KR102243101B1 - 유도성 에너지 전송을 위한 장치 및 유도성 에너지 전송을 위한 장치의 작동 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 추가 작동 상태를 포함하는 1차 코일(12)로부터 2차 코일(22)로 유도성 에너지 전송에 관한 것이다. 이러한 양측의 조절에 의해 파워 전자장치의 1차측 및 2차측 제어가 미리 정해진 작동 전략에 따라 이루어진다. 이로써 예를 들어 바람직하지 않은 결합 계수의 경우에도 유도성 에너지 전송의 효율이 높아질 수 있고, 1차 코일(12) 및 2차 코일(22) 사이의 에어갭 내의 자기장이 최소화될 수 있고, 유도성 에너지 전송은 최적화될 수 있다. 이러한 최적화된 작동 전략은 새롭게 도입된 프리휠링 상태에 의해 가능해지고, 상기 프리휠링 상태는 유도성 에너지 전송 시스템의 2차측(S5, S6)의 스위치에 의해 2차측의 주기적인 단락을 허용한다. 본 발명은 바람직하게 전기 자동차(4)의 배터리 충전 시 적용되고, 다른 적용도 가능하다.

Description

유도성 에너지 전송을 위한 장치 및 유도성 에너지 전송을 위한 장치의 작동 방법{DEVICE FOR INDUCTIVELY TRANSMITTING ENERGY AND METHOD FOR OPERATING A DEVICE FOR INDUCTIVELY TRANSMITTING ENERGY}
본 발명은 유도성 에너지 전송을 위한 장치 및 유도성 에너지 전송을 위한 장치의 작동 방법에 관한 것이다.
전체적으로 또는 적어도 부분적으로 전기 모터에 의해 구동되는 전기 자동차 및 플러그인 하이브리드 자동차가 공지되어 있다. 이 경우 전기 모터를 구동하기 위한 전기 에너지는 전기 에너지 저장 장치, 예를 들어 트랙션 배터리에 의해 제공된다. 이러한 에너지 저장 장치의 충전을 위해 다양한 방법들이 존재한다.
예를 들어 전기 자동차를 적절한 충전 케이블을 이용해서 갈바니 전기적으로 충전 스테이션에 접속시키는 것이 가능하다. 이를 위해 사용자는 전기 자동차와 충전 스테이션 사이의 전기 접속을 형성해야 한다. 이는 예를 들어 비와 같은 좋지 않은 기상 상황에서 불편하게 느껴질 수 있다. 전기 자동차 및 플러그인 하이브리드 자동차의 매우 제한된 전기적 도달 거리에 의해 이러한 케이블 접속은 사용자에 의해 매우 자주 이루어져야 하고, 많은 사용자들은 이를 종래의 차량에 비해 전기 자동차의 큰 단점으로 여긴다.
따라서 충전 스테이션과 차량 사이의 에너지 전송을 위한 무선 해결책도 있다. 이 경우 에너지는 충전 스테이션으로부터 교번 자기장을 통해 차량에 전송된다. 교번 자기장의 에너지는 차량에서 전기 에너지로 변환되고, 전기 에너지는 차량의 에너지 저장 장치에 공급된다. 그러나 이러한 해결책에서는 차량이 충전 스테이션에 대해 가급적 정확하게 배치되어야 한다. 충전 스테이션 내의 1차 코일과 차량 내의 2차 코일의 간격과 정렬에 따라, 무선 충전 시스템에 상이한 영향이 미친다. 또한 코일 시스템의 결합 계수는 심하게 변동될 수 있다. 이러한 경우에, 충전 시스템은 최적의 작동점에서 작동되지 않을 위험이 있고, 이는 일반적으로 1차 코일과 2차 코일 사이의 에어갭 내에서 더 낮은 효율 및/또는 더 높은 교번 자기장을 야기한다.
간행물 DE 10 2010 055 696 A1호에 비접촉 전송을 위한 시스템이 개시되어 있고, 이 경우 1차측의 전송 시스템의 주파수는 2차측의 상태 변수에 따라 조정된다. 1차측의 시스템 파라미터의 단순한 조정 외에 또한 2차측 또는 양측의 전력 조절에 의해 유도성 충전 시스템의 작동점을 조정하는 것도 가능하다. 이러한 시스템은 예를 들어 간행물 US 2011/0231029 A1호에 개시되어 있고, 이 경우 2차측에 추가 전압 컨버터가 필요하다.
본 발명의 과제는 결합 계수가 가변적인 경우에 에너지 전송의 개선된 조정을 가능하게 하는 유도성 에너지 전송을 제공하는 것이다. 또한 본 발명의 과제는 결합 계수가 가변적인 경우에 유도성 에너지 전송의 효율적이고 저렴한 구현을 제공하는 것이다.
상기 과제는 청구항 제 1 항에 따른 장치 및 청구범위 제 10 항에 따른 방법에 의해 해결된다.
제 1 양상에 따라 본 발명은 교번 자기장의 결합 시 2개의 접속점 사이에 교류 전압을 제공하도록 설계된 2차 코일 장치, 2차 코일 장치에 의해 제공된 교류 전압을 정류하도록 설계된 정류기, 및 2차 코일 장치의 2개의 접속점을 서로 전기 접속시키도록 설계된 스위칭 장치를 포함하는 유도성 에너지 전송을 위한 장치를 제공한다.
다른 양상에 따라 본 발명은 교번 자기장이 결합하는 2차 코일 장치의 2개의 접속점 사이에 교류 전압을 제공하는 단계, 및 2차 코일 장치의 2개의 접속점을 전기 접속하는 단계를 포함하는 유도성 에너지 전송을 위한 장치의 작동 방법을 제공하고, 이 경우 2차 코일 장치의 2개의 접속점은 미리 정해진 시간 간격 동안 제공된 교류 전압의 각각의 반파 동안 서로 접속된다.
본 발명은, 각각의 작동점의 최적화를 위해 이용되는 추가의 제어 기술적 자유도가 제공되도록 2차측에서 유도성 에너지 전송을 위한 시스템을 확장하는 것을 기초로 한다. 이를 위해 2차측에서 추가적인 프리휠링 상태가 가능해지고, 이러한 프리휠링 상태에서 정류기의 2개의 하부 다이오드는 능동형 스위치로 대체될 수 있다. 이러한 새롭게 도입된 프리휠링 상태를 의도대로 이용함으로써 예를 들어 다수의 작동점에서 유도성 에너지 전송의 효율이 증가할 수 있다.
또한 결합 계수가 바람직하지 않은 경우에도 유도성 에너지 전송은, 1차 코일과 2차 코일 사이의 에어갭 내에서 최대 자기장 강도가 초과되지 않도록 작동될 수 있다. 이로써 너무 높은 자기장 강도에 의해 나타날 수 있는, 예를 들어 금속 외부 물체의 가열에 의한 위험들이 방지될 수 있다.
2차측에서 추가의 프리휠링 상태를 의도대로 이용함으로써 결합 계수의 매우 넓은 공차 범위에서 유도성 에너지 전송이 가능해진다. 이로써 특히 종래의 시스템에서 유도성 에너지 전송을 허용하지 않거나 매우 좋지 않게만 허용할 수 있는 결합 계수의 경우에도 효율적인 유도성 에너지 전송이 실시될 수 있다. 그 밖의 바람직하지 않은 작동점에서 작동 시에도, 예를 들어 부분 부하 작동 시에도 효율이 결정적으로 개선될 수 있다.
또한 본 발명에 따른 유도성 에너지 전송은 에러의 경우 2차측의 의도적이고 지속적인 단락에 의해 추가적인 보호 기능도 가능하게 한다. 즉, 예를 들어 제어되지 않은 2차측 부하 차단 시 나타날 수 있는 1차 전류의 허용되지 않게 높은 상승이 방지될 수 있다.
일 실시예에서, 공진 커패시터들이 1차 코일 장치 및/또는 2차 코일 장치에 직렬로 접속된다.
다른 실시예에 따라 스위칭 장치는 적어도 하나의 반도체 스위치를 포함한다. 바람직하게 반도체 스위치는 MOSFET 또는 IGBT이다. 이러한 반도체 스위치는 긴 지속 시간 동안 스위칭 장치의 확실한, 신속한 그리고 저손실의 스위칭을 가능하게 한다.
다른 실시예에 따라 스위칭 장치는 미리 정해진 시간 간격 동안 제공된 교류 전압의 각각의 반파 동안 2차 코일 장치의 2개의 접속점을 접속시킨다. 제공된 교류 전압의 각각의 반파 동안 미리 정해진 위상각에 대해 2차 코일 장치의 출력들의 주기적인 단락에 의해 추가로 새롭게 도입된 작동 모드가 의도대로 제어될 수 있다.
다른 실시예에서 2차 코일 장치의 2개의 접속점이 서로 전기 접속되는 시간 간격은 1차 코일 장치 및/또는 2차 코일 장치 내의 전류 강도에 기초해서 결정된다. 이로 인해 발생하는 전류가 의도대로 조절될 수 있다.
다른 실시예에 따라 2차 코일 장치의 2개의 접속점이 서로 전기 접속되는 시간 간격은 에너지 전송 중에 적응 방식으로 조정된다. 이로써 결합 계수가 가변적인 경우에도 유도성 에너지 전송 중에 변동에 따라 연속해서 작동 모드의 최적의 조정이 가능하다. 가능한 최적화 변수는 이 경우 예를 들어 유도성 전송 시스템의 효율이다.
다른 실시예에 따라, 1차 코일 장치 내의 1차 전류가 미리 정해진 값을 초과하는 경우에만, 스위칭 장치는 2차 코일 장치의 2개의 접속점을 서로 전기 접속시킨다.
본 발명은 또한 교번 자기장을 제공하도록 설계된 1차 코일 장치, 및 제공된 교번 자기장이 결합하는 유도성 에너지 전송을 위한 본 발명에 따른 장치를 구비한 에너지 전송 장치를 포함한다.
또한 본 발명은 유도성 에너지 전송을 위한 본 발명에 따른 장치를 포함하는 전기 자동차용 충전 장치를 포함한다.
본 발명의 실시예들의 다른 특징들 및 장점들은 첨부된 도면을 참고로 하는 하기 설명에 제시된다.
도 1은 일 실시예에 따라 유도성 에너지 전송을 위한 장치의 회로도.
도 2는 일 실시예에 따라 전부하 시 1차 코일 장치 및 2차 코일 장치 내의 전류 및 전압 변화를 개략적으로 도시한 도면.
도 3은 부분 부하 시 1차 코일 장치 및 2차 코일 장치 내의 전류 및 전압 변화를 개략적으로 도시한 도면.
도 4는 다른 실시예에 따라 부분 부하 시 1차 코일 및 2차 코일 장치 내의 전류 및 전압 변화를 개략적으로 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 에너지 전송 장치를 포함하는 전기 자동차용 충전 장치의 개략도.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 기초하는 유도성 에너지 전송의 작동을 위한 방법을 개략적으로 도시한 도면.
본 발명이 하기에서 바람직하게 전기 자동차의 충전을 위한 전기 에너지 전송과 관련해서 설명되더라도, 본 발명에 따른 유도성 에너지 전송은 이러한 용도로 제한되지 않는다. 본 발명에 따른 에너지 전송은 또한 임의의 다른 적용예로 확장될 수 있다. 또한 전술한 장치의 출력부에 제공된 출력 전압은 배터리의 충전 외에 임의의 다른 용도를 위해서도 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 기초하는 유도성 에너지 전송을 위한 회로 장치의 개략도를 도시한다. 회로 장치는 1차측(1)과 2차측(2)을 포함한다. 1차측은 직류 전압원(10)으로부터 전류를 공급 받는다. 대안으로서, 후속하는 정류에 의해 교류 전압원에 의한 전류 공급도 가능하다. 1차측(1)은 또한 필요 시 입력 전압(Uin)의 전압 레벨의 조정을 위해 적합한 스탭 업 컨버터 또는 스탭 다운 컨버터도 포함할 수 있다. 입력 전압(Uin)은 인버터 회로(11)에 공급된다. 인버터 회로(11)는 예를 들어 4개의 스위칭 소자(S1 내지 S4)를 가진 풀브리지일 수 있다. 상기 스위칭 소자들(S1 내지 S4)의 각각은 프리휠링 다이오드(D1 내지 D4)와 병렬 접속될 수 있다. (구형파) 교류 전압(U1)은 직렬 공진 회로를 가진 1차 코일 장치(12)에 공급된다. 상기 직렬 공진 회로는 예를 들어 유도성 전송 시스템의 1차 코일(L1) 및 공진 커패시터(C1)를 포함한다. 인버터(11)에 의해 제공된 교류 전압(U1)은 이 경우 바람직하게 직렬 공진 회로의 공진 주파수(ω0)에 매칭된다.
2차측(2)은 유도성 전송 시스템의 2차 코일(L2) 및 직렬로 접속된 공진 커패시터(C2)를 포함하는 발진 회로를 가진 2차 코일 장치(22)를 포함한다. 2차 코일 장치(22)의 2개의 접속부는 다이오드들(D5 내지 D8)로 이루어진 정류기(21)의 입력부에 연결되고, 이 경우 정류기(21)의 2개의 하부 다이오드(D7, D8)에 대해 병렬로 각각 하나의 스위칭 소자(S5 또는 S6)가 배치된다. 이러한 스위칭 소자들(S5, S6)은 바람직하게 반도체 스위칭 소자이다. 이러한 반도체 스위칭 소자로서 예를 들어 MOSFET 또는 IGBT가 사용될 수 있다. 다이오드(D7, D8)는 분산 구현되지 않아도 되고, 반도체 스위칭 소자의 진성 다이오드일 수도 있다. 상기 반도체 스위칭 소자들은 다수의 스위칭 과정들에 의해 신속한 저손실의 스위칭을 가능하게 한다. 그러나 다른 스위칭 소자들, 특히 다른 반도체 스위칭 소자들도 가능하다. 정류기의 출력 전압(Uout)은 선택적으로 평활 커패시터(C3)에 의해 평활화될 수 있다.
도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 2개의 스위칭 소자(S5, S6)의 폐쇄에 의해 2차 코일 장치(22)의 2개의 출력부들이 서로 전기 접속된다. 반도체 스위칭 소자들(S5, S6)은 예를 들어 제어 장치(23)에 의해 의도대로 제어될 수 있다. 상기 제어 장치(23)는 적절한 센서에 의해 1차측(1) 또는 2차측(2)의 전류값들 또는 전압값들을 검출할 수 있고, 평가할 수 있고, 이에 기초해서 스위칭 소자(S5, S6)의 제어를 실행할 수 있다. 바람직하게는 1차측(1)에 제공된 센서들은 무선 인터페이스를 통해 제어 장치(23)에 연결된다. 예를 들어 이로써 1차측 또는 2차측의 전류 및/또는 전압이 검출될 수 있고 평가될 수 있다. 이러한 또는 경우에 따라서 다른 파라미터에 기초해서 제어 장치(23)는 하기에서 상세히 설명되는 바와 같이, 최적화된 작동을 위해 스위칭 소자(S5, S6)를 제어할 수 있다.
1차측(1)으로부터 2차측(2)으로 유도성 에너지 전송을 위해, 1차 코일 장치(21)에 교류 전압(U1)의 인가에 의해 1차 코일(L1)에 의해 교번 자기장이 형성된다. 이러한 교번 자기장은 2차측 발진 회로의 코일(L2)에 결합하고, 거기에서 교류 전압을 유도한다. 2차 코일 장치(22)의 출력부에서의 교류 전압은 정류기(21)에 의해 정류되고, 경우에 따라 평활 커패시터(C3)에 의해 평활화된 후에 출력부에 출력 전압(Uout)으로서 제공된다. 상기 출력 전압(Uout)은 예를 들어 전기 자동차 내의 배터리를 충전하기 위해 사용될 수 있다.
도 2는 전부하 작동 시 1차 또는 2차 코일 장치(12, 22) 내의 전류와 전압의 변화를 도시한다. 1차 코일 장치(12)에서 U1의 기본파의 진폭은 반도체 스위치(S1 내지 S4)의 제어 사이의 위상각에 의해 조절될 수 있다. 그로 인해 상부 다이어그램에 도시된 인버터(11)의 출력 전압이 나타난다. 각도 a는 전압(U1)의 펄스폭을 나타낸다. a = 180°의 각도는 순수한 구형파 전압에 상응한다. 전압(U1)의 기본파의 진폭은 공진 주파수(ω)에서 다음과 같이 계산된다:
Figure 112016021204617-pct00001
제 1 작동 모드에서 이 경우 2개의 2차측 반도체 스위치(S5, S6)는 영구적으로 개방되어 유지된다. 따라서, 2차측 파워 전자장치는 순수한 패시브 정류기와 같은 거동을 갖는다. 이러한 작동 모드에서 도 2의 공진 주파수(ω)에서 전류와 전압의 기본파의 진폭은 다음과 같이 계산된다:
Figure 112016021204617-pct00002
상기 식에서, 1차 전류(I1)는 1차 코일(L1)과 2차 코일(L2)로 이루어진 코일 시스템의 상호 인덕턴스(M)와 출력 전압(Uout)에만 의존한다. 이러한 1차 전류(I1)는 인버터(11)의 펄스폭(a)의 조절에 의해 영향을 받을 수 없다.
도 3은 부분 부하 작동 시 유도성 에너지 전송 중에 영구적으로 개방된 반도체 스위치(S5, S6)에서 나타나는, 1차 전압(U1)과 1차 전류(I1)의 시간에 따른 변화의 개략도를 상부 다이어그램에 도시하고, 2차 전압(U2)과 2차 전류(I2)의 변화의 개략도를 하부 다이어그램에 도시한다. 이러한 작동 모드는, 순수 1차측의 조절 및 2차측의 패시브 정류기에 의한 종래의 유도성 에너지 전송 시에도 나타나는 전류 또는 전압 변화에 상응한다. 이 경우에도 1차측 전류(I1)는 인버터(11)의 풀브리지의 조절에 의해 영향을 받을 수 없다. 이로 인해, 예를 들어 부분 부하 작동 시, 또는 1차측의 결합 계수가 바람직하지 않은 경우에 1차 전류(I1)에 의해 높은 손실이 야기된다.
도 4는 또한 2차측 전자장치의 스위치들(S5, S6)이 의도대로 주기적으로 폐쇄되는 다른 작동 모드에서, 부분 부하 작동 시 1차 전압(U1)과 1차 전류(I1)의 변화를 상부 다이어그램에 도시하고, 2차 전압(U2)과 2차 전류(I2)의 변화를 하부 다이어그램에 도시한다. 이러한 프리휠링 상태에서 공진 전류(I2)는 2차 코일(L2) 및 직렬 공진 커패시터(C2)를 통해 순환한다. 스위치(S5, S6)가 다시 개방된 후에, 공진 전류는 선택적인 평활 커패시터(C3)에 의해 2차측(2)의 출력부에 접속된 부하, 예를 들어 배터리 내로 흐른다.
전기 각도 b는 이 경우 전압(U2)의 펄스폭을 나타낸다(도 4 참조). 이는 스위치(S5, S6)가 개방되어 있는 시간에 상응한다. 따라서, 2차측 전압(U2)의 기본파의 진폭이 다음과 같이 계산된다:
Figure 112016021204617-pct00003
1차측 전압의 기본파의 진폭은 또한 다음과 같이 나타난다:
Figure 112016021204617-pct00004
이로써 2차 전류(I2)와 1차 전류(I1)의 피크값들이 다음과 같이 나타난다:
Figure 112016021204617-pct00005
2차측(2)에 새롭게 도입된 프리휠링 상태에 의해 이제 1차측 전류(I1) 및 2차측 전류(I2)가 의도대로 조절될 수 있다. 이로 인해, 각각 최적의 작동점에서 유도성 에너지 전송을 실행하고, 1차 코일(L1)과 2차 코일(L2) 사이의 상이한 에어갭 또는 오프셋에서도 그리고 부분 부하 작동 시에도 유도성 에너지 전송을 각각 최적으로 조정하는 것이 가능하다.
스위치(S5, S6)가 개방되는 전기 각도의 각도 크기 b의 결정을 위해, 이 경우 다양한 작동 전략이 가능하다. 제 1 작동 전략을 위해 예를 들어 1차측(1) 및 2차측(2)에서 동일한 펄스폭이 사용될 수 있다. 즉, 1차측(1)에서 인버터(11)의 제어를 위한 각도 a는 2차측(2)에서 스위치(S5, S6)의 제어를 위한 각도 b에 상응한다. 이로써 미리 정해진 작동점에서 각도 a와 b는 다음과 같이 계산된다:
Figure 112016021204617-pct00006
상기 식에서 ω는 유도성 에너지 전송 중에 작동 주파수이고, Psoll은 전송할 전력이고, Uin은 1차측의 입력 직류 전압이고, Uout은 2차측의 출력 직류 전압이고, M은 1차 코일(L1)과 2차 코일(L2) 사이의 상호 인덕턴스이다. 이러한 경우에 다른 파라미터의 결정을 위해 추가 측정 기술은 필요 없다. 유일한 전제 조건은 1차측(1)과 2차측(2) 사이의 통신을 위한 인터페이스이다. 이러한 인터페이스는 바람직하게 무선으로 구현된다. 또한 예를 들어 배터리 충전 전류와 같은 조절 변수들이 검출되어 평가되어야 한다.
코일들(L1, L2)이 서로 바람직하지 않게 위치 설정 시 상호 인덕턴스(M)가 최적의 위치 설정 시보다 현저히 낮으면, 훨씬 더 높은 1차 전류(I1)의 패시브 정류가 이루어지는 1차측 조절식의 종래의 시스템은, 결합 감소 시 동일한 전력(Psoll)을 전송하기 위해 작동되어야 할 것이다. 이로 인해 1차측에서 손실의 상당한 증가가 나타날 것이다. 2차측의 2개의 스위치(S5, S6)의 본 발명에 따른 제어에 의해 결합 감소 시 상기 1차 전류 증가가 더 작아질 수 있다. 1차 전류(I1)뿐만 아니라 2차 전류(I2)도 증가하지만, 이러한 작동점에서 전체 시스템 손실은 패시브 정류기에 의한 종래의 1차측 제어에 비해 전체적으로 감소할 수 있다. 유사한 고려들이 부분 부하 작동 시 또는 부하 임피던스의 그 밖의 변동 시 유도성 에너지 전송의 작동에 대해서도 적용된다.
다른 작동 전략에 따라 1차 전류(I1) 대 2차 전류(I2)의 비는 상수값으로 조절된다. 이 경우 위상각 a와 b는 예를 들어, 정격 전압(UNenn)과 현재 배터리 전압(UBat)을 가진 배터리의 2차측 충전에 대해 하기 조건이 성립되도록 선택된다:
Figure 112016021204617-pct00007
이 경우 전술한 장점들 외에도, 실제 배터리 전압(UBat)이 2차측(2)을 통해 시스템으로부터 분리되므로, 1차측(1)과 2차측(2)에, 시스템이 최적화되었던 공칭 작동점에서와 동일한 전류가 흐른다. 이로써 액티브 2차측(2)에 의해 부하의 임피던스 조정이 이루어지며, 이를 위해 추가의 직류 전압 컨버터가 필요 없다.
다른 작동 전략에서, 작동점을 적응 방식으로 조정하는 것이 가능하다. 이 경우 최적의 작동점은, 주어진 결합 계수 및 주어진 배터리 전압(UBat)에서 요구되는 전력(PSoll)이 전송될 수 있는 동시에 최적화 변수가 최대화되거나 또는 최소화되도록, 적응 방식으로 조절된다. 작동점의 이러한 적응 방식 조정은 본 발명에 따른 양측 조절이 허용하는 추가 자유도에 의해 달성될 수 있다. 최적화 변수로서 예를 들어 (측정된) 시스템 효율이 사용될 수 있지만, 다른 최적화 변수들도 가능하다. 배터리의 충전 과정 동안 작동점은 매우 느리게만 변동되기 때문에, 이러한 적응 방식 조정은 조절 기술적인 관점에서 볼 때 내부 조절 루프에 비해 느리게 진행될 수 있다.
또한, 1차 코일(L1)과 2차 코일(L2) 사이의 에어갭 내에 자기장이 가급적 최소화되도록 작동점을 조정하는 것도 가능하다. 코일 쌍(L1, L2)의 에어갭 내의 교번 자기장은 유도된 와전류에 의한 금속 물체의 가열을 야기하고, 상기 물체들은 1차 코일(L1)과 2차 코일(L2) 사이의 영역에 배치될 수 있다. 자기장이 높은 경우에 이는 높은 안전상의 위험을 의미한다. 예를 들어 상기 영역 내의 금속 대상물은 에너지 전송 중에 매우 심하게 가열될 수 있다. 1차 코일(L1)과 2차 코일(L2) 사이의 에어갭 내의 자기장이 본 발명에 따라 최소화됨으로써, 상기 안전상의 위험은 감소할 수 있다. 대안으로서 최대 자기장 강도의 유지 시에도 코일쌍(L1, L2)은 더 작게 설계될 수 있다. 이로써 유도성 에너지 전송을 위한 이러한 시스템의 구성을 위해 필요한 조립 공간과 비용이 감소한다.
다른 작동 전략에서, 유도성 에너지 전송을 위한 시스템의 작동 영역을 2차측의 액티브 조절에 의해 확장하는 것이 가능하다. 이 경우, 2차측(2)의 2개의 추가 스위치(S5, S6)는 정상 작동 중에 스위치 오프 상태로 유지된다. 2차측 파워 전자장치(21)는 처음에는 패시브 정류기와 같은 거동을 나타낸다. 1차 전류(I1)가 정해진 임계값을 초과하면, 추가 스위칭 소자(S5, S6)의 제어가 활성화된다. 이로써 예를 들어 양호하지 않은 결합 계수처럼 바람직하지 않은 경계 조건에서도 임피던스 조정이 가능하다. 이로 인해 유도성 에너지 전송을 위한 시스템은, 종래 방식으로 최대 1차 전류(I1)가 초과되어 시스템이 스위치 오프되어야 하더라도 계속해서 작동될 수 있다.
도 5는 전기 자동차(4)를 위한 충전 장치(3)의 개략도를 도시한다. 충전 장치(3)는 도 1과 관련해서 설명된 부품들을 포함한다. 특히 차량(4) 내의 충전 장치(3)는 이 경우 추가 스위칭 소자들(S5, S6)을 가진 스위칭 장치를 포함함으로써, 출력부에서 2차 코일 장치(22)를 전기 단락시킬 수 있고, 이로써 추가적인 본 발명에 따른 프리휠링 상태를 가능하게 할 수 있다. 또한 차량 내 배터리의 충전 등과 같은 다른 용도를 위한 충전 장치도 가능하다.
도 6은 본 발명에 기초가 되는 유도성 에너지 전송을 위한 장치의 작동 방법(100)의 개략도를 도시한다. 단계 110에서 교번 자기장이 결합하는 2차 코일 장치(22)의 2개의 접속점 사이에 교류 전압이 제공된다. 단계 120에서 2차 코일 장치(22)의 2개의 접속점이 서로 전기 접속되고, 이 경우 2차 코일 장치(22)의 2개의 접속점은 미리 정해진 시간 간격 동안 제공된 교류 전압의 각각의 반파 동안 서로 접속된다.
2차 코일 장치(22)의 2개의 접속점이 서로 전기 접속되는 미리 정해진 시간 간격은 이 경우 전술한 바와 같이 다양한 작동 전략에 기초해서 결정될 수 있다.
요약하면 본 발명은, 양측 조절과 추가 작동 상태를 포함하는, 1차 코일로부터 2차 코일로 유도성 에너지 전송에 관한 것이다. 이러한 양측 조절에 의해 파워 전자장치의 1차측 및 2차측 제어는 미리 정해진 작동 전략에 따라 이루어진다. 이로써 예를 들어 결합 계수가 바람직하지 않은 경우에도 유도성 에너지 전송의 효율이 높아질 수 있고, 1차 코일과 2차 코일 사이의 에어갭 내의 자기장이 감소할 수 있으며, 유도성 에너지 전송은 최적화될 수 있다. 본 발명에서 상기 최적화된 작동 전략은 2차측의 주기적인 단락을 허용하는 새롭게 도입된 프리휠링 상태에 의해 가능해진다.
1 1차측
2 2차측
3 충전 장치
4 전기 자동차
12 1차 코일 장치
21 정류기
22 2차 코일 장치

Claims (10)

  1. 유도성 에너지 전송을 위한 장치로서,
    교번 자기장의 결합 시 2개의 접속점들 사이에 교류 전압을 제공하도록 설계된 2차 코일 장치(22);
    상기 2차 코일 장치(22)에 의해 제공된 교류 전압을 정류하도록 설계된 정류기(21); 및
    상기 2차 코일 장치(22)의 2개의 접속점들을 서로 전기 접속시키도록 설계된 스위칭 장치(S5, S6)를 포함하고,
    상기 스위칭 장치(S5, S6)는, 상기 2차 코일 장치(22)의 2개의 접속점들을 미리 정해진 시간 간격 동안 제공된 교류 전압의 각각의 반파 동안 서로 전기적으로 접속시키도록 설계되고,
    1차 코일 장치(12) 및 상기 2차 코일 장치(22) 사이에서 상이한 에어갭 또는 상기 1차 코일 장치(12) 및 상기 2차 코일 장치(22) 사이에서 변위가 발생하는 경우, 상기 1차 코일 장치(12)와 상기 2차 코일 장치(22) 사이의 유도성 에너지 전송이 조정되는, 유도성 에너지 전송을 위한 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 공진 커패시터들이 상기 1차 코일 장치 및/또는 2차 코일 장치에 직렬로 접속되는 것을 특징으로 하는 유도성 에너지 전송을 위한 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 스위칭 장치(S5, S6)는 적어도 하나의 반도체 스위치, 바람직하게는 MOSFET 또는 IGBT를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도성 에너지 전송을 위한 장치.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 2차 코일 장치(22)의 2개의 접속점들이 서로 전기 접속되는 시간 간격은 상기 1차 코일 장치(12) 및/또는 상기 2차 코일 장치(22) 내의 측정된 전기 변수에 기초해서 결정되는 것을 특징으로 하는 유도성 에너지 전송을 위한 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 2차 코일 장치(22)의 2개의 접속점들이 서로 전기 접속되는 시간 간격은 에너지 전송 중에 적응 방식으로 조정되는 것을 특징으로 하는 유도성 에너지 전송을 위한 장치.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 스위칭 장치는, 상기 1차 코일 장치(12) 내의 1차 전류가 미리 정해진 값을 초과하는 경우에만 상기 2차 코일 장치(22)의 2개의 접속점들을 서로 전기 접속시키는 것을 특징으로 하는 유도성 에너지 전송을 위한 장치.
  8. 에너지 전송 장치(3)로서,
    교번 자기장을 제공하도록 설계된 1차 코일 장치(12), 및
    제 1 항 또는 제 2 항에 따른 장치를 포함하고, 제공된 교번 자기장을 적어도 부분적으로 상기 2차 코일 장치(22) 내로 결합하는 것을 특징으로 하는 에너지 전송 장치.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 유도성 에너지 전송을 위한 장치를 포함하는 전기 자동차(4)용 충전 장치.
  10. 제 1 항에 따른 유도성 에너지 전송을 위한 장치의 작동 방법(100)으로서,
    2차 코일 장치(22)의 2개의 접속점들 사이에 교류 전압을 제공하는 단계(110);
    상기 2차 코일 장치(22)의 2개의 접속점들을 전기 접속시키는 단계(120);를 포함하고,
    상기 2차 코일 장치(22)의 2개의 접속점들은 미리 정해진 시간 간격 동안 제공된 교류 전압의 각각의 반파 동안 서로 접속되는 것을 특징으로 하는 작동 방법.
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