KR101803151B1 - 무선 충전 시스템의 자기장 정렬 방법 및 장치와 이에 이용되는 일차 패드 - Google Patents

무선 충전 시스템의 자기장 정렬 방법 및 장치와 이에 이용되는 일차 패드 Download PDF

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Abstract

무선 충전 시스템의 자기장 정렬 방법 및 장치와 이에 이용되는 일차 패드가 제공된다. 자기장 정렬 방법은, 전기차에 탑재된 스마트키 시스템용 제1 안테나와 제2 안테나를 통해 각 안테나 식별자를 포함한 제1 신호 및 제2 신호를 송출하는 단계, 무선 충전 시스템의 충전 스팟들에 대응하는 위치들에 배열되는 트랜스폰더들로부터 제1 신호 및 제2 신호에 대한 응답 신호를 수신하는 단계, 및 응답 신호에 포함된 제1 신호의 제1 수신 신호 세기와 제2 신호의 제2 수신 신호 세기에 기초하여 특정 트랜스폰더가 결합된 일차 패드의 위치를 추정하는 단계를 포함한다.

Description

무선 충전 시스템의 자기장 정렬 방법 및 장치와 이에 이용되는 일차 패드{METHOD AND APPARATUS FOR MAGNETIC FIELD ALIGNMENT IN WIRELESS POWER CHARGING SYSTEM AND PRIMARY PAD USED THEREIN}
본 발명은 무선 충전 시스템(wireless power charging system)의 자기장 얼라인먼트(magnetic field alignment)에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 차량의 LF(low frequency) 안테나를 이용하는 무선 충전 시스템의 자기장 정렬 방법 및 장치와 이에 이용되는 일차 패드에 관한 것이다.
전기차의 무선 충전은 일정 출력(예컨대, 2.4㎾) 이상의 전력을 전송하는 대전력 무선 전력 전송 분야에 속하는 것으로 자기유도 방식과 자기공명 방식으로 분류될 수 있다.
무선 전력 전송 기술은 무선통신, 개인정보보안 등의 다른 기술과의 융합을 통해 무선 충전 시스템의 신뢰성, 안정성, 내구성, 편의성, 효율성, 기능성(과금/결제서비스 등) 등을 향상시키기 위하여 차량 탑재 어셈블리의 하드웨어 구조에서부터 시작하여 차량과 차량, 차량과 인프라(무선충전 인프라 포함), 차량과 사물(사용자 단말 포함) 간의 통신에 이르기까지 거의 모든 분야와 연계되는 구조로 확장하고 있다.
한편, 전기차의 고전압 배터리에 대한 무선 충전에 있어서, 충전 효율을 높이기 위해서는 충전 스테이션의 그라운드 어셈블리 코일(1차 코일)과 전기차의 차량 어셈블리 코일(2차 코일)을 일정 수준 이상으로 정렬하는 것이 필요하고, 따라서 이러한 코일 정렬과 관련된 연구가 다수 진행되고 있으나, 복수의 주차 구역들에 배치된 1차 코일들 중 어느 하나와 차량에 탑재된 2차 코일을 효과적으로 정렬하는 방안은 아직까지 그 연구 결과가 미미한 실정이다.
예컨대, 차량이 충전 스테이션의 무선 네트워크(GPS, 3G, LTE, WiFi 등) 영역 내로 진입하는 경우, 적어도 하나의 그라운드 어셈블리에 무선 전력 전송을 위해 구비된 복수의 1차 패드들과 차량에 탑재된 2차 패드 간의 정밀 거리 계산이 필요하다. 하지만, 무선 통신망을 이용하여 1차 패드와 2차 패드의 위치를 정렬하는데에는 다음과 같은 문제점이 있다.
위성 또는 GPS(Global Positioning System) 기반의 위치 정렬 시, 옥외 주차장의 경우 5m 이상의 오차 범위를 가진다. 즉, 각 주차 공간에 1차 패드가 설치되고 인접한 주차 공간들 사이의 거리가 약 3m인 주차장에서 전기차가 위성 신호를 이용하여 특정 주차 공간의 1차 패드와 차량의 2차 패드를 정렬하는 것은 실질적으로 불가능하다. 게다가, 옥내 주차장의 경우 신호 수신에 대한 많은 간섭 영향으로 인해 거리 계산이 어렵다는 단점도 있다.
LTE(Long Term Evolution), 3G(Third Generation) 등의 무선 통신 네트워크 기반의 위치 정렬 시, 현재 대부분의 차량이나 전기차에 탑재되어 있는 무선 통신 장치를 이용할 수 있는 장점이 있으나, 기지국의 종류, 통신망의 통신 방식 등에 따라서 위치 정확도 차이가 커서 위치 정렬에 대한 안정성이나 신뢰성에 문제가 많은 단점이 있다.
또한, WiFi나 무선주파수(Radio Frequency, RF)를 이용한 유비쿼터스 기반의 위치 정렬 시, 옥외나 옥내 모두에서 거리 측정을 할 수 있는 장점이 있으나, 신호 반경이 작고 인접한 액세스 포인트들(Access Points, APs)의 신호 세기에 의해 서로 원치않는 영향을 받게 되므로 신호 세기가 변동하여 위치 정렬을 위한 거리 계산에서 오차가 심한 단점이 있다.
이와 같이, 무선 통신망을 이용하면 무선 전력전송 시스템의 충전 스테이션(Wireless Power Transfer System Charge Station) 내에 위치한 특정 주차 구역의 개략적인 위치를 파악하는 것은 가능하나, 특정 주차 구역 내 그라운드 어셈블리 코일(1차 코일)과 전기차의 차량 어셈블리 코일(2차 코일)을 정렬하는 것은 쉽지 않기 때문에 이에 대한 적절한 방안이 요구되고 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 전기차 무선 전력 전송 시스템의 충전 인프라스트럭처와 차량 간의 얼라인먼트에 사용할 수 있는, 일차 패드를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 전기차의 LF(Low Frequency) 안테나에서의 신호를 이용하는 무선 충전 시스템의 자기장 정렬 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 스마트키 시스템을 이용하는 무선 충전 시스템의 자기장 정렬 장치를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에서는, 차량 어셈블리 제어기(vehicle assembly controller, VA controller)를 포함한 자기장 정렬 장치에 의해 수행되는 무선 충전 시스템의 자기장 정렬 방법에 있어서, 전기차에 탑재된 스마트키 시스템용 제1 안테나와 제2 안테나를 통해 각 안테나 식별자를 포함한 제1 신호 및 제2 신호를 송출하는 단계, 무선 충전 시스템의 충전 스팟들에 대응하는 위치들에 배열되는 트랜스폰더들로부터 제1 신호 및 제2 신호에 대한 응답 신호를 수신하는 단계, 및 응답 신호에 포함된 제1 신호의 제1 수신 신호 세기와 제2 신호의 제2 수신 신호 세기 등의 응답 정보에 기초하여 특정 트랜스폰더가 결합된 일차 패드의 위치를 추정하는 단계를 포함하는, 무선 충전 시스템의 자기장 정렬 방법이 제공된다.
여기에서, 상기 응답 신호를 수신하는 단계는, 트랜스폰더들 각각으로부터 기준 시간 내에 일정 개수 이상의 복수 프레임을 수신하고, 일정 개수 이상의 복수의 프레임을 수신하지 못한 경우, 응답 신호를 수신하는 단계 혹은 제1 신호 및 제2 신호를 송출하는 단계 후에 제1 신호 및 제2 신호를 재송출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
여기에서, 응답 신호는, 제1 안테나 식별자, 제1 신호의 수신 자기장 세기, 트랜스폰더가 송출하는 무선 신호 세기를 포함한 제1 응답 정보, 및 제2 안테나 식별자, 제2 신호의 수신 자기장 세기, 트랜스폰더가 송출하는 무선 신호 세기를 포함한 제2 응답 정보를 포함할 수 있다.
여기에서, 무선 충전 시스템의 자기장 정렬 방법은, 응답 신호를 수신하는 단계 후에, 트랜스폰더가 송출하는 무선 신호 세기와 응답 신호의 무선 신호 세기를 비교하여 비교 결과의 신호 세기가 기준값 이상이 아니면 해당 트랜스폰더와 수신 안테나를 미스패치(mismatch)로 판단하는 단계를 더 포함할 수 있다.
여기에서, 제1 안테나와 제2 안테나는 스마트키 시스템을 통해 차량 어셈블리 제어기에 연결되고 전기차의 운전석의 도어 외부 손잡이와 조수석의 도어 외부 손잡이에 각각 배치될 수 있다.
여기에서, 무선 충전 시스템의 자기장 정렬 방법은, 일차 패드의 위치를 추정하는 단계 후에, 일차 패드와 전기차의 이차 패드를 정렬하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이차 패드를 정렬하는 단계는, 제1 안테나와 트랜스폰터와의 제1 수신 신호 세기가 최대이고 제2 안테나와 트랜스폰더와의 제2 수신 신호 세기가 최대인 지점으로 전기차 또는 이차 패드를 이동시킬 수 있다.
여기에서, 상기 응답 신호를 수신하는 단계는, 제1 신호 및 제2 신호를 송출하는 단계에서의 주파수와 다른 주파수를 이용할 수 있다. 다른 주파수는 극초단파를 포함할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에서는, 전기차에 탑재되는 무선 충전 시스템의 자기장 정렬 장치에 있어서, 전기차에 탑재된 스마트키 시스템용 제1 안테나와 제2 안테나를 통해 각 안테나 식별자를 포함한 제1 신호 및 제2 신호를 송출하는 송출부, 충전 스테이션의 충전 스팟들에 대응하는 위치들에 배열되는 트랜스폰더들로부터 제1 신호 및 제2 신호에 대한 응답 신호를 각각 수신하는 수신부, 및 응답 신호에 포함된 제1 신호의 제1 수신 신호 세기와 제2 신호의 제2 수신 신호 세기 등의 응답 정보에 기초하여 특정 트랜스폰더에 결합하는 일차 패드의 위치를 추정하는 추정부를 포함하는, 무선 충전 시스템의 자기장 정렬 장치가 제공된다.
여기에서, 송출부는, 수신부가 트랜스폰더로부터 기준 시간 내에 일정 개수 이상의 복수 프레임을 수신하지 못한 경우, 해당 트랜스폰더의 응답 신호를 무시하고 제1 신호 및 제2 신호를 재송출할 수 있다.
여기에서, 무선 충전 시스템의 자기장 정렬 장치는, 트랜스폰더가 송출하는 무선 신호 세기와 응답 신호의 수신 신호 세기를 비교하여 비교 결과의 신호 세기가 기준값 이상이 아니면(즉, 이하이면), 해당 트랜스폰더와 수신 안테나를 미스매치(mismatch)로 판단하는 미스매치 판단부를 더 포함할 수 있다.
여기에서, 무선 충전 시스템의 자기장 정렬 장치는, 스마트키 시스템의 제어부와의 사이에 배치되고 서로 다른 주파수 신호의 송출 및 수신을 위한 적어도 하나 이상의 인터페이스를 더 포함할 수 있다.
여기에서, 무선 충전 시스템의 자기장 정렬 장치는, 추정부에서 순차적으로 제공되는 추정 결과들에 따라 일차 패드의 그라운드 어셈블리 코일(일차 코일)과 전기차의 이차 패드의 차량 어셈블리 코일(이차 코일)을 정렬하는 정렬부를 더 포함할 수 있다. 정렬부는, 제1 안테나와 특정 트랜스폰터와의 제1 수신 신호 세기(RSSI)가 최대이고 제2 안테나와 특정 트랜스폰더와의 제2 수신 신호 세기가 최대인 지점으로 전기차 또는 이차 패드를 이동시키도록 동작할 수 있다. 이를 위해, 정렬부는 전기차의 조향 장치를 제어하는 전자제어장치와 연동하거나 이차 패드를 이동시키는 액츄에이터를 제어할 수 있다.
여기에서, 수신부는 송출부에서 송출되는 제1 신호 또는 제2 신호와 다른 주파수를 가진 응답 신호를 수신할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에서는, 충전 스테이션의 전기차 전력공급장치에 연결되어 전기차의 차량 어셈블리 코일(이차 코일)과 자기 유도 결합 또는 자기 공진 결합에 의해 전력을 전달하는 일차 코일(그라운드 어셈블리 코일), 및 일차 코일을 지지하는 하우징에 내장되거나 하우징에 결합하는 트랜스폰더를 포함하되, 트랜스폰더가 전기차로부터 제1 신호 및 제2 신호를 수신하고 제1 신호 또는 제2 신호에 포함된 안테나 식별자를 토대로 미리 정해진 정보(응답 정보)를 담은 응답 신호를 전송하는, 무선 충전 시스템의 일차 패드가 제공된다.
여기에서, 트랜스폰더는, 응답 신호로서 복수의 프레임들을 송신할 수 있다. 응답 신호를 받는 전기차의 스마트키 시스템 제어부는, 기준 시간 내에 일정 개수 이상의 복수 프레임들을 포함한 응답 신호를 수신하지 못하면 수신 실패로 간주하고 제1 신호 및 제2 신호를 재송출할 수 있다.
여기에서, 트랜스폰더는 제1 신호 및 제2 신호를 저주파(low frequency) 신호로 수신하고, 응답 신호를 저주파 신호보다 높은 주파수 또는 극초단파 신호로 전송할 수 있다.
여기에서, 일차 코일(그라운드 어셈블리 코일)은 충전 스테이션의 충전 스팟(charging spot)에 대응하는 위치에 배치되거나 충전 스테이션 내 적어도 하나의 다른 일차 코일과 일정 간격을 두고 배치될 수 있다.
여기에서, 트랜스폰더는 저주파 신호와 다른 주파수 신호 또는 극초단파 신호가 수신될 때 충전되는 전원부를 더 포함할 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 무선 충전 시스템의 자기장 정렬 방법 및 장치와 이에 이용되는 일차 패드를 사용할 경우에는, 전기차 무선 충전 시스템에서 충전 인프라스트럭처와 차량 간의 얼라인먼트를 효과적으로 수행할 수 있다.
또한, 차량의 보조 코일을 이용하는 무선 충전 시스템의 새로운 자기장 정렬 방법 및 장치와 이에 이용되는 일차 패드를 제공할 수 있다.
또한, 신규 센서 및 신규 안테나 사용을 최소화하면서 기존의 차량에 장착된 LF(low frequency) 시스템을 활용하여 무선 충전 시스템의 자기장 정렬을 효과적으로 수행할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 무선 충전 시스템의 자기장 정렬 장치를 탑재한 차량이 그라운드 어셈블리들이 배치된 충전 지역의 무선 네트워크 내에 진입한 경우를 설명하기 위한 예시도이다.
도 2는 도 1의 자기장 정렬 장치와 일차 패드의 트랜스폰더 간 무선 충전을 위한 통신을 설명하기 위한 예시도이다.
도 3은 도 2의 자기장 정렬 장치와 트랜스폰더 사이를 연결하는 차량의 스마트키 시스템에 대한 블록도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 충전 시스템의 자기장 정렬 방법에 대한 흐름도이다.
도 5는 도 4의 트랜스폰더로부터 수신되는 응답 신호의 포맷에 대한 예시도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 무선 충전 시스템의 자기장 정렬 장치에 대한 블록도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 무선 충전 시스템의 자기장 정렬 방법에 대한 흐름도이다.
도 8은 도 7의 자기장 정렬 방법에 사용되는 삼각 측량을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 도 7의 자기장 정렬 방법에 사용되는 RSSI에 의한 위치 추정을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 일차 패드에 대한 개략적인 단면도이다.
도 11은 도 10의 일차 패드의 변형예에 대한 단면도이다.
도 12는 도 10 또는 11의 일차 패드의 트랜스폰더에 대한 블록도이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 무선 충전 시스템의 자기장 정렬 장치에 이용되는 안테나에 대한 개략적인 정면도이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 무선 충전 시스템의 무선 전력 전송 흐름을 설명하기 위한 블록도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이하에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태로 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
'제1, 제2, A, B' 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. '및/또는' 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결된다'거나 '접속된다'고 언급되는 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '직접 연결된다'거나 '직접 접속된다'고 언급되는 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 아니하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, '포함한다', '가진다' 등과 관련된 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 명세서에서 오해의 소지가 없는 한 어떤 문자의 첨자가 다른 첨자를 가질 때, 표시의 편의를 위해 첨자의 다른 첨자는 첨자와 동일한 크기로 표시될 수 있다.
본 명세서에서 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 포함한다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 명세서에 사용되는 일부 용어를 정의하면 다음과 같다.
전기차(Electric Vehicle, EV)는 49 CFR(code of federal regulations) 523.3 등에서 정의된 자동차(automobile)를 지칭할 수 있다. 전기차는 고속도로 이용 가능하고, 차량 외부의 전원공급원으로부터 재충전 가능한 배터리 등의 차량 탑재 에너지 저장 장치에서 공급되는 전기에 의해 구동될 수 있다. 전원공급원은 주거지나 공용 전기서비스 또는 차량 탑재 연료를 이용하는 발전기 등을 포함할 수 있다.
전기차(electric vehicle, EV)는 일렉트릭 카(electric car), 일렉트릭 오토모바일(electric automobile), ERV(electric road vehicle), PV(plug-in vehicle), xEV(plug-in vehicle) 등으로 지칭될 수 있고, xEV는 BEV(plug-in all-electric vehicle 또는 battery electric vehicle), PEV(plug-in electric vehicle), HEV(hybrid electric vehicle), HPEV(hybrid plug-in electric vehicle), PHEV(plug-in hybrid electric vehicle) 등으로 지칭되거나 구분될 수 있다.
플러그인 전기차(Plug-in Electric Vehicle, PEV)는 전력 그리드에 연결하여 량 탑재 일차 배터리를 재충전하는 전기차로 지칭될 수 있다.
플러그인 차량(Plug-in vehicle, PV)은 본 명세서에서 전기차 전력공급장치(electric vehicle supply equipment, EVSE)로부터 물리적인 플러그와 소켓을 사용하지 않고 무선 충전 방식을 통해 재충전 가능한 차량으로 지칭될 수 있다.
중량 자동차(Heavy duty vehicles; H.D. Vehicles)는 49 CFR 523.6 또는 CFR 37.3(bus)에서 정의된 네 개 이상의 바퀴를 가진 모든 차량을 지칭할 수 있다.
경량 플러그인 전기차(Light duty plug-in electric vehicle)는 주로 공공 거리, 도로 및 고속도로에서 사용하기 위한 재충전 가능한 배터리나 다른 에너지 장치의 전류가 공급되는 전기 모터에 의해 추진력을 얻는 3개 또는 4개 바퀴를 가진 차량을 지칭할 수 있다. 경량 플러그인 전기차는 총 중량이 4.545㎏보다 작게 규정될 수 있다.
무선 충전 시스템(Wireless power charging system, WCS)은 무선 전력 전송과 얼라인먼트 및 통신을 포함한 GA와 VA 간의 제어를 위한 시스템을 지칭할 수 있다.
무선 전력 전송(Wireless power transfer, WPT)은 유틸리티(Utility)나 그리드(Grid) 등의 교류(AC) 전원공급 네트워크에서 전기차로 무접촉 수단을 통해 전기적인 전력을 전송하는 것을 지칭할 수 있다.
유틸리티(Utility)는 전기적인 에너지를 제공하며 통상 고객 정보 시스템(Customer Information System, CIS), 양방향 검침 인프라(Advanced Metering Infrastructure, AMI), 요금과 수익(Rates and Revenue) 시스템 등을 포함하는 시스템들의 집합으로 지칭될 수 있다. 유틸리티는 가격표 또는 이산 이벤트(discrete events)를 통해 플러그인 전기차가 에너지를 이용할 수 있도록 한다. 또한, 유틸리티는 관세율, 계측 전력 소비에 대한 인터벌 및 플러그인 전기차에 대한 전기차 프로그램의 검증 등에 대한 정보를 제공할 수 있다.
스마트 충전(Smart charging)은 EVSE 및/또는 플러그인 전기차가 차량 충전율이나 방전율을 그리드 용량이나 사용 비용 비율의 시간을 최적화하기 위해 전력 그리드와 통신하는 시스템으로 설명할 수 있다.
자동 충전(Automatic charging)은 전력을 전송할 수 있는 1차측 충전기 어셈블리(primary charger assembly)에 대하여 적절한 위치에 차량의 놓고 인덕티브 충전하는 동작으로 정의될 수 있다. 자동 충전은 필요한 인증 및 권한을 얻은 후에 수행될 수 있다.
상호운용성(Interoperability)은 서로 상대적인 시스템의 성분들이 전체 시스템의 목적하는 동작을 수행하기 위해 함께 작동할 수 있는 상태를 지칭할 수 있다. 정보 상호운용성(Information interoperability)은 두 개 이상의 네트워크들, 시스템들, 디바이스들, 애플리케이션들 또는 성분들이 사용자가 거의 또는 전혀 불편함 없이 안전하고 효과적으로 정보를 공유하고 쉽게 사용할 수 있는 능력을 지칭할 수 있다.
유도 충전 시스템(Inductive charging system)은 두 파트가 느슨하게 결합된 트랜스포머를 통해 전기 공급 네트워크에서 전기차로 정방향에서 전자기적으로 에너지를 전송하는 시스템을 지칭할 수 있다. 본 실시예에서 유도 충전 시스템은 전기차 충전 시스템에 대응할 수 있다.
유도 커플러(Inductive coupler)는 GA 코일과 VA 코일로 형성되어 전력이 전기적인 절연을 통해 전력을 전송하는 트랜스포머를 지칭할 수 있다.
유도 결합(Inductive coupling)은 두 코일들 간의 자기 결합을 지칭할 수 있다. 두 코일은 그라운드 어셈블리 코일(Ground assembly coil)과 차량 어셈블리 코일(Vehicle assembly coil)을 지칭할 수 있다.
그라운드 어셈블리(Ground assembly, GA)는 GA 코일과 다른 적절한 부품을 포함하여 그라운드 또는 인프라스트럭처(infrastructure) 측에 배치되는 어셈블리를 지칭할 수 있다. 다른 적절한 부품은 임피던스와 공진주파수를 제어하기 위한 적어도 하나의 부품, 자기 경로(magnetic path)를 강화하기 위한 페라이트 및 전자기 차폐 재료를 포함할 수 있다. 예컨대, GA는 무선 충전 시스템의 전력 소스로서 기능하는 데 필요한 전력/주파수 변환 장치, GA 컨트롤러 및 그리드로부터의 배선과 각 유닛과 필터링 회로들, 하우징 등의 사이의 배선을 포함할 수 있다.
차량 어셈블리(Vehicle assembly, VA)는 VA 코일과 다른 적절한 부품을 포함하여 차량에 배치되는 어셈블리를 지칭할 수 있다. 다른 적절한 부품은 임피던스와 공진주파수를 제어하기 위한 적어도 하나의 부품, 자기 경로를 강화하기 위한 페라이트 및 전자기 차폐 재료를 포함할 수 있다. 예를 들면, VA는 무선 충전 시스템의 차량 부품으로서 기능하는 데 필요한 정류기/전력변환장치와 VA 컨트롤러 및 차량 배터리의 배선뿐 아니라 각 유닛과 필터링 회로들, 하우징 등의 사이의 배선을 포함할 수 있다.
전술한 GA는 프라이머리 디바이스(primary device, PD), 1차측 장치 등으로 지칭될 수 있고, 이와 유사하게 VA는 세컨더리 디바이스(secondary device, SD), 2차측 장치 등으로 지칭될 수 있다.
프라이머리 디바이스(Primary device)는 세컨더리 디바이스에 무접촉 결합을 제공하는 장치 즉, 전기차 외부의 장치일 수 있다. 프라이머리 디바이스는 1차측 장치로 지칭될 수 있다. 전기차가 전력을 받을 때, 프라이머리 디바이스는 전력을 전송하는 전원 소스로서 동작할 수 있다. 프라이머리 디바이스는 하우징과 모든 커버들을 포함할 수 있다.
세컨더리 디바이스(Secondary device)는 프라이머리 디바이스에 무접촉 결합을 제공하는 전기차 탑재 장치일 수 있다. 세컨더리 디바이스는 2차측 장치로 지칭될 수 있다. 전기차가 전력을 받을 때, 세컨더리 디바이스는 프라이머리 디바이스로부터의 전력을 전기차로 전달할 수 있다. 세컨더리 디바이스는 하우징과 모든 커버들을 포함할 수 있다.
그라운드 어셈블리 컨트롤러(GA controller)는 차량으로부터의 정보를 토대로 GA 코일에 대한 출력 전력 레벨을 조절하는 GA의 일부분일 수 있다.
차량 어셈블리 컨트롤러(VA controller)는 충전 동안 특정 차량용 파라미터를 모니터링하고 GA와의 통신을 개시하여 출력 전력 레벨을 제어하는 VA의 일부분일 수 있다.
전술한 GA 컨트롤러는 프라이머리 디바이스 통신제어기(Primary device communication controller, PDCC)로 지칭될 수 있고, VA 컨트롤러는 전기차 통신제어기(electric vehicle communication controller, VA 제어기)로 지칭될 수 있다.
마그네틱 갭(Magnetic gap)은 리츠선(litz wire)의 상부 또는 GA 코일의 마그네틱 재료의 상부의 가장 높은 평면과 상기 리츠선의 하부 또는 VA 코일의 마그네틱 재료의 가장 낮은 평면이 서로 정렬되었을 때 이들 사이의 수직 거리를 지칭할 수 있다.
주위 온도(Ambient temperature)는 직접적으로 햇빛이 비치지 않는 대상 서브시스템의 대기에서 측정된 그라운드 레벨 온도를 지칭할 수 있다.
차량 지상고(Vehicle ground clearance)는 도로 또는 도로포장과 차량 플로어 팬의 최하부 사이의 수직 거리를 지칭할 수 있다.
차량 마그네틱 지상고(Vehicle magnetic ground clearance)는 리츠선의 바닥 최하위 평면 또는 차량에 탑재된 VA 코일의 절연 재료와 도로포장 사이의 수직 거리를 지칭할 수 있다.
차량 어셈블리(VA) 코일 표면 간격(Vehicle assembly coil surface distance)은 리츠선의 바닥 최하부의 평면 또는 VA 코일의 마그네틱 재료와 VA 코일의 최하위 외부 표면 사이의 수직 거리를 지칭할 수 있다. 이러한 거리는 보호 커버재 및 코일 포장재로 포장된 추가 아이템을 포함할 수 있다.
전술한 VA 코일은 2차 코일(secondary coil), 차량 코일(vehicle coil), 수신 코일(receiver coil) 등으로 지칭될 수 있고, 이와 유사하게 그라운드 어셈블리 코일(ground assembly coil, GA coil)은 1차 코일(primary coil), 송신 코일(transmit coil) 등으로 지칭될 수 있다.
노출 도전 부품(Exposed conductive component)은 사람에 의해 접촉될 수 있고 평상시 전기가 흐르지 않지만 고장 시에 전기가 흐를 수 있는 전기적인 장치(예컨대, 전기차)의 도전성 부품을 지칭할 수 있다.
유해 라이브 요소(Hazardous live component)는 어떤 조건하에서 유해한 전기 쇼크를 줄 수 있는 라이브 구성요소를 지칭할 수 있다.
라이브 요소(Live component)는 기본적인 용도에서 전기적으로 활성화되는 모든 도체 또는 도전성 부품을 지칭할 수 있다.
직접 접촉(Direct contact)은 생물체인 사람의 접촉을 지칭할 수 있다.
간접 접촉(Indirect contact)은 절연 실패로 사람이 노출된, 도전된, 전기가 흐르는 활성 성분에 접촉하는 것을 지칭할 수 있다.(IEC 61140 참조)
얼라인먼트(Alignment)는 규정된 효율적인 전력 전송을 위해 프라이머리 디바이스에 대한 세컨더리 디바이스의 상대적인 위치를 찾는 절차 및/또는 세컨더리 디바이스에 대한 프라이머리 디바이스의 상대적인 위치를 찾는 절차를 가리킬 수 있다. 본 명세서에서 얼라인먼트는 무선 전력 전송 시스템의 위치 정렬을 지칭할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
페어링(Pairing)은 전력을 전송할 수 있도록 배치된 단일 전용 그라운드 어셈블리(프라이머리 디바이스)와 차량(전기차)가 연관되는 절차를 지칭할 수 있다. 본 명세서에서 페어링은 충전 스팟 또는 특정 그라운드 어셈블리와 차량 어셈블리 제어기의 연관 절차를 포함할 수 있다. 연관(Correlation/Association)은 두 피어 통신 실체들 사이의 관계 성립 절차를 포함할 수 있다.
명령 및 제어 통신(Command and control communication)은 무선 전력 전송 프로세서의 시작, 제어 및 종료에 필요한 정보를 교환하는 전기차 전력공급장치와 전기차 사이의 통신을 지칭할 수 있다.
하이 레벨 통신(High level communication)은 명령 및 제어 통신에서 담당하는 정보를 초과하는 모든 정보를 처리할 수 있다. 하이 레벨 통신의 데이터 링크는 PLC(Power line communication)을 사용할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
저전력 기동(Low power excitation)은 정밀 포지셔닝과 페어링을 수행하기 위해 전기차가 프라이머리 디바이스를 감지하도록 그것을 활성화하는 것을 지칭할 수 있으나, 이에 한정되지 않으며 그 역도 가능하다.
SSID(Service set identifier)는 무선랜 상에서 전송되는 패킷의 해더에 붙는 32-character로 이루어진 유니크한 식별자이다. SSID는 무선 장비에서 접속하려고하는 BSS(basic service set)를 구분해준다. SSID는 기본적으로 여러 개의 무선랜을 서로 구별해준다. 따라서 특정한 무선랜을 사용하려는 모든 AP(access point)와 모든 단말(terminal)/스테이션(station) 장비들은 모두 같은 SSID를 사용할 수 있다. 유일한 SSID를 사용하지 않는 장비는 BSS에 조인하는 것이 불가능하다. SSID는 평문으로 그대로 보여지기 때문에 네트워크에 어떠한 보안 특성도 제공하지 않을 수 있다.
ESSID(Extended service set identifier)는 접속하고자 하는 네트워크의 이름이다. SSID와 비슷하지만 보다 확장된 개념일 수 있다.
BSSID(Basic service set identifier)는 통상 48bits로 특정 BSS(basic service set)를 구분하기 위해 사용한다. 인프라스트럭쳐 BSS 네트워크의 경우, BSSID는 AP 장비의 MAC(medium access control)가 될 수 있다. 독립적인(independent) BSS나 애드훅(ad hoc) 네트워크의 경우, BSSID는 임의의 값으로 생성될 수 있다.
충전 스테이션(charging station)은 적어도 하나 이상의 그라운드 어셈블리와 적어도 하나 이상의 그라운드 어셈블리를 관리하는 적어도 하나 이상의 그라운드 어셈블리 제어기를 포함할 수 있다. 그라운드 어셈블리는 적어도 하나 이상의 무선통신기를 구비할 수 있다. 충전 스테이션은 가정, 사무실, 공공장소, 도로, 주차장 등에 설치되는 적어도 하나 이상의 그라운드 어셈블리를 구비한 장소를 지칭할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 무선 충전 시스템의 자기장 정렬 장치를 탑재한 차량이 그라운드 어셈블리들이 배치된 충전 지역의 무선 네트워크 내에 진입한 경우를 설명하기 위한 예시도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 차량(2)이 충전 지역(4)에 진입하는 경우, 차량 어셈블리 제어기(vehicle assembly controller, VA controller)는 GPS(global positioning system), 이동통신망(mobile communication network), WiFi 등의 무선 네트워크를 통해 그라운드 어셈블리 제어기(ground assembly controller, GA controller)와 연결을 시도할 수 있다. 여기서, 충전 지역(4)에는 복수의 주차 구역들(6)의 적어도 일부에 충전 스팟들(charging spots) 또는 그라운드 어셈블리들(GAs)이 각각 배치될 수 있다. 그라운드 어셈블리(GA)는 일차 패드(30)를 포함할 수 있고, 일차 패드(30)는 그라운드 어셈블리 코일(이하, 1차 코일이라고도 함)과 트랜스폰더(transponder)를 포함할 수 있다.
충전 지역(4)에 위치하는 차량(2)은 그라운드 어셈블리에 구비되는 통신요소들에 의해 WiFi 커버리지(NC)와 GPS 커버리지(NC2)를 형성할 수 있다. 따라서, 차량(2)은 그라운드 어셈블리에서 제공하는 무선 네트워크를 이용하여 복수의 일차 패드들(30) 중 특정 일차 패드에 어느 정도 접근하는 것이 가능하다. 하지만, 배경 기술 부분에서 설명한 바와 같이, 기존의 무선 네트워크를 이용하는 방법은 오차가 심하고 신뢰성이 떨어져 무선 충전 시스템의 자기장 정렬을 수행하는 데에 사용하기 어렵다. 따라서, 본 실시예에서는 각 일차 패드(30)에 트랜스폰더를 배치하고 이 트랜스폰더와 상호 작용하는 차량의 한 쌍의 안테나들을 이용하여 특정 일차 패드 또는 충전 스팟에 차량의 이차 패드를 효과적으로 정렬하도록 이루어진다.
도 2는 도 1의 자기장 정렬 장치와 일차 패드의 트랜스폰더 간 무선 충전을 위한 통신을 설명하기 위한 예시도이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예의 자기장 정렬 장치(10)를 탑재한 차량은 자기장 정렬 장치에 포함되는 스마트키 시스템 또는 스마트키 시스템 제어부(20)에서의 LF(low frequency) 안테나들을 통해 일차 패드(30)의 트랜스폰더(32)와 통신할 수 있다.
자기장 정렬 장치(10)는 스마트키 시스템의 다수의 LE 안테나들(21, 22, 23, 23, 25, 26) 중 차량의 운전석의 도어 외부 손잡이에 설치되는 제1 안테나(21)와 조수석의 도어 외부 손잡이에 설치되는 제2 안테나(22)를 사용할 수 있다. 제1 및 제2 안테나들(21, 22)의 커버리지는 약 5미터 내지 약 10미터 정도일 수 있으나, 본 실시예에서는 3미터 이내로 제한하여 인접한 다른 트랜스폰더의 응답 신호를 미연에 차단할 수 있다.
차량에 탑재되는 스마트키 시스템의 안테나는 대략 5개 내지 8개 정도이나, 본 실시예에는 상술한 제1 안테나와 제2 안테나를 이용하며, 나머지 안테나들은 차량 내부에 설치되어 있어 LF 송신부에서 사용하는 주파수의 특성상 차량 외부로 송출되지 못할 수 있다. 나머지 안테나들 중 적어도 하나라도 차량 외부로 LF 신호를 송출하는 경우, 해당 안테나의 동작을 선택적으로 제어하는 스위치 등을 이용하여 자기장 정렬 방법을 구현하는 중에는 해당 안테나가 동작하지 않도록 하는 것도 가능하다.
일차 패드(30)는 그라운드 어셈블리의 그라운드 어셈블리 코일(일차 코일)을 포함하고, 주차 구역 또는 충전 구역의 미리 정해진 위치에 배치된다. 본 실시예에서 일차 패드(30)는 트랜스폰더(32)를 내장하는 것을 설명하나, 이에 한정되지는 않는다. 트랜스폰터(32)는 일차 패드(30)의 하우징 외부에 부착되거나 하우징과 미리 설정된 간격만큼 이격되어 배치될 수 있다.
트랜스폰더(32)는 송신기(transmitter)와 응답기(responser)의 기능을 구비하는 장치로서 수신된 전기신호를 중계 송신하거나, 수신 신호에 어떠한 응답을 돌려주는 기기를 지칭한다. 본 실시예에서 트랜스폰더(32)는 스마트키 시스템의 스마트키와 유사한 구성을 구비할 수 있다.
도 3은 도 2의 자기장 정렬 장치와 트랜스폰더 사이를 연결하는 차량의 스마트키 시스템에 대한 블록도이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 자기장 정렬 장치에 포함되는 스마트키 시스템은 스마트키 시스템 제어부(smart key system electronic control unit, SMK ECU)(20), 제1 안테나(21), 제2 안테나(22), LF 송수신기(27), UHF 수신기(ultra high frequency receiver, 28), 및 UHF 안테나(29)를 포함할 수 있다. 이러한 스마트키 시스템은 차량에 기본 탑재될 수 있다.
본 실시예에 따른 자기장 정렬 장치는 스마트키 시스템과 필요한 명령 및 신호를 주고받을 수 있도록 이들 사이에 배치되는 인터페이스(66)를 포함할 수 있다. 인터페이스(66)는 스펙트럼 제어 서비스, 전력 제어 서비스, 안테나 관리 서비스, 수신/송신 체인 제어 서비스 등을 포함할 수 있다.
여기서, 스펙트럼 제어 서비스는 스마트키 시스템에 따라 주어지는 반송 주파수, 샘플링 주파수 등의 중심 주파수와 대역폭 등의 스펙트럼 관련 파라미터들을 설정하는데 이용될 수 있다. 전력 제어 서비스는 최대 송신 전력 레벨, 안테나당 송신 전력 레벨, 수신 이득 등의 저주파 전력 관련 파라미터들이나 극초단파 전력 관련 파라미터들을 설정하는데 이용될 수 있다. 안테나 관리 서비스는 안테나 포트 선택을 결정하는데 이용될 수 있고, 안테나 방사 패턴, 안테나 이득, 안테나 방향, 섹터 구성 등은 안테나 관리 서비스에서 고려되는 팩터들(factors)일 수 있다. 그리고, 수신/송신 체인 제어 서비스는 저주파 송수신기 체인이나 극초단파 수신기 체인의 실시간 제어와 관련된 파라미터들을 제공하는데 이용될 수 있으며, 관련 파라미터들은 송신 시작/종료 시간, 송신 재시작/종료 시간, 수신 시작/종료 시간, 스펙트럼 및/또는 전력 관련 값 등일 수 있다.
본 실시예에 의하면, 자기장 정렬 장치는 인터페이스(66)를 통해 스마트키 시스템 제어부(20)와 연동하여 서로 다른 주파수의 신호들을 송출하거나 수신할 수 있다. 즉, 자기장 정렬 장치는 차폭 정도의 일정 간격을 두고 배치되는 스마트키 시스템 제어부(20)의 제1 안테나(21)와 제2 안테나(22)를 통해 두 저주파(LF) 신호들을 송출하고, 일차 패드의 트랜스폰더로부터 극초단파(UHF)의 응답 신호를 수신할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 충전 시스템의 자기장 정렬 방법에 대한 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 무선 충전 시스템의 자기장 정렬 방법은, 차량 어셈블리 제어기(VA 제어기, 12), 스마트키 시스템 제어부(20), 제1 안테나(21) 및 제2 안테나(22)를 포함하는 자기장 정렬 장치(10)와 일차 패드의 트랜스폰더(32) 간에 송수신되는 명령 및 제어 통신 및/또는 하이 레벨 통신에 의해 수행될 수 있다.
구체적으로 설명하면, 자기장 정렬 장치의 VA 제어기(12)가 스마트키 시스템 제어부(20)에 신호 송출 요청 신호를 전달하면(S41), 스마트키 시스템 제어부(20)는 신호 송출 요청에 응하여 제1 안테나 식별자를 포함한 제1 신호를 제1 안테나(21)를 통해 송출하고, 제2 안테나 식별자를 포함한 제2 신호를 제2 안테나(22)를 통해 송출한다(S42). 제1 신호 및 제2 신호 각각(S1)은 각 안테나 식별자 등을 포함하고 LF(low frequency) 신호로 제1 및 제2 안테나들에서 송출될 수 있다.
제1 신호와 제2 신호를 수신한 일차 패드의 트랜스폰더(32)는 제1 안테나 식별자와 제2 안테나 식별자를 저장하고(S43, S44), 안테나별 수신 세기에 해당하는 자기장을 연산하고(S45), 응답 신호로 변환한다(S46). 변환된 응답 신호에는 제1 안테나 식별자, 제1 신호의 수신 자기장 세기 및 트랜스폰더가 송출하는 무선 신호 세기를 포함한 제1 응답 정보와, 제2 안테나 식별자, 제2 신호의 수신 자기장 세기 및 트랜스폰더가 송출하는 무선 신호 세기를 포함한 제2 응답 정보가 포함될 수 있다. 그리고 트랜스폰더(32)는 응답 신호(S2)를 전송한다(S47). 트랜스폰더(32)는 제1 및 제2 신호들의 수신에 사용되는 주파수와 다른 주파수를 통해 응답 신호(S2)를 송출할 수 있다.
다음, 스마트키 시스템 제어부(20)는 트랜스폰더(32)로부터 응답 신호(S2)를 수신한다(S48). 응답 신호(S2)의 수신을 위해 스마트키 시스템 제어부(20)는 별도의 수신 안테나(도 3의 29 참조)를 구비할 수 있다. 수신 안테나는 극초단파 수신을 위한 안테나를 포함할 수 있다.
다음, 스마트키 시스템 제어부(20)는 수신된 응답 신호가 일정 시간 내 일정 개수 이상의 복수 프레임들로 이루어졌는지는 판단하고(S49), 기 설정된 복수 프레임들을 수신하지 못한 것으로 판단되면 해당 응답 신호를 수신 실패로 판단하여 폐기하고, 구현에 따라 제1 신호 및 제2 신호에 대한 재송출을 요청/수행할 수 있다.
상기의 판단(S49) 결과, 복수 프레임의 응답 신호가 정상 수신된 것으로 판단되면, 스마트키 시스템 제어부(20)는 응답 신호에 포함된 정보를 토대로 미스매치(mismatch)를 판단할 수 있다(S50). 미스매치의 판단에서는 트랜스폰더가 송출하는 무선 신호 세기와 응답 신호의 무선 신호 세기를 비교하고 비교 결과의 신호 세기가 기준값 이상이 아니면, 즉 이하이면, 해당 트랜스폰더와 수신 안테나를 미스매치로 판단하고 해당 응답 신호를 검색 대상에서 배제하거나 폐기할 수 있다. 이러한 미스매치의 판단에 의하면, 수신 신호를 자체 검증하여 이후의 일차 패드 위치 추정의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
다음, VA 제어기(12)는 스마트키 시스템 제어부(20)로부터 응답 신호를 받고(S51), 응답 신호를 토대로 일차 패드의 위치를 추정할 수 있다(S53). 일차 패드의 위치 추정은 정밀도와 신뢰성 확보를 위해 삼각 측량과 RSSI(received signal strength indicator)에 의한 위치 추정을 복합적으로 적용하여 수행될 수 있다.
한편, 전술한 단계(S49 또는 S50)는 스마트키 시스템 제어부(20)에서 수행되지 않고, VA 제어기(12)에서 수행될 수 있다. 예컨대, VA 제어기(12)는 응답 신호를 받은 후에 응답 신호가 복수의 프레임들을 포함하는지 판단할 수 있다(S52). 다만, 응답 신호가 복수 프레임들을 포함하는지에 대한 판단이 스마트키 시스템 제어부(20)에서 수행되는 경우, VA 제어기(12)는 해당 판단 단계(S52)를 생략할 수 있다.
다음, VA 제어기(12)는 추정된 일차 패드의 위치 정보를 토대로 전기차, 전기차의 이차 패드 또는 이차 패드의 이차 코일을 이동시켜 일차 코일과 이차 코일의 자기장을 정렬할 수 있다(S54).
한편, 본 실시예에서는 VA 제어기(12)가 스마트키 시스템 제어부(20)에 요청 신호를 전송하고 스마트키 시스템 제어부(20)로부터 응답 신호를 받는 구조로 설명하였지만, 본 발명은 그러한 구성으로 한정되지 않고, VA 제어기(12)가 스마트키 시스템 제어부(20)와 제1 안테나(21) 및 제2 안테나(22)를 공유하고, 스마트키 시스템 제어부(20)의 연동을 통해 안테나를 선택적으로 사용하도록 구현될 수 있다. 이 경우, VA 제어기(12)는 스마트키 시스템 제어부(20)에 요청 신호를 전송하거나 그것으로부터 응답 신호를 받는 구조가 아니라 스마트키 시스템 제어부(20)의 특정 모드(대기 상태 등)에 따른 소정의 신호 레벨이 유지되는 동안에 제1 안테나와 제2 안테나를 사용하도록 구현될 수 있다.
도 5는 도 4의 트랜스폰더로부터 수신되는 응답 신호의 포맷에 대한 예시도이다.
도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 자기장 정렬 장치는 트랜스폰더로부터 수신되는 응답 신호(S2)를 통해 소정의 응답 정보를 획득할 수 있다.
응답 신호(S2)는 헤더(51), 안테나 식별자(52), 수신 자기장 세기(53) 및 송출 무선 신호 세기(54)를 포함할 수 있다. 여기서, 응답 정보는 안테나 식별자(52), 수신 자기장 세기(53) 및 송출 무선 신호 세기(54)를 포함할 수 있다.
안테나 식별자(52)는 제1 안테나 식별자와 제2 안테나 식별자를 포함할 수 있다. 수신 자기장 세기(53)는 제1 신호의 수신 자기장 세기와 제2 신호의 수신 자기장 세기를 포함할 수 있다. 그리고 송출 무선 신호 세기(54)는 트랜스폰더가 송출하는 무선 신호 세기를 포함할 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 무선 충전 시스템의 자기장 정렬 장치에 대한 블록도이다.
본 실시예에 따른 자기장 정렬 장치는 차량에 탑재되는 제어기(60)와 이 제어기(60)에 연결되는 저장장치를 포함할 수 있다. 차량에 탑재되는 제어기(60)는 전기차에 탑재되는 적어도 하나 이상의 전자제어장치나 무선 충전 제어기(차량 어셈블리 제어기에 대응할 수 있음)를 포함할 수 있다. 제어기(60)는 저장장치에 저장된 모듈이나 프로그램을 수행하여 자기장 정렬 방법을 구현할 수 있다.
자기장 정렬 장치의 제어기(60)는, 도 6에 나타낸 바와 같이, 저장장치에 저장된 송출 모듈, 수신 모듈, 추정 모듈, 미스매치 판단 모듈 및 정렬 모듈을 수행하여 구현되는 송출부(61), 수신부(62), 추정부(63), 미스매치 판단부(64) 및 정렬부(65)를 포함할 수 있다. 그리고, 제어기(60)는 스마트키 시스템 제어부와의 사이에서 명령 및 제어 통신을 수행하는 인터페이스(66)를 포함할 수 있다.
송출부(61)는 전기차에 탑재된 스마트키 시스템용 제1 안테나와 제2 안테나를 통해 각 안테나 식별자를 포함한 제1 신호와 제2 신호를 LF 신호로 송출할 수 있다. 또한, 송출부(61)는 트랜스폰더로부터 기준 시간 내에 일정 개수 이상의 복수 프레임들을 포함한 응답 신호를 수신하지 못한 경우 해당 트랜스폰더의 응답 신호를 무시하고 제1 신호 및 제2 신호를 재송출하도록 동작할 수 있다
수신부(62)는 트랜스폰더들로부터 제1 신호 및 제2 신호에 대한 응답 신호를 각각 수신할 수 있다. 수신부(62)는 송출부(61)에서 송출되는 제1 신호 또는 제2 신호와 다른 주파수의 응답 신호를 수신하도록 동작하거나 구성될 수 있다.
추정부(63)는 응답 신호에 포함된 제1 신호의 제1 수신 신호 세기와 제2 신호의 제2 수신 신호 세기 등의 응답 정보에 기초하여 특정 트랜스폰더에 결합하는 일차 패드의 위치를 추정할 수 있다. 추정부(63)는 반복적인 송출부(61) 및 수신부(62)의 동작에 따라 연속적인 혹은 순차적인 추정 결과를 생성하여 출력할 수 있다.
미스매치 판단부(64)는 응답 신호에 포함된 정보를 토대로 수신 안테나와 트랜스폰더의 미스매치를 판단할 수 있다. 즉, 미스매치 판단부(64)는 트랜스폰더가 송출하는 무선 신호 세기와 응답 신호의 수신 신호 세기를 비교하여 비교 결과의 신호 세기가 기준값 미만이면, 해당 트랜스폰더와 수신 안테나를 미스매치로 판단할 수 있다.
정렬부(65)는 추정부(63)에서 추정된 결과들에 따라 일차 패드의 일차 코일(그라운드 어셈블리 코일)과 전기차의 이차 코일(차량 어셈블리 코일)을 정렬할 수 있다. 일차 코일과 이차 코일의 정렬은 이들 사이의 자기장의 형태를 미리 설정된 형태로 정렬하거나 자기장에 의해 전계 밀도가 기준값 이상이 되도록 정렬하는 것을 포함할 수 있다.
또한, 정렬부(65)는 추정부(63)의 추정 결과로서 제1 안테나와 특정 트랜스폰더와의 제1 수신 신호 세기가 최대이고, 제2 안테나와 특정 트랜스폰더와의 제2 수신 신호 세기가 최대인 지점으로 전기차, 전기차의 이차 패드, 또는 이차 패드의 이차 코일이 이동하도록 동작할 수 있다. 물론, 구현에 따라서, 정렬부(65)는 그라운드 어셈블리 제어기가 일차 패드 또는 일차 패드의 일차 코일(그라운드 어셈블리 코일)을 이동시키도록 필요한 상대 위치 정보를 제공하도록 구현될 수 있다.
전술한 송출부(61), 수신부(62), 추정부(63), 미스매치 판단부(64) 및 정렬부(65)는 인터페이스(66)의 적어도 하나 이상의 서비스와 연계하여 해당 기능을 각각 수행할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 전술한 차량 탑재 제어기(60)는 프로세서 또는 마이크로프로세서(microprocessor)로 구현될 수 있다. 제어기(60)는 하나 이상의 코어와 캐시 메모리를 포함할 수 있다. 제어기(60)가 멀티 코어 구조를 가지는 경우, 멀티 코어(multi-core)는 두 개 이상의 독립 코어를 단일 집적 회로로 이루어진 하나의 패키지로 통합한 것을 지칭할 수 있다. 또한, 제어기(60)가 단일 코어 구조를 가지는 경우, 단일 코어(single core)는 중앙 처리 장치(CPU)를 지칭할 수 있다. 중앙처리장치는 MCU(micro control unit)와 주변 장치(외부 확장 장치를 위한 집적회로)가 함께 배치되는 SOC(system on chip)로 구현될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 여기서, 코어는 처리할 명령어를 저장하는 레지스터(register), 비교, 판단, 연산을 담당하는 산술논리연산장치(arithmetic logical unit, ALU), 명령어의 해석과 실행을 위해 CPU를 내부적으로 제어하는 내부 컨트롤 유닛(control unit), 내부 버스 등을 구비할 수 있다.
또한, 제어기(60)는 하나 이상의 데이터 프로세서, 이미지 프로세서, 코덱(CODEC) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 제어기(60)는 차량에 탑재되는 적어도 하나 이상의 전자제어장치(electric control unit, ECU)를 포함할 수 있다.
또한, 제어기(60)는 주변장치 인터페이스와 메모리 인터페이스를 구비할 수 있고, 그 경우 주변장치 인터페이스는 제어기(60)와 입출력 시스템 및 다른 주변 장치(통신부, 차량 어셈블리, 스마트키 시스템 제어부 등)를 연결하고, 메모리 인터페이스는 제어기(60)와 저장수단을 연결할 수 있다.
한편, 본 실시예에 있어서, 자기장 정렬 장치의 제어기(60)의 구성요소들(61 내지 65 등)은 전기차에 탑재되는 제어기나 전자제어장치의 저장장치에 저장된 기능 블록 또는 모듈을 수행하여 구현되는 서비스 또는 기능일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 전술한 구성요소들은 이들이 수행하는 일련의 기능(자기장 정렬 방법의 적어도 일부 기능)을 구현하기 위한 소프트웨어 형태로 컴퓨터 판독 가능 매체(기록매체)에 저장되거나 혹은 캐리어 형태로 원격지에 전송되어 전기차의 전자제어장치에서 동작하도록 구현될 수 있다. 여기서 컴퓨터 판독 가능 매체는 네트워크를 통해 연결되는 복수의 컴퓨팅 장치나 클라우드 시스템에 연결될 수 있고, 복수의 컴퓨팅 장치나 클라우드 시스템 중 적어도 하나 이상은 자기장 정렬 장치의 저장수단에 본 실시예의 자기장 정렬 방법을 수행하기 위한 소스 코드, 중간 단계의 코드, 실행 코드 등을 저장할 수 있다.
즉, 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하는 형태로 구현될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록되는 프로그램은 본 실시예의 무선 전력 전송을 위한 자기장 얼라인먼트(magnetic field alignment)를 위해 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것을 포함할 수 있다. 그리고 컴퓨터 판독 가능 매체는 롬(rom), 램(ram), 플래시 메모리(flash memory) 등과 같이 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치를 포함할 수 있다. 프로그램 명령은 컴파일러(compiler)에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터(interpreter) 등을 사용해서 컴퓨터에 의해 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함할 수 있다. 하드웨어 장치는 본 실시예의 자기장 정렬 방법을 수행하기 위해 적어도 하나의 소프트웨어 모듈로 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 무선 충전 시스템의 자기장 정렬 방법에 대한 흐름도이다.
도 7을 참조하면, 본 실시예에 따른 자기장 정렬 장치(10)는, 전기차가 일차패드의 트랜스폰더(32)가 위치하는 충전기 네트워크에 진입할 때, 비컨(beacon) 송신 또는 비컨 수신을 통해 트랜스폰터(32)와 무선 통신망을 연결할 수 있다(S71). 이때, 전기차의 사용자는 무선 통신을 통해서 무선 충전의 일차 패드가 설치되어 있는 장소 주변까지 운전해 갈 수 있다.
본 실시예에서 트랜스폰더는 본 발명의 이해를 돕기 위해 실질적으로 동일한 기능이나 구성을 구비하며 스마트키 시스템의 스마트키에 대응하는 포브(Fob)로 지칭될 수 있다.
충전기 네트워크에 연결되면(S72), 트랜스폰더(32)에 대응하는 포브(Fob)는 활성화되어 신호 수신을 대기한다(S73). 포브를 활성화시키는 방법은 비컨을 이용하는 방법 외에 여러 가지 방법이 가능한다. 예를 들어, 차량에서 무선 충전 스위치를 턴온하거나 일차 패드 측에서 포브를 항시 활성화 상태로 유지하는 방법이 사용될 수 있다.
운전자가 주차하고자 하는 충전 구역에 진입하여 무선 충전을 위한 위치 정렬을 시작하고자 할 때, 자기장 정렬 장치(10)는 활성화되어 있는 차량의 스마트키 시스템 제어부의 LF 송수신기의 송신부(Tx)(제1 안테나 및 제2 안테나 포함)에서 자기장을 송출한다(S74). 제1 안테나 및 제2 안테나에서 송출되는 자기장 신호는 LF 안테나 식별자(ANT ID)를 각각 포함할 수 있고, 특정 주파수 대역을 사용하며 최대 세기로 송출될 수 있다. 예를 들어, 자기장 신호의 주파수는 120 내지 150㎑일 수 있고, 자기장 송출 세기는 40nT일 수 있다. 이 경우, 자기장 신호는 약 3m 이내의 커버리지를 갖게 되고, 따라서 인접한 다른 트랜스폰더와의 혼선을 방지할 수 있다.
포브의 자기장은 최소 4nT 이상 수신되어야만 포브에서 RF 신호로 변환되어 응답 신호로 송출될 수 있다. 만약, 4nT 이하이면, 스마트키 시스템 제어부(또는 자기장 정렬 장치)와 포브는 자기장 미스매치가 될 수 있다.
포브는 제1 신호 및 제2 신호에 대응하는 자기장을 감지하고, 감지된 자기장에 포함된 LF 안테나 식별자를 저장한다(S75). 포브는 LF 안테나별 자기장 값을 연산하고(S77), 이를 RF 신호로 변환하면서 자기장에 대한 응답을 위해 극초단파 또는 RF 응답 신호를 생성한다(S78). 그런 다음, 포브는 송신부 ID 즉, 제1 및 제2 안테나 식별자들, 수신된 자기장 세기 및 RF 송신 신호 세기 값을 포함한 RF 신호(응답 신호)를 송출한다(S79). 응답 신호의 송신 신호 세기는 70㏈m 이하일 수 있다. 응답 신호의 송출 시, 포브는 연속적으로 총 4개의 프레임들을 송신할 수 있다. 그 경우, 자기장 정렬 장치(10)는 연속적으로 2개 이상의 프레임들을 수신하지 못하면 해당 응답 신호의 수신을 실패로 간주할 수 있다.
한편, 제1 신호 및 제2 신호를 송출한 자기장 정렬 장치(10)는 현재 모드를 무선 충전 위치 정렬 모드 혹은 자기장 정렬 모드로 유지하거나 전환한다(S76).
다음, 트랜스폰더(32)로부터 응답 신호가 수신되면, 자기장 정렬 장치(10)는 응답 신호의 송신 자기장 세기와 응답 신호의 수신 자기장 세기를 비교하고, RF 신호(제1 신호 또는 제2 신호)의 송신 신호 세기와 수신 신호 세기를 비교할 수 있다(S80). 여기서, 자기장 정렬 장치(10)는 응답 신호의 RSSI 값이 40을 넘지 못하면, 스마트키 시스템 제어부와 포브가 미스매치인 것으로 간주할 수 있다. 예를 들어, 자속(magnetic flux)이 10nT이고, 무선주파수(RF) 60㏈m이면, RSSI가 42가 되어 스마트키 시스템 제어부와 포브가 일치(match)인 것으로 판단할 수 있다.
다음, 자기장 정렬 장치(10)는 제1 신호, 제2 신호 또는 응답 신호의 송수신 신호 세기 비교를 통해 얻은 트랜스폰더(32)가 결합된 일차 패드의 상대적인 추정 위치를 전기차 또는 전기차의 이차 패드로부터의 상대 거리 및/또는 방향으로 환산할 수 있다(S81). 즉, 자기장 정렬 장치(10)는 환산 결과에 대응하는 위치 정렬 결과 정보를 출력할 수 있다(S82).
예를 들어, 제1 안테나와 포브와의 RSSI가 100이고, 제2 안테나와 포브와의 RSSI가 100일 때, 그라운드 어셈블리의 일차 패드 또는 일차 코일과 차량 어셈블리의 이차 패드 또는 이차 코일은 100% 일치되고, 일차 코일의 자기 중심점이 원점인 x-y 좌표 상에서 이차 코일의 자기 중심점이 (0,0)에 위치하는 것으로 추정할 수 있다.
한편, 제1 안테나와 포브와의 RSSI가 0이고, 제2 안테나와 포브와의 RSSI가 0일 때, 그라운드 어셈블리의 일차 패드 또는 일차 코일과 차량 어셈블리의 이차 패드 또는 이차 코일은 100% 불일치되고, 일차 코일의 자기 중심점이 원점인 x-y 좌표 상에서 이차 코일의 자기 중심점은 (±600, ±600) 이상 벗어난 지점에 위치하는 것으로 추정할 수 있다.
전술한 위치 정렬 결과 정보는 전기차, 전기차의 이차 패드, 이차 패드의 이차 코일(차량 어셈블리 코일)의 이동이나 위치 정렬에 이용될 수 있으며, 구현에 따라 일차 패드 또는 일차 패드의 일차 코일(그라운드 어셈블리 코일)의 이동이나 위치 정렬에 이용될 수 있다.
자기장 정렬 장치(10)에 의한 일차 코일과 이차 코일의 자기장 정렬이 완료되면, 트랜스폰더(32)는 현재의 동작을 종료하여 일차 패드에서 무선 전력 전송을 준비하도록 할 수 있으며(S83), 자기장 정렬 장치(10)는 무선 충전 위치 정렬 모드에서 무선 충전 준비 모드로 전환되어 차량 탑재 제어기(차량 어셈블리 제어기)에서 무선 충전을 준비하도록 할 수 있다(S84). 이때, 차량 탑재 제어기와 일차 코일에 연결되는 그라운드 어셈블리 제어기는 이동통신망이나 WiFi 등의 별도의 무선 통신망을 통해 전기차 무선 충전을 위한 데이터를 교환할 수 있다.
본 실시예에 따른 자기장 정렬 방법은, 응답 신호에 포함된 응답 정보를 토대로 트랜스폰더나 트랜스폰더가 결합하는 일차 패드의 상대적인 위치를 추정하는데 있어서, 삼각 측량(triangulation) 기법 및/또는 RSSI에 의한 위치 추정 기법을 이용할 수 있다.
도 8은 도 7의 자기장 정렬 방법에 사용되는 삼각 측량을 설명하기 위한 도면이다.
도 8에 도시한 바와 같이, 삼각 측량 기법을 간략히 설명하면, x-y 좌표 상에 (xa, 0)에 위치하는 A, (xb, 0)에 위치하는 B, 및 (xc, yc)에 위치하는 C를 가정하고 선분 AC 간의 거리를 b, 선분 BC 간의 거리를 a, 선분 AB 간의 거리를 c라 할 때, 여현 정리에 따라 ∠CAB의 여현 cosθ는 아래의 수학식 1과 같이 정의된다.
Figure 112015100135516-pat00001
따라서, 점 C의 x축 성분(xc)은, 다음의 수학식 2로 계산될 수 있다.
Figure 112015100135516-pat00002
한편, 점 C의 y축 성분(yc)은, 다음의 수학식 3으로 계산될 수 있다.
Figure 112015100135516-pat00003
수학식 3에서 x1은 C의 수선과 x축이 만나는 점과 A점 사이의 거리를 나타낸다.
위의 삼각 측량 기법에 의하면, 이미 위치를 알고 있는 두 기지국들(A, B)의 위치를 이용하여, 일차 패드에 대응하는 위치 추정 대상물(C)과 2개의 기지국들로 형성되는 삼각형의 변 길이를 계측하여 위치 추정 대상물의 위치를 추정할 수 있다.
실제의 측정에서는 수신 신호 강도와 거리 관계를 데이터베이스로 작성해 두고, 그에 따라서 신호 강도를 거리로 치환하여 산출할 수 있다. 다만, 2개의 기지국들의 경우는 위치 추정 대상물(C)과 x-축 대칭점에 위치하는 허상 대상물(C") 중 하나를 한정하지 못하는 경우가 발생할 수 있으므로, 추가로 하나 이상의 기지국을 이용하여 위치 추정 대상물(C)와 허상 대상물(C")을 구분한 후 위치 추정 대상물(C)의 위치를 추정하는 것도 가능하다.
도 9는 도 7의 자기장 정렬 방법에 사용되는 RSSI에 의한 위치 추정을 설명하기 위한 도면이다.
도 9에 나타낸 바와 같이, RSSI에 의한 위치 추정 기법을 간략히 설명하면, 본 실시예에 따른 자기장 정렬 장치는 RSSI의 측정값에 근거하여 이미 위치를 알고 있는 앵커 노드(anchor node)로부터 타겟(target)까지의 거리 및/또는 방향을 추정할 수 있다. 즉, 3군데 이상의 앵커 노드로부터의 거리를 알면 타겟의 위치를 추정할 수 있다.
여기서, 앵커 노드는 제1 안테나, 제2 안테나 및 수신 안테나일 수 있으나, 이에 한정되지 않으며, 제1 안테나, 제2 안테나 및 이차 코일의 조합이거나, 제1 안테나, 제2 안테나 및 다른 스마트키 시스템용 안테나들 중 적어도 하나의 조합일 수 있다. 그리고, 타겟은 트랜스폰더 또는 트랜스폰더가 결합하는 일차 패드이거나 일차 패드에 의해 지지되는 일차 코일(그라운드 어셈블리 코일)일 수 있다.
실제로 도 9에서는 3개의 원들이 대략 한 점에서 교차하고 있으나, 측정값에 포함되는 노이즈 등의 영향, 데이터베이스의 오차 영향 등으로 인하여 추정 거리에 오차가 포함되므로 3개의 원들은 한 점에서 교차하지 않을 수 있다. 이 경우, 오차 보정을 통해 적절한 한 점을 교차점으로 획득할 수 있다. 오차 보정은 각 원의 반지름을 예상 오차에 대응하는 폭 범위에서 가변하여 최적의 교차점을 찾는 방법이 이용될 수 있다. 특히, 오차 보정에 있어서, 세 앵커 노드들의 신호 세기에서 가장 센 신호 세기를 갖는 앵커와 가장 낮은 신호 세기를 갖는 앵커에 포지티브 가중치와 네거티브 가중치를 부여하여 폭 범위를 가변하면, 교차점을 더욱 신뢰성 있게 추정할 수 있다.
한편, 본 실시예의 자기장 정렬 장치는 전술한 삼각 측량 기법에 더하여 RSSI에 의한 위치 추정 기법을 수행함으로써 이차 패드의 상대적인 위치(거리와 방향)를 정확하게 추정하고, 이를 토대로 일차 패드와 이차 패드를 정밀하게 정렬할 수 있다. 즉, 자기장 정렬 장치의 정렬부는 제1 안테나 및/또는 트랜스폰더의 신호 세기가 가장 큰 지점으로 이동하면서 제2 안테나 및/또는 트랜스폰더의 신호 세기가 가장 큰 지점으로 이동하여 일차 패드에 대한 이차 패드의 위치를 미세 정렬할 수 있다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 일차 패드에 대한 개략적인 단면도이다.
도 10을 참조하면, 본 실시예에 따른 일차 패드(30)는 그라운드 어셈블리 코일에 대응하는 일차 코일(31), 트랜스폰더(32), 지지체(33) 및 하우징(34)을 포함할 수 있다.
일차 코일(31)은 그라운드(G)의 표면상에 돌출된 형태로 배치되는 하우징(34) 내에서 지지체(33)에 의해 지지되는 형태로 배열되어 있다. 일차 코일(31)은 다양한 토폴로지로 설계될 수 있다. 지지체(33)는 페라이트(ferrite) 재질일 수 있다. 하우징(34)은 자기장을 잘 통과시키나 전기가 잘 통하지 않는 재질을 포함할 수 있다.
트랜스폰더(32)는 일차 패드(30)의 중앙 상부측에 배치된다. 트랜스폰더(32)는 하우징(34)의 상부측 오목부에 끼워지거나 매립될 수 있다. 트랜스폰더(32)는 일차 코일(31)이 연결되는 그라운드 어셈블리의 제어기와 전기적으로 연결되지 않는 독립적인 장치로 일차 패드(30)에 배치될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
도 11은 도 10의 일차 패드의 변형예에 대한 단면도이다.
도 11을 참조하면, 본 실시예에 따른 일차 패드(30)는 그라운드 어셈블리 코일에 대응하는 일차 코일(31), 트랜스폰더(32), 지지체(33) 및 하우징(34)을 포함할 수 있다. 일차 코일(31), 트랜스폰더(32) 및 지지체(33)를 포함하는 하우징(34)은 그라운드(G)에 매립될 수 있다. 즉, 일차 패드(30)는 그라운드의 표면(GS)에 전혀 돌출되지 않을 수 있다.
일차 코일(31)은 그라운드(G)에 매립되는 하우징(34) 내에서 지지체(33)에 의해 지지된다. 트랜스폰더(32)는 하우징(32)의 내부에 수납된다. 트랜스폰더(32)는 하우징(32) 내에서 지지체(33)와 결합하여 지지체(33)에 의해 지지될 수 있다. 트랜스폰더(32)는 일차 코일(31)이 연결되는 그라운드 어셈블리의 제어기와 전기적으로 연결될 수 있 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
한편, 전술한 일차 패드의 일차 코일은 다양한 토폴로지(topoligies)로 설계될 수 있고, 그것들의 자기적 성질(magnetics)에 의해 설명될 수 있다. 예를 들어, 일차 코일은 분극형(polarized), 비분극형(non-polarized), 다중 코일형 등의 공통 어셈블리 토폴로지로 제작될 수 있다. 분극형 코일은 솔레노이드, DD(double D) 등의 형태를 가지고 패드의 방향에 기초하여 플럭스의 모양을 결정할 수 있다. 비분극형 코일은 원형, 사각형 등의 형태를 구비하고 어셈블리의 중앙에 극(pole)을 가질 수 있다. 다중 코일형 토폴로지는 위의 두 구조를 조합하고 결합하지 않는 코일을 이용하여 어셈블리로 들어가는 수직 자계와 수평 자계를 포함하는 분극형 또는 비분극형 자계를 생성할 수 있다. 다중 코일형 토폴로지는 멀티-코일 DDQ(multi-coil double-D quadrature) 타입과 멀티-코일 바이폴라 타입을 포함할 수 있다.
또한, 전술한 이차 패드의 이차 코일(차량 어셈블리 코일)은 일차 코일과 동일하거나 서로 다른 토폴로지로 설계될 수 있다.
도 12는 도 10 또는 11의 일차 패드의 트랜스폰더에 대한 블록도이다.
도 12를 참조하면, 본 실시예에 따른 트랜스폰더(32)는 일차 패드에 포함되거나 일차 패드와 결합하며 수신부(322), 송신부(323), 응답부(234), 저장부(325) 및 전원부(326)를 포함할 수 있다. 트랜스폰더(32)는 자기장 정렬 장치와 통신을 수행하여 자기장 정렬 장치의 트랜스폰더(32)의 위치 추정을 통해 트랜스폰더가 결합된 일차 패드의 위치를 추정할 수 있도록 동작한다.
수신부(322)는 전기차의 자기장 정렬 장치나 스마트키 시스템으로부터 제1 신호 및 제2 신호를 수신한다. 수신부(322)는 LF 안테나와 수신 회로를 포함할 수 있다.
송신부(323)는 제1 신호 및 제2 신호에 대한 응답 신호를 송출한다. 송신부(323)는 LF 안테나 또는 UHF 안테나와 송신 회로를 포함할 수 있다.
전술한 수신부(322)와 송신부(323)는 단일 LF 안테나를 포함하거나 LF 안테나와 UHF 안테나를 포함할 수 있으며, 적어도 일부의 구성요소를 공유하는 송수신부(321)로 구현될 수 있다.
응답부(324)는 수신부(322)에서 수신된 제1 신호와 제2 신호에 포함된 안테나 식별자들을 저장부(325)에 저장한다. 응답부(324)는 안테나 식별자에 대응하는 수신 신호 세기를 연산할 수 있다. 응답부(324)는 미리 설정된 응답 신호의 송신 신호 세기를 저장부(325)에서 읽어낼 수 있다. 응답부(324)는 안테나 식별자, 수신 신호 세기 및 송신 신호 세기를 포함하는 응답 신호를 생성할 수 있다. 그리고 응답부(324)는 복수의 프레임들을 포함하는 응답 신호를 송신부(323)를 통해 송출할 수 있다.
저장부(325)는 응답부(324)에 포함되는 것으로 한정되지 않고, 응답부(324)에 연결되나 독립적인 구성요소로서 트랜스폰더(32)에 포함될 수 있다.
전원부(326)는 트랜스폰더(32)가 독립전원 방식으로 동작하도록 기능할 수 있다. 전원부(326)는 재충전가능한 배터리를 포함할 수 있으며, 제1 신호 또는 제2 신호에 대응하는 저주파 신호 또는 저주파 신호와 다른 주파수 신호나 극초단파 신호가 수신될 때 배터리 상태에 따라 자동 충전되는 충전 회로를 포함할 수 있다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 무선 충전 시스템의 자기장 정렬 장치에 이용되는 안테나에 대한 개략적인 정면도이다.
도 13을 참조하면, 본 실시예에 따른 자기장 정렬 장치에 이용되는 안테나(21)는 전기차의 스마트키 시스템의 LF 안테나를 포함한다. 이 경우, 안테나는 페라이트 막대(210)에 구리선(211)을 감은 형태를 가질 수 있으며, 전기차의 운전석 또는 조수석의 도어 외측 손잡이에 배치될 수 있다.
안테나(21)는 페라이트 막대(210)의 일측에 결합된 절연체(212)와 절연체(212)의 일측에 돌출되고 구리선(211)의 양단에 연결되는 한 쌍의 단자들(213)을 포함할 수 있다. 한 쌍의 단자들(213)은 스마트키 시스템 제어부나 자기장 정렬 장치에 연결될 수 있다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 무선 충전 시스템의 무선 전력 전송 흐름을 설명하기 위한 블록도이다.
본 실시예에 따른 자기장 정렬 방법을 구현하는 차량 탑재 제어기(이하, 차량 어셈블리 제어기로 대표하여 설명하기로 한다)는, 자기장 정렬이 완료된 후 무선 전력 전송 흐름에 따라 전기차 배터리를 충전할 수 있다.
도 14에 나타낸 바와 같이, 전기차 배터리 충전을 위한 무선 충전 시스템(100)은 그라운드 어셈블리(ground assembly, GA, 7)와 차량 어셈블리(vehicle assembly, VA, 8)를 포함한다. 그라운드 어셈블리(7)는 그리드(grid)에 연결되는 역률 보정(power factor correction, PFC) 기능을 구비한 AC-DC 컨버터(101), DC-AC 인버터(102), 필터/IMN(filter/impedance matching network)(103) 및 GA 코일(104)을 구비할 수 있다. 그라운드 어셈블리(7)의 GA 코일(104)에 인접하게는 트랜스폰더(32)가 배치될 수 있다. 그리고 차량 어셈블리(8)는 GA 코일(104)과 결합 회로(coupled circuit)를 형성하는 VA 코일(105), IMN/필터(106), 정류기(rectifier, 107) 및 임피던스 변환기(impedance converter, 108)를 구비할 수 있다. 임피던스 변환기(108)에는 배터리(battery)가 연결될 수 있다.
차량에는 스마트키 시스템 제어기(20) 또는 이와 유사한 기능을 수행하는 다른 제어기가 탑재될 수 있다. 그리고 차량에 탑재된 차량 어셈블리(VA, 8)에 포함된 차량 어셈블리 제어기(12)는 무선 전력 전송 작업을 위해 무선 통신 링크(wireless comm. link)를 통해 그라운드 어셈블리(GA, 7)에 포함된 그라운드 어셈블리 제어기(9)와 명령 및 제어 통신 및/또는 하이 레벨 통신을 수행할 수 있다.
무선 충전 시스템(100)의 무선 전력 전송 절차는, 먼저 차량 어셈블리(vehicle assembly, AV)(8) 내에서 배터리(battery)에 충전하고자 하는 전류가 결정된다.
다음, 전력 요청이 무선 통신 채널을 통해 차량 어셈블리(8)로부터 그라운드 어셈블리(7)로 전달된다.
다음, 그라운드 어셈블리(7)는 전력 요청을 인지하고, 그리드(grid)로부터 전력을 받아 높은 주파수의 AC로 변환하고 그것을 GA 코일(104)로 전달한다.
다음, 높은 주파수의 AC는 VA 코일(105)에 결합되고, 차량 어셈블리(8)에서 정류되고 처리되어 배터리(batteries)를 충전한다.
전술한 과정은 배터리가 충분히 충전되어 차량 어셈블리가 필요한 전력이 없다는 다른 전력 레벨 요청을 전달하기까지 계속될 수 있다.
상술한 실시예들은 관련된 하드웨어 지원 기술의 특정한 처리를 위한 장치 및 방법의 관점에서 구현되지만, 하드웨어 디바이스의 소위 가상 머신 구현을 제공하는 것도 가능하다. 가상 머신 구현은 가상 머신 프로그램을 지원하는 호스트 운영체계를 실행하는 호스트 프로세서상에서 실행될 수 있다. 일례로, 아주 강력한 프로세서를 사용하여 합리적인 속도로 실행되는 가상 머신을 통해 본 실시예들이 구현될 수 있다. 이러한 접근법은 특정한 상황에서, 이를테면 호환성 또는 재사용 목적을 위해 또 다른 프로세서 고유의 코드를 실행하기를 바라는 경우에도 적용될 수 있다. 가상 머신 프로그램은, 애플리케이션 프로그램이나 운영체제를 실행하여, 실제의 하드웨어 디바이스에 의해 프로그램의 실행으로 주어지는 것과 같은 결과를 나타낼 수 있다. 이를 위해, 프로그램 명령어는 애플리케이션 프로그램 내에서 가상 머신 프로그램을 사용하여 실행될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (20)

  1. 차량 어셈블리 제어기(Vehicle assembly controller, VA controller)를 포함한 자기장 정렬 장치에 의해 수행되는 무선 충전 시스템의 자기장 정렬 방법에 있어서,
    전기차에 탑재된 스마트키 시스템용 제1 안테나와 제2 안테나를 통해 각 안테나 식별자를 포함한 제1 신호 및 제2 신호를 송출하는 단계;
    상기 무선 충전 시스템의 충전 스팟들에 대응하는 위치들에 배열되는 트랜스폰더들로부터 상기 제1 신호 및 상기 제2 신호에 대한 응답 신호를 수신하는 단계; 및
    상기 응답 신호에 포함된 상기 제1 신호의 제1 수신 신호 세기와 상기 제2 신호의 제2 수신 신호 세기에 기초하여 특정 트랜스폰더가 결합하는 일차 패드의 위치를 추정하는 단계를 포함하고,
    상기 제1 안테나와 상기 제2 안테나는 상기 전기차에 탑재된 복수의 안테나들 중에서 선택되며, 상기 복수의 안테나들 중에서 선택되지 않은 안테나들은 적어도 하나의 스위치를 이용하여 동작하지 않도록 제어되는, 무선 충전 시스템의 자기장 정렬 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 응답 신호를 수신하는 단계는, 상기 트랜스폰더들 각각으로부터 기준 시간 내에 일정 개수 이상의 복수 프레임을 수신하고,
    상기 일정 개수 이상의 복수의 프레임을 수신하지 못한 경우, 상기 응답 신호를 수신하는 단계 혹은 상기 제1 신호 및 제2 신호를 송출하는 단계 후에, 상기 제1 신호 및 상기 제2 신호를 재송출하는 단계를 더 포함하는, 무선 충전 시스템의 자기장 정렬 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 응답 신호는, 제1 안테나 식별자, 상기 제1 신호의 수신 자기장 세기, 트랜스폰더가 송출하는 무선 신호 세기를 포함한 제1 응답 정보, 및 제2 안테나 식별자, 상기 제2 신호의 수신 자기장 세기, 트랜스폰더가 송출하는 무선 신호 세기를 포함한 제2 응답 정보를 가지는, 무선 충전 시스템의 자기장 정렬 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 응답 신호를 수신하는 단계 후에,
    상기 트랜스폰더가 송출하는 무선 신호 세기와 상기 응답 신호의 무선 신호 세기를 비교하여 비교 결과의 신호 세기가 기준값 이상이 아니면 해당 트랜스폰더와 수신 안테나를 미스패치(mismatch)로 판단하는 단계를 더 포함하는, 무선 충전 시스템의 자기장 정렬 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 안테나와 상기 제2 안테나는 상기 스마트키 시스템을 통해 상기 차량 어셈블리 제어기에 연결되고 상기 전기차의 운전석의 도어 외부 손잡이와 조수석의 도어 외부 손잡이에 각각 설치되는, 무선 충전 시스템의 자기장 정렬 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 일차 패드의 위치를 추정하는 단계 후에, 상기 일차 패드와 상기 전기차의 이차 패드를 정렬하는 단계를 더 포함하며,
    상기 이차 패드를 정렬하는 단계는, 상기 제1 안테나와 상기 트랜스폰더와의 제1 수신 신호 세기가 최대이고 상기 제2 안테나와 상기 트랜스폰더와의 제2 수신 신호 세기가 최대인 지점으로 상기 이차 패드를 이동시키는, 무선 충전 시스템의 자기장 정렬 방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 응답 신호를 수신하는 단계는, 상기 제1 신호 및 제2 신호를 송출하는 단계에서의 주파수와 다른 주파수를 이용하며, 상기 다른 주파수는 극초단파를 포함하는, 무선 충전 시스템의 자기장 정렬 방법.
  8. 전기차에 탑재되는 무선 충전 시스템의 자기장 정렬 장치에 있어서,
    상기 전기차에 탑재된 스마트키 시스템용 제1 안테나와 제2 안테나를 통해 각 안테나 식별자를 포함한 제1 신호 및 제2 신호를 송출하는 송출부;
    충전 스테이션의 충전 스팟들에 대응하는 위치들에 배열되는 트랜스폰더들로부터 상기 제1 신호 및 상기 제2 신호에 대한 응답 신호-제1 안테나 식별자, 상기 제1 신호의 수신 자기장 세기, 트랜스폰더가 송출하는 무선 신호 세기를 포함한 제1 응답 정보, 및 제2 안테나 식별자, 상기 제2 신호의 수신 자기장 세기, 트랜스폰더가 송출하는 무선 신호 세기를 가짐-를 각각 수신하는 수신부;
    상기 응답 신호에 포함된 상기 제1 신호의 제1 수신 신호 세기와 상기 제2 신호의 제2 수신 신호 세기에 기초하여 특정 트랜스폰더에 결합하는 일차 패드의 위치를 추정하는 추정부; 및
    상기 트랜스폰더가 송출하는 무선 신호 세기와 상기 응답 신호의 수신 신호 세기를 비교하여 비교 결과의 신호 세기가 기준값 이상이 아니면 해당 트랜스폰더와 수신 안테나를 미스매치(mismatch)로 판단하는 미스매치 판단부를 포함하는, 무선 충전 시스템의 자기장 정렬 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 송출부는, 상기 수신부가 트랜스폰더로부터 기준 시간 내에 일정 개수 이상의 복수 프레임을 수신하지 못한 경우, 해당 트랜스폰더의 응답 신호를 무시하고 상기 제1 신호 및 상기 제2 신호를 재송출하는, 무선 충전 시스템의 자기장 정렬 장치.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 청구항 8에 있어서,
    상기 스마트키 시스템의 제어부와의 사이에 배치되고 서로 다른 신호의 송출 및 수신을 위한 적어도 하나 이상의 인터페이스를 더 포함하는, 무선 충전 시스템의 자기장 정렬 장치.
  13. 청구항 8에 있어서,
    상기 추정부에서 순차적으로 제공되는 추정 결과들에 따라 상기 일차 패드의 일차 코일과 상기 전기차의 이차 패드의 이차 코일을 정렬하는 정렬부를 더 포함하며,
    상기 정렬부는, 상기 제1 안테나와 상기 특정 트랜스폰더와의 제1 수신신호세기(RSSI)가 최대이고 상기 제2 안테나와 상기 특정 트랜스폰더와의 제2 수신신호세기가 최대인 지점으로 상기 이차 패드를 이동시키는, 무선 충전 시스템의 자기장 정렬 장치.
  14. 청구항 9에 있어서,
    상기 수신부는 상기 송출부에서 송출되는 상기 제1 신호 또는 상기 제2 신호와 다른 주파수를 가진 상기 응답 신호를 수신하는, 무선 충전 시스템의 자기장 정렬 장치.
  15. 충전 스테이션의 전기차 전력공급장치에 연결되어 전기차의 이차 코일과 자기 유도 결합 또는 자기 공진 결합에 의해 전력을 전달하는 일차 코일; 및
    상기 일차 코일을 지지하는 하우징에 내장되거나 상기 하우징에 결합하는 트랜스폰더를 포함하되,
    상기 트랜스폰더는, 상기 전기차로부터 제1 신호 및 제2 신호를 수신하고, 상기 제1 신호 또는 제2 신호에 포함된 안테나 식별자를 토대로 미리 정해진 정보를 담은 응답 신호-제1 안테나 식별자, 상기 제1 신호의 수신 자기장 세기, 트랜스폰더가 송출하는 무선 신호 세기를 포함한 제1 응답 정보, 및 제2 안테나 식별자, 상기 제2 신호의 수신 자기장 세기, 트랜스폰더가 송출하는 무선 신호 세기를 포함한 제2 응답 정보를 가짐-를 전송하며,
    상기 트랜스폰더가 송출하는 무선 신호 세기와 상기 응답 신호의 수신 신호 세기를 비교하여 비교 결과의 신호 세기가 기준값 이상이 아니면 해당 트랜스폰더와 수신 안테나가 미스매치(mismatch)로 판단되는, 무선 충전 시스템의 일차 패드.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 트랜스폰더는, 상기 응답 신호에 대하여 복수의 프레임들을 송신하며,
    여기서, 상기 응답 신호를 받는 상기 전기차의 스마트키 시스템의 제어부는, 상기 응답 신호를 기준 시간 내에 일정 개수 이상의 복수 프레임들을 수신하지 못하면 수신 실패로 간주하는, 무선 충전 시스템의 일차 패드.
  17. 삭제
  18. 청구항 15에 있어서,
    상기 트랜스폰더는 상기 제1 신호 및 상기 제2 신호를 저주파(low frequency) 신호로 수신하고, 상기 응답 신호를 상기 저주파 신호보다 높은 주파수 또는 극초단파 신호로 전송하는, 무선 충전 시스템의 일차 패드.
  19. 청구항 15에 있어서,
    상기 일차 코일은 상기 충전 스테이션의 충전 스팟(charging spot)에 대응하는 위치에 배치되거나 상기 충전 스테이션 내의 적어도 하나의 다른 일차 코일과 일정 간격을 두고 배치되는, 무선 충전 시스템의 일차 패드.
  20. 청구항 15에 있어서,
    상기 트랜스폰더는 저주파 신호와 다른 주파수 신호 또는 극초단파 신호가 수신될 때 충전되는 전원부를 더 포함하는, 무선 충전 시스템의 일차 패드.
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