KR20050106313A - 무접촉 급전방식을 이용한 전기 차량의 배터리 충전 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전력을 동력원으로 하는 전기 차량(전기 자동차)에 있어서, 유도전력전송 급전방식을 이용한 전기 차량의 배터리 충전 시스템에 관한 것이다.

본 발명에서는 전기차량에 있어, 배터리의 충전시스템을 제안하고자 한 것으로, 무접촉 방식의 전력전송 방식을 이용하여 차량의 배터리에 충전이 이루어질 수 있도록 하여 기계적 접촉으로 인한 손실없이 차량으로 전력을 공급하여 사람 또는 장치가 직접 전선을 차량에 연결하는 등의 기계적 접촉으로 인한 위험요소를 제거하고 전력 전송시 필요한 시간을 감소시키므로써, 편의성을 제공하고자 하며, 또한 유도전력전송 방식의 전력 급전방식을 이용하여 전기차량의 배터리 충전을 수행함에 있어서, 정차된 상태에서의 충전시 충전효율을 향상시킬 수 있도록 하는 무접촉 급전방식 구조를 제공하고자 하는 것이다.

Description

무접촉 급전방식을 이용한 전기 차량의 배터리 충전 시스템{The electric car battery charging system using non contact supply electric power}

본 발명은 전력을 동력원으로 하는 전기 차량(전기 자동차)에 있어서, 무접촉 유도전력전송 급전방식을 이용한 전기 차량의 배터리 충전 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 전기차량은 전기를 전력공급원으로 하여 운행하는 차량을 의미하며, 고전압, 전류가 흐르고 있는 가선에 판도그라프를 접촉시켜 전동차량에 전기에너지를 공급받아 운행하는 전동차와, 차량 자체에 전력공급원으로 충전이 가능한 배터리를 탑재하고, 탑재된 배터리에서 공급되는 전력을 이용하여 운행하는 전기자동차로 구분할 수 있다.

그러나 전동차의 경우 대형의 열차를 구동시키기 위한 전력과, 또한 소정의 주어진 선로(궤도)를 따라 운행하는 시스템을 고려하여 판도그라프를 이용한 급전방식을 채용할 뿐, 전기자동차에서와 같이 배터리를 탑재하여 운행가능하며, 급전방식에 따라 전동차와 전기자동차로 구분되어지는 것은 아니다.

전기자동차는 운전자가 원하는 위치까지 자유로이 이동할 수 있어 개인교통수단으로 적절하나, 일반 가솔린 자동차와는 달리 배터리에 의해 전력을 공급하게 되므로, 일반 가솔린 자동차에 비해 저속 운행되며, 충전시간이 오래 걸리며, 또한 한번 충전에 의해 주행하는 거리가 제한적이다.

따라서 전기자동차 또는 배터리를 탑재한 전동차와 같은 전기차량의 경우 목적한 이동거리를 확보하기 위해서는 자주 충전을 해주어야만 하므로, 전기차량의 운행에 있어서, 충전소의 설치 및 충전시스템이 중요한 요인으로 작용할 수 밖에 없다.

본 발명에서는 이와 같은 전기차량에 있어, 배터리의 충전시스템을 제안하고자 한다.

본 발명에서는 무접촉 방식의 전력전송 방식을 이용하여 차량의 배터리에 충전이 이루어질 수 있도록 하여 기계적 접촉으로 인한 손실없이 차량으로 전력을 공급하여 사람 또는 장치가 직접 전선을 차량에 연결하는 등의 기계적 접촉으로 인한 위험요소를 제거하고 전력 전송시 필요한 시간을 감소시키므로써, 편의성을 제공하고자 한 것이다.

또한 무접촉 방식의 전력 급전방식을 이용하여 전기차량의 배터리 충전을 수행함에 있어서, 정차된 상태에서의 충전시 충전효율을 향상시킬 수 있도록 하는 무접촉 급전방식 구조를 제공하고자 한 것이다.

본 발명은, 차량에 전력을 송전하기 위하여 충전을 수행하고자 하는 지정된 위치의 하부에 매설되는 전력전송장치와, 차량의 저면단에 설치되어 전력전송장치의 상부에 차량이 정차된 상태에서 전자유도방식에 의해 차량과 전력전송장치의 사이 공간에 형성되는 자기적 에너지 경로를 통해 전력전송장치로부터 전송되는 전력을 제공받아 배터리 충전을 수행하는 전력집전장치로 구성하며,

상기 전력전송장치와 전력집전장치는 코일과 철심으로 구성되며, 전력전송장치는 1차측, 전력집전장치는 2차측으로 구성되어, 차량과 전력전송장치의 사이 공간을 1차측과 2차측 공극으로 하여 차량이 정차된 상태에서 1차측 전력전송장치로부터 2차측에 유기되는 자기기전력을 집전, 충전이 이루어지도록 하는 무접촉 유도전력 전송에의한 급전방식을 이용하여 차량의 배터리 충전이 이루어지도록 한 것을 특징으로 한다.

이와 같은 특징을 갖는 본 발명을 첨부된 도면 도 1 내지 도 2에 도시된 실시예를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

차량의 충전을 위해 충전소의 지정된 위치에 매설되는 전력전송장치(10)와, 차량에 설치되는 전력집전장치(20)로 구성된다.

상기 전력전송장치(10)는 소정의 면적을 갖으며, 2개의 자로를 형성한 철심(11)이 구성되고, 철심(11)에 형성된 자로상에 코일(12)이 수평권선된 구조를 갖는다.

상기 전력집전장치(20)는 상기 전력전송장치(10)의 철심(11)의 자로와 대향되도록 자로를 형성한 철심(21)과, 철심(21)에 형성된 자로상에 코일(22)이 수평 권선된 구조를 갖는다.

이와 같은 본 발명은,

1차측 코일(12)과 철심(11)으로 구성되는 전력전송장치(10)는 지정된 위치에 매설되고, 2차측 코일(21)과 철심(22)으로 구성되는 전력집전장치(20)는 차량에 설치되므로, 전력전송장치(10)와 전력집전장치(20)는 일정하게 공극을 유지한 상태로 구성된다.

여기서 전력전송장치(10)는 충전소의 각 충전위치에 설치되어 전기차량이 해당위치에 정차하여 충전을 수행될 수 있도록 하거나, 정류장과 같이 전기차량이 정차될 수 있는 위치에서 자동충전이 수행될 수 있도록 설치할 수 있다.

상기 전력전송장치(10)와 전력집전장치(20)의 철심(11)(21)은 서로 그 단면이 마주보도록 소정의 충전위치와 차량에 각각 설치되어 코일(12)에서 발생된 자속이 이동하도록 자기에너지 경로를 형성한다.

이때 전력전송장치(10)의 코일(12)에 의한 자속의 분포를 고려하여 차량에 설치된 전력집전장치(20)에서의 철심(21)의 형상을 설계할 수 있으며, 이를 고려하면 다양한 형상의 철심(21)을 적용할 수 있다.

본 발명 실시예에서는 충전에 필요한 유효전력을 2배로 하기 위하여 자로를 2개로 형성하고, 코일(12)을 수평배치한 것이다.

여기서, 최소 한 대에서 수 대에 이르는 전기 차량의 충전이 동시에 가능하도록 하는 경우 전기차량의 충전 유효 거리의 확보가 필요하므로 충전위치(charging station)의 규모에 따라 고주파수의 전원주파수로 인한 1차측 철심내의 손실전력의 크기가 달라지게 된다.

따라서 상기에서와 같이, 충전위치의 규모가 커질 경우 1차측 자로 형성 경로가 되는 철심의 사용이 제한되어 공심형 코일(혹은 비자성체 케이싱 코일)을 사용할 수 있다.

이와 같은 구성에 따라 전원이 공급되는 전력전송장치(10)가 1차측으로 작용하여 전력전송장치(10)의 코일(12)에 흐르는 전류에 따라 발생된 자속이 2차측인 전력집전장치(20)에 유기되어 교류기전력이 발생하게 되는 바,

여기서 본 발명에서 제시한 전력집전장치는 다음과 같은 일반 변압기의 유기 기전력식을 따른다.

e_{ 1 } (1차측```유기기전력)=``-N_{ 1 } { d phi } over { dt } #e_{ 2 } (2차측```유기기전력)=``-N_{ 2 } { d phi } over { dt }

단 위에서 사용된 기전력의 경우 1, 2차 철심의 분리가 없다고 보고, 그래서 자속의 누설분이 미미하다고 가정하였을 때에 적용되는 변압기 기전력 공식이다.

본 발명 시스템에서는 유도전력전송 급전방식이므로, 차량과 충전위치에 설치된 전력전송장치에 유지되어야 하는 공극이 존재하며, 이와 같은 공극은 차량의 이동을 방해하지 않는 범위에서 충분하게 확보되어야 하고, 그 때문에 자연히 공극의 길이가 커질 수 밖에 없다.

따라서 전력전송장치(10)와 전력집전장치(20) 사이의 공극에 의해 발생하는 자속의 누설분이 발생하게 된다.

이때, 발생하는 2차측인 전력집전장치(20)와 1차측인 전력전송장치(10) 사이의 자기적 누설성분은 1, 2차 측 전력전달효율을 결정짓는 중요한 요소로서 작용하므로 이러한 자속의 누설성분을 충분하게 고려하지 않은 일반 변압기의 계산방식의 경우, 이 수식의 적용으로 인하여 나타나는 계산, 설계의 오차가 무시할 수 없을 만큼 큰 값을 가지게 되므로, 누설 인덕턴스의 크기를 정확하게 계산할 필요가 있다.

누설성분, 다시 말해 변압기의 누설 인덕턴스를 정확히 구하기 위해서는 유한요소법을 이용한 자속의 분포정도를 계산한 후, 이를 이용하여 1, 2차 측의 자기적 결합정도를 나타내는 결합계수 q를 구함으로써, 누설 인덕턴스의 값을 정확하게 계산한다.

급전 장치의 동작에 중요 요소로서 작용하는 누설 인덕턴스를 포함한 등가회로를 완성하면 급전 장치 자체 특성의 분석, 설계가 가능하다.

이와 같은 본 발명 시스템의 동작과정을 설명하면 다음과 같다.

이와 같은 전체 본 발명 시스템은 변압기에서와 같이 1차측 전력전송장치(10)와 2차측 전력집전장치(20)로 구분할 수 있다.

1차측 전력전송장치(10)에는 에너지를 공급하는 코일(전선)(12)과 2차측 전력집전장치(20)에는 공급받는 코일(22)이 구성되어 있는 바,

1차측 전력전송장치(10)에 교류전력이 인가되면, Ampere의 주회적분 법칙( OINT vec H cdot d vec l `=` I )에 따라 이 교번전류가 흐르는 도선 주위에 자속을 발생시키게 된다.

따라서 발생된 자속은 전력전송장치(10)의 코일(12)을 둘러싸고 2차측인 전력집전장치(20)로 흐른다.

이때 Faraday 법칙(EMF=-N { d phi } over { dt } )에 의하여, 2차측인 전력집전장치(20)에는 1차측인 전력송전선부(10)에 인가된 교류주파수와 동일한 주파수를 가지는 교류기전력이 유기 된다.

이와 같이 전력전송장치(10)로부터 전력집전장치(20)로 전력을 공급받아 차량내 배터리 충전전력의 공급이 가능해진다.

한편 본 발명에 있어서 일 실시예로 전기차량이 전력전송장치(10)가 설치된 충전위치에 진입하여 정차한 것을 감지하는 차량감지수단과 차량감지수단의 감지결과에 따라 전력전송장치(10)에 공급되는 전원을 제어하는 전원공급제어수단을 더 포함하여 구성하게 되면, 충전이 수행되지 않는 상태에서의 전력전송장치(10)에 불필요하게 공급되는 전력소모를 감소시킬 수 있다.

이와 같은 본 발명 시스템은 궤도차량(전동차)에 적용하여 정차하는 각 역(정류장)마다 전력전송장치(10)를 설치하면 전동차가 각 역에 정차할때마다 간단하게 충전을 수행할 수 있으며, 다음 역에서 충전을 계속 진행할 수 있으므로, 그리 많은 충전시간이 필요하지 않아도 된다.

또한 이와 같은 궤도 차량에 설치할 경우 열차의 운행제어시스템과 연계하게 되면, 열차가 해당위치에 정차하였음을 감지한 정보를 운행제어시스템으로부터 제공받아 열차의 진입여부에 따라서 전력전송장치(10)에 전원공급을 제어할 수 있도록 할 수 있다.

일반 전기차량에 적용하는 경우에도 정류장, 주차장등 차량이 정차하는 위치에 전력전송장치(10)를 설치하여 충전위치를 지정하여 간단하고 편리하게 차량내 배터리에 충전이 가능하게 된다.

이와 같은 본 발명 시스템을 적용하면, 기계적 접촉이 없는 전자기 유도 방식을 이용하여 충전의 편이성을 제공하고, 정류장 대기시간을 이용한 별도의 충전시간을 필요로 하지 않는 충전방식으로 활용이 가능하여 운행제어프로그램과 연계된 시스템을 제어를 적용하므로써, 효율적인 시스템운용을 구축할 수 있다.

궤도를 필요로하는 종전 철도시스템에서 뿐만 아니라 일반 도로 주행용 차량 시스템에 대해서도 적용이 가능하다.

도 1은 본 발명 무접촉 급전방식을 이용한 전기차량의 배터리 충전 시스템 나타낸 사시도.

도 2는 본 발명에 있어서, 1차측 전력전송장치에서 코일의 권선을 보이기 위한 평면도.

Claims (5)

1. 차량에 전력을 송전하기 위하여 충전을 수행하고자 하는 지정된 위치의 하부에 매설되는 전력전송장치와, 차량의 저면단에 설치되어 전력전송장치의 상부에 차량이 정차된 상태에서 전자유도방식에 의해 차량과 전력전송장치의 사이 에너지 경로에 형성된 공극을 통해 전력전송장치로부터 전송되는 전력을 제공받아 배터리 충전을 수행하는 전력집전장치로 구성하며,

   상기 전력전송장치는 소정의 면적을 갖으며, 자로를 형성한 철심이 구성되고, 철심에 형성된 자로상에 코일이 수평 권선된 구조를 갖으며, 상기 전력집전장치는 상기 전력전송장치의 철심의 자로와 대향되도록 자로를 형성한 철심과, 철심에 형성된 자로상에 코일이 수평 권선된 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 무접촉 급전방식을 이용한 전기 차량의 배터리 충전 시스템.
2. 제 1항에 있어서, 전력전송장치에 형성된 자로는 2개이상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 무접촉 급전방식을 이용한 전기 차량의 배터리 충전 시스템.
3. 제 1항에 있어서, 충전가능 차량 대수를 증가시키기 위하여 전력전송장치를 길게 구성할 경우 공심형 코일을 사용하고, 이의 지지를 위해 비자성물체를 구성한 것을 특징으로 하는 무접촉 급전방식을 이용한 전기 차량의 배터리 충전 시스템.
4. 제 1항에 있어서, 상기 전력전송장치에는 전력전송장치가 설치된 충전위치에 차량이 진입하여 정차 했는 지를 판별하기 위한 차량감지수단과, 차량감지수단의 감지결과에 따라 전력전송장치에 공급되는 전원의 제어를 수행하는 공급전원제어수단을 더 포함하여 구성한 것을 특징으로 하는 무접촉 급전방식을 이용한 전기 차량의 배터리 충전 시스템.
5. 제 1항 또는 4항에 있어서, 열차의 각 역마다 전력전송장치를 설치하여 충전위치를 지정하고, 열차 운행제어시스템으로부터 역 내 차량의 정차정보를 차량감지정보로부터 전력전송장치에 공급되는 전원을 제어하는 공급제어수단을 구성한 것을 특징으로 하는 무접촉 급전방식을 이용한 전기 차량의 배터리 충전 시스템.