KR102526872B1 - 계자 권선을 이용하는 무선 전력 전송 방법과 이를 이용하는 차량 어셈블리 및 전기차 - Google Patents

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Abstract

무선 전력 전송 시스템에서 전기차의 구동모터의 계자권선을 이용하여 외부의 무선 전력을 수신하는 무선 전력 전송 방법 및 이를 이용하는 차량 어셈블리와 전기차가 개시된다. 전기차 무선 전력 전송 방법은, 전기차에 탑재된 차량 제어기 또는 차량 제어기에 연결되는 차량 어셈블리 컨트롤러와 전기차의 외부에 위치하는 무선 전력 전송용 일차 코일이나 일차 패드에 연결되는 충전기의 제어장치나 관리장치 또는 그라운드 어셈블리 컨트롤러가 전기차의 배터리 충전을 위한 통신을 수행하는 단계, 및 무선 전력 전송을 시작하기 전에 전기차의 구동모터의 계자권선에 배터리를 연결하는 단계를 포함하며, 배터리는 일차 코일로부터 계자권선에 자기(magnetic) 유도되는 전력에 의해 충전된다.

Description

계자 권선을 이용하는 무선 전력 전송 방법과 이를 이용하는 차량 어셈블리 및 전기차{WIRELESS POWER TRANSFER METHOD USING FIELD WINDINGS AND VEHICLE ASSEMBLY AND ELECTRIC VEHICLE USING THE SAME}
본 발명은 무선 전력 전송 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 무선 전력 전송 시스템에서 전기차의 구동모터의 계자 권선을 이용하여 외부의 무선 전력을 수신하는 무선 전력 전송 방법 및 이를 이용하는 차량 어셈블리와 전기차에 관한 것이다.
전기차의 무전 전력 전송 시스템은 기본적으로 상용 전원의 배전망(grid)이나 에너지 저장 장치의 전력을 이용하여 전기차에 탑재된 배터리를 충전하는 시스템으로 정의할 수 있다. 이러한 전기차 충전 시스템은 전기차의 종류에 따라 다양한 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 전기차 충전 시스템은 케이블을 이용한 전도성 충전 방식이나 비접촉 방식의 무선 전력 전송 방식을 포함할 수 있다.
주행 중인 전기차에서 배터리를 충전해야 할 필요가 있는 경우, 전기차는 주행 경로 상에서 전기차 충전이 가능한 충전 스테이션(charge station)이나 충전 스팟(charging spots)에 위치하는 그라운드 어셈블리(ground assembly, GA)로 이동하게 된다.
전기차의 무선 충전 시, 전기차에 탑재되는 차량 어셈블리(vehicle assembly, VA)의 이차 코일은 그라운드 어셈블리의 일차 코일과 자기 유도 또는 자기 유도공진 결합을 형성하고, 이러한 자기적 결합을 통해 그라운드 어셈블리의 일차 코일로부터 전달되는 전력을 이차 코일로 수신하여 전기차의 배터리에 충전한다.
한편, 전기차에 설치되는 이차 패드는 차량 탑재시에 그 크기나 무게 그리고 배치 위치 등에서 제한을 받는다. 또한, 무선 전력 전송의 효율을 고려하여 일차 패드와 가급적 가깝게 놓일 수 있는 위치에 먼저 설치되므로 전기차의 다른 부품에 대한 설치자유도를 제한하게 된다. 따라서, 전기차 설계에 있어서 이차 패드는 부품 배치 등 자유도에 좋지 않은 영향을 미치게 된다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 이차 패드를 생략하고 전기차에 탑재되는 구동모터의 계자권선을 이용하여 그라운드 측의 일차 코일로부터 무선 전력을 수신할 수 있는 무선 전력 전송 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 전기차에 탑재되는 구동모터의 계자권선을 이용하여 그라운드 측의 일차 코일로부터 무선 전력을 수신할 수 있는 차량 어셈블리를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 전기차에 탑재되는 구동모터의 계자권선을 이용하여 그라운드 측의 일차 코일로부터 무선 전력을 수신할 수 있는 전기차를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 측면에 따른 전기차 무선 전력 전송 방법은, 전기차에 탑재된 차량 제어기 또는 차량 제어기에 연결되는 차량 어셈블리 컨트롤러와 전기차의 외부에 위치하는 무선 전력 전송용 일차 코일이나 일차 패드에 연결되는 충전기의 제어장치나 관리장치 또는 그라운드 어셈블리 컨트롤러가 전기차의 배터리 충전을 위한 통신을 수행하는 단계, 및 무선 전력 전송을 시작하기 전에 전기차의 구동모터의 계자권선에 배터리를 연결하는 단계를 포함하며, 배터리는 일차 코일로부터 계자권선에 자기(magnetic) 유도되는 전력에 의해 충전된다.
여기서, 상기 연결하는 단계는, 구동모터의 계자권선과 인버터 사이에 연결되는 제1스위치를 턴오프하고, 구동모터의 계자권선과 배터리 사이에 연결되는 제2스위치를 턴온할 수 있다.
여기서, 계자권선은, 무선 전력 전송의 진행 시, 일차 코일과 마주하는 제1 계자권선과, 제1 계자권선을 사이에 두고 일차 코일과 마주하는 제2 계자권선을 포함할 수 있다.
여기서, 무선 전력 전송 방법은, 상기 연결하는 단계 후에, 계자권선에 유도되는 자계에 의한 전압 또는 전류를 감지하는 단계, 전압 또는 전류를 포함하거나 전압이나 전류에 기초한 물리량이 제1 기준치 이상인지를 판단하는 단계, 물리량이 제1 기준치 미만이면, 계자권선이 감긴 구동모터의 회전자를 미리 정해진 각도 범위 내에서 회전시키는 단계, 및 각도 범위 내 물리량이 가장 큰 위치에서 회전자의 충전위치를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
여기서, 무선 전력 전송 방법은, 상기 결정하는 단계 후에, 물리량이 제2 기준치 미만이면, 일차패드 위치조정 요청신호를 일차 패드를 관리하는 그라운드 어셈블리 컨트롤러로 전송하는 단계를 더 포함할 수 있다.
여기서, 무선 전력 전송 방법은, 상기 결정하는 단계 후에, 물리량이 제2 기준치 미만이면, 일차 패드에 결합하는 외부 제어 가능한 액추에이터에 일차패드 위치조정을 위한 제어신호를 전송하는 단계를 더 포함할 수 있다.
여기서, 구동모터는 배터리에서 공급되는 전력에 의해 전기차의 전륜 또는 후륜을 회전시킬 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다른 측면에 따른 무선 전력 전송 시스템의 차량 어셈블리(vehicle assembly, VA)는, 전기차의 외부에 위치하는 일차 코일과 자기 결합하는 이차 코일; 이차 코일에 연결되는 임피던스 정합 네트워크(impedance matching network, IMN) 또는 필터(filter); IMN 또는 필터에 연결되는 정류기(rectifier); 및 정류기에 연결되는 임피던스 컨버터(impedance converter)를 포함하고, 이차 코일은 전기차의 바퀴에 구동력을 제공하는 구동모터의 계자권선을 포함한다.
여기서, 차량 어셈블리는, 계자권선과 상기 IMN 또는 필터 사이에 연결되는 모드전환스위치, 및 전기차에 탑재된 배터리와 임피던스 컨버터 사이에 배치되는 충전스위치를 더 포함할 수 있다.
여기서, 차량 어셈블리는, 전기차에 탑재된 컨트롤러를 더 포함할 수 있다. 컨트롤러는 구동모터에 3상 배선으로 연결된 인버터를 제어하는 제어보드, 차량 어셈블리 제어기 및 차량 제어기 중 적어도 어느 하나 이상에 연결되거나 적어도 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
여기서, 컨트롤러는 제어보드를 통해 모터에 연결된 인버터 내의 스위치들을 턴오프하고, 모드전환스위치와 충전스위치를 제어하여 계자권선을 배터리에 연결할 수 있다.
여기서, 컨트롤러는 일차 코일로부터 계자권선에 유도되는 전류 또는 전압을 포함하거나 전류나 전압에 기초한 물리량에 기반하여 계자권선이 감긴 모터(구동모터)의 회전자의 위치 또는 위상각을 변경할 수 있다.
여기서, 계자권선은 회전자의 표면 일부에만 랩 권선(lap winding) 구조로 규칙적 혹은 대칭적으로 배열될 수 있다.
여기서, IMN/필터, 정류기 및 임피던스 컨버터를 포함하는 변환 회로는 모터에 3상 배선으로 연결되는 인버터와 인버터를 제어하는 제어보드를 수용하는 하우징 내에 수납될 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 또 다른 측면에 따른 전기차는, 전륜 또는 후륜에 구동력을 제공하는 구동모터; 구동모터와 연결되는 인버터; 인버터의 복수의 스위치들을 제어하는 제어보드; 구동모터의 계자권선에 연결되는 배터리; 및 구동모터의 계자권선과 배터리 사이의 배선에 배치되어 배선 상의 전류 흐름을 허용하거나 차단하는 충전스위치를 포함하고, 여기서 충전스위치의 턴온 상태에서 외부의 일차 코일로부터의 자계에 의해 계자권선에 유도되는 전류가 배터리에 충전된다.
여기서, 전기차는, 충전스위치에 연결되며, 회전자의 표면에 계자권선의 한 쌍의 말단부가 노출되는 한 쌍의 전극패드들에 전기적으로 결합하는 커넥터 어셈블리를 더 포함할 수 있다.
여기서, 전기차는, 충전스위치와 커넥터 어셈블리 사이에 배열되는 무선 전력 전송 시스템의 2차측 변환회로를 더 포함할 수 있다.
여기서, 제어보드는 계자권선에서 유도되는 2차 전류 또는 2차 전압을 검출하는 센싱 회로를 구비하고, 2차 전류 및 2차 전압 중 어느 하나와 배터리의 현재 전압에 기초하여 배터리와 충전스위치 사이의 전력 전송 라인을 차단하기 위한 제어신호를 출력할 수 있다.
여기서, 제어보드는 2차 전류 또는 2차 전압에 기초하여 센서를 통해 감지한 회전자의 위치를 변경할 수 있다.
여기서, 구동모터는 전기차의 엔진룸 하부에 배치될 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 무선 전력 전송 방법과 이를 이용하는 차량 어셈블리 및 전기차를 이용할 경우에는, 무선 전력 전송 시스템의 이차 코일이 내장되는 이차 패드를 생략하고 전기차에 탑재되는 구동모터의 계자권선을 이용하여 그라운드 측의 일차 코일로부터 무선 전력을 수신할 수 있고, 그에 의해 이차 패드가 생략된 구조에서의 전기차 설계 자유도와 부품 배치 자유도를 크게 높일 수 있다.
또한, 전기차에 탑재되는 무선 전력 전송 시스템의 이차 패드를 생략함으로써 이차 패드의 부품, 설치, 유지관리 등을 위한 비용을 절감하고 전기차의 생산에 있어서 무선 충전 시스템을 탑재하는 부담을 크게 낮출 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 무선 전력 전송 방법을 채용할 수 있는 전기차에서 일차 코일과 이차 코일의 얼라인먼트를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 전송 방법을 채용할 수 있는 무선 전력 전송 시스템에 대한 개략적인 구성도이다.
도 3은 도 2의 무선 전력 전송 시스템의 작동 원리를 설명하기 위한 회로도이다.
도 4는 도 2의 무선 전력 전송 시스템에서 전기차의 구동모터의 계자권선에 의한 무선 전력 전송 원리를 설명하기 위한 개략적인 도면이다.
도 5는 도 2의 무선 전력 전송 시스템에 채용할 수 있는 무선 전력 전송 방법의 구현 회로에 대한 예시도이다.
도 6은 도 5의 무선 전력 전송 시스템에 채용할 수 있는 구동모터의 개략적인 단면도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 전력 전송 방법의 흐름도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이하에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태로 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
'제1, 제2, A, B' 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. '및/또는' 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결된다'거나 '접속된다'고 언급되는 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '직접 연결된다'거나 '직접 접속된다'고 언급되는 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 아니하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, '포함한다', '가진다' 등과 관련된 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 명세서에서 오해의 소지가 없는 한 어떤 문자의 첨자가 다른 첨자를 가질 때, 표시의 편의를 위해 첨자의 다른 첨자는 첨자와 동일한 크기로 표시될 수 있다.
본 명세서에서 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 포함한다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 명세서에 사용되는 일부 용어를 정의하면 다음과 같다.
전기차(Electric Vehicle, EV)는 49 CFR(code of federal regulations) 523.3 등에서 정의된 자동차(automobile)를 지칭할 수 있다. 전기차는 고속도로 이용 가능하고, 차량 외부의 전원공급원으로부터 재충전 가능한 배터리 등의 차량 탑재 에너지 저장 장치에서 공급되는 전기에 의해 구동될 수 있다. 전원공급원은 주거지나 공용 전기서비스 또는 차량 탑재 연료를 이용하는 발전기 등을 포함할 수 있다.
전기차(electric vehicle, EV)는 일렉트릭 카(electric car), 일렉트릭 오토모바일(electric automobile), ERV(electric road vehicle), PV(plug-in vehicle), xEV 등으로 지칭될 수 있고, xEV는 BEV(plug-in all-electric vehicle 또는 battery electric vehicle), PEV(plug-in electric vehicle), HEV(hybrid electric vehicle), HPEV(hybrid plug-in electric vehicle), PHEV(plug-in hybrid electric vehicle) 등으로 지칭되거나 구분될 수 있다.
플러그인 전기차(Plug-in Electric Vehicle, PEV)는 전력 그리드에 연결하여 량 탑재 일차 배터리를 재충전하는 전기차로 지칭될 수 있다.
플러그인 차량(Plug-in vehicle, PV)은 본 명세서에서 전기차 전력공급장치(electric vehicle supply equipment, EVSE)로부터 물리적인 플러그와 소켓을 사용하지 않고 무선 충전 방식을 통해 재충전 가능한 차량으로 지칭될 수 있다.
중량 자동차(Heavy duty vehicles; H.D. Vehicles)는 49 CFR 523.6 또는 CFR 37.3(bus)에서 정의된 네 개 이상의 바퀴를 가진 모든 차량을 지칭할 수 있다.
경량 플러그인 전기차(Light duty plug-in electric vehicle)는 주로 공공 거리, 도로 및 고속도로에서 사용하기 위한 재충전 가능한 배터리나 다른 에너지 장치의 전류가 공급되는 전기 모터에 의해 추진력을 얻는 3개 또는 4개 바퀴를 가진 차량을 지칭할 수 있다. 경량 플러그인 전기차는 총 중량이 4.545㎏보다 작게 규정될 수 있다.
무선 충전 시스템(Wireless power charging system, WCS)은 무선 전력 전송과 얼라인먼트 및 통신을 포함한 GA와 VA 간의 제어를 위한 시스템을 지칭할 수 있다.
무선 전력 전송(Wireless power transfer, WPT)은 유틸리티(Utility)나 그리드(Grid) 등의 교류(AC) 전원공급 네트워크에서 전기차로 무접촉 수단을 통해 전기적인 전력을 전송하는 것을 지칭할 수 있다.
유틸리티(Utility)는 전기적인 에너지를 제공하며 통상 고객 정보 시스템(Customer Information System, CIS), 양방향 검침 인프라(Advanced Metering Infrastructure, AMI), 요금과 수익(Rates and Revenue) 시스템 등을 포함하는 시스템들의 집합으로 지칭될 수 있다. 유틸리티는 가격표 또는 이산 이벤트(discrete events)를 통해 플러그인 전기차가 에너지를 이용할 수 있도록 한다. 또한, 유틸리티는 관세율, 계측 전력 소비에 대한 인터벌 및 플러그인 전기차에 대한 전기차 프로그램의 검증 등에 대한 정보를 제공할 수 있다.
스마트 충전(Smart charging)은 EVSE 및/또는 플러그인 전기차가 차량 충전율이나 방전율을 그리드 용량이나 사용 비용 비율의 시간을 최적화하기 위해 전력 그리드와 통신하는 시스템으로 설명할 수 있다.
자동 충전(Automatic charging)은 전력을 전송할 수 있는 1차측 충전기 어셈블리(primary charger assembly)에 대하여 적절한 위치에 차량의 놓고 인덕티브 충전하는 동작으로 정의될 수 있다. 자동 충전은 필요한 인증 및 권한을 얻은 후에 수행될 수 있다.
상호운용성(Interoperabilty)은 서로 상대적인 시스템의 성분들이 전체 시스템의 목적하는 동작을 수행하기 위해 함께 작동할 수 있는 상태를 지칭할 수 있다. 정보 상호운용성(Information interoperability)은 두 개 이상의 네트워크들, 시스템들, 디바이스들, 애플리케이션들 또는 성분들이 사용자가 거의 또는 전혀 불편함 없이 안전하고 효과적으로 정보를 공유하고 쉽게 사용할 수 있는 능력을 지칭할 수 있다.
유도 충전 시스템(Inductive charging system)은 두 파트가 느슨하게 결합된 트랜스포머를 통해 전기 공급 네트워크에서 전기차로 정방향에서 전자기적으로 에너지를 전송하는 시스템을 지칭할 수 있다. 본 실시예에서 유도 충전 시스템은 전기차 충전 시스템에 대응할 수 있다.
유도 커플러(Inductive coupler)는 GA 코일과 VA 코일로 형성되어 전력이 전기적인 절연을 통해 전력을 전송하는 트랜스포머를 지칭할 수 있다.
유도 결합(Inductive coupling)은 두 코일들 간의 자기 결합을 지칭할 수 있다. 두 코일은 그라운드 어셈블리 코일(Ground assembly coil)과 차량 어셈블리 코일(Vehicle assembly coil)을 지칭할 수 있다.
그라운드 어셈블리(Ground assembly, GA)는 GA 코일과 다른 적절한 부품을 포함하여 그라운드 또는 인프라스트럭처(infrastructure) 측에 배치되는 어셈블리를 지칭할 수 있다. 다른 적절한 부품은 임피던스와 공진주파수를 제어하기 위한 적어도 하나의 부품, 자기 경로(magnetic path)를 강화하기 위한 페라이트 및 전자기 차폐 재료를 포함할 수 있다. 예컨대, GA는 무선 충전 시스템의 전력 소스로서 기능하는 데 필요한 전력/주파수 변환 장치, GA 컨트롤러 및 그리드로부터의 배선과 각 유닛과 필터링 회로들, 하우징 등의 사이의 배선을 포함할 수 있다.
차량 어셈블리(Vehicle assembly, VA)는 VA 코일과 다른 적절한 부품을 포함하여 차량에 배치되는 어셈블리를 지칭할 수 있다. 다른 적절한 부품은 임피던스와 공진주파수를 제어하기 위한 적어도 하나의 부품, 자기 경로를 강화하기 위한 페라이트 및 전자기 차폐 재료를 포함할 수 있다. 예를 들면, VA는 무선 충전 시스템의 차량 부품으로서 기능하는 데 필요한 정류기/전력변환장치와 VA 컨트롤러 및 차량 배터리의 배선뿐 아니라 각 유닛과 필터링 회로들, 하우징 등의 사이의 배선을 포함할 수 있다.
전술한 GA는 프라이머리 디바이스(primary device, PD), 1차측 장치 등으로 지칭될 수 있고, 이와 유사하게 VA는 세컨더리 디바이스(secondary device, SD), 2차측 장치 등으로 지칭될 수 있다.
프라이머리 디바이스(Primary device)는 세컨더리 디바이스에 무접촉 결합을 제공하는 장치 즉, 전기차 외부의 장치일 수 있다. 프라이머리 디바이스는 1차측 장치로 지칭될 수 있다. 전기차가 전력을 받을 때, 프라이머리 디바이스는 전력을 전송하는 전원 소스로서 동작할 수 있다. 프라이머리 디바이스는 하우징과 모든 커버들을 포함할 수 있다.
세컨더리 디바이스(Secondary device)는 프라이머리 디바이스에 무접촉 결합을 제공하는 전기차 탑재 장치일 수 있다. 세컨더리 디바이스는 2차측 장치로 지칭될 수 있다. 전기차가 전력을 받을 때, 세컨더리 디바이스는 프라이머리 디바이스로부터의 전력을 전기차로 전달할 수 있다. 세컨더리 디바이스는 하우징과 모든 커버들을 포함할 수 있다.
그라운드 어셈블리 컨트롤러(GA controller)는 차량으로부터의 정보를 토대로 GA 코일에 대한 출력 전력 레벨을 조절하는 GA의 일부분일 수 있다.
차량 어셈블리 컨트롤러(VA controller)는 충전 동안 특정 차량용 파라미터를 모니터링하고 GA와의 통신을 개시하여 출력 전력 레벨을 제어하는 VA의 일부분일 수 있다.
전술한 GA 컨트롤러는 프라이머리 디바이스 통신제어기(Primary device communication controller, PDCC)로 지칭될 수 있고, VA 컨트롤러는 전기차 통신제어기(electric vehicle communication controller, VA 제어기)로 지칭될 수 있다.
마그네틱 갭(Magnetic gap)은 리츠선(litz wire)의 상부 또는 GA 코일의 마그네틱 재료의 상부의 가장 높은 평면과 상기 리츠선의 하부 또는 VA 코일의 마그네틱 재료의 가장 낮은 평면이 서로 정렬되었을 때 이들 사이의 수직 거리를 지칭할 수 있다.
주위 온도(Ambient temperature)는 직접적으로 햇빛이 비치지 않는 대상 서브시스템의 대기에서 측정된 그라운드 레벨 온도를 지칭할 수 있다.
차량 지상고(Vehicle ground clearance)는 도로 또는 도로포장과 차량 플로어 팬의 최하부 사이의 수직 거리를 지칭할 수 있다.
차량 마그네틱 지상고(Vehicle magnetic ground clearance)는 리츠선의 바닥 최하위 평면 또는 차량에 탑재된 VA 코일의 절연 재료와 도로포장 사이의 수직 거리를 지칭할 수 있다.
차량 어셈블리(VA) 코일 표면 간격(Vehicle assembly coil surface distance)은 리츠선의 바닥 최하부의 평면 또는 VA 코일의 마그네틱 재료와 VA 코일의 최하위 외부 표면 사이의 수직 거리를 지칭할 수 있다. 이러한 거리는 보호 커버재 및 코일 포장재로 포장된 추가 아이템을 포함할 수 있다.
전술한 VA 코일은 2차 코일(secondary coil), 차량 코일(vehicle coil), 수신 코일(receiver coil) 등으로 지칭될 수 있고, 이와 유사하게 그라운드 어셈블리 코일(ground assembly coil, GA coil)은 1차 코일(primary coil), 송신 코일(transmit coil) 등으로 지칭될 수 있다.
노출 도전 부품(Exposed conductive component)은 사람에 의해 접촉될 수 있고 평상시 전기가 흐르지 않지만 고장 시에 전기가 흐를 수 있는 전기적인 장치(예컨대, 전기차)의 도전성 부품을 지칭할 수 있다.
유해 라이브 요소(Hazardous live component)는 어떤 조건하에서 유해한 전기 쇼크를 줄 수 있는 라이브 구성요소를 지칭할 수 있다.
라이브 요소(Live component)는 기본적인 용도에서 전기적으로 활성화되는 모든 도체 또는 도전성 부품을 지칭할 수 있다.
직접 접촉(Direct contact)은 생물체인 사람의 접촉을 지칭할 수 있다.
간접 접촉(Indirect contact)은 절연 실패로 사람이 노출된, 도전된, 전기가 흐르는 활성 성분에 접촉하는 것을 지칭할 수 있다.(IEC 61140 참조)
얼라인먼트(Alignment)는 규정된 효율적인 전력 전송을 위해 프라이머리 디바이스에 대한 세컨더리 디바이스의 상대적인 위치를 찾는 절차 및/또는 세컨더리 디바이스에 대한 프라이머리 디바이스의 상대적인 위치를 찾는 절차를 가리킬 수 있다. 본 명세서에서 얼라인먼트는 무선 전력 전송 시스템의 위치 정렬을 지칭할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
페어링(Pairing)은 전력을 전송할 수 있도록 배치된 단일 전용 그라운드 어셈블리(프라이머리 디바이스)와 차량(전기차)가 연관되는 절차를 지칭할 수 있다. 본 명세서에서 페어링은 충전 스팟 또는 특정 그라운드 어셈블리와 차량 어셈블리 제어기의 연관 절차를 포함할 수 있다. 연관(Correlation/Association)은 두 피어 통신 실체들 사이의 관계 성립 절차를 포함할 수 있다.
명령 및 제어 통신(Command and control communication)은 무선 전력 전송 프로세스의 시작, 제어 및 종료에 필요한 정보를 교환하는 전기차 전력공급장치와 전기차 사이의 통신을 지칭할 수 있다.
하이 레벨 통신(High level communication)은 명령 및 제어 통신에서 담당하는 정보를 초과하는 모든 정보를 처리할 수 있다. 하이 레벨 통신의 데이터 링크는 PLC(Power line communication)을 사용할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
저전력 기동(Low power excitation)은 정밀 포지셔닝과 페어링을 수행하기 위해 전기차가 프라이머리 디바이스를 감지하도록 그것을 활성화하는 것을 지칭할 수 있으나, 이에 한정되지 않으며 그 역도 가능하다.
SSID(Service set identifier)는 무선랜 상에서 전송되는 패킷의 해더에 붙는 32-character로 이루어진 유니크한 식별자이다. SSID는 무선 장비에서 접속하려고하는 BSS(basic service set)를 구분해준다. SSID는 기본적으로 여러 개의 무선랜을 서로 구별해준다. 따라서 특정한 무선랜을 사용하려는 모든 AP(access point)와 모든 단말(terminal)/스테이션(station) 장비들은 모두 같은 SSID를 사용할 수 있다. 유일한 SSID를 사용하지 않는 장비는 BSS에 조인하는 것이 불가능하다. SSID는 평문으로 그대로 보여지기 때문에 네트워크에 어떠한 보안 특성도 제공하지 않을 수 있다.
ESSID(Extended service set identifier)는 접속하고자 하는 네트워크의 이름이다. SSID와 비슷하지만 보다 확장된 개념일 수 있다.
BSSID(Basic service set identifier)는 통상 48bits로 특정 BSS(basic service set)를 구분하기 위해 사용한다. 인프라스트럭쳐 BSS 네트워크의 경우, BSSID는 AP 장비의 MAC(medium access control)가 될 수 있다. 독립적인(independent) BSS나 애드훅(ad hoc) 네트워크의 경우, BSSID는 임의의 값으로 생성될 수 있다.
충전 스테이션(charging station)은 적어도 하나 이상의 그라운드 어셈블리와 적어도 하나 이상의 그라운드 어셈블리를 관리하는 적어도 하나 이상의 그라운드 어셈블리 제어기를 포함할 수 있다. 그라운드 어셈블리는 적어도 하나 이상의 무선통신기를 구비할 수 있다. 충전 스테이션은 가정, 사무실, 공공장소, 도로, 주차장 등에 설치되는 적어도 하나 이상의 그라운드 어셈블리를 구비한 장소를 지칭할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 무선 전력 전송 방법을 채용할 수 있는 전기차에서 일차 코일과 이차 코일의 얼라인먼트를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 전기차(300)는 후술하는 무선 전력 전송 방법을 이용하거나 차량 어셈블리를 탑재할 수 있다. 또한, 전기차(300)는 무선 전력 전송 방식의 배터리 충전을 위해 이차 코일(Rx coil)을 탑재할 수 있다.
본 실시예에서 전기차(300)에 탑재되는 이차 코일(Rx coil)은 기존의 이차 패드에 내장되는 형태를 구비하지 않으며, 배터리의 전력에 의해 전기차(300)의 바퀴를 회전시키는 구동모터의 계자권선을 포함할 수 있다.
일차 코일(Tx coil)로부터 자기 유도 방식이나 자기유도 공진 방식으로 무선 전력을 전송받기 위해, 전기차(300)의 이차 코일(Rx coil)은 일차 코일과 정렬될 필요가 있다.
일례로, 직경(diameter) 300㎜를 각각 구비하고 간격(d) 105㎜만큼 이격되고 서로 평행하게 배치되는 원형 고리 형태의 일차 코일과 이차 코일이 있을 때, 이들의 중심을 관통하는 중심선들 간의 간격(a)에 따라서 결합계수 또는 전력전송효율은 크게 차이가 난다.
따라서, 무선 전력 전송 시에는 무선 전력 전송의 효율을 높이기 위해 이차 코일은 일차 코일에 대하여 잘 정렬될 필요가 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 전송 방법을 채용할 수 있는 무선 전력 전송 시스템에 대한 개략적인 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템(100)은 그라운드 어셈블리(ground assembly, GA, 110)와 차량 어셈블리(vehicle assembly, VA, 120)를 포함할 수 있다. 또한, 무선 전력 전송 시스템(100)은 이차 코일 즉 VA 코일(160)을 제공하는 구동모터(200)와 연결될 수 있다. 구동모터(200)는 구동모터를 제어하는 인버터(220)와 연결될 수 있다. 또한, 인버터(220)는 인버터에 연결되고 인버터의 동작을 제어하며 계자권선을 이용한 무선 전력 전송을 제어하는 제어보드(230)에 연결될 수 있다.
무선 전력 전송 시스템(100)의 구성요소에 대하여 좀더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, GA(110)는 그리드(grid)에 연결되는 역률 보정(power factor correction, PFC) 기능을 구비한 AC-DC 컨버터(172), DC-AC 인버터(174), 필터(Filter)/임피던스 매칭회로(impedance matching network, IMN)(176) 및 GA 코일(GA coil, 150)을 구비할 수 있다. GA 코일(150)은 일차 코일로 지칭될 수 있다. 그리고 GA(110)는 그라운드 어셈블리 컨트롤러(GA controller, 130)를 더 구비할 수 있다.
또한, GA(110)는 구현에 따라서 DC-DC 컨버터, 공진 회로(resonance circuit, RC) 등을 더 구비할 수 있다.
다음으로, VA(120)는 GA 코일(150)과 자기적(magnetic) 결합 회로(coupled circuit)를 형성하는 VA 코일(160), RC/IMN(182), 필터 기능이 구비된 정류기(rectifier, 184) 및 임피던스 변환기(impedance converter, 186)를 구비할 수 있다. 임피던스 변환기(186)에는 전기차의 구동모터에 전력을 공급하는 배터리(battery, 190)가 연결될 수 있다. 그리고 차량 어셈블리(130)는 차량 어셈블리 컨트롤러(VA controller, 140)를 더 구비할 수 있다. VA 컨트롤러(140)는 차량의 엔진 제어 장치 등의 전자 제어 장치와 연결되고, 소정의 신호(S5)를 주고받을 수 있다.
무선 전력 전송 시, VA 컨트롤러(140)는 무선 통신 링크(wireless comm. link)를 통해 GA 컨트롤러(130)와 명령 및 제어 통신을 수행하거나 하이 레벨 통신을 수행할 수 있다.
구동모터(200)와 인버터(220) 및 제어보드(230)에 대하여는 아래의 실시예에서 상세히 설명하기로 한다.
무선 전력 전송 시스템(100)의 작동 원리를 간략히 설명하면 다음과 같다.
먼저, VA(120) 내에서 배터리(190)에 충전하고자 하는 전류가 결정된다.
다음, 전력 요청이 무선 통신 채널을 통해 VA(120)로부터 GA(110)로 전달된다.
다음, GA(110)는 전력 요청을 인지하고, 그리드(grid)로부터 전력(외부 전력이라 함)을 받고 AC-DC 컨버터(172) 및 DC-AC 인버터(174)를 통해 외부 전력을 높은 주파수의 교류(AC)로 변환하여 GA 코일(150)로 전달한다.
다음, 높은 주파수의 교유 전력은 GA 코일(150)과 VA 코일(160)의 마그네틱 결합에 의해 VA 코일(160)에 유도되고, VA(120)에서 정류되고 변환되어 배터리(190)에 충전된다.
전술한 과정은 배터리(190)가 충분히 충전되어 VA(120)가 더 이상 배터리 충전에 필요한 전력이 없다는 전력 전송 중지 요청 또는 다른 전력 레벨 요청을 GA(110) 측에 전달하기까지 계속될 수 있다.
도 3은 도 2의 무선 전력 전송 시스템의 작동 원리를 설명하기 위한 회로도이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템은 그 작동 과정을 크게 구분하여 보면 PFC단(Stage 1), 공진형 DC/DC 컨버터의 1차단(이하, 간단히 DC/DC 1차단이라 함)(Stage 2), 무선충전 패드 및 공진 커패시터단(Stage 3) 및 출력 정류단(Stage 4)로 구분할 수 있다.
PFC단(Stage 1)은 교류 전원전압의 역률을 보상하는 회로로서 그리드에 연결되는 브릿지 정류기, 브릿지 정류기의 출력단에 병렬로 연결되는 입력 커패시터(C_I), 입력 커패시터(C_I)에 병렬 연결되는 평활 스위치(Q_A), 입력 커패시터(C_I)의 일단(고전위측)과 평활 스위치(Q_A)의 일단 사이에 배치되는 입력 인덕터(L_A), 평활 스위치(Q_A)의 일단에 연결되는 입력 다이오드(D_A)를 포함할 수 있다. PFC단(Stage 1)에서 평활 스위치(Q_A)의 제어단자에는 소정의 제어신호가 입력될 수 있고, 입력 인덕터(L_A)의 일단에는 전류 센서가 배치될 수 있다.
본 실시예에서는 PFC단(Stage 1)이 승압형 컨버터 형태로 AC 전압을 DC로 변환하고 역률을 보상하도록 구성되나, 승압형 컨버터 형태로 그 구성을 한정하고자 하는 것은 아니다.
DC/DC 1차단(Stage 2)은 DC 전압을 배터리에 충전할 수 있도록 DC 전압 레벨을 변동시킨다. 본 실시예에서는 전압의 형태의 AC로 변동하였다가 정류기를 통해 다시 DC로 변환시킨다. DC/DC 컨버터는 패드를 기준으로 1차측과 2차측으로 구분되며 1차측에서 2차측으로 최대 전력을 전달하기 위해 1차측과 2차측에 수동 소자로 공진네트워크를 구성할 수 있다.
즉, DC/DC 1차단(Stage 2)은 PFC단(Stage 1)의 출력단에 병렬 연결되는 평활 커패시터(C_BS), 평활 커패시터(C_BS)에 병렬 연결되는 브릿지 회로를 포함할 수 있다. 브릿지 회로는 네 개의 전력 스위치들(Q1, Q2, Q3, Q4)에 의해 일차 패드(P1) 측으로 전력을 전달한다. 전력 스위치는 실질적으로 송신측에서 수신측으로 전력을 전달하는 역할을 담당하며, MOSFET 등의 전력 소자를 사용할 수 있다.
무선충전 패드 및 공진 커패시터단(Stage 3)은 일차 코일과 일차 코일에 결합하는 제1 커패시터(C1), 제1 인덕터(L_I1) 및 제1 저항(R1)의 직렬 회로를 포함할 수 있다. 이 직렬 회로는 1차측 공진 네트워크로 지칭될 수 있다. 1차측 공진을 위한 제1 커패시터(C1)의 입력측 일단에는 전류 센서가 배치될 수 있다. 전류 센서는 컨버터의 교류 전류를 측정하여 충전 제어에 이용하기 위한 것일 수 있다. 또한, 일차 코일의 양단에는 상호 인덕턴스를 위한 코일 인덕터(Lm)가 병렬로 연결될 수 있다. 제1 인덕터(L_I1), 제1 저항(R1), 코일 인덕터(Lm) 및 일차 코일은 1차 패드에 일체로 포함될 수 있다. 1차 패드는 케이스 또는 하우징 등을 더 포함할 수 있다.
또한, 무선충전 패드 및 공진 커패시터단(Stage 3)은 이차 코일과, 이차 코일에 결합하는 제2 저항(R2), 제2 인덕터(L_I2) 및 제2 커패시터(C2)의 직렬 회로를 포함할 수 있다. 이 직렬 회로는 2차측 공진 네트워크로 지칭될 수 있다. 제2 커패시터(C2)는 2차측 공진을 담당할 수 있다. 이차 코일, 제2 저항(R2) 및 제2 인덕터(L_I2)는 2차 패드에 대응하는 구동모터에 일체로 포함될 수 있다. 본 실시예에서 구동모터의 계자권선은 이차코일로 사용된다.
출력 정류단(Stage 4)은 무선충전 패드 및 공진 커패시터단(Stage 3)의 출력단에 연결되어 고전위측 및 저전위측에서 번갈아 출력되는 전류를 받아 부하(Ro) 측으로 출력하는 정류 회로를 포함할 수 있다. 정류 회로는 풀브릿지 정류 방식으로 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 제1 내지 제4 다이오드들(D1, D2, D3, D4)을 포함할 수 있다.
또한, 출력 정류단(Stage 4)은 정류 회로와 부하(Ro) 사이에 병렬 연결되는 출력 커패시터(Co)를 더 포함할 수 있다.
전술한 구성에 있어서, DC/DC 1차단(Stage 2)과 무선충전 패드 및 공진 커패시터단(Stage 3)의 일부는 무선 전력 전송에서의 송신 측으로 지칭되고, 무선충전 패드 및 공진 커패시터단(Stage 3)의 나머지 일부와 출력 정류단(Stage 4)은 수신 측으로 지칭될 수 있다.
도 4는 도 2의 무선 전력 전송 시스템에서 전기차의 구동모터의 계자권선에 의한 무선 전력 전송 원리를 설명하기 위한 개략적인 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 전기차의 구동모터(200)는 고정자(202), 고정자에 배치되는 고정자 권선(203), 회전자(204), 회전자에 배치되는 계자권선(205)을 포함한다. 회전자(204)는 전자석으로 형성될 수 있다. 계자권선(205)의 양단은 구동모터(200)의 외부에 노출된다. 계자권선(205)의 양단에는 터미널이나 단자(206)가 결합될 수 있다.
구동모터(200)는 인버터(220)에 연결된다. 회전자(204)는 복수의 고정자 권선들에 순차적으로 각각 인가되는 인버터(220)의 3상(Iu, Iv, Iw) 전원에 따라 회전하여 구동력을 생성할 수 있다. 인버터(220)와 구동모터(200)의 전력은 전기차의 배터리로부터 공급될 수 있다.
인버터(220)는 변환회로(210)를 포함할 수 있다. 물론, 구현에 따라서 변환회로(210)는 인버터(220) 외부에 설치되고 인터버(220)와 결합할 수 있다. 도 4에서 변환회로(210)는 인버터(220)의 케이스나 하우징 내에 배치하는 것으로 볼 수 있다. 변환회로(210)는 계자권선에서 발생하는 전압을 정류하는 회로를 포함할 수 있다.
계자권선(205)의 양단은 인버터(220) 또는 변환회로(210)에 연결될 수 있다. 계자권선(205)의 양단 단자들(206)에는 변환회로(210)에 연결되는 한 쌍의 커넥터(207)가 착탈가능하게 접촉할 수 있다.
또한, 인버터(220)는 제어보드(도 5의 230 참조)를 포함할 수 있다. 본 실시예에서 제어보드는 프로세서를 탑재하고, 인버터(220)의 동작을 제어하면서 변환회로(210)의 동작(온/오프)을 제어할 수 있다. 물론, 구현에 따라서 제어보드는 인버터 외부에 위치하는 별도의 제어장치나 컨트롤러의 적어도 일부로 설치될 수 있다.
도 5는 도 2의 무선 전력 전송 시스템에 채용할 수 있는 무선 전력 전송 방법의 구현 회로에 대한 예시도이다.
도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 인버터(220)는 파워모듈(221), 직류단 커패시터(222), 직류단 전압 센서(223), 직류단 전압 센싱 회로(224), 전류 센서(225), 전류 센싱 회로(226), 중앙처리장치(227), 제어/게이트 보드(228), 및 RDC(resolver digital converter) 및 주변회로(229)를 포함한다.
제어/게이트 보드(228)상에는 직류단 전압 센싱 회로(224), 전류 센싱 회로(226), 중앙처리장치(227), PWM(pluse width modulation) 출력 회로(227b), 및 RDC(resolver digital converter) 및 주변회로(229)가 탑재될 수 있다.
중앙처리장치(227)는 전압 센싱 회로(224)의 신호를 감지하는 아날로그 디지털(A/D) 컨버터와 전류 센싱 회로(226)의 신호를 감지하는 A/D 컨버터(227a)를 구비할 수 있다. 또한, 중앙처리장치(227)는 PWM 출력 회로(227b)로 소정의 신호(S4)를 출력하는 제1 출력단과 또 다른 소정의 신호들(S1, S2, S3, S5)을 출력하는 제2 출력단을 구비할 수 있다. 또한, 중앙처리장치(227)는 레졸버(208)를 통해 회전자(204)의 위치를 감지하고, 회전자(204)의 위치를 제어하기 위한 모듈(회전자 위치 제어 모듈)을 구비할 수 있다. 외전자 위치 제어 모듈은 계자권선의 충전모드에서 회전자의 위치를 제어하기 위해 사용될 수 있다.
또한, 인버터(220)는 변환회로(210)와의 사이에 배치되는 충전스위치(212)를 더 포함할 수 있다. 충전스위치(212)는 변환회로(210)의 두 출력단에 각각 직렬 연결되는 제3 스위치(T3) 및 제4 스위치(T4)를 포함하고, 중앙처리장치(227)의 제어신호(S2)에 응답하여 각 스위치(T3, T4)가 온/오프 작동하며, 그에 의해 각 스위치(T3, T4)의 턴 온 상태에서 계자권선에서 유도되고 변환회로(210)를 통해 정류되는 전류(또는 이를 포함한 충전 전력)를 배터리(190) 측으로 전달할 수 있다. 충전스위치(212)는 전기차의 운전 중에 턴 오프 상태를 유지할 수 있다.
전술한 충전스위치(212)는 인버터(220) 내의 배치로 한정되지 않고, 인버터 외부에 배치될 수 있다. 이와 유사하게, 변환회로(210)는 인버터(220) 외부의 배치로 한정되지 않고 인버터(220)와 일체로 형성될 수 있다. 일례로, 변환회로(210)는 충전스위치(212)와 함께 인버터(220)의 하우징이나 케이스에 일체로 내장될 수 있다.
변환회로(210)는 공진회로의 적어도 일부와 결합될 수 있다. 일례로, 공진회로의 커패시터(C2)가 변환회로(210)를 구성하는 브릿지 다이오드 회로의 두 입력단들 중 하나와 계자권선의 양단 중 하나와의 사이에 배치될 수 있다. 물론, 공진회로의 구성에 따라 커패시터(C2)는 생략될 수 있다.
변환회로(210)의 두 입력단들과 구동모터(200)의 회전자(204)에 감긴 계자권선의 양단은 구동모터(200)의 외부에 노출되고, 스위칭 회로(211)를 통해 서로 연결될 수 있다. 스위칭 회로(211)는 계자권선의 용도 즉, 계자권선 고유의 기능을 수행하는 기본모드와 이차코일의 기능을 수행하는 충전모드 간의 절체하는 3-way 스위치 구조를 가질 수 있다. 기본모드에서 계자권선의 양단은 계자권선에 소정의 전원을 인가하는 장치(예컨대, 배터리 190 등)에 연결될 수 있다. 이러한 스위칭 회로(211)는 중앙처리장치(227)의 제어신호(S1)에 따라 계자권선의 양단에 각각 연결되는 제1 스위치(T1)와 제2 스위치(T2)가 제1 접점 및 제2 접점 중 어느 하나를 선택적으로 턴온 상태로 접속하도록 동작할 수 있다.
전술한 구성요소들 중 일부에 대하여 좀더 구체적으로 설명하면, 파워모듈(221)은 6개의 전력 소자들(Q5, Q6, Q7, Q8, Q9, Q0)을 구비하고, 이 전력 소자들의 동작에 의해 3상 전원(u상, v상, w상)의 교류 전원을 구동모터(200)에 인가할 수 있다. 전력 소자는 IGBT(insulated gate bipolar transistor)를 포함할 수 있다. 파워모듈(221)의 두 입력단은 메인 릴레이(192)를 통해 배터리(190)에 연결될 수 있다. 메인 릴레이(192)는 중앙처리장치(227)의 제어신호(S3)에 의해 온/온프 작동할 수 있다.
배터리(190)는 전기차의 구동모터에 전력을 공급하는 배터리 시스템의 일부일 수 있다. 배터리(190)는 외부의 1차 코일에서 계자권선으로 유도되는 무선 전력에 의해 충전될 수 있다. 배터리 시스템은 배터리(190)와 배터리를 관리하는 배터리 관리 시스템을 포함할 수 있으며, 배터리 관리 시스템은 차량 제어기 및/또는 차량 어셈블리 컨트롤러와 연결되어 서로 통신할 수 있다.
전류 센서(225)는 파워모듈(221)에서 출력되는 3상 라인에서의 전류를 측정할 수 있다. 또한, 전류 센서(225)는 변환회로(210)에서 배터리(190)로 전달되는 전류를 측정할 수 있다.
도 6은 도 5의 무선 전력 전송 시스템에 채용할 수 있는 구동모터의 개략적인 단면도이다.
도 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템에 채용할 수 있는 구동모터는 계자권선형 모터를 포함한다. 또한, 구동모터는 IPM(intelligent power module) 모터를 포함할 수 있다. IPM 모터를 이용하면, 인버터 제어를 통해 모터를 제어할 수 있다. 구동모터의 케이스의 적어도 일부는 자속이 통과할 수 있거나 자속이 통과할 수 있는 재질로 형성될 수 있다.
본 실시예에서 구동모터는 고정자(202), 고정자 권선(203), 회전자(204) 및 계자권선(205)을 포함할 수 있다.
고정자 권선(203)의 제1 권선(a, -a), 제2 권선(b, -b) 및 제3 권선(c, -c)에는 3상 입력 전원의 각 상 전원이 인가될 수 있다.
회전자(204)는 원형 중심부와 이 중심부에서 대칭 형태로 돌출하는 한 쌍의 돌기부들을 구비한다. 구현에 따라서 돌기부들은 2개보다 많은 개수로 형성될 수 있다.
계자권선(205)은 각 돌기부에 감긴다. 본 실시예에서 계자권선(205)은 무선 전력 전송 시스템의 이차 코일로서 기능한다. 이를 위해, 돌기부에 감기는 계자권선(205)의 중앙부는 일정 영역 이상이 되도록 설정될 수 있다. 아울러, 구동모터 외부의 1차 코일이나 1차 패드(152)에 내장된 1차 코일과의 자기 결합을 위해 회전자(204)는 계자권선(205)의 중앙부를 관통하는 적어도 하나의 홀(미도시)을 구비할 수 있다.
계자권선(205)의 중앙부를 관통하면서 회전자(204)의 한 쌍의 돌기부들 사이를 관통하는 적어도 하나의 홀은 1차 코일에서 발생하는 자속이 계자권선(205)을 집중하여 쇄교하도록 기능할 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 전력 전송 방법의 흐름도이다.
도 7을 참조하면, 본 실시예에 따른 무선 전력 전송 방법은, 전기차에 탑재된 구동모터의 계자권선을 이용하여 차량 외부의 1차 코일의 무선 전력을 수신할 수 있다.
이를 위해 먼저, 충전 영역에 주차된 전기차의 구동 모터에 연결되는 인버터 내 스위치들을 턴오프한다(S71).
다음, 전기차에 탑재된 배터리와 구동모터의 계자권선 사이에 연결된 모드 전환 스위치(T1, T2)를 턴온한다(S72).
다음, 배터리와 모드 전환 스위치 사이에 연결된 충전 스위치를 턴온한다(S73). 이 단계에서 계자권선을 통해 배터리 충전이 준비 완료된 상태이지만, 실질적으로 계자권선과 배터리는 전기적으로 아직 분리된 상태일 수 있다. 분리된 상태의 경우, 다음 단계에서의 물리량 측정을 위해 다른 배터리, 더미 배터리, 또는 더미 부하가 계자권선에 연결될 수 있다.
다음, 무선 전력 전송을 위한 배터리 충전 준비 단계나 배터리 충전 초기 단계에서 계자권선에 유도되는 물리량을 측정한다(S74).
다음, 배터리 전압이 물리량의 전압 즉, 물리량에 대응하는 충전 전압 이상인지를 판단한다(S75).
판단 결과, 예이면, 배터리와 계자권선 사이의 전력 전송 라인을 차단한다(S76). 전력 전송 라인의 차단은 전기적으로 완전히 연결되지 않은 현재 상태를 유지하는 것일 수 있다.
한편, 상기 단계(S75)의 판단 결과, 아니오이거나 상기 단계(S76) 후에 계자권선이 감긴 회전자를 일정 각도 범위만큼 회전시킨다(S77). 본 단계에서는 레졸버를 통해 센싱된 회전자의 위치에 따라 결정되는 방향으로 회전자를 회전시켜 1차 패드나 1차 코일의 배치면과 평행하게 권선 형태의 계자권선을 배치하기 위한 것이다. 이 경우, 복층 구조로 배치되는 계자권선들의 각 배열면이 1차 코일의 배치면과 대략 평행하게 배치될 수 있다. 또한, 복층 구조의 계자권선들이 1차 코일의 배열면 상에 적층 구조로 배치될 수 있다.
다음, 회전자의 회전에 따른 물리량(Q)를 다시 비교할 수 있다(S78).
비교 결과, 물리량(Q)이 무선 전력 전송을 위한 최소 물리량 이상이거나, 예컨대 무선 전력 전송을 위한 자기 결합의 Q팩터가 최대이거나 유도 전압이 최대(Max.)이면, 최대에 대응하는 위치로 회전자의 위치를 제어할 수 있다(S79). 그리고 무선 충전을 수행할 수 있다(S80).
한편, 상기 단계(S78)에서의 비교 결과, 물리량(Q)이 무선 전력 전송을 위한 최소(Min.) 물리량 미만이면, 중앙처리장치나 이 중앙처리장치와 통신하는 차량 제어기 및/또는 차량 어셈블리 컨트롤러는 중앙처리장치로부터 1차 코일 위치를 조정하기 위한 일차 코일 위치 제어 요청 신호를 받고 이를 그라운드 어셈블리(GA) 측으로 전송할 수 있다(S81).
물론, 구현에 따라서, GA에 연결되는 일차 패드가 차량 어셈블리 컨트롤러나 차량 제어기에서 직접 제어할 수 있도록 설치되는 경우, 일차코일 위치제어 요청신호는 일차코일 위치제어 신호로 대체되고, 1차 패드에 연결되는 액추에이터의 제어장치나 이에 대응하는 기능을 수행하는 GA 컨트롤러에 전송될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (18)

  1. 전기차의 무선 전력 전송 방법으로서,
    전기차에 탑재된 차량 제어기 또는 상기 차량 제어기에 연결되는 차량 어셈블리 컨트롤러와 상기 전기차의 외부에 위치하는 무선 전력 전송용 일차 코일이나 일차 패드에 연결되는 충전기의 제어장치나 관리장치 또는 그라운드 어셈블리 컨트롤러가 상기 전기차의 배터리 충전을 위한 통신을 수행하는 단계; 및
    상기 무선 전력 전송을 시작하기 전에 상기 전기차의 구동모터의 계자권선에 상기 배터리를 연결하는 단계를 포함하며,
    상기 배터리는 상기 일차 코일로부터 상기 계자권선에 자기 유도되는 전력에 의해 충전되는, 무선 전력 전송 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 연결하는 단계는, 상기 구동모터의 계자권선과 상기 구동모터에 연결된 인버터와의 사이에 연결되는 제1스위치를 턴오프하고, 상기 구동모터의 계자권선과 상기 배터리 사이에 연결되는 제2스위치를 턴온하는, 무선 전력 전송 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 계자권선은, 상기 무선 전력 전송의 진행 시, 상기 일차 코일과 마주하는 제1 계자권선과, 상기 제1 계자권선을 사이에 두고 상기 일차 코일과 마주하는 제2 계자권선을 포함하는, 무선 전력 전송 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 연결하는 단계 후에,
    상기 계자권선에 유도되는 자계에 의한 전압 또는 전류를 감지하는 단계;
    상기 전압 또는 전류를 포함하거나 상기 전압이나 전류에 기초한 물리량이 제1 기준치 이상인지를 판단하는 단계;
    상기 물리량이 제1 기준치 미만이면, 상기 계자권선이 감긴 상기 구동모터의 회전자를 미리 정해진 각도 범위 내에서 회전시키는 단계; 및
    상기 각도 범위 내 상기 물리량이 가장 큰 위치에서 상기 회전자의 충전위치를 결정하는 단계를 더 포함하는, 무선 전력 전송 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 결정하는 단계 후에,
    상기 물리량이 미리 정해진 제2 기준치 미만이면, 일차패드 위치조정 요청신호를 상기 일차 패드를 관리하는 그라운드 어셈블리 컨트롤러로 전송하는 단계를 더 포함하는, 무선 전력 전송 방법.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 결정하는 단계 후에,
    상기 물리량이 미리 정해진 제2 기준치 미만이면, 상기 일차 패드에 결합하는 외부 제어 가능한 액추에이터에 일차패드 위치조정을 위한 제어신호를 전송하는 단계를 더 포함하는, 무선 전력 전송 방법.
  7. 무선 전력 전송 시스템의 차량 어셈블리(vehicle assembly, VA)로서,
    전기차의 외부에 위치하는 일차 코일과 자기 결합하는 이차 코일;
    상기 이차 코일에 연결되는 임피던스 정합 네트워크(impedance matching network, IMN) 또는 필터(filter);
    상기 IMN 또는 필터에 연결되는 정류기(rectifier); 및
    상기 정류기에 연결되는 임피던스 컨버터(impedance converter)를 포함하고,
    상기 이차 코일은 상기 전기차의 바퀴에 구동력을 제공하는 구동모터의 계자권선을 포함하는, 차량 어셈블리.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 계자권선과 상기 IMN 또는 필터 사이에 연결되는 모드전환스위치; 및
    상기 전기차에 탑재된 배터리와 상기 임피던스 컨버터 사이에 배치되는 충전스위치를 더 포함하는, 차량 어셈블리.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 전기차에 탑재된 컨트롤러를 더 포함하며,
    상기 컨트롤러는 상기 구동모터에 3상 배선으로 연결된 인버터를 제어하는 제어보드, 차량 어셈블리 제어기 및 차량 제어기 중 적어도 어느 하나 이상에 연결되거나 상기 적어도 어느 하나 이상을 포함하며,
    상기 컨트롤러는 상기 제어보드를 통해 상기 구동모터에 연결된 상기 인버터 내의 스위치들을 턴오프하고, 상기 모드전환스위치와 상기 충전스위치를 제어하여 상기 계자권선을 상기 배터리에 연결하는, 차량 어셈블리.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 컨트롤러는 상기 일차 코일로부터 상기 계자권선에 유도되는 전류 또는 전압을 포함하거나 상기 전류 또는 전압에 기초한 물리량에 기반하여 상기 계자권선이 감긴 상기 구동모터의 회전자의 위치 또는 위상각을 변경하는, 차량 어셈블리.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 계자 권선은 상기 회전자의 표면 일부에만 랩 권선(lap winding) 구조로 규칙적 혹은 대칭적으로 배열되는, 차량 어셈블리.
  12. 청구항 7에 있어서,
    상기 IMN 또는 필터, 상기 정류기 및 상기 임피던스 컨버터를 포함하는 변환 회로는 상기 구동모터에 3상 배선으로 연결되는 인버터와 상기 인버터를 제어하는 제어보드를 수용하는 하우징 내에 수납되는, 차량 어셈블리.
  13. 전륜 또는 후륜에 구동력을 제공하는 구동모터;
    상기 구동모터와 연결되는 인버터;
    상기 인버터의 복수의 스위치들을 제어하는 제어보드;
    상기 구동모터의 계자권선에 연결되는 배터리; 및
    상기 구동모터의 계자권선과 상기 배터리 사이의 배선에 배치되어 상기 배선 상의 전류 흐름을 허용하거나 차단하는 충전스위치를 포함하고,
    상기 충전스위치의 턴온 상태에서 외부의 일차 코일로부터의 자계에 의해 상기 계자권선에 유도되는 전류가 상기 배터리에 충전되는, 전기차.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 충전스위치에 연결되며, 상기 구동모터의 회전자의 표면에 상기 계자권선의 한 쌍의 말단부가 노출되는 한 쌍의 전극패드들에 전기적으로 결합하는 커넥터 어셈블리를 더 포함하는, 전기차.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 충전스위치와 상기 커넥터 어셈블리 사이에 배열되는 무선 전력 전송 시스템의 2차측 변환회로를 더 포함하는, 전기차.
  16. 청구항 13에 있어서,
    상기 제어보드는 상기 계자권선에서 유도되는 2차 전류 또는 2차 전압을 검출하는 센싱 회로를 구비하고, 상기 2차 전류 및 2차 전압 중 어느 하나와 상기 배터리의 현재 전압에 기초하여 상기 배터리와 상기 충전스위치 사이의 전력 전송 라인을 차단하기 위한 제어신호를 출력하는, 전기차.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 제어보드는 상기 2차 전류 또는 2차 전압에 기초하여 센서를 통해 감지한 상기 구동모터의 회전자의 위치를 변경하는, 전기차.
  18. 청구항 13에 있어서,
    상기 구동모터는 상기 전기차의 엔진룸 하부에 배치되는, 전기차.
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