KR20190137686A - 브리지리스 정류기를 이용하여 전기차로 무선 전력 전송을 제어하는 방법 및 장치 - Google Patents

브리지리스 정류기를 이용하여 전기차로 무선 전력 전송을 제어하는 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

브리지리스 정류기(bridgeless rectifier)를 이용하여 전기차로 무선 전력 전송을 제어하는 방법 및 장치가 개시된다. 브리지리스 정류기(bridgeless rectifier)를 이용하여 전기차로 무선 전력 전송을 제어하는 방법은, 송신측 공진 회로의 입력 전압과 수신측 공진 회로의 출력 전압 사이의 위상차를 감지하는 단계, 상기 위상차가 감지되면 미리 설정된 설계 조건에 따른 공진 주파수 변화 방향을 예측하는 단계 및 예측된 변화 방향을 보상하는 방향으로 상기 브리지리스 정류기에 포함된 스위치들의 동작 시점을 제어하는 단계를 포함한다.

Description

브리지리스 정류기를 이용하여 전기차로 무선 전력 전송을 제어하는 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR CONTROLLING WIRELESS POWER TRANSMISSION TO AN ELECTRIC VEHICLE USING A BRIDGELESS RECTIFIER}
본 발명은 브리지리스 정류기를 이용하여 전기차로 무선 전력 전송을 제어하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 브리지리스 정류기의 스위칭 듀티와 동작 시점을 제어함으로써, 전기차 충전을 위한 정렬 과정에서 발생하는 공진 주파수 변동을 보상하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
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 송전 패드와 유도 공진 결합을 형성하고, 유도 공진 결합을 통해 그라운드 어셈블리로부터 전달되는 전력을 이용하여 전기차의 배터리에 충전을 수행하게 된다.
한편, 전기차로 무선 전력을 전달하는 WPT(Wireless Power Transfer) 시스템은 차량을 주차하는 위치에 따라 송신패드와 수신패드 사이의 물리적 위치가 달라진다. 송신패드와 수신패드 사이의 위치 변동으로 인해 결합계수 및 인덕턴스값도 변한다.
인덕턴스가 변하면 송신측(또는 1차측)과 수신측(또는 2차측) 사이의 공진주파수가 변하기 때문에, 송신측 공진주파수로 WPT 시스템을 동작시키면 전력전달이 잘 이루어지지 않을 수 있다. 또한, 수신측 공진주파수로 WPT 시스템을 동작시키면 송신측에서의 입력 전압과 전류 사이의 위상차가 증가하기 때문에 정격 출력(VA 단위)이 증가하는 문제가 생길 수 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 브리지리스 정류기를 이용하여 전기차로 무선 전력 전송을 제어하는 방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 다른 목적은, 브리지리스 정류기를 이용하여 전기차로 무선 전력 전송을 제어하는 장치를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 다른 목적은, 브리지리스 정류기를 이용하여 무선 전력 전송을 제어하는 전기차를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면은, 브리지리스 정류기를 이용하여 전기차로 무선 전력 전송을 제어하는 방법을 제공한다.
브리지리스 정류기를 이용하여 전기차로 무선 전력 전송을 제어하는 방법은, 송신측 공진 회로의 입력 전압과 수신측 공진 회로의 출력 전압 사이의 위상차를 감지하는 단계, 상기 위상차가 감지되면 미리 설정된 설계 조건에 따른 공진 주파수 변화 방향을 예측하는 단계 및 예측된 변화 방향을 보상하는 방향으로 상기 브리지리스 정류기에 포함된 스위치들의 동작 시점을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 브리지리스 정류기는, 제1 다이오드 및 제1 스위치가 직렬 연결된 제1 정류 회로 및 제2 다이오드 및 제2 스위치가 직렬 연결된 제2 정류 회로를 포함할 수 있다. 여기서 제1 다이오드는 도 4에 따른 제1 다이오드(D1)을 의미할 수 있고, 제1 스위치는 도 4에 따른 제5 스위치(SW5)를 의미할 수 있고, 제2 다이오드는 도 4에 따른 제2 다이오드(D2)를 의미할 수 있고, 제2 스위치는 도 4에 따른 제6 스위치(SW6)을 의미할 수 있다.
상기 제1 정류 회로와 상기 제2 정류 회로는 서로 병렬 연결될 수 있다.
상기 송신측 공진 회로 및 상기 수신측 공진 회로는, 송신 패드와 수신 패드 사이에 허용 이격 범위 내에서 도출되는 결합 계수의 최소값, 최대값, 중간값 중 어느 하나에 따라 설정된 목표 공진 주파수를 함께 만족하도록 구성될 수 있다.
상기 수신측 공진 회로의 출력 전압은, 상기 제1 다이오드와 상기 제1 스위치 사이의 노드 및 상기 제2 다이오드와 제2 스위치 사이의 노드 상호간 전압차로서 상기 브리지리스 정류기에 인가될 수 있다.
상기 스위치들의 동작 시점을 제어하는 단계는, 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치가 동작하는 시점을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 스위치들의 동작 시점을 제어하는 단계는, 상기 송신측 공진 회로 및 상기 수신측 공진 회로가 상기 결합 계수의 최소값에 따라 설정된 목표 공진 주파수를 함께 만족하도록 구성된 경우, 상기 출력 전압의 양의 반주기 또는 음의 반주기가 시작하는 시점부터 위상이 90도가 지난 지점을 기준으로, 위상이 감소하는 방향으로 상기 스위치들의 동작 시점을 변경할 수 있다.
상기 스위치들의 동작 시점을 제어하는 단계는, 상기 송신측 공진 회로 및 상기 수신측 공진 회로가 상기 결합 계수의 최대값에 따라 설정된 목표 공진 주파수를 함께 만족하도록 구성된 경우, 상기 출력 전압의 양의 반주기 또는 음의 반주기가 시작하는 시점부터 위상이 90도가 지난 지점을 기준으로, 위상이 증가하는 방향으로 상기 스위치들의 동작 시점을 변경할 수 있다.
상기 위상차를 감지하는 단계 이후에, 상기 위상차가 감지되지 않으면, 상기 출력 전압의 양의 반주기 또는 음의 반주기가 시작하는 시점부터 위상이 90도가 지난 지점이 상기 스위치들이 동작하는 중앙점이 되도록 상기 스위치들을 제어할 수 있다.
상기 브리지리스 정류기를 이용하여 전기차로 무선 전력 전송을 제어하는 방법은, 상기 브리지리스 정류기의 출력 전류가 전달되는 전기차 배터리의 전압과 전류를 감지하는 단계 및 감지된 전압 또는 전류가 미리 설정한 요구사항을 만족하지 않으면, 상기 스위치들의 스위칭 듀티(duty)를 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면은, 브리지리스 정류기(bridgeless rectifier)를 이용하여 전기차로 무선 전력 전송을 제어하는 장치를 제공한다.
브리지리스 정류기(bridgeless rectifier)를 이용하여 전기차로 무선 전력 전송을 제어하는 장치는, 적어도 하나의 프로세서(processor) 및 상기 적어도 하나의 프로세서가 적어도 하나의 단계를 수행하도록 지시하는 명령어들(instructions)을 저장하는 메모리(memory)를 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 단계는, 송신측 공진 회로의 입력 전압과 수신측 공진 회로의 출력 전압 사이의 위상차를 감지하는 단계, 상기 위상차가 감지되면 미리 설정된 설계 조건에 따른 공진 주파수 변화 방향을 예측하는 단계 및 예측된 변화 방향을 보상하는 방향으로 상기 브리지리스 정류기에 포함된 스위치들의 동작 시점을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 브리지리스 정류기는, 제1 다이오드 및 제1 스위치가 직렬 연결된 제1 정류 회로; 및 제2 다이오드 및 제2 스위치가 직렬 연결된 제2 정류 회로를 포함할 수 있다.
상기 제1 정류 회로와 상기 제2 정류 회로는 서로 병렬 연결될 수 있다.
상기 송신측 공진 회로 및 상기 수신측 공진 회로는, 송신 패드와 수신 패드 사이에 허용 이격 범위 내에서 도출되는 결합 계수의 최소값, 최대값, 중간값 중 어느 하나에 따라 설정된 목표 공진 주파수를 함께 만족하도록 구성될 수 있다.
상기 수신측 공진 회로의 출력 전압은, 상기 제1 다이오드와 상기 제1 스위치 사이의 노드 및 상기 제2 다이오드와 제2 스위치 사이의 노드 상호간 전압차로서 상기 브리지리스 정류기에 인가될 수 있다.
상기 스위치들의 동작 시점을 제어하는 단계는, 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치가 동작하는 시점을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 스위치들의 동작 시점을 제어하는 단계는, 상기 송신측 공진 회로 및 상기 수신측 공진 회로가 상기 결합 계수의 최소값에 따라 설정된 목표 공진 주파수를 함께 만족하도록 구성된 경우, 상기 출력 전압의 양의 반주기 또는 음의 반주기가 시작하는 시점부터 위상이 90도가 지난 지점을 기준으로, 위상이 감소하는 방향으로 상기 스위치들의 동작 시점을 변경할 수 있다.
상기 스위치들의 동작 시점을 제어하는 단계는, 상기 송신측 공진 회로 및 상기 수신측 공진 회로가 상기 결합 계수의 최대값에 따라 설정된 목표 공진 주파수를 함께 만족하도록 구성된 경우, 상기 출력 전압의 양의 반주기 또는 음의 반주기가 시작하는 시점부터 위상이 90도가 지난 지점을 기준으로, 위상이 증가하는 방향으로 상기 스위치들의 동작 시점을 변경할 수 있다.
상기 위상차를 감지하는 단계 이후에, 상기 위상차가 감지되지 않으면, 상기 출력 전압의 양의 반주기 또는 음의 반주기가 시작하는 시점부터 위상이 90도가 지난 지점이 상기 스위치들이 동작하는 중앙점이 되도록 상기 스위치들을 제어할 수 있다.
상기 적어도 하나의 단계는, 상기 브리지리스 정류기의 출력 전류가 전달되는 전기차 배터리의 전압과 전류를 감지하는 단계 및 감지된 전압 또는 전류가 미리 설정한 요구사항을 만족하지 않으면, 상기 스위치들의 스위칭 듀티(duty)를 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면은, 브리지리스 정류기를 이용하여 무선 전력 전송을 제어하는 전기차를 제공할 수 있다.
상기 브리지리스 정류기를 이용하여 무선 전력 전송을 제어하는 전기차는, 적어도 하나의 프로세서(processor), 상기 적어도 하나의 프로세서가 적어도 하나의 단계를 수행하도록 지시하는 명령어들(instructions)을 저장하는 메모리(memory), 송신 코일과 전자기적으로 커플링되고 상기 송신 코일로부터 유도 전력을 전달받는 수신측 공진 회로, 상기 수신측 공진 회로의 출력 전류를 정류하여 출력하는 브리지리스 정류기 및 상기 브리지리스 정류기의 출력을 통해 에너지를 전달받아 저장하고, 상기 전기차에 에너지를 공급하는 배터리(battery)를 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 단계는, 상기 송신 코일을 포함하는 송신측 공진 회로의 입력 전압과 상기 수신측 공진 회로의 출력 전압 사이의 위상차를 감지하는 단계, 상기 위상차가 감지되면 미리 설정된 설계 조건에 따른 공진 주파수 변화 방향을 예측하는 단계 및 예측된 변화 방향을 보상하는 방향으로 상기 브리지리스 정류기에 포함된 스위치들의 동작 시점을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 브리지리스 정류기는, 제1 다이오드 및 제1 스위치가 직렬 연결된 제1 정류 회로 및 제2 다이오드 및 제2 스위치가 직렬 연결된 제2 정류 회로를 포함할 수 있다.
상기 제1 정류 회로와 상기 제2 정류 회로는 서로 병렬 연결될 수 있다.
상기와 같은 본 발명에 따른 브리지리스 정류기를 이용하여 전기차로 무선 전력 전송을 제어하는 방법 및 장치를 이용할 경우에는 전기차 충전 과정에서 발생하는 정렬 상태 변화 및 공진 주파수 변동을 보상하여 충전 효율을 높일 수 있다.
특히 송신측 공진 주파수와 수신측 공진 주파수가 서로 일치될 수 있도록 브리지리스 정류기를 제어하기 때문에 고효율로 무선 전력 전송을 수행할 수 있다.
또한, 결합 계수에 따른 설계 포인트를 최대점 또는 최소점으로 설정하면 단방향으로 브리지리스 정류기를 제어할 수 있어 제어 난이도를 낮출 수 있다.
또한, 결합 계수에 따른 설계 포인트를 중간점으로 설정하면, 양방향으로 브리지리스 정류기를 제어할 수 있어 공진 주파수 변동이 큰 경우에도 공진 주파수 변동분을 보상할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예가 적용되는 전기차를 위한 무선 전력 전송의 개념을 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기차 무선 충전 회로를 도시한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기차 무선 전력 전송에서의 정렬 개념을 설명하기 위한 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템(Wireless Power Transfer system, WPT system)을 나타낸 예시 회로도이다.
도 5는 도 4에 따른 수신측에 브리지리스(bridgeless) 정류기를 구현한 무선 전력 전송 시스템에 대한 등가 회로도이다.
도 6a 내지 도 6b는 브리지리스 정류기의 스위칭 시점과 듀티를 제어하여 등가 출력 임피던스를 제어하는 방법을 설명하기 위한 예시도이다.
도 7a 내지 도 7d는 브리지리스 정류기의 스위칭 시점과 듀티 제어 방법을 설명하기 위한 예시도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템에서 송신패드와 수신패드의 인덕턴스를 확인하기 위한 자기 해석 시뮬레이션 모델에 대한 예시도이다.
도 9는 도 8에 따른 시뮬레이션 모델을 대상으로 결합 계수를 시뮬레이션한 결과이다.
도 10a 내지 도 10d는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템에서 최소 결합 계수 조건을 기준으로 브리지리스 정류기를 제어하는 방법을 설명하기 위한 그래프이다.
도 11a 내지 도 11d는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템에서 최대 결합 계수 조건을 기준으로 브리지리스 정류기를 제어하는 방법을 설명하기 위한 그래프이다.
도 12a 내지 도 12f는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템에서 중간 결합 계수 조건을 기준으로 브리지리스 정류기를 제어하는 방법을 설명하기 위한 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 브리지리스 정류기(bridgeless rectifier)를 이용하여 전기차로 무선 전력 전송을 제어하는 방법에 대한 흐름도이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 브리지리스 정류기(bridgeless rectifier)를 이용하여 전기차로 무선 전력 전송을 제어하는 장치에 대한 구성도이다.
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 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.
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.
본 발명의 일 실시예에서 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.
본 발명의 일 실시예에서 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.
본 발명의 일 실시예에서 전원공급원은 주거지나 공용 전기서비스 또는 차량 탑재 연료를 이용하는 발전기 등을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 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.
본 발명의 일 실시예에서 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.
본 발명의 일 실시예에서 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.
본 발명의 일 실시예에서 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(AC) 전원공급 네트워크에서 전기차로 무접촉 수단을 통해 전기적인 전력을 전송하는 것을 지칭할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 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.
본 발명의 일 실시예에서 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 송신측 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.
본 발명의 일 실시예에서 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.
본 발명의 일 실시예에서 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.
본 발명의 일 실시예에서 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.
본 발명의 일 실시예에서 GA는 프라이머리 디바이스(primary device, PD), 송신측 장치 등으로 지칭될 수 있고, 이와 유사하게 VA는 세컨더리 디바이스(secondary device, SD), 수신측 장치 등으로 지칭될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 프라이머리 디바이스(Primary device)는 세컨더리 디바이스에 무접촉 결합을 제공하는 장치 즉, 전기차 외부의 장치일 수 있다. 프라이머리 디바이스는 송신측 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.
본 발명의 일 실시예에서 세컨더리 디바이스(Secondary device)는 프라이머리 디바이스에 무접촉 결합을 제공하는 전기차 탑재 장치일 수 있다. 세컨더리 디바이스는 수신측 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.
본 발명의 일 실시예에서 그라운드 어셈블리 컨트롤러(GA controller)는 차량으로부터의 정보를 토대로 GA 코일에 대한 출력 전력 레벨을 조절하는 GA의 일부분일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 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.
본 발명의 일 실시예에서 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.
본 발명의 일 실시예에서 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.
본 발명의 일 실시예에서 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.
본 발명의 일 실시예에서 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.
본 발명의 일 실시예에서 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.
본 발명의 일 실시예에서 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.
본 발명의 일 실시예에서 차징 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 발명의 일 실시예에서 급속 충전은 전력계통의 교류 전원을 직류로 변환하고 변환된 직류 전력을 전기차 내에 탑재된 배터리에 직접 공급하는 방식을 의미할 수 있고, 이때 사용 전압으로 약 500 V 이하의 직류 전압이 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 완속 충전은 일반적인 가정이나 직장에 공급되는 교류 전력을 이용하여 전기차 내에 탑재된 배터리를 충전하는 방식으로, 각 가정이나 직장의 콘센트 또는 별도로 설치된 충전 스탠드에 내장된 콘센트를 통하여 교류 전력을 제공하며, 이때 사용 전압으로 220 V의 교류 전압이 사용될 수 있다. 이때, 전기차는 완속 충전을 위해 교류 전력을 승압하고 직류 전원으로 변환하여 배터리에 공급할 수 있는 장치인 온보드 차저(On-Board Charger)를 추가로 구비할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 주파수 튜닝(frequency tuning)이 성능 최적화를 위해 활용될 수 있다. 이때, 주파수 튜닝은 서플라이 디바이스(supply device)에 의해 수행될 수 있으며, 전기차 장치(EV device)에 의해 수행되지는 않을 수 있다. 또한, 전체 범위(full range)에 걸쳐 주파수 튜닝을 제공하는 것이 모든 프라이머리 장치(primary device)로부터 요구될 수 있다. 또한, EVPC(Electric vehicle power controller)는 81,38kHZ - 90,00 kHz 사이의 주파수 영역에서 동작할 수 있다. MF-WPT(Magnetic field wireless power transfer)를 위한 공칭 주파수(nominal frequency, 또는 이하에서 목표 주파수, 설계 주파수 또는 공진 주파수로 지칭될 수 있음)는 85kHz 일 수 있다. 전력 공급 회로(supply power circuit)들은 주파수 튜닝을 제공할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예가 적용되는 전기차를 위한 무선 전력 전송의 개념을 설명하기 위한 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.
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.
다만, 본 발명에 따른 전기차(10)는 전기 모터와 일반적인 내연기관(internal combustion engine)을 함께 갖는 하이브리드 자동차를 포함할 수 있고, 자동차(automobile)뿐만 아니라 모터사이클(motocycle), 카트(cart), 스쿠터(scooter) 및 전기 자전거(electric bicycle)를 포함할 수 있다.
또한, 전기차(10)는 무선으로 배터리(12)를 충전할 수 있도록 수신 코일이 포함된 수전 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 송전 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 수전 패드(11)가 송전 패드(21)에 의한 에너지 장(energy field)에 위치하고, 송전 패드(21)의 송신 코일과 수전 패드(11)의 수신 코일이 서로 상호작용 또는 커플링됨으로써 수행될 수 있다. 상호작용 또는 커플링의 결과로 수전 패드(11)에 기전력이 유도되고, 유도된 기전력에 의해 배터리(12)가 충전될 수 있다.
또한, 차징 스테이션(20)과 송전 패드(21)는 그 전부 또는 일부를 그라운드 어셈블리(Ground Assembly, GA)로 지칭할 수 있고, 그라운드 어셈블리는 앞서 정의한 의미를 참조할 수 있다.
또한, 전기차(10)의 수전 패드(11)와 다른 전기차 내부 구성요소 전부 또는 일부를 비히클 어셈블리(Vehicle Assembly, VA)로 지칭할 수 있는데, 여기서 비히클 어셈블리는 앞서 정의한 의미를 참조할 수 있다.
여기서, 송전 패드 또는 수전 패드는 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.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기차 무선 충전 회로를 도시한 개념도이다.
도 2를 참조하면, 전기차 무선 충전 시스템에서 충전이 이루어지는 회로에 대한 개략적인 구성을 알 수 있다.
여기서, 도 2의 좌측 회로는 전력망에서 공급되는 전원(Vsrc), 도 1에서의 차징 스테이션(20), 송전 패드(21)의 구성 중 전부 또는 일부를 표현한 것으로 해석될 수 있고, 도 2의 우측 회로는 수전 패드 및 배터리를 포함한 전기차의 일부 또는 전부를 표현한 것으로 해석될 수 있다.
먼저, 도 2의 좌측 회로는 전력망에서 공급되는 전원(Vsrc)에 대응되는 출력 전력(Psrc)를 무선 충전 전력 변환기에 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.
구체적으로, 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 있다.
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.
여기서, 도 2의 우측 회로에는 수신 코일(L2)을 배터리(VHV)와 선택적으로 접속 또는 해제하기 위한 스위치(switch)를 더 포함할 수 있다.
여기서, 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.
여기서, 도 2의 회로는 본 발명의 실시예들을 위해서 이용 가능한 전기차 무선 충전 시스템에서의 전력 전송에 관한 예시적 회로로 이해되어야 하며, 도 2에서의 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 송전 패드(21)에 포함되고, 수신 코일(L2)은 도 1에서의 수전 패드(11)에 포함될 수 있다. 또한, 송신 코일은 GA 코일(Ground Assembly coil)로 지칭될 수도 있고, 수신 코일은 VA 코일(Vehicle Assembly coil)로 지칭될 수도 있다. 따라서, 송전 패드와 수전 패드 상호간의 위치 결정 또는 전기차와 송전 패드 상호간의 위치 결정에 관하여 이하 도면을 참조하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기차 무선 전력 전송에서의 정렬 개념을 설명하기 위한 개념도이다.
도 3을 참조하면, 도 1에서의 송전 패드(21) 및 전기차(10)에 내장된 수전 패드(11) 사이의 위치 정렬 방법을 설명할 수 있다. 여기서, 위치 정렬은 앞서 설명한 용어인 얼라인먼트(alignment)에 대응될 수 있고, 따라서, GA와 VA간의 위치 정렬로 정의할 수도 있고, 송전 패드(21)와 수전 패드(11)의 위치 정렬로 한정해석되지 않는다.
여기서, 송전 패드(21)는 도 3에서는 지표면 아래에 위치한 것으로 도시하였으나, 지표면 위에 위치할 수도 있고, 지표면 아래에서 송전 패드(21)의 상면이 노출되도록 위치할 수도 있다.
또한, 전기차의 수전 패드(11)는 지표면을 기준으로 측정된 높이(z방향으로 정의)에 따라 카테고리를 달리하여 정의할 수 있고, 예를 들어 지표면에서 수전 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, 수전 패드(11)에 따라 class 1만을 지원하거나, class 1과 2를 지원할 수도 있는 등 부분적 지원이 가능할 수 있다.
여기서, 지표면을 기준으로 측정된 높이는 앞서 설명한 용어인 차량 마그네틱 지상고에 대응될 수 있다.
또한, 송전 패드(21)의 높이 방향(z방향으로 정의)의 위치는 상기 수전 패드(11)에서 지원하는 최대 클래스와 최소 클래스 사이에 위치하도록 결정할 수 있는데, 예를 들어 수전 패드(11)가 class1과 2만을 지원한다면, 수전 패드(11)를 기준으로 100-210 (mm) 사이에 송전 패드가 위치하도록 결정할 수 있다.
또한, 송전 패드(21)의 중심과 수전 패드(11)의 중심 사이의 격차는 가로 및 세로 방향(x 및 y 방향으로 정의)의 한계값 이내에 위치하도록 결정할 수 있다. 예를 들어, 가로 방향(x방향으로 정의)으로는 ±75 (mm) 이내에 위치하도록 결정할 수 있고, 세로 방향(y방향으로 정의)으로는 ±100 (mm) 이내에 위치하도록 결정할 수 있다.
여기서, 송전 패드(21)와 수전 패드(11)의 상대적 위치는 그 실험적 결과에 따라 한계값이 달라질 수 있고, 상기 수치들은 예시적인 것으로 이해되어야 한다.
또한, 송전 패드(21)와 수전 패드(11)는 각각 코일을 포함하는 것으로 전제하고 패드 상호간의 정렬로 설명하였으나, 더 구체적으로는 송전 패드(21)와 수전 패드(11)에 각각 내장된 송신 코일(또는 GA 코일)과 수신 코일(또는 VA 코일) 상호간의 정렬로 정의할 수도 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템(Wireless Power Transfer system, WPT system)을 나타낸 예시 회로도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템(WPT system)은, 직류 전원(Vdc,link)을 입력받아 교류 전압(Vin)을 출력하는 풀 브리지 인버터(Full bridge inverter, 40), 풀 브리지 인버터(40)로부터 교류 전압을 입력받아 전기차의 수신 패드에 내장된 수신 코일에 유도 기전력을 생성하는 보상 회로(Compensation network, 41), 유도 기전력에 따른 유도 전류(Io,ac)를 정류하여 출력된 전류(Io)를 커패시터(Co)에 저장하는 브리지리스 정류기(bridgeless rectifier, 42), 브리지리스 정류기(42)의 커패시터(Co)에 저장된 에너지를 공급받는 전기차 배터리(Vbatt)를 포함할 수 있다. 이때, 브리지리스 정류기의 커패시터에 따른 전압을 전기차 배터리에 따른 전압으로 변환하는 DC-DC 컨버터(DC to DC Converter)가 전기차 배터리(Vbatt)와 병렬로 연결될 수도 있다.
여기서 풀 브리지 인버터(40)는 직류 전원(Vdc,link)과 병렬로 연결된 제1 직렬 회로 및 제2 직렬 회로를 포함할 수 있다. 이때, 제1 직렬 회로는 제1 스위치(SW1) 및 제3 스위치(SW3)가 직렬 연결된 회로일 수 있다. 제2 직렬 회로는 제4 스위치(SW4) 및 제2 스위치(SW2)가 직렬 연결된 회로일 수 있다. 또한, 풀 브리지 인버터(40)는 제1 스위치(SW1) 및 제3 스위치(SW3) 사이의 접점(Vin+)과 제4 스위치(SW4) 및 제2 스위치(SW2) 사이의 접점(Vin-) 상호간의 전압차(Vin)를 보상 회로(41)의 입력 전압(Vin, 또는 송신측 입력 전압으로 지칭될 수 있음)으로 공급할 수 있다. 여기서 풀 브리지 인버터(40)에 사용되는 스위치로는 모스펫(MOSFET) 스위치가 사용될 수 있다. 또한, 각각의 스위치는 다이오드와 병렬 연결되어 있을 수 있다.
여기서 보상 회로(41)는 풀 브리지 인버터(40)에 의해 전달된 입력 전압(Vin)과 연결되고, 2개의 인덕터(L) 및 2개의 커패시터(C)가 서로 직,병렬 연결(이때 인덕터와 커패시터는 직렬 연결될 수 있음)되어 L-C-C-L 형태를 갖는 송신측 공진 회로(41a) 및 송신측 공진 회로로부터 유도된 기전력에 의해 수신측에 발생한 유도 전류(Io,ac)를 출력하는 수신측 공진 회로(41b)를 포함할 수 있다.
여기서, L-C-C-L 형태의 송신측 공진 회로(41a)는 입력 전압과 직렬로 연결된 입력 인덕터(Lin) 및 제1 커패시터(Cp)를 포함하고, 제1 커패시터(Cp)와 병렬로 연결되며, 제2 커패시터(Cf) 및 송신 코일(Lp)를 직렬로 연결한 회로를 더 포함할 수 있다.
수신측 공진 회로(41b)는 송신 코일(Lp)과 자기적으로 커플링(이때 상호 인덕턴스를 M으로 정의)되어 기전력이 유도되는 수신 코일(Ls) 및 수신 커패시터(Cs)가 직렬 연결되어 있을 수 있다.
여기서 브리지리스 정류기(42)는 제1 다이오드(D1) 및 제5 스위치(SW5)가 직렬 연결된 제1 정류 회로 및 제2 다이오드(D2) 및 제6 스위치(SW6)가 직렬 연결된 제2 정류 회로를 포함할 수 있고, 제1 정류 회로와 제2 정류 회로는 서로 병렬 연결될 수 있다. 또한, 제1 다이오드(D1)와 제5 스위치(SW5) 사이(Vo,ac+)의 노드 및/또는 제2 다이오드(D2)와 제6 스위치(SW6) 사이의 노드(Vo,ac-)를 통해 보상 회로(41, 또는 수신측 공진 회로에 유도된 전류)의 유도 전류(Io,ac)가 유입될 수 있다. 또한, 제1 다이오드(D1)와 제5 스위치(SW5) 사이의 노드(Vo,ac+) 및 제2 다이오드(D2)와 제6 스위치(SW6) 사이의 노드(Vo,ac-) 상호간 전압차(Vo,ac)가 브리지리스 정류기(42)에 대한 입력전압으로 인가될 수 있다. 이때, 제1 다이오드(D1)와 제5 스위치(SW5) 사이의 노드(Vo,ac+) 및 제2 다이오드(D2)와 제6 스위치(SW6) 사이의 노드(Vo,ac-) 상호간 전압차(Vo,ac)는, 이하에서 수신측 공진 회로(41b)의 출력 전압 또는 수신측 출력 전압으로 지칭할 수 있다.
여기서 브리지리스 정류기(42)는 제1 정류 회로 및/또는 제2 정류 회로로부터 정류된 전류(Io)를 제1 정류 회로 및 제2 정류 회로와 병렬 연결된 커패시터(Co)에 저장할 수 있다.
한편, 도 4에 따른 무선 전력 전송 시스템(WPT system)의 회로는 반드시 도 4에 따른 구성으로 한정되는 것이 아니다. 예를 들어, 보상 회로(41)의 공진 회로를 병렬로 구현할 수도 있고, 풀 브리지 인버터 대신에 하프 브리지 인버터 등 다른 인버터들이 사용될 수도 있다.
또한, 도 4에 따른 무선 전력 전송 시스템은 송신측(또는 1차측으로 지칭)과 수신측(또는 2차측으로 지칭)을 회로도 관점에서 함께 도시한 것으로서, 풀 브릿지 인버터(40)와 전송측 공진 회로(41a)는 도 1에 따른 차징 스테이션(20) 및/또는 송신 패드(21)에 포함될 수 있으며, 수신측 공진 회로(41b)와 브리지리스 정류기(42)는 도 1에 따른 전기차(10) 및/또는 전기차(10)의 수신 패드(11)에 포함될 수 있다.
도 5는 도 4에 따른 수신측에 브리지리스(bridgeless) 정류기를 구현한 무선 전력 전송 시스템에 대한 등가 회로도이다.
도 4에 따른 무선 전력 전송 시스템에서, 풀 브릿지 인버터를 포함하는 보상회로 전단을 등가 전압(Vin) 및 전류(Iin)로 치환하고, 브리지리스 정류기 및 전기차 배터리를 포함하는 보상회로 후단을 수신측 등가 출력 임피던스(Zo,ac)로 치환하면, 도 5에 따른 등가 회로도를 도출할 수 있다. 도 5에서, -jwMIs 성분 및 jwMIp 성분은 도 4에 따른 상호 인덕턴스(M)를 주파수 도메인(frequency domain 또는 fourier domain)에서 나타낸 것이다. 또한, 수신측 등가 출력 임피던스에 인가되는 전압은 수신측 등가 출력 전압(Vo,ac, 또는 도 4에 따른 수신측 출력 전압과 동일한 의미)으로 지칭할 수 있다.
도 5에서 보상 회로의 후단에 대한 수신측 등가 출력 임피던스(Zo,ac)는 다음의 수학식 1과 같이 정의될 수 있다.
Figure pat00001
도 5에서 수신측 등가 임피던스(Z22)는 다음의 수학식 2와 같이 계산될 수 있다.
Figure pat00002
수학식 2를 참조하면, 수신측 등가 임피던스(Z22)는 수학식 1에 따른 수신측 등가 출력 임피던스(Zo,ac)를 후단부에 포함하고 있으므로, 수신측 등가 출력 임피던스(Zo,ac)가 변하면 수신측 등가 임피던스(Z22)도 변할 수 있다.
도 5에서 송신측으로 투영된 수신측 등가 임피던스(Zr)는 다음의 수학식 3과 같이 계산될 수 있다.
Figure pat00003
수학식 3을 참조하면, 송신측으로 투영된 수신측 등가 임피던스(Zr, 또는 반사 임피던스로 지칭)도 수학식 1에 따른 등가 출력 임피던스(Zo,ac)를 분모에 포함하고 있으므로, 수신측 등가 출력 임피던스(Zo,ac)가 변하면 송신측으로 투영된 수신측 등가 임피던스(Zr)도 변할 수 있다.
도 5에서 송신측 등가 임피던스(Zin)는 다음의 수학식 4와 같다.
Figure pat00004
수학식 4를 참조하면, 송신측 등가 임피던스(Zin)는 수학식 3에 따른 반사 임피던스(Zr)를 포함하고, 반사 임피던스(Zr)가 수신측 등가 출력 임피던스(Zo,ac)의 변동에 영향받으므로, 송신측 등가 임피던스(Zin) 또한 수신측 등가 출력 임피던스(Zo,ac)에 따라 변할 수 있다.
즉, 수학식 1 내지 4를 종합하면, 수신측 등가 출력 임피던스(Zo,ac)를 제어하면, 수신측 등가 임피던스 뿐만 아니라 송신측 등가 임피던스(및 반사 임피던스)도 변하므로, 송신측 공진 주파수와 수신측 공진 주파수를 모두 제어할 수 있다.
또한, 도 4에 따른 브리지리스 정류기의 스위칭 시점과 듀티(duty)를 제어하면, 수신측 등가 출력 임피던스(Zo,ac)를 제어할 수 있다. 따라서, 전기차 무선 전력 전송 시스템(WPT system)의 수신측에 브리지리스 정류기를 사용하고, 브리지리스 정류기의 스위칭 시점과 듀티(duty)를 제어함으로써, 송신측 공진 주파수와 수신측 공진 주파수의 변동분(송수신 패드의 위치 변화에 따른 변동)을 보상할 수 있다.
도 6a 내지 도 6b는 브리지리스 정류기의 스위칭 시점과 듀티를 제어하여 등가 출력 임피던스를 제어하는 방법을 설명하기 위한 예시도이다.
도 6a에 따른 그래프를 참조하면, 수신측의 등가 출력 임피던스(Zo,ac)를 유도성(inductive)으로 제어하는 경우를 확인할 수 있다.
도 6b에 따른 그래프를 참조하면, 수신측의 등가 출력 임피던스(Zo,ac)를 용량성(capacitive)으로 제어하는 경우를 나타낸다.
도 6a 및 도 6b에서 Vo,ac1 은 도 4에 따른 수신측 출력 전압(Vo,ac)의 기본파를 의미할 수 있으며, Io,ac1은 도 4에 따른 수신측 유도 전류(Io,ac)에 대한 기본파를 의미할 수 있다. 그 밖에 기호는 도 4에 따른 기호와 동일한 것으로 해석될 수 있으며, 이후 그래프에서도 특별한 설명이 없는 한 동일하게 해석된다.
이하의 설명에서는 설명의 편의를 위하여, 도 4에 따른 무선 전력 전송 시스템의 풀 브리지 인버터(40)는 50% 듀티비(duty ratio)로 제어되며, 풀 브리지 인버터(40)에 포함된 4개의 스위치들(SW1, SW2, SW3, SW4)에 대한 스위칭 주파수는 송신측 공진주파수를 추종하여 제어되는 것으로 전제할 수 있다(Zero phase angle, ZPA 동작). 다만, 반드시 이러한 전제에 한정하여 적용될 수 있는 것은 아니고 풀 브리지 인버터(40)의 다른 제어 상황에서도 적용이 가능한 것으로 해석되어야 한다.
도 4에 따른 브리지리스 정류기에 포함된 스위치들(제5 스위치, 제6 스위치)의 스위칭 듀티(duty)를 제어하기 위한 변수를 β[deg.]로 정의할 수 있다. 이때, 변수 β[deg.]는, 수신측 출력 전압(Vo,ac) 값이 0으로 제어되는 위상간격을 의미할 수 있다. 또한, 브리지리스 정류기의 스위칭 듀티가 변동되면, 도 4에 따른 브리지리스 정류기(40)에서 전기차 배터리(Vbatt)로 전달되는 에너지가 변화될 수 있다. 따라서, 송신 패드와 수신 패드 사이의 정렬 상태 변화에 따른 전기차 배터리 전압 변동을 보상하는 방향으로 브리지리스 정류기의 스위칭 듀티(duty)를 제어할 수가 있다. 제어 변수 β(또는 브리지리스 정류기의 스위칭 듀티)는 전기차 배터리의 전압 변동을 보상하는데 활용되므로, 전기차 배터리의 전압(Vbatt), 전류(Ibatt)를 측정하고, 측정된 전압 및/또는 전류를 기반으로 브리지리스 정류기의 스위칭 듀티를 제어할 수 있다. 예를 들어, 브리지리스 정류기의 스위칭 듀티(또는 제어 변수 β)는, 측정된 전기차 배터리의 전류가 일정(예를 들면 10A)하도록 1차적으로 제어(정전류 제어)되고, 전기차 배터리의 전력(Pbatt=Vbatt*Ibatt)이 일정(예를 들면 3.3kW)하도록 2차적으로 제어된 후, 최종적으로 전기차 배터리의 전압(Vbatt)이 일정(예를 들면 410V)하도록 제어될 수 있다. 즉, 정전류 충전 구간, 정전력 충전구간, 정전압 충전 구간이 순차적으로 충전과정에서 존재할 수 있고, 상기 충전과정을 CC-CP-CV 제어로도 지칭할 수 있다. 이때, 정전류 제어가 CC(Constant Current), 정전압 제어가 CP(Constant Power), 정전압 제어가 CV(Constant Voltage)로 약칭될 수 있다.
한편, 도 4에 따른 브리지리스 정류기에 포함된 스위치들(제5 스위치, 제6 스위치)의 스위칭 동작점(또는 시작점)을 제어하기 위한 변수를 γ[deg.] 로 정의할 수 있다. 여기서 변수 γ[deg.]는, 수신측 등가 출력 전압(Vo,ac, 또는 도 4에 따른 수신측 공진 회로의 출력 전압일 수도 있음)의 양의 반주기(61, 63)가 시작하는 지점(60, 62)부터(또는 음의 반주기가 시작하는 지점부터) 변수 β에 따른 위상간격의 정가운데 지점까지의 위상간격으로 정의할 수 있다.
이때, 수신측 출력 전압(Vo,ac)의 양의 반주기의 정중앙에서 변수β에 따른 위상 간격(또는 스위칭 동작점)이 존재하도록 브리지리스 정류기의 스위칭 듀티(duty)를 제어하는 경우, 변수 γ는 90°가 되며 수신측 등가 출력 임피던스(Zo,ac)에는 리액턴스 성분이 존재하지 않을 수 있다. 여기서 리액턴스 성분이 존재하지 않는다는 의미는 수신측 유도 전류(Io,ac)와 수신측 출력 전압(Vo,ac)의 위상차가 없다는 의미이고, 송신측 공진 주파수와 수신측 공진 주파수는 서로 일치한다. 따라서, 송신 패드와 수신 패드 사이의 정렬 상태가 변화하더라도 공진 주파수 변동이 없다면, 브리지리스 정류기의 스위칭 동작점을 변수 γ가 90°가 되도록 유지하고, 변수 β에 따라 브리지리스 정류기의 스위칭 듀티만 변동시켜 전기차 배터리의 전압 변동을 보상할 수 있다.
그러나, 송신측 공진 주파수와 수신측 공진 주파수가 서로 달라지게 되면, 수신측 등가 출력 임피던스(Zo,ac)에 리액턴스 성분이 생길 수 있다. 예를 들어, 변수 γ가 90°보다 크도록 브리지리스 정류기의 스위칭 시점을 제어하면, 수신측 등가 출력 임피던스는 유도성 성분이 될 수 있고, 변수 γ가 90°보다 작도록 브리지리스 정류기의 스위칭 시점을 제어하면, 수신측 등가 출력 임피던스는 용량성 성분이 될 수 있다.
구체적으로, 수신측 등가 출력 임피던스 변화에 따른 송신측, 수신측 공진 주파수 변동 관계는 다음의 표 1과 같다.
Figure pat00005
표 1을 참조하면, 수신측 등가 출력 임피던스(Zo,ac)가 유도성 성분(inductive element)이 되는 경우(또는 리액턴스 성분X가 양수)와 용량성 성분(capacitive element)이 되는 경우(또는 리액턴스 성분 X가 음수)에 대한 공진 주파수 변화를 확인할 수 있다.
먼저 수신측 등가 출력 임피던스(Zo,ac)가 유도성 성분(inductive element)인 경우, 수신측 등가 임피던스(Z22, 도 5 참조)가 추가적인 인덕터(Ladd2)를 포함하는 것과 같은 효과가 있다. 따라서, 표 1에 따른 수신측 공진주파수 식에서 분모가 증가하므로, 수신측 공진 주파수는 감소할 수 있다. 이때, 수신측 등가 임피던스를 송신측으로 투영한 반사 임피던스(Zr, 도 5 참조)에서 수신측 등가 임피던스(Z22)는 분모에 해당한다. 따라서, 반사 임피던스(Zr)는 추가적인 커패시터(Cadd1)를 포함하는 것과 같은 효과가 있다. 반사 임피던스(Zr)가 추가적인 커패시터를 포함할 경우, 송신측에 직렬로 커패시터가 추가되는 것과 같기 때문에, 송신측 공진 주파수는 증가할 수 있다. 정리하면, 수신측 등가 출력 임피던스(Zo,ac)가 유도성 성분(inductive element)인 경우, 수신측 공진 주파수는 감소하고, 송신측 공진 주파수는 증가할 수 있다.
또한, 수신측 등가 출력 임피던스(Zo,ac)가 용량성 성분(capacitive element)인 경우, 수신측 등가 임피던스(Z22, 도 5 참조)가 추가적인 커패시터(Cadd2)를 포함하는 것과 같은 효과가 있다. 따라서, 표 1에 따른 수신측 공진주파수 식에서 분모가 감소하므로, 수신측 공진 주파수는 증가할 수 있다. 이때, 수신측 등가 임피던스를 송신측으로 투영한 반사 임피던스(Zr, 도 5 참조)에서 수신측 등가 임피던스(Z22)는 분모에 해당한다. 따라서, 반사 임피던스(Zr)는 추가적인 인덕터(Ladd1)를 포함하는 것과 같은 효과가 있다. 반사 임피던스(Zr)가 추가적인 인덕터를 포함할 경우, 송신측에 직렬로 인덕터가 추가되는 것과 같기 때문에, 송신측 공진 주파수는 감소할 수 있다. 정리하면, 수신측 등가 출력 임피던스(Zo,ac)가 용량성 성분(capacitive element)인 경우, 수신측 공진 주파수는 증가하고, 송신측 공진 주파수는 감소할 수 있다.
따라서, 표 1과 같은 관계를 기초로 할 때, 또한, 송신측 공진 주파수를 감소시키고, 수신측 공진 주파수를 증가시키고자 한다면, 도 6a에서와 같이 수신측 등가 출력 임피던스(또는 제어 변수 γ가 90도보다 크도록)가 유도성 성분이 되도록 브리지리스 정류기의 스위칭 동작시점을 제어할 수 있다.
또한, 송신측 공진 주파수를 증가시키고, 수신측 공진 주파수를 감소시키고자 한다면, 도 6b에서와 같이 수신측 등가 출력 임피던스가 용량성이 되도록(또는 제어 변수 γ가 90도보다 작도록) 브리지리스 정류기의 스위칭 동작시점을 제어할 수 있다.
도 7a 내지 도 7d는 브리지리스 정류기의 스위칭 시점과 듀티 제어 방법을 설명하기 위한 예시도이다.
도 7a를 참조하면, 제어변수 γ=90°일 때 제어변수 β=30°로 제어하는 경우를 확인할 수 있다. 구체적으로, 제어 변수 γ가 90°이므로, 수신측 등가 출력 전압(Vo,ac)의 양의 반주기가 시작하는 지점에서 90도가 지난 시점(또는 양의 반주기의 중앙 지점)에 제5 스위치(SW5)가 ON 상태로 동작하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 제어 변수 β가 30°이므로, 제5 스위치(SW5)가 온 상태로 동작하는 위상간격은 30°가 될 수 있다. 특히 도 7a에서, 수신측 출력 전압(Vo,ac)의 기본파(Vo,ac1)와 수신측 출력 전류(Io,ac) 사이의 위상차이가 없다. 따라서, 도 7a와 제어변수 γ가 90°가 되도록 브리지리스 정류기의 스위칭 시점을 제어하면, 수신측 등가 출력 임피던스(Zo,ac)가 리액턴스 성분을 갖지 않는(또는 저항 성분만 갖는) 것을 알 수 있다.
마찬가지로, 제어 변수 γ가 90°이므로, 수신측 등가 출력 전압(Vo,ac)의 음의 반주기가 시작하는 지점에서 90도가 지난 시점(또는 음의 반주기의 중앙 지점)에서 제6 스위치(SW6)가 ON 상태로 동작하는 것을 확인할 수 있다. 이때 제6 스위치가 온 상태로 동작하는 위상 간격도 30°가 될 수 있다(제어 변수 β가 30°이기 때문).
즉, 제어 변수 γ를 이용하여, 브리지리스 정류기에 포함된 제5 스위치 및 제6 스위치가 온 상태로 동작하는 시작점(또는 스위칭 시점)을 결정할 수 있고, 제어 변수 β를 이용하여 제5 스위치 및 제6 스위치가 온 상태로 동작하는 위상간격(또는 스위칭 듀티)을 결정할 수 있다.
도 7b를 참조하면, 도 7a에 따른 제어를 기준으로 브리지리스 정류기의 스위칭 듀티만을 제어하는 경우를 확인할 수 있다. 즉, 도 7a에 따른 제어 변수들 중에서 제어 변수 β만 90도로 변경하여 제어하는 경우을 고려한다. 도 7b에서는 도 7a에서와 마찬가지로, 제5 스위치와 제6 스위치가 각각 수신측 등가 출력 전압의 양의 반주기 중앙과 음의 반주기 중앙에서 온 상태로 동작할 수 있다. 다만, 제5 스위치와 제6 스위차가 온 상태로 동작하는 위상간격은 90도가 될 수 있다.
도 7c를 참조하면, 도 7a에 따른 제어를 기준으로 브리지리스 정류기의 스위칭 시점만을 제어하는 경우를 확인할 수 있다. 즉, 도 7a에 따른 제어 변수들 중에서 제어 변수 γ만 40도로 변경하여 제어하는 경우을 고려한다. 도 7b에서는 제5 스위치와 제6 스위치가 각각 수신측 등가 출력 전압의 양의 반주기 시작점과 음의 반주기 시작점에서부터 40도가 되는 지점에서 온 상태로 동작할 수 있다. 다만, 제5 스위치와 제6 스위차가 온 상태로 동작하는 위상간격은 도 7a와 마찬가지로 30도가 될 수 있다.
도 7d를 참조하면, 도 7a에 따른 제어를 기준으로, 브리지리스 정류기의 스위칭 시점과 스위칭 듀티(duty)를 모두 제어하는 경우를 확인할 수 있다. 즉, 도 7a에 따른 제어 변수들에서 제어 변수 γ는 45도로 변경하고, 제어 변수 β는 90도로 제어하는 경우을 고려한다. 도 7d에서는 제5 스위치와 제6 스위치가 각각 수신측 등가 출력 전압의 양의 반주기 시작점과 음의 반주기 시작점에서부터 45도가 되는 지점에서 온 상태로 동작할 수 있다. 또한, 제5 스위치와 제6 스위차가 온 상태로 동작하는 위상간격은 90도가 될 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템에서 송신패드와 수신패드의 인덕턴스를 확인하기 위한 자기 해석 시뮬레이션 모델에 대한 예시도이다. 도 9는 도 8에 따른 시뮬레이션 모델을 대상으로 결합 계수를 시뮬레이션한 결과이다.
도 8을 참조하면, 무선 전력 전송 시스템에서 송신 코일과 수신 코일의 인덕턴스 및 결합 계수(coupling factor)를 측정하기 위한 실험 조건을 확인할 수 있다. 구체적인 실험 조건으로, 송신패드 및 수신 패드는 전기차 무선 전력 전송 표준(SAE J2954)의 WPT1 dimension을 사용하였으며 송신패드 턴 수(더욱 상세하게는 송신 코일의 턴수)는 23턴, 수신패드 턴 수(더욱 상세하게는 수신 코일의 턴수)는 10턴으로 선정하였다. 송신패드와 수신 패드 사이의 수직 이격 조건(도 3 참조, z축 이격거리)은 95 내지 165mm이고, 송신패드와 수신 패드 사이의 수평 이격 조건(도 3 참조, x,y축 이격거리)는 ±75 내지 ±100mm이다.
위와 같이 설정한 실험 조건 내에서, 이격 조건을 달리하여 송신 패드에 포함된 송신 코일과 수신 패드에 포함된 수신 코일 사이의 결합 계수 및 코일들의 인덕턴스를 측정한 결과는 도 9와 같다.
결합 계수가 최대로 측정되었을 때, x,y,z축 이격거리는 각각 0, 60, 95mm이었다. 결합 계수의 최대값(k_max)은 0.214으로 측정되었고, 측정된 최대 결합 계수 조건에서, 송신 코일의 인덕턴스는 483.1[μH]이고, 수신 코일의 인덕턴스는 47.41[μH]이다.
결합 계수가 최소로 측정되었을 때, x,y,z축 이격거리는 각각 75, 100, 165mm이었다(즉, 실험조건에서 각 축의 이격거리가 모두 최대). 결합 계수의 최소값(k_min)은 0.084로 측정되었고, 측정된 최소 결합 계수 조건에서 송신 코일의 인덕턴스는 506.4[μH]이고, 수신 코일의 인덕턴스는 45.18[μH]이다.
결합 계수가 중간값으로 측정되었을 때, x,y,z축 이격거리는 각각 90, 00, 100mm이었다(여기서 00은 이격이 없다는 의미). 결합 계수의 최대값(k_max)은 0.214으로 측정되었고, 측정된 최대 결합 계수 조건에서, 송신 코일의 인덕턴스는 483.1[μH]이고, 수신 코일의 인덕턴스는 47.41[μH]이다.
이상에서 살펴본 실험결과들을 종합하면, 결합 계수의 최대값, 최소값, 중간값에 따라 송신 코일 및 수신 코일에 대한 인덕턴스 변화를 확인할 수 있다. 따라서, 이러한 실험 결과를 기초로 결합 계수가 변화할 때 공진 주파수와 인덕턴스 값의 변화방향을 예상할 수 있고, 이러한 변화를 상쇄하는 방향으로 브리지리스 정류기의 제어를 수행할 필요가 있다.
예를 들어, 미리 설정된 정렬 허용 범위(또는 송신 패드와 수신 패드 상호간 이격 허용 거리)에서 결정된 결합 계수의 최소값, 최대값, 중간값 중 하나에 따라 무선 전력 전송 시스템을 설계하고, 설계된 무선 전력 전송 시스템에서 송신 패드와 수신 패드 상호간 정렬 상태가 변화됨에 따른 공진 주파수 변동, 전기차 배터리 전압의 변동을 보상하도록 브리지리스 정류기의 제어를 수행할 수 있다.
이하에서 결합 계수에 따른 무선 전력 전송 시스템의 설계 및 브리지리스 정류기의 제어 방법을 자세하게 설명한다.
도 10a 내지 도 10d는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템에서 최소 결합 계수 조건을 기준으로 브리지리스 정류기를 제어하는 방법을 설명하기 위한 그래프이다.
송신 패드와 수신 패드의 정렬 상태 변화에 따른 공진 주파수 변동을 보상하기 위한 제어 방법 중 하나는 무선 전력 전송 시스템을 허용가능한 최소 결합계수를 기준으로 송신측과 수신측 공진 주파수를 목적한 주파수에 맞도록 설계하는 것이다.
구체적인 예시로서 (도 9의 결과에 따른) 최소 결합 계수 조건을 기준으로 송신측 공진 주파수와 수신측 공진 주파수가 85 [kHz]가 되도록 설계하고, 송신 패드와 수신 패드 사이의 정렬 상태 변동에 따른 무선 전력 전송 시스템의 상태 변화를 살펴보면 다음의 표 2와 같다.
Figure pat00006
표 2를 참조하면, 최소 결합계수를 기준으로 송신측과 수신측 공진 주파수가 85 [kHz]가 되도록 무선 전력 전송 시스템(도 4 참조)을 설계하였을 때, 패드 정렬 상태가 변동됨에 따라 결합 계수는 유지되거나 최대 결합 계수까지 증가할 수 있다. 만약, 패드 정렬 상태가 변동하더라도 설계 기준점으로 설정한 최소 결합계수에 따른 공진 주파수인 85[kHz]가 송신측과 수신측 모두에서 동일하게 유지된다면, 브리지리스 정류기는 수신측 등가 출력 임피던스(Zo,ac)가 리액턴스 성분을 갖지 않도록 제어 변수 γ가 90도인 상태를 유지하고, 스위칭 듀티만을 변경하여 전기차 배터리의 충전 프로파일을 만족하도록 전기차 배터리의 전압 변동을 보상할 수 있다.또한, 패드 정렬 상태가 변동되고 결합 계수가 최대 결합 계수까지 상승한다면, 표 2에서와 같이 송신측 공진 주파수는 증가하고 수신측 공진 주파수는 감소한다. 따라서, 송신측 공진 주파수는 감소시키고, 수신측 공진 주파수는 증가시키기 위해 수신측 등가 출력 임피던스(Zo,ac)가 용량성 성분이 되도록(표 1에 따른 설명 참조) 브리지리스 정류기의 스위칭 동작시점을 제어하는 것이 필요하다. 다른 표현으로, 브리지리스 정류기에 대한 제어 변수 γ가 90도보다 작아지는 방향으로 스위칭 동작시점을 제어해야 할 수 있다.
여기서 도 4에 따른 풀브릿지 인버터(40)의 스위칭 주파수가 송신측 공진 주파수를 추종하도록 설계되는 것으로 전제로 하였으므로, 결합 계수가 설계조건에서 변동되어 송신측 공진 주파수와 수신측 공진 주파수가 달라진다면, 송신측 공진 회로(41a)의 입력 전압(Vin)과 수신측 출력 전압(Vo,ac) 사이의 위상차가 발생할 수 있다. 따라서, 송신측 공진 회로의 입력 전압(Vin)과 수신측 출력 전압(Vo,ac) 사이의 위상차(Φ)가 존재하는 것을 감지하면 송신측 공진 주파수와 수신측 공진 주파수가 서로 달라진 것을 감지할 수 있다. 예를 들어, 최소 결합 계수를 기준으로 무선 전력 전송 시스템의 송신측 공진 주파수와 수신측 공진 주파수가 서로 일치하도록 설계한 경우에서, 송신측 공진 회로의 입력 전압(Vin)과 수신측 출력 전압(Vo,ac) 사이의 위상차(Φ)가 있으면, 브리지리스 정류기에 대한 제어 변수 γ가 90도보다 작아지는 방향으로 스위칭 동작시점을 제어할 수 있다. 이때, 위상차가 0이 될 때까지 스위칭 동작 시점에 대한 제어가 수행될 수 있다.
도 10a 를 참조하면, 최소 결합 계수를 기준으로 설계조건을 만족하는 경우로서, 송신측 공진 회로의 입력 전압(Vin)과 수신측 출력 전압(Vo,ac)의 주기가 서로 일치하여 위상차(Φ)가 없는 것을 확인할 수 있다.
도 10b를 참조하면, 도 10a에 따른 설계조건에서 패드 정렬 상태가 변동되어 전기차 배터리의 전압이 변동되었으나 위상차(Φ)가 없는 것을 확인할 수 있다. 이러한 경우에서는, 최소 결합 계수를 기준으로 공진 주파수의 변화가 없다고 할 수 있으므로, 전기차 배터리의 전압(Vbatt) 변동을 보상하기 위하여 브리지리스 정류기의 스위칭 듀티(또는 제어 변수 β)만을 제어할 수 있다.
도 10c 및 도 10d를 참조하면, 패드 정렬 상태가 변화함에 따라 결합 계수가 설계 기준 조건이었던 최소 결합 계수에서 최대 결합 계수까지 증가한 경우를 확인할 수 있다. 이때, 도 10c에서는 브리지리스 정류기의 스위칭 듀티만을 제어(제어변수 β 제어)한 경우에 대한 예시로서, 위상차(Φ)가 여전히 존재하는 것을 확인할 수 있다. 반면, 도 10d를 참조하면, 브리지리스 정류기의 스위칭 듀티와 스위칭 동작점(제어 변수 γ가 90도보다 작아지는 방향으로)을 모두 제어하였기 때문에 위상차(Φ)가 발생하지 않게 된 것을 확인할 수 있다.
도 11a 내지 도 11d는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템에서 최대 결합 계수 조건을 기준으로 브리지리스 정류기를 제어하는 방법을 설명하기 위한 그래프이다.
송신 패드와 수신 패드의 정렬 상태 변화에 따른 공진 주파수 변동을 보상하기 위한 제어 방법 중 하나는 무선 전력 전송 시스템을 허용가능한 최대 결합계수를 기준으로 송신측과 수신측 공진 주파수를 목적한 주파수에 맞도록 설계하는 것이다.
구체적인 예시로서 (도 9의 결과에 따른) 최소 결합 계수 조건을 기준으로 송신측 공진 주파수와 수신측 공진 주파수가 85 [kHz]가 되도록 설계하고, 송신 패드와 수신 패드 사이의 정렬 상태 변동에 따른 무선 전력 전송 시스템의 상태 변화를 살펴보면 다음의 표 3과 같다.
Figure pat00007
표 3을 참조하면, 최대 결합계수를 기준으로 송신측과 수신측 공진 주파수가 85 [kHz]가 되도록 무선 전력 전송 시스템(도 4 참조)을 설계하였을 때, 패드 정렬 상태가 변동됨에 따라 결합 계수는 유지되거나 최소 결합 계수까지 감소할 수 있다. 만약, 패드 정렬 상태가 변동하더라도 설계 기준점으로 설정한 최대 결합계수에 따른 공진 주파수인 85[kHz]가 송신측과 수신측 모두에서 동일하게 유지된다면, 브리지리스 정류기는 수신측 등가 출력 임피던스(Zo,ac)가 리액턴스 성분을 갖지 않도록 제어 변수 γ가 90도인 상태를 유지하고, 스위칭 듀티만을 변경하여 전기차 배터리의 충전 프로파일을 만족하도록 전기차 배터리의 전압 변동을 보상할 수 있다.또한, 패드 정렬 상태가 변동되고 결합 계수가 최소 결합 계수까지 감소한다면, 표 3에서와 같이 송신측 공진 주파수는 감소하고 수신측 공진 주파수는 증가한다. 따라서, 송신측 공진 주파수는 증가시키고, 수신측 공진 주파수는 감소시키기 위해 수신측 등가 출력 임피던스(Zo,ac)가 유도성 성분이 되도록(표 1에 따른 설명 참조) 브리지리스 정류기의 스위칭 동작시점을 제어하는 것이 필요하다. 다른 표현으로, 브리지리스 정류기에 대한 제어 변수 γ가 90도보다 증가하는 방향으로 스위칭 동작시점을 제어해야 할 수 있다.
여기서 도 4에 따른 풀브릿지 인버터(40)의 스위칭 주파수가 송신측 공진 주파수를 추종하도록 설계되는 것으로 전제로 하였으므로, 결합 계수가 설계조건에서 변동되어 송신측 공진 주파수와 수신측 공진 주파수가 달라진다면, 송신측 공진 회로(41a)의 입력 전압(Vin)과 수신측 출력 전압(Vo,ac) 사이의 위상차가 발생할 수 있다. 따라서, 송신측 공진 회로의 입력 전압(Vin)과 수신측 출력 전압(Vo,ac) 사이의 위상차(Φ)가 존재하는 것을 감지하면 송신측 공진 주파수와 수신측 공진 주파수가 서로 달라진 것을 감지할 수 있다. 예를 들어, 최대 결합 계수를 기준으로 무선 전력 전송 시스템의 송신측 공진 주파수와 수신측 공진 주파수가 서로 일치하도록 설계한 경우에서, 송신측 공진 회로의 입력 전압(Vin)과 수신측 출력 전압(Vo,ac) 사이의 위상차(Φ)가 있으면, 브리지리스 정류기에 대한 제어 변수 γ가 90도보다 증가하는 방향으로 스위칭 동작시점을 제어할 수 있다. 이때, 위상차가 0이 될 때까지 스위칭 동작 시점에 대한 제어가 수행될 수 있다.
도 11a 를 참조하면, 최대 결합 계수를 기준으로 설계조건을 만족하는 경우로서, 송신측 공진 회로의 입력 전압(Vin)과 수신측 출력 전압(Vo,ac)의 주기가 서로 일치하여 위상차(Φ)가 없는 것을 확인할 수 있다.
도 11b를 참조하면, 도 11a에 따른 설계조건에서 패드 정렬 상태가 변동되어 전기차 배터리의 전압이 변동되었으나 위상차(Φ)가 없는 것을 확인할 수 있다. 이러한 경우에서는, 최대 결합 계수를 기준으로 공진 주파수의 변화가 없다고 할 수 있으므로, 전기차 배터리의 전압(Vbatt) 변동을 보상하기 위하여 브리지리스 정류기의 스위칭 듀티(또는 제어 변수 β)만을 제어할 수 있다.
도 11c 및 도 11d를 참조하면, 패드 정렬 상태가 변화함에 따라 결합 계수가 설계 기준 조건이었던 최대 결합 계수에서 최소 결합 계수까지 감소한 경우를 확인할 수 있다. 이때, 도 11c에서는 브리지리스 정류기의 스위칭 듀티만을 제어(제어변수 β 제어)한 경우에 대한 예시로서, 위상차(Φ)가 여전히 존재하는 것을 확인할 수 있다. 반면, 도 11d를 참조하면, 브리지리스 정류기의 스위칭 듀티와 스위칭 동작점(제어 변수 γ가 90도보다 증가하는 방향으로)을 모두 제어하였기 때문에 위상차(Φ)가 발생하지 않게 된 것을 확인할 수 있다.
도 12a 내지 도 12f는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템에서 중간 결합 계수 조건을 기준으로 브리지리스 정류기를 제어하는 방법을 설명하기 위한 그래프이다.
송신 패드와 수신 패드의 정렬 상태 변화에 따른 공진 주파수 변동을 보상하기 위한 제어 방법 중 하나는 무선 전력 전송 시스템을 허용가능한 결합계수의 중간값을 기준으로 송신측과 수신측 공진 주파수를 목적한 주파수에 맞도록 설계하는 것이다.
구체적인 예시로서 (도 9의 결과에 따른) 중간 결합 계수 조건을 기준으로 송신측 공진 주파수와 수신측 공진 주파수가 85 [kHz]가 되도록 설계하고, 송신 패드와 수신 패드 사이의 정렬 상태 변동에 따른 무선 전력 전송 시스템의 상태 변화를 살펴보면 다음의 표 4과 같다.
Figure pat00008
표 4를 참조하면, 중간 결합계수를 기준으로 송신측과 수신측 공진 주파수가 85 [kHz]가 되도록 무선 전력 전송 시스템(도 4 참조)을 설계하였을 때, 패드 정렬 상태가 변동됨에 따라 결합 계수는 유지되거나 최소/최대 결합 계수까지 변동할 수 있다. 만약, 패드 정렬 상태가 변동하더라도 설계 기준점으로 설정한 중간 결합계수에 따른 공진 주파수인 85[kHz]가 송신측과 수신측 모두에서 동일하게 유지된다면, 브리지리스 정류기는 수신측 등가 출력 임피던스(Zo,ac)가 리액턴스 성분을 갖지 않도록 제어 변수 γ가 90도인 상태를 유지하고, 스위칭 듀티만을 변경하여 전기차 배터리의 충전 프로파일을 만족하도록 전기차 배터리의 전압 변동을 보상할 수 있다.또한, 패드 정렬 상태가 변동되고 결합 계수가 최소 결합 계수까지 감소할 수 있다. 이러한 경우 수신측 등가 출력 임피던스(Zo,ac)가 유도성 성분이 되도록(표 1에 따른 설명 참조) 브리지리스 정류기의 스위칭 동작시점을 제어하는 것이 필요하다. 다른 표현으로, 송신측 공진 회로(41a)의 입력 전압(Vin)과 수신측 출력 전압(Vo,ac) 사이의 위상차가 발생하면, 브리지리스 정류기에 대한 제어 변수 γ가 90도보다 증가하는 방향으로 스위칭 동작시점을 제어해야 할 수 있다.
또한, 패드 정렬 상태가 변동되고 결합 계수가 최대 결합 계수까지 증가할 수 있다. 이러한 경우 수신측 등가 출력 임피던스(Zo,ac)가 용량성 성분이 되도록(표 1에 따른 설명 참조) 브리지리스 정류기의 스위칭 동작시점을 제어하는 것이 필요하다. 다른 표현으로, 송신측 공진 회로(41a)의 입력 전압(Vin)과 수신측 출력 전압(Vo,ac) 사이의 위상차가 발생하면, 브리지리스 정류기에 대한 제어 변수 γ가 90도보다 감소하는 방향으로 스위칭 동작시점을 제어해야 할 수 있다.
한편, 중간 결합 계수를 기준으로 무선 전력 전송 시스템을 설계할 경우, 결합 계수가 증가하거나 감소하는지 여부를 예상하기 어려울 수 있다. 이러한 경우에는 일반적으로 결합 계수가 증가하면 송신측 공진 회로(41a)의 입력 전압(Vin)과 수신측 출력 전압(Vo,ac) 사이의 위상차(Φ)가 증가하는 점을 이용하여 제어 방향을 결정할 수 있다. 예를 들어 상기 위상차가 증가하면, 결합 계수가 증가하므로, 브리지리스 정류기에 대한 제어 변수 γ가 90도보다 감소하는 방향으로 스위칭 동작시점을 제어할 수 있다. 또한, 상기 위상차가 감소하면, 결합 계수가 감소하므로, 브리지리스 정류기에 대한 제어 변수 γ가 90도보다 증가하는 방향으로 스위칭 동작시점을 제어할 수 있다.
도 12a 를 참조하면, 중간 결합 계수를 기준으로 설계조건을 만족하는 경우로서, 송신측 공진 회로의 입력 전압(Vin)과 수신측 출력 전압(Vo,ac)의 주기가 서로 일치하여 위상차(Φ)가 없는 것을 확인할 수 있다.
도 12b를 참조하면, 도 12a에 따른 설계조건에서 패드 정렬 상태가 변동되어 전기차 배터리의 전압이 변동되었으나 위상차(Φ)가 없는 것을 확인할 수 있다. 이러한 경우에서는, 전기차 배터리의 전압(Vbatt) 변동을 보상하기 위하여 브리지리스 정류기의 스위칭 듀티(또는 제어 변수 β)만을 제어할 수 있다.
도 12c 및 도 12d를 참조하면, 패드 정렬 상태가 변화함에 따라 결합 계수가 설계 기준 조건이었던 중간 결합 계수에서 최소 결합 계수까지 감소한 경우를 확인할 수 있다. 이때, 도 12c에서는 브리지리스 정류기의 스위칭 듀티만을 제어(제어변수 β 제어)한 경우에 대한 예시로서, 위상차(Φ)가 여전히 존재하는 것을 확인할 수 있다. 반면, 도 12d를 참조하면, 브리지리스 정류기의 스위칭 듀티와 스위칭 동작점(제어 변수 γ가 90도보다 증가하는 방향으로)을 모두 제어하였기 때문에 위상차(Φ)가 발생하지 않게 된 것을 확인할 수 있다.
도 12e 및 도 12f를 참조하면, 패드 정렬 상태가 변화함에 따라 결합 계수가 설계 기준 조건이었던 중간 결합 계수에서 최대 결합 계수까지 증가한 경우를 확인할 수 있다. 이때, 도 12e에서는 브리지리스 정류기의 스위칭 듀티만을 제어(제어변수 β 제어)한 경우에 대한 예시로서, 위상차(Φ)가 여전히 존재하는 것을 확인할 수 있다. 반면, 도 12f를 참조하면, 브리지리스 정류기의 스위칭 듀티와 스위칭 동작점(제어 변수 γ가 90도보다 감소하는 방향으로)을 모두 제어하였기 때문에 위상차(Φ)가 발생하지 않게 된 것을 확인할 수 있다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 브리지리스 정류기(bridgeless rectifier)를 이용하여 전기차로 무선 전력 전송을 제어하는 방법에 대한 흐름도이다.
도 13을 참조하면, 브리지리스 정류기를 이용하여 전기차로 무선 전력 전송을 제어하는 방법은, 송신측 공진 회로의 입력 전압과 수신측 공진 회로의 출력 전압 사이의 위상차를 감지하는 단계(S100), 상기 위상차가 감지되면 미리 설정된 설계 조건에 따른 공진 주파수 변화 방향을 예측하는 단계(S110) 및 예측된 변화 방향을 보상하는 방향으로 상기 브리지리스 정류기에 포함된 스위치들의 동작 시점을 제어하는 단계(S120)를 포함할 수 있다.
상기 브리지리스 정류기는, 제1 다이오드 및 제1 스위치가 직렬 연결된 제1 정류 회로 및 제2 다이오드 및 제2 스위치가 직렬 연결된 제2 정류 회로를 포함할 수 있다. 여기서 제1 다이오드는 도 4에 따른 제1 다이오드(D1)을 의미할 수 있고, 제1 스위치는 도 4에 따른 제5 스위치(SW5)를 의미할 수 있고, 제2 다이오드는 도 4에 따른 제2 다이오드(D2)를 의미할 수 있고, 제2 스위치는 도 4에 따른 제6 스위치(SW6)을 의미할 수 있다.
상기 제1 정류 회로와 상기 제2 정류 회로는 서로 병렬 연결될 수 있다.
상기 송신측 공진 회로 및 상기 수신측 공진 회로는, 송신 패드와 수신 패드 사이에 허용 이격 범위 내에서 도출되는 결합 계수의 최소값, 최대값, 중간값 중 어느 하나에 따라 설정된 목표 공진 주파수를 함께 만족하도록 구성될 수 있다.
상기 수신측 공진 회로의 출력 전압은, 상기 제1 다이오드와 상기 제1 스위치 사이의 노드 및 상기 제2 다이오드와 제2 스위치 사이의 노드 상호간 전압차로서 상기 브리지리스 정류기에 인가될 수 있다.
상기 스위치들의 동작 시점을 제어하는 단계(S120)는, 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치가 동작하는 시점을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 스위치들의 동작 시점을 제어하는 단계(S120)는, 상기 송신측 공진 회로 및 상기 수신측 공진 회로가 상기 결합 계수의 최소값에 따라 설정된 목표 공진 주파수를 함께 만족하도록 구성된 경우, 상기 출력 전압의 양의 반주기 또는 음의 반주기가 시작하는 시점부터 위상이 90도가 지난 지점을 기준으로, 위상이 감소하는 방향으로 상기 스위치들의 동작 시점을 변경할 수 있다.
상기 스위치들의 동작 시점을 제어하는 단계(S120)는, 상기 송신측 공진 회로 및 상기 수신측 공진 회로가 상기 결합 계수의 최대값에 따라 설정된 목표 공진 주파수를 함께 만족하도록 구성된 경우, 상기 출력 전압의 양의 반주기 또는 음의 반주기가 시작하는 시점부터 위상이 90도가 지난 지점을 기준으로, 위상이 증가하는 방향으로 상기 스위치들의 동작 시점을 변경할 수 있다.
상기 위상차를 감지하는 단계(S100) 이후에, 상기 위상차가 감지되지 않으면, 상기 출력 전압의 양의 반주기 또는 음의 반주기가 시작하는 시점부터 위상이 90도가 지난 지점이 상기 스위치들이 동작하는 중앙점이 되도록 상기 스위치들을 제어할 수 있다.
상기 브리지리스 정류기를 이용하여 전기차로 무선 전력 전송을 제어하는 방법은, 상기 브리지리스 정류기의 출력 전류가 전달되는 전기차 배터리의 전압과 전류를 감지하는 단계 및 감지된 전압 또는 전류가 미리 설정한 요구사항을 만족하지 않으면, 상기 스위치들의 스위칭 듀티(duty)를 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 위상차를 감지하는 단계(S100) 이후에, 상기 위상차가 감지되지 않으면, 상기 출력 전압의 양의 반주기 또는 음의 반주기가 시작하는 시점부터 위상이 90도가 지난 지점이 상기 스위치들이 동작하는 중앙점이 되도록 상기 스위치들을 제어할 수 있다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 브리지리스 정류기(bridgeless rectifier)를 이용하여 전기차로 무선 전력 전송을 제어하는 장치에 대한 구성도이다.
도 14를 참조하면, 브리지리스 정류기(bridgeless rectifier)를 이용하여 전기차로 무선 전력 전송을 제어하는 장치(100)는, 적어도 하나의 프로세서(processor, 110) 및 상기 적어도 하나의 프로세서가 적어도 하나의 단계를 수행하도록 지시하는 명령어들(instructions)을 저장하는 메모리(memory, 120)를 포함할 수 있다.
또한, 브리지리스 정류기(bridgeless rectifier)를 이용하여 전기차로 무선 전력 전송을 제어하는 장치(100)는, 유무선 네트워크를 통해 통신을 수행하는 송수신 장치(transceiver, 130)를 포함할 수 있다. 또한, 브리지리스 정류기(bridgeless rectifier)를 이용하여 전기차로 무선 전력 전송을 제어하는 장치(100)는 입력 인터페이스 장치(140), 출력 인터페이스 장치(150), 저장 장치(160) 등을 더 포함할 수 있다. 브리지리스 정류기(bridgeless rectifier)를 이용하여 전기차로 무선 전력 전송을 제어하는 장치(100)에 포함된 각각의 구성 요소들은 버스(bus, 170)에 의해 연결되어 서로 통신을 수행할 수 있다.
여기서 프로세서(110)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(120) 및 저장 장치(160) 각각은 휘발성 저장 매체 및 비휘발성 저장 매체 중에서 적어도 하나로 구성될 수 있다. 예를 들어, 메모리(120)는 읽기 전용 메모리(read only memory, ROM) 및 랜덤 액세스 메모리(random access memory, RAM) 중에서 적어도 하나로 구성될 수 있다.
상기 적어도 하나의 단계는, 송신측 공진 회로의 입력 전압과 수신측 공진 회로의 출력 전압 사이의 위상차를 감지하는 단계, 상기 위상차가 감지되면 미리 설정된 설계 조건에 따른 공진 주파수 변화 방향을 예측하는 단계 및 예측된 변화 방향을 보상하는 방향으로 상기 브리지리스 정류기에 포함된 스위치들의 동작 시점을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 브리지리스 정류기는, 제1 다이오드 및 제1 스위치가 직렬 연결된 제1 정류 회로 및 제2 다이오드 및 제2 스위치가 직렬 연결된 제2 정류 회로를 포함할 수 있다.
상기 제1 정류 회로와 상기 제2 정류 회로는 서로 병렬 연결될 수 있다.
상기 송신측 공진 회로 및 상기 수신측 공진 회로는, 송신 패드와 수신 패드 사이에 허용 이격 범위 내에서 도출되는 결합 계수의 최소값, 최대값, 중간값 중 어느 하나에 따라 설정된 목표 공진 주파수를 함께 만족하도록 구성될 수 있다.
상기 수신측 공진 회로의 출력 전압은, 상기 제1 다이오드와 상기 제1 스위치 사이의 노드 및 상기 제2 다이오드와 제2 스위치 사이의 노드 상호간 전압차로서 상기 브리지리스 정류기에 인가될 수 있다.
상기 스위치들의 동작 시점을 제어하는 단계는, 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치가 동작하는 시점을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 스위치들의 동작 시점을 제어하는 단계는, 상기 송신측 공진 회로 및 상기 수신측 공진 회로가 상기 결합 계수의 최소값에 따라 설정된 목표 공진 주파수를 함께 만족하도록 구성된 경우, 상기 출력 전압의 양의 반주기 또는 음의 반주기가 시작하는 시점부터 위상이 90도가 지난 지점을 기준으로, 위상이 감소하는 방향으로 상기 스위치들의 동작 시점을 변경할 수 있다.
상기 스위치들의 동작 시점을 제어하는 단계는, 상기 송신측 공진 회로 및 상기 수신측 공진 회로가 상기 결합 계수의 최대값에 따라 설정된 목표 공진 주파수를 함께 만족하도록 구성된 경우, 상기 출력 전압의 양의 반주기 또는 음의 반주기가 시작하는 시점부터 위상이 90도가 지난 지점을 기준으로, 위상이 증가하는 방향으로 상기 스위치들의 동작 시점을 변경할 수 있다.
상기 위상차를 감지하는 단계 이후에, 상기 위상차가 감지되지 않으면, 상기 출력 전압의 양의 반주기 또는 음의 반주기가 시작하는 시점부터 위상이 90도가 지난 지점이 상기 스위치들이 동작하는 중앙점이 되도록 상기 스위치들을 제어할 수 있다.
상기 적어도 하나의 단계는, 상기 브리지리스 정류기의 출력 전류가 전달되는 전기차 배터리의 전압과 전류를 감지하는 단계 및 감지된 전압 또는 전류가 미리 설정한 요구사항을 만족하지 않으면, 상기 스위치들의 스위칭 듀티(duty)를 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 위상차를 감지하는 단계 이후에, 상기 위상차가 감지되지 않으면, 상기 출력 전압의 양의 반주기 또는 음의 반주기가 시작하는 시점부터 위상이 90도가 지난 지점이 상기 스위치들이 동작하는 중앙점이 되도록 상기 스위치들을 제어할 수 있다.
상기 브리지리스 정류기(bridgeless rectifier)를 이용하여 전기차로 무선 전력 전송을 제어하는 장치(100)는 도 1에 따른 챠징 스테이션에 내장될 수도 있고, 도 1에 따른 전기차에 내장될 수도 있다.
챠징 스테이션에 브리지리스 정류기(bridgeless rectifier)를 이용하여 전기차로 무선 전력 전송을 제어하는 장치(100)가 내장되는 경우에는, 전기차(또는 전기차에 포함된 통신모듈)로 브리지리스 정류기의 스위칭 시점과 듀티(duty)를 지시하는 메시지가 챠징 스테이션에서 전기차로 전송될 수 있다.
또한, 전기차에 브리지리스 정류기(bridgeless rectifier)를 이용하여 전기차로 무선 전력 전송을 제어하는 장치(100)가 내장되는 경우에는, 전기차 내에서 별도의 장치로서 뿐만 아니라 전기차의 개별 구성요소들과 결합되어 구현될 수도 있다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 브리지리스 정류기를 이용하여 무선 전력 전송을 제어하는 전기차를 제공할 수 있다.
상기 브리지리스 정류기를 이용하여 무선 전력 전송을 제어하는 전기차는, 적어도 하나의 프로세서(processor), 상기 적어도 하나의 프로세서가 적어도 하나의 단계를 수행하도록 지시하는 명령어들(instructions)을 저장하는 메모리(memory), 송신 코일과 전자기적으로 커플링되고 상기 송신 코일로부터 유도 전력을 전달받는 수신측 공진 회로, 상기 수신측 공진 회로의 출력 전류를 정류하여 출력하는 브리지리스 정류기 및 상기 브리지리스 정류기의 출력을 통해 에너지를 전달받아 저장하고, 상기 전기차에 에너지를 공급하는 배터리(battery)를 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 단계는, 상기 송신 코일을 포함하는 송신측 공진 회로의 입력 전압과 상기 수신측 공진 회로의 출력 전압 사이의 위상차를 감지하는 단계, 상기 위상차가 감지되면 미리 설정된 설계 조건에 따른 공진 주파수 변화 방향을 예측하는 단계 및 예측된 변화 방향을 보상하는 방향으로 상기 브리지리스 정류기에 포함된 스위치들의 동작 시점을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 브리지리스 정류기는, 제1 다이오드 및 제1 스위치가 직렬 연결된 제1 정류 회로 및 제2 다이오드 및 제2 스위치가 직렬 연결된 제2 정류 회로를 포함할 수 있다.
상기 제1 정류 회로와 상기 제2 정류 회로는 서로 병렬 연결될 수 있다.
그 밖에도 상기 적어도 하나의 단계는, 도 13에 따른 방법 또는 단계들을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 브리지리스 정류기를 이용하여 전기차로 무선 전력 전송을 제어하는 방법 및 장치를 이용할 경우에는 전기차 충전 과정에서 발생하는 정렬 상태 변화 및 공진 주파수 변동을 보상하여 충전 효율을 높일 수 있다.
특히 송신측 공진 주파수와 수신측 공진 주파수가 서로 일치될 수 있도록 브리지리스 정류기를 제어하기 때문에 고효율로 무선 전력 전송을 수행할 수 있다.
또한, 결합 계수에 따른 설계 포인트를 최대점 또는 최소점으로 설정하면 단방향으로 브리지리스 정류기를 제어할 수 있어 제어 난이도를 낮출 수 있다.
또한, 결합 계수에 따른 설계 포인트를 중간점으로 설정하면, 양방향으로 브리지리스 정류기를 제어할 수 있어 공진 주파수 변동이 큰 경우에도 공진 주파수 변동분을 보상할 수 있다.
본 발명에 따른 방법들은 다양한 컴퓨터 수단을 통해 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위해 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.
컴퓨터 판독 가능 매체의 예에는 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리(flash memory) 등과 같이 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함될 수 있다. 프로그램 명령의 예에는 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. 상술한 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 적어도 하나의 소프트웨어 모듈로 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
또한, 상술한 방법 또는 장치는 그 구성이나 기능의 전부 또는 일부가 결합되어 구현되거나, 분리되어 구현될 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. 브리지리스 정류기(bridgeless rectifier)를 이용하여 전기차로 무선 전력 전송을 제어하는 방법으로,
    송신측 공진 회로의 입력 전압과 수신측 공진 회로의 출력 전압 사이의 위상차를 감지하는 단계;
    상기 위상차가 감지되면 미리 설정된 설계 조건에 따른 공진 주파수 변화 방향을 예측하는 단계; 및
    예측된 변화 방향을 보상하는 방향으로 상기 브리지리스 정류기에 포함된 스위치들의 동작 시점을 제어하는 단계를 포함하는, 전기차로 무선 전력 전송을 제어하는 방법.
  2. 청구항 1에서,
    상기 브리지리스 정류기는,
    제1 다이오드 및 제1 스위치가 직렬 연결된 제1 정류 회로; 및 제2 다이오드 및 제2 스위치가 직렬 연결된 제2 정류 회로를 포함하고,
    상기 제1 정류 회로와 상기 제2 정류 회로는 서로 병렬 연결되는, 전기차로 무선 전력 전송을 제어하는 방법.
  3. 청구항 2에서,
    상기 송신측 공진 회로 및 상기 수신측 공진 회로는,
    송신 패드와 수신 패드 사이에 허용 이격 범위 내에서 도출되는 결합 계수의 최소값, 최대값, 중간값 중 어느 하나에 따라 설정된 목표 공진 주파수를 함께 만족하도록 구성되는, 전기차로 무선 전력 전송을 제어하는 방법.
  4. 청구항 2에서,
    상기 수신측 공진 회로의 출력 전압은,
    상기 제1 다이오드와 상기 제1 스위치 사이의 노드 및 상기 제2 다이오드와 제2 스위치 사이의 노드 상호간 전압차로서 상기 브리지리스 정류기에 인가되는, 전기차로 무선 전력 전송을 제어하는 방법.
  5. 청구항 3에서,
    상기 스위치들의 동작 시점을 제어하는 단계는,
    상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치가 동작하는 시점을 제어하는, 전기차로 무선 전력 전송을 제어하는 방법.
  6. 청구항 3에서,
    상기 스위치들의 동작 시점을 제어하는 단계는,
    상기 송신측 공진 회로 및 상기 수신측 공진 회로가 상기 결합 계수의 최소값에 따라 설정된 목표 공진 주파수를 함께 만족하도록 구성된 경우,
    상기 출력 전압의 양의 반주기 또는 음의 반주기가 시작하는 시점부터 위상이 90도가 지난 지점을 기준으로, 위상이 감소하는 방향으로 상기 스위치들의 동작 시점을 변경하는, 전기차로 무선 전력 전송을 제어하는 방법.
  7. 청구항 3에서,
    상기 스위치들의 동작 시점을 제어하는 단계는,
    상기 송신측 공진 회로 및 상기 수신측 공진 회로가 상기 결합 계수의 최대값에 따라 설정된 목표 공진 주파수를 함께 만족하도록 구성된 경우,
    상기 출력 전압의 양의 반주기 또는 음의 반주기가 시작하는 시점부터 위상이 90도가 지난 지점을 기준으로, 위상이 증가하는 방향으로 상기 스위치들의 동작 시점을 변경하는, 전기차로 무선 전력 전송을 제어하는 방법.
  8. 청구항 1에서,
    상기 위상차를 감지하는 단계 이후에,
    상기 위상차가 감지되지 않으면, 상기 출력 전압의 양의 반주기 또는 음의 반주기가 시작하는 시점부터 위상이 90도가 지난 지점이 상기 스위치들이 동작하는 중앙점이 되도록 상기 스위치들을 제어하는, 전기차로 무선 전력 전송을 제어하는 방법.
  9. 청구항 1에서,
    상기 브리지리스 정류기의 출력 전류가 전달되는 전기차 배터리의 전압과 전류를 감지하는 단계; 및
    감지된 전압 또는 전류가 미리 설정한 요구사항을 만족하지 않으면, 상기 스위치들의 스위칭 듀티(duty)를 제어하는 단계를 더 포함하는, 전기차로 무선 전력 전송을 제어하는 방법.
  10. 브리지리스 정류기(bridgeless rectifier)를 이용하여 전기차로 무선 전력 전송을 제어하는 장치로서,
    적어도 하나의 프로세서(processor); 및
    상기 적어도 하나의 프로세서가 적어도 하나의 단계를 수행하도록 지시하는 명령어들(instructions)을 저장하는 메모리(memory)를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 단계는,
    송신측 공진 회로의 입력 전압과 수신측 공진 회로의 출력 전압 사이의 위상차를 감지하는 단계;
    상기 위상차가 감지되면 미리 설정된 설계 조건에 따른 공진 주파수 변화 방향을 예측하는 단계; 및
    예측된 변화 방향을 보상하는 방향으로 상기 브리지리스 정류기에 포함된 스위치들의 동작 시점을 제어하는 단계를 포함하는, 전기차로 무선 전력 전송을 제어하는 장치.
  11. 청구항 10에서,
    상기 브리지리스 정류기는,
    제1 다이오드 및 제1 스위치가 직렬 연결된 제1 정류 회로; 및 제2 다이오드 및 제2 스위치가 직렬 연결된 제2 정류 회로를 포함하고,
    상기 제1 정류 회로와 상기 제2 정류 회로는 서로 병렬 연결되는, 전기차로 무선 전력 전송을 제어하는 장치.
  12. 청구항 11에서,
    상기 송신측 공진 회로 및 상기 수신측 공진 회로는,
    송신 패드와 수신 패드 사이에 허용 이격 범위 내에서 도출되는 결합 계수의 최소값, 최대값, 중간값 중 어느 하나에 따라 설정된 목표 공진 주파수를 함께 만족하도록 구성되는, 전기차로 무선 전력 전송을 제어하는 장치.
  13. 청구항 11에서,
    상기 수신측 공진 회로의 출력 전압은,
    상기 제1 다이오드와 상기 제1 스위치 사이의 노드 및 상기 제2 다이오드와 제2 스위치 사이의 노드 상호간 전압차로서 상기 브리지리스 정류기에 인가되는, 전기차로 무선 전력 전송을 제어하는 장치.
  14. 청구항 12에서,
    상기 스위치들의 동작 시점을 제어하는 단계는,
    상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치가 동작하는 시점을 제어하는, 전기차로 무선 전력 전송을 제어하는 장치.
  15. 청구항 12에서,
    상기 스위치들의 동작 시점을 제어하는 단계는,
    상기 송신측 공진 회로 및 상기 수신측 공진 회로가 상기 결합 계수의 최소값에 따라 설정된 목표 공진 주파수를 함께 만족하도록 구성된 경우,
    상기 출력 전압의 양의 반주기 또는 음의 반주기가 시작하는 시점부터 위상이 90도가 지난 지점을 기준으로, 위상이 감소하는 방향으로 상기 스위치들의 동작 시점을 변경하는, 전기차로 무선 전력 전송을 제어하는 장치.
  16. 청구항 12에서,
    상기 스위치들의 동작 시점을 제어하는 단계는,
    상기 송신측 공진 회로 및 상기 수신측 공진 회로가 상기 결합 계수의 최대값에 따라 설정된 목표 공진 주파수를 함께 만족하도록 구성된 경우,
    상기 출력 전압의 양의 반주기 또는 음의 반주기가 시작하는 시점부터 위상이 90도가 지난 지점을 기준으로, 위상이 증가하는 방향으로 상기 스위치들의 동작 시점을 변경하는, 전기차로 무선 전력 전송을 제어하는 장치.
  17. 청구항 10에서,
    상기 위상차를 감지하는 단계 이후에,
    상기 위상차가 감지되지 않으면, 상기 출력 전압의 양의 반주기 또는 음의 반주기가 시작하는 시점부터 위상이 90도가 지난 지점이 상기 스위치들이 동작하는 중앙점이 되도록 상기 스위치들을 제어하는, 전기차로 무선 전력 전송을 제어하는 장치.
  18. 청구항 10에서,
    상기 브리지리스 정류기의 출력 전류가 전달되는 전기차 배터리의 전압과 전류를 감지하는 단계; 및
    감지된 전압 또는 전류가 미리 설정한 요구사항을 만족하지 않으면, 상기 스위치들의 스위칭 듀티(duty)를 제어하는 단계를 더 포함하는, 전기차로 무선 전력 전송을 제어하는 장치.
  19. 브리지리스 정류기(bridgeless rectifier)를 이용하여 무선 전력 전송을 제어하는 전기차로서,
    적어도 하나의 프로세서(processor);
    상기 적어도 하나의 프로세서가 적어도 하나의 단계를 수행하도록 지시하는 명령어들(instructions)을 저장하는 메모리(memory);
    송신 코일과 전자기적으로 커플링되고 상기 송신 코일로부터 유도 전력을 전달받는 수신측 공진 회로;
    상기 수신측 공진 회로의 출력 전류를 정류하여 출력하는 브리지리스 정류기; 및
    상기 브리지리스 정류기의 출력을 통해 에너지를 전달받아 저장하고, 상기 전기차에 에너지를 공급하는 배터리(battery)를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 단계는,
    상기 송신 코일을 포함하는 송신측 공진 회로의 입력 전압과 상기 수신측 공진 회로의 출력 전압 사이의 위상차를 감지하는 단계;
    상기 위상차가 감지되면 미리 설정된 설계 조건에 따른 공진 주파수 변화 방향을 예측하는 단계; 및
    예측된 변화 방향을 보상하는 방향으로 상기 브리지리스 정류기에 포함된 스위치들의 동작 시점을 제어하는 단계를 포함하는, 전기차.
  20. 청구항 19에서,
    상기 브리지리스 정류기는,
    제1 다이오드 및 제1 스위치가 직렬 연결된 제1 정류 회로; 및 제2 다이오드 및 제2 스위치가 직렬 연결된 제2 정류 회로를 포함하고,
    상기 제1 정류 회로와 상기 제2 정류 회로는 서로 병렬 연결되는, 전기차.
KR1020190054749A 2008-06-01 2019-05-10 브리지리스 정류기를 이용하여 전기차로 무선 전력 전송을 제어하는 방법 및 장치 KR20190137686A (ko)

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