KR101396258B1

KR101396258B1 - 레귤레이터가 필요없는 대용량 집전장치

Info

Publication number: KR101396258B1
Application number: KR1020130066417A
Authority: KR
Inventors: 윤우열; 정상훈; 김당오; 이자현; 조동호
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2013-06-11
Filing date: 2013-06-11
Publication date: 2014-05-19

Abstract

본 발명의 레귤레이터가 필요없는 대용량 집전장치는, 차량의 하부에 설치되는 W자 형상의 집전코어; 및 W자 형상의 집전코어의 일측부와 중앙부와 타측부에 제1 코일과 제2 코일 및 제3 코일이 각각 1:2:1 또는 4:8:4의 턴 비로 감겨지는 집전코일을 포함하며, 제1 코일과 제2 코일은 제1 급전선에 흐르는 전류에 의해 생성된 자기장에 의해 제1 채널을 형성하고, 제2 코일과 상기 제3 코일은 제2 급전선에 흐르는 전류에 의해 생성된 자기장에 의해 제2 채널을 형성하며, 제1 채널과 제2 채널은 상호간에 자기장의 특성을 공유하여 제1 채널에서의 집전전류와 제2 채널에서의 집전전류 간의 전류 불균형이 최소화된다. 본 발명에 의하면, 공진주파수를 조정하여 정격용량에 맞는 한 대의 대용량 집전장치를 사용하고, 한 대의 대용량 집전장치 안에 여러 개의 동작 채널들이 급집전 자속(magnectic flux) 특성을 공유함으로써 채널간의 집전전류 불균형(unbalancing)을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

Description

레귤레이터가 필요없는 대용량 집전장치{Regulator-free high power pickup device}

본 발명은 레귤레이터가 필요없는 대용량 집전장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 급전선로 시스템으로부터 무선으로 전원을 공급받는 무선충전 시스템에서 하나의 대용량 집전장치를 사용하여 출력용량을 증가시키는 레귤레이터가 필요없는 대용량 집전장치에 관한 것이다.

공해방지 및 석유에너지에 대한 의존도를 낮추기 위한 대안으로서, 전기만으로 구동하는 전기자동차와 전기 및 내연기관을 선택적으로 사용하는 하이브리드 자동차가 개발되었다.

그러나 현재까지 개발된 전기자동차 및 (플러그인) 하이브리드 자동차는 배터리를 충전하기 위해 플러그 등을 이용하여 외부에 마련된 전원공급장치와 장시간 동안 접속하고 있어야 하고, 1 회의 충전만으로 운행할 수 있는 거리가 매우 제한적이라는 단점이 있다.

때문에, 최근에는 배터리를 이용한 전기자동차의 대안으로서 자기유도방식의 전기자동차가 부각되고 있다.

자기유도방식의 전기자동차는 전기를 공급하는 급전도로(또는 급전레일)가 필수적으로 필요하다. 이러한 방식의 전기자동차(또는 전기열차)가 운행에 필요한 전력을 충전하기 위해서는 급전도로 위를 주행하기만 하면 된다. 즉, 전기자동차는 급전도로 위를 주행하는 중에 급전선에 고주파의 전력이 공급되면 급전선과 전기자동차에 장치된 집전장치 사이의 전자기유도의 원리에 의해 주행에 필요한 전력을 공급받게 되는 것이다.

도 1은 종래의 다수개의 집전장치와 레귤레이터가 사용된 무선충전 집전장치의 일예를 나타내는 도면이고, 도 2는 비급전 구간에 있는 집전장치로부터 집전전류 불균형(unbalancing)이 발생 가능한 경우의 일예를 나타내는 도면이다.

도시된 바와 같이, 기존의 무선충전 집전장치는 0.25 ㎥ 이내의 부피를 갖고, 20 ~ 60 ㎑ 의 공진 주파수 대역을 사용하였으며, 출력 용량은 수 십 ㎾ 수준이었다. 이러한 기존의 무선충전 집전장치의 경우 수 백 kW 급의 부하(30)를 만족시키기 위해 여러 대의 집전장치(집전장치 #1 ~ 집전장치 #n)(10)를 사용하였으며, 레귤레이터(Regulator,20)를 이용하여 여러 대의 집전장치(집전장치 #1 ~ 집전장치 #n)(10) 간 출력 전력 균형(balancing)을 제어하였다.

도 2에 나타난 바와 같이 집전장치(10)가 여러 대의 픽업으로 구성되고, 급전선로가 다수개의 급전 세그먼트(40)로 구성되는 경우, 비급전 구간에 있는 집전장치에서는 집전이 되지 못함으로써 집전장치/채널간 집전전류 불균형(unbalancing)이 발생되었으며, 이러한 집전전류 불균형 문제를 해결하기 위해 레귤레이터(20)가 필요하였다. 그러나 레귤레이터(20)는 가격이 비싸고, 고장원인을 제공하는 문제점이 있었다.

KR

10-1231907

B1

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 정격용량에 맞는 한 대의 대용량 집전장치를 사용하고, 한 대의 대용량 집전장치 안에 여러 개의 동작 채널들이 급집전 자속(magnectic flux) 특성을 공유하여 채널간의 집전전류 불균형(unbalancing)이 최소화될 수 있도록 한 레귤레이터가 필요없는 대용량 집전장치를 제공함을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 레귤레이터가 필요없는 대용량 집전장치의 일 측면에 따르면, 차량의 하부에 설치되는 W자 형상의 집전코어; 및 W자 형상의 집전코어의 일측부와 중앙부와 타측부에 제1 코일과 제2 코일 및 제3 코일이 각각 1:2:1 또는 4:8:4의 턴 비로 감겨지는 집전코일을 포함하며, 제1 코일과 제2 코일은 제1 급전선에 흐르는 전류에 의해 생성된 자기장에 의해 제1 채널을 형성하고, 제2 코일과 상기 제3 코일은 제2 급전선에 흐르는 전류에 의해 생성된 자기장에 의해 제2 채널을 형성하며, 제1 채널과 제2 채널은 상호간에 자기장의 특성을 공유하여 제1 채널에서의 집전전류와 제2 채널에서의 집전전류 간의 전류 불균형이 최소화된다.

본 발명에 의하면, 공진주파수를 조정하여 정격용량에 맞는 한 대의 대용량 집전장치를 사용하고, 한 대의 대용량 집전장치 안에 여러 개의 동작 채널들이 급집전 자속(magnectic flux) 특성을 공유함으로써 채널간의 집전전류 불균형(unbalancing)을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

또한, 레귤레이터가 없는 무선충전 시스템 구성이 가능하므로 무선충전 시스템의 구축 비용이 절감되는 효과가 있다.

또한, 레귤레이터가 필요없기 때문에 레귤레이터와 관련된 고장 요소가 줄어드는 효과가 있다.

또한, 한 대의 대용량 집전장치를 사용함으로써 종래와 같이 여러 대의 집전장치 사용으로 발생하는 상호 인덕턴스(mutual inductance)로 인한 집전장치간 전력 불균형 문제를 해결할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 다수개의 집전장치와 레귤레이터가 사용된 무선충전 집전장치의 일예를 나타내는 도면.
도 2는 비급전 구간에 있는 집전장치로부터 집전전류 불균형(unbalancing)이 발생 가능한 경우의 일예를 나타내는 도면.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 레귤레이터가 필요없는 대용량 집전장치를 나타내는 도면.
도 4는 집전장치에 형성되는 2개의 채널이 집전 자속(magnectic flux) 특성을 공유하여 채널간 집전전류 불균형(unbalancing)이 최소화되는 경우의 일예를 나타내는 도면.
도 5는 집전장치에서의 자속(magnectic flux)선의 일예를 나타내는 도면.
도 6은 과전류를 차단하기 위한 집전 정류기 쪽에서의 과전류 차단회로의 일예를 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 3은 본 발명의 일실시예에 따른 레귤레이터가 필요없는 대용량 집전장치를 나타내는 도면이고, 도 4는 집전장치에 형성되는 2개의 채널이 집전 자속(magnectic flux) 특성을 공유하여 채널간 집전전류 불균형(unbalancing)이 최소화되는 경우의 일예를 나타내는 도면이며, 도 5는 집전장치에서의 자속(magnectic flux)선의 일예를 나타내는 도면이고, 도 6은 과전류를 차단하기 위한 집전 정류기 쪽에서의 과전류 차단회로의 일예를 나타내는 도면이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 레귤레이터가 필요없는 단일의 대용량 집전장치(50)는 100 ㎾ 이상의 부하(30)에 연결된다. 이러한 대용량 집전장치(50)는 정격 용량에 맞는 단일의 대용량 집전장치로서, 바람직하게는 0.75 ㎥ 이상의 부피를 갖고, 100 ㎑ 이상의 공진 주파수를 사용하여 출력 용량을 증가시켜 수 백 ㎾ 수준의 출력 용량을 갖는다. 또한, 집전코어의 체적과 집전코일의 루프(loop) 단면적을 증가시켜 출력 용량을 증가시킬 수 도 있으며, 대용량 집전장치(50) 안에 다수개의 채널이 존재한다. 이에 대해서는 하기에서 보다 구체적으로 설명하기로 한다.

도 4 및 도 5에서는 본 발명의 무선충전 시스템의 대용량 집전장치(50)가 2채널로 구성되는 경우의 일예를 보여주고 있다. 도 4에 나타난 바와 같이 차량 진행 방향에 있어 W형 집전코어(51)의 좌측부(A)와 중앙부(B) 및 우측부(C)에 감겨지는 집전코일(52)의 턴 비는 1:2:1 또는 4:8:4 로 이루어진다. 제1 채널(channel 1)은 제1 코일(Coil 1)과 제2 코일(Coil 2)로 이루어지고(channel 1 = Coil 1 + Coil 2), 제2 채널(channel 2)은 제3 코일(Coil 3)과 제4 코일(Coil 4)로 이루어지며(channel 2 = Coil 3 + Coil 4), 차량 진행 방향에 대하여 제1 채널과 제2 채널은 비급전 구간과 무관하게 자속(magnectic flux) 특성을 공유하게 된다.

하기에서는 첨부된 도 5를 참조하여 본 발명의 무선충전 시스템의 대용량 집전장치(Pick-up device,50)에서의 자속(magnectic flux)선 분포에 대하여 설명하기로 한다.

도 5에 나타난 바와 같이, 본 발명의 무선충전 시스템은 W형 급전코어(61)의 내부에 각각 제1 급전선(62)과 제2 급전선(63)이 배치되어 구성되는 급전라인 시스템(power line,60)과, W형 집전코어(51)에 집전코일(52)이 감겨진 대용량 집전장치(50)를 포함한다. 제1 급전선(62)과 제2 급전선(63)은 상호간에 연결되어 있으며, 집전코어(51)의 좌측부와 중앙부 및 우측부에 감겨지는 집전코일(52)의 턴 비는 도 4에서 전술한 바와 같이 1:2:1 또는 4:8:4 로 이루어진다. 또한 집전코어(51)의 좌측부와 중앙부 및 우측부에 1:2:1 또는 4:8:4의 턴 비로 감겨지는 집전코일(52)의 사이 사이에는 대용량 집전장치(50)의 정격용량을 맞추기 위하여 공진 주파수를 조정하기 위한 공진 커패시터(53)가 구비된다.

이러한 구조에서, 급전라인 시스템(power line,60)의 제1 급전선(62)과 제2 급전선(63)에 전원이 공급(source current)되어 전류가 흐르게 되면, 암페어의 법칙(Amperes law)과 자기유도작용에 의해 자기장(Magnetic flux B)이 발생되어 대용량 집전장치(50)의 집전코어(51)로 전달된다. 이에 따라, 패러데이 법칙(Faradays law)에 의해 유도 기전력이 발생(Generate Voltage)되어 집전코일(52)에 전류가 흐르게 된다. 이때 공진 상태에서 형성되는 자기장(magnetic field)에 의해 2개의 채널이 형성된다. 즉, 도 4에서 전술한 바와 같이 제1 코일(Coil 1)과 제2 코일(Coil 2)은 제1 급전선(62)에 흐르는 전류에 의해 생성된 자기장에 의해 제1 채널(D)을 형성하고, 제2 코일(Coil 2)과 제3 코일(Coil 3)은 제2 급전선(63)에 흐르는 전류에 의해 생성된 자기장에 의해 제2 채널(E)을 형성하게 된다. 제1 채널(D)과 제2 채널(E)은 상호간에 자기장의 특성을 공유하여 급전라인 시스템(power line,60)의 비급전 구간에서도 제1 채널(D)에서의 집전전류와 제2 채널(E)에서의 집전전류 간의 전류 불균형이 최소화된다.

전술한 본 발명의 무선충전 시스템의 대용량 집전장치(50)에서의 과전류를 차단하기 위해서는 도 6에 나타난 바와 같이, 대용량 집전장치(50)에 형성된 다수개의 채널(채널 #1 ~ 채널 #n)별로 연결된 정류기(정류기 #1 ~ 정류기 #n)(70)에 과전류 차단회로(과전류 차단회로 #1 ~ 과전류 차단회로 #n)(80)가 연결된다. 즉, 본 발명의 무선충전 시스템에서는 종래와 달리 레귤레이터를 사용하지 않음으로써 특정 채널에서의 과도 집전전류가 발생할 경우를 대비하여 정류기(정류기 #1 ~ 정류기 #n)(70)에 각각 과전류 차단회로(과전류 차단회로 #1 ~ 과전류 차단회로 #n)(80)를 각각 연결함으로써 과전류를 차단할 수 있게 된다.

이와 같이 본 발명에서는 한 대의 대용량 집전장치를 사용함으로써 종래와 같이 여러 대의 집전장치 사용으로 발생하는 상호 인덕턴스(mutual inductance)로 인한 집전장치간 전력 불균형(unbalance) 문제가 없어지게 된다.

또한, 정격용량에 맞는 한 대의 대용량 집전장치를 사용하고, 한 대의 대용량 집전장치 안에 여러 개의 동작 채널들이 급집전 자속(magnectic flux) 특성을 공유하여 채널간의 집전전류 불균형(unbalancing)이 최소화된다.

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.

30 : 부하
50 : 대용량 집전장치
51 : 집전코어
52 : 집전코일

Claims

W자 형상의 급전코어의 내부에 제1 급전선과 제2 급전선이 배치된 급전라인 시스템으로부터 무선으로 전원을 공급받는 단일의 대용량 집전장치로서,
차량의 하부에 설치되는 W자 형상의 집전코어; 및
상기 W자 형상의 집전코어의 일측부와 중앙부와 타측부에 제1 코일과 제2 코일 및 제3 코일이 각각 1:2:1 또는 4:8:4의 턴 비로 감겨지는 집전코일을 포함하며,
상기 제1 코일과 상기 제2 코일은 상기 제1 급전선에 흐르는 전류에 의해 생성된 자기장에 의해 제1 채널을 형성하고, 상기 제2 코일과 상기 제3 코일은 상기 제2 급전선에 흐르는 전류에 의해 생성된 자기장에 의해 제2 채널을 형성하며, 상기 제1 채널과 상기 제2 채널은 상호간에 자기장의 특성을 공유하여 상기 제1 채널에서의 집전전류와 상기 제2 채널에서의 집전전류 간의 전류 불균형이 최소화되는 대용량 집전장치.
청구항 1에 있어서,
상기 대용량 집전장치는 100 ㎑ 이상의 공진 주파수가 사용되어 출력용량이 증가되는
것을 특징으로 하는 대용량 집전장치.
청구항 1에 있어서,
상기 집전코어의 체적과 상기 집전코일의 루프 단면적이 증가되어 출력용량이 증가되는
것을 특징으로 하는 대용량 집전장치.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 채널과 상기 제2 채널은 상호간에 자기장의 특성을 공유하여 상기 급전라인 시스템의 비급전 구간에서도 상기 제1 채널에서의 집전전류와 상기 제2 채널에서의 집전전류 간의 전류 불균형이 최소화되는
것을 특징으로 하는 대용량 집전장치.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 채널과 상기 제2 채널 중 어느 하나의 채널에서 발생되는 과도 집전전류를 차단하기 위하여 각 채널과 연결된 집전 정류기에 각각 과전류 차단회로부가 연결되는
것을 특징으로 하는 대용량 집전장치.