KR101947042B1 - 무선 충전 영역 내에 있는 물체를 검출하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

무선 충전 영역 내에 있는 물체를 검출하기 위한 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

전기 차량의 무선 충전 영역 내에 있는 물체를 검출하기 위한 어셈블리 및 방법이 제공된다. 상기 방법은 컨트롤러에 의하여 무선 충전 영역에 대한 전압을 인가하여 커패시턴스 값을 생성하는 것과, 컨트롤러에 의하여 차량의 하측에 배치된 전자기 실드(electromagnetic shield)의 커패시턴스 값을 측정하는 것을 포함한다. 또한, 컨트롤러는 전자기 실드의 커패시턴스 값을 모니터링하며, 또한 물체가 무선 충전 영역에 들어오는 경우의 커패시턴스 값의 변화를 검출한다.

Description

무선 충전 영역 내에 있는 물체를 검출하기 위한 장치 및 방법{DEVICE AND METHOD FOR DETECTING OBJECT WITHIN WIRELESS CHARGING REGION}
본 발명은 전기 차량의 무선 충전에 관한 것이며, 보다 구체적으로는, 무선 충전 영역 내에 있는 물체를 검출하는 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 전기 차량은 전기 전하가 (예를 들어, 플러그인 방식을 통해) 인가될 때 충전된다. 최근에는, 무선 전력 전송 시스템들 및 방법들이 전기 차량을 무선으로 충전하기 위해 개발되었다. 이러한 무선 충전 시스템(예를 들어, 전력 전송)은 현재의 플러그-인 방식에 비해 운전자에게 더 많은 편리함을 제공한다.
종래 기술에 따른 차량용 무선 충전 시스템들은 차량을 충전하기 위해 정전용량 감지 시스템들을 이용한다. 그러나, 전극 디자인 및 감지 회로가 충전 시스템을 작동(예를 들어, 충전 속도를 조정하거나 충전을 달리함)하는데 이용되지 않고 있다. 그러한 충전 시스템들의 단점은, 차량의 충전 기능에 영향을 미치는 차량 외부의 요인에 근거하는 충전 시스템 제어의 부족이다. 예를 들어, 충전 영역(예를 들어, 충전 스테이션과 같은 차량이 충전되는 영역)에서의 외란(disturbance)은 차량의 충전을 감소 또는 지연시킬 수 있다.
종래 기술의 다른 영역에서는, 무선 에너지 전송 시스템 내에서 외래 물체들이 검출된다. 특히, 범용 무선 전력 전송 시스템을 위하여 다양한 타입의 물체들이 검출된다. 예를 들어, 하나의 기술은 정전용량 감지를 이용한다. 그러나, 상기 정전용량 감지 기술은 전기 차량 내에 배치되지도 않았으며, 전기 차량에서 사용하도록(예를 들어, 충분한 전력을 제공할 수 있도록) 구성되어 있지도 않다.
도 1은 종래 기술에 따른 평행 플레이트 캐패시터를 포함하는 충전 구성을 도시한 것이다. 특히, 평행 플레이트 캐패시터는, 두 개의 도체가 플레이트들 간에 전기장을 저장하는 것을 가능하게 한다. 예를 들어, 하나의 평행 플레이트는 V+ 전하를 가질 수 있고, 다른 평행 플레이트는 V- 전하를 가질 수 있다. 이론적으로는, 두 개의 도체 간의 커패시턴스는 동일하지만, 반대 전하 q 및 전압 차 V는 다음의 수학식으로부터 계산된다. C = q/V. 예를 들어, 유전체 재료(예컨대, 높은 유전율을 갖는 재료)가 도체들 사이에 배치될 경우, 커패시턴스가 증가할 수도 있다. 따라서, 전압 차는 전하의 변경(예를 들어, 조정) 없이도 감소할 수 있으며, 이에 따라 더 높은 커패시턴스를 생성할 수도 있다.
도 2 및 도 3은 고정된 전압을 갖는 종래 기술의 다른 평행 플레이트 캐패시터를 도시한다. 특히, 도 2 및 도 3은, 유전체 재료가 추가적인 유전체 전하가 축적되는 것을 가능하게 하기 때문에, 전압이 고정되고 유전체 재료가 전하 영역에 들어오는 경우, 커패시턴스는 전하 영역 내에서 증가한다는 것을 보여주고 있다. 예를 들어, 도 2 는 양(positive)의 플레이트와 음(negative)의 플레이트 간에 형성되는 전기장을 도시한다. 또한, 도 3은 유전체 물체가 전하 영역에 들어온 경우에 있어서 전기장 감소를 도시한다. 유전체 재료는 인가되는 전기장의 반대 방향으로 유도 전기장을 편향시켜 생성한다. 예를 들어, 유전체 재료는 물, 플라스틱, 유리, 테플론 및 주로 물로 구성된 생물체(예를 들어, 포유 동물들)를 포함한다. 종래 기술에서, 정전용량 감지는, 유전체 재료가 센서 전극에 접근하는 경우에 커패시턴스의 변경 또는 변화를 측정함으로써 근접을 감지하는 방법이다. 통상적으로 유전체 감지는 터치 스크린, 가속도계 또는 유체 레벨 센서에서 사용된다.
물체가 충전 영역에서 차량 충전을 방해할 위험성을 줄이기 위해, 적절한 차량 충전을 용이하게 하는 물체 검출 기술이 요구된다. 예를 들어, 물체가 차량 하측에 배치되는 충전 영역에 들어온 경우, 이 물체는 과도한 열을 받게 되거나 또는 고에너지 자기장에 의해 영향을 받을 수 있다. 또한, 금속 물체가 충전 영역에 들어온 경우, 전력 전송의 효율이 감소될 수 있으며, 이 금속 물체는 과도한 열을 받을 수 있다. 따라서, 충전 영역 내의 금속 물체들을 포함하는 물체들을 검출하는 시스템을 제공하는 것이 유리할 것이다.
본 섹션에 개시된 상기 정보는 단지 본 발명의 배경에 대한 이해 향상을 위한 것이며, 따라서 당업자에게 이미 알려진 종래 기술을 형성하지 않는 정보를 포함할 수도 있다.
본 발명은 전기 차량의 무선 충전을 제공하며, 보다 구체적으로는, 무선 충전 영역 내에 있는 물체를 검출하는 장치 및 방법을 제공한다.
본 예시적 실시예의 하나의 양태에서, 전기 차량의 무선 충전 영역 내에 있는 물체를 검출하는 방법은, 컨트롤러에 의하여 무선 충전 영역에 대해 전압을 인가하여 커패시턴스 값을 생성하는 단계 및 차량의 하측에 배치된 전자기 실드(electromagnetic shield)의 커패시턴스 값을 측정하는 단계를 포함할 수 있다. 커패시턴스 값은 컨트롤러에 의하여 모니터링될 수 있으며, 커패시턴스 값의 변화는 물체가 무선 충전 영역에 들어오는 경우에 검출될 수 있다.
또한, 충전은 커패시턴스 값 변화에 따른 물체의 검출에 기초하여 조정될 수 있다. 충전은 커패시턴스 값 변화에 따른 물체의 검출에 기초하여 종료될 수 있다. 운전자에게는 커패시턴스 값의 변화가 경보될 수 있다. 커패시턴스 값을 변화시킬 수 있는 물체의 타입이 식별될 수 있다.
몇몇 양태들에서, 전자기 실드는 서로 평행하게 위치되는 복수의 플레이트들을 포함할 수 있다. 또한, 차량의 하측에 배치된 전자기 실드의 베이스라인 커패시턴스 값이 컨트롤러에 의하여 생성될 수 있다.
다른 양태에서는, 무선 충전 영역의 온도 구배의 온도 값이 모니터링될 수 있다. 무선 충전 영역 내에 있는 물체의 존재를 나타내기 위하여, 무선 충전 영역의 온도 구배의 온도 값 변화가 검출될 수 있다. 또한, 충전 영역은 샤시 접지 및 로컬 접지 양쪽 모두에 결합될 수 있다.
다른 예시적 실시예에서, 전기 차량을 위한 전자기 실드 어셈블리는 차량의 하측에 결합되는 베이스 층과, 차량에 대한 접지 연결을 가지며 베이스 층에 배치되는 전도성 층과, 전도성 층에 배치된 중간층에 결합된 커패시턴스 감지 회로에 전기적으로 연결되는 정전용량 감지 전극을 포함할 수 있다. 또한, 자기장 커플링 층이 중간층에 연결될 수 있으며, 여기서 복수의 접합 층들이 각 층들 사이에 배치될 수도 있다.
전자기 실드 어셈블리는 서로 평행하게 위치되는 복수의 플레이트들을 포함할 수 있다. 전자기 실드는 차량 차체의 하측에 결합될 수 있다. 전자기 실드 어셈블리는 차량의 작동 중에는, 차량의 샤시 프레임에 평행하게 회전 가능하도록 위치될 수 있다. 이와 달리, 전자기 실드 어셈블리는 차량의 충전 중에는, 차량의 샤시 프레임에 수직하게 회전 가능하도록 위치될 수 있다.
다른 양태들에서는, 정전용량 감지 전극이 전자기 실드 어셈블리의 하부 부분에 배치될 수 있다. 베이스 층은 비전도성 재료로 형성될 수 있다. 중간층은 비전도성 재료로 형성될 수 있다. 몇몇 예시적 실시예들에서, 베이스 층, 전도성 층, 중간층 또는 자기장 커플링 층의 두께는 약 1mm 내지 약 2mm일 수 있다. 정전용량 감지 전극의 두께는 약 1mm 내지 약 2mm일 수 있다.
특히, 본 발명은 위에서 열거된 바와 같은 전기 차량의 무선 충전 영역 내에 있는 물체의 검출 요소들의 조합으로 한정되지 않으며, 본 명세서에서 설명되는 바와 같은 요소들의 임의의 조합으로 조립될 수도 있다.
본 발명의 다른 양태들은 아래에 개시되어 있다.
본 발명의 실시예에 따른 전기 차량의 무선 충전 영역 내의 물체 검출은, 충전 영역 내에 존재하는 물체들을 검출하는 것에 의하여 전기 차량 무선 충전 시스템의 안전을 향상시킬 수 있다. 물체의 검출에 관한 특정 설계는 운전자에게 경보하거나 충전 영역으로부터 물체를 제거하는 스텝들을 가질 수도 있다. 또한, 패턴 인식이 검출된 물체의 타입을 결정하는데 사용될 수도 있다. 따라서, 본 발명인 전기 차량의 무선 충전 영역 내의 물체 검출은, 무선 충전 프로세스에 대한 방해를 방지하여, 무선 충전 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 예시적 실시예들은 첨부 도면들과 함께 다음의 설명을 참조하여 더욱 용이하게 이해될 수 있으며, 이 도면들에서 유사한 참조 부호는 동일하거나 기능적으로 유사한 요소들을 나타낸다.
도 1은 종래 기술에 따른 캐패시터 플레이트 배치를 보인 도면이다.
도 2 및 도 3은 종래 기술에 따른 캐패시터 플레이트 배치를 보인 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 내에 배치되는 캐패시터 플레이트 배치의 평면도를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 내에 배치되는 캐패시터 플레이트 배치의 정면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 실드 어셈블리의 단면도이다.
도 7은 종래 기술에 따른 정전용량 감지 회로의 개략도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량 감지 회로의 개략도이다.
도 9는 종래 기술에 따른 캐패시터 방전을 그래픽적으로 표현한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 캐패시터 감지 데이터를 그래픽적으로 표현한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 캐패시터 감지 모델 및 시뮬레이션을 그래픽적으로 표현한 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 캐패시터 감지 모델 및 시뮬레이션을 그래픽적으로 표현한 다른 도면이다.
본 발명에 대하여 첨부 도면들을 참조하여 보다 상세하게 설명될 것이며, 이 도면들에는 예시적인 실시예들 전부가 아닌 일부가 도시되어 있다.
유사한 참조 번호는 전체적으로 유사한 요소들을 지칭한다. 본 발명은 다수의 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 오히려, 이 실시예들은 본 발명이 적용될 수 있는 법적 요건들을 만족하도록 제공된다. 실제에 있어서, 본 명세서에 개시된 본 발명에 대한 다수의 변형들 및 다른 실시예들이 위의 설명 및 관련 도면에서 제공되는 가르침에 의하여 본 발명에 관한 당업자에 의하여 착안될 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명은 개시된 특정한 예시적인 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 변형들 및 다른 예시적 실시예들이 첨부된 청구항들의 범위 내에 포함되는 것으로 의도됨을 이해해야 한다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위한 것이지, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같은, 단수 형태는 문맥상 명백하게 달리 나타내지 않는 한, 복수 형태도 포함하는 것으로 의도된다. 용어 "포함하다" 및/또는 "포함하는"은, 본 명세서에서 사용되는 경우, 명시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 요소, 및/또는 컴포넌트의 존재를 지정하는 것이지만, 하나 이상의 다른 특징, 숫자, 단계, 동작, 요소, 컴포넌트, 및/또는 그들의 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지 않는 것임을 또한 이해해야 한다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같은, 용어 "및/또는"은 관련된 열거 항목 중의 하나 이상에 대한 임의의 및 모든 조합을 포함한다.
문맥으로부터 구체적으로 언급되거나 명백하지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 바와 같은 용어 "약"은 당해 기술 분야에서 통상의 오차 범위 내, 예를 들어 평균의 2 표준 편차 이내인 것으로 이해된다. "약"은 명시된 값의 10%, 9%, 8%, 7%, 6%, 5%, 4%, 3%, 2%, 1%, 0.5%, 0.1%, 0.05%, 또는 0.01% 이내인 것으로 이해될 수 있다. 문맥으로부터 달리 명확하지 않는 한, 본 명세서에서 제공된 모든 수치는 용어 "약"에 의해 수정될 수 있다.
예시적 실시예들이 예시적 프로세스를 수행하는 복수의 유닛들을 사용하는 것으로 설명되어 있지만, 이 예시적 프로세스들은 하나 또는 복수의 모듈들에 의해 수행될 수도 있음이 이해된다. 또한, 용어 컨트롤러/컨트롤 유닛은 메모리 및 프로세서를 포함하는 하드웨어 장치를 지칭하는 것으로 이해된다. 메모리는 모듈들을 저장하도록 구성되며, 프로세서는 아래에서 더 설명되는 하나 이상의 프로세스들을 수행하할 수 있게 상기 모듈들을 실행시키도록 특별히 구성된다.
용어 "차량" 또는 "차" 또는 여기에서 사용된 다른 유사한 용어는 일반적으로 스포츠 유틸리티 차량(SUV)을 비롯한 승용차, 버스, 트럭, 각종 상용차, 각종 보트를 비롯한 배, 선박, 항공기 등과 같은 모터 차량을 포함하며, 또한 하이브리드 차량, 전기 차량, 연소, 플러그인 하이브리드 전기 차량, 수소 구동 차량 및 다른 대체 연료 차량(예를 들면, 석유 이외의 다른 자원에서 파생된 연료)을 포함한다.
일 양태에서, 본 발명은 전기 차량의 무선 충전 영역 내에 있는 물체를 검출하는 것에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 커패시턴스 값의 변화에 기초하여, 무선 충전 영역 내에 있는 물체를 검출하는 장치 및 방법을 제공한다. 전기 차량의 무선 충전 영역 내에 있는 물체를 검출하는 방법은, 컨트롤러에 의하여, 무선 충전 영역에 전압을 인가하여 커패시턴스 값을 생성하는 것 및 차량 하측에 배치되는 전자기 실드의 베이스라인 커패시턴스 값을 측정하는 것을 포함할 수 있다. 이어서, 커패시턴스 값이 충전 프로세스의 작동에 걸쳐 모니터링될 수 있다. 커패시턴스 값의 변화는, 물체가 무선 충전 영역에 들어온 경우에 검출될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량(10)의 하측에 배치되는 용량성 플레이트들(20a, 20b)을 포함할 수 있는 전자기 실드(20)를 도시한 것이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 전자기 실드(20)는, 충전 영역(8)을 제공하는 서로 평행하게 위치되는 한 쌍의 용량성 플레이트들(20a, 20b)을 포함할 수 있다. 특히, 용량성 플레이트(20a, 20b)는 정전용량 감지 전극을 포함할 수 있다. 예를 들어, 물체가 한 쌍의 용량성 플레이트(20a, 20b) 간에 배치되는 충전 영역(8)에 들어오는 경우, 충전 영역(8)의 상대 유전율이 변경되며, 또한 정전용량 값도 변경될 수 있다. 즉, 임베디드 컨트롤러(예를 들어, 마이크로 컨트롤러)는, 커패시턴스 값들에 관련된 신호를 수신하여, 활성된 충전 작동의 조정 또는 종료를 포함할 수 있는 물체 검출에 대한 응답을 시작시키도록 구성될 수 있다. 이하에서는 정전용량 검출에 대하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 용량성 플레이트(20a, 20b)를 포함하는 전자기장 어셈블리(20)는 샤시 프레임(14)의 아래에 배치될 수 있으며, 또한 차체(12)의 하측의 샤시 프레임(14)에 결합될 수도 있다. 전자기 실드(20)는, 전기 충전 상태 동안 차량이 정지되어 있을 경우, 샤시 프레임(14)에 수직으로 연장되도록 설계될 수 있는 용량성 플레이트(20a, 20b)를 포함한다. 또한, 차량의 작동 동안에, 충전 플레이트들을 포함하는 전자기 실드는 움츠러들 수 있으며, 샤시 프레임의 하측에 평행하게 위치될 수 있다. 특히, 전자기 실드들은 무선 충전 시스템의 효율 및 안전을 향상시키기 위해 전기 및 자기장 실딩(shielding)을 제공할 수 있다. 또한, 이 전자기 실드들은 전기 전도체 및 감지 전극들을 사용할 수 있는 정전용량 감지 회로를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서는, 추가적인 전도성 층들이 전자기 실드 어셈블리 내에 포함될 수도 있다.
또한, 전자기 실드 어셈블리의 단면도를 나타내는 도 6과 관련하여, 전자기 실드 어셈블리는 정전용량 감지 전극을 포함할 수 있다. 구체적으로, 도 6에 나타낸 바와 같이, 전자기 실드 어셈블리(20)는 그 내부에 배치되는 정전용량 감지 능력들을 가진 네 개의 실드 층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 전자기 실드 어셈블리(20)는 전기 차량의 하측에 결합되는 베이스 층(22)을 포함할 수 있다. 베이스 층(22)은 경질 플라스틱 또는 이와 유사한 것으로 형성될 수 있으며, 실드 어셈블리(20)의 회전 운동이 가능하도록 힌지(hinge)(21) 연결을 통해 차체(12)에 결합될 수 있다. 베이스 층(22)은 약 1mm 내지 약 2mm의 두께를 가질 수 있다. 전자기 실드 어셈블리(20)는, 전기 차량에 접지 연결을 제공할 수 있으며 베이스 층(22)에 인접하여 배치될 수 있는, 전도성 층(24)을 더 포함할 수 있다. 전도성 층(24)은 알루미늄 또는 다른 도전재로 형성됨으로써 전기장 실딩 층으로서 역할을 할 수도 있다. 통상적으로, 전도성 층(24)의 두께는 약 1mm 내지 약 2mm일 수 있다.
중간층(28)은 전도성 층(24)에 인접하여 위치될 수 있으며, 중간층(28)에 결합되는 커패시턴스 감지 회로에 전기적으로 연결되는 정전용량 감지 전극(26)을 포함할 수 있다. 중간층(28)은 플라스틱 재료 또는 이와 유사한 것으로 형성될 수 있으며, 약 1mm 내지 약 2mm의 두께를 가질 수 있다. 정전용량 감지 전극(26)은 약 1mm 내지 약 2mm의 두께를 가질 수 있으며, 중간층(28)의 길이의 일부 또는 전체 길이를 따라 연장될 수 있다. 또한, 자기장 커플링 층(30)은 중간층(28)에 연결될 수 있다. 자기장 커플링 층(30)은 페라이트(ferrite) 또는 이와 유사한 것으로 형성될 수 있으며, 약 1mm 내지 약 2mm의 두께를 가질 수 있다. 또한, 접합 층들(32a, 32b, 32c)은 전술한 기능성 층들 각각의 사이에 배치될 수 있다.
도 7은 종래 기술에 따른 정전용량 감지 회로(예를 들어, 이완 발진기(relaxation oscillator))의 개략도를 도시한 것이다. 특히, 도 7은, 감지 전극(26)이 차량의 양측에 있는 GPIO(generalpurpose input/output) 핀들(40)에 연결될 수 있음을 나타낸다. 예를 들어, 전기 차량의 충전 작동 내에 감지 전극 전압을 제공하기 위해, 접지 전위에 있는 차량 샤시 프레임이 고려되어야 한다. 달리 말하면, 접지 전위에 있는 샤시 프레임은 충전 영역의 하단 중앙 부분에서 감소된 감도의 영역을 형성한다. 따라서, 임의의 전위 정전용량 감지 작동은 하나의 양(positive)의 전압 및 하나의 접지(ground)가 아니라, 두 용량성 플레이트 모두에 양의 전압을 배치하는 것에 의하여 향상될 수 있다. 달리 말하면, 도 7에 나타낸 바와 같이, 정전용량 감지 회로는 GPIO 핀들 중 하나(예를 들어, P1)에 약 5V를 출력하여 캐패시터를 충전하도록 구성되는 컨트롤러(예를 들어, 마이크로 컨트롤러)를 포함할 수 있다. 또한, 컨트롤러는 캐패시터가 저항(예를 들어, R1)을 통해 방전을 개시하는 것을 가능하게 하는 높은 임피던스 입력으로 스위칭하도록 구성될 수 있다. 특히, 충전 영역 내의 물체에 의하여 야기될 수 있는 더 큰 커패시턴스 값은 방전 시간의 증가를 야기할 수 있으며, 컨트롤러는 방전 시간의 변화를 검출하도록 구성될 수 있다.
또한, 무선 전력 전송 시스템의 정전용량 감지 능력을 향상시키기 위해서는, 다른 노이즈 소스가 고려될 수 있다. 예를 들어, 무선 전력 전송 시스템의 코일은 활성된 충전 동안에 정전용량 값들에 영향을 미칠 수 있다. 특히, 코일은 정전용량 값에 중첩될 수 있는 약 85khz 신호를 생성할 수가 있다. 다른 노이즈 모드가 방전 파형을 방해할 수도 있다(도 8에 도시됨). 정전용량 감지 측정에 있어서의 무선 전력 전송 시스템에 대한 코일의 영향을 추가적인 실험이 결정할 수 있다. 따라서, 중첩된 신호를 계산하는 방법이 창출될 수도 있다.
또한, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량 감지 회로의 개략도이다. 도 8에 나타낸 바와 같이, 정전용량 감지 전극에 더 높은 전압을 생성하는 회로는 증가된 전위차를 생성할 수 있으며, 센서의 측정 능력을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 컨트롤러 공급 전압 대신에 배터리 전압이 캐패시터에 인가될 수도 있다. 도 8에 도시된 바와 같이, 스위칭 기능은, 약 12V를 회로에 공급하도록 구성된 배터리를 결합하거나 분리할 수 있다. 다른 실시예에서는, 대안적인 전압 시스템(예를 들어, 48V)이 사용될 수도 있다. 충전 영역은 샤시 접지 및 로컬 접지(local ground) 모두에 결합될 수 있다. 또한, 샤시 접지 및 로컬 접지는 연결될 수 있지만, 최소한의 저항이 그 사이에 존재할 수도 있다. 그러면, 도 7에 나타낸 바와 같이, N-FET 컴포넌트는 낮은 누설 전류를 가질 수 있다. 방전 저항은 약 6MΩ일 수 있지만, 이 값은 전극 설계에 기초하여 달라질 수도 있다. 달리 말하면, 무선 전력 전송으로부터의 전자기장을 포함하는, 외부 방사체(radiator)들로부터의 노이즈 내성(noise immunity)이 향상될 수 있으며, 이렇게 함으로써 향상된 센서 정확도를 제공할 수 있다.
특히, 도 8은, 정전용량 감지 전극에 인가되는 증가된 전압을 사용할 수 있는 회로를 나타낸다. 여기 신호(P1)의 전압이 증가함에 따라, 타이머 기능이 개시될 수 있다. 그 후에, 여기 신호(P1)가 감소될 수 있으며, 전극은 방전 저항을 통해 방전할 수 있다. 방전 시간은 커패시턴스에 의존할 수 있다. 그러한 방전 시, 전극 전압은 약 1V 미만의 값에 도달할 수 있고, 출력 신호(P2)는 미리 정해진 레벨 미만으로 감소될 수 있으며, 또한 타이머 기능이 종료될 수 있다.
보다 구체적으로, 도 9는 종래 기술에 따른 캐패시터 방전을 그래픽적으로 표현한 도면이다. 도 9에 나타낸 바와 같이, 마이크로컨트롤러가 고-임피던스 입력으로 조정하는 경우, 저전압(예를 들어, 제로 전압) 신호에 도달하는 지속 시간이 모니터링될 수 있다. 특히, 캐패시터가 방전하는 경우, 전압 레벨은 도 9에 나타낸 바와 같은 공지의 파형을 생성할 수 있다. 방전시, 캐패시터 양단에 걸리는 전압은 다음과 같이 설명될 수 있다.
Figure 112016100534622-pat00001
. 여기서 t는 시간이고,
Figure 112016100534622-pat00002
는 초기 전압이며,
Figure 112016100534622-pat00003
이고, R은 저항값이고 C는 커패시턴스이다.
커패시턴스 값이 베이스라인(예를 들어, 초기 측정된 값)보다 큰 경우에는,
Figure 112016100534622-pat00004
가 조정될 수 있으며, 또한 전압이 미리 정해진 레벨로 감소되는 지속 시간이 조정될 수도 있다. 예를 들어, 컨트롤러는, 캐퍼시터가 방전을 개시하는 경우에 동작되도록 구성되는 타이머를 포함할 수 있다. 컨트롤러는, 전압이 미리 정해진 임계값 미만(예를 들어, 약 0.2 볼트 미만)으로 감소되는 시점을 검출하도록 구성될 수 있다. 또한, 전압이 미리 정해진 임계값 미만으로 감소되는 경우, 타이머가 종료될 수 있으며, 지속 시간이 기록될 수 있다. 베이스라인 방전 시간에 대한 기록된 시간의 대략적인 비율은, 베이스라인 커패시턴스 값에 대한 제 2 커패시턴스의 비율과 대략 동일할 수 있다. 도 9에 나타낸 바와 같이, 이 차이는 실선과 점선 파형 간의 차이로 표현될 수 있다.
따라서, 도 10에 나타낸 바와 같이, 센서에 의해 생성되는 측정된 정전용량 센서 데이터는 커패시턴스의 백분율 변화로 나타낼 수 있다. 예를 들어, 도 10은, 커패시턴스 값들의 변화(variance)를 계산한 이후의 신호에 대한 예시를 나타낸다. 도 10에 나타낸 바와 같이, 물체가 충전 영역 내에 존재하지 않는 경우, 베이스라인 값이 생성된다. y-축은 충전 영역 내에 물체가 존재함을 나타내는 커패시턴스의 백분율 변화를 나타낸다. 충전 영역으로부터 물체를 제거할 경우, 커패시턴스 값이 베이스라인 값으로 리턴될 수 있다.
다른 양태에서, 도 11 및 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 캐패시터 감지 모델 및 시뮬레이션을 그래픽적으로 표현한 도면이다. 먼저 도 11을 참조하면, 정전용량 감지 전극의 모델이 도시되어 있다. 특히, 정전용량 감지 전극에 인접한 화살표는 가장 강한 전기장 영역을 나타낸다. 이 전기장은, 화살표가 정전용량 감지 전극으로부터 외측으로 연장됨에 따라 감소될 수 있으며, 차량 샤시 프레임의 중앙에는 상대적으로 약한 전기장이 배치되어 있다. 예를 들어, 실험적 실시예에서, 직사각형 도체가 차량 샤시에 대한 모델로서 사용되었으며, 전자기 실드들 위에 배치되었다. 이 실험 모델(도 6에 도시된 바와 같음)은 방전 전에 양의 전압을 갖는 전자기 실드들의 다수의 도체들을 포함한다. 도 11에 도시된 바와 같이, 차량 아래의 충전 영역의 중앙 부분은 정전용량 감지 전극에서 나온 가장 약한 전기장 강도를 갖는다. 또한, 중앙 부분은, 최소의 커패시턴스 변화를 야기하는 부분에 배치되는 물체의 존재로 인해, 가장 낮은 감도를 생성한다.
이제, 도 11과 비교되는 도 12를 참조하면, 감지 전극 구성에 대한 조정이 이루어졌다. 예를 들어, 접지 실드는 전자기 실드 어셈블리의 외측 부분에 배치되었다. 다른 실시예에서는, 활성 실드가 접지 실드 대신에 외측 부분에 배치될 수도 있다. 활성 실드는 감지 전극의 전압을 따를 수 있으며, 이에 의해 시스템 성능을 향상시킬 수 있다. 활성 실드는 감지 전극의 전압을 따를 수 있으며, 특정 방향으로의 감도를 제공하는 시스템 성능을 향상시킬 수 있다. 특히, 감지 전극과 정전용량 감지 회로 보드 간의 배선은 동축 케이블일 수 있으며, 여기서는 내부 도체가 감지 전극에 연결될 수 있으며 외부 도체는 활성 실드일 수 있다. 달리 말하면, 감지 전극 와이어를 결합하는 것으로부터 외부 방사 노이즈가 감소될 수 있다. 따라서, 이 전기장은 차량 경계의 외부로부터 차폐될 수가 있으며, 그에 따라 충전 영역 외부에 있는 차량 외부의 물체들에 대한 감도를 상당히 감소시킬 수 있다.
또한, 양으로 충전된 감지 전극이 전자기 실드 어셈블리의 하부에 배치될 수 있다. 역으로, 도 11과 비교하여 도시된 바와 같이, 어떤 물체가 커패시턴스에 있어서의 더 큰 상대적인 변화를 야기할 수도 있다. 도 12에 도시된 바와 같이, 접지에 대한 베이스라인/고유 커패시턴스는, 커패시턴스 감지 전극이 전자기 실드 어셈블리의 높이 방향으로 연장한 경우에 비하여 감소될 수 있다. 그러나, 어떤 물체가 감지 전극에 근접하는 경우, 전체 전기장 중의 더 많은 부분이 그 물체를 통과하기 때문에 더 큰 퍼센트 변화가 관찰될 수 있다. 도 12에 도시된 바와 같이, 전자기 실드 어셈블리에 근접해 있는 물체는 전기장 경로가 그 물체 주위에서 방해받도록 할 수 있으며, 이것은 커패시턴스 값 변화가 일어나는 것을 야기할 수 있다.
또한, 물체들을 검출하기 위한 전체 시스템은, 충전 기능의 개시 이전에 충전 영역 내에 배치되는 전도성 코인(coin)과 같은 물체를 식별하기 위한, 베이스라인 계산에서의 조정을 필요로 할 수도 있다. 그 물체가 베이스라인에서 식별되지 않는 경우, 그 물체는 베이스라인의 일부가 될 수 있으며, 후속적으로는 검출되지 않을 수 있다. 또한, 물체의 온도가 안전하지 않은 레벨까지 증가할 수도 있다. 전체 물체 검출 시스템은 전체 외래 물체 검출 시스템을 형성하기 위한 추가의 기술들과 정전용량 감지 기술의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 검출 시스템은 충전 코일들 사이에 배치되는 전도성 물체의 상호 인덕턴스(inductance)의 변화를 식별하는 기술을 제공할 수 있다. 따라서, 어떤 변화 또는 변경은 에어 갭(air gap)을 통과하는 전력 송신을 야기할 수 있으며, 이것은 1차 또는 2차 시스템들 중 하나에서의 전기 파라미터(예를 들어, 전압, 전류, 위상 각) 모니터링에 의하여 검출될 수가 있다. 예를 들어, 1차 시스템으로부터의 출력 전력이 일정하게 유지되는 동안에 수신되는 전력 감소를 2차 시스템이 검출하는 경우, 이 전력 감소는 충전 영역 내의 물체로 인한 것일 수 있다. 또한, 충전 영역에 배치되는 작은 물체들(예를 들어, 코인들 또는 전도성 조각들)을 검출하기 위하여, 온도 센서가 충전 영역의 열 변화를 검출하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 통합된 센서 어레이를 가진 열 시트가, 열 변화의 원인이 될 수 있는 물체들을 검출 및 그 위치를 탐색하기 위해 전자기 실드 어셈블리와 연대하여 사용될 수 있다.
위에서 설명한 바와 같이, 청구된 발명인 전기 차량의 무선 충전 영역 내의 물체 검출은, 충전 영역 내에 존재하는 물체들을 검출하는 것에 의하여 전기 차량 무선 충전 시스템의 안전을 향상시킬 수 있다. 물체의 검출에 관한 특정 설계는 운전자에게 경보하거나 충전 영역으로부터 물체를 제거하는 스텝들을 가질 수도 있다. 또한, 패턴 인식이 검출된 물체의 타입을 결정하는데 사용될 수도 있다. 따라서, 본 발명인 전기 차량의 무선 충전 영역 내의 물체 검출은, 무선 충전 프로세스에 대한 방해를 방지하여, 무선 충전 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 다수의 특징 및 이점은 상세한 설명으로부터 명백하며, 따라서 첨부된 청구항들은 본 발명의 진정한 사상 및 범위 내에 있는 본 발명의 특징 및 이점을 포괄하는 것으로 의도된다. 또한, 다양한 수정 및 변형이 당업자에게 용이하게 행해질 수 있기 때문에, 도시 및 설명된 그것의 정확한 구성 및 동작으로 본 발명을 제한하는 것은 바람직하지 않으며, 따라서, 모든 적절한 변형물 및 균등물은 본 발명의 범위 내에 포함될 수 있다.

Claims (20)

  1. 전기 차량의 무선 충전 영역 내에 있는 물체를 검출하는 방법으로서,
    컨트롤러에 의하여, 상기 무선 충전 영역에 대한 전압을 인가하여 커패시턴스 값을 생성하는 단계;
    상기 컨트롤러에 의하여, 상기 차량의 하측에 배치된 전자기 실드(electromagnetic shield)의 커패시턴스 값을 측정하는 단계;
    상기 컨트롤러에 의하여, 상기 전자기 실드의 커패시턴스 값을 모니터링하는 단계; 및
    상기 컨트롤러에 의하여, 상기 물체가 상기 무선 충전 영역에 들어오는 경우의 상기 커패시턴스 값의 변화를 검출하는 단계를 포함하며,
    상기 컨트롤러에 의하여, 상기 커패시턴스 값을 변화시키는 물체의 타입을 식별하는 단계를 더 포함하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 컨트롤러에 의하여, 상기 커패시턴스 값 변화에 따른 상기 물체의 검출에 기초하여, 상기 차량에 대한 충전을 조정하는 단계를 더 포함하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 컨트롤러에 의하여, 상기 커패시턴스 값 변화에 따른 상기 물체의 검출에 기초하여, 상기 차량에 대한 충전을 종료하는 단계를 더 포함하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 컨트롤러에 의하여, 상기 커패시턴스 값의 변화를 운전자에게 경보(alerting)하는 단계를 더 포함하는 방법.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자기 실드는 서로 평행하게 위치되는 복수의 플레이트들을 포함하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 컨트롤러에 의하여, 상기 차량의 하측에 배치되는 전자기 실드의 베이스라인 기준 커패시턴스 값을 생성하는 단계를 더 포함하는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 컨트롤러에 의하여, 상기 무선 충전 영역의 온도 구배(thermal gradient)의 온도 값들을 모니터링하는 단계를 더 포함하는 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 무선 충전 영역에 있는 물체의 존재를 나타내기 위하여, 상기 컨트롤러에 의하여, 상기 무선 충전 영역의 온도 구배의 온도 값들의 변화를 검출하는 단계를 더 포함하는 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 충전 영역은 샤시 접지(chassis ground) 및 로컬 접지(local ground) 양쪽 모두에 결합되는 방법.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
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  20. 삭제
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