KR102205485B1 - 전기적으로 독립적인 복수개의 코일을 갖는 무선 집전장치 및 이의 제어방법 - Google Patents

Abstract

독립적으로 제어가능한 4개의 코일을 구비하는 새로운 형태의 집전장치가 개시된다. 독립적으로 제어가능한 4개의 코일을 구비하는 급전장치도 함께 개시된다.
이러한 급전장치 및 집전장치에 의하여 표준 호환성을 만족하면서도 원거리 무선전력전송 효율이 개선된 급전 시스템 및 집전 시스템이 제공된다. 또한, 이 급전장치는 기존의 다양한 종류의 집전 시스템과 호환성이 있을 뿐만 아니라, 급전 자속 패턴을 변경함으로써 추후 개발될 새로운 집전 시스템과의 호환성 확장이 가능하며, 이 집전장치는 기존의 다양한 종류의 급전 시스템과 호환성이 있을 뿐만 아니라, 추후 개발될 새로운 급전 시스템과의 호환성 확장이 가능하다.
이러한 급전장치와 이러한 집전장치를 하나의 무선전력전송시스템으로 구성시키면 각각의 효과가 중첩되어 편차에 더욱 더 강인해지는 효과가 있음을 확인하였다.

Description

전기적으로 독립적인 복수개의 코일을 갖는 무선 집전장치 및 이의 제어방법 {Wireless power pickup apparatus having a plurality of electrically independent coils and method of controlling the same}

본 발명은 복수개의 코일을 구비하는 무선 집전장치 및 이의 제어방법에 관한 것으로서, 더 구체적으로는, 각각 전기적으로 분리되고 독립적으로 제어가능한 4개의 코일을 구비하는 무선 집전장치 및 이를 제어하여 임의의 급전장치로부터 발생한 다양한 패턴의 자기장을 효과적으로 수신할 수 있도록 하는 무선 집전장치 제어방법에 관한 것이다. 또한, 이들 급전장치와 집전장치를 이용하여 위치 편차가 발생했을 때 모드 전환을 통해 자기장의 형상을 바꿔줌으로써 전력전달을 더욱 효과적으로 할 수 있는 무선충전시스템에 관한 것이다.

종래의 원형 코일을 구비한 집전 시스템과 급전 시스템에 기초한 무선전력전송 방식은 원거리 충전, 즉, 집전 시스템과 급전 시스템 사이에 편차가 발생할 경우에 무선전력전송의 효율이 크게 떨어져 충전이 어려운 문제가 있다. 또한, 종래의 무선전력전송 시스템의 급전 시스템과 집전 시스템은 다른 종류의 급전 시스템 및 집전 시스템과의 호환성이 거의 없거나 크게 떨어지는 경향을 나타냈다. 이에 따라, 다른 종류의 집전 시스템이 급전 시스템으로부터 무선으로 전력을 전송받아 충전하고자 할 경우 충전의 용량과 효율이 표준에서 요구되는 것에 미치지 못한다는 문제가 있었다.

이러한 문제를 해결하기 위한 방안의 하나로서, 최근 독립적으로 전류 제어가 가능한 2개의 급전코일을 사용하여 원거리 충전 및 기존 표준 공간 내에서 일정 이상의 호환성이 있는 급전 시스템이 제안되었으나, 무선전력전송 호환성 표준의 정위치 및 편차 시에 종래의 원형 코일을 구비하는 급전 시스템에 비해 다소 낮은 호환 성능을 보이는 것으로 판단되고 있다. 제안된 급전코일 및 집전 코일의 형태는 2개의 급전코일이 나란하게 배열된 DD형, 나란하게 배열된 2개의 급전코일에 추가로 1개의 원형 코일이 중첩되어 배치되는 DDQ형, 및 2개의 급전코일이 나란하지만 서로 부분적으로 중첩되게 배치되는 BP형 등이 있다. 이러한 급전코일들을 구비하는 급전장치와 집전 코일들을 구비하는 집전장치에 대하여는 Adeel Zaheer 외 3인, Investigation of Multiple Decoupled Coil Primary Pad Topologies in Lumped IPT Systems for Interoperable Electric Vehicle Charging, IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL. 30, NO. 4, APRIL 2015 에서 설명되어 있다. 해당 문헌에서 제안된 급전장치에 대응되는 집전 장치는 2개의 나란하게 배열된 집전 코일을 구비(DD형 집전 코일)하고 있다.

이에 따라, 표준에서 요구하는 용량과 효율을 만족하면서도 종래의 원형 코일을 구비하는 급전 시스템이 가지지 못한 원거리 충전이 가능한 급전 시스템이 요구된다. 또한, 예를 들어 DD형 집전 코일과 같이 새로 제안되는 집전 시스템에 대응하여 효율적인 무선전력전송이 가능한 급전 시스템이 요구된다.

또한, 표준에서 요구하는 용량과 효율을 만족하는 동시에 종래의 원형 코일을 구비하는 급전 장치가 형성한 자기장을 큰 편차가 존재하는 경우에도 효과적으로 무선으로 전력을 전송받을 수 있는 집전 장치가 요구된다.

Adeel Zaheer 외 3인, Investigation of Multiple Decoupled Coil Primary Pad Topologies in Lumped IPT Systems for Interoperable Electric Vehicle Charging, IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL. 30, NO. 4, APRIL 2015

본 발명은 표준 호환성을 만족하면서 동시에 큰 편차가 존재하는 경우에도 무선전력전송의 효율이 개선된 무선 급전장치 및 무선 집전장치 그리고 이러한 무선 급전장치와 무선 집전장치가 통합된 무선전력전달시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 기존의 다양한 종류의 무선 급전장치와의 호환성이 있을 뿐만 아니라, 집전코일 간의 연결 상태를 변경하거나 집전코일에 흐르는 전류의 위상을 제어함으로써 다른 분야 또는 추후 개발될 새로운 무선 급전장치와의 호환성 확장이 가능한 무선 집전장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

전술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 형태에 따라, 인접하는 다른 집전코일과 부분적으로 중첩되도록 배치되며, 전기적으로 서로 독립된 4개의 집전코일을 구비하는 무선 집전장치를 제어하는 방법으로서, (a) 상기 4개의 집전코일의 상태를 감지하는 단계; (b) 상기 단계 (a)에서 감지된 각 집전코일의 상태를 포함하는 정보에 기초하여, 상기 무선 집전장치의 위치를 판단하는 단계; (c) 상기 단계 (b)에서 판단된 상기 무선 집전장치의 위치를 포함하는 정보에 기초하여 각 집전코일의 작동모드를 결정하는 단계; 및 (d) 상기 단계 (c)에서 결정된 각 집전코일의 작동모드에 기초하여, 각 집전코일의 작동을 조정하는 단계를 포함하는 무선 집전장치 제어방법이 제공된다.

본 발명의 다른 형태에 따라, 무선으로 전력을 전송받기 위한 집전장치로서, 인접하는 다른 집전코일과 부분적으로 중첩되도록 배치되며, 전기적으로 서로 독립된 적어도 4개의 집전코일; 상기 적어도 4개의 집전코일 각각에 발생하는 전류의 변화를 포함하는 정보가 입력으로 제공되는 경우 집전장치의 위치를 포함하는 정보를 출력시키는 집전장치 위치 판단부; 상기 4개의 집전코일의 작동을 개별적으로 제어하는 제어부로서, (a) 상기 4개의 집전코일의 상태를 감지하는 단계; (b) 상기 단계 (a)에서 감지된 각 집전코일의 상태를 포함하는 정보에 기초하여, 상기 무선 집전장치의 위치를 판단하는 단계; (c) 상기 단계 (b)에서 판단된 상기 무선 집전장치의 위치를 포함하는 정보에 기초하여 각 집전코일의 작동모드를 결정하는 단계; 및 (d) 상기 단계 (c)에서 결정된 각 집전코일의 작동모드에 기초하여, 각 집전코일의 작동을 조정하는 단계를 수행하는 제어부를 포함하는 무선 집전장치가 제공된다.

본 발명의 또다른 형태에 따라, 무선으로 전력을 전송받기 위한 집전장치에서 사용되는 집전코일 장치로서, 각각 4각 형상을 가지고 서로 중첩하도록 배치되는 4개의 집전코일을 포함하되, 상기 4개의 집전코일은 전기적으로 서로 독립적이며, 상기 각 집전코일은 1.0 내지 1.25 사이의 종횡비를 갖고, 각 집전코일의 어느 한 변이 인접하는 다른 급전코일과 중첩되는 비율은 0.5 내지 0.8 사이인 무선 집전장치용 집전코일 장치가 제공된다.

본 발명에 따라, 기존의 다양한 종류의 무선 급전장치와 호환성이 있을 뿐만 아니라, 집전코일간 연결상태를 변경하거나 각 집전코일에 흐르는 전류의 위상을 제어함으로써 다른 분야 또는 추후 개발될 새로운 무선 급전장치와의 호환성 확장이 가능한 집전장치가 제공된다.

또한, 본 발명에 따라, 표준 호환성을 만족하면서도 원거리 무선전력전송 효율이 개선된 무선 급전장치와, 표준 호환성을 만족하면서도 원거리 무선전력전송 효율이 개선된 무선 집전장치가 제공된다. 또한, 본 발명에 따른 무선 급전장치와 무선 집전장치가 결합되어 그 효과가 극대화된 무선전력전송 시스템이 제공된다.

도 1은 종래의 표준 급전장치가 가로 방향으로 길게 배치된 경우 표준 집전장치의 위치 편차에 따른 유도기전력을 나타내는 도면.
도 2는 종래의 표준 급전장치가 세로 방향으로 길게 배치된 경우 표준 집전장치의 위치 편차에 따른 유도기전력을 나타내는 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 급전장치의 개략도.
도 4는 도 3에 도시된 급전장치의 급전코일 장치의 평면도 및 정면도.
도 5는 도 3에 도시된 급전장치의 공진 커패시터 모듈을 개략적으로 도시한 도면.
도 6은 도 3에 도시된 급전장치의 급전코일 장치의 작동모드를 나타내는 도면으로서, 도시된 급전코일 장치의 각 급전코일은 정사각형임.
도 7는 도 3에 도시된 급전장치의 급전코일 장치의 작동모드를 나타내는 도면으로서, 도시된 급전코일 장치의 각 급전코일은 직사각형임.
도 8은 도 3에 도시된 본 발명에 따른 급전코일 장치에서 급전코일 장치의 종횡비와 중첩 정도에 따른 유도기전력의 변화를 나타내는 도면.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 집전장치를 나타내는 도면.
도 10은 도 9에 도시된 집전장치의 집전코일 장치를 나타내는 도면.
도 11은 도 10에 도시된 집전코일 장치의 1개의 집전코일을 도시한 도면.
도 12는 도 10에 도시된 집전코일의 작동모드를 설명하기 위한 도면.
도 13a는 표준 급전장치에 대하여 중심에서 y-방향으로 벗어난 위치에 본 발명에 따른 집전장치가 배치되는 경우 집전코일의 작동모드를 설명하기 위한 도면
도 13b는 표준 급전장치에 대하여 중심에서 x-방향으로 벗어난 위치에 본 발명에 따른 집전장치가 배치되는 경우 집전코일의 작동모드를 설명하기 위한 도면.
도 13c는 표준 급전장치에 대하여 중심에서 대각선 방향으로 벗어난 위치에 본 발명에 따른 집전장치가 배치되는 경우 집전코일의 작동모드를 설명하기 위한 도면.
도 14는 본 발명에 따른 집전장치가 표준 급전장치의 중심 위치로부터 벗어나는 경우 집전장치에 유도되는 기전력을 나타내는 그래프.
도 15는 본 발명에 따른 급전장치에서 집전장치의 위치를 파악하기 위한 방법을 설명하는 순서도.
도 16은 도 15에서 단계 S120의 세부 단계의 순서도.
도 17은 본 발명에 따른 집전장치에서 자신의 위치를 파악하기 위한 방법을 설명하는 순서도.
도 18은 본 발명에 따른 급전장치와 본 발명에 따른 집전장치를 조합하여 사용하는 경우 집전장치의 위치 편차에 따른 유도기전력의 변화를 나타내는 그래프.
도 19a는 본 발명에 따른 급전장치가 올모드 상태일 경우, 본 발명에 따른 급전장치의 위치 편차에 따른 집전장치의 작동모드 변화를 나타내는 도면.
도 19b는 본 발명에 따른 급전장치가 올모드 상태일 경우, 본 발명에 따른 급전장치의 위치 편차에 따른 집전장치의 작동모드 변화를 나타내는 도면.
도 19c는 본 발명에 따른 급전장치의 작동모드가 변화할 때 본 발명에 따른 급전장치의 위치 편차에 따른 집전장치의 작동모드 변화를 나타내는 도면.
도 19d는 본 발명에 따른 급전장치의 작동모드가 변화할 때 본 발명에 따른 급전장치의 위치 편차에 따른 집전장치의 작동모드 변화를 나타내는 도면.
도 20은 표준 급집전 시스템과 본 발명에 따른 급집전 시스템의 위치에 따른 편차를 나타내는 도면.
도 21은 도 5에 도시된 공유 커패시터 모듈을 사용하는 경우, 급전코일의 각 모드에서의 스위치의 작동을 설명하기 위한 도면.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 이하의 설명에서는 구체적인 사항들이 나타나 있는데 이는 본 발명의 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐 이러한 사항들이 본 발명의 범위 내에서 소정의 변형이나 혹은 변경이 이루어질 수 있음은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략한다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조 번호들은 원칙적으로 동일한 구성요소들을 나타낸다.

급전장치

급전장치의 구성

도 1에는 표준에 따른 급집전 시스템에서 급전 장치(1)를 가로로 길게 배치시킨 후 집전 장치(2)를 급전 장치(1)의 중심에 대하여 x-방향 및 y-방향으로 이동시키며 집전 장치(2)에 유도되는 전압을 시뮬레이션으로 계산한 결과가 나타나 있으며, 도 2에는 표준에 따른 급집전 시스템에서 급전 장치(1)를 세로로 길게 배치시킨 후 집전 장치(2)를 급전 장치(1)의 중심에 대하여 x-방향 및 y-방향으로 이동시키며 집전 장치(2)에 유도되는 전압을 시뮬레이션으로 계산한 결과가 나타나 있다. 도 1 및 도 2의 테이블에서 적색 글자로 표시된 구간은 집전 장치(2)에 역기전력이 생성된 것을 의미한다.

한편, 주차 영역에 관한 표준은 국가별로 상이하지만, 폭은 2.0m에서 2.6m 사이이며, 길이는 약 5m에서 6m 사이로 규정되어 있다. 또한, 일반적으로 차량의 폭은 소형차의 경우 약 1.6m에서 준준형차량의 경우 약 1.8m 정도의 크기를 갖는다. 이에 따라, 무선전력전송을 받아 차량의 배터리를 충전하고자 할 때, 급전장치와 집전장치는 약 0.1m에서 0.5m 사이의 편차가 발생할 수 있다.

따라서, 표준에 따른 급집전 시스템에서 급전 장치의 위치와 집전 장치의 위치에 편차가 발생하는 경우, 편차가 작더라도 유도되는 전력이 크게 감소되며, 편차가 큰 경우에는 역기전력이 발생하는 문제가 발생함을 알 수 있다.

도 3에는 본 발명의 일 실시예에 따른 4개의 코일을 구비하는 급전코일 장치(110) 및 이를 이용하는 급전장치(100)가 개략적으로 도시되어 있다. 급전장치(100)는 4개의 급전코일(111, 112, 113, 114)을 구비하는 급전코일 장치(110), 공진 커패시터 모듈(130), 인버터(140) 및 각 코일(111, 112, 113, 114)을 공진 커패시터 모듈(130)을 경유하여 인버터(140)와 연결하는 4개의 스위치(121,1 22, 123, 124)를 포함한다.

도 4에는 도 3에 도시된 급전코일 장치(110)의 일 예가 도시되어 있다. 동일한 참조부호는 동일한 요소를 나타내며, 참조부호 15는 급전 코어(115)를 나타낸다. 도 4에 도시된 4개의 급전코일(111, 112, 113, 114)은 각각 대체로 4각 형상을 가지며, 코일이 형성하는 내부 면적이 부분적으로 서로에 대해 중첩되도록 배치된다. 또한, 각 코일은 동일한 크기를 갖는 정사각형 형태를 갖는다. 그러나, 급전코일의 형태는 반드시 정사각형에 한정되지 않으며 요구되는 자속 패턴에 대응하여 다양하게 변경될 수 있다. 또한, 도 4에 도시된 실시예에서는 각 코일이 서로 동일한 방식으로 중첩되어 있으나, 요구되는 자속 패턴에 대응하여 중첩되는 방식은 다양하게 변경될 수 있다. 급전코일 장치(110)의 4개의 급전코일은 급전 코어(115) 상에서 제3 급전코일(113), 제2 급전코일(112), 제1 급전코일(111) 및 제4 급전코일(114)의 순서로 적층되어 배치된다. 각 코일 사이의 공간에는 급전코일의 형상을 유지하기 위한 형상 유지 부재(도시되지 않음)가 배치될 수 있다. 급전코일의 배치는 다른 방식으로 이루어질 수 있음은 자명하다.

각 급전코일(111, 112, 113, 114)은 스위치(121, 122, 123, 124)를 매개로 하여 인버터(40)와 연결된다. 일 예로서, 각 스위치(121, 122, 123, 124)는 각 급전코일(111, 112, 113, 114)에 공급되는 전력의 방향을 절환하거나 차단할 수 있도록 형성된다. 이에 따라, 각 코일(111, 112, 113, 114)에는 각각의 스위치의 절환 작동에 의하여 위상이 동일하거나 반대인 고주파 전력이 제공될 수 있으며, 전력의 공급이 차단될 수도 있다. 각 급전코일(111, 112, 113, 114)과 인버터(140)는 공진 커패시터 모듈(130)을 매개로 연결된다.

도 5에는 공진 커패시터 모듈(130)의 일 예 및 각 급전코일(111, 112, 113, 114)과 공진 커패시터 모듈(130) 사이의 전기적인 연결 관계가 개략적으로 도시되어 있다. 도 5에서 각 급전코일(111, 112, 113, 114)과 스위치(SW1, SW2, SW3, SW4)는 도 3에 도시된 바와 다른 방식으로 연결된다. 공진 커패시터 모듈(30) 내부의 스위치(SWA, SWB, SWC)는 전기적으로 제어될 수 있다. 각 급전코일(111, 112, 113, 114)의 개별적인 작동에 따른 급전장치(100)의 여러 작동모드에 대하여는 뒤에서 구체적으로 설명한다.

급전코일의 작동모드

도 6에는 본 발명의 일 예에 따른 급전코일 장치(110)의 중심 지점에 대하여 x-방향 및 y-방향으로 표준 집전장치의 위치를 변화시켜 가면서 가장 유리한 유도기전력이 발생되는 경우에 각 급전코일(111, 112, 113, 114)에 인가되는 전류의 방향을 나타냈다. 구체적으로, 표준 집전장치에 유도되는 기전력의 방향이 반대가 되는 구간이나 유도기전력이 발생하지 않는 사구간이 존재하지 않도록 각 급전코일에 공급되는 전류의 방향을 제어하였다.

도 6의 표에서 4자리의 숫자는 각 급전코일에 인가된 전류의 방향을 의미하며, 제1 급전코일부터 제4 급전코일까지 순차적으로 표시되어 있다. 즉, 예를 들어, (1 1 -1 -1)은 제1 급전코일(111)과 제2 급전코일(112)에는 시계방향의 전류가 인가되고, 제3 급전코일(113)과 제4 급전코일(114)에는 반시계방향의 전류가 인가되는 것을 나타낸다.

시뮬레이션을 통하여 확인된 모드를 유형별로 정리하면 다음 3가지가 존재한다: 쿼터모드, 하프모드, 올모드. 쿼터모드는 4개의 급전코일 중 어느 하나에 흐르는 전류의 방향이 다르고 나머지 3개의 급전코일에 흐르는 전류는 방향이 동일한 경우이며, 하프모드는 가로 또는 세로 방향으로 인접하는 급전코일끼리 서로 동일한 방향의 전류가 흐르는 경우이고, 올모드는 4개의 급전코일 모두에 동일한 방향의 전류가 흐르는 경우이다. 각 모드에는 전기적으로 대칭인, 즉, 각 코일에 흐르는 전류의 방향이 반대인 경우가 존재한다. 따라서, 급전코일의 작동모드는 쿼터모드 8개, 하프모드 4개, 올모드 2개로서 총 14개의 작동모드가 존재한다.

급전코일이 직사각형 형태를 갖는 경우에는, 표준 집전장치에 가장 유리한 유도기전력을 발생시키기 위한 급전코일의 작동모드가 달라진다. 예를 들어, 도 7에는, 급전코일이 직사각형 형태를 갖는 경우에, 표준 집전장치에 유도되는 기전력의 방향이 반대가 되는 구간이나 유도기전력이 발생하지 않는 사구간이 존재하지 않도록 하기 위하여 각 급전코일에 공급되는 전류의 방향을 나타낸다. 도 6과 대비하면, 각 급전코일에 공급되는 전류의 방향이 달라짐을 알 수 있다.

급전코일의 형태 및 배치

앞의 도면들에서 도시된 급전코일은 정사각형 형태를 가지며, 부분적으로 서로 중첩되어 있다. 이하에서는 급전코일의 형태 및 중첩되는 면적에 따라 급전코일들에 의하여 발생되는 자기장의 변화에 대하여 설명한다.

도 8에는 급전코일의 종횡비 및 중첩정도를 변화시켜 가면서, 표준에 따른 집전장치에 유도되는 기전력을 시뮬레이션으로 계산한 결과가 테이블로 나타나 있다. 비교를 위하여, 종횡비가 변화하더라도 각 급전코일이 갖는 도전체의 질량은 동일하게 유지하였다. 중첩정도는 각 코일을 급전코일 장치(110)의 중심쪽으로 x-방향 및 y-방향으로 동일한 거리만큼 이동시킴으로써 변화시켰다.

시뮬레이션 결과를 정리하면 아래와 같다:

중첩정도가 높아질수록 표준 집전장치가 급전장치의 중양과 일치하는 위치에 있을 때의 유도기전력은 높아지지만, 표준 집전장치의 위치 편차가 증가할 경우의 유도기전력의 감소 정도도 높아진다.

종횡비와 관련하여, 종횡비가 크게 변화하지 않더라도 표준 집전장치에 유도되는 기전력은 크게 변화하는 것으로 나타난다.

급전코일의 형태와 관련하여, 정사각형 형태보다는 약간 직사각형 형태인 경우가 유리한 것으로 판단된다. 그러나, 형태에 따라 표준 집전장치에 유도되는 기전력의 차이는 크지 않으며, 급전코일의 제작 여건 등을 고려한다면, 정사각형 형태를 갖는 것도 무방하다.

시뮬레이션에서 확인된 급전코일 장치(110)의 종횡비와 중첩정도를 기초로 도시된 실시예들에서의 각 변수의 범위를 계산해 보면 다음과 같다: 종횡비는 약 1.0에서 약 1.1 사이의 범위, 중첩정도는 각 급전코일의 내부 영역을 기준으로 약 0.25에서 약 0.55의 범위.

집전장치

집전장치의 구성

도 9에는 본 발명의 일 실시예에 따른 4개의 코일을 구비하는 집전코일 장치(210) 및 이를 이용하는 집전장치(200)가 개략적으로 도시되어 있다. 집전장치(200)는 4개의 집전코일(211, 212, 213, 214)을 구비하는 집전코일 장치(210), 정류기 모듈(230)을 구비한다. 각 집전코일(211, 212, 213, 214)은 각각 스위치(221, 222, 223, 224)를 경유하여 정류기 모듈(230)과 연결된다. 정류기 모듈(230)은 직류 전력을 부하저항 또는 배터리(300)에 제공한다.

도 10에는 도 9에 도시된 급전코일 장치(210)의 일 예가 도시되어 있다. 동일한 참조부호는 동일한 요소를 나타내며, 집전코어는 설명의 편의를 위해 도시되지 않았다. 도 10에 도시된 4개의 집전코일(211, 212, 213, 214)은 각각 대체로 4각 형상을 가지며, 코일이 형성하는 내부 면적이 부분적으로 서로에 대해 중첩되도록 배치된다. 또한, 각 코일은 동일한 크기를 갖는 직사각형 형태를 갖는다. 그러나, 집전코일의 형태는 반드시 직사각형에 한정되지 않으며 요구되는 자속 패턴에 대응하여 다양하게 변경될 수 있다. 또한, 도 10에 도시된 실시예에서는 각 코일이 서로 동일한 방식으로 중첩되어 있으나, 요구되는 자속 패턴에 대응하여 중첩되는 방식은 다양하게 변경될 수 있다.

도 11에는 집전코일 장치(210)의 4개의 집전코일 중 하나의 코일(210)이 도시되어 있다. 직사각형 형태를 갖는 집전코일(210)은 2개의 짧은 변 중의 어느 한쪽에 오목하게 형성된 부분(210a)을 구비한다. 이 오목한 부분(210a)은 다른 집전코일과 중첩되는 위치에 형성됨으로써, 4개의 집전코일이 서로 중첩되더라도 집전코일 장치(210)의 높이가 높아지지 않도록 한다. 집전코일 장치(210)는 차량의 아래쪽에 배치되므로, 높이가 낮을수록 유리하다.

각 집전코일(211, 212, 213, 214)은 스위치(221, 222, 223, 224)를 매개로 하여 정류기 모듈(2300)과 연결된다. 일 예로서, 각 스위치(221, 222, 223, 224)는 각 집전코일(211, 212, 213, 214)로부터 출력되는 전력의 방향을 절환할 수 있도록 형성된다. 각각의 스위치의 절환 작동에 의하여 각 집전코일(211, 212, 213, 214)로부터 출력되는 전력은 위상이 동일하거나 반대로 출력될 수 있다. 급전코일의 경우와 달리, 집전코일로부터 출력되는 전력이 차단되는 경우는 없다.

집전코일의 작동모드

도 12에는 본 발명의 일 예에 따른 집전코일 장치(210)의 가능한 모든 작동모드가 도시되어 있다. 쿼터모드는 4개의 집전코일 중 어느 하나에 유도되는 전류의 방향이 다르고 나머지 3개의 집전코일에 유도되는 전류는 방향이 동일한 경우이며, 하프모드는 가로 또는 세로 방향으로 인접하는 집전코일끼리 서로 동일한 방향의 전류가 유도되는 경우이고, 올모드는 4개의 집전코일 모두에 동일한 방향의 전류가 유도되는 경우이다. 도시된 각 모드에는 전기적으로 대칭인, 즉, 각 코일에 흐르는 전류의 방향이 반대인 경우가 존재한다. 따라서, 집전코일의 작동모드는 쿼터모드 8개, 하프모드 4개, 올모드 2개로서 총 14개의 작동모드가 존재한다.

도 13a 내지 13c에는, 시뮬레이션으로 계산하여 확인된, 표준 급전장치로부터 본 발명에 따른 집전코일의 위치에 따른 가장 높은 기전력이 유도되는 작동모드들이 도시되어 있다. 도면들에서, Z2min과 Z2max는 집전코일이 급전코일로부터 수직방향으로 떨어진 정도를 나타내며, 괄호 안의 숫자는 집전코일이 급전코일의 중심으로부터 x-방향 및 y-방향으로 떨어진 거리를 mm 단위로 나타낸 것이다.

도 13a에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 집전코일이 Z2min의 수직위치를 유지하면서 표준 급전코일의 중심으로부터 y-방향으로 멀어짐에 따라, 집전코일의 작동모드는 올모드-하프모드-쿼터모드 순으로 변경된다. 이러한 경향은 Z2max의 수직위치에서도 대체로 동일하며, 다만 (0,275) 지점에서 쿼터모드를 나타낸다.

도 13b에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 집전코일이 Z2min의 수직위치를 유지하면서 표준 급전코일의 중심으로부터 x-방향으로 멀어짐에 따라, 집전코일의 작동모드는 올모드-쿼터모드-하프모드 순으로 변경된다. Z2max의 수직위치에서는, 올모드에서 하프모드로 변경된다.

도 13c에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 집전코일이 Z2min의 수직위치를 유지하면서 표준 급전코일의 중심으로부터 대각선 방향으로 멀어짐에 따라, 집전코일의 작동모드는 올모드(+)-하프모드-올모드(-) 순으로 변경된다. Z2max의 수직위치에서는, 올모드-쿼터모드-하프모드-쿼터모드 순으로 변경된다.

도 14에는 표준 급전코일에 대하여 본 발명에 따른 집전코일이 x-축 및 y-방향으로의 각 위치에서 집전코일의 모드에 따라 유도되는 기전력을 시뮬레이션으로 계산한 결과를 그래프로 도시하였다. 도시된 바와 같이, 집전코일이 올모드로 유지되는 경우에는 집전코일에 유도되는 기전력이 0이 되는 사구간이 나타난다. 그러나, 집전코일의 모드를 적절히 변경하는 경우에는 사구간이 나타나지 않음을 알 수 있다.

집전코일의 형태 및 배치

앞의 도면들에서 도시된 집전코일은 직사각형 형태를 가지며, 부분적으로 서로 중첩되어 있다. 집전코일의 중첩정도를 변화시키면 중첩정도가 높아질수록 집전코일이 급전장치의 중앙과 일치하는 위치에 있을 때의 유도기전력은 높아지지만, 집전장치의 위치 편차가 증가할 경우의 유도기전력의 감소 정도도 높아진다. 종횡비와 관련하여, 종횡비가 크게 변화하지 않더라도 집전코일에 유도되는 기전력은 크게 변화한다.

도시된 실시예에서 집전코일은 직사각형 형태를 갖지만, 정사각형 형태를 가질 수도 있다. 다만, 시뮬레이션 결과 집전코일의 내부 영역이 일정 부분 중첩되는 것이 유리하다는 점을 발견하였다. 이러한 점을 고려하여 집전코일의 종횡비와 중첩정도를 파악한 바를 정리하면, 대략 1-1.25 사이의 종횡비를 갖고, 중첩되는 정도는 집전코일의 긴 변을 기준으로 집전코일의 내부 영역이 중첩되는 정도가 대략 0.35-0.65 사이인 것이 바람직하다.

제어방법

급전장치 제어방법

도 15 및 16에는 본 발명에 따른 4개의 급전코일을 구비하는 급전장치를 제어하는 방법이 도시되어 있다.

도 15에 도시된 바와 같이, 급전장치의 제어방법은 다음과 같은 단계들을 포함한다: 4개의 급전코일 각각이 동일한 방향으로 동일한 크기의 자기장을 발생시키도록 급전코일에 전력을 공급하는 단계(S100), 인접한 집전장치의 위치를 파악하는 단계(S200), 및 인접한 무선 집전장치의 위치에 기초하여 각 급전코일의 작동모드를 결정하는 단계. 이와 같이 결정된 각 급전코일의 작동모드에 기초하여, 각 급전코일의 작동이 제어된다.

단계 S200에서, 인접한 집전장치의 위치는 도 16에 도시된 방법에 의하여 다음과 같이 수행된다: 집전장치와 통신하여 집전장치의 종류를 포함하는 정보를 전송받는 단계(S210), 각 급전코일의 상태의 변화를 파악하는 단계(S220), 및, 파악된 각 급전코일의 상태의 변화를 포함하는 정보에 기초하여 기초하여 상기 인접한 무선 집전장치의 위치를 판단하는 단계(S230). 여기서, 각 급전코일의 상태의 변화에는 각 급전코일에 흐르는 전류의 변화, 인가되는 전압의 변화, 전력의 변화, 자기장의 변화 중의 적어도 하나가 포함된다. 단계 S230에서는 전송받은 집전장치의 종류를 포함하는 정보를 함께 고려하여 집전장치의 위치를 파악할 수 있다.

집전장치가 복수개의 집전코일을 포함하는 경우에는, 전술한 단계 S210의 집전장치의 종류를 포함하는 정보에 급전장치가 형성한 자기장에 의하여 발생되는 각 집전코일의 상태, 즉, 전압, 전류, 전력, 자기장 등의 변화에 대한 정보가 포함될 수 있다. 이러한 집전코일의 상태 변화는 집전코일의 위치가 변화하지 않을 경우에 발생할 수 있고, 차량에 설치된 집전장치가 원거리에서 급전장치를 향하여 접근함에 따라 발생할 수도 있다. 차량이 접근함에 따라 집전코일의 상태가 변화하는 경우에는, 차량의 이동과 관련된 정보도 함께 급전장치로 전송될 수 있다.

집전장치와 통신이 이루어지지 않는 경우에는, 각 급전코일의 상태 변화에만 기초하여 집전장치의 위치를 판단할 수 있다.

단계 S230에서, 주어진 정보에 기초하여 집전장치의 위치를 파악하기 위하여 다양한 방법이 이용될 수 있다. 본 발명에서는, 시뮬레이션 또는 실험 데이터에 기초하여, 서포트 벡터 머신 등의 머신러닝 기법 또는 CNN, RNN과 같은 신경망 알고리즘을 이용한다.

신경망 알고리즘을 이용하는 경우를 예로써 설명하면, 인접한 집전장치에 의하여 급전장치의 각 급전코일에 발생하는 전류의 변화를 입력으로 포함하고 인접한 집전장치의 위치를 출력으로 포함하는 지도학습을 수행함으로써 집전장치 위치 판단부를 형성할 수 있다. 집전장치 위치 판단부는 급전장치의 각 급전코일에 발생하는 전류의 변화를 포함하는 정보가 입력으로 제공되는 경우 인접한 무선 집전장치의 위치를 포함하는 정보를 출력시킨다. 신경망 알고리즘의 입력에는 인접한 집전장치의 종류 및/또는 급전장치에 의하여 형성된 자기장에 의하여 변화하는 집전코일의 상태에 대한 정보도 포함될 수 있다.

집전장치 제어방법

도 17에는 본 발명에 따른 집전장치에서 각 집전코일의 작동모드를 제어하는 방법이 도시되어 있다.

먼저 집전장치의 4개의 집전코일의 상태를 감지한다(S210). 이를 위해, 급전장치에는 사전에 전력이 공급되어 자기장이 형성되며, 이 자기장에 의하여 각 집전코일의 상태가 변화한다. 집전코일의 상태에는 전류, 전압, 전력, 자기장 중의 적어도 하나가 포함된다. 이러한 집전코일의 상태는 집전코일이 정지된 상태에서 파악되거나, 집전코일이 설치된 차량이 원거리에서 급전장치로 접근하는 동안 연속적으로 파악될 수 있다.

다음으로, 단계 S210에서 감지된 각 집전코일의 상태에만 기초하거나 추가적인 정보를 함께 고려하여 집전장치의 위치를 판단한다(S220). 추가적인 정보에는, 급전장치의 종류 등의 정보가 포함된다.

집전장치의 위치가 파악되면, 그 정보 또는 추가적인 정보를 함께 이용하여 각 집전코일의 작동모드를 결정한다(S230). 여기서 추가적인 정보에는, 급전장치가 작동모드의 전환이 가능한 종류의 것일 경우, 급전장치의 작동모드에 대한 정보가 포함될 수 있다. 급전장치의 작동모드에 따라 집전코일의 상태가 달라지기 때문이다.

각 집전코일의 작동모드가 결정되면, 이에 따라 각 집전코일의 작동을 제어한다.

단계 S210에서, 집전장치의 위치를 파악하기 위하여, 집전장치는 집전장치 위치 파악부를 구비할 수 있다. 집전장치 위치 파악부는 급전장치 위치 파악부와 마찬가지로 머신러닝 또는 신경망 알고리즘을 이용한다.

예를 들어 신경망 알고리즘을 이용하는 경우, 시뮬레이션 또는 실험 데이터에 기초하여, 집전장치의 각 집전코일의 상태를 입력으로 포함하고 무선 집전장치의 위치를 출력으로 포함하는 지도학습을 수행한다. 학습된 신경망 알고리즘을 이용하여, 집전장치의 각 집전코일의 상태를 포함하는 정보가 입력으로 제공되는 경우 무선 집전장치의 위치를 포함하는 정보를 출력시킨다.

급전장치 및 집전장치의 제어

도 18에는, 본 발명에 따른 급전장치와 본 발명에 따른 집전장치를 함께 이용하는 경우에 각 장치의 작동모드에 따라 집전장치에 발생되는 유도기전력을 도시하고 있다.

도시된 바와 같이, 급전장치와 집전장치가 모두 올모드로 고정된 상태에서는 집전장치의 위치에 따라 유도기전력이 발생하지 않는 사구간이 존재한다. 급전장치를 올모드로 고정시키고 집전장치만 작동모드를 전환시키는 경우에는 사구간은 존재하지 않는다. 급전장치의 작동모드를 전환시키는 경우, 집전장치에 발생되는 유도기전력은 더욱 증가하며, 급전장치와 집전장치의 작동모드를 모두 전환시키는 경우, 집전장치의 유도기전력이 다소 증가한다.

도 19a 내지 19d에는 급전장치의 작동모드가 전환하는 경우와 전환하지 않는 경우, 집전장치의 위치와 작동모드에 어떤 영향을 미치는지 도시되어 있다.

도 19a 및 19b를 참조하면, 급전장치가 모두 올모드 상태인 경우로서, 집전장치가 x-방향 또는 y-방향으로 각각 300mm, 375mm 벗어난 위치에서 하프모드 또는 쿼터모드로 작동되며, 대각선 방향으로 벗어난 경우에는 쿼터모드 또는 올모드로 작동된다. 이에 반해, 도 19c 및 19d를 참조하면, x-방향 또는 y-방향으로 300mm 벗어난 위치에서 집전장치는 모두 올모드로 작동하며, 375mm 벗어나는 경우에는 하프모드 또는 올모드로 작동된다.

도 19a 내지 도 19d를 참조하면, 급전장치가 작동모드를 전환하는 경우에 집전장치에 유도되는 기전력의 크기가 증가함을 알 수 있다.

도 20에는 표준 급전장치 및 표준 집전장치의 조합의 경우와 본 발명에 따른 급전장치 및 본 발명에 따른 집전장치의 조합에 대해 각각 집전장치에 유도되는 기전력을 시뮬레이션으로 계산한 결과가 도시되어 있다. 본 발명에 따른 장치의 경우, 급전장치와 집전장치의 작동모드를 모두 전환시킨 결과이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 급전장치와 본 발명에 따른 집전장치를 이용하는 경우, 표준에 따른 급전장치와 집전장치를 이용하는 경우에 비하여, 집전장치의 위치에 편차가 발생하더라도 집전장치에 유도되는 기전력은 여전히 높게 나타난다. 따라서, 본 발명에 따라, 집전장치의 위치 편차에 강인한 무선 급집전 시스템을 얻을 수 있다.

도 21에는 도 5에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 급전장치에서 각 급전코일의 작동모드를 전환하기 위하여 각각의 스위치를 어떻게 작동시키는지 여부가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 올모드로 작동하기 위해서는, SWA, SW2, SW4가 닫히고 나머지 스위치는 열리며, 하프모드로 작동하기 위해서는, SWB, SW1, SW4가 닫히고 나머지 스위치가 열리고, 쿼터모드로 작동하기 위해서는, SWC, SW2, SW3이 닫히고 나머지 스위치가 열린다.

도 21에 도시된 공진 커패시터 모듈은 급전장치만이 아니라 집전장치에도 적용가능하다. 즉, 각 집전코일과 정류기 모듈 사이에 도시된 바와 같은 공진 커패시터 모듈과 스위치가 포함될 수 있다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

예를 들어, 급전코일에 공급되는 전류의 위상은 스위치의 전환에 의하여 180도 만큼씩 변화하는 것으로 설명되었지만, 반드시 이에 한정되지 않으며, 위상천이기를 이용하여 전류의 위상을 연속적으로 변화시킬 수도 있다. 마찬가지로, 집전코일로부터 출력되는 전류의 위상이 스위치에 의하여 180도 만큼씩 변화하는 것으로 설명되었으나, 위상천이기를 이용하여 출력되는 전류의 위상을 연속적으로 변화시킬 수도 있다.

100: 급전장치
110: 급전코일 장치
111: 제1 급전코일
112: 제2 급전코일
113: 제3 급전코일
114: 제4 급전코일
115: 급전 코어
121: 제1 급전코일 스위치
122: 제2 급전코일 스위치
123: 제3 급전코일 스위치
124: 제4 급전코일 스위치
130: 공진 커패시터 모듈
140: 인버터
200: 집전장치
210: 집전코일 장치
211: 제1 집전코일
212: 제2 집전코일
213: 제3 집전코일
214: 제4 집전코일
221: 제1 집전코일 스위치
222: 제2 집전코일 스위치
223: 제3 집전코일 스위치
224: 제4 집전코일 스위치
230: 정류기 모듈
300: 부하

Claims (11)

1. 인접하는 다른 집전코일과 부분적으로 중첩되도록 배치되며, 전기적으로 서로 독립된 4개의 집전코일을 구비하는 무선 집전장치를 제어하는 방법으로서,
   (a) 상기 4개의 집전코일의 상태를 감지하는 단계;
   (b) 상기 단계 (a)에서 감지된 각 집전코일의 상태를 포함하는 정보에 기초하여, 무선 급전장치에 대한 상기 무선 집전장치의 상대적 위치를 판단하는 단계;
   (c) 상기 단계 (b)에서 판단된 상기 무선 집전장치의 위치를 포함하는 정보에 기초하여 상기 각 집전코일의 작동모드를 결정하는 단계; 및
   (d) 상기 단계 (c)에서 결정된 상기 각 집전코일의 작동모드에 기초하여, 상기 각 집전코일의 작동을 조정하는 단계
   를 포함하며,
   상기 단계 (d)에서, 상기 각 집전코일은 출력되는 전력의 방향이 절환될 수 있지만 차단되는 경우는 없도록 작동이 조정되는
   무선 집전장치 제어방법.
   
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 단계 (b)에서, 상기 무선 집전장치의 위치를 파악하기 위한 정보에는 상기 무선 급전장치의 종류가 포함되는
   것을 특징으로 하는 무선 집전장치 제어방법.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 단계 (b)에서, 상기 무선 집전장치의 위치를 파악하기 위한 정보에는 상기 무선 집전장치의 종류가 포함되는
   것을 특징으로 하는 무선 집전장치 제어방법.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 단계 (c) 이전에, 상기 무선 급전장치로 급전모드를 전환하도록 요청하는 단계를 포함하며,
   상기 단계 (c)에서, 상기 각 집전코일의 작동모드를 결정하기 위해서, 상기 무선 급전장치의 급전모드에 대한 정보를 추가로 이용하는
   것을 특징으로 하는 무선 집전장치 제어방법.
   
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 단계 (c)에서, 상기 각 집전코일의 작동모드는, 상기 집전장치에 유도되는 유도기전력이 영(0)이 되지 않도록 결정되는
   것을 특징으로 하는 무선 집전장치 제어방법.
   
7. 무선으로 전력을 전송받기 위한 집전장치로서,
   인접하는 다른 집전코일과 부분적으로 중첩되도록 배치되며, 전기적으로 서로 독립된 적어도 4개의 집전코일;
   상기 적어도 4개의 집전코일 각각에 발생하는 전류의 변화를 포함하는 정보가 입력으로 제공되는 경우 집전장치의 위치를 포함하는 정보를 출력시키는 집전장치 위치 판단부;
   상기 4개의 집전코일의 작동을 개별적으로 제어하는 제어부로서, 상기 집전장치의 위치를 판단하고, 판단된 상기 집전장치의 위치를 포함하는 정보에 기초하여 상기 각 집전코일의 작동모드를 결정하며, 결정된 상기 각 집전코일의 작동모드에 기초하여 상기 각 집전코일의 작동을 조정하는 제어부
   를 포함하며,
   상기 제어부에 의하여, 상기 각 집전코일은 출력되는 전력의 방향이 절환될 수 있지만 차단되는 경우는 없도록 작동이 조정되는
   무선 집전장치.
   
8. 삭제
9. 청구항 7에 있어서,
   상기 무선 급전장치와 통신하기 위한 통신부를 더 포함하는
   것을 특징으로 하는 무선 집전장치.
   
10. 청구항 7에 있어서,
    상기 각 집전코일의 작동모드는, 상기 집전장치에 유도되는 유도기전력이 영(0)이 되지 않도록 결정되는
    것을 특징으로 하는 무선 집전장치.
    
11. 무선으로 전력을 전송받기 위한 집전장치에서 사용되는 집전코일 장치로서,
    각각 4각 형상을 가지고 서로 중첩하도록 배치되는 4개의 집전코일
    을 포함하되,
    상기 4개의 집전코일은 전기적으로 서로 독립적이며,
    상기 각 집전코일은 출력되는 전력의 방향이 절환될 수 있지만 차단되는 경우는 없도록 작동이 조정되고
    상기 각 집전코일은 1.0 내지 1.25 사이의 종횡비를 갖고, 각 집전코일의 어느 한 변이 인접하는 다른 급전코일과 중첩되는 비율은 0.5 내지 0.8 사이인
    무선 집전장치용 집전코일 장치.

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