KR20160108805A - 상호 운용 가능한 전기 자동차 무선 충전 방법 및 시스템 - Google Patents

상호 운용 가능한 전기 자동차 무선 충전 방법 및 시스템 Download PDF

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루이스 앨랜
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현대 아메리카 테크니컬 센타, 아이엔씨
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 무선 충전 방법은, 무선 통신부를 통해 무선 충전 가능한 자동차에서 자동차 정보를 수신하는 단계; 상기 무선으로 수신된 자동차 정보에 기초하여 상기 자동차를 무선 충전하도록 동작 가능한 무선 충전 시스템의 일차 코일과 상기 자동차의 이차 코일 사이의 에어 갭을 계산하는 단계; 및 전류를 발생 시키면 전체 일차 코일 이하인 크기를 갖는 상기 일차 코일의 일부를 통해서만 흐르도록 전류를 발생하는 단계;를 포함한다. 전류가 흐르는 상기 일차 코일의 일부 크기는 상기 일차 코일과 이차 코일 사이의 산출된 에어 갭에 따라 판단된다.

Description

상호 운용 가능한 전기 자동차 무선 충전 방법 및 시스템 {INTEROPERABLE ELECTRIC VEHICLE WIRELESS CHARGING METHOD AND SYSTEM}
본 발명은 무선 충전 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차에 관한 것으로서, 더 상세하게는 상호 운용 가능한 전기 자동차 무선 충전 방법 및 시스템에 관한 것이다.
최근, 전기 자동차 (EV) 및 하이브리드 전기 자동차 (HEV) 관련 기술이 급속히 발전하고 있다. 전기 자동차 및 하이브리드 전기 자동차에는 적어도 부분적으로 전력이 공급되며, 이들 자동차는 수시로 오프-차량 소스(off-vehicle source)에서 전기를 수집하여 저장하거나, 즉 충전된다. 이와 같이, 전기 자동차 및 하이브리드 전기 자동차를 충전하는 다양한 방법이 연구되고 있다. 특히, 무선 충전 기술 및 유도 충전 기술이 중요한 연구 주제가 되고 있다.
유선 충전에 대조되는 무선 충전은 충전 부품의 접점과 노출을 제한함으로써 충전 부품의 내구성과 수명을 개선하고, 위험성이 있는 와이어와 접속 인터페이스를 은폐함으로써 안전성을 향상시키고, 충전 스테이션이 다양한 방법으로 (예를 들어, 주차장 또는 도로 등에 매설된 휴대용 충전 패드처럼) 구현되도록 함으로써 범용성을 향상시킨다. 이를 위해 무선 충전은, 본 발명의 경우처럼, 충전 스테이션(예를 들어, 무선 충전 어셈블리)과 스마트폰, 노트북, 또는 전기 자동차와 같은 전기장치 사이에 에너지를 전달하기 위해 전자기장에 의존한다. 에너지는 상기 무선 충전 어셈블리와 상기 장치 사이에 형성된 유도 결합을 통해 전송된다. 일반적으로 상기 무선 충전 어셈블리의 유도 코일(예를 들면, 일차 코일)은 교류 전자기장을 생성하기 위해 종종 전력망에서 제공되는 전기를 사용한다. 전기장치의 유도 코일(예를 들면, 이차 코일)은 생성된 전자기장에서 전력을 수신하여 배터리를 충전하기 위해 전류로 다시 변환할 수 있다. 따라서, 일차 및 이차 유도 코일이 변압기를 형성하기 위해 결합됨으로써, 에너지가 전자기 유도를 통해 상기 2개 코일 사이에서 전송될 수 있다.
주목할 점은, 무선 충전 가능한 자동차에 설치된 이차 코일은 다양한 그라운드 간격(ground clearance)의 크기(즉, 이차 코일에서 그라운드까지의 거리)과 더불어 다양한 사이즈로 된다. 다양한 종류의 이차 코일이 특정 충전 시스템과 호환되지 않기 때문에 많은 어려움이 발생할 수 있다. 예를 들어, 이차 코일의 그라운드 간격이 증가하고 (예를 들어, 비교적 높은 하부구조를 갖는 자동차의 경우), 그리고 자기 에어 갭(magnetic air gap)(무선 충전 시스템의 일차 코일과 자동차의 이차 코일 사이의 수직 거리)이 증가함에 따라, 일차 코일에 의해 방출되는 에너지 또한 자동차를 효율적으로 충전하기 위해 증가해야만 한다. 이는 일차 코일의 크기뿐만 아니라 일차 코일의 반경이 고효율로 자기 공명 에너지 전송을 실행하기 위해 극복될 수 있는 에어 갭에 정비례하기 때문이다. 따라서, 더 큰 자기 에어 갭의 경우(예를 들어, 높은 그라운드 간격을 갖는 픽업 트럭과 다목적 스포츠 자동차(SUV)의 경우)에 있어서, 어떤 일차 코일은 너무 작아 자동차에 필요한 에너지를 방출할 수 없는 경우가 있다. 더불어서, 더 큰 일차 코일은, 더 작은 자기 에어 갭(예를 들어, 낮은 그라운드 간격을 갖는 스포츠카)의 경우에, 불필요한 양의 에너지를 방출하여, 결국 에너지 낭비를 초래한다.
본 발명은 다양한 크기의 이차 코일과 밀접하게(즉, 자기적으로(magnetically)) 결합하는 표준 일차 시스템 충전기를 위한 기술을 제공한다. 그 결과로, 단일 일차 충전 시스템은 다양한 그라운드 간격을 갖는 자동차에 상호 운용될 수 있다. 예를 들면, 본 명세서에 개시된 무선 충전(즉, 일차 코일) 시스템은 충전 시스템과 다양한 자기 에어 갭 클래스(magnetic air gap class) 간의 상호 운용성을 가능하게 할 수 있다. 이 방법에 따르면, 무선 충전기 부적합으로 인한 불편이 감소될 수 있다. 예를 들면, 무선 충전 주차 장소가 에어갭 호환성에 의해 특별히 지정되는 경우가 배제될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 방법은: 무선 통신부를 통해 무선 충전 가능한 자동차에서 자동차 정보를 수신하는 단계; 상기 무선으로 수신된 자동차 정보에 기초하여 상기 자동차를 무선 충전하도록 동작 가능한 무선 충전 시스템의 일차 코일과 상기 자동차의 이차 코일 사이의 에어 갭을 계산하는 단계; 및 전류를 발생 시키면 전체 일차 코일 이하인 크기를 갖는 상기 일차 코일의 일부를 통해서만 흐르도록 전류를 발생하는 단계;를 포함한다.
전류가 흐르는 상기 일차 코일의 일부 크기는 상기 일차 코일과 이차 코일 사이의 산출된 에어 갭에 따라 판단된다.
상기 일차 코일의 일부는 다수의 미리 정의된 일차 코일의 부분들의 하나일 수 있다.
상기 다수의 미리 정의된 일차 코일의 부분들은, 다수의 스위칭 소자들이 전류가 상기 다수의 미리 정의된 일차 코일의 부분들을 통해 흐르는지 여부를 제어하는 LC 회로에 의해 정의될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 방법은: 상기 일차 코일과 이차 코일 사이의 산출된 에어 갭에 따라 다수의 스위칭 소자들 중 하나 이상을 선택하는 단계; 및 전류가 상기 일차 코일의 일부만을 통해 흐르도록 상기 선택된 스위칭 소자를 활성화하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 방법은: 상기 정의된 일부의 크기를 확정함으로써 상기 다수의 미리 정의된 일차 코일의 부분들의 일부를 정의하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 방법은: 하나 이상의 평가 기준에 따라 상기 정의된 일부를 평가하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 방법은: 상기 정의된 일부의 평가에 따라 상기 정의된 일부의 크기를 조정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 일차 코일의 미리 정의된 부분의 각 크기는 상기 일차 코일의 다른 미리 정의된 부분들의 크기와 상이할 수 있다.
상기 다수의 미리 정의된 일차 코일의 부분들은 상기 일차 코일의 동심 부분일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 방법은: 상기 자동차가 상기 무선 충전 시스템과 정렬되는 과정 동안 상기 다수의 미리 정의된 일차 코일의 부분들 중에서 선택된 일부를 통해 전류가 흐르도록 하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 일차 코일의 모양은 사각형, 직사각형, 원형, 또는 타원형일 수 있다.
상기 일차 코일의 코일 권선 패턴은 실질적으로 상기 일차 코일의 전체에 균일하게 분산된다.
상기 일차 코일의 코일 권선 패턴은 실질적으로 로그형(logarithmic-like) 분포 패턴을 따를 수 있다.
상기 일차 코일과 이차 코일 사이의 산출된 에어 갭은 상기 일차 코일과 이차 코일 사이의 다수의 미리 정의된 에어 갭 범위들 중 하나에 상당할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 방법은: 상기 일차 코일과 이차 코일 사이의 상기 다수의 미리 정의된 에어 갭 범위들 중 어느 것이 상기 일차 코일과 이차 코일 사이의 산출된 에어 갭에 해당하는지 판단하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 일차 코일과 이차 코일 사이의 상기 다수의 미리 정의된 에어 갭 범위들은 적어도 제1 에어 갭 범위와 제2 에어 갭 범위를 포함하고, 상기 제2 에어 갭 범위는 상기 제1 에어 갭 범위 보다 더 크다.
상기 일차 코일의 일부는 다수의 미리 정의된 일차 코일의 부분들 중의 하나일 수 있고, 상기 일차 코일과 이차 코일 사이의 산출된 에어 갭은 상기 일차 코일과 이차 코일 사이의 다수의 미리 정의된 에어 갭 범위들 중 하나에 대응할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 방법은: 상기 산출된 에어 갭에 상당하는 상기 일차 코일과 이차 코일 사이의 미리 정의된 에어 갭 범위에 따라 상기 다수의 미리 정의된 일차 코일의 부분들 중에서 상기 일차 코일의 일부를 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 일차 코일과 이차 코일 사이의 미리 정의된 에어 갭 범위들의 각각에 대해, 상기 일차 코일의 대응하는 미리 정의된 일부가 있을 수 있다.
상기 수신된 자동차 정보는 상기 그라운드로부터 상기 이차 코일의 거리, 상기 그라운드로부터 상기 자동차 차대부의 거리, 및 상기 자동차의 이차 코일의 설치와 관련된 상세 정보 중의 하나 이상을 나타낼 수 있다.
상기 일차 코일과 이차 코일 사이의 에어 갭을 산출하는 단계는: 상기 수신된 자동차 정보에 따라 그라운드에서 상기 이차 코일의 거리를 판단하는 단계; 상기 그라운드에서 상기 일차 코일의 거리를 판단하는 단계; 및 상기 그라운드에서 상기 이차 코일의 거리와 상기 그라운드에서 상기 일차 코일의 거리 간의 차이에 따라 상기 일차 코일과 이차 코일 사이의 에어 갭을 산출하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 일차 코일의 일부를 통해 흐르는 전류는 무선으로 상기 자동차를 충전할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 무선 충전 시스템은: 무선 충전 가능한 자동차에서 자동차 정보를 무선으로 수신하는 무선 통신부; 상기 수신된 자동차 정보에 따라 상기 자동차를 무선으로 충전하도록 동작 가능한 무선 충전 시스템의 일차 코일과 이차 코일 사이의 에어 갭을 산출하는 제어부; 및 상기 일차 코일의 전체 크기 이하의 크기를 갖는 상기 일차 코일의 일부 만을 통해 흐르는 전류를 발생하는 LC 회로;를 포함한다.
상기 전류가 흐르는 일차 코일 일부의 크기는 상기 일차 코일과 이차 코일 사이의 산출된 에어 갭에 따라 판단된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시예를 상세히 설명하되, 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일, 유사한 도면 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 무선 충전 시스템과 연관된 무선 충전이 가능한 자동차의 예시적인 개념도이다.
도 2는 자기 에어 갭 클래스의 예시적인 개념도이다.
도 3은 무선 충전 시스템 및 수신기의 예시적인 개념도이다.
도 4는 상호 운용 가능한 전기 자동차 원형 코일의 예시적인 개념도이다.
도 5는 본 발명에 따른 적응 및 상호 운용 가능한 LC 회로의 예시적인 회로도이다.
도 6은 산출된 에어 갭에 따라 LC 회로를 제어하는 예시적인 단순 절차 흐름도이다.
참조된 도면은 반드시 축척될 필요가 있는 것이 아니고, 본 발명의 주요 원리를 다양한 바람직한 특징으로 단순하게 표현한 것으로 이해되어야 한다. 특정 치수, 방향, 위치, 및 모양을 포함하는 본 발명의 특정한 설계적 특징은 특별히 의도된 적용 및 사용 환경에 의해 부분적으로 판단될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하는 것으로 의도된 것은 아니다. 본 명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 본 명세서에서 사용된 용어 "및/또는" 연관된 리스트 항목들의 하나 이상의 어떤 것 및 모든 조합을 포함한다. 용어 "결합(된)"은 2개 구성부품 사이의 물리적인 관계를 나타내는 것으로, 상기 2개 구성부품들은 하나 이상의 중간 구성부품을 통해 서로 직접적으로 연결되거나 또는 간접적으로 연결된다.
본 명세서에서 사용된 "차량", "차", "차량의", "자동차", "자동차의" 또는 다른 유사한 용어들은 스포츠 실용차(sports utility vehicles; SUV), 버스, 트럭, 다양한 상용차를 포함하는 승용차, 다양한 종류의 보트나 선박을 포함하는 배, 항공기 및 이와 유사한 것을 포함하는 자동차를 포함하며, 하이브리드 차량, 전기 차량, 플러그 인 하이브리드 전기 차량, 수소연료 차량 및 다른 대체 연료(예를 들어, 석유 외의 자원으로부터 얻어지는 연료) 차량(자동차)를 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 명세서에서 언급되는 전기 자동차(EV)는, 이동 성능의 일부로서, 충전식 에너지 저장 장치(예를 들어, 하나 이상의 재충전용 전기화학 셀 또는 다른 타입의 배터리)에서 유래된 전력을 갖춘 자동차이다. 전기 자동차는 자동차에 한정되지 않고, 오토바이, 카트, 스쿠터 등을 포함할 수 있다. 또한, 하이브리드 자동차는 예로써 가솔린-기반 전력 및 전기-기반 전력의 두 전력 이상을 갖춘 자동차(예를 들어, 하이브리드 전기 자동차(HEV))이다.
무선 충전 전력, 무선 전송 전력 등은 물리적인 전기 전도체를 이용하지 않고 전기장, 자기장, 또는 전자기장 등과 연관된 에너지 형태로 송신기에서 수신기로 전송하는 것(예를 들어, 자유 공간을 통해 전송될 수 전력)으로 언급될 수 있다. 제1 코일(예; 1차 코일)에서 무선 필드(예; 자기장)으로 출력된 전력은 제2 코일(예; 2차 코일 또는 수신 코일)에 의해 수신되거나 또는 캡처되어(captured) 전력 전송을 달성할 수 있다.
이하 방법들의 하나 이상 또는 그 방법들의 형태들은 적어도 하나의 제어기에 의해 실행될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 용어 "컨트롤러", "제어기"는 메모리와 프로세서를 포함한 하드웨어 장치로 참조될 수 있다. 상기 메모리는 프로그램 명령을 저장하도록 구성되고, 상기 프로세서는 후술할 하나 이상의 프로세스를 실행하기 위한 프로그램 명령을 실행하도록 구체적으로 프로그램화 된다.. 또한, 이하의 방법들은 상세히 후술할 상기 제어기를 포함하는 무선 충전 시스템에 의해 실행될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
본 발명의 실시예를 참조하면, 개시된 기술은 하나의 표준 일차 시스템 충전기가 다양한 크기의 이차 코일과 밀접하게(즉, 자기적으로) 결합할 수 있도록 한다. 따라서, 단일 일차 충전 시스템은 다양한 그라운드 간격을 갖는 자동차와 상호 운용될 수 있다. 달리 말하면, 본 명세서에 개시된 무선 충전(즉, 일차 코일) 시스템은 충전 시스템과 다양한 자기 에어 갭 클래스를 갖는 자동차 간의 상호 운용성을 가능하게 할 수 있다. 상기 상호 운용 가능한 충전 시스템은 각 부분이 독립적으로 활성화될 수 있는(즉, 전류가 일차 코일을 통해 흐르는) 다수의 부분들을 갖는 일차 코일에 의해 달성될 수 있다. 상기 다수의 일차 코일 부분들은 동심(또는 동축)일 수 있고, 다른 크기를 가질 수 있다. 즉, 상기 일차 코일의 각 부분은 고유의 반경을 가질 수 있다. 이러한 방법에 따르면, 하나 이상의 일차 코일 부분들은 활성화된 일차 코일 부분(들)이 같은 크기 또는 유사한 크기의 이차 코일에 결합되도록 활성화될 수 있기 때문, 다양한 이차 코일 크기 및 자기 에어 갭에도 불구하고 효율적인 자기 에어 갭 전송을 가능하게 할 수 있다.
도 1은 무선 충전 시스템과 연관된 무선 충전이 가능한 자동차의 예시적인 개념도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 자동차(100)는 무선 충전될 수 있는 EV, HEV 등일 수 있다. 즉, 유도 코일(예를 들어, 이차 코일)이 자동차(100)에 설치될 수 있고, 이로써 상기 코일은 무선 충전 시스템의 유도 코일에서 무선으로(예를 들어, 코일들 간의 유도 결합에 의해 발생된 전자기장을 통해) 전송된 에너지를 수신하도록 동작할 수 있다. 도 1에 도시한 바와 같이, 자동차(100)는 무선 충전 시스템(110)(상술된 프로세스)에서 에너지를 수신하기 위해 무선 충전 시스템(110)에 맞춰질 수 있다.
무선 충전 시스템(110)은 전자기장을 생성하기 위해 전기를 사용하는 유도 코일(예; 일차 코일)을 포함할 수 있고, 궁극적으로는 근처의 자동차(100)를 무선 충전할 수 있다. 무선 충전 시스템 (110)은 로컬 분배 센터(예: 전력망) 또는 다른 적절한 에너지 소스에 연결되어 전류를 수신할 수 있다. 무선 충전 시스템 (110)은 적절한 영역(예: 주차장의 주차 지점, 차고, 도로 등)에 배치되고, 휴대용 충전 패드와 같은 적절한 방법으로 구현되거나 또는 땅(ground)에 묻힐 수 있다. 구체적으로는, 무선 충전 시스템(110)은 자동차(100)가 무선 충전 시스템(110)에 충분히 근접하여 움직이거나 주차될 수 있고 무선 충전 시스템(110)으로부터 전송된 전기를 무선으로 수신할 수 있도록 배치 구현될 수 있다.
일례로, 무선 충전 시스템(110)은 로컬 전력 분배 센터에 연결된 휴대용 충전 패드로서 구체화될 수 있고, 이로써 자동차(100)는 상기 충전 패드 상에서 구동되거나 주차될 수 있다. 다른 예로서, 무선 충전 시스템(110)은 땅에 묻혀(예를 들어, 부분적으로 또는 전체가 지하에 묻힐 수 있고) 로컬 전력 분배 센터에 연결될 수 있고, 이로써 자동차(100)는 무선 충전 시스템 (110)이 묻혀 있는 영역에서 구동되거나 주차될 수 있다. 두 경우 모두 또는 다른 어떤 적절한 경우에, 자동차(100)는, 자동차(100)에 설치된 이차 코일(예: 수신 코일)이 충전 시스템 (110)의 일차 권선과 정렬될 수 있도록 무선 충전 시스템(110)에 충분히 근접하여 구동 및/또는 주차될 수 있다.
에너지의 무선 전송 동안, 충전 시스템(110)의 일차 충전기와 자동차(100)의 이차 코일 사이의 수직(즉, 상하) 방향으로, 자기 에어 갭으로 알려진(택일적으로 "에어 갭" 또는 "Z-갭"이라 지칭됨), 공간이 존재한다. 이와 관련해서, 도 2는 자기 에어 갭 클래스의 예시적인 개념도를 도시한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 무선 충전 시스템(110)의 일차 코일(200)은 예시적인 제1 이차 코일(202) 또는 예시적인 제2 이차 코일(204)과 유도 결합될 수 있다. 이차 코일(202 또는 204)은 자동차(100)와 같은 무선 충전 가능한 자동차에 설치될 수 있다. 대체 자동차의 자연적인 그라운드 간격과 이차 코일 설치 상세 정보는 일반적으로 자기 에어 갭을 결정한다. 예를 들어, 스포츠카는 낮은 그라운드 간격을 갖기 때문에 작은 자기 에어 갭을 가질 수 있고, 픽업 트럭 또는 SUV는 높은 그라운드 간격을 갖기 때문에 큰 자기 에어 갭을 가질 수 있고, 그리고 세단은 스포츠카와 SUV 사이에 있는 그라운드 간격을 갖기 때문에 중간의 자기 에어 갭을 가질 수 있다.
도시를 위해, 도 2에는 큰 에어 갭이 일차 코일(200)과 제1 이차 코일(22) 사이에 도시되고, 작은 에어 갭은 일차 코일(200)과 제2 이차 코일(204) 사이에 도시되었다. 일차 코일(200)에서 제1 이차 코일(202)까지의 거리는 일차 코일(200)에서 제2 이차 코일(204)까지의 거리보다 크기 때문에, 이차 코일(202)에 에너지를 효율적으로 전송하기 위해서 일차 코일(200)에서 더 큰 전송 전력이 필요하고, 이차 코일(204)에 에너지를 효율적으로 전송하기 위해서 일차 코일(200)에서 더 적은 전송 전력이 필요하다. 따라서, 기존의 무선 충전 시스템을 사용하면, 큰 에어 갭과 작은 에어 갭의 경우에 각각 제1 이차 코일(202)과 제2 이차 코일(204)에 에너지를 무선 전송하기 위해 다른 충전 어셈블리들이 필요하다. 그러나, 본 발명의 실시예에 따르면, 단일 무선 충전 시스템, 예를 들어 충전 시스템(110)은, 이하에 상세히 설명되는 바와 같이, 멀티 클래스의 에어 갭에 걸쳐 이차 코일(202, 204)과 같은 어떤 이차 코일과 상호 동작할 수 있다.
도 3은 무선 충전 시스템 및 수신기의 예시적인 개념도를 도시한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 무선 충전 시스템(110)(예를 들어, "충전기")는 무선 수신기(310)(예를 들어, "수신기")와 무선 통신하고, 에너지를 무선 수신기(310)에 전송할 수 있다. 구체적으로, 충전 시스템(110)은 AC/DC 프런트 엔드(front end)(112), LC 공진 인버터(114), 일차 코일(116)(예: "송신(Tx) 코일"), 및 무선 통신부(118)(예: "WiFi Comm.)를 포함할 수 있다. 무선 수신기 (310)는 전자 부하(312), 마이크로컨트롤러(314), 이차 코일(316)(예: "수신(Rx) 코일"), 무선 통신부(318)(예: "WiFi Comm.)를 포함할 수 있다. 도 3에 도시된 무선 충전 시스템(110) 및 수신기(310)의 구성은 단지 예시를 목적으로 한 것이며, 도시된 구성과 동일한 것에 한정하는 것으로 간주되지 말아야 한다. 오히려, 무선 충전 시스템(110) 및 수신기(310)는 본 발명의 특허청구범위에 따라 적절한 방법으로 구성될 수 있다.
무선 충전 가능한 자동차, 예를 들어 자동차(100)에 포함될 수 있는 무선 수신기(310)에 있어서, 자기 에어 갭에 비례하는 반경을 갖는 이차 코일(316)은 일차 코일(116)을 통해 흐르는 전류에 의해 생성된 자기장에 의해 유도된 전압을 가질 수 있다. 무선 전력 전송 약 80kHz~90kHz에서 발생할 수 있다. 마이크로컨트롤러(314)는 수신기(310)의 동작을 제어할 수 있다. 본 발명의 목적을 위해, 마이크로컨트롤러(314)는, 예를 들어 전자 부하(312)(예: 배터리)를 충전하기 위해 AC를 DC로 변환하기 위한 정류기 및/또는 예를 들어 상기 수신된 전류를 필터링하기 위한 필터를 포함할 수 있다. 무선 통신부(318)는, 이하에 추가로 설명되는 바와 같이, 무선 수신기(310)가 설치된 자동차에 관련된 정보(예: "자동차 정보")를 무선 통신부(118)에 무선으로 전송할 수 있다.
무선 충전 시스템(110)에 있어서, AC/DC 프론트 엔드(112)는 전력원(예: 발전소)에서 전류를 수신하여, 수신된 교류전류(AC)를 고압의 직류전류(DC)로 변환할 수 있다. 예를 들어, AC/DC 프론트 엔드(112)는 60Hz AC를 525V DC로 변환할 수 있다. 상기 변환된 DC는 AC/DC 프론트 엔드(112)에서 LC 공진 인버터(114)로 출력될 수 있다. LC 공진 인버터(114)의 회로는 다양하게 구성될 수 있고, 예를 들어 이하에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, LC(인덕터-커패시터) 회로, 직렬 또는 병렬로 연결된 커패시터들, 및 브릿지 회로를 포함할 수 있다. 또한, LC 공진 인버터(114)는 적절한 주파수(예: SAE 표준 주파수 85 kHz)에서 구동 전자기기(예를 들면, 상기 커패시터들 및 일차 코일을 구동하기 위한)를 포함할 수 있다.
LC 공진 인버터(114)의 동작은, 전류가 부하를 통해서 단방향으로 흐르도록 하기 위해 인접한 로우 사이드 스위치(MOSFET)로 하나의 하이 사이드 스위치(MOSFET)을 턴-온하도록 이루어질 수 있다. 상기 부하는 인덕터로서 기능하는 원형 코일의 도체에 직렬 접속된 커패시터(또는 병렬의 커패시터 뱅크(bank))를 포함하는 LC 회로를 구비할 수 있다. 대향하는 스위치가 턴-온된 동안, AC 전류가 부하를 통해 흐르도록 하기 위해, 원래의 스위치는 턴-오프된다. 따라서, LC 공진 인버터(114)는, 도 5에 도시되고 이하에서 상세하게 설명될 LC 회로를 통해 자기 공명을 달성할 수 있다.
충전 시스템(110)은 무선 통신부(118, 318)를 통해 수신기(310)와 무선 통신할 수 있다. 구체적으로, 무선 통신부(318)는 무선 수신기(310)가 설치된 자동차(예: 자동차(100))에 관련된 정보(예: "자동차 정보")를 무선 통신부(118)에 무선으로 전송할 수 있다. 무선 통신부(118, 318) 사이에 무선 통신이 설정될 때, 무선 통신부(318)에서 충전 시스템(110)의 무선 통신부(118)로 자동차 정보의 전송이 발산될 수 있다(예를 들어, 자동차(100)의 충전 시작 전에). 상기 자동차 정보는 일차 코일(116)과 이차 코일(316) 사이의 에어 갭을 산출하기 위해 충전 시스템(110)에서 사용되는 정보를 포함할 수 있다. 상기 자동차 정보는, 예를 들어 그라운드에서 이차 코일(316)까지의 거리, 그라운드에서 자동차 차대까지의 거리, 및/또는 이차 코일 (316)의 자동차(100) 설치와 관련한 상세 성보를 나타낼 수 있다.
상기 수신된 자동차 정보를 사용하여 충전 시스템(110)은 일차 코일(116)과 이차 코일(316) 사이의 자기 에어 갭을 판단할 수 있다. 택일적으로, 상기 자기 에어 갭은 일차 코일(116)과 자동차(100) 차대 사이의 거리일 수 있다. 상기 에어 갭의 판단은 충전 시스템(110) 내의 제어기(미도시)에 의해 수행될 수 있다. 예를 들어, 상기 수신된 자동차 정보가 상기 그라운드에서 이차 코일(316)까지의 거리 표시(예: 이차 코일(316)의 Z-축 방향)를 포함하면, 충전 시스템(110)은 상기 두 장치 사이의 에어 갭을 판단하기 위해 상기 그라운드로부터 측정된 자체 거리(예: 일차 코일(116)의 Z-축 좌표)를 감산한다 (만일, 충전 시스템(110)이 지하에 있는 경우, 일차 코일(116)의 Z-축 좌표는 음수일 수 있다).
상기 자기 에어 갭의 측정값은 다중 클래스(예: 범위)로 분할될 수 있다. 상기 에어 갭 범위는, 아래 표 1에 표시된 바와 같이, 미리 정의될 수 있고, 상기 범위는 제1 범위 및 상기 제1 범위 보다 큰 제2 범위를 포함할 수 있다. 예를 들어, 자기 에어 갭 클래스는 아래 표 1에 따라 정의될 수 있다.
에어 갭 클래스 범위
작은 에어 갭: 80-160 mm
중간 에어 갭: 161-220 mm
큰 에어 갭: 221-280 mm
표 1에 표시된 상기 에어 갭 클래스는 단지 예시 목적이며, 그 표시된 클래스와 동일한 것에 한정하는 것으로 간주되지 말아야 한다. 오히려, 일차 코일(116) 및 이차 코일(316)은 본 발명의 특허청구범위에 따라 적절한 방법으로 정의될 수 있다.
충전 시스템(110)이 일차 코일(116)과 이차 코일(316) 사이의 에어 갭 상에서 자동차(100)을 효율적으로 충전하기 위해, 일차 코일(116)의 크기는 상기 에어 갭 상에서 전력을 전송하는데 충분히 커야 한다. 문제점으로, 종래 일차 코일은 특정한 에어 갭 클래스에서만 종종 효율적이다. 예를 들어, 더 큰 자기 에어 갭의 경우에(예를 들어, 픽업 트럭 또는 높은 그라운드를 갖는 SUV에), 어떤 일차 코일은 너무 작아 상기 자동차에 필수 에너지를 방출할 수 없다. 반대로, 더 큰 일차 코일은 더 작은 자기 에어 갭의 경우에(예를 들어, 낮은 그라운드 간격을 갖는 스포츠카에서) 불필요한 양의 에너지를 방출할 수 있고, 이로 인해 에너지 낭비를 초래한다. 따라서, 다양한 이차 코일들이 어떤 특정한 충전 시스템에 호환되지 않는 어려움이 발생할 수 있다. 예를 들어, 이차 코일(316)의 그라운드 간격이 증가하고, 이에 따라 상기 에어 갭이 증가함에 따라, 일차 코일(116)에 의해 방출되는 에너지 역시 효율적으로 상기 자동차를 충전하기 위해 증가한다. 이는 일차 코일(116)의 반경(일차 코일(116)의 크기뿐만 아니라)이 고효율로 자기 공명 에너지 전송을 실행하기 위해 극복될 수 있는 에어 갭에 정비례하기 때문이다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따르면, 일차 코일(116)의 특정 부분은 일차 코일(116)과 이차 코일(316) 사이의 산출된 에어 갭에 따라 활성화될 수 있고(예를 들어, 전류가 흐를 수 있고), 이로 인해 일차 코일(116)의 활성화된 부분을 통해 흐르는 전류에 의해 생성된 전자기장은 전력을 (이차 코일(316)과의 유도 결합을 통해) 수신기(310)에 효율적으로 전송한다.. 상기 활성화된 일차 코일 부분의 크기에 의해 상기 활성화된 부분에서 코일의 턴수(the number of coil turns)가 판단되고, 전류를 운반하는 전도체의 원형 코일의 턴수를 증가시킴에 따라 더 큰 인덕턴스가 회로에 자연스럽게 유도된다. 따라서, 충전 시스템(110)은 전류가 일차 코일(116)의 일부 만을 통해 흐르도록 할 수 있고, 그럼으로써 상기 전류가 흐르는 일차 코일(116)의 일부의 크기는 일차 코일(116)과 이차 코일(316)의 산출된 에어 갭에 따라 판단된다. 이와 같이, 일차 코일(116)에서 전송된 전력은 자동차(100)의 이차 코일(316)과 통신할 수 있고, 특히 일차 코일(116)과 이차 코일(316) 사이의 에어 갭과 통신할 수 있다.
특히, 일차 코일(116)의 활성화된 반경(즉, 전류가 흐르는 부분)은 상기 산출된 에어 갭의 크기에 정비례할 수 있다. 이와 관련해서, 도 4는 상호 운용 가능한 전기 자동차 원형 코일의 예시적인 개념도를 도시한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 일차 코일(116)은 상기 에어 갭을 중심으로 일차 코일(116)이 이차 코일(316)에 단단히 결합시키는 다수의 미리 정의된 부분을 포함하고, 이로써 효율적인 자기 에어 갭 전송을 달성할 수 있다. 미리 정의된 각 부분은 고유의 크기/반경 및 코일 턴수의 고유 번호를 갖는다. 예를 들면, 일차 코일(116)의 제1 부분은 "코일 반경 1"의 반경을 가지며, 일차 코일(116)의 제2 부분은 "코일 반경 2"의 반경을 가지며, 일차 코일(116)의 제3 부분은 "코일 반경 3"의 반경을 갖는다.
일차 코일(116)의 미리 정의된 어떤 부분은 다른(즉, 더 작은) 일차 코일 부분을 감싼다. 예시적으로, 일차 코일(116)의 제2 부분은 일차 코일(116)의 제1 부분을 감싸고, 일차 코일(116)의 제3 부분은 일차 코일(116)의 제1 부분과 제2 부분을 감싼다. 이 때문에, 일차 코일(116)의 제1 부분은 코일 반경 1만을 활성화시킴으로써 달성되고; 일차 코일(116)의 제2 부분은 코일 반경 1 및 2를 체결함으로써 달성되고; 일차 코일(116)의 제3 부분은 코일 반경 1, 2 및 3을 체결함으로써 달성된다. 도 4에 도시된 일차 코일(116)의 구성은 단지 예시적인 목적을 위한 것이고, 그 표시된 구성과 동일한 것에 한정하는 것으로 간주되지 말아야 한다. 오히려, 일차 코일(116)의 부분들은 소정의 적절한 방법으로(예를 들어, 주어진 부분의 크기/반경 또는 코일 턴수에 의해) 정의될 수 있다. 상기 일차 코일(116)의 미리 정의된 부분들은, 도 4에 도시된 바와 같이, 동심이거나 동축일 수 있고, 또는 소정의 적절한 방법으로 구성될 수 있다.
택일적으로, 일차 코일(116)의 형상은 정사각형, 직사각형, 원형, 또는 타원형일 수 있다. 더불어서, 일차 코일의 권선 패턴은 일차 코일 전체에 걸쳐 실질적으로 균일하게 분산되거나, 실질적으로 로그(logarithmic-like) 분포 패턴을 따를 수 있다. 또한, 상기 일차 코일 부분들 중의 어떤 것은, 예를 들어 전체 효율, 충전율 등과 같은 하나 이상의 평가 기준에 따라 평가될 수 있다. 상기 평가는 시행착오를 토대로 수행될 수 있다. 또한, 무선 충전 시스템(110)은, 자동차(100)가 충전 시스템(110)에 맞춰지고 있는 동안 전류가 일차 코일(116)의 하나 이상의 부분을 통해 흐르게 할 수 있다. 이와 같이, 다양한 코일 반경 활성화는 코일(116)의 중심을 표시하기 위해 전자기장을 방출하도록 트리거될 수 있고, 이에 따라 자동차의 정렬 과정을 도울 수 있다.
일차 코일(116)과 이차 코일(316) 사이의 에어 갭의 미리 정의된 범위 각각에 대한 일차 코일(116)의 대응하는 미리 정의된 부분이 있을 수 있다. 따라서, 전류가 흐르는 일차 코일(116)의 일부는 상기 산출된 에어 갭(예: 일차 코일(116)과 이차 코일(316) 사이의 거리)에 상당하는 에어 갭의 미리 정의된 범위(예: 소(small), 중(medium), 대(large) 등)를 토대로 판단될 수 있다. 예를 들면, 일차 코일(116)의 제1 부분(예: 코일 반경 1)은 "소" 에어 갭을 위해 활성화될 수 있고, 일차 코일(116)의 제2 부분(예: 코일 반경 1 및 2)은 "중" 에어 갭을 위해 활성화될 수 있고, 그리고 일차 코일(116)의 제 3 부분(예: 코일 반경 1, 2, 및 3)은 "대" 에어 갭을 위해 활성화될 수 있다. 이처럼, 단일 일차 코일 만을 사용해도, 작은(소) 자기장은 작은 에어 갭에서 생성될 수 있고, 반대로 큰 자기장은 큰 에어 갭에서 생성될 수 있다. 즉, 일차 코일(116)은 어떤 타입의 이차 코일과도 상호 동작할 수 있다.
무선 충전 시스템(100)의 LC 회로 때문에 전류는 일차 코일(116)의 특정 부분만을 흐를 수 있다. 상기한 바와 같이, 상기 LC 공진 인버터(114)는 상호간에 연결된 다수의 인덕터와 커패시터로 구성되는 LC 회로(예: 탱크 회로 또는 공진 회로)를 포함할 수 있다. 상가 LC 회로는 공진 주파수에서 발진하는 전기 에너지를 저장할 수 있다. 구체적으로, 그들을 통해 흐르는 전류에 따라, 상기 다수의 커패시터는 그들 각각의 로컬 전기장(즉, 판들 사이의)을 사용하는 에너지를 저장할 수 있고, 상기 다수의 인덕터는 생성된 자기장으로 에너지를 저장할 수 있다.
LC 회로에 있어서, 충전된 커패시터가 인덕터를 거쳐 연결될 때, 전하가 상기 인덕터를 통해 흐르기 시작하고, 이에 따라 상기 인덕터 주변에 자기장을 생성하고 상기 커패시터의 전압을 감소시킨다. 일정 시간 후, 상기 커패시터의 전하의 모두가 소진되면, 커패시터 양단의 전압이 제로(0)이 된다. 그러나, 상기 인덕터가 전류 변화에 저장하기 때문에 상기 전류 흐름은 지속될 수 있다. 즉, 상기 전류 흐름을 유지하기 위한 에너지는 상기 생성된 자기장에서 추출된다. 상기 인덕터 주위의 자기장이 소멸될 때, 상기 전류가 중단되고, 이전과 반대 극성의 전하가 상기 커패시터에 다시 저장될 수 있다. 따라서, 상기 전류는 상기 LC 회로를 통해 반대 방향으로 흐르기 시작한다.
결국, 전하가 커패시터의 플레이트들(plates) 사이에서 및 인덕터를 통해 앞뒤로 흐르고, 내부 저항에 의해 진동이 멈출 때(외부 소스에서 추가 전력이 없을 때)까지 에너지가 앞뒤로 진동한다. 유도성 및 용량성 리액턴스의 크기가 등가일 때, 공명 효과가 발생한다. 상기 등가가 (주어진 회로에 대해) 달성되는 주파수가 공진 주파수이다. LC 회로는 아래 공식 1 및 2에 의해 정의된 값의 관계에 의해 결정되는 자연스런 전기 공진 주파수를 갖는다. 상기 LC 회로의 각(angular) 공진 주파수는 아래 공식 1에 따라 산출될 수 있다.
Figure pat00001
… [공식 1].
상기 LC 회로의 각 공진 주파수는 아래 공식 2에 따라 Hz로 산출될 수 있다.
Figure pat00002
… [공식 2].
도 5는 본 발명에 따른 적응 및 상호 운용 가능한 LC 회로의 예시적인 회로도를 도시한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 공진 LC 회로(500)는 충전 시스템(110)을 인터페이싱하는 특정 자동차에 따라 변할 수 있는 가능한 에어 갭 클래스(예: 소, 중, 대 등)를 다중화하도록 적응 가능하다. 일관된 공진 주파수를 유지하기 위해, 상기 LC 회로(500)는 다수의 인덕터(예: L1, L2, 및 L3)에 연결되는 다수의 커패시터(예: C1, C2, C3 등)를 포함하도록 구성된다. LC 회로(500)의 인덕터들은 도 4에 도시된 바와 같이 일차 코일(116)의 상기 미리 정의된 부분들에 상당할 수 있다. 구체적으로, 도 5에 도시된 바와 같이, 인덕터(L1)는 전술한 일차 코일(116)의 제1 부분(예: 코일 반경 1)에 상당하고, 인덕터(L2)는 전술한 일차 코일(116)의 제2 부분(예: 코일 반경 2)에 상당하고, 그리고 인덕터(L3)는 전술한 일차 코일(116)의 제3 부분(예: 코일 반경 3)에 상당할 수 있다. 특히, 도 5에 도시된 LC 회로(500)의 구성은 단지 예시를 목적으로 한 것이며, 도시된 구성과 동일한 것에 한정하는 것으로 간주되지 말아야 한다. 오히려, LC 회로(500)는 본 발명의 특허청구범위에 따라 적절한 방법으로 구성될 수 있다.
전류는 다수의 스위치 소자들(예: SWC1, SWC2, SWC3, SWL1, SWL2, SWL3, SWL12, 등)에 의해 결정된 경로에 따라 LC 회로(500)를 통해 흐를 수 있다. 더 큰 인덕턴스가 LC 회로(500)에 자연적으로 도입되기 때문에, 전류-운반 전도체의 (원형 코일의) 턴수가 증가함에 따라, 정전용량은 일관된 공진 주파수를 유지하기 위해 상기 회로에 추가되어야만 한다. 정전용량이 추가됨으로써(예를 들어, 병렬로 더 많은 커패시터를 추가함으로써), 인덕턴스에 대한 정전용량의 일관된 비율이 회로(500)의 상기 스위칭 소자들을 조작함으로써 유지될 수 있다.
LC 회로(500)의 전류 흐름 경로는 오픈되거나 닫혀있는 상기 스위칭 요소들의 특정 구성에 따라 결정될 수 있다. 즉, 상기 전류 흐름 경로는 오픈되거나 닫혀있는 상기 회로(500)의 스위칭 요소들의 어느 하나에 따라 변경될 수 있다. 상기 스위칭 요소들은 일차 코일(116)과 이차 코일(316) 사이의 산출된 에어 갭에 따라(예를 들어, 충전 시스템(110)의 제어기에 의해) 조작될 수 있다(즉, 오픈되거나 닫힐 수 있다). 이와 같이, 전류는 산출된 자기 에어 갭에 어울리는 방법으로 LC 회로(500)를 통해, 특히 인덕터(L1, L2, 및/또는 L3)를 통해 흐를 수 있다.
예를 들면, 도 5에 도시된 바와 같이, 작은 에어 갭의 경우, LC 회로(500)의 스위칭 요소들은 전류가 커패시터(C1)와 인덕터(L1) 만을 통해 흐르도록 조작될 수 있다. 따라서, 전류는 전술한 일차 코일(116)의 제1 부분(즉, 코일 반경 1)만을 통해 흐를 수 있다. 더욱이, 도 5에 도시된 바와 같이, 중간 에어 갭의 경우, LC 회로(500)의 스위칭 요소들은 전류가 커패시터(C1, C2) 및 인덕터(L1, L2) 만을 통해 흐르도록 조작될 수 있다. 따라서, 전류는 전술한 일차 코일(116)의 제2 부분(즉, 코일 반경 1, 2) 만을 통해 흐를 수 있다. 더욱이, 도 5에 도시된 바와 같이, 큰 에어 갭의 경우, LC 회로(500)의 스위칭 요소들은 전류가 커패시터(C1, C2, C3) 및 인덕터(L1, L2, L3)를 통해 흐르도록 조작될 수 있다. 따라서, 전류는 전술한 일차 코일(116)의 제3 부분(즉, 코일 반경 1, 2, 3)을 통해 흐를 수 있다.
도 6은 산출된 에어 갭에 따라 LC 회로를 제어하는 예시적인 단순 절차 흐름도이다.
절차 600은 단계 605에서 시작하여 단계 610으로 계속하며, 더 상세히 설명하면, 여기서 LC 회로(500)의 스위칭 소자들은 적절한 코일의 반경(즉, 부분)과 회로의 정전용량을 활성화하기 위해 조작될 수 있다.
단계 605에서, 이차 코일의 높이(예: 그라운드에서 이차 코일(316)까지의 거리)가 판단될 수 있다. 상기 이차 코일 높이는 충전 시스템(110)에 무선으로 전송된 자동차 정보를 토대로 판단될 수 있다. 구체적으로, 상기 자동차 정보는 자동차(100) 무선 통신부(318)에서 전송될 수 있고, 무선 충전 시스템의 무선 통신부(118)에서 수신될 수 있다. 상기 자동차 정보는, 예를 들어 그라운드에서 이차 코일(316)까지의 거리, 그라운드에서 자동차 차대까지의 거리, 및/또는 이차 코일 (316)의 자동차(100) 설치와 관련한 상세 성보를 나타낼 수 있다.
단계 610에서, 일차 코일(116)과 이차 코일(316) 사이의 에어 갭(예: "무선 전송 Z 갭")이 상기 수신된 자동차 정보, 특히 상기 판단된 이차 코일의 높이에 따라(예를 들어 충전 시스템(100)의 제어기에 의해) 산출될 수 있다. 일차 코일(116)이 그라운드와 같은 높이에 있으면, 상기 에어 갭은 (그라운드에서) 이차 코일(316)의 높이와 같을 수 있다. 그러나, 일차 코일(116)이 그라운드와 같은 높이에 있지 않으면(즉, 일차 코일(116)이 제로(0)가 아니면(그라운드로부터)), 상기 에어 갭은 상기 이차 코일 높이에서 상기 일차 코일 높이를 감산함으로써 계산될 수 있다. 차량(100)으로부터 충전 시스템(110)에 무선으로 제공되는 다른 정보는 그라운드에서 자동차(100) 차대까지의 거리 및/또는 자동차(100)의 이차 코일(316)의 설치와 관련된 상세 정보와 같은 에어 갭 클래스뿐만 아니라 자기 에어 갭을 판단하는 데 사용될 수 있다.
일차 코일(116)과 이차 코일(316) 사이의 상기 에어 갭이 산출된 후, LC 회로(500)의 스위칭 소자들을 조작하는 방식은 도 6에 도시된 것과 같은 논리 기반의 프로세스를 사용하여 결정될 수 있다. 그러나, 단계 615 내지 단계 635의 절차들의 순서는 단지 예시를 목적으로 한 것이며, 도시된 순서와 동일한 것에 한정하는 것으로 간주되지 말아야 한다. 즉, 상기 산출된 에어 갭을 토대로 일차 코일(116)의 적절한 부분을 활성화시키기 위해 LC 회로(500)의 스위칭 요소의 상태를 판단하기 위한 소정의 절차가 실행될 수 있다.
도 6의 목적을 위해, 3개의 에어 갭 클래스(예: 소, 중, 대) 및 3개의 대응하는 일차 코일의 부분들(예: 코일 반경 1, 2, 3)이 정의되는 것이 가정되어야 한다. 각 에어 갭 클래스는 표 1에 표시된 것과 같은 상한 및 하한을 갖는 에어 갭 범위와 연관될 수 있다. 따라서, 단계 615에서, 일차 코일(116)과 이차 코일(316) 사이의 산출된 에어 갭(예: "무선 전송 Z 갭)이 상기 작은 에어 갭 클래스의 상한 이하인지 여부가 판단될 수 있다. 달리 말하면, 상기 산출된 에어 갭이 상기 작은 에어 갭 클래스에 상당하는지 여부가 판단될 수 있다. 만일 그렇다면, 절차 600이 단계 620으로 계속될 수 있고, 스위칭 요소들(SWC1, SWL1, SWL12)은 닫혀질 수 있다(나머지 스위칭 요소들 오픈이다). 따라서, 전류는 커패시터(C1) 및 인덕터(L1)(예: 일차 코일(116)의 코일 반경 1)를 통해 흐를 수 있다. 반대로, 상기 전류는 커패시터(C2, C3) 및 인덕터(L2, L3)를 통해 흐르지 않는다.
일차 코일(116)과 이차 코일(316) 사이의 상기 산출된 에어 갭이 상기 작은 에어 갭 클래스 이하이면(즉, 상기 산출된 에어 갭이 상기 작은 에어 갭 클래스에 상당하지 않으면), 절차 600은 단계 625으로 계속할 수 있다. 상기 산출된 에어 갭이 상기 에어 갭 클래스의 상한 이하인지 여부가 판단될 수 있다. 달리 말하면, 상기 산출된 에어 갭이 중간 에어 갭 클래스에 상당하는지 여부가 판단될 수 있다. 만일 그렇다면, 절차 600은 단계 630으로 계속하고, 여기서 스위칭 요소들(SWC2, SWL2, SWL12)은 닫혀질 수 있다(나머지 스위칭 요소들은 오픈이다). 또한, 스위칭 요소(SWC1)는 닫혀질 수 있고, 이에 따라 전류는 (전류가 인덕터(L1, L2)를 흐른 이후부터) 인덕턴스에 대한 정전 용량의 일관된 비율을 유지하기 위해 커패시터(C1, C2)를 흐른다. 따라서, 전류는 커패시터(C1, C2) 및 인덕터(L1, L2)(예: 일차 코일(116)의 코일 반경 1, 2)을 흐를 수 있다. 따라서, 상기 전류는 커패시터(C3) 및 인덕터(L3)를 흐르지 않는다.
일차 코일(116)과 이차 코일(316) 사이의 상기 산출된 에어 갭이 상기 중간 에어 갭 클래스의 상한 이하이면(즉, 상기 산출된 에어 갭이 작은 또는 중간 에어 갭 클래스에 상당하지 않으면), 절차 600은 단계 635로 계속한다. 이때, 상기 산출된 에어 갭이 상기 중간 에어 갭 클래스의 상한 보다 더 크고 따라서 큰 에어 갭 클래스에 상당하는지가 판단될 수 있다. 따라서, 단계 635에서, 스위칭 요소들(SWC3, SWL2, SWL3)은 닫혀질 수 있다(나머지 스위칭 요소들은 오픈이다). 또한, 스위칭 요소(SWC1, SWC2)는 닫혀질 수 있고, 이에 따라 전류는 (전류가 인덕터(L1, L2, L3)를 흐른 이후부터) 인덕턴스에 대한 정전 용량의 일관된 비율을 유지하기 위해 커패시터(C1, C2, C3)를 흐른다. 따라서, 전류는 커패시터(C1, C2, C3) 및 인덕터(L1, L2, L3)(예: 일차 코일(116)의 코일 반경 1, 2, 3)을 흐를 수 있다. 이때, 전류는 일차 코일(116) 전체에 흐를 수 있다.
절차 600은 예시적으로 상기 산출된 에어 갭에 따라 단계들(620, 630, 635) 중의 어느 하나에서 종료된다. 보조적인 절차 및 매개변수 뿐만 아니라 절차 600의 단계들이 수행될 수 있는 기술이 상술되었다.
도 6에 도시된 단계들은 단지 예시적인 것이고, 어떤 다른 단계들이 필요에 따라 포함되거나 배제될 수 있다는 것을 유의해야 한다. 또한, 단계들의 특정 순서가 도시되었지만, 이들 순서는 단지 예시적인 것이고, 상기 단계들의 어떤 적절한 배열은 본 명세서의 실시예의 범위를 벗어나지 않고 이용될 수 있다. 더욱이, 상기 도시된 단계들은 특허청구범위에 따라 적절한 방법으로 변경될 수 있다.
따라서, 그라운드 간격이 변하는 자동차와 상호 운용이 가능한 단일 충전 시스템을 제공하는 기술이 개시되었다. 본 명세서에 개시된 무선 충전 시스템은 충전 시스템과 다양한 자기 에어 갭 클래스를 갖는 자동차 간의 상호 운용성을 가능하게 할 수 있다. 이와 같이, 무선 충전기의 호환성이 없음으로 인한 불편을 줄일 수 있다. 또한, 기존의 무선 충전 시스템에 추가되는 비용이 단지 고체 스위치 및 분산 커패시터의 값이기 때문에 개시된 기술은 저렴한 비용의 시스템을 구체화한다.
상호 운용 가능한 전기 자동차 무선 충전 방법 및 시스템을 제공하는 예시적인 실시예가 도시되고 설명되었지만, 다양한 다른 적용 및 변경이 본 명세서의 실시예의 사상 및 범위 내에서 이루어질 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 예를 들어, LC 회로 구성, 일차 코일 구성, 무선 충전기와 수신기 구성, 자기 에어 갭, 자기 에어 갭 클래스 등을 산출하기 위한 절차를 포함하는 특정 구성, 절차 등과 관련된 실시예들이 기본적으로 본 명세서에서 도시되고 개시되었다. 그러나, 넓은 의미에서 실시예가 한정되는 것은 아니다. 오히려, 실시예는 본 특허청구범위에 따라 적절한 방법으로 변형될 수 있다.
전술한 설명은 본 발명의 실시예에 특정한다. 그러나, 다른 변형 및 수정이 장점의 일부 또는 전부를 달성하도록 개시된 실시예에서 이루어질 수 있다는 것은 명백할 것이다. 따라서, 본 설명은 예로서만 해석되어야 하며, 본 명세서의 실시 형태의 범위를 한정하는 것은 아니다. 따라서, 첨부된 특허청구범위의 목적은 본 명세서의 실시 형태의 진정한 정신 및 범위 내의 모든 변형 및 변경을 포함한다.

Claims (23)

  1. 무선 통신부를 통해 무선 충전 가능한 자동차에서 자동차 정보를 수신하는 단계;
    상기 무선으로 수신된 자동차 정보에 기초하여 상기 자동차를 무선 충전하도록 동작 가능한 무선 충전 시스템의 일차 코일과 상기 자동차의 이차 코일 사이의 에어 갭을 계산하는 단계; 및
    전류를 발생 시키면 전체 일차 코일 이하인 크기를 갖는 상기 일차 코일의 일부를 통해서만 흐르도록 전류를 발생하는 단계,
    전류가 흐르는 상기 일차 코일의 일부 크기는 상기 일차 코일과 이차 코일 사이의 산출된 에어 갭에 따라 판단되는, 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 일차 코일의 일부는 상기 일차 코일의 다수의 미리 정의된 부분들의 하나인, 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 다수의 미리 정의된 일차 코일의 부분들은, 다수의 스위칭 소자들이 전류가 상기 다수의 미리 정의된 일차 코일의 부분들을 통해 흐르는지 여부를 제어하는 LC 회로에 의해 정의되는, 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 일차 코일과 이차 코일 사이의 산출된 에어 갭에 따라 다수의 스위칭 소자들 중 하나 이상을 선택하는 단계; 및
    전류가 상기 일차 코일의 일부만을 통해 흐르도록 상기 선택된 스위칭 소자를 활성화하는 단계;
    를 더 포함하는, 방법.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 정의된 일부의 크기를 확정함으로써 상기 다수의 미리 정의된 일차 코일의 부분들의 일부를 정의하는 단계;
    를 더 포함하는, 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    하나 이상의 평가 기준에 따라 상기 정의된 일부를 평가하는 단계;
    를 더 포함하는, 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 정의된 일부의 평가에 따라 상기 정의된 일부의 크기를 조정하는 단계;
    를 더 포함하는, 방법.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 일차 코일의 미리 정의된 부분의 각 크기는 상기 일차 코일의 다른 미리 정의된 부분들의 크기와 상이한, 방법.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 다수의 미리 정의된 일차 코일의 부분들은 상기 일차 코일의 동심 부분인, 방법.
  10. 제2항에 있어서, 상기 자동차가 상기 무선 충전 시스템과 정렬되는 과정 동안 상기 다수의 미리 정의된 일차 코일의 부분들 중에서 선택된 일부를 통해 전류가 흐르도록 하는 단계; 를 더 포함하는, 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 일차 코일의 모양은 사각형, 직사각형, 원형, 또는 타원형인, 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 일차 코일의 코일 권선 패턴은 실질적으로 상기 일차 코일의 전체에 균일하게 분산되는, 방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 일차 코일의 코일 권선 패턴은 실질적으로 로그형(logarithmic-like) 분포 패턴을 따르는, 방법.
  14. 제1항에 있어서, 상기 일차 코일과 이차 코일 사이의 산출된 에어 갭은 상기 일차 코일과 이차 코일 사이의 다수의 미리 정의된 에어 갭 범위들 중 하나에 상당하는, 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 일차 코일과 이차 코일 사이의 상기 다수의 미리 정의된 에어 갭 범위들 중 어느 것이 상기 일차 코일과 이차 코일 사이의 산출된 에어 갭에 해당하는지 판단하는 단계; 를 더 포함하는, 방법.
  16. 제14항에 있어서, 상기 일차 코일과 이차 코일 사이의 상기 다수의 미리 정의된 에어 갭 범위들은 적어도 제1 에어 갭 범위와 제2 에어 갭 범위를 포함하고, 상기 제2 에어 갭 범위는 상기 제1 에어 갭 범위 보다 더 큰, 방법.
  17. 제1항에 있어서, 상기 일차 코일의 일부는 다수의 미리 정의된 일차 코일의 부분들 중의 하나이고, 상기 일차 코일과 이차 코일 사이의 산출된 에어 갭은 상기 일차 코일과 이차 코일 사이의 다수의 미리 정의된 에어 갭 범위들 중 하나에 대응하는, 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 산출된 에어 갭에 상당하는 상기 일차 코일과 이차 코일 사이의 미리 정의된 에어 갭 범위에 따라 상기 다수의 미리 정의된 일차 코일의 부분들 중에서 상기 일차 코일의 일부를 판단하는 단계; 를 더 포함하는, 방법.
  19. 제17항에 있어서, 상기 일차 코일과 이차 코일 사이의 미리 정의된 에어 갭 범위들의 각각에 대해, 상기 일차 코일의 대응하는 미리 정의된 일부가 있는, 방법.
  20. 제1항에 있어서, 상기 수신된 자동차 정보는 상기 그라운드로부터 상기 이차 코일의 거리, 상기 그라운드로부터 상기 자동차 차대부의 거리, 및 상기 자동차의 이차 코일의 설치와 관련된 상세 정보 중의 하나 이상을 나타내는, 방법.
  21. 제1항에 있어서, 상기 일차 코일과 이차 코일 사이의 에어 갭을 산출하는 단계는: 상기 수신된 자동차 정보에 따라 그라운드에서 상기 이차 코일의 거리를 판단하는 단계; 상기 그라운드에서 상기 일차 코일의 거리를 판단하는 단계; 및 상기 그라운드에서 상기 이차 코일의 거리와 상기 그라운드에서 상기 일차 코일의 거리 간의 차이에 따라 상기 일차 코일과 이차 코일 사이의 에어 갭을 산출하는 단계;를 포함하는, 방법.
  22. 제1항에 있어서, 상기 일차 코일의 일부를 통해 흐르는 전류는 무선으로 상기 자동차를 충전하는, 방법.
  23. 무선 충전 시스템에 있어서, 무선 충전 가능한 자동차에서 자동차 정보를 무선으로 수신하는 무선 통신부; 상기 수신된 자동차 정보에 따라 상기 자동차를 무선으로 충전하도록 동작 가능한 무선 충전 시스템의 일차 코일과 이차 코일 사이의 에어 갭을 산출하는 제어부; 및 상기 일차 코일의 전체 크기 이하의 크기를 갖는 상기 일차 코일의 일부 만을 통해 흐르는 전류를 발생하는 LC 회로;를 포함하고, 상기 전류가 흐르는 일차 코일 일부의 크기는 상기 일차 코일과 이차 코일 사이의 산출된 에어 갭에 따라 판단되는, 무선 충전 시스템.
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