KR20170142065A - 코일 정렬 방법 및 이를 이용하는 전기차 무선 전력 전송 장치 - Google Patents

코일 정렬 방법 및 이를 이용하는 전기차 무선 전력 전송 장치 Download PDF

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Abstract

무선 전력 전송 시스템에 사용되는 차량 어셈블리 코일과 그라운드 어셈블리 코일을 정렬하는 코일 정렬 방법 및 이를 이용하는 전기차 무선 전력 전송 장치가 개시된다. 코일 정렬 방법은, 차량 어셈블리 제어기에 결합하는 코일 정렬 장치에 의해 수행되는 코일 정렬 방법으로서, 차량 어셈블리 코일과 결합하는 제1 보조코일과 제2 보조코일을 통해 그라운드 어셈블리 코일로부터의 자기장 세기를 감지하고, 제1 보조코일을 통해 감지되는 제1 자기장 세기와 제2 보조코일을 통해 감지되는 제2 자기장 세기를 비교하고, 차량 어셈블리 코일을 제1 자기장 세기와 제2 자기장 세기가 미리 정해진 차이를 갖는 위치로 움직이고, 미리 정해진 차이를 유지하면서 차량 어셈블리 코일을 그라운드 어셈블리 코일과 마주하는 방향으로 움직이는 단계들을 포함한다.

Description

코일 정렬 방법 및 이를 이용하는 전기차 무선 전력 전송 장치{COIL ALIGNMENT METHOD AND WIRELESS POWER TRANSFER APPARATUS USING THE SAME FOR ELECTRIC VEHICLES}
본 발명은 코일 정렬 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 무선 전력 전송 시스템에 사용되는 차량 어셈블리 코일과 그라운드 어셈블리 코일을 정렬하는 코일 정렬 방법 및 이를 이용하는 전기차 무선 전력 전송 장치에 관한 것이다.
전기자동차는 배터리의 전력으로 모터를 구동시켜 움직이는 차량의 일종으로서 기존의 가솔린기관 자동차에 비해 배기가스 등의 대기 오염원과 소음이 거의 없고, 적은 고장, 긴 수명, 간단한 운전 조작 등의 장점이 있다.
전기자동차는 구동원에 따라 하이브리드 자동차(hybrid electric vehicle), 플러그인 하이브리드 자동차(plug-in hybrid electric vehicle, PHEV) 및 전기차(electric vehicle, EV)로 구분된다. 하이브리드 자동차는 주동력을 담당하는 엔진과 보조동력을 담당하는 모터를 구비한다. 플러그인 하이브리드 자동차는 주동력을 담당하는 모터와 배터리 방전시에 주로 사용되는 엔진을 구비한다. 전기차는 엔진을 생략하고 동력원으로서 모터를 구비한다.
전기자동차에 탑재된 배터리를 무선 충전 방식으로 충전하기 위해서는 충전소의 일차 코일과 전기차의 이차 코일을 자기 공진 방식으로 결합할 필요가 있다. 또한, 무선 충전 효율을 높이기 위해서는 일차 코일과 이차 코일을 정렬할 필요가 있다. 자기 공진 방식의 무선 전력 전송 시스템에서 일차 코일과 이차 코일을 정렬시키지 않으면, 전력 전송 효율은 급격히 저하된다.
예를 들면, 도 1에 도시한 바와 같이, 전기자동차가 그라운드에 설치되는 일차 코일(Tx coil)과 마그네틱 결합하는 이차 코일(Rx coil)을 구비할 때, 효율적인 무선 전력 전송을 위해 이차 코일은 일차 코일과 정렬되어야 한다. 그렇지 않은 경우, 예를 들면, 원형 고리 형태의 일차 코일(Tx coil)의 중심축을 따라 연장하는 제1 연장선과 원형 고리 형태의 이차 코일(Rx coil)의 중심축을 따라 연장하는 제2 연장선 사이의 간격(a)이 증가함에 따라 전력 전송 효율은 급격히 감소된다. 일차 코일과 이차 코일의 직경(diameter)은 300㎜이고 이들 사이의 거리(d)는 105㎜인 것으로 가정한다.
전술한 일차 코일과 이차 코일을 구비한 무선 전력 전송 시스템에서 전력 전송 효율은, 도 2에 도시한 바와 같이, 일차 코일(Tx coil)과 이차 코일(Rx coil)의 중심축들 간의 이격 간격(a)이 0에서 450㎜까지 50㎜씩 증가됨에 따라 S-파라미터(S21)에서 -2.5㏈에서 -22.5㏈까지 급격히 감소되는 것을 알 수 있다.
이와 같이, 전기차 무선 전력 전송 시스템에 있어서, 송신 코일과 수신 코일의 정렬(alignment)은 무선 전력 전송 효율에 큰 영향을 미치므로 고효율 무선 전력 전송을 위하여 코일 정렬은 매주 중요한 요구조건이 된다. 따라서, 코일 정렬과 관련된 다양한 연구 개발이 진행되고 있다.
한편, 전기차의 무선 전력 전송 시스템에서는 주차 구역에 설치되는 송신 패드와 차량에 탑재되는 수신 패드 간에 무선 전력 전송을 수행하게 되며, 따라서 전기차 무선 전력 전송 시스템의 코일 정렬은 모바일 장치와 충전 패드 등에 비해 상당히 어려운 문제점이 있다. 이와 관련하여 보조 코일 등을 이용하여 기준치 이상의 최대 자기장 결합 계수를 나타내는 위치를 기준으로 코일 정렬을 수행하는 방안 등이 제시되고 있지만, 아직까지 전기차 무선 전력 전송 시스템에 적용할만한 효과적인 코일 정렬 방안이 많이 부족한 실정이다. 이처럼, 전기차 무선 전력 전송 시스템을 위한 새로운 코일 정렬 방안이 요구되고 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 무선 전력 전송 시스템에서 우수한 성능과 효율을 얻을 수 있도록 차량 어셈블리 코일과 그라운드 어셈블리 코일을 효과적으로 정렬하는 코일 정렬 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 보조 코일, 자기장 패턴 룩업테이블 또는 이들의 조합을 이용하여 차량 어셈블리 코일과 그라운드 어셈블리 코일을 효과적으로 정렬하는 코일 정렬 방법 및 이를 이용하는 전기차 무선 전력 전송 장치를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에서는, 차량 어셈블리 제어기에 결합하는 코일 정렬 장치에 의해 수행되는 코일 정렬 방법에 있어서, 차량 어셈블리 코일과 물리적으로 고정 결합되는 제1 보조코일과 제2 보조코일을 통해 그라운드 어셈블리 코일로부터의 자기장 세기를 감지하는 단계; 제1 보조코일을 통해 감지되는 제1 자기장 세기와 제2 보조코일을 통해 감지되는 제2 자기장 세기를 비교하는 단계; 차량 어셈블리 코일 또는 그라운드 어셈블리 코일을 제1 자기장 세기와 제2 자기장 세기가 미리 정해진 차이를 갖는 위치로 움직이는 단계; 및 미리 정해진 차이를 유지하면서 차량 어셈블리 코일의 제1 중심점과 그라운드 어셈블리 코일의 제2 중심점이 최단 거리 또는 최단 거리의 일정 오차 범위 내에 위치하도록 차량 어셈블리 코일 및 그라운드 어셈블리 코일 중 어느 하나 이상을 마주하는 방향으로 움직이는 단계를 포함하는, 코일 정렬 방법이 제공된다.
여기서, 상기 위치로 움직이는 단계는, 제1 중심점으로부터 제1 보조코일까지의 거리와 제2 보조코일까지의 거리가 동일하다고 할 때, 제1 보조코일의 중심점, 제2 중심점 및 제1 중심점을 기재된 순서대로 연결하는 두 직선들에 의한 제1 각도와, 제2 보조코일의 중심점, 제2 중심점 및 제1 중심점을 기재된 순서대로 연결하는 두 직선들에 의한 제2 각도를 정렬할 수 있다.
여기서, 제1 중심점, 제1 보조코일의 중심점 및 제2 보조코일의 중심점은 일직선상에 배열되거나, 그라운드 어셈블리 코일의 중심선과 직교하는 수평면과 평행한 제1 평면상에 삼각형 형태로 배열되거나, 수평면과 교차하는 제2 평면상에 삼각형 형태로 배열되거나, 수평면과 직교하는 제3 평면상에 삼각형 형태로 배열될 수 있다.
여기서, 상기 미리 정해진 차이는 영(zero) 이거나 일정 오차 범위 이내를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 방향으로 움직이는 단계는, 그라운드 어셈블리 코일이 움직이는 것을 가정할 때, 차량 어셈블리 제어기에서 그라운드 어셈블리 코일에 연결되는 그라운드 어셈블리 제어기로 그라운드 어셈블리 코일의 움직임을 위한 신호 또는 메시지 전달을 포함할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에서는, 차량 어셈블리 제어기에 결합하는 코일 정렬 장치에 의해 수행되는 코일 정렬 방법에 있어서, 차량 어셈블리 코일과 일정 간격 이격된 상대적인 위치들에서 각각 결합되는 제1 보조코일과 제2 보조코일을 통해 그라운드 어셈블리 코일로부터의 자기장 세기를 감지하는 단계; 제1 보조코일을 통해 감지되는 제1 자기장 세기와 제2 보조코일을 통해 감지되는 제2 자기장 세기를 비교하는 단계; 차량 어셈블리 코일 또는 그라운드 어셈블리 코일을 제1 자기장 세기와 제2 자기장 세기가 미리 정해진 차이를 갖는 위치로 움직이는 단계; 미리 정해진 차이를 갖는 위치에서의 제1 자기장 세기 패턴과 미리 저장된 룩업테이블 상의 자기장 세기 패턴들을 비교하는 단계; 및 룩업테이블 상의 자기장 세기 패턴들 중 제1 자기장 세기 패턴과 동일하거나 가장 유사한 제2 자기장 세기 패턴을 토대로 차량 어셈블리 코일과 그라운드 어셈블리 코일 간의 거리 및 방향을 결정하는 단계를 포함하는, 코일 정렬 방법이 제공된다.
여기서, 룩업테이블에 저장되는 자기장 세기 패턴들은 그라운드 어셈블리 코일의 제2 중심점에서 최고값을 갖는 정규분포 확률밀도함수 형상을 구비할 수 있다.
여기서, 상기 움직이는 단계는, 상기의 거리 및 방향을 토대로 차량 어셈블리 코일의 제1 중심점과 그라운드 어셈블리 코일의 제2 중심점이 최단 거리 또는 최단 거리의 일정 오차 범위 내에 위치하도록 차량 어셈블리 코일 및 그라운드 어셈블리 코일 중 어느 하나 이상을 마주하는 방향으로 움직이는 단계를 포함할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에서는, 그라운드 어셈블리 제어기에 결합하는 코일 정렬 장치에 의해 수행되는 코일 정렬 방법에 있어서, 무선 충전 주차 구역에 차량이 진입하면, 그라운드 어셈블리 코일에 전력을 공급하여 자기장을 형성하는 단계; 차량에 탑재된 차량 어셈블리 제어기로부터 그라운드 어셈블리 제어기를 통해 차량 어셈블리 코일과 물리적으로 고정 결합하는 제1 보조코일과 제2 보조코일에 의해 감지되는 자기장 세기 값들을 수신하는 단계; 그라운드 어셈블리 코일을 자기장 세기 값들이 미리 정해진 차이를 갖는 위치로 움직이는 단계; 및 미리 정해진 차이를 오차 범위 내에서 유지하면서 상기 그라운드 어셈블리 코일을 차량 어셈블리 코일과 마주하는 방향으로 움직이는 단계를 포함하는, 코일 정렬 방법이 제공된다.
여기서, 코일 정렬 방법은, 상기 방향으로 움직이는 단계 전에, 미리 정해진 차이를 갖는 위치에서의 제1 자기장 세기 패턴과 미리 저장된 룩업테이블 상의 자기장 세기 패턴들을 비교하는 단계; 및 룩업테이블 상의 자기장 세기 패턴들 중 제1 자기장 세기 패턴과 동일하거나 가장 유사한 제2 자기장 세기 패턴을 토대로 차량 어셈블리 코일에 대하여 그라운드 어셈블리 코일이 움직일 방향 및 거리를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 방향으로 움직이는 단계는, 차량 어셈블리 코일의 제1 중심점과 그라운드 어셈블리 코일의 제2 중심점이 최단 거리 또는 최단 거리의 일정 오차 범위 내에 위치할 때 완료될 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에서는, 차량 어셈블리 제어기에 결합하는 코일 정렬 장치에 의해 수행되는 코일 정렬 방법에 있어서, 무선 충전 주차 구역에 진입한 후 차량에 탑재된 차량 어셈블리 코일에 전력을 공급하여 자기장을 형성하는 단계; 그라운드 어셈블리 제어기로부터 그라운드 어셈블리 제어기에 연결되는 그라운드 어셈블리 코일과 상대적인 위치들에서 각각 결합되는 복수 센싱 코일들의 자기장 세기 값들을 토대로 계산된 이동 방향과 이동 거리에 대한 정렬 정보를 수신하는 단계; 및 정렬 정보에 따라 차량 어셈블리 코일을 움직이는 단계를 포함하는, 코일 정렬 방법이 제공된다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에서는, 그라운드 어셈블리 제어기에 결합하는 코일 정렬 장치에 의해 수행되는 코일 정렬 방법에 있어서, 무선 충전 주차 구역에 진입한 차량으로부터 주차 구역에 배치된 그라운드 어셈블리 코일과 상대적인 위치들에서 각각 결합하는 복수 센싱 코일들에 인가되는 자기장을 감지하는 단계; 복수 센싱 코일들의 자기장 세기들 중 최대 자기장 세기를 갖는 센싱 코일이 위치하는 방향으로 그라운드 어셈블리 코일의 이동 방향을 판별하는 단계; 및 판별된 이동 방향으로 그라운드 어셈블리 코일을 움직이는 단계를 포함하는, 코일 정렬 방법이 제공된다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에서는, 차량에 탑재되는 무선 전력 전송 장치로서, 차량에 탑재되는 차량 어셈블리 코일; 차량 어셈블리 코일과 상대적인 위치들에서 각각 결합하는 두 개의 보조 코일들; 차량 어셈블리 코일을 통한 수전 또는 급전 동작을 제어하고 통신모듈이나 통신유닛을 통해 그라운드 어셈블리 제어기와 통신하는 차량 어셈블리 제어기; 및 차량 어셈블리 제어기에 결합하는 코일 정렬 장치를 포함하는, 전기차 무선 전력 전송 장치가 제공된다. 여기서, 코일 정렬 장치는, 그라운드 어셈블리 제어기에 연결되는 그라운드 어셈블리 코일로부터 두 개의 보조 코일들에 인가되는 자기장 세기들을 감지하는 적어도 하나의 센서와, 자기장 세기들을 비교하는 비교기와, 차량 어셈블리 코일에 결합하는 액추에이터를 구비할 수 있다. 액추에이터는, 코일 정렬 장치의 제어에 의해, 차량 어셈블리 코일을 자기장 세기들의 두 세기 값들이 미리 정해진 차이를 갖는 위치로 움직이고, 차량 어셈블리 코일을 그라운드 어셈블리 코일과 마주하는 방향으로 움직이면서 그라운드 어셈블리 코일로부터 차량 어셈블리 코일에 인가되는 자기장 세기가 미리 정해진 세기 이상일 때 정지할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에서는, 차량에 탑재되는 무선 전력 전송 장치로서, 차량에 탑재되는 차량 어셈블리 코일; 차량 어셈블리 코일과 상대적인 위치들에서 각각 결합하는 복수 보조 코일들; 차량 어셈블리 코일과 복수의 보조 코일들에 연결되고 통신모듈이나 통신유닛을 통해 그라운드 어셈블리 제어기와 통신하는 차량 어셈블리 제어기; 및 차량 어셈블리 제어기에 결합하는 코일 정렬 장치를 포함하는, 전기차 무선 전력 전송 장치가 제공된다. 여기서, 코일 정렬 장치는, 그라운드 어셈블리 제어기에 연결되는 그라운드 어셈블리 코일로부터 복수 보조 코일들에 인가되는 자기장 세기들을 감지하는 적어도 하나의 센서와, 자기장 세기들에 의한 제1 자기장 패턴을 생성하는 패턴생성기와, 그라운드 어셈블리 코일과의 거리에 따라 그라운드 어셈블리 코일의 자기장 세기들에 의한 제2 자기장 패턴들을 저장하는 룩업테이블과, 제1 자기장 패턴과 제2 자기장 패턴을 비교하는 패턴비교기와, 차량 어셈블리 코일에 결합하는 액추에이터를 구비할 수 있다. 그리고 코일 정렬 장치는, 패턴비교기에서 출력되는 벡터 정보를 토대로 차량 어셈블리 코일 또는 그라운드 어셈블리 코일을 직간접으로 움직일 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에서는, 무선 충전 주차 구역에 배치되는 그라운드 어셈블리에 결합하는 무선 전력 전송 장치로서, 그라운드 어셈블리의 그라운드 어셈블리 코일; 그라운드 어셈블리 코일과 일정 간격 이격된 상대적인 위치들에 각각 배치되는 복수 센싱 코일들; 그라운드 어셈블리 코일 및 복수 센싱 코일들과 연결되고 통신모듈이나 통신유닛을 통해 차량 어셈블리 제어기와 통신하는 그라운드 어셈블리 제어기; 및 그라운드 어셈블리 제어기에 결합하는 코일 정렬 장치를 포함하는, 전기차 무선 전력 전송 장치가 제공된다. 여기서, 코일 정렬 장치는, 차량 어셈블리 제어기에 연결되는 차량 어셈블리 코일로부터 복수 센싱 코일들에 인가되는 자기장 세기들을 감지하는 적어도 하나의 센서와, 자기장 세기들을 비교하는 비교기와, 자기장 세기들의 최대 차이 값이 미리 정해진 차이 값과 같거나 오차 범위 이내로 근접하도록 그라운드 어셈블리 코일을 그라운드 어셈블리 코일의 자기 중심으로부터 자기장 세기가 가장 큰 하나의 센싱 코일이 위치하는 방향이나 가장 큰 자기장 세기 그룹을 형성하는 센싱 코일들 그룹의 중간 방향으로 움직이는 구동기(actuator)를 구비할 수 있다.
도 1은 일반적인 전기자동차에서 무선 전력 전송 코일들의 얼라인먼트를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1의 얼라인먼트의 오차에 따른 전력 전송 효율 변화를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따른 코일 정렬(alignment) 방법을 채용할 수 있는 무선 전력 전송 시스템에 대한 개략적인 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 코일 정렬 방법에 대한 흐름도이다.
도 5 및 도 6은 도 4의 코일 정렬 방법의 작동 원리를 설명하기 위한 도면들이다.
도 7은 도 4의 코일 정렬 방법을 이용하는 전기차 무선 전력 전송 장치의 일실시예에 대한 블록도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 코일 정렬 방법에 대한 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 코일 정렬 방법에 대한 흐름도이다.
도 10은 도 9의 코일 정렬 방법의 작동 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 도 9의 코일 정렬 방법에 채용할 수 있는 룩업테이블에 저장되는 전기장 세기 패턴을 설명하기 위한 도면이다.
도 12 및 도 13은 도 9의 코일 정렬 방법에 채용할 수 있는 보조 코일 구조에 대한 예시도들이다.
도 14는 도 9의 코일 정렬 방법에 채용할 수 있는 보조 코일 구조에 대한 또 다른 예시도이다.
도 15는 도 9의 코일 정렬 방법을 수행하는 코일 정렬 장치에 대한 블록도이다.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 코일 정렬 방법에 대한 흐름도이다.
도 17은 도 16의 코일 정렬 방법의 작동 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 18은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 코일 정렬 방법에 대한 흐름도이다.
도 19는 도 18의 코일 정렬 방법을 도식적으로 나타낸 도면이다.
도 20은 도 18의 코일 정렬 방법을 수행하는 코일 정렬 장치에 대한 블록도이다.
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 3은 본 발명에 따른 코일 정렬(alignment) 방법을 채용할 수 있는 무선 전력 전송 시스템에 대한 개략적인 구성도이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템(100)은 그라운드 어셈블리(ground assembly, GA, 110)와 차량 어셈블리(vehicle assembly, VA, 120)를 포함한다.
그라운드 어셈블리(110)는 그리드(grid)에 연결되는 역률 보정(power factor correction, PFC) 기능을 구비한 AC-DC 컨버터(172), DC-AC 인버터(174), 필터/IMN(filter/impedance matching network)(176) 및 GA 코일(150)을 구비할 수 있다. 또한, 그라운드 어셈블리(110)는 GA 컨트롤러(130)를 구비할 수 있다.
차량 어셈블리(120)는 GA 코일(150)과 마그네틱 결합 회로(magnetic coupled circuit)를 형성하는 VA 코일(160), RC(resonant circuit)/IMN(182), 정류기/필터(rectifier/filter, 184) 및 임피던스 변환기(impedance converter, 186)를 구비할 수 있다. 임피던스 변환기(186)는 차량의 고전압 배터리(190)와 연결될 수 있다. 또한, 차량 어셈블리(120)는 VA 컨트롤러(140)를 구비할 수 있다.
GA 컨트롤러(130)와 VA 컨트롤러(140)는 무선 통신 링크(wireless communication link)를 통해 서로 연결될 수 있다. 본 실시예에서, GA 컨트롤러(130), VA 컨트롤러(140), 또는 이들의 조합은 후술하는 코일 정렬 장치를 포함하거나 코일 정렬 장치와 결합하여 코일 정렬 장치를 지원할 수 있다. 또한, GA 컨트롤러(130) 및/또는 VA 컨트롤러(140)는 마이크로프로세서나 전자제어장치(electronic control unit) 등과 같이 프로세서와 메모리를 구비하고 디지털 신호를 처리할 수 있는 컴퓨팅 장치로 구현될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 코일 정렬 방법에 대한 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 코일 정렬 방법은, 차량 어셈블리 제어기(vehicle assembly controller, VA 제어기)에 결합하는 코일 정렬 장치에 의해 수행될 수 있다.
먼저, 코일 정렬 장치는 차량 어셈블리(VA) 코일과 물리적으로 고정 결합되는 제1 보조코일과 제2 보조코일을 통해 그라운드 어셈블리(ground assembly, GA) 코일로부터의 자기장 세기를 감지한다(S41).
다음, 코일 정렬 장치는 제1 보조코일을 통해 감지되는 제1 자기장 세기와 제2 보조코일을 통해 감지되는 제2 자기장 세기를 비교한다(S42).
다음, 코일 정렬 장치는 차량 어셈블리 코일 또는 그라운드 어셈블리 코일을 제1 자기장 세기와 제2 자기장 세기가 미리 정해진 차이를 갖는 위치로 움직인다(S43).
다음, 코일 정렬 장치는, 상기의 미리 정해진 차이를 유지하면서 VA 코일의 제1 중심점과 GA 코일의 제2 중심점이 최단 거리 또는 최단 거리의 일정 오차 범위 내에 위치하도록 VA 코일 및 GA 코일 중 어느 하나 이상을 서로 마주하는 방향으로 움직일 수 있다(S44).
도 5 및 도 6은 도 4의 코일 정렬 방법의 작동 원리를 설명하기 위한 도면들이다.
도 5를 참조하면, VA 코일(160), VA 코일(160)과 미리 정해진 상대적인 위치들에 각각 배치된 제1 보조코일(161) 및 제2 보조코일(162)은 전기차에 탑재된다. 전기차는 차량측 무선 전력 전송 패드(이하, 이차 패드)를 탑재하고 GA 코일(150)이 배치된 무선 충전 주차 구역(parking area, PA)에서 무선 충전에 의해 배터리를 충전할 수 있다. 주차 구역(PA)에는 차량 진입을 감지하기 위한 센서(12)가 배치될 수 있다. VA 코일(160), 제1 보조코일(161) 및 제2 보조코일(162)은 이차 패드(163)에 일체로 구비될 수 있다(S51).
전기차가 주차 구역(PA)에 진입하면, 센서(12)는 차량 진입 감지 신호를 GA 제어기로 전달할 수 있다(S521). 도 5에서는 차량 진입 감지 신호가 GA 코일(150)측 즉, GA 제어기측으로 전달되는 것을 도시하고 있다. 차량 진입 감지 신호가 입력되거나 감지되면, GA 제어기는 GA 코일(150)에서 자기장을 형성하기 위해 GA 코일(150)로 전력을 공급하도록 동작하기 시작할 수 있다(S52). 본 단계에서 GA 제어기는, GA 코일(150)에 무선 전력 전송에 사용되는 전력 범위보다 작은 전력을 제공하기 위해 준비될 수 있다.
GA 코일(150)에 전력이 공급되면, 코일 정렬 장치는 GA 코일(150)과의 자기 유도 및/또는 공진 유도에 의해 VA 코일(160), 제1 보조코일(161) 및 제2 보조코일(162)에 유도되는 기전력(전압), 전류 또는 자기장 세기를 감지할 수 있다(S53).
그런 다음, 도 6에 도시한 바와 같이, 코일 정렬 장치는 제1 보조코일(161)에 유도되는 자기장 세기(이하, 제1 자기장 세기)와 제2 보조코일(162)에 유도되는 자기장 세기(이하, 제2 자기장 세기)를 비교할 수 있다(S54).
그리고, 코일 정렬 장치는 제1 자기장 세기와 제2 자기장 세기가 동일하거나 미리 정해진 오차 범위 내에 있도록 이차 패드(163)의 현재 위치를 다른 위치로 움직일 수 있다(S55).
상기 위치로 움직이는 과정은, VA 코일(160)의 제1 중심점으로부터 제1 보조코일(161)까지의 간격/거리와 제2 보조코일(162)까지의 간격/거리가 동일하다고 할 때, 제1 보조코일(161)의 중심점, GA 코일(160)의 제2 중심점 및 제1 중심점을 기재된 순서대로 연결하는 두 직선들에 의한 제1 각도와, 제2 보조코일(162)의 중심점, 제2 중심점 및 제1 중심점을 기재된 순서대로 연결하는 두 직선들에 의한 제2 각도를 동일하게 정렬하는 것을 포함할 수 있다. 물론, 정렬은 미리 정해진 차이를 포함할 수 있으며, 미리 정해진 차이는 영(zero) 이거나 일정 오차 범위 이내를 포함할 수 있다.
구현에 따라서, 코일 정렬 장치는 VA 코일(160)의 제1 중심점으로부터 제1 보조코일(161)까지의 간격/거리와 제2 보조코일(162)까지의 간격/거리가 서로 다른 경우, 간격 또는 거리의 차이에 대응하거나 이러한 차이에 비례하는 제1 각도와 제2 각도에 비례하거나 이를 토대로 계산된 방향 및 거리만큼 이차 패드의 위치를 이동시킬 수 있다.
다음, 코일 정렬 장치는, 제1 및 제2 보조코일들(161, 162)을 이용하여 이차 패드(163)를 GA 코일(150)에 대하여 정렬한 후, 정렬된 위치에서의 자기장 세기(이하, 제1 정렬 자기장 세기)를 GA 제어기로 전송할 수 있다. GA 제어기는 제1 정렬 자기장 세기를 토대로 GA 코일(150)을 구비하는 그라운드측 무선 전력 전송 패드(이하, 일차 패드)를 VA 코일(160)과 마주하는 방향(D1)으로 움직일 수 있다(S56). 제1 정렬 자기장 세기는 GA 코일의 움직임을 요청하는 신호 또는 메시지에 포함되어 VA 제어기에서 GA 제어기로 전달될 수 있다.
본 실시예에서 코일 정렬 장치는, 상기 미리 정해진 차이(예컨대, 제로 또는 오차 범위 내)를 유지하면서 VA 코일을 움직이기 위해, 정렬 정보의 수신과 이동 과정을 반복 수행할 수 있다. 즉, 코일 정렬 장치는, 복수의 센싱 코일들의 자기장 세기 값들의 최대 차이가 미리 정해진 오차 범위 이하이고, VA 코일, 제1 보조코일 및 제2 보조코일 중 어느 하나에 유도되는 자기장 세기가 미리 정해진 기준치 이상일 때, VA 코일(160) 이동을 중지하고 그때의 VA 코일(160) 위치로 정렬(alignment)을 완료할 수 있다.
한편, 전술한 실시예에서, 제1 보조코일(161)과 제2 보조코일(162)은 VA 코일(160)의 제1 중심점, 제1 보조코일(161)의 중심점 및 제2 보조코일(162)의 중심점이 일직선상에 놓이도록 배열되나, 본 발명은 이에 한정되지는 않는다. 제1 보조코일(161)과 제2 보조코일(162)은 구현에 따라서 GA 코일(150)의 중심선(물리적 형태나 자기장의 대칭 중심을 고려한 중심선)과 직교하는 수평면과 평행한 제1 평면상에 VA 코일(160)과 다른 높이에서 삼각형 형태로 배열되거나, 상기 수평면과 교차하는 제2 평면상에 VA 코일(160)과 서로 다른 높이에 놓인 삼각형 형태로 배열되거나, 상기 수평면과 직교하는 제3 평면상에 수직선 형태로 배열될 수 있다.
도 7은 도 4의 코일 정렬 방법을 이용하는 전기차 무선 전력 전송 장치의 일실시예에 대한 블록도이다.
도 7을 참조하면, 본 실시예에 따른 코일 정렬 방법을 이용하는 전기차(electric vehicle) 무선 전력 전송(wireless power transfer) 장치(이하, WPT 장치)는, VA 제어기(140), 차량에 탑재되는 무선 전력 전송 장치로서, 차량 어셈블리(VA) 코일(160), 제1 보조코일(161), 제2 보조코일(163), 전력 변환 장치(180) 및 VA 제어기(140)에 결합하는 코일 정렬 장치를 포함할 수 있다.
VA 제어기(140)는 VA 코일을 통한 수전 또는 급전 동작을 제어하고 통신 유닛(142)을 통해 그라운드 어셈블리(ground assembly, GA) 제어기와 연결되어 신호, 메시지 등을 송수신할 수 있다. VA 코일(160)은 이차 패드(163)에 내장될 수 있으며, 이차 패드(163)에는 제1 보조코일(161)과 제2 보조코일(162)이 미리 정해진 상대적인 위치 관계를 갖고 배치될 수 있다. 그리고, 전력 변환 장치(180)는 RC(resonant circuit)/IMN(도 3의 참조부호 182 참조), 정류기/필터(rectifier/filter) 및 임피던스 변환기(impedance converter)를 포함하고, 차량에 탑재된 배터리(190)에 연결될 수 있다.
코일 정렬 장치는, 제1 및 제2 보조코일들(161, 162)에 인가되는 자기장 세기들을 감지하는 적어도 하나의 센서(211, 212)와, 자기장 세기들을 비교하는 비교기(220)와, VA 코일(160) 또는 VA 코일(160)을 구비한 이차 패드(163)에 결합하는 구동기(actuator, 230)를 구비할 수 있다.
센서(211, 212)는 각 보조코일에 결합하는 홀 센서 등의 자기장 측정 센서를 포함할 수 있다. 센서(211, 212)에서 감지된 신호 또는 감지 결과는 비교기(220)로 입력될 수 있다.
구현에 따라서, 코일 정렬 장치는 보조코일들의 자기장 세기를 전력 변환 장치(180)나 전력 변환 장치(180)에 설치되는 센서와 연결되는 VA 제어기(140)를 통해 자기장 세기를 감지할 수 있다.
구동기(230)는, 코일 정렬 장치의 제어 설정 예컨대, 비교기(220)의 출력 신호에 따라 또는 VA 제어기(140)의 제어 신호에 따라, 보조코일들(161, 162)의 두 자기장 세기 값들이 미리 정해진 차이를 갖는 위치로 VA 코일(160) 또는 이차 패드(163)를 움직인 후 미리 정해진 차이를 유지하면서 VA 코일(160)을 GA 코일과 마주하는 방향으로 움직이고 GA 코일로부터 VA 코일(160), 제1 보조코일(161) 및 제2 보조코일(162) 중 적어도 어느 하나 이상에 유도되는 자기장 세기들이 미리 정해진 세기 이상일 때 이차 패드(163)의 움직임을 정지할 수 있다. 미리 정해진 차이는 영(zero) 또는 일정 오차 범위 이하일 수 있다.
구동기(230)는 구동암(232)을 통해 이차 패드(163)에 연결될 수 있다. 구동암(232) 중간에는 2차원 또는 3차원 회전 가능한 관절부(234)가 결합될 수 있으며, 이러한 구성에 의해 구동기(230)는 이차 패드(163)를 2차원 또는 3차원 공간에서 이동시킬 수 있다.
전술한 비교기(220)과 구동기(230)은 단일 하우징(202)에 구비되어 전기차에 탑재될 수 있다. 아울러, 구동기(230)에 연결되는 이차 패드(163)는 구동기(230)와의 연결 구조 외에 구동기(230)의 힘에 따라 차량으로부터 신축자재하게 연장하거나 축소하는 지지 구조를 더 구비할 수 있다.
본 실시예에서 비교기(220)과 구동기(230) 등을 포함하는 코일 정렬 장치는 VA 제어기(140)과 별도의 장치로 언급되나, 본 발명은 그러한 구성으로 한정되지 않고, 코일 정렬 장치의 일부 구성요소 예컨대 비교기(220) 등은 VA 제어기(140)에 탑재된 일부 비교 기능부나 이러한 기능부에 대응하는 기능을 수행하는 VA 제어기의 일부 구성부로 구현될 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 코일 정렬 방법에 대한 흐름도이다.
도 8을 참조하면, 본 실시예에 따른 코일 정렬 방법은, 차량 어셈블리 제어기에 결합하는 코일 정렬 장치에 의해 수행될 수 있다. 다만, 본 실시예의 코일 정렬 방법은, 도 4의 코일 정렬 방법과 대비할 때 일차 패드에 배치되는 보조코일들을 이용하는 점에서 차이가 있다. 이러한 구조는 도 5의 구조에서 일차 패드와 이차 패드가 뒤바뀐 것을 제외하고 실질적으로 동일하므로, 그에 대한 도시는 중복을 피하기 위해 생략한다.
먼저, 코일 정렬 장치는, 차량이 무선 충전 주차 구역에 진입한 후 차량에 탑재된 VA 코일에 전력을 공급하여 자기장을 생성할 수 있다(S81). 여기서, 무선 충전 주차 구역에는 GA 코일(도 5의 참조부호 150 참조), GA 코일과 미리 정해진 간격만큼 이격 배치되는 제1 보조코일 및 제2 보조코일이 배치될 수 있다. GA 코일, 제1 보조코일 및 제2 보조코일은 일차 패드에 일체로 배치될 수 있다.
다음, 코일 정렬 장치는, GA 제어기로부터 GA 제어기에 연결되는 GA 코일과 상대적인 위치들에서 각각 결합되는 복수 센싱 코일들(보조코일들에 대응함)의 자기장 세기 값들을 수신할 수 있다(S82). 그리고 코일 정렬 장치는 상기의 자기장 세기 값들을 토대로 이동 방향과 이동 거리를 계산할 수 있다. 이동 방향과 이동 거리는 두 센싱 코일들 간의 자기장 세기 값들의 차이가 미리 정해진 차이를 갖도록 계산될 수 있다. 구현에 따라서, 상기의 이동 방향과 이동 거리를 포함하는 정렬 정보는 GA 제어기에서 계산된 후 VA 제어기나 코일 정렬 장치로 전송될 수 있다.
다음, 코일 정렬 장치는 두 센싱 코일들에서의 자기장 세기가 미리 정해진 차이를 갖는 위치(제1 정렬 위치)로 이차 패드를 이동할 수 있다(S83). 또한, 코일 정렬 장치는, 조금더 복잡한 구성이기는 하지만 구현에 따라서, 두 센싱 코일들에서의 자기장 세기가 미리 정해진 차이를 갖는 위치로 일차 패드가 움직이도록 일차 패드의 움직임을 제어할 수 있다.
다음, 코일 정렬 장치는 VA 코일이나 VA 코일을 구비한 이차 패드가 제1 정렬 위치에서 기준치 이상의 자기장 세기를 갖는 제2 정렬 위치에 도달할 때까지 GA 코일과 마주하는 방향으로 VA 코일을 움직일 수 있다(S84).
또한, 코일 정렬 장치는 구현에 따라서 GA 코일을 현재 위치에서 제1 정렬 위치와 수직 방향 혹은 중력 방향에서 마주하는 위치(정렬 위치)까지 이동하도록 동작할 수 있다. 이를 위해, 코일 정렬 장치는 관련 신호 또는 메시지를 GA 제어기로 전송할 수 있다.
전술한 실시예에서 코일 정렬 장치는, 제1 정렬 위치를 경유하는 직선 경로(VA 코일 및 GA 코일의 중심선을 연결한 직선을 포함하는 평면에서의 경로)를 유지하면서 VA 코일을 움직이기 위해, 정렬 정보의 수신과 이동 과정을 반복 수행할 수 있다. 즉, 코일 정렬 장치는, 복수의 센싱 코일들의 자기장 세기 값들의 최대 차이가 미리 정해진 오차 범위 이하이고, GA 코일, 제1 보조코일 및 제2 보조코일 중 어느 하나에 유도되는 자기장 세기가 미리 정해진 기준치 이상일 때, 코일 이동을 중지하고 그때의 코일 위치로 코일 정렬을 완료할 수 있다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 코일 정렬 방법에 대한 흐름도이다.
도 9를 참조하면, 본 실시예에 따른 코일 정렬 방법은 차량 어셈블리(VA) 제어기에 결합하고 룩업테이블(lookup table)을 이용하는 코일 정렬 장치에 의해 수행될 수 있다.
먼저, 코일 정렬 장치는, VA 코일과 일정 간격 이격된 상대적인 위치들에서 각각 결합되는 제1 보조코일과 제2 보조코일을 통해 그라운드 어셈블리(GA) 코일로부터의 자기장 세기를 감지한다(S91).
다음, 코일 정렬 장치는, 제1 보조코일을 통해 감지되는 제1 자기장 세기와 제2 보조코일을 통해 감지되는 제2 자기장 세기를 비교한다(S92).
다음, 코일 정렬 장치는, VA 코일 또는 GA 코일을 제1 자기장 세기와 제2 자기장 세기가 미리 정해진 차이를 갖는 위치로 움직인다(S93).
다음, 코일 정렬 장치는, 미리 정해진 차이를 갖는 위치에서의 제1 자기장 세기 패턴과 미리 저장된 룩업테이블(lookup table, LUT)의 자기장 세기 패턴들을 비교한다(S94).
다음, 코일 정렬 장치는, 룩업테이블 상의 자기장 세기 패턴들 중 제1 자기장 세기 패턴과 동일하거나 가장 유사한 제2 자기장 세기 패턴을 토대로 VA 코일과 GA 코일 간의 거리 및 방향을 결정한다(S95).
다음, 상기의 거리 및 방향을 토대로 VA 코일의 제1 중심점과 GA 코일의 제2 중심점이 최단 거리 또는 최단 거리의 일정 오차 범위 내에 위치하도록 VA 코일 및 GA 코일 중 어느 하나 이상을 서로 마주하는 방향으로 움직일 수 있다.
도 10은 도 9의 코일 정렬 방법에 채용할 수 있는 룩업테이블에 저장되는 전기장 세기 패턴을 설명하기 위한 도면이다.
도 10을 참조하면, 룩업테이블(LUT)은 GA 코일의 중심으로부터의 거리에 따라 x-y 평면상에서 볼 때 다수의 동심원 형태로 자기장 세기가 변하는 자기장 세기 패턴들에 대한 패턴 정보를 저장할 수 있다. 패턴 정보는 GA 코일의 중심으로부터의 거리와 방향에 따라 서로 다른 자기장 세기 정보를 포함할 수 있다. 따라서, VA 코일(160), 제1 보조코일(161) 및 제2 보조코일(162) 중 어느 하나의 보조코일(PD), 바람직하게는 둘 이상의 코일들에서 자기장 세기들을 감지하면, VA 코일(160)의 중심에서 GA 코일의 중심까지의 방향 및 거리(LE)를 계산할 수 있다.
룩업테이블에 저장되는 자기장 세기 패턴들은 GA 코일의 제2 중심점에서 최고값을 갖는 정규분포 확률밀도함수 모양(PR)을 구비할 수 있다. 즉, 룩업테이블은 자기장 세기 패턴들에 대한 패턴 정보를 저장할 수 있다.
도 11 내지 도 13은 도 9의 코일 정렬 방법에 채용할 수 있는 보조 코일 구조에 대한 예시도들이다.
도 11을 참조하면, 본 실시예에서 VA 코일(160), 제1 보조코일(161) 및 제2 보조코일(162)은, GA 코일이 놓여 있고 GA 코일의 중심으로부터의 거리에 따라 자기장 세기가 변하는 형태가 x-y 평면상에서 볼 때 다수의 동심원 형태로 도시된 x-y 평면을 기준으로, x-y 평면과 평행한 동일 평면에서 중심들이 일직선상에 놓인 형태로 배열될 수 있다. 여기서, 자기장 세기는 거리가 증가함에 따라 전력 전송 효율(power transfer efficiency)이 감소하는 반비례 관계를 가질 수 있다.
도 12를 참조하면, 본 실시예에서 VA 코일(160), 제1 보조코일(161) 및 제2 보조코일(162)은 x-y 평면과 평행한 동일 평면에서 코일들의 중심들이 삼각형 형태로 놓이도록 배열될 수 있다.
도 13을 참조하면, 본 실시예에서 VA 코일(160), 제1 보조코일(161) 및 제2 보조코일(162)은 x-y 평면과 평행한 동일 평면에서 VA 코일(160)의 일측에 제1 보조코일(161)과 제2 보조코일(162)이 방사상 방향으로 순차적으로 배열된 형태를 구비할 수 있다.
도 14는 도 9의 코일 정렬 방법에 채용할 수 있는 보조 코일 구조에 대한 또 다른 예시도이다.
본 실시예에서 VA 코일(160), 제1 보조코일(161) 및 제2 보조코일(162)은 x-y 평면과 평행한 동일 평면에 배치되지 않는다.
도 14의 (a)에 도시한 바와 같이, 제1 보조코일(161) 및 제2 보조코일(162)은 x-y 평면과 직교하는 z-방향에서 VA 코일(160)의 중심점(MC1)을 지나는 제1 평면과 다른 제2 평면에 배치될 수 있다. 제1 보조코일(161)의 중심점(AC1)과 제2 보조코일(162)의 중심점(AC2)은 제2 평면에 놓일 수 있다. 제2 평면은 z-방향에서 제1 평면보다 낮은 위치에 배치될 수 있다.
또한, 도 14의 (b)에 도시한 바와 같이, 제1 보조코일(161)의 중심점(AC1)은 x-y 평면과 직교하는 z-방향에서 VA 코일(160)의 중심점(MC1)을 지나는 제1 평면과 다른 제2 평면에 배치되고, 제2 보조코일(162)의 중심점(AC2)은 제1 평면 및 제2 평면과 다른 제3 평면에 배치될 수 있다. 이 경우, 구현에 따라서, VA 코일(160), 제1 보조코일(161) 및 제2 보조코일(162)의 중심점들(MC1, AC1, AC2)이 소정 방향(I-방향)으로 연장하는 직선상에 놓일 수 있다.
이와 같이 본 실시예에 따른 코일 정렬 방법은, VA 코일(160), 제1 보조코일(161) 및 제2 보조코일(162)의 배열 구조에 있어서, 대칭적 혹은 규칙적이지 않 지만, 미리 정해진 상대적인 위치들에 배치되는 배열 구조를 포함할 수 있다.
전술한 실시예에 의하면, VA 코일의 제1 중심점, 제1 보조코일의 중심점 및 제2 보조코일의 중심점은 일직선상에 배열되거나, GA 코일의 자기(magnetic) 중심선과 직교하는 수평면과 평행한 제1 평면상에 삼각형 형태로 배열되거나, 상기 수평면과 교차하는 제2 평면상에 삼각형 형태로 배열되거나, 상기 수평면과 직교하는 제3 평면상에 수직선 또는 삼각형 형태로 배열되는 등 다양한 형태로 구현될 수 있다.
도 15는 도 9의 코일 정렬 방법을 수행하는 코일 정렬 장치에 대한 블록도이다.
도 15를 참조하면, 본 실시예에 따른 코일 정렬 장치는, 차량에 탑재되는 무선 전력 전송 장치에 결합할 수 있고, 센서(210), 비교기(220), 구동기(230), 패턴생성기(240), 패턴비교기(250) 및 룩업테이블(260)을 포함할 수 있다. 비교기(220), 구동기(230), 패턴생성기(240) 및 패턴비교기(250)는 단일 하우징(202)의 장치로 구현될 수 있다. 구현에 따라서, 비교기(220), 패턴생성기(240) 및 패턴비교기(250)는 VA 제어기의 일부 기능부 또는 구성부로 구현될 수 있음은 물론이다. 센서(210)는 비교기(220)에 연결될 수 있고, 패턴비교기(250)는 룩업테이블(260)이 저장되는 저장장치나 메모리(144) 등에 연결될 수 있다.
센서(210), 비교기(220) 및 구동기(230)는 도 7의 코일 정렬 장치의 구성요소와 실질적으로 동일하므로 그것들에 대한 상세 설명은 생략한다.
패턴생성기(240)는 VA 코일, 1차 보조코일 및 2차 보조코일에서 감지되는 자기장 세기들을 토대로 이차 패드의 현재 위치에서 제1 자기장 패턴을 생성할 수 있다. 구현에 따라서, 패턴생성기(240)는 비교기(220)에서 1차 보조코일 및 2차 보조코일의 두 자기장 세기들을 비교한 결과에 따라 이동한 위치(제1 정렬 위치)에서의 VA 코일, 1차 보조코일 및 2차 보조코일 중 적어도 하나 이상의 자기장 세기들을 토대로 제1 자기장 패턴을 생성할 수 있다.
패턴비교기(250)는 제1 자기장 패턴과 룩업테이블(260)에 저장된 제2 자기장 패턴들을 비교하여 제1 자기장 패턴과 실질적으로 동일하거나 미리 정해진 오차 범위 내에서 가장 유사한 제2 자기장 패턴을 선택할 수 있다. 패턴비교기(250)는 선택된 제2 자기장 패턴에 대응하는 위치 정보를 출력할 수 있다. 위치 정보를 상대적인 벡터 정보를 포함할 수 있다. 코일 정렬 장치는 패턴비교기(250)로부터의 출력이나 위치 정보를 토대로 GA 코일의 중심을 향한 VA 코일의 방향과 거리를 계산할 수 있다.
본 실시예에 의하면, 코일 정렬 장치는, GA 제어기에 연결되는 GA 코일로부터 복수의 보조 코일들에 인가되는 자기장 세기들을 센서를 통해 감지하고, 자기장 세기들에 의한 제1 자기장 패턴을 패턴생성기(240)를 통해 생성하고, GA 코일과의 거리에 따라 변하는 GA 코일의 자기장 세기들에 의한 제2 자기장 패턴들을 저장하는 룩업테이블(260)을 기반으로 패턴비교기(250)를 통해 제1 자기장 패턴과 제2 자기장 패턴들을 비교하고, 비교 결과에 따라 VA 코일에 결합하는 구동기(230)를 통해 VA 코일과 GA 코일을 정렬할 수 있다.
코일 정렬 장치는, VA 코일과 GA 코일의 정렬을 위해 패턴비교기에서 출력되는 벡터 정보를 토대로 VA 코일을 정렬 위치로 직접 움직이거나 GA 제어기로 신호 또는 메시지를 전송하여 GA 코일을 간접적으로 움직일 수 있다.
한편, 전술한 실시예에서는 VA 제어기에 연결되는 코일 정렬 장치를 중심으로 설명하였으나, 본 발명은 그러한 구성으로 한정되지 않고, GA 제어기에 연결되는 코일 정렬 장치로 구현될 수 있다.
전술한 경우, 코일 정렬 장치는, GA 제어기에 결합하는 코일 정렬 장치로서, 차량이 무선 충전 주차 구역에 진입하면, GA 코일에 전력을 공급하여 자기장을 생성하고, VA 코일과 물리적으로 고정 결합하는 제1 보조코일과 제2 보조코일에 의해 감지되는 자기장 세기 값들을 차량에 탑재된 VA 제어기로부터 GA 제어기를 통해 수신하고, 보조코일들의 자기장 세기 값들이 미리 정해진 차이를 갖는 위치로 GA 코일을 움직이고, 미리 정해진 차이를 오차 범위 내에서 유지하면서 VA 코일과 마주하는 방향으로 GA 코일을 움직이도록 구현될 수 있다.
또한, 코일 정렬 장치는, 미리 정해진 차이를 갖는 위치에서의 제1 자기장 세기 패턴과 미리 저장된 룩업테이블 상의 자기장 세기 패턴들을 비교할 수 있다. 그리고, 룩업테이블 상의 자기장 세기 패턴들 중 제1 자기장 세기 패턴과 동일하거나 가장 유사한 제2 자기장 세기 패턴을 토대로 VA 코일에 대하여 GA 코일이 위치하는 방향과 거리를 결정하도록 구현될 수 있다.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 코일 정렬 방법에 대한 흐름도이다.
도 16을 참조하면, 본 실시예에 따른 코일 정렬 방법은, GA 코일(도 17의 참조부호 150 참조)과 GA 코일 주위에 배치되는 다수의 센싱 코일들(도 17의 참조부호 151 ~ 154 참조)을 이용하여 차량에 탑재된 코일 정렬 장치에서 수행될 수 있다.
무전 충전 주차 구역으로 차량이 진입하면, 코일 정렬 장치는 VA 코일(160)에서 자기장을 형성할 수 있다(S161). 다음, GA 제어기로부터 다수의 센싱 코일들의 자기장 세기 값들(Vs)을 토대로 하는 정렬 정보를 수신할 수 있다(S162). 다음, 정렬 정보에 따라 VA 코일을 이동할 수 있다(S163). 그리고, 코일 정렬 장치는, 정렬 정보를 수신하는 절차와 VA 코일을 움직이는 절차를 기재된 순서대로 반복 수행할 수 있다. 반복 수행은 다수의 센싱 코일들의 자기장 세기 값들의 최대 차이가 미리 정해진 오차 범위 이하일 때 완료될 수 있다.
도 17은 도 16의 코일 정렬 방법의 작동 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 17을 참조하면, 차량은 주차 구역에 설치된 센서(12)에 의해 감지될 수 있다(S171). 차량이 감지되면, 센서(12)는 GA 코일의 저전력 전송과 센싱 코일들의 작동 명령(차량 진입 감지 신호에 대응할 수 있음)을 GA 제어기나 GA 제어기에 결합하는 그라운드측 코일 정렬 장치로 전송할 수 있다.
다음, 차량측 코일 정렬 장치는 VA 코일(160)로부터의 자기장이 검출되는지 GA 코일(150) 주위의 다수의 센싱 코일들(151, 152, 153, 154)을 모니터링하거나 정렬(alignment) 시스템 동작을 대기할 수 있다(S172).
그런 다음, 코일 정렬 장치는 여러 센싱 코일들(151 ~ 154)에서 측정된 자기장의 세기를 비교하여 가장 큰 자기장이 검출되는 센싱 코일의 위치를 추적할 수 있다. 그리고, 코일 정렬 장치는 다수의 센싱 코일들에서 감지되는 자기장의 세기가 동일해지도록 VA 코일을 이동할 수 있다. 다수의 센싱 코일들에서 감지되는 자기장의 세기가 동일해지거나 미리 설정된 오차 범위 내의 최대 차이를 가지면, 코일 정렬 장치는 정렬을 종료할 수 있다.
구현에 따라서, 코일 정렬 장치는 다수의 센싱 코일들에서 감지되는 자기장의 세기가 동일해지도록 GA 제어기에 GA 코일을 포함한 일차 패드의 이동을 요청할 수 있다.
도 18은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 코일 정렬 방법에 대한 흐름도이다. 도 19는 도 18의 코일 정렬 방법을 도식적으로 나타낸 도면이다.
본 실시예에 따른 코일 정렬 방법은 그라운드 어셈블리(GA) 제어기에 결합하는 코일 정렬 장치에 의해 수행될 수 있다.
도 18 및 도 19를 참조하면, 코일 정렬 장치는, 무선 충전 주차 구역에 진입한 차량으로부터 주차 구역에 배치된 GA 코일(150)과 상대적인 위치들에서 각각 결합하는 복수 센싱 코일들(151, 152, 153, 154)에 유도되는 자기장의 세기를 감지한다(S181).
다음, 코일 정렬 장치는, 복수 센싱 코일들(151 ~ 154)의 자기장 세기 값들을 토대로 VA 코일과 GA 코일 간의 상대적인 방향을 계산 또는 판별한다(S182). 즉, 코일 정렬 장치는 각각의 센싱 코일들(151 ~ 154)에서 감지한 자기장의 세기들을 비교하여 최대 자기장 세기가 감지된 센싱 코일을 판별할 수 있다. 또한, 구현에 따라서, 코일 정렬 장치는 최대 자기장 세기를 갖는 복수의 센싱 코일들이나 우선순위의 가장 높은 두 개 혹은 세 개의 센싱 코일들을 판별하고, 두 개 혹은 세 개의 센싱 코일들로 이루어진 그룹의 중간부를 GA 코일(150)이 움직일 방향(D3)으로 판별할 수 있다.
다음, 코일 정렬 장치는, 판별된 방향(D3)으로 GA 코일(150)을 움직일 수 있다(S183).
다음, 코일 정렬 장치는 GA 코일(150)을 움직임에 따라 변하는 새로운 위치에서 자기장의 세기들을 감지하고, 감지한 자기장의 세기들 중 최대 자기장 세기를 갖는 센싱 코일을 판별할 수 있다. 이러한 과정은 자기장 세기의 최대값이나 다수의 센싱 코일들에서 감지되는 자기장의 세기들의 최대 차이가 오차 범위 내에 있을 때까지 반복적으로 수행될 수 있다. 그리고, 코일 정렬 장치는 최대 차이가 오차 범위 이내일 때 정렬을 완료할 수 있다(S184).
한편, 전술한 실시예에서는 기본적으로 룩업테이블을 이용하지 않지만, 구현에 따라서 룩업테이블을 추가로 이용하도록 구현될 수 있다. 그 경우, 코일 정렬 장치는, 상기 감지하는 절차 후에, 복수 센싱 코일들의 자기장 세기들에 의한 제1 자기장 세기 패턴과 미리 저장된 룩업테이블 상의 자기장 세기 패턴들을 비교하고, 룩업테이블 상의 자기장 세기 패턴들 중 제1 자기장 세기 패턴과 동일하거나 가장 유사한 제2 자기장 세기 패턴을 토대로 상기 방향(D3)을 판별할 수 있다.
도 20은 도 18의 코일 정렬 방법을 수행하는 코일 정렬 장치에 대한 블록도이다.
도 20을 참조하면, 본 실시예에 따른 코일 정렬 장치는 무선 충전 주차 구역에 배치되는 그라운드측 무선 전력 전송 장치에 결합하여 코일 정렬 방법을 수행할 수 있다.
그라운드측 무선 전력 전송 장치는 그라운드 어셈블리(GA)로 지칭될 수 있고, GA 제어기(130), GA 코일(150) 및 전력 변환 장치(170)를 포함할 수 있다. GA 제어기(130)는 통신 유닛(132)을 통해 차량 어셈블리(vehicle assembly, VA) 제어기와 연결되어 신호 및/또는 데이터를 송수신할 수 있다. GA 코일(150)은 일차 패드(155)에 구비될 수 있으며, 일차 패드(155)에는 복수의 센싱 코일들에 대응하는 제1 내지 제4 보조코일들(151~154)이 배치될 수 있다. 그리고, 전력 변환 장치(170)는 역률 보정(power factor correction, PFC) 기능을 구비한 AC-DC 컨버터(도 3의 참조부호 172 참조), DC-AC 인버터, 필터/IMN(filter/impedance matching network) 등을 포함하고, 상용 전원을 공급하는 그리드(grid) 등에 연결될 수 있다.
코일 정렬 장치(200)는 센서(211, 212), 비교기 및 구동기 등을 포함할 수 있으며, GA 제어기(130)와 일체로 결합된 형태로 구현될 수 있다. 일체로 결합된 형태를 물리적인 단일 하우징을 가지거나, 소프트웨어와 하드웨어가 분리하거나 구분하기 어렵게 결합된 형태를 포함할 수 있다.
센서(211, 212)는 각 보조코일에 결합하는 홀 센서 등의 자기장 측정 센서를 포함할 수 있다. 센서(211, 212)에서 감지된 신호 또는 감지 결과는 GA 제어기(130)나 코일 정렬 장치(200)로 입력될 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. 차량 어셈블리 제어기에 결합하는 코일 정렬 장치에 의해 수행되는 코일 정렬 방법에 있어서,
    차량 어셈블리 코일과 물리적으로 고정 결합되는 제1 보조코일과 제2 보조코일을 통해 그라운드 어셈블리 코일로부터의 자기장 세기를 감지하는 단계;
    상기 제1 보조코일을 통해 감지되는 제1 자기장 세기와 상기 제2 보조코일을 통해 감지되는 제2 자기장 세기를 비교하는 단계;
    상기 차량 어셈블리 코일 또는 상기 그라운드 어셈블리 코일을 상기 제1 자기장 세기와 상기 제2 자기장 세기가 미리 정해진 차이를 갖는 위치로 움직이는 단계; 및
    상기 미리 정해진 차이를 유지하면서 상기 차량 어셈블리 코일의 제1 중심점과 상기 그라운드 어셈블리 코일의 제2 중심점이 최단 거리 또는 상기 최단 거리의 일정 오차 범위 내에 위치하도록 상기 차량 어셈블리 코일 및 상기 그라운드 어셈블리 코일 중 어느 하나 이상을 마주하는 방향으로 움직이는 단계를 포함하는,
    코일 정렬 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 위치로 움직이는 단계는, 상기 제1 중심점으로부터 상기 제1 보조코일까지의 거리와 상기 제2 보조코일까지의 거리가 동일하다고 할 때, 상기 제1 보조코일의 중심점, 상기 제2 중심점 및 상기 제1 중심점을 기재된 순서대로 연결하는 두 직선들에 의한 제1 각도와, 상기 제2 보조코일의 중심점, 상기 제2 중심점 및 상기 제1 중심점을 기재된 순서대로 연결하는 두 직선들에 의한 제2 각도를 정렬하는, 코일 정렬 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 중심점, 상기 제1 보조코일의 중심점 및 상기 제2 보조코일의 중심점은 일직선상에 배열되거나, 상기 그라운드 어셈블리 코일의 자기 중심선과 직교하는 수평면과 평행한 제1 평면상에 삼각형 형태로 배열되거나, 상기 수평면과 교차하는 제2 평면상에 삼각형 형태로 배열되거나, 상기 수평면과 직교하는 제3 평면상에 삼각형 형태로 배열되는, 코일 정렬 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 미리 정해진 차이는 영(zero) 이거나 일정 오차 범위 이내를 포함하는, 코일 정렬 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 방향으로 움직이는 단계는, 상기 그라운드 어셈블리 코일의 움직임을 포함할 때, 상기 차량 어셈블리 제어기에서 상기 그라운드 어셈블리 코일에 연결되는 그라운드 어셈블리 제어기로 상기 그라운드 어셈블리 코일의 움직임을 위한 신호 또는 메시지 전달을 포함하는, 코일 정렬 방법.
  6. 차량 어셈블리 제어기에 결합하는 코일 정렬 장치에 의해 수행되는 코일 정렬 방법에 있어서,
    차량 어셈블리 코일과 일정 간격 이격된 상대적인 위치들에서 각각 결합되는 제1 보조코일과 제2 보조코일을 통해 그라운드 어셈블리 코일로부터의 자기장 세기를 감지하는 단계;
    상기 제1 보조코일을 통해 감지되는 제1 자기장 세기와 상기 제2 보조코일을 통해 감지되는 제2 자기장 세기를 비교하는 단계;
    상기 차량 어셈블리 코일 또는 상기 그라운드 어셈블리 코일을 상기 제1 자기장 세기와 상기 제2 자기장 세기가 미리 정해진 차이를 갖는 위치로 움직이는 단계;
    상기 미리 정해진 차이를 갖는 위치에서의 제1 자기장 세기 패턴과 미리 저장된 룩업테이블 상의 자기장 세기 패턴들을 비교하는 단계; 및
    상기 룩업테이블 상의 자기장 세기 패턴들 중 상기 제1 자기장 세기 패턴과 동일하거나 가장 유사한 제2 자기장 세기 패턴을 토대로 상기 차량 어셈블리 코일과 상기 그라운드 어셈블리 코일 간의 거리 및 방향을 결정하는 단계를 포함하는 코일 정렬 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 룩업테이블에 저장되는 자기장 세기 패턴들은 상기 그라운드 어셈블리 코일의 제2 중심점에서 최고값을 갖는 정규분포 확률밀도함수 형상을 구비하는, 코일 정렬 방법.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 움직이는 단계는,
    상기 거리 및 방향을 토대로 상기 차량 어셈블리 코일의 제1 중심점과 상기 그라운드 어셈블리 코일의 제2 중심점이 최단 거리 또는 상기 최단 거리의 일정 오차 범위 내에 위치하도록 상기 차량 어셈블리 코일 및 상기 그라운드 어셈블리 코일 중 어느 하나 이상을 마주하는 방향으로 움직이는 단계를 포함하는, 코일 정렬 방법.
  9. 그라운드 어셈블리 제어기에 결합하는 코일 정렬 장치에 의해 수행되는 코일 정렬 방법에 있어서,
    무선 충전 주차 구역에 차량이 진입하면, 그라운드 어셈블리 코일에 전력을 공급하여 자기장을 형성하는 단계;
    상기 차량에 탑재된 차량 어셈블리 제어기로부터 상기 그라운드 어셈블리 제어기를 통해 차량 어셈블리 코일과 물리적으로 고정 결합하는 제1 보조코일과 제2 보조코일에 의해 감지되는 자기장 세기 값들을 수신하는 단계;
    상기 그라운드 어셈블리 코일을 상기 자기장 세기 값들이 미리 정해진 차이를 갖는 위치로 움직이는 단계; 및
    상기 미리 정해진 차이를 오차 범위 내에서 유지하면서 상기 그라운드 어셈블리 코일을 상기 차량 어셈블리 코일과 마주하는 방향으로 움직이는 단계를 포함하는, 코일 정렬 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 방향으로 움직이는 단계 전에,
    상기 미리 정해진 차이를 갖는 위치에서의 제1 자기장 세기 패턴과 미리 저장된 룩업테이블 상의 자기장 세기 패턴들을 비교하는 단계; 및
    상기 룩업테이블 상의 자기장 세기 패턴들 중 상기 제1 자기장 세기 패턴과 동일하거나 가장 유사한 제2 자기장 세기 패턴을 토대로 상기 차량 어셈블리 코일에 대하여 상기 그라운드 어셈블리 코일이 위치하는 방향을 결정하는 단계를 더 포함하는, 코일 정렬 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 방향으로 움직이는 단계는, 상기 차량 어셈블리 코일의 제1 중심점과 상기 그라운드 어셈블리 코일의 제2 중심점이 최단 거리 또는 상기 최단 거리의 일정 오차 범위 내에 위치할 때 완료되는, 코일 정렬 방법.
  12. 차량 어셈블리 제어기에 결합하는 코일 정렬 장치에 의해 수행되는 코일 정렬 방법에 있어서,
    무선 충전 주차 구역에 진입한 후 차량에 탑재된 차량 어셈블리 코일에 전력을 공급하여 자기장을 형성하는 단계;
    그라운드 어셈블리 제어기로부터 상기 그라운드 어셈블리 제어기에 연결되는 그라운드 어셈블리 코일과 상대적인 위치들에서 각각 결합되는 복수 센싱 코일들의 자기장 세기 값들을 토대로 계산된 이동 방향과 이동 거리에 대한 정렬 정보를 수신하는 단계; 및
    상기 정렬 정보에 따라 상기 차량 어셈블리 코일을 움직이는 단계를 포함하는, 코일 정렬 방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 정렬 정보를 수신하는 단계와 상기 움직이는 단계는, 기재된 순서대로 반복 수행되며, 상기 복수의 센싱 코일들의 자기장 세기 값들의 최대 차이가 미리 정해진 오차 범위 이하일 때 완료되는, 코일 정렬 방법.
  14. 그라운드 어셈블리 제어기에 결합하는 코일 정렬 장치에 의해 수행되는 코일 정렬 방법에 있어서,
    무선 충전 주차 구역에 진입한 차량으로부터 상기 주차 구역에 배치된 그라운드 어셈블리 코일과 상대적인 위치들에서 각각 결합하는 복수 센싱 코일들에 인가되는 자기장을 감지하는 단계;
    상기 복수 센싱 코일들의 자기장 세기들 중 최대 자기장 세기를 갖는 센싱 코일측으로 상기 그라운드 어셈블리 코일을 이동하는 단계; 및
    상기 이동에 따른 위치에서 복수 센싱 코일들에 감지되는 자기장 세기들 중 최대 자기장 세기를 갖는 센싱 코일측으로 상기 그라운드 어셈블리 코일을 다시 움직이는 단계를 포함하는, 코일 정렬 방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 다시 움직이는 단계는, 상기 자기장 세기들의 최대 차이가 미리 설정된 오차 범위 이내일 때 완료되는, 코일 정렬 방법.
  16. 청구항 14에 있어서,
    상기 감지하는 단계 후에,
    상기 복수 센싱 코일들의 자기장 세기들에 의한 제1 자기장 세기 패턴과 미리 저장된 룩업테이블 상의 자기장 세기 패턴들을 비교하고,
    상기 룩업테이블 상의 자기장 세기 패턴들 중 상기 제1 자기장 세기 패턴과 동일하거나 가장 유사한 제2 자기장 세기 패턴을 토대로 상기 방향을 판별하는, 코일 정렬 방법.
  17. 차량에 탑재되는 무선 전력 전송 장치로서,
    차량에 탑재되는 차량 어셈블리 코일;
    상기 차량 어셈블리 코일과 상대적인 위치들에서 각각 결합하는 두 개의 보조 코일들;
    상기 차량 어셈블리 코일을 통한 수전 또는 급전 동작을 제어하고 통신모듈이나 통신유닛을 통해 그라운드 어셈블리 제어기와 통신하는 차량 어셈블리 제어기; 및
    상기 차량 어셈블리 제어기에 결합하는 코일 정렬 장치를 포함하고,
    상기 코일 정렬 장치는,
    상기 그라운드 어셈블리 제어기에 연결되는 그라운드 어셈블리 코일로부터 상기 두 개의 보조 코일들에 인가되는 자기장 세기들을 감지하는 적어도 하나의 센서와, 상기 자기장 세기들을 비교하는 비교기와, 상기 차량 어셈블리 코일에 결합하는 액추에이터를 구비하고,
    상기 액추에이터는, 상기 코일 정렬 장치의 제어에 의해, 상기 차량 어셈블리 코일을 상기 자기장 세기들의 두 세기 값들이 미리 정해진 차이를 갖는 위치로 움직이고, 상기 차량 어셈블리 코일을 상기 그라운드 어셈블리 코일과 마주하는 방향으로 움직이면서 상기 그라운드 어셈블리 코일로부터 상기 차량 어셈블리 코일에 인가되는 자기장 세기가 미리 정해진 세기 이상일 때 정지하는,
    무선 전력 전송 장치.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 미리 정해진 차이는 영(zero) 또는 일정 오차 범위 이하를 포함하는, 무선 전력 전송 장치.
  19. 차량에 탑재되는 무선 전력 전송 장치로서,
    차량에 탑재되는 차량 어셈블리 코일;
    상기 차량 어셈블리 코일과 상대적인 위치들에서 각각 결합하는 복수 보조 코일들;
    상기 차량 어셈블리 코일과 상기 복수의 보조 코일들에 연결되고 통신모듈이나 통신유닛을 통해 그라운드 어셈블리 제어기와 통신하는 차량 어셈블리 제어기; 및
    상기 차량 어셈블리 제어기에 결합하는 코일 정렬 장치를 포함하고,
    상기 코일 정렬 장치는,
    상기 그라운드 어셈블리 제어기에 연결되는 그라운드 어셈블리 코일로부터 상기 복수 보조 코일들에 인가되는 자기장 세기들을 감지하는 적어도 하나의 센서와, 상기 자기장 세기들에 의한 제1 자기장 패턴을 생성하는 패턴생성기와, 상기 그라운드 어셈블리 코일과의 거리에 따라 상기 그라운드 어셈블리 코일의 자기장 세기들에 의한 제2 자기장 패턴들을 저장하는 룩업테이블과, 상기 제1 자기장 패턴과 상기 제2 자기장 패턴을 비교하는 패턴비교기와, 상기 차량 어셈블리 코일에 결합하는 액추에이터를 구비하고,
    상기 코일 정렬 장치는, 상기 패턴비교기에서 출력되는 벡터 정보를 토대로 상기 차량 어셈블리 코일 또는 상기 그라운드 어셈블리 코일을 직간접으로 움직이는, 무선 전력 전송 장치.
  20. 무선 충전 주차 구역에 배치되는 그라운드 어셈블리에 결합하는 무선 전력 전송 장치로서,
    상기 그라운드 어셈블리의 그라운드 어셈블리 코일;
    상기 그라운드 어셈블리 코일과 일정 간격 이격된 상대적인 위치들에 각각 배치되는 복수 센싱 코일들;
    상기 그라운드 어셈블리 코일 및 상기 복수 센싱 코일들과 연결되고 통신모듈이나 통신유닛을 통해 차량 어셈블리 제어기와 통신하는 그라운드 어셈블리 제어기; 및
    상기 그라운드 어셈블리 제어기에 결합하는 코일 정렬 장치를 포함하고,
    상기 코일 정렬 장치는,
    상기 차량 어셈블리 제어기에 연결되는 차량 어셈블리 코일로부터 상기 복수 센싱 코일들에 인가되는 자기장 세기들을 감지하는 적어도 하나의 센서와,
    상기 자기장 세기들을 비교하여 최대 자기장 세기를 갖는 센서를 판별하는 비교기와,
    상기 자기장 세기들의 최대 차이 값이 미리 정해진 차이 값과 같거나 오차 범위 이내로 근접하도록 상기 그라운드 어셈블리 코일을 상기 그라운드 어셈블리 코일의 자기 중심으로부터 자기장 세기가 가장 큰 하나의 센싱 코일이 위치하는 방향이나 가장 큰 자기장 세기 그룹을 형성하는 센싱 코일들 그룹의 중간 방향으로 움직이는 액추에이터(actuator)를 구비하는, 무선 전력 전송 장치.
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