사한 전력이 열로 변환되어 고주파 전원(13)이 과열된다. 또, 고주파 전원(13)보다 충전기(24)를 먼저 정지하면, 충전기(24)의 입력 단자의 전압이 상승하여 충전기(24)가 데미지를 받는다. 이에 대하여 본 실시형태에서는 1차측의 장치인 고주파 전원(13)을, 2차측의 장치인 충전기(24)보다 먼저 정지시키고 있다. 그 때문에, 반사 전력에 의해 고주파 전원(13)이 데미지를 받는 것을 방지할 수 있음과 함께 충전기(24)의 입력 단자의 전압이 상승하지도 않는다.
본 실시형태는, 이하의 이점을 가진다.
(1) 공명형 비접촉 충전장치는, 고주파 전원(13), 1차측 공명 코일(11), 2차측 공명 코일(21), 및 충전기(24)에 더하여, 정지 제어부[전원측 컨트롤러(14), 차량측 컨트롤러(27) 및 충전 ECU(26)]를 가진다. 정지 제어부는, 충전의 정지시에 충전기(24)보다 고주파 전원(13)을 먼저 정지시킨다. 이것에 의해, 충전 정지시에 반사 전력에 의해 고주파 전원(13)이 데미지를 받는 것을 방지할 수 있음과 함께, 충전의 정지시에 충전기(24)가 데미지를 받는 것을 방지할 수 있다.
(2) 고주파 전원(13) 및 1차측 공명 코일(11)은 지상측에 설치되고, 2차측 공명 코일(21), 충전기(24) 및 배터리(25)는 차량에 탑재되어 있기 때문에, 실용상 바람직하다.
본 발명은, 상기 실시형태에 한정되는 것이 아니고, 예를 들면, 다음과 같이 구체화 하여도 된다.
충전기(24)를 포함하는 충전 시스템이나 충전 시스템 이외의 차량 시스템 등의 이상시도 마찬가지로, 먼저 고주파 전원(13)을 정지하고, 그 후에, 충전기(24)를 정지해도 된다. 구체적으로는, 도 2의 차량측 컨트롤러(27)에 차량 이상 신호 등이 입력되었을 때, 즉 시스템 이상시에는, 차량측 컨트롤러(27)는 고주파 전원(13)을 정지시킨 후에 충전기(24)를 정지시킨다. 차량 이상 신호는, 예를 들면, 배터리가 과열되었을 때, 혹은 차량측 컨트롤러(27) 또는 그 이외의 차량 탑재용 컨트롤러가 과열되거나 고장 등의 이상을 발생시키거나 했을 때에 출력된다.
이그니션 스위치, 충전 정지 스위치 등의 조작시에도 마찬가지로, 먼저 고주파 전원(13)을 정지하고, 그 후에, 충전기(24)를 정지해도 된다.
공명형 비접촉 충전장치를 하이브리드차에 적용하였으나, 하이브리드차 이외의 차량에 적용해도 되고, 또 차량 이외에 사용되는 충전장치에 적용해도 된다.
1차측 공명 코일(11) 및 2차측 공명 코일(21)은, 각각 전선이 나선 형상으로 권회된 형상에 한정되지 않고, 일 평면 형상에서 소용돌이 형상으로 권회된 형상으로 해도 된다. 이 경우, 코일의 축방향의 길이가 작아져서, 지상에 형성하는 구멍의 깊이를 작게 할 수 있다.
1차측 공명 코일(11), 1차 코일(12), 2차측 공명 코일(21), 2차 코일(22)의 외형은, 원형에 한정되지 않고, 예를 들면, 사각형이나 육각형이나 삼각형 등의 다각형으로 하거나, 혹은 타원형으로 해도 된다.
1차측 공명 코일(11) 및 2차측 공명 코일(21)에 각각 접속된 콘덴서(C)를 생략해도 된다. 그러나, 양 콘덴서(C)를 접속한 구성 쪽이, 콘덴서(C)를 생략한 경우에 비해, 공명 주파수를 낮출 수 있다. 또, 공명 주파수가 동일하면, 콘덴서(C)를 생략한 경우에 비해, 1차측 공명 코일(11) 및 2차측 공명 코일(21)을 소형화하는 것이 가능하게 된다.

Claims (20)

  1. 고주파 전원과,
    상기 고주파 전원으로부터 고주파 전력의 공급을 받는 1차측 공명 코일과,
    상기 1차측 공명 코일과 이간하여 비접촉으로 배치된 2차측 공명 코일로서, 상기 1차측 공명 코일과 2차측 공명 코일의 자장 공명을 통하여 1차측 공명 코일로부터 전력을 수취하는 2차측 공명 코일과,
    상기 2차측 공명 코일로부터 고주파 전력의 공급을 받는 충전기와,
    상기 충전기에 접속되는 이차전지와,
    충전의 정지시에 상기 충전기보다 먼저 상기 고주파 전원을 정지시키는 정지 제어부를 구비하는 공명형 비접촉 충전장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고주파 전원 및 상기 1차측 공명 코일은 지상측에 설치되고, 상기 2차측 공명 코일, 상기 충전기 및 상기 이차전지는 차량에 탑재되어 있는 공명형 비접촉 충전장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 정지 제어부는, 상기 고주파 전원을 기동 및 정지시키는 1차측 제어부와, 상기 충전기를 기동 및 정지시키는 2차측 제어부를 포함하고,
    상기 1차측 제어부 및 상기 2차측 제어부는, 상기 충전기보다 먼저 상기 고주파 전원을 정지시키도록 서로 협동하는 공명형 비접촉 충전장치.
  4. 제3항에 있어서,
    충전의 정지시에, 상기 2차측 제어부는, 충전을 정지시킨다는 취지를 상기 1차측 제어부에 통지함과 함께, 소정의 딜레이 시간의 경과 후에 상기 충전기를 정지시키고, 상기 1차측 제어부는 상기 2차측 제어부로부터 충전을 정지시킨다는 취지의 통지를 받았을 때에 상기 고주파 전원을 정지시키는 공명형 비접촉 충전장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 1차측 제어부와 상기 2차측 제어부는 무선으로 서로 통신 가능한 공명형 비접촉 충전장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 정지 제어부는, 상기 고주파 전원을 기동 및 정지시키는 1차측 제어부와, 상기 충전기를 기동 및 정지시키는 2차측 제어부를 포함하고,
    상기 1차측 제어부 및 상기 2차측 제어부는, 상기 충전기보다 먼저 상기 고주파 전원을 정지시키도록 서로 협동하는 공명형 비접촉 충전장치.
  7. 제6항에 있어서,
    충전의 정지시에, 상기 2차측 제어부는, 충전을 정지시킨다는 취지를 상기 1차측 제어부에 통지함과 함께, 소정의 딜레이 시간의 경과 후에 상기 충전기를 정지시키고, 상기 1차측 제어부는 상기 2차측 제어부로부터 충전을 정지시킨다는 취지의 통지를 받았을 때에 상기 고주파 전원을 정지시키는 공명형 비접촉 충전장치.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 1차측 제어부와 상기 2차측 제어부는 무선으로 서로 통신 가능한 공명형 비접촉 충전장치.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 1차측 제어부와 상기 2차측 제어부는 무선으로 서로 통신 가능한 공명형 비접촉 충전장치.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 1차측 제어부와 상기 2차측 제어부는 무선으로 서로 통신 가능한 공명형 비접촉 충전장치.
  11. 2차측 코일과 상기 2차측 코일에서 받은 전력을 수전하는 충전기를 구비하는 수전장치에 전력을 송전하는 비접촉 송전장치에 있어서,
    상기 비접촉 송전장치는,
    전원으로부터 전력을 수전하고 자장(magnetic field)을 통하여 상기 2차측 코일에 전력을 송전하도록 구성되는 1차측 코일; 및
    충전의 정지시에 상기 충전기가 정지되기 전에 상기 전원을 정지시키도록 구성되는 제어부를 포함하는 비접촉 송전장치.
  12. 제11항에 있어서,
    충전의 정지시에, 상기 제어부는, 상기 충전기가 정지되기 전 소정 시간 상기 전원을 정지시키는 비접촉 송전장치.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 1차측 코일은 지상측에 설치되는 비접촉 송전장치.
  14. 제11항에 있어서,
    충전 정지 스위치에 의해 상기 충전이 정지되는 비접촉 송전장치.
  15. 전원으로부터 전력을 수전하는 1차측 코일을 구비하는 송전장치로부터 전력을 수전하는 비접촉 수전장치에 있어서,
    상기 비접촉 수전장치는,
    자장을 통하여 상기 1차측 코일로부터 전력을 수전하도록 구성되는 2차측 코일;
    상기 2차측 코일에서 받은 전력을 수전하도록 구성되는 충전기; 및
    충전의 정지시에 상기 전원이 정지된 후에 상기 충전기를 정지시키도록 구성되는 제어부를 포함하는 비접촉 수전장치.
  16. 제15항에 있어서,
    충전의 정지시에, 상기 제어부는, 상기 전원이 정지된 후 소정 시간 상기 충전기를 정지시키는 비접촉 수전장치.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 2차측 코일 및 상기 충전기는 차량에 탑재되는 비접촉 수전장치.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 2차측 코일에 접속되는 정류기를 더 포함하는 비접촉 수전장치.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 충전기에 접속되는 배터리를 더 포함하는 비접촉 수전장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 배터리가 완전히 충전될 때 상기 충전이 정지되는 비접촉 수전장치.
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