KR20160048226A - 적응형 무선 에너지 전송 시스템 - Google Patents

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Abstract

예시적인 실시형태들은 충전 베이스 (CB) 와, 배터리 전기 차량 (BEV) 과 같은 원격 시스템 간의 커플링 모드 영역에서 자기 공진을 이용하는 무선 전력 전송에 관한 것이다. 무선 전력 전송은 CB 로부터 원격 시스템으로 및 원격 시스템으로부터 CB 로 발생할 수 있다. 부하 적응 및 전력 제어 방법들은 무선 전력 링크를 통해 전송되는 전력의 양을 조정하면서 전송 효율을 유지하기 위해 채용될 수 있다.

Description

적응형 무선 에너지 전송 시스템{ADAPTIVE WIRELESS ENERGY TRANSFER SYSTEM}
35 U.S.C . §119 하의 우선권 주장
본 출원은 35 U.S.C.§119(e) 하에서:
2010년 5월 19일에 출원되고, 본원에 그 개시물이 전체적으로 참조로서 포함된 "ADAPTIVE WIRELESS ENERGY TRANSFER SYSTEM" 이라는 명칭의 미국 특허 가출원 제 61/346,378 호; 및
2010년 7월 26일에 출원되고, 본원에 그 개시물이 전체적으로 참조로서 포함된 "ADAPTIVE WIRELESS ENERGY TRANSFER SYSTEM" 이라는 명칭의 미국 특허 가출원 제 61/367,802 호의 우선권을 주장한다.
기술분야
본 발명은 일반적으로 무선 전력 전송에 관한 것이고, 더욱 상세하게는 배터리들을 포함하는 차량들과 같은 원격 시스템으로의 무선 전력 전송에 관련되는 디바이스들, 시스템들, 및 방법들에 관한 것이다.
송신기 및 충전될 전자 디바이스에 커플링된 수신기 간에 무선 경유 (over-the-air) 또는 무선 전력 송신을 이용하는 접근 방법들이 개발되고 있다. 이러한 접근 방법들은 일반적으로 2개의 카테고리들에 속한다. 하나는 송신 안테나 및 충전될 디바이스 상의 수신 안테나 간의 평면파 (plane wave) 방사 (원거리장 (far-field) 방사라고도 불린다) 의 커플링에 기반한다. 수신 안테나는 배터리를 충전하기 위해 방사된 전력을 수집하고, 정류한다. 이러한 접근 방법은, 전력 커플링이 안테나들 간의 거리가 증가함에 따라 신속하게 소멸되며, 따라서 적당한 거리들 (예를 들어 1 내지 2 미터들 미만) 을 넘어서 충전하는 것이 난해해진다는 사실에 직면한다. 게다가, 송신 시스템이 평면파들을 방사하기 때문에, 필터링을 통해서 적합하게 제어되지 않는다면 의도되지 않은 방사가 다른 시스템들과 간섭할 수 있다.
무선 에너지 송신 기법들에 대한 다른 접근 방법들은, 예를 들어, "충전" 매트 또는 표면 내에 내장된 송신 안테나 및 충전될 전자 디바이스 내에 내장된 수신 안테나 (및 정류 회로) 사이의 유도성 커플링 (inductive coupling) 에 기반한다. 이러한 접근 방법은 송신 및 수신 안테나 간의 간격이 매우 근접 (예를 들어 수 밀리미터 이내) 해야 한다는 단점을 가진다. 비록 이러한 접근 방법이 동일한 영역 내의 다중 디바이스들을 동시에 충전하는 기능을 가지지만, 이러한 영역은 전형적으로 매우 작고 사용자로 하여금 특정 영역에 디바이스들을 정확히 로케이팅할 것을 요구한다.
최근에, 전기로부터의 운동 전력 및 그 전기를 제공하는 배터리들을 포함하는 차량들과 같은 원격 시스템들이 소개되어 왔다. 하이브리드 전기 차량들은 차량 브레이킹으로부터의 전력을 이용하는 온-보드 충전기들 및 차량들을 충전하기 위한 전통적인 모터들을 포함한다. 오직 전기적으로만 동작하는 차량들은 배터리들을 충전하기 위해 전기를 다른 소스들로부터 수신해야 한다. 이러한 전기 차량들은 전통적으로는 가정용 또는 상업용 AC 공급 소스들과 같은 어떤 타입의 유선 교류 (AC) 를 통해서 충전되도록 제안된다.
전력의 무선 송신 도중에 일어나는 손실들 때문에 무선 전력 전송 시스템에서 효율은 중요하다. 전력의 무선 송신이 흔히 유선 전송보다 덜 효율적이기 때문에, 효율은 무선 전력 전송 환경에서보다 더 큰 관심 대상이다. 그 결과, 무선 전력을 전기 차량들로 제공하는 방법들 및 장치들에 대한 필요성이 존재한다.
전기 차량들을 위한 무선 충전 시스템은 특정 정도 내에서 송신 및 수신 안테나들이 정렬될 것을 요구할 수도 있다. 송신 및 수신 안테나들의 거리 및 정렬에 있어서의 차이들은 효율적인 송신에 영향을 미친다.
그 결과, 전력 전송, 효율, 및 규제 순응을 개선하기 위해 무선 전력 전송 시스템에서 링크 파라미터들을 적응시키는 필요성이 존재한다.
예시적인 실시형태들은 충전 베이스 (CB) 와, 배터리 전기 차량 (BEV) 과 같은 원격 시스템 간의 커플링 모드 영역에서 자기 공진을 이용하는 무선 전력 전송에 관한 것이다. 무선 전력 전송은 CB 로부터 원격 시스템으로 및 원격 시스템으로부터 CB 로 발생할 수 있다. 부하 적응 및 전력 제어 방법들은 무선 전력 링크를 통해 전송되는 전력의 양을 조정하면서 전송 효율을 유지하기 위해 채용될 수 있다. 하나 이상의 예시적인 실시형태들에서, 적응가능 전력 컨버터는 송신 모드에서 전력을 동작 주파수에서 전원 시스템으로/부터 변환하고, 수신 모드에서 그 반대로 변환하도록 적어도 제 1 및 제 2 모드들 사이에서 구성가능하다. 충전 베이스 안테나는 동작 주파수 근처의 공진을 위해 구성되고, 적응가능 전력 컨버터에 동작가능하게 커플링되며, 무선 에너지를 원격 안테나와 커플링하도록 구성된다. 적응가능 전력 컨버터의 효율을 충전 베이스 안테나와 원격 안테나 사이의 가변 커플링 계수 이상으로 실질적으로 유지하도록 모드들이 선택될 수 있다. 하나 이상의 예시적인 실시형태들은 또한 동일한 내용을 수행하기 위한 방법들을 포함한다.
도 1 은 BEV 가 무선 송신기 근처에 주차되는 동안 무선 수신기가 탑재된 BEV들과 같은 원격 시스템용 무선 충전 시스템을 예시한다.
도 2 는 BEV용 무선 전력 충전 시스템의 간략화된 블록도이다.
도 3 은 송신 안테나 및 수신 안테나를 위한 통신 링크들, 유도 링크들 (guidance links), 및 정렬 시스템들을 예시하는, BEV용 무선 전력 충전 시스템의 더 상세한 블록도이다.
도 4 는 BEV들의 무선 충전을 위하여 사용가능할 수도 있는 다양한 주파수들을 도시하는 주파수 스펙트럼을 예시한다.
도 5 는 BEV들의 무선 충전에서 유용할 수도 있는 몇 가지 가능한 주파수들 및 송신 거리들을 예시한다.
도 6 은 BEV 내에 배치된 교체가능 비접촉식 배터리의 간략화된 다이어그램을 도시한다.
도 7 은 배터리에 대한 무선 전력 안테나 및 페라이트 재료 배치 (placement) 의 좀더 상세한 다이어그램들이다.
도 8 은 무선으로 전력을 수신 또는 송신하도록 설치되는 BEV 내의 배터리 시스템의 일부들의 간략화된 블록도이다.
도 9 는 본 발명의 일 실시형태에 따라, 복수의 주차 공간들 및 각각의 주차 공간 내에 위치된 충전 베이스를 포함하는 주차장을 예시한다.
도 10a 는 섀시 간격을 필요로 할 수도 있는, 차량이 부딪힐 수도 있는 다양한 장애물들을 예시한다.
도 10b 는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 차량의 섀시 밑면의 공동 내에 로케이트된 무선 전력 안테나를 예시한다.
도 11 은 본 발명의 예시적인 실시형태들에 따라 충전 베이스를 매립하는 몇가지 변형물들을 예시한다.
도 12a 내지 도 12c 는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따라 무선 전력 안테나를 포함하는 충전 베이스 위에 위치된 무선 전력 안테나를 포함하는 차량을 예시한다.
도 13a 내지 도 13b 는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따라 기계 디바이스가 무선 전력 안테나의 포지션을 조정할 수도 있는 X 및 Y 방향의 가능한 로케이션들을 예시한다.
도 14 는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따라, 무선 전력 안테나가 구동 메커니즘에 동작가능하게 커플링된 기어 샤프트에 의해 다시 포지셔닝될 수도 있는 다른 기계적인 솔루션을 예시한다.
도 15 는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따라, 에너지 전송을 위한 거리 상수들을 예시한다.
도 16 은 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 무선 전력 전송 시스템의 회로이다.
도 17 은 안테나들의 반경에 대한 자계 강도를 보여주는 송신 및 수신 루프 안테나들을 예시한다.
도 18 은 본 발명의 예시적인 실시형태에 따라, 풀-브릿지 전력 변환 및 하프-브릿지로서 재구성될 수 있는 적응가능 전력 변환을 예시한다.
도 19a 및 도 19b 는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 하프-브릿지 전력 변환 구성 및 풀-브릿지 전력 변환 구성을 예시한다.
도 20 은 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 무선 전력 전송 시스템을 위한 무선 전력 전송 컴포넌트들을 예시한다.
도 21 은 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 측정치들을 수집하기 위한 다양한 센서들을 예시한다.
도 22 는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 적응가능 전력 변환 방법의 흐름도이다.
첨부 도면과 관련하여 아래에 개시된 상세한 설명은 본 발명의 예시적인 실시형태들의 설명으로서 의도되며 본 발명이 실시될 수 있는 유일한 실시형태들을 나타내려는 의도가 아니다. 본 명세서에 걸쳐서 사용되는 용어 "예시적인" 은 "일 예, 예증, 또는 예시로서 동작하는"을 의미하며 반드시 다른 예시적인 실시형태들에 비해 바람직하거나 또는 이점이 있는 것으로 해석되어서는 안 된다. 상세한 설명은 본 발명의 예시적인 실시형태들의 완전한 이해를 제공하려는 목적을 위한 구체적인 세부 사항들을 포함한다. 본 발명의 예시적인 실시형태들이 이러한 구체적인 세부 사항들 없이 실시될 수도 있다는 것이 당업자들에게는 명백할 것이다. 몇 가지 경우들에서는, 본원에서 제시된 예시적인 실시형태들의 신규성을 불명료하게 하는 것을 피하기 위해 주지된 구조 및 디바이스들이 블록도 형태로 도시된다.
"무선 전력" 이란 용어는 본 명세서에서 전기장들, 자기장들, 전자기장들에 관련되거나, 또는 그렇지 않다면 물리적인 전자기 도체들을 이용하지 않고 송신기로부터 수신기로 송신되는 에너지의 임의의 형태를 의미한다.
더욱이, "무선 충전" 이라는 용어는 본 명세서에서 전기화학적 셀들을 재충전하기 위한 목적을 위한 전기화학적 셀들을 포함하는 하나 이상의 전기화학적 셀들 또는 시스템들에 무선 전력을 제공하는 것을 의미한다.
"배터리 전기 차량 (battery electric vehicle; BEV)" 이란 용어는 본 명세서에서 원격 차량을 의미하도록 이용되며, 그 예는 자신의 운동 능력들의 일부로서 하나 이상의 충전가능한 전기화학적 셀들로부터 유도된 전력을 포함하는 차량이다. 비한정적인 예들로서, 어떤 BEV들은 차량 감속으로부터의 전력을 이용하는 온-보드 충전기들 및 차량들을 충전하기 위한 전통적인 모터들을 포함하는 하이브리드 전기 차량들일 수도 있으며, 다른 BEV들은 모든 운동 능력을 전력으로부터 끌어낼 수도 있다. 다른 "원격 시스템들" 은 전자 디바이스들 및 그 유사 디바이스들을 포함하는 것으로 고려된다. 하기의 내용을 포함하지만 이에 제한되지 않는 다양한 용어들 및 약어들이 본 명세서에서 이용된다:
AC 교류
BEV 배터리 전기 차량
CB 충전 베이스
DC 직류
EV 전기 차량
FDX 전이중
FET 전계 효과 트랜지스터
G2V 그리드-투-차량
HDX 반이중
IGBT 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터
ISM 산업용, 과학용, 의료용
LF 저주파수
PWM 펄스폭 변조
r.m.s. 제곱 평균 제곱근
VLF 초저주파수
V2G 차량-투-그리드
ZSC 제로 전류 스위칭
제한이 아닌 예로서, 원격 시스템은 본 명세서에서 배터리 전기 차량 (BEV) 의 형태로 설명된다. 원격 시스템의 다른 예들은 또한 무선 전력을 수신 및 전송할 수 있는 다양한 전자 디바이스들 등등을 포함하는 것으로 고려된다.
도 1 은 BEV 가 무선 충전 베이스 (charging base, CB) (104) 근처에 주차되는 동안의 BEV들 (102) 과 같은 무선 충전 가능 원격 시스템용의 무선 충전 시스템을 예시한다. 2 개의 차량들 (102) 은 주차 지역 (106) 내에 예시되고 대응하는 CB들 (104) 상에 주차된다. 로컬 배전 센터 (108) 는 전력 백본 (backbone) 에 연결되고 CB들 (104) 의 일부로서 교류 (AC) 또는 직류 (DC) 서플라이를 전력 변환 시스템들 (112) 로 공급한다. 또한, CB들 (104) 은 원격 안테나에 의해 자기 근거리장을 생성하거나 자기 근거리장으로부터의 에너지를 픽업하는 무선 전력 안테나들 (114) 을 포함한다. 각각의 차량은 배터리들, BEV 전력 변환 및 충전 시스템 (116), 및 근거리장을 통하여 CB 안테나 (114) 와 상호작용하는 무선 전력 안테나 (118) 를 포함한다.
일부 예시적인 실시형태들에서, BEV 안테나 (118) 는 CB 안테나 (114) 와 정렬될 수도 있고, 따라서 단지 차량을 CB 안테나 (114) 에 대하여 정확하게 포지셔닝하는 드라이버에 의하여 근거리장 구역 내에 배치될 수도 있다. 다른 예시적인 실시형태들에서는, 드라이버에는 언제 충전이 무선 전력 전송을 위하여 적합하게 위치되는지를 결정하기 위한 시각적 피드백, 청각적 피드백, 또는 이들의 조합들이 제공될 수도 있다. 또 다른 예시적인 실시형태들에서는, 차량은 오토 파일럿 (autopilot) 시스템에 의하여 포지셔닝될 수도 있는데, 이 시스템은 정렬 오류가 허용가능 값에 도달할 때까지 차량을 앞뒤로 (예컨대, 지그-재그 움직임들) 이동시킬 수도 있다. 차량에 서보 스티어링 휠 (servo steering wheel), 모든 주위의 초음파 센서들 및 인공 지능이 탑재된다면, 드라이버의 개입이 없거나 또는 최소한의 드라이버 개입만을 통해서 차량에 의하여 자동으로 그리고 자율적으로 수행될 수도 있다. 또 다른 예시적인 실시형태들에서는, BEV 안테나 (118), CB 안테나 (114), 또는 이들의 조합은 안테나들을 서로에 대하여 상대적으로 배치 및 이동시킴으로써 이들을 더 정확하게 지향시키고 이들 사이에서 더 바람직한 근거리장 커플링을 전개시키기 위한 수단을 포함할 수도 있다.
CB들 (104) 은 다양한 로케이션들에 위치될 수도 있다. 비한정적인 예들로서, 몇 가지 적합한 로케이션들은 차량 소유자의 가정에 있는 주차 지역, 종래의 석유-기반 충진 스테이션들 (filling stations) 들을 따라서 모델링된 BEV 무선 충전을 위하여 예비된 충전 영역들, 및 쇼핑 센터들 및 직장들과 같은 다른 로케이션들에 있는 주차장들이다.
이러한 BEV 충전 스테이션들은 예를 들어 다음과 같은 이점들을 제공할 수도 있다:
- 편리함: 충전은 드라이버 개입 및 조작들이 거의 없이도 자동적으로 수행될 수도 있다.
- 신뢰성: 노출된 전기적 접촉들 및 기계적 마모가 없을 수도 있다.
- 안전성: 케이블들 및 커넥터들을 이용한 조작들이 필요 없을 수도 있으며, 외부 환경의 습기 또는 수분에 노출될 수도 있는 케이블들, 플러그들, 또는 소켓들이 없을 수도 있다.
- 파손 내성 (Vandalism resistant): 가시적이거나 접근가능한 소켓들, 케이블들, 및 플러그들이 없을 수도 있다.
- 이용가능성: 만일 BEV들이 그리드를 안정화시키기 위하여 분산 (distributed) 저장 디바이스들로서 이용될 것이라면 이용가능성이 높다. 이용가능성은 차량을 그리드로 연결시키는 (Vehicle to Grid, V2G) 능력을 허용하는 편리한 도킹-투-그리드 (docking-to-grid) 해결 방법에 따라서 증가할 수 있다.
- 심미성 및 비장애성: 차량들 및/또는 보행자들에게 방해될 수도 있는 컬럼 부하들 (column loads) 및 케이블들이 존재하지 않을 수도 있다.
V2G 능력의 다른 설명으로서, 무선 전력 송신 및 수신 능력들은 상호작용하도록 (reciprocal) 구성됨으로써, CB (104) 가 전력을 BEV (102) 로 전송하고 BEV가 전력을 CB (104) 로 전송하도록 할 수 있다. 이러한 능력은, BEV들로 하여금 태양열-셀 전력 시스템들이 전력 그리드에 연결되고 초과 전력을 전력 그리드에 공급할 수도 있는 것과 유사한 방법으로 전체 배전 시스템으로 전력을 기부하도록 허용함으로써, 전력 배전 안정성을 위하여 유용할 수도 있다.
도 2 은 BEV용 무선 전력 충전 시스템 (130) 의 간략화된 블록도이다. 본 명세서에서 설명되는 예시적인 실시형태들은, 일차 구조 및 이차 구조 모두가 공통 공진 주파수로 튜닝되면 일차 구조 (송신기) 로부터 이차 구조 (수신기) 로 자기적 근거리장을 통하여 에너지를 효율적으로 커플링할 수 있는 공진 구조를 형성하는, 용량적으로 부하가 인가된 와이어 루프들 (즉, 다중 권선 코일들) 을 이용한다. 이러한 방법은 "자기적으로 커플링된 공진" 및 "공진 유도" 라고도 알려진다.
무선 고 전력 전송을 가능하게 하기 위하여, 몇 가지 예시적인 실시형태들은 20 내지 60 kHz의 범위 내의 주파수를 이용할 수도 있다. 이러한 저 주파수 커플링은, 최신식 고상 디바이스들을 이용하여 달성될 수 있는 고효율 전력 변환을 허용할 수도 있다. 또한, 다른 대역들에 비교하여 무선 시스템들과의 공존 문제점들 (coexistence issues) 이 적을 수도 있다.
도 2 에서, AC 또는 DC 일 수도 있는 종래의 전원 (132) 은, 차량으로의 에너지 전송을 가정하면 전력을 CB 전력 변환 모듈 (134) 로 공급한다. CB 전력 변환 모듈 (134) 은 CB 안테나 (136) 를 구동하여 소망하는 주파수 신호를 방출한다. CB 안테나 (136) 및 BEV 안테나 (138) 가 실질적으로 동일한 주파수들로 튜닝되고 이들이 송신 안테나로부터의 근거리장 방사 내에 있을 정도로 충분하게 근접한다면, CB 안테나 (136) 및 BEV 안테나 (138) 는, 전력이 BEV 안테나 (138) 로 전송되고 BEV 전력 변환 모듈 (140) 에서 추출될 수도 있도록 커플링된다. 그러면, BEV 전력 변환 모듈 (140) 은 BEV 배터리들 (142) 을 충전할 수도 있다. 일 실시예에 따라, BEV 배터리는 디바이스용 원격 에너지 저장 시스템으로서 기능할 수도 있다. 전원 (132), CB 전력 변환 모듈 (134), 및 CB 안테나 (136) 는 전체 무선 전력 시스템 (130) 의 인프라구조 부분 (144) 을 구성하는데, 이 시스템은 정지형일수도 있고 위에서 논의된 다양한 로케이션들에 위치될 수도 있다. BEV 배터리 (142), BEV 전력 변환 모듈 (140), 및 BEV 안테나 (138) 는 차량의 일부 또는 배터리 팩의 일부인 무선 전력 서브시스템 (146) 을 구성한다.
동작시에는, 차량 또는 배터리로의 에너지 전송을 가정하면, 입력 전력은, CB 안테나 (136) 가 에너지 전송을 제공하기 위하여 방사된 장 (radiated field) 을 생성하도록 전원 (132) 으로부터 제공된다. BEV 안테나 (138) 는 방사된 장으로 커플링되고 차량에 의한 저장 또는 소모를 위하여 출력 전력을 생성한다. 예시적인 실시형태들에서는, CB 안테나 (136) 및 BEV 안테나 (138) 는 상호 공진 관계에 따라서 구성되고, BEV 안테나 (138) 의 공진 주파수와 CB 안테나 (136) 의 공진 주파수가 매우 근접한다면, CB 및 BEV 무선 전력 서브시스템들 간의 송신 손실들은 BEV 안테나 (138) 가 CB 안테나 (136) 의 근거리장 내에 위치될 때 최소가 된다.
언급한 바와 같이, 효율적인 에너지 전송은 송신 안테나의 근거리장 내의 에너지의 큰 부분을, 에너지의 거의 전부를 원거리장 (far-field) 으로의 전자기파 내에서 전파시키는 대신에 수신 안테나로 커플링함으로써 발생된다. 이러한 근거리장에 있는 경우, 커플링 모드가 송신 안테나 및 수신 안테나 사이에서 전개될 수도 있다. 이러한 근거리장 커플링이 발생될 수도 있는 안테나들 주위의 영역은 본 명세서에서는 근거리장 커플링-모드 구역이라고 불린다.
CB 및 BEV 전력 변환 모듈 모두는 발진기, 전력 증폭기, 필터, 및 무선 전력 안테나와의 효율적인 커플링을 위한 정합 회로를 포함할 수도 있다. 발진기는 소망하는 주파수를 생성하도록 구성되는데, 이 주파수는 조절 신호에 응답하여 조절될 수도 있다. 발진기 신호는 전력 증폭기에 의하여 제어 신호들에 응답하는 증폭량을 가지고 증폭될 수도 있다. 필터 및 정합 회로가 고조파들 또는 다른 원치 않는 주파수들을 필터링하고 전력 변환 모듈의 임피던스를 무선 전력 안테나에 맞춰서 정합하도록 포함될 수도 있다. CB 및 BEV 전력 변환 모듈은 또한 정류기, 및 적합한 전력 출력을 생성하여 배터리를 충전하기 위한 스위칭 회로를 포함할 수도 있다.
예시적인 실시형태들에서 이용되는 BEV 및 CB 안테나들은 "루프" 안테나들로서 구성될 수 있으며, 좀더 구체적으로는, 다중 권선 루프 안테나들로서 구성될 수 있는데, 이것도 역시 본 명세서에서는 "자기 (magnetic)" 안테나라고 불릴 수도 있다. 루프 (예컨대, 다중 권선 루프) 안테나들은 공심 (air core) 또는 예컨대 페라이트 코어와 같은 물리적인 코어를 포함하도록 구성될 수도 있다. 공심 루프 안테나는 다른 구성요소들을 코어 영역 내에 배치하도록 허용할 수도 있다. 강자성체 또는 강자성 재료들을 포함하는 물리적인 코어 안테나들은 더 강한 전자기장의 발달 및 개선된 커플링을 허용할 수도 있다.
언급한 바와 같이, 송신기 및 수신기 간의 에너지의 효율적인 전송은 송신기 및 수신기 간의 정합되거나 또는 거의 정합되는 공진 동안에 발생한다. 그러나, 송신기 및 수신기 간의 공진이 정합되지 않는 경우에도, 에너지는 낮은 효율에서 전송될 수도 있다. 에너지의 전송은 송신 안테나의 근거리장으로부터의 에너지를, 에너지를 송신 안테나로부터 자유 공간으로 전파시키는 대신에 이러한 근거리장이 설립된 인근에 상주하는 수신 안테나로 커플링함으로써 발생된다.
루프 안테나들의 공진 주파수는 인덕턴스 및 캐패시턴스에 기반한다. 루프 안테나 내의 인덕턴스는 일반적으로 간단하게는 루프에 의하여 생성된 인덕턴스이지만, 그 반면에 캐패시턴스는 일반적으로 루프 안테나의 인덕턴스에 추가되어 소망하는 공진 주파수에서의 공진 구조들을 생성한다. 비한정적인 예로서, 커패시터는 안테나와 직렬로 추가되어 자기장을 생성하는 공진 회로를 생성할 수도 있다. 따라서, 대직경 루프 안테나들에 대해서는, 공진을 유도하기 위하여 필요한 캐패시턴스의 크기는 루프의 직경 또는 인덕턴스가 증가함에 따라서 감소한다. 또한, 인덕턴스가 루프 안테나의 권선수에 의존할 수도 있다는 점도 더욱 주의하여야 한다. 더욱이, 루프 안테나의 직경이 증가함에 따라서, 근거리장의 효율적인 에너지 전송 영역은 증가한다. 물론, 다른 공진 회로들도 가능하다. 또 다른 비한정적인 예로서, 커패시터는 루프 안테나의 두 단자들 사이에 병렬로 배치될 수도 있다 (즉, 병렬 공진 회로).
본 발명의 예시적인 실시형태들은 각각의 근거리장들 내에 존재하는 두 개의 안테나들 간에 전력을 커플링하는 것을 포함한다. 언급한 바와 같이, 근거리장은 전자기장들 존재하지만 안테나로부터 전파 또는 방사되지 않을 수도 있는 안테나 주위의 영역이다. 근거리장 커플링-모드 영역들은 전형적으로는, 예를 들어 파장의 6분의 1의 반경 내의 안테나의 물리적 볼륨 근처인 볼륨으로 한정된다. 본 발명의 예시적인 실시형태들에서는, 실용적인 실시형태들에서 전기적-유형의 안테나 (예를 들어 소형 다이폴) 의 전기적 근거리장들과 비교하여 자기적 유형의 안테나들에 대해 자기적 근거리장 진폭들이 더 높은 경향이 있기 때문에, 단일 및 다중 권선 루프 안테나들과 같은 자기적 유형의 안테나들이 송신 및 수신 모두를 위하여 이용된다. 이것은 쌍들 간에 잠재적으로 더 높은 커플링을 허용한다. 상당한 자기장에 의존하는 다른 이유는, 환경 내의 비-도전성 유전체 재료들과의 이것의 낮은 상호작용 및 안전 문제이다. 무선 고 전력 송신을 위한 전기적 안테나들은 초고전압들을 수반할 수도 있다. 더욱이, "전기적" 안테나들 (예컨대, 다이폴들 및 모노폴들) 또는 자기적 및 전기적 안테나들의 조합이 역시 고려된다.
도 3 은 통신 링크들 (152), 유도 링크들 (154), 및 CB 안테나 (158) 및 BEV 안테나 (160) 를 위한 정렬 시스템들 (156) 을 예시하는, BEV용의 일반적인 무선 전력 충전 시스템 (150) 의 좀더 상세한 블록도이다. 도 2 의 예시적인 실시형태와 같이, 그리고 BEV를 향한 에너지 흐름을 가정하면, 도 3 에서 CB 전력 변환 유닛 (162) 은 AC 또는 DC 전력을 CB 전력 인터페이스 (164) 로부터 수신하고 CB 안테나 (158) 를 자신의 공진 주파수에서 또는 그 근방에서 여기한다. BEV 안테나 (160) 가 근거리장 커플링-모드 구역 내에 있으면, 근거리장 커플링 모드 구역으로부터 에너지를 수신하여 공진 주파수에서 또는 그 근방에서 발진한다. BEV 전력 변환 유닛 (166) 은 수신 안테나 (160) 로부터의 발진 신호를, 배터리를 충전하는데 적합한 전력 신호로 변환한다.
일반적인 시스템은 CB 제어 유닛 (168) 및 BEV 제어 유닛 (170) 을 각각 포함할 수도 있다. CB 제어 유닛 (168) 은, 예를 들어 컴퓨터 및 전력 배전 센터와 같은 다른 시스템들 (미도시) 로의 통신 인터페이스를 포함할 수도 있다. BEV 통신 유닛 (170) 은, 예를 들어 차량 상의 온-보드 컴퓨터, 다른 배터리 충전 제어기, 차량들 내의 다른 전자 시스템들, 및 원격 전자 시스템들과 같은 다른 시스템들 (미도시) 로의 통신 인터페이스를 포함할 수도 있다.
CB 및 BEV 통신 유닛들 (180 및 182) 은 서브시스템들 또는 그에 따른 별개의 통신 채널들을 가지는 특수 애플리케이션을 위한 기능들을 포함할 수도 있다. 이러한 통신 채널들은 별개의 물리적인 채널들이거나 단지 별개의 논리적 채널들일 수도 있다. 비한정적인 예들로서, CB 정렬 유닛 (172) 은 예컨대 CB 및 BEV 통신 유닛들 (180 및 182) 을 통해 BEV 정렬 유닛 (174) 과 통신하여, 자율적으로 또는 다른 조작자 지원을 이용하여 CB 안테나 (158) 및 BEV 안테나 (160) 를 더 근접하게 정렬하기 위한 피드백 메커니즘을 제공할 수도 있다. 이와 유사하게, CB 가이드 유닛 (176) 은 예컨대, CB 및 BEV 통신 유닛들 (180 및 182) 을 통해 BEV 가이드 유닛 (178) 과 통신하여 CB 안테나 (158) 및 BEV 안테나 (160) 를 정렬하는데 있어서 조작자를 유도하는 피드백 메커니즘을 제공할 수도 있다. 또한, CB 및 BEV 사이에서 다른 정보들을 통신하기 위한 CB 통신 유닛 (180) 및 BEV 통신 유닛 (182) 에 의해 지원되는 별개의 범용 통신 채널 (152) 이 존재할 수도 있다. 이러한 정보는 EV 특성들, 배터리 특성들, 충전 상태, 및 CB 와 BEV 양측 모두의 전력 능력들에 대한 정보, 및 유지관리 및 진단 데이터를 포함할 수도 있다. 이러한 통신 채널들은 예컨대, 예를 들어 블루투스, 지그비 (zigbee), 셀룰러 등과 같은 별개의 물리적인 통신 채널들일 수도 있다.
또한, 몇 가지 통신은 특정한 통신 안테나들을 이용하지 않고 무선 전력 링크를 통하여 수행될 수도 있다. 다시 말하면, 통신 안테나 및 무선 전력 안테나는 동일하다. 따라서, CB의 몇 가지 예시적인 실시형태들은 무선 전력 경로 상에 키잉 유형 프로토콜 (keying type protocol) 을 허용하기 위한 제어기 (미도시) 를 포함할 수도 있다. 미리 정의된 간격들로 미리 정의된 프로토콜에 따라 송신 전력 레벨을 키잉 (진폭 천이 키잉 (Amplitude Shift Keying)) 함으로써, 수신기는 송신기로부터의 직렬 통신을 검출할 수 있다. CB 전력 변환 모듈 (162) 은 CB 안테나 (158) 에 의하여 생성된 근거리장의 근방 내의 능동 BEV 수신기들의 존재 또는 부재를 검출하기 위한 부하 감지 회로 (미도시) 를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 부하 감지 회로는 전력 증폭기로 흘러가는 전류를 모니터링하는데, 이것은 CB 안테나 (158) 에 의하여 생성된 근거리장의 근방 내의 능동 수신기들의 존재 또는 부재에 의하여 영향받는다. 전력 증폭기 상의 부하에 대한 변화의 검출은 제어기에 의하여 모니터링 됨으로써 에너지를 송신하기 위한 발진기의 인에이블링 여부 또는 능동 수신기와의 통신 여부, 또는 이들의 조합을 결정하는데 이용될 수도 있다.
BEV 회로는 BEV 안테나 (160) 의 BEV 전력 변환 유닛 (166) 으로의 연결 및 연결해제를 위한 스위칭 회로 (미도시) 를 포함할 수도 있다. BEV 안테나를 연결해제하는 것은 충전을 지연시킬 뿐 아니라 CB 송신기에 의하여 "보이는" "부하" 도 변경시키는데, 이것은 송신기로부터 BEV 수신기를 은폐 (cloak) 하는데 이용될 수 있다. CB 송신기가 부하 감지 회로를 포함하면, 부하 변화들이 검출될 수 있다. 따라서, CB는 언제 BEV 수신기들이 CB 안테나의 근거리장 내에 존재하는지를 결정하기 위한 메커니즘을 가진다.
도 4 는 BEV들의 무선 충전을 위하여 이용가능하고 적합할 수도 있는 다양한 주파수들을 도시하는 주파수 스펙트럼을 예시한다. BEV들로의 무선 고전력 전송을 위한 몇 가지 잠재적인 주파수 범위들은: 3 kHz 내지 30 kHz 대역 내의 VLF, 몇 개의 제외되는 것들을 포함하는 30 kHz 내지 150 kHz 대역 (ISM-유사 애플리케이션들용) 내의 하부 LF, HF 6.78 MHz (ITU-R ISM-대역 6.765 내지 6.795 MHz), 및 HF 13.56 MHz (ITU-R ISM-대역 13.553 내지 13.567), 및 HF 27.12 MHz (ITU-R ISM-대역 26.957 내지 27.283) 를 포함한다.
도 5 는 BEV들의 무선 충전에서 유용할 수도 있는 몇 가지 가능한 주파수들 및 송신 거리들을 예시한다. BEV 무선 충전 용으로 유용할 수도 있는 몇 가지 예시적인 송신 거리들은 약 30 mm, 약 75 mm, 및 약 150 mm이다. 몇 가지 예시적인 주파수들은 VLF 대역 내에서는 약 27 kHz 이고 LF 대역 내에서는 약 135 kHz 일 수도 있다.
수신 및 송신 안테나의 공진 특성들 및 커플링-모드 구역들 뿐만 아니라 적합한 주파수를 결정하는 데에 관련하여 많은 고려들을 할 필요가 있다. 무선 전력 주파수들은 다른 애플리케이션들을 위하여 이용되는 주파수들과 간섭할 수도 있다. 비한정적인 예들로서, 전력선 주파수들, 가청 주파수들 및 통신 주파수들과의 VLF/LF 공존 이슈들이 존재할 수도 있다. 공존이 VLF 및 LF에 대한 이슈일 수도 있는 몇 가지 비한정적인 예들은: 무선 제어 클록들을 위한 주파수들, LW AM 브로드캐스트들 및 다른 무선 서비스들을 위한 주파수들, ISDN/ADSL 및 ISDN/xDSL 통신 채널들로의 크로스-커플링, 전자 차량 고정화 시스템들 (immobilization systems), RFID (Radio Frequency Identification) 시스템들, EAS (Electronic Article Surveillance) 시스템들, 온-사이트 (on-site) 페이징 (paging), 저전압 (LV) PLC 시스템들, 의료 임플란트들 (medical implants) (심장 박동계 (cardiac pacemakers) 등), 및 인간 및 동물에 의하여 인지될 수 있는 오디오 시스템들 및 음파 방출 (acoustic emission) 일 수도 있다.
공존이 HF 주파수들에 대한 이슈일 수도 있는 몇 가지 비한정적인 예들은 산업용, 과학용, 의료적 (industrial, scientific and medical, ISM) 무선 대역들로서, 예컨대: 연속적 에너지 전송을 가지는 FDX 또는 HDX 모드 내의 RFID 및 원격 제어 애플리케이션들에 대한 6.78 MHz; 연속적인 에너지 전송 및 휴대용 디바이스 무선 전력을 가지는 FDX 또는 HDX 모드 내의 RFID에 대한 13.56 MHz; 및 철도 애플리케이션들 (유로발리스 (Eurobalise) 27.095 MHz), 시티즌 (Citizen) 대역 라디오, 및 원격 제어 (예컨대, 모델들, 장난감들, 차고 문, 컴퓨터 마우스 등) 를 위한 27.12 MHz 이다.
도 6 은 배터리 전기 차량 (BEV) (220) 내에 배치된 교체가능 배터리의 간략화된 다이어그램을 도시한다. 이러한 예시적인 실시형태에서, 저 배터리 포지션은 무선 전력 인터페이스 (226) 를 내장하며 지중에 설치된 충전기로부터 전력을 수신할 수 있는 배터리 유닛 (222) 에 대하여 유용할 수도 있다. 도 6 에서, EV 재충전 가능 배터리 유닛 (222) 이 배터리실 (compartment) (224) 내에 수용된다. 또한, 배터리 유닛 (222) 은 무선 전력 인터페이스 (226) 를 제공하는데, 이것은 공진 자기적 안테나, 전력 변환 및 지중 충전 베이스 (CB) 및 전기적 차량 (EV) 배터리 간의 효율적이고 안전한 무선 에너지 전송을 위해 필요한 다른 제어 및 통신 기능들을 포함하는, BEV 측의 무선 전력 서브시스템 전체를 내장할 수도 있다.
BEV 안테나가 배터리 유닛 (222) (차량 본체) 의 하단측과 동일한 높이로 내장됨으로써, 돌출된 부분들이 없게 하고 그리고 특정한 그라운드-차체 높이가 유지될 수 있게 하는 것이 유용할 수도 있다. 이러한 구성은 배터리 유닛 내에 무선 전력 서브시스템 전용인 어느 정도의 공간을 요구할 수도 있다.
몇 가지 예시적인 실시형태들에서, CB 안테나 및 BEV 안테나는 위치에 고정되며 안테나들은 CB에 대한 BEV의 전체 배치에 의하여 근거리장 커플링 구역 내로 유도된다. 그러나, 에너지 전송을 신속하게, 효율적으로, 그리고 안전하게 수행하기 위해서, 충전 베이스 안테나 및 BEV 안테나 간의 거리는 자기적 커플링을 향상시키기 위하여 감소될 필요가 있을 수도 있다. 따라서, 몇 가지 예시적인 실시형태들에서, CB 안테나 및 BEV 안테나는 그들을 더 양호한 정렬 상태로 유도하기 위하여 이동가능하게 전개될 수도 있다. 또한 도 6 내에는 비접촉식 전력 및 통신 인터페이스들 (226/228) 을 제공하는 배터리 유닛 (222) 이 예시된다.
도 7 은 배터리에 대한 루프 안테나 및 페라이트 재료 배치의 좀 더 상세한 다이어그램이다. 다양한 예시적인 실시형태들에서는, 배터리 유닛은 무선 전력 인터페이스의 일부로서 전개가능 (deployable) 및 비-전개가능 BEV 안테나 모듈 (240) 중 하나를 포함한다. 자기장들이 배터리 유닛 (230) 및 차량의 내부로 침투하는 것을 방지하기 위하여, 배터리 유닛과 BEV 안테나 모듈 (240) 사이에 도전성 쉴딩 (232) (예컨대, 구리 시트) 이 존재할 수도 있다. 더욱이, 비-도전성 (예컨대, 플라스틱) 층 (233) 이 도전성 쉴드 (232) 를 보호하는데 이용될 수도 있다. 플라스틱 층 (233) 이 도 7 에서 하나의 선으로 예시되지만, 플라스틱 층 (233) 의 폭은 도전성 구리층 (232) 의 폭 미만이거나, 거의 동일하거나, 그 이상일 수도 있다. 플라스틱 하우징 (235) 은 환경적 영향들 (예를 들어, 기계적 손상, 산화 등) 으로부터 코일 (236), 및 페라이트 재료 (238) 를 보호하기 위하여 이용된다. 플라스틱 충진재 (234) 는 하우징 (235) 내에 코일 (236) 과 페라이트 (238) 를 포지셔닝하는데 이용될 수 있다.
도 7 은 완전 페라이트 (fully ferrite) 내장 안테나 코일 (236) 을 도시한다. 코일 (236) 자체는, 오직 예를 들자면 스트랜디드 릿츠 와이어 (stranded Litz wire) 로 제작될 수도 있다. 도 7 은 또한 커플링을 향상시키고 도전성 쉴드 (232) 내에 에디 전류 (열 소실) 을 감소시키기 위한, 치수가 결정된 페라이트 플레이트 (238, 즉, 페라이트 배킹) 를 도시한다. 코일 (236) 은 비-도전 비-자성 (예를 들어 플라스틱) 재료 (234) 내에 완전히 내장될 수도 있다. 자성 커플링 및 페라이트 히스테리시스 손실들 간의 최적 트레이드-오프의 결과로서, 일반적으로 코일 (236) 및 페라이트 플레이트 (238) 사이에 이격이 존재할 수도 있다.
또한, 코일 (236) 은 측면 X 및/또는 Y 방향들에서 이용가능할 수도 있다. 도 7 은 특히, 안테나 (코일) 모듈 (240) 이 하향 Z 방향으로 전개된 예시적인 실시형태를 예시한다. 배터리 유닛(230) 으로부터 안테나 모듈 (240) 의 물리적인 이격은 안테나 성능에 긍정적인 영향을 미칠 수도 있다.
도 8 은 무선 전력을 수신하도록 설치되는 BEV 내의 배터리 시스템 (250) 의 일부들의 간략화된 블록도이다. 이러한 예시적인 실시형태는 EV 시스템 (252), 배터리 서브시스템 (254), 및 CB (미도시) 로의 무선 충전 인터페이스 사이에서 이용될 수도 있는 무선 전력 인터페이스들을 예시한다. 배터리 서브시스템 (254) 은 EV 와 배터리 서브시스템 (254) 사이의 무선 인터페이스와의 에너지 전송 및 통신 양자를 제공하여 완전히 비접촉식이며, 폐쇄되고, 및 밀봉된 배터리 서브시스템을 인에이블한다. 인터페이스는 양방향 (2-방향) 무선 에너지 전송, 전력 변환, 제어, 배터리 관리, 및 통신을 위한 기능을 포함할 수도 있다. 배터리와 BEV 사이에 비접촉식 접속이 예시되지만, 접촉식 접속 또한 고려된다.
충전기-배터리 통신 인터페이스 (256) 및 충전기-배터리 무선 전력 인터페이스 (258) 는 위에서 설명되어 왔으며, 도 8 이 일반적인 개념을 도시한다는 것이 다시 한번 주의되어야 한다. 특정의 실시형태들에서는, 무선 전력 안테나 (260) 및 통신 안테나는 단일 안테나로 통합될 수도 있다. 또한 이것은 배터리-EV 무선 인터페이스 (262) 에 적용될 수도 있다. 전력 변환 (LF/DC) 유닛 (264) 은 CB 로부터 수신된 무선 전력을 EV 배터리 (266) 를 충전하는 DC 신호로 변환한다. 전력 변환 (DC/LF) (268) 은 EV 배터리 (266) 로부터의 전력을 배터리 서브시스템 (254) 과 EV 시스템 (252) 간의 무선 전력 인터페이스 (270) 로 공급한다. 배터리 관리 유닛 (272) 이 포함되어 EV 배터리 충전, 전력 변환 유닛들 (LF/DC 및 DC/LF) 의 제어, 및 무선 통신 인터페이스를 관리할 수도 있다.
EV 시스템 (252) 에서는, 무선 전력 안테나 (274) 가 안테나 (276) 로부터 전력을 수신하고 LF/DC 전력 변환 유닛 (278) 이 DC 신호를 슈퍼 커패시터 버퍼 (280) 로 공급할 수도 있다. 몇 가지 예시적인 실시형태들에서, LF/DC 전력 변환 유닛 (278) 은 DC 신호를 직접적으로 EV 전원 인터페이스 (282) 로 공급할 수도 있다. 다른 예시적인 실시형태들에서는, 비접촉식 인터페이스가, 예를 들어 가속되는 동안에 차량들의 구동 트레인에 의하여 요청되는 높은 배터리 피크 전류를 제공할 수 없을 수도 있다. 소스 저항을 감소시키고 이에 따라서 EV 전력 공급 단자들에서 "바라본" 바와 같은 EV 에너지 저장 시스템의 피크 전력 성능을 감소시키기 위하여, 추가적인 슈퍼 커패시터 버퍼가 채택될 수도 있다. EV 전기 시스템 제어 유닛 (284) 이 포함되어 전력 변환 유닛 (LF/DC) (278) 의 제어, 슈퍼 커패시터 버퍼 (280) 의 충전, EV 및 배터리 서브시스템 (254) 으로의 무선 통신 인터페이스 (262) 를 관리할 수도 있다. 더욱이, 위에서 설명된 바와 같은 V2G 능력들이 도 8 을 참조하여 설명되고 도 8 내에 예시되는 개념들에도 적용될 수 있다는 점에 주의하여야 한다.
본 발명의 예시적인 실시형태들은, 하기에서 설명되는 것과 같이, (본 명세서에서 "BEV 무선 충전 시스템" 으로서 지칭되는) BEV용 무선 충전 시스템의 일부로서 무선 전력 안테나들의 정렬에 관한 것이다. 당업자에 의해 인식되는 것과 같이, 적절한 안테나 정렬은 신속하고, 효율적이며, 안전한 방식으로 예컨대 주차 공간 내에 위치된 충전 베이스와 BEV 서브시스템 간의 2-방향 (양방향) 에너지 전송을 가능하게 할 수도 있다. 하나 이상의 예시적인 실시형태들에 따라, 차량 유도 시스템은 CB 안테나와 BEV 안테나가 특정 에러 반경 내에서 정렬될 수 있도록 주차 공간 내에 BEV 를 적절히 포지셔닝하는 코오스 (coarse) 정렬을 제공할 수도 있다. 또한, 하나 이상의 다른 예시적인 실시형태들에 따라, 안테나 정렬 시스템은 BEV 무선 충전 시스템 내에서 안테나의 파인 (fine) 정렬을 가능하게 하도록 CB 안테나, BEV 안테나, 또는 이들 양자를 하나 이상의 방향들로 기계적으로 조정하도록 구성될 수도 있다.
도 9 는 복수의 주차 공간들 (907) 을 포함하는 주차장 (901) 을 예시한다. "주차 공간" 은 또한 본 명세서에서 "주차 지역" 으로 지칭될 수도 있음에 유의한다. 차량 무선 충전 시스템의 효율을 개선하기 위해, BEV (905) 는 (도 9 에 화살표 (902) 에 의해 도시된) X 방향 및 (도 9 에 화살표 (903) 에 의해 도시된) Y 방향을 따라 정렬되어 BEV (905) 내의 무선 전력 차량 베이스 (904) 가 연관된 주차 공간 (907) 내의 무선 전력 충전 베이스 (906) 와 적절히 정렬되게 할 수도 있다. 도 9 의 주차 공간들 (907) 은 단일 충전 베이스 (906) 를 가지는 것으로 도시되지만, 본 발명의 실시형태들은 그에 한정되지 않는다. 오히려, 주차 공간들은 하나 이상의 충전 베이스들을 가질 수 있는 것으로 고려된다.
추가로, 본 발명의 실시형태들은 하나 이상의 주차 공간들을 가지는 주차장들에 적용가능하며, 여기서 주차 공간 내의 적어도 하나의 주차 공간은 충전 베이스를 포함한다. 추가로, 유도 시스템들 (비도시) 은 BEV 내의 차량 베이스 (예컨대, 차량 베이스 (904)) 가 충전 베이스 (906) 와 정렬되게 할 수 있도록 차량 운전자가 주차 공간 (907) 에 BEV 를 포지셔닝하는 것을 보조하는데 이용될 수도 있다. 예시적인 유도 시스템들은 BEV 내의 안테나가 충전 베이스 (예컨대, 충전 베이스 (906)) 내의 충전 안테나와 적절히 정렬되게 할 수 있도록 BEV 운전자가 BEV 를 포지셔닝하는 것을 보조하기 위해, 전자-기반의 접근 방식들 (예컨대, 무선 포지셔닝, 방향 탐지 원리들 및/또는 광학, 준-광학 및/또는 초음파 감지 방법들) 또는 기계-기반의 접근 방식들 (예컨대, 차량 휠 가이드들, 트랙들 또는 스톱들), 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수도 있다.
도 10a 는 최소 섀시 간격을 필요로 하는, BEV (1010) 이 부딪힐 수도 있는 다양한 장애물들 (1005) 을 예시한다. 장애물들 (1005) 은 서로 다른 로케이션들에서 BEV (1010) 의 섀시 밑면 (1015) 과 접촉할 수도 있다. 무선 전력 안테나 (비도시) 가 BEV (1010) 의 섀시 밑면 (1015) 내에 또는 그 근처에 위치될 경우, 무선 전력 안테나는 손상되거나, 오정렬되거나, 또는 무선 전력 안테나와 접촉하는 장애물들 (1005) 과 연관된 다른 문제들을 가질 수도 있다.
도 10b 는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 BEV 안테나 (1020)를 예시한다. 장애물들과의 바람직하지 않은 접촉으로부터 BEV 안테나 (1020) 를 보호하기 위해, BEV (1010) 의 섀시 밑면의 공동 (1012) 내에 BEV 안테나 (1020) 를 위치시키는 것이 바람직할 수도 있다.
충전 베이스는 CB 안테나와 동작가능하게 커플링된 전력 변환 유닛을 포함할 수도 있다. 충전 베이스는 본 명세서에 설명된 것과 같은 CB 안테나의 포지션 조정을 위해 이용될 수도 있는 다른 기계 또는 전자 컴포넌트들 (예컨대, 프로세서) 를 더 포함할 수도 있다. 충전 베이스의 컴포넌트들은 주차장, 차도, 또는 차고에서 그라운드 밑에 적어도 부분적으로 매립된 충전 베이스 내에 하우징될 수도 있다.
도 11 은 본 발명의 예시적인 실시형태들에 따라 그라운드 (1105) 밑에 적어도 부분적으로 매립된 충전 베이스 (1110) 를 예시한다. 충전 베이스 (1110) 는 무선 전력 신호를 BEV 와 연관된 대응하는 BEV 안테나 (비도시) 로/부터 송신하거나 수신하기 위한 하나 이상의 CB 안테나들 (1115) 을 포함할 수도 있다. 충전 베이스 (1110) 는 그라운드로부터의 돌출 (1101) 일수도 있고, 이는 CB 안테나 (1115) 와 BEV 안테나 사이의 거리가 감소되기 때문에 커플링을 개선할 수도 있다. 충전 베이스 (1110) 의 돌출 (1101) 은 유지 보수를 위해 더 액세스될 수도 있다. 그러나, 충전 베이스 (1110) 의 돌출 (1101) 은 보행자에 대하여, 또는 제설 동안 독립적일 수도 있다.
대안적으로, 충전 베이스 (1110) 는 그라운드 (1105) 의 표면과 수평 (1102) 을 이룰 수도 있다. 충전 베이스 (1110) 의 수평 (1102) 은 유지 보수를 위해 더 액세스될 수도 있고 방해가 되지 않을 수도 있지만; 그러나, CB 안테나 (1115) 와 BEV 안테나 간의 커플링은 충전 베이스 (1110) 의 돌출 (1101) 과 비교할 때 감소될 수도 있다. 충전 베이스 (1110) 의 수평 (1102) 은 잠정적으로 물, 얼음 및 기계적 응력에 의해 더 부식되기 쉬운 그라운드 (예컨대, 아스팔트) 의 가장자리를 갖는 잠정적인 문제를 가질 수도 있다.
대안적으로, 충전 베이스 (1110) 는 (아스팔트 층 (1107) 하부와 같은) 그라운드 표면 하부 (1103) 에 위치될 수도 있다. 이러한 충전 베이스 (1110) 의 하부면 (1103) 은 침입자들 (예컨대, 기물 파손) 으로부터 더 안전할 수도 있고 방해되지 않을 수도 있지만; 그러나, 커플링 및 유지 보수에 대한 액세스 가능성은 감소될 수도 있다.
도 12a 내지 도 12c 는 무선 전력 안테나 (1225) 를 포함하는 충전 베이스 (1220) 위에 위치된 무선 전력 안테나 (1215) 를 포함하는 BEV (1210) 을 예시한다. 도 12a 내지 도 12c 에 도시된 것과 같이, BEV 안테나 (1215) 와 CB 안테나 (1225) 는 X 및 Y 방향들로 정렬되고 Z 방향에서 거리 (1230) 만큼 이격된다. 도 12b 에 도시된 것과 같이, BEV 안테나 (1215) 와 CB 안테나 (1225) 는 X 방향에서 오프셋 거리 (1235) 만큼 오정렬되고, Z 방향에서 거리 (1230) 만큼 이격된다.
BEV 안테나 (1215) 와 CB 안테나 (1225) 사이의 커플링 강도를 개선하기 위해, 거리 (1230) 와 오프셋 거리 (1235) 를 감소시키는 것이 바람직할 수도 있다. 거리 (1230) 와 오프셋 거리 (1235) 를 감소시키는 것은 파인 정렬 조정 시스템을 통해 발생할 수도 있다.
파인 정렬 조정 시스템은, CB 안테나 (1225) 와 BEV 안테나 (1215) 간의 커플링 강도를 증가시키기 위해 CB 안테나 (1225), BEV 안테나 (1215), 또는 이들의 조합을 물리적인 포지션을 조정하는데 이용될 수도 있다. BEV 안테나 (1215) 와 CB 안테나 (1225) 중 하나 또는 이들 양자의 포지션을 조정하는 것은 그들 사이의 오정렬의 검출에 응답하여 수행될 수도 있다. 오정렬을 결정하는 것은, 예컨대 자기장 검출에 관한 방법에 대하여 전술된 것과 같이, 차량 유도 시스템으로부터의 정보를 활용함으로써 수행될 수도 있다. 추가로, 무선 전력 링크로부터의 정보 (예컨대, 무선 전력 링크의 성능을 나타내는 다양한 파라미터들) 는 연관된 안테나들의 오정렬을 결정할 때 이용될 수도 있다. 예를 들면, 오정렬 검출 동안, 무선 전력 링크는 감소된 전력 레벨로 동작될 수도 있고, 연관된 안테나들이 정확히 정렬된 이후에, 전력 레벨은 증가될 수도 있다.
파인 정렬 조정 시스템은 코오스 정렬 유도 시스템과 별개이거나, 그 시스템에 부가될 수도 있다. 예를 들어, 코오스 정렬 유도 시스템은 소정의 허용오차 (즉, 에러 반경) 내의 포지션으로 BEV 를 유도할 수도 있고, 따라서 파인 정렬 조정 시스템은 BEV 안테나 (1215) 와 CB 안테나 (1225) 사이의 파인 에러들을 수정할 수 있다.
도 12c 에서 BEV (1210) 의 부감도 (overhead view) 에 도시된 것과 같이, BEV 안테나 (1215) 와 CB 안테나 (1225) 는 오직 X 방향에서 오정렬된다. BEV 안테나 (1215) 와 CB 안테나 (1220) 는 Y 방향으로 정렬된다. 예컨대, Y 방향으로의 정렬은 본 명세서에 설명된 유도 시스템에 의해 보조될 (예컨대, 자동-조작될) 수도 있고, 그에 의해 BEV 의 모터가 타겟 Y 포지션으로 더 부드럽고 더 정확하게 이동할 수도 있는, BEV 소유의 견인 시스템을 이용하여 BEV (1210) 에 의해 수행될 수도 있다. 이러한 시나리오에서, X 방향에서 정렬 에러가 여전히 존재하지만, Y 방향에서는 존재하지 않을 수도 있다. BEV 안테나 (1215) 가 오직 X 방향에서 이동하도록 구성될 수도 있기 때문에, (예컨대, 코오스 정렬 유도 시스템의 이용을 통한) Y 방향의 정렬 조정에 대한 필요성은 BEV 안테나 (1215) 에 대한 공간 요건들을 감소시킬 수도 있고, BEV 안테나 (1215) 는 공동에 수용되고 무선 전력 전송을 위해 전개될 수도 있다. 따라서, Y 방향의 파인 정렬에 대한 필요성을 제거하는 것은 BEV 무선 전력 서브시스템을 간략화시킬 수도 있다.
도 13a 는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따라 기계 디바이스가 BEV 안테나(1415) 의 포지션을 조정할 수도 있는 X 및 Y 방향의 가능한 로케이션들을 예시한다. 예를 들면, 기계 디바이스 내의 각도 쌍 (α, β) 을 선택함으로써, X 및 Y 방향들에서의 임의의 포지션은 반경 rmax 내에서 달성될 수도 있다.
도 13b 는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따라 BEV (1510) 밑면의 공동 (1512) 내에 로케이트된 BEV 안테나 (1515) 에 대한 기계적 솔루션을 예시한다. 도 13b 에 도시된 것과 같이, 기계 디바이스 (1550) 는 적절한 각도 쌍 (α, β) 을 선택함으로써 BEV 안테나 (1515) 의 포지션을 X 및 Y 방향들로 조정할 수도 있다. 추가로, 기계 디바이스 (1550) 는 BEV (1510) 의 공동 (1512) 으로부터 BEV 안테나 (1515) 를 낮춤으로써 BEV 안테나 (1515) 의 포지션을 Z 방향으로 조정할 수도 있다. 기계 디바이스 (1550) 는 전자 구동식 역학 및 수리학을 포함하는 복수의 기계적인 솔루션들 중 하나를 포함할 수도 있다. 본 명세서에 도시되지는 않았지만, 기계 디바이스는 유사하게 CB 안테나의 포지션을 X, Y, 또는 Z 방향들 또는 이들의 임의의 조합으로 조정하는데 이용될 수도 있다. 다시 말해서, 파인 정렬 조정은 경우에 따라, CB 안테나, BEV 안테나 (1515) 또는 이들 양자의 포지션을 조정하기 위한 기계적인 솔루션에 의해 수행될 수도 있다.
도 14 는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따라, BEV 안테나 (1615) (및/또는 CB 안테나) 가 구동 메커니즘 (1652) 에 동작가능하게 커플링된 기어 샤프트 (1650) 에 의해 다시 포지셔닝될 수도 있는 다른 기계적인 솔루션을 예시한다. 동작시에는, 구동 메커니즘 (1652) 이 작동된다면, 기어 샤프트 (1650) 는 BEV 안테나 (1615) 를 Z 방향으로 낮추기 위해 지지 멤버 (1654) 를 연장하도록 회전될 수도 있다.
파인 정렬 조정은 또한 무선 전력 송신기에 의해 생성된 전기장의 플럭스 라인들을 변경시키는 전기적인 솔루션 (예컨대, 전자 스위칭되는 코일 어레이들) 의 도움에 의해 수행될 수도 있다. 안테나들의 기계적이고 전기적인 정렬의 조합이 이용될 수도 있다.
BEV 안테나는 BEV 의 섀시 밑면을 따라 위치될 수도 있다. 전술된 것과 같이 그라운드 표면 밑에 적어도 부분적으로 매립되어 있는 충전 베이스보다, 충전 베이스는 그라운드 표면 위에 위치된 충전 플랫폼으로서 구성될 수도 있다. 이러한 구성은 충전 베이스에 대하여 그라운드에 홀을 형성하는 것이 바람직하지 않다면, 차고 또는 간이 차고에 대한 재조절 솔루션으로서 바람직할 수도 있다. 충전 플랫폼의 구성은 이동식이고, 충전 플랫폼이 차고 이외의 위치에 저장되거나 다른 위치로 전달될 수도 있기 때문에, 유연성을 제공할 수도 있다.
충전 베이스 (예컨대, 충전 플랫폼) 은 (예컨대, 자동화 로봇으로서) 자동으로 이동하거나, (예컨대, 원격 제어 유닛을 통해) 원격으로 제어되거나, 모바일 충전 플랫폼의 제어를 위한 다른 방법들을 통해 구성될 수도 있다. 예를 들면, BEV 는 (예컨대, 그 무선 전력 서브시스템을 통해) 전하를 요구할 수도 있고, 그 결과 충전 베이스는 CB 무선 전력 안테나를 BEV 안테나와 정렬시키기 위해 BEV 밑에서 및 그 포지션 자체에서 자동으로 이동할 수도 있다. (필요한 경우에) 추가의 파인 정렬은 전술된 것과 같이 BEV 안테나와 CB 안테나의 포지션을 하나 이상의 방향으로 조정시킴으로써 수행될 수도 있다.
충분히 정렬되면, 충전 베이스는 충전 베이스와 BEV 의 무선 전력 서브시스템 사이에 무선 전력을 더 효율적으로 전송할 수도 있다. 충전이 완료된 후에, 또는 일부 다른 이벤트 이후에, 충전 베이스는 대기 포지션 (스탠바이 모드) 으로 다시 리턴할 수도 있다. 그러므로, 무선 전력 시스템은 충전 베이스 및 BEV 와 연관된 연관된 다른 디바이스 (예컨대, 무선 전력 서브시스템) 와의 통신 링크를 포함할 수도 있다. 충전 베이스는 또한 충전 프로세스 이전 및 이후에 연결 케이블을 풀거나 감기 위해 케이블 관리를 포함할 수도 있다.
BEV 용 무선 전력 충전 시스템은 추가로 안전 및 보안에 대한 관심을 위해 구성될 수도 있다. 예를 들면, BEV 는 무선 전력 BEV 또는 CB 안테나들이 전개될 경우에 이러한 안테나들이 (손상 또는 장애로 인해) 철회될 수 없다면 고정되도록 구성될 수도 있다. 이러한 고정은 무선 전력 충전 시스템을 추가의 손상으로부터 보호할 수도 있다. 무선 전력 충전 시스템은 추가로 무선 전력 BEV 또는 CB 안테나들의 기계적인 저항을 검출하는 센서들을 포함할 수도 있다. 기계적인 저항을 검출하는 것은 무선 전력 BEV 또는 CB 안테나들 및 부수적인 컴포넌트들이 안테나의 이동을 제한하는 위치에 장애물 (돌, 잔해물, 눈, 동물, 등등) 이 위치될 경우에 손상되는 것을 방지할 수도 있다.
무선 전력 충전 시스템은 추가로 BEV 안테나와 CB 안테나 사이의 무선 전력 링크의 계속적인 관리 (예컨대, 전압들, 전류들, 전력 흐름, 등의 관리) 를 포함하며, 무선 전력 링크에서 비정상이 검출된 경우에 송신된 전력 또는 차단된 전력을 감소시킬 수도 있다. 무선 전력 충전 시스템은 또한 안테나에 아주 근접하여 사람 또는 동물의 존재를 검출하도록 구성된 센서들을 포함할 수도 있다. 이러한 센서들은 무선 전력 안테나들 근처에 사람이 있는 경우에 프로세서가 무선 전력 전송을 감소시키거나 종료하도록 하기 위해 바람직할 수도 있다. 이러한 액션은 예컨대 사람이 심장 박동기 또는 유사한 감도 및 안전 중심의 의학 디바이스들을 이용하는 사람들에 대하여 BEV 밑에서 유지 또는 다른 보수 작업을 수행하는 동안 전자기 방사로의 지속적인 노출에 대한 안전 예방책일 수도 있다.
무선 에너지 송신 원리들은 본 명세서에서 추가로 설명된다. 전술된 것과 같이, 무선 에너지 전송은 강한 커플링을 제공할 수 있는 공진 구조를 형성하는, 용량성 로딩된 유선 루프들 (또는 다중-권선 코일들) 을 이용하며, 따라서 자기 근거리장을 통한 일차 구조 (예컨대, 송신기) 로부터 이차 구조 (예컨대, 수신기) 로의 효율적인 에너지 전송은 일차 및 이차 구조 양자가 공통 공진 주파수로 튜닝되는 경우에 가능할 수도 있다. 또한, 서술된 바와 같이, 그 방법은 또한 "자기 커플링 공진" 또는 "공진 유도"로서 공지될 수도 있다.
무선 고전력 전송을 가능하게 하기 위해, 20 kHz 내지 60 kHz 범위의 주파수가 바람직하게 고려되며, 이는 최신의 고체 상태 디바이스들을 이용하여 매우 효율적인 전력 변환이 달성될 수 있고, 다른 대역들과 비교할 때 무선 시스템들과의 공존 문제들이 덜 발생할 수도 있기 때문이다. 전력 전송의 계산들을 위해, BEV-내장형 안테나 코일은 (전술된 것과 같이) 디스크형일 수도 있고, 정렬의 목적들을 위해 (일반적으로 x, y 방향에서) 수평으로 및 (z 방향에서) 수직으로 이동될 수 있는 것으로 가정된다. 본 명세서에서 설명된 것과 같이, BEV 안테나 모듈은 일반적으로 돌출되지 않도록 차량 하부에 넣어질 수도 있다. BEV 가 충전을 위채 주차될 경우에, 안테나 코일은 (전술된 것과 같이) 디스크형이고 그라운드 매립형일 수도 있는 CB 안테나 코일까지의 거리를 최소로 하기 위해 z 방향에서 들어 내려진다.
도 15 는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따라, 에너지 전송을 위한 거리 상수들을 예시한다. 최소 거리 d 는 규제 하에 최대 효율 및 최소 전력으로 에너지 전송을 가능하게 한다. 0 의 거리 (안테나 접촉) 가 최적일 수도 있다. 그러나, 견고하고, 플렉서블하며 신뢰해야 하는 실질적인 솔루션에서, 특정의 이격이 예상된다. 이러한 감소될 없는 거리는, 도 15 에 예시된 것과 같이, (1) 잔해물 두께 (1680) 로 도시된 (주로 실외 주차시 먼지, 잔해물, 눈의 존재) 환경, (2) 아스팔트 두께 (1682) 로 도시된 (아스팔트, 수평부, 돌출부 밑의) 그라운드에 CB 안테나 코일의 매립, (3) CB 를 위한 코일 두께 (1684) 와 커버 두께 (1686) 및 BEV 를 위한 코일 두께 (1688) 와 커버 두께 (1690) 로 도시된 CB 및 BEV 안테나 모듈의 하우징, (4) (예컨대, BEV 안테나가 전개되는 동안 무거운 체중의 사람이 차에 앉았다면) 차량 서스펜션 시스템의 급작스런 수직 변위들 (충격들) 을 흡수하는데 필요한 안전 마진 두께 (1692), 등등과 같은 몇몇 두께 인자에 의존할 것이다.
이상적으로, 시스템은 거리를 최소화하기 위한 목적을 갖는 실제 상황들에 적응하며, 따라서 무선 전력 전송의 성능을 최대화한다. 이러한 예시적인 적응 시스템에서, CB 및 BEV 안테나 코일의 이격은 최대 전력, 최대 효율 및 규제 순응이 어드레싱된다면 이에 따라 적응되는 다양한 요구되는 특정 링크 파라미터들일 수도 있다. 이러한 적응은 하기에서 추가로 설명된다.
도 16 은 직렬 공진 유도성 링크에 기초하는, 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 무선 전력 시스템의 엘리먼트들을 포함하는 회로도를 예시한다. 전원 및 전력 싱크 (부하) 는 각각 전력 그리드 및 BEV 배터리의 특징들을 반영할 때 각각 전압들 (VSDC 및 VLDC) 을 갖는 일정한 전압으로 가정된다. 일정한 전압은 각각 가상으로 0 의 소스 저항 및 0 의 싱크 저항의 관점에서 이해될 것이다.
도 16 의 회로도 및 하기의 설명은 CB 측 소스 (1702) 로부터 BEV 측 싱크 (1704) 로의 에너지 전송을 가정한다. 그러나, 이러한 가정은 전력 변환이 역방향의 전력 흐름 (양방향의 4 가지 사분면 제어) 를 지원할 경우에 차량-투-그리드 (V2G) 에너지 전송을 목적으로 역방향에서의 에너지 전송을 배제하지 않아야 한다.
도 17 은 거리 (d) 로 이격되고, 도 16 에서 각각 그들의 인덕턴스들 (L1 및 L2) 과, 거리의 함수인 상호 커플링 계수 k(d) 로 표시되는 CB 안테나 코일 (1706) 및 BEV 안테나 코일 (1708) 을 예시한다. 커패시터들 (C1 및 C2) 은 안테나 인덕턴스를 보상하고, 따라서 원하는 주파수에서 공진을 달성하기 위해 이용된다. 등가의 저항들 (Req,1 및 Req,2) 은 안테나 코일들 및 안티-리액턴스 커패시터들에 고유한 손실들을 나타낸다.
도 17 은 거리 (d) 로 이격되고, 도 16 에서 각각 그들의 인덕턴스들 (L1 및 L2) 과, 거리의 함수인 상호 커플링 계수 k(d) 로 표시되는 CB 및 BEV 안테나 코일들을 예시한다. 커패시터들 (C1 및 C2) 은 안테나 인덕턴스를 보상하고, 따라서 원하는 주파수에서 공진을 달성하기 위해 이용된다. 등가의 저항들 (Req,1 및 Req,2) 은 안테나 코일들 및 안티-리액턴스 커패시터들에 고유한 손실들을 나타낸다. 도 17 은 또한 무선 전력 시스템 부근의 포지션 r 에서 코일들의 쌍에 의해 생성된 자기장 벡터 H(r) 를 나타낸다.
도 16 에 도시된 예시적인 실시형태에서, CB 측 전력 변환은 원하는 주파수 (동작 주파수), 바람직하게는 VLF 또는 LF 범위, 예컨대 관심 있는 고 전력 애플리케이션에 대하여 20kHz 부터 60kHz 까지 범위에서 DC 전력을 AC 전력으로 변환한다. 하기에서, 이러한 범위의 임의의 주파수는 일반적으로 LF 라 불린다.
그러나, 다른 실시형태에서, CB 측 전력 변환은 또한 표준 메인 주파수에서 AC 전력을 무선 전력에 적합한 동작 주파수에서 AC 전력으로 변환할 수도 있다. 다른 예시적인 실시형태에서, CB 측 전력 변환은 동작 주파수에서 필터링되지 않은 DC (예컨대, AC-펄스형 DC 전력) 를 AC 전력으로 변환할 수도 있다. 이러한 2 개의 후속 실시형태들에서, 동작 주파수에서 생성된 전력은 일정하지 않은 엔벨로프 (envelope) 일 수도 있다.
변압비 1:n1 는 또한 CB 전력 변환의 결과이며, 다음과 같이 정의될 수도 있다:
Figure pat00001
상기 VSDC 및 V1 은 각각 LF 출력에서 기본 주파수의 DC 입력 전압과 r.m.s. 전압을 표시한다.
BEV 측 전력 변환은 BEV 안테나에 의해 수신된 LF 전력을 다시 DC 전력으로 재변환하는 역연산을 수행한다. 따라서, 변압비 n2:1 는 CB 전력 변환의 결과이며, 다음과 같이 정의될 수도 있다:
Figure pat00002
상기 V2 및 VLDC 는 각각 LF 입력 및 DC 출력 전압에서 기본 주파수의 r.m.s. 전압을 표시한다.
이론은 CB 및 BEV 안테나 양자가 동작 주파수로 조정된다면, 유도성 커플링된 공진 링크의 효율 및 전력이 최대치에 도달하는 것을 보여준다. 이는 임의의 커플링 계수 0<k(d)<1 에 대하여 유효하다. 실제로, 전력 변환은 제로 전류 스위칭을 목표로 한다면 시스템이 약간 이탈한 공진으로 동작될 것을 요구할 수도 있다. 이는 안테나 전류에 포함된 고조파 성분들의 위상 오프셋에 의해 설명될 수 있다. 예를 들면, 시스템은 공진 주파수의 제 1 범위 내에서 동작될 수도 있다. 제 1 범위는, 예컨대 공진 주파수의 약 ±10 kHz, 약 ±5 kHz, 또는 약 ±1 kHz 내의 범위일 수도 있다.
소정의 파라미터들 L1, L2, n1 및 n2 에 대하여, 전력 변환과 공진 유도 링크에서 손실들을 최소로 하고, 따라서 종단간 (end-to-end) 효율을 최대화하는 최적의 부하 저항 RLDC,opt 이 존재하는 것을 보여준다. 종단간 효율은 다음과 같이 정의될 수도 있다:
Figure pat00003
상기 PLDC = VLDC·ILDC 및 PSDC = VSDC·ISDC 는 DC 부하 (출력) 전력 및 DC 소스 (입력) 전력을 표시한다. 반대로, 부하 저항 및 변압비들 n1 및 n2 이 주어질 때, 최적의 인덕턴스 쌍 L1,opt 및 L2,opt 이 존재하거나, 대안적으로 L1 및 L2 이 주어질 때, 효율
Figure pat00004
을 최대화하는 최적의 비율 쌍 n1,opt 및 n2,opt 가 존재한다.
하기에서 수학식들의 효율을 위한 것이지만, 일반성의 손실 없이, 무선 전력 시스템은 완전히 대칭인 것으로 가정되며, 이는 다음을 의미한다:
Figure pat00005
Figure pat00006
Figure pat00007
Figure pat00008
상기와 같은 특정 케이스로부터 인출되는 결론들은 또한 비대칭 시스템의 일반적인 케이스에도 적용될 수 있는 것을 보여준다.
또한, CB 및 BEV 전력 변환 양자는 무손실형이고, 대신에 전력 변환 손실들은 각각 등가의 손실 저항들 Req,1 및 Req,2 에서 설명된다고 가정된다. 아마도, 출력 전력 대 입력 전력의 비율로 정의될 수 있는 공진 유도성 링크의 효율,
Figure pat00009
은 전술된 것과 같은 종단 간 효율
Figure pat00010
과 동일하다.
50% 듀티 사이클을 갖는 스위칭 모드 전력 변환을 가정할 때, 전압 V1 및 V2 양자는 사각파이다. 공진의 영향으로 필터링되지만, 안테나 전류들 I1 및 I2 은 일반적으로 커플링 계수에 의존하는 고조파 콘텐츠를 갖는 비-사인파형이다. 따라서, 일부 전력은 고조파를 통해 송신된다. 그러나, 대부분의 경우, 고조파를 통한 에너지 전송은 무시할만하다. 예시의 목적을 위해, 전류들은 실질적으로 사인파형인 것으로 가정되며, 따라서 CB 안테나 입력 전력과 BEV 안테나 출력 전력은 다음과 같이 정의될 수 있다:
Figure pat00011
Figure pat00012
상기 전압들 및 전류들은 LF 에서 기본 성분의 r.m.s.를 지칭한다. 시스템 디멘져닝을 위해, 기본적으로 2 개의 식들이 존재하는 것을 보여줄 수 있다.
첫번째 식은
Figure pat00013
을 최대로 하고, 커플링 계수 k(d) 및 각 동작 주파수 ωo 가 주어질 때, 최적의 안테나 코일 인덕턴스를 산출하고:
Figure pat00014
부하 저항은 다음과 같으며:
Figure pat00015
이는 기본 주파수에서 BEV 전력 변환에 의해 표현되는 것과 같다.
식 11 의 수학적 유도는 이하에서 추가로 설명된다. 식 11 은 강하게 커플링된 레짐 (regime) 에서 유효하며, 여기서 Lopt 은 사실상 손실 저항 Req 에 독립적이다. 그러나, 부하 저항과 커플링 계수에는 의존적이며, 부하 저항 및/또는 CB 및 BEV 안테나의 이격이 변경된다면 일반적으로 적응되어야 한다.
두번째 식은 에너지 전송 레이트 P2 및 생성된 자기장로의 커플링 계수 k(d) 에 관한 것이며:
Figure pat00016
여기서, c 는 CB 및 BEV 안테나 지오메트리 g1 및 g2 를 이용하는 인자를 표시하고, 자기장 강도가 참조하는 포지션은 도 17 에 도시된 것과 같은 포지션 벡터 r 에 의해 정의되며, 그 수학적 유도는 이하에서 추가로 설명된다. 식 13 은 포지션 r 이 안테나 코일들에서 충분히 떨어져 있어서 관심 있는 범위 내에서 이격의 변화가 그들의 상호 커플링의 영향을 제외하고 기준 포지션에서 자기장에 어떤 영향도 주지 않는 것을 가상으로 발췌한다.
규제 제약을 도입하면, 예컨대 정의된 거리 내의 포지션 r m 에서 측정된 자기장 강도 H(r m) 는 정의된 한계치 Hlim 를 초과하지 않으며, 에너지 전송 레이트에 대한 한계치를 제공한다:
Figure pat00017
식 14 은 최대 에너지 전송 레이트가 커플링 계수에 비례하여 감소하는 것을 입증한다. 예를 들면, 0.4 의 커플링 계수에서 4 kW 의 최대 전력을 가정할 때, 안테나 이격이 증가되어 0.2 의 커플링 계수가 발생한다면 전력은 2 kW 로 제한된다.
이제 전압 및 전류 변압비의 정의들을 기본 성분에 적용가능한 것으로 이용하면,
Figure pat00018
대응하는 부하 저항은:
Figure pat00019
DC 부하 전압 VLDC 및 DC 부하 전력 PLDC 의 항들에서, 무손실 전력 변환 P2 = PLDC 의 가정하에, 식 11 은 이하와 같이 쓰여질 수도 있다:
Figure pat00020
P2 를 식 14 로 치환하는 것은 Lopt, k(d) 및 n0 간에 관계식을 제공한다:
Figure pat00021
최대 효율 및 규제 순응을 보장하는 식 18 을 만족시키기 위해, 안테나 인덕턴스 L = L1 = L2 또는 변압비 n = n1 = n2 중 하나, 또는 이들 양자는 거리가 변화될 경우에 적응되어야 한다. 가능하다면, 변화하는 안테나 인덕턴스가 방지되어야 하는데, 이는 복잡한 스위칭 회로 또는 기계식 기어, 안테나 볼륨의 추가적 손실들 및 비-최적의 이용, 따라서 품질 인자의 손실을 수반하기 때문이다. 이러한 인덕턴스는 또한 리소스를 유지하기 위해 가변 캐패시턴스를 요구하며, 따라서 복잡도를 부가한다. 트랜스포머로서 작동하는 추가의 안테나 매칭 네트워크의 이용은 유사한 단점들을 가져올 수도 있다.
덜 복잡하고 더 경제적인 솔루션은 요구되는 다양한 변압비를 제공하기 위해 전력 변환을 이용함으로써 달성될 수도 있다. CB 측 변압비 n1 를 변경시키는 것은 링크를 통한 에너지 전송 레이트에 큰 영향을 주기 때문에 전력 제어와 동등하다. BEV 측 변압비 n2 를 변경시키는 것은 무선 전력 링크가 효율적으로 동작되도록 보장할 것이다. 이는 부하 적응화라 불릴 수도 있다.
전력 제어 및 부하 적응화를 위한 몇 가지 방법들은 변압비의 연속적인 변화를 일부 허용하지만 제로 전류 스위칭 (ZCS) 을 희생하는 것으로 제안되며, 따라서 스위칭 디바이스들의 일부 증가된 스위칭 손실 및 응력을 유발한다. 다른 방법들은 ZCS 조건을 유지할 수 있지만, 코오스 단계들에서 변압비의 변경을 허용할 수 도 있다.
매우 낮은 손실로 변압비를 변경시키는 한가지 방법은, 브릿지의 동작 모드를 변경시키는 것이다 (예컨대, 풀-브릿지 모드로부터 하프-브릿지 모드로, 또는 그 반대로). 이러한 방법은 하기에서 추가로 설명된다.
풀-브릿지 기반의 직렬 공진 무선 에너지 전송 시스템의 기본 회로도가 도 18 에 도시된다. CB 측 스위치들 S1j 은 FET 또는 IGBT 고체 상태 디바이스들을 나타낼 수도 있지만, BEV 측 LF-DC 전력 변환 스위치들은 동기화 정류의 경우에 수동 다이오드이지만 능동 디바이스들일 수도 있다.
풀-브릿지 또는 H-브릿지 모드에서, 모든 전력 변환 스위치들은 Sj1 및 Sj2 가 동시에 닫히는 방식으로 토글링한다. Sj1 가 닫히면, 그 후에 Sj2 및 Sj1 ' 이 열리고, 그 반대도 가능하다. 이는 CB 측 및 BEV 측 전력 변환에 적용된다 (j∈{1,2}).
하프-브릿지 모드에서, 예컨대 오직 S11 및 S11' 만이 토글링되고, S12' 및 S12 는 고정된다. S11 가 닫히면, 그 후에 S11' 는 열리고, 그 반대도 가능하다. 고정 하프-브릿지에서, 예컨대 S12' 는 닫힐 수도 있다. 전류가 스위치 S12' 를 통과해야 한다는 사실은 일부 초과 손실들을 발생하고, 이는 비-적응형 하프-브릿지 기반의 시스템에서는 존재하지 않는다. 그러나, 이러한 추가의 CB 측 및 BEV 측 스위치 온-상태 저항은 2 가지 상이한 전송 거리들로의 효율적인 적응이 가능한 시스템에 대하여 낮은 가격으로 고려된다.
BEV 측 전력 변환에서 수동 다이오드 풀-브릿지 정류기를 이용하는 단방향성 에너지 전송 시스템의 경우에, 하나의 하프-브릿지는 다이오드들과 병렬인 능동 스위치들 (FET들 또는 IGBT들) 로 보완되어야만 한다. 그러나, 이러한 트랜지스터들은 오직 고정된 스위치들이어야 한다.
풀-브릿지는 대략 1 인,
Figure pat00022
에 의해 DC 전압 레벨을 기본적인 LF 전압 레벨로 변형하는 것을 보여줄 수 있다.
따라서, 하프-브릿지는 대략 1/2 인,
Figure pat00023
에 의해 변형한다.
지금부터, BEV 안테나를 각각 더 짧은 거리 d' 와 더 긴 거리 d" 에 대응하는 2 개의 별개의 z-포지션들로 조정할 수 있는 시스템이 고려된다. 상황이 허용한다면, 시스템은 예컨대 커플링 계수 k(d') 에 대응하는 더 짧은 거리를 이용하고, 그렇지 않으면 k(d") 에 대응하는 d" 를 조정한다. 거리들은,
Figure pat00024
이 되도록 선택된다.
식 18, 식 19, 식 20 및 식 21 로부터, 시스템이 거리 d' 에서 풀-브릿지 모드로 동작하고, 거리 d" 에서 하프-브릿지 모드로 동작하면, 양자의 거리들에서 최적인 인덕턴스 Lopt 가 발견될 수 있는 것은 분명하다. 이는 하기의 식:
Figure pat00025
을 정의하고, 최적 안테나 인덕턴스 (식 18) 를 하기와 같이 표현함으로써 입증된다:
Figure pat00026
전력 변환의 모드를 변경시키면서 규제 제약들 내에서 최대 효율 및 최대 전력을 유지하는 것을 시도함으로써 2 개의 상이한 거리들에 최적으로 적응시킬 수 있는 시스템의 일 실시예는 하기의 테이블에 도시된다.
2 개의 상이한 거리들에 최적으로 적응하는 시스템의 실시예
거리 d 커플링 계수 k(d) 동작 모드 변압비 n0 에너지 전송 레이트
P2 [kW]
4.8cm 0.4 풀-브릿지
Figure pat00027
 4
10 cm 0.2 하프-브릿지
Figure pat00028
 2
물론, 이러한 브릿지 재구성 방법은 미리 정의된 범위 내의 임의의 거리에 링크를 적응시키고 및/또는 부하 전력 (배터리 충전 전류) 를 조절하기 위한 다른 전력 제어/부하 적응 방법들과 결합될 수도 있다. 대안적인 방법들의 예들은, (1) 주파수를 변경시킴으로써 링크 오프-공진을 동작시키는 것, (2) 안테나들의 의도적인 디튜닝, (3) 50% 미만의 듀티 사이클을 갖는 PWM 드라이브 파형들을 이용하는 것, (4) CB 및 BEV 전력 변환에서 DC-DC 컨버터, (5) 2-위상 또는 3-위상 전원의 경우에 위상 스위칭, 등등을 포함한다. 이러한 방법들은 모두 직접적으로 또는 간접적으로 변화하는 변압비들 n1 및 n2 로 고려될 수도 있다.
실제 시스템에서, 변압비 및 안테나 z-축 포지션은 CB 및 BEV 서브시스템에서 엔트리들을 갖는 (전술된) 제어 시스템에 의해 제어될 것이다. 이러한 엔트리들은 대역 내 또는 대역 외 시그널링을 이용하여 통신할 수도 있다.
식 11 의 유도에 대하여, 자기 커플링된 공진 시스템의 최적의 부하 저항은 하기와 같이 유도될 수도 있고:
Figure pat00029
상기 R2 는 공진 수신 안테나의 손실 저항을 표시하고, Q1 및 Q2 는 각각 공진 송신 및 수신 안테나의 Q-인자들을 표시하며, k 는 커플링 계수를 표시한다. 자기 링크에 RL,opt 를 로딩하는 것은 전송 효율을 최대화한다.
강하게 커플링된 레짐에서,
Figure pat00030
이거나, 또는 링크 효율이 100% 에 가까운 소위 '매직' 레짐에서, 식 24 은 하기와 같이 간략화될 수도 있다:
Figure pat00031
고전력 무선 에너지 전송 시스템에서, 강하게 커플링된 레짐 또는 심지어 '매직' 레짐의 가정은 거의 유효할 것이다.
이제 하기의 식들로 완전히 대칭인 링크를 가정하고:
Figure pat00032
Figure pat00033
식 26 에서 Q-인자들, Q1 및 Q2 를 하기의 식으로 치환하면:
Figure pat00034
하기의 식을 산출한다:
Figure pat00035
이와 반대로, 부하 저항 RL 이 주어질 때, 효율을 최대화하는 최적의 안테나 인덕턴스가 존재한다:
Figure pat00036
식 13 의 유도에 대하여, 본질적으로 다중-권선 유선 루프인 BEV 안테나에 의해 위치 r 에서 생성된 것과 같은 자기장 강도는 하기의 식으로서 표현될 수도 있고:
Figure pat00037
여기서 N2 는 안테나 코일의 권선 수를 표시하고, I2,0 는 기본적인 안테나 전류이며,
Figure pat00038
는 기본적으로 그 지오메트리 g 2 와 여기서 필드 강도가 지칭하는 포지션 벡터 r 의 함수이다. 식 32 은 권선 수를 변경시키는 것이 안테나 코일 지오메트리를 변화시키지 않을 것을 가정하며, 따라서
Figure pat00039
이다.
다중-권선 루프의 인덕턴스는 하기와 같이 표현될 수도 있고:
Figure pat00040
여기서, β 는 기본적으로 코일 메트리 g 2 의 함수이다.
부하 저항은 하기와 같이 전력 P2 과 전류 I2, 0 의 함수로서 표현될 수도 있다:
Figure pat00041
이제, 식 11 을 이용하고 상기 식들을 치환하여 하기의 식을 산출하며:
Figure pat00042
식 32 를 이용한 일부 조작들에 의해, 포지션 r 에서 자기장 강도의 제곱에 대하여 하기의 식을 획득한다:
Figure pat00043
하기의 식을 정의하는 것은:
Figure pat00044
하기의 식을 산출한다:
Figure pat00045
지금까지 식 32 에 따른 자기장에 대한 CB 안테나들의 기여:
Figure pat00046
는 무시된다.
대칭적인 경우에, 권선들의 수 N1 는 N2 와 동일하고, CB 안테나의 전류 I1,0 는 I2,0 에 비례하여 변화할 것이다. 따라서, 위치 r 에서 CB 및 BEV 안테나로부터의 기여들 H1(r) 및 H2(r) 또한 그에 비례하여 변화하며, 이는 VSDC = VLDC 이고 따라서 V1,0 = V2, 0 일 때,
Figure pat00047
이기 때문이다.
N2 가 최적화 프로세스에서 변경되었다면, 그 비율은 또한 비대칭 케이스 (N1 ≠ N2) 에서 유지되는 것을 용이하게 볼 수 있다. 양자의 안테나들의 지오메트리 뿐만 아니라 공진의 경우에 상호 커플링에 독립적으로 항상 90 도인, I2,0 에 대한 I1, 0 의 위상 오프셋을 고려하여 c(g 1 , g 2 , r) 을 정의할 때, 합산 필드는 하기의 식으로 표현될 수도 있고:
Figure pat00048
상기 식은 식 13 이다.
도 19a 및 도 19b 는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 적응가능한 직렬 공진 에너지 전송 시스템의 2 가지 회로 구성들을 예시한다. 도 19a 에서, 구성 A 은 (1) 송신 안테나와 수신 안테나 간에 더 먼 거리 또는 일반적으로 더 느슨한 커플링, (2) 송신 및 수신측 전력 변환 양자가 하프-브릿지 모드에서 동작하는 것을 가정한다. 도 19b 에서, 구성 B 은 (1) 송신 안테나와 수신 안테나 간에 더 짧은 거리 또는 일반적으로 더 단단한 커플링, (2) 송신 및 수신 측 전력 변환 양자가 풀-브릿지 모드에서 동작하는 것을 가정한다.
양자의 구성들은 일정한 전압 소스 및 일정한 전압 싱크를 가정한다. 이러한 가정은 전력 그리드-투-차량 배터리 (G2V) 또는 그 반대 (V2G) 로부터 에너지를 전송하는 시스템을 고려할 때 유용하지만 매우 합리적이다. 무선 전력 링크에 대한 이러한 분석은 하기와 같이 나타난다:
1) 에너지 전송 레이트 (전력 P) 은, 전력/전압 변환 및/또는 가변 리액턴스를 위한 추가 회로 및/또는 메커니즘 없이 구현된,
● 공급 전압 및 싱크 전압
● 공진 안테나들의 리액턴스 (인덕턴스들 및 캐패시턴스들)
에 적응할 필요 없이 구성 B 에 의해 2 배가 된다.
2) 양자의 구성들은 최대 에너지 전송 효율을 달성하도록 최적으로 매칭된다.
3) 양자의 구성들은 자기장 강도와 관련하여 안테나 부근에서 측정된 것과 등가이며, 따라서 규제/EMC 제약을 충분히 활용할 가능성이 있다.
일정한 전압 싱크 (배터리) 는 일정한 부하 저항과 반대되는 것으로 가정된다. 요약하면, 더 낮은 전력으로 더 긴 거리에 걸쳐 (느슨한 커플링) 또는 더 높은 전력으로 더 짧은 거리에 걸쳐 (단단한 커플링) 전압 소스로부터 전압 싱크로 에너지를 전송하는 적응형 시스템 및 방법이 개시되며, 여기서 상기 시스템은 송신 및 수신 측 전력 변환의 동작 모드를 각각 하프-브릿지 모드 또는 풀-브릿지 모드로 변경시킴으로써 최대 효율로 동작하고, 또한 규제 제한을 최적으로 활용하도록 적응가능하다.
도 20 은 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 무선 전력 전송 시스템을 위한 무선 전력 전송 컴포넌트들을 예시한다. 감지, 통신 및 제어에 대하여, 무선 전력 링크의 최대 성능 및 효율을 목적으로 하면서 실제 상황들에 적응하는 무선 전력 시스템은 감지, 통신 및 제어를 위해 보조 기능들을 이용한다. 이러한 보조 기능들은 그 일반적인 구조가 도 20 에 도시된 BEV 무선 충전 시스템 (2000) 의 일부일 수도 있다.
시스템 (2000) 은 2 가지 주요한 서브 시스템들로 세분될 수 있다: 충전 베이스 서브 시스템 (CB-SS; 2002) 및 배터리 전기 차량 서브 시스템 (BEV-SS; 2004). CB 서브시스템 (2002) 은 하기의 구성요소들로 구성된다:
(1) 공급 주파수에서의 DC 전력 또는 AC 전력을 동작 주파수 (예컨대, LF) 에서의 송신 전력으로 변환하거나, 역 동작 모드 (V2G) 에서 그 반대가 가능한 CB 전력 변환 (CB-PCONV; 2006). 이는 도 21 의 간략화된 회로도에 도시된 것과 같이 전압들 및 전류들을 측정하기 위해 몇몇 센서들을 통합한다.
(2) CB 안테나 코일을 포함하고, '무선' 전력을 BEV 안테나 (2010) 로/부터 송신 또는 수신할 수 있는 CB 안테나 모듈 (CB-ANT; 2008). CB 안테나 코일은 고정되고, 그라운드-매립된 것으로 가정된다.
(3) 시스템 제어 데이터이지만 BEV 를 식별하거나 인정하기 위한 데이터 또는 BEV 충전과 직접적으로 또는 간접적으로 관련된 다른 애플리케이션들에 의해 생성된 데이터를 교환하기 위해 BEV 와 통신하는 CB 통신 트랜시버 (CB-COM; 2012). CB-COM (2012) 은 지정된 안테나를 이용할 수도 있거나, CB-ANT (2008) 를 재사용할 수도 있다.
(4) BEV 및 CB 서브 시스템 (2002) 의 다양한 센서들로부터 수신된 데이터를 처리하고 CB 서브 시스템 (2002) 의 상이한 엔티티들을 제어하는 CB 제어 유닛 (CB-CTRL; 2014).
BEV 서브 시스템 (2004) 은 하기의 구성 요소들로 구성된다:
(1) 동작 주파수 (예컨대, LF) 에서 수신된 '무선' 전력을 공급 주파수에서의 DC 전력 또는 AC 전력으로 변환하거나, 역 동작 모드 (V2G) 에서 그 반대가 가능한 BEV 전력 변환 (BEV-PCONV; 2016). BEV-PCONV는 도 21 에 도시된 것과 같이 전압들 및 전류들을 측정하기 위해 몇몇 센서들을 통합한다.
(2) BEV 안테나 코일을 포함하고, '무선' 전력을 BEV 안테나 (2010) 로/부터 송신 또는 수신할 수 있는 BEV 안테나 모듈 (BEV-ANT; 2010). BEV 안테나 코일은 X, Y, Z 방향으로 이동가능한 것으로 가정된다. BEV-ANT (2010) 는 또한 예컨대 충분히 낮은 z-포지션으로 이동하도록 BEV 안테나의 자유도를 제한할 수도 있는, 돌들, 잔해물, 눈, 얼음 등과 같은 원하지 않는 물체들을 검출하기 위한 적어도 하나의 센서 (S) 를 통합한다. 센서들은 안테나 메커니즘에 통합된 기계적 저항 센서, 안테나 모듈 표면에서의 촉각 센서, 초음파 센서, 광학 센서 및 금속 물체들을 검출하기 위한 전자기 센서 중 적어도 하나를 포함할 수도 있다.
(3) BEV 안테나 코일과 CB 안테나 코일을 적절히 정렬시키고 요구되는 커플링을 위한 거리를 조정하는 기능 모두를 포함하는 BEV-ALIGN (2018). 이러한 엔티티는 서보-모터 (M) 드라이빙 BEV 안테나 메커니즘일 수도 있는 액추에이터를 포함한다. BEV-ALIGN (2018) 은 또한 기계적 저항을 검출하기 위한 센서들을 통합할 수도 있다.
(4) 시스템 제어 데이터이지만 BEV 를 식별하거나 인정하기 위한 데이터 또는 BEV 충전과 직접적으로 또는 간접적으로 관련된 다른 애플리케이션들에 의해 생성된 데이터를 교환하기 위해 CB 와 통신하는 BEV 통신 트랜시버 (BEV-COM; 2020). BEV-COM (2020) 은 지정된 안테나를 이용할 수도 있거나, BEV-ANT (2010) 를 재사용할 수도 있다.
(5) CB 및 BEV 서브 시스템 (2004) 의 다양한 센서들로부터 수신된 데이터를 처리하고 BEV 서브 시스템 (2004) 의 상이한 엔티티들을 제어하는 BEV 제어 유닛 (BEV-CTRL; 2022).
하기에서, 이러한 시스템이 에너지 전송 레이트 및 효율을 최대화하기 위해 로컬 환경들에 적응할 수도 있는 방법에 관한 절차가 설명된다.
송신 전력은 시스템이 새로운 거리/커플링 계수로 조정하는 동안 감소되어야 할 수도 있다. 링크 조정을 목적으로 조절 전력에 적용할 수도 있는 몇몇 송신 전력 제어 방법들이 존재한다. 전력이 상당히 감소될 수 있기 때문에, 이러한 동작 모드에서 효율은 이슈가 되지 못한다.
조건들이 허용되고 더 높은 전력 (예컨대, 4 kW) 이 요구된다면, 시스템은 거리 d' 에서 정의된 커플링 k' 에 적응한다. 그렇지 않으면, 그라운드상의 물체들이 센서들 (S) 중 적어도 하나에 의해 검출되기 때문에 조건들이 허용되지 않거나, 더 낮은 전력 (예컨대, 2kW) 이 요구된다면, 시스템은 더 약하지만 더 긴 거리 d" 에서 정의된 커플링 k" = k/2 에 적응한다.
커플링 계수와 거리 간의 관계는 로컬 환경들에 따라 일부 정도 상이할 수도 있기 때문에 거리에 의존하는 것보다 커플링 계수 k(d) 를 측정하는 것이 바람직할 수도 있다.
BEV-CTRL 은 통신 링크를 통해 CB-CTRL 로부터 BEV-CTRL 로 송신된 BEV 전력 변환 및 CB 전력 변환의 전압 및 전류 센서들로부터 측정 데이터를 이용함으로써 커플링 계수 k(d) 를 결정할 수도 있다. 링크 파라미터들 (L1, C1, R1, L2, C2, R2) 및 동작 주파수뿐만 아니라 전력 변환 파라미터들을 알고 있을 경우, 커플링 계수 k(d) 는 예컨대, 하기와 같은 공진 유도 링크의 식들의 시스템으로부터 충분히 정확히 계산될 수 있다:
Figure pat00049
BEV 안테나가 2 개의 타겟 커플링 계수들 (k' 또는 k") 중 하나로 적절히 조정되면, CB-PCONV 및 BEV-PCONV 는 (k' 의 경우) 풀-브릿지 모드 또는 (k" 의 경우) 하프-브릿지 모드로 구성되며, 전력은 상기 타겟 커플링 계수들에서 허용할 수 있는 최대 전력 (예컨대, 각각 4kW 또는 2kW) 까지 증가된다.
시스템을 임의의 커플링 계수에 적응시키기 위한 더 일반적인 접근방식은 커플링 계수에 대한 임계치를 정의할 수도 있다. 측정된 커플링 계수가 임계치를 초과하면, 전력 변환은 풀-브릿지 모드로 구성된다. 이와 반대로, 커플링 계수가 임계치 이하이면, 전력 변환은 하프-브릿지 모드로 구성된다. 이러한 임계치는, 풀-브릿지 모드와 하프-브릿지 모드 양자가 동일하게 잘 (예컨대, 동일한 효율) 수행할 수 있는 값에서 2 개의 타겟 커플링 계수들 간의 대략 중간으로 정의될 수도 있다. 그러나, 2 개의 타겟 커플링 계수들로부터 상당히 벗어난 커플링 계수에서 시스템을 동작하는 것은 전술된 것과 같이, 전력, 효율 및 방사 레벨을 제어하기 위한 추가의 수단을 필요로 할 수도 있다.
각각 풀-브릿지 또는 하프-브릿지 모드 중 하나에서 정의된 커플링 계수들 k' 및 k" 에서의 동작은 기본 동작 모드로서 전력 변환시 최저 복잡도로 최대 효율에서 최적의 에너지 전송을 제공한다. 전력을 정규 전력으로 정확히 조절하기 위한 파인 제어는 커플링을 약간 낮추거나 증가시킴에 의해, 또는 효율을 현저히 저하시키지 않는 다른 방법에 의해 달성될 수 있다.
도 22 는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 적응가능 전력 변환 방법의 흐름도이다. 방법 (1800) 은 적어도 제 1 및 제 2 모드들 사이에서 동작하도록 재구성가능한, 적응가능 전력 컨버터에 따른 무선 에너지의 전송을 위해 전원 시스템으로부터의 전력을 동작 주파수에서의 전력으로 변환하는 단계 (1802) 를 포함한다. 방법 (1800) 은 또한 근거리장 커플링 모드 영역 내에 위치된 수선 안테나로 무선 에너지를 전송하기 위해 동작 주파수 근처에서 공진하는 송신 안테나에 의해 전기장 및 자기장 중 적어도 하나를 생성하는 단계 (1804) 를 포함하며, 근거리장 커플링 모드 영역은 수신 안테나에 의해 액세스 가능하도록 구성된다.
예시적인 실시형태들은 충전 베이스 (CB) 및 배터리 전기 차량 (BEV) 과 같은 원격 시스템 사이의 커플링 모드 영역에서 자기 공진을 이용하는 무선 전력 전송에 관한 것이다. 무선 전력 전송은 CB 로부터 원격 시스템으로 및 원격 시스템으로부터 CB 로 발생할 수 있다. 부하 적응화 및 전력 제어 방법들은 전송 효율을 유지하면서 무선 전력 링크를 통해 전송된 전력의 양을 조정하는데 채용될 수 있다.
당업자들은 정보 및 신호들이 다양한 상이한 기술들 및 기법들 중 임의의 것을 이용하여 표현될 수도 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 전술된 상세한 설명 전체에서 참조될 수 있는 데이터, 명령들 (instructions), 커맨드들 (commands), 정보, 신호들, 비트들, 심벌들, 및 칩들은 전압들, 전류들, 전자기파들, 자기장들 또는 자기 입자들, 광학장들 (optical fields) 또는 광 입자들, 또는 이들의 모든 조합에 의하여 표현수도 있다.
더 나아가, 당업자들은 본 명세서에 개시된 실시형태들에 관련하여 설명되는 각종 예시적인 논리 블록들, 모듈들, 회로들, 및 알고리즘 단계들이 전자적 하드웨어, 컴퓨터 소프트웨어, 또는 양쪽 모두의 조합들로 구현될 수도 있다는 것을 이해할 것이다. 하드웨어 및 소프트웨어의 이러한 상호 교환 가능성을 명백하게 예시하기 위하여, 다양한 예시적인 구성요소들, 블록들, 모듈들, 회로들, 및 단계들은 위에서 총괄적으로 그것들의 기능성의 관점에서 전술되어 왔다. 이러한 기능성이 하드웨어 또는 소프트웨어 중 어느 것으로 구현되는지는 전체 시스템에 부가되는 특정 애플리케이션 및 디자인 제약조건들에 의존한다. 당업자들은 설명된 기능을 각각의 특정한 애플리케이션에 대하여 다양한 방식으로 구현할 수도 있지만, 이러한 구현 결정은 본 발명의 실시형태들의 범위를 벗어나도록 하는 것으로 해석되지 않아야 한다.
본 명세서에 개시된 실시형태들과 관련하여 설명된 다양한 예시적인 논리 블록들, 모듈들, 및 회로들은 여기에 설명된 기능들을 수행하도록 디자인된 범용 프로세서, 디지털 신호 프로세서 (DSP), 주문형 집적회로 (ASIC), 필드 프로그램가능 게이트 어레이 (FPGA) 또는 다른 프로그램가능 로직 디바이스, 이산 게이트 또는 트랜지스터 로직, 이산 하드웨어 구성 요소들, 또는 그것들의 임의의 결합으로써 구현되거나 실시될 수도 있다. 범용 프로세서는 마이크로프로세서일 수도 있지만, 대안적으로는, 이 프로세서는 임의의 종래 프로세서, 제어기, 마이크로제어기, 또는 상태 머신일 수도 있다. 또한, 프로세서는 컴퓨팅 디바이스들의 조합, 예를 들어 DSP 및 마이크로프로세서의 조합, 복수의 마이크로프로세서의 조합, DSP 코어와 함께 하나 이상의 마이크로프로세서의 조합, 또는 임의의 다른 이러한 구성으로서 구현될 수 있다.
본 명세서에서 개시된 예시적인 실시형태들과 관련하여 설명된 방법 또는 알고리즘의 단계들은 직접적으로 하드웨어에서 구현되거나, 프로세서에 의하여 실행되는 소프트웨어 모듈에서 구현되거나, 또는 이들 양자의 조합에서 구현될 수도 있다. 소프트웨어 모듈은 임의 접근 메모리 (RAM), 플래시 메모리, 판독 전용 메모리 (ROM), 전기 소거가능 ROM (EPROM), 전기 소거가능 프로그램가능 ROM (EEPROM), 레지스터들, 하드 디스크, 탈착가능 디스크, CD-ROM 또는 당업계에 알려진 임의의 다른 형태의 저장 매체에 상주할 수 있다. 예시적인 저장 매체는 프로세서가 저장 매체로부터 정보를 읽을 수 있고 그 저장 매체에 정보를 쓸 수 있도록 프로세서에 커플링된다. 대안적으로는, 저장 매체는 프로세서에 통합될 수 있다. 프로세서 및 저장 매체는 ASIC에 상주할 수도 있다. ASIC 은 사용자 단말에 상주할 수도 있다. 대체예에서, 프로세서 및 저장 매체는 사용자 단말에서 이산 구성 요소로서 상주할 수도 있다.
하나 이상의 예시적인 실시형태들에서, 설명된 기능들은 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어, 또는 이들의 임의의 조합으로 구현될 수도 있다. 소프트웨어로 구현되면, 그 기능들은 하나 이상의 명령들 또는 코드로서 컴퓨터 판독가능 매체 상에 저장되거나 이를 통해 전송될 수도 있다. 컴퓨터 판독가능 매체는 한 장소에서 다른 장소로의 컴퓨터 프로그램의 전송을 용이하게 하는 임의의 매체를 포함하는 컴퓨터 저장 매체 및 통신 매체 양쪽 모두를 포함한다. 저장 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 이용가능한 매체일 수도 있다. 한정이 아니라 예를 들기 위해서, 이러한 컴퓨터 판독가능 미디어는 RAM, ROM, EEPROM, CD-ROM 또는 다른 광 디스크 스토리지, 자기 디스크 스토리지, 또는 다른 자기 저장 디바이스들, 또는 소망의 프로그램 코드를 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 명령들 또는 데이터 구조들의 형태로 운반하거나 저장하는데 사용될 수 있는 임의의 다른 매체를 포함할 수도 있다. 또한, 임의의 접속이 적절히 컴퓨터 판독가능 매체로 칭해진다. 예를 들어, 소프트웨어가 웹사이트, 서버, 또는 다른 원격 소스로부터 동축 케이블, 광섬유 케이블, 연선 (twisted pair), 디지털 가입자 회선 (DSL), 또는 무선 기술들 이를테면 적외선, 라디오, 및/또는 마이크로파를 이용하여 송신되면, 동축 케이블, 광섬유 케이블, 연선, DSL, 또는 적외선, 라디오, 및 마이크로파와 같은 무선 기술들은 매체의 정의에 포함된다. 디스크 (Disk 및 disc) 는 여기서 사용되는 바와 같이, 콤팩트 디스크 (compact disc, CD), 레이저 디스크, 광 디스크, 디지털 다용도 디스크 (DVD), 플로피 디스크 (floppy disk) 및 블루레이 디스크를 포함하는데, 디스크 (disk) 들은 보통 데이터를 자기적으로 재생하지만, 디스크 (disc) 들은 레이저들을 이용하여 광학적으로 데이터를 재생한다. 상기한 것들의 조합들도 컴퓨터 판독가능 미디어의 범위 내에 포함되어야 한다.
개시된 예시적인 실시형태들의 이전 설명은 임의의 당업자에게 본 발명을 실시하거나 사용하도록 허용하기 위하여 제공된다. 이러한 예시적인 실시형태들에 대한 다양한 수정들이 당업자들에게는 용이하게 분명히 이해될 것이며, 본 명세서에서 정의된 총괄적 원리들은 본 발명의 사상 또는 범위에서 벗어나지 않으면서 다른 실시형태들에 적용될 수도 있다. 그러므로, 본 발명은 본 명세서에서 도시된 예시적인 실시형태들에 한정되도록 의도되지 않으며, 오히려 본 명세서에서 개시되는 이론들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위가 본 발명인 것이라고 이해되어야 한다.

Claims (20)

  1. 전원으로부터 수신한 전력을 변환하도록 구성되고, 제 1 모드와 제 2 모드 중 적어도 하나에서 동작하는, 전력 변환 회로;
    상기 전력 변환 회로와 전기적으로 커플링되고, 상기 변환된 전력에 적어도 일부 기초하여 수신기의 제 2 전력 전송 컴포넌트로 충전 전력을 무선 전송하도록 구성되는, 제 1 전력 전송 컴포넌트; 및
    상기 제 1 전력 전송 컴포넌트와 상기 제 2 전력 전송 컴포넌트 사이의 커플링의 정도를 표시하는 값에 적어도 일부 기초하여, 적어도 상기 제 1 모드와 상기 제 2 모드 사이에서 상기 전력 변환 회로를 재구성하도록 구성된 제어기를 포함하는, 무선 전력 전송 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 모드는 풀-브릿지 모드에 대응하고, 상기 제 2 모드는 하프-브릿지 모드에 대응하는, 무선 전력 전송 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 표시하는 값이 임계치 이상인 것을 검출한 것에 응답하여, 상기 제 1 모드에서 동작하도록 상기 전력 변환 회로를 재구성하도록 구성되는, 무선 전력 전송 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 표시하는 값이 임계치 미만인 것을 검출한 것에 응답하여, 상기 제 2 모드에서 동작하도록 상기 전력 변환 회로를 재구성하도록 구성되는, 무선 전력 전송 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전원으로부터 수신한 상기 전력이 2 개 이상의 위상들을 포함할 때, 상기 전력 변환 회로를 위상-스위칭하도록 구성된 스위칭 회로를 더 포함하는, 무선 전력 전송 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 전력 변환 회로와 전기적으로 커플링되고, 50% 미만의 듀티 사이클로 동작하도록 구성된 펄스-폭 변조 회로를 더 포함하는, 무선 전력 전송 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전력 전송 컴포넌트와 상기 제 2 전력 전송 컴포넌트 사이에서 적어도 하나의 물체를 검출하도록 구성된 센서를 더 포함하고,
    상기 제 1 전력 전송 컴포넌트는 적어도 하나의 상기 검출된 물체의 적어도 일부에 기초하여 x 또는 y 또는 z 방향으로 움직이도록 구성된, 무선 전력 전송 장치.
  8. 제 8 항에 있어서,
    상기 센서는 기계적 저항 센서, 또는 촉각 센서, 또는 초음파 센서, 또는 광학 센서 또는 전자기 센서 중 적어도 하나, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는, 무선 전력 전송 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전력 전송 컴포넌트는, 상기 제 1 전력 전송 컴포넌트와 상기 제 2 전력 전송 컴포넌트 사이의 더 짧은 거리와 더 긴 거리에 각 대응하는 2 개의 별개의 z-포지션들 사이에서 이동하도록 더 구성되고,
    상기 전력 변환 회로는, 상기 제 2 전력 전송 컴포넌트가 상기 더 짧은 거리에 위치할 때 상기 제 1 모드에서, 상기 제 2 전력 전송 컴포넌트가 상기 더 긴 거리에 있을 때 상기 제 2 모드에서, 동작하도록 더 구성되는, 무선 전력 전송 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 제 1 전력 전송 컴포넌트와 상기 제 2 전력 전송 컴포넌트 사이의 거리에 적어도 일부 기초하여, 적어도 상기 제 1 모드와 상기 제 2 모드 사이에서 상기 전력 변환 회로를 재구성하도록 구성되는, 무선 전력 전송 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 전력 변환 회로는 상기 수신한 전력을 무선 전력 전송 동작 주파수에서 교류로 변환하도록 더 구성되는, 무선 전력 전송 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전력 전송 컴포넌트를 포함하는 공진 회로를 더 포함하고,
    상기 공진 회로는 동작 주파수에서 실질적으로 공진하도록 구성되는, 무선 전력 전송 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 커플링의 정도를 상기 표시하는 값에 적어도 일부 기초하여, 상기 공진 회로로 하여금 오프-공진으로 동작하게 하는 것 또는 상기 공진 회로를 부분적으로 디튠 (detune) 하는 것 중 적어도 하나를 하도록 구성되는, 무선 전력 전송 장치.
  14. 전력 변환 회로에 의해 전원으로부터 수신된 전력을 변환하는 단계;
    제 1 모드와 제 2 모드 중 적어도 하나에서 상기 전력 변환 회로를 동작시키는 단계;
    상기 변환된 전력에 적어도 일부 기초하여, 제 1 전력 전송 컴포넌트에서 수신기의 제 2 전력 전송 컴포넌트로 충전 전력을 무선 전송 하는 단계; 및
    상기 제 1 전력 전송 컴포넌트와 상기 제 2 전력 전송 컴포넌트 사이의 커플링의 정도를 표시하는 값에 적어도 일부 기초하여, 상기 제 1 모드와 상기 제 2 모드 사이에서 상기 전력 변환 회로를 재구성하는 단계를 포함하는, 무선 전력 전송 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 1 모드는 풀-브릿지 모드에 대응하고, 상기 제 2 모드는 하프-브릿지 모드에 대응하는, 무선 전력 전송 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제 1 모드와 상기 제 2 모드 사이에서 상기 전력 변환 회로를 재구성하는 단계는, 상기 표시하는 값이 임계치 이상일 때 상기 제 1 모드에서 동작하도록 상기 전력 변환 회로를 재구성하는 단계를 포함하는, 무선 전력 전송 방법.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 제 1 모드와 상기 제 2 모드 사이에서 상기 전력 변환 회로를 재구성하는 단계는, 상기 표시하는 값이 임계치 미만일 때 상기 제 2 모드에서 동작하도록 상기 전력 변환 회로를 재구성하는 단계를 포함하는, 무선 전력 전송 방법.
  18. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 1 전력 전송 컴포넌트와 상기 제 2 전력 전송 컴포넌트 사이에서 적어도 하나의 물체를 검출하는 단계; 및
    상기 제 1 전력 전송 컴포넌트와 상기 제 2 전력 전송 컴포넌트 사이의 커플링이 증가하도록, 적어도 하나의 상기 검출된 물체의 적어도 일부에 기초하여, x 또는 y 또는 z-방향 중 적어도 하나로 상기 제 1 전력 전송 컴포넌트를 움직이는 단계를 더 포함하는, 무선 전력 전송 방법.
  19. 전원으로부터 수신된 전력을 변환하는 수단;
    제 1 모드와 제 2 모드 중 적어도 하나에서 상기 변환하는 수단을 동작시키는 수단;
    상기 변환된 전력에 적어도 일부 기초하여, 전력 전송 컴포넌트로 충전 전력을 무선 전송하는 수단; 및
    상기 전송하는 수단과 상기 전력 전송 컴포넌트 사이의 커플링의 정도를 표시하는 값에 적어도 일부 기초하여, 상기 제 1 모드와 상기 제 2 모드 사이에서 상기 변환하는 수단을 재구성하는 수단을 포함하는, 무선 전력 전송 장치.
  20. 전기 차량의 무선 전력 수신 장치에 있어서,
    송신기의 제 2 전력 전송 컴포넌트에 의하여 생성된 자기장을 통하여 충전 전력을 무선 수신하고, 상기 충전 전력을 상기 전기 차량의 부하에 공급하도록 구성된, 제 1 전력 전송 컴포넌트;
    상기 제 1 전력 전송 컴포넌트와 상기 제 2 전력 전송 컴포넌트 사이에서 적어도 하나의 물체를 검출하도록 구성된 센서; 및
    적어도 하나의 상기 검출된 물체 또는 상기 전력 전송 컴포넌트들 사이의 커플링의 정도를 표시하는 값 중 적어도 하나에 기초하여, 상기 제 1 전력 전송 컴포넌트로 하여금 x 또는 y 또는 z-방향 중 적어도 하나로 움직이게 하도록 구성된 제어기를 포함하는, 무선 전력 수신 장치.
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