KR102185622B1

KR102185622B1 - 주행차량의 무선충전 급전 시스템 및 그의 제어 방법

Info

Publication number: KR102185622B1
Application number: KR1020180170746A
Authority: KR
Inventors: 조동호; 정구호; 송보윤; 이충희; 이자현
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2018-12-27
Filing date: 2018-12-27
Publication date: 2020-12-02
Also published as: KR20200084465A

Abstract

본 발명은 주행차량의 무선충전 급전 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 급전 장치가 차지하는 공통선의 영역을 줄임과 동시에 전력공급을 효율적이고 능동적으로 제어하는 주행차량의 무선충전 급전 시스템 및 그의 제어 방법에 관한 것이다.

Description

주행차량의 무선충전 급전 시스템 및 그의 제어 방법{Wireless charging power transfer system for moving vehicles and method of controlling the same}

지구 온난화로 인해 자동차, 철도 등의 교통수단에 대해, 석유 에너지를 대체하기 위해 에너지 공급원으로서 배터리를 이용한 전기력의 사용이 증가하고 있다. 그러나 현재는 배터리의 용량이 충분치 않아 주행거리가 짧고 잦은 충전이 요구될 뿐만 아니라, 충전소 등의 인프라 부족, 또한 충전 시간 소요 등의 원인으로 인해 전기차가 더욱 일반적으로 보급되기에는 한계가 있어 왔으나, 주행 중에 도로상에서 무선충전이 가능하도록 급전 시스템이 설치되고 있기도 하다.

그러나 전기차량의 주행 중 무선충전 상황에서 급전 불요 자기장 제거를 위해 급전에 세그먼트를 두어 차량이 지나간 후에는 세그먼트를 오프(off)시켜 불요 자기장을 제거하여야 했다. 이러한 세그먼트를 제어하기 위하여 각각의 세그먼트를 각각의 기계적으로 체결된 전력선을 통해 인버터에서 전력을 각각 제어하였다. 이렇게 구현을 하다 보니 각각의 전력을 수급받기 위해서는 하나의 세그먼트 당 하나의 전력선이 따라와야 하는 문제가 발생하게 되었다. 그리고 각각의 세그먼트들이 구성된 영역까지 수많은 전력 케이블들이 급전 선로의 측면 또는 하부로 배치되어 세그먼트 영역까지 연결을 시켜야 하므로 선로의 측면 또는 하부의 공간이 필요하게 되므로 도로가 더 넓어야 하거나 깊은 폭이 필요하였다. 또한 세그먼트를 확장하기 위해서는 기계적 체결을 위한 코일을 세그먼트 영역까지 연장하여야 함으로 코일을 대폭 증가시켜야 하는 문제를 야기 시키기도 하였다. 선행 기술 특허 문헌 US 9,533,590 B2 에서는 인버터와 기계적으로 체결된 전력선 즉, 공통선이 차지하는 영역이 세그먼트 수에 따라 계속 길어질 수밖에 없음을 보여주고 있으며, 이는 다수의 세그먼트가 필요한 급전선로 및 급전 시스템을 구현하기 위해서는 공통선의 설치를 위해 공사시간, 시공비용, 재료비, 무게, 부피 등 모든 소요비용을 증가시키는 문제가 발생한다.

US 9,533,590 B2

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 급전 장치가 차지하는 공통선의 영역을 줄임과 동시에 전력공급을 효율적이고 능동적으로 제어하는 주행차량의 무선충전 급전 시스템 및 그의 제어 방법을 제공하는데 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 주행차량의 무선충전 급전 시스템은 복수개의 세그먼트가 겹쳐진 형태로 구성된 급전장치; 상기 급전장치를 구성하는 복수개의 세그먼트 중 적어도 어느 하나의 세그먼트에 교류 전력을 공급하는 인버터; 상기 인버터에 연결되어 상기 적어도 어느 하나의 세그먼트에 교류 전력을 전달하는 공통선; 및, 상기 적어도 어느 하나의 세그먼트에 공급된 전력이 적어도 다른 하나의 세그먼트에 방사되어 전류가 흐르도록 하는 중계부를 포함한다.

바람직하게는 상기 적어도 다른 하나의 세그먼트에 스위치가 배치되는 것이다.

바람직하게는 상기 중계부는 중계 코일로 이루어진 것이다.

바람직하게는 상기 중계 코일은 LC 공진회로인 것이다.

바람직하게는 상기 주행차량의 무선충전 급전 시스템은 2차원 또는 3차원 형태 중 어느 하나인 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면은 복수개의 세그먼트 일부가 각각의 방향으로 겹쳐져 공통부를 포함하여 구성되는 급전장치; 상기 공통부에 교류전력을 공급하는 인버터; 및 상기 인버터에 연결되어 상기 공통부에 전력을 전달하는 공통선을 포함한다.

바람직하게는 상기 각각의 방향은 양방향 또는 사방향 중 어느 하나 인 것이다.

본 발명에 의하면, 급전 장치가 차지하는 공통선의 영역을 줄임으로 공사시간, 시공비용, 재료비, 무게, 부피 등 모든 소요비용을 감소시키는 효과가 있다.

또한 차량 내 픽업의 위치에 따라 각 세그먼트 별로 선별적으로 스위칭 됨에 따라 전력을 효과적으로 전달하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 주행차량의 무선충전 급전 시스템을 도시한 개념도.
도 2는 도 1에 따른 주행차량의 무선충전 급전 시스템을 적용하기 위한 시뮬레이션을 구성도.
도 3은 도2에 따른 주행차량의 무선충전 급전 시스템의 등가 회로도.
도 4는 도 1에 따른 주행차량의 무선충전 급전 시스템을 변형한 실시예를 나타낸 도면.
도 5는 도 1에 따른 주행차량의 무선충전 급전 시스템을 변형한 다른 실시예를 나타낸 도면.
도 6은 도 4 내지 실시예가 확장되는 구성을 보여주는 도면.
도 7은 도 1에 따른 주행차량의 무선충전 급전 시스템에서 중계부의 코일을 변형한 실시예를 나타낸 도면.
도 8은 도 1에 따른 주행차량의 무선충전 급전 시스템에서 중계장치의 코일을 변형한 다른 실시예를 나타낸 도면.
도 9는 도 1에 따른 주행차량의 무선충전 급전 시스템에서 중계장치의 중계코일을 2차원으로 확장한 실시예를 나타낸 도면.
도 10은 종래의 주행차량의 무선충전 급전 시스템을 도시한 도면.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명에 따른 주행차량의 무선충전 급전 시스템을 도시한 개념도이다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 주행차량의 무선충전 급전 시스템은 복수개의 세그먼트 #1, #2(10a, 10b)가 겹쳐진 형태로 구성된 세그먼트 식 급전장치(10)와, 급전장치(10)를 구성하는 복수개의 세그먼트 중 적어도 어느 하나의 세그먼트 #2(10b)에 교류 전력을 공급하는 인버터(15)와, 인버터(15)에 연결되어 적어도 어느 하나의 세그먼트 #2(10b)에 교류 전력을 전달하는 공통선(17)과, 적어도 어느 하나의 세그먼트 #2(10b)에 공급된 전력이 방사되어 적어도 다른 하나의 세그먼트 #1(10a)에 전류가 흐르도록 중계하는 중계부(12)와, 적어도 다른 하나의 세그먼트 #1(10a)에 배치되는 스위치(13)를 포함한다. 본 발명에서는 2개의 세그먼트 #1, #2(10a, 10b)를 예로 들었지만 세그먼트 수를 2개로 한정하지 않는다. 일반적으로 세그먼트 식 급전선로는 급전을 위한 선로가 긴 경우에 사용하지만, 그렇지 않더라도 각 세그먼트의 영역별로 전력이 선택적으로 공급될 필요가 있는 경우에 사용된다. 도 10은 종래의 주행차량의 무선충전 급전 시스템을 도시한 도면으로 각 세그먼트 #1, #2(50, 60) 마다 스위치(51, 61)가 배치된다. 그리고 공통선(52, 62)이 각 세그먼트 #1, #2(50, 60)의 개수와 비례하여 1쌍씩(4개) 마련된다. 즉 종래의 세그먼트 식 급전선로의 공통선(52, 62)은 세그먼트 #1, #2(50, 60)의 수와 같거나 더 적은 수의 인버터와 연결되지만, 도 1을 통한 본 발명에서는 공통선(17)이 세그먼트 #1, #2(10a, 10b)의 개수와 관계없이 1쌍(2개)이 존재한다.

여기서 급전장치(10)의 세그먼트 #1(10a)에는 전류가 인버터(15)로부터 직접 인가되지 않는다. 다만 세그먼트 #2(10b)에 직접 공급된 전력이 전자기파의 형태로 방사되게 되며, 이 방사된 전력이 세그먼트 #1(10a)에 인가되어 이 세그먼트 #1(10a)과 세그먼트 #2(10b)에 전류가 흐르고 전압이 걸리게 된다.

도 2는 도 1에 따른 주행차량의 무선충전 급전 시스템을 적용하기 위한 시뮬레이션을 구성도이다. 도 2는 집전코일과 세그먼트식 중계 코일, 그리고 급전코어로 구성된 급전장치(10)와 중계코일 중심으로부터 40cm 높이에 집전장치(20)를 두어 전력이 인가되는지 확인해 보았으며, 도 3은 도 2에 따른 주행차량의 무선충전 급전 시스템의 등가회로를 나타낸 도면이다.

도 3을 참조하면 본 발명에 따른 주행차량의 무선충전 급전 시스템의 급전장치의 왼쪽은 급전코일이고, 회로의 중간에 위치한 코일은 중계코일이며, 오른쪽은 집전장치의 코일을 나타낸다. 중간에 위치한 중계코일은 LC회로이다. 이때 중계 코일이 없다면 0에 가까운 전력이 집전장치에 인가되어 미미하겠지만, 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 급전장치가 구성됨에 따라 집전장치에 전력이 인가됨을 확인할 수 있었다.

결과적으로 도 1의 세그먼트 #2(10b)의 코일과 다른 세그먼트 #1(10a)의 코일 간의 상호 인덕턴스가 클수록 세그먼트 #2(10b)에서 다른 코일로 더 효과적으로 전달할 수 있다. 이에 대한 간단한 방법은 세그먼트 #2(10b) 코일의 턴 수를 증가시키는 것과, 전달 받는 세그먼트 #1(10a) 코일의 턴 수를 증가시키는 방법이 있다. 이를 통해 결론적으로 중계 코일 및 시스템 전체적으로 원하는 전류사양을 정할 수 있다. 이때 세그먼트 #1(10a)은 LC 공진회로로 구성되는 것이 바람직하며, 공진주파수는 인버터(15)의 동작 주파수와 같거나 허용범위 안에 있는 것이 바람직하다.

따라서 본 발명에 따른 형태의 세그먼트식 급전장치가 있다면 이를 이용하여 주행 중인 차량에 전력을 인가시킬 수 있다. 차량이 인버터(15)와 기계적인 체결이 없는 세그먼트 #1(10a)을 지나 인버터(15)와 기계적인 체결이 존재하는 세그먼트 #2(10b)를 순차적으로 지나쳐 간다고 가정했을 때, 먼저 차량이 세그먼트 #1(10a)에 진입할 때, 세그먼트 #2(10b)에 전력을 공급하고 세그먼트 #1(10a)의 스위치를 켜게 되면, 이때 세그먼트 #1(10a)과 세그먼트 #2(10b) 사이에는 결합 정도에 따라 다음의 [수식 1]과 같이 자기적 결합이 생기게 된다.

[수식 1]

k=m/

여기서 L1은 세그먼트 #1(10a)이며, L2는 세그먼트 #2(10b) 이며, 자기적 결합은 코일의 중복정도 및 코일의 턴 수와 관련되어 가감될 수 있다. 일정 이상의 상호 인덕턴스를 지닐 경우 세그먼트 #1(10a)에서는 세그먼트 #2(10b)와 전류위상의 90도가 차이나는 전류가 형성이 될 것이며, 이러한 경우 세그먼트 #1(10a)에서도 집전측과의 상호 인덕턴스 및 세그먼트 #1(10a)의 전류로 인해 유도전압이 형성이 되어 전력이 집전측으로 전달 될 수 있게 된다.

도 4는 도 1에 따른 주행차량의 무선충전 급전 시스템을 변형한 실시예를 나타낸 도면으로, 복수개의 세그먼트 #1, #2(100a, 100b) 일부가 양방향으로 겹쳐진 공통부(110)를 포함하여 구성되는 급전장치(100)와, 공통부(110)에 교류전력을 공급하는 인버터(120)와, 이 인버터(120)에 연결되어 공통부(110)에 전력을 전달하는 공통선(130)을 포함한다.

도 5는 도 1에 따른 주행차량의 무선충전 급전 시스템을 변형한 다른 실시예를 나타낸 도면으로 복수개의 세그먼트 #1, #2, #3, #4(100a, 100b, 100c, 100d)의 일부가 사방향으로 겹쳐진 공통부(110)를 포함하여 구성되는 급전장치(100)와, 공통부(110)에 교류전력을 공급하는 인버터(120)와, 이 인버터(120)에 연결되어 공통부(110)에 전력을 전달하는 공통선(130)을 포함한다. 여기서 도 5의 사방향은 교차로와 같은 영역에서 세그먼트 구현에 적합할 것이며, 도 6은 도 4의 급전 시스템에서 세그먼트를 확장한 도면으로 차량의 진행에 따라 각각의 스위치를 통하여 온/오프 하여 제어가 가능하다. 그러나 도 4 및 도 5의 실시예가 도 1과 다른 점은 기계적으로 체결된 공통부(110)가 도 1의 세그먼트 식 중계부 역할을 하는 것이 아니라 공통부(110)에 전력을 공급하는 역할만을 하는 것이다.

이와 같이 도 4 내지 도 5의 실시예를 구현하기 위해서는 집전과 이격이 커서 집전측의 전압 형성은 줄이고, 급전장치(100)와의 결합 계수를 키우기 위해서 급전선로보단 작고 급전선로보다 지면으로부터 아래에 위치해 있는 것이 바람직하다. 이와 같은 방법으로 급전장치(100)로의 기계적 체결로 생기는 공통선(130)을 줄일 수 있다.

도 7 내지 도 8은 도 1에 따른 주행차량의 무선충전 급전 시스템에서 중계부의 코일을 변형한 실시예를 나타낸 도면이다.

도 7은 인버터 가까이에 있는 하나의 코일에 전력이 인가되며, 이 코일과 겹쳐서 오른쪽에 중계 코일이 위치한다. 이때 중계코일과 또 하나의 중계 코일이 겹쳐서 그 오른쪽에 또 위치한다. 이와 같은 구성이 반복되어 중계코일에 중계코일이 계속 겹쳐나가면서 하나의 급전장치의 급전라인을 형성한다. 이와 같이 형성된 급전라인 위에 인버터의 반대쪽 끝에서부터 차량이 진행되어 온다면 차량이 세그먼트의 스위치를 바꾸며 가까이 올 때 마다 지나친 세그먼트의 스위치를 끔으로써 차량에 효율적으로 전력을 공급할 수 있으며 긴 선로에 공통선을 한 쌍 만 사용할 수 있다.

도 8은 세그먼트간 결합계수를 높이기 위해 세그먼트 간 전력전송용 코일을 별도로 감아 서로 나란히 배열한 부분이 추가되었다. 빨간색 칸에는 집전과 전력전송을 위한 코일(공진회로)과 스위치가 있고 파란색 칸에는 전력전송을 위한 코일이 별도로 있는 것이다. 즉 하나의 세그먼트에 전력공급용 코일 회로와 세그먼트간 전력전송용 코일이 함께 연결되어 있다. 이는 집전장치가 위치하여 원하는 세그먼트에만 스위칭을 하더라도 세그먼트 간 전력 연결이 끊어지지 않는다는 것이다. 만약 도 7을 이용한다면 차량 2대가 하나의 세그먼트 간격을 두고 주행할 때 두 차량 모두에 전력을 공급할 수 있는 최소한의 세그먼트들의 스위치를 모두 켜야 하지만, 도 8을 통해서는 두 차량이 지나는 두 세그먼트의 스위치만을 켜면 된다. 즉 도 8과 같은 급전장치는 전력공급을 더욱 효율적이고 능동적으로 제어할 수 있는 장점이 있으며 2차원 평면 공간으로 확장하여 형성시킬 수 있다.

도 9는 도 1에 따른 주행차량의 무선충전 급전 시스템에서 중계장치의 중계코일을 2차원으로 확장한 실시예를 나타낸 도면이다.

도 9에 도시된 바와 같이 넓은 공간에 바둑판 식으로 코일이 배치되어 있고 각 코일이 겹쳐있음을 보여주고 있다. 이때 각 코일이 바둑판식으로 배열된 것으로 한정하지 않으며 별집 무늬 패턴, 삼각 패턴 등 2차원 평면위에서 코일이 겹쳐 있을 수 있는 형태라면 가능하며 3차원도 가능하다. 앞에서 설명한 바와 같이 급전 코일 중 어느 한 코일에 인버터로 전력을 직접인가 한다면 임의의 구성물(예를 들면; 버스, 트램 및 다수의 객차를 지니는 운송 수단 등)의 각 칸마다 집전장치가 있더라도 이를 센셍하여 중계코일을 스위칭함으로써 효과적으로 전력을 전달할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

10: 급전장치
10a: 세그먼트 #1
10b: 세그먼트 #2
12: 중계부
13: 스위치
15: 인버터
17: 공통선

Claims

복수개의 세그먼트가 겹쳐진 형태로 구성된 급전장치;
상기 급전장치를 구성하는 복수개의 세그먼트 중 적어도 어느 하나의 세그먼트에 교류 전력을 공급하는 인버터;
상기 인버터에 연결되어 상기 적어도 어느 하나의 세그먼트에 교류 전력을 전달하는 공통선; 및,
상기 적어도 어느 하나의 세그먼트에 공급된 전력이 적어도 다른 하나의 세그먼트에 방사되어 전류가 흐르도록 하는 중계부
를 포함하는 주행차량의 무선충전 급전 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 적어도 다른 하나의 세그먼트에 스위치가 배치되는 것
을 특징으로 하는 주행차량의 무선충전 급전 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 중계부는 중계 코일로 이루어진 것
을 특징으로 하는 주행차량의 무선충전 급전 시스템.
청구항 3에 있어서,
상기 중계 코일은 LC 공진회로인 것
을 특징으로 하는 주행차량의 무선충전 급전 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 주행차량의 무선충전 급전 시스템은 2차원 형태 또는 3차원 형태 주 어느 하나인 것
을 특징으로 하는 주행차량의 무선충전 급전 시스템.
복수개의 세그먼트 일부가 각각의 방향으로 겹쳐져 공통부를 포함하여 구성되는 급전장치;
상기 공통부에 교류전력을 공급하는 인버터; 및,
상기 인버터에 연결되어 상기 공통부에 전력을 전달하는 공통선
을 포함하는 주행차량의 무선충전 급전 시스템.
청구항 6에 있어서,
상기 각각의 방향은 양방향 또는 사방향 중 어느 하나 인 것
을 특징으로 하는 주행차량의 무선충전 급전 시스템.
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