WO2020159324A1 - 전기차량 및 산업용 장비의 주행 중 무선충전 급전 및 집전 시스템 - Google Patents

전기차량 및 산업용 장비의 주행 중 무선충전 급전 및 집전 시스템 Download PDF

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송보윤
이교일
강성주
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Definitions

  • the present invention relates to a wireless charging power supply and current collecting system, and more specifically, to a wireless charging power during operation of electric vehicles such as electric buses, electric passenger cars, trams, light rails, subways, and industrial equipment including RTGC (Rubber Tyred Gantry Crane). And a current collecting system.
  • electric vehicles such as electric buses, electric passenger cars, trams, light rails, subways, and industrial equipment including RTGC (Rubber Tyred Gantry Crane).
  • RTGC Random Gantry Crane
  • a power supply system is installed to enable wireless charging on the road.
  • FIG. 1 is a view showing a feeding line of the wireless charging system 100 while driving a conventional wireless charging electric vehicle, the feeding line is placed on the left and right sides of the inverter 101 and is composed of a single coil.
  • a sinusoidal current is applied to a power supply line composed of a common line portion 130 and a power supply region 140, and the applied current is structured to return to the inverter 110 again.
  • Such a configuration mainly consists of a power supply line in a low frequency band (20-40 kHz), so that electric vehicles and industrial equipment can be wirelessly charged.
  • a low frequency band (20-40 kHz)
  • the breakdown voltage between both ends of the same feed line increases by about 4.25 times, which may cause problems such as discharge and leakage current.
  • a method of shortening the teeth of the feeder line or reducing the current used may be proposed, but if the length is shortened, the charging time of the charging electric vehicle during driving is shortened, resulting in a problem that the charging amount is significantly reduced.
  • Reducing the current may be one method, but when reducing the current, a voltage lower than the battery voltage is formed as an excitation electromotive force, which may cause a problem that the battery is not easily charged.
  • the present invention was created to solve this problem, and more effectively reduces the breakdown voltage of the feeder line, further improves the compatibility with various wireless charging current collector pads installed in the vehicle in a manner that further reduces the cost, and also of the feeder line.
  • the purpose of the present invention is to provide a wireless charging and feeding system that reduces electromagnetic interference (EMI).
  • EMI electromagnetic interference
  • Another object of the present invention is to provide a new method of improving the limitation of the length of the feeder line section and the problem of the dead section during wireless charging during driving.
  • a system for wirelessly controlling charging power during driving of an electric vehicle and industrial equipment (hereinafter referred to as ⁇ electric vehicle'') equipped with a current collector according to the present invention is wireless by alternating current flow.
  • an inverter that controls supply of an alternating current flowing in the feed cables of each of the one or more feed segments, and the other end of the feed cable of each feed segment having one end connected to the inverter is configured to return to the inverter, and the wireless charging.
  • the power supply system includes two or more inverters, a plurality of consecutive inverters share a power factor correction (PFC) of a three-phase AC power source.
  • PFC power factor correction
  • the coil constituting the feeder cable may have a structure in which Teflon having a strong insulating property is wrapped around a conductor and the outer body is wrapped with an insulator having a lower dielectric strength than Teflon.
  • the section between each feed segment may be formed such that the feed cable is at a right angle to prevent a dead section.
  • a section between each feed segment may be additionally provided with a ferromagnetic feed core between the feed segment and the feed segment to prevent a dead section.
  • each feed segment may be arranged such that each feed segment is attached to each other to prevent a dead section, or a distance between each feed segment may be installed as close as possible.
  • each feeding segment is further provided with a relay
  • each coil can independently adjust the phase of the current by the relay, so that the n pairs Any combination of phases of 0 degrees or 180 degrees is possible with respect to the coil of, and the wireless power supplied through the feeder cable can be controlled by controlling the current phase combination.
  • Each coil of the section (hereinafter referred to as a'common line') where each coil constituting the feeder cable is collected may be set to have a current direction so as to cancel a magnetic field above a predetermined criterion.
  • a shielding tube surrounding the entire coil may be further provided for shielding the magnetic field.
  • the inverter detects the location of the electric vehicle that has entered, detects current collector information mounted on the electric vehicle, and locates the electric vehicle according to the detected current collector information. It is possible to control the power of the branch and to cut off the power of the location when the corresponding electric vehicle leaves the location.
  • the method for controlling the power feeding by the wireless charging power supply system includes: (a) When an electric vehicle equipped with a current collector enters a feeding section controlled by the inverter, the corresponding electric vehicle Detecting the position of the; (B) the inverter, grasping the information of the current collector mounted on the electric vehicle; (c) the inverter converting a point where the electric vehicle is located into a charging mode according to the identified current collector information, and controlling power to be supplied to the location; And, (d) when the electric vehicle is out of the position, the inverter includes the step of switching the position to the off mode, to cut off the power of the position.
  • each coil can independently adjust the phase of the current independently by a relay, and all combinations of phases of 0 or 180 degrees for the n pairs of coils This is possible, and the inverter can control the wireless power supplied through the feeding cable by controlling the current phase combination.
  • a current collecting system installed under an electric vehicle and collecting power wirelessly from a wireless charging and feeding system includes a current collecting cable that generates an induced voltage from power generated from the wireless charging and feeding system; A current collecting core made of a ferromagnetic material for effectively generating an induced voltage in the current collecting cable; And a pressure-resistant branching capacitor for reducing the breakdown voltage of the current collecting cable, wherein the current collecting core has a shape of reducing magnetic field density and thereby reducing the possibility of heat generation in the current collection system.
  • the current collector cables are arranged such that the current directions of adjacent current collector cables are opposite to each other, and the current directions of each capacitor are arranged to be paired with each other according to the current direction excited by the breakdown voltage capacitor. Can be.
  • the capacitor box including the plurality of breakdown voltage capacitors may be installed separately from the current collector core and current collector cable to facilitate maintenance.
  • a magnetic field shielding plate may be further included around the current collecting core and the current collecting cable.
  • a magnetic field shielding plate is further provided on the current collecting core at a predetermined distance from the feeding core, and a sensor for detecting heat generated in the current collecting system is provided on the lower surface of the magnetic field shielding plate.
  • a signal line for transmitting a temperature signal to the control unit may be connected
  • the present invention it is possible to expand the wireless feeder line while driving by solving the problems of internal pressure on the conventional feeder line with a capacitor provided in a'hammer' or'inverter' existing outside the road, and a design method of a feeder line and a common line arrangement design. And, according to the scalability, there is an effect of greatly improving the economic problem of the wireless charging system.
  • the present invention has an effect of providing a new method of improving the limitation of the length of the feeder line section, the problem of the dead section during wireless charging during driving, and the like.
  • FIG. 1 is a view showing a feeding line of a conventional wireless charging power supply system.
  • Figure 2 is a schematic diagram showing a wireless charging and feeding system including an electric vehicle on the road according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a view showing a coil structure of a power supply line of a wireless charging power supply system according to a first embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is a view showing the shape and structure of the ferromagnetic material forming the feeding core of the wireless charging power supply system according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram showing a distance between coils and a distance between a coil and a ferromagnetic material that is a power supply core according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a graph showing a change in inductance per unit distance of a power supply line according to the design variable shown in FIG. 5.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a method of processing a common line portion in a wireless charging and feeding system according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a flow chart showing a power supply control method in a wireless charging power supply system according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a schematic diagram showing a wireless charging and feeding system including an electric vehicle on a road according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a schematic diagram of the configuration of a power supply line switch in a wireless charging power supply system including an electric vehicle on a road according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view showing a cable configuration for improving cable breakdown characteristics used in a power supply line of a wireless charging power supply system including an electric vehicle on a road according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a view showing a type of a section and an improvement method for the section in a feed line of a wireless charging and feeding system including an electric vehicle on a road according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a view showing a shielding process for a common line portion of an incoming line and a power line from a wireless charging power supply system including an electric vehicle to an inverter according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a view showing an embodiment of a jig for power supply core construction in a wireless charging power supply system including an electric vehicle on a road according to a second embodiment of the present invention.
  • 15 is a view showing an embodiment of a cable configuration in the wireless charging current collector system of the present invention.
  • 16 is a view showing another embodiment of the cable configuration in the wireless charging current collector system of the present invention.
  • Fig. 17 is a view showing the arrangement of a capacitor for breakdown voltage in the wireless charging current collector system of the present invention.
  • FIG. 18 is a diagram showing the structure of a ferromagnetic material and the magnetic field dense saturation distribution in the wireless charging current collector system of the present invention.
  • 19 is a view showing the installation position of the capacitor box in the wireless charging current collector system of the present invention.
  • 20 is a view showing a simulation result of the induction heating prediction around the current collecting system in the wireless charging current collecting system of the present invention, and a magnetic field shield installation state to prevent the same.
  • 21 is a view showing an embodiment of an installation form of a sensor for detecting ferromagnetic heat generation in the wireless charging current collector system of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a wireless charging and feeding system including an electric vehicle on a road according to the first embodiment of the present invention.
  • the feeder line in a wireless power transmission of an electric vehicle (bus, tram, train, passenger car, etc.) 10, the feeder line includes a feeding part composed of a plurality of feeding pads And an inverter 210 supplying AC power to the power supply unit, and a common line 230 connecting the inverter 210 and the power supply unit.
  • the feeding part includes a feeding core made of a ferromagnetic material and a feeding cable 240.
  • the configuration of the inverter 210 or the box 220 of the wireless charging power supply system 200 of the present invention is not limited to the inverter or the box, but may include a switch or other power device, and these devices are also through the inverter or box Since the device implements the same functions as the one to be implemented, in the following description, these will be referred to collectively as the inverter 210 and other boxes 220.
  • the term'ham' refers to a circuit part including a capacitor and a relay, and hereinafter referred to as a'capacitor part 220' by distinguishing it from the inverter 210.
  • a relay is also provided in the inverter 210.
  • the common line connecting the power supply unit and the inverter does not return, and as shown in FIG. 2, it has a structure to expand and connect to the next inverter or capacitor unit 220.
  • the other end of the feeder cable having one end connected to the nth capacitor unit returns to the nth capacitor unit. It is not connected to the n+1th capacitor portion.
  • the wireless charging power supply system 200 of the present invention of FIG. 2 includes a feeding line having compatibility so that charging can be performed even when various types of wireless charging pads are attached to various types of vehicles.
  • the breakdown voltage of the power supply line can be more effectively reduced through a capacitor provided in the inverter 210 or a capacitor provided in the capacitor unit 220.
  • the reason why the breakdown voltage of the power supply line can be reduced is that the capacitor cancels out the inductance generated in the power supply line.
  • the advantage of the present invention is that a plurality of inverters are not used to implement the compatibility as described above. That is, if a plurality of inverters are used, as much of the installation cost is incurred, which lowers economic efficiency.
  • the present invention sufficiently secures such compatibility through one inverter 210 and one or more capacitors 220 connected as shown in FIG. 2 with the inverter 210, that is, the inverter 210 or the capacitor. It is possible to ensure compatibility by changing the current phase through the relay disposed in the unit 220. The implementation method of such compatibility will be described later in detail with reference to FIG. 3.
  • the shape of the power supply line of the wireless charging power supply system 200 may be various shapes including an elliptical or circular structure, and may not include a ferromagnetic material such as a ferrite core as a power supply core, or a ferromagnetic material as a power supply core.
  • a ferromagnetic material such as a ferrite core as a power supply core
  • a ferromagnetic material as a power supply core
  • the coil structure of the feed line may be composed of a pair of coils or two or more pairs, an example of this is illustrated in FIG. 3.
  • the current direction of each coil of the feeder line may be made of any possible combination in the coil, and the interval between a pair of coils or two or more pairs of coils may be variously spaced including equal intervals It may include but will be described later with reference to FIGS. 3 and 5.
  • FIG. 3 is a view showing a coil structure of a power supply line of the wireless charging power supply system 200 according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a wireless charging power supply system 200 according to the first embodiment of the present invention. It is a drawing showing the shape and structure of the ferromagnetic material forming the feed core.
  • the shape and structure of the ferromagnetic material may include all of the modified shapes including bar-type, L-type, and W-type.
  • FIG. 3 an embodiment 300 of a cross-section of a feed cable 240 constituting a feed line, that is, a cross section showing a current direction flowing through the feed cable 240 is illustrated.
  • the feed line may be composed of a single number of coils 301 or a plurality of coils 302, 303, 304.
  • the direction in which the current flows is indicated by' ⁇ '
  • the direction in which the current flows is indicated by'X'.
  • only three examples of 301, 302, and 303 are shown for the case of using two coils, but any combination of two' ⁇ ' and two'X' is possible.
  • the direction of the current in each coil can be controlled to' ⁇ ' or'X'. That is, according to the control of the relay of the inverter 210 and the relay of the capacitor unit 220, it is possible to control the phase of the current in each coil to 0 or 180 degrees.
  • wireless power is generated by the magnetic flux transmitted from the corresponding power supply line section to the charging mode, or the magnetic flux is canceled to cut off the power to the current collecting side (off mode).
  • a magnetic flux is generated from the current of the power supply cable 240, so that the current collector pickup is in the charging mode.
  • the pair of coils on the left side are canceled each other as currents of opposite phases, so that power for charging is not generated.
  • the pair of coils on the right does not generate electricity on the current collector side.
  • the phase control of the current can be variously controlled in addition to switching to the charging mode or the off mode.
  • a feeding magnetic flux forms a current collecting voltage according to the distance 20 between the two coils.
  • Genie may generate some power at the receiving end. That is, if the two coils are arranged very close, little power will be generated at the receiving side, but as the distance between the two coils is farther than a predetermined interval, the generated power at the receiving side will increase.
  • the distance between the coils 20 and the distance between the coil 240 and the lower feeding core 250 (refer to FIG.
  • Inverter 210 that controls the magnitude and phase of the generated current, as well as controlling the wireless power generation of the corresponding section on or off according to the case where the vehicle is present or non-existent in a specific segment of the feeder line section, the section By detecting the type of the pick-up device mounted on the vehicle passing through, and the height of the current collecting device from the ground of the feeder line, which differs depending on a large vehicle or a passenger car, so that appropriate wireless power is supplied to the current collecting device It is possible to control the phase of the current flowing through the power supply cable 240 of the power supply line, that is, the coil 240 as shown in the embodiment 300 of FIG. 3.
  • the control of the phase of the current by the inverter 210 is performed by controlling the relay provided in the inverter 210 and the relay provided in the capacitor 220 of each section.
  • each coil can independently adjust the phase of the current by a relay under the control of the inverter 210, so that n pairs of Any combination of phases of 0 degrees or 180 degrees with respect to the coil is possible, and the wireless power supplied through the feeding cable is controlled by controlling the current phase combination of the inverter 210.
  • 5 is a distance 20 between the coil 240, which is a design parameter of the wireless charging and feeding system 200 according to the first embodiment of the present invention, and a distance 30 between the coil 240 and the ferromagnetic material 250, which is a feeding core.
  • 6 is a graph showing a change in inductance per unit distance of a power supply line according to the design variable shown in FIG. 5.
  • each coil may be arranged to be contacted without a separation distance, or may be arranged to be spaced apart at a certain distance, and the coils and the power supply core constituting the power supply cable may also be arranged to be contacted without a separation distance, or may be arranged to be spaced at a certain distance. have.
  • F15 graph 61 means that the separation distance 30 between the ferromagnetic body and the coil is 15 mm
  • F25 means that the separation distance 30 between the ferromagnetic body and the coil is 25 mm (62).
  • the value of the x-axis (horizontal axis) of the graph represents the distance 20 between the coils
  • the y-axis (vertical axis) means inductance per unit length.
  • the graph shows an example of a total of 66 designs for the design variables (20, 30) at intervals, and the appropriate design variable values are set according to the environment and various conditions in which the power supply line is installed. Can be set.
  • FIG. 7 is a view illustrating a method of processing a portion of the common line 230 in the wireless charging and feeding system 200 according to the first embodiment of the present invention.
  • the common line refers to a portion where the feeding cable 240 is collected, that is, a portion 230 of which the feeding cable is collected from the inverter 210 or the capacitor unit 220 (see FIG. 2 ).
  • the common line 230 is not only shielded by a magnetic field wrapped by the shield tube 260, but also can maximize the magnetic field canceling effect by reducing the direction of the current as shown in FIG. 7(b), thereby reducing inductance.
  • FIG. 8 is a flowchart illustrating a power supply control method in the wireless charging power supply system 200 according to the first embodiment of the present invention.
  • the control of Figure 8 is performed by the inverter 210.
  • the power-supply section controlled by the inverter means all the capacitor parts 220 connected to the corresponding inverter 210 and the power-supply cable section connected thereto.
  • the position of the corresponding vehicle to be sensed means that which power supply segment is in the power supply section.
  • the power supply segment is a power supply line between the inverter 210 and the next capacitor part 221 (see FIG. 2), and a power supply line between the next capacitor part 221 (see FIG. 2) and the next capacitor part 222 (see FIG. 2). Etc. Referring to FIG.
  • the feed line between the inverter 210 and the next capacitor unit 221 (refer to FIG. 2) is referred to as a first feed segment, and the next capacitor unit 221 (see FIG. 2) and the next capacitor unit 222 , See FIG. 2 ), when the second power supply segment is referred to as a second power supply segment, the current vehicle has entered the second power supply segment.
  • the position detection (S801) may be performed in various ways, but as an embodiment, GPS information of the corresponding vehicle 10 is received to determine a feeding segment in a feeding section of the current inverter 210 of the corresponding vehicle. Can.
  • the inverter 210 connected to the power supply segment in which the corresponding vehicle 10 is located directly detects the vehicle entry, or the capacitor units 221 and 222 connected to the power supply segment detects the vehicle entrance and sends a signal to the inverter 210. can send.
  • the inverter 210 connected to the power supply segment in which the corresponding vehicle 10 is located directly detects current collector information mounted in the corresponding vehicle 10, or the capacitor units 221 and 222 connected to the power supply segment are connected to the corresponding vehicle ( 10) by detecting the current collector information mounted on the sensor, and sending the information to the inverter 210, whereby the inverter 210 can grasp the current collector information (S802).
  • the current collector information may include the type of current collector, the height of the current collector from the ground, and the like.
  • the inverter 210 switches the power supply segment in which the vehicle is located to the charging mode and controls the power to be supplied according to the current collector information thus identified (S803). As described above with reference to FIG. 3, the control of the power is controlled by controlling the relay of the inverter 210 and the capacitor unit 221 or 222 of the corresponding feeding segment to control the phase of the current of each coil 240. You can do it the way
  • the inverter 210 switches the power supply segment to the off mode to cut off the power of the power supply segment (S804).
  • the power-off of the power supply segment may also be controlled by controlling the relay of the capacitor part 221 or 222 of the power supply segment to control the phase of the current of each coil 240.
  • FIG. 9 is a schematic diagram showing a wireless charging and feeding system 300 according to a second embodiment of the present invention
  • FIG. 10 is a configuration of a power supply line switch in the wireless charging and feeding system 300 according to the second embodiment of the present invention. It is a schematic diagram for
  • a common line connecting the power supply unit and the inverters 341 and 342 where the power supply coil and the power supply core are installed returns to the inverters 341 and 342.
  • it has a structure that shares the power factor correction (PFC) 320 of the three-phase AC power source 310. That is, when the additional inverter 342 is installed, as shown in FIG. 9, the PFC 320 is shared and synchronization between optical cables can be expected to reduce the interval between segments.
  • PFC power factor correction
  • a switch or relay for manipulating the feeder line segment and a capacitor for reducing the breakdown voltage may be included inside the inverters 341 and 342.
  • the effect of reducing the breakdown voltage by the capacitor operates according to the same principle as described with reference to the power supply system 200 as the first embodiment of FIG. 2.
  • by controlling the electric current supplied to the vehicle by adjusting the current phase through the relay control of the inverters 341 and 342, it ensures compatibility with various vehicles and various current collecting systems, which is also a feeding system 200 as the first embodiment of FIG. ).
  • FIG. 10 is a circuit diagram showing two embodiments of a structure for controlling each power supply segment 351, 352, 353 of the power supply system 300 of FIG.
  • Each segment can be turned on and off by switch operation.
  • the number of segments and the switch configuration can be applied to the control environment. Two embodiments (a) and (b) are shown according to the switch configuration.
  • efficiency can be increased and unnecessary magnetic field formation can be prevented.
  • the number of segments per inverter can be changed according to the environment, and accordingly, the switch configuration can also be applied and changed.
  • the inductor portion indicates that inductance occurs in the feed coils of the feed segments 351, 352, and 353 of FIG. 9, and as described above, each capacitor performs a breakdown voltage reduction function in each feed line.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view showing a cable configuration for improving cable breakdown characteristics used in the power supply line of the wireless charging power supply system 300 according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a configuration diagram of a new feed line cable in which the Teflon sheath 42 is added to the outer diameter of the conductor 41 in the conventional method of the cable used for the feed line.
  • the breakdown voltage characteristic can be improved and the length of the wireless charging and feeding section length can also be expected to increase.
  • the Teflon 42 which has strong insulation properties, is wrapped around the conductor 41, and the outside is wrapped with an insulator 43, which has lower dielectric strength than Teflon. It is a structure (Fig. 11(b)). Accordingly, it is possible to expect an effect of extending the length of the power supply section by improving the breakdown voltage characteristics compared to the existing cable.
  • the wireless charging power supply system 300 also by applying the arrangement method of the common part of the power supply line as shown in FIG. 7, crossing the current directions of opposite polarities in pairs to increase the inductance of the line. It can be expected to decrease the length of the wireless charging power supply section length.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating a type of a segment and an improvement method for the segment in a feeding line of the wireless charging and feeding system 300 according to the second embodiment of the present invention.
  • Fig. 12 shows the types of slopes that may occur in the feeder line and ways to improve them. Adding a ferromagnetic material between each segment prevents a reduction in induced voltage and maintains a certain amount of output during wireless charging.
  • the'segment period' refers to a section in which charging power is not properly transmitted because the induced voltage transmitted to the current collection system of the vehicle is reduced.
  • each dotted line shown in FIGS. 12(a), (b1), and (c1) is an example of a section that can occur between each segment.
  • FIG. 12(b1) can be improved by adding a feeding core, that is, a ferromagnetic material 50, between the feeding segment and the feeding segment as shown in FIG. 12(b2).
  • each feeding segment can be arranged to be close to each other, or the distance between each segment can be minimized by installing the distance as close as possible.
  • 12(c1) can also be improved by adding a feeding core, that is, a ferromagnetic material 50, between the feeding segment and the feeding segment as shown in FIG. 12(c2).
  • a feeding core that is, a ferromagnetic material 50
  • the distance between each segment is installed as close as possible to minimize the slope.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating shielding of the incoming line 60 and the common line 70 to the inverter from the wireless charging power supply system 300 according to the second embodiment of the present invention.
  • the lead wire 60 and the common line 70 are shielded (62,72) with shield pipes 61 and 71, respectively, and the shield pipes 61 and 71 are connected to the inverter side and then grounded (90). Order. This is a grounding method to prevent electromotive force that may occur in the shielding tube for suppressing unnecessary electromagnetic fields.
  • the lead-in line 60 may be shielded 62 with a shield tube 61, or may be shielded 62 with a coating 61, which will be collectively referred to as a shield tube 61.
  • Such a shield tube can also be applied to the wireless charging power supply system 200 according to the first embodiment.
  • FIG. 14 is a view showing an embodiment of a jig 80 for power supply core construction in the wireless charging power supply system 300 according to the second embodiment of the present invention.
  • the prefabricated jig 80 is provided with a supporting core for mounting the feeding core 370, that is, a fixing frame capable of fixing a plurality of ferromagnetic bodies and a feeding line cable (feeding coil, 360) to support a plurality of ferromagnetic bodies 370 at a time.
  • a supporting core for mounting the feeding core 370, that is, a fixing frame capable of fixing a plurality of ferromagnetic bodies and a feeding line cable (feeding coil, 360) to support a plurality of ferromagnetic bodies 370 at a time.
  • the jig 80 may have various shapes depending on the shape of the feeder line.
  • the jig 80 may be applied to the construction of the wireless charging and feeding system 200 according to the first embodiment.
  • a flowchart showing a power supply control method in the wireless charging power feeding system 200 according to the first embodiment described with reference to FIG. 8 may also be applied to the wireless charging power feeding system 300 according to the second embodiment.
  • the inverters 341 and 342 are provided with relays that can be controlled, and when controlling the power supply segment power in step S803, the current collected as described above According to the device information (S802), each inverter 341 and 342 may control the power delivered to the current collection system 400 by controlling the relay of the corresponding feeding segment to control the phase of the current of each feeding coil. Similarly, the power cut-off of the feed segment can also be controlled by controlling the relay of the feed segment to control the phase of the current in each feed coil.
  • the graph of FIG. 6 showing a change in inductance per unit distance of the power supply line according to the illustrated design variable is a design variable value of the wireless charging power supply system 200 according to the second embodiment in the same manner as described with reference to FIG. 6. The same can be used for settings.
  • 15 is a view showing an embodiment of a cable configuration in the wireless charging current collector system 400 of the present invention.
  • the wireless charging current collecting system 400 that is, a pick-up device is installed under the vehicle to receive power while receiving wireless power from the wireless charging power feeding system 200 and 300 of the present invention while driving.
  • a parallel coil structure in the current collector system 400 implemented with relatively low inductance is shown. That is, it may be a plurality of coils 410 that are physically parallelized in a three-coil two-parallel structure or more. A low inductance effect can be expected by electrically connecting each coil in series and physically parallelizing them.
  • FIG. 16 is a view showing another embodiment of the cable configuration in the wireless charging current collector system 400 of the present invention
  • FIG. 17 is a view showing the arrangement of the capacitor for breakdown voltage in the wireless charging current collector system 400 of the present invention. to be.
  • Fig. 16 shows the overall arrangement of the current collector coils 420 arranged in series, and the capacitor 450 for pressure-resistant branching for reducing the pressure with respect to the current-collecting coils 420, and Fig. 17 shows such a pressure-voltage branching.
  • Fig. 17 shows such a pressure-voltage branching.
  • a more detailed configuration diagram of the capacitor 450 is shown.
  • the position of the internal pressure branch may be symmetrical up and down or left and right, and may be deflected to one side, and the installation position of the capacitor 450 for the internal pressure branch may be changed flexibly.
  • adjacent magnetic collector coils are arranged to be opposite to each other in accordance with the current direction excited by the capacitor 450, thereby reducing the magnetic field by reducing the magnetic field, thereby reducing the unnecessary magnetic field.
  • 450 The effect of minimizing the temperature rise due to induction heating between groups can be expected.
  • capacitor box 460 see FIG. 19
  • the direction of the current is arranged to be +,- paired (that is, the current flowing in the capacitor is generated) Structure arrangement in which magnetic fields cancel each other) It is possible to minimize the induction heating temperature rise in the aluminum/steel box, which is a capacitor and a capacitor box, or in a vehicle. That is, as indicated by red and blue crossing in the left and right boxes of FIG. 17(c), the current direction of each capacitor can be arranged such that the incoming and outgoing current directions are paired.
  • FIG. 18 is a view showing a structure of a current collecting core, that is, a ferromagnetic material and a magnetic field dense saturation distribution in the wireless charging current collecting system 400 of the present invention.
  • FIG. 18(a) is a magnetic field distribution diagram showing a state in which a saturation phenomenon of the core occurs due to a relatively dense magnetic field in a coil of the same direction current when the current collecting core 430 of FIG. 18(b) is applied.
  • the current collecting core 440 having the shape shown in FIG. 18(d) is applied to the wireless charging current collecting system 400 of the present invention, thereby reducing the magnetic field density by reducing the magnetoresistance component, and thus the possibility of heat generation in the current collecting system 400 Greatly reduced, and the result is shown in Fig. 18(c).
  • FIG. 19 is a view showing an installation position of the capacitor box 460 in the wireless charging current collector system 400 of the present invention.
  • FIG. 19(a) is a view of the current collector system 400 viewed from the side
  • FIG. 19(b) is a view of the current collector system 400 viewed from below the vehicle.
  • the capacitor box 460 includes the capacitor 450 for breakdown voltage shown in FIGS. 16 and 17. By separating the current collector system 400 and the capacitor box 460 for breakdown voltage, it can be expected to be advantageous for maintenance.
  • the capacitor box 460 is separately separated and installed in a location where maintenance is easy.
  • 20 is a view showing a simulation result of the induction heating prediction around the current collecting system 400 in the wireless charging current collecting system 400 of the present invention, and a magnetic field shield installation state to prevent this.
  • FIG. 20(a) is a view showing a simulation result for an induction heating state due to the influence of a rapid current collecting magnetic field around the current collecting system 400 in a state where the current collecting system 400 is viewed from below the vehicle
  • 20(b) shows the installation state of the magnetic field shielding plate 470 to prevent such induction heating.
  • a magnetic field shield plate 470 is installed around the current collector system 400 as shown in FIG. 20(b). By installing the magnetic field shielding plate 470, the influence of the rapid current collection magnetic field on the lower portion of the vehicle is reduced, and induction heating is prevented to reduce heat consumption.
  • FIG. 21 is a view showing an embodiment of an installation type of an OT sensor 480 that senses heat generated by the ferromagnetic material 440 in the wireless charging current collector system 400 of the present invention.
  • a magnetic field shielding plate 480 is provided at a predetermined distance from the current collecting core, that is, the ferromagnetic body 440, and is generated by the current collecting system 400 on the lower surface of the magnetic field shielding plate 480.
  • a sensor for sensing heat that is, an over-temperature (OT) sensor 491 is installed.
  • the magnetic field shielding plate 480 may be an aluminum plate as an embodiment.
  • a signal line 492 for transmitting a temperature signal sensed by the OT sensor 491 to the control unit is connected to the OT sensor 491.
  • the OT sensor 491 is installed in a portion where the ferromagnetic saturation and heat generation potential is highest according to the current collector coil structure, and provides temperature information of the current collector system 400 to the control unit.
  • 21(b) is an enlarged view of the OT sensor 491 and the signal line 492.

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Abstract

본 발명은 무선충전 급전 및 집전 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전기 버스, 전기 승용차, 트램, 경전철, 지하철 등의 전기차량 및 RTGC(Rubber Tyred Gantry Crane)를 포함한 산업용 장비의 운행 중 무선충전 급전 및 집전 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 종래 급전선로 상의 내압 문제를 도로 밖에 존재하는 '함' 또는 '인버터'에 구비된 캐패시터와, 급전선로 설계 방안 및 공통선 배치 설계로 해결함으로써 주행중 무선 급전선로의 확장을 가능하게 하며, 이러한 확장성에 따라 무선 충전 시스템의 경제성 문제를 크게 개선한다. 더욱 저렴한 비용으로 그와 같은 호환성을 충분히 만족시키는 무선 충전 급전 시스템을 제공하며, 나아가, 공통선의 구조 및 차폐관을 이용하여 자기장 상쇄 효과를 극대화함으로써 급전선로의 EMI(ElectroMagnetic Interference)를 저감시킨다.

Description

전기차량 및 산업용 장비의 주행 중 무선충전 급전 및 집전 시스템
본 발명은 무선충전 급전 및 집전 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전기 버스, 전기 승용차, 트램, 경전철, 지하철 등의 전기차량 및 RTGC(Rubber Tyred Gantry Crane)를 포함한 산업용 장비의 운행 중 무선충전 급전 및 집전 시스템에 관한 것이다.
지구 온난화로 인해 자동차, 철도 등의 교통수단에 대해, 석유 에너지를 대체하기 위해 에너지 공급원으로서 배터리를 이용한 전기력의 사용이 증가하고 있다. 그러나 현재는 배터리의 용량이 충분치 않아 주행거리가 짧고 잦은 충전이 요구될 뿐만 아니라, 충전소 등의 인프라 부족 또한 충전 시간 소요 등의 원인으로 인해 전기차가 더욱 일반적으로 보급되기에는 한계가 있어 왔으나, 주행 중에 도로 상에서 무선충전이 가능하도록 급전 시스템이 설치되고 있기도 하다.
도 1은 종래의 무선충전 전기차의 주행 중 무선충전 시스템(100)의 급전선로를 나타낸 도면으로서, 급전선로가 인버터(101)를 중심으로 좌우측에 놓이게 되고 단일 코일로 구성되어 있다.
인버터(110)에서 정현파 전류가 공통선 부분(130)과 급전 영역(140)으로 구성된 급전선로로 인가되고, 인가된 전류는 다시 그 인버터(110)로 회귀하는 구조로 되어 있다.
이러한 구성은 주로 주파수가 낮은 영역대(20~40kHz)에서는 큰 무리 없이 급전선로를 구성하여 전기차량 및 산업용 장비에 무선으로 충전이 가능하다. 그러나 차량에 장착되는 무선충전 패드의 무게와 크기 EMF 그리고 유선 충전 대비 상대적으로 비싼 무선 충전의 한계성으로 인하여 많은 연구 등으로 무선 충전의 주파수를 기존 20~40kHz에서 85kHz로 변경하고 있는 실정이다. 그러나 변경된 주파수에 따라 이점들도 확보할 수 있지만 주파수 상승에 대한 내압 문제가 상존하게 되는 단점을 지닌다
즉, 현 전기차량용 무선충전 추세에 따라 주파수가 20~40kHz에서 85kHz로 상향된다면, 동일한 급전선로에서 양단간의 내압은 약 4.25배 상승하게 되어 방전, 누설전류 등의 문제를 야기시킬 수 있다. 이를 억제하기 위해서는 급전선로의 이를 짧게 하거나 사용되는 전류를 줄이는 방안 등이 제안될 수 있으나, 길이를 짧게 할 경우 주행중 충전 전기차의 충전 시간이 짧아지게 되어 충전량이 현저히 떨어지는 문제가 발생한다. 전류를 줄이는 것도 하나의 방안이 될 수 있으나, 전류를 줄일 경우 배터리 전압보다 낮은 전압이 여기 기전력으로 형성됨으로 배터리 충전이 용이치 않게 되는 문제를 야기할 수 있는 문제점이 있다.
또한 주파수 문제와 더불어, 기존의 전기차 주행중 무선충전 급전 시스템(100)의 경우 단일 코일이 차량진행 방향으로 한 턴으로 감겨 있어, 다른 차량에 부착된 무선충전 패드와의 호환성이 결여될 수 있는 단점을 가진다.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 급전선로의 내압을 더욱 효과적으로 저감하고, 비용을 더욱 저감시킨 방식으로 차량에 설치된 다양한 무선 충전 집전 패드와의 호환성을 향상시키며, 또한 급전선로의 EMI(ElectroMagnetic Interference)를 저감시키는 무선충전 급전 및 집전 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한 본 발명은 급전선로 구간 길이의 제한, 주행 중 무선충전 시 사구간 문제 등을 개선하는 새로운 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 집전장치가 장착된 전기차량 및 산업용 장비(이하 '전기차량'이라 통칭한다)의 주행 중 무선으로 충전 전력을 제어하는 시스템은, 교류 전류가 흐름으로써 무선 충전을 위한 전력을 발생시키는 급전케이블; 상기 급전케이블에서 발생한 전력을 효과적으로 집전 시스템으로 전달하기 위한 강자성체로 구성된 급전코어; 및, 하나 이상의 급전 세그먼트 각각의 급전케이블에 흐르는 교류 전류의 공급을 제어하는 인버터를 포함하고, 상기 인버터에 일단이 연결된 각 급전 세그먼트의 급전케이블의 타단은, 인버터로 회귀하도록 구성되며, 상기 무선충전 급전 시스템이 2개 이상의 인버터를 포함하는 경우, 연속하는 다수의 인버터는, 3상 AC 전원의 PFC(power factor correction)를 공유한다.
상기 급전케이블을 구성하는 코일은, 절연 특성이 강한 테프론을 도체 주변에 감싸고 그 외곽을 테플론보다 절연 내력특성이 낮은 절연체로 감싸는 구조일 수 있다.
각 급전 세그먼트 사이 구간은, 사구간 방지를 위해 급전케이블이 직각이 되도록 형성될 수 있다.
각 급전 세그먼트 사이 구간은, 사구간 방지를 위해 급전 세그먼트와 급전 세그먼트 사이에 강자성체인 급전코어가 추가 설치될 수 있다.
각 급전 세그먼트 사이 구간은, 사구간 방지를 위해 각 급전 세그먼트가 서로 붙게 배치되거나, 또는 각 급전 세그먼트 사이의 거리가 최대한 가깝게 설치될 수 있다.
상기 각 급전 세그먼트에는 릴레이가 더 구비되고, 상기 급전케이블이 n(n≥2)쌍의 코일로 구성될 경우, 각 코일은 상기 릴레이에 의해 각각 독립적으로 전류의 위상 조정이 가능하여, 상기 n쌍의 코일에 대하여 0도 또는 180도 위상의 모든 조합이 가능하고, 상기 전류 위상 조합의 제어에 의해 급전케이블을 통하여 공급되는 무선 전력을 제어할 수 있다.
상기 급전케이블을 구성하는 각 코일이 모아지는 구간(이하 '공통선'이라 한다)의 각 코일은, 기 설정된 기준 이상으로 자기장 상쇄가 되도록 전류 방향이 설정될 수 있다.
상기 급전케이블을 구성하는 각 코일이 모아지는 구간(이하 '공통선'이라 한다)에는, 자기장 차폐를 위해 전체 코일을 감싸는 차폐관을 더 구비할 수 있다.
상기 인버터는, 상기 전기차량이 급전 구간에 진입한 경우, 진입한 전기차량의 위치를 감지하고, 상기 전기차량에 장착된 집전장치 정보를 감지하여, 감지된 집전장치 정보에 따라 해당 전기차량이 위치한 지점의 전력을 제어하고, 해당 전기차량이 그 위치에서 나간 경우, 그 위치의 전력을 차단하도록 제어할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 무선충전 급전 시스템이, 급전을 제어하는 방법은, (a) 인버터가, 상기 인버터가 제어하는 급전 구간에 집전장치를 장착한 전기차량이 진입한 경우, 해당 전기차량의 위치를 감지하는 단계; (b) 상기 인버터가, 상기 전기차량에 장착된 집전장치의 정보를 파악하는 단계; (c) 상기 인버터가, 파악된 집전장치 정보에 따라, 전기차량이 위치한 지점을 충전 모드로 전환하고, 그 위치에 급전할 전력을 제어하는 단계; 및, (d) 상기 인버터가, 상기 전기차량이 상기 위치를 빠져나간 경우, 해당 위치를 오프 모드로 전환하여, 해당 위치의 전력을 차단하는 단계를 포함한다.
급전케이블이 n(n≥2)쌍의 코일로 구성될 경우, 각 코일은 릴레이에 의해 각각 독립적으로 전류의 위상 조정이 가능하여, 상기 n쌍의 코일에 대하여 0도 또는 180도 위상의 모든 조합이 가능하고, 상기 인버터는 상기 전류 위상 조합의 제어에 의해 급전케이블을 통하여 공급되는 무선 전력을 제어할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 전기차량 하부에 설치되고, 무선충전 급전 시스템으로부터 무선으로 전력을 집전하는 집전 시스템은, 무선충전 급전 시스템으로부터 발생한 전력으로부터 유도 전압을 발생시키는 집전케이블; 상기 집전케이블에서의 유도 전압을 효과적으로 발생시키기 위한 강자성체로 구성된 집전코어; 및 상기 집전케이블에 대한 내압 감소를 위한 내압 분기용 캐패시터를 포함하고, 상기 집전코어는, 자계 밀집도를 줄이고, 이로써 집전 시스템에서의 발열 가능성을 감소시키는 형상을 가진다.
상기 집전케이블은, 상기 내압 분기용 캐패시터에 여기되는 전류 방향에 따라, 인접하는 집전케이블의 전류 방향이 서로 반대가 되도록 배치되고, 각 캐패시터의 전류 방향은 들어오고 나가는 전류 방향이 짝을 이루도록 배치될 수 있다.
상기 다수의 내압 분기용 커패시터를 포함하는 커패시터 박스는, 유지보수가 용이하도록, 상기 집전코어 및 집전케이블과 분리되어 설치될 수 있다.
급전선로 및 집전 자계의 영향으로 인한 차량 철 프레임에서의 발열을 방지하기 위하여, 상기 집전코어 및 집전케이블 주위에 자기장 차폐판을 더 포함할 수 있다.
상기 집전코어 위에 상기 급전코어와 일정 간격을 두고 자기장 차폐판을 더 포함하고, 상기 자기장 차폐판 아랫면에는 상기 집전 시스템에서 발생하는 열을 감지하기 위한 센서가 구비되며, 상기 센서에는, 상기 센서에서 감지한 온도 신호를 제어부로 전달하기 위한 신호선이 연결될 수 있다
본 발명에 의하면, 종래 급전선로 상의 내압 문제를 도로 밖에 존재하는 '함' 또는 '인버터'에 구비된 캐패시터와, 급전선로 설계 방안 및 공통선 배치 설계로 해결함으로써 주행중 무선 급전선로의 확장을 가능하게 하며, 이러한 확장성에 따라 무선 충전 시스템의 경제성 문제를 크게 개선하는 효과가 있다.
이와 함께 종래 다수의 인버터를 사용하는 방식에 의해 주행중 차량에 설치된 다양한 무선 충전 집전 패드와 호환성을 유지시키는 방식과 대비하여, '함'과 '인버터'내에 존재하는 릴레이를 활용함으로써 더욱 저렴한 비용으로 그와 같은 호환성을 충분히 만족시키는 무선 충전 급전 시스템을 제공하는 효과가 있다.
나아가, 공통선의 구조 및 차폐관을 이용하여 자기장 상쇄 효과를 극대화함으로써 급전선로의 EMI(ElectroMagnetic Interference)를 저감시키는 효과가 있다.
또한 본 발명은 급전선로 구간 길이의 제한, 주행 중 무선충전 시 사구간 문제 등을 개선하는 새로운 방법을 제공하는 효과가 있다.
도 1은 종래의 무선충전 급전 시스템의 급전 선로를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 도로상에 전기차량을 포함한 무선 충전 급전 시스템이 도시된 개략도.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 무선 충전 급전 시스템의 급전선로의 코일 구조를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 무선 충전 급전 시스템의 급전코어를 형성하는 강자성체의 형상과 구조를 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 무선 충전 급전 시스템의 설계 변수인 코일 간의 거리 및 코일과 급전코어인 강자성체 간의 거리를 도시한 도면.
도 6은 도 5에서 도시한 설계 변수에 따른 급전선로의 단위거리당 인덕턴스의 변화를 나타내는 그래프.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 무선 충전 급전 시스템에서 공통선 부분의 처리 방법을 예시한 도면.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 무선 충전 급전 시스템에서 급전 제어 방법을 나타내는 순서도.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 도로상에 전기차량을 포함한 무선 충전 급전 시스템이 도시된 개략도.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 도로상에 전기차량을 포함한 무선 충전 급전 시스템에서 급전선로 스위치 구성에 대한 개략도.
도 11은 본 발명의 제2 실시예에 따른 도로상에 전기차량을 포함한 무선 충전 급전 시스템의 급전선로에 사용되는 케이블 내압 특성을 개선하기 위한 케이블 구성을 나타내는 단면도.
도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따른 도로상에 전기차량을 포함한 무선 충전 급전 시스템의 급전선로에서, 사구간 유형과 그러한 사구간에 대한 개선방안을 도시한 도면.
도 13은 본 발명의 제2 실시예에 따른 도로상에 전기차량을 포함한 무선 충전 급전 시스템에서 인버터로의 인입선 및 급전선로 공통선 부분에 대한 차폐처리를 도시한 도면.
도 14는 본 발명의 제2 실시예에 따른 도로상에 전기차량을 포함한 무선 충전 급전 시스템에서 급전코어 시공을 위한 지그의 일 실시예를 도시한 도면.
도 15는 본 발명의 무선 충전 집전 시스템에서의 케이블 구성의 일 실시예를 도시한 도면.
도 16은 본 발명의 무선 충전 집전 시스템에서의 케이블 구성의 다른 실시예를 도시한 도면.
도 17은 본 발명의 무선 충전 집전 시스템에서 내압 분기용 캐패시터의 배치를 나타내는 도면.
도 18은 본 발명의 무선 충전 집전 시스템에서 강자성체의 구조 및 그에 따른 자계 밀집 포화 분포를 도시한 도면.
도 19는 본 발명의 무선 충전 집전 시스템에서 캐패시터 박스의 설치 위치를 도시한 도면.
도 20은 본 발명의 무선 충전 집전 시스템에서 집전 시스템 주변의 유도 가열 예상에 대한 시뮬레이션 결과 및, 이를 방지하기 위한 자기장 차폐판 설치 상태를 도시한 도면.
도 21은 본 발명의 무선 충전 집전 시스템에서 강자성체 발열을 감지하는 센서의 설치 형태의 일 실시예를 도시한 도면.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 도로상에 전기차량을 포함한 무선 충전 급전 시스템이 도시된 개략도이다.
이하에서는 '급전케이블' 또는 '급전코일'을 동일한 의미로 혼용하여 사용하기로 한다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 무선 충전 급전 시스템(200)은 전기차량(버스, 트램, 전철, 승용차 등)(10)의 무선전력전달에 있어서, 급전선로는 복수개의 급전패드로 구성된 급전부와, 급전부에 교류전력을 공급하는 인버터(210)와, 인버터(210)와 급전부를 연결하는 공통선(230)을 포함한다. 급전부는 강자성체로 구성되는 급전코어와 급전케이블(240)을 구비한다.
본 발명의 무선충전 급전 시스템(200)의 인버터(210) 또는 함(220)의 구성은, 인버터 또는 함으로 국한되지 않고 스위치 또는 다른 전력장치를 수반할 수 있는데, 이러한 장치들 역시 인버터 또는 함을 통하여 구현하는 것과 동일한 기능을 구현하는 장치이므로, 이하의 설명에서는 이들을 인버터(210) 및 그 외의 함(220)으로 통칭하여 부르기로 한다. 여기서 '함'이라함은 캐패시터(capacitor)와 릴레이(relay)를 포함하는 회로부가 포함된 함을 말하는 것으로서, 이하에서는 이를 인버터(210)와 구분하여 '캐패시터부(220)'라 칭하기로 한다. 이와 같은 릴레이는 인버터(210)에도 구비된다.
또한 본 발명에서는 급전부와 인버터를 연결하는 공통선이 회귀되지 않고, 도 2에 도시된 바와 같이 다음 인버터 또는 캐패시터부(220)로 확장 연결하는 구조를 가진다. 마찬가지로, 캐패시터부(220)가 2개 이상 구비(221,222...) 되는 경우에도, 도 2에 도시된 바와 같이 제 n번째 캐패시터부에 일단이 연결된 급전케이블의 타단은, 제 n번째 캐패시터부로 회귀하지 않고 제 n+1번째 캐패시터부로 연결된다.
도 2의 본 발명의 무선충전 급전 시스템(200)은, 다양한 종류의 차량에 다양한 종류의 무선충전 패드가 부착되더라도 충전이 가능하도록, 호환성을 구비한 급전 선로를 포함한다. 도 2와 같이 급전선로를 구성할 경우, 인버터(210) 내에 구비된 캐패시터, 또는 캐패시터부(220)에 구비된 캐패시터를 통해 급전선로의 내압을 보다 효과적으로 저감할 수 있다. 급전선로의 내압을 저감시킬 수 있는 이유는, 급전선로에서 발생하는 인덕턴스를, 캐패시터가 상쇄하게 되기 때문이다.
나아가, 본 발명의 장점은, 전술한 바와 같은 호환성을 구현하기 위해 복수개의 인버터를 이용하지 않는다는 점이다. 즉, 복수개의 인버터를 사용할 경우 그만큼 많은 설치 비용이 들어가게 되어 경제성을 저하시킨다. 본 발명은 하나의 인버터(210)와 함께, 그 인버터(210)와 도 2와 같이 연결된 하나 이상의 커패시터부(220)를 통하여 그와 같은 호환성을 충분히 확보하게 되는데, 즉, 인버터(210) 또는 캐패시터부(220)에 배치된 릴레이를 통해 전류 위상을 바꿈으로써 호환성을 확보할 수 있게 되는 것이다. 이와 같은 호환성의 구현 방법에 대하여는 도 3을 참조하여 상세히 후술하기로 한다.
또한 무선충전 급전 시스템(200)의 급전선로의 형상은 타원형 또는 원형 구조를 비롯하여 다양한 형상일 수 있으며, 급전코어로서 페라이트 코어와 같은 강자성체를 수반하거나, 또는 급전코어로서의 강자성체를 수반하지 않을 수도 있는데, 급전코어로서의 강자성체를 구비하는 경우 그러한 강자성체의 형상의 실시예에 대하여는 도 4를 참조하여 후술하기로 한다.
그리고 급전선로의 코일 구조는 하나의 코일이 한 쌍으로 구성되거나 2쌍 이상으로 구성될 수 있으며, 이에 대한 예시는 도 3에 도시되어 있다.
2쌍 이상의 코일로 구성된 급전선로의 경우, 급전선로의 각 코일의 전류 방향은, 코일에서 가능한 모든 조합으로 이루어질 수 있으며, 한 쌍의 코일 또는 2쌍 이상의 코일들의 간격은 등간격을 포함하여 다양한 간격을 포함할 수 있는데 이에 대하여는 도 3 및 도 5를 참조하여 후술하기로 한다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 무선 충전 급전 시스템(200)의 급전선로의 코일 구조를 나타낸 도면이며, 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 무선 충전 급전 시스템(200)의 급전코어를 형성하는 강자성체의 형상과 구조를 나타낸 도면으로 강자성체의 형상과 구조는 bar-타입과, L-타입, W-타입 등을 포함하여 이를 변형한 형상들을 모두 포함할 수 있다.
도 3에서 급전선로를 구성하는 급전케이블(240)의 단면, 즉, 급전케이블(240)에서 흐르는 전류 방향을 나타내는 단면의 실시예(300)가 도시되어 있다.
단면의 실시예(300)와 같이 급전선로는 단수개의 코일(301) 또는 복수개의 코일(302,303,304)로 구성될 수 있다. 본 도면에서는 전류가 나오는 방향을 '·', 전류가 들어가는 방향을 'X'로 표시하였다. 본 도면에서는 2개의 코일을 사용하는 경우에 대하여 301, 302, 303의 3가지 예에 대하여만 도시하였으나, '·'가 2개이고 'X'가 2개인 어떠한 조합도 가능함은 물론이다.
인버터(210)의 릴레이와 캐패시터부(220)의 릴레이의 제어에 따라 각 코일에서의 전류의 방향을 '·' 또는 'X'로 제어 가능하다. 즉, 인버터(210)의 릴레이와 캐패시터부(220)의 릴레이의 제어에 따라 각 코일에서의 전류의 위상을 0 또는 180도로 제어할 수 있는 것이다.
이와 같이 각 코일의 위상을 제어함에 의해 해당 급전선로 구간에서 상부로 전달되는 자속에 의한 무선 전력을 발생시켜 충전 모드로 하거나 또는 자속이 상쇄되어 집전측에 전력이 차단(오프 모드)될 수 있다. 예를 들어 도 3에서 302의 경우는 급전케이블(240)의 전류로부터 자속이 발생하여 집전 픽업이 충전모드가 된다. 그러나 303의 경우는 좌측의 코일 1쌍은 반대의 위상의 전류로서 서로 상쇄되어 충전을 위한 전력이 발생하지 않게 된다. 우측의 코일 1쌍도 마찬가지로 집전측에 전력이 발생하지 않는다.
이와 같이 전류의 위상 제어는, 충전 모드 또는 오프 모드로 전환시키는 것 이외에도 다양한 제어를 할 수 있다. 예를 들어, 도 3의 303 또는 304의 경우에, 좌측의 코일 1쌍이 전류의 위상이 서로 반대라도, 그 2개의 코일간의 거리(20)에 따라 급전 자속이 집전 전압을 형성할 수 있는 형상을 지니는 수신측에 전력이 어느 정도 발생할 수도 있다. 즉, 2개의 코일이 매우 가깝게 배치되어 있다면 수신측에 전력은 거의 발생하지 않을 것이지만, 그 2개의 코일의 거리가 떨어진 거리가 일정 간격 이상으로 멀수록 발생하는 수신측의 전력은 증가하게 된다. 이와 같이 코일 간의 거리(20), 또한 코일(240)과 하부의 급전코어(250)간의 거리(30, 도 5 참조)에 따라, 양측의 1쌍의 코일에 동일 위상의 전류가 흐를 경우의 발생 전력, 그리고 반대 위상의 전류가 흐를 경우의 발생 전력은 집전측의 픽업과 호환을 이루며 변화하게 된다. 결국 다양한 집전픽업의 형상에 따라 급전 전류를 제어함으로써 다양한 픽업에 전력을 공급할 수 있게 될 것이다.
발생 전류의 크기 및 위상을 제어하는 인버터(210)는, 급전선로 구간의 특정 세그먼트에 차량이 존재 또는 비존재의 경우에 따라 해당 구간의 무선 전력 발생을 온 또는 오프로 제어할 뿐 아니라, 해당 구간을 지나는 차량에 장착된 집전장치(pick-up device)의 종류 및, 대형차량 또는 승용차 등에 따라 차이가 나는 급전선로 지면으로부터의 집전장치의 높이 등을 감지하여 해당 집전장치에 적절한 무선 전력이 공급되도록 급전선로의 급전케이블(240), 즉, 도 3의 실시예(300)에 나타난 바와 같은 코일(240)에 흐르는 전류의 위상을 제어할 수 있는 것이다.
이와 같은 인버터(210)에 의한 전류의 위상의 제어는, 인버터(210)에 구비된 릴레이 및, 각 구간의 캐패시터부(220)에 구비된 릴레이를 제어함에 의해 수행된다.
즉, 급전케이블(240)이 n(n≥2)쌍의 코일로 구성될 경우, 각 코일은 인버터(210)의 제어에 따라 릴레이에 의해 각각 독립적으로 전류의 위상 조정이 가능하여, n쌍의 코일에 대하여 0도 또는 180도 위상의 모든 조합이 가능하고, 이와 같은 인버터(210)의 전류 위상 조합의 제어에 의해 급전케이블을 통하여 공급되는 무선 전력을 제어하는 것이다.
이와 같이 다양한 집전장치의 종류 및 다양한 집전장치의 설치 높이 등에 대하여도 전술한 바와 같이 충전을 위한 적절한 무선 전력량을 자동으로 제어하여 공급해주는 것이 전술한 바와 같은 '호환성'인 것이다.
또한 이러한 위상의 제어에 따라 급전선로의 인덕턴스를 저감시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 무선 충전 급전 시스템(200)의 설계 변수인 코일(240) 간의 거리(20) 및 코일(240)과 급전코어인 강자성체(250) 간의 거리(30)를 도시한 도면이고, 도 6은 도 5에서 도시한 설계 변수에 따른 급전선로의 단위거리당 인덕턴스의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 5는 급전선로를 구성하는 코일 사이 간격에 따른 호환성 확보 및 인덕턴스 저감으로 인한 구간 확장에 대한 방안을 나타낸다. 코일 사이 간격(20), 코일과 강자성체 사이 거리(30)의 변화에 따른 인덕턴스 값을 단위거리로 환산하여 유리한 조건을 판단할 수 있다. 즉, 각 코일은 이격 거리 없이 접촉되도록 배치되거나, 또는 일정 거리 이격되어 배치될 수 있고, 급전케이블을 구성하는 코일과 급전코어 역시, 이격 거리 없이 접촉되도록 배치되거나, 또는 일정 거리 이격되어 배치될 수 있다.
도 6에서 F15 그래프(61)는 강자성체와 코일의 이격 거리(30)가 15mm, F25는 강자성체와 코일의 이격 거리(30)가 25mm(62)을 의미한다. 또한 그래프의 x축(가로축)의 값은 코일 간의 거리(20)를 나타내며, y축(세로축)은 단위길이당 인덕턴스를 의미한다.
그래프에서 각 그래프에 찍힌 66개의 점들은, 그래프는 간격의 설계변수(20,30)에 대해서 총 66가지 설계의 예시를 나타낸 것으로서, 급전선로가 설치되는 환경 및 여러 조건에 따라 적절한 설계변수 값을 설정할 수 있다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 무선 충전 급전 시스템(200)에서 공통선(230) 부분의 처리 방법을 예시한 도면이다.
공통선이란, 급전케이블(240)이 모아지는 부분, 즉, 예를 들어 인버터(210) 또는 캐패시터부(220)에서 급전케이블이 모아져서 나오는 부분(230, 도 2 참조)을 말한다. 이러한 공통선(230)은 차폐관(260)에 의해 감싸져서 자기장 차폐가 될 뿐 아니라, 도 7(b)와 같이 전류의 방향 조절에 의해서도 자기장 상쇄 효과를 극대화하여 인덕턴스를 저감시킬 수 있다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 무선 충전 급전 시스템(200)에서 급전 제어 방법을 나타내는 순서도이다.
도 8의 제어는 인버터(210)에서 수행한다. 인버터(210)가 제어하는 급전 구간에 집전장치를 장착한 전기차량(10)이 진입한 경우, 해당 차량의 위치를 감지한다(S801). 인버터가 제어하는 급전 구간이라 함은 해당 인버터(210)와 연결되어 있는 모든 커패시터부(220) 및 그에 연결되어 있는 급전케이블 구간을 의미한다. 감지하는 해당 차량의 위치란, 해당 급전 구간 내에서 어느 급전 세그먼트에 있는지를 파악한다는 의미이다. 급전 세그먼트란, 인버터(210)와 다음 캐패시터부(221, 도 2참조) 사이의 급전선로, 다음 캐패시터부(221, 도 2참조)와 그 다음 캐패시터부(222, 도 2참조) 사이의 급전선로 등을 말한다. 도 2를 참조하면, 인버터(210)와 다음 캐패시터부(221, 도 2참조) 사이의 급전선로를 제1 급전 세그먼트라 하고, 다음 캐패시터부(221, 도 2참조)와 그 다음 캐패시터부(222, 도 2참조) 사이의 급전선로를 제2 급전 세그먼트라 할 경우, 현재 차량이 제2 급전 세그먼트에 진입한 상태이다.
그와 같은 위치 감지(S801)는 다양한 방법으로 이루어질 수 있으나, 일 실시예로서 해당 차량(10)의 GPS 정보를 수신하여 해당 차량 현재 인버터(210)의 급전 구간 내의 급전 세그먼트를 파악하는 방법으로 할 수 있다. 또는, 해당 차량(10)이 위치한 급전 세그먼트에 연결된 인버터(210)가 직접 차량 진입을 감지하거나, 또는 그 급전 세그먼트에 연결된 캐패시터부(221,222) 등이 차량 진입을 감지하여 인버터(210)로 신호를 보낼 수 있다.
이후, 해당 차량(10)이 위치한 급전 세그먼트에 연결된 인버터(210)가 직접 해당 차량(10)에 장착된 집전장치 정보를 감지하거나, 또는 그 급전 세그먼트에 연결된 캐패시터부(221,222) 등이 해당 차량(10)에 장착된 집전장치 정보를 감지하여 인버터(210)로 그 정보를 보내주어, 이로써 인버터(210)가 집전장치 정보를 파악할 수 있다(S802). 집전장치 정보란, 집전장치의 종류, 집전장치의 지면으로부터의 높이 등을 포함할 수 있다.
인버터(210)는, 이와 같이 파악된 집전장치 정보에 따라, 차량이 위치한 급전 세그먼트를 충전 모드로 전환하고 급전할 전력을 제어한다(S803). 이와 같은 전력의 제어는, 도 3을 참조하여 전술한 바와 같이 인버터(210)와 해당 급전 세그먼트의 캐패시터부(221 또는 222 등)의 릴레이를 제어하여 각 코일(240)의 전류의 위상을 제어하는 방식으로 할 수 있다.
이후 주행중인 해당 차량(10)이 그 급전 세그먼트를 빠져나간 경우에는, 인버터(210)는 해당 급전 세그먼트를 오프 모드로 전환하여, 해당 급전 세그먼트의 전력을 차단하게 된다(S804). 이와 같은 급전 세그먼트의 전력 차단 역시 해당 급전 세그먼트의 캐패시터부(221 또는 222 등)의 릴레이를 제어하여 각 코일(240)의 전류의 위상을 제어하는 방식으로 할 수 있다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 무선 충전 급전 시스템(300)이 도시된 개략도이고, 도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 무선 충전 급전 시스템(300)에서 급전선로 스위치 구성에 대한 개략도이다.
이하에서도 '급전케이블' 또는 '급전코일'을 동일한 의미로 혼용하여 사용하기로 한다.
도 9의 제2 실시예로서의 급전 시스템은, 도 2의 제1 실시예의 급전 시스템과 달리, 급전코일 및 급전코어가 설치된 급전부와 인버터(341,342)를 연결하는 공통선이 인버터(341,342)로 회귀하는 구조로서, 3상 AC 전원(310)의 PFC(power factor correction)(320)를 공유하는 구조를 가진다. 즉, 추가 인버터(342)를 설치할 경우, 도 9에 도시된 바와 같이 PFC(320)를 공유하고 광케이블 통신으로 동기화를 함으로써 세그먼트 간의 사구간을 줄이는 효과를 기대할 수 있다.
인버터(341,342) 내부에는, 급전선로 세그먼트 조작을 위한 스위치 또는 릴레이와, 내압 감소를 위한 캐패시터를 포함할 수 있다. 캐패시터에 의한 내압 감소 효과는, 도 2의 제1 실시예로서의 급전 시스템(200)을 참조하여 설명한 바와 동일한 원리에 의하여 작동한다. 또한 인버터(341,342)의 릴레이 제어를 통하여 전류 위상을 조절하여 차량으로 공급되는 전력을 제어함으로써 다양한 차량 및, 다양한 집전 시스템에 대한 호환성을 확보하는데, 이 또한 도 2의 제1 실시예로서의 급전 시스템(200)을 참조하여 설명한 바와 동일한 원리에 의하여 구현된다.
또한 도 9에서 급전선로를 구성할 경우, 급전 구간을 연장하는 만큼 세그먼트를 추가하여 구현할 수 있다.
도 10은 도 9의 급전 시스템(300)의 각 급전 세그먼트(351,352,353)를 제어하는 구조의 2가지 실시예를 나타내는 회로도이다. 스위치 조작으로 각 세그먼트를 켜고 끌 수 있는 구조로서, 세그먼트 수와 스위치 구성은 제어 환경에 맞게 응용될 수 있다. 스위치 구성 방식에 따라 2가지 실시예인 (a),(b)가 도시되어 있다. 급전이 필요한 영역의 세그먼트만 선택적으로 작동시켜줌으로써 효율을 높이고 불필요한 자계 형성을 방지할 수 있다. 인버터 당 세그먼트 수는 환경에 따라서 변할 수 있으며 그에 따라 스위치 구성도 함께 응용되어 변경될 수 있다. 도 10에서 인덕터 부분은 도 9의 각 급전 세그먼트(351,352,353)의 급전코일에서 인덕턴스가 발생함을 나타내고, 전술한 바와 같이 각 캐패시터는 각 급전선로에서의 내압 감소 기능을 수행하게 된다.
도 11은 본 발명의 제2 실시예에 따른 무선 충전 급전 시스템(300)의 급전선로에 사용되는 케이블 내압 특성을 개선하기 위한 케이블 구성을 나타내는 단면도이다.
도 11에서 급전선로에 사용 되는 케이블의 기존 방식에서 도체(41) 외경에 테프론(teflon) 피복(42)을 추가한 새로운 급전선로 케이블의 구성도이다. 이로써 내압 특성이 개선되고 무선충전 급전 구간 길이 또한 증가하는 효과를 기대할 수 있다.
즉, 기존 구조(도 11(a))의 케이블 내부에서, 절연 특성이 강한 테프론(42)을 도체(41)에 주변에 감싸고, 그 외곽을 테플론보다 절연 내력특성이 낮은 절연체(43)로 감싸는 구조(도 11(b))이다. 이로써 기존 케이블 대비 내압 특성을 개선하여 급전구간의 길이를 연장하는 효과를 기대할 수 있다.
한편, 제2 실시예에 따른 무선 충전 급전 시스템(300)에서도 역시, 도 7과 같이 급전선로 공통선 부분의 정리 방식을 적용하여, 서로 반대 극성의 전류방향을 쌍으로 교차하게 함으로써 선로의 인덕턴스를 감소시켜 무선충전 급전 구간 길이가 증가하는 효과를 기대할 수 있다.
도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따른 무선 충전 급전 시스템(300)의 급전선로에서, 사구간 유형과 그러한 사구간에 대한 개선방안을 도시한 도면이다.
도 12에서 급전선로에서 발생할 수 있는 사구간의 유형과 이를 개선하는 방안을 나타낸다. 각 세그먼트 사이에 강자성체를 추가함으로써 유도 전압 감소를 방지하고 무선충전 시 일정량의 출력을 유지하도록 한다. 여기서 '사구간'이란 차량의 집전 시스템으로 전달되는 유도 전압이 감소되어 제대로 충전 전력이 전달되지 못하는 구간을 의미한다.
도 12(a),(b1),(c1)에 표시한 각 점선 내부는 각 세그먼트 사이에서 발생할 수 있는 사구간의 예시이다.
도 12(a)의 경우는 이미 개선 방안이 적용된 경우로서, 급전선로 케이블을 최대한 직각이 되도록 정리해주어 유도 전압 감소 현상을 방지한 것이다.
도 12(b1)의 경우는 도 12(b2)와 같이 급전 세그먼트와 급전 세그먼트 사이에 급전코어, 즉, 강자성체(50)를 추가해줌으로써 개선할 수 있다. 또한 각 급전 세그먼트가 서로 붙게 배치되거나, 또는 각 세그먼트 사이의 거리를 최대한 가깝게 설치하는 것으로 사구간을 최소화 할 수 있다.
도 12(c1)의 경우 역시 도 12(c2)와 같이 급전 세그먼트와 급전 세그먼트 사이에 급전코어, 즉, 강자성체(50)를 추가해줌으로써 개선할 수 있다. 또한 각 세그먼트 사이의 거리를 최대한 가깝게 설치하는 것으로 사구간을 최소화 할 수 있다.
도 13은 본 발명의 제2 실시예에 따른 무선 충전 급전 시스템(300)에서 인버터로의 인입선(60) 및 급전선로 공통선(70) 부분에 대한 차폐처리를 도시한 도면이다.
인입선(60) 및 공통선(70) 부분을 각각 차폐관(61,71)으로 쉴드(shield) 처리(62,72)하고 차폐관(61,71)은 인버터 측에 연결시킨 후 접지(90)시킨다. 이는 불요전자계 억제를 위한 차폐관에 발생할 수 있는 기전력을 방지하기 위한 접지 방안이다. 인입선(60)은 차폐관(61)으로 차폐 처리(62)할 수도 있고, 피복재(61)로 차폐 처리(62)할 수도 있는데, 통칭하여 차폐관(61)으로 표시하기로 한다. 이와 같은 차폐관은 제1 실시예에 따른 무선 충전 급전 시스템(200)에도 적용될 수 있다.
*도 14는 본 발명의 제2 실시예에 따른 무선 충전 급전 시스템(300)에서 급전코어 시공을 위한 지그(80)의 일 실시예를 도시한 도면이다.
조립식으로 이루어진 지그(80)에는 급전코어(370), 즉, 강자성체를 다수개 고정할 수 있는 고정틀 및 급전선로 케이블(급전코일, 360)을 거치하는 지지대가 구비되어 한번에 다수의 강자성체(370)를 설치할 수 있도록 하여, 급전선로 케이블(360)을 효과적으로 배치할 수 있게 한다. 이와 같은 지그(80)는 급전선로 형태에 따라서 다양한 형태를 가질 수 있다. 이와 같은 지그(80)는, 제1 실시예에 따른 무선 충전 급전 시스템(200)의 시공에도 적용될 수 있다.
한편, 도 8을 참조하여 설명한 제1 실시예에 따른 무선 충전 급전 시스템(200)에서 급전 제어 방법을 나타내는 순서도는, 제2 실시예에 따른 무선 충전 급전 시스템(300)에도 적용될 수 있다.
즉, 제2 실시예에 따른 무선 충전 급전 시스템(300)에서도 각 인버터(341,342)가 제어할 수 있는 릴레이를 구비하도록 하고, 단계(S803)의 급전 세그먼트 전력 제어시, 전술한 바와 같이 파악된 집전장치 정보에 따라(S802), 각 인버터(341,342)는 해당 급전 세그먼트의 릴레이를 제어하여 각 급전코일의 전류의 위상을 제어하는 방식에 의해 집전 시스템(400)으로 전달되는 전력을 제어할 수 있다. 마찬가지로 급전 세그먼트의 전력 차단 역시 해당 급전 세그먼트의 릴레이를 제어하여 각 급전코일의 전류의 위상을 제어하는 방식으로 할 수 있다.
또한 도시한 설계 변수에 따른 급전선로의 단위거리당 인덕턴스의 변화를 나타내는 도 6의 그래프는, 도 6을 참조한 설명과 같은 방식으로 제2 실시예에 따른 무선 충전 급전 시스템(200)의 설계 변수 값 설정에도 동일하게 사용될 수 있다.
도 15는 본 발명의 무선 충전 집전 시스템(400)에서의 케이블 구성의 일 실시예를 도시한 도면이다.
무선 충전 집전 시스템(400), 즉, 픽업(pick-up) 장치는 차량 하부에 설치되어, 주행중 본 발명의 무선 충전 급전 시스템(200,300)으로부터 무선 전력을 전달받아 집전을 수행하게 된다.
이하에서는 '집전케이블' 또는 '집전코일'을 동일한 의미로 혼용하여 사용하기로 한다.
도 15에서 상대적으로 낮은 인덕턴스로 구현하는 집전 시스템(400) 내의 병렬 코일 구조를 나타낸다. 즉, 물리적으로 3코일 2병렬 구조 또는 그 이상으로 병렬화시킨 다수의 코일(410)이 될 수 있다. 각각의 코일들을 전기적으로 직렬 체결하고 이를 물리적으로 병렬화 시킴으로써 낮은 인덕턴스 효과를 기대할 수 있다.
도 16은 본 발명의 무선 충전 집전 시스템(400)에서의 케이블 구성의 다른 실시예를 도시한 도면이고, 도 17은 본 발명의 무선 충전 집전 시스템(400)에서 내압 분기용 캐패시터의 배치를 나타내는 도면이다.
도 16에는, 직렬로 배치된 집전코일(420) 및, 이러한 집전코일(420)에 대한 내압 감소를 위한 내압 분기용 캐패시터(450)의 전체적 배치 구성이 도시되어 있고, 도 17에는 그러한 내압 분기용 캐패시터(450)에 대한 더욱 상세한 구성도가 도시되어 있다.
집전 시스템(400)의 설치 환경에 따라서 내압 분기의 위치는 상하 또는 좌우 대칭적일 수 있고 한쪽으로 편향될 수도 있는 등, 내압 분기용 캐패시터(450)의 설치 위치는 유동적으로 바뀔 수 있다.
도 17(a),(b)를 참조하면, 캐패시터(450)에 여기되는 전류 방향에 따라서 인접하는 집전 코일이 서로 반대되는 전류 방향이 되도록 배치함으로써 자계 상쇄가 되도록 하여 불요 자계를 줄이며, 이로써 캐패시터(450) 군 사이의 유도가열에 의한 온도 상승을 최소화하는 효과를 기대할 수 있다. 이와 더불어 층을 이루는 캐패시터 군 (캐패시터 박스(460), 도 19 참조)의 경우에는 도 17(c)와 같이 전류의 방향을 +,- 짝을 이루도록 배치하여(즉, 캐패시터에 흐르는 전류가 생성한 자기장이 서로 상쇄되는 구조 배치) 캐패시터 및 캐패시터 박스인 알루미늄/철제함 또는 차량에 유도 가열 온도 상승을 최소화 할 수 있다. 즉, 도 17(c)의 좌우 박스에 붉은색과 파란색이 교차되는 것으로 표시한 바와 같이, 각 캐패시터의 전류 방향은 들어오고 나가는 전류 방향이 짝을 이루도록 배치되게 할 수 있다.
도 18은 본 발명의 무선 충전 집전 시스템(400)에서 집전코어, 즉, 강자성체의 구조 및 그에 따른 자계 밀집 포화 분포를 도시한 도면이다.
도 18(a)는 도 18(b)의 종래 형상의 집전코어(430)를 적용했을 때 동일 방향 전류의 코일에서 상대적으로 자계가 밀집하여 코어의 포화현상이 발생하는 상태를 나타내는 자계 분포도이다.
본 발명의 무선 충전 집전 시스템(400)에는 도 18(d)에 나타난 형상의 집전코어(440)를 적용하여, 자기저항 성분을 줄임으로써 자계 밀집도를 줄이고, 이로써 집전 시스템(400)에서의 발열 가능성을 크게 감소시키며, 그 결과가 도 18(c)에 도시되어 있다.
도 19는 본 발명의 무선 충전 집전 시스템(400)에서 캐패시터 박스(460)의 설치 위치를 도시한 도면이다.
도 19(a)는 집전 시스템(400)을 측면에서 바라본 도면이고, 도 19(b)는, 차량 하부에서 집전 시스템(400)을 올려다 본 도면이다.
캐패시터 박스(460)에는, 도 16 및 도 17에 도시된 내압 분기용 캐패시터(450)가 포함되어 있다. 집전 시스템(400)과 내압 분기용 캐패시터 박스(460)를 분리해서 구성함으로써 유지보수에 유리함을 기대할 수 있다.
차량 하부에 설치하는 집전코일(420)의 위치 특성상 내압 분기를 위한 캐패시터가 집전 시스템(400)과 일체형으로 구성될 경우 유지보수 측면에서 어려움이 있다. 상대적으로 소손 가능성이 높은 캐패시터(450)의 유지보수를 유리하게 하기 위하여 캐패시터 박스(460)를 따로 분리하고 유지보수가 용이한 위치에 설치한다.
도 20은 본 발명의 무선 충전 집전 시스템(400)에서 집전 시스템(400) 주변의 유도 가열 예상에 대한 시뮬레이션 결과 및, 이를 방지하기 위한 자기장 차폐판 설치 상태를 도시한 도면이다.
도 20(a)에서 점선으로 표시한 부분이 자기장 영향으로 발열이 예상되는 부분이다. 즉, 도 20(a)는, 차량 하부에서 집전 시스템(400)을 올려다 본 상태에서 집전 시스템(400) 주변의, 급집전 자계의 영향으로 인한 유도 가열 상태에 대한 시뮬레이션 결과를 표시한 도면이고, 도 20(b)는 이러한 유도 가열을 방지하기 위한 자기장 차폐판(470)의 설치 상태를 나타낸다.
급집전의 영향으로 차량 철제 하부가 유도가열되는 경우, 상당한 양의 전력 손실이 야기되며 전체 집전 시스템(400)의 효율을 감소시키는 요인이 된다. 이를 방지하는 방안으로 도 20(b)와 같이 집전 시스템(400) 주변에 자기장 차폐판(470)을 설치한다. 자기장 차폐판(470)을 설치함으로써 차량 하부에 대한 급집전 자계의 영향을 감소시키고 유도가열을 방지하여 발열 소모를 줄여준다.
도 21은 본 발명의 무선 충전 집전 시스템(400)에서 강자성체(440)의 발열을 감지하는 OT 센서(480)의 설치 형태의 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 21(a)에서, 집전코어, 즉 강자성체(440) 위에는 강자성체(440)와 일정 간격을 두고 자기장 차폐판(480)이 구비되며, 자기장 차폐판(480) 아랫면에는 집전 시스템(400)에서 발생하는 열을 감지하기 위한 센서, 즉, OT(over-temperature) 센서(491)가 설치된다.
자기장 차폐판(480)은, 일 실시예로서 알루미늄 플레이트일 수 있다. 이와 같은 OT 센서(491)에는, OT 센서(491)에서 감지한 온도 신호를 제어부로 전달하기 위한 신호선(492)이 연결되어 있다. OT 센서(491)는, 집전코일 구조에 따라 강자성체 포화 및 발열 가능성이 가장 높은 부분에 설치되도록 하며, 집전 시스템(400)의 온도 정보를 제어부로 제공한다.
도 21(b)는 OT 센서(491)와 신호선(492)을 확대한 도면이다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (16)

  1. 집전장치가 장착된 전기차량 및 산업용 장비(이하 '전기차량'이라 통칭한다)의 주행 중 무선으로 충전 전력을 제어하는 시스템으로서,
    교류 전류가 흐름으로써 무선 충전을 위한 전력을 발생시키는 급전케이블;
    상기 급전케이블에서 발생한 전력을 효과적으로 집전 시스템으로 전달하기 위한 강자성체로 구성된 급전코어; 및,
    하나 이상의 급전 세그먼트 각각의 급전케이블에 흐르는 교류 전류의 공급을 제어하는 인버터
    를 포함하고,
    상기 인버터에 일단이 연결된 각 급전 세그먼트의 급전케이블의 타단은, 인버터로 회귀하도록 구성되며,
    상기 무선충전 급전 시스템이 2개 이상의 인버터를 포함하는 경우,
    연속하는 다수의 인버터는, 3상 AC 전원의 PFC(power factor correction)를 공유하는,
    를 포함하는 전기차량에 대한 무선충전 급전 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 급전케이블을 구성하는 코일은,
    절연 특성이 강한 테프론을 도체 주변에 감싸고 그 외곽을 테플론보다 절연 내력특성이 낮은 절연체로 감싸는 구조인 것
    을 특징으로 하는 전기차량에 대한 무선충전 급전 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    각 급전 세그먼트 사이 구간은,
    사구간 방지를 위해 급전케이블이 직각이 되도록 형성된 것
    을 특징으로 하는 전기차량에 대한 무선충전 급전 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    각 급전 세그먼트 사이 구간은,
    사구간 방지를 위해 급전 세그먼트와 급전 세그먼트 사이에 강자성체인 급전코어가 추가 설치된 것
    을 특징으로 하는 전기차량에 대한 무선충전 급전 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    각 급전 세그먼트 사이 구간은,
    사구간 방지를 위해 각 급전 세그먼트가 서로 붙게 배치되거나, 또는 각 급전 세그먼트 사이의 거리가 최대한 가깝게 설치된 것
    을 특징으로 하는 전기차량에 대한 무선충전 급전 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 각 급전 세그먼트에는 릴레이가 더 구비되고,
    상기 급전케이블이 n(n≥2)쌍의 코일로 구성될 경우,
    각 코일은 상기 릴레이에 의해 각각 독립적으로 전류의 위상 조정이 가능하여,
    상기 n쌍의 코일에 대하여 0도 또는 180도 위상의 모든 조합이 가능하고,
    상기 전류 위상 조합의 제어에 의해 급전케이블을 통하여 공급되는 무선 전력을 제어하는 것
    을 특징으로 하는 전기차량에 대한 무선충전 급전 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 급전케이블을 구성하는 각 코일이 모아지는 구간(이하 '공통선'이라 한다)의 각 코일은, 기 설정된 기준 이상으로 자기장 상쇄가 되도록 전류 방향이 설정되는 것
    을 특징으로 하는 전기차량에 대한 무선충전 급전 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 급전케이블을 구성하는 각 코일이 모아지는 구간(이하 '공통선'이라 한다)에는, 자기장 차폐를 위해 전체 코일을 감싸는 차폐관
    을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 전기차량에 대한 무선충전 급전 시스템.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 인버터는,
    상기 전기차량이 급전 구간에 진입한 경우, 진입한 전기차량의 위치를 감지하고, 상기 전기차량에 장착된 집전장치 정보를 감지하여, 감지된 집전장치 정보에 따라 해당 전기차량이 위치한 지점의 전력을 제어하고, 해당 전기차량이 그 위치에서 나간 경우, 그 위치의 전력을 차단하도록 제어하는 것
    을 특징으로 하는 전기차량에 대한 무선충전 급전 시스템.
  10. 청구항 1의 무선충전 급전 시스템이, 급전을 제어하는 방법으로서,
    (a) 인버터가, 상기 인버터가 제어하는 급전 구간에 집전장치를 장착한 전기차량이 진입한 경우, 해당 전기차량의 위치를 감지하는 단계;
    (b) 상기 인버터가, 상기 전기차량에 장착된 집전장치의 정보를 파악하는 단계;
    (c) 상기 인버터가, 파악된 집전장치 정보에 따라, 전기차량이 위치한 지점을 충전 모드로 전환하고, 그 위치에 급전할 전력을 제어하는 단계; 및,
    (d) 상기 인버터가, 상기 전기차량이 상기 위치를 빠져나간 경우, 해당 위치를 오프 모드로 전환하여, 해당 위치의 전력을 차단하는 단계
    를 포함하는, 무선충전 급전 시스템의 급전 제어 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    급전케이블이 n(n≥2)쌍의 코일로 구성될 경우,
    각 코일은 릴레이에 의해 각각 독립적으로 전류의 위상 조정이 가능하여,
    상기 n쌍의 코일에 대하여 0도 또는 180도 위상의 모든 조합이 가능하고,
    상기 인버터는 상기 전류 위상 조합의 제어에 의해 급전케이블을 통하여 공급되는 무선 전력을 제어하는 것
    을 특징으로 하는 무선충전 급전 시스템의 급전 제어 방법.
  12. 전기차량 하부에 설치되고, 청구항 1의 무선충전 급전 시스템으로부터 무선으로 전력을 집전하는 집전 시스템으로서,
    무선충전 급전 시스템으로부터 발생한 전력으로부터 유도 전압을 발생시키는 집전케이블;
    상기 집전케이블에서의 유도 전압을 효과적으로 발생시키기 위한 강자성체로 구성된 집전코어; 및
    상기 집전케이블에 대한 내압 감소를 위한 내압 분기용 캐패시터
    를 포함하고,
    상기 집전코어는,
    자계 밀집도를 줄이고, 이로써 집전 시스템에서의 발열 가능성을 감소시키는 형상을 가지는,
    전기차량의 무선충전 집전 시스템.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 집전케이블은,
    상기 내압 분기용 캐패시터에 여기되는 전류 방향에 따라, 인접하는 집전케이블의 전류 방향이 서로 반대가 되도록 배치되고, 각 캐패시터의 전류 방향은 들어오고 나가는 전류 방향이 짝을 이루도록 배치되는 것
    을 특징으로 하는 전기차량의 무선충전 집전 시스템.
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 다수의 내압 분기용 커패시터를 포함하는 커패시터 박스는,
    유지보수가 용이하도록, 상기 집전코어 및 집전케이블과 분리되어 설치되는 것
    을 특징으로 하는 전기차량의 무선충전 집전 시스템.
  15. 청구항 12에 있어서,
    급전선로 및 집전 자계의 영향으로 인한 차량 철 프레임에서의 발열을 방지하기 위하여,
    상기 집전코어 및 집전케이블 주위에 자기장 차폐판
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기차량의 무선충전 집전 시스템.
  16. 청구항 12에 있어서,
    상기 집전코어 위에 상기 급전코어와 일정 간격을 두고 자기장 차폐판
    을 더 포함하고,
    상기 자기장 차폐판 아랫면에는 상기 집전 시스템에서 발생하는 열을 감지하기 위한 센서가 구비되며,
    상기 센서에는, 상기 센서에서 감지한 온도 신호를 제어부로 전달하기 위한 신호선이 연결된 것
    을 특징으로 하는 전기차량의 무선충전 집전 시스템.
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