KR101747843B1

KR101747843B1 - 충전속도를 자동조절하는 무선충전 시스템

Info

Publication number: KR101747843B1
Application number: KR1020160080202A
Authority: KR
Inventors: 김종우
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2016-06-27
Filing date: 2016-06-27
Publication date: 2017-06-16

Abstract

본 발명은 충전속도를 자동조절하는 무선충전 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 전기자동차의 충전시, 전기자동차의 배터리가 현재 얼마나 충전되어 있는지에 따라 무선전력 송신장치의 송신 전력량을 자동으로 조절 가능하여, 배터리 충전량(SOC)에 따라 충전속도를 자동조절하거나, 또는 무선충전 수신장치의 전력용량에 따라 충전속도를 자동조절하는 무선충전 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 무선충전 송신장치를 충전기, 전류케이블 및 송신부로 구성되는, 동일한 전력용량을 가지는 충전모듈로 모듈화함으로써 충전모듈의 추가 설치를 손쉽게 하고, 이에 따라, 이미 설치된 완속충전 전력용량의 무선충전 송신장치를 향후 중속충전 또는 급속충전 전력용량의 무선충전 송신장치로 확장하는 경우에도, 최소한의 비용으로 용이하게 그와 같은 확장을 가능하게 한다.
또한 본 발명에 의하면, 급속 또는 중속 무선충전 수신장치를 장착한 전기자동차 또는 완속 무선충전 수신장치를 장착한 전기자동차 모두에 대하여 각각에 맞게 충전 속도를 탄력적으로 조절하여 무선충전을 실시할 수 있는 무선충전 송신장치를 제공한다. 또한 동일한 무선충전 수신장치의 충전중에도, 전기자동차의 배터리 충전량(SOC)이 일정 수준 미만인 경우 그 충전속도를 빠르게 하고, 일정 수준 이상일 경우 충전속도를 느리게 하는 방식의 제어를 자동으로 수행하게 함으로써, 전력의 낭비를 줄이고 효율적인 무선충전을 가능하게 하고, 차량에 설치되는 무선충전 수신장치 역시 충전중에, 배터리 충전량(SOC)에 따라 그 작동을 탄력적으로 조절할 수 있도록 함으로써, 전력의 낭비를 줄이고 효율적인 무선충전을 가능하게 한다.

Description

충전속도를 자동조절하는 무선충전 시스템{WIRELESS POWER TRANSFER SYSTEM FOR AUTO-CONTROLLING CHARGING SYSTEM}

본 발명은 충전속도를 자동조절하는 무선충전 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 전기자동차의 충전시, 전기자동차의 배터리가 현재 얼마나 충전되어 있는지에 따라 무선전력 송신장치의 송신 전력량을 자동으로 조절 가능하여, 배터리 충전량(SOC)에 따라 충전속도를 자동조절하거나, 또는 무선충전 수신장치의 전력용량에 따라 충전속도를 자동조절하는 무선충전 시스템에 관한 것이다.

전기자동차의 충전을 위한 충전시설의 무선충전 송신장치와, 전기자동차에 설치되는 무선충전 수신장치와 관련하여 현재 표준화가 추진 중에 있다. 현재 실제로 제조되고 있는 무선충전 송신장치와 수신장치의 경우, 완속충전장치는 약 7kW, 중속충전장치는 약 14kW, 급속충전장치는 약 21kW의 용량을 가진다.

만약 급속 무선충전 송신장치가 고정적으로 설치되어 있는 충전 시설에서 완속 무선충전 수신장치를 장착한 전기자동차에 무선충전을 실시하고자 하는 경우, 급속 무선충전 송신장치의 전력을 일부만 사용하는 결과가 되고, 충전 차량 중 완속 무선충전 수신장치를 장착한 차량이 많은 경우, 이와 같이 고정적인 급속 무선충전 송신장치를 설치한 충전 시설은 매우 비경제적인 시설이 되는 문제점이 있다. 또한 반대로 완속 무선충전 송신장치가 설치되어 있는 충전 시설에서는 급속 무선충전 수신장치를 장착한 전기자동차에 무선충전을 하는 경우 충전 효율이 크게 떨어지게 되는 문제점이 있다.

WO

2015-173890

A1

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 급속 또는 중속 무선충전 수신장치를 장착한 전기자동차 또는 완속 무선충전 수신장치를 장착한 전기자동차 모두에 대하여 각각에 맞게 충전 속도를 탄력적으로 조절하여 무선충전을 실시할 수 있는 무선충전 송신장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한 무선충전 송신장치를 충전기, 전류케이블 및 송신부로 구성되는, 동일한 전력용량을 가지는 충전모듈로 모듈화함으로써 충전모듈의 추가 설치를 손쉽게 하고, 이에 따라, 이미 설치된 완속충전 전력용량의 무선충전 송신장치를 향후 중속충전 또는 급속충전 전력용량의 무선충전 송신장치로 확장하는 경우에도, 최소한의 비용으로 용이하게 그와 같은 확장을 가능하게 하는데 다른 목적이 있다.

또한 동일한 무선충전 수신장치의 충전중에도, 전기자동차의 배터리 충전량(SOC)이 일정 수준 미만인 경우 그 충전속도를 빠르게 하고, 일정 수준 이상일 경우 충전속도를 느리게 하는 방식의 제어를 자동으로 수행하게 함으로써, 전력의 낭비를 줄이고 효율적인 무선충전을 가능하게 하는데 또 다른 목적이 있다.

또한 차량에 설치되는 무선충전 수신장치 역시 충전중에, 배터리 충전량(SOC)에 따라 그 작동을 탄력적으로 조절할 수 있도록 함으로써, 전력의 낭비를 줄이고 효율적인 무선충전을 가능하게 하는데 또 다른 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 충전속도를 자동조절하는 무선충전 송신장치는, 각각 전류를 발생시키고 이로부터 발생된 자기장에 의해, 충전대상의 무선충전 수신장치로 무선전력전달을 수행하는 복수 개의 충전모듈; 및 상기 충전대상의 무선충전 수신장치의 전력용량에 따라 상기 복수 개의 충전모듈 각각에 대한 온오프 제어를 수행하는 제어부를 포함하고, 상기 각 충전모듈은, 무선전력송신용 자기장 발생을 위해 전류를 공급하는 충전기; 상기 충전기에서 공급하는 전류에 의해 자기장을 발생시키고, 발생된 자기장을 무선충전 수신장치로 송신하는 송신부; 및 상기 충전기에서 발생시킨 전류를 상기 송신부로 전달하는 전류케이블을 구비하고, 상기 제어부는, 무선전력송신 수행 중, 상기 송신되는 자기장으로부터 상기 무선충전 수신장치에서 수신되어지는 전력의 비율인 전력전달율을 감지하여 상기 무선충전 수신장치의 전력용량을 파악하고, 상기 파악된 무선충전 수신장치의 용량에 따라, 가동할 충전모듈의 개수를 결정하고, 결정된 개수의 충전모듈만을 가동시키도록 제어한다.
상기 각 충전모듈의 충전기는, 동일한 전력용량으로 구성될 수 있다.
상기 각 충전모듈의 송신부는, 전류에 의한 자기장을 발생시키기 위한 코일을 구비하며, 상기 코일의 평면 단면이, 동일한 중심을 공유하는 원형, 링(ring)형, 또는 다각형 형상을 가질 수 있다.
상기 각 충전모듈의 송신부는, 평면 단면 형상에서, 모두 동일한 면적을 가지도록 구성될 수 있다.
상기 무선충전 수신장치로부터, 상기 무선충전 수신장치의 전력용량정보를 무선통신에 의해 수신하는 통신부를 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 통신부가 수신한 상기 무선충전 수신장치의 전력용량정보로부터, 가동할 충전모듈의 개수를 결정하고, 결정된 개수의 충전모듈만을 가동시키도록 제어할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 무선충전 송신장치가, 충전속도를 자동조절하여 충전대상의 배터리에 대한 무선충전을 수행하는 방법은, (a) 목표 충전량을 설정받는 단계; (b) 상기 무선충전 수신장치의 전력용량을 파악하는 단계; (c) 상기 파악된 무선충전 수신장치의 전력용량에 따라, 가동할 충전모듈의 개수를 결정하고, 결정된 개수의 충전모듈만을 가동시키도록 제어하는 단계; 및 (d) 상기 단계(a)에서 설정된 목표 충전량 송신이 완료된 경우, 충전을 종료하는 단계를 포함하고, 상기 단계(b)에서, 상기 무선충전 수신장치의 전력용량의 파악은, 상기 무선충전 수신장치로의 무선전력송신을 개시하고, 상기 송신되는 자기장으로부터 상기 무선충전 수신장치에서 수신되어지는 전력의 비율인 전력전달율을 감지함에 의해 상기 무선충전 수신장치의 전력용량을 파악하는 방식으로 이루어진다.
상기 단계(b)에서, 상기 무선충전 수신장치의 전력용량의 파악은, 상기 무선충전 수신장치로부터, 상기 무선충전 수신장치의 전력용량 정보를 수신함으로써 이루어질 수 있다.

삭제

본 발명에 의하면, 급속 또는 중속 무선충전 수신장치를 장착한 전기자동차 또는 완속 무선충전 수신장치를 장착한 전기자동차 모두에 대하여 각각에 맞게 충전 속도를 탄력적으로 조절하여 무선충전을 실시할 수 있는 무선충전 송신장치를 제공하는 효과가 있다.

또한 본 발명에 의하면, 무선충전 송신장치를 충전기, 전류케이블 및 송신부로 구성되는, 동일한 전력용량을 가지는 충전모듈로 모듈화함으로써 충전모듈의 추가 설치를 손쉽게 하고, 이에 따라, 이미 설치된 완속충전 전력용량의 무선충전 송신장치를 향후 중속충전 또는 급속충전 전력용량의 무선충전 송신장치로 확장하는 경우에도, 최소한의 비용으로 용이하게 그와 같은 확장을 가능하게 하는 효과가 있다.

또한 동일한 무선충전 수신장치의 충전중에도, 전기자동차의 배터리 충전량(SOC)이 일정 수준 미만인 경우 그 충전속도를 빠르게 하고, 일정 수준 이상일 경우 충전속도를 느리게 하는 방식의 제어를 자동으로 수행하게 함으로써, 전력의 낭비를 줄이고 효율적인 무선충전을 가능하게 하고, 차량에 설치되는 무선충전 수신장치 역시 충전중에, 배터리 충전량(SOC)에 따라 그 작동을 탄력적으로 조절할 수 있도록 함으로써, 전력의 낭비를 줄이고 효율적인 무선충전을 가능하게 하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른, 충전속도를 자동으로 탄력적으로 조절할 수 있게 하는 무선충전 시스템을 나타내는 도면.
도 2는 도 1의 무선충전 시스템에서, 무선충전 송신장치의 송신부 및 무선충전 수신장치의 수신부의 구성을 설명하기 위한 도면.
도 3은 무선충전 송신장치에서 무선충전 수신장치로의 무선충전 시퀀스의 일 실시예를 나타내는 시퀀스 다이어그램이다.
도 4는 무선충전 송신장치에서 무선충전 수신장치로의 무선충전 시퀀스의 다른 실시예를 나타내는 시퀀스 다이어그램이다.

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 본 발명에 따른, 충전속도를 자동으로 탄력적으로 조절할 수 있게 하는 무선충전 시스템을 나타내는 도면이고, 도 2는 도 1의 무선충전 시스템에서, 무선충전 송신장치의 송신부 및 무선충전 수신장치의 수신부의 구성을 설명하기 위한 도면이다.

무선충전 송신장치로부터 충전을 받는 '충전대상'은, 이하의 설명에서는 주로 '전기자동차'를 그 예로 들어 설명하였으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 무선으로 전력을 전달받기 위한 어떠한 대상도 포함 가능하다.

도 1을 참조하면, 전기자동차에 무선으로 충전전력을 송신하기 위해 주차장 등에 설치된 무선충전 송신장치(100)와, 이로부터 충전을 받을 수 있도록 전기자동차에 설치된 무선충전 수신장치(200)가 함께 도시되어 있다. 무선충전 송신장치(100)의 충전기(111,112,113)에서 발생시켜 전류케이블(101,102,103)에 흐르는 전류로부터 송신부(121,122,123)에서 자기장(10)이 발생하고, 이 자기장(10)에 의해 무선충전 수신장치(200)의 수신부(221,222,223)로 무선전력전달이 이루어진다. 또한 수신부(221,222,223)에서 받은 자기장에 의해 전류케이블(201,202,203)에 전류가 유도되고, 이 전류는 각각 정류기(250)에서 직류로 변환되고, 레귤레이터(260)에서 설정된 전압으로 맞추어진 후 배터리(210)로 전달되어 충전이 이루어지게 된다.

본 발명의 무선충전 송신장치(100)는, 충전할 전력을 공급하는 충전기(111,112,113), 충전기에서 공급하는 전력을 공급받아 자기장(10)에 의해 무선으로 무선충전 수신장치(200)에 전력을 송신하는 송신부(121,122,123) 및, 충전기(111,112,113)에서 발생된 전류를 송신부(121,122,123)로 전달하는 전류케이블(101,102,103)을 구비하는데, 도 1의 실시예에서는, 충전기, 전류케이블 및 송신부로 이루어지는 충전모듈이 3개가 구비되어 있다.

즉, 도 1에서, 제1 충전모듈은 제1 충전기(111), 제1 전류케이블(101) 및 제1 송신부(121)로 구성되고, 제2 충전모듈은 제2 충전기(112), 제2 전류케이블(102) 및 제2 송신부(122)로 구성되며, 제3 충전모듈은 제3 충전기(113), 제3 전류케이블(103) 및 제3 송신부(123)로 구성된다. 이와 같은 제1 충전모듈, 제2 충전모듈, 제3 충전모듈 각각은 각각 독립적으로 제어가 가능하다. 또한 제1 충전모듈, 제2 충전모듈, 제3 충전모듈은, 모두 동일한 전력용량을 가짐으로써, 용이하게 확장이 가능한 구성을 갖는다. 즉, 제1 충전모듈로만 구성되도록 설치된 무선충전 송신장치에서, 제2 충전모듈, 제3 충전모듈과 같은 동일한 전력용량의 충전모듈을 손쉽게 추가하여 확장할 수 있는 구조이다. 즉, 전력용량을 확장하기 위하여 큰 전력용량의 충전기로 새로 교체하여 설치할 필요도 없을 뿐만 아니라, 각 충전모듈은 서로 독립적으로 제어가 되기 때문에 확장을 위한 충전모듈의 추가 설치 작업도 매우 용이하게 실시가 가능한 장점이 있다.

도 1의 실시예에서, 송신부(121,122,123)는 각각, 원형으로 감긴 코일로 구성되어 있다. 그러나 반드시 도 1과 같이 원형으로 감겨야 하는 것은 아니며, 사각형, 오각형 등 다각형 형태로 구성될 수도 있다. 자기장(10)이 무선충전 수신장치(200)로 더욱 집중하여 전달되도록 송신부(121,122,123)의 중앙에 코어(미도시)를 더 구비하도록 할 수도 있으나, 반드시 그와 같은 코어를 구비하여야 하는 것은 아니다. 또한 도 1과 같이 반드시 3개의 충전모듈로 구성되는 것은 아니며, 2개 또는 4개 이상의 충전모듈로도 구성될 수 있음을 물론이다.

도 1에서의 송신부(121,122,123)는, 지면과 평행한 상태로 지면 위 또는 지면 하부에 설치되며, 도 1의 송신부(121,122,123)의 형태는 지면 위에서 내려다본 평면도 형상을 나타낸다. 차량에 설치되는 무선충전 수신장치(200)의 수신부(221,222,223) 역시 그와 같은 평면도 형상을 나타낸다. 이러한 송신부(121,122,123)에서 발생하는 자기장(10)에 의해 무선충전 수신장치(200)의 수신부(221,222,223)로 송신되는 전력량은, 도 1에 나타난 송신부(121,122,123)의 면적에 비례한다. 그 이유는, 각 충전기(111,112,113)의 전력용량을 동일하게 하고, 각각 동일한 전류를 발생시킬 경우, 각 송신부(121,122,123)에는 동일한 전류가 흐르게 되고, 이에 따라 각 송신부(121,122,123)에서 발생하는 자속밀도는 동일하게 되기 때문이다. 따라서 각 송신부(121,122,123)의 면적을 같게 해 준다면, 각 송신부(121,122,123)를 통하여 송신되는 전력은 동일하게 되는 효과가 있다.

전술한 바와 같이 3개의 충전모듈은 독립적으로 동작하므로, 도 1에서 3개의 송신부(121,122,123)는 각각 별개의 충전기(111,112,113)로부터 전력을 전달받도록 구성된다. 이와 같은 구조의 장점은, 3개의 송신부(121,122,123)를 반드시 함께 작동시키지 않고, 필요에 따라 1개 ~ 3개를 탄력적으로 작동시킬 수 있다는 점이다.

예를 들어 전기자동차 배터리(210)의 현재 충전되어 있는 충전량(state of charge, SOC)이 80% 미만일 경우에는 3개의 충전기(111,112,113)를 모두 가동하여 3개의 송신부(121,122,123)가 함께 작동됨으로써 최대한의 전력을 무선충전 수신장치(200)의 수신부(221,222,223)로 전달하고(급속충전 모드), 80% 이상이 된 경우에는 일부의 충전기만을 가동시키는 등(예를 들어, 111 충전기 하나만 가동시키거나, 또는 111과 112 충전기 2개를 가동, 즉, 완속 또는 중속 충전모드)으로 충전속도를 조절할 수가 있는 것이다. 이와 같은 방법으로 배터리 충전 상태를 최적으로 조절 가능하도록 할 수 있다. 또한 이와 같이 배터리 충전량(SOC)에 따라 충전속도를 조절하여 충전을 실시하면, 배터리의 사용수명과 성능의 안정성을 더욱 효과적으로 유지할 수 있게 된다.

또한 전기자동차가 충전을 위한 주차시에, 차량의 방향 또는 높이에 따라 충전량이 변경될 수 있다. 즉, 차량의 하부면이 높아서 무선충전 송신장치와 무선충전 수신장치 간의 이격이 큰 경우에는 동일한 양의 무선전력을 송신하더라도, 실제 무선충전 수신장치에서 수신하는 충전 전력량이 감소한다. 도 1에 도시된 본 발명의 무선충전 송신장치(100)는, 이와 같은 경우에도 무선충전 수신장치(200)에서 수신하는 충전 전력량을 일정하게 유지할 수 있도록, 충전기(111,112,113) 중 가동하는 충전기의 수를 탄력적으로 조절할 수 있게 된다.

또 다른 측면에서의 장점을 설명하면, 만약 무선충전 송신장치가 도 1과 같이 3개의 충전모듈로 구성되어 있지 않고, 약 21kW로 고정된 형태이거나 또는 약 7kW로 고정된 형태라면, 다양한 전력용량을 가진 무선충전 수신장치에 효과적으로 대응하기 어렵게 된다.

즉, 무선충전 송신장치의 전력용량이 약 7kW로 고정되어 있다면, 약 21kW의 무선충전 수신장치에 대한 충전효율이 크게 떨어지게 되어 적합치 않게 된다. 반대로 무선충전 송신장치의 전력용량이 약 21kW로 고정되어 있는 경우에 약 7kW의 소용량의 무선충전 수신장치에 대하여 충전을 실시할 때에는, 급전전류량을 조절하여 충전량을 조절함으로써 충전은 가능하지만, 이와 같은 소용량의 무선충전 수신장치에 대한 충전 수요가 많을 경우에는, 그와 같이 약 21kW의 대용량 무선충전 송신장치를 제작하여 설치하는 것은 과도한 설비 투자로서 경제성이 매우 떨어지게 된다.

이와 대비하여 복수의 충전기(111,112,113) 및 각각에 연결된 송신부(121,122,123)로 모듈화된 구성으로서, 그와 같은 충전모듈의 추가 설치 방식으로 용이하게 전력용량을 확장가능하도록 구성한 본 발명의 무선충전 송신장치(100)는, 차량에 설치된 무선충전 수신장치(200)의 용량에 따라 탄력성 있게 송신부(121,122,123)를 가동하게 할 수 있다는 장점 또한 가지고 있다.

예를 들어 전술한 바와 같이 현재 실제로 제조되고 있는 무선충전 송신장치와 무선충전 수신장치를 그 전력용량별로 보면, 완속충전용은 7kW, 중속충전용은 14kW, 급속충전용은 약 21kW의 전력을 갖는다. 도 1의 무선충전 송신장치(100)에서, 3개의 충전기(111,112,113)가 각각 약 7kW의 전력을 제공할 수 있도록 구성하면, 이러한 무선충전 송신장치(100)에서, 약 21kW의 무선충전 수신장치를 장착한 전기자동차가 충전을 받는 경우에는 3개의 충전기(111,112,113)를 모두 가동시키게 된다. 또한 약 7kW의 무선충전 수신장치를 장착한 전기자동차가 충전을 받는 경우에는 위 3개의 충전기(111,112,113) 중 하나만을 가동시키면 되는 것이다.

즉, 충전모듈로써 구성되는 본 발명의 무선충전 송신장치(100)를 사용하면, 다양한 전력용량의 무선충전 수신장치(200)에 대하여도, 전술한 바와 같은 무선충전 시설 투자의 경제성 문제나 충전시 비효율의 문제없이 탄력적으로 무선충전을 실시할 수 있게 된다.

따라서 대용량, 중용량, 소용량 무선충전 수신장치와 같이, 무선충전 수신장치의 용량에 따라, 무선충전 송신장치(100)에서 송신할 충전 전력량을 충전기 및 송신부의 모듈화 방식에 의해 용이하게 스위칭하여 운영함으로써 최소단위로 충전기(111,112,113)를 제작할 수 있는 장점이 있을 뿐만 아니라, 또한 이와 같이 최소단위로 충전기(111,112,113)가 구성되므로 운영상에 충전기 고장 등의 문제 발생시에도 충전이 가능한 백업 시스템으로 운영이 가능하게 된다는 장점이 있다. 동일한 방식으로 무선충전 수신장치(200) 역시 최소모듈에 대한 백업 기능이 있어 운영상의 안정성과 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

이하에서는 도 2를 참조하여 송신부(121,122,123) 및 수신부(221,222,223)의 구성을 설명한다.

전술한 바와 같이 도 1 및 도 2의 실시예에서는 코일로써 형성되는 송신부 및 수신부의 형태를 원형으로써 제시하였으나, 사각형이나, 오각형 등 다각형 형태 역시 가능하다.

도 1 및 도 2에 나타난 3개의 송신부(121,122,123)의 면적은 동일하게 구성하는 것이 바람직하다. 전술한 바와 같이 송신부(121,122,123)에서 발생하는 자기장(10)에 의해 무선충전 수신장치(200)의 수신부(221,222,223)로 전달되는 전력량은, 도 1에 나타난 송신부(121,122,123)의 단면 면적에 비례한다. 본 실시예에서 3개의 송신부 121,122,123은 모두 동일한 면적을 가지도록 구성된다. 또한 3개의 송신부 121,122,123은 각각 동일한 전력 용량의 충전기 111,112,113에 연결되며, 이로부터 각 충전기를 작동시킬 때, 각 충전기에 연결된 각 송신부로부터 발생되는 전력량은 동일하게 된다. 도 2와 같이 원형의 송신부의 실시예에서는 3개의 송신부의 면적이 동일하기 위해서, 송신부 121의 반지름을 r1이라 할 경우, 송신부 122의 바깥쪽 반지름은

, 송신부 123의 바깥쪽 반지름은

이 되어야 한다. 도 2와 다른 형태의 실시예로서는 각 송신부 코일을 모두 도 2의 (a)와 같이 형성시킨 후 인접시키는 형태로 구성할 수도 있으나, 이 경우 전체 송신부가 차지하는 면적이 도 2의 (d)의 경우보다 훨씬 커지게 된다. 즉, 도 2에서 면적이 동일하게 구성된 3개의 송신부 (a),(b),(c)를 조합하여 도 2의 (d)와 같이 동심원으로 3개의 송신부(121,122,123)를 배치할 경우, 각 송신부가 동일한 면적을 유지하면서도 전체 송신부가 차지하는 면적을 최소화 시킬 수 있게 된다.

본 발명에서, 필수적으로 3개의 충전기(111,112,113)의 전력 용량이 같아야 하거나, 3개의 송신부(121,122,123)의 면적이 동일해야만 하는 것은 아니다. 그러나 3개의 충전기(111,112,113)의 전력 용량이 같고, 각 충전기에 연결된 3개의 송신부(121,122,123)의 단면 면적이 동일하도록 하는 것은 공학적 관점에서 매우 유리하게 된다. 즉, 충전기 및 송신부의 확장시, 동일한 충전기 및 동일 면적의 송신부를 추가하면 되므로, 충전기는 한 종류만이 필요하고, 같은 종류의 충전기를 대량생산할 수 있게 되어 제작에 소요되는 비용이 감소될 뿐만 아니라, 어느 충전기의 고장의 경우에도 신속하고 용이한 교체가 가능하게 된다는 장점이 있는 것이다.

또한 무선충전 수신장치(200)의 수신부(221,222,223)의 경우에도, 전술한 무선충전 송신장치(100)의 송신부(121,122,123) 구성과 마찬가지로, 동심원이나, 정방형, 기타 다른 형태의 구조로서 동일한 단면 넓이를 가지는 코일로 구성될 수 있다. 송신부에 대하여 설명한 것과 마찬가지로, 수신부 역시 반드시 원형이어야만 하는 것은 아니며, 다각형 구조도 가능하다. 또한 배터리 SOC 수준이 일정값 이상이 되는 경우에, 송신부(121,122,123)의 경우와 유사하게 일부의 수신부를 오프시키도록 제어할 수 있다.

도 3은 무선충전 송신장치(100)에서 무선충전 수신장치(200)로의 무선충전 시퀀스의 일 실시예를 나타내는 시퀀스 다이어그램이고, 도 4는 무선충전 송신장치(100)에서 무선충전 수신장치(200)로의 무선충전 시퀀스의 다른 실시예를 나타내는 시퀀스 다이어그램이다.

도 3 및 도 4의 실시예에서, 전술한 바와 같이 본 발명의 무선충전 송신장치(100)에서의 충전기는 최소단위(일 예로서, 완속 7kW)의 충전기를 병렬로 구성(111,112,113)하여, 차량내 배터리의 SOC에 따라 3개의 내부 충전기(111,112,113) 각각의 온/오프를 제어하여 충전을 실시한다. 전술한 바와 같이 무선충전 송신장치(100)는, 각 충전모듈로 모듈화되어 있고, 각 충전모듈에서의 각 충전기(111,112,113)의 전류는, 각 송신부(121,122,123)로 각 전류케이블(101,102,103)을 통하여 전달된다. 충전모듈은 각각 별개로 제어가 가능하므로, 특정 충전모듈의 충전기를 작동시킬 경우, 작동시킨 충전기에 연결된 송신부에만 전류가 흐르고, 전류가 흐르는 송신부에 의해서만 자기장(10)이 발생하여 무선충전 수신장치(200)로 전력이 전달된다. 또한 무선충전 송신장치(100)는, 무선충전 수신장치(200)의 전력용량을 파악하여 파악된 전력용량에 따라 무선충전 송신장치(100)에서 가동할 충전모듈의 수를 제어하는 기능을 수행할 수도 있다. 이하에서 도 3 및 도 4의 각각의 시퀀스를 상세히 설명하기로 한다.

먼저 도 3의 경우는, 충전하려는 충전대상, 예를 들어 전기자동차와 무선충전 송신장치(100) 간에, 무선통신 없이 충전과정이 수행되는 경우의 실시예로서, 이에 대하여 이하에서 설명한다.

무선충전 수신장치(200)를 장착한 전기자동차가 충전을 위하여 무선충전 송신장치(100) 위로 진입한다(S301). 운전자는 무선충전 송신장치(100)가 설치된 충전소 등의 입력장치 등을 통하여 충전할 양을 설정한 후(S302), 일단 복수의 충전모듈을 가동하여(약 21kW)(S303), 자기장에 의한 무선전력을 무선충전 수신장치(200)로 송신한다(S304). 즉, 7kW의 충전모듈이 3개인 경우 처음에는 3개 모두를 가동할 수 있다. 물론 사용자가 요청한 목표 충전량(S302)에 따라서 1개 또는 2개의 충전모듈만을 가동할 수도 있으나, 일반적으로 충전하는 차량의 배터리 SOC는 어느정도 낮은 수준일 것이므로, 3개의 충전모듈을 모두 가능하는 경우가 많을 것이다. 여기서 '충전모듈'이라 함은 1개의 충전기와 그에 연결된 전류케이블 및 1개의 송신부로 구성된 모듈을 의미하며, 도 1의 실시예에서는 3개의 충전모듈을 구비하고 있음을 나타낸 것이다.

이 경우, 진입한 전기자동차에 장착된 무선충전 수신장치(200)의 용량이 최소단위, 즉 7kW라면, 무선충전 송신장치(100)는, 자기장 발생에 의한 전력 송신 중 송신부(121,122,123)로부터 발생한 전력이 무선충전 수신장치(200)의 수신부로 전달되는 비율을 감지하여(S305), 그 전달율이 일정 수준 미만이 됨을 감지하게 되고, 이에 따라, 가동하고 있는 3개의 충전모듈 중 일부의 충전모듈을 오프시킨다(S306). 예를 들어 감지된 전력전달율에 의하여, 무선충전 수신장치(200)의 용량이 7kW 인 것으로 파악되었다면, 송신부(121,122,123) 및 충전기(111,112,113) 중 2개 모듈을 오프시켜, 1개의 충전모듈, 즉 송신부(121) 및 그에 연결된 충전기(111) 만을 가동시키게 된다(S306). 여기서 전력전달율이란, 송신부에서 수신부로의 무선전력송신 수행 중, 송신되는 자기장으로부터 무선충전 수신장치(200)가 전력을 얼마나 배터리 충전에 사용하는지, 즉, 송신되는 자기장으로부터 무선충전 수신장치(200)에서 수신되어지는 전력의 비율을 의미한다.

또는 감지된 전력전달율에 의하여, 무선충전 수신장치(200)의 용량이 약 21kW 인 것으로 파악되었다면(S305), 3개의 충전모듈, 즉, 3개의 충전기(111,112,113) 및 송신부(121,122,123)의 작동을 지속시키게 된다. 물론 감지된 전력전달율에 의하여, 무선충전 수신장치(200)의 용량이 약 14kW 인 것으로 파악되었다면, 2개의 충전모듈을 가동하도록 할 수도 있다.

이후에는 충전 진행에 따른 배터리(210)의 SOC에 따라 충전모듈의 일부를 OFF시키는 단계를 수행할 수 있다. 즉, 충전중에 지속적으로 송신부(121,122,123)로부터 수신부(221,222,223)로의 전력전달율을 체크하여(S307), 전달률이 일정 수준 이상이라면(S308), 차량의 배터리(210)의 SOC가 아직 기 설정된 수준(예를 들어 80%)에 도달하지 못한 것으로 판단하여 3개의 충전모듈에 의한 충전을 계속하면서 전력전달율을 계속 체크한다(S307). 그러나 전력전달률이 일정 수준 미만이라면(S308), 차량의 배터리(210)의 SOC가 기 설정된 수준(예를 들어 80%) 이상에 도달한 것으로 판단하여 3개의 충전모듈 중 일부의 충전모듈을 오프시킬 수 있다(S309). 이 경우, SOC 증가에 따라 충전모듈을 먼저 1개 오프시키고(중속충전모드), 더욱 증가할 경우 충전모듈을 하나 더 오프하여, 1개의 충전모듈만으로 충전을 마무리해 갈 수도 있다(완속충전모드).

무선충전 수신장치(200)의 수신부도 복수개(221,222,223)의 모듈이 장착된 경우, 배터리(210) SOC 수준을 체크하여(S310), SOC 수준이 일정 수준 이상이 되는 경우(S311), 일부의 수신부가 오프되도록 구성할 수 있으며(S312), 그 방법은 무선충전 송신장치(100)에 대하여 전술한 방법과 유사하다.

무선충전 송신장치(100) 또는 무선충전 수신장치(200)에서 일부 충전모듈을 오프하는 방법은, i) 회로적으로 구성하거나, 또는 ii) 제어부(130,230)에 의해 오프 제어되도록 구성할 수 있게 된다.

이후 배터리에 대한 목표 충전량 송신이 완료된 경우(S313), 모든 충전모듈을 오프시킴으로써 충전을 종료한다(S314).

지금까지 기술한 바와 같이 도 3의 실시예에서는, 무선충전 송신장치(100)가 무선충전 수신장치(200)의 전력용량을 파악하거나, 또는 충전대상의 배터리 SOC를 파악함에 있어, 충전하려는 전기자동차와 무선충전 송신장치(100) 간의 무선통신 없이, 무선충전 송신장치(100)가, 무선충전 송신장치(100)의 송신부에서 무선충전 수신장치(200)의 수신부로의 전력이 전달되는 비율을 감지하는 방법으로 이루어지는 경우의 실시예를 설명하였다. 또한 도 3의 실시예에서는 무선충전 수신장치(200)의 전력용량을 파악하여 그에 따라 무선충전 송신장치(100)에서 가동하는 충전모듈의 수를 제어하는 과정과, 충전대상의 배터리 SOC에 따라 무선충전 송신장치(100)에서 가동하는 충전모듈의 수를 조정해 나가는 과정이 모두 포함된 시퀀스를 도시하였으나, 필요에 따라서는, 무선충전 수신장치(200)의 전력용량을 파악하여 그에 따라 무선충전 송신장치(100)에서 가동하는 충전모듈의 수를 제어하는 과정만을 수행하거나, 또는 충전대상의 배터리 SOC에 따라 무선충전 송신장치(100)에서 가동하는 충전모듈의 수를 조정해 나가는 과정만을 수행하도록 할 수도 있다.

도 4의 경우는, 충전하려는 충전대상, 예를 들어 전기자동차와 무선충전 송신장치(100) 간에 무선통신이 이루어지는 경우의 실시예로서, 이에 대하여 이하에서 설명한다.

도 3의 경우와 마찬가지로, 무선충전 수신장치(200)를 장착한 전기자동차가 충전을 위하여 무선충전 송신장치(100) 위로 진입한 후(S401), 운전자는 무선충전 송신장치(100)가 설치된 충전소 등의 입력장치 등을 통하여 충전할 양을 설정한다(S402). 이때 무선충전 수신장치(200)의 통신부(240)는 무선충전 송신장치(100)로, 무선충전 수신장치(200)의 전력 용량 정보 및, 현재 배터리 SOC 정보를 무선통신으로 보낼 수 있다(S403). 무선충전 송신장치(100)의 통신부(140)는 이 정보를 수신하고, 제어부(130)의 제어에 의해 적절한 개수의 충전모듈을 가동한다(S404).

즉, 무선충전 송신장치(100)는, 수신한 정보로부터 무선충전 수신장치(200)가 7kW일 경우에는 하나의 충전모듈, 예를 들어 충전기 111과 송신부 121만을 작동시킨다(S404). 또는 수신한 정보로부터 무선충전 수신장치(200)가 21kW일 경우에는 3개의 충전모듈, 즉 충전기 111,112,113과 송신부 121,122,123을 모두 가동하게 되는 것이다(S404). 이는 처음부터 무선충전 송신장치(100)에서, 필요한 충전모듈만을 적절하게 가동시킴으로써 전력의 낭비없이 효율적인 충전이 이루어지도록 하는 장점이 있다.

또한 전술한 바와 같이 충전하려는 배터리의 현재 SOC가 몇 %인지에 대한 SOC 수준 정보를 함께 무선충전 송신장치(100)로 함께 송신할 수도 있는데(S403), 만약 무선충전 수신장치(200)가 21kW 용량이면서 현재 배터리 SOC가 일정 수준 이상인 경우(예를 들어 80% 이상), 무선충전 송신장치(100)는 3개의 충전모듈 중 일부, 예를 들어 1개의 충전모듈, 즉 충전기 111과 송신부 121 만을 가동하거나, 또는 2개의 충전모듈, 즉 충전기 111,112와 송신부 121,122 만을 가동하도록 할 수 있다(S404).

그러나 무선충전 수신장치(200)가 21kW 용량이면서 현재 배터리 SOC가 일정 수준 미만인 경우, 무선충전 송신장치(100)는 3개의 충전모듈, 즉, 3개의 충전기 111,112,113과 송신부 121,122,123을 모두 가동한다(S404).

이와 같이 가동된 충전모듈에 의해, 무선충전 수신장치(200)로, 자기장을 이용한 무선전력의 송신이 이루어지게 된다(S405).

이후, 전기자동차는 충전중인 배터리(210)의 SOC를 지속적으로 체크하여(S406) SOC 값을 무선충전 송신장치(100)로 송신한다(S407). 물론 이러한 메시지 송수신은 통신부(140,240) 간에 이루어진다. 무선충전 송신장치(100)의 제어부(130)는 수신한 SOC 값이 기 설정된 수준 미만인 경우에는(S408) 3개의 충전모듈 작동을 그대로 유지하면서 충전을 계속하지만, SOC 증가에 따라 SOC가 기 설정된 수준에 도달한 경우에는(S408) 가동중인 충전모듈 중 일부를 오프시키도록 제어하는 방식을 채택할 수도 있으며(S409), 그 방법은 도 3의 경우와 동일하다.

무선충전 수신장치(200)의 수신부도 복수개(221,222,223)의 모듈이 장착된 경우, 배터리(210) SOC 수준을 체크하여(S406), SOC 수준이 일정 수준 이상이 되는 경우(S410), 일부의 수신부가 오프되도록 구성할 수 있으며(S411), 그 방법은 무선충전 송신장치(100)에 대하여 전술한 방법과 유사하다.

이후 배터리에 대한 목표 충전량 송신이 완료된 경우(S412), 모든 충전모듈을 오프시킴으로써 충전을 종료한다(S413).

지금까지 기술한 바와 같이 도 4의 실시예에서는, 무선충전 송신장치(100)가 무선충전 수신장치(200)의 전력용량을 파악하거나, 또는 충전대상의 배터리 SOC를 파악하는 과정이, 충전하려는 전기자동차와 무선충전 송신장치(100) 간의 무선통신 과정을 통하여 이루어지는 경우의 실시예를 설명하였다. 또한 도 4의 실시예에서는 무선충전 수신장치(200)의 전력용량을 파악하여 그에 따라 무선충전 송신장치(100)에서 가동하는 충전모듈의 수를 제어하는 과정과, 충전대상의 배터리 SOC에 따라 무선충전 송신장치(100)에서 가동하는 충전모듈의 수를 조정해 나가는 과정이 모두 포함된 시퀀스를 도시하였으나, 도 3의 경우와 마찬가지로 도 4의 경우에도, 필요에 따라서는, 무선충전 수신장치(200)의 전력용량을 파악하여 그에 따라 무선충전 송신장치(100)에서 가동하는 충전모듈의 수를 제어하는 과정만을 수행하거나, 또는 충전대상의 배터리 SOC에 따라 무선충전 송신장치(100)에서 가동하는 충전모듈의 수를 조정해 나가는 과정만을 수행하도록 할 수도 있다.

10: 자기장
100: 무선충전 송신장치
101,102,103: 무선충전 송신장치의 전류케이블
111,112,113: 무선충전 송신장치의 충전기
121,122,123: 무선충전 송신장치의 송신부
130: 무선충전 송신장치의 제어부
140: 무선충전 송신장치의 통신부
200: 무선충전 수신장치
201,202,203: 무선충전 수신장치의 전류케이블
210: 무선충전 수신장치의 배터리
221,222,223: 무선충전 수신장치의 수신부
230: 무선충전 수신장치의 제어부
240: 무선충전 수신장치의 통신부
250: 무선충전 수신장치의 정류기
260: 무선충전 수신장치의 레귤레이터

Claims

삭제
충전속도를 자동조절하는 무선충전 송신장치로서,
각각 전류를 발생시키고 이로부터 발생된 자기장에 의해, 충전대상의 무선충전 수신장치로 무선전력전달을 수행하는 복수 개의 충전모듈; 및
상기 충전대상의 무선충전 수신장치의 전력용량에 따라 상기 복수 개의 충전모듈 각각에 대한 온오프 제어를 수행하는 제어부
를 포함하고,
상기 각 충전모듈은,
무선전력송신용 자기장 발생을 위해 전류를 공급하는 충전기;
상기 충전기에서 공급하는 전류에 의해 자기장을 발생시키고, 발생된 자기장을 무선충전 수신장치로 송신하는 송신부; 및
상기 충전기에서 발생시킨 전류를 상기 송신부로 전달하는 전류케이블
을 구비하고,
상기 제어부는,
무선전력송신 수행 중, 상기 송신되는 자기장으로부터 상기 무선충전 수신장치에서 수신되어지는 전력의 비율인 전력전달율을 감지하여 상기 무선충전 수신장치의 전력용량을 파악하고, 상기 파악된 무선충전 수신장치의 용량에 따라, 가동할 충전모듈의 개수를 결정하고, 결정된 개수의 충전모듈만을 가동시키도록 제어하는,
무선충전 송신장치.
청구항 2에 있어서,
상기 각 충전모듈의 충전기는,
동일한 전력용량으로 구성되는 것
을 특징으로 하는 무선충전 송신장치.
청구항 2에 있어서,
상기 각 충전모듈의 송신부는,
전류에 의한 자기장을 발생시키기 위한 코일을 구비하며,
상기 코일의 평면 단면이, 동일한 중심을 공유하는 원형, 링(ring)형, 또는 다각형 형상을 가지는 것
을 특징으로 하는 무선충전 송신장치.
청구항 4에 있어서,
상기 각 충전모듈의 송신부는,
평면 단면 형상에서, 모두 동일한 면적을 가지도록 구성되는 것
을 특징으로 하는 무선충전 송신장치.
삭제
삭제
삭제
청구항 2에 있어서,
상기 무선충전 수신장치로부터, 상기 무선충전 수신장치의 전력용량정보를 무선통신에 의해 수신하는 통신부
를 더 포함하고,
상기 제어부는,
상기 통신부가 수신한 상기 무선충전 수신장치의 전력용량정보로부터, 가동할 충전모듈의 개수를 결정하고, 결정된 개수의 충전모듈만을 가동시키도록 제어하는 것
을 특징으로 하는 무선충전 송신장치.
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
청구항 2의 무선충전 송신장치가, 충전속도를 자동조절하여 충전대상의 배터리에 대한 무선충전을 수행하는 방법으로서,
(a) 목표 충전량을 설정받는 단계;
(b) 상기 무선충전 수신장치의 전력용량을 파악하는 단계;
(c) 상기 파악된 무선충전 수신장치의 전력용량에 따라, 가동할 충전모듈의 개수를 결정하고, 결정된 개수의 충전모듈만을 가동시키도록 제어하는 단계; 및
(d) 상기 단계(a)에서 설정된 목표 충전량 송신이 완료된 경우, 충전을 종료하는 단계
를 포함하고,
상기 단계(b)에서, 상기 무선충전 수신장치의 전력용량의 파악은,
상기 무선충전 수신장치로의 무선전력송신을 개시하고, 상기 송신되는 자기장으로부터 상기 무선충전 수신장치에서 수신되어지는 전력의 비율인 전력전달율을 감지함에 의해 상기 무선충전 수신장치의 전력용량을 파악하는 방식으로 이루어지는
무선충전 송신장치의 무선충전 수행방법.
삭제
삭제
삭제
삭제
청구항 15에 있어서,
상기 단계(b)에서, 상기 무선충전 수신장치의 전력용량의 파악은,
상기 무선충전 수신장치로부터, 상기 무선충전 수신장치의 전력용량 정보를 수신함으로써 이루어지는 것
을 특징으로 하는 무선충전 송신장치의 무선충전 수행방법.
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