KR20100111212A

KR20100111212A - 전기자동차용 초박형 급전장치와 집전장치

Info

Publication number: KR20100111212A
Application number: KR1020090029671A
Authority: KR
Inventors: 조동호; 조규형; 임춘택; 조정구; 서남표; 장순흥
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2009-04-06
Filing date: 2009-04-06
Publication date: 2010-10-14
Also published as: WO2010117139A3; EP2417692A2; KR101040662B1; CN102405580A; TW201043498A; US8833533B2; US20120103741A1; WO2010117139A2

Abstract

본 발명은 비접촉방식의 전기자동차용 초박형 급전장치와 집전장치에 관한 것으로, 도로에 매설된 1개의 급전코일선 또는 일정한 간격을 두고 평행하게 도로에 매설되는 2개 이상의 상기 급전코일선을 포함하며, 상기 급전코일선은, 도로의 길이 방향을 따라 연장되는 평판형 급전코어; 상기 급전코어의 위쪽에 배치되고, 교류전원을 공급하는 평판형 급전선; 및 상기 급전코어와 급전선 사이에 삽입되어 상기 급전코어와 급전선 상호간을 절연시키기 위한 평판형 절연체를 구비한다.

전기자동차, 초박형, 급전, 집전, 평판형

Description

전기자동차용 초박형 급전장치와 집전장치{ULTRA SLIM POWER SUPPLY AND COLLECTOR DEVICE FOR ELECTRIC VEHICLE}

본 발명은 전기자동차용 초박형 급전장치와 집전장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 도로상의 급전장치와 전기자동차의 집전장치를 근접시켜 비접촉으로 전력을 전달하고, 전기 승용차, 전기 버스, 전기 트럭, 경전철, 지하철, 전기 택시, 하이브리드 자동차, 플러그인 하이브리드 자동차, 전기 기관차, 골프 카, 전기 자전거, 전기 오토바이, 공장내 자동운송장비, 공항의 자동운송장비 등에 적용될 수 있는 전기자동차용 초박형 급전장치와 집전장치에 관한 것이다.

기존의 배터리 전기자동차의 가장 큰 문제점이었던 과도한 배터리 용량과 이로 인한 차량 무게나 부피, 비용증가, 긴 충전시간 또는 낮은 충전효율, 배터리 수명단축 등의 문제를 해결하기 위해 자기유도를 이용한 비접촉 전력전달 방식이 제안되고 있다.

도 1은 종래의 전기자동차용 급전장치와 집전장치의 구조를 나타내는 도면 으로서, 도로를 따라 연장되는 급전장치(10)는 도로 바닥에 설치된 기저 강판(Base plate) 위에 50cm에서 1m 길이로 모듈화된 E자형 코어(11)에 급전선(12) 1쌍이 설치되고, 집전장치(20)는 E자형 코어(21)에 설치된 집전 코일(22)이 급전장치(10)로부터 자기유도방식으로 공급되는 전원에 의해 전기자동차의 배터리를 충전시킨다.

이와 같은 자기유도방식은 산업용으로 비접촉 전원이 필요한 특수한 작업환경에 사용되어 왔는데, 이를 일반도로에 시설하여 범용 전기자동차에 적용하는 데는 여러 문제점이 있었다. 일반도로에는 다른 에너지원을 사용한 자동차도 같이 달리고 있으므로, 차량의 운행안전을 위해 도로상에 홈을 파거나 레일을 가설할 수가 없다. 따라서 도로상에 가설되는 급전코일의 표면은 일반도로와 동일하게 평면형이어야 한다. 또한 전기자동차의 중량 변화나 요동에 의해 집전코일과 급전코일의 간격이나 좌우방향으로 가변할 수가 있는데, 이의 영향을 전력전달장치가 덜 받게 하기 위한 고려도 필요하다. 이와 같은 문제의 해결을 위해 미국 버클리 대학의 PATH팀은 폭 1m 정도의 대형 코일을 도로바닥에 묻고 공극 간격이나 좌우변화가 2~3인치가 되어도 효율 60% 정도로 전력을 전달할 수 있는 장치를 고안한 바 있다. 하지만, 이 결과 도로 공사비용이 10~15억원/km로 과다하게 소요되고, 효율 60%는 실용화에는 부족한 것으로 지적되고 있다. 효율은 최소 70%이상, 바람직하게는 80%이상이 되어야 화력발전에 의한 이산화탄소(CO₂) 저감효과가 충분히 커지는 것으로 보고되고 있다.

한편, 급전코일이 있는 도로상에 다른 차량이 지날 때 차 밑바닥에 자기유 도 기전력이 유기되어 전력손실이 발생하거나 전자기간섭(EMI) 문제가 발생하지 않도록 해야 한다. 기존의 PATH팀에서는 이러한 전력손실이 200W이상인 것으로 보고되고 있는데, 이를 감소시키기 위해서는 급전코일의 폭을 대폭 줄이고 전원 주파수를 적절히 높이는 것이 필요하다. 하지만, 급전코일의 폭을 줄이게 되면 집전코일과 급전코일의 간격이나 좌우방향 변동에 대한 전력전달특성이 나빠지게 되는 문제점이 있었다.

급전코일을 도로 바닥에 시공하는 종래의 방법에서는, 도로를 파내고 급전코일의 각 구성품인 코어나 전선, 지지강판, 덮개, 접지선 등을 모듈화하여 조립해야하므로 시간과 노력, 비용이 많이 소요되는 단점이 있었다. 복잡한 구조의 급전코일은 10년이상 장시간 10톤이상 차량바퀴의 하중을 반복적으로 견뎌내는 데에도 한계가 있으며, 도로를 주기적으로 보수할 때에도 불편한 점이 있었다.

기존의 방식은 이러한 문제에 대한 해결책이 적극적으로 강구되어 있지 않아 실용화하는 데에 한계가 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 급전장치의 폭은 가급적 작게 유지하면서도 집전장치의 상하 변동을 크게 허용하고 좌우변동도 폭넓게 허용하며, 도로매설이 용이하고 1km당 건설단가가 저렴하며 도로 보수공사에도 편리한 전기자동차용 초박형 급전장치와 집전장치를 제공함을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전기자동차에 비접촉식으로 전력을 공급하는 급전장치의 일 측면에 따르면, 도로에 매설된 1개의 급전코일선 또는 일정한 간격을 두고 평행하게 도로에 매설되는 2개 이상의 상기 급전코일선을 포함하며, 상기 급전코일선은, 도로의 길이 방향을 따라 연장되는 평판형 급전코어; 상기 급전코어의 위쪽에 배치되고, 교류전력을 공급하는 평판형 급전선; 및 상기 급전코어와 급전선 사이에 삽입되어 상기 급전코어와 급전선 상호간을 절연시키기 위한 평판형 절연체를 구비한다.

상기 급전코일선은 상기 급전선, 상기 절연체 및 상기 급전코어를 감싸는 하우징을 더 구비한다.

상기 급전코일선을 보호하기 위하여, 상기 급전코일선 상부에 배치되며 비자성 특성을 갖고 비금속 재질로 이루어진 보호덮개를 더 구비한다.

도로에 인가되는 하중을 분산시키기 위하여, 상기 급전코일선 하부에 도로의 길이 방향을 따라 배치되고 비자성 특성을 갖는 재료로 이루어진 기저강판을 더 포함한다.

상기 급전코어는 서로 절연되어 적층된 다수의 두께가 얇은 판재 형태의 자성체를 구비한다.

상기 급전선은 서로 절연되어 적층된 다수의 두께가 얇은 도전성 판재를 구비한다.

상기 급전코일선은 접착성 충진재료에 의해 고정되어 도로의 길이 방향을 따라 매설된다.

상기 급전코일선은 고정핀에 의해 고정되어 도로의 길이 방향을 따라 매설된다.

상기 절연체는 급전선이 삽입되는 복수개의 홈 및 이들 홈을 구획하고 도로를 주행하는 차량으로부터의 하중을 지지하는 복수개의 돌출부를 구비한다.

상기 급전코어는 상기 급전선과 절연체를 감싸도록 ㄷ-자로 절곡된 형태를 가짐으로써, 상기 급전선의 양 끝단에 자기력선이 집중되어 전기자동차용 집전장치의 집전코일과 자기 폐회로를 구성한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전기자동차에 비접촉식으로 전력을 공급하는 급전장치의 다른 측면에 따르면, 1개 이상의 급전코일선을 포함하며, 상기 급전코일선은, 'ㄷ'자 형태로 양 단부가 절곡된 상태로 도로의 길이 방향 을 따라 연장되는 평판형 급전코어; 상기 급전코어의 절곡된 양 단부 사이의 공간에 배치되고, 교류전력을 공급하는 급전선; 및 상기 급전선을 감싸는 구조로 상기 급전코어와 급전선 상호간을 절연시키는 절연체를 구비하되, 상기 급전코어는 상기 절곡된 양 단부의 끝단이 도로면과 같은 평면에 놓이게 배치되며, 상기 급전코어의 절곡된 양 단부 사이의 공간은 도로와 동일한 재료로 채워짐으로써 도로면이 균일한 평면을 갖도록 한다.

상기 급전코어의 절곡된 양 단부 사이의 공간에 채워진 내측 도로와 상기 급전코어의 외측 도로를 연결하여 상기 급전코어를 도로에 고정시키는 연결부재를 더 포함한다.

상기 급전코일선의 상부와 하부 도로를 연결하여 고정하는 연결부재를 더 포함한다.

상기 급전코어는 도로를 구성하는 재료와 동일한 마모도를 갖는다.

상기 급전선은 서로 간격을 두고 다수개로 분리되며 상기 급전코어는 도로의 길이 방향으로 서로 간격을 두고 다수개로 분리되어 상기 다수개로 분리된 급전선과 상기 다수개로 분리된 급전코어가 격자 형상으로 배열되어, 상기 급전코어의 절곡된 양 단부 사이의 공간에 채워진 내측 도로와 상기 급전 코어의 외측 도로가 서로 연결됨으로써 상기 급전코일선이 도로와 견고하게 일체화가 된다.

상기 다수개로 분리된 급전코어의 끝단은 도로의 길이 방향을 따라 서로 연결된다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 도로를 따라 연장되는 급전장치로부터 자기유도방식으로 전력을 공급받는 전기자동차용 집전장치의 일 측면에 따르면, 급전장치와 일정간격 떨어져서 전기자동차에 설치되는 평판형 집전코어; 및 상기 평판형 집전코어에 상하 방향으로 감겨지는 1개 이상의 집전코일을 포함한다.

상기 평판형 집전코어는 중앙에 ㄷ-자 형태로 절곡된 절곡부를 구비하며 상기 절곡부에 상기 집전코일이 감겨진다.

상기 급전장치를 도로에 설치하는 방법으로서, (a) 도로를 따라 일정한 간격을 띄우고 2개의 상기 급전코일선을 배열하는 단계; (b) 2개의 상기 급전코일선 사이의 간격에 커패시터를 매설하는 단계; (c) 상기 급전코일선의 상기 커패시터와 마주보는 단부에서 각각 급전선을 노출시켜 나선부를 제공하는 단계; (d) 상기 나선부와 상기 커패시터를 전기적으로 연결한 후 연결부를 외부와 절연시키는 단계를 포함한다.

본 발명에 의하면, 급전장치를 초박형 구조로 일체형으로 제작하여 가공비용을 절감시켜 양산시 비용을 줄일 수 있으며, 초박형 급전장치의 양끝단에 자속이 집속되어 집전코일이 좌우로 크게 움직이더라도 자기회로가 유지됨으로써 집전장치 의 상하/좌우 변동가능 여유 폭이 대폭 향상되는 효과도 있다.

또한, 급전장치를 'ㄷ'자형으로 절곡시켜 도로에 매설하여 도로 표면에는 1cm 이하의 좁은 폭의 코어만 노출시켜 기존 도로의 노면상태에 사실상 아무런 변화도 주지 않으면서도 큰 공극간격과 좌우편차를 허용하는 특성을 얻을 수 있다.

또한, 집전장치를 'ㅡ'자형으로 넓게 설치하고 복수의 집전코일을 감아주고 선택적으로 집전을 하게됨으로써 집전장치를 좌우제어 할 필요가 없어진다.

또한, 초박형 급전장치는 평판형 급전선의 폭은 매우 넓고 그 밑에 있는 급전코어가 양끝에서 매우 작은 단면적을 차지하는 구조인 반면, 초박형 집전장치는 판형 코어의 폭이 매우 넓고 그 중앙에 있는 집전코일의 면적은 최소화하는 상보적(complementary) 특성으로 인해 급전장치와 집전장치의 공극간격이 5~30cm 정도로 커질 수 있고 좌우편차도 100cm 정도로 커져 일반 도로환경에 적합하다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 초박형 급전장치의 구조를 나타내는 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 초박형 급전장치(30)는 초박형의 급전 코어(32), 절연체(33), 급전선(34)이 적층되어 하우징(35)으로 감싸진 급전코일선(track)(31), 급전코일선(31)의 상부에 배치되어 급전코일선(31)을 보호하기 위한 보호 덮개(36), 및 보호 덮개(36)를 고정하는 다수개의 고정핀(37)을 구비한다. 급전 코어(32)는 아모포스 또는 규소강판으로 적층되고, 급전선(34)은 리쯔와이어 또는 구리판으로 적층된다. 절연체(33)는 급전 코어(32)와 급전선(34)을 전기적으로 절연시키며, 하우징(35)은 몰드 또는 압출 처리된다. 또한, 보호 덮개(36)는 강화 플라스틱 또는 베이크라이트 재질을 사용하는 것이 바람직하다. 특히, 복수개의 급전코일선(31)은 일정한 간격을 두고 평행하게 도로에 매설되며, 1cm 이내의 두께를 갖는 초박형 구조로서 기존의 아스팔트 도로를 깊게 파지 않고 얕게 갈아내어 매설할 수 있다. 또한, 몰딩 구조이기 때문에 별도의 지지구조물이 없이도 도로상에서 큰 하중의 차량바퀴나 충격에도 강인한 특성을 가지며, 급전코일선(31)은 수백 미터(meter) 길이 단위의 롤(roll) 형태로 일체형으로 제작하여 현장에 운반할 수 있으므로 별도의 조립공정 없이 현장에서 즉시 설치가 가능하다.

도 3 내지 도 5는 본 발명의 초박형 급전코일선을 도로 바닥에 시공하는 방법에 대한 다양한 예를 나타내는 도면이다.

도 3의 초박형 급전코일선 시공방법은 초박형의 급전 코어(32), 절연체(33), 급전선(34)이 적층되어 하우징(35)으로 감싸진 급전코일선(31)을 몰딩재료(A)를 이용하여 도로 바닥에 고정하거나, 접착재료(B)를 이용하여 다소 울퉁불퉁한 도로바닥에 그대로 부착한다. 도 4의 초박형 급전코일선 시공방법은 초박형의 급전 코어(32), 절연체(33), 급전선(34)이 적층되어 하우징(35)으로 감싸진 급전코일선(31)에 미리 구멍을 뚫어 고정핀(37)을 통해 급전코일선(31)을 도로 바닥에 고정시켜 전기누설이 발생하지 않도록 한다. 고정핀(37)은 예컨대 1~2m 길이마다 도로에 박히게 되므로 급전 특성에는 거의 영향을 주지 않게 되며, 전술한 도 2에서와 같이 급전코일선(31)의 좌우측과 중앙에 고정핀(37)을 설치하는 것도 가능하다. 도 5의 초박형 급전코일선의 시공방법은 도로 바닥에 'ㄷ'자 형상의 기저강판(base plate)(C)을 설치하고, 급전코일선(31)이 기저강판(base plate)(C) 위에 놓이도록 함으로써 아스팔트 또는 콘크리트 바닥의 압력을 균일하게 만드는 작용을 한다. 또한, 기저강판(C)은 누설전기나 자속을 차단하는 작용을 하며 접지선(D)과 연결되는 도선 역할도 한다.

도 6은 본 발명의 초박형 급전코일선의 강도를 보강하기 위한 구조를 나타내는 도면이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 전술한 초박형의 급전 코어(32), 절연체(33), 급전선(34)이 적층되어 하우징(35)으로 감싸진 급전코일선(31)의 구조에서, 급전선(34)은 동일한 간격을 두고 배치되는 공극을 구비하고, 급전선(34)의 각 공극에는 하중을 지지할 수 있는 요철 구조의 절연 지지체(supporting structure)(33)가 삽입된다. 즉, 절연 지지체(supporting structure)(33)는 급전선(34)이 삽입되는 복수개의 홈 및 이들 홈을 구분하고 도로를 주행하는 차량으로부터의 하중을 지지하는 복수개의 돌출부를 구비한다. 얇은 구리판을 적층하거나 리쯔와이어를 사용하는 급전선(34)은 상대적으로 기계적인 반복하중이나 충격에 약하기 때문에 급전선(34)에 절연 지지체(33)를 도로의 길이 방향으로 설치해 주면 급전선(34)보다는 절연 지지체(33)에 하중이 작용하게 된다.

도 7은 도 2의 초박형 급전장치 구조의 변형예를 나타내는 도면이다.

도 7에 도시된 바와 같이, 초박형 급전장치(40)는 초박형의 급전 코어(42), 절연체(43), 급전선(44)이 적층되어 하우징(35)으로 감싸진 급전코일선(track)(41), 급전코일선(41)의 상부에 배치되어 급전코일선(41)을 보호하기 위한 보호 덮개(46), 및 보호 덮개(46)를 고정하는 다수개의 고정핀(47)을 구비한다. 특히, 급전 코어(42)는 'ㄷ'자 형태로 절곡되어 급전선(44)과 절연체(43)을 감싸는 구조로서 아모포스 또는 규소강판으로 적층되고, 급전선(44)은 리쯔와이어 또는 구리판으로 적층되며, 급전선(44)의 양끝단에 자장이 집중된다. 절연체(43)는 급전 코어(42)와 급전선(44)을 전기적으로 절연시키며, 하우징(45)은 몰드 또는 압출 처 리된다. 또한, 보호 덮개(46)는 강화 플라스틱 또는 베이크라이트 재질을 사용하는 것이 바람직하다. 특히, 급전코일선(41)은 1cm 이내의 두께를 갖는 초박형 구조로서, 기존의 아스팔트 도로를 깊게 파지 않고 얕게 갈아내어 매설할 수 있다. 또한, 몰딩 구조이기 때문에 별도의 지지구조물이 없이도 도로상에서 큰 하중의 차량바퀴나 충격에도 강인한 특성을 가지며, 급전코일선(41)은 수백 미터(meter) 길이 단위의 롤(roll) 형태로 일체형으로 제작하여 현장에 운반할 수 있으므로 별도의 조립공정 없이 현장에서 즉시 설치가 가능하다.

도 8 및 도 9는 도 7에 도시된 초박형 급전장치를 사용했을 경우의 자력선 분포를 나타내는 도면이다.

도시된 바와 같이, 전술한 도 7의 'ㄷ'자 형태로 절곡된 초박형 급전장치(40)를 사용하는 경우, 급전코일선(41)의 급전선(44)의 바로 바깥에 자장이 집중되므로, 전기자동차용 집전장치(50)의 E자형 집전코어(51)의 코어간 공극간격을 줄이고, 코어의 폭을 넓힐 수 있다. 즉, 도 9에 도시된 바와 같이 급전장치(40)와 집전장치(50)의 중심축이 많이 벗어나거나 상하 공극 간격이 상당히 커지더라도 급전장치(40)의 급전선(44)에 교류전류가 인가되면 'ㄷ'자 형태로 절곡된 급전코어(42)의 양 끝단에 집중적으로 분포된 자기력선이 집전장치(50)의 E자형 집전코어(51)와 자기 폐회로를 구성할 수 있게 된다. 따라서, E자형 집전코어(51)의 상하/좌우 간격을 매우 크게 할 수 있는 구조가 되며, 이러한 구조에서도 전력전달이 가능해진다.

도 10은 도 7에 도시된 초박형 급전장치의 구조에서 급전코일선간 간격을 최소화한 경우를 나타내는 도면이다.

도 10에 도시된 바와 같이, 급전장치(40)의 급전코일선(41)간의 간격은 임의이며 크거나 작더라도 집전장치(50)의 집전코어(51)의 중심코어 폭만 이에 맞게 가변해주면 전력전달에는 큰 문제가 없다. 하지만, 도 10에서와 같이 급전코일선(41)간의 간격을 최소화하는 경우에는 집전코어(51)의 폭도 최소화할 수 있게 된다. 이와 같은 구조에서 집전코어(51)의 폭은 급전선(44)의 폭과 비슷한 크기가 되며, 급전코일선(41)과 집전코어(51)의 좌우편차 허용폭은 급전선(44)의 폭 또는 집전코어(51) 폭의 절반 정도가 된다. 예를 들어, 2개의 급전코일선(41) 전체의 폭이 20cm라면 급전선(44)의 폭이나 집전코어(51)의 폭은 약 10cm이며 좌우편차 허용폭은 약 5cm가 된다. 단, 급전코일선(41)의 하우징의 두께나 집전코일(52)의 도선의 굵기 등의 영향을 고려하면 급전선(44)의 폭이나 집전코어(51)의 폭은 9cm, 좌우편차 허용폭은 4cm가 될 수 있다. 즉, 급전코일선(41)의 폭이 20cm일 때 좌우편차가 이의 1/5 수준인 4cm라면 기존의 어떤 급전장치의 구조에서도 볼 수 없었던 탁월한 특성이며, 좌우편차를 늘리려면 급전코일선(41)의 폭을 비례해서 늘려주면 된다.

도 11은 도 7에 도시된 초박형 급전장치의 구조에서 급전코일선간 간격을 크게 한 경우를 나타내는 도면이다.

도 11에 도시된 바와 같이, 급전장치(40)의 급전코일선(41)간의 간격을 매 우 크게 하거나 하나의 급전코일선(41)만으로 전력전달이 이루어지는 경우, 급전선(44)의 양 끝단에 집중된 자기력선이 'ㄷ' 자형 집전코어(61)와 자기 폐회로를 구성하여 전력전달이 원활히 이루어지게 된다. 이와 같은 구조는 큰 전력은 아니지만 긴 선로를 가설해야 하는 골프장에 적용시 비용을 절감할 수 있어서 적합하다. 또한, 왕복도로에서 가는 쪽과 오는 쪽의 레인에 각각 이와 같은 단일 급전코일선을 설치하거나, 도로상 한 방향에 여러 레인을 설치해야 하는 경우에도 이와 같이 단일 급전코일선이 적합하다. 이러한 단일 급전코일선을 이용한 모노레일 급전방식에 의하면 동일한 크기의 급전장치 폭에 대해 급전코일선을 2개 사용한 경우에 비해 급전코일선의 폭을 2배로 넓게 할 수 있어 결과적으로 집전장치(60)의 좌우/상하 변동 허용폭을 2배 늘릴 수 있게 된다.

도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 'ㄷ'자 형상의 초박형 급전장치와 평판형 집전장치의 구조를 나타내는 도면이다.

도 12에 도시된 바와 같이, 'ㄷ'자 형상의 초박형 급전장치(70)는 도로의 길이 방향을 따라 연장되는 초박형의 'ㄷ'자 형상의 급전코어(72), 절연체(73)로 감싸진 급전선(74)이 적층되는 구조의 급전코일선(71) 및 급전코일선(71)을 관통하여 상하 도로를 연결하여 고정시키기 위한 연결못(75)으로 구성된다. 급전코어(72)의 양 끝단부는 도로 표면에 맞닿는 구조로서, 도로 표면에 얇은 급전코어(72)만 노출되고 다른 부분은 아스팔트나 시멘트로 뒤덮여 급전코일선(71)의 덮개 등으로 인해 도로 표면의 마찰계수 등이 달라지는 것을 방지할 수 있게 된다. 또한, 자기 력선이 급전코어(72)의 양 끝단에 집중되어 도로 표면 위를 지나는 전기자동차용 집전장치와 최단거리로 자기회로를 구성할 수 있게 된다. 급전코어(72)의 재질로서 도로와 마모도가 동일 내지 유사한 것을 사용하는 경우 도로가 닳아지게 되면 급전코어(72)의 끝부분이 함께 닳게 되므로, 항상 도로표면에 튀어나온 급전코어(72)의 높이는 도로 표면과 일정하게 된다. 만약 도로를 재포장하게 되면 급전코어(72)에 해당하는 부위에 재포장하는 높이 만큼의 코어를 추가로 부착하고 도로를 시공하면 된다. 이 때 추가로 부착하는 코어와 기존 코어간 작은 공극간격이 있거나 이물질이 있어도 집전장치와의 공극이 수 cm 이상으로 크기 때문에 특별한 문제가 되지 않는다.

코어를 추가로 부착하는 방법에 있어서, 통상 여러개의 얇은 코어판을 적층하여 코어를 구성하므로 이의 중앙에 쐐기형의 코어를 박거나, 추가할 코어를 'ㄷ'자 모양 코어의 측면에 박는 방법, 단순히 'ㄷ'자 모양 코어 상부에 얹는 방법이 가능하다. 초박형 코일은 다른 형상의 것에 비해 누설 인덕턴스가 최소화되기 때문에 'ㄷ'자형으로 굴곡하면서 약간 늘어나는 누설 인덕턴스는 실용적으로 큰 문제가 되지 않는다. 상기에서는 단일 급전코일선의 경우를 예로 보이고 있지만 복수의 급전코일선의 경우에도 그 효과는 동일하다.

한편, 평판형 구조의 초박형 집전장치(80)는 초박형 급전장치(70)와 일정 간격을 유지하여 전기자동차에 설치되는 평판형 집전코어(81)와, 평판형 집전코어(81)에 일정 간격을 두고 상하 방향으로 감겨지는 다수개의 집전코일(82)로 구성된다. 평판형 집전코어(81)를 'ㅡ'형으로 하여 전기자동차의 하부에 부착 가능한 최대 길이만큼 연장할 수 있다. 이와 같이 평판형 집전코어(81)의 폭을 매우 넓게 해주면 집전장치의 좌우편차를 차량의 폭보다 약간 작게 2~3m까지 크게 할 수 있어 집전장치의 좌우제어가 아예 불필요할 수도 있다. 또한, 평판형 집전코어(81)에 일정 간격으로 배치된 다수개의 집전코일(82)에서 급전코일선(71)이 바로 위쪽에 놓이는 집전코일을 전기 스위치로 선택할 수 있도록 한다. 기존의 집전장치에서 복수의 집전코일선을 적용한 사례가 있는데, 이 경우 통상 E자형의 코어에 수평방향으로 코일을 여럿 감는 방식인데, E자형 코어의 특성상 코어간 간격이 최소가 되는 특정 위치에서만 특정 코일의 자속밀도가 최대가 되는 단점이 있었다. 하지만, 본 발명에서는 'ㅡ'자형 코어를 사용함으로써 모든 위치에서 동일한 자속밀도가 보장될 수 있어 이러한 문제를 극복할 수 있게 된다. 또한, 본 발명에서는 'ㅡ'자형 집전코어의 상하방향으로 집전코일을 좁게 감을 수 있어 급전코어와 집전코어의 공극 간격이 넓어지더라도 1, 2차측의 자기적 결합을 보다 강하게 할 수 있다. 또한, 집전코일의 전선에는 급전코일선의 자장이 직접 가해지는 특성이 있어 일반 평판형 도체를 사용하면 와류손(eddy current loss)이 발생할 수 있으므로 리쯔와이어나 폭이 매우 좁은 평판형 도체를 적층하여 사용해야 한다. 이렇게 하면 집전코일의 전선이 거의 손실없이 급전코어의 자장은 통과시키면서도 집전코어의 자속에 비례하여 2차측 전압을 유기시키는 작용을 원활히 수행할 수 있게 된다.

'ㄷ'자형 급전코일선을 시공하는 방법에 있어서, 미리 'ㅡ'자 평판형으로 제작하여 롤 형태로 말아서 시공현장까지 이송 후 현장에서 'ㄷ'자로 절곡하여 시공하는 방법이 있다. 이 때 절곡이 용이하게 절곡이 될 부위의 급전선이나 급전코 어를 접히는 방향(=폭방향)으로 단절해도 된다. 이렇게 해도 길이방향으로는 연결이 되어있기 때문에 급전선의 자기적 특성이 크게 나빠지지 않는다. 또 다른 방안은 'ㄷ'자형으로 미리 길게 제작하여 운반하거나 현장에서 사출하는 방법이 있다. 또한, 'ㄷ'자형 급전코일선을 도로에 파묻게 되면 급전코일선 내측 도로와 외측 도로가 분리될 위험이 있으므로, 내측과 외측 도로를 연결해주는 적절한 수단이 필요하다. 예컨대 대형 연결못으로 내측과 외측 도로를 연결하기 위해 넓은 면적의 못 머리나 넓적한 형태의 못 기둥, 한번 박히면 빠져나오기 힘든 못 뿌리 등 다양한 형태로 구성될 수 있다. 또는 급전코일선의 코어를 일정간격으로 수 cm 정도 배제하고 그 자리에 급전선만 관통하여 여러 개의 못으로 내측과 외측 도로를 연결하는 방법도 있다. 또 다른 방법으로, 'ㄷ'자형의 연결못을 위쪽에서 박아 내측과 외측 도로를 연결하고 이보다 높게 도로 포장을 하여 도로 표면에 튀어나오지 않게 한다.

도 13은 도 12의 평판형 집전장치의 변형예를 나타내는 도면이다.

도 13에 도시된 바와 같이, 전술한 도 12의 평판형 집전코어의 중앙부를 좁은 'ㄷ'자 모양으로 절곡하여 변형한 초박형 집전코어(91)로서, 이러한 구조에서는 집전코일(92)의 면적을 크게 만들 수 있는 공간이 확보되어 도선 손실을 줄일 수 있게 된다. 또한, 집전코일(92)이 하나만 설치된 경우에 집전코어(91)의 폭을 급전코일선(71)의 폭만큼 좌우로 길게 해주면 집전장치(90)의 좌우편차가 최대 급전코일선 폭의 절반까지 커지게 된다.

도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 격자모양의 초박형 급전장치의 구조를 나타내는 도면이다.

도 14에 도시된 바와 같이, 본 발명의 격자모양의 초박형 급전장치(100)는 절연된 급전선(101)을 도로의 폭 방향으로 일정간격으로 다수개로 분리하고, 급전코어(102)는 도로의 길이 방향으로 일정간격으로 다수개로 분리하여 구성된다. 다수개로 분리된 급전선(101)과 상기 다수개로 분리된 급전코어(102)가 격자 형상으로 배열되며, 다수개로 분리된 급전코어(102)의 끝단(103)은 도로의 길이 방향을 따라 서로 연결된다. 이와 같이 격자모양으로 급전장치를 구성하여 도로에 매설하면 격자 사이로 내측과 외측 도로가 이어져 시공 후에는 급전장치가 도로와 일체형으로 박혀있는 형태가 된다. 이렇게 구성하는 것이 다소 번잡하기는 하나, 별도로 연결기구를 사용하여 도로 내측과 외측을 연결시킬 필요가 없게 된다. 이러한 격자모양의 초박형 급전장치는 다양한 형태로 변형 실시될 수 있다. 일예로서, 초박형 급전코어를 길이방향으로 50~100cm 정도 단위로 절단하여 5~10cm 정도 띄우고 시설하고 급전선은 2~4개로 나누어 수 cm 정도의 간격을 띄워 그 사이로 내측과 외측 도로가 연결되도록 한다. 이 때 초박형 급전코어와 급전선을 분리하여 운반하여 현장에서 조립할 수도 있고, 미리 하우징을 하여 현장까지 운반할 수도 있다. 급전선은 바닥에 2개만 설치할 수도 있고, 측면에 2개만 설치할 수도 있다. 급전선을 바닥에만 설치할 경우는 설치작업이 용이하나 측면의 코어를 통해 누설자속이 추가로 발생하는 단점이 있다. 측면에만 급전선을 설치하면 바닥쪽의 누설자속이 다소 증 가하나, 코어의 내측 도로 부분이 급전선을 경유하지 않고 코어에 맞닿게 되어 도로상 차량 하중에 의한 압력이나 미끄럼에 강하다. 또한, 내측과 외측 도로간 점착력을 향상시키기 위해 급전선이나 코어의 표면을 밋밋하게 하지 않고 울퉁불퉁하게 할 수 있으며, 도로상의 충격이나 하중을 완충시키기 위한 재료나 적절한 구조를 급전선이나 코어의 표면에 설치할 수 있다. 다른 예로서, 초박형의 급전선과 급전코어를 여러 토막으로 나누되 이들을 모두 한 평면에 놓이게 하우징하는 것이다. 이렇게 급전코일선을 평면형으로 제작하면 롤 형태로 말아서 운반한 후 현장에서 'ㄷ'자로 굴곡하거나, 코어만 평면형으로 제작하여 접어서 운반한 후 현장에서 다시 펴서 사용하기에 편리하다. 격자모양 초박형 급전장치(100)는 굽어진 도로나 상하 굴곡이 심한 도로에 시공할 때 좌우 상하로 굴곡하여 작업하기에 편리한 특성을 갖고 있다. 이러한 격자모양의 초박형 급전장치(100)에서 급전코어(102)의 끝단(103)을 도로의 길이 방향으로 연결하여 도로 표면에 노출시키면 집전장치와 자기적으로 결합하는 데에 있어서 전술한 도 12에서의 초박형 급전장치와 동일한 조건이 된다.

도 15는 본 발명에 따른 공진 커패시터의 취부 구조를 나타내는 도면이다.

도 15에 도시된 바와 같이, 초박형의 급전 코어(112), 절연체(113), 급전선(114)으로 구성된 급전코일선(111)이나, 급전코일선을 보호하기 위한 보호 덮개(116)가 추가된 초박형의 급전장치(110)에서, 도로의 길이 방향으로 일정 간격마다 종단면에 직렬 커패시터(117)를 취부한다. 여기서, 직렬 커패시터(117)는 통상 100~200m 간격으로 시설하여 직렬 인덕턴스에 의한 교류 유기전압을 상쇄시켜 주는 작용을 한다. 급전장치를 이 간격으로 시설하고 그 종단에 직렬 커패시터를 연결하면 되는데, 도로 특성상 커패시터를 매설하고 급전선(114)만 나선으로 하여 납땜, 용접이나 볼팅을 이용해 체결한 후 몰딩을 하여 절연시키면 된다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

도 1은 종래의 전기자동차용 급전장치와 집전장치의 구조를 나타내는 도면.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 초박형 급전장치의 구조를 나타내는 도면.

도 3 내지 도 5는 본 발명의 초박형 급전코일선을 도로 바닥에 시공하는 방법에 대한 다양한 예를 나타내는 도면.

도 6은 본 발명의 초박형 급전코일선의 강도를 보강하기 위한 구조를 나타내는 도면.

도 7은 도 2의 초박형 급전장치 구조의 변형예를 나타내는 도면.

도 8 및 도 9는 도 7에 도시된 초박형 급전장치를 사용했을 경우의 자력선 분포를 나타내는 도면.

도 10은 도 7에 도시된 초박형 급전장치의 구조에서 급전코일선간 간격을 최소화한 경우를 나타내는 도면.

도 11은 도 7에 도시된 초박형 급전장치의 구조에서 급전코일선간 간격을 크게 한 경우를 나타내는 도면.

도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 'ㄷ'자 형상의 초박형 급전장치와 초박형 집전장치의 구조를 나타내는 도면.

도 13은 도 12의 초박형 집전장치의 변형예를 나타내는 도면.

도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 격자모양의 초박형 급전장치의 구조를 나타내는 도면.

도 15는 본 발명에 따른 직렬 커패시터의 취부 구조를 나타내는 도면.

Claims

전기자동차에 비접촉으로 전력을 공급하는 급전장치로서,

도로에 매설된 1개의 급전코일선 또는 일정한 간격을 두고 평행하게 도로에 매설되는 2개 이상의 상기 급전코일선을 포함하며, 상기 급전코일선은,

도로의 길이 방향을 따라 연장되는 평판형 급전코어;

상기 급전코어의 위쪽에 배치되고, 교류전력을 공급하는 평판형 급전선; 및

상기 급전코어와 급전선 사이에 삽입되어 상기 급전코어와 급전선 상호간을 절연시키기 위한 평판형 절연체를 구비하는 초박형 급전장치.
청구항 1에 있어서,

상기 급전코일선은 상기 급전선, 상기 절연체 및 상기 급전코어를 감싸는 하우징을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 초박형 급전장치.
청구항 1에 있어서,

상기 급전코일선을 보호하기 위하여, 상기 급전코일선 상부에 배치되며 비자성 특성을 갖고 비금속 재질로 이루어진 보호덮개를 더 구비하는

것을 특징으로 하는 초박형 급전장치.
청구항 1에 있어서,

도로에 인가되는 하중을 분산시키기 위하여, 상기 급전코일선 하부에 도로의 길이 방향을 따라 배치되고 비자성 특성을 갖는 재료로 구성되는 기저강판을 더 포함하는

것을 특징으로 하는 초박형 급전장치.
청구항 1에 있어서,

상기 급전코어는 서로 절연되어 적층된 다수의 두께가 얇은 판재 형태의 자성체를 구비하는

것을 특징으로 하는 초박형 급전장치.
청구항 1에 있어서,

상기 급전선은 서로 절연되어 적층된 다수의 두께가 얇은 도전성 판재를 구비하는

것을 특징으로 하는 초박형 급전장치.
청구항 1에 있어서,

상기 급전코일선은 접착성 충진재료에 의해 고정되어 도로의 길이 방향을 따라 매설되는

것을 특징으로 하는 초박형 급전장치.
청구항 1에 있어서,

상기 급전코일선은 고정핀에 의해 고정되어 도로의 길이 방향을 따라 매설되는

것을 특징으로 하는 초박형 급전장치.
청구항 1에 있어서,

상기 절연체는 급전선이 삽입되는 복수개의 홈 및 이들 홈을 구획하고 도로를 주행하는 차량으로부터의 하중을 지지하는 복수개의 돌출부를 구비하는

것을 특징으로 하는 초박형 급전장치.
청구항 1에 있어서,

상기 급전코어는 상기 급전선과 절연체를 감싸도록 ㄷ-자로 절곡된 형태를 가짐으로써, 상기 급전선의 양 끝단에 자기력선이 집중되어 전기자동차용 집전장치의 집전코일과 자기 폐회로를 구성하는

것을 특징으로 하는 초박형 급전장치.
전기자동차에 비접촉으로 전력을 공급하는 급전장치로서,

1개 이상의 급전코일선을 포함하며, 상기 급전코일선은,

ㄷ-자 형태로 양 단부가 절곡된 상태로 도로의 길이 방향을 따라 연장되는 평판형 급전코어;

상기 급전코어의 절곡된 양 단부 사이의 공간에 배치되고, 교류전력을 공급하는 급전선; 및

상기 급전선을 감싸는 구조로 상기 급전코어와 급전선 상호간을 절연시키는 절연체를 구비하되,

상기 급전코어는 상기 절곡된 양 단부의 끝단이 도로면과 같은 평면에 놓이게 배치되며, 상기 급전코어의 절곡된 양 단부 사이의 공간은 도로와 동일한 재료로 채워짐으로써 도로면이 균일한 평면을 갖도록 한

초박형 급전장치.
청구항 11에 있어서,

상기 급전코어의 절곡된 양 단부 사이의 공간에 채워진 내측 도로와 상기 급전코어의 외측 도로를 연결하여 상기 급전코어를 도로에 고정시키는 연결부재를 더 포함하는

것을 특징으로 하는 초박형 급전장치.
청구항 11에 있어서,

상기 급전코어는 도로를 구성하는 재료와 동일한 마모도를 갖는

것을 특징으로 하는 초박형 급전장치.
청구항 11에 있어서,

상기 급전선은 서로 간격을 두고 다수개로 분리되며 상기 급전코어는 도로의 길이 방향으로 서로 간격을 두고 다수개로 분리되어 상기 다수개로 분리된 급전선과 상기 다수개로 분리된 급전코어가 격자 형상으로 배열되어, 상기 급전코어의 절곡된 양 단부 사이의 공간에 채워진 내측 도로와 상기 급전 코어의 외측 도로가 서로 연결됨으로써 상기 급전코일선이 도로와 견고하게 일체화가 되는

것을 특징으로 하는 초박형 급전장치.
청구항 14에 있어서,

상기 다수개로 분리된 급전코어의 끝단은 도로의 길이 방향을 따라 서로 연결되는

것을 특징으로 하는 초박형 급전장치
청구항 11에 있어서,

상기 급전코일선은 상기 급전선, 상기 절연체 및 상기 급전코어를 감싸는 하우징을 더 구비하는

것을 특징으로 하는 초박형 급전장치.
도로를 따라 연장되는 급전장치로부터 자기유도방식으로 전력을 공급받는 전기자동차용 집전장치로서,

급전장치와 일정간격 떨어져서 전기자동차에 설치되는 평판형 집전코어; 및

상기 평판형 집전코어에 상하 방향으로 감겨지는 1개 이상의 집전코일

을 포함하는 초박형 집전장치.
청구항 17에 있어서,

상기 평판형 집전코어는 중앙에 ㄷ-자 형태로 절곡된 절곡부를 구비하며 상기 절곡부에 상기 집전코일이 감겨지는

것을 특징으로 하는 초박형 집전장치.
청구항 1 또는 청구항 11에 기재된 급전장치를 도로에 설치하는 방법으로서,

(a) 도로를 따라 일정한 간격을 띄우고 2개의 상기 급전코일선을 배열하는 단계;

(b) 2개의 상기 급전코일선 사이의 간격에 커패시터를 매설하는 단계;

(c) 상기 급전코일선의 상기 커패시터와 마주보는 단부에서 각각 급전선을 노출시켜 나선부를 제공하는 단계;

(d) 상기 나선부와 상기 커패시터를 전기적으로 연결한 후 연결부를 외부와 절연시키는 단계

를 포함하는 전기자동차용 급전장치 설치방법.