KR20160013862A - 무선 전력 전달 시스템을 위한 자기장 검출 장치 - Google Patents

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조지 엔. 시모폴로스
제프리 에이. 엘리
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델피 테크놀로지스 인코포레이티드
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Abstract

본 발명에 따르면, 무선 전력 전달 시스템(10)의 캡처 공진기(38)와 배터리 팩 또는 전기 모터 등의 전기 부하(18) 사이의 전기 연결을 제어하도록 구성되는 무선 전력 수신기(16)가 제공된다. 무선 전력 수신기(16)의 회로는 캡처 공진기(38)로부터의 전력 출력에 의해 직접적으로 급전되고, 그에 의해 캡처 공진기(38)가 전력을 생성하기 시작하자마자 무선 전력 수신기(16)를 자동적으로 가동시킨다. 무선 전력 수신기(16)는 차량 배터리(18) 등의 외부 공급원에 의해 제공되는 대기 전력을 요구하지 않는다. 무선 전력 수신기(16)가 외부 공급원으로부터의 전력을 요구하지 않으므로, 이것은 차량 배터리(18)의 충전 상태가 제어기(50)를 동작시키지 못할 정도로 과도하게 낮더라도 차량 배터리(18)의 충전을 개시할 수 있다.

Description

무선 전력 전달 시스템을 위한 자기장 검출 장치{MAGNETIC FIELD DETECTION APPARATUS FOR A WIRELESS POWER TRANSFER SYSTEM}
본 발명은 일반적으로 무선 전력 전달 시스템에 관한 것이고, 더 구체적으로 자기장을 검출하여 무선 전력 수신기를 작동시키는 장치에 관한 것이다.
무선 전력 전달 시스템의 소스 공진기(source resonator)와 캡처 공진기(capture resonator) 사이에서의 전력 전달은 대개 무선 통신 링크가 차량 외부의 송신기 제어기와 차량 내부의 수신기 제어기 사이에 수립된 후에 개시된다. 전원과 부하 사이의 전력 전달은 전원이 부하가 사용할 수 있는 것보다 크지 않은 에너지를 공급하도록 제어되어야 한다. 수신기 제어기는 송신기 제어기와 통신하여 부하에 의해 수용될 수 있는 에너지 전달 속도를 협상한다.
차량이 소스 공진기 근처에 주차된 후의 소정 시간에 전력 전달을 개시하여 예컨대 비-피크(off-peak) 전기 에너지 가격을 이용하는 것이 바람직할 수 있다. 이것을 수행하기 위해, 수신기 제어기는 송신기 제어기와 통신을 수립할 수 있어야 한다. 그러므로, 수신기 제어기는 송신기 제어기에 응답할 수 있는 급전 상태 또는 저전력 대기 상태로 유지되어야 한다. 이들 예 중 어느 경우에나, 수신기 제어기는 전력이 차량 배터리로부터 공급될 것을 요구한다.
배경 섹션에서 논의된 주제는 배경 섹션에서의 언급되어 있다는 것만으로 종래 기술인 것으로 간주되지 않아야 한다. 마찬가지로, 배경 섹션에서 언급되거나 배경 섹션의 주제와 관련되는 문제점이 종래 기술에서 이전에 인식되었던 것으로 간주되지 않아야 한다. 배경 섹션에서의 주제는 그 자체로 그리고 독립적으로 또한 발명이 될 수 있는 상이한 접근법을 나타낼 뿐이다.
본 발명의 하나의 실시예에 따르면, 무선 전력 송신기에 의해 생성되는 교번 자기장을 수용하도록 구성되는 무선 전력 수신기가 제공된다. 무선 전력 수신기는 교번 자기장에 의해 여기될 때에 교류 전류를 생성하도록 구성되는 캡처 공진기를 포함한다. 무선 전력 수신기는 캡처 공진기에 전기 결합되어 캡처 공진기에 의해 생성되는 교류 전류에 의해 여기될 때에 직류 전류를 생성하도록 구성되는 전류 변환 회로를 또한 포함한다. 무선 전력 수신기는 캡처 공진기와 전기 부하 사이의 전기 연결을 제어하도록 구성되는 장치를 추가로 포함한다.
무선 전력 수신기는 제어기와 통신하고 상기 무선 전력 송신기의 제2 송수신기와 통신하도록 구성되는 제1 송수신기를 또한 포함할 수 있다. 상기 장치는 실행될 때에 상기 장치가 제1 송수신기를 거쳐 무선 전력 수신기와 무선 전력 송신기 사이에 제1 통신 링크를 수립하게 하는 명령을 담고 있는, 상기 제어기와 통신하는 메모리 장치를 또한 포함할 수 있다.
본 발명의 추가의 특징 및 장점은 단지 비-제한 예로서 그리고 첨부 도면을 참조하여 주어지는 본 발명의 양호한 실시예의 다음의 상세한 설명을 읽으면 더 명확하게 보일 것이다.
본 발명이 이제부터 첨부 도면을 참조하여 예로서 설명될 것이다.
도 1은 하나의 실시예에 따른 무선 전력 전달 시스템의 개략도이다.
도 2는 하나의 실시예에 따른 무선 전력 전달 시스템을 포함하는 차량의 측면도이다.
여기에서는 무선 전력 전달 시스템에서 사용되도록 구성될 수 있는 장치가 제공된다. 무선 전력 전달 시스템은 무선 전력 송신기 및 무선 전력 수신기를 포함한다. 무선 전력 전달 시스템은 소스 공진기를 거쳐 교번 자기장을 발생시켜 캡처 공진기를 거쳐 교번 자기장을 수용함으로써 송신기와 수신기 사이에서 전력을 전달한다. 상기 장치는 이후에서 자기 신호로서 불리는 교번 자기장이 캡처 공진기에 공급될 때에 무선 전력 수신기의 제어기에 전력을 제공하도록 구성된다. 무선 전력 시스템의 제어기는 제어기에 예비 전력을 제공할 필요 없이 작동될 수 있다. 무선 전력 전달 시스템의 사용자는 그 다음에 무선 전력 수신기가 저전력 또는 무전력 대기 모드에 있더라도 무선 전력 송신기를 작동시킴으로써 상기 시스템을 사용하여 차량의 충전을 개시할 수 있다.
도 1은 무선 전력 전달 시스템(10)의 비-제한 예를 도시하고 있다. 무선 전력 전달 시스템(10)은 이후에서 자기 신호(14)로서 불리는 교번 자기장(14)을 발생시키도록 구성되는 무선 전력 송신기(12)를 포함한다. 무선 전력 전달 시스템(10)은 자기 신호(14)를 수용하여 자기 신호(14) 내의 에너지를 전기 부하(18) 이러한 예에서 전기 차량의 배터리 팩에 공급되는 전기 에너지로 변환하도록 구성되는 무선 전력 수신기(16)를 추가로 포함한다.
무선 전력 송신기(12)는 전원(22)에 의해 공급되는 교류(AC: alternating current) 전압에 의해 여기될 때에 자기 신호(14)를 발생시키도록 구성되는 공진 회로인 소스 공진기(20)를 포함한다. 전원(22)은 공중 공급 그리드(도시되지 않음)로부터의 전력(예컨대, 60 Hz의 240 V AC)을 소스 공진기(20)에 공급되는 상이한 전압 및 주파수로 변환하도록 구성된다. 무선 전력 송신기(12)는 전원(22)을 제어하고 그에 의해 소스 공진기(20)에 의해 제공되는 자기 신호(14)를 제어하도록 구성되는 송신기 제어기(24)를 또한 포함한다. 무선 전력 송신기(12)는 송신기 제어기(24)와 통신하고 무선 전력 수신기(16)와 무선 통신 링크(28)를 수립하도록 구성되는 제1 송수신기(26)를 추가로 포함한다.
도 2에 도시된 비-제한 예에 따르면, 전원(22), 송신기 제어기(24) 및 제1 송수신기(26)는 소스 공진기(20)로부터 원격에 위치되는 독립형 하우징(30) 내에 수용될 수 있다. 이러한 예에서, 하우징(30)은 소스 공진기(20)가 차량(36) 아래의 주차 표면(34) 상에 또는 그 내에 위치되는 동안에 차량 주차 공간 앞의 파일론(pylon)(32) 또는 포스트 상에 장착된다. 소스 공진기(20)가 주차 표면(34) 내에 전원(22), 송신기 제어기(24) 및 제1 송수신기(26)와 공동-위치되는 다른 실시예가 고려될 수 있다.
도 1을 재차 참조하면, 무선 전력 수신기(16)는 소스 공진기(20)에 의해 발생되는 자기 신호(14)에 의해 여기될 때에 교류 전류를 발생시키도록 구성되는 공진 회로인 캡처 공진기(38)를 포함한다. 무선 전력 수신기(16)는 캡처 공진기(38)에 의해 제공되는 교류(AC) 전력을 전기 차량(EV: electric vehicle) 또는 하이브리드 전기 차량(HEV: hybrid electric vehicle) 배터리 팩 등의 전기 부하(18)에 의해 사용 가능한 직류 전류(DC: direct current) 전력으로 변환하는(정류하는) 정류기 회로(40)를 또한 포함한다. AC 부하에 제공되는 AC 전력의 주파수 및 전압을 변경하는 회로를 포함하는 AC 모터 등의 AC 전기 부하에 캡처 공진기로부터의 AC 전력 출력을 미변화 상태로 제공하는 대체 실시예가 고려될 수 있다. 무선 전력 수신기(16)는 정류기 회로(40) 및 제어기(50)의 출력부에 연결되어 제어기(50)에 전력을 제공하도록 구성되는 전압 조절기 회로(52)를 또한 포함한다.
전압 조절기 회로(52)는 정류기 회로(40)를 거쳐 캡처 공진기(38)에 전기 결합되는 입력부를 갖고, 제어기(50)에 전기 결합되는 출력부를 갖는다. 전압 조절기 회로(52)는 캡처 공진기(38)가 전력을 제공 중일 때마다 제어기(50)에 전력을 제공한다. 전압 조절기 회로(52)는 정류기 회로(40)에 의해 출력되는 고전압 대신에 제어기(50)의 적절한 동작에 요구되는 전압으로 제어기(50)에 전력을 공급하도록 구성된다. 제어기(50)는 전압 조절기 회로(52)가 제어기(50)에 전력을 제공하기 시작할 때에 "시동되어(wake-up)" 동작을 시작하도록 구성된다. 전압 조절기 회로(52)는 12 V 전력을 요구하는 장치의 다른 회로에 의해 사용될 수 있는 전압으로 정류기 회로(40)로부터의 고전압 출력을 조절하는 12 V 조절기 그리고 12 V 조절기로부터 12 V 전력을 수용하여 제어기(50) 그리고 5 V 전원을 요구하는 다른 회로에 조절된 5 V 전력을 공급하는 5 V 조절기 등의 여러 개의 회로를 포함할 수 있다.
제어기(50)는 마이크로프로세서 또는 주문형 집적 회로(ASIC: application specific integrated circuit)를 포함할 수 있다. 제어기(50)가 무선 전력 수신기(16)를 제어하도록 프로그래밍하는 소프트웨어 명령이 비-휘발성(NV: non-volatile) 메모리 장치(51) 내에 저장된다. 메모리 장치(51)는 마이크로프로세서 또는 ASIC 내에 수용될 수 있거나 이것은 별개의 장치일 수 있다. 사용될 수 있는 NV 메모리의 타입의 비-제한 예는 전기적으로 소거 가능한 프로그래밍 가능한 판독 전용 메모리(EEPROM: electrically erasable programmable read only memory), 마스킹된 판독 전용 메모리(ROM) 및 플래시 메모리를 포함한다. 제어기(50)는 변환기가 제어기(50) 외부측의 장치와 전기 통신을 수립하게 하는 아날로그-디지털(A/D: analog to digital) 변환기 회로 및 디지털-아날로그(D/A: digital to analog) 변환기 회로를 또한 포함할 수 있다. 여기에서 설명된 제어기(50)는 서로와 통신하는 여러 개의 마이크로프로세서를 포함할 수 있다.
무선 전력 수신기(16)는 캡처 공진기(38)의 출력부에 또한 연결되고 캡처 공진기(38)가 전력을 출력 중인지를 결정하는 데 제어기(50)에 의해 입력부로서 사용될 수 있는 전압 검출 회로(58)를 또한 포함할 수 있다.
무선 전력 수신기(16)는 캡처 공진기(38)에 전기 결합되는 이러한 예에서 정류기 회로(40)의 출력부에 직접적으로 전기 연결되는 전압 검출 회로(58)를 추가로 포함한다. 전압 검출 회로(58)는 정류기 회로(40)의 출력부 상에 높은 DC 전압이 있을 때를 감지하여 제어기(50)로 디지털 신호를 보낸다.
전형적으로, 고전압 회로에서, 전압 조절기 그리고 고전압부에 부착되는 다른 회로는 안전상의 이유로 절연되어야 한다. 전압 검출 회로(58)의 경우에, 옵토커플러(optocoupler)가 사용된다. 전압 조절기 회로(52)는 절연 변압기를 포함할 수 있지만; 다른 고전압(HV: high voltage) 절연 방법이 대체예에서 채용될 수 있다.
무선 전력 수신기(16)는 제1 송수신기(26)를 거쳐 무선 전력 수신기(16)와 무선 전력 송신기(12) 사이에 무선 통신 링크(28)를 수립하도록 구성되는 제2 송수신기(62)를 또한 포함한다. 제2 송수신기(62)는 제어기(50)와 통신한다. 제2 송수신기(62)는 전압 조절기 회로(52)에 전기 결합되어 그에 의해 급전된다. 대체예에서, 이것은 배터리에 의해 급전되는 차량 전기 시스템 등의 별개의 전원에 의해 급전될 수 있다.
전형적으로, 제어기(50)는 동작 중이지 않을 때에 전력 소비를 최소화하도록 수면 또는 비활성 상태에 있을 것이다. 그러나, 전력이 이미 무선 전력 송신기(12)와 무선 전력 수신기(16) 사이에서 흐르는 중이면, 이것은 신속하게 관리될 것이 필요하다. 전압 조절기 회로(52)는 정류기 회로(40)의 고전압 출력부에 연결된다. 전압 조절기 회로(52)는 정류기 회로(40)가 고전압 출력을 제공하기 시작하자마자 제어기(50) 그리고 무선 전력 수신기(16) 내의 회로의 잔여부에 전력을 제공한다. 제어기(50)는 전압 조절기 회로(52)로부터 공급되는 전력에 의해 작동되고 그 다음에 내부 시동 절차를 통과하여 제어기(50)의 모든 입력을 조사한다. 이들 입력 중 하나는 제어기(50)가 다른 입력과 함께 이것이 점화 스위치에 의해 작동되었는지를 결정하는 데 사용할 수 있는 전압 검출 회로(58)로부터의 논리 레벨 신호, 다른 시동 신호 또는 제어기(50)가 감시 중인 전원일 수 있다. 제어기(50)는 또한 전력이 사용되어야 하는 방식을 결정하도록 제어기 통신망(CAN: Controller Area Network) 버스(66) 등의 데이터 통신 버스(66)를 거쳐 또는 다른 데이터 통신 방법을 통해 차량 제어기(64)와 통신할 수 있다.
제어기(50) 및 송신기 제어기(24)가 무선 통신 링크(28)를 거쳐 통신 중일 때에, 제어기(50)는 무선 전력 송신기(12)가 무선 전력 수신기(16)에 충전 전력을 제공할 것을 인가한다. 무선 전력 수신기(16)는 그 다음에 무선 전력 송신기(12)에 의해 전달되는 전력을 조절한다.
시스템(10)은 무선 전력 수신기(16)로부터 대신에 무선 전력 송신기(12)로부터 전력 전달을 자동적으로 개시할 수 있다. 무선 전력 수신기(16)는 시동되어 무선 전력 송신기(12)로부터의 전력을 조절하기 시작하도록 자동적으로 광범위한 자기장 발생원을 검출 및 사용할 수 있다.
따라서, 무선 전력 전달 시스템(10)의 캡처 공진기(38)와 전기 부하(18) 사이의 전기 연결을 제어하는 무선 전력 수신기(16)가 제공된다. 무선 전력 수신기(16)의 회로는 캡처 공진기(38)로부터의 전력 출력에 의해 직접적으로 급전된다. 이것은 캡처 공진기(38)가 전력을 생성하기 시작하자마자 무선 전력 수신기(16)를 자동적으로 가동시키는 이익을 제공한다. 무선 전력 수신기(16)는 차량 배터리(18) 등의 외부 공급원에 의해 제공되는 대기 전력을 요구하지 않는다. 무선 전력 수신기(16)가 외부 공급원으로부터의 전력을 요구하지 않으므로, 무선 전력 수신기(16)는 또한 차량(36) 내의 배터리의 충전 상태가 제어기(50)를 동작시키지 못할 정도로 과도하게 낮더라도 즉 "방전 배터리(dead battery)"라도 차량 배터리(18)의 충전을 개시할 수 있는 이익을 제공한다.
본 발명은 그 양호한 실시예의 관점에서 설명되었지만, 이것은 그렇게 제한되지 않고 그 대신에 후속되는 특허청구범위에 기재된 범위에만 제한되도록 의도된다. 더욱이, 용어 제1, 제2 등의 사용은 임의의 중요도 순서를 나타내지 않고, 그 대신에 용어 제1, 제2 등은 하나의 요소를 또 다른 요소와 구별하는 데 사용된다. 나아가, 단수형 용어는 수량의 제한을 나타내지 않고, 그 대신에 인용된 아이템들 중 적어도 하나의 존재를 나타낸다.

Claims (3)

  1. 무선 전력 송신기(12)에 의해 생성되는 교번 자기장(14)을 수용하도록 구성되는 무선 전력 수신기(16)에 있어서,
    교번 자기장(14)에 의해 여기될 때에 교류 전류를 생성하도록 구성되는 캡처 공진기(38)와;
    상기 캡처 공진기(38)에 전기 결합되어 상기 교류 전류에 의해 여기될 때에 직류 전류를 생성하도록 구성되는 정류기 회로(40)와;
    무선 전력 수신기(16)를 제어하도록 구성되는 제어기(50)와;
    캡처 공진기(38) 및 제어기(50)에 전기 결합되는 전압 조절기 회로(52)로서, 제어기(50)는 캡처 공진기(38)가 교번 자기장(14)을 수용 중일 때에 전압 조절기 회로(52)로부터 전력을 수용하도록 구성되고, 그에 의해 제어기(50)를 작동시키는, 전압 조절기 회로(52)
    를 포함하는 무선 전력 수신기(16).
  2. 제1항에 있어서, 상기 무선 전력 송신기(12)의 제2 송수신기(62)와 통신하도록 구성되는 제1 송수신기(26)를 추가로 포함하고, 제어기(50)는 상기 제1 송수신기(26)와 통신하는, 무선 전력 수신기(16).
  3. 제2항에 있어서, 실행될 때에 무선 전력 수신기(16)가 제1 송수신기(26)를 거쳐 무선 전력 수신기(16)와 무선 전력 송신기(12) 사이에 제1 통신 링크를 수립하게 하는 명령을 담고 있는, 상기 제어기(50)와 통신하는 메모리 장치(51)를 추가로 포함하는 무선 전력 수신기(16).
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