KR20140001380A - 집전 장치 - Google Patents

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KR20140001380A
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정상훈
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이석환
김양수
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한국과학기술원
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Abstract

본 발명에 따른 일 실시예로서의 집전 장치는, 하우징; 급전수단으로부터 비접촉방식에 의하여, 소스 전력을 흡수하는 집전 픽업(pick-up); 및 상기 집전 픽업과 전기적으로 연결되되, 상기 집전 픽업으로부터 AC전류를 공급받고, 상기 AC전류를 DC전류로 변환하는 렉티파이어(rectifier)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

집전 장치{Power Collector Device}
급전수단으로부터 전력을 공급받아 차량이 구동하기 위한 구동전력을 공급하는 것과 관련이 있다. 더욱 상세하게는 급전수단으로부터 비접촉방식 및 무선방식으로 전력을 공급받아 차량이 구동하기 위한 구동전력을 공급하는 것과 관련이 있다.
집전 장치는 소스 전류(souce current)를 흡수하여 전기차가 구동하기 편리하도록 DC전류로 변환하는 장치다.
전기차량은 전기를 전력 공급원으로 하여 운행하는 차로서 과거의 플러그인 충전방식이 갖는 문제점인 배터리 충전시간이 오래 걸리는 점, 그로 인한 긴 충전 시간 동안 차량을 안전하게 관리하기가 어려운 점 및 목적한 이동거리를 확보하기 위해서는 자주 충전을 해주어야 하는데 전기차량의 운행에 있어서 충전소 및 충전시스템의 설치하는 것이 현실적으로 매우 어려운 점 등을 이유로 도로 등 차량 외부에 설치된 급전선로 등에 흐르는 소스 전류로부터 직접 구동전력을 얻어서 운행이 가능한 비접촉 방식에 의한 충전방식이 연구 및 개발되었다.
집전장치는 일반적으로 차량 하부에 장착되어 도로상에 설치된 급전 선로로부터 비접촉 방식으로 전력을 공급받는 집전 픽업(pick-up)과 집전 픽업으로부터 공급되는 AC전류를 DC전류로 변환하는 렉티파이어(rectifier)로 구성되는데 종래의 집전 장치는 집전 픽업과 렉티파이어가 분리되어 있기 때문에 양 장치를 연결하기 위하여 많은 전선들이 필요하고, 전선들의 연결 부분에 대하여 별도의 방수 방진 처리를 해야 하므로 제품의 제조비용이 상승하고 기구적인 취약부가 발생하는 문제가 있으며 집전 픽업 내부가 소손되는 문제도 있다.
또한, 많은 전선 다발은 방전 및 열손실 등에 의한 에너지 로스(energy loss)를 야기하고 특히 감전의 우려가 있어 인명의 피해도 염려된다.
또한, 렉티파이어가 집전 픽업과 분리되어 이격된 위치에 설치되기 때문에 집전 장치의 무게와 부피가 커지는 문제가 있다. 특히 차량의 종류에 따라서 설치 공간이 부족할 수 있으며 설치가 불가능할 수도 있고, 과다한 무게는 연료 경제성을 떨어뜨리는 문제가 생긴다.
상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로 종래의 집전 장치가 갖는 많은 전선 다발을 제거하여 제품 제조 비용을 절감하고, 제품이 갖는 기구적 취약부를 해소하며, 방전 열손실 등에 의한 에너지 낭비를 줄이고, 감전으로 인한 인명피해를 예방하기 위한 것이다.
또한, 집전 장치의 구성을 일체로 하여 전기차 내부의 협소한 설치공간을 효율적으로 이용하기 위한 것이다.
본 발명에 의한 일 실시예로서의 집전 장치는 하우징을 포함할 수 있다. 상기 하우징은 외함 및 내함으로 이루어질 수 있다.
또한, 급전수단으로부터 비접촉방식에 의하여, 소스 전력을 흡수하는 집전 픽업(pick-up)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 집전 픽업과 전기적으로 연결되되, 상기 집전 픽업으로부터 AC전류를 공급받고, 상기 AC전류를 DC전류로 변환하는 렉티파이어(rectifier)를 포함할 수 있다.
상기 집전 장치는 미세 공진 튜닝을 수행하는 자동 튜닝기를 추가로 포함할 수 있다.
상기 하우징에는 EMI차폐제 및 EMF차폐제 중 적어도 하나가 부착될 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 일 실시예로서의 전기차는 하우징; 급전수단으로부터 비접촉 방식에 의하여, 소스 전력을 흡수하는 집전 픽업(pick-up); 및 상기 집전 픽업과 전기적으로 연결되고, 상기 집전 픽업과 일체로 설치되되, 상기 집전 픽업으로부터 AC전류를 공급받고, 상기 AC전류를 DC전류로 변환하는 렉티파이어(rectifier); 미세 공진 튜닝을 수행하는 자동 튜닝기를 포함하는 집전 장치를 포함할 수 있다.
상기 하우징은 EMI차폐제 및 EMF차폐제 중 적어도 하나가 부착될 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 일 실시예로서의 집전을 수행하는 방법은 집전 픽업(pick-up)이 급전수단으로부터 비접촉 자기유도방식에 의하여 소스 전력을 흡수하는 단계 및 상기 집전 픽업과 전기적으로 연결된 렉티파이어(rectifier)가 상기 집전 픽업으로부터 AC전류를 공급받아 상기 AC전류를 DC전류로 변환하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 집전 장치는 집전픽업과 렉티파이어 간에 길게 연결된 전선을 제거함으로써 방전 및 감전의 가능성이 현저히 감소하는 효과가 있으며, 장치의 기구적 취약부가 없어지므로 내구성이 향상되는 효과가 있다.
또한, 구성요소들을 일체로 설치함으로써 장치의 부피 및 중량을 감소시켜 차량 내부에 설치가 용이한 효과가 있으며, 연료 경제성을 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 집전의 과정을 설명하는 설명도이며, 또한 본 발명에 의한 일 실시예로서의 집전 장치(10)가 차량에 설치된 모습을 나타내는 설명도이고,
도 2은 집전 장치의 외함(21)을 나타내는 설명도이며,
도 3는 집전 픽업(22)을 나타내는 설명도이고,
도 4는 도 3의 집전 픽업(22)에 렉티파이어(25)와 자동 튜닝기(26)를 설치한 것을 나타내는 설명도이며, 또한 본 발명에 따른 일 실시예로서의 집전 장치(10)의 구성을 나타내는 구성도이고,
도 5은 집전을 수행하는 방법과 관련된 단계를 개략적으로 나타낸 설명도이다.
첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 집전 장치(10)에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 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. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하거나, 개략적인 구성을 이해하기 위하여 실제보다 축소하여 도시한 것이다.
또한, 제1 및 제2 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. 한편, 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.
전기차(14)는 구동모터와 배터리를 구비하고 있으며 전기 에너지에 의하여 모터를 구동하여 운행하는 차량을 말한다. 전기차(14)는 충전방식으로 플러그인 방식도 있지만 이미 기술한 단점들을 보완하기 위하여 본 발명의 일 실시예와 같은 비접촉 자기 유도방식에 의하여 충전하는 방식이 연구 개발되고 있다.
도 1은 집전의 과정을 설명하는 설명도이다. 급전수단은 집전 장치(10)에 소스 전류를 공급하기 위한 장치다. 실시예적으로 3상 440V 60Hz의 전류를 인버터를 통하여 급전이 용이하도록 220A 20kHz의 소스 전류로 변환하여 도로(11)상에 매설된 급전 선로(12)로 흘려줄 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 집전 장치(10)는 소스 전류(souce current)를 흡수하여 모터에 의하여 구동되는 전기차량이 구동하기 편리하도록 DC전류로 변환하여 이를 출력해 주는 장치이다. 상기 집전 장치(10)는 집전 픽업(22)과 렉티파이어(25)를 포함할 수 있다.
집전 픽업(22)은 실시예적으로 차량 하부에 장착될 수 있으며 비접촉으로 송신된 자속(magnetic flux B)(13)을 수신하는 장치로서, 급전수단으로부터 비접촉 자기유도충전방식에 의하여 AC전류를 공급받을 수 있다. 다시 말하면, 급전 선로(12)에 소스 전류가 흐르면 암페어의 법칙에 의하여 자기장이 형성되어 자속(13)의 형태로 분출되고 급전 선로(12)가 매설된 도로(11)를 전기차가 운행하는 경우 전기차의 내부에 설치된 집전 픽업(22)이 자속(13)을 공급받아 AC전류로 변환하여 렉티파이어(25)로 공급할 수 있다.
렉티파이어(25)는 차량 내부에 장착되어 집전 픽업(22)으로부터 공급받은 AC전류를 DC전류로 변환하는 장치다. 실시예적으로 렉티파이어에서 나오는 DC출력은 직접 구동계통으로 공급되거나 레귤레이터 또는 배터리 등으로 공급될 수도 있다.
본 발명에 따른 일 실시예로서의 집전 장치(10)는 집전 픽업(22)과 렉티파이어(25)가 전기적으로 연결되며 하나의 플레이트(24)에 일체로 고정 설치될 수 있다.
종래의 집전 장치는 집전 픽업(22)과 렉티파이어가 별개의 장치로서 제조되고, 양 장치 사이에 전선들이 6 내지 10m의 길이로 길게 연결되어, 집전 픽업(22)에서 공급되는 AC전류가 전선을 타고 렉티파이어로 공급되도록 구성된다. 따라서 집전 픽업(22)의 케이스와 렉티파이어의 케이스에 전선을 연결하기 위한 홀이 필요하며 이러한 연결 홀 및 전선들에 대한 방진 방수 처리를 해야 하는 수고가 추가로 필요하다. 또한 전선 다발들의 과열로 집전 픽업(22)이 소손될 염려도 있으며 방전 및 감전의 위험도 존재한다. 또한, 차량의 내부공간이 협소한 경우에는 집전 장치를 설치하는 데 어려움이 있다.
그러나 본 발명은 집전 장치(10)에 있어서 집전 픽업(22)과 렉티파이어(25)를 하나의 하우징 내부에 설치하고 양 장치 사이를 최소 길이의 전선으로 연결하였다. 따라서 전선 다발이 장치와 장치 간에 길게 이어짐으로써 생기는 전선들의 소손 가능성을 줄이고, 방전 및 감전 등의 염려를 차단하므로, 에너지 낭비를 줄이고 인체에 대한 안전성 및 제품 내구성을 향상하는 효과가 있다. 또한, 집전 픽업(22)과 렉티파이어(25)가 하나의 장치에 일체로 설치되므로, 전선들이 하우징 외부로 나올 필요가 없어 하우징에 홀을 만들 필요가 없으므로 장치에 방수, 방진 등의 별도의 처리를 할 필요도 없고, 장치의 부피와 무게를 줄이게 되어 전기차(14)의 협소한 내부공간에서도 설치가 가능하고 차량의 연료 경제성도 향상시키는 장점이 있다.
도 4는 도 3의 집전 픽업(22)에 렉티파이어(25)와 자동 튜닝기(26)를 설치한 것을 나타내는 설명도이며, 본 발명의 일 실시예로서의 집전 장치(10)의 구성을 나타내는 구성도이다. 본 발명의 일 실시예로서의 집전 장치(10)의 자동 튜닝기(26)는 미세공진을 튜닝하는 장치다. 실시예적으로 집전 장치(10) 내에는 집전 픽업(22), 렉티파이어(25) 및 자동튜닝기(26)가 전기적으로 연결되고 하나의 플레이트에 일체로 고정 설치될 수 있다. 집전 장치(10)가 급전수단으로부터 용이하게 집전 기능을 수행하기 위해서는 급전수단에서 방출되는 자기장과 공진 상태를 유지해야 하며 이를 위하여 집전 픽업(22)에는 기본적인 공진 설계가 되어 있다. 그러나 기상 변화나 도로 상황 등 운행 상황의 변화에 의하여 충전시 환경이나 충전시 상황 등이 변하는 경우에는 집전 기능을 최적으로 수행하기 위하여 미세 공진 튜닝이 필요하다. 종래의 집전 장치에 있어서 렉티파이어는 일반적으로 차량의 측면에 배치되어 미세 공진 튜닝시 사람의 작업 용이성이 확보될 수 있다.
그러나 본 발명의 일 실시예로서의 집전 장치(10)는 렉티파이어(25)가 집전 픽업(22)과 일체로 형성되고 차량의 하부에 설치됨으로써 미세 공진 튜닝 작업 공간이 확보될 수 없으므로 자동 튜닝기(26)가 필요할 수 있다.
EMI(electro magnetic interference)는 전기, 전자 기기로부터 직접 방사 또는 전도되는 전자파가 다른 기기의 전자기 수신 기능에 장애를 주는 것을 말한다. 국제 전기 표준 회의(IEC)의 정의에 의하면 EMI는 불필요한 전자기 신호 또는 전자기 잡음에 의해 희망하는 전자 신호의 수신이 장애를 받는 것으로 되어 있다. 본 발명에 의한 일 실시예로서의 집전 장치(10)에 있어서도 EMI는 AC전류를 통해 형성되어 차량 내부의 다른 장치들의 오작동을 일으키는 문제 요소가 될 수 있을 뿐만 아니라 주행 도중에 충전시 주변의 다른 전자장비들에게 문제를 일으킬 수 있으므로 차폐제가 요구될 수 있다. 실시예적으로는 본 발명의 하우징을 구성하는 외함(21)에 있어서 자속을 받는 부분을 제외한 나머지 부분 즉 도 3를 참조하면 상판과 4 개의 측면에 EMI차폐 필름이 부착될 수 있다. EMI차폐 필름의 부착은 실시예적으로 박막형으로 이루어질 수 있으며 외함(21)의 표면을 시트지로 감싸는 방식으로 이루어질 수도 있다. EMI차폐 필름의 재질은 실시예적으로 자성재료 또는 자성체의 성질에 영향을 주는 인자를 포함하는 재료를 사용할 수 있다. 예시적으로는 스테인레스계나 니켈합금으로 구성된 어셈블리를 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 일 실시예로서의 집전 장치(10)에 EMI차폐제가 부착됨으로써 집전 장치(10)에서 나오는 전자파로 인한 타 기기의 오작동을 방지하는 효과를 얻을 수 있다.
EMF는 인체에 노출되는 전자기장을 의미하는 것으로 인체 안전기준을 초과하는 방출량에 대하여 차폐제가 요구될 수 있다. EMF는 주로 집전 픽업(22)의 플레이트(24)의 하부에 위치한 코일(23)에서 방출되는 데 이를 차단하기 위하여 실시예적으로 알루미늄 재질의 플레이트(24)를 사용할 수 있다.
코일(23) 상부의 알루미늄 플레이트(24)가 EMF에 대한 차폐 효과가 있으므로 EMF차폐제는 알루미늄 플레이트(24)의 하부의 내함(27)의 표면 중에서 자속을 받는 부분을 제외한 나머지 부분에 부착될 수 있다. 실시예적으로 도 4를 참조하면 내함(27)의 둘러싼 4개의 측면 및 플레이트(24)를 감싸고 있는 테두리 부분(27a)에 부착될 수 있다. EMF의 재질은 실시예적으로 자성체의 재료 중 하나에 포함되는 것일 수 있으며 예시적으로 알루미늄 계열일 수 있다.
본 발명에 따른 일 실시예로서의 집전 장치(10)에 EMF차폐제를 부착함으로써 인체에 악영향을 미치는 전자기파를 미리 차단할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 또한 본 발명에 의한 일 실시예로서의 집전 장치(10)가 전기차(14)에 설치된 모습을 나타낸다. 집전 장치(10)는 도로(11)상에 설치된 급전수단으로부터 자속(13)을 받을 수 있도록 전기차(14)의 하부에 장착될 수 있으며, DC출력을 안정시키는 레귤레이터 및 여분의 DC출력을 저장할 수 있는 배터리에 연결될 수 있다.
도 5은 집전을 수행하는 방법과 관련된 단계를 개략적으로 나타낸 설명도이다. 도 5을 참조하면, 집전 픽업(22)이 급전수단으로부터 비접촉 자기유도방식에 의하여 소스 전력을 흡수하는 단계(S10) 및 집전 픽업(22)과 전기적으로 연결된 렉티파이어(25)가 집전 픽업(22)으로부터 AC전류를 공급받아 AC전류를 DC전류로 변환시키는 단계(S20)를 포함한다.
앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술 분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10 : 집전 장치
12 : 급전 선로
13 : 자속
21 : 외함
22 : 집전 픽업
25 : 코일
24 : 플레이트
25 : 렉티파이어
26 : 자동 튜닝기
27 : 내함

Claims (6)

  1. 하우징;
    급전수단으로부터 비접촉 방식에 의하여, 소스 전력을 흡수하는 집전 픽업(pick-up); 및
    상기 집전 픽업과 전기적으로 연결되고, 상기 집전 픽업과 일체로 설치되되, 상기 집전 픽업으로부터 AC전류를 공급받고, 상기 AC전류를 DC전류로 변환하는 렉티파이어(rectifier)
    를 포함하는 집전 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    미세 공진 튜닝을 수행하는 자동 튜닝기를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 집전 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 하우징은 EMI차폐제 및 EMF차폐제 중 적어도 하나가 부착된 것을 특징으로 하는 집전 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 의한 집전 장치를 포함하는 전기차.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 하우징은 EMI차폐제 및 EMF차폐제 중 적어도 하나가 부착된 것을 특징으로 하는 집전 장치를 포함하는 전기차.
  6. 집전 픽업(pick-up)이 급전수단으로부터 비접촉 자기유도방식에 의하여 소스 전력을 흡수하는 단계;
    상기 집전 픽업과 전기적으로 연결된 렉티파이어(rectifier)가 상기 집전 픽업으로부터 AC전류를 공급받아 상기 AC전류를 DC전류로 변환시키는 단계
    를 포함하는 집전을 수행하는 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015152590A1 (ko) * 2014-03-31 2015-10-08 이재용 무선전력 수신장치 및 무선전력을 이용한 전기전자기기 구동 방법

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