KR20170143167A

KR20170143167A - 효율적인 전기자동차용 비접촉 전력전송장치

Info

Publication number: KR20170143167A
Application number: KR1020160077001A
Authority: KR
Inventors: 강성주
Original assignee: 동원건설산업 주식회사
Priority date: 2016-06-21
Filing date: 2016-06-21
Publication date: 2017-12-29

Abstract

본 발명은 효율적인 전기자동차용 비접촉 전력전송장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 비접촉 전력전송장치는 지표면 아래에 구비되어 전력을 공급받는 코일부를 구비한 급전판과, 상기 급전판과 이격되어 상기 급전판에서 생성되는 자기장을 수렴하여 무선충전되는 코일부를 구비한 집전판을 구비한 전기자동차용 비접촉 전력전송장치에 있어서, 상기 급전판의 코일부와 상기 집전판의 코일부는 나선 형태로 형성되고, 상기 급전판의 코일부 및 상기 집전판의 코일부에는 각각 복수의 도전체가 형성한다. 이와 같은 방법으로, 정차 혹은 주차중에서도 효율적으로 급, 집전이 가능하면서도 소형일 뿐만 아니라 기존 차량의 구조변경없이 채용되며 제작시 경제성이 확보될 수 있다.

Description

효율적인 전기자동차용 비접촉 전력전송장치{The effective contactless power supplying device for electric vehicle}

본 발명은 전기자동차용 비접촉 전력전송장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 정차 혹은 주차중에서도 효율적으로 급, 집전이 가능하면서도 소형일 뿐만 아니라 기존 차량의 구조변경없이 채용되며 제작시 경제성이 확보될 수 있는 비접촉 전력전송장치에 관한 것이다.

세계 각국은 환경규제 강화와 석유자원 고갈, 석유의 가격인상 등으로 인해 친환경 자동차 개발에 대한 적극적 지원정책을 구사하고 있으며, 이런 정책적 방향에 부합하여 자동차 업체들은 친환경 자동차 개발에 경쟁적으로 투자를 하고 있다.

이와 같은 상황에서 천연가스, 에탄올 등의 대체에너지와 전기에너지를 사용하는 전기자동차 개발이 대표적인 차세대 자동차 기술로 부상하고 있으나, 현재 개발중인 전기자동차는 주행거리, 무게, 가격, 충전 소요시간, 인프라 구축 등에 한계를 가지고 있다.

이런 배경하에, 현재 개발중인 전기자동차의 한계를 극복하고, 궁극적으로 주행 중에 집전 및 충전이 가능하도록 하는 무선충전(온라인) 전기자동차 시스템에 대한 기술개발이 시도되고 있다.

온라인 전기자동차 시스템은 급전 인버터로부터 급전 선로를 통해 공급된 고주파 교류 전류로부터 발생된 고주파 유도자계를 차량 하부에 장착된 집전모듈이 전압으로 변환한 후, 집전 레귤레이터를 통해 승압을 하여 배터리를 충전한다. 즉, 급전 인버터는 급전 선로에 고주파 전류를 도통시키며, 전력 케이블을 통하는 고주파 전류에 의해 급전 선로 내부의 유도 자계가 발생하고 페라이트 코어를 통해 유도 자계 경로가 만들어지며, 차량 하부에 장착된 집전 모듈에 의해 자계가 다시 전기로 변환된다. 이와 같이 급전 인버터는 전기적, 기계적 접촉이 없이 자기적인 커플링(coupling)에 의해 전력을 전송하여 주는 역할을 하기 때문에, 비접촉 전력전송장치(CPS: Contact-less Power Supply)라고도 한다.

온라인 전기 자동차는 도로 표면과 차량 하부에 장착된 집전 모듈 간의 간격인 지상고가 자동차 안전기준에 의해 12cm 이상이 되도록 규정되어 있으며, 이와 같은 규정 하에서 최대 효율은 60% 이상, 최대 집전 전력은 60kW이상, 그리고 차량 주위의 자기장 치수인 EMF(Electro-Magnetic Field)는 62.6mG(밀리가우스) 이하 (ICNIRP: International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection) 권고사항)가 되는 것이 바람직하다. 특히, 온라인 전기 자동차 시스템은 급전장치를 여러 개의 세그먼트(segment)로 나누고, 각 세그먼트를 차량의 진행에 맞추어 온/오프 제어하며, EMI(Electro Magnetic Interference) 규격을 만족해야 한다.

또한, 주행중에 비하여 정차 혹은 주차시 등 차량이 정지되었을 경우에 집중적인 전력 전송이 이루어져야 하는데, 아직은 효율적이지 못한 실정이다. 또한, 짧은 시간안에 원하는 만큼의 충전을 달성하기 위해서는 관련 장치가 비대해지는 문제가 있다. 따라서, 효율적이면서도 장치가 비대해지지 않은 전력전송장치의 개발이 시급한 시점이라고 하겠으며, 이러한 장치는 기존 차량의 구조변경없이 적용되도록 하는 것이 바람직하다는 점도 문제 해결시 고려되어야 한다.

따라서, 본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 실시예들에 따르면, 정차 혹은 주차중에서도 효율적으로 급, 집전이 가능한 온라인 전기자동차용 비접촉 전력전송장치를 제공하기 위한 것이다.

또한, 소형이면서도 기존 차량의 구조변경없이도 적용될 수 있도록 하는 비접촉 전력전송장치를 제공하기 위한 것이다.

또한, 제조 공정이 용이하고 제작단가가 저렴하여 경제성을 확보할 수 있는 비접촉 전력전송장치를 제공하기 위한 것이다.

상술한 본 발명의 일 실시예들에 따른, 비접촉 전력전송장치는 지표면 아래에 구비되어 전력을 공급받는 코일부를 구비한 급전판과, 상기 급전판과 이격되어 상기 급전판에서 생성되는 자기장을 수렴하여 무선충전되는 코일부를 구비한 집전판을 구비한 전기자동차용 비접촉 전력전송장치에 있어서, 상기 급전판의 코일부와 상기 집전판의 코일부는 나선 형태로 형성되고, 상기 급전판의 코일부 및 상기 집전판의 코일부에는 각각 복수의 도전체가 형성되는 것을 특징으로 한다.

도전체는 상기 코일부 상에 방사상으로 형성될 수 있으며, 코일부 상에 시계의 시침과 같은 형태로 일정 간격으로 배치되며, 그 형상은 직육면체일 수 있다. 또한, 그 재질은 페라이트인 것이 바람직하다.

이와 같은 구성으로, 정차 혹은 주차중에서도 효율적으로 급, 집전이 가능할뿐만 아니라, 소형이면서도 기존 차량의 구조변경없이도 적용될 수 있다. 또한, 제조 공정이 용이하고 제작단가가 저렴하여 경제성을 확보할 수 있다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 정차 혹은 주차중에서도 효율적으로 급, 집전이 가능하다.

또한, 소형이면서도 기존 차량의 구조변경없이도 적용될 수 있는 효과가 있다.

또한, 제조 공정이 용이하고 제작단가가 저렴하여 경제성을 확보할 수 있는 효과가 있다.

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 온라인 전기자동차용 급전 시스템을 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 비접촉 전력전송장치를 도시한 개략 사시도이다.
도3은 본 발명에 따른 급전판과 집전판을 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 자기장의 형상 모습을 시뮬레이션한 도면이다.

이하, 도1을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 온라인 전기자동차용 급전 시스템에 대해서 자세히 설명한다.

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 온라인 전기자동차용 급전 시스템을 도시한 구성도이다.

도1을 참고하면, 온라인 전기자동차(10)에 전기를 공급하는 급전장치(100), 상기 급전 장치와 연결되며, 상기 급전장치(100)에 고주파 전력을 공급 또는 차단하는 스위치(미도시)를 구비한 급전 인버터(200) 및 상기 급전 인버터(200)에서 출력되는 전압값에 따라 상기 급전 인버터(200)의 스위치(미도시)를 온 또는 오프 제어하는 제어장치(300)를 포함한다.

보다 구체적으로, 급전장치(100)는 도로 하부에 매설되고, 급전 인버터(200)와 전기적으로 연결되며, 급전 인버터(200)에서 공급하는 전력을 온라인 자동차에 공급할 수 있다. 또한, 급전장치(100)는 고주파 전류를 도통시켜 주는 고주파 케이블(110)과 고주파 전류에 의해 유도된 자계를 위한 자계 통로를 만들어 주는 자성 코어(120)로 구성되어 있으며, 온라인 자동차에 구비된 집전장치(11)까지 고효율로 자계가 도달되도록 하는 역할을 한다. 따라서, 급전장치(100)에서 유도된 자기장이 집전장치(11)에 도달하면, 집전장치(11)에서 유도된 자기장을 정류하여 온라인 전기자동차(10)의 전원으로 사용할 수 있다.

급전 인버터(200)는 고효율 공진 제어를 통한 3상의 교류 전원인 고주파 전류를 생성하여, 도로 하부에 매설된 급전선로는 차량 주위의 EMF(Electro-Magnetic Field)형성하며, 온라인 전기자동차(10) 하부에 장착된 집전장치(11)는 비접촉 유도 자계를 전압으로 변환하여 주며, 집전장치(11)는 변환된 저전압을 이용하여 온라인 전기자동차(10)를 구동할 수 있다. 여기서, 3상 교류 전원은 3상 교류 발전기에 의해서 발생되는, 전압이 같고 전류의 주파수와 진폭이 각각 같으면서 서로 120°의 위상차이를 가지는 교류 전원으로서, 단상교류 전원에 비해서 같은 양의 전력을 보내는 데 필요한 도선의 무게가 작고 선로에서 소비되는 줄(Jule) 열이 적을 뿐만 아니라 전동기의 경우에서도 단상에 비해 3상 교류를 이용한 전동기가 훨씬 우수하기 때문에 널리 이용되고 있다

또한, 급전 인버터(200)는 복수의 스위치(미도시)가 직렬로 연결되어 레그(leg)를 이루며, 복수의 레그가 병렬로 연결되고, 서로 다른 레그의 스위치(미도시) 사이의 공통 접점에 기초하여 형성되는 복수의 급전장치(100)를 통해 온라인 전기자동차(10) 하부에 장착되는 집전장치(11)에 고주파 전력을 공급한다. 온라인 전기자동차(10)에서는 많은 급전 인버터(200)가 소요되므로, 가능한 하나의 급전 인버터(200)로 다수의 급전장치(100)를 담당할 수 있으며, 하나의 급전 인버터(200)로 다수의 급전장치(100) 중 하나에 전력을 보내기 위하여 스위치(미도시)가 필요하다.

도 2를 참조하여, 본 발명을 보다 자세히 설명하기로 한다. 도 2는 본 발명에 따른 비접촉 전력전송장치를 도시한 개략 사시도이다.

이에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 비접촉 전력전송장치(2)는 급전장치 내에 위치한 급전판(500) 및 급전 플레이트(501)와, 집전장치 내에 위치한 집전판(400)과 차폐 플레이트(401)가 구비되어 있다.

먼저, 급전판(500)은 코일부(510)와, 코일부(510) 아래에 방사상으로 일정 간격으로 복수개가 배치되며, 그 형상은 직육면체인 복수의 도전체(520)로 구성된다.

코일부(510)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 나선 형태(spiral)로 동심원을 그리면서 점차 지름이 짧아지며 내부로 회오리모양으로 수렴하도록 구성된다. 본 실시예에서는 이러한 형태를 예로 들었으나, 이에 한정되는 것은 아니며 반대 방향으로 나선형태로 동심원을 그리면서 지름이 길어지며 외부로 발산되도록 구성될 수도 있다.

코일부(510) 위에 도전체(520)는 페라이트인 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 도전체(520) 아래에는 급전 플레이트(501)가 배치되며, 판 형태로서 사각형 형태를 예시하나, 이러한 형상에 한정되는 것은 아니다.

급전판(500)과 집전판(400)은 서로 상응된 모양으로 형성되어 있는데, 특히 집전판(400)의 코일부(410)는 앞서 설명한 급전판(500)의 코일부(510)와 동일한 형상을 가진다. 즉, 집전판(400)의 코일부(410)는 나선 형태로 형성된다.

또한, 집전판(400)의 코일부(410)는 그 위에 도전체(420)가 형성되는데, 도전체(420)는 코일부(410) 위에 방사상으로 일정 간격으로 복수개가 배치되며, 그 형상은 직육면체이다. 도전체(420)의 배치 및 형상은 한정되는 것이 아니라 다양하게 변형되어 사용될 수 있다.

급전판(500)의 도전체(520)와, 집전판(400)의 도전체(420)는 서로 마주보는 것이 아니라, 서로 등을 지는 형태로 배치될 수 있다.

도전체(420) 위에는 차폐 플레이트(401)가 설치되는데, 이는 자기장의 영향을 차단하여 승객을 보호하기 위함이다. 차폐 플레이트(401)는 본 실시예에서는 사각형의 판 형태이나 이에 한정되는 것은 아니다.

위에서 설명한대로 급전판과 집전판의 1:1 대응되는 형상을 사용하며, 자기장의 원활하고 효율적인 흐름을 만들기 위해, 시계의 시침과 같이 배치된 도전체를 형성함으로서, 자기장 플러스의 흐름을 향상시키게 된다.

도 4는 본 발명에 따른 자기장의 형상 모습을 시뮬레이션한 도면이다. 도 4는 자기장을 벡터 형태로 표시한 것이며, 실험에 따르면 본 발명에 따른 효율적인 자기장의 확산에 따른 급전 및 충전 효율을 확인할 수 있다.

이와 같은 구성으로, 정차 혹은 주차중에서도 효율적으로 급, 집전이 가능하며, 소형이면서도 기존 차량의 구조변경없이도 적용될 수 있을 뿐만 아니라, 제조 공정이 용이하고 제작단가가 저렴하여 경제성을 확보할 수 있다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것이다. 또한, 본 발명이 상술한 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 사상은 상술한 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

2: 비접촉 전력전송장치
400: 집전판
401: 차폐 플레이트
410, 510: 코일부
420, 520: 도전체
500: 급전판
501: 급전 플레이트

Claims

지표면 아래에 구비되어 전력을 공급받는 코일부를 구비한 급전판과, 상기 급전판과 이격되어 상기 급전판에서 생성되는 자기장을 수렴하여 무선충전되는 코일부를 구비한 집전판을 구비한 전기자동차용 비접촉 전력전송장치에 있어서,
상기 급전판의 코일부와 상기 집전판의 코일부는 나선 형태로 형성되고, 상기 급전판의 코일부 및 상기 집전판의 코일부에는 각각 복수의 도전체가 형성된 것을 특징으로 하는 비접촉 전력전송장치.
제1항에 있어서,
상기 도전체는 상기 코일부 상에 방사상으로 형성된 것을 특징으로 하는 비접촉 전력전송장치.
제1항에 있어서,
상기 도전체는 페라이트인 것을 특징으로 하는 비접촉 전력전송장치.
제1항에 있어서,
상기 도전체는 상기 코일부 상에 시계의 시침과 같은 형태로 일정 간격으로 배치되며, 그 형상은 직육면체인 것을 특징으로 하는 비접촉 전력전송장치.
제1항에 있어서,
상기 집전판은 차폐 플레이트를 포함하여, 자기장의 확산을 억제하는 것을 특징으로 하는 비접촉 전력전송장치.