KR102184000B1

KR102184000B1 - 충전 시스템 및 인터페이스 장치

Info

Publication number: KR102184000B1
Application number: KR1020180074338A
Authority: KR
Inventors: 김용은; 손영욱; 박현배; 전재석; 이재석
Original assignee: 한국자동차연구원
Priority date: 2018-06-27
Filing date: 2018-06-27
Publication date: 2020-11-27
Also published as: KR20200001406A; WO2020004798A1

Abstract

본 발명은 충전 시스템 및 인터페이스 장치에 관한 것으로서, 기준 저항과 접속되어 외부 장치와 분리된 초기 상태에서 제1 출력 전압이 형성되는 제1 핀을 포함하고, 제1 핀에 형성되는 전압 변화에 따라 정의된 충전 시퀀스를 기반으로 충전 전력의 공급을 제어하며, 제1 핀에 제3 출력 전압이 형성될 경우 충전 전력을 공급하도록 동작하는 충전부, 및 제1 핀과 연결되는 링크 노드를 포함하며, 제1 핀 및 링크 노드가 연결된 상태에서 링크 노드에서 분기되어 접속되는 하나 이상의 저항 및 하나 이상의 스위치를 통해 링크 노드의 전압을 제1 출력 전압으로부터 제3 출력 전압으로 강하시킴으로써, 충전부로부터의 충전 전력을 전기 구동 장치로 인터페이싱하는 인터페이스 회로부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

충전 시스템 및 인터페이스 장치{CHARGE SYSTEM AND INTERFACE APPARATUS}

본 발명은 충전 시스템 및 인터페이스 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전기 구동 장치를 충전하기 위한 충전 시스템 및 인터페이스 장치에 관한 것이다.

최근, 친환경 대체 에너지를 사용하여 동력을 발생시키는 자동차에 대한 개발이 국내외에서 활발히 진행되고 있으며, 이러한 친환경 대체 에너지를 사용하는 자동차로는 순수 전기 자동차(EV: Electric Vehicle), 화석 연료와 전기 에너지를 겸용하는 하이브리드 자동차(HEV: Hybrid Electric Vehicle), 및 연료전지 전기 자동차(FCEV: Fuel Cell Electric Vehicle) 등이 있다. 나아가, 전기 자동차에 대한 개발은 1인용 초소형 전기 자동차, 전기 스쿠터, 및 전기 자전거 등 다양한 이동 수단으로 확장되는 추세에 있다.

일반적으로 전기 자동차는 3상 모터를 구동시키기 위한 전력이 충전되어 있는 배터리와, 배터리에 충전되어 있는 전력으로 구동되어 전기 자동차를 주행시키는 3상 모터와, 3상 모터를 구동시키기 위한 인버터 등을 구비하고 있다. 이때, 배터리에 남아있는 전력이 소정량 이하로 떨어지는 경우에는 더 이상 3상 모터를 구동시킬 수 없기 때문에 배터리를 충전시킬 필요가 있다. 이를 위해 전력망으로부터의 상용 220V 교류 전압을 정류하여 배터리를 충전하는 충전 인프라를 통해 전기 자동차를 충전시키게 되며, 충전 인프라를 통한 충전 방식으로서 도 1에 도시된 것과 같이 5핀 커넥터 또는 7핀 커넥터를 갖는 완속 충전기를 통해 전기 자동차를 충전시키는 방식이 널리 적용되고 있다.

충전 인프라를 통해 전기 자동차를 충전하는 경우에 있어서, J1772 국제 표준 규격에 따라 CP(Control Pilot) 핀의 전압을 6V까지 강하시켜야 하며, 이를 위해 OBC(On-Board Charger) 설계 시 CP 핀의 전압을 6V까지 강하시키는 MCU(Micro Controller Unit)가 필수적으로 요구되기 때문에, MCU 적용에 따른 부피 및 비용 증가의 문제점이 존재한다.

또한, 전기 자동차는 5핀 커넥터 또는 7핀 커넥터를 갖는 완속 충전기를 활용하여 충전이 이루어질 수 있는 반면, 전기 스쿠터 또는 전기 자전거와 같이 충전 플러그를 통해 충전이 이루어지는 초소형 전기 구동 장치에는 전술한 충전 인프라를 활용할 수 없는 한계가 존재한다.

본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허공보 제10-2015-0140920호(2015.12.17. 공개)에 개시되어 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 본 발명의 일 측면에 따른 목적은 J1772 국제 표준 규격에 따라 CP 핀의 전압을 6V까지 강하시키는데 필수적으로 요구되었던 MCU의 적용 없이 충전 시퀀스를 구현하여 전기 구동 장치의 충전을 수행함으로써 MCU 적용에 따른 부피 및 비용 증가의 문제를 해소하기 위한 충전 시스템 및 인터페이스 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 기존의 충전 인프라를 활용하여 전기 스쿠터 또는 전기 자전거와 같은 초소형 전기 구동 장치를 충전할 수 있는 충전 시스템 및 인터페이스 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따른 충전 시스템은 기준 저항과 접속되어 외부 장치와 분리된 초기 상태에서 제1 출력 전압이 형성되는 제1 핀을 포함하고, 상기 제1 핀에 형성되는 전압 변화에 따라 정의된 충전 시퀀스를 기반으로 충전 전력의 공급을 제어하며, 상기 제1 핀에 제3 출력 전압이 형성될 경우 상기 충전 전력을 공급하도록 동작하는 충전부, 및 상기 제1 핀과 연결되는 링크 노드를 포함하며, 상기 제1 핀 및 상기 링크 노드가 연결된 상태에서 상기 링크 노드에서 분기되어 접속되는 하나 이상의 저항 및 하나 이상의 스위치를 통해 상기 링크 노드의 전압을 상기 제1 출력 전압으로부터 상기 제3 출력 전압으로 강하시킴으로써, 상기 충전부로부터의 충전 전력을 전기 구동 장치로 인터페이싱하는 인터페이스 회로부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어 상기 인터페이스 회로부는, 상기 링크 노드에서 분기되는 제1 분기 노드에 접속되며, 상기 제1 핀 및 상기 링크 노드의 연결에 따라 상기 기준 저항과의 전압 분배를 통해 상기 제1 출력 전압을 강하시켜 상기 링크 노드에 제2 출력 전압을 형성시키기 위한 제1 저항, 상기 제1 저항으로 흐르는 전류를 그라운드로 여기시키기 위한 제1 스위치, 상기 링크 노드에서 분기되는 제2 분기 노드에 접속되는 제2 저항, 상기 링크 노드에서 분기되는 제3 분기 노드에 접속되며, 상기 제2 출력 전압을 강하시켜 상기 링크 노드에 상기 제3 출력 전압을 형성시키기 위한 제3 저항, 및 상기 제2 저항과 접속되는 노드로부터 공급되는 전압을 통해 온오프 동작하여 상기 제3 저항으로 흐르는 전류를 그라운드로 여기시키기 위한 제2 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어 상기 제1 및 제2 스위치는 NPN BJT(Bipolar Junction Transistor)이고, 상기 제1 저항은 상기 제1 분기 노드 및 상기 제1 스위치의 베이스(Base) 단자 사이에 접속되고, 상기 제2 저항은 상기 제2 분기 노드 및 상기 제1 스위치의 컬렉터(Collector) 단자 사이에 접속되며, 상기 제3 저항은 상기 제3 분기 노드 및 상기 제2 스위치의 컬렉터 단자 사이에 접속되고, 상기 제1 스위치의 컬렉터 단자 및 상기 제2 스위치의 베이스 단자는 공통 접속되며, 상기 제1 및 제2 스위치의 각 이미터(emitter) 단자는 그라운드에 접속되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어 상기 충전부는, 상기 제1 스위치의 베이스 단자와 연결되는 제2 핀, 상기 제2 핀과 그라운드 사이에서 직렬 접속되는 제4 및 제5 저항, 및 사용자의 조작에 따라 개폐되며, 폐쇄 상태에서는 상기 제5 저항의 양 단자를 단락시키고, 개방 상태에서는 상기 제5 저항을 상기 제4 저항에 전기적으로 접속시키는 충전 제어 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어 상기 인터페이스 회로부는, 상기 사용자의 조작에 따라 상기 충전 제어 스위치가 개방된 경우, 상기 제1 스위치의 베이스 단자로 인가되는 전압이 상승하여 상기 제1 스위치가 턴 온되고, 상기 제1 스위치가 턴 온 됨에 따라 상기 제2 스위치의 베이스 단자로 인가되는 전압이 하강하여 상기 제2 스위치가 턴 오프됨으로써 상기 제3 저항이 플로팅(floating)되며, 상기 제3 저항이 플로팅됨에 따라 상기 링크 노드에 상기 제2 출력 전압이 형성됨으로써 상기 충전부로부터의 충전 전력의 공급이 중단되도록 동작하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 측면에 따른 인터페이스 장치는 충전부의 CP 핀과 연결되는 링크 노드를 포함하며, 상기 CP 핀 및 상기 링크 노드가 연결된 상태에서 상기 링크 노드에서 분기되어 접속되는 하나 이상의 저항 및 하나 이상의 스위치를 통해 상기 링크 노드의 전압을 순차적으로 강하시킴으로써, 상기 충전부로부터의 충전 전력을 전기 구동 장치로 인터페이싱하는 인터페이스 회로부로서, 상기 충전부는 J1772 표준 프로토콜이 적용되어 기준 저항이 접속된 상기 CP(Control Pilot) 핀에 형성되는 출력 전압에 따른 충전 시퀀스를 기반으로 상기 충전 전력의 공급을 제어하는 것인, 인터페이스 회로부, 및 내부에 상기 인터페이스 회로부가 실장된 기판을 수용하며, 상기 인터페이스 회로부의 동작을 통해 상기 충전부로부터의 충전 전력이 상기 전기 구동 장치로 공급될 수 있도록 상기 충전부의 커넥터 및 상기 전기 구동 장치의 충전 플러그를 전기적으로 연결하기 위한 바디부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어 상기 인터페이스 회로부는, 상기 링크 노드에서 분기되는 제1 분기 노드에 접속되며, 상기 CP 핀 및 상기 링크 노드의 연결에 따라 상기 기준 저항과의 전압 분배를 통해 상기 CP 핀에 초기 형성된 12V 전압을 강하시켜 상기 링크 노드에 9V 전압을 형성시키기 위한 제1 저항, 상기 제1 저항으로 흐르는 전류를 그라운드로 여기시키기 위한 제1 스위치, 상기 링크 노드에서 분기되는 제2 분기 노드에 접속되는 제2 저항, 상기 링크 노드에서 분기되는 제3 분기 노드에 접속되며, 상기 9V 전압을 강하시켜 상기 링크 노드에 6V 출력 전압을 형성시키기 위한 제3 저항, 및 상기 제2 저항과 접속되는 노드로부터 공급되는 전압을 통해 온오프 동작하여 상기 제3 저항으로 흐르는 전류를 그라운드로 여기시키기 위한 제2 스위치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 소정의 저항 소자 및 스위치 소자를 통해 구현되는 인터페이스 회로를 통해 J1772 국제 표준 규격에 따른 충전 시퀀스가 구현되도록 함으로써, CP 핀의 전압을 6V까지 강하시키는데 필수적으로 요구되었던 MCU의 적용을 배제하여 MCU 적용에 따른 부피 및 비용 증가의 문제를 해소할 수 있다.

또한, 인터페이스 회로를 기반으로 충전기의 커넥터 및 전기 구동 장치의 충전 플러그를 전기적으로 연결하여 기존의 충전 인프라를 활용하여 전기 스쿠터 또는 전기 자전거와 같은 초소형 전기 구동 장치를 충전할 수 있도록 함으로써, 초소형 전기 구동 장치의 충전 용이성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 종래의 완속 충전기에 적용되는 5핀 커넥터 및 7핀 커넥터를 도시한 예시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 시스템을 설명하기 위한 블록구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 시스템에서 제1 핀에 형성되는 출력 전압을 도시한 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 시스템의 회로 구성을 도시한 회로도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 인터페이스 장치를 설명하기 위한 블록구성도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 인터페이스 장치를 구현한 예를 도시한 예시도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 충전 시스템 및 인터페이스 장치의 실시예를 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 시스템을 설명하기 위한 블록구성도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 시스템에서 제1 핀에 형성되는 출력 전압을 도시한 예시도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 시스템의 회로 구성을 도시한 회로도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 시스템(1)은 충전부(100) 및 인터페이스 회로부(200)를 포함할 수 있다.

우선, 본 실시예에 따른 충전부(100)의 동작을 전기 자동차에 대한 충전을 수행하는 예시로서 설명한다.

본 실시예의 충전부(100)는 전기 자동차와 같은 전기 구동 장치의 배터리 충전을 위한 충전소에 구비된 완속 또는 급속 충전기를 의미할 수 있으며, 제1 내지 제5 핀을 포함하는 커넥터를 통해 차량과 접속될 수 있다. 국제 표준 규격 J1772에 따를 때, 제1 내지 제5 핀은 각각 CP 핀, PP 핀, PE 핀, L 핀, N 핀 일 수 있다. 충전부(100)는 제4 및 제5 핀을 통해 충전 교류 전력(AC 220V)을 차량의 OBC(On-Board Charger)로 공급할 수 있으며, 제3 핀은 차량과 접속된 상태에서 접지 단자를 형성할 수 있다.

제1 핀은 차량으로 충전 제어파일롯(PWM) 전압 신호를 인가하기 위해 구비된다. 도 3은 제1 핀에 형성되는 충전 제어파일롯(PWM) 전압 신호의 예시를 도시하고 있다. 제1 핀의 출력 전압으로서 이하에서 표기하는 제1 내지 제3 출력 전압은 충전 제어파일롯(PWM) 전압 신호를 의미하며, 실시예의 이해를 돕기 위해 제1 내지 제3 출력 전압은 각 충전 제어파일롯(PWM) 전압 신호 중 High-Level 전압 신호를 의미하는 것으로 설명한다. 즉, 도 3에 따를 때 제1 내지 제3 출력 전압은 국제 표준 규격 J1772에 따라 각각 +12V, +9V 및 +6V를 의미할 수 있다.

제1 핀에 대하여 구체적으로 설명하면, 도 2에 도시된 것과 같이 제1 핀에는 기준 저항(R_ref)과 PWM 전압 제어 트랜지스터(TR_PWM)가 접속되어 외부 장치와 분리된 초기 상태에서 제1 출력 전압(즉, 0V 및 제1 출력 전압을 각각 Low-Level 및 High-Level로 하는 PWM 전압, feq.: 1kHz)이 형성된다. 충전부(100)와 차량(전기 구동 장치)이 연결되면 제1 핀은 통상적으로 차량 측에 구비된 저항과 접속되어 제1 출력 전압이 강하된 제2 출력 전압이 형성된다. 차량의 OBC는 구비하는 MCU를 이용하여 제1 핀에 형성되는 제2 출력 전압을 감지하고 소정의 스위치 제어를 통해 제1 핀에 제2 출력 전압이 강하된 제3 출력 전압이 형성되도록 한다. 충전부(100)는 제1 핀에 형성되는 제3 출력 전압을 감지하여 제4 및 제5 핀을 통해 충전 교류 전력을 차량의 OBC로 공급한다. 이에 따라, OBC는 제4 및 제5 핀을 통해 공급되는 충전 교류 전력을 전력 변환부를 통해 직류 전력으로 변환하여 차량의 배터리를 충전시킬 수 있다.

전술한 충전 시퀀스의 동작 제어를 위해 차량의 OBC에는 MCU가 요구되며, 이에 따라 MCU 적용에 따른 부피 및 비용 증가의 문제가 발생하게 되므로, 본 실시예는 MCU의 적용을 제거할 수 있는 인터페이스 회로를 제시한다. 이하에서는 본 실시예를 도 2 내지 도 4를 참조하여 구체적으로 설명한다.

먼저, 충전부(100)는 기준 저항(R_ref)과 접속되어 외부 장치와 분리된 초기 상태에서 제1 출력 전압이 형성되는 제1 핀을 포함할 수 있다. 충전부(100)는 제1 핀에 형성되는 전압 변화에 따라 정의된 충전 시퀀스를 기반으로 충전 전력의 공급을 제어하며, 제1 핀에 제3 출력 전압이 형성될 경우 충전 전력을 공급하도록 동작할 수 있다. 국제 표준 규격 J1772에 따를 때, 제1 핀은 CP 핀을 의미하고, 제1 내지 제3 출력 전압은 각각 12V, 9V, 6V를 의미하며, 충전 시퀀스는 제1 핀에 제1 내지 제3 출력 전압이 순차적으로 형성되는 시퀀스를 의미할 수 있다.

인터페이스 회로부(200)는 충전부(100)의 제1 핀과 연결되는 링크 노드(N_LINK)를 포함하며, 제1 핀 및 링크 노드(N_LINK)가 연결된 상태에서 링크 노드(N_LINK)에서 분기되어 접속되는 하나 이상의 저항 및 하나 이상의 스위치를 통해 링크 노드(N_LINK)의 전압을 제1 출력 전압으로부터 제3 출력 전압으로 강하시킴으로써, 충전부(100)로부터의 충전 전력을 전기 구동 장치로 인터페이싱할 수 있다.

즉, 본 실시예는 충전부(100)의 제1 핀과 연결되는 링크 노드(N_LINK)에서 분기되어 접속되는 하나 이상의 저항 및 하나 이상의 스위치를 통해 제1 핀에 제3 출력 전압을 형성함으로써, MCU에 의한 별도의 제어 동작 없이도, 충전부(100)로부터 충전 전력이 공급되기 위한 충전 시퀀스를 회로적으로 구현한 구성을 채용한다.

도 4를 참조하여 인터페이스 회로부(200)의 회로 구성을 구체적으로 설명한다.

도 4에 도시된 것과 같이 인터페이스 회로부(200)는 제1 내지 제3 저항(R1, R2, R3)과, 제1 및 제2 스위치(TR1, TR2)를 포함할 수 있다.

제1 저항(R1)은 링크 노드(N_LINK)에서 분기되는 제1 분기 노드(N1)에 접속되며, 제1 핀 및 링크 노드(N_LINK)의 연결에 따라 기준 저항(R_ref)과의 전압 분배를 통해 제1 출력 전압을 강하시켜 링크 노드(N_LINK)에 제2 출력 전압을 형성시킬 수 있다. 제1 스위치(TR1)는 제1 저항(R1)으로 흐르는 전류를 그라운드로 여기시키도록 동작할 수 있다. 제2 저항(R2)은 링크 노드(N_LINK)에서 분기되는 제2 분기 노드(N2)에 접속된다. 제3 저항(R3)은 링크 노드(N_LINK)에서 분기되는 제3 분기 노드(N3)에 접속되며, 제2 출력 전압을 강하시켜 링크 노드(N_LINK)에 제3 출력 전압을 형성시킬 수 있다. 제2 스위치(TR2)는 제2 저항(R2)과 접속되는 노드로부터 공급되는 전압을 통해 온오프 동작하여 제3 저항(R3)으로 흐르는 전류를 그라운드로 여기시키도록 동작할 수 있다.

이때, 제1 및 제2 스위치(TR1, TR2)는 NPN BJT(Bipolar Junction Transistor)로 구현될 수 있다. 이에 따라, 제1 저항(R1)은 제1 분기 노드(N1) 및 제1 스위치(TR1)의 베이스(Base) 단자 사이에 접속된다. 제2 저항(R2)은 제2 분기 노드(N2) 및 제1 스위치(TR1)의 컬렉터(Collector) 단자 사이에 접속된다. 제3 저항(R3)은 제3 분기 노드(N3) 및 제2 스위치(TR2)의 컬렉터 단자 사이에 접속된다. 제1 스위치(TR1)의 컬렉터 단자 및 제2 스위치(TR2)의 베이스 단자는 공통 접속되며, 제1 및 제2 스위치(TR1, TR2)의 각 이미터(emitter) 단자는 그라운드에 접속된다.

전술한 회로 구성의 동작을 설명하면, 충전부(100) 및 인터페이스 회로부(200)가 연결되어 제1 출력 전압이 형성되어 있는 제1 핀과 링크 노드(N_LINK)가 연결되면, 제1 핀, 링크 노드(N_LINK), 제1 저항(R1), 제1 스위치(TR1)의 베이스 단자, 및 제1 스위치(TR1)의 이미터 단자로 이어지는 전류 경로가 형성되며, 기준 저항(R_ref) 및 제1 저항(R1) 간의 전압 분배에 의해 링크 노드(N_LINK)에는 제1 출력 전압이 강하된 제2 출력 전압이 형성된다.

이때, 제1 핀, 링크 노드(N_LINK), 제2 저항(R2), 제2 스위치(TR2)의 베이스 단자, 및 제2 스위치(TR2)의 이미터 단자로 이어지는 전류 경로도 형성되며, 제2 스위치(TR2)의 턴 온 동작에 따라 제3 저항(R3)으로 흐르는 전류(즉, 제2 스위치(TR2)의 컬렉터 전류)가 그라운드로 여기되어(즉, 제3 저항(R3)이 플로팅 상태로부터 활성화 상태로 전환되어), 제3 저항(R3)에 의해 링크 노드(N_LINK)에는 제2 출력 전압이 강하된 제3 출력 전압이 형성된다.

이에 따라, 충전부(100)는 링크 노드(N_LINK)에 형성된 제3 출력 전압(즉, 제1 핀에 형성된 제3 출력 전압)을 감지하여 제4 및 제5 핀을 통해 충전 전력을 공급하게 된다(충전부(100)는 구비된 제어 장치(MCU)를 통해 제1 핀에 형성된 제3 출력 전압을 감지하고, 계통으로부터의 상용 교류 전력(AC 220V)을 단속하는 릴레이 소자를 폐쇄하여 제4 및 제5 핀을 통해 충전 전력을 공급할 수 있다).

한편, 통상의 완속 충전기에는 전기 자동차에 대한 충전 상태에서 충전을 중단할 수 있도록 사용자가 조작 가능한 소정의 충전 제어 스위치가 구비되며, 따라서 본 실시예의 인터페이스 회로부(200) 또한 충전 제어 스위치의 동작과 호환될 필요성이 존재한다.

이를 위한 구성으로서, 본 실시예의 충전부(100)는 제1 핀과 함께, 제2 핀, 제4 및 제5 저항(R4, R5), 충전 제어 스위치(SW)를 더 포함할 수 있다. 제2 핀은 제1 스위치(TR1)의 베이스 단자와 연결될 수 있고, J1772의 국제 표준 규격에 따를 때 PP 핀으로 구현될 수 있다. 제4 및 제5 저항(R4, R5)은 제2 핀과 그라운드 사이에서 직렬 접속된다. 충전 제어 스위치(SW)는 사용자의 조작에 따라 개폐되며, 폐쇄 상태에서는 제5 저항(R5)의 양 단자를 단락시키고, 개방 상태에서는 제5 저항(R5)을 제4 저항(R4)에 전기적으로 접속시키도록 동작한다.

이에 따라 인터페이스 회로부(200)는, 사용자의 조작에 따라 충전 제어 스위치(SW)가 개방된 경우, 제1 스위치(TR1)의 베이스 단자로 인가되는 전압이 상승하여 제1 스위치(TR1)가 턴 온되고, 제1 스위치(TR1)가 턴 온 됨에 따라 제2 스위치(TR2)의 베이스 단자로 인가되는 전압이 하강하여 제2 스위치(TR2)가 턴 오프됨으로써 제3 저항(R3)이 플로팅(floating)되며, 제3 저항(R3)이 플로팅됨에 따라 링크 노드(N_LINK)에 제2 출력 전압이 형성됨으로써 충전부(100)로부터의 충전 전력의 공급이 중단되도록 동작할 수 있다.

구체적으로, 충전 제어 스위치(SW)가 폐쇄 상태에서는 제5 저항(R5)의 양 단자가 단락되어 제1 핀에는 제4 저항(R4)만이 접속되어 있으므로, 제2 핀(즉, 제1 스위치(TR1)의 베이스 단자)에는 저전압(예: 0.3V)이 형성된다. 이에 따라, 제1 스위치(TR1)는 오프 상태, 제2 스위치(TR2)는 온 상태가 유지되고 제3 저항(R3)에 의해 링크 노드(N_LINK)에는 제3 출력 전압이 형성된 상태가 유지됨으로써 충전 전력의 공급 상태가 유지된다.

사용자의 조작에 따라 충전 제어 스위치(SW)가 개방된 경우, 제4 저항(R4)에 제5 저항(R5)이 전기적으로 접속됨으로써 제2 핀(즉, 제1 스위치(TR1)의 베이스 단자)에는 고전압(예: 0.7V 이상)이 형성된다. 이에 따라, 제1 스위치(TR1)는 턴 온, 제2 스위치(TR2)는 턴 오프되어 제3 저항(R3)이 플로팅되며, 제3 저항(R3)이 플로팅됨에 따라 링크 노드(N_LINK)에는 다시 제2 출력 전압이 형성됨으로써 충전부(100)로부터의 충전 전력의 공급이 중단된다.

전술한 구성을 통해 MCU에 의한 별도의 제어 동작 없이도, 충전부(100)로부터 충전 전력이 공급되기 위한 충전 시퀀스를 회로적으로 구현함과 동시에 종래의 완속 충전기와의 호환성을 유지할 수 있다.

전술한 것과 같이 전기 스쿠터 또는 전기 자전거와 같은 초소형 전기 구동 장치에는 5핀 커넥터 또는 7핀 커넥터를 갖는 완속 충전기를 활용하여 충전이 이루어질 수 없는 한계가 존재하며, 이에 실시예는 2는 실시예 1의 인터페이스 회로부(200)를 통해 완속 충전기(즉, 충전부(100))의 커넥터 및 전기 구동 장치의 충전 플러그를 전기적으로 연결함으로써, 완속 충전기를 통해 초소형 전기 구동 장치를 충전시킬 수 있는 구성을 제시한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 인터페이스 장치를 설명하기 위한 블록구성도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 인터페이스 장치를 구현한 예를 도시한 예시도이다.

도 5 및 도 6을 참조하면, 실시예 2에 따른 인터페이스 장치(2)는 인터페이스 회로부(200) 및 바디부(300)를 포함할 수 있다.

충전부(100) 및 인터페이스 회로부(200)는 실시예 1의 구성과 동일하며, 이하에서는 J1772 표준 프로토콜이 적용된 실시예로서 설명한다.

먼저, 충전부(100)는 J1772 표준 프로토콜이 적용되어 기준 저항(R_ref)이 접속된 CP 핀에 형성되는 출력 전압에 따른 충전 시퀀스를 기반으로 충전 전력의 공급을 제어할 수 있다.

인터페이스 회로부(200)는 충전부(100)의 CP 핀과 연결되는 링크 노드(N_LINK)를 포함하며, CP 핀 및 링크 노드(N_LINK)가 연결된 상태에서 링크 노드(N_LINK)에서 분기되어 접속되는 하나 이상의 저항 및 하나 이상의 스위치를 통해 링크 노드(N_LINK)의 전압을 순차적으로 강하시킴으로써, 충전부(100)로부터의 충전 전력을 전기 구동 장치로 인터페이싱할 수 있다.

인터페이스 회로부(200)는 실시예 1에서 설명한 것과 같이, 링크 노드(N_LINK)에서 분기되는 제1 분기 노드(N1)에 접속되며, CP 핀 및 링크 노드(N_LINK)의 연결에 따라 기준 저항(R_ref)과의 전압 분배를 통해 CP 핀에 초기 형성된 12V 전압을 강하시켜 링크 노드(N_LINK)에 9V 전압을 형성시키기 위한 제1 저항(R1)과, 제1 저항(R1)으로 흐르는 전류를 그라운드로 여기시키기 위한 제1 스위치(TR1)와, 링크 노드(N_LINK)에서 분기되는 제2 분기 노드(N2)에 접속되는 제2 저항(R2)과, 링크 노드(N_LINK)에서 분기되는 제3 분기 노드(N3)에 접속되며, 9V 전압을 강하시켜 링크 노드(N_LINK)에 6V 출력 전압을 형성시키기 위한 제3 저항(R3)과, 제2 저항(R2)과 접속되는 노드로부터 공급되는 전압을 통해 온오프 동작하여 제3 저항(R3)으로 흐르는 전류를 그라운드로 여기시키기 위한 제2 스위치(TR2)를 포함할 수 있다.

바디부(300)는 그 내부에 인터페이스 회로부(200)가 실장된 기판을 수용할 수 있으며, 인터페이스 회로부(200)의 동작을 통해 충전기로부터의 충전 전력이 전기 구동 장치로 공급될 수 있도록 충전부(100)의 커넥터 및 전기 구동 장치의 충전 플러그를 전기적으로 연결할 수 있다.

즉, 도 6에 도시된 것과 같이 바디부(300)는 합성 수지 재질로 형성되어, 일 단에는 충전부(100)의 커넥터가 결합되고, 타 단에는 전기 구동 장치의 충전 플러그가 결합될 수 있다. 바디부(300)의 내부에는 인터페이스 회로부(200)가 실장된 기판과 함께, 충전부(100)의 커넥터의 L 핀 및 N 핀을 전기 구동 장치의 충전 플러그에 연결하기 위한 전도성 물질(예: 구리)이 구비될 수 있다.

실시예 2에 따른 인터페이스 장치(2)를 통해, 5핀 커넥터 또는 7핀 커넥터를 갖는 완속 충전기를 활용하여 전기 스쿠터 또는 전기 자전거와 같은 초소형 전기 구동 장치를 충전할 수 있다.

한편, 이상에서 설명한 기준 저항(R_ref)과 제1 내지 제5 저항(R1, R2, R3, R4, R5)의 저항값은 전술한 동작이 구현될 수 있는 범위에서 설계자의 실험적 결과에 기초하여 설계될 수 있다(예. R_ref: 1kΩ, R1: 3.3kΩ, R2: 100kΩ, R3: 1.3kΩ, R4: 150Ω, R5: 330Ω).

이와 같이 본 실시예는 소정의 저항 소자 및 스위치 소자를 통해 구현되는 인터페이스 회로를 통해 J1772 국제 표준 규격에 따른 충전 시퀀스가 구현되도록 함으로써, CP 핀의 전압을 6V까지 강하시키는데 필수적으로 요구되었던 MCU의 적용을 배제하여 MCU 적용에 따른 부피 및 비용 증가의 문제를 해소할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 기술이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야 할 것이다.

1: 충전 시스템
2: 인터페이스 장치
100: 충전부
200: 인터페이스 회로부
300: 바디부
R_ref: 기준 저항
TR_PWM: PWM 전압 제어 트랜지스터
R1, R2, R3, R4, R5: 제1 내지 제5 저항
N_LINK: 링크 노드
N1, N2, N3: 제1 내지 제3 분기 노드
TR1, TR2: 제1 및 제2 스위치
SW: 충전 제어 스위치

Claims

기준 저항과 접속되어 외부 장치와 분리된 초기 상태에서 제1 출력 전압이 형성되는 제1 핀을 포함하고, 상기 제1 핀에 형성되는 전압 변화에 따라 정의된 충전 시퀀스를 기반으로 충전 전력의 공급을 제어하며, 상기 제1 핀에 제3 출력 전압이 형성될 경우 상기 충전 전력을 공급하도록 동작하는 충전부; 및
상기 제1 핀과 연결되는 링크 노드를 포함하며, 상기 제1 핀 및 상기 링크 노드가 연결된 상태에서 상기 링크 노드에서 분기되어 접속되는 하나 이상의 저항 및 하나 이상의 스위치를 통해 상기 링크 노드의 전압을 상기 제1 출력 전압으로부터 상기 제3 출력 전압으로 강하시킴으로써, 상기 충전부로부터의 충전 전력을 전기 구동 장치로 인터페이싱하는 인터페이스 회로부;
를 포함하고,
상기 인터페이스 회로부는,
상기 링크 노드에서 분기되는 제1 분기 노드에 접속되며, 상기 제1 핀 및 상기 링크 노드의 연결에 따라 상기 기준 저항과의 전압 분배를 통해 상기 제1 출력 전압을 강하시켜 상기 링크 노드에 제2 출력 전압을 형성시키기 위한 제1 저항;
상기 제1 저항으로 흐르는 전류를 그라운드로 여기시키기 위한 제1 스위치;
상기 링크 노드에서 분기되는 제2 분기 노드에 접속되는 제2 저항;
상기 링크 노드에서 분기되는 제3 분기 노드에 접속되며, 상기 제2 출력 전압을 강하시켜 상기 링크 노드에 상기 제3 출력 전압을 형성시키기 위한 제3 저항; 및
상기 제2 저항과 접속되는 노드로부터 공급되는 전압을 통해 온오프 동작하여 상기 제3 저항으로 흐르는 전류를 그라운드로 여기시키기 위한 제2 스위치;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 충전 시스템.
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제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 스위치는 NPN BJT(Bipolar Junction Transistor)이고,
상기 제1 저항은 상기 제1 분기 노드 및 상기 제1 스위치의 베이스(Base) 단자 사이에 접속되고, 상기 제2 저항은 상기 제2 분기 노드 및 상기 제1 스위치의 컬렉터(Collector) 단자 사이에 접속되며, 상기 제3 저항은 상기 제3 분기 노드 및 상기 제2 스위치의 컬렉터 단자 사이에 접속되고, 상기 제1 스위치의 컬렉터 단자 및 상기 제2 스위치의 베이스 단자는 공통 접속되며, 상기 제1 및 제2 스위치의 각 이미터(emitter) 단자는 그라운드에 접속되는 것을 특징으로 하는 충전 시스템.
제3항에 있어서,
상기 충전부는,
상기 제1 스위치의 베이스 단자와 연결되는 제2 핀;
상기 제2 핀과 그라운드 사이에서 직렬 접속되는 제4 및 제5 저항; 및
사용자의 조작에 따라 개폐되며, 폐쇄 상태에서는 상기 제5 저항의 양 단자를 단락시키고, 개방 상태에서는 상기 제5 저항을 상기 제4 저항에 전기적으로 접속시키는 충전 제어 스위치;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 충전 시스템.
제4항에 있어서,
상기 인터페이스 회로부는, 상기 사용자의 조작에 따라 상기 충전 제어 스위치가 개방된 경우, 상기 제1 스위치의 베이스 단자로 인가되는 전압이 상승하여 상기 제1 스위치가 턴 온되고, 상기 제1 스위치가 턴 온 됨에 따라 상기 제2 스위치의 베이스 단자로 인가되는 전압이 하강하여 상기 제2 스위치가 턴 오프됨으로써 상기 제3 저항이 플로팅(floating)되며, 상기 제3 저항이 플로팅됨에 따라 상기 링크 노드에 상기 제2 출력 전압이 형성됨으로써 상기 충전부로부터의 충전 전력의 공급이 중단되도록 동작하는 것을 특징으로 하는 충전 시스템.
충전부의 CP 핀과 연결되는 링크 노드를 포함하며, 상기 CP 핀 및 상기 링크 노드가 연결된 상태에서 상기 링크 노드에서 분기되어 접속되는 하나 이상의 저항 및 하나 이상의 스위치를 통해 상기 링크 노드의 전압을 순차적으로 강하시킴으로써, 상기 충전부로부터의 충전 전력을 전기 구동 장치로 인터페이싱하는 인터페이스 회로부로서, 상기 충전부는 J1772 표준 프로토콜이 적용되어 기준 저항이 접속된 상기 CP(Control Pilot) 핀에 형성되는 출력 전압에 따른 충전 시퀀스를 기반으로 상기 충전 전력의 공급을 제어하는 것인, 인터페이스 회로부; 및
내부에 상기 인터페이스 회로부가 실장된 기판을 수용하며, 상기 인터페이스 회로부의 동작을 통해 상기 충전부로부터의 충전 전력이 상기 전기 구동 장치로 공급될 수 있도록 상기 충전부의 커넥터 및 상기 전기 구동 장치의 충전 플러그를 전기적으로 연결하기 위한 바디부;
를 포함하고,
상기 인터페이스 회로부는,
상기 링크 노드에서 분기되는 제1 분기 노드에 접속되며, 상기 CP 핀 및 상기 링크 노드의 연결에 따라 상기 기준 저항과의 전압 분배를 통해 상기 CP 핀에 초기 형성된 12V 전압을 강하시켜 상기 링크 노드에 9V 전압을 형성시키기 위한 제1 저항;
상기 제1 저항으로 흐르는 전류를 그라운드로 여기시키기 위한 제1 스위치;
상기 링크 노드에서 분기되는 제2 분기 노드에 접속되는 제2 저항;
상기 링크 노드에서 분기되는 제3 분기 노드에 접속되며, 상기 9V 전압을 강하시켜 상기 링크 노드에 6V 출력 전압을 형성시키기 위한 제3 저항; 및
상기 제2 저항과 접속되는 노드로부터 공급되는 전압을 통해 온오프 동작하여 상기 제3 저항으로 흐르는 전류를 그라운드로 여기시키기 위한 제2 스위치;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 인터페이스 장치.
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