KR102114468B1 - 전기 이륜차 무선 충전 시스템 - Google Patents

전기 이륜차 무선 충전 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명의 다양한 실시예는 전기 이륜차 무선 충전 시스템에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 자기 유도 결합 방식 또는 자기 공진 방식을 통하여 급전 장치와 집전 장치 간의 이격 거리를 대략 5~10 cm로 하는 전기 이륜차에 적용 가능한 무선 전력 전송 시스템을 제공하는데 있다.
이를 위해 본 발명의 다양한 실시예는 무선 충전을 위한 고주파 전원을 제공하는 급전 인버터와, 상기 급전 인버터에 연결되어 고주파 전원을 자기장으로 변환하여 방사하는 급전 패드와, 상기 급전 패드가 설치되는 이륜차 거치대; 및 상기 이륜차 거치대의 급전 패드와 대응되는 영역에 설치되어 자기장을 고주파 교류 전원으로 변환하여 집전하는 집전 패드와, 상기 집전 패드에 연결되어 고주파 교류 전원을 직류 전원으로 정류하는 정류기와, 상기 정류기에 연결되어 상기 직류 전원을 승압 또는 감압하는 직류-직류 컨버터와, 상기 직류-직류 컨버터에 연결된 배터리를 갖는 전기 이륜차를 포함하는 전기 이륜차 무선 충전 시스템을 제공한다.

Description

전기 이륜차 무선 충전 시스템{Wireless power transfer system for electric two-wheeled vehicle}
본 발명의 다양한 실시예는 전기 이륜차 무선 충전 시스템에 관한 것이다.
인구 증가 및 밀집 도심 지역일수록 차량을 이용한 이동보다 자전거를 이용한 이동 수요가 많아지면서 전기 자전거 시장이 성장하고 있지만, 주로 유선 충전에 기반하는 기술들 위주로 개발이 이루어지고 있는 실정으로 전기 바이크 무선 충전 기술 개발 수준은 매우 낮은 편이다.
유선 충전의 경우 인체 감전의 위험성을 비롯하여 커넥터부의 위험성이 높고, 사용자가 직접 충전 및 사용함에 따라 발생 가능한 휴먼리스크(human risk)가 존재하므로 경쟁력 있는 무선 충전 기술이 필요하다.
기존 무선 충전 기술은 주로 소형차, 버스 등의 kW급 이상이나 또는 모바일 전자기기를 위한 소전력 위주로 기술들이 발전하였으며, 법규 및 표준 또한 이러한 기술 위주로 연구가 진행되어 왔음으로 전기 자전거에 사용 가능한 무선 충전 기술이 필요하다.
또한 기존의 전기 자전거 유선 충전 시스템은 완속 충전으로 배터리 충전에 약 4~5시간이 소요되나, 교통 약자나 레저용으로 사용하기 위해서는 대략 30분 내지 60분 이내에 배터리를 충전시킬 수 있는 급속 충전 기술이 필요하다.
이러한 발명의 배경이 되는 기술에 개시된 상술한 정보는 본 발명의 배경에 대한 이해도를 향상시키기 위한 것뿐이며, 따라서 종래 기술을 구성하지 않는 정보를 포함할 수도 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는 전기 이륜차 무선 충전 시스템을 제공하는데 있다. 일례로, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 자기 유도 결합 방식 또는 자기 공진 방식을 통하여 급전 장치와 집전 장치 간의 이격 거리를 대략 5~10 cm로 하는 전기 이륜차에 적용 가능한 무선 전력 전송 시스템을 제공하는데 있다. 다른 예로, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 교통 약자나 레저용으로 사용하기 위해서 30분 내지 60분 이내에 배터리를 충전시킬 수 있는 급속 충전이 가능한 무선 전력 전송 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 전기 이륜차 무선 충전 시스템은 무선 충전을 위한 고주파 전원을 제공하는 급전 인버터와, 상기 급전 인버터에 연결되어 고주파 전원을 자기장으로 변환하여 방사하는 급전 패드와, 상기 급전 패드가 설치되는 이륜차 거치대; 및 상기 이륜차 거치대의 급전 패드와 대응되는 영역에 설치되어 자기장을 고주파 교류 전원으로 변환하여 집전하는 집전 패드와, 상기 집전 패드에 연결되어 고주파 교류 전원을 직류 전원으로 정류하는 정류기와, 상기 정류기에 연결되어 상기 직류 전원을 승압 또는 감압하는 직류-직류 컨버터와, 상기 직류-직류 컨버터에 연결된 배터리를 갖는 전기 이륜차를 포함하고, 상기 이륜차 거치대의 급전 패드와 상기 전기 이륜차의 집전 패드는 5 cm 내지 10 cm 이격되고, 상기 이륜차 거치대는 지면으로부터 수직 방향으로 돌출되어 설치되고, 상기 급전 패드는 상기 이륜차 거치대의 상부 영역에 지면으로부터 수직 방향으로 설치되며, 상기 전기 이륜차는 지면으로부터 수직 방향으로 세워져 위치되고, 상기 집전 패드는 상기 급전 패드와 평행한 방향으로 설치되되, 상기 전기 이륜차의 집전 패드는 상기 전기 이륜차의 전방 포크에 설치되며, 상기 이륜차 거치대의 급전 패드는 다수회 권취된 급전 코일과, 상기 급전 코일의 중간에 결합된 급전 중간 페라이트 부재를 포함하고, 상기 전기 이륜차의 집전 패드는 다수회 권취된 집전 코일과, 상기 집전 코일의 중간에 결합된 집전 중간 페라이트 부재를 포함하되, 상기 이륜차 거치대의 급전 패드는 상기 급전 중간 페라이트 부재에 연결된 동시에 상기 급전 코일의 후면을 덮는 급전 후면 페라이트 부재를 더 포함하고, 상기 전기 이륜차의 집전 패드는 상기 집전 중간 페라이트 부재에 연결된 동시에 상기 집전 코일의 후면을 덮는 집전 후면 페라이트 부재를 더 포함하고, 상기 이륜차 거치대는 자전거 대여소 내에 설치되고, 상기 자전거 대여소에는 태양광 패널이 설치되며, 상기 급전 인버터는 상기 태양광 패널로부터 전원을 공급받으며, 상기 자전거 대여소는 관제 시스템과 통신 가능하게 연결되고, 상기 이륜차 거치대에 상기 전기 이륜차가 거치되면, 상기 전기 이륜차의 직류-직류 컨버터가 충전 요청 신호를 상기 이륜차 거치대의 급전 인버터에 전송하고, 상기 전기 이륜차의 배터리 충전 중에 상기 직류-직류 컨버터는 배터리 충전 상태를 상기 급전 인버터에 주기적으로 전송하며, 상기 전기 이륜차의 배터리 충전이 완료되면 상기 직류-직류 컨버터가 상기 급전 인버터에 충전 완료 신호를 전송하며, 상기 전기 이륜차의 직류-직류 컨버터 및 상기 이륜차 거치대의 급전 인버터는 상기 관제 시스템과 통신하되, 상기 급전 인버터가 상기 전기 이륜차의 배터리에 의해 소모된 전력량 및 사용자 정보를 상기 관제 시스템에 제공하고, 상기 관제 시스템은 상기 소모 전력량에 기초한 과금 정보를 상기 이륜차 거치대의 급전 인버터에 전송하며, 상기 급전 인버터는 상기 과금 정보를 상기 전기 이륜차의 직류-직류 컨버터에 전송하며, 상기 소모된 전력량, 상기 사용자 정보 및 상기 과금 정보가 상기 전기 이륜차에 구비된 표시부를 통해 표시된다.
삭제
상기 급전 인버터에는 가정용 전원이 연결될 수 있다.
상기 이륜차 거치대의 급전 패드로부터의 자기장은 상기 전기 이륜차의 집전 패드에 전자기 유도 방식 또는 자기 공명 방식으로 전송될 수 있다.
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본 발명의 다양한 실시예는 전기 이륜차 무선 충전 시스템을 제공한다. 일례로, 본 발명의 다양한 실시예는 자기 유도 결합 방식 또는 자기 공진 방식을 통하여 급전 장치와 집전 장치 간의 이격 거리를 대략 5~10 cm로 하는 전기 이륜차에 적용 가능한 무선 전력 전송 시스템을 제공한다. 다른 예로, 본 발명의 다양한 실시예는 교통 약자나 레저용으로 사용하기 위해서 30분 내지 60분 이내에 배터리를 충전시킬 수 있는 급속 충전이 가능한 무선 전력 전송 시스템을 제공한다. 또한, 본 발명의 다양한 실시예는 급전/집전 코일에 각각 페라이트 소재를 결합함으로써, 에너지 전송 효율을 극대화시켜 배터리 충전 시간을 더욱 단축할 수 있는 무선 전력 전송 시스템을 제공한다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 교통 약자 및 레저용 전기 이륜차 무선 충전 시스템의 구성을 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 교통 약자 및 레저용 전기 이륜차 무선 충전 시스템의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 교통 약자 및 레저용 전기 이륜차 무선 충전 시스템에서 무선 급전 및 집전을 위한 맥스웰 시뮬레이션 모델링(Maxwell simulation modelling) 도면이다.
도 4는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 교통 약자 및 레저용 전기 이륜차 무선 충전 시스템에서 급전 및 집전을 위한 시뮬레이션 결과를 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 교통 약자 및 레저용 전기 이륜차 무선 충전 시스템에서 EMF 시뮬레이션 결과를 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 교통 약자 및 레저용 전기 이륜차 무선 충전 시스템에서 무선 급전 및 집전 구조를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 교통 약자 및 레저용 전기 이륜차 무선 충전 시스템에서 급전 및 집전을 위한 시뮬레이션 결과를 도시한 그래프이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 교통 약자 및 레저용 전기 이륜차 무선 충전 시스템의 구성을 도시한 개략도이다.
도 9는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 교통 약자 및 레저용 전기 이륜차 무선 충전 시스템의 전체적 구성을 도시한 개략도이다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 교통 약자 및 레저용 전기 이륜차 무선 충전 시스템 중에서 이륜차 거치대의 급전 인버터와 이륜차의 직류-직류 컨버터 사이의 무선 통신 시스템 및 순서를 도시한 개략도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또한, 본 명세서에서 "연결된다"라는 의미는 A 부재와 B 부재가 직접 연결되는 경우뿐만 아니라, A 부재와 B 부재의 사이에 C 부재가 개재되어 A 부재와 B 부재가 간접 연결되는 경우도 의미한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise, include)" 및/또는 "포함하는(comprising, including)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및 /또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
또한, 본 발명에 따른 제어부(컨트롤러) 및/또는 다른 관련 기기 또는 부품은 임의의 적절한 하드웨어, 펌웨어(예를 들어, 주문형 반도체), 소프트웨어, 또는 소프트웨어, 펌웨어 및 하드웨어의 적절한 조합을 이용하여 구현될 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 제어부(컨트롤러) 및/또는 다른 관련 기기 또는 부품의 다양한 구성 요소들은 하나의 집적회로 칩 상에, 또는 별개의 집적회로 칩 상에 형성될 수 있다. 또한, 제어부(컨트롤러)의 다양한 구성 요소는 가요성 인쇄 회로 필름 상에 구현 될 수 있고, 테이프 캐리어 패키지, 인쇄 회로 기판, 또는 제어부(컨트롤러)와 동일한 서브스트레이트 상에 형성될 수 있다. 또한, 제어부(컨트롤러)의 다양한 구성 요소는, 하나 이상의 컴퓨팅 장치에서, 하나 이상의 프로세서에서 실행되는 프로세스 또는 쓰레드(thread)일 수 있고, 이는 이하에서 언급되는 다양한 기능들을 수행하기 위해 컴퓨터 프로그램 명령들을 실행하고 다른 구성 요소들과 상호 작용할 수 있다. 컴퓨터 프로그램 명령은, 예를 들어, 랜덤 액세스 메모리와 같은 표준 메모리 디바이스를 이용한 컴퓨팅 장치에서 실행될 수 있는 메모리에 저장된다. 컴퓨터 프로그램 명령은 또한 예를 들어, CD-ROM, 플래시 드라이브 등과 같은 다른 비-일시적 컴퓨터 판독 가능 매체(non-transitory computer readable media)에 저장될 수 있다. 또한, 본 발명에 관련된 당업자는 다양한 컴퓨팅 장치의 기능이 상호간 결합되거나, 하나의 컴퓨팅 장치로 통합되거나, 또는 특정 컴퓨팅 장치의 기능이, 본 발명의 예시적인 실시예를 벗어나지 않고, 하나 이상의 다른 컴퓨팅 장치들에 분산될 수 될 수 있다는 것을 인식해야 한다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 교통 약자 및 레저용 전기 이륜차 무선 충전 시스템(100)의 구성을 도시한 개략도이다. 도 2는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 교통 약자 및 레저용 전기 이륜차 무선 충전 시스템(100)의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 1a, 도 1b 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 교통 약자 및 레저용 전기 이륜차 무선 충전 시스템(100)은 전원을 무선으로 급전하는 이륜차 거치대(110)(급전 장치)와, 이륜차 거치대(110)에 거치된 상태에서 전원을 무선으로 집전하는 전기 이륜차(120)(집전 장치)를 포함한다.
이륜차 거치대(110)에는 급전 인버터(111), 급전 라인(112) 및 급전 패드(113)가 연결 및/또는 설치될 수 있다. 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만 60Hz/220V의 가정용 전원 및/또는 태양광 패널의 전원이 급전 인버터(111)에 직접 연결될 수 있다. 급전 인버터(111)는 가정용 전원 및/또는 태양광 패널 전원을 무선 충전용 고주파 전원으로 변환하여 출력한다. 급전 라인(112)은 급전 인버터(111)에 연결되어 고주파 전원을 급전 패드(113)에 공급한다. 급전 패드(113)는 무선 충전을 위해 고주파 전원을 고주파 자기장으로 변환하여 출력한다.
이륜차 거치대(110)는, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 지면으로부터 대략 수직 방향인 상부 방향으로 돌출되어 설치되고, 급전 패드(113)는 이륜차 거치대(110)의 상부 영역에 지면으로부터 대략 수직 방향으로 설치될 수 있다. 이러한 이륜차 거치대(110)에는 비록 도시되어 있지는 않지만 이륜차 도난 방지 장치가 설치될 수 있다.
전기 이륜차(120)에는 집전 패드(121)(집전 픽업), 정류기(123), 직류-직류 컨버터(124) 및 배터리(125)가 구비될 수 있다. 집전 패드(121)는, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 이륜차 거치대(110)의 급전 패드(113)와 대응되는 영역 또는 높이에 설치되며, 이는 고주파 자기장을 고주파 교류 전원으로 변환하여 출력한다. 정류기(123)는 집전 패드(121)에 연결되어 고주파 교류 전원을 직류 전원으로 정류하여 출력한다. 직류-직류 컨버터(124)는 정류기(123)에 연결되어 직류 전원을 승압 또는 감압하여 출력한다. 배터리(125)는 직류-직류 컨버터(124)에 연결되어 정해진 용량까지 충전된다. 이러한 배터리(125)는, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머/겔 전지, 리튬 황 전지, 리튬 공기 전지, 전고체 전지 등일 수 있다.
이러한 전기 이륜차(120)는 지면으로부터 대략 수직 방향으로 세워져 위치되고, 집전 패드(121)는 급전 패드(113)와 대략 평행한 방향으로 설치될 수 있다. 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 집전 패드(121)는 급전 패드(113)와 동일 유사한 높이를 가질 수 있다. 또한, 집전 패드(121)와 급전 패드(113)는 대략 1 cm 내지 30 cm, 바람직하기로, 5 cm 내지 10 cm 이격되어 설치될 수 있다.
여기서,이륜차 거치대(110)의 급전 패드(113)로부터의 자기장은, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 전기 이륜차(120)의 집전 패드(121)에 코일간 전자기 유도 현상을 이용하는 전자기 유도 방식, 코일간 자기 공진 현상을 이용한 자기 공명 방식, 또는 방사 현상을 이용한 안테나 방식으로 전송될 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 교통 약자 및 레저용 전기 이륜차 무선 충전 시스템(100)에서 무선 급전 및 집전을 위한 맥스웰 시뮬레이션 모델링(Maxwell simulation modelling) 도면이다.
도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 급전 코일(114)을 포함하는 급전 패드(113)와 집전 코일(122)을 포함하는 집전 패드(121)는 상호간 대략 평행하게 배치되며, 이격 거리는 대략 1 cm 내지 10 cm, 바람직하게는 대략 5 cm가 되도록 하였다. 또한, 급전 패드(113)와 집전 패드(121)는 대략 사각 플레이트, 직사각 플레이트 또는 원형 플레이트 형태로 형성될 수 있으며, 급전 코일(114)과 집전 코일(122) 역시 대략 사각, 직사각 또는 원형 라인 형태로 형성될 수 있다. 물론, 급전 코일(114)과 집전 코일(122)은 대략 평행하게 배치될 수 있다.
도 4는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 교통 약자 및 레저용 전기 이륜차 무선 충전 시스템(100)에서 급전 및 집전을 위한 시뮬레이션 결과를 도시한 그래프이다. 도 4에서 X축은 경과 시간이고, Y축은 전압이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 시뮬레이션으로부터 전기 이륜차(120)의 배터리(125)에 충전에 필요한 유도 전압이 유도됨을 확인할 수 있다. 즉, 집전 코일(122)에 대략 -100 V 내지 100 V의 유도 전압이 유도됨을 볼 수 있다.
도 5는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 교통 약자 및 레저용 전기 이륜차 무선 충전 시스템(100)에서 EMF 시뮬레이션 결과를 도시한 그래프이다. 도 5에서 X축은 이격 거리(m)이고, Y축은 자기장의 세기(마이크로 테슬라)이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 무선 급전 및 집전 EMF 시뮬레이션 결과로부터 전기 이륜차(120)의 무선 충전 시스템(100)이 정격 용량에서 동작될 때, 전자기장( EMF:Electromagnetic Field) 환경 인증 기준인 기준치내에서 동작됨을 알 수 있다.
이와 같이 하여, 본 발명의 실시예는 자기 유도 결합 방식 또는 자기 공진 방식을 이용하여 급전 장치와 집전 장치 간의 이격 거리를 대략 5~10 cm로 하는 전기 이륜차에 적용 가능한 무선 전력 전송 시스템을 제공한다. 또한, 본 발명의 실시예는 교통 약자나 레저용으로 사용하기 위해 30분 내지 60분 이내에 배터리를 충전시킬 수 있는 급속 충전이 가능한 무선 전력 전송 시스템을 제공한다.
도 6은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 교통 약자 및 레저용 전기 이륜차 무선 충전 시스템에서 무선 급전 및 집전 구조를 도시한 도면이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 이륜차 거치대의 급전 패드(113)는 예를 들면 한정하는 것은 아니지만 원형 링 형태로 다수회 권취된 급전 코일(114)과, 급전 코일(114)의 대략 중간에 결합된 급전 중간 페라이트 부재(115)를 포함할 수 있다. 또한, 전기 이륜차의 집전 패드(121)는 예를 들면 한정하는 것은 아니지만 원형 링 형태로 다수회 권취된 집전 코일(122)과, 집전 코일(122)의 중간에 결합된 집전 중간 페라이트 부재(126)를 포함할 수 있다.
더욱이, 급전 패드(113)로부터 집전 패드(121)로의 전력 전달 효율이 더욱 향상될 수 있도록, 이륜차 거치대의 급전 패드(113)는 급전 중간 페라이트 부재(115)에 연결된 동시에 급전 코일(114)의 후면을 덮는 급전 후면 페라이트 부재(116)를 더 포함할 수 있다. 또한, 전기 이륜차의 집전 패드(121)는 집전 중간 페라이트 부재(126)에 연결된 동시에 집전 코일(122)의 후면을 덮는 집전 후면 페라이트 부재(127)를 더 포함할 수 있다.
여기서, 원판 또는 원형 링 형태의 급전 중간 페라이트 부재(115), 급전 후면 페라이트 부재(116), 집전 중간 페라이트 부재(126), 집전 후면 페라이트 부재(127)는 본 발명의 이해를 위한 일례에 불과하며, 이러한 형태로 한정되지 않으며, 예를 들면 사각판, 사각 링, 오각판, 오각 링, 육각판, 육각 링 형태 등이 가능하다.
도 7은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 교통 약자 및 레저용 전기 이륜차 무선 충전 시스템에서 급전 및 집전을 위한 시뮬레이션 결과를 도시한 그래프이다. 여기서, X축은 경과 시간이고 Y축은 집전 패드(121)의 유도 전압을 나타낸다.
도 7에 도시된 바와 같이, 급전 코일(114)/집전 코일(122)만 있을 경우(m1) 집전 패드(121)의 유도 전력은 278.9W이고, 급전 코일(114)/집전 코일(122)과 급전 중간 페라이트 부재(115)/집전 중간 페라이트 부재(126)가 있을 경우(m2), 집전 패드(121)의 유도 전력은 474.3W이며, 급전 코일(114)/집전 코일(122), 급전 중간 페라이트 부재(115)/집전 중간 페라이트 부재(126), 급전 후면 페라이트 부재(116)/집전 후면 페라이트 부재(127)가 있을 경우(m3), 집전 패드(121)의 유도 전력은 1228.3W로 나타났다.
즉, 급전 코일(114)/집전 코일(122)만 있는 경우에 비하여, 급전 중간 페라이트 부재(115)/집전 중간 페라이트 부재(126) 및 급전 후면 페라이트 부재(116)/집전 후면 페라이트 부재(127)가 있을 경우, 집전 패드(121)의 유도 전력이 더욱 상승함을 볼 수 있다.
다르게 설명하면, 페라이트 부재의 존재로 인하여, 급전 패드(113)로부터 집전 패드(121)까지의 전력 전송 효율이 향상되는 것으로 판단된다(대략 90%까지 향상됨). 이에 따라, 일례로, 1회 충전으로 40km 정도 주행 가능한 300Wh급 리튬 이온 배터리의 경우 대략 30분~60분만에 충전할 수 있다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 교통 약자 및 레저용 전기 이륜차 무선 충전 시스템의 구성을 도시한 개략도이다.
도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같이, 전기 이륜차는, 예를 들면, 전방 바퀴 및/또는 전방 포크가 이륜차 거치대에 결합되어 고정 또는 잠금 상태로 될 수 있다. 여기서, 이륜차 거치대에 급전 패드(113)가 설치되고, 전기 이륜차의 전방 바퀴 및/또는 전방 포크게 집전 패드(121)가 설치됨으로써, 전기 이륜차를 거치대에 거치하는 것만으로도 급전 패드(113)로부터 집전 패드(121)로 에너지가 전달될 수 있다.
즉, 본 발명의 다양한 실시예에서, 전기 이륜차를 거치대에 거치하는 것만으로도, 전기 이륜차의 배터리가 충전되고, 이에 따라 전기 이륜차의 보관 및 충전이 매우 편리하다.
도 9는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 교통 약자 및 레저용 전기 이륜차 무선 충전 시스템의 전체적 구성을 도시한 개략도이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 또는 다수의 이륜차 거치대가 자전거 대여소 내에 설치될 수 있고, 또한, 자전거 대여소의 지붕에는 태양광 패널(태양 전지)이 설치될 수 있다. 따라서, 태양광 패널로부터 얻은 전기 에너지가 급전 인버터에 전달되어, 결국 태양광 패널로부터 전기 이륜차의 배터리가 전원을 공급받을 수 있다.
또한, 자전거 대여소는 관제 시스템과 통신 가능하게 연결됨으로써, 관제 시스템에 의해 전기 자전거(이륜차)의 대여 상태, 충방전 상태 등이 실시간으로 파악될 수 있다. 여기서, 자전거 대여소는 현재에도 각 지자체별로 구축되어 있으므로, 상술한 바와 같이 태양광 패널을 설치하고, 거치대에 급전 패드 등을 설치하며, 예를 들면, 일반 자전거에 모터가 달린 앞바퀴 또는 뒷바퀴와 도난방지 기능이 있는 배터리 장치를 부착하는 방식으로 현재 운행중인 공공 전기 자전거 시스템을 100% 재활용할 수 있어 각 지자체의 중복 투자를 피할 수 있다.
이와 같이 하여, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 교통 약자 및 레저용 전기 이륜차 무선 충전 시스템은 이륜차 거치대에 급전 패드를 설치하고, 전기 이륜차의 앞포크 등에 집전 패드를 설치함으로써, 거치대에 이륜차를 거치하는 것만으로도 급전 패드와 집전 패드 사이의 무선 전력 전송 가능 거리(5~10 cm)가 확보되므로, 전기 이륜차의 배터리를 신속하게 충전할 수 있도록 한다.
또한, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 교통 약자 및 레저용 전기 이륜차 무선 충전 시스템은 자기 유도 결합 방식 또는 자기 공진 방식을 통하여 교통 약자나 레저용으로 사용하기 위해 대략 30분 내지 60분 이내에 300Wh급 리튬 이온/폴리머 배터리를 충전하도록 한다.
또한, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 교통 약자 및 레저용 전기 이륜차 무선 충전 시스템은 급전/집전 코일에 각각 페라이트 소재를 더 결합함으로써, 무선 전력 전송 효율을 극대화시켜 배터리 충전 시간을 더욱 단축할 수 있도록 한다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 교통 약자 및 레저용 전기 이륜차 무선 충전 시스템 중에서 이륜차 거치대의 급전 인버터와 이륜차의 직류-직류 컨버터 사이의 무선 통신 시스템 및 순서를 도시한 개략도이다.
도 10a에 도시된 바와 같이, 이륜차 거치대에 위치하는 급전 인버터와 전기 자전거(이륜차)에 위치되는 직류-직류 컨버터 간에는 무선 충전의 시작, 중단 또는 전력 제어(power control)와 같은 여러 가지 목적으로 무선 통신이 수행될 수 있다. 이러한 통신 기능은, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, AP(Access Point)와 시스템 관리 서버 사이에 수행되는 무선랜(WiFi) 또는 블루투스(Bluetooth) 프로토콜에 기반할 수 있다. 즉, 이륜차 거치대의 급전 인버터가 AP처럼 동작하고, 전기 이륜차의 직류-직류 컨버터가 시스템 관리 서버처럼 동작하면서, 상호간 무선 충전의 시작, 중단 또는 전력 제어 신호를 주고받을 수 있다. 물론, 이를 위해 급전 인버터에 AP의 기능 장착되고, 직류-직류 컨버터에 시스템 관리 서버의 기능이 장착됨은 당연하다.
일례로, 도 10b의 충전 메시지 순서도를 이용하여 이륜차 거치대의 급전 인버터와 전기 이륜차의 직류-직류 컨버터 사이에 이루어지는 무선 통신의 내용 및 절차를 설명하면 다음과 같다.
전기 자전거(이륜차)가 이륜차 거치대에 도착했거나 또는 거치되면, 전기 자전거의 직류-직류 컨버터에서 이륜차 거치대(충전기)의 급전 인버터에, 전기 이륜차가 이륜차 거치대에 도착했거나 또는 거치됨을 알린다. 즉, 이륜차 거치대는 전기 이륜차에 충전 시작 가능 신호를 송신한다 (예를 들면, 사용자 버튼 조작에 의해).
이와 같이 하여 각각의 전기 이륜차(직류-직류 컨버터)는 해당 이륜차 거치대 즉, 충전기(급전 인버터)와 1:1로 대응될 수 있다(static IP address mapping).
전기 이륜차의 직류-직류 컨버터는 배터리 잔량을 파악하여 이륜차 거치대의 급전 인버터(충전기)에 이를 알려 줄 수 있다. 즉, 전기 이륜차의 직류-직류 컨버터는 주기적으로 배터리 잔량(배터리 상태)을 파악하여 이를 이륜차 거치대의 급전 인버터에 전송할 수 있다.
이륜차 거치대의 급전 인버터(충전기)는 배터리 상태를 고려하여 충전을 시작한다. 예를 들어, 한정하는 것은 아니지만, 급전 인버터터는 급전 패드에서 집전 패드로 전자기 유도 방식 또는 자기 공명 방식으로 에너지가 전송되도록 하고, 이에 따라 직류-직류 컨버터는 정전류-정전압 방식 또는 펄스 방식 등으로 전기 자전거의 배터리가 충전되도록 한다.
전기 이륜차의 직류-직류 컨버터는 예를 들면 매 5초마다(수정 가능) 배터리 상태(예를 들면, 배터리 잔량, 전압, 전류, 온도 등) 정보를 급전 인버터(충전기)에 송신한다.
더불어, 급전 인버터(충전기)는 충전 진행 상태를 고려하여 급전 전력량을 조절할 수 있다. 일례로, 급전 인버터(충전기)는 전기 이륜차의 배터리가 대략 80% 충전되었을때 충전을 완료하고, 전기 이륜차의 직류-직류 컨버터는 급전 인버터(충전기)에게 충전 완료 신호를 송신할 수 있다. 다른 예로, 급전 인버터(충전기)는 전기 이륜차의 배터리 온도가 기준 온도 이상으로 증가하였을 경우 충전을 정지하고, 온도 경고 신호를 전기 이륜차에 송신할 수 있다.
또한, 이륜차 거치대의 급전 인버터(충전기) 및 전기 이륜차의 직류-직류 컨버터는 관제 시스템과 와이파이(WiFi)로 통신하여, 충전 상태 리포트, 사용자 인증 및/또는 과금 정보를 송수신한다. 일례로, 급전 인버터(충전기)는 전기 이륜차에 의해 소모된 전력량 및 사용자 정보를 관제 시스템에 제공하며, 또한 관제 시스템은 소모 전력량에 기초한 과금 정보를 급전 인버터(충전기)에 전송하여 급전 인버터(충전기)가 이러한 정보를 다시 직류-직류 컨버터에 전송할 수 있다. 물론, 이러한 정보는 전기 이륜차에 구비된 별도의 표시부를 통해 사용자에게 표시될 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 교통 약자 및 레저용 전기 이륜차 무선 충전 시스템을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
100; 교통 약자 및 레저용 전기 이륜차 무선 충전 시스템
110; 이륜차 거치대 111; 급전 인버터
112; 급전 라인 113; 급전 패드
114; 급전 코일 120; 전기 이륜차
121; 집전 패드 122; 집전 코일
123; 정류기 124; 직류-직류 컨버터
125; 배터리

Claims (11)

  1. 무선 충전을 위한 고주파 전원을 제공하는 급전 인버터와, 상기 급전 인버터에 연결되어 고주파 전원을 자기장으로 변환하여 방사하는 급전 패드와, 상기 급전 패드가 설치되는 이륜차 거치대; 및
    상기 이륜차 거치대의 급전 패드와 대응되는 영역에 설치되어 자기장을 고주파 교류 전원으로 변환하여 집전하는 집전 패드와, 상기 집전 패드에 연결되어 고주파 교류 전원을 직류 전원으로 정류하는 정류기와, 상기 정류기에 연결되어 상기 직류 전원을 승압 또는 감압하는 직류-직류 컨버터와, 상기 직류-직류 컨버터에 연결된 배터리를 갖는 전기 이륜차를 포함하고,
    상기 이륜차 거치대의 급전 패드와 상기 전기 이륜차의 집전 패드는 5 cm 내지 10 cm 이격되고,
    상기 이륜차 거치대는 지면으로부터 수직 방향으로 돌출되어 설치되고, 상기 급전 패드는 상기 이륜차 거치대의 상부 영역에 지면으로부터 수직 방향으로 설치되며, 상기 전기 이륜차는 지면으로부터 수직 방향으로 세워져 위치되고, 상기 집전 패드는 상기 급전 패드와 평행한 방향으로 설치되되, 상기 전기 이륜차의 집전 패드는 상기 전기 이륜차의 전방 포크에 설치되며,
    상기 이륜차 거치대의 급전 패드는 다수회 권취된 급전 코일과, 상기 급전 코일의 중간에 결합된 급전 중간 페라이트 부재를 포함하고, 상기 전기 이륜차의 집전 패드는 다수회 권취된 집전 코일과, 상기 집전 코일의 중간에 결합된 집전 중간 페라이트 부재를 포함하되, 상기 이륜차 거치대의 급전 패드는 상기 급전 중간 페라이트 부재에 연결된 동시에 상기 급전 코일의 후면을 덮는 급전 후면 페라이트 부재를 더 포함하고, 상기 전기 이륜차의 집전 패드는 상기 집전 중간 페라이트 부재에 연결된 동시에 상기 집전 코일의 후면을 덮는 집전 후면 페라이트 부재를 더 포함하고,
    상기 이륜차 거치대는 자전거 대여소 내에 설치되고, 상기 자전거 대여소에는 태양광 패널이 설치되며, 상기 급전 인버터는 상기 태양광 패널로부터 전원을 공급받으며, 상기 자전거 대여소는 관제 시스템과 통신 가능하게 연결되고,
    상기 이륜차 거치대에 상기 전기 이륜차가 거치되면, 상기 전기 이륜차의 직류-직류 컨버터가 충전 요청 신호를 상기 이륜차 거치대의 급전 인버터에 전송하고, 상기 전기 이륜차의 배터리 충전 중에 상기 직류-직류 컨버터는 배터리 충전 상태를 상기 급전 인버터에 주기적으로 전송하며, 상기 전기 이륜차의 배터리 충전이 완료되면 상기 직류-직류 컨버터가 상기 급전 인버터에 충전 완료 신호를 전송하며,
    상기 전기 이륜차의 직류-직류 컨버터 및 상기 이륜차 거치대의 급전 인버터는 상기 관제 시스템과 통신하되, 상기 급전 인버터가 상기 전기 이륜차의 배터리에 의해 소모된 전력량 및 사용자 정보를 상기 관제 시스템에 제공하고, 상기 관제 시스템은 상기 소모 전력량에 기초한 과금 정보를 상기 이륜차 거치대의 급전 인버터에 전송하며, 상기 급전 인버터는 상기 과금 정보를 상기 전기 이륜차의 직류-직류 컨버터에 전송하며, 상기 소모된 전력량, 상기 사용자 정보 및 상기 과금 정보가 상기 전기 이륜차에 구비된 표시부를 통해 표시됨을 특징으로 하는 전기 이륜차 무선 충전 시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 급전 인버터에는 가정용 전원이 연결된 것을 특징으로 하는 전기 이륜차 무선 충전 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 이륜차 거치대의 급전 패드로부터의 자기장은 상기 전기 이륜차의 집전 패드에 전자기 유도 방식 또는 자기 공명 방식으로 전송됨을 특징으로 하는 전기 이륜차 무선 충전 시스템.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
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