KR20240023460A

KR20240023460A - 전기차 무선충전 시스템의 충전코일 위치 측정 장치

Info

Publication number: KR20240023460A
Application number: KR1020220101291A
Authority: KR
Inventors: 이중규
Original assignee: 피에이치에이 주식회사
Priority date: 2022-08-12
Filing date: 2022-08-12
Publication date: 2024-02-22

Abstract

본 발명의 전기차 무선충전 시스템의 충전코일 위치 측정 장치는 전력전송부에서 발생된 자력선의 세기에 따라 충전코일의 위치에 대응되는 전기적인 신호를 출력하는 충전코일 감지부; 충전코일 감지부로부터 출력된 전압값의 세기에 따라 충전코일의 위치를 측정하는 프로세서; 및 전력전송부에서 발생된 자력선이 외부로 누출되는 것을 방지하는 자력선 누출 방지부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

전기차 무선충전 시스템의 충전코일 위치 측정 장치{APPARATUS FOR DETECTING COLLECTION COIL OF ELECTRIC VEHICLE WIRELESS CHARGING SYSTEM}

본 발명은 전기차 무선충전 시스템의 충전코일 위치 측정 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 집전코일에 설치된 차동코일을 통해 충전코일의 위치를 측정하고, 측정된 충전코일의 위치를 토대로 충전코일과 집전코일의 정렬을 유도하는 전기차 무선충전 시스템의 충전코일 위치 측정 장치에 관한 것이다.

차량무선충전 시스템(EV wireless charging system)에서는 차량 밖에 있는 충전장치(GA)와 차량하부에 설치되는 집전장치(VA)의 정렬이 중요하다.

전력을 직접 전달하는 충전코일(GA coil)과 집전코일(VA coil)의 중심점을 일치시키기 위해, 차량이 충전장치에 접근하여 충전코일의 위치를 식별하는 것이 필요하다. 이를 위해, 차량 네트워크를 이용하여 차량의 속도, 충전코일의 위치와 형상, 집전코일과의 거리와 방향, 및 충전기 상면이나 주변의 생명체 진입 여부를 알아야 필요가 있다.

이들의 정보를 이용하여, 충전코일과 집전코일이 정렬되면, 85KHz로 상호 공진하는 코일을 통해 11KW, 50KW, 또는 100KW의 강한 전력선이 무선으로 상호 연결되어 충전이 시작되는데, 이때 안전확보와 충전 효율 확보를 위해 양측 코일의 커플링의 최대치의 확보가 중요하다.

종래에는 충전기가 자신의 코일 센터를 알리기 위해 단상 충전기에 전력 코일을 설치하여 약한 전력으로 구동하였다. 그러나, 이러한 방식은 구동기의 전력 구동기의 시스템 구성을 재조정하여야 하고 전력 소모가 많다. 게다가, 전력 코일에 과도한 완전류가 유도되어 안전성과 충전효율을 저하시키는 문제점이 있었다.

본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허공보 10-2018-0047681호(2018.05.10)의 '계자 권선을 이용하는 무선 전력 전송 방법과 이를 이용하는 차량 어셈블리 및 전기차'에 개시되어 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 개선하기 위해 창안된 것으로서, 본 발명의 일 측면에 따른 목적은 집전코일에 설치된 차동코일을 통해 충전코일의 위치를 측정하고, 측정된 충전코일의 위치를 토대로 충전코일과 집전코일의 정렬을 유도하는 전기차 무선충전 시스템의 충전코일 위치 측정 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따른 전기차 무선충전 시스템의 충전코일 위치 측정 장치는 전력전송부에서 발생된 자력선의 세기에 따라 충전코일의 위치에 대응되는 전기적인 신호를 출력하는 충전코일 감지부; 상기 충전코일 감지부로부터 출력된 전압값의 세기에 따라 상기 충전코일의 위치를 측정하는 프로세서; 및 상기 전력전송부에서 발생된 자력선이 외부로 누출되는 것을 방지하는 자력선 누출 방지부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 충전코일 감지부는 상기 전력전송부에 의해 생성된 회전자계에 따라 전력을 발생시키는 전력수신부를 포함하고, 상기 전력수신부는 정상 전압 또는 역상 전압을 출력하는 제3 차동코일, 및 정상 전압 또는 역상 전압을 출력하는 제4 차동코일을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 제3 차동코일과 제4 차동코일은 직교방향으로 동일 평면상에 배치되거나, 또는 직교방향으로 배치되어 수직방향으로 오버랩되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 제3 차동코일과 상기 제4 차동코일은 정상 전압을 출력하는 포지티브 로프부와 역상 전압을 출력하는 네가티브 루프부가 원형, 반원형, 부채꼴, 사각형 중 적어도 하나의 형태로 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 프로세서는 상기 충전코일 감지부로부터 출력된 전압값의 세기가 기 설정된 설정범위 이내이면 상기 충전코일과 집전코일이 정렬된 것으로 판단하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 상기 프로세서의 제어명령에 따라 전기차를 정렬 위치에 배치시키고 상기 충전코일과 집전코일의 위치를 표시하는 차량 제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 회전 자계를 발생시켜 상기 충전코일 감지부에 전력을 전달하는 전력전송부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 측면에 따른 전기차 무선충전 시스템의 충전코일 위치 측정 장치는 직류전압을 교류전압으로 변환하는 전력변환부; 상기 전력변환부로부터 공급된 전력을 이용하여 전력 전달을 위한 회전자계를 발생시키는 전력전달부; 상기 전력변환부를 통해 상기 전력전달부에 교류전압을 인가하여 상기 전력전달부를 통해 회전자계를 발생시키는 전력전달제어기; 및 상기 전력전달부에서 발생된 자력선이 외부로 누출되는 것을 방지하는 자력선 누출 방지부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 전력전달부는 상기 전력변환부로부터 입력된 전력에 따라 정상 또는 역상의 자계를 형성하는 제1 차동코일; 및 상기 전력변환부로부터 입력된 전력에 따라 정상 또는 역상의 자계를 형성하는 제2 차동코일을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 제1 차동코일과 상기 제2 차동코일은 직교방향으로 동일 평면상에 배치되거나, 또는 직교방향으로 배치되어 수직방향으로 오버랩되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 전력전달제어기는 상기 제1 차동코일과 상기 제2 차동코일에 직교신호를 인가하여 상기 제1 차동코일과 상기 제2 차동코일을 통해 회전자계를 생성하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 제1 차동코일과 상기 제2 차동코일은 정상 전압을 출력하는 포지티브 로프부와 역상 전압을 출력하는 네가티브 루프부가 원형, 반원형, 부채꼴, 사각형 중 적어도 하나의 형태로 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 측면에 따른 전기차 무선충전 시스템의 충전코일 위치 측정 장치는 충전코일 주변에 직교 방향으로 차동코일을 설치하여 전기차의 위치측정코일 간의 상호 공진을 통해 충전코일의 위치를 측정한다.

본 발명의 다른 측면에 따른 전기차 무선충전 시스템의 충전코일 위치 측정 장치는 회전자계를 생성하기 위해 커패시터를 차동코일과 직렬로 연결하여 양질의 회전자계를 얻을 수 있고 전자력선의 양을 감소시킬 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따른 전기차 무선충전 시스템의 충전코일 위치 측정 장치는 직교 게이트 드라이버의 듀티를 조절하여 자력선의 양을 조절할 수 있고, half-bridge 또는 H-bridge에 사용되는 크기가 작고 저전력의 트랜지스터를 사용할 수 있도록 한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전기차 무선충전 시스템의 충전코일 위치 측정 장치의 블럭 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전기차 무선충전 시스템의 충전코일 위치 측정 장치의 회도로이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 H-브릿지의 인버터로 직류를 교류로 변환하는 예를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 구동부의 파형도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 하이 사이드 드라이버의 예를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 H-브릿지의 또 다른 예를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 제1 차동코일과 제2 차동코일이 동일 평면상에 직교 배치된 일 예를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 회전 자계를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따른 차동코일과 마그네틱 회로의 배치 및 자계를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 제1 실시예에 따른 집전코일에 차동코일이 설치된 예가 도시된 도면이다.
도 11은 본 발명의 제1 실시예에 따른 제1 차동코일과 제2 차동코일의 배치 및 구동을 개념적으로 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 제1 실시예에 따른 제3 차동코일과 제4 차동코일의 배치 및 구동을 개념적으로 나타낸 도면이다.
도 13 내지 도 17은 본 발명의 제1 실시예에 따른 제1 차동코일과 제2 차동코일의 구조 및 배치 예를 도시한 도면이다.
도 18은 본 발명의 제1 실시예에 따른 자력선 누출 방지부의 구성도이다.
도 19는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전기차 무선충전 시스템의 충전코일 위치 측정 장치의 회로도이다.
도 20은 본 발명의 제3 실시예에 따른 전기차 무선충전 시스템의 충전코일 위치 측정 장치의 회로도이다.

이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기차 무선충전 시스템의 충전코일 위치 측정 장치를 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이러한 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 이용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전기차 무선충전 시스템의 충전코일 위치 측정 장치의 블럭 구성도이고, 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전기차 무선충전 시스템의 충전코일 위치 측정 장치의 회도로이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기차 무선충전 시스템의 충전코일 위치 측정 장치는 전력전송부(100), 충전코일 감지부(200), 프로세서(400), 차량 제어기(500), 및 자력선 누출 방지부(600)를 포함한다.

전력전송부(100)는 지면에 설치되어 충전코일 감지부(200)에 전력을 전달한다.

전력전송부(100)는 전력공급부(110), 전력변환부(120), 전력전달제어기(130) 및 전력전달부(140)를 포함한다.

전력공급부(110)는 직류전압을 전력변환부(120)에 공급한다.

전력공급부(110)는 직류전압을 공급하는 DC 전압원과, DC 전압원으로부터 공급된 전압의 역률을 보상하는 PFC(power factor corrector)를 포함한다. DC 전압원과 PFC는 통상의 기술자에게 자명한 사항이므로 여기서는 그 상세한 설명을 생략한다.

전력변환부(120)는 직류 전압을 교류 전압으로 변환한다.

전력변환부(120)는 제1 스위치(S1), 제2 스위치(S2), 제3 스위치(S3) 및 제4 스위치(S4)를 포함한다.

제1 스위치(S1), 제2 스위치(S2), 제3 스위치(S3) 및 제4 스위치(S4)로는 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect transistor)가 채용될 수 있으나, 특별히 한정되는 것은 아니다.

제1 스위치(S1), 제2 스위치(S2), 제3 스위치(S3) 및 제4 스위치(S4)는 브릿지 형태로 배치될 수 있다. 즉, 제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2)가 직렬 연결되고 제3 스위치(S3)와 제4 스위치(S4)가 직렬 연결된다. 제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2) 사이의 노드는 전력전달부(140)의 제2 커패시터(C12)에 연결되고, 제3 스위치(S3)와 제4 스위치(S4) 사이의 노드는 전력전달부(140)의 제1 커패시터(C11)에 연결된다. 이는 H-브릿지가 제1 차동코일(DC11)과 제2 차동코일(DC12)에 공급되는 전력을 변환하는 인버터(inverter)로 구동될 경우에 적용될 수 있다. 또한, 제2 스위치(S2)와 제4 스위치(S4)는 게이트와 드레인이 다이오드 커넥션으로 연결될 수 있다.

제1 스위치(S1), 제2 스위치(S2), 제3 스위치(S3) 및 제4 스위치(S4)는 구동부(131)의 제어신호, 즉 직교신호에 의해 스위칭될 수 있다.

여기서, 제1 스위치(S1)와 제4 스위치(S4)가 동일하게 스위칭되고, 제2 스위치(S2)와 제3 스위치(S3)가 동일하게 스위칭된다. 예컨대, 제1 스위치(S1)와 제4 스위치(S4)가 동시에 턴온 및 턴오프되고, 제2 스위치(S2)와 제3 스위치(S3)가 동시에 턴온 및 턴오프된다. 제1 스위치(S1)와 제4 스위치(S4)가 턴온되면 제2 스위치(S2)와 제3 스위치(S3)는 턴오프되며, 제1 스위치(S1)와 제4 스위치(S4)가 턴오프되면 제2 스위치(S2)와 제3 스위치(S3)가 턴온된다.

전력전달제어기(130)는 전력전달코일(141)에 인가되는 전압 및 전력전달코일(141)에 흐르는 코일전류에 따라 전력변환부(120)를 제어하여 직류전압을 교류전압으로 변환한다.

즉, 전력전달제어기(130)는 전력전달코일(141)에 입출력되는 전압을 비교한 결과 및 전력전달코일(141)에 흐르는 코일전류에 따라 전류의 위상을 검출하고, 검출된 위상에 따라 제1 커패시터(C11)와 제1 차동코일(DC11)의 공진, 및 제2 커패시터(C12)와 제2 차동코일(DC12)의 공진을 제어한다.

전력전달제어기(130)는 구동부(131)를 포함한다. 구동부(131)는 직교 전류 드라이버일 수 있다.

구동부(131)는 제1 스위치(S1) 내지 제4 스위치(S4)를 제어한다. 이 경우, 구동부(131)는 제1 차동코일(DC11)과 제2 차동코일(DC12)을 직교 신호로 구동시키는데, 제1 스위치(S1)와 제4 스위치(S4)를 턴온시키고 제2 스위치(S2)와 제3 스위치(S3)가 턴오프시키거나, 제1 스위치(S1)와 제4 스위치(S4)를 턴오프시키고 제2 스위치(S2)와 제3 스위치(S3)를 턴온시킬 수 있다. 이에 따라 전력전달부(140)에 정현파의 출력전류가 인가됨으로써 회전 자계가 형성될 수 있다. 이는 H-브릿지가 충전코일 인버터로 구동될 경우에 적용될 수 있다. 또한, 제2 스위치와 제4 스위치는 게이트와 드레인이 다이오드 커넥션으로 연결되는 하이 사이드 드라이버인 경우이다.

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 H-브릿지의 일 예를 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 구동부의 파형도이다.

참고로, 도 3 및 도 4는 cos 파형의 신호를 발생시키기 위한 H-브릿지 회로를 나타낸 것이다.

도 3을 참조하면, cos 파형의 신호를 발생시키기 위한 H-브릿지 회로에서, 제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2)는 직렬 연결되고 제3 스위치(S3)와 제4 스위치(S4)는 직렬 연결된다. 제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2) 사이의 노드에 제2 커패시터(C12)가 연결된다. 제2 커패시터(C12)와 제2 차동코일(DC12)의 포지티브 루프부는 직렬 연결된다. 제3 스위치(S3)와 제4 스위치(S4) 사이의 노드는 제1 커패시터(C11)에 연결된다. 제1 커패시터(C11)와 제1 차동코일(DC11)의 네가티브 루프부는 직렬 연결된다.

따라서, 구동부(131)에 의해 제1 스위치(S1)와 제4 스위치(S4)가 턴온됨으로써, 도 4에 도시된 바와 같이 출력 전류로 cos 파형의 신호가 발생되어 회전 자계가 형성될 수 있다.

여기서, cos 파형의 신호를 발생시키기 위한 H-브릿지 회로와 sin 파형의 신호를 발생시키기 위한 H-브릿지 회로는 동일하므로, sin 파형의 신호를 발생시키기 위한 H-브릿지 회로에 대해서는 그 상세한 설명을 생략한다.

이와 같이, cos 파형의 신호를 발생시키기 위한 H-브릿지 회로와 sin 파형의 신호를 발생시키기 위한 H-브릿지 회로에 의해 생성된 cos wt 및 sin wt의 조합을 통해 회전자계가 형성될 수 있다.

또한, 제1 스위치(S1)와 제4 스위치(S4)의 온 신호의 주기가 직교 신호가 되고, 온 신호의 듀티를 조절함으로써 자기장의 세기가 안정범위 내에 유지된다.

한편, sin 파형의 신호를 발생시키기 위한 H-브릿지 회로에서는, 제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2)는 직렬 연결되고 제3 스위치(S3)와 제4 스위치(S4)는 직렬 연결된다. 제3 스위치(S3)와 제4 스위치(S4) 사이의 노드에 제1 커패시터(C11)가 연결된다. 제1 커패시터(C11)와 제1 차동코일(DC11)의 포지티브 루프부가 직렬연결된다. 제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2) 사이의 노드는 제2 커패시터(C12)를 통해 제2 차동코일(DC12)과 연결된다. 제2 커패시터(C12)와 제2 차동코일(DC12)의 네가티브 루프부는 직렬 연결된다.

따라서, 구동부(131)에 의해 제2 스위치(S2)와 제3 스위치(S3)가 턴온됨으로써, 도 4에 도시된 바와 같이 출력 전류로 sin 파형의 신호가 발생되어 회전 자계가 형성될 수 있다.

또한, 제2 스위치(S2)와 제3 스위치(S3)의 온 신호의 주기가 직교 신호가 되고, 온 신호의 듀티를 조절함으로써 자기장의 세기가 안정범위 내에 유지되도록 한다.

도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 H-브릿지의 또 다른 예를 나타낸 도면이다.

도 5의 (a)는 cos 파형의 신호를 발생시키기 위한 H-브릿지 회로의 또 다른 구현 예이다. 도 5의 (a)를 참조하면, 제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2)가 직렬 연결되고, 제2 스위치(S2)는 게이트와 드레인이 연결된다. 제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2) 사이의 노드는 제2 차동코일(DC12)을 통해 제2 커패시터(C12)와 연결되며, 이 경우 제2 차동코일(DC12)의 네가티브 루프부가 제2 차동코일(DC12)과 직렬 연결된다.

따라서, 구동부(131)에 의해 제1 스위치(S1)가 턴온됨으로써, 도 4에 도시된 바와 같이 출력 전류로 정현파가 발생되어 회전 자계가 형성될 수 있다.

도 5의 (b)는 sin 파형의 신호를 발생시키기 위한 H-브릿지 회로의 다른 구현 예이다. 도 9의 (b)를 참조하면, 제3 스위치(S3)와 제4 스위치(S4)가 직렬 연결되고, 제4 스위치(S4)는 게이트와 드레인이 다이오드 커넥션으로 연결된다. 제3 스위치(S3)와 제4 스위치(S4) 사이의 노드는 제1 차동코일(DC11)을 통해 제1 커패시터(C11)와 연결되며, 이 경우 제1 차동코일(DC11)의 네가티브 루프부가 제1 차동코일(DC11)과 직렬 연결된다.

따라서, 구동부(131)에 의해 제3 스위치(S3)가 턴온됨으로써, 도 4에 도시된 바와 같이 출력 전류로 정현파가 발생되어 회전 자계가 형성될 수 있다.

도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 H-브릿지의 또 다른 예를 나타낸 도면이다.

도 6은 cos 파형의 신호를 발생시키기 위한 H-브릿지 회로를 나타낸 것이다.

도 6을 참조하면, cos 파형의 신호를 발생시키기 위한 H-브릿지 회로에서, 제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2)는 직렬 연결되고 제3 스위치(S3)와 제4 스위치(S4)는 직렬 연결된다. 또한, 제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2) 사이의 노드는 제2 차동코일(DC12)과 연결되며, 제2 차동코일(DC12)의 네가티브 루프부와 제1 커패시터(C11)가 직렬 연결된다.

제3 스위치(S3)와 제4 스위치(S4) 사이의 노드는 제1 커패시터(C11)를 통해 제2 차동코일(DC12)에 연결되며, 제1 커패시터(C11)와 제2 차동코일(DC12)의 네가티브 루프부는 직렬 연결된다.

따라서, 구동부(131)에 의해 제1 스위치(S1)와 제4 스위치(S4)가 턴온됨으로써, 도 4에 도시된 바와 같이 출력 전류로 정현파가 발생되어 회전 자계가 형성될 수 있다.

한편, sin 파형의 신호를 발생시키기 위한 H-브릿지 회로에서, 제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2)는 직렬 연결되고 제3 스위치(S3)와 제4 스위치(S4)는 직렬 연결된다. 또한, 제3 스위치(S3)와 제4 스위치(S4) 사이의 노드는 제1 차동코일(DC11)과 연결되며, 제1 차동코일(DC11)의 네가티브 루프부와 제2 커패시터(C12)가 직렬 연결된다.

제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2) 사이의 노드는 제2 커패시터(C12)를 통해 제1 차동코일(DC11)과 연결되며, 제2 커패시터(C12)와 제1 차동코일(DC11)의 네가티브 루프부는 직렬 연결된다.

따라서, 구동부(131)에 의해 제2 스위치(S2)와 제3 스위치(S3)가 턴온됨으로써, 도 4에 도시된 바와 같이 출력 전류로 정현파가 발생되어 회전 자계가 형성될 수 있다.

또한, 제2 스위치(S2)와 제3 스위치(S3)의 온 신호의 주기가 직교 신호가 되고, 온 신호의 듀티를 조절함으로써 자기장의 세기가 안정범위 내에 유지된다.

전력전달부(140)는 회전자계를 발생시켜 전력수신부(21)에 전력을 전달한다. 전력전달부(140)는 전력전달코일(141)과 제1 커패시터(C11) 및 제2 커패시터(C12)를 포함한다. 전력전달코일(141)은 직교 배치되는 제1 차동코일(DC11)과 제2 차동코일(DC12)을 포함한다.

일반적으로, 차동코일은 2개의 단부로 이루어지고 서로 교차되게 와인딩됨으로써, 네가티브 루프부와 포지티브 루프부를 포함한다.

네가티브 루프부는 정방향(시계 방향)의 전압이 인가되는 기전력(Electro motive force;EMF)을 발생시키고, 포지티브 루프부는 역방향(반시계 방향)의 전압이 인가되는 기전력을 발생시킨다.

전력전달코일(141)은 전력변환부(120)로부터 공급된 전력으로 회전 자계를 발생시켜 전력수신코일(221)에 유도전류가 흐르도록 한다.

제1 차동코일(DC11)은 전력변환부(120)로부터 입력된 전력으로 정상 또는 역상의 자계를 형성한다. 제1 차동코일(DC11)은 정방향(시계 방향)의 전압이 인가되는 기전력(Electro motive force;EMF)을 발생시키는 네가티브 루프부 및 역방향(반시계 방향)의 전압이 인가되는 기전력을 발생시키는 포지티브 루프부를 포함한다.

즉, 제1 차동코일(DC11)은 2개의 단부로 이루어지고 서로 교차되게 와인딩됨으로써, 일측은 정방향의 기전력을 발생시키고 타측은 역방향의 기전력을 발생시켜 서로 다른 위상의 전압을 출력하는 하나의 코일이다. 이는 제2 차동코일(DC12)도 동일하다.

제1 차동코일(DC11)과 제2 차동코일(DC12)은 복수의 턴수로 형성될 수 있으며, 이에 따라, 전력변환부(120)의 출력단, 즉 커패시터(C11)의 입력단의 전압을 크게 감소시킬 수 있다. 이는 커패시터와 코일이 서로 반대 방향의 임피던스를 형성하여 전체 임피던스가 서로 상쇄되기 때문이다.

제2 차동코일(DC12)은 전력변환부(120)로부터 입력된 전력에 따라 정상 또는 역상의 자계를 형성한다.

제1 차동코일(DC11)과 제2 차동코일(DC12)은 오버랩되어 직교방향으로 배치될 수 있다.

예컨대, 제1 차동코일(DC11)과 제2 차동코일(DC12)은 전체가 오버랩되거나 일부가 오버랩될 수 있는데, 제1 차동코일(DC11)과 제2 차동코일(DC12)은 전체가 오버랩되는 것이 전력전달에 더욱 유리하다.

또한, 제1 차동코일(DC11)이 전장방향으로 배치되고 제2 차동코일(DC12)이 전장방향으로 배치될 수 있다. 또는, 제1 차동코일(DC11)이 전폭방향으로 배치되고 제2 차동코일(DC12)이 전장방향으로 배치될 수 있다. 또한, 제1 차동코일(DC11)이 좌측 대각선 방향으로 배치되고 제2 차동코일(DC12)이 우측 대각선 방향으로 배치되거나, 제1 차동코일(DC11)이 우측 대각선 방향으로 배치되고 제2 차동코일(DC12)이 좌측 대각선 방향으로 배치될 수 있다.

상기한 바와 같은 제1 차동코일(DC11)과 제2 차동코일(DC12)의 배치 구조는 특별히 한정되는 것은 아니다.

또한, 제1 차동코일(DC11)과 제2 차동코일(DC12)은 사각형, 원형, 반원형, 부채꼴 등 다양한 형태로 제작될 수 있으며, 제1 차동코일(DC11)과 제2 차동코일(DC12)의 형태는 특별히 한정되는 것은 아니다.

도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 제1 차동코일과 제2 차동코일이 동일 평면상에 직교 배치된 일 예를 나타낸 도면이다.

도 7을 참조하면, 제1 차동코일(DC11)과 제2 차동코일(DC12)의 네가티브 루프부와 포지티브 루프부 각각이 반원 형태로 형성된다.

제1 차동코일(DC11)의 네가티브 루프부와 포지티브 루프부는 직선 부분이 서로 마주보게 배치되어 제1 차동코일(DC11)은 전장방향으로 배치되며, 전체적으로 원형으로 형성된다.

제2 차동코일(DC12)의 네가티브 루프부와 포지티브 루프부는 직선 부분이 서로 마주보게 배치되어 제2 차동코일(DC12)은 전폭방향으로 배치되며, 전체적으로 원형으로 형성된다.

이와 같은 제1 차동코일(DC11)과 제2 차동코일(DC12)은 동일 평면상에 서로 직교하도록 배치될 수 있다.

또한, 후술하는 제3 차동코일(DC21) 및 제4 차동코일(DC22)은, 상기한 제1 차동코일(DC11) 및 제2 차동코일(DC12)과 동일한 구조로 형성될 수 있다. 즉, 제3 차동코일(DC21)과 제4 차동코일(DC22)은 직교 방향으로 배치되되 동일 평면상에 배치될 수 있다.

더욱이, 제1 차동코일(DC11)과 제2 차동코일(DC12)은 직교 방향으로 배치되되 수직방향으로 오버랩되게 배치될 수도 있다. 이에 대해서는 도 7 내지 도 11를 참조하여 설명한다.

한편, 제1 차동코일(DC11)과 제2 차동코일(DC12)은 교차 지점에서의 단선되는 것을 방지하기 위해, 제1 차동코일(DC11)과 제2 차동코일(DC12)이 피복 전선으로 형성되거나, 또는 제1 차동코일(DC11)과 제2 차동코일(DC12)의 교차 지점이 인쇄회로기판의 비아 홀(via hole)을 통해 교차될 수 있다.

제1 차동코일(DC11)과 제2 차동코일(DC12) 사이의 노드는 접지와 연결되는데, 이는 도 5에 도시된 바와 같은 하이 사이드 드라이버로 연결될 수 있다. 그러나 하나의 차동코일에 하나의 H-브릿지를 사용할 경우(도 3 및 도 6)는 차동코일이 브릿지를 연결하는 구조이기 때문에 접지가 불필요하다.

제1 커패시터(C11)는 일측이 제3 스위치(S3)와 제4 스위치(S4) 사이의 노드에 연결되고 타측이 제1 차동코일(DC11)과 직렬 연결되어 제1 차동코일(DC11)과 공진한다. 즉, 제3 스위치(S3)와 제4 스위치(S4) 사이의 노드에 제1 차동코일(DC11)과 제1 커패시터(C11)가 직렬 연결되어 제1 차동코일(DC11)과 제1 커패시터(C11)가 공진한다.

제2 커패시터(C12)는 일측이 제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2) 사이의 노드에 연결되고 타측이 제2 차동코일(DC12)과 직렬 연결되어 제2 차동코일(DC12)과 공진한다. 즉, 제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2) 사이의 노드에 제2 차동코일(DC12)과 제2 커패시터(C12)가 직렬 연결되어 제2 차동코일(DC12)과 제2 커패시터(C12)가 공진한다.

한편, 제1 차동코일(DC11)과 제2 차동코일(DC12)이 직교하도록 배치되고, 구동부(131)로부터 입력된 직교 신호에 따라 전력변환부(120)가 스위칭됨으로써, 제1 차동코일(DC11)과 제2 차동코일(DC12)에 흐르는 정현파 전류에 의해 회전 자계가 형성될 수 있다.

도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 회전 자계를 나타낸 도면이다.

도 8을 참조하면, 구동부(131)로부터 입력된 직교 신호에 따라 제1 스위치(S1)와 제4 스위치(S4)가 턴온되고 제2 스위치(S2)와 제3 스위치(S3)가 턴오프되거나, 제1 스위치(S1)와 제4 스위치(S4)가 턴오프되고 제2 스위치(S2)와 제3 스위치(S3)가 턴온될 수 있다. 이는 2개의 H-브릿지가 충전 코일 인버터로 구동될 경우에 적용될 수 있다. 또한, 제2 스위치와 제4 스위치는 게이트와 드레인이 다이오드 커넥션으로 연결되는 하이 사이드 드라이버인 경우이다.

이에 따라, cosωt와 sinωt의 직교 전류가 제2 차동코일(DC12)과 제1 차동코일(DC11)에 각각 인가되어 도 9에 도시된 바와 같이 회전 자계가 생성될 수 있다. 이는 오일러 공식 으로 표현될 수 있다. 즉, 시간 t가 증가할 때 각도가 증가함으로써, 회전 자계가 형성된다.

도 8에서, 좌측 상단의 1사분면의 자계는 정상(positive phase) 자계이고, 우측 하단의 3사분면의 자계는 역상(negative phase) 자계이다.

한편, 상기한 바와 같이 회전 자계를 형성하기 위해, 제1 차동코일(DC11)과 제2 차동코일(DC12)을 이용하는데, 이러한 제1 차동코일(DC11)과 제2 차동코일(DC12)은 2상(Bipolar) 코일 구조로 형성되므로, 범위가 보다 큰 영역에 회전 자계가 형성될 수 있다. 이에 따라 전력전달코일(141)과 전력수신코일(221)이 정렬도가 상대적으로 낮더라도 높은 전력 전달 효율을 얻을 수 있다.

도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따른 차동코일과 마그네틱 회로의 배치 및 자계를 나타낸 도면이다.

도 9를 참조하면, 제1 차동코일(DC11)과 제2 차동코일(DC12)이 2상(Bipolar) 코일 구조로 형성되어 범위가 보다 큰 영역에 회전 자계가 형성됨으로써, 기존의 단상 코일에 비해 상대적으로 더 높은 전력 전달 효율을 얻을 수 있음을 알 수 있다.

여기서, 제1 차동코일(DC11)과 제2 차동코일(DC12)에 각각에 인가되는 전압이 1unit이라 하면, 제1 차동코일(DC11)과 제2 차동코일(DC12)에 인가된 전압에 의해 생성되는 전력은 이다. 반면에, 기존의 단상 코일을 통해 얻을 수 있는 전력은 로서 동일한 전력을 얻기 위해 2unit의 전압을 필요로 한다. 즉, 제1 차동코일(DC11)과 제2 차동코일(DC12)을 직교되도록 배치하고, 각각을 직교 전압으로 제어함으로써, 본 실시예는 상대적으로 낮은 전압으로도 높은 전력을 얻을 수 있다.

충전코일 감지부(200)는 젼력전송부(100)로부터 전달된 자력선의 세기에 따라 충전코일(20)의 위치에 대응되는 전기적인 신호를 프로세서(400)에 입력한다.

충전코일 감지부(200)는 정류부(210) 및 전력수신부(220)를 포함한다.

전력수신부(220)는 전력전달코일(141)에 의해 형성된 회전자계에 따라 전류가 유도되어 전력을 발생시킨다. 즉, 전력수신부(220)는 전력전달코일(141)에 의해 형성된 회전자계에 따라 전류가 유도되고 이 유도전류를 정류부(210)에 인가한다.

전력수신부(220)는 제3 차동코일(DC21), 제4 차동코일(DC22), 제3 커패시터(C21), 및 제4 커패시터(C22)를 포함한다.

제3 차동코일(DC21), 제4 차동코일(DC22), 제3 커패시터(C21), 및 제4 커패시터(C22)는 전력전달부(140)의 제1 차동코일(DC11), 제2 차동코일(DC12), 제1 커패시터(C11), 및 제2 커패시터(C12)와 동일한 구조로 배치된다.

제3 차동코일(DC21)은 정상 전압 또는 역상 전압을 출력함으로써 큰 전압을 얻을 수 있도록 한다. 제3 차동코일(DC21)은 네가티브 루프부에는 정방향(시계 방향)의 전압이 인가되는 기전력(Electro motive force;EMF)을 발생시키고, 포지티브 루프부에는 역방향(반시계 방향)의 전압이 인가되는 기전력을 발생시킨다. 즉, 제3 차동코일(DC21)은 2개의 단부로 이루어지고 서로 교차되게 와인딩됨으로써, 일측은 정방향의 기전력을 발생시키고 타측은 역방향의 기전력을 발생시켜 서로 다른 위상의 전압을 출력하는 하나의 코일이다. 이는 제4 차동코일(DC22)도 동일하다.

제4 차동코일(DC22)은 정상 전압 또는 역상 전압을 출력한다.

더욱이, 제3 차동코일(DC21)과 제4 차동코일(DC22)은 직교하도록 배치되되 동일 평면상에 배치될 수 있다. 즉, 제3 차동코일(DC21) 및 제4 차동코일(DC22)은, 제1 차동코일(DC11) 및 제2 차동코일(DC12)과 동일한 구조로 형성될 수 있다.

게다가, 제3 차동코일(DC21)과 제4 차동코일(DC22)은 전체가 오버랩되거나 일부가 오버랩될 수도 있는데, 제3 차동코일(DC21)과 제4 차동코일(DC22)은 전체가 오버랩되는 것이 전력전달에 더욱 유리하다.

제3 차동코일(DC21)과 제4 차동코일(DC22)은 직교한다. 일 예로, 제3 차동코일(DC21)이 전장방향으로 배치되고 제4 차동코일(DC22)이 전폭방향으로 배치될 수 있다. 또는 제3 차동코일(DC21)이 전폭방향으로 배치되고 제4 차동코일(DC22)이 전장방향으로 배치될 수 있다. 또한, 제3 차동코일(DC21)이 좌측 대각선 방향으로 배치되고 제4 차동코일(DC22)이 우측 대각선 방향으로 배치되거나 제3 차동코일(DC21)이 우측 대각선 방향으로 배치되고 제4 차동코일(DC22)이 좌측 대각선 방향으로 배치될 수 있다.

또한, 제3 차동코일(DC21)과 제4 차동코일(DC22)은 사각형, 원형, 반원형, 부채꼴 등 다양한 형태로 제작될 수 있으며, 제3 차동코일(DC21)과 제4 차동코일(DC22)의 형태는 특별히 한정되는 것은 아니다.

제3 차동코일(DC21)과 제4 차동코일(DC22)의 형태나 배치 구조는 제1 차동코일(DC11)과 제2 차동코일(DC12)의 형태나 배치 구조와 동일할 수 있다.

제3 차동코일(DC21)과 제4 차동코일(DC22)이 교차 지점에서의 단선되는 것을 방지하기 위해, 제3 차동코일(DC21)과 제4 차동코일(DC22)이 피복 전선으로 형성되거나, 또는 교차 지점이 인쇄회로기판의 비아 홀(via hole)을 통해 교차되도록 한다.

제3 차동코일(DC21)과 제4 차동코일(DC22) 사이의 노드는 접지와 연결된다.

제3 커패시터(C21)는 일측이 제1 다이오드(D1)와 제2 다이오드(D2) 사이의 노드에 연결되고 타측이 제3 차동코일(DC21)에 직렬 연결된다.

제4 커패시터(C22)는 일측이 제3 다이오드(D3)와 제4 다이오드(D4) 사이의 노드에 연결되고 타측이 제4 차동코일(DC22)에 직렬 연결된다.

도 10은 본 발명의 제1 실시예에 따른 집전코일에 전력수신코일이 설치된 예가 도시된 도면이다.

도 10을 참조하면, 전력수신코일(221)은 수직방향으로 집전코일(10)과 중첩되게 배치되거나, 집전코일(10)과 동일평면 상에 배치될 수 있다.

도 11은 본 발명의 제1 실시예에 따른 제1 차동코일과 제2 차동코일의 배치 및 구동을 개념적으로 나타낸 도면이고, 도 12는 본 발명의 제1 실시예에 따른 제3 차동코일과 제4 차동코일의 배치 및 구동을 개념적으로 나타낸 도면이다.

도 11을 참조하면, 제1 차동코일(DC11)과 제2 차동코일(DC12)의 네가티브 루프부와 포지티브 루프부 각각이 반원 형태로 형성되어 직선 부분이 서로 마주보게 배치되며, 전체적으로 원형으로 형성된다.

여기서, 제1 차동코일(DC11)은 전장방향으로 배치되고, 제2 차동코일(DC12)은 전폭방향으로 배치된다. 제1 차동코일(DC11)과 제2 차동코일(DC12)은 수직방향으로 오버랩되어 서로 직교하도록 배치되며, 전체적으로 원형으로 형성된다.

도 12를 참조하면, 전력수신코일(221)은 상기한 전력전달코일(141)과 동일한 형태와 구조로 배치될 수 있다.

제3 차동코일(DC21)과 제4 차동코일(DC22)의 형태와 배치 구조는 상기한 바와 같이 제1 차동코일(DC11)과 제2 차동코일(DC12)의 형태와 배치 구조와 동일할 수 있다. 따라서, 이하에서는 제1 차동코일(DC11)과 제2 차동코일(DC12)에 대해서만 설명하더라도 제3 차동코일(DC21)과 제4 차동코일(DC22)도 동일하게 적용되는 것으로 이해되어야 할 것이다.

다만, 제1 차동코일(DC11)과 제2 차동코일(DC12)의 크기는 제3 차동코일(DC21)과 제4 차동코일(DC22)의 크기와 동일할 필요는 없다.

다만, 전력전달코일(141)의 크기가 크고 전력수신코일(221)의 크기가 작은 경우, 전력전달코일(141)과 전력수신코일(221)의 간격이 크더라도, 이들의 커플링 계수를 효과적으로 높일 수 있다.

또는, 전력수신코일(221)은 비원형 대칭 구조(Non-circular symmetry)로 배치될 수 있다. 이는 원형 대칭 구조, 예컨대 단일 원형 루프는 회전 자계를 인식하지 못하기 때문이다.

한편, 제1 차동코일(DC11)과 제2 차동코일(DC12)은 원형이나 반원, 부채꼴 형태, 사각 형태 등 다양하게 형성될 수 있다.

도 13 내지 도 17은 본 발명의 제1 실시예에 따른 제1 차동코일과 제2 차동코일의 구조 및 배치 예를 도시한 도면이다.

도 13에는 제1 차동코일(DC11)과 제2 차동코일(DC12)이 직사각형 구조로 2개 평면상에 수직으로 배치된, 2층 구조의 2직교 직사각형 구조로 배치된 예가 도시된다.

좀 더 구체적으로 설명하면, 제1 차동코일(DC11)의 네가티브 루프부와 포지티브 루프부는 직사각형으로 형성된다. 제1 차동코일(DC11)의 네가티브 루프부와 포지티브 루프부는 좌상측에서 우하측 방향으로 길게 형성되며 서로 나란하게 배치(Layer 1)된다.

제2 차동코일(DC12)의 네가티브 루프부와 포지티브 루프부는 직사각형으로 형성된다. 제2 차동코일(DC12)의 네가티브 루프부와 포지티브 루프부는 우상측에서 좌하측 방향으로 길게 형성되며 서로 나란하게 배치(Layer2)된다.

아울러, 제1 차동코일(DC11)과 제2 차동코일(DC12)은 오버랩되어 서로 직교하도록 배치된다.

도 14에는 제1 차동코일(DC11)과 제2 차동코일(DC12)이 직사각형 구조로 2개 평면상에 수직으로 배치된, 2층 구조의 2직교 직사각형 구조로 배치된 예가 도시된다.

좀 더 구체적으로 설명하면, 제1 차동코일(DC11)의 네가티브 루프부와 포지티브 루프부는 직사각형으로 형성된다. 제1 차동코일(DC11)의 네가티브 루프부와 포지티브 루프부는 전폭방향으로 길게 형성되며 서로 나란하게 배치(Layer1)된다.

제2 차동코일(DC12)의 네가티브 루프부와 포지티브 루프부는 직사각형으로 형성될 수 있다. 제2 차동코일(DC12)의 네가티브 루프부와 포지티브 루프부는 우상측에서 전장방향으로 길게 형성되며 서로 나란하게 배치(Layer2)된다.

도 15에는 제1 차동코일(DC11)과 제2 차동코일(DC12)이 원형 구조로 2개 평면상에 수직으로 배치된, 2층 구조의 2직교 원형 구조로 배치된 예가 도시된다.

좀 더 구체적으로 설명하면, 제1 차동코일(DC11)은 원형으로 형성(Layer1)된다. 이 경우, 제1 차동코일(DC11)은 포지티브 루프부일 수도 있고, 네거티브 루프부일 수도 있다.

제2 차동코일(DC12)은 네가티브 루프부와 포지티브 루프부 각각이 반원 형태로 형성되고, 전폭방향으로 배치(Layer2)된다.

제2 차동코일(DC12)의 네가티브 루프부와 포지티브 루프부는 직선 부분이 서로 마주보게 배치된다.

여기서, 제2 차동코일(DC12)과 제1 차동코일(DC11)은 오버랩된다.

이러한 2층 구조의 2직교 원형 구조는 2상 구동기(131)에 적합하다.

도 16에는 제1 차동코일(DC11)과 제2 차동코일(DC12)이 수직으로 배치되고 추가적으로 제2 차동코일(DC12) 상에 제5 차동코일(DC13)과 제6 차동코일(DC14)이 더 배치된, 3층 구조 3직교 원형 구조로 배치된 예가 도시된다. 여기서, 제5 차동코일(DC13)과 제6 차동코일(DC14)은 동일 편명상에 배치되고, 제2 차동코일(DC12)상에 오버랩된다.

좀 더 구체적으로 설명하면, 제1 차동코일(DC11)은 원형으로 형성된다(Layer1). 이 경우, 제1 차동코일(DC11)은 포지티브 루프부일 수도 있고, 네거티브 루프부일 수도 있다.

제5 차동코일(DC13)은 네가티브 루프부와 포지티브 루프부가 부채꼴 모양으로 형성된다. 제3 차동코일(DC13)은 전장방향으로 배치되는데, 네가티브 루프부와 포지티브 루프부의 중심이 인접하게 배치되고 호가 대향되게 배치된다.

제6 차동코일(DC14)은 네가티브 루프부와 포지티브 루프부가 부채꼴 모양으로 형성된다. 제6 차동코일(DC14)은 전폭방향으로 배치되는데, 네가티브 루프부와 포지티브 루프부의 중심이 인접하게 배치되고 호가 대향되게 배치된다.

이러한 제5 차동코일(DC13)과 제6 차동코일(DC14)은 동일 평면상에 서로 수직하게 배치되어 전체적으로 원형으로 형성된다.

제1 차동코일(DC11) 상에 제2 차동코일(DC12)이 오버랩되고 제2 차동코일(DC12) 상에 제3 차동코일(DC13)과 제4 차동코일(DC14)이 오버랩된다.

한편, 본 실시예에서는 설명하지 않았으나, 제3 차동코일(DC13)과 제4 차동코일(DC14)은 구동부(131) 내에 제1 차동코일(DC11) 상에 제2 차동코일(DC12)을 스위칭 제어하는 제1 스위치(S1) 내지 제4 스위치(S4)와 동일한 구조의 스위치(미도시)들을 더 배치하고, 이들 스위치들에 대해 제1 스위치(S1) 내지 제4 스위치(S4)와 동일한 방식으로 스위칭 제어함으로써 자계를 형성할 수 있다.

도 17에는 제1 차동코일(DC11)과 제2 차동코일(DC12)이 원형 구조로 2개 평면상에 수직으로 배치된, 2층 구조의 2직교 원형 구조로 배치된 예가 도시된다.

제1 차동코일(DC11)은 원형으로 형성된다. 이 경우, 제1 차동코일(DC11)은 포지티브 루프부일 수도 있고, 네거티브 루프부일 수도 있다.

제2 차동코일(DC12)은 네가티브 루프부와 포지티브 루프부가 원형으로 형성되어 서로 다른 지름으로 형성된다.

제2 차동코일(DC12)의 네가티브 루프부와 포지티브 루프부는 동일 평면상에 배치되며 네가티브 루프부 내에 포지티브 루프부가 배치된다.

도 17에서 네가티브 루프부와 포지티브 루프부로 이루어진 자기 쌍극자(magnetic dipole)의 크기를 맞추기 위해서는, 포지티브 루프부의 면적에 코일의 권선 수를 곱한 값이 네가티브 루프부의 면적에 코일의 권선 수를 곱한 값과 같고, 이 자력선의 분포가 제1 차동코일(DC11)의 자력선의 분포와 직교를 이루어야 한다.

네가티브 루프부의 자기 쌍극자 모멘트(Magnetic dipole moment)와 포지티브 루프부의 자기 쌍극자 모멘트는 동일하고 위상이 반대이어야 한다. 즉, 수식

을 만족하면, 네가티브 루프부와 포지티브 루프부의 전력이 중첩되어 높은 전력 밀도를 얻을 수 있다.

정류부(210)는 전력수신코일(221)에 의해 형성된 전류를 정류하여 배터리(30)를 충전시킨다.

정류부(210)로는 풀브릿지 다이오드가 채용될 수 있다. 풀브릿지 다이오드는 제1 다이오드(D1) 내지 제4 다이오드(D4)를 포함한다.

제1 다이오드(D1)와 제2 다이오드(D2)가 직렬 연결되고, 제3 다이오드(D3)와 제4 다이오드(D4)가 직렬 연결된다. 제1 다이오드(D1)와 제2 다이오드(D2) 사이의 노드가 제3 커패시터(C21)에 연결되고, 제3 다이오드(D3)와 제4 다이오드(D4) 사이의 노드가 제4 커패시터(C22)와 연결된다. 따라서, 전력수신코일(221)에 의해 유도된 전류가 정류부(210)에 의해 정류되어 배터리(30)에 충전된다.

자력선 누출 방지부(600)는 전기차 충전시 자력선이 전기차의 객실로 유입되거나 또는 전기차 내 금속 구조물에 자력선에 의한 와전류가 발생하는 것을 억제한다.

자력선 누출 방지부(600)는 마그네틱 회로로서 페라이트 구조물로 형성될 수 있다.

도 18은 본 발명의 제1 실시예에 따른 자력선 누출 방지부의 구성도이다.

도 18을 참조하면, 자력선 누출 방지부(600)는 제1 자력선 차단부(610) 및 제2 자력선 차단부(620)를 포함한다.

제1 자력선 차단부(610)와 제2 자력선 차단부(620)는 주변의 다른 금속 구조물에 비해 릴럭턴스가 상대적으로 낮아 자력선이 내부로 유도되도록 함으로써, 결과적으로 자력선이 외부의 여러 방향으로 누출되는 것을 차단할 수 있다. 이는 자력선이 제1 자력선 차단부(610)와 제2 자력선 차단부(620)의 릴럭턴스가 상대적으로 낮은 쪽으로 흐르기 때문이다.

제1 자력선 차단부(610)는 전력수신코일(221), 예컨대 제3 차동코일(DC21) 또는 제4 차동코일(DC22)의 상부의 하부 프레임(50) 하부에 설치되어 전력수신코일(221)의 상측방향 또는 양측방향으로 누출되는 자력선을 차단한다. 제1 자력선 차단부(610)는 외측 단부가 전력전달코일(141)을 향해 절곡되어 자력선이 제1 자력선 차단부(610)에 더욱 용이하게 유도될 수 있도록 한다.

제2 자력선 차단부(620)는 전력전달코일(141), 예컨대 제1 차동코일(DC11) 또는 제2 차동코일(DC12) 하부의 지면에 설치되어 전력전달코일(141)의 하측방향 또는 양측방향으로 누출되는 자력선을 차단한다. 제2 자력선 차단부(620)는 외측 단부가 전력수신코일(221)을 향해 절곡되어 자력선이 제2 자력선 차단부(620)에 더욱 용이하게 유도될 수 있도록 한다.

이와 같이 제1 자력선 차단부(610)와 제2 자력선 차단부(620)에 의해 자력선은 전력수신코일(221)과 전력전달코일(141) 사이에 집중적으로 형성될 수 있다.

차량 제어기(500)는 프로세서(400)로부터의 제어명령에 따라 집전코일(10)과 충전코일(20)을 정렬시키기 위한 동작을 수행한다.

차량 제어기(500)로는 전기차의 클러스터 제어기 또는 자율주행 제어기가 채용될 수 있다.

클러스터 제어기는 충전코일(20)과 집전코일(10)의 위치를 전기차의 탑승자에게 안내할 수 있다. 클러스터 제어기는 이미지와 음성을 조합하여 충전코일(20)과 집전코일(10)의 위치 및 정렬 여부를 안내함으로써, 탑승자가 현재 충전코일(20)과 집전코일(10)의 위치, 충전코일(20)과 집전코일(10)을 정렬시키기 위한 전기차의 주행방향, 및 집전코일(10)의 정렬 여부를 인지할 수 있도록 한다.

예컨대, 클러스터 제어기는 클러스터 상에 집전코일(10)과 충전코일(20)을 오버랩시켜 탑승자가 충전코일(20)에 대한 집전코일(10)의 상대적 위치를 직관적으로 인지할 수 있도록 한다. 즉, 전기차가 주행하여 집전코일(10)이 충전코일(20)에 접근하는 경우, 충전코일(20)과 집전코일(10)을 서로 다른 색상으로 오버랩시킴으로써, 탑승자가 충전코일(20)에 대한 집전코일(10)의 위치를 손쉽게 인지할 수 있도록 한다. 이때, 집전코일(10)이 정렬 위치에 위치하면, 클러스터 제어기는 집전코일(10)이 정렬되었음을 탑승자에게 이미지 또는 안내 음성을 통해 시각적 또는 청각적으로 안내할 수 있다.

전기차 충전이 이루어지기 위해서는 전력전달이 효율적으로 이루어질 수 있도록 집전코일(10)과 충전코일(20)이 수직방향으로 나란하게 배치되어야 한다.

정렬 위치는 상기한 효율적인 전력 전달을 위해 설정되는 충전코일(20)에 대한 집전코일(10)의 위치로서, 충전코일(20)을 중심으로 충전코일(20)의 상측에 설정 범위로 형성될 수 있다.

자율주행 제어기는 프로세서(400)로부터 충전코일(20)과 집전코일(10)을 정렬시키기 위한 주행명령을 입력받고, 주행명령에 따른 전기차의 진행방향제어, 조향제어 및 차속제어를 통해 집전코일(10)이 정렬 위치에 배치될 수 있도록 한다.

본 실시예에서는 차량 제어기(500)로 클러스터 제어기와 자율주행 제어기를 예시로 설명하였으나, 차량 제어기(500)의 종류는 특별히 한정되는 것은 아니다.

프로세서(400)는 충전코일 감지부(200)로부터 출력된 전기적인 신호에 따라 충전코일(20)의 위치를 측정하고 측정된 위치에 따라 충전기(30)를 제어하여 전기차를 충전한다.

즉, 프로세서(400)는 충전코일 감지부(200)로부터 입력된 전압값의 크기에 따라 충전코일(20)의 위치를 측정하고 차량 제어기(500)를 제어하여 충전코일(20)과 집전코일(10)의 정렬을 유도한다.

참고로, 충전코일(20)과 집전코일(10)이 수직으로 정확히 정렬되는 경우에 전력 전달 효율이 가장 높다.

설정범위는 전력 전달이 효율적으로 이루어질 수 있는 전압값의 범위이며, 사전에 설정된다.

프로세서(400)는 충전코일 감지부로부터 출력된 전압값의 세기가 기 설정된 설정범위 이내인지 여부에 따라 충전코일과 집전코일이 정렬되었는지 여부를 판단한다.

프로세서(400)는 충전코일 감지부로부터 출력된 전압값의 세기가 설정범위 이내이면 충전코일과 집전코일이 정렬된 것으로 판단하며, 충전코일 감지부로부터 출력된 전압값의 세기가 설정범위 이내가 아니면 차량 제어기(500)를 제어한다.

도 20은 본 발명의 제2 실시예에 따른 전기차 무선충전 시스템의 충전코일 위치 측정 장치의 회도로이다.

도 20을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 전기차 무선충전 시스템의 충전코일 위치 측정 장치는 전력전송부(100), 충전코일 감지부(200), 프로세서(400), 차량 제어기(500), 및 자력선 누출 방지부(600)를 포함한다.

여기서, 상기한 제1 실시예와 동일한 부분은 그 상세한 설명을 생략한다.

전력전달코일(141)은 제1 차동코일(DC11), 제2 차동코일(DC12), 제1 커패시터(C11), 및 제2 커패시터(C12)를 포함한다.

제1 차동코일(DC11)은 정상 전압 또는 역상 전압을 출력한다. 제1 차동코일(DC11)은 전류가 시계방향으로 흐르는 네가티브 루프부 및 전류가 반시계방향으로 흐르는 포지티브 루프부를 포함할 수 있다. 즉, 제1 차동코일(DC11)은 2개의 단부로 이루어지고 서로 교차되게 와인딩됨으로써, 일측은 전류가 시계방향으로 흐르고 타측은 전류가 반시계방향으로 흘러 서로 다른 위상의 전압을 출력하는 하나의 코일이다. 이는 제2 차동코일(DC12)도 동일하다.

제2 차동코일(DC12)은 정상 전압 또는 역상 전압을 출력한다.

제1 차동코일(DC11)과 제2 차동코일(DC12)은 직교한다. 일 예로, 제1 차동코일(DC11)이 전장방향으로 배치되고 제2 차동코일(DC12)이 전장방향으로 배치되거나, 제1 차동코일(DC11)이 전폭방향으로 배치되고 제2 차동코일(DC12)이 전장방향으로 배치될 수 있다. 또한, 제1 차동코일(DC11)이 좌측 대각선 방향으로 배치되고 제2 차동코일(DC12)이 우측 대각선 방향으로 배치되거나, 제1 차동코일(DC11)이 우측 대각선 방향으로 배치되고 제2 차동코일(DC12)이 좌측 대각선 방향으로 배치될 수 있다.

제1 차동코일(DC11)의 일측은 제1 커패시터(C11)와 직렬 연결되며, 이 제1 커패시터(C11)를 통해 제3 스위치(S3)와 제4 스위치(S4) 사이의 노드와 연결된다. 이 경우, 제1 차동코일(DC11)의 포지티브 루프부가 제1 커패시터(C11)와 직렬 연결된다. 제1 차동코일(DC11)의 타측은 전력전달제어기(130)의 위상 검출기와 연결된다.

제2 차동코일(DC12)의 일측은 제2 커패시터(C12)와 직렬 연결되며, 이 제2 커패시터(C12)를 통해 제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2) 사이의 노드와 연결된다. 이 경우, 제2 차동코일(DC12)의 포지티브 루프부가 제2 커패시터(C12)와 직렬 연결된다. 제2 차동코일(DC12)의 타측은 전력전달제어기(130)의 위상 검출기와 연결된다.

이에 따라, 구동부(131)는 제1 스위치(S1)와 제4 스위치(S4)를 턴온시키고 제2 스위치(S2)와 제3 스위치(S3)가 턴오프시킬 수 있다. 또한, 구동부(131)는 제1 스위치(S1)와 제4 스위치(S4)가 턴오프시키고 제2 스위치(S2)와 제3 스위치(S3)를 턴온시킬 수 있다.

이와 같이 전력변환부(120)를 구동시킴으로써, 구동부(131)는 전력변환부(120)로부터의 출력전류에 의해 정현파가 형성됨으로써 회전 자계가 형성될 수 있다

도 21은 본 발명의 제3 실시예에 따른 전기차 무선충전 시스템의 충전코일 위치 측정 장치의 회로도이다.

도 21을 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 전기차 무선충전 시스템의 충전코일 위치 측정 장치는 전력전송부(100), 충전코일 감지부(200), 프로세서(400), 차량 제어기(500), 및 자력선 누출 방지부(600)를 포함한다.

여기서, 상기한 제1 및 제2 실시예와 동일한 부분은 그 상세한 설명을 생략한다.

전력변환부(120)는 제1 스위치(S1) 내지 제8 스위치(S8)를 포함한다.

제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2)가 직렬 연결되고, 제3 스위치(S3)와 제4 스위치(S4)가 직렬 연결되며, 제5 스위치(S5)와 제6 스위치(S6)가 직렬 연결되며, 제7 스위치(S7)와 제8 스위치(S8)가 직렬 연결된다.

제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2) 사이의 노드는 제2 차동코일(DC12)의 일측에 연결되고, 제3 스위치(S3)와 제4 스위치(S4) 사이의 노드는 제2 커패시터(C12)를 통해 제2 차동코일(12)의 타측에 연결된다.

또한, 제7 스위치(S7)와 제8 스위치(S8) 사이의 노드는 제1 차동코일(DC11)의 일측에 연결되고, 제5 스위치(S5)와 제6 스위치(S6) 사이의 노드는 제1 커패시터(C11)를 통해 제1 차동코일(12)의 타측에 연결된다.

여기서, 제1 차동코일(DC1)은 일측이 제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2) 사이의 노드에 연결되고, 타측이 제3 스위치(S3)와 제4 스위치(S4) 사이의 노드에 연결된다.

제2 차동코일(DC2)은 일측이 제7 스위치(S7)와 제8 스위치(S8) 사이의 노드에 연결되고, 타측이 제5 스위치(S5)와 제6 스위치(S6) 사이의 노드에 연결된다.

제1 차동코일(DC11)과 제2 차동코일(DC12)은 복수의 턴수로 형성될 수 있으며, 이 경우 전력변환부(120)의 출력단, 즉 커패시터(C11)의 입력단의 전압을 크게 감소시킬 수 있다. 이는 커패시터와 코일이 서로 반대 방향의 임피던스를 형성하여 전체 임피던스가 서로 상쇄되기 때문이다.

제1 차동코일(DC11)과 제2 차동코일(DC12)은 오버랩되어 직교방향으로 배치될 수 있다. 일 예로, 제1 차동코일(DC11)이 전장방향으로 배치되고 제2 차동코일(DC12)이 전장방향으로 배치되거나, 제1 차동코일(DC11)이 전폭방향으로 배치되고 제2 차동코일(DC12)이 전장방향으로 배치될 수 있다. 또한, 제1 차동코일(DC11)이 좌측 대각선 방향으로 배치되고 제2 차동코일(DC12)이 우측 대각선 방향으로 배치되거나, 제1 차동코일(DC11)이 우측 대각선 방향으로 배치되고 제2 차동코일(DC12)이 좌측 대각선 방향으로 배치될 수 있다. 제1 차동코일(DC11)과 제2 차동코일(DC12)의 배치 구조는 특별히 한정되는 것은 아니다.

제1 스위치(S1) 내지 제2 스위치(S8)는 구동부(131)의 제어신호, 즉 직교신호에 의해 스위칭될 수 있다.

또한, 제5 스위치(S5)와 제8 스위치(S8)가 동일하게 스위칭되고, 제6 스위치(S6)와 제7 스위치(S7)가 동일하게 스위칭된다. 예컨대, 제5 스위치(S5)와 제8 스위치(S8)가 동시에 턴온 및 턴오프되고, 제6 스위치(S6)와 제7 스위치(S7)가 동시에 턴온 및 턴오프된다. 제5 스위치(S5)와 제8 스위치(S8)가 턴온되면 제6 스위치(S6)와 제7 스위치(S7)는 턴오프되며, 제5 스위치(S5)와 제8 스위치(S8)가 턴오프되면 제6 스위치(S6)와 제7 스위치(S7)가 턴온된다.

정류부(210)는 제1 다이오드(D1) 내지 제4 다이오드(D8)를 포함한다.

제1 다이오드(D1)와 제2 다이오드(D2)가 직렬 연결되고, 제3 다이오드(D3)와 제4 다이오드(D4)가 직렬 연결되며, 제5 다이오드(D5)와 제6 다이오드(D6)가 직렬 연결되며, 제7 다이오드(D7)와 제8 다이오드(D8)가 직렬 연결된다.

제1 다이오드(D1)와 제2 다이오드(D2) 사이의 노드가 제3 커패시터(C21)를 통해 제3 차동코일(DC21)의 일측에 연결되고, 제3 다이오드(D3)와 제4 다이오드(D4) 사이의 노드가 제3 차동코일(DC21)의 타측에 연결된다.

제7다이오드(D7)와 제8 다이오드(D8) 사이의 노드가 제4 커패시터(C22)를 통해 제4 차동코일(DC22)의 일측에 연결되고, 제5 다이오드(D5)와 제6 다이오드(D6) 사이의 노드가 제4 차동코일(DC22)의 타측에 연결된다.

구동부(131)는 제1 스위치(S1) 내지 제4 스위치(S8)를 제어한다. 이 경우, 구동부(131)는 제1 차동코일(DC11)과 제2 차동코일(DC12)을 직교 신호로 구동시키는데, 제1 스위치(S1)와 제4 스위치(S4)를 턴온시키고 제2 스위치(S2)와 제3 스위치(S3)가 턴오프시키거나, 제1 스위치(S1)와 제4 스위치(S4)를 턴오프시키고 제2 스위치(S2)와 제3 스위치(S3)를 턴온시킬 수 있다.

또한, 구동부(131)는 제5 스위치(S5)와 제8 스위치(S8)를 턴온시키고 제7 스위치(S7)와 제6 스위치(S6)가 턴오프시키거나, 제5 스위치(S5)와 제8 스위치(S8)를 턴오프시키고 제7 스위치(S7)와 제6 스위치(S6)를 턴온시킬 수 있다.

이에 따라, 전력전달코일(141)에 의해 회전자계가 형성되어 전력수신코일(221)에 전력이 전달된다. 즉, 전력전달코일(141)에 의해 형성된 회전자계에 의해 전류가 유도되고 이 유도전류를 정류부(210)에 인가되게 된다.

이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기차 무선충전 시스템의 충전코일 위치 측정 장치는 충전코일 주변에 직교 방향으로 차동코일을 설치하여 전기차의 위치측정코일 간의 상호 공진을 통해 충전코일의 위치를 측정한다.

또한, 본 발명의 다른 측면에 따른 전기차 무선충전 시스템의 충전코일 위치 측정 장치는 회전자계를 생성하기 위해 커패시터를 차동코일과 직렬로 연결하여 양질의 회전자계를 얻을 수 있고 전자력선의 양을 감소시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따른 전기차 무선충전 시스템의 충전코일 위치 측정 장치는 직교 게이트 드라이버의 듀티를 조절하여 자력선의 양을 조절할 수 있고, half-bridge 또는 H-bridge에 사용되는 크기가 작고 저전력의 트랜지스터를 사용할 수 있도록 한다.

본 명세서에서 설명된 구현은, 예컨대, 방법 또는 프로세스, 장치, 소프트웨어 프로그램, 데이터 스트림 또는 신호로 구현될 수 있다. 단일 형태의 구현의 맥락에서만 논의(예컨대, 방법으로서만 논의)되었더라도, 논의된 특징의 구현은 또한 다른 형태(예컨대, 장치 또는 프로그램)로도 구현될 수 있다. 장치는 적절한 하드웨어, 소프트웨어 및 펌웨어 등으로 구현될 수 있다. 방법은, 예컨대, 컴퓨터, 마이크로프로세서, 집적 회로 또는 프로그래밍가능한 로직 디바이스 등을 포함하는 프로세싱 디바이스를 일반적으로 지칭하는 프로세서 등과 같은 장치에서 구현될 수 있다. 프로세서는 또한 최종-사용자 사이에 정보의 통신을 용이하게 하는 컴퓨터, 셀 폰, 휴대용/개인용 정보 단말기(personal digital assistant: "PDA") 및 다른 디바이스 등과 같은 통신 디바이스를 포함한다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 기술이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야할 것이다.

100: 전력전송부 110: 전력공급부
120: 전력변환부 130: 전력전달제어기
140: 전력전달부 200: 충전코일 감지부
210: 정류부 220: 전력수신부
400: 프로세서 500: 차량 제어기
600: 자력선 누출 방지부 610: 제1 자력선 차단부
620: 제2 자력선 차단부

Claims

전력전송부에서 발생된 자력선의 세기에 따라 충전코일의 위치에 대응되는 전기적인 신호를 출력하는 충전코일 감지부;
상기 충전코일 감지부로부터 출력된 전압값의 세기에 따라 상기 충전코일의 위치를 측정하는 프로세서; 및
상기 전력전송부에서 발생된 자력선이 외부로 누출되는 것을 방지하는 자력선 누출 방지부를 포함하는 전기차 무선충전 시스템의 충전코일 위치 측정 장치.
제1항에 있어서, 상기 충전코일 감지부는
상기 전력전송부에 의해 생성된 회전자계에 따라 전력을 발생시키는 전력수신부를 포함하고,
상기 전력수신부는 정상 전압 또는 역상 전압을 출력하는 제3 차동코일, 및 정상 전압 또는 역상 전압을 출력하는 제4 차동코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기차 무선충전 시스템의 충전코일 위치 측정 장치.
제2항에 있어서, 상기 제3 차동코일과 제4 차동코일은
직교방향으로 동일 평면상에 배치되거나, 또는 직교방향으로 배치되어 수직방향으로 오버랩되는 것을 특징으로 하는 전기차 무선충전 시스템의 충전코일 위치 측정 장치.
제2항에 있어서, 상기 제3 차동코일과 상기 제4 차동코일은
정상 전압을 출력하는 포지티브 로프부와 역상 전압을 출력하는 네가티브 루프부가 원형, 반원형, 부채꼴, 사각형 중 적어도 하나의 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 전기차 무선충전 시스템의 충전코일 위치 측정 장치.
제1항에 있어서, 상기 프로세서는
상기 충전코일 감지부로부터 출력된 전압값의 세기가 기 설정된 설정범위 이내이면 상기 충전코일과 집전코일이 정렬된 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 전기차 무선충전 시스템의 충전코일 위치 측정 장치.
제1항에 있어서, 상기 프로세서의 제어명령에 따라 전기차를 정렬 위치에 배치시키고 상기 충전코일과 집전코일의 위치를 표시하는 차량 제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기차 무선충전 시스템의 충전코일 위치 측정 장치.
제1항에 있어서, 회전 자계를 발생시켜 상기 충전코일 감지부에 전력을 전달하는 전력전송부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기차 무선충전 시스템의 충전코일 위치 측정 장치.
직류전압을 교류전압으로 변환하는 전력변환부;
상기 전력변환부로부터 공급된 전력을 이용하여 전력 전달을 위한 회전자계를 발생시키는 전력전달부;
상기 전력변환부를 통해 상기 전력전달부에 교류전압을 인가하여 상기 전력전달부를 통해 회전자계를 발생시키는 전력전달제어기; 및
상기 전력전달부에서 발생된 자력선이 외부로 누출되는 것을 방지하는 자력선 누출 방지부를 포함하는 전기차 무선충전 시스템의 충전코일 위치 측정 장치.
제8항에 있어서, 상기 전력전달부는
상기 전력변환부로부터 입력된 전력에 따라 정상 또는 역상의 자계를 형성하는 제1 차동코일; 및
상기 전력변환부로부터 입력된 전력에 따라 정상 또는 역상의 자계를 형성하는 제2 차동코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 충전코일 위치 측정 장치.
제9항에 있어서, 상기 제1 차동코일과 상기 제2 차동코일은
직교방향으로 동일 평면상에 배치되거나, 또는 직교방향으로 배치되어 수직방향으로 오버랩되는 것을 특징으로 하는 전기차 무선충전 시스템의 충전코일 위치 측정 장치.
제9항에 있어서, 상기 전력전달제어기는
상기 제1 차동코일과 상기 제2 차동코일에 직교신호를 인가하여 상기 제1 차동코일과 상기 제2 차동코일을 통해 회전자계를 생성하는 것을 특징으로 하는 전기차 무선충전 장치.
제9항에 있어서, 상기 제1 차동코일과 상기 제2 차동코일은
정상 전압을 출력하는 포지티브 로프부와 역상 전압을 출력하는 네가티브 루프부가 원형, 반원형, 부채꼴, 사각형 중 적어도 하나의 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 전기차 무선충전 시스템의 충전코일 위치 측정 장치.