KR102283666B1 - 회로변수 자동 튜닝형 무선충전 시스템 및 이를 이용한 회로변수의 자동 튜닝 방법 - Google Patents

회로변수 자동 튜닝형 무선충전 시스템 및 이를 이용한 회로변수의 자동 튜닝 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 2차측인 차량 집전장치의 변화된 회로변수에 대응하여 1차측인 지상 급전장치의 회로변수를 변경함으로써 1차측으로부터 2차측으로 최대의 전력 전송이 이루어지도록 하는 기술로서, 지상 급전장치의 TX 패드에 대해 차량 집전장치의 RX 패드의 다양한 위치 변화(예: 상직위치 변화, 수평위치 변화)로 인해 2차측의 달라진 회로변수(예: 공진주파수, 전압)에 대응하여 1차측의 회로변수(예: 주파수, 전류)를 변경시킴으로써 결과적으로 2차측인 차량 집전장치에서 최대의 전력을 넘겨 받을 수 있음은 물론 일정한 전압을 만들어 낼 수 있도록 하는 기술에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 2차측의 집전 폐회로 부재에 온오프 조작이 가능한 제 1 스위치 부재와 제 2 스위치 부재를 구비함에 따라 인덕턴스 관련 회로변수의 변화를 간편하게 측정할 수 있는 장점이 있다.

Description

회로변수 자동 튜닝형 무선충전 시스템 및 이를 이용한 회로변수의 자동 튜닝 방법 {wireless charging device for auto tuning type of circuit variable, and auto tuning method of circuit variable using the same}
본 발명은 2차측인 차량 집전장치의 변화된 회로변수에 대응하여 1차측인 지상 급전장치의 회로변수를 변경함으로써 1차측으로부터 2차측으로 최대의 전력 전송이 이루어지도록 하는 기술에 관한 것이다.
더욱 상세하게는, 본 발명은 지상 급전장치의 TX 패드에 대해 차량 집전장치의 RX 패드의 다양한 위치 변화(예: 상직위치 변화, 수평위치 변화)로 인해 2차측의 달라진 회로변수(예: 공진주파수, 전압)에 대응하여 1차측의 회로변수(예: 주파수, 전류)를 변경시킴으로써 결과적으로 2차측인 차량 집전장치에서 최대의 전력을 넘겨 받을 수 있음은 물론 일정한 전압을 만들어 낼 수 있도록 하는 기술에 관한 것이다.
[도 1]은 일반적인 차량 집전장치와 지상 급전장치를 도시한 블록구성도이고, [도 2]는 [도 1]을 회로도로 나타낸 예시도이다.
[도 1]과 [도 2]를 참조하면, 차량은 자신에 설치된 차량 집전장치(10)를 통해 바닥면에 설치되는 지상 급전장치(20)로부터 컨택리스 타입으로 전력을 제공받아 충전을 수행한다.
이를 위해, 지상 급전장치(20)는 고주파 인버터 부재(21), 급전 폐회로 부재(22), 급전 커패시터 부재(23), TX 패드(20a)를 구비하여 1차측을 구성할 수 있다.
여기서, 고주파 인버터 부재(21)는 외부로부터 교류(예: AC220Vrms, 50 내지 60Hz)를 제공받아 TX 패드(20a)에 고주파 전류(iref = i1)를 흘려준다. 이때, 1차측의 LC 공진부는 급전 폐회로 부재(22)의 인덕턴스 성분(L1)과 급전 커패시터 부재(23)를 통해 이루어진다.
그리고, 차량 집전장치(10)는 집전 폐회로 부재(11), 집전 커패시터 부재(12), RX 패드(10a), 레귤레이터(10b), 배터리(10c)를 구비하여 2차측을 구성할 수 있다.
여기서, RX 패드(10a)는 TX 패드(20a)로부터의 고주파 전류에 의해 발생된 자장으로부터 전압을 유기하도록 구성된다.
레귤레이터(10b)는 1차측의 고주파 전류에 의해 발생된 자장으로부터 최대의 전력을 뽑아내기 위해 2차측의 LC 공진부와 배터리(10c)의 충전 전류를 제어하도록 구성된다.
이때, 2차측의 LC 공진부는 집전 폐회로 부재(11)의 인덕턴스 성분(L2)과 집전 커패시터 부재(12)를 통해 이루어진다.
그런데, [도 2]에서와 같이 1차측의 공진주파수(
Figure 112020020248967-pat00001
)와 2차측의 공진주파수(
Figure 112020020248967-pat00002
)가 동일하게 유지된다면 1차측으로부터 2차측으로의 전력 전달은 최대로 이루어질 수 있을 것이다.
하지만, 실제 현장에서는 차량의 배터리(10c)를 충전시키기 위해 운전자가 차량의 RX 패드(10a)를 지상 급전장치(20)의 TX 패드(20a)에 대해 이상적으로 정확하게 위치시킨다는 것은 어려운 일이고, 또한 다양한 차종에도 불구하고 지상 급전장치(20)의 TX 패드(20a)를 기준으로 볼 때 차량의 RX 패드(10a)가 항상 동일한 높이에 위치한다는 것도 불가능한 일이다.
예컨대, [도 3]은 지상 급전장치에 구비된 TX 패드와 차량 집전장치에 구비된 RX 패드 간의 상대적인 위치 변화를 간략하게 표시한 예시도이고, [도 4]는 [도 3]에서의 위치 변화에 대응하여 [도 2]의 회로도에서 자기 인덕턴스와 상호 인덕턴스가 가변하는 과정을 나타낸 예시도이다.
[도 3]의 (a) 또는 (b)에서와 같이 지상 급전장치(20)의 TX 패드(20a)에 대해 RX 패드(10a)의 상대적인 위치가 변화하게 되면, [도 4]에서와 같이 급전 폐회로 부재(22)의 인덕턴스 성분(L1)인 자기 인덕턴스와 집전 폐회로 부재(11)의 인덕턴스 성분(L2)인 자기 인덕턴스가 변하게 되고 TX 패드(20a)와 RX 패드(10a) 간의 상호 인덕턴스(M)도 변하게 된다.
이처럼, LC 공진을 이용하여 1차측에서 2차측으로 전력을 넘기게 되는데, 1차측과 2차측의 시스템 변수인 각각의 자기 인덕턴스((L1, L2)가 달라짐에 따라 1차측의 공진주파수(
Figure 112020020248967-pat00003
)와 2차측의 공진주파수(
Figure 112020020248967-pat00004
)가 서로 다르게 변하게 되어 1차측으로부터 2차측으로의 전력 전달이 감소하는 문제점이 발생한다.
또한, TX 패드(20a)와 RX 패드(10a) 간의 상호 인덕턴스(M)도 변하게 됨에 따라 2차측인 RX 패드(10a)에 유기되는 전압도 달라지게 된다.
이때, 2차측의 집전 커패시터 부재(12)는 수동소자로서 미리 공진을 맞춰 놓았기 때문에 인덕턴스(L1, L2, M) 변화에 대응하여 능동적으로 변화시킬 수도 없는 문제가 있다.
그에 따라, 지상 급전장치(20)에 대해 차량이 정차한 상태로 LC 공진이 이루어지는 시점에 [도 4]에서와 같이 1차측의 자기 인덕턴스(L1), 2차측의 자기 인덕턴스(L2), 상호 인덕턴스(M)를 측정하여 2차측에 대한 회로변수(공진주파수, 전압)의 변화를 알아내고 그 알아낸 회로변수 값에 대응하여 1차측에 대한 회로변수(주파수, 전류)를 변경함으로써 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결할 수 있는 기술 구현이 요구된다.
본 발명은 상기한 점을 감안하여 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 1차측의 자기 인덕턴스(L1), 2차측의 자기 인덕턴스(L2), 상호 인덕턴스(M)를 측정하여 2차측에 대한 회로변수(공진주파수, 전압)의 변화를 알아내고 그 알아낸 회로변수 값에 대응하여 1차측에 대한 회로변수(주파수, 전류)를 변경함으로써 1차측으로부터 2차측으로의 최대 전력을 전달할 수 있는 회로변수 자동 튜닝형 무선충전 시스템 및 이를 이용한 회로변수의 자동 튜닝 방법을 제공함에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 지상에 설치되는 지상 급전장치와 차량에 설치되어 지상 급전장치로부터 컨택리스 타입으로 전원을 공급받는 차량 집전장치를 구비하는 회로변수 자동 튜닝형 무선충전 시스템으로서, 차량 집전장치(100)는, 1차측에 흐르는 고주파 전류를 통해 컨택리스 타입으로 전자기장이 유도되는 2차측 전자기 유도 수단(110); 자기 인덕턴스와 상호 인덕턴스를 검출하는 인덕턴스 검출 수단(120);을 구비하고, 지상 급전장치(200)는, 외부로부터 교류를 인가받아 1차측으로서의 고주파 전류를 흘림에 따라 2차측 전자기 유도 수단에 전자기장을 유도시키는 1차측 고주파 발생 수단(210); 자기 인덕턴스와 상호 인덕턴스에 대해 미리 개별적으로 설정된 명목상의 인덕턴스 수치가 되도록 인덕턴스 검출 수단이 검출한 자기 인덕턴스를 기초하여 고주파 전류의 구동 주파수를 변경하는 주파수 설정 수단(220); 자기 인덕턴스와 상호 인덕턴스에 대해 미리 개별적으로 설정된 명목상의 인덕턴스 수치가 되도록 인덕턴스 검출 수단이 검출한 상호 인덕턴스를 기초하여 고주파 전류의 양을 변경하는 전류 설정 수단(230);을 구비한다.
여기서, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 2차측 전자기 유도 수단(110)은, 1차측 고주파 발생 수단에 흐르는 교류를 통해 컨택리스 타입으로 전자기장이 유도되도록 차량의 배터리에 연결되어 RX 패드를 형성하며 교류에 대해 인덕턴스 성분을 나타내는 집전 폐회로 부재(111); 집전 폐회로 부재에 직렬로 연결되어 집전 폐회로 부재의 인덕턴스 성분과 공진하는 집전 커패시터 부재(112); 집전 폐회로 부재에 자신의 일단부가 브릿지 연결됨에 따라 집전 커패시터 부재와 병렬 연결된 상태로 스위칭 온오프되는 제 1 스위치 부재(113); 집전 커패시터 부재와 제 1 스위치 부재 사이에 대응하는 집전 폐회로 부재에 브릿지 연결됨에 따라 집전 커패시터 부재와 직렬 연결되고 제 1 스위치 부재와 병렬 연결된 상태로 스위칭 온오프되는 제 2 스위치 부재(114);를 구비할 수 있다.
이때, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 1차측 고주파 발생 수단(210)은, 외부로부터 교류를 인가받아 1차측으로서의 고주파 전류를 흘림에 따라 컨택리스 타입으로 집전 폐회로 부재에 전자기장을 유도시키는 고주파 인버터 부재(211); 고주파 인버터 부재에 연결되어 TX 패드를 형성하며 교류에 대해 인덕턴스 성분을 나타내는 급전 폐회로 부재(212); 급전 폐회로 부재에 직렬로 연결되어 급전 폐회로 부재의 인덕턴스 성분과 공진하는 급전 커패시터 부재(213);를 구비할 수 있다.
그리고, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 2차측 전자기 유도 수단(110)은, 1차측 고주파 발생 수단에 흐르는 교류를 통해 컨택리스 타입으로 전자기장이 유도되도록 차량의 배터리에 연결되어 RX 패드를 형성하며 교류에 대해 인덕턴스 성분을 나타내는 집전 폐회로 부재(111'); 집전 폐회로 부재에 직렬로 연결되어 집전 폐회로 부재의 인덕턴스 성분과 공진하는 제 1 집전 커패시터 부재(112a); 제 1 집전 커패시터 부재에 인접하는 집전 폐회로 부재에 직렬로 연결되어 집전 폐회로 부재의 인덕턴스 성분과 공진하는 제 2 집전 커패시터 부재(112b); 집전 폐회로 부재에 브릿지 연결됨에 따라 제 1 집전 커패시터 부재와 병렬 연결된 상태로 스위칭 온오프되는 제 1 스위치 부재(113'); 제 1 집전 커패시터 부재와 제 2 집전 커패시터 부재 사이의 집전 폐회로 부재에 브릿지 연결됨에 따라 제 1 집전 커패시터 부재와 제 2 집전 커패시터 부재에 대해 병렬 연결된 상태로 스위칭 온오프되는 제 2 스위치 부재(114');를 구비할 수 있다.
이때, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 1차측 고주파 발생 수단(210)은, 외부로부터 교류를 인가받아 1차측으로서의 고주파 전류를 흘림에 따라 컨택리스 타입으로 집전 폐회로 부재에 전자기장을 유도시키는 고주파 인버터 부재(211'); 고주파 인버터 부재에 연결되어 TX 패드를 형성하며 교류에 대해 인덕턴스 성분을 나타내는 급전 폐회로 부재(212'); 급전 폐회로 부재에 직렬로 연결되어 급전 폐회로 부재의 인덕턴스 성분과 공진하는 급전 커패시터 부재(213');를 구비할 수 있다.
한편, 본 발명은 차량 집전장치(100)와 지상 급전장치(200)를 구비하는 회로변수 자동 튜닝형 무선충전 시스템에 대해 그 회로변수 자동 튜닝형 무선충전 시스템을 이용한 회로변수의 자동 튜닝 방법으로서, (a) 지상 급전장치(200)가 외부로부터 교류를 인가받아 1차측으로서의 고주파 전류를 흘리는 단계; (b) 차량 집전장치(100)가 1차측에 흐르는 고주파 전류를 통해 컨택리스 타입으로 전자기장을 유도시키는 단계; (c) 차량 집전장치(100)가 자기 인덕턴스와 상호 인덕턴스를 검출하는 단계; (d) 자기 인덕턴스와 상호 인덕턴스에 대해 미리 개별적으로 설정된 명목상의 인덕턴스 수치가 되도록 지상 급전장치(200)는 차량 집전장치가 검출한 자기 인덕턴스를 기초하여 고주파 전류의 구동 주파수를 변경하는 단계; (e) 자기 인덕턴스와 상호 인덕턴스에 대해 미리 개별적으로 설정된 명목상의 인덕턴스 수치가 되도록 지상 급전장치(200)는 차량 집전장치가 검출한 상호 인덕턴스를 기초하여 고주파 전류의 양을 변경하는 단계;를 포함하여 구성될 수 있다.
다른 한편, 본 발명에 따른 컴퓨터프로그램은 하드웨어와 결합되어 이상과 같은 회로변수 자동 튜닝형 무선충전 시스템을 이용한 회로변수의 자동 튜닝 방법을 실행시키기 위하여 매체에 저장된 것이다.
본 발명은 인덕턴스 검출 수단을 구비함에 따라 1차측의 자기 인덕턴스(L1), 2차측의 자기 인덕턴스(L2), 상호 인덕턴스(M)에 대응하는 회로변수를 측정하고, 주파수 설정 수단, 전류 설정 수단을 구비함에 따라 그 측정한 회로변수에 대응하여 1차측의 회로변수(주파수, 전류의 양)를 변경함으로써 1차측으로부터 2차측으로의 최대 전력 전달이 가능하다는 장점을 나타낸다.
또한, 본 발명은 2차측의 집전 폐회로 부재에 온오프 조작이 가능한 제 1 스위치 부재와 제 2 스위치 부재를 구비함에 따라 인덕턴스 관련 회로변수의 변화를 간편하게 측정할 수 있는 장점을 나타낸다.
[도 1]은 일반적인 차량 집전장치와 지상 급전장치를 도시한 블록구성도,
[도 2]는 [도 1]을 회로도로 나타낸 예시도,
[도 3]은 지상 급전장치에 구비된 TX 패드와 차량 집전장치에 구비된 RX 패드 간의 상대적인 위치 변화를 간략하게 표시한 예시도,
[도 4]는 [도 3]에서의 위치 변화에 대응하여 [도 2]의 회로도에서 자기 인덕턴스와 상호 인덕턴스가 가변하는 과정을 나타낸 예시도,
[도 5]는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 회로변수 자동 튜닝형 무선충전 시스템을 개략적으로 도시한 회로도,
[도 6]은 본 발명에서 고주파 인버터 부재가 주파수 설정 수단에 의해 변경된 구동 주파수와 전류 설정 수단에 의해 변경된 전류의 양에 대응하는 고주파 전류를 흘리는 과정을 나타낸 회로도,
[도 7]은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 회로변수 자동 튜닝형 무선충전 시스템을 개략적으로 도시한 회로도,
[도 8]은 [도 7] 상의 집전 폐회로 부재 부분을 발췌하여 제 1 스위치 부재와 제 2 스위치 부재의 스위칭 온오프 상태를 도시한 회로도,
[도 9]는 본 발명에 따른 회로변수 자동 튜닝형 무선충전 시스템을 이용한 회로변수의 자동 튜닝 과정을 나타낸 순서도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
[도 5]는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 회로변수 자동 튜닝형 무선충전 시스템을 개략적으로 도시한 회로도이고, [도 6]은 본 발명에서 고주파 인버터 부재가 주파수 설정 수단에 의해 변경된 구동 주파수와 전류 설정 수단에 의해 변경된 전류의 양에 대응하는 고주파 전류를 흘리는 과정을 나타낸 회로도이다.
[도 5]와 [도 6]을 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예는 지상에 설치되는 1차측으로서의 지상 급전장치(200)와 차량에 설치되어 지상 급전장치로부터 컨택리스 타입으로 전원을 공급받는 2차측으로서의 차량 집전장치(100)를 구비하는 회로변수 자동 튜닝형 무선충전 시스템으로서, 차량 집전장치(100)는 2차측 전자기 유도 수단(110), 인덕턴스 검출 수단(120)을 구비하고, 지상 급전장치(200)는 1차측 고주파 발생 수단(210), 주파수 설정 수단(220), 전류 설정 수단(230)을 구비할 수 있다.
먼저, 2차측 전자기 유도 수단(110)은 1차측에 흐르는 고주파 전류를 통해 컨택리스 타입으로 전자기장을 유도한다. 구체적으로는, 2차측 전자기 유도 수단(110)은 1차측의 고주파 인버터 부재(211)가 흘리는 고주파 전류에 의해 발생된 자장으로부터 컨택리스 타입으로 전압을 유기한다.
이를 위해, 2차측 전자기 유도 수단(110)은 [도 5]에서와 같이 집전 폐회로 부재(111), 집전 커패시터 부재(112), 제 1 스위치 부재(113), 제 2 스위치 부재(114)를 구비할 수 있다.
집전 폐회로 부재(111)는 1차측 고주파 발생 수단(210)의 급전 폐회로 부재(212)에 흐르는 교류(i1)를 통해 컨택리스 타입으로 전자기장이 유도될 수 있도록 [도 5]에서와 같이 차량의 배터리에 연결되어 RX 패드(101)를 형성하며 교류(i2)에 대해 인덕턴스 성분(L21)을 나타낸다.
집전 커패시터 부재(112)는 [도 5]에서와 같이 집전 폐회로 부재(111)에 직렬로 연결되어 집전 폐회로 부재(111)의 인덕턴스 성분(L21)과 공진한다.
여기서, 집전 커패시터 부재(112)는 수동소자로서 미리 공진을 맞춰 놓았기 때문에 [도 4]에서 1차측의 자기 인덕턴스(L1), 2차측의 자기 인덕턴스(L2), 상호 인덕턴스(M) 변화에 대응하여 능동적으로 변화될 수는 없다.
제 1 스위치 부재(113)는 [도 5]에서와 같이 집전 폐회로 부재(111)에 자신의 일단부가 브릿지 연결됨에 따라 집전 커패시터 부재(112)와 병렬 연결된 상태로 스위칭 온오프된다.
제 2 스위치 부재(114)는 [도 5]에서와 같이 집전 커패시터 부재(112)와 제 1 스위치 부재(113) 사이에 대응하는 집전 폐회로 부재(111)에 브릿지 연결됨에 따라 집전 커패시터 부재(112)와 직렬 연결되고 제 1 스위치 부재(113)와 병렬 연결된 상태로 스위칭 온오프된다.
그리고, [도 5]를 참조하면 인덕턴스 검출 수단(120)은 상호 인덕턴스(M2), 집전 폐회로 부재(111)의 인덕턴스 성분인 자기 인덕턴스(L21), 급전 폐회로 부재(212)의 인덕턴스 성분인 자기 인덕턴스(L1)를 검출할 수 있다.
예컨대, 인덕턴스 검출 수단(120)은 제 1 스위치 부재(113)와 제 2 스위치 부재(114)를 [도 5]에서와 같이 설치하고 제 1 스위치 부재(113)와 제 2 스위치 부재(114)를 모두 턴오프한 상태에서 1차측의 고주파 인버터 부재(211)가
Figure 112020020248967-pat00005
인 주파수의 전류(i1)를 흘리면 [도 5]에서와 같이
Figure 112020020248967-pat00006
인 상호 인덕턴스(M2)를 구할 수 있다.
또한, 인덕턴스 검출 수단(120)은 제 1 스위치 부재(113)와 제 2 스위치 부재(114)를 [도 5]에서와 같이 설치하고 제 1 스위치 부재(113)를 턴온하고 제 2 스위치 부재(114)는 턴오프한 상태에서 1차측의 고주파 인버터 부재(211)가
Figure 112020020248967-pat00007
인 주파수의 전류(i1)를 흘리면 [도 5]에서와 같이
Figure 112020020248967-pat00008
인 집전 폐회로 부재(111)의 인덕턴스 성분으로서의 자기 인덕턴스(L21)를 구할 수 있다.
한편, 1차측 고주파 발생 수단(210)은 외부로부터 교류(예: AC 220Vrms, 50/60 Hz)를 인가받아 1차측으로서의 고주파 전류(i1)를 흘림에 따라 1차측 고주파 발생 수단(210)은 자장을 발생시키고 그에 따라 2차측 전자기 유도 수단(110)에 전압이 유기된다.
이를 위해, 1차측 고주파 발생 수단(210)은 고주파 인버터 부재(211), 급전 폐회로 부재(212), 급전 커패시터 부재(213)를 구비할 수 있다.
고주파 인버터 부재(211)는 외부로부터 교류(예: AC 220Vrms, 50/60 Hz)를 인가받아 1차측으로서의 고주파 전류(i1)를 [도 5]에서와 같이 급전 폐회로 부재(212)에 흘림에 따라 컨택리스 타입으로 집전 폐회로 부재(111)의 RX 패드(101)에 전압을 유기시킬 수 있다.
급전 폐회로 부재(212)는 [도 5]에서와 같이 고주파 인버터 부재(211)에 연결되어 TX 패드(201)를 형성하며 교류(i1)에 대해 인덕턴스 성분인 자기 인덕턴스(L1)를 나타낸다.
급전 커패시터 부재(213)는 [도 5]에서와 같이 급전 폐회로 부재(212)에 직렬로 연결되어 급전 폐회로 부재(212)의 인덕턴스 성분(L21)과 공진하면서 소정의 공진주파수를 발생시킨다.
다른 한편, 주파수 설정 수단(220)은 [도 4]와 같이 자기 인덕턴스(L1, L2)와 상호 인덕턴스(M)에 대해 미리 개별적으로 설정된 명목상의 인덕턴스 수치가 되도록 인덕턴스 검출 수단(120)이 검출한 [도 5] 상의 자기 인덕턴스(L21)를 기초하여 고주파 전류의 구동 주파수를 변경함으로써 [도 6]에서와 같이 고주파 인버터 부재(211)가 흘리는 고주파 전류의 변경된 주파수는 [수학식 1]로 구현될 수 있다.
Figure 112020020248967-pat00009
전류 설정 수단(230)은 [도 4]와 같이 자기 인덕턴스(L1, L2)와 상호 인덕턴스(M)에 대해 미리 개별적으로 설정된 명목상의 인덕턴스 수치가 되도록 인덕턴스 검출 수단(120)이 검출한 [도 5] 상의 상호 인덕턴스(M2)를 기초하여 [도 6]에서와 같이 고주파 전류의 양을 [수학식 2]로 변경할 수 있다.
Figure 112020020248967-pat00010
이처럼, 인덕턴스 검출 수단(120)이 검출한 [도 5] 상의 자기 인덕턴스(L21)를 기초하여 주파수 설정 수단(220)이 고주파 전류의 구동 주파수를 변경하고 인덕턴스 검출 수단(120)이 검출한 [도 5] 상의 상호 인덕턴스(M2)를 기초하여 전류 설정 수단(230)이 고주파 전류의 양을 변경하여 시스템을 운전함에 따라 2차측의 RX 패드(101)에서는 항상 명목상의 공진이 유지되고 그 RX 패드(101)에 유기되는 전압도 TX 패드(201)에 대한 RX 패드(101)의 상대적인 위치와 무관하게 항상 동일한 값으로 획득될 수 있게 된다.
[도 7]은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 회로변수 자동 튜닝형 무선충전 시스템을 개략적으로 도시한 회로도이고, [도 8]은 [도 7] 상의 집전 폐회로 부재 부분을 발췌하여 제 1 스위치 부재와 제 2 스위치 부재의 스위칭 온오프 상태를 도시한 회로도이다.
[도 6] 내지 [도 8]을 참조하면, 본 발명의 제 2 실시예는 지상에 설치되는 1차측으로서의 지상 급전장치(200)와 차량에 설치되어 지상 급전장치로부터 컨택리스 타입으로 전원을 공급받는 2차측으로서의 차량 집전장치(100)를 구비하는 회로변수 자동 튜닝형 무선충전 시스템으로서, 차량 집전장치(100)는 2차측 전자기 유도 수단(110), 인덕턴스 검출 수단(120)을 구비하고, 지상 급전장치(200)는 1차측 고주파 발생 수단(210), 주파수 설정 수단(220), 전류 설정 수단(230)을 구비할 수 있다.
먼저, 2차측 전자기 유도 수단(110)은 1차측에 흐르는 고주파 전류를 통해 컨택리스 타입으로 전자기장을 유도한다. 구체적으로는, 2차측 전자기 유도 수단(110)은 1차측의 고주파 인버터 부재(211)가 흘리는 고주파 전류에 의해 발생된 자장으로부터 컨택리스 타입으로 전압을 유기한다.
이를 위해, 2차측 전자기 유도 수단(110)은 [도 7]에서와 같이 집전 폐회로 부재(111'), 제 1 집전 커패시터 부재(112a), 제 2 집전 커패시터 부재(112b), 제 1 스위치 부재(113'), 제 2 스위치 부재(114')를 구비할 수 있다.
집전 폐회로 부재(111')는 1차측 고주파 발생 수단(210)의 급전 폐회로 부재(212')에 흐르는 교류(i1)를 통해 컨택리스 타입으로 전자기장이 유도되도록 [도 7]에서와 같이 차량의 배터리에 연결되어 RX 패드(101')를 형성하며 교류(i2)에 대해 인덕턴스 성분(L21)을 나타낸다.
제 1 집전 커패시터 부재(112a)는 [도 7]에서와 같이 집전 폐회로 부재(111')에 직렬로 연결되어 집전 폐회로 부재(111')의 인덕턴스 성분(L21)과 공진한다.
제 2 집전 커패시터 부재(112b)는 [도 7]에서와 같이 제 1 집전 커패시터 부재(112a)에 인접하는 집전 폐회로 부재(111')에 직렬로 연결되어 집전 폐회로 부재(111')의 인덕턴스 성분(L21)과 공진한다.
여기서, 제 1 집전 커패시터 부재(112a)와 제 2 집전 커패시터 부재(112b)는 수동소자로서 미리 공진을 맞춰 놓았기 때문에 [도 4]에서 1차측의 자기 인덕턴스(L1), 2차측의 자기 인덕턴스(L2), 상호 인덕턴스(M) 변화에 대응하여 능동적으로 변화될 수는 없다.
한편, 본 발명의 제 2 실시예에서는 집전 커패시터 부재를 [도 7]에서와 같이 제 1 집전 커패시터 부재(112a)와 제 2 집전 커패시터 부재(112b)로 구분하여 설치하였다.
이를 통해, 집전 폐회로 부재(111')에 흐르는 전류(i2)의 측정을 위해 제 1 스위치 부재(113')의 온오프 조작과 제 2 스위치 부재(114')의 온오프 조작시 집전 폐회로 부재(111')에 흐르는 전류(i2)를 낮출 수 있기 때문에 시스템의 내구성 유지에 유리하다.
제 1 스위치 부재(113')는 [도 7]에서와 같이 집전 폐회로 부재(111')에 브릿지 연결됨에 따라 제 1 집전 커패시터 부재(112a)와 병렬 연결된 상태로 스위칭 온오프된다.
제 2 스위치 부재(114')는 [도 7]에서와 같이 제 1 집전 커패시터 부재(112a)와 제 2 집전 커패시터 부재(112b) 사이의 집전 폐회로 부재(111')에 브릿지 연결됨에 따라 제 1 집전 커패시터 부재(112a)와 제 2 집전 커패시터 부재(112b)에 대해 병렬 연결된 상태로 스위칭 온오프된다.
그리고, [도 7]과 [도 8]을 참조하면, 인덕턴스 검출 수단(120)은 상호 인덕턴스(M2), 집전 폐회로 부재(111')의 인덕턴스 성분인 자기 인덕턴스(L21), 급전 폐회로 부재(212')의 인덕턴스 성분인 자기 인덕턴스(L1)를 검출할 수 있다.
예컨대, 인덕턴스 검출 수단(120)은 제 1 스위치 부재(113')와 제 2 스위치 부재(114')를 [도 7]에서와 같이 설치하고 [도 8]의 (a)에서와 같이 제 1 스위치 부재(113')를 턴온시키고 제 2 스위치 부재(114')를 턴오프한 상태에서 1차측의 고주파 인버터 부재(211')가
Figure 112020020248967-pat00011
인 주파수의 전류(i1)를 흘리면 [도 8]의 (a)에 나타낸
Figure 112020020248967-pat00012
의 ①식을 검출할 수 있다.
그리고, [도 8]의 (b)에서와 같이 제 1 스위치 부재(113')를 턴오프시키고 제 2 스위치 부재(114')를 턴온한 상태에서 1차측의 고주파 인버터 부재(211')가
Figure 112020020248967-pat00013
인 주파수의 전류(i1)를 흘리면 인덕턴스 검출 수단(120)은 [도 8]의 (b)에 나타낸
Figure 112020020248967-pat00014
의 ②식을 검출할 수 있다.
이어서, 인덕턴스 검출 수단(120)은 ①식과 ②식으로부터 [도 8]의 (b)에 나타낸 상호 인덕턴스(M2)와 집전 폐회로 부재(111')의 인덕턴스 성분인 자기 인덕턴스(L21)를 검출할 수 있다.
한편, [도 7]상의 1차측 고주파 발생 수단(210)은 외부로부터 교류(예: AC 220Vrms, 50/60 Hz)를 인가받아 1차측으로서의 고주파 전류(i1)를 흘림에 따라 1차측 고주파 발생 수단(210)은 자장을 발생시키고 그에 따라 2차측 전자기 유도 수단(110)에 전압이 유기된다.
이를 위해, [도 7]에 나타낸 1차측 고주파 발생 수단(210)은 고주파 인버터 부재(211'), 급전 폐회로 부재(212'), 급전 커패시터 부재(213')를 구비할 수 있다.
고주파 인버터 부재(211')는 외부로부터 교류(예: AC 220Vrms, 50/60 Hz)를 인가받아 1차측으로서의 고주파 전류(i1)를 [도 7]에서와 같이 급전 폐회로 부재(212')에 흘림에 따라 컨택리스 타입으로 집전 폐회로 부재(111')의 RX 패드(101')에 전압을 유기시킬 수 있다.
급전 폐회로 부재(212')는 [도 7]에서와 같이 고주파 인버터 부재(211')에 연결되어 TX 패드(201')를 형성하며 교류(i1)에 대해 인덕턴스 성분인 자기 인덕턴스(L1)를 나타낸다.
급전 커패시터 부재(213')는 [도 7]에서와 같이 급전 폐회로 부재(212')에 직렬로 연결되어 급전 폐회로 부재(212')의 인덕턴스 성분(L21)과 공진하면서 소정의 공진주파수를 발생시킨다.
다른 한편, 주파수 설정 수단(220)은 [도 4]와 같이 자기 인덕턴스(L1, L2)와 상호 인덕턴스(M)에 대해 미리 개별적으로 설정된 명목상의 인덕턴스 수치가 되도록 인덕턴스 검출 수단(120)이 검출한 [도 7] 상의 자기 인덕턴스(L21)를 기초하여 고주파 전류의 구동 주파수를 변경함으로써 [도 6]에서와 같이 고주파 인버터 부재(211)가 흘리는 고주파 전류의 변경된 주파수는 [수학식 3]으로 구현될 수 있다.
Figure 112020020248967-pat00015
전류 설정 수단(230)은 [도 4]와 같이 자기 인덕턴스(L1, L2)와 상호 인덕턴스(M)에 대해 미리 개별적으로 설정된 명목상의 인덕턴스 수치가 되도록 인덕턴스 검출 수단(120)이 검출한 [도 7] 상의 상호 인덕턴스(M2)를 기초하여 [도 6]에서와 같이 고주파 전류의 양을 [수학식 4]로 변경할 수 있다.
Figure 112020020248967-pat00016
이처럼, 인덕턴스 검출 수단(120)이 검출한 [도 7] 상의 자기 인덕턴스(L21)를 기초하여 주파수 설정 수단(220)이 고주파 전류의 구동 주파수를 변경하고 인덕턴스 검출 수단(120)이 검출한 [도 7] 상의 상호 인덕턴스(M2)를 기초하여 전류 설정 수단(230)이 고주파 전류의 양을 변경하여 시스템을 운전함에 따라 2차측의 RX 패드(101')에서는 항상 명목상의 공진이 유지되고 그 RX 패드(101')에 유기되는 전압도 TX 패드(201')에 대한 RX 패드(101')의 상대적인 위치와 무관하게 항상 동일한 값으로 획득될 수 있다.
[도 9]는 본 발명에 따른 회로변수 자동 튜닝형 무선충전 시스템을 이용한 회로변수의 자동 튜닝 과정을 나타낸 순서도이다.
단계 (S110) : 본 발명은 차량 집전장치(100)와 지상 급전장치(200)를 구비하는 회로변수 자동 튜닝형 무선충전 시스템에 대해 그 회로변수 자동 튜닝형 무선충전 시스템을 이용한 회로변수의 자동 튜닝 방법으로서, 먼저 지상 급전장치(200)가 외부로부터 교류를 인가받아 1차측으로서의 고주파 전류를 흘린다.
단계 (S120) : [도 5]와 [도 7]에서와 같이 1차측의 지상 급전장치(200)가 흘리는 고주파 전류로부터 2차측의 차량 집전장치(100)가 컨택리스 타입으로 RX 패드(101, 101')에 전압을 유기시킨다.
단계 (S130) : [도 5]와 [도 7]에서와 같이 2차측의 차량 집전장치(100)에 구비된 인덕턴스 검출 수단(120)이 상호 인덕턴스(M2), 집전 폐회로 부재(111, 111')의 인덕턴스 성분인 자기 인덕턴스(L21), 급전 폐회로 부재(212, 212')의 인덕턴스 성분인 자기 인덕턴스(L1)를 검출한다.
단계 (S140) : [도 4]와 같은 자기 인덕턴스(L1, L2)와 상호 인덕턴스(M)에 대해 미리 개별적으로 설정된 명목상의 인덕턴스 수치가 되도록 1차측의 지상 급전장치(200)에 구비된 주파수 설정 수단(220)은 2차측의 차량 집전장치(100)에 구비된 인덕턴스 검출 수단(120)이 검출한 [도 5]와 [도 7] 상의 자기 인덕턴스(L21)를 기초하여 고주파 전류의 구동 주파수를 [도 6]에서와 같이 [수학식 5]로 변경할 수 있다.
Figure 112020020248967-pat00017
단계 (S150) : [도 4]와 같은 자기 인덕턴스(L1, L2)와 상호 인덕턴스(M)에 대해 미리 개별적으로 설정된 명목상의 인덕턴스 수치가 되도록 1차측의 지상 급전장치(200)에 구비된 전류 설정 수단(230)은 2차측의 차량 집전장치(100)에 구비된 인덕턴스 검출 수단(120)이 검출한 상호 인덕턴스(M2)를 기초하여 [도 6]에서와 같이 고주파 전류의 양을 [수학식 6]으로 변경할 수 있다.
Figure 112020020248967-pat00018
한편, 본 발명은 컴퓨터가 읽을 수 있는 비휘발성 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드의 형태로 구현되는 것이 가능하다. 이러한 비휘발성 기록매체로는 다양한 형태의 스토리지 장치가 존재하는데 예컨대 하드디스크, SSD, CD-ROM, NAS, 자기테이프, 웹디스크, 클라우드 디스크 등이 있고 네트워크로 연결된 다수의 스토리지 장치에 코드가 분산 저장되고 실행되는 형태도 구현될 수 있다. 또한, 본 발명은 하드웨어와 결합되어 특정의 절차를 실행시키기 위하여 매체에 저장된 컴퓨터프로그램의 형태로 구현될 수도 있다.
10 : 차량 집전장치
10a : RX 패드
10b : 레귤레이터
10c : 배터리
11 : 집전 폐회로 부재
12 : 집전 커패시터 부재
20 : 지상 급전장치
20a : TX 패드
21 : 고주파 인버터 부재
22 : 급전 폐회로 부재
23 : 급전 커패시터 부재
100 : 차량 집전장치
101, 101' : RX 패드
110 : 2차측 전자기 유도 수단
111, 111' : 집전 폐회로 부재
112 : 집전 커패시터 부재
112a : 제 1 집전 커패시터 부재
112b : 제 2 집전 커패시터 부재
113, 113' : 제 1 스위치 부재
114, 114' : 제 2 스위치 부재
120 : 인덕턴스 검출 수단
200 : 지상 급전장치
201, 201' : TX 패드
210 : 1차측 고주파 발생 수단
211, 211' : 고주파 인버터 부재
212, 212' : 급전 폐회로 부재
213, 213' : 급전 커패시터 부재
220 : 주파수 설정 수단
230 : 전류 설정 수단

Claims (5)

  1. 지상에 설치되는 지상 급전장치와 차량에 설치되어 상기 지상 급전장치로부터 컨택리스 타입으로 전원을 공급받는 차량 집전장치를 구비하는 회로변수 자동 튜닝형 무선충전 시스템으로서,
    상기 차량 집전장치(100)는,
    1차측에 흐르는 고주파 전류를 통해 컨택리스 타입으로 전자기장이 유도되는 2차측 전자기 유도 수단(110);
    자기 인덕턴스와 상호 인덕턴스를 검출하는 인덕턴스 검출 수단(120);
    을 구비하고,
    상기 지상 급전장치(200)는,
    외부로부터 교류를 인가받아 1차측으로서의 고주파 전류를 흘림에 따라 상기 2차측 전자기 유도 수단에 전자기장을 유도시키는 1차측 고주파 발생 수단(210);
    상기 자기 인덕턴스와 상기 상호 인덕턴스에 대해 미리 개별적으로 설정된 명목상의 인덕턴스 수치가 되도록 상기 인덕턴스 검출 수단이 검출한 자기 인덕턴스를 기초하여 상기 고주파 전류의 구동 주파수를 변경하는 주파수 설정 수단(220);
    상기 자기 인덕턴스와 상기 상호 인덕턴스에 대해 미리 개별적으로 설정된 명목상의 인덕턴스 수치가 되도록 상기 인덕턴스 검출 수단이 검출한 상호 인덕턴스를 기초하여 상기 고주파 전류의 양을 변경하는 전류 설정 수단(230);
    을 구비하는 것을 특징으로 하는 회로변수 자동 튜닝형 무선충전 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 2차측 전자기 유도 수단(110)은,
    상기 1차측 고주파 발생 수단에 흐르는 교류를 통해 컨택리스 타입으로 전자기장이 유도되도록 차량의 배터리에 연결되어 RX 패드를 형성하며 교류에 대해 인덕턴스 성분을 나타내는 집전 폐회로 부재(111);
    상기 집전 폐회로 부재에 직렬로 연결되어 상기 집전 폐회로 부재의 인덕턴스 성분과 공진하는 집전 커패시터 부재(112);
    상기 집전 폐회로 부재에 자신의 일단부가 브릿지 연결됨에 따라 상기 집전 커패시터 부재와 병렬 연결된 상태로 스위칭 온오프되는 제 1 스위치 부재(113);
    상기 집전 커패시터 부재와 상기 제 1 스위치 부재 사이에 대응하는 상기 집전 폐회로 부재에 브릿지 연결됨에 따라 상기 집전 커패시터 부재와 직렬 연결되고 상기 제 1 스위치 부재와 병렬 연결된 상태로 스위칭 온오프되는 제 2 스위치 부재(114);
    를 구비하고,
    상기 1차측 고주파 발생 수단(210)은,
    외부로부터 교류를 인가받아 1차측으로서의 고주파 전류를 흘림에 따라 컨택리스 타입으로 상기 집전 폐회로 부재에 전자기장을 유도시키는 고주파 인버터 부재(211);
    상기 고주파 인버터 부재에 연결되어 TX 패드를 형성하며 교류에 대해 인덕턴스 성분을 나타내는 급전 폐회로 부재(212);
    상기 급전 폐회로 부재에 직렬로 연결되어 상기 급전 폐회로 부재의 인덕턴스 성분과 공진하는 급전 커패시터 부재(213);
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 회로변수 자동 튜닝형 무선충전 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 2차측 전자기 유도 수단(110)은,
    상기 1차측 고주파 발생 수단에 흐르는 교류를 통해 컨택리스 타입으로 전자기장이 유도되도록 차량의 배터리에 연결되어 RX 패드를 형성하며 교류에 대해 인덕턴스 성분을 나타내는 집전 폐회로 부재(111');
    상기 집전 폐회로 부재에 직렬로 연결되어 상기 집전 폐회로 부재의 인덕턴스 성분과 공진하는 제 1 집전 커패시터 부재(112a);
    상기 제 1 집전 커패시터 부재에 인접하는 상기 집전 폐회로 부재에 직렬로 연결되어 상기 집전 폐회로 부재의 인덕턴스 성분과 공진하는 제 2 집전 커패시터 부재(112b);
    상기 집전 폐회로 부재에 브릿지 연결됨에 따라 상기 제 1 집전 커패시터 부재와 병렬 연결된 상태로 스위칭 온오프되는 제 1 스위치 부재(113');
    상기 제 1 집전 커패시터 부재와 상기 제 2 집전 커패시터 부재 사이의 상기 집전 폐회로 부재에 브릿지 연결됨에 따라 상기 제 1 집전 커패시터 부재와 상기 제 2 집전 커패시터 부재에 대해 병렬 연결된 상태로 스위칭 온오프되는 제 2 스위치 부재(114');
    를 구비하고,
    상기 1차측 고주파 발생 수단(210)은,
    외부로부터 교류를 인가받아 1차측으로서의 고주파 전류를 흘림에 따라 컨택리스 타입으로 상기 집전 폐회로 부재에 전자기장을 유도시키는 고주파 인버터 부재(211');
    상기 고주파 인버터 부재에 연결되어 TX 패드를 형성하며 교류에 대해 인덕턴스 성분을 나타내는 급전 폐회로 부재(212');
    상기 급전 폐회로 부재에 직렬로 연결되어 상기 급전 폐회로 부재의 인덕턴스 성분과 공진하는 급전 커패시터 부재(213');
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 회로변수 자동 튜닝형 무선충전 시스템.
  4. 차량 집전장치(100)와 지상 급전장치(200)를 구비하는 회로변수 자동 튜닝형 무선충전 시스템에 대해 그 회로변수 자동 튜닝형 무선충전 시스템을 이용한 회로변수의 자동 튜닝 방법으로서,
    (a) 상기 지상 급전장치(200)가 외부로부터 교류를 인가받아 1차측으로서의 고주파 전류를 흘리는 단계;
    (b) 상기 차량 집전장치(100)가 상기 1차측에 흐르는 고주파 전류를 통해 컨택리스 타입으로 전자기장을 유도시키는 단계;
    (c) 상기 차량 집전장치(100)가 자기 인덕턴스와 상호 인덕턴스를 검출하는 단계;
    (d) 상기 자기 인덕턴스와 상기 상호 인덕턴스에 대해 미리 개별적으로 설정된 명목상의 인덕턴스 수치가 되도록 상기 지상 급전장치(200)는 상기 차량 집전장치가 검출한 자기 인덕턴스를 기초하여 상기 고주파 전류의 구동 주파수를 변경하는 단계;
    (e) 상기 자기 인덕턴스와 상기 상호 인덕턴스에 대해 미리 개별적으로 설정된 명목상의 인덕턴스 수치가 되도록 상기 지상 급전장치(200)는 상기 차량 집전장치가 검출한 상호 인덕턴스를 기초하여 상기 고주파 전류의 양을 변경하는 단계;
    를 포함하여 구성되는 회로변수 자동 튜닝형 무선충전 시스템을 이용한 회로변수의 자동 튜닝 방법.
  5. 하드웨어와 결합되어 청구항 4에 따른 회로변수 자동 튜닝형 무선충전 시스템을 이용한 회로변수의 자동 튜닝 방법을 실행시키기 위하여 매체에 저장된 컴퓨터프로그램.
KR1020200023517A 2019-10-29 2020-02-26 회로변수 자동 튜닝형 무선충전 시스템 및 이를 이용한 회로변수의 자동 튜닝 방법 KR102283666B1 (ko)

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