KR20220154851A - 멀티 전력을 공급받는 전기 자동차 - Google Patents

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Abstract

전기 및 하이브리드 전기 자동차를 충전하기 위한 유도 전력 전송(IPT; inductive power transfer) 패드 및 시스템이 개시된다. 이러한 자동차의 배터리는 고속 충전을 위한 고전력 전기 공급원 또는 IPT를 사용하여 충전용 저전력 전기 공급원에 선택적으로 결합될 수 있다. 자동차의 배터리들은 공급되는 전력의 주파수 변화를 통해 전력망의 부하 수요를 제어하기 위해 시스템에 사용된다.

Description

멀티 전력을 공급받는 전기 자동차{MULTI POWER SOURCED ELECTRIC　VEHICLE}
본 발명은 멀티 전력 공급원을 사용하여 전기 자동차의 배터리를 충전하기 위한 유도 전력 전송(IPT: inductive power transfer) 패드, 시스템, 방법 및 수단에 관한 것이며 상기 배터리에 의해 충전되는 전기 자동차에 관한 것이다. 보다 상세하게 본 발명은 고속 충전을 위해 고전력 공급원을 사용하거나 또는 저속 충전을 위해 저전력 공급원을 선택적으로 사용하여 전기 자동차용 배터리를 충전하는 것에 관한 것이다.
순수 전기 자동차(즉, 하이브리드 자동차와 반대로 오로지 전기에 의해서만 충전되는 자동차)의 개발에 있어서, 이러한 자동차들의 대중화를 위해서는 해결해야할 몇 가지 문제가 있다. 이러한 전기 자동차들은 종래의 연료 자동차에 비하여 한정된 유효 거리를 갖고, (비록 사용자의 집에서 충전하는 것이 가능할지라도) 자동차를 충전하는 것을 기억해야 하는 불편함이 있고, 자동차가 충전되지 않았을 때에 발생할 수 있는 심각한 제약들을 갖는다. 이러한 문제점들은 최근 지구 온난화에 대한 관심이 고조됨에 따라 더욱 많은 관심을 받고 있다. 순수 전기 자동차는 모든 유형의 자동차들 중에서 가장 낮은 오염원이라는 것이 확실하기 때문에 지구 온난화를 줄이는 역할을 할 수 있고, 좀 더 널리 사용되는 종래의 수단에 의해 동력을 공급받는 자동차들에 비해 더 적은 탄소 '배출량'으로 작동될 수 있다.
전기 자동차가 갖는 많은 문제점은 자동차에 동력을 공급하기 위한 에너지를 저장하는 데에 사용되는 배터리에서부터 유래된다. 사실상 모든 유형의 배터리는 허용 충전율보다 낮은 충전율로 충전됨이 분명하고, 배터리는 한정된 용량을 가지며, 그 수명은 길지 않다. 따라서 자동차를 충전하는 데에 상당히 많은 시간이 걸리고, 충전과 충전 간의 시간 간격은 생각했던 것보다 더 짧고, 배터리의 기능은 시간이 지남에 따라 빠르게 감소한다.
그러나 사용 측면에서 보면, 전기 자동차는 매우 편리하고 쇼핑 수단과 근거리 통근 수단으로서 적합하다. 어린이를 학교에 데려다 주는 것과 잔심부름과 같은 여타의 일들에도 매우 적합하다. 하루 동안 누적된 이동 거리가 전기 자동차의 유효 거리 안에 있는 경우, 배터리는 다음날 계속되는 일을 할 수 있을 정도로, 하루 밤사이에 충전된다. 이것은 이상적인 시나리오이다. 그러나 사용 가능한 유효 거리를 초과하거나 배터리가 충분히 충전되지 못하면, 운전자와 승객은 오도 가도 못하게 남을 수 있고, 복구 비용이 들 수 있고, 배터리는 종래의 충전 사이클보다 더 긴 시간 동안 완전하게 충전되어야 할 필요가 있으며, 종래의 배터리들을 사용하는 경우, 이러한 배터리들은 대부분 품질이 떨어지는 것이 분명하고 그 허용 충전율은 이전보다 영구적으로 감소하게 된다. 충전 기회는 이러한 문제를 해결하는 데 도움이 될 수 있고, 기회가 주어질 때마다 자동차를 부분적으로 충전할 수 있다.
긴 여행을 갈 필요가 있는 차량의 경우와 같은 좀 더 심각한 상황에서는, 할 수 있는 것이 거의 없다. 여기서 하이브리드 자동차가 좋은 해결책이 될 수 있는데, 먼 거리를 화석 연료로 이동할 수 있고 종래의 주유소에서 재주유할 수 있기 때문이다.
이러한 이유로, 종래의 순수 전기 자동차로는 승객 운송 차량에 대한 현대적인 요구를 모두 충족시킬 수 없다.
유도 전력 전송(IPT: inductive power transfer)은 종래의 충전에 비해 좀 더 유용한 대안책을 제시한다. IPT를 사용하는 충전기는 발명의 명칭이 "전력 전송 시스템에 유도 결합된 단상 전력 공급(Single Phase Power Supply for Inductively Coupled Power Transfer System)"인 뉴질랜드 특허 출원 제545664호에 기재되어 있고, 이는 본 출원에서 참조하여 인용될 것이다. 이 충전기는, 일반적으로 집에서 사용할 수 있는 표준 단상 공급원에서 작동될 수 있고 전력 요소가 우수하며 고조파가 매우 낮다는 점에서, 많은 장점들을 제공한다. 그 결과 그러한 충전기들 수천 개를 전력 공급의 품질 저하가 없이 하나의 공공 전력망에 결합시켜 작동시키는 것이 가능하다. 게다가, IPT를 사용하면 사용자가 배터리에 케이블을 수동으로 결합할 필요가 없어진다.
본 발명의 목적은 향상된 유도 전력 전송(IPT) 패드를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 종래의 전기 자동차에 관련된 앞서 언급되었던 문제들을 해소하는 자동차 충전 수단을 제공하는 것이다.
본 발명의 대안적인 목적은 전기 자동차를 충전하기 위한 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 대안적인 목적은 전기 자동차 충전 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 대안적인 목적은 적어도 실용적인 대안을 제공하는 것이다.
본 발명의 제1 양태에 따르면, 적어도 한번의 도체 감김이 있는 코일과; 하나 이상의 강자성 슬랩과; 사용시에 있어서 전자 자속을 채널링(channelling)하기 위해 코일과 강자성 슬랩 모두의 주변에 배치된 보호 부재(차폐 부재)를 포함하는, 유도 전력 전송(IPT) 패드가 제공된다.
바람직하게는, 상기 도체는 리츠선이다.
바람직하게는, 상기 코일은 복수 회 감긴 와이어를 포함한다.
바람직하게는, 상기 강자성 슬랩은 모놀리식(monolithic) 슬랩이다.
바람직하게는, 상기 강자성 슬랩은 페라이트(ferrite) 슬랩이다.
바람직하게는, 상기 강자성 슬랩 각각은 실질적으로 같은 평면에 배치된다.
바람직하게는, 상기 강자성 슬랩 각각은 그 길이가 공통점으로부터 방사상으로 확장되지만 이격되어 배치된다.
바람직하게는, 상기 강자성 슬랩 각각은 인접한 슬랩으로부터 실질적으로 같은 각도로 이격되어 배치된다.
바람직한 실시예에 따르면, IPT 패드는 인접한 슬랩으로부터 대략 45°로 이격되어 배치된 8개의 강자성 슬랩들을 포함한다. 다른 구성들은 시스템의 요구 사항에 따라 선택될 수 있다.
대안적으로, 또 다른 실시예에서, IPT 패드는 복수의 강자성 슬랩을 포함하고, 이에 의해 강자성 슬랩들의 서브 세트는 공통점으로부터 방사상으로 연장되지만 그로부터 이격되어 있고, 강자성 슬랩들의 추가 세브 세트는 다른 공통점으로부터 방사상으로 연장되지만 그로부터 이격되어 있고, 강자성 슬랩들의 또 다른 서브 세트는 공통점들을 연결하는 가상의 직선 방향에 수직으로 정렬되고, 이에 의해 강자성 슬랩들의 또 다른 추가 서브 세트는 가상의 직선으로부터 동일한 거리에 위치하지만 그 길이를 따라 동일한 간격으로 가상 직선의 양쪽에 동일하게 배치된다.
바람직하게는, 상기 코일은 강자성 슬랩에 실질적으로 평행한 평면에 배치된다.
바람직하게는, 상기 슬랩 각각의 길이 중심에 상기 코일이 각각의 슬랩을 지나가도록 공통점 주변에 감기어 배치된다.
바람직하게는, 상기 IPT 패드는 실질적으로 강성인 백 플레이트를 포함한다.
바람직하게는, 상기 백 플레이트는 실질적으로 평면이다.
바람직하게는, 상기 백 플레이트의 평면은 강자성 슬랩과 코일의 평면에 실질적으로 평행하고, 상기 슬랩들의 평면은 백 플레이트의 평면과 코일의 평면 사이에 위치한다.
바람직하게는, 상기 강자성 슬랩 각각은 강자성 슬랩들 사이에서 열을 전달하고 기계적인 충격으로부터 슬랩을 보호하도록 열전도체이면서 기계적 절연체인 물질에 의해 백 플레이트로부터 이격되어 배치된다. 일 실시예에 따르면, 슬랩 각각은 발포체나 고무 패드를 사용하여 백 플레이트로부터 이격되어 배치될 수 있다. 슬랩들을 구성하는 재료는 부서지기 쉬우므로, 상기 물질들은 급격한 온도 변화와 PT 패드에 가해지는 기계적 응력으로 인해 슬랩들의 균열을 방지하는 역할을 한다.
바람직한 실시예에 따르면, 백 플레이트는 통과하는 자속 경로를 실질적으로 차단하는 재료로 형성된다. 일 실시예에서 이 재료는 알루미늄이다.
바람직하게는, 상기 보호 부재는 링을 형성하도록 연결된 단부를 갖는 스트립 부재로 형성된다.
바람직하게는, 상기 보호 부재는 알루미늄으로 형성된다.
바람직하게는, 상기 보호 부재는 백 플레이트에 결합된다.
바람직하게는, IPT 패드는 강자성 슬랩들을 고정하기 위해 형성된 공간들을 구비하고 코일을 수용하기 위한 채널을 구비하는 부재를 포함한다.
바람직하게는, 상기 부재는 자속에 실질적으로 영향을 받지 않는 재료들로 형성된다. 일 실시예에서는, 발포체나 고무가 사용된다.
바람직하게는, 상기 부재는 몰딩 공정에 의해 만들어진다.
바람직하게는, IPT 패드는 실질적으로 자속이 투과할 수 있는 재료로 형성된 백 플레이트를 포함한다. 일 실시예에서는, 이 재료는 무독성 플라스틱이다.
바람직한 실시예에 따르면, 커버 플레이트와 백 플레이트는 IPT 패드에 앞벽과 뒷벽을 제공하며, 보호 부재는 측벽을 제공하고, 바람직하게는, 상기 보호 부재는 백 플레이트에서 커버 플레이트로 연장되는 구조를 갖는다.
제1 양태에 따른 IPT 패드는 충전 패드로부터의 자속 흐름을 채널링함으로써 사용시 개선된 성능을 제공한다. 보다 구체적으로, 백 플레이트와 보호 부재는 백 플레이트의 평면에서 자속을 위로 향하게 하여 자속이 백 플레이트 평면에 평행하게 확산되는 것을 줄이는 역할을 한다. 이것은 유도 결합을 향상시킬 뿐만 아니라 원하지 않은 물체가 사용 중에 유도장에 영향을 받을 가능성을 감소시킨다. 이 누설을 제어하지 않으면 그런한 물체가 손상될 수 있다는 점에 유의하는 것이 중요하다. 예를 들어, 전기 자동차의 경우 이러한 누설로 인해 바퀴 베어링이 부식되는 결과를 초래한다.
또한, 본 발명의 IPT 패드는 종래의 IPT 픽업에 비해 상대적으로 슬림한 라인을 갖는다는 점에서 유리하다. 이것은 픽업 패드가 자동차의 밑면에 결합되는 경우 바닥과의 간격이 유지되는 것이 중요하기 때문에 특히 중요하다.
제2 양태에 따르면, 2개의 유도 전력 전송 패드를 포함하는 유도 전력 전송 시스템이 제공되고, 2개의 유도 전력 전송 패드는 결합되어 사용되는데, 하나는 픽업 패드로서 사용되고 다른 하나의 패드는 충전 패드로 사용된다.
바람직하게는, 상기 충전 패드는 전원 공급원(장치)에 결합될 수 있고, 배터리와 같은 부하에 결합될 수 있는 픽업 패드에 전력을 유도 전송한다.
제3 양태에 따르면, 전기 또는 하이브리드 자동차의 배터리를 충전하기 위한 장치가 제공되는데, 이 장치는 고전력 전기 공급원에 배터리를 선택적으로 결합하기 위한 제1 수단과, 저전력 공급원에 배터리를 선택적으로 결합하는 제2 수단을 포함하고, 결합을 위한 제2 수단은 배터리에 전기적으로 결합된 픽업 패드를 포함하고, 전력은 충전 패드로부터 픽업 패드로 유도 전력 전송에 의해 전송된다.
바람직하게는, 결합을 위한 제1 수단은 배터리에 전기적으로 결합된 소켓을 포함하고, 여기서 전력은 고전력 전기 공급원에 연결된 케이블을 소켓에 플러그함으로써 전송된다. 따라서, 전기 에너지는 결합용 제1 수단을 사용하여 배터리로 빠르게 전송될 수 있어 빠른 충전이 이루어질 수 있다.
당업자에게 자명한 바와 같이, 대안적으로, 결합용 제1 수단은 배터리에 전기적으로 결합된 플러그를 포함하고, 여기서 전력은 고전력 전기 공급원에 연결된 케이블에 연결된 소켓에 플러그를 플러그함으로써 전송된다.
바람직하게는, 결합용 제2 수단은 본 발명의 제1 양태에 따른 픽업 패드를 포함한다.
IPT를 사용하면, 자동차가 밤새 주차되는 경우를 포함하여 사용자가 충전을 위해 케이블을 플러그할 필요가 없다. 추가적으로 또는 대안적으로, 배터리가 케이블을 사용하여 저전력 공급원에 결합될 수 있도록 제2 소켓이 제공될 수 있거나 필요하다면 제1 소켓이 적응될 수 있다. 다시, 대안적으로, 제2 소켓은 저전력 공급원에 연결된 소켓과 결합하도록 구성된 플러그로 대체될 수 있다. 이러한 실시예는 제공된 경우 및 시간이 허용되는 경우 IPT를 사용하여 배터리가 충전될 수 있다는 점에서 향상된 유연성을 제공한다. 빠른 충전이 필요하고 고전력 공급원이 사용 가능한 경우, 배터리는 고전력 공급원에 결합될 수 있다. 그러나, IPT 충전 패드나 고전력 공급원을 사용할 수 없는 경우 배터리를 충전할 가능성이 있다. 사용자는 아마도 충전 패드를 차량 안에 두고 자동차로 운반할 수 있게 하여, 필요한 경우 자동차에서 꺼내어 적절하게 배치하여 충전에 사용할 수 있다. 이것은 IPT를 포함하는 본 발명의 실시예들이 바람직하게 널리 이용 가능한 가정용 전압으로 작동하지만 불편하기 때문에 가능하다.
따라서, 제2 소켓은 바람직하게는 자동차의 외부 표면에 제공되어, 배터리가 케이블을 통해 종래의 가정용 소켓과 같은 저전력 공급원에 결합될 수 있도록 할 수 있다. 바람직한 실시예에 다르면, 고전력 공급원에 결합하는데 사용되는 소켓은 또한 저전력 공급원에 결합하는데 사용될 수 있다. 따라서, 차량에 운반될 수 있는 케이블만 있다면, 대부분의 가정용 회로를 통하여 배터리를 충전하는 것이 가능하다.
따라서, 요구 사항 및 사용 가능한 전력 공급원의 유형과 전송 형태에 따라, 사용자는 바람직하게 저전력 공급원으로부터 전력을 전송하기 위한 IPT를 사용하여 배터리를 고전력 공급원이나 저전력 공급원에 선택적으로 결합할 수 있다.
바람직하게는, 고전력 공급원의 전송 전력은 10kw 내지 500kw의 전송 정격을 갖는다.
바람직하게는, 저전력 공급원은 종래의 가정용 배선으로 제공될 수 있도록 0.5kw 내지 2.5kw 사이의 전송 정격을 갖는다. 더 바람직하게는, 저전력 공급원의 전송 전력은 1.0kw 내지 2.2 kw 사이에 있다.
명세서에 전체 걸쳐서 "배터리"라는 용어의 사용은 제한적인 방식으로 사용되지 않으며, 하나 또는 임의의 수의 셀 또는 배터리, 또는 슈퍼 커패시터를 포함 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 배터리 충전 장치는 충전 패드와 픽업 패드의 정렬을 표시하는 표시 수단을 포함한다.
바람직하게는, 상기 장치는 배터리가 충전되는 시기를 표시하기 위한 표시 수단을 포함한다.
본 발명의 제4 양태에 따르면, 재충전전 가능한 배터리 및 그 배터리를 충전하기 위한 제3 양태의 장치를 포함하는 전기 자동차가 제공된다.
전기 자동차는 전기 에너지에 의해서만 전력을 공급받을 수 있다는 점에서 "순수 전기 자동차"일 수 있다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 전기 에너지와 가연성 연료와 같은 적어도 하나의 다른 에너지원에 의해 전력을 공급받을 수 있는 하이브리드 자동차에 적용될 수 있다. 따라서, 본 명세서에서 "전기 자동차"에 대한 참조는 순수 전기 자동차 및 전기 에너지를 하나의 에너지원으로 갖는 하이브리드 자동차 모두를 포함한다.
본 발명에 따른 제5 실시 양태에 따르면, 전기 또는 하이브리드 전기 자동차의 배터리 충전 방법이 제공되는데, 이 방법은 배터리를 고전력 공급원 또는 저전력 공급원에 선택적으로 결합하는 단계를 포함하며, 상기 배터리를 저전력 공급원에 결합하는 단계는 배터리에 전기적으로 결합된 유도 전력 전송 픽업 패드를 유도 전력 전송 충전 패드에 근접하여 배치시키는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 배터리를 고전력 공급원에 결합하는 단계는 플러그를 소켓에 결합하는 단계를 포함하고, 상기 플러그는 배터리 및 고전력 공급원 중 하나와 관련되고, 상기 소켓은 상기 배터리와 고전력 공급원 중 다른 하나와 관련된다.
보다 더 바람직하게는, 상기 픽업 패드는 자동차의 하부에 결합되고 충전 패드는 지상에 제공되며, 상기 배터리를 저전력 공급원에 선택적으로 결합하는 단계는 픽업 패드가 충전 패드 위에 또는 작동 가능하게 인접하게 위치하도록 차량을 운전하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 충전 패드와 픽업 패드는 서로로부터의 거리가 변할 수 있다. 충전 패드는 상강 수단에 의해 지면에서 승강될 수 있다. 대안적으로 픽업 패드는 상강 수단에 의해 자동차의 하부로부터 승강될 수 있다.
바람직하게는, 상기 배터리 충전 방법은 상기 충전 패드와 픽업 패드 사이의 정렬을 표시하는 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 배터리 충전 방법은 배터리가 충전되는 시기를 표시하는 단계를 포함할 수 있다.
자동차 하부에 IPT 픽업 패드를 배치하는 것이 미적인 이유에서 선호되는데, 이는 이러한 배치가 자동차가 충전되는 동안 자동차 주변를 이동하는 사람들에게 물리적인 장애물을 제공하지 않으며 사람이나 다른 이물질이 충전 중에 유도장(induced fields)에 노출될 가능성이 거의 없기 때문입니다. 그러나 본 발명은 이러한 배치에 한정되지 않는다. 픽업 패드는 차량이 제자리에 주차되었을 때 IPT 전송이 가능하도록 충전 패드가 장착된 상태에서 기본적으로 자동차의 어디에나 위치될 수 있다. 예를 들면, 픽업 패드는 차량의 전면 또는 후면에 제공될 수 있으며, 충전 패드는 차고의 벽에 장착되어 자동차가 주차될 때 유도 결합되도록 할 수 있다. 사용자 개입에 대한 요구로 인해 선호되지는 않지만, 본 발명은 픽업 패드 및/또는 충전 패드를 이동 가능한 마운팅 또는 아마추어(armature)에 장착하는 것을 배제하지 않으며, 이에 따라 차동차 주차 후 사용자는 IPT 전송이 가능하도록 패드 중 하나 또는 둘 모두를 이동할 수 있다. 더 많은 사용자 개입이 필요하다는 단점이 있지만, 이러한 실시예는 자동차의 주차 위치에서 더 큰 허용 오차(공차)를 허용한다.
제6 양태에 따르면, 전기 또는 하이브리드 전기 자동차의 배터리를 충전하기 위한 시스템이 제공되며, 이 시스템은 적어도 하나의 발전기를 갖는 전력망 또는 서브 전력망(subnetwork)과; 상기 전력망 주변의 적어도 하나의 발전기에 의해 생성된 에너지를 전송하기 위한 케이블과; 전력망에 배터리를 결합하기 위한 IPT 결합 수단과; 적어도 하나의 발전기로부터 배터리로의 전력 전송을 제어하기 위한 제어 수단을 포함한다.
바람직하게는, 상기 전력망은 복수의 전기 또는 하이브리드 전기 자동차에 대응하는 복수의 배터리에 결합된다.
임의의 에너지원은 발전기(들)가 전기 에너지를 발생시키는데 사용될 수 있다. 그러나 바람직한 실시예에 따르면, 재생 가능한 에너지원이 사용된다. 제어 수단의 사용하면, 네트워크상의 전력 수요가 가용 전력과 더 잘 일치하도록 배터리에 공급되는 전력을 변경함으로써 재생 가능한 에너지원에서 발생되는 전력의 변동성 특성과 관련된 문제를 극복하고 네트워크의 안정성을 향상시킬 수 있다. 이러한 이점은 네트워크가 대응하는 복수의 전기 또는 하이브리드 전기 자동차의 복수의 배터리에 결합되는 시스템의 실시예에 따라 더욱 두드러진다.
바람직하게는, 제어 수단은 부하 인자(load factor)를 최적화하기 위하여 전력 전송을 변경하도록 구성된다. 따라서, 네트워크 컨트롤러(예를 들어, 전기 회사)는 공급과 수요에 좀 더 부응하도록 전력망에 연결된 배터리들로의 전력 전송을 변경할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 자동차 배터리들은 전력망을 운영하는 네트워크 컨트롤러에 의해 소유되고 자동차 소유자에게 임대된다.
제6 양태의 시스템은 바람직하게는 제1 양태에 따른 하나 이상의 IPT 패드 및/또는 제3 양태에 따른 하나 이상의 배터리 충전 장치 및/또는 제4 양태에 따른 적어도 하나의 전기 자동차를 포함한다.
바람직하게는, 상기 제어 수단은 통신 채널에 의해서 제어된다.
본 발명의 제7 양태에 따르면, 전기 또는 하이브리드 전기 자동차의 배터리를 충전하는 방법이 제공되며, 이 방법은 유도 전력 전송을 사용하여 배터리를 전력망 또는 서브 전력망에 결합하는 단계와; 전력망을 통해 전기 에너지를 배터리로 전송하는 단계와; 적어도 하나의 미리 정해진 기준에 따라 전송 전력을 변경하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 적어도 하나의 미리 정해진 기준에는 하루 중 시간, 전력망의 수요 레벨, 전력망의 가용 공급원 레벨 중 하나 이상이 포함되며, 이는 전력망에 대한 에너지원이 변동 가능한 경우와 특히 관련이 있다.
바람직하게는, 상기 배터리 충전 방법은 복수의 전기 자동차의 배터리를 네트워크에 결합하는 단계 및 전력을 모든 배터리 또는 그의 서브 세트에 선택적으로 전송하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 배터리 충전 방법은 전력망의 배터리 부하를 결정하기 위해 주 전원 주파수를 변경하는 단계를 포함한다.
본 발명의 제8 양태에 따르면, 전력망에 전력을 공급하는 시스템이 제시되며, 이 시스템은 적어도 하나의 발전기를 구비한 전력망 또는 서브 전력망과; 복수의 전기 또는 전기 하이브리드 자동차의 복수의 배터리와; 복수의 배터리들에 저장된 에너지를 전송하는 케이블과; 상기 전력망에 배터리들을 결합하는 IPT 결합 수단과; 복수의 배터리들로부터 네트워크로의 전력 전송을 제어하는 제어 수단을 포함한다.
본 발명의 제9 양태에 따르면, 전력망에 전력을 공급하는 방법이 제시되며, 이 방법은 유도 전력 전송을 사용하여 전역망에 복수의 전기 또는 하이브리드 전기 자동차의 복수의 배터리들을 결합하는 단계와; 배터리들로부터 전력망으로 전기 에너지를 전송하는 단계와; 적어도 하나의 사전 결정된 기준에 따라 전력 전송을 변경하는 단계를 포함한다.
본 발명의 제10 양태에 따르면, 전력망의 부하 수요를 제어하기 위한 시스템이 제시되며, 이 시스템은 적어도 하나의 발전기를 구비한 전력망을 포함하고; 상기 전력망에 의해서 공급되는 전력 주파수는 변경될 수 있으며; 상기 전력망에 결합된 하나 이상의 부하와; 상기 전력망에 의해 공급되는 전력 주파수를 모니터하기 위한 제어 수단을 포함하고, 상기 제어 수단은 주파수에 따라 부하에 의해 소비되는 전력을 증가 또는 감소시킨다.
본 발명의 제11 양태에 따르면, 전력망에 대한 부하 수요를 제어하는 방법이 제공된다. 상기 방법은, 전력망에 의해 공급되는 전력 주파수를 변화시키는 단계와; 상기 전력망에 의해 공급되는 전력 주파수를 모니터하는 단계와; 주파수에 따라서 부하에 의해 소비되는 전력을 증가시키거나 감소시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 모든 새로운 양태에서 고려되어야 하는 본 발명의 추가 양태는 본 발명의 실제 적용의 적어도 하나의 예를 제공하는 다음 설명을 읽을 때 당업자에게 자명할 것이다.
본 발명에 따르면, 피크를 지난 전력을 전기 자동차 충전을 위하여 효율적이고 안정적으로 사용할 수 있다. 또한 본 발명에 따르면, 재생 가능한 에너지원으로부터 생성된 에너지가 전기 자동차를 충전하는데 편리하게 사용될 수 있게 한다. 더 나아가 본 발명의 부하 수요를 제어할 수 있게 한다.
본 발명의 추가적인 양태들은, 모든 신규한 양태에 의하여 고려돼야 하고, 본 발명을 실질적으로 적용한 하나 이상의 예가 다음의 상세 설명을 통하여 당업자에게 명백해질 것이다.
본 발명의 하나 이상의 실시예들은 다음 도면을 참조하여 설명될 것이다. 도면은 오로지 예시적인 것이며 그에 제한되지 않는다.
도 1은 충전 중의 IPT 충전 패드 및 전기 자동차의 바람직한 상대적 배치를 도시하는 사시도이다.
도 2는 IPT 패드의 바람직한 실시예의 사시도이다.
도 3 내지 도 5는, 도 3과 도 5는 일부분이 제거되어 도시되며, 도 4는 내부의 세부 사항을 도시하도록 가상의 윤곽으로 일부분이 도시되어 있는, 도 2의 IPT 패드에 대안적인 패드의 사시도이다.
도 5a는 IPT 패드 구조의 대안적인 실시예를 도시하는 도면이다.
도 5b는 도 5a의 IPT 패드의 대안적인 실시예의 평면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라서 충전되는 전기 자동차를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 시스템의 실시예를 개략적으로 나타내는 도면이다.
본 발명의 실시예는 이동의 유형, 거리 및 빈도수의 관점에서 일어날 수 있는 대부분의 상황에서 작동될 수 있는 멀티 공급원 전기 자동차가 제공된다. "멀티 공급원 전기 자동차(multi-source electric vehicles)"를 참조하면, 자동차에 전력을 공급하는데 사용되는 배터리 및/또는 셀들은 다양한 전기적 전력 공급원을 사용하여 충전된다. 본 발명의 실시예에 따르면 자동차가 '집에서' 밤새 충전될 수 있다는 점과, 더 바람직한 실시예에 따르면 케이블을 플러그인하는 데에 수반되는 단점들이 없어진다는 점에서 플러그인 전기 자동차의 모든 장점이 제공된다. 좀 더 자세히 말하자면, 바람직한 실시예에 따르면, 충전 패드는 특히 사용자의 차고 바닥과 같이 자동차가 일반적으로 주차되는 곳의 바닥에 제공된다. 자동차가 주차되는 동안 상기 충전 패드는 자동차의 밑면에 제공된 픽업(pickup)을 통하여 유도 전력 전송(IPT)에 의해서 자동차의 배터리로 에너지를 전송한다. 아무것도 꼽지 않은 상태로 다른 것은 고려할 필요 없이 오로지 사용 가능한 시간에 따라 완전히 충전될 수 있다.
바닥에 제공된 충전 패드는 전력 공급원에 의해 충전되며 그에 따라 생성된 자기장은 자동차에 부착된 픽업 안으로 전력을 결합하여 차 안의 배터리를 충전하게 된다. 대부분을 공공 전력망에서의 가정용 출력에서는 대략 2.2kw까지의 전력 전송이 가능하다. 이러한 전송 전력의 제어는 미국 특허 제5,293,308호에서 설명된 기술을 사용하여 이뤄질 수 있고, 본 명세서에서 참조하여 사용된다. 다른 방법들도 또한 본 발명의 범위 안에 있다.
도 1은 충전 중인 충전 패드(20)와 자동차(10)의 바람직한 상대적 배치를 도시한다. 픽업 패드(미도시)는 충전 패드(20)와 동일한 구조를 갖는 것이 바람직하고, 차량의 밑면에 배치되기 때문에 자동차(10)가 주차되는 경우 대체로 충전 패드(20) 바로 위에 놓이게 된다. 충전 패드(20)에 의해 생성된 자속은 상기 두 패드를 연결한다. 픽업 패드가 자동차의 밑면에 배치되는 것이 기능적으로 요구되지 않지만, 이는 미적인 이유와 자동차를 개량하여 설치하는데 상대적으로 편리하기 때문에 바람직하다.
도 2 내지 도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 충전 패드(20)의 대안적인 사시도를 도시한다. 보다 구체적으로, 도 2는 패드의 외부 하우징을 도시하ㄱ고 도 3은 내부 세부 사항을 도시하기 위해 외부 하우징을 일부 잘라낸 패드를 도시하며, 도 4는 외부 특징을 나타내는 도 3에 대응하여 부품들의 내부 배열에 대한 추가 세부사항을 제공하기 위하여 도시된 투시도이며, 도 5는 상부 덮개가 제거된 패드를 도시하는 도면이다. 픽업 패드는 충전 패드(20)의 구조와 동일하다. 그리고 충전 패드(20)에 대한 설명은, 충전 패드(20)가 전기 공급원(예를 들어 주 전기 공급원)에 결합되고 픽업 패드는 부하(즉, 충전될 차량 배터리)에 결합된다는 점을 제외하면, 픽업 패드에도 적용된다.
패드(20)들은 바람직하게는, 각각 서로에 대하여 45°의 각도로 이격되어 배치되는 8개의 페라이트 바(22)를 구비한 (바람직한 실시예에서는 알루미늄으로 형성되는) 금속 백 플레이트(21)와 같이 자속의 통과를 실질적으로 제한하는 물질로 형성된 물체에 배치된다. 바(22)들은 고무 몰딩(23)에 의하여 제자리에 고정된다. 리츠선(27)의 코일(도 5 참조)은 페라이트 바(22)들을 통과하는 자속에 의해 링크된다. 바람직하게는, 리츠선(27)의 코일은 바(22)의 길이를 따라 패드의 일반적인 원형 몸체 주변에 대략 절반 정도에 코일이 감기도록 패드(20)의 영역(24)에서 페라이트 바(22)상에 위치한다. 알루미늄 스트립(25)은 생성된 자속의 패턴을 제어하는 것을 돕기 위해 백 플레이트(21)에 결합되거나 일체로 형성된다. 덮개(28)는 패드의 주 원형 몸체 상단에 결합된다. 덮개(28)는 이를 통한 자속의 통과를 차단하지 않도록 PVC 또는 바람직하게는 무독성 플라스틱과 같은 재료로 형성된다. 도시된 특정 구조는 패드가 상대적으로 슬림한 라인으로 형성되는 것을 가능하게 하는데, 이러한 슬림한 라인은 지면 간격을 유지하게 할 수 있기 때문에 픽업 패드에 있어서 기존의 자동차를 개량하는 경우에 중요하다.
보다 구체적으로, 백 플레이트(21)와 스트립(25)은, 덮개(28)를 통해 충전 패드에 의해 생성된 자속을 백 플레이트(21)에 대해 일반적으로 수직인 방향으로 지행하기 위해 함께 작용하도록 적절하게 결합되고, 이에 의해 일반적으로 백 플레이트(21)와 평행한 방향으로 자속의 확산으로 인한 누설이 적기 때문에 충전 패드와 픽업 패드 사이의 향상된 결합을 제공한다. 백 플레이트(21)와 스트립(25)은 본 발명의 일 실시예에서 전기적으로 연결된다.
기계적 또는 충격 절연 패드(26)는 바람직하게는 발포체 또는 고무로 형성되고, 바(22)가 패드(20)의 다른 구성 요소와 접촉하는 것을 방지하기 위해 제공된다. 바(22)들은 깨지기 쉽고 열에 민감하기 때문에, 패드(26)들은 또한 바(22)들을 냉각시키기 위해 열전도체인 것이 이상적이다. 기계적 절연 패드(26)는 또한, 패드(20)에 대한 타격 또는 충격 및 패드(20)가 차량에 장착될 때 발생하는 진동과 같은 진동으로 인해 바(22)에 기계적 응력이 전달되는 것을 제한한다.
400mm의 지름과 22mm의 두께와 2kw까지의 전송 전력을 갖는, 도면에서 도시된 것과 같은 구조의 패드를 사용하여 +/-50mm까지의 측면 오정렬과 25mm에서 75mm까지의 수직 분리가 쉽게 달성된다. 전송 전력이 일정하게 큰 공차를 갖게 하는 것이 가능하지만 이를 위해서는 큰 패드가 필요하고 비용이 증가한다. 충전 패드가 차량의 밑면의 픽업 패드와 결합하도록 바닥 위에 제공되면, 이러한 공차들은 차량의 주차 위치에 대한 공차들로 설명된다. 상대적으로 간단한 방법이 운전자가 적절한 위치에 주차하는 것을 보조하는 데에 사용될 수 있다. 예를 들면, 스트링에 볼을 천장에 매달아 자동차가 정확한 위치에 위치하게 되면 자동차 앞유리 위의 한 지점에 정렬될 수 있다.
대안적으로, 배터리가 충전되고 있을 때 그리고 차량이 올바른 위치에 있을 때 켜지는 충전 표시기가 차량에 제공될 수 있다. 다른 대안들은 당업자에 쉽게 명백할 것이며, 이러한 모든 대안은 본 발명의 범위 안에 있다.
대략 2kw까지의 전송 속도를 갖는 바람직한 실시예에 따르면, 바(22)들은 바람직하게는 높이가 10mm이고, 너비는 30mm이고, 길이는 120mm이며, 코일(27)은 바람직하게는 3.77mm2 또는 그 이상의 120개의 가닥으로 구성된 와이어들이 개별적으로 절연되어 0.2mm의 직경을 갖는 리츠선을 포함한다. 스트립(25)은 바람직하게는 대략 4mm의 두께를 갖고 덮개(28)는 바람직하게는 대략 5mm의 두께를 갖는다. 본 발명은 이런 특정 값들에 한정되지 않고 다른 값들이 바람직한 작동 특성에 따라 선택될 수 있다는 것은 당업자에게 자명하다.
본 발명의 실시예에 따르면, 종래의 IPT 시스템에는 차량 하부의 바닥 위에 있는 전력 패드는 '트랙'을 차지하고 픽업 코일에 전력 패드가 부착되어 차량 하부 있게 된다. 앞서서 언급된 뉴질랜드 특허 출원 제545664호에서 언급된 기술을 사용하면, 이 코일들의 배치로 바닥의 전력 패드로부터 자동차의 전력 패드로 전력이 고효율로 전달되어 자동차의 배터리는 밤새 충전되게 된다.
IPT 시스템의 실시예들은 가정에 있는 한 대의 차량뿐만 아니라 예를 들면 여러 대의 배달 차량 전차량 등에 대한 전기 자동차 충전을 가능하게 하며, 또한 작업 일정에 비교적 긴 시간의 일정이 포함된 경우라면 차량을 전력 패드가 장착된 바닥 위에 주차하게 되면 24×7 방식의 연속적인 작동이 가능해진다. 그러나 총 에너지 수요가 사용 가능한 저장 에너지를 초과하는 경우 2kW의 일반적인 충전 속도는 전기 자동차의 제한된 범위 문제를 극복하지 못한다.
이 문제를 해결하기 위해, 배터리를 빠르게 충전하기 위해 별도의 고전력 플러그를 사용하여 고전력 플러그인 충전기를 차량에 연결할 수 있다. 모든 유형의 배터리들이 예상되는 크기의 전력을 수용할 수 있는 것은 아니지만 리튬 배터리는 이렇게 하는 것을 점점 더 가능하게 한다.
앞서 언급된 것과 같이, 전력 패드 비-조정(intervention-free) 충전기는 종래 가정용 와이어의 전송 속도의 범위에 있도록, 충전 전력이 대략 2kw로 제공되는 홈 기반 IPT충전 시스템이다. 전기 자동차에서 일반적인 배터리는 50kwh의 에너지 또는 300V로 170AH(암페어-시간)으로 저장될 수 있기 때문에 공칭 충전 전력은 0.04C(C는 AH의 배터리 용량을 기준으로 하는)가 된다. 이것은 보전되며 안정적으로 측정된다. 12시간의 한 번의 충전으로, 24kwh의 에너지가 전송되고 자동차가 10kw의 평균적인 전력 수요로 작동되는 경우, 약 2 시간 또는 하루에 160km의 범위 내에서 운전이 가능하다. 더 긴 충전 시간을 가지고 자동차가 완전히 충전된다면 이 수치는 배가 될 것이다. 한편, 고전력 배터리 충전기의 실시예에서는 10C의 충전 속도에 대응하는 6분간 10kw 내지 500kw의 전송 전력으로 에너지가 제공된다. 따라서 6분 동안, 배터리는 완전히 충전될 수 있고, 자동차는 다시 충전할 필요 없이 또 다른 300km를 갈 수 있게 된다. 500kw의 전기 에너지 전송 속도는 매우 빠른 것이지만 가솔린이나 디젤 연료를 탱크에 주유하는 경우의 에너지 전송 속도에 비하면 여전히 낮은 것임을 알 수 있다.
이러한 빠른 충전에서는, 가솔린을 주유할 때 필요한 것처럼 조심스럽게 관리될 필요가 있다. 그리고 수많은 이유로 가정에서 사용하기에는 적합하지 않다. 소수의 가정에서 500kw 공공 전력망에 접근할 수 있는데, 이 전력 레벨에서 공급원은 일반적으로 사용할 수 있는 전력망에 비하여 더 높은 전압을 얻을 수 있다. 또한 위험 등급에 포함되기 때문에 상업적으로 지정된 시설들이 필요하다. 이와 반대로, IPT 시스템은 안전하며, 사용하기 쉽고, 집 또는 공공 주차장과 같은 차가 주차되는 다른 장소에 설치하기에 적합하다.
이러한 기술들의 결합으로 뛰어난 특성을 갖는 자동차가 제공된다. 일상적인 삶을 기초할 때, 스포츠 여행, 통근, 쇼핑에 이상적이며, 일반적으로 160km/day를 최소한의 보수로 연료 충전 없이 상대적으로 낮은 비용으로 이동할 수 있다. 긴 시간 여행에서 사용하려면 대략 매 300km 마다 재충전될 필요가 있다.
도 5a와 도 5b는 본 발명에 따른 충전 패드의 구조(20)의 대안적인 실시예를 도시한다. 또 5a와 5b에서 패드(20)는 타원형 평면을 갖는다. 타원형 전력 패드는 원형 전력 패드를 확장하고 중앙에 동일한 직사각형 구역을 추가하여 구성될 수 있다. 두 전력 패드 모두의 구조는 동일한 것이 바람직하다. 도 5b에서는 코일(27)의 길이가 길어지고 추가의 페라이트 또는 강자성 바(22a)들이 앞서 언급된 원형 전력 패드에서의 바들의 간격과 유사한 간격으로 추가되는 것을 도시한다.
이렇게 타원형으로 배치하는 장점은 측면 이동(도 5a에서 x방향으로 도시된)에 대한 패드의 허용 오차(공차)가 원형 패드에 비해 개선된다는 것이다. 이것은 차량의 좌우 이동에 대응하여 차량의 x 방향으로 위치를 조정하는 것이 상대적으로 어렵기 때문에 유리하다. 패드 위에 배치될 때 차량의 전진 및 후진 방향에 해당하는 y 방향의 움직임을 포착하는 패드의 허용 오차는 원형 패드의 허용 오차보다 작다. 그러나 이것은 y 방향으로 패드 위에 최적으로 위치하도록 이 방향으로 조정하는 것이 상대적으로 훨씬 쉽기 때문에 차량을 주차할 때 덜 중요하다.
차량에 부착된 충전 패드와 픽업 패드 사이의 위치를 조정하는 기능을 갖는 것도 또한 바람직하다. 이것은 다양한 방법을 통하여 이뤄질 수 있다. 예를 들면, 충전 패드를 바닥에서부터 올리고 내리는 잭과 같은 수단을 바닥의 충전 패드에 포함시킬 수 있다. 상기 잭은 수동식 또는 전기 작동식 일 수 있다. 선택적으로, 자동차 밑면의 픽업 패드는 차량의 밑면에서부터 그 거리를 늘이거나 줄이는 수단을 포함할 수 있다. 또한 이것은 잭 또는 다른 알려진 메커니즘일 수 있다.
여기서 언급된 상기 시스템의 주요한 장점들 중 하나는 안전에 관한 것이다. 유도 충전 수단은, 대안적인 전기 자동차 충전 시스템과는 달리 충전기와 자동차 사이에 플러그 연결부가 없다. 사용자가, 여전히 플러그 된 시스템에 연결된 상태에서 우연히 자동차를 멀리 운전하게 되는 경우, 상기 장치는 손상될 수 있고 위험한 상황이 파손된 전류 전달 장치에 의하여 발생할 수 있다. 이와 대조적으로, 우선적으로 어떠한 플러그도 안전하게 분리할 필요가 없는 IPT 시스템을 사용하면, 상기 장치를 손상시킬 걱정 없이 전기적 위험 요소가 없이 자동차를 멀리 안전하게 운전할 수 있다. 게다가, 홍수가 발생한 경우에도, IPT 시스템은 대안적인 플러그 되는 시스템에서 발생하는 위험을 확실히 제거하여 안전하게 작동될 수 있다.
도 6은 케이블(63)을 통하여 고전력 전기 공급원(52)에 의해 충전되는 전기 자동차(10)의 배터리(51)의 개략적인 도면이다. 충전되는 동안, 배터리(51)는 와이어(54)를 통하여 픽업(20)으로부터 전기를 공급받는다. 고전력 공급원(52)은 고전력 발생기 또는 선택적으로 고전력 전력망과 케이블(53) 사이에 단지 인터페이스 또는 전선관이 제공되는 경우를 포함할 수 있다. 케이블(53)은 플러그(미도시)를 구비하여 제공될 수 있고 상기 플러그는 자동차(10)에 제공된 소켓(미도시)에 맞추어진다. 소켓과 배터리(51) 사이의 와이어로 배터리(51)에 전기를 전송한다. 바람직하게, 플러그는 전기적 접촉부에 접근하는 것이 방지되도록 안전 하우징을 구비하여 제공된다. 소켓은 소켓과 배터리(51) 사이에 제공된 배선을 구비한 자동차 (10) 위 어느 지점에도 제공될 수 있다. 따라서, 본 발명은 도 6에 도시된 소켓의 위치에 한정되지 않는다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른, 일반적으로 도면 부호 60으로 도시되는 시스템을 개략적으로 나타낸다. 발전기(61)는 도 6의 고전력 전기 공급원(52)을 포함하는 장치(63)에 고전력 전기를 제공한다. 두 개의 고전력 전기 공급원(52)이 도시되어 있다. 그러나, 본 발명은 여기에 한정되지 않고 장치(63)는 하나 이상의 몇몇의 공급원(52)을 포함할 수 있고, 본 발명은 사용 가능한 공간과 발전기(61)의 용량에만 한정된다는 것을 당업자는 명백히 알 수 있다. 고전력 케이블(62)은 상기 장치(63)와 또한 변압기(64)에 고전력 전기를 전송하기 위한 와이어의 역할을 하며, 또한 상기 변압기는 상기 고전력 전기를 낮은 전력의 공급원으로 감소시키므로 일반적으로 가정에서 사용된다. 낮은 전력 케이블(65)은 그러면 저전력 전기를 충전 패드(20)에 전송하고, 바람직하게는 사용자의 차고 바닥부에 제공된다. 단일한 발전기(61)가 도시되어 있지만, 시스템(60)은 복수의 발전기들을 포함할 수 있고 고전력 공급원과 저전력 공급원을 위한 분리형 발전기를 포함할 수 있다.
전기 자동차의 중요한 양태은 그 지출 비용에 있다. 일반적으로 배터리의 가격이 비싸기 때문에 종래의 모터 자동차에 비해 전기 자동차의 가격은 비싸다. 그러나 본 발명의 실시예에 따르면, 배터리와 자동차는 다른 주체에 의해 소유될 수 있다. 좀 더 자세하게는, 본 발명에 따른 시스템과 일 실시예에 따르면, 배터리는 전력 사업 회사에 의해 소유될 수 있고 자동차 소유주에게 임대될 수 있다. 이러한 실시예에 따르면, 전기 자동차의 사용자는 자동차를 구매하는 순간 지불하는 비용을 감소시킬 수 있다는 이점이 있다. 그러나 이러한 이점들이 전력 사업 회사에 의해 지각될 수 있고 전기료의 지불을 통하여 지각될 수도 있다. 특히 IPT 충전 패드가 공급되는 전력을 적절하게 제어함으로써, 전력 사업 회사들은 특히 전기 자동차들의 많은 수의 배터리들이 충전되는 밤 동안의 전기 부하를 측정할 수 있다.
전기 시스템에 어떤 변경을 가하게 되면, 전력을 배터리에서 설비로 반대방향으로 전송하는 것도 가능하다. 이러한 방식에 의하면, 전력 설비의 사용 전력이 최고점에 달하는 때에, 차량 배터리로부터 전력을 받아서 상기 최고점 전력 사용을 위해 공급하는 데에 사용할 수 있다. 이러한 반대 방향으로의 전력 공급도 차량이 많이 있으면 매우 커질 것이므로, 전력 부족을 피할 수 있다. 반대 방향으로의 전력 흐름이 발생하는 시간이 짧을수록 전체 에너지는 작아지게 된다.
전력 사업 회사가 1인 부하율 가질 수 있다고 하는 것은 재정적으로 큰 장점이 되는데, 위와 같이 공급원 측에서 수요측 부하를 제어할 수 있게 되면 상기 1의 부하율에 도달할 수 없는 상황에서 그 이상적인 값에 도달하게 하는 것이 가능해진다.
전력망 컨트롤러(일반적으로, 전력 사업 회사)와 충전중인 자동차 사이에 통신 채널이 제공되어 이러한 자동차들의 충전을 모니터할 수 있다. 이를 위해 간단한 휴대폰 채널(cell-phone channel)이 사용될 수 있다. 사용 가능한 전력이 변할수 있기 때문에 네트워크 컨트롤러는 이에 맞게 배터리 충전 수요를 바꿀 수 있다. 이를 통해 전력 사업 회사는 전기 자동차의 부하가 매우 빨리 바뀔 수 있게 하여 안전하게 그 최대 전력 근방에서 작동할 수 있게 한다. 이것은 일반적으로 온수 난방을 제어하는데 사용되는 리플(ripple) 제어 시스템과 유사하지만 좀 더 정교하다. 근본적인 차이는, 부분적인 부하가 가능하고, 부하가 좀 더 빠르고 정확하게 변경될 수 있다는 것이다.
부하 수요를 조정하는 능력으로 매우 변동성이 큰 '재생 가능한' 에너지원을 전력망에 통합시키는 것을 좀 더 쉽게 할 수 있다. 상기 조정은 변동 가능한 에너지원의의 변동에 응답하여 네트워크 또는 그리드의 주파수가 변하도록 함으로써 대안적으로 이루어질 수 있다. 따라서, 풍력 발전소 전체에 강한 돌풍이 불 때 전력 서지는 주전원 주파수가 1Hz의 작은 부분까지 증가할 수 있다. 이러한 주파수의 변동은 IPT 충전 패드에 대한 전력 공급원에 의해 측정되어 전력 패드 또는 트랙 전류를 제어하는데 사용된다. 원칙적으로, 전달되는 전력은 패드 전류에 비례하여 만들어지므로 패드 전류를 변경함으로써 충전 부하가 가용 전력에 맞추어질 수 있다. 상기 변동은 주 전력의 한 사이클 만큼 짧은 기간에 발생할 수 있다.
일 예로 100,000개와 같이, 배터리 충전기의 수가 많은 경우, 예를 들면 49.5Hz에서 패드 전류가 0이고 그보다 1Hz 더 높은 주파수에서 패드 전류가 최대 정격 전류가 되도록 패드 전류가 프로그램될 수 있다. 모든 충전기가 최대 수요에 있는 경우, 충전 부하는 50.5Hz 주파수에서 100,000×2kw=200MW로부터 49.5Hz 주파수에서 0으로 바뀔 수 있다. 49.5Hz 설정점은 물론 필요한 주파수에서 최대 전력이 발생하도록 변경될 수 있다. 예를 들면, 설정점이 49Hz인 경우, 최대 전력은 50Hz 또는 그 이상에서 취해질 수 있다. 이러한 방식으로, 대형 풍력 발전소에서 강한 돌풍에 의해서 야기되는 전력의 높은 서지가 보상될 수 있다.
한편, 전력망에 풍력을 통합할 때, 일반적으로 바람이 완전히 '죽는(dies)' 시기가 또한 존재한다. 특히, 이러한 기간은 동일한 전력 용량의 별도의 회전 발전기를 대비하여 구비함으로써 처리해야 한다. 따라서 200MW 풍력 발전기가 사용되는 경우 200MW의 회전 저장기가 그리드에 연결되어야 하며, 이상적인 환경 하에서는 그리드로 어떠한 실제 전력도 공급하지 않는다. 이러한 대책은 매우 비용이 많이 들어 대체적으로 풍력 발전기를 비경제적이게 한다. 본 발명에 따르면, 이러한 대책은 필요하지 않다. 바람이 '죽는' 경우 모든 배터리 충전 부하는, 주전원 주파수가 지정된 설정점(예를 들면 49.5 또는 50Hz)에 도달하자마자 감소한다. 자동차가 충전되면 배터리가 완전히 충전되는 즉시 자동차 각각은 개별적으로 분리되므로 실제 부하는 불확실하고 단순히 연결된 자동차의 총수가 아니다. 부하는 전술한 바와같이 각 차량과의 통신 채널을 사용하여 결정될 수 있지만 이것은 시간이 걸리므로 더 간단한 옵션을 사용할 수 있다. 설정점이 49.5Hz이면, 주파수가 50Hz인 경우 충전중인 모든 연결 차동자는 50% 전력이 된다. 그 후 설정점이 49.6Hz로 변경되면, 충전 중인 자동차들은 그들의 정격 전력의 40%로 떨어지고, 전국적으로 전력 변화는 연결된 (전체) 전력 싱크의 10%가 될 것이다. 이 특정 실시예에서 실제 사용되는 전력은 이 변화의 6배까지 증가하거나 4배까지 감소될 수 있다. 본질적으로, 제어 가능한 배터리 충전 부하가 정확하게 결정되었다.
이러한 환경에서는 매우 높은 비율의 풍력 및/또는 다른 유동적인 에너지원은 얼마나 많은 전력이 바람이 죽은 경우에 이용 가능한지 그리고 서지가 있는 경우 얼마나 많은 잔여 싱크 용량이 이용 가능한지를 고려하여 예비 발전기 없이 현재 혼합 발전기 안에 포함될 수 있다. 이것은 대부분의 풍력 발전소 일체화 설계에 있어서 명백히 바람직한 것이며, 예비 발전기의 필요성을 0 또는 최소한으로 하면서 예를 들면 주로 아일랜드와 독일에서 현재 사용되는 6%를 상회하는 풍력의 비율을 허용할 것이다. 이러한 융통성을 달성하기 위한 다른 설계들에서는 초과 전력을 저장하기 위해 풍력 발전소에 국부적으로 대용량 배터리를 사용하지만, 에너지가 직접 그 방향으로, 소위 자동차 배터리로 직접 전송되는 것이 더 효율적인데 이것은 충전 작용에서 오로지 하나의 배터리가 필요하기 때문이다. 따라서, 풍력 발전소의 배터리들은 에너지의 최종적인 사용이 전기 자동차에 있는 경우에는 대단히 비효율적이다.
본 발명의 경제적 정당성은 흥미롭다. 일반적으로 배터리 가격이 $10.000인 경우 자동차 소유자에게 주당 40$에 임대할 수 있으며 사용된 배터리에 근거하여 12c/kwh의 전기 요금이 부가된다. 주당 300km를 주행하는 사용자는 45kwh를 $5.40의 비용에 배터리 임대료 $40에 부가하여 전체 비용이 $45.40 또는 15c/km가 되게 할 수 있다. 일부 경우 도로 사용료가 포함될 수 있거나 전기 사용료가 부가될 수 있다. 이 km당 비용은 아마도 비싸지만 매우 합리적인 사용이 될 수 있고, 이동 거리가 배가 되면 km당 비용은 600km당 $50.80 또는 8.5c/km로 크게 감소한다.
풍력 이외의 재생 가능한 에너지(예를 들면, 양태력, 조력 등)로부터 생성된 전기도 또한 본 발명의 실시예에 적용될 수 있다. 이러한 것들은 모두 특히 안정적이지 않으며 풍력과 같이 비교적 짧은 시간 내에 많이 바뀔 수 있다. 예를 들면, 뉴질랜드에서 측정된 풍력 발전의 변화율은 공칭 비율이 200MW인 풍력 발전소로부터 5분만에 200MW 크기였다. 따라서 이러한 매우 유동적인 에너지원을 전력망에 통합시키는 것은 큰 이점이 있다. 개요에 따라 에너지원 측 제어를 사용하면, 충전 부하가 공급 주파수의 작은 변화를 사용하여 거의 주기별로 변동 가능한 전력과 일치하기에 충분한 속도로 변하므로 그렇지 않았다면 단순히 낭비될 에너지를 사용할 수 있게 한다. 이 에너지는 좀 더 일반적인 전기 공급원 보다 상당히 낮은 비용으로 생성될 수 있다.
따라서, 본 발명은 피크를 지난 전력을 전기 자동차 충전을 위해 효율적이고 안정적으로 사용될 수 있게 한다. 또한 본 발명은 재생 가능한 에너지원으로부터 생성된 에너지가 전기 자동차 충전에 편리하게 사용될 수 있게 한다. 더 나아가 본 발명의 부하 수요를 제어할 수 있게 한다.
전후 관계에서 명백히 필요한 경우가 아니라면, 명세서 전반에 걸쳐서 "포함하다."와 "포함하고 있다"라는 용어는 포괄적인 의미로서 배타적이거나 배타적인 의미와는 반대되는 것으로 파악된다. 즉 다시 말해 "내포한다. 그렇지만 그에 한정되지 않는다."라는 의미로 사용된다.
본 명세서에 언급된 현재 바람직한 실시예에 대한 다양한 변화와 조정이 당업자에게 명백하다는 것을 알 수 있다. 이러한 변화와 조정은 본 발명의 의미와 범위에서 벗어난 것이 아니며 부수되는 장점들을 감소시키지 않으면서 만들어질 수 있다. 따라서 이러한 변화와 조정이 본 발명에 포함될 수 있는 것이다.

Claims (10)

  1. 배터리 충전 장치로서, 상기 장치는,
    배터리를 충전하기 위해 배터리에 선택적으로 결합하도록 배열된 제1 전력 전송 결합(coupling)과, 상기 제1 전력 전송 결합은 배터리에 전기적으로 결합된 소켓을 포함하고; 그리고
    배터리를 충전하기 위해 배터리에 선택적으로 결합하도록 배열된 제2 전력 전송 결합을 포함하고, 상기 제2 전력 전송 결합은 배터리에 전기적으로 결합된 픽업 패드를 포함하고, 상기 전력은 유도 전력 전송에 의해 충전 패드로부터 픽업 패드로 전송되고;
    상기 제1 전력 전송 결합은 전기 공급원에 케이블이 연결되는 소켓에 상기 케이블이 플러그(plug)되는 것에 응답하여 선택되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전력 전송 결합은,
    케이블이 언플러그(unplug)되는 것에 응답하여 상기 배터리를 선택적으로 결합하여 제2 전력 전송 속도로 충전하도록 적응되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    배터리가 충전 중임을 표시하도록 배열된 인디케이터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    충전 패드와 픽업 패드 사이의 정렬(alignment)을 표시하도록 배열된 인디케이터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 픽업 패드는,
    제1 층에 있는 하나 이상의 강자성 슬랩(slab)과;
    적어도 한 번의 도체 감김(turn)이 있는 코일과, 상기 코일은 강자성 슬랩의 층과 실질적으로 평행한 제2 층에 배열되고; 그리고
    제3 층을 정의하는 백플레이트를 포함하는 보호 부재(shield member)를 포함하고, 상기 백플레이트는 코일에 의해 생성된 자기장을 제어하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
  6. 배터리 충전 시스템으로서,
    배터리 및 픽업 패드를 포함하는 유도 전력 수신기와; 그리고
    픽업 패드에 유도적으로 전력을 전송하는 충전 패드를 포함하는 유도 전력 송신기를 포함하고,
    상기 유도 전력 수신기는,
    배터리를 충전하기 위해 배터리에 선택적으로 결합하도록 배열된 제1 전력 전송 결합과, 상기 제1 전력 전송 결합은 배터리에 전기적으로 결합된 소켓을 포함하고;
    배터리를 충전하기 위해 배터리에 선택적으로 결합하도록 배열된 제2 전력 전송 결합과, 상기 제2 전력 전송 결합은 픽업 패드를 포함하고;
    상기 제1 전력 전송 결합은 전기 공급원에 케이블이 연결되는 소켓에 상기 케이블이 플러그되는 것에 응답하여 선택되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2 전력 전송 결합은,
    케이블이 언플러그되는 것에 응답하여 상기 배터리를 선택적으로 결합하여 제2 전력 전송 속도로 충전하도록 적응되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 시스템.
  8. 제6항에 있어서,
    배터리가 충전 중임을 표시하도록 배열된 인디케이터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 시스템.
  9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    충전 패드와 픽업 패드 사이의 정렬을 표시하도록 배열된 인디케이터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 시스템.
  10. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 픽업 패드 및/또는 충전 패드는,
    제1 층에 있는 하나 이상의 강자성 슬랩과;
    적어도 한 번의 도체 감김이 있는 코일과, 상기 코일은 강자성 슬랩의 층과 실질적으로 평행한 제2 층에 배열되고; 그리고
    제3 층을 정의하는 백플레이트를 포함하는 보호 부재를 포함하고, 상기 백플레이트는 코일에 의해 생성된 자기장을 제어하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 시스템.
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