KR102284445B1 - 차량용 무선 집전 시스템 - Google Patents

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이은수
이수길
이병송
김명룡
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한국철도기술연구원
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Abstract

본 발명은 차량용 무선 급전 시스템에 관한 것으로, 차량에 탑재되어 지상의 급전 선로에 흐르는 전류에 의해 발생된 자기장에 의해 유도되는 전자기 유도 에너지를 집진하여 직류전원으로 전환시 지상 급전측 분할 공진 커패시터 위를 통과하는 경우 발생하는 집전장치간 불균등 파워링(Powering) 문제를 해소할 수 있고 종래 다이오드 정류기 방식에 비해 고효율 동작이 가능한 차량용 무선 급전 시스템을 제공한다.

Description

차량용 무선 집전 시스템 {Wireless Power Collecting System for Vehicle}
본 발명은 차량용 무선 집전 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 차량에 탑재되어 지상의 급전 선로에 흐르는 전류에 의해 발생된 자기장에 의해 유도되는 전자기 유도 에너지를 집진하여 직류전원으로 전환시 집전장치간 전력 차이로 인한 불균등 파워링(Powering)을 해소하는 차량용 무선 집전 시스템에 관한 것이다.
최근 철도차량 분야에서 무선 전력 전송에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며 등록특허 제10-1535284호, 공개특허 제10-2015-0050952호 등을 통해 다양한 시스템이 제안되고 있다.
이와 같은 무선급전시스템은 일반적으로 수 m 이상의 급전선로를 지면에 매설하고, 급전선로에서 수 ~ 수십㎝ 떨어진 열차의 픽업은 급전 선로에 흐르는 전류에 의해 발생된 자기장에 의해 유도되는 전자기 유도 에너지를 집전한다.
한편, 최근에는 이러한 급전선로에 분할 커패시터 사용하는데, 이는 급전선로의 500A급 대전류로 인한 라인 인덕턴스에 고전압이 인가(예컨대, 1cm당 10nH 인덕턴스이므로 100m의 경우 100uH급의 큰 인덕턴스임 - 500A 급전전류 인가 가정시, 100m라인 인덕턴스로 인한 선간 절연요구전압은 60kHz 구동시 약 19kV급 대전압임)되는 점과 급전측 공진 튜닝의 용이한 점을 고려한 것이다.
이러한 종래 무선급전시스템의 일례가 도 1에 도시된다. 이에 의하면 급전선로에 급전용 코일(1)과, 공진 커패시터(2)가 내장된 공진 커패시터 박스(B1, B2, B3)를 선로상에 설치하여 전원을 공급하면 전자기 유도 에너지가 발생한다.
이때, 공진 커패시터 박스(B) 내에는 공진 커패시터(2) 이외에 냉각팬(3) 등 여타 부속들과 함께 내장되며 양단에 급전용 코일(1)이 연결되며, 급전용 코일(1)에서 발생한 전자기 유도 에너지는 열차에 구비되는 복수의 급전모듈(10,20)에 의해 집전된다.
그리고, 차량에 구비되는 집전모듈(10,20)은 집전코일을 방열판(12,22) 케이스 내부에 내장한 구조로 이루어진다. 이때, 집전코일은 일 예로 루푸형상의 코일을 사용하거나 페라이트, 철심, 또는 이들 복합 물질로 이루어지는 코어(11,21)를 사용한다.
이러한 무선급전시스템을 좀 더 구체적으로 살펴보면 도 2에서와 같이 지상의 급전장치를 통해 열차 등의 철도차량의 구동에 필요한 전력을 고주파 교류 전원으로 변환하여 급전코일(3)에서 전자기 유도 에너지를 발생하면 차량에 구비된 복수의 집전모듈(10,20)은 전자기 유도 에너지를 수신하여 정류기(30,40)를 통해 정류한다.
이때, 상기 정류기(30,40)를 통해 정류된 전원은 메인 DC-DC 컨버터(50)를 거쳐 전압이 조정된 후 배터리(60)에 충전되고, 추진용 인버터(70)에 공급되어 차량을 추진하는 추진용 모터(72)를 구동하며, 보조전원장치(SIV)(80)로 공급되어 차량 내 컴프레셔 및 조명 등의 보조장치(82)를 구동한다. 물론, 상기 배터리(60)의 충전전원이 추진용 인버터(70)와 보조전원장치(SIV)(80)로 공급되어 추진용 모터(72)와 보조장치(82)를 구동할 수 있다.
그런데, 상기 구성은 분할 공진 커패시터를 채용하는 경우 급전측 공진 커패시터 박스(B1, B2, B3) 위측에 집전모듈(10,20)의 집전코일이 위치시 인가 전압이 하강하게 된다. 예를 들어 도 2에 도시된 바와 같이 집전모듈(10)측에는 저전류(=저전력)가, 집전모듈(20)측에는 고전류(=고전력)가 인가되는데 이는 집전모듈(20)의 전력부담율이 증가하는 문제점이 있다. 일 예로 2개의 집전모듈(10,20)이 장착된 철도차량이 이동한다고 가정시, 각 수신코일의 인가전압 확인해보면 도 3의 (a)에서와 같이 송신부에서 발생한 자기장이 수신부에 쇄교되지 않는 데드존(Dead Zone)이 없는 경우와 도 3의 (b)에서와 같이 데드존(Dead Zone)이 발생하는 경우로 나누어질 수 있다.
이때, 커패시터 뱅크(B)의 길이(0.5m)는 집전모듈(10,20)의 길이(1.5m)의 1/3이라 가정한다. 이러한 구성의 시뮬레이션 결과는 도 4와 같이 집전모듈(10,20)이 커패시터 뱅크(B)에 의해 자기장이 생기지 않는 구간에 위치시 최대전압 대비 절반수준밖에 되지 않는 것을 확인할 수 있다. 도 5 및 도 6에서와 같이 2개의 수신부에 장착된 AC-DC Rectifier가 한 주기내에 Continuous conduction mode(CCM)으로 구동하도록 heavy load 조건에서 시뮬레이션을 수행한 결과 이론적으로 분석한 것처럼 도 7과 같이 인가전압의 비율이 0.785 이하가 될 경우, 다른 하나의 집전모듈(저압측 집전모듈)은 노 파워링(No Powering) 상태가 됨을 알 수 있다.
이를 시뮬레이션한 결과는 도 8의 (a)내지 (c)에 도시된다. 우선 도 8의 (a)에 의하면 집전모듈(10)측 전압(V2a)과 집전모듈(20)측 전압(V2b)이 모두 동일하게 100V인 데드존이 없는 경우(No dead-zone place case)로서, 집전모듈(10)측 전력(P2a) = 1030W, 집전모듈(20)측 전력(P2b) = 1030W, 부하전력 (PL) = 2060W 로 2개의 집전모듈(10,20)에서 동일한 전력이 수신됨을 알 수 있다.
다음으로 도 8의 (b)에 의하면 집전모듈(10)측 전압(V2a)은 90V, 집전모듈(20)측 전압(V2b)은 100V인 경우(집전측 인가전압 최대값 대비 90% 수준)로서, 집전모듈(10)측 전력(P2a) = 75W, 집전모듈(20)측 전력(P2b) = 1985W, 부하전력 (PL) = 2060W 로 2개의 집전모듈(10,20)에서 전력차이가 약 26.5배 수준임을 알 수 있다.
그리고, 도 8의 (c)에 의하면 집전모듈(10)측 전압(V2a)은 80V, 집전모듈(20)측 전압(V2b)은 100V인 경우(집전측 인가전압 최대값 대비 80% 수준)로서, 집전모듈(10)측 전력(P2a) = 1W, 집전모듈(20)측 전력(P2b) = 2059W, 부하전력 (PL) = 2060W 로 2개의 집전모듈(10,20)에서 전력차이가 매우 큼을 알 수 있다. 이는 저전압측 집전모듈의 전압(V2a)이 감소할수록 고전압측 집전모듈의 정류기에 도통되는 구간이 점점 감소하여 전송전력이 낮아짐을 알 수 있다.
이와 같이 어느 한쪽 집전모듈(20) 쪽으로만 모든 전송전력이 집중될 경우, AC-DC 컨버터 및 수동소자의 전력부담이 매우 커질뿐만 아니라 컨버터 도통손실로 인해 전송효율도 낮아지는 단점이 있다.
참고문헌 1: 등록특허 제10-1535284호 참고문헌 2: 공개특허 제10-2015-0050952호
따라서, 본 발명은 이러한 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 차량이 선로를 주행시 지상의 급전을 위한 분할 공진 커패시터로 인해 발생하는 집전장치간 전압차이로 인한 불균등 파워링(Powering)을 해소할 수 있는 차량용 무선 집전 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
특히, 본 발명은 AC-DC 동기정류기의 제어를 이용하여 저전압측 또는 고전압측 집전장치의 등가임피던스를 유효하게 제어함으로써 양 집전장치에서 균등하게 전력을 파워링(Powering)하는 차량용 무선 집전 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
이와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은;
급전선로에서 발생하는 전자기 유도 에너지를 집전하는 제1 집전모듈과 고주파 교류전원을 직류전원으로 정류하는 제1 동기정류기를 포함하는 제1 집전장치와, 급전선로에서 발생하는 전자기 유도 에너지를 집전하는 제2 집전모듈과 고주파 교류전원을 직류전원으로 정류하는 제2 동기정류기를 포함하는 제2 집전장치와, 상기 제1 및 제2 동기정류기의 출력전력을 균등하게 조정하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 무선 급전 시스템을 제공한다.
이때, 상기 제1 집전장치는 급전선로에서 발생하는 전자기 유도 에너지를 집전하는 제1 집전코일 및 제1 공진 커패시터를 포함하는 제1 집전모듈과, 상기 제1 집전모듈로부터 입력되는 고주파 교류전원을 직류전원으로 정류하는 제1 동기정류기를 포함하며, 상기 제2 집전장치는 급전선로에서 발생하는 전자기 유도 에너지를 집전하는 제2 집전코일 및 제2 공진 커패시터를 포함하는 제2 집전모듈과, 상기 제2 집전모듈로부터 입력되는 고주파 교류전원을 직류전원으로 정류하는 제2 동기정류기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 제어부는 상기 제1 및 제2 동기정류기를 구성하는 복수의 스위칭소자의 듀티를 조정하여 제1 또는 제2 동기정류기의 출력전력을 조절하는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 제1 및 제2 동기정류기는 제1 내지 제4 스위칭소자를 브리지형으로 접속한 전파 정류기인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는 상기 제1 및 제2 동기정류기를 구성하는 복수의 스위칭소자 중 하이-사이드(High-side)측 스위칭소자의 게이트 신호와 로-사이드(Low-side)측 스위칭소자의 게이트 신호를 서로 반전되도록 출력하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 제어부는 상기 로-사이드(Low-side)측 스위칭소자의 듀티를 50% 이상으로 조정하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 제어부는 상기 하이-사이드(High-side)측 스위칭소자의 듀티를 50% 이상으로 조정하는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 제어부는 상기 제1 및 제2 집전모듈의 집전전압을 비교하여 높은 집전전압이 유기되는 집전모듈과 연결된 제1 및 제2 동기정류기를 제어하여 출력전력을 증가시키거나 감소시키는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 제어부는 아날로그 제어회로로 구성하는 경우 공진 커패시터의 양단에서 수신전류와 90도 위상차를 갖는 신호를 센싱하는 신호검출부와, 상기 신호검출부에서 검출된 신호를 증폭하는 신호증폭부와, 상기 신호증폭부에서 증폭된 신호를 삼각파형으로 적분하는 적분회로부와, 상기 적분회로부의 삼각파형과 기준전압을 비교하여 동기정류기의 게이트파형을 출력하는 신호출력부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 동기정류기를 사용하여 지상 급전측 분할 공진 커패시터 위를 통과시 집전장치간 불균등 파워링(Powering) 문제를 해소할 수 있다.
특히, 본 발명에 따르면 두 개의 집전장치간 전압을 서로 크로스센싱(cross-sensing)하여 집전장치의 동기정류기를 제어하여 출력전력을 서로 균등하게 제어함으로써 시스템 구동이 안정적이며, 종래 다이오드 정류기 방식에 비해 고효율 동작이 가능하다. 이 경우 듀티 증가시 집전장치의 동기정류기 출력전력을 증가시키거나 감소시킬 수 있다.
도 1은 종래 일반적인 무선급전용 급전 및 집전장치의 일례를 도시한 도면이다.
도 2는 종래 일반적인 무선급전시스템의 전체 구성도이다.
도 3은 종래 일반적인 급전 시스템의 일례를 도시한 도면이다.
도 4는 도 3에 도시한 시스템의 3D 시뮬레이션 모델링 예를 도시한 도면이다.
도 5 및 도 6은 종래 일반적인 급전 시스템의 3D 시뮬레이션 모델링 예를 도시한 도면이다.
도 7은 도 6에 도시한 시스템의 3D 시뮬레이션 모델링 예를 도시한 도면이다.
도 8의 (a) 내지 (c)는 도 6의 회로를 시뮬레이션한 결과를 도시한 그래프이다.
도 9는 본 발명에 따른 차량용 무선 집전 시스템의 전체 구성도이다.
도 10의 (a) 내지 (d)는 본 발명에 따른 차량용 무선 집전 시스템을 시뮬레이션한 결과를 도시한 그래프이다.
도 11은 의 본 발명의 차량에 1개의 집전장치를 장착한 경우의 듀티 변화에 따른 시뮬레이션 결과를 도시한 그래프이다.
도 12는 본 발명의 차량에 2개의 집전장치를 장착한 경우의 듀티 변화에 따른 시뮬레이션 결과를 도시한 그래프이다.
이하, 본 발명에 따른 차량용 무선 집전 시스템을 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 기술되는 실시 예에 의하여 그 특징들을 이해할 수 있을 것이다.
이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 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 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 9 및 도 10은 본 발명에 따른 차량용 무선 집전 시스템을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
이에 의하면 본 발명의 차량용 무선 집전 시스템은 지상의 급전선로에 구비되어 급전용 직류전원을 고주파 교류전원으로 변환하는 급전측(T)의 급전선로에 구비되는 급전코일(T1)을 통해 발생하는 전자기 유도 에너지를 집전하는 시스템이다.
이러한 본 발명은 급전선로에서 발생하는 전자기 유도 에너지를 집전하는 제1 집전모듈(110)과 고주파 교류전원을 직류전원으로 정류하는 제1 동기정류기(120)를 포함하는 제1 집전장치(100)와, 급전선로에서 발생하는 전자기 유도 에너지를 집전하는 제2 집전모듈(210)과 고주파 교류전원을 직류전원으로 정류하는 제2 동기정류기(220)를 포함하는 제2 집전장치(200)와, 상기 제1 및 제2 동기정류기(120,220)의 출력전력을 균등하게 조정하는 제어부(300)를 포함한다.
이때, 상기 제1 및 제2 동기정류기(120,220)를 통해 출력되는 직류전원은 부하(400)측으로 공급된다. 상기 부하측에는 제1 및 제2 동기정류기(120,220)를 통해 출력되는 직류전원이 충전되는 배터리팩이 더 구비될 수 있다.
이하 본 발명의 각부 구성을 구체적으로 설명한다.
상기 제1 집전장치(100)는 급전선로에서 발생하는 전자기 유도 에너지를 집전하는 제1 집전코일(111) 및 제1 공진 커패시터(112)를 포함하는 제1 집전모듈(110)과, 상기 제1 집전모듈(110)로부터 입력되는 고주파 교류전원을 직류전원으로 정류하는 제1 동기정류기(120)를 포함한다.
그리고, 상기 제2 집전장치(200)는 급전선로에서 발생하는 전자기 유도 에너지를 집전하는 제2 집전코일(211) 및 제2 공진 커패시터(212)를 포함하는 제2 집전모듈(210)과, 상기 제2 집전모듈(210)로부터 입력되는 고주파 교류전원을 직류전원으로 정류하는 제2 동기정류기(220)를 포함한다.
이때, 상기 제1 및 제2 집전모듈(110,210)은 차량의 하부에 장착가능한 것으로, 집전모듈별로 하나의 공진 커패시터를 구비하거나 복수의 공진 커패시터를 적용할 수 있다.
그리고, 상기 제1 및 제2 동기정류기(120,220)는 동일한 구조로서 4개의 제1 내지 제4 스위칭소자(Q1 ~ Q4)를 브리지형으로 접속한 전파 정류기로서, 대각선으로 마주보는 스위칭소자(Q1,Q4)(Q2,Q3)를 교대로 온/오프시켜 고주파 교류전원을 직류전원으로 정류한다. 이러한 스위칭소자(Q1 ~ Q4)는 일 예로 MOSFET으로 이루어진다.
이러한 제1 및 제2 동기정류기(120,220)는 일반적인 다이오드 정류기에 비해 고효율 동작이 가능할 뿐만 아니라 출력전압을 제어할 수 있다.
한편, 상기 제1 및 제2 동기정류기(120,220)의 출력측에는 부하(400)가 구비된다. 이때, 부하(400)측은 철도차량의 운행에 사용할 수 있도록 대용량의 전원 충전이 가능하도록 복수의 배터리를 연결한 배터리팩과, 차량을 추진하는 추진용 모터를 구동하는 추진용 인버터와, 컴프레셔 및 조명 등의 보조장치를 구동하는 보조전원장치(SIV)를 구비하여 직류전원을 공급한다. 물론, 상기 배터리의 충전전원이 추진용 인버터와 보조전원장치(SIV)로 공급되어 추진용 모터와 보조장치를 구동할 수도 있다.
또한 상기 제1 및 제2 동기정류기(120,220)의 출력측과 배터리팩 사이에는 상기 추진용 인버터를 통해 역행 및 회생제동하는 순간적인 대전류를 부담하는 고주파캡을 병렬연결함이 바람직하다.
한편, 상기 제어부(300)는 제1 및 제2 집전모듈(110,210)의 수신전류에 동기화하여 제1 및 제2 동기정류기(120,220)의 제1 내지 제4스위칭소자(Q1 ~ Q4)의 게이트(gate)에 신호를 인가하여 제1 내지 제4스위칭소자(Q1 ~ Q4)를 선택적으로 온오프하여 제1 및 제2 동기정류기(120,220)에서 고주파 교류전원을 직류전원으로 정류하여 출력한다.
이러한 제어부(300)는 상기 제1 및 제2 집전모듈(110,210)의 제1 및 제2 공진 커패시터(112,212)로 흐르는 커패시터 전류의 위상차를 센싱하여 제1 내지 제4스위칭소자(Q1 ~ Q4)의 게이트(gate)에 신호를 출력하도록 마이컴(MCU)을 포함하는 디지털 제어회로 방식 또는 도시된 바와 같은 아날로그 제어회로 방식 구현될 수 있다.
일예로 상기 제어부(300)는 아날로그 제어회로로 구성하는 경우 공진 커패시터(212)의 양단에서 수신전류와 90도 위상차를 갖는 신호를 센싱하는 신호검출부(310)와, 상기 신호검출부(310)에서 검출된 신호를 증폭하는 신호증폭부(320)와, 상기 신호증폭부(320)에서 증폭된 신호를 삼각파형으로 적분하는 적분회로부(330)와, 상기 적분회로부(330)의 삼각파형과 기준전압(Vr1 및 Vr2)을 비교하여 동기정류기의 게이트파형을 출력하는 신호출력부(340)를 포함할 수 있다.
이때, 상기 제어부(300)는 제1 내지 제4스위칭소자(Q1 ~ Q4) 중 하이-사이드(High-side)측 스위칭소자의 게이트 신호와 로-사이드(Low-side)측 스위칭소자의 게이트 신호를 서로 반전되도록 출력하여 슛-스루(shoot-through)를 방지한다.
이러한 제어부(300)는 상기 제1 및 제2 동기정류기(120,220)의 로-사이드(Low-side)측 스위칭소자의 듀티를 50% 이상으로 조정하거나 또는 상기 제1 및 제2 동기정류기(120,220)의 하이-사이드(High-side)측 스위칭소자의 듀티를 50% 이상으로 조정하면 동기정류기 입력에서 바라보는 등가 임피던스를 변환하는 원리를 통해 출력전력을 증가시키거나 감소시킬 수 있으며, 이를 통해 제1 및 제2 동기정류기(120,220)의 출력전력을 서로 균등하게 제어할 수 있다.
이때, 상기 제어부(300)는 제1 집전모듈(110)과 제2 집전모듈(210)의 집전전압(Vr1,Vr2)을 비교하여 높은 집전전압이 유기되는 집전모듈과 연결된 동기정류기의 출력전력과 낮은 집전전압이 유기되는 집전모듈의 출력전력을 서로 균등하게 제어할 수 있다. 이 경우 상기 제1 집전모듈(110)과 제2 집전모듈(210)에는 집전전압(Vr1,Vr2)을 측정하기 위해 전압계를 구비할 수 있다.
이하, 도 9 내지 도 12를 참고로 본 발명에 따른 차량용 무선 집전 시스템의 동작을 설명한다.
본 발명의 차량용 무선 집전 시스템은 지상의 급전장치(T)에서 발생하는 전자기 유도 에너지를 제1 및 제2 집전장치(100,200)의 제1 및 제2 집전모듈(110,210)에서 집전한다.
그리고, 제어부(300)는 상기 차량용 무선 집전시 집전코일(110)을 통해 집전되는 고주파 전류(i2a)에 동기화하여 제1 및 제2 동기정류기(120,220)의 제1 내지 제4스위칭소자(Q1 ~ Q4)를 스위칭한다.
이때, 상기 제어부(300)는 제1 집전모듈(110)과 제2 집전모듈(210)의 집전전압(Vr1,Vr2)을 감지하여 높은 집전전압이 유기되는 집전모듈과 연결된 동기정류기의 출력전력과 낮은 집전전압이 유기되는 집전모듈의 출력전력을 서로 균등하게 조정할 수 있다.
이 경우 상기 제어부(300)는 제1 및 제2 동기정류기(120,220)의 제1 및 제2 동기정류기(120,220)를 구성하는 제1 내지 제4스위칭소자(Q1 ~ Q4)의 게이트신호 듀티비를 제어하여 부하의 등가 임피던스를 변환하는 원리를 통해 제1 및 제2 동기정류기(120,220)의 출력전력을 증가시키거나 감소시킨다.
이를 시뮬레이션한 결과는 도 10의 (a)내지 (d)에 도시된다.
우선 도 10의 (a)는 동작주파수를 200kHz로 가정하여 듀티비를 50%로 하여 동기정류기를 구동시 시뮬레이션한 결과로서 출력전압은 23.7V임을 알 수 있다. 다음으로 도 10의 (b)는 동작주파수를 200kHz로 가정하여 듀티비를 65%로 하여 구동시 시뮬레이션한 결과로서 출력전압은 18.8V임을 알 수 있다. 그리고, 도 10의 (c) 및 (d)는 동작주파수를 200kHz로 가정하여 듀티비를 80%로 하여 구동시 시뮬레이션한 결과로서 출력전압은 11.9V임을 알 수 있다.
한편, 도 11은 본 발명의 차량에 1개의 집전장치를 장착한 경우의 듀티 변화에 따른 시뮬레이션 결과를 도시한 그래프이다. 이와 같이 차량에 1개의 집전장치가 장착된 경우의 듀티 변화에 따른 시뮬레이션 결과, 철도차량 무선급전시스템과 같은 Heavy Load 환경에서는 듀티 증가시 출력전력이 증가하는 방향으로 제어가 됨을 알 수 있다.
그리고, 도 12는 본 발명의 차량에 2개의 집전장치를 장착한 경우의 듀티 변화에 따른 시뮬레이션 결과를 도시한 그래프로서, (a)는 수신부 인가전압 비율
Figure 112020013326731-pat00001
= 0.95인 경우이고, (b)는 수신부 인가전압 비율
Figure 112020013326731-pat00002
= 0.90인 경우이다. 이와 같이 차량에 2개의 집전장치가 장착된 경우의 듀티 변화에 따른 시뮬레이션 결과, 듀티가 증가할수록 Pb(정상적인 급전선로 위에 위치한 수신부 전송전력)는 증가하고 Pa(커패시터 뱅크 위에 위치한 수신부 전송전력)는 감소함을 알 수 있으며, 어느 최적 듀티점에서 2개의 수신부가 동일한 전력전송(각각 250kW로 총 500kW)을 하며, 이 때 전력 전송효율은 최대가 되며, 수신부 인가전압 비율이 낮을수록 최적 듀티점(g =0.95의 경우 0.605, g =0.90의 경우 0.623)은 점점 커짐을 확인할 수 있다.
이와 같이 상기 제어부(300)에서 듀티비를 50%이상으로 조정하는 경우 선택된 제1 또는 제2 동기정류기(120,220)의 출력전력을 조정할 수 있다. 이를 통해 제1 및 제2 동기정류기(120,220)의 출력전력을 균등하게 조정하여 저전압측 집전모듈(120 또는 220)이 No-Powering되는 것을 방지할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형 가능한 것으로, 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 제1 집전장치 110: 제1 집전모듈
111: 제1 집전코일 120: 제1 동기정류기
200: 제2 집전장치 210: 제2 집전모듈
211: 제2 집전코일 220: 제2 동기정류기
300: 제어부 400: 부하

Claims (9)

  1. 급전선로에서 발생하는 전자기 유도 에너지를 집전하는 제1 집전모듈과 고주파 교류전원을 직류전원으로 정류하는 제1 동기정류기를 포함하는 제1 집전장치와, 급전선로에서 발생하는 전자기 유도 에너지를 집전하는 제2 집전모듈과 고주파 교류전원을 직류전원으로 정류하는 제2 동기정류기를 포함하는 제2 집전장치와, 상기 제1 및 제2 동기정류기의 출력전력을 균등하게 조정하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는 상기 제1 및 제2 동기정류기를 구성하는 복수의 스위칭소자 중 하이-사이드(High-side)측 스위칭소자의 게이트 신호와 로-사이드(Low-side)측 스위칭소자의 게이트 신호를 서로 반전되도록 출력하여 슛-스루(shoot-through)를 방지하며,
    상기 제어부는 상기 제1 및 제2 집전모듈의 집전전압을 비교하여 상기 제1 및 제2 동기정류기를 구성하는 복수의 스위칭소자의 듀티를 조정하여 출력전력을 증가시키거나 감소시킴으로써, 상기 제1 및 제2 동기정류기의 출력전력을 균등하게 제어하는 것을 특징으로 하는 차량용 무선 급전 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 집전장치는 급전선로에서 발생하는 전자기 유도 에너지를 집전하는 제1 집전코일 및 제1 공진 커패시터를 포함하는 제1 집전모듈과, 상기 제1 집전모듈로부터 입력되는 고주파 교류전원을 직류전원으로 정류하는 제1 동기정류기를 포함하며,
    상기 제2 집전장치는 급전선로에서 발생하는 전자기 유도 에너지를 집전하는 제2 집전코일 및 제2 공진 커패시터를 포함하는 제2 집전모듈과, 상기 제2 집전모듈로부터 입력되는 고주파 교류전원을 직류전원으로 정류하는 제2 동기정류기를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 무선 급전 시스템.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 동기정류기는 제1 내지 제4 스위칭소자를 브리지형으로 접속한 전파 정류기인 것을 특징으로 하는 차량용 무선 급전 시스템.
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 로-사이드(Low-side)측 스위칭소자의 듀티를 50% 이상으로 조정하는 것을 특징으로 하는 차량용 무선 급전 시스템.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 하이-사이드(High-side)측 스위칭소자의 듀티를 50% 이상으로 조정하는 것을 특징으로 하는 차량용 무선 급전 시스템.
  8. 삭제
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는 아날로그 제어회로로 구성하는 경우 공진 커패시터의 양단에서 수신전류와 90도 위상차를 갖는 신호를 센싱하는 신호검출부와, 상기 신호검출부에서 검출된 신호를 증폭하는 신호증폭부와, 상기 신호증폭부에서 증폭된 신호를 삼각파형으로 적분하는 적분회로부와, 상기 적분회로부의 삼각파형과 기준전압을 비교하여 동기정류기의 게이트파형을 출력하는 신호출력부를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 무선 급전 시스템.
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