KR20100091117A

KR20100091117A - 비접촉 전력 전송 장치

Info

Publication number: KR20100091117A
Application number: KR1020100011327A
Authority: KR
Inventors: 심페이 사코다; 카즈요시 타카다; 사다노리 스즈키; 켄이치 나카타
Original assignee: 가부시키가이샤 도요다 지도숏키
Priority date: 2009-02-09
Filing date: 2010-02-08
Publication date: 2010-08-18
Also published as: US8248027B2; KR101210326B1; EP2216870A2; US20100201204A1; JP2010183814A

Abstract

비접촉 전력 전송 장치가 개시된다. 비접촉 전력 전송 장치는 AC 전력원, 1차 코일, 1차측 공진 코일, 2차측 공진 코일, 2차 코일, 전압 측정부, 및 거리 계산부를 포함한다. AC 전력원의 AC 전압은 1차 코일에 인가된다. 부하는 2차 코일에 연결된다. 전압 측정부는 1차 코일의 전압을 측정한다. 거리 계산부는 전압 측정부에 의해 측정된 전압에 기초하여 1차측 공진 코일과 2차측 공진 코일 간의 거리를 계산한다.

Description

비접촉 전력 전송 장치{NON-CONTACT POWER TRANSMISSION APPARATUS}

본 발명은 비접촉 전력 전송 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 공진형(resonance type) 비접촉 전력 전송 장치에 관한 것이다.

도 9는 전자기장의 공진에 의해 제1 구리선 코일(51)로부터, 제1 구리선 코일(51)에서 떨어져서 배치된 제2 구리선 코일(52)로 전력을 전송하는 공진형 비접촉 전력 전송 장치를 개략적으로 도시한다. 이러한 장치는, 예를 들면, 2007년 12월 3일에 발행된 NIKKEI ELECTRONICS 117~128페이지 및 국제특허공개공보 No. WO/2007/008646에 개시되어 있다. 도 9에서, AC 전력원(53)에 연결된 1차 코일(54)에서 발생된 자기장은 제1 및 제2 구리선 코일(51, 52)에 의한 자기장 공진에 의해 강화되어, 제2 구리선 코일(52)의 강화된 자기장의 전자기 유도를 통해, 2차 코일(55)에서 전력이 발생한다. 그리고, 발생한 전력은 부하(56)로 공급된다. 지름이 30cm인 제1 및 제2 구리선 코일(51, 52)이 2m 떨어져 있을 때, 부하(56)로서의 60 와트의 전등이 켜질 수 있다는 것이 관찰되었다.

이러한 공진형 전력 전송 장치에서 AC 전력원(53)의 출력 전력을 부하(56)로 효과적으로 공급하기 위해, 전송측의 제1 구리선 코일(51) 및 수신측의 제2 구리선 코일(52)의 공진 주파수에서, 전송측의 1차 코일(54)로부터 제1 구리선 코일(51)로 전력을 공급할 필요가 있다. 그러나, 상기 인용 문헌은 단지 비접촉 전력 전송 장치의 개요만을 개시할 뿐, 요건들을 충족하는 비접촉 전력 전송 장치를 얻기 위해 무엇을 해야 하는지 구체적으로 나타내지 않는다.

또한, 공진형 비접촉 전력 전송 장치를 사용하여 AC 전력원(53)의 출력을 부하(56)로 효과적으로 공급하기 위해, AC 전력원(53)의 출력을 공진 시스템(제1 및 제2 구리선 코일(51, 52)과 1차 및 2차 코일(54, 55))으로 공급할 필요가 있다. 특정 주파수를 갖는 AC 전압이 AC 전력원(53)으로부터 출력되어 부하(56)로 전력을 전송하는 경우, 제1 및 제2 구리선 코일(51, 52)간의 거리인 공진 코일간의 거리가 변화하면, 전력 전송 효율은 달라진다. 따라서, 송신측의 제1 구리선 코일(51)과 수신측의 제2 구리선 코일(52) 간의 거리가 변화하는 조건에서 사용되는 비접촉 전력 전송 장치의 경우, 예를 들어, 수신측의 제2 구리선 코일(52)이 차량이나 로봇과 같은 이동체에 장착되는 경우, 공진 코일간의 거리가 전력 전송이 효율적으로 수행되도록 하는 위치에 이동체가 멈추어진 상태에서 전력 전송이 수행될 필요가 있다. 그러나, 공진 코일간의 거리를 측정하는 전용 센서를 설치한다면, 제조가 곤란해지고 장치의 크기는 증가하게 될 것이다.

따라서, 본 발명의 목적은, 공진 코일간의 거리를 측정하는 전용 센서 없이, 공진 코일간의 거리가 전력 전송을 효과적으로 수행하는데 적합한지의 여부를 결정할 수 있는 비접촉 전력 전송 장치를 제공하는 것이다.

전술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 실시형태에 따르면, AC 전력원, AC 전력원의 AC 전압이 가해지는 1차 코일, 1차측 공진 코일, 2차측 공진 코일, 부하가 연결되는 2차 코일, 1차 코일의 전압을 측정하는 전압 측정부 및, 거리 계산부를 포함하는 비접촉 전력 전송 장치가 제공된다. 전압 측정부가 측정한 전압에 기초하여 거리 계산부는 1차측 공진 코일과 2차측 공진 코일 간의 거리를 계산한다.

본 발명의 다른 목적에 따르면, AC 전력원, AC 전력원의 AC전압이 가해지는 1차 코일, 1차측 공진 코일, 2차측 공진 코일, 부하가 연결되는 1차 코일의 전압을 측정하는 2차 코일, 전압 측정부 및, 결정부를 포함하는 비접촉 전력 전송 장치가 제공된다. 결정부는 전압 측정부가 측정한 전압에 기초하여 부하의 상태를 결정한다.

본 발명자들은 1차 코일의 전압과 1차측 공진 코일과 2차측 공진 코일 간의 거리, 즉 공진 코일간의 거리 사이에 특정한 관계가 있다는 것을 발견하였다. 이러한 발견을 바탕으로, 발명자들은 본 발명에 도달하게 되었다. 본 상세한 설명에서, “AC 전력원”은 AC 전압을 출력하는 전력원을 말한다.

본 발명의 다른 실시형태와 이점은, 발명의 사상을 일예로서 나타내는 첨부 도면과 함께 제공되는 하기의 설명으로부터 명백해질 것이다.

첨부 도면과 함께 현재의 바람직한 실시형태에 대한 하기의 설명을 참조함으로써, 본 발명의 목적과 이점 등이 잘 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 비접촉 전력 전송 장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 차량이 충전 위치에 정지했을 때 1차측 공진 코일과 2차측 공진 코일 간의 관계를 나타내는 개략 측면도이다.
도 3은 도 2의 개략 평면도이다.
도 4는 공진 코일의 축선 오프셋량과 1차 코일의 전압 간의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5는 공진 코일간의 거리가 일정할 때 부하의 임피던스와 1차 코일의 전압 간의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시형태에 따른 1차측 공진 코일과 2차측 공진 코일 간의 관계를 나타내는 도면이다.
도 7은 공진 코일간의 거리와 1차 코일의 전압 간의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 8은 변형된 실시형태에 따른 1차측 공진 코일과 2차측 공진 코일 간의 관계를 나타내는 도면이다.
도 9는 종래의 비접촉 전력 전송 장치의 구성을 나타내는 도면이다.

이하, 도 1 내지 5를 참조하여, 본 발명의 제1 실시형태에 따른 비접촉 전력 전송 장치에 대해 설명한다. 본 실시형태의 비접촉 전력 전송 장치는 이동체에 장착된 2차 전지(24)를 비접촉적으로 충전하는 시스템에서 사용된다.

도 1에서 도시된 바와 같이, 비접촉 전력 전송 장치는 공급측 장비(10; 전송측 장비)와 수신측 장비(20)를 포함한다. 상기 공급측 장비(10)는 충전소에 설치되며, 상기 수신측 장비(20)는 차량(30)인 이동체에 장착된다.

상기 공급측 장비(10)는 AC 전력원(11), 상기 AC 전력원(11)에 의해 출력된 AC 전압이 인가되는 1차 코일(12), 1차측 공진 코일(13) 및, 공급측 제어기(14)를 포함한다. 상기 1차 코일(12)과 1차측 공진 코일(13)은 공통 축 상에 위치되도록 배치된다. 상기 1차 코일(12)에는 전압 센서(15)가 연결된다. 상기 전압 센서(15)는 상기 1차 코일(12)의 끝(ends)에서 전압을 측정하는 전압 측정부로서 기능한다. 상기 전압 센서(15)에 의해 출력된 검출 신호는 상기 공급측 제어기(14)로 보내어진다. 상기 1차측 공진 코일(13)에는 커패시터(C1)가 연결된다. 상기 AC 전력원(11)은 AC 전압을 출력하는 전력원이다. 상기 AC 전력원(11)은 상기 공급측 제어기(14)에 의해 제어되어 특정 주파수(공진 주파수)의 AC 전압을 출력한다.

상기 수신측 장비(20)는 2차측 공진 코일(21), 2차 코일(22), 상기 2차 코일(22)에 연결된 충전 장치(23), 상기 충전 장치(23)에 연결되는 2차 전지(24) 및, 충전 제어기(25)를 포함한다. 상기 2차측 공진 코일(21)에는 커패시터(C2)가 연결된다. 상기 2차측 공진 코일(21)과 2차 코일(22)은 공통 축 상에 위치하도록 배치된다. 상기 1차측 공진 코일(13)과 2차측 공진 코일(21)에 의한 자기장 공진에 의해 강화된 자기장의 전자기 유도를 통해, 상기 2차 코일(22)은 그에서 발생된 전력을 상기 충전 장치(23)로 공급한다. 상기 충전 장치(23)는 상기 2차 코일(22)에 의해 출력된 AC 전압을 정류하여 DC 전압을 얻는 정류 회로(도시되지 않음) 및, 얻어진 DC 전압을 상기 2차 전지(24)를 충전하기에 적합한 전압으로 승압하는 승압 회로(도시되지 않음)를 포함한다. 상기 2차 전지(24)가 충전될 때 상기 충전 제어기(25)는 상기 충전 장치(23)의 승압 회로의 스위칭 소자를 제어한다. 상기 충전 장치(23) 및 2차 전지(24)는 부하를 형성한다.

차량(30)은 상기 2차 전지(24)의 잔류 배터리 레벨을 검출하는 배터리 레벨 센서(26)를 갖는다. 상기 충전 제어기(25)는 상기 배터리 레벨 센서(26)의 검출 신호를 수신하고, 수신된 신호에 기초하여 상기 2차 전지(24)의 충전 상태를 결정한다. 상기 공급측 제어기(14)와 충전 제어기(25)는 무선 통신 장치(도시되지 않음)를 통해 서로 통신할 수 있다. 상기 배터리 레벨 센서(26)에 의해 검출된 상기 2차 전지(24)의 잔류 배터리 레벨에 대한 데이터는 무선 통신 장치를 통해 상기 공급측 제어기(14)로 보내어진다. 상기 차량(30)은 상기 1차측 공진 코일(13)과 2차측 공진 코일(21)이 적절한 위치 관계에 있는지의 여부를 알려주는 알림부(27)를 갖는다. 예를 들면, 상기 1차측 공진 코일(13)과 2차측 공진 코일(21)이 적절한 위치 관계에 있을 때 발광하는 LED(예를 들어, 청색 발광 LED) 및, 상기 1차측 공진 코일(13)과 2차측 공진 코일(21)이 적절한 위치 관계에 있지 않을 때 발광하는 LED(예를 들어, 적색 발광 LED)가 알림부(27)로서 사용될 수도 있다. 상기 LED의 조명은 상기 충전 제어기(25)로부터의 명령에 의해 제어된다.

상기 1차 코일(12), 1차측 공진 코일(13), 2차측 공진 코일(21), 2차 코일(22), 충전 장치(23) 및, 2차 전지(24)는 공진 시스템(28)을 형성한다. 상기 공진 시스템(28)은 전력을 상기 AC 전력원(11)으로부터 상기 2차 전지(24)로 비접촉적으로 전송한다. 상기 1차 코일(12), 1차측 공진 코일(13), 2차측 공진 코일(21) 및, 2차 코일(22)은 전선(electric wires)으로 형성된다. 상기 코일(12, 13, 21, 22)을 형성하는 전선은, 예를 들면, 절연 비닐로 피복된 선(wire)이다. 각 코일(12, 13, 21, 22)의 지름과 감는 수는, 예를 들면, 전송될 전력의 강도에 따라 적절하게 설정된다. 본 실시형태에서, 상기 1차 코일(12), 1차측 공진 코일(13), 2차측 공진 코일(21) 및, 2차 코일(22)은 동일한 지름을 갖도록 형성된다. 상기 1차측 공진 코일(13)과 2차측 공진 코일(21)의 사양은 동일하다. 상기 커패시터(C1)의 사양과 커패시터(C2)의 사양은 동일하다.

상기 공급측 제어기(14)는 CPU(14a) 및 메모리(14b)를 갖는다. 상기 메모리(14b)에는 상기 1차 코일(12)의 전압 즉, 상기 전압 센서(14)에 의해 검출된 전압에 기초하여 1차측 공진 코일(13)과 2차측 공진 코일(21) 간의 거리(이하 공진 코일간 거리라 함)를 계산하는 제어 프로그램이 저장되어 있다. 상기 공급측 제어기(14)는 상기 전압 센서(15)에 의해 검출된 전압에 기초하여 공진 코일간 거리를 계산하는 거리 계산부를 형성한다. 본 실시형태에서, 상기 공급측 제어기(14)는 공진 코일간 거리로서, 1차측 공진 코일(13)의 축선과 2차측 공진 코일(21)의 축선 간의 오프셋량, 즉 축선 오프셋량을 계산한다. 축선 오프셋량은 상기 공진 코일(13, 21)의 축선 방향에 대한 수직 방향의, 상기 1차측 공진 코일(13)의 중심축선과 상기 2차측 공진 코일(21)의 중심축선 간의 오프셋량을 말한다. 상기 공급측 제어기(14)는 축선 오프셋량에 기초하여 상기 1차측 공진 코일(13)과 2차측 공진 코일(21)이 적절한 위치관계에 있는지의 여부를 결정하고, 그 결정 결과를 상기 충전 제어기(25)로 보낸다. 상기 충전 제어기(25)는 상기 공급측 제어기(14)로부터 수신된 결정 결과에 기초하여 상기 알림부(27)를 제어한다.

상기 공급측 제어기(14)의 상기 메모리(14b)에는, 상기 2차 전지(24)의 복수의 기설정된 잔류 배터리 레벨값에서, 상기 1차 코일(12)의 전압과 축선 오프셋량 간의 관계를 나타내는 데이터가 맵(map)으로서 저장되어 있다. “복수의 기설정된 잔류 배터리 레벨값”이란 충전 시작시에 상기 2차 전지(24)의 잔류 배터리 레벨을 말한다. 본 실시형태에서 기설정된 값은 2차 전지(24)가 충전을 요하는 상태에서의 잔류 배터리 레벨 및, 충전을 요하는 잔류 배터리 레벨로부터 차량(30)이 충전소로 이동해 온 상태에서의 잔류 배터리 레벨을 포함한다. 상기 데이터는 미리 실험을 통해 얻는다.

상기 2차 전지(24)를 충전하는 동안에, 공진 코일간 거리에 따른 적절한 주파수를 갖는 AC 전류가 상기 1차 코일(12)에 공급되도록, 상기 공급측 제어기(24)는 상기 AC 전류원(11)을 제어한다. 적절한 주파수란 공진 코일간 거리에 대한 주파수를 말한다. 상기 공진 시스템(28)의 입력 임피던스와 상기 AC 전력원(11)로부터 출력된 AC 전류의 주파수 간의 관계를 그래프로 나타낼 때, 적절한 주파수는 입력 임피던스의 국부 최대점(local maximum point)과 국부 최소점(local minimum point) 사이의 범위에 있다. 상기 공진 시스템(28)에서 전력 전송 효율이 최대인 주파수를 공진 주파수로 정의한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 상기 1차 코일(12) 및 1차측 공진 코일(13)은 땅속의 홀(29; hole)에 배치된다. 상세하게는, 상기 코일(12, 13)은, 그 중심축선이 지표면에 수직인 방향을 따라 연장하도록, 그리고 상기 1차측 공진 코일(13)이 상기 1차 코일(12) 위에 위치하도록 배치된다. 상기 홀(29)의 개구는 미도시의 커버로 덮여있어 차량(30)의 이동을 방해하지 않는다.

도 2 및 3에 도시된 바와 같이, 상기 2차측 공진 코일(21)과 2차 코일(22)은, 차량(30)의 저부(bottom)에서 차폭 방향의 거의 중앙이면서, 차량의 후방부 근처에 배치된다. 상기 코일(12, 13)은, 상기 코일(21, 22)의 중심축선이 차량의 상하 방향을 따라 연장하고, 상기 2차측 공진 코일(21)이 2차 코일(22)의 아래에 위치하도록 배치된다.

이하, 전술한 바와 같이 구성된 비접촉 전력 전송 장치의 작동을 설명한다.

상기 2차 전지(24)의 잔류 배터리 레벨이 소정의 레벨로 떨어지면, 상기 2차 전지(24)를 충전할 필요가 있다. 상기 2차 전지(24)를 충전할 때, 상기 공급측 장비(10)의 상기 1차측 공진 코일(13)이 위치된 충전 위치에 차량(30)이 주차(정지)할 필요가 있다. 상기 2차 전지(24)를 효과적으로 충전하기 위해, 상기 1차측 공진 코일(13)과 2차측 공진 코일(21) 간의 축선 오프셋량이 소정의 범위 안에 있도록 차량(30)이 주차될 필요가 있다. 축선 오프셋량은, 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 1차측 공진 코일(13)의 중심축선에 수직인 직선(L1)과, 상기 2차측 공진 코일(21)의 중심축선에 수직이고 직선(L1)과 평행한 직선(L2) 간의 거리이다.

상기 공진 시스템(28)에서, 상기 1차측 공진 코일(13)과 2차측 공진 코일(21) 간의 축선 방향을 따른 거리 및, 부하의 임피던스가 일정할 때, 상기 공진 시스템(28)의 전압, 즉 상기 1차 코일(12)의 끝에서의 전압과 상기 공진 코일(13, 21)의 축선 오프셋량은 도 4에서 도시된 바와 같은 특정 관계를 가진다. 따라서, 상기 1차 코일(12)의 끝에서의 전압이 검출되면, 축선 오프셋량을 얻는다. 이때, 상기 AC 전력원(11)은 후술하는 바와 같이 설정된다. 즉, 상기 1차 코일(12)이 상기 AC 전력원(11)에 연결되지 않은 상태(출력 오픈 상태) 또는 특정의 고정 부하(예를 들어, 50Ω의 임피던스를 갖는 부하)가 상기 AC 전력원(11)에 연결된 상태에서 상기 AC 전력원(11)의 출력 전압이 소정의 값(예를 들어, 10Vpp)을 갖도록 상기 AC 전력원(11)을 설정한다. 이 설정을 초기 설정이라 한다. 이 초기 설정을 바꾸지 않은 상태에서, 상기 AC 전력원(11)을 1차 코일(12)에 연결하고, 상기 1차 코일(12)의 끝에서의 전압(상기 공진 시스템(28)의 전압)을 측정한다. 초기 설정을 결정할 때마다 상기 AC 전력원(11)과 1차 코일(12)을 서로 분리할 필요는 없다. 예를 들어, 상기 1차 코일(12)의 끝에서의 전압을 측정하기 직전에, 상기 AC 전력원(11)을 상기 1차 코일(12)에 연결한 채 상기 AC 전력원(11)의 출력 전압이 소정의 값(예를 들어, 10Vpp)과 동일하도록 구성할 수도 있다. 또한, 상기 공진 시스템(28)에서, 상기 1차측 공진 코일(13)과 2차측 공진 코일(21) 간의 축선 방향을 따른 거리가 일정하다면, 상기 1차 코일(12)의 끝에서의 전압과 부하의 임피던스는 도 5에 도시된 관계를 가진다. 본 실시형태에서, 상기 1차측 공진 코일(13)과 2차측 공진 코일(21) 간의 축선 방향을 따른 거리가 일정하므로, 도 4에 도시된 그래프에 기초하여 상기 1차 코일(12)의 끝에서의 전압의 측정 결과로부터 축선 오프셋량을 얻을 수 있다. 도 4 및 5는 상기 1차 코일(12), 1차측 공진 코일(13), 2차측 공진 코일(21) 및, 2차 코일(22)의 지름이 약 300mm인 일예를 도시한다.

차량(30)이 충전소로 이동할 때, 상기 공급측 제어기(14)는 상기 AC 전력원(11)을 활성화하고 차량(30)이 충전 위치로 이동할 것임을 나타내는 상기 차량(30)으로부터의 신호에 대응하여 상기 전압 센서(15)의 출력 신호를 입력한다. 상기 AC 전력원(11)의 초기 설정이 완료된 후, 공진 주파수를 갖는 AC 전압이 상기 AC 전력원(11)으로부터 상기 1차 코일(12)로 공급되어, 상기 1차 코일(12)에서 자기장이 발생한다. 상기 1차 코일(12)에서 발생한 자기장은 상기 1차측 공진 코일(13)과 2차측 공진 코일(21)의 자기장 공진에 의해 강화되며, 상기 2차측 공진 코일(21)의 강화된 자기장의 전자기 유도로 인해 상기 2차 코일(22)에서 전력이 발생한다. 발생한 전력은 충전 장치(23)로 공급된다.

상기 전압 센서(15)에 의해 측정된 상기 1차 코일(12)의 끝에서의 전압과 상기 충전 제어기(25)로부터 전송된 상기 2차 전지(24)의 잔류 배터리 레벨에 기초하여, 상기 공급측 제어기(14)는 축선 오프셋량을 계산한다. 또한, 이 축선 오프셋량의 계산 결과에 기초하여, 상기 공급측 제어기(14)는 상기 1차측 공진 코일(13)과 2차측 공진 코일(21)이 적절한 위치 관계에 있는지의 여부, 예를 들면, 축선 오프셋량이 소정의 범위 내에 있는지의 여부를 결정하여, 이 결정 결과에 대한 데이터를 상기 충전 제어기(25)로 보낸다. 상기 충전 제어기(25)는 상기 데이터에 기초하여 상기 알림부(27)를 제어한다. 즉, 상기 1차측 공진 코일(13)과 2차측 공진 코일(21)이 적절한 위치 관계에 있다면, 청색 LED가 점등되어 적절한 위치 관계임을 알린다. 만일 상기 공진 코일(13, 21)이 적절한 위치 관계에 있지 않다면, 적색 LED가 점등되어 부적절한 위치 관계임을 알려준다. 상기 알림부(27)의 상태를 참조하여 차량(30)의 운전자는 적절한 충전 위치에 상기 차량(30)을 정지시킨다.

차량(30)이 적절한 충전 위치에 주차된 후, 상기 충전 제어기(25)가 상기 충전 장치(23)의 스위칭 소자의 제어를 시작하여, 상기 2차 전지(24)가 충전되기 시작한다. 상기 AC 전력원(11)에 의해 상기 1차 코일(12)로 출력된 AC 전압으로 인해 상기 1차 코일(12)에서 자기장이 생성된다. 상기 1차 코일(12)에서 생성된 자기장은 상기 1차측 공진 코일(13)과 2차측 공진 코일(21)의 자기장 공진에 의해 강화되고, 상기 2차측 공진 코일(21)의 강화된 자기장으로 인해 상기 2차 코일(22)에서 전력이 발생한다. 발생한 전력은 상기 충전 장치(23)로 공급된다. 상기 충전 장치(23)로 공급된 AC 전압은 정류 회로에 의해 정류되고, 상기 2차 전지(24)를 충전하기에 적합한 전압 값으로 승압된다. 따라서 2차 전지(24)는 승압된 전압에 의해 충전된다. 상기 충전 제어기(25)는, 예를 들면, 상기 배터리 레벨 센서(26)의 출력 신호와 상기 2차 전지(24)의 전압이 소정의 전압에 도달하는 때로부터 경과된 시간에 기초하여 충전이 완료되었는지의 여부를 결정한다. 충전이 완료되었다고 판단되면, 상기 충전 제어기(25)는 충전 완료 신호를 상기 공급측 제어기(24)로 보낸다. 충전 완료 신호를 받으면, 상기 공급측 제어기(14)는 상기 AC 전력원(11)을 제어하여 전력 전송을 종료시킨다.

본 실시형태는 다음의 이점을 제공한다.

(1) 상기 비접촉 전력 전송 장치는 AC 전력원(11), 상기 AC 전력원(11)로부터의 AC 전압이 인가되는 1차 코일(12), 1차측 공진 코일(13), 2차측 공진 코일(21) 및, 부하(충전 장치(23)와 2차 전지(24))가 연결되는 2차 코일(22)을 포함한다. 상기 비접촉 전력 전송 장치는 상기 1차 코일(12)의 끝에서 전압을 측정하는 전압 측정부(15, 전압 센서) 및, 상기 전압 측정부에 의해 측정된 전압에 기초하여 공진 코일간 거리를 계산하는 거리 계산부(14, 공급측 제어기)를 더 포함한다. 따라서, 공진 코일간 거리를 측정하는 전용 센서 없이도, 공진 코일간 거리가 전력 전송을 효율적으로 수행하기에 적합한지의 여부를 결정할 수 있다. 따라서 전력 전송을 효율적으로 수행하기에 적합하지 않은 상태에서 전력 전송이 수행되지 않도록 한다.

(2) 상기 거리 계산부(공급측 제어기(14)))는 상기 1차측 공진 코일(13)의 축선과 2차측 공진 코일(21)의 축선 간의 오프셋량을 공진 코일간 거리로서 계산한다. 따라서, 본 실시형태의 비접촉 전력 전송 장치는 상기 AC 전력원(11), 1차 코일(12) 및, 1차측 공진 코일(13)이 고정되며, 상기 2차측 공진 코일(21), 2차 코일(22) 및, 부하는 상기 1차측 공진 코일(13)의 중심축선 및 상기 1차측 공진 코일(13)의 중심축선과 평행하게 유지되는 상기 2차측 공진 코일(21)의 중심축선에 수직인 방향을 따라 이동가능한 구성에 적합하다.

(3) 상기 2차측 공진 코일(21), 2차 코일(22) 및, 부하(충전 장치(23)와 2차 전지(24))는 상기 이동체(차량(30))에 장착된다. 또한, 상기 이동체는 상기 거리 계산부의 계산 결과에 기초하여 상기 1차측 공진 코일(13)과 2차측 공진 코일(21)이 적절한 위치 관계에 있는지의 여부를 알려주는 알림부를 갖는다. 따라서, 상기 이동체가 상기 AC 전력원(11)에 의해 충전되기 위한 위치에 정지할 때, 상기 이동체는 상기 2차 전지(24)를 충전하기에 적합한 정지 위치(충전 위치)에 멈출 수 있다.

(4) 상기 비접촉 전력 전송 장치는 차량(30)에 장착된 상기 2차 전지(24)를 비접촉적으로 충전하는 시스템에서 사용된다. 상기 2차측 공진 코일(21)과 2차 코일(22)은 차량(30)에 장착되고, 부하를 형성하는 상기 충전 장치(23)를 통해 상기 2차 코일(22)이 상기 2차 전지(24)에 연결된다. 상기 AC 전력원(11), 1차 코일(12) 및, 1차측 공진 코일(13)은 상기 2차 전지(24)를 비접촉적으로 충전하는 상기 공급측 장비(10)에 설치된다. 따라서, 충전이 효율적으로 수행된다.

(5) 상기 2차측 공진 코일(21)은 차량(30)의 저부에 설치되고, 상기 공급측 장비(10)의 상기 1차 코일(12)과 1차측 공진 코일(13)은 땅속에 형성된 홀(29)에 위치한다. 이로 인해 상기 1차 코일(12)과 1차측 공진 코일(13)을 구비하기 위한 공간을 보호하기가 쉬워진다. 또한, 차량(30)은 전진 또는 후진에 의해 충전 위치에 도달할 수 있다.

(6) 상기 2차 코일(22)로부터 출력된 AC 전류는 정류 회로에 의해 정류만 된 후에는 2차 전지(24)에 충전되지 않는다. 대신에, 정류 회로에 의해 정류된 후 상기 2차 전지(24)에 충전되기 전에, AC 전류의 전압은 승압 회로에 의해 상기 2차 전지(24)에 충전되기에 적합한 전압으로 승압된다. 이로 인해 상기 2차 전지(24)는 더욱 효율적으로 충전될 수 있다.

(7) 상기 1차측 공진 코일(13) 및 2차측 공진 코일(21)의 끝에는 상기 커패시터(C1, C2)가 연결된다. 이로 인해 상기 1차측 공진 코일(13)과 2차측 공진 코일(21)의 회전수를 증가시키지 않고서 공진 주파수를 낮출 수 있다. 만일 공진 주파수가 동일하다면, 상기 1차측 공진 코일(13) 및 2차측 공진 코일(21)에 연결된 상기 커패시터(C1, C2)가 있는 구성은 상기 1차측 공진 코일(13)과 2차측 공진 코일(21)이 상기 커패시터(C1, C2)가 없는 구성에 비해 크기가 작게 된다.

이하, 도 6 및 7을 참조하여, 본 발명의 제2 실시형태를 설명한다. 본 실시형태에서, 상기 1차 코일(12), 1차측 공진 코일(13), 2차측 공진 코일(21) 및, 2차 코일(22)의 중심축선의 방향은 제1 실시형태에서와 상이하다. 본 실시형태에서는, 상기 거리 계산부(공급측 제어기(14))는 공진 코일의 축선 간의 오프셋량을 계산하지 않고, 상기 1차측 공진 코일(13)과 2차측 공진 코일(21) 간의 축선 방향의 거리를 계산한다. 제1 실시형태의 해당하는 구성요소와 유사하거나 동일한 구성요소에는 유사하거나 동일한 도면 부호를 부여하며, 상세한 설명을 생략한다.

도 6에 도시된 바와 같이, 상기 1차 코일(12)과 1차측 공진 코일(13)은 충전소의 지표면으로부터 돌출한 상기 공급측 장비(10)의 수납 박스에 설치된다. 상기 1차 코일(12) 및 1차측 공진 코일(13)은 중심축선이 지표면에 수평인 방향을 따라 연장하도록 배치된다. 상기 2차측 공진 코일(21) 및 2차 코일(22)은 차량(30)의 앞부분에 위치한다. 상기 2차측 공진 코일(21) 및 2차 코일(22)은 상기 1차 코일(12) 및 1차측 공진 코일(13)의 중심축선과 동일한 높이에서 그 중심축선이 차량(30)의 앞뒤 방향을 따라 연장하도록 배치된다.

상기 공급측 제어기(14)의 상기 메모리(14b)에는 상기 1차 코일(12)의 끝에서의 전압과 공진 코일간 거리(상기 1차측 공진 코일(13)과 2차측 공진 코일(21) 간의 축선 방향을 따른 거리) 사이의 관계를 나타내는 데이터를 맵으로서 저장되어 있다. 본 실시형태에서, 상기 데이터는 상기 2차 전지(24)가 충전을 요하는 상태의 잔류 배터리 레벨 및, 충전을 요하는 잔류 배터리 레벨로부터 차량(30)이 충전소로 이동해 온 상태의 잔류 배터리 레벨을 포함한다. 예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 데이터는 상기 1차 코일(12) 의 끝에서의 전압과 공진 코일간 거리 사이의 관계를 나타내는 그래프로서 저장된다. 상기 데이터는 미리 실험을 통해 얻는다.

충전소에서, 상기 2차 전지(24)를 충전할 때, 상기 공급측 장비(10)를 마주하는 위치로 차량(30)이 이동하도록 안내하기 위해 가이드라인이 설치된다. 운전자는 가이드라인을 따라 차량(30)을 전진시킴으로써 충전 위치로 차량(30)을 이동시킬 수 있다. 차량(30)이 충전 위치로 이동하면, 상기 공급측 제어기(14)는 상기 AC 전력원(11)을 활성화하고, 차량(30)이 충전 위치로 이동할 것임을 나타내는 상기 차량(30)으로부터의 신호에 대응하여 상기 전압 센서(15)의 출력 신호를 입력한다. 상기 전압 센서(15)에 의해 측정된 상기 1차 코일(12)의 끝에서의 전압과 상기 충전 제어기(25)에서 전송된 상기 2차 전지(24)의 잔류 배터리 레벨에 기초하여, 상기 공급측 제어기(14)는 공진 코일간 거리(상기 1차측 공진 코일(13)과 2차측 공진 코일(21) 간의 축선 방향을 따른 거리)를 계산한다. 상기 계산 결과에 기초하여, 상기 공급측 제어기(14)는 공진 코일간 거리가 적절한 값인지의 여부를 결정한다. 상기 공급측 제어기(14)는 상기 결정 결과에 대한 데이터를 상기 충전 제어기(25)로 전송하고, 그 데이터에 기초하여 상기 충전 제어기(25)는 상기 알림부(27)를 차례로 제어한다. 상기 알림부(27)의 상태를 참조하여 차량(30)의 운전자는 적절한 충전 위치에 차량을 세운다.

제1 실시예의 이점 (1), (3), (6) 및, (7)에 더하여, 본 실시형태는 다음의 이점을 제공한다.

(8) 상기 거리 계산부(공급측 제어기(14))는 상기 1차측 공진 코일(13)과 2차측 공진 코일(21) 간의 축선 방향을 따른 거리를 계산한다. 따라서, 본 실시형태의 비접촉 전력 전송 장치는 상기 AC 전력원(11), 1차 코일(12) 및, 1차측 공진 코일(13)이 고정되고, 상기 1차측 공진 코일(13) 및 2차측 공진 코일(21)이 공통 축선 상에 배치된 채로 상기 2차측 공진 코일(21), 2차 코일(22) 및, 부하(충전 장치(23)와 2차 전지(24))가 이동가능한 구성에 적합하다.

(9) 상기 2차측 공진 코일(21) 및 2차 코일(22)이 차량(30)의 앞부분에 배치되어 상기 코일(21, 22)의 중심축선이 차량의 앞뒤 방향을 따라 연장하며, 상기 공급측 장비(10)의 상기 1차 코일(12) 및 1차측 공진 코일(13)은 지표면으로부터 돌출된 수납 박스(31)에 구비된다. 따라서, 상기 1차 코일(12) 및 1차측 공진 코일(13)을 구비하기 위한 홀(29)이 땅속에 형성될 필요가 없다. 상이한 차고(車高)를 갖는 차량(30)의 경우, 지면으로부터 차량의 저부까지의 거리는 상이할 수 있다. 따라서, 상이한 차고를 갖는 차량(30)에 대해, 상기 공급측 장비(10)의 상기 1차측 공진 코일(13)과 차체의 저부에 설치되는 상기 2차측 공진 코일(21)의 거리로 단일의 값을 사용하기는 어렵다. 따라서 상기 공급측 장비(10)는 상이한 차고를 갖는 차량(30)을 위해 변경될 필요가 있다. 그러나, 본 실시형태가 상이한 차고를 갖는 차량(30)에 적용된다면, 상기 공급측 장비(10)의 상기 1차 코일(12)과 1차측 공진 코일(13)의 중심축선의 높이에 따라 상기 2차측 공진 코일(21)과 2차 코일(22)의 중심축선의 높이를 설정함으로써, 상이한 차고를 갖는 차량(30)에 대해 동일한 공급측 장비(10)를 사용할 수 있다.

본 발명은 전술한 실시형태에 한정되지 않으며, 다음과 같이 변형될 수도 있다.

제1 실시형태에서, 상기 2차측 공진 코일(21) 및 2차 코일(22)의 위치는 차량(30)의 뒤쪽 부근의 차폭 방향의 거의 중앙에 한정되지 않는다. 상기 위치는 차량(30)의 앞쪽 부근의 차폭 방향의 거의 중앙이거나, 차량(30)의 앞뒤 방향의 중앙부일 수도 있다. 이와는 달리, 상기 위치는 차폭 방향의 중심으로부터 벗어날 수도 있다.

제2 실시형태에서와 같이 상기 공급측 장비(10)의 상기 수납 박스(31)가 지표면으로부터 돌출한 구성에 있어서, 상기 2차측 공진 코일(21) 및 2차 코일(22)은 차량(30)의 뒤쪽 근처에 설치될 수도 있다. 이 경우, 차량(30)을 충전 위치로 이동시키기 위해 운전자는 이를 후진할 필요가 있다.

제2 실시형태에서처럼 상기 2차측 공진 코일(21)의 중심축선이 수평으로 연장하도록 배치된 구성에 있어서는, 도 8에 도시된 바와 같이 상기 2차측 공진 코일(21)이 차량(30)의 측부에 위치되어 그 중심축선이 차량(30)의 차폭 방향을 따라 연장할 수도 있다. 이 경우, 충전소에 안내선을 형성하여, 상기 2차 전지(24)를 충전할 때 상기 공급측 장비(10)를 마주하는 위치로 이동하도록 차량(30)을 안내한다. 운전자는 안내선을 따라 차량(30)을 전진시킴으로써, 차량(30)을 충전 위치로 이동시킬 수 있다.

도시된 실시형태에서, 상기 전압 측정부(전압 센서(15))에 의해 측정된 상기 1차 코일(12)의 끝에서의 전압에 기초하여 상기 공급측 제어기(14)는 공진 코일간 거리를 계산하기만 하면 된다. 상세하게는, 예를 들어, 상기 2차측 공진 코일(21)과 1차측 공진 코일(13)이 공통 축선 상에 배치되지 않았을 때 상기 1차측 공진 코일(13)과 2차측 공진 코일(21) 간의 축선 방향을 따른 거리가 감소하도록 차량(30)이 이동된 경우에도, 상기 전압 측정부(전압 센서(15))에 의해 측정된 상기 1차 코일(12)의 끝에서의 전압에 기초하여 상기 공급측 제어기(14)는 공진 코일간 거리를 계산할 수도 있다. 이 경우, 상기 2차측 공진 코일(21) 및 1차측 공진 코일(13)이 공통 축선을 따라 움직이도록 하는 맵 또는 표현을 사용한다. 그러나, 허용가능한 범위를 좁게 설정해도 문제는 발생하지 않는다.

전술한 실시형태에서, 상기 충전 제어기(25)로부터 충전 완료 신호를 수신하면 상기 공급측 제어기(14)는 상기 AC 전력원(11)을 제어하여 전력 전송을 중단한다. 대신에, 충전 동안에 상기 전압 센서(15)에 의해 감지된 상기 1차 코일(12)의 끝에서의 전압에 기초하여 상기 공급측 제어기(14; 결정부)는 부하의 임피던스의 변동을 계산하여 2차 전지(24)의 충전 상태를 평가함으로써 전력 전송을 중단하는 시간을 결정할 수도 있다. 예를 들어, 충전이 시작된 후에, 상기 1차 코일(12)의 끝에서의 전압이 소정의 전압에 도달하는 때로부터 경과한 시간에 기초하여 전력 전송을 중단하는 시간을 결정할 수도 있다.

도시된 실시형태에서, 이동체는 운전자에 의해 동작하는 차량(30)에 한정되지 않으며, 2차 전지(24)를 갖는 자동 안내 차량, 자가 추진(self-propelled) 로봇, 또는 휴대용 전자 장치일 수도 있다.

도시된 실시형태에서, 이동체는 2차 전지를 갖는 것으로 한정되지 않으며, 컨베이어 벨트와 같은 이동 수단에 의해 특정 작업 위치로 이동되고 전기 모터를 갖는 장치일 수도 있다. 이 경우, 모터는 부하로서 기능하며, 이동체는 상기 2차측 공진 코일(21)과 2차 코일(22)을 갖는다. 상기 AC 전력원(11), 1차 코일(12), 1차측 공진 코일(13) 및, 공급측 제어기(14)는 각각의 작업 위치에 설치된다. 이동체가 작업 위치로 이동하면, 상기 AC 전력원(11)에 의해 전력이 이동체로 공급된다. 이 경우, 부하(모터)를 충전할 때, 상기 공급측 제어기(14)는 상기 전압 센서(15)의 감지 신호에 기초하여 부하의 임피던스의 변동을 계산하고, 상기 AC 전력원(11)의 출력 주파수를 부하에 따른 적절한 주파수로 바꿀 수도 있다.

도시된 실시형태에서, 차량(30)에 상기 알림부(27)를 설치하는 것 대신에, 상기 알림부(27)를 상기 공급측 장비(10)에 설치할 수도 있다. 예를 들어, 상기 알림부(27)를 차량(30)의 운전자가 보기 쉬운 위치에 설치하며, 상기 알림부(27)의 조명은 상기 공급측 제어기(14)로부터의 명령에 의해 제어된다. 이 경우, 상기 알림부(27)를 각 차량(30)에 설치하지 않더라도, 운전자는 상기 공급측 장비(10)의 상기 알림부(27)의 조명 상태를 체크함으로써 차량(30)을 적절한 충전 위치에 주차할 수 있다.

도시된 실시형태에서, 전선을 감아 상기 코일(12, 13, 21, 22)을 형성할 때, 상기 코일(12, 13, 21, 22)이 원통형일 필요는 없다. 예를 들면, 삼각형관, 직각형관 및, 육각형관과 같은 다각형관 또는 타원형관이 채용될 수도 있다. 상기 코일(12, 13, 21, 22)의 형상은 대칭일 필요는 없어, 비대칭일 수도 있다.

도시된 실시형태에서, 상기 1차측 공진 코일(13) 및 2차측 공진 코일(21)은 원통형으로 감긴 전선일 필요는 없으며, 단일면 상에 나선형으로 감은 전선으로 형성하여 원주 길이를 점차적으로 변화시킬 수도 있다. 이 경우, 상기 전체 코일(13, 21)이 평평하기 때문에, 상기 코일(13, 21)의 축선 길이가 감소한다.

도시된 실시형태에서, 상기 코일(12, 13, 21, 22)은 전선을 조밀하게 감아 각 감긴선이 인접한 선과 접촉하도록 구성하거나, 각 인접한 감긴선의 쌍 사이에 공간을 두고 전선을 감도록 구성할 수도 있다.

도시된 실시예에서, 상기 코일(12, 13, 21, 22)은 동일한 지름을 갖도록 형성할 필요는 없다. 예를 들면, 상기 1차 코일(12) 및 2차 코일(22)은 상이한 지름을 갖는 반면, 상기 1차측 공진 코일(13) 및 2차측 공진 코일(21)은 동일한 지름을 갖도록 형성할 수도 있다. 또한, 상기 1차 코일(12) 및 2차 코일(22)은 상기 공진 코일(13, 21)의 지름과 상이한 지름을 가질 수도 있다.

10 : 공급측 장비
11 : AC 전력원
12 : 1차 코일
13 : 1차측 공진 코일
14 : 공급측 제어기
15 : 전압 센서
20 : 수신측 장비
21 : 2차측 공진 코일
22 : 2차 코일
23 : 충전 장치
24 : 2차 전지
25 : 충전 제어기
26 : 배터리 레벨 센서
27 : 알림부
28 : 공진 시스템
30 : 차량

Claims

AC 전류원;
상기 AC 전류원의 AC 전압이 인가되는 1차 코일;
1차측 공진 코일;
2차측 공진 코일;
부하에 연결되는 2차 코일;
상기 1차 코일의 전압을 측정하는 전압 측정부; 및
상기 전압 측정부에 의해 측정된 전압에 기초하여 상기 1차측 공진 코일과 상기 2차측 공진 코일 간의 거리를 계산하는 거리 계산부
를 포함하는 비접촉 전력 전송 장치.
제1항에 있어서,
상기 거리 계산부는 상기 1차측 공진 코일과 상기 2차측 공진 코일 간의 축선 방향을 따른 거리를 계산하는 것을 특징으로 하는 비접촉 전력 전송 장치.
제1항에 있어서,
상기 거리 계산부는 상기 1차측 공진 코일과 상기 2차측 공진 코일의 축선 방향에 수직인 방향에서 상기 1차측 공진 코일의 중심축선과 상기 2차측 공진 코일의 중심축선 간의 오프셋량을 계산하는 것을 특징으로 하는 비접촉 전력 전송 장치.
제1항에 있어서,
상기 2차측 공진 코일, 상기 2차 코일 및, 상기 부하는 이동체에 장착되는 것을 특징으로 하는 비접촉 전력 전송 장치.
제1항에 있어서,
상기 2차측 공진 코일, 상기 2차 코일 및, 상기 부하는 차량에 장착되며,
상기 부하는 충전 장치 및 2차 전지를 포함하며,
상기 2차측 공진 코일 및 상기 2차 코일은 상기 2차측 공진 코일의 중심축선과 상기 2차 코일의 중심축선이 각각 상기 차량의 앞-뒤 방향을 따라 연장하도록 배치되며,
상기 1차 코일 및 상기 1차측 공진 코일은 상기 1차 코일의 중심축선과 상기 1차측 공진 코일의 중심축선이 각각 지표면에 수평인 방향을 따라 연장하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 비접촉 전력 전송 장치.
제1항에 있어서,
상기 2차측 공진 코일, 상기 2차 코일 및, 상기 부하는 차량에 장착되고,
상기 부하는 충전 장치 및 2차 전지를 포함하며,
상기 2차측 공진 코일 및 상기 2차 코일은 상기 2차측 공진 코일의 중심축선과 상기 2차 코일의 중심축선이 각각 상기 차량의 상하 방향을 따라 연장하도록 배치되며,
상기 1차 코일 및 상기 1차측 공진 코일은, 상기 차량이 충전 위치에 주차되었을 때, 상기 1차 코일 및 상기 1차측 공진 코일이 상기 차량 아래에 위치하고, 상기 1차 코일의 중심축선과 상기 1차측 공진 코일의 중심축선이 각각 상기 지표면에 수직인 방향을 따라 연장하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 비접촉 전력 전송 장치.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 거리 계산부의 계산 결과에 기초하여 상기 1차측 공진 코일 및 상기 2차측 공진 코일이 적절한 위치 관계에 있는지의 여부를 알리는 알림부
를 더 포함하는 비접촉 전력 전송 장치.
AC 전력원;
상기 AC 전력원의 AC 전압이 인가되는 1차 코일;
1차측 공진 코일;
2차측 공진 코일;
부하가 연결되는 2차 코일;
상기 1차 코일의 전압을 측정하는 전압 측정부; 및
상기 전압 측정부에 의해 측정된 전압에 기초하여 상기 부하의 상태를 결정하는 결정부
를 포함하는 비접촉 전력 전송 장치.