KR20140118817A

KR20140118817A - 자동차의 전기 에너지 저장 장치의 비접촉식 충전

Info

Publication number: KR20140118817A
Application number: KR1020140034052A
Authority: KR
Inventors: 울리히 에거; 볼프강 헤르덱; 슈테판 슈밋츠
Original assignee: 독터. 인제니어. 하.체. 에프. 포르쉐 악티엔게젤샤프트
Priority date: 2013-03-27
Filing date: 2014-03-24
Publication date: 2014-10-08
Also published as: US9566872B2; JP2014193110A; JP5837639B2; DE102013103157A1; US20140292266A1; CN104079077A; KR101614597B1

Abstract

본 발명은, 자동차(1)의 외부에 배치된 일차 유닛(13) 및 자동차측 이차 유닛(14)을 포함하는, 자동차(1)의 전기 에너지 저장 장치(2)를 비접촉식으로 충전하는 충전 장치에 관한 것이다. 전기 에너지 저장 장치를 포함하는 자동차의 비접촉식 충전을 간소화하기 위해, 일차 유닛(13)과 이차 유닛(14) 사이의 공극 또는 거리(16)가 감소하도록, 자동차측 이차 유닛(14)이 자동차(1)의 외부에 배치된 일차 유닛(13)을 향해 이동될 수 있다.

Description

자동차의 전기 에너지 저장 장치의 비접촉식 충전{CONTACTLESS CHARGING OF AN ELECTRICAL ENERGY STORE OF A MOTOR VEHICLE}

본 발명은, 자동차의 외부에 배치된 일차 유닛 및 자동차측 이차 유닛을 포함하는, 자동차의 전기 에너지 저장 장치를 비접촉식으로 충전하는 충전 장치에 관한 것이다. 본 발명은 또한 전기 에너지 저장 장치, 자동차측 이차 유닛 및 자동차의 외부에 배치된 일차 유닛을 포함하는 자동차에 관한 것이다. 본 발명은 또한, 자동차의 외부에 배치된, 상술한 충전 장치의 일차 유닛 및 자동차측 이차 유닛을 포함하는, 자동차의 전기 에너지 저장 장치를 비접촉식으로 충전하는 방법에 관한 것이다.

자동차는, 예를 들면, 전기 에너지 저장 장치에 의하여 전기 에너지를 공급받는 전기 모터를 구비한 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차이다. 전기 에너지 저장 장치는, 예를 들면, 일본 공개 특허 JP 2000-152512호에 개시된 바와 같이, 충전 장치의 도움으로 충전될 수 있다. 독일 공개 특허 DE 10 2011 003 436 A1호는 전기 자동차를 충전하기 위한 목적으로 충전 케이블에 의하여 전기 자동차에 연결될 수 있는 전기 자동차용 충전 컬럼(column)을 개시하고 있으며, 이 충전 컬럼은 공간, 특히, 중공형 공간의 관점에서 수축되고 연장될 수 있다.

본 발명의 과제는, 전기 에너지 저장 장치를 포함하는 자동차의 비접촉식 충전을 간소화하는 것이다.

상기 과제는, 자동차의 외부에 배치된 일차 유닛 및 자동차측 이차 유닛을 포함하는, 자동차의 전기 에너지 저장 장치를 비접촉식으로 충전하는 충전 장치에서, 일차 유닛과 이차 유닛 사이의 공극 또는 거리를 좁히기 위해, 자동차측 이차 유닛이 자동차의 외부에 배치된 일차 유닛을 향해 이동될 수 있음으로써 해결된다. 자동차측 전기 에너지 저장 장치의 비접촉식 충전은 바람직하게 이차 유닛을 통해 일차 유닛에 의해 유도되는 방식으로 이루어진다. 여기서 유도란 특히 공진 유도(resonant inductive)를 의미하기도 한다. 바람직하게는, 일차 유닛 및 이차 유닛은 각각, 공진 회로를 형성하기 위해 유도 성분을 나타내는 하나 이상의 전기 코일과, 선택적으로 커패시터 또는 정전 용량 성분을 포함한다. 바람직하게, 자동차는 전기 에너지 저장 장치로부터 전기 에너지를 공급받는 전기 모터를 구비한 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차이다. 자동차의 전기 에너지 저장 장치는 바람직하게 트랙션 배터리(traction battery)이다. 바람직하게 고정 설치된 일차 유닛이 바람직하게 고정식 전력 공급 시스템에 연결된다. 바람직하게는, 일차 유닛 및 이차 유닛이 각각 전력 전자 시스템을 더 포함한다. 일차 유닛과 연관된 자동차의 적절한 배치를 통해, 이차 유닛은 일차 유닛의 부근에 배치된다. 이차 유닛이 일차 유닛에 충분히 가깝게 배치되면, 일차 유닛과 이차 유닛은 변압기를 형성하며, 그 변압기의 공극은 일차 유닛과 이차 유닛 사이의 거리에 의하여 정의된다. 공극이 충분히 작을 때, 전기 에너지가 (공진) 유도 방식으로 고정식 전력 공급 시스템으로부터 일차 유닛 및 이차 유닛을 통하여 자동차의 전기 에너지 저장 장치로 전달될 수 있다. 자동차측 이차 유닛을 자동차의 외부에 배치된 일차 유닛을 향해 이동시키는 간단한 방식으로 일차 유닛과 이차 유닛 사이의 공극의 크기가 최소화될 수 있다. 이는 유도 에너지 전달의 효율에 긍정적인 영향을 미친다.

충전 장치의 한 바람직한 실시예는, 자동차측 이차 유닛이 자동차측 하강 장치의 도움으로, 자동차의 외부에 배치된 일차 유닛을 향해 이동될 수 있는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 범주에서, 자동차측 이차 유닛을 하강시키는 것이 일차 유닛을 자동차측 이차 유닛에 대하여 상승시키는 것에 비해 놀라운 이점을 제공한다는 사실이 발견되었다. 일차 유닛을 상승시키는 경우, 특히, 자동차의 언더바디 영역 내의 금속 부품들로 인한, (공진) 유도 에너지 전달의 효율에 바람직하지 않은 영향을 미치는, 와전류 형태의 고장 전류와 관련하여, 이차 유닛에 대한 일차 유닛의 포지셔닝이 중요한 것으로 입증되었다. 따라서, 상기 포지셔닝은 매우 정확하게 수행되어야 하며, 이는 포지셔닝을 매우 복잡하게 만든다.

충전 장치의 또 다른 한 바람직한 한 실시예는, 자동차측 하강 장치가 유체 동력 장치를 포함하는 것을 특징으로 한다. 유체 동력 장치는 예를 들면, 하나 이상의 유체 실린더, 예를 들면, 이차 유닛을 하강시킬 수 있는 유압 실린더를 포함할 수 있다.

충전 장치의 또 다른 한 바람직한 실시예는 자동차측 하강 장치가 공압 장치를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 범주에서, 예를 들면 하나 이상의 공압 실린더 및/또는 하나의 공압 챔버를 포함하는 공압 장치가 특히 유리한 것으로 입증되었다.

충전 장치의 또 다른 한 바람직한 실시예는, 자동차측 팽창 가능한 공기 챔버를 포함하고, 이 공기 챔버는 팽창 시 자동차측 이차 유닛의 이차 코일이 일차 유닛의 일차 코일을 향해 이동되도록, 배치되고, 설계되며, 자동차측 이차 유닛에 결합되는 것을 특징으로 한다. 팽창 가능한 공기 챔버는 무엇보다 중량이 낮다는 이점이 있다. 일차 유닛의 상승 시에 발생할 수 있는 원하지 않는 이차 전류 또는 고장 전류는, 자동차측 하강 장치가 이용되는 경우에는 발생하지 않는데, 이는 일차 유닛의 부근에 이차 금속 부품이 없기 때문이다.

충전 장치의 또 다른 한 바람직한 실시예는, 자동차측 하강 장치가, 자동차측 이차 유닛이 비작동 위치로 예압되도록 하는 프리스트레싱 장치를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이는, 팽창된 공기 챔버로부터 공기가 배출되는 간단한 방식에 의해 자동차측 이차 유닛이 비작동 위치로 다시 이동될 수 있다는 이점을 제공한다. 이 경우, 자동차측 이차 유닛의 복귀 운동은, 이를 위한 에너지의 요구 없이, 프리스트레싱 장치에 의해 간단한 방식으로 수행된다.

충전 장치의 또 다른 한 바람직한 실시예는, 프리스트레싱 장치가 스프링 장치를 포함하는 것을 특징으로 한다. 스프링 장치는, 예를 들면 헬리컬 스프링, 특히 팽창 가능한 공기 챔버 내에 배치된, 특히 클램핑된 헬리컬 텐션 스프링을 포함한다.

충전 장치의 또 다른 한 바람직한 실시예는, 자동차측 이차 유닛이 자동차의 언더바디 영역 내에 배치되는 것을 특징으로 한다. 이러한 배치는 본 발명의 범위 내에서 특히 유리한 것으로 입증되었다.

충전 장치의 또 다른 한 바람직한 실시예는, 자동차의 외부에 배치된 일차 유닛이 자동차가 주차될 수 있는 바닥의 내부 또는 상부에 배치되는 것을 특징으로 한다. 일차 유닛은, 예를 들면, 주차 영역 또는 차고 영역의 바닥의 내부 또는 상부에 배치된다.

본 발명은 또한 상술한 충전 장치용 하강 장치, 일차 유닛 및/또는 이차 유닛에 관한 것이다. 상기 부품들은 별도로 판매될 수 있다.

본 발명은 또한, 전기 에너지 저장 장치와, 일차 유닛과 이차 유닛 사이의 공극 또는 거리를 좁히기 위해 자동차의 외부에 배치된 일차 유닛을 향해 이동될 수 있는, 상술한 충전 장치의 자동차측 이차 유닛을 포함하는 자동차에 관한 것이다. 자동차는 바람직하게는 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차이다.

자동차의 외부에 배치되는 상술한 충전 장치의 일차 유닛 및 자동차측 이차 유닛을 포함하는, 자동차의 전기 에너지 저장 장치를 비접촉식으로 충전하는 방법과 관련하여 앞에서 언급한 과제는, 대안적으로 또는 추가로, 일차 유닛과 이차 유닛 사이의 공극 또는 거리를 좁히기 위해, 자동차측 이차 유닛이 자동차의 외부에 배치된 일차 유닛을 향해 이동됨으로써 해결된다. 본 발명에 따라 일차 유닛과 이차 유닛 사이의 공극이 최소화됨으로써, 일차 유닛으로부터 이차 유닛으로의 에너지의 전달이 최적화될 수 있다.

본 발명의 추가적인 이점들, 특징들 및 세부사항들은, 하기에서 도면을 참조하여 상세하게 기술되는 일 실시예의 설명을 참조한다.

도 1은 자동차측 이차 유닛이 비작동 위치에 있는, 본 발명에 따른 충전 장치를 포함하는 자동차를 간략하게 나타낸 도면이다.
도 2는 자동차측 이차 유닛이 하강 위치에 있는, 도 1의 충전 장치를 포함하는 자동차를 나타낸다.

도 1 및 도 2는 자동차(1)의 측면도이다. 자동차(1)는, 전기 에너지 저장 장치(2)로부터 에너지를 공급받는 전기 모터를 구비한 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차이다.

전기 에너지 저장 장치(2)는 언더바디 영역 중 자동차(1)의 앞바퀴들(4)과 뒷바퀴들(5) 사이의 언더바디 영역 내에 배치된다. 자동차(1)는 앞바퀴들(4) 및 뒷바퀴(5)에 의하여 바닥(8) 위에 서있게 된다. 바닥(8)은, 예를 들면 자동차(1)용 차고의 바닥이다.

자동차(1)는, 앞바퀴들(4) 및 뒷바퀴들(5) 사이의 언더바디 영역(10)에 전기 에너지 저장 장치(2)에 연결되는 제2 코일(12)을 포함한다. 자동차(1)의 제2 코일(12)은 바닥(8) 내에 내장된 제1 코일(11)의 위쪽에 배치된다.

제1 코일(11)은 자동차(1)의 외부에 배치된 일차 유닛(13)을 대표한다. 제2 코일(12)은 자동차측 이차 유닛(14)을 대표한다.

상기 두 코일(11, 12) 또는 유닛(13, 14)은, 전기 에너지가 (공진) 유도에 의한 비접촉 방식으로 제1 코일(11)로부터 제2 코일(12)로 전달되어 자동차(1) 내의 전기 에너지 저장 장치(2)를 전기적으로 충전할 수 있도록 설계되고 배치된다. 코일들(11, 12) 간의 물리적인 연결은 불필요하다.

코일들(11, 12) 사이의 전기 에너지의 비접촉식 전달은 각종 플러그식 연결을 생략할 수 있다는 이점이 있다. 코일들(11, 12) 간에 비접촉식 방식으로 전기 에너지를 전달할 때 양호한 효율을 보장하기 위해서는, 두 코일(11, 12) 사이의 공극 또는 거리(16)가 최소화되어야 한다.

이를 위해, 자동차(1) 내에 자동차측 이차 유닛(14)용 하강 장치(20)가 통합된다. 하강 장치(20)는 자동차측 이차 유닛(14), 특히, 이차 코일이라고도 불리는 제2 코일(12)을, 도 1에서 화살표(21)로 표시된 것처럼, 하강시킬 수 있게 한다.

하강 장치(20)를 이용하여, 두 코일(11, 12) 사이의 공극 또는 거리(16)를 최소화하기 위해, 이차 유닛(14) 또는 이차 코일(12)이 제1 코일 또는 일차 코일(11)을 향해 이동될 수 있다. 도 1에서, 자동차측 이차 유닛(14)을 포함하는 하강 장치(20)는 비작동 위치에 도시되어 있다.

자동차측 이차 유닛(14)이 비작동 위치에 있을 때, 자동차(1)의 언더바디 영역(10) 내에서 이차 유닛(14)을 하강시키기 위한 개구는 바람직하게 적절한 커버에 의해 폐쇄된다. (도시되지 않은) 커버는, 자동차(1)의 언더바디 영역(10) 내에서 예들 들면 슬라이딩 방식으로 안내될 수 있다.

커버가 폐쇄된 상태에서는 자동차(1)의 언더바디 영역(10) 내 개구가 폐쇄된다. 도 1 및 도 2에서, 자동차(1)의 언더바디 영역(10) 내 개구는 개방된 상태로 도시되어 있다.

하강 장치(20)는 도 1 및 도 2에서 일부분만 간략화되어 도시되어 있다. 하강 장치(20)는 유체 동력 장치, 특히, 공압 장치(23)로서 설계된다. 유체 동력 장치, 특히, 공압 장치(23)는 팽창 가능한 공기 챔버(25)를 포함한다.

도 1에서 팽창 가능한 공기 챔버(25)는 비작동 상태로 도시되어 있다. 도 2에서는 공기 챔버(25)가 팽창되어 있다. 공기 챔버(25)의 팽창에 의해 이차 유닛(14)이, 도 2에 도시된 바와 같이, 일차 유닛(13)을 향해 이동함으로써, 일차 유닛(13)과 이차 유닛(14) 사이의 공극 또는 거리(16)가 최소화된다.

하강 장치(20)는 프리스트레싱 장치(26)를 더 포함한다. 프리스트레싱 장치(26)는, 팽창 가능한 공기 챔버(25) 내에 배치되거나 클램핑된, 예압 스프링 장치를 포함한다.

팽창 가능한 공기 챔버(25) 내에서 스프링 장치가 예압됨으로써, 이차 유닛(14)은 도 2에 도시된 충전 위치로부터 프리스트레싱 장치(26)의 예압을 토대로 도 1에 도시된 비작동 위치로 자동으로 복귀된다. 이를 위해서는, 팽창 가능한 공기 챔버(25)의 공기 배출구를 개방하기만 하면 된다. 프리스트레싱 장치(26)의 예압을 이용함으로써, 이차 유닛(14)을 비작동 위치로 복귀시키기 위해 추가적인 에너지가 요구되지 않는다.

Claims

자동차(1)의 외부에 배치된 일차 유닛(13) 및 자동차측 이차 유닛(14)을 포함하는, 자동차(1)의 전기 에너지 저장 장치(2)를 비접촉식으로 충전하기 위한 충전 장치에 있어서,
일차 유닛(13)과 이차 유닛(14) 사이의 공극 또는 거리(16)를 좁히기 위해, 자동차측 이차 유닛(14)이 자동차(1)의 외부에 배치된 일차 유닛(13)을 향해 이동될 수 있는 것을 특징으로 하는, 비접촉식 충전 장치.
제1항에 있어서, 자동차측 이차 유닛(14)은 자동차측 하강 장치(20)를 이용하여, 자동차(1)의 외부에 배치된 일차 유닛(13)을 향해 이동될 수 있는 것을 특징으로 하는, 비접촉식 충전 장치.
제2항에 있어서, 자동차측 하강 장치(20)는 유체 동력 장치(23)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 비접촉식 충전 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 자동차측 하강 장치(20)는 공압 장치(23)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 비접촉식 충전 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 자동차측 하강 장치(20)는 팽창 가능한 공기 챔버(25)를 포함하며, 상기 공기 챔버(25)는, 팽창 시 자동차측 이차 유닛(14)의 이차 코일(12)이 일차 유닛(13)의 일차 코일(11)을 향해 이동되도록, 배치되고, 설계되며, 자동차측 이차 유닛(14)과 결합되는 것을 특징으로 하는, 비접촉식 충전 장치.
제2항 또는 제3항에 있어서, 자동차측 하강 장치(20)는, 자동차측 이차 유닛(14)을 비작동 위치로 예압하는 프리스트레싱 장치(26)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 비접촉식 충전 장치.
제6항에 있어서, 프리스트레싱 장치(26)는 스프링 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는, 비접촉식 충전 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 자동차측 이차 유닛(14)은 자동차(1)의 언더바디 영역(10) 내에 배치되는 것을 특징으로 하는, 비접촉식 충전 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 자동차(1)의 외부에 배치되는 일차 유닛(13)은, 자동차(1)가 주차될 수 있는 바닥(8)의 내부 또는 상부에 배치되는 것을 특징으로 하는, 비접촉식 충전 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 충전 장치를 위한 하강 장치(20).
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 충전 장치를 위한 일차 유닛(13).
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 충전 장치를 위한 이차 유닛(14).
전기 에너지 저장 장치(2) 및 자동차측 이차 유닛(14)을 포함하는 자동차이며, 상기 자동차측 이차 유닛은, 일차 유닛(13)과 이차 유닛(14) 사이의 공극 또는 거리(16)를 좁히기 위해, 자동차(1)의 외부에 배치된, 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 충전 장치의 일차 유닛(13)을 향해 이동될 수 있는, 자동차.
자동차(1)의 외부에 배치되는, 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 충전 장치의 일차 유닛(13) 및 자동차측 이차 유닛(14)을 포함하는, 자동차(1)의 전기 에너지 저장 장치(2)를 비접촉식으로 충전하는 방법에 있어서,
일차 유닛(13)과 이차 유닛(14) 사이의 공극 또는 거리(16)를 좁히기 위해, 자동차측 이차 유닛(14)이 자동차(1)의 외부에 배치된 일차 유닛(13)을 향해 이동되는 것을 특징으로 하는, 비접촉식 충전 방법.