KR20170073150A - 전기자동차 충전장치 내 돌입전류 감소모듈 - Google Patents

전기자동차 충전장치 내 돌입전류 감소모듈 Download PDF

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Abstract

본 명세서의 일 측면에 따르면, 돌입전류 감소모듈은, 전기차 충전장치 내의 전원 공급부와 전기차 내의 온보드 충전기 사이를 전기적으로 연결 또는 연결해제 하도록 구성되는 제1 연결부와, 전원 공급부와 제1 연결부 사이를 전기적으로 연결하며 전원 공급부에 의해 3상 교류전원이 인가될 때 발생되는 돌입전류를 감소시키도록 구성되는 전류 제한부와, 전원 공급부와 제1 연결부 사이를 전기적으로 연결 또는 연결해제 하도록 구성되는 제2 연결부와, 제1 연결부의 제1 마그네틱콘택터와 제2 연결부의 제2 마그네틱콘택터의 온/오프를 제어하는 콘트롤러를 포함할 수 있다. 이때, 콘트롤러는, 상기 전원 공급부에 의해 3상 교류전원이 인가된 경우, 제1 마그네틱콘택터를 온 상태로 변경하여 상기 제1 연결부를 전기적으로 도통시키고, 제1 마그네틱콘택터가 온 상태로 변경된 후 미리 결정된 기간이 경과된 경우, 제2 마그네틱콘택터들을 온 상태로 변경하여 상기 제2 연결부를 전기적으로 도통시킬 수 있다.

Description

전기자동차 충전장치 내 돌입전류 감소모듈{MODULE FOR INRUSH CURRENT IN ELECTRIC VEHICLE SUPPLY EQUIPMENT}
본 명세서는 전기자동차 충전 분야에 관한 것이며, 보다 상세하게는 전기자동차에 3상 교류전원을 공급하는 전기자동차 충전장치 또는 설비에 관한 것이다.
최근 이산화탄소 배출 규제로 인하여 친환경 그린카(green car)에 대한 투자가 각 국에서 발생되고 있다. 전기자동차는 이러한 그린카 프로젝트를 대표하는 차량이다. 이러한 전기자동차를 사용하기 위해서는 전기자동차의 배터리를 충전하는 전기자동차 충전장치가 필요하며, 이에 대한 개발도 활발히 이루어지고 있다.
도 1은 종래의 3상 교류전원을 공급하는 전기자동차 충전장치(설비) (EVSE: Electric Vehicle Supply Equipment)와 온보드 충전기(on-board charger)를 포함하는 전기자동차 (EV: Electric Vehicle)의 예시도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 전기자동차 충전장치(100)는 3상 교류전원(예컨대, 380v AC)을 공급하는 전원 공급부(110), 과전류를 차단하는 배전용 차단기(120), 전기자동차 충전장치(100)와 전기자동차(200)가 연결된 경우, 전원 공급부(110)와 온보드 충전기(210)를 전기적으로 선택적으로 연결하는 마그네틱콘택터로 구성된 제1 연결부(120)를 포함한다. 또한, 전기자동차(200)는 전기자동차 충전장치(100)로부터 공급된 3상 교류전원을 직류전원으로 변환하고, 변환된 직류전원을 축적하는 온보드 충전기(210)와 온보드 충전기(210)에 의해 충전되는 배터리(220)를 포함한다.
이러한 전기자동차(200)의 온보드 충전기(210)는 변환된 직류전원을 축적하기 위하여 기본적으로 다수의 캐패시터로 구성된 캐패시터 뱅크를 포함한다. 이러한 캐패시터 뱅크는 초기에 비어있는 전하를 충전하기 위하여 상당히 큰 전하 용량을 순간적으로 유입시키려 하는데, 이로 인하여 전기자동차 충전장치(100)에 의해 인가된 공급전압에 의해 전기자동차(200)가 충전되기 시작하는 순간에 기준 충전 전류보다 매우 높은 돌입전류(inrush current)가 발생된다.
이와 같은, 돌입전류는 전기자동차 충전 과정에서 안전 문제와 유지보수 문제를 발생시킨다. 특히, 전기자동차(100)에 3상 교류전원을 공급하는 전기자동차 충전장치(200)에서는 이러한 돌입전류로 인하여 충전장치 내에서 불필요한 차단기의 동작과 누전 차단기의 불필요한 트립핑(tripping)이 발생된다.
한국공개특허공부 제10-2014-0074569호
이에 본 명세서는 충전 초기에 발생되는 돌입전류를 감소시키기 위하여 충전 초기에는 전류를 제한하고, 이후에는 전류의 제한을 없애는 전기자동차 충전 기술을 전기자동차 측(부하 측)이 아닌 전기자동차 충전장치 측(충전장치 측)에 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 명세서의 일 측면에 따르면, 온보드 충전기를 포함하는 전기차에 3상 교류전원을 공급하는 전기차 충전장치 내 돌입전류 감소모듈은, 상기 전기차 충전장치 내의 전원 공급부와 상기 전기차 내의 상기 온보드 충전기 사이를 전기적으로 연결 또는 연결해제 하도록 구성되는 제1 연결부로서, 상기 제1 연결부는 상기 제1 연결부를 선택적으로 도통시키는 제1 마그네틱콘택터를 포함하는, 상기 제1 연결부와, 상기 전원 공급부와 상기 제1 연결부 사이를 전기적으로 연결하며 상기 전원 공급부에 의해 3상 교류전원이 인가될 때 발생되는 돌입전류를 감소시키도록 구성되는 전류 제한부로서, 상기 전류 제한부는 전류를 제한하는 전류제한 저항을 포함하는, 상기 전류 제한부와, 상기 전원 공급부와 상기 제1 연결부 사이를 전기적으로 연결 또는 연결해제 하도록 구성되는 제2 연결부로서, 상기 제2 연결부는 상기 전류제한 저항과 병렬로 연결되며 상기 제2 연결부를 선택적으로 도통시키는 제2 마그네텍콘택터를 포함하는, 상기 제2 연결부, 그리고, 상기 제1 연결부의 제1 마그네틱콘택터와 상기 제2 연결부의 제2 마그네틱콘택터의 온/오프를 제어하는 콘트롤러를 포함할 수 있다. 이때, 상기 콘트롤러는, 상기 전원 공급부에 의해 3상 교류전원이 인가된 경우, 상기 제1 마그네틱콘택터를 온 상태로 변경하여 상기 제1 연결부를 전기적으로 도통시키고, 상기 제1 마그네틱콘택터가 온 상태로 변경된 후 미리 결정된 기간이 경과된 경우, 상기 제2 마그네틱콘택터들을 온 상태로 변경하여 상기 제2 연결부를 전기적으로 도통시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
실시예로서, 상기 전류제한 저항의 저항 값은, 상기 제1 마그네틱콘택터의 허용 전류와 상기 전원 공급부의 공급 전압에 기초하여 결정될 수 있다.
실시예로서, 상기 전류제한 저항의 허용 전력은, 상기 돌입전류의 최대치와 상기 전류제한 저항의 저항 값에 기초하여 결정되되, 상기 돌입전류의 최대치는 상기 온보드 충전기의 뱅크 캐패시턴스에 비례하고, 상기 온보드 충전기의 시스템 인덕턴스에 반비례한 것을 특징으로 할 수 있다.
실시예로서, 상기 제2 마그네틱콘택터를 온 상태로 변경하기 위한 상기 미리 결정된 기간은, 상기 온보드 충전기의 캐패시터 뱅크에 90퍼센트의 전하가 충전되는 기간보다 짧은 것을 특징으로 할 수 있다.
실시예로서, 상기 전원공급부와 상기 전류 제한부 및 제2 연결부 사이에 위치하며, 과전류를 차단하도록 구성되는 배전용 차단기를 더 포함할 수 있다.
본 명세서에 따르면, 충전 초기에는 전류를 제한하여 충전 초기에 순간적으로 발생되는 돌입전류를 감소시킴으로써 돌입 전류에 의해 충전장치 내의 회로의 손상과 불필요한 누전 차단기의 트립핑(tripping)을 방지할 수 있다.
또한, 본 명세서에 따르면, 돌입전류 감소 기능을 전기자동차 측(부하 측)이 아닌 전기자동차 충전장치 측(충전장치 측)에 추가함으로써 이미 제작된 전기자동차에 별도의 모듈을 추가하지 않더라도 상술한 돌입전류 감소 기능을 갖는 충전을 제공할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 전기자동차 충전장치와 전기자동차의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 명세서의 일 실시예에 따른 돌입전류 감소모듈이 적용된 전기자동차 충전장치와 전기자동차의 개략적인 구성도이다.
도 3은 본 명세서의 일 실시예에 따른 전기자동차 충전장치의 돌입전류 감소모듈의 상세 구성도이다.
도 4a는 본 명세서의 일 실시예에 따른 돌입전류 감소모듈이 적용되지 않은 전기자동차 충전장치에 의한 충전 시 발생되는 충전 파(charging wave)의 예시이고, 도 4b는 본 명세서의 일 실시예에 따른 돌입전류 감소모듈이 적용된 전기자동차 충전장치에 의한 충전 시 발생되는 충전 파(charging wave)의 예시이다.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 실시 예를 상세하게 설명하지만, 청구하고자 하는 범위는 실시 예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 관례 또는 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 명세서의 설명 부분에서 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 명세서에서 사용되는 용어는, 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 실질적인 의미와 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 함을 밝혀두고자 한다.
도 2는 본 명세서의 일 실시예에 따른 돌입전류 감소모듈이 적용된 전기자동차 충전장치와 전기자동차의 개략적인 구성도이다.
본 명세서에서, 전기자동차 충전장치(100)는 복수의 마그네틱콘택터를 포함하는 돌입전류 감소모듈이 적용된 3상 교류전원을 전기자동차(200)에 공급해주는 장치를 의미하고, 전기자동차(200)는 전기자동차 충전장치(100)로부터 공급받은 3상 교류전원을 직류 전원으로 변환하고, 변환된 직류 전원을 축적하며, 변환된 직류 전원을 이용하여 배터리(220)를 충전하도록 구성된 전기자동차를 의미한다. 또한, 본 명세서에서, 마그네틱콘택터(MC: magnetic contactor)는 전원 공급부(110)의 각 상(R, S, T 상)에 대응되는 각 선에 연결되어, 내장된 코일의 전자기력을 이용하여 전원연결을 선택적으로 스위칭하는 장치를 의미한다.
도 2를 참조하면, 전기자동차 충전장치(100)는 전원 공급부(110), 배전용 차단기(120), 제1 연결부(130), 제2 연결부(140), 전류 제한부(150) 및 콘트롤러(160)(controller)를 포함할 수 있다. 본 명세서에서는 전원 공급부(110)를 제외한 전기자동차 충전장치(100)의 나머지 구성들, 즉, 배전용 차단기(120), 제1 연결부(130), 제2 연결부(140), 전류 제한부(150) 및 콘트롤러(160)를 돌입전류 감소모듈로 약칭할 수 있다. 실시예에 따라, 돌입전류 감소모듈은 제1 연결부(130), 제2 연결부(140), 전류 제한부(150) 및 콘트롤러(160)만을 포함하는 모듈일 수 있다. 또한, 실시예에 따라, 돌입전류 감소모듈은 전류 공급 장치, 서지 보호기 및 누전 차단기를 더 포함할 수 있다.
도 1을 참조하여 상술한 바와 같이, 전원 공급부(110)는 3상 교류전원(예컨대, AC 220V 또는 AC 380V)를 공급할 수 있고, 배전용 차단기(120)는 과전류를 차단할 수 있는 차단기로서, 예컨대, MCCB(Mold Case Current Breaker) 또는 NFB(No Fuse Breaker)일 수 있다.
제1 연결부(130)는 전기자동차 충전장치(100) 내의 전원 공급부(110)와 전기자동차(200) 내의 온보드 충전기(210) 사이를 전기적으로 연결 또는 연결해제 하도록, 즉, 선택적으로 연결하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 전기자동차(200) 충전장치(100)와 전기자동차(200)가 충전 케이블과 같은 연결수단을 통해 연결된 경우(또는 충전이 시작될 때), 제1 연결부(130)는 전원 공급부(110)와 온보드 충전기(210)를 전기적으로 연결할 수 있다. 다른 예를 들면, 전기자동차(200) 충전장치(100)와 전기자동차(200)가 충전 케이블과 같은 연결수단을 통해 연결이 해제된 경우(또는 충전이 종료될 때), 제1 연결부(130)는 전원 공급부(110)와 온보드 충전기(210)를 전기적으로 연결해제 할 수 있다.
일 실시예에서, 제1 연결부(130)는 제1 연결부(130)를 선택적으로 도통시키는 제1 마그네틱콘택터를 포함할 수 있다. 이러한 제1 마그네틱콘택터는 콘트롤러(160)의 제어신호에 따라, 오프 상태에서 온 상태로 변경되어 제1 연결부(130)를 전기적으로 도통시키거나, 온 상태에서 오프 상태로 변경되어 제1 연결부(130)를 전기적으로 도통시키지 않을 수 있다. 제1 연결부(130)가 전기적으로 도통되는 경우, 전원 공급부(110)에 의해 인가된 3상 교류전원이 전기자동차(200)의 온보드 충전기(210)로 제공될 수 있다.
전류 제한부(150)는 전원 공급부(110)와 제1 연결부(130) 사이를 전기적으로 연결하며 상기 전원 공급부(110)에 의해 3상 교류전원이 인가될 때 발생되는 돌입전류를 감소시키도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 제1 연결부(130)의 제1 마그네틱콘택터가 오프 상태에서 온 상태로 변경되고 제2 연결부(140)의 제2 마그네틱콘택터가 오프 상태인 경우, 전류 제한부(150)는 전원 공급부(110)와 제1 연결부(130)를 전기적으로 연결할 수 있다.
일 실시예에서, 전류 제한부(150)는 전류를 제한하는 전류제한 저항을 포함할 수 있다. 이러한 전류제한 저항은 전원 공급부(110)의 각 상(R, S, T 상)에 대응되는 각 선에 연결되어, 충전 초기에 발생되는 돌입전류를 감소시키는 저항들을 의미한다. 도시된 실시예에서는 제1 저항은 R상에 흐르는 전류를 제한하기 위한 저항이고, 제2 저항은 S상에 흐르는 전류를 제한하기 위한 저항이며, 제3 저항은 T상에 흐르는 전류를 제한하기 위한 저항이다. 이때, 각 저항은 동일한 저항 값을 가질 수 있다. 이와 같은, 전류 제한부(150)에 의해 전원 공급부(110)와 제1 연결부(130)가 전기적으로 연결된 경우, 전원 공급부(110)에 의해 인가된 3상 교류전원이 일정한 수준의 전류 제한을 가지고 전기자동차(200)의 온보드 충전기(210)로 제공될 수 있다.
제2 연결부(140)는 전원 공급부(110)와 제1 연결부(130) 사이를 전기적으로 연결 또는 연결해제 하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 제1 연결부(130)의 제1 마그네틱콘택터가 오프 상태에서 온 상태로 변경된 후 미리 결정된 기간이 경과한 경우, 제2 연결부(140)는 전원 공급부(110)와 제1 연결부(130)를 전기적으로 연결할 수 있다. 다른 예를 들면, 충전이 종료될 때, 제2 연결부(140)는 전원 공급부(110)와 제1 연결부(130)를 전기적으로 연결해제 할 수 있다.
일 실시예에서, 제2 연결부(140)는 전류제한 저항과 병렬로 연결되며 제2 연결부(140)를 선택적으로 도통시키는 제2 마그네텍콘택터를 포함할 수 있다. 이러한 제1 마그네틱콘택터는 콘트롤러(160)의 제어신호에 따라, 오프 상태에서 온 상태로 변경되어 제1 연결부(130)를 전기적으로 도통시키거나, 온 상태에서 오프 상태로 변경되어 제1 연결부(130)를 전기적으로 도통시키지 않을 수 있다. 제2 연결부(140)가 전기적으로 도통되는 경우, 전원 공급부(110)에 의해 인가된 3상 교류전원이 전류 제한 없이 전기자동차(200)의 온보드 충전기(210)로 제공될 수 있다.
콘트롤러(160)는 제1 연결부(130)의 제1 마그네틱콘택터와 제2 연결부(140)의 제2 마그네틱콘택터의 온/오프를 제어할 수 있다. 콘트롤러(160)는 제어신호를 제1 마그네틱콘택터 또는 제2 마그네틱콘택터에 전송함으로써, 제1 마그네틱콘택터 또는 제2 마그네틱콘택터를 제어할 수 있다.
일 실시예에서, 전원 공급부(110)에 의해 3상 교류전원이 인가된 경우, 콘트롤러(160)는 제1 마그네틱콘택터를 온 상태로 변경하여 제1 연결부(130)를 전기적으로 도통시킬 수 있다. 예를 들면, 전기자동차(200)로부터 충전을 개시하는 제어신호가 수신된 경우, 콘트롤러(160)는 제1 마그네틱콘택터를 온 상태로 변경하여 제1 연결부(130)를 전기적으로 도통시킬 수 있다. 이때, 제2 연결부(140)는 전기적으로 도통되지 않은 상태이므로, 전원 공급부(110)에 의해 인가된 3상 교류전원으로 인한 전류는 전류 제한부(150)의 전류제한 저항들을 통해 제1 연결부(130)로 흐르고, 제1 연결부(130)를 통해 전기자동차(200)의 온보드 충전기(210)로 흐를 수 있다. 이러한 “제1 경로”로 흐른 전류는 전류 제한부(150)에 전류제한 저항들에 의한 전류 제한을 받게 되므로, 전기자동차(200) 충전장치(100)는 충전초기에 발생되는 돌입전류를 감소시킬 수 있다.
다른 실시예에서, 제1 마그네틱콘택터가 온 상태로 변경된 후 미리 결정된 기간이 경과된 경우, 콘트롤러(160)는 제2 마그네틱콘택터를 온 상태로 변경하여 제2 연결부(140)를 전기적으로 도통시킬 수 있다. 예를 들면, 제1 마그네틱콘택터가 온 상태로 변경된 후 약 100ms이 경과된 경우, 콘트롤러(160)는 제2 마그네틱콘택터를 온 상태로 변경하여 제2 연결부(140)를 전기적으로 도통시킬 수 있다. 이와 같은 제2 마그네틱콘택터를 온 상태로 변경하기 위한 미리 결정된 기간은, 돌입전류의 감소와 전류제한 저항의 열 손상 여부와 관계가 있으므로 적절하게 결정될 필요가 있다. 일 실시예에서, 미리 결정된 기간은, 온보드 충전기의 캐패시터 뱅크에 90퍼센트의 전하가 충전되는 기간보다 짧은 것을 특징으로 할 수 있다.
이때, 제2 연결부(140)는 전기적으로 도통된 상태이므로, 전원 공급부(110)에 의해 인가된 3상 교류전원으로 인한 전류는 제2 연결부(140)를 통해 제1 연결부(130)로 흐르고, 제1 연결부(130)를 통해 전기자동차(200)의 온보드 충전기(210)로 흐를 수 있다. 이러한 “제2 경로”로 흐른 전류는 전류 제한부(150)에 의한 전류 제한을 받지 않으므로, 전기자동차(200) 충전장치(100)는 전류 제한 없이 전원 공급부(110)에 의해 인가된 3상 교류전원을 제공받을 수 있다.
이를 통해, 전기자동차(200) 충전장치(100)는 충전 초기에는 전류를 제한하여 돌입전류로 인해 발생되는 피해를 방지할 수 있고, 그 이후에는 전류를 제한하지 않아 전원 공급부(110)에 의해 공급된 3상 교류전원을 충분히 높은 수준으로 전기자동차(200)의 온보드 충전기(210)로 제공할 수 있다.
도 2를 참조하면, 전기자동차(200)는 온보드 충전기(210)와 배터리(220)를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 온보드 충전기(210)는 전기자동차(200) 충전장치(100)의 제1 연결부(130)와 전기적으로 연결되며, 전기자동차(200) 충전장치(100)로부터 제공된 3상 교류전원을 직류전원으로 변환하는 정류회로와 변환된 직류전원을 축적하는 캐패시터 뱅크와 축적된 직류전원을 배터리(220)로 공급하는 전원출력회로를 포함할 수 있다. 실시예로서, 정류회로는 교류전원을 직류전원으로 변환시키는 브릿지 다이오드로 구성될 수 있고, 캐패시터 뱅크는 다수의 캐패시터들로 구성될 수 있다. 이러한 온보드 충전기(210)의 캐패시터 뱅크의 뱅크 캐패시턴스와 온보드 충전기(210)의 시스템 인덕턴스는 이하에서 설명될 전류제한 저항의 저항 값을 결정하는데 이용될 수 있다.
전기자동차(200) 충전장치(100)가 전류를 적절히 제한하여 돌입전류를 감소시키기 위해서는 전류 제한부(150)의 전류제한 저항의 저항 값과 허용 전력의 값을 충전 시스템의 시스템 파라미터들을 고려하여 적절히 결정하여야 한다. 이때, 전류제한 저항의 저항 값은, 제1 마그네틱콘택터의 허용 전류와 전원 공급부(110)의 공급 전압에 기초하여 결정될 수 있다. 왜냐하면 충전초기에는 전류 제한부(150)와 제1 연결부(130)를 지나는 제1 경로를 따라 전류가 흐르므로, 제1 연결부(130)의 제1 마그네틱콘택터의 허용 전류가 전류 제한 값을 결정하는데 중요한 역할을 하기 때문이다. 제1 마그네틱콘택터의 허용 전류를 돌입전류의 제한치로 보면, 옴의 법칙에 의해 전류제한 저항의 값은 전원 공급부(110)의 공급 전압을 제1 마그네틱콘택터의 허용 전류로 나눈 값이 된다. 예를 들어, 전원 공급부(110)의 공급 전압이 380V이고, 제1 마그네틱콘택터의 허용 전류가 40A인 경우, 전류제항 저항의 저항 값은 380/40=9.5(옴)일 수 있다. 따라서, 10(옴)의 저항을 전류제한 저항으로 선택한 경우, 전기자동차(200) 충전장치(100)는 충전 초기 시 제1 마그네틱콘택터의 허용 전류의 이하로 돌입전류를 감소시킬 수 있다.
또한, 전류제한 저항의 허용 전력의 값은 전력공식(
Figure pat00001
)에 의해 돌입전류의 최대치와 전류제한 저항의 저항 값에 기초하여 결정될 수 있다. 이때, 돌입전류의 최대치는 아래의 방정식에 의해 결정될 수 있다.
Figure pat00002
(1)
여기서, CB는 마이크로 패럿의 뱅크 캐패시턴스이고, LS는 마이크로 헨리의 시스템 인덕턴스이다. 이때,
Figure pat00003
(2)
Figure pat00004
(3)
방정식 (3)을 (1)에 대입하면,
Figure pat00005
이 되며,
Figure pat00006
Figure pat00007
이므로,
Figure pat00008
결국,
Figure pat00009
이 된다.
위 식과 전류제한 저항의 저항 값을 고려하면, 소비 전력은,
Figure pat00010
이 된다.
일반적으로, 허용 전력은 소비 전력의 약 2배이므로, 약 50W를 전류제한 저항의 허용 전력으로 선택할 수 있다.
도 3은 본 명세서의 일 실시예에 따른 전기자동차 충전장치의 돌입전류 감소모듈의 상세 구성도이다. 도 3에서는 전원 공급부가 3상 4선 방식으로 교류전원을 공급하는 것을 예로 들어 설명하지만, 동일하거나 유사한 설명이 전원 공급부가 3상 3선 방식으로 교류전원을 공급하는 경우에도 적용될 수 있다.
도 3을 참조하면, 도 2와 마찬가지로, 돌입전류 감소모듈은 배전용 차단기(120), 제1 연결부(130), 제2 연결부(140), 전류 제한부(150) 및 콘트롤러를 포함할 수 있다. 이러한 구성들의 기능 및 동작에 대한 설명은 도 2에서 이미 기술한 바 이하에서는 자세한 설명은 생략한다. 또한, 돌입전류 감소모듈은 SMPS(switched mode power supply)와 같은 전압 공급 장치(170), 서지보호기(180) 및 ELCB(electric leakage circuit breaker)와 같은 누전 차단기(190)를 더 포함할 수 있다.
여기서, SMPS는 전압 공급부에 의해 인가된 3상 교류전원의 단상(예컨대, R 상)과 중성선(N 선)에 전기적으로 연결되어, 스위칭 트랜지스터 등을 이용하여 교류전원을 직류전원으로 변환하는 스위치 제어 방식의 전원 공급 장치이다. 이렇게 변환된 직류전원은 콘트롤러로 전달될 수 있다. 이처럼 전원 공급 장치로 SMPS를 사용하는 경우, 고주파 스위칭에 의한 출력 노이즈와 전자파 발생이 많이 발생되기 때문에, 도시된 것처럼, 노이즈 필터를 더 포함할 수 있다. 또한, 별도의 차단기를 더 포함할 수 있다. 도 3에서는 전압 공급 장치(170)로 SMPS를 예로 들어 설명하였으나, 이에 한정되지 아니하고 기타 유사한 형태의 전압 공급 장치(170)가 돌입전류 감소모듈에 사용될 수도 있음은 통상의 기술자에게 자명하다.
여기서, 서지보호기(180)(SPD)는 3상 교류전원의 각 상과 전기적으로 연결되어, 서지(surge) 전압을 억제하도록 구성되는 보호기로서, 예를 들면, 전압 스위칭형 SPD와 전압 억제형 SPD일 수 있다. 전압 스위칭형 SPD는 방전 소자인 Gas Tube, Air Gap 소자들을 사용하여 구성되며, 방전 개시 전압 이하에서는 개방 상태로 있으며 방전 개시 전압을 초과한 전압에 대해서는 순간 단락의 도통 상태가 되는데, 이러한 도통 상태는 최대 약 2 사이클 동안 지속되며 서지가 제거되면 자동으로 개방 상태로 복귀시키는 방식으로 동작합니다. 또한, 전압 억제형 SPD는 비선형 전압/전류 특성을 갖고 있는 MOV(Metal Oxide Varistor), 반도체 다이오드 등의 소자들로 사용하여 구성되며, 동작 전압을 초과하는 전압에 대항 매우 낮은 임피던스를 갖게 되며 동작전압 이하에서는 매우 높은 임피던스를 갖게 되어 선로 임피던스와 SPD 임피던스의 상관 관계에 의하여 전압이 억제되도록 동작합니다.
여기서, ELCB는 과부하 차단 뿐만 아니라 누전 차단을 목적으로 하는 차단기를 의미한다. 이러한 누전 차단기(190)는 제1 연결부(130)의 후단에 위치될 수 있다. 도 3에서는 누전 차단기(190)로 ELCB를 예로 들어 설명하였으나, 이에 한정되지 아니하고 RCD(Residual Current Protective Device)와 같은 누전 차단기(190)가 돌입전류 감소모듈에 사용될 수도 있음은 통상의 기술자에게 자명하다.
도 4a는 본 명세서의 일 실시예에 따른 돌입전류 감소모듈이 적용되지 않은 전기자동차 충전장치에 의한 충전 시 발생되는 충전 파(charging wave)의 예시이고, 도 4b는 본 명세서의 일 실시예에 따른 돌입전류 감소모듈이 적용된 전기자동차 충전장치에 의한 충전 시 발생되는 충전 파(charging wave)의 예시이다.
도 4a에서의 충전 파는 다음 표와 같은 평가 조건 하에서 측정된 파이다.
System Detail
EV RenaultSamsung SM3 ZE GEN2 for AC charging IEC-61851-1 Charging
EVSE Korea ULVAC 22 kw 3 phase chager
MCCB and RCD Schneider electric 40 A, B type HPI
MC(magnetic contactor) LSIS 40A MC
도 4a 및 4b에서 노란색 파는 DC±12V, 1Khz 파형을 갖는 제어신호인 CP(control pilot) 신호를 나타내고, 파란색 파는 전기자동차(200)에 전달되는 AC 전류를 나타내고, 빨간색 파는 전기자동차 충전장치(100)로부터 공급되는 AC 전압을 나타낸다.
도 4a의 점선 부분을 참조하면, 충전을 개시하도록 제어하는 CP 신호(예컨대, 일정한 레벨로 전압 강하시키는 형태의 신호)가 전기자동차 충전장치(100)로 입력되면, 전기자동차 충전장치(100)는 교류전원을 공급하여 충전을 시작하는데, 이때, 순간적으로 약 103A 정도의 돌입전류가 발생되는 것을 확인할 수 있다. 이는 충전 기준치 전류인 40A를 초과하는 돌입전류로서, 이러한 돌입전류에 의해 누진 차단기가 트립핑되거나, 회로가 손상될 수 있다.
도 4b의 점선 부분을 참조하면, 마찬가지로, 충전을 개시하도록 제어하는 CP 신호(예컨대, 일정한 레벨로 전압 강하시키는 형태의 신호)가 전기자동차 충전장치(100)로 입력되면, 전기자동차 충전장치(100)는 교류전원을 공급하여 충전을 시작하는데, 이때, 순간적으로 약 25A 또는 약 23A 정도의 돌입전류가 발생되는 것을 확인할 수 있다. 이는 충전 기준치 전류인 40A를 초과하지 않는 돌입전류로서, 이러한 감소된 돌입전류에 의해 누진 차단기가 불필요하게 트립핑되거나, 회로가 손상되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 이상에서는 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 명세서는 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구 범위에서 청구하는 요지를 벗어남이 없이 당해 명세서가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 명세서의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.
100: 전기자동차 충전장치 200: 전기자동차

Claims (5)

  1. 온보드 충전기를 포함하는 전기차에 3상 교류전원을 공급하는 전기차 충전장치 내 돌입전류 감소모듈로서,
    상기 전기차 충전장치 내의 전원 공급부와 상기 전기차 내의 상기 온보드 충전기 사이를 전기적으로 연결 또는 연결해제 하도록 구성되는 제1 연결부로서, 상기 제1 연결부는 상기 제1 연결부를 선택적으로 도통시키는 제1 마그네틱콘택터를 포함하는, 상기 제1 연결부;
    상기 전원 공급부와 상기 제1 연결부 사이를 전기적으로 연결하며 상기 전원 공급부에 의해 3상 교류전원이 인가될 때 발생되는 돌입전류를 감소시키도록 구성되는 전류 제한부로서, 상기 전류 제한부는 전류를 제한하는 전류제한 저항을 포함하는, 상기 전류 제한부;
    상기 전원 공급부와 상기 제1 연결부 사이를 전기적으로 연결 또는 연결해제 하도록 구성되는 제2 연결부로서, 상기 제2 연결부는 상기 전류제한 저항과 병렬로 연결되며 상기 제2 연결부를 선택적으로 도통시키는 제2 마그네텍콘택터를 포함하는, 상기 제2 연결부; 및
    상기 제1 연결부의 제1 마그네틱콘택터와 상기 제2 연결부의 제2 마그네틱콘택터의 온/오프를 제어하는 콘트롤러를 포함하되,
    상기 콘트롤러는,
    상기 전원 공급부에 의해 3상 교류전원이 인가된 경우, 상기 제1 마그네틱콘택터를 온 상태로 변경하여 상기 제1 연결부를 전기적으로 도통시키고,
    상기 제1 마그네틱콘택터가 온 상태로 변경된 후 미리 결정된 기간이 경과된 경우, 상기 제2 마그네틱콘택터들을 온 상태로 변경하여 상기 제2 연결부를 전기적으로 도통시키는 것을 특징으로 하는, 돌입전류 감소모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전류제한 저항의 저항 값은,
    상기 제1 마그네틱콘택터의 허용 전류와 상기 전원 공급부의 공급 전압에 기초하여 결정되는, 돌입전류 감소모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전류제한 저항의 허용 전력은,
    상기 돌입전류의 최대치와 상기 전류제한 저항의 저항 값에 기초하여 결정되되, 상기 돌입전류의 최대치는 상기 온보드 충전기의 뱅크 캐패시턴스에 비례하고, 상기 온보드 충전기의 시스템 인덕턴스에 반비례한 것을 특징으로 하는, 돌입전류 감소모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 마그네틱콘택터를 온 상태로 변경하기 위한 상기 미리 결정된 기간은, 상기 온보드 충전기의 캐패시터 뱅크에 90퍼센트의 전하가 충전되는 기간보다 짧은 것을 특징으로 하는, 돌입전류 감소모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전원 공급부와 상기 전류 제한부 및 제2 연결부 사이에 위치하며, 과전류를 차단하도록 구성되는 배전용 차단기를 더 포함하는, 돌입전류 감소모듈.
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