KR20230148831A

KR20230148831A - 무선 전력 전송 시스템에서의 수동 아크 검출 및 완화

Info

Publication number: KR20230148831A
Application number: KR1020237032015A
Authority: KR
Inventors: 존 엠. 울게무스
Original assignee: 인덕트이브이 인크.
Priority date: 2021-02-22
Filing date: 2022-01-10
Publication date: 2023-10-25
Also published as: CN116964893A; CA3211523A1; US20220271548A1; US11784503B2; MX2023009654A; EP4295461A1; WO2022177662A1; JP2024507861A

Abstract

배터리를 충전하기 위한 충전 시스템은, AC 전원으로부터 수신된 전력을 배터리를 충전하기 위한 DC 신호로 정류하는 정류기, 및 DC 신호에 추가된 잡음을 측정하고 측정된 잡음 신호를 생성하는 아크 검출 회로를 포함한다. 프로세서는 직렬 아크를 검출하기 위해 측정된 잡음 신호를 분석하고, 직렬 아크가 검출될 때, 일정 시간 기간 동안 정류기의 AC 전류의 션트가 정류기의 DC 출력을 제로를 향해 감소시키게 한다. 수동 아크 검출 회로가 정류기와 배터리 사이에 삽입되고, 평활 커패시터와 병렬로 감지 저항기 및 필터 커패시터를 포함한다. 감지 저항기 양단의 전압은 증폭되고, 디지털화되고, 측정된 잡음 신호로서 출력된다. DC 신호는 상이한 주파수 윈도우들에서 측정된 잡음 신호를 획득하기 위해 스캐닝될 수 있다.

Description

무선 전력 전송 시스템에서의 수동 아크 검출 및 완화

관련 출원들에 대한 상호 참조

본 특허 출원은 둘 다 "SAFETY CIRCUITS FOR WIRELESS POWER TRANSFER"라는 명칭으로 2020년 4월 16일자로 출원된 미국 가특허 출원 제63/010,771호 및 2020년 11월 19일자로 출원된 미국 특허 출원 제16/952,933호, 및 "CURRENT SENSING IN A WIRELESS POWER TRANSFER SYSTEM"이라는 명칭으로 2020년 3월 20일자로 출원된 미국 특허 출원 제16/825,624호와 관련된다. 이들 특허 출원들의 내용들은 본 명세서에서 참조로 포함된다.

기술분야

본 특허 출원은 유도성 무선 전력 전송 시스템(inductive wireless power transfer system)의 이용을 통한 무선 충전(wireless charging)에 관한 무선 전력 전송 어셈블리(wireless power transfer assembly)를 설명한다. 본 명세서에 설명되는 무선 전력 전송 어셈블리는 직렬 아크 결함(series-arc fault)의 수동적 검출(passive detection) 및 능동적 완화(active mitigation)를 위한 회로를 포함한다.

아크 결함은 회로 내의 의도하지 않은 전기적 고장이다. 아크들은 전류의 결과적인 우발적 전환 경로(consequent accidental diversion path)에 기초하여 2가지 타입들로 분할된다. 병렬 아크들은 부하(load)와 병렬인 아크의 형성으로서 정의되고, 직렬 아크들은 부하와 직렬로 형성된다.

병렬 아크들은 부하와 병렬인 도전성 경로를 생성하고, 새롭게 형성된 도전성 경로가 부하에 의해 제한되지 않으므로, 큰 전류 흐름들을 특징으로 한다. 새롭게 접속된 도전성 경로는 접지에 대한 정상 회로의 저항보다 더 낮은 전압의 제2 도체 또는 더 낮은 저항의 회로에 대한 것일 수 있다. 병렬 아크 결함들은 회로에서의 고전력 소모로 인해 매우 높은 온도들로부터 즉각적인 손상을 생성할 수 있다.

직렬 아크들은 부하와 직렬로, 전형적으로 느슨한 커넥터(loose connector)를 가로질러, 도전체에서의 단절부(break)(예를 들어, 파손된 와이어)를 가로질러 또는 개방 릴레이를 가로질러 도전성 경로를 형성한다. 직렬 아크는 병렬 아크의 전류 오버-드로우(over-draw)를 방지하는 여전히 접속된 부하에 의해 전류 제한된다. 직렬 아크를 이용하면, 부하-제한된 전류로 인해, 손상은 부식성(erosive)이고, 아크에 의해 형성된 로컬 플라즈마(local plasma)는 도전체 표면들을 손상시키고, 주변 절연은 연쇄 반응(chain reaction)을 야기하며, 이는 궁극적으로, 전기 도전체들의 열적으로 유도된 기계적 고장 및 주변 구조물들에 대한 손상을 초래한다.

이제, 아래의 상세한 설명에서 더 설명되는 개념들의 선택을 간단한 형태로 소개하기 위한 다양한 예들이 설명된다. 개요는 청구된 주제의 범위를 제한하기 위해 이용되도록 의도되지 않는다.

샘플 실시예들은 배터리를 충전하기 위한 충전 시스템에 관한 것이다. 충전 시스템은 정류기(rectifier), 아크 검출 회로(arc detection circuit), 및 차량 충전 제어기(vehicle charging controller)의 프로세서를 포함한다. 정류기는 교류(AC) 전원으로부터 수신된 전력을 충전을 위해 배터리에 인가하기 위한 직류(DC) 신호로 정류하고, 아크 검출 회로는 DC 신호에 추가된 잡음을 측정하고 측정된 잡음 신호를 생성한다. 차량 충전 제어기의 프로세서는 직렬 아크를 검출하기 위해 측정된 잡음 신호를 분석하고, 직렬 아크가 검출될 때, 일정 시간 기간 동안 정류기의 AC 전류의 션트(shunt)가 정류기의 DC 출력을 제로를 향해 감소시키게 한다.

샘플 실시예들에서, 아크 검출 회로는 정류기와 배터리 사이에 배치된 수동 아크 검출 회로를 포함한다. 수동 아크 검출 회로는 필터 커패시터(filter capacitor) 및 감지 저항기(sense resistor)를 포함하는 제1 경로, 및 제1 경로 및 배터리와 병렬인 제2 경로를 포함하고, 제2 경로는 평활 커패시터(smoothing capacitor)를 포함한다. 아날로그-디지털 변환기(analog to digital converter)가 감지 저항기 양단의 전압을 디지털화하기 위해 추가로 제공되고, 디지털화된 전압은 측정된 잡음 신호로서 프로세서에 출력된다. 증폭기가 또한 디지털화 이전에 감지 저항기 양단의 전압을 증폭하기 위해 제공될 수 있다.

샘플 실시예들에서, 차량 충전 제어기의 프로세서는 정류기의 가산성 잡음(additive noise)으로 DC 출력의 DC 주파수 스펙트럼을 스캐닝하여 주파수 윈도우에서 측정된 잡음 신호를 획득하고, 측정된 잡음 신호를 주파수 윈도우에 대한 검출 임계값과 비교하도록 적응될 수 있다. 데이터베이스가 또한 정류기를 포함하는 수신기 어셈블리에 관한 정보를 프로세서에 제공할 수 있다. 정보는 스캐닝 사이클 주기성(scanning cycle periodicity)을 알리기 위해, 즉시 충전 세션을 중단하기 위해, 스캐닝할 주파수들의 수를 설정하기 위해, 또는 로컬 잡음, 주변 잡음, 또는 간섭을 회피하기 위해 적어도 하나의 주파수 윈도우를 조정하기 위해 이용되는 데이터 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 주파수 윈도우에서 측정된 잡음 신호를 획득하기 위해 정류기의 DC 출력의 DC 주파수 스펙트럼을 스캐닝한 후에, 프로세서는 주파수 윈도우에 대한 검출 임계값이 초과될 때 직렬 아크를 검출할 수 있다. 프로세서는 추가로, 직렬 아크의 검출을 나타내는 직렬 아크 검출 이벤트를 시그널링하고 이력 분석하여 거짓 양성 검출(false positive detection)의 확률을 결정할 수 있다.

샘플 실시예들에서, 차량 충전 제어기의 프로세서는 측정된 잡음 신호에 대해 푸리에 변환(Fourier Transform)(FT) 계산을 수행하여 FT 결과들을 생성하는 동작; FT 결과들을 마스킹하여 정류기의 DC 전류 출력의 미리 선택된 주파수 윈도우들에 대한 결과들을 도출하는 동작; 각각의 미리 선택된 주파수 윈도우에 대해, 주파수 진폭에 기초하여 스코어(score)를 전개하는 동작; n-샘플 통합(n-sample integration)을 수행하여 n-샘플 시간 지속기간에 걸쳐 스코어를 평균하여 통합된 스코어를 생성하는 동작 - n은 샘플들의 수임 -; 각각의 n-샘플 시간 지속기간에 대해, 통합된 스코어를 임계값과 비교하는 동작; 및 임계값이 통합된 스코어에 의해 초과될 때, 직렬 아크 검출 이벤트를 트리거하는 동작을 포함하는 동작들을 수행함으로써, 직렬 아크를 검출하기 위해 측정된 잡음 신호를 분석하기 위한 명령어들(instructions)을 추가로 실행할 수 있다.

충전 회로에 의해 구현되는 방법이 또한 본 명세서에 설명된다. 충전 방법은, 정류기를 이용하여, 교류(AC) 전원으로부터 수신된 전력을 충전을 위해 배터리에 인가하기 위한 직류(DC) 신호로 정류하는 단계; 아크 검출 회로를 이용하여, DC 신호에 추가된 잡음을 측정하고 측정된 잡음 신호를 생성하는 단계; 직렬 아크를 검출하기 위해 측정된 잡음 신호를 분석하는 단계; 및 직렬 아크가 검출될 때, 일정 시간 기간 동안 정류기의 AC 전류의 션트가 정류기의 DC 출력을 제로를 향해 감소시키게 하는 단계를 포함한다.

샘플 실시예들에서, DC 신호에 추가된 잡음을 측정하는 단계는 정류기와 배터리 사이에 수동 아크 검출 회로를 삽입하는 단계를 포함하고, 수동 아크 검출 회로는 필터 커패시터 및 감지 저항기를 포함하는 제1 경로, 및 제1 경로 및 배터리와 병렬인 제2 경로를 포함하고, 제2 경로는 평활 커패시터를 포함한다. 감지 저항기 양단의 전압은 증폭되고, 디지털화되고, 측정된 잡음 신호로서 출력된다.

샘플 실시예들에서, 측정된 잡음 신호를 생성하는 단계는 수동 아크 검출 회로가 정류기의 가산성 잡음으로 DC 출력의 DC 주파수 스펙트럼을 스캐닝하여 주파수 윈도우에서 측정된 잡음 신호를 획득하고, 측정된 잡음 신호를 주파수 윈도우에 대한 검출 임계값과 비교하는 단계를 포함할 수 있다. 방법은 또한 데이터베이스로부터, 정류기를 포함하는 수신기 어셈블리에 관한 정보를 수신하는 단계를 포함할 수 있다. 샘플 실시예들에서, 정보는 스캐닝 사이클 주기성을 알리기 위해, 즉시 충전 세션을 중단하기 위해, 스캐닝할 주파수들의 수를 설정하기 위해, 또는 로컬 잡음, 주변 잡음, 또는 간섭을 회피하기 위해 적어도 하나의 주파수 윈도우를 조정하기 위해 이용되는 데이터 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 주파수 윈도우에서 측정된 잡음 신호를 획득하기 위해 정류기의 DC 출력의 DC 주파수 스펙트럼을 스캐닝한 후에, 주파수 윈도우에 대한 검출 임계값이 초과될 때 직렬 아크가 검출될 수 있다. 방법은 또한 직렬 아크의 검출을 나타내는 직렬 아크 검출 이벤트를 시그널링하고 이력 분석하여 거짓 양성 검출의 확률을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.

샘플 실시예들에서, 직렬 아크를 검출하기 위해 측정된 잡음 신호를 분석하는 단계는 측정된 잡음 신호에 대해 푸리에 변환(FT) 계산을 수행하여 FT 결과들을 생성하는 동작; FT 결과들을 마스킹하여 정류기의 DC 전류 출력의 미리 선택된 주파수 윈도우들에 대한 결과들을 도출하는 동작; 각각의 미리 선택된 주파수 윈도우에 대해, 주파수 진폭에 기초하여 스코어를 전개하는 동작; n-샘플 통합을 수행하여 n-샘플 시간 지속기간에 걸쳐 스코어를 평균하여 통합된 스코어를 생성하는 동작 - n은 샘플들의 수임 -; 각각의 n-샘플 시간 지속기간에 대해, 통합된 스코어를 임계값과 비교하는 동작; 및 임계값이 통합된 스코어에 의해 초과될 때, 직렬 아크 검출 이벤트를 트리거하는 동작을 포함하는 동작을 포함할 수 있다.

이 개요 섹션은 본 발명의 주제의 양태들을 간략화된 형태로 소개하기 위해 제공되며, 본 발명의 주제의 추가 설명은 상세한 설명의 텍스트에 후속한다. 이 개요 섹션은 청구된 주제의 필수적인 또는 요구된 특징들을 식별하는 것으로 의도되지 않으며, 이 개요 섹션에 열거된 요소들의 특정의 조합 및 순서가 청구된 주제의 요소들에 대한 제한을 제공하는 것으로 의도되지 않는다. 오히려, 이하의 섹션이 이하의 상세한 설명에 설명된 실시예들 중 일부의 요약된 예들을 제공한다는 것을 이해할 것이다.

본 발명의 상기의 및 다른 유익한 특징들 및 이점들은 첨부된 도면들과 관련하여 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1은 무선 전력 전송 시스템에서의 배터리들의 충전 및 DC 회로에 전력을 공급하기 위한 안전 향상 자기 공진 유도 시스템의 하이 레벨 예시적인 회로 구현을 개략적으로 도시한다.
도 2는 점화 순간의 직렬 아크를 그래픽으로 도시한다.
도 3a는 최소로 검출가능한 직렬 아크에 의해 도입된 핑크 잡음(pink noise)의 특성들을 도시한다.
도 3b는 작은 검출가능한 직렬 아크에 의해 도입된 핑크 잡음의 특성들을 도시한다.
도 3c는 큰 직렬 아크에 의해 도입된 핑크 잡음의 특성들을 도시한다.
도 3d는 가장 큰 직렬 아크에 의해 도입된 핑크 잡음의 특성들을 도시한다.
도 4는 검출 주파수 선택들을 갖는 예시적인 직렬 아크 잡음 스펙트럼을 도시한다.
도 5는 샘플 실시예에서의 수동 직렬 아크 검출을 위한 예시적인 회로를 개략적으로 도시한다.
도 6은 샘플 실시예에서의 수동 아크 검출 및 완화를 위한 프로세스를 그래픽으로 도시한다.
도 7은 샘플 실시예에서의 수동 스캐닝을 위한 신호 분석의 흐름도를 도시한다.

본 명세서에 설명된 전류 측정 디바이스 및 연관된 방법은 본 개시내용의 일부를 형성하는 첨부 도면들 및 예들과 관련하여 취해진 다음의 상세한 설명을 참조하여 보다 쉽게 이해될 수 있다. 본 설명은 본 명세서에서 설명 및/또는 도시된 특정 제품들, 방법들, 조건들 또는 파라미터들로 제한되지 않으며, 본 명세서에서 이용되는 용어는 단지 예로서 특정 실시예들을 설명하기 위한 것이며, 임의의 청구된 주제를 제한하는 것을 의도하지 않는다는 것을 이해해야 한다. 유사하게, 개선을 위한 가능한 메커니즘 또는 동작 모드 또는 이유에 관한 임의의 설명은 예시적인 것에 불과하고, 본 명세서에 설명되는 주제는 개선을 위한 임의의 그러한 제안된 메커니즘 또는 동작 모드 또는 이유의 정확성 또는 부정확성에 의해 제약되어서는 안된다. 본 명세서 전체에 걸쳐, 설명들은 방법들 및 그러한 방법을 구현하기 위한 시스템들/소프트웨어 양쪽 모두를 참조하는 것으로 인식된다.

예시적인 실시예들의 상세한 설명이 이제 도 1 내지 도 7을 참조하여 설명될 것이다. 이러한 설명은 가능한 구현들의 상세한 설명을 제공하지만, 이러한 상세들은 예시적인 것으로 의도되며, 본 발명의 주제의 범위를 결코 한정하지 않는다는 점에 유의해야 한다. "배터리"라는 용어는 본 명세서에서 일반적인 화학 에너지 저장 시스템을 묘사하기 위해 이용되며, 다른 휴대용 에너지 저장 시스템들(예를 들어, 고체 상태 배터리들, 가역 연료 전지들, 울트라-커패시터들)로 대체, 보충, 또는 혼성화될 수 있다는 점에 유의한다. 또한, 이용되는 예들 중 다수는 온보드 시스템들에 전력을 공급하고 고정식(stationary) 전기 차량(electric vehicle)(EV)의 배터리들을 충전하기 위해 이용되는 무선 전력 전송(wireless power transfer)(WPT) 시스템의 것이지만, 이러한 이용이 고려되는 유일한 이용은 결코 아니다.

고전력 유도성 무선 충전 시스템들은 본질적으로 고품질(부하 불변) AC 전류 소스들이다. 본 기술분야의 통상의 기술자들은 모든 공진 네트워크들이 공진 네트워크의 임피던스와 부하 사이의 비율에 의해 정의된 포인트에서 전압 소스들로부터 전류 소스들로 전이한다는 것을 알 것이다. 충분히 높은 전력에서, 임피던스 네트워크는 전체 전력 범위에 걸쳐 전류 소스로서 거동할 수 있다. 그러한 높은 전력에서, 많은 측정 기술들로 측정들의 정밀도 및 정확도가 왜곡될 수 있으며, 필요한 회로는 단순히 이용가능하지 않다. 고전력 교류 시스템에서의 직렬 아크 결함의 신속한 검출은 여전히 능동 부하 회로(active load circuitry)로 인해 어렵다. 추가로, 지속적인 직렬 아크가 손상의 연쇄 반응을 야기할 확률은 직류(DC) 시스템들에서 증폭되는데, 그 이유는, 정전류가 교류(AC) 시스템에서와 같이 아크 종료와 재점화 사이의 냉각을 허용하지는 않기 때문이다.

직렬 아크로부터의 지속적인 도전성 플라즈마 경로의 형성은 별개의 "핑크" 잡음 소스를 생성하지만, 이러한 특성은 부하에 의해 생성되는 감쇠, 주파수 변화들 및 위상 시프트들에 의해 왜곡될 수 있다. 핑크 잡음 신호는 또한 열 잡음 및 유도된 전자기 간섭(EMI)에 의해 손상될 수 있다.

WPT 시스템에서, 일정한 AC 전류 소스를 생성하기 위해 유도 결합된 1차 및 2차 코일을 이용하는 것은 직렬 아크 결함을 검출하는 것의 어려움을 확대시킨다. (예를 들어, 전기 차량에서의) 배터리 팩을 충전하기 위한 DC 소스를 생성하기 위해 WPT에 정류기를 추가하는 것은 배터리 팩 자체가 정전압 DC 전원으로서 동작함에 따라 직렬 아크 결함의 검출(및 완화)을 훨씬 더 복잡하게 한다. WPT 신호는, 일단 정류되면, 고품질(부하 불변) DC 전류 소스로서 거동한다. 직렬 아크 결함에 보유되는 공칭 부하는 높은 DC 전압들 및 전류들에서의 센서 포화로 인해 높은 전력 레벨들에서의 정확도를 스케일링하기 어렵게 만든다.

본 명세서에 설명되는 수동 직렬 아크 결함 검출 시스템은 잡음이 있고, 고전류이며, 고전압인 동작 환경에서 그러한 직렬 아크 결함들을 수동으로 검출하고 그러한 결함들을 완화시키게 작용하도록 지속적으로 동작하도록 설계된다.

도 1

도 1은 무선 전력 전송 시스템에서의 배터리들의 충전 및 DC 회로에 전력을 공급하기 위한 안전 향상 자기 공진 유도 시스템의 하이 레벨 예시적인 회로 구현을 개략적으로 도시한다. 이 시스템의 하나의 구현은 전기 차량들의 무선 충전에 이용될 수 있다.

도 1에서, 접지측 전자기기(ground-side electronics)(101)는 로컬 전기 공급부(local electrical supply)에 대한 접속을 제공하고, 전압 레벨링(voltage leveling) 및 전기 신호 성형(electrical signal shaping)을 제공한다. 접지 어셈블리(ground assembly)(GA)(102)는 공진 자기 신호의 소스를 제공하기 위해 1차 코일(103) 및 밸런싱된 커패시턴스(104 및 105)로 구성된다. 차량 어셈블리(vehicle assembly)(VA)(106)는 공진 자기 신호를 위한 수신기를 제공하기 위해 밸런싱된 커패시터들(108 및 109)을 갖는 2차 코일(107)을 포함한다. 1차 코일(103) 및 2차 코일(107)은 코일-간 갭(inter-coil gap)(110)을 갖는 야외 변압기(open-air transformer)를 포함한다. 샘플 실시예들에서, 다수의 GA(102) 및 VA(106) 쌍들은 이용가능한 전체 전력 전송을 증가시키기 위해 병렬로 배치될 수 있다.

VA(106)에서 생성된 전류는 VA(106)로부터 저저항 전기 버스(115)를 통해 출력 네트워크(111)의 정류기(116)로 전달된다. 샘플 실시예에서, 능동 정류기(active rectifier)(116)는 쌍을 이루는 정상적으로 개방된(normally open)(NO) 스위치들(117 및 118) 및 쌍을 이루는 정상적으로 폐쇄된(normally closed)(NC) 스위치들(119 및 120)을 갖는 동기식 정류 회로를 포함한다. 정류된 신호는 저저항, 고용량 전력 버스(124)를 통해 신호 조절 회로(125)에 전달된다. 신호 조절 회로(125)의 출력은 배터리(126)를 충전하는데 이용되는 조절된 DC 신호이다.

정류기 제어기(113)는 정류기 스위치들(117, 118, 119 및 120)의 타이밍을 제어하기 위한 기준으로서 제1 전류 및 전압 센서(114)를 이용하여 공진 네트워크 전류에 위상 동기(phase locks)한다. 정류기 제어기(113)(명목상 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA) 또는 종래의 마이크로제어기)는, AC 파형이 충분한 진폭을 갖고 스위칭 주파수가 그의 획득 범위 내에 있을 때마다, 제1 전류 및 전압 센서(114)를 통해 고용량 AC 전력 버스(115)에 의해 운반되고 링크(112)를 통해 수신되는 2차 코일(107)로부터의 입력 AC 파형의 진폭, 주파수, 및 순시 위상(instantaneous phase)의 추정치들을 생성한다. 정류기 제어기(113)는 또한 제2 전류 및 전압 센서(127) 및 데이터링크(128)를 통해 배터리(126)에 인가되는 출력 DC 전류 파형의 진폭을 모니터링한다.

차량 충전 프로세서(129)(명목상 마이크로프로세서 상에서 실행되는 소프트웨어로서 구현됨)는 인터페이스들(예를 들어, 제어기 영역 네트워크(CAN) 버스)을 통해 (WPT 시스템에 대한) 내부 서브시스템들 및 외부 차량 시스템들과의 통신을 핸들링하고, 정류기 제어기(113)의 액션들을 명령할 수 있다. 예를 들어, 차량 충전 프로세서(129)에 의해 질의될 때, 정류기 제어기(113)는 입력 AC 신호 진폭, 입력 AC 신호 주파수, DC 출력 전압 및 전류 및 스위칭 디바이스들의 온도를 보고할 수 있다. 보고된 입력 스위칭 주파수가 허용된 폐쇄 범위(예를 들어, 79kHz 내지 90kHz) 내에 있고, AC RMS(root mean square)가 임계값(예를 들어, 5암페어) 위에 있고, 검출된 결함이 없다면, 차량 충전 프로세서(129)는 정류의 효율을 최대화하기 위해 입력 AC 파형의 적절한 제로-교차점들(zero-crossings)에서 제어 링크(121)를 통해 상위 스위치 쌍(117 및 118)과 하위 스위치 쌍(119 및 120)을 턴 온-및-오프할 것을 정류기 제어기(113)에 지시할 수 있다. 공칭 상태는 "시동(startup)" 또는 "안전(safe)"이고, 여기서 NO 스위치들(117 및 118)의 상위 쌍은 개방되고 NC 스위치들(119 및 120)의 하위 쌍은 폐쇄된다. 2차 코일(107)이 포지티브 신호를 생성하고 있을 때, 스위치들(117 및 119)의 제1 세트는 개방되고 스위치들(118 및 120)의 제2 세트는 폐쇄된다. 2차 코일(107)로부터의 신호가 반전될 때, 스위치들(117 및 119)의 제1 세트는 폐쇄되고 스위치들(118 및 120)의 제2 세트는 개방된다. 이 시퀀스가 반복되고, 그 결과 수학적으로 입력 AC 신호의 절대값인 출력 신호가 얻어진다.

차량 충전 프로세서(129)에 의해 디스에이블되면, 정류기 제어기(113)는 상위 NO 스위치 쌍(117 및 118)을 오프로 유지하고, 하위 NC 스위치 쌍(119 및 120)을 온으로 유지한다. 과전압, 과전류 결함 조건이 제2 전류 및 전압 센서(127)에서 검출되거나, 과온도 결함 조건이 온도 센서(123)에서 검출되어 링크(122)를 통해 정류기 제어기에 제공되는 경우, 정류기 제어기(113)는 상부 NO 스위치 쌍(107 및 108)을 오프로 유지하고, 하위 NC 스위치 쌍(109 및 110)을 온으로 유지한다.

정류기 제어기(113)는 센서(127)를 통해 정류 스테이지(116)로부터의 출력 DC 전압을 모니터링한다. 정류기 제어기(113)는 또한 전압 및 진폭 센서(127)를 통해 출력 DC 전류를 측정하고, 시스템이 배터리(126)에 전달되는 총 전력을 계산할 수 있도록 차량 충전 프로세서(129)에 출력 DC 전류를 보고한다. 또한, 정류기 제어기(113)는 정류기의 스위칭 디바이스들(117-120)의 마운팅 플레이트(mounting plate)의 온도를 측정하는 온도 센서 또는 센서들(예를 들어, 서미스터(thermistor) 또는 서미스터들의 네트워크)(123)을 모니터링할 수 있다. 이 마운팅 플레이트 온도는 스위치들(117-120)을 통한 전력 손실들과 관련되는, 스위칭 디바이스들(117-120)의 케이스 온도를 나타낸다.

직렬-직렬 공진 송신기(도시되지 않음)와 쌍으로 될 때, 공진 네트워크(101)는 AC 전류 소스이다. 공진 네트워크(101)를 개방 회로화하는 임의의 조건은 안전하지 않은 조건을 초래한다. 그러나, 동기 정류 스테이지(116)에 대한 NO 스위치들(117 및 118) 및 NC 스위치들(119 및 120)의 선택은 본질적으로 안전한 시스템을 야기한다. 부수적으로 또는 구체적으로 제어되는 정상 상태에서, NC 스위치들(119 및 120)은 공진 네트워크(116)의 AC 전류 소스를 션트하기 위한 수단을 구성한다. NO 스위치들(117 및 118)은 출력 네트워크(111), 특히, 배터리(126)의 단락을 방지한다.

결함의 경우에, 배터리(126)는 신호 조절 회로(125)로부터 접속해제되고, 신호 조절 회로(125)로부터의 전류 흐름은 제로로 감소되는 한편, 신호 조절 회로(125)로의 전류 흐름은 변경되지 않는다. 이것은 신호 조절 회로(125) 및 정류기 스테이지(116) 양단의 전압이 신호 조절 회로(125)의 정류된 전류 및 임피던스에 비례하는 레이트로 증가하게 할 것이다.

정류기 제어기(113)는 배터리(126)의 접속해제를 검출하기 위해 전압 및 진폭 센서(127)를 이용하여 전압 및/또는 전류를 모니터링한다. 결함의 경우에, 정류기 제어기(113)는 스위치들(117 및 118)을 개방하고, 스위치들(119 및 120)을 폐쇄함으로써 응답할 수 있다. 이것은 AC 전류 소스(101)를 신호 조절 회로(125) 및 배터리(126)로부터 접속해제시키도록 작용한다. 전력 전송은 정류기 스테이지(116)로부터 신호 조절 회로(125)로의 정류된 전류 흐름으로서 즉시 중지될 것이고, 배터리(126)는 스위치들(117 및 118)에 의해 차단될 것이며, AC 전류 소스(101)로부터의 전류 흐름은 스위치들(119 및 120)을 통해 션트될 것이다. 검출 션트 이벤트가 요구된다면, 정류기 제어기(113)는 정류기 스테이지(116)를 션트하도록 명령받을 수 있다.

하나의 그러한 검출 이벤트는 직렬 아크 검출이다. 능동 안전 정류기(116)는 수동 검출 기법들 및 차량 충전 프로세서(129)에 보고하는 회로를 이용하는 직렬 아크 검출 방식을 위한 능력을 제공하고, 차량 충전 프로세서(129)는 정류기 제어기(113)에게 2차 코일(107)로부터의 인입 전류를 션팅(shunting)함으로써 WPT 시스템에 대해 즉시 비통전(de-energize)하도록 명령한다.

안전 정류기(116)는 또한 제어기를 동작시키거나 동기적으로 정류할 제어 전력이 없는 디폴트 안전 상태를 제공한다. 디폴트 안전 상태에서, NO 스위치들(117 및 118)은 출력 네트워크(111)를 개방하는 반면, NC 스위치들(119 및 120)은 공진 네트워크(101)를 션트한다. 이것은 충전기, 부하 및 서비스 요원을 공진 네트워크(101)에 의해 픽업된 의사 에너지(spurious energy)로부터 보호한다.

스위치 기반 및 다이오드 기반 정류 둘 다를 위한 안전 정류기(116)의 아키텍처 및 회로의 다른 대안의 예들은, 2020년 11월 19일자로 출원된, 발명의 명칭이 SAFETY CIRCUITS FOR WIRELESS POWER TRANSFER인 미국 특허 출원 제16/952,933호에서 볼 수 있으며, 이것은 본 명세서에 참조로 포함된다.

도 2

도 2는 점화 순간의 직렬 아크 결함을 도시한다. 직렬 아크는 전기가 동일한 위상 내의 2개 이상의 포인트들 사이의 갭을 브리지할 때 발생한다. 직렬 아크가 동일한 위상 내에서 발생하기 때문에, 전류의 양은 부하 전류보다 높지 않다. 직류(DC)는 직렬 아크 검출을 어렵게 하고, 자기 공진 유도 코일의 전류 소스 속성은 직렬 아크 검출을 잠재적으로 위험하게 한다. 직렬 아크 결함은 부하 임피던스를 효과적으로 증가시킨다. 전압 소스에서, 이것은 소스의 전류 및 전력 출력을 감소시킨다. 체크되지 않은 아크는 먼저 전력이 증가할 것이지만, 그것의 임피던스가 증가함에 따라, 결국 자기 소광(self-extinction) 쪽으로 밀릴 것이다. 그러나, 전류 소스에서, 증가된 임피던스는 전류가 일정함에 따라 소스의 전압을 증가시킨다. 이것은 아크의 임피던스가 증가함에 따라 아크에서의 전력 소산이 단지 증가하게 할 것이다.

도 2에서, 도전체는, 예를 들어, 단절(break) 또는 느슨한(loose) 접속에 의해 제1(201) 및 제2(202) 세그먼트들로 분할된다. 단절 또는 느슨한 접속의 경우에, 갭 크기는 시간에 따라 변화할 것이고, 이것은 갭이 작을 때 아크가 타격(strike)하게 할 수 있고, 일단 아크가 점화되면 그것은 갭이 확장될 때에도 훨씬 더 작은 전압으로 유지될 수 있다. 단절 또는 느슨한 접속의 경우에, 갭 크기는 시간에 따라 변화할 것이고, 이것은 갭이 작을 때 아크가 타격하게 할 수 있고, 일단 점화되면 그것은 갭이 확장될 때에도 훨씬 더 작은 전압으로 유지될 수 있다. 전압이 갭의 유전체를 극복하기에 충분할 때, 전류(203)가 흐른다. 전류 흐름(203)은 이온화된 유전체 및 기화된 도전체로부터 형성된 플라즈마 클라우드(plasma cloud)(206) 및 용융된 도전체(204 및 205)의 웅덩이들(puddles)을 빠르게 형성함으로써 용이하게 된다. 아크 점화는 (때때로 "미세한 빛나는 구리 소구체(minute glowing globules of copper)의 폭발적인 배출(explosive expulsion)"로서 설명되는) 탄화된 절연 및 도전체 액적들(carbonized insulation and conductor droplets)로 구성된 잔해물(207)의 스프레이를 생성할 수 있다. 아크의 점화는 또한 기체 또는 액체 분위기에서 사운드의 버스트(208)를 동반할 수 있다.

도 3

WPT 수신기는 AC/DC 정류 스테이지를 이용하여 2차 코일에서 생성된 AC 신호를 DC 시스템들에 전력을 공급하거나 배터리를 충전하기 위한 DC 신호로 변환한다. 일부 시간에서, 직렬 아크 결함은 후 정류(post rectification) (DC) 회로에서의 일부 위치에서 개시될 수 있다. 이 아크는 정류 프로세스로부터 AC(리플(ripple)) 아티팩트를 이미 운반하는 DC 전류의 상부에 1/f("핑크") 잡음을 생성한다. 아크 결함과 검출기 회로 사이에서, 추가적인 잡음이 누화(crosstalk)를 통해 추가될 수 있고, 신호 주파수 및 위상이 시프트될 수 있고, 신호(및 잡음)가 감쇠된다. 자기 공진 WPT 시스템으로부터의 협대역 입력 AC로 인해, 후 정류, 후 평활화 리플이 동일한 중심 주파수를 유지하고 따라서 측정들에서 쉽게 회피되므로, 최고 전력 DC 잡음 소스는 스펙트럼에서 제한된다.

전기 아킹(electrical arcing)은 "핑크 잡음"을 생성하는 하나의 자연적 프로세스이다. 핑크 잡음에 대한 공식은 다음과 같이 기재될 수 있다:

P(f) = 1/f^α (1)

여기서, P는 스펙트럼 전력이고, α는 잡음의 "컬러"를 결정하는 지수이며, "백색 잡음"(백색 잡음은 주파수와 무관하게 정의됨)에 대해서는 α=0이고, 핑크 잡음에 대해서는 α=1이다. 핑크 잡음은 전력 스펙트럼이 주파수에 반비례하여(즉, 1/f 진폭) 변하는 광대역 신호로서 특성화된다. 이것은 아크의 점화가 더 낮은 주파수들에서 비례하여 큰 잡음 증가를 유발한다는 것을 의미한다.

도 3a는 로그-로그 주파수(kHz) 대 전력(dB) 그래프 상에서 최소로 검출가능한 직렬 아크 결함의 예시적인 경우를 도시한다. 핑크 잡음 시그니처(301)는 포지티브 검출을 위해 충분한 전력(~5 dB)을 갖는 저주파수(3kHz 미만)(303)에서 명백하다. 잡음 플로어(302)는 더 높은 주파수 스펙트럼(304)에 대한 핑크 잡음보다 우세하다.

도 3b는 로그-로그 주파수(kHz) 대 전력(dB) 그래프 상의 저전력 직렬 아크 결함의 예시적인 경우를 도시한다. 핑크 잡음 시그니처(305)는 포지티브 검출을 위해 충분한 전력(>10 dB)을 갖는 더 낮은 주파수들(11kHz 미만)(306)에서 명백하다. 잡음 플로어(302)는 더 높은 주파수 스펙트럼(307)에 대한 핑크 잡음보다 우세하다. 직렬 아크의 전력이 증가함에 따라, 더 높은 주파수들에서 생성된 핑크 잡음을 검출하는 능력은 거짓 양성(false positive)의 통계적 가능성이 감소함에 따라 증가한다는 것에 주목한다.

도 3c는 로그-로그 주파수(kHz) 대 전력(dB) 그래프 상의 고전력 직렬 아크 결함의 예시적인 경우를 도시한다. 핑크 잡음 시그니처(308)는 포지티브 검출을 위해 충분한 전력(>25 dB)을 갖는 더 낮은 주파수들(120 kHz 미만)(309)에서 명백하다. 잡음 플로어(302)는 더 높은 주파수 스펙트럼(310)에 대한 핑크 잡음(308)보다 우세하다.

도 3d는 로그-로그 주파수(kHz) 대 전력(dB) 그래프 상의 극히 높은 전력 직렬 아크 결함의 예시적인 경우를 도시한다. 핑크 잡음 시그니처(311)는 포지티브 검출을 위해 충분한 전력(>30 dB)을 갖는 모든 도시된 주파수들(1000 kHz 미만)(312)에서 명백하다.

도 4

도 4는 정류 후의 검출 주파수 선택들을 갖는 예시적인 직렬 아크 잡음 스펙트럼을 도시한다. 도 4는 핑크 잡음의 존재 및 따라서 직렬 아크 결함을 검출하기 위해 주파수들의 세트(406-410)의 연속 또는 주기적 수동 스캐닝이 수행되는 예시적인 경우를 도시한다. 로그-로그 주파수(kHz) 대 전력(dB) 그래프 상에 도시된 바와 같이, 검출기에서 수신된 신호(401)의 스펙트럼 특성들이 도시된다. 검출기 회로는 WPT 시스템의 DC 스테이지(후-정류기)에 통합된다. 검출기 회로는 DC 신호 성분을 제거하도록 설계되어, 검출 신호(401)를 초래한다. 검출 신호(401)의 이러한 예에서, 핑크 잡음은 더 낮은 주파수 스펙트럼(404) 상에서는 보여질 수 있지만, 더 높은 주파수 스펙트럼(405) 상에서는 보여질 수 없다. 후 정류에서, 협대역 85kHz AC 충전 신호(402)는 완전히 제거되었다. (WPT 어셈블리 및 애플리케이션(예를 들어, 전기 차량(EV) 충전) 특유의 외부에 있는) 추가적인 가산성 잡음 소스의 예들이 6-8 kHz 범위(403)에 도시되어 있다.

주파수 윈도우들(406, 407, 408, 409 및 410)은 알려진 잡음성 주파수 범위들(즉, 정상 백색 잡음에 추가되는 잡음)을 회피하도록 선택된다. 이 예에 도시된 바와 같이, 윈도우 주파수들은 작은 아크들에 의해 생성된 핑크 잡음을 더 잘 식별하기 위해서 뿐만 아니라, 충전 신호로부터 고조파들(411)을 회피하기 위해서도 저주파수 범위들에 크게 분포된다.

도 5

도 5는 샘플 실시예들에서 직렬 아크 검출을 위한 예시적인 회로를 개략적으로 도시한다. 도 5는 전자기기의 전력 공급 및 에너지 저장 시스템(예를 들어, 화학적 또는 고체-상태 배터리들, 가역 연료 전지, 울트라-커패시터 등)의 충전을 위한 무선 전력 전송(WPT) 시스템의 수신기 서브시스템(2차(secondary)라고도 알려짐)을 도시한다. 그러한 시스템에 대한 하나의 응용은 전기 차량의 충전이다. 도 5의 실시예는 핑크 잡음의 추가를 검출하는 것에 의한 직렬 아크의 수동 검출에 필요한 회로를 포함하는 하이 레벨 도면이다.

자기 공진 유도성 회로를 이용하는 WPT 시스템에서, 공진 네트워크(501)는 85,000 헤르츠(명목상 79-90kHz 사이의 범위로 허용됨)의 중심 주파수를 갖는 고품질 전류 소스이다. 공진 네트워크의 임피던스는 그것이 공진 주파수 및 고조파들의 좁은 대역 내에서 전류를 소싱하게 한다. 정류기(503)는 AC 전기 버스(502)를 통해 수신된 협대역 AC 전류를 기본 주파수의 짝수 배에서 고조파들을 갖는 DC 전류로 전환시킨다. 도 5의 정류기 스테이지(503)는 "SAFETY CIRCUITS FOR WIRELESS POWER TRANSFER"라는 명칭으로 2020년 11월 19일에 출원된 미국 특허 출원 제16/952,933호에 교시된 타입의 안전 정류기일 수 있다. 정류기(503)로부터의 고조파 전류들은 아크 검출 회로(506)에 의해 션트되고, DC 전류들은 출력 전류 센서(512)를 통해 차량 충전 제어기(515)로 전달된다. 직렬 아크가 부하(505)에서 발생할 때, 그것은 핑크 스펙트럼 시그니처를 갖는 넓은 대역폭 전류를 끌어낸다. "CURRENT SENSING IN A WIRELESS POWER TRANSFER SYSTEM"이라는 명칭으로 2020년 3월 20에 출원된 미국 특허 출원 제16/825,624호에 기술된 타입의 '프랙셔널 전류 센서(fractional current sensor)'는 샘플 실시예들에서 AC 전기 버스(502) 및 DC 전기 버스(504)에서 전류 감지를 제공하는 데 이용될 수 있다.

도 5의 실시예에서, 충전 신호는 전류로의 변환을 위해 자속을 통해 공진 네트워크(501)의 2차 코일 어셈블리에 전달된다. 수신된 AC 전기 신호는 고전력 유선 AC 버스(502)에 의해 정류 서브시스템(503)에 전달된다. AC 신호는 고전력 DC 버스(504)를 통해 전력 저장 서브시스템(505)에 전달되기 전에 배터리 충전에 적합한 DC 신호로 정류된다.

수동 아크 검출을 허용하기 위해, 아크 검출 회로(506)는 정류 서브시스템(503)과 전력 저장 서브시스템(505) 사이에 삽입된다. 2개의 새로운 병렬 경로가 생성된다. 제1 경로는 필터 커패시터(507) 및 감지 저항기(508)를 포함한다. 제2 경로는 평활 커패시터(509)를 포함한다. 제1 및 제2 경로들 모두는 서로 그리고 전력 부하/저장 서브시스템(505)과 병렬이다. 임의의 기존의 평활 커패시터 또는 커패시터 뱅크가 평활 커패시터(509)에 포함된다.

전류 감지 저항기(508)는 리플 전류(정류된 DC 베이스 상의 AC 전류 잡음)에만 노출될 것이다. 전류 감지 저항기(508)를 필터 커패시터(507)와 일렬로 배치함으로써, 아크 검출 회로(506)는 정류 서브시스템(503)으로부터 DC 부하 전류를 제거하고, DC 부하 전류에 부가되는 잡음의 전압 측정을 허용한다.

감지 저항기(508)를 통해 생성되는 전압은 저잡음 증폭기(LNA)(510)에 의해 대역 통과 필터링되고 증폭된다. 특성(1/주파수) 핑크 잡음 신호 진폭은 아크 결함의 크기 및 심각도에 직접 관련되므로, 그러한 증폭은 더 낮은 검출 범위를 제한하는 양자화 잡음뿐만 아니라 디지타이저(digitizer)(512) 자신의 자기 유도 잡음 소스들(예를 들어, 코드 전이 잡음, 차동 비선형성, 입력 참조 잡음)에 의해 허용되는 것보다 더 작은 아크 결함들을 검출하는 데 이용될 수 있다. 필터링되고 증폭된 전압은 버스(511)를 통해 디지타이저(512)(명목상 높은 동적 범위를 갖는 아날로그-디지털 변환기)로 전달된다. 디지타이저(512)는 사전-필터링 및 증폭된 전압을 예상 나이키스트 레이트(Nyquist rate)에 걸친 주파수에서 샘플링한다. 이 디지털 정보는 디지털 데이터링크(514)를 통한 분석을 위해 차량 충전 제어기(515)에 전송된다. 직렬 아크가 차량 충전 제어기(515)의 프로세서에 의한 디지털 정보의 분석 동안 검출되면, 차량 충전 제어기(515)는 전체 시스템 셧다운이 실행될 수 있고 자속 충전 신호가 종료될 때까지 정류기(503)의 DC 출력을 제로를 향해 감소시키기 위해 전류를 션트하도록 제어 데이터링크(516)를 통해 안전 정류기(503)에 명령할 수 있다. 차량 충전 제어기(515)는 전류 및 전압 센서(517) 및 데이터링크(513)를 통해 전력 부하/저장 서브시스템(505)에 인가되는 DC 전류 파형의 진폭을 추가로 모니터링할 수 있다.

도 6

도 6은 샘플 실시예에서의 수동 아크 검출 및 완화를 위한 프로세스를 그래픽으로 도시한다.

도 6에 도시된 바와 같이, 수동 아크 검출 프로세스의 개시(601)는 수신기 어셈블리, 충전 스테이션(존재하는 경우), 과거 충전 이력, 또는 다른 정보의 특성들이 획득될 수 있는 데이터베이스(602)(전기 차량에 원격으로, 국부적으로, 또는 온-보드로 위치됨)와의 통신을 수반할 수 있다. 이 정보는 스캐닝 사이클 주기성을 알리고, 즉시 충전 세션을 중단하고, 스캐닝할 주파수들의 수를 설정하고, 그리고/또는 알려진 로컬 잡음, 주변 잡음, 또는 간섭자들을 회피하기 위해 주파수 윈도우(들)를 조정하기 위해 이용될 수 있다.

수동 스캐닝(603)은 아크 검출 회로(506)로부터 수신된 정류된 DC 신호 특성들에 대한 가산성 잡음에 대한 정보가 수집되는 반복된 스테이지이다. 일례에서, 둘 이상의 주파수들 사이의 진폭 차이들을 이용하여, 전력 스펙트럼 밀도(주파수 간격당 전력)가 신호의 주파수에 반비례하는지를 결정할 수 있다. 주파수 범위에서의 그리고 주파수들에서의 다수의 범위들에 걸친 핑크 잡음의 반복된 표시들 모두가 검출 이벤트의 결정에 이용될 수 있다. 검출 이벤트는 거짓 양성 검출의 가능성을 통계적으로 판단하기 위해 추가적인 신호 및 이력 분석을 받을 수 있다.

차량 충전 제어기(515)의 프로세서의 스캐닝 수단(예를 들어, 도 7의 흐름도를 구현하는 소프트웨어)에 의한 수동 스캐닝(603) 동안의 높은 확률 수동 검출은, 예를 들어, 품질 임계값을 초과하는 것은 충전 세션의 중단(604)을 트리거할 수 있다. 충전 세션이 중단되면(604), 차량 충전 제어기(515)는 지상 스테이션 충전 코일(ground station charging coil)이 비통전될 때까지 전류를 션트하기 위해 안전 정류기 회로(503) 내의 션트 회로에 관여한다. 중단(604) 동안, 로컬 알람들, 통지들, 및 표시자들이 발행되고, 접지 어셈블리에 대한 통신이 제공되어 충전 세션을 종료한다. 보조 시스템들(예를 들어, 환기, 화재 검출, 화재 억제)은 필요에 따라 관여되거나 이용가능하게 된다.

지상 스테이션 충전 코일이 비통전되면, 종료 스테이지(605)에 도달하고 데이터베이스(602)는 검출 이벤트 및 차량 특성(예를 들어, EV 제조사, EV 모델, 설치된 소프트웨어 패키지들 및 수정들, 배터리 제조사, 모델, 전압, 용량 등)에 관한 수집된 데이터로 업데이트된다.

도 7

도 7은 샘플 실시예에서의 수동 스캐닝을 위한 신호 분석의 흐름도를 도시한다.

도 7에 도시된 바와 같이, 신호 데이터가 수집되면, 시간 도메인 대 주파수 도메인 변환(예를 들어, 고속 푸리에 변환(FFT)) 계산(701)이 수행된다. FFT 결과들은 알려진 외부 간섭 및 잡음 소스들(예를 들어, 인버터 스위칭, 신호 고조파들)을 제거하기 위해 마스킹된다(702). 핑크 잡음의 1/f 진폭 특성에 대한 마스킹된 결과의 맞춤에 기초하여 스코어(703)가 전개된다. n-샘플 통합(704)은 시간 지속기간에 걸쳐 스코어를 평균하도록 수행된다. 각각의 n-샘플 지속기간에 대해, 통합된 스코어가 임계값과 비교된다(705). 임계값이 초과되면, 검출(706)은 수동 직렬 아크 검출 시스템에 의해 트리거된다. 샘플 실시예들에서, 신호 분석은 차량 충전 제어기(515)의 프로세서 상에서 실행되는 소프트웨어에 의해 수행될 수 있다. 도 5와 관련하여 전술한 바와 같이, 직렬 아크가 검출되면, 차량 충전 제어기(515)는 전체 시스템 셧다운이 실행될 수 있고 자속 충전 신호가 종료될 때까지 정류기(503)의 DC 출력을 제로를 향해 감소시키기 위해 전류를 션트하도록 제어 데이터링크(516)를 통해 안전 정류기(503)에 명령할 수 있다.

결론

다양한 구현들이 위에서 설명되었지만, 이들은 제한이 아니라 단지 예로서 제시되었다는 것을 이해해야 한다. 예를 들어, 위에 설명된 시스템들 및 방법들과 연관된 요소들 중 어느 것은 위에 개시된 원하는 기능 중 어느 것을 이용할 수 있다. 따라서, 바람직한 구현의 폭 및 범위는 전술한 샘플 구현들 중 임의의 것에 의해 제한되지 않아야 한다.

본 명세서에 논의된 바와 같이, 본 명세서에 설명된 방법들의 양태들을 구현하는 로직, 명령들, 또는 명령어들은 데스크톱 또는 노트북 개인용 컴퓨터들과 같은 컴퓨팅 시스템, 태블릿들, 넷북들, 및 스마트폰들과 같은 모바일 디바이스들, 클라이언트 단말기들 및 서버-호스팅된 머신 인스턴스들 등에 대한 임의의 수의 폼 팩터들을 포함하는 컴퓨팅 시스템에서 제공될 수 있다. 본 명세서에서 논의된 다른 실시예는, 다른 형태의 프로그램된 로직, 하드웨어 구성들, 또는 그러한 기술의 기능들을 수행하는 각각의 수단을 갖는 장치를 포함한 전문화된 컴포넌트들 또는 모듈들을 포함한, 다른 형태로의 본 명세서에서 논의된 기술들의 통합을 포함한다. 이러한 기술들의 기능들을 구현하는 데 이용되는 각자의 알고리즘들은 본 명세서에 설명된 전자적 동작들의 일부 또는 전부, 또는 첨부 도면들 및 이하의 상세한 설명에 도시된 다른 양태들의 시퀀스를 포함할 수 있다. 본 명세서에 설명된 방법들을 구현하기 위한 명령어들을 포함하는 그러한 시스템들 및 컴퓨터 판독가능 매체들은 또한 샘플 실시예들을 구성한다.

본 명세서에 설명된 정류기 제어기(113), 차량 충전 프로세서(129), 및/또는 차량 충전 제어기(515)의 모니터링 및 제어 기능들은 일 실시예에서 소프트웨어로 구현될 수 있다. 소프트웨어는 로컬 또는 네트워킹된, 하나 이상의 비일시적 메모리 또는 다른 타입의 하드웨어 기반 저장 디바이스와 같은 컴퓨터 판독가능 매체들 또는 컴퓨터 판독가능 저장 디바이스 상에 저장된 컴퓨터 실행가능 명령어들로 이루어질 수 있다. 또한, 그러한 기능들은 소프트웨어, 하드웨어, 펌웨어, 또는 이들의 임의의 조합일 수 있는 모듈들에 대응한다. 다수의 기능들은 원하는 대로 하나 이상의 모듈에서 수행될 수 있고, 설명된 실시예들은 단지 예들이다. 소프트웨어는 디지털 신호 프로세서, ASIC(Application Specific Integrated Circuit), 마이크로프로세서, 또는 그러한 컴퓨터 시스템을 특별히 프로그램된 머신으로 전환하는 개인용 컴퓨터, 서버, 또는 다른 컴퓨터 시스템과 같은 컴퓨터 시스템 상에서 동작하는 다른 타입의 프로세서 상에서 실행될 수 있다.

예들은, 본 명세서에서 설명된 바와 같이, 프로세서들, 로직, 또는 다수의 컴포넌트들, 모듈들, 또는 메커니즘들(본 명세서에서 "모듈들")을 포함할 수 있거나, 또는 이들 상에서 동작할 수 있다. 모듈들은 특정된 동작들을 수행할 수 있는 유형의 엔티티들(예를 들어, 하드웨어)이고, 특정 방식으로 구성되거나 배열될 수 있다. 예에서, 회로들은 모듈로서 특정된 방식으로 (예를 들어, 내부적으로 또는 다른 회로들과 같은 외부 엔티티들에 대하여) 배열될 수 있다. 예에서, 하나 이상의 컴퓨터 시스템(예를 들어, 독립형, 클라이언트 또는 서버 컴퓨터 시스템) 또는 하나 이상의 하드웨어 프로세서의 전부 또는 일부는 특정된 동작들을 수행하도록 동작하는 모듈로서 펌웨어 또는 소프트웨어(예를 들어, 명령어들, 애플리케이션 부분, 또는 애플리케이션)에 의해 구성될 수 있다. 예에서, 소프트웨어는 머신 판독가능 매체 상에 상주할 수 있다. 소프트웨어는, 모듈의 기본 하드웨어에 의해 실행될 때, 하드웨어로 하여금 특정된 동작들을 수행하게 한다.

따라서, "모듈"이라는 용어는 유형의 하드웨어 및/또는 소프트웨어 엔티티를 포괄하는 것으로 이해되며, 특정 방식으로 동작하거나 본 명세서에 설명된 임의의 동작의 일부 또는 전부를 수행하도록 물리적으로 구성되거나, 구체적으로 구성되거나(예를 들어, 하드와이어드), 또는 일시적으로(예를 들어, 순간적으로) 구성되는(예를 들어, 프로그래밍되는) 엔티티이다. 모듈들이 일시적으로 구성되는 예들을 고려하면, 모듈들 각각은 임의의 한 순간에 인스턴스화될 필요는 없다. 예를 들어, 모듈들이 소프트웨어를 이용하여 구성된 범용 하드웨어 프로세서를 포함하는 경우, 범용 하드웨어 프로세서는 상이한 시간들에서 각각의 상이한 모듈들로서 구성될 수 있다. 소프트웨어는 그에 따라, 예를 들어, 하나의 시간 인스턴스에서는 특정의 모듈을 구성하고 상이한 시간 인스턴스에서는 상이한 모듈을 구성하도록 하드웨어 프로세서를 구성할 수 있다.

본 기술분야의 통상의 기술자들은 본 명세서에서 설명되는 토폴로지 및 회로 구현 방법이 단일 주문형 집적 회로로서 효과적인 실현을 가능하게 한다는 것을 알 것이다. 또한, 본 명세서에 포함된 개시내용은 차량들에의 전력의 제공에 관한 것이지만, 이것은 많은 가능한 응용들 중 하나일 뿐이고, 비-차량 응용들을 포함하는 다른 실시예들이 가능하다는 것을 이해해야 한다. 예를 들어, 본 기술분야의 통상의 기술자는, 칫솔들, 셀룰러 전화기들, 및 다른 디바이스들을 충전하기 위해 이용되는 것들(예를 들어, PowerMat^TM)과 같은, 휴대용 소비자 전자 디바이스 충전기들과 같은 비-차량 유도 충전 응용들에서 전류 소스 안전 회로를 제공하는 다수의 응용들이 있다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 이들 및 다른 그러한 응용들은 아래의 청구항들의 범위 내에 포함된다.

Claims

배터리를 충전하는 방법으로서,
정류기를 이용하여, 교류(AC) 전원으로부터 수신된 전력을 충전을 위해 상기 배터리에 인가하기 위한 직류(DC) 신호로 정류하는 단계;
아크 검출 회로를 이용하여, 상기 DC 신호에 추가된 잡음을 측정하고 측정된 잡음 신호를 생성하는 단계;
직렬 아크를 검출하기 위해 상기 측정된 잡음 신호를 분석하는 단계; 및
직렬 아크가 검출될 때, 일정 시간 기간(a period of time) 동안 상기 정류기의 AC 전류의 션트가 상기 정류기의 DC 출력을 제로를 향해 감소시키게 하는 단계
를 포함하는, 방법.
제1항에 있어서,
상기 DC 신호에 추가된 잡음을 측정하는 단계는,
상기 정류기와 상기 배터리 사이에 수동 아크 검출 회로를 삽입하는 단계 - 상기 수동 아크 검출 회로는 필터 커패시터 및 감지 저항기를 포함하는 제1 경로, 및 상기 제1 경로 및 상기 배터리와 병렬인 제2 경로를 포함하고, 상기 제2 경로는 평활 커패시터를 포함함 -;
상기 감지 저항기 양단의 전압을 디지털화하는 단계; 및
상기 디지털화된 전압을 상기 측정된 잡음 신호로서 출력하는 단계
를 포함하는, 방법.
제2항에 있어서,
상기 감지 저항기 양단의 전압을 증폭하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제1항에 있어서,
상기 측정된 잡음 신호를 생성하는 단계는, 상기 수동 아크 검출 회로가 상기 정류기의 가산성 잡음으로 DC 출력의 DC 주파수 스펙트럼을 스캐닝하여 주파수 윈도우에서 상기 측정된 잡음 신호를 획득하고, 상기 측정된 잡음 신호를 상기 주파수 윈도우에 대한 검출 임계값과 비교하는 단계를 포함하는, 방법.
제4항에 있어서,
데이터베이스로부터, 상기 정류기를 포함하는 수신기 어셈블리에 관한 정보를 수신하는 단계 - 상기 정보는 스캐닝 사이클 주기성을 알리기 위해, 즉시 충전 세션을 중단하기 위해, 스캐닝할 주파수들의 수를 설정하기 위해, 또는 로컬 잡음, 주변 잡음, 또는 간섭을 회피하기 위해 적어도 하나의 주파수 윈도우를 조정하기 위해 이용되는 데이터 중 적어도 하나를 포함함 -; 및
상기 주파수 윈도우에서 상기 측정된 잡음 신호를 획득하기 위해 상기 정류기의 DC 출력의 DC 주파수 스펙트럼을 스캐닝한 후에, 상기 주파수 윈도우에 대한 검출 임계값이 초과될 때 직렬 아크를 검출하는 단계
를 더 포함하는, 방법.
제5항에 있어서,
상기 직렬 아크의 검출을 나타내는 직렬 아크 검출 이벤트를 시그널링하고 이력 분석하여 거짓 양성 검출의 확률을 결정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제1항에 있어서,
직렬 아크를 검출하기 위해 상기 측정된 잡음 신호를 분석하는 단계는,
상기 측정된 잡음 신호에 대해 푸리에 변환(FT) 계산을 수행하여 FT 결과들을 생성하는 단계;
상기 FT 결과들을 마스킹하여 상기 정류기의 DC 전류 출력의 미리 선택된 주파수 윈도우들에 대한 결과들을 도출하는 단계;
각각의 미리 선택된 주파수 윈도우에 대해, 주파수 진폭에 기초하여 스코어를 전개하는(developing) 단계;
n-샘플 통합을 수행하여 n-샘플 시간 지속기간에 걸쳐 상기 스코어를 평균하여 통합된 스코어를 생성하는 단계 - n은 샘플들의 수임 -;
각각의 n-샘플 시간 지속기간에 대해, 상기 통합된 스코어를 임계값과 비교하는 단계; 및
상기 임계값이 상기 통합된 스코어에 의해 초과될 때, 직렬 아크 검출 이벤트를 트리거하는 단계
를 포함하는, 방법.
배터리를 충전하기 위한 충전 시스템으로서,
교류(AC) 전원으로부터 수신된 전력을 충전을 위해 배터리에 인가하기 위한 직류(DC) 신호로 정류하는 정류기;
상기 DC 신호에 추가된 잡음을 측정하고 측정된 잡음 신호를 생성하는 아크 검출 회로; 및
직렬 아크를 검출하기 위해 상기 측정된 잡음 신호를 분석하고, 직렬 아크가 검출될 때, 일정 시간 기간 동안 상기 정류기의 AC 전류의 션트가 상기 정류기의 DC 출력을 제로를 향해 감소시키게 하는 프로세서
를 포함하는, 충전 시스템.
제8항에 있어서,
상기 아크 검출 회로는 상기 정류기와 상기 배터리 사이에 배치된 수동 아크 검출 회로를 포함하고, 상기 수동 아크 검출 회로는,
필터 커패시터 및 감지 저항기를 포함하는 제1 경로;
상기 제1 경로 및 상기 배터리와 병렬인 제2 경로 - 상기 제2 경로는 평활 커패시터를 포함함 -; 및
상기 감지 저항기 양단의 전압을 디지털화하고, 상기 디지털화된 전압을 상기 측정된 잡음 신호로서 출력하는 아날로그-디지털 변환기
를 포함하는, 충전 시스템.
제9항에 있어서,
상기 감지 저항기 양단의 전압을 증폭하는 증폭기를 더 포함하는, 충전 시스템.
제8항에 있어서,
상기 프로세서는 상기 정류기의 가산성 잡음으로 DC 출력의 DC 주파수 스펙트럼을 스캐닝하여 주파수 윈도우에서 상기 측정된 잡음 신호를 획득하고, 상기 측정된 잡음 신호를 상기 주파수 윈도우에 대한 검출 임계값과 비교하도록 적응되는, 충전 시스템.
제11항에 있어서,
상기 정류기를 포함하는 수신기 어셈블리에 관한 정보를 상기 프로세서에 제공하는 데이터베이스를 더 포함하고, 상기 정보는 스캐닝 사이클 주기성을 알리기 위해, 즉시 충전 세션을 중단하기 위해, 스캐닝할 주파수들의 수를 설정하기 위해, 또는 로컬 잡음, 주변 잡음, 또는 간섭을 회피하기 위해 적어도 하나의 주파수 윈도우를 조정하기 위해 이용되는 데이터 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 주파수 윈도우에서 상기 측정된 잡음 신호를 획득하기 위해 상기 정류기의 DC 출력의 DC 주파수 스펙트럼을 스캐닝한 후에, 상기 프로세서는 상기 주파수 윈도우에 대한 검출 임계값이 초과될 때 직렬 아크를 검출하는, 충전 시스템.
제12항에 있어서,
상기 프로세서는 추가로, 상기 직렬 아크의 검출을 나타내는 직렬 아크 검출 이벤트를 시그널링하고 이력 분석하여 거짓 양성 검출의 확률을 결정하는, 충전 시스템.
제8항에 있어서,
상기 프로세서는,
상기 측정된 잡음 신호에 대해 푸리에 변환(FT) 계산을 수행하여 FT 결과들을 생성하는 동작;
상기 FT 결과들을 마스킹하여 상기 정류기의 DC 전류 출력의 미리 선택된 주파수 윈도우들에 대한 결과들을 도출하는 동작;
각각의 미리 선택된 주파수 윈도우에 대해, 주파수 진폭에 기초하여 스코어를 전개하는 동작;
n-샘플 통합을 수행하여 n-샘플 시간 지속기간에 걸쳐 상기 스코어를 평균하여 통합된 스코어를 생성하는 동작 - n은 샘플들의 수임 -;
각각의 n-샘플 시간 지속기간에 대해, 상기 통합된 스코어를 임계값과 비교하는 동작; 및
상기 임계값이 상기 통합된 스코어에 의해 초과될 때, 직렬 아크 검출 이벤트를 트리거하는 동작
을 포함하는 동작들을 수행함으로써, 직렬 아크를 검출하기 위해 상기 측정된 잡음 신호를 분석하기 위한 명령어들을 실행하는, 충전 시스템.