KR101741678B1 - 상하좌우 편차에 강인한 무선 급·집전 장치 - Google Patents

상하좌우 편차에 강인한 무선 급·집전 장치 Download PDF

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Abstract

상하좌우 편차에 강인한 무선 급·집전 장치를 개시한다.
제1 내지 제3 실시예는 사각형 구조를 갖도록 급전 코일 및 집전 코일을 권회하고, 급전 코일의 하부에 사각형 구조의 각 변마다 일정한 폭을 갖도록 균등하게 복수의 코어가 배치된 상하좌우 편차에 강인한 무선 급·집전 장치에 관한 것이다.

Description

상하좌우 편차에 강인한 무선 급·집전 장치{Apparatus for Wireless Power Feeding and Pick-up Robust to Deviation of Up and Down Left and Right}
본 발명의 제1 내지 제3 실시예는 상하좌우 편차에 강인한 무선 급·집전 장치에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
일반적으로 소형차량 또는 이동체용 급·집전 장치는 오클랜드(Auckland) 대학에서 채용해왔던 원형 코어 방식을 대부분 이용하였다. 다시 말해, 원형 코어 방식은 코어를 원형으로 깍아 배치하는 방식을 말하며, 이러한 방식은 상하좌우의 편차가 발생할 수 있는 선박 또는 차량의 급집전에 적용하였을 시 상하좌우로 위치 편차가 발생함에 따라 측정기준 위치의 ± 20 % 위치 변동에서 기준전압의 ± 20 %를 초과하는 전압강하가 일어난다. 따라서, 원형 코어 방식의 급·집전 장치는 상하좌우 편차가 발생하는 장치에 적용하기에는 적합하지 않다.
한편, 다른 형태의 급·집전장치는 선형 확장이 용이하도록 단면이 직사각 형테의 코어에 원형으로 코일이 권회되는 구조로 구성되어 있다. 철도레일이나 도로 등을 고려하여 코어를 차량진행 방향으로 선형 배열하였으며, 이 경우 좌우편차로 인한 전압강하가 적은 급전선로를 제안하기 위하여 집전장치의 진행방향으로 단면이 긴 직사각 형태를 갖는 코일을 이용하는 것이 일반적이다. 이러한 형태적 특징 때문에 기존의 급·집전장치는 진행방향으로의 편차와는 무관하게 일정한 급·집전성능을 보이나 진행방향에 평면상 수직인 방향으로의 편차에는 매우 민감하게 반응을 한다. 따라서 기존의 급·집전장치는 일정한 노선을 달리는 버스나 궤도 위를 운행하는 철도 분야에서는 적절한 장치이지만, 좌우 편차가 심하게 발생하는 분야에서의 적용은 힘든 점이 있다. 또한, 기존의 급·집전장치는 길이가 단방향으로 약 2m 이상 되어하므로 상하좌우 편차가 발생하는 선박 또는 차량, 장치 등에 적용하기 어려운 문제점이 있다.
본 발명의 제1 내지 제3 실시예는 사각형 구조를 갖도록 급전 코일 및 집전 코일을 권회하고, 급전 코일의 하부에 사각형 구조의 각 변마다 일정한 폭을 갖도록 균등하게 복수의 코어가 배치된 상하좌우 편차에 강인한 무선 급·집전 장치를 제공하는 데 주된 목적이 있다.
본 발명의 제1 내지 제3 실시예의 일 측면에 의하면, 사각형 구조를 갖도록, 상기 사각형의 내측으로부터 외측으로 또는 외측으로부터 내측으로 권회된 전선을 포함하고, 전원을 인가받아 자기장을 방사하는 급전 코일; 및 상기 급전 코일이 형성한 사각형 구조의 각 변 하부마다 기 설정된 개수의 코어가 일정한 간격으로 배치되는 급전 코어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 급전장치를 제공한다.
또한, 본 발명의 제1 내지 제3 실시예의 다른 측면에 의하면, 사각형 구조를 갖도록, 상기 사각형의 내측으로부터 외측으로 또는 외측으로부터 내측으로 권회된 전선을 포함하고, 전원을 인가받아 자기장을 방사하는 급전 코일과 상기 급전 코일이 형성한 사각형 구조의 각 변 하부마다 기 설정된 개수의 코어가 일정한 간격으로 배치되는 급전 코어부를 구비하는 급전장치; 및 사각형 구조를 갖도록, 상기 사각형의 내측으로부터 외측으로 또는 외측으로부터 내측으로 권회된 전선을 포함하고, 상기 급전장치에서 방사되는 자기장을 수신하는 집전 코일을 포함하는 집전장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 급·집전 시스템을 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 제1 내지 제3 실시예에 의하면, 급전장치와 집전장치 간에 상하좌우에 따른 소정의 편차가 발생하더라도, 충전 효율을 유지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 제1 실시예에 따른 상하좌우 편차에 강인한 무선 급·집전 시스템의 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 제2 실시예에 따른 상하좌우 편차에 강인한 무선 급전장치의 구조를 나타낸 도면이다.
도 3은 제3 실시예에 따른 상하좌우 편차에 강인한 무선 급전장치의 구조를 나타낸 도면이다.
도 4a 내지 도 4c는 제1 내지 제3 실시예에 따른 상하좌우 편차에 강인하도록 전류 및 전압을 제어하는 급·집전장치를 개략적으로 나타낸 블록 구성도이다.
도 5는 제1 내지 제3 실시예에 따른 무선 급·집전 시스템의 편차 가용범위를 나타낸 그래프이다.
도 6은 종래와 제1 내지 제3 실시예의 무선 급·집전 시스템의 편차 가용범위를 나타낸 그래프이다.
도 7은 제1 내지 제3 실시예에 따른 무선 급·집전 시스템의 EMF 시뮬레이션을 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명의 제1 내지 제3 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함', '구비'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 '…부', '모듈' 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
제1 내지 제3 실시예에 따른 급·집전 시스템(110)은 급전장치(120) 및 집전장치(130)를 포함한다.
급전장치(120)는 무선으로 전력을 전송하기 위한 장치로서, 전원장치로부터 전원을 인가받아 인가받은 전원을 이용하여 자기장을 방사하는 장치를 의미한다.
급전장치(120)는 사각형 구조를 갖도록 권회된 전선을 포함하는 급전 코일(210)과 급전 코일(210)의 하부에 사각형 구조의 각 변마다 일정한 폭을 갖도록 균등하게 기 설정된 개수의 코어가 배치되는 급전 코어부를 포함한다. 여기서, 급전 코어부는 바 형태의 복수의 코어로 구현된 제1 급전 코어부(220), 바 형태의 일측 또는 양측이 돌출된 복수의 코어로 구현된 제2 급전 코어부(240) 및 제3 급전 코어부(250) 중 하나로 구현될 수 있다.
집전장치(130)는 무선으로 전송된 전력을 수신하는 장치로서, 급전장치가 무선으로 전력을 전송하기 위해 방사한 자기장을 수신하여 이로부터 전류를 유도하는 장치를 의미한다. 집전장치(130)는 사각형 구조를 갖도록 권회된 전선을 포함하는 급전 코일(210)을 포함한다.
이하, 급전장치(120) 및 집전장치(130)를 포함하는 급·집전 시스템(110)의 구조에 대해 설명하도록 한다.
1) 급전장치(120)는 페라이트와 같은 소정의 자성재료를 활용하여 만든 코어가 기 설정된 개수씩 사방위로 배열된다. 여기서, 코어는 바 형태 즉 막대형 코어이거나, 바 형태의 코어의 일측 또는 타측이 집전장치(130)가 구비되는 방향으로 돌출된 형태의 코어일 수 있다.
2) 급전장치(120)는 집전장치(130)가 구비되는 방향인 배열된 코어의 상부에 구리선 또는 케이블(전선)을 사각형 구조로 권회되어 구성된 급전 코일이 배치된다.
3) 집전장치(130)는 급전장치(120)와 대향하여 구리선 또는 케이블(전선)을 사각형 구조로 권회되어 구성된 집전 코일이 배치된다.
4) 급·집전 시스템(110)은 1), 2), 3)에 기재된 내용만을 포함할 수 있으나, 급전장치(120)는 인버터 및 인버터의 전류를 제어하는 전류 제어부를 추가로 포함할 수 있고, 집전장치(120)는 집전 정류기 및 집전 정류기의 전압을 제어하는 부스트 컨버터를 추가로 포함할 수 있다.
도 1은 제1 실시예에 따른 상하좌우 편차에 강인한 무선 급·집전 시스템의 구조를 나타낸 도면이다.
제1 실시예에 따른 급전장치(120)는 급전 코일(210), 제1 급전 코어부(220) 및 지지대(230)을 포함한다.
급전 코일(210)은 사각형 구조를 갖도록 권회된 전선으로 구성된다. 여기서, 급전 코일(210)은 도 1에 도시된 x축과 y축이 구성하는 평면상에서 전선을 반시계방향으로 권하여 구성되는 것이 바람직하나 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 전선을 시계방향으로 권회할 수 있다.
급전 코일(210)은 사각형 구조를 갖도록 사각형의 내측으로부터 외측으로 또는 외측으로부터 내측으로 권회된 전선을 포함한다. 여기서, 급전 코일(210)은 내측으로부터 권회된 전선을 포함하는 경우 외측으로 갈수록 각 변의 길이가 증가하는 형태의 사격형을 형성하고, 외측으로부터 권회된 전선을 포함하는 경우 내측으로 갈수록 각 변의 길이가 감소하는 형태의 사격형을 형성한다.
급전 코일(210)은 x축과 y축이 구성하는 평면상에서 전선을 권회함으로써, 사각형 구조 즉, 사각형 링 구조 또는 사각판 구조를 갖게 된다. 급전장치(120)에서 급전 코일(210)은 사각형 구조를 갖으므로, 집전장치(130)의 위치가 x축 방향 또는 y축 방향인지 여부와 무관하게 급전성능이 일정해질 수 있다. 또한, 급전장치(120)는 급전 코일(210)의 하부에 위치한 제1 급전 코어부(220)에 의하여 급전 코일(210)의 사각형 구조의 각 변 즉 사방위 각각에서 자기장을 방사함에 따라 상하좌우의 이격에 강인한 급전성능을 갖는다.
급전장치(120)에서 급전 코일(210)은 기 설정된 횟수만큼 전선을 권회한다. 여기서, 권선 횟수는 급전장치(120)와 집전장치(130)의 상하좌우로 이격 가능한 거리(x축 방향 또는 y축 방향) 또는 급전장치(120)와 집전장치(130)의 거리(z축 방향) 등을 고려하여 결정된다. 다시 말해, 급전 코일(210)은 급전장치(120)가 전력 전송을 위해 얼마나 강한 자기장을 전송해야 하는지에 권회되는 전선의 횟수가 조정될 수 있다. 예를 들어, 급전장치(120)와 집전장치(130)가 x축 또는 y축 상으로 이격될 수 있는 거리가 100 cm 이상이어서 장거리 전력 전송을 위해 강한 자기장을 필요로 하는 경우, 권선 횟수는 증가될 수 있다.
급전 코일(210)은 교류저항을 최소화하기 위한 전선으로 구성된다. 즉, 급전 코일(210)을 구성하는 전선은 고주파 전류가 흐르는 경우에 전선에서 발생하는 고주파 전류의 손실을 방지하기 위한 전선인 것이 바람직하다. 예를 들어, 급전 코일(210)을 구성하는 전선은 리츠 전선(Litz Wire)이 될 수 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
제1 급전 코어부(220)는 급전 코일(210)의 하부에 구비되어, 복수의 제1 타입 코어(222, 224, 226)를 포함한다. 여기서, 제1 급전 코어부(220)는 지지대(230)의 일측면과 급전 코일(210)의 하부 사이에 구비되며, 제1 타입 코어는 바(Bar) 형태(막대 형태)의 코어를 의미한다.
제1 급전 코어부(220)는 사각형 구조의 급전 코일(210) 각 변마다 기 설정된 개수의 제1 타입 코어가 배치된 형태로 구성된다. 제1 급전 코어부(220)는 사각형 구조로 권회된 급전 코일(210) 각 변의 중심을 기준으로 균등하게 배치된다. 여기서, 제1 급전 코어부(220)는 급전 코일(210) 각 변의 중심을 기준으로 기 설정된 개수가 배치되며, 제1 타입 코어의 길이방향과 급전 코일(210) 각 변이 수직이 되도록 배치될 수 있다. 여기서, 제1 타입 코어의 길이방향은 바(Bar) 형태(막대 형태)의 코어의 가로 및 세로 중 길이가 긴 방향을 의미한다. 다시 말해, 급전 장치(120)의 상면에서 바라보았을 때 제1 급전 코어부(220)에 포함된 제1 타입 코어와 급전 코일(210)은 '╋' 형태로 배치될 수 있다.
다시 말해, 제1 급전 코어부(220)는 급전 코일(210)의 각 변을 가로지르는 방향으로 배치되며, 각 변의 중심을 기준으로 급전 코어(210)가 대칭되도록 배치될 수 있다.
급전장치(120)는 집전장치(130)로 전력을 전송하기 위해 자기장을 방사하는데, 이 경우 급전장치(120)와 집전장치(130)의 x축 또는 y축 방향으로의 이격 거리에 따라 상하좌우 편차에 강인한 자기장을 방사해야 할 필요가 있다.
급전장치(120)는 x축 또는 y축 방향의 이격 거리에 따라 상하좌우 편차에 강인한 자기장을 방사하기 위해, 사각형 구조의 급전 코일(210) 각 변의 하부에 복수의 제1 타입 코어(222, 224, 226)를 배치한다.
급전장치(120)에서 급전 코일(210)의 각 변의 하부에 복수의 제1 타입 코어(222, 224, 226)를 배치함에 따라 급전 코일(210) 내부의 자기저항이 줄어들게 되어 급전 코일(210)의 사방위(사각형 구조의 4 개의 변)에서 발생하는 자속 밀도가 증가한다.
지지대(230)는 사각형 구조를 갖으며 제1 급전 코어부(220)를 거치하고, 제1 급전 코어부(220)의 상부에 급전 코일(210)을 거치할 수 있다. 여기서, 지지대(230)는 제1 급전 코어부(220)에 포함된 복수의 제1 타입 코어를 고정할 수 있다면 그 어떤 재질로도 구현 가능하다. 한편, 지지대(230)는 제1 급전 코어부(220)를 거치할 수 있는 지그(Jig)가 존재한다면 급전장치(120)의 구성에서 생략될 수 있다.
집전장치(130)는 무선으로 전송된 전력을 수신하는 장치로서, 급전장치가 무선으로 전력을 전송하기 위해 방사한 자기장을 수신하여 이로부터 전류를 유도하는 장치를 의미한다. 집전장치(130)는 집전 코일(130)만을 포함하는 것으로 기재하고 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 코일을 거치하기 위한 지지대(미도시) 등이 추가로 포함될 수 있다.
이하, 집전장치(130)에 포함된 구성요소는 집전 코일(130)만이어서, 두 개의 용어를 혼용하여 설명하도록 한다.
집전 코일(130)은 급전장치(120)의 급전 코일(210)과 마찬가지로 사각형 구조 즉, 사각형 링 구조로 권회된 전선으로 구성되며, 집전 코일(130)은 사각형 구조를 갖으므로, 급전장치(120)와 집전장치(130) 간 상하좌우의 이격에 강인한 집전성능을 갖는다.
집전 코일(130)의 전선은 일정한 횟수를 감아 구성되는데, 횟수도 급전장치(120)의 급전 코일(210)과 마찬가지로 급전장치(120)와 집전장치(130)가 이격된 거리 등을 고려하여 급전장치(120)가 전송하는 전력을 어떠한 성능으로 수신할지 여부에 따라 달라진다. 집전장치(130)에서 비용과 성능을 고려하여 비용보다 집전 성능이 우선시되어야 할 경우라면 권선 횟수를 증가시켜 집전 성능을 증대시키고, 비용이 집전 성능보다 우선시되어야 할 경우라면 권선 횟수를 감소시켜 저비용으로 집전 코일(130)을 구성할 수 있다.
급·집전 시스템(110)은 전술한 바와 같이, 사각형 구조에 각각의 변에 별도로 코어를 구비하고, 코어의 상부에 코일을 권회함으로써 상하좌우 편차에 강인한 급전 및 집전을 수행할 수 있다. 급·집전 시스템(110)은 기본적으로 급전장치(120)와 집전장치(130)로 구성되는데, 이와 함께 인버터, 정류기, 전압 및 전류를 제어하는 모듈 등을 더 포함할 수 있다. 전술한 모듈에 대한 내용은 도 4a 내지 도 4c에서 자세히 설명하도록 한다.
도 2는 제2 실시예에 따른 급전장치를 나타낸 도면이고, 도 3은 제3 실시예에 따른 급전장치를 나타낸 도면이다.
도 2 및 도 3에 도시된 급전장치(120)는 도 1에 도시된 급전장치(120)의 제1 급전 코어부(220)에 포함된 제1 타입 코어(222, 224, 226)와 상이한 타입의 코어를 갖는 급전 코어부(240, 250)으로 구성된다는 점에서 차이가 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제2 실시예에 따른 급전장치(120)에 포함된 제2 급전 코어부(240)는 제1 타입 코어(222, 224, 226)의 일측이 돌출된 복수의 제2 타입 코어(242, 244, 246)를 포함한다. 다시 말해, 도 2에 도시된 급전장치(120)에 포함된 제2 급전 코어부(240)는 제1 타입 코어(222, 224, 226)의 형상에서 코일의 중심부에서 먼 측 끝단이 z축 방향으로 돌출된 형상을 갖는 복수의 제2 타입 코어(242, 244, 246)를 포함한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제3 실시예에 따른 급전장치(120)에 포함된 제3 급전 코어부(250)는 제1 타입 코어(222, 224, 226)의 양측이 돌출된 복수의 제3 타입 코어(252, 254, 256)를 포함한다. 다시 말해, 제3 실시예에 따른 급전장치(120)에 포함된 제3 급전 코어부(250)는 제1 타입 코어(222, 224, 226)의 형상에서 양측 끝단이 모두 z축 방향으로 돌출된 형상을 갖는 복수의 제3 타입 코어(252, 254, 256)를 포함한다.
제2 및 제3 실시예에 따라 급전장치(120)는 제1 타입 코어(222, 224, 226)의 일측 또는 양측 끝단이 상측으로 돌출된다. 제2 및 제3 실시예에 따라 급전장치(120)는 제1 타입 코어(222, 224, 226)의 일측 또는 양측 끝단을 z축 방향 즉, 급전 코일(210)이 권회되는 방향과 수직 방향(집전장치(130)가 존재하는 방향)으로 돌출시킴으로써, 코일 내부의 자기저항이 상대적으로 줄어들게 되어 자속 밀도가 증가한다. 자속 밀도가 증가하기 때문에 일측 또는 양측 끝단이 돌출되지 않은 코어를 포함하는 급전장치보다 상대적으로 먼 거리까지 자기장을 방사할 수 있다. 다시 말해, 제2 및 제3 실시예에 따른 급전장치(120)는 사각형 구조의 급전 코일(210)의 각 변의 하부에 제2 급전 코어부(240) 또는 제3 급전 코어부(250)를 배치함으로써, 상하좌우 편차에 강인하면서 제1 실시예의 급전장치보다 먼 거리의 집전장치로 자기장을 방사할 수 있다.
도 1 내지 도 3에서는 급전장치(120)의 제1 내지 제3 급전 코어부(220, 240, 250)에 포함된 급전 코어가 바 타입의 제1 타입 코어(222, 224, 226), 제1 타입 코어의 일측이 돌출된 형상을 갖는 제2 타입 코어(242, 244, 246) 및 제1 타입 코어의 양측이 돌출된 형상을 갖는 제3 타입 코어(252, 254, 256)를 각각 도시하고 있으나, 급전 코어는 코일 내부의 사방위에 대한 자기저항을 줄일 수 있다면, 어떠한 형상의 자성체도 가능하며 반드시 각각의 도면에 도시된 코어의 형상으로 한정하는 것은 아니다.
도 1 내지 도 3에 기재된 제1 내지 3 실시예에 따른 급·집전 시스템(110)은 상하좌우 이격이 발생할 수 있는 차량, 선박, 단말기 등에 적용될 수 있다. 예를 들어, 차량용 급·집전 시스템일 경우, 주차시 급전장치와 집전장치를 정확히 일치시킬 필요없이 주차라인과 같이 기 설정된 영역 안에만 주차되어 있어도 무선 충전이 가능하고, 선박용 급·집전 시스템일 경우, 파도의 영향이 있어라도 정박되어 있는 상태에서 무선 충전이 가능하다.
도 4a 내지 도 4c는 제1 내지 제3 실시예에 따른 상하좌우 편차에 강인하도록 전류 및 전압을 제어하는 급·집전장치를 개략적으로 나타낸 블록 구성도이다.
도 4a에 도시된 바와 같이, 제1 내지 제3 실시예에 따른 급·집전 시스템(110)은 급전장치(120) 및 집전장치(130)를 포함하고, 급전장치(120)는 고주파 교류전류를 인가하는 인버터(410)를 추가로 포함하고, 집전장치(130)는 집전장치(130)에서 발생하는 교류전류를 직류전원으로 변환하는 집전 정류기(420) 및 직류전원을 이용하여 충전 또는 구동되는 부하(430)를 추가로 포함할 수 있다.
급전장치(120)의 인버터(410)에는 인버터(410)의 전류를 제어하기 위한 전류 제어부(440)가 추가로 연결될 수 있으며, 전류 제어부(440)의 동작 제어를 위한 전압 피드백부(450)가 집전 정류기(420)의 출력단에 추가 연결될 수 있다. 이하, 도 4b에 도시된 바와 같이, 추가 연결된 전류 제어부(440) 및 전압 피드백부(450)에 대해 설명하도록 한다.
예를 들어, 급전장치(120)와 집전장치(130) 간의 거리가 기 설정된 거리보다 가까울 경우, 집전 정류기(420)에 흐르는 전압이 너무 세져 과전압이 인가되게 된다. 이에 따라 전압 피드백부(450)는 센싱된 집전 정류기(420)의 전압을 전류 제어부(440) 측으로 전송하고, 전류 제어부(440)는 인버터(410)에 인가하는 전류를 감소되도록 제어하여 집전 정류기(420)의 전압이 기 설정된 정상 범위 내로 조정한다. 여기서, 전류 제어부(440)는 집전장치(130) 측의 전압이 감소되도록 전류를 제어하는 것으로 기재하고 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 집전장치(130) 측의 전압이 증가되도록 제어할 수도 있다. 여기서, 전압 피드백부(450)는 무선 통신을 기반으로 센싱된 전압정보를 급전장치(120)로 전송할 수 있으며, 예를 들어 무선랜(WIFI), UWB(Ultra Wideband), 무선 주파수(Radio Frequency), 적외선 통신(IrDA:Infrared Data Association), 저전력 블루투스(BLE: Bluetooth Low Energy), 지그비(Zigbee) 및 WPAN(Wireless Personal Area Networks) 등의 무선 통신을 이용하여 센싱된 전압정보를 전송할 수 있다. 또한, 급전 장치(120)와 집전장치(130) 간 유선으로 연결이 가증한 경우, 유선 통신을 이용할 수도 있다.
집전장치(130)의 집전 정류기(420)와 부하(430) 사이에는 집전 정류기(420)의 전압을 제어하는 부스트 컨버터(460)를 추가로 연결될 수 있다. 이하, 도 4c에 도시된 바와 같이, 추가 연결된 부스트 컨버터(460)에 대해 설명하도록 한다.
예를 들어, 급전장치(120)와 집전장치(130) 간의 거리가 기 설정된 거리보다 먼 경우, 집전 정류기(420)에 흐르는 전압이 너무 감소하게 된다. 이에 따라 집전 정류기(420)에 연결된 부스트 컨버터(460)에서 전압을 증가시켜 부하(430)에 제공되는 전압을 기 설정된 정상 범위 내로 조정한다.
도 4a에 도시된 급전장치(120) 및 집전장치(130)의 구동과정에 대해 설명하지면 다음과 같습니다.
① 급전장치(120)의 인버터(410)에 삼상전류가 흘러 들어옴.
② 급전장치(120)의 인버터(410)를 통해 대략 수십 kHz의 고출력 단상전류가 출력됨.
③ 급전장치(120)의 인버터(410)로부터 출력된 단상전류가 급전 코일(210)에 흐르면서 교류 자기장을 방출함.
④ 교류 자기장이 집전장치(130)의 집전 코일에 전압을 유도시키고, 유도된 전압에 의해 집전장치(130)에 교류 전류가 생성됨.
⑤ 집전장치(130)에 생성된 교류전류가 집전 정류기(420)를 경유하여 직류로 변환되고, 직류전류를 통해 이동한 전하가 부하(430)에 충전됨.
⑥ 도 4b 또는 도 4c에 도시된 바와 같이, 인버터(410)의 전류제어 또는 부스트 컨버터(460)의 전압 제어를 이용해 집전 정류기(420)의 출력 전압을 제어하는 회로를 구성함에 따라 최종적으로 부하(430)에 인가되는 충전전압을 기준 전압의 20 % 범위 이내로 일정하도록 제어함. 이에 따라, 급·집전장치(110)의 가용 편차 영역을 확장할 수 있음. 확장된 가용 편차 영역에 대한 그래프는 도 5에 도시되어 있다.
도 6은 종래와 제1 내지 제3 실시예의 무선 급·집전 시스템의 편차 가용범위를 나타낸 그래프이다.
제1 내지 제3 실시예에 따른 무선 급·집전 시스템(110)은 예를 들어, 급전장치(120)와 집전장치(130) 간의 거리가 12 내지 30 cm이며, 사각형 구조의 급전 코일(210) 및 집전 코일의 크기가 70 × 70 cm2, 기 설정된 코일의 턴수가 급전장치(120) 7 턴, 집전장치(130) 7 턴이고, 급전전류는 50 A이며, 각 코일의 자가인덕턴스는 26.574 uH일 경우를 만족하는 경우, 다음과 같은 효과를 갖을 수 있다.
① 급전 코어가 사각형 구조로 권회된 급전 코일의 각 변 하부에 각각 배열됨에 따라 상하좌우 편차에 유리하도록 구성되고, 인버터 전류제어 또는 집전 정류기 전압제어를 통해 상하좌우 편차의 가용범위를 넓힘으로써, 무선 급·집전 시스템(110)의 상하좌우편차 강인도가 20 % 이하를 만족한다.
도 6의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 붉은색 화살표로 표시된 영역은 일반적인 무선 급·집전 시스템(110)의 가용 편차를 나타낸 것이고, 초록색 화살표로 표시된 부분은 전류 제어 또는 전압 제어를 이용하여 확장된 가용 편차를 나타낸 것이다. 도 6의 (a) 및 (b)에 도시된 그래프의 x축 값은 전류 제어 또는 전압 제어에 따른 좌우 편차를 의미하고, y축은 전류 제어 또는 전압 제어에 따른 상하 편차를 의미한다.
② 제1 내지 제3 실시예에 따른 무선 급·집전 시스템(110)은 집전장치 측에 쉴딩(710)의 존재 여부와 관계없이 유사한 세기의 자기장을 방출한다(쉴딩 여부와 관계없이 국제 기준을 만족함).
③ 제1 내지 제3 실시예에 따른 무선 급·집전 시스템(110)은 급집전 전체 효율을 85% 이상으로 유지한다(단, 공극 16cm일 경우).
도 7은 제1 내지 제3 실시예에 따른 무선 급·집전 시스템의 EMF 시뮬레이션을 나타낸 그래프이다.
도 7에 도시된 제1 내지 제3 실시예에 따른 무선 급·집전 시스템(110)은 쉴딩(710)의 존재 여부와 관계없이 기 설정된 세기의 자기장을 유지한다. 이하, 제1 실시예에서 국제비전리방사선보호위원회(ICNIRP) 국제기준값을 가정하여 쉴딩(710)의 존재 여부에 따른 자기장 세기의 차이에 대해 설명하도록 한다. 제2 및 제3 실시예에서도 쉴딩(710)의 존재 여부에 따른 자기장 세기의 차이는 동일하게 적용될 수 있다.
도 7의 (a)에 도시된 바와 같이, 무선 급·집전 시스템(110)의 집전장치 측에 쉴딩(710)이 존재하는 경우, 자기장의 세기는 13.1 mG로 국제기준값인 62.5mG 이하를 만족한다.
한편, 도 7의 (b)에 도시된 바와 같이, 무선 급·집전 시스템(110)의 집전장치 측에 쉴딩(710)이 존재하지 않는 경우, 자기장의 세기는 13.5 mG로 국제기준값인 62.5mG 이하를 만족한다.
따라서, 제1 내지 제3 실시예에 따른 무선 급·집전 시스템(110)은 집전장치 측에 쉴딩(710)의 존재 여부와 관계없이 안전하다고 판단(국제기준값 만족)될 수 있다. 예를 들어, 집전장치(130)를 구비하는 집전체가 유동성이 있는 물체에 의해 부착되는 무게의 한계가 있는 경우, 쉴딩(710)을 제거하여 무게를 절감한 집전 장치(130)를 부착할 수 있다.
이상의 설명은 제1 내지 제3 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 제1 내지 제3 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 제1 내지 제3 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 제1 내지 제3 실시예들은 제1 내지 제3 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 제1 내지 제3 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 제1 내지 제3 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 제1 내지 제3 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
110: 급·집전 시스템
120: 급전장치
210: 급전 코일 220: 제1 급전 코어부
222, 224, 226: 제1 타입 코어 240: 제2 급전 코어부
242, 244, 246: 제2 타입 코어 250: 제3 급전 코어부
252, 254, 256: 제3 타입 코어
130: 집전장치
410: 인버터 420: 집전 정류기
430: 부하 440: 전류 제어부
450: 전압 피드백부 460: 부스트 컨버터

Claims (7)

  1. 상하좌우 편차에 강인한 무선 급전장치에 있어서,
    사각형 링 구조를 갖도록, 상기 사각형의 내측으로부터 외측으로 또는 외측으로부터 내측으로 권회된 전선을 포함하고, 전원을 인가받아 자기장을 방사하는 급전 코일; 및
    상기 급전 코일이 형성한 사각형 링 구조의 각 변 하부마다 기 설정된 개수의 코어가 일정한 간격으로 배치되는 급전 코어부를 포함하되,
    상기 급전 코어부는,
    상기 사각형 링 구조의 각 변마다 바(Bar) 형태를 갖는 복수 개의 급전 코어를 포함하며, 상기 복수의 급전 코어들은 상기 사각형 링 구조의 각 변을 가로지르는 방향으로 배치되고, 상기 각 변의 중심을 기준으로 상기 급전 코어가 대칭되게 배치되되, 상기 사각형 링 구조의 서로 마주보는 변에는 복수 개의 급전 코어를 서로 동일한 구조로 배치하는 것을 특징으로 하는 무선 급전장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 급전 코어부는,
    상기 바 형태의 급전 코어의 일측 또는 양측 끝단이 상측으로 돌출된 것을 특징으로 하는 무선 급전장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 급전 장치는,
    고주파 교류전류를 인가하는 인버터; 및
    상기 인버터의 전류를 제어하기 위한 전류 제어부를 더 포함하되,
    상기 전류 제어부는 무선 집전장치로부터 출력 전압을 피드백 받아, 상기 출력 전압에 근거하여 상기 인버터에 인가되는 전류를 제어하는 것을 특징으로 하는 무선 급전장치.
  5. 상하좌우 편차에 강인한 무선 급·집전 시스템에 있어서,
    사각형 링 구조를 갖도록, 상기 사각형 링의 내측으로부터 외측으로 또는 외측으로부터 내측으로 권회된 전선을 포함하고, 전원을 인가받아 자기장을 방사하는 급전 코일과 상기 급전 코일이 형성한 사각형 구조의 각 변 하부마다 기 설정된 개수의 코어가 일정한 간격으로 배치되는 급전 코어부를 구비하는 급전장치; 및
    사각형 구조를 갖도록, 상기 사각형의 내측으로부터 외측으로 또는 외측으로부터 내측으로 권회된 전선을 포함하고, 상기 급전장치에서 방사되는 자기장을 수신하는 집전 코일을 포함하는 집전장치를 포함하되,
    상기 급전장치는,
    상기 급전 코어부에 상기 사각형 링 구조의 각 변마다 바(Bar) 형태를 갖는 복수 개의 급전 코어를 포함하며, 상기 복수의 급전 코어들은 상기 사각형 구조의 각 변을 가로지르는 방향으로 배치되고, 상기 각 변의 중심을 기준으로 상기 급전 코어가 대칭되게 배치되되, 상기 사각형 링 구조의 서로 마주보는 변에는 복수 개의 급전 코어를 서로 동일한 구조로 배치하는 것을 특징으로 하는 무선 급·집전 시스템.
  6. 삭제
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 집전장치는,
    상기 급전장치로부터 유도된 상기 자기장에 따라 발생하는 교류전류를 직류전원으로 변환하는 집전 정류기; 및
    상기 직류전원을 이용하여 충전 또는 구동되는 부하를 포함하되,
    상기 집전 정류기와 상기 부하 사이에 상기 집전 정류기의 전압을 제어하여 상기 부하에 인가되는 전압을 조정하는 부스트 컨버터를 추가로 연결하는 것을 특징으로 하는 무선 급·집전 시스템.
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