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KR102008994B1 - 전력 공급 시스템, 차량 그리고 차량을 동작시키는 방법 - Google Patents

전력 공급 시스템, 차량 그리고 차량을 동작시키는 방법 Download PDF

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KR102008994B1
KR102008994B1 KR1020157002846A KR20157002846A KR102008994B1 KR 102008994 B1 KR102008994 B1 KR 102008994B1 KR 1020157002846 A KR1020157002846 A KR 1020157002846A KR 20157002846 A KR20157002846 A KR 20157002846A KR 102008994 B1 KR102008994 B1 KR 102008994B1
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KR
South Korea
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circuit
transmission circuit
impedance
electrical
receiving device
Prior art date
Application number
KR1020157002846A
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English (en)
Other versions
KR20150036341A (ko
Inventor
로버트 크자인스키
마이클 묄러스
Original Assignee
봄바디어 트랜스포테이션 게엠베하
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 봄바디어 트랜스포테이션 게엠베하 filed Critical 봄바디어 트랜스포테이션 게엠베하
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Abstract

전력 공급 시스템, 차량 그리고 차량을 동작시키는 방법이 제공된다. 본 발명은 차량의 전력 공급 시스템에 관한 것으로, 특히 차량의 구동 시스템에 관한 것이며, 이러한 전력 공급 시스템(1)은, 에너지 저장 모듈과; 인버터(3)와; 전기적 머신(4)과; 교번하는 전자기장을 수신하고 전자기 유도에 의해 교번하는 전류를 생성하도록 구성되어 있는 수신 디바이스(5)와; 그리고 인버터(3), 전기적 머신(4), 및 수신 디바이스(5)를 연결시키도록 구성되어 있는 수동 전기 회로 구성(8)을 포함하고, 여기서 수동 전기 회로 구성(8)은, 수신 디바이스(3)와 전기적 머신(4) 간에 전기적 에너지를 전달하기 위한 제 1 전송 회로와, 수신 디바이스(5)와 인버터(3) 간에 전기적 에너지를 전달하기 위한 제 2 전송 회로와, 그리고 인버터(3)와 전기적 머신(4) 간에 전기적 에너지를 전달하기 위한 제 3 전송 회로를 포함하며, 수동 전기 회로 구성(8)은, 임의의 주어진 충전 주파수에서, 제 1 전송 회로에 의해 제공되는 임피던스가 임의의 미리결정된 제 1 차단 임피던스보다 크도록 그리고 제 2 전송 회로에 의해 제공되는 임피던스가 임의의 미리결정된 제 2 통과 임피던스보다 작도록 설계된다.

Description

전력 공급 시스템, 차량 그리고 차량을 동작시키는 방법{ELECTRIC POWER SUPPLY SYSTEM, VEHICLE AND METHOD OF OPERATING A VEHICLE}
본 발명은 전기적 에너지를 이용하는, 차량, 특히 트랙에 연결된 차량(track bound vehicle) 및/또는 도로 자동차(road automobile)의 전력 공급 시스템(electrical power supply system), 특히 구동 시스템(traction system)에 관한 것이며, 이러한 시스템은, 교번하는 전자기장(alternating electromagnetic field)을 수신하고 전자기 유도(electromagnetic induction)(즉, 전자기장에 의해 유발된 자기 유도, 그리고 이러한 유도는 전기적 에너지를 생성함)에 의해 교번하는 전류(alternating electric current)를 생성하도록 구성되어 있는 수신 디바이스(receiving device)와; 교류를 직류로 변환시키도록 되어 있는 인버터(inverter)와; 차량을 추진(propel)시키도록 구성되어 있는 전기적 머신(electric machine)과; 그리고 인버터, 전기적 머신, 및 수신 디바이스를 연결시키도록 구성되어 있는 수동 전기 회로 구성(passive electric circuit arrangement)을 포함한다.
더욱이, 본 발명은 이러한 구성을 포함하는 차량에 관한 것이다. 본 발명은 또한, 차량을 제조하는 방법, 그리고 차량을 동작시키는 방법에 관한 것이다.
국제 특허공보 WO 2010/031595 A2는 차량, 특히 트랙에 연결된 차량에 전기적 에너지를 제공하기 위한 구성을 개시하고 있으며, 이러한 구성은 교번하는 전자기장을 수신하고 전자기 유도에 의해 교번하는 전류를 생성하도록 구성되어 있는 수신 디바이스를 포함한다. 수신 디바이스는 전기 전도성 물질로 된 복수의 권선들 및/또는 코일들을 포함하고, 여기서 각각의 권선 또는 코일은 교번하는 전류의 개개의 상(phase)을 생성하도록 구성된다.
본 발명은 임의의 지상 차량(land vehicle)(여기에는 지상에서 일시적으로만 존재하는 임의의 차량이 포함되지만 바람직하게는 이러한 차량이 포함되지 않을 수 있음), 특히 트랙에 연결된 차량들, 예컨대 레일 차량들(rail vehicles)(예를 들어, 전차들(trams))에 적용될 수 있고, 뿐만 아니라 도로 자동차들, 예컨대 개인 (개인소유의) 승용차들(passenger cars) 또는 대중 운송 차량들(public transport vehicles)(예를 들어, 버스들, 여기에는 트롤리버스들(trolleybuses)이 포함되며 이것은 또한 트랙에 연결된 차량들일 수 있음)에 적용될 수 있다. 바람직하게는, 교번하는 전자기장을 생성하는 1차측 전도체 구성(primary side conductor arrangement)은, 1차측 전도체 구성의 전기 라인들(electric lines)이 차량이 주행할 수 있는 도로 혹은 트랙의 표면에 거의 평행인 평면에서 연장되도록, 차량의 트랙 혹은 도로에 통합된다. 국제 특허공보 WO 2010/031595 A2에서 또한 설명되는 바와 같이, 수신 디바이스는 차량의 아랫면에 위치할 수 있고 강자성 바디(ferromagnetic body)(예를 들어, 슬랩(slab) 혹은 플레이트(plate) 형상의 바디)에 의해 덮일 수 있다. 적합한 물질은 페라이트(ferrite)이다. 바디는 자기장의 필드 라인들(field lines)을 번들링(bundling) 및 리디렉팅(redirecting)시키며, 이에 따라 바디 위에서의 필드 강도(field intensity)를 거의 제로(zero)로 감소시킨다. 그러나, 1차측 전도체 구성의 다른 구성들, 위치들 및/또는 배향들이 가능하다. 예를 들어, 1차측 전도체 구성은 차량의 옆면에 위치할 수 있다.
어느 경우에서나, 수신 디바이스의 적어도 하나의 인덕턴스와 1차측 전도체 구성 간의 갭(gap)은 가능한한 작아야 하는데, 왜냐하면 이러한 갭들이 크면 클수록 1차측과 2차측 간의 무선 에너지 전달의 효율은 더 낮아지기 때문이다. 동일한 이유로, 적어도 하나의 인덕턴스에서 유도되는 전압은 갭의 크기에 따라 달라진다. 시스템의 2차측 상의 변하는 전압을 핸들링하기 위한 한가지 방법은 전기적 에너지를 전압-허용력이 큰, 즉 광범위한 전압에서 동작할 수 있는 그러한 전력 소비자들(power consumers)에게만 공급하는 것이다.
본 발명이 적용될 수 있는 또 하나의 다른 예는, 레일 차량의 구동 시스템이며, 이러한 구동 시스템은 수신 디바이스를 (에너지 저장 모듈, 예를 들어, 구동 배터리를 충전시키기 위해 수신 디바이스의 교번하는 출력 전류를 직류로 인버트시키는) 인버터에 연결시키는 전력 공급 회로망을 포함한다. 인버터는 또한, 차량의 적어도 하나의 구동 모터(traction motor)를 동작시키기 위해 직류를 교류로 인버트시킬 수 있다. 따라서, 전력 공급 회로망은 또한 인버터를 차량의 구동 모터에 연결시킬 수 있다. 그러나, 이러한 경우에, 전력 공급 시스템을 통해 수신 디바이스로부터 구동 모터로 흐르는 전류가 존재할 수 있는데, 이것은 구동 모터의 원치 않은 동작을 일으킬 수 있으며, 이에 따라 차량의 원치 않은 움직임을 일으킬 수 있다. 예를 들어, 고정 충전(static charging) 동안, 수신 디바이스는 차량이 멈춰있는 상태에서 구동 배터리를 충전시키기 위해 교번하는 출력 전류를 발생시킨다.
미국 특허공보 US 6,879,889 B2는 도로-급전 전기 차량(roadway-powered electric vehicle)을 개시하며, 이러한 도로-급전 전기 차량은: 전방 및 후방 휠(wheel)들을 포함하는, 전방 및 후방 서스팬션 시스템(suspension system)들에 의해 지지되는 차량 프레임(vehicle frame)과; 상기 차량 프레임의 아래쪽 면에 장착되고 EV가 주행하는 도로에 내장된 도로 전력 전송 모듈(roadway power transmitting module)에 결합되어 이로부터 전력을 수신하는 온보드 전력 수신 모듈(onboard power receiving module)과; 전기적 에너지를 저장 및 전달하기 위한 온보드 에너지 저장 수단(onboard energy storage means)(상기 온보드 에너지 저장 수단은 적어도 5 kW/kg의 특정 전력을 나타냄)과; 상기 전방 및 후방 휠들을 구동시키기 위해 상기 전방 또는 후방 서스펜션 시스템들 중 적어도 하나에 결합되는 전기 구동 수단(electric drive means)과; 상기 온-보드 전력 모듈로부터 전력을 수신하고 이것을 상기 에너지 저장 수단에 디렉팅(directing)시키고, 그리고 상기 EV에 동작 전력을 제공하기 위해 상기 에너지 저장 수단으로부터의 전기적 에너지를 상기 전기 구동 수단으로 선택적으로 전달하기 위한 온보드 전력 제어기 수단과; 그리고 도로 급전 전기 차량의 위치를 결정하고 이에 응답하여 위치 신호를 발생시키기 위한 위치 결정 시스템을 포함한다. 구동 시스템 내의 전류 흐름은 능동적으로 제어되는 스위치들에 의해 디렉팅된다. 이러한 스위치들은 전기 릴레이들(electrical relays), 솔리드 스테이트 스위치들(solid state switches), SCR, 및 다이오드들일 수 있다. 이와 같이 제안된 해법의 단점은, 차량의 동작 모드 혹은 충전 모드에서의 전류 흐름 혹은 에너지 흐름의 제어가 능동 제어라는 것인바, 여기서 스위칭 프로세스들은 제어의 복잡도를 증가시키고 스위칭 손실이 발생된다.
본 발명의 목적은 충전 모드 및 동작 모드 동안 에너지 혹은 전류 흐름을 제어하는 복잡도를 감소시킴과 아울러 또한 에너지 손실을 감소시키는, 차량의 전력 공급 시스템, 특히 구동 시스템을 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 이러한 구성을 포함하는 차량, 이러한 차량을 동작시키는 방법, 그리고 이러한 차량을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 기본적인 아이디어는, 스위칭 동작을 없애고 에너지 손실을 감소시키면서 충전 모드 및 동작 모드 동안 에너지 흐름 혹은 전류 흐름을 디렉팅시키는, 차량의 전력 공급 시스템, 특히 구동 시스템의 상이한 소자들을 연결시키기 위해 수동 전기 회로 구성을 사용하는 것이다.
차량의 전력 공급 시스템, 특히 구동 시스템이 제안된다. 이러한 전력 공급 시스템은, 에너지 저장 모듈(예컨대, 전기화학적 스토리지(electrochemical storage)), 예를 들어, 구동 배터리와 차량을 추진시키기 위해 사용될 수 있는 전기적 머신, 예를 들어, 구동 모터 간에 전기적 에너지를 전달하기 위해 사용될 수 있다.
특히, 전력 공급 시스템은 인버터 및 전기적 머신을 포함한다. 전기적 머신은 특히, 차량을 추진시키기 위해 사용된다. 예를 들어, 전기적 머신은 모터 모드에서 동작할 수 있고 그리고 선택적으로는 발전기 모드에서 동작할 수 있다. 모터 모드에서, 전기적 머신은 전기적 에너지를 특히, 차량을 추진시키기 위해 사용되는 기계적 에너지로 변환시킨다. 발전기 모드에서, 전기적 머신은 움직이는 차량에 의해 제공되는 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환시킨다. 발전기 모드에서의 이러한 변환은 또한, 회수(recuperation)로 지칭될 수 있다. 따라서, 발전기 모드에서 전기적 머신을 동작시킴으로써 에너지 저장 모듈을 충전시키는 것이 가능하다. 전기적 머신은 3-상-모터(three-phase-motor), 예를 들어, 비동기식 머신(asynchronous machine) 혹은 동기식 머신(synchronous machine)일 수 있다.
더욱이, 전력 공급 시스템은, 교번하는 전자기장을 수신하고 전자기 유도에 의해 교번하는 전류를 생성하도록 구성되어 있는 수신 디바이스(전형적으로는 "픽업(pickup)"으로 지칭됨)를 포함한다. 수신 디바이스는 변압기(transformer)의 2차측을 제공하는데, 변압기의 1차측은 차량이 주행하는 트랙(예를 들어, 도로)에 내장된 전기 라인들에 의해 제공될 수 있다. 수신 디바이스는 자기 유도에 의해 트랙측으로부터의 전기적 에너지를 차량으로 전달하는데 사용된다. 차량이 트랙에 대해 상대적으로 움직이는 동안 그리고/또는 차량이 정차하고 있거나 혹은 멈춰 있는 동안 전기적 에너지는 트랙측으로부터 차량으로 전달될 수 있다. 차량이 멈춰 있는 동안 스토리지로의 전기적 에너지의 전달은 또한 고정 충전으로 지칭된다. 에너지 저장 모듈은 오로지 수신 디바이스에 의해 발생된 전기적 에너지에 의해서만 충전가능할 수 있다. 이것은 전기적 머신이 발전기 모드에서 동작할 수 없는 그러한 경우일 수 있다.
인버터는 에너지 저장 모듈에 전기적으로 연결될 수 있다. 차량의 충전 모드에서, 인버터는 예를 들어, 수신 디바이스에 의해 발생된 교류를 에너지 저장 모듈을 충전시키는데 사용되는 직류로 변환시킨다. 차량의 동작 모드는 모터 모드 및 발전기 모드를 포함할 수 있다. 모터 모드에서, 전기적 에너지는 에너지 저장 모듈로부터 전기적 머신으로 전달되고, 인버터는 에너지 저장 모듈에 의해 제공되는 직류를 전기적 머신을 동작시키기 위해 사용되는 교류로 변환시킨다. 발전기 모드에서, 전기적 에너지는 전기적 머신으로부터 에너지 저장 모듈로 전달되고, 인버터는 전기적 머신에 의해 제공되는 교류를 에너지 저장 모듈을 충전시키기 위해 사용될 수 있는 직류로 변환시킨다. 인버터는 3-상 교류를 생성하는 3-상-인버터일 수 있다.
더욱이, 전력 공급 시스템은 인버터, 전기적 머신, 및 수신 디바이스를 전기적으로 연결시키도록 구성된 수동 전기 회로 구성을 포함한다. 수동 전기 회로는 오로지 수동 전기적 소자들, 예를 들어, 유도성 소자들 및/또는 용량성 소자들만을 포함한다. 용어 "수동 전기적 소자(passive electrical element)"의 의미는 이러한 수동 소자를 동작시키기 위해 어떠한 외부의 전기적 에너지도 사용되지 않음을 의미한다. 이와는 대조적으로, 능동 전기적 소자(active electrical element), 예컨대 전계-효과-트랜지스터(field-effect-transistor)는 동작을 위해 전기적 에너지를 필요로 한다. 수동 전기 회로 구성은 또한 인버터를 에너지 저장 모듈에 연결시키도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 에너지 저장 모듈은 인버터의 출력(특히, DC-측)에 전기적으로 연결될 수 있다. 인버터의 입력(특히, AC-측)은 수신 디바이스의 출력에 전기적으로 연결될 수 있다. 추가적으로, 인버터의 입력은 전기적 머신의 입력에 전기적으로 연결될 수 있다. 이러한 구성 내에서, 수신 디바이스의 출력은 또한 전기적 머신의 입력에 전기적으로 연결된다.
수동 전기 회로 구성은 수신 디바이스와 전기적 머신 간에 전기적 에너지를 전달하기 위한 제 1 전송 회로를 포함한다. 더욱이, 수동 전기 회로 구성은 수신 디바이스와 인버터 간에 전기적 에너지를 전달하기 위한 제 2 전송 회로를 포함한다. 더욱이, 수동 전기 회로 구성은 인버터와 전기적 머신 간에 전기적 에너지를 전달하기 위한 제 3 전송 회로를 포함한다. 제 1 전송 회로, 제 2 전송 회로, 및 제 3 전송 회로는 수동 전기 회로 구성의 일부분들이다. 제 1 전송 회로의 일부는 또한 제 2 전송 회로 및/또는 제 3 전송 회로의 일부일 수 있다. 유사하게, 제 2 전송 회로의 일부는 제 1 전송 회로 및/또는 제 3 전송 회로의 일부일 수 있다. 또한, 제 3 전송 회로의 일부는 또한 제 1 전송 회로 및/또는 제 2 전송 회로의 일부일 수 있다. 이러한 전송 회로들은 대안적으로 "전송 경로들(transmission paths)"로서 지칭될 수 있는데, 왜냐하면 이들이 에너지 전송을 위한 경로를 제공하기 때문이다(비록 이러한 경로들 중 일부가 적어도 특정 동작 모드에서 전력의 주된 부분의 전송을 차단할 수 있을지라도). 예를 들어, 제 1 전송 회로는 수신 디바이스에 의해 제공되는 전력의 주된 부분이 전기적 머신으로 직접 전송되는 것을 차단할 수 있다.
수동 전기 회로 구성에 의해 제공되는 전기적 연결들은 직접적인 전기적 연결들일 수 있는바, 예를 들어 인버터와 수신 디바이스 사이에는 어떠한 추가적인 전기적 소자들도 구성되지 않으며, 또는 이러한 전기적 연결들은 하나 이상의 추가적인 전기적 소자들, 예를 들어, 유도성 소자들 및/또는 용량성 소자들(예컨대, 인덕터들 혹은 커패시터들)을 포함한다.
특히, 수동 전기 회로 구성은, 임의의 주어진 충전 주파수(charging frequency)에서, 제 1 전송 회로에 의해 제공되는 임피던스가 임의의 미리결정된 제 1 차단 임피던스(blocking impedance)보다 크도록 그리고 제 2 전송 회로에 의해 제공되는 임피던스가 임의의 미리결정된 제 2 통과 임피던스(passing impedance)보다 작도록 설계된다. 제 1 차단 임피던스는 제 1 회로의 임의의 미리결정된 임피던스를 표시한다. 아래에서, 용어 "제 1 차단 임피던스 혹은 제 1 통과 임피던스"는 제 1 전송 회로의 임피던스를 지칭하는 것이며, 반면 용어 "제 2 차단 임피던스 혹은 제 2 통과 임피던스"는 제 2 전송 회로의 임피던스를 지칭한다. 아래에서 상세히 설명되는 바와 같이, 용어 "제 3 차단 임피던스 혹은 제 3 통과 임피던스"는 제 3 전송 회로의 임피던스를 지칭한다.
충전 주파수는, 충전 프로세스에서의 전기적 에너지의 전달 동안, 특히 고정 충전 동안, 수신 디바이스에 의해 제공되는 교번하는 전류의 주파수를 표시한다. 특히, 충전 주파수는 수신 디바이스의 전기적 속성들에 의해 주어지고 그리고/또는 수신 디바이스에 의해 수신되는 전자기장의 주파수에 의해 주어진다. 특히, 만약 충전 주파수가 (선택에 따라서는 해당 구성의 다른 컴포넌트들을 포함할 수 있는) 수신 디바이스의 공진 주파수에 의해 주어진다면, 그 주어진 충전 주파수는 또한 "고유 충전 주파수(inherent charging frequency)"로 지칭될 수 있다. 예를 들어, 충전 주파수는 20 kHz일 수 있다. 이러한 주파수에서, 수신 디바이스의 출력과 전기적 머신의 입력 사이에 구성되는 전기적 소자들은 특정 임피던스를 제공한다. 이러한 임피던스는 미리결정된 제 1 차단 임피던스보다 크다. 바람직하게는, 제 1 차단 임피던스는, 전기적 머신의 입력 전류가 임의의 미리결정된 입력 전류보다 작도록, 특히 가능한한 작도록, 바람직하게는 0 혹은 대략 0이 되도록 선택된다.
따라서, 제 1 차단 임피던스는 고임피던스로서 선택돼야 한다. 그러나, 동시에, 수신 디바이스의 출력과 인버터의 입력 사이에 구성되는 전기적 소자들에 의해 제공되는 임피던스, 예를 들어, 제 2 전송 회로가 포함하는 전기적 소자들에 의해 제공되는 임피던스는 임의의 미리결정된 제 2 통과 임피던스보다 작다. 바람직한 것으로, 제 2 통과 임피던스는 인버터의 전기적 입력 전류가 임의의 미리결정된 입력 전류보다 크도록, 바람직하게는 가능한한 크도록 선택돼야 한다. 따라서, 통과 임피던스는 저임피던스로서 선택돼야 한다. 어느 경우에서건, 제 1 차단 임피던스는 제 2 통과 임피던스보다 큰데, 바람직하게는, 적어도 100의 인자만큼 크거나 혹은 심지어 적어도 1000의 인자만큼 크다. 실제에 있어서, 제 1 차단 임피던스와 제 2 통과 임피던스(그리고 임의의 다른 미리결정된 임피던스, 예컨대, 제 3 통과 임피던스(아래 참조))는 (수신 디바이스, 인버터, 전기적 머신, 및 수동 전기 회로 구성을 포함하는) 전력 공급 시스템의 전기적 속성들(특히, 커패시턴스들, 인덕턴스들, 및/또는 옴 저항들)에 의해 정의된다.
따라서, 수동 전기 회로 구성은 수신 디바이스와 인버터와 전기적 머신 간에 수동 스위칭 회로망(passive switching network)을 제공한다. 고정 충전의 프로세스 동안, 수동 전기 회로 구성은 전류가 수신 디바이스로부터 전기적 머신으로 흐르는 것을 방지하면서 전류를 인버터로 디렉팅시킨다. 따라서, 고정 충전 동안 전달되는 전기적 에너지는 주로 인버터로 전달되고, 바람직하게는 오로지 인버터로만 전달된다. 이로운 것으로, 원하는 전류 흐름을 제공하기 위해 능동 스위치들(예컨대, 전계-효과-트랜지스터들, 전기적 릴레이들, 혹은 솔리드 스테이트 스위치들)과 같은 능동 소자들은 필요하지 않다. 전기적 머신으로 흐르는 전류가 최소화되기 때문에 수동 전기 회로 구성은 또한 고정 충전 동안 차량의 원하지 않는 움직임을 방지한다.
또 하나의 다른 실시예에서, 수동 전기 회로 구성은, 임의의 주어진 동작 주파수에서, 제 3 전송 회로에 의해 제공되는 임피던스가 임의의 미리결정된 제 3 통과 임피던스보다 작도록 설계된다. 동작 주파수는, 모터 동작 동안 인버터에 의해 제공되는 교류의 주파수를 표시하거나, 혹은 발전기 동작 동안 전기적 머신에 의해 제공되는 교류의 주파수를 표시한다.
수동 전기 회로 구성은, 동작 주파수들의 구간의 각각의 주파수에서 제 3 전송 회로에 의해 제공되는 임피던스가 미리결정된 제 3 통과 임피던스보다 작도록 설계될 수 있다. 일반적으로, 동작 주파수/주파수들은 충전 주파수보다 작다. 예를 들어, 동작 주파수의 범위는 0 kHz 내지 10 kHz일 수 있다.
이러한 실시예에서, 인버터와 전기적 머신(특히 이러한 머신의 전기적 속성들, 예를 들어, 머신의 고유 인덕턴스를 포함하는 그러한 전기적 머신) 사이에 구성되는 전기적 소자들은, 주어진 동작 주파수에서 혹은 주어진 동작 주파수들에서 이러한 소자들에 의해 제공되는 임피던스가 제 3 통과 임피던스보다 작도록 선택된다. 이로운 것으로, 이것은 모터 모드 동안 전류가 인버터로부터 전기적 머신으로 흐르도록 할 수 있고, 발전기 모드 동안 전류가 전기적 머신으로부터 인버터로 흐르도록 할 수 있다. 제 3 통과 임피던스는 제 2 통과 임피던스와 동일할 수 있다. 대안적으로, 제 2 통과 임피던스와 제 3 통과 임피던스 간의 편차는 두 개의 임피던스들 중 더 작은 것의 50%보다 더 작을 수 있고, 바람직하게는 두 개의 임피던스들 중 더 작은 것의 20%보다 더 작을 수 있다. 어느 경우에서건, 제 1 차단 임피던스가 제 3 통과 임피던스보다 큰 것이 바람직한바, 바람직하게는, 적어도 100의 인자만큼 크거나 혹은 심지어 적어도 1000의 인자만큼 큰 것이 바람직하다. 바람직하게는, 제 3 통과 임피던스는 인버터로부터 전기적 머신으로 흐르는 전류 및/또는 전기적 머신으로부터 인버터로 흐르는 전류가 임의의 미리결정된 전류보다 크도록 선택된다. 바람직하게는, 제 3 통과 임피던스는 저임피던스로서 선택된다.
추가적 실시예에서, 수동 전기 회로 구성은, 임의의 주어진 동작 주파수(특히 이전 문단에서 언급된 주어진 동작 주파수들 중 하나 혹은 그 주어진 동작 주파수)에서, 제 2 전송 회로에 의해 제공되는 임피던스가 임의의 미리결정된 제 2 차단 임피던스보다 크도록 설계된다. 이러한 경우에, 수신 디바이스의 출력과 인버터 사이에 구성되는 전기적 소자들은, 이러한 소자들에 의해 제공되는 임피던스가 임의의 미리결정된 제 2 차단 임피던스보다 크도록 선택된다. 바람직하게는, 제 2 차단 임피던스는 인버터로부터 수신 디바이스로 흐르는 전류가 작도록, 바람직하게는, 제로(0) 혹은 대략 0이 되도록 선택된다. 따라서, 제 2 차단 임피던스는 고임피던스로서 선택된다. 어느 경우에서건, 제 2 차단 임피던스가 제 2 통과 임피던스 및/또는 제 3 통과 임피던스보다 큰 것이 바람직한바, 바람직하게는, 적어도 100의 인자만큼 크거나 혹은 심지어 적어도 1000의 인자만큼 큰 것이 바람직하다.
대안적으로 혹은 추가적으로, 제 1 전송 회로에 의해 제공되는 임피던스는 그 주어진 동작 주파수에서, 또 하나의 다른 미리결정된 제 1 차단 임피던스보다 크다. 수신 디바이스의 출력과 전기적 머신의 입력 사이에 구성되는 앞서 언급된 전기적 소자들은, 동작 주파수/주파수들에서 이러한 소자들에 의해 제공되는 임피던스가 그 다른 제 1 차단 임피던스보다 크도록 추가적으로 설계 혹은 선택된다. 그 다른 제 1 차단 임피던스는 앞서 언급된 제 1 차단 임피던스와 동일할 수 있다. 제 1 차단 임피던스는 충전 주파수에서 제 1 전송 회로의 임피던스를 표시하고, 이것은 충전 모드에서 수신 디바이스로부터 전기적 머신으로 흐르는 전류가 작도록 선택된다. 앞서의 다른 제 1 차단 임피던스도 또한 제 1 전송 회로의 임피던스를 표시한다. 그러나, 이러한 다른 제 1 차단 임피던스는 주어진 동작 주파수에서 제 1 전송 회로에 의해 제공되는 임피던스이며, 이것은 발전기 모드에서 전기적 머신으로부터 수신 디바이스로 흐르는 전류가 작도록 선택된다.
이로운 것으로, 이것은 모터 모드 동안 인버터로부터 수신 디바이스로 흐르는 전류를 최소화시킬 수 있으며, 그리고 적용가능한 경우, 발전기 모드 동안 전기적 머신으로부터 수신 디바이스로 흐르는 전류를 최소화시킬 수 있다. 이에 따라, 이것은 모터 모드 및 발전기 모드 동안 전기적 에너지의 최적 전달을 보장한다.
또 하나의 다른 실시예에서, 제 2 전송 회로는 회로 유도성 소자(circuit inductive element)를 포함하고, 여기서 회로 유도성 소자의 인덕턴스는, 충전 주파수에서, 제 2 전송 시스템에 의해 제공되는 임피던스가 미리결정된 제 2 통과 임피던스보다 작도록 그리고/또는 임의의 주어진 동작 주파수에서, 제 2 전송 회로에 의해 제공되는 임피던스가 미리결정된 제 2 차단 임피던스보다 크도록 선택된다. 회로 유도성 소자는 인버터로부터 흘러나오는 전류 혹은 인버터로 흘러들어가는 전류에 대한 필터 회로를 제공한다. 회로 유도성 소자는 또한 제 3 전송 회로의 일부일 수 있다. 모터 모드에서 회로 유도성 소자는 인버터에 의해 제공되는 직사각형의 높은 주기적인 교번하는 전류 전압을 수신 디바이스로부터 분리시키기 위해 사용될 수 있는데, 왜냐하면 이러한 교번하는 전류 출력 전압의 스펙트럼은 수신 디바이스의 공진 주파수를 포함할 수 있고, 따라서 큰 공진 전류를 발생시킬 수 있기 때문이다. 제안된 전력 공급 시스템의 전기적 머신의 설계 동안, 회로 유도성 소자의 인덕턴스가 고려돼야 한다.
이로운 것으로, 이것은 모터 모드 동안 인버터를 수신 디바이스로부터 분리시키기 위해 수동 유도성 소자를 사용할 수 있게 한다. 이것은 또한 제 2 전송 회로의 설계를 간단하게 하며, 이에 따라 수동 전기 회로 구성 전체의 설계를 간단하게 한다.
또 하나의 다른 실시예에서, 제 2 전송 회로의 회로 유도성 소자는 또한 제 3 전송 회로의 일부이다. 따라서, 회로 유도성 소자, 특히 유도성 소자의 인덕턴스는 충전 주파수에서 그리고/또는 동작 주파수에서 제 3 전송 회로의 앞서 언급된 요건들이 충족되도록 선택돼야 한다. 특히, 회로 유도성 소자의 인덕턴스는 임의의 주어진 동작 주파수에서 제 3 전송 회로에 의해 제공되는 임피던스가 미리결정된 제 3 통과 임피던스보다 작도록 선택된다.
제 2 전송 회로 및 제 3 전송 회로의 일부로서 회로 유도성 소자를 동시에 사용함으로 수동 전기 회로 구성의 복잡도가 유리하게 되고 이에 따라서 비용이 또한 감소된다.
또 하나의 다른 실시예에서, 제 1 전송 회로는 회로 용량성 소자(circuit capacitive element)를 포함하고, 여기서 회로 용량성 소자의 커패시턴스는, 충전 주파수에서, 제 1 전송 회로에 의해 제공되는 임피던스가 미리결정된 제 1 차단 임피던스보다 크도록 그리고/또는 동작 주파수에서, 제 1 전송 회로에 의해 제공되는 임피던스가 또 하나의 다른 미리결정된 제 1 차단 임피던스보다 크도록 선택된다. 회로 용량성 소자는 제 1 전송 회로의 일부일 수 있고, 동시에 제 3 전송 회로의 일부일 수 있다. 이러한 경우에, 회로 용량성 소자의 커패시턴스는, 동작 주파수에서 제 3 전송 회로에 의해 제공되는 임피던스가 미리결정된 제 3 통과 임피던스보다 작도록 선택될 수 있다. 이로운 것으로, 회로 용량성 소자의 통합은 쉽게 입수할 수 있는 전기적 소자들로 본원의 제안된 수동 회로 구성을 확립할 수 있게 한다.
바람직한 실시예에서, 제 1 전송 회로는 병렬 공진 회로를 포함한다. 앞서 언급된 회로 용량성 소자는 병렬 공진 회로의 일부일 수 있다. 더욱이, 병렬 공진 회로는 용량성 소자에 병렬로 연결되는 유도성 소자를 포함할 수 있다. 병렬 공진 회로의 전기적 소자들, 예를 들어, 유도성 소자 및/또는 용량성 소자는, 충전 주파수에서, 제 1 전송 회로에 의해 제공되는 임피던스가 미리결정된 제 1 차단 임피던스보다 크도록, 그리고 만약 병렬 공진 회로가 또한 제 3 전송 회로의 일부인 경우 동작 주파수에서, 제 3 전송 회로에 의해 제공되는 임피던스가 미리결정된 제 3 통과 임피던스보다 작도록 선택될 수 있다. 병렬 공진 회로는 고정 충전의 경우 고임피던스를 제공한다. 따라서, 고정 충전 동안 수신 디바이스로부터 전기적 머신으로 흐르는 전류는 전혀 없거나 혹은 단지 최소의 전류만이 존재한다.
또 하나의 다른 실시예에서, 병렬 공진 회로의 유도성 소자는 전기적 머신의 모터 유도부(motor inductivity)이다. 동기식 모터 혹은 비동기식 모터와 같은 전기적 머신은 모터 유도부를 포함하는바, 특히 전기적 머신의 각각의 상마다 하나의 유도부를 포함한다. 이러한 유도성 소자는 앞서 언급된 용량성 소자에 병렬로 연결될 수 있다. 이로운 것으로, 이것은 더 적은 전기적 소자들로 수동 전기 회로 구성을 확립할 수 있게 한다. 이러한 경우에, 특히 모터 유도부가 모터 요건들의 결과로서 미리결정되어 있거나 혹은 고정되어 있는 경우, 용량성 소자의 커패시턴스는 병렬 공진 회로가 고정 충전 동안 고임피던스를 제공하도록 선택되게 된다.
대안적 실시예에서, 제 1 전송 회로는 RC-병렬 필터(RC-parallel filter)를 포함한다. RC-병렬 필터는 용량성 소자와 이러한 유도성 소자에 병렬에 연결되는 유도성 소자를 포함한다. 그러나, RC-병렬 필터는 전기적 머신에 직렬로 연결되는바, 특히 전기적 머신의 모터 유도부를 제공하는 소자들에 직렬로 연결된다. 이로운 것으로, 제 1 전송 회로에 RC-필터의 통합은 고정 충전 동안 수신 디바이스로부터 전기적 머신으로 흐르는 전류를 더욱 최소화시킬 수 있다.
또 하나의 다른 실시예에서, 용량성 소자는 또한, 제 3 전송 회로의 일부이다. 이것은 또한, 앞서 언급된 병렬 공진 회로 혹은 앞서 언급된 RC-병렬 필터가 또한 제 3 전송 회로의 일부가 될 수 있게 한다. 이로운 것으로, 이것은 수동 전기 회로 구성을 확립하기 위해 사용되는 전기적 소자들의 양을 감소시킨다.
또 하나의 다른 실시예에서, 수신 디바이스는 전자기 유도에 의한 교번하는 전류의 하나의 상을 생성하기 위해 전기 전도성 물질로 형성된 적어도 하나의 유도성 소자를 포함한다. 수신 디바이스는 고정 충전 동안 수동 전기 회로 구성 내에 일정한 전압 소스를 제공한다. 일정한 전압 소스의 의미는 수신 디바이스에 의해 제공되는 교번하는 전압의 유효값(effective value) 혹은 실효값(Route Mean Square value)(RMS 값)이 일정함을 의미한다.
유도성 소자는 역률 보정(power factor correction) 혹은 무효 전력 보정(reactive power correction) 목적으로 사용될 수 있다. 이러한 경우에, 제 1 전송 회로 및/또는 제 2 전송 회로 및/또는 제 3 전송 회로의 전기적 소자들은 수신 디바이스의 유도성 소자의 인덕턴스에 따라 다르게 선택될 수 있다. 이것은 또한, 수신 디바이스의 유도성 소자가 제 1 전송 회로 및/또는 제 2 전송 회로의 일부가 될 수 있게 한다.
이로운 것으로, 수동 전기 회로 구성의 설계 동안 수신 디바이스의 유도성 소자의 고려 혹은 제 1 전송 회로 및/또는 제 2 전송 회로에 수신 디바이스의 유도성 소자의 통합은, 더 적은 전기적 소자들로 수동 전기 회로 구성을 확립할 수 있게 하고, 그리고 또한, 고정 충전 동안 인버터로부터 전기적 머신으로 흐르는 전류를 최소화시킬 수 있다.
또 하나의 다른 실시예에서, 수신 디바이스는 교번하는 전류의 하나의 상을 생성하기 위해 유도성 소자에 연결되는 적어도 하나의 추가적인 전기적 소자를 포함한다. 이러한 추가적인 전기적 소자는 역률 보정 혹은 무효 전력 보정을 위해 또한 사용되는 용량성 소자 소자일 수 있다. 이로운 것으로, 이것은 또한, 고정 충전 동안 수신 디바이스의 출력 전압 및/또는 전류의 질(quality)을 더 증진시킨다. 또한, 이러한 추가적인 전기적 소자는 제 1 전송 회로 및/또는 제 2 전송 회로의 일부일 수 있다. 이로운 것으로, 이것은 더 적은 전기적 소자들로 본원의 제안된 수동 전기 회로 구성을 확립할 수 있게 한다.
더욱이, 앞서 제안된 전력 공급 회로망들 중 하나를 포함하는 차량이 제안된다. 이러한 차량은 트랙에 연결된 차량 혹은 도로 자동차일 수 있다. 특히, 본 발명은 임의의 지상 차량(여기에는 지상에서 일시적으로만 존재하는 임의의 차량이 포함되지만 바람직하게는 이러한 차량이 포함되지 않을 수 있음), 특히 트랙에 연결된 차량들, 예컨대 레일 차량들(예를 들어, 전차들)에 적용될 수 있고, 뿐만 아니라 도로 자동차들, 예컨대 개인 (개인소유의) 승용차들 또는 대중 운송 차량들(예를 들어, 버스들, 여기에는 트롤리버스들이 포함되며 이것은 또한 트랙에 연결된 차량들일 수 있음)에 적용될 수 있다. 바람직하게는, 교번하는 전자기장을 생성하는 1차측 전도체 구성은, 1차측 전도체 구성의 전기 라인들이 차량이 주행할 수 있는 도로 혹은 트랙의 표면에 거의 평행인 평면에서 연장되도록, 차량의 트랙 혹은 도로에 통합된다. 수신 디바이스는 차량의 아랫면에 위치할 수 있고 강자성 바디(예를 들어, 플레이트 형상의 바디)에 의해 덮일 수 있다. 적합한 물질은 페라이트이다. 바디는 자기장의 필드 라인들을 번들링 및 리디렉팅시키며, 이에 따라 바디 위에서의 필드 강도를 거의 제로로 감소시킨다. 그러나, 1차측 전도체 구성의 다른 구성들, 위치들 및/또는 배향들이 가능하다.
더욱이, 전기적 에너지를 사용하여 차량, 특히 트랙에 연결된 차량 및/또는 도로 자동차를 동작시키는 방법이 제안된다. 충전 모드에서, 교번하는 전기장이 수신 디바이스에 의해 수신되고 전자기 유도에 의해 교번하는 전류를 생성하는데 사용된다. 충전 모드는 특히 고정 충전 모드이며, 이 경우 고정 충전 동안 차량은 멈춰 있거나 혹은 정차하고 있다. 더욱이, 전기적 에너지는 제 2 전송 회로를 통해 수신 디바이스로부터 인버터로 전달된다. 인버터는 (고정) 충전 동안 수신 디바이스에 의해 발생된 교류를 차량의 에너지 저장 모듈(예를 들어, 구동 배터리)을 충전시키는데 사용될 수 있는 직류로 변환시킨다.
본 발명에 따르면, 제 1 전송 회로를 통한 수신 디바이스로부터 전기적 머신으로의 전기적 에너지의 전달은 제 1 전송 회로의 임피던스에 의해 차단된다. 제 1 전송 회로는 수신 디바이스, 인버터 및 전기적 머신을 연결시키는 수동 전기 회로 구성의 일부이다.
고정 충전 동안 수신 디바이스의 교번하는 전류의 주파수(충전 주파수)는 예를 들어, 20 kHz이고, 이 경우 이러한 충전 주파수에서 제 1 전송 회로의 임피던스는 미리결정된 제 1 차단 임피던스보다 크다. 결과적으로, 고정 충전 동안 수신 디바이스로부터 전기적 머신으로 흐르는 전류는 전혀 없거나 혹은 단지 최소의 전류만이 존재한다. 특히, 제 1 전송 회로를 포함하는 수동 전기 회로 구성은, 주어진 충전 주파수에서, 제 1 전송 회로에 의해 제공되는 임피던스가 미리결정된 제 1 차단 임피던스보다 크도록 그리고 제 2 전송 회로(이것은 또한 수동 전기 회로 구성의 일부임)에 의해 제공되는 임피던스가 미리결정된 제 2 통과 임피던스보다 작도록 설계된다.
또 하나의 다른 실시예에서, 전기적 에너지는 동작 모드에서, 제 3 전송 회로를 통해, 인버터로부터 전기적 머신으로 혹은 전기적 머신으로부터 인버터로 전달된다. 제 3 전송 회로는 또한 수동 전기 회로 구성의 일부이다. 모터 모드에서, 전기적 에너지는 인버터로부터 전기적 머신으로 전달된다. 이러한 경우에, 제 2 전송 회로를 통한 인버터로부터 수신 디바이스로의 전기적 에너지의 전달은 동작 주파수에서 제 2 전송 회로에 의해 제공되는 임피던스에 의해 차단된다. 특히, 동작 주파수에서 혹은 동작 주파수 구간의 주파수들에서 제 2 전송 회로에 의해 제공되는 임피던스는 제 2 차단 임피던스보다 클 수 있다.
발전기 모드에서, 전기적 에너지는 회수(recuperation)를 통해 발생되어 전기적 머신으로부터 인버터로 전달된다. 이러한 경우에, 제 1 전송 회로를 통한 전기적 머신으로부터 수신 디바이스로의 전기적 에너지의 전달은 동작 주파수에서 제 1 전송 회로에 의해 제공되는 임피던스에 의해 차단된다. 특히, 동작 주파수에서 혹은 동작 주파수 구간의 주파수들에서 제 1 전송 회로에 의해 제공되는 임피던스는 또 하나의 다른 미리결정된 제 1 차단 임피던스보다 클 수 있다.
이로운 것으로, 이러한 방법은 모터 모드에서 인버터로부터 수신 디바이스로 흐르는 전류 혹은 발전기 모드에서 전기적 머신으로부터 수신 디바이스로 흐르는 전류를 최소화시킬 수 있다.
더욱이, 차량, 특히 트랙에 연결된 차량 및/또는 도로 자동차를 제조하는 방법이 제안된다. 이 방법은 다음의 단계들을 포함하는바, 즉,
- 교번하는 전자기장을 수신하여 전자기 유도에 의해 교번하는 전류를 생성하도록 구성되어 있는 수신 디바이스를 제공하는 단계와,
- 에너지 저장 모듈을 제공하는 단계와,
- 인버터를 제공하는 단계와,
- 전기적 머신을 제공하는 단계와,
- 임의의 주어진 충전 주파수에서, 수동 전기 회로 구성의 제 1 전송 회로에 의해 제공되는 임피던스가 임의의 미리결정된 제 1 차단 임피던스보다 크도록 그리고 수동 전기 회로 구성의 제 2 전송 회로에 의해 제공되는 임피던스가 임의의 미리결정된 제 2 통과 임피던스보다 작도록 수동 전기 회로 구성을 제공하는 단계를 포함한다.
더욱이, 이러한 방법은, 수동 전기 회로 구성에 의해 수신 디바이스, 인버터, 및 전기적 머신을 전기적으로 연결시키는 단계를 포함하며, 이러한 전기 회로 구성은 제 1 전송 회로, 제 2 전송 회로, 그리고 제 3 전송 회로를 포함하고, 여기서 제 1 전송 회로는 수신 디바이스와 전기적 머신 간에 전기적 에너지를 전달하기 위한 회로이고, 제 2 전송 회로는 수신 디바이스와 인버터 간에 전기적 에너지를 전달하기 위한 회로이고, 그리고 제 3 전송 회로는 인버터와 전기적 머신 간에 전기적 에너지를 전달하기 위한 회로이다.
이러한 차량 내에서, 고정 충전 동안 그리고/또는 동작 동안 에너지 흐름은 이로운 것으로, 수동 전기 회로 구성에 의해 조종되는바, 이러한 수동 전기 회로 구성은, 고정 충전 동안 수신 디바이스로부터 전기적 머신으로의 에너지 흐름이 제로가 되도록 혹은 최소화되도록 설계되고 반면 차량의 동작 동안, 예를 들어, 모터 모드 혹은 발전기 모드에서의 동작 동안 수신 디바이스로의 에너지 흐름이 제로가 되도록 혹은 최소화되도록 설계된다.
또 하나의 다른 실시예에서, 다음의 단계가 추가적으로 수행되는바, 즉,
- 임의의 주어진 동작 주파수에서, 제 3 전송 회로에 의해 제공되는 임피던스가 임의의 미리결정된 제 3 통과 임피던스보다 작도록 수동 전기 회로 구성을 제공하는 단계가 추가적으로 수행된다.
또 하나의 다른 실시예에서, 다음의 단계가 추가적으로 수행되는바, 즉,
- 주어진 동작 주파수에서, 제 2 전송 회로에 의해 제공되는 임피던스가 임의의 미리결정된 제 2 차단 임피던스보다 크도록 그리고/또는 제 1 전송 회로에 의해 제공되는 임피던스가 또 하나의 다른 미리결정된 제 1 차단 임피던스보다 크도록 수동 전기 회로 구성을 제공하는 단계가 추가적으로 수행된다.
본 발명의 예들은 다음과 같은 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다.
도 1은 종래 기술수준에 따른 전력 공급 시스템의 회로도를 보여준다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 전력 공급 시스템의 회로 구성을 보여준다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 전력 공급 시스템의 회로도를 보여준다.
도 1은 종래 기술수준에 따른 차량(미도시)의 전력 공급 시스템(1)을 보여준다. 전력 공급 시스템(1)은 차량의 구동 시스템일 수 있다. 전력 공급 시스템(1)은 구동 배터리(2), 인버터(3), 전기적 머신(4)을 포함하는바, 전기적 머신(4)은 모터 유도부들을 나타내는 모터 유도성 소자들(LM1, LM2, LM3)을 포함한다. 더욱이, 전력 공급 시스템(1)은 수신 디바이스(5)를 포함한다. 수신 디바이스(5)(이것은 또한 차량의 픽업(pickup)으로 지칭될 수 있음)는 교번하는 전자기장을 수신하고 전자기 유도에 의해 교번하는 전류 출력 전압을 생성하도록 구성된다. 수신 디바이스(5)의 출력 단자들(T1, T2, T3)이 또한 도 1에서 보여진다. 수신 디바이스는 전자기 유도에 의해 교번하는 전류 전압을 생성 혹은 발생시키는 전압 소스들(V1, V2, V3)을 포함한다. 더욱이, 수신 디바이스(5)는 용량성 소자들(C1, C2, C3)과, 그리고 여기에 직렬로 각각 연결된 유도성 소자들(L1, L2, L3)을 포함한다.
도 1은 3개의 상들을 포함하는 3-상-회로망을 보여준다. 예를 들어, 수신 디바이스(5)의 제 1 전압 소스(V1), 제 1 용량성 소자(C1), 및 제 1 유도성 소자(L1)는 제 1 상의 교번하는 전류 출력 전압을 발생시킨다. 전력 공급 시스템(1)은 또한 능동 전기 회로 구성(active electric circuit arrangement)(6)을 포함한다. 능동 전기 회로 구성(6)은 인버터(3), 전기적 머신(4), 및 수신 디바이스(5)를 연결시키도록 구성된다. 능동 전기 회로 구성(6)은 3개의 스위치들(7)을 포함하는바, 각각의 상마다 1개의 스위치(7)를 포함한다. 스위치들(7)은 이러한 스위치들(7)을 동작시키기 위해 외부 에너지가 사용된다는 의미에서 능동 소자들이다. 스위치들(7)의 제 1 위치에서, 인버터(3)와 전기적 머신(4) 간의 전기적 연결이 제공된다. 스위치들(7)의 제 2 위치에서, 인버터(3)와 수신 디바이스(5) 간의 전기적 연결이 제공된다(도 1에서는 미도시). 이러한 스위치들은 예를 들어, MOSFET들과 같은 전계-효과-트랜지스터들일 수 있다. 이러한 경우에, 스위치들(7)은 제어 전압, 예를 들어, MOSFET들의 게이트-소스-전압을 제어함으로써 동작될 수 있다. 스위치들(7)의 조종 신호 혹은 제어 신호(S)가 또한 보여진다. 제어 신호(S)는 주파수 의존성 제어 신호(S)일 수 있다. 예를 들어, 20 kHz의 충전 주파수에서, 제어 신호(S)는 스위치들(7)이 제 2 위치(고정 충전 위치)에 있도록 스위치들(7)을 제어한다. 최대 10 kHz의 동작 주파수에서, 제어 신호(S)는 스위치들(7)이 제 1 위치(동작 모드 위치)에 있도록 스위치들(7)을 제어한다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 3-상 전력 공급 시스템(1)의 회로도를 보여준다. 구동 배터리(2), 인버터(3), 전기적 머신(4), 및 수신 디바이스(5)와 같은 전기적 소자들에 관해 도 1의 설명이 참조될 수 있다. 수신 디바이스(5)에 관하여, 용량성 소자들(C1, C2, C3)과 유도성 소자들(L1, L2, L3)의 직렬 연결은 역률 보정 혹은 무효 전력 보상을 위해 사용된다. 또한, 수신 디바이스(5)는 일정한 유효값 혹은 RMS 값을 갖는 교번하는 전류 출력 전압을 제공한다.
도 1에서 제시되는 전력 공급 시스템(1)과는 대조적으로, 도 2의 전력 공급 시스템(1)은 수동 전기 회로 구성(8)을 포함한다.
수동 전기 회로 구성(8)은 회로 유도성 소자들(L4, L5, L6)을 포함하는바, 특히 각각의 상마다 하나의 회로 유도성 소자(L4, L5, L6)를 포함한다. 회로 유도성 소자들(L4, L5, L6)은 인버터(3)와 수신 디바이스(5)의 출력 단자들(T1, T2, T3) 사이에 전기적으로 구성된다. 더욱이, 수동 전기 회로 구성(8)은 회로 용량성 소자들(C4, C5, C6)을 포함한다. 회로 용량성 소자들(C4, C5, C6)의 하나의 단자는 수신 디바이스(5)의 출력 단자들(T1, T2, T3)에 전기적으로 연결된다. 회로 용량성 소자들(C4, C5, C6)의 다른 단자들은 성형결선 지점(star point)(ST)에 연결된다. 3-상-시스템의 각각의 상에 하나의 회로 용량성 소자(C4, C5, C6)가 할당된다. 특히, 회로 용량성 소자들(C4, C5, C6)은 전기적 머신(4)의 입력 단자들(TM1, TM2, TM3)에 병렬로 구성된다. 모터 유도성 소자들(LM1, LM2, LM3) 및 회로 용량성 소자들(C4, C5, C6)은 각각 병렬 공진 회로를 제공한다.
출력 단자들(T1, T2, T3)에 관하여, 수동 전기 회로 구성(8)의 일부인 제 1 전송 회로는 회로 용량성 소자들(C4, C5, C6) 및 모터 유도성 소자들(LM1, LM2, LM3)에 의해 제공되는 병렬 공진 회로를 포함한다. 또한, 출력 단자들(T1, T2, T3)에 관하여, 수동 회로 구성(8)의 일부인 제 2 전송 회로는 회로 유도성 소자들(L4, L5, L6)을 포함한다. 제 3 전송 회로(이것도 또한 수동 전기 회로 구성(8)의 일부임)는, 회로 용량성 소자들(C4, C5, C6) 및 모터 유도성 소자들(LM1, LM2, LM3)에 의해 제공되는 앞서 언급된 병렬 공진 회로, 그리고 모터 유도성 소자들(L4, L5, L6)을 포함한다.
본 발명에 따르면, 회로 용량성 소자들(C4, C5, C6)의 커패시턴스들과 모터 유도성 소자들(LM1, LM2, LM3)의 인덕턴스들은, 20 kHz의 충전 주파수에서 제 1 전송 회로에 의해 제공되는 임피던스가 제 1 차단 임피던스보다 크도록 선택된다. 유사하게, 회로 유도성 소자들(L4, L5, L6)의 인덕턴스들은, 충전 주파수에서 제 2 전송 회로에 의해 제공되는 임피던스가 임의의 미리결정된 제 2 통과 임피던스보다 작도록 선택된다. 추가적으로, 모터 유도성 소자들(L4, L5, L6)의 인덕턴스들, 회로 용량성 소자들(C4, C5, C6)의 커패시턴스들, 그리고 모터 유도성 소자들(LM1, LM2, LM3)의 인덕턴스들은 0 kHz로부터 최대 10 kHz까지의 범위를 갖는 동작 주파수에서 제 3 전송 회로에 의해 제공되는 임피던스가 제 3 통과 임피던스보다 작도록 선택된다. 회로 유도성 소자들(L4, L5, L6)의 인덕턴스들은, 제 2 전송 회로의 임피던스가 동작 주파수에서 제 2 차단 임피던스보다 크도록 선택돼야 한다. 또한, 회로 용량성 소자들(C4, C5, C6)의 커패시턴스들, 그리고 모터 유도성 소자들(LM1, LM2, LM3)의 인덕턴스들은, 제 1 전송 회로의 임피던스가 동작 주파수에서 또 하나의 다른 제 1 차단 임피던스보다 크도록 선택돼야 한다.
이로운 것으로, 제시된 전력 공급 시스템(1)은, 예를 들어, 스위치들(7)(도 1 참조) 또는 전력 스위치들과 같은 추가적인 능동 소자들을 사용함이 없이, 인버터(2)와 수신 디바이스(5)와 전기적 머신(4) 간의 에너지 흐름 혹은 전류 흐름을 수동적으로 제어 혹은 조정할 수 있게 한다. 에너지 흐름 혹은 전류 흐름의 제어는 수동 전기 회로 구성(8)의 이러한 전기적 소자들 및 설계에 의해 제어된다. 모터 모드에서, 전기적 에너지는 인버터(3)를 통해 구동 배터리(2)로부터 전기적 머신(4)으로 전달된다. 인버터(3)는 최대 10 kHz의 동작 주파수를 갖는 교번하는 전류 출력 전압(이것은 구형파 전압일 수 있음)을 발생시킨다. 회로 유도성 소자들(L4, L5, L6)과 모터 유도성 소자들(LM1, LM2, LM3)의 직렬 연결 때문에, 이러한 구형파 전압 및 이로 인한 구형파 전류들은 거의 정현파 전류로 변환된다. 회로 유도성 소자들(L4, L5, L6)은 또한, 동작 모드에서의 인버터의 출력 전압(예를 들어, 구형파 전압)을 수신 디바이스(5)로부터 분리시키기 위해 사용된다.
차량이 멈춰 있을 때의 유도성 충전(고정 충전)의 경우에, 전기적 에너지는 수신 디바이스(5)로부터 인버터(3)로 전달된다. 수신 디바이스(5)는 앞서 언급된 유도성 소자들(L1, L2, L3)과, 그리고 용량성 소자들(C1, C2, C3)(이것은 또한, 보상 커패시터들(compensation capacitors)로서 지칭될 수 있음)을 포함한다. 이러한 전기적 소자들과 회로 유도성 소자들(L4, L5, L6)은 임의의 미리결정된 전송 주파수를 갖는 직렬 공진 회로를 형성한다. 고정 충전 동안, 수신 디바이스(5)의 출력 전압의 일부는 전기적 머신(4)의 입력 단자들(TM1, TM2, TM3)에 걸쳐 있게 된다. 회로 용량성 소자들(C4, C5, C6) 및 모터 유도성 소자들(LM1, LM2, LM3)에 의해 형성되는 병렬 공진 회로는 충전 주파수의 주파수 범위 내에서 전압들에 대해 고임피던스를 제공한다. 따라서, 전기적 머신(4)으로 흐르는 전류는 전혀 없거나 혹은 단지 최소의 전류만이 존재한다.
만약 모터 모드에서의 차량의 동작 동안, 전기적 에너지가 인버터(3)로부터 전기적 머신(4)으로 전달된다면, 전기적 전류는 인버터(3)로부터 전기적 머신(4)으로 자유롭게 흐르게 되는데, 왜냐하면 병렬 공진 회로가 그 공진 주파수에서 동작하지 않기 때문이다. 이와 동시에, 앞서 언급된 직렬 공진 회로 때문에, 인버터(3)로부터 수신 디바이스(5)로의 전기적 에너지의 전달은 전혀 없거나 단지 최소의 전달만이 존재한다.
모터 모드에서, 특히 직렬 공진 연결의 공진 주파수의 범위 내에 있는 그러한 모터 모드에서 동작하는 인버터(3)의 출력 전압의 일부 주파수들은 수신 디바이스(5)에서 공진 전류를 발생시킬 수 있다. 회로 유도성 소자들(L4, L5, L6)은 이러한 영향을 최소화시킨다. 차량의 제동 동안, 예를 들어, 회수가 일어나는 동안, 차량은 발전기 모드에서 동작할 수 있다. 발전기 모드에서 전기적 머신(4)에 의해 발생된 출력 전압은, 정현파 출력 전압이고 아울러 수신 디바이스(5)의 공진 주파수보다 낮은 주파수를 갖는다. 따라서, 전기적 머신(4)으로부터 수신 디바이스(5)로 흐르는 전류는 전혀 없거나 혹은 단지 최소의 전류만이 존재한다. 그러나, 이와 동시에, 전기적 머신(4)으로부터 인버터(3)로의 에너지 흐름은 방해를 받지 않는다.
본원의 제안된 발명의 올바른 기능을 위해 각각의 전송 회로들의 공진 주파수의 충분한 주파수 이격(frequency spacing)이 제공돼야 함은 명백하다.
도 3에서, 전력 공급 시스템(1)의 대안적인 실시예가 보여진다. 회로 용량성 소자(C4, C5, C6)(도 2 참조) 및 모터 유도성 소자들(LM1, LM2, LM3)을 포함하는 병렬 공진 회로 대신에, 수동 전기 회로 구성(8)은, 수신 디바이스(5)의 출력 단자들(T1, T2, T3)과 전기적 머신(4)의 입력 단자들(TM1, TM2, TM3) 사이에 전기적으로 구성되는 RC-병렬 필터들(RC1, RC2, RC3)을 포함한다. 이와 동시에, RC-병렬 필터들(RC1, RC2, RC3)은, 회로 유도성 소자들(L4, L5, L6)에 직렬로 인버터(3)와 전기적 머신(4) 사이에 구성된다. RC-병렬 필터들(RC1, RC2, RC3)은 수동 전기 회로 구성(8)의 제 1 전송 회로 및 제 3 전송 회로의 일부이다. 각각의 RC-병렬 필터(RC1, RC2, RC3)는 용량성 소자와 그리고 이러한 용량성 소자에 병렬로 연결된 유도성 소자를 포함한다. RC-병렬 필터들(RC1, RC2, RC3)이 전기적 머신(4)의 소자가 아니고 오로지 수동 전기 회로 구성(8)의 일부만이 된다는 것을 알 수 있다. 또한, 3-상-시스템의 각각의 상마다 하나의 RC-병렬 필터(RC1, RC2, RC3)가 존재한다. 이로운 것으로, 본원에서 제안된 수동 전기 회로 구성(8)의 설계는, 고정 충전 동안 수신 디바이스(5)로부터 전기적 머신(4)으로의 전류 흐름을 더욱 최소화시킬 수 있고 반면 동작 모드 동안, 예를 들어, 모터 모드 혹은 발전기 모드에서의 동작 동안 인버터(3)와 전기적 머신(4) 간에 전류가 흐를 수 있게 한다.

Claims (18)

  1. 차량의 전력 공급 시스템(electrical power supply system)으로서,
    상기 전력 공급 시스템(1)은,
    인버터(inverter)(3)와;
    전기적 머신(electric machine)(4)과;
    교번하는 전자기장(alternating electromagnetic field)을 수신하고 전자기 유도(electromagnetic induction)에 의해 교번하는 전류(alternating electric current)를 생성하도록 되어 있는 수신 디바이스(receiving device)(5)와; 그리고
    상기 인버터(3), 상기 전기적 머신(4), 및 상기 수신 디바이스(5)를 연결시키도록 되어 있는 수동 전기 회로 구성(passive electric circuit arrangement)(8)을 포함하여 구성되며,
    상기 수동 전기 회로 구성(8)은, 상기 수신 디바이스(5)와 상기 전기적 머신(4) 간에 전기적 에너지를 전달하기 위한 제 1 전송 회로(transmission circuit)와, 상기 수신 디바이스(5)와 상기 인버터(3) 간에 전기적 에너지를 전달하기 위한 제 2 전송 회로와, 그리고 상기 인버터(3)와 상기 전기적 머신(4) 간에 전기적 에너지를 전달하기 위한 제 3 전송 회로를 포함하고,
    상기 수동 전기 회로 구성(8)은, 임의의 주어진 충전 주파수(charging frequency)에서, 상기 제 1 전송 회로에 의해 제공되는 임피던스가 임의의 미리결정된 제 1 차단 임피던스(blocking impedance)보다 크도록 그리고 상기 제 2 전송 회로에 의해 제공되는 임피던스가 임의의 미리결정된 제 2 통과 임피던스(passing impedance)보다 작도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 전력 공급 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수동 전기 회로 구성(8)은, 임의의 주어진 동작 주파수에서, 상기 제 3 전송 회로에 의해 제공되는 임피던스가 임의의 미리결정된 제 3 통과 임피던스보다 작도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 전력 공급 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 수동 전기 회로 구성(8)은, 임의의 주어진 동작 주파수에서, 상기 제 2 전송 회로에 의해 제공되는 임피던스가 임의의 미리결정된 제 2 차단 임피던스보다 크도록 그리고/또는 상기 제 1 전송 회로에 의해 제공되는 임피던스가 또 하나의 다른 미리결정된 제 1 차단 임피던스보다 크도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 전력 공급 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 하나의 항에 있어서,
    상기 제 2 전송 회로는 회로 유도성 소자(circuit inductive element)(L4, L5, L6)를 포함하고, 여기서 상기 회로 유도성 소자(L4, L5, L6)의 인덕턴스(inductance)는, 상기 충전 주파수에서, 상기 제 2 전송 시스템에 의해 제공되는 임피던스가 상기 미리결정된 제 2 통과 임피던스보다 작도록 그리고/또는 임의의 주어진 동작 주파수에서, 상기 제 2 전송 회로에 의해 제공되는 임피던스가 상기 미리결정된 제 2 차단 임피던스보다 크도록 선택되는 것을 특징으로 하는 전력 공급 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제 2 전송 회로의 상기 회로 유도성 소자(L4, L5, L6)는 또한 상기 제 3 전송 회로의 일부인 것을 특징으로 하는 전력 공급 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제 1 전송 회로는 회로 용량성 소자(circuit capacitive element)(C4, C5, C6)를 포함하고, 여기서 상기 회로 용량성 소자(C4, C5, C6)의 커패시턴스(capacitance)는, 상기 충전 주파수에서, 상기 제 1 전송 회로에 의해 제공되는 임피던스가 상기 미리결정된 제 1 차단 임피던스보다 크도록 그리고/또는 동작 주파수에서, 상기 제 1 전송 회로에 의해 제공되는 임피던스가 또 하나의 다른 미리결정된 제 1 차단 임피던스보다 크도록 선택되는 것을 특징으로 하는 전력 공급 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제 1 전송 회로는 병렬 공진 회로(parallel resonant circuit)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 공급 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 병렬 공진 회로의 유도성 소자는 상기 전기적 머신(4)의 모터 유도부(motor inductivity)인 것을 특징으로 하는 전력 공급 시스템.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 제 1 전송 회로는 RC-병렬 필터(RC-parallel filter)(RC1, RC2, RC3)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 공급 시스템.
  10. 제6항 내지 제9항 중 하나의 항에 있어서,
    상기 용량성 소자(C4, C5, C6)는 또한 상기 제 3 전송 회로의 일부인 것을 특징으로 하는 전력 공급 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 수신 디바이스(5)는 상기 전자기 유도에 의한 상기 교번하는 전류의 하나의 상(phase)을 생성하기 위해 전기 전도성 물질로 형성된 적어도 하나의 유도성 소자(L1, L2, L3)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 공급 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 수신 디바이스(5)는 상기 교번하는 전류의 하나의 상을 생성하기 위해 상기 유도성 소자(L1, L2, L3)에 연결되는 적어도 하나의 추가적인 전기적 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 공급 시스템.
  13. 제1항의 전력 공급 시스템을 포함하는 차량.
  14. 전기적 에너지를 사용하여 차량을 동작시키는 방법으로서, 충전 모드(charging mode)에서,
    - 교번하는 전자기장이 수신 디바이스(5)에 의해 수신되어 전자기 유도에 의해 교번하는 전류를 생성하기 위해 사용되고,
    - 전기적 에너지가 제 2 전송 회로를 통해 상기 수신 디바이스(5)로부터 인버터(3)로 전송되고,
    - 제 1 전송 회로를 통한 상기 수신 디바이스(5)로부터 전기적 머신(4)으로의 전기적 에너지의 전달이 상기 제 1 전송 회로의 임피던스에 의해 차단되는 것을 특징으로 하는 차량을 동작시키는 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    동작 모드(operating mode)에서,
    - 제 3 전송 회로를 통해 전기적 에너지가 상기 인버터(3)로부터 상기 전기적 머신(4)으로 전달되거나 혹은 상기 전기적 머신(4)으로부터 상기 인버터(3)로 전달되고,
    - 상기 제 2 전송 회로를 통한 상기 인버터(3)로부터 상기 수신 디바이스(5)로의 전기적 에너지의 전달이 상기 제 2 전송 회로의 임피던스에 의해 차단되고, 그리고/또는
    - 상기 제 1 전송 회로를 통한 상기 전기적 머신(4)으로부터 상기 수신 디바이스(5)로의 전기적 에너지의 전달이 상기 제 1 전송 회로의 임피던스에 의해 차단되는 것을 특징으로 하는 차량을 동작시키는 방법.
  16. 차량을 제조하는 방법으로서,
    - 교번하는 전자기장을 수신하여 전자기 유도에 의해 교번하는 전류를 생성하도록 되어 있는 수신 디바이스(5)를 제공하는 단계와,
    - 인버터(3)를 제공하는 단계와,
    - 전기적 머신(4)을 제공하는 단계와,
    - 임의의 주어진 충전 주파수에서, 수동 전기 회로 구성(8)의 제 1 전송 회로에 의해 제공되는 임피던스가 임의의 미리결정된 제 1 차단 임피던스보다 크도록 그리고 상기 수동 전기 회로 구성(8)의 제 2 전송 회로에 의해 제공되는 임피던스가 임의의 미리결정된 제 2 통과 임피던스보다 작도록 상기 수동 전기 회로 구성(8)을 제공하는 단계와,
    - 상기 수동 전기 회로 구성(8)에 의해 상기 수신 디바이스(5), 상기 인버터(3), 및 상기 전기적 머신(4)을 전기적으로 연결시키는 단계를 포함하여 구성되며,
    상기 수동 전기 회로 구성(8)은 상기 제 1 전송 회로, 상기 제 2 전송 회로, 그리고 제 3 전송 회로를 포함하고, 여기서 상기 제 1 전송 회로는 상기 수신 디바이스(5)와 상기 전기적 머신(4) 간에 전기적 에너지를 전달하기 위한 회로이고, 상기 제 2 전송 회로는 상기 수신 디바이스(5)와 상기 인버터(3) 간에 전기적 에너지를 전달하기 위한 회로이고, 그리고 상기 제 3 전송 회로는 상기 인버터(3)와 상기 전기적 머신(4) 간에 전기적 에너지를 전달하기 위한 회로인 것을 특징으로 하는 차량을 제조하는 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    - 임의의 주어진 동작 주파수에서, 상기 제 3 전송 회로에 의해 제공되는 임피던스가 임의의 미리결정된 제 3 통과 임피던스보다 작도록 상기 수동 전기 회로 구성(8)을 제공하는 단계가 수행되는 것을 특징으로 하는 차량을 제조하는 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    - 상기 주어진 동작 주파수에서, 상기 제 2 전송 회로에 의해 제공되는 임피던스가 임의의 미리결정된 제 2 차단 임피던스보다 크도록 그리고/또는 상기 제 1 전송 회로에 의해 제공되는 임피던스가 또 하나의 다른 미리결정된 제 1 차단 임피던스보다 크도록 상기 수동 전기 회로 구성(8)을 제공하는 단계가 수행되는 것을 특징으로 하는 차량을 제조하는 방법.
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