WO2023191451A1 - 무선 전력 전송을 위한 코일 구조를 포함하는 무선 전력 전송 장치 및 방법 - Google Patents

무선 전력 전송을 위한 코일 구조를 포함하는 무선 전력 전송 장치 및 방법 Download PDF

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WO2023191451A1
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WO
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coil
primary coil
secondary coil
wireless power
center point
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PCT/KR2023/004112
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지성환
성재용
이민병
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현대자동차주식회사
기아 주식회사
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    • B60L53/00—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles
    • B60L53/10—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles characterised by the energy transfer between the charging station and the vehicle
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    • Y02T90/10—Technologies relating to charging of electric vehicles
    • Y02T90/12—Electric charging stations

Definitions

  • the present invention relates to a wireless power transmission device/pad for wireless power transfer (WPT), a wireless power reception device/pad, and a wireless power transmission method using the same. More specifically, it relates to various transmission methods during wireless power transfer. /Relates to a coil structure that has compatibility between receiving devices and increases power transmission efficiency, and a wireless power transmission method using the same.
  • Electric vehicles which are being developed recently, drive motors with battery power, produce fewer air pollutants such as exhaust gases and noise than conventional gasoline engine vehicles, have fewer breakdowns, have a longer lifespan, and are easier to drive. It has the advantage of being simple to operate.
  • Electric vehicles are classified into Hybrid Electric Vehicle (HEV), Plug-in Hybrid Electric Vehicle (PHEV), and Electric Vehicle (EV) depending on the driving source.
  • HEV has an engine as main power and a motor as auxiliary power.
  • PHEV has a motor that provides main power and an engine that is used when the battery is discharged.
  • EVs have a motor, but no engine.
  • the electric vehicle charging system can basically be defined as a system that charges the battery mounted on an electric vehicle using power from the commercial power distribution grid or energy storage device.
  • These electric vehicle charging systems can take various forms depending on the type of electric vehicle.
  • an electric vehicle charging system may include a conductive charging system using a cable or a non-contact wireless power transmission system.
  • the vehicle assembly (VA) mounted on the electric vehicle engages inductive resonance coupling with the transmission pad of the ground assembly (GA) located at the charging station or charging spots. It is possible to charge the battery of an electric vehicle using the power transmitted from the ground assembly through inductive resonance coupling.
  • the structures of the transmitting pad and receiving pad are important factors.
  • ferrite a magnetic material that helps wireless power transfer, is built into the transmitting pad and receiving pad, and a coil is formed surrounding the ferrite structure. Power transfer efficiency may vary depending on the ferrite structure and/or the structure of the coil.
  • the structure and form of the coil used for wireless power transmission in electric vehicles are determined by size and single-phase or three-phase induction method depending on the charging capacity.
  • the conventional wireless power transmission method needs to be matched with the appropriate GA (Ground Assembly) system depending on the type and charging capacity of the VA (Vehicular Assembly) system.
  • the single-phase induction coil used in low-capacity wireless charging and the three-phase induction coil considered for use in high-capacity wireless charging not only have different shapes, but also have completely different magnetic field distribution forms required for normal operation, so in the prior art, there are two types of systems. There is a problem that multiple wireless power transmission charging stations must be installed due to incompatibility.
  • the purpose of the present invention to solve the above problems is to provide a hybrid type of charging that can selectively generate the magnetic field characteristics of a single-phase coil for low-capacity wireless charging and the magnetic field characteristics of a three-phase coil for high-capacity wireless charging using a single piece of hardware. It proposes the structure of the coil.
  • the purpose of the present invention is to provide a primary coil for wireless power transmission with high compatibility that can respond to all cases where the secondary coil on the vehicle side provides only single-phase operation, only three-phase operation, and when it is a hybrid type like the present invention. It proposes a structure.
  • Another object of the present invention is to provide a vehicle for wireless power transmission with high compatibility that can respond to cases where the primary coil at the charging station provides only single-phase operation, only three-phase operation, and a hybrid type like the present invention. It proposes a secondary coil structure on the side.
  • Another object of the present invention is to provide a primary/secondary coil structure that can selectively apply one of a single-phase operation mode and a three-phase operation mode in consideration of charging capacity based on the phase of the input power applied to the primary coil, and the structure thereof.
  • the proposed wireless power transmission method is proposed.
  • Another purpose of the present invention is to propose a wireless power transfer (WPT) device with high power transfer efficiency by optimizing the arrangement of a new coil structure.
  • WPT wireless power transfer
  • a wireless power transmission pad for achieving the above object is a wireless power transmission pad prepared to transmit wireless power to a receiving pad including a secondary coil.
  • the wireless power transmission pad includes a first primary coil disposed to surround a first central point around the origin of the central space; a second primary coil disposed to surround a second center point around the origin of the central space; a third primary coil disposed to surround a third central point around the origin of the central space; and a housing supporting the first primary coil, the second primary coil, and the third primary coil.
  • the first primary coil, the second primary coil, and the third primary coil are arranged so that the centers of gravity of the first center point, the second center point, and the third center point are formed at the origin.
  • the first primary coil, second primary coil, and third primary coil may be arranged in a circle centered on the origin as a design guideline.
  • the first primary coil, the second primary coil, and the third primary coil are such that up to two coils overlap in the z-axis direction at any xy coordinate on the xy plane passing through the first center point, the second center point, and the third center point. can be placed.
  • the first primary coil, the second primary coil, and the third primary coil may be formed with a flat wire wound at least once.
  • the first primary coil, the second primary coil, and the third primary coil may be formed with a litz wire wound at least once.
  • the first primary coil, the second primary coil, and the third primary coil may be controlled to perform a single-phase operation or a three-phase operation depending on the phase difference of the input power between each of the primary coils.
  • the first primary coil, the second primary coil, and the third primary coil may be controlled to perform a single-phase operation when input power of the same phase is applied to each of the primary coils.
  • the first primary coil, the second primary coil, and the third primary coil may be controlled to perform a single-phase operation when input power having a certain phase difference is applied to each of the primary coils.
  • the first primary coil, second primary coil, and third primary coil may be controlled to perform single-phase operation or three-phase operation based on the operation mode permitted by the secondary coil of the receiving pad.
  • the secondary coil of the receiving pad includes a first secondary coil, a second secondary coil, and a third secondary coil
  • the first secondary coil, the second secondary coil, and the third secondary coil are the fourth secondary coil of the first secondary coil.
  • the center of gravity of the center point, the fifth center point of the second secondary coil, and the sixth center point of the third secondary coil is perpendicular to the xy plane passing through the first center point, the second center point, and the third center point and on a center axis passing through the origin. It can be arranged to be located.
  • a wireless power reception pad is a wireless power reception pad prepared to receive wireless power from a transmission pad including a primary coil.
  • the wireless power receiving pad includes a first secondary coil disposed to surround a first central point around the origin of the central space; a second secondary coil disposed to surround a second central point around the origin of the central space; a third secondary coil disposed to surround a third central point around the origin of the central space; and a housing supporting the first secondary coil, the second secondary coil, and the third secondary coil.
  • the first secondary coil, the second secondary coil, and the third secondary coil are arranged so that the centers of gravity of the first center point, the second center point, and the third center point are formed at the origin.
  • the first secondary coil, the second secondary coil, and the third secondary coil may be arranged within a circle centered on the origin as a design guideline.
  • the first secondary coil, the second secondary coil, and the third secondary coil are such that up to two coils overlap in the z-axis direction at any xy coordinate on the xy plane passing through the first center point, the second center point, and the third center point. can be placed.
  • the first secondary coil, the second secondary coil, and the third secondary coil may be formed with a flat wire wound at least once.
  • the first secondary coil, the second secondary coil, and the third secondary coil may be formed with a litz wire wound at least once.
  • a wireless power transmission method is a method of wirelessly transmitting power from a transmitting pad including a primary coil to a receiving pad including a secondary coil.
  • the wireless power transmission method includes a first primary coil arranged to surround a first central point around the origin of the central space, a second primary coil arranged to surround a second central point around the origin of the central space, and a second primary coil arranged to surround the second central point around the origin of the central space.
  • the third primary coil arranged to surround the third central point is arranged so that the centers of gravity of the first central point, the second central point, and the third central point are formed at the origin, so that the first primary coil, the second primary coil, and the third primary coil
  • the steps provided are; and applying input power to the first primary coil, second primary coil, and third primary coil and controlling the wireless power to be transmitted to the receiving pad by single-phase operation or three-phase operation.
  • the input power of the same phase is applied to the first primary coil, the second primary coil, and the third primary coil, thereby controlling the wireless power to be transmitted to the receiving pad by a single-phase operation. You can.
  • step where wireless power is controlled to be transmitted to the receiving pad input power having a certain phase difference is applied to each of the first primary coil, second primary coil, and third primary coil, thereby transmitting wireless power to the receiving pad through three-phase operation. This can be controlled to be transmitted.
  • the first primary coil, second primary coil, and third primary coil perform single-phase operation or three-phase operation based on the operation mode permitted by the secondary coil of the receiving pad. It can be controlled to do so.
  • the wireless power transmission method is, when the secondary coil of the receiving pad includes a first secondary coil, a second secondary coil, and a third secondary coil, a first secondary coil, a second secondary coil, and the third secondary coil is such that the center of gravity of the fourth center point of the first secondary coil, the fifth center point of the second secondary coil, and the sixth center point of the third secondary coil are the first center point, the second center point, and the third center point. It may further include providing a first secondary coil, a second secondary coil, and a third secondary coil by being disposed on a central axis perpendicular to the passing xy plane and passing through the origin.
  • the installation cost of the system can be reduced by integrating the types of wireless charging coils that must vary depending on complex capacity or operation method into one.
  • a highly compatible transmitting/receiving coil structure that is compatible with the coil structure of the prior art can be provided, regardless of whether it is installed on either the secondary coil on the vehicle side or the primary coil on the charging station side.
  • a primary/secondary coil structure that can selectively apply one of a single-phase operation mode and a three-phase operation mode in consideration of charging capacity based on the phase of the input power applied to the primary coil, and A wireless power transmission method adopting that structure can be provided.
  • WPT wireless power transfer
  • FIG. 1 is a conceptual diagram of an example of a wireless power transfer (WPT) system for an electric vehicle to which an embodiment of the present invention is applied.
  • WPT wireless power transfer
  • Figures 2 and 3 are conceptual diagrams of the x, y, and z axes specified in SAE J2954 applicable to an embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is a conceptual diagram illustrating an electric vehicle wireless charging circuit according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is an equivalent circuit of a single-phase wireless power transfer (WPT) system according to an embodiment of the present invention.
  • WPT wireless power transfer
  • Figure 6 is a conceptual cross-sectional view and elevation view of a wireless power transmission pad according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is an equivalent circuit of a three-phase-three-phase wireless power transfer (WPT) system according to an embodiment of the present invention.
  • WPT wireless power transfer
  • Figure 8 is a conceptual plan view of an embodiment of coupling between 3-phase and 3-phase transmitting coils/receiving coils according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a conceptual plan view of a transmitting and/or receiving coil structure compatible with three-phase/single-phase mode for power transmission according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 10 is a conceptual perspective view of the embodiment of Figure 9.
  • Figure 11 is a conceptual perspective view of an embodiment of coupling between a transmitting coil and a receiving coil compatible with three-phase/single-phase mode for power transmission according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 12 is an operation flowchart conceptually illustrating a wireless power transmission method according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 13 is an operation flowchart conceptually illustrating a wireless power transmission method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a general illustration of hardware included in the wireless power transmission pad and/or wireless power reception pad of the present invention, or associated with the wireless power transmission pad and/or wireless power reception pad of the present invention, for controlling the sequence for wireless power transmission. This is a block diagram showing the configuration.
  • first, second, A, B, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.
  • a first component may be named a second component, and similarly, the second component may also be named a first component without departing from the scope of the present invention.
  • the term “and/or” includes any of a plurality of related stated items or a combination of a plurality of related stated items.
  • “at least one of A and B” may mean “at least one of A or B” or “at least one of combinations of one or more of A and B.” Additionally, in embodiments of the present application, “one or more of A and B” may mean “one or more of A or B” or “one or more of combinations of one or more of A and B.”
  • Electric Vehicle may refer to an automobile defined in 49 CFR (code of federal regulations) 523.3, etc. Electric vehicles can be used on highways and can be driven by electricity supplied from a vehicle-mounted energy storage device, such as a rechargeable battery from a power source external to the vehicle. Power sources may include residential or public electric services or vehicle-mounted fuel-fired generators.
  • An electric vehicle may be referred to as an electric car, electric automobile, electric road vehicle (ERV), plug-in vehicle (PV), plug-in vehicle (xEV), etc.
  • xEV is BEV (plug-in all-electric vehicle or battery electric vehicle), PEV (plug-in electric vehicle), HEV (hybrid electric vehicle), HPEV (hybrid plug-in electric vehicle), and PHEV (plug-in electric vehicle). hybrid electric vehicle), etc.
  • a plug-in electric vehicle can be referred to as an electric vehicle that connects to the power grid to recharge the vehicle's on-board primary battery.
  • a plug-in vehicle may be referred to herein as a vehicle that can be recharged through a wireless charging method from an electric vehicle supply equipment (EVSE) without using a physical plug or socket.
  • EVSE electric vehicle supply equipment
  • Heavy duty vehicles may refer to any vehicle with four or more wheels as defined in 49 CFR 523.6 or CFR 37.3 (bus).
  • Light duty plug-in electric vehicle is a vehicle with three or four wheels powered by an electric motor supplied with current from a rechargeable battery or other energy device, primarily for use on public streets, roads and highways. It can refer to a vehicle you have. Lightweight plug-in electric vehicles can be defined as having a total weight of less than 4.545 kg.
  • the wireless power charging system is a system for control between the Supply Device (or Ground Assembly, GA) and EV device (or Vehicle Assembly, VA), including wireless power transmission, alignment (position alignment), and communication. It can be referred to.
  • Wireless power transfer can refer to the transfer of electrical power from an alternating current (AC) power supply network, such as a utility or grid, to an electric vehicle through non-contact means.
  • AC alternating current
  • a utility provides electrical energy and is usually a set of systems that include a Customer Information System (CIS), Advanced Metering Infrastructure (AMI), and Rates and Revenue system. It may be referred to as .
  • CIS Customer Information System
  • AMI Advanced Metering Infrastructure
  • Rates and Revenue system It may be referred to as .
  • Utilities make energy available to plug-in electric vehicles through price tags or discrete events. Additionally, utilities can provide information on tariff rates, intervals for metered power consumption, and validation of electric vehicle programs for plug-in electric vehicles.
  • Smart charging can be described as a system where EVSE and/or electric vehicles (including plug-in hybrid electric vehicles) communicate with the power grid to optimize the vehicle charge or discharge rate to grid capacity or time-of-use cost ratio.
  • Automatic charging can be defined as the operation of placing a vehicle in an appropriate position and conducting conductive or inductive charging with respect to a primary charger assembly capable of transmitting power. Automatic recharge can be performed after obtaining the necessary authentication and permissions.
  • Interoperability can refer to a state in which components of a system relative to each other can work together to perform the desired operation of the overall system.
  • Information interoperability can refer to the ability of two or more networks, systems, devices, applications or components to share and easily use information securely and effectively with little or no inconvenience to users. .
  • An inductive charging system can refer to a system that electromagnetically transfers energy in the forward direction from the electricity supply network to an electric vehicle through a transformer in which the two parts are loosely coupled.
  • the inductive charging system may correspond to an electric vehicle charging system.
  • An inductive coupler may refer to a transformer that is formed of a primary device and a secondary device and transmits power through electrical insulation.
  • Inductive coupling can refer to magnetic coupling between two coils.
  • the two coils may refer to the primary coil/ground assembly coil and the secondary coil/vehicle assembly coil.
  • a supply power circuit (SPC)/ground assembly (GA) is an assembly that is placed on the primary/ground assembly or infrastructure side, including the primary coil/GA coil and other appropriate components. It can be referred to.
  • Other suitable components may include at least one component to control the impedance and resonant frequency, a ferrite to strengthen the magnetic path, and an electromagnetic shielding material.
  • the SPC or GA may include wiring from the power/frequency conversion device, SPC controller/GA controller, and grid necessary to function as a power source for the wireless charging system, and wiring between each unit and filtering circuits, housing, etc. You can.
  • EV power circuit (EVPC)/Vehicle assembly (VA) may refer to an assembly placed in a vehicle, including the secondary coil/VA coil and other appropriate components.
  • Other suitable components may include at least one component to control the impedance and resonant frequency, a ferrite to strengthen the magnetic path, and an electromagnetic shielding material.
  • EVPC or VA is the wiring between each unit and filtering circuits, housing, etc., as well as the wiring of the rectifier/power converter, EVPC controller/VA controller, and vehicle battery required to function as a vehicle component of the wireless charging system. may include.
  • the above-described SPC may be referred to or classified as a ground assembly (GA), etc., and similarly, the EVPC may be referred to or classified as a vehicle assembly (VA), etc.
  • G ground assembly
  • VA vehicle assembly
  • the GA described above may be referred to as a primary device (PD), a primary device, etc., and similarly, VA may be referred to as a secondary device (SD), a secondary device, etc.
  • the GA described above may be referred to as a supply device, a power supply side device, etc., and similarly, VA may be referred to as an electric vehicle device (EV device), an electric vehicle side device, etc.
  • EV device electric vehicle device
  • the primary device may be a device that provides contactless coupling to the secondary device, that is, a device external to the electric vehicle.
  • a primary device may be referred to as a primary device.
  • the primary device can act as a power source to transmit power.
  • the primary device may include a housing and all covers.
  • the secondary device may be a device mounted on an electric vehicle that provides contactless coupling to the primary device. Secondary devices may be referred to as secondary devices. When the electric vehicle receives power, the secondary device can transfer power from the primary device to the electric vehicle.
  • the secondary device may include a housing and all covers.
  • the supply power electronics may be part of the SPC or GA that adjusts the output power level to the primary/GA coil based on information from the vehicle.
  • the EV power electronics may be part of the EVPC or VA, which monitors specific vehicle parameters during charging and initiates communication with the SPC or GA to control the output power level.
  • the above-mentioned supply power electronics may be referred to as ground assembly electronics (GA electronics), ground assembly controller (GA controller), or primary device communication controller (PDCC), and may be referred to as a ground assembly electronics (GA electronics), a ground assembly controller (GA controller), or a primary device communication controller (PDCC), Power electronics (EV power electronics) may be referred to as vehicle assembly electronics (VA electronics), vehicle assembly controller (VA controller), or electric vehicle communication controller (VA controller).
  • G electronics ground assembly electronics
  • GA controller ground assembly controller
  • PDCC primary device communication controller
  • EV power electronics may be referred to as vehicle assembly electronics (VA electronics), vehicle assembly controller (VA controller), or electric vehicle communication controller (VA controller).
  • Magnetic gap is the highest plane of the upper part of the litz wire or the magnetic material of the primary coil/GA coil and the lowest plane of the magnetic material of the lower part of the litz wire or secondary coil/VA coil. When aligned with each other, it can refer to the vertical distance between them.
  • Ambient temperature may refer to the ground level temperature measured in the atmosphere of the target subsystem outside of direct sunlight.
  • Vehicle ground clearance may refer to the vertical distance between the road or pavement and the bottom of the vehicle floor pan.
  • Vehicle magnetic ground clearance may refer to the vertical distance between the lowest plane of the floor of the Litz wire or the insulating material of the secondary coil/VA coil mounted on the vehicle and the pavement.
  • the vehicle assembly coil surface distance is the plane of the bottom of the Litz wire or the magnetic material of the secondary coil/VA coil and the secondary coil/VA. It may refer to the vertical distance between the lowermost outer surfaces of the coil. This distance may include additional items packaged with protective covering material and coil packaging.
  • the above-described secondary coil may be referred to as a VA coil, vehicle coil, receiver coil, etc., and similarly, the primary coil may be referred to as a ground assembly. It may be referred to as a coil (ground assembly coil, GA coil), transmission coil, etc.
  • An exposed conductive component may refer to a conductive part of an electrical device (eg, an electric vehicle) that can be touched by a person and does not normally conduct electricity, but may conduct electricity in the event of a breakdown.
  • an electrical device eg, an electric vehicle
  • Hazardous live component may refer to a live component that can deliver a harmful electric shock under certain conditions.
  • Live component can refer to any conductor or conductive component that is electrically active in its primary use.
  • Direct contact may refer to contact between a living organism and a person.
  • Indirect contact may refer to contact of a person with a conductive, live component that is exposed due to insulation failure (see IEC 61140).
  • Alignment may refer to a procedure for finding the relative position of a secondary device with respect to a primary device and/or a procedure for finding the relative position of a primary device with respect to a secondary device for prescribed efficient power transmission.
  • alignment may refer to positional alignment of a wireless power transmission system, but is not limited thereto.
  • Pairing may refer to the process of associating a vehicle (electric vehicle) with a single dedicated ground assembly (primary device) positioned to transmit power. Pairing herein may include the association procedure of a charging spot or a specific SPC/ground assembly with an EVPC/vehicle assembly controller.
  • Correlation/Association may include a procedure for establishing a relationship between two peer communication entities.
  • Command and control communication may refer to communication between an electric vehicle power supply and an electric vehicle that exchanges information necessary for starting, controlling, and ending the wireless power transfer process.
  • High level communication can handle all information that exceeds that covered by command and control communication.
  • the data link for high-level communication may use PLC (Power line communication), but is not limited to this.
  • Low power excitation may refer to, but is not limited to, activating the electric vehicle to detect the primary device to perform precise positioning and pairing, and vice versa.
  • SSID Service set identifier
  • BSS basic service set
  • SSID basically distinguishes multiple wireless LANs from each other. Therefore, all APs (access points) and all terminal/station devices that want to use a specific wireless LAN can all use the same SSID. Devices that do not use a unique SSID cannot join the BSS. Because the SSID appears as plain text, it may not provide any security properties to the network.
  • ESSID Extended service set identifier
  • BSSID Basic service set identifier
  • the BSSID can be the MAC (medium access control) of the AP device.
  • the BSSID can be generated with a random value.
  • a charging station may include at least one ground assembly and at least one ground assembly controller that manages the at least one ground assembly.
  • the ground assembly may be equipped with at least one wireless communicator.
  • a charging station may refer to a place equipped with at least one ground assembly installed in homes, offices, public places, roads, parking lots, etc.
  • association is a term that refers to the process of establishing wireless communication between an electric vehicle communication controller (EVCC) and a power supply equipment communication controller (SECC) that controls the charging infrastructure.
  • EVCC electric vehicle communication controller
  • SECC power supply equipment communication controller
  • the electric vehicle charging system may include, but is not limited to, a conductive charging system using a cable or a non-contact wireless power transmission system.
  • the electric vehicle charging system can basically be defined as a system that charges the battery mounted on an electric vehicle using power from the commercial power distribution grid or energy storage device. This electric vehicle charging system takes various forms depending on the type of electric vehicle. You can have
  • SAE TIR J2954 the latest standard for wireless charging, establishes industry standard specification guidelines that define acceptance criteria for interoperability, electromagnetic compatibility, minimum performance, safety, and testing for wireless charging of light-duty electric and plug-in electric vehicles. there is.
  • a Wireless Communication System according to the J2954 standard, which represents an example of a wireless charging system, includes a utility interface, a high-frequency power inverter, a coupling coil, a rectifier, a filter, an optional regulator, and a power inverter connected to the vehicle energy charging/storage system and the utility. It may consist of communication between The utility interface is similar to a traditional EVSE connection to single-phase or three-phase AC power.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram of an example of a wireless power transfer (WPT) system for an electric vehicle to which an embodiment of the present invention is applied.
  • WPT wireless power transfer
  • wireless power transmission may be performed by at least one component of an electric vehicle 10 and a charging station 20, and wirelessly transmit power to the electric vehicle 10. It can be used for.
  • the electric vehicle 10 may include a hybrid vehicle having both an electric motor and a general internal combustion engine, and may include not only an automobile, but also a motorcycle, a cart, May include scooters and electric bicycles.
  • the electric vehicle 10 can generally be defined as a vehicle that supplies current derived from a rechargeable energy storage device, such as the battery 12, as an energy source for an electric motor, which is a power device.
  • a rechargeable energy storage device such as the battery 12
  • an electric motor which is a power device.
  • the electric vehicle 10 may include a receiving pad 11 including a receiving coil to wirelessly charge the battery 12, and may include a plug connection port to charge the battery 12 by wire. It may be possible. At this time, the electric vehicle 10 that can charge the battery 12 by wire may be referred to as a plug-in electric vehicle (PEV).
  • PEV plug-in electric vehicle
  • the charging station 20 may be connected to a power grid (30) or a power backbone, and transmits alternating current (AC) to the transmission pad 21 containing the transmission coil through a power link.
  • alternating current AC
  • DC direct current
  • the charging station 20 can communicate with a power grid (30), an infrastructure management system that manages the power grid, or an infrastructure server through wired or wireless communication, and performs wireless communication with the electric vehicle (10). can do.
  • wireless communication may include Bluetooth, zigbee, cellular, wireless local area network, etc.
  • the charging station 20 may be located in various places, such as a parking lot attached to the home of the owner of the electric vehicle 10, a parking area for charging an electric vehicle at a gas station, a parking area at a shopping center or workplace, etc.
  • the receiving pad 11 of the electric vehicle 10 is first located in the energy field caused by the transmitting pad 21, and the transmitting pad 21 is located in the energy field. This can be performed by interacting or coupling the transmitting coil of and the receiving coil of the receiving pad 11 with each other. As a result of the interaction or coupling, electromotive force is induced in the receiving pad 11, and the battery 12 can be charged by the induced electromotive force.
  • the charging station 20 and the transmitting pad 21 may be referred to in whole or in part as a supply power circuit (SPC) or a ground assembly (GA), and SPC or ground assembly refers to the previously defined meaning. can do.
  • SPC supply power circuit
  • GA ground assembly
  • the receiving pad 11 of the electric vehicle 10 and all or part of other internal components of the electric vehicle may be referred to as an electric vehicle power circuit (EVPC) or a vehicle assembly (VA), where EVPC or Vehicle assembly may refer to the previously defined meaning.
  • EVPC electric vehicle power circuit
  • VA vehicle assembly
  • the transmitting pad 21 or the receiving pad 11 may be configured as non-polarized or polarized.
  • the pad is non-polar, there may be one pole in the center of the pad and the opposite pole around the outside.
  • the magnetic flux can be formed to exit from the center of the pad and return from all outer boundaries of the pad.
  • each pad may have a polarity at either end.
  • magnetic flux may be formed based on the orientation of the pad.
  • the transmitting pad 21 or the receiving pad 11 may be collectively referred to as a wireless charging pad.
  • Figures 2 and 3 are conceptual diagrams of the x, y, and z axes specified in SAE J2954 applicable to an embodiment of the present invention.
  • the front direction or front-back direction of the vehicle is the x-axis
  • the driver side for left hand side vehicle or the left and right sides of the vehicle is the y-axis
  • the upward or upward direction of the vehicle can be defined as the z-axis
  • Figure 4 is a conceptual diagram illustrating an electric vehicle wireless charging circuit according to an embodiment of the present invention.
  • the left circuit of FIG. 4 can be interpreted as representing all or part of the configuration of the power supply (Vsrc) supplied from the power grid, the charging station 20, and the transmission pad 21 in FIG. 1, and the right circuit of FIG. 4 is It can be interpreted as representing part or all of an electric vehicle, including the receiving pad and battery.
  • the left circuit of FIG. 4 provides output power (Psrc) corresponding to the power (Vsrc) supplied from the power grid to the wireless charging power converter, and the wireless charging power converter operates at the desired operating frequency at the transmitting coil (L1).
  • the frequency and AC/DC conversion of the provided power (Psrc) can be performed and the power (P1) can be output.
  • the wireless charging power converter is an AC/DC converter that converts to DC power when the power (Psrc) supplied from the power grid is AC power, and a low-frequency converter (or LF converter) that converts DC power to power at an operating frequency suitable for wireless charging. It can contain at least one.
  • the operating frequency may be determined to be, for example, between 80 and 90 kHz, but is not limited thereto.
  • the power (P1) output from the wireless charging power converter can be supplied to a circuit consisting of a transmission coil (L1), a first capacitor (C1), and a first resistor (R1), where the first capacitor (C1) is the transmission coil (L1). It may be determined to have an element value that allows the coil L1 to have an operating frequency suitable for charging. Additionally, here, the first resistance (R1) may refer to the power loss generated by the transmission coil (L1) and the first capacitor (C1).
  • the transmitting coil (L1) is electromagneticly coupled to the receiving coil (L2), defined by a coupling coefficient m, such that power is transmitted, or power can be induced to the receiving coil (L2). Therefore, in the present invention, the meaning of power being transmitted can be used interchangeably with the meaning of power being induced.
  • the power P2 induced or transmitted to the receiving coil may be provided to the electric vehicle power converter.
  • the second capacitor C2 may be determined to have an element value that allows it to have an operating frequency suitable for charging together with the receiving coil L2, and the second resistor R2 may be determined by the receiving coil L2 and the second capacitor C2. It may mean power loss caused by .
  • the electric vehicle power converter may include an LF/DC converter that converts the received power (P2) of a specific operating frequency back into DC power having a voltage level suitable for the battery (VHV) of the electric vehicle.
  • the electric vehicle power converter When the electric vehicle power converter outputs power (PHV) converted from the received power (P2), the output power (PHV) can be used to charge the battery (VHV) built into the electric vehicle.
  • the circuit on the right side of FIG. 4 may further include a switch for selectively connecting or disconnecting the receiving coil (L2) from the battery (VHV).
  • the resonance frequencies of the transmitting coil (L1) and the receiving coil (L2) may be configured to be similar or the same, and the receiving coil (L2) may be located close to the electromagnetic field generated by the transmitting coil (L1). It can be configured so that
  • the circuit of FIG. 4 should be understood as an exemplary circuit related to power transmission in an electric vehicle wireless charging system usable for embodiments of the present invention, and the spirit of the present invention is not limited to the circuit in FIG. 4.
  • the transmitting coil (L1) may be included in the transmitting pad 21 in FIG. 1, and the receiving coil (L2) may be included in the receiving pad 11 in FIG. 1.
  • the transmitting coil may be referred to as a primary coil or a ground assembly coil (GA coil), and the receiving coil may be referred to as a secondary coil or a vehicle assembly coil (VA coil). Therefore, determining the position of the transmitting pad 21 and the receiving pad 11 or the positioning of the electric vehicle 10 and the transmitting pad 21 is also an important factor.
  • the positional alignment between the transmitting pad 21 in FIG. 1 and the receiving pad 11 built into the electric vehicle 10 may correspond to the previously described term alignment, and therefore, SPC/GA and EVPC/VA It may be defined as the positional alignment between the transmitting pad 21 and the receiving pad 11, and is not limited to the positional alignment of the transmitting pad 21 and the receiving pad 11.
  • the transmission pad 21 may be located below the ground surface, may be located above the ground surface, or may be located so that the upper surface of the transmission pad 21 is exposed below the ground surface.
  • the x-axis may indicate the front-to-back direction of the vehicle
  • the y-axis may indicate the left-right direction of the vehicle
  • the z-axis may indicate the up-and-back direction of the vehicle.
  • the receiving pad 11 of an electric vehicle can be defined in different categories depending on the height (defined in the z direction) measured relative to the ground surface.
  • the height of the receiving pad 11 from the ground surface is 100-150. (mm) can be set to class 1, 140-210(mm) can be set to class 2, and 170-250(mm) can be set to class 3.
  • partial support may be possible, such as supporting only class 1 or supporting classes 1 and 2.
  • the height measured relative to the ground surface may correspond to the vehicle magnetic ride height, a term explained previously.
  • the position of the transmitting pad 21 in the height direction may be determined to be located between the maximum class and the minimum class supported by the receiving pad 11.
  • the receiving pad 11 If only classes 1 and 2 are supported, the transmitting pad can be determined to be located between 100 and 210 (mm) based on the receiving pad 11.
  • the gap between the center of the transmitting pad 21 and the center of the receiving pad 11 may be determined to be within limits in the horizontal and vertical directions (defined as y and x directions). For example, it can be determined to be located within ⁇ 75 (mm) in the horizontal direction (defined as the y-direction), and it can be determined to be located within ⁇ 100 (mm) in the vertical direction (defined as the x-direction).
  • the relative positions of the transmitting pad 21 and the receiving pad 11 may have different limit values depending on the experimental results, and the above figures should be understood as exemplary.
  • the transmission pad 21 and the reception pad 11 are explained as being aligned with each other on the assumption that each includes a coil, but more specifically, 1 built into the transmission pad 21 and the reception pad 11, respectively. It can also be defined as the alignment between the primary coil (transmitting coil or GA coil) and the secondary coil (receiving coil or VA coil).
  • FIG. 5 is an equivalent circuit of a single-phase wireless power transfer (WPT) system according to an embodiment of the present invention.
  • WPT wireless power transfer
  • the magnetic/inductive coupling or resonance structure formed between the primary coil and the secondary coil of various embodiments of the present invention can be equivalently expressed by the transformer of FIG. 5.
  • a single-phase AC-DC rectifier circuit 210 and a sinusoidal pulse width modulation (SPWM) inverter 220 are shown for applying an alternating current signal to the front end of the primary coil.
  • SPWM sinusoidal pulse width modulation
  • a rectifier 110 and charger 120 are shown for transferring power from the secondary coil to the load/battery.
  • a wireless power transmission device may include a power transmission circuit.
  • the power transmission circuit shown in FIG. 5 may include a structure including a single-phase AC-DC rectifier circuit 210 and an SPWM inverter 220 on the primary coil side as a technical feature.
  • the power transmission circuit of FIG. 5 includes a single-phase AC-DC rectifier circuit 210 for transmitting power to the primary coil, and a single-phase AD-DC rectifier circuit for controlling the SPWM inverter 220. (210) A PI control structure based on measured values can be included as a technical feature.
  • the SPWM inverter 220 may receive the output of the single-phase AC-DC rectifier 210, generate an alternating current signal, and transmit the alternating current signal to the primary coil as an output.
  • An alternating current signal rectified by the operation of the rectifier 110 and the charger 120 may be applied to the battery to charge the battery.
  • Figure 6 is a conceptual cross-sectional view and elevation view of the wireless power transmission pad 21 according to an embodiment of the present invention.
  • Transmission pad 21 in FIG. 6 may provide a single-phase operation mode.
  • the transmission pad 21 includes an external case 21a forming an external shape, an aluminum shield 21b installed in a flat form inside the external case 21a, and a flat ferrite 21c installed on the top of the aluminum shield. ) and a transmission coil (21d) installed on the top of the planar ferrite (21c).
  • the upper part may mean above the ground relative to the ground where the transmission pad 21 is installed.
  • ferrite a material used in the planar ferrite 21c, is a magnetic material containing iron oxide and can play an auxiliary role in transmitting and receiving wireless power by reducing magnetic resistance and assisting the flow of magnetic flux.
  • FIG. 7 is an equivalent circuit of a 3-phase 3-phase wireless power transfer (WPT) system according to an embodiment of the present invention.
  • WPT wireless power transfer
  • the primary coil and the secondary coil are each implemented as a three-phase coil, and a single-phase AC-DC rectifier circuit (210a, 210b, 210c) for applying an alternating current signal to the front end of the primary coil corresponding to each phase, and Sinusoidal pulse width modulation (SPWM) inverters 220a, 220b, and 220c are shown.
  • SPWM Sinusoidal pulse width modulation
  • rectifiers 110a, 110b, and 110c for transferring power from the secondary coil to the load/battery corresponding to each phase, and a charger 120 are shown.
  • SPWM sinusoidal pulse width modulation
  • Figure 8 is a conceptual plan view of an embodiment of coupling between 3-phase and 3-phase transmitting coils/receiving coils according to an embodiment of the present invention.
  • each of the three upper coils corresponds to one of the lower coils as a pair.
  • the three upper coils and three lower coils are wound in opposite directions. That is, it can be arranged so that the magnetic field is created in the opposite direction.
  • the upper coil is a secondary coil
  • the input power applied to the lower coil is a three-phase signal with a certain phase difference
  • the three-phase signal is induced in the secondary coil and radio power can be transmitted.
  • the input power is an in-phase signal
  • the center point of the upper coil and the center point of the lower coil are misaligned, and the magnetic fields are not efficiently combined with each other, and the magnetic field distribution is as if six coils were operating individually. can be formed. Radio power is transmitted between coils that overlap the same center point, but power is not transmitted between coils with center points at different positions and are not compatible.
  • one of the primary coil or the secondary coil may have a coil structure as shown in Figure 8, and the other may have a coil structure as shown in Figures 10 and 11, which will be described later. Even in this case, if the input power is a 3-phase signal, wireless power transmission can be performed in a 3-phase operation mode.
  • FIG. 9 is a conceptual plan view of a transmitting and/or receiving coil structure 300 compatible with three-phase/single-phase mode for power transmission according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 10 is a conceptual perspective view of the embodiment of Figure 9.
  • the coil structure 300 has three circular coils 310, 320, and 330 of the same size arranged to intersect each other, and the distance from the central origin is adjusted to adjust the distance from the origin on the XY plane.
  • the three coils were arranged so that there was no overlapping area at any single point. That is, a maximum of two coils are arranged to overlap at any one point on the XY plane. This arrangement structure can increase the efficiency of wireless power transmission by maximizing the area of the coil exposed at the top.
  • the magnetic fields generated from each coil combine to form one magnetic field, thereby distributing the same magnetic field as that of the single-phase coil. It can be controlled as much as possible.
  • the coil structure 300 according to an embodiment of the present invention is used. Wireless power transfer in a single-phase operation mode may be provided.
  • the coil structure 300 of FIG. 9 operates as a three-phase induction coil
  • the magnetic fields generated from one coil in the coil structure 300 of FIG. 9 and two coils out of phase are combined to form a conventional three-phase induction coil.
  • This branch operates so as to have a magnetic field distribution identical to that of the magnetic field.
  • the coil structure 300 according to an embodiment of the present invention is used.
  • wireless power transmission in a three-phase operation mode can be provided.
  • the coil structure 300 can be used to Wireless power transfer in two-phase operation mode may be provided.
  • the coil structure 300 of FIG. 9 when used for at least one of the primary coil or the secondary coil, it can be compatible with existing single-phase coils or three-phase coils.
  • the installation cost of the system can be reduced by integrating the types of wireless charging coils that must vary depending on complex capacity or operation method into one.
  • a highly compatible transmitting/receiving coil structure that is compatible with the coil structure of the prior art can be provided, regardless of whether it is installed on either the secondary coil on the vehicle side or the primary coil on the charging station side.
  • a primary/secondary coil structure that can selectively apply one of a single-phase operation mode and a three-phase operation mode in consideration of charging capacity based on the phase of the input power applied to the primary coil, and A wireless power transmission method adopting that structure can be provided.
  • WPT wireless power transfer
  • the wireless power transmission pad 21 is a wireless power transmission pad 21 prepared to transmit wireless power to a receiving pad 11 including a secondary coil.
  • the wireless power transmission pad 21 includes a first primary coil 310 arranged to surround a first center point 312 around the origin of the central space; a second primary coil 320 arranged to surround a second center point 322 around the origin of the central space; a third primary coil 330 arranged to surround a third central point 332 around the origin of the central space; and a housing supporting the first primary coil 310, the second primary coil 320, and the third primary coil 330.
  • the first primary coil 310, the second primary coil 320, and the third primary coil 330 have the centers of gravity of the first central point 312, the second central point 322, and the third central point 332. It is placed so that it is formed at the origin.
  • the first primary coil 310, the second primary coil 320, and the third primary coil 330 may be arranged within a circle centered on the origin as the design guideline 340.
  • the coil structure 300 of the present invention is a structure in which the center of the three-phase coil is centered near the origin of the center. This structure can be set more effectively by design guidelines 340.
  • the three center points 312, 322, and 332 are spaced apart, but for example, at 85 KHz, the operating frequency of wireless power transmission, the distance of several centimeters may be treated as a value so small that it is electrically meaningless.
  • the coil structure 300 has the same rotation direction and the center points 312, 322, and 332 are not significantly separated from the origin.
  • the magnetic fields created by the fields 310, 320, and 330 are strengthened with each other, creating a magnetic field with the same distribution as the magnetic field generated in one coil by an in-phase input power source, and a magnetic field capable of operating in a single-phase operation mode is formed. You can.
  • the first primary coil 310, the second primary coil 320, and the third primary coil 330 are xy passing through the first center point 312, the second center point 322, and the third center point 332. Up to two coils can be arranged to overlap in the z-axis direction at any xy coordinate on a plane.
  • the coil structure 300 is formed with the first primary coil 310, the second primary coil 320, and the third primary coil 330 arranged in a maximum of two stages instead of three at a point on an arbitrary xy coordinate on the XY plane.
  • the upper exposed area of has increased exposure.
  • the first primary coil 310, the second primary coil 320, and the third primary coil 330 may be formed with a flat wire wound at least once.
  • the coils 310, 320, and 330 may be flat wires.
  • the coils 310, 320, and 330 may be implemented as a triple structure with a size of 5mm*10mm (three 1mm*10mm pieces are used) in consideration of heat generation and current flow.
  • the coils 310, 320, and 330 of FIGS. 9 and 10 may be litz wire.
  • the first primary coil 310, the second primary coil 320, and the third primary coil 330 may be formed with a litz wire wound at least once.
  • the cost of manufacturing the coil structure 300 of FIGS. 9 and 10 may be lower than that of the typical three-phase WPT coil shown in FIG. 8. Likewise, even when at least one of a flat wire and a Litz wire is used, the cost consumed in manufacturing the coil structure 300 may be lower than that of the typical three-phase WPT coil shown in FIG. 8.
  • the first primary coil 310, second primary coil 320, and third primary coil 330 perform single-phase operation or three-phase operation based on the operation mode permitted by the secondary coil of the receiving pad 11. It can be controlled to do so.
  • the combination between the ground assembly (GA) and the vehicle assembly (VA) is the single-phase coil of FIG. 6 and the three-phase coil of FIG. 8, they cannot be mutually compatible. If one side is the single-phase coil of FIG. 6, the coupling between coils must operate in single-phase mode, but if the other side is the three-phase coil of FIG. 8, the direction of the field is reversed when a signal of the same phase is applied. There is a problem that the magnetic field is not reinforced and is canceled out.
  • the single-phase operation mode and three-phase operation mode that EVSE can provide Since the secondary coil can receive power no matter which of the two methods is used to supply power, electric vehicle charging service providers do not need to install EVSE for each type and can reduce installation costs.
  • the primary coil of the EVSE adopts the coil structure 300 shown in Figures 9 and 10 of the present invention
  • a mode corresponding to the operation mode allowed by the secondary coil mounted on the electric vehicle Since the secondary coil can be powered by supplying power in single-phase operation mode or three-phase operation mode), electric vehicle users can relieve the burden of searching for an EVSE that matches the operation mode of the vehicle's secondary coil. Even in this case, the electric vehicle charging service provider does not need to install each type of EVSE and can reduce installation costs.
  • the first primary coil 310, the second primary coil 320, and the third primary coil 330 can be controlled to perform single-phase operation or three-phase operation depending on the phase difference of the input power between each of the primary coils. there is.
  • the first primary coil 310, the second primary coil 320, and the third primary coil 330 may be controlled to perform a single-phase operation when input power of the same phase is applied to each of the primary coils.
  • the first primary coil 310, the second primary coil 320, and the third primary coil 330 can be controlled to perform a single-phase operation when input power with a certain phase difference is applied to each of the primary coils. .
  • the receiving pad 11 when the secondary coil of the receiving pad 11 includes a first secondary coil, a second secondary coil, and a third secondary coil, the receiving pad 11 according to an embodiment of the present invention includes the first secondary coil, the second secondary coil, and the third secondary coil.
  • the secondary coil and the third secondary coil have the center of gravity of the fourth center point of the first secondary coil, the fifth center point of the second secondary coil, and the sixth center point of the third secondary coil being the first center point 312 and the second center point 312. It may be arranged to be located on the central point 322 and the central axis 360, which is perpendicular to the xy plane passing through the third central point 332 and passing through the origin.
  • the wireless power reception pad 11 is a wireless power reception pad 11 prepared to receive wireless power from a transmission pad 21 including a primary coil.
  • the wireless power receiving pad 11 includes a first secondary coil disposed to surround a fourth central point around the origin of the central space; a second secondary coil disposed to surround a fifth central point around the origin of the central space; a third secondary coil disposed to surround a sixth central point around the origin of the central space; and a housing supporting the first secondary coil, the second secondary coil, and the third secondary coil.
  • the first secondary coil, the second secondary coil, and the third secondary coil are arranged so that the centers of gravity of the fourth center point, the fifth center point, and the sixth center point are formed at the origin.
  • the first secondary coil, the second secondary coil, and the third secondary coil may be arranged within a circle centered on the origin as a design guideline.
  • the first secondary coil, the second secondary coil, and the third secondary coil are such that up to two coils overlap in the z-axis direction at any xy coordinate on the xy plane passing through the fourth center point, the fifth center point, and the sixth center point. can be placed.
  • the first secondary coil, the second secondary coil, and the third secondary coil may be formed with a flat wire wound at least once.
  • the first secondary coil, the second secondary coil, and the third secondary coil may be formed with a litz wire wound at least once.
  • Litz wire Compared to regular copper wire, Litz wire has the advantage that as the frequency increases, the current flow is less unstable, losses are small, so a stable current flow can be maintained, and the temperature of the coil rises less. Therefore, Litz wire is an appropriate material for electric vehicle wireless power transmission systems that use an operating frequency of 79 to 90 kHz.
  • the price of Ritz wire is set at a price per meter, and there are attempts to use Ritz wire in an electric vehicle wireless power transmission system by reflecting these characteristics of Ritz wire.
  • the Litz wire of the wireless power transmission system applied to passenger car-type electric vehicles must use a product with a large current capacity (at least 50A or more), it is dozens of times more expensive than general Litz wire, which is pointed out as a cause of greatly increasing the cost of electric vehicles. I am also receiving it.
  • Litz wire has a structure in which the heat generated due to the outer core surrounding the inner core is not easily transmitted to the outside quickly, and considering the current transmission characteristics of increasing loss as heat generation continues, it is difficult to use it for a long period of time. As a result, an increase in cost is expected in the power transmission system using Litz wire to add a cooling function.
  • litz wire Although the strength of litz wire is stronger than that of regular copper wire and it is easier to maintain its shape, since it has a linear shape, a frame that holds the shape of the litz wire is needed to maintain the shape when made into a coil.
  • This frame is made of a dielectric with a low dielectric constant to reduce electromagnetic influence. Dielectrics with a low dielectric constant are generally weak against heat, so they are difficult to use for 22KW charging, which generates a lot of heat, and are attached to the Litz wire, preventing heat exchange. It acts as an element that causes change in form or fire in the process of applying heat and cooling again.
  • a wireless power transmission pad or reception pad according to an embodiment of the present invention may be implemented using a flat wire.
  • the flat & rectangular wire according to an embodiment of the present invention may be an embodiment in which a commercially available flat & rectangular wire is modified to suit the purpose of the present invention.
  • the wire proposed in the present invention is characterized by 1) being a flat or planar wire, and 2) having sides that are partially round and partially rectangular.
  • the coil wire of the embodiments of the present invention having these characteristics may be a flat wire with an optimized shape capable of forming an electromagnetic field suitable for wireless power transmission.
  • flat & rectangular wires distributed on the market can be relatively freely adjusted in size, with the number of strands ranging from single to 8 double wires, the conductor thickness ranging from 1.0 to 9.0 mm, and the conductor width ranging from 3 to 20 mm. Additionally, it is easy to make a coil using a CTC (Continuously Transposed Conductor).
  • CTC Continuous Transposed Conductor
  • the advantage of the coil type using this wire is that high voltage can be applied and the conductor adhesion of the insulating material is excellent, so various insulating materials such as KRAFT, THERMAL UPGRADE KRAFT, NOMEX, DENNISON, KAPTON, MICA, and CONDUCTOFOL can be selectively applied. There is an advantage.
  • the problem of insulation is solved in this way, the number of turns can be improved compared to the coil using existing Litz wire, so a coil with a greater number of turns can be formed, creating a strong magnetic field line and increasing transmission efficiency.
  • the litz wire has an inner core surrounded by an outer core, so when a problem such as an internal short circuit or insulation deformation or deterioration occurs, it is difficult to identify the location of the problem, and partial maintenance is impossible, so the entire coil is not possible. is replaced, which leads to an increase in maintenance costs.
  • the coil structure using flat wire or planar wire proposed in the present invention is more durable than Litz wire, so it is relatively free from problems such as short circuits in the wire, and even if a problem occurs, it has a structure that allows the point of occurrence to be immediately confirmed, so it can be maintained immediately. Repair is possible, and even if the coil itself is replaced, the replacement cost is low, so it is believed that much fewer resources will be consumed for maintenance.
  • cooling techniques dry self-cooling, dry wind cooling, dry sealed self-cooling
  • inflow self-cooling, inflow wind cooling, inflow water cooling, inflow wind cooling, inflow water cooling, and refrigerant cooling can be selectively applied. That is, since various cooling techniques can be applied selectively or in combination, embodiments of the present invention can have a very advantageous effect in cooling the heat generated during power transmission.
  • the flat wire shown in the embodiment of the present invention may be implemented using at least one material selected from copper and copper alloy, but the spirit of the present invention is not limited to this embodiment, and various conductors can also be used. there is.
  • the corners of the coil implemented with wire are at least partially rounded.
  • the degree to which the corner portion is rounded may also be determined by considering power transmission efficiency, coil shape, etc.
  • the coil structure 300 can be implemented by determining the numerical range of the corner portion.
  • the Litz wire is a technology designed to increase the ratio of surface area/current path to cross-sectional area/volume, but in the interior where the Litz wire strands are dense, that is, in the center of the Litz wire bundle. It has also been discovered that power transfer efficiency decreases and heat generation increases due to mutual interference between individual Litz wire elements.
  • the ratio of surface area to cross-sectional area can be understood to correspond to the ratio of the current path to the total volume.
  • Embodiments of the present invention propose a coil structure using a flat wire, thereby increasing the surface area to cross-sectional area ratio and improving the space factor, thereby increasing power transmission efficiency.
  • Rounded corners can contribute to the formation of electromagnetic fields, resulting in more advantageous electromagnetic properties.
  • Figure 11 is a conceptual perspective view of an embodiment of coupling between a transmitting coil and a receiving coil compatible with three-phase/single-phase mode for power transmission according to an embodiment of the present invention.
  • the secondary coil 400 of the receiving pad 11 includes a first secondary coil 410, a second secondary coil 420, and a third secondary coil 430
  • the first secondary coil 400 The coil 410, the second secondary coil 420, and the third secondary coil 430 have a fourth center point of the first secondary coil 410, a fifth center point of the second secondary coil 420, and a third center point.
  • the center of gravity of the sixth center point of the secondary coil 430 is perpendicular to the xy plane passing through the first center point 312, the second center point 322, and the third center point 332 of the primary coil 300 and passes through the origin. It may be arranged to be located on the central axis 360.
  • the centers of gravity of the center points of the primary coil 300 and the secondary coil 400 are the central axis. It can be arranged to be shared on (360) to increase efficiency.
  • the centers of gravity (secondary center of gravity) of the center points of the three coils 410, 420, and 430 of 400 do not necessarily have the same XY coordinates. Even if the XY coordinates of the center of gravity on the primary side and the center of gravity on the secondary side do not match, power can be wirelessly transmitted from the primary coil 300 to the secondary coil 400. However, if the XY coordinates of the primary and secondary center of gravity are significantly different, the efficiency of wireless power transmission may be significantly reduced, so an alignment process between the primary and secondary center of gravity may be recommended.
  • the error in the XY coordinates between the center of gravity on the primary side and the center of gravity on the secondary side be within a predetermined standard value.
  • FIG. 12 is an operation flowchart conceptually illustrating a wireless power transmission method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 may be a wireless power transmission method corresponding to the embodiment of FIGS. 9 and 10.
  • the wireless power transmission method is from a transmitting pad 21 including a primary coil to a receiving pad 11 including a secondary coil. It is a method of transmitting power wirelessly.
  • the wireless power transmission method includes a first primary coil 310 arranged to surround a first central point 312 around the origin of the central space, and a second primary coil 310 arranged to surround a second central point 322 around the origin of the central space.
  • the coil 320 and the third primary coil 330 arranged to surround the third center point 332 around the origin of the central space are connected to the first center point 312, the second center point 322, and the third center point (
  • input power is applied to the first primary coil 310, the second primary coil 320, and the third primary coil 330 so that wireless power is transmitted to the receiving pad 11 by single-phase operation or three-phase operation. It includes a controlled step (S700).
  • a step of identifying an operation mode permitted by the secondary coil may be performed.
  • the first primary coil 310 and the second primary coil 320 are connected based on the operation mode allowed by the secondary coil of the receiving pad 11.
  • the third primary coil 330 may be controlled to perform single-phase operation or three-phase operation.
  • step S700 wireless power is controlled to be transmitted to the receiving pad 11, the first primary coil 310 and the second primary coil By applying input power of the same phase to 320 and the third primary coil 330, wireless power can be controlled to be transmitted to the receiving pad 11 through a single-phase operation.
  • the operation mode allowed by the secondary coil 400 is identified as a three-phase operation mode, in the step (S700) where wireless power is controlled to be transmitted to the receiving pad 11, the first primary coil 310, the second primary coil By applying input power having a certain phase difference to each of the coil 320 and the third primary coil 330, wireless power can be controlled to be transmitted to the receiving pad 11 through a three-phase operation.
  • FIG. 13 is an operation flowchart conceptually illustrating a wireless power transmission method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 may be a wireless power transmission method corresponding to the embodiment of FIG. 11.
  • the overlapping description of the step (S500) in FIG. 13 that overlaps with that of FIG. 12 will be omitted.
  • the secondary coil 400 of the receiving pad 11 includes a first secondary coil 410, a second secondary coil 420, and a third secondary coil 400.
  • the secondary coil 430 the center of gravity of the fourth center point of the first secondary coil 410, the fifth center point of the second secondary coil 420, and the sixth center point of the third secondary coil 430
  • the first secondary coil is positioned on a central axis 360 passing through the origin and perpendicular to the xy plane passing through the first center point 312, second center point 322, and third center point 332 of the primary coil 300.
  • input power is applied to the first primary coil 310, the second primary coil 320, and the third primary coil 330 to generate a single phase. It includes a step (S720) of controlling wireless power to be transmitted to the receiving pad 11 by operation or three-phase operation.
  • An operation mode for wireless power transmission may be determined before the step (S720) in which wireless power is controlled to be transmitted to the receiving pad 11.
  • the wireless power transmission method allows both a three-phase operation mode and a single-phase operation mode, so the operation mode can be determined by considering the charging capacity and charging time.
  • a charging service provider for an electric vehicle can provide a service model related to the relationship between charging capacity and charging time and operation mode using embodiments of the present invention.
  • a single-phase operation mode may be provided under conditions of 22kW or less, and a three-phase operation mode may be provided under conditions of 22kW or more. Under conditions of 22kW or less, a single-phase operation mode may be preferred, but a three-phase operation mode may be provided depending on the embodiment. At this time, 22kW is only an example guideline, and other standards may be proposed depending on various conditions.
  • the three-phase operation mode can provide charging services at high capacity and shorten the charging time
  • users can sign up for the service by specifying their preferred operation mode, either the three-phase operation mode or the single-phase operation mode, according to their situation. can do.
  • their preferred operation mode either the three-phase operation mode or the single-phase operation mode, according to their situation. can do.
  • an optional service that applies the 3-phase operation mode as default (or preferentially) may be provided under conditions where the 3-phase operation mode is applicable.
  • the user is not limited by charging time (for example, charging is often done overnight in a parking lot), the user may subscribe to an optional service that primarily provides a single-phase operation mode.
  • a single-phase operation mode is provided by default, and if the user exercises the right to use the three-phase operation mode, a three-phase operation mode is provided. Services may be provided.
  • the first primary coil 310, the second primary coil 320, and the third primary coil 330 are connected based on the determined operation mode. It can be controlled to perform single-phase operation or three-phase operation.
  • step S720 wireless power is controlled to be transmitted to the receiving pad 11, the first primary coil 310 and the second primary coil 320 , and the input power of the same phase is applied to the third primary coil 330, so that wireless power can be controlled to be transmitted to the receiving pad 11 through a single-phase operation.
  • step S720 wireless power is controlled to be transmitted to the receiving pad 11, the first primary coil 310 and the second primary coil 320 ), and an input power having a certain phase difference is applied to each of the third primary coils 330, so that wireless power can be controlled to be transmitted to the receiving pad 11 through a three-phase operation.
  • FIG. 14 is a general illustration of hardware included in the wireless power transmission pad and/or wireless power reception pad of the present invention, or associated with the wireless power transmission pad and/or wireless power reception pad of the present invention, for controlling the sequence for wireless power transmission. This is a block diagram showing the configuration.
  • controller 1000 hardware that controls the sequence for wireless power transmission may be referred to as a controller 1000.
  • the controller 1000 may be placed on the electric vehicle 10 side, on the electric vehicle power supply equipment (EVSE) 20 side, or on the transmission pad 21 side.
  • EVSE electric vehicle power supply equipment
  • the controller 1000 includes at least one processor 1100, a memory 1200 that stores at least one command for executing the above-described operations through the processor 1100, and a communication interface 1300 that is connected to a network and performs communication. ) may include.
  • the controller 1000 for wireless power transfer may further include a storage device 1400 capable of storing at least one command executing the above-described operation or data generated during the execution process.
  • the controller 1000 for wireless power transmission may further include an input interface 1500 and an output interface 1600 for interaction with a user. Each component included in the controller 1000 for wireless power transmission is connected by a system bus 1700 and can communicate with each other.
  • a controller 1000 or a computing system includes at least one processor 1100 and instructions instructing the at least one processor 1100 to perform at least one step.
  • the processor 1100 may refer to a central processing unit (CPU), a graphics processing unit (GPU), or a dedicated processor on which methods according to embodiments of the present invention are performed.
  • CPU central processing unit
  • GPU graphics processing unit
  • dedicated processor on which methods according to embodiments of the present invention are performed.
  • Each of the memory 1200 and the storage device 1400 may be comprised of at least one of a volatile storage medium and a non-volatile storage medium.
  • the memory 1200 may be comprised of at least one of read only memory (ROM) and random access memory (RAM).
  • At least one command includes a sequence that can mutually identify at least one of the electric vehicle 10, the electric vehicle power supply equipment (EVSE) 20, and the transmission pad 21, the electric vehicle 10, and the electric vehicle power supply equipment.
  • EVSE electric vehicle power supply equipment
  • a wireless communication association sequence between at least one or two of the transmission pads 21, a sequence for performing alignment and/or pairing by mutual positioning, alignment and/or may include at least one of a sequence allowing application of an alternating current signal to transmit power after pairing.
  • controller 1000 may include a communication interface 1300 that performs communication through a wireless network.
  • controller 1000 may further include a storage device 1400, an input interface 1500, an output interface 1600, etc.
  • each component included in the controller 1000 is connected by a bus 1700 and can communicate with each other.
  • Examples of the controller 1000 of the present invention include a desktop computer, a laptop computer, a laptop, a smart phone, a tablet PC, and a mobile phone ( mobile phone, smart watch, smart glass, e-book reader, PMP (portable multimedia player), portable game console, navigation device, digital camera, DMB (digital multimedia) broadcasting) player, digital audio recorder, digital audio player, digital video recorder, digital video player, PDA (Personal Digital Assistant), etc.
  • the operation of the method according to an embodiment of the present invention can be implemented as a computer-readable program or code on a computer-readable recording medium.
  • Computer-readable recording media include all types of recording devices that store information that can be read by a computer system. Additionally, computer-readable recording media can be distributed across networked computer systems so that computer-readable programs or codes can be stored and executed in a distributed manner.
  • computer-readable recording media may include hardware devices specially configured to store and execute program instructions, such as ROM, RAM, flash memory, etc.
  • Program instructions may include not only machine language code such as that created by a compiler, but also high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter, etc.
  • a block or device corresponds to a method step or feature of a method step.
  • aspects described in the context of a method may also be represented by corresponding blocks or items or features of a corresponding device.
  • Some or all of the method steps may be performed by (or using) a hardware device, such as a microprocessor, programmable computer, or electronic circuit, for example. In some embodiments, at least one or more of the most important method steps may be performed by such an apparatus.
  • a programmable logic device e.g., a field programmable gate array
  • a field-programmable gate array may operate in conjunction with a microprocessor to perform one of the methods described herein. In general, the methods are preferably performed by some hardware device.

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Abstract

이차 코일을 포함하는 수신 패드로 무선 전력을 전송하도록 준비되는 무선 전력 송신 패드가 개시된다. 무선 전력 송신 패드는 3개의 일차 코일들 및 그 일차 코일들을 지지하는 하우징을 포함한다. 3개의 일차 코일들 각각의 중심점의 무게 중심이 원점에 형성되도록 배치된다.

Description

무선 전력 전송을 위한 코일 구조를 포함하는 무선 전력 전송 장치 및 방법
본 발명은 무선 전력 전송(WPT, Wireless Power Transfer)을 위한 무선 전력 송신 장치/패드, 무선 전력 수신 장치/패드, 및 이를 이용한 무선 전력 전송 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 무선 전력 전송 시 다양한 송신/수신 장치 간의 호환성을 가지며 전력 전송 효율을 높이기 위한 코일 구조, 및 이를 이용하는 무선 전력 전송 방법에 관한 것이다.
최근 개발되고 있는 전기 자동차(Electric Vehicle, EV)는 배터리의 동력으로 모터를 구동하여, 종래의 가솔린 엔진 자동차에 비해 배기 가스 및 소음 등과 같은 공기 오염원이 적으며, 고장이 적고, 수명이 길고, 운전 조작이 간단하다는 장점이 있다.
전기 자동차는 구동원에 따라 하이브리드 전기 자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그인 하이브리드 전기 자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) 및 전기 자동차(EV)로 분류된다. HEV는 주전력인 엔진과 보조 전력인 모터를 가지고 있다. PHEV는 주전력인 모터와 배터리가 방전될 때 사용되는 엔진을 가지고 있다. EV는 모터를 가지고 있으나, 엔진은 가지고 있지 않다.
전기차 충전 시스템은 기본적으로 상용 전원의 배전망(grid)이나 에너지 저장 장치의 전력을 이용하여 전기차에 탑재된 배터리를 충전하는 시스템으로 정의할 수 있다. 이러한 전기차 충전 시스템은 전기차의 종류에 따라 다양한 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 전기차 충전 시스템은 케이블을 이용한 전도성 충전 시스템이나 비접촉 방식의 무선 전력 전송 시스템을 포함할 수 있다.
전기차의 충전 시, 전기차에 탑재되는 차량 어셈블리(vehicle assembly, VA)는 충전 스테이션(charge station)이나 충전 스팟(charging spots)에 위치하는 그라운드 어셈블리(ground assembly, GA)의 송신 패드와 유도 공진 결합을 형성하고, 유도 공진 결합을 통해 그라운드 어셈블리로부터 전달되는 전력을 이용하여 전기차의 배터리를 충전할 수 있다.
한편, 자기 유도 방식의 무선 전력 전송 시스템에서 전력 전달 효율을 확보하기 위해서는 송신 패드와 수신 패드의 구조가 중요한 요소가 된다. 특히 송신 패드와 수신 패드에는 무선 전력 전달에 도움을 주는 자성체인 페라이트가 내장되며, 페라이트 구조체를 둘러싸는 코일이 형성되는데, 페라이트 구조 및/또는 코일의 구조에 따라 전력 전달 효율이 달라질 수 있다.
따라서, 무선 전력 전송 시스템에서의 전력 전송 효율을 높일 수 있는 코일 구조에 대한 필요성이 대두된다.
일반적으로 전기차의 무선 전력 전송에 사용되는 코일의 구조 및 형태는 충전 용량에 따라 크기와 단상, 3상 유도 방식등이 결정된다. 종래의 무선 전력 전송 방식은 VA(Vehicular Assembly) 시스템의 형태 및 충전 용량에 따라 그에 맞는 GA(Ground Assembly) 시스템과 매칭되어야 할 필요가 있다.
특히 저용량 무선 충전에서 사용하는 단상 유도 코일과 고용량 무선 충전에서 사용이 고려되는 3상 유도 코일은 그 형태가 다를 뿐만 아니라 정상 작동에 필요한 자기장의 분포 형태가 전혀 다르기 때문에 종래 기술에서는 두 종류의 시스템의 호환이 불가능하여 무선전력전송 충전소를 여러 개 설치해야하는 문제가 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 저용량 무선충전용 단상 코일의 자기장 특성과 고용량 무선충전용 3상 코일의 자기장 특성을 하나의 하드웨어를 이용하여 선택적으로 생성할 수 있는 하이브리드 타입의 충전 코일의 구조를 제안하는 것이다.
본 발명의 목적은 차량 측의 이차 코일이 단상 동작만을 제공하는 경우, 3상 동작만을 제공하는 경우, 및 본 발명과 같이 하이브리드 타입인 경우 모두에 대응할 수 있는 호환성이 높은 무선 전력 전송을 위한 일차 코일 구조를 제안하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 충전소 측의 일차 코일이 단상 동작만을 제공하는 경우, 3상 동작만을 제공하는 경우, 및 본 발명과 같이 하이브리드 타입인 경우 모두에 대응할 수 있는 호환성이 높은 무선 전력 전송을 위한 차량 측의 이차 코일 구조를 제안하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 일차 코일에 인가되는 입력 전원의 위상에 기반하여 충전 용량을 고려하여 단상 동작 모드 및 3상 동작 모드 중 하나를 선택적으로 적용할 수 있는 일차/이차 코일 구조, 및 그 구조를 채택한 무선 전력 전송 방법을 제안하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 새로운 코일 구조의 배치를 최적화하여 전력 전송 효율이 높은 무선 전력 전송(WPT, Wireless Power Transfer) 장치를 제안하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 패드는, 이차 코일을 포함하는 수신 패드로 무선 전력을 전송하도록 준비되는 무선 전력 송신 패드이다. 무선 전력 송신 패드는 중앙 공간의 원점 주변의 제1 중심점을 둘러싸도록 배치되는 제1 일차 코일(primary coil); 중앙 공간의 원점 주변의 제2 중심점을 둘러싸도록 배치되는 제2 일차 코일; 중앙 공간의 원점 주변의 제3 중심점을 둘러싸도록 배치되는 제3 일차 코일; 및 제1 일차 코일, 제2 일차 코일, 및 제3 일차 코일을 지지하는 하우징을 포함한다. 제1 일차 코일, 제2 일차 코일, 및 제3 일차 코일은, 제1 중심점, 제2 중심점, 및 제3 중심점의 무게 중심이 원점에 형성되도록 배치된다.
제1 일차 코일, 제2 일차 코일, 및 제3 일차 코일은, 설계 가이드라인으로서 원점을 중심으로 하는 원 내에 배치될 수 있다.
제1 일차 코일, 제2 일차 코일, 및 제3 일차 코일은, 제1 중심점, 제2 중심점, 및 제3 중심점을 지나는 xy 평면 상의 임의의 xy 좌표에서 최대 2개의 코일이 z축 방향으로 중첩되도록 배치될 수 있다.
제1 일차 코일, 제2 일차 코일, 및 제3 일차 코일은, 플랫 와이어(flat wire)가 적어도 1회 이상 감긴 상태로 형성될 수 있다.
제1 일차 코일, 제2 일차 코일, 및 제3 일차 코일은, 리츠 와이어(litz wire)가 적어도 1회 이상 감긴 상태로 형성될 수 있다.
제1 일차 코일, 제2 일차 코일, 및 제3 일차 코일은, 일차 코일들 각각 간의 입력 전원의 위상 차이에 따라 단상 동작 또는 3상 동작을 수행하도록 제어될 수 있다.
제1 일차 코일, 제2 일차 코일, 및 제3 일차 코일은, 일차 코일들 각각에 동위상의 입력 전원이 인가되면 단상 동작을 수행하도록 제어될 수 있다.
제1 일차 코일, 제2 일차 코일, 및 제3 일차 코일은, 일차 코일들 각각에 일정한 위상차이를 가지는 입력 전원이 인가되면 단상 동작을 수행하도록 제어될 수 있다.
제1 일차 코일, 제2 일차 코일, 및 제3 일차 코일은, 수신 패드의 이차 코일이 허용하는 동작 모드에 기반하여 단상 동작 또는 3상 동작을 수행하도록 제어될 수 있다.
수신 패드의 이차 코일이 제1 이차 코일, 제2 이차 코일, 제3 이차 코일을 포함하는 경우에, 제1 이차 코일, 제2 이차 코일, 및 제3 이차 코일은, 제1 이차 코일의 제4 중심점, 제2 이차 코일의 제5 중심점, 및 제3 이차 코일의 제6 중심점의 무게 중심이 제1 중심점, 제2 중심점, 및 제3 중심점을 지나는 xy 평면에 수직이고 원점을 지나는 중심축 상에 위치하도록 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 패드는 일차 코일(primary coil)을 포함하는 송신 패드로부터 무선 전력을 수신하도록 준비되는 무선 전력 수신 패드이다. 무선 전력 수신 패드는 중앙 공간의 원점 주변의 제1 중심점을 둘러싸도록 배치되는 제1 이차 코일(secondary coil); 중앙 공간의 원점 주변의 제2 중심점을 둘러싸도록 배치되는 제2 이차 코일; 중앙 공간의 원점 주변의 제3 중심점을 둘러싸도록 배치되는 제3 이차 코일; 및 제1 이차 코일, 제2 이차 코일, 및 제3 이차 코일을 지지하는 하우징을 포함한다. 제1 이차 코일, 제2 이차 코일, 및 제3 이차 코일은, 제1 중심점, 제2 중심점, 및 제3 중심점의 무게 중심이 원점에 형성되도록 배치된다.
제1 이차 코일, 제2 이차 코일, 및 제3 이차 코일은, 설계 가이드라인으로서 원점을 중심으로 하는 원 내에 배치될 수 있다.
제1 이차 코일, 제2 이차 코일, 및 제3 이차 코일은, 제1 중심점, 제2 중심점, 및 제3 중심점을 지나는 xy 평면 상의 임의의 xy 좌표에서 최대 2개의 코일이 z축 방향으로 중첩되도록 배치될 수 있다.
제1 이차 코일, 제2 이차 코일, 및 제3 이차 코일은, 플랫 와이어(flat wire)가 적어도 1회 이상 감긴 상태로 형성될 수 있다.
제1 이차 코일, 제2 이차 코일, 및 제3 이차 코일은, 리츠 와이어(litz wire)가 적어도 1회 이상 감긴 상태로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 방법은, 일차 코일(primary coil)을 포함하는 송신 패드로부터 이차 코일(secondary coil)을 포함하는 수신 패드로 무선 전력을 전송하는 방법이다. 무선 전력 전송 방법은 중앙 공간의 원점 주변의 제1 중심점을 둘러싸도록 배치되는 제1 일차 코일, 중앙 공간의 원점 주변의 제2 중심점을 둘러싸도록 배치되는 제2 일차 코일, 및 중앙 공간의 원점 주변의 제3 중심점을 둘러싸도록 배치되는 제3 일차 코일이 제1 중심점, 제2 중심점, 및 제3 중심점의 무게 중심이 원점에 형성되도록 배치됨으로써 제1 일차 코일, 제2 일차 코일, 및 제3 일차 코일이 제공되는 단계; 및 제1 일차 코일, 제2 일차 코일, 및 제3 일차 코일에 입력 전원이 인가되어 단상 동작 또는 3상 동작에 의하여 수신 패드로 무선 전력이 전송되도록 제어되는 단계를 포함한다.
수신 패드로 무선 전력이 전송되도록 제어되는 단계에서는, 제1 일차 코일, 제2 일차 코일, 및 제3 일차 코일에 동위상의 입력 전원이 인가됨으로써 단상 동작에 의하여 수신 패드로 무선 전력이 전송되도록 제어될 수 있다.
수신 패드로 무선 전력이 전송되도록 제어되는 단계에서는, 제1 일차 코일, 제2 일차 코일, 및 제3 일차 코일 각각에 일정한 위상 차이를 가지는 입력 전원이 인가됨으로써 3상 동작에 의하여 수신 패드로 무선 전력이 전송되도록 제어될 수 있다.
수신 패드로 무선 전력이 전송되도록 제어되는 단계에서는, 수신 패드의 이차 코일이 허용하는 동작 모드에 기반하여 제1 일차 코일, 제2 일차 코일, 및 제3 일차 코일이 단상 동작 또는 3상 동작을 수행하도록 제어될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 방법은, 수신 패드의 이차 코일이 제1 이차 코일, 제2 이차 코일, 제3 이차 코일을 포함하는 경우에, 제1 이차 코일, 제2 이차 코일, 및 제3 이차 코일이 제1 이차 코일의 제4 중심점, 제2 이차 코일의 제5 중심점, 및 제3 이차 코일의 제6 중심점의 무게 중심이 제1 중심점, 제2 중심점, 및 제3 중심점을 지나는 xy 평면에 수직이고 원점을 지나는 중심축 상에 위치하도록 배치됨으로써 제1 이차 코일, 제2 이차 코일, 및 제3 이차 코일이 제공되는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 서비스 제공업체의 입장에서 복잡한 용량 또는 동작 방식에 따라 달라져야 하는 무선 충전 코일의 형태를 하나로 통합해 시스템의 설치비용을 절감할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 사용자 입장에서 충전 장소를 선택하고 찾아야 하는 불편함을 해소하여 무선 충전에 대한 거부감을 줄이고 무선 충전 방식 전기차량의 구매에 대한 진입장벽을 낮출 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 차량 측의 이차 코일 또는 충전소 측의 일차 코일 중 어느 측면에 설치되더라도 종래 기술의 코일 구조와 호환될 수 있는 높은 호환성을 가지는 송신/수신 코일 구조가 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 일차 코일에 인가되는 입력 전원의 위상에 기반하여 충전 용량을 고려하여 단상 동작 모드 및 3상 동작 모드 중 하나를 선택적으로 적용할 수 있는 일차/이차 코일 구조, 및 그 구조를 채택한 무선 전력 전송 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 새로운 코일 구조의 배치를 최적화하여 전력 전송 효율이 높은 무선 전력 전송(WPT, Wireless Power Transfer) 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예가 적용되는 전기차를 위한 무선 전력 전송(WPT, Wireless Power Transfer) 시스템의 일 예에 대한 개념도이다.
도 2와 도 3은 본 발명의 일 실시예에 적용할 수 있는 SAE J2954에 규정된 x, y, z축에 대한 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기차 무선 충전 회로를 도시하는 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 단상-단상 무선 전력 전송(WPT) 시스템의 등가 회로이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 패드의 개념적인 단면도와 입면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 3상-3상 무선 전력 전송(WPT) 시스템의 등가 회로이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 3상-3상 송신 코일/수신 코일 간 커플링 실시예의 개념적인 평면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 전송을 위한 3상/단상 모드에 호환 가능한 송신 및/또는 수신 코일 구조의 개념적인 평면도이다.
도 10은 도 9의 실시예의 개념적인 사시도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 전송을 위한 3상/단상 모드에 호환 가능한 송신 코일 및 수신 코일 간 커플링 실시예의 개념적인 사시도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 방법을 개념적으로 도시하는 동작 흐름도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 방법을 개념적으로 도시하는 동작 흐름도이다.
도 14는 본 발명의 무선 전력 송신 패드 및/또는 무선 전력 수신 패드 내에 포함되거나, 본 발명의 무선 전력 송신 패드 및/또는 무선 전력 수신 패드와 관련되어 무선 전력 전송을 위한 시퀀스를 제어하는 하드웨어의 일반화된 구성을 도시하는 블록도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는 데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는"이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
본 출원의 실시예들에서, "A 및 B 중에서 적어도 하나"는 "A 또는 B 중에서 적어도 하나" 또는 "A 및 B 중 하나 이상의 조합들 중에서 적어도 하나"를 의미할 수 있다. 또한, 본 출원의 실시예들에서, "A 및 B 중에서 하나 이상"은 "A 또는 B 중에서 하나 이상" 또는 "A 및 B 중 하나 이상의 조합들 중에서 하나 이상"을 의미할 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
한편 본 출원일 전에 공지된 기술이라 하더라도 필요 시 본 출원 발명의 구성의 일부로서 포함될 수 있으며, 이에 대해서는 본 발명의 취지를 흐리지 않는 범위 내에서 본 명세서에서 설명한다. 다만 본 출원 발명의 구성을 설명함에 있어, 본 출원일 전에 공지된 기술로서 당업자가 자명하게 이해할 수 있는 사항에 대한 자세한 설명은 본 발명의 취지를 흐릴 수 있으므로, 공지 기술에 대한 지나치게 자세한 사항의 설명은 생략한다.
본 명세서에 사용되는 일부 용어를 정의하면 다음과 같다.
전기차(Electric Vehicle, EV)는 49 CFR(code of federal regulations) 523.3 등에서 정의된 자동차(automobile)를 지칭할 수 있다. 전기차는 고속도로 이용이 가능하고, 차량 외부의 전원공급원으로부터 재충전 가능한 배터리 등의 차량 탑재 에너지 저장 장치에서 공급되는 전기에 의해 구동될 수 있다. 전원공급원은 주거지나 공용 전기서비스 또는 차량 탑재 연료를 이용하는 발전기 등을 포함할 수 있다.
전기차(electric vehicle, EV)는 일렉트릭 카(electric car), 일렉트릭 오토모바일(electric automobile), ERV(electric road vehicle), PV(plug-in vehicle), xEV(plug-in vehicle) 등으로 지칭될 수 있고, xEV는 BEV(plug-in all-electric vehicle 또는 battery electric vehicle), PEV(plug-in electric vehicle), HEV(hybrid electric vehicle), HPEV(hybrid plug-in electric vehicle), PHEV(plug-in hybrid electric vehicle) 등으로 지칭되거나 구분될 수 있다.
플러그인 전기차(Plug-in Electric Vehicle, PEV)는 전력 그리드에 연결하여 차량 탑재 일차 배터리를 재충전하는 전기차로 지칭될 수 있다.
플러그인 차량(Plug-in vehicle, PV)은 본 명세서에서 전기차 전원공급장치(Electric Vehicle Supply Equipment; EVSE)로부터 물리적인 플러그와 소켓을 사용하지 않고 무선 충전 방식을 통해 재충전 가능한 차량으로 지칭될 수 있다.
중량 자동차(Heavy duty vehicles; H.D. Vehicles)는 49 CFR 523.6 또는 CFR 37.3(bus)에서 정의된 네 개 이상의 바퀴를 가진 모든 차량을 지칭할 수 있다.
경량 플러그인 전기차(Light duty plug-in electric vehicle)는 주로 공공 거리, 도로 및 고속도로에서 사용하기 위한 재충전 가능한 배터리나 다른 에너지 장치의 전류가 공급되는 전기 모터에 의해 추진력을 얻는 3개 또는 4개 바퀴를 가진 차량을 지칭할 수 있다. 경량 플러그인 전기차는 총 중량이 4.545㎏보다 작게 규정될 수 있다.
무선 충전 시스템(Wireless power charging system, WCS)은 무선 전력 전송과 얼라인먼트(위치 정렬) 및 통신을 포함한 Supply Device(또는 Ground Assembly, GA)와 EV device (또는 Vehicle Assembly, VA) 간의 제어를 위한 시스템을 지칭할 수 있다.
무선 전력 전송(Wireless power transfer, WPT)은 유틸리티(Utility)나 그리드(Grid) 등의 교류(AC) 전원공급 네트워크에서 전기차로 무접촉 수단을 통해 전기적인 전력을 전송하는 것을 지칭할 수 있다.
유틸리티(Utility)는 전기적인 에너지를 제공하며 통상 고객 정보 시스템(Customer Information System, CIS), 양방향 검침 인프라(Advanced Metering Infrastructure, AMI), 요금과 수익(Rates and Revenue) 시스템 등을 포함하는 시스템들의 집합으로 지칭될 수 있다. 유틸리티는 가격표 또는 이산 이벤트(discrete events)를 통해 플러그인 전기차가 에너지를 이용할 수 있도록 한다. 또한, 유틸리티는 관세율, 계측 전력 소비에 대한 인터벌 및 플러그인 전기차에 대한 전기차 프로그램의 검증 등에 대한 정보를 제공할 수 있다.
스마트 충전(Smart charging)은 EVSE 및/또는 전기차(플러그인 하이브리드 전기차 포함)가 차량 충전율이나 방전율을 그리드 용량이나 사용 비용 비율의 시간을 최적화하기 위해 전력 그리드와 통신하는 시스템으로 설명할 수 있다.
자동 충전(Automatic charging)은 전력을 전송할 수 있는 1차측 충전기 어셈블리(primary charger assembly)에 대하여 적절한 위치에 차량을 위치시키고 컨덕티브 또는 인덕티브 충전하는 동작으로 정의될 수 있다. 자동 충전은 필요한 인증 및 권한을 얻은 후에 수행될 수 있다.
상호운용성(Interoperabilty)은 서로 상대적인 시스템의 성분들이 전체 시스템의 목적하는 동작을 수행하기 위해 함께 작동할 수 있는 상태를 지칭할 수 있다. 정보 상호운용성(Information interoperability)은 두 개 이상의 네트워크들, 시스템들, 디바이스들, 애플리케이션들 또는 성분들이 사용자가 거의 또는 전혀 불편함 없이 안전하고 효과적으로 정보를 공유하고 쉽게 사용할 수 있는 능력을 지칭할 수 있다.
유도 충전 시스템(Inductive charging system)은 두 파트가 느슨하게 결합된 트랜스포머를 통해 전기 공급 네트워크에서 전기차로 정방향에서 전자기적으로 에너지를 전송하는 시스템을 지칭할 수 있다. 본 실시예에서 유도 충전 시스템은 전기차 충전 시스템에 대응할 수 있다.
유도 커플러(Inductive coupler)는 1차측 장치(primary device)와 2차측 장치(secondary device)로 형성되어 전력이 전기적인 절연을 통해 전력을 전송하는 트랜스포머를 지칭할 수 있다.
유도 결합(Inductive coupling)은 두 코일들 간의 자기 결합을 지칭할 수 있다. 두 코일은 1차측 코일(primary coil)/그라운드 어셈블리 코일(Ground assembly coil)과 2차측 코일(secondary coil)/차량 어셈블리 코일(Vehicle assembly coil)을 지칭할 수 있다.
공급전력회로(supply power circuit, SPC)/그라운드 어셈블리(Ground assembly, GA)는 1차측 코일/GA 코일과 다른 적절한 부품을 포함하여 1차측/그라운드 어셈블리 또는 인프라스트럭처(infrastructure) 측에 배치되는 어셈블리를 지칭할 수 있다. 다른 적절한 부품은 임피던스와 공진주파수를 제어하기 위한 적어도 하나의 부품, 자기 경로(magnetic path)를 강화하기 위한 페라이트 및 전자기 차폐 재료를 포함할 수 있다. 예컨대, SPC 또는 GA는 무선 충전 시스템의 전력 소스로서 기능하는 데 필요한 전력/주파수 변환 장치, SPC 컨트롤러/GA 컨트롤러 및 그리드로부터의 배선과 각 유닛과 필터링 회로들, 하우징 등의 사이의 배선을 포함할 수 있다.
전기차전력회로(EV power circuit, EVPC)/차량 어셈블리(Vehicle assembly, VA)는 2차측 코일/VA 코일과 다른 적절한 부품을 포함하여 차량에 배치되는 어셈블리를 지칭할 수 있다. 다른 적절한 부품은 임피던스와 공진주파수를 제어하기 위한 적어도 하나의 부품, 자기 경로를 강화하기 위한 페라이트 및 전자기 차폐 재료를 포함할 수 있다. 예를 들면, EVPC 또는 VA는 무선 충전 시스템의 차량 부품으로서 기능하는 데 필요한 정류기/전력변환장치와 EVPC 컨트롤러/VA 컨트롤러 및 차량 배터리의 배선뿐 아니라 각 유닛과 필터링 회로들, 하우징 등의 사이의 배선을 포함할 수 있다.
전술한 SPC는 그라운드 어셈블리(ground assembly, GA) 등으로 지칭되거나 구분될 수 있고, 이와 유사하게 EVPC는 차량 어셈블리(vehicle assembly, VA) 등으로 지칭되거나 구분될 수 있다.
전술한 GA는 프라이머리 디바이스(primary device, PD), 1차측 장치 등으로 지칭될 수 있고, 이와 유사하게 VA는 세컨더리 디바이스(secondary device, SD), 2차측 장치 등으로 지칭될 수 있다.
전술한 GA는 서플라이 디바이스(supply device), 전원공급측 장치 등으로 지칭될 수 있고, 이와 유사하게 VA는 전기차 디바이스(EV device), 전기차량 측 장치 등으로 지칭될 수 있다.
프라이머리 디바이스(Primary device)는 세컨더리 디바이스에 무접촉 결합을 제공하는 장치 즉, 전기차 외부의 장치일 수 있다. 프라이머리 디바이스는 1차측 장치로 지칭될 수 있다. 전기차가 전력을 받을 때, 프라이머리 디바이스는 전력을 전송하는 전원 소스로서 동작할 수 있다. 프라이머리 디바이스는 하우징과 모든 커버들을 포함할 수 있다.
세컨더리 디바이스(Secondary device)는 프라이머리 디바이스에 무접촉 결합을 제공하는 전기차 탑재 장치일 수 있다. 세컨더리 디바이스는 2차측 장치로 지칭될 수 있다. 전기차가 전력을 받을 때, 세컨더리 디바이스는 프라이머리 디바이스로부터의 전력을 전기차로 전달할 수 있다. 세컨더리 디바이스는 하우징과 모든 커버들을 포함할 수 있다.
공급 전력 전자장치(supply power electronics)는 차량으로부터의 정보를 토대로 1차측 코일/GA 코일에 대한 출력 전력 레벨을 조절하는 SPC 또는 GA의 일부분일 수 있다. 전기차 전력 전자장치(EV power electronics)는 충전 동안 특정 차량용 파라미터를 모니터링하고 SPC 또는 GA와의 통신을 개시하여 출력 전력 레벨을 제어하는 EVPC 또는 VA의 일부분일 수 있다.
전술한 공급 전력 전자장치(supply power electronics)는 그라운드 어셈블리 전자장치(GA electronics), 그라운드 어셈블리 컨트롤러(GA controller), 또는 프라이머리 디바이스 통신제어기(Primary device communication controller, PDCC)로 지칭될 수 있고, 전기차 전력 전자장치(EV power electronics)는 차량 어셈블리 전자장치(VA electronics), 차량 어셈블리 컨트롤러(VA controller), 또는 전기차 통신제어기(electric vehicle communication controller, VA 제어기)로 지칭될 수 있다.
마그네틱 갭(Magnetic gap)은 리츠선(litz wire)의 상부 또는 1차측 코일/GA 코일의 마그네틱 재료의 상부의 가장 높은 평면과 상기 리츠선의 하부 또는 2차측 코일/VA 코일의 마그네틱 재료의 가장 낮은 평면이 서로 정렬되었을 때 이들 사이의 수직 거리를 지칭할 수 있다.
주위 온도(Ambient temperature)는 직접적으로 햇빛이 비치지 않는 대상 서브시스템의 대기에서 측정된 그라운드 레벨 온도를 지칭할 수 있다.
차량 지상고(Vehicle ground clearance)는 도로 또는 도로포장과 차량 플로어 팬의 최하부 사이의 수직 거리를 지칭할 수 있다.
차량 마그네틱 지상고(Vehicle magnetic ground clearance)는 리츠선의 바닥 최하위 평면 또는 차량에 탑재된 2차측 코일/VA 코일의 절연 재료와 도로포장 사이의 수직 거리를 지칭할 수 있다.
2차측 코일 표면 간격(secondary coil surface distance)/차량 어셈블리(VA) 코일 표면 간격(Vehicle assembly coil surface distance)은 리츠선의 바닥 최하부의 평면 또는 2차측 코일/VA 코일의 마그네틱 재료와 2차측 코일/VA 코일의 최하위 외부 표면 사이의 수직 거리를 지칭할 수 있다. 이러한 거리는 보호 커버재 및 코일 포장재로 포장된 추가 아이템을 포함할 수 있다.
전술한 2차측 코일(secondary coil)은 VA 코일(VA coil), 차량 코일(vehicle coil), 수신 코일(receiver coil) 등으로 지칭될 수 있고, 이와 유사하게 1차측 코일(primary coil)은 그라운드 어셈블리 코일(ground assembly coil, GA coil), 송신 코일(transmit coil) 등으로 지칭될 수 있다.
노출 도전 부품(Exposed conductive component)은 사람에 의해 접촉될 수 있고 평상시 전기가 흐르지 않지만 고장 시에 전기가 흐를 수 있는 전기적인 장치(예컨대, 전기차)의 도전성 부품을 지칭할 수 있다.
유해 라이브 요소(Hazardous live component)는 어떤 조건하에서 유해한 전기 쇼크를 줄 수 있는 라이브 구성요소를 지칭할 수 있다.
라이브 요소(Live component)는 기본적인 용도에서 전기적으로 활성화되는 모든 도체 또는 도전성 부품을 지칭할 수 있다.
직접 접촉(Direct contact)은 생물체인 사람의 접촉을 지칭할 수 있다.
간접 접촉(Indirect contact)은 절연 실패로 사람이 노출된, 도전된, 전기가 흐르는 활성 성분에 접촉하는 것을 지칭할 수 있다(IEC 61140 참조).
얼라인먼트(Alignment)는 규정된 효율적인 전력 전송을 위해 프라이머리 디바이스에 대한 세컨더리 디바이스의 상대적인 위치를 찾는 절차 및/또는 세컨더리 디바이스에 대한 프라이머리 디바이스의 상대적인 위치를 찾는 절차를 가리킬 수 있다. 본 명세서에서 얼라인먼트는 무선 전력 전송 시스템의 위치 정렬을 지칭할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
페어링(Pairing)은 전력을 전송할 수 있도록 배치된 단일 전용 그라운드 어셈블리(프라이머리 디바이스)와 차량(전기차)가 연관되는 절차를 지칭할 수 있다. 본 명세서에서 페어링은 충전 스팟 또는 특정 SPC/그라운드 어셈블리와 EVPC/차량 어셈블리 제어기의 연관 절차를 포함할 수 있다.
연관(Correlation/Association)은 두 피어(peer) 통신 실체들 사이의 관계 성립 절차를 포함할 수 있다.
명령 및 제어 통신(Command and control communication)은 무선 전력 전송 프로세스의 시작, 제어 및 종료에 필요한 정보를 교환하는 전기차 전력공급장치와 전기차 사이의 통신을 지칭할 수 있다.
하이 레벨 통신(High level communication)은 명령 및 제어 통신에서 담당하는 정보를 초과하는 모든 정보를 처리할 수 있다. 하이 레벨 통신의 데이터 링크는 PLC(Power line communication)을 사용할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
저전력 기동(Low power excitation)은 정밀 포지셔닝과 페어링을 수행하기 위해 전기차가 프라이머리 디바이스를 감지하도록 그것을 활성화하는 것을 지칭할 수 있으나, 이에 한정되지 않으며 그 역도 가능하다.
SSID(Service set identifier)는 무선랜 상에서 전송되는 패킷의 헤더에 붙는 32-character로 이루어진 유니크한 식별자이다. SSID는 무선 장비에서 접속하려고 하는 BSS(basic service set)를 구분해 준다. SSID는 기본적으로 여러 개의 무선랜을 서로 구별해준다. 따라서 특정한 무선랜을 사용하려는 모든 AP(access point)와 모든 단말(terminal)/스테이션(station) 장비들은 모두 같은 SSID를 사용할 수 있다. 유일한 SSID를 사용하지 않는 장비는 BSS에 조인하는 것이 불가능하다. SSID는 평문으로 그대로 보이기 때문에 네트워크에 어떠한 보안 특성도 제공하지 않을 수 있다.
ESSID(Extended service set identifier)는 접속하고자 하는 네트워크의 이름이다. SSID와 비슷하지만 보다 확장된 개념일 수 있다.
BSSID(Basic service set identifier)는 통상 48bits로 특정 BSS(basic service set)를 구분하기 위해 사용한다. 인프라스트럭쳐 BSS 네트워크의 경우, BSSID는 AP 장비의 MAC(medium access control)가 될 수 있다. 독립적인(independent) BSS나 애드훅(ad hoc) 네트워크의 경우, BSSID는 임의의 값으로 생성될 수 있다.
충전 스테이션(charging station)은 적어도 하나 이상의 그라운드 어셈블리와 적어도 하나 이상의 그라운드 어셈블리를 관리하는 적어도 하나 이상의 그라운드 어셈블리 제어기를 포함할 수 있다. 그라운드 어셈블리는 적어도 하나 이상의 무선통신기를 구비할 수 있다. 충전 스테이션은 가정, 사무실, 공공장소, 도로, 주차장 등에 설치되는 적어도 하나 이상의 그라운드 어셈블리를 구비한 장소를 지칭할 수 있다.
본 명세서에서 연결(association)은 전기차 통신제어기(EVCC, Electric Vehicle Communication Controller) 및 충전 인프라를 제어하는 전원 공급 장치 통신제어기(SECC, Supply Equipment Communication Controller) 간에 무선 통신을 설정하는 절차를 의미하는 용어로 사용될 수 있다.
전기차 충전 시스템은 케이블을 이용한 전도성 충전 시스템 또는 비접촉 방식의 무선 전력 전송 시스템을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 전기차 충전 시스템은 기본적으로 상용 전원의 배전망(grid)이나 에너지 저장 장치의 전력을 이용하여 전기차에 탑재된 배터리를 충전하는 시스템으로 정의할 수 있으며, 이러한 전기차 충전 시스템은 전기차의 종류에 따라 다양한 형태를 가질 수 있다.
무선 충전을 위한 대표적인 표준인 SAE TIR J2954는 가벼운 의무 전기 및 플러그인 전기 자동차의 무선 충전을 위한 상호 운용성, 전자기 호환성, 최소 성능, 안전성 및 테스트를 위한 허용 기준을 정의하는 업계 표준 사양 가이드라인을 수립하고 있다.
무선 충전 시스템의 일 예를 나타내는 J2954표준에 따른 WCS(Wireless Communication System)는 유틸리티 인터페이스, 고주파 전력 인버터, 커플링 코일, 정류기, 필터, 선택적 레귤레이터, 그리고 차량 에너지 충전/저장 시스템과 유틸리티에 연결된 전력 인버터 간의 통신으로 구성될 수 있다. 유틸리티 인터페이스는 단상 또는 3상 AC 전원에 대한 기존 EVSE 연결과 유사하다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예가 적용되는 전기차를 위한 무선 전력 전송(WPT, Wireless Power Transfer) 시스템의 일 예에 대한 개념도이다.
도 1을 참조하면, 무선 전력 전송은 전기차(electric vehicle, 10)의 적어도 하나의 구성요소와 차징 스테이션(charging station, 20)에 의해서 수행될 수 있고, 전기차(10)에 무선으로 전력을 전송하기 위해서 이용될 수 있다.
다만, 본 발명에 따른 전기차(10)는 전기 모터와 일반적인 내연기관(internal combustion engine)을 함께 가지는 하이브리드 자동차를 포함할 수 있고, 자동차(automobile)뿐만 아니라 모터사이클(motocycle), 카트(cart), 스쿠터(scooter) 및 전기 자전거(electric bicycle)를 포함할 수 있다.
여기서, 전기차(10)는 일반적으로 배터리(12)와 같이 충전 가능한 에너지 저장 장치로부터 유도된 전류를 동력장치인 전기 모터의 에너지원으로 공급하는 차량(automobile)으로 정의할 수 있다.
또한, 전기차(10)는 무선으로 배터리(12)를 충전할 수 있도록 수신 코일이 포함된 수신 패드(11)를 포함할 수 있으며, 유선으로 배터리(12)를 충전할 수 있도록 플러그 접속구를 포함할 수도 있다. 이때, 유선으로 배터리(12)를 충전할 수 있는 전기차(10)를 플러그인 전기차(Plug-in Electric Vehicle, PEV)로 지칭할 수 있다.
여기서, 차징 스테이션(20)은 전력망(power grid, 30) 또는 전력 백본(power backbone)에 연결될 수 있고, 전력 링크(power link)를 통하여 송신 코일이 포함된 송신 패드(21)에 교류(AC) 또는 직류(DC) 전력을 제공할 수 있다.
또한, 차징 스테이션(20)은 유무선 통신을 통하여 전력망(power grid, 30) 또는 전력망을 관리하는 인프라 관리 시스템(infrastructure management system) 또는 인프라 서버와 통신할 수 있고, 전기차(10)와 무선 통신을 수행할 수 있다. 여기서, 무선 통신에는 블루투스(Bluetooth), 지그비(zigbee), 셀룰러(cellular), 무선 로컬 영역 네트워크(wireless local area network) 등이 있을 수 있다.
또한, 예를 들어 차징 스테이션(20)은 전기차(10) 소유자의 집에 부속된 주차장, 주유소에서 전기차 충전을 위한 주차구역, 쇼핑 센터나 직장의 주차구역 등과 같이 다양한 장소에 위치할 수 있다.
여기서, 전기차(10)의 배터리(12)를 무선 충전하는 과정은 먼저 전기차(10)의 수신 패드(11)가 송신 패드(21)에 의한 에너지 장(energy field)에 위치하고, 송신 패드(21)의 송신 코일과 수신 패드(11)의 수신 코일이 서로 상호작용 또는 커플링됨으로써 수행될 수 있다. 상호작용 또는 커플링의 결과로 수신 패드(11)에 기전력이 유도되고, 유도된 기전력에 의해 배터리(12)가 충전될 수 있다.
또한, 차징 스테이션(20)과 송신 패드(21)는 그 전부 또는 일부를 공급전력회로(SPC) 또는 그라운드 어셈블리(Ground Assembly, GA)로 지칭할 수 있고, SPC 또는 그라운드 어셈블리는 앞서 정의한 의미를 참조할 수 있다.
또한, 전기차(10)의 수신 패드(11)와 다른 전기차 내부 구성요소 전부 또는 일부를 전기차전력회로(EV power circuit, EVPC) 또는 차량 어셈블리(Vehicle Assembly, VA)로 지칭할 수 있는데, 여기서 EVPC 또는 차량 어셈블리는 앞서 정의한 의미를 참조할 수 있다.
여기서, 송신 패드(21) 또는 수신 패드(11)는 비극성(non-polarized) 또는 극성(polarized)으로 구성될 수도 있다.
이때, 패드가 비극성이면 패드의 중앙에 하나의 극이 있고, 바깥 주변에 반대 극을 가질 수 있다. 여기서, 자속(flux)는 패드의 중앙에서 나가고(exit), 패드의 모든 바깥 경계에서 복귀(return)하도록 형성될 수 있다.
또한, 패드가 극성인 경우, 패드의 어느 한쪽 끝에 각각의 극을 가질 수 있다. 여기서, 자속은 패드의 방향(orientation)에 기초하여 형성될 수 있다.
본 발명에서 송신 패드(21) 또는 수신 패드(11)는 통칭하여 무선 충전 패드라 지칭될 수 있다.
도 2와 도 3은 본 발명의 일 실시예에 적용할 수 있는 SAE J2954에 규정된 x, y, z축에 대한 개념도이다.
도 2와 도 3을 참조하면, 오른손 좌표계에서는, 차량(vehicle)의 앞쪽 방향 또는 전후 방향을 x축, 왼손쪽 차량의 운전자측(driver side for left hand side vehicle) 또는 차량의 좌우측을 y축, 차량의 위쪽 또는 위아래 방향을 z축, 송신 패드(21) 또는 수신 패드(11)의 코일의 자기 중심(magnetic center)을 x=0 및 y=0, 그리고 그라운드 표면을 z=0으로 정의할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기차 무선 충전 회로를 도시하는 개념도이다.
도 4의 좌측 회로는 전력망에서 공급되는 전원(Vsrc), 도 1에서의 차징 스테이션(20), 송신 패드(21)의 구성 중 전부 또는 일부를 표현한 것으로 해석될 수 있고, 도 4의 우측 회로는 수신 패드 및 배터리를 포함한 전기차의 일부 또는 전부를 표현한 것으로 해석될 수 있다.
도 4의 좌측 회로는 전력망에서 공급되는 전원(Vsrc)에 대응되는 출력 전력(Psrc)를 무선 충전 전력 변환기(converter)에 제공하고, 무선 충전 전력 변환기는 송신 코일(L1)에서 희망하는 동작 주파수에서의 전자기장을 방출할 수 있도록, 제공받은 전력(Psrc)의 주파수 및 AC/DC 변환을 수행한 전력(P1)을 출력할 수 있다.
무선 충전 전력 변환기는 전력망에서 공급된 전력(Psrc)이 AC 전력인 경우 DC 전력으로 변환하는 AC/DC 변환기 및 DC전력을 무선 충전에 적합한 동작 주파수의 전력으로 변환하는 저주파수 변환기(또는 LF 변환기) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 동작 주파수는 예를 들면, 80 내지 90 kHz 사이에 위치하도록 결정할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
무선 충전 전력 변환기에서 출력된 전력(P1)은 다시 송신 코일(L1), 제1 커패시터(C1) 및 제1 저항(R1)으로 구성된 회로에 공급될 수 있고, 이때 제1 커패시터(C1)는 송신 코일(L1)과 함께 충전에 적합한 동작 주파수를 갖도록 하는 소자값을 가지도록 결정될 수 있다. 또한, 여기서 제1 저항(R1)은 송신 코일(L1) 및 제1 커패시터(C1)에 의해 발생하는 전력손실을 의미할 수 있다.
여기서, 송신 코일(L1)은 수신 코일(L2)과 커플링 계수 m으로 정의되는 전자기적 커플링이 이루어져 전력이 전송되도록 하거나, 또는 전력이 수신 코일(L2)로 유도될 수 있다. 따라서, 본 발명에서 전력이 전송된다는 의미는 전력이 유도된다는 의미와 혼용하여 사용될 수 있다.
여기서, 수신 코일로 유도되거나 전송받은 전력(P2)은 전기차 전력 변환기로 제공될 수 있다. 이때, 제2 커패시터(C2)는 수신 코일(L2)과 함께 충전에 적합한 동작 주파수를 갖도록 하는 소자값으로 결정될 수 있고, 제2 저항(R2)은 수신 코일(L2) 및 제2 커패시터(C2)에 의해 발생하는 전력손실을 의미할 수 있다.
전기차 전력 변환기는 제공받은 특정 동작 주파수의 전력(P2)을 다시 전기차의 배터리(VHV)에 적합한 전압 레벨을 갖는 DC 전력으로 변환하는 LF/DC 변환기를 포함할 수 있다.
전기차 전력 변환기가 제공받은 전력(P2)을 변환한 전력(PHV)을 출력하면, 출력된 전력(PHV)는 전기차에 내장된 배터리(VHV)의 충전에 사용될 수 있다.
도 4의 우측 회로에는 수신 코일(L2)을 배터리(VHV)와 선택적으로 접속 또는 해제하기 위한 스위치(switch)를 더 포함할 수 있다.
송신 코일(L1)과 수신 코일(L2)의 공진 주파수(resonance frequency)는 서로 유사하거나 동일하도록 구성될 수 있으며, 송신 코일(L1)에서 발생된 전자기장에 수신 코일(L2)이 근거리에 위치할 수 있도록 구성될 수 있다.
도 4의 회로는 본 발명의 실시예들을 위해서 이용 가능한 전기차 무선 충전 시스템에서의 전력 전송에 관한 예시적 회로로 이해되어야 하며, 본 발명의 사상이 도 4에서의 회로에 한정하여 해석되는 것은 아니다.
한편, 송신 코일(L1)과 수신 코일(L2)이 원거리에 위치할수록 전력 손실이 증가할 수 있으므로, 양자의 위치를 설정하는 것은 중요한 요소일 수 있다.
이때, 송신 코일(L1)은 도 1에서의 송신 패드(21)에 포함되고, 수신 코일(L2)은 도 1에서의 수신 패드(11)에 포함될 수 있다. 또한, 송신 코일은 1차측 코일(primary coil) 또는 GA 코일(Ground Assembly coil)로 지칭될 수도 있고, 수신 코일은 2차측 코일(secondary coil) 또는 VA 코일(Vehicle Assembly coil)로 지칭될 수도 있다. 따라서, 송신 패드(21)와 수신 패드(11) 상호간의 위치 결정 또는 전기차(10)와 송신 패드(21) 상호간의 위치 결정 또한 중요한 요소이다.
도 1에서의 송신 패드(21) 및 전기차(10)에 내장된 수신 패드(11) 사이의 위치 정렬은 앞서 설명한 용어인 얼라인먼트(alignment)에 대응될 수 있고, 따라서, SPC/GA와 EVPC/VA간의 위치 정렬로 정의할 수도 있고, 송신 패드(21)와 수신 패드(11)의 위치 정렬로 한정해석되지 않는다.
송신 패드(21)는 실시예에 따라서는 지표면 아래에 위치할 수도 있고, 지표면 위에 위치할 수도 있고, 지표면 아래에서 송신 패드(21)의 상면이 노출되도록 위치할 수도 있다. 이때, 도 2 및 도 3에서 도시된 것처럼 x 축은 차량의 전후 방향을 지시할 수 있고, y축은 차량의 좌우 방향을 지시할 수 있으며, z축은 차량의 위아래 방향을 지시할 수 있다.
또한, 전기차의 수신 패드(11)는 지표면을 기준으로 측정된 높이(z방향으로 정의)에 따라 카테고리를 달리하여 정의할 수 있고, 예를 들어 지표면에서 수신 패드(11)의 높이가 100-150(mm) 인 경우 class 1, 140-210(mm) 인 경우 class 2, 170-250(mm)인 경우 class 3와 같이 설정할 수 있다. 이때, 수신 패드(11)에 따라 class 1만을 지원하거나, class 1과 2를 지원할 수도 있는 등 부분적 지원이 가능할 수 있다.
지표면을 기준으로 측정된 높이는 앞서 설명한 용어인 차량 마그네틱 지상고에 대응될 수 있다.
또한, 송신 패드(21)의 높이 방향(z방향으로 정의)의 위치는 상기 수신 패드(11)에서 지원하는 최대 클래스와 최소 클래스 사이에 위치하도록 결정할 수 있는데, 예를 들어 수신 패드(11)가 class1과 2만을 지원한다면, 수신 패드(11)를 기준으로 100-210 (mm) 사이에 송신 패드가 위치하도록 결정할 수 있다.
또한, 송신 패드(21)의 중심과 수신 패드(11)의 중심 사이의 격차는 가로 및 세로 방향(y 및 x 방향으로 정의)의 한계값 이내에 위치하도록 결정할 수 있다. 예를 들어, 가로 방향(y방향으로 정의)으로는 ±75 (mm) 이내에 위치하도록 결정할 수 있고, 세로 방향(x방향으로 정의)으로는 ±100 (mm) 이내에 위치하도록 결정할 수 있다.
여기서, 송신 패드(21)와 수신 패드(11)의 상대적 위치는 그 실험적 결과에 따라 한계값이 달라질 수 있고, 상기 수치들은 예시적인 것으로 이해되어야 한다.
또한, 송신 패드(21)와 수신 패드(11)는 각각 코일을 포함하는 것으로 전제하고 패드 상호간의 정렬로 설명하였으나, 더 구체적으로는 송신 패드(21)와 수신 패드(11)에 각각 내장된 1차측 코일(송신 코일 또는 GA 코일)과 2차측 코일(수신 코일 또는 VA 코일) 상호간의 정렬로 정의할 수도 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 단상-단상 무선 전력 전송(WPT) 시스템의 등가 회로이다.
본 발명의 다양한 실시예들의 일차 코일(primary coil)과 이차 코일(secondary coil) 간에 형성되는 자기/유도 결합 또는 공진 구조는 도 5의 트랜스포머에 의하여 등가적으로 표현될 수 있다.
도 5를 참조하면 일차 코일의 앞단에 교류 신호를 인가하기 위한 단상 AC-DC 정류 회로(210), 및 SPWM(sinusoidal pulse width modulation) 인버터(220)가 도시된다.
또한 도 5를 참조하면 이차 코일로부터 부하/배터리에 전력을 전달하기 위한 정류기(110), 및 충전기(120)가 도시된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치는 전력 전달 회로를 포함할 수 있다. 도 5에 도시된 전력 전달 회로는 일차 코일 측에 단상 AC-DC 정류 회로(210), 및 SPWM 인버터(220)를 포함하는 구조를 기술적 특징으로 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 도 5의 전력 전달 회로는 일차 코일 측에 전력을 전달하기 위한 단상 AC-DC 정류 회로(210), 및 SPWM 인버터(220)를 제어하기 위하여 단상 AD-DC 정류 회로(210) 상의 측정값에 기반한 PI 제어 구조를 기술적 특징으로 포함할 수 있다.
SPWM 인버터(220)는 단상 AC-DC 정류기(210)의 출력을 수신하여 교류 신호를 생성하고, 교류 신호를 출력으로서 일차 코일에 전달할 수 있다.
정류기(110) 및 충전기(120)의 동작에 의하여 정류된 교류 신호가 배터리에 인가되어 배터리를 충전할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 패드(21)의 개념적인 단면도와 입면도이다.
도 6을 참조하면 도 5와 같은 단상 동작에 의한 무선 전력 전송이 수행되는 장치에서 송신 패드(21)에 포함되는 송신 코일(21d)이 도시된다. 도 6의 송신 패드(21)는 단상 동작 모드를 제공할 수 있다. 또한 도 6의 송신 패드(21)와 대응하는 형상의 수신 코일(도시되지 않음)을 포함하는 수신 패드(11)를 이용하면, 수신 패드(11)가 단상 동작 모드에 의하여 무선 전력을 수신할 수 있다. 수신 패드(11)의 단상 동작 모드를 위한 코일 및 하드웨어 구성은 도 6을 변형하여 당업자가 용이하게 구현할 수 있을 것이므로 상세한 설명은 생략한다.
도 6을 참조하면, 송신 패드(21)는 외형을 이루는 외부 케이스(21a), 외부 케이스(21a) 내부에 평판 형태로 설치된 알루미늄 쉴드(21b), 알루미늄 쉴드의 상부에 설치되는 평판형 페라이트(21c) 및 평판형 페라이트(21c)의 상부에 설치되는 송신 코일(21d)을 포함할 수 있다. 여기서 상부는 송신 패드(21)가 설치되는 지면을 기준으로 지면의 위를 의미할 수 있다.
여기서 평판형 페라이트(21c)에 사용되는 재료인 페라이트(ferrite)는 산화철을 포함한 자성체로서 자기 저항을 감소시키고 자속의 흐름을 도움으로써 무선 전력을 송수신하는 데 보조적 역할을 할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 3상-3상 무선 전력 전송(WPT) 시스템의 등가 회로이다.
도 7을 참조하면 일차 코일과 이차 코일은 각각 3상 코일로 구현되고, 각 상에 대응하여 일차 코일의 앞단에 교류 신호를 인가하기 위한 단상 AC-DC 정류 회로(210a, 210b, 210c), 및 SPWM(sinusoidal pulse width modulation) 인버터(220a, 220b, 220c)가 도시된다.
또한 도 7을 참조하면 각 상에 대응하여 이차 코일로부터 부하/배터리에 전력을 전달하기 위한 정류기(110a, 110b, 110c), 및 충전기(120)가 도시된다.
도 7에 도시된 단상 AC-DC 정류 회로(210a, 210b, 210c), SPWM(sinusoidal pulse width modulation) 인버터(220a, 220b, 220c), 및 정류기(110a, 110b, 110c)의 구성은 도 5의 단상 AC-DC 정류 회로(210), SPWM(sinusoidal pulse width modulation) 인버터(220), 및 정류기(110)를 참고하여 당업자가 용이하게 도출할 수 있을 것이므로 상세한 설명은 생략한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 3상-3상 송신 코일/수신 코일 간 커플링 실시예의 개념적인 평면도이다.
도 8을 참고하면, 3개의 상부 코일과 3개의 하부 코일이 배치되며, 3개의 상부 코일 각각에는 하부 코일 중 하나씩이 페어(pair)로서 대응한다. 일반적인 3개의 상부 코일과 3개의 하부 코일은 서로 반대되는 방향으로 권선이 형성된다. 즉, 자기장이 반대 방향으로 만들어지도록 배치될 수 있다.
상부 코일이 이차 코일인 경우, 하부 코일에 인가되는 입력 전원이 일정한 위상차이를 가지는 3상 신호이면 이차 코일에 3상 신호가 유도되어 무전 전력이 전송될 수 있다. 다만 도 8의 실시예에서는 입력 전원이 동위상 신호인 경우에는 상부 코일의 중심점과 하부 코일의 중심점이 어긋나며 자기장이 서로 효율적으로 결합되지 못하고 마치 6개의 코일이 개별적으로 동작하는 것과 같은 자기장의 분포가 형성될 수 있다. 동일한 중심점에 오버랩되는 코일 간에는 무전 전력 전송이 이루어지지만 서로 다른 위치의 중심점을 가지는 코일 간에는 전력 전송이 이루어지지 않고 호환되지 않는다.
도 8의 실시예에서는 3상 동작 모드는 가능하지만 단상 동작 모드는 제공되기 어려울 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에서는, 일차 코일 또는 이차 코일 중 어느 한 쪽은 도 8과 같은 코일 구조를 가지고, 나머지 한 쪽은 후술할 도 10 내지 도 11의 코일 구조를 가질 수 있다. 이 경우에도 입력 전원이 3상 신호인 경우 3상 동작 모드에 의하여 무선 전력 전송이 수행될 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 전송을 위한 3상/단상 모드에 호환 가능한 송신 및/또는 수신 코일 구조(300)의 개념적인 평면도이다.
도 10은 도 9의 실시예의 개념적인 사시도이다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 코일 구조(300)는 동일한 크기를 가지는 3개의 원형 코일(310, 320, 330)을 각각 서로 교차하도록 배치하였으며, 중앙의 원점으로부터의 거리를 조절하여 XY 평면 상의 임의의 한 지점에서도 3개의 코일이 겹치는 영역이 없도록 배치하였다. 즉, XY 평면 상의 임의의 한 지점에서 최대 2개의 코일이 중첩될 수 있도록 배치된다. 이러한 배치 구조는 상부로 드러나는 코일의 면적을 극대화하여 무선전력전송의 효율을 높일 수 있는 구조이다.
또한 코일 구조(300) 내의 3개의 원형 코일(310, 320, 330)에 동위상의 입력 전원을 인가하였을 때 각각의 코일로부터 만들어진 자기장이 서로 결합해 하나의 자기장을 이루게 함으로써 단상 코일과 동일한 자기장이 분포되도록 제어될 수 있다.
이로 인하여 일차 코일/이차 코일 중 어느 한 쪽이 도 9의 코일 구조(300)를 가지고 반대측의 코일이 단상 모드만을 지원하는 경우에, 본 발명의 일 실시예에 따른 코일 구조(300)를 이용하여 단상 동작 모드의 무선 전력 전송이 제공될 수 있다.
또한 일차 코일/이차 코일 양쪽이 도 9의 코일 구조(300)를 가지는 경우에도 충전 용량 등 제반 조건 하에서 단상 모드가 유리한 경우에는 본 발명의 일 실시예에 따른 코일 구조(300)를 이용하여 단상 동작 모드의 무선 전력 전송이 제공될 수 있다.
또한, 도 9의 코일 구조(300)가 3상 유도 코일로 동작하는 경우 도 9의 코일 구조(300) 내의 하나의 코일과 위상이 다른 2개의 코일로부터 발생한 자기장이 결합하여 기존의 3상 유도코일이 가지는 자기장의 분포와 동일한 자기장 분포를 가질 수 있도록 동작한다.
이로 인하여 일차 코일/이차 코일 중 어느 한 쪽이 도 9의 코일 구조(300)를 가지고 반대측의 코일이 3상 모드만을 지원하는 경우에, 본 발명의 일 실시예에 따른 코일 구조(300)를 이용하여 3상 동작 모드의 무선 전력 전송이 제공될 수 있다.
또한 일차 코일/이차 코일 양쪽이 도 9의 코일 구조(300)를 가지는 경우에도 충전 용량 등 제반 조건 하에서 3상 모드가 유리한 경우에는 본 발명의 일 실시예에 따른 코일 구조(300)를 이용하여 3상 동작 모드의 무선 전력 전송이 제공될 수 있다.
따라서 도 9의 코일 구조(300)를 일차 코일 또는 이차 코일 중 적어도 어느 한 쪽에 사용할 경우 기존의 단상 코일 또는 3상 코일과 호환될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 서비스 제공업체의 입장에서 복잡한 용량 또는 동작 방식에 따라 달라져야 하는 무선 충전 코일의 형태를 하나로 통합해 시스템의 설치비용을 절감할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 사용자 입장에서 충전 장소를 선택하고 찾아야 하는 불편함을 해소하여 무선 충전에 대한 거부감을 줄이고 무선 충전 방식 전기차량의 구매에 대한 진입장벽을 낮출 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 차량 측의 이차 코일 또는 충전소 측의 일차 코일 중 어느 측면에 설치되더라도 종래 기술의 코일 구조와 호환될 수 있는 높은 호환성을 가지는 송신/수신 코일 구조가 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 일차 코일에 인가되는 입력 전원의 위상에 기반하여 충전 용량을 고려하여 단상 동작 모드 및 3상 동작 모드 중 하나를 선택적으로 적용할 수 있는 일차/이차 코일 구조, 및 그 구조를 채택한 무선 전력 전송 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 새로운 코일 구조의 배치를 최적화하여 전력 전송 효율이 높은 무선 전력 전송(WPT, Wireless Power Transfer) 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 패드(21)는, 이차 코일을 포함하는 수신 패드(11)로 무선 전력을 전송하도록 준비되는 무선 전력 송신 패드(21)이다. 무선 전력 송신 패드(21)는 중앙 공간의 원점 주변의 제1 중심점(312)을 둘러싸도록 배치되는 제1 일차 코일(310)(primary coil); 중앙 공간의 원점 주변의 제2 중심점(322)을 둘러싸도록 배치되는 제2 일차 코일(320); 중앙 공간의 원점 주변의 제3 중심점(332)을 둘러싸도록 배치되는 제3 일차 코일(330); 및 제1 일차 코일(310), 제2 일차 코일(320), 및 제3 일차 코일(330)을 지지하는 하우징을 포함한다. 제1 일차 코일(310), 제2 일차 코일(320), 및 제3 일차 코일(330)은, 제1 중심점(312), 제2 중심점(322), 및 제3 중심점(332)의 무게 중심이 원점에 형성되도록 배치된다.
제1 일차 코일(310), 제2 일차 코일(320), 및 제3 일차 코일(330)은, 설계 가이드라인(340)으로서 원점을 중심으로 하는 원 내에 배치될 수 있다.
예를 들어 설계 가이드라인(340)은 Φ=750mm 크기의 원으로 설정될 수 있고, 제1 일차 코일(310), 제2 일차 코일(320), 및 제3 일차 코일(330)은, 설계 가이드라인(340)의 원 안에 배치될 수 있다.
본 발명의 코일 구조(300)는 3상 코일의 중심이 중앙의 원점 근체에 몰려 있는 구조이다. 이러한 구조는 설계 가이드라인(340)에 의하여 더욱 효과적으로 설정될 수 있다.
3개의 중심점(312, 322, 332)은 거리가 이격되어 있으나 예를 들어 무선 전력 전송의 동작 주파수인 85KHz에서 수센티미터의 이격 거리는 전기적으로 무의미할 정도로 작은 값으로 취급될 수 있다. 이때 일차 코일들(310, 320, 330)에 동위상의 입력 전원이 인가되는 경우, 동일한 회전 방향을 가지고 원점에서 각 중심점(312, 322, 332)이 크게 이격되지 않는 코일 구조(300)에 의하여 코일들(310, 320, 330)로 인해 만들어진 자기장이 서로 강화되어 마치 동위상 입력 전원에 의하여 하나의 코일에서 생성된 자기장과 같은 분포를 가지는 자기장이 생성되며, 단상 동작 모드로 동작 가능한 자기장이 형성될 수 있다.
제1 일차 코일(310), 제2 일차 코일(320), 및 제3 일차 코일(330)은, 제1 중심점(312), 제2 중심점(322), 및 제3 중심점(332)을 지나는 xy 평면 상의 임의의 xy 좌표에서 최대 2개의 코일이 z축 방향으로 중첩되도록 배치될 수 있다.
XY 평면 상의 임의의 xy 좌표 상의 지점에서 3단이 아닌 최대 2단으로 제1 일차 코일(310), 제2 일차 코일(320), 및 제3 일차 코일(330)이 배치되면서 코일 구조(300)의 상부 노출 영역은 증가된 노출도를 가진다.
제1 일차 코일(310), 제2 일차 코일(320), 및 제3 일차 코일(330)은, 플랫 와이어(flat wire)가 적어도 1회 이상 감긴 상태로 형성될 수 있다.
도 9 및 도 10을 참고하면, 코일들(310, 320, 330)을 이루고 있는 것은 플랫 와이어(flat wire)일 수 있다. 코일들(310, 320, 330)은 발열 및 전류 흐름을 고려하여 5mm*10mm(1mm*10mm 3개 사용)의 크기를 가지는 3중 구조로 구현될 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에서는, 도 9 및 도 10의 코일들(310, 320, 330)을 이루고 있는 것은 리츠 와이어(litz wire)일 수 있다.
제1 일차 코일(310), 제2 일차 코일(320), 및 제3 일차 코일(330)은, 리츠 와이어(litz wire)가 적어도 1회 이상 감긴 상태로 형성될 수 있다.
도 9 및 도 10의 코일 구조(300)의 제조에 소모되는 비용은 도 8에 도시된 일반적인 3상 WPT 코일보다 낮을 수 있다. 플랫 와이어 및 리츠 와이어 중 적어도 하나를 이용하는 경우에도 마찬가지로 코일 구조(300)의 제조에 소모되는 비용은 도 8에 도시된 일반적인 3상 WPT 코일보다 낮을 수 있다.
제1 일차 코일(310), 제2 일차 코일(320), 및 제3 일차 코일(330)은, 수신 패드(11)의 이차 코일이 허용하는 동작 모드에 기반하여 단상 동작 또는 3상 동작을 수행하도록 제어될 수 있다.
그라운드 어셈블리(GA, Ground Assembly)와 차량 어셈블리(VA, Vehicle Assembly) 간의 조합이 도 6의 단상 코일-도 8의 3상 코일인 경우에는 상호 호환될 수 없다. 어느 한 쪽이 도 6의 단상 코일인 경우 코일 간 커플링은 단상 모드로 동작하여야 하지만, 다른 한 쪽이 도 8의 3상 코일인 경우에는 동위상의 신호가 인가될 때 필드의 방향이 반대로 형성되면서 자기장이 보강되지 못하고 상쇄되는 문제점이 존재한다.
이로 인하여 종래 기술에 의하여 구현되는 도 6의 단상 코일 및 도 8의 3상 코일 구조 중 어느 하나를 보유하는 전기차의 사용자는, 전기차에 탑재된 코일 구조의 동작 모드에 매칭되는 EVSE를 탐색하여야만 전력을 공급받을 수 있는 문제점이 있었다.
또한 반대로 종래 기술을 이용하는 전기차 충전 서비스 제공자는, 도 6의 단상 코일 및 도 8의 3상 코일 구조 각각을 보유하는 EVSE를 별도로 설치하여 서비스를 제공해야 하는 문제점이 있었다.
본 발명의 실시예에 따르면, 차량에 탑재된 이차 코일이 본 발명의 도 9 및 도 10에 도시된 코일 구조(300)를 채택하는 경우, EVSE가 제공할 수 있는 단상 동작 모드 및 3상 동작 모드 중 어느 방법을 이용하여 전력을 공급하더라도 이차 코일이 전력을 공급받을 수 있으므로 전기차 충전 서비스 제공자는 EVSE를 종류 별로 설치할 필요가 없어지고 설치 비용을 경감할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, EVSE의 일차 코일이 본 발명의 도 9 및 도 10에 도시된 코일 구조(300)를 채택하는 경우, 전기차에 탑재된 이차 코일이 허용하는 동작 모드에 대응하는 모드(단상 동작 모드 또는 3상 동작 모드)로 전력을 공급함으로써 이차 코일이 전력을 공급받을 수 있으므로 전기차 사용자는 차량의 이차 코일의 동작 모드에 매칭되는 EVSE를 탐색하는 부담을 경감할 수 있다. 이 경우에도 전기차 충전 서비스 제공자는 EVSE를 종류 별로 설치할 필요가 없으며 설치 비용을 경감할 수 있다.
제1 일차 코일(310), 제2 일차 코일(320), 및 제3 일차 코일(330)은, 일차 코일들 각각 간의 입력 전원의 위상 차이에 따라 단상 동작 또는 3상 동작을 수행하도록 제어될 수 있다.
제1 일차 코일(310), 제2 일차 코일(320), 및 제3 일차 코일(330)은, 일차 코일들 각각에 동위상의 입력 전원이 인가되면 단상 동작을 수행하도록 제어될 수 있다.
제1 일차 코일(310), 제2 일차 코일(320), 및 제3 일차 코일(330)은, 일차 코일들 각각에 일정한 위상차이를 가지는 입력 전원이 인가되면 단상 동작을 수행하도록 제어될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수신 패드(11)는 수신 패드(11)의 이차 코일이 제1 이차 코일, 제2 이차 코일, 제3 이차 코일을 포함하는 경우에, 제1 이차 코일, 제2 이차 코일, 및 제3 이차 코일은, 제1 이차 코일의 제4 중심점, 제2 이차 코일의 제5 중심점, 및 제3 이차 코일의 제6 중심점의 무게 중심이 제1 중심점(312), 제2 중심점(322), 및 제3 중심점(332)을 지나는 xy 평면에 수직이고 원점을 지나는 중심축(360) 상에 위치하도록 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 패드(11)는 일차 코일(primary coil)을 포함하는 송신 패드(21)로부터 무선 전력을 수신하도록 준비되는 무선 전력 수신 패드(11)이다. 무선 전력 수신 패드(11)는 중앙 공간의 원점 주변의 제4 중심점을 둘러싸도록 배치되는 제1 이차 코일(secondary coil); 중앙 공간의 원점 주변의 제5 중심점을 둘러싸도록 배치되는 제2 이차 코일; 중앙 공간의 원점 주변의 제6 중심점을 둘러싸도록 배치되는 제3 이차 코일; 및 제1 이차 코일, 제2 이차 코일, 및 제3 이차 코일을 지지하는 하우징을 포함한다. 제1 이차 코일, 제2 이차 코일, 및 제3 이차 코일은, 제4 중심점, 제5 중심점, 및 제6 중심점의 무게 중심이 원점에 형성되도록 배치된다.
제1 이차 코일, 제2 이차 코일, 및 제3 이차 코일은, 설계 가이드라인으로서 원점을 중심으로 하는 원 내에 배치될 수 있다.
제1 이차 코일, 제2 이차 코일, 및 제3 이차 코일은, 제4 중심점, 제5 중심점, 및 제6 중심점을 지나는 xy 평면 상의 임의의 xy 좌표에서 최대 2개의 코일이 z축 방향으로 중첩되도록 배치될 수 있다.
제1 이차 코일, 제2 이차 코일, 및 제3 이차 코일은, 플랫 와이어(flat wire)가 적어도 1회 이상 감긴 상태로 형성될 수 있다.
제1 이차 코일, 제2 이차 코일, 및 제3 이차 코일은, 리츠 와이어(litz wire)가 적어도 1회 이상 감긴 상태로 형성될 수 있다.
리츠선은 일반 구리선과 비교해서 주파수가 증가할 수록 전류의 흐름이 불안정하지 않고, 손실이 적어 안정적인 전류의 흐름을 유지할 수 있고, 코일의 온도 상승이 적은 장점이 있다. 따라서, 리츠선은 79 ~ 90kHz 동작 주파수를 사용하는 전기차 무선전력전송 시스템에는 적절한 재료이다. 일반적으로 리츠선의 가격은 1m 당 가격으로 책정되는데, 이러한 리츠선의 특징을 반영하여 전기차 무선전력전송 시스템에 리츠선을 이용하려는 시도가 있다.
하지만, 승용차형 전기차에 적용되는 무선전력전송 시스템의 리츠선은 전류의 용량이 큰 제품을(최소 50A 이상) 사용해야 하기 때문에 일반적인 리츠선보다 수십배 이상 가격이 비싸 전기차량의 비용을 크게 증가시키는 원인으로 지목받고 있기도 하다.
전기차 무선충전시스템은 고용량의 전력을 무선으로 전송하기 때문에 항상 고열 관리가 중요하다. 뿐만 아니라 금속과 같은 이물질에 의한 간섭으로 비 정상적인 발열이 발생하였을 때의 관리도 중요하다.
하지만, 리츠선은 내부심을 외부심이 감싸고 있는 형태로 인해 발생하는 열이 빠르게 외부로 전달되기 쉽지 않은 구조이며 발열이 계속될수록 손실이 높아지는 전류의 전송 특성을 생각했을 때 장기간 사용하기에는 무리가 있다. 이로 인하여 리츠선을 이용한 전력 전송 시스템에서는 냉각 기능을 추가하기 위하여 비용의 증가가 예상되는 측면도 있다.
냉각 기능을 시스템에 추가하더라도 리츠선의 내부에서 발생한 열이 외부로 전달되는 열전도율이 낮아 효율에 좋지 않은 영향을 줄 수 있다.
또한, 리츠선이 코일의 형상을 일정하게 유지하기 위해서 사용되는 구조물이 안전성을 저하시킬 우려가 있다는 측면의 의견도 고려될 수 있다.
리츠선의 강도가 일반 구리선보다 강하며 형상 유지에 더 용이하다 하더라도 선 형태를 가지기 때문에 코일 형상으로 만들었을 때 형태를 유지하기 위해서는 리츠선의 형상을 잡아주는 틀이 필요하다. 이러한 틀은 전자기 영향성을 줄이기 위해 유전률이 낮은 유전체로 만들어지는데 유전률이 낮은 유전체는 대체로 열에 취약한 성능을 가지기 때문에 많은 열이 발생하는 22KW급 충전에 사용하기 어려우며 리츠선에 붙어있기 때문에 열 교환을 방해하는 요소로 작용하고 열이 가해지고 다시 냉각되는 과정에서 형태의 변환 또는 화재가 발생할 수 있다.
따라서 본 발명에서는 리츠선을 이용하는 실시예 외에, 대안적인 실시예도 제안한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 패드 또는 수신 패드는 flat wire를 이용하여 구현될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 flat한 평각선(flat & rectangular wire)는 일반 시중에 유통되는 flat한 평각선을 본 발명의 목적에 부합하도록 변형한 실시예일 수 있다.
일반적으로 시중에 유통되는 flat한 평각선은 일반적으로 코너가 거의 직각을 형성하는 경우가 빈번하다. 이러한 시중의 flat한 평각선/각선(flat & rectangular wire)는 점적율(Space factor)을 높이기 위하여 사용되기도 한다. 본 발명의 대안적인 실시예들에서는, flat한 성질을 유지하되 코너가 적어도 부분적으로 라운드된(rounded) wire가 제안된다.
본 발명에서 제안하는 wire는 1) flat 또는 평면형(planar) wire이며, 2) 부분적으로 라운드되고 부분적으로는 rectangular한 측면을 가지는 것을 특징으로 한다. 이러한 특징을 가지는 본 발명의 실시예들의 코일의 wire는 무선 전력 전송에 적합하도록 전자기장을 형성할 수 있는 최적화된 형태를 가지는 flat wire일 수 있다.
일반적으로 시중에 유통되는 flat한 평각선(flat & rectangular wire)은, 가닥수는 단선~8복선, 도체 두께는 1.0 ∼ 9.0mm, 도체 폭은 3 ∼ 20mm 등으로 비교적 자유롭게 크기 조절이 가능하다. 또한, CTC(Continously Transposed Conductor)를 사용해 코일을 만드는 것이 용이하다.
이러한 wire를 이용하는 코일 형태의 장점은 고전압을 적용시킬 수 있으며 절연물의 도체 밀착성이 우수하여 KRAFT, THERMAL UPGRADE KRAFT, NOMEX, DENNISON, KAPTON, MICA, CONDUCTOFOL 등의 다양한 절연물을 구분하여 선택적으로 적용할 수 있는 장점이 있다.
이와 같이 절연에 대한 문제가 해결된다면 기존 리츠선을 사용하던 코일보다 감긴 횟수를 향상시킬 수 있기 때문에 더 많은 턴 수를 가지는 코일을 형성할 수 있어 강력한 자기력선을 만들어 전송 효율을 높일 수 있다.
또한 외부에서 관찰할 때 실질적으로 하나의 통으로 이루어진 금속 구조이기 때문에 내부에서 외부로 열이 전달되는 과정에 불연속점이 없이 빠르게 전달될 수 있다.
또한 리츠선은 앞서 설명한 바와 같이 내부심을 외부심이 감싸고 있는 형태로 인해 내부 단락 또는 절연체의 변형, 변질등의 문제가 발생했을 때 문제가 발생한 위치를 확인하기 어려우며 부분적인 유지보수가 불가능하기 때문에 코일 전체를 교체하게 되며 이것은 유지보수 비용의 증가로 연결된다. 그러나 본 발명에서 제시하는 flat wire 또는 평면형 와이어를 사용한 코일 구조의 경우 리츠와이어보다 내구성이 좋아 전선의 단락과 같은 문제로부터 비교적 자유로우며 문제가 발생하더라도 발생지점을 바로 확인할 수 있는 구조를 가지기 때문에 즉각적인 유지보수가 가능하며, 만일 코일 자체를 교체한다 하더라도 교체비용이 낮아 유지보수에 소모되는 자원이 훨씬 적을 것으로 판단된다.
또한 플랫 와이어 구조를 이용하면, 열전달 효율이 높을 뿐 아니라 배치가 자유로운 장점이 있으므로, 이를 바탕으로 코일 구조(300)를 냉각시킬 수 있는 다양한 냉각기법(건식자냉식, 건식풍냉식, 건식밀폐자냉식, 유입자냉식, 유입풍냉식, 유입수냉식, 송유풍냉식, 송유수냉식, 냉매냉각방식)을 선택적으로 적용할 수 있다. 즉, 다양한 냉각기법을 선택적으로 또는 조합하여 적용할 수 있으므로, 본 발명의 실시예들은 전력 전송 시 발생하는 열을 냉각시키기에도 매우 유리한 효과를 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에서 도시되는 flat wire는 구리 및 구리 합금 중 적어도 하나 이상의 재질을 이용하여 구현될 수 있으나, 본 발명의 사상은 이러한 실시예에 의하여 한정 해석되지 않고, 재질 또한 다양한 전도체를 이용할 수 있다.
또한 wire로 구현된 코일의 코너 부분은 적어도 부분적으로 라운드되는 것이 전자기장 형성에 유리할 수 있다. 코너 부분의 라운드되는 정도 또한 전력 전송 효율, 코일의 형태 등을 고려하여 결정될 수 있다.
본 발명의 코일을 구현하는 가능한 실시예 중 하나로는, 전기차(10) 내부에서 배터리와 연결되는 도선을 형성하는 버스바(bus bar)의 형태와 재료를 참조하되, wire 단면의 aspect ratio와 라운드된 코너 부분의 수치 범위를 결정함으로써 코일 구조(300)가 구현될 수 있다.
또한 리츠선 실시예와 대안적인 실시예를 비교하면, 리츠선은 단면적/부피 대비 표면적/전류 경로의 비율을 증가시키기 위하여 설계된 기술이지만, 리츠선 가닥들이 밀집한 내부, 즉, 리츠선 다발의 중심부에서는 개별적인 리츠선 요소들 간의 상호 간섭으로 인하여 전력 전달 효율이 저하되고 발열이 증가하는 측면도 발견되고 있다.
전류 경로는 전도체의 표면을 통하여 흐르므로 단면적 대비 표면적의 비율은 전체 부피 대비 전류 경로의 비율에 대응하는 것으로 이해될 수 있다.
본 발명의 실시예들은 flat wire를 이용하는 코일 구조를 제안함으로써 단면적 대비 표면적 비율을 높이고, 점적율(Space Factor)도 향상시킬 수 있으며, 이로 인하여 전력 전송 효율을 높일 수 있다.
라운드된 코너는 전자기장 형성에 기여하여 더욱 유리한 전자기적 특성을 도출할 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 전송을 위한 3상/단상 모드에 호환 가능한 송신 코일 및 수신 코일 간 커플링 실시예의 개념적인 사시도이다.
도 11을 참조하면, 수신 패드(11)의 이차 코일(400)이 제1 이차 코일(410), 제2 이차 코일(420), 제3 이차 코일(430)을 포함하는 경우에, 제1 이차 코일(410), 제2 이차 코일(420), 및 제3 이차 코일(430)은, 제1 이차 코일(410)의 제4 중심점, 제2 이차 코일(420)의 제5 중심점, 및 제3 이차 코일(430)의 제6 중심점의 무게 중심이 일차 코일(300)의 제1 중심점(312), 제2 중심점(322), 및 제3 중심점(332)을 지나는 xy 평면에 수직이고 원점을 지나는 중심축(360) 상에 위치하도록 배치될 수 있다.
즉, 일차 코일(300)과 이차 코일(400)이 모두 본 발명의 코일 구조를 채택하는 도 11의 실시예의 경우에, 일차 코일(300)과 이차 코일(400)의 중심점들의 무게 중심이 중심축(360) 상에서 공유되도록 배치되어 효율을 높일 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 일차 코일(300)의 3개의 코일들(310, 320, 330)의 중심점들(312, 322, 332)의 무게 중심(일차 측 무게 중심)과 이차 코일(400)의 3개의 코일들(410, 420, 430)의 중심점들의 무게 중심(이차 측 무게 중심)이 반드시 동일한 XY 좌표를 가지고 일치할 필요는 없다. 일차 측 무게 중심과 이차 측 무게 중심의 XY 좌표가 일치하지 않더라도 일차 코일(300)로부터 이차 코일(400)로 무선으로 전력이 전송될 수 있다. 다만 일차 측 무게 중심과 이차 측 무게 중심의 XY 좌표가 현저하게 어긋날 경우 무선 전력 전송의 효율이 현저하게 저하될 수 있으므로 일차 측 무게 중심과 이차 측 무게 중심 간 정렬 과정이 권고될 수 있다.
또한 무선 전력 전송이 소기의 효율과 함께 수행되기 위하여, 일차 측 무게 중심과 이차 측 무게 중심 간 XY 좌표의 오차가 미리 결정된 기준치 이내일 것이 함께 권고될 수 있다.
이상의 실시예들에서 평판형 페라이트 구조를 가지는 실시예가 주로 도시되었지만, 코일의 중심부에 페라이트 코어가 형성되는 실시예 등이 본 발명의 사상에 포함됨은 당업자라면 자명하게 이해할 수 있을 것이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 방법을 개념적으로 도시하는 동작 흐름도이다. 도 12는 도 9 및 도 10의 실시예에 대응하는 무선 전력 전송 방법일 수 있다.
도 12을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 방법은, 일차 코일(primary coil)을 포함하는 송신 패드(21)로부터 이차 코일(secondary coil)을 포함하는 수신 패드(11)로 무선 전력을 전송하는 방법이다. 무선 전력 전송 방법은 중앙 공간의 원점 주변의 제1 중심점(312)을 둘러싸도록 배치되는 제1 일차 코일(310), 중앙 공간의 원점 주변의 제2 중심점(322)을 둘러싸도록 배치되는 제2 일차 코일(320), 및 중앙 공간의 원점 주변의 제3 중심점(332)을 둘러싸도록 배치되는 제3 일차 코일(330)이 제1 중심점(312), 제2 중심점(322), 및 제3 중심점(332)의 무게 중심이 중심축(360) 상의 원점에 형성되도록 배치됨으로써 제1 일차 코일(310), 제2 일차 코일(320), 및 제3 일차 코일(330)이 제공되는 단계(S500); 및 제1 일차 코일(310), 제2 일차 코일(320), 및 제3 일차 코일(330)에 입력 전원이 인가되어 단상 동작 또는 3상 동작에 의하여 수신 패드(11)로 무선 전력이 전송되도록 제어되는 단계(S700)를 포함한다.
수신 패드(11)로 무선 전력이 전송되도록 제어되는 단계(S700) 이전에 이차 코일이 허용하는 동작 모드를 식별하는 단계가 수행될 수 있다.
수신 패드(11)로 무선 전력이 전송되도록 제어되는 단계(S700)에서는, 수신 패드(11)의 이차 코일이 허용하는 동작 모드에 기반하여 제1 일차 코일(310), 제2 일차 코일(320), 및 제3 일차 코일(330)이 단상 동작 또는 3상 동작을 수행하도록 제어될 수 있다.
이차 코일(400)이 허용하는 동작 모드가 단상 동작 모드로 식별되는 경우, 수신 패드(11)로 무선 전력이 전송되도록 제어되는 단계(S700)에서는, 제1 일차 코일(310), 제2 일차 코일(320), 및 제3 일차 코일(330)에 동위상의 입력 전원이 인가됨으로써 단상 동작에 의하여 수신 패드(11)로 무선 전력이 전송되도록 제어될 수 있다.
이차 코일(400)이 허용하는 동작 모드가 3상 동작 모드로 식별되는 경우, 수신 패드(11)로 무선 전력이 전송되도록 제어되는 단계(S700)에서는, 제1 일차 코일(310), 제2 일차 코일(320), 및 제3 일차 코일(330) 각각에 일정한 위상 차이를 가지는 입력 전원이 인가됨으로써 3상 동작에 의하여 수신 패드(11)로 무선 전력이 전송되도록 제어될 수 있다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 방법을 개념적으로 도시하는 동작 흐름도이다. 도 13은 도 11의 실시예에 대응하는 무선 전력 전송 방법일 수 있다. 도 13에서 도 12와 중복되는 단계(S500)에 대한 중복되는 설명은 생략한다.
도 13을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 방법은, 수신 패드(11)의 이차 코일(400)이 제1 이차 코일(410), 제2 이차 코일(420), 제3 이차 코일(430)을 포함하는 경우에, 제1 이차 코일(410)의 제4 중심점, 제2 이차 코일(420)의 제5 중심점, 및 제3 이차 코일(430)의 제6 중심점의 무게 중심이 일차 코일(300)의 제1 중심점(312), 제2 중심점(322), 및 제3 중심점(332)을 지나는 xy 평면에 수직이고 원점을 지나는 중심축(360) 상에 위치하도록 제1 이차 코일(410), 제2 이차 코일(420), 및 제3 이차 코일(430)이 배치됨으로써 제1 이차 코일(410), 제2 이차 코일(420), 및 제3 이차 코일(430)이 제공되는 단계(S600)를 더 포함할 수 있다.
도 13에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 방법은, 제1 일차 코일(310), 제2 일차 코일(320), 및 제3 일차 코일(330)에 입력 전원이 인가되어 단상 동작 또는 3상 동작에 의하여 수신 패드(11)로 무선 전력이 전송되도록 제어되는 단계(S720)를 포함한다.
수신 패드(11)로 무선 전력이 전송되도록 제어되는 단계(S720) 이전에 무선 전력 전송을 위한 동작 모드가 결정될 수 있다.
도 11 및 도 13의 실시예에서 무선 전력 전송 방법은 3상 동작 모드 및 단상 동작 모드를 모두 허용하므로, 충전 용량 및 충전 시간을 고려하여 동작 모드가 결정될 수 있다.
전기차의 충전 서비스 제공자는 본 발명의 실시예들을 이용하여 충전 용량 및 충전 시간과 동작 모드 간의 관계에 관련되는 서비스 모델을 제공할 수 있다.
예를 들어, 22kW 이하의 조건 하에서는 단상 동작 모드가, 22kW 이상의 조건 하에서는 3상 동작 모드가 제공될 수 있다. 22kW 이하의 조건 하에서는 단상 동작 모드가 선호될 수 있으나 실시예에 따라서는 3상 동작 모드가 제공될 수도 있다. 이때 22kW는 하나의 예시적인 가이드라인일 뿐, 제반 조건에 따라서는 다른 기준치가 제안될 수도 있다.
3상 동작 모드가 고용량으로 충전 서비스를 제공할 수 있어 충전 시간을 단축할 수 있다고 가정하면, 사용자는 자신의 상황에 맞게 3상 동작 모드 또는 단상 동작 모드 중 선호하는 동작 모드를 지정하여 서비스에 가입할 수 있다. 예를 들어, 사용자가 주로 단시간에 고속의 충전을 필요로 하는 경우 3상 동작 모드가 적용 가능한 조건에서는 3상 동작 모드를 디폴트로(또는 우선적으로) 적용하는 옵션의 서비스가 제공될 수 있다. 사용자가 충전 시간에 구애받지 않는 경우(예를 들어 주로 밤 사이 주차장에서 충전하는 경우) 사용자는 단상 동작 모드가 주로 제공되는 옵션의 서비스에 가입할 수도 있다.
충전 서비스의 일 실시예에 따르면 사용자가 동작 모드를 지정하지 않는 경우에는 단상 동작 모드가 디폴트로 제공되고, 사용자가 3상 동작 모드를 위한 사용권을 행사하는 경우에 3상 동작 모드가 제공되는 형태의 서비스가 제공될 수도 있다.
수신 패드(11)로 무선 전력이 전송되도록 제어되는 단계(S720)에서는, 결정되는 동작 모드에 기반하여 제1 일차 코일(310), 제2 일차 코일(320), 및 제3 일차 코일(330)이 단상 동작 또는 3상 동작을 수행하도록 제어될 수 있다.
무선 전력 전송을 위한 동작 모드가 단상 동작 모드로 결정되는 경우, 수신 패드(11)로 무선 전력이 전송되도록 제어되는 단계(S720)에서는, 제1 일차 코일(310), 제2 일차 코일(320), 및 제3 일차 코일(330)에 동위상의 입력 전원이 인가됨으로써 단상 동작에 의하여 수신 패드(11)로 무선 전력이 전송되도록 제어될 수 있다.
무선 전력 전송을 위한 동작 모드가 3상 동작 모드로 결정되는 경우, 수신 패드(11)로 무선 전력이 전송되도록 제어되는 단계(S720)에서는, 제1 일차 코일(310), 제2 일차 코일(320), 및 제3 일차 코일(330) 각각에 일정한 위상 차이를 가지는 입력 전원이 인가됨으로써 3상 동작에 의하여 수신 패드(11)로 무선 전력이 전송되도록 제어될 수 있다.
도 14는 본 발명의 무선 전력 송신 패드 및/또는 무선 전력 수신 패드 내에 포함되거나, 본 발명의 무선 전력 송신 패드 및/또는 무선 전력 수신 패드와 관련되어 무선 전력 전송을 위한 시퀀스를 제어하는 하드웨어의 일반화된 구성을 도시하는 블록도이다.
설명의 편의상 무선 전력 전송을 위한 시퀀스를 제어하는 하드웨어를 컨트롤러(1000)라고 지칭할 수 있다.
컨트롤러(1000)는 전기차(10) 측에 배치될 수도 있고, 전기차 전원공급설비(EVSE)(20) 측에 배치되거나, 송신 패드(21) 측에 배치될 수도 있다.
컨트롤러(1000)는 적어도 하나의 프로세서(1100), 프로세서(1100)를 통해 상술한 동작이 실행되는 적어도 하나의 명령을 저장하고 있는 메모리(1200) 및 네트워크와 연결되어 통신을 수행하는 통신 인터페이스(1300)를 포함할 수 있다. 무선 전력 전송을 위한 컨트롤러(1000)는 상술한 동작이 실행되는 적어도 하나 이상의 명령 또는 실행 과정에서 생성되는 데이터를 저장할 수 있는 저장 장치(1400)를 더 포함할 수 있다. 무선 전력 전송을 위한 컨트롤러(1000)는 사용자와의 인터랙션을 위한 입력 인터페이스(1500), 및 출력 인터페이스(1600)를 더 포함할 수 있다. 무선 전력 전송을 위한 컨트롤러(1000)에 포함된 각각의 구성 요소들은 시스템 버스(bus)(1700)에 의해 연결되어 서로 통신을 수행할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 컨트롤러(1000) 또는 컴퓨팅 시스템은, 적어도 하나의 프로세서(processor)(1100) 및 상기 적어도 하나의 프로세서(1100)가 적어도 하나의 단계를 수행하도록 지시하는 명령어들(instructions)을 저장하는 메모리(memory)(1200)를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 방법의 적어도 일부의 단계는 상기 적어도 하나의 프로세서(1100)가 상기 메모리(1200)로부터 명령어들을 로드하여 실행함으로써 수행될 수 있다.
프로세서(1100)는 중앙 처리 장치(central processing unit, CPU), 그래픽 처리 장치(graphics processing unit, GPU), 또는 본 발명의 실시예들에 따른 방법들이 수행되는 전용의 프로세서를 의미할 수 있다.
메모리(1200) 및 저장 장치(1400) 각각은 휘발성 저장 매체 및 비휘발성 저장 매체 중에서 적어도 하나로 구성될 수 있다. 예를 들어, 메모리(1200)는 읽기 전용 메모리(read only memory, ROM) 및 랜덤 액세스 메모리(random access memory, RAM) 중에서 적어도 하나로 구성될 수 있다.
여기서, 적어도 하나 이상의 명령은, 전기차(10), 전기차 전원공급설비(EVSE)(20), 송신 패드(21) 중 적어도 하나 이상을 상호 식별할 수 있는 시퀀스, 전기차(10), 전기차 전원공급설비(EVSE)(20), 송신 패드(21) 중 적어도 하나 둘 이상 간의 무선통신 연결(association) 시퀀스, 상호 측위(positioning)에 의하여 정렬(aligning) 및/또는 페어링(pairing)을 수행하는 시퀀스, 정렬 및/또는 페어링 이후에 전력이 전송되도록 교류 신호 인가를 허락하는 시퀀스 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 컨트롤러(1000)는, 무선 네트워크를 통해 통신을 수행하는 통신 인터페이스(1300)를 포함할 수 있다.
또한, 컨트롤러(1000)는, 저장 장치(1400), 입력 인터페이스(1500), 출력 인터페이스(1600) 등을 더 포함할 수 있다.
또한, 컨트롤러(1000)에 포함된 각각의 구성 요소들은 버스(bus)(1700)에 의해 연결되어 서로 통신을 수행할 수 있다.
본 발명의 컨트롤러(1000)의 예를 들면, 통신 가능한 데스크탑 컴퓨터(desktop computer), 랩탑 컴퓨터(laptop computer), 노트북(notebook), 스마트폰(smart phone), 태블릿 PC(tablet PC), 모바일폰(mobile phone), 스마트 워치(smart watch), 스마트 글래스(smart glass), e-book 리더기, PMP(portable multimedia player), 휴대용 게임기, 네비게이션(navigation) 장치, 디지털 카메라(digital camera), DMB(digital multimedia broadcasting) 재생기, 디지털 음성 녹음기(digital audio recorder), 디지털 음성 재생기(digital audio player), 디지털 동영상 녹화기(digital video recorder), 디지털 동영상 재생기(digital video player), PDA(Personal Digital Assistant) 등일 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 방법의 동작은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 프로그램 또는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의해 읽힐 수 있는 정보가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산 방식으로 컴퓨터로 읽을 수 있는 프로그램 또는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 롬(rom), 램(ram), 플래시 메모리(flash memory) 등과 같이 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치를 포함할 수 있다. 프로그램 명령은 컴파일러(compiler)에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터(interpreter) 등을 사용해서 컴퓨터에 의해 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 측면들은 장치의 문맥에서 설명되었으나, 그것은 상응하는 방법에 따른 설명 또한 나타낼 수 있고, 여기서 블록 또는 장치는 방법 단계 또는 방법 단계의 특징에 상응한다. 유사하게, 방법의 문맥에서 설명된 측면들은 또한 상응하는 블록 또는 아이템 또는 상응하는 장치의 특징으로 나타낼 수 있다. 방법 단계들의 몇몇 또는 전부는 예를 들어, 마이크로프로세서, 프로그램 가능한 컴퓨터 또는 전자 회로와 같은 하드웨어 장치에 의해(또는 이용하여) 수행될 수 있다. 몇몇의 실시 예에서, 가장 중요한 방법 단계들의 적어도 하나 이상은 이와 같은 장치에 의해 수행될 수 있다.
실시예들에서, 프로그램 가능한 로직 장치(예를 들어, 필드 프로그래머블 게이트 어레이)가 여기서 설명된 방법들의 기능의 일부 또는 전부를 수행하기 위해 사용될 수 있다. 실시예들에서, 필드 프로그래머블 게이트 어레이(field-programmable gate array)는 여기서 설명된 방법들 중 하나를 수행하기 위한 마이크로프로세서(microprocessor)와 함께 작동할 수 있다. 일반적으로, 방법들은 어떤 하드웨어 장치에 의해 수행되는 것이 바람직하다.
이상 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (20)

  1. 이차 코일(secondary coil)을 포함하는 수신 패드로 무선 전력을 전송하도록 준비되는 무선 전력 송신 패드로서,
    중앙 공간의 원점 주변의 제1 중심점을 둘러싸도록 배치되는 제1 일차 코일(primary coil);
    상기 중앙 공간의 상기 원점 주변의 제2 중심점을 둘러싸도록 배치되는 제2 일차 코일;
    상기 중앙 공간의 상기 원점 주변의 제3 중심점을 둘러싸도록 배치되는 제3 일차 코일; 및
    상기 제1 일차 코일, 상기 제2 일차 코일, 및 상기 제3 일차 코일을 지지하는 하우징을 포함하고,
    상기 제1 일차 코일, 상기 제2 일차 코일, 및 상기 제3 일차 코일은,
    상기 제1 중심점, 상기 제2 중심점, 및 상기 제3 중심점의 무게 중심이 상기 원점에 형성되도록 배치되는,
    무선 전력 송신 패드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 일차 코일, 상기 제2 일차 코일, 및 상기 제3 일차 코일은,
    설계 가이드라인으로서 상기 원점을 중심으로 하는 원 내에 배치되는,
    무선 전력 송신 패드.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 일차 코일, 상기 제2 일차 코일, 및 상기 제3 일차 코일은,
    상기 제1 중심점, 상기 제2 중심점, 및 상기 제3 중심점을 지나는 xy 평면 상의 임의의 xy 좌표에서 최대 2개의 코일이 z축 방향으로 중첩되도록 배치되는,
    무선 전력 송신 패드.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 일차 코일, 상기 제2 일차 코일, 및 상기 제3 일차 코일은,
    플랫 와이어(flat wire)가 적어도 1회 이상 감긴 상태로 형성되는,
    무선 전력 송신 패드.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 일차 코일, 상기 제2 일차 코일, 및 상기 제3 일차 코일은,
    리츠 와이어(litz wire)가 적어도 1회 이상 감긴 상태로 형성되는,
    무선 전력 송신 패드.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 일차 코일, 상기 제2 일차 코일, 및 상기 제3 일차 코일은,
    일차 코일들 각각 간의 입력 전원의 위상 차이에 따라 단상 동작 또는 3상 동작을 수행하도록 제어되는,
    무선 전력 송신 패드.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 일차 코일, 상기 제2 일차 코일, 및 상기 제3 일차 코일은,
    일차 코일들 각각에 동위상의 입력 전원이 인가되면 단상 동작을 수행하도록 제어되는,
    무선 전력 송신 패드.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제1 일차 코일, 상기 제2 일차 코일, 및 상기 제3 일차 코일은,
    일차 코일들 각각에 일정한 위상차이를 가지는 입력 전원이 인가되면 단상 동작을 수행하도록 제어되는,
    무선 전력 송신 패드.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 일차 코일, 상기 제2 일차 코일, 및 상기 제3 일차 코일은,
    상기 수신 패드의 상기 이차 코일이 허용하는 동작 모드에 기반하여 단상 동작 또는 3상 동작을 수행하도록 제어되는,
    무선 전력 송신 패드.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 수신 패드의 상기 이차 코일이 제1 이차 코일, 제2 이차 코일, 제3 이차 코일을 포함하는 경우에,
    상기 제1 이차 코일, 상기 제2 이차 코일, 및 상기 제3 이차 코일은,
    상기 제1 이차 코일의 제4 중심점, 상기 제2 이차 코일의 제5 중심점, 및 상기 제3 이차 코일의 제6 중심점의 무게 중심이 상기 제1 중심점, 상기 제2 중심점, 및 상기 제3 중심점을 지나는 xy 평면에 수직이고 상기 원점을 지나는 중심축 상에 위치하도록 배치되는,
    무선 전력 송신 패드.
  11. 일차 코일(primary coil)을 포함하는 송신 패드로부터 무선 전력을 수신하도록 준비되는 무선 전력 수신 패드로서,
    중앙 공간의 원점 주변의 제1 중심점을 둘러싸도록 배치되는 제1 이차 코일(secondary coil);
    상기 중앙 공간의 상기 원점 주변의 제2 중심점을 둘러싸도록 배치되는 제2 이차 코일;
    상기 중앙 공간의 상기 원점 주변의 제3 중심점을 둘러싸도록 배치되는 제3 이차 코일; 및
    상기 제1 이차 코일, 상기 제2 이차 코일, 및 상기 제3 이차 코일을 지지하는 하우징을 포함하고,
    상기 제1 이차 코일, 상기 제2 이차 코일, 및 상기 제3 이차 코일은,
    상기 제1 중심점, 상기 제2 중심점, 및 상기 제3 중심점의 무게 중심이 상기 원점에 형성되도록 배치되는,
    무선 전력 수신 패드.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 이차 코일, 상기 제2 이차 코일, 및 상기 제3 이차 코일은,
    설계 가이드라인으로서 상기 원점을 중심으로 하는 원 내에 배치되는,
    무선 전력 수신 패드.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제1 이차 코일, 상기 제2 이차 코일, 및 상기 제3 이차 코일은,
    상기 제1 중심점, 상기 제2 중심점, 및 상기 제3 중심점을 지나는 xy 평면 상의 임의의 xy 좌표에서 최대 2개의 코일이 z축 방향으로 중첩되도록 배치되는,
    무선 전력 수신 패드.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 제1 이차 코일, 상기 제2 이차 코일, 및 상기 제3 이차 코일은,
    플랫 와이어(flat wire)가 적어도 1회 이상 감긴 상태로 형성되는,
    무선 전력 수신 패드.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 제1 이차 코일, 상기 제2 이차 코일, 및 상기 제3 이차 코일은,
    리츠 와이어(litz wire)가 적어도 1회 이상 감긴 상태로 형성되는,
    무선 전력 수신 패드.
  16. 일차 코일(primary coil)을 포함하는 송신 패드로부터 이차 코일(secondary coil)을 포함하는 수신 패드로 무선 전력을 전송하는 방법에 있어서,
    중앙 공간의 원점 주변의 제1 중심점을 둘러싸도록 배치되는 제1 일차 코일, 상기 중앙 공간의 상기 원점 주변의 제2 중심점을 둘러싸도록 배치되는 제2 일차 코일, 및 상기 중앙 공간의 상기 원점 주변의 제3 중심점을 둘러싸도록 배치되는 제3 일차 코일이 상기 제1 중심점, 상기 제2 중심점, 및 상기 제3 중심점의 무게 중심이 상기 원점에 형성되도록 배치됨으로써 상기 제1 일차 코일, 상기 제2 일차 코일, 및 상기 제3 일차 코일이 제공되는 단계; 및
    상기 제1 일차 코일, 상기 제2 일차 코일, 및 상기 제3 일차 코일에 입력 전원이 인가되어 단상 동작 또는 3상 동작에 의하여 상기 수신 패드로 무선 전력이 전송되도록 제어되는 단계;
    를 포함하는,
    무선 전력 전송 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 수신 패드로 무선 전력이 전송되도록 제어되는 단계에서는,
    상기 제1 일차 코일, 상기 제2 일차 코일, 및 상기 제3 일차 코일에 동위상의 입력 전원이 인가됨으로써 단상 동작에 의하여 상기 수신 패드로 무선 전력이 전송되도록 제어되는,
    무선 전력 전송 방법.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 수신 패드로 무선 전력이 전송되도록 제어되는 단계에서는,
    상기 제1 일차 코일, 상기 제2 일차 코일, 및 상기 제3 일차 코일 각각에 일정한 위상 차이를 가지는 입력 전원이 인가됨으로써 3상 동작에 의하여 상기 수신 패드로 무선 전력이 전송되도록 제어되는,
    무선 전력 전송 방법.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 수신 패드로 무선 전력이 전송되도록 제어되는 단계에서는,
    상기 수신 패드의 상기 이차 코일이 허용하는 동작 모드에 기반하여 상기 제1 일차 코일, 상기 제2 일차 코일, 및 상기 제3 일차 코일이 단상 동작 또는 3상 동작을 수행하도록 제어되는,
    무선 전력 전송 방법.
  20. 제16항에 있어서,
    상기 수신 패드의 상기 이차 코일이 제1 이차 코일, 제2 이차 코일, 제3 이차 코일을 포함하는 경우에, 상기 제1 이차 코일, 상기 제2 이차 코일, 및 상기 제3 이차 코일이 상기 제1 이차 코일의 제4 중심점, 상기 제2 이차 코일의 제5 중심점, 및 상기 제3 이차 코일의 제6 중심점의 무게 중심이 상기 제1 중심점, 상기 제2 중심점, 및 상기 제3 중심점을 지나는 xy 평면에 수직이고 상기 원점을 지나는 중심축 상에 위치하도록 배치됨으로써 상기 제1 이차 코일, 상기 제2 이차 코일, 및 상기 제3 이차 코일이 제공되는 단계;
    를 더 포함하는,
    무선 전력 전송 방법.
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