KR20180056054A - 차량, 차량 충전 장치, 차량 충전 시스템 및 차량의 충전 방법 - Google Patents

차량, 차량 충전 장치, 차량 충전 시스템 및 차량의 충전 방법 Download PDF

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Abstract

개시된 발명은 차량, 차량 충전 장치, 차량 충전 시스템 및 차량의 충전 방법에 관한 것으로, 차량 충전 시스템은, 복수의 스위치에 의해 차량 충전 모드가 변경되는 적어도 하나의 전압 변환부와, 상기 전압 변환부에 의해 변환된 전압에 대응하는 자기장을 발생시키는 자기장 발생부를 포함하는 전력송신부 및 상기 자기장 발생부에서 발생된 자기장에 의해 전기적 신호가 유도되는 전류 유도부와, 유도된 상기 전기적 신호를 정류하는 정류부와, 상기 정류부에 의해 정류된 전기적 신호에 의해 충전되는 배터리를 포함하는 전력수신부를 포함할 수 있다.

Description

차량, 차량 충전 장치, 차량 충전 시스템 및 차량의 충전 방법{A vehicle, a charger for the vehicle, a vehicle charging system and a method of charging the vehicle}
차량, 차량 충전 장치, 차량 충전 시스템 및 차량의 충전 방법에 관한 것이다.
차량은, 도로나 선로를 주행하면서 피운송체를 목적지까지 이동시킬 수 있는 장치를 의미한다. 차량은, 대체로 차체에 설치된 하나 이상의 차륜의 구동에 따라 이동 가능하도록 마련된다. 이와 같은 차량으로는, 예를 들어, 삼륜 또는 사륜 자동차나, 모터사이클 등의 이륜 자동차나, 건설 기계나, 자전거나 또는 선로 상에 배치된 레일 위에서 주행하는 열차 등이 존재한다.
종래의 차량은, 가솔린이나 디젤과 같은 화석 연료를 연소시켜 획득한 열 에너지를 기계 에너지로 변환시켜 획득한 동력을 이용하여 도로나 선로를 주행하는 것이 일반적이었다. 근자에는, 차량은 화석 연료의 연소가 아닌 차량 내에 배터리에 충전된 전기 에너지를 이용하여 동력을 얻어 도로나 선로를 주행할 수도 있는데, 이와 같이 전기 에너지를 이용하여 동력을 얻는 차량을 전기 자동차라고 한다.
전기 자동차로는, 예를 들어, 오직 전기 에너지만을 이용하여 동력을 획득하는 통상적인 전기 자동차(EV, Electric Vehicle)와, 화석 연료의 연소에 따른 열 에너지와 전기 에너지 양자를 모두 이용하여 동력을 획득하는 하이브리드 전기 자동차(HEV, Hybrid Electric Vehicle)와, 화석 연료의 연소에 따른 열 에너지와 전기 에너지 양자를 모두 이용하되 외부에서 전기 에너지를 공급받아 내장된 축전지에 충전 가능한 플러그-인 하이브리드 전기 자동차(PHEV, Plug-in Hybrid Electric Vehicle) 등이 있을 수 있다
전기 자동차의 배터리를 충전함에 있어서 배터리가 요구하는 넓은 범위의 충전 전압 및 충전 전력을 제공하거나 또는 제공 받을 수 있는 차량, 차량 충전 장치, 차량 충전 시스템 및 차량의 충전 방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
차량 내부에 설치된 충전과 관련된 구조를 간소화하고 관련 부품의 개수를 절감함으로써 차량 충전 시스템의 제작 및 설치 비용을 감소시킬 수 있는 차량, 차량 충전 장치, 차량 충전 시스템 및 차량의 충전 방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
상술한 과제를 해결하기 위하여 차량, 차량 충전 장치, 차량 충전 시스템 및 차량의 충전 방법이 제공된다.
차량 충전 시스템은, 복수의 스위치에 의해 차량 충전 모드가 변경되는 적어도 하나의 전압 변환부와, 상기 전압 변환부에 의해 변환된 전압에 대응하는 자기장을 발생시키는 자기장 발생부를 포함하는 전력 송신부 및 상기 자기장 발생부에서 발생된 자기장에 의해 전기적 신호가 유도되는 전류 유도부와, 유도된 상기 전기적 신호를 정류하는 정류부와, 상기 정류부에 의해 정류된 전기적 신호에 의해 충전되는 배터리를 포함하는 전력수신부를 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 전압 변환부는, 상기 복수의 스위치 중 제1 스위치는 개방되고, 제2 스위치가 폐쇄되는 경우에는 출력 전압이 입력 전압보다 낮도록 설정된 제1 차량 충전 모드로 동작할 수 있다.
상기 적어도 하나의 전압 변환부는, 상기 복수의 스위치가 모두 폐쇄된 경우에는 출력 전압이 입력 전압보다 높도록 설정된 제2 차량 충전 모드로 동작할 수 있다.
상기 적어도 하나의 전압 변환부는, 캐스케이드 벅-부스트 승압형 역률 개선 변환기(Cascade Buck-Boost Power Factor Correction Converter)를 포함할 수 있다.
상기 차량 충전 모드는, 상기 배터리에 인가되는 전압을 기초로 결정될 수 있다.
상기 차량 충전 모드는, 상기 배터리에 인가되는 전압을 기초로 결정된 상기 전력 송신부 및 상기 전력 수신부 사이의 상대적 위치에 따라서 결정될 수 있다.
상기 전력송신부는 미리 정의된 전압에 대응하는 자기장을 발생시키고, 상기 정류부는 고정된 주파수로 정류된 전기적 신호를 출력할 수 있다.
상기 차량 충전 모드는, 상기 미리 정의된 전압 및 상기 배터리에 충전되는 전압을 기초로 추정된 추정 결합 계수와 미리 설정된 기대 결합 계수 사이의 차이를 기초로 결정될 수 있다.
상기 전력 송신부는, 상호 병렬적으로 연결된 복수의 전압 변환부를 포함할 수 있다.
상기 정류부는, 상기 배터리의 충전 상태에 따라 정류된 전기적 신호를 출력할 수 있다.
상기 정류부는, 브리지리스 정류기(bridgeless rectifier)를 포함할 수 있다.
차량은, 차량 충전 장치로부터 발생된 자기장에 의해 전기적 신호가 유도되는 전류 유도부, 유도된 상기 전기적 신호를 정류하되, 브리지리스 정류기를 포함하는 정류부 및 상기 정류부에 의해 정류된 전기적 신호에 의해 충전되는 배터리를 포함할 수 있다.
차량은, 상기 배터리에 충전되는 전압을 측정하는 전압 측정부 및 상기 차량 충전 장치와 통신 가능하게 마련되고, 상기 전압 측정부에서 측정된 전기적 신호의 전압을 상기 차량 충전 장치로 전송하는 통신부 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
차량은, 상기 차량 충전 장치로부터 수신되고 상기 자기장에 대응하는 기본 전압과 상기 전압 측정부에 의해 측정된 전압을 기초로 추정 결합 계수를 연산하는 프로세서를 더 포함할 수 있다.
상기 프로세서는 추정 결합 계수와 미리 설정된 기대 결합 계수를 기초로 상기 차량 충전 장치의 목표 전압을 결정하고, 상기 목표 전압에 대한 정보를 상기 차량 충전 장치로 전송하도록 제어할 수 있다.
차량 충전 장치는, 전기적 신호가 전달되는 입력부, 복수의 스위치에 의해 변경되는 차량 충전 모드를 기초로 상기 전기적 신호의 전압을 변경하는 제1 전압 변환부 및 상기 전압 변환부에 의해 변환된 전압에 대응하는 자기장을 발생시키는 자기장 발생부를 포함할 수 있다.
상기 제1 전압 변환부는, 캐스케이드 벅-부스트 승압형 역률 개선 변환기를 포함할 수 있다.
차량 충전 장치는, 차량으로부터 상기 차량의 배터리에 인가되는 전압에 대한 정보를 전달 받는 통신부 및 상기 전압에 대한 정보를 기초로 상기 차량 충전 모드를 결정하는 프로세서 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
상기 프로세서는, 상기 배터리에 인가되는 전압과 상기 제1 전압 변환부에 의해 변환된 전압을 이용하여 추정 결합 계수를 연산하고, 상기 추정 결합 계수와 상기 미리 설정된 기대 결합 계수의 차이를 기초로 상기 차량 충전 모드를 결정할 수 있다.
상기 프로세서는, 상기 차량 충전 모드에 따라 상기 복수의 스위치 각각의 개폐 여부를 결정할 수 있다.
상기 복수의 스위치는 벅 스위치 및 부스트 스위치를 포함할 수 있다.
상기 프로세서는, 상기 추정 결합 계수와 상기 기대 결합 계수의 차이에 따라서 강압이 필요하다고 판단된 경우에는 상기 복수의 스위치 중 벅 스위치를 개방하고, 부스트 스위치를 폐쇄할 것을 결정할 수 있다.
상기 프로세서는, 상기 추정 결합 계수와 상기 기대 결합 계수의 차이에 따라서 승압이 필요하다고 판단된 경우에는 상기 복수의 스위치 중 벅 스위치 및 부스트 스위치를 폐쇄할 것을 결정할 수도 있다.
차량 충전 장치는, 상기 전압 변환부와 병렬로 연결되고, 복수의 스위치에 의해 변경되는 차량 충전 모드를 기초로 상기 전기적 신호의 전압을 변경하는 제2 전압 변환부를 더 포함할 수도 있다.
차량의 충전 방법은, 기본 전압을 설정하는 단계, 차량 충전 장치가 상기 기본 전압에 대응하는 자기장을 발생시키는 단계, 차량의 전력수신부에 상기 자기장에 의해 전기적 신호가 유도되는 단계, 상기 기본 전압과 상기 자기장에 의해 유도된 전기적 신호의 전압을 기초로 추정 결합 계수가 연산되는 단계, 추정 결합 계수 및 미리 설정된 기대 결합 계수를 기초로 상기 차량 충전 장치의 목표 전압이 결정되는 단계, 상기 차량 충전 장치가 상기 목표 전압에 대응하는 자기장을 발생시키는 단계, 상기 차량의 전력수신부에 상기 목표 전압에 대응하는 자기장에 의해 전기적 신호가 유도되는 단계 및 상기 전기적 신호에 의해 상기 차량의 배터리가 충전되는 단계를 포함할 수 있다.
상술한 차량, 차량 충전 장치, 차량 충전 시스템 및 차량의 충전 방법에 의하면, 전기 자동차의 배터리가 요구하는 넓은 범위의 충전 전압 및 충전 전력이 배터리에 제공될 수 있게 되고, 이에 따라 전기 자동차의 배터리의 충전 효율이 증가되는 효과를 얻을 수 있다.
상술한 차량, 차량 충전 장치, 차량 충전 시스템 및 차량의 충전 방법에 의하면, 차량 내부에 설치된 충전과 관련된 구조가 간소화되고 또한 충전과 관련된 부품의 개수를 축소할 수 있게 됨으로써, 차량 충전 시스템의 제조 및 설치 비용이나, 전기 자동차의 생산 비용을 절감하는 효과도 얻을 수 있다.
또한, 상술한 차량, 차량 충전 장치, 차량 충전 시스템 및 차량의 충전 방법에 의하면, 차량에 탑재된 전력 수신 장치의 경량화도 가능하게 되며, 이에 따라 차량의 무게를 상대적으로 감소시킬 수 있게 되는 효과도 얻을 수 있다.
도 1은 차량 및 차량 충전 장치의 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 2는 차량 및 차량 충전 장치의 일 실시예에 대한 제어 블록도이다.
도 3은 전력송신부의 일 실시예에 대한 블록도이다.
도 4는 전력송신부의 일 실시예에 대한 회로도이다.
도 5는 벅 스위치 및 부스트 스위치의 개폐에 따라 선택된 모드를 도시한 도면이다.
도 6은 전력송신부의 다른 실시예에 대한 회로도이다.
도 7은 전력수신부의 일 실시예에 대한 블록도이다.
도 8은 전력수신부의 일 실시예에 대한 회로도이다.
도 9는 차량 충전 방법의 일 실시예에 대한 흐름도이다.
이하 명세서 전체에서 동일 참조 부호는 특별한 사정이 없는 한 동일 구성요소를 지칭한다. 이하에서 사용되는 '부'라는 용어는 소프트웨어 또는 하드웨어로 구현될 수 있으며, 실시예들에 따라 '부'가 하나의 부품으로 구현되거나, 하나의 '부'가 복수의 부품들로 구현되는 것도 가능하다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 어떤 부분과 다른 부분에 따라서 물리적 연결을 의미할 수도 있고, 또는 전기적으로 연결된 것을 의미할 수도 있다.
또한 어떤 부분이 다른 부분을 포함한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 부분 이외의 또 다른 부분을 제외하는 것이 아니며, 설계자의 선택에 따라서 또 다른 부분을 더 포함할 수 있음을 의미한다.
제 1 이나 제 2 등의 용어는 하나의 부분을 다른 부분으로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 특별한 기재가 없는 이상 이들이 순차적인 표현을 의미하는 것은 아니다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 예외가 있지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
이하 도 1 내지 도 9를 참조하여 차량, 차량 충전 장치 및 차량 충전 시스템의 일 실시예에 대해서 설명한다.
도 1은 차량 및 차량 충전 장치의 일 실시예를 도시한 도면이고, 도 2는 차량 및 차량 충전 장치의 일 실시예에 대한 제어 블록도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바를 참조하면, 차량(3)은 전기 에너지를 이용하여 도로나 선로를 주행 가능하게 마련되고, 이를 위해 차량(3)에는 전기 에너지를 동력 에너지로 변환하는 모터(미도시)와, 전기 에너지를 축적하는 배터리(190)가 마련된다. 실시예에 따라서, 차량(3)에는 휘발류나 경유와 같은 화석 연료의 연소 에너지를 동력 에너지로 변환하는 엔진(미도시)이 더 마련될 수도 있다.
차량(3)은 통상적으로 이용되는 사륜 자동차를 포함할 수 있으며, 이외에도 실시예에 따라서 이륜 자동차나, 삼륜 자동차나, 건설 기계나, 자전거나 또는 선로 상에 배치된 레일 위에서 주행하는 열차 등을 포함할 수도 있다.
차량 충전 장치(10)는, 차량(3)에 전기 에너지를 공급하여 차량(3)의 배터리가 충전될 수 있도록 한다. 차량 충전 장치(10)는 예를 들어 도 2에 도시된 바와 같이 제어 장치(20)와 차량 전력 송신부(110)를 포함할 수 있으며, 필요에 따라서 이들 외에도 외부 전원(9)과 연결된 송전 선로나 변전기와 같이 차량(3)의 충전에 필요한 각종 부품이나 장비를 더 포함할 수 있다.
차량(3) 및 차량 충전 장치(10)는, 차량 충전 시스템(100)을 이용하여 무선으로 차량(3)의 배터리(190)를 충전할 수 있도록 마련된다.
차량 충전 시스템(100)은, 차량(3)이 정차 또는 주차된 구역(5)에 마련된 전력 송신부(110)와, 차량(3)에 설치되는 전력 수신부(160)를 포함할 수 있으며, 전력 송신부(110)에서 발생된 자기장에 의해 전력 수신부(160)에 자기장에 대응하는 전류가 유도됨으로써 차량(3)의 배터리(190)가 충전될 수 있도록 마련된다.
차량(3)이 정차 또는 주차된 구역(5)은, 차량(3)이 정차 또는 주차 가능한 장소, 일례로 도로나 주차장의 전부 또는 일부를 포함할 수 있다.
전력 송신부(110)는, 송신 패드(111)와, 송신 패드(111)에 마련된 자기장 발생부(127)에 입력되는 전기적 신호를 처리하는 송신 신호 처리부(120)를 포함할 수 있다.
송신 패드(111)은 차량(3)이 정차 또는 주차된 구역(5)의 표면을 따라 표면에 대체적으로 수평하게 마련될 수 있다. 이 경우, 송신 패드(111)는 표면의 밖으로 노출되어 마련되거나, 또는 표면에 인접하도록 표면 내측에 매립되어 마련될 수 있다. 이외에도 송신 패드(111)는 지면의 표면 외에도 다양한 위치에 설치될 수 있으며, 예를 들어, 송신 패드(111)는 지면에 설치된 스탠드 등에 지면과 대체적으로 직교하도록 설치될 수도 있다.
송신 패드(111)에는 송신 신호 처리부(120)에서 출력되는 전기적 신호의 전압에 대응하는 자기장을 발생하기 위한 자기장 발생부(127)가 설치될 수 있다. 송신 패드(111)는 자기장 발생부(127)가 외력 등에 의해 훼손되지 않도록, 적절한 강도나 적절한 탄성력을 가진 물질, 일례로 금속 패널이나 고무 패널 등을 이용하여 형성된 하우징을 포함할 수 있으며, 자기장 발생부(127)는 이와 같은 송신 패드(111)의 하우징의 내측에 내장되어 송신 패드(111)에 설치될 수 있다. 송신 패드(111)의 하우징은 차량(3)이 정차 또는 주차된 구역(5)에 소정의 형상, 일례로 직사각형이나 정사각형이나 원형 등의 형상으로 형성될 수 있다.
자기장 발생부(127)는 적어도 하나의 코일을 이용하여 구현 가능하다. 적어도 하나의 코일은 코일 내부를 흐르는 전류의 방향 전환에 따라서 송신 패드(111)의 주변에 자기장을 형성한다. 송신 패드(111) 내에 마련된 적어도 하나의 코일은 적어도 하나의 직선, 적어도 하나의 지그재그 또는 적어도 하나의 나선의 형태로 배치될 수 있다. 코일이 나선의 형태로 감겨져 배치된 경우, 나선형 코일의 전체적인 형상은 대체적으로 원형이나 사각형 등을 이룰 수 있다.
송신 신호 처리부(120)는 자기장 발생부(127)에서 소정 크기의 자기장이 발생될 수 있도록, 외부의 전원(9)에서 공급된 전력을 처리하여 자기장 발생부(127)로 전달할 수 있다. 구체적으로 송신 신호 처리부(120)는 외부 전원(9)의 전압인 입력 전압을 변환하여 소정 전압(이하 출력 전압)이 자기장 발생부(127)에 인가되도록 한다. 여기서 전원(9)은 교류 전원일 수 있으며, 예를 들어 상용 전원을 포함할 수 있다.
송신 신호 처리부(120)는, 필요에 따라, 제어 장치(20)와 통신 가능하게 연결되어 제어 장치(20)로부터 전달되는 각종 제어 신호에 따라 동작하도록 마련될 수 있다. 실시예에 따라서, 송신 신호 처리부(120)는, 차량(3)에 설치된 프로세서(168)로부터 전달된 제어 신호에 따라 동작하도록 마련될 수도 있으며, 제어 장치(20) 및 차량(3)에 설치된 프로세서(168) 양자 모두의 제어에 따라 동작하도록 설계되는 것도 가능하다.
송신 신호 처리부(120)는 적어도 하나의 스위치나, 다이오드 또는 커패시터(Capacitor) 등 다양한 부품을 포함하는 회로 등을 이용하여 구현될 수 있다.
송신 신호 처리부(120)의 상세한 동작 및 기능에 대해선 후술한다.
전력 수신부(160)는, 차량(3)에 마련된 수신 패드(161)와, 수신 패드(161)에 마련된 전류 유도부(171)에 의해 유도된 전기적 신호를 처리하는 수신 신호 처리부(170)와, 수신 신호 처리부(170)에서 출력되는 전기적 신호에 의해 충전되는 배터리(190)를 포함할 수 있다.
수신 패드(161)는 송신 패드(111)에서 발생된 자기장에 따라 전류가 용이하게 유도될 수 있도록 송신 패드(111)가 설치된 위치, 일례로 일 구역(5)의 표면에 대응될 수 있도록 차량(3)에 배치된다. 예를 들어, 수신 패드(161)는 도 1에 도시된 바와 같이 차량(3)의 저면에 배치될 수 있다. 그러나, 수신 패드(161)의 위치는 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 송신 패드(111)가 스탠드 등에 지면과 대체적으로 직교하도록 설치된 경우에는, 수신 패드(161)는 송신 패드(111)의 설치 형태에 대응하여 차량의 배면이나 측면에 설치될 수도 있다.
수신 패드(161)에는 자기장 발생부(127)에서 발생된 자기장의 크기에 대응하는 전압 및 전류의 전기적 신호가 유도되는 전류 유도부(171)가 설치된다. 전류 유도부(171)가 외력 등에 의해 훼손되지 않도록 수신 패드(161)는 적절한 강도나 적절한 탄성력을 가진 물질, 일례로 금속 패널이나 고무 패널 등을 이용하여 형성된 하우징을 포함할 수 있으며, 전류 유도부(171)는 하우징의 내측에 내장되어 수신 패드(161)에 설치 가능하다.
전류 유도부(171)는 적어도 하나의 코일을 포함할 수 있으며, 적어도 하나의 코일은 송신 패드(111)의 주변에 형성된 자기장의 변화에 따라 전류가 유도되도록 마련된다. 전류 유도부(171)의 코일 역시 송신 패드(111)의 코일과 동일하게 적어도 하나의 직선, 적어도 하나의 지그재그 또는 적어도 하나의 나선의 형태로 배치될 수 있다.
수신 신호 처리부(160)는 전류 유도부(171)에서 유도된 전류에 의해 배터리(190)가 적절하게 충전될 수 있도록, 전류 유도부(171)에서 유도된 전류를 정류하거나, 승합하거나 또는 강압하는 등의 동작을 수행할 수 있다. 수신 신호 처리부(160)는 전류 유도부(171) 및 배터리(190)와 회로나 도선 등을 이용하여 전기적으로 연결되도록 마련된다. 수신 신호 처리부(160)는, 설계자의 선택에 따라서, 차량(3)에 설치된 프로세서(168) 및 제어 장치(20) 중 적어도 하나의 제어에 따라 동작하도록 설계될 수 있다.
수신 신호 처리부(160)의 상세한 동작 및 기능에 대해선 후술한다.
배터리(190)는 차량(3) 내부에 설치되며, 전기 에너지를 축전하고, 필요에 따라 차량(3) 내의 각 부품, 일례로 모터나, 공조 장치나 계기판이나 내비게이션 장치 등과 같이 차량 내부의 각종 장치에 필요한 전력을 공급하도록 마련된다. 배터리(190)는 수신 신호 처리부(160)에서 출력된 전기적 신호에 의해 충전 가능하다.
배터리(190)는, 예를 들어, 리튬-티타늄 축전지, 리튬-폴리머 축전지, 리튬-이온 축전지 또는 리튬-에어 축전지와 같은 리튬계 축전지나, 납 축전지나, 니켈-카드뮴 축전지나, 나트륨-염화니켈 축전지 등 다양한 종류의 축전지 중 적어도 하나를 이용하여 구현될 수 있다.
배터리(190)는, 설계자의 선택에 따라서 차량(3) 내부의 다양한 위치에 설치 가능하다. 예를 들어, 배터리(190)는 차량(3)의 하부에 설치될 수도 있고, 본네트의 내측에 설치될 수도 있으며, 뒷좌석의 후방이나 트렁크 리드 내에 설치될 수도 있다. 이외에도 배터리(190)는, 설계자가 고려할 수 있는 다양한 위치에 마련될 수 있다.
차량 충전 장치(10)의 제어 장치(20)는, 차량 충전 시스템(100)의 동작의 전부 또는 일부를 제어 가능하도록 마련된다.
제어 장치(20)는, 도 1에 도시된 바와 같이 차량(3)이 주차 또는 정차된 구역(5)의 주변에 설치될 수도 있다. 이 경우, 제어 장치(20)는, 차량(3)이 주차 또는 정차된 구역(5)마다 설치될 수 있다. 또한, 차량(3)이 주차 또는 정차된 구역(5)과 이격된 별도의 장소에 설치될 수도 있다.
제어 장치(20)는, 차량 충전 시스템(100)의 전력 송신부(110)를 제어하도록 마련될 수 있으며, 이 경우 제어 장치(20)는 오직 하나의 전력 송신부(110)만을 제어하도록 마련되거나, 또는 복수의 전력 송신부(110)를 동시에 또는 이시에 제어하도록 마련될 수도 있다.
차량 충전 장치(10)의 제어 장치(20)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 프로세서(21)를 포함할 수 있으며, 필요에 따라서 사용자 인터페이스(23) 및 통신부(30) 중 적어도 하나를 더 포함할 수도 있다.
프로세서(21)는, 각종 신호 처리 동작을 수행하며, 필요에 따라서 차량 충전 시스템(100)의 동작의 전부 또는 일부를 제어하기 위한 각종 판단을 수행하고, 판단 결과에 대응하는 제어 신호를 생성할 수 있다.
예를 들어, 프로세서(21)는 기본 전압을 설정하고 전력 송신부(110)가 설정된 기본 전압에 대응하는 자기장을 생성하도록 제어할 수 있다.
또한, 다른 예를 들어, 프로세서(21)는 통신부(30)를 통해 수신된 배터리(160)의 충전 전압에 대한 정보를 이용하여, 전력 송신부(110)와 전력 수신부(160) 사이의 배치 상태를 나타내는 결합 계수를 추정하여 획득할 수 있다. 이 경우 추정 결합 계수는, 설계자의 선택에 따라서 미리 정의된 수식에 기본 전압 및 충전 전압을 대입함으로써 연산 가능하다. 예를 들어, 추정 결합 계수는 기본 전압 및 충전 전압 사이의 비로 정의될 수 있다.
또한, 프로세서(21)는, 추정된 결합 계수(이하 추정 결합 계수)를, 미리 설정된 원하는 결합 계수(이하 기대 결합 계수)와 비교하여 전력 송신부(110)에서 출력되어야 하는 자기장의 세기를 결정할 수 있다. 여기서 추정 결합 계수와 기대 결합 계수 간의 차이는 차량(3)의 위치에 따라 결정될 수 있으며, 이 경우, 추정 결합 계수와 기대 결합 계수 간의 차이는 전력 수신부(160)와 전력 송신부(110) 사이의 상대적 위치(또는 수신 패드(161)의 위치와 송신 패드(127) 사이의 상대적 위치)에 대응하도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 추정 결합 계수와 기대 결합 계수 간의 차이는, 차량(3)의 전력 수신부(160)의 위치(또는 수신 패드(161)의 위치)가 전력 송신부(110)의 위치(또는 송신 패드(127)의 위치)와 일치하지 않을수록 커지고, 전력 수신부(160)의 위치 또는 수신 패드(161)의 위치가 전력 송신부(110)의 위치 또는 송신 패드(127)의 위치와 일치하면 일치할수록 작아지도록 정의 및 설계될 수 있다.
또한, 프로세서(21)는 결정된 자기장의 세기에 따라 송신 신호 처리부(120)의 목표 출력 전압을 결정하고, 송신 신호 처리부(120)가 입력 전압을 목표 출력 전압으로 변환하도록 제어할 수 있다. 이를 위해서 프로세서(21)는 목표 출력 전압에 대응하는 차량 충전 모드를 결정하고, 결정된 차량 충전 모드에 따른 제어 신호를 생성하여 전력 송신부(110)로 전달할 수 있다. 이 경우, 제어 신호는 전력 송신부(110)의 송신 신호 처리부(120)로 전달될 수 있다. 결정된 차량 충전 모드에 따라서 전력 송신부(110)에서 출력되는 전기의 출력 전압의 크기는 다양하게 설정될 수 있으며, 이에 따라 전력 송신부(110)에서 생성되는 자기장 역시 다양한 크기를 가질 수 있다.
또 다른 예를 들어, 프로세서(21)는 전원(9)과 전력 송신부(110)가 서로 단전 되거나 또는 서로 전기적으로 연결하도록 제어하거나, 사용자 인터페이스(23)나 통신부(30)의 동작을 제어할 수도 있다.
이외에도 프로세서(21)는 필요에 따라 차량 충전 장치(10)의 여러 동작을 제어할 수 있다.
프로세서(21)는 하나 또는 둘 이상의 반도체 칩 및 관련 부품을 이용하여 구현될 수 있으며, 예를 들어 중앙 처리 장치(CPU, Central Processing Unit)이나 마이크로 컨트롤러 유닛(MCU, Micro Controller Unit) 등을 포함할 수 있으며, 이들을 내장되거나 또는 사용자에 의해 입력되는 프로그램이나 데이터를 기초로 상술한 각종 동작에 대한 처리를 수행할 수 있다.
사용자 인터페이스(23)는, 차량(3)의 운전자나 차량 충전 장치(10)의 관리자 등의 사용자에게 차량 충전과 관련된 각종 정보를 제공하고, 또한 사용자로부터 차량 충전과 관련된 각종 명령이나 데이터를 입력 받을 수 있다. 예를 들어, 사용자 인터페이스(23)는 송신 신호 처리부(120)의 출력 전압을 입력 받고, 입력된 출력 전압을 프로세서(21)로 전달하거나, 또는 프로세서(21)에서 결정된 출력 전압을 사용자에게 시각적 또는 청각적으로 제공할 수 있다.
사용자 인터페이스(23)는, 물리 버튼, 터치 패드, 터치 스크린, 트랙볼, 각종 감지 센서 및/또는 각종 입력 포트 등을 포함하는 입력 수단 및/또는 디스플레이, 스피커 및/또는 각종 출력 포트 등을 포함하는 출력 수단을 포함할 수 있다.
통신부(30)는 차량(3)에 마련된 통신부(167)와 통신을 수행하도록 마련된다. 통신부(30)는, 예를 들어, 차량(3)의 통신부(167)로부터 전력 수신부(160)의 전압에 대한 정보를 수신하고, 수신한 정보를 프로세서(21)로 전달할 수 있다. 또한, 차량 충전 장치(10)의 프로세서(21)에서 생성된 각종 제어 신호를 통신부(167)로 전송함으로써, 차량(3)의 프로세서(168) 또는 전력 수신부(160)가 차량 충전 장치(10)의 프로세서(21)의 제어에 따라 동작하도록 할 수 있다.
통신부(30)는, 실시예에 따라서, 유선 통신 네트워크 및/또는 무선 통신 네트워크를 이용하여 차량(3)의 통신부(167)와 통신을 수행할 수 있다. 유선 통신 네트워크는, 페어 케이블, 동축 케이블, 광섬유 케이블 또는 이더넷 케이블과 같은 통신 케이블을 이용하여 구축된 것일 수 있다. 무선 통신 네트워크는 근거리 통신 기술 및 이동 통신 기술 중 적어도 하나를 기반으로 하는 무선 통신 기술을 이용하여 구축된 것일 수 있다. 여기서, 근거리 통신 기술은 와이 파이(Wi-Fi), 와이파이 다이렉트(Wi-Fi Direct), 지그비(zigbee), 블루투스(Bluetooth), 저전력 블루투스(Bluetooth Low Energy) 및/또는 근거리 장 통신(NFC, Near Field Communication) 등을 포함할 수 있다. 이동 통신 기술은, 3GPP, 3GPP2 및/또는 와이맥스 계열 등의 각종 이동 통신 표준을 기반으로 구현된 각종 무선 통신 기술을 포함할 수 있다.
사용자 인터페이스(23) 및 통신부(30) 중 적어도 하나는, 설계자의 선택에 따라 생략 가능하다.
도 2에 도시된 바를 참조하면, 차량(3)은 통신부(167), 프로세서(168) 및 사용자 인터페이스(169)를 포함할 수 있다.
통신부(167)는, 제어 장치(20)의 통신부(30)와 유선 통신 네트워크 및/또는 무선 통신 네트워크를 기반으로 통신을 수행 가능하게 마련되며, 제어 장치(20)의 프로세서(21)에서 생성된 제어 신호를 수신하여 차량(3)의 프로세서(168)로 전달하거나, 또는 배터리(190)의 충전 전압에 대한 정보를 제어 장치(20)로 전송하도록 마련될 수 있다.
프로세서(168)는 차량(3)이나 차량(3)의 여러 전장 부품의 각종 동작에 대한 제어 신호를 생성하여 이들의 동작을 제어할 수 있다.
실시예에 따라서, 차량(3)의 프로세서(168)는 제어 장치(20)의 프로세서(21)의 동작의 전부 또는 일부를 수행할 수도 있다. 예를 들어, 프로세서(168)는 배터리(190)의 충전 전압을, 통신부(167)를 통해 전달 받은 기본 전압과 비교하고, 비교 결과를 기초로 추정 결합 계수를 획득할 수 있으며, 또한 추정 결합 계수와 기대 결합 계수를 비교하여 전력 송신부(110)에서 출력되어야 하는 자기장의 세기, 송신 신호 처리부(120)의 목표 출력 전압 및/또는 전력 송신부(110)의 차량 충전 모드를 결정하고, 결정 결과가 통신부(167)를 통하여 제어 장치(20)로 전송되도록 할 수도 있다.
차량(3)의 프로세서(168)는 하나 또는 둘 이상의 반도체 칩 및 관련 부품을 이용하여 구현될 수 있으며, 설계자의 선택에 따라, 차량(3) 내부의 임의의 위치, 일례로 대시보드와 엔진룸 사이의 공간 등에 설치될 수 있다.
사용자 인터페이스(169)는 차량(3)의 동작과 관련된 각종 정보를 차량(3)의 탑승자에게 제공하거나, 또는 차량(3)의 탑승자로부터 각종 명령이나 데이터를 입력 받을 수 있다. 예를 들어, 사용자 인터페이스(169)는 충전 여부에 대한 정보나, 추정 결합 계수나, 또는 전력 송신부(110)에서 발생하는 자기장의 세기 등에 대한 정보를 시각적 또는 청각적 형태로 제공할 수 있다.
사용자 인터페이스(169)는 물리 버튼, 터치 패드, 터치 스크린, 트랙볼, 각종 감지 센서 및/또는 각종 입력 포트 등을 포함하는 입력 수단 및/또는 디스플레이, 스피커 및/또는 각종 출력 포트 등을 포함하는 출력 수단을 포함할 수 있으며, 이들 입력 수단 및/또는 출력 수단은 예를 들어, 차량(3)의 대시보드, 센터페시아, 운전대, 계기판 또는 이외 다양한 위치에 설치될 수 있다. 사용자 인터페이스(169)는 차량(3) 내에 설치된 내비게이션 장치를 이용하여 구현 가능하다.
통신부(167), 프로세서(168) 및 사용자 인터페이스(169) 중 적어도 하나는 설계자의 선택에 따라 생략 가능하다.
이하 전력 송신부에 대해 도 3 내지 도 6을 참조하여 보다 자세히 설명한다.
도 3은 차량 충전 시스템의 전력송신부의 일 실시예에 대한 블록도이고, 도 4는 차량 충전 시스템의 전력송신부의 일 실시예에 대한 회로도이다.
전력 송신부(110)는, 일 실시예에 있어서, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 입력 전압을 소정의 출력 전압으로 변환하는 송신 신호 처리부(120) 및 송신 신호 처리부(120)의 출력 전압에 따른 자기장을 발생시키고, 송신 패드(111) 내에 설치된 자기장 발생부(127)를 포함할 수 있다.
송신 신호 처리부(120)는 전원(9)에서 공급되는 전류가 입력되는 입력부(121), 입력 전압을 변환하는 적어도 하나의 전압 변환부(123, 129) 및 전류의 방향을 변환하는 방향 전환부(125)를 포함할 수 있다.
입력부(121)는 전원(9)에서 공급된 전류(Igrid)를 수신하고 이를 제1 전압 변환부(123)로 전달한다.
제1 전압 변환부(123)는 선택된 차량 충전 모드에 따라 전원(9)의 입력 전압(Vgrid)를 변환하여 출력 전압(Vin)이 자기장 발생부(127)의 코일(127a)에 인가되도록 한다.
제1 전압 변환부(123)는 입력부(121)를 통해 입력되는 교류 전류를 정류할 수 있으며, 이를 위해 제1 전압 변환부(123)는 입력단에 복수의 다이오드, 일례로 4개의 다이오드(D11 내지 D14)를 이용하는 브리지 정류기를 포함할 수 있다.
제1 전압 변환부(123)는, 일 실시예에 있어서, 캐스케이드 벅-부스트 승압형 역률 개선 변환기를 이용하여 구현 가능하다. 캐스케이드 벅-부스트 승압형 역률 개선 변환기는 벅 변환기(Buck Convertor)와, 부스트 변환기(Boost Convertor)를 병합하여 하나의 변환기로 구현한 것이다.
벅 변환기는 출력 전압이 입력 전압과 동일하거나 또는 더 작도록 전압을 변환하는 변환기이며, 도 4에 도시된 제1 커패시터(CP11), 제1 벅 스위치(SWK1), 제1 벅 다이오드(DB1), 제1 인덕터(L1) 및 부하, 일례로 코일(127a)로 이루어진 회로를 이용하여 구현된다.
부스트 변환기는 출력 전압이 입력 전압과 동일하거나 또는 더 크도록 전압을 변환하는 변환기이며, 도 4에 도시된 제1 커패시터(CP11), 제1 인덕터(L1), 제1 부스트 스위치(SWT1), 제1 부스트 다이오드(DT1) 및 부하, 일례로 코일(127a)로 이루어진 회로를 이용하여 구현된다.
캐스케이드 벅-부스트 승압형 역률 개선 변환기는 이와 같이 벅 변환기 및 부스트 변환기를 결합하여 구현된 것으로, 제1 벅 스위치(SWK1) 및 제1 부스트 스위치(SWT1)의 동작에 따라서 차량 충전 모드를 전환함으로써, 캐스케이드 벅-부스트 승압형 역률 개선 변환기가 입력 전압을 다양한 값의 출력 전압으로 변경하도록 할 수 있다.
도 5는 벅 스위치 및 부스트 스위치의 개폐에 따라 선택된 모드를 도시한 도면이다. 도 5에서 제1 스위치는 벅 스위치를 제2 스위치는 부스트 스위치를 의미한다.
도 5에 도시된 바를 참조하면, 벅 스위치(SWK1) 및 부스트 스위치(SWT1)가 모두 개방된 경우, 캐스케이드 벅-부스트 승압형 역률 개선 변환기에는 전류가 흐르지 않으며, 이에 따라 전압의 변환 동작도 수행되지 않는다.
벅 스위치(SWK1)는 개방되고, 부스트 스위치(SWT1)가 폐쇄된 경우, 회로 내에는 전류가 흐를 수 없어, 벅 스위치(SWK1) 및 부스트 스위치(SWT1)가 모두 개방된 경우와 동일하게 캐스케이드 벅-부스트 승압형 역률 개선 변환기는 전압 변환 동작을 수행하지 않게 된다.
벅 스위치(SWK1)는 개방되고, 부스트 스위치(SWT1)가 폐쇄된 경우, 캐스케이드 벅-부스트 승압형 역률 개선 변환기는 제1 차량 충전 모드로 동작하게 된다. 제1 차량 충전 모드에서는 회로 내의 전류는 제1 벅 스위치(SWK1), 제1 벅 다이오드(DB1), 제1 인덕터(L1) 및 코일(127a)을 경유하여 흐르게 되고, 캐스케이드 벅-부스트 승압형 역률 개선 변환기는 벅 변환기와 동일 또는 유사하게 동작한다. 이에 따라 코일(127a)에는 입력 전압(Vgrid)과 같거나 또는 입력 전압(Vgrid)보다 상대적으로 낮은 출력 전압(Vin)이 인가된다.
벅 스위치(SWK1) 및 부스트 스위치(SWT1)가 모두 폐쇄된 경우에는 캐스케이드 벅-부스트 승압형 역률 개선 변환기는 제2 차량 충전 모드로 동작하게 된다. 제2 차량 충전 모드에서 캐스케이드 벅-부스트 승압형 역률 개선 변환기는 부스트 변환기와 동일 또는 유사하게 동작하여 승압 동작을 수행한다. 따라서, 코일(127a)에는 입력 전압(Vgrid)과 같거나 또는 입력 전압(Vgrid) 보다 상대적으로 높은 출력 전압(Vin)이 인가될 수 있게 된다.
벅 스위치(SWK1) 및 부스트 스위치(SWT1) 각각은 프로세서(21, 168)의 제어에 따라서 개방 또는 폐쇄될 수 있다.
예를 들어, 제어 장치(20)의 프로세서(21)가 추정 결합 계수 및 기대 결합 계수의 차이에 따라서 전력 송신부(110)가 더 큰 세기의 자기장을 생성해야 한다고 판단한 경우에는, 벅 스위치(SWK1) 및 부스트 스위치(SWT1) 양자를 모두 폐쇄하여 캐스케이드 벅-부스트 승압형 역률 개선 변환기가 제2 차량 충전 모드로 동작하도록 할 수 있다. 이 경우, 코일(127a)에는 상대적으로 더 큰 전압(Vin)이 인가되며, 이에 따라 코일(127a)에서는 더 큰 세기의 자기장이 생성될 수 있게 된다.
반대로, 제어 장치(20)의 프로세서(21)가 추정 결합 계수 및 기대 결합 계수의 차이에 따라서 전력 송신부(110)가 더 작은 세기의 자기장을 생성해도 된다고 판단한 경우에는, 부스트 스위치(SWT1)는 개방되고 벅 스위치(SWK1)만 폐쇄하여 캐스케이드 벅-부스트 승압형 역률 개선 변환기가 제1 차량 충전 모드로 동작하도록 할 수 있다. 이 경우, 코일(127a)에는 상대적으로 더 작은 전압(Vin)이 인가될 수 있으며, 코일(127a)에서는 상대적으로 더 작은 세기의 자기장이 생성된다.
도 6은 차량 충전 시스템의 전력송신부의 다른 실시예에 대한 회로도이다.
도 3에 도시된 바에 따르면, 송신 신호 처리부(120)는 제2 전압 변환부(129)를 더 포함할 수도 있다. 제2 전압 변환부(129)는 생략 가능하다.
도 6에 도시된 바와 같이, 제2 전압 변환부(129)는 제1 전압 변환부(123)와 동일하게 캐스케이드 벅-부스트 승압형 역률 개선 변환기를 이용하여 구현된 것일 수 있다. 다시 말해서, 제2 전압 변환부(129)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 커패시터(CP11), 제2 벅 스위치(SWK2), 제2 벅 다이오드(DB2), 제2 인덕터(L2) 및 부하, 일례로 코일(127a)을 포함하는 회로로 구현되는 벅 변환기와, 제1 커패시터(CP11), 제2 부스트 스위치(SWT2), 제2 부스트 다이오드(DT2), 제2 인덕터(L2) 및 부하, 일례로 코일(127a)을 포함하는 회로로 구현되는 부스트 변환기를 결합한 것일 수 있다.
일 실시예에 의하면, 제2 전압 변환부(129)는 도 6에 도시된 바와 같이 제1 전압 변환부(123)와 병렬로 연결될 수 있으며, 스위치(SWK1, SWK2, SWT1, SWT2)의 개방 및 폐쇄에 따라서, 송신 신호 처리부(120)는 두 개의 벅 변환기가 병렬로 연결된 회로와 동일하거나 또는 유사하게 동작하거나, 또는 두 개의 부스트 변환기가 병렬로 연결된 회로와 동일하거나 또는 유사하게 동작할 수 있다.
제1 전압 변환부(123)와 동일하게, 제2 전압 변환부(129)는 제2 벅 스위치(SWK2) 및 제2 부스트 스위치(SWT2) 각각의 개방 여부에 따라서, 제1 차량 충전 모드 및 제2 차량 충전 모드 중 어느 하나로 동작할 수 있다. 이에 따라 제2 전압 변환부(129)는 출력 전압(Vin)이 입력 전압(Vgrid)보다 더 작거나 또는 크도록 변환 동작을 수행할 수 있게 된다.
이와 같이 송신 신호 처리부(120)가 제1 전압 변환부(123) 및 제2 전압 변환부(129)를 포함하는 경우, 회로 내에서 진행하는 전류의 리플(ripple)이 감소되는 효과를 얻을 수 있다.
방향 전환부(125)는 자기장 발생부(127)의 코일(127a)에 흐르는 전류의 방향을 전환한다. 방향 전환부(125)는 복수 개의 방향 전환 스위치(SW11 내지 SW14)를 포함하는 브리지 회로를 이용하여 구현될 수 있으며, 복수 개의 방향 전환 스위치(SW11 내지 SW14) 중 제1 방향 전환 스위치(SW1)는 제4 방향 전환 스위치(SW4)와 연동하여 동작하고, 제2 방향 전환 스위치(SW2)는 제3 방향 전환 스위치(SW3)와 연동하여 동작하며, 제1 방향 전환 스위치(SW1) 및 제4 방향 전환 스위치(SW4)가 개방된 경우에는 제2 방향 전환 스위치(SW2) 및 제3 방향 전환 스위치(SW3)는 폐쇄되고, 반대로 제1 방향 전환 스위치(SW1) 및 제4 방향 전환 스위치(SW4)가 폐쇄된 경우에는 제2 방향 전환 스위치(SW2) 및 제3 방향 전환 스위치(SW3)는 개방되도록 동작한다. 제1 방향 전환 스위치(SW1) 및 제4 방향 전환 스위치(SW4)의 개방 및 폐쇄, 또는 제2 방향 전환 스위치(SW2) 및 제3 방향 전환 스위치(SW3)의 개방 및 폐쇄는 소정의 주파수에 따라 반복하여 수행된다. 이들 방향 전환 스위치(SW11 내지 SW14)의 동작에 의해 회로를 흐르는 전류는 코일(127a)의 양 방향으로 번갈아 입력되고, 이에 따라 코일(127a)에는 전류가 소정의 주파수로 방향을 변경하며 흐르게 되므로, 코일(127a)에서는 출력 전압(Vin)에 대응하는 세기의 자기장이 형성된다.
실시예에 따라 방향 전환부(125)와 코일(127a) 사이에는, 도 4 및 도 6에 도시된 바와 같이, 인덕터(LI)나, 적어도 하나의 커패시터(CP12, CP13)가 직렬 및/또는 병렬로 더 설치될 수 있다.
이하 전력 수신부에 대해 도 7 및 도 8을 참조하여 보다 자세히 설명한다.
도 7은 차량 충전 시스템의 전력수신부의 일 실시예에 대한 블록도이고, 도 8은 차량 충전 시스템의 전력수신부의 일 실시예에 대한 회로도이다.
도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 차량(3)에 설치된 전력 수신부(160)는 송신 패드(161)에 설치되는 전류 유도부(171), 전류 유도부(171)에서 유도된 전류(Is)에 대한 각종 처리 동작을 수행하는 수신 신호 처리부(170) 및 수신 신호 처리부(170)에서 출력되는 전류(I0)에 의해 충전되는 배터리(190)를 포함할 수 있다.
전류 유도부(171)는 적어도 하나의 코일(171a)을 포함할 수 있으며, 적어도 하나의 코일(171a)에는 전력 송신부(110)의 자기장 발생부(127)에서 발생된 자기장의 변화에 따라 교류 전류(Is)가 유도된다. 적어도 하나의 코일(171a)에 유도된 전류(Is)는 수신 신호 처리부(170)로 전달된다.
일 실시예에 의하면, 수신 신호 처리부(170)는 유도된 전류(Is)를 정류하기 위한 정류부(173)를 포함할 수 있다. 이 경우, 정류부(173)는, 예를 들어, 복수의 다이오드(D1, D2)와, 복수의 스위치(SW21, SW22)를 포함하는 브리지리스 정류기를 이용하여 구현될 수 있다. 이 경우, 복수의 다이오드(D1, D2) 및 복수의 스위치(SW21, SW22)는 브리지 회로와 유사하게 배치되되, 복수의 다이오드(D1, D2)는 코일(171a)의 출력단에 연결되고, 복수의 스위치(SW21, SW22)는 코일(171a)의 입력단에 연결되도록 배치된다.
복수의 스위치(SW21, SW22)는 상호 교차하여 개방 또는 폐쇄되도록 마련된다. 이 경우, 복수의 스위치(SW21, SW22)는 고정 주파수에 따라서 개방 또는 폐쇄될 수 있다.
복수의 스위치(SW21, SW22) 각각의 개폐 여부에 따라서, 적어도 하나의 코일(171a)에서 유도된 교류 전류(Is)는 제1 다이오드(D1) 또는 제2 다이오드(D2)로 흘러가거나, 또는 회로 내에서 흐르지 않게 될 수 있다.
예를 들어, 제1 스위치(SW21)가 개방되고 제2 스위치(SW22)가 폐쇄된 경우에는, 적어도 하나의 코일(171a)에서 유도된 교류 전류(Is)는 제1 다이오드(D1)를 경유하는 경로를 통해서만 배터리(190)로 전달될 수 있게 되고(I0, Ibatt), 반대로 제1 스위치(SW21)가 폐쇄되고 제2 스위치(SW22)가 개방된 경우에는, 적어도 하나의 코일(171a)에서 유도된 교류 전류(Is)는 제2 다이오드(D2)를 경유하는 경로를 통해서만 배터리(190)로 전달될 수 있게 된다.
적어도 하나의 코일(171a)에서 유도된 교류 전류(Is)의 출력 방향은 시간에 따라 교차 변경되므로, 스위치(SW21, SW22)는 교류 전류(Is)의 출력 방향에 대응하여 개방되거나 또는 폐쇄됨으로써 적어도 하나의 코일(171a)에서 유도된 교류 전류(Is)가 배터리(190)로 전달될 수 있도록 할 수 있다. 또한, 스위치(SW21, SW22)는 필요에 따라 스위치(SW21, SW22)는 교류 전류(Is)의 출력 방향과 반대로 개방 또는 폐쇄됨으로써, 적어도 하나의 코일(171a)에서 유도된 교류 전류(Is)가 배터리(190)로 전달되지 않도록 할 수도 있다.
이와 같은 스위치(SW21, SW22)의 동작은 배터리(190)의 충전 상태에 따라 결정되도록 설계될 수도 있으며, 이와 같이 설계된 경우 배터리(190)의 충전 상태에 따라서 정류부(173)는 정류된 전류를 출력할 수 있다.
정류부(173)에서 출력된 전류(I0)는 배터리(190)로 전달되고, 배터리(190)는 전달된 전류(Ibatt)에 의해 충전될 수 있다. 배터리(190)의 충전 전압은 코일(171a)의 유도 기전력에 대응하는 전압(Vbatt)에 대응한다.
차량(3) 내부의 전력 수신부(160)가 이와 같이 구현되는 경우, 전력 수신부(160)의 구조가 상대적으로 단순해 지며, 이에 따라 전기 에너지를 이용하여 동력을 획득할 수 있는 차량(3)의 배터리 충전 구조가 단순해져, 차량(3)의 설계 및 제작 비용이 절감되는 효과를 얻을 수 있다.
실시예에 따라서, 전력 수신부(160)는 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 배터리(190)와 병렬로 연결된 콘덴서(191)를 더 포함할 수 있다. 콘덴서(191)는 배터리(190)와 병렬로 연결되었으므로 배터리(190)의 충전 전압(Vbatt)와 동일하거나 또는 이에 근사한 전압을 가지게 된다.
일 실시예에 따르면, 차량(3)은 배터리(190) 및 콘덴서(191) 중 적어도 하나의 전압의 크기를 측정하기 위한 전압 측정부(192)를 더 포함할 수 있다. 전압 측정부(192)는 직류 전압 또는 교류 전압을 측정할 수 있는 다양한 수단을 이용하여 구현 가능하다.
전압 측정부(192)는 측정 결과를 전기적 신호의 형태로 출력할 수 있으며, 측정 결과, 즉 전압 측정부(192)에 의해 측정된 배터리(190)의 충전 전압은 차량(3)에 마련된 프로세서(168)로 전달될 수 있다. 프로세서(168)는, 배터리(190)의 충전 전압과 기본 전압을 이용하여 추정 결합 계수를 획득할 수 있다. 또한, 프로세서(168)는 측정 결과가 차량(3)의 통신부(167)를 통하여 제어 장치(20)로 전달되도록 제어할 수도 있다.
실시예에 따라서, 측정 결과는 차량(3)의 통신부(167)와 제어 장치(30)의 통신부(30)를 통하여 제어 장치(20)의 프로세서(21)로 직접 전달될 수도 있으며, 제어 장치(20)의 프로세서(21)는 측정 결과를 기초로 추정 결합 계수를 획득할 수 있다.
이하 도 9를 참조하여 차량 충전 방법의 일 실시예에 대해 설명한다.
도 9는 차량 충전 방법의 일 실시예에 대한 흐름도이다.
도 9에 도시된 차량 충전 방법의 일 실시예에 따르면, 먼저 차량(3)이 차량(3)의 무선 충전이 가능한 일 구역(5)으로 이동한 후, 일 구역(5) 내에서 정차 또는 주차한다(200).
무게 센서나 적외선 센서 등과 같이 차량(3)의 정자 또는 주차 여부를 감지할 수 있는 감지 수단을 이용하여, 차량(3)이 정차 또는 주차하였는지 여부가 판단되고, 판단 결과 차량(3)이 정차 또는 주차하였다고 판단되면, 제어 장치(20)의 프로세서(21) 및/또는 차량(3)의 프로세서(168)에서 생성된 제어 신호, 일례로 구동 개시 명령에 대응하는 전기적 신호에 따라서 차량 충전 시스템(100)이 구동을 개시하게 된다(201).
제어 장치(20)의 프로세서(21) 및/또는 차량(3)의 프로세서(168)는 기본 전압을 설정하고, 설정된 기본 전압에 따라서 송신 신호 처리부(120)의 각각의 스위치(SWK1, SWK2, SWT1, SWT2)가 개방되거나 또는 폐쇄됨으로써 송신 신호 처리부(120)의 차량 충전 모드가 결정된다(202). 여기서 송신 신호 처리부(120)는 적어도 하나의 전압 변환부(123)를 포함할 수 있으며, 전압 변환부(123)는 일 실시예에 있어서, 캐스케이드 벅-부스트 승압형 역률 개선 변환기를 포함할 수 있다. 캐스케이드 벅-부스트 승압형 역률 개선 변환기는, 스위치(SWK1, SWK2, SWT1, SWT2)의 개방 여부에 따라서 출력 전압이 입력 전압보다 크도록 하거나 또는 출력 전압이 입력 전압보다 낮도록 할 수 있다.
설정된 차량 충전 모드, 일례로 제1 차량 충전 모드 또는 제2 차량 충전 모드에 대응하는 송신 신호 처리부(120)의 출력 전압에 따라서 자기장 발생부(127)에서는 소정 세기의 자기장이 발생하고, 발생된 자기장에 따라서 전력 수신부(160)의 전류 유도부(171)에서는 전류가 유도되고, 배터리(190)는 유도된 전류에 의해 충전된다. 배터리(190)가 충전되는 동안, 차량(3)의 전압 측정부(192)는 배터리(190)의 충전 전압을 측정할 수 있다(203).
제어 장치(20)의 프로세서(21) 및/또는 차량(3)의 프로세서(168)는, 측정된 배터리(190)의 충전 전압과 기본 전압을 이용하여 추정 결합 계수를 연산하고, 미리 설정된 기대 결합 계수와의 비교를 통하여 차량(3)의 위치를 결정할 수 있으며, 결정된 차량(3)의 위치에 따라 적절하게 충전이 가능하도록 전력 송신부(110)의 목표 전압을 결정할 수 있다.
목표 전압이 결정되면, 제어 장치(20)의 프로세서(21) 및/또는 차량(3)의 프로세서(168)는 목표 전압에 대응하는 차량 충전 모드를 결정하고, 결정된 차량 충전 모드에 따라 송신 신호 처리부(120)의 각각의 스위치(SWK1, SWK2, SWT1, SWT2)가 개방되거나 또는 폐쇄되도록 제어함으로써, 자기장 발생부(127)에서 발생되는 자기장의 세기가 변경되도록 한다(204).
변경된 자기장의 세기에 따라 전력 수신부(160)에는 대응하는 전류가 유도되고, 유도된 전류에 의해 배터리(190)는 충전될 수 있다(205).
제어 장치(20)의 프로세서(21) 및/또는 차량(3)의 프로세서(168)는 배터리(190) 충전의 완료 여부를 판단하고(206), 만약 배터리(190)의 충전이 완료되면(206의 예), 차량(3)의 충전이 중단되도록 차량 충전 장치(10)를 제어한다(207).
상술한 실시예에 따른 차량 충전 방법은, 다양한 컴퓨터 장치에 의해 구동될 수 있는 프로그램의 형태로 구현될 수 있다. 여기서 프로그램은, 프로그램 명령, 데이터 파일 및 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 프로그램은 기계어 코드나 고급 언어 코드를 이용하여 설계 및 제작된 것일 수 있다. 프로그램은 상술한 차량 충전 방법을 구현하기 위하여 특별히 설계된 것일 수도 있고, 컴퓨터 소프트웨어 분야에서 통상의 기술자에게 기 공지되어 사용 가능한 각종 함수나 정의를 이용하여 구현된 것일 수도 있다.
차량 충전 방법을 구현하기 위한 프로그램은, 컴퓨터에 의해 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터에 의해 판독 가능한 기록 매체는, 예를 들어, 하드 디스크나 플로피 디스크와 같은 자기 디스크 저장 매체, 자기 테이프, 컴팩트 디스크(CD)나 디브이디(DVD)와 같은 광 기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 기록 매체(magneto-optical media) 및 롬(ROM), 램(RAM) 또는 플래시 메모리 등과 같은 반도체 저장 장치 등 컴퓨터 등의 호출에 따라 실행되는 특정 프로그램을 저장 가능한 다양한 종류의 하드웨어 장치를 포함할 수 있다.
이상 차량, 차량 충전 장치, 차량 충전 시스템 및 차량 충전 방법의 여러 실시예에 대해 설명하였으나, 차량, 차량 충전 장치, 차량 충전 시스템 및 차량 충전 방법은 오직 상술한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 상술한 실시예를 기초로 수정 및 변형하여 구현 가능한 다양한 실시예 역시 상술한 차량, 차량 충전 장치, 차량 충전 시스템 및 차량 충전 방법의 일례가 될 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성 요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나 다른 구성 요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 상술한 차량, 차량 충전 장치, 차량 충전 시스템 및 차량 충전 방법과 동일하거나 유사한 결과를 획득할 수 있다.
3: 차량 9: 전원
10: 차량 충전 장치 20: 제어 장치
21: 프로세서 23: 사용자 인터페이스
30: 통신부 100: 차량 충전 시스템
110: 전력 송신부 111: 송신 패드
120: 송신 신호 처리부 121: 입력부
123: 전압 변환부 125: 방향 전환부
127: 자기장 발생부 129: 제2 전압 변환부
160: 전력 수신부 161: 수신 패드
167: 통신부 168: 프로세서
169: 사용자 인터페이스 170: 수신 신호 처리부
171: 전류 유도부 173: 정류부
190: 배터리 191: 콘덴서
192: 전압 측정부

Claims (24)

  1. 복수의 스위치에 의해 차량 충전 모드가 변경되는 적어도 하나의 전압 변환부와, 상기 전압 변환부에 의해 변환된 전압에 대응하는 자기장을 발생시키는 자기장 발생부를 포함하는 전력송신부; 및
    상기 자기장 발생부에서 발생된 자기장에 의해 전기적 신호가 유도되는 전류 유도부와, 유도된 상기 전기적 신호를 정류하는 정류부와, 상기 정류부에 의해 정류된 전기적 신호에 의해 충전되는 배터리를 포함하는 전력수신부;를 포함하는 차량 충전 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 전압 변환부는, 상기 복수의 스위치 중 제1 스위치는 개방되고, 제2 스위치가 폐쇄되는 경우에는 출력 전압이 입력 전압보다 낮도록 설정된 제1 차량 충전 모드로 동작하는 차량 충전 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 전압 변환부는, 상기 복수의 스위치가 모두 폐쇄된 경우에는 출력 전압이 입력 전압보다 높도록 설정된 제2 차량 충전 모드로 동작하는 차량 충전 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 전압 변환부는, 캐스케이드 벅-부스트 승압형 역률 개선 변환기(Cascade Buck-Boost Power Factor Correction Converter)를 포함하는 차량 충전 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 차량 충전 모드는, 상기 배터리에 인가되는 전압을 기초로 결정되는 차량 충전 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 차량 충전 모드는, 상기 배터리에 인가되는 전압을 기초로 결정된 상기 전력 송신부 및 상기 전력 수신부 사이의 상대적 위치에 따라서 결정되는 차량 충전 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 전력송신부는 미리 정의된 전압에 대응하는 자기장을 발생시키고, 상기 정류부는 고정된 주파수로 정류된 전기적 신호를 출력하는 차량 충전 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 차량 충전 모드는, 상기 미리 정의된 전압 및 상기 배터리에 충전되는 전압을 기초로 추정된 추정 결합 계수와 미리 설정된 기대 결합 계수 사이의 차이를 기초로 결정되는 차량 충전 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 전력 송신부는, 상호 병렬적으로 연결된 복수의 전압 변환부를 포함하는 차량 충전 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 정류부는, 상기 배터리의 충전 상태에 따라 정류된 전기적 신호를 출력하는 차량 충전 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 정류부는, 브리지리스 정류기(bridgeless rectifier)를 포함하는 차량 충전 시스템.
  12. 차량 충전 장치로부터 발생된 자기장에 의해 전기적 신호가 유도되는 전류 유도부;
    유도된 상기 전기적 신호를 정류하되, 브리지리스 정류기를 포함하는 정류부; 및
    상기 정류부에 의해 정류된 전기적 신호에 의해 충전되는 배터리;를 포함하는 차량.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 배터리에 충전되는 전압을 측정하는 전압 측정부; 및
    상기 차량 충전 장치와 통신 가능하게 마련되고, 상기 전압 측정부에서 측정된 전기적 신호의 전압을 상기 차량 충전 장치로 전송하는 통신부; 중 적어도 하나를 더 포함하는 차량.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 차량 충전 장치로부터 수신되고 상기 자기장에 대응하는 기본 전압과 상기 전압 측정부에 의해 측정된 전압을 기초로 추정 결합 계수를 연산하는 프로세서;를 더 포함하는 차량.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 프로세서는 추정 결합 계수와 미리 설정된 기대 결합 계수를 기초로 상기 차량 충전 장치의 목표 전압을 결정하고, 상기 목표 전압에 대한 정보를 상기 차량 충전 장치로 전송하도록 제어하는 차량.
  16. 전기적 신호가 전달되는 입력부;
    복수의 스위치에 의해 변경되는 차량 충전 모드를 기초로 상기 전기적 신호의 전압을 변경하는 제1 전압 변환부; 및
    상기 전압 변환부에 의해 변환된 전압에 대응하는 자기장을 발생시키는 자기장 발생부;를 포함하는 차량 충전 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제1 전압 변환부는, 캐스케이드 벅-부스트 승압형 역률 개선 변환기를 포함하는 차량 충전 장치.
  18. 제16항에 있어서,
    차량으로부터 상기 차량의 배터리에 인가되는 전압에 대한 정보를 전달 받는 통신부; 및
    상기 전압에 대한 정보를 기초로 상기 차량 충전 모드를 결정하는 프로세서; 중 적어도 하나를 더 포함하는 차량 충전 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 프로세서는, 상기 배터리에 인가되는 전압과 상기 제1 전압 변환부에 의해 변환된 전압을 이용하여 추정 결합 계수를 연산하고, 상기 추정 결합 계수와 상기 미리 설정된 기대 결합 계수의 차이를 기초로 상기 차량 충전 모드를 결정하는 차량 충전 장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 프로세서는, 상기 차량 충전 모드에 따라 상기 복수의 스위치 각각의 개폐 여부를 결정하는 차량 충전 장치.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 복수의 스위치는 벅 스위치 및 부스트 스위치를 포함하고,
    상기 프로세서는, 상기 추정 결합 계수와 상기 기대 결합 계수의 차이에 따라서 강압이 필요하다고 판단된 경우에는 상기 복수의 스위치 중 벅 스위치를 개방하고, 부스트 스위치를 폐쇄할 것을 결정하는 차량 충전 장치.
  22. 제20항에 있어서,
    상기 복수의 스위치는 벅 스위치 및 부스트 스위치를 포함하고,
    상기 프로세서는, 상기 추정 결합 계수와 상기 기대 결합 계수의 차이에 따라서 승압이 필요하다고 판단된 경우에는 상기 복수의 스위치 중 벅 스위치 및 부스트 스위치를 폐쇄할 것을 결정하는 차량 충전 장치.
  23. 제16항에 있어서,
    상기 전압 변환부와 병렬로 연결되고, 복수의 스위치에 의해 변경되는 차량 충전 모드를 기초로 상기 전기적 신호의 전압을 변경하는 제2 전압 변환부;를 더 포함하는 차량 충전 장치.
  24. 기본 전압을 설정하는 단계;
    차량 충전 장치가 상기 기본 전압에 대응하는 자기장을 발생시키는 단계;
    차량의 전력수신부에 상기 자기장에 의해 전기적 신호가 유도되는 단계;
    상기 기본 전압과 상기 자기장에 의해 유도된 전기적 신호의 전압을 기초로 추정 결합 계수가 연산되는 단계;
    추정 결합 계수 및 미리 설정된 기대 결합 계수를 기초로 상기 차량 충전 장치의 목표 전압이 결정되는 단계;
    상기 차량 충전 장치가 상기 목표 전압에 대응하는 자기장을 발생시키는 단계;
    상기 차량의 전력수신부에 상기 목표 전압에 대응하는 자기장에 의해 전기적 신호가 유도되는 단계; 및
    상기 전기적 신호에 의해 상기 차량의 배터리가 충전되는 단계;를 포함하는 차량의 충전 방법.
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