KR102580366B1 - 입력전력 차단회로를 구비한 무선전력 집전장치 - Google Patents

입력전력 차단회로를 구비한 무선전력 집전장치 Download PDF

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Abstract

입력전력 차단회로를 구비한 무선전력 집전장치를 개시한다.
본 개시의 일 측면에 의하면, 방전저항의 용량을 감소시키기 위한 무선전력 집전장치로서, 공진 커패시터 및 집전코일을 포함하는 공진부; 상기 공진부로부터 출력된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 정류기; 및 상기 정류기의 출력단 전압이 기설정된 임계전압보다 큰 경우 상기 공진 커패시터와 직렬접속되도록 구성된 공진주파수 천이 커패시터 및 방전저항을 포함하는 입력차단부를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력 집전장치를 제공한다.

Description

입력전력 차단회로를 구비한 무선전력 집전장치{Wireless Power Receiver Having Input Power Blocking Circuit}
본 개시는 입력전력 차단회로를 구비한 무선전력 집전장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 무선 충전 중 배터리 내 릴레이 개방으로 인한 과전압 발생 시 입력전력을 차단함으로써 작은 용량을 가지는 방전저항을 이용하여 정류기 양단 간의 과전압을 방지할 수 있는 무선전력 집전장치에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 발명에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
도 1은 무선 충전 시스템을 개략적으로 나타낸 구성도이다. 일반적으로 무선충전 시스템(10)은 인버터 및 1차측 공진회로를 포함하는 급전장치(100)와 2차측 공진회로 및 정류기를 포함하는 집전장치(110)로 구성된다. 인버터는 저주파 전류를 고주파 전류로 변환하여 1차측 공진회로에 흘려주며, 이로부터 고주파 자기장이 발생하게 된다. 2차측 공진회로는 고주파 자기장을 고주파 교류전압으로 변환하며, 변환된 고주파 교류전압은 정류기를 통과하여 직류전압으로 변환된다. 이때, 부하 저항(RLd)에 고효율로 정격용량을 전달하기 위하여 1차측 공진회로의 급전코일로 인해 발생하는 급전 코일 인덕턴스(L1)와 1차측 커패시턴스(C1) 및 2차측 공진회로의 집전코일로 인해 발생하는 집전코일 인덕턴스(L2)와 2차측 커패시턴스(C2) 간의 공진주파수를 인버터의 스위칭 주파수와 거의 동일하게 만든다.
도 2는 다이나믹 브레이크 회로를 구비한 집전장치를 개략적으로 나타낸 구성도이다. 집전장치(110)에는 2차측 공진회로(200), 정류기(210), DC/DC 컨버터(DC/DC converter)인 레귤레이터(regulator, 230)가 구비되며, 레귤레이터(230)의 정전류(Constant Current, CC) 및 정전압(Constant Voltage, CV) 제어 기능을 이용하여 배터리(240)를 충전하게 된다.
한편, 배터리(240)의 내부에는 배터리 자체 보호를 위한 릴레이(relay, 242)가 구비되며, 배터리 내부에 과전류(Over Current, OC)가 발생하는 경우 릴레이(242)가 턴 오프(turn off), 즉 개방(open)된다. 이 경우, 급전장치(100)로부터 입력받는 전력 에너지의 대부분이 정류기(210) 후단에 위치한 평활 커패시터(Cdc)로 들어가게 되어 평활 커패시터(Cdc)의 양단 전압(VCdc)이 급격히 증가하게 된다. 이러한 평활 커패시터(Cdc)의 양단 간의 과전압은 정류기(210)의 내부 소자의 파손을 야기할 수 있는데, 정류기(210)의 내부 소자가 단락(shortage)으로 파손되는 경우에는 급전장치(100)의 인버터까지 파손되는 문제가 발생할 수 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 종래의 집전장치(110)는 도 2와 같이 DB 스위치(Dynamic Brake switch, 222) 및 방전저항(Rdis)으로 구성된 다이나믹 브레이크 회로(Dynamic Brake circuit, 220)를 구비한다. 이러한 집전장치(110)는 평활 커패시터(Cdc)의 양단 전압(VCdc)이 급격히 증가하는 경우 DB 스위치(222)를 턴 온(turn on), 즉 단락(short)시켜 방전저항(Rdis)을 평활 커패시터(Cdc)에 병렬로 연결함으로써 평활 커패시터(Cdc)의 양단 간의 과전압을 방지할 수 있다.
하지만, 종래의 다이나믹 브레이크 회로(220)는 집전장치(110)의 입력 정격전력의 용량이 클수록 방전저항(Rdis)의 부피와 용량이 커져야 한다는 문제가 있다. 방전저항(Rdis)의 부피와 용량을 감소시키기 위해서는 급전장치(100)의 인버터에서 최대한 빠른 시간 내에 급전 전류를 감소시켜야 한다. 그러나 인버터와 레귤레이터(230) 간의 통신 속도 및 제어기 지연(delay) 등으로 인해 방전저항(Rdis)의 부피와 용량을 감소시키는데에는 한계가 있다.
본 개시는, 배터리 내 릴레이 개방 시 정류기 양단 간을 과전압으로부터 보호함과 동시에 방전저항의 용량과 부피를 크게 감소시킬 수 있는 무선전력 집전장치를 제공하는 데 주된 목적이 있다.
본 개시의 일 측면에 의하면, 방전저항의 용량을 감소시키기 위한 무선전력 집전장치로서, 공진 커패시터 및 집전코일을 포함하는 공진부; 상기 공진부로부터 출력된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 정류기; 및 상기 정류기의 출력단 전압이 기설정된 임계전압보다 큰 경우 상기 공진 커패시터와 직렬접속되도록 구성된 공진주파수 천이 커패시터 및 방전저항을 포함하는 입력차단부를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력 집전장치을 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 개시의 실시예에 의하면, 배터리 내 릴레이 개방 시 정류기 양단 간을 과전압으로부터 보호함과 동시에 방전저항의 용량과 부피를 크게 감소시킬 수 있다. 나아가, 방전저항의 용량이 감소됨에 따라, 급전장치의 인버터와 집전장치의 레귤레이터 간의 통신 시간 및 인버터의 턴 오프 시간에 마진(margin)이 주어져 안정되고 강인한 제어가 가능해 진다. 또한, 부피가 큰(bulky) 방전저항을 구비한 종래 무선전력 집전장치 대비 레귤레이터 외함 크기 및 비용을 감소시킬 수 있다.
도 1은 무선 충전 시스템을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 2는 다이나믹 브레이크 회로를 구비한 집전장치를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 집전장치를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 집전장치의 시뮬레이션 결과를 보여주는 그래프이다.
이하, 본 개시의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 개시를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 개시의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 개시의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함', '구비'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 '…부', '모듈' 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 집전장치를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 3을 참조하면, 본 개시의 일 실시예에 따른 집전장치(30)는 공진부(300), 정류기(310), 입력차단부(320) 및 컨버터(330)를 전부 또는 일부 포함한다.
공진부(300)는 급전장치가 발생시킨 자기장에 기초하여 교류 전력을 출력한다. 공진부(300)는 직렬로 연결되는 집전코일(L2) 및 공진 커패시터(C2)를 포함한다. 공진부(300)는 집전코일(L2)의 인덕턴스와 공진 커패시터(C2)의 커패시턴스에 의해서 정의되는 공진주파수를 갖는다. 이때, 공진주파수는 바람직하게는 급전장치의 인버터 스위칭 주파수 및 급전장치의 공진주파수와 동일하다.
정류기(310)는 공진부(300)로부터 출력되는 교류 전력을 변환하여 직류 전력을 출력한다. 정류기(310)는 하나 이상의 다이오드로 구성될 수 있다. 도 3에서는 정류기(310)가 4개의 다이오드(diode)로 이루어진 회로로 구현되는 것으로 도시하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 정류기(310)는 스위칭 소자 등의 능동 소자(active device)를 이용한 반파 정류 회로, 전파 정류 회로, 브릿지 전파 정류 회로 등으로 구현될 수 있다.
컨버터(330)는 정류기(310)로부터 출력되는 직류 전력을 변환하여 배터리(340)에 공급한다. 컨버터(330)는 입력 직류 전력을 원하는 레벨(level)의 직류 전력으로 변환하는 DC/DC 컨버터(DC/DC converter)인 레귤레이터(regulator) 일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 배터리(340)는 릴레이(342)를 구비하며, 배터리(340)에 과전류가 발생하는 경우 릴레이를 개방시켜 컨버터(330)로부터 공급되는 전력을 차단한다. 이 경우, 공진부(300)로부터 출력되는 전력 에너지의 대부분이 정류기(310)의 출력단에 병렬로 연결된 평활 커패시터(Cdc)로 전달되어 평활 커패시터(Cdc)의 양단 전압(VCdc)이 급격히 증가하게 된다. 평활 커패시터(Cdc)의 양단, 즉 정류기(310)의 출력단에 과전압이 인가되면 정류기(310)의 내부 소자(예컨대, 다이오드)가 파손될 수 있다.
입력차단부(320)는 정류기(310)의 출력단에 과전압이 인가되는 것을 방지하기 위해 도입된다. 입력차단부(320)는 정류기(310)의 입력단에 병렬로 연결되며, 공진주파수 천이 커패시터(Cr_dev), 방전저항(Rdis) 및 양방향 스위치(SW1 내지 SW4)를 전부 또는 일부 포함한다.
양방향 스위치는 공진부(300)의 출력과 공진주파수 천이 커패시터 및 방전저항을 도통시키거나 차단하는 스위칭 동작을 수행하며, 도 3과 같이 4개의 스위칭 소자(SW1 내지 SW4)를 포함할 수 있다.
예컨대, 양방향 스위치는 일단이 서로 접속되는 제1 및 제3 스위칭 소자(SW1, SW3)와, 일단이 서로 접속되는 제2 및 제4 스위칭 소자(SW2, SW4)를 포함할 수 있다. 여기서, 제1 및 제3 스위칭 소자(SW1, SW3)의 연결 회로와, 제2 및 제4 스위칭 소자(SW2, SW4)의 연결 회로는 공진주파수 천이 커패시터(Cr_dev) 및 방전저항(Rdis)과 병렬로 연결되며, 제1 및 제3 스위칭 소자(SW1, SW3)의 접점은 정류기(310)의 입력단의 일단에 연결되고, 제2 및 제4 스위칭 소자(SW2, SW4)의 접점은 정류기(310)의 입력단의 타단에 연결된 구조를 가질 수 있다.
배터리(240)의 릴레이(242)가 개방되기 전, 즉 정상 동작상황에서는 스위칭 소자들(SW1 내지 SW4)이 모두 턴오프(turn off)되어, 공진주파수 천이 커패시터(Cr_dev)가 공진부(300)의 공진주파수에 영향을 미치지 않는다. 즉, 정상상태에서 공진부(300)의 공진주파수는 전술한 바와 같이 집전코일(L2)의 인덕턴스와 공진 커패시터(C2)의 커패시턴스에 의해서 정의된다.
반면, 배터리(240)의 릴레이(242)가 개방되어 평활 커패시터(Cdc)의 양단, 즉 정류기(310)의 출력단의 전압이 기설정된 임계 전압보다 커지는 경우에는, 스위칭 소자들(SW1 내지 SW4)이 모두 턴온(turn on)된다. 이때, 공진부(300)의 출력은 전류 방향에 따라 제1 스위칭 소자(SW1), 공진주파수 천이 커패시터(Cr_dev) 및 방전저항(Rdis)의 병렬회로 및 제4 스위칭소자(SW4) 순 또는 제2 스위칭 소자(SW2), 공진주파수 천이 커패시터(Cr _ dev) 및 방전저항(Rdis)의 병렬회로 및 제3 스위칭소자(SW3) 순의 전류 경로를 형성한다.
다시 말해, 정류기(310)의 출력단의 전압이 기설정된 임계 전압보다 커지는 경우에는, 공진주파수 천이 커패시터(Cr _ dev) 및 방전저항(Rdis)이 서로 병렬로 연결된 상태로 공진 커패시터(C2)에 직렬로 연결된다. 이에 따라, 공진부(300)의 공진주파수가 급전장치의 인버터 스위칭 주파수 및 급전장치의 공진주파수와 달라지게 되어 공진부(300)가 입력받는 입력 정격전력이 급격히 감소하게 된다.
따라서, 방전저항(Rdis)이 공진부(300)의 출력과 도통된 상태일 때 본 개시의 일 실시예에 따른 집전장치(30)는 도 2의 집전장치(110)보다 작은 입력 정격전력을 가지게되므로, 도 2의 집전장치(110) 대비 방전저항(Rdis)의 필요용량(및/또는 필요부피)이 감소한다. 다시 말해, 본 개시의 일 실시예에 따르면, 도 2의 방전저항(Rdis)보다 작은 용량(및/또는 부피)을 가지는 저항을 입력차단부(320)의 방전저항(Rdis)으로 이용할 수 있다.
또한, 방전저항의 용량이 감소함에 따라, 급전장치의 인버터에서 짧은 시간 내에 급전 전류를 감소시킬 필요성이 적어지므로, 급전장치의 인버터와 컨버터(330) 간의 통신 시간 및 인버터의 턴오프 시간에 마진(margin)이 주어져 안정되고 강인한 제어(robust control)가 가능해진다.
한편, 도 3에는 도시되지 않지만, 집전장치(30)는 평활 커패시터(Cdc)의 양단, 즉 정류기(310)의 출력단의 전압과 기설정된 임계 전압을 비교하고, 비교 결과에 따라 스위칭 소자들(SW1 내지 SW4)을 턴온 또는 턴오프시키는 제어부를 더 포함할 수 있다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 집전장치의 시뮬레이션 결과를 보여주는 그래프이다.
도 4의 시뮬레이션에서, 공진주파수 천이 커패시터(Cr _ dev) 및 방전저항(Rdis)으로 각각 2.4 uF 커패시터 및 1 kohm 저항을 사용하였다.
도 4의 (a)는 도 2의 정류기(210) 출력단의 전압(400) 및 본 개시의 일실시예에 따른 정류기(310) 출력단의 전압(402)을 보여준다.
도 4의 (a)를 참조하면, 도 2의 집전장치(110)의 경우, 릴레이(242)의 개방 후 정류기(210) 출력단의 전압이 915 Vdc에서 약 1600 Vdc까지 상승하는 것을 확인할 수 있다. 이러한 전압 상승은 정류기(210)의 내부소자 파손을 야기할 수 있다. 반면, 본 개시의 일 실시예에 따르면, 릴레이(342)의 개방 후 정류기(310) 출력단의 전압이 약 1020 Vdc까지만 상승하여, 정류기(310)의 내부소자 파손을 방지할 수 있다.
도 4의 (b)는 공진 커패시터(C2)에 흐르는 전류를 보여주고, 도 4의 (c)는 공진주파수 천이 커패시터(Cr_dev)에 흐르는 전류를 보여준다.
도 4의 (b) 및 (c)에 나타나듯이, 본 개시의 일 실시예에 따르면 릴레이(342)의 개방 후, 공진부(300)로부터 흘러나오는 대부분의 전류가 정류기(310)가 아닌 공진주파수 천이 커패시터(Cr_dev)로 전달되는 것을 알 수 있다.
도 4의 (d)는 본 개시의 일 실시예에 따른 집전장치(30)의 방전저항(Rdis)에서 소비되는 전력을 보여준다.
도 4의 (d)에 나타나듯이, 본 개시의 일 실시예에 따르면 방전저항(Rdis)에서 소비되는 전력이 200 W보다 작은 것을 확인할 수 있다. 따라서, 본 개시의 일 실시예에 따른 집전장치(30)는 정격용량이 220 W인 저항을 방전저항(Rdis)으로 사용하더다도 정류기 내부 소자 파손 없이 안전적인 구동이 가능한다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
30: 집전장치 300: 공진부
310: 정류기 320: 입력차단부
330: 컨버터 340: 배터리
342: 릴레이 344: 배터리 셀

Claims (6)

  1. 방전저항의 용량을 감소시키기 위한 무선전력 집전장치로서,
    공진 커패시터 및 집전코일을 포함하는 공진부;
    상기 공진부로부터 출력된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 정류기; 및
    병렬 연결된 공진주파수 천이 커패시터 및 방전저항을 포함하되, 상기 병렬 연결된 공진주파수 천이 커패시터 및 방전저항은 상기 정류기의 출력단 전압이 기설정된 임계전압보다 큰 경우에 상기 공진 커패시터와 직렬로 접속되도록 구성되는, 입력차단부를 포함하고,
    상기 입력차단부는,
    일단이 서로 접속된 제1 스위칭 소자 및 제3 스위칭 소자를 포함하는 제1 스위칭 회로; 및
    일단이 서로 접속된 제2 스위칭 소자 및 제4 스위칭 소자를 포함하는 제2 스위칭 회로를 더 포함하되,
    상기 제1 스위칭 회로는, 상기 공진주파수 천이 커패시터 및 상기 방전저항과 병렬로 연결되고,
    상기 제2 스위칭 회로는, 상기 공진주파수 천이 커패시터 및 상기 방전저항과 병렬로 연결되며,
    상기 제1 스위칭 소자 및 상기 제3 스위칭 소자의 접점은 상기 정류기의 입력단 중 일단에 연결되고,
    상기 제2 스위칭 소자 및 상기 제4 스위칭 소자의 접점은 상기 정류기의 입력단 중 타단에 연결되는 것을 특징으로 하는 무선전력 집전장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 내지 제4 스위칭 소자는,
    상기 공진주파수 천이 커패시터 및 상기 방전저항을 상기 공진부의 출력단과 도통시키거나 차단하도록 스위칭 동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 무선전력 집전장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 정류기의 출력단 전압과 기설정된 임계 전압을 비교하고, 비교 결과에따라 제1 내지 제4 스위칭 소자를 턴온 또는 턴오프시키는 제어부
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력 집전장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 정류기의 출력단에 병렬로 연결되는 평활 커패시터; 및
    상기 정류기로부터 출력되는 직류 전력을 변환하여 배터리에 공급하는 컨버터를 더 포함하되,
    상기 입력차단부는,
    상기 배터리의 내부 릴레이가 개방됨에 따라 상기 평활 커패시터의 양단 전압이 상기 기설정된 임계전압보다 커지는 경우, 상기 공진주파수 천이 커패시터 및 상기 방전저항을 상기 공진부의 출력단과 도통시켜 상기 방전저항에서 소비되는 전력의 크기를 감소시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 무선전력 집전장치.
KR1020210040148A 2020-10-12 2021-03-29 입력전력 차단회로를 구비한 무선전력 집전장치 KR102580366B1 (ko)

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KR102251590B1 (ko) * 2018-11-13 2021-05-14 (주)금강오토텍 비접촉 급전 시스템

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