KR20170120566A

KR20170120566A - Dc 전압 소스 사이에서의 전력의 무선 전송을 위한 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20170120566A
Application number: KR1020177019630A
Authority: KR
Inventors: 주세페 구이디
Original assignee: 바르질라 노르웨이 아에스
Priority date: 2015-01-19
Filing date: 2016-01-19
Publication date: 2017-10-31
Also published as: CN107112812A; WO2016118020A1; PT3248270T; AU2016209738A1; KR102110846B1; DK3248270T3; AU2016209738B2; JP6817221B2; EP3248270B1; JP2018504088A; HRP20200028T1; CN107112812B; EP3248270A1; MY179914A; CA2974188C; NO20150087A1; NO341430B1; PL3248270T3; US10097045B2; ES2764148T3

Abstract

DC 전압 소스로부터 DC 전압 부하로의 전력의 무선 전송을 위한 장치이며 다음을 포함한다: 하나의 2차 코일에 느슨하게 결합되는 하나의 1차 코일- 1차 코일 및 2차 코일은 1차 코일이 2차 코일 공진 주파수와 같거나 그보다 미소하게 낮은 주파수에서 공진하도록 적어도 하나의 직렬-접속된 공진 커패시터를 각각 구비하며, 상기 공진 코일은 기계적으로 분리된 구조 상에 장착되어 상호 이동이 가능함 -. 송신단(1차측)에서의 DC 전압을 제어가능한 크기 및 주파수의 AC 전압으로 변환하는 인버터 장치. 2차측에서의 공진 픽업 코일의 터미널에서 AC 전압을 2차측의 DC 전압 부하에서의 DC 전압으로 변환하는 2차측의 적어도 하나의 정류기 장치. 1차 공진 코일의 터미널에서 AC 전압의 크기 및 주파수를 조화된 방식으로 변경함으로써 전력 흐름을 조정하는 제어 시스템.

Description

DC 전압 소스 사이에서의 전력의 무선 전송을 위한 장치 및 방법{AN APPARATUS AND A METHOD FOR WIRELESS TRANSMISSION OF POWER BETWEEN DC VOLTAGE SOURCES}

본 발명은 서로에 관하여 이동하여 가변적 결합을 초래하는 두 개의 구조 사이의 유도 전력 전송 분야에 관한 것이다. 특히, DC 전압 소스로부터 DC 전압 부하로의 제어가능한 전력의 무선 전송을 위한 장치가 개시되어 있다.

두 개의 전류-전도 코일이 이들 각각에 의해 생성된 자기장이 또한 나머지 코일에 의해 생성된 자기장에 링크되도록 공간에 배치될 때마다, 전기 에너지 전달이 발생할 수 있으며; 이러한 형태의 전달은 일반적으로 유도 전력 전달(IPT)이라 명명된다.

전력 전달은 일반적으로 코일이 밀접하게 결합되었을 때, 즉, 각 코일에 의해 생성된 자속이 거의 완전하게 나머지 코일에 의해 생성된 자속과 링크될 때 더 쉽게 달성된다. 결합도는 종종 다음과 같이 정의되는 결합 계수 k에 관하여 표현된다:

(0.1)

여기서,

k는 결합 계수이고, 0 ≤ k ≤ 1이며,

L₁은 제1 코일의 인덕턴스이고,

L₂는 제2 코일의 인덕턴스이다.

M은 두 코일의 상호 인덕턴스이다.

IPT의 가장 일반적인 형태는 고전적 변압기이며, 이러한 고전적 변압기에서는 두 개의 코일이 공통 강자성 코어 둘레에 권취되어 최고 가능 결합도를 초래한다. 이러한 구조에서, 결합 계수는 통상적으로 1에 거의 근접한다.

다른 한편, 느슨하게 결합된(loosely coupled) 회로는 통상적으로 0.5 미만의 결합 계수를 특징으로 하며, 이는 각 코일에 의해 생성된 자속의 상당한 부분이 나머지 코일에 의해 생성된 자속에 링크되지 않아서 자기 "누설"을 초래함을 의미한다. 이는 코일이 그들 사이의 무시할 수 없는 분리 거리를 갖는 상태로 물리적으로 분리된 구조 상에 구축되는 경우에 거의 불가피하다.

전술한 설명으로부터, k가 일반적으로 두 코일의 상대 위치의 함수이고, 코일 각각이 나머지 코일에 관하여 이동할 때 크게 변할 수 있다는 것을 또한 쉽게 이해할 수 있다.

서로에 관하여 이동할 수 있는 두 개의 물리적으로 분리된 구조 사이에서 전력을 전달하는 문제는 따라서 자기 회로에 관하여 가변적 결합 계수를 갖는 느슨하게 결합된 코일 사이의 유도 전력 전달의 문제로서 언급될 수 있다.

전력 전달 프로세스를 최적화하고, 손실을 감소시키기 위해, 공진의 물리적 원리가 느슨하게-결합된 자기 회로에 적용될 수 있다. 양 코일에 용량성 컴포넌트가 추가되고, 그래서, 누설 인덕턴스에 의해 소비되는 반응 전력은 추가된 커패시턴스에 의해 보상되며; 이런 완벽한 보상은 공진 주파수에서 달성된다:

(0.2)

최신 기술의 IPT 시스템 또는 장치는 양 코일의 공진 주파수가 일치하고, 이런 공통 공진 주파수에서 정확하게 전송 코일을 여기시킴으로써 전력 전달이 수행되도록 설계되며, 반응 전력이 코일 및 보상 커패시터로 구성되는 공진 탱크 내에 완전히 포함되므로 1의 전력 인자에서 동작되는 송신 및 픽업 컨버터의 특정 동작 조건에서 매우 양호한 전달 효율 및 최소화된 볼트-암페어 정격을 달성한다.

프랑스 특허 공보 Fr 3004596에는 차량을 유도식으로 충전하기 위한 방법이 개시되어 있다. 충전 시스템의 1차 및 2차 코일은 상호 이동가능하다.

그 기본적 형태에서, 본원에서 고려되는 IPT 장치는 일반적으로 두 개의 느슨하게 결합된 코일, 두 개의 보상 커패시터(각 코일에 대해 하나씩), 여기(송신단) 및 픽업을 위한 IPT 장치의 각 측의 전력 컨버터로 구성된다. 송신단의 전력 소스는 예로서, 50/60 Hz AC 주 전원의 정류로부터 초래되는 DC 소스인 것으로 가정된다. 또한, 부하는 상대적으로 고정된 전압의 DC 부하인 것으로 가정되며, 통상적 경우에는 충전가능한 배터리이다.

송신단 전력 컨버터(인버터)는 가용한 DC 전압으로부터 제어가능한 주파수 및 크기의 AC 전압을 생성한다. 픽업측 컨버터(정류기)는 자기 결합으로부터 초래되는 AC 파형을 정류하고, 이를 DC 신호로 변환하며, 그렇게 하도록 설계된다면, 이런 컨버터는 또한 전압/전류 레벨을 변경함으로써 픽업측 임피던스를 적응시킬 수 있다.

대부분의 구현예에서, 송신 및 픽업 코일은 개별 공진 주파수가 일치하는 방식으로 용량식으로 보상되고; 송신단 컨버터는 그 후 정확히 공진 주파수에서 여기 신호를 생성하도록 제어됨으로써, 최소 컨버터 전류에 대응하는 1의 전력 인자에서의 동작을 허용한다. 전력 흐름은 그 후 등가 픽업 임피던스 및/또는 여기 신호의 크기를 변경함으로써 조정된다.

본 개시내용을 도출한 연구에서 매우 가변적인 결합 계수의 경우, 주어진 전력 흐름 요건을 위한 최악-경우 컨버터 볼트-암페어는 장치가 특정 결합 조건에서의 공진을 벗어나 동작하도록 설계되는 경우 현저히 감소될 수 있는 것으로 나타났다.

구체적으로, 장치는 결합이 최소치일 때 정확하게 공진 주파수에서 동작하도록 형성되며, 따라서, 최소 컨버터 전압에서 최소의 가능한 최악-경우 컨버터 전류를 달성한다. 그러나, 결합이 증가할 때, 송신단 컨버터는 공진을 벗어나 동작하여 동일한 크기의 여기 전압 및 동일한 등가 픽업 임피던스에 대하여 증가된 전력 흐름을 초래한다. 결과적으로, 최대 및 최소 결합에서의 필요한 여기 전압들 사이의 비율이 감소하고, 최악-경우 컨버터 및 코일 전류를 감소하는 중요한 결과를 갖게 된다.

본 방법은 따라서 전력 컨버터의 구현을 위한 반도체 작업에 관하여 현저한 절약을 가능하게 한다. 또한, 코일은 감소된 양의 구리로 실현될 수 있어서 더 적은 체적, 중량 및 비용을 초래한다.

추가적으로, 전체 동작 범위에 걸친 전력 컨버터의 최소화된 스위칭 손실을 위한 이상적인, 미소하게 유도성인 전력 인자를 달성하기 위한 간단한 방법이 도입된다. 이 방법은 1차 및 2차 코일의 자체-공진 주파수의 미소한 탈동조화에 기초한다.

특히, DC 전압 소스로부터 DC 전압 부하로의 전력의 무선 전송을 위한 장치가 개시되며; 이는

ㆍ 하나의 1차 코일 및 하나의 2차 코일 - 1차 코일 및 2차 코일 각각은 공통 공진 주파수(ω₀)를 달성하도록 구성된 커패시터들에 의해 각각 연결됨-;

ㆍ - 상기 하나의 1차 코일 및 하나의 2차 코일은 서로 이동가능함 -;

ㆍ 1차측에서의 DC 전압을 1차측에서의 제어가능한 크기 및 주파수의 AC 전압으로 변환하는 DC/AC-컨버터;

ㆍ 2차 코일의 터미널에서의 AC 전압을 2차측의 부하에서의 DC 전압으로 변환하는 2차측의 하나의 정류기;

ㆍ 1차 및 2차 코일 사이의 전력 흐름을 조정하고, 1차 코일의 터미널에서 AC 전압의 크기 및 주파수를 조화된 방식으로 변경함으로써 두 코일의 기계적 위치의 변화에 자동으로 적응되는 제어 시스템을 포함한다.

여기 전압의 크기 및 주파수의 독립적 제어에 대한 가능성을 제공하기만 한다면 송신단에서 DC/AC 컨버터를 구현하기 위해 사용되는 특정 컨버터 토폴로지는 무관하다. 가장 일반적인 구현예에서, 전술한 DC/AC 컨버터는 주어진 DC-측 전압으로부터 시작하여 AC 전압의 임의의 값을 생성하도록 제어되는 네 개의 스위칭 디바이스의 H-접속에 기초할 수 있다.

감소된 손실에서 고 주파수 동작을 가능하게 하기 위해 선택적인 추가적 DC-DC 컨버터가 입력 DC 전압과 H-브리지의 DC-측 사이에 배치될 수 있다. DC-DC+H 브리지의 케스케이드 접속은 여전히 전압과 주파수를 독립적으로 제어할 수 있는 DC/AC 컨버터이다.

2차측에서의 부하는 정전압 특성을 가질 수 있으며, 정전압 특성을 갖는 부하는 충전가능한 배터리일 수 있다.

정류기 장치는 2차측에서의 공진 픽업 코일의 터미널에서의 AC 전압의 독립적 제어를 위해 구성될 수 있다. 본 발명의 일 양태에서, DC 전압 소스로부터 DC 전압 부하로의 전력의 무선 전송을 위한 장치는 2차측에서의 공진 픽업 코일의 터미널에서 적용되는 전압 크기를 산출하는 적어도 하나의 추가적 제어 회로를 더 포함한다. 픽업 코일 터미널에서의 AC 전압은 주파수 및 픽업 전류에 독립적으로 제어될 수 있다. 이는 픽업 코일 터미널에서의 임피던스의 제어와 대등하다.

본 발명에 따라서, 또한 DC 전압 소스로부터의 전력의 DC 전압 부하로의 무선 전송을 위한 방법이 개시되며, 이 방법은

a. 하나의 1차 코일을 하나의 2차 코일과 느슨하게 결합하는 단계,

b. 1차측 상의 코일이 2차측 상의 코일과 동일한 주파수에서 공진하도록 직렬-접속된 공진 커패시터를 각각 구비하는 단계;

c. 상호 이동이 가능하도록 1차측과 2차측 상에 상기 공진 코일들을 배열하는 단계;

d. 1차측에서의 DC 전압을 제어가능한 크기 및 주파수의 AC 전압으로 변환하는 DC/AC-컨버터를 제공하는 단계;

e. 2차측의 공진 픽업 코일의 터미널에서의 AC 전압을 DC 전압으로 변환하는 정류기를 제공하는 단계;

f. 1차 공진 코일의 터미널에서 AC 전압의 크기 및 주파수를 조화된 방식으로 변경함으로써 1차 및 2차 코일 사이의 전력 흐름을 조정하는 제어 시스템을 제공하는 단계;

g. 정전압 특성을 갖는 픽업측에서의 부하를 제공하는 단계를 포함한다.

단계 g는 충전가능한 배터리로서 정전압 특성을 갖는 상기 부하를 제공하는 단계를 더 포함한다.

본 발명의 다른 양태에 따라서, 본 방법은

공진 픽업 코일의 터미널에서 AC 전압의 독립적 제어를 위하여 상기 정류기 장치를 구성하는 단계, 및

2차측에서의 공진 픽업 코일의 터미널에서 적용되는 전압 크기를 산출하는 추가적 제어 회로를 제공하는 단계를 더 포함한다.

본 발명의 다른 양태에 따라서, 제어 시스템은 항상 공진 주파수 이상이 되도록 여기 주파수를 조정할 수 있고, 또 다른 양태에서 제어 시스템은 항상 공진 주파수 이하가 되도록 여기 주파수를 조정할 수 있다.

다른 양태에서, 본 방법은

주어진 DC-측 전압으로부터 시작하여 AC 전압의 임의의 값을 생성하도록 제어되는 네 개의 스위칭 디바이스의 H-접속에 기초한 DC/AC-컨버터를 제공하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 방법은 또한

DC측 전압에 의해 고정된 진폭의 구형파 전압을 생성하도록 제어되는 네 개의 스위칭 디바이스의 H-접속에 기초한 DC/AC-컨버터, 및

입력 DC 전압 소스와 인버터 입력에서의 DC 전압 사이에 DC-DC 컨버터를 제공하는 단계를 포함할 수 있다.

첨부된 독립 청구항에 다른 유리한 특징이 나타나 있고, 반면 첨부된 종속 청구항에 본 발명의 특정 실시예가 나타나 있다.

본 발명을 더 쉽게 이해할 수 있게 하기 위해, 이하의 설명은 첨부 도면을 참조한다.
도 1은 직렬-접속된 공진 커패시터를 갖는 무선 전력 전달 장치 및 그 주 컴포넌트를 나타내는 개략도이다.
도 2는 네 개의 IGBT 스위칭 디바이스와 DC측 상의 평활화 커패시터를 포함하는 인버터로서 사용되는 H-브리지 회로의 개략도이다.
도 3은 브리지 구성에 기초한 다이오드 정류기의 개략도이다.
도 4는 다이오드 정류기와 DC-DC 컨버터의 케스케이드 접속에 의해 구성되는 액티브 정류기의 개략도이다.
도 5는 네 개의 제어가능한 스위칭 디바이스(IGBT)와 연계된 역평행 다이오드를 갖는 H-브리지 토폴로지에 기초한 액티브 정류기의 개략도이다.
도 6은 송신측 및 픽업측 양자 모두에서 직렬 보상을 갖는 느슨하게 결합된 코일의 쌍의 주파수 특성의 플롯이며; 송신된 전력, 송신된 전압과 전류 사이의 위상 변위, 송신단 전압과 픽업단 커패시터 전압 사이의 위상 변위가 송신 및 픽업 전압의 고정된 크기에 대하여 동작 주파수의 함수로서 도시되어 있다.
도 7은 송신단 전압과 전류 사이의 위상 변위 및 송신단 전압과 픽업단 커패시터 전압 사이의 위상 변위에 대한 1차 및 2차 자체-공진 주파수 사이의 탈동조의 효과를 도시하는 플롯이다.
도 8은 송신단 전압/주파수 제어의 경우 전력 흐름을 조정하기 위해 사용되는 제어 시스템의 블록도 및 무선 전력 전달 장치를 도시한다. 위상 고정 루프(PLL)에 의해 검출되는 송신단 전압/전류 변위는 동작 주파수의 결정을 위한 제어 변수로서 사용된다.
도 9는 송신단 전압/주파수 제어의 경우 전력 흐름을 조정하기 위해 사용되는 제어 시스템의 블록도 및 무선 전력 전달 장치를 도시한다. 송신단 전압과 픽업 커패시터 전압 사이의 위상 변위는 동작 주파수의 결정을 위한 제어 변수로서 사용된다.
도 10은 송신단 전압/주파수 제어의 경우 전력 흐름을 조정하기 위해 사용되는 제어 시스템의 블록도 및 무선 전력 전달 장치를 도시한다. 송신단 전압/전류 사이의 위상 변위가 PLL을 사용하지 않고 동작 주파수의 결정을 위한 제어 변수로서 직접적으로 사용된다, 그리고
도 11은 픽업단 전압 제어와 조합된 송신단 전압/주파수 제어의 경우 전력 흐름을 조정하기 위해 사용되는 제어 시스템의 블록도 및 무선 전력 전달 장치를 도시한다, 그리고
도 12는 PLL이 사용되지 않는 경우에 대한 픽업단 전압 제어와 조합된 송신단 전압/주파수 제어의 경우 전력 흐름을 조정하기 위해 사용되는 제어 시스템의 블록도 및 무선 전력 전달 장치를 도시한다.

본 발명은 무선 전력 전달, 특히, 1차 및 2차 코일이 느슨하게 결합되어 있는, 결합 계수가 변화하는 경우의 무선 전력 전달에 관련한다. 이런 배열은 넓은 응용 분야를 찾을 수 있다.

이하의 설명에서, 첨부 도면을 참고하지만, 그러나, 도면은 반드시 모든 특징/컴포넌트를 개시하고 있는 것은 아니며, 또한, 도면에 도시된 컴포넌트가 필수적인 것도 아니다. 도면은 본 발명에 대한 이해를 용이하게 하기 위한 의도이다.

느슨하게 결합되어 있다는 것에 의해 상대 이동에 대한 제약이 없다는 것: 즉, 전력 흐름 방정식에 영향을 미치는 파라미터는 결과적 자기 계수(자체-인덕턴스 및 결합 계수)이므로 전체 6-자유도(x-y-z, 롤, 피치, 요)가 허용된다는 것을 인지하여야 한다. 동일한 이유로, 1차 또는 2차 코일(또는 양자 모두)이 이동하는지 여부는 중요하지 않다. 이동 속도에 대한 유일한 제약은 시스템의 전기적 공진 주파수에 대응하는 시간-프레임보다 훨씬 더 느려야만 한다는 것이다. 그러나, 이는 대부분의 실제 경우에 충족된다.

송신 및 수신 코일의 상대 위치가 동작 동안 광범위하게 변하는 것이 허용될 때, 전력 전달 효율을 개선시킬 뿐만 아니라 컨버터의 전력 정격을 감소시키기 위해 크로스-링크 피드백이 사용된다. 두 개의 보상된 코일은 동일한 공진 주파수를 갖도록 동조된다. 공진시의 동작은 코일 사이의 결합이 충분히 낮을 때 사용되고, 결합이 증가할 때 오프 공진(off-resonance) 동작이 허용되어 동일한 입력/출력 전압에 대해 증가된 전력 전달을 초래한다. 더 작은 코일 및 매우 더 작은 전력 컨버터가 사용될 수 있으며, 그 이유는 최악-경우 전류가 종래의 공진 동작에 비해 감소되기 때문이다.

1차 자체-공진 주파수가 2차 자체-공진 주파수보다 미소하게 낮도록 장치를 동조하여 전체 동작 범위에 걸쳐 1차측 컨버터의 감소된 스위칭 손실 및 미소하게 유도성인 전력 인자 동작을 달성함으로써 추가적 손실 감소가 달성된다.

전술한 바와 같이, 본 발명은 현저한 상대 이동을 가질 수 있는 구조 상에 장착된 두 개의 느슨하게 결합된 코일 사이의 전력 전송을 위한 장치 및 방법에 관련한다. 적절히 설계된 IPT의 오프 공진 동작을 허용함으로써, 컨버터 반도체 요건의 최소화가 달성될 수 있다.

원리의 예시를 위해, 도 1의 일반적 IPT 장치를 참조한다. 이런 장치에서, 전력은 정류된 주 전원으로부터 픽업측 DC 소스로 흐르도록 의도된다. 픽업측 DC 소스는 배터리의 물리적 터미널 또는 DC 서브시스템의 정전압 터미널일 수 있다.

H-브리지의 고전력 부분이 도 2에 도시되어 있다. 상당한 전력(100 kW 초과)이 전송되어야 하는 경우이기 때문에 IGBT 디바이스가 도시되어 있다. 이런 브리지는 구형파 모드에서 동작함으로써 브리지 입력에서 DC 전압 레벨에 의해 고유하게 결정되는 고정된 AC 전압 크기를 갖는 가변적(제어가능한) 주파수를 초래한다. 대안적으로, 제어된 기간의 제로-전압 상태가 출력 전압 파형에 추가됨으로써 AC 전압 크기 및 주파수 양자 모두가 독립적으로 조정될 수 있다. AC 전압 출력의 기본 컴포넌트의 달성가능한 rms 값은 다음과 같다:

(0.3)

여기 주파수에 대한 어떠한 이론적 제약도 DC/AC-컨버터에 의해 도입되지 않지만, 그러나, 실용적 이유로, 주파수는 공진 주파수의 주변에서 +/- 50%로 변할 수 있다는 것을 명심하여야 한다. 도 6 및 도 7은 통상적 설계에 대하여, 주파수 변동의 50%보다 훨씬 작은 값이 실제로 필요하다는 것을 제시한다.

도 1에서, 송신 및 픽업 코일은 각각 직렬 커패시터(C1, C2)에 의해 보상된다. 커패시턴스 값은 일반적으로 양 코일이 공칭 조건(

)에서 동일 주파수에서 공진하도록 결정된다.

(0.4)

도 1의 픽업측 정류기는 패시브 정류기(도 3) 또는 액티브 정류기(도 4, 도 5) 일 수 있다.

패시브 정류기의 경우에, 픽업측 AC 전압은 픽업측 DC 전압에 의해 고유하게 결정되고, 정류기 터미널에서의 등가 픽업 저항도 부하에 의해 고유하게 결정된다:

(0.5)

액티브 정류기가 사용되는 경우, 픽업 AC 전압 및 픽업 등가 저항 양자 모두는 변할 수 있어서, 제어 전략에 하나 이상의 자유도를 추가한다.

공진 주파수에서, 코일 및 커패시터에서의 손실을 무시하면, 전력 흐름은 간단한 관계에 의해 표현된다:

(0.6)

장치는 정격 전력 흐름이 결합 계수의 예상 변동의 전체 범위에 걸쳐 달성될 수 있도록 설계되어야 한다. 결합 계수의 변동은 전술한 수학식의 상호 인덕턴스(M)에만 실질적으로 선형적인 방식으로 영향을 준다. 직렬-직렬 보상은 공진 주파수가 변하는 k에 의해 본질적으로 영향을 받지 않는 것을 보증한다. 결과적으로, 장치가 항상 공진에서 동작하는 경우, 이하가 충족되어야만 한다:

(0.7)

동일한 종류의 관계가 코일 전류에 적용된다.

여기서, 도 2, 도 3, 도 4의 컨버터에서, 최대 AC측 전압은 스위치(IGBT 또는 다이오드)의 필요 전압 차단 능력을 결정하며, 최대 AC측 전류는 그 온 상태 동안 스위치가 전도하여야 하는 최대 전류에 대응한다는 것에 유의한다. 결과적으로, 매우 가변적인 결합 계수에서의 동작은 공진 동작이 항상 유지되는 경우 스위치에 대하여 매우 가혹한 요건을 초래한다.

송신단 브리지에 대한 최악의 경우는 패시브 픽업 구조가 사용될 때이며, 이는 다음을 초래한다:

(0.8)

픽업 정류기가 또한 전압을 조정할 수 있는 경우, 이때, 송신단 브리지에 대한 볼트-암페어 요건은 송신 및 픽업 컨버터 사이에서 감소된 결합에 기인한 전류 증가를 균등 분배함으로써 감소될 수 있다.

(0.9)

본 개시내용을 도출한 연구에서 비공진 동작을 허용하는 것이 앞서 예측된 값으로부터 H-브리지에 대한 반도체 요건을 실질적으로 감소시킬 수 있는 것으로 나타났다.

IPT 장치가 전류 밀도의 동일한 최대 값이 송신 및 픽업 코일 양자 모두에서 달성되도록 설계되는 경우 주어진 송신 및 픽업 전압 크기에 대한 여기 주파수의 함수로서의 전력 전달은 도 6에 도시된 형태인 것으로 확인될 수 있다. 이 특성은 공진 주파수에 근접한 주파수에서의 로컬 최소치를 특징화하고, 이는 공진 주파수 미만(f1) 및 초과(f2) 각각인 두 개의 주파수에서 두드러진 피크를 갖는다. 여기 전압과 전류 사이의 위상 변위가 오히려 전체 범위(

)의 동작 주파수에 둔감하다는 관찰과 조합하여, 이러한 사실은 장치가 최대 결합에서 동작할 때 전력 흐름을 부스팅하여 수학식 0.6에 의해 예측되는 것보다 낮은 최대 동작 전압을 필요로 하게 하기 위해 사용될 수 있다.

도 6으로부터, 주파수 범위(

)에서의 동작이 1의 전력 인자에 근접한 값을 초래한다는 것이 나타나며, 이는 1차측에서의 컨버터가 구형파 모드에서 동작하는 경우 항상 전류가 0에 매우 근접한 때 방향을 바꾼다는 것을 의미한다. 이는 정류 전류가 미소하게 전압에 대해 지연되는 경우 최상의 성능을 갖는 실제 IGBT 디바이스에 대해서는 최적이 아니다.

본 개시내용을 도출한 연구에서

이도록 1차 및 2차 자체-공진 주파수 사이를 미소하게 탈동조화하는 것이 도 7에 도시된 바와 같이 유도 동작을 향해 송신단 V-I 위상 변위 특성들을 이동시키는 바람직한 효과를 갖는 것으로 나타났다. 이러한 탈동조는 공진에서의 전력 흐름에 거의 어떠한 효과도 갖지 않으며, 공진미만 동작(

)에서의 전력 흐름을 증가시키는 추가적 효과를 갖는다.

미소한 탈동조의 사용은 따라서 동작 범위(

)에 걸쳐 연속적으로 최소 스위칭 손실로 1차 컨버터의 미소하게 유도성인 동작을 가능하게 한다.

공진 동작은 결합이 최소치일 때 수행되며 그래서 수학식 0.6이 충족된다. 결과적으로, 정격 전력 흐름에 대한 최소 및 최대 전압 사이의 비율은 수학식 (0.8) 또는 (0.9)에서 예측되는 것으로부터 감소됨으로써 감소된 전류 정격에서의 스위칭 디바이스의 사용을 가능하게 한다.

공진에서의 종래의 동작에 대해 수학식 (0.7)에서 주어진 최소 및 최대 결합시의 전력 흐름 조건은 다음과 같이 일반화된다:

(0.10)

송신단에서의 최대 전압은 효율을 최대화하고 전류를 최소화하기 위해 주어진

에 대하여 가능한 높아지도록 편리하게 선택된다. 여전히, 전술한 관계를 충족하는 무한한 수의 조합(

)이 존재한다. 따라서, 설계에 대해 하나 이상의 기준이 필요하다. 이하의 옵션이 제안될 수 있다:

a) 최대 결합에서의 정격 전력 흐름은 정확하게 도 6의 전력-주파수 특성의 피크에서 달성된다:

(0.11)

b) 동일한 피크 공진 전압은 정격 전력 흐름을 갖는 최소 및 최대 결합에서 얻어진다:

(0.12)

c) 입력 위상 변위는 주어진 임계값을 초과하지 않는다:

(0.13)

거의 등가의 설계를 도출하는 다른 기준이 가능하다.

제안된 IPT의 전력 흐름을 제어하기 위해, 여기 전압 및 주파수 양자 모두에 조화된 방식으로 작용할 필요가 있다. 제어 작용의 한가지 추가적 자유도는 액티브 정류기 구조가 사용되는 경우 픽업측에서의 AC 전압의 크기를 제어하는 가능성으로 구성된다.

패시브 정류기만이 픽업측에 사용되는 경우에 대한 제어 시스템이 도 8에 도시되어 있다. 이하의 주 기능 블록이 존재한다:

송신단 전압 크기에 작용하는 충전 전류 조정기;

위상-변위 기준에 작용하는 충전 전류 조정기;

전술한 조정기 중 어느 하나를 가능화하는 인터로크 로직;

조정기(2)에 의해 출력된 기준 값으로 제어된 (피드백) 신호의 위상을 조정하기 위한 위상 고정 루프(PLL) 및 연계된 로직.

조정기(1)는 예로서, 종래의 비례-적분(PI) 제어기 같은 임의의 선형 또는 비선형 조정기일 수 있으며; 달성가능한 범위(수학식 (0.3)) 내에서 변하는 전압 크기 명령을 생성한다. 조정기는 인터로크 로직에 의해 가능화되고; 불능화시, 출력 및 모든 내부 상태(존재하는 경우)는 그 현재 값으로 동결된다.

조정기(2)는 예로서 종래의 PI 제어기 같은 임의의 선형 또는 비선형 조정기일 수 있으며; 허용가능한 범위 사이에서 변하는 위상 변위 명령을 생성한다:

공진을 초과한 동작이 바람직한 경우

공진 미만의 동작이 바람직한 경우 (0.14)

는 장치가 정확히 공진 주파수에서 동작하게 함에 유의하여야 한다. 특히, 장치가 1차 및 2차 공진 주파수 사이에서 미소하게 탈동조하는 상태로 설계되는 경우,

는 크로스-링크 피드백이 PLL에 사용되는 경우 정확히

에서의 동작을 강요한다.

조정기(2)는 인터로크 로직(3)에 의해 가능화되고; 불능화시, 출력 및 모든 내부 상태(존재하는 경우)는 그 현재 값으로 동결된다.

인터로크 로직은 두 조정기(조정기 1 및 조정기 2)의 출력을 점검하고, 이하의 로직에 따라 가능화 신호를 생성한다:

조정기 1가 가능화되는 경우, 조정기 1은 그 최대 허용 출력에 도달하고, 조정기 2를 가능화하고, 조정기 1을 불능화한다.

그 이외의 경우(조정기 2가 가능화되는 경우), 조정기 2가 제로 출력에 도달되면, 조정기 1을 가능화하고 조정기 2를 불능화한다.

약간의 작은 히스테리시스 및/또는 홀드-오프 시간이 전술한 판정 처리에 추가됨으로써, 두 상태 사이의 채터링(chattering)을 피할 수 있다.

PLL 로직은 송신단에서의 여기 전압(Vsend)과 피드백 신호 사이의 위상 차이를 취하여 이를 조정기(2)에 의해 생성되는 위상 기준과 동일해지게 하기를 시도한다. 그 출력은 송신단 기본 전압의 주파수에 대한 보정 항이다.

피드백 신호는 다음 중 하나일 수 있다:

ㆍ 도 8에 도시된 바와 같은 송신단 AC 전류(H-브리지 전류). 이 배열은 IPT의 픽업측으로부터 고 대역폭 피드백을 필요로 하지 않는 장점을 갖지만; 그러나, 송신단 전압과 전류 사이의 위상 변위가 공진 주파수 부근의 그 기울기의 부호를 변화시킬 수 있는 잘 알려져 있는 분기점 현상(phenomenon of bifurcation)으로 인해 특정 동작 조건하에서 제어기가 불안정해질 수 있다. 일반적으로, 분기점이 회피되는 경우에도, 송신단 V-I 위상 변위는 도 6의 특성에 도시된 바와 같이 주파수 변동에 매우 둔감하다.

ㆍ 도 9에 나타난 바와 같은 공진 커패시터(C2)에 걸친 픽업단 전압. 이 해결책은 분기점 현상이 절대 발생하지 않고, 동작 주파수에 대한 Vsend와 VC2 사이의 위상 변위의 감도는 항상 안정한 제어가 달성될 수 있도록 되기 때문에 제어 안정성에 관하여 매우 더 강인하다. 공진시, Vsend 및 Vc2는 동일 위상(제로 변위)이라는 점을 유의해야 한다.

ㆍ 픽업단 AC 전류.

ㆍ 픽업단 AC 전압.

마지막의 두 개의 옵션은 Vc2, Vpick 및 Ipick이 고정된 관계에 의해 직접적으로 관련되기 때문에 기본적으로 이전의 것과 대등하다:

(0.15)

(0.16)

이들 해결책은 따라서 달성가능한 제어 성능에 관하여 VC2를 사용하는 것과 대등하다.

픽업 신호에 기초한 해결책의 단점은 IPT의 픽업측으로부터의 고 대역폭 피드백에 대한 필요성이다. 따라서, 도 10에 도시된 대안적 해결책이 제안된다.

도 10의 시스템에서, 위상 변위 기준에 대해 작용하는 원래의 충전 전류 조정기(도 8 및 도 9의 조정기 2)는 H-브리지 출력 주파수에 대해 작용하는 충전 전류 조정기(조정기 3)로 대체되었다.

또한, 이하의 제어 블록이 추가되었다:

전압과 전류 사이의 각도 변위를 평가하는 위상 검출기:

.

조정기 3에 대한 출력 제한을 생성하는 주파수 한계 조정기(조정기 4).

조정기 4에 의해 산출된 값을 초과할 때 조정기의 출력을 동적으로 제한하는 조정기 3을 위한 출력 제한기.

도 4 또는 도 5에 도시된 유형의 액티브 정류기가 픽업측에 사용되는 경우, 도 9 및 도 10의 제어 시스템은 각각 도 11 및 도 12에 따라 미소하게 수정된다.

도 9 및 도 11의 시스템 사이의 유일한 차이는 조정기 1의 출력이 송신단 전압의 진폭을 명령하기 위해서 뿐만 아니라 픽업측 DC-DC 컨버터의 전압 비율을 명령하기 위해서도 사용된다는 것이다. 이러한 구조는 Vsend와 Vpick의 진폭 사이의 유닛당 비율이 일정하게 유지되고 공칭 값과 같아지는 것을 보증함으로써 전체 볼트-암페어 요건을 최소화한다.

전술한 것과 유사하게, PLL에 의해 사용되는 피드백 신호는 상이한 소스들로부터 도입될 수 있다:

ㆍ 송신단 AC 전류(Isend);

ㆍ 공진 커패시터에 걸친 픽업단 전압(VC2);

ㆍ 정류기 AC 터미널에서의 픽업단 전압(Vpick);

ㆍ 픽업단 AC 전류(Ipick).

도 10 및 도 12의 시스템 사이의 유일한 차이는 조정기 1의 출력이 송신단 전압의 진폭을 명령하기 위해서 뿐만 아니라 픽업측 DC-DC 컨버터의 전압 비율을 명령하기 위해서도 사용된다는 것이다. 이러한 구조는 Vsend와 Vpick의 진폭 사이의 유닛당 비율이 일정하게 유지되고 공칭 값과 같아지는 것을 보증함으로써 전체 볼트-암페어 요건을 최소화한다.

본 발명의 일 실시예

본 발명은 다음과 같은 넓은 영역의 분야에서 그 용례를 발견할 수 있지만, 이들에 한정되는 것은 아니다:

ㆍ 주차된 전기 차량(EV)의 유도 충전. 이 경우, 충전 동안 에어갭이 변하지 않지만, 설계 단계 동안 고려되어야만 하는 미지의 오정렬이 존재할 수 있다.

ㆍ 배터리-전기 추진 시스템을 갖는 선박이나 다른 해양 수송체의 유도 충전.

ㆍ 배선이 이동을 방해하고 그리고/또는 신뢰도를 감소시킬 수 있는, 이동가능한 장비(로봇 아암 등)에 대한 연속적 전력 공급.

ㆍ 접근불가한(또는 밀봉된) 환경에 배치된 이동가능한 장비에 대한 전력 공급.

ㆍ 특히 노출된 고 전압 또는 중 전압 배선이 부적합한 도심 영역에서의 기차, 전차 및 버스의 전력 공급.

본 발명에 따른 유도 전력 전달 장치의 일 예에서, 장치는 15와 50 cm 사이의 가변적 거리에서의 1 MW의 연속적 전력 전달에 대해 정격화된다. 장치 구성은 도 1에 도시되어 있으며, 다음을 포함한다:

대략 1.0 m 폭 및 2.0 m 길이의 외부 치수를 갖는 1차 코일; 이 코일은 평면형이며, 자기 재료의 백플레이트의 상단에 권선된다. 코일은 커패시터 뱅크와 직렬로 접속되고, 그래서, 결과적인 공진 주파수는 3-5 kHz 정도이다. 대략 1.0 m 폭 및 2.0 m 길이의 외부 치수를 갖는 2차 코일; 이 코일은 평면형이며, 자기 재료의 백플레이트의 상단에 권선된다. 코일은 커패시터 뱅크와 직렬로 접속되고, 그래서, 결과적인 공진 주파수는 3-5 kHz 정도이다. 최대 1000 V의 DC 전압으로 동작하는 도 2에 도시된 유형의 송신단 DC/AC 컨버터.

1000 V의 부하측 DC 전압을 갖는, 도 3의 유형의 픽업에서의 정류기.

주어진 치수 및 기하형상에서, 두 개의 코일이 서로 완벽하게 대치되고, 그 사이의 거리가 지정된 한계 사이에서 변하는 경우 약 0.6과 0.2 사이에서 결합 계수가 변하는 것으로 산출되었다. (0.8)에 따라서, 종래의 공진 동작의 방법이 장치를 동작하기 위해 사용되는 경우 적어도 3333 A의 최악-경우 전류가 송신 코일로 그리고 송신단의 컨버터의 고체-상태 디바이스로 흐르도록 허용되어야만 한다.

도 9의 제어 시스템은 최악-경우 전류를 약 1270 A로 감소시킬 수 있고, 결과적으로 코일 및 컨버터의 크기가 감소된다. 수치 1270 A는 주어진 설계의 전력/주파수 특성(도 6에 도시된 바와 같은)을 고려하고, 그 후 이런 특성이 피크를 갖는 주파수에서 정격 전력을 전달하기 위해 요구되는 전압 및 전류를 평가함으로써 산출된다. 수학적으로, 이는 (0.11)에 의해 규정된 제약을 사용하여 수학식 (0.10)을 푸는 것과 대등하다.

본 발명의 제2 실시예

본 발명의 제2 실시예에서, 15와 50 cm 사이의 가변적 거리에서의 1 MW의 연속적 전력 전달에 대해 정격화된 유도 전력 전달 장치가 제공된다. 장치 구성은 도 1에 도시되어 있으며, 다음을 포함한다:

1000 V의 부하측 DC 전압을 갖는, 도 4의 유형의 픽업에서의 정류기.

주어진 치수 및 기하형상에서, 두 개의 코일이 서로 완벽하게 대치되고, 그 사이의 거리가 지정된 한계 사이에서 변하는 경우 약 0.6과 0.2 사이에서 결합 계수가 변하는 것으로 산출되었다. (0.9)에 따라서, 종래의 공진 동작의 방법이 장치를 동작하기 위해 사용되는 경우 적어도 1925 A의 최악-경우 전류가 송신 코일로 그리고 송신단의 컨버터의 고체-상태 디바이스로 흐르도록 허용되어야만 한다.

도 10의 제어 시스템은 최악-경우 전류를 약 1430 A로 감소시킬 수 있고, 결과적으로 코일 및 컨버터의 크기가 감소된다.

정의 목록

Claims

DC 전압 소스로부터 DC 전압 부하로의 전력의 무선 전송을 위한 장치로서,
a) 하나의 1차 코일 및 하나의 2차 코일- 상기 1차 코일 및 상기 2차 코일은 공통 공진 주파수(ω0)를 달성하도록 구성된 커패시터들에 의해 각각 연결됨 -;
b) - 상기 하나의 1차 코일 및 하나의 2차 코일은 서로 이동가능함 -;
c) 1차측에서의 상기 DC 전압을 상기 1차측에서의 제어가능한 크기 및 주파수의 AC 전압으로 변환하는 DC/AC-컨버터;
d) 상기 2차 코일의 터미널에서의 상기 AC 전압을 상기 2차측의 상기 부하에서의 DC 전압으로 변환하는 상기 2차측의 하나의 정류기;
e) 상기 1차와 상기 2차 코일 사이의 전력 흐름을 조정하고, 상기 1차 코일의 터미널에서 상기 AC 전압의 상기 크기 및 주파수를 조화된 방식으로 변경함으로써 두 코일의 기계적 위치의 변화에 자동으로 적응되는 제어 시스템
을 포함하는, 장치.
제1항에 있어서,
상기 2차측에서의 부하는 정전압 특성을 갖는, 장치.
제2항에 있어서,
정전압 특성을 갖는 상기 부하는 충전가능한 배터리인, 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 정류기 장치는 상기 2차측에서의 공진 픽업 코일의 상기 터미널에서 상기 AC 전압 진폭 및 주파수의 독립적 제어를 위해 구성되고,
ㆍ DC 전압 소스로부터 DC 전압 부하로의 전력의 무선 전송을 위한 상기 장치는 상기 2차측에서의 상기 공진 픽업 코일의 상기 터미널에서 적용되는 상기 전압 크기를 산출하는 적어도 하나의 추가적 제어 회로를 더 포함하는, 장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 DC 전압 소스는 AC 주 전원의 정류에 의해 얻어지는, 장치.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 DC/AC-컨버터는 주어진 DC-측 전압으로부터 시작하여 AC 전압의 임의의 값을 생성하도록 제어되는 네 개의 스위칭 디바이스의 H-접속에 기초하는, 장치.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 DC/AC-컨버터는 상기 DC-측 전압에 의해 고정된 진폭의 구형파 전압을 생성하도록 제어되는 네 개의 스위칭 디바이스의 상기 H-접속에 기초하고,
f) 입력 DC 전압 소스와 상기 DC/AC 컨버터 입력에서의 상기 DC 전압 사이의 DC-DC 컨버터를 포함하는, 장치.
DC 전압 소스로부터의 DC 전압 부하로의 전력의 무선 전송을 위한 방법으로서,
a. 하나의 1차 코일을 하나의 2차 코일과 느슨하게 결합하는 단계,
b. 상기 1차측 상의 상기 코일이 상기 2차측 상의 상기 코일과 동일한 주파수에서 공진하도록 직렬-접속된 공진 커패시터를 각각에 장비하는 단계;
c. 상호 이동이 가능하도록 상기 1차측과 상기 2차측 상에 상기 공진 코일들을 배열하는 단계;
d. 상기 1차측에서의 상기 DC 전압을 제어가능한 크기 및 주파수의 AC 전압으로 변환하는 DC/AC-컨버터를 제공하는 단계;
e. 상기 2차측의 공진 픽업 코일의 상기 터미널에서의 상기 AC 전압을 DC 전압으로 변환하는 정류기를 제공하는 단계;
f. 상기 1차와 2차 코일 사이의 상기 전력 흐름을 조정하고, 상기 1차 공진 코일의 상기 터미널에서 상기 AC 전압의 상기 크기 및 주파수를 조화된 방식으로 변경함으로써 두 코일의 기계적 위치의 변화에 자동으로 적응되는 제어 시스템을 제공하는 단계; 및
g. 정전압 특성을 갖는 픽업측에서의 부하를 제공하는 단계
를 포함하는, 방법.
제8항에 있어서,
단계 g는 충전가능한 배터리로서 정전압 특성을 갖는 상기 부하를 제공하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제8항 또는 제9항에 있어서,
상기 공진 픽업 코일의 상기 터미널에서 상기 AC 전압의 독립적 제어를 위하여 상기 정류기 장치를 구성하는 단계, 및
상기 2차측에서의 상기 공진 픽업 코일의 상기 터미널에서 적용되는 전압 크기를 산출하는 추가적 제어 회로를 제공하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
단계 f의 상기 제어 시스템은 여기 주파수를 항상 공진 주파수 이상이 되도록 조정하는, 방법.
제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제어 시스템은 여기 주파수를 항상 공진 주파수 이하가 되도록 조정하는, 방법.
제8항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
주어진 DC-측 전압으로부터 시작하여 AC 전압의 임의의 원하는 값을 생성하도록 제어되는 네 개의 스위칭 디바이스의 H-접속에 기초한 상기 DC/AC-컨버터를 제공하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제8항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 DC-측 전압에 의해 고정된 진폭의 구형파 전압을 생성하도록 제어되는 네 개의 스위칭 디바이스의 상기 H-접속에 기초한 상기 DC/AC-컨버터, 및
입력 DC 전압 소스와 인버터 입력에서의 상기 DC 전압 사이에 DC-DC 컨버터를 제공하는 단계를 더 포함하는, 방법.