KR102172179B1 - 전력 전송 방향 제어 장치 및 이를 포함하는 무선 충전 시스템 - Google Patents

전력 전송 방향 제어 장치 및 이를 포함하는 무선 충전 시스템 Download PDF

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Abstract

전력 전송 방향 제어 장치 및 이를 포함하는 무선 충전 시스템을 개시한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 전력 전송 방향 제어가 가능한 무선충전시스템은, 송신 코일을 포함하는 송신 장치, 수신 코일을 포함하는 수신 장치, 및 상기 송신 장치와 상기 수신 장치 사이에 위치하고, 커플링 코일, 및 상기 커플링 코일과 병렬로 연결된 제1 커패시터로 구성된 커플링부를 다수 포함하고, 상기 송신 장치와 상기 수신 장치에 의해 형성되는 공진 주파수가 상기 다수의 커플링부 각각에 의해 변경되는지 여부에 따라 전력 전송의 방향을 제어함을 특징으로 한다.

Description

전력 전송 방향 제어 장치 및 이를 포함하는 무선 충전 시스템{POWER TRANSFER DIRECTION CONTROL DEVICE AND WIRELESS CHARGING SYSTEM INCLUDING THE SAME}
본 발명은 전력 전송 방향 제어 장치 및 이를 포함하는 무선 충전 시스템에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 발명에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
종래의 화석연료를 에너지원으로 사용하는 자동차가 배출하는 배기가스는 공해의 원인이 될 뿐만 아니라 지구 온난화의 주범이 되고 있다. 이에 전세계 국가들은 내연기관차의 판매금지, 디젤차의 운행제한, 친환경차 의무판매제 정책 등을 시행하거나 시행할 예정에 있어, 전세계 자동차 회사들은 앞다퉈 다양한 자동차들을 개발하고 있다.
우리나라는 그 중에서도 전기자동차의 보급을 지원하고 있는데, 그 예로, 운전자가 전기자동차를 구매하면 구매 보조금을 지원하고, 전기자동차를 이용함에 있어 불편함이 없도록 충전 인프라를 전국에 구축하고 있다. 충전 인프라로 구축될 수 있는 전기자동차의 무선 충전 방식은 크게 2가지로 구분될 수 있다.
첫 번째는 자기유도 방식으로, 변압기의 1차 코일과 2차 코일간의 자기 유도 현상을 이용하는 것과 유사하게 전력을 송신하며, 송신 코일과 수신 코일이 근접거리에 위치해야 가능한 방식이다. 즉, 자기유도 방식은 자기장이 근접 거리에서 코일에 공동으로 영향을 줄 수 있어야 해 송신 코일과 수신 코일간의 거리에 민감하다. 뿐만 아니라, 자기유도 방식은 수신 코일의 위치 정합성에도 매우 민감하다. 자기유도 방식을 전기자동차의 충전에 적용하는 경우, 송신 코일과 수신 코일간의 간격을 좁히기 위해 상기 코일 중 하나를 기계적으로 움직이는 방식을 채용하고 있으나 차량마다 크기, 모양 등이 달라 상기 간격을 좁히고 상기 코일의 위치를 정확하게 정렬시키기에는 어려움이 있다. 또한, 이 경우에도 통상 지하에 매설되는 송신 코일 위로 전기자동차가 지나갈 수 있기 때문에, 차량 무게에 의해 상기 코일이 파손되거나 기구적 형상이 파손될 수 있다.
두 번째는 자기공진 방식으로, 수 MHz에서 수십 MHz 대역의 주파수를 사용하여 자기적 공진을 이루어 전력을 전송하는 방식이다. 자기공진 방식은 자기유도 방식보다는 먼 거리에서 에너지를 전달할 수 있어 효율이 더 높다. 자기공진 방식은 최근 휴대전화의 배터리 충전에 많이 이용되고 있다.
그 외에도 전자기파 방식이 있는데, 전자기파 방식은 전자기파를 이용한 정보의 전송과 동일한 메커니즘이지만 필요한 수준의 전력을 전송하기 위해서는 출력이 증가하여야 하며, 이 경우 전자기파에 의한 인체의 유해성 문제를 피하기 힘들다. 하지만 원거리 전송도 충분히 가능하기 때문에 개인 용도가 아닌 산업용에서 연구가 진행되고 있다.
본 실시예는, 전기자동차의 무선 충전을 위해 전력 전송 방향을 제어하는 방법과 시스템을 제공하는 데 주된 목적이 있다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 전력 전송 방향 제어가 가능한 무선충전시스템은, 송신 코일을 포함하는 송신 장치, 수신 코일을 포함하는 수신 장치, 및 상기 송신 장치와 상기 수신 장치 사이에 위치하는 커플링 코일, 및 상기 커플링 코일과 병렬로 연결된 제1 커패시터로 구성된 커플링부를 다수 포함하고, 상기 송신 장치와 상기 수신 장치에 의해 형성되는 공진 주파수가 상기 다수의 커플링부 각각에 의해 변경되는지 여부에 따라 전력 전송의 방향을 제어함을 특징으로 한다.
본 실시예의 다른 측면에 의하면, 전력 전송 방향을 제어하기 위한 장치는, 2개 이상의 커플링부를 포함하고, 상기 각각의 커플링부는 코일, 및 상기 코일과 병렬로 연결된 제1 커패시터로 구성되며, 송신 장치와 수신 장치에 의해 형성되는 공진 주파수가 상기 각각의 커플링부에 의해 변경되는지 여부에 따라 전력 전송 방향을 제어함을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 실시예에 의하면, 송신 코일과 수신 코일을 정렬함에 있어 기계적인 방식이 아닌 전기적 스위칭 기법을 이용해 송신 전력 방향을 제어할 수 있다.
본 실시예에 의하면, 후진 방지턱 내에 위치한 커플링 코일을 제어하여 지하에 매설된 송신 코일로부터 차량 하부에 위치하는 수신 코일까지 높은 효율로 전력 전송을 발생시킬 수 있다.
본 실시예에 의하면, 송신 코일과 수신 코일을 정확하게 정렬하지 않아도 높은 효율로 전력을 전송할 수 있다.
또한, 본 실시예에 의하면, 통상적으로 매설되는 후진 방지턱 내부에 송신 코일의 전송 방향을 제어할 수 있는 커플링 코일을 배치하고 전기적 스위칭 기법으로 전력 전송 방향을 제어해 추가적인 구조물을 최소화하면서도 구현하기 어려운 수신 코일로의 전력 전송을 가능하게 할 수 있다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 전력 전송 방향 제어 장치를 포함하는 무선 충전 시스템을 간략히 나타낸 도면,
도 2a는 본 개시의 일 실시예에 따라 무선 충전 시스템을 구성하는 코일들의 배열을 상측에서 본 모습을 나타낸 도면,
도 2b는 본 개시의 일 실시예에 따라 무선 충전 시스템을 구성하는 코일들의 배열을 측면에서 본 모습을 나타낸 도면,
도 2c는 본 개시의 일 실시예에 따라 무선 충전 시스템을 구성하는 코일들의 동작원리를 나타낸 도면,
도 3a은 본 개시의 일 실시예에 따라 무선 충전 시스템의 전체 회로도를 나타낸 도면,
도 3b는 본 개시의 일 실시예에 따라 커플링부에 의해 무선 충전 시스템의 공진 주파수가 변하지 않는 경우의 등가 회로를 나타낸 도면,
도 3c는 본 개시의 일 실시예에 따라 커플링부에 의해 무선 충전 시스템의 공진 주파수가 변한 경우의 등가 회로를 나타낸 도면,
도 4는 본 개시에 따른 커플링부의 품질 계수를 높이기 위한 회로의 일 예를 나타낸 도면이다.
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.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함', '구비'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 '…부', '모듈' 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
본 개시는 전기자동차의 충전에 있어 자기공진 방식을 적용한 것이다.
구체적으로, 자기공진 방식은 자기유도 방식보다 높은 주파수를 사용하여 공간상에서 자기적 결합특성을 이루어 전력을 전송하는 방식이다. 자기공진 방식은 자기유도 방식보다는 먼 거리까지 에너지를 전달할 수 있으며, 전력 전송이 가능한 공간을 형성해 송신 코일과 수신 코일간의 위치 정합성이 낮더라도 전력 전송을 가능하게 한다. 자기공진 방식은 송신 코일과 수신 코일 사이에 방향성을 두는 커플링 코일을 비치하거나 송신 코일과 수신 코일에 방향성을 높이는 형태로 설계되기 때문에, 기존 자기유도 방식보다는 코일과 기구 설계 결과가 전력 전송 특성에 큰 영향을 미친다. 자기공진 방식에 기반을 둔 전기자동차 충전 시스템에서는 차량 내 혹은 지중내에 커플링 코일을 위한 별도 공간을 마련하거나 커플링 코일 위치를 물리적으로 이동시켜 원하는 방향으로 전력을 전송하나, 이러한 방식은 커플링이 발생하는 공간을 제어하는 것이 아니기 때문에 고출력 전력 신호가 외부로 유출될 수 있어 인체 및 주변 환경에 대한 유해성이 문제된다.
본 개시에서는 전력 전송 방향 제어 장치로 후진 방지턱을 예로 설명하나, 반드시 후진 방지턱일 필요는 없으며 본 개시의 후진 방지턱이 가진 구성이 포함된 다른 장치일 수 있다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 전력 전송 방향 제어 장치를 포함하는 무선 충전 시스템을 간략히 나타낸 도면이다.
도 1은 주차장에 주차된 전기자동차(110)를 나타낸 것이다. 일반적으로 주차장 바닥에는 주차선 외에도 자동차의 후진을 일정 이상 방지하기 위한 후진 방지턱(120)이 설치되어 있다.
본 개시에 따른 무선 충전 시스템은 주차장 바닥의 송신 코일(130)을 포함하는 전력 송신 장치, 후진 방지턱(120)의 커플링 코일(150)을 포함하는 커플링부(미도시)로 구성된 전력 전송 방향 제어 장치, 및 전기자동차의 수신 코일(140)을 포함하는 전력 수신 장치로 구성되며, 커플링부의 커플링 코일(150)을 통해 주차장 바닥의 송신 코일(130)로부터 전기자동차의 수신 코일(140)로 전력이 전송된다. 본 개시에서는 커플링부의 커플링 코일(150)을 이용해 전력 전송의 방향을 제어할 수 있다.
상기 무선 충전 시스템의 주요 구성 요소인 송신 코일(130), 커플링 코일(150), 수신 코일(140)의 배열 및 동작원리에 대해서는 이하의 도면에서 상세히 설명한다.
도 2a는 본 개시의 일 실시예에 따라 무선 충전 시스템을 구성하는 코일들의 배열을 상측에서 본 모습을 나타낸 도면이며, 도 2b는 본 개시의 일 실시예에 따라 무선 충전 시스템을 구성하는 코일들의 배열을 측면에서 본 모습을 나타낸 도면이다.
도 2a 및 도 2b에서 송신 코일(130)은 주차장에 설치된 후진 방지턱의 지하에 매설된 것일 수 있다. 복수 개의 커플링 코일(151, 152, 153, 154, 155, 156, 157, 158, 159)은 후진 방지턱 내부에 포함된 것일 수 있으며, 송신 코일(130)의 상부에 위치할 수 있다. 수신 코일(140)은 전기자동차의 내부에 설치될 수 있다.
전기자동차가 충전을 하기 위해 무선 충전 시스템이 설치된 주차장에 주차되면, 수신 코일(140)은 상기 복수 개의 커플링 코일 중 일부(151, 152, 153, 154, 155, 156)와 겹쳐지게 위치할 수 있다. 겹쳐지는 정도는 전기자동차의 크기, 모양, 운전자의 조작 등에 의해 달라질 수 있다. 이때 수신 코일(140)과 겹쳐지는 커플링 코일을 통해서만 전력이 전송될 수 있다.
결과적으로, 도 2a 및 도 2b에서는 상기 복수 개의 커플링 코일 중 3개의 커플링 코일(157, 158, 159)이 수신 코일(140)과 위치상 겹치지 않아 전력을 전송하지 않고, 6개의 커플링 코일(151, 152, 153, 154, 155, 156)이 수신 코일(140)과 위치상 겹쳐져 전력을 전송할 수 있다.
도 2c는 본 개시의 일 실시예에 따라 무선 충전 시스템을 구성하는 코일들의 동작원리를 나타낸 도면이다.
송신 장치와 수신 장치로 구성된 시스템의 공진 주파수를 fon 라고 가정한다.
도 2c는 무선 충전 시스템의 단면을 나타낸 것으로, 전력을 송신하기 위해 커플링 코일(151, 154)(즉, 커플링부)이 송신 코일(130)과 수신 코일(140) 사이에 위치하더라도 송신 코일(130), 수신 코일(140), 및 커플링 코일(151, 154)(즉, 커플링부)에 의해 형성되는 공진 주파수가 여전히 fon으로 동일하면, 송신 코일(130)과 커플링 코일(151, 154) 사이에 1차 커플링이 발생하고, 수신 코일(140)과 커플링 코일(151, 154) 사이에 2차 커플링이 발생하여 결과적으로 송신 코일(130)부터 수신 코일(140)로 전력을 전송한 것이 된다.
그러나, 수신 코일(140)이 위치하지 않는 영역에 존재하는 커플링 코일(157)은 전력 전송에 있어 필요가 없으므로, 커플링 코일(157)과 송신 코일(130)에 의해 형성되는 공진 주파수를 foff로 달리하여 커플링이 발생하지 않도록 할 수 있다. 이에 대해서는 이하의 도면을 이용해 자세히 설명한다.
도 3a은 본 개시의 일 실시예에 따라 무선 충전 시스템의 전체 회로도를 나타낸 도면이다.
본 개시의 일 실시예에 따른 무선 충전 시스템은 송신 장치, 커플링부, 및 수신 장치로 구성될 수 있다. 도 3a에서는 커플링부를 하나로 하여 설명하나, 무선 충전 시스템에는 다수의 커플링부가 포함될 수 있다. 상기 송신 장치는 송신 코일(130), 저항, 및 커패시터 등을 포함할 수 있다. 도 3a에서는 송신 코일(130)과 저항은 직렬로, 커패시터는 송신 코일(130) 및 저항과 병렬로 연결되어 있으나 그 세부적인 구성은 변경될 수 있다.
상기 커플링부는 커플링 코일(150), 품질 계수를 높이기 위한 회로(320)로 구성될 수 있다. 품질 계수를 높이기 위한 회로(320)는 아래의 도 4를 이용해 자세히 설명한다.
또한, 상기 수신 장치는 수신 코일(140), 저항, 커패시터, 다이오드 등을 포함할 수 있다. 상기 송신 장치와 유사하게 수신 코일(140)과 저항은 직렬로, 커패시터는 수신 코일(140) 및 저항과 병렬로 연결되어 있으나, 마찬가지로 그 세부적인 구성은 변경될 수 있다.
상기 송신 장치의 송신 코일(130)과 상기 커플링부의 커플링 코일(150) 사이에는 상호 인덕턴스 K1(310)이 생길 수 있으며, 상기 커플링부의 커플링 코일(150)과 상기 수신 장치의 수신 코일(140) 사이에는 상호 인덕턴스 K2(312)가 생길 수 있다. 무선 충전 시스템의 공진 주파수는 각 장치의 코일 자체의 인덕턴스 뿐만 아니라, 코일 상호간의 상호 인덕턴스도 고려된 것이다.
도 3b는 본 개시의 일 실시예에 따라 커플링부에 의해 무선 충전 시스템의 공진 주파수가 변하지 않는 경우의 등가 회로를 나타낸 도면이다.
구체적으로, 도 3b는 커플링부를 포함하는 무선 충전 시스템의 공진 주파수와 커플링부가 포함되지 않는 무선 충전 시스템의 공진 주파수가 동일한 경우의 등가회로를 나타낸 것이다.
본 실시예에 따르면 커플링 코일을 포함하는 전체 무선 충전 시스템의 공진 주파수를 조절하여 전력 전송 방향을 제어하여야 하는데, 상기 커플링 코일을 포함하는 전체 시스템의 공진 주파수는 송신 코일에 흐르는 전류를 이용해 결정할 수 있다. 수신 코일로 전송되는 전력의 효율이 높을수록, 상기 송신 코일과 상기 수신 코일 사이의 임피던스가 0에 가까워지므로 송신 코일에 흐르는 전류는 최대가 된다.
도 3c는 본 개시의 일 실시예에 따라 커플링부에 의해 무선 충전 시스템의 공진 주파수가 변한 경우의 등가 회로를 나타낸 도면이다.
구체적으로, 도 3c는 커플링부를 포함하는 무선 충전 시스템의 공진 주파수와 커플링부가 포함되지 않는 무선 충전 시스템의 공진 주파수가 동일하지 않은 경우의 등가회로를 나타낸 것이다.
커플링부를 포함해 무선 충전 시스템의 공진 주파수가 유지되지 않는 경우 커플링이 발생하지 않아 상기 수신 장치로 전력이 전달되지 않는다.
도 4는 본 개시에 따른 커플링부의 품질 계수를 높이기 위한 회로의 일 예를 나타낸 도면이다.
먼저, 전력 전송 방향 제어 장치의 커플링부는 커플링 코일외에 다른 소자들을 포함할 수 있고, 상기 전력 전송 방향 제어 장치는 다수의 커플링부로 구성될 수 있다. 이때 전력 전송 방향 제어 장치의 전력 전송 효율을 높이기 위해 도 4와 같은 품질 계수를 높이기 위한 회로를 포함할 수 있으며, 상기 품질 계수를 높이기 위한 회로는 고품질의 고정 커패시터 즉, 제1 커패시터(420)와 낮은 품질의 가변 커패시터 즉, 제2 커패시터(440)를 병렬로 연결하여 구성될 수 있다. 도 4에서 저항 Rp(410)와 Rpv(430)는 제1, 제2 커패시터 특성에 의한 것이다.
상기 전력 전송 방향 제어 장치의 공진 주파수와 품질 계수(Q)는 다음의 <수학식 1>과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112018125662746-pat00001
Figure 112018125662746-pat00002
여기서 Ctotal = C + Cv, Rtotal = Rp ∥ Rpv 가 된다.
동일한 공진 주파수를 고정 커패시터를 이용해 구현하는 경우와, 도 4와 같이 고정 커패시터와 가변 커패시터를 이용해 구현하는 경우 Q는 전자의 경우보다 후자의 경우 더 크게 구현할 수 있다. 예를 들어, C : Cv = 4 : 1이고, Rp : Rpv = 1 : 4이면, Q는 1.25배만큼 커지게 된다. 따라서, 공진 주파수는 Ctotal에 의해 결정되나, Ctotal을 고정하고 C와 Cv 의 비율을 달리하여 Q의 값을 크게 구현할 수 있다.
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.
110: 전기자동차 120: 후진 방지턱
130: 송신 코일 140: 수신 코일
150: 커플링 코일

Claims (9)

  1. 전력 전송 방향 제어가 가능한 무선 충전 시스템에 있어서,
    송신 코일을 포함하는 송신 장치; 및
    다수의 커플링부를 구비한 전력 전송 방향 제어 장치
    를 포함하고,
    각 커플링부는 상기 송신 코일에 대향하여 배치되는 커플링 코일 및 상기 커플링 코일에 연결된 가변의 커패시턴스를 갖는 제1 커패시터를 구비하고,
    상기 전력 전송 방향 제어 장치는 상기 다수의 커플링부의 공진 주파수를 조절하여 수신 장치의 수신 코일에 대향하는 커플링 코일들만 상기 송신 코일과 커플링되도록 제어함을 특징으로 하는 무선 충전 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 커플링부는 후진 방지턱에 설치됨을 특징으로 하는 무선 충전 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 커플링부 각각은,
    상기 제1 커패시터에 병렬로 연결된 제2 커패시터를 더 포함하고,
    상기 제2 커패시터는 상기 제1 커패시터에 비해 고품질을 가지는 것을 특징으로 하는 무선 충전 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 커플링부의 공진 주파수는,
    상기 송신 장치의 소모 전류가 최대가 되도록 조절되는 것을 특징으로 하는 무선 충전 시스템.
  6. 전력 전송 방향을 제어하기 위한 장치에 있어서,
    다수의 커플링부를 포함하고,
    각 커플링부는 커플링 코일 및 상기 커플링 코일에 연결된 가변의 커패시턴스를 갖는 제1 커패시터로 구성되며, 각 커플링 코일은 송신 장치의 송신 코일에 대향하여 배열되며,
    각 커플링부의 공진 주파수를 조절하여 수신 장치의 수신 코일에 대향하는 커플링 코일들만 상기 송신 코일과 커플링되도록 제어함을 특징으로 하는 전력 전송 방향 제어 장치.
  7. 삭제
  8. 제6항에 있어서,
    상기 다수의 커플링부 각각은,
    상기 제1 커패시터에 병렬로 연결된 제2 커패시터를 더 포함하고,
    상기 제2 커패시터는 상기 제1 커패시터에 비해 고품질을 가지는 것을 특징으로 하는 전력 전송 방향 제어 장치.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 다수의 커플링부의 공진 주파수는 상기 송신 장치에 흐르는 소모 전류가 최대가 되도록 제어되는 것을 특징으로 하는 전력 전송 방향 제어 장치.
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