KR20120006603A - Resonator for magnetic resonance power transmission device using current source input - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: The resonating apparatus of a current source input magnetic resonance power relay apparatus is provided to secure a maximum power transfer characteristic by constituting a resonance circuit which includes the magnetizing inductance of a transformer in a secondary side. CONSTITUTION: A magnetic resonance power relay circuit comprises a input power source(11) and a current control circuit(10). The current control circuit controls the input power source switching frequency which is higher than the resonant frequency of an input terminal feed line. A resonant part(70) comprises secondary side leakage inductance(71), a recompensing capacitor(73), and a magnetizing inductance(75). The resonant part recompenses voltage drop by entire leakage inductance and transfers maximum power to a load. The capacity of the recompensing capacitor is determined by the switching frequency of a system and the entire leakage inductance.

Description

전류원 입력 자기공명 전력전달장치의 공진장치{RESONATOR FOR MAGNETIC RESONANCE POWER TRANSMISSION DEVICE USING CURRENT SOURCE INPUT}Resonator of current source input magnetic resonance power transmission device {RESONATOR FOR MAGNETIC RESONANCE POWER TRANSMISSION DEVICE USING CURRENT SOURCE INPUT}

본 발명은 전류원 입력 자기공명 전력전달장치의 공진장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 입력전류보다 훨씬 큰 부하전류를 얻어 큰 출력을 부하에 전달할 수 있도록 하기 위해서 2차측에 변압기의 자화 인덕턴스를 포함한 공진회로를 구성함으로써 최대 전력전달 특성을 얻을 수 있는 전류원 입력 자기공명 전력전달장치의 공진장치에 관한 것이다.The present invention relates to a resonator of a current source input magnetic resonance power transmission device, and more particularly, to a resonant circuit including a magnetizing inductance of a transformer on a secondary side in order to obtain a load current much larger than an input current and to transfer a large output to a load. The present invention relates to a resonator of a current source input magnetic resonance power transfer device capable of obtaining a maximum power transfer characteristic by constructing a furnace.

일반적으로 자기공명 전력전달장치에 사용되는 공진방식은 변압기의 1,2차측에 연결되는 커패시터의 연결방식에 따라서 직렬-직렬, 직렬-병렬, 병렬-직렬, 그리고 병렬-병렬의 4가지 방식이 있으며 시스템에 따라 최적화된 공진방식을 적용하고 있다.In general, there are four types of resonance methods used in a magnetic resonance power transmission device, series-serial, series-parallel, parallel-serial, and parallel-parallel according to the connection method of capacitors connected to the primary and secondary sides of the transformer. Optimized resonance method is applied according to the system.

기존의 전압원입력 공진형 변압기는 1차측과 2차측이 동일한 주파수에 공진되도록 하도록 한다. 그런데 온라인 전기자동차와 같이 급전선로에 올라오는 차량의 대수에 따라서 1차측의 부하 변동이 심하게 발생하는 적용분야에서는 부하 변동에 따른 변압기 1차측 공진주파수가 달라지는 문제가 발생한다. 이로 인해 1차측과 2차측에 공진주파수가 각각 존재하게 되어서 1,2차측을 동시에 동일한 주파수로 공진시킬 수 없다. 또한 순간적인 부하변동으로 인한 쇄도전류(inrush current)가 발생해서 IPT의 안정성을 떨어뜨리고 다수 부하 구동시 입력전압의 분배로 인해 각각의 IPT에 전달되는 전력이 감소하며 각 부하에 전달되는 전압을 예측하기가 어렵다.Conventional voltage source input resonant transformers allow the primary and secondary sides to resonate at the same frequency. However, in applications where the load fluctuation on the primary side is severely generated according to the number of vehicles coming on the feeder line, such as an online electric vehicle, there is a problem that the transformer primary side resonant frequency varies according to the load fluctuation. As a result, resonance frequencies exist on the primary side and the secondary side, respectively, so that the primary and secondary sides cannot be resonated at the same frequency at the same time. In addition, inrush current occurs due to momentary load fluctuations, reducing the stability of the IPT, and the power delivered to each IPT decreases due to the distribution of the input voltage when driving multiple loads, and predicts the voltage delivered to each load. Difficult to do

이러한 문제를 해결하기 위해서 온라인 전기자동차에서는 전류원급전 직렬-직렬 공진 방식을 사용한다. 1차측은 인버터의 전류제어를 위해 급전선로 인덕턴스(L1)에 직렬로 커패시터(C1)를 연결하고 스위칭주파수(fs)는 공진주파수(fc)보다 높게 해 준다. 출력전류(Is)는 인버터 전압(Vin)을 급전선로의 잔여 누설 인덕턴스(

Figure pat00001
)로 나눈 값으로 항상 일정하게 되도록 제어한다. 잔여 누설 인덕턴스(
Figure pat00002
)는 하기의 수학식 1에 의해 계산되고, 출력전류(Is)는 수학식 2에 의해 계산된다.To solve this problem, on-line electric vehicles use a series-serial resonance method of current supply. The primary side connects the capacitor (C 1 ) in series with the feed line inductance (L 1 ) for the current control of the inverter and makes the switching frequency (f s ) higher than the resonance frequency (f c ). The output current Is is equal to the inverter voltage Vin with the residual leakage inductance of the feed line.
Figure pat00001
The value divided by) is always controlled to be constant. Residual leakage inductance (
Figure pat00002
) Is calculated by Equation 1 below, and the output current Is is calculated by Equation 2.

Figure pat00003
Figure pat00003

Figure pat00004
Figure pat00004

한편, 자기공명 전력전달장치의 2차측은 부하에 최대전력을 전달하기 위해 사용된다. 이때 2차측의 보상 커패시턴스(C2)는 2차측의 누설 인덕턴스(L2)와 스위칭주파수(fs)로부터 하기의 수학식 3에 의해 계산되도록 한다.On the other hand, the secondary side of the magnetic resonance power transmission device is used to deliver the maximum power to the load. At this time, the compensation capacitance (C 2 ) of the secondary side is to be calculated by the following equation (3) from the leakage inductance (L 2 ) and the switching frequency (f s ) of the secondary side.

Figure pat00005
Figure pat00005

그러나 위와 같이 2차측의 누설 인덕턴스만 고려한 보상회로에서는 자화 인덕턴스에서의 전압강하가 발생하기 때문에 최대 출력전력이 제한되며 큰 부하전류를 출력에 전달할 수 없다. 또한, 1차측을 전압원으로 사용하는 경우 2개의 공진주파수가 나오기 때문에 회로설계 및 시스템의 제어가 어렵다는 문제점이 있었다.However, in the compensation circuit considering only the leakage inductance of the secondary side as described above, the maximum output power is limited because the voltage drop occurs in the magnetizing inductance, and a large load current cannot be delivered to the output. In addition, when the primary side is used as a voltage source, there are problems in that circuit design and control of a system are difficult because two resonance frequencies occur.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 1차측에 보상 커패시터를 직렬로 연결하고 선로의 인덕턴스와 보상 커패시턴스에 의한 공진주파수보다 높은 스위칭 주파수로 동작시켜 등가의 전류원이 되도록 제어해서 1개의 공진 주파수만 존재하게 함으로써, 1차측을 전류원으로 하지 않는 경우에 비해 회로설계 및 시스템 제어를 용이하도록 하고, 2차측 누설 인덕턴스와 변압기의 자화 인덕턴스를 합한 인덕턴스에 대하여 2차측 보상 커패시터를 적용, 최대 출력전력을 얻을 수 있는 전류원 입력 자기공진 전력전달장치의 공진장치를 제공함을 목적으로 한다.The present invention was devised to solve the above problems, by connecting a compensation capacitor in series on the primary side and operating at a switching frequency higher than the resonance frequency caused by the inductance and the compensation capacitance of the line to control the equivalent current source 1 By allowing only two resonance frequencies to exist, it is easier to design the circuit and control the system compared to the case where the primary side is not used as a current source, and a secondary compensation capacitor is applied to the inductance of the secondary leakage inductance and the magnetizing inductance of the transformer. An object of the present invention is to provide a resonant device of a current source input magnetic resonance power transmission device capable of obtaining output power.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전류원 입력 자기공명 전력전달장치의 공진장치의 일 측면에 따르면, 입력전원부; 상기 입력전원부의 입력전원을 입력단 급전선로의 공진주파수보다 높은 스위칭주파수로 제어하는 전류원 제어부; 및 전류원 입력 자기공명 전력전달장치의 2차측 누설 인덕턴스와 자화 인덕턴스를 합한 전체 누설 인덕턴스에 의한 전압강하를 보상하여 부하에 최대전력을 전달하는 공진부를 포함한다.According to an aspect of the resonator of the current source input magnetic resonance power transmission device according to the present invention for achieving the above object, the input power source; A current source controller configured to control the input power of the input power supply unit to a switching frequency higher than a resonance frequency of an input feeder line; And a resonator for compensating a voltage drop caused by the total leakage inductance of the secondary side leakage inductance and the magnetizing inductance of the current source input magnetic resonance power transfer device, to deliver the maximum power to the load.

본 발명에 의하면, 1차측을 전류원으로 하고 자화 인덕턴스를 포함하는 공진을 함으로써 1개의 공진주파수만 존재하게 되어 1차측을 전류원으로 하지 않는 경우에 비해 회로설계 및 시스템의 제어가 용이한 효과가 있다.According to the present invention, when the primary side is the current source and the resonance including the magnetizing inductance is performed, only one resonant frequency exists so that the circuit design and the control of the system are easier than the case where the primary side is not the current source.

또한, 전류원 입력 자기공명 전력전달장치의 2차측 보상회로를 설계함에 있어서 2차측 누설 인덕턴스와 자화 인덕턴스를 합친 전체 인덕턴스에 대하여 보상 커패시터를 적용함으로써 출력전력이 부하전류에 무관하고 누설 인덕턴스에 의해 최대 출력전력이 제한되는 문제를 해결할 수 있는 효과가 있다.In addition, in designing the secondary compensation circuit of the current source input magnetic resonance power transmission device, the compensation capacitor is applied to the total inductance of the secondary leakage inductance and the magnetizing inductance so that the output power is independent of the load current and the maximum output by the leakage inductance. This can solve the problem of power limitation.

또한, 입력전류와 출력전류 사이의 위상차이(90도)로 인해 입력전류와 출력전류에 의해 발생하는 전자기장(EMF: Electro Magnetic Field)을 동시에 차폐할 수 없다는 특성 확인을 통해 입력전류 및 출력전류 각각에 대하여 전자기장 차폐장치의 설계를 제안할 수 있는 효과가 있다.In addition, the input current and the output current are respectively verified by checking that the phase difference (90 degrees) between the input current and the output current cannot shield the electromagnetic field (EMF) generated by the input current and the output current at the same time. There is an effect that can propose a design of the electromagnetic shielding device against.

또한, 입력전류보다 상당히 큰 전류라도 출력전류로 흘릴 수 있으며 자화전류의 제한만 없다면 무제한으로 출력전류를 증대시킬 수 있는 효과가 있다.In addition, even if the current considerably larger than the input current can flow to the output current, there is an effect that can increase the output current indefinitely without limiting the magnetization current.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전류원 입력 자기공명 전력전달회로를 나타내는 도면.
도 2는 도 1의 회로를 등가의 입력 전류원으로 나타낸 자기공명 전력전달회로를 나타내는 도면.
도 3은 도 1에서 2차측 누설 인덕턴스(L2)에 대해서만 보상한 자기공명 전력전달회로를 나타내는 도면.
도 4는 도 3에 대한 공진주파수(fc)에서의 등가회로를 나타내는 도면.
도 5는 도 4의 등가회로에 대한 출력전압특성을 나타내는 도면.
도 6은 도 4의 등가회로에 대한 출력전력전달 특성을 나타내는 도면.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 자화 인덕턴스(Lm)을 포함한 전류원 입력 자기공명 전력전달회로를 나타내는 도면.
도 8은 도 7에서 전류제어 회로부를 등가의 입력 전류원(Is)으로 나타낸 자기공명 전력전달회로를 나타내는 도면.
도 9는 도 8에서 2차측 누설 인덕턴스(L2)와 보상 커패시터(C2) 및 부하저항을 1차측으로 변환시킨 등가회로를 나타내는 도면.
도 10은 도 9의 등가회로에서 입력 전류원(Is)과 자화 인덕턴스(Lm)를 등가의 테브낭 전압원(Vth)으로 변환시킨 등가회로를 나타내는 도면.
도 11은 도 10에서 공진주파수(fc)에서의 등가회로를 나타내는 도면.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 전류원 입력 자기공명 공진회로의 입력전압, 입력전류 및 출력전압, 출력전류에 대한 위상관계를 나타내는 도면.
도 13은 단일 공진주파수에서의 출력특성을 나타내는 도면.
도 14 및 도 15는 출력전류에 맞추어 공진주파수를 가변한 조건에서의 출력특성을 나타내는 도면.
도 16은 본 발명의 전류원 입력 자기공명 전력전달회로의 2차측에 가변 인덕턴스를 직렬로 연결한 회로를 나타내는 도면.1 is a view showing a current source input magnetic resonance power transfer circuit according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 shows a magnetic resonance power transfer circuit showing the circuit of FIG. 1 as an equivalent input current source. FIG.
FIG. 3 is a diagram showing a magnetic resonance power transfer circuit compensated only for the secondary side leakage inductance L 2 in FIG. 1; FIG.
4 shows an equivalent circuit at the resonance frequency f c for FIG. 3.
FIG. 5 is a diagram illustrating output voltage characteristics of the equivalent circuit of FIG. 4. FIG.
FIG. 6 is a diagram illustrating output power transfer characteristics of the equivalent circuit of FIG. 4. FIG.
7 is a diagram illustrating a current source input magnetic resonance power transfer circuit including a magnetizing inductance (L m ) according to an embodiment of the present invention.
FIG. 8 shows a magnetic resonance power transfer circuit showing the current control circuit portion as an equivalent input current source I s in FIG. 7; FIG.
FIG. 9 illustrates an equivalent circuit obtained by converting the secondary leakage inductance L 2 , the compensation capacitor C 2 , and the load resistance to the primary side in FIG. 8.
10 is a current source (I s) input in the equivalent circuit of Figure 9 with the magnetizing inductance (L m) a diagram showing an equivalent circuit was converted to Te beunang voltage source (V th) of the equivalent.
FIG. 11 shows an equivalent circuit at resonant frequency f c in FIG. 10.
12 is a view showing a phase relationship between an input voltage, an input current and an output voltage, and an output current of a current source input magnetic resonance resonant circuit according to an exemplary embodiment of the present invention.
13 shows output characteristics at a single resonant frequency.
14 and 15 show output characteristics under conditions in which the resonant frequency is varied in accordance with the output current.
Fig. 16 is a diagram showing a circuit in which variable inductances are connected in series on the secondary side of the current source input magnetic resonance power transfer circuit of the present invention.

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.
Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Prior to this, terms or words used in the specification and claims should not be construed as having a conventional or dictionary meaning, and the inventors should properly explain the concept of terms in order to best explain their own invention. Based on the principle that can be defined, it should be interpreted as meaning and concept corresponding to the technical idea of the present invention. Therefore, the embodiments described in this specification and the configurations shown in the drawings are merely the most preferred embodiments of the present invention and do not represent all the technical ideas of the present invention. Therefore, It is to be understood that equivalents and modifications are possible.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전류원 입력 자기공명 전력전달회로를 나타내는 도면이다.1 is a view showing a current source input magnetic resonance power transfer circuit according to an embodiment of the present invention.

도 1에 도시된 바와 같이, 입력전원(Vs)(11)과 전류제어회로(10)를 포함한 자기공명 전력전달회로에서 통상 입력전원(11)을 입력단 급전선로의 공진주파수(fc)보다 약간 높은 스위칭주파수(fs)로 전류원 제어를 한다. 입력전압을 제어해서 전류원으로 만드는 전류원 입력 자기공명 전력전달회로에서 입력전류(Is)는 하기의 수학식 4와 같이 정의된다.As shown in FIG. 1, in a magnetic resonance power transmission circuit including an input power supply V s 11 and a current control circuit 10, the input power supply 11 is generally set higher than the resonance frequency f c of the input feeder line. Control the current source with a slightly higher switching frequency (f s ). By controlling the input voltage to the current source type power transfer type magnetic resonance current in the circuit to make the current source (I s) it is defined as shown in Equation 4 below.

Figure pat00006
Figure pat00006

도 2는 도 1의 회로를 등가의 입력 전류원으로 나타낸 자기공명 전력전달회로를 나타내는 도면이다.FIG. 2 is a diagram illustrating a magnetic resonance power transfer circuit showing the circuit of FIG. 1 as an equivalent input current source. FIG.

도 2에 도시된 바와 같이, 도 1에서 입력전원(11)과 1차측 누설 인덕턴스(L1)(13)와, 보상 커패시터(C1)(15) 및 전류제어회로(10)를 등가의 전류원(30)으로 나타낸 자기공명 전력전달 등가회로를 나타낸다.
As shown in FIG. 2, the input power source 11, the primary side leakage inductance L 1 , the compensation capacitor C 1 , and the current control circuit 10 are equivalent current sources in FIG. 1. A magnetic resonance power transfer equivalent circuit shown at 30 is shown.

도 3은 도 1에서 2차측 누설 인덕턴스(L2)에 대해서만 보상한 자기공명 전력전달회로를 나타내는 도면이고, 도 4는 도 3에 대한 공진주파수(fc)에서의 등가회로를 나타내는 도면이며, 도 5는 도 4의 등가회로에 대한 출력전압특성을 나타내는 도면이고, 도 6은 도 4의 등가회로에 대한 출력전력전달 특성을 나타내는 도면이다.FIG. 3 is a diagram showing a magnetic resonance power transfer circuit compensated only for the secondary side leakage inductance L 2 in FIG. 1, and FIG. 4 is a diagram showing an equivalent circuit at the resonance frequency f c for FIG. 3. 5 is a diagram illustrating output voltage characteristics of the equivalent circuit of FIG. 4, and FIG. 6 is a diagram illustrating output power transfer characteristics of the equivalent circuit of FIG. 4.

도 3에 도시된 바와 같이, 2차측 누설 인덕턴스(L2)(51)에 보상 커패시터(C2)(53)를 직렬로 연결한 공진부(50)에서, 2차측 누설 인덕턴스(L2)(51)에 대해서만 커패시터를 이용, 직렬 보상을 해 줌으로써 발생하는 최대 전력전달 제한 특성을 해결한다. 2차측 누설 인덕턴스(L2)(51)에 대해서만 보상을 해 주는 경우 출력전압(Vo)은 하기의 수학식 5와 같이 정의된다.As shown in FIG. 3, in the resonator 50 in which the compensating capacitor C 2 53 is connected in series with the secondary leakage inductance L 2 51, the secondary leakage inductance L 2 ( 51) Only the capacitor is used to solve the maximum power transfer limit caused by series compensation. When compensating only for the secondary leakage inductance L 2 51, the output voltage V o is defined as in Equation 5 below.

Figure pat00007
Figure pat00007

따라서 급전선로의 입력전류(Is)와 변압기의 턴수비(n)와 출력전류(Io)를 곱한 것의 비가 커지면 출력전압은 급격하게 감소한다. 위 출력전압 식으로부터 출력전력(P)은 하기의 수학식 6과 같다.Therefore, when the ratio of the input current Is of the feed line multiplied by the turn ratio ratio n of the transformer and the output current Io increases, the output voltage decreases rapidly. The output power (P) from the above output voltage equation is as shown in Equation 6 below.

Figure pat00008
Figure pat00008

2차측 누설 인덕턴스만 보상한 경우 최대 전력전달은 부하저항과 2차측 자화 인덕턴스(n2Lm)의 크기가 같아지는 조건에서 이루어지며 부하저항이 2차측 자화 인덕턴스보다 작아지는 조건, 즉 부하에 큰 전류를 공급하고자 하는 경우 출력전력은 급격하게 제한된다.When only the secondary leakage inductance is compensated, the maximum power transfer occurs under the condition that the magnitude of the load resistance and the secondary magnetization inductance (n 2 L m ) are the same, and the load resistance becomes smaller than the secondary magnetization inductance, i.e. If you want to supply current, the output power is sharply limited.

한편, 도 4의 등가회로의 출력전압(Vo)은 도 5에 나타난 바와 같이 출력전류(Io)와 턴수비(n)의 곱과 입력전류(Is)의 비(nIo/Is)로 표시된다.
On the other hand, the output voltage of the equivalent circuit of 4 (V o) is a non-(nI o / I s of the output current (I o) multiplied by the input current of the turn-defense (n) (I s) as shown in Figure 5 Is indicated by).

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 자화 인덕턴스(Lm)을 포함한 전류원 입력 자기공명 전력전달회로를 나타내는 도면이고, 도 8은 도 7에서 전류제어 회로부를 등가의 입력 전류원(Is)으로 나타낸 자기공명 전력전달회로를 나타내는 도면이다.7 is a view showing a current source input magnetic resonance power transfer circuit including a magnetizing inductance (L m ) according to an embodiment of the present invention, Figure 8 is an equivalent input current source (I s ) in FIG. It is a figure which shows the magnetic resonance power transfer circuit shown.

도 7에 도시된 바와 같이, 입력전원(Vs)(11)과 전류제어회로(10)를 포함한 자기공명 전력전달회로에서 공진부(70)는 2차측 누설 인덕턴스(L2)(71)에 보상 커패시터(C2)(73)가 직렬로 연결되고 자화 인덕턴스(Lm)(75)가 포함된다. 보상 커패시터(C2)(73)의 용량은 2차측 누설 인덕턴스(L2)(71)와 변압기의 자화 인덕턴스(Lm)(75)를 합한 전체 누설 인덕턴스와 시스템의 스위칭주파수에 의해 결정된다. 이러한 도 7의 전류원 입력 자기공명 전력전달회로에서 입력전원(11)과 1차측 누설 인덕턴스(L1)(13)와 보상 커패시터(C1)(15) 및 전류제어회로(10)를 도 8에서와 같이 등가의 입력 전류원으로 나타낼 수 있다.As shown in FIG. 7, in the magnetic resonance power transfer circuit including the input power supply V s 11 and the current control circuit 10, the resonator 70 is connected to the secondary leakage inductance L 2 71. Compensation capacitor (C 2 ) 73 is connected in series and includes a magnetizing inductance (L m ) 75. The capacitance of the compensation capacitor (C 2 ) 73 is determined by the total leakage inductance (L 2 ) 71 plus the magnetizing inductance (L m ) 75 of the transformer and the switching frequency of the system. In the current source input magnetic resonance power transfer circuit of FIG. 7, the input power source 11, the primary side leakage inductance L 1 13, the compensation capacitor C 1 15, and the current control circuit 10 are illustrated in FIG. 8. It can be represented as an equivalent input current source.

전술한 본 발명의 전류원 입력 자기공명 전력전달회로에서 2차측 집전코일의 출력전류에 의해 발생한 열에 의해 코어특성이 변화되지 않도록 냉각장치가 결합되며, 이러한 냉각장치의 냉각방식은 공냉식, 수냉식, 또는 유체를 이용한다.In the current source input magnetic resonance power transmission circuit of the present invention described above, a cooling device is combined so that core characteristics are not changed by heat generated by the output current of the secondary current collector coil. The cooling method of the cooling device is air-cooled, water-cooled, or fluid. Use

또한, 전류원 입력 자기공명 전력전달회로에서 출력전류는 입력전류와 위상이 항상 직교하기 때문에 입력전류에 의한 EMF와 출력전류에 의한 EMF를 동시에 상쇄시킬 수 없는 특성으로 인해, 본 발명의 전력전달장치에 있어서 입력전류와 출력전류에 의한 EMF를 각각 생쇄시켜 전체 EMF를 기준치 이하로 한다. 입력전류와 출력전류를 각각 상쇄시키는 차폐장치는 각각의 입력 또는 출력전류를 직접 이용하는 액티브 차폐방식과 차폐코일, 차폐망, 구리 또는 알루미늄등의 금속차폐판 등으로 구성한 패시브 차폐방식으로 구성한다. 액티브 차폐방식이란 예를 들어, 온라인 전기자동차 시스템에서 2차측의 집전코일과 반대 방향으로 차폐코일을 되감고, 2차측의 집전코일에 흐르는 전류와 반대 방향으로 차폐코일에 전류를 흘려 EMF를 감소시켜주는 방식이다. 패시브 차폐방식은 차폐코일과 동일한 높이에 차폐코일과 나란하게 페라이트 코어가 배치되어 EMF를 감소시켜주는 방식으로서 액티브 차폐방식과 병행될 수 있다.
In addition, in the current source input magnetic resonance power transfer circuit, the output current is always at right angles with the input current, so the EMF due to the input current and the EMF due to the output current cannot be canceled simultaneously. In this way, the EMFs generated by the input current and the output current are printed out respectively, so that the total EMF is lower than the reference value. The shielding device that cancels the input current and the output current is composed of an active shielding method using each input or output current directly, and a passive shielding method composed of a shielding coil, a shielding network, a metal shield plate such as copper or aluminum. For example, the active shielding system rewinds the shielding coil in the opposite direction to the current collector coil on the secondary side in the on-line electric vehicle system and reduces the EMF by flowing a current to the shielding coil in the opposite direction to the current flowing in the current collector coil on the secondary side. It is a way of giving. The passive shielding method is a method in which a ferrite core is disposed parallel to the shielding coil at the same height as the shielding coil to reduce the EMF, and may be parallel to the active shielding method.

도 9는 도 8에서 2차측 누설 인덕턴스(L2)와 보상 커패시터(C2) 및 부하저항을 1차측으로 변환시킨 등가회로를 나타내는 도면이고, 도 10은 도 9의 등가회로에서 입력 전류원(Is)과 자화 인덕턴스(Lm)를 등가의 테브낭 전압원(Vth)으로 변환시킨 등가회로를 나타내는 도면이며, 도 11은 도 10에서 공진주파수(fc)에서의 등가회로를 나타내는 도면이다.FIG. 9 is a diagram illustrating an equivalent circuit in which the secondary leakage inductance L 2 , the compensation capacitor C 2 , and the load resistance are converted to the primary side in FIG. 8, and FIG. 10 is an input current source I in the equivalent circuit of FIG. 9. s ) and a diagram showing an equivalent circuit obtained by converting the magnetizing inductance L m into an equivalent Thevenin voltage source V th , and FIG. 11 is a diagram showing an equivalent circuit at the resonance frequency f c in FIG. 10.

도 9에 도시된 바와 같이, 자기공명 전력전달장치의 2차측을 등가적인 1차측으로 변환한 도 9의 등가회로에서, 부하저항에서 입력쪽으로 들여다 본 등가 임피던스(Zeq)는 하기의 수학식 7과 같다.As shown in FIG. 9, in the equivalent circuit of FIG. 9 in which the secondary side of the magnetic resonance power transmission device is converted to the equivalent primary side, the equivalent impedance Z eq viewed from the load resistance toward the input is represented by Equation 7 below. Is the same as

Figure pat00009
Figure pat00009

Figure pat00010
Figure pat00010

Figure pat00011
Figure pat00011

Figure pat00012
Figure pat00012

2차측 선로 인덕턴스와 자화 인덕턴스를 합친 전체 인덕턴스에 대해서 보상 커패시터로 완전 공진시키면 부하저항에서 입력쪽으로 들여다 본 전체 임피던스가 0이 되어서 부하저항 양단전압(Vo *)은 등가의 입력전압(Vs)과 같아지고 이것을 2차측 출력전압(Vo)으로 환산하면 하기의 수학식 8과 같다.Full resonance of the secondary line inductance and magnetization inductance combined with the compensating capacitor causes the total impedance seen from the load resistance to the input to be zero, so that the voltage across the load resistance (V o * ) is equal to the equivalent input voltage (Vs). Equal to the secondary output voltage (V o ) is expressed by Equation 8 below.

Figure pat00013
Figure pat00013

위 식으로부터 출력전력(Po)은 하기의 수학식 9와 같다.From the above equation, the output power Po is as shown in Equation 9 below.

Figure pat00014
Figure pat00014

따라서 부하에 전달되는 전력은 급전선로의 입력전류(Is)와 자화 인덕턴스(Lm)의 제곱에 비례해서 증가하고 부하저항이 작으면 이론상 무제한으로 증가한다. 이상적으로 출력전력은 부하전류와 무관하고 또는 누설 인덕턴스에 의해 제한을 받지 않는다.Therefore, the power delivered to the load increases in proportion to the square of the input current Is and the magnetizing inductance Lm of the feed line. Ideally, output power is independent of load current or limited by leakage inductance.

도 9의 1차측으로 변환한 등가회로에서의 자기전압 및 전류특성은 하기의 수학식 10과 같다.The magnetic voltage and current characteristics of the equivalent circuit converted to the primary side of FIG. 9 are expressed by Equation 10 below.

Figure pat00015
Figure pat00015

상기 결과로부터 급전코일 자기전압(VLm)은 자기 임피던스(XLm) 값보다 작아지면 급격하게 증가하며 위상도 입력전류와 동위상이 되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 1차측으로 환산한 출력전류(Io *)는 입력전류보다 상당히 큰 전류라도 흘릴 수 있으며 자화전류(ILm)의 제한만 없다면 무제한으로 출력전류를 증대시킬 수 있다. 결과식으로부터 출력전류(Io *)와 입력전류의 크기 비는 Qm이다.From the above results, it can be seen that the feed coil magnetic voltage V Lm increases rapidly when the magnetic impedance V Lm becomes smaller than the value of magnetic impedance X Lm , and the phase becomes in phase with the input current. In addition, the output current (I o * ) converted to the primary side can flow a current significantly larger than the input current, and can increase the output current indefinitely without limitation of the magnetization current (I Lm ). From the resulting equation, the magnitude ratio of output current (I o * ) and input current is Qm.

위 결과식에서 전압 및 전류 각각의 위상은 입력전류와 자화 인덕턴스(Lm) 양단 전압은 항상 직교하고, 출력전류(Io *)는 입력전류(Is)보다 항상 90도 위상이 앞선다. 따라서 입력전류와 출력전류에 의해 발생하는 EMF를 동시에 차폐할 수 없고 각각의 전류에 대하여 EMF 차폐가 고려되어야 한다.In the above result, the phase of each voltage and current is always perpendicular to the input current and the voltage across the magnetizing inductance (L m ), and the output current (I o * ) is always 90 degrees ahead of the input current (I s ). Therefore, the EMF generated by the input current and output current cannot be shielded at the same time, and the EMF shielding should be considered for each current.

위에서 구한 식의 결과로부터 최대 출력은 하기의 수학식 11에 의해 계산된다.The maximum output from the result of the above equation is calculated by the following equation (11).

Figure pat00016
Figure pat00016

최대 출력을 얻기 위해서는 자기전류를 증가시켜야 하는데 자기전류(ILm)는 출력전력이 커지면 급격하게 증가해서 포화에 이를 수 있기 때문에 최대 출력전력은 자기전류에 의해 제한될 수 있다.The maximum output power can be limited by the magnetic current because the magnetic current must be increased in order to obtain the maximum output, since the magnetic current (I Lm ) can increase rapidly and reach saturation as the output power increases.

따라서, 공진형 변압기에서 최대 출력은 실질적으로 자기전류에 의해 제한되기 때문에 출력증가를 위해서는 급집전코일의 포화방지를 설계 단계에서부터 고려함으로써 국부 발열등에 의한 포화를 사전에 방지해 주어야 한다.Therefore, the maximum output of the resonant transformer is substantially limited by the magnetic current. Therefore, in order to increase the output, the saturation of the feeder coil should be considered from the design stage to prevent the saturation caused by local heating.

한편, 일반변압기는 공진형 변압기와 달리 출력전류와 자기전류가 직접적인 관계가 없고 통상 출력전류가 증가하면 자기전압이 약간 감소해서 포화상태로부터 멀어져 철손은 오히려 감소한다. 또한, 출력전류는 대략 입력전류의 1/n배이며 출력전류가 이보다 크게 되는 경우는 발생하지 않는다.On the other hand, in general transformers, unlike resonant transformers, the output current and the magnetic current do not have a direct relationship. Usually, when the output current increases, the magnetic voltage decreases slightly, away from saturation, and the iron loss decreases. In addition, the output current is approximately 1 / n times the input current, and there is no case where the output current becomes larger than this.

한편, 도 9의 등가회로에서 입력 전류원(Is)과 자화 인덕턴스(Lm)를 등가의 테브낭 전압원(Vth)으로 변환시킨 등가회로는 도 10과 같으며, 도 10의 공진주파수(fc)에서의 등가회로는 도 11과 같다.
On the other hand, also the input current source (I s) in the equivalent circuit 9 and the magnetizing inductance (L m) to which the equivalent circuit is converted to Te beunang voltage (V th) of the equivalent the same as those of Figure 10, the resonant frequency in Fig. 10 (f The equivalent circuit in c ) is shown in FIG.

도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 전류원 입력 자기공명 공진회로의 입력전압, 입력전류 및 출력전압, 출력전류에 대한 위상관계를 나타내는 도면이다.FIG. 12 is a diagram illustrating a phase relationship between an input voltage, an input current and an output voltage, and an output current of a current source input magnetic resonance resonance circuit according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 12에 도시된 바와 같이, 자기전류(ILm)는 하기의 수학식 12와 같다.As shown in FIG. 12, the magnetic current I Lm is represented by Equation 12 below.

Figure pat00017
Figure pat00017

자화 인덕턴스에는 복소전류가 흐르고 자기전압과 자기전류의 위상이 90도가 된다. 부하저항이 감소, Qm이 증가하면 자기전압과 입력전류의 위상차가 점점 감소하면서 동위상에 가까워진다. 1차측에 환산한 등가 출력전류(Io *)는 자기전류의 허수전류 성분이며 입력전류(Is)보다 항상 90도 빠르다. 이것은 입력전류의 크기가 최대일 때 출력전류는 0이 된다는 것을 의미한다. 따라서 입력전류에 의해 발생하는 EMF를 출력전류로는 상쇄시킬 수 없다.The complex current flows through the magnetizing inductance and the phase of the magnetic voltage and the magnetic current is 90 degrees. As the load resistance decreases and Q m increases, the phase difference between the magnetic voltage and the input current gradually decreases, bringing it closer to the in phase. The equivalent output current I o * converted to the primary side is the imaginary current component of the magnetic current and is always 90 degrees faster than the input current I s . This means that the output current will be zero when the magnitude of the input current is maximum. Therefore, the EMF generated by the input current cannot be canceled by the output current.

전술한 본 발명의 일실시예를 설명하기 위한 도면에서는 본 발명의 특징을 강조하기 위해 도면에 입력과 출력단의 내부저항은 무시하고 표기하지 않았다. 그러나 내부저항이 있더라도 본 발명의 본질적인 특성을 설명하는 것에는 큰 변화가 없으며 단, 출력전류가 커질 경우 출력전압의 감소가 발생할 수 있고 내부저항에 의한 소비전력으로 인해 시스템의 효율에 저하되는 것을 설명할 수 있다.
In the drawings for explaining an embodiment of the present invention described above, in order to emphasize the features of the present invention, the internal resistance of the input and output terminals is ignored and not shown. However, even if there is an internal resistance, there is no big change in explaining the essential characteristics of the present invention. However, when the output current increases, the output voltage may decrease and the power consumption by the internal resistance may reduce the efficiency of the system. can do.

도 13은 단일 공진주파수에서의 출력특성을 나타내는 도면이고, 도 14 및 도 15는 출력전류에 맞추어 공진주파수를 가변한 조건에서의 출력특성을 나타내는 도면이다.13 is a diagram showing output characteristics at a single resonant frequency, and FIGS. 14 and 15 are diagrams showing output characteristics under conditions in which the resonant frequency is varied in accordance with the output current.

도시된 바와 같이, 단일주파수로 구동할 경우 완전공진을 해 주더라도 출력전류가 증가함에 따라서 자화 인덕턴스 또는 2차측의 누설 인덕턴스의 변화(추정)로 인해 공진주파수의 변화가 발생해서 출력전력이 급격하게 떨어지는 구간이 발생하게 된다. 물론 사용하는 범위가 위 조건이 일어나지 않는 범위이면 문제가 되지 않지만 그렇지 않은 경우에는 출력전류가 증가하면서 출력전력이 감소하는 문제가 있다. 이러한 현상을 실험하기 위해 스위칭 주파수를 가변하면 그 결과 도 13에서의 감소 부분이 사라지는 것을 확인할 수 있다. 따라서 자기공명 전력전달회로에서 출력전류를 늘이기 위해서는 자기전류에 의해 국부적인 자기포화영역이 발생하지 않도록 코어 단면적을 최대 출력조건에 맞추어 충분히 크게 설계하는 것이 바람직하다.
As shown in the figure, when driving at a single frequency, even if full resonance is performed, the output current increases rapidly as the output current increases due to the change (estimation) of the magnetizing inductance or the leakage inductance on the secondary side (estimation). A falling section will occur. Of course, if the range used is a range where the above conditions do not occur, it does not matter, but otherwise, there is a problem that the output power decreases as the output current increases. When the switching frequency is varied to experiment with this phenomenon, it can be seen that the reduced portion in FIG. 13 disappears. Therefore, in order to increase the output current in the magnetic resonance power transfer circuit, it is desirable to design the core cross-sectional area sufficiently large so as not to generate a local magnetic saturation region due to the magnetic current.

도 16은 본 발명의 전류원 입력 자기공명 전력전달회로의 2차측에 가변 인덕턴스를 직렬로 연결한 회로를 나타내는 도면이다.FIG. 16 is a diagram illustrating a circuit in which variable inductances are connected in series to the secondary side of the current source input magnetic resonance power transfer circuit of the present invention.

도 16에 도시된 바와 같이, 전류원 입력 자기공명 전력전달장치에서 물리적인 공극간격 변화에 의해 공진주파수가 스위칭주파수에서 벗어나 출력전압이 급격하게 떨어지는 것을 방지하기 위해 전류원 입력 자기공명 전력전달회로의 2차측에 가변 인덕턴스(90)를 전자식 또는 기계식으로 부가하여 시스템 공진주파수가 일정하게 유지될 수 있도록 한다. 여기서, 추가한 가변 인덕턴스(90)의 집전코일(91) 내부의 페라이트 코어(93)의 삽입 정도에 따라 L값이 가변된다. 즉, 집전코일에 직렬로 추가 인덕터를 연결하여 L값 변동에 따른 delta L이 보상될 수 있도록 한다.
As shown in FIG. 16, the secondary side of the current source input magnetic resonance power transmission circuit in order to prevent the resonant frequency from the switching frequency and the output voltage drop rapidly due to the change in the physical gap interval in the current source input magnetic resonance power transmitter. The variable inductance 90 is added electronically or mechanically so that the system resonant frequency is kept constant. Here, the L value varies depending on the degree of insertion of the ferrite core 93 inside the current collector coil 91 of the added variable inductance 90. That is, an additional inductor is connected in series to the current collector coil so that the delta L due to the L value change can be compensated.

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.As described above, although the present invention has been described by way of limited embodiments and drawings, the present invention is not limited thereto and is intended by those skilled in the art to which the present invention pertains. Of course, various modifications and variations are possible within the scope of equivalents of the claims to be described.

10 : 전류제어회로 11 : 입력전원
13, 51, 71 : 누설 인덕턴스 15, 53, 73 : 보상 커패시터
30 : 등가 전류원 50, 70 : 공진부
75 : 자화 인덕턴스 90 : 가변 인덕턴스
91 : 집전코일 93 : 페라이트 코어10: current control circuit 11: input power
13, 51, 71: leakage inductance 15, 53, 73: compensation capacitor
30: equivalent current source 50, 70: resonator
75: magnetization inductance 90: variable inductance
91: current collector coil 93: ferrite core

Claims (10)

전류원 입력 자기공명 전력전달장치의 공진장치로서,
입력전원부;
상기 입력전원부의 입력전원을 입력단 급전선로의 공진주파수보다 높은 스위칭주파수로 제어하는 전류원 제어부; 및
전류원 입력 자기공명 전력전달장치의 2차측 누설 인덕턴스와 자화 인덕턴스를 합한 전체 누설 인덕턴스에 의한 전압강하를 보상하여 부하에 최대전력을 전달하는 공진부를 포함하는 전류원 입력 자기공명 전력전달장치의 공진장치.
A resonator of a current source input magnetic resonance power transfer device,
Input power supply;
A current source controller configured to control the input power of the input power supply unit to a switching frequency higher than a resonance frequency of an input feeder line; And
A resonator of a current source input magnetic resonance power transfer device including a resonator configured to transfer a maximum power to a load by compensating a voltage drop caused by a total leakage inductance of a secondary side leakage inductance and a magnetizing inductance of a current source input magnetic resonance power transfer device.
청구항 1에 있어서,
상기 공진부는 전류원 입력 자기공명 전력전달장치의 2차측 누설 인덕턴스에 직렬로 연결된 보상 커패시터에 의해 상기 2차측 누설 인덕턴스와 자화 인덕턴스를 합한 전체 인덕턴스에 의한 전압강하를 보상하는
것을 특징으로 하는 전류원 입력 자기공명 전력전달장치의 공진장치.
The method according to claim 1,
The resonator compensates the voltage drop caused by the total inductance of the sum of the secondary leakage inductance and the magnetizing inductance by a compensation capacitor connected in series with the secondary leakage inductance of the current source input magnetic resonance power transmission device.
Resonator of the current source input magnetic resonance power transmission device, characterized in that.
청구항 2에 있어서,
상기 보상 커패시터의 용량은 상기 전류원 입력 자기공명 전력전달장치의 2차측 누설 인덕턴스와 자화 인덕턴스를 합한 전체 인덕턴스와 상기 스위칭주파수에 의해 결정되는
것을 특징으로 하는 전류원 입력 자기공명 전력전달장치의 공진장치.
The method according to claim 2,
The capacitance of the compensation capacitor is determined by the total inductance of the secondary leakage inductance and the magnetizing inductance of the current source input magnetic resonance power transfer device, and the switching frequency.
Resonator of the current source input magnetic resonance power transmission device, characterized in that.
청구항 1에 있어서,
상기 전류원 입력 자기공명 전력전달장치에서 자기전류에 의해 국부적인 포화영역이 발생하지 않도록 코어 단면적을 최대 출력전력 조건에 맞추어 충분히 크게 한
것을 특징으로 하는 전류원 입력 자기공명 전력전달장치의 공진장치.
The method according to claim 1,
In the current source input magnetic resonance power transmission device, the core cross-sectional area is sufficiently large in accordance with the maximum output power condition so that local saturation region is not generated by magnetic current.
Resonator of the current source input magnetic resonance power transmission device, characterized in that.
청구항 1에 있어서,
상기 전류원 입력 자기공명 전력전달장치에서 2차측 집전코일의 출력전류에 의해 발생한 열에 의해 코어특성이 변화되지 않도록 냉각장치가 결합된
것을 특징으로 하는 전류원 입력 자기공명 전력전달장치의 공진장치.
The method according to claim 1,
In the current source input magnetic resonance power transfer device, a cooling device is coupled so that core characteristics are not changed by heat generated by the output current of the secondary current collector coil.
Resonator of the current source input magnetic resonance power transmission device, characterized in that.
청구항 5에 있어서,
상기 냉각장치의 냉각방식은 공냉식 또는 수냉식 또는 유체를 이용하는
것을 특징으로 하는 전류원 입력 자기공명 전력전달장치의 공진장치.
The method according to claim 5,
The cooling method of the cooling device is air-cooled or water-cooled or using a fluid
Resonator of the current source input magnetic resonance power transmission device, characterized in that.
청구항 1에 있어서,
상기 전류원 입력 자기공명 전력전달장치에서 물리적인 공극간격 변화에 의해 공진주파수가 스위칭주파수에서 벗어나 출력전압이 급격하게 떨어지는 것을 방지하기 위해 2차측에 가변 인덕턴스를 부가하여 공진주파수를 일정하게 유지하는
것을 특징으로 하는 전류원 입력 자기공명 전력전달장치의 공진장치.
The method according to claim 1,
In the current source input magnetic resonance power transmitter, a variable inductance is added to the secondary side to keep the resonance frequency constant in order to prevent the resonance frequency from falling off from the switching frequency due to the change in the physical gap.
Resonator of the current source input magnetic resonance power transmission device, characterized in that.
청구항 7에 있어서,
상기 가변 인덕턴스는 전자식 또는 기계식으로 2차측에 부가된
것을 특징으로 하는 전류원 입력 자기공명 전력전달장치의 공진장치.
The method according to claim 7,
The variable inductance is added to the secondary side electronically or mechanically.
Resonator of the current source input magnetic resonance power transmission device, characterized in that.
청구항 1에 있어서,
상기 전류원 입력 자기공명 전력전달장치에서 입력전류와 출력전류에 의한 전자기장을 각각 생쇄시켜 전체 전자기장을 기준치 이하로 하는
것을 특징으로 하는 전류원 입력 자기공명 전력전달장치의 공진장치.
The method according to claim 1,
In the current source input magnetic resonance power transfer device, the electromagnetic fields generated by the input current and the output current are respectively generated to reduce the total electromagnetic field to a reference value or less.
Resonator of the current source input magnetic resonance power transmission device, characterized in that.
청구항 9에 있어서,
상기 입력전류와 출력전류를 각각 상쇄시키는 차폐장치는 각각의 입력 또는 출력전류를 직접 이용하는 액티브 차폐방식과 차폐코일 또는 차폐망 또는 구리 또는 알루미늄의 금속차폐판을 이용한 패시브 차폐방식으로 구분되는
것을 특징으로 하는 전류원 입력 자기공명 전력전달장치의 공진장치.The method according to claim 9,
The shielding device that cancels the input current and the output current, respectively, is divided into an active shielding method using each input or output current directly and a passive shielding method using a shielding coil or shielding network or a metal shield plate of copper or aluminum.
Resonator of the current source input magnetic resonance power transmission device, characterized in that.
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