KR20200127238A - 다중 셀 유도 무선 전력 전송 시스템 - Google Patents

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사라 엘. 매코위크
마크 에스. 랑겔리어
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조지 이. 앤더슨
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Abstract

다중 셀 유도 무선 전력 전송 시스템은 다중 송신 요소를 포함한다. 각 송신 요소는 하나 이상의 송신 권선과 하나 이상의 송신 자기 코어를 포함한다. 다중 셀 유도 무선 전력 전송 시스템은 또한 다중 수신 요소를 포함한다. 송신 요소는 에어 갭에 의해 수신 요소와 분리된다. 각각의 수신 요소는 하나 이상의 수신 권선과 하나 이상의 수신 자기 코어를 포함한다.

Description

다중 셀 유도 무선 전력 전송 시스템
본 발명은 다중 셀 유도 무선 전력 전송 시스템에 관한 것이다.
본 개시는 전력 전송 시스템(power transfer system)에 관한 것이고, 특히 무선 전력 전송 시스템(wireless power transfer system)에 관한 것이다.
유도 결합 전력 전송(Inductively- coupled power transfer)은 군사 및 상업용 애플리케이션에서 수용되고 있다. 예를 들어, 진화하는 해저 시스템은 데이터 통신 네트워크, 물체 감지 및 감지 시스템, 차량 허브 시스템을 포함하는 다양한 군사 및 상업용 애플리케이션에 사용된다. 이러한 광범위한 애플리케이션을 달성하기 위해, 기존의 유도 결합 전력 전송 장치(inductively-coupled power transfer device)는 실제 에너지 전송을 용이하게 하기 위해 복잡하지 않고 견고한 전력 인터페이스를 사용하는 것을 목표로 한다.
비 제한적인 실시예에 따르면, 다중 셀 유도 무선 전력 전송 시스템(multi-cell inductive wireless power transfer system)은 다중 송신 요소(transmitting element)를 포함한다. 각 송신 요소는 하나 이상의 송신 권선(transmitting winding)과 하나 이상의 송신 자기 코어(transmitting magnetic core)를 포함한다. 다중 셀 유도 무선 전력 전송 시스템은 또한 다중 수신 요소를 포함한다. 송신 요소(transmitting element)는 에어 갭에 의해 수신 요소와 분리된다. 각각의 수신 요소는 하나 이상의 수신 권선(receiving winding)과 하나 이상의 수신 자기 코어(receiving magnetic core)를 포함한다.
다른 비 제한적인 실시예에 따르면, 전력 변환기 시스템(power converter system)은 복수의 송신 요소, 복수의 수신 요소, 송신 전력 변환 회로 및 수신 전력 변환 회로를 포함하는 다중 셀 유도 무선 전력 전송 시스템을 포함한다. 각각의 송신 요소는 적어도 하나의 송신 권선 및 적어도 하나의 송신 자기 코어를 포함한다. 각 수신 요소는 적어도 하나의 수신 권선 및 적어도 하나의 수신 자기 코어를 포함한다. 송신 전력 변환 회로는 복수의 송신 요소를 구동하기 위하여 입력 전력 신호를 송신 전력 신호로 변환하도록 구성된다. 수신 전력 변환 회로는 전기 부하를 구동하기 위하여 복수의 수신 요소에서 수신된 전송된 전력 신호를 출력 전력 신호로 변환하도록 구성된다.
또 다른 비 제한적인 실시예에 따르면, 전력 충전 시스템(power charging system)은 충전 스테이션(charging station)과 독립적으로 움직이는 차량을 재충전할 수 있는 충전 스테이션을 포함한다. 충전 스테이션은 복수의 송신 요소를 포함한다. 각각의 송신 요소는 적어도 하나의 송신 권선 및 적어도 하나의 송신 자기 코어를 포함한다. 차량은 복수의 수신 요소를 포함한다. 각 수신 요소는 적어도 하나의 수신 권선 및 적어도 하나의 수신 자기 코어를 포함한다.
또 다른 비 제한적인 실시예에 따르면, 전력 충전 시스템을 제어하는 방법이 제공된다. 방법은 충전 스테이션에 설치된 복수의 송신 요소 중 적어도 하나의 송신 요소를 통해 자기장을 생성하는 단계를 포함한다. 자기장은 적어도 하나의 송신 요소에 포함된 적어도 하나의 송신 자기 코어에 인접하게 배열된 적어도 하나의 송신 권선에 전원을 공급하는 것에 응답하여 생성된다. 방법은 자기장에 근접한 복수의 수신 요소 중 적어도 하나의 수신 요소를 포함하는 차량을 위치시키는 단계를 더 포함한다. 자기장은 적어도 하나의 수신 요소에 포함된 적어도 하나의 수신 자기 코어에 인접하게 배열된 적어도 하나의 수신 권선에 에너지를 공급한다. 이 방법은 적어도 하나의 수신 요소에 전원을 공급하는 것에 응답하여 출력 전력을 생성하는 단계, 및 출력 전력에 기초하여 차량의 배터리를 충전하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 기술을 통해 추가적인 특징 및 이점이 실현된다. 본 발명의 다른 실시예 및 측면은 본 명세서에서 상세하게 설명되고 청구된 발명의 일부로 간주된다. 본 발명의 장점과 특징을 더 잘 이해하려면 설명과 도면을 참조하라.
본 개시의 보다 완전한 이해를 위해, 첨부된 도면 및 상세한 설명과 관련하여 취해진 다음의 간단한 설명을 참조하며, 여기서 유사한 참조 번호는 유사한 부분을 나타낸다.
도 1a 및 1b는 단일 셀, 단일 코일 유도 무선 전력 전송 시스템을 도시한다;
도 2는 단일 셀, 단일 코일 유도 무선 전력 전송 시스템에서 발생하는 자기 결합 및 표유 자기장을 도시한다;
도 3a 및 3b는 비 제한적인 실시예에 따른 다중 셀, 단일 코일 유도 무선 전력 전송 시스템을 도시한다;
도 4는 비 제한적인 실시예에 따른 다중 셀, 단일 코일 유도 무선 전력 전송 시스템으로부터 발생하는 증가된 자기 결합 및 감소된 표유 자기장을 도시한다;
도 5a 및 5b는 비 제한적인 실시예에 따른 다중 셀, 이중 코일 유도 무선 전력 전송 시스템을 도시한다;
도 6은 비 제한적인 실시예에 따라 다중 셀 유도 무선 전력 전송 시스템을 구동하도록 구성된 전력 변환기를 도시한다;
도 7a는 다중 셀 이중 코일 유도 무선 수신 시스템을 포함하는 자율 무인 차량(UV)과 비 한정에 따른 다중 셀 이중 코일 유도 무선 송신 시스템을 포함하는 UV 충전 시스템을 도시한다;
도 7b는 비 제한적인 실시예에 따라 UV 충전 시스템에 도킹 된 도 7a의 자율 무인 차량(UV)을 도시한다;
도 8은 비 제한적인 실시예에 따른 다중 셀 삼중 코일 유도 무선 수신 시스템 및 다중 셀 삼중 코일 유도 무선 송신 시스템을 포함하는 UV 충전 시스템을 포함하는 자율 무인 차량(UV)을 도시한다;
도 9a는 UV 충전 시스템의 송신 코일에 대해 오정렬된 위상을 갖는 수신 코일을 갖는 다중 셀을 포함하는 자율 무인 차량(UV)을 도시한다;
도 9b는 UV 충전 시스템의 송신 코일에 대해 동기화되도록 능동적으로 재구성되는 위상을 갖는 수신 코일을 갖는 다중 셀을 포함하는 자율 무인 차량(UV)을 도시한다;
도 10a는 다중 셀 유도 무선 전력 전송 시스템에 포함된 위상 신호의 손실에 따른 출력 전력을 도시하는 신호 다이어그램이다; 및
도 10b는 다중 셀 유도 무선 전력 전송 시스템에서 위상 신호의 균형을 복원한 후의 출력 전력을 나타내는 신호 다이어그램이다.
단일 셀 전력 전송 시스템(Single-cell power transfer system)(100)(도 1a-1b 참조)은 단일 송신 코일(single transmitting coil)과 단일 수신 코일 사이(single receiving coil)의 유도 결합 에너지 전송(inductively-coupled energy transfer)을 실현하기 위해 개발되었다. 이러한 단일 셀 전력 전송 시스템(100)은 단일 송신(XMT) 요소(102) 및 단일 수신(RCV) 요소(104)를 포함하며, 이들은 함께 단일 위상 전력 신호(single-phase power signal)(10)를 출력한다. 송신 요소(transmitting element)(102)는 송신 코일(transmitting coil)(106) 및 송신 자기 코어(transmitting magnetic core)(108)를 포함한다. 수신 요소(receiving element)(104)는 수신 코일(receiving coil)(110) 및 수신 자기 코어(receiving magnetic core)(112)를 포함한다. 송신 요소(102)와 수신 요소(104)는 거리(d)만큼 서로 분리되지만, 서로 간에 에너지를 유도적으로 전송할 수 있다. 단상 신호에 의해 구동되는 단일 셀의 사용은 비효율적인 에너지 전송에 기여하는 과도한 표유 자기장(stray magnetic field)(116)에 따라 강하게 변동하는 입력 및 출력 전력을 생성한다(도 2 참조).
[0023]
본 명세서에 설명된 다양한 비 제한적인 실시예는 표유 자기장의 양을 감소시키면서 송신 요소와 수신 요소 사이의 전력 전송 효율을 개선할 수 있는 다중 셀 유도 무선 전력 전송 시스템을 제공한다. 이런 방법으로, 단일 셀 전력 전송 시스템에 비해 에너지 전송 부품의 부피가 감소된 유도 무선 전력 전송 시스템이 제공된다.
도 3a 및 3b를 참조하면, 비 제한적인 실시예에 따른 다중 셀, 단일 코일 유도 무선 전력 전송 시스템(300)이 도시되어 있다. 다중 셀, 단일 코일 유도 무선 전력 전송 시스템(multi-cell, single-coil inductive wireless power transfer system)(300)은 제1 송신 요소(302a), 제2 송신 요소(302b), 제1 수신 요소(304a) 및 제2 수신 요소(304b)를 포함한다. 제1 및 제2 송신 요소(302a 및 302b)는 분리 거리(d)를 정의하는 에어 갭(air gap)에 의해 제1 및 제2 수신 요소(304a 및 304b)로부터 분리된다. 예를 들면, 직경이 약 60 내지 80mm 인 송신 요소(302a 및 302b)와 직경이 약 40 내지 60mm 인 수신 요소(304a 및 304b) 사이의 거리(d)는 예를 들어 약 10mm(mm) 내지 약 20mm 범위 일 수 있다. 다중 송신 요소(302a 및 302b) 및 다중 수신 요소(304a 및 304b)를 제공함으로써, 다중 셀 유도 무선 전력 전송 시스템(300)은 단상 출력 전력 신호(도 2 참조)와는 반대로 다중 위상(예를 들어, 2-상) 전력 신호(305)를 출력할 수 있다.
제1 송신 요소(302a)는 제1 송신 권선(306a) 및 제1 송신 자기 코어(308a)를 포함한다. 제2 송신 요소(302b)는 제2 송신 권선(306b) 및 제2 송신 자기 코어(308b)를 포함한다. 적어도 하나의 실시예에서, 제1 송신 권선(306a)은 제1 송신 자기 코어(308a)에 대해 수직으로 배열(예를 들어, 적층)되고, 제1 송신 권선(306a)은 제1 절연층(320a) 상에 형성된다(도 3b 참조). 에어 갭은 거리(d)만큼 제1 송신 권선(306a)을 제1 송신 자기 코어(308a)로부터 분리할 수 있다. 유사하게, 제2 송신 권선(306b)은 제2 자기 송신 코어(308b)에 대해 수직으로 배열(예를 들어, 적층)된다. 제2 송신 권선(306b)은 제2 절연층(320b)(도 3b 참조) 상에 형성되고, 에어 갭은 거리 {d)만큼 제2 송신 권선(306b)과 제2 송신 자기 코어(308b)를 분리할 수 있다.
제1 수신 요소(304a)는 제1 수신 권선(310a) 및 제1 수신 자기 코어(312a)를 포함한다. 제2 수신 요소(304b)는 제2 수신 권선(310b) 및 제2 수신 자기 코어(312b)를 포함한다. 적어도 하나의 실시예에서, 제1 수신 권선(310a)은 제1 수신 자기 코어(312a)에 대해 수직으로 배열(예를 들어, 적층)된다. 제1 수신 권선(310a)은 절연층(322a)(도 3b 참조) 상에 형성되고, 에어 갭은 제1 수신 권선(310a)을 제1 수신 자기 코어(312a)로부터 분리할 수 있다. 유사하게, 제2 수신 권선(310b)은 제2 자기 수신 코어(312b)에 대해 수직으로 배열(예를 들어, 적층)된다. 제2 수신 권선(310b)은 제2 절연층(322b)(도 3b 참조) 상에 형성되고, 에어 갭은 제2 수신 권선(310b)을 제2 수신 자기 코어(312b)로부터 분리할 수 있다.
송신 자기 코어(308a 및 308b) 및 수신 자기 코어(312a 및 312b)는 주어진 응용에 대해, 예를 들어 니켈-아연 페라이트 재료, 망간-아연 페라이트 재료 또는 적절한 대체 재료와 같은 다양한 자성 재료로 형성될 수 있다. 권선(306a 및 306b 및 310a 및 310b)은 각각 전기 전도성 재료로 구성될 수 있다. 적어도 하나의 실시예에서, 송신 권선(306a 및 306b) 및 수신 권선(310a 및 310b)은 나선형 형상을 가지며, 그리고 각각의 절연층(320a, 320b, 322a 및 322b) 상에 직접 전기 전도성 트레이스(electrically conductive trace)로서 형성된다.
다중 셀(N), 즉 다중 송신 요소(302a 및 302b) 및 다중 수신 요소(304a 및 304b)의 구현은 자기장(400)의 중첩을 허용하며, 이에 의해 송신 요소(302a 및 302b)와 수신 요소(304a 및 304b) 사이의 전력 변동을 감소시킨다(도 4 참조). 게다가, 표유 자기장(402)의 양이 감소되어 다중 셀 유도 무선 전력 전송 시스템(300)의 에너지 송신 효율이 향상된다.
전술한 다중 셀 유도 무선 전력 전송 시스템(300)은 각각의 개별 요소(302a, 302b, 304a, 304b)에 각각 단일 권선(306a, 306b, 310a, 310b)을 갖는 것으로 예시되었지만, 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 예를 들어, 도 5a 및 5b로 돌아 가면, 비 제한적인 실시예에 따른 다중 셀, 이중 코일 유도 무선 전력 전송 시스템(500). 제1 송신 요소(302a)는 복수의 송신 권선(306a 및 307a) 및 하나 이상의 송신 자기 코어(308a)를 포함한다. 제2 송신 요소(302b)는 또한 복수의 송신 권선(306b 및 307b) 및 하나 이상의 송신 자기 코어(308b)를 포함한다. 2 차 요소(304a 및 304b)는 유사한 방식으로 구성된다. 예를 들어, 제1 수신 요소(304a)는 복수의 수신 권선(310a 및 31la) 및 하나 이상의 송신 자기 코어(312a)를 포함한다. 제2 수신 요소(304b)는 또한 복수의 수신 권선(310b 및 31lb) 및 하나 이상의 송신 자기 코어(312b)를 포함한다. 송신 요소(302a 및 302b) 및 수신 요소(304a 및 304b)가 2 개의 권선을 포함하는 것으로 도시되어 있지만, 요소(302a, 302b, 304a 및 304b)는 추가 권선(3, 5, 7, 등)을 포함할 수 있다. 각각의 송신 요소(302a 및 302b) 및 수신 요소(304a 및 304b)는 또한 다수의 자기 코어(308a, 308b, 312a 및 312b)를 포함할 수 있다.
도시되지는 않았지만, 주어진 송신 권선(306a-306b 및 307a-307b)은 개별 송신 자기 코어에 대해 수직으로 배열될 수 있다. 따라서, 주어진 송신 요소(302a 및 302b)에 포함된 송신 자기 코어의 수는 주어진 송신 요소(302a 및 302b)에 포함된 송신 권선의 수와 일치한다. 유사하게, 주어진 수신 권선(310a-310b 및 311a-311b)는 개별 수신 자기 코어에 대해 수직으로 배열될 수 있다. 따라서, 주어진 수신 요소(304a 및 304b)에 포함된 수신 자기 코어의 수는 주어진 수신 요소(304a 및 304b)에 포함된 수신 권선의 수와 일치한다.
도 6을 참조하면, 비 제한적인 실시예에 따라 다중 셀 유도 무선 전력 전송 시스템(300)과 함께 동작하도록 구성된 전력 변환기 시스템(power converter system)(600)이 도시되어 있다. 다중 셀 유도 무선 전력 전송 시스템(300)은 복수의 송신 요소(302a 및 302b) 및 복수의 수신 요소(304a 및 304b)를 포함한다. 각각의 송신 요소(302a 및 302b)는 적어도 하나의 송신 권선(306a 및 306b) 및 적어도 하나의 송신 자기 코어(308a 및 308b)를 포함한다. 유사하게, 각각의 수신 요소(304a 및 304b)는 적어도 하나의 수신 권선(310a 및 31Ob) 및 적어도 하나의 수신 자기 코어(312a 및 312b)를 포함한다. 하나 이상의 실시예에서, 송신 요소(302a 및 302b)는 서로 직렬로 연결되고 수신 요소(304a 및 304b)는 서로 병렬로 연결된다. 그러나, 송신 요소(302a 및 302b) 및 수신 요소(304a 및 304b)는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다른 구성으로 연결될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
전력 변환기 시스템(600)은 송신 전력 변환 회로(transmitting power converting circuit)(602) 및 수신 전력 변환기 회로(receiving power converter circuit)(604)를 더 포함한다. 송신 전력 변환 회로(602)는 입력 DC 전력 신호(VIN)를 자기장(400)을 생성하기 위해 복수의 송신 요소(302a 및 302b)를 구동하는 송신 AC 전력 신호로 변환하도록 구성된다. 자기장(400)의 에너지는 에어 갭을 통해 수신 요소(304a 및 304b)로 전송되며, 여기서 전력 신호를 생성하는 데 사용된다.
도 6을 참조하면, 송신 전력 변환 회로(602)는 입력 전원 신호(VIN)를 수신하기 위해 DC 1차 전력 소스에 연결된 입력과 송신 요소(302a 및 302b)에 연결된 출력을 갖는 직류-교류(DC-AC) 변환기로 구성된다. 적어도 하나의 실시예에서, 송신 전력 변환 회로(602)는 양방향 이중 액티브 브리지(bi-directional dual active bridge)(DAB) 회로의 제1 브리지(606)를 형성하기 위해 브리지 구성으로 연결된 복수의 스위치(Q1, Q2, Q3 및 Q4)를 포함한다. 스위치(Q1, Q2, Q3 및 Q4)는 바이폴라 트랜지스터, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT), 다이오드, 릴레이, P 형 또는 N 형 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)를 포함하되 이에 국한되지 않는 다양한 스위칭 장치를 사용하여 구현할 수 있다. 하나 이상의 실시예에서, 양방향 DAB 회로(606)는 또한 인덕터(LR)와 직렬로 연결된 커패시터(CR1)를 포함하는 공진 회로(resonant circuit)(608)를 포함한다. 공진 회로(608)는 복수의 스위치(Q1-Q4) 중 한 쌍의 스위치(예를 들어, Q1 및 Q2)와 복수의 송신 요소(예를 들어, 306a 및 306b) 중 송신 요소(예를 들어, 306a) 사이에 연결될 수 있다.
수신 전력 변환 회로(receiving power converting circuit)(604)는 전기 부하를 구동하기 위하여 복수의 수신 요소(304a 및 304b)에 의해 생성된 전송된 전력 신호를 출력 DC 전력 신호(VOUT)로 변환하도록 구성된다. 수신 전력 변환 회로(604)는 전송된 전력 신호를 수신하기 위해 수신 요소(304a 및 304b)에 연결된 입력과 부하에 DC 출력 전력 신호(VOUT)를 전달하도록 구성된 출력을 갖는 AC-DC 변환기로 구성된다. 적어도 하나의 실시예에서, 수신 전력 변환 회로(604)는 양방향 DAB 회로의 제2 브리지(610)를 형성하기 위해 브리지 구성으로 연결된 제2 복수의 스위치(Q5, Q6, Q7 및 Q8)를 포함한다. 제2 복수의 스위치(Q5, Q6, Q7 및 Q8)는 바이폴라 트랜지스터, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT), 다이오드, 릴레이, P 형 또는 N 형 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)를 포함하지만 이에 국한되지 않는 다양한 스위칭 장치를 사용하여 구현될 수 있다. 적어도 하나의 실시예에서, 제2 DAB 회로(610)는 수신 요소(304a 및 304b) 사이에 연결된 커패시터(CR2) 및 제2 복수의 스위치(Q5-Q8) 사이의 한 쌍의 스위치(예를 들어 Q5 및 Q6)를 포함한다.
하나 이상의 실시예에서, 전력 변환기 시스템(600)은 송신 전력 변환 회로(602) 및 수신 전력 변환기 회로(604)를 제어하도록 구성된 하나 이상의 전자 하드웨어 제어기(electronic hardware controller)(612)를 더 포함한다. 적어도 하나의 실시예에서, 제어기(612)는 위상 편이 신호에 의해 개별 요소(302a-302b 및 304a-304b)를 구동할 수 있다. 신호의 위상 편이 각도는 φ = 2πN으로 정의될 수 있으며, 여기서 "N"는 제어기(612)에 의해 제어되는 송신 요소(302n) 및/또는 수신 요소(304n)의 수이다. 제어기(612)는 또한 송신 요소(302a 및 302b) 및/또는 수신 요소(304a 및 304b)에 대한 위상을 능동적으로 조정하여 송신 전력 변환 회로(602)와 수신 전력 변환기 회로(604)가 각각 스위치(Q1-Q4 및 Q5-Q8)를 구동하는 데 사용되는 클록 스위칭 주파수에 대해 동일한 위상으로 동작하도록 한다.
제어기(612)는 또한 피드백 송신 데이터 링크(feedback transmitting data link)(614)를 통해 송신 전력 변환 회로(602)에 관한 피드백 정보를 획득할 수 있다. 피드백 정보(feedback information)는 스위치(Q1-Q4)의 스위칭 주파수, 입력 전력(VIN), 송신 전력 변환 회로(602)에 의해 생성된 출력 전류 및 송신 요소(302a 및 302b)에 전달되는 변환된 전력 신호를 포함할 수 있지만 이에 국한되지는 않는다. 피드백 데이터(614)에 기초하여, 제어기(612)는 스위치(Q1-Q4) 중 하나 이상을 구동하기 위한 하나 이상의 제어 신호(616)를 생성할 수 있다. 적어도 하나의 실시예에서, 제어 신호(control signal)(616)는 스위치(Q1-Q4)의 스위칭 시간을 능동적으로 조정하는 위상 시프트 변조 신호(phase-shift modulation signal)일 수 있다.
유사하게, 제어기(612)는 피드백 수신 데이터 링크(feedback receiving data link)(618)를 통해 수신 전력 변환 회로(604)에 관한 피드백 정보를 획득할 수 있다. 피드백 정보는 스위치(Q5-Q8)의 스위칭 주파수, 출력 전력(VOUT), 수신 전력 변환 회로(604)에 의해 생성된 출력 전류 및 수신 요소(304a 및 304b)에 의해 생성된 전송 전력 신호를 포함할 수 있지만 이에 국한되지는 않는다. 피드백 데이터(618)을 기반으로, 제어기(612)는 스위치(Q5-Q8) 중 하나 이상을 구동하기 위한 하나 이상의 제어 신호(control signal)(620)를 생성할 수 있다. 적어도 하나의 실시예에서, 제어 신호(620)는 스위치(Q5-Q8)의 스위칭 시간을 능동적으로 조정하는 위상 시프트 변조 신호(phase-shift modulation signal)일 수 있다.
도 7a 및 7b를 참조하면, 비 제한적인 실시예에 따라 다중 셀 유도 무선 전력 전송 시스템을 구현하는 전력 충전 시스템(power charging system)(700)이 도시되어 있다. 전력 충전 시스템(700)은 차량(vehicle)(704)에 에너지를 전송하도록 구성된 충전 스테이션(charging station)(702)을 포함한다. 이러한 방식으로, 충전 스테이션(702)과 독립적으로 그리고 개별적으로 이동하는 차량(704)은 동작 전력을 유지하기 위해 충전될 수 있다. 차량(704)은 유인 차량 또는 무인 차량(UV)을 포함할 수 있다. UV는 무인 항공 차량(unmanned aerial vehicle)(UAV), 무인 수중 차량(unmanned underwater vehicle)(UUV) 또는 기타 유형의 UV 또는 드론을 포함할 수 있지만 이에 국한되지는 않는다. 임의의 구성에서, 차량은 전력 충전 시스템(700)에 의해 생성된 출력 전력을 수신하는 것에 응답하여 충전되는(즉, 에너지가 공급되는) 충전식 배터리(예를 들어, 전기 부하)를 포함한다.
충전 스테이션(702)은 복수의 송신 요소(302) 및 전자 하드웨어 송신 제어기(electronic hardware transmitting controller)(706)를 포함한다. 각각의 송신 요소(302)는 하나 이상의 송신 권선(306a 및 306b) 및 하나 이상의 송신 자기 코어(308)를 포함한다. 도시되지는 않았지만, 충전 스테이션(702)은 전력 변환기 시스템 또는 전력 변환기 시스템의 일부, 예를 들어, 여기에 설명된 송신 전력 변환 회로(도 6 참조)를 포함할 수 있다. 따라서, 송신 제어기(706)는 충전 스테이션(702)에 설치된 송신 전력 변환 회로의 스위치(Q1-Q4)를 구동하는데 사용되는 클록 스위칭 주파수의 위상을 설정할 수 있다. 따라서, 충전 스테이션(702)은 송신 요소(예를 들어, 송신 전력 변환 회로에 포함됨)에 포함된 적어도 하나의 송신 자기 코어에 인접하게 배열된 하나 이상의 송신 권선에 전원을 공급하는 것에 응답하여 자기장을 생성할 수 있다.
충전 스테이션(702)은 차량(704)을 수용하도록 구성된 도크(dock)(708)를 더 포함한다. 적어도 하나의 실시예에서, 도크(708)는 내부에 차량(704)을 수용할 수 있는 크기의 공동(cavity)(708)으로 구성된다. 이러한 방식으로, 차량(708)은 공동 내로 이동하도록 조종될 수 있으며, 이에 의해 충전 스테이션(702)에 도킹(예를 들어, 기계적으로 결합됨) 될 수 있다(도 7b 참조). 일단 도킹 되면, 차량(704)은 충전 스테이션(702)으로부터 무선으로 전송되는 전력 수신에 응답하여 재충전될 수 있다. 도크(708)는 충전 스테이션(702)에 형성된 캐비티로 설명되지만, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 무선 전력 전송을 용이하게 하기 위해 충전 스테이션(702)에 근접하여 차량(704)을 기계적으로 결합할 수 있는 다른 설계가 이해되어야 한다.
차량(704)은 복수의 수신 요소(304) 및 수신 제어기(710)를 포함한다. 각각의 수신 요소(304)는 하나 이상의 수신 권선(310a 및 310b) 및 하나 이상의 자기 코어(312)를 포함한다. 도시되지는 않았지만, 차량(704)은 여기에 설명된 바와 같이 전력 변환기 시스템 또는 그 일부, 예를 들어 수신 전력 변환기 회로를 포함할 수 있다(도 6 참조). 수신 전력 변환기 회로는 차량(704)에 설치된 충전식 배터리에 전기적으로 연결될 수 있다. 따라서, 수신 제어기(710)는 차량(704)에 설치된 수신 전력 변환기 회로의 스위치(Q5-Q8)를 구동하기 위해 사용되는 클록 스위칭 주파수의 위상을 설정할 수 있다. 수신 전력 변환기 회로에서 생성된 출력 전력은 배터리가 재충전되도록 배터리로 전달된다.
송신 요소(302) 및 수신 요소(304)는 각각 2 개의 권선(306a-306b 및 310a-310b)을 포함하는 것으로 도시되어 있지만, 더 많은 권선이 각 요소(302 및 304)에 포함될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
예를 들어, 도 8을 보면, 송신 요소(302) 및 수신 요소(304)는 각각 3 개의 권선(306a-306c 및 310a-310c)을 포함할 수 있다. 추가 권선은 중복성을 제공하고 전체 시스템(700)의 내결함성(fault-tolerance)을 향상시킬 수 있다.
바람직한 시나리오에서, 차량(704)은 수신 요소(304)가 송신 요소(302)와 정렬되도록 충전 스테이션(702)과 도킹 할 것이다. 수신 요소(304)(즉, 수신 코일(310))의 위상은 송신 요소(302)(즉, 송신 코일(306))의 위상과 일치한다. 그러나 기계적 정렬이 전기 신호와 일치하지 않는 일부 시나리오에서는, 주어진 수신 위상(RCVN)이 할당된 하나 이상의 수신 요소(304)는 주어진 송신 위상(XMTN-L)이 할당된 각각의 송신 요소(302)와 정렬될 수 있다. 도 9a에 도시된 바와 같이, 제1 송신 요소(302a)는 제1 위상(예를 들어, 위상 1)으로 설정되는 반면, 최-근접성(close-proximity) 제1 수신 요소(304a)는 초기에 다른 위상(예를 들어, 위상 5)으로 설정된다. 유사하게, 제2 송신 요소(302b)는 제2 위상(예를 들어, 위상 5)으로 설정되는 반면, 최-근접성 제2 수신 요소(304b)는 초기에 다른 위상(예를 들어, 위상 1)으로 설정된다.
도 9b로 돌아가서, 송신 제어기(transmitting controller)(706)와 수신 제어기(receiving controller)(710)는 서로 통신하여 각 수신 요소(304)의 위상을 결정하고, 주어진 수신 요소(304n)의 위상(RCVN)이 주어진 송신 요소(302n)의 위상(XMTN)과 일치하는지 여부를 결정할 수 있다. 하나 이상의 수신 요소(예를들어, 304a 및 304b)의 위상이 해당 송신 요소(예를 들어, 302a 및 302b)의 위상과 일치하지 않을 때, 송신 제어기(706) 및/또는 수신 제어기(710)는 셀의 위상을 조정할 수 있다. 이러한 방식으로, 요소(302 및/또는 304)의 위상은 도 9b에 도시된 바와 같이 서로 위상(즉, 일치 위상)이 되도록 능동적으로 조정될 수 있다. 예를 들어, 수신 요소(304a)는 송신 요소(302a)의 단계와 일치하는 단계 5에서 단계 1로 재구성될 수 있다. 유사하게, 수신 요소(304b)는 송신 요소(302b)의 위상과 일치하는 위상 1에서 위상 5로 재구성될 수 있다. 따라서, 송신 요소와 수신 요소의 위상이 일치하지 않는 시스템에 비해 출력 전력 품질과 충전 효율을 최적화하거나 개선할 수 있다.
송신 제어기(706) 및 수신 제어기(710)는 또한 충전 시스템(700)이 위상을 상실하는지(예를 들어, 코일이 실패하는지)를 결정하기 위해 서로 통신할 수 있다. 예를 들어, 도 10a는 5-상 시스템에 포함된 하나의 위상(예를 들어, 실패 코일(failed coil))의 손실 이후 다중 셀 유도 무선 전력 전송 시스템에 의해 생성된 출력 전력을 예시한다. 위상 손실은 전체 출력 전력 신호의 불균형 위상을 생성하여 저 주파수 리플을 유발하고 구성 요소의 스트레스를 증가시키며 전력 전송 효율을 감소시킨다. 리플(ripple)이 증가하면 시스템이 전력 품질 요구 사항 및 등급을 충족하지 못할 수도 있다.
위상이 손실된 것으로 결정되면(예를들어, 코일 실패), 송신 제어기(706) 및 수신 제어기(710)는 손실된 위상(즉, 실패 코일)을 식별하고, 전체 출력 전력 신호의 위상 균형을 복원하기 위해 나머지 위상을 새로운 동기화 주파수로 재 할당할 수 있다. 이러한 방식으로, 위상 균형은 더 낮은 위상으로 복원되고, 이는 도 10b에 도시된 바와 같이 이전 리플을 감소시킨다. 송신 제어기(706) 및 수신 제어기(710)는 또한 식별된 실패 셀 또는 코일을 대체하는 중복 셀 또는 코일을 활성화할 수 있다.
본 명세서에 설명된 바와 같이, 다양한 비 제한적인 실시예는 표유 자기장의 양을 감소시키면서 송신 요소와 수신 요소 사이의 전력 변동을 감소시킬 수 있는 다중 셀 유도 무선 전력 전송 시스템을 제공한다. 다중 셀 유도 무선 전력 전송 시스템은 송신 및/또는 수신 요소를 구동하는 데 사용되는 스위치의 위상 및 스위칭 주파수를 능동적으로 조정할 수 있는 전력 변환기 시스템으로 구현될 수 있다. 이러한 방식으로 단일 셀 전력 전송 시스템에 비해 에너지 전송 효율이 향상된 유도 무선 전력 전송 시스템이 제공된다.
아래의 청구 범위에서 모든 수단 또는 단계 플러스 기능 요소의 대응하는 구조, 재료, 행위 및 등가물은 구체적으로 청구된 다른 청구된 요소와 결합하여 기능을 수행하기 위한 임의의 구조, 재료 또는 행위를 포함하도록 의도된다. 본 발명의 설명은 예시 및 설명의 목적으로 제시되었지만, 공개된 형태로 본 발명을 총망라하거나 제한하려는 의도는 아니다. 본 발명의 범위 및 사상을 벗어나지 않고 많은 수정 및 변경이 당업자에게 명백할 것이다. 실시예는 본 발명의 원리 및 실제 적용을 가장 잘 설명하고, 당업자가 고려되는 특정 사용에 적합한 다양한 수정을 갖는 다양한 실시예에 대해 본 발명을 이해할 수 있도록 선택되고 설명되었다.
본 발명에 대한 바람직한 실시예가 설명되었지만, 당 업계의 숙련자들은 현재와 미래 모두에서 다음의 청구 범위에 속하는 다양한 개선 및 개선을 할 수 있음을 이해할 것이다. 이러한 청구 범위는 처음 기술된 발명에 대한 적절한 보호를 유지하도록 해석되어야 한다.

Claims (26)

  1. 다중 셀 유도 무선 전력 전송 시스템에 있어서,
    복수의 송신 요소 - 각각의 송신 요소는 적어도 하나의 송신 권선 및 적어도 하나의 송신 자기 코어를 포함함 -;
    복수의 수신 요소 - 각각의 수신 요소는 적어도 하나의 수신 권선 및 적어도 하나의 수신 자기 코어를 포함함 -
    를 포함하고,
    상기 복수의 송신 요소는 에어 갭에 의해 상기 수신 요소로부터 분리되는
    장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 송신 권선은 단일 송신 권선을 포함하고, 및 적어도 하나의 수신 권선의 상기 적어도 하나는 단일 수신 권선을 포함하는
    장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 송신 권선은 복수의 송신 권선을 포함하고, 및 적어도 하나의 수신 권선의 상기 적어도 하나는 복수의 수신 권선을 포함하는
    장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 송신 자기 코어는 복수의 송신 자기 코어를 포함하고 및 적어도 하나의 수신 자기 코어의 상기 적어도 하나는 복수의 수신 자기 코어를 포함하는
    장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 송신 권선은 송신 절연층 상에 있고, 및 상기 적어도 하나의 수신 권선은 수신 절연층 상에 있는
    장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 송신 권선 및 상기 수신 권선은 각각 나선형 형상을 갖는 전기 전도성 트레이스를 포함하는
    장치.
  7. 전력 변환기 시스템에 있어서,
    복수의 송신 요소와 복수의 수신 요소를 포함하는 다중 셀 유도 무선 전력 전송 시스템 - 각각의 송신 요소는 적어도 하나의 송신 권선과 적어도 하나의 송신 자기 코어를 포함하고, 및 각각의 수신 요소는 적어도 하나의 수신 권선 및 적어도 하나의 수신 자기 코어를 포함함 -;
    상기 복수의 송신 요소를 구동하기 위하여 입력 전력 신호를 송신 전력 신호로 변환하도록 구성된 송신 전력 변환 회로; 및
    전기 부하를 구동하기 위해 복수의 수신 요소에서 수신된 전송된 전력 신호를 출력 전력 신호로 변환하도록 구성된 수신 전력 변환 회로
    를 포함하는
    장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 송신 요소는 에어 갭에 의해 상기 수신 요소로부터 분리되는
    장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 송신 전력 변환 회로는 입력 전력 신호를 수신하기 위해 1차 전력 소스에 연결된 입력, 및 상기 복수의 송신 요소에 연결된 출력을 갖는 직류-교류(DC-AC) 변환기인
    장치.
  10. 제9항에 있어서,
    DC-AC 변환기는 양방향 이중 액티브 브리지(DAB) 회로를 포함하는 제1 브리지를 형성하기 위해 브리지 구성으로 연결된 복수의 스위치
    를 포함하는
    장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 수신 전력 변환 회로는 상기 전송된 전력 신호를 수신하기 위해 상기 복수의 수신 요소에 연결된 입력 및 상기 출력 전력 신호를 전달하도록 구성된 출력을 갖는 AC-DC 변환기인
    장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 AC-DC 변환기는 상기 양방향 이중 액티브 브리지(DAB) 회로의 제2 브리지를 형성하기 위해 브리지 구성으로 연결된 제2 복수의 스위치
    를 포함하는
    장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 양방향 이중 액티브 브리지(DAB) 회로의 상기 제1 브리지는 상기 제1 복수의 스위치 중 한 쌍의 스위치와 상기 복수의 송신 요소 중 하나의 송신 요소 사이에 연결된 필터 회로
    를 포함하는
    장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 양방향 이중 액티브 브리지(DAB) 회로의 상기 제2 브리지는 상기 복수의 제2 스위치 중 한 쌍의 스위치와 상기 복수의 수신 요소 중 하나의 수신 요소 사이에 연결된 커패시터
    를 포함하는
    장치.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 복수의 송신 요소는 서로 직렬로 연결되고, 및 상기 복수의 수신 요소는 서로 병렬로 연결된
    장치.
  16. 전력 충전 시스템에 있어서,
    복수의 송신 요소를 포함하는 충전 스테이션 - 각각의 송신 요소는 적어도 하나의 송신 권선 및 적어도 하나의 송신 자기 코어를 포함함 -; 및
    상기 충전 스테이션과 독립적으로 이동하도록 구성된 차량 - 상기 차량은 복수의 수신 요소를 포함하고, 각각의 수신 요소는 적어도 하나의 수신 권선 및 적어도 하나의 수신 자기 코어를 포함함 -
    을 포함하는
    장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 송신 권선은 복수의 송신 권선을 포함하고, 및 적어도 하나의 수신 권선의 상기 적어도 하나는 복수의 수신 권선
    을 포함하는
    장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 충전 스테이션은 상기 송신 요소를 구동하는 적어도 하나의 송신 클록 위상을 설정하도록 구성된 송신 제어기를 포함하고, 및
    상기 차량은 상기 수신 요소를 구동하는 적어도 하나의 수신 클록 위상을 설정하도록 구성된 수신 제어기를 포함하는
    장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 송신 제어기 및 수신 제어기 중 적어도 하나는 적어도 하나의 송신 요소의 제1 송신 클록 위상 및 적어도 하나의 수신 요소의 제1 수신 클록 위상을 결정하는
    장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 제1 수신 클록 위상이 적어도 하나의 수신 요소의 제1 송신 클록 위상과 일치하지 않는다는 결정에 응답하여,
    상기 송신 제어기 및 상기 수신 제어기 중 적어도 하나는 상기 제1 송신 클록 위상이 상기 제1 수신 클록 위상과 일치하도록 상기 제1 송신 클록 위상 및 상기 제1 수신 클록 위상 중 적어도 하나를 조정하는
    장치.
  21. 전력 충전 시스템 제어 방법에 있어서,
    상기 방법은:
    충전 스테이션에 설치된 복수의 송신 요소 중 적어도 하나의 송신 요소를 통해 자기장을 생성하는 단계 - 상기 자기장은 상기 적어도 하나의 송신 요소에 포함된 적어도 하나의 송신 자기 코어에 인접하게 배열된 적어도 하나의 송신 권선을 활성화하는 것에 응답하여 생성됨 -; 및
    적어도 하나의 수신 요소에 포함된 적어도 하나의 수신 자기 코어에 인접하게 배열된 적어도 하나의 수신 권선에 에너지를 공급하기 위해 상기 자기장에 근접한 복수의 수신 요소 중 적어도 하나의 수신 요소를 포함하는 차량을 위치시키는 단계;
    상기 자기장을 통해 상기 적어도 하나의 수신 요소를 활성화하는 것에 응답하여 출력 전력 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 출력 전력 신호를 기반으로 상기 차량의 배터리를 충전하는 단계
    를 포함하는
    방법.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 송신 권선은 복수의 송신 권선을 포함하고, 및 상기 적어도 하나의 수신 권선은 복수의 수신 권선
    을 포함하는
    방법.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 충전 스테이션의 송신 제어기를 통해 송신 요소를 구동하는 적어도 하나의 송신 클록 위상을 설정하는 단계, 및
    상기 차량의 수신 제어기를 통해, 상기 수신 요소를 구동하는 적어도 하나의 수신 클록 위상을 설정하는 단계
    를 더 포함하는
    방법.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 송신 제어기 및 상기 수신 제어기를 통해, 적어도 하나의 송신 요소의 제1 송신 클록 위상 및 적어도 하나의 수신 요소의 제1 수신 클록 위상을 결정하는 단계
    를 더 포함하는
    방법.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 제1 수신 클록 위상이 적어도 하나의 수신 요소의 상기 제1 송신 클록 위상과 일치하지 않는다고 결정하는 단계; 및
    사익 송신 제어기 및 상기 수신 제어기 중 적어도 하나를 통해, 상기 제1 송신 클록 위상이 상기 제1 수신 클록 위상과 일치하도록 상기 제1 송신 클록 위상 및 상기 제1 수신 클록 위상 중 적어도 하나를 조정하는 단계
    를 더 포함하는
    방법.
  26. 제24항에 있어서,
    상기 출력 전력 신호의 불균형 위상을 식별하는 단계;
    상기 불균형 위상 결정에 응답하여, 상기 제1 송신 클록 위상 및 상기 제1 수신 클록 위상 중 적어도 하나 사이에서 손실 위상을 결정하는 단계;
    결함 송신 요소 및 손실 위상을 유발하는 결함 수신 요소 중 적어도 하나를 식별하는 단계; 및
    상기 출력 전력 신호의 위상 균형을 복원하기 위해 새로운 동기 주파수에 나머지 위상을 재설정 하는 단계
    를 더 포함하는
    방법.
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