KR101439086B1 - 직렬 구조의 급전 세그먼트를 갖는 급전 장치 및 이를 위한 급전 방법 - Google Patents

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Abstract

직렬 구조의 급전 세그먼트를 갖는 급전 장치 및 이를 위한 급전 방법을 개시한다.
교류 전력을 공급하는 전력 공급부; 상기 교류 전력을 입력받는 직렬 연결된 복수의 급전 세그먼트; 각 급전 세그먼트의 양단에 각각 병렬 연결된 복수의 스위치부; 및 상기 복수의 급전 세그먼트 중 하나 이상의 급전 세그먼트에 대하여 상기 교류 전력의 공급이 제어되도록 상기 하나 이상의 급전 세그먼트에 각각 병렬 연결된 스위치부를 제어하기 위한 제어신호를 생성하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 급전 장치를 제공한다.

Description

직렬 구조의 급전 세그먼트를 갖는 급전 장치 및 이를 위한 급전 방법{Power Supply Apparatus With Serial Segment and Power Supply Method Therefor}
직렬 구조의 급전 세그먼트를 갖는 급전 장치 및 이를 위한 급전 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 이동하는 물체에 비접촉 급전하는 급전장치에 있어서, 급전 구역을 급전 세그먼트으로 나누고 각 급전 세그먼트 상에 존재하는 부하의 크기에 따라 인가되는 전압의 크기를 제어할 수 있는 장치 및 방법을 통해 소모전력을 저감하는 급전 장치 및 급전 방법에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
도 1은 기존의 고출력 집전 및 급전 장치를 개략적으로 나타낸 블럭 구성도이다.
도 1의 a는 급집전이 일어날 때의 급전 장치와 집전 장치의 정면도이다. 자기장을 발생시키는 인덕터 사이에서는 접촉 없이 전력을 전송할 수 있다는 점에 착안하여 자기를 유기하여 기전력을 발생시킬 수 있는 집전장치(150)를 갖는 운송매체의 이동경로를 따라 자속을 발생시킬 수 있는 급전 코어(110) 및 급전선(120)을 포함하는 급전장치(125)를 배치하여 연속적인 급전이 가능하도록 구성하고 있다. 집전 장치는 전력을 충전할 수 있는 배터리(130)와 자기장을 유기하여 기전력을 발생시킬 수 있는 집전유닛(140)을 포함한다.
도 1의 b는 급집전이 일어날 때의 급전 장치와 집전 장치의 측면도이다. 자속을 발생시키는 급전장치(125)는 둘 이상의 급전 세그먼트로 나누어 배치할 수 있다. 이때 제1 급전 세그먼트(123), 제2 급전 세그먼트(124) 등을 병렬로 연결하여 독립되게 전력이 공급되도록 제어할 수 있다.
한국 공개 특허 10-20110041307에 이러한 기술이 개시되어 있다.
그러나 이 경우 급전이 일어나는 각각의 급전 세그먼트에 부하와 관계없이 입력 전압이 모두 인가되므로 비효율적으로 급전되는 문제가 있다. 따라서 급전이 일어나는 급전 세그먼트들의 부하의 크기에 따라 전력이 공급되는 기술에 대한 요구가 있다.
본 실시예는, 병렬로 연결된 급전 세그먼트를 구비한 급전 장치에, 부하의 크기와 관계없이 전력 입력이 일어나서 전력이 낭비되는 문제를 해결하여 각 급전 세그먼트 중 필요한 영역을 직렬로 연결하여 전력을 공급할 수 있는 직렬 구조의 급전 세그먼트를 갖는 급전 장치 및 이를 위한 급전 방법을 제공하는 데 주된 목적이 있다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 교류 전력을 공급하는 전력 공급부; 상기 교류 전력을 입력받는 직렬 연결된 복수의 급전 세그먼트; 각 급전 세그먼트의 양단에 각각 병렬 연결된 복수의 스위치부; 및 상기 복수의 급전 세그먼트 중 하나 이상의 급전 세그먼트에 대하여 상기 교류 전력의 공급이 제어되도록 상기 하나 이상의 급전 세그먼트에 각각 병렬 연결된 스위치부를 제어하기 위한 제어신호를 생성하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 급전 장치를 제공한다.
또한, 본 실시예의 다른 측면에 의하면, 상기 급전 세그먼트는, 급전선; 및 상기 급전선과 연결되어 상기 교류 전력의 주파수에서 상기 급전선과 공진하는 보상 캐패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 급전 장치를 제공한다.
또한, 본 실시예의 다른 측면에 의하면, 상기 보상 캐패시터는 복수 개를 구비하되, 인덕터의 양단 각각에 적어도 하나의 캐패시터를 구비하는 것을 특징으로 하는 급전 장치를 제공한다.
또한, 본 실시예의 다른 측면에 의하면, 상기 스위치부는, 전자식 스위치; 및 기계식 스위치를 구비하되, 상기 전자식 스위치 및 상기 기계식 스위치는 병렬 연결되고, 상기 제어부는, 어느 하나의 급전 세그먼트에 전력공급을 차단하고자 하는 경우에 상기 어느 하나의 급전 세그먼트에 대응되는 스위치부 내의 전자식 스위치 및 기계식 스위치를 동시에 ON으로 제어하는 것을 특징으로 하는 급전 장치를 제공한다.
또한, 본 실시예의 다른 측면에 의하면, 상기 제어부는, 상기 급전 세그먼트 상에 물체가 있는지 여부를 센싱하는 센서; 및 상기 센서에서 생성된 센싱 신호를 기반으로 상기 제어신호를 생성하는 제어모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 급전 장치를 제공한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 교류 전력을 공급하는 전력 공급부; 상기 교류 전력을 입력받는 복수의 급전 세그먼트; 각각의 급전 세그먼트 상의 물체를 각각 센싱하도록 복수개의 센서를 구비하여 상기 물체에 대한 감지 신호를 생성하는 제어모듈; 및 상기 감지 신호를 수신하여 상기 감지신호에 대항하는 급전 세그먼트에 상기 교류 전력이 인가되도록 제어하는 분전부를 포함하는 것을 특징으로 하는 급전 장치를 제공한다.
또한, 본 실시예의 다른 측면에 의하면, 상기 전력 공급부는, 입력 전력을 직류전력으로 변환하는 정류부; 및 상기 직류전력을 기설정된 주파수의 상기 교류전력으로 변환하는 복수개의 인버터를 구비하되, 상기 인버터는 상기 정류부에 병렬로 연결된 것을 특징으로 하는 급전 장치를 제공한다.
또한, 본 실시예의 다른 측면에 의하면, 상기 복수의 급전 세그먼트는 서로 직렬로 연결되고, 각 급전 세그먼트의 양단에 각각 병렬 연결된 복수의 스위치부를 포함하는 것을 특징으로 하는 급전 장치를 제공한다.
또한, 본 실시예의 다른 측면에 의하면, 상기 감지 신호에 기초하여 상기 스위치를 제어하여 상기 급전 세그먼트의 전력 공급을 제어하는 것을 특징으로 하는 급전 장치를 제공한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 급전 장치를 사용하여 전력을 급전하는 방법에 있어서, 교류 전력을 공급하는 전력 공급 과정; 상기 교류 전력을 인가받은 직렬 연결된 복수의 급전 세그먼트에서 자속을 생성하는 자속 생성 과정; 각 급전 세그먼트의 양단에 각각 병렬 연결된 복수의 스위치부에서 상기 교류 전력을 상기 복수의 급전 세그먼트에 분배하는 전력 분배 과정; 및 상기 복수의 급전 세그먼트 중 하나 이상의 급전 세그먼트에 대하여 상기 교류 전력의 공급이 제어되도록 상기 하나 이상의 급전 세그먼트에 각각 병렬 연결된 스위치부를 제어하는 제어신호를 생성하는 제어 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 급전 방법을 제공한다.
또한, 본 실시예의 다른 측면에 의하면, 상기 스위치부는, 전자식 스위치; 및 기계식 스위치를 포함하되, 상기 전자식 스위치 및 상기 기계식 스위치를 병렬 연결하여, 어느 하나의 급전 세그먼트에 전력공급을 차단하고자 하는 경우에 상기 어느 하나의 급전 세그먼트에 대응되는 스위치부 내의 전자식 스위치 및 기계식 스위치를 동시에 ON으로 제어하는 것을 특징으로 하는 급전 방법을 제공한다.
또한, 본 실시예의 다른 측면에 의하면, 상기 제어 과정은, 상기 급전 세그먼트 상에 물체가 있는지 여부를 센싱하는 센싱 과정; 및 상기 센싱 과정에서 생성된 센싱 신호를 기반으로 상기 제어신호를 생성하는 센싱 제어 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 급전 방법을 제공한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 급전 장치를 사용하여 전력을 급전하는 방법에 있어서, 교류 전력을 공급하는 전력 공급 과정; 상기 교류 전력을 인가받은 직렬 연결된 복수의 급전 세그먼트에서 자속을 생성하는 자속 생성 과정; 각각의 급전 세그먼트 상의 물체를 각각 센싱하도록 복수개의 센서를 구비하여 상기 물체에 대한 감지 신호를 생성하는 물체 감지 과정; 및 상기 감지 신호를 수신하여 상기 감지신호에 해당하는 급전 세그먼트에 상기 교류 전력이 인가되도록 제어하는 분전 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 급전 방법을 제공한다.
또한, 본 실시예의 다른 측면에 의하면, 상기 분전 과정은, 상기 급전 세그먼트와 병렬로 연결된 스위치를 제어하여 무부하 경로를 생성 또는 제거하는 방법으로 상기 교류 전력이 인가되는 급전 세그먼트를 결정하는 것을 특징으로 하는 급전 방법을 제공한다.
본 실시예에 의하면, 직렬로 연결된 급전 세그먼트 중 집전장치가 있는 급전 세그먼트에만 선별적으로 전력을 공급함으로써 집전 장치의 양에 따라 급전 세그먼트에 전력이 분할 공급되는 효과가 있다.
또한, 본 실시예에 의하면, 직렬로 연결된 급전 세그먼트에 부하에 비례한 전력을 공급하여 전력 공급에 필요한 인버터의 용량을 절감할 수 있어 경제적인 급전장치를 제공하는 효과가 있다.
도 1은 기존의 고출력 집전 및 급전 장치를 개략적으로 나타낸 블럭 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 부하와 병렬연결된 스위치의 조작을 통해 전력의 공급 여부를 결정하는 방법을 나타낸 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 직렬 연결된 부하를 스위칭을 통해 선택적으로 연결하는 방법을 나타낸 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 급전 장치의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 급전 세그먼트와 제어모듈의 구조도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 스위치부 및 급전 세그먼트의 회로도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 스위치부 및 제어부의 구성도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 직렬 구조의 급전 세그먼트와 병렬 구조의 급전 세그먼트의 회로도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 직렬 구조의 급전 세그먼트 및 인버터의 전력 공급 과정을 나타낸 순서도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 직렬 구조의 급전 세그먼트 및 인버터의 전력 공급 과정을 나타낸 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
본 발명의 실시예는 직렬로 연결된 급전 세그먼트들과 각각 병렬로 연결된 스위치를 조작하여 전력 공급 여부를 결정하는 급전장치이다. 본 발명의 실시예의 주된 특징인 병렬로 연결된 스위치를 조작하여 급전 세그먼트에 입력되는 전력을 조작하는 원리를 도 2 및 도 3을 참조하여 먼저 설명하고 각 구성요소를 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 부하와 병렬연결된 스위치의 조작을 통해 전력의 공급 여부를 결정하는 방법을 나타낸 회로도이다.
도 2의 a는 전압원(Vs)에 부하 Za(210)와 부하 Zb(220)가 직렬로 연결되고 부하 Za(210)에 병렬로 무부하 도선(250)이 연결된 회로도이다. 부하 Za(210)와 부하 Zb(220)가 직렬로 연결된 경우 전압은 전압 분배의 원리에 따라 두 부하에 부하비에 맞게 분배된다. 이때 부하 Za(210)와 병렬로 무부하 도선(250)을 연결한 경우 부하 Za(210)와 무부하 도선(250)의 합성 부하와 부하 Zb(220)의 직렬연결이 된다. 부하의 병렬연결의 경우 합성 부하의 크기는 병렬로 연결된 가장 낮은 부하의 크기보다 낮거나 같은 부하이 되므로 부하 Za(210)와 무부하 도선(250)의 합성 부하는 0이 된다. 따라서 부하 Za(210)에 인가되는 전압 또는 전력의 크기는 0이 된다. 이때 도 2의 a의 등가 회로는 도 2의 b와 같다. Za(210)와 병렬로 무부하 도선(250)이 연결되어 Za(210)에 인가되는 전압, 입력되는 전류, 가해지는 전력의 크기가 0이 되므로 Za(210)는 회로에 영향을 미치지 못하게 된다. 따라서 등가 회로는 Za(210)가 생략된 형태가 된다.
도 2의 c는 도 2의 a의 회로도에서 병렬로 연결된 무부하 도선(250)을 스위치로 대체한 회로도이다. Za(210)와 병렬로 연결한 스위치(230)가 닫히면 스위치(230)는 도 2의 a의 무부하 도선(250)과 등가가 된다. 따라서 이 경우에 도 2의 b와 같이 Za(210)는 배제된다. Za(210)와 병렬로 연결된 스위치(230)가 열리면 스위치(230)는 개방 회로가 되므로 Za(210)와 Zb(220)가 직렬로 연결된 회로가 된다. 이와 같이 각 스위치는 병렬로 연결된 부하에 전력의 공급 여부를 결정한다. 따라서 부하들을 직렬로 연결하고 각 부하와 병렬로 스위치를 각각 연결하여 병렬 부하-스위치 쌍(240)을 만들어서 직렬로 연결하면 각 스위치를 제어함으로써 부하들을 선별적으로 회로에 연결할 수 있다. 이를 도 3을 참조하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 직렬 연결된 부하를 스위칭을 통해 선택적으로 연결하는 방법을 나타낸 회로도이다.
도 3의 a는 복수의 병렬 부하-스위치 쌍을 직렬로 연결한 회로의 회로도이다. 제1 부하-스위치 쌍(310)의 스위치(311)를 열고, 제2 부하-스위치 쌍(320)의 스위치(321)는 닫고, 제3 부하-스위치 쌍(330)의 스위치(331)를 열도록 제어하였을 때, 등가 회로는 도 3의 b와 같다. 개방 회로는 부존재 하는 것과 같고 단락 회로와 병렬로 연결된 부하 역시 부존재 하는 것과 같으므로 제2 부하-스위치 쌍(320)의 부하가 제거되고 나머지 부하-스위치 쌍의 부하들이 직렬로 연결된 회로가 생성된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 급전 장치의 구성도이다.
급전 장치는 전력 공급부(410), 복수의 급전 세그먼트(430), 분전부(420) 및 제어부(440)를 포함한다.
전력 공급부(410)는 입력 전력을 기설정된 주파수의 교류 전력으로 변환하여 교류 전력을 공급한다. 입력 전력이 급전 장치에서 사용되는 교류 전력의 주파수와 동일한 경우 전력 공급부(410)는 생략될 수 있다. 그러나 상용 전력의 주파수(60Hz)보다 높은 주파수를 활용하여 급전하는 경우 전력 공급부(410)는 주파수를 변환하는 모듈을 포함한다. 주파수를 변환하는 모듈은 정류부(470)와 인버터(480)를 포함할 수 있다. 이때 정류부(470)는 입력 전력을 직류 전류로 변환하는 역할을 한다. 정형적인 정류부(470)의 예는 다이오드를 사용하여 전파 정류하고 캐패시터를 입출력단과 병렬로 연결하여 리플(Ripple)을 줄이는 회로이다. 직류 전류로 변환하는 정류회로라면 어떠한 것이 적용되어도 무방하고 상용되는 정류회로의 종류는 다양하므로 상세한 설명을 생략한다.
인버터(480)는 정류된 전력을 스위칭을 통해 교류 전력으로 변환한다. 인버터(480)로는 풀-브릿지 인버터가 사용될 수 있으며 풀-브릿지 인버터를 구성하는 스위치 소자의 스위칭을 사용하여 정류된 전력을 교류 전력으로 변환한다. 직류를 교류 전력으로 변환하는 수단으로 풀-브릿지 인버터에 한정되지 않고 다양한 인버터를 사용할 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 복수의 인버터(480)들을 병렬로 연결하고 인버터(480)의 출력값들을 직렬로 연결하되 어느 하나의 인버터(480)만 동작하도록 함으로써 인버터(480) 중 일부가 동작하지 않아도 기전력이 유지될 수 있는 구성을 도시하였다. 그러나 하나의 인버터(480)만을 사용하거나 세 개 이상의 인버터(480)를 동일한 형식으로 연결하여도 무방하다.
급전 세그먼트(430)는 교류 전력을 자속으로 변환하여 자동차에 장착된 집전장치에 공급한다. 급전 세그먼트(430)는 자속을 생성하는 급전선을 포함한다. 급전 세그먼트(430)는 급전선이 자속을 생성하는 과정에서 발생하는 인덕턴스를 보상하기 위한 보상 캐패시터를 더 포함할 수 있다. 보상 캐패시터를 포함한 급전 세그먼트(430)는 급전선과 보상 캐패시터를 포함하여, 교류 전력 주파수에서 공진이 일어나도록 하는 것이 바람직하다. 이때 보상 캐패시터를 둘 이상 구비하되, 급전선의 양단에 적어도 하나씩 구비하여, 소자를 대칭으로 배치할 수도 있다.
분전부(420)는 다수의 스위치부(460)를 포함한다. 분전부(420)는 제어부(440)로부터 제어신호를 입력받아서 다수의 스위치부(460) 중 일부 또는 전부의 ON/OFF를 제어하여 전압 배분을 결정한다.
각 스위치부(460)는 각 급전 세그먼트(430)와 병렬로 연결되어 급전 세그먼트(430)에 입력되는 전력을 제어한다. 스위치부(460)는 제어부(440)로부터 제어신호를 수신하여 스위치 회로를 개방 또는 단락시킨다. 스위치부(460)는 병렬로 연결된 전자식 스위치 및 기계식 스위치를 포함할 수 있으며, 각 스위치는 제어부(440)의 제어신호를 통해 동작할 수 있다.
제어부(440)는 전력이 공급되기를 바라는 급전 세그먼트(430)를 지정하는 신호를 입력받아서 스위치부(460)를 제어하는 제어신호로 변환한다. 전력을 공급할 급전 세그먼트(430)를 지정하는 신호는 급전 세그먼트(430) 상의 물체를 감지하는 센서(450)를 통해 입력받아서 제어모듈(445)을 통해 분전부(420)를 제어하는 제어신호로 변환하거나 전력을 공급할 급전 세그먼트(430)를 지정하는 신호 자체를 사용자로부터 입력받아 스위치부(460)를 제어하는 제어신호로 변환할 수 있다. 또는 센서(450)를 통한 방법과 사용자 입력방법을 모두 구현하여, 센서(450)와 제어모듈(445)을 통해 생성된 제어신호를 수동으로 수정하는 기능을 포함할 수 있다. 한편, 사용자로부터 전력을 공급할 급전 세그먼트(430)를 지정하는 신호를 입력받는 경우 소정의 입력장치를 구비하여 구비된 입력장치에서 사용자의 입력을 수신하여 제어모듈(445)로 전송하도록 구현할 수도 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 급전 세그먼트와 제어모듈의 구조도이다.
급전 세그먼트(430)는 자속을 발생하는 급전선(510) 및 보상 캐패시터(520)를 포함한다. 보상 캐패시터(520)는 복수 개일 수 있으며, 급전선(510) 양단에 각각 적어도 하나 이상씩 연결될 수 있다.
급전선(510)은 교류 전력을 인가받아서 자속을 생성한다. 급전선(510)은 고전력을 인가할 수 있는 도선일 수 있으며, 코일을 주기적으로 배치한 형태일 수 있다. 급전선(510)은 인가된 교류 전력에 따라 자속을 발생시킬 수 있다면 어떠한 형태도 무방하다.
보상 캐패시터(520)는 급전선(510)이 갖는 인덕턴스와 같은 크기의 캐패시턴스를 가짐으로써 공진하여 급전 세그먼트(430)에 최대 전력을 공급하기 위하여 연결된다.
센서(450)는 급전 세그먼트(430) 상에 물체가 존재하는지 확인하여 센싱신호를 제어모듈(445)로 전송하고 제어모듈(445)은 센서(450) 각각이 물체를 감지하는지 여부를 확인하여 스위치 제어신호로 변환하여 분전부(420)로 전송한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 스위치부 및 급전 세그먼트의 회로도이다. 본 발명의 실시예는 직렬로 연결된 회로에서 특정 부하와 병렬로 무부하 경로를 생성할 때 인가되는 전압이 낮아지는 것을 이용한다. 따라서 직렬 연결을 나타내기 위하여 특정 급전 세그먼트와 스위치부를 제외한 나머지 회로는 특정 급전 세그먼트와 스위치부의 병렬 연결된 회로와 직렬로 연결된 사각형의 부하로 표시하였다.
도 2 및 도 3에서 부하에 병렬로 연결된 스위치로 부하에 급전되는 전력을 제어하는 방법을 설명할 때에는 스위치가 하나였다. 그러나 이때 스위치가 하나만 연결될 필요는 없다. 실제의 스위치는 도 2 및 도 3과 달리 닫힌 상태에서도 스위치 자체의 내부저항이 있으므로 필요에 따라 높은 내부저항을 갖는 스위치와 낮은 내부저항을 갖는 스위치를 병렬로 연결하고 이를 부하와 병렬로 연결하여 2중으로 전력을 제어할 수 있다.
부하인 Z1(610)에 스위치인 SW1(620)과 스위치인 SW2(630)를 연결하고 SW1(620)의 내부저항을 r2, SW2(630)의 내부저항을 r3라고 할 때 스위치들의 내부저항 r2과 r3는 부하인 Z1(610)에 비해 작은 내부저항을 갖는다. r3가 r2보다 매우 작은 내부저항을 갖는다면, SW1(620)을 ON시켜서 Z1(610)과 SW1(620)의 병렬 연결 회로에 인가되는 전력을 1차적으로 줄인다. 이때 r2는 Z1(610)에 비해 낮은 값을 갖으므로 합성 부하 역시 r2보다 낮은 값을 갖는다. 그러나 r2가 무시하지 못할 만큼 크다면 SW2(630)를 ON시켜서 Z1(610), SW1(620) 및 SW2(630)에 인가되는 전력을 2차적으로 줄이는 것이 가능하다. 이를 사용하는 이유 및 실시예는 도 7을 참조하여 설명한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 스위치부 및 제어부의 구성도이다.
스위치부(460)는 병렬연결된 전자식 스위치(710)와 기계식 스위치(720)로 구현될 수 있다. 전자식 스위치(710)는 트랜지스터와 같이 입력 신호를 활용하여 스위치의 특정 부분의 전자기적 성질을 변형하고, 변형된 전자기적 성질에 의해 전류의 흐름을 제어하는 스위치를 말한다. 전자식 스위치(710)는 낮은 전압의 입력 신호에 대하여 동작하고 신속하게 동작한다는 장점이 있으나, 스위치가 닫힌 경우에도 비교적 내부저항이 높다는 단점이 있다. 기계식 스위치(720)는 전자석과 같은 물리적인 힘을 생성할 수 있는 도구를 구비하여 입력 신호에 따라 기계적인 움직임 또는 절연 상태 변동으로 전류의 흐름을 제어하는 스위치를 말한다. 기계식 스위치(720)는 높은 전압의 입력 신호에 대하여 동작하고 전자식 스위치(710)에 비해 느리게 동작한다는 단점이 있으나 스위치가 닫힌 경우 추가적인 내부저항이 거의 없다는 장점이 있다.
도 2와 도 3에서 설명한 바와 같이, 부하에 무부하 경로를 병렬로 연결하면 해당 부하에 인가되던 전력을 차단할 수 있다. 도 6에서는 SW1(620)을 부하와 병렬로 연결하여 부하에 인가되는 전력을 1차적으로 제어하고 SW1(620)과 부하의 병렬 연결에 SW2(630)를 다시 병렬로 연결하여 SW1(620)과 부하의 병렬 연결에 인가되는 전력을 2차적으로 제어하는 회로를 도시하였다. 전술한 바와 같이 스위치는 전자식 스위치(710)든 기계식 스위치(720)든 관계없이 실제로는 내부저항을 갖는다. 따라서 전자식 스위치(710)로 부하에 인가되는 전력을 제어하여도 부하에 인가되는 전력을 완전히 제거하지 못할 뿐만 아니라 전자식 스위치(710) 자체의 저항으로 인해 상당한 전력이 손실된다. 기계식 스위치(720)가 전자식 스위치(710)보다 낮은 내부저항을 가지고 전자식 스위치(710)가 기계식 스위치(720)보다 즉각적으로 동작한다. 따라서 부하와 전자식 스위치(710)와 기계식 스위치(720)를 병렬로 연결하고 전자식 스위치(710)와 기계식 스위치(720)를 동시에 제어한 경우 전자식 스위치(710)가 먼저 동작하여 1차적으로 부하에 인가되는 전력을 제어하고 기계식 스위치(720)가 후발적으로 동작하여 2차적으로 부하와 전자식 스위치(710)에 인가되는 전력을 줄일 수 있다. 다시 말해서 스위치부(460)는 병렬연결된 전자식 스위치(710)와 기계식 스위치(720)를 포함하고, 제어부(440)가 전자식 스위치(710)와 기계식 스위치(720)를 동시에 제어하여 전력의 손실을 추가적으로 저감할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 직렬 구조의 급전 세그먼트와 병렬 구조의 급전 세그먼트의 회로도이다.
제1 급전 세그먼트 Z4(840), 제2 급전 세그먼트 Z5(850) 및 제3 급전 세그먼트 Z6(860)에 각각 전원을 인가시킴에 있어서, Z4과 Z6에만 전원을 공급하기를 원할 경우의 스위칭과 회로도를 도 8의 a와 도 8의 b에 각각 나타내었다.
도 8의 a의 경우 급전 세그먼트는 병렬로 연결되고 각 급전 세그먼트를 제어하는 스위치는 해당 급전 세그먼트와 직렬로 연결된다. 따라서 스위치가 열리면 해당 급전 세그먼트와 스위치의 직렬 연결회로가 개방되어 전원이 끊기게 된다.
도 8의 a의 경우 제1 스위치(810), 제2 스위치(820), 제3 스위치(830)가 각 급전 세그먼트에 직렬로 연결되어 입력 전압 V0의 인가 여부를 결정한다. 각 스위치와 급전 세그먼트는 하나의 폐경로를 이루며, 각 폐경로는 독립적이다. 각 급전 세그먼트에는 V0의 전압이 급전되거나 비급전되며, 급전되는 급전 세그먼트의 숫자가 늘어날수록 입력 전력의 크기가 비례하여 증대된다.
도 8의 b의 경우 급전 세그먼트는 직렬로 연결되고 각 급전 세그먼트를 제어하는 스위치는 해당 급전 세그먼트와 병렬로 연결된다. 도 2,3 및 6에서 설명한 바와 같이 급전 세그먼트에 병렬로 연결된 스위치가 닫히면 무부하 경로가 생성되어 급전 세그먼트에 인가되던 전원이 끊기게 된다. 다시 말해 급전 세그먼트별로 연결된 스위치는 해당 급전 세그먼트에 전원 인가여부를 결정하기 위한 도 8의 a와 도 8의 b에서의 움직임은 반대가 된다. 즉, 도 8의 a에서는 스위치가 온이 되는 경우 해당 급전 세그먼트에 전원이 공급되고 도 8의 b에서는 스위치가 온이 되는 경우 해당 급전 세그먼트에 전원이 차단된다.
전술하였듯이, 도 8의 b의 경우 각 스위치가 각 급전 세그먼트와 병렬로 연결되어 도 8의 a와 반대로 동작하므로, 도 8의b의 경우에 급전되는 복수의 급전 세그먼트는 서로 직렬로 연결되고 이 직렬 연결 회로의 양단에 입력 전압 V0가 인가된다. 직렬 연결된 회로의 구성요소 각각에 흐르는 전류는 동일하므로 각 급전 세그먼트에는 부하의 크기에 비례하여 전력이 공급되며, 급전되는 급전 세그먼트의 숫자가 늘어날수록 총부하의 크기에 반비례하여 입력전력의 크기가 줄어든다. 따라서 병렬 연결에 비하여 직렬 연결의 경우 부하의 크기에 따라 전력을 배분하여 인가할 수 있다.
급전 장치에 있어서 부하는 급전선 및 보상 캐패시터의 부하와 집전 장치의 반사 임피던스를 직렬연결한 부하의 값이다. 집전 장치의 반사임피던스는 집전장치가 유기할 수 있는 전력의 크기에 비례하고, 집전 장치가 유기할 수 있는 전력의 크기는 집전 장치의 배터리의 충전 상태에 따라 달라진다. 배터리의 충전상태가 완충 상태에 가까울수록 인가할 수 있는 전류의 크기가 작아지므로 소모되는 전력의 크기가 작아진다. 다시 말해서 유기할 수 있는 자속의 크기가 작아진다. 결국 집전 장치의 반사 임피던스의 크기가 작아지고 해당 집전 장치가 있는 급전 세그먼트의 부하의 크기가 작아진다. 이와 같이 충전 상태에 따라 다른 세기로 전력을 자연스럽게 공급할 수 있다.
따라서, 같은 개수의 급전세그먼트에 대하여 전력을 공급하는 경우 도 8의 b의 경우(즉, 급전 세그먼트를 직렬연결한 경우)에는 급전 세그먼트에 전력을 공급하는 전원(예컨대 급전인버터)의 용량이 도 8의 a(즉, 급전 세그먼트를 병렬연결한 경우)에 비해서 더 적은 것을 사용하더라도 전원공급을 가능하게 함으로써 경제적인 급전장치를 제공하는 효과가 있다.
다른 측면에서 한번 더 설명하면, 도 8의 a와 같이 입력전원에 병렬로 복수의 급전세그먼트를 연결하는 경우에는, 입력전원으로 사용되는 인버터의 용량이 세개의 급전세그먼트를 각각 수용할 수 있도록 하는 용량을 가져야 한다. 만일 하나의 급전 세그먼트의 급전용량이 100 kW라면 3개의 병렬 급전 세그먼트에 전력을 공급하기 위하여 100 kW 의 인버터 3개가 필요하다. 즉, 전체적으로 300 kW 용량의 인버터가 필요하다.
하지만 도 8의 b와 같이 직렬로 복수의 급전 세그먼트가 연결된 경우에는 입력전원으로 사용되는 인버터의 용량이 300 KW 미만이 되더라도 도 8의 a와 동일한 개수의 각 급전세그먼트에 전력을 공급할 수가 있다. 각 급전세그먼트에 의해 충전되는 집전장치의 배터리는 완전히 충전되어 있을 수도 있고 부분적으로 충전되어 있을 수도 있다. 예를 들어, 급전 세그먼트를 이용하여 충전하는 집전장치의 배터리 충전량이 0 %인 경우 충전에 필요한 전력이 100 kW 인 경우 이 배터리가 80 % 충전되어 있을 경우에는 충전량이 0%인 경우에 비해 부하가 달라지므로 해당 배터리에 필요한 전력은 100 kW 보다 작은 크기가 될 것이다. 또한 일반적으로 충전하고자 하는 차량에 장착된 집전장치의 배터리가 어느 정도 수준으로는 충전된 상태에서 급전 세그먼트를 통하여 충전하게 되는 것이 일반적일 가능성이 높으므로 직렬 연결된 복수의 급전세그먼트를 사용하는 경우 평균적으로는 하나의 급전 세그먼트의 필요 공급 전력은 100 kW 보다 작게 될 것이다. 예컨대 평균적으로 하나의 급전세그먼트에서 충전에 필요한 용량이 60 kW라면, 200 kW의 인버터 용량으로 3개의 급전 세그먼트에 전력을 공급하더라도 3개의 급전 세그먼트가 모두 급전에 사용되는 상황이 발생하더라도 용량이 충분한 상황이 될 수 있는 것이다. 따라서 본 발명의 실시예에 따르면 급전 세그먼트의 급전선에 사용된 회로의 결선 방법을 직렬로 하는 경우 병렬로 연결하는 경우에 비해 급전에 필요한 인버터의 용량을 절감할 수 있어 경제적인 급전장치를 제공할 수가 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 직렬 구조의 급전 세그먼트 및 인버터의 전력 공급 과정을 나타낸 순서도이다.
교류 전력을 생성하여 공급한다(S910). 급전부(410)는 입력받은 전력의 주파수가 급전 세그먼트(430)의 공진 주파수와 동일하면 그대로 공급할 수 있지만, 동일하지 않아서 주파수 변환이 필요하다면, 정류부(470) 및 인버터(480)를 이용하여 급전 세그먼트(430)의 공진 주파수와 동일한 주파수로 변환하여 공급한다.
스위치 제어신호를 생성하여 교류 전력 분배를 제어한다(S920). 제어부(440)는 교류 전력이 인가되는 급전 세그먼트(430)에 병렬로 연결된 스위치부(460)를 제어하는 제어신호를 생성한다. 이때 제어신호는 급전 세그먼트(430) 상에 집전 장치를 구비한 픽업이 존재하는지 여부를 카메라 등을 통하여 확인하여 생성하거나 센서(450)를 활용하여 생성할 수 있다. 센서(450)를 활용한 경우 센서(450)에서 센싱을 통해 생성된 센싱신호를 기반으로 제어신호를 생성할 수 있다. 사용자의 제어명령을 직접 입력받는 모듈을 구비한 경우 제어명령을 제어신호로 변환하여 제어신호를 생성할 수 있다. 또는 제어신호는 오전에는 도로에 구비된 급전 세그먼트(430)에 전력을 인가하고 업무 시간에는 주차장에 구비된 급전 세그먼트(430)에 전력을 인가하는 것과 같이 시간별 기설정된 패턴에 따라 생성될 수도 있다. 이때 스위치는 전자식 스위치(710)와 기계식 스위치(720)의 병렬연결로 구성될 수 있으며, 급전 세그먼트(430) 중 어느 하나의 급전 세그먼트(430)에 전력 공급을 차단하고자 하는 경우, 제어부(440)는 전자식 스위치(710)와 기계식 스위치(720)를 동시에 ON으로 제어하는 신호를 인가할 수 있다. 이 경우 전자식 스위치(710)가 기계식 스위치(720)보다 즉각적으로 반응하므로 전자식 스위치(710)와 기계식 스위치(720)는 순차적으로 닫히게 된다.
스위치를 제어하여 교류 전력을 분배하여 인가한다(S930). 제어부(440)는 스위치 제어에 따라 결정된 급전 세그먼트(430)를 포함하는 경로의 양단에 교류 전력을 인가하여 다수의 급전 세그먼트(430)에 선별적으로 교류 전력을 인가한다.
자속을 생성한다(S940). 급전 세그먼트(430)는 입력받은 교류전력을 급전선(510)에 인가하여 자속을 생성한다. 이때 급전 세그먼트(430) 상에 존재하는 집전 장치에 자속을 유기하여 전력을 전달할 수 있다.
도 9에서는 단계 S910 내지 단계 S940을 순차적으로 실행하는 것으로 기재하고 있으나, 이는 본 발명의 일 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명의 일 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자라면 본 발명의 일 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 도 9에 기재된 순서를 변경하여 실행하거나 단계 S910 내지 단계 S940 중 하나 이상의 단계를 병렬적으로 실행하는 것으로 다양하게 수정 및 변형하여 적용 가능할 것이므로, 도 9는 시계열적인 순서로 한정되는 것은 아니다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 직렬 구조의 급전 세그먼트 및 인버터의 전력 공급 과정을 나타낸 순서도이다.
교류 전력을 생성하여 공급한다(S1010). 급전부(410)는 입력받은 전력의 주파수가 급전 세그먼트의 공진 주파수와 동일하면 그대로 공급할 수 있지만, 상용 전력을 입력받은 경우 주파수 변환이 필요하다면, 정류부(470) 및 인버터(480)를 이용하여 공진 주파수와 동일한 주파수로 변환하여 공급한다.
물체 감지를 통해 자속생성 영역을 특정한다(S1020). 각 급전 세그먼트(430)에 센서(450)를 구비하고 집전 장치가 존재한다면, 자속을 생성할 급전 세그먼트(430)로 특정하는 신호를 생성한다.
특정된 영역에 교류전력을 분배한다(S1030). 생성한 신호를 바탕으로 급전 세그먼트(430)와 병렬로 연결된 스위치부(460)를 제어하여 교류 전력의 인가 여부를 결정하고 교류전력을 인가한다. 이때 스위치부(460)는 급전 세그먼트(430)와 병렬로 연결되어 닫힌 경우 무부하 경로를 생성하여 급전 세그먼트(430)로 인가되는 전력을 제거하고, 열린 경우 급전 세그먼트(430)로 전력이 인가되도록 한다.
자속을 생성한다(S1040). 급전 세그먼트(430)는 입력받은 교류전력을 급전선(510)에 인가하여 자속을 생성한다. 이때 급전 세그먼트(430) 상에 존재하는 집전 장치에 자속을 유기하여 전력을 전달할 수 있다.
도 10에서는 단계 S1010 내지 단계 S1040을 순차적으로 실행하는 것으로 기재하고 있으나, 이는 본 발명의 일 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명의 일 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자라면 본 발명의 일 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 도 10에 기재된 순서를 변경하여 실행하거나 단계 S1010 내지 단계 S1040 중 하나 이상의 단계를 병렬적으로 실행하는 것으로 다양하게 수정 및 변형하여 적용 가능할 것이므로, 도 10은 시계열적인 순서로 한정되는 것은 아니다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
210: Za 220: Zb
230:SWa 310: 제1 부하-스위치 쌍
320: 제2 부하-스위치 쌍 330: 제3 부하-스위치 쌍
410: 급전부 420: 분전부
430: 급전 세그먼트 440: 제어부
445: 제어모듈 450: 센서
460: 스위치부 470: 정류부
480: 인버터 510: 급전선
520: 보상 캐패시터 610: Z1
620: SW1 630: SW2
710: 전자식 스위치 720: 기계식 스위치
810: 제1 스위치 820: 제2 스위치
830: 제3 스위치 840: Z4
850: Z5 860: Z6

Claims (14)

  1. 교류 전력을 공급하는 전력 공급부;
    상기 교류 전력을 입력받는 직렬 연결된 복수의 급전 세그먼트;
    각 급전 세그먼트의 양단에 각각 병렬 연결된 복수의 스위치부; 및
    상기 복수의 급전 세그먼트 중 하나 이상의 급전 세그먼트에 대하여 상기 교류 전력의 공급이 제어되도록 상기 하나 이상의 급전 세그먼트에 각각 병렬 연결된 스위치부를 제어하기 위한 제어신호를 생성하는 제어부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 급전 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 급전 세그먼트는,
    급전선; 및
    상기 급전선과 연결되어 상기 교류 전력의 주파수에서 상기 급전선과 공진하는 보상 캐패시터
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 급전 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 보상 캐패시터는 복수 개를 구비하되,
    인덕터의 양단 각각에 적어도 하나의 캐패시터를 구비하는 것을 특징으로 하는 급전 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 스위치부는,
    전자식 스위치; 및
    기계식 스위치를 구비하되,
    상기 전자식 스위치 및 상기 기계식 스위치는 병렬 연결되고,
    상기 제어부는,
    어느 하나의 급전 세그먼트에 전력공급을 차단하고자 하는 경우에 상기 어느 하나의 급전 세그먼트에 대응되는 스위치부 내의 전자식 스위치 및 기계식 스위치를 동시에 ON으로 제어하는 것을 특징으로 하는 급전 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 급전 세그먼트 상에 물체가 있는지 여부를 센싱하는 센서; 및
    상기 센서에서 생성된 센싱 신호를 기반으로 상기 제어신호를 생성하는 제어모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 급전 장치.
  6. 교류 전력을 공급하는 전력 공급부;
    상기 교류 전력을 입력받는 복수의 급전 세그먼트;
    각각의 급전 세그먼트 상의 물체를 각각 센싱하도록 복수개의 센서를 구비하여 상기 물체에 대한 감지 신호를 생성하는 제어모듈; 및
    상기 감지 신호를 수신하여 상기 감지신호에 대항하는 급전 세그먼트에 상기 교류 전력이 인가되도록 제어하는 분전부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 급전 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 전력 공급부는,
    입력 전력을 직류전력으로 변환하는 정류부; 및
    상기 직류전력을 기설정된 주파수의 상기 교류전력으로 변환하는 복수개의 인버터를 구비하되,
    상기 인버터는 상기 정류부에 병렬로 연결된 것을 특징으로 하는 급전 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 복수의 급전 세그먼트는 서로 직렬로 연결되고,
    각 급전 세그먼트의 양단에 각각 병렬 연결된 복수의 스위치부를 포함하는 것을 특징으로 하는 급전 장치.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 감지 신호에 기초하여 스위치를 제어하여 상기 급전 세그먼트의 전력 공급을 제어하는 것을 특징으로 하는 급전 장치.
  10. 급전 장치를 사용하여 전력을 급전하는 방법에 있어서,
    교류 전력을 공급하는 전력 공급 과정;
    상기 교류 전력을 인가받은 직렬 연결된 복수의 급전 세그먼트에서 자속을 생성하는 자속 생성 과정;
    각 급전 세그먼트의 양단에 각각 병렬 연결된 복수의 스위치부에서 상기 교류 전력을 상기 복수의 급전 세그먼트에 분배하는 전력 분배 과정; 및
    상기 복수의 급전 세그먼트 중 하나 이상의 급전 세그먼트에 대하여 상기 교류 전력의 공급이 제어되도록 상기 하나 이상의 급전 세그먼트에 각각 병렬 연결된 스위치부를 제어하는 제어신호를 생성하는 제어 과정
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 급전 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 스위치부는,
    전자식 스위치; 및
    기계식 스위치를 포함하되,
    상기 전자식 스위치 및 상기 기계식 스위치를 병렬 연결하여, 어느 하나의 급전 세그먼트에 전력공급을 차단하고자 하는 경우에 상기 어느 하나의 급전 세그먼트에 대응되는 스위치부 내의 전자식 스위치 및 기계식 스위치를 동시에 ON으로 제어하는 것을 특징으로 하는 급전 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제어 과정은,
    상기 급전 세그먼트 상에 물체가 있는지 여부를 센싱하는 센싱 과정; 및
    상기 센싱 과정에서 생성된 센싱 신호를 기반으로 상기 제어신호를 생성하는 센싱 제어 과정
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 급전 방법.
  13. 급전 장치를 사용하여 전력을 급전하는 방법에 있어서,
    교류 전력을 공급하는 전력 공급 과정;
    상기 교류 전력을 인가받은 직렬 연결된 복수의 급전 세그먼트에서 자속을 생성하는 자속 생성 과정;
    각각의 급전 세그먼트 상의 물체를 각각 센싱하도록 복수개의 센서를 구비하여 상기 물체에 대한 감지 신호를 생성하는 물체 감지 과정; 및
    상기 감지 신호를 수신하여 상기 감지신호에 해당하는 급전 세그먼트에 상기 교류 전력이 인가되도록 제어하는 분전 과정
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 급전 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 분전 과정은,
    상기 급전 세그먼트와 병렬로 연결된 스위치를 제어하여 무부하 경로를 생성 또는 제거하는 방법으로 상기 교류 전력이 인가되는 급전 세그먼트를 결정하는 것을 특징으로 하는 급전 방법.
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JP2004203178A (ja) 2002-12-25 2004-07-22 Murata Mach Ltd 給電設備及び給電設備の定電流電源ユニットの接続方法
KR20130006294A (ko) * 2011-07-08 2013-01-16 가부시끼가이샤 콘텍쿠 비접촉 급전 설비

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