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KR102612778B1 - 유도성 에너지 전송 방법 및 유도성 에너지 전송 장치를 작동하기 위한 장치 - Google Patents

유도성 에너지 전송 방법 및 유도성 에너지 전송 장치를 작동하기 위한 장치 Download PDF

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KR102612778B1
KR102612778B1 KR1020187009675A KR20187009675A KR102612778B1 KR 102612778 B1 KR102612778 B1 KR 102612778B1 KR 1020187009675 A KR1020187009675 A KR 1020187009675A KR 20187009675 A KR20187009675 A KR 20187009675A KR 102612778 B1 KR102612778 B1 KR 102612778B1
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KR
South Korea
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receiving coil
vehicle
coil
ground
transmitting
Prior art date
Application number
KR1020187009675A
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English (en)
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KR20180050715A (ko
Inventor
울리히 브레너
앤서니 셰브레
Original Assignee
로베르트 보쉬 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 로베르트 보쉬 게엠베하 filed Critical 로베르트 보쉬 게엠베하
Publication of KR20180050715A publication Critical patent/KR20180050715A/ko
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Abstract

본 발명은, 송신 코일로부터, 이 송신 코일에서 이격되어 배치된 수신 코일로 에너지를 유도 전송하기 위한 방법에 관한 것이다. 수신 코일은 지면 위에 정지해 있거나 지면 위에서 주행하는 차량 내에 배치되며, 이 경우 차량은 하나 이상의 센서를 구비한다. 제1 방법 단계(A)에서 송신 코일 및/또는 지면과 수신 코일 사이의 간격이 결정되고, 제2 방법 단계(B)에서 상기 간격을 토대로 송신 코일 및/또는 지면과 수신 코일 사이에서 최소로 가능한 공기 갭이 계산되며, 제3 방법 단계(C)에서 상기 간격이 최소로 가능한 공기 갭에 상응하도록 수신 코일이 포지셔닝된다.

Description

유도성 에너지 전송 방법 및 유도성 에너지 전송 장치를 작동하기 위한 장치
본 발명은, 송신 코일로부터, 이 송신 코일에서 이격되어 배치된 수신 코일로 에너지를 유도 전송하기 위한 방법, 그리고 유도성 에너지 전송 장치를 작동하기 위한 장치에 관한 것이다.
전기 차량 및 하이브리드 차량은 통상 전기 에너지 저장 장치, 예를 들어 구동 장치용 전기 에너지를 공급하는 트랙션 배터리(traction battery)를 이용한다. 상기 전기 에너지 저장 장치가 완전히 또는 부분적으로 방전되면, 에너지 저장 장치를 다시 충전시킬 수 있는 충전 스테이션이 전기 차량을 구동시킬 수밖에 없다. 지금까지는 이를 위해, 상기와 같은 충전 스테이션에서 전기 차량이 케이블 접속부에 의해 충전 스테이션에 접속된다. 이와 같은 접속은 사용자에 의해 통상 수동으로 수행될 수 밖에 없는 단점이 있다. 이 경우, 충전 스테이션과 전기 차량이 서로 대응되는 접속 시스템도 구비해야 한다.
또한, 전기 차량용 무선 충전 시스템도 간간이 공지되고 있다. 전기 차량의 유도 충전의 경우, 지면 내에 또는 지면 위에 하나 또는 복수의 코일(송신 코일)이 설치된다. 또한, 전기 차량 내에도 마찬가지로 하나 또는 복수의 코일(수신 코일)이 배치된다. 전기 차량이 송신 코일 상부에 정차하면, 상기 송신 코일이 교번 자장을 송출한다. 교번 자장은 차량 내 수신 코일에 의해 수신되어 전기 에너지로 변환된다. 그 다음에, 상기 전기 에너지를 이용하여 무접촉 에너지 전송에 의해 차량의 트랙션 배터리가 충전될 수 있다. 전기 차량의 배터리를 무선 충전하는 경우, 충전 스테이션의 송신 코일과 차량 내의 수신 코일 사이에 공기 갭이 존재한다. 자동차로부터의 지상고가 요구되기 때문에, 상기 공기 갭은 수 센티미터에 달한다. 이 경우, 예를 들어 차량에 고정된 코일을 하강시키거나, 전체 차량을 하강시키거나, 고정된 코일을 상승시키는 조치들 또는 이러한 조치들의 조합을 통해 이상적으로 작은 공기 갭이 달성되지 않는 한, 공기 갭의 폭은 매우 넓다. 유도 에너지 전송의 효율은 다른 무엇보다 지면 내에 설치된 코일(들)과 차량 바닥에 설치된 코일(들) 사이의 공기 갭(간격)에 좌우된다. 공기 갭이 작을수록, 달성되는 효율은 그만큼 더 크다. 더 나아가, 전기 차량의 에너지 저장 장치는 에너지 재생을 위해서도 사용될 수 있다. 이를 위해, 경우에 따라 케이블 접속 또는 유도 출력 전송도 사용될 수 있다. 공보 DE102011010049 A1호는, 에너지가 유도 전송되는 차량 배터리 충전 시스템을 개시하고 있다. 이 종래 기술에서의 단점은, 주행 중에는 유도 충전이 실시되지 않는다는 점, 다시 말해 정적으로 충전된다는 점이다. 그 대신 차량이 정지 상태에 있어야 한다.
그렇기 때문에, 정지해 있는 동안의 차량 충전 및/또는 동적 충전 방법으로서의 주행 중 차량 충전을 신뢰성 있게 구현되게 하는 유도 에너지 전송 장치에 대한 요구가 있다.
청구항 1의 특징을 갖는 본 발명에 따른 방법은, 차량이 정지해 있는 동안 뿐만 아니라 주행 중에도 충전될 수 있다는 장점이 있다. 추가로, 이와 같은 동적 충전 방식에 의해, 전기 구동 차량의 주행 거리가 연장될 수 있다.
본 발명에 따라, 지면 위에 정지해 있거나 지면 위에서 주행하는 차량 내에 수신 코일이 배치되어 있을 때, 송신 코일로부터, 이 송신 코일에서 이격되어 배치된 수신 코일로 에너지를 유도 전송하기 위한 방법이 3개의 단계로 진행된다. 제1 방법 단계에서는 송신 코일 및/또는 지면과 수신 코일 사이의 간격이 결정되고; 제2 방법 단계에서는 상기 간격을 토대로 송신 코일 및/또는 지면과 수신 코일 사이에서 최소로 가능한 공기 갭이 계산되며; 제3 방법 단계에서는, 상기 간격이 최소로 가능한 공기 갭에 상응하도록 수신 코일이 포지셔닝된다. 이 방법에서는 바람직하게, 공기 갭이 충전 과정 동안 가급적 작게 유지될 수 있고, 이로써 효율이 가급적 높게 유지될 수 있다. 더 나아가, 조절된 공기 갭에 의해 동적 충전 동안의 효율이 개선되고, 이로써 최대로 가능한 출력이 전달될 수 있는 점도 바람직하다.
종속 청구항들에서 언급된 조치들에 의해서는, 독립 청구항에 명시된 방법의 바람직한 개선예들이 가능하다.
바람직하게, 차량은 하나 이상의 센서를 구비하며, 이 경우에는 상기 센서에 의해 간격이 결정된다. 이들 센서는 바람직하게 주행 중에 코일들 사이의 공기 갭의 모니터링을 가능하게 하며, 이로써 최소 공기 갭의 설정이 가능해진다.
최근의 차량들에는 간격 레이더가 설치되어 있기 때문에, 레이더 센서가 센서로서 사용되는 것이 바람직하다.
더 나아가, 차량 내에 배치된 능동 제어 댐핑 시스템에 의해 간격이 결정되는 것이 바람직하다. 이 경우, 댐핑 경로를 통해 도로 상태에 대한 추론이 행해질 수 있고, 송신 코일과 수신 코일 사이의 공기 갭이 상응하게 고려될 수 있다.
수신 코일의 포지셔닝은 차량 내에 배치된 제어 액추에이터를 통해 수행되는 것이 바람직하다. 지면으로부터의 차량 코일의 현재 간격이 제어 시스템에 항시 공지되기 때문에, 주행 중에 지면에 코일을 안착시키는 과정이 생략된다.
제어 구동 시스템의 고장 시, 수신 코일은 바람직하게 그 다음 방법 단계 (D)에서 휴지 위치로 상승된다. 이로써, 액추에이터를 포함하는 제어 구동 시스템에 의해, 액추에이터가 고장인 경우에도 안전의 이유에서 코일을 휴지 위치로 상승시키는 동작이 실시되는 점이 보장된다. 이와 같은 방식으로, 차량 손상뿐만 아니라 기반 시설의 손상도 방지된다.
수신 코일을 휴지 위치로 상승시키는 동작은 바람직하게 스프링에 의해 수행된다. 즉, 코일을 상승시키기 위해, 정전으로 인해 제 기능을 할 수 없게 될 가능성이 있는 전자 장치가 불필요하다.
수신 코일의 포지셔닝은, 차량 내에 배치된 능동 제어 댐핑 시스템에 의해 바람직하게 실시된다. 이 방법이 바람직한 이유는, 차량 코일이 차량 내에 고정 설치될 수 있기 때문이다.
더 나아가, 수신 코일의 포지셔닝은 바람직하게 차량의 주행 속도에 결부된다. 지면에 대한 차량 코일의 현재 간격이 제어 시스템에 항시 공지되어야 한다. 이 제어 시스템을 통해, 주행 중에 지면에 코일을 안착시키는 과정이 생략된다. 이 경우, 조정 거리는 바람직하게 센서들의 시야와 코일 간의 거리에 상응한다. 상기 거리를 통과하는 동안에는, 하강된 코일(수신 코일)이 위험 영역으로부터 상승되어야 한다. 이로써, 코일의 하강은 바람직하게 주행 속도에 좌우될 뿐만 아니라, 상승에 대한 액추에이터의 반응 시간에도 좌우된다.
바람직하게, 송신 코일은 지면 내에 또는 지면 위에 배치된다. 송신 코일의 지면 내 배치는, 송신 코일이 도로 상에 놓여 있는 장애물로서 간주될 수 없다는 장점이 있다. 그와 달리, 송신 코일의 지면 위 배치는, 보수의 목적으로 송신 코일에 용이하게 접근할 수 있다는 장점이 있다.
본 발명의 또 다른 특징들 및 장점들은 첨부된 도면들과 관련된 하기의 설명을 참조한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 유도성 에너지 전송 장치를 작동하기 위한 방법과 관련된 상이한 단계들의 개략적인 다이어그램이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 유도성 에너지 전송 장치를 갖춘 차량의 개략적 횡단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 유도성 에너지 전송 장치를 갖춘 차량의 또 다른 개략적 횡단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 유도성 에너지 전송 장치를 갖춘 차량의 또 다른 개략적 횡단면도이다.
도 5는 유도성 에너지 전송 장치, 및 수신 코일을 상승 또는 하강시키기 위한 제어 구동 시스템을 갖춘 차량의 개략적 횡단면도이다.
각각의 도면에 도시된 그림들은, 편의상 척도에 맞지 않게 재현되어 있다. 동일한 참조 번호는 일반적으로 동일한 유형의 또는 동일한 작용을 하는 구성 요소들을 지칭한다.
도 1은, 예를 들어 차량, 전기 차량 또는 하이브리드 차량 내의 트랙션 배터리를 충전하기 위해 사용될 수 있는 것과 같은, 유도성 에너지 전송 장치(21)를 작동하기 위한 방법의 개략도를 보여준다. 차량/전기 차량(12)은 정지 상태 또는 주행 상태에 있다. 제1 방법 단계(A)에서, 송신 코일(10) 및/또는 지면(14)과 수신 코일(11) 사이의 간격이 검출된다. 제2 방법 단계(B)에서, 상기 간격(15)을 토대로송신 코일(10) 및/또는 지면(14)과 수신 코일(11) 사이에서 최소로 가능한 공기 갭(16)이 계산된다. 계속해서 단계 (C)에서는, 상기 간격(15)이 최소로 가능한 공기 갭(16)에 상응하도록 수신 코일(11)이 포지셔닝된다. 이 방법에 의해, 주행 중에도 유도성 충전이 수행될 수 있으며, 이로 인해 전기 작동 차량의 주행 거리가 상당히 연장된다. 차량(12) 내 센서들에 의해 주행 중에 송신 코일(10)과 수신 코일(11) 사이에서 가능한 최소 공기 갭(16)이 모니터링되고, 필요 시에는 제어 구동 시스템(17)에 의해 조정된다. 이렇게 함으로써, 충전 과정 동안에는 공기 갭(16)이 가급적 작게 유지되고, 효율은 가급적 높게 유지되거나 최대화된다. 따라서, 지면(14) 또는 도로(14)와 수신 코일의 접촉이 확실하게 방지된다.
도 2는, 유도성 에너지 전송 장치(21)를 갖춘 차량(12)의 개략적 횡단면도를 보여준다. 유도성 에너지 전송 장치(21)는 전기 차량인 차량(12) 내에 있다. 차량(12)은, 도로 또는 주차장인 지면(14) 상에 정지해 있거나 지면 위에서 주행하고 있다. 차량(12) 내에는, 바람직하게 차량(12)의 하부 바디(underbody)에 설치되어 있는 수신 코일(11)이 배치되어 있다. 차량(12) 아래로 하나 이상의 송신 코일(10)이 존재한다. 이 송신 코일은 지면(14) 내에 설치되거나 지면 위에 지지된다. 차량(12)은 제어 구동 시스템(17) 및/또는 능동 제어 댐핑 시스템(18)을 구비하며, 이들 시스템에 의해 수신 코일(11) 또는 차량(12)이 하강하거나 상승할 수 있고, 그 결과 송신 코일(10)과 수신 코일(11) 사이의 간격(15)이 조정될 수 있다. 또한, 자동차(12)는 간격 센서(13)를 구비한다. 이 간격 센서에 의해, 송신 코일(10)과 수신 코일(11) 사이의 간격(15)이 검출될 수 있다. 바람직하게, 간격 센서(13)는 레이더 센서이다. 차량(12)이 주행 상태에 있는 경우에는, 지면(14) 상에 또는 지면 내에 있는 송신 코일(10)을 통해 수신 코일(11)의 지속적인 위치 변경이 일어난다. 동적 충전 시의 효율을 최적화하기 위해, 송신 코일(10)과 수신 코일(11) 사이의 간격(15)이 지속적으로 재조정된다. 그에 상응하게, 주행 중 충전 모드에서는, 각각의 장애물 또는 비평탄부(23)와 수신 코일(11) 간에 발생할 수 있는 충돌을 피하기 위해, 하강된 수신 코일(11)이 비평탄부(23) 또는 장애물(23)에서 적시에 상승되도록, 도로가 모니터링된다. 이와 관련하여 간격 센서(13)가 이용된다. 차량(12)이 능동 제어 댐핑 시스템(18) 및 상응하는 간격 센서(13)를 구비한 경우, 댐핑 경로를 통해 도로 상태에 대한 추론이 수행될 수 있고, 코일들 사이의 공기 갭(16)이 상응하게 고려되고 조정될 수 있다. 이렇게 함으로써, 주행 중에 지면/바닥(14) 상에 수신 코일(11)을 안착시키는 과정이 생략된다. 이 경우, 조정 거리(22)는 하나 이상의 센서(13)의 시야와 수신 코일(11) 간의 거리에 상응한다. 상기 거리를 통과하는 동안에는, 하강된 수신 코일(11)이 위험 영역으로부터 상승되어야 한다. 이로써, 수신 코일(11)의 하강은 주행 속도 및 제어 구동 시스템(17)의 반응 시간(t1) 및/또는 능동 제어 댐핑 시스템(18)의 반응 시간(t2)에도 좌우된다.
제어 구동 시스템(17)은, 충전 모드 동안 수신 코일/차량 코일(11)을 도로(14)의 방향으로 하강시키는 액추에이터를 포함한다. 안전상의 이유에서 (예컨대 액추에이터가 고장인 경우처럼) 수신 코일이 휴지 위치로 상승되며, 이와 같은 상승 동작은 예를 들어 스프링에 의해 실시된다. 차량(12)이 능동 제어형 섀시(능동 제어 댐핑 시스템)(18)를 구비한 경우, 상기 섀시에 의해서도 하강 동작이 가능하다. 이 경우, 차량 코일/수신 코일(11)이 차량 내에 고정 설치될 수도 있다.
차량 코일/수신 코일(11)의 하강은 물론, 정지 상태에서의 충전 동안에도 효율 상승을 위해 이용될 수 있다. 이렇게 함으로써, 충전 과정 동안 코일들(송신 코일 및 수신 코일) 사이의 공기 갭 내에 생명체 또는 금속성 물체가 침범하는 상황을 방지할 수 있다. 이로써, 충전 중에 외부 물체를 검출할 필요가 없게 된다.
도 3은, 도 2에 기술된 유도성 에너지 전송 장치(21)를 작동하기 위한 방법의 연속 상황을 개략도로 보여준다. 도 2를 기준으로 동일한 요소들에는 동일한 참조 번호가 부여되어 있으며, 이들 요소는 더 이상 상세히 설명하지 않는다. 본 실시예에서 차량(12)은 주행 상태에 있다. 여기서는 지면 내에/도로(14) 내에 송신 코일들(10)이 배치되어 있으며, 주행 동안 차량(12)은 그 송신 코일들 위에서 움직인다. 하나 이상의 센서(13)가 송신 코일(10)/지면(14)과 수신 코일(11) 사이의 간격을 측정하고, 그로부터 최소로 가능한 공기 갭(16)이 계산되는 방식으로, 송신 코일(10)과 하나 이상의 수신 코일(11) 사이의 공기 갭(16)이 주행 동안 지속적으로 모니터링된다. 코일(11)의 하강은 주행 속도 및 액추에이터의 반응 시간(t1)에 기초하여 수행된다.
도 4는, 도 2 및 도 3에 기술된 방법의 연속 상황으로서, 유도성 에너지 전송 장치를 갖춘 차량의 또 다른 개략적 횡단면도를 보여준다. 도 2 및 도 3을 기준으로 동일한 요소들에는 동일한 참조 번호가 부여되어 있으며, 이들 요소는 더 이상 상세히 설명하지 않는다. 본 실시예에서는, 송신 코일들(10)이 지면 위에 또는 도로(14) 상에 배치되어 있다.
도 5는, 본 발명의 또 다른 실시예로서, 유도성 에너지 전송 장치(21), 및 수신 코일(11)을 상승 또는 하강시키기 위한 제어 구동 시스템(17)을 구비한 차량(12)의 횡단면도를 보여준다. 제어 구동 시스템(17)은, 수신 코일(11)을 상승 또는 하강시킬 수 있는 액추에이터를 구비하며, 이로써 송신 코일(10)과 수신 코일(11) 사이의 공기 갭이 조절된다. 결함 발생 시[예컨대 제어 구동 시스템(17) 또는 액추에이터의 고장 시], 수신 코일(11)이 휴지 위치로 상승되는 동작은 예를 들어 스프링(19)에 의해 수행된다.

Claims (12)

  1. 지면(14) 위에 정지해 있거나 지면(14) 위에서 주행하는 차량(12) 내에 수신 코일(11)이 배치되어 있을 때, 송신 코일(10)로부터, 상기 송신 코일(10)에서 이격되어 배치된 수신 코일(11)로 에너지를 유도 전송하기 위한 방법에 있어서,
    - 제1 방법 단계(A)에서, 송신 코일(10)과 수신 코일(11) 사이 또는 지면(14)과 수신 코일(11) 사이의 간격(15)이 결정되고,
    - 제2 방법 단계(B)에서, 상기 간격(15)을 토대로 송신 코일(10)과 수신 코일(11) 사이 또는 지면(14)과 수신 코일(11) 사이에서 최소로 가능한 공기 갭(16)이 계산되며,
    - 제3 방법 단계 (C)에서, 상기 간격(15)이 최소로 가능한 공기 갭(16)에 상응하도록 수신 코일(11)이 포지셔닝되고,
    수신 코일(11)의 포지셔닝이 차량(12)의 주행 속도에 좌우되는 것을 특징으로 하는, 유도성 에너지 전송 방법.
  2. 제1항에 있어서, 차량이 하나 이상의 센서(13)를 구비하며, 상기 센서(13)에 의해 간격(15)이 결정되는 것을 특징으로 하는, 유도성 에너지 전송 방법.
  3. 제2항에 있어서, 센서(13)는 레이더 센서인 것을 특징으로 하는, 유도성 에너지 전송 방법.
  4. 제1항에 있어서, 차량(12) 내에 배치된 능동 제어 댐핑 시스템(18)에 의해 간격(15)이 결정되는 것을 특징으로 하는, 유도성 에너지 전송 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 차량(12) 내에 배치된 제어 구동 시스템(17)을 통해 수신 코일(11)의 포지셔닝이 수행되는 것을 특징으로 하는, 유도성 에너지 전송 방법.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 수신 코일(11)은 제어 구동 시스템(17)의 고장 시 그 다음 방법 단계 (D)에서 휴지 위치로 상승되는 것을 특징으로 하는, 유도성 에너지 전송 방법.
  7. 제6항에 있어서, 수신 코일(11)이 휴지 위치로 상승되는 과정이 스프링(19)에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는, 유도성 에너지 전송 방법.
  8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 수신 코일(11)의 포지셔닝은 차량(12) 내에 배치된 능동 제어 댐핑 시스템(18)에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는, 유도성 에너지 전송 방법.
  9. 삭제
  10. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 수신 코일(11)의 포지셔닝이 제어 구동 시스템(17)의 반응 시간(t1) 및/또는 능동 제어 댐핑 시스템(18)의 반응 시간(t2)에 좌우되는 것을 특징으로 하는, 유도성 에너지 전송 방법.
  11. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 송신 코일(10)이 지면(14) 내에 또는 지면(14) 상에 배치되는 것을 특징으로 하는, 유도성 에너지 전송 방법.
  12. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 유도성 에너지 전송을 위한 장치.
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