KR20200096401A - 전기차량 및 산업용 장비의 주행 중 무선충전 급전 시스템 - Google Patents

전기차량 및 산업용 장비의 주행 중 무선충전 급전 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 무선충전 급전 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전기 버스, 전기 승용차, 트램, 경전철, 지하철 등의 전기차량 및 RTGC(Rubber Tyred Gantry Crane)를 포함한 산업용 장비의 운행 중 무선충전 급전 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 종래 급전선로 상의 내압 문제를 도로 밖에 존재하는 '함' 또는 '인버터'에 구비된 캐패시터와, 급전선로 설계 방안 및 공통선 배치 설계로 해결함으로써 주행중 무선 급전선로의 확장을 가능하게 하며, 이러한 확장성에 따라 무선 충전 시스템의 경제성 문제를 크게 개선한다. 이와 함께 종래 다수의 인버터를 사용하는 방식에 의해 주행중 차량에 설치된 다양한 무선 충전 집전 패드와 호환성을 유지시키는 방식과 대비하여, '함'과 '인버터'내에 존재하는 릴레이를 활용함으로써 더욱 저렴한 비용으로 그와 같은 호환성을 충분히 만족시키는 무선 충전 급전 시스템을 제공하며, 나아가, 공통선의 구조 및 차폐관을 이용하여 자기장 상쇄 효과를 극대화함으로써 급전선로의 EMI(ElectroMagnetic Interference)를 저감시킨다.

Description

전기차량 및 산업용 장비의 주행 중 무선충전 급전 시스템{Wireless charging power supply system during running of electric vehicles and industrial equipment}
본 발명은 무선충전 급전 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전기 버스, 전기 승용차, 트램, 경전철, 지하철 등의 전기차량 및 RTGC(Rubber Tyred Gantry Crane)를 포함한 산업용 장비의 운행 중 무선충전 급전 시스템에 관한 것이다.
지구 온난화로 인해 자동차, 철도 등의 교통수단에 대해, 석유 에너지를 대체하기 위해 에너지 공급원으로서 배터리를 이용한 전기력의 사용이 증가하고 있다. 그러나 현재는 배터리의 용량이 충분치 않아 주행거리가 짧고 잦은 충전이 요구될 뿐만 아니라, 충전소 등의 인프라 부족 또한 충전 시간 소요 등의 원인으로 인해 전기차가 더욱 일반적으로 보급되기에는 한계가 있어 왔으나, 주행 중에 도로 상에서 무선충전이 가능하도록 급전 시스템이 설치되고 있기도 하다.
도 1은 종래의 무선충전 전기차의 주행 중 무선충전 시스템(100)의 급전선로를 나타낸 도면으로서, 급전선로가 인버터(101)를 중심으로 좌우측에 놓이게 되고 단일 코일로 구성되어 있다.
인버터(110)에서 정현파 전류를 공통선 부분(130)과 급전 영역(140)으로 구성된 급전선로로 인가하고, 인가된 전류는 다시 그 인버터(110)로 회귀하는 구조로 되어 있다.
이러한 구성은 주로 주파수가 낮은 영역대(20~40kHz)에서는 큰 무리 없이 급전선로를 구성하여 전기차량 및 산업용 장비에 무선으로 충전이 가능하다. 그러나 차량에 장착되는 무선충전 패드의 무게와 크기 EMF 그리고 유선 충전 대비 상대적으로 비싼 무선 충전의 한계성으로 인하여 많은 연구 등으로 무선 충전의 주파수를 기존 20~40kHz에서 85kHz로 변경하고 있는 실정이다. 그러나 변경된 주파수에 따라 이점들도 확보할 수 있지만 주파수 상승에 대한 내압 문제가 상존하게 되는 단점을 지닌다
즉, 현 전기차량용 무선충전 추세에 따라 주파수가 20~40kHz에서 85kHz로 상향된다면, 동일한 급전선로에서 양단간의 내압은 약 4.25배 상승하게 되어 방전, 누설전류 등의 문제를 야기시킬 수 있다. 이를 억제하기 위해서는 급전선로의 이를 짧게 하거나 사용되는 전류를 줄이는 방안 등이 제안될 수 있으나, 길이를 짧게 할 경우 주행중 충전 전기차의 충전 시간이 짧아지게 되어 충전량이 현저히 떨어지는 문제가 발생한다. 전류를 줄이는 것도 하나의 방안이 될 수 있으나, 전류를 줄일 경우 배터리 전압보다 낮은 전압이 여기 기전력으로 형성됨으로 배터리 충전이 용이치 않게 되는 문제를 야기할 수 있는 문제점이 있다.
또한 주파수 문제와 더불어, 기존의 전기차 주행중 무선충전 급전 시스템(100)의 경우 단일 코일이 차량진행 방향으로 한 턴으로 감겨 있어, 다른 차량에 부착된 무선충전 패드와의 호환성이 결여될 수 있는 단점을 가진다.
US 9,533,590 B2
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 급전선로의 내압을 더욱 효과적으로 저감하고, 비용을 더욱 저감시킨 방식으로 차량에 설치된 다양한 무선 충전 집전 패드와의 호환성을 향상시키며, 또한 급전선로의 EMI(ElectroMagnetic Interference)를 저감시키는 무선충전 급전 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 집전장치가 장착된 전기차량 및 산업용 장비(이하 '전기차량'이라 통칭한다)의 주행 중 무선으로 충전 전력을 제어하는 시스템은, 교류 전류가 흐름으로써 무선 충전을 위한 전력을 발생시키는 급전케이블; 상기 급전케이블에 흐르는 교류 전류의 공급을 제어하고, 교류 전류의 위상을 0도 또는 180도로 조정하는 릴레이(relay)를 구비하는 인버터; 및, 상기 인버터의 제어를 받아 교류 전류의 위상을 0도 또는 180도로 조정하는 릴레이 및, 급전선로의 인덕턴스를 상쇄시키는 캐패시터를 구비하는 캐패시터부를 포함하고, 상기 인버터에 일단이 연결된 상기 급전 케이블의 타단은, 인버터로 회귀하지 않고 다음 캐패시터부로 연결되도록 구성된다.
상기 캐패시터부는 하나 이상 구비되며, 상기 캐패시터부가 2개 이상 구비되는 경우, 제 n번째 캐패시터부에 일단이 연결된 상기 급전 케이블의 타단은, 제 n번째 캐패시터부로 회귀하지 않고 제 n+1번째 캐패시터부로 연결될 수 있다.
상기 급전케이블을 구성하는 코일은, 1쌍으로 구성되거나, 또는 2쌍 이상으로 구성될 수 있다.
상기 급전케이블 하부에, 강자성체인 급전코어를 더 포함할 수 있다.
상기 급전케이블이 n(n≥2)쌍의 코일로 구성될 경우, 각 코일은 릴레이에 의해 각각 독립적으로 전류의 위상 조정이 가능하여, 상기 n쌍의 코일에 대하여 0도 또는 180도 위상의 모든 조합이 가능하고, 상기 전류 위상 조합의 제어에 의해 급전케이블을 통하여 공급되는 무선 전력을 제어할 수 있다.
상기 급전케이블이 n(n≥2)쌍의 코일로 구성될 경우, 각 코일은 이격 거리 없이 접촉되도록 배치되거나, 또는 일정 거리 이격되어 배치될 수 있다.
상기 급전케이블을 구성하는 코일과 급전코어는, 이격 거리 없이 접촉되도록 배치되거나, 또는 일정 거리 이격되어 배치될 수 있다.
상기 급전케이블을 구성하는 각 코일이 모아지는 구간(이하 '공통선'이라 한다)의 각 코일은, 기 설정된 기준 이상으로 자기장 상쇄가 되도록 전류 방향이 설정될 수 있다.
상기 전기차량에 대한 무선충전 급전 시스템은, 상기 급전케이블을 구성하는 각 코일이 모아지는 구간(이하 '공통선'이라 한다)에는, 자기장 차폐를 위해 전체 코일을 감싸는 차폐관을 더 구비할 수 있다.
상기 인버터는, 상기 전기차량이 급전 구간에 진입한 경우, 진입한 전기차량의 위치를 감지하고, 상기 전기차량에 장착된 집전장치 정보를 감지하여, 감지된 집전장치 정보에 따라 해당 전기차량이 위치한 지점의 전력을 제어하고, 해당 전기차량이 그 위치에서 나간 경우, 그 위치의 전력을 차단하도록 제어할 수 있다.
상기 전기차량의 위치는, 상기 전기차량이 위치한 급전 세그먼트일 수 있다.
상기 집전장치의 정보는, 상기 집전장치의 종류 또는 상기 집전장치의 지면으로부터의 높이일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 무선충전 급전 시스템이, 급전을 제어하는 방법은, (a) 인버터가, 상기 인버터가 제어하는 급전 구간에 집전장치를 장착한 전기차량이 진입한 경우, 해당 전기차량의 위치를 감지하는 단계; (b) 상기 인버터가, 상기 전기차량에 장착된 집전장치의 정보를 파악하는 단계; (c) 상기 인버터가, 파악된 집전장치 정보에 따라, 전기차량이 위치한 지점을 충전 모드로 전환하고, 그 위치에 급전할 전력을 제어하는 단계; 및, (d) 상기 인버터가, 상기 전기차량이 상기 위치를 빠져나간 경우, 해당 위치를 오프 모드로 전환하여, 해당 위치의 전력을 차단하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 전기차량의 위치는, 상기 전기차량이 위치한 급전 세그먼트일 수 있다.
상기 집전장치의 정보는, 상기 집전장치의 종류 또는 상기 집전장치의 지면으로부터의 높이일 수 있다.
급전케이블이 n(n≥2)쌍의 코일로 구성될 경우, 각 코일은 릴레이에 의해 각각 독립적으로 전류의 위상 조정이 가능하여, 상기 n쌍의 코일에 대하여 0도 또는 180도 위상의 모든 조합이 가능하고, 상기 인버터는 상기 전류 위상 조합의 제어에 의해 급전케이블을 통하여 공급되는 무선 전력을 제어할 수 있다.
본 발명에 의하면, 종래 급전선로 상의 내압 문제를 도로 밖에 존재하는 '함' 또는 '인버터'에 구비된 캐패시터와, 급전선로 설계 방안 및 공통선 배치 설계로 해결함으로써 주행중 무선 급전선로의 확장을 가능하게 하며, 이러한 확장성에 따라 무선 충전 시스템의 경제성 문제를 크게 개선하는 효과가 있다.
이와 함께 종래 다수의 인버터를 사용하는 방식에 의해 주행중 차량에 설치된 다양한 무선 충전 집전 패드와 호환성을 유지시키는 방식과 대비하여, '함'과 '인버터'내에 존재하는 릴레이를 활용함으로써 더욱 저렴한 비용으로 그와 같은 호환성을 충분히 만족시키는 무선 충전 급전 시스템을 제공하는 효과가 있다.
나아가, 공통선의 구조 및 차폐관을 이용하여 자기장 상쇄 효과를 극대화함으로써 급전선로의 EMI(ElectroMagnetic Interference)를 저감시키는 효과가 있다.
도 1은 종래의 무선충전 급전 시스템의 급전 선로를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명에 따른 도로상에 전기차량을 포함한 무선 충전 급전 시스템이 도시된 개략도.
도 3은 본 발명에 따른 무선 충전 급전 시스템의 급전선로의 코일 구조를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명에 따른 무선 충전 급전 시스템의 급전코어를 형성하는 강자성체의 형상과 구조를 나타낸 도면.
도 5는 본 발명에 따른 무선 충전 급전 시스템의 설계 변수인 코일 간의 거리 및 코일과 급전코어인 강자성체 간의 거리를 도시한 도면.
도 6은 도 5에서 도시한 설계 변수에 따른 급전선로의 단위거리당 인덕턴스의 변화를 나타내는 그래프.
도 7은 본 발명에 따른 무선 충전 급전 시스템에서 공통선 부분의 처리 방법을 예시한 도면.
도 8은 본 발명에 따른 무선 충전 급전 시스템에서 급전 제어 방법을 나타내는 순서도.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 2는 본 발명에 따른 도로상에 전기차량을 포함한 무선 충전 급전 시스템이 도시된 개략도이다.
본 발명에 따른 무선 충전 급전 시스템(200)은 전기차량(버스, 트램, 전철, 승용차 등)(10)의 무선전력전달에 있어서, 급전선로는 복수개의 급전패드로 구성된 급전부와, 급전부에 교류전력을 공급하는 인버터(210)와, 인버터(210)와 급전부를 연결하는 공통선(230)을 포함한다. 급전부는 강자성체로 구성되는 급전코어와 급전케이블(240)을 구비한다.
본 발명의 무선충전 급전 시스템(200)의 인버터(210) 또는 함(220)의 구성은, 인버터 또는 함으로 국한되지 않고 스위치 또는 다른 전력장치를 수반할 수 있는데, 이러한 장치들 역시 인버터 또는 함을 통하여 구현하는 것과 동일한 기능을 구현하는 장치이므로, 이하의 설명에서는 이들을 인버터(210) 및 그 외의 함(220)으로 통칭하여 부르기로 한다. 여기서 '함'이라함은 캐패시터(capacitor)와 릴레이(relay)를 포함하는 회로부가 포함된 함을 말하는 것으로서, 이하에서는 이를 인버터(210)와 구분하여 '캐패시터부(220)'라 칭하기로 한다. 이와 같은 릴레이는 인버터(210)에도 구비된다.
또한 본 발명에서는 급전부와 인버터를 연결하는 공통선이 회귀되지 않고, 도 2에 도시된 바와 같이 다음 인버터 또는 캐패시터부(220)로 확장 연결하는 구조를 가진다. 마찬가지로, 캐패시터부(220)가 2개 이상 구비(221,222...) 되는 경우에도, 도 2에 도시된 바와 같이 제 n번째 캐패시터부에 일단이 연결된 급전 케이블의 타단은, 제 n번째 캐패시터부로 회귀하지 않고 제 n+1번째 캐패시터부로 연결된다.
도 2의 본 발명의 무선충전 급전 시스템(200)은, 다양한 종류의 차량에 다양한 종류의 무선충전 패드가 부착되더라도 충전이 가능하도록, 호환성을 구비한 급전 선로를 포함한다. 도 2와 같이 급전선로를 구성할 경우, 인버터(210) 내에 구비된 캐패시터, 또는 캐패시터부(220)에 구비된 캐패시터를 통해 급전선로의 내압을 보다 효과적으로 저감할 수 있다. 급전선로의 내압을 저감시킬 수 있는 이유는, 급전선로에서 발생하는 인덕턴스를, 캐패시터가 상쇄하게 되기 때문이다.
나아가, 본 발명의 장점은, 전술한 바와 같은 호환성을 구현하기 위해 복수개의 인버터를 이용하지 않는다는 점이다. 즉, 복수개의 인버터를 사용할 경우 그만큼 많은 설치 비용이 들어가게 되어 경제성을 저하시킨다. 본 발명은 하나의 인버터(210)와 함께, 그 인버터(210)와 도 2와 같이 연결된 하나 이상의 커패시터부(220)를 통하여 그와 같은 호환성을 충분히 확보하게 되는데, 즉, 인버터(210) 또는 캐패시터부(220)에 배치된 릴레이를 통해 전류 위상을 바꿈으로써 호환성을 확보할 수 있게 되는 것이다. 이와 같은 호환성의 구현 방법에 대하여는 도 3을 참조하여 상세히 후술하기로 한다.
또한 무선충전 급전 시스템(200)의 급전선로의 형상은 타원형 또는 원형 구조를 비롯하여 다양한 형상일 수 있으며, 급전코어로서 페라이트 코어와 같은 강자성체를 수반하거나, 또는 급전코어로서의 강자성체를 수반하지 않을 수도 있는데, 급전코어로서의 강자성체를 구비하는 경우 그러한 강자성체의 형상의 실시예에 대하여는 도 4를 참조하여 후술하기로 한다.
그리고 급전선로의 코일 구조는 하나의 코일이 한 쌍으로 구성되거나 2쌍 이상으로 구성될 수 있으며, 이에 대한 예시는 도 3에 도시되어 있다.
2쌍 이상의 코일로 구성된 급전선로의 경우, 급전선로의 각 코일의 전류 방향은, 코일에서 가능한 모든 조합으로 이루어질 수 있으며, 한 쌍의 코일 또는 2쌍 이상의 코일들의 간격은 등간격을 포함하여 다양한 간격을 포함할 수 있는데 이에 대하여는 도 3 및 도 5를 참조하여 후술하기로 한다.
도 3은 본 발명에 따른 무선 충전 급전 시스템(200)의 급전선로의 코일 구조를 나타낸 도면이며, 도 4는 본 발명에 따른 무선 충전 급전 시스템(200)의 급전코어를 형성하는 강자성체의 형상과 구조를 나타낸 도면으로 강자성체의 형상과 구조는 bar-타입과, L-타입, W-타입 등을 포함하여 이를 변형한 형상들을 모두 포함할 수 있다.
도 3에서 급전선로를 구성하는 급전케이블(240)의 단면, 즉, 급전케이블(240)에서 흐르는 전류 방향을 나타내는 단면의 실시예(300)가 도시되어 있다.
단면의 실시예(300)와 같이 급전선로는 단수개의 코일(301) 또는 복수개의 코일(302,303,304)로 구성될 수 있다. 본 도면에서는 전류가 나오는 방향을 '·', 전류가 들어가는 방향을 'X'로 표시하였다. 본 도면에서는 2개의 코일을 사용하는 경우에 대하여 301, 302, 303의 3가지 예에 대하여만 도시하였으나, '·'가 2개이고 'X'가 2개인 어떠한 조합도 가능함은 물론이다.
인버터(210)의 릴레이와 캐패시터부(220)의 릴레이의 제어에 따라 각 코일에서의 전류의 방향을 '·' 또는 'X'로 제어 가능하다. 즉, 인버터(210)의 릴레이와 캐패시터부(220)의 릴레이의 제어에 따라 각 코일에서의 전류의 위상을 0 또는 180도로 제어할 수 있는 것이다.
이와 같이 각 코일의 위상을 제어함에 의해 해당 급전선로 구간에서 상부로 전달되는 자속에 의한 무선 전력을 발생시켜 충전 모드로 하거나 또는 자속을 차단하여 전력을 차단(오프 모드)시킬 수 있다. 예를 들어 도 3에서 302의 경우는 급전케이블(240)의 전류로부터 자속에 의한 무선 전력이 발생하여 충전모드가 된다. 그러나 303의 경우는 좌측의 코일 1쌍은 반대의 위상의 전류로서 서로 상쇄되어 충전을 위한 전력이 발생하지 않게 된다. 우측의 코일 1쌍도 마찬가지로 전력이 발생하지 않는다.
이와 같이 전류의 위상 제어는, 충전 모드 또는 오프 모드로 전환시키는 것 이외에도 다양한 제어를 할 수 있다. 예를 들어, 도 3의 303 또는 304의 경우에, 좌측의 코일 1쌍이 전류의 위상이 서로 반대라도, 그 2개의 코일간의 거리(20)에 따라 수신측에 전력이 어느 정도 발생할 수도 있다. 즉, 2개의 코일이 매우 가깝게 배치되어 있다면 수신측에 전력은 거의 발생하지 않을 것이지만, 그 2개의 코일의 거리가 떨어진 거리가 일정 간격 이상으로 멀수록 발생하는 수신측의 전력은 증가하게 된다. 이와 같이 코일 간의 거리(20), 또한 코일(240)과 하부의 급전코어(250)간의 거리(30, 도 5 참조)에 따라, 양측의 1쌍의 코일에 동일 위상의 전류가 흐를 경우의 발생 전력, 그리고 반대 위상의 전류가 흐를 경우의 발생 전력은 변화하게 된다.
발생 전류의 크기 및 위상을 제어하는 인버터(210)는, 급전선로 구간의 특정 세그먼트에 차량이 존재 또는 비존재의 경우에 따라 해당 구간의 무선 전력 발생을 온 또는 오프로 제어할 뿐 아니라, 해당 구간을 지나는 차량에 장착된 집전장치(pick-up device)의 종류 및, 대형차량 또는 승용차 등에 따라 차이가 나는 급전선로 지면으로부터의 집전장치의 높이 등을 감지하여 해당 집전장치에 적절한 무선 전력이 공급되도록 급전선로의 급전케이블(240), 즉, 도 3의 실시예(300)에 나타난 바와 같은 코일(240)에 흐르는 전류의 위상을 제어할 수 있는 것이다.
이와 같은 인버터(210)에 의한 전류의 위상의 제어는, 인버터(210)에 구비된 릴레이 및, 각 구간의 캐패시터부(220)에 구비된 릴레이를 제어함에 의해 수행된다.
즉, 급전케이블(240)이 n(n≥2)쌍의 코일로 구성될 경우, 각 코일은 인버터(210)의 제어에 따라 릴레이에 의해 각각 독립적으로 전류의 위상 조정이 가능하여, n쌍의 코일에 대하여 0도 또는 180도 위상의 모든 조합이 가능하고, 이와 같은 인버터(210)의 전류 위상 조합의 제어에 의해 급전케이블을 통하여 공급되는 무선 전력을 제어하는 것이다.
이와 같이 다양한 집전장치의 종류 및 다양한 집전장치의 설치 높이 등에 대하여도 전술한 바와 같이 충전을 위한 적절한 무선 전력량을 자동으로 제어하여 공급해주는 것이 전술한 바와 같은 '호환성'인 것이다.
또한 이러한 위상의 제어에 따라 급전선로의 인덕턴스를 저감시킬 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 무선 충전 급전 시스템(200)의 설계 변수인 코일(240) 간의 거리(20) 및 코일(240)과 급전코어인 강자성체(250) 간의 거리(30)를 도시한 도면이고, 도 6은 도 5에서 도시한 설계 변수에 따른 급전선로의 단위거리당 인덕턴스의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 5는 급전선로를 구성하는 코일 사이 간격에 따른 호환성 확보 및 인덕턴스 저감으로 인한 구간 확장에 대한 방안을 나타낸다. 코일 사이 간격(20), 코일과 강자성체 사이 거리(30)의 변화에 따른 인덕턴스 값을 단위거리로 환산하여 유리한 조건을 판단할 수 있다. 즉, 각 코일은 이격 거리 없이 접촉되도록 배치되거나, 또는 일정 거리 이격되어 배치될 수 있고, 급전케이블을 구성하는 코일과 급전코어 역시, 이격 거리 없이 접촉되도록 배치되거나, 또는 일정 거리 이격되어 배치될 수 있다.
도 6에서 F15 그래프(61)는 강자성체와 코일의 이격 거리(30)가 15mm, F25는 강자성체와 코일의 이격 거리(30)가 25mm(62)을 의미한다. 또한 그래프의 x축(가로축)의 값은 코일 간의 거리(20)를 나타내며, y축(세로축)은 단위길이당 인덕턴스를 의미한다.
그래프에서 각 그래프에 찍힌 66개의 점들은, 그래프는 간격의 설계변수(20,30)에 대해서 총 66가지 설계의 예시를 나타낸 것으로서, 급전선로가 설치되는 환경 및 여러 조건에 따라 적절한 설계변수 값을 설정할 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 무선 충전 급전 시스템(200)에서 공통선(230) 부분의 처리 방법을 예시한 도면이다.
공통선이란, 급전케이블(240)이 모아지는 부분, 즉, 예를 들어 인버터(210) 또는 캐패시터부(220)에서 급전케이블이 모아져서 나오는 부분(230, 도 2 참조)을 말한다. 이러한 공통선(230)은 차폐관(260)에 의해 감싸져서 자기장 차폐가 될 뿐 아니라, 도 7(b)와 같이 전류의 방향 조절에 의해서도 자기장 상쇄 효과를 극대화하여 인덕턴스를 저감시킬 수 있다.
도 8은 본 발명에 따른 무선 충전 급전 시스템(200)에서 급전 제어 방법을 나타내는 순서도이다.
도 8의 제어는 인버터(210)에서 수행한다. 인버터(210)가 제어하는 급전 구간에 집전장치를 장착한 전기차량(10)이 진입한 경우, 해당 차량의 위치를 감지한다(S801). 인버터가 제어하는 급전 구간이라 함은 해당 인버터(210)와 연결되어 있는 모든 커패시터부(220) 및 그에 연결되어 있는 급전케이블 구간을 의미한다. 감지하는 해당 차량의 위치란, 해당 급전 구간 내에서 어느 급전 세그먼트에 있는지를 파악한다는 의미이다. 급전 세그먼트란, 인버터(210)와 다음 캐패시터부(221, 도 2참조) 사이의 급전선로, 다음 캐패시터부(221, 도 2참조)와 그 다음 캐패시터부(222, 도 2참조) 사이의 급전선로 등을 말한다. 도 2를 참조하면, 인버터(210)와 다음 캐패시터부(221, 도 2참조) 사이의 급전선로를 제1 급전 세그먼트라 하고, 다음 캐패시터부(221, 도 2참조)와 그 다음 캐패시터부(222, 도 2참조) 사이의 급전선로를 제2 급전 세그먼트라 할 경우, 현재 차량이 제2 급전 세그먼트에 진입한 상태이다.
그와 같은 위치 감지(S801)는 다양한 방법으로 이루어질 수 있으나, 일 실시예로서 해당 차량(10)의 GPS 정보를 수신하여 해당 차량 현재 인버터(210)의 급전 구간 내의 급전 세그먼트를 파악하는 방법으로 할 수 있다. 또는, 해당 차량(10)이 위치한 급전 세그먼트에 연결된 인버터(210)가 직접 차량 진입을 감지하거나, 또는 그 급전 세그먼트에 연결된 캐패시터부(221,222) 등이 차량 진입을 감지하여 인버터(210)로 신호를 보낼 수 있다.
이후, 해당 차량(10)이 위치한 급전 세그먼트에 연결된 인버터(210)가 직접 해당 차량(10)에 장착된 집전장치 정보를 감지하거나, 또는 그 급전 세그먼트에 연결된 캐패시터부(221,222) 등이 해당 차량(10)에 장착된 집전장치 정보를 감지하여 인버터(210)로 그 정보를 보내주어, 이로써 인버터(210)가 집전장치 정보를 파악할 수 있다(S802). 집전장치 정보란, 집전장치의 종류, 집전장치의 지면으로부터의 높이 등을 포함할 수 있다.
인버터(210)는, 이와 같이 파악된 집전장치 정보에 따라, 차량이 위치한 급전 세그먼트를 충전 모드로 전환하고 급전할 전력을 제어한다(S803). 이와 같은 전력의 제어는, 도 3을 참조하여 전술한 바와 같이 인버터(210)와 해당 급전 세그먼트의 캐패시터부(221 또는 222 등)의 릴레이를 제어하여 각 코일(240)의 전류의 위상을 제어하는 방식으로 할 수 있다.
이후 주행중인 해당 차량(10)이 그 급전 세그먼트를 빠져나간 경우에는, 인버터(210)는 해당 급전 세그먼트를 오프 모드로 전환하여, 해당 급전 세그먼트의 전력을 차단하게 된다(S804). 이와 같은 급전 세그먼트이 전력 차단 역시 해당 급전 세그먼트의 캐패시터부(221 또는 222 등)의 릴레이를 제어하여 각 코일(240)의 전류의 위상을 제어하는 방식으로 할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
10: 집전장치가 장착된 전기차량
20: 급전코일 간의 거리
30: 급전코일과 급전코어 간의 거리
100: 종래의 인버터
110: 종래의 급전선로
200: 본 발명의 무선 충전 급전 시스템
210: 인버터
220: 캐패시터부
221: 제1 캐패시터부
222: 제2 캐패시터부
230: 공통선
240: 급전케이블
250: 급전코어
260: 공통선 차폐관

Claims (16)

  1. 집전장치가 장착된 전기차량 및 산업용 장비(이하 '전기차량'이라 통칭한다)의 주행 중 무선으로 충전 전력을 제어하는 시스템으로서,
    교류 전류가 흐름으로써 무선 충전을 위한 전력을 발생시키는 급전케이블;
    상기 급전케이블에 흐르는 교류 전류의 공급을 제어하고, 교류 전류의 위상을 0도 또는 180도로 조정하는 릴레이(relay)를 구비하는 인버터; 및,
    상기 인버터의 제어를 받아 교류 전류의 위상을 0도 또는 180도로 조정하는 릴레이 및, 급전선로의 인덕턴스를 상쇄시키는 캐패시터를 구비하는 캐패시터부
    를 포함하고,
    상기 인버터에 일단이 연결된 상기 급전 케이블의 타단은, 인버터로 회귀하지 않고 다음 캐패시터부로 연결되도록 구성된,
    를 포함하는 전기차량에 대한 무선충전 급전 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 캐패시터부는 하나 이상 구비되며,
    상기 캐패시터부가 2개 이상 구비되는 경우,
    제 n번째 캐패시터부에 일단이 연결된 상기 급전 케이블의 타단은, 제 n번째 캐패시터부로 회귀하지 않고 제 n+1번째 캐패시터부로 연결되는,
    을 특징으로 하는 전기차량에 대한 무선충전 급전 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 급전케이블을 구성하는 코일은,
    1쌍으로 구성되거나, 또는 2쌍 이상으로 구성되는 것
    을 특징으로 하는 전기차량에 대한 무선충전 급전 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 급전케이블 하부에, 강자성체인 급전코어를 더 포함하는 것
    을 특징으로 하는 전기차량에 대한 무선충전 급전 시스템.
  5. 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서,
    상기 급전케이블이 n(n≥2)쌍의 코일로 구성될 경우,
    각 코일은 릴레이에 의해 각각 독립적으로 전류의 위상 조정이 가능하여,
    상기 n쌍의 코일에 대하여 0도 또는 180도 위상의 모든 조합이 가능하고,
    상기 전류 위상 조합의 제어에 의해 급전케이블을 통하여 공급되는 무선 전력을 제어하는 것
    을 특징으로 하는 전기차량에 대한 무선충전 급전 시스템.
  6. 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서,
    상기 급전케이블이 n(n≥2)쌍의 코일로 구성될 경우,
    각 코일은 이격 거리 없이 접촉되도록 배치되거나, 또는 일정 거리 이격되어 배치되는 것
    을 특징으로 하는 전기차량에 대한 무선충전 급전 시스템.
  7. 청구항 4에 있어서,
    상기 급전케이블을 구성하는 코일과 급전코어는,
    이격 거리 없이 접촉되도록 배치되거나, 또는 일정 거리 이격되어 배치되는 것
    을 특징으로 하는 전기차량에 대한 무선충전 급전 시스템.
  8. 청구항 2에 있어서,
    상기 급전케이블을 구성하는 각 코일이 모아지는 구간(이하 '공통선'이라 한다)의 각 코일은, 기 설정된 기준 이상으로 자기장 상쇄가 되도록 전류 방향이 설정되는 것
    을 특징으로 하는 전기차량에 대한 무선충전 급전 시스템.
  9. 청구항 2에 있어서,
    상기 급전케이블을 구성하는 각 코일이 모아지는 구간(이하 '공통선'이라 한다)에는, 자기장 차폐를 위해 전체 코일을 감싸는 차폐관
    을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 전기차량에 대한 무선충전 급전 시스템.
  10. 청구항 5에 있어서,
    상기 인버터는,
    상기 전기차량이 급전 구간에 진입한 경우, 진입한 전기차량의 위치를 감지하고, 상기 전기차량에 장착된 집전장치 정보를 감지하여, 감지된 집전장치 정보에 따라 해당 전기차량이 위치한 지점의 전력을 제어하고, 해당 전기차량이 그 위치에서 나간 경우, 그 위치의 전력을 차단하도록 제어하는 것
    을 특징으로 하는 전기차량에 대한 무선충전 급전 시스템.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 전기차량의 위치는,
    상기 전기차량이 위치한 급전 세그먼트인 것
    을 특징으로 하는 전기차량에 대한 무선충전 급전 시스템.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 집전장치의 정보는,
    상기 집전장치의 종류 또는 상기 집전장치의 지면으로부터의 높이인 것
    을 특징으로 하는 전기차량에 대한 무선충전 급전 시스템.
  13. 청구항 1의 무선충전 급전 시스템이, 급전을 제어하는 방법으로서,
    (a) 인버터가, 상기 인버터가 제어하는 급전 구간에 집전장치를 장착한 전기차량이 진입한 경우, 해당 전기차량의 위치를 감지하는 단계;
    (b) 상기 인버터가, 상기 전기차량에 장착된 집전장치의 정보를 파악하는 단계;
    (c) 상기 인버터가, 파악된 집전장치 정보에 따라, 전기차량이 위치한 지점을 충전 모드로 전환하고, 그 위치에 급전할 전력을 제어하는 단계; 및,
    (d) 상기 인버터가, 상기 전기차량이 상기 위치를 빠져나간 경우, 해당 위치를 오프 모드로 전환하여, 해당 위치의 전력을 차단하는 단계
    를 포함하는, 무선충전 급전 시스템의 급전 제어 방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 전기차량의 위치는,
    상기 전기차량이 위치한 급전 세그먼트인 것
    을 특징으로 하는 무선충전 급전 시스템의 급전 제어 방법.
  15. 청구항 13에 있어서,
    상기 집전장치의 정보는,
    상기 집전장치의 종류 또는 상기 집전장치의 지면으로부터의 높이인 것
    을 특징으로 하는 무선충전 급전 시스템의 급전 제어 방법.
  16. 청구항 13에 있어서,
    급전케이블이 n(n≥2)쌍의 코일로 구성될 경우,
    각 코일은 릴레이에 의해 각각 독립적으로 전류의 위상 조정이 가능하여,
    상기 n쌍의 코일에 대하여 0도 또는 180도 위상의 모든 조합이 가능하고,
    상기 인버터는 상기 전류 위상 조합의 제어에 의해 급전케이블을 통하여 공급되는 무선 전력을 제어하는 것
    을 특징으로 하는 무선충전 급전 시스템의 급전 제어 방법.
KR1020190137602A 2019-02-01 2019-10-31 전기차량 및 산업용 장비의 주행 중 무선충전 급전 시스템 KR102249722B1 (ko)

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