KR102058525B1 - 급전 선로에 따른 급전 장치 - Google Patents

Abstract

급전 선로에 따른 급전 장치를 개시한다.
전기로 구동될 수 있는 모토바이크, 버스 또는 자동차 등과 같은 이동체가 도로를 주행하면서 도로에 매설된 급전 케이블로부터 운행에 필요한 전력을 공급받을 때 급전 선로의 충전 구간과 비충전 구간에 따라 급전이 이루어지도록 하는 급전 장치를 제공한다.

Description

급전 선로에 따른 급전 장치{Power Supply Apparatus}

본 실시예는 급전 선로에 따른 급전 장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 전기로 구동될 수 있는 모토바이크(Motorbike), 버스(Bus) 또는 자동차(Vehicle) 등과 같은 이동체가 도로를 주행하면서 도로에 매설된 급전 케이블로부터 운행에 필요한 전력을 공급받을 때 급전 선로의 충전 구간과 비충전 구간에 따라 급전이 이루어지도록 하는 급전 장치에 관한 것이다.

이하에 기술되는 내용은 단순히 본 실시예와 관련되는 배경 정보만을 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것이 아님을 밝혀둔다.

일반적으로 전기차나 크레인 등 전기를 이용한 이동체를 구동하기 위해서는 탑재된 배터리를 충전해서 충전된 전력으로 운행한다. 이러한 이동체의 전력 충전을 위하여 사람 또는 충전을 보조하는 기계장치가 직접 충전용 전선을 이동체에 연결함으로써 충전을 하는 경우 불편함을 줄 뿐만 아니라 플러그를 손에 쥐고 이동체에 연결하는 과정에서 사용자가 감전될 위험이 있는 문제가 있다. 이와 같이 충전용 전선을 이용하여 이동체의 배터리를 충전시키는 방식은 사용자의 불편함을 초래하고 감전 위험이 있어, 무선으로 이동체의 배터리를 충전할 수 있는 효율적인 전력전달 방식이 요구되고 있다.

본 실시예는 전기로 구동될 수 있는 모토바이크, 버스 또는 자동차 등과 같은 이동체가 도로를 주행하면서 도로에 매설된 급전 케이블로부터 운행에 필요한 전력을 공급받을 때 급전 선로의 충전 구간과 비충전 구간에 따라 급전이 이루어지도록 하는 급전 장치를 제공하는 데 주된 목적이 있다.

본 실시예의 일 측면에 의하면, 전력을 공급하는 인버터(Inverter); 상기 전력을 공급받으며, 자속이 유기되는 급전 코어; 상기 급전 코어에 권취되고, 상기 자속에 의해 자기적으로 커플링되는 집전 장치로 상기 급전 코어에서 형성된 유도기전력을 공급하며, 복수의 세그먼트(Segment)로 구분되는 급전 케이블; 및 상기 집전 장치의 위치에 따라 상기 세그먼트 별로 상기 유도기전력을 형성하거나 상기 자속이 상쇄되도록 스위칭하는 스위칭 박스를 포함하는 것을 특징으로 하는 급전 장치를 제공한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 실시예에 의하면, 전기로 구동될 수 있는 모토바이크, 버스 또는 자동차 등과 같은 이동체가 도로를 주행하면서 도로에 매설된 급전 케이블로부터 운행에 필요한 전력을 공급받을 때 급전 선로의 충전 구간과 비충전 구간에 따라 급전이 이루어지도록 하는 효과가 있다.

도 1a, 1b는 본 실시예에 따른 집전 및 급전 시스템을 개략적으로 나타낸 블럭 구성도이다.
도 2는 본 실시예에 따른 급전 선로와 세그먼트를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 실시예에 따른 급전 유닛 및 집전 유닛을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 실시예에 따른 스위칭 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 5a, 도 5b, 도 5c는 본 실시예에 따른 충전 구간에서의 스위칭과 비충전 구간에서의 스위칭을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 실시예에 따른 충전 구간 및 비충전 구간에 따른 급전 방식을 설명하기 위한 도면이다.

이하, 본 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1a, 1b는 본 실시예에 따른 집전 및 급전 시스템을 개략적으로 나타낸 블럭 구성도이다.

도 1a에 도시된 본 실시예에 따른 집전 및 급전 시스템은 집전 장치(100), 급전 장치(200)를 포함하며, 집전 장치(100)는 집전 유닛(110) 및 배터리(120)를 포함하며, 급전 장치(200)는 급전 유닛(210) 및 인버터(220)을 포함한다. 여기서, 집전 및 급전 시스템에 포함된 각 모듈은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 수정 및 변형하여 적용 가능할 것이다.

본 실시예에 기재된 급전 유닛(210)은 급전을 위한 급전 코어(340)와 급전 케이블(350)을 포함한 개념의 장치를 말하며, 급전 장치(200)는 급전 코어(340), 급전 케이블(350), 인버터(220)을 포함한 개념의 장치를 말한다. 한편, 본 실시예에 기재된 집전 유닛(110)은 집전을 위한 집전 코어(310)와 집전 케이블(320)을 포함한 개념의 장치를 말하며, 집전 장치(100)는 집전 코어(310), 집전 케이블(320), 집전 회로(330)를 포함한 개념의 장치를 말한다.

한편, 본 실시예에 따른 집전 및 급전 시스템을 적용할 요구가 많다고 여겨지는 분야로는, 전기 자동차 분야가 될 수 있다. 즉, 전기 자동차가 도로 위를 주행하는 중에 급전 장치(200)에 고주파의 전력이 공급되면 급전 장치(200)와 집전 장치(100) 사이의 전자기유도의 원리에 의해 주행에 필요한 전력을 공급받게 되는 것이다. 즉, 본 실시예가 적용될 분야인 전자 자동차 분야에서, 도로에 매설된 급전 선로를 이용하여 전원을 공급받을 수 있을 것이다.

한편, 도 1a는 집전 장치(100)와 급전 장치(200)를 횡으로 절단한 단면을 도시한 도면이다. 또한, 도 1a에서 ⓧ 표시는 전류가 흘러 들어가는 방향임을 표시한 것이고, ⊙ 표시는 전류가 흘러 나오는 방향임을 예시한 것이다. 또한 ⓧ 표시 및 ⊙ 표시를 각각 하나만 하였으나 이것이 급전 장치(200)를 구성하는 도선이 반드시 하나만으로 이루어짐을 의미하는 것은 아니다. 도 1a는 도로상을 주행하는 전기 자동차를 도로(주행로) 상을 횡으로 절단한 것으로 묘사하였으나 철로를 주행하는 열차를 횡으로 절단한 경우도 유사한 형태가 될 것이다.

집전 장치(100)는 급전 장치(200)에 의한 유도기전력을 형성하여 전기 자동차로 전원을 공급하는 장치를 말한다. 이러한, 집전 장치(100)는 이동체(예컨대 전기 자동차)에 설치될 수 있다. 도 1a에 도시된 이동체는 차량인 것이 바람직하나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 전기로 구동될 수 있는 버스, 기차, 크레인 또는 모토바이크 등에 폭넓게 적용될 수 있을 것이다. 한편, 이동체에 결합되는 집전 장치(100)에는 전압조절부(Regulator)가 탑재된다. 이때, 전압조절부는 직류 전력을 얻기 위해서, 정류 소자로 정류한 후 부하(Load)에 맞게 전압 또는 전류를 조절한다.

여기서, 집전 장치(100)에 포함되는 집전 유닛(110)이란 주행 중인 전기 자동차에 전원을 공급하는 집전 장치(100)의 일부를 말한다. 이러한, 전기 자동차에서의 집전 유닛(110)에 대해 간략히 설명하자면, 전기 자동차가 주행하는 중에 도로 내에 설치된 급전 장치(200)(전기 공급로)부터 전원을 공급받는다. 이러한 급전 장치(200)(전기 공급로)는 전기 자동차의 진행방향으로 일정한 간격을 두고 연속하여 설치되는 다수의 전선과, 서로 이웃하는 전선 사이의 간격에 배치되며 자성을 갖고 서로 이웃하는 전선을 전기적으로 절연시키는 절연 자성체를 구비한다.

집전 장치(100)는 자속이 유기되는 집전 코어(310) 및 집전 코어(310)에 권취되는 집전 케이블(320)을 포함하며 급전 유닛(210)과 자속에 의해 자기적으로 커플링되는 집전 유닛(110)을 이용하여 급전 장치(200)로부터 형성된 유도기전력을 공급받는다. 이러한, 집전 장치(100)는 도 1b에 도시된 바와 같이, 바람직하게는 이동체의 하부에 구현되거나 급전 장치(200)의 위치에 대응되게 구현된다.

이러한, 집전 장치(100)에 포함되는 각 모듈에 대해 설명하면 다음과 같다. 집전 코어(310)는 급전 유닛(210)과 자속에 의해 자기적으로 커플링되며, 구비된 집전 케이블(320)을 통해 급전 유닛(210)으로부터 유도기전력을 전달받는다. 집전 유닛(110)은 집전 코어(310) 및 집전 코어(310)에 권취되는 집전 케이블(320)을 구비한다. 집전 회로(330)는 집전 유닛(110)으로부터 출력되는 유도기전력을 직류로 변환한다. 배터리(120)는 집전 회로(330)에 의해 변환된 직류를 저장한다. 여기서, 집전 유닛(110)은 이동체의 하부에 구현되되 급전 유닛(210)의 위치에 대응되게 구현된다.

급전 장치(200)는 바람직하게는 도로 내부에 구현될 수 있다. 도로 내부에는 인버터(220)이 형성된다. 여기서, 인버터(220)는 급전 전원을 말한다. 한편, 도 1a에 도시된 바와 같이 인버터(220)은 차로(즉, 도로)의 내부인 아스팔트에 일부 매설될 수 있다. 이러한, 급전 장치(200)는 구비된 인버터(220)으로부터 전력을 공급받고, 인버터(220)에 연결된 급전 케이블(350)에 흐르는 전류에 의해 발생되는 자속의 경로를 제공하는 급전 코어(340) 및 급전 코어(340)에 권취되는 급전 케이블(350)을 포함하는 급전 유닛(210)을 이용하여 자기유도 방식으로 전력을 공급한다. 여기서, 본 실시예에 따른 급전 장치(200)는 도로에 매설될 수 있다. 즉, 급전 장치(200)는 차로(즉, 도로)의 내부인 아스팔트에 일부 매설될 수 있다. 즉, 도로 상에 급전 코어(340) 및 인버터(220)를 포함하는 급전 장치(200)를 매설하여 전기 자동차의 운행에 필요한 전력을 충전하는 방식을 사용하는 경우, 전기 자동차가 주행할 때 급전 케이블(350)에 전류가 흘러 전력을 공급할 수 있는 것이다.

급전 장치(200)에 포함되는 각 모듈에 대해 설명하면 다음과 같다. 인버터(220)은 전력을 공급한다. 급전 코어(340)는 급전 전원에 연결된 급전 케이블(350)에 흐르는 전류에 의해 발생하는 자속의 경로를 제공한다. 급전 유닛(210)은 급전 코어(340)를 포함하고, 급전 코어(340)에 권취되는 급전 케이블(350)을 포함하며, 급전 코어(340) 및 급전 케이블(350)을 이용하여 자기유도 방식으로 전력을 공급한다. 여기서, 인버터(220) 및 급전 유닛(210)은 도로에 매설될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 인버터(220)는 도로 외부에 구현될 수 있다.

이때, 급전 케이블(350)을 여러 개의 세그먼트(Segment)로 나누어 구현하고 진행중인 전기 자동차에 전력을 공급할 수 있는 것이다. 이때, 연속된 세그먼트 당 하나의 인버터(220)에 의한 급전 전원이 인가될 수 있다. 한편, 급전 장치(200)는 온라인 전기 자동차의 노선에 대응되어 구현될 수 있다.

도 2는 본 실시예에 따른 급전 선로와 세그먼트를 설명하기 위한 도면이다.

도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, 온라인 전기 자동차의 경우 운행 노선이 기 설정될 수 있다. 즉, 온라인 전기 자동차의 운행 노선에 따라 급전 선로가 매설된다. 예컨대, '버스 전용차선', '놀이공원 열차', '공항 내 열차', '행정중심복합도시' 등과 같이 노선이 기 설정된 곳이 될 수 있다. 또한, 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이, OLEV 단일 노선은 기 설정된 경로 정보로서, N 개의 세그먼트로 나누어져 있으며, 각각의 세그먼트는 각기 다른 길이값을 가진다.

일반적으로 급전 선로를 병렬 구조로 이용하는 경우 효율과 구현에서는 좋지만 길이가 길어질 경우 경제성이 떨어지며, 집전 코어(310)에 권취되는 집전 케이블(320)의 턴수가 너무 큰 경우, Q 값이 커지지만, 그에 따른 선로의 손실이 늘어나며, 세그먼트 길이가 너무 짧은 경우 빠른 속도로 이동하는 고속 철도용으로 이용하기에는 불리하므로, 선로의 손실을 줄일 수 있는 최적 설계안이 필요하다. 즉, 선로의 턴 수와 세그먼트의 길이에 따른 선로 손실을 최소화 할 수 있는 집전 장치(100)의 위치에 따라 복수의 세그먼트 별로 유도기전력을 형성하거나 자속이 상쇄(자속의 위상이 반대되도록 하여 상쇄)되도록 스위칭할 수 있는 방안이 필요한 것이다.

도 3은 본 실시예에 따른 급전 유닛 및 집전 유닛을 설명하기 위한 도면이다.

본 실시예에 따른 집전 유닛(110)은 집전 코어(310), 집전 케이블(320), 집전 회로(330)를 포함하며, 급전 유닛(210)은 급전 코어(340), 급전 케이블(350)을 포함한다. 여기서, 급전 유닛(210) 및 집전 유닛(110)에 포함된 각각의 모듈은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 수정 및 변형하여 적용 가능할 것이다.

본 실시예에 따른 급전 장치(200)는 급전 코어(340), 급전 케이블(350) 및 인버터(220)을 포함할 수 있고, 본 실시예에 따른 집전 장치(100)는 집전 코어(310), 집전 케이블(320), 집전 회로(330) 및 배터리(120)를 포함할 수 있다.

집전 코어(310)는 소정의 폭과 길이를 갖는 집전 본체와, 집전 본체를 집전 코어(310)의 폭 방향 좌측 단부 및 우측 단부에 각각 동일한 방향으로 돌출된 집전 돌출부를 구비하고, 집전 돌출부의 돌출방향은 집전 코어(310)의 폭 방향 및 집전 코어(310)의 길이 방향 모두에 수직하여 집전 본체를 길이 방향에 수직하게 절단한 단면의 형상이 '∩' 형상을 하도록 한다. 이때, 집전 돌출부는 급전 돌출부와 서로 대향된 방향으로 돌출된다.

집전 케이블(320)은 집전 코어(310)의 집전 돌출부에 권취될 수 있으며, 경우에 따라서는 집전 본체에 권취될 수도 있다. 도 3의 급전 케이블(350)에 인버터(220)이 인가되면 급전 케이블(350)에서 자기장이 발생하고 이 자기장에 유도되어 집전 케이블(320)에 유도기전력이 발생된다. 집전 코어(310) 좌우의 집전 돌출부에 권취되어 있는 집전 케이블(320)은 각각 병렬로 집전 회로(330)에 연결되어 원하는 레벨의 전압을 생성한 후 연결된 배터리(120)에 충전할 수도 있으며, 두 개의 집전 케이블(320)이 직렬로 집전 회로(330)에 연결되어 배터리(120)를 충전할 수도 있다. 참고로 집전 회로(330)는 정류기 및 레귤레이터를 포함할 수 있다.

도 4는 본 실시예에 따른 스위칭 방식을 설명하기 위한 도면이다.

인버터(220)는 전력을 공급한다. 이때 인버터(220)는 도 4에 도시된 바와 같이, 짝수 개로 구비되며, 각각의 인버터(제 1 인버터 내지 제 N 인버터(N은 짝수))(220)마다 연결된 한 쌍의 급전 케이블(350)이 스위칭 박스(410)로 연결된다. 급전 코어(340)는 급전 케이블(350)을 통해 인버터(220)로부터 전력을 공급받으며, 자속이 유기된다. 여기서, 급전 케이블(350)는 급전 코어에 권취되고, 자속에 의해 자기적으로 커플링되는 집전 장치(100)로 급전 코어(340)에서 형성된 유도기전력을 공급하며, 복수의 세그먼트로 구분된다.

스위칭 박스(410)는 집전 장치(100)의 위치에 따라 세그먼트(제 1 세그먼트, 제 2 세그먼트) 별로 유도기전력을 형성하거나 자속이 상쇄(자속의 위상이 반대되도록 하여 상쇄)되도록 스위칭한다. 이러한, 스위치 박스(410)는 공진 보상을 위한 캐패시터(제 1 캐패시터(509) 내지 제 4 캐패시터(515)), 유도기전력을 형성 또는 자속이 상쇄에 따른 방향을 결정하기 위한 스위치, 집전 장치(100)의 위치를 확인하기 위한 센서의 신호를 처리하는 처리부를 포함한다. 이때, 급전 케이블(350)은 복수의 세그먼트로 나누어 구현되는데, 세그먼트 별로 집전 장치(100)의 위치를 확인하기 위한 센서가 구비될 수 있다. 즉, 세그먼트 별로 구비된 센서는 급전 세그먼트의 전류 방향을 결정하기 위해서 차량의 집전 장치(100)가 어느 세그먼트 상에 위치하는 지에 대한 정보가 필요하다. 이에 따라 스위칭 박스(410)는 급전 선로 내부에 구비된 센서의 신호를 이용하여 차량의 집전 장치(100)의 위치를 파악한 후 파악된 위치에 정보에 따라 해당 세그먼트의 스위칭 방향을 결정할 수 있다. 즉, 스위칭 박스(410)는 세그먼트 별로 구비된 센서의 신호에 근거하여 스위치의 동작을 결정할 수 있는 것이다.

스위칭 박스(410)는 집전 장치(100)의 위치에 따라 충전 구간 또는 비충전 구간으로 구분한 구분 결과 정보를 생성하고, 구분 결과 정보에 근거하여 유도기전력을 형성하거나 자속이 상쇄(자속의 위상이 반대되도록 하여 상쇄)되도록 스위칭한다. 이때, 스위칭 박스(410)는 집전 장치(100)에 구비된 위치 센서로부터 수신된 현재 위치 정보와 세그먼트(제 1 세그먼트, 제 2 세그먼트)마다 기 저장된 위치 정보를 비교하여 집전 장치(100)가 존재하는 세그먼트를 충전 구간으로 판별하고, 집전 장치(100)가 미존재하는 세그먼트를 비충전 구간으로 판별한다.

스위칭 박스(410)는 연결된 전체 급전 케이블(350)을 두 그룹(422, 424)으로 나누어 각각 제어하여 유도기전력을 형성하거나 자속이 상쇄(자속의 위상이 반대되도록 하여 상쇄)되도록 스위칭한다. 여기서, 제 1 그룹(422)은 스위칭 박스(410)의 제어에 의해 선로 상의 전류 방향으로 전력을 공급한다. 제 2 그룹(424)은 스위칭 박스(410)의 제어에 의해 제 1 그룹(422)의 전류 방향과 동일한 방향으로 전력을 공급하여 유도기전력을 형성하거나 제 1 그룹(422)의 전류 방향과 역(상쇄)방향으로 전력을 공급되도록 스위칭하여 자속이 상쇄(자속의 위상이 반대되도록 하여 상쇄)되도록 한다.

스위칭 박스(410)는 세그먼트의 급전 케이블(350)마다 제 2 그룹(424) 내에 제 1 스위치(510), 제 2 스위치(512), 제 3 스위치(514) 및 제 4 스위치(516)를 구비한다. 이때, 제 1 스위치(510) 및 제 3 스위치(514)는 직렬 연결되고, 제 2 스위치(512) 및 제 4 스위치(516)는 직렬 연결되며, 제 1 스위치(510) 및 제 3 스위치(514)는 제 2 스위치(512) 및 제 4 스위치(516)와 병렬로 연결된다. 또한, 스위칭 박스(410)는 충전 구간에서 제 1 그룹(422)과 제 2 그룹(424)이 선로 상의 전류 방향과 동일한 방향이 되도록 제 2 그룹(424)을 스위칭하여 해당 세그먼트의 급전 코에서 유도기전력이 형성되도록 제어한다. 또한, 스위칭 박스(410)는 비충전 구간에서 제 1 그룹(422)과 제 2 그룹(424)이 역(상쇄) 방향이 되도록 제 2 그룹(424)을 스위칭하여 해당 세그먼트의 급전 코어(340)에서 자속이 상쇄(자속의 위상이 반대되도록 하여 상쇄)되도록 제어한다. 즉, 스위칭 박스(410)는 해당 세그먼트가 충전 구간으로 판별되는 경우 제 2 스위치(512) 및 제 3 스위치(514)가 폐쇄되도록 스위칭하여 해당 세그먼트의 급전 코어에서 유도기전력이 형성되도록 제어한다. 한편, 스위칭 박스(410)는 해당 세그먼트가 비충전 구간으로 판별되는 경우 제 1 스위치(510) 및 제 4 스위치(516)가 폐쇄되도록 스위칭하여 해당 세그먼트의 급전 코어(340)에서 자속이 상쇄(자속의 위상이 반대되도록 하여 상쇄)되도록 제어한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 각 인버터(제 1 인버터 내지 제 N 인버터(N은 짝수))에서 전선 '1 쌍'씩 총 '6 쌍'의 급전 케이블(350)이 존재하며, '6 쌍'의 급전 케이블(350)은 스위칭 박스(410)에 연결된다. 총 '6 쌍'의 전선 중 '3 쌍'의 급전 케이블(350)의 위상을 제어함으로써 각 세그먼트의 EMF(Electro-Magnetic Field)를 최소화 시킬 수 있는 동시에 급전 선로의 손실을 줄일 수 있다. 여기서, 세그먼트(제 1 세그먼트, 제 2 세그먼트)의 위상 제어는 세그먼트 앞단의 스위칭 박스(410)에서 이루어 진다. 즉, 스위칭 박스(410)에서 '3 쌍'의 급전 케이블(350)의 방향을 제어하여 급전 구간에서는 같은 방향으로 전류를 흘릴 수 있게 하고, 비급전 구간에서는 반대 방향으로 전류를 흘릴 수 있도록 한다.

도 5a, 도 5b, 도 5c는 본 실시예에 따른 충전 구간에서의 스위칭과 비충전 구간에서의 스위칭을 설명하기 위한 도면이다.

도 5a에 도시된 바와 같이 스위칭 박스(410)를 이용하면 선로의 전류 방향을 변화 시킬 수 있다. 이를 이용해서 각 세그먼트의 자기장 발생을 조절 할 수 있다. 즉, 스위칭 박스(410)는 세그먼트의 급전 케이블(350)마다 제 2 그룹(424) 내에

제 1 캐패시터(509), 제 1 스위치(510), 제 2 캐패시터(511), 제 2 스위치(512), 제 3 캐패시터(513), 제 3 스위치(514), 제 4 캐패시터(515) 및 제 4 스위치(516)를 구비한다. 이때, 제 1 캐패시터(509), 제 1 스위치(510), 제 3 캐패시터(513) 및 제 3 스위치(514)는 직렬 연결되고, 제 2 캐패시터(511), 제 2 스위치(512), 제 4 캐패시터(515) 및 제 4 스위치(516)는 직렬 연결되며, 제 1 캐패시터(509), 제 1 스위치(510) 및 제 3 캐패시터(513), 제 3 스위치(514)는 제 2 캐패시터(511), 제 2 스위치(512) 및 제 4 캐패시터(515), 제 4 스위치(516)와 병렬로 연결된다. 스위칭 박스(410)는 해당 세그먼트가 충전 구간으로 판별되는 경우 제 2 스위치(512) 및 제 3 스위치(514)가 폐쇄되도록 스위칭하여 해당 세그먼트의 급전 코어에서 유도기전력이 형성되도록 제어한다. 한편, 스위칭 박스(410)는 해당 세그먼트가 비충전 구간으로 판별되는 경우 제 1 스위치(510) 및 제 4 스위치(516)가 폐쇄되도록 스위칭하여 해당 세그먼트의 급전 코어(340)에서 자속이 상쇄(자속의 위상이 반대되도록 하여 상쇄)되도록 제어한다.

또한, 급전 장치(200)가 전류의 방향에 따라 스위칭 박스(410) 뒤의 캐패시터(520)의 값을 조정하여 세그먼트의 공진 보상을 할 수 있다. 이러한, 캐패시터(520)의 값은 해당 급전 선로에 따라 실험을 통해 설정된 최적의 값이 적용될 수 있다. 또한, 급전 장치(200)는 공진 보상을 통해 발생하는 무효 자기장 성분을 최소활 할 수 있어 코어 손실과 EMF를 최소화 할 수 있다. 또한, 도 5a와 같은 설계를 바탕으로 운행 노선(급전 선로)에 대한 최적의 세그먼트 길이와 전류크기 전압 크기를 고려하여 최적 설계안을 도출할 수 있을 것이다.

도 5b에 도시된 바와 같이 스위칭 박스(410)는 해당 세그먼트가 충전 구간으로 판별되는 경우 제 2 스위치(512) 및 제 3 스위치(514)가 폐쇄되도록 스위칭하여 해당 세그먼트의 급전 코어에서 유도기전력이 형성되도록 제어한다. 여기서, 제 2 스위치(512), 제 3 스위치(514)를 폐쇄할 경우 뒷단의 급전선로의 등가 리액턴스(Reactance)가 증가하게 되므로, 증가된 리액턴스를 보상는 제 2 캐패시터(511), 제 3 캐패시터(513)를 필요로 한다.

한편, 도 5c에 도시된 바와 같이 스위칭 박스(410)는 해당 세그먼트가 비충전 구간으로 판별되는 경우 제 1 스위치(510) 및 제 4 스위치(516)가 폐쇄되도록 스위칭하여 해당 세그먼트의 급전 코어(340)에서 자속이 상쇄(자속의 위상이 반대되도록 하여 상쇄)되도록 제어한다. 여기서, 제 1 스위치(510), 제 4 스위치(516)를 폐쇄할 경우에는 스위칭된 전류와 스위칭되지 않은 전류의 방향이 반대이기 때문에 급전선로의 등가 리엑턴스가 줄어드게 되므로, 줄어든 리엑턴스를 보상하는 제 1 캐패시터(509), 제 4 캐패시터(515)를 필요로 한다.

이때, 스위치(제 1 스위치(510), 제 2 스위치(512), 제 3 스위치(514) 및 제 4 스위치(516))의 종류는 바람직하게는 마그네틱(Magnetic) 스위치, 반도체 스위치 등을 이용할 수 있다. 이때, 스위치(제 1 스위치(510), 제 2 스위치(512), 제 3 스위치(514) 및 제 4 스위치(516))가 고속의 반도체 스위치를 이용할 경우에는 반도체 소자의 ZVS(Zero Voltage Switching)동작을 바탕으로 스위치 양단간의 전압이 0 일 때 스위칭할 수 있다. 예컨대, 이러한 경우 인버터를 셧다운 시킬 필요없이 이론적으로 '0'의 스위칭 타임을 가질 수 있다. 즉, 공진 보상이 이루어진 후 도통된 선로와 도통되지 않은 선로 사이의 전압의 최대 부하전압까지 걸릴 수 있다. 따라서, 600V 이상의 마그네틱 스위치를 병렬 접속하여 인버터(220)의 셧다운 기간동안 스위칭 할 수 있다. 예컨대, 인버터(220)의 기동시간을 '25 ms'라고 가정하고 스위칭 타임을 '25 ms' 라 가정하는 경우, 통신 시간을 고려하여 '50 ms' 이내에 스위칭이 가능한 것이다. 또한, 세그먼테이션 스위칭 시간을 '50 ms'로 가정하고, 통신 속도를 '10 ms '라고 가정하면 철도의 속력을 '200 km/h' 라고 가정하면, '60 ms' 동안 약 '3 m'를 이동하게 된다. 따라서 약 세그먼트 간 '3 m'의 간격을 두고 세그먼테이션 스위칭 박스(410)를 설치하는 것이 바람직하다. 만약, 세그먼트를 '25 m' 기준으로 할 경우 약 '62.5 uH'의 L 값을 가진다. 이러한 경우에 유기되는 전압은 '60 kHz' 기준으로 '2355 V'의 전압이 걸리게 된다. 이때, 이를 두 방향에서 동시에 보상해 줄 경우 '1200 V'의 전압을 보상하는 것으로 가능하다.

도 6은 본 실시예에 따른 충전 구간 및 비충전 구간에 따른 급전 방식을 설명하기 위한 도면이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 스위칭 박스(410)는 집전 장치(100)의 위치에 따라 충전 구간 또는 비충전 구간으로 구분한 구분 결과 정보를 생성하고, 구분 결과 정보에 근거하여 유도기전력을 형성하거나 자속이 상쇄(자속의 위상이 반대되도록 하여 상쇄)되도록 스위칭한다. 이때, 스위칭 박스(410)는 집전 장치(100)에 구비된 위치 센서로부터 수신된 현재 위치 정보와 세그먼트(제 1 세그먼트 내지 제 4 세그먼트)마다 기 저장된 위치 정보를 비교하여 집전 장치(100)가 존재하는 세그먼트(제 1 세그먼트)를 충전 구간으로 판별하고, 집전 장치(100)가 미존재하는 세그먼트(제 2 세그먼트 내지 제 4 세그먼트)를 비충전 구간으로 판별한다.

도 6에 도시된 충전 구간에서 스위칭 박스(410)는 제 1 그룹(422)과 제 2 그룹(424)이 선로 상의 전류 방향과 동일한 방향이 되도록 제 2 그룹을 스위칭하여 해당 세그먼트(제 1 세그먼트)의 급전 코에서 유도기전력이 형성되도록 제어한다. 한편, 도 6에 도시된 비충전 구간에서 스위칭 박스(410)는 제 1 그룹(422)과 제 2 그룹(424)이 역(상쇄) 방향이 되도록 제 2 그룹(424)을 스위칭하여 해당 세그먼트(제 2 세그먼트 내지 제 4 세그먼트)의 급전 코어(340)에서 자속이 상쇄(자속의 위상이 반대되도록 하여 상쇄)되도록 제어한다.

또한, 급전 선로의 길이기 길어질 경우 코어 외곽에 배치되어 있는 선로와 코어 내곽에 배치되어 있는 선로의 임피던스의 격차가 심해질 수 있다. 따라서 임피던스를 동일하게 유지하는 것이 인버터(220) 입장에서 전류 제어에 유리하다. 임피던스를 일정하게 유지하기 위해서는 급전 선로가 스위칭 박스(410)를 만날 경우, 각 선로의 위치를 시프트(Shift) 시켜줌으로 써 가능하다. 즉, 급전 케이블(350)이 '1'-'2'-'3'-'4'-'5'-'6' 순서의 배선을 스위칭 박스(410)를 만난 뒤에 '2'-'3'-'4'-'5'-'6'-'1'의 순서로 하나씩 시프트 시켜주면 평균적으로 위치하는 곳이 동일 하기 때문에 인버터(220) 입장에서의 임피던스가 동일하게 유지된다.

이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: 집전 장치 110: 집전 유닛
120: 배터리 200: 급전 장치
210: 급전 유닛 220: 인버터
310: 집전 코어 320: 집전 케이블
330: 집전 회로 340: 급전 코어
350: 급전 케이블 410: 스위칭 박스

Claims (8)

1. 전력을 공급하는 짝수 개의 인버터(Inverter);
   상기 전력을 공급받으며, 자속이 유기되는 급전 코어;
   상기 짝수 개의 인버터와 연결되어 상기 급전 코어에 권취되고, 상기 자속에 의해 자기적으로 커플링되는 집전 장치로 상기 급전 코어에서 형성된 유도기전력을 공급하며, 복수의 세그먼트(Segment)로 구분되는 급전 케이블; 및
   상기 집전 장치의 위치에 따라 상기 세그먼트 별로 상기 유도기전력을 형성하거나 상기 자속이 상쇄되도록 스위칭하는 스위칭 박스를 포함하되,
   상기 급전 케이블의 복수의 세그먼트 각각은 캐패시터를 포함하여 상기 복수의 세그먼트에 대한 공진 보상을 수행하고,
   상기 급전 케이블은 상기 스위칭 박스와 교차 시, 각 급전 케이블의 위치를 시프트하여 상기 급전 케이블에 의한 임피던스를 균등하게 유지하는 것을 특징으로 하는 급전 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 스위칭 박스는,
   연결된 전체 급전 케이블을 두 그룹으로 나누어 각각 제어하여 상기 유도기전력을 형성하거나 상기 자속이 상쇄되도록 스위칭하는 것을 특징으로 하는 급전 장치.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 스위칭 박스는,
   선로 상의 전류 방향으로 상기 전력을 공급하는 제 1 그룹; 및
   상기 제 1 그룹의 전류 방향과 동일한 방향으로 상기 전력을 공급하여 상기 유도기전력을 형성하거나 상기 제 1 그룹의 전류 방향과 역방향으로 상기 전력을 공급되도록 스위칭하여 상기 자속이 상쇄되도록 하는 제 2 그룹
   을 포함하는 것을 특징으로 하는 급전 장치.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 스위칭 박스는,
   상기 집전 장치의 위치에 따라 충전 구간 또는 비충전 구간으로 구분한 구분 결과 정보를 생성하고, 상기 구분 결과 정보에 근거하여 상기 유도기전력을 형성하거나 상기 자속이 상쇄되도록 스위칭하는 것을 특징으로 하는 급전 장치.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 스위칭 박스는,
   상기 충전 구간에서 상기 제 1 그룹과 상기 제 2 그룹이 선로 상의 전류 방향과 동일한 방향이 되도록 상기 제 2 그룹을 스위칭하여 해당 세그먼트의 급전 코에서 상기 유도기전력이 형성되도록 제어하며,
   상기 비충전 구간에서 제 1 그룹과 상기 제 2 그룹이 역방향이 되도록 상기 제 2 그룹을 스위칭하여 해당 세그먼트의 급전 코어에서 상기 자속이 상쇄되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 급전 장치.
6. 제 4 항에 있어서,
   상기 스위칭 박스는,
   상기 집전 장치에 구비된 위치 센서로부터 수신된 현재 위치 정보와 세그먼트마다 기 저장된 위치 정보를 비교하여 상기 집전 장치가 존재하는 세그먼트를 상기 충전 구간으로 판별하고, 상기 집전 장치가 미존재하는 세그먼트를 비충전 구간으로 판별하는 것을 특징으로 하는 급전 장치.
7. 제 4 항에 있어서,
   상기 스위칭 박스는,
   세그먼트의 급전 케이블마다 상기 제 2 그룹 내에 제 1 스위치, 제 2 스위치, 제 3 스위치 및 제 4 스위치를 구비하되,
   상기 제 1 스위치 및 상기 제 3 스위치는 직렬 연결되고, 상기 제 2 스위치 및 상기 제 4 스위치는 직렬 연결되며, 상기 제 1 스위치 및 상기 제 3 스위치는 상기 제 2 스위치 및 상기 제 4 스위치와 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 급전 장치.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 스위칭 박스는,
   해당 세그먼트가 상기 충전 구간으로 판별되는 경우 상기 제 2 스위치 및 상기 제 3 스위치가 폐쇄되도록 스위칭하여 해당 세그먼트의 급전 코어에서 상기 유도기전력이 형성되도록 제어하거나 해당 세그먼트가 상기 비충전 구간으로 판별되는 경우 상기 제 1 스위치 및 상기 제 4 스위치가 폐쇄되도록 스위칭하여 해당 세그먼트의 급전 코어에서 상기 자속이 상쇄되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 급전 장치.
   

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