KR102010512B1 - 전기 차량용 충전 제어 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기 차량용 충전 제어 장치에 관한 것으로서, 외부로부터 AC 전력을 공급받아 제1 DC 전력 및 제2 DC 전력으로 각각 변환하여 출력하는 충전부와, 상기 충전부로부터 상기 제1 DC 전력을 입력받아 충전하고, 충전된 전력을 상기 전기 차량에 공급하는 배터리부와, 상기 충전부의 동작을 제어하고, 상기 배터리부와 통신하여 배터리 충전을 제어하는 충전 제어부로 구성되어, 안정적이고 지속적으로 차량용 전원을 공급할 수 있고, 배터리 충방전을 효과적으로 제어할 수 있다.

Description

전기 차량용 충전 제어 장치 {CHARGING CONTROLLER FOR ELECTRIC VEHICLE}

본 발명은 전기 차량용 충전 제어 장치에 관한 것으로서, 특히 전기 차량의 배터리의 효율적인 충전과 더불어, 전기 차량에 안정적인 전력을 공급할 수 있는 충전 제어 장치에 관한 것이다.

최근 전기를 동력원으로 하는 전기 차량이 많이 개발되고 있으며, 특히 골프 카트와 같은 구내 전동 카트가 전기 차량으로 많이 제작되고 있다. 종래의 전기 차량의 일례로서, 한국공개특허 제10-2016-0064320호에 의하면, 요구르트나 주스 등의 음료를 냉장 보관한 상태로 운반할 수 있고 전동 카트 운용자의 탑승이 가능한 음료의 냉장운반용 전동 카트에 대해 개시하고 있다.

이러한 전기 차량은 대부분 외부로부터의 전력을 공급받아 내장 배터리에 충전시키고, 충전된 전력을 이용하여 구동된다. 이를 위해 전기 차량에는 OB 충전 장치(On Board Charger)가 사용되고 있으며, 그 일례로서 한국공개특허 제10-2016-0021443호에는 구동 모드와 배터리 충방전 모드를 갖는 전기 차량용 전원 시스템에 대해 개시하고 있다.

그러나 종래의 전기 차량용 충전 장치에서는 일반적으로 배터리를 충전하는 동안에는 차량의 모터나 부가 장치 등에 전원을 공급하지 않고 있다. 이것은 배터리 충전과 동시에 배터리에 충전된 전력을 사용하면, 정전류 충전이 곤란하게 되어 배터리의 수명이나 효율 등이 저하될 수 있기 때문이다.

이러한 충전 방식은 충전 중에 전기 차량이 움직여야 할 필요성이 적으므로 큰 문제가 되지 않으나, 앞서 언급한 음료의 냉장운반용 전동카트와 같이 항시 전원이 공급되어야 하는 냉장고 등을 내장하고 있는 차량의 경우에는, 냉장 보관에 상당한 문제를 일으킬 수 있다.

따라서 전기 차량의 여러 부가 장치에 안정적이고 지속적으로 전원을 공급할 수 있으며, 동시에 배터리의 수명이나 효율 저하를 초래하지 않는 새로운 전기 차량용 충전 제어 장치를 개발할 필요성이 있다.

한국공개특허 제10-2016-0064320호 한국공개특허 제10-2016-0021443호

본 발명은 종래의 전기 차량용 충전 장치의 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 안정적이고 지속적으로 차량용 전원이 공급될 수 있고, 배터리 충방전을 효과적으로 제어할 수 있는 전기 차량용 충전 제어 장치를 제공하고자 하는 것이다.

상기한 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명에 따른 전기 차량용 충전 제어 장치는, 외부로부터 AC 전력을 공급받아 제1 DC 전력 및 제2 DC 전력으로 각각 변환하여 출력하는 충전부와, 상기 충전부로부터 상기 제1 DC 전력을 입력받아 충전하고, 충전된 전력을 상기 전기 차량에 공급하는 배터리부와, 상기 충전부의 동작을 제어하고, 상기 배터리부와 통신하여 배터리 충전을 제어하는 충전 제어부를 포함하는 이루어진다.

상기 충전 제어부는, 외부로부터 상기 AC 전력이 상기 충전부에 인가되면, 충전 제어 장치가 시동되고 상기 배터리부와 통신하여 상기 배터리부를 가동시킨다. 또한, 상기 배터리부로부터 배터리의 충전상태 정보를 수신하여, 배터리의 충전상태에 따라 배터리 충전 여부를 결정한다. 또한, 배터리를 충전할 경우, 상기 제1 DC 전력을 배터리부에 공급하고 동시에 상기 배터리부의 방전 동작을 중단시켜, 상기 제2 DC 전력이 상기 차량에 공급되도록 한다. 또한, 배터리를 방전할 경우, 상기 제1 DC 전력이 상기 배터리부에 공급되는 것을 차단한다.

상기 충전부는 상기 제1 DC 전력을 공급하기 위한 전원 공급 라인과, 상기 제2 DC 전력을 공급하기 위한 전원 공급 라인이 병렬로 구성되는 것이 바람직하다.

상기 충전 제어부는 상기 배터리부의 배터리를 관리하는 BMS(Battery Management System)와 CAN(Controller Area Network) 통신을 통해 배터리 정보를 송수신하는 것이 바람직하다.

상기 충전부는, 외부 AC 전압을 입력받아 평활화된 직류 전압으로 정류하는 정류 평활부와, 상기 정류 평활부로부터 입력된 전압을 각각 강압하여 출력하는 제1 및 제2 절연 변압기부와, 상기 제1 및 제2 절연 변압기부가 일정한 정전압을 출력하도록 제어하는 PWM 회로부와, 상기 제1 및 제2 절연 변압기부의 출력 전압을 2차로 각각 정류하는 제1 및 제2 정류 회로부와, 상기 제1 및 제2 정류 회로부의 출력 전압에서 리플과 잡음을 각각 제거하는 제1 및 제2 출력 필터부와, 상기 제1 및 제2 출력 필터부의 직류 전압을 상기 PWM 회로부에 피드백(feedback) 시켜 제1 및 제2 출력 필터부의 출력 전압을 일정하게 유지시키는 전압 제어부와, 상기 배터리부에 인가되는 전류를 일정하게 유지시키는 전류 제어부와, 상기 제1 DC 전력의 상기 배터리부로의 출력을 제어하여 배터리의 충전을 스위칭하는 스위칭부를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 스위칭부의 스위칭 동작은, 상기 충전 제어부가 상기 배터리부로부터 수신한 배터리의 상태에 따라 제어되는 것이 바람직하다.

본 발명의 전기 차량용 충전 제어 장치에 의하면, 배터리를 충전하는 중에는 별도의 전원 공급 라인을 통해 차량에 필요한 전력을 공급할 수 있다. 따라서, 안정적이고 지속적으로 차량용 전원을 공급할 수 있으면서도, 배터리의 충전 전류를 일정하게 유지시켜, 배터리의 수명 저하나 충전 효율 저하 문제를 방지할 수 있다.

또한, 배터리 충전 중에도 안정적인 차량의 전원 공급이 가능하므로, 차량에 내장된 냉장고 등과 같이 지속적인 전원 공급을 필요로 하는 차량 내 전기 장치의 사용 편의성이 높아질 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기 차량용 충전 제어 장치의 개략적인 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2은 본 발명의 실시예에 따른 전기 차량용 충전 제어 장치에서 충전부의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전기 차량용 충전 제어 장치에서 충전 제어부의 구성을 나타내는 블록도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다.

도 1에 본 발명의 실시예에 따른 전기 차량용 충전 제어 장치의 구성을 블록도로 나타내었다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 충전 제어 장치는 충전부(100), 배터리부(200), 충전 제어부(300)로 구성된다.

충전부(100)는 외부로부터 AC 전원을 입력받아 제1 DC 전력과 제2 DC 전력을 출력한다. 제1 DC 전력은 배터리를 충전하기 위한 것이고, 제2 DC 전력은 배터리의 충전 중에 전기 차량에 필요한 전력을 공급하기 위한 것이다. 본 실시예에서는 제1 DC 전력으로서 58V DC를 사용하였고, 제2 DC 전력으로서는 차량 내 냉장고 사양(정격전압 48V, 동작범위 43~58V)에 맞추어 48V DC를 사용하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

배터리부(200)는 상기 충전부(100)로부터 DC 전력을 입력받아 배터리를 충전하고, 충전된 전력을 전기 차량의 부하에 공급한다. 배터리부(200)는 배터리와, 배터리를 관리하는 BMS(Battery Management System: 배터리 관리 시스템)로 이루어지며, 본 실시예에서는 리튬이온 배터리(14CELL x 4.14V)를 사용하였으나, 이에 한정되는 것은 아니고 Ni-MH 전지와 같은 다른 종류의 배터리를 사용할 수도 있다.

충전 제어부(300)는 충전부(100)의 충전 동작을 제어하고, 배터리부(200)의 BMS와 통신하여 배터리 충전을 제어한다. 특히, 충전 제어부(300)는 배터리부(200)가 충전 중에는 배터리의 방전을 차단하고, 상기 제2 DC 전력이 전기 차량의 부하에 공급되도록 제어한다.

다음으로, 상기한 충전부(100)의 세부 구성을 도 2를 참조하여 설명한다.

도 2에 나타낸 바와 같이, 충전부(100)는 정류 평활부(110), 제1 절연 변압기부(121), 제2 절연 변압기부(122), 제1 정류 회로부(131), 제2 정류 회로부(132), 제1 출력 필터부(141), 제2 출력 필터부(142), PWM 회로부(150), 전류 제어부(160), 전압 제어부(170), 스위칭부(180)를 포함하여 구성된다. 즉, 제1 절연 변압기부(121), 제1 정류 회로부(131), 제1 출력 필터부(141), 스위칭부(180)로 이루어지는 제1 DC 전원 공급 라인과, 제2 절연 변압기부(122), 제2 정류 회로부(132), 제2 출력 필터부(142)로 이루어지는 제2 DC 전원 공급 라인이 병렬로 구성되어 있다.

정류 평활부(110)는 외부 AC 전압(예를 들어, 175~254 VAC)을 입력받아 평활화된 직류 전압으로 정류한다. 도 2에는 도시하지 않았으나, 외부 AC 전압의 전자파 장애와 같은 노이즈를 필터링 하기 위한 EMI 필터(Electro Magnetic Interference Filter)를 정류 평활부(110)의 전단에 추가적으로 설치할 수도 있다.

제1 및 제2 절연 변압기부(121, 122)는 정류 평활부(110)로부터 입력된 전압을 각각 강압하여 제1 및 제2 정류 회로부(131,132)에 출력한다. PWM 회로부(150)는 상기 제1 및 제2 절연 변압기부(121, 122)가 일정한 정전압을 출력하도록 제어한다.

제1 및 제2 정류 회로부(131, 132)는 제1 및 제2 절연 변압기부(121, 122)의 출력을 2차로 정류하고, 제1 및 제2 출력 필터부(141, 142)는 리플과 잡음을 제거하여 깨끗한 제1 및 제2 DC 전력이 공급되도록 한다.

전압 제어부(170)는 제1 및 제2 출력 필터부(141, 142)의 직류 전압을 PWM 회로부(150)에 피드백(feedback) 시켜 제1 및 제2 출력 필터부(141, 142)의 출력 전압을 일정하게 유지시키고, 전류 제어부(160)는 배터리부(200)에 인가되는 전류를 일정하게 유지시키는 역할을 한다.

스위칭부(180)는 릴레이(Relay) 소자 등으로 구성될 수 있으며, 제1 DC 전력의 배터리부(200)로의 출력을 제어하여 배터리의 충전을 온/오프(ON/OFF) 한다. 스위칭부(180)의 동작은 충전 제어부(300)가 BMS로부터 수신한 배터리의 상태에 따라 제어된다.

충전부(100)를 제어하는 충전 제어부(300)의 세부 구성을 도 3에 나타내었다.

충전 제어부(300)는 MCU(마이크로컨트롤러 유닛)(310), 표시부(320), 통신부(330)로 구성되며, MCU(310)가 통신부(330)를 통해 배터리의 정보를 전송받아, 충전부(100)의 PWM 회로부(150), 전류 제어부(160), 전압 제어부(170) 및 스위칭부(180)의 동작을 제어하고, 충전부(100)의 상태를 표시부(320)를 통해 표시한다.

구체적으로는, 통신부(330)가 배터리부(200)의 BMS와 CAN(Controller Area Network) 통신을 통해 배터리 정보를 받아서 MCU(310)에 전달한다. 배터리 정보로는 충전전압, 충전전류, 충전준비상태, 충전정지/재충전 신호 등이 있다. 표시부(320)에 LED 램프 등으로 표시되는 정보는 충전/만충전 표시, 충전준비 표시, 충전불량 표시 등이 있다.

이하에서는 본 발명의 충전 제어 장치의 동작에 대해 설명한다.

먼저, AC 전원으로부터 전압이 충전부(100)에 인가되면 충전 제어 장치가 시동되고, CAN 통신으로 배터리부(200)를 가동시킨다.

이어서, 배터리부(200)의 BMS로부터 배터리 충전상태에 대한 정보를 수신하여, 수신된 충전 상태에 따라 배터리 충전 여부를 결정한다.

배터리 충전을 진행해야 하는 것으로 결정되면, 스위칭부(180)를 온(ON) 시켜 제1 DC 전력으로 충전을 실행하고, 배터리부(200)의 BMS에 배터리 방전 동작의 중단 신호를 보낸다. 배터리의 방전이 차단되면, 자동으로 제2 DC 전력이 차량에 필요한 전력으로서 공급된다. 즉, 차량에 내장된 냉장고 등에 대한 전원 공급이 계속해서 유지될 수 있다.

배터리부(200)의 BMS로부터 충전 완료를 통지받으면, 스위칭부(180)를 오프(OFF)시켜 충전을 종료하고, 배터리부(200)가 방전되어 차량에 전원을 공급한다. 이후, 배터리의 충전 전압이 소정값 이하가 되면, 배터리부(200)의 BMS로부터 충전 개시를 통지받아, 재충전을 실행한다.

상기한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 충전 제어 장치는 배터리가 충전 중에는 배터리의 방전을 차단하고, 제2 DC 전력이 전기 차량에 공급되도록 함으로서, 충전 전류가 불규칙적으로 배터리에 충전되는 문제를 방지할 수 있다. 즉, 배터리를 일정한 정전류로 충전할 수 있으므로, 배터리 충전 전류의 변동에 따른 배터리의 수명 저하나 충전 효율 저하의 문제를 방지할 수 있다.

상기한 본 발명의 실시예에서는 충전 제어 장치가 전기 차량에 적용되는 것으로 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니고 하이브리드 차량에도 적용될 수 있으며, 배터리 충전을 필요로 하는 다른 전기 장치들에도 적용될 수 있을 것이다.

본 발명은 상기한 바람직한 실시예와 첨부한 도면을 참조하여 설명되었지만, 본 발명의 사상 및 범위 내에서 상이한 실시예를 구성할 수도 있다. 따라서 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 의해 정해지며, 본 명세서에 기재된 특정 실시예에 의해 한정되지 않는 것으로 해석되어야 한다.

100 충전부 110 정류 평활부
121 제1 절연 변압기부 122 제2 절연 변압기부
131 제1 정류 회로부 132 제2 정류 회로부
141 제1 출력 필터부 142 제2 출력 필터부
150 PWM 회로부 160 전류 제어부
167 전압 제어부 180 스위칭부
200 배터리부 300 충전 제어부
310 MCU 310 표시부
330 통신부

Claims (6)

1. 전기 차량용 충전 제어 장치에 있어서,
   외부로부터 AC 전력을 공급받아 제1 DC 전력 및 제2 DC 전력으로 각각 변환하여 출력하는 충전부와,
   상기 충전부로부터 상기 제1 DC 전력을 입력받아 충전하고, 충전된 전력을 상기 전기 차량에 공급하는 배터리부와,
   상기 충전부의 동작을 제어하고, 상기 배터리부와 통신하여 배터리 충전을 제어하는 충전 제어부를 포함하고,
   상기 충전부는
   외부 AC 전압을 입력받아 평활화된 직류 전압으로 정류하는 정류 평활부와,
   상기 정류 평활부로부터 입력된 전압을 각각 강압하여 출력하는 제1 및 제2 절연 변압기부와,
   상기 제1 및 제2 절연 변압기부가 일정한 정전압을 출력하도록 제어하는 PWM 회로부와,
   상기 제1 및 제2 절연 변압기부의 출력 전압을 2차로 각각 정류하는 제1 및 제2 정류 회로부와,
   상기 제1 및 제2 정류 회로부의 출력 전압에서 리플과 잡음을 각각 제거하는 제1 및 제2 출력 필터부와,
   상기 제1 및 제2 출력 필터부의 직류 전압을 상기 PWM 회로부에 피드백(feedback) 시켜 제1 및 제2 출력 필터부의 출력 전압을 일정하게 유지시키는 전압 제어부와,
   상기 배터리부에 인가되는 전류를 일정하게 유지시키는 전류 제어부와,
   상기 제1 DC 전력의 상기 배터리부로의 출력을 제어하여 배터리의 충전을 스위칭하는 스위칭부를 포함하고,
   상기 충전 제어부는
   MCU와, 표시부와, 통신부를 포함하되, MCU가 통신부를 통해 배터리의 정보를 전송받아, 충전부의 PWM 회로부, 전류 제어부, 전압 제어부 및 스위칭부의 동작을 제어하는 동시에 충전부의 상태를 표시부를 통해 표시하고,
   외부로부터 상기 AC 전력이 상기 충전부에 인가되면, 충전 제어 장치가 시동되고 상기 배터리부와 통신하여 상기 배터리부를 가동시키고,
   상기 배터리부로부터 배터리의 충전상태 정보를 수신하여, 배터리의 충전상태에 따라 배터리 충전 여부를 결정하고,
   배터리를 충전할 경우, 상기 제1 DC 전력을 배터리부에 공급하고 동시에 상기 배터리부의 방전 동작을 중단시켜, 상기 제2 DC 전력이 상기 차량에 공급되도록 하고,
   배터리를 방전할 경우, 상기 제1 DC 전력이 상기 배터리부에 공급되는 것을 차단하고,
   상기 충전 제어부가 상기 배터리부로부터 수신한 배터리의 상태에 따라 상기 충전부의 스위칭부의 스위칭 동작이 제어되는 것을 특징으로 하는 전기 차량용 충전 제어 장치.
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