KR20170050568A - 주행 차량의 무선 충전을 위한 모듈화된 급전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 주행 차량의 무선 충전을 위한 모듈화된 급전장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 주행 중의 차량의 집전장치 뿐 아니라 정차 중인 차량의 집전 장치 모두에 무선 충전을 위한 급전이 가능한 모듈화된 급전장치에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 도로에 설치되는 급전장치에서 페라이트 코어를 제거하여 급전장치 설치의 시공성과 효율을 향상시키고 급전장치에 포함된 급전선로 인덕턴스를 크게 저감하여, 인덕턴스 보상을 위한 커패시터 용량의 부담을 줄이며, 또한 이로부터 무효전력의 현저한 증가에 대한 부담없이, 정차중인 집전장치의 충전에도 호환성있게 사용할 수 있도록 동작 주파수를 높인 급전장치를 제공한다.

Description

주행 차량의 무선 충전을 위한 모듈화된 급전장치{MODULARIZED POWER SUPPLY APPARATUS FOR WIRELESS CHARGING ELECTRIC VEHICLE}

본 발명은 주행 차량의 무선 충전을 위한 모듈화된 급전장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 주행 중의 차량의 집전장치 뿐 아니라 정차 중인 차량의 집전 장치 모두에 무선 충전을 위한 급전이 가능한 모듈화된 급전장치에 관한 것이다.

정차중인 차량에 대한 무선 충전을 실시할 경우, 차량의 집전장치는 85kHz에서 동작하게 되어 있다. 그러나 주행 차량에 대한 무선 충전을 위해 도로에 설치되는 급전장치는 20kHz에서 동작하도록 설계되어 있다. 이러한 급전장치가 동일한 전류에서 동작 주파수를 85kHz로 올릴 경우에는 상당한 크기의 무효 전력이 발생하게 되는 문제점이 있기 때문에, 현재 개시된 주행중 차량에 대한 무선 급전장치로는 주행중 차량의 집전장치에는 전력공급이 불가능한 문제점이 있어왔다. 또한 현재 개시된 주행중 차량의 무선 충전을 위해 도로에 설치되는 급전장치에는 페라이트 코어가 설치되는데, 이러한 페라이트 코어로부터 발생하는 매우 큰 인덕턴스를 상쇄하기 위해 급전장치에는, 전 구간에 걸쳐 큰 용량의 커패시터를 설치하는 것이 필수적이다. 그러나 이러한 커패시터가 차지하는 큰 부피 및 그 설치에 들어가는 비용을 감안할 때 그러한 급전 시스템의 효율성에 대한 문제점이 제기되었다.

KR 10-2011-0034314 A

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 도로에 설치되는 급전장치에서 페라이트 코어를 제거하여 급전장치 설치의 시공성과 효율을 향상시키고 급전장치에 포함된 급전선로 인덕턴스를 크게 저감하여, 인덕턴스 보상을 위한 커패시터 용량의 부담을 줄이며, 또한 이로부터 무효전력의 현저한 증가에 대한 부담없이, 정차중인 집전장치의 충전에도 호환성있게 사용할 수 있도록 동작 주파수를 높인 급전장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 주행 차량의 무선 충전을 위한 모듈화된 급전장치는, 나란하게 배열된 일정 갯수의 커패시터; 상기 각 커패시터의 양 단자 사이에 배열되고, 일측면은 상기 각 커패시터의 일측 단자와 연결되며, 타측면은 사선 형상을 이루는 제1 금속 바(bar); 및 상기 각 커패시터의 양 단자 사이에 배열되고, 일측면은 상기 각 커패시터의 상기 일측 단자와 마주보는 위치의 타측 단자와 연결되며, 타측면은 사선 형상을 이루고, 그 사선 형상 면은 상기 제1 금속 바의 사선 형상 면과 일정 간격 이격되어 배치되는 제2 금속 바(bar)를 포함하고, 상기 제1 금속 바 및 제2 금속 바는 각각 상기 급전장치 모듈과 전방 및 후방에서 직렬로 연결되는 타 급전장치 모듈과 연결되어, 전류 케이블의 역할을 수행한다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 주행 차량의 무선 충전을 위한 모듈화된 급전장치는, 나란하게 배열되어 전류가 흐르기 위한 다수의 전선; 상기 각 전선 상의 일 위치에서 상기 전선과 연결된 커패시터; 상기 각 전선의 양 단부에서 상기 각 전선과 수직하게 연결되는 모듈 연결 바(bar)를 포함하고, 상기 모듈 연결 바는 타 급전장치 모듈의 모듈 연결 바와 결합하여 각 전선이 연장되어 연결될 수 있도록 한다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 주행 차량의 무선 충전을 위한 모듈화된 급전장치는, 전류 케이블의 역할을 수행하는 다수의 금속 판이 서로 일정 간격(이하 '판 간격'이라 한다)을 두고 직렬로 다수 배열된 금속 판 모듈을 다수 포함하며, 상기 각 금속 판 모듈은 서로 평행하게 배열되고, 상기 각 금속 판 모듈 사이에는 커패시턴스를 보유하는 일정 폭의 간격이 구비되며, 인접한 금속 판 모듈의 각 금속 판은, 상기 판 간격이 지그재그 형태로 엇갈리는 형태가 되도록 배치된다.

본 발명에 의하면, 도로에 설치되는 급전장치에서 페라이트 코어를 제거하여 급전장치 설치의 시공성과 효율을 향상시키고 급전장치에 포함된 급전선로 인덕턴스를 크게 저감하여, 인덕턴스 보상을 위한 커패시터 용량의 부담을 줄이며, 또한 이로부터 무효전력의 현저한 증가에 대한 부담없이, 정차중인 집전장치의 충전에도 호환성있게 사용할 수 있도록 동작 주파수를 높인 급전장치를 제공하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 주행 차량의 무선 충전을 위한 급전장치의 개요 및 동작 원리를 설명하기 위한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 주행 차량의 무선 충전을 위한 급전장치의 제1 실시예를 도시한 도면.
도 3은 본 발명에 따른 주행 차량의 무선 충전을 위한 급전장치의 제2 실시예의 구성을 나타내는 도면.
도 4는 본 발명에 따른 주행 차량의 무선 충전을 위한 급전장치의 제2 실시예의 2가지 형태를 도시한 도면.
도 5는 본 발명에 따른 주행 차량의 무선 충전을 위한 급전장치의 제3 실시예의 구성을 도시한 도면.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명에 따른 주행 차량의 무선 충전을 위한 급전장치의 개요 및 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.

전술한 바와 같이 현재 정차중 차량의 무선 충전을 위해 차량에 장착되는 집전장치(10)는 85kHz에서 동작한다. 그러나 주행중 차량에 무선전력전송 방식에 의해 전력을 제공하도록 도로에 설치되는 급전장치는 20kHz에서 동작하게 되어 있다. 이러한 급전장치에서, 85khz에서 동작하는 집전장치에도 전력을 전달하려면 급전장치 역시 85kHz에서 동작하도록 주파수를 높여야 한다. 그러나 현재 급전장치의 구조에서 그와 같이 동작 주파수를 높이기 어려운 문제점이 존재한다. 즉, 현재 급전장치는 급전코일에서 발생하는 자기장을 페라이트 코어를 이용하여 집전장치로 전달하게 되는데, 이러한 구조에서 급전코일에 동일한 전류를 흐르게 하면서 주파수를 85kHz로 높일 경우에는 더욱 큰 인덕턴스가 발생하면서 이에 따라 무효전력이 크게 발생하게 되는 것이다.

이에 따라 본 발명에 따른 차량용 무선 급전장치(100)에서는 급전코일(110)의 전류에 의한 자기장을 발생시킴으로써 집전장치(10)에 전력을 전달하되, 급전 페라이트 코어를 제거한 형태를 취한다. 급전 페라이트 코어가 존재할 경우에는 발생한 자기장의 자속이, 외부로 흩어지는 것을 최대한 감소시키는 형태로 집전장치로 전달되게 되지만, 반면에 그러한 급전 페라이트 코어의 존재에 의해 매우 큰 인덕턴스가 발생하게 되고, 이를 상쇄시키기 위한 큰 용량의 커패시터가 필요하게 되며, 또한 무효전력의 발생으로 전원을 공급하는 인버터의 용량이 커지게 되어, 결과적으로 설치의 시공성과 효율, 그리고 비용 등의 면에서 큰 문제점이 있어왔다. 이에 따라 본 발명에 따른 차량용 무선 급전장치(100)에서는, 전술한 바와 같이 급전 페라이트 코어를 제거함으로서 인덕턴스를 최대한 줄이며, 이에 따라 필요한 커패시터의 용량도 크게 감소시킴으로써 시공, 비용 및 전력 면에서의 효율을 증대시킬 수 있게 된다.

이하에서는 도 2 내지 도 5를 참조하여, 그와 같이 급전 페라이트 코어를 제거한 형태의 본 발명에 따른 전기자동차용 무선 급전장치의 여러가지 실시예를 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 주행 차량의 무선 충전을 위한 급전장치의 제1 실시예를 도시한 도면이다.

오른쪽 위 도면은 제1 실시예로서의 급전장치(200)를 위에서 내려다 본 도면이고, 오른쪽 아래 도면은 그러한 급전장치(200)를 회로도로써 도시한 도면이다. 가운데 도면은 급전장치(200) 중의 하나의 모듈을 나타내며, 왼쪽 도면은 하나의 모듈에 다수 포함되는 커패시터 중 하나를 도시한 도면이다.

오른쪽 도면은, 급전장치에 포함되는 다수의 모듈 중, 2개의 모듈(210,220)이 연결된 상태를 나타낸다. 금속 바(231,232,233)는 코일과 같이 전류를 흐르게 하는 역할을 수행한다. 각 모듈에는, 도시된 바와 같이 측면이 사선으로 형성된 2개의 금속 바가 일정 거리 이격된 상태로 구성되어 있다. 각 모듈(210,220)은 오른쪽 아래 도면의 등가회로도로 나타낸 바와 같이 인덕터 및 커패시터로 구성된 효과를 나타낸다. 즉, 금속 바(231,232,233)는 등가회로에서 전류가 흐르는 동시에 인덕터의 역할을 하며, 각 모듈의 커패시터(211,212,213,214 및 221,222,223,224)는 등가회로에서 커패시터의 역할을 한다. 등가회로상에서 2개의 모듈(210,220)이 연결된 부분(241)은, 오른쪽 위 도면상에서의 가운데 금속 바(232)에 의해서 구현된다.

이와 같은 구조에 의해 금속 바에 흐르는 전류에 의한 인덕턴스는, 급전 페라이트 코어가 존재하는 경우의 인덕턴스보다 훨씬 작은 값을 가지며, 이러한 인덕턴스는 작은 용량의 커패시터에 의해서도 보상될 수 있게 된다. 뿐만 아니라, 사선 형상의 금속 바(231,232,233)로 인해 급전레일의 폭을 줄이게 되는 효과도 있다.

도 3은 본 발명에 따른 주행 차량의 무선 충전을 위한 급전장치의 제2 실시예의 구성을 나타내는 도면이다.

위 도면(300)은 2개의 모듈(310,320)이 연결된 제2 실시예 형태의 급전장치 구성을 나타내고, 아래 도면(330)은 그 중 하나의 모듈을 나타낸다.

각 모듈은 도시된 바와 같이 양측 모듈 바(bar)(313)를 연결하는 다수의 전선(312)을 구비하고, 각 전선은 다음 모듈에서 동일 선상의 전선으로 연결되게 되며, 이러한 구조에 의해 전선들 중 일부의 전선이 파손되어도 급전장치가 동작할 수 있도록 구성된다. 이와 같은 구성에 의해 모듈 바(313)들을 서로 연결함으로써 전선이 서로 연결되어 모듈 간의 연결을 용이하게 할 수 있다. 전선(312)에 전류가 흐르게 됨으로써 발생하는 인덕턴스는, 각 전선을 분할하여 직렬로 연결하는 커패시터(311)에 의해 상쇄되도록 한다. 이때 커패시터(311)는 도시된 바와 같이 사선으로 배치되어 커패시터 폭의 일정 부분이 중첩되도록 함으로써 전체 급전 모듈의 폭을 최대한 감소시키도록 하는 것이 바람직하다. 이와 같은 구조에 의해 금속 바에 흐르는 전류에 의한 인덕턴스는, 급전 페라이트 코어가 존재하는 경우의 인덕턴스보다 훨씬 작은 값을 가지며, 이에 따라 적은 용량의 커패시터에 의해 보상될 수 있게 된다.

도 4는 본 발명에 따른 주행 차량의 무선 충전을 위한 급전장치의 제2 실시예의 2가지 형태를 도시한 도면이다.

위 도면(410)은 도 3에 도시된 형태와 같이 커패시터로 직렬 연결된 다수의 전선으로 구성되는 모듈들이 연결된 형태의 제2 실시예에서 전선들이 지면에 수평하게 배열된 경우이다. 이 경우는 급전레일의 폭을 넓히면서 높이를 줄여야 하는 경우에 적합한 형태이다.

아래 도면(420)은 전선들이 지면에 수직하게 배열된 경우로서, 위 도면(410)과는 반대로 급전레일의 높이를 높이면서 폭을 줄여야 하는 경우에 적합하다. 이때는 각 커패시터를, 각 전선의 중간에 직렬 연결된 상태로 도시된 바와 같이 전선들의 하단에 배치할 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 주행 차량의 무선 충전을 위한 급전장치의 제3 실시예의 구성을 도시한 도면이다.

왼쪽 도면(500)은 제3 실시예로서의 급전장치로서, 맨 앞의 제1열(510)에는 다수의 금속 판이 측면 모서리에서 서로 일정 간격 이격된 상태로 일렬로 배열되고, 그 뒤 제2열(520)에는 다수의 금속 판이 제1열과 동일한 방식으로 배열되되, 금속 판이 제1열(510)의 금속 판과는 서로 지그재그로 엇갈리는 형태로 배열되어 있음을 보여준다. 또한 제1열(510)과 제2열(520)은 일정 간격 이격되어 있다. 왼쪽 도면(500)에는 편의상 제1열(510) 및 제2열(520)의 2개의 열만 도시하였으나, 오른쪽 도면(550)과 같이 더욱 많은 수의 금속 판 열이 배열될 수 있다.

오른쪽 도면(550)은 왼쪽 도면(500)의 급전장치를 위에서 바라본 형상으로서, 일예로서 다수의 금속 판으로 구성된 100개의 열로 구성된 경우를 보여준다. 전술한 바와 같이 금속 판 각 열 중 서로 이웃하는 열은, 금속 판이 서로 지그재그로 엇갈린 형태로 되어 있음을 보여준다. 금속 판은 전류가 흐르는 전선의 역할을 수행하며, 별도의 커패시터를 구비하지 않은 상태로, 각 금속 판 열 사이의 작은 폭의 공간(이하 '커패시턴스 공간'이라 한다)이 커패시턴스를 보유하여 커패시터의 역할을 수행한다. 이러한 커패시턴스 공간에는, 그 공간 폭을 유지하기 위해 절연체로 채워질 수 있다.

오른쪽 도면(550)의 실시예에서는, 각 열 간의 커패시턴스 공간 폭(571,472)이 약 0.3mm 정도의 매우 작은 간격을 알 수 있다. 이러한 커패시턴스 공간 폭은, 왼쪽 도면(500)의 실시예에 도시된 바와 같이 0.1mm로 더욱 작게 할 수도 있다. 이러한 이러한 커패시턴스 공간(571,472)의 폭은, 동일 열에서 금속 판(511,412) 사이의 간격(541)보다 상대적으로 매우 작다. 이에 따라, 금속 판(511)을 따라 열 방향으로 우측으로 흐르던 전류는, 동일 열의 이웃하는 금속 판(512)과 이루는 간격(541)에 막혀 이웃하는 금속 판(512)으로 흐르지 못하고 제1열과 제2열 사이의 커패시턴스 공간(571)을 통과하여 제2열의 금속 판(521)으로 흐르고, 또한 이로부터 금속 판(521)을 따라 열 방향으로 우측으로 흐르던 전류는, 동일 열의 이웃하는 금속 판(522)과 이루는 간격(542)에 막혀 이웃하는 금속 판(522)으로 흐르지 못하고 제1열(510)과 제2열(520) 사이의 커패시턴스 공간(571)을 통과하여 제1열(510)의 금속 판(512)으로 흐르거나, 제2열(520)과 제3열(530) 사이의 커패시턴스 공간(572)을 통과하여 제3열(530)의 금속 판(531)으로 흐르게 된다.

이와 같은 방식으로 금속 판을 통하여 전류가 흐름으로써 발생한 자기장에 의하여 집전장치로 전력을 전달하고, 또한 금속 판에서 발생한 인덕턴스는 커패시턴스 공간(571,472)의 커패시턴스에 의하여 상쇄되게 된다. 이와 같은 급전장치의 등가회로가 왼쪽 아래 도면(560)에 도시되어 있다.

이와 같은 구조에 의해 금속 바에 흐르는 전류에 의한 인덕턴스는, 급전 페라이트 코어가 존재하는 경우의 인덕턴스보다 훨씬 작은 값을 가지며, 이에 따라 적은 용량의 커패시턴스에 의해 보상될 수 있게 되는데, 전술한 바와 같이 특히 도 5의 제3 실시예로서의 급전장치는, 별도의 커패시터를 구비하지 않고도, 커패시턴스 공간(571,472)이 보유하는 커패시턴스 만으로도 그와 같은 커패시터의 역할을 수행하게 되어, 전체 급전레일의 부피와 설치 비용을 크게 감소시키는 장점이 있다.

10: 집전장치
100: 페라이트 코어를 제거한 형태의 급전장치 모듈
200: 제1 실시예에 따른 급전장치
210,220: 제1 실시예에 따른 급전장치의 각 모듈
211,212,213,214,221,222,223,224: 제1 실시예에 따른 급전장치의 커패시터
231,232,233: 제1 실시예에 따른 급전장치의 금속 바(bar)
300: 제2 실시예에 따른 급전장치
310,320,330: 제2 실시예에 따른 급전장치의 각 모듈
311: 제2 실시예에 따른 급전장치의 커패시터
312: 제2 실시예에 따른 급전장치의 전선
313: 제2 실시예에 따른 급전장치의 모듈 바(bar)
410: 수평 배열 형태의 제2 실시예에 따른 급전장치
420: 수직 배열 형태의 제2 실시예에 따른 급전장치
500: 제3 실시예에 따른 급전장치
510,520,530: 제3 실시예에 따른 급전장치에서 각 금속 판 열
511,512: 제3 실시예에 따른 급전장치에서 제1열의 금속 판
521,522: 제3 실시예에 따른 급전장치에서 제2열의 금속 판
531: 제3 실시예에 따른 급전장치에서 제3열의 금속 판
541,542: 제3 실시예에 따른 급전장치에서 각 열의 금속 판 사이의 간격
571,572: 제3 실시예에 따른 급전장치에서 각 금속 판 열 사이의 커패시턴스 공간

Claims (3)

1. 주행 차량의 무선 충전을 위한 모듈화된 급전장치,
   나란하게 배열된 일정 갯수의 커패시터;
   상기 각 커패시터의 양 단자 사이에 배열되고, 일측면은 상기 각 커패시터의 일측 단자와 연결되며, 타측면은 사선 형상을 이루는 제1 금속 바(bar); 및
   상기 각 커패시터의 양 단자 사이에 배열되고, 일측면은 상기 각 커패시터의 상기 일측 단자와 마주보는 위치의 타측 단자와 연결되며, 타측면은 사선 형상을 이루고, 그 사선 형상 면은 상기 제1 금속 바의 사선 형상 면과 일정 간격 이격되어 배치되는 제2 금속 바(bar)
   를 포함하고,
   상기 제1 금속 바 및 제2 금속 바는 각각 상기 급전장치 모듈과 전방 및 후방에서 직렬로 연결되는 타 급전장치 모듈과 연결되어, 전류 케이블의 역할을 수행하는,
   주행 차량의 무선 충전을 위한 모듈화된 급전장치.
2. 주행 차량의 무선 충전을 위한 모듈화된 급전장치로서,
   나란하게 배열되어 전류가 흐르기 위한 다수의 전선;
   상기 각 전선 상의 일 위치에서 상기 전선과 연결된 커패시터;
   상기 각 전선의 양 단부에서 상기 각 전선과 수직하게 연결되는 모듈 연결 바(bar)
   를 포함하고,
   상기 모듈 연결 바는 타 급전장치 모듈의 모듈 연결 바와 결합하여 각 전선이 연장되어 연결될 수 있도록 하는,
   주행 차량의 무선 충전을 위한 모듈화된 급전장치.
3. 주행 차량의 무선 충전을 위한 모듈화된 급전장치로서,
   전류 케이블의 역할을 수행하는 다수의 금속 판이 서로 일정 간격(이하 '판 간격'이라 한다)을 두고 직렬로 다수 배열된 금속 판 모듈을 다수 포함하며,
   상기 각 금속 판 모듈은 서로 평행하게 배열되고, 상기 각 금속 판 모듈 사이에는 커패시턴스를 보유하는 일정 폭의 간격이 구비되며,
   인접한 금속 판 모듈의 각 금속 판은, 상기 판 간격이 지그재그 형태로 엇갈리는 형태가 되도록 배치된,
   주행 차량의 무선 충전을 위한 모듈화된 급전장치.
   

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