KR20180095445A - 저주파수 안테나를 이용한 무선 충전 시스템의 위치 정렬 방법 및 장치 - Google Patents

저주파수 안테나를 이용한 무선 충전 시스템의 위치 정렬 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

무선 통신을 이용하여 송신 패드에 위치하는 안테나(antenna)를 포함하는 자기장 검출 장치와 연결하는 단계, 수신 패드에 위치하는 안테나를 이용하여 자기장을 출력하는 단계, 상기 자기장 검출 장치로부터 자기장 측정치를 수신하는 단계 및 상기 자기장 측정치 및 기저장된 기준 값을 비교하여 상기 송신 패드 및 상기 수신 패드 간의 위치 차이 정보를 획득하는 단계를 포함하는 위치 정렬 방법이 개시된다. 본 발명은 무선 전력 전송을 수행하는 송신 패드 및 수신 패드 간의 위치 정렬을 위해 수신 패드에 위치하는 안테나를 포함하는 위치 정렬 장치에 의해 수행되는 위치 정렬 방법으로 무선 충전 효율을 극대화 또는 최적화할 수 있다.

Description

저주파수 안테나를 이용한 무선 충전 시스템의 위치 정렬 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR ALIGNING POSITION USING LOW FREQUENCY ANTENNA IN WIRELESS CHARGING SYSTEM}
본 발명은 자기장 신호 강도를 이용하여 위치를 정렬하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 저주파수 안테나의 자기장 신호 강도를 이용하여 무선 충전 시스템의 위치를 정렬하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
최근 개발되고 있는 전기 자동차(Electric Vehicle, EV)는 배터리의 동력으로 모터를 구동하여, 종래의 가솔린 엔진 자동차에 비해 배기 가스 및 소음 등과 같은 공기 오염원이 적으며, 고장이 적고, 수명이 길고, 운전 조작이 간단하다는 장점이 있다.
전기 자동차는 구동원에 따라 하이브리드 전기 자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그인 하이브리드 전기 자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) 및 전기 자동차(EV)로 분류된다. HEV에는 주전력인 엔진과 보조 전력인 모터를 가지고 있다. PHEV는 주전력인 모터와 배터리가 방전될 때 사용되는 엔진을 가지고 있다. EV는 모터를 가지고 있으나, 엔진은 가지고 있지 않다.
전기 자동차의 모터를 구동하기 위한 배터리의 무선 충전는 차징 스테이션의 1차 코일과 전기 자동차의 2차 코일이 자기 공명 방식으로 결합되어 수행될 수 있다. 또한, 자기 공진 무선 전력 전송 시스템에서는 1차 코일과 2차 코일이 정렬되지 않으면, 무선 전력 전달의 효율이 크게 저하될 수 있으므로, 무선 충전의 효율을 높이기 위해 1차 코일과 2차 코일의 정렬이 요구될 수도 있다.
종래의 정렬 방법으로는 후방 카메라를 이용하여 2차 코일이 장착된 전기 자동차를 그라운드 어셈블리(Ground Assembly, GA)의 1차 코일에 정렬시키는 방법이 있다. 또한, 다른 종래의 정렬 방법으로는 전기 자동차가 주차 영역에 범프(bump)에 의해 주차된 후, 움직일 수 있는 충전 패드(movable charging pad)를 이동시켜, 충전 패드의 1차 코일과 전기 자동차의 2차 코일을 정렬하는 방법이 있다.
다만, 종래의 기술은 코일의 정렬에 사용자의 개입, 정렬 및 사용자의 불편 및 정렬의 큰 편차를 초래하며, 이는 약간의 코일 오정렬로 인해 과도한 시스템 성능 저하를 유발할 수 있다. 따라서, 코일의 오정렬에 민감한 자기 공진 형 무선 전력 전송 시스템에서 상술한 종래 기술을 이용하면, 최적의 전력 전달 효율을 실현하기 어렵고, 시스템의 안정성 및 신뢰성이 낮아질 수 있다.
따라서, 무선 전력 전달 시스템에서 전기 자동차에 탑재된 고전압 배터리를 충전하기 위해 차징 스테이션의 그라운드 어셈블리의 1차 코일 및 전기 자동차의 2차 코일을 정밀하게 정렬하는 방법이 요구되고 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 저주파수 안테나의 자기장 신호 강도를 이용한 위치 정렬 방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 다른 목적은 저주파수 안테나의 자기장 신호 강도를 이용한 위치 정렬 장치를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 수신 패드에 위치하는 안테나를 포함하는 위치 정렬 장치에 의해 수행되는 위치 정렬 방법은, 무선 통신을 이용하여 송신 패드에 위치하는 안테나를 포함하는 자기장 검출 장치와 연결하는 단계, 수신 패드에 위치하는 안테나를 이용하여 자기장을 출력하는 단계, 자기장 검출 장치로부터 자기장 측정치를 수신하는 단계 및 자기장 측정치 및 기저장된 기준 값을 비교하여 송신 패드 및 수신 패드 간의 위치 차이 정보를 획득하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 무선 통신을 이용하여 송신 패드에 위치하는 안테나를 포함하는 자기장 검출 장치와 연결하는 단계는, 무선 통신을 이용하여 일정한 반경 내의 적어도 하나의 송신 패드에 연결된 자기장 검출 장치를 검색하는 단계 및 적어도 하나의 자기장 검출 장치 중 수신 전계 강도 지시자(Received Signal Strength Indicator, RSSI), 전파 시간(Time of Flight, ToF), 전파 시간 차이(Time Difference of Flight, TDoF), 도달 시간(Time of Arrival, ToA) 및 도달 시간 차이(Time Difference of Arrival) 중 적어도 하나를 기초로 어느 하나의 자기장 검출 장치를 선택하여 연결하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 수신 패드에 위치하는 안테나를 이용하여 자기장을 출력하는 단계는, 수신 패드에 위치하는 안테나의 정상 구동 여부를 검증하는 단계 및 안테나가 정상 구동하는 경우, 안테나를 구동시켜 고유의 자기장을 출력하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 수신 패드에 위치하는 안테나 및 송신 패드에 위치하는 안테나는, 저주파수(low frequency) 대역을 사용하는 페라이트 로드 안테나(ferrite rod antenna)일 수 있다.
여기서, 위치 차이 정보는, 수신 패드를 기준으로 가로 방향을 나타내는 x축의 이격 거리, 세로 방향을 나타내는 y축의 이격 거리, 수신 패드와 수직인 방향을 나타내는 z축의 이격 거리 및 수신 패드의 가로 방향 및 송신 패드의 가로 방향 간의 틀어짐 정도 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
여기서, 수신 패드에 위치하는 안테나는, 수신 패드를 좌측 및 우측으로 2등분한 제1 구역 및 제2 구역에 하나씩 위치하는 2개의 안테나를 포함할 수 있다.
여기서, 송신 패드에 위치하는 안테나는, 송신 패드를 좌측 상단, 우측 상단, 좌측 하단 및 우측 하단으로 4등분한 제1 구역, 제2 구역, 제3 구역 및 제4 구역에 하나씩 위치하는 4개의 안테나를 포함할 수 있다.
여기서, 자기장 측정치는, 송신 패드에 위치하는 4개의 안테나 각각이 수신 패드에 위치하는 2개의 안테나로부터 발생된 자기장을 검출하여 측정한 자기장 측정치를 포함할 수 있다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 정렬 장치는, 수신 패드에 위치하는 안테나(antenna), 적어도 하나의 프로세서(processor) 및 적어도 하나의 프로세서를 통해 실행되는 적어도 하나의 명령이 저장된 메모리(memory)를 포함하고, 적어도 하나의 명령은, 무선 통신을 이용하여 송신 패드에 위치하는 안테나를 포함하는 자기장 검출 장치와 연결하도록 실행되고, 수신 패드에 위치하는 안테나를 이용하여 자기장을 출력하도록 실행되고, 자기장 검출 장치로부터 자기장 측정치를 수신하도록 실행되고, 자기장 측정치 및 기저장된 기준 값을 비교하여 송신 패드 및 수신 패드 간의 위치 차이 정보를 획득하도록 실행될 수 있다.
여기서, 적어도 하나의 명령은, 무선 통신을 이용하여 일정한 반경 내의 적어도 하나의 송신 패드에 연결된 자기장 검출 장치를 검색하도록 실행되고, 적어도 하나의 자기장 검출 장치 중 수신 전계 강도 지시자(Received Signal Strength Indicator, RSSI), 전파 시간(Time of Flight, ToF), 전파 시간 차이(Time Difference of Flight, TDoF), 도달 시간(Time of Arrival, ToA) 및 도달 시간 차이(Time Difference of Arrival) 중 적어도 하나를 기초로 어느 하나의 자기장 검출 장치를 선택하여 연결하도록 실행될 수 있다.
여기서, 적어도 하나의 명령은, 수신 패드에 위치하는 안테나의 정상 구동 여부를 검증하도록 실행되고, 수신 패드에 위치하는 안테나가 정상 구동하는 경우, 수신 패드에 위치하는 안테나를 구동시켜 고유의 자기장을 출력하도록 실행될 수 있다.
여기서, 수신 패드에 위치하는 안테나 및 송신 패드에 위치하는 안테나는, 저주파수(low frequency) 대역을 사용하는 페라이트 로드 안테나(ferrite rod antenna)일 수 있다.
여기서, 위치 차이 정보는, 수신 패드를 기준으로 가로 방향을 나타내는 x축의 이격 거리, 세로 방향을 나타내는 y축의 이격 거리, 수신 패드와 수직인 방향을 나타내는 z축의 이격 거리 및 수신 패드의 가로 방향 및 송신 패드의 가로 방향 간의 틀어짐 정도 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
여기서, 수신 패드에 위치하는 안테나는, 수신 패드를 좌측 및 우측으로 2등분한 제1 구역 및 제2 구역에 하나씩 위치하는 2개의 안테나를 포함할 수 있다.
여기서, 송신 패드에 위치하는 안테나는, 송신 패드를 좌측 상단, 우측 상단, 좌측 하단 및 우측 하단으로 4등분한 제1 구역, 제2 구역, 제3 구역 및 제4 구역에 하나씩 위치하는 4개의 안테나를 포함할 수 있다.
여기서, 자기장 측정치는, 송신 패드에 위치하는 4개의 안테나 각각이 수신 패드에 위치하는 2개의 안테나로부터 발생된 자기장을 검출하여 측정한 자기장 측정치를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 그라운드 어셈블리의 1차 코일과 전기 자동차의 2차 코일을 정밀하게 정렬할 수 있으므로 무선 충전 효율을 극대화 및 최적화할 수 있다.
본 발명에 따르면, 사용자의 개입 없이 그라운드 어셈블리의 1차 코일과 전기 자동차의 2차 코일의 비틀어짐 정도를 출력하여 사용자에게 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예가 적용되는 전기차를 위한 무선 전력 전송의 개념을 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기차 무선 충전 회로를 도시한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기차 무선 전력 전송에서의 정렬 개념을 설명하기 위한 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 정렬 방법의 개념도이다.
도 5는 루프 안테나를 설명하는 도면이다.
도 6은 루프 안테나의 등가 회로를 설명하는 도면이다.
도 7은 페라이트 로드 안테나 및 페라이트 로드 안테나의 등가 회로를 나타낸 도면이다.
도 8은 루프 안테나의 코어에 따른 방사 저항을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 VA에 연결된 위치 정렬 장치의 블록 구성도를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 GA에 연결된 자기장 검출 장치의 블록 구성도를 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 정렬 장치의 상세한 블록 구성도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 정렬 장치의 상태 전환을 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량이 주차 공간을 검색하는 방법을 나타낸 도면이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량이 주차 공간을 선택하는 방법을 나타낸 도면이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 이상적인 위치에서 GA 및 VA 간의 자기장 신호를 나타낸 도면이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 오정렬된 위치에서 GA 및 VA 간의 자기장 신호를 나타낸 도면이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 정렬 방법을 설명하는 순서도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는 데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는"이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 명세서에 사용되는 일부 용어를 정의하면 다음과 같다.
전기차(Electric Vehicle, EV)는 49 CFR(code of federal regulations) 523.3 등에서 정의된 자동차(automobile)를 지칭할 수 있다. 전기차는 고속도로 이용 가능하고, 차량 외부의 전원공급원으로부터 재충전 가능한 배터리 등의 차량 탑재 에너지 저장 장치에서 공급되는 전기에 의해 구동될 수 있다. 전원공급원은 주거지나 공용 전기서비스 또는 차량 탑재 연료를 이용하는 발전기 등을 포함할 수 있다.
전기차(electric vehicle, EV)는 일렉트릭 카(electric car), 일렉트릭 오토모바일(electric automobile), ERV(electric road vehicle), PV(plug-in vehicle), xEV(plug-in vehicle) 등으로 지칭될 수 있고, xEV는 BEV(plug-in all-electric vehicle 또는 battery electric vehicle), PEV(plug-in electric vehicle), HEV(hybrid electric vehicle), HPEV(hybrid plug-in electric vehicle), PHEV(plug-in hybrid electric vehicle) 등으로 지칭되거나 구분될 수 있다.
플러그인 전기차(Plug-in Electric Vehicle, PEV)는 전력 그리드에 연결하여 량 탑재 일차 배터리를 재충전하는 전기차로 지칭될 수 있다.
플러그인 차량(Plug-in vehicle, PV)은 본 명세서에서 전기차 전력공급장치(electric vehicle supply equipment, EVSE)로부터 물리적인 플러그와 소켓을 사용하지 않고 무선 충전 방식을 통해 재충전 가능한 차량으로 지칭될 수 있다.
중량 자동차(Heavy duty vehicles; H.D. Vehicles)는 49 CFR 523.6 또는 CFR 37.3(bus)에서 정의된 네 개 이상의 바퀴를 가진 모든 차량을 지칭할 수 있다.
경량 플러그인 전기차(Light duty plug-in electric vehicle)는 주로 공공 거리, 도로 및 고속도로에서 사용하기 위한 재충전 가능한 배터리나 다른 에너지 장치의 전류가 공급되는 전기 모터에 의해 추진력을 얻는 3개 또는 4개 바퀴를 가진 차량을 지칭할 수 있다. 경량 플러그인 전기차는 총 중량이 4.545㎏보다 작게 규정될 수 있다.
무선 충전 시스템(Wireless power charging system, WCS)은 무선 전력 전송과 얼라인먼트 및 통신을 포함한 GA와 VA 간의 제어를 위한 시스템을 지칭할 수 있다.
무선 전력 전송(Wireless power transfer, WPT)은 유틸리티(Utility)나 그리드(Grid) 등의 교류(AC) 전원공급 네트워크에서 전기차로 무접촉 수단을 통해 전기적인 전력을 전송하는 것을 지칭할 수 있다.
유틸리티(Utility)는 전기적인 에너지를 제공하며 통상 고객 정보 시스템(Customer Information System, CIS), 양방향 검침 인프라(Advanced Metering Infrastructure, AMI), 요금과 수익(Rates and Revenue) 시스템 등을 포함하는 시스템들의 집합으로 지칭될 수 있다. 유틸리티는 가격표 또는 이산 이벤트(discrete events)를 통해 플러그인 전기차가 에너지를 이용할 수 있도록 한다. 또한, 유틸리티는 관세율, 계측 전력 소비에 대한 인터벌 및 플러그인 전기차에 대한 전기차 프로그램의 검증 등에 대한 정보를 제공할 수 있다.
스마트 충전(Smart charging)은 EVSE 및/또는 플러그인 전기차가 차량 충전율이나 방전율을 그리드 용량이나 사용 비용 비율의 시간을 최적화하기 위해 전력 그리드와 통신하는 시스템으로 설명할 수 있다.
자동 충전(Automatic charging)은 전력을 전송할 수 있는 1차측 충전기 어셈블리(primary charger assembly)에 대하여 적절한 위치에 차량을 위치시키고 인덕티브 충전하는 동작으로 정의될 수 있다. 자동 충전은 필요한 인증 및 권한을 얻은 후에 수행될 수 있다.
상호운용성(Interoperabilty)은 서로 상대적인 시스템의 성분들이 전체 시스템의 목적하는 동작을 수행하기 위해 함께 작동할 수 있는 상태를 지칭할 수 있다. 정보 상호운용성(Information interoperability)은 두 개 이상의 네트워크들, 시스템들, 디바이스들, 애플리케이션들 또는 성분들이 사용자가 거의 또는 전혀 불편함 없이 안전하고 효과적으로 정보를 공유하고 쉽게 사용할 수 있는 능력을 지칭할 수 있다.
유도 충전 시스템(Inductive charging system)은 두 파트가 느슨하게 결합된 트랜스포머를 통해 전기 공급 네트워크에서 전기차로 정방향에서 전자기적으로 에너지를 전송하는 시스템을 지칭할 수 있다. 본 실시예에서 유도 충전 시스템은 전기차 충전 시스템에 대응할 수 있다.
유도 커플러(Inductive coupler)는 GA 코일과 VA 코일로 형성되어 전력이 전기적인 절연을 통해 전력을 전송하는 트랜스포머를 지칭할 수 있다.
유도 결합(Inductive coupling)은 두 코일들 간의 자기 결합을 지칭할 수 있다. 두 코일은 그라운드 어셈블리 코일(Ground assembly coil)과 차량 어셈블리 코일(Vehicle assembly coil)을 지칭할 수 있다.
그라운드 어셈블리(Ground assembly, GA)는 GA 코일과 다른 적절한 부품을 포함하여 그라운드 또는 인프라스트럭처(infrastructure) 측에 배치되는 어셈블리를 지칭할 수 있다. 다른 적절한 부품은 임피던스와 공진주파수를 제어하기 위한 적어도 하나의 부품, 자기 경로(magnetic path)를 강화하기 위한 페라이트 및 전자기 차폐 재료를 포함할 수 있다. 예컨대, GA는 무선 충전 시스템의 전력 소스로서 기능하는 데 필요한 전력/주파수 변환 장치, GA 컨트롤러 및 그리드로부터의 배선과 각 유닛과 필터링 회로들, 하우징 등의 사이의 배선을 포함할 수 있다.
차량 어셈블리(Vehicle assembly, VA)는 VA 코일과 다른 적절한 부품을 포함하여 차량에 배치되는 어셈블리를 지칭할 수 있다. 다른 적절한 부품은 임피던스와 공진주파수를 제어하기 위한 적어도 하나의 부품, 자기 경로를 강화하기 위한 페라이트 및 전자기 차폐 재료를 포함할 수 있다. 예를 들면, VA는 무선 충전 시스템의 차량 부품으로서 기능하는 데 필요한 정류기/전력변환장치와 VA 컨트롤러 및 차량 배터리의 배선뿐 아니라 각 유닛과 필터링 회로들, 하우징 등의 사이의 배선을 포함할 수 있다.
전술한 GA는 프라이머리 디바이스(primary device, PD), 1차측 장치 등으로 지칭될 수 있고, 이와 유사하게 VA는 세컨더리 디바이스(secondary device, SD), 2차측 장치 등으로 지칭될 수 있다.
프라이머리 디바이스(Primary device)는 세컨더리 디바이스에 무접촉 결합을 제공하는 장치 즉, 전기차 외부의 장치일 수 있다. 프라이머리 디바이스는 1차측 장치로 지칭될 수 있다. 전기차가 전력을 받을 때, 프라이머리 디바이스는 전력을 전송하는 전원 소스로서 동작할 수 있다. 프라이머리 디바이스는 하우징과 모든 커버들을 포함할 수 있다.
세컨더리 디바이스(Secondary device)는 프라이머리 디바이스에 무접촉 결합을 제공하는 전기차 탑재 장치일 수 있다. 세컨더리 디바이스는 2차측 장치로 지칭될 수 있다. 전기차가 전력을 받을 때, 세컨더리 디바이스는 프라이머리 디바이스로부터의 전력을 전기차로 전달할 수 있다. 세컨더리 디바이스는 하우징과 모든 커버들을 포함할 수 있다.
그라운드 어셈블리 컨트롤러(GA controller)는 차량으로부터의 정보를 토대로 GA 코일에 대한 출력 전력 레벨을 조절하는 GA의 일부분일 수 있다.
차량 어셈블리 컨트롤러(VA controller)는 충전 동안 특정 차량용 파라미터를 모니터링하고 GA와의 통신을 개시하여 출력 전력 레벨을 제어하는 VA의 일부분일 수 있다.
전술한 GA 컨트롤러는 프라이머리 디바이스 통신제어기(Primary device communication controller, PDCC)로 지칭될 수 있고, VA 컨트롤러는 전기차 통신제어기(electric vehicle communication controller, VA 제어기)로 지칭될 수 있다.
마그네틱 갭(Magnetic gap)은 리츠선(litz wire)의 상부 또는 GA 코일의 마그네틱 재료의 상부의 가장 높은 평면과 상기 리츠선의 하부 또는 VA 코일의 마그네틱 재료의 가장 낮은 평면이 서로 정렬되었을 때 이들 사이의 수직 거리를 지칭할 수 있다.
주위 온도(Ambient temperature)는 직접적으로 햇빛이 비치지 않는 대상 서브시스템의 대기에서 측정된 그라운드 레벨 온도를 지칭할 수 있다.
차량 지상고(Vehicle ground clearance)는 도로 또는 도로포장과 차량 플로어 팬의 최하부 사이의 수직 거리를 지칭할 수 있다.
차량 마그네틱 지상고(Vehicle magnetic ground clearance)는 리츠선의 바닥 최하위 평면 또는 차량에 탑재된 VA 코일의 절연 재료와 도로포장 사이의 수직 거리를 지칭할 수 있다.
차량 어셈블리(VA) 코일 표면 간격(Vehicle assembly coil surface distance)은 리츠선의 바닥 최하부의 평면 또는 VA 코일의 마그네틱 재료와 VA 코일의 최하위 외부 표면 사이의 수직 거리를 지칭할 수 있다. 이러한 거리는 보호 커버재 및 코일 포장재로 포장된 추가 아이템을 포함할 수 있다.
전술한 VA 코일은 2차 코일(secondary coil), 차량 코일(vehicle coil), 수신 코일(receiver coil) 등으로 지칭될 수 있고, 이와 유사하게 그라운드 어셈블리 코일(ground assembly coil, GA coil)은 1차 코일(primary coil), 송신 코일(transmit coil) 등으로 지칭될 수 있다.
노출 도전 부품(Exposed conductive component)은 사람에 의해 접촉될 수 있고 평상시 전기가 흐르지 않지만 고장 시에 전기가 흐를 수 있는 전기적인 장치(예컨대, 전기차)의 도전성 부품을 지칭할 수 있다.
유해 라이브 요소(Hazardous live component)는 어떤 조건하에서 유해한 전기 쇼크를 줄 수 있는 라이브 구성요소를 지칭할 수 있다.
라이브 요소(Live component)는 기본적인 용도에서 전기적으로 활성화되는 모든 도체 또는 도전성 부품을 지칭할 수 있다.
직접 접촉(Direct contact)은 생물체인 사람의 접촉을 지칭할 수 있다.
간접 접촉(Indirect contact)은 절연 실패로 사람이 노출된, 도전된, 전기가 흐르는 활성 성분에 접촉하는 것을 지칭할 수 있다.(IEC 61140 참조)
얼라인먼트(Alignment)는 규정된 효율적인 전력 전송을 위해 프라이머리 디바이스에 대한 세컨더리 디바이스의 상대적인 위치를 찾는 절차 및/또는 세컨더리 디바이스에 대한 프라이머리 디바이스의 상대적인 위치를 찾는 절차를 가리킬 수 있다. 본 명세서에서 얼라인먼트는 무선 전력 전송 시스템의 위치 정렬을 지칭할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
페어링(Pairing)은 전력을 전송할 수 있도록 배치된 단일 전용 그라운드 어셈블리(프라이머리 디바이스)와 차량(전기차)가 연관되는 절차를 지칭할 수 있다. 본 명세서에서 페어링은 충전 스팟 또는 특정 그라운드 어셈블리와 차량 어셈블리 제어기의 연관 절차를 포함할 수 있다. 연관(Correlation/Association)은 두 피어 통신 실체들 사이의 관계 성립 절차를 포함할 수 있다.
명령 및 제어 통신(Command and control communication)은 무선 전력 전송 프로세스의 시작, 제어 및 종료에 필요한 정보를 교환하는 전기차 전력공급장치와 전기차 사이의 통신을 지칭할 수 있다.
하이 레벨 통신(High level communication)은 명령 및 제어 통신에서 담당하는 정보를 초과하는 모든 정보를 처리할 수 있다. 하이 레벨 통신의 데이터 링크는 PLC(Power line communication)을 사용할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
저전력 기동(Low power excitation)은 정밀 포지셔닝과 페어링을 수행하기 위해 전기차가 프라이머리 디바이스를 감지하도록 그것을 활성화하는 것을 지칭할 수 있으나, 이에 한정되지 않으며 그 역도 가능하다.
SSID(Service set identifier)는 무선랜 상에서 전송되는 패킷의 해더에 붙는 32-character로 이루어진 유니크한 식별자이다. SSID는 무선 장비에서 접속하려고하는 BSS(basic service set)를 구분해준다. SSID는 기본적으로 여러 개의 무선랜을 서로 구별해준다. 따라서 특정한 무선랜을 사용하려는 모든 AP(access point)와 모든 단말(terminal)/스테이션(station) 장비들은 모두 같은 SSID를 사용할 수 있다. 유일한 SSID를 사용하지 않는 장비는 BSS에 조인하는 것이 불가능하다. SSID는 평문으로 그대로 보여지기 때문에 네트워크에 어떠한 보안 특성도 제공하지 않을 수 있다.
ESSID(Extended service set identifier)는 접속하고자 하는 네트워크의 이름이다. SSID와 비슷하지만 보다 확장된 개념일 수 있다.
BSSID(Basic service set identifier)는 통상 48bits로 특정 BSS(basic service set)를 구분하기 위해 사용한다. 인프라스트럭쳐 BSS 네트워크의 경우, BSSID는 AP 장비의 MAC(medium access control)가 될 수 있다. 독립적인(independent) BSS나 애드훅(ad hoc) 네트워크의 경우, BSSID는 임의의 값으로 생성될 수 있다.
차징 스테이션(charging station)은 적어도 하나 이상의 그라운드 어셈블리와 적어도 하나 이상의 그라운드 어셈블리를 관리하는 적어도 하나 이상의 그라운드 어셈블리 제어기를 포함할 수 있다. 그라운드 어셈블리는 적어도 하나 이상의 무선통신기를 구비할 수 있다. 차징 스테이션은 가정, 사무실, 공공장소, 도로, 주차장 등에 설치되는 적어도 하나 이상의 그라운드 어셈블리를 구비한 장소를 지칭할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예가 적용되는 전기차를 위한 무선 전력 전송의 개념을 설명하기 위한 개념도이다.
도 1을 참조하면, 무선 전력 전송은 전기차(electric vehicle, 10)의 적어도 하나의 구성요소와 차징 스테이션(charging station, 20)에 의해서 수행될 수 있고, 전기차(10)에 무선으로 전력을 전송하기 위해서 이용될 수 있다.
여기서, 전기차(10)는 일반적으로 배터리(12)와 같이 충전 가능한 에너지 저장 장치로부터 유도된 전류를 동력장치인 전기 모터의 에너지원으로 공급하는 차량(automobile)으로 정의할 수 있다.
다만, 본 발명에 따른 전기차(10)는 전기 모터와 일반적인 내연기관(internal combustion engine)을 함께 갖는 하이브리드 자동차를 포함할 수 있고, 자동차(automobile)뿐만 아니라 모터사이클(motocycle), 카트(cart), 스쿠터(scooter) 및 전기 자전거(electric bicycle)를 포함할 수 있다.
또한, 전기차(10)는 무선으로 배터리(12)를 충전할 수 있도록 수신 코일이 포함된 수신 패드(11)를 포함할 수 있으며, 유선으로 배터리(12)를 충전할 수 있도록 플러그 접속구를 포함할 수도 있다. 이때, 유선으로 배터리(12)를 충전할 수 있는 전기차(10)를 플러그인 전기차(Plug-in Electric Vehicle, PEV)로 지칭할 수 있다.
여기서, 차징 스테이션(20)은 전력망(power grid, 30) 또는 전력 백본(power backbone)에 연결될 수 있고, 전력 링크(power link)를 통하여 송신 코일이 포함된 송신 패드(21)에 교류(AC) 또는 직류(DC) 전력을 제공할 수 있다.
또한, 차징 스테이션(20)은 유무선 통신을 통하여 전력망(power grid, 30) 또는 전력망을 관리하는 인프라 관리 시스템(infrastructure management system) 또는 인프라 서버와 통신할 수 있고, 전기차(10)와 무선 통신을 수행할 수 있다.
여기서, 무선 통신에는 블루투스(Bluetooth), 지그비(zigbee), 셀룰러(cellular), 무선 로컬 영역 네트워크(wireless local area network) 등이 있을 수 있다.
또한, 예를 들어 차징 스테이션(20)은 전기차(10) 소유자의 집에 부속된 주차장, 주유소에서 전기차 충전을 위한 주차구역, 쇼핑 센터나 직장의 주차구역 등과 같이 다양한 장소에 위치할 수 있다.
여기서, 전기차(10)의 배터리(12)를 무선 충전하는 과정은 먼저 전기차(10)의 수신 패드(11)가 송신 패드(21)에 의한 에너지 장(energy field)에 위치하고, 송신 패드(21)의 송신 코일과 수신 패드(11)의 수신 코일이 서로 상호작용 또는 커플링됨으로써 수행될 수 있다. 상호작용 또는 커플링의 결과로 수신 패드(11)에 기전력이 유도되고, 유도된 기전력에 의해 배터리(12)가 충전될 수 있다.
또한, 차징 스테이션(20)과 송신 패드(21)는 그 전부 또는 일부를 그라운드 어셈블리(Ground Assembly, GA)로 지칭할 수 있고, 그라운드 어셈블리는 앞서 정의한 의미를 참조할 수 있다.
또한, 전기차(10)의 수신 패드(11)와 다른 전기차 내부 구성요소 전부 또는 일부를 비히클 어셈블리(Vehicle Assembly, VA)로 지칭할 수 있는데, 여기서 비히클 어셈블리는 앞서 정의한 의미를 참조할 수 있다.
여기서, 송신 패드 또는 수신 패드는 비극성(non-polarized) 또는 극성(polarized)으로 구성될 수도 있다.
이때, 패드가 비극성이면 패드의 중앙에 하나의 극이 있고, 바깥 주변에 반대 극을 가질 수 있다. 여기서, 자속(flux)는 패드의 중앙에서 나가고(exit), 패드의 모든 바깥 경계에서 복귀(return)하도록 형성될 수 있다.
또한, 패드가 극성인 경우, 패드의 어느 한쪽 끝에 각각의 극을 가질 수 있다. 여기서, 자속은 패드의 방향(orientation)에 기초하여 형성될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기차 무선 충전 회로를 도시한 개념도이다.
도 2를 참조하면, 전기차 무선 충전 시스템에서 충전이 이루어지는 회로에 대한 개략적인 구성을 알 수 있다.
여기서, 도 2의 좌측 회로는 전력망에서 공급되는 전원(Vsrc), 도 1에서의 차징 스테이션(20), 송신 패드(21)의 구성 중 전부 또는 일부를 표현한 것으로 해석될 수 있고, 도 2의 우측 회로는 수신 패드 및 배터리를 포함한 전기차의 일부 또는 전부를 표현한 것으로 해석될 수 있다.
먼저, 도 2의 좌측 회로는 전력망에서 공급되는 전원(Vsrc)에 대응되는 출력 전력(Psrc)를 무선 충전 전력 변환기에 제공하고, 무선 충전 전력 변환기는 송신 코일(L1)에서 희망하는 공진 주파수에서의 전자기장을 방출할 수 있도록, 제공받은 전력(Psrc)의 주파수 및 AC/DC 변환을 수행한 전력(P1)을 출력할 수 있다.
구체적으로, 무선 충전 전력 변환기는 전력망에서 공급된 전력(Psrc)이 AC 전력인 경우 DC 전력으로 변환하는 AC/DC 변환기 및 DC전력을 무선 충전에 적합한 공진 주파수의 전력으로 변환하는 저주파수 변환기(또는 LF 변환기) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 공진 주파수는 예를 들면, 80 내지 90 kHz 사이에 위치하도록 결정할 수 있다.
무선 충전 전력 변환기에서 출력된 전력(P1)은 다시 송신 코일(L1), 제1 커패시터(C1) 및 제1 저항(R1)으로 구성된 회로에 공급될 수 있고, 이때 제1 커패시터(C1)는 송신 코일(L1)과 함께 충전에 적합한 공진 주파수를 갖도록 하는 소자값을 가지도록 결정될 수 있다. 또한, 여기서 제1 저항(R1)은 송신 코일(L1) 및 제1 커패시터(C1)에 의해 발생하는 전력손실을 의미할 수 있다.
여기서, 송신 코일(L1)은 수신 코일(L2)과 커플링 계수 k으로 정의되는 전자기적 커플링이 이루어져 전력이 전송되도록 하거나, 또는 전력이 수신 코일(L2)로 유도될 수 있다. 따라서, 본 발명에서 전력이 전송된다는 의미는 전력이 유도된다는 의미와 혼용하여 사용될 수 있다.
여기서, 수신 코일로 유도되거나 전송받은 전력(P2)은 전기차 전력 변환기로 제공될 수 있다. 이때, 제2 커패시터(C2)는 수신 코일(L2)과 함께 충전에 적합한 공진 주파수를 갖도록 하는 소자값으로 결정될 수 있고, 제2 저항(R2)은 수신 코일(L2) 및 제2 커패시터(C2)에 의해 발생하는 전력손실을 의미할 수 있다.
전기차 전력 변환기는 제공받은 특정 공진 주파수의 전력(P2)을 다시 전기차의 배터리(VHV)에 적합한 전압 레벨을 갖는 DC 전력으로 변환하는 LF/DC 변환기를 포함할 수 있다.
전기차 전력 변환기가 제공받은 전력(P2)을 변환한 전력(PHV)을 출력하면, 출력된 전력(PHV)는 전기차에 내장된 배터리(VHV)의 충전에 사용될 수 있다.
여기서, 도 2의 우측 회로에는 수신 코일(L2)을 배터리(VHV)와 선택적으로 접속 또는 해제하기 위한 스위치(switch)를 더 포함할 수 있다.
여기서, 송신 코일(L1)과 수신 코일(L2)의 공진 주파수(resonance frequency)는 서로 유사하거나 동일하도록 구성될 수 있으며, 송신 코일(L1)에서 발생된 전자기장에 수신 코일(L2)이 근거리에 위치할 수 있도록 구성될 수 있다.
여기서, 도 2의 회로는 본 발명의 실시예들을 위해서 이용 가능한 전기차 무선 충전 시스템에서의 전력 전송에 관한 예시적 회로로 이해되어야 하며, 도 2에서의 회로에 한정하여 해석되는 것은 아니다.
한편, 송신 코일(L1)과 수신 코일(L2)이 원거리에 위치할수록 전력 손실이 증가할 수 있으므로, 양자의 위치를 설정하는 것은 중요한 요소일 수 있다.
이때, 송신 코일(L1)은 도 1에서의 송신 패드(21)에 포함되고, 수신 코일(L2)은 도 1에서의 수신 패드(11)에 포함될 수 있다. 또한, 송신 코일은 GA 코일(Ground Assembly coil)로 지칭될 수도 있고, 수신 코일은 VA 코일(Vehicle Assembly coil)로 지칭될 수도 있다. 따라서, 송신 패드와 수신 패드 상호간의 위치 결정 또는 전기차와 송신 패드 상호간의 위치 결정에 관하여 이하 도면을 참조하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기차 무선 전력 전송에서의 정렬 개념을 설명하기 위한 개념도이다.
도 3을 참조하면, 도 1에서의 송신 패드(21) 및 전기차(10)에 내장된 수신 패드(11) 사이의 위치 정렬 방법을 설명할 수 있다. 여기서, 위치 정렬은 앞서 설명한 용어인 얼라인먼트(alignment)에 대응될 수 있고, 따라서, GA와 VA간의 위치 정렬로 정의할 수도 있고, 송신 패드(21)와 수신 패드(11)의 위치 정렬로 한정해석되지 않는다.
여기서, 송신 패드(21)는 도 3에서는 지표면 아래에 위치한 것으로 도시하였으나, 지표면 위에 위치할 수도 있고, 지표면 아래에서 송신 패드(21)의 상면이 노출되도록 위치할 수도 있다.
또한, 전기차의 수신 패드(11)는 지표면을 기준으로 측정된 높이(z방향으로 정의)에 따라 카테고리를 달리하여 정의할 수 있고, 예를 들어 지표면에서 수신 패드(11)의 높이가 100-150(mm) 인 경우 class 1, 140-210(mm) 인 경우 class 2, 170-250(mm)인 경우 class 3와 같이 설정할 수 있다. 이때, 수신 패드(11)에 따라 class 1만을 지원하거나, class 1과 2를 지원할 수도 있는 등 부분적 지원이 가능할 수 있다.
여기서, 지표면을 기준으로 측정된 높이는 앞서 설명한 용어인 차량 마그네틱 지상고에 대응될 수 있다.
또한, 송신 패드(21)의 높이 방향(z방향으로 정의)의 위치는 상기 수신 패드(11)에서 지원하는 최대 클래스와 최소 클래스 사이에 위치하도록 결정할 수 있는데, 예를 들어 수신 패드(11)가 class1과 2만을 지원한다면, 수신 패드(11)를 기준으로 100-210 (mm) 사이에 송신 패드가 위치하도록 결정할 수 있다.
또한, 송신 패드(21)의 중심과 수신 패드(11)의 중심 사이의 격차는 가로 및 세로 방향(x 및 y 방향으로 정의)의 한계값 이내에 위치하도록 결정할 수 있다. 예를 들어, 가로 방향(x방향으로 정의)으로는 ±75 (mm) 이내에 위치하도록 결정할 수 있고, 세로 방향(y방향으로 정의)으로는 ±100 (mm) 이내에 위치하도록 결정할 수 있다.
여기서, 송신 패드(21)와 수신 패드(11)의 상대적 위치는 그 실험적 결과에 따라 한계값이 달라질 수 있고, 상기 수치들은 예시적인 것으로 이해되어야 한다.
또한, 송신 패드(21)와 수신 패드(11)는 각각 코일을 포함하는 것으로 전제하고 패드 상호간의 정렬로 설명하였으나, 더 구체적으로는 송신 패드(21)와 수신 패드(11)에 각각 내장된 송신 코일(또는 GA 코일)과 수신 코일(또는 VA 코일) 상호간의 정렬로 정의할 수도 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 정렬 방법의 개념도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 정렬 방법은 그라운드 어셈블리(GA)의 1차 코일 및 차량 어셈블리(VA)의 2차 코일의 위치를 정렬하여 무선 충전 효율을 극대화 및/또는 최적화하기 위한 방법으로, GA 측의 4개의 안테나(ANT1, ANT2, ANT3 및 ANT4) 및 VA 측의 2개의 안테나(ANTa 및 ANTb) 간의 자기장 측정치를 기초로 수행될 수 있다.
더욱 상세하게는, VA는 2개의 안테나를 포함할 수 있고, 2개의 안테나는 VA의 좌측 구역 및 우측 구역에 하나씩 위치할 수 있으며, 좌측 구역 및 우측 구역은 VA를 좌측 및 우측으로 2등분한 구역을 의미할 수 있고, 좌우 대칭적으로 구분한 구역을 의미할 수 있다. VA가 사각형의 구조를 가지는 경우, 2개의 안테나는 사각형의 좌측변 중앙 및 우측변 중앙에 각각 위치할 수 있으나, 구조는 설계에 따라 변경될 수 있으므로, 사각형으로 한정하지 않는다.
또한, 2개의 안테나는 VA와 연결되어 차량의 특정 부분에 위치할 수도 있으며, 이러한 경우 차량의 특정 부분의 좌측 구역 및 우측 구역에 하나씩 위치할 수 있다. 차량의 특정 부분의 좌측 구역 및 우측 구역은 차량의 특정 부분을 좌우 대칭적으로 구분한 구역을 의미할 수 있다.
상술한 VA 및 차량의 특정 부분의 좌측 구역 및 우측 구역은 앞쪽 구역 및 뒤쪽 구역도 될 수 있으나, 이에 한정하지 않으며, 대칭성을 가지고 구분된 2개의 구역을 의미할 수 있다. 이하에서는 VA에 위치하는 것으로 가정하여 설명하겠다.
VA 또는 차량 어셈블리 컨트롤러(vehicle assembly controller)는 안테나를 제어할 수 있고, VA 및 GA 간의 위치 차이 정보를 산출할 수 있는 위치 정렬 장치를 포함할 수 있다.
GA는 4개의 안테나를 포함할 수 있고, 4개의 안테나는 GA의 제1 구역, 제2 구역, 제3 구역 및 제 4구역에 하나씩 위치할 수 있으며, 제1 구역, 제2 구역, 제3 구역 및 제4 구역은 각각 GA의 좌측 상단 구역, 우측 상단 구역, 좌측 하단 구역 및 우측 하단 구역을 의미할 수 있으나, 이에 한정하지 않으며, GA를 동일한 크기를 가지도록 4등분한 구역들을 각각 의미할 수 있다. GA가 사각형의 구조를 가지는 경우, 4개의 안테나는 사격형의 각 모서리에 각각 위치할 수 있으나, 구조는 설계에 따라 변경될 수 있으므로, 사각형으로 한정하지 않는다. 또한, GA 또는 그라운드 어셈블리 컨트롤러(ground assembly controller)는 4개의 안테나가 검출한 자기장 정보를 기초로 자기장 측정치를 산출할 수 있고, 위치 정렬 장치로 자기장 측정치를 송신할 수 있는 자기장 검출 장치를 포함할 수 있다.
여기서, VA 및/또는 GA가 포함하는 안테나는 루프 안테나(loop antenna)를 의미할 수 있고, 페라이트 로드 안테나(ferrite rod antenna)를 의미할 수도 있으나, 이에 한정하지 않는다.
페라이트 로드 안테나는 저주파수를 이용하는 안테나를 의미할 수 있다. 여기서, 저주파수는 ITU(International Telecommunication Union)에서 12단계로 구분한 주파수 영역 중 30~300kHz 대역을 사용하는 LF 대역을 의미할 수 있다. ITU에서 12단계로 구분한 주파수 영역은 표 1과 같다.
Figure pat00001
본 발명의 일 실시예에 따른 위치 정렬 장치를 설명하기 전에 위치 정렬 장치에 사용되는 루프 안테나 및/또는 페라이트 로드 안테나를 도 5 내지 도 8과 함께 설명하겠다.
도 5는 루프 안테나를 설명하는 도면이다.
도 5를 참조하면, 도 5의 (a)는 권선 수가 1인 루프 안테나를 나타낸 도면이고, 도 5의 (b)는 권선 수가 복수인 루프 안테나를 나타낸 도면이다.
루프 안테나는 폐쇄된 회로(closed-circuit)를 포함하는 안테나를 의미할 수 있다. 루프 안테나는 구조가 간단하고, 저비용이며, 안테나의 형상 변경이 용이하여 다양한 형태의 안테나로 제작할 수 있는 장점이 있다. 여기서, 다양한 형태는 원형, 삼각형, 사각형 및 타원형 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정하지 않는다. 또한, 루프 안테나는 일반적으로 원주 또는 둘레의 길이가 파장의 0.1배보다 작은 경우 전기적으로 작은 루프 안테나로 분류할 수 있고, 그 외는 전기적으로 큰 루프 안테나로 분류할 수 있다.
도 5의 (a)는 권선 수가 1인 루프 안테나이며, 원주 또는 둘레의 길이가 파장의 0.085 배보다 작으므로, 전기적으로 작은 루프 안테나일 수 있다. 또한, 도 5의 (a)의 루프 안테나는 매우 작은 방사 저항(radiation resistance)을 가질 수 있다. 다시 말해, 방사 저항은 1 ohm보다 작을 수 있으나, 방사 저항은 권선 수를 증가하여 향상시킬 수 있다.
도 5의 (a)의 루프 안테나는 작은 루프로 협대역(narrowband)를 가질 수 있고, 전형적으로 1% 미만의 대역폭을 가질 수 있다. 루프 안테나는 루프 면에 수직한 작은 전기 쌍극자와 유사한 far field pattern을 가질 수 있고, 자기 쌍극자와 등가일 수 있다. 또한, 루프 안테나는 강자성 코어(ferromagnetic core)를 삽입하여 방사 저항을 추가적으로 향상시킬 수도 있다.
도 5의 (b)는 권선 수가 복수인 루프 안테나로, 방사 저항이 향상될 수 있으나, 효율이 매우 낮아질 수 있다. 권선 수가 복수인 루프 안테나는 대부분 수신 안테나로 사용될 수 있고, 손실이 중요하지 않을 수 있다.
작은 루프 안테나는 권선 수를 복수로 하고, 페라이트 코어를 삽입하여 높은 방사 저항을 가질 수 있으나, 높은 손실 및 낮은 방사 효율을 가질 수 있다. 다만, 작은 루프 안테나는 간단한 구조이고, 작은 크기 및 무게를 가지는 장점도 가지고 있다.
도 6은 루프 안테나의 등가 회로를 설명하는 도면이다.
도 6을 참조하면, 도 6의 (a)는 루프 안테나의 등가 회로를 나타낸 도면이고, 도 6의 (b)는 루프 안테나의 등가 회로에서 손실 저항을 설명하기 위한 도면이다.
도 6의 (a)의 등가 회로에서, Cr은 공진 커패시턴스(resonance capacitance)를 나타낼 수 있으며, Rl은 루프 안테나의 손실 저항(loss resistance)을 나타낼 수 있고, Rr은 방사 저항(radiation resistance)을 나타낼 수 있다. 또한, LA는 루프의 인덕턴스(inductance)를 나타낼 수 있고, XA는 LA의 리액턴스(reactance)를 나타낼 수 있다. Li는 루프 컨덕터(와이어)의 인덕턴스를 나타낼 수 있고, Xi는 Li의 리액턴스를 나타낼 수 있다. 또한, Zin은 입력 인피던스(input impedance)를 나타낼 수 있고, Z'in은 Zin과 공액 정합(conjugate matching) 관계의 인피던스를 나타낼 수 있다.
입력 인피던스 Zin, Zin과 공액 정합 관계의 인피던스 Z'in, 입력 인피던스 Zin과 등가인 어드미턴스(admittance) Yin 및 공진 커패시턴스 Cr은 수학식 1과 같이 산출될 수 있다.
Figure pat00002
수학식 1에서,
Figure pat00003
는 주파수를 나타낼 수 있으며, Gin 및 Bin은 각각 어드미턴스 Yin의 컨덕턴스(conductance) 및 서셉턴스(susceptance)를 나타낼 수 있다.
도 6의 (b)는 손실 저항 Rl의 값을 설명하기 위한 도면으로, 도 6의 (a)에서 2a는 루프의 직경을 나타낼 수 있으며, 2b는 와이어(wire)의 직경을 나타낼 수 있고, 2c는 각 권선 사이의 간격을 나타낼 수 있다.
도 6을 참조하면, Rl은 루프와 근접 효과를 고려하여, 수학식 2와 같이 산출될 수 있다.
Figure pat00004
수학식 2에서, RS는 표면 저항을 나타낼 수 있고, RP은 근접 효과(proximity effect)에 따른 단위 길이 당 옴(ohm) 저항을 나타낼 수 있고, RO는 표피 효과(skin effect)에 따른 단위 길이 당 옴(ohm) 저항을 나타낼 수 있다. N은 권선 수를 나타낼 수 있으며, 표면 저항 RS는 와이어(wire)의 특성에 따라 결정될 수 있다.
또한, 권선 수가 1인 루프 안테나에 있어서, 원형 루프 안테나의 루프 인덕턴스, 사각형 루프 안테나의 루프 인덕턴스 및 루프 내부 리액턴스는 수학식 3과 같이 산출될 수 있다.
Figure pat00005
수학식 3의 원형 루프 안테나 인덕턴스 LA1 circ에서 a는 루프의 반경을 나타낼 수 있으며, b는 와이어의 반경을 나타낼 수 있고,
Figure pat00006
는 투자율(permeability)를 나타낼 수 있다. 또한, 수학식 3의 사격형 루프 안테나 인덕턴스 LA1 sq에서 a는 한 변의 길이를 나타낼 수 있으며, b는 와이어의 반경을 나타낼 수 있고,
Figure pat00007
는 투자율(permeability)를 나타낼 수 있다. 수학식 3의 루프 내부 리액턴스 Li에서 a는 루프의 반경을 나타낼 수 있으며, b는 와이어의 반경을 나타낼 수 있고,
Figure pat00008
는 각주파수를 나타낼 수 있다. 또한,
Figure pat00009
는 와이어의 전기전도도(conductivity)를 나타낼 수 있고,
Figure pat00010
는 자유공간에서의 투자율을 나타낼 수 있다.
도 7은 페라이트 로드 안테나 및 페라이트 로드 안테나의 등가 회로를 나타낸 도면이다.
도 7을 참조하면, 도 7의 (a)는 페라이트 로드 안테나를 나타낸 도면이고, 도 7의 (b)는 페라이트 로드 안테나의 등가 회로를 나타낸 도면이다.
작은 자기장 루프 안테나(small magnetic wave loop antenna)는 높은 자기 투자율(magnetic permeability)을 가지는 페라이트 코어(ferrite core)를 삽입하여 방사 저항 및 방사 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 작은 자기장 루프 안테나는 높은 자기 투자율로 인해 큰 자속(magnetic flux)을 가질 수 있고, 높은 유도 전압(induced voltage)을 가질 수 있다. 자기적 특성은 자기 투자율 및 기하학적 구조에 따라 결정될 수 있다. 또한, 자속은 유효 상대 투자율(effective relative permeability)에 의해 표현될 수 있다.
도 7의 (a)의 페라이트 코어를 삽입한 페라이트 로드 안테나는 도 7의 (b)의 회로와 등가 관계일 수 있다.
도 7의 (b)를 참조하면, 등가 회로의 RLC 공진 주파수는 커패시터의 커패시턴스를 조절하는 것에 의해 조정될 수 있다. 도 7의 (b)에서 공진 주파수
Figure pat00011
, 페라이트 코어 코일의 인덕턴스
Figure pat00012
및 큐 인자(Quality factor) Q는 수학식 4와 같이 산출될 수 있다.
Figure pat00013
수학식 4에서, C는 커패시터의 커패시턴스를 나타낼 수 있으며,
Figure pat00014
는 자유 공간에서의 투자율을 나타낼 수 있고,
Figure pat00015
는 페라이트 로드의 길이, 반경, 크기 및 고일의 위치에 따른 상대 투자율(relative permeability)을 나타낼 수 있고, N은 권선 수를 나타낼 수 있다. 또한, lf는 페라이트 로드의 길이를 나타낼 수 있으며, rf는 페라이트 로드의 반경을 나타낼 수 있고,
Figure pat00016
는 half-power half-bandwidth의 주파수를 나타낼 수 있다.
도 8은 루프 안테나의 코어에 따른 방사 저항을 나타낸 도면이다.
도 8을 참조하면, 페라이트 코어를 가지는 루프 안테나는 자유 공간인 공심을 가지는 루프 안테나보다 방사 저항이 향상된 것을 확인할 수 있다.
페라이트 로드 안테나는 크기의 감소로 인해 차량, 휴대용 라디오 및 항공기 등에 사용될 수 있고, 거의 반사가 없으며, 전계 강도의 완만한 감소로 양호한 범위 제어가 가능할 수 있다. 또한, 페라이트 로드 안테나는 높은 보급률을 가질 수 있고, 공진 주파수 입력 단계에 따른 낮은 무부하 전류(quiescent current)를 요구할 수 있고, 높은 주파수에 비해 디튜닝(detuning)에 덜 민감할 수 있다. 다만, 페라이트 로드 안테나는 Q 인자가 매우 높으므로, 요구되는 신호 변조의 일부를 필터링할 수 있다.
이하, 상술한 페라이트 코어 안테나가 사용될 수 있는 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 정렬 장치를 설명하겠다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 VA에 연결된 위치 정렬 장치의 블록 구성도를 나타낸 도면이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 VA(11)에 연결된 위치 정렬 장치(100)는 통신부(110), 처리부(120) 및 LF 송신부(130)를 포함할 수 있다. 또한, 위치 정렬 장치(100)의 LF 송신부(130)는 VA가 사각형의 구조를 가지는 경우, 사각형의 좌측변 중앙에 하나의 안테나 ANT a(151) 및 우측변 중앙에 하나의 안테나 ANT b(152)와 연결되어 있을 수 있으나, VA의 구조는 설계에 따라 변경될 수 있으므로, 사각형에 한정하지 않으며, 안테나의 위치는 이에 따라 변경될 수 있다. 여기서, 위치 정렬 장치(100)의 구성은 명칭에 한정되지 않으며, 기능에 의해 정의될 수 있다. 또한, 복수의 기능을 하나의 구성이 수행할 수 있으며, 하나의 기능을 복수의 구성이 수행할 수 있다.
통신부(110)는 후술하는 자기장 검출 장치(200)와 통신할 수 있는 통신 모듈을 포함할 수 있다. 여기서, 통신 모듈은 WIFI 통신을 수행할 수 있는 통신 모듈을 포함할 수 있고, 3G 통신 및 4G 통신을 수행할 수 있는 통신 모듈도 포함할 수 있으나, 이에 한정하지 않는다. 통신부(110)는 통신 모듈을 통해 GA가 위치하는 주차 공간을 검색할 수 있으며, GA 및 VA의 위치 정렬을 위해 해당 GA에 연결된 자기장 검출 장치(200)와 통신 연결을 할 수 있고, 자기장 검출 장치(200)로부터 자기장 측정치를 수신할 수 있다. 또한, 통신부(110)는 주차 공간을 선택하기 위해 수신 전계 강도 지시자(Received Signal Strength Indicator, RSSI), 전파 시간(Time of Flight, ToF), 전파 시간 차이(Time Difference of Flight, TDoF) 도달 시간(Time of Arrival, ToA) 및 도달 시간 차이(Time Difference of Arrival) 중 적어도 하나의 값을 측정할 수도 있다. 주차 공간 검색 및 선택과 관련된 동작은 도 13 및 도 14와 함께 구체적으로 후술하겠다.
처리부(120)는 후술하는 LF 송신부(130)에 연결된 안테나가 정상 구동하는지 검증할 수 있고, 안테나를 구동시킬 수 있고, 통신부(110)가 수신한 자기장 측정치를 이용하여 기저장된 기준 값과 비교할 수 있고, 비교 결과를 기초로 GA 및 VA 간의 위치 차이 정보를 산출할 수 있다.
LF 송신부(130)는 처리부(120)의 동작에 따라 연결된 안테나의 정상 구동하는지 검증할 수 있고, 안테나를 구동시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 통신부(110), 처리부(120) 및 LF 송신부(130)의 동작은 도 11과 함께 구체적으로 후술하겠다.
본 발명의 일 실시예에 따른 위치 정렬 장치(100)는 적어도 하나의 프로세서 및 프로세서를 통해 상술한 동작이 실행되는 적어도 하나의 명령을 저장하고 있는 메모리를 포함할 수 있다. 여기서, 프로세서는 메모리에 저장된 프로그램 명령(program command)을 실행할 수 있고, 중앙 처리 장치(Central Processing Unit, CPU), 그래픽 처리 장치(Graphics Processing Unit, GPU) 또는 본 발명에 따른 방법들이 수행되는 전용의 프로세서를 의미할 수 있다. 메모리는 휘발성 저장 매체 및/또는 비휘발성 저장 매체로 구성될 수 있고, 읽기 전용 메모리(Read Only Memory, ROM) 및/또는 랜덤 액세스 메모리(Random Access Memory, RAM)로 구성될 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 GA에 연결된 자기장 검출 장치의 블록 구성도를 나타낸 도면이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 GA(21)에 연결된 자기장 검출 장치(200)는 통신부(210), 처리부(220) 및 LF 수신부(230)를 포함할 수 있다. 또한, 자기장 검출 장치(200)의 LF 수신부(230)는 GA가 사각형의 구조를 가지는 경우, 사각형의 각 모서리에 4개의 안테나 ANT 1(251), ANT 2(252), ANT 3(253) 및 ANT 4(254)와 연결되어 있을 수 있으나, GA의 구조는 설계에 따라 변경될 수 있으므로, 사각형에 한정하지 않으며, 안테나의 위치는 이에 따라 변경될 수 있다. 여기서, 자기장 검출 장치(200)의 구성은 명칭에 한정되지 않으며, 기능에 의해 정의될 수 있다. 또한, 복수의 기능을 하나의 구성이 수행할 수 있으며, 하나의 기능을 복수의 구성이 수행할 수 있다.
통신부(210)는 위치 정렬 장치(100)와 통신할 수 있는 통신 모듈을 포함할 수 있다. 여기서, 통신 모듈은 WIFI 통신을 수행할 수 있는 통신 모듈을 포함할 수 있고, 3G 통신 및 4G 통신을 수행할 수 있는 통신 모듈도 포함할 수 있으나, 이에 한정하지 않는다. 통신부(210)는 통신 모듈을 통해 주차 공간 정보를 VA로 송신할 수 있다. 주차 공간 정보를 제공하는 동작은 도 13 및 도 14와 함께 구체적으로 후술하겠다.
또한, 통신부(210)는 GA 및 VA의 위치 정렬을 위해 위치 정렬 장치(100)와 연결할 수 있고, 처리부(220)가 측정한 자기장 측정치를 위치 정렬 장치(100)로 송신할 수 있다.
처리부(220)는 후술하는 LF 수신부(230)로부터 검출한 자기장 정보를 기초로 자기장 측정치를 측정할 수 있다. 여기서, 자기장 정보는 안테나 별로 존재할 수 있으므로, 4개의 안테나(ANT 1, ANT 2, ANT 3 및 ANT 4)가 위치 정렬 장치(100)에 연결된 2개의 안테나(ANT a 및 ANT b)의 자기장을 검출할 수 있고, 이에 따라 8개의 자기장 정보가 존재할 수 있다. 또한, 처리부(220)는 8개의 자기장 정보를 기초로 각 4개의 안테나(ANT 1, ANT 2, ANT 3 및 ANT 4)를 기준으로 4개의 자기장 측정치를 측정할 수 있다. 자기장 측정과 관련하여 도 15 및 도 16과 함께 구체적으로 후술하겠다. 처리부(220)는 4개의 자기장 측정치를 통신부(210)에 제공할 수 있다.
LF 수신부(230)는 GA에 위치하는 4개의 안테나(ANT 1, ANT 2, ANT 3 및 ANT 4)와 연결되어 있을 수 있으며, 4개의 안테나가 검출한 위치 정렬 장치(100)의 2개의 안테나(ANT a 및 ANT b)가 출력하는 자기장에 대한 정보를 획득할 수 있다. LF 수신부(230)는 획득한 자기장에 대한 정보를 처리부(220)에 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자기장 검출 장치(200)는 적어도 하나의 프로세서 및 프로세서를 통해 상술한 동작이 실행되는 적어도 하나의 명령을 저장하고 있는 메모리를 포함할 수 있다. 여기서, 프로세서는 메모리에 저장된 프로그램 명령(program command)을 실행할 수 있고, 중앙 처리 장치(Central Processing Unit, CPU), 그래픽 처리 장치(Graphics Processing Unit, GPU) 또는 본 발명에 따른 방법들이 수행되는 전용의 프로세서를 의미할 수 있다. 메모리는 휘발성 저장 매체 및/또는 비휘발성 저장 매체로 구성될 수 있고, 읽기 전용 메모리(Read Only Memory, ROM) 및/또는 랜덤 액세스 메모리(Random Access Memory, RAM)로 구성될 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 정렬 장치의 상세한 블록 구성도이다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 정렬 장치(100)의 처리부(120)는 연산부(121) 및 시리얼 인터페이스(122)를 포함할 수 있고, LF 송신부(130)는 안테나 제어부(131), 시리얼 인터페이스(132) 및 안테나 드라이버(133)를 포함할 수 있다. 또한, 안테나 드라이버(133)는 적어도 하나의 안테나와 연결되어 있을 수 있다. 여기서, 처리부(120) 및 LF 송신부(130)의 구성은 명칭에 한정되지 않으며, 기능에 의해 정의될 수 있다. 또한, 복수의 기능을 하나의 구성이 수행할 수 있으며, 하나의 기능을 복수의 구성이 수행할 수 있다.
연산부(121)는 통신부(110)에 의해 특정 GA에 연결된 자기장 검출 장치(200)와 연결된 경우, 안테나를 구동시키도록 LF 데이터를 후술하는 안테나 제어부(131)로 제공할 수 있다. 다만, 연산부(121)의 LF 데이터 제공 이전에 후술하는 시리얼 인터페이스(122)의 안테나 정상 구동 여부를 검증할 수 있다. 여기서, LF 데이터는 preamble, synchronization 및 wake up ID를 포함할 수 있다.
또한, 연산부(121)는 통신부(110)가 수신한 4개의 자기장 측정치를 이용하여 GA 및 VA 간의 위치 차이 정보를 산출할 수 있다. 다시 말해, 연산부(121)는 4개의 자기장 측정치 각각 및 기저장된 기준 값 간의 차이를 기초로 위치 차이 정보를 산출할 수 있다. 여기서, 기저장된 기준 값은 GA 및 VA 간의 위치가 이상적인 위치인 경우의 자기장 측정치를 의미할 수 있으며, 기저장된 기준 값은 수신한 4개의 자기장 측정치 각각과 대응되는 4개의 값을 포함할 수 있다.
연산부(121)가 산출하는 위치 차이 정보는 GA 및 VA 간의 x축 기준의 이격 거리, y축 기준의 이격 거리 및 z축 기준의 이격 거리를 포함할 수 있으며, x축 기준의 이격 거리, y축 기준의 이격 거리 및 각도(틀어짐 정도)를 포함할 수도 있다. 여기서, x축은 수신 패드를 기준으로 가로 방향을 나타낼 수 있으며, y축은 세로 방향을 나타낼 수 있고, z축은 수신 패드와 수직인 방향을 나타낼 수 있다. 또한, 각도(틀어짐 정도)는 수신 패드의 가로 방향 및 송신 패드의 가로 방향 간의 틀어짐 정도를 나타낼 수 있다. 다만, 이에 한정하지 않으며, 특정한 기준을 설정한 경우, 특정한 기준에 따라 정의될 수도 있다.
연산부(121)는 산출한 위치 차이 정보를 사용자에게 제공할 수 있으며, 사용자는 위치 차이 정보를 참고하여, GA 및 VA 간의 위치가 정렬되도록 차량의 주차 위치를 결정할 수 있다. 또한, 연산부(121)는 산출한 위치 차이 정보를 기초로 이미지 또는 영상을 생성하여 사용자에게 제공할 수도 있으나, 사용자에게 위치 차이 정보를 제공하는 방법은 이에 한정하지 않는다.
처리부(120)의 시리얼 인터페이스(122)는 상술한 연산부(121)의 안테나 구동을 위한 LF 데이터 제공 이전에 적어도 하나의 안테나가 정상적으로 구동하는지 검증할 수 있다. 처리부(120)의 시리얼 인터페이스(122)는 검증을 위해 LF 송신부(130)의 시리얼 인터페이스(132)와 SPI(Serial Peripheral interface) 통신을 수행할 수 있다. 다시 말해, 처리부(120)의 시리얼 인터페이스(122)는 LF 송신부(130)의 시리얼 인터페이스(132)로 SPI 데이터를 송신할 수 있으며, LF 송신부(130)의 시리얼 인터페이스(132)로부터 SPI 데이터를 수신할 수 있고, 수신한 SPI 데이터를 기초로 안테나의 정상 구동 여부를 검증할 수 있다. 안테나가 정상 구동 하는 경우, 연산부(121)에 의해 안테나를 구동시키기 위한 LF 데이터가 제공될 수 있으나, 안테나가 정상 구동하지 않는 경우, 처리부(120)의 시리얼 인터페이스(122)는 피드백(feedback)을 통해 내부적인 진단을 수행할 수 있다. 다시 말해, SPI 데이터는 안테나의 정상 구동 여부를 검증하기 위한 enable 신호일 수 있다.
안테나 제어부(131)는 연산부(121)로부터 LF 데이터를 수신한 경우, 안테나 드라이버(133)를 통해 적어도 하나의 안테나의 구동을 제어할 수 있다. 또한, 안테나 제어부(131)는 LF 송신부(130)의 시리얼 인터페이스(132)의 요청에 따라 안테나가 정상 구동하는지를 검증하기 위해 안테나 드라이버(133)를 통해 안테나의 구동을 제어할 수도 있다.
LF 송신부(130)의 시리얼 인터페이스(132)는 처리부(120)의 시리얼 인터페이스(122)로부터 SPI 데이터를 수신한 경우, 안테나가 정상 구동하는지에 대하여 안테나 제어부(131) 및/또는 안테나 드라이버(133)를 통해 검증할 수 있다. 또한, LF 송신부(130)의 시리얼 인터페이스(132)는 검증 결과를 SPI 데이터로 처리부(120)의 시리얼 인터페이스(122)로 송신할 수 있다.
안테나 드라이버(133)는 적어도 하나의 안테나와 연결되어 있을 수 있으며, 안테나 제어부(131)의 신호에 따라 적어도 하나의 안테나를 구동시킬 수 있다. 여기서, 적어도 하나의 안테나는 100 kHz에서 150 kHz 사이의 저주파(low frequency) 대역을 가지는 자기장을 출력하는 페라이트 로드 안테나일 수 있으며, 약 5 m의 반경을 가질 수 있으나, 이에 한정하지 않는다. 또한, 적어도 하나의 안테나는 고유의 자기장을 출력할 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 정렬 장치의 상태 전환을 나타낸 도면이다.
도 12를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 정렬 장치(100)의 상태는 기본적으로 대기 상태를 유지할 수 있다. 대기 상태의 위치 정렬 장치(100)는 자기장 검출 장치(200)와 연결을 수행한 경우, 안테나를 이용하여 자기장을 출력할 이벤트(LF 이벤트)가 발생하였다고 판단하여, 내부적으로 처리부(120)의 시리얼 인터페이스(122) 및 LF 송신부(130)의 시리얼 인터페이스(132) 간의 시리얼(SPI) 통신을 수행할 수 있다. SPI 통신에서 에러(error)가 발생한 경우, 위치 정렬 장치(100)는 대기 상태로 되돌아갈 수 있다. 다만, 위치 정렬 장치(100)는 내부적인 진단 및/또는 피드백을 통해 문제점이 해결되어 SPI 통신이 완료된 경우, 대기 상태로 되돌아가지 않을 수 있다. 위치 정렬 장치(100)는 SPI 통신이 완료된 경우, 안테나를 통해 저주파 자기장을 출력하는 LF 출력 상태가 될 수 있으며, 자기장 검출 장치(200)로부터 자기장 측정치를 수신한 경우, 다시 대기 상태로 되돌아갈 수 있다. 다만, LF 출력 상태에서 대기 상태로 되돌아가는 이벤트는 이에 한정되지 않으며, 시간 또는 반복 횟수에 따라 정의될 수도 있다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량이 주차 공간을 검색하는 방법을 나타낸 도면이다.
도 13을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 주차 공간 검색은 위치 정렬 장치(100)의 통신부(110)에 의해 수행될 수 있다. 다만, VA가 다른 통신 모듈을 포함하는 경우, 다른 통신 모듈에 의해 수행될 수도 있다.
상술한 바와 같이 위치 정렬 장치(100)의 통신부(110)는 WIFI, 3G 및 4G 중 적어도 하나의 통신을 수행할 수 있는 통신 모듈을 포함할 수 있으나, 본 명세서에서는 설명의 편의를 위해 WIFI로 한정하겠다.
위치 정렬 장치(100)는 WIFI 통신을 통해 현재 차량의 위치에서 주차 공간을 검색할 수 있으며, 검색된 적어도 하나의 주차 공간 중 하나의 주차 공간을 선택할 수 있다. 주차 공간의 선택에 대한 설명은 도 14와 함께 후술하겠다. 여기서, 위치 정렬 장치(100)가 주차 공간을 검색하는 방법은 운전자에 의해 검색을 시작하도록 할 수 있고, 자동적으로 검색하도록 할 수 있으나, 이에 한정하지 않는다. 또한, 주차 공간 검색은 100 m의 범경 내에서 수행될 수 있다.
각 주차 공간은 GA를 포함할 수 있고, 각 GA는 하나의 자기장 검출 장치(200)를 포함할 수 있다. 따라서, 각 주차 공간은 자기장 검출 장치(200)의 통신부(210)를 통해 주차 공간 정보를 제공할 수 있는 WIFI 영역을 가질 수 있다. 여기서, WIFI 영역은 자기장 검출 장치(200)의 통신부(210)에 의해 생성될 수 있으나, GA가 다른 통신 모듈을 포함하는 경우, 다른 통신 모듈에 의해 수행될 수도 있다.
자기장 검출 장치(200)의 통신부(210) 또는 다른 통신 모듈은 현재 주차 공간에 차량이 존재하는지 여부를 위치 정렬 장치(100)의 통신부(210) 또는 다른 통신 모듈에게 제공할 수 있고, 주차 공간에 차량이 존재하는 경우, 통신 수행하지 않으며 차량이 존재하지 않는 경우에만 통신을 수행할 수 있으나, 차량의 존재 여부를 제공하는 방법은 이에 한정하지 않는다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량이 주차 공간을 선택하는 방법을 나타낸 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 차량이 복수의 주차 공간을 검색한 경우, 하나의 주차 공간을 선택하는 방법은 수신 전계 강도 지시자(Received Signal Strength Indicator, RSSI), 전파 시간(Time of Flight, ToF), 전파 시간 차이(Time Defference of Flight, TDoF), 도달 시간(Time of Arrival, ToA) 및 도달 시간 차이(Time Difference of Arrival) 중 적어도 하나의 값을 이용할 수 있다. 여기서, RSSI은 수신한 무선 신호에 존재하는 전력을 측정한 값을 의미할 수 있으며, ToF는 신호가 전파되는 시간을 의미할 수 있고, TDoF는 신호가 전파되는 시간의 차이를 의미할 수 있다. 또한, ToA는 신호가 도달한 시간을 의미할 수 있고, TDoA는 신호가 도달한 시간 차이를 의미할 수 있다.
이하에서는, 하나의 주차 공간을 선택하기 위해 RSSI를 이용하는 것으로 가정하여 설명하며, ToF 및 TdoF를 이용하는 경우에도 RSSI를 이용하는 경우와 유사하게 하나의 주차 공간을 선택할 수 있다.
도 14를 참조하면, 차량은 주차 공간을 검색하는 경우 두 개의 주차 공간 (GA 2 및 GA 3)이 존재한다는 결과를 수신할 수 있다. 이 경우, 위치 정렬 장치(100)의 통신부(110)는 두 개의 주차 공간에 대한 두 개의 신호에 대하여 RSSI를 측정할 수 있으며, RSSI가 더 큰 신호를 송신하는 주차 공간을 선택할 수 있다. 다시 말해, 위치 정렬 장치(100)는 GA 2의 신호에 대한 RSSI 2가 GA 3의 신호에 대한 RSSI 3보다 크므로, GA 2가 차량에 더 가깝다고 판단할 수 있으며, GA 2를 선택할 수 있다. 위치 정렬 장치(100)는 주차 공간이 2개 이상인 경우, RSSI가 가장 큰 GA를 선택할 수도 있다.
이후, 위치 정렬 장치(100)는 GA 2에 연결된 자기장 검출 장치(200)와 연결하여 저주파 안테나를 구동시킬 수 있고, 자기장 검출 장치(200)로부터 자기장 측정치를 수신하여 GA 및 VA 간의 위치 차이 정보를 출력할 수 있다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 이상적인 위치에서 GA 및 VA 간의 자기장 신호를 나타낸 도면이다.
도 15를 참조하여, GA 및 VA가 이상적인 위치에 있는 경우 자기장 검출 장치(200)에 연결된 4개의 안테나(ANT 1, ANT 2, ANT 3 및 ANT 4) 및 위치 정렬 장치(100)에 연결된 2개의 안테나(ANT a 및 ANT b) 간의 자기장을 설명하면 다음과 같다.
자기장 검출 장치(200)의 안테나 ANT 1(251)은 위치 정렬 장치(100)의 안테나 ANT a(151)가 출력하는 자기장 및 ANT b(152)가 출력하는 자기장을 기초로 Flux 1을 검출할 수 있다.
자기장 검출 장치(200)의 안테나 ANT 2(252)는 위치 정렬 장치(100)의 안테나 ANT a(151)가 출력하는 자기장 및 ANT b(152)가 출력하는 자기장을 기초로 Flux 2를 검출할 수 있다.
마찬가지로 자기장 검출 장치(200)의 안테나 ANT 3(253)은 Flux 3을 검출할 수 있고, ANT 4s(254)는 Flux 4를 검출할 수 있다.
다시 말해, Flux 1 내지 4는 수학식 5와 같이 산출될 수 있다.
Figure pat00017
본 발명의 일 실시예에 따른 위치 정렬 장치(100)는 미리 저장된 이상적인 위치의 자기장 측정치인 기준 값을 기초로 GA 및 VA 간의 위치 차이 정보를 산출할 수 있으므로, 상술한 Flux 1 내지 4는 기저장된 기준 값으로 이용될 수 있다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 오정렬된 위치에서 GA 및 VA 간의 자기장 신호를 나타낸 도면이다.
도 16을 참조하여, GA 및 VA가 오정렬된 위치에 있는 경우 자기장 검출 장치(200)에 연결된 4개의 안테나(ANT 1, ANT 2, ANT 3 및 ANT 4) 및 위치 정렬 장치(100)에 연결된 2개의 안테나(ANT a 및 ANT b) 간의 자기장을 설명하면 다음과 같다.
자기장 검출 장치(200)의 안테나 ANT 1(251)은 위치 정렬 장치(100)의 안테나 ANT a(151)가 출력하는 자기장 및 ANT b(152)가 출력하는 자기장을 기초로 Flux 1'을 검출할 수 있다.
자기장 검출 장치(200)의 안테나 ANT 2(252)는 위치 정렬 장치(100)의 안테나 ANT a(151)가 출력하는 자기장 및 ANT b(152)가 출력하는 자기장을 기초로 Flux 2'를 검출할 수 있다.
마찬가지로 자기장 검출 장치(200)의 안테나 ANT 3(253)은 Flux 3'을 검출할 수 있고, ANT 4s(254)는 Flux 4'를 검출할 수 있다.
다시 말해, Flux 1' 내지 4'는 수학식 6와 같이 산출될 수 있다.
Figure pat00018
본 발명의 일 실시예에 따른 자기장 검출 장치(200)는 오정렬된 위치에 따른 상술한 Flux 1' 내지 4' 값을 위치 정렬 장치(100)로 송신할 수 있으며, 위치 정렬 장치(100)는 Flux 1' 내지 4' 값과 Flux 1 내지 4 값을 비교하여 위치 차이 정보를 산출할 수 있다.
다시 말해, 위치 정렬 장치(100)의 연산부(121)는 Flux 1' 내지 4' 값 및 Flux 1 내지 4 값을 기초로 특정 알고리즘을 수행하여 위치 차이 정보를 산출할 수 있고, Flux 1 및 Flux 1' 간의 차이, Flux 2 및 Flux 2' 간의 차이, Flux 3 및 Flux 3' 간의 차이 및 Flux 4 및 Flux 4' 간의 차이를 기초로 위치 차이 정보를 산출할 수도 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 정렬 장치(100)는 GA 및 VA 간에 일정한 거리만큼 떨어진 위치를 기준으로 설정할 수 있으며, 이에 따른 기준 값 및 현재 자기장 측정치를 기초로 위치 차이 정보를 산출할 수도 있다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 정렬 방법을 설명하는 순서도이다.
도 17을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 정렬 방법은 우선, 위치 정렬 장치(100)가 적어도 하나의 GA에 연결된 자기장 검출 장치를 검색할 수 있고, 검색한 자기장 검출 장치 중 특정한 하나와 연결할 수 있다(S1710). 여기서, 위치 정렬 장치(100)는 검색한 적어도 하나의 자기장 검출 장치 중 수신 전계 강도 지시자(RSSI), 전파 시간(ToF) 및 전파 시간 차이(TdoF) 중 적어도 하나를 기초로 어느 하나의 자기장 검출 장치를 선택하여 연결할 수 있다. 이후, 위치 정렬 장치(100)는 안테나의 정상 구동 여부를 SPI 통신을 통해 검증할 수 있고(S1720), 안테나가 정상적으로 구동하는 경우, 위치 정렬 장치(100)는 안테나를 구동하여 자기장을 출력할 수 있다(S1730). 여기서, 안테나는 LF 안테나(low frequency antenna)일 수 있다. 또한, 위치 정렬 장치(100)는 자기장 검출 장치(200)로부터 자기장 측정치를 수신할 수 있고(S1740), 수신한 자기장 측정치 및 기 저장된 기준 값을 기초로 위치 추정 알고리즘을 수행하여(S1750), GA 및 VA 간의 위치 차이 정보를 산출하고, 출력할 수 있다(S1760). 여기서, 자기장 측정치는 자기장 검출 장치(200)에 연결된 4개의 안테나에서 검출한 자기정 정보를 기초로 산출된 4개의 자기장 측정치를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 방법의 동작은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 프로그램 또는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의해 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산 방식으로 컴퓨터로 읽을 수 있는 프로그램 또는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 롬(rom), 램(ram), 플래시 메모리(flash memory) 등과 같이 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치를 포함할 수 있다. 프로그램 명령은 컴파일러(compiler)에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터(interpreter) 등을 사용해서 컴퓨터에 의해 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 측면들은 장치의 문맥에서 설명되었으나, 그것은 상응하는 방법에 따른 설명 또한 나타낼 수 있고, 여기서 블록 또는 장치는 방법 단계 또는 방법 단계의 특징에 상응한다. 유사하게, 방법의 문맥에서 설명된 측면들은 또한 상응하는 블록 또는 아이템 또는 상응하는 장치의 특징으로 나타낼 수 있다. 방법 단계들의 몇몇 또는 전부는 예를 들어, 마이크로프로세서, 프로그램 가능한 컴퓨터 또는 전자 회로와 같은 하드웨어 장치에 의해(또는 이용하여) 수행될 수 있다. 몇몇의 실시예에서, 가장 중요한 방법 단계들의 하나 이상은 이와 같은 장치에 의해 수행될 수 있다.
실시예들에서, 프로그램 가능한 로직 장치(예를 들어, 필드 프로그머블 게이트 어레이)가 여기서 설명된 방법들의 기능의 일부 또는 전부를 수행하기 위해 사용될 수 있다. 실시예들에서, 필드 프로그머블 게이트 어레이는 여기서 설명된 방법들 중 하나를 수행하기 위한 마이크로프로세서와 함께 작동할 수 있다. 일반적으로, 방법들은 어떤 하드웨어 장치에 의해 수행되는 것이 바람직하다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10: 전기차 11: 수신 패드
12: 배터리 20: 차징 스테이션
21: 송신 패드 30: 전력망
100: 위치 정렬 장치 200: 자기장 검출 장치

Claims (16)

  1. 무선 전력 전송을 수행하는 송신 패드 및 수신 패드 간의 위치 정렬을 위해 수신 패드에 위치하는 안테나(antenna)를 포함하는 위치 정렬 장치에 의해 수행되는 위치 정렬 방법으로서,
    무선 통신을 이용하여 상기 송신 패드에 위치하는 안테나를 포함하는 자기장 검출 장치와 연결하는 단계;
    상기 수신 패드에 위치하는 안테나를 이용하여 자기장을 출력하는 단계;
    상기 자기장 검출 장치로부터 자기장 측정치를 수신하는 단계; 및
    상기 자기장 측정치 및 기저장된 기준 값을 비교하여 상기 송신 패드 및 상기 수신 패드 간의 위치 차이 정보를 획득하는 단계를 포함하는, 위치 정렬 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 무선 통신을 이용하여 상기 송신 패드에 위치하는 안테나를 포함하는 자기장 검출 장치와 연결하는 단계는,
    상기 무선 통신을 이용하여 일정한 반경 내의 적어도 하나의 자기장 검출 장치를 검색하는 단계; 및
    상기 적어도 하나의 자기장 검출 장치 중 수신 전계 강도 지시자(Received Signal Strength Indicator, RSSI), 전파 시간(Time of Flight, ToF), 전파 시간 차이(Time Defference of Flight, TDoF), 도달 시간(Time of Arrival, ToA) 및 도달 시간 차이(Time Difference of Arrival) 중 적어도 하나를 기초로 어느 하나의 자기장 검출 장치를 선택하여 연결하는 단계를 포함하는, 위치 정렬 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 수신 패드에 위치하는 안테나를 이용하여 자기장을 출력하는 단계는,
    상기 수신 패드에 위치하는 안테나의 정상 구동 여부를 검증하는 단계; 및
    상기 안테나가 정상 구동하는 경우, 상기 안테나를 구동시켜 고유의 자기장을 출력하는 단계를 포함하는, 위치 정렬 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 수신 패드에 위치하는 안테나 및 상기 송신 패드에 위치하는 안테나는,
    저주파수(low frequency) 대역을 사용하는 페라이트 로드 안테나(ferrite rod antenna)인, 위치 정렬 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 위치 차이 정보는,
    상기 수신 패드를 기준으로 가로 방향을 나타내는 x축의 이격 거리, 세로 방향을 나타내는 y축의 이격 거리, 상기 수신 패드와 수직인 방향을 나타내는 z축의 이격 거리 및 상기 수신 패드의 가로 방향 및 상기 송신 패드의 가로 방향 간의 틀어짐 정도 중 적어도 하나를 포함하는, 위치 정렬 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 수신 패드에 위치하는 안테나는,
    상기 수신 패드를 좌측 및 우측으로 2등분한 제1 구역 및 제2 구역에 하나씩 위치하는 2개의 안테나를 포함하는, 위치 정렬 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 송신 패드에 위치하는 안테나는,
    상기 송신 패드를 좌측 상단, 우측 상단, 좌측 하단 및 우측 하단으로 4등분한 제1 구역, 제2 구역, 제3 구역 및 제4 구역에 하나씩 위치하는 4개의 안테나를 포함하는, 위치 정렬 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 자기장 측정치는,
    상기 송신 패드에 위치하는 4개의 안테나 각각이 상기 수신 패드에 위치하는 2개의 안테나로부터 발생된 자기장을 검출하여 측정한 자기장 측정치를 포함하는, 위치 정렬 방법.
  9. 무선 전력 전송을 수행하는 송신 패드 및 수신 패드 간의 위치 정렬을 수행하는 위치 정렬 장치로서,
    수신 패드에 위치하는 안테나(antenna);
    적어도 하나의 프로세서(processor); 및
    상기 적어도 하나의 프로세서를 통해 실행되는 적어도 하나의 명령이 저장된 메모리(memory)를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 명령은,
    무선 통신을 이용하여 상기 송신 패드에 위치하는 안테나를 포함하는 자기장 검출 장치와 연결하도록 실행되고,
    상기 수신 패드에 위치하는 안테나를 이용하여 자기장을 출력하도록 실행되고,
    상기 자기장 검출 장치로부터 자기장 측정치를 수신하도록 실행되고,
    상기 자기장 측정치 및 기저장된 기준 값을 비교하여 상기 송신 패드 및 상기 수신 패드 간의 위치 차이 정보를 획득하도록 실행되는, 위치 정렬 장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 적어도 하나의 명령은,
    상기 무선 통신을 이용하여 일정한 반경 내의 적어도 하나의 자기장 검출 장치를 검색하도록 실행되고,
    상기 적어도 하나의 자기장 검출 장치 중 수신 전계 강도 지시자(Received Signal Strength Indicator, RSSI), 전파 시간(Time of Flight, ToF), 전파 시간 차이(Time Difference of Flight, TDoF), 도달 시간(Time of Arrival, ToA) 및 도달 시간 차이(Time Difference of Arrival) 중 적어도 하나를 기초로 어느 하나의 자기장 검출 장치를 선택하여 연결하도록 실행되는, 위치 정렬 장치.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 적어도 하나의 명령은,
    상기 수신 패드에 위치하는 안테나의 정상 구동 여부를 검증하도록 실행되고,
    상기 수신 패드에 위치하는 안테나가 정상 구동하는 경우, 상기 수신 패드에 위치하는 안테나를 구동시켜 고유의 자기장을 출력하도록 실행되는, 위치 정렬 장치.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 수신 패드에 위치하는 안테나 및 상기 송신 패드에 위치하는 안테나는,
    저주파수(low frequency) 대역을 사용하는 페라이트 로드 안테나(ferrite rod antenna)인, 위치 정렬 장치.
  13. 청구항 9에 있어서,
    상기 위치 차이 정보는,
    상기 수신 패드를 기준으로 가로 방향을 나타내는 x축의 이격 거리, 세로 방향을 나타내는 y축의 이격 거리, 상기 수신 패드와 수직인 방향을 나타내는 z축의 이격 거리 및 상기 수신 패드의 가로 방향 및 상기 송신 패드의 가로 방향 간의 틀어짐 정도 중 적어도 하나를 포함하는, 위치 정렬 장치.
  14. 청구항 9에 있어서,
    상기 수신 패드에 위치하는 안테나는,
    상기 수신 패드를 좌측 및 우측으로 2등분한 제1 구역 및 제2 구역에 하나씩 위치하는 2개의 안테나를 포함하는, 위치 정렬 장치.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 송신 패드에 위치하는 안테나는,
    상기 송신 패드를 좌측 상단, 우측 상단, 좌측 하단 및 우측 하단으로 4등분한 제1 구역, 제2 구역, 제3 구역 및 제4 구역에 하나씩 위치하는 4개의 안테나를 포함하는, 위치 정렬 장치.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 자기장 측정치는,
    상기 송신 패드에 위치하는 4개의 안테나 각각이 상기 수신 패드에 위치하는 2개의 안테나로부터 발생된 자기장을 검출하여 측정한 자기장 측정치를 포함하는, 위치 정렬 장치.
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