KR20170065611A - 유도 전력 전달 시스템의 동작 방법 및 유도 전력 전달 시스템 - Google Patents

유도 전력 전달 시스템의 동작 방법 및 유도 전력 전달 시스템 Download PDF

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마르닉스 라노이제
도미니크 안더스
로버트 차인스키
웨르겐 케트
마르틴 데체르트
크리스티안 아펠트
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봄바디어 프리모베 게엠베하
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Abstract

본 발명은 차량에 전력을 전달하기 위한 유도 전력 전달 시스템(1)의 동작 방법에 관한 것며, 유도 전력 전달 시스템(1)은, 교번 전자기장을 생성하기 위한 1차 권선 구조 및 상기 교번 전자기장을 받아들여 교류 출력 전압을 생성하기 위한 2차 권선 구조를 포함하고, 상기 교류 출력 전압은 정류되고 적어도 하나의 에너지 저장 소자(12)로 공급되며, 정류된 출력 전압(UC)은 상기 1차 권선 구조와 상기 2차 권선 구조 사이의 갭의 갭 사이즈를 변경함으로써 조절되며, 상기 갭 사이즈는 적어도 하나의 에너지 저장 소자(12)의 충전 특성에 따라 에너지 전달 공정을 준비하고 및/또는 시작하고 및/또는 제어하도록 조절된다. 또한, 본 발명은 차량에 에너지를 전달하기 위한 유도 전력 전달 시스템에 관한 것이다.

Description

유도 전력 전달 시스템의 동작 방법 및 유도 전력 전달 시스템{A METHOD OF OPERATING AN INDUCTIVE POWER TRANSFER SYSTEM AND AN INDUCTIVE POWER TRANSFER SYSTEM}
본 발명은 차량에 전력을 전달하기 위한 유도 전력 전달 시스템의 동작 방법 및 이러한 유도 전력 전달 시스템에 관한 것이다.
차량, 구체적으로 전기 차량, 더욱 구체적으로 궤도-구속(track-bound) 차량, 및/또는 도로 주행 자동차는 유도 전력 전달에 의해 전달되는 전기 에너지에 의해 작동될 수 있다. 이러한 차량은 차량의 트랙션(traction) 시스템의 일부일 수 있거나 트랙션 시스템일 수 있는 회로 장치를 포함할 수 있고, 상기 회로 장치는, 교번 전자기장을 받아들이며 전자기 유도에 의해 교류 전류를 일으키도록 적응된 리시빙 장치(receiving device)를 포함한다. 또한, 이러한 차량은 교류(AC)를 직류(DC)로 변환시키도록 적응된 정류기를 포함할 수 있다. DC는 트랙션 배터리를 충전하거나 전기 기계를 조작하는 데 사용될 수 있다. 전기 기계의 경우, DC는 인버터에 의해 AC로 변환될 수 있다.
유도 전력 전달은 예를 들어 3상 권선 2세트를 사용하여 수행된다. 제1 세트는 지상(1차 권선 구조)에 설치되어서 노변 전력 변환기(WPC: wayside power converter)에 의해 전력을 공급받을 수 있다. 제2 세트의 권선(2차 권선 구조)은 차량에 설치된다. 예를 들어, 제2 세트의 권선은 상기 차량 하부에, 전차의 경우에는 대차의 일부 아래에 부착될 수 있다. 자동차에 있어서는, 2차 권선이 차체에 부착될 수 있다. 제2 세트의 권선 또는 일반적으로 2차 측은 종종 픽업 장치(pickup-arrangement) 혹은 리시빙 장치라고 칭한다. 제1 세트의 권선과 제2 세트의 권선은 고주파 변압기를 형성해서 차량에 전기 에너지를 전달한다. 이것은 정적 상태(차량의 움직임이 없을 때) 및 동적 상태(차량이 움직일 때)에서 수행될 수 있다.
가동 1차 소자를 포함하는 유도 전력 전달 시스템이 알려져 있다. 미국 특허 US 5,654,621 A호는 1차 소자와, 차량에 부착되는 2차 소자를 구비하는 유도 트랜스미터를 개시하고 있으며, 여기서 1차 소자는 미리 결정된 공간적 영역을 갖는 세 개의 공간 좌표 모두에서 이동하도록 전력으로 구동된다.
독일 특허 공개 공보 DE 102010042395 A1호는 1차 코일이 자동으로 배치될 수 있는, 차량 배터리의 유도 충전을 위한 시스템을 개시한다.
독일 특허 공개 DE 102007033654 A1호는 1차 도전체와 2차 코일 사이의 거리를 감소시키는 구동 수단을 구비한 기본 유닛을 개시하고 있다.
미국 특허 출원 공개 US 2010/0235006 A1호는 베이스, 가위형 리프트(scissor lift), 페데스탈(pedestal), 조인트, 및 충전기를 포함하는 가동형 자동 충전 장치를 개시하고 있다. 상기 충전기는 물리적으로 또는 접근을 통해(via proximity) 차량과 결합하도록 구성된다.
영국 특허 제 GB 1403547.1 호(미공개)는 고정부와 가동부를 포함하는 유도 전력 전달 패드를 개시하고, 여기서, 가동부는 1차 권선 구조를 포함하고, 여기서 가동부는 철회(retracted) 상태와 연장 상태 사이에서 움직일 수 있다.
PCT/EP2013/067414는 자기 유도에 의한 장치에 의해 생성된 전기 에너지로 작동되는 전기 차량 상에 탑재될 유도 픽-업 장치(pick-up arrangement)를 개시하고,
- 상기 장치는 자기장을 받아들이고 전기 에너지를 생성하기 위한 적어도 하나의 전기 인덕턴스(inductance)를 포함하는 픽-업 부분을 포함하고,
- 상기 장치는 상기 차량 상에 장착될 장착부를 포함하고,
- 상기 장치는 상기 장착부에 대한 상기 픽-업 부분의 이동을 구동시키기 위하여 적어도 2개의 액추에이터의 세트 또는 하나의 액추에이터를 포함하고,
- 장착부 및 픽-업 부분은 적어도 하나의 연결 부분에 의해 서로 움직임 가능하게 연결되고,
- 액추에이터 또는 액추에이터들의 세트는 픽-업 부분이 수직 방향으로 이동되도록 가동될 수 있으며,
- 액추에이터 또는 액추에이터들의 세트는 픽-업 부분이 추가로 또는 대안적으로 측방향으로 이동되도록 가동될 수 있다.
픽-업 부분의 움직임은 픽-업 부분에 장착된 전기 인덕턴스의 출력 전압에 따라 제어되는 것이 또한 개시된다.
도 1은 선행 기술에 따른 유도 전력 전달 시스템(1)의 제 1 레이아웃을 도시한다. 노변(wayside)은 WS로 차량변(vehicle side)은 VS로 표시된다. 직류(DC) 원은 통상적으로 500V 내지 900V의 범위로 DC 출력 전압을 제공한다. DC 전압 원은 입력 전압 생성 수단(3)에 출력 전압을 제공하고, 그 입력 전압보다 더 높은 출력 전압을 생성할 수 있다. 입력 전압 생성 수단(3)의 출력 전압은 인버터(5) 및 출력 필터(6)를 포함하는 노변 전력 변환기(WPC)(4)에 제공된다.
입력 전압 생성 수단(3)은 도 2에 도시된다. 이는 스텝-업(step-up) 변환기(7), 중간 회로 커패시터(8) 및 스텝-다운(step-down) 변환기(9)를 직렬로 포함한다. 스텝-업 변환기(7)는 그 입력 전압보다 더 높은 전압, 예컨대, DC 전압 원(2)의 출력 전압을 생성한다(도 1 참조). 스텝-다운 변환기(9)는 가변 DC 출력 전압을 생성하고, 이것은 결국 WPC(4)의 입력 전압을 제공할 수 있다. 입력 전압 생성 수단(3)은 2단 전압 변환기에 의해 제공된다.
도 1로 돌아가서, WPC(4)는 1차 권선 구조 및 2차 권선 구조(미도시)를 포함하는 고주파수 변압기(10)를 위한 입력 전압을 생성한다. 고주파수 변압기(10)의 2차 권선 구조는 정류기(11)에 의해 정류된 교류(AC) 출력 전압을 제공하고, 정류기(11)의 정류된 출력 전압은 에너지 저장 소자(12), 예컨대 배터리 또는 어큐뮬레이터(accumulator)에 또는 차량의 네트워크, 구체적으로 예컨대 네트워크의 DC 전압 링크로의 트랙션 네트워크에 제공된다.
도 3은 선행 기술에 따른 다른 유도 전력 전달 시스템(1)의 레이아웃을 도시한다. 유도 전력 전달 시스템(1)은 입력 전압 생성 수단(3)에 AC 전압을 제공하는 AC 전압원(13)을 포함한다(도 2 참조). 상기 입력 전압 생성 수단(3)의 출력 전압은 WPC(4)에 대한 입력 전압을 제공한다. 남아있는 소자, 즉, 고주파수 변압기(10), 정류기(11) 및 에너지 저장 소자(12)는 도 1을 참조하여 기재된 바와 같이 WPC(4)에 연결된다.
도 3에 따른 레이아웃에서, 입력 전압 생성 수단(3)은 AC 입력 전압을 정류하고, 스텝-업 변환기(7)는 출력 전압을 생성하고 (도 1에 도시된 레이아웃과는 대조적으로) 역률(power factor)의 교정을 제공한다.
입력 전압 생성 수단(3)의 스텝-다운 변환기(9)의 출력 전압의 조절 범위는 에너지 저장 소자의 완전한 충전 전압 범위를 커버하여, 차량의 상기 언급된 네트워크의 완전한 동작 전압 범위 또는 최소 전압(Umin)에서 최대 전압(Umax)으로의 에너지 저장 소자(12)를 충전해야 한다. 그러나 이는, 스텝-업 변환기(7)가 스텝-다운 변환기(9)의 입력 전압을 변경하는 것을 허용하기 때문에 상기 언급된 2단 레이아웃에서 스텝-업 변환기(7)를 추가로 사용함으로써만 제공가능하다.
또한, 에너지 저장 소자(12)의 입력 전류는 예컨대 상기 에너지 저장 소자(12)의 충전 상태에 따라 제한될 수 있다. 스텝-다운 변환기(9)는 최대 입력 전류가 초과할 수 없도록 에너지 저장 소자(12)의 실제 입력 전류에 따라 그 출력 전압을 제어한다.
도 2에 도시되고 도 1 및 도 3에 도시된 레이아웃들에서 사용된 입력 전압 생성 수단(3)의 2-단계 레이아웃은, 각 단계, 즉, 스텝-업 변환기(7)에 의한 스텝-업 변환 및 스텝-다운 변환기(9)에 의한 스텝-다운 변환은 전력 손실을 초래한다는 단점을 갖는다. 이러한 손실은 스텝-업 변환기(7)의 DC 입력 전압의 전압 레벨과 스텝-업 변환기(7)의 DC 출력 전압이 상이할 경우 증가한다.
본 발명의 목적은, 차량에 전력을 전달하기 위한 유도 전력 전달 시스템의 동작 방법 및 에너지 전달 동안의 전력 손실, 레이아웃 복잡성 및 유도 전력 전달 시스템의 비용이 감소된 이러한 유도 전력 전달 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 기본 개념은, 적어도 하나의 차량변(vehicle-sided) 에너지 저장 소자의 충전 특징에 따라 에너지 전달 공정을 준비하거나 시작하거나 제어하기 위하여 유도 전력 전달 시스템의 1차 권선 구조와 2차 권선 구조 사이에서 갭 사이즈를 조절하는 것이다.
예컨대 1차 측 시스템으로부터 2차 측 시스템으로, 구체적으로 차량에 전력을 전달하기 위한 유도 전력 전달 시스템의 동작 방법이 제안된다.
본 발명은, 철도 차량(예컨대 전차)와 같은 궤도 구속 차량과 같은 임의의 지상 차량, 특히 개인(사설) 통행자 차량 또는 대중 교통 차량(예컨대 버스)와 같은 도로 차량에 대한 에너지 전달의 영역에 구체적으로 적용된다. 에너지의 전달은, 차량이 정지했을 때, 즉, 움직이지 않을 경우(정적 충전) 또는 차량이 움직일 경우(동적 충전) 수행될 수 있다.
유도 전력 전달 시스템은 교번 전자기장을 생성하기 위한 1차 권선 구조와 교번 전자기장을 받아들이기 위한 2차 권선 구조를 포함한다. 또한, 2차 권선 구조는 1차 권선 구조에 의해 생성된 교번 전자기장을 받아들인 직후 교류 출력 전압을 생성한다. 또한, 2차 권선 구조는 교번 전자기장을 받아들인 직후 교류 출력 전류를 생성한다. 1차 권선 구조에 의해 제공된 교번 전자기장 또는 1차 권선 구조에 의해 생성된 전자기장의 받아들이는 동안 2차 권선 구조에 의해 생성된 전자기장과 1차 권선 구조에 의해 생성된 전자기장의 중첩으로 야기된 교번 전자기장이 전력 전달 필드로서 지칭될 수 있다.
1차 권선 구조는 노변 또는 루트변(way-sided or route-sided) 1차 권선 구조가 될 수 있고, 2차 권선 구조는 차량 변 권선 구조가 될 수 있다.
2차 권선 구조의 교류 출력 전압은, 예컨대 정류기에 의해 정류된다. 정류된 출력 전압은 에너지 저장 모듈로도 칭할 수 있는 적어도 하나의 에너지 저장 소자에 공급된다. 정류된 출력 전압은 정류기에 의해 제공되는 출력 전압을 표시하고, 정류기는 차량 변 소자이다. 또한, 2차 권선 구조의 교류 출력 전류는 정류되어서 에너지 저장 소자로 공급될 수 있다. 2차 권선 구조의 설계에 따라, 2차 권선 구조는 전압 원 또는 전류 원을 제공할 수 있다.
에너지 저장 소자는 차량의 전기 네트워크의 전기 소자, 특히 용량성 소자가 될 수 있다. 특히, 에너지 저장 소자는 차량변 전기 네트워크의 DC 부분의 소자가 될 수 있다.
에너지 저장 소자는 배터리 또는 어큐뮬레이터, 구체적으로 차량의 트랙션(traction) 배터리가 될 수 있다. 대안적으로 또는 추가로, 에너지 저장 소자는 차량변 전기 네트워크의 용량성 소자, 특히 중간 회로 커패시터, 예컨대 중간 회로가 될 수 있다. 중간 회로는 차량 변 트랙션 네트워크의 일부가 될 수 있다. 정류된 전압 또는 중간 회로 전압은 차량 변 변환기로 공급될 수 있고, 차량 변 변환기는 차량 면 전기 기계 및/또는 임의의 기타 차량 변 설비를 작동하기 위한 AC 전압을 생성한다. 따라서, 정류된 출력 전압은 차량 변 전기 네트워크, 예컨대, 배터리, 구체적으로 상기 배터리를 충전하기 위한 차량의 트랙션 배터리에 전기 에너지를 전달하도록 사용될 수 있다. 대안적으로 또는 추가로, 정류된 출력 전압은 전기 기계를 작동시키기 위하여 중간 회로 커패시터를 통해 전기 기계에 전력을 전달하도록 사용될 수 있다. 이것은 동적 에너지 전달로도 지칭될 수 있다.
물론, 트랙션 배터리가 중간 회로 커패시터에 전기적으로 연결되는 것이 가능하다.
2차 권선 구조의 정류된 출력 전압은 또한 전달 전압, 정류된 전압 또는 DC 링크 전압으로도 지칭될 수 있다. 2차 권선 구조의 정류된 출력 전류는 또한 전달 전류 또는 정류된 전류로도 지칭될 수 있다.
정류된 출력 전압 및/또는 출력 전류는 1차 권선 구조와 2차 권선 구조 사이의 갭의 갭 사이즈를 변경함으로써 조절된다. 이것은, 전달 전압 또는 전달 전류 중 하나 또는 양쪽은 갭 사이즈를 변경함으로써 원하는 값으로 조절될 수 있는 것을 의미한다. 갭은 상기 1차 권선 구조를 포함하는 1차 유닛과 상기 2차 권선 구조를 포함하는 2차 유닛, 즉, 리시빙 장치 사이의 에어 갭을 포함한다. 에어 갭은 예컨대 표면, 예컨대 1차 유닛의 상면, 예컨대 1차 유닛의 하우징의 상면과 표면, 예컨대 리시빙 장치의 바닥면, 예컨대 리시빙 장치의 하우징의 바닥면 사이에 있을 수 있다. 리시빙 장치는 차량에, 예컨대 차량의 바닥 측에 부착될 수 있다. 그러나, 또한, 차량의 다른 부분, 예컨대 차량의 천장 부분에 리시빙 장치를 부착하는 것이 가능하다.
본 발명에 있어서, 갭 사이즈는 에너지 전달 공정, 특히, 1차 측에서 2차 측 전기 네트워크로의 에너지 전달 공정을 준비하기 위하여 조절된다. 전달 공정을 준비하는 것은, 전달 공정의 시작 전에 갭 사이즈를 조절하는 것을 의미할 수 있다. 전달 공정은 상기 언급된 차량 변 전기 네트워크, 예컨대 배터리, 예컨대 트랙션 배터리에 및/또는 상기 언급된 용량성 소자, 예컨대 중간 회로 커패시터에 에너지를 전달하는 공정을 나타낼 수 있다. 전달 공정이 에너지 저장 소자를 충전하기 위하여 사용될 경우, 이는 또한 충전 공정으로도 지칭될 수 있다. 이러한 경우에, 전달 전압은 전달 전압은 충전 전압으로도 지칭될 수 있으며 전달 전류는 충전 전류로도 지칭될 수 있다.
에너지 전달 공정을 준비하는 것은 또한 갭 사이즈가, 원하는 정류된 출력 전압 및/또는 출력 전류가 제공되도록 조절되는 것을 의미할 수 있고, 여기서, 1차 측에서 2차 측으로의 에너지 전달은 아직 수행되지 않는다. 특히, 갭 사이즈는, 원하는 정류된 출력 전압이 에너지 저장 소자의 실제 출력 전압보다 작거나 동일하도록 조절될 수 있다. 이러한 경우에, 전달 전류는 에너지 저장 소자로 제공되지 않을 것이다.
대안적으로 또는 추가로, 갭 사이즈는 에너지 전달 공정을 시작하기 위하여 조절될 수 있다, 이러한 경우에, 갭 사이즈는 원하는 정류된 출력 전압이 에너지 저장 소자의 실제 출력 전압보다 높도록 조절될 수 있다. 이러한 경우에, 전달 전류는 에너지 저장 소자에 공급된다. 전달 전류는 에너지 저장소자 내로 흐르는 전류를 표시할 수 있다.
대안적으로 또는 추가로, 갭 사이즈는 에너지 전달 공정을 제어하도록 조절된다. 이러한 경우에 갭 사이즈는 에너지 전달 공정 동안 조절된다. 특히, 갭 사이즈는 적어도 하나의 원하는 전달 파라미터, 예컨대 2차 권선 구조의 원하는 출력 전력, 원하는 전압 및/또는 출력 전류가 제공되도록 조절될 수 있다. 예컨대, 원하는 출력 전력, 출력 전류 및/또는 출력 전압이 유지되거나 전달 파라미터의 원하는 시간 과정에 상응하도록 갭 사이즈를 조절하는 것이 가능하다.
갭 사이즈는 적어도 하나의 에너지 저장 소자의 충전 특성에 따라 조절된다. 특히 갭 사이즈는 에너지 저장 소자의 충전 상태(SOC)에 따라 조절될 수 있다. SOC에 따라, 에너지 저장 소자의 실제 총 저장소자 전압, 예컨대 개방 회로 전압이 결정될 수 있고, 원하는 정류된 출력 전압은 에너지 전달 공정을 준비하거나 개시하거나 제어하도록 결정될 수 있고, 갭 사이즈는, 원하는 정류된 출력 전압이 제공되도록 조절될 수 있다.
갭 사이즈를 조절하는 것은 고주파수 변압기의 전압 비를 변경한다. 따라서, 정류된 출력 전압은 1차 권선 구조와 2차 권선 구조에 의해 제공된 고주파수 변압기의 전압 비를 변경함으로써 조절될 것이다. 따라서, 가변 갭 사이즈는 원하는 정류된 출력 전압을 제공하도록 제 1 조작 변수(manipulating variable)를 제공한다.
요약하면, 적어도 하나의 에너지 저장 소자의 충전 특성에 따라 에너지 전달 공정을 준비하거나 시작하거나 제어하도록 갭 사이즈를 조절하는 것은 1차 권선 구조에 AC 입력 전압을 제공하는 노변 전력 변환기(WPC)를 제공하도록 입력 전압의 더 작은 전압 조절 범위를 사용하는 것을 허용한다.
이것은, 결국, 유리하게, 단 하나의 입력 저압 생성 소자, 예컨대 단 하나의 스텝-업 변환기 또는 단 하나의 스텝-다운 변환기를 사용하는 것을 허용하고, 여기서, 선행 기술에 따른 2단 입력 전압 생성 수단은 1단 입력 전압 생성 수단으로 감소된다. 이것은 유리하게 유도 전력 전달 시스템 동안 전력 손실을 줄어들게 하고, 유도 전력 전달 시스템의 복잡도, 비용 및 구성 공간 요건을 줄인다.
선호되는 실시예에서, 정류된 출력 전압 및/또는 정류된 출력 전류는 전력 전달 필드의 적어도 하나의 필드 특성을 조절하여 추가로 조절된다. 특히, 적어도 하나의 필드 특성은 예컨대 필드 강도일 수 있다.
바람직하게, 적어도 하나의 필드 특성은 1차 측 회로 소자의 적어도 하나의 동작 파라미터, 특히 WPC의 적어도 하나의 동작 파라미터 및/또는 입력 전압 생성 소자를 조절함으로써 조절될 수 있다. WPC의 적어도 하나의 동작 파라미터는 WPC의 듀티 사이클, WPC의 동작 주파수 및/또는 WPC에 의해 생성된 전압들 간의 상 이동이(phase shift) 될 수 있다.
이것은, 정류된 출력 전압 및/또는 출력 전류(전달 전압, 전달 전류)가 적어도 2개의 조작 변수에 의해 제어되는 것을 의미하고, 여기서, 제 1 조작 변수는 가변 갭 사이즈 및 제 2 조작 변수는 전력 전달 필드의 적어도 하나의 필드 특성이다.
선호되는 실시예에서, 정류된 출력 전압은 노변 전력 변환기의 입력 전압을 조절하여 추가로 조절된다. 이러한 경우에, 유도 전력 전달 시스템은 WPC를 포함할 수 있으며, 여기서, WPC의 입력 전압은 상기 언급된 입력 전압 생성 수단의 출력 전압에 의해 제공되고 WPC의 출력 전압은 1차 권선 구조에 제공된다.
이것은, 정류된 출력 전압 및/또는 출력 전류(전달 전압, 전달 전류)가 적어도 2개의 조작 변수에 의해 제어되는 것을 의미하고, 여기서 제 1 조작 변수는 가변 갭 사이즈이며 제 2 조작 변수는 입력 전압 생성 수단에 의해 변경될 수 있는 WPC의 입력 전압이다.
예컨대, 특히 일정한 WPC 입력 전압으로 갭 사이즈를 변경함으로써 정류된 출력 전압의 거친 조절(coarse adjustment)을 제공하는 것이 가능하다. 거친 조절은 정류된 출력 전압을 조절함으로써 수행될 수 있어서 정류된 출력 전압은 원하는 정류된 출력 전압으로부터 미리 결정된 제 1 스레스홀드 값보다 크지 않게 상이하다. 상기 거친 조절 이후, 미세 조절은 예컨대 입력 전압 생성 수단의 출력 전압을 조절함으로써 WPC의 입력 전압을 조절하여 제공될 수 있다. 미세 조절은 원하는 정류된 출력 전압으로부터 제 2 스레스홀드 값보다 크지 않게 상이한 것을 의미할 수 있고, 여기서 제 2 스레스홀드 값은 제 1 스레스홀드 값 보다 작다.
특히, 갭 사이즈를 변경하는 것에 의한 거친 조절이 제공될 수 있어서, 정류된 출력 전압은 원하는 정류된 출력 전압에 가까운 제 1 전압 인터벌 내에 있고, 여기서, WPC 입력 전압을 조절하는 것에 의한 미세 조절은, 정류된 출력 전압이 원하는 정류된 출력 전압에 가까운 제 2 전압 인터벌 내에 있도록 제공되고, 여기서 제 2 전압 인터벌은 제 1 전압 인터벌보다 작다.
이는, 유리하게, 적어도 하나의 에너지 저장 소자의 충전 특성에 따라 정류된 출력 전압의 정확한 조절을 허용하고, 여기서, 상기 기재된 바와 같이, 입력 전압 생성 수단의 출력 전압 조절 범위에 비례할 수 있는 WPC 입력 전압의 전압 조절 범위는 작을 수 있다.
WPC의 입력 전압은 미리 결정된 최소 입력 전압과 미리 결정된 최대 입력 전압을 갖는 미리 결정된 전압 인터벌 내의 전압에 한정될 수 있다. 상기 전압 인터벌은, 예컨대 선택된 입력 전압 생성 수단의 특성에 따를 수 있다.
다른 실시예에서, 갭 사이즈는, 원하는 정류된 출력 전압 및/또는 정류된 출력 전류가 제공되고, 특히 WPC의 입력 전압, 예컨대 일정한 입력 전압이 주어지도록 조절된다. 갭 사이즈가 조절된 후에, 갭 사이즈는 원하는(변하는) 정류된 출력 전압이 WPC의 입력 전압을 조절하여 제공 가능한 한 일정하게 유지되고, 여기서, WPC의 입력 전압은 주어진 전압 한계들 사이에서만 조절가능하다.
예컨대, 갭 사이즈를 조절하여 에너지 전달 공정이 준비되는 것이 가능하다. 이러한 경우에, 갭 사이즈는 주어진, 특히 일정한 WPC 입력 전압에 있어서, 정류된 출력 전압이 에너지 저장 소자의 실제 총 저장소자 전압과 동일하거나, 에너지 저장 소자의 실제 출력 전압보다 작게, 특히 미리 결정된 양보다 작지 않게 조절된다. 이러한 경우에, 상기 기재된 바와 같이, 충전은 수행되지 않는다. 에너지 저장 소자의 총 저장소자 전압은 저장 소자에 의해 제공된 전압 특히 저장 소자의 개방 회로 전압을 표시할 수 있다.
대안적으로, 갭 사이즈는, 에너지 저장 공정이 개시되도록 조절될 수 있다. 이러한 경우에, 갭 사이즈는, 정류된 출력 전압이 에너지 저장 소자의 실제 총 저장소자 전압보다 더 높되, 특히 미리 결정된 양보다는 더 높지 않도록 조절된다.
갭 사이즈의 조절 이후, 갭 사이즈는 일정하게 유지되되, WPC의 입력 전압이 변경되고, 예컨대 증가하여서 충전 특성에 따른 에너지 저장 소자의 충전을 수행한다.
갭 사이즈는 WPC의 입력 전압의 최대 전압 한계에 도달할 때까지 일정하게 유지될 수 있다.
따라서, 에너지 전달 공정은 하나 또는 복수의 상을 포함할 수 있다. WPC 입력 전압의 조절 범위, 예컨대 주어진 전압 한계들 간의 범위는 원하는 충전 공정을 제공하도록 요구된 전압 범위, 예컨대 원하는 충전 상태, 예컨대 최대 충전 상태에 도달하도록 요구되는 전압 범위를 제공하고, 갭 사이즈는 에너지 전달 공정을 준비하고 또는 에너지 전달 공정을 시작하기 위해 오직 한 번만 조절될 수 있다. 이 경우, 에너지 전달 공정은 단 하나의 상만을 포함한다.
WPC의 전압 조절 범위가 원하는 충전 공정을 수행하기 위하여 요구된 전압 범위를 제공하지 않을 경우, 갭 사이즈는 특히 WPC 입력 전압이 최대 전압 한계에 도달하지 않을 경우 에너지 전달 공정 동안 추가로 조절될 수 있다. 이 경우에, 에너지 전달 공정은 적어도 2개의 상으로 구성되고, 여기서 갭 사이즈는 각 상에서 일정하게 유지될 수 있되 상들 사이에서, 예컨대 한 상에서 다른 상으로의 전환시에 변경될 수 있다.
이것은 유리하게 에너지 저장 소자의 주어진 충전 특성에 따라 정류된 출력 전압의 단순한 제어를 허용한다.
그러나, 또한, 갭 사이즈를 연속하여 조절하는 것이 가능하다.
선호되는 실시예에서, 갭 사이즈는, WPC의 최소 입력 전압이 원하는 정류된 출력 전압으로 변압되도록 또는 WPC의 최소 입력 전압으로 인한 정류된 출력 전압과 원하는 정류된 출력 변압 사이의 차는 미리 결정된 스레스홀드 값보다 작도록 조절된다.
갭 사이즈는 상기 기재된 바와 같이, 에너지 전달 공정을 시작하기 위해 또는 에너지 전달 공정을 준비하기 위해 조절될 수 있다. 이것은, 완전한 전압 조절 범위가 에너지 전달 공정의 시작시에 또는 다수의 상의(multi-phase) 충전 공정의 하나의 상의 시작시에 제공되는 것을 의미한다. 결국 이는 갭 사이즈를 조절하고자 하는 요구를 감소시킨다.
다른 실시예에서, 갭 사이즈는, WPC의 입력 전압이 최대 전압 한계에 도달할 경우 조절되고, 특히 다시 조절된다. 최대 전압 한계는 WPC 입력 전압의 전압 조절 범위의 전압 한계에 상응할 수 있다. 최대 전압 한계는 또한 상기 전압 한계보다 더 작을 수 있다.
WPC의 입력 전압이 최대 전압 한계에 도달할 경우, 갭 사이즈를 조절하여, WPC의 실제 입력 전압이 주어진 정류된 출력 전압이 에너지 저장 소자의 실제 총 저장 소자와 동일하거나 상기 출력 전압으로부터의 미리 결정된 양보다 크지 않게 상이한 것이 가능하다. 최소 전압으로 WPC의 입력 전압을 변경하는, 예컨대 감소시키는 것이 순차적으로 또는 동시에 가능하고, 갭 사이즈는, WPC의 상기 최소 입력 전압이 주어진 정류된 출력 전압은 에너지 저장 소자의 실제 총 저장소자 전압과 동일하거나 상기 총 저장소자 전압으로부터 미리 결정된 양보다 많지 않게 상이하도록 조절된다. 특히, 갭 사이즈는, 에너지 전달 공정의 뒤따르는 상을 준비하거나 시작하도록 조절될 수 있다.
물론, 대안적으로 WPC 입력 전압을 일정하게 유지하고 또는 미리 결정된 값으로 WPC 입력 전압을 조절하며 원하는 충전 공정이 특히 충전 공정의 하나의 상 내에서 수행될 수 있도록 실제 WPC 입력 전압이 주어진 갭 사이즈를 조절하는 것이 가능하다.
선호되는 실시예에서, 갭 사이즈는, 정류된 출력 전압이 예컨대, 일정한, WPC 입력 전압을 고려하여 적어도 하나의 에너지 저장 소자의 실제 총 저장 소자와 동일하도록 조절된다. 총 저장소자 전압은 소자의 개방 회로 전압이 될 수 있다. 이러한 조절은 예컨대 에너지 전달 공정 또는 에너지 전달 공정의 뒤따르는 단계 전에 제공될 수 있어서 이하의 단계의 에너지 전달 공정을 준비한다. 이러한 경우에, 갭 사이즈는 전달 전류가 적어도 하나의 에너지 저장 소자에 제공되도록 조절된다.
갭 사이즈를 조절하는 것에 의한 정류된 출력 전압의 조절이 거친 조절만을 야기하여 원하는 충전 공정의 요건이 위반될 수 있으므로, 에너지 전달 공정은 갭 사이즈를 조절하는 것에 의해 유리하게 준비될 수 있되, 실제 충전 공정은 WPC 입력 전압의 미세 조정에 의해 제어된다. 이것은 유리하게 적어도 하나의 에너지 저장 소자의 신뢰할만한 충전을 허용한다.
다른 실시예에서, 갭 사이즈는 연속적으로 또는 점진적으로 변경된다. 갭 사이즈가 연속적으로 변경될 경우, 갭 사이즈는 미리 결정된 사이즈 인터벌의 각각의 사이즈로 조절될 수 있다. 갭 사이즈가 점진적으로 변경될 경우, 갭 사이즈는 사이즈 인터벌의 모든 간증 사이즈의 서브 셋으로 예컨대 2개의 미리 결정된 갭 사이즈로만 조절될 수 있다.
갭 사이즈를 변경하는 것은 점진적으로 그리고 유리하게 이후에서 설명될 예정인 상응하는 포지셔닝 수단이 설계를 간소화한다. 갭 사이즈를 변경하는 것은 연속적으로 유리하게 원하는 정류된 출력 전압의 더 큰 범위를 제공하는 것을 허용한다.
다른 실시예에서, WPC의 입력 전압은 스텝-업 변환기에 의해 제공된다. 스텝-업 변환기는 PC와 전압 공급 수단 사이의 전기 연결의 단일 전압 변환 소자를 제공할 수 있다. 이러한 경우에, 스텝-업 변환기만이 노변 전력 공급 수단과 WPC 사이에 전기적으로 배열될 수 있다. 특히, WPC의 입력 전압은 스텝-업 변환기에 의해서만 조절될 수 있다.
대안적으로, 노변 전력 변환기의 입력 전압은 스텝-다운 변환기에 의해 제공된다. 스텝-다운 변환기는 PC와 전압 공급 수단 사이의 전기 연결에서 단일 전압 변환 수단을 제공할 수 있다. 스텝-업 변환기를 참조하여 설명되는 바와 같이, 스텝-다운 변환기는 전압 공급 수단과 WPC 사이에서 전기적으로 배열될 수 있다. 특히, WPC의 입력 전압은 스텝-다운 변환기에 의해서만 조절될 수 있다.
더욱이, 노변 전력 변환기의 입력 전압은 스텝-업 변환기와 스텝-다운 변환기의 조합, 예컨대 양 변환기의 직렬 연결에 의해 제공될 수 있다.
요약하면, W PC용 1단 입력 전력 생성 수단이 제공될 수 있다. 이것은 유리하게 유도 전력 전달 동안의 전력 손실을 사용한다.
다른 실시예에서, 갭 사이즈는 2차 측 포지셔닝 수단에 의해 변경된다. 2차 측 포지셔닝 수단은, 예컨대 2차 권선 구조 또는 2차 권선 구조를 포함하는 리시빙 장치(또는 그의 일부)의 위치를 허용할 수 있다. 대안적으로 또는 추가로, 갭 사이즈는 1차 측 포지셔닝 수단에 의해 변경된다. 1차 측 포지셔닝 수단은 1차 권선 구조 또는 1차 권선 구조를 포함하는 1차 유닛(또는 그의 부분)의 포지셔닝을 허용할 수 있다.
1차 측 포지셔닝 수단 및/또는 2차 측 포지셔닝 수단은 2차 권선 구조 및/또는 1차 권선 구조의 위치가 제 1 방향으로 변경될 수 있도록 제공될 수 있고, 여기서 제 1 방향은 전력 전달 동안 1차 권선 구조에 의해 생성된 교번 전자기장의 전파의 주 방향에 상응할 수 있다. 제 1 방향은 예컨대 수직 방향일 수 있으며, 여기서 수직 방향은 예컨대 루트의 평면 표면에 직교로 배향될 수 있다. 수직 방향은 예컨대 차량의 요우 축(yaw axis)에 평행하게 배향될 수 있다.
추가적으로, 1차 측 포지셔닝 수단은 제 2 방향으로 및/또는 제 3 방향으로의 1차 권선 구조의 포지셔닝을 허용할 수 있다. 제 2 방향은 1차 권선 구조의 연장 방향에 평행할 수 있다. 제 2 방향은 예컨대 길이방향이 될 수 있다. 제 3 방향은 제 1 및/또는 제 2 방향에 직교로 배향될 수 있다. 제 3 방향은 예컨대 측방향이 될 수 있다. 더욱이, 1차 측 포지셔닝 수단은 또한 상응하는 권선 구조의 회전을 허용할 수 있다. 예컨대, 1차 포지셔닝 수단은 상기 언급된 제 1 방향 및/또는 제 2 방향 및/또는 제 3 방향에 대한 1차 권선 구조의 회전을 허용할 수 있는 것이 가능하다.
상응하게, 2차 측 포지셔닝 수단은 제 2 방향 및/또는 제 3 방향으로의 2차 권선 구조의 포지셔닝을 허용할 수 있다. 제 2 방향은 예컨대 2차 권선 구조의 연장 방향에 평행할 수 있다. 제 2 방향은 특히 2차 권선 구조를 갖는 차량의 길이방향이 될 수 있다. 길이 방향은 예컨대 차량의 롤 축(roll axis)에 평행할 수 있다. 제 3 방향은 제 1 및/또는 제 2 방향에 직교로 배향될 수 있다. 제 3 방향은 특히 2차 권선 구조를 갖는 차량의 측방향이 될 수 있다. 측방향은 차량의 피치 축(pitch axis)에 평행할 수 있다. 또한, 2차 측 포지셔닝 수단은 상응하는 권선 구조의 회전을 허용할 수 있다. 예컨대, 1차 포지셔닝 수단은 상기 언급된 제 1 방향 및/또는 제 2 방향 및/또는 제 3 방향에 대하여 1차 권선 구조를 회전하는 것을 허용할 수 있는 것이 가능하다.
1차 및 2차 권선 구조의 정렬 상태에서, 1차 측 및 2차 측 상의 개별적인 방향은 평행하게 배향될 수 있다.
따라서, 2차 측 포지셔닝 수단 및/또는 1차 측 포지셔닝 수단은 상응하는 권선 구조의 수직 포지셔닝 및/또는 길이방향 포지셔닝 및/또는 측방향 포지셔닝 그리고 가능할 경우 상응하는 축에 대한 회전을 허용할 수 있다.
요약하면, 포지셔닝 수단은, 원하는 갭 사이즈 및 결과적으로 원하는 정류기 출력 전압이 제공되도록 제어될 수 있다.
1차 측 포지셔닝 수단은 예컨대 본 공개에 참조로 통합되는 영국 특허 제 GB 1403547.1호에 기재된다. 특히, 유도 전력 전달 패드는 고정부 및 가동부를 포함할 수 있고, 여기서, 가동부는 1차 권선 구조를 포함하고, 가동부는 철회 상태와 연장 상태 사이에서 움직인다. 또한, 전력 전달 패드는 가동부가 미리 결정된 위치의 세트로부터의 위치로만 이동 가능하도록 설계되고 및/또는 제어 가능할 수 있고, 여기서, 미리 결정된 위치의 세트는 철회 상태와 연장 상태의 모든 위치의 세트의 서브셋이다. 또한, 가동부는 철회 상태와 연장 상태로만 움직일 수 있다. 그러나, 가동부가 철회 상태와 연장 상태 사이에서 각 위치로 움직일 수 있는 것이 가능하다.
2차 측 포지셔닝 수단은 예컨대 참조로서 본 공개에 통합된 PCT/EP2013/067414에 기재된다. 특히, 자기 유도에 의해 장치에 의해 생성된 전기 에너지로 작동되는 전기 차량 상에 장착될 유도 픽-업 장치는 전기 에너지를 생성하고 자기장을 받아들이기 위한 적어도 하나의 전기 인덕턴스를 포함하는 픽-업 부분, 예컨대 2차 권선 구조를 포함할 수 있다. 또한, 장치는 차량 상에 장착될 장착부 및 상기 장착 부에 대하여 픽-업 부의 움직임을 구동하기 위한 적어도 하나의 액추에이터 또는 적어도 2개의 액추에이터의 세트를 포함할 수 있고, 여기서, 장착부 및 픽-업 부는 적어도 하나의 연결부에 의해 서로 이동 가능하게 연결된다. 액추에이터 또는 액추에이터들의 세트는 픽-업 부분이 수직 방향으로 움직이도록 작동될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 액추에이터 또는 액추에이터들의 세트는 픽-업 부분이 길이방향 및/또는 측방향으로 추가로 또는 대안적으로 이동하도록 작동될 수 있다.
또한, 제 1 액추에이터는 제 1 액추에이터를 작동하여 연장되고 단축될 수 있는 연장가능한 섹션을 포함할 수 있고, 여기서 연장가능한 섹션은 움직임의 제 1 방향으로 연장되거나 단축된다. 또한, 장치는 제 2 액추에이터를 포함할 수 있고, 상기 제 2 액추에이터는 제 2 액추에이터를 작동하여 연장되거나 단축될 수 있는 연장가능한 섹션을 포함하고, 연장가능한 섹션은 움직임의 제 2 방향으로 연장하거나 단축되고, 움직임의 제 1 방향과 제 2 방향 중 적어도 하나는 측방향 부분을 포함한다.
액추에이터 또는 액추에이터들의 세트는, 예컨대 픽-업 부분 상에 장착된 2차 권선 구조의 전기 인덕턴스의 출력 전압, 예컨대 2차 권선 구조의 출력 전압, 특히 정류된 출력 전압에 따라 수직 방향 및/또는 측방향 및/또는 길이방향으로 이동되도록 작동될 수 있다. 움직임은 원하는 출력 전압이 제공되도록 제공될 수 있다.
따라서, 3개의 구성이 가능하다. 제 1 구성에서, 갭 사이즈는 2차 측 포지셔닝 수단에 의해서만 변경될 수 있다. 제 2 구성에서, 갭 사이즈는 1차 측 포지셔닝 수단에 의해서만 변경될 수 있다. 제 3 구성에서, 갭 사이즈는 2차 측 포지셔닝 수단 및 1차 측 포지셔닝 수단 양쪽에 의해 변경될 수 있다.
다른 실시예에서, WPC의 입력 전압은 원하는 전달 전류와 실제 전달 전류 사이의 편차에 따라 제어된다.
실제 전달 전류는 예컨대 2차 측 상에서 전류 감지 수단, 예컨대 전류 감지기를 통해 결정될 수 있다. 실제 전달 전류 상의 정보는 적어도 하나의 통신 수단을 통해, 예컨대 2차 측 제어 유닛에서 1차 측 제어 유닛으로 1차 측으로 보내질 수 있다. 예컨대, 원하는 전달 전류가 배터리 또는 차량 관리 시스템에 의해 결정되는 것이 가능하다. 차량 변 전류 제어 유닛 또는 노변 제어 유닛은 편차, 예컨대 실제 입력 전류와 원하는 입력 전류 사이의 차이를 결정할 수 있다. 상기 편차에 따라, WPC 입력 전압 생성 수단의 노변 제어 유닛에 대한 세트 포인트가 결정될 수 있다.
세트 포인트는 차량 변에서 1차 측으로 보내질 수 있다. 이 경우에 충전 제어 유닛은 차량 변에 위치된다. 보내진 세트 포인트에 따라, WPC 입력 전압 제어 유닛은 입력 전압 생성 수단, 예컨대 입력 전압 생성 수단의 출력 전압을 제어할 수 있다.
그러나, 이것은 오직 예시이다. 먼저 언급된 바와 같이, 예컨대, WPC에 의해 생성된 전압들 간의 상 이동 및/또는 WPC의 동작 주파수 및/또는 WPC의 듀티 사이클에 대하여 전달 전압을 조절하기 위하여 WPC의 동작 파라미터들에 대한 세트 포인트를 결정하는 것이 또한 가능하다.
일반적으로, 세트 포인트는 2차 권선 구조 내에서 유도된 전압을 제어하기 위한 파라미터를 표시할 수 있다. 세트 포인트는 예컨대 전압 값, 전류 값 또는 전력 값이 될 수 있다.
원하는 전달 전류 및 실제 전달 전류 사이의 편차 상의 정보 또는 세트 포인트는 단방향 통신을 통해 차량변에서 1차 측으로 보내질 수 있다.
다른 선호되는 실시예에서, WPC의 원하는 입력 전력과 WPC의 실제 입력 전력 사이의 편차가 결정된다. WPC의 원하는 입력 전력은 에너지 저장 소자의 원하는 입력 전력과 에너지 저장 소자의 실제 입력 전력 사이의 편차에 따라 결정된다. 에너지 저장 소자의 원하는 입력 전력과 실제 입력 전력 사이의 상기 편차는 또한 예컨대 노변 평가 또는 제어에 의해 노변에서 또는 차량변에서 결정될 수 있다.
WPC의 원하는 입력 전류는 WPC의 원하는 입력 전력과 실제 입력 전력 간의 편차에 따라 결정된다. 상기 원하는 입력 전류는 또한 노변 또는 차량 변에서 결정될 수 있다. WPC의 입력 전압은 WPC의 원하는 입력 전류에 따라 제어된다. 입력 전압을 제어하는 것은 또한 예컨대 상기 언급된 또는 다른 노변 제어 유닛에 의해 노변에서 수행될 수 있다.
따라서, 유도 전력 전달 시스템은 노변에 3개의 제어 유닛을 포함할 수 있다. 제 1 제어 유닛은 에너지 저장 소자의 원하는 입력 전력과 실제 입력 전력 사이의 편차를 기초로 WPC의 원하는 입력 전력을 결정한다. 내부 제어 유닛으로도 지칭될 수 있는 제2 제어 유닛은 WPC의 원하는 입력 전력과 실제 입력 전력 사이의 편차를 기초로 WPC의 원하는 입력 전류를 결정한다. 제 3 제어 유닛은 이로써 WPC의 원하는 입력 전류에 따라 입력 전압 생성 수단, 예컨대 스텝-업 변환기의 출력 전압과 같이 동작을 제어한다.
외부 제어 유닛으로도 지칭될 수 있는 제1 제어 유닛은 에너지 저장 소자의 원하는 입력 전력 사이의 편차를 감소시키는 전력 제어기를 나타낸다. 제1 제어 유닛에 의해 결정된 편차는 유도 전력 전달 시스템에서의 손실에 비례한다. 제2 내부 제어 유닛은 전력 제한 수단을 제공하고, 이것은 입력 전압 생성 수단의 출력 전압을 빠르게 또는 급속도로 변경할 수 있어서, 예컨대, 특히 고주파수 변압기의 먼저 설명된 전압이 변경될 경우, 노변으로부터 차량 변으로의 전력 송신이 변경되는 경우에, 입력 전압 생성 수단의 출력 전력을 일정하게 유지한다. 제 2 내부 제어 유닛은 입력 전압 생성 수단의 제어 유닛에 대한 세트 포인트를 제공한다. 입력 전압 생성 수단의 제어 유닛은 또한 제 3 제어 유닛으로도 지칭 될 수 있다.
실제 입력 전력 및 원하는 입력 전력 또는 그에 대한 정보를 차량 변으로부터 노변으로 예컨대 제 1 제어 유닛으로 보내는 것이 가능하다. 상기 전력은 예컨대 차량의 에너지 관리 시스템 또는 감지 수단을 사용하여 결정될 수 있다. 예컨대, 적어도 하나의 에너지 저장 소자의 실제 입력 전류와 실제 입력 전압을 감지하고 차량 변에서 노변으로 이러한 값을 보내는 것이 가능하다. 예컨대, 원하는 전류 및 전압 값은 차량 변에서 노변으로 보내질 수 있다. 노변에서, 예컨대, 제 1 제어 유닛에 의해, 상응하는 원하는 그리고 실제 입력 전력이 결정되고 상응하는 편차가 결정된다. 편차를 기초로, 입력 전압 생성 수단의 원하는 출력 전력이 결정될 수 있다.
입력 전압 생성 수단의 실제 출력 전류는 또한 전류 센서에 의해 감지되어서 제 2 및 제 3 제어 유닛으로 다시 공급될 수 있다. 또한, WPC의 입력 전압에 상응하는 입력 전압 생성 수단의 출력 전압은 예컨대 전압 센서에 의해 감지되고 제 2 및/또는 제 3 제어 유닛에 의해 다시 공급될 수 있다. 입력 전압 생성 수단의 실제 출력 전류와 실제 출력 전압은 입력 전압 생성 수단의 실제 출력 전력을 결정하는 것을 가능하게 한다.
외부 제어 유닛 및 내부 제어 유닛을 기초로, 유리하게, 에너지 저장 소자의 입력 전력과 입력 전류는 전력이 제한되고 노변에서 제어되므로 초과되지 않는다.
이것은 유리하게, 노변 컨트롤러가 상기 언급된 제한을 제공하므로 노변과 차량변 사이의 단방향 통신을 구현하는 것을 회피한다.
선호되는 실시예에서, 실제 전달 전류, 원하는 전달 전류 및 실제 전달 전압이 2차 측에서 1차 측으로 단방향 통신을 통해 보내진다. 이것은 유리하게 상당히 빠른 통신을 제공하고, 이것은 결국 안전 요건을 충족하는 것을 보장한다. 또한, 통신이 특히 단기간 동안 방해될 경우 1차 측 안전 수단(safety measure)이 시작될 수 있다. 예컨대, 전력 제한이 1차 측 소자를 위해 제공될 수 있다. 이 경우에, 시스템이 자체 제한적이므로, 심지어 통신 방해는 에너지 전달을 스위칭 오프하도록 요구되지 않는다. 전달 전류 및 전달 전압은 에너지 저장 소자를 포함하는 차량변 전기 네트워크 또는 적어도 하나의 에너지 저장 소자의 상기 언급된 입력 전류 및 입력 전압에 상응할 수 있다.
또한, 차량에 에너지를 전달하기 위한 유도 전력 전달 시스템이 제안되고, 유도 전력 전달 시스템은, 교번 전자기장을 생성하기 위한 1차 권선 구조 및 교번 전자기장을 받아들여 교류 출력 전압을 생성하기 위한 2차 권선 구조를 포함한다. 또한, 교류 출력 전압은 예컨대 유도 전력 전달 시스템의 정류기에 의해 정류가능하며 적어도 하나의 에너지 저장 소자로 공급가능하다.
또는, 유도 전력 전달 시스템은 1차 권선 구조와 2차 권선 구조 사이의 갭의 갭 사이즈를 조절하기 위한 적어도 하나의 수단을 포함하고, 여기서 정류된 출력 전압은 갭 사이즈를 변경함으로써 조절가능하다.
본 발명에 있어서, 갭 사이즈는 적어도 하나의 에너지 저장 소자의 충전 특성에 따라 에너지 전달 공정을 준비하고 및/또는 시작하고 및/또는 제어하기 위하여 사전에 조절가능하다.
제안된 유도 전력 전달 시스템은 특히 갭 사이즈, WPC의 입력 전압 및 기타 상기 언급된 조작 변수를 제어하기 위한 하나 또는 복수의 제어 유닛을 포함한다.
제안된 유도 전력 전달 시스템은 유리하게 상기 기재된 실시예들 중 하나에 따른 유도 전력 전달 시스템의 제안된 작동 방법을 수행하는 것을 허용한다.
다른 실시예에서, 유도 전력 전달 시스템은 WPC의 조절가능한 입력 전압을 제공하기 위한 적어도 하나의 입력 전압 생성 수단을 포함하고, 여기서 WPC는 입력 전압을 조절하기 위해 적어도 하나의 수단을 통해 전압 공급 수단에 연결된다. 전압 공급 수단은 예컨대 DC 전압 공급 수단 또는 AC 공급 수단, 예컨대 외부 전력 네트워크 또는 배터리에 의해 제공될 수 있다.
이것은 유리하게 WPC의 입력 전압을 조절함으로써 추가적으로 적어도 하나의 에너지 저장 소자의 입력 전압을 조절하는 것을 허용한다.
다른 실시예에서, 적어도 하나의 입력 전압 생성 수단은 스텝-업 변환기 또는 스텝-다운 변환기 또는 그의 조합에 의해 제공된다. 이것은 유리하게 입력 전압 공급 수단의 단순한 설계를 허용한다.
다른 실시예에서, 1차 권선 구조와 2차 권선 구조 사이의 갭의 갭 사이즈를 조절하기 위한 적어도 하나의 수단은 2차 측 포지셔닝 수단 및/또는 1차 측 포지셔닝 수단에 의해 제공된다. 본 경우에, 유도 전력 전달 시스템은 하나 또는 양쪽의 포지셔닝 수단을 포함할 수 있다. 상기 기재된 바와 같이, 포지셔닝 수단은 1차 권선 구조 및/또는 2차 권선 구조를 옮기고(translate) 및/또는 회전하도록 동작될 수 있다.
상기 도시된 바와 같이, 2차 측 포지셔닝 수단은 리프팅 장치에 의해 제공될 수 있고 및/또는 1차 측 포지셔닝 수단은 구동 수단에 의해 제공될 수 있다.
다른 실시예에서, 유도 전력 전달 시스템은 2차 측과 1차 측 사이의 단방향 통신을 위한 적어도 하나의 수단을 포함한다. 상기 단방향 통신을 통해, 실제 및 원하는 전달 전류 및/또는 전달 전압이 차량으로부터 노변으로 보내질 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 설명될 것이다.
도 1은 선행 기술에 따른 유도 전력 전달 시스템의 개략적인 레이아웃이다.
도 2는 선행 기술에 따른 입력 전압 생성 수단의 개략적인 블록 다이어그램이다.
도 3은 선행 기술에 따른 다른 실시예에 따른 유도 전력 전달 시스템의 개략적인 블록 다이어그램이다.
도 4는 본 발명에 따른 유도 전력 전달 시스템의 개략적인 블록 다이어그램이다.
도 5는 개략적인 제어 스키마이다.
도 6은 다른 실시예에 따른 개략적인 제어 스키마이다.
도 4는 본 발명에 따른 유도 전력 전달 시스템(1)의 개략적인 블록 다이어그램을 도시한다. 노변(wayside)은 WS로 차량변(vehicle side)은 VS로 표시된다.
유도 전력 전달 시스템(1)은 DC 전압 공급 수단 또는 AC 전압 공급 수단으로 지정될 수 있는 전압 공급 수단(2, 13)을 포함한다. 또한, 유도 전력 전달 시스템(1)은 스텝-업(step-up) 변환기(7)를 포함한다. 스텝-업 변환기(7)는 미리 결정된 출력 전압 조절 범위를 가질 수 있고, 출력 전압 조절 범위는 예컨대 최소 전압(Umin)에서 최대 전압(Umax)까지의 범위에 해당할 수 있다.
스텝-업 변환기(7)에 의해 제공가능한 최소 전압(Umin)은 스텝-업 변환기(7)의 최대 입력 전압보다 더 높을 수 있고, 예컨대 전압 공급 수단(2, 13)의 최대 출력 전압보다 더 높을 수 있다. 예컨대, 최소 출력 전압(Umin)은 스텝-업 변환기(7)의 내부 전압 하강의 양만큼 스텝-업 변환기(7)의 최대 입력 전압을 초과하는 것이 가능하다. 전반적으로, 스텝-업 변환기(7)는 Umin에서 Umax까지의 범위의 인터벌을 내에서 출력 전압을 조절할 수 있다.
또한, 스텝-업 변환기(7)는, 스텝-업 변환기(7)의 최소 출력 전압(Umin)은 에너지 저장 소자(12)의 최소 입력 전압보다 더 크도록 설계될 수 있다. 에너지 저장 소자(12)는 예컨대 차량의 배터리에 의해 공급될 수 있다. 또한, 스텝-업 변환기(7)는 스텝-업 변환기(7)의 최대 출력 전압(Umax)이 에너지 저장 소자(12)의 최대 입력 전압보다 작도록 설계될 수 있다.
또한, 유도 전력 전달 시스템(1)은 노변 전력 변환기(WPC)(4)를 포함하고, WPC(4)는 변환기(5) 및 출력 필터(6)를 포함한다.
입력 전압 생성 수단을 제공하는 스텝-업 변환기(7)의 출력 전압은 WPC(4)의 입력 전압(WPC(4) 입력 전압)과 동일하다.
WPC(4)의 출력 전압은 공급된 WPC(4) 출력 전압으로 인한 1차 권선 구조에 의해 생성된 교번 전자기장을 받아들이기 위한 2차 권선 구조를 또한 포함하는, 고주파수 변압기(10)의 1차 권선 구조에 제공된다. 또한, 유도 전력 전달 시스템(1)은 2차 권선 구조의 AC 출력 전압을 정류하기 위한 정류기(11)를 포함한다. 정류된 출력 전압(UC)은 에너지 저장 소자(12)의 입력 전압을 제공한다. 정류된 출력 전류(IC)는 에너지 저장 소자(12)의 입력 전류를 제공한다. 입력 전류(IC)는 또한 전달 전류로서 지칭될 수 있으며, 입력 전압(UC)은 전달 전압으로도 지칭될 수 있다.
고주파수 변압기(10)의 전압비(r)는 이하와 같이 기재된다:
r = UWPC/UC=IC/IWPC 공식(1),
여기서, IWPC는 WPC(4)의 입력 전류를 지칭하고 UWPC는 WPC(4)의 입력 전압을 지칭한다.
고주파수 변압기(10)의 1차 권선 구조 및/또는 2차 권선 구조의 위치, 특히 수직 위치를 변경하기 위한 포지셔닝 수단은 도시되지 않는다.
에너지 저장 소자(12)의 충전을 준비하기 위하여, 에너지 저장 소자(12)의 충전 상태(SOC)가 결정될 수 있다. 주어진 또는 미리 결정된 SOC 전압 곡선에 따라, 원하는 입력 전압(UC,des)은 에너지 저장 소자(12)의 총 저장 소자 전압으로서 결정될 수 있다. 에너지 저장 소자(12)의 총 저장 소자 전압은 에너지 저장 소자(12)의 내부 저항에 걸친 전압 하강 및 내부 전압의 총 합이 될 수 있다. 바람직하게, 그러나, 원하는 입력 전류(IC,des)(예컨대, 도 5를 참조)는, 원하는 입력 전압(UC,des)이 제공되고, 특히 이러한 사용가능한 셀 전압이 에너지 저장 소자(12)의 임의의 직렬 연결된 배터리 셀들에 있어서 초과되지 않도록 결정될 수 있다.
또한, 스텝-업 변환기(7)는 최소 출력 전압(Umin)이 WPC(4)에 제공되도록 제어될 수 있다.
이로써, 고주파수 변압기(10)의 1차 권선 구조와 2차 권선 구조 사이의 갭 사이즈는 WPC(4)의 최소 입력 전압(UWPC)이 주어진 정류된 출력 전압(UC)은 원하는 입력 전압(UC,des)과 동일하도록 조절될 수 있다.
예컨대, 원하는 입력 전압(UC,des)이 600V와 동일하고 WPC(4)의 최소 입력 전압(UWPC)이 650V와 동일할 경우, 고주파수 변압기(10)의 1차 권선 구조와 2차 권선 구조 사이의 갭 사이즈는 전압비(r)가 1/1.083와 동일하도록 조절될 수 있다(600V/650V). 이러한 전압비가 갭 사이즈를 조절함으로써 정확하게 제공될 경우, 원하는 입력 전압(UC,des)이 정류된 출력 전압(UC)과 동일하므로 전달 전류(IC)는 에너지 저장 소자(12)에 제공되지 않을 것이다.
따라서, 에너지 전달 공정은 갭 사이즈를 조절함으로써 준비된다. 이로써, 스텝-업 변환기(7)의 출력 전압(따라서 WPC(4)의 입력 전압(UWPC '))은 상응하게 스텝-업 변환기(7)를 제어함으로써 증가될 수 있다. 예컨대, 원하는 충전 공정을 제공하는 원하는 전달 전류(IC,des)가 에너지 저장 소자(12)에 공급될 때까지 스텝-업 변환기(7)의 출력 전압을 증가시키는 것이 가능하다.
갭 사이즈는 스텝-업 변환기(7)의 증가 동안 일정하게 유지될 수 있다. 그러나, 스텝-업 변환기(7)의 출력 전압이 최대 출력 전압(Umax)에 도달하고 충전이 종결되지 않을 경우, 갭 사이즈는 다시 조절될 수 있다. 이러한 경우에, 스텝-업 변환기(7)의 출력 전압은 최소 출력 전압(Umin)까지 감소될 수 있으며 갭 사이즈는 이로써 WPC(4)의 최소 입력 전압(UWPC)을 고려했을 때, 에너지 저장 소자(12)의 실제 총 저장 전압과 동일한 정류된 출력 전압(UC)이 에너지 저장 소자(12)에 제공되도록 조절될 수 있다.
스텝-업 변환기(7)의 전압 조절이 650V에서 750V까지의 범위에 해당하고 에너지 저장 소자(12)가 600V에서 750V까지의 입력 전압 범위를 가지며 완전한 충전이 요구될 경우, 갭 사이즈는 완전한 충전 공전 동안 적어도 한번 변경되어야 한다.
에너지 전달 공정 동안 연속적으로 갭 사이즈를 변경하는 것이 또한 가능하고, 전압비(r)는 유도 전력 전달 시스템(1)이 최적 동작 조건으로 동작하도록 연속적으로 제공된다. 최적 동작 조건은 예컨대, 1차 또는 2차 권선 구조의 코일을 통해 흐르는 손실, 전류 및/또는 전력 전달 필드의 표유자계(magnetic stray field)가 최소화될 경우 제공된다. 또한, 최적 동작 조건은, 손실이 요구되는 비, 예컨대 1:1의 비로 1차 측과 2차 측 사이에서 퍼질 경우 제공될 수 있다. 또한, 최적 동작 조건은 전력 전달 효율이 최대화될 경우 제공될 수 있다.
물론, 스텝-업 변환기(7) 대신 스텝-다운 변환기를 사용하는 것이 가능하다.
도 5에서, 본 발명에 따른 제1 제어 스키마(schema)가 도시된다. 원하는 전달 전류(IC,des)는 예컨대 차량의 에너지 저장 소자 관리 시스템에 의해 결정될 수 있다. 또한, 실제 전달 전류(IC)는 예컨대 실제 전달 전류(IC)에 의해 결정될 수 있다. 차량변 제어 유닛(14)은 원하는 전달 전류(Ic,des)와 실제 전달 전류(Ic) 사이의 차에 따라 노변 제어 유닛(15)에 대한 세트 포인트를 생성하고, 노변 제어 유닛(15)은 스텝-업 변환기(7)의 동작을 제어한다(도 4를 참조). 차량은 트랜스미터(16)를 포함할 수 있고, 세트 포인트는 트랜스미터(16)를 통해 특히 단방향 통신을 통해 노변 수신기(17)에 보내질 수 있다.
세트 포인트는 WPC(4)의 원하는 입력 전압(UWPC,des)과 동일한 스텝-업 변환기(7)의 원하는 출력 전압이 될 수 있다. 노변 제어 유닛(15)은 스텝-업 변환기(7)의 동작을 제어하도록, WPC(4)의 실제 입력 전압(UWPC)은 WPC(4)의 원하는 입력 전압(UWPC,des)과 동일하다.
도 6에서, 다른 제어 스키마가 도시된다. 다시, 요구된 전달 전류(IC,des)는 예컨대 차량변 에너지 저장 소자 관리 시스템에 의해 결정된다.
원하는 전달 전류(IC,des)는 노변 수신기(17)에 차량변 트랜스미터(16)를 통해, 특히 단방향 통신을 통해 보내진다. 예컨대 전류 센서 및 전압 센서(미도시)와 같이 상응하는 감지 장치에 의해 측정될 수 있는 실제 입력 전압(UC) 및 실제 전달 전류(IC)가 추가로 보내진다. 원하는 전달 전류(IC,des), 실제 전달 전류(IC) 및 실제 입력 전압(UC)을 사용하여, 평가 유닛(20)은, 에너지 저장 소자(12)의 원하는 입력 전력, 예컨대 원하는 전달 전류(IC,des)와 실제 입력 전압(UC)의 곱(product)에 의해 결정할 수 있다. 또한, 실제 입력 전력, 예컨대, 실제 입력 전압(UC)과 실제 전달 전류(IC)의 곱이 예컨대 평가 유닛(20)에 의해 결정될 수 있다. 에너지 저장 소자(12)의 원하는 입력 파워와 실제 입력 파워 사이의 편차는 노변에 배열된 제1 외부 제어 유닛(18)에 대한 입력부를 제공한다. 제 1 외부 제어 유닛(18)은 WPC(4)의 원하는 입력 전력(PWPC,des)을 결정한다. WPC(4)의 실제 입력 전력은 예컨대 다른 평가 유닛(21)에 의해 WPC(4)의 실제 입력 전력(UWPC)과 실제 입력 전류(IWPC)의 곱으로서 결정될 수 있다. WPC(4)의 실제 입력 전력과 원하는 입력 전력(PWPC .des) 사이의 편차는 제 2, 내부 제어 유닛(19)에 대한 입력부를 제공한다. 제 2, 내부 제어 유닛(19)은 상기 편차에 따라 WPC(4)의 원하는 입력 전압(UWPC,des)을 결정한다. 상기 입력 전압(UWPC,des)은 스텝-업 변환기(7)의 동작을 제어하는 제어 유닛(15)에 대한 세트 포인트를 제공한다.
WPC(4)의 실제 입력 전압(UWPC) 및 WPC(4)의 실제 입력 전류(IWPC)는 제 2 내부 제어 유닛(19)과 제어 유닛(15)으로 다시 공급될 수 있는 것이 추가로 도시된다.

Claims (18)

  1. 전력을 전달하기 위한 유도 전력 전달 시스템(inductive power transfer system)(1)의 동작 방법으로서, 상기 유도 전력 전달 시스템(1)은, 교번 전자기장을 생성하기 위한 1차 권선 구조 및 상기 교번 전자기장을 받아들여 교류 출력 전압을 생성하기 위한 2차 권선 구조를 포함하고, 상기 교류 출력 전압은 정류되어 적어도 하나의 에너지 저장 소자(12)로 공급되며, 정류된 출력 전압(UC)은 상기 1차 권선 구조와 상기 2차 권선 구조 사이의 갭의 갭 사이즈를 변경함으로써 조절되며,
    상기 갭 사이즈는 적어도 하나의 에너지 저장 소자(12)의 충전 특성에 따라 에너지 전달 공정을 준비하고 및/또는 에너지 전달 공정을 시작하고 및/또는 에너지 전달 공정을 제어하도록 조절되는 것을 특징으로 하는 유도 전력 전달 시스템의 동작 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 정류된 출력 전압(UC) 및/또는 정류된 출력 전류는 전력 전달 필드의 적어도 하나의 필드 특성을 조절함으로써 추가로 조절되는 것을 특징으로 하는 유도 전력 전달 시스템의 동작 방법.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 정류된 출력 전압(UC) 및/또는 정류된 출력 전류는 노변(wayside) 전력 변환기(4)의 입력 전압(UWPC)을 조절함으로써 추가로 조절되는 것을 특징으로 하는 유도 전력 전달 시스템의 동작 방법.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 갭 사이즈는, 원하는 정류된 출력 전압(UC,des)이 제공되도록 조절되고, 상기 갭 사이즈는, 원하는 정류된 출력 전압(UC,des)이 상기 노변 전력 변환기(4)의 입력 전압(UWPC)을 조절함으로써 제공가능한 한 일정하게 유지되고, 상기 노변 전력 변환기(4)의 입력 전압(UWPC)은 주어진 전압 한계들 사이에서 조절가능한 것을 특징으로 하는 유도 전력 전달 시스템의 동작 방법.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서, 상기 갭 사이즈는, 상기 노변 전력 변환기(4)의 최소 입력 전압(UWPC)이 원하는 정류된 출력 전압(UC,des)으로 변압되도록, 또는 상기 노변 전력 변환기(4)의 최소 입력 전압(UWPC)으로 인한, 정류된 출력 전압(UC)과 원하는 정류된 출력 전압(UC,des) 사이의 차가 미리 결정된 스레스홀드 값보다 작도록 조절되는 것을 특징으로 하는 유도 전력 전달 시스템의 동작 방법.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서, 상기 갭 사이즈는, 노변 전력 변환기(4)의 입력 전압(UWPC)이 미리 결정된 전압 한계에 도달할 경우 조절되는 것을 특징으로 하는 유도 전력 전달 시스템의 동작 방법.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서, 상기 갭 사이즈는, 상기 정류된 출력 전압(UC)이 상기 적어도 하나의 에너지 저장 소자(12)의 실제 총 저장 소자 전압과 동일하도록 조절되는 것을 특징으로 하는 유도 전력 전달 시스템의 동작 방법.
  8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서, 상기 갭 사이즈는 연속적으로 또는 점진적으로 변경되는 것을 특징으로 하는 유도 전력 전달 시스템의 동작 방법.
  9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서, 상기 노변 전력 변환기(4)의 입력 전압(UWPC)은 스텝-업(step-up) 변환기(7) 또는 스텝-다운(step-down) 변환기 또는 그의 조합에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는 유도 전력 전달 시스템의 동작 방법.
  10. 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서, 상기 갭 사이즈는, 2차 측 포지셔닝 수단 및/또는 1차 측 포지셔닝 수단에 의해 변경되는 것을 특징으로 하는 유도 전력 전달 시스템의 동작 방법.
  11. 청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서, 노변 전력 변환기(4)의 입력 전압(UWPC)은 원하는 전달 전류(IC,des)와 실제 전달 전류(IC) 사이의 편차에 따라 제어되는 것을 특징으로 하는 유도 전력 전달 시스템의 동작 방법.
  12. 청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서, 노변 전력 변환기(4)의 원하는 입력 전력(PWPC,des)과 상기 노변 전력 변환기(4)의 실제 입력 전력 사이의 편차가 결정되고, 상기 노변 전력 변환기의 원하는 입력 전력(PWPC,des)은 상기 에너지 저장 소자(12)의 원하는 입력 전력과 상기 에너지 저장 소자(12)의 실제 입력 전력 사이의 편차에 따라 결정되고, 상기 노변 전력 변환기(4)의 원하는 입력 전류(IWPC,des)는 상기 노변 전력 변환기(4)의 실제 입력 전력과 원하는 입력 전력(PWPC,des)사이의 편차에 따라 결정되고, 상기 노변 전력 변환기(4)의 입력 전압(UWPC)은 상기 노변 전력 변환기(4)의 원하는 입력 전류(IC,des)에 따라 제어되는 것을 특징으로 하는 유도 전력 전달 시스템의 동작 방법.
  13. 청구항 12에 있어서, 실제 전달 전류(IC), 원하는 전달 전류(IC,des) 및 실제 입력 전압(UC)은 단방향 통신을 통해 2차 측으로부터 1차 측으로 보내지는 것을 특징으로 하는 유도 전력 전달 시스템의 동작 방법.
  14. 차량에 에너지를 전달하기 위한 유도 전력 전달 시스템으로서, 유도 전력 전달 시스템(1)은, 교번 전자기장을 생성하기 위한 1차 권선 구조 및 상기 교번 전자기장을 받아들이고 교류 출력 전압을 생성하기 위한 2차 권선 구조를 포함하고, 상기 교류 출력 전압은 정류되어 적어도 하나의 에너지 저장 소자(12)로 공급될 수 있으며, 상기 유도 전력 전달 시스템(1)은 1차 권선 구조와 2차 권선 구조 사이의 갭의 갭 사이즈를 조절하기 위한 적어도 하나의 수단을 포함하고, 정류된 출력 전압(UC)은 갭 사이즈를 변경함으로써 조절되며,
    상기 갭 사이즈는, 적어도 하나의 에너지 저장 소자(12)의 충전 특성에 따라 에너지 전달 공정을 준비하고 및/또는 시작하고 및/또는 제어하도록 조절될 수 있는 것을 특징으로 하는 유도 전력 전달 시스템.
  15. 청구항 14에 있어서, 상기 유도 전력 전달 시스템(1)은 노변 전력 변환기(4)의 조절가능한 입력 전압(UWPC)을 제공하기 위한 적어도 하나의 입력 전압 생성 수단을 포함하고, 상기 노변 전력 변환기(4)는 상기 적어도 하나의 입력 전압 생성 수단을 통해 전압 공급 수단(2, 13)에 연결되는 것을 특징으로 하는 유도 전력 전달 시스템.
  16. 청구항 15에 있어서, 상기 적어도 하나의 입력 전압 생성 수단은 스텝-업 변환기(7) 또는 스텝-다운 변환기 또는 그의 조합에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는 유도 전력 전달 시스템.
  17. 청구항 14 내지 청구항 16 중 어느 한 항에 있어서, 상기 1차 권선 구조와 상기 2차 권선 구조 사이의 갭의 갭 사이즈를 조절하기 위한 적어도 하나의 수단은 2차 측 포지셔닝 수단 및/또는 1차 측 포지셔닝 수단에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는 유도 전력 전달 시스템.
  18. 청구항 14 내지 청구항 17 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유도 전력 전달 시스템(1)은 2차 측과 1차 측 사이의 단방향 통신을 위한 적어도 하나의 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 전력 전달 시스템.
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