KR102559947B1 - Lccl-s 공진 네트워크를 적용한 ipt 시스템에서 풀 브릿지 제어와 하프 브릿지 제어를 선택적으로 수행하는 방법 및 장치 - Google Patents

Lccl-s 공진 네트워크를 적용한 ipt 시스템에서 풀 브릿지 제어와 하프 브릿지 제어를 선택적으로 수행하는 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

풀 브릿지 제어와 하프 브릿지 제어를 선택적으로 수행하는 방법 및 장치가 개시된다. 풀 브릿지 제어(Full bridge control)와 하프 브릿지 제어(Half bridge control)를 선택적으로 수행하는 방법은, IPT 시스템에 포함된 풀 브릿지 인버터(Full bridge inverter)의 스위치들 중 직렬로 연결되지 않은 스위치끼리 동시에 동작하도록 제어하는 풀 브릿지 제어를 수행하는 단계, 상기 IPT 시스템의 결합 계수를 산출하고, 산출된 결합 계수를 기초로 상기 풀 브릿지 제어를 하프 브릿지 제어로 전환 가능한지 판단하는 단계, 상기 하프 브릿지 제어로 전환이 가능한 것으로 판단되면, 상기 IPT 시스템의 부하량을 산출하는 단계 및 산출된 부하량을 기초로 상기 풀 브릿지 인버터에 대하여 상기 하프 브릿지 제어를 수행하는 단계를 포함한다.

Description

LCCL-S 공진 네트워크를 적용한 IPT 시스템에서 풀 브릿지 제어와 하프 브릿지 제어를 선택적으로 수행하는 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR SELECTIVELY PERFORMING FULL BRIDGE CONTROL AND HALF BRIDGE CONTROL IN INDUCTIVE POWER TRANSFER SYSTEM USING LCCL-S RESONANT NETWORK}
본 발명은 LCCL-S 공진 네트워크를 적용한 IPT 시스템에서 풀 브릿지 제어와 하프 브릿지 제어를 선택적으로 수행하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 IPT 시스템에 포함된 풀 브릿지 인버터를 선택적으로 하드웨어 변경 없이 하프 브릿지 인버터로 동작시킴으로써, 하프 브릿지 인버터를 사용할 때의 장점과 풀 브릿지 인버터를 사용할 때의 장점을 결합한 기술에 관한 것이다.
전기차 충전 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 시스템이나 비접촉 방식의 무선 전력 전송 시스템을 포함할 수 있다.
전기차의 충전 시, 전기차에 탑재되는 차량 어셈블리(vehicle assembly, VA)는 충전 스테이션(charge station)이나 충전 스팟(charging spots)에 위치하는 그라운드 어셈블리(ground assembly, GA)의 송전 패드와 유도 공진 결합을 형성하고, 유도 공진 결합을 통해 그라운드 어셈블리로부터 전달되는 전력을 이용하여 전기차의 배터리에 충전을 수행하게 된다.
한편, 전기차로 무선 전력을 전달하는 IPT(Inductive Power Transfer) 시스템은 LCCL-S 공진 네트워크가 적용될 수 있는데, 이러한 정전압 공진 네트워크를 적용한 IPT 시스템의 출력 전압은 결합 계수에 따라 변동하는 특징을 가진다.
따라서, 높은 결합 계수 조건에서는 과도한 출력 전압으로 인한 반도체 및 수동 소자의 소손 우려가 있기 때문에 공진 네트워크의 입력 전압을 감소시킴으로써, 출력 전압을 제한할 필요가 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, LCCL-S 공진 네트워크를 적용한 IPT(Inductive Power Transfer) 시스템에서 풀 브릿지 제어(Full bridge control)와 하프 브릿지 제어(Half bridge control)를 선택적으로 수행하는 방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 다른 목적은, LCCL-S 공진 네트워크를 적용한 IPT(Inductive Power Transfer) 시스템에서 풀 브릿지 제어(Full bridge control)와 하프 브릿지 제어(Half bridge control)를 선택적으로 수행하는 장치를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, LCCL-S 공진 네트워크를 적용한 IPT(Inductive Power Transfer) 시스템에서 풀 브릿지 제어(Full bridge control)와 하프 브릿지 제어(Half bridge control)를 선택적으로 수행하는 방법을 제공한다.
여기서 LCCL-S 공진 네트워크를 적용한 IPT(Inductive Power Transfer) 시스템에서 풀 브릿지 제어(Full bridge control)와 하프 브릿지 제어(Half bridge control)를 선택적으로 수행하는 방법은, IPT 시스템에 포함된 풀 브릿지 인버터(Full bridge inverter)의 스위치들 중 직렬로 연결되지 않은 스위치끼리 동시에 동작하도록 제어하는 풀 브릿지 제어를 수행하는 단계, 상기 IPT 시스템의 결합 계수를 산출하고, 산출된 결합 계수를 기초로 상기 풀 브릿지 제어를 하프 브릿지 제어로 전환 가능한지 판단하는 단계, 상기 하프 브릿지 제어로 전환이 가능한 것으로 판단되면, 상기 IPT 시스템의 부하량을 산출하는 단계 및 산출된 부하량을 기초로 상기 풀 브릿지 인버터에 대하여 상기 하프 브릿지 제어를 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서 상기 하프 브릿지 제어는, 상기 풀 브릿지 인버터에 포함된 스위치들 중에서 직렬로 연결된 스위치들 중 하나는 항상 ON 또는 OFF 상태에 있도록 제어하여 상기 풀 브릿지 인버터를 하프 브릿지 인버터와 동등하게 동작하도록 제어하는 방식일 수 있다.
여기서 상기 하프 브릿지 제어로 전환 가능한지 판단하는 단계는, 상기 하프 브릿지 제어가 설계 요구 사항을 만족하는 결합 계수 범위를 결정하는 단계 및 결정된 결합 계수 범위에 따른 임계값을 상기 산출된 결합 계수와 비교하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서 상기 설계 요구 사항은, 상기 IPT 시스템의 결합 계수, 출력 전압, 부하량(load) 중 적어도 하나에 대하여 미리 정의될 수 있다.
여기서 상기 하프 브릿지 제어를 수행하는 단계는, 산출된 부하량을 상기 결합 계수 범위에 따라 미리 결정되는 제어 전환값과 비교하고, 비교 결과에 따라 상기 하프 브릿지 제어를 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서 상기 제어 전환값은, 상기 결합 계수 범위에서 부하량에 따른 풀 브릿지 제어의 효율과 하프 브릿지 제어의 효율이 교차하는 지점에 따른 부하량을 의미할 수 있다.
여기서 상기 IPT 시스템은, 직류 전원을 입력받아 교류 전압을 출력하는 상기 풀 브리지 인버터, 상기 풀 브리지 인버터로부터 교류 전압을 입력받아 전기차의 수신 패드에 내장된 수신 코일에 유도 기전력을 생성하는 보상 회로(compensation network), 상기 유도 기전력에 따른 유도 전류를 정류하여 커패시터에 저장하는 정류회로(rectifier) 및 상기 정류회로의 커패시터에 저장된 직류 전압을 전기차에 내장된 배터리의 정격 전압(Vbatt)으로 변환하는 DC to DC 컨버터를 포함할 수 있다.
여기서 상기 풀 브리지 인버터는, 제1 스위치 및 제3 스위치가 직렬 연결된 제1 직렬 회로 및 제4 스위치 및 제2 스위치가 직렬 연결된 제2 직렬 회로를 포함하고, 상기 제1 직렬 회로와 상기 제2 직렬 회로는 상기 직류 전원과 병렬로 연결될 수 있다.
여기서 상기 풀 브릿지 제어를 수행하는 단계는, 상기 제1 스위치와 상기 제2 스위치를 제1 쌍으로써 동시에 ON 또는 OFF로 동작시키고, 상기 제3 스위치 및 상기 제4 스위치를 제2 쌍으로서 동시에 ON 또는 OFF로 동작시키며, 상기 제1 쌍과 상기 제2 쌍을 서로 교차로 동작시킬 수 있다.
여기서 상기 하프 브릿지 제어를 수행하는 단계는, 상기 제2 스위치를 항상 ON 상태로 유지시키고, 상기 제4 스위치를 항상 OFF 상태로 유지시키며, 상기 제1 스위치와 상기 제3 스위치를 서로 교차로 동작시킬 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면은, LCCL-S 공진 네트워크를 적용한 IPT 시스템에서 풀 브릿지 제어와 하프 브릿지 제어를 선택적으로 수행하는 장치를 제공한다.
여기서 풀 브릿지 제어와 하프 브릿지 제어를 선택적으로 수행하는 장치는, 적어도 하나의 프로세서(processor, 110) 및 상기 적어도 하나의 프로세서(110)가 적어도 하나의 단계를 수행하도록 지시하는 명령어들(instructions)을 저장하는 메모리(memory, 120)를 포함할 수 있다.
여기서 상기 적어도 하나의 단계는, 상기 IPT 시스템에 포함된 풀 브릿지 인버터(Full bridge inverter)의 스위치들 중 직렬로 연결되지 않은 스위치끼리 동시에 동작하도록 제어하는 풀 브릿지 제어를 수행하는 단계, 상기 IPT 시스템의 결합 계수를 산출하고, 산출된 결합 계수를 기초로 상기 풀 브릿지 제어를 하프 브릿지 제어로 전환 가능한지 판단하는 단계, 상기 하프 브릿지 제어로 전환이 가능한 것으로 판단되면, 상기 IPT 시스템의 부하량을 산출하는 단계 및 산출된 부하량을 기초로 상기 풀 브릿지 인버터에 대하여 상기 하프 브릿지 제어를 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서 상기 하프 브릿지 제어는, 상기 풀 브릿지 인버터에 포함된 스위치들 중에서 직렬로 연결된 스위치들 중 하나는 항상 ON 또는 OFF 상태에 있도록 제어하여 상기 풀 브릿지 인버터를 하프 브릿지 인버터와 동등하게 동작하도록 제어하는 방식일 수 있다.
여기서 상기 하프 브릿지 제어로 전환 가능한지 판단하는 단계는, 상기 하프 브릿지 제어가 설계 요구 사항을 만족하는 결합 계수 범위를 결정하는 단계 및 결정된 결합 계수 범위에 따른 임계값을 상기 산출된 결합 계수와 비교하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서 상기 설계 요구 사항은, 상기 IPT 시스템의 결합 계수, 출력 전압, 부하량(load) 중 적어도 하나에 대하여 미리 정의될 수 있다.
여기서 상기 하프 브릿지 제어를 수행하는 단계는, 산출된 부하량을 상기 결합 계수 범위에 따라 미리 결정되는 제어 전환값과 비교하고, 비교 결과에 따라 상기 하프 브릿지 제어를 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서 상기 제어 전환값은, 상기 결합 계수 범위에서 부하량에 따른 풀 브릿지 제어의 효율과 하프 브릿지 제어의 효율이 교차하는 지점에 따른 부하량을 의미할 수 있다.
여기서 상기 IPT 시스템은, 직류 전원을 입력받아 교류 전압을 출력하는 상기 풀 브리지 인버터, 상기 풀 브리지 인버터로부터 교류 전압을 입력받아 전기차의 수신 패드에 내장된 수신 코일에 유도 기전력을 생성하는 보상 회로(compensation network), 상기 유도 기전력에 따른 유도 전류를 정류하여 커패시터에 저장하는 정류회로(rectifier) 및 상기 정류회로의 커패시터에 저장된 직류 전압을 전기차에 내장된 배터리의 정격 전압(Vbatt)으로 변환하는 DC to DC 컨버터를 포함할 수 있다.
여기서 상기 풀 브리지 인버터는, 제1 스위치 및 제3 스위치가 직렬 연결된 제1 직렬 회로 및 제4 스위치 및 제2 스위치가 직렬 연결된 제2 직렬 회로를 포함하고, 상기 제1 직렬 회로와 상기 제2 직렬 회로는 상기 직류 전원과 병렬로 연결될 수 있다.
여기서 상기 풀 브릿지 제어를 수행하는 단계는, 상기 제1 스위치와 상기 제2 스위치를 제1 쌍으로써 동시에 ON 또는 OFF로 동작시키고, 상기 제3 스위치 및 상기 제4 스위치를 제2 쌍으로서 동시에 ON 또는 OFF로 동작시키며, 상기 제1 쌍과 상기 제2 쌍을 서로 교차로 동작시킬 수 있다.
여기서 상기 하프 브릿지 제어를 수행하는 단계는, 상기 제2 스위치를 항상 ON 상태로 유지시키고, 상기 제4 스위치를 항상 OFF 상태로 유지시키며, 상기 제1 스위치와 상기 제3 스위치를 서로 교차로 동작시킬 수 있다.
상기와 같은 본 발명에 따른 LCCL-S 공진 네트워크를 적용한 IPT(Inductive Power Transfer) 시스템에서 풀 브릿지 제어(Full bridge control)와 하프 브릿지 제어(Half bridge control)를 선택적으로 수행하는 방법 및 장치를 이용할 경우에는 하드웨어의 변경없이 하프 브릿지 제어에 따른 출력 전압 감소 효과를 얻을 수 있다.
또한, 높은 결합 계수에서도 하프 브릿지 제어를 이용하여 경부하 효율을 증가시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예가 적용되는 전기차를 위한 무선 전력 전송의 개념을 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기차 무선 충전 회로를 도시한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기차 무선 전력 전송에서의 정렬 개념을 설명하기 위한 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 LCCL-S 공진 네트워크를 적용한 IPT 시스템에 대한 회로도이다.
도 5a 내지 도 5c는 네트워크의 입력 전압을 상쇄하기 위한 풀 브리지 인버터의 제어방법을 설명하기 위한 예시도이다.
도 6은 도 4에 따른 풀 브릿지 인버터의 제어 방법을 설명하기 위한 예시도이다.
도 7은 도 4에 따른 풀 브릿지 인버터를 하프 브릿지 인버터로 동작시키는 제어 방법을 설명하기 위한 예시도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 풀 브릿지 인버터를 하프 브릿지 인버터로 제어하는 최적의 조건을 결정하는 방법을 설명하기 위한 그래프이다.
도 9a 내지 도 9d는 본 발명의 일 실시예에 따른 풀 브릿지 인버터와 하프 브릿지 인버터의 제어 변환점을 부하량에 따라 결정하는 방법을 설명하기 위한 예시 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 풀 브릿지 제어와 하프 브릿지 제어의 동작 영역을 설명하기 위한 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 LCCL-S 공진 네트워크를 적용한 IPT 시스템에서 풀 브릿지 제어와 하프 브릿지 제어를 선택적으로 수행하는 방법에 대한 흐름도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 LCCL-S 공진 네트워크를 적용한 IPT 시스템에서 풀 브릿지 제어와 하프 브릿지 제어를 선택적으로 적용하는 방법에 대한 구현례이다.
도 13a 내지 도 13d는 본 발명의 일 실시예에 따른 풀 브릿지 제어와 하프 브릿지 제어를 선택적으로 적용하는 방법을 기존의 풀 브릿지 제어만 사용하는 방법과 비교한 그래프이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 LCCL-S 공진 네트워크를 적용한 IPT 시스템에서 풀 브릿지 제어와 하프 브릿지 제어를 선택적으로 수행하는 장치에 대한 구성도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 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 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 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 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 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 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 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.
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 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 발명의 일 실시예에서 전기차 충전 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 시스템이나 비접촉 방식의 무선 전력 전송 시스템을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 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.
본 발명의 일 실시예에서 전원공급원은 주거지나 공용 전기서비스 또는 차량 탑재 연료를 이용하는 발전기 등을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 전기차(electric vehicle, EV)는 일렉트릭 카(electric car), 일렉트릭 오토모바일(electric automobile), ERV(electric road vehicle), PV(plug-in vehicle), xEV(plug-in vehicle) 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.
본 발명의 일 실시예에서 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.
본 발명의 일 실시예에서 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.
본 발명의 일 실시예에서 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.
본 발명의 일 실시예에서 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.
본 발명의 일 실시예에서 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.
본 발명의 일 실시예에서 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.
본 발명의 일 실시예에서 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.
본 발명의 일 실시예에서 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.
본 발명의 일 실시예에서 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.
본 발명의 일 실시예에서 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.
본 발명의 일 실시예에서 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.
본 발명의 일 실시예에서 그라운드 어셈블리 컨트롤러(GA controller)는 차량으로부터의 정보를 토대로 GA 코일에 대한 출력 전력 레벨을 조절하는 GA의 일부분일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 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.
본 발명의 일 실시예에서 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.
본 발명의 일 실시예에서 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.
본 발명의 일 실시예에서 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.
본 발명의 일 실시예에서 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.
본 발명의 일 실시예에서 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.
본 발명의 일 실시예에서 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.
본 발명의 일 실시예에서 차징 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.
본 발명의 일 실시예에서 급속 충전은 전력계통의 교류 전원을 직류로 변환하고 변환된 직류 전력을 전기차 내에 탑재된 배터리에 직접 공급하는 방식을 의미할 수 있고, 이때 사용 전압으로 약 500 V 이하의 직류 전압이 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 완속 충전은 일반적인 가정이나 직장에 공급되는 교류 전력을 이용하여 전기차 내에 탑재된 배터리를 충전하는 방식으로, 각 가정이나 직장의 콘센트 또는 별도로 설치된 충전 스탠드에 내장된 콘센트를 통하여 교류 전력을 제공하며, 이때 사용 전압으로 220 V의 교류 전압이 사용될 수 있다. 이때, 전기차는 완속 충전을 위해 교류 전력을 승압하고 직류 전원으로 변환하여 배터리에 공급할 수 있는 장치인 온보드 차저(On-Board Charger)를 추가로 구비할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예가 적용되는 전기차를 위한 무선 전력 전송의 개념을 설명하기 위한 개념도이다.
도 1을 참조하면, 무선 전력 전송은 전기차(electric vehicle, 10)의 적어도 하나의 구성요소와 차징 스테이션(charging station, 20)에 의해서 수행될 수 있고, 전기차(10)에 무선으로 전력을 전송하기 위해서 이용될 수 있다.
여기서, 전기차(10)는 일반적으로 배터리(12)와 같이 충전 가능한 에너지 저장 장치로부터 유도된 전류를 동력장치인 전기 모터의 에너지원으로 공급하는 차량(automobile)으로 정의할 수 있다.
다만, 본 발명에 따른 전기차(10)는 전기 모터와 일반적인 내연기관(internal combustion engine)을 함께 갖는 하이브리드 자동차를 포함할 수 있고, 자동차(automobile)뿐만 아니라 모터사이클(motocycle), 카트(cart), 스쿠터(scooter) 및 전기 자전거(electric bicycle)를 포함할 수 있다.
또한, 전기차(10)는 무선으로 배터리(12)를 충전할 수 있도록 수신 코일이 포함된 수전 패드(11)를 포함할 수 있으며, 유선으로 배터리(12)를 충전할 수 있도록 플러그 접속구를 포함할 수도 있다. 이때, 유선으로 배터리(12)를 충전할 수 있는 전기차(10)를 플러그인 전기차(Plug-in Electric Vehicle, PEV)로 지칭할 수 있다.
여기서, 차징 스테이션(20)은 전력망(power grid, 30) 또는 전력 백본(power backbone)에 연결될 수 있고, 전력 링크(power link)를 통하여 송신 코일이 포함된 송전 패드(21)에 교류(AC) 또는 직류(DC) 전력을 제공할 수 있다.
또한, 차징 스테이션(20)은 유무선 통신을 통하여 전력망(power grid, 30) 또는 전력망을 관리하는 인프라 관리 시스템(infrastructure management system) 또는 인프라 서버와 통신할 수 있고, 전기차(10)와 무선 통신을 수행할 수 있다.
여기서, 무선 통신에는 블루투스(Bluetooth), 지그비(zigbee), 셀룰러(cellular), 무선 로컬 영역 네트워크(wireless local area network) 등이 있을 수 있다.
또한, 예를 들어 차징 스테이션(20)은 전기차(10) 소유자의 집에 부속된 주차장, 주유소에서 전기차 충전을 위한 주차구역, 쇼핑 센터나 직장의 주차구역 등과 같이 다양한 장소에 위치할 수 있다.
여기서, 전기차(10)의 배터리(12)를 무선 충전하는 과정은 먼저 전기차(10)의 수전 패드(11)가 송전 패드(21)에 의한 에너지 장(energy field)에 위치하고, 송전 패드(21)의 송신 코일과 수전 패드(11)의 수신 코일이 서로 상호작용 또는 커플링됨으로써 수행될 수 있다. 상호작용 또는 커플링의 결과로 수전 패드(11)에 기전력이 유도되고, 유도된 기전력에 의해 배터리(12)가 충전될 수 있다.
또한, 차징 스테이션(20)과 송전 패드(21)는 그 전부 또는 일부를 그라운드 어셈블리(Ground Assembly, GA)로 지칭할 수 있고, 그라운드 어셈블리는 앞서 정의한 의미를 참조할 수 있다.
또한, 전기차(10)의 수전 패드(11)와 다른 전기차 내부 구성요소 전부 또는 일부를 비히클 어셈블리(Vehicle Assembly, VA)로 지칭할 수 있는데, 여기서 비히클 어셈블리는 앞서 정의한 의미를 참조할 수 있다.
여기서, 송전 패드 또는 수전 패드는 비극성(non-polarized) 또는 극성(polarized)으로 구성될 수도 있다.
이때, 패드가 비극성이면 패드의 중앙에 하나의 극이 있고, 바깥 주변에 반대 극을 가질 수 있다. 여기서, 자속(flux)는 패드의 중앙에서 나가고(exit), 패드의 모든 바깥 경계에서 복귀(return)하도록 형성될 수 있다.
또한, 패드가 극성인 경우, 패드의 어느 한쪽 끝에 각각의 극을 가질 수 있다. 여기서, 자속은 패드의 방향(orientation)에 기초하여 형성될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기차 무선 충전 회로를 도시한 개념도이다.
도 2를 참조하면, 전기차 무선 충전 시스템에서 충전이 이루어지는 회로에 대한 개략적인 구성을 알 수 있다.
여기서, 도 2의 좌측 회로는 전력망에서 공급되는 전원(Vsrc), 도 1에서의 차징 스테이션(20), 송전 패드(21)의 구성 중 전부 또는 일부를 표현한 것으로 해석될 수 있고, 도 2의 우측 회로는 수전 패드 및 배터리를 포함한 전기차의 일부 또는 전부를 표현한 것으로 해석될 수 있다.
먼저, 도 2의 좌측 회로는 전력망에서 공급되는 전원(Vsrc)에 대응되는 출력 전력(Psrc)를 무선 충전 전력 변환기에 제공하고, 무선 충전 전력 변환기는 송신 코일(L1)에서 희망하는 동작 주파수에서의 전자기장을 방출할 수 있도록, 제공받은 전력(Psrc)의 주파수 및 AC/DC 변환을 수행한 전력(P1)을 출력할 수 있다.
구체적으로, 무선 충전 전력 변환기는 전력망에서 공급된 전력(Psrc)이 AC 전력인 경우 DC 전력으로 변환하는 AC/DC 변환기 및 DC전력을 무선 충전에 적합한 동작 주파수의 전력으로 변환하는 저주파수 변환기(또는 LF 변환기) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 동작 주파수는 예를 들면, 80 내지 90 kHz 사이에 위치하도록 결정할 수 있다.
무선 충전 전력 변환기에서 출력된 전력(P1)은 다시 송신 코일(L1), 제1 커패시터(C1) 및 제1 저항(R1)으로 구성된 회로에 공급될 수 있고, 이때 제1 커패시터(C1)는 송신 코일(L1)과 함께 충전에 적합한 동작 주파수를 갖도록 하는 소자값을 가지도록 결정될 수 있다. 또한, 여기서 제1 저항(R1)은 송신 코일(L1) 및 제1 커패시터(C1)에 의해 발생하는 전력손실을 의미할 수 있다.
여기서, 송신 코일(L1)은 수신 코일(L2)과 커플링 계수 m으로 정의되는 전자기적 커플링이 이루어져 전력이 전송되도록 하거나, 또는 전력이 수신 코일(L2)로 유도될 수 있다. 따라서, 본 발명에서 전력이 전송된다는 의미는 전력이 유도된다는 의미와 혼용하여 사용될 수 있다.
여기서, 수신 코일로 유도되거나 전송받은 전력(P2)은 전기차 전력 변환기로 제공될 수 있다. 이때, 제2 커패시터(C2)는 수신 코일(L2)과 함께 충전에 적합한 동작 주파수를 갖도록 하는 소자값으로 결정될 수 있고, 제2 저항(R2)은 수신 코일(L2) 및 제2 커패시터(C2)에 의해 발생하는 전력손실을 의미할 수 있다.
전기차 전력 변환기는 제공받은 특정 동작 주파수의 전력(P2)을 다시 전기차의 배터리(VHV)에 적합한 전압 레벨을 갖는 DC 전력으로 변환하는 LF/DC 변환기를 포함할 수 있다.
전기차 전력 변환기가 제공받은 전력(P2)을 변환한 전력(PHV)을 출력하면, 출력된 전력(PHV)는 전기차에 내장된 배터리(VHV)의 충전에 사용될 수 있다.
여기서, 도 2의 우측 회로에는 수신 코일(L2)을 배터리(VHV)와 선택적으로 접속 또는 해제하기 위한 스위치(switch)를 더 포함할 수 있다.
여기서, 송신 코일(L1)과 수신 코일(L2)의 공진 주파수(resonance frequency)는 서로 유사하거나 동일하도록 구성될 수 있으며, 송신 코일(L1)에서 발생된 전자기장에 수신 코일(L2)이 근거리에 위치할 수 있도록 구성될 수 있다.
여기서, 도 2의 회로는 본 발명의 실시예들을 위해서 이용 가능한 전기차 무선 충전 시스템에서의 전력 전송에 관한 예시적 회로로 이해되어야 하며, 도 2에서의 회로에 한정하여 해석되는 것은 아니다.
한편, 송신 코일(L1)과 수신 코일(L2)이 원거리에 위치할수록 전력 손실이 증가할 수 있으므로, 양자의 위치를 설정하는 것은 중요한 요소일 수 있다.
이때, 송신 코일(L1)은 도 1에서의 송전 패드(21)에 포함되고, 수신 코일(L2)은 도 1에서의 수전 패드(11)에 포함될 수 있다. 또한, 송신 코일은 GA 코일(Ground Assembly coil)로 지칭될 수도 있고, 수신 코일은 VA 코일(Vehicle Assembly coil)로 지칭될 수도 있다. 따라서, 송전 패드와 수전 패드 상호간의 위치 결정 또는 전기차와 송전 패드 상호간의 위치 결정에 관하여 이하 도면을 참조하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기차 무선 전력 전송에서의 정렬 개념을 설명하기 위한 개념도이다.
도 3을 참조하면, 도 1에서의 송전 패드(21) 및 전기차(10)에 내장된 수전 패드(11) 사이의 위치 정렬 방법을 설명할 수 있다. 여기서, 위치 정렬은 앞서 설명한 용어인 얼라인먼트(alignment)에 대응될 수 있고, 따라서, GA와 VA간의 위치 정렬로 정의할 수도 있고, 송전 패드(21)와 수전 패드(11)의 위치 정렬로 한정해석되지 않는다.
여기서, 송전 패드(21)는 도 3에서는 지표면 아래에 위치한 것으로 도시하였으나, 지표면 위에 위치할 수도 있고, 지표면 아래에서 송전 패드(21)의 상면이 노출되도록 위치할 수도 있다.
또한, 전기차의 수전 패드(11)는 지표면을 기준으로 측정된 높이(z방향으로 정의)에 따라 카테고리를 달리하여 정의할 수 있고, 예를 들어 지표면에서 수전 패드(11)의 높이가 100-150(mm) 인 경우 class 1, 140-210(mm) 인 경우 class 2, 170-250(mm)인 경우 class 3와 같이 설정할 수 있다. 이때, 수전 패드(11)에 따라 class 1만을 지원하거나, class 1과 2를 지원할 수도 있는 등 부분적 지원이 가능할 수 있다.
여기서, 지표면을 기준으로 측정된 높이는 앞서 설명한 용어인 차량 마그네틱 지상고에 대응될 수 있다.
또한, 송전 패드(21)의 높이 방향(z방향으로 정의)의 위치는 상기 수전 패드(11)에서 지원하는 최대 클래스와 최소 클래스 사이에 위치하도록 결정할 수 있는데, 예를 들어 수전 패드(11)가 class1과 2만을 지원한다면, 수전 패드(11)를 기준으로 100-210 (mm) 사이에 송전 패드가 위치하도록 결정할 수 있다.
또한, 송전 패드(21)의 중심과 수전 패드(11)의 중심 사이의 격차는 가로 및 세로 방향(x 및 y 방향으로 정의)의 한계값 이내에 위치하도록 결정할 수 있다. 예를 들어, 가로 방향(x방향으로 정의)으로는 ±75 (mm) 이내에 위치하도록 결정할 수 있고, 세로 방향(y방향으로 정의)으로는 ±100 (mm) 이내에 위치하도록 결정할 수 있다.
여기서, 송전 패드(21)와 수전 패드(11)의 상대적 위치는 그 실험적 결과에 따라 한계값이 달라질 수 있고, 상기 수치들은 예시적인 것으로 이해되어야 한다.
또한, 송전 패드(21)와 수전 패드(11)는 각각 코일을 포함하는 것으로 전제하고 패드 상호간의 정렬로 설명하였으나, 더 구체적으로는 송전 패드(21)와 수전 패드(11)에 각각 내장된 송신 코일(또는 GA 코일)과 수신 코일(또는 VA 코일) 상호간의 정렬로 정의할 수도 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 LCCL-S 공진 네트워크를 적용한 IPT 시스템에 대한 회로도이다.
도 2에 따른 전기차 무선 충전 회로를 LCCL-S 공진 네트워크를 적용하여 구현하면 도 4에 따른 등가 회로를 도출할 수 있다.
구체적으로 도 4를 참조하면, LCCL-S 공진 네트워크를 적용한 IPT(Inductive Power Transfer) 시스템은 직류 전원(Vdc)을 입력받아 교류 전압(Vin)을 출력하는 풀 브리지 인버터(Full bridge inverter, 40), 풀 브리지 인버터(40)로부터 교류 전압을 입력받아 전기차의 수신 패드에 내장된 수신 코일에 유도 기전력을 생성하는 보상 회로(Compensation network, 41), 유도 기전력에 따른 유도 전류를 정류하여 커패시터(Vo)에 저장하는 정류회로(rectifier, 42), 정류회로(42)의 커패시터에 저장된 직류 전압(Vo)을 전기차에 내장된 배터리의 정격 전압(Vbatt)으로 변환하는 DC to DC 컨버터(43)를 포함할 수 있다.
여기서 풀 브리지 인버터(40)는 직류 전원(Vdc)과 병렬로 연결된 제1 직렬 회로 및 제2 직렬 회로를 포함할 수 있다. 이때, 제1 직렬 회로는 제1 스위치(Q1) 및 제3 스위치(Q3)가 직렬 연결된 회로일 수 있다. 제2 직렬 회로는 제4 스위치(Q4) 및 제2 스위치(Q2)가 직렬 연결된 회로일 수 있다. 또한, 풀 브리지 인버터(40)는 제1 스위치(Q1) 및 제3 스위치(Q3) 사이의 접점(Vin+)과 제4 스위치(Q4) 및 제2 스위치(Q2) 사이의 접점(Vin-) 상호간의 전압차(Vin)를 보상 회로(41)의 입력 전압으로 공급할 수 있다. 여기서 풀 브리지 인버터(40)에 사용되는 스위치로는 모스펫(MOSFET) 스위치가 사용될 수 있다. 또한, 각각의 스위치는 다이오드와 병렬 연결되어 있을 수 있다.
여기서 보상 회로(41)는 풀 브리지 인버터(40)에 의해 전달된 입력 전압(Vin)과 연결된 LCCL 형태의 전송측 공진 회로 및 전송측 공진 회로로부터 유도된 기전력에 의해 발생한 유도 전류(Is)를 출력하는 수신측 직렬 공진 회로를 포함할 수 있다.
여기서, LCCL 형태의 전송측 공진 회로는 입력 전압과 직렬로 연결된 입력 인덕터(Lin) 및 제1 커패시터(Cp)를 포함할 수 있고, 입력 인덕터(Lin)와 제1 커패시터(Cp) 사이의 노드와 직렬 연결된 제2 커패시터(Cf) 및 송신 코일(Lp)을 포함할 수 있다. 또한, 수신측 직렬 공진 회로는 송신 코일(Lp)과 자기적으로 커플링(이때 상호 인덕턴스를 M으로 정의)되어 기전력이 유도되는 수신 코일(Ls) 및 수신 커패시터(Cs)가 직렬 연결되어 있을 수 있다.
여기서 정류회로(42)는 제1 다이오드 및 제2 다이오드가 직렬 연결된 제1 정류 회로 및 제3 다이오드 및 제4 다이오드가 직렬 연결된 제2 정류 회로를 포함할 수 있고, 제1 정류 회로와 제2 정류 회로는 서로 병렬 연결되어있을 수 있다. 또한, 제1 다이오드와 제2 다이오드 사이의 노드 및/또는 제3 다이오드와 제4 다이오드 사이의 노드를 통해 보상 회로(41)의 유도 전류(Is)가 유입될 수 있다.
여기서 정류회로(42)는 제1 정류 회로 및/또는 제2 정류 회로로부터 정류된 전류(Io)를 제1 정류 회로 및 제2 정류 회로와 병렬 연결된 커패시터(Vo)에 저장할 수 있다.
이때, 도 4에 따른 LCCL-S 공진 네트워크를 적용한 IPT 시스템의 회로는 반드시 도 4에 따른 구성으로 한정되는 것이 아니다. 예를 들어, 보상 회로(41)의 공진 회로를 병렬로 구현할 수도 있다.
한편 도 4에서와 같이 LCCL-S 공진 네트워크를 적용한 IPT 시스템에서는 풀 브리지 인버터(40)를 제어함으로써 공진 네트워크의 출력 전압(Vo , 또는 정류회로(42)의 출력 전압)을 감소시킬 수 있다. 이때, 일반적으로 높은 결합 계수(M)에서 공진 네트워크의 출력 전압(Vo)을 감소시키기위해, 풀 브리지 인버터는 네트워크 입력 전압(Vin)을 상쇄(cancellation)하는 방식으로 제어된다.
이하에서는 네트워크의 입력 전압을 상쇄하기 위한 풀 브리지 인버터의 제어 방법에 대해 설명한다.
도 5a 내지 도 5c는 네트워크의 입력 전압을 상쇄하기 위한 풀 브리지 인버터의 제어방법을 설명하기 위한 예시도이다.
일반적으로, 입력 전압을 상쇄하기 위한 제어 방법은 위상 천이(Phase shift) 제어, 대칭/비대칭(symmetric/asymmetric) 제어 등이 있다.
도 5a를 참조하면, 50% 듀티(duty) 제어 방식을 확인할 수 있다. 구체적으로, 제1 단계(Phase)에서 Q1 스위치와 Q2 스위치를 ON하고, 다음 단계에서 Q3 스위치와 Q4 스위치를 ON 하는 방식으로 교차 동작시키면, 각 단계가 입력 전압(Vin)에서 50%의 듀티(duty) 또는 0.5 듀티를 차지하는 것을 확인할 수 있다.
도 5b를 참조하면, 위상 천이 제어 방식을 확인할 수 있다. 구체적으로, 도 5a에서와 달리 각 단계에서 동시에 동작하는 두개의 스위치가 위상차를 갖도록 동작하는 것을 확인할 수 있다.
도 5c를 참조하면, 비대칭 제어 방식을 확인할 수 있다. 구체적으로, 각 단계에서 동시에 동작하는 두개의 스위치가 서로 다른 듀티(duty)를 갖도록(또는 비대칭적인 듀티를 갖도록) 동작하는 것을 확인할 수 있다.
도 6은 도 4에 따른 풀 브릿지 인버터의 제어 방법을 설명하기 위한 예시도이다.
도 6를 참조하면, 도 4에 따른 풀 브릿지 인버터를 50% 듀티 제어 방식으로 제어하였을 때, 각 스위치의 동작 흐름을 확인할 수 있다.
구체적으로, 도면기호 60을 참조하면, 제1 단계에서 스위치 Q1과 스위치 Q2가 ON 되고 스위치 Q3와 스위치 Q4가 OFF되었을 때 전류 흐름을 확인할 수 있다.
도면기호 61을 참조하면, 제1 단계의 다음 단계에서 스위치 Q4와 스위치 Q3가 ON 되고 스위치 Q1과 스위치 Q2가 OFF되었을 때 전류 흐름을 확인할 수 있다.
도면기호 60 및 61에 따른 각 단계의 제어 흐름에 따른 스위치들(Q1~Q4), 입력 전압(Vin) 및 출력 전압(Vo)의 동작 흐름은 도면기호 62를 통해 확인할 수 있다. 도면기호 62를 참조하면, 도 5a에서와 마찬가지로, 각 단계에서 두개의 스위치가 동시에 ON 되고, 동시에 OFF 되는 것을 알 수 있다.
한편, 하프 브릿지 인버터는 풀 브릿지 인버터보다 입 출력 전압이 감소되는 장점이 있다. 따라서, 두 인버터의 장점을 결합하면, 더욱 효율적인 유도 전력 전달 시스템(IPT system)을 구현하는 것이 가능하다.
이하에서는 도 4에 따른 IPT 시스템에서 별도의 하드웨어 변경 없이 풀 브릿지 인버터를 하프 브릿지 인버터로 동작시키는 방법에 대해 설명한다.
도 7은 도 4에 따른 풀 브릿지 인버터를 하프 브릿지 인버터로 동작시키는 제어 방법을 설명하기 위한 예시도이다.
도 7을 참조하면, 도 4에 따른 풀 브릿지 인버터를 하프 브릿지 인버터로 동작하도록 제어하는 방법을 확인할 수 있다.
구체적으로, 도 4에 따른 풀 브릿지 인버터를 하프 브릿지 인버터처럼 동작시키기 위해 제2 스위치(Q2)는 항상 ON 상태로 제어되고, 제4 스위치(Q4)는 항상 OFF 상태로 제어될 수 있다. 즉, 제2 스위치와 제4 스위치를 각각 ON과 OFF 상태로 제어시킨 상태에서 제1 스위치와 제3 스위치만 교차 동작시키면, 풀 브릿지 인버터를 하프 브릿지 인버터와 같은 방식으로 동작시킬 수 있다.
도면 기호 70을 참조하면, 제1 단계에서 스위치 Q1은 ON 시키고, Q3는 OFF 시켰을 때 전류 흐름을 확인할 수 있고, 이때 스위치 Q2는 항상 ON 상태이며, 스위치 Q4는 항상 OFF 상태로 유지된다.
도면 기호 71을 참조하면, 제1 단계의 다음 단계에서 스위치 Q1은 OFF 시키고, Q3는 ON 시켰을 때 전류 흐름을 확인할 수 있고, 이때 스위치 Q2는 항상 ON 상태이며, 스위치 Q4는 항상 OFF 상태로 유지된다.
도면 기호 72를 참조하면, 제1 단계에서 스위치 Q1이 ON되고, 다음 단계에서 스위치 Q3가 ON 상태가 되며, 이때, 스위치 Q2는 항상 ON 상태이고, 스위치 Q4는 항상 OFF 상태로 유지되는 것을 확인할 수 있다. 특히, 도면 기호 72에서 입력 전압(Vin)과 출력 전압(Vo)은 앞선 도 6의 도면 기호 62에서 확인한 풀 브릿지 인버터의 제어에 따른 전압보다 더 낮은(또는 약 절반) 것을 알 수 있다.
도 4에 따른 IPT 시스템에서 출력 전압(Vo,ac)은 다음의 수학식 1과 같이 결정될 수 있다.
수학식 1을 참조하면, 도 4에 따른 IPT 시스템에서 입력 전압(Vin)이 낮아지면 출력 전압(Vo,ac)이 낮아지는 것을 알 수 있다. 또한, 여기서 k는 상호 인덕턴스 M에 따른 송신 코일(Lp)과 수신 코일(Ls)의 결합 계수를 의미한다.
한편, 입력 전압과 송신 코일에 흐르는 전류(Ip)는 다음의 수학식 2와 같은 관계를 가진다.
수학식 2를 참조하면, 입력 전압(Vin)이 감소할 때 송신 코일에 흐르는 전류(Ip)도 감소하는 것을 알 수 있다. 수학식 1과 수학식 2에서 각 기호는 도 4에 따른 회로도의 기호로 이해될 수 있으므로 별도의 설명은 생략한다.
즉 수학식 1 과 수학식 2를 참조하면, 풀 브릿지 인버터를 하프 브릿지 인버터로 동작시킬 때, 입력 전압(Vin)이 감소함에 따라 출력 전압(Vo,ac) 및 송신 코일에 흐르는 전류(Ip)가 감소하는 것을 알 수 있다. 여기서 부하 변화에 무관한 송신 코일에 흐르는 전류가 감소할 경우 경부하 효율이 증대되므로 풀 브릿지 인버터를 하프 브릿지 인버터로 제어하는 장점이 있다.
이하에서는 도 4에 따른 풀 브릿지 인버터를 도 6에서와 같이 제어하는 방식을 풀 브릿지 제어로 정의하고, 도 7에서와 같이 제어하는 방식을 하프 브릿지 제어로 정의한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 풀 브릿지 인버터를 하프 브릿지 인버터로 제어하는 최적의 조건을 결정하는 방법을 설명하기 위한 그래프이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 풀 브릿지 제어(Full bridge inverter contol)와 하프 브릿지 제어(Half bridge inverter control) 중에서 어느 것으로 제어할지 결정하기 위해서는 먼저 IPT 시스템에서의 설계 요구 사항(requirement)을 정의해야 한다.
IPT 시스템의 설계 요구 사항은 부하량, 결합 계수, 출력 전압에 대해 정의될 수 있으며, 예를 들면 다음의 표 1과 같다.
상기 표 1을 참조하면, 설계 포인트(또는 가장 바람직한 설계 요구 사항)로서, 결합 계수(k)를 0.062, 부하량(Po)을 3.3 [kW], 출력 전압(Vo)을 165 V로 정의하였으며, 결합 계수(k)의 허용 범위는 0.062 내지 0.214로, 출력 전압(Vo)의 허용 범위는 165 내지 450 [V]로 정의한 것을 알 수 있다.
위 표 1의 설계 요구 사항을 만족하는 범위에서 풀 브릿지 인버터로 제어할 때의 결합 계수 대비 출력 전압의 그래프(FB)와, 하프 브릿지 인버터로 제어할 때의 결합 계수 대비 출력 전압의 그래프(HB)를 함께 도시하면 도 8과 같다.
도 8을 참조하면, 하프 브릿지 인버터(HB로 표시)로 제어할 때에는 k가 0.124보다 작을 때의 출력 전압이 설계 요구 사항에서 정의된 최소값(165 V)을 만족하기 못하기 때문에 결합계수 k가 0.124보다 큰 범위에 대해서 도시된 것을 확인할 수 있다. 따라서, 설계 요구 사항을 만족하기 위해서 결합 계수 k가 0.124보다 작은 범위에서는 항상 풀 브릿지 인버터(FB로 표시)로 제어되어야 한다.
한편, 결합 계수가 k가 0.124보다 큰 범위의 경우, 하프 브릿지 인버터로 제어하더라도 설계 요구 사항을 만족할 수 있다. 따라서, k가 0.124보다 큰 범위에서는 설계 요구 사항에서 정의한 부하량에 따라 풀 브릿지 제어와 하프 브릿지 제어를 선택할 수 있다.
덧붙여서, 결합 계수 k가 0.17보다 크고 풀 브릿지 인버터로 제어하는 경우, 설계 요구 사항에서 정의한 출력 전압의 최대값(450 V)을 초과하게 된다. 따라서, 결합 계수 k가 0.17보다 크고 풀 브릿지 인버터로 제어하는 경우에는, 앞서 도 5a에서 정의한 50% 듀티 제어 대신에, 도 5b에서 정의한 위상 천이 풀 브릿지 인버터(phase shift full bridge, PSFB)로 제어할 수 있다.
이하에서는 풀 브릿지 인버터와 하프 브릿지 인버터가 부하량을 제외한 다른 설계 요구 사항을 만족할 때, 부하량에 따라 풀 브릿지 제어와 하프 브릿지 제어 중 어느 형태로 IPT 시스템을 동작시켜야 하는지 설명한다.
도 9a 내지 도 9d는 본 발명의 일 실시예에 따른 풀 브릿지 인버터와 하프 브릿지 인버터의 제어 변환점을 부하량에 따라 결정하는 방법을 설명하기 위한 예시 그래프이다.
도 8에서 설명한 것과 같이 결합계수 k가 0.124보다 큰 범위에서는 하프 브릿지 제어와 풀 브릿지 제어 모두 설계 요구 사항(부하량 제외)을 만족할 수 있다. 이때에는 각 k에 따라 부하량(Po) 대비 효율을 산출하고, 하프 브릿지 인버터로 제어할 때의 효율과 풀 브릿지 인버터로 제어할 때의 효율이 교차하는 부하량을 제어 전환점(풀 브릿지 인버터와 하프 브릿지 인버터의 제어 방식을 서로 변경하는 전환점)으로 결정할 수 있다.
도 9a를 참조하면, 결합 계수 k가 0.124일 때(도 8에서 풀 브릿지 제어와 하프 브릿지 제어가 모두 설계 요구 사항을 만족하는 결합계수의 최소값) 부하량(Po) 대비 효율을 산출한 그래프를 확인할 수 있다. 도 9a에서 부하량이 약 1600 [W]보다 작은 경우, 하프 브릿지 제어의 효율이 더 높고, 부하량이 약 1600 [W]보다 크면 풀 브릿지 제어의 효율이 더 높다. 따라서, 부하량이 1600 [W]일 때를 제어 전환점으로 결정하고, 부하량이 제어 전환점을 지날 때 풀 브릿지 제어와 하프 브릿지 제어를 서로 변환할 수 있다.
도 9b를 참조하면, 결합 계수 k가 0.154일 때 부하량(Po) 대비 효율을 산출한 그래프를 확인할 수 있다. 도 9b에서 부하량이 약 1800 [W]보다 작은 경우, 하프 브릿지 제어의 효율이 더 높고, 부하량이 약 1800 [W]보다 크면 풀 브릿지 제어의 효율이 더 높다. 따라서, 부하량이 1800 [W]일 때를 제어 전환점으로 결정하고, 부하량이 제어 전환점을 지날 때 풀 브릿지 제어와 하프 브릿지 제어를 서로 변환할 수 있다.
도 9c를 참조하면, 결합 계수 k가 0.184일 때 부하량(Po) 대비 효율을 산출한 그래프를 확인할 수 있다. 도 9c에서 부하량이 약 2000 [W]보다 작은 경우, 하프 브릿지 제어의 효율이 더 높고, 부하량이 약 2000 [W]보다 크면 풀 브릿지 제어의 효율이 더 높다. 따라서, 부하량이 2000[W]일 때를 제어 전환점으로 결정하고, 부하량이 제어 전환점을 지날 때 풀 브릿지 제어와 하프 브릿지 제어를 서로 변환할 수 있다. 다만, 이때 도 8에서 설명한 것과 같이 결합 계수 k가 0.184에서는 설계 요구 사항에서 정의한 출력 전압의 최대값을 초과한다. 따라서, 일반적인(또는 50% 듀티 제어 방식의) 풀 브릿지 제어가 아니라 위상 천이 풀 브릿지 인버터(PSFB) 제어와 하프 브릿지 제어가 서로 변환될 수 있다.
도 9d를 참조하면, 도 9c에서와 마찬가지로 부하량에 대한 제어 전환점을 2400 [W]로 결정할 수 있고, 부하량이 2400 [W]를 지날때, 위상 천이 풀 브릿지 제어와 하프 브릿지 제어를 서로 변환할 수 있다.
도 9a 내지 도 9d에서 결합 계수 k에 대한 부하량 대비 효율은 설계 요구 사항을 만족하는 결합 계수의 최소값(0.124)부터 0.3 단위로 산출하였으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 구현례에 따라 더 세부적으로 산출하여 제어 전환점을 결정할 수도 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 풀 브릿지 제어와 하프 브릿지 제어의 동작 영역을 설명하기 위한 그래프이다.
도 10을 참조하면, 도 8 및 도 9a 내지 도 9d에 따른 제어 전환점을 고려하여 풀 브릿지 제어와 하프 브릿지 제어의 동작 영역을 도시한 그래프를 확인할 수 있다.
구체적으로, 도 8에서 설명한 것과 같이 결합 계수(coupling coefficient, k)가 0.124보다 작은 영역에서는 항상 풀 브릿지 제어가 적용되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 결합 계수가 0.124보다 큰 영역에서는 부하량(가로축, Power)에 따라 풀 브릿지 제어(FB Control)와 하프 브릿지 제어(HB Control) 중에서 선택적으로 적용될 수 있으며, 결합 계수가 0.17보다 큰 영역에서는 부하량에 따라 위상 천이 풀 프릿지 제어(PSFB control)와 하프 브릿지 제어(HB control) 중에서 선택적으로 적용될 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 LCCL-S 공진 네트워크를 적용한 IPT 시스템에서 풀 브릿지 제어와 하프 브릿지 제어를 선택적으로 수행하는 방법에 대한 흐름도이다.
도 11을 참조하면, LCCL-S 공진 네트워크를 적용한 IPT(Inductive Power Transfer) 시스템에서 풀 브릿지 제어(Full bridge control)와 하프 브릿지 제어(Half bridge control)를 선택적으로 수행하는 방법은, IPT 시스템에 포함된 풀 브릿지 인버터(Full bridge inverter)의 스위치들 중 직렬로 연결되지 않은 스위치끼리 동시에 동작하도록 제어하는 풀 브릿지 제어를 수행하는 단계(S100), 상기 IPT 시스템의 결합 계수를 산출하고, 산출된 결합 계수를 기초로 상기 풀 브릿지 제어를 하프 브릿지 제어로 전환 가능한지 판단하는 단계(S110), 상기 하프 브릿지 제어로 전환이 가능한 것으로 판단되면, 상기 IPT 시스템의 부하량을 산출하는 단계(S120) 및 산출된 부하량을 기초로 상기 풀 브릿지 인버터에 대하여 상기 하프 브릿지 제어를 수행하는 단계(S130)를 포함할 수 있다. 이때, IPT 시스템의 결합 계수는 측정된 출력 전압을 이용하여 산술적으로 결정할 수 있다.
여기서 상기 하프 브릿지 제어는, 상기 풀 브릿지 인버터에 포함된 스위치들 중에서 직렬로 연결된 스위치들 중 하나는 항상 ON 또는 OFF 상태에 있도록 제어하여 상기 풀 브릿지 인버터를 하프 브릿지 인버터와 동등하게 동작하도록 제어하는 방식일 수 있다.
여기서 상기 하프 브릿지 제어로 전환 가능한지 판단하는 단계(S110)는, 상기 하프 브릿지 제어가 설계 요구 사항을 만족하는 결합 계수 범위를 결정하는 단계 및 결정된 결합 계수 범위에 따른 임계값을 상기 산출된 결합 계수와 비교하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서 상기 설계 요구 사항은, 상기 IPT 시스템의 결합 계수, 출력 전압, 부하량(load) 중 적어도 하나에 대하여 미리 정의될 수 있다.
여기서 상기 하프 브릿지 제어를 수행하는 단계(S130)는, 산출된 부하량을 상기 결합 계수 범위에 따라 미리 결정되는 제어 전환값과 비교하고, 비교 결과에 따라 상기 하프 브릿지 제어를 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서 상기 제어 전환값은, 상기 결합 계수 범위에서 부하량에 따른 풀 브릿지 제어의 효율과 하프 브릿지 제어의 효율이 교차하는 지점에 따른 부하량을 의미할 수 있다.
여기서 상기 IPT 시스템은, 직류 전원을 입력받아 교류 전압을 출력하는 상기 풀 브리지 인버터, 상기 풀 브리지 인버터로부터 교류 전압을 입력받아 전기차의 수신 패드에 내장된 수신 코일에 유도 기전력을 생성하는 보상 회로(compensation network), 상기 유도 기전력에 따른 유도 전류를 정류하여 커패시터에 저장하는 정류회로(rectifier) 및 상기 정류회로의 커패시터에 저장된 직류 전압을 전기차에 내장된 배터리의 정격 전압(Vbatt)으로 변환하는 DC to DC 컨버터를 포함할 수 있다.
여기서 상기 풀 브리지 인버터는, 제1 스위치 및 제3 스위치가 직렬 연결된 제1 직렬 회로 및 제4 스위치 및 제2 스위치가 직렬 연결된 제2 직렬 회로를 포함하고, 상기 제1 직렬 회로와 상기 제2 직렬 회로는 상기 직류 전원과 병렬로 연결될 수 있다.
여기서 상기 풀 브릿지 제어를 수행하는 단계(S100)는, 상기 제1 스위치와 상기 제2 스위치를 제1 쌍으로써 동시에 ON 또는 OFF로 동작시키고, 상기 제3 스위치 및 상기 제4 스위치를 제2 쌍으로서 동시에 ON 또는 OFF로 동작시키며, 상기 제1 쌍과 상기 제2 쌍을 서로 교차로 동작시킬 수 있다.
여기서 상기 하프 브릿지 제어를 수행하는 단계(S130)는, 상기 제2 스위치를 항상 ON 상태로 유지시키고, 상기 제4 스위치를 항상 OFF 상태로 유지시키며, 상기 제1 스위치와 상기 제3 스위치를 서로 교차로 동작시킬 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 LCCL-S 공진 네트워크를 적용한 IPT 시스템에서 풀 브릿지 제어와 하프 브릿지 제어를 선택적으로 적용하는 방법에 대한 구현례이다.
도 12를 참조하면, 먼저 현재 IPT 시스템이 풀 브릿지 제어로 동작하고 있는지 판단할 수 있다. 즉, 풀 브릿지 제어로 동작하고 있는지를 지시하는 제어 플래그(FB flag)가 활성화(예를 들면 플래그 값이 1일 때)되어있는지 판단(S200)할 수 있다.
이때 단계 S200에서 풀 브릿지 제어로 동작하고 있는 것으로 판단되면, 풀 브릿지 제어에 따른 출력 전압(Vo,FB)을 측정하고, 측정된 출력 전압을 통해 결합 계수(kest)를 산출할 수 있다(S230).
또한, 단계 S200에서 풀 브릿지 제어로 동작하는 것으로 판단되지 않는다면, 하프 브릿지 제어로 동작하고 있는지를 지시하는 제어 플래그(HB flag)가 활성화되어 있는지 판단(S210)할 수 있다. 이때, 하프 브릿지 제어로 동작하고 있는 것으로 판단되면, 하프 브릿지 제어에 따른 출력 전압(Vo , HB)을 측정하고, 측정된 출력 전압(Vo, HB)을 통해 결합 계수(kest)를 산출할 수 있다.
다음으로 산출된 결합 계수(kest)를 하프 브릿지 제어로 동작이 가능함을 지시하는 임계값(kshift)과 비교할 수 있다(S240). 비교 결과, 산출된 결합 계수(kest)가 하프 브릿지 제어로 동작이 가능한 결합 계수의 범위 내(예를 들면 임계값보다 크거나 같은 범위)에 있는 것으로 판단되면, IPT 시스템에 따른 부하량(Po)을 제어 전환점(Pshift, k)와 비교할 수 있다(S250).
이때, IPT 시스템에 따른 부하량(Po)이 제어 전환점(Pshift , k)보다 작거나 같은 경우 풀 브릿지 제어를 중단하고(FB flag=0), 하프 브릿지 제어를 수행(HB flag=1)할 수 있다(S260).
한편, 단계 S240 또는 단계 S250에 따른 비교 결과, 하프 브릿지 제어로 동작 가능한 결합 계수 범위에 있지 않거나, 제어 전환점(Pshift , k)보다 부하량(Po)이 큰 경우 하프 브릿지 제어를 적용하지 않고, 풀 브릿지 제어를 적용할 수 있다(S270).
도 13a 내지 도 13d는 본 발명의 일 실시예에 따른 풀 브릿지 제어와 하프 브릿지 제어를 선택적으로 적용하는 방법을 기존의 풀 브릿지 제어만 사용하는 방법과 비교한 그래프이다.
도 13a 내지 도 13d를 참조하면, 기존에 풀 브릿지 제어만 사용한 방식(FB)과 비교할 때 풀 브릿지 제어와 하프 브릿지 제어를 선택적으로 적용하는 방식(FB-HB)이 더 높은 효율을 보인 것을 확인할 수 있다.
구체적으로 결합 계수가 0.124일 때의 부하량에 따른 효율을 나타낸 도 13a를 참조하면, 경부하에서 최대 17.41%의 효율이 향상되었다.
또한, 결합 계수가 0.154일 때의 부하량에 따른 효율을 나타낸 13b를 참조하면 경부하에서 최대 18.60%의 효율이 향상되었다.
또한, 결합 계수가 0.184일 때의 부하량에 따른 효율을 나타낸 13c를 참조하면 경부하에서 최대 15.72%의 효율이 향상되었다.
또한, 결합 계수가 0.214일 때의 부하량에 따른 효율을 나타낸 13d를 참조하면, 경부하에서 최대 11.73%의 효율이 향상되었다.
즉, 13a 내지 13d를 종합하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 풀 브릿지 제어와 하프 브릿지 제어를 선택적으로 적용하는 방식은 경부하(예를 들면 400W)에서 특히 높은 효율을 갖는 것을 알 수 있다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 LCCL-S 공진 네트워크를 적용한 IPT 시스템에서 풀 브릿지 제어와 하프 브릿지 제어를 선택적으로 수행하는 장치에 대한 구성도이다.
도 14를 참조하면, LCCL-S 공진 네트워크를 적용한 IPT 시스템에서 풀 브릿지 제어와 하프 브릿지 제어를 선택적으로 수행하는 장치(100)는, 적어도 하나의 프로세서(processor, 110) 및 상기 적어도 하나의 프로세서(110)가 적어도 하나의 단계를 수행하도록 지시하는 명령어들(instructions)을 저장하는 메모리(memory, 120)를 포함할 수 있다.
여기서 상기 적어도 하나의 단계는, 상기 IPT 시스템에 포함된 풀 브릿지 인버터(Full bridge inverter)의 스위치들 중 직렬로 연결되지 않은 스위치끼리 동시에 동작하도록 제어하는 풀 브릿지 제어를 수행하는 단계, 상기 IPT 시스템의 결합 계수를 산출하고, 산출된 결합 계수를 기초로 상기 풀 브릿지 제어를 하프 브릿지 제어로 전환 가능한지 판단하는 단계, 상기 하프 브릿지 제어로 전환이 가능한 것으로 판단되면, 상기 IPT 시스템의 부하량을 산출하는 단계 및 산출된 부하량을 기초로 상기 풀 브릿지 인버터에 대하여 상기 하프 브릿지 제어를 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서 상기 하프 브릿지 제어는, 상기 풀 브릿지 인버터에 포함된 스위치들 중에서 직렬로 연결된 스위치들 중 하나는 항상 ON 또는 OFF 상태에 있도록 제어하여 상기 풀 브릿지 인버터를 하프 브릿지 인버터와 동등하게 동작하도록 제어하는 방식일 수 있다.
여기서 상기 하프 브릿지 제어로 전환 가능한지 판단하는 단계는, 상기 하프 브릿지 제어가 설계 요구 사항을 만족하는 결합 계수 범위를 결정하는 단계 및 결정된 결합 계수 범위에 따른 임계값을 상기 산출된 결합 계수와 비교하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서 상기 설계 요구 사항은, 상기 IPT 시스템의 결합 계수, 출력 전압, 부하량(load) 중 적어도 하나에 대하여 미리 정의될 수 있다.
여기서 상기 하프 브릿지 제어를 수행하는 단계는, 산출된 부하량을 상기 결합 계수 범위에 따라 미리 결정되는 제어 전환값과 비교하고, 비교 결과에 따라 상기 하프 브릿지 제어를 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서 상기 제어 전환값은, 상기 결합 계수 범위에서 부하량에 따른 풀 브릿지 제어의 효율과 하프 브릿지 제어의 효율이 교차하는 지점에 따른 부하량을 의미할 수 있다.
여기서 상기 IPT 시스템은, 직류 전원을 입력받아 교류 전압을 출력하는 상기 풀 브리지 인버터, 상기 풀 브리지 인버터로부터 교류 전압을 입력받아 전기차의 수신 패드에 내장된 수신 코일에 유도 기전력을 생성하는 보상 회로(compensation network), 상기 유도 기전력에 따른 유도 전류를 정류하여 커패시터에 저장하는 정류회로(rectifier) 및 상기 정류회로의 커패시터에 저장된 직류 전압을 전기차에 내장된 배터리의 정격 전압(Vbatt)으로 변환하는 DC to DC 컨버터를 포함할 수 있다.
여기서 상기 풀 브리지 인버터는, 제1 스위치 및 제3 스위치가 직렬 연결된 제1 직렬 회로 및 제4 스위치 및 제2 스위치가 직렬 연결된 제2 직렬 회로를 포함하고, 상기 제1 직렬 회로와 상기 제2 직렬 회로는 상기 직류 전원과 병렬로 연결될 수 있다.
여기서 상기 풀 브릿지 제어를 수행하는 단계는, 상기 제1 스위치와 상기 제2 스위치를 제1 쌍으로써 동시에 ON 또는 OFF로 동작시키고, 상기 제3 스위치 및 상기 제4 스위치를 제2 쌍으로서 동시에 ON 또는 OFF로 동작시키며, 상기 제1 쌍과 상기 제2 쌍을 서로 교차로 동작시킬 수 있다.
여기서 상기 하프 브릿지 제어를 수행하는 단계는, 상기 제2 스위치를 항상 ON 상태로 유지시키고, 상기 제4 스위치를 항상 OFF 상태로 유지시키며, 상기 제1 스위치와 상기 제3 스위치를 서로 교차로 동작시킬 수 있다.
여기서 적어도 하나의 프로세서(110)는 중앙 처리 장치(central processing unit, CPU), 그래픽 처리 장치(graphics processing unit, GPU), 또는 본 발명의 실시예들에 따른 방법들이 수행되는 전용의 프로세서를 의미할 수 있다. 메모리(120) 및 저장 장치(160) 각각은 휘발성 저장 매체 및 비휘발성 저장 매체 중에서 적어도 하나로 구성될 수 있다. 예를 들어, 메모리(120)는 읽기 전용 메모리(read only memory, ROM) 및 랜덤 액세스 메모리(random access memory, RAM) 중에서 적어도 하나로 구성될 수 있다.
또한, 풀 브릿지 제어와 하프 브릿지 제어를 선택적으로 수행하는 장치(100)는, 무선 네트워크를 통해 통신을 수행하는 송수신 장치(transceiver)(130)를 포함할 수 있다. 또한, 풀 브릿지 제어와 하프 브릿지 제어를 선택적으로 수행하는 장치(100)는 입력 인터페이스 장치(140), 출력 인터페이스 장치(150), 저장 장치(160) 등을 더 포함할 수 있다. 풀 브릿지 제어와 하프 브릿지 제어를 선택적으로 수행하는 장치(100)에 포함된 각각의 구성 요소들은 버스(bus)(170)에 의해 연결되어 서로 통신을 수행할 수 있다.
또한, 풀 브릿지 제어와 하프 브릿지 제어를 선택적으로 수행하는 장치(100)는 도 1에 따른 차징 스테이션(20) 또는 그라운드 어셈블리(Ground Assembly, GA)에 결합되어 구현될 수 있다.
본 발명에 따른 방법들은 다양한 컴퓨터 수단을 통해 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위해 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.
컴퓨터 판독 가능 매체의 예에는 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리(flash memory) 등과 같이 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함될 수 있다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러(compiler)에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터(interpreter) 등을 사용해서 컴퓨터에 의해 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함할 수 있다. 상술한 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 적어도 하나의 소프트웨어 모듈로 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
또한, 상술한 방법 또는 장치는 그 구성이나 기능의 전부 또는 일부가 결합되어 구현되거나, 분리되어 구현될 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 (20)

  1. LCCL-S 공진 네트워크를 적용한 IPT(Inductive Power Transfer) 시스템에서 풀 브릿지 제어(Full bridge control)와 하프 브릿지 제어(Half bridge control)를 선택적으로 수행하는 방법으로,
    상기 IPT 시스템에 포함된 풀 브릿지 인버터(Full bridge inverter)의 스위치들 중 직렬로 연결되지 않은 스위치끼리 동시에 동작하도록 제어하는 풀 브릿지 제어를 수행하는 단계;
    상기 IPT 시스템의 결합 계수를 산출하고, 산출된 결합 계수를 기초로 상기 풀 브릿지 제어를 하프 브릿지 제어로 전환 가능한지 판단하는 단계;
    상기 하프 브릿지 제어로 전환이 가능한 것으로 판단되면, 상기 IPT 시스템의 부하량을 산출하는 단계; 및
    산출된 부하량을 기초로 상기 풀 브릿지 인버터에 대하여 상기 하프 브릿지 제어를 수행하는 단계를 포함하고,
    상기 IPT 시스템은,
    직류 전원을 입력받아 교류 전압을 출력하는 상기 풀 브리지 인버터;
    상기 풀 브리지 인버터로부터 교류 전압을 입력받아 전기차의 수신 패드에 내장된 수신 코일에 유도 기전력을 생성하는 보상 회로(compensation network);
    상기 유도 기전력에 따른 유도 전류를 정류하여 커패시터에 저장하는 정류회로(rectifier); 및
    상기 정류회로의 커패시터에 저장된 직류 전압을 전기차에 내장된 배터리의 정격 전압(Vbatt)으로 변환하는 DC to DC 컨버터를 포함하는, 풀 브릿지 제어와 하프 브릿지 제어를 선택적으로 수행하는, 풀 브릿지 제어와 하프 브릿지 제어를 선택적으로 수행하는 방법.
  2. 청구항 1에서,
    상기 하프 브릿지 제어는,
    상기 풀 브릿지 인버터에 포함된 스위치들 중에서 직렬로 연결된 스위치들 중 하나는 항상 ON 또는 OFF 상태에 있도록 제어하여 상기 풀 브릿지 인버터를 하프 브릿지 인버터와 동등하게 동작하도록 제어하는 방식인, 풀 브릿지 제어와 하프 브릿지 제어를 선택적으로 수행하는 방법.
  3. 청구항 1에서,
    상기 하프 브릿지 제어로 전환 가능한지 판단하는 단계는,
    상기 하프 브릿지 제어가 설계 요구 사항을 만족하는 결합 계수 범위를 결정하는 단계; 및
    결정된 결합 계수 범위에 따른 임계값을 상기 산출된 결합 계수와 비교하는 단계를 포함하는, 풀 브릿지 제어와 하프 브릿지 제어를 선택적으로 수행하는 방법.
  4. 청구항 3에서,
    상기 설계 요구 사항은,
    상기 IPT 시스템의 결합 계수, 출력 전압, 부하량(load) 중 적어도 하나에 대하여 미리 정의되는, 풀 브릿지 제어와 하프 브릿지 제어를 선택적으로 수행하는 방법.
  5. 청구항 3에서,
    상기 하프 브릿지 제어를 수행하는 단계는,
    산출된 부하량을 상기 결합 계수 범위에 따라 미리 결정되는 제어 전환값과 비교하고, 비교 결과에 따라 상기 하프 브릿지 제어를 수행하는 단계를 포함하는, 풀 브릿지 제어와 하프 브릿지 제어를 선택적으로 수행하는 방법.
  6. 청구항 5에서,
    상기 제어 전환값은,
    상기 결합 계수 범위에서 부하량에 따른 풀 브릿지 제어의 효율과 하프 브릿지 제어의 효율이 교차하는 지점에 따른 부하량을 의미하는, 풀 브릿지 제어와 하프 브릿지 제어를 선택적으로 수행하는 방법.
  7. 삭제
  8. 청구항 1에서,
    상기 풀 브리지 인버터는,
    제1 스위치 및 제3 스위치가 직렬 연결된 제1 직렬 회로; 및
    제4 스위치 및 제2 스위치가 직렬 연결된 제2 직렬 회로를 포함하고,
    상기 제1 직렬 회로와 상기 제2 직렬 회로는 상기 직류 전원과 병렬로 연결되는, 풀 브릿지 제어와 하프 브릿지 제어를 선택적으로 수행하는 방법.
  9. 청구항 8에서,
    상기 풀 브릿지 제어를 수행하는 단계는,
    상기 제1 스위치와 상기 제2 스위치를 제1 쌍으로써 동시에 ON 또는 OFF로 동작시키고, 상기 제3 스위치 및 상기 제4 스위치를 제2 쌍으로서 동시에 ON 또는 OFF로 동작시키며, 상기 제1 쌍과 상기 제2 쌍을 서로 교차로 동작시키는, 풀 브릿지 제어와 하프 브릿지 제어를 선택적으로 수행하는 방법.
  10. 청구항 8에서,
    상기 하프 브릿지 제어를 수행하는 단계는,
    상기 제2 스위치를 항상 ON 상태로 유지시키고, 상기 제4 스위치를 항상 OFF 상태로 유지시키며, 상기 제1 스위치와 상기 제3 스위치를 서로 교차로 동작시키는, 풀 브릿지 제어와 하프 브릿지 제어를 선택적으로 수행하는 방법.
  11. LCCL-S 공진 네트워크를 적용한 IPT(Inductive Power Transfer) 시스템에서 풀 브릿지 제어(Full bridge control)와 하프 브릿지 제어(Half bridge control)를 선택적으로 수행하는 장치로서,
    적어도 하나의 프로세서(processor); 및
    상기 적어도 하나의 프로세서가 적어도 하나의 단계를 수행하도록 지시하는 명령어들(isntructions)을 저장하는 메모리(memory)를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 단계는,
    상기 IPT 시스템에 포함된 풀 브릿지 인버터(Full bridge inverter)의 스위치들 중 직렬로 연결되지 않은 스위치끼리 동시에 동작하도록 제어하는 풀 브릿지 제어를 수행하는 단계;
    상기 IPT 시스템의 결합 계수를 산출하고, 산출된 결합 계수를 기초로 상기 풀 브릿지 제어를 하프 브릿지 제어로 전환 가능한지 판단하는 단계;
    상기 하프 브릿지 제어로 전환이 가능한 것으로 판단되면, 상기 IPT 시스템의 부하량을 산출하는 단계; 및
    산출된 부하량을 기초로 상기 풀 브릿지 인버터에 대하여 상기 하프 브릿지 제어를 수행하는 단계를 포함하고,
    상기 IPT 시스템은,
    직류 전원을 입력받아 교류 전압을 출력하는 상기 풀 브리지 인버터;
    상기 풀 브리지 인버터로부터 교류 전압을 입력받아 전기차의 수신 패드에 내장된 수신 코일에 유도 기전력을 생성하는 보상 회로(compensation network);
    상기 유도 기전력에 따른 유도 전류를 정류하여 커패시터에 저장하는 정류회로(rectifier); 및
    상기 정류회로의 커패시터에 저장된 직류 전압을 전기차에 내장된 배터리의 정격 전압(Vbatt)으로 변환하는 DC to DC 컨버터를 포함하는, 풀 브릿지 제어와 하프 브릿지 제어를 선택적으로 수행하는 장치.
  12. 청구항 11에서,
    상기 하프 브릿지 제어는,
    상기 풀 브릿지 인버터에 포함된 스위치들 중에서 직렬로 연결된 스위치들 중 하나는 항상 ON 또는 OFF 상태에 있도록 제어하여 상기 풀 브릿지 인버터를 하프 브릿지 인버터와 동등하게 동작하도록 제어하는 방식인, 풀 브릿지 제어와 하프 브릿지 제어를 선택적으로 수행하는 장치.
  13. 청구항 11에서,
    상기 하프 브릿지 제어로 전환 가능한지 판단하는 단계는,
    상기 하프 브릿지 제어가 설계 요구 사항을 만족하는 결합 계수 범위를 결정하는 단계; 및
    결정된 결합 계수 범위에 따른 임계값을 상기 산출된 결합 계수와 비교하는 단계를 포함하는, 풀 브릿지 제어와 하프 브릿지 제어를 선택적으로 수행하는 장치.
  14. 청구항 13에서,
    상기 설계 요구 사항은,
    상기 IPT 시스템의 결합 계수, 출력 전압, 부하량(load) 중 적어도 하나에 대하여 미리 정의되는, 풀 브릿지 제어와 하프 브릿지 제어를 선택적으로 수행하는 장치.
  15. 청구항 13에서,
    상기 하프 브릿지 제어를 수행하는 단계는,
    산출된 부하량을 상기 결합 계수 범위에 따라 미리 결정되는 제어 전환값과 비교하고, 비교 결과에 따라 상기 하프 브릿지 제어를 수행하는 단계를 포함하는, 풀 브릿지 제어와 하프 브릿지 제어를 선택적으로 수행하는 장치.
  16. 청구항 15에서,
    상기 제어 전환값은,
    상기 결합 계수 범위에서 부하량에 따른 풀 브릿지 제어의 효율과 하프 브릿지 제어의 효율이 교차하는 지점에 따른 부하량을 의미하는, 풀 브릿지 제어와 하프 브릿지 제어를 선택적으로 수행하는 장치.
  17. 삭제
  18. 청구항 11에서,
    상기 풀 브리지 인버터는,
    제1 스위치 및 제3 스위치가 직렬 연결된 제1 직렬 회로; 및
    제4 스위치 및 제2 스위치가 직렬 연결된 제2 직렬 회로를 포함하고,
    상기 제1 직렬 회로와 상기 제2 직렬 회로는 상기 직류 전원과 병렬로 연결되는, 풀 브릿지 제어와 하프 브릿지 제어를 선택적으로 수행하는 장치.
  19. 청구항 18에서,
    상기 풀 브릿지 제어를 수행하는 단계는,
    상기 제1 스위치와 상기 제2 스위치를 제1 쌍으로써 동시에 ON 또는 OFF로 동작시키고, 상기 제3 스위치 및 상기 제4 스위치를 제2 쌍으로서 동시에 ON 또는 OFF로 동작시키며, 상기 제1 쌍과 상기 제2 쌍을 서로 교차로 동작시키는, 풀 브릿지 제어와 하프 브릿지 제어를 선택적으로 수행하는 장치.
  20. 청구항 18에서,
    상기 하프 브릿지 제어를 수행하는 단계는,
    상기 제2 스위치를 항상 ON 상태로 유지시키고, 상기 제4 스위치를 항상 OFF 상태로 유지시키며, 상기 제1 스위치와 상기 제3 스위치를 서로 교차로 동작시키는, 풀 브릿지 제어와 하프 브릿지 제어를 선택적으로 수행하는 장치.
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