KR102561392B1 - 코일의 권선수 조절을 이용하여 전기차로 무선 전력을 전송하는 방법 및 장치 - Google Patents

코일의 권선수 조절을 이용하여 전기차로 무선 전력을 전송하는 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

코일의 권선수 조절을 이용하여 전기차로 무선 전력을 전송하는 방법 및 장치가 개시된다. 여기서 전기차로 무선 전력을 전송하는 장치에서 수행되는, 코일의 권선수 조절을 이용한 무선 전력 전송 방법은, 송신 패드와 수신 패드 사이의 정렬 상태를 감지하는 단계, 상기 정렬 상태에 따라 상기 송신 패드에 포함된 송신 코일 또는 상기 수신 패드에 포함된 수신 코일의 권선수를 조절하는 단계 및 권선수 조절이 완료되면 전기차로 무선 전력 전송을 수행하는 단계를 포함한다. 따라서, 송신 코일이나 수신 코일의 권선수와 권선비를 조절할 수 있으므로 코일의 인덕턴스나 수신 코일에서의 출력 전압 등을 포함한 각종 파라미터 변동분을 보상할 수 있다.

Description

코일의 권선수 조절을 이용하여 전기차로 무선 전력을 전송하는 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR TRANSMITTING WIRELESS POWER TO AN ELECTRIC VEHICLE USING THE CONTROL OF THE NUMBER OF TURNS OF COIL}
본 발명은 코일의 권선수 조절을 이용하여 전기차로 무선 전력을 전송하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 송신 패드와 수신 패드 사이의 위치 정렬에 오차가 발생하거나, 패드의 종류가 상이한 경우에 발생하는 출력 전압 저하나 자기 인덕턴스 감소 등의 문제를 해결하기 위하여 송신 코일이나 수신 코일의 권선수를 변경하여 무선 전력을 전송하는 방법 및 장치에 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 무선 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 송신 패드와 유도 공진 결합을 형성하고, 유도 공진 결합을 통해 그라운드 어셈블리로부터 전달되는 전력을 이용하여 전기차의 배터리에 충전을 수행하게 된다.
무선 전력 전송 시스템(Wireless Power Transfer System, WPT System)에서 송수신 패드에 대한 등가 회로는 변압기로 표현될 수 있다. 이렇게 표현된 변압기는 일반적인 컨버터 변압기에 비해 Air-gap이 매우 커서, 커플링 계수가 매우 낮다. 즉, 자화 인덕턴스(Lm)에 비해 누설 인덕턴스(Llk)가 매우 크기 때문에 출력으로 전력을 전달하는데 어려움이 있다. 따라서 1차/2차 패드(또는 송신 패드와 수신 패드)에 커패시터를 적용하여 패드의 인덕턴스와 커패시터를 공진시키는 방식을 적용하고 있다.
그러나, 송수신 패드간 정렬편차(Misalignment)가 발생하면 자화 인덕턴스와 누설 인덕턴스가 변동되고 공진 조건을 만족하지 않게됨으로써, 출력으로 전달되는 전압/전류가 낮아지고 효율도 낮아지는 문제점이 있다.
또한, 최근 송/수신 패드 구조는 형태가 원형인 써큘러 코일과 형태가 D자 모양과 유사한 2개 코일로 구성된 DD 코일을 비롯하여 다양한 형태의 코일 구조가 제안되고 있다. 그런데, 송신패드는 써큘러 코일, 수신패드는 DD코일로 구성되는 것과 같이 서로 다른 형상의 코일로 송/수신 패드가 구성되면, 출력으로 전달되는 전압/전류가 낮아지고 효율도 낮아지는 문제점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 전기차로 무선 전력을 전송하는 장치에서 수행되는, 코일의 권선수 조절을 이용한 무선 전력 전송 방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 다른 목적은, 코일의 권선수 조절을 이용하여 전기차로 무선 전력을 전송하는 장치를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 또 다른 목적은, 수신 코일의 권선수 조절이 가능한 전기차를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면은, 전기차로 무선 전력을 전송하는 장치에서 수행되는, 코일의 권선수 조절을 이용한 무선 전력 전송 방법을 제공한다.
여기서 코일의 권선수 조절을 이용한 무선 전력 전송 방법은, 송신 패드와 수신 패드 사이의 정렬 상태를 감지하는 단계, 상기 정렬 상태에 따라 상기 송신 패드에 포함된 송신 코일 또는 상기 수신 패드에 포함된 수신 코일의 권선수를 조절하는 단계 및 권선수 조절이 완료되면 전기차로 무선 전력 전송을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서 상기 정렬 상태를 감지하는 단계는, 지표면과 상기 수신 패드 사이의 수직 거리에 따라 결정되는 상기 수신 패드의 클래스를 감지하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서 상기 송신 코일이나 상기 수신 코일은 적어도 하나의 스위치와 접속되고, 접속된 상기 적어도 하나의 스위치가 제어됨에 따라 상기 송신 코일이나 상기 수신 코일의 권선수가 조절될 수 있다.
여기서 상기 적어도 하나의 스위치는, 상기 송신 코일이나 상기 수신 코일을 미리 설정한 비율의 권선수를 갖도록 분할하는 적어도 하나의 분할노드 및 상기 송신 코일나 수신 코일의 입출력노드와 연결된 적어도 하나의 제1 스위치 및 상기 적어도 하나의 분할노드를 단락(short) 또는 오픈(open)하는 적어도 하나의 제2 스위치를 포함할 수 있다.
여기서 상기 권선수를 조절하는 단계는, 상기 정렬 상태에 따른 상기 송신 패드의 중심축과 상기 수신 패드의 중심축 사이의 편차가 미리 설정된 임계값 이상이거나, 상기 수신 코일과 상기 송신 코일의 형상이 서로 상이한 경우에 수행될 수 있다.
여기서 상기 권선수를 조절하는 단계는, 상기 수신 코일의 출력 전압이 미리 설정된 임계값보다 낮으면, 상기 수신 코일의 권선수 대비 상기 송신 코일의 권선수를 나타내는 권선비가 감소하도록 상기 적어도 하나의 스위치를 제어할 수 있다.
여기서 상기 권선수를 조절하는 단계는, 상기 수신 패드의 z-클래스가 미리 설정된 클래스와 달라지는 경우에 수행될 수 있다.
여기서 상기 권선수를 조절하는 단계는, 상기 수신 패드의 z-클래스가 미리 설정된 클래스보다 더 높은 등급에 속하면, 상기 송신 코일이나 상기 수신 코일의 권선수가 증가하도록 상기 적어도 하나의 스위치를 제어할 수 있다.
여기서 상기 권선수를 조절하는 단계는, 상기 수신 코일의 권선수 대비 상기 송신 코일의 권선수를 나타내는 권선비는 감소하도록 상기 적어도 하나의 스위치를 제어할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면은, 코일의 권선수 조절을 이용하여 전기차로 무선 전력을 전송하는 장치를 제공한다.
여기서 코일의 권선수 조절을 이용하여 전기차로 무선 전력을 전송하는 장치는, 적어도 하나의 프로세서(processor) 및 상기 적어도 하나의 프로세서가 적어도 하나의 단계를 수행하도록 지시하는 명령어들(instructions)을 저장하는 메모리를 포함할 수 있다.
여기서 상기 적어도 하나의 단계는, 송신 패드와 수신 패드 사이의 정렬 상태를 감지하는 단계, 상기 정렬 상태에 따라 상기 송신 패드에 포함된 송신 코일 또는 상기 수신 패드에 포함된 수신 코일의 권선수를 조절하는 단계 및 권선수 조절이 완료되면 전기차로 무선 전력 전송을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서 상기 정렬 상태를 감지하는 단계는, 지표면과 상기 수신 패드 사이의 수직 거리에 따라 결정되는 상기 수신 패드의 클래스를 감지하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서 상기 송신 코일이나 상기 수신 코일은 적어도 하나의 스위치와 접속되고, 접속된 상기 적어도 하나의 스위치가 제어됨에 따라 상기 송신 코일이나 상기 수신 코일의 권선수가 조절될 수 있다.
여기서 상기 적어도 하나의 스위치는, 상기 송신 코일이나 상기 수신 코일을 미리 설정한 비율의 권선수를 갖도록 분할하는 적어도 하나의 분할노드 및 상기 송신 코일이나 상기 수신 코일의 입출력노드와 연결된 적어도 하나의 제1 스위치 및 상기 적어도 하나의 분할 노드를 단락(short) 또는 오픈(open)하는 적어도 하나의 제2 스위치를 포함할 수 있다.
여기서 상기 권선수를 조절하는 단계는, 상기 정렬 상태에 따른 송신 패드의 중심축과 수신 패드의 중심축 사이의 편차가 미리 설정된 임계값 이상이거나, 상기 수신 코일과 상기 송신 코일의 형상이 서로 상이한 경우에 수행될 수 있다.
여기서 상기 권선수를 조절하는 단계는, 상기 수신 코일의 출력 전압이 미리 설정된 임계값보다 낮으면, 상기 수신 코일의 권선수 대비 상기 송신 코일의 권선수를 나타내는 권선비가 감소하도록 상기 적어도 하나의 스위치를 제어할 수 있다.
여기서 상기 권선수를 조절하는 단계는, 상기 수신 패드의 z-클래스가 미리 설정된 클래스와 달라지는 경우에 수행될 수 있다.
여기서 상기 권선수를 조절하는 단계는, 상기 수신 패드의 z-클래스가 미리 설정된 클래스보다 더 높은 등급에 속하면, 상기 송신 코일이나 상기 수신 코일의 권선수가 증가하도록 상기 적어도 하나의 스위치를 제어할 수 있다.
여기서 상기 권선수를 조절하는 단계는, 상기 수신 코일의 권선수 대비 상기 송신 코일의 권선수를 나타내는 권선비는 감소하도록 상기 적어도 하나의 스위치를 제어할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면은, 전기차를 제공한다.
여기서 전기차는, 송신 패드에 포함된 송신 코일과 전자기적으로 커플링되어 전력을 수신하는 수신 코일을 포함하는 수신 패드, 상기 수신 코일과 접속되어 상기 수신 코일의 권선수를 조절하는 적어도 하나의 스위치, 차량의 상태를 나타내는 파라미터(parameter)를 모니터링하고 그라운드 어셈블리(Ground Assembly, GA)와의 통신을 수행하여 상기 수신 패드의 출력 전력 레벨을 제어하는 비히클 어셈블리 컨트롤러(Vehicle Assembly Controller) 및 상기 송신 패드와 상기 수신 패드 사이의 정렬 상태를 감지하여 상기 적어도 하나의 스위치를 제어하는 무선 전력 전송 제어기를 포함할 수 있다.
여기서 상기 적어도 하나의 스위치는, 상기 수신 코일을 미리 설정한 비율의 권선수를 갖도록 분할하는 적어도 하나의 분할노드 및 상기 수신 코일의 입출력노드와 연결된 적어도 하나의 제1 스위치 및 상기 적어도 하나의 분할노드를 단락(short) 또는 오픈(open)하는 적어도 하나의 제2 스위치를 포함할 수 있다.
상기와 같은 본 발명에 따른 코일의 권선수 조절을 이용하여 전기차로 무선 전력을 전송하는 방법 및 장치를 이용할 경우에는 송신 코일이나 수신 코일의 권선수와 권선비를 조절할 수 있으므로 코일의 인덕턴스나 수신 코일에서의 출력 전압 등을 포함한 각종 파라미터 변동분을 보상할 수 있다.
특히, 송신 패드와 수신 패드 사이의 정렬 위치가 어긋나거나, 패드의 종류가 상이한 경우에 코일의 권선수 또는 권선비를 조절함으로써 최적의 무선 전력 전송 효율을 달성할 수 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 코일 형태를 설명하기 위한 예시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기차 무선 전력 전송에서 효율이 저하되는 경우를 나타내는 예시도이다.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 송신 패드에 포함된 송신 코일의 턴수를 조절하기 위하여 스위치가 연결된 예시도이다.
도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 수신 패드에 포함된 수신 코일의 턴수를 조절하기 위하여 스위치가 연결된 예시도이다.
도 7은 도 6a 및 도 6b에 따른 스위치가 연결된 송신 코일과 수신 코일을 나타내는 등가 회로도이다.
도 8은 송신 패드와 수신 패드 사이의 정렬 상태를 기준으로 스위치를 제어하는 방법을 설명하기 위한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기차로 무선 전력을 전송하는 장치에서 수행되는, 코일의 권선수 조절을 이용한 무선 전력 전송 방법에 대한 흐름도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 코일의 권선수 조절을 이용하여 전기차로 무선 전력을 전송하는 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 수신 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 송신 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 수신 패드(11)가 송신 패드(21)에 의한 에너지 장(energy field)에 위치하고, 송신 패드(21)의 송신 코일과 수신 패드(11)의 수신 코일이 서로 상호작용 또는 커플링됨으로써 수행될 수 있다. 상호작용 또는 커플링의 결과로 수신 패드(11)에 기전력이 유도되고, 유도된 기전력에 의해 배터리(12)가 충전될 수 있다.
또한, 차징 스테이션(20)과 송신 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 수신 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, 송신 패드 또는 수신 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), 송신 패드(21)의 구성 중 전부 또는 일부를 표현한 것으로 해석될 수 있고, 도 2의 우측 회로는 수신 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 송신 패드(21)에 포함되고, 수신 코일(L2)은 도 1에서의 수신 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, 송신 패드와 수신 패드 상호간의 위치 결정 또는 전기차와 송신 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 송신 패드(21) 및 전기차(10)에 내장된 수신 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, 송신 패드(21)와 수신 패드(11)의 위치 정렬로 한정해석되지 않는다.
여기서, 송신 패드(21)는 도 3에서는 지표면 아래에 위치한 것으로 도시하였으나, 지표면 위에 위치할 수도 있고, 지표면 아래에서 송신 패드(21)의 상면이 노출되도록 위치할 수도 있다.
또한, 전기차의 수신 패드(11)는 지표면을 기준으로 측정된 높이(z방향으로 정의)에 따라 카테고리를 달리하여 정의할 수 있고, 예를 들어 지표면에서 수신 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, 수신 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, 송신 패드(21)의 높이 방향(z방향으로 정의)의 위치는 상기 수신 패드(11)에서 지원하는 최대 클래스와 최소 클래스 사이에 위치하도록 결정할 수 있는데, 예를 들어 수신 패드(11)가 class1과 2만을 지원한다면, 수신 패드(11)를 기준으로 100-210 (mm) 사이에 송신 패드가 위치하도록 결정할 수 있다.
또한, 송신 패드(21)의 중심과 수신 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, 송신 패드(21)와 수신 패드(11)의 상대적 위치는 그 실험적 결과에 따라 한계값이 달라질 수 있고, 상기 수치들은 예시적인 것으로 이해되어야 한다.
또한, 송신 패드(21)와 수신 패드(11)는 각각 코일을 포함하는 것으로 전제하고 패드 상호간의 정렬로 설명하였으나, 더 구체적으로는 송신 패드(21)와 수신 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 코일 형태를 설명하기 위한 예시도이다.
전기차의 무선 전력 전송(Wireless Power Transfer, WPT) 시스템에서, 비접촉식 커플러들(Inductive couplers)은 다양한 어셈블리 토폴로지들로 디자인될 수 있다. 여기서 어셈블리 토폴로지(또는 어셈블리의 구조)는 코일의 형태, 극성이나 비극성 여부, 마그네틱의 종류에 따라 결정될 수 있다.
모든 어셈블리들(assemblies, 송신패드나 수신패드로 사용될 수 있는 코일과 백킹 구조를 통칭하는 용어일 수 있다)은 페라이트(ferrite)나 알루미늄(aluminum) 백킹(backing)의 적절한 사용에 의해 어셈블리의 일측면에만 플럭스(flux)가 존재하도록 만들어질 수 있다.
예를 들어 비양극성 토폴로지들(Non-polarized topologies)은 어셈블리의 중앙에 하나의 극(pole)을 가지고, 바깥 어셈블리 주변에 반대극을 가질 수 있다. 이러한 극성 구조는 플럭스가 어셈블리 중앙에서 나가고, 어셈블리의 바깥 측면으로 들어오게 유도(cause)한다. 도 4a를 참조하면, 이러한 비극성 토폴로지 중 하나인 서큘러 코일을 갖는 어셈블리를 확인할 수 있다. 다만, 서큘러 코일로 한정하여 해석되는 것은 아니며 서큘러 코일 대신에 사각 형태를 갖는 스퀘어 코일도 포함되는 것으로 해석되어야 하며, 서큘러 코일과 스퀘어 코일을 통칭하여 서큘러/스퀘어(circular/square) 코일로 지칭할 수 있다. 도 4a의 왼쪽 그림과 같이 서큘러 코일을 갖는 어셈블리가 송/수신 패드로 사용되면, 도 4a의 오른쪽 그림과 같이 공간상에서 수직장이 형성되어, 플럭스가 송신 패드의 중앙에서 나가 수신패드의 중앙으로 들어가고, 수신 패드의 바깥 측면에서 나와 송신 패드의 바깥 측면으로 들어올 수 있다. 이러한 어셈블리는 주로(predominately) 수직장(vertical field)에 민감하다.
한편, 양극성 어셈블리들(Polarized assemblies)은 어셈블리 구조의 어느 한 끝단에 북극과 남극(north pole and south pole)을 가질 수 있다. 이러한 극성 구조는 플럭스가 송/수신 패드의 방향에 따라 형성되도록 유도(cause)할 수 있다. 도 4b를 참조하면, 양극성 DD 코일을 갖는 어셈블리를 확인할 수 있다. 이러한 어셈블리는 도 4b의 왼쪽 그림에서와 같이 D자 형태(또는 사각형 형태)의 코일 두개가 평면상에 나란히 인접한 구조를 가질 수 있다. 이때, DD 코일의 플럭스는 송/수신 패드의 방향에 따라 달리 형성될 수 있다. 예를 들어, 플럭스는 도 4b의 오른쪽 그림과 같이 송신 패드측 하나의 D자 코일의 중앙에서 나와 마주보고있는 수신 패드측 D자 코일의 중앙으로 들어가고, 수신패드측 다른 D자 코일의 중앙에서 나와 송신 패드측 다른 D자 코일의 중앙으로 들어올 수 있다. 이러한 어셈블리들은 주로 수평장(horizonal field)에 민감하다. 여기서 양극성 어셈블리에 대한 예로 DD 코일을 들었으나, DD 코일 이외에도 솔레노이드가 사용될 수도 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기차 무선 전력 전송에서 효율이 저하되는 경우를 나타내는 예시도이다.
전기차 무선 전력 전송 시스템에서 사용되는 그라운드 어셈블리(GA)와 비히클 어셈블리(VA)는 동일한 생산자에 의해 생산되는 것만은 아니다. 마찬가지로, 송신 패드와 수신 패드도 동일한 생산자에 의해 생산되지 않을 수 있고, 동일한 생산자에 의해 생산되더라도 송신 패드와 수신 패드의 어셈블리 토폴로지가 서로 다를 수 있다.
도 5를 참조하면, 송신 패드와 수신 패드의 어셈블리 토폴로지가 상이하거나, 위치 정렬이 잘못 이루어져 무선 전력 전송에 따른 효율이 저하되는 경우를 확인할 수 있다.
구체적으로, 송신 패드와 수신 패드의 어셈블리 토폴로지가 상이한 경우가 있을 수 있는데, 예를 들어 도면 기호 5a와 같이 송신 패드에서는 서큘러/스퀘어 코일이 사용되고 수신 패드에서는 DD 코일이 사용되는 경우 또는 도면 기호 5b와 같이 송신 패드에서는 DD 코일이 사용되고 수신 코일에서는 서큘러/스퀘어 코일이 사용되는 경우가 있을 수 있다. 도면기호 5a 내지 5b와 같은 경우, 서로 다른 형상의 코일이 서로 전자기적으로 커플링되기 때문에 공진 조건을 만족하지 않게 되어 출력으로 전달되는 전압과 전류가 낮아지고 무선 전력 전송 효율이 저하될 수 있다.
또한, 송신 패드와 수신 패드의 어셈블리 토폴로지가 동일한 경우라고 하더라도, 도 3에서 설명한 송신패드와 수신패드의 위치 정렬(alignment)이 잘못되면 무선 전력 전송 효율이 저하될 수 있다. 예를 들어 도면 기호 5c를 참조하면 송신 패드와 수신 패드가 동일하게 서큘러 코일을 사용하고 있으나, 두 코일의 위치가 서로 상응하지 않고 각각의 중심축이 서로 어긋나있는 것을 확인할 수 있다. 도면 기호 5c와 같은 경우에도 커플링 계수, 공진 조건 등이 달라질 수 있어 무선 전력 전송 효율이 저하될 수 있다.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 송신 패드에 포함된 송신 코일의 턴수를 조절하기 위하여 스위치가 연결된 예시도이다. 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 수신 패드에 포함된 수신 코일의 턴수를 조절하기 위하여 스위치가 연결된 예시도이다. 도 7은 도 6a 및 도 6b에 따른 스위치가 연결된 송신 코일과 수신 코일을 나타내는 등가 회로도이다.
도 5에 따른 예시와 같이, 전기차의 무선 전력 전송 효율이 저하되는 것을 방지하기 위해서는 위치 정렬이나 커플링되는 코일 종류 등에 따라 변동되는 공진 조건, 커플링 계수, 출력 전압, 출력 전류 등을 보상할 수 있어야 한다. 본 발명의 일 실시예에서는 송/수신 패드에 사용되는 코일의 권선수를 스위치를 이용하여 변경함으로써 상기 변동 사항들을 보상하는 방법을 제안한다.
도 6a의 도면기호 21a에서 지시되는 송신 코일에서 전체 권선수 n1을 미리 설정한 비율로 나누는 중간 노드를 찾고, 중간 노드를 단락(short)시키거나 오픈(open)시키는 제2 스위치(SW2)를 구성할 수 있다. 이때, 설명의 용이함을 위해, 이하에서는 미리 설정한 비율을 n11: n12로 지칭하고, n11+n12=n1의 관계를 갖는 것으로 정의한다. 또한, 송신 코일의 입/출력 노드와 중간 노드 사이를 단락시키거나 오픈 시키는 제1 스위치(SW1)를 구성할 수 있다. 이처럼 두 개의 스위치를 송신 코일과 연결시키면 두개의 스위치를 온/오프시켜 송신 코일의 권선수를 n1(또는 n11+n12)으로 사용하거나, n11으로 사용할 수 있다.
도 6b를 참조하면, 도면기호 11a에서 지시되는 수신 코일의 권선수는 도 6a와 마찬가지로 두개의 스위치가 수신 코일에 연결됨으로써 조절될 수 있다. 즉, 수신 코일의 전체 권선수 n2를 미리 설정한 비율로 나누는 중간 노드를 찾고, 중간 노드를 단락(short)시키거나 오픈(open)시키는 제4 스위치(SW4)를 구성하며, 수신 코일의 입/출력 노드(또는 일 단의 노드)와 중간 노드 사이를 단락시키거나 오픈 시키는 제3 스위치(SW3)를 구성할 수 있다. 여기서 수신 코일의 전체 권선수를 나눈 비율을 n21:n22로 지칭하고, n21+n22=n2의 관계를 갖는 것으로 정의한다.
도 6a 및 도 6b에 따른 스위치가 연결된 송신 코일(21a)과 수신 코일(11a)을 변압기 형태의 등가회로로 나타내면 도 7과 같다. 도 7에서 제1 스위치(SW1) 내지 제4 스위치(SW4)는 도 6a 및 도 6b에 따른 스위치와 동일한 것으로 해석될 수 있다.
도 7에서, 각 스위치들의 온/오프에 따라 송신 코일과 수신 코일의 권선수 비율을 나타내면 다음의 표 1과 같다.
표 1을 참조하면, 제1 스위치(SW1) 내지 제4 스위치(SW4)의 온/오프 상태에 따라 총 4가지의 권선비로 송신 코일과 수신 코일을 동작시킬 수 있는 것을 알 수 있다. 표 1에서 종류 4는 스위치가 연결되지 않았을 때에 대한 권선비와 동일하므로 일반적으로는 기본(default) 제어 상태가 될 수 있으며, 종류 4에 따른 스위치 제어 상태에서 종류 1 내지 3에 따른 스위치 제어 상태로 변경시키는 방식으로 스위치를 제어할 수 있다. 다만, 기본 제어 상태는 공진 주파수를 비롯한 최적 제어 조건을 만족하는 권선비에 따라 달리 설정될 수 있다. 또한, 권선비는 비례식(송신 코일의 권선수: 수신 코일의 권선수)으로 표기하였으나, 이하의 수식에서는 수신 코일의 권선수 대비 송신 코일의 권선수를 권선비로 정의할 수 있다.
한편, 표 1에 따른 스위치 동작 상태를 어떻게 제어해야 하는지 문제되는데, 송신 패드와 수신 패드 사이의 x축/y축 편차(또는 중심축 편차)가 발생하거나, 패드에 포함된 코일 종류가 다르면, 수신 코일(11a)의 출력 전압이 낮아질 수 있다. 또한, 송신 패드와 수신 패드 사이의 수직 거리가 작아지면(또는 수신 패드의 z-클래스 등급이 감소하는 것으로 설명할 수도 있으며 이때 클래스 등급은 후술하는 표 2 참조) 수신 코일(11a)의 출력 전압이 증가할 수 있다. 따라서, 송신 코일(21a)과 수신 코일(11a)에서의 출력 전압 및 출력 전류를 기준으로 제어할 수 있다.
예를 들어, 송신 코일(21a)의 전압과 전류를 각각 V1, I1으로 정의하고, 수신 코일(11a)에서 나타나는 출력 전압과 전류를 각각 V2, I2로 정의하고, 권선비를 n으로 정의하면, 도 7과 같은 변압기 등가 회로(이상적인 변압기를 전제)를 기준으로 전압은 다음의 수학식 1을 만족할 수 있다.
즉, 수학식 1을 참조하면, 수신 패드측 수신 코일(11a)의 출력 전압(V2)은 권선비에 반비례할 수 있다. 따라서, 수신 코일(11a)의 출력 전압(V2)이 낮은 경우 권선비(n)를 감소시키면 수신 코일(11a)의 출력 전압(V2)을 증가시킬 수 있다. 표 1을 참조하면, 권선비를 감소시키는 제어 방법으로서 종류 2(제1 스위치 및 제4 스위치를 ON 시키고, 제2 스위치 및 제3 스위치를 OFF)를 사용할 수 있다. 또한, 수신 코일(11a)의 출력 전압(V2)이 높다면, 권선비(n)을 증가시키는 제어 방법으로서 표 1의 종류 3(제2 스위치 및 제3 스위치를 ON 시키고, 제1 스위치 및 제4 스위치를 OFF)을 사용할 수 있다.
한편, 수학식 1과 동일한 정의에서, 송신 코일의 전류(I1)과 수신 코일의 전류(I2)는 다음의 수학식 2를 만족할 수 있다.
수학식 2를 참조하면, 수신 코일에서의 출력 전류(I2)는 권선비(n)에 비례할 수 있다. 따라서, 수신 코일에서의 출력 전류(I2)가 낮다면, 권선비(n)을 증가시키도록 표 1의 종류 3에 따른 제어를 적용할 수 있고, 출력 전류(I2)가 높다면, 권선비(n)을 감소시키도록 표 1의 종류 2에 따른 제어를 적용할 수 있다.
한편, 여기서는 송신 코일과 수신 코일에 스위치를 연결하여 각각 2단의 권선수를 가질 수 있도록 구성하였다. 이 때문에 송신 코일과 수신 코일 각각 2단의 권선수를 조합하여 표 1에 따른 4가지 권선수 조합이 가능하였으나, 스위치를 추가 연결함으로써 송신 코일과 수신 코일이 각각 3단 이상의 권선수를 갖도록 구성할 수도 있다. 이때, 송신 코일 또는 수신 코일이 미리 설정된 값인 k단의 권선수를 갖도록 구성하는 예시는 다음과 같다. 먼저, 송신 코일(또는 수신 코일)을 소정의 권선수를 갖는 k개의 코일로 분할하기 위한 k-1개의 분할 노드를 결정하고, 결정한 k-1개의 분할 노드에 대한 단락과 오픈을 제어하는 k-1개의 스위치를 연결할 수 있다. 다음으로, 코일의 입력 노드 또는 출력 노드와 앞서 연결된 k-1개의 스위치의 일 단과 각각 연결되는 k-1개의 스위치를 추가함으로써 3단 이상의 권선수를 갖는 코일을 구성할 수 있다.
도 8은 송신 패드와 수신 패드 사이의 정렬 상태를 기준으로 스위치를 제어하는 방법을 설명하기 위한 그래프이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스위치가 연결된 코일의 권선수를 조절하는 방법으로서, 송신 패드와 수신 패드 사이의 정렬 상태를 고려할 수 있다. 이때 앞선 도 3에서 설명한 수신 패드의 정렬 위치를 결정하는 클래스(class)는 다음의 표 2와 같이 나타낼 수 있다.
표 2를 참조하면, 지표면과 수신 코일(또는 VA coil)의 낮은쪽 표면(lower surface) 사이의 수직 거리(VA coil ground clearance range, mm 단위)를 기준으로 수신 패드의 정렬 위치를 분류한 것을 확인할 수 있다. 여기서 Z1 내지 Z3와 같은 수신 패드의 정렬 위치를 z-클래스로 지칭할 수 있으며, Z1이 도 3에서 설명한 class 1에 대응되고, Z2가 class 2에 대응되며, Z3가 class 3에 대응된다. 또한, Z1에서 Z3로 갈수록 수직 거리가 대체로 증가하며, 클래스 등급이 더 높다고 정의할 수 있다. 다만, 클래스 등급 Z1에서 클래스 등급 Z2로 변동시 수직 거리가 작아지는 예외가 있을 수 있다.
일반적으로 송신 패드와 수신 패드 사이에 위치 편차(또는 중심축 편차)가 발생하면, 송신 코일과 수신 코일의 인덕턴스가 변동될 수 있다. 이때, 송신 코일 또는 수신 코일의 인덕턴스(또는 자기 인덕턴스)는 권선수의 제곱에 비례하므로, 인덕턴스가 작아지면 권선수를 증가시키고, 인덕턴스가 커지면 권선수를 감소시키는 방식으로 스위치를 제어할 수 있다.
또한, 수신 패드의z-클래스 등급이 변동되는 경우, 송신 패드와 수신 패드 사이의 수직 거리가 달라진다. 구체적으로, 수신 패드의 z-클래스 등급이 변동됨에 따라 상기 수직 거리가 증가하면, 송신 패드와 수신 패드 사이의 자기적 결합도가 낮아질 수 있고, 이때는 송신 코일 또는 수신 코일의 인덕턴스를 증가시키도록 스위치를 제어할 수 있다. 반대로, 상기 수직 거리가 작아지면, 송신 패드와 수신 패드 사이의 자기적 결합도가 증가할 수 있으므로, 송신 코일 또는 수신 코일의 인덕턴스를 감소시키도록 스위치를 제어할 수 있다. 이때도, 송신 코일 또는 수신 코일의 인덕턴스는 권선수의 제곱에 비례하는 점을 이용하여 스위치를 제어할 수 있다.
표 2에 따른 수신 패드의 z-클래스 등급 및/또는 송신 패드와 수신 패드 사이의 위치 편차를 기준으로 도 6a 내지 도 6b(또는 도 7)에 따른 스위치의 제어를 수행한 예시는 다음의 표 3과 같다.
상기 표 3을 참조하면, 앞선 표 1에서 송신 코일과 수신 코일의 전체 권선수 25를 기준으로, n11은 20, n12는 5, n21은 20, n22는 5로 권선수를 적용한 예시를 확인할 수 있다. 즉, 송신 코일 또는 수신 코일의 권선수를 분할하는 비율을 20:5 또는 4:1로 적용한 예시이다.
표 3에서 종류 1 내지 4는 도 6a 내지 도 6b 또는 도 7에서 도시된 제1 스위치(SW1) 내지 제4 스위치(SW4)의 제어 상태를 나타낸다. 표 3의 종류 3에 따른 스위치 제어 상태(제2 스위치 및 제3 스위치는 ON, 제1 스위치 및 제4 스위치는 OFF)는, 수신 패드가 표 2의 Z1 클래스에 해당될 때, 공진 조건, 커플링 계수, 출력전압/전류 등을 고려하여 송신 코일과 수신 코일의 권선수를 최적의 조건으로 설정한 것으로서, 여기서는 표 1과 달리 종류 3을 디폴트 제어 상태로 전제한다.
표 3을 참조하면, 종류 3에 따른 스위치 제어 상태에서, 송/수신 패드에 x축/y축 편차가 발생하거나 수신 패드가 Z2 클래스로 변경됨에 따라 송신 패드에 포함된 송신 코일의 인덕턴스(또는 송신 코일의 자기 인덕턴스)가 증가하면, 종류 1에 따른 스위치 제어(제1 스위치와 제3 스위치를 ON, 제2 스위치 및 제4 스위치를 OFF)를 통해 송신 코일의 권선수를 낮추어 송신 코일의 인덕턴스를 감소시킬 수 있다. 왜냐하면 송신 코일의 자기 인덕턴스는 송신 코일의 권선수의 제곱과 비례하기 때문이다. 이때, 송신 코일의 권선수가 낮아지면 권선비는 낮아지므로 수학식 1에 따른 출력 전압도 상승될 수 있다.
한편, 종류 3에 따른 스위치 제어 상태에서, 송/수신 패드에 x축/y축 편차가 발생하거나 수신 패드가 Z2 클래스로 변경됨에 따라 수신 패드에 포함된 수신 코일의 인덕턴스가 감소하면, 종류 4에 따른 스위치 제어(제2 스위치 및 제4 스위치를 ON, 제1 스위치 및 제3 스위치를 OFF)를 통해 수신 코일의 권선수를 증가시켜 수신 코일의 인덕턴스를 증가시킬 수 있다. 이때, 수신 코일의 권선수가 증가되면 권선비는 낮아지므로 수학식 1에 따른 출력 전압도 상승될 수 있다.
또한, 종류 1에 따른 스위치 제어 상태에서 Z2 클래스에 따른 수신 패드의 x축/y축 편차가 발생하거나 수신 패드가 Z3 클래스로 변경되어 수신 코일의 인덕턴스가 감소한다면, 종류 2에 따른 스위치 제어(제1 스위치 및 제4 스위치를 ON, 제2 스위치 및 제3 스위치를 OFF)를 통해 수신 코일의 권선수를 증가시켜, 수신 코일의 인덕턴스를 증가시키고 출력 전압을 상승시킬 수 있다.
도 8을 참조하면, 표 3에 따른 적용사례에서 측정한 송신 코일의 인덕턴스(Lp_real) 및 수신 코일의 인덕턴스(Ls_real)를 확인할 수 있다.
먼저, 송신 코일의 인덕턴스를 참조하면, 종류 3에 따른 제어에서 최대 커플링 계수(k_max)가 0.357일 때 송신 코일의 인덕턴스는 1796.2 μH이고, 수신 코일의 인덕턴스는 195.75 μH이다. 여기서 송/수신 패드의 위치 편차가 발생하면, 최소 커플링 계수(k_min)가 0.075일 때 송신 코일의 인덕턴스는 1874.5 μH가 되고, 수신 코일의 인덕턴스는 169.68 μH이 된 것을 확인할 수 있다. 이처럼 송신 코일의 인덕턴스가 4.18%가량 증가하면, 4.18% 만큼 송신 코일의 인덕턴스를 낮추기위하여 종류 3에서 종류 1에 따른 스위치 제어로 변경할 수 있다. 또한, 수신 코일의 인덕턴스도 15.4% 가량 감소하면, 15.4% 만큼 수신 코일의 인덕턴스를 증가시키기 위하여 종류 3에서 종류 4에 따른 스위치 제어로 변경할 수 있다.
한편, 여기서는 송/수신 코일의 인덕턴스는 송/수신 패드의 인덕턴스로 설명할 수도 있으므로, 코일의 인덕턴스로 한정하여 해석되지 않는다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기차로 무선 전력을 전송하는 장치에서 수행되는, 코일의 권선수 조절을 이용한 무선 전력 전송 방법에 대한 흐름도이다.
도 9를 참조하면, 코일의 권선수 조절을 이용한 무선 전력 전송 방법은, 송신 패드와 수신 패드 사이의 정렬 상태를 감지하는 단계(S100), 상기 정렬 상태에 따라 상기 송신 패드에 포함된 송신 코일 또는 상기 수신 패드에 포함된 수신 코일의 권선수를 조절하는 단계(S110) 및 권선수 조절이 완료되면 전기차로 무선 전력 전송을 수행하는 단계(S120)를 포함할 수 있다.
상기 전기차로 무선 전력을 전송하는 장치는 전기차에 내장될 수도 있고, 차징 스테이션에 내장될 수도 있다. 전기차에 내장된 경우, 송신 코일의 권선수 조절은 그라운드 어셈블리 컨트롤러(GA controller)와의 통신을 통해 명령을 전달함으로써 수행될 수 있다. 또한, 차징 스테이션에 내장된 경우, 수신 코일의 권선수 조절은 전기차의 비히클 어셈블리 컨트롤러(VA controller)와의 통신을 통해 명령을 전달함으로써 수행될 수 있다.
여기서 상기 정렬 상태를 감지하는 단계(S100)는, 지표면과 상기 수신 패드 사이의 수직 거리에 따라 결정되는 상기 수신 패드의 클래스를 감지하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서 상기 송신 코일이나 상기 수신 코일은 적어도 하나의 스위치와 접속되고, 접속된 상기 적어도 하나의 스위치가 제어됨에 따라 상기 송신 코일이나 상기 수신 코일의 권선수가 조절될 수 있다.
여기서 상기 적어도 하나의 스위치는, 상기 송신 코일이나 상기 수신 코일을 미리 설정한 비율의 권선수를 갖도록 분할하는 적어도 하나의 분할노드 및 상기 송신 코일나 수신 코일의 입출력노드와 연결된 적어도 하나의 제1 스위치 및 상기 적어도 하나의 분할노드를 단락(short) 또는 오픈(open)하는 적어도 하나의 제2 스위치를 포함할 수 있다.
여기서 상기 권선수를 조절하는 단계(S110)는, 상기 정렬 상태에 따른 상기 송신 패드의 중심축과 상기 수신 패드의 중심축 사이의 편차가 미리 설정된 임계값 이상이거나, 상기 수신 코일과 상기 송신 코일의 형상이 서로 상이한 경우에 수행될 수 있다.
여기서 상기 권선수를 조절하는 단계(S110)는, 상기 수신 코일의 출력 전압이 미리 설정된 임계값보다 낮으면, 상기 수신 코일의 권선수 대비 상기 송신 코일의 권선수를 나타내는 권선비가 감소하도록 상기 적어도 하나의 스위치를 제어할 수 있다.
여기서 상기 권선수를 조절하는 단계(S110)는, 상기 수신 패드의 z-클래스가 미리 설정된 클래스와 달라지는 경우에 수행될 수 있다.
여기서 상기 권선수를 조절하는 단계(S110)는, 상기 수신 패드의 z-클래스가 미리 설정된 클래스보다 더 높은 등급에 속하면, 상기 송신 코일이나 상기 수신 코일의 권선수가 증가하도록 상기 적어도 하나의 스위치를 제어할 수 있다.
여기서 상기 권선수를 조절하는 단계(S110)는, 상기 수신 코일의 권선수 대비 상기 송신 코일의 권선수를 나타내는 권선비는 감소하도록 상기 적어도 하나의 스위치를 제어할 수 있다.
여기서 상기 무선 전력 전송을 수행하는 단계(S120)는 상기 전기차로 무선 전력을 전송하는 장치에서 직접 수행하는 것으로 한정하여 해석되어서는 안되고, 그 밖의 다른 장치들(GA, VA 또는 각종 컨트롤러)과 연동하여 간접적으로 수행하는 것을 포함하는 의미로 해석되어야 한다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 코일의 권선수 조절을 이용하여 전기차로 무선 전력을 전송하는 장치에 대한 구성도이다.
도 10을 참조하면, 코일의 권선수 조절을 이용하여 전기차로 무선 전력을 전송하는 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(120)를 포함할 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, 전기차로 무선 전력을 전송하는 장치(100)는, 무선 네트워크를 통해 통신을 수행하는 송수신 장치(transceiver)(130)를 포함할 수 있다. 또한, 전기차로 무선 전력을 전송하는 장치(100)는 입력 인터페이스 장치(140), 출력 인터페이스 장치(150), 저장 장치(160) 등을 더 포함할 수 있다. 전기차로 무선 전력을 전송하는 장치(100)에 포함된 각각의 구성 요소들은 버스(bus)(170)에 의해 연결되어 서로 통신을 수행할 수 있다.
여기서 상기 적어도 하나의 단계는, 송신 패드와 수신 패드 사이의 정렬 상태를 감지하는 단계, 상기 정렬 상태에 따라 상기 송신 패드에 포함된 송신 코일 또는 상기 수신 패드에 포함된 수신 코일의 권선수를 조절하는 단계 및 권선수 조절이 완료되면 전기차로 무선 전력 전송을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서 상기 정렬 상태를 감지하는 단계는, 지표면과 상기 수신 패드 사이의 수직 거리에 따라 결정되는 상기 수신 패드의 클래스를 감지하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서 상기 송신 코일이나 상기 수신 코일은 적어도 하나의 스위치와 접속되고, 접속된 상기 적어도 하나의 스위치가 제어됨에 따라 상기 송신 코일이나 상기 수신 코일의 권선수가 조절될 수 있다.
여기서 상기 적어도 하나의 스위치는, 상기 송신 코일이나 상기 수신 코일을 미리 설정한 비율의 권선수를 갖도록 분할하는 적어도 하나의 분할노드 및 상기 송신 코일이나 상기 수신 코일의 입출력노드와 연결된 적어도 하나의 제1 스위치 및 상기 적어도 하나의 분할 노드를 단락(short) 또는 오픈(open)하는 적어도 하나의 제2 스위치를 포함할 수 있다.
여기서 상기 권선수를 조절하는 단계는, 상기 정렬 상태에 따른 송신 패드의 중심축과 수신 패드의 중심축 사이의 편차가 미리 설정된 임계값 이상이거나, 상기 수신 코일과 상기 송신 코일의 형상이 서로 상이한 경우에 수행될 수 있다.
여기서 상기 권선수를 조절하는 단계는, 상기 수신 코일의 출력 전압이 미리 설정된 임계값보다 낮으면, 상기 수신 코일의 권선수 대비 상기 송신 코일의 권선수를 나타내는 권선비가 감소하도록 상기 적어도 하나의 스위치를 제어할 수 있다.
여기서 상기 권선수를 조절하는 단계는, 상기 수신 패드의 z-클래스가 미리 설정된 클래스와 달라지는 경우에 수행될 수 있다.
여기서 상기 권선수를 조절하는 단계는, 상기 수신 패드의 z-클래스가 미리 설정된 클래스보다 더 높은 등급에 속하면, 상기 송신 코일이나 상기 수신 코일의 권선수가 증가하도록 상기 적어도 하나의 스위치를 제어할 수 있다. 여기서 미리 설정된 클래스는 무선 전력 전송을 위해 제조업체가 지원하는 클래스에 해당될 수도 있고, 바로 직전에 무선 전력 전송이 완료된 전기차에 내장된 수신 패드의 z-클래스일 수도 있다.
여기서 상기 권선수를 조절하는 단계는, 상기 수신 코일의 권선수 대비 상기 송신 코일의 권선수를 나타내는 권선비는 감소하도록 상기 적어도 하나의 스위치를 제어할 수 있다.
한편, 전기차로 무선 전력을 전송하는 장치(100)는, 도 9에 따른 설명과 같이 전기차나 차징 스테이션 측에 내장될 수 있다. 이때, 전기차로 무선 전력을 전송하는 장치(100)가 전기차에 내장된 경우에 따른 실시예는 다음과 같다.
상기 실시예에 따른 전기차는, 송신 패드에 포함된 송신 코일과 전자기적으로 커플링되어 전력을 수신하는 수신 코일을 포함하는 수신 패드, 상기 수신 코일과 접속되어 상기 수신 코일의 권선수를 조절하는 적어도 하나의 스위치, 차량의 상태를 나타내는 파라미터(parameter)를 모니터링하고 그라운드 어셈블리(Ground Assembly, GA)와의 통신을 수행하여 상기 수신 패드의 출력 전력 레벨을 제어하는 비히클 어셈블리 컨트롤러(Vehicle Assembly Controller) 및 상기 송신 패드와 상기 수신 패드 사이의 정렬 상태를 감지하여 상기 적어도 하나의 스위치를 제어하는 무선 전력 전송 제어기를 포함할 수 있다.
여기서 상기 적어도 하나의 스위치는, 상기 수신 코일을 미리 설정한 비율의 권선수를 갖도록 분할하는 적어도 하나의 분할노드 및 상기 수신 코일의 입출력노드와 연결된 적어도 하나의 제1 스위치 및 상기 적어도 하나의 분할노드를 단락(short) 또는 오픈(open)하는 적어도 하나의 제2 스위치를 포함할 수 있다.
여기서 무선 전력 전송 제어기는 전기차로 무선 전력을 전송하는 장치(100)의 전부 또는 일부와 대응되는 장치일 수 있다. 따라서, 앞의 도 10에 따른 설명은 상기 무선 전력 전송 제어기에도 적용될 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
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. 전기차로 무선 전력을 전송하는 장치에서 수행되는, 코일의 권선수 조절을 이용한 무선 전력 전송 방법으로,
    송신 패드와 수신 패드 사이의 정렬 상태를 감지하는 단계;
    상기 정렬 상태에 따라 상기 송신 패드에 포함된 송신 코일 또는 상기 수신 패드에 포함된 수신 코일의 권선수를 조절하는 단계; 및
    권선수 조절이 완료되면 전기차로 무선 전력 전송을 수행하는 단계를 포함하고,
    상기 정렬 상태를 감지하는 단계는,
    지표면과 상기 수신 패드 사이의 수직 거리에 따라 결정되는 상기 수신 패드의 z-클래스를 감지하는 단계를 포함하고,
    상기 z-클래스는 지표면과 상기 수신 코일의 낮은쪽 표면 간의 수직 거리에 기반하여 결정되고,
    상기 권선수를 조절하는 단계는,
    상기 수신 패드의 z-클래스가 미리 설정된 클래스와 달라지는 경우에 수행되는, 무선 전력 전송 방법.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에서,
    상기 송신 코일이나 상기 수신 코일은 적어도 하나의 스위치와 접속되고, 접속된 상기 적어도 하나의 스위치가 제어됨에 따라 상기 송신 코일이나 상기 수신 코일의 권선수가 조절되는, 무선 전력 전송 방법.
  4. 청구항 3에서,
    상기 적어도 하나의 스위치는,
    상기 송신 코일이나 상기 수신 코일을 미리 설정한 비율의 권선수를 갖도록 분할하는 적어도 하나의 분할노드 및 상기 송신 코일이나 수신 코일의 입출력노드와 연결된 적어도 하나의 제1 스위치; 및
    상기 적어도 하나의 분할노드를 단락(short) 또는 오픈(open)하는 적어도 하나의 제2 스위치를 포함하는, 무선 전력 전송 방법.
  5. 청구항 3에서,
    상기 권선수를 조절하는 단계는,
    상기 정렬 상태에 따른 상기 송신 패드의 중심축과 상기 수신 패드의 중심축 사이의 편차가 미리 설정된 임계값 이상이거나, 상기 수신 코일과 상기 송신 코일의 형상이 서로 상이한 경우에 수행되는, 무선 전력 전송 방법.
  6. 청구항 5에서,
    상기 권선수를 조절하는 단계는,
    상기 수신 코일의 출력 전압이 미리 설정된 임계값보다 낮으면,
    상기 수신 코일의 권선수 대비 상기 송신 코일의 권선수를 나타내는 권선비가 감소하도록 상기 적어도 하나의 스위치를 제어하는, 무선 전력 전송 방법.
  7. 삭제
  8. 청구항 1에서,
    상기 권선수를 조절하는 단계는,
    상기 수신 패드의 z-클래스가 미리 설정된 클래스보다 더 높은 등급에 속하면, 상기 송신 코일이나 상기 수신 코일의 권선수가 증가하도록 상기 송신 코일이나 상기 수신 코일과 접속되는 적어도 하나의 스위치를 제어하는, 무선 전력 전송 방법.
  9. 청구항 8에서,
    상기 권선수를 조절하는 단계는,
    상기 수신 코일의 권선수 대비 상기 송신 코일의 권선수를 나타내는 권선비는 감소하도록 상기 적어도 하나의 스위치를 제어하는, 무선 전력 전송 방법.
  10. 코일의 권선수 조절을 이용하여 전기차로 무선 전력을 전송하는 장치로서,
    적어도 하나의 프로세서(processor); 및
    상기 적어도 하나의 프로세서가 적어도 하나의 단계를 수행하도록 지시하는 명령어들(instructions)을 저장하는 메모리(memory)를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 단계는,
    송신 패드와 수신 패드 사이의 정렬 상태를 감지하는 단계;
    상기 정렬 상태에 따라 상기 송신 패드에 포함된 송신 코일 또는 상기 수신 패드에 포함된 수신 코일의 권선수를 조절하는 단계; 및
    권선수 조절이 완료되면 전기차로 무선 전력 전송을 수행하는 단계를 포함하고,
    상기 정렬 상태를 감지하는 단계는,
    지표면과 상기 수신 패드 사이의 수직 거리에 따라 결정되는 상기 수신 패드의 z-클래스를 감지하는 단계를 포함하고,
    상기 z-클래스는 지표면과 상기 수신 코일의 낮은쪽 표면 간의 수직 거리에 기반하여 결정되고,
    상기 권선수를 조절하는 단계는,
    상기 수신 패드의 z-클래스가 미리 설정된 클래스와 달라지는 경우에 수행되는,
    전기차로 무선 전력을 전송하는 장치.
  11. 삭제
  12. 청구항 10에서,
    상기 송신 코일이나 상기 수신 코일은 적어도 하나의 스위치와 접속되고, 접속된 상기 적어도 하나의 스위치가 제어됨에 따라 상기 송신 코일이나 상기 수신 코일의 권선수가 조절되는, 전기차로 무선 전력을 전송하는 장치.
  13. 청구항 12에서,
    상기 적어도 하나의 스위치는,
    상기 송신 코일이나 상기 수신 코일을 미리 설정한 비율의 권선수를 갖도록 분할하는 적어도 하나의 분할노드 및 상기 송신 코일이나 상기 수신 코일의 입출력노드와 연결된 적어도 하나의 제1 스위치; 및
    상기 적어도 하나의 분할 노드를 단락(short) 또는 오픈(open)하는 적어도 하나의 제2 스위치를 포함하는, 전기차로 무선 전력을 전송하는 장치.
  14. 청구항 12에서,
    상기 권선수를 조절하는 단계는,
    상기 정렬 상태에 따른 송신 패드의 중심축과 수신 패드의 중심축 사이의 편차가 미리 설정된 임계값 이상이거나, 상기 수신 코일과 상기 송신 코일의 형상이 서로 상이한 경우에 수행되는, 전기차로 무선 전력을 전송하는 장치.
  15. 청구항 14에서,
    상기 권선수를 조절하는 단계는,
    상기 수신 코일의 출력 전압이 미리 설정된 임계값보다 낮으면,
    상기 수신 코일의 권선수 대비 상기 송신 코일의 권선수를 나타내는 권선비가 감소하도록 상기 적어도 하나의 스위치를 제어하는, 전기차로 무선 전력을 전송하는 장치.
  16. 삭제
  17. 청구항 10에서,
    상기 권선수를 조절하는 단계는,
    상기 수신 패드의 z-클래스가 미리 설정된 클래스보다 더 높은 등급에 속하면, 상기 송신 코일이나 상기 수신 코일의 권선수가 증가하도록 상기 송신 코일이나 상기 수신 코일과 접속되는 적어도 하나의 스위치를 제어하는, 전기차로 무선 전력을 전송하는 장치.
  18. 청구항 17에서,
    상기 권선수를 조절하는 단계는,
    상기 수신 코일의 권선수 대비 상기 송신 코일의 권선수를 나타내는 권선비는 감소하도록 상기 적어도 하나의 스위치를 제어하는, 전기차로 무선 전력을 전송하는 장치.
  19. 송신 패드에 포함된 송신 코일과 전자기적으로 커플링되어 전력을 수신하는 수신 코일을 포함하는 수신 패드;
    상기 수신 코일과 접속되어 상기 수신 코일의 권선수를 조절하는 적어도 하나의 스위치;
    차량의 상태를 나타내는 파라미터(parameter)를 모니터링하고 그라운드 어셈블리(Ground Assembly, GA)와의 통신을 수행하여 상기 수신 패드의 출력 전력 레벨을 제어하는 비히클 어셈블리 컨트롤러(Vehicle Assembly Controller); 및
    상기 송신 패드와 상기 수신 패드 사이의 정렬 상태를 감지하여 상기 적어도 하나의 스위치를 제어하는 무선 전력 전송 제어기를 포함하고,
    상기 무선 전력 전송 제어기는,
    지표면과 상기 수신 패드 사이의 수직 거리에 따라 결정되는 상기 수신 패드의 z-클래스를 감지하고,
    상기 z-클래스는 지표면과 상기 수신 코일의 낮은쪽 표면 간의 수직 거리에 기반하여 결정되고,
    상기 수신 패드의 z-클래스가 미리 설정된 클래스와 달라지는 경우에 상기 스위치를 제어함으로써 상기 수신 코일의 권선수를 조절하는, 전기차(Electric Vehicle, EV).
  20. 청구항 19에서,
    상기 적어도 하나의 스위치는,
    상기 수신 코일을 미리 설정한 비율의 권선수를 갖도록 분할하는 적어도 하나의 분할노드 및 상기 수신 코일의 입출력노드와 연결된 적어도 하나의 제1 스위치; 및
    상기 적어도 하나의 분할노드를 단락(short) 또는 오픈(open)하는 적어도 하나의 제2 스위치를 포함하는, 전기차.
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