KR20170110866A - 무선 전력 전송 일차 코일 회로 및 이를 이용하는 그라운드 어셈블리와 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

무선 전력 전송 일차 코일 회로 및 이를 이용하는 그라운드 어셈블리와 그 제조 방법이 개시된다. 일차 코일과 자기결합하는 이차 코일로 무선 전력을 전송하는 그라운드 어셈블리의 일차 코일 회로는, 일차 코일; 제1 단자 및 제2 단자를 구비하며, 제2 단자가 일차 코일의 제1 단자에 연결되는 제2 커패시터; 제1 단자 및 제2 단자를 구비하며, 제2 단자가 제2 커패시터의 제1 단자에 연결되고, 제1 단자가 전원 소스의 제1 입력단자에 연결되는 제1 인덕터; 및 제1 단자 및 제2 단자를 구비하며, 제1 단자가 제1 인덕터의 제2 단자와 제2 커패시터의 제1 단자에 공통 연결되고, 제2 단자가 일차 코일의 제2 단자와 전원 소스의 제2 입력단자에 공통 연결되는 제1 커패시터를 포함한다.

Description

무선 전력 전송 일차 코일 회로 및 이를 이용하는 그라운드 어셈블리와 그 제조 방법{PRIMARY COIL CIRCUIT FOR WIRELESS POWER TRANSFER AND GROUND ASSEMBLY AND MANUFACTURING METHOD THEREFOR USING THE SAME}
본 발명은 무선 전력 전송 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 무선 전력 전송 일차 코일 회로 및 이를 이용하는 그라운드 어셈블리와 그 제조 방법에 관한 것이다.
전기차 무선 전력 전송(electric vehicle wireless power transfer)은 전력 소스에 연결된 전원공급 장치(supply device)로부터 마그네틱 필드를 통해 전기차(EV)의 전기 부하에 전력을 전송하는 기술이다. 전원공급 장치와 전기차 간에 무선 전력을 전송하는 데에는 다양한 회로 토폴로지의 공진 회로가 이용될 수 있다.
종래 기술의 공진 회로의 일례로는, 도 1과 같이 일차측 보상 커패시터(Cp)가 일차 코일(Lp)과 직렬로 연결되고 이차측 보상 커패시터(Cs)가 이차 코일(Ls)과 직렬로 연결되어 인덕턴스를 보상하는 구조(이하, SS 구조라 함)가 있다. 이러한 SS(series-series) 회로 토폴로지를 이용하는 무선 전력 전송(WPT) 시스템은 일차 및 이차 코일들 각각에 보상 커패시터가 직렬로 연결되어 있어 가장 단순하게 커패시터를 설계할 수 있으나 전류원 출력 특성을 나타내기 때문에 배터리 충전에는 부적합하다.
예컨대, 도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 종래 기술에 따라 공진 주파수 85㎑에서 설계된 3.3㎾급 WPT 시스템은 해당 주파수에서 정전류(Io) 특성을 나타내며 경부하(예컨대, 0.41㎾)에서 분기(bifurcation) 현상에 의해 입력 임피던스(Zin)의 위상(Φ)이 반전되는 문제가 발생한다.
또한, 종래 기술의 다른 WPT 시스템에 있어서는, 도 4에 도시한 바와 같이, 일차측 보상 커패시터(Cp)가 일차 코일(Lp)과 직렬로 연결되고 이차측 보상 커패시터(Cs)가 이차 코일(Ls)과 병렬로 연결된 구조(이하, SP 구조라 함)를 가진다. 이러한 SP(series-parallel) 회로 토폴로지를 이용하는 WPT 시스템은 정전압 출력 특성을 나타내어 출력 전압(Vo)에 대한 제어 문제의 해결이 가능하나, 설계에 따라 동작 주파수에 따른 위상 곡선의 형태가 변하는 분기(bifurcation) 현상을 유발하여 전체 시스템의 안정성 저하 및 제어를 어렵게 만들고 그에 의해 시스템 설계가 매우 어려운 문제가 있다.
예컨대, 도 5 및 도 6에 나타낸 바와 같이, 다른 종래 기술에 따라 공진 주파수 85㎑에서 설계된 3.3㎾급 WPT 시스템은 해당 주파수에서 정전압 특성을 나타내어 배터리 충전에 적합하나, SS 회로 토폴로지를 이용하는 경우와 마찬가지로 경부하(예컨대, 0.41㎾)에서 분기(bifurcation) 현상이 일어나기 때문에 경부하 운전에 부적합하다.
또한, 종래 기술의 또 다른 WPT 시스템에 있어서는, 도 7에 도시한 바와 같이, 일차 코일에 직렬로 연결되는 인덕터(Lin)와 일차 코일에 병렬로 연결되는 커패시터(Cp)를 가진 LC 공진회로가 일차 코일에 연결되고, 이차 코일에 보상 커패시터(Cs)가 직렬로 연결된 구조(이하, LCL-S 구조라 함)가 있다. 이러한 LCL-S 회로 토폴로지를 이용하는 WPT 시스템은 정전압 출력 특성을 나타내며 상대적으로 SS 또는 SP 회로 토폴로지에 비해 분기(bifurcation)에 강인한 특성을 나타내지만 출력 전력 및 전압 조건을 만족하기 위한 일차 코일(Lp)의 인덕턴스 값이 상대적으로 작다. 따라서, LCL-S 회로 토폴로지를 이용하는 WPT 시스템은 매우 큰 일차측 코일 전류를 가지기 때문에 시스템 디자인을 어렵게 하는 단점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 경부하에서 분기(bifurcation)에 강인하고 일차측 코일 전류를 감소시킬 수 있는 무선 전력 전송 시스템을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 경부하에서 분기에 강인하고 일차측 코일 전류를 감소시킬 수 있는 무선 전력 전송 시스템의 회로 토폴로지를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 경부하에서 분기에 강인하고 일차측 코일 전류를 감소시킬 수 있는 무선 전력 전송 일차 코일 회로를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 경부하에서 분기에 강인하고 일차측 코일 전류를 감소시킬 수 있는, 무선 전력 전송 일차 코일 회로를 이용하는 그라운드 어셈블리를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 경부하에서 분기에 강인하고 일차측 코일 전류를 감소시킬 수 있는, 무선 전력 전송 일차 코일 회로를 이용하는 그라운드 어셈블리의 제조 방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에서는, 일차 코일과 자기결합하는 이차 코일로 무선 전력을 전송하는 그라운드 어셈블리의 일차 코일 회로로서, 일차 코일; 제1 단자 및 제2 단자를 구비하며, 제2 단자가 일차 코일의 제1 단자에 연결되는 제2 커패시터; 제1 단자 및 제2 단자를 구비하며, 제2 단자가 제2 커패시터의 제1 단자에 연결되고, 제1 단자가 전원 소스의 제1 입력단자에 연결되는 제1 인덕터; 및 제1 단자 및 제2 단자를 구비하며, 제1 단자가 제1 인덕터의 제2 단자와 제2 커패시터의 제1 단자에 공통 연결되고, 제2 단자가 일차 코일의 제2 단자와 전원 소스의 제2 입력단자에 공통 연결되는 제1 커패시터를 포함하는, 일차 코일 회로가 제공된다.
여기서, 제1 인덕터의 제1 인덕턴스는 일차 코일의 제2 인덕턴스보다 작다. 즉, 일차 코일의 제2 인덕턴스는 제1 인덕터의 제1 인덕턴스보다 크며, 따라서 일차측 코일 전류를 감소시켜 시스템 디자인을 용이하게 할 수 있다.
여기서, 제1 인덕턴스는 제1 커패시터의 제1 커패시턴스와 제2 커패시터의 제2 커패시턴스와의 합으로 제2 커패시턴스를 나눈 값에 제2 인덕턴스를 곱하여 계산될 수 있다.
여기서, 제2 커패시턴스는 일차 코일에 공급하는 타겟 전류에 의해 결정될 수 있다. 제2 커패시턴스는 일차 코일의 제2 인덕턴스와 합해진 형태를 가지므로 기존 LCL 회로 토폴로지 대비 일차 코일의 제2 인덕턴스의 자유도(설계 자유도 등)을 높일 수 있다.
여기서, 일차 코일에 흐르는 전류의 위상은 제2 커패시터에 의해 제1 인덕터에 흐르는 전류의 위상과 90도 차이를 가질 수 있다.
여기서, 제1 인덕터 및 제1 커패시터에 의한 제1 공진회로의 제1 공진주파수와 일차 코일 및 제2 커패시터에 의한 제2 공진회로의 제2 공진주파수는 서로 동일할 수 있다. 물론, 제1 공진회로 내 소자들과 제2 공진회로 내 소자들의 공차나 열화가 현저하게 나타나는 경우, 제조되어 사용되고 있던 일차 코일 회로에서는 단일 시스템 주파수를 사용하여 제1 공진회로와 제2 공진회로를 제어하게 되며, 그러한 경우, 제1 공진주파수 및 제2 공진주파수는 서로 다를 수 있으며, 두 공진주파수 중 하나는 시스템 주파수와 일치하거나 근접한 주파수를 가질 수 있다.
여기서, 일차 코일 회로는, 제2 커패시터에 병렬로 연결되는 적어도 하나 이상의 다른 커패시터를 더 포함할 수 있다. 이러한 다른 커패시터는 제2 커패시터의 리던던시 커패시터일 수 있다. 또한, 상기의 다른 커패시터는 제2 커패시터와 병렬 또는 직병렬 연결되어 제2 커패시턴스를 가변하기 위한 적어도 하나 이상의 커패시터들일 수 있다.
여기서, 일차 코일 회로는 다른 커패시터에 직렬 연결되는 스위칭 소자를 더 포함할 수 있다. 스위칭 소자의 온 또는 오프 동작은 스위칭 소자에 연결되는 그라운드 어셈블리 컨트롤러에 의해 제어될 수 있다. 이 경우, 일차 코일 회로 내 소자들 중 일차 코일을 제외한 나머지 소자들은 일차 코일을 포함하는 일차 패드의 외부 예컨대 전력변환 유닛 내에 배치될 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에서는, 일차 코일과 마그네틱 결합하는 이차 코일로 무선 전력을 전송하는 그라운드 어셈블리로서, 일차 코일; 일차 코일과 직렬 연결되는 제2 커패시터; 및 일차 코일과 제2 커패시터의 직렬 공진회로의 전원 입력단에 결합하는 병렬 공진회로를 포함하고, 상기 병렬 공진회로는 제1 인덕터와 제1 커패시터를 포함하는, 그라운드 어셈블리가 제공된다.
여기서, 그라운드 어셈블리는 병렬 공진회로의 전원 입력단에 결합하고 전원 소스의 전력을 변환하여 병렬 공진회로에 전달하는 전력변환 유닛을 더 포함할 수 있다.
여기서, 그라운드 어셈블리는 전력변환 유닛 내 스위칭 소자들의 동작을 제어하여 병렬 공진회로 및 직렬 공진회로에 인가되는 시스템 주파수를 제어하는 컨트롤러를 더 포함할 수 있다.
여기서, 컨트롤러는, 병렬 공진회로의 제1 공진 주파수와 직렬 공진회로의 제2 공진 주파수가 동일하도록 시스템 주파수를 제어할 수 있다.
여기서, 컨트롤러는, 일차 코일, 제2 커패시터, 제1 커패시터, 제1 인덕터, 또는 이들의 조합에 대한 소자 공차 또는 소자 열화에 따른 동작 주파수를 시스템 주파수 또는 공진 주파수와 일치하거나 근접하도록 제어할 수 있다.
여기서, 그라운드 어셈블리는, 제2 커패시터에 병렬로 연결되는 다른 커패시터; 다른 커패시터 또는 제2 커패시터에 직렬 연결되는 스위칭 소자; 및 스위칭 소자의 온 또는 오프 동작을 제어하는 컨트롤러를 더 포함할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에서는, 일차 코일과 마그네틱 결합하는 이차 코일로 무선 전력을 전송하는 그라운드 어셈블리의 제조 방법으로서, 일차 코일 회로를 형성하는 단계; 및 일차 코일 회로의 전원 입력단에 전원 소스의 전력을 변환하여 전달하는 전력변환 유닛을 연결하는 단계를 포함하는 그라운드 어셈블리의 제조 방법이 제공된다. 여기서, 일차 코일 회로는, 일차 코일; 제1 단자 및 제2 단자를 구비하며, 제2 단자가 일차 코일의 제1 단자에 연결되는 제2 커패시터; 제1 단자 및 제2 단자를 구비하며, 제2 단자가 제2 커패시터의 제1 단자에 연결되고, 제1 단자가 전원 소스의 제1 입력단자에 연결되는 제1 인덕터; 및 제1 단자 및 제2 단자를 구비하며, 제1 단자가 제1 인덕터의 제2 단자와 제2 커패시터의 제1 단자에 공통 연결되고, 제2 단자가 일차 코일의 제2 단자와 전원 소스의 제2 입력단자에 공통 연결되는 제1 커패시터를 포함할 수 있다. 그리고 상기 형성하는 단계는, 일차 코일에 인가되는 타겟 전류에 기반하여 제2 커패시터의 커패시턴스를 결정할 수 있다.
상기 형성하는 단계에서, 제1 인덕터의 제1 인덕턴스는 일차 코일의 제2 인덕턴스보다 작게 형성된다.
상기 형성하는 단계에서, 제1 인덕턴스는 제1 커패시터의 제1 커패시턴스와 제2 커패시터의 제2 커패시턴스와의 합으로 제2 커패시턴스를 나눈 값에 제2 인덕턴스를 곱한 값으로 설정될 수 있다.
여기서, 상기 형성하는 단계는 제1 인덕터 및 제1 커패시터에 의한 제1 공진회로의 제1 공진주파수와 일차 코일 및 제2 커패시터에 의한 제2 공진회로의 제2 공진주파수를 동일하게 설정할 수 있다.
여기서, 상기 일차 코일 회로는 제2 커패시터에 병렬로 결합하는 다른 커패시터; 및 제2 커패시터 또는 다른 커패시터에 직렬 연결되는 스위칭 소자를 더 포함할 수 있다. 상기 스위칭 소자는 스위칭 소자에 연결되는 그라운드 어셈블리 컨트롤러의 제어 동작에 의해 온 또는 오프 작동하도록 형성될 수 있다.
여기서, 상기 일차 코일 회로를 형성하는 단계는 일차 코일을 포함한 일차 패드를 형성하는 서브단계를 포함할 수 있다. 상기 일차 패드는 일차 코일 및 일차 코일과 결합하는 페라이트를 포함할 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 무선 전력 전송 일차 코일 회로 및 이를 이용하는 그라운드 어셈블리와 그 제조 방법을 이용할 경우에는, 경부하에서 분기(bifurcation)에 강인한 특성을 얻을 수 있고, 그에 의해 분기에 의한 회로 내 소자 손상을 방지할 수 있다.
또한, 제2 커패시터 또는 제2 커패시터를 포함하는 보조필터의 설계를 통해 일차측 코일 전류를 합리적인 수치로 줄일 수 있고, 그에 의해 시스템 설계를 용이하게 하면서 시스템의 안정성을 높이고 제어 용이성을 향상시킬 수 있다. 즉, 일차측 보상 커패시터와 이차측 보상 커패시터의 전압 스트레스를 적당한 비율로 분배할 수 있는 장점이 있다. 아울러, 제2 커패시터나 보조필터를 통해 소자 공차나 열화에 대응하여 시스템을 동작 성능을 유지하고, 그에 의해 신뢰성을 높일 수 있는 장점이 있다.
또한, 무선 전력 전송 일차 코일 회로에 LC 공진회로와 CL 공진회로가 결합된 이중 공진회로를 채용함으로써 일차 코일과 병렬로 연결되는 보상 커패시터(Cp)의 특성상 낮은 부하 및 높은 결합계수를 갖는 분위기에서도 SS 또는 SP 회로 토폴로지를 이용하는 기존 시스템의 경부하에서 쉽게 발생하던 분기 현상을 효과적으로 방지할 수 있고, 기존 시스템에 비해 일차 코일의 인덕턴스 값을 작게 할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 비교예의 SS(series-series) 구조의 회로 토폴로지를 가진 무선 전력 전송(wireless power transfer, WPT) 시스템의 주요 부분에 대한 회로도이다.
도 2는 도 1의 WPT 시스템의 주파수 변화에 따른 출력 전류 변화를 나타낸 그래프이다.
도 3은 도 1의 WPT 시스템의 주파수 변화에 따른 입력 임피던스의 위상 변화를 나타낸 그래프이다.
도 4는 다른 비교예의 SP(series-parallel) 구조의 회로 토폴로지를 가진 WPT 시스템의 부분 회로도이다.
도 5는 도 4의 WPT 시스템의 주파수 변화에 따른 출력 전압 변화를 나타낸 그래프이다.
도 6은 도 4의 WPT 시스템의 주파수 변화에 따른 입력 임피던스의 위상 변화를 나타낸 그래프이다.
도 7은 또 다른 비교예의 LCL-S(LCL-series) 구조의 회로 토폴로지를 가진 WPT 시스템의 부분 회로도이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 WPT 시스템의 블록도이다.
도 9는 도 8의 WPT 시스템에 적용할 수 있는 공진 회로 토폴로지에 대한 회로도이다.
도 10은 도 9의 WPT 시스템의 일차 코일 회로 내 필터 커패시터의 커패시턴스 변화에 따른 전류 스트레스 변화를 나타낸 그래프이다.
도 11은 도 9의 WPT 시스템의 일차 코일 회로 내 필터 커패시터의 커패시턴스 변화에 따른 공진 전압 스트레스 변화를 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 WPT의 일차 코일 회로를 적용한 WPT 시스템의 부분 회로도이다.
도 13은 본 실시예에 따른 WPT 시스템의 주파수 변화에 대한 출력 전압 변화를 나타낸 그래프이다.
도 14는 본 실시예에 따른 WPT 시스템의 주파수 변화에 대한 입력 임피던스의 위상 변화를 나타낸 그래프이다.
도 15는 본 실시예에 따른 WPT 시스템과 비교예의 공진 네트워크 전압 스트레스를 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 16은 본 실시예에 따른 WPT 시스템과 비교예의 공진 네트워크 전류 스트레스를 비교하여 나타낸 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이하에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태로 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 설명하는데 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.
전자부품 또는 소자의 일단과 타단은 두 개의 단자들을 나타내는 것으로, 제1 단자 및 제2 단자로도 각각 언급될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결된다'거나 '접속된다'고 언급되는 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 연결된다'거나 '직접 접속된다'고 언급되는 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 아니하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 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 명세서에서, '포함한다', '가진다' 등과 관련된 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.
또한, 본 명세서에서 오해의 소지가 없는 한 어떤 문자의 첨자가 다른 첨자를 가질 때, 표시의 편의를 위해 첨자의 다른 첨자는 첨자와 동일한 크기로 표시될 수 있다.
본 명세서에서 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 포함한다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
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 이용 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 량 탑재 일차 배터리를 재충전하는 전기차로 지칭될 수 있다.
플러그인 차량(Plug-in vehicle, PV)은 본 명세서에서 전기차 전력공급장치(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 및 통신을 포함한 GA와 VA 간의 제어를 위한 시스템을 지칭할 수 있다.
무선 전력 전송(Wireless power transfer, WPT)은 유틸리티(Utility)나 그리드(Grid) 등의 교류 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 플러그인 전기차가 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 차량의 놓고 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 GA 코일과 VA 코일로 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 그라운드 어셈블리 코일(Ground assembly coil)과 차량 어셈블리 코일(Vehicle assembly coil)을 지칭할 수 있다.
그라운드 어셈블리(Ground assembly, GA)는 GA 코일과 다른 적절한 부품을 포함하여 그라운드 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, GA는 무선 충전 시스템의 전력 소스로서 기능하는 데 필요한 전력/주파수 변환 장치, GA 컨트롤러 및 그리드로부터의 배선과 각 유닛과 필터링 회로들, 하우징 등의 사이의 배선을 포함할 수 있다.
차량 어셈블리(Vehicle assembly, VA)는 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, VA는 무선 충전 시스템의 차량 부품으로서 기능하는 데 필요한 정류기/전력변환장치와 VA 컨트롤러 및 차량 배터리의 배선뿐 아니라 각 유닛과 필터링 회로들, 하우징 등의 사이의 배선을 포함할 수 있다.
전술한 GA는 프라이머리 디바이스(primary device, PD), 일차측 장치 등으로 지칭될 수 있고, 이와 유사하게 VA는 세컨더리 디바이스(secondary device, SD), 이차측 장치 등으로 지칭될 수 있다.
프라이머리 디바이스(Primary device)는 세컨더리 디바이스에 무접촉 결합을 제공하는 장치 즉, 전기차 외부의 장치일 수 있다. 프라이머리 디바이스는 일차측 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 이차측 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.
그라운드 어셈블리 컨트롤러(GA controller)는 차량으로부터의 정보를 토대로 GA 코일에 대한 출력 전력 레벨을 조절하는 GA의 일부분일 수 있다.
차량 어셈블리 컨트롤러(VA controller)는 충전 동안 특정 차량용 파라미터를 모니터링하고 GA와의 통신을 개시하여 출력 전력 레벨을 제어하는 VA의 일부분일 수 있다.
전술한 GA 컨트롤러는 프라이머리 디바이스 통신제어기(Primary device communication controller, PDCC)로 지칭될 수 있고, VA 컨트롤러는 전기차 통신제어기(electric vehicle communication controller, VA 제어기)로 지칭될 수 있다.
마그네틱 갭(Magnetic gap)은 리츠선(litz wire)의 상부 또는 GA 코일의 마그네틱 재료의 상부의 가장 높은 평면과 상기 리츠선의 하부 또는 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 VA 코일의 절연 재료와 도로포장 사이의 수직 거리를 지칭할 수 있다.
차량 어셈블리(VA) 코일 표면 간격(Vehicle assembly coil surface distance)은 리츠선의 바닥 최하부의 평면 또는 VA 코일의 마그네틱 재료와 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 VA 코일은 2차 코일(secondary coil), 차량 코일(vehicle coil), 수신 코일(receiver coil) 등으로 지칭될 수 있고, 이와 유사하게 그라운드 어셈블리 코일(ground assembly coil, GA coil)은 1차 코일(primary 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, 혹은 전기가 흐르는 활성 성분에 접촉하는 것을 지칭할 수 있다.
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 그라운드 어셈블리와 차량 어셈블리 제어기의 연관 절차를 포함할 수 있다. 연관(Correlation/Association)은 두 피어 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 해더에 붙는 32-character로 이루어진 유니크한 식별자이다. SSID는 무선 장비에서 접속하려고하는 BSS(basic service set)를 구분해준다. 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 보여지기 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 실시예에서 경부하(light load) 운전 또는 경부하 동작은 예를 들어, WPT 시스템에서 VA에 연결된 고전압 배터리의 충전 후반부에 배터리 충전을 위한 기설정된 정격 전압보다 낮은 충전 전압으로 고전압 배터리를 충전하는 동작을 포함할 수 있다. 또한, 경부하 동작은 가정용 충전기 등과 같은 저속 충전기를 사용하여 전기차의 고전압 배터리를 상대적으로 낮은 전압으로 저속 충전하는 경우를 포함할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 WPT 시스템의 블록도이다.
도 8을 참조하면, 본 실시예에 따른 무선 전력 전송(wireless power transfer, WPT) 시스템(100)은 전원 소스(Vs)에 연결되고 일차 코일(11)을 통해 이차측에 무선 전력을 공급하는 그라운드 어셈블리(ground assembly, GA)와, 전기 부하(RL)에 연결되고 이차 코일(21)을 통해 일차측으로부터 무선 전력을 수용하는 차량 어셈블리(vehicle assembly, VA)를 포함한다. 전기 부하(RL)는 전기차에 탑재되고 전기차의 전기 모터에 구동 전력을 공급하는 배터리(예컨대, 고전압 배터리)를 포함할 수 있다.
GA는 일차 코일 회로(10), 전력변환 유닛(power conversion unit, 30) 및 GA 컨트롤러(50)를 포함할 수 있다. 전력변환 유닛(30)은 전원 소스(Vs)에 연결되며 AC/DC 컨버터나 인버터를 구비하고 GA 컨트롤러(50)의 제어에 따라 전원 소스의 전력을 변환하여 일차 코일 회로(10)에 전달할 수 있다.
VA는 이차 코일 회로(20), 전력픽업 유닛(power pick-up unit, 40) 및 VA 컨트롤러(60)를 포함할 수 있다. 전력픽업 유닛(40)은 전기 부하(RL)에 연결되며 정류기와 필터(filter)를 구비하고, VA 컨트롤러(60)의 제어에 따라 전기 부하, VA 컨트롤러(60) 등에 전력을 분배할 수 있다.
또한, WPT 시스템(100)은 LC/CL-S 구조의 공진 회로 토폴로지를 포함한다. 여기서, LC/CL-S 구조의 공진 회로 토폴로지는 GA에 포함되는 일차 코일 회로(10)가 LC 병렬 공진회로(제1 공진회로)와 CL 직렬 공진회로(제2 공진회로)가 결합된 이중 공진회로의 회로 토폴로지(circuit topology)를 구비하고, VA에 포함되는 이차 코일 회로(20)가 이차 코일과 커패시터에 의한 직렬(series) 회로 토폴로지를 구비하는 것을 포함할 수 있다.
WPT 시스템(100)의 일차측 LC/CL 회로 토폴로지와 이차측 직렬 회로 토폴로지에 대하여 좀더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 일차 코일 회로(10)는 전원 소스가 위치하는 입력측에서 볼 때 일차 코일(11)과 직렬로 연결되는 제1 인덕터(Lin), 및 일차 코일(11)과 병렬로 연결되는 제1 커패시터(Cp)의 제1 공진회로를 포함한다. 제1 커패시터(Cp)는 보상 커패시터 또는 제1 보상 커패시터로 지칭될 수 있다.
또한, 일차 코일 회로(10)는 제1 인덕터(Lin)와 제1 커패시터(Cp)의 접속 노드와 일차 코일(11)의 일단 사이에 연결되는 보조필터(12)를 포함한다. 보조필터(12)는 일차 코일(10)과 직렬로 연결되는 적어도 하나의 커패시터를 포함할 수 있다. 여기서, 커패시터는 제2 커패시터, 필터 커패시터 또는 제2 보상 커패시터로 지칭될 수 있으며, 그 경우, 제2 커패시터와 일차 코일(11)은 제2 공진회로를 형성할 수 있다.
또한, 일차 코일 회로(10)는 보조필터(12)와 일차 코일(11) 사이에 제1 저항(R1)을 포함할 수 있다. 제1 저항(R1)은 코일 저항 또는 일차측 부하 저항으로 지칭될 수 있으며, 배선이나 일차 코일(11)이 가지는 선저항 또는 별도의 저항 소자를 포함할 수 있다.
전술한 일차 코일(11)은 제2 인덕터에 대응할 수 있고, 일차 코일(11)의 자기 인덕턴스는 입력 전류의 위상을 기준으로 할 때 입력 전류의 위상과 90도 차이를 갖는 -jωL1로 표현될 수 있다.
전술한 일차 코일 회로(10)의 구성에 의하면, SS 또는 SP 회로 토폴로지를 이용하는 기존 WPT 시스템의 경부하에서의 분기 현상을 억제하면서 일차측 코일 전류를 감소할 수 있다. 즉, 이차 코일 회로(20)가 이차 코일(21)과 보상 커패시터(Cs)의 직렬(series) 회로 토폴로지를 가질 때, 일차 코일 회로(10)는 제1 공진회로와 제2 공진회로가 결합된 이중 공진회로를 통해 이차 코일 회로(20)의 이차측 직렬 공진회로와 공진 결합하고 WPT 시스템(100)의 출력 전압이 자연스럽게 정전압 출력이 되도록 동작할 수 있다. WPT 시스템(100)에서 정전압 출력은 배터리 충전에 유용하다.
이와 같이 일차 코일 회로(10)에 의하면, 보상 커패시터(Cp)와 일차 코일(11)과의 사이에 일차 코일(11)과 직렬로 연결되는 용량성 보조필터(12)를 배치함으로써, 일차측 병렬 회로 토폴로지만을 이용하거나 일차측 직렬 회로 토폴로지만을 이용하는 경우에 발생할 수 있는 경부하에서의 분기(bifurcation) 현상(문제)을 효과적으로 방지하면서 일차측 코일 전류를 합리적인 수치로 줄일 수 있다.
다음, 이차 코일 회로(20)는 이차 코일(21) 및 이차 코일(21)과 직렬로 연결되는 제3 커패시터(Cs)를 포함할 수 있다. 이차 코일(21)과 제3 커패시터(Cs) 사이에는 제2 저항(R2)이 직렬 연결될 수 있다. 여기서, 이차 코일(21)은 제3 인덕턴스를 가지는 제3 인덕터로 언급될 수 있고, 이차 코일(21)의 자기 인덕턴스는 일차 코일(11)의 자기 인덕턴스와 유사하게 jωL2로 표현될 수 있다. 그리고 제3 커패시터(Cs)는 제3 보상 커패시터 또는 이차측 보상 커패시터로 지칭될 수 있다.
한편, 전술한 WPT 시스템(100)에 있어서, 보조필터(12)는 제2 커패시터 외에 다른 커패시터를 포함할 수 있고, 구현에 따라서 제2 커패시터나 다른 커패시터에 직렬로 연결되는 스위칭 소자를 더 포함할 수 있다. 스위칭 소자는 GA 컨트롤러(50)의 신호(S1)에 의해 온(on) 또는 오프(off) 동작할 수 있다.
또한, 전술한 WPT 시스템(100)에 있어서, 전력변환 유닛(30)은 인버터, 필터, IMN(impedance matching network) 등을 포함할 수 있고, 전력픽업 유닛(40)은 IMN, 필터 기능이 구비된 정류기(rectifier), 전기 부하가 연결되는 임피던스 변환기(impedance converter) 등을 포함할 수 있다. 그리고, 무선 전력 전송 시, VA 컨트롤러(60)는 무선 통신 링크(wireless comm. link)를 통해 GA 컨트롤러(50)와 명령 및 제어 통신 및/또는 하이 레벨 통신을 수행할 수 있다.
무선 전력 전송 시스템(100)의 작동 절차를 예시하면 다음과 같다.
먼저, 차량 어셈블리에서 배터리(battery)에 충전하고자 하는 전류가 결정된다.
다음, 전력 요청이 무선 통신 채널을 통해 VA 컨트롤러(60)로부터 GA 컨트롤러(50)로 전달된다.
다음, GA 컨트롤러(50)는 전력 요청을 인지하고, 전원 소스를 포함하는 그리드(grid)로부터 전력(외부 전력이라 함)을 받고 AC-DC 컨버터, DC-DC 컨버터, 인버터 또는 이들의 조합을 통해 외부 전력을 높은 주파수의 교류 전류(AC)로 변환하여 일차 코일 회로(10)로 전달한다.
다음, 소정 고주파의 교류 전류는 일차 코일(11)과 이차 코일(21) 간의 자기 결합에 의해 이차 코일(21)에 유도되고, 전력픽업 유닛(40)에서 정류되어 전기 부하, 예컨대 배터리에 충전된다.
차량의 배터리(또는 고전압 배터리)가 만충전되기 전에, 통상 배터리는 일정 충전량 이상에서 만충전까지 저속 혹은 저전압 충전으로 충전 동작을 수행하게 되는데, 이때 기존 기술의 WPT 시스템에서는 분기 현상이 발생하여 시스템의 성능이 저하하고 신뢰성이 떨어지는 문제가 있었으나, 본 실시예에서는 새로운 회로 토폴로지를 적용하여 그러한 분기 현상의 문제를 해결할 뿐만 아니라 일차측 코일 전류를 감소시켜 시스템 디자인을 효율적으로 수행하도록 할 수 있다.
전술한 무선 전력 전송 또는 무선 충전 과정은 전기차의 배터리가 충분히 충전되어 VA 컨트롤러(60)가 더 이상 필요한 전력이 없다는 전력 전송 중지 요청 또는 다른 전력 레벨 요청을 전달하기까지 계속될 수 있다.
도 9는 도 8의 WPT 시스템에 적용할 수 있는 회로 토폴로지에 대한 회로도이다.
도 9를 참조하면, 본 실시예에 따른 WPT 시스템에 적용되는 공진 회로 토폴로지는 일차측 LC/CL 구조와 이차측 직렬 구조를 포함한다.
일차측 LC/CL 회로 토폴로지가 적용되는 일차 코일 회로(10p)는 전원 소스에 연결되는 입력단의 고전위측 단자(제1 입력단자)에 일단이 연결되는 제1 인덕터(Lin) 및 입력단의 저전위측 단자(제2 입력단자)에 일단이 연결되고 타단이 제1 인덕터(Lin)의 타단에 연결되는 제1 커패시터(Cp)를 포함한다. 제1 인덕터(Lin)와 제1 커패시터(Cp)는 제1 커패시터가 일차 코일에 병렬로 연결되는 병렬 공진회로(예컨대, RC1-P) 또는 제1 공진회로(13)를 형성할 수 있다.
여기서, 입력단의 양단 전압은 Vin으로 표시되고, 입력 전류는 Iin으로 표시되며, 제1 커패시터(Cp)의 양단 전압은 Vcp로 표시될 수 있다. 또한, 제1 커패시터(Cp)는 보상 커패시터로 지칭될 수 있고, 제1 인덕터(Lin)와 제1 커패시터(Cp)의 접속점은 제1 노드로 언급될 수 있다. 그리고 Lin은 제1 인덕터의 인덕턴스를 지칭하나, 이에 한정되지 않고 제1 인덕터 자체를 지칭할 수 있으며, 이와 유사하게 Cp는 제1 커패시터의 커패시턴스를 나타내나, 이에 한정되지 않고 제1 커패시터 자체를 나타낼 수 있다.
또한, 일차 코일 회로(10p)는 제1 노드에 일단이 연결되고 일차 코일(11)에 대응하는 제2 인덕터(Lp)의 일단에 타단이 연결되는 제2 커패시터(Cf)를 포함한다. 제2 커패시터(Cf)와 일차 코일은 직렬 공진회로(RC1-S) 또는 제2 공진회로(11 and 12)를 형성할 수 있다.
여기서, 입력 전류(Iin)는 제1 노드에서 제1 커패시터(Cp)로 흐르는 전류(Icp)와 제2 커패시터(Cf)로 흐르는 전류(Ip)로 나뉠 수 있다. 제2 커패시터(Cf, 12)는 필터 커패시터로 지칭될 수 있고, 그 양단 전압은 Vcf로 표시될 수 있다. 그리고 일차 코일(11) 또는 일차 코일에 대응하는 제2 인덕터(Lp)의 양단 전압은 Vp로 표시될 수 있다.
다음, 전술한 일차 코일 회로(10)에 대응하는 이차 코일 회로(20)는, 이차 코일과 이차측 보상 커패시터(Cs)가 직렬(series)로 연결되는 회로 토폴로지를 구비할 수 있다. 이차 코일과 이차측 보상 커패시터(Cs)는 직렬 공진회로를 형성할 수 있다. 이차 코일은 제3 인덕터(Ls)에 대응할 수 있고, 이차측 보상 커패시터는 제3 커패시터로 지칭될 수 있다.
이차 코일 회로(20)에서, 제2 커패시터(Cs)의 일단은 제3 인덕터(Ls)의 일단에 연결되고 제3 커패시터(Cs)의 타단은 전기 부하(Rac 또는 Ro,ac)의 일단에 연결될 수 있다.
여기서, 이차 코일에 유도되는 이차 전압은 Vs로 표시되고 이차 코일에 흐르는 이차 전류는 Is로 표시된다. 그리고 제3 커패시터(Cs)의 양단 전압은 Vcs로 표시되고, 전기 부하에 공급되는 출력 전류는 Io,ac로 표시되고, 전기 부하의 양단 전압은 Vo,ac로 표시될 수 있다. 부하는 전기차의 고전압 배터리를 포함할 수 있다.
일차 코일(Lp)과 이차 코일(Ls)의 마그네틱 커플링 상태에서, 일차 코일의 제1 자기 인덕턴스는 -jωMIs로 표현되고, 이차 코일의 제2 자기 인덕턴스는 jωMIp로 표현될 수 있다.
전술한 일차 코일 회로(10p)는 WPT 시스템의 일차 패드로 형성될 수 있다. 물론, 구현에 따라서 일차 패드는 일차 코일 회로(10p)의 소자들 중 일차 코일(11)만을 포함하고, 나머지 소자들은 일차 패드의 외부, 예컨대 전력변환 유닛 내에 배치될 수 있다.
전술한 일차 코일 회로(10p)를 포함하는 본 실시예의 WPT 시스템에서는, 비교예의 LCL 구조(도 7 참조)의 특성(분기 현상 억제)을 살리기 위해, 입력 인덕턴스(Lin), 일차 코일의 자기 인덕턴스(Lp) 및 보상 커패시터(Cp) 및 필터 커패시터(Cf)를 다음과 같이 설계할 수 있다.
먼저, WPT 시스템의 일차 코일 회로 내 제1 공진회로의 제1 공진 주파수와 제2 공진회로의 제2 공진 주파수가 동일한 경우를 가정하여 식으로 나타내면 [수학식 1]과 같다.
Figure pat00001
다음으로, [수학식 1]에서 위상차를 무시하고 리액턴스 형태로 바꾸어 정리하면 [수학식 2]와 같다.
Figure pat00002
다음으로, [수학식 2]를 제1 인덕터의 인덕턴스(Lin)와 일차 코일의 자기 인덕턴스(Lp)의 관계로 정리하여 보면, [수학식 3]과 같다.
Figure pat00003
이와 같이, 보상 커패시터의 제1 커패시턴스(Cp)와 필터 커패시터의 제2 커패시턴스(Cf)와의 합으로 제2 커패시턴스(Cf)를 나눈 값이 1보다 작으므로, 본 실시예에 따른 WPT 시스템의 일차 코일의 인덕턴스(Lp)는, SS, SP 또는 LCL 회로 토폴로지를 이용하는 기존 WPT 시스템의 일차 코일의 인덕턴스에 비해 큰 값을 가질 수 있다. 참고로, 기존 WPT 시스템에 있어서, 일차 코일의 인덕턴스는 제1 인덕터의 인덕턴스와 실질적으로 동일하다.
본 실시예의 WPT 시스템의 출력 전압(Vo,ac)은 [수학식 4]와 같이 정전압 특성을 나타낼 수 있다.
Figure pat00004
여기서, M는 일차 코일과 이차 코일 간의 상호 인덕턴스를 나타낸다.
한편, 종래의 WPT 시스템에 이용되는 회로 토폴로지들 중 그나마 본 실시예와 가장 유사한 회로 토폴로지(LCL-LCL)를 비교하여 보면, 비교예의 LCL-LCL 구조를 가진 WPT 시스템은 [수학식 5]와 같이 그 출력 전류(Io,ac)가 정전류 특성을 나타내는 것을 알 수 있다.
Figure pat00005
여기서, 비교예의 LCL-LCL 구조는 아래의 [표 1]에 나타낸 WPT 시스템의 일반적인 회로 토폴로지 중 하나인 SP-SP 구조에서 일차코일에 직렬로 연결되는 커패시터와 이차코일에 직렬로 연결되는 커패시터를 각각 인덕터로 대체한 구조에 대응할 수 있다. 또한, 비교예의 일차측 LCL 구조는 도 7의 WPT 회로 토폴로지의 1차측에 대응한다.
Figure pat00006
이와 같이, 본 실시예에 따른 WPT 시스템은 비교예의 LCL-S 구조(도 7 참조)를 개량하여 일차 코일과 일차측 보상 커패시터 사이에 일차 코일과 직렬로 연결되는 필터 커패시터(Cf)를 추가하는 형태로 구현될 수 있다, 이러한 LC/CL-S 구조를 이용하면, 일차 코일의 인덕턴스(Lp)를 증가시킬 수 있고, 그에 의해 일차 코일에 흐르는 전류를 비교예(LCL-S 구조)에 비해 현저히 감소시킬 수 있다.
즉, 본 실시예에 따른 LC/CL-S 구조를 이용하는 WPT 시스템은 LCL-S 구조(도 7 참조)나 LCL-LCL 구조를 이용하는 비교예의 WPT 시스템과 달리 특정 시스템 주파수나 공진 주파수의 경부하 조건에서 분기 문제를 발생시키지 않으며, SS 또는 SP 토폴로지를 이용하는 비교예와 대비하여 일차측 코일 전류를 실질적으로 증가시키지 않고, 또한 LCL-S 또는 LCL-LCL 회로 토폴로지를 이용하는 비교예와 대비하여 일차측 코일 전류를 현저하게 감소시켜 WPT 시스템 디자인을 용이하게 하면서 시스템 전체의 안정성 및 신뢰성을 높이고 제어 용이성을 향상시킬 수 있다.
도 10은 도 9의 WPT 시스템의 일차 코일 회로 내 필터 커패시터의 커패시턴스 변화에 따른 코일 전류의 스트레스 변화를 나타낸 그래프이다.
도 10에 나타낸 바와 같이, 본 실시예의 보조필터에 포함된 필터 커패시터의 커패시턴스(Cf)를 변화시키면, 일차측 권선 전류 즉, 일차 코일 전류(Ip)가 선형적으로 변하는 것을 알 수 있다.
즉, 필터 커패시터의 커패시턴스(Cf)가 약 9.45㎋에서 약 10.00㎋까지 변할 때, 일차 코일 전류(Ip)는 약 22.5A에서 약 13.0A까지 거의 선형적으로 변하는 것을 알 수 있다.
도 11은 도 9의 WPT 시스템의 일차 코일 회로 내 필터 커패시터의 커패시턴스 변화에 따른 공진 전압 스트레스 변화를 나타낸 그래프이다.
도 11에 나타낸 바와 같이, 본 실시예의 보조필터에 포함된 필터 커패시터의 커패시턴스(Cf)를 약 9.45㎋에서 약 10.00㎋까지 변경하면, 일차측 보상 커패시터의 양단 전압(Vcp)은 약 330V로 거의 변동이 없으나, 필터 커패시터의 양단 전압(Vcf)은 약 4400V에서 약 2450V까지 거의 선형적으로 감소하고, 이차측 보상 커패시터의 양단 전압(Vcs)은 약 1180V에서 3500V까지 거의 선형적으로 증가하는 것을 알 수 있다.
이와 같이, 본 실시예에 의하면, 필터 커패시터(Cf)의 값에 따라 코일 전류 (Ip) 및 공진 전압 스트레스를 조절할 수 있다.
전술한 공진 주파수 분위기에서의 시스템 각 부분의 전압과 전류에 있어서, 일차측 입력 전류는 [수학식 6], 일차측 보상 커패시터 전압은 [수학식 7], 일차측 필터 커패시터 전압은 [수학식 8], 일차측 권선 전류는 [수학식 9], 이차측 권선 전류는 [수학식 10], 이차측 보상 커패시터 전압은 [수학식 11], 그리고 출력 전압은 [수학식 12]와 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00007
Figure pat00008
Figure pat00009
Figure pat00010
Figure pat00011
Figure pat00012
Figure pat00013
여기서, Zin은 입력 임피던스, Zr은 반사 임피던스, Z22는 2차측 공진회로 임피던스를 나타낸다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 WPT의 일차 코일 회로를 적용한 WPT 시스템의 부분 회로도이다.
도 12를 참조하면, 본 실시예에 따른 WPT 시스템은 그라운드 어셈블리(GA) 및 차량 어셈블리(VA)를 포함한다. 그라운드 어셈블리는 일차 코일 회로(10A) 및 전력변환 유닛(30)을 포함한다. 차량 어셈블리는 이차 코일(L2), 이차측 보상 커패시터(Cs), 정류기 및 평활 커패시터(Co)를 포함할 수 있다.
각 구성요소를 좀더 구체적으로 살펴보면, 먼저 일차 코일 회로(10A)는, 일차 코일(11), 보조필터(12) 및 제1 공진회로(13)를 포함할 수 있다. 일차 코일(11)은 제2 인덕터(L1)에 대응한다. 일차 코일(11), 보조필터(12) 및 제1 공진회로(13)의 결합관계는 전술한 실시예(도 8)에서 설명한 바와 실질적으로 동일하다.
보조필터(12)는 제2 커패시터와 다른 커패시터(Cfx)를 포함할 수 있다. 다른 커패시터(Cfx)는 하나 또는 복수 개일 수 있다. 또한, 보조필터(12)는 제2 커패시터와 다른 커패시터(Cfx)에 직렬로 연결되는 스위칭 소자(Qx)를 포함할 수 있다. 본 실시예에서 스위칭 소자(Qx)는 제2 커패시터와 직렬로 연결되는 스위칭 소자 및 다른 커패시터와 직렬로 연결되는 다른 스위칭 소자를 포함하나, 이에 한정되지 않고, 제2 커패시터 또는 다른 커패시터에 선택적으로 연결되도록 설치될 수 있다.
제2 커패시터의 구성 및 기능은 전술한 실시예(도 8 참조)에서 설명한 바와 실질적으로 동일하다.
다른 커패시터(Cfx)는 제2 커패시터의 리던던시(redundancy) 소자로서 기능할 수 있다. 또한, 다른 커패시터(Cfx)는, WPT 시스템의 일차측 공진회로 등의 내부 전자부품이나 이에 대응하는 소자의 공차나 열화에 의해 동작 주파수가 변할 때, 혹은 스위칭 소자(Qx)의 동작에 의해 다른 커패시터(Cfx)가 제2 공진회로에 결합될 때, WPT 시스템의 동작 주파수가 기설정된 혹은 원하는 시스템 주파수 또는 공진 주파수에 일치시키거나 근접하도록 동작 주파수를 제어하는데 이용될 수 있다.
제1 공진회로(13)는 제1 인덕터(Lin) 및 제1 커패시터(Cp)를 포함할 수 있다. 제1 인덕터(Lin)는 일차 코일(11)에 직렬로 연결되고, 제1 커패시터(Cp)는 일차 코일(11)에 병렬로 연결된다.
전술한 일차 코일 회로(10A)에 의하면, WPT 시스템의 GA는 경부하에서의 분기 발생을 억제하고 일차측 코일 전류(I1)를 감소시킬 수 있을 뿐 아니라 일차 코일 회로(10A) 내 소자의 공차나 열화에 대하여 탄력적으로 대응하여 공진 주파수를 조정할 수 있다. 또한, 전술한 일차 코일 회로(10A)에 의하면, 이차측의 전기 부하의 변동이나 전원 소스의 변동에 대응해서도 보조필터(12)의 커패시턴스를 조절하여 능동적으로 대응할 수 있다.
다음, 전력변환 유닛(30)은 제1 단자, 제2 단자 및 제어 단자를 각각 구비하는 제1 내지 제4 스위칭 소자들(Q1, Q2, Q3, Q4)로 이루어진 인버터를 포함할 수 있다. 또한, 전력변환 유닛(30)의 입력단에는 전원 소스측에 연결되는 입력단의 두 단자들에 소정의 입력 전압(Vdc)이 인가되고, 입력 커패시터(Cin)가 입력단에 병렬로 연결될 수 있다.
전력변환 유닛(30)의 인버터에 있어서, 제1 스위칭 소자(Q1)의 제1 단자는 입력단의 제1 입력단자에 연결되고, 제3 스위칭 소자(Q3)의 제2 단자는 입력단의 제2 입력단자에 연결된다. 그리고 제1 스위칭 소자(Q1)의 제2 단자와 제3 스위칭 소자(Q3)의 제1 단자는 일차 코일 회로(10A)의 입력단의 제1 입력단자에 연결된다.
또한, 인버터에 있어서, 제4 스위칭 소자(Q4)의 제1 단자는 전력변환 유닛(30)의 입력단의 제1 입력단자에 연결되고, 제2 스위칭 소자(Q2)의 제2 단자는 입력단의 제2 입력단자에 연결된다. 그리고 제4 스위칭 소자(Q4)의 제2 단자와 제2 스위칭 소자(Q2)의 제1 단자는 일차 코일 회로(10A)의 입력단의 제2 입력단자에 연결된다.
전술한 전력변환 유닛(30)의 스위칭 소자들은 독립적으로 온 및 오프 제어되며, 그에 의해 전력변환 유닛(30)은 원하는 주파수의 전류를 출력하여 일차 코일 회로(10A)에 공급할 수 있다. 전력변환 유닛(30)의 제어기는 독립된 제어기일 수 있으나, 이에 한정되지는 않고, 그라운드 어셈블리 컨트롤러(도 8의 50 참조)의 적어도 일부 기능부 또는 이에 상응하는 기능을 수행하는 구성부로 구현될 수 있다.
전술한 WPT 시스템의 작동 과정을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 그리드(grid)나 전원 소스에 연결된 입력단에는 입력 전압(Vdc)이 인가된다. 입력단의 양단자에는 입력 커패시터(Cin)가 병렬로 연결될 수 있다. 그리고 입력단에는 4개의 스위칭 소자들(Q1, Q2, Q3, Q4)을 포함한 인버터가 결합될 수 있다. 입력 커패시터(Cin)와 인버터는 전력변환 유닛(30)에 포함된다. 인버터 또는 전력변환 유닛(30)의 출력 전압(V1)은 일차 코일 회로(10A)에 인가될 수 있다.
인버터의 4개의 스위칭 소자들은 GA 컨트롤러나 이에 상응하는 로직 컨트롤러에 의해 제어된다. 인버터의 스위칭 소자들의 온 또는 오프 동작은 PWM(pluse width modulation) 방식으로 제어될 수 있다.
전력변환 유닛(30)의 출력단에는 일차 코일 회로(10A)의 입력단 중 고전압측 단자에 대응하는 제1 입력단자와 저전압측 단자에 대응하는 제2 입력단자가 연결된다. 일차 코일 회로(10A)의 입력단에는 소정 전압(V1)이 인가된다. 여기서, 소정 전압(V1)은 일차 코일에 공급되는 전압으로서 교류 고전압일 수 있다. 고전압은 WPT 시스템 내 다른 전압들에 비해 상대적으로 높은 레벨을 가지고 일차측 공진회로에 공급되는 전압으로서 무선 전력 전송 법규나 표준 등에서 제시하는 공칭 전압을 포함할 수 있다.
WPT 시스템의 작동 환경에서, 일차 코일 회로(10A)의 제1 공진회로(13)는 제1 공진주파수로 공진하고, 제2 공진회로(11 및 12)는 제2 공진주파수로 공진할 수 있다. 제1 공진주파수와 제2 공진주파수는 실질적으로 동일할 수 있다. 또한, 일차 코일 회로(10A)의 제조 또는 조립이 완료된 상태에서 소자의 공차나 열화 등에 의해 제1 공진주파수와 제2 공진주파수는 서로 다를 수 있다. 이 경우, VA 컨트롤러는 WPT 시스템의 동작 주파수를 제1 공진주파수 및 제2 공진주파수 중 어느 하나 또는 시스템 주파수와 일치시켜 동작할 수 있다. 제1 공진주파수 및 제2 공진주파수 중 나머지 하나는 시스템 주파수 또는 공진 주파수와 일치하지는 않으나 근접할 수 있다.
WPT 시스템의 일차 코일(L1)과 이차 코일(L2) 간의 마그네틱 커플링 상태에서, 일차측 코일 전류(I1)가 흐르는 일차 코일(L1)에서 발생하는 1차측 전력은 대기를 통해 이차 코일(L2)로 전달된다. 이차 코일(L2)에 유도되는 기전력에 의한 2차측 전류(I2)는 이차 코일(L2)과 이차측 보상 커패시터(Cs)의 직렬 공진회로를 통해 변환(변환된 전압은 V2이다)되고, 정류기를 통해 출력될 수 있다. 정류기는 4개의 다이오드들 또는 이러한 다이오드들에 상응하는 기능을 수행하는 수단이나 소자들(예컨대, 다이오드 트랜지스터)을 포함할 수 있다. 정류기의 출력단에 연결되는 WPT 시스템의 출력단에는 출력 전압(Vo)과 출력 전류(Io)가 외부(전기 부하 또는 배터리)로 공급될 수 있다. 출력단에서 평활 커패시터(Co)가 병렬로 연결될 수 있다. 평활 커패시터(Co)는 정류기를 거쳐 만들어지는 맥류를 상대적으로 리플이 작은 직류로 변환할 수 있다.
다음, 차량 어셈블리에 있어서, 이차 코일(L2)은 유도되는 기전력에 의해 이차측 코일 전류(I2)를 생성한다. 이때, 이차 코일(L2)과 이차 코일(L2)에 직렬(series)로 연결되는 이차측 보상 커패시터(Cs)는 이차측 직렬 공진회로를 형성한다. 이차측 직렬 공진회로의 출력단은 소정 전압(V2) 레벨에서 정류기의 입력단에 연결될 수 있다. 그리고, 정류기의 출력은 평활 커패시터(Co)를 거쳐 소정 레벨의 전압(Vo) 및 소정 레벨의 전류(Io) 형태로 전기차의 고전압 배터리 등에 공급될 수 있다. 평활 커패시터(Co)는 필터로서 지칭될 수 있다.
그리고, 구현에 따라서, 차량 어셈블리는 정류기 또는 필터의 후단에 정전압 조정기(regulator)나 별도의 컨버터를 더 구비할 수 있다.
전술한 일차 코일(11)은 일차 패드에 포함된 형태로 준비될 수 있다. 이 경우, 일차 패드는 일차 코일(11)의 자기 발생을 돕기 위한 수단이나 일차 코일을 지지하거나 보호하기 위한 수단을 포함할 수 있다. 이와 유사하게, 이차 코일은 이차 패드에 포함된 형태로 준비될 수 있다. 이 경우, 이차 패드는 이차 코일의 마그네틱 발생을 돕기 위해 수단이나 이차 코일을 지지하거나 보호하기 위한 수단을 포함할 수 있다.
본 실시예에 의하면, 전력변환 유닛(30)은 그리드의 상용 전원이나 소정의 전원 소스에서 공급되는 전력이나 이를 변환시킨 직류를 받고, 위상 시프트 풀 브릿지(phase shift full bridge) 방식의 인버터를 통해 직류를 교류로 변환하여 일차 코일 회로(10A)에 공급할 수 있다. 일차 코일 회로(10A)는 일차 코일(11)과 자기적으로 결합하는 이차 코일에 기전력을 유도하고 이차 코일에 이차측 코일 전류(I2)가 흐르도록 동작할 수 있다. 이차 코일과 이차측 보상 커패시터의 직렬 공진회로에 의해 일차 코일 회로로부터 전력이 수용되면, 차량 어셈블리는 이차측 직렬 공진회로에 유도되는 AC 전압을 정류하고 평활하여 출력할 수 있다, 차량 어셈블리는 소정의 공진 주파수에서 정전압(Vo)으로 배터리를 충전할 수 있다.
도 13은 본 실시예에 따른 WPT 시스템의 주파수 변화에 대한 출력 전압 변화를 나타낸 그래프이다.
도 13에 나타낸 바와 같이, 본 실시예에 따른 WPT 시스템은 정격부하 3.3㎾, 중간부하 2.4㎾, 및 경부하 0.41㎾의 부하조건일 때 공진 주파수 85㎑와 그 부근 주파수에서 약 200V의 정전압 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
아울러, 시스템 주파수가 약 75㎑에서 약 92㎑까지 변하는 동안, 출력 전압(Vo)은 비교예(도 5 참조)에서와 같은 급격한 변동이나 분기(bifurcation) 발생이 거의 없이 상당히 안정적으로 유지되는 것을 확인할 수 있다.
도 14는 본 실시예에 따른 WPT 시스템의 주파수 변화에 대한 입력 임피던스의 위상 변화를 나타낸 그래프이다.
본 실시예는 본 발명에서 제시하는 공진 네트워크 토폴로지(LC/CL-S)를 기반으로 85㎑에서 설계된 3.3㎾급 무선 전력 전송 시스템의 특성을 나타난다.
도 14에 나타낸 바와 같이, 본 실시예에 따른 WPT 시스템은 정격부하 3.3㎾, 중간부하 2.4㎾, 및 경부하 0.41㎾의 부하조건일 때 공진 주파수를 중심으로 공진 주파수보다 낮은 주파수를 포함하는 하위 주파수들에서의 입력 임피던스의 위상(Φzin)이 포지티브 영역에 안정적으로 위치하고 공진 주파수보다 높은 주파수를 포함하는 상위 주파수들에서의 입력 임피던스의 위상이 네거티브 영역에 안정적으로 위치하는 것을 확인할 수 있다.
본 실시예에 의하면, LC/CL-S 회로 토폴로지를 이용하여 WPT 시스템을 설계함으로써 WPT에서 효과적으로 정전압 출력 특성을 확인할 수 있으며 경부하(예컨대, 0.41㎾)에서도 분기(bifurcation) 현상 없이 입력 임피던스의 위상이 주파수에 따라 일정한 경향을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 이는 LC/CL-S 토폴로지에서 제1 공진회로의 제1 커패시터(Cp)의 값이 상대적으로 크게 설계되기 때문이다.
도 15는 본 실시예에 따른 WPT 시스템과 비교예의 공진 네트워크 전압 스트레스를 비교하여 나타낸 그래프이다. 그리고 도 16은 본 실시예에 따른 WPT 시스템과 비교예의 공진 네트워크 전류 스트레스를 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 15에 도시한 바와 같이, 본 실시예(LC/CL-S)와 두 비교예(SS 및 SP)에 대한 공진 네트워크 전압 스트레스를 대비하여 볼 수 있다. 즉, 본 실시예의 전류 스트레스는 종래기술에 비해 상대적으로 고르게 분포되어 있는 것을 확인할 수 있다.
이와 유사하게, 도 16에 도시한 바와 같이, 본 실시예(LC/CL-S)와 두 비교예(SS 및 SP)에 대한 공진 네트워크 전류 스트레스를 대비하여 볼 수 있다. 즉, 본 실시예의 전류 스트레스는 종래기술에 비해 상대적으로 고르게 분포되어 있는 것을 확인할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 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. 일차 코일과 자기결합하는 이차 코일로 무선 전력을 전송하는 그라운드 어셈블리의 일차 코일 회로로서,
    일차 코일;
    제1 단자 및 제2 단자를 구비하며, 제2 단자가 상기 일차 코일의 제1 단자에 연결되는 제2 커패시터;
    제1 단자 및 제2 단자를 구비하며, 제2 단자가 상기 제2 커패시터의 제1 단자에 연결되고, 제1 단자가 전원 소스의 제1 입력단자에 연결되는 제1 인덕터; 및
    제1 단자 및 제2 단자를 구비하며, 제1 단자가 상기 제1 인덕터의 제2 단자와 상기 제2 커패시터의 제1 단자에 공통 연결되고, 제2 단자가 상기 일차 코일의 제2 단자와 상기 전원 소스의 제2 입력단자에 공통 연결되는 제1 커패시터를 포함하는, 일차 코일 회로.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 인덕터의 제1 인덕턴스는 상기 일차 코일의 제2 인덕턴스보다 작은, 일차 코일 회로.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 인덕턴스는 상기 제1 커패시터의 제1 커패시턴스와 상기 제2 커패시터의 제2 커패시턴스와의 합으로 상기 제2 커패시턴스를 나눈 값에 상기 제2 인덕턴스를 곱하여 계산되는, 일차 코일 회로.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제2 커패시턴스는 상기 일차 코일에 공급하는 타겟 전류에 의해 결정되는, 일차 코일 회로.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 일차 코일에 흐르는 전류의 위상은 상기 제1 인덕터에 흐르는 전류의 위상과 90도 차이를 가지는, 일차 코일 회로.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 인덕터와 상기 제1 커패시터에 의한 제1 공진회로의 제1 공진주파수와 상기 일차 코일과 상기 제2 커패시터에 의한 제2 공진회로의 제2 공진주파수는 서로 동일한, 일차 코일 회로.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 커패시터에 병렬로 연결되는 다른 커패시터를 더 포함하는, 일차 코일 회로.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 다른 커패시터에 직렬 연결되는 스위칭 소자를 더 포함하며,
    상기 스위칭 소자의 온 또는 오프 동작은 상기 스위칭 소자에 연결되는 그라운드 어셈블리 컨트롤러에 의해 제어되는, 일차 코일 회로.
  9. 일차 코일과 자기결합하는 이차 코일로 무선 전력을 전송하는 그라운드 어셈블리로서,
    일차 코일;
    상기 일차 코일과 직렬 연결되는 제2 커패시터; 및
    상기 일차 코일과 상기 제2 커패시터의 직렬 공진회로의 전원 입력단에 결합하는 병렬 공진회로를 포함하고,
    상기 병렬 공진회로는 제1 인덕터와 제1 커패시터를 포함하는,
    그라운드 어셈블리.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 병렬 공진회로의 전원 입력단에 결합하고 전원 소스의 전력을 변환하여 상기 병렬 공진회로에 전달하는 전력변환 유닛을 더 포함하는, 그라운드 어셈블리.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 전력변환 유닛 내 스위칭 소자들의 동작을 제어하여 상기 병렬 공진회로에 인가되는 시스템 주파수를 제어하는 컨트롤러를 더 포함하는, 그라운드 어셈블리.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 컨트롤러는, 상기 병렬 공진회로의 제1 공진 주파수와 상기 직렬 공진회로의 제2 공진 주파수가 동일하도록 상기 시스템 주파수를 제어하는, 그라운드 어셈블리.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 컨트롤러는, 상기 일차 코일, 상기 제2 커패시터, 상기 제1 커패시터, 상기 제1 인덕터, 또는 이들의 조합에 대한 소자 공차 또는 소자 열화에 따른 동작 주파수를 상기 시스템 주파수 또는 공진 주파수와 일치하거나 근접하도록 제어하는, 그라운드 어셈블리.
  14. 청구항 9에 있어서,
    상기 제2 커패시터에 병렬로 연결되는 다른 커패시터;
    상기 다른 커패시터 또는 제2 커패시터에 직렬 연결되는 스위칭 소자; 및
    상기 스위칭 소자의 온 또는 오프 동작을 제어하는 컨트롤러를 더 포함하는, 그라운드 어셈블리.
  15. 일차 코일과 마그네틱 결합하는 이차 코일로 무선 전력을 전송하는 그라운드 어셈블리의 제조 방법으로서,
    일차 코일 회로를 형성하는 단계; 및
    상기 일차 코일 회로의 전원 입력단에 전원 소스의 전력을 변환하여 전달하는 전력변환 유닛을 연결하는 단계를 포함하며,
    상기 일차 코일 회로는, 일차 코일; 제1 단자 및 제2 단자를 구비하며, 제2 단자가 상기 일차 코일의 제1 단자에 연결되는 제2 커패시터; 제1 단자 및 제2 단자를 구비하며, 제2 단자가 상기 제2 커패시터의 제1 단자에 연결되고, 제1 단자가 전원 소스의 제1 입력단자에 연결되는 제1 인덕터; 및 제1 단자 및 제2 단자를 구비하며, 제1 단자가 상기 제1 인덕터의 제2 단자와 상기 제2 커패시터의 제1 단자에 공통 연결되고, 제2 단자가 상기 일차 코일의 제2 단자와 상기 전원 소스의 제2 입력단자에 공통 연결되는 제1 커패시터를 포함하고,
    상기 형성하는 단계는, 상기 일차 코일에 인가되는 타겟 전류에 기반하여 상기 제2 커패시터의 커패시턴스를 결정하는, 그라운드 어셈블리의 제조 방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 형성하는 단계에서 상기 제1 인덕터의 제1 인덕턴스는 상기 일차 코일의 제2 인덕턴스보다 작게 형성되는, 그라운드 어셈블리의 제조 방법.
  17. 청구항 15에 있어서,
    상기 형성하는 단계에서 상기 제1 인덕턴스는 상기 제1 커패시터의 제1 커패시턴스와 상기 제2 커패시터의 제2 커패시턴스와의 합으로 상기 제2 커패시턴스를 나눈 값에 상기 제2 인덕턴스를 곱한 값으로 설정되는, 그라운드 어셈블리의 제조 방법.
  18. 청구항 15에 있어서,
    상기 형성하는 단계는 상기 제1 인덕터 및 상기 제1 커패시터에 의한 제1 공진회로의 제1 공진주파수와 상기 일차 코일 및 상기 제2 커패시터에 의한 제2 공진회로의 제2 공진주파수를 동일하게 설정하는, 그라운드 어셈블리의 제조 방법.
  19. 청구항 15에 있어서,
    상기 일차 코일 회로는 상기 제2 커패시터에 병렬로 결합하는 다른 커패시터; 및 상기 제2 커패시터 또는 상기 다른 커패시터에 직렬 연결되는 스위칭 소자를 더 포함하며, 여기서 상기 스위칭 소자는 상기 스위칭 소자에 연결되는 그라운드 어셈블리 컨트롤러의 제어 동작에 의해 온 또는 오프 작동하도록 형성되는, 그라운드 어셈블리의 제조 방법.
  20. 청구항 15에 있어서,
    상기 일차 코일 회로를 형성하는 단계는 상기 일차 코일을 포함한 일차 패드를 형성하는 서브단계를 포함하며, 상기 일차 패드는 상기 일차 코일 및 상기 일차 코일과 결합하는 페라이트를 포함하는, 그라운드 어셈블리의 제조 방법.
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