KR20190108957A - 전기차 무선 전력 전송 시스템에서의 브리지리스 정류기를 포함하는 전력 수신 장치 - Google Patents

전기차 무선 전력 전송 시스템에서의 브리지리스 정류기를 포함하는 전력 수신 장치 Download PDF

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Abstract

전기차 무선 전력 전송 시스템에서 브리지리스 정류기를 포함하는 전력 수신 장치가 개시된다. 전기차 무선 전력 전송 시스템에서 브리지리스 정류기를 포함하는 전력 수신 장치는, 수신 코일로부터 전달되는 전력을 정류하여 직류 전력을 전기차에 내장된 배터리로 제공하는 브리지리스 정류기(bridgeless rectifier) 및 상기 브리지리스 정류기를 제어하는 제어기(controller)를 포함하고, 상기 브리지리스 정류기는, 적어도 하나의 스위치 및 상기 적어도 하나의 스위치와 연결되는 적어도 하나의 다이오드를 포함한다. 따라서, 전력 수신 장치의 하드웨어 부피가 감소하며 전력 밀도가 증가할 수 있다.

Description

전기차 무선 전력 전송 시스템에서의 브리지리스 정류기를 포함하는 전력 수신 장치{POWER RECEIVING DEVICE HAVING BRIDGELESS RECTIFIER IN AN ELECTRIC CAR WIRELESS POWER TRANSMISSION SYSTEM}
본 발명은 전기차 무선 전력 전송 시스템에서의 전력 수신 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전기차 무선 전력 전송 시스템에서의 전력 수신 회로에서 직류-직류 컨버터 대신에 브리지리스(Bridgeless) 정류기를 사용하고, 브리지리스 정류기의 제어를 통해 배터리를 충전하는 기술에 관한 것이다.
전기차 충전 시스템은 기본적으로 상용 전원의 배전망(grid)이나 에너지 저장 장치의 전력을 이용하여 전기차에 탑재된 배터리를 충전하는 시스템으로 정의할 수 있다. 이러한 전기차 충전 시스템은 전기차의 종류에 따라 다양한 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 전기차 충전 시스템은 케이블을 이용한 전도성 충전 시스템이나 비접촉 방식의 무선 전력 전송 시스템을 포함할 수 있다.
전기차의 충전 시, 전기차에 탑재되는 차량 어셈블리(vehicle assembly, VA)는 충전 스테이션(charge station)이나 충전 스팟(charging spots)에 위치하는 그라운드 어셈블리(ground assembly, GA)의 송전 패드와 유도 공진 결합을 형성하고, 유도 공진 결합을 통해 그라운드 어셈블리로부터 전달되는 전력을 이용하여 전기차의 배터리에 충전을 수행하게 된다.
이때, 무선 전력 전송 시스템은 VA 정격을 줄이고 최대 전력 전달을 위해 1, 2차측의 공진주파수를 동일하게 하고, 시스템의 동작주파수를 공진주파수에 맞추어 동작시킨다.
또한, 송전 패드로부터 수전 패드를 통해 수신되는 출력 전압은 DC to DC 컨버터(Converter)를 이용하여 전기차에 탑재된 배터리에 필요한 전압을 생성하고 충전이 이루진다.
여기서 DC to DC 컨버터로는 벅-부스트(Buck-Boost) 컨버터가 사용될 수 있는데, 벅-부스트 컨버터는 추가적인 스위치 및 인덕터가 포함되어 있어 부피가 증가하며, 부피 증가로 인한 전력 밀도 감소 및 전력 전달 효율 저하가 발생할 수 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 전기차 무선 전력 전송 시스템에서 브리지리스 정류기를 포함하는 전력 수신 장치를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 다른 목적은, 수신 코일로부터 전달되는 전력을 정류하여 직류 전력을 전기차에 내장된 배터리로 제공하는 브리지리스 정류기(bridgeless rectifier)를 제어하는 제어기(controller)를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면은, 전기차 무선 전력 전송 시스템에서 브리지리스 정류기를 포함하는 전력 수신 장치를 제공한다.
여기서 전력 수신 장치는, 수신 코일로부터 전달되는 전력을 정류하여 직류 전력을 전기차에 내장된 배터리로 제공하는 브리지리스 정류기(bridgeless rectifier) 및 상기 브리지리스 정류기를 제어하는 제어기(controller)를 포함할 수 있다.
여기서 상기 브리지리스 정류기는, 적어도 하나의 스위치 및 상기 적어도 하나의 스위치와 연결되는 적어도 하나의 다이오드를 포함할 수 있다.
여기서 상기 브리지리스 정류기는, 제1 스위치 및 제1 다이오드가 직렬 연결된 제1 직렬 회로 및 제2 스위치 및 제2 다이오드가 직렬 연결되어 상기 제1 직렬 회로와 병렬로 구성되는 제2 직렬 회로를 포함할 수 있다.
여기서 상기 브리지리스 정류기는, 상기 제1 스위치 및 상기 제1 다이오드 사이를 일단으로 하고, 상기 제2 스위치 및 상기 제2 다이오드 사이를 타단으로 하여, 상기 수신 코일로부터 전달되는 전력을 수신할 수 있다.
여기서 상기 수신 코일로부터 전달되는 전력은, 보상 회로(Compensation Network)를 거쳐 수신될 수 있다.
여기서 상기 제어기는, 상기 적어도 하나의 스위치의 스위칭 시점 및 주기를 조절하여 상기 브리지리스 정류기를 제어할 수 있다.
여기서 전력 수신 장치는 상기 수신 코일로부터 전달되는 전류 및 상기 배터리에 공급되는 전류 중 적어도 하나를 감지하는 전류계를 더 포함할 수 있다.
여기서 전력 수신 장치는 상기 배터리의 전압을 감지하는 전압계를 더 포함할 수 있다.
여기서 상기 제어기는, 상기 수신 코일로부터 전달되는 전류에 기초하여 상기 브리지리스 정류기의 동작 주파수가 상기 수신 코일측의 공진 주파수와 일치하도록 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치를 제어할 수 있다.
여기서 상기 제어기는, 상기 배터리의 전압에 기초하여, 상기 수신 코일로부터 전달되는 전압의 베타(β) 펄스폭(pulse width)이 변하도록 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치를 제어할 수 있다.
여기서 상기 제어기는, 상기 배터리의 출력 전력에 기초하여, 상기 수신 코일로부터 전달되는 전압의 알파(α) 펄스폭(pulse width)이 변하도록 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치를 제어할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면은, 수신 코일로부터 전달되는 전력을 정류하여 직류 전력을 전기차에 내장된 배터리로 제공하는 브리지리스 정류기(bridgeless rectifier)를 제어하는 장치를 제공한다.
여기서 브리지리스 정류기를 제어하는 장치는 적어도 하나의 프로세서(processor) 및 상기 적어도 하나의 프로세서가 적어도 하나의 단계를 수행하도록 지시하는 명령어들(instructions)을 저장하는 메모리(memory)를 포함할 수 있다.
여기서 상기 적어도 하나의 단계는, 상기 수신 코일로부터 전달되는 전력 또는 상기 배터리에 대한 출력 전력을 감지하는 단계 및 감지된 결과에 기초하여 상기 브리지리스 정류기를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서 상기 제어하는 단계는, 상기 수신 코일로부터 전달되는 전류에 기초하여 상기 브리지리스 정류기에 포함된 적어도 하나의 스위치를 제어할 수 있다.
여기서 상기 제어하는 단계는, 상기 배터리의 전압에 기초하여 상기 브리지리스 정류기에 포함된 적어도 하나의 스위치를 제어할 수 있다.
여기서 상기 제어하는 단계는, 상기 배터리의 출력 전력에 기초하여 상기 브리지리스 정류기에 포함된 적어도 하나의 스위치를 제어할 수 있다.
여기서 상기 제어하는 단계는, 상기 수신 코일로부터 전달되는 전류에 기초하여 상기 브리지리스 정류기의 동작 주파수가 상기 수신 코일로부터 전달되는 전력의 주파수와 일치하도록 상기 적어도 하나의 스위치를 제어할 수 있다.
여기서 상기 제어하는 단계는, 상기 배터리의 전압에 기초하여, 상기 수신 코일로부터 전달되는 전압의 베타(β) 펄스폭(pulse width)이 변하도록 상기 적어도 하나의 스위치를 제어할 수 있다.
여기서 상기 제어하는 단계는, 상기 배터리의 출력 전력에 기초하여, 상기 수신 코일로부터 전달되는 전압의 알파(α) 펄스폭(pulse width)이 변하도록 상기 적어도 하나의 스위치를 제어할 수 있다.
상기와 같은 본 발명에 따른 전기차 무선 전력 전송 시스템에서의 브리지리스 정류기를 포함하는 전력 수신 장치를 이용할 경우에는 하드웨어 부피가 감소하여 전력 밀도가 증가할 수 있다.
또한, 직류-직류 변환기를 사용하지 않으므로 무선 전력 전달의 효율이 향상될 수 있는 장점이 있다.
또한, 브리지리스 정류기를 제어하는 것만으로 무선 전력 송신단의 입력 전압 및 입력 전류의 위상차를 보상할 수 있다.
또한, 무선 전력 송신단 측의 제어와 관계없이 무선 전력 수신단 측에서의 단독 제어가 가능하며, 넓은 인덕턴스 변동 상황에서도 무선 전력 전송을 제어할 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 전기차 무선 전력 전송 회로를 구현한 예시도이다.
도 5a 내지 도 5b는 도 4에 따른 무선 전력 전송 회로를 대상으로 동작 주파수에 따른 회로 동작 파형을 시뮬레이션한 그래프이다.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 어셈블리측의 무선 전력 수신 회로에서 벅-부스트 컨버터(Buck-Boost Converter)를 사용한 예시 회로도이다.
도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 어셈블리측의 무선 전력 수신 회로에서 브리지리스 정류기를 사용한 예시 회로도이다.
도 7a 내지 도 7c는 도 6b에 따른 무선 전력 수신 회로에서 스위치에 대한 제어를 수행하는 방법을 설명하기 위한 그래프이다.
도 8은 도 6b에 따른 무선 전력 수신 회로에서 스위치를 이용한 브리지리스 정류기 동작시 주요 소자의 동작 파형을 도시한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기차 무선 전력 전송 시스템에서의 브리지리스 정류기를 포함하는 전력 수신 장치의 예시 회로도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기차 무선 전력 전송 시스템에서의 브리지리스 정류기를 포함하는 전력 수신 장치를 적용한 실험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 브리지리스 정류기를 포함하는 전력 수신 장치의 주요 동작을 나타낸 그래프이다.
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 설명하는데 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 발명의 일 실시예에서 전기차 충전 시스템은 기본적으로 상용 전원의 배전망(grid)이나 에너지 저장 장치의 전력을 이용하여 전기차에 탑재된 배터리를 충전하는 시스템으로 정의할 수 있다. 이러한 전기차 충전 시스템은 전기차의 종류에 따라 다양한 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 전기차 충전 시스템은 케이블을 이용한 전도성 충전 시스템이나 비접촉 방식의 무선 전력 전송 시스템을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 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.
본 발명의 일 실시예에서 전원공급원은 주거지나 공용 전기서비스 또는 차량 탑재 연료를 이용하는 발전기 등을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 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.
본 발명의 일 실시예에서 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.
본 발명의 일 실시예에서 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.
본 발명의 일 실시예에서 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.
본 발명의 일 실시예에서 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.
본 발명의 일 실시예에서 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 차량의 놓고 인덕티브 충전하는 동작으로 정의될 수 있다. 자동 충전은 필요한 인증 및 권한을 얻은 후에 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 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.
본 발명의 일 실시예에서 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.
본 발명의 일 실시예에서 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.
본 발명의 일 실시예에서 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.
본 발명의 일 실시예에서 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.
본 발명의 일 실시예에서 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.
본 발명의 일 실시예에서 그라운드 어셈블리 컨트롤러(GA controller)는 차량으로부터의 정보를 토대로 GA 코일에 대한 출력 전력 레벨을 조절하는 GA의 일부분일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 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.
본 발명의 일 실시예에서 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.
본 발명의 일 실시예에서 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.
본 발명의 일 실시예에서 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.
본 발명의 일 실시예에서 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.
본 발명의 일 실시예에서 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.
본 발명의 일 실시예에서 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.
본 발명의 일 실시예에서 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. 충전 스테이션은 가정, 사무실, 공공장소, 도로, 주차장 등에 설치되는 적어도 하나 이상의 그라운드 어셈블리를 구비한 장소를 지칭할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 급속 충전은 전력계통의 교류 전원을 직류로 변환하고 변환된 직류 전력을 전기차 내에 탑재된 배터리에 직접 공급하는 방식을 의미할 수 있고, 이때 사용 전압으로 약 500 V 이하의 직류 전압이 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 완속 충전은 일반적인 가정이나 직장에 공급되는 교류 전력을 이용하여 전기차 내에 탑재된 배터리를 충전하는 방식으로, 각 가정이나 직장의 콘센트 또는 별도로 설치된 충전 스탠드에 내장된 콘센트를 통하여 교류 전력을 제공하며, 이때 사용 전압으로 220 V의 교류 전압이 사용될 수 있다. 이때, 전기차는 완속 충전을 위해 교류 전력을 승압하고 직류 전원으로 변환하여 배터리에 공급할 수 있는 장치인 온보드 차저(On-Board Charger)를 추가로 구비할 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 수전 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 송전 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 수전 패드(11)가 송전 패드(21)에 의한 에너지 장(energy field)에 위치하고, 송전 패드(21)의 송신 코일과 수전 패드(11)의 수신 코일이 서로 상호작용 또는 커플링됨으로써 수행될 수 있다. 상호작용 또는 커플링의 결과로 수전 패드(11)에 기전력이 유도되고, 유도된 기전력에 의해 배터리(12)가 충전될 수 있다.
또한, 차징 스테이션(20)과 송전 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 수전 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, 송전 패드 또는 수전 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), 송전 패드(21)의 구성 중 전부 또는 일부를 표현한 것으로 해석될 수 있고, 도 2의 우측 회로는 수전 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 동작 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 동작 주파수의 전력으로 변환하는 저주파수 변환기(또는 LF 변환기) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 동작 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 동작 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 m으로 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 동작 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 동작 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 송전 패드(21)에 포함되고, 수신 코일(L2)은 도 1에서의 수전 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, 송전 패드와 수전 패드 상호간의 위치 결정 또는 전기차와 송전 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 송전 패드(21) 및 전기차(10)에 내장된 수전 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, 송전 패드(21)와 수전 패드(11)의 위치 정렬로 한정해석되지 않는다.
여기서, 송전 패드(21)는 도 3에서는 지표면 아래에 위치한 것으로 도시하였으나, 지표면 위에 위치할 수도 있고, 지표면 아래에서 송전 패드(21)의 상면이 노출되도록 위치할 수도 있다.
또한, 전기차의 수전 패드(11)는 지표면을 기준으로 측정된 높이(z방향으로 정의)에 따라 카테고리를 달리하여 정의할 수 있고, 예를 들어 지표면에서 수전 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, 수전 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, 송전 패드(21)의 높이 방향(z방향으로 정의)의 위치는 상기 수전 패드(11)에서 지원하는 최대 클래스와 최소 클래스 사이에 위치하도록 결정할 수 있는데, 예를 들어 수전 패드(11)가 class1과 2만을 지원한다면, 수전 패드(11)를 기준으로 100-210 (mm) 사이에 송전 패드가 위치하도록 결정할 수 있다.
또한, 송전 패드(21)의 중심과 수전 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, 송전 패드(21)와 수전 패드(11)의 상대적 위치는 그 실험적 결과에 따라 한계값이 달라질 수 있고, 상기 수치들은 예시적인 것으로 이해되어야 한다.
또한, 송전 패드(21)와 수전 패드(11)는 각각 코일을 포함하는 것으로 전제하고 패드 상호간의 정렬로 설명하였으나, 더 구체적으로는 송전 패드(21)와 수전 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 전기차 무선 전력 전송 회로를 구현한 예시도이다.
도 4를 참조하면, 직류 입력 전원(VDC)을 통해 전원 공급을 받으면, 공급된 전류(IDC)가 복수의 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect transistor) 등으로 구성된 인버터를 거쳐 송신 코일(LP)의 입력 전원(Vin, Iin)으로 수신되며, 이때, 입력 전원(Vin, Iin)은 보상 회로(Compensation Network)를 거쳐 송신 코일(LP)로 전달될 수 있다. 또한, 직류 입력 전원에 따른 송신 코일은 앞에서 설명한 송전 패드 또는 그라운드 어셈블리에 해당할 수 있다. 또한, 인버터는 공급받은 직류 전력을 교류로 전환할 수 있다.
한편, 송신 코일(LP)과 자기적으로 결합되어 있는 수신 코일(LS)에서 유도 기전력에 의한 전류(IS)가 발생하면, 발생된 전류(IS)가 보상 회로(Compensation Network)를 거쳐 출력된 전력(Io.ac, Vo.ac)이 복수의 다이오드(D1, D2 등)로 구성되는 정류회로에 인가될 수 있다. 정류회로에 의해 직류 전력으로 정류된 전류(Io)는 커패시터(Co)에 충전될 수 있고, 충전된 커패시터에 의한 전력(Ibatt, Vo)이 전기차에 내장된 배터리를 충전하는 데 사용될 수 있다.
도 5a 내지 도 5b는 도 4에 따른 무선 전력 전송 회로를 대상으로 동작 주파수에 따른 회로 동작 파형을 시뮬레이션한 그래프이다.
전기차 무선 전력 전송 시스템은 차량 어셈블리(Vehicle Assembly)의 정격 전압을 줄이면서 최대 전력을 차량 어셈블리로 전달해야 한다. 이때문에, 그라운드 어셈블리(GA, Ground Assembly)의 1차측 공진 주파수와 차량 어셈블리의 2차측 공진 주파수를 동일하게 설계하고, 무선 전력 전송 시스템의 동작 주파수를 공진주파수에 맞추어 동작시킨다.
하지만 송전 패드 및 수전 패드의 구조와 상호간 위치에 따라 무선 전력 전송에 따른 자기적 결합 정도가 변할 수 있다. 예를 들면, 일반적인 변압기와 달리 송전 패드와 수전 패드는 공기 중으로 자속을 전달받기 때문에 송전 패드와 수전 패드가 서로 가까워질수록 자기적 결합이 강해지며, 서로 멀어질수록 약해질 수 있다. 이러한 자기적 결합의 변화는 송전 패드와 수전 패드의 인덕턴스를 변화시키고, 1차측 공진 주파수 및 2차측 공진 주파수에 영향을 미칠 수 있다.
여기서, 동작 주파수를 1차측 공진주파수와 동일하게 제어할 경우 1차측 입력 전압과 전류의 위상차이를 줄여 VA 정격을 감소시킬 수 있으나 전력전달이 어려울 수 있다. 반면, 2차측 공진주파수에 동작주파수를 맞출 경우 전력 전달을 가능하나 1, 2차측 공진주파수가 변하면 1차측의 입력 전압과 전류의 위상차이가 발생하게 되고 VA 정격이 증가하여 효율이 감소할 수 있다.
이러한 상황을 시험하기 위해 85kHz의 공진 주파수를 갖도록 설계된 도 4의 무선 전력 전송 회로에서 송수신 패드의 위치에 따라 공진 주파수가 변했을 때 동작 주파수에 따른 시스템 동작을 도 5a 및 도 5b를 통해 확인할 수 있다.
도 5a를 참조하면, 동작 주파수(fsw)를 1차측 공진 주파수(그라운드 어셈블리측의 공진 주파수)와 동일하게 구동시켰을 때의 도 4의 배터리에 공급되는 출력 전압(Vo)의 파형을 확인할 수 있다. 구체적으로, 도 4에서 송신 코일(LP)의 입력전압(Vin)과 입력 전류(Iin)에 따른 차량 어셈블리측의 출력 전압(Vo)을 확인할 수 있는데, 입력 전압과 입력 전류의 위상은 동상에 가깝지만 출력 전압(Vo)이 273.6V로 다소 낮다. 따라서, 부하가 증가할수록 출력 전압이 떨어지므로 배터리로의 전력 전달(2730 W)이 잘 이루어지지 않을 수 있다.
도 5b를 참조하면, 동작 주파수(fsw)를 2차측 공진 주파수(차량 어셈블리측의 공진 주파수)와 동일하게 구동시켰을 때의 출력 전압(Vo)의 파형을 확인할 수 있다. 구체적으로, 출력 전압(Vo)이 318.5V로 비교적 높게 유지되므로 전력(3300 W)이 배터리에 잘 전달될 수 있으나, 입력 전압(Vin)과 입력 전류(Iin)의 위상이 맞지 않고 이로 인한 전류 크기가 증가하여 배터리(또는 차량 어셈블리)의 정격전력이 도 4a에서의 정격전력보다 증가하는 양상을 보이는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 무선 전력 전송 시스템의 차량 어셈블리측 정격 전력을 줄이고, 효율적으로 전력을 전달하기 위해서는 1차측 공진 주파수 및 2차측 공진 주파수의 변화로 인한 1차측 입력 전압, 전류의 위상 변화를 보상하는 제어가 필요하다.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 어셈블리측의 무선 전력 수신 회로에서 벅-부스트 컨버터(Buck-Boost Converter)를 사용한 예시 회로도이다.
도 6a를 참조하면, 전기차의 수전 패드에 내장된 수신 코일(Ls)로 유도 기전력이 발생하면, 보상회로(Compensation network)를 거쳐 출력 전압(Vo.ac) 및 출력 전류(Io.ac)가 발생할 수 있다. 이때, 출력되는 출력 전압 및 출력 전류는 다이오드 정류기(51)를 통해 직류로 변환하며, 변환된 직류 전원(Ibatt)은 전기차에 내장된 배터리(Vbatt)에 적합한 전압으로 변환하는 직류-직류 변환기(52, DC to DC Converter)를 거쳐 배터리를 충전할 수 있다.
여기서 다이오드 정류기(51)는 제1 다이오드(D1), 제2 다이오드(D2), 제3 다이오드(D3) 및 제4 다이오드(D4)를 포함하며, 커패시터(Co)를 포함하는 풀브릿지(Full-Bridge) 다이오드 정류기가 사용될 수 있다.
여기서, 직류-직류 변환기(52)는 벅-부스트 컨버터(Buck-Boost Converter, 또는 Cascade Buck-Boost converter, 52)가 사용될 수 있다. 벅-부스트 컨버터(52)는 넓은 전압 및 전류 범위를 갖는 배터리 충전 시스템에 적합하며, 컨버터의 정격 전압과 승강압비만 만족한다면 어떠한 출력 전압(여기서는 커패시터 Co에 인가되는 전압)을 받더라도 배터리(Vbatt)에 적합한 전압과 전류를 공급할 수 있는 장점을 가진다.
다만, 벅-부스트 컨버터(52)는 도 6a에서와 같이 스위치(SW1, SW2), 인덕터(L) 등으로 인한 부피 증가가 크고, 이로 인한 전력 밀도 감소와 전력 전달 효율이 감소하는 문제점이 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에서는 직류-직류 변환기(52)를 제거하고 기존의 풀-브릿지 다이오드 정류기(51) 대신에 브리지리스(Bridegeless) 정류기를 사용하는 것을 제안한다.
도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 어셈블리측의 무선 전력 수신 회로에서 브리지리스 정류기를 사용한 예시 회로도이다.
도 6b를 참조하면, 도 6a에 따른 무선 전력 수신 회로에서 다이오드 정류기로 브리지리스 정류기를 사용하고, 벅-부스트 컨버터를 제거한 회로를 확인할 수 있다.
구체적으로, 브리지리스 정류기는 도 6a에 따른 풀-브릿지 다이오드 정류기(51)에서 제3 다이오드(D3) 및 제4 다이오드(D4)를 포함하는 구성(53)을 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)를 포함하는 구성(61)으로 치환하여 구성될 수 있다.
여기서 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)에는 MOSFET(metal oxide semi-conductor field effect transistor), IGBT(insulated gate bipolar mode transistor) 등이 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)를 이용한 펄스 폭 변조(PWM, pulse width modulation)를 통해 배터리(Vbatt)에 공급되는 출력(Io 또는 Co에 인가되는 전압)을 제어할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에서는 도 6a에 따른 벅-부스트 회로(52)를 제거하였으므로, 부피가 크게 감소하고 전력 전달 효율이 증가할 수 있다. 다만, 벅-부스트 회로(52)가 없이 브리지리스 정류기만 사용하면 승압만 가능하기 때문에 결합 계수에 따라 달라지는 출력 전압(Vo.ac)에 대응하기 위하여 추가적인 전압 제어(또는 DC 링크 전압 제어)를 수행할 필요가 있다.
도 7a 내지 도 7c는 도 6b에 따른 무선 전력 수신 회로에서 스위치에 대한 제어를 수행하는 방법을 설명하기 위한 그래프이다. 도 8은 도 6b에 따른 무선 전력 수신 회로에서 스위치를 이용한 브리지리스 정류기 동작시 주요 소자의 동작 파형을 도시한 그래프이다.
도 6b의 무선 전력 수신 회로에서 변화하는 출력 전압(Vo,ac,1)에 대응하여 공진 주파수와 동작 주파수를 일치하도록 브리지리스 정류기의 스위치 소자를 제어하면 스위칭 시점 및 듀티(duty)에 따라 출력 임피던스가 달라진다. 또한, 출력 임피던스가 수신 코일(Ls)이 있는 측에서는 반사 임피던스로 나타나게 된다. 반사 임피던스는 수신 코일(Ls)을 포함하는 1차측의 입력 임피던스에 영향을 주게 되므로 입력 임피던스의 위상각이 변화할 수 있다. 따라서, 입력 임피던스의 변화를 이용하여 무선 전력 수신 회로의 공진 주파수를 조절할 수 있다.
도 7a 내지 도 7c를 참조하면, 도 6b에 따른 제1 스위치 및 제2 스위치를 이용하여 펄스 폭 변조(예를 들면 스위칭 시점과 주기를 조절해 α, β, γ를 변화)를 수행함에 따라 도 6b의 보상 회로(Compensation Network)의 출력 전압(Vo.ac)의 듀티(duty)가 달라지는 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 7a 내지 도 7c에서 정현파 형태로 도시된 그래프(Vo.ac,1)는 출력 전압(Vo.ac)에 대한 기본파 성분을 나타낸 것이다.
여기서 도 7a 내지 도 7c에 따른 α, β, γ를 각각 펄스폭 알파(α), 펄스폭 베타(β), 펄스폭 감마(γ)로 지칭한다.
도 7a를 참조하면, 출력 전압(Vo.ac)의 듀티를 출력 전압(Vo.ac) 반주기의 정중앙에서 발생시킨 경우로서, 출력 전압(Vo.ac)의 기본파(Vo.ac,1)와 출력 전류(Io,ac)의 위상이 같아 출력 임피던스(도 6b의 Zo.ac)가 저항으로 나타날 것을 예상할 수 있다.
도 7b를 참조하면, 진폭 a를 도 7a보다 작게 함으로써 출력 전압(Vo.ac)의 기본파(Vo.ac,1)가 출력 전류(Io,ac)의 위상에 대하여 래깅(lagging, 지연 위상)으로 나타나기 때문에 출력 임피던스(도 6b의 Zo.ac)가 용량성이 될 것을 예상할 수 있다.
도 7c를 참조하면, 진폭 a를 도 7a보다 크게 함으로써 출력 전압(Vo.ac)의 기본파(Vo.ac,1)가 출력 전류(Io,ac)의 위상에 대하여 리딩(leadding, 앞선 위상)으로 나타나기 때문에 출력 임피던스(도 6b의 Zo.ac)가 유도성으로 나타날 것을 예상할 수 있다.
도 8을 참조하면, 도 7a의 스위치 제어에 관한 그래프(8a)를 기준으로 하여, 동일한 타이밍에서 도6b의 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)의 스위칭 제어에 관한 그래프(8b), 제1 스위치(SW1) 단에서의 전압(VSW1) 및 전류(ISW1)를 그린 그래프(8c), 도 6b의 제1 다이오드(D1) 단에서의 전압(VD1) 및 전류(ID1)를 그린 그래프(8d)를 확인할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기차 무선 전력 전송 시스템에서의 브리지리스 정류기를 포함하는 전력 수신 장치의 예시 회로도이다.
도 9를 참조하면, 전기차 무선 전력 전송 시스템에서의 브리지리스 정류기를 포함하는 전력 수신 장치는, 수신 코일(Ls)로부터 전달되는 전력을 정류하여 직류 전력을 전기차에 내장된 배터리(Vbatt)로 제공하는 브리지리스 정류기(bridgeless rectifier, 91) 및 상기 브리지리스 정류기(91)를 제어하는 제어기(controller, 90)를 포함할 수 있다.
여기서 상기 브리지리스 정류기(91)는, 적어도 하나의 스위치 및 상기 적어도 하나의 스위치와 연결되는 적어도 하나의 다이오드를 포함할 수 있다.
여기서 상기 브리지리스 정류기(91)는, 제1 스위치(SW1) 및 제1 다이오드(D1)가 직렬 연결된 제1 직렬 회로 및 제2 스위치(SW2) 및 제2 다이오드(D2)가 직렬 연결되어 상기 제1 직렬 회로와 병렬로 구성되는 제2 직렬 회로를 포함할 수 있다.
여기서 상기 브리지리스 정류기(91)는, 상기 제1 스위치(SW1) 및 상기 제1 다이오드(D1) 사이(Vo.ac+)를 일단으로 하고, 상기 제2 스위치 및 상기 제2 다이오드 사이를 타단(Vo.ac-)으로 하여, 상기 수신 코일(Ls)로부터 전달되는 전력을 수신할 수 있다.
상기 수신 코일(Ls)로부터 전달되는 전력은, 보상 회로(Compensation Network)를 거쳐 수신될 수 있다.
여기서 상기 제어기(90)는, 상기 적어도 하나의 스위치의 스위칭 시점 및 주기를 조절하여 상기 브리지리스 정류기를 제어할 수 있는데, 마이크로 제어 유닛(MCU, micro control unit)으로 지칭될 수도 있다.
여기서 전력 수신 장치는 상기 수신 코일로부터 전달되는 전류 및 상기 배터리에 공급되는 전류 중 적어도 하나를 감지하는 전류계(92, 93)를 더 포함할 수 있다.
여기서 전력 수신 장치는 상기 배터리의 전압을 감지하는 전압계 또는 전력량계(94)를 더 포함할 수 있다.
여기서 제어기(90)는, 상기 수신 코일(LS)로부터 전달되는 전류에 기초하여 상기 브리지리스 정류기(91)의 동작 주파수가 상기 수신 코일(LS)측의 공진 주파수와 일치하도록 상기 제1 스위치(SW1) 및 상기 제2 스위치(SW2)를 제어할 수 있다.
여기서 제어기(90)는, 상기 배터리의 전압(Vbatt)에 기초하여, 상기 수신 코일(LS)로부터 전달되는 전압(Vo.ac)의 베타(β) 펄스폭(pulse width)이 변하도록 상기 제1 스위치(SW1) 및 상기 제2 스위치(SW2)를 제어할 수 있다.
여기서 상기 제어기(90)는, 상기 배터리의 출력 전력에 기초하여, 상기 수신 코일로부터 전달되는 전압(Vo.ac)의 알파(α) 펄스폭(pulse width)이 변하도록 상기 제1 스위치(SW1) 및 상기 제2 스위치(SW2)를 제어할 수 있다.
여기서 알파 펄스폭 및 베타 펄스폭은 도 7a 내지 도 7c에 대한 설명을 참조할 수 있다.
한편, 수신 코일로부터 전달되는 전력을 정류하여 직류 전력을 전기차에 내장된 배터리로 제공하는 브리지리스 정류기(bridgeless rectifier, 91)를 제어하는 장치(controller, 90)는, 적어도 하나의 프로세서(processor) 및 상기 적어도 하나의 프로세서가 적어도 하나의 단계를 수행하도록 지시하는 명령어들(instructions)을 저장하는 메모리(memory)를 포함할 수 있다.
여기서 상기 적어도 하나의 단계는, 상기 수신 코일(Ls)로부터 전달되는 전력(Io.ac, Vo.ac) 또는 상기 배터리(Vbatt)에 대한 출력 전력을 감지하는 단계 및 감지된 결과에 기초하여 상기 브리지리스 정류기(91)를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서 상기 제어하는 단계는, 상기 수신 코일(Ls)로부터 전달되는 전류(Io.ac)에 기초하여 상기 브리지리스 정류기(91)에 포함된 적어도 하나의 스위치를 제어할 수 있다.
여기서 상기 제어하는 단계는, 상기 배터리의 전압(Vbatt)에 기초하여 상기 브리지리스 정류기(91)에 포함된 적어도 하나의 스위치를 제어할 수 있다.
여기서 상기 제어하는 단계는, 상기 배터리의 출력 전력에 기초하여 상기 브리지리스 정류기에 포함된 적어도 하나의 스위치를 제어할 수 있다.
여기서 상기 제어하는 단계는, 상기 수신 코일(Ls)로부터 전달되는 전류(Io.ac)에 기초하여 상기 브리지리스 정류기(91)의 동작 주파수가 상기 수신 코일(Ls)로부터 전달되는 전력(Io.ac, Vo.ac)의 주파수와 일치하도록 상기 적어도 하나의 스위치를 제어할 수 있다.
여기서 상기 제어하는 단계는, 상기 배터리의 전압(Vbatt)에 기초하여, 상기 수신 코일(Ls)로부터 전달되는 전압(Vo.ac)의 베타(β) 펄스폭(pulse width)이 변하도록 상기 적어도 하나의 스위치를 제어할 수 있다.
여기서 상기 제어하는 단계는, 상기 배터리의 출력 전력에 기초하여, 상기 수신 코일(Ls)로부터 전달되는 전압(Vo.ac)의 알파(α) 펄스폭(pulse width)이 변하도록 상기 적어도 하나의 스위치를 제어할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기차 무선 전력 전송 시스템에서의 브리지리스 정류기를 포함하는 전력 수신 장치를 적용한 실험 결과를 나타낸 그래프이다. 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 브리지리스 정류기를 포함하는 전력 수신 장치의 주요 동작을 나타낸 그래프이다.
앞서 설명한 도 5a의 경우 영위상각(Zero Phase Angle, ZPA) 제어를 적용하여 차량 어셈블리측의 정격전력(Po)가 줄었으나 1차측 공진 주파수와 2차측 공진 주파수가 서로 달라져 전력이 최대 2.7kW밖에 전달되지 않는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 도 5b를 참조하면, 2차측 공진 주파수로 동작 주파수를 설정하였을 때, 전달되는 전력은 3.3kW로 잘 전달되지만 입력 전압과 입력 전류의 위상차가 발생하여 차량 어셈블리의 정격전력이 증가하였다.
도 10을 도 5a 및 도 5b에 따른 그래프와 비교하면, 영위상각(Zero Phase Angle, ZPA) 제어를 하였음에도 불구하고 무선 전력 전달 시스템의 배터리로 전달되는 전력이 기존 2.7kW 에서 3.3kW 까지 증가된 것을 확인할 수 있다. 또한 ZPA 제어가 가능해 지면서 입력전류(Iin, 도 4 참조)가 10.07[Arms]로 줄고 차량 어셈블리의 정격전력이 감소하였다.
도 11을 참조하면, 브리지리스 정류기 동작 시 각 소자에 나타나는 상세한 전압 및 전류 파형을 확인할 수 있다. 구체적으로 도 4 및 도 9에 따른 무선 전력 수신 회로를 대상으로 11a를 참조하면, 송신 코일측의 입력 전압, 전류와 수신 코일 측으로부터의 출력 전압 및 전류를 확인할 수 있다.
또한, 11b를 참조하면, 도 9의 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)의 ON/OFF 동작을 확인할 수 있다. 11c를 참조하면, 도 9의 제1 스위치의 전압 변동을 확인할 수 있다. 11d를 참조하면, 제1 스위치의 전류 변동을 확인할 수 있다. 또한, 11e 및 11f를 참조하면, 도 9의 제1 다이오드의 전압에 관한 그래프(11e) 및 전류에 관한 그래프(11f)를 확인할 수 있다.
본 발명에 따른 방법들은 다양한 컴퓨터 수단을 통해 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위해 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.
컴퓨터 판독 가능 매체의 예에는 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리(flash memory) 등과 같이 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함될 수 있다. 프로그램 명령의 예에는 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. 상술한 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 적어도 하나의 소프트웨어 모듈로 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
또한, 상술한 방법 또는 장치는 그 구성이나 기능의 전부 또는 일부가 결합되어 구현되거나, 분리되어 구현될 수 있다.
상기에서는 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.

Claims (17)

  1. 전기차 무선 전력 전송 시스템에서 브리지리스 정류기를 포함하는 전력 수신 장치로서,
    수신 코일로부터 전달되는 전력을 정류하여 직류 전력을 전기차에 내장된 배터리로 제공하는 브리지리스 정류기(bridgeless rectifier); 및
    상기 브리지리스 정류기를 제어하는 제어기(controller)를 포함하고,
    상기 브리지리스 정류기는,
    적어도 하나의 스위치; 및
    상기 적어도 하나의 스위치와 연결되는 적어도 하나의 다이오드를 포함하는, 전력 수신 장치.
  2. 청구항 1에서,
    상기 브리지리스 정류기는,
    제1 스위치 및 제1 다이오드가 직렬 연결된 제1 직렬 회로; 및
    제2 스위치 및 제2 다이오드가 직렬 연결되어 상기 제1 직렬 회로와 병렬로 구성되는 제2 직렬 회로를 포함하는, 전력 수신 장치.
  3. 청구항 1에서,
    상기 브리지리스 정류기는,
    상기 제1 스위치 및 상기 제1 다이오드 사이를 일단으로 하고,
    상기 제2 스위치 및 상기 제2 다이오드 사이를 타단으로 하여,
    상기 수신 코일로부터 전달되는 전력을 수신하는, 전력 수신 장치.
  4. 청구항 3에서,
    상기 수신 코일로부터 전달되는 전력은,
    보상 회로(Compensation Network)를 거쳐 수신되는, 전력 수신 장치.
  5. 청구항 3에서,
    상기 제어기는,
    상기 적어도 하나의 스위치의 스위칭 시점 및 주기를 조절하여 상기 브리지리스 정류기를 제어하는, 전력 수신 장치.
  6. 청구항 3에서,
    상기 수신 코일로부터 전달되는 전류 및 상기 배터리에 공급되는 전류 중 적어도 하나를 감지하는 전류계를 더 포함하는, 전력 수신 장치.
  7. 청구항 6에서,
    상기 배터리의 전압을 감지하는 전압계를 더 포함하는, 전력 수신 장치.
  8. 청구항 7에서,
    상기 제어기는,
    상기 수신 코일로부터 전달되는 전류에 기초하여 상기 브리지리스 정류기의 동작 주파수가 상기 수신 코일측의 공진 주파수와 일치하도록 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치를 제어하는, 전력 수신 장치.
  9. 청구항 7에서,
    상기 제어기는,
    상기 배터리의 전압에 기초하여, 상기 수신 코일로부터 전달되는 전압의 베타(β) 펄스폭(pulse width)이 변하도록 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치를 제어하는, 전력 수신 장치.
  10. 청구항 7에서,
    상기 제어기는,
    상기 배터리의 출력 전력에 기초하여, 상기 수신 코일로부터 전달되는 전압의 알파(α) 펄스폭(pulse width)이 변하도록 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치를 제어하는, 전력 수신 장치.
  11. 수신 코일로부터 전달되는 전력을 정류하여 직류 전력을 전기차에 내장된 배터리로 제공하는 브리지리스 정류기(bridgeless rectifier)를 제어하는 장치로서,
    적어도 하나의 프로세서(processor); 및
    상기 적어도 하나의 프로세서가 적어도 하나의 단계를 수행하도록 지시하는 명령어들(instructions)을 저장하는 메모리(memory)를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 단계는,
    상기 수신 코일로부터 전달되는 전력 또는 상기 배터리에 대한 출력 전력을 감지하는 단계; 및
    감지된 결과에 기초하여 상기 브리지리스 정류기를 제어하는 단계를 포함하는, 브리지리스 정류기를 제어하는 장치.
  12. 청구항 11에서,
    상기 브리지리스 정류기를 제어하는 단계는,
    상기 수신 코일로부터 전달되는 전류에 기초하여 상기 브리지리스 정류기에 포함된 적어도 하나의 스위치를 제어하는, 브리지리스 정류기를 제어하는 장치.
  13. 청구항 11에서,
    상기 브리지리스 정류기를 제어하는 단계는,
    상기 배터리의 전압에 기초하여 상기 브리지리스 정류기에 포함된 적어도 하나의 스위치를 제어하는, 브리지리스 정류기를 제어하는 장치.
  14. 청구항 11에서,
    상기 브리지리스 정류기를 제어하는 단계는,
    상기 배터리의 출력 전력에 기초하여 상기 브리지리스 정류기에 포함된 적어도 하나의 스위치를 제어하는, 브리지리스 정류기를 제어하는 장치.
  15. 청구항 12에서,
    상기 브리지리스 정류기를 제어하는 단계는,
    상기 수신 코일로부터 전달되는 전류에 기초하여 상기 브리지리스 정류기의 동작 주파수가 상기 수신 코일로부터 전달되는 전력의 주파수와 일치하도록 상기 적어도 하나의 스위치를 제어하는, 브리지리스 정류기를 제어하는 장치.
  16. 청구항 13에서,
    상기 브리지리스 정류기를 제어하는 단계는,
    상기 배터리의 전압에 기초하여, 상기 수신 코일로부터 전달되는 전압의 베타(β) 펄스폭(pulse width)이 변하도록 상기 적어도 하나의 스위치를 제어하는, 브리지리스 정류기를 제어하는 장치.
  17. 청구항 14에서,
    상기 브리지리스 정류기를 제어하는 단계는,
    상기 배터리의 출력 전력에 기초하여, 상기 수신 코일로부터 전달되는 전압의 알파(α) 펄스폭(pulse width)이 변하도록 상기 적어도 하나의 스위치를 제어하는, 브리지리스 정류기를 제어하는 장치.
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