KR20160043432A - 반도체 스위칭 소자를 이용한 전기차량용 전력공급시스템 - Google Patents

반도체 스위칭 소자를 이용한 전기차량용 전력공급시스템 Download PDF

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KR20160043432A
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조정민
최두호
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한국철도기술연구원
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    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L5/00—Current collectors for power supply lines of electrically-propelled vehicles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60M—POWER SUPPLY LINES, AND DEVICES ALONG RAILS, FOR ELECTRICALLY- PROPELLED VEHICLES
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Abstract

반도체 스위칭 소자를 이용한 전기차량용 전력공급시스템은 게이트 전극판, 급전 케이블, 집전판 및 스위칭 소자를 포함한다. 상기 게이트 전극판은 지면에 매설되며, 외부로 노출된 일면은 게이트 전원을 공급받는다. 상기 급전 케이블은 지면에 매설되며, 고전압의 전력을 공급한다. 상기 집전판은 지면에 매설되며, 외부로 노출된 일면으로 전류를 제공한다. 상기 스위칭 소자는 상기 게이트 전극판으로부터 공급되는 게이트 전원에 따라 전기적으로 구동되어 상기 급전 케이블로부터 제공되는 고전압의 전력을 상기 집전판으로 제공한다.

Description

반도체 스위칭 소자를 이용한 전기차량용 전력공급시스템{POWER SUPPLY SYSTEM FOR VEHICLE USING A SEMICONDUCTOR SWITCHING DEVICE}
본 발명은 전기차량용 전력공급시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반도체 스위칭 소자를 이용하여 전기차량에 접촉식으로 전력을 공급하기 위한 전기차량용 전력공급시스템에 관한 것이다.
도로상에 부설되어 주로 도심을 통과하는 철도차량인 트램(tram)의 대부분은 전력공급을 위한 판토그래프(pantograph)가 철도차량의 상부에 위치하고, 상기 판토그래프로 전력을 공급하기 위한 전차선들이 상기 트램의 경로를 따라 복잡하게 연장된다. 이에 따라, 도심의 미관을 해치는 것은 물론, 고전압의 전차선으로 인한 안전사고의 위험에도 노출되는 문제가 있다.
이에 따라, 최근에는 상기 판토그래프와 전차선들을 생략한 무가선 트램이 개발되고 있으며, 대한민국 특허출원 제10-2011-0100367호에서는 저상 트램에 배터리카를 포함시켜 가선을 통한 전력 공급을 생략하면서 운행이 가능한 무가선 저상 트램에 관한 기술을 개시하고 있다.
한편, 상기 트램 등의 철도차량은 물론이고, 나아가 전기를 추진 동력으로 이용하는 전기차량의 경우도, 전력을 공급받기 위해 상기와 같은 대용량의 배터리를 탑재하는 것 외에, 차량이 운행하는 구간을 따라 지면 하부에 고주파 전선 또는 코일을 매설하고 자기장을 발생시키며 차량에 설치된 집전 코일과의 전자기 유도를 통한 유도급전에 의한 비접촉식 급전 기술을 통해 전기를 공급받는 기술도 개발되고 있으며, 관련 기술은 대한민국 특허출원 제10-2010-0048495호 등에 개시되고 있다.
그러나, 현재까지 개발된 상기와 같은 전기차량용 전력공급 시스템의 경우, 배터리 충전 방식의 경우, 배터리의 재충전 및 배터리 출력의 제한 등으로 인한 운행시간의 제한 또는 속도의 제한 등의 문제가 있으며, 대용량의 배터리 탑재에 따른 차량의 내부 공간의 제한 및 차량 무게의 증가 등의 문제가 있다.
또한, 지면이나 도로 상에 전력 공급 시스템을 설치하는 경우 시스템 설치비용이 증가하며, 특히, 지면이나 도로를 통과하는 차량이나 사람의 안전사고가 발생할 위험이 증가하는 문제가 있다.
이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 운행에 필요한 충분한 전력을 공급하면서도, 절연성이 확보되어 안전사고의 위험성이 없는 전기차량용 전력공급시스템에 관한 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 전기차량용 전력공급시스템은 게이트 전극판, 급전 케이블, 집전판 및 스위칭 소자를 포함한다. 상기 게이트 전극판은 지면에 매설되며, 외부로 노출된 일면은 게이트 전원을 공급받는다. 상기 급전 케이블은 지면에 매설되며, 고전압의 전력을 공급한다. 상기 집전판은 지면에 매설되며, 외부로 노출된 일면으로 전류를 제공한다. 상기 스위칭 소자는 상기 게이트 전극판으로부터 공급되는 게이트 전원에 따라 전기적으로 구동되어 상기 급전 케이블로부터 제공되는 고전압의 전력을 상기 집전판으로 제공한다.
일 실시예에서, 상기 전기차량용 전력공급시스템은 차량부의 저면에 부착되어 상기 게이트 전원을 상기 게이트 전극판으로 공급하는 게이트 전원공급부, 및 상기 차량부의 저면에 부착되어 상기 집전판과 접촉되어 전류를 공급받아 상기 차량부의 구동에 필요한 전력을 수집하는 집전부를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 게이트 전극판, 상기 급전 케이블 및 상기 집전판은 지면의 하부에 매설된 절연층에 의해 서로 절연될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 게이트 전극판 및 상기 집전판은 상기 차량부의 진행방향으로 따라 서로 평행하게 연장될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 게이트 전극판 및 상기 집전판은 복수개가 상기 차량부의 진행방향에 따라 서로 이격되며 연장되고, 상기 게이트 전극판 및 상기 집전판의 하나의 길이는 상기 차량부의 길이보다 짧을 수 있다.
일 실시예에서, 상기 하나의 게이트 전극판 및 상기 하나의 집전판에 하나의 스위칭 소자가 연결되도록, 상기 스위칭 소자가 설치될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 스위칭 소자는, 상기 게이트 전원이 공급되면 전기적으로 단락되어 상기 고전압의 전력을 상기 집전판으로 제공하며, 상기 게이트 전원의 공급이 중단되면 전기적으로 절연되어 상기 고전압의 전력을 상기 집전판으로 제공하지 않을 수 있다.
일 실시예에서, 상기 스위칭 소자는, 상기 게이트 전극판과 전기적으로 연결된 게이트 금속층, 상기 급전 케이블과 전기적으로 연결된 이미터(Emitter), 상기 집전판과 전기적으로 연결된 콜렉터(Collector), 상기 이미터와 콜렉터 사이에 형성된 제1 및 제2 반도체층들, 및 상기 게이트 금속층과 상기 제1 반도체층의 사이에 형성된 게이트 절연층을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 게이트 전극판 및 상기 집전판은 전기전도도가 높은 금속 재질을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 지면에 매설된 게이트 전극판, 급전 케이블, 집전판 및 스위칭 소자를 통해 전기차량에 전력을 공급할 수 있으므로, 별도의 판토그래프와 같은 집진 장치와 전선, 배터리 등을 사용하지 않고 안정적인 전력공급이 가능하다.
특히, 절연층에 의해 상기 게이트 전극판, 급전 케이블 및 집전판이 지면 상에 매설되며, 차량부가 통과하지 않는 경우 노출된 부분에는 전류가 흐르지 않으므로 보행자나 기타 차량 등의 안전성이 확보된다.
이 경우, 상기 게이트 전극판 및 상기 집전판 하나의 길이를 차량부의 길이보다 짧게 매설함으로써, 차량이 통과하는 과정에서 전류가 흐르더라도, 전류가 흐르는 게이트 전극판 및 집전판은 외부로 노출되지 않도록 할 수 있어 보행자나 기타 차량 등의 안전성이 확보될 수 있다.
또한, 상기 매설된 게이트 전극판 및 상기 집전판과의 전원 공급 및 전력 수급을 위해 차량의 저면에 게이트 전원공급부 및 집전부를 부착하므로, 상대적으로 단순한 구조를 통해 차량부의 운행에 따라 안정적인 집전이 가능하다.
특히, 상기 게이트 전극판 및 상기 집전판은 차량부의 운행 방향을 따라 서로 평행하게 연장되므로, 상기 차량부의 운행 방향인 선로나 차로의 변경과 무관하게 안정적인 집전이 가능하다.
특히, 집전을 위한 전원 공급을 위해, 게이트 전압이 제공되는 경우만 전기적으로 연결되는 스위칭 소자를 적용함으로써, 차량부의 통과시 안정적인 전원 공급이 가능할 뿐만 아니라, 차량부가 통과하지 않는 경우 전기적 절연에 따라 안전성이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 전기차량용 전력공급시스템을 도시한 개념도이다.
도 2는 도 1의 전기차량용 전력공급시스템을 도시한 사시도이다.
도 3a 및 도 3b는 도 1의 전기차량용 전력공급시스템에서 스위칭 소자의 전력공급 원리를 설명하기 위한 모식도들이다.
도 4는 도 1의 전기차량용 전력공급시스템에 스위칭 소자의 전력공급 원리를 적용한 모식도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들을 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. 제1, 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. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "이루어진다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
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.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 전기차량용 전력공급시스템을 도시한 개념도이다. 도 2는 도 1의 전기차량용 전력공급시스템을 도시한 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예에 의한 전기차량용 전력공급시스템(10)은 게이트 전원공급부(110), 집전부(120), 게이트 전극판(200), 집전판(300), 스위칭 소자(400) 및 급전 케이블(500)을 포함한다.
한편, 도 2에서는 차량부(100)의 저면(101)에 위치하여 차량부(100)와 전기적으로 연결된 제2 게이트 전극판(202), 제2 집전판(302) 및 제2 스위칭 소자(420)를 도시하였으며, 이하에서 다른 게이트 전극판, 집전판 및 스위칭 소자도 차량부의 진행에 따라 도 2에서 도시한 것과 동일한 전기적 연결관계를 형성하므로 도 2에 대한 설명으로 대신한다.
상기 게이트 전원공급부(110) 및 상기 집전부(120)는 차량부(100)의 저면(101)에 부착되며, 상기 게이트 전원공급부(110) 및 상기 집전부(120)는 상기 차량부(100)의 진행방향과 수직인 방향으로 소정거리 서로 이격되도록 배치된다.
상기 게이트 전원공급부(110)는 후술되는 상기 스위칭 소자(400)의 게이트 금속층과 전기적으로 연결되어, 상기 게이트 금속층으로 전압을 제공한다. 이와 같이, 상기 게이트 전원공급부(110)가 상기 게이트 금속층으로 전압을 제공하면 상기 스위칭 소자(400)는 ON 상태가 된다.
이를 위해, 상기 게이트 전원공급부(110)는 상기 스위칭 소자(400)의 ON 상태를 유도할 수 있을 정도의 전압원과 연결될 수 있으며, 이러한 전압원은 상기 차량부(100)의 내부에 배치될 수 있다.
상기 게이트 전원공급부(110)는 전원공급 연결부(111) 및 전원공급면(112)을 포함하며, 상기 전원공급 연결부(111)는 상기 차량부(100)의 저면(101)에 연결되며, 상기 전원공급면(112)은 상기 게이트 전극판(200)과 접촉하며 상기 차량부(100)의 이동에 따라 상기 게이트 전극판(200)의 상면을 따라 이동한다.
상기 집전부(120)는 상기 스위칭 소자(400)의 콜렉터(Collector)와 전기적으로 연결되어 상기 스위칭 소자(400)가 ON 상태인 경우 전류를 공급받아, 이를 집전한다. 이렇게 상기 집전부(120)에서 집전된 전류는 상기 차량부(100)의 구동을 위한 전력으로 사용될 수 있다.
상기 집전부(120)는 집전연결부(121) 및 집전면(122)을 포함하며, 상기 집전연결부(121)는 상기 차량부(100)의 저면(101)에 연결되며, 상기 집전면(122)은 상기 집전판(300)과 접촉하며 상기 차량부(100)의 이동에 따라 상기 집전판(300)의 상면을 따라 이동한다.
상기 게이트 전극판(200)은 복수의 제1, 제2, 제3, ... 게이트 전극판들(201, 202, 203, ...)을 포함하며, 상기 게이트 전극판들 각각은 서로 일정한 간격으로 이격되도록 배치된다.
또한, 상기 게이트 전극판들 각각은 지면(20)에 매설되며, 상기 차량부(100)의 이동 방향에 따라 연장되어, 상기 차량부(100)의 저면(101)과 마주하도록 배열된다.
즉, 상기 복수의 게이트 전극판들(201, 202, 203, ...)은 상기 차량부(100)의 이동 방향을 따라 상기 차량부(100)의 저면(101)과 마주하도록 상기 지면(20) 상에 매설되되, 각각은 소정거리 이격되며 단속적으로 연장된다.
이 경우, 상기 하나의 게이트 전극판의 연장길이는 상기 차량부(100)의 연장길이 보다 짧게 형성된다. 그리하여, 상기 차량부(100)가 위치하여 상기 차량부(100)와 전기적으로 연결되는 특정 게이트 전극판은 상기 차량부(100)의 외부로 노출되지 않는다.
즉, 후술하겠으나, 상기 차량부(100)와 전기적으로 연결되는 특정 게이트 전극판에는 고전압의 전류가 흐르게 되므로, 외부로 노출되는 경우 보행자나 다른 차량 등의 안전사고가 발생할 수 있으므로 상기 차량부(100)와 전기적으로 연결되는 특정 게이트 전극판을 상기 차량부(100)의 길이보다 짧게 형성하여, 항상 상기 차량부(100)의 저면(101) 상에만 위치하고 외부로 노출되는 것을 미연에 방지한다.
한편, 상기 게이트 전극판(200)은 상기 지면(20) 상에 매설되되, 상기 게이트 전극판(200)이 매설되는 부분은 절연층(30)에 의해 절연된다. 즉, 상기 게이트 전극판(200)은 상기 지면(20)의 아래로 상기 절연층(30)에 의해 매설된다.
또한, 상기 게이트 전극판(200)은 상기 지면(20) 상에 일 면이 노출되도록 매설되며, 상기 노출된 면은 상기 차량부(100)의 저면(101)을 향하며, 상기 차량부(100)의 이동방향을 따라 연장된다.
상기 게이트 전극판(200)은 전기전도도가 높은 재질, 예를 들어 구리 또는 알루미늄 등으로 형성될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 차량부(100)가 상부를 지나는 경우, 상기 제2 게이트 전극판(202)에는 상기 게이트 전원공급부(110)의 상기 전원공급면(112)이 접촉하며 이동된다. 그리하여, 상기 게이트 전원공급부(110)로부터 게이트 전원을 공급받으며, 이렇게 제공받은 게이트 전원은 상기 스위칭 소자(400)의 게이트 금속층으로 제공되어 상기 스위치 소자를 ON 상태로 전환한다.
상기 집전판(300)도 복수의 제1, 제2, 제3, ... 집전판들(301, 302, 303, ...)을 포함하며, 상기 집전판들 각각은 서로 일정한 간격으로 이격되도록 배치된다.
또한, 상기 집전판들 각각도 상기 지면(20)에 매설되며, 상기 차량부(100)의 이동 방향에 따라 연장되어, 상기 차량부(100)의 저면(101)과 마주하도록 배열된다.
즉, 상기 복수의 집전판들(301, 302, 303, ...)은 상기 차량부(100)의 이동방향을 따라 상기 차량부(100)의 저면(101)과 마주하도록 상기 지면(20) 상에 매설되되, 각각은 소정거리 이격되며 단속적으로 연장된다.
이 경우, 상기 집전판들 각각은 상기 게이트 전극판들 각각과 상기 차량부(100)의 이동 방향에 수직인 방향으로 소정거리 이격되며 서로 평행하게 배열되고, 상기 집전판들 각각이 서로 이격된 이격거리도 상기 게이트 전극판들 각각이 서로 이격된 이격거리와 동일하다. 즉, 상기 집전판들 각각과 상기 게이트 전극판들 각각은 하나씩 한 쌍으로 동일하게 배열된다.
따라서, 상기 하나의 집전판의 연장길이도 상기 차량부(100)의 연장길이 보다 짧게 형성된다. 그리하여, 상기 차량부(100)가 위치하여 상기 차량부(100)와 전기적으로 연결되는 특정 집전판은 상기 차량부(100)의 외부로 노출되지 않는다.
앞서 설명한 바와 같이, 상기 게이트 전극판과 마찬가지로 상기 집전판도 상기 차량부(100)와 전기적으로 연결되는 경우 고전압의 전류가 흐르게 되므로, 외부로 노출되는 경우 보행자나 다른 차량 등의 안전사고가 발생할 수 있으므로 상기 차량부(100)와 전기적으로 연결되는 특정 집전판을 상기 차량부(100)의 길이보다 짧게 형성하여, 항상 상기 차량부(100)의 저면(101) 상에만 위치하고 외부로 노출되는 것을 미연에 방지한다.
상기 집전판(300)도 상기 지면(20) 상에 매설되되, 상기 집전판(300)이 매설되는 부분은 상기 절연층(30)에 의해 절연된다. 즉, 상기 집전판(300)도 상기 지면(20)의 아래로 상기 절연층(30)에 의해 매설된다.
또한, 상기 집전판(300)은 상기 지면(20) 상에 일 면이 노출되도록 매설되며, 상기 노출된 면은 상기 차량부(100)의 저면(101)을 향하여, 상기 차량부(100)의 이동방향을 따라 연장되게 된다.
상기 집전판(300)은 전기전도도가 높은 재질, 예를 들어 구리 또는 알루미늄 등으로 형성될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 차량부(100)가 상부를 지나는 경우, 상기 제2 집전판(302)에는 상기 집전부(120)의 집전면(122)이 접촉하며 이동된다. 그리하여, 상기 스위칭 소자(420)를 통해 상기 급전 케이블(500)로부터 제공되는 고전압의 전류를 공급받으며, 이렇게 제공받은 고전압의 전류는 상기 집전부(120)로 제공되어 상기 차량부(100)의 구동이나 운행을 위한 전력원으로 사용된다.
상기 스위칭 소자(400)도 복수의 제1, 제2, 제3, ... 스위칭 소자들(410, 420, 430, ...)을 포함하며, 상기 스위칭 소자들 각각은 상기 게이트 전극판들 각각 및 상기 집전판들 각각에 연결된다.
상기 스위칭 소자들 각각은, 상기 게이트 전극판들 및 상기 집전판들과 같이 지면(20)에 매설될 수도 있으며, 이와 달리, 상기 지면(20) 상에 상기 게이트 전극판들 및 상기 집전판들에 인접하도록 배치될 수도 있다.
상기 스위칭 소자들의 상세한 구성 및 연결관계는 후술한다.
상기 급전 케이블(500)은 상기 지면(20)에 매설되어 상기 차량부(100)의 진행 방향을 따라 연장된다. 상기 급전 케이블(500)은 도 2에 도시된 바와 같이 상기 절연층(30)에 의해 절연되도록 매설되며, 상기 급전 케이블(500)을 통해서는 고전압의 전류가 흐르므로 상기 급전 케이블(500)은 가능한 지면으로부터 깊이 위치하도록 매설되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 급전 케이블(500)은 상기 게이트 전극판(200) 또는 상기 집전판(300)과 같이 지면(20)을 통해 외부로 노출되지 않으므로 단속적으로 형성될 필요는 없으며, 전원 공급부로부터 일괄적으로 전원을 공급하기 위해 연속적으로 매설된다.
상기 급전 케이블(500)은 상기 스위칭 소자(400)의 이미터(Emitter)와 전기적으로 연결되어, 상기 스위칭 소자(400)가 전기적으로 구동되는 경우 상기 스위칭 소자(400)를 통해 상기 집전판(300)으로 고전압의 전류를 제공한다.
도 3a 및 도 3b는 도 1의 전기차량용 전력공급시스템에서 스위칭 소자의 전력공급 원리를 설명하기 위한 모식도들이다. 도 4는 도 1의 전기차량용 전력공급시스템에 스위칭 소자의 전력공급 원리를 적용한 모식도이다.
도 2, 도 3a, 도 3b 및 도 4를 참조하면, 상기 제2 스위칭 소자(420)는 게이트 연결부(421), 게이트 금속층(422), 이미터 연결부(423), 이미터(Emitter)(424), 컬렉터 연결부(425), 컬렉터(Collector)(426) 및 게이트 절연층(427)을 포함한다.
본 실시예에서, 상기 제2 스위칭 소자(420)의 상기 게이트 금속층(422)은 상기 게이트 연결부(421)를 통해 상기 제2 게이트 전극판(202)과 전기적으로 연결되며, 상기 제2 게이트 전극판(202)의 상면에 접촉된 상기 게이트 전원공급부(110)로부터 게이트 전원을 공급받는다.
즉, 상기 게이트 전원공급부(110)로부터 게이트 전압이 인가됨에 따라 상기 제2 스위칭 소자(420)는 ON 상태가 되고, 상기 게이트 전압의 인가가 종료되면 상기 제2 스위칭 소자(420)는 OFF 상태가 된다.
상기 이미터(Emitter)(424)는 상기 급전 케이블(500)과 상기 이미터 연결부(423)를 통해 전기적으로 연결되며, 상기 컬렉터(Collector)(426)는 상기 컬렉터 연결부(425)를 통해 상기 제2 집전판(302)과 전기적으로 연결된다.
한편, 상기 제2 스위칭 소자(420)는 제1 반도체층(428) 및 제2 반도체층(429)을 포함하며, 도면에 도시된 바와 같이 상기 제1 반도체층(428)은 P형 반도체, 상기 제2 반도체층(429)은 N형 반도체로 구성될 수 있다. 또한, 상기 제2 스위칭 소자(420)는 상기 제1 반도체층(428)을 기준으로 양측으로 상기 제2 반도체층(429)이 중첩된 N-P-N형 반도체 구조일 수 있다.
이와 달리, 상기 제2 스위칭 소자는 P-N-P형 반도체 구조일 수도 있다.
즉, 이상과 같이 상기 제2 스위칭 소자(420)는 예를 들어, 대표적인 반도체 스위칭 소자인 IGBT(insulated gate bipolar transistor) 또는 MOSFET(metal oxide semiconductor field effect transistor)일 수 있다.
또한, 상기 게이트 금속층(422)과 상기 제1 및 제2 반도체층들(428, 429) 사이에는 절연을 위한 게이트 절연층(427)이 형성된다.
그리하여, 상기 제2 스위칭 소자(420)가 ON 상태가 되는 경우, 상기 급전 케이블(500)로부터 제공되는 고전압의 전류는 상기 제1 및 제2 반도체층들(428, 429)을 통해 상기 제2 집전판(302)으로 제공되며, 상기 제2 집전판(302)의 상면에서 접촉하며 이동되는 상기 집전부(120)를 통해 집전되어, 상기 차량부(100)의 구동 또는 운행을 위한 전력으로 사용된다.
한편, 본 실시예에서는 상기 제1, 제2, 제3, ... 스위칭 소자들 각각은 동일한 구조, 동작 및 연결 관계를 형성하므로, 상기 제2 스위칭 소자에 대한 설명으로 다른 스위칭 소자에 대한 설명은 생략한다.
또한, 앞서 설명한 바와 같이, 상기 차량부(100)가 지면을 따라 이동하면서 상기 게이트 전원공급부(110) 및 상기 집전부(120)가 각각 제N 게이트 전극판 및 제N 집전판에 접촉하게 되며, 이에 따라 제N 스위칭 소자가 필요한 구동을 수행하게 된다.
상기와 같은 본 발명의 실시예들에 의하면, 지면에 매설된 게이트 전극판, 급전 케이블, 집전판 및 스위칭 소자를 통해 전기차량에 전력을 공급할 수 있으므로, 별도의 판토그래프와 같은 집진 장치와 전선, 배터리 등을 사용하지 않고 안정적인 전력공급이 가능하다.
특히, 절연층에 의해 상기 게이트 전극판, 급전 케이블 및 집전판이 지면 상에 매설되며, 차량부가 통과하지 않는 경우 노출된 부분에는 전류가 흐르지 않으므로 보행자나 기타 차량 등의 안전성이 확보된다.
이 경우, 상기 게이트 전극판 및 상기 집전판 하나의 길이를 차량부의 길이보다 짧게 매설함으로써, 차량이 통과하는 과정에서 전류가 흐르더라도, 전류가 흐르는 게이트 전극판 및 집전판은 외부로 노출되지 않도록 할 수 있어 보행자나 기타 차량 등의 안전성이 확보될 수 있다.
또한, 상기 매설된 게이트 전극판 및 상기 집전판과의 전원 공급 및 전력 수급을 위해 차량의 저면에 게이트 전원공급부 및 집전부를 부착하므로, 상대적으로 단순한 구조를 통해 차량부의 운행에 따라 안정적인 집전이 가능하다.
특히, 상기 게이트 전극판 및 상기 집전판은 차량부의 운행 방향을 따라 서로 평행하게 연장되므로, 상기 차량부의 운행 방향인 선로나 차로의 변경과 무관하게 안정적인 집전이 가능하다.
특히, 집전을 위한 전원 공급을 위해, 게이트 전압이 제공되는 경우만 전기적으로 연결되는 스위칭 소자를 적용함으로써, 차량부의 통과시 안정적인 전원 공급이 가능할 뿐만 아니라, 차량부가 통과하지 않는 경우 전기적 절연에 따라 안전성이 향상될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 전기차량용 전력공급시스템은 다양한 형태의 트램 등의 도시형 철도차량 또는 전기자동차의 전력공급시스템으로 사용될 수 있는 산업상 이용 가능성을 갖는다.
10 : 전기차량용 전력공급시스템
20 : 지면 30 : 절연층
100 : 차량부 101 : 저면
110 : 게이트 전원 공급부 120 : 집전부
200 : 게이트 전극판 300 : 집전판
400 : 스위칭 소자 421 : 게이트 연결부
422 : 게이트 금속층 423 : 이미터 연결부
424 : 이미터 425 : 컬렉터 연결부
426 : 컬렉터 427 : 게이트 절연층

Claims (9)

  1. 지면에 매설되며, 외부로 노출된 일면은 게이트 전원을 공급받는 게이트 전극판;
    지면에 매설되며, 고전압의 전력을 공급하는 급전 케이블;
    지면에 매설되며, 외부로 노출된 일면으로 전류를 제공하는 집전판; 및
    상기 게이트 전극판으로부터 공급되는 게이트 전원에 따라 전기적으로 구동되어 상기 급전 케이블로부터 제공되는 고전압의 전력을 상기 집전판으로 제공하는 스위칭 소자를 포함하는 전기차량용 전력공급시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    차량부의 저면에 부착되어 상기 게이트 전원을 상기 게이트 전극판으로 공급하는 게이트 전원공급부; 및
    상기 차량부의 저면에 부착되어 상기 집전판과 접촉되어 전류를 공급받아 상기 차량부의 구동에 필요한 전력을 수집하는 집전부를 더 포함하는 전기차량용 전력공급시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 게이트 전극판, 상기 급전 케이블 및 상기 집전판은 지면의 하부에 매설된 절연층에 의해 서로 절연되는 것을 특징으로 하는 전기차량용 전력공급시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 게이트 전극판 및 상기 집전판은 상기 차량부의 진행방향으로 따라 서로 평행하게 연장된 것을 특징으로 하는 전기차량용 전력공급시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 게이트 전극판 및 상기 집전판은 복수개가 상기 차량부의 진행방향에 따라 서로 이격되며 연장되고,
    상기 게이트 전극판 및 상기 집전판의 하나의 길이는 상기 차량부의 길이보다 짧은 것을 특징으로 하는 전기차량용 전력공급시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 하나의 게이트 전극판 및 상기 하나의 집전판에 하나의 스위칭 소자가 연결되도록, 상기 스위칭 소자가 설치되는 것을 특징으로 하는 전기차량용 전력공급시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 스위칭 소자는,
    상기 게이트 전원이 공급되면 전기적으로 단락되어 상기 고전압의 전력을 상기 집전판으로 제공하며, 상기 게이트 전원의 공급이 중단되면 전기적으로 절연되어 상기 고전압의 전력을 상기 집전판으로 제공하지 않는 것을 특징으로 하는 전기차량용 전력공급시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 스위칭 소자는,
    상기 게이트 전극판과 전기적으로 연결된 게이트 금속층;
    상기 급전 케이블과 전기적으로 연결된 이미터(Emitter);
    상기 집전판과 전기적으로 연결된 콜렉터(Collector);
    상기 이미터와 콜렉터 사이에 형성된 제1 및 제2 반도체층들; 및
    상기 게이트 금속층과 상기 제1 반도체층의 사이에 형성된 게이트 절연층을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기차량용 전력공급시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 게이트 전극판 및 상기 집전판은 전기전도도가 높은 금속 재질을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기차량용 전력공급시스템.
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