KR20180073425A - 조절 가능한 플럭스 각도를 갖는 전기 자동차를 위한 무선 충전 시스템 - Google Patents

조절 가능한 플럭스 각도를 갖는 전기 자동차를 위한 무선 충전 시스템 Download PDF

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Abstract

방법은 무선 충전 가능한 자동차에 설치된 2차 코일을 통해 상기 자동차를 무선으로 충전하도록 동작 가능한 무선 충전 시스템의 1차 코일 위를 지나가는 상기 이동하는 자동차의 위치를 검출하는 단계; 상기 자동차의 검출된 위치에 대한 상기 1차 코일의 위치가 주어지면, 상기 자동차를 최적으로 무선 충전하기 위해 제 1 각도의 자속을 생성하는 방식으로 상부 코일 및 바닥 코일 중 하나 또는 둘 모두를 통해 전류가 흐르도록 복수의 교차 코일 접합 유닛들을 제어하는 단계; 및 자동차가 1차 코일을 지나갈 때 자동차의 업데이트된 위치에 대한 1차 코일의 위치가 주어지면, 자동차를 최적으로 무선 충전하기 위해 제 2 각도의 자속을 생성하는 방식으로 상부 코일 및 바닥 코일 중 하나 또는 둘 모두를 통한 전류의 흐름을 변경하도록 복수의 교차 코일 접합 유닛들을 제어하는 단계를 포함한다.

Description

조절 가능한 플럭스 각도를 갖는 전기 자동차를 위한 무선 충전 시스템{WIRELESS CHARGING SYSTEM FOR ELECTRIC VEHICLE WITH ADJUSTABLE FLUX ANGLE}
본 개시 내용은 일반적으로 무선으로 충전되는 전기 또는 하이브리드 전기 자동차들에 관한 것이고, 보다 상세하게는 조절 가능한 플럭스 각도를 갖는 전기 자동차를 위한 무선 충전 시스템에 관한 것이다.
최근, 전기 자동차(EV)들 및 하이브리드 전기 자동차(HEV)들에 관련된 기술이 급속히 발전하고 있다. EV들 및 HEV들은 적어도 부분적으로 전기로 작동되고, 이러한 자동차들은 종종 자동차 외부 소스들로부터 전기를 수집 및 저장, 즉 충전된다. 따라서, EV들 및 HEV들을 충전하는 다양한 방법들이 개발되어 왔다. 특히, 무선 충전 또는 유도 충전을 위한 기술들은 상당한 연구 대상이 되어 왔다.
무선 충전은, 유선 충전과 달리, 충전 컴포넌트들의 접촉 및 노출을 제한함으로써 충전 컴포넌트들의 내구성 및 수명을 개선하고, 잠재적으로 위험한 전선들 및 접속 인터페이스들을 은폐함으로써 안전성을 증가시키고, 충전 스테이션들을 다양한 방식으로(예를 들어, 주차장 또는 도로 등에 매립된 휴대용 충전 패드와 같이) 구현하도록 허용함으로써 다양성을 향상시킨다. 이러한 목적으로, 무선 충전은 충전 스테이션(예를 들어, 무선 충전 조립체)과 전기 디바이스, 예를 들어, 스마트 폰, 랩탑(laptop) 또는 본 경우에서와 같은 전기 자동차 사이에서 에너지를 전달하기 위해 전자기장에 의존한다. 에너지는 무선 충전 조립체와 상기 디바이스 사이에 형성된 유도 커플링을 통해 전송된다. 통상적으로, 무선 충전 조립체의 유도 코일(즉, 1차 코일)은 종종 전력 그리드로부터 제공되는 전기를 사용하여 교류 전자기장을 생성한다. 코일 설계의 파라미터들은 반경, 형상, 권선수 및 권선들 사이의 간격을 포함하고, 이들은 특정 애플리케이션을 위해 설계된다. 전기 디바이스의 유도 코일(즉, 2차 코일)은 생성된 전자기장으로부터 전력을 수신하고, 이를 다시 전류로 변환하여 자신의 배터리를 충전할 수 있다. 결과적으로, 1차 및 2차 유도 코일들은 결합되어 전기 변압기를 형성하고, 이에 의해 에너지가 전자기 유도를 통해 2개의 코일들 사이에서 전달될 수 있다.
특히, 1차 코일과 2차 코일 사이의 효율적인 무선 전력 전달은 2 개의 코일들 사이의 적절한 정렬에 의존한다. 1차 코일이 2차 코일로부터 측방향으로 오프셋되는 경우 오정렬이 발생하여 전력 전달 효율의 손실을 초래하는데, 이는 2차 코일 상에 입사 자속이 최적의 각도가 아니기 때문이다. 예시를 위해, 도 1은 종래에 무선 전력 전달에 사용되는 예시적인 1차 코일을 도시한다. 1차 코일(100)은 다수의 권선들을 포함하고, 이를 통해 전류가 흐르도록 허용한다. 코일(100)을 통해 흐르는 전류는 자속(110)을 갖는 전자기장을 생성한다. 1차 코일(100)과 같은 기본적인 1차 코일 구성은 도 1에 도시된 바와 같이 직선 상향인 자속 방향을 초래한다.
그러나, 결과적인 자속(110)의 각도는, 2차 코일이 1차 코일(100) 바로 위에 위치되지 않으면 최적의 전력 전달을 허용하지 않을 것이다. 예를 들어, 지면 위에 위치된 충전 패드 또는 지면에 매립된 충전 시스템을 사용하여 전기 자동차를 무선으로 충전하는 경우, 자동차가 충전기 위에 적절히 주차되지 않으면, 자동차에 설치된 2차 코일은 에너지를 전달하는 1차 코일과 오정렬될 것이다. 따라서, 전기 자동차 충전 프로세스는 덜 효율적일 것이다. 약간의 오정렬은 충전 효율을 감소시켜, 무선 충전이 정상보다 더 오래 소요되게 하는 한편, 더 큰 오정렬은 무선 충전을 완전히 방해할 수 있다.
본 발명의 실시예는 자동차에 설치된 유도 코일(즉, 2차 코일)이 전력 송신기 코일(즉, 1차 코일)과 직접 정렬되지 않은 경우 무선 전력 전달 효율의 저하를 감소시키는 방식으로, 이동하는 자동차, 예를 들어, 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차 등을 무선으로 충전하기 위한 기술들을 제공한다. 이것은, 자동차가 매립된 코일들 위를 지나갈 때 이동하는 자동차를 충전하도록 설계된 도로에 매립된 다수의 전력 송신 코일들을 포함하는 동적 무선 충전 시스템(또는 동적 충전 시스템)에서 특히 유용하다. 본 명세서에서 설명되는 바와 같이, 전력 송신 코일은 적어도 2 개의 평행한 코일들을 포함하고, 각각의 코일은 그들 사이에 교차 코일 접합 유닛들이 있으며 거리 z만큼 분리된다. 교차 코일 접합 유닛들은 평행한 코일들을 서로 결합시키고, 전류를 코일들의 특정 부분을 통해 안내하고 상이한 전류 흐름 구성들을 효과적으로 생성하도록 (예를 들어, 충전 컨트롤러에 의해) 제어될 수 있다. 따라서, 유도 코일에 대한 전력 송신 코일의 위치가 주어지면, 무선 충전 효율을 최대화하는 자속 각도를 생성하기 위한 최적의 전류 흐름 구성이 선택될 수 있다. 이러한 기술들은 코일들이 오정렬된 경우 더 양호한 전력 전달 효율을 생성하고, 결과적으로 자동차들은 주어진 전력 송신 코일로부터 더 먼 거리에 걸쳐 충전될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 방법은 자동차에 설치된 2차 코일을 통해 자동차를 무선으로 충전하도록 동작 가능한 무선 충전 시스템의 1차 코일 위를 지나가는 이동하는 무선 충전 가능한 자동차의 위치를 검출하는 단계, 여기서 1차 코일은 서로 실질적으로 평행한 상부 코일 및 바닥 코일을 포함하고, 상부 코일 및 바닥 코일은 상부 코일 및 바닥 코일 중 하나로부터 상부 코일 및 바닥 코일의 다른 하나로 전류가 전달되도록 허용하는 복수의 교차 코일 접합 유닛들을 통해 서로 커플링되고; 자동차의 검출된 위치에 대한 1차 코일의 위치가 주어지면, 자동차를 최적으로 무선으로 충전하기 위해 제1 각도의 자속을 생성하는 방식으로 상부 코일 및 바닥 코일 중 하나 또는 둘 모두를 통해 전류가 흐르도록 복수의 교차 코일 접합 유닛들을 제어하는 단계; 및 스위칭 시간이 발생한 경우, 자동차가 1차 코일을 지나갈 때 자동차의 업데이트된 위치에 대한 1차 코일의 위치가 주어지면, 자동차를 최적으로 무선으로 충전하기 위해 제2 각도의 자속을 생성하는 방식으로 상부 코일 및 바닥 코일 중 하나 또는 둘 모두를 통한 전류의 흐름을 변경하도록 복수의 교차 코일 접합 유닛들을 제어하는 단계;를 포함한다. 자속의 제1 각도는 자속의 제2 각도와는 상이하다.
스위칭 시간은, 1차 코일에 의해 생성된 자속의 각도를 변경시킴으로써 1차 코일과 2차 코일 사이의 무선 전력 전달 효율이 개선되는 시간일 수 있다. 이와 관련하여, 방법은 자동차의 속력 및 자동차의 검출된 위치에 따라 스위칭 시간을 계산하는 단계를 더 포함할 수 있다. 또한, 방법은 자동차의 속력에 따라 스위칭 간격을 계산하는 단계를 더 포함할 수 있고, 이에 의해 무선 충전의 활성화 이후 스위칭 간격이 경과되면 스위칭 시간이 발생한다.
자동차가 1차 코일을 지나갈 때, 2차 코일이 제1 위치에 있는 경우 제1 각도의 자속이 생성될 수 있고, 2차 코일이 자동차의 이동 방향에서 제1 위치보다 전방에 있는 제2 위치에 있는 경우 제2 각도의 자속이 생성될 수 있다.
다른 스위칭 시간이 발생하는 경우, 방법은 자동차가 1차 코일을 지나갈 때 자동차의 다른 업데이트된 위치에 대한 1차 코일의 위치가 주어지면, 자동차를 최적으로 무선으로 충전하기 위해 제3 각도의 자속을 생성하는 방식으로 상부 코일 및 바닥 코일 중 하나 또는 둘 모두를 통한 전류의 흐름을 변경하도록 복수의 교차 코일 접합 유닛들을 제어하는 단계를 더 포함할 수 있고, 이에 의해 자속의 제3 각도는 자속의 제1 및 제2 각도들과는 상이하다. 이와 관련하여, 방법은 자동차의 속력에 따라 스위칭 간격을 계산하는 단계를 더 포함할 수 있고, 이에 의해 스위칭 시간의 발생 이후 스위칭 간격이 경과되면 다른 스위칭 시간이 발생한다. 자동차가 1차 코일을 지나갈 때, 2차 코일이 제1 위치에 있는 경우 제1 각도의 자속이 생성될 수 있고, 2차 코일이 자동차의 이동 방향에서 제1 위치보다 전방에 있는 제2 위치에 있는 경우 제2 각도의 자속이 생성될 수 있고, 2차 코일이 자동차의 이동 방향에서 제1 및 제2 위치들보다 전방에 있는 제3 위치에 있는 경우 제3 각도의 자속이 생성될 수 있다. 또한, 자동차가 1차 코일을 지나갈 때, 2차 코일이 1차 코일의 제1 측에 위치되는 경우 제1 각도의 자속이 생성될 수 있고, 2차 코일이 1차 코일의 바로 위에 위치되는 경우 제2 각도의 자속이 생성될 수 있고, 2차 코일이 제1 측에 대향하는 1차 코일의 제2 측에 위치되는 경우 제3 각도의 자속이 생성될 수 있다.
자동차의 위치를 검출하는 단계는 자동차로부터 GPS 정보를 수신하는 단계; 및 수신된 GPS 정보에 기초하여 자동차의 위치를 추정하는 단계;를 포함할 수 있다.
일부 경우들에서, 1차 코일은 무선 충전 시스템에서 순차적으로 배열된 복수의 1차 코일 중 하나일 수 있다. 이와 관련하여, 상기 방법은 복수의 1차 코일들 중 제1의 1차 코일을 모니터링하는 단계; 자동차가 제1의 1차 코일을 지나갈 때 자동차의 위치를 검출하는 단계; 및 자동차가 제1의 1차 코일을 지나갈 때 검출된 자동차의 위치에 기초하여 제1의 1차 코일에 후속하여 복수의 1차 코일들 중 제2의 1차 코일을 활성화시키는 단계;를 더 포함할 수 있다. 자동차가 제1의 1차 코일을 지나갈 때 자동차의 위치를 검출하는 단계는, 제1의 1차 코일의 저전력 모드를 활성화시키는 단계; 제1의 1차 코일의 전압 또는 전류의 레벨을 모니터링하는 단계; 및 자동차가 제1의 1차 코일을 지나갈 때 1차 코일의 전압 또는 전류의 레벨의 변화가 식별되는 경우 자동차가 제1의 1차 코일 바로 위에 위치된 것으로 결정하는 단계;를 포함할 수 있다. 또한, 방법은 자동차가 제1의 1차 코일을 지나갈 때 검출된 자동차의 위치에 따라 자동차가 제2의 1차 코일에 도달할 시간을 추정하는 단계; 및 자동차가 추정된 시간에 있을 때 제2의 1차 코일을 활성화시키는 단계;를 더 포함할 수 있다.
2차 코일이 1차 코일과 오정렬되도록 자동차가 위치되는 경우, 자동차를 최적으로 무선으로 충전하기 위한 자속의 제1 또는 제2 각도는 1차 코일로부터 상향 연장되는 수직축으로부터 오프셋된 각도일 수 있다.
또한, 각각의 교차 코일 접합 유닛의 일 단부는 상부 코일에 접속될 수 있고, 각각의 교차 코일 접합 유닛의 다른 단부는 바닥 코일에 접속될 수 있다. 또한, 복수의 교차 코일 접합 유닛들은 상부 코일 및 바닥 코일의 직경을 가로지르는 하나의 라인을 따라 배치될 수 있거나, 또는 복수의 교차 코일 접합 유닛들은 상부 코일 및 바닥 코일의 직경을 가로지르는 다수의 라인들을 따라 배치될 수 있다. 복수의 교차 코일 접합 유닛들이 상부 코일 및 바닥 코일의 직경을 가로지르는 다수의 라인들을 따라 배치되는 경우, 교차 코일 접합 유닛들의 각각의 라인은 임의의 적절한 양, 예를 들어, 45도만큼 교차 코일 접합 유닛들의 인접 라인으로부터 각을 이루어 오프셋될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 무선 충전 시스템은: 1차 코일 위를 지나가는 이동하는 무선 충전 가능한 자동차를 무선으로 충전하도록 동작 가능한 1차 코일을 포함한다. 1차 코일은 자동차에 설치된 2차 코일을 통해 자동차를 충전하고, 1차 코일은 서로 실질적으로 평행한 상부 코일 및 바닥 코일을 포함하고, 상부 코일 및 바닥 코일은 상부 코일 및 바닥 코일 중 하나로부터 상부 코일 및 바닥 코일의 다른 하나로 전류가 전달되도록 허용하는 복수의 교차 코일 접합 유닛들을 통해 서로 커플링된다. 무선 충전 시스템은 또한 무선 충전 컨트롤러를 포함하고, 무선 충전 컨트롤러는 1차 코일 위를 지나가는 자동차의 위치를 검출하고, 자동차의 검출된 위치에 대한 1차 코일의 위치가 주어지면, 자동차를 최적으로 무선으로 충전하기 위해 제1 각도의 자속을 생성하는 방식으로 상부 코일 및 바닥 코일 중 하나 또는 둘 모두를 통해 전류가 흐르도록 복수의 교차 코일 접합 유닛들을 제어하고, 스위칭 시간이 발생한 경우 자동차가 1차 코일을 지나갈 때 자동차의 업데이트된 위치에 대한 1차 코일의 위치가 주어지면, 자동차를 최적으로 무선으로 충전하기 위해 제2 각도의 자속을 생성하는 방식으로 상부 코일 및 바닥 코일 중 하나 또는 둘 모두를 통한 전류의 흐름을 변경하도록 복수의 교차 코일 접합 유닛들을 제어하도록 구성된다. 자속의 제1 각도는 자속의 제2 각도와는 상이하다.
본 발명의 실시예는 자동차에 설치된 유도 코일(즉, 2차 코일)이 전력 송신기 코일(즉, 1차 코일)과 직접 정렬되지 않은 경우 무선 전력 전달 효율의 저하를 감소시키는 방식으로, 이동하는 자동차를 무선으로 충전하기 위한 기술들을 제공한다. 이것은, 자동차가 매립된 코일들 위를 지나갈 때 이동하는 자동차를 충전하도록 설계된 도로에 매립된 다수의 전력 송신 코일들을 포함하는 동적 무선 충전 시스템(또는 동적 충전 시스템)에서 특히 유용하다.
본 명세서의 실시예들은 첨부된 도면들과 함께 하기 설명을 참조함으로써 더 양호하게 이해될 수 있고, 첨부된 도면들에서 유사한 부호들은 동일하거나 기능적으로 유사한 요소들을 표시한다.
도 1은 종래에 무선 전력 전달에 사용되는 예시적인 1차 코일을 도시한다.
도 2는 무선 충전 시스템에 근접한 충전 위치에서 무선 충전 가능한 자동차의 예시적인 도면을 도시한다.
도 3은 동적 무선 충전 시스템을 지나가는 무선 충전 가능한 자동차의 예시적인 도면을 도시한다.
도 4는 무선 충전 가능한 자동차가 동적 무선 충전 시스템을 지나갈 때 무선 전력 전달 효율에서의 변화의 예시적인 도면을 도시한다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 예시적인 전력 송신기 코일 조립체를 도시한다.
도 6a 및 도 6b는 1차 코일 및 교차 코일 접합 유닛들의 단순화된 추가적인 도면들의 예들을 도시한다.
도 7a 내지 도 7c는 전력 송신 코일을 통해 흐르는 전류 및 결과적이 자속의 단순화된 측면도들의 예들을 도시한다.
도 8은 본 발명의 실시예들에 따라 상부 및 바닥 코일들의 섹션들을 통해 흐르는 전류를 갖는 예시적인 1차 코일을 도시한다.
도 9는 가변 자속 각도들을 달성하기 위한 복수의 예시적인 전류 흐름 구성들을 도시한다.
도 10은 1차 및 2차 코일들의 오정렬 중 예시적인 최적의 자속 각도를 도시한다.
도 11은 교차 코일 접합 유닛들의 대안적인 배열을 구현하는 1차 코일의 단순화된 평면도의 예들을 도시한다.
도 12a 내지 도 12i는 2차 코일과 오정렬의 정도가 변화할 때, 다수의 행들의 교차 코일 접합 유닛들을 갖는 1차 코일의 단순화된 평면도의 예들을 도시한다.
도 13은 종래의 코일과 비교하여, 여기에서 설명된 바와 같이 조절 가능한 플럭스 각도를 갖는 전력 송신 코일에 의한 무선 전력 전달 효율의 예시적인 도면을 도시한다.
도 14a는 단일 1차 코일의 관점에서 예시적인 단순화된 충전 프로세스를 예시한다.
도 14b는 1차 코일이 자속의 방향을 스위칭하도록 제어되는 경우 스위칭 시간들의 대응하는 예시적인 도식적 표현을 예시한다.
도 15는 일련의 1차 코일들을 포함하는 동적 충전 시스템에서 예시적인 단순화된 충전 프로세스를 예시한다.
도 16은 조절 가능한 플럭스 각도를 갖는 코일 및 종래의 코일에 의해 나타난 무선 전력 전달 효율의 예시적인 비교를 예시한다.
앞서 참조된 도면들은 반드시 축척에 맞을 필요는 없고, 본 발명의 기본 원리들을 예시하는 다양한 선호되는 특징들의 다소 단순화된 표현을 제시하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, 특정 치수들, 배향들, 위치들 및 형상들을 포함하는 본 발명의 특정 설계 특징들은 부분적으로는 특정하게 의도된 애플리케이션 및 사용 환경에 의해 결정될 것이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들이 상세히 설명될 것이다. 당업자들이 인식할 바와 같이, 설명되는 실시예들은 모두 본 발명의 사상 또는 범위를 벗어남이 없이 다양한 상이한 방식으로 수정될 수 있다. 추가로, 명세서 전반에 걸쳐, 유사한 참조 부호들은 유사한 요소들을 지칭한다.
여기에서 사용되는 용어는 오직 특정 실시예들을 설명하기 위한 목적이고, 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 여기에서 사용되는 바와 같이, 단수형 표현들은, 문맥상 명시적으로 달리 표시하지 않으면, 복수형 형태들을 또한 포함하는 것으로 의도된다. 본 명세서에서 사용되는 경우, "포함하다" 및/또는 "포함하는"과 같은 용어는 언급된 특징들, 정수들, 단계들, 오퍼레이션들, 요소들 및/또는 컴포넌트들의 존재를 특정하지만, 다른 특징들, 정수들, 단계들, 오퍼레이션들, 요소들, 컴포넌트들 및/또는 이들의 그룹들 중 하나 이상의 존재 또는 추가를 배제하지는 않음을 이해해야 할 것이다. 여기에서 사용되는 바와 같이, "및/또는"이라는 용어는 연관되어 나열된 항목들 중 하나 이상의 임의의 및 모든 결합들을 포함한다.
여기에서 사용되는 바와 같은 용어 "자동차" 또는 "자동차의" 또는 다른 유사한 용어는, 일반적으로 자동차들, 예를 들어, SUV(sports utility vehicles)를 포함하는 승용차들, 버스들, 트럭들, 다양한 상업용 자동차들, 다양한 보트들 및 배를 포함하는 선박, 항공기 등을 포함하며, 하이브리드 자동차들, 전기 자동차들, 하이브리드 전기 자동차들, 수소 전력 자동차들 및 다른 대안적인 연료(예를 들어, 석유 이외의 자원들로부터 유도되는 연료)의 자동차들을 포함하는 것으로 이해된다. 여기에서 지칭되는 바와 같이, 무선 충전 가능한 자동차는 전기 자동차(EV), 하이브리드 전기 자동차(HEV) 등과 같이 무선으로 충전되도록 동작 가능한 임의의 자동차를 포함한다. EV는 자신의 운행 능력들의 일부로서 충전 가능한 에너지 저장 장치(예를 들어, 하나 이상의 재충전 가능한 전기 화학적 셀들 또는 다른 타입의 배터리)로부터 유도되는 전력을 포함하는 자동차이다. EV는 자동차로 제한되지 않으며, 모터사이클들, 카트들, 스쿠터들 등을 포함할 수 있다. 또한, HEV는, 둘 이상의 동력원들, 예를 들어 가솔린 기반 전력 및 전기 기반 전력 둘 모두를 갖는 자동차이다.
무선 충전, 무선 전송 전력 등은 물리적 전기 전도체들을 사용하지 않고 전기장, 자기장, 전자기장 또는 다른 방식과 연관된 임의의 형태의 에너지를 송신기로부터 수신기로 전달하는 것을 지칭할 수 있다(예를 들어, 전력은 자유 공간을 통해 전달될 수 있다). 전력 전달을 달성하기 위해 제1 코일(예를 들어, "1차 코일")로부터 무선 필드(예를 들어, 자기장)로 출력된 전력은 제2 코일(예를 들어, "2차 코일"또는 "수신 코일")에 의해 수신 또는 캡처될 수 있다.
예를 들어, 도 2는 무선 충전 시스템에 근접한 충전 위치에 있는 무선 충전 가능한 자동차의 예시적인 도면을 예시한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 자동차(210)는 무선으로 충전될 수 있는 EV, HEV 등일 수 있다. 유도 코일(즉, 2차 코일)은 무선 충전 시스템의 유도 코일로부터 (코일들 사이의 유도 커플링을 통해 생성된 전자기장을 통해) 무선으로 송신된 에너지를 수신하기 위해 자동차(210)에 설치될 수 있다. 2차 코일은 통상적으로 임피던스 정합 회로, 정류기 및 부하에 접속된다. 자동차(210)는 충전 시스템(200)으로부터 에너지를 무선으로 수신하기 위해(이 프로세스는 아래에서 설명됨) 도 2에 도시된 바와 같이 무선 충전 시스템(200)과 정렬될 수 있다.
무선 충전 시스템(200)은 전기를 사용하여 전자기장을 생성하고 결과적으로 인근 자동차(210)를 무선으로 충전하는 하나 이상의 유도 코일들을 포함하는 1차 코일을 구현할 수 있다. 무선 충전 시스템(200)은 로컬 전력 분배 센터(예를 들어, 전력 그리드) 또는 임의의 다른 적절한 에너지원에 접속될 수 있고 그로부터 전류를 수신할 수 있다. 무선 충전 시스템(200)은 임의의 적절한 영역(예를 들어, 주차장의 주차 공간, 차고, 도로 등)에 위치될 수 있고, 휴대용 충전 패드와 같은 임의의 적절한 방식으로 구현될 수 있거나 지면에 또는 지하에 (부분적으로 또는 완전히) 매립될 수 있다. 또는, 무선 충전 시스템(200)은 동적 충전을 목적으로 지면에 또는 지하에 매립된 1차 코일들의 배열로 구성될 수 있다. 어떤 경우이든, 무선 충전 시스템(200)은 무선 충전 시스템(200)에 충분히 근접한 충전 위치에서 자동차(210)가 구동 및/또는 주차될 수 있도록 위치 및 구현되어, 자동차(210)가 충전 시스템(200)으로부터 전달된 전기를 무선으로 수신하는 것을 허용한다. 1차 코일은 2차 코일에 전자기력을 유도하기 위해 시변 자기장을 생성하기 위한 교류로 구동되어 전력의 무선 전달을 도출할 수 있다.
추가적으로, 아래의 방법들 또는 이들의 양상들 중 하나 이상은, 적어도 하나의 컨트롤러(예를 들어, 충전 컨트롤러, 무선 충전 컨트롤러 등)에 의해 실행될 수 있음이 이해된다. 용어 "컨트롤러"는 메모리 및 프로세서를 포함하는 하드웨어 장치를 지칭할 수 있다. 메모리는 프로그램 명령들을 저장하도록 구성되고, 프로세서는 아래에서 더욱 설명되는 하나 이상의 프로세스들을 수행하기 위해 프로그램 명령들을 실행하도록 특별히 프로그래밍된다. 또한, 아래의 방법들은 당업자에 의해 인식되는 바와 같이, 하나 이상의 다른 컴포넌트들과 함께 컨트롤러를 포함하는 장치에 의해 실행될 수 있음이 이해된다.
이제 본 발명의 실시예들을 참조하면, 개시된 기술들은 자동차에 설치된 유도 코일(즉, 2차 코일)이 전력 송신기 코일(즉, 1차 코일)과 직접 정렬되지 않은 경우 무선 전력 전달 효율의 저하를 감소시키는 방식으로 이동하는 자동차, 예를 들어, 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차 등을 무선으로 충전하도록 허용한다. 이것은, 자동차가 매립된 코일들 위를 지나갈 때 이동하는 자동차를 충전하도록 설계된 도로에 매립된 다수의 전력 송신 코일들을 포함하는 동적 충전 시스템에서 특히 유용하다.
이와 관련하여, 도 3은 동적 무선 충전 시스템을 지나가는 무선 충전 가능한 자동차의 예시적인 도면을 예시한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 동적 무선 충전 시스템(또는 단순히 동적 충전 시스템)(400)은 자동차(210)가 코일들 위를 지나갈 때 자동차(210)에 전력을 무선으로 송신할 수 있는 (도로와 같은) 지면에 매립된 일련의 전력 송신기들, 더 구체적으로는 전력 송신 코일들(즉, 1차 코일들)(220)을 포함한다. 이상적으로는, 동적 충전 시스템(400)은 그 위를 지나가는 자동차(210)의 움직임과 조화되도록 일련의 전력 전송 코일들(220)을 순차적으로 여기시킨다. 이를 행함으로써, 도 3에 도시된 바와 같이, 주어진 순간에 자동차(210)에 설치된 2차 코일에 가장 가까운 1차 코일(220)이 활성화되고, 자동차(210)가 코일들을 지나갈 때 활성화 된 1차 코일이 바뀐다.
도 4는 무선 충전 가능한 자동차가 동적 무선 충전 시스템을 지나갈 때 무선 전력 전달 효율에서의 변화의 예시적인 도면을 예시한다. 도 4에 도시된 파형은, 자동차(210)가 동적 충전 시스템(400)을 지나가는 동안 대응하는 위치에 있는 경우 무선 전력 전달 효율을 표현한다. 자동차(210)가 1차 코일(220) 바로 위에 있는 경우, 최적의 커플링 및 그에 따른 최고의 전력 전달 효율이 발생한다. 한편, 자동차(210)가 2 개의 코일들(220) 사이의 중간에 위치되는 경우 가장 불량한 커플링 및 그에 따른 최저 효율이 발생한다.
상세하게, 전력 전달 효율은 다음 공식에 따라 계산될 수 있다:
Figure pat00001
여기서, k는 커플링 계수이고, Q1 및 Q2는 각각 1차 및 2차 코일들의 1차 및 2차 공진 회로들의 Q 팩터들이다. 더 높은 커플링 계수는 더 큰 전력 전달 효율을 도출함을 알 수 있다. 반대로, 코일들이 서로 멀리 위치하거나 측방향으로 오정렬되는 경우, 커플링 계수는 감소한다. 이는 도 4에 도시된 무선 전력 전달 효율의 저하를 초래한다. 따라서, 자동차(210)가 2 개의 1차 코일들(220) 사이에 위치하는 경우 자동차(210)에 설치된 2차 코일들과 1차 코일들(220) 사이의 커플링 계수를 증가시키는 것은 동적 충전 동안 전체 무선 전력 전달 효율을 개선시킬 수 있다.
커플링 계수는 2차 코일에 입사하는 1차 코일(220)로부터의 자속(110)의 양에 관련된다. 예를 들어, 자동차(210)의 2차 코일이 1차 코일(220) 바로 위에 위치되는 경우, 1차 코일(220)을 통해 흐르는 전류로부터 얻어진 플럭스 벡터가 2차 코일의 바로 위를 향하기 때문에 커플링 계수는 높고(1차 코일(220)은 1차 코일이 매립된 지면에 대해 평탄한 것으로 가정함), 이는 1차 코일(220)에 의해 생성된 자속(110) 거의 모두가 2차 코일과 상호 작용하게 한다. 한편, 2차 코일이 1차 코일(220)로부터 측방향을 오프셋 된 경우 결과적 플럭스 벡터가 2차 코일에 직접 입사하지 않기 때문에 커플링 계수는 낮고, 이는 1차 코일(220)에 의해 생성된 자속(110)의 더 적은 양이 2차 코일과 상호 작용하게 하여 더 작은 상호 인덕턴스 값을 초래한다.
1차 및 2차 코일들이 오정렬된 경우 상호 인덕턴스가 낮은 상기 상황을 처리하기 위해, 조절 가능한 자속 각도를 갖는 1차 코일 설계가 여기에서 설명된다. 이와 관련하여, 도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 예시적인 전력 송신기 코일 조립체를 예시한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 1차 코일(220)은 2 개 층의 코일들, 즉 상부 코일(230) 및 바닥 코일(240)을 특징으로 할 수 있다. 도 5는 1차 코일(220)이 2 개 층의 코일들을 갖는 것을 도시하지만, 추가적인 층들의 코일들이 추가될 수 있다. 상부 코일(230) 및 바닥 코일(240)은 서로 실질적으로 평행하도록 위치될 수 있다. 상부 코일(230)은 거리 z, 즉 "z 갭"만큼 바닥 코일(240)로부터 이격될 수 있다. 반경, 권선수, 형상, 전선 재료 등을 포함하는 상부 및 바닥 코일들에 대한 파라미터들은 다양하게 설정될 수 있다 그러나, 상부 및 바닥 코일들 모두는 동일한 파라미터들을 가져야 하고, 도 5에 도시된 바와 같이, 서로 직접 대향하도록 위치되어야 한다.
상부 코일(230)은 일련의 교차 코일 접합 유닛들(250)을 통해 바닥 코일(240)에 커플링될 수 있다. 교차 코일 접합 유닛들(250)은 상부 코일(230)과 바닥 코일(240) 사이에 배치될 수 있고, z 갭에 걸쳐 연장되어, 상부 코일(230) 및 바닥 코일(240)을 커플링시킬 수 있다. 각각의 교차 코일 접합 유닛(250)의 일 단부는 상부 코일(230)에 접속될 수 있고, 각각의 교차 코일 접합 유닛(250)의 다른 단부는 바닥 코일(240)에 접속될 수 있다. 교차 코일 접합 유닛들은 전류를 상부 및 바닥 코일들의 특정 부분을 통해 안내하고 상이한 전류 흐름 구성들을 효과적으로 생성하도록 (예를 들어, 충전 컨트롤러에 의해) 제어될 수 있다. 상부 및 바닥 코일들을 통한 전류 흐름을 변경하는 것은 자속(110)의 각도를 변경하기 때문에, 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 2차 코일에 대해 1차 코일(220)의 위치가 주어지면 무선 충전 효율을 최대화하는 각도의 자속(110)을 생성하기 위한 최적의 전류 흐름 구성이 선택될 수 있다. 이러한 기술들은, 더 큰 오정렬 허용 오차와 함께 임의의 물리적으로 이동하는 부분들(예를 들어, 기계적으로 기울어진 코일들) 없이 자속 각도의 조절, 및 주어진 전력 송신 코일로부터 더 먼 거리에 걸쳐 자동차(210)를 충전하는 능력을 허용한다.
추가적인 도면들은 도 6a 및 도 6b에 예시된다. 도 6a는 1차 코일 및 교차 코일 접합 유닛들의 예시적인 단순화된 평면도를 예시하고, 도 6b는 1차 코일 및 교차 코일 접합 유닛들의 예시적인 단순화된 측면도를 예시한다. 도시된 바와 같이, 1차 코일(220)은 단일 행의 교차 코일 접합 유닛들(250)을 포함할 수 있다. 즉, 교차 코일 접합 유닛들(250)은 상부 코일(230) 및 바닥 코일(240)의 직경을 가로지르는 하나의 라인을 따라 배치될 수 있다. 아래에 상세히 도시된 바와 같이, 코일들의 직경을 가로지르는 교차 코일 접합 유닛들(250)의 추가 행들이 추가될 수 있다.
교차 코일 접합 유닛들(250)은 전류를 상부 및 바닥 코일들의 특정 부분들을 통해 안내하고 상이한 전류 흐름 구성들을 효과적으로 생성하도록 제어될 수 있다. 이러한 목적으로, 각각의 교차 코일 접합 유닛(250)은 전류가 교차 코일 접합 유닛(250)을 통해 상부 코일(230)의 특정 부분으로부터 바닥 코일(240)의 특정 부분으로 또는 그 반대로 흐름 경로가 형성되도록 제어될 수 있는 전기 스위칭 엘리먼트(예를 들어, 스위치 또는 다른 유사한 컴포넌트)를 포함할 수 있다. 코일들의 특정 부분들을 통해 전류의 흐름 경로를 형성함으로써, 다수의 상이한 전류 흐름 구성들이 생성될 수 있고, 이에 의해 각각의 전류 흐름 구성은 고유한 각도의 자속(110)을 도출한다.
본 기술 분야에서 공지된 바와 같이, 자속은 평균 자기장과 자기장이 관통하는 수직 영역의 곱이다. 원형 코일을 통해 흐르는 전류의 경우, 결과적 자속 방향은 전류가 흐르는 평면에 수직이다. 이와 관련하여, 도 7a 내지 도 7c는 전력 송신 코일을 통해 흐르는 전류 및 결과적 자속의 예시적인 단순화된 측면도들을 예시한다. 도 7a에 도시된 바와 같이, 통상의 전력 송신 코일, 예를 들어, 도 1의 1차 코일(100)은 지면에 대해 평탄하고, 코일(100)을 통해 흐르는 전류로부터 얻어지는 자속(110)은 지면으로부터 상향으로 연장되는 수직축을 따라 코일(100)의 평면으로부터 수직으로 연장된다. 유사하게, 도 7b에 도시된 바와 같이, 1차 코일(100)이 지면에 대하여 축방향으로 기울어진 경우, 코일(100)을 통해 흐르는 전류로부터 얻어지는 자속(110)은 수직축으로부터 오프셋된 각도로 코일(100)의 평면으로부터 수직으로 연장된다. 수직축으로부터의 자속의 각도 오프셋은 지면으로부터 코일(100)의 각도 오프셋과 동등하다.
한편, 도 7c에 도시된 바와 같이, 1차 코일(220)은 도 7a의 1차 코일(100)과 유사하게 지면에 대해 직선이다. 그러나, 본 발명의 실시예들에 따르면, 1차 코일(220)은 교차 코일 접합 유닛들(250)에 의해 함께 커플링된 상부 코일(230) 및 바닥 코일(240)을 포함한다. 도 7c(단지 전류가 흐르는 코일의 섹션들만이 예시됨)에 도시된 바와 같이 상부 코일(230)의 섹션 및 바닥 코일(240)의 섹션을 통해 전류가 흐르도록 1차 코일 조립체(220)의 교차 코일 접합 유닛들(250)이 제어되면(예를 들어, 교차 코일 접합 유닛의 스위칭 엘리먼트가 설정되면), 결과적 자속(110)은 1차 코일(220)이 지면에 평행한 경우에도 도 7b의 자속(110)과 유사하게 수직축으로부터 각을 이루어 오프셋될 수 있다. 따라서, 상부 코일(230) 및 바닥 코일(240)의 특정 섹션들을 통해 전류의 흐름 경로를 형성하도록 교차 코일 접합 유닛들(250)을 제어함으로써, 1차 코일(220)을 사용하여 다양한 각도의 자속(110)이 달성될 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예들에 따라 상부 및 바닥 코일들의 섹션들을 통해 흐르는 전류를 갖는 예시적인 1차 코일을 예시한다. 도 8에 도시된 바와 같이, 상부 및 바닥 코일들 사이에 배치된 교차 코일 접합 유닛들(250)은 전류가 상부 코일(230)의 섹션 및 바닥 코일(240)의 섹션을 통해 흐르도록 제어될 수 있다. 예시의 목적으로 전류가 흐르는 코일의 섹션들만이 도 8에 예시된다. 그 결과, 결과적 자속(110)의 각도는 도 1에 도시된 종래의 코일 조립체(100) 및 결과적 자속(110)과는 대비되게, 1차 코일(220)로부터 상향 연장되는 수직축(120)으로부터 오프셋된다.
따라서, 상부 코일(230) 및 바닥 코일(240)의 특정 섹션들을 통해 전류의 흐름 경로를 형성하는 교차 코일 접합 유닛들(250)을 전류가 통과하게 함으로써, 1차 코일(220)을 사용하여 다양한 각도의 자속(110)이 달성될 수 있다. 각각의 전류 흐름 구성은 자동차(210)에 설치된 2차 코일과 1차 코일(220) 사이의 정렬 정도가 주어지면 최적의 효율로 자동차(210)을 무선으로 충전하기 위한 고유의 각도의 자속(110)을 생성할 수 있고, 2차 코일(320)에 대한 1차 코일의 위치가 주어지면 최대 무선 전력 전달 효율을 달성하는 전류 흐름 구성이 사용될 수 있다.
이와 관련하여, 도 9는 가변 자속 각도들을 달성하기 위한 복수의 예시적인 전류 흐름 구성들을 예시한다. 최상부 코일(230) 및/또는 바닥 코일(240)의 부분들을 통해 그려진 실선은 전류의 흐름을 표시한다. 도 9는 3 개의 예시적인 전류 흐름 구성들을 도시하지만, 본 발명은 이에 제한되지 않는다(예를 들어, 도 11 및 도 12 참조). 전류 흐름 구성들의 수는 교차 코일 접합 유닛들(250)의 포지셔닝, 및 1차 코일(220)의 코일 층들의 수(본 명세서에서는 2임(즉, 상부 층(230) 및 바닥 층(240)))에 따라 변할 수 있다.
제1 예시적인 전류 흐름 구성("구성 1")에서, 전류는 오직 상부 코일(230)을 통해서만 흐른다. 이것은, 전류가 오직 상부 코일(230)을 통해 흐르는 경우에만, 즉, 어떠한 전류도 교차 코일 접합 유닛들(250)을 통과하지 않는 경우에만 발생하고, 그것에 의하여 1차 코일(220)로부터 연장되는 수직축(120)에 평행한 자속(110)을 생성한다. 이러한 구성은 도 1에 도시된 종래의 1차 코일(100) 및 결과적 자속(110)과 실질적으로 동등하고, 자동차(210)의 2차 코일이 1차 코일(220) 바로 위에 위치되는 경우에 이상적이다.
제2 예시적인 전류 흐름 구성("구성 2")에서, 전류는 상부 코일(230)의 섹션 및 바닥 코일(240)의 섹션을 통해 흐른다. 구체적으로, 도 8에 도시된 관점에서, 전류는 바닥 코일(240)의 좌측 섹션을 통해 흐르고, 교차 코일 접합 유닛(250)을 통과하고, 상부 코일(230)의 우측 섹션을 통해 흐른다. 이러한 흐름 구성은 수직축(120)의 좌측으로 오프셋된 자속(110) 각도를 도출한다. (코일들에 대한 관측자의 위치에 기초하여 코일들의 방향성이 변할 것이기 때문에, "좌측" 및 "우측"이라는 용어들은 단지 단순화 목적으로 여기에서 사용된다)
제3 예시적인 전류 흐름 구성("구성 3")에서, 전류는 다시 상부 코일(230)의 섹션 및 바닥 코일(240)의 섹션을 통해 흐른다. 구체적으로, 도 8에 도시된 관점에서, 전류는 상부 코일(230)의 좌측 섹션을 통해 흐르고, 교차 코일 접합 유닛(250)을 통과하고, 바닥 코일(240)의 우측 섹션을 통해 흐른다. 이러한 흐름 구성은 1차 코일(220)로부터 연장되는 수직축(120)의 우측으로 오프셋된 자속(110) 각도를 도출한다.
특히, 제1 전류 흐름 구성에서 직접적으로 수직인 자속에 대한 제2 및 제3 전류 흐름 구성들에서의 자속(110)의 각도는 비율 z/R 에 비례하고, 여기서 z는 상부 및 바닥 코일들 사이의 수직 거리이고, R은 평균 코일 반경이다. 따라서, 수직축(120)에 대한 자속(110)의 각도 오프셋(φ)은 다음의 공식에 따라 변할 수 있다.
Figure pat00002
여기서, 자속(110)의 각도 오프셋(φ)은, 상부 및 바닥 코일들 사이의 거리가 증가함에 따라 증가하고, 상부 및 바닥 코일들의 평균 반경이 증가함에 따라 감소한다.
도 10은 1차 및 2차 코일들의 오정렬 중 예시적인 최적의 자속 각도를 예시한다. 도 10에 도시된 바와 같이, 무선 충전 가능한 자동차(210)(예를 들어, 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차 등)의 운전자는 자동차(210)를 무선으로 충전하기 위해 무선 충전 시스템(200)(또는 동적 충전 시스템(400))까지 운전할 수 있다. 무선 충전 시스템(200)은 아래에서 더 상세히 설명되는, 자동차(210)의 위치를 검출하기 위한 다양한 기술들을 사용하고, 그에 의해 자동차(210)의 2차 코일(320)과 무선 충전 시스템(200)의 1차 코일(220) 사이의 정렬(또는 오정렬) 정도를 결정할 수 있다. 그 다음, 무선 충전 컨트롤러는, 2차 코일(320)의 위치에 대해 1차 코일(220)의 위치가 주어지면 자동차(210)를 무선으로 충전하기 위해, 전류가 1차 코일(220)을 통해 흘러 최적의 각도의 자속(110)을 생성하도록 교차 코일 접합 유닛들(250)을 자동으로 제어할 수 있다.
예를 들어, 도 10에 도시된 시나리오에서, 자동차(210)는 무선 충전 시스템(200)에 근접한 충전 위치에 위치된다. 그러나, 2차 코일(320) 및 1차 코일(220)은 적절하게 정렬되지 않는다. 따라서, 도 1에 도시된 바와 같이, 수직 자속(110)을 생성하는 종래의 1차 코일(100)은 이 경우 2차 코일(320)에 전력을 효율적으로 전달할 수 없다. 그 대신, 최대 충전 효율을 달성하기 위해, 2차 코일(320)을 향해 지향되는 각을 이룬 자속(110)이 요구된다.
이 경우, 무선 충전 컨트롤러는 자동차(210)을 무선으로 충전하기 위한 최적의 자속(110)을 생성하는 전류 흐름 구성을 생성할 수 있다. 도 9를 참조하면, 제3 전류 흐름 구성에서 1차 코일(220)을 통해 흐르는 전류로부터 얻어지는 자속(110)이 수직축(120)으로부터 오프셋되고 2차 코일(320)을 향해 지향되기 때문에, 제3 전류 흐름 구성이 선택될 수 있다. 즉, 2차 코일(320)의 위치에 대해 1차 코일(220)의 위치가 주어지면, 다른 전류 흐름 구성에 비해, 결과적 자속(110)이 자동차(210)를 무선으로 충전하는데 최적이다.
도 6a 및 도 6b를 다시 참조하면, 복수의 교차 코일 접합 유닛들(250)은 상부 코일(230) 및 바닥 코일(240)의 직경을 가로지르는 하나의 행 또는 라인을 따라 배치될 수 있다. 그러나, 교차 코일 접합 유닛들(250)의 배열은 상부 코일(230) 및 바닥 코일(240)의 직경을 가로지르는 단일 행으로 제한되지 않는다. 이와 관련하여, 도 11은 교차 코일 접합 유닛들의 대안적인 배열을 구현하는 1차 코일의 예시적인 단순화된 평면도를 예시한다. 도 11에 도시된 바와 같이, 1차 코일(220)은 다수 행의 교차 코일 접합 유닛들(250)을 포함할 수 있다. 즉, 교차 코일 접합 유닛들(250)은 상부 코일(230) 및 바닥 코일(240)의 직경을 가로지르는 다수의 라인들을 따라 배치될 수 있다.
도 11에 도시된 교차 코일 접합 유닛들(250)의 구성에서, 교차 코일 접합 유닛들(250)의 각각의 라인은 교차 코일 접합 유닛들(250)의 인접 라인으로부터 45도만큼 각을 이루어 오프셋된다. 그러나, 교차 코일 접합 유닛들(250)의 행들의 수, 인접 교차 코일 접합 유닛들(250)의 간격 등을 포함하는 교차 코일 접합 유닛들(250)의 배열은 특정 애플리케이션에 따라 변할 수 있다. 1차 코일(220)에서 교차 코일 접합 유닛들(250)의 행들의 수를 변경하고 및/또는 1차 코일(220)에서 인접 교차 코일 접합 유닛들(250)의 간격을 변경함으로써, 다양한 차원들로 지향되는 자속(110)을 생성하는 것이 가능하다.
도 12a 내지 도 12i는 2차 코일과 변하는 각도의 오정렬로, 교차 코일 접합 유닛들의 다수의 행들을 갖는 1차 코일의 예시적인 단순화된 평면도를 도시한다. 도 12a 내지 도 12i에 도시된 바와 같이, 1차 코일(220)은 다수의 행의 교차 코일 접합 유닛들(250)을 포함할 수 있고, 여기서 교차 코일 접합 유닛들(250)의 각각의 행은 교차 코일 접합 유닛들(250)의 인접 행로부터 45도만큼 각을 이루어 오프셋되어, 도 11에 도시된 배열을 반영한다. 도 12a 내지 도 12i에서, 1차 코일(220)의 밝은 음영 영역은 전류가 바닥 코일(240)을 통해 흐르고 있는 것을 표시하고, 1차 코일(220)의 어두운 음영 영역은 전류가 최상부 코일(230)을 통해 흐르고 있는 것을 표시한다.
1차 코일(220)의 직경을 가로지르는 단일 행의 교차 코일 접합 유닛들(250)을 갖는 1차 코일(220)은 예를 들어 도 9에 도시된 바와 같이 적어도 3개의 별개의 전류 흐름 구성들이 가능한 한편, 각각의 인접한 행으로부터 45도의 각도 오프셋으로 1차 코일(220)의 직경을 가로지르는 다수 행의 교차 코일 접합 유닛들(250)을 포함하는 1차 코일(220)은 도 12a 내지 도 12i에 예시된 바와 같이 적어도 9개의 별개의 전류 흐름 구성들이 가능할 수 있다. 이 점에 대해, 도 12a 내지 도 12i에 도시된 교차 코일 접합 유닛들(250)은, 1차 코일(220)과 2차 코일(320) 사이의 오정렬(존재하는 경우)에 기초하여, 자동차(210)를 무선으로 충전하기 위한 최적의 각도의 자속(110)을 생성하기 위해, 최상부 코일(230) 및 바닥 코일(240)의 특정 부분들을 통해 전류의 흐름 경로를 형성하도록 제어될 수 있다. 그 결과, 1차 코일(220)은 x 축 및 y 축(예를 들어, 도 3 참조) 모두에서 2차 코일(320)의 오정렬을 보상할 수 있다. 이것은, 주어진 차선 내에서 자동차의 위치에 적응하고 자동차의 차선 위치에서 더 큰 유연성을 허용하기 때문에 유리하다(즉, 자동차가 차선의 중앙을 따라 정확하게 구동될 필요가 없다).
예를 들어, 도 12a 내지 도 12i에서 채택된 탑 다운(top-down) 관점에 따라, 2차 코일(320)이 1차 코일(220)의 전방 및 좌측에 위치되면(도 12a 참조), 무선 충전 컨트롤러는 1차 코일(220)(즉, 상부 코일(230) 및 바닥 코일(240))을 통해 흐르는 전류가 2차 코일(320)을 향해(즉, 1차 코일(220)의 전방 및 좌측으로) 각을 이룬 자속(110)을 생성하도록 교차 코일 접합 유닛들(250)을 제어할 수 있다. 추가로, 2차 코일(320)이 1차 코일(220)의 전방에 위치되면(도 12b 참조), 무선 충전 컨트롤러는 1차 코일(220)을 통해 흐르는 전류가 2차 코일(320)을 향해(즉, 1차 코일(220)의 전방으로) 각을 이룬 자속(110)을 생성하도록 교차 코일 접합 유닛들(250)을 제어할 수 있다. 추가로, 2차 코일(320)이 1차 코일(220)의 전방 및 우측에 위치되면(도 12c 참조), 무선 충전 컨트롤러는 1차 코일(220)을 통해 흐르는 전류가 이 2차 코일(320)을 향해(즉, 1차 코일(220)의 전방 및 우측으로) 각을 이룬 자속(110)을 생성하도록 교차 코일 접합 유닛들(250)을 제어할 수 있다. 이와 동일한 개념이 도 12d 내지 도 12i 전반에 걸쳐 반복되고, 이에 의해 1차 및 2차 코일들 사이의 여러 타입의 오정렬을 보상하기 위해 교차 코일 접합 유닛들(250)을 제어함으로써 자속(110)의 방향은 최적으로 조절될 수 있다. 도 12e에는 오정렬이 거의 내지는 전혀 존재하지 않는다는 것이 자명하고, 따라서 교차 코일 접합 유닛들(250)은 전류가 통과하는 것을 차단하지 않도록 제어될 수 있다. 이러한 경우, 전류는 오직 상부 코일(230)을 통해서만 흘러 수직 자속(110)을 생성한다.
도 13은 종래의 코일과 비교하여, 여기에서 설명된 바와 같이 조절 가능한 플럭스 각도를 갖는 전력 송신 코일에 의한 무선 전력 전달 효율의 예시적인 도면을 예시한다. 도 13에 도시된 바와 같이, 1차 코일(220)의 위치가 2차 코일(320)과 오정렬(즉, 위치적으로 오프셋)되는 경우, 여기에서 설명된 조절 가능한 플럭스 각도를 갖는 전력 송신 코일의 무선 전력 전달 효율은 종래의 코일의 무선 전력 전달 효율보다 개선된다. 이것은, 전술된 바와 같이, 1차 코일(220)을 통한 전류 흐름이 각을 이룬 자속(110)을 허용하는 방식으로 조작될 수 있기 때문이다.
자동차(210)가 이동하는 경우, 조절 가능한 플럭스 각도를 갖는 1차 코일(220)이 동적 충전 시스템(400)에서 더 높은 레벨의 전력 전달 효율을 달성하기 위해, 1차 코일(220)의 플럭스 각도는 자동차(210)의 변하는 위치에 따라 정확한 시간에 스위칭할 필요가 있다. 이러한 목적으로, 1차 코일(220)이 플럭스 방향을 변경하기 위한 대략적인 최적의 포인트들을 표현하는 2개의 예시적인 스위칭 포인트들이 도 13에서 식별된다. 즉, 스위칭 포인트들은 조절가능한 플럭스 코일 조립체가 새로운 플럭스 각도를 생성하기 위해 전류 흐름 경로를 다시 형성해야 하는 위치를 나타낸다.
스위칭 포인트들 사이의 물리적 거리는 동적 충전 시스템 내의 특정 코일 구성뿐만 아니라 코일 대 코일 z 갭(즉, 1차 및 2차 코일들 사이의 거리)에 의존한다. 일부 구현들에서, 예를 들어, 스위칭 포인트들 사이의 거리는 대략 5 cm일 수 있다. 따라서, 자동차가 100 km/h로 이동하는 예시적인 시나리오에서 1차 코일(220)에 요구되는 최대 스위칭 주파수는 약 560 Hz이고, 이는 본 기술분야에 일반적으로 공지된 전계 효과 트랜지스터들(FET들)로 달성될 수 있다.
도 14a는 단일 1차 코일의 관점에서 예시적인 단순화된 충전 프로세스를 예시한다. 절차(1400)는 단계(1405)에서 시작하여 단계(1410)로 계속될 수 있다. 적차(1400)에서는, 여기에서 더 상세하게 설명된 바와 같이, 1차 코일(220)에 의해 생성된 자속 각도(110)는 이동하는 무선 충전 가능한 자동차(210)가 1차 코일(220)을 지나가는 특정 시간에 스위칭할 수 있다. 한편, 도 14b는 1차 코일(220)이 자속(110)의 방향을 스위칭하도록 제어되는 경우 스위칭 시간들의 대응하는 예시적인 도식적 표현을 예시한다. 각각 자기 자신의 고유한 플럭스 각도를 나타내는 다수의 전류 흐름 "단계들"이 도 14b에 도시된다.
단계(1410)에서, 무선 충전이 요구되는 것을 표시하는 신호가 무선 충전 시스템(예를 들어, 무선 충전 시스템(200) 또는 동적 충전 시스템(400))의 동작을 제어하는 무선 충전 컨트롤러에서 수신된다. 신호는 예를 들어 무선 충전 가능한 자동차가 충전 시스템에 접근할 때 그 무선 충전 가능한 자동차에 의해 송신될 수 있다. 응답으로, 컨트롤러는 전력 전달 시작 시간 T_START, 플럭스 각도 스위칭 간격들 T_INT, 전력 전달 종료 시간 T_END, 자속 스위칭 시간들 등과 같은 충전 변수들을 시동시킴으로써 이동하는 자동차의 무선 충전의 활성화를 준비할 수 있다. 충전 변수들은 현재의 자동차 위치, 현재의 자동차 속력 등을 포함하는 접근하는 자동차로부터 수신된 정보를 사용하여 계산될 수 있다. 이러한 정보는 자동차가 1차 코일(220)에 도달할 시점, 자동차가 얼마나 빨리 1차 코일(220)을 지나갈지 등을 결정하기 위해 활용될 수 있다. 단계(1415)에서, 컨트롤러는 또한 시간 기반 충전 변수들(예를 들어, T_START, T_INT, T_END 등)을 추적하기 위해 시스템 클럭들 또는 타이머들을 준비할 수 있다. 예를 들어, 자속(110)의 각도를 변경함으로써 1차 코일(220)과 2차 코일(320) 사이의 무선 전력 전달 효율이 개선될 시간들을 표현하는 자속 스위칭 시간들(또는 "스위칭 시간들")은 자동차의 검출된 속력 및 자동차의 검출된 위치에 따라 계산될 수 있다. 추가적으로, 자동차의 검출된 속력에 따라 스위칭 간격 T_INT이 계산될 수 있고, 스위칭 시간들은 스위칭 간격들이 경과될 때마다 발생할 수 있다. 정확한 스위칭 시간 계산은 도 15와 관련하여 아래에서 더 상세히 설명된다.
단계(1420)에서, 전류가 1차 코일(220)을 통해 흐르게 함으로써 (T_START에서) 무선 전력 전달이 개시된다. 도 14b에 도시된 바와 같이, 자동차(210)에 설치된 2차 코일(320)이 자동차의 이동 방향에서 1차 코일(220)의 후방에 위치되는 경우 무선 전력 전달이 개시된다("단계 1"). 이 때, 2차 코일(320) 및 1차 코일(220)은 오정렬된다. 응답으로, 1차 코일(220)을 통해 흐르는 전류는 코일들의 오정렬의 관점에서 무선 전력 전달 효율을 최대화하도록 제어될 수 있다. 더 구체적으로, 1차 코일(220)의 최상부 및 바닥 코일들 사이에 배치된 교차 코일 접합 유닛들(250)은, 전류가 상부 코일(230)의 섹션을 통해 흐르고, 교차 코일 접합 유닛들(250)을 통과하고, 바닥 코일(240)의 섹션을 통해 흐르고, 그에 따라 오정렬된 2차 코일(320)을 향해 지향되는 각을 이룬 자속(110)을 생성하도록 제어될 수 있다. 도 9를 참조하면, 이러한 시나리오에서, 제3 전류 흐름 구성에서 1차 코일(220)을 통해 흐르는 전류로부터 얻어지는 자속(110)이 수직축(120)으로부터 오프셋되고, 자동차 이동 방향에서 1차 코일(220) 후방에 위치된 2차 코일(320)을 향해 지향되기 때문에, 제3 전류 흐름 구성이 선택될 수 있다. 즉, 2차 코일(320)의 위치에 대해 1차 코일(220)의 위치가 주어지면, 다른 전류 흐름 구성에 비해, 결과적 자속(110)이 자동차(210)를 무선으로 충전하는데 최적이다.
스위칭 간격 T_INT이 경과된 후, 제1 스위칭 시간이 발생할 수 있고, 이에 의해, 1차 코일(220)은 이를 통해 흐르는 전류의 흐름 경로를 다시 생성하고 자속(110)의 방향을 스위칭하도록 제어된다(단계(1420)). 도 14b에 도시된 바와 같이, 자동차(210)는 자동차 이동 방향에서 1차 코일(220)을 계속 지나가며, 이제 자동차(210)에 설치된 2차 코일(320)은 1차 코일(220) 바로 위에 위치될 수 있다("단계 2"). 이 때, 2차 코일(320) 및 1차 코일(220)은 적절히 정렬된다. 이 때문에, 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 1차 코일(220)은 전류가 종래의 방식으로 1차 코일을 통해 흐르게 하도록 제어될 수 있다. 즉, 1차 코일(220)의 상부 및 바닥 코일들 사이에 배치된 교차 코일 접합 유닛들(250)은 전류가 통과하는 것을 금지하도록 제어될 수 있고, 이는 오직 상부 코일(230)을 통해서만 전류가 흐르는 것을 도출하여, 정렬된 2차 코일(320)을 향해 상향으로 지향되는 자속(110)을 생성한다. 도 9를 참조하면, 이러한 시나리오에서, 제1 전류 흐름 구성에서 1차 코일(220)을 통해 흐르는 전류로부터 얻어지는 자속(110)이 수직축(120)에 평행하고, 1차 코일(220) 바로 위에 위치된 2차 코일(320)을 향해 지향되기 때문에, 제1 전류 흐름 구성이 선택될 수 있다. 즉, 2차 코일(320)의 위치에 대해 1차 코일(220)의 위치가 주어지면, 다른 전류 흐름 구성에 비해, 결과적 자속(110)이 자동차(210)를 무선으로 충전하는데 최적이다.
단계(1430)에서, 컨트롤러는 1차 코일(220) 및 2차 코일(320)이, 1차 및 2차 코일이 서로 완전하게 정렬되는 경우 발생하는 최대 커플링 상태를 달성했음을 표시하는 신호를 1차 코일(220)로부터 수신할 수 있다. 이와 관련하여, 충전 시스템 회로는 1차 및 2차 코일들 사이의 최대 커플링 상태가 발생할 시점을 검출하기 위해, 자동차(210)가 1차 코일(220)을 지나갈 때 1차 코일(220)의 전압 또는 전류의 레벨을 모니터링하기 위해 활용될 수 있다. 자동차(210)가 1차 코일(220)의 바로 위에 있는 경우, 상호 인덕턴스로 인한 반사된 임피던스 때문에 1차 코일(220)의 전압 및/또는 전류에서의 변화가 발생한다. 이것이 발생하는 경우, 1차 코일(220)은 2차 코일(320)이 현재 1차 코일(220) 바로 위에 위치되어 있음을 컨트롤러에 통지하기 위해 자동차 위치를 컨트롤러에 통신할 수 있다.
스위칭 간격 T_INT이 다시 경과된 후, 제2 스위칭 시간이 발생할 수 있고, 이에 의해, 1차 코일(220)은 이를 통해 흐르는 전류의 흐름 경로를 다시 생성하고 자속(110)의 방향을 스위칭하도록 제어된다(단계(1435)). 도 14b에 도시된 바와 같이, 자동차(210)는 자동차 이동 방향에서 1차 코일(220)을 계속 지나가며, 이제 자동차(210)에 설치된 2차 코일(320)은 자동차 이동 방향에서 1차 코일(220)의 전방에 위치될 수 있다("단계 3"). 이 때, 2차 코일(320) 및 1차 코일(220)은 다시 오정렬된다. 응답으로, 1차 코일(220)을 통해 흐르는 전류는 코일들의 오정렬의 관점에서 무선 전력 전달 효율을 최대화하도록 제어될 수 있다. 더 구체적으로, 1차 코일(220)의 상부 및 바닥 코일들 사이에 배치된 교차 코일 접합 유닛들(250)은, 전류가 최상부 코일(230)의 섹션을 통해 흐르고, 교차 코일 접합 유닛들(250)을 통과하고, 바닥 코일(240)의 섹션을 통해 흐르고, 그에 따라, 오정렬된 2차 코일(320)을 향해 지향되는 각을 이룬 자속(110)을 생성하도록 제어될 수 있다. 도 9를 참조하면, 이러한 시나리오에서, 제2 전류 흐름 구성에서 1차 코일(220)을 통해 흐르는 전류로부터 얻어지는 자속(110)이 수직축(120)으로부터 오프셋되고, 자동차 이동 방향에서 1차 코일(220) 전방에 위치된 2차 코일(320)을 향해 지향되기 때문에, 제2 전류 흐름 구성이 선택될 수 있다. 즉, 2차 코일(320)의 위치에 대해 1차 코일(220)의 위치가 주어지면, 다른 전류 흐름 구성에 비해, 결과적 자속(110)이 자동차(210)를 무선으로 충전하는데 최적이다.
절차(1400)는 예시적으로 무선 전력 전달이 중단되는 경우 단계(1440)(T_STOP)에서 종료된다. 이동 자동차(210)가 1차 코일(220)을 지나갈 때 이동 자동차(210)의 위치와 함께 여기에서 설명된 기술들을 사용하여 자속(110)의 방향을 스위칭함으로써, 1차 및 2차 코일들 사이의 커플링 효율 및 전반적인 무선 전력 전달 효율은 특히 코일들이 오정렬된 경우 종래의 코일들에 비해 향상될 수 있다.
절차(1400)의 단계들이 수행될 수 있게 하는 기술들뿐만 아니라 부수적 절차들 및 파라미터들이 앞서 상세히 설명되었다. 도 14a에 도시된 단계들은 단지 예시를 위한 예들이며, 원하는 대로 특정한 다른 단계들이 포함되거나 배제될 수 있음을 주목해야 한다. 추가로, 단계들의 특정 순서가 도시되지만, 이러한 순서는 단지 예시적이며, 본 발명의 실시예들의 범주로부터 벗어남이 없이 단계들의 임의의 적절한 배열이 활용될 수 있다. 또한 추가로, 예시된 단계들은 본 청구항들의 범위에 따라 임의의 적절한 방식으로 변형될 수 있다. 또한, 도 14b는 3 개의 충전 단계들을 도시하지만, 고유의 플럭스 각도들의 원하는 수에 기초하여 임의의 수의 충전 단계들이 가능하다. (예를 들어, 교차 코일 접합 유닛들의 배열, 1차 코일 내의 코일들의 배열 등에 기초하여) 전류 흐름 구성들의 수가 증가함에 따라, 그에 따라 고유한 플럭스 각도들의 양이 증가되고, 무선 충전 시스템의 정밀도가 또한 증가할 수 있다.
도 15는 일련의 1차 코일들을 포함하는 동적 충전 시스템에서 예시적인 단순화된 충전 프로세스를 예시한다. 절차(1500)는 단계(1505)에서 시작하여 단계(1510)로 계속될 수 있고, 절차(1500)에서, 본원에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 조절 가능한 플럭스 각도들을 갖는 다수의 1차 코일들(220)을 포함하는 도로 등에 매립된 동적 충전 시스템(400)은 코일들을 지나가는 이동하는 자동차를 무선으로 충전한다.
단계들(1505 및 1510)에서, 자동차(210)에 의한 무선 충전을 위한 요청이 동적 충전 시스템(400)에 송신되면, 이동하는 무선 충전 가능한 자동차(210)와 동적 충전 시스템(400) 사이에서 통신들이 설정될 수 있고, 동적 충전 시스템(400)은 자동차(210)에 응답하여 시스템(400)이 자동차(210)를 충전할 수 있음을 표시할 수 있다. 무선 충전이 이용 가능하다는 확인을 수신한 후, 자동차(210)는 속력, 방향 및 위치와 같은 정보를 동적 충전 시스템(400)에 제공할 수 있고, 동적 충전 시스템(400)은 플럭스 각도 스위칭 시간들(도 14a 및 도 14b에 도시됨), 충전 활성화 시간, 충전 종료 시간 등을 포함하는 충전 스케줄을 설정할 수 있다. 예를 들어, 자동차(210)는 자동차(210)의 현재의 속력을 표시하는 신호, 자동차(210)의 위치를 표시하는 글로벌 포지셔닝 시스템(GPS) 신호 또는 자동차(210)의 속력, 방향 및/또는 위치를 표시하는 다른 신호들을 동적 충전 시스템(400)에 송신할 수 있다(단계들(1515 및 1520)). 이러한 신호들은 자동차(210)로부터 충전 시스템(400)에 주기적으로 송신되어, 자동차(210)의 속력/위치/방향 정보가 변할 수 있을 때 이를 업데이트할 수 있다. 자동차의 속력 및 위치를 사용하여, 충전 시스템(400)은 자동차(210)가 제1의 1차 코일(220)뿐만 아니라 후속하는 1차 코일(220a)에 도달할 때까지의 시간, 및 주어진 1차 코일의 내부 전류 흐름 구성들을 스위칭하는 것 사이의 스위칭 시간 간격 T_INT를 추정할 수 있다.
또한, 최적의 플럭스 각도 스위칭 시간들을 계산하는 것은 코일 대 코일 z 갭(즉, 1차 및 2차 코일들 사이의 거리)에 의존할 수 있다. 따라서, 자동차(210)는 또한 충전 시스템(400)이 z 갭을 추정하도록 허용하기 위해 자신의 코일과 지면 간극을 송신할 수 있다. 신호들은 본 기술 분야에 공지된 통신 기술들(예를 들어, 802.11)을 사용하여 자동차(210)로부터 충전 시스템(400)으로 통신될 수 있다.
단계(1525)에서, 충전 시스템(400)은 일련의 코일들 중 제1의 1차 코일(220)에서의 자동차(210)의 추정 도달 시간(ETA)을 계산할 수 있다. 자동차(210)의 ETA는 (단계들(1515 및 1520)에서 자동차(210)에 의해 획득된) 자동차 속력 및 자동차 위치에 기초하여 계산될 수 있다. 충전 컨트롤러는 제1의 1차 코일(220)에서의 자동차 도달과 일치하도록 계산된 ETA에서 제1의 1차 코일(220)을 활성화시킬 수 있다. 동적 충전 시스템(400)의 제1의 1차 코일(220)뿐만 아니라 다른 1차 코일들(220a)은, 자동차(210)가 일련의 코일들 위에서 구동할 때 자속 각도들을 스위칭하도록 전류 흐름 구성들을 제어함으로써, 도 14a 및 도 14b에 도시되고 설명된 방식으로 제어될 수 있다(단계(1535)).
특히, 동적 충전 시스템(400)의 코일들을 적절히 가동하기 위해, 즉, 자동차(210)가 1차 코일(220)에 대해 이동 중일 때 2차 코일(320)의 변경 위치에 정확하게 대응하는 자속 스위칭 시간들을 계산하기 위해 자동차 위치의 정밀한 (밀리미터 단위까지의) 검출이 요구될 수 있다. 따라서, 자동차(210)가 1차 코일들(220)을 지나갈 때, 단지 자동차(210)에 의해 제공되는 GPS 데이터에만 의존하는 경우 가능하지 않을 수 있는 자동차(210)의 위치의 더 정밀한 추정을 획득하기 위해, 제1의 1차 코일(220)(또는 자동차(210)에 가장 가까운 임의의 1차 코일(220))의 전압 또는 전류 레벨들이 모니터링될 수 있어서, 1차 및 2차 코일들이 최대 커플링 상태에 도달한 시점을 결정하여, 2차 코일(320)이 1차 코일(220)의 바로 위에 위치된 것을 표시할 수 있다.
이러한 목적으로, 단계(1530)에서, 충전 컨트롤러는 단계(1525)에서 계산된 자동차의 ETA에 따라 저전력 모드에서 제1의 1차 코일(220)을 활성화시킬 수 있다. 그 다음, 충전 시스템 회로는 1차 및 2차 코일들 사이의 최대 커플링 상태가 발생할 시점을 검출하기 위해, 자동차(210)가 1차 코일(220)을 지나갈 때 1차 코일(220)의 전압 또는 전류의 레벨을 모니터링하기 위해 활용될 수 있다. 자동차(210)가 1차 코일(220)의 바로 위에 있는 경우, 상호 인덕턴스로 인한 반사된 임피던스 때문에 1차 코일(220)의 전압 및/또는 전류에서의 변화가 발생할 것이다. 이것이 발생하는 경우, 1차 코일(220)은 2차 코일(320)이 현재 1차 코일(220) 바로 위에 위치되어 있음을 컨트롤러에 통지하기 위해 자동차 위치를 컨트롤러에 통신할 수 있다(단계(1540)).
정밀한 자동차 위치를 사용하여, 충전 컨트롤러는 후속 1차 코일들(220a)에서 자동차(210)의 ETA를 정확하게 계산할 수 있고(단계(1545)), 계산된 ETA에 따라 후속 1차 코일(220a)을 활성화시킬 수 있다(단계(1550)). 상호 임피던스 측정치들을 보고하는 이러한 프로세스는 자동차(210)가 동적 충전 시스템(400)의 끝에 도달할 때까지 자동차의 위치를 업데이트하기 위해 각각의 1차 코일에서 반복될 수 있다(단계(1555)). 이러한 방식으로, 정밀한 스위칭 시간들(도 14a 및 도 14b에 도시됨)은 항상 변하고 있는 2차 코일(320)의 위치에 대한 가동된 1차 코일(220)의 위치에 따라, 적절한 순간에 플럭스(110)의 각도를 조절하도록 계산될 수 있다.
절차(1500)의 단계들이 수행될 수 있게 하는 기술들뿐만 아니라 부수적 절차들 및 파라미터들이 앞서 상세히 설명되었다. 도 15에 도시된 단계들은 단지 예시를 위한 예들이며, 원하는 대로 특정한 다른 단계들이 포함되거나 배제될 수 있음을 주목해야 한다. 추가로, 단계들의 특정 순서가 도시되지만, 이러한 순서는 단지 예시적이며, 본 발명의 실시예들의 범주로부터 벗어남이 없이 단계들의 임의의 적절한 배열이 활용될 수 있다. 또한 추가로, 예시된 단계들은 본 청구항들의 범위에 따라 임의의 적절한 방식으로 변형될 수 있다.
자동차(210)의 2차 코일(320)에 대한 1차 코일(220)의 위치에 따라 1차 코일(220)을 통해 흐르는 전류에 의해 생성되는 자속(110)의 각도를 조정함으로써, 1차 및 2차 코일들 사이의 무선 전력 전달 효율은 특히 1차 및 2차 코일들이 오정렬된 경우에 향상될 수 있다. 조절 가능한 플럭스 각도를 갖는 코일 및 종래의 코일에 의해 나타나는 무선 전력 전달 효율의 예시적인 비교를 예시하는 도 16에 도시된 바와 같이, 조절 가능한 플럭스 각도를 갖는 코일들을 활용하는 동적 충전 시스템(400)의 무선 전력 전달 효율은, 앞서 설명된 바와 같이, 자동차(210)가 2개의 인접한 1차 코일들(220) 사이에 위치되어 1차 및 2차 코일들의 오정렬을 초래하는 경우, 개선된다. 자동차(210)가 코일들(220) 위를 지나갈 때 통상적으로 발생하는 전력 전달 효율의 순차적인 저하를 감소시킴으로써, 동적 충전 시스템(400)은 울트라 커패시터들에 대한 필요 없이, 전력 그리드에 부정적으로 영향을 미치는, 종래의 코일들에 통상적인 전력 맥동을 또한 최소화하면서 더 견고한 무선 충전을 전달할 수 있다.
따라서, 다수의 병렬적 코일들 사이에 배치된 교차 코일 접합 유닛들을 갖는 다수의 병렬 코일을 포함하는 전력 송신기 코일 조립체를 활용하는 것을 제공하는 기술들이 여기에서 설명된다. 교차 코일 접합 유닛들은 전류를 코일들의 특정 부분들을 통해 안내하고 상이한 전류 흐름 구성들을 효과적으로 생성하도록 제어될 수 있다. 각각의 전류 흐름 구성은 고유의 자속 각도를 생성한다. 따라서, 임의의 물리적으로 이동하는 부분들 없이도, 충전될 자동차에 설치된 전력 수신 코일과 최적으로 커플링하도록 자속 각도를 조절함으로써, 무선 충전 시스템들의 효율이 개선될 수 있다. 추가로, 자기 플럭스 각도는 자동차가 단일 송신 코일 또는 일련의 송신 코일들(즉, 동적 충전 시스템)을 지나갈 때 특정 스위칭 시간들에 조절될 수 있다. 이러한 방식으로, 플럭스 각도는 자동차의 수신 코일이 송신 코일 위를 이동할 때 자동으로 재지향되어 오정렬 동안에도 코일들 사이의 최적의 커플링이 보장될 수 있다.
조절 가능한 플럭스 각도를 갖는, 전기 자동차에 대한 무선 충전 시스템을 제공하는 예시적인 실시예들이 도시되고 설명되었지만, 본 발명의 실시예들의 사상 및 범주 내에서 다양한 다른 적응예들 및 변형예들이 행해질 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, 실시예들은 평행한 코일들의 다수의 층들을 갖는 1차 코일과 관련된 실시예들이 여기에서 주로 도시되고 설명되었다. 그러나, 실시예들은, 여기에서 설명된 것과 동일한 개념들이 대안적으로 또는 추가적으로 수신 코일에 적용될 수 있기 때문에 이들의 더 넓은 관점에서 제한적인 것이 아니다. 추가로, 무선 자동차 충전과 관련된 실시예들이 주로 도시되고 설명되었지만, 여기에서 설명된 것과 동일한 개념들이 대안적으로 또는 추가적으로 자동차 외의 디바이스들의 무선 충전에 적용될 수 있기 때문에 이들의 더 넓은 관점에서 제한적인 것이 아니다. 따라서, 개시된 실시예들은 본 청구항들의 범위에 따라 임의의 적절한 방식으로 변형될 수 있다.
전술된 설명은 본 발명의 실시예들에 관한 것이다. 그러나, 이들의 이점들 중 일부 또는 전부의 달성과 함께, 설명된 실시예들에 다른 변형들 및 수정들이 행해질 수 있음이 자명할 것이다. 따라서, 본 설명은, 오직 예시의 방식으로 간주되어야 하고, 달리 본 발명의 실시예들의 범위를 제한하는 것으로 간주되지 않아야 한다. 따라서, 본 발명의 실시예들의 진정한 사상 및 범주 내에 속하는 모든 이러한 변화예들 및 변형예들을 커버하는 것이, 첨부된 청구항들의 목적이다.

Claims (20)

  1. 무선 충전 가능한 자동차에 설치된 2차 코일을 통해 상기 자동차를 무선으로 충전하도록 동작 가능한 무선 충전 시스템의 1차 코일 위를 지나가는 상기 이동하는 자동차의 위치를 검출하는 단계, 여기서 상기 1차 코일은 서로 실질적으로 평행한 상부 코일 및 바닥 코일을 포함하고, 상기 상부 코일 및 상기 바닥 코일은 상기 상부 코일 및 상기 바닥 코일 중 하나로부터 상기 상부 코일 및 상기 바닥 코일의 다른 하나로 전류가 전달되도록 허용하는 복수의 교차 코일 접합 유닛들을 통해 서로 커플링되고;
    상기 자동차의 검출된 위치에 대한 상기 1차 코일의 위치가 주어지면, 상기 자동차를 최적으로 무선 충전하기 위해 제1 각도의 자속을 생성하는 방식으로 상기 상부 코일 및 상기 바닥 코일 중 하나 또는 둘 모두를 통해 전류가 흐르도록 상기 복수의 교차 코일 접합 유닛들을 제어하는 단계; 및
    스위칭 시간이 발생한 경우, 상기 자동차가 상기 1차 코일을 지나갈 때 상기 자동차의 업데이트된 위치에 대한 상기 1차 코일의 위치가 주어지면, 상기 자동차를 최적으로 무선 충전하기 위해 제2 각도의 자속을 생성하는 방식으로 상기 상부 코일 및 상기 바닥 코일 중 하나 또는 둘 모두를 통한 전류의 흐름을 변경하도록 상기 복수의 교차 코일 접합 유닛들을 제어하는 단계;
    를 포함하고,
    자속의 상기 제1 각도는 자속의 상기 제2 각도와는 상이한 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 스위칭 시간은 상기 1차 코일에 의해 생성된 자속의 각도를 변경시킴으로써 상기 1차 코일과 상기 2차 코일 사이의 무선 전력 전달 효율이 개선되는 시간인 방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 자동차의 속력 및 상기 자동차의 검출된 위치에 따라 상기 스위칭 시간을 계산하는 단계를 더 포함하는 방법.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 자동차의 속력에 따라 스위칭 간격을 계산하는 단계를 더 포함하고,
    상기 스위칭 시간은 상기 무선 충전의 활성화 이후 상기 스위칭 간격이 경과되면 발생하는 방법.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 자동차가 상기 1차 코일을 지나갈 때
    상기 2차 코일이 제1 위치에 있는 경우 상기 제1 각도의 자속이 생성되고,
    상기 2차 코일이 상기 자동차의 이동 방향에서 상기 제1 위치보다 전방에 있는 제2 위치에 있는 경우 상기 제2 각도의 자속이 생성되는 방법.
  6. 제1 항에 있어서,
    다른 스위칭 시간이 발생하는 경우, 상기 자동차가 상기 1차 코일을 지나갈 때 상기 자동차의 다른 업데이트된 위치에 대한 상기 1차 코일의 위치가 주어지면, 상기 자동차를 최적으로 무선 충전하기 위해 제3 각도의 자속을 생성하는 방식으로 상기 상부 코일 및 상기 바닥 코일 중 하나 또는 둘 모두를 통한 전류의 흐름을 변경하도록 상기 복수의 교차 코일 접합 유닛들을 제어하는 단계를 더 포함하고,
    자속의 상기 제3 각도는 자속의 상기 제1 및 제2 각도들과는 상이한 방법.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 자동차의 속력에 따라 스위칭 간격을 계산하는 단계를 더 포함하고,
    상기 다른 스위칭 시간은 상기 스위칭 시간의 발생 이후 상기 스위칭 간격이 경과되면 발생하는 방법.
  8. 제6 항에 있어서,
    상기 자동차가 상기 1차 코일을 지나갈 때
    상기 2차 코일이 제1 위치에 있는 경우 상기 제1 각도의 자속이 생성되고,
    상기 2차 코일이 상기 자동차의 이동 방향에서 상기 제1 위치보다 전방에 있는 제2 위치에 있는 경우 상기 제2 각도의 자속이 생성되고,
    상기 2차 코일이 상기 자동차의 이동 방향에서 상기 제1 및 제2 위치들보다 전방에 있는 제3 위치에 있는 경우 상기 제3 각도의 자속이 생성되는 방법.
  9. 제6 항에 있어서,
    상기 자동차가 상기 1차 코일을 지나갈 때
    상기 2차 코일이 상기 1차 코일의 제1 측에 위치되는 경우 상기 제1 각도의 자속이 생성되고,
    상기 2차 코일이 상기 1차 코일의 바로 위에 위치되는 경우 상기 제2 각도의 자속이 생성되고,
    상기 2차 코일이 상기 제1 측에 대향하는 상기 1차 코일의 제2 측에 위치되는 경우 상기 제3 각도의 자속이 생성되는 방법.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 자동차의 위치를 검출하는 단계는:
    상기 자동차로부터 GPS 정보를 수신하는 단계; 및
    상기 수신된 GPS 정보에 기초하여 상기 자동차의 위치를 추정하는 단계;
    를 포함하는 방법.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 1차 코일은 동적 무선 충전 시스템에서 순차적으로 배열된 복수의 1차 코일들 중 하나인 방법.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 복수의 1차 코일들 중 제1의 1차 코일을 모니터링하는 단계;
    상기 자동차가 상기 제1의 1차 코일을 지나갈 때 상기 자동차의 위치를 검출하는 단계; 및
    상기 자동차가 상기 제1의 1차 코일을 지나갈 때 검출된 상기 자동차의 위치에 기초하여 상기 제1의 1차 코일에 후속하여 상기 복수의 1차 코일들 중 제2의 1차 코일을 활성화시키는 단계;
    를 더 포함하는 방법.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 자동차가 상기 제1의 1차 코일을 지나갈 때 상기 자동차의 위치를 검출하는 단계는:
    상기 제1의 1차 코일의 저전력 모드를 활성화시키는 단계;
    상기 자동차가 상기 제1의 1차 코일을 지나갈 때 상기 제1의 1차 코일의 전압 또는 전류의 레벨을 모니터링하는 단계; 및
    상기 1차 코일의 전압 또는 전류의 모니터링된 레벨이 상기 제1의 1차 코일과 상기 2차 코일 사이의 최대 커플링 상태를 표시하는 경우, 상기 자동차가 상기 제1의 1차 코일 바로 위에 위치된 것으로 결정하는 단계;
    를 포함하는 방법.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 제1의 1차 코일과 상기 2차 코일 사이의 최대 커플링 상태가 발생하는 경우 결정되는 상기 자동차의 위치 및 상기 자동차의 속력에 따라 상기 자동차가 상기 제2의 1차 코일에 도달할 시간을 추정하는 단계; 및
    상기 자동차가 상기 추정된 시간에 있을 때 상기 제2의 1차 코일을 활성화시키는 단계;
    를 더 포함하는 방법.
  15. 제1 항에 있어서,
    상기 2차 코일이 상기 1차 코일과 오정렬되도록 상기 자동차가 위치되는 경우, 상기 자동차를 최적으로 무선으로 충전하기 위한 자속의 상기 제1 또는 제2 각도는 상기 1차 코일로부터 상향 연장되는 수직축으로부터 오프셋된 각도인 방법.
  16. 제1 항에 있어서,
    각각의 교차 코일 접합 유닛의 일 단부는 상기 상부 코일에 접속되고, 각각의 교차 코일 접합 유닛의 다른 단부는 상기 바닥 코일에 접속되는 방법.
  17. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 교차 코일 접합 유닛들은 상기 상부 코일 및 상기 바닥 코일의 직경을 가로지르는 하나의 라인을 따라 배치되는 방법.
  18. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 교차 코일 접합 유닛들은 상기 상부 코일 및 상기 바닥 코일의 직경을 가로지르는 다수의 라인들을 따라 배치되는 방법.
  19. 제18 항에 있어서,
    상기 교차 코일 접합 유닛들의 각각의 라인은 상기 교차 코일 접합 유닛들의 인접한 라인으로부터 45도만큼 각을 이루어 오프셋되는 방법.
  20. 1차 코일; 및
    무선 충전 컨트롤러;
    를 포함하고,
    상기 1차 코일은 상기 1차 코일 위를 지나가는 이동하는 무선 충전 가능한 자동차를 무선으로 충전하도록 동작가능하고,
    상기 1차 코일은 상기 자동차에 설치된 2차 코일을 통해 상기 자동차를 충전하고, 상기 1차 코일은 서로 실질적으로 평행한 상부 코일 및 바닥 코일을 포함하고, 상기 상부 코일 및 상기 바닥 코일은 상기 상부 코일 및 상기 바닥 코일 중 하나로부터 상기 상부 코일 및 상기 바닥 코일의 다른 하나로 전류가 전달되도록 허용하는 복수의 교차 코일 접합 유닛들을 통해 서로 커플링되고,
    상기 무선 충전 컨트롤러는,
    상기 1차 코일 위를 지나가는 상기 자동차의 위치를 검출하고,
    상기 자동차의 검출된 위치에 대한 상기 1차 코일의 위치가 주어지면, 상기 자동차를 최적으로 무선 충전하기 위해 제1 각도의 자속을 생성하는 방식으로 상기 상부 코일 및 상기 바닥 코일 중 하나 또는 둘 모두를 통해 전류가 흐르도록 상기 복수의 교차 코일 접합 유닛들을 제어하고,
    스위칭 시간이 발생한 경우, 상기 자동차가 상기 1차 코일을 지나갈 때 상기 자동차의 업데이트된 위치에 대한 상기 1차 코일의 위치가 주어지면, 상기 자동차를 최적으로 무선 충전하기 위해 제2 각도의 자속을 생성하는 방식으로 상기 상부 코일 및 상기 바닥 코일 중 하나 또는 둘 모두를 통한 전류의 흐름을 변경하도록 상기 복수의 교차 코일 접합 유닛들을 제어하도록 구성되고,
    자속의 상기 제1 각도는 자속의 상기 제2 각도와는 상이한 무선 충전 시스템.
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