KR101974507B1 - 전기 자동차의 다상 무선 충전 시스템 - Google Patents

전기 자동차의 다상 무선 충전 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 급전 인버터로부터 다상(multi phase)의 고주파 전류를 공급하여 집전측의 레귤레이터 및 제어부의 구성을 삭제하고 배터리를 충전함으로써 전체적인 설치 비용 상승을 줄이도록 전기 자동차의 다상 무선 충전 시스템에 관한 것으로서, 지면에 설치된 급전부로부터 자기유도방식으로 전력을 전송받는 집전부를 포함하는 무선 충전 전기 자동차에 있어서, 상기 급전부는 다상의 고주파 전류를 공급하는 급전 인버터와, 상기 급전 인버터로부터 공급되는 다상의 고주파 전류를 전달받아 공진 주파수의 전류를 흘려보내 자기장을 생산하는 급전장치와, 상기 급전 인버터를 제어하는 제어부로 구성되고, 상기 집전부는 상기 급전장치로부터 생성된 자기장을 받아들여 유도전압으로 변환하는 집전장치와, 상기 집전장치에서 변환된 유도전압을 정류하여 출력하는 정류기와, 상기 정류기에서 정류된 유도전압에 포함된 리플전압을 제거하여 출력하는 평활회로와, 상기 평활회로로부터 리플 전압이 제거된 유도전압을 전달받아 충전하는 배터리를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

전기 자동차의 다상 무선 충전 시스템{Multi phase wireless charging system for electric car}
본 발명은 전기 자동차의 충전 시스템에 관한 것으로, 특히 다상(multi phase)의 고주파 전류를 공급하여 집전측에서 간단한 회로로 배터리를 충전할 수 있도록 한 전기 자동차의 다상 무선 충전 시스템에 관한 것이다.
오늘날 전기 자동차는 새로운 이동 수단으로서 주목받고 있는데, 전기 에너지는 환경 오염을 유발하는 기존의 화석 연료를 대체할 수 있는 친환경 에너지원이며, 전기 자동차는 이러한 전기를 연료로 사용하기 때문에 매연과 이산화탄소가 거의 발생하지 않는다. 따라서, 전기 자동차는 친환경 이동 수단으로서 그 역할이 더 커질 것으로 기대된다.
이러한 전기 자동차의 배터리를 충전함에 있어서 다양한 충전방식이 이용되고 있는데, 충전소에 설치된 충전기의 케이블을 차량에 직접 연결하여 충전하는 방식(플러그 인 방식)과 1차 코일과 2차 코일에 의해 발생하는 전자기 유도현상을 이용하는 비접촉식 충전방식(무선 충전방식)을 예로 들 수 있다.
이 중에서 플러그 인 방식은 충전을 할 때마다 플러그를 꽂고 빼야 하는 불편함이 있다. 특히 야외에 설치된 충전기의 경우에 눈, 비, 바람 등에 따라서 훨씬 더 불편한 단점을 갖는다. 이런 단점은 전기자동차의 보급 확산에 큰 장애물이 될 수도 있다.
이러한 문제점을 극복하기 위하여 최근에 시도되고 있는 무선 충전방식은, 도로에 매설된 급전부의 급전코일로부터 전기 자동차의 집전코일에 자기유도 작용을 이용하여 무선으로 전력을 공급하고 배터리를 충전한다. 무선충전방식을 충전 시 전기 자동차의 주행 여부에 따라 분류하면, 정차 중 충전방식과 주행 중 충전방식으로 나눌 수 있다.
먼저, 정지 중 충전방식은 전기 자동차가 정류장이나 주차장에 정지한 상태에서 급전 및 충전이 이루어지는 방식으로서, 급전코일과 집전코일 간의 에어 갭을 최소화할 수 있어서 주행 중 충전방식에 비하여 높은 충전효율을 달성할 수 있는 반면, 전기 자동차가 정류장에 잠시 정차 후에 출발하는 경우에는 짧은 충전시간으로 인하여 충분한 전력을 공급받지 못하는 단점이 있다.
이에 반하여 주행 중 충전방식은 전기 자동차가 정지하지 않고 운행하는 중에 급전부로부터 전력을 전송받기 때문에, 정지 중 충전방식에 비하여 상대적으로 충분한 충전시간을 확보할 수 있다.
그러나, 주행 중 충전방식은 도로 위의 장애물로부터 집전부를 보호하기 위하여 충분한 에어 갭을 확보해야 하기 때문에 정지 중 충전방식에 비하여 전력전송 효율이 낮고, 또한 도로의 주행 구간에 급전코일을 모두 설치하는 데에는 막대한 비용이 필요하고 공사시 차선차단으로 인한 차량통행의 불편이 초래되는 문제가 있다.
도 1은 종래 기술에 의한 전기 자동차의 충전 시스템을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
종래 기술에 의한 전기 자동차의 충전 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이, 급전부와 집전부(차량)으로 구분되고, 급전부는 단상의 고주파 전류를 공급하는 급전 인버터(10)와, 상기 급전 인버터(10)로부터 공급되는 단상의 고주파 전류를 전달받아 공진 주파수의 전류를 흘려보내 자기장을 생산하는 급전코일(20)과, 상기 급전 인버터(10)를 제어하는 제어부(30)로 구성된다.
상기 집전부는 상기 급전코일(20)로부터 생성된 자기장을 받아들여 유도전압으로 변환하는 집전코일(40)과, 상기 집전코일(40)에서 변환된 유도전압을 정류하여 출력하는 정류기(50)와, 상기 정류기(50)에서 정류된 유도전압에 포함된 리플전압을 제거하여 출력하는 평활회로(60)와, 상기 평활회로(60)로부터 리플 전압이 제거된 유도전압을 전달받아 전압 및 전류를 제어하여 출력하는 레귤레이터(70)와, 상기 레귤레이터(70)로부터 출력되는 전압 및 전류를 측정하여 상기 레귤레이터(70)를 제어하는 제어부(80)와, 상기 레귤레이터(70)로부터 전달된 전압 및 전류를 전달받아 충전하는 배터리(90)를 포함한다.
이와 같이 구성된 종래 기술에 의한 전기 자동차의 충전 시스템은 급전 인버터(10)로부터 단상의 고주파 전류를 급전코일(20)을 통하여 차량으로 전송하면, 차량측에서 집전코일(40)에서 유도된 단상 전류를 정류기(50)에서 맥류로 정류한 후 평활회로(60)를 통하여 리플전압을 줄이고 레귤레이터(70)에서 배터리(90) 충전에 맞도록 전압 및 전류를 제어한다.
그런데 상기 정류기(50)에서 정류된 전압은 0V에서 최대전압까지 큰 폭의 리플이 함유되어 있으므로 이를 평활하기 위하여 상기 평활회로(60)는 큰 용량의 리액터 및 캐패시터가 필요하고 이에 따라 후단에 필수적으로 레귤레이터(70)를 구성하고 있기 때문에 전체적인 설치 비용의 상승을 유발하였다.
[특허문헌 1] 공개특허공보 제10-2011-0041795호(2011. 04. 22.)
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로 급전 인버터로부터 다상(multi phase)의 고주파 전류를 공급하여 집전측의 레귤레이터 및 제어부의 구성을 삭제하고 배터리를 충전함으로써 전체적인 설치 비용 상승을 줄이도록 전기 자동차의 다상 무선 충전 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 전기 자동차의 다상 무선 충전 시스템은 지면에 설치된 급전부로부터 자기유도방식으로 전력을 전송받는 집전부를 포함하는 무선 충전 전기 자동차에 있어서, 상기 급전부는 다상의 고주파 전류를 공급하는 급전 인버터와, 상기 급전 인버터로부터 공급되는 다상의 고주파 전류를 전달받아 공진 주파수의 전류를 흘려보내 자기장을 생산하는 급전장치와, 상기 급전 인버터를 제어하는 제어부로 구성되고, 상기 집전부는 상기 급전장치로부터 생성된 자기장을 받아들여 유도전압으로 변환하는 집전장치와, 상기 집전장치에서 변환된 유도전압을 정류하여 출력하는 정류기와, 상기 정류기에서 정류된 유도전압에 포함된 리플전압을 제거하여 출력하는 평활회로와, 상기 평활회로로부터 리플 전압이 제거된 유도전압을 전달받아 충전하는 배터리를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 의한 전기 자동차의 다상 무선 충전 시스템은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 급전 인버터로부터 다상(multi phase)의 고주파 전류를 공급하여 집전측의 레귤레이터 및 제어부의 구성을 삭제하고 배터리를 충전함으로써 전체적인 설치 비용 상승을 줄일 수 있다.
둘째, 차량측에서 별도의 제어부가 필요없이 배터리의 충전전압 및 전류를 급전 인버터로 전송하여 급전 인버터에서 직접 배터리의 충전 제어를 할 수가 있다.
셋째, 평활회로가 작은 용량의 리액터 및 캐패시터로 구성하여 시정수를 줄임으로써 배터리의 충전상태(특히 과도현상)에 대한 응답속도를 빠르게 할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 의한 전기 자동차의 충전 시스템을 개략적으로 나타낸 구성도
도 2는 본 발명에 의한 전기 자동차의 다상 무선 충전 시스템을 개략적으로 나타낸 구성도
도 3 내지 도 5는 도 2의 급전장치를 한 예를 나타낸 평면도
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 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.
도 2는 본 발명에 의한 전기 자동차의 다상 무선 충전 시스템을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
본 발명에 의한 전기 자동차의 다상 무선 충전 시스템은 도 2에 도시된 바와 같이, 지면에 설치된 급전부로부터 자기유도방식으로 전력을 전송받는 집전부를 포함하는 무선 충전 전기 자동차에 있어서, 상기 급전부는 다상의 고주파 전류를 공급하는 급전 인버터(110)와, 상기 급전 인버터(110)로부터 공급되는 다상의 고주파 전류를 전달받아 공진 주파수의 전류를 흘려보내 자기장을 생산하는 급전장치(120)와, 상기 급전 인버터(110)를 제어하는 제어부(130)로 구성된다.
상기 급전 인버터(110)는 다상의 고주파 전류를 일정한 시간차를 두고 위상을 달리하여 상기 급전장치(120)로 출력한다.
상기 급전 인버터(110)의 용량은 1대 또는 복수의 차량을 동시에 충전할 수 있는 용량으로 통상 10대 정도의 차량을 기준으로 50kW정도이며, 기술 여부에 따라 그 이상의 용량을 가질 수도 있다.
상기 급전장치(120)는 상기 급전 인버터(110)로부터 출력되는 다상의 고주파 전류와 대응되도록 다수의 급전코어와 상기 각 급전코어에 감겨진 급전코일로 구성 즉 상기 각 고주파 전류의 상과 대응되게 급전코어와 급전코일로 이루어진다.
이때 상기 급전코일을 상별로 분리하여 구성하거나 한 개의 급전코어에 여러 상의 코일을 권선하는 형태를 갖는다.
상기 급전장치(120)는 상기 급전 인버터(110)에서 출력된 상의 개수만큼 분리되어 구성된다. 즉, 상기 급전 인버터(110)를 통해 3상의 고주파 전류가 출력되는 경우 상기 급전장치(120)는 각각 3개의 급전코어와 급전코일로 구성되고, 4상의 고주파 전류가 출력되는 경우 상기 급전장치(120)는 각각 4개의 급전코어와 급전코일로 구성된다.
한편, 상기 급전장치(120)는 전기 자동차가 주행 중에 전력을 공급받을 수 있도록 도로의 주행 구간에 설치된다. 바람직하게는 도로의 교차로에 근접하여 설치할 수 있다. 교차로에서는 차량이 신호대기로 정차하거나 서행하는 구간이며 신호대기가 길어지는 경우에는 정차와 서행을 반복하면서 교차로를 빠져나가게 되므로 교차로 구간에서는 비교적 짧은 구간에 주행 중 충전용 급전코일을 설치하고도 긴 충전시간을 확보할 수 있다.
상기 급전장치(120)에 공급되는 전기는 교류이며, 교류는 고주파 전력변환 장치에 의해 고주파 전력으로 변환되어 공급될 수 있다. 고주파 전력은 에너지 효율이 높아 자기 유도 방식으로 전기를 공급하기에 적합하다. 급전장치(120)는 전기 자동차용 주차장이나 차고 등과 같이 미리 지정된 공간에 매설될 수 있다. 본 실시예에서는 급전장치(120)가 지면에 매설되지만, 이에 한정되지 않고, 측벽 등과 같은 공간에 매설될 수도 있다.
상기 급전장치(120)의 내부는 리츠 케이블(Litz cable)이 페라이트로 형성된 코어에 권선되어 있는 구조일 수 있다. 리츠 케이블은 지름 0.1mm 정도의 가는 에나멜선 또는 폴리우레탄선 등을 수십 내지 수백 가닥을 각각 1가닥씩 특수한 절연체로 도포하거나 견사(絹絲)로 감은 전선이다. 리츠 케이블은 표면적을 물리적으로 크게 하기 위한 것으로, 전기적으로는 표피 효과를 작게 하여 주파수 특성을 개선한다.
상기 집전부는 상기 급전장치(120)로부터 생성된 자기장을 받아들여 유도전압으로 변환하는 집전장치(140)와, 상기 집전장치(140)에서 변환된 유도전압을 정류하여 출력하는 다수의 정류기(150)와, 상기 각 정류기(150)에서 정류된 유도전압에 포함된 리플전압을 제거하여 출력하는 평활회로(160)와, 상기 평활회로(160)로부터 리플 전압이 제거된 유도전압을 전달받아 충전하는 배터리(170)를 포함한다.
상기 집전장치(140)는 상기 급전장치(120)와 동일하게 다수의 집전코어와 상기 각 집전코어에 감겨진 집전코일로 구성 즉 상기 각 고주파 전류의 상과 대응되게 집전코어와 집전코일로 이루어진다.
상기 집전장치(140)는 상기 급전 인버터(110)에서 출력된 상의 개수만큼 분리되어 구성된다. 즉, 상기 급전 인버터(110)를 통해 3상의 고주파 전류가 출력되는 경우 상기 집전장치(140)는 각각 3개의 집전코어와 집전코일로 구성되고, 4상의 고주파 전류가 출력되는 경우 상기 집전장치(140)는 각각 4개의 집전코어와 집전코일로 구성된다.
상기 평활회로(160)의 출력단에는 상기 배터리(170)에 공급되는 전압 및 전류를 감지하기 위한 감지부(도시되지 않음)가 추가로 구성되고, 상기 감지부에서 감지된 전압 및 전류에 대한 정보는 유선 또는 무선 통신을 통해 상기 급전부의 제어부(130)에 인가된다.
상기 정류기(150)는 주기적으로 양과 음 두 가지 방향으로 변화하는 교류 전류를 한 가지 방향만 갖는 직류전류로 변환시키는 소자나 장치로서, 순방향 저항은 작고 역방향 저항은 충분히 커서 한쪽 방향으로만 전류를 통과시키는 정류 작용이 가능하며, 가해지는 전압의 방향에 따라 전류가 순조로이 잘 흐르는 순방향과 전류가 거의 흐르지 않는 역방향이 구별된다.
상기 정류기(150)는 상기 급전 인버터(110)에서 출력된 상의 개수만큼 분리되어 구성된다. 즉, 상기 급전 인버터(110)를 통해 3상의 고주파 전류가 출력되는 경우 상기 정류기(150)는 3개로 구성되고, 4상의 고주파 전류가 출력되는 경우 상기 정류기(150)는 4개로 구성된다.
이와 같은 정류기(150)는 다이오드와 같은 소자 하나로 구성될 수도 있지만, 효과적인 정류를 위해서 보통 회로상에 여러 개의 소자를 특정하게 배열하여 사용한다. 대부분의 전원장치에서는 실리콘 다이오드가 사용되며 제어 정류기 응용 부분에서는 사이리스터(Thyristor)가 광범위하게 사용된다.
사이리스터는 실리콘 제어정류기(SCR: Silicon Controlled Rectifier)라고 부르기도 하며, 실리콘 제어정류기의 한 종류로 보기도 한다. 사이리스터는 양극(anode)·음극(cathode)·게이트(gate)의 3단자로 구성되어 있으며, 게이트에 신호가 인가되면 지속적인 게이트 전류의 공급없이도 주회로에 역전류가 인가되거나 전류가 유지전류(holding currrent) 이하로 떨어질 때까지 통전 상태를 유지한다.
여기서, 3상 교류 전원은 3상 교류 발전기에 의해서 발생되는, 전압이 같고 전류의 주파수와 진폭이 각각 같으면서 서로 120°의 위상차이를 가지는 교류 전원으로서, 단상교류 전원에 비해서 같은 양의 전력을 보내는데 필요한 도선의 무게가 작고 선로에서 소비되는 줄(Jule) 열이 적을 뿐만 아니라 전동기의 경우에서도 단상에 비해 3상 교류를 이용한 전동기가 훨씬 우수하기 때문에 널리 이용되고 있다.
상기 정류기(150)와 평활회로(160) 사이에 DC/DC 컨버터(도시되지 않음)를 구성할 수 있는데, 상기 DC/DC 컨버터는 상기 정류기(150)에 의해 정류된 전원을 DC/DC 변환하여 상기 평활회로(160)로 공급할 수 있다. 상기 DC/DC 컨버터는 어떤 전압의 직류전원에서 다른 전압의 직류전원으로 변환하는 전자회로 장치를 말하며, DC/DC 컨버터의 일종인 버크 컨버터(Buck Converter)의 전류 제어를 이용하여 프리차지 릴레이(free charge relay) 기능과 메인 릴레이(main relay) 기능을 구현할 수 있다.
상기 평활회로(160)를 통해 출력되는 DC 전원에 급전 케이블을 통해 자동차에 탑재된 배터리(170)에 전달되어 충전되는데, 상기 배터리(170)는 자동차의 모터에 직류 전원을 공급한다. 배터리는 일반적으로 복수 개의 단위 셀(cell)이 직렬 및/또는 병렬로 연결된 집합을 형성한다. 복수 개의 단위 셀은 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)에 의해 일정한 전압을 유지하도록 관리된다.
즉, 배터리 관리 시스템은 상기 배터리가 일정한 전압을 방출하도록 한다. 배터리는 충전 및 방전이 가능한 2차 전지로 구성됨이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 배터리로는 일반적으로 니켈 금속수소(Ni-MH) 전지 또는 리튬 이온(Li-ion) 전지 등이 사용된다.
상기 정류기(150)의 입력단에 잡음을 제거하는 입력 필터(도시되지 않음)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 입력 필터는 인덕터 또는/및 커패시터로 구성되는 EMI 필터(Electro-Magnetic Interference Filter)이다.
상기 정류기(150)는, 풀-브리지 다이오드(Full-Bridge Diodes)를 포함하여 형성될 수 있다. 즉, 상기 정류기(150)는 전파 정류 회로를 구성하는 것이 좋다. 물론 정류기(150)는 몇 개의 다이오드로 반파정류 회로를 구성할 수도 있다. 상기 정류기(150)는, 풀-브리지 다이오드에 의해 정류된 상기 교류전원을 평활화하는 평활회로(160)에 공급한다. 상기 평활회로(160)는 하나의 커패시터로 대체될 수 있다.
도 3 내지 도 5는 도 2의 급전장치를 한 예를 나타낸 평면도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 급전 인버터(110)에서 일정한 시간차를 두고 서로 다른 2상의 고주파 전류가 인가될 경우에 급전장치(120)는 일정한 간격을 갖는 두 개의 급전코어와 급전코일로 구성된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 급전 인버터(110)에서 일정한 시간차를 두고 서로 다른 3상의 고주파 전류가 인가될 경우에 급전장치(120)는 일정한 간격을 갖는 세 개의 급전코어와 급전코일로 구성된다.
도 5에 도시된 바와 같이, 급전 인버터(110)에서 일정한 시간차를 두고 서로 다른 4상의 고주파 전류가 인가될 경우에 급전장치(120)는 일정한 간격을 갖는 네 개의 급전코어와 급전코일로 구성된다.
이와 같이, 급전장치(120)의 급전코어 및 급전코일은 급전 인버터(110)에서 출력되는 고주파 전류의 상 개수에 따라 결정된다.
한편, 이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예들에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
110 : 급전 인버터 120 : 급전장치
130 : 제어부 140 : 집전장치
150 : 정류기 160 : 평활회로
170 : 배터리

Claims (6)

  1. 지면에 설치된 급전부로부터 자기유도방식으로 전력을 전송받는 집전부를 포함하는 무선 충전 전기 자동차에 있어서,
    상기 급전부는 다상의 고주파 전류를 공급하는 급전 인버터와, 상기 급전 인버터로부터 공급되는 다상의 고주파 전류를 전달받아 공진 주파수의 전류를 흘려보내 자기장을 생산하는 급전장치와, 상기 급전 인버터를 제어하는 제어부로 구성되고,
    상기 집전부는 상기 급전장치로부터 생성된 자기장을 받아들여 유도전압으로 변환하는 집전장치와, 상기 집전장치에서 변환된 유도전압을 정류하여 출력하는 정류기와, 상기 정류기에서 정류된 유도전압에 포함된 리플전압을 제거하여 출력하는 평활회로와, 상기 평활회로로부터 리플 전압이 제거된 유도전압을 전달받아 충전하는 배터리와, 상기 정류기에 의해 정류된 전원을 DC/DC 변환하여 상기 평활회로에 공급하는 DC/DC 컨버터를 포함하여 이루어지고,
    상기 급전 인버터는 다상의 고주파 전류를 일정한 시간차를 두고 위상을 달리하여 상기 급전장치로 출력하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 다상 무선 충전 시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 급전장치는 상기 급전 인버터로부터 출력되는 다상의 고주파 전류와 대응되도록 다수의 급전코어와 상기 각 급전코어에 감겨진 급전코일로 구성되는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 다상 무선 충전 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 집전장치는 상기 급전장치와 동일하게 다수의 집전코어와 상기 각 집전코어에 감겨진 집전코일로 구성되는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 다상 무선 충전 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 평활회로의 출력단에 흐르는 전압 및 전류를 감지하는 감지부를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 다상 무선 충전 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 감지부에서 감지된 전압 및 전류에 대한 정보를 유선 또는 무선 통신 방식으로 상기 제어부에 전송하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 다상 무선 충전 시스템.
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