KR20190133396A - 차량 배터리 충전용 전력 변환 장치 및 이의 제어 방법 - Google Patents

차량 배터리 충전용 전력 변환 장치 및 이의 제어 방법 Download PDF

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KR20190133396A
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Abstract

차량 배터리 충전용 전력 변환 장치가 개시된다. 상기 전력 변환 장치는, 배터리, 상기 배터리로부터 배터리 전원을 공급받는 모터, 상기 배터리 전원을 충전 전력으로 변경하도록 상기 모터를 제어하는 전력 제어기, 및 상기 충전 전력을 외부로 공급하는 충전 전력 공급 제어 및 외부 전력을 공급받는 충전 전력 수급 제어를 선택적으로 수행하는 충전 제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

차량 배터리 충전용 전력 변환 장치 및 이의 제어 방법{Power converting apparatus for charging vehicle battery and Method for controlling the same}
본 발명은 차량 배터리 기술에 관한 것으로서, 더 상세하게는 이동식 충전을 위한 차량 배터리 충전용 전력 변환 장치 및 이의 제어 방법에 대한 것이다.
친환경 차량에는 가솔린/디젤 차량과 달리 주 에너지원이 전기이므로, 전기 에너지를 저장할 수 있는 고전압 배터리, 동력원인 전기모터, 그리고 전기모터를 구동시키기 위한 인버터가 필수적이다.
최근 친환경 차량의 주행거리 및/또는 전비 증가를 위해 배터리 용량을 점점 증가시키고 있을 뿐만 아니라, 인버터 및 전기모터의 효율을 높이기 위한 노력이 활발히 이루어지고 있다.
또한, 점차 친환경 차량의 보급이 많아 지면서 주행 중 방전 또는 장시간 방치 시 방전으로 충전소로 갈 수 없는 상황, 일반 그리드 전원을 이용할 수 없는 상황 등에 직면한 차량이 많아지고 있다. 따라서, 이에 따른 긴급으로 충전할 수 있는 이동식 충전기를 장착한 차량이 개발되고 있다.
이러한 이동식 충전장치를 갖고 있는 차량은 보통 소형 트럭에 대용량 배터리, 전력 컨버터(즉, 충방전기)로 구성된다. 또는, EV(Electric Vehicle)에 EV 배터리를 이용하여 충방전기를 연결하여 구성된 시스템으로 일반 급속 충전기와 같이 동작하도록 되어 있다.
그런데, 대용량 배터리 및 전력 컨버터(즉, 충방전기)는 사이즈가 크고 가격이 비싼 단점이 있고, 특수 차량으로 제작되어야 한다는 단점이 있다.
1. 한국공개특허번호 제10-2016-0070200호 2. 한국공개특허번호 제10-2012-0131733호
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 추가적인 발전기 또는 배터리와 충방전기없이 내부 시스템에 있는 배터리, 인버터, 및 모터를 이용하여 DC(Direct Current) 충전 서비스를 가능하게 하는 차량 배터리 충전용 전력 변환 장치 및 이의 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 별도 추가 부품을 최소화하여 서비스 차량의 사이즈/비용/효율성을 높일 수 있는 차량 배터리 충전용 전력 변환 장치 및 이의 제어 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 일반 EV(Electric Vehicle)끼리 배터리 에너지를 공유가능 하게 하는 차량 배터리 충전용 전력 변환 장치 및 이의 제어 방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
본 발명은 추가적인 발전기 또는 배터리와 충방전기없이 내부 시스템에 있는 배터리, 인버터, 및 모터를 이용하여 DC(Direct Current) 충전 서비스를 가능하게 하는 차량 배터리 충전용 전력 변환 장치를 제공한다.
상기 차량 배터리 충전용 전력 변환 장치는,
배터리;
상기 배터리로부터 배터리 전원을 공급받는 모터;
상기 배터리 전원을 충전 전력으로 변경하도록 상기 모터를 제어하는 전력 제어기; 및
상기 충전 전력을 외부로 공급하는 충전 전력 공급 제어 및 외부 전력을 공급받는 충전 전력 수급 제어를 선택적으로 수행하는 충전 제어기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 모터는 커플 인덕터로 동작 가능하게 중성점이 외부로 인출되는 중성점 인출부를 가지는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 중성점 인출부는 상기 외부 전력을 검출할 수 있는 센서를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 중성점 인출부는 상기 충전 전력의 리플을 필터링하기 위한 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 배터리 충전용 전력 변환 장치.
또한, 상기 차량 배터리 충전용 전력 변환 장치는, 상기 외부와 연결되어 상기 충전 전력 또는 제어 신호를 전달하는 연결 인렛 커넥터를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 연결 인렛 커넥터는 상기 외부 전력을 받기 위한 제 1 단자, 상기 연결 인렛 커넥터가 외부와 연결되어 있는지 검출하기 위한 제 2 단자, 및 제어 신호를 송수신하기 위한 신호 연결 단자를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 차량 배터리 충전용 전력 변환 장치는, 상기 충전 전력 또는 외부 전력에 대한 정보를 표시하는 디스플레이;를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
이때, 상기 충전 전력은 사용자 입력에 의해 설정되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 충전 전력은 상기 배터리 전원보다 낮은 전압이며, PWM(Pulse Width Modulation) 듀티에 의해 조절되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 충전 제어기는, 상기 충전 전력 공급 제어를 실행하는 충전 제어부; 및 상기 충전 전력 수급 제어를 실행하는 방전 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
다른 한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, 충전 제어기가 충전 전력을 외부로 공급하는 충전 전력 공급 제어 및 외부 전력을 공급받는 충전 전력 수급 제어를 선택적으로 수행하는 선택 단계; 모터가 배터리로부터 배터리 전원을 공급받는 배터리 전원 공급 단계; 및 전력 제어기가 상기 충전 제어기의 제어에 따라 배터리 전원을 충전 전력으로 변경하도록 모터를 제어하는 모터 제어 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 배터리 충전용 전력 변환 방법을 제공할 수 있다.
또한, 상기 선택 단계는, 상기 충전 전력 또는 외부 전력에 대한 정보를 디스플레이에 표시하는 단계;를 더 포함하며, 상기 충전 전력은 사용자 입력에 의해 설정되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 이동식 충전서비스 차량에 탑재된 발전기 또는 배터리 및 컨버터가 필요 없으며, 고전압 배터리가 방전된 긴급 상황에서 차량을 이용하여 긴급 비상 충전 가능하게 할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 별도 이동식 충전서비스 차량을 제작할 필요가 없으며, 충전 시스템을 기존 구동모터와 인버터로 구성할 수 있으므로 사이즈/재료비/중량 저감이 가능하다는 점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 일반 차량에서 12V 방전시 점프 스타트를 하듯이 언제 어디서든 급속 충전구로 서로 연결하여 쉽게 충전 가능하다는 점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 3상 인터리브 스위칭 방식으로 동작 시 출력 리플 전류를 최소화할 수 있다는 점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 기존과 다르게 모터와 인버터가 주행 중 모터 구동시뿐만 아니라, 급속 충전(공급)시에도 방전차량이 연결될 경우 모터와 인버터가 감압형 컨버터로 동작을 하여 배터리를 충전하도록 동작 모드의 변경이 가능하다는 점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 모터와 인버터를 감압형 컨버터로 활용도를 증대시키면서 추가 회로없이 차대차 급속 충전이 가능하도록 하는 장점이 있다는 점을 들 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 충전 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 차량 배터리 충전용 전력 변환 장치의 구성 블럭도이다.
도 3은 도 2에 도시된 차량 배터리 충전용 전력 변환 장치가 그리드와 연결되는 개념도이다.
도 4a는 도 1에서 연결 인렛 커넥터의 개념도이다.
도 4b는 도 4a에 도시된 연결 인렛 커넥터의 세부 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 일반 차량과의 연결을 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 파워 회로의 구성 블록도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 동상 PWM(Pulse Width Modulation)과 3상 인터리브 PWM의 비교 파형도이다.
도 8은 일반적인 리플 발생을 보여주는 그래프이다.
도 9는 도 8에 도시된 UVW 전류를 확대하여 보여주는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 충전 전력을 생성하는 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 충전 과정을 보여주는 흐름도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다. 제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 차량 배터리 충전용 전력 변환 장치 및 이의 제어 방법을 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 충전 개념도이다. 도 1을 참조하면, 긴급 충전 서비스 차량(100)이 에너지를 방전 차량(10)에 공급한다. 이를 위해 긴급 충전 서비스 차량(100)은, 배터리(110), 상기 배터리(110)를 제어하는 배터리 제어기(120), 상기 배터리(110)로부터 배터리 전원을 공급받는 모터(140), 상기 배터리 전원을 충전 전력으로 변경하도록 상기 모터를 제어하는 전력 제어기(130) 등을 포함하여 구성될 수 있다. 한편, 방전 차량(10)도 배터리(110), 상기 배터리(110)를 제어하는 배터리 제어기(120), 상기 배터리(110)로부터 배터리 전원을 공급받는 모터(140), 상기 배터리 전원을 충전 전력으로 변경하도록 상기 모터를 제어하는 전력 제어기(130) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
배터리(11,110)는 배터리 셀(미도시)이 직렬 및/또는 병렬로 구성되며, 이 배터리 셀은 니켈 메탈 배터리 셀, 리튬 이온 배터리 셀, 리튬 폴리머 배터리 셀, 전고체 배터리 셀 등의 전기 차량용 고전압 배터리 셀이 될 수 있다. 일반적으로 고전압 배터리는 전기 차량을 움직이는 동력원으로 사용하는 배터리로서 100V 이상의 고전압을 말한다. 그러나, 이에 한정되지는 않으며, 저전압 배터리도 가능하다.
배터리 셀은 원통형 셀(cylindrical cell), 각형 셀(prismatic cell), 파우치형 셀 등으로 설계될 수 있다. 파우치형 셀들은 박막으로 구성된 유연한 커버를 포함하고, 상기 커버 내에는 배터리 셀의 전기적 구성 요소들이 배치되어 있다.
하나의 배터리 셀 내에서 최적의 공간 이용을 구현하기 위해서는 특히 파우치형 셀들이 사용될 수 있다. 상기 파우치형 셀들은 또한 높은 용량과 더불어 적은 중량을 특징으로 한다. 이러한 전술한 파우치형 셀들의 에지들은 조인트(sealing joint)(미도시)를 포함한다. 부연하면, 상기 조인트는 배터리 셀들의 2개의 박막을 연결하고, 상기 박막들은 그로 인해 형성된 공동부 내에 추가의 부품들을 포함한다.
일반적으로, 파우치형 셀들은 리튬 2차 배터리 또는 니켈-수소 배터리(Nickel-hydrogen battery)등과 같이, 전해질 용액(electrolytic solution)을 내포할 수도 있다.
배터리 제어기(12,120)는 BMS(Battery Management System)로서 배터리(11,110)의 관리를 최적화해 에너지 효율을 높이고 수명을 연장시켜주는 역할을 한다. 배터리 전압, 전류 및/또는 온도를 실시간으로 모니터링하고 과도한 충전 및 방전을 미연에 방지해 배터리 안전성과 신뢰성을 높여준다. 물론, 배터리 제어기(12,120)는 배터리(11,110) 내에 구성될 수도 있다.
전력 제어기(13,130)는 배터리(11,110)로부터 배터리 전원(즉 배터리 전압)을 받아 이를 모터(14,140)의 구동을 위한 구동전원(예를 들면, 3상 교류 전원)으로 변환한다. 물론, 배터리 전원을 전장 부하(미도시)에 공급하기 위한 승압 또는 강압하여 제공하는 기능을 수행할 수도 있다. 따라서, 전력 제어기(13,130)는 인버터, DC-DC(Direct Current-Direct Current) 컨버터 등으로 구성될 수 있다.
물론, 인버터는 전압형 인버터인 PWM(Pulse Width Modulation) 인버터가 사용되나, 이에 한정되는 것은 아니고 일부 구성요소를 수정하는 방식으로 전류형 인버터의 적용도 가능하다. PWM 인버터의 경우 정류된 직류 전압을 PWM(Pulse Width Modulation) 제어방식을 이용하여 전압과 주파수를 동시에 제어한다.
모터(14,140)는 3상 교류 모터 또는 다상 모터가 사용될 수 있다. 특히, 모터(14,140)는 매입형 영구자석 모터(Interior Permanent Magnet Motor)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고 유니버셜 모터 등이 될 수 있다.
연결 인렛 커넥터(15,150)는 외부와 연결되어 상기 충전 전력 및/또는 제어 신호를 전달하는 기능을 수행한다. 도 1의 경우, 긴급 충전 서비스 차량(100) 측에 구성된 연결 인렛 커넥터(150)로부터 방전 차량(10)측에 구성된 연결 인렛 커넥터(15)를 통해 에너지 공급이 이루어진다.
방전 차량(10) 및/또는 긴급 충전 서비스 차량(100)은 플러그인 자동차(PEV: Plug-in Electric Vehicle), 전기차(EV: Electric Vehicle), 연료 전지 자동차(FCV: Fuel-Cell Vehicle) 등을 들 수 있다. 물론, 방전 차량(10)은 긴급 충전 서비스 차량(100)이 될 수도 있다. 즉, 긴급 충전 서비스 차량(100)이 방전되면 다른 긴급 충전 서비스 차량을 이용하여 충전할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 차량 배터리 충전용 전력 변환 장치(200)의 구성 블럭도이다. 특히, 도 2는 서로 다른 전압의 충전기와 호환이 가능한 개념도이다. 부연하면, 도 2를 참조하면, 차량 배터리 충전용 전력 변환 장치(200)를 갖는 긴급 충전 서비스 차량(100)과 일반 차량(10)사이의 충전 전력을 공급하는 관계를 보여주는 도면이다.
도 2를 참조하면, 차량 배터리 충전용 전력 변환 장치(200)는, 배터리(120), 상기 배터리(120)로부터 배터리 전원을 공급받는 모터(140), 상기 배터리 전원을 충전 전력으로 변경하도록 상기 모터를 제어하는 전력 제어기(130), 상기 충전 전력을 외부로 공급하는 충전 전력 공급 제어 또는 외부 전력을 공급받는 충전 전력 수급 제어를 수행하는 충전 제어기(210), 배터리(120)를 충전하는 충전기(250) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
물론, 방전 차량(10)측에도 배터리(12)를 충전하는 충전기(35), 상기 충전기(35)를 제어하는 충전기 제어기(31)가 구성된다. 충전 제어기(31)는 충전소, 차량내 다른 구성요소들과 통신하며 충전기(35)를 제어하는 제어회로로 구성될 수 있다.
충전기(35,250)는 탑재형 충전기(Onboard Charger), 외장형 충전기(Offboard Charger)가 된다. 충전기(35,250)는 교류(AC)를 직류(DC)로 변환해 차량 내부의 배터리(12,120)를 충전하는 기능을 한다. 이를 위해, 충전기(35,250)는 입력전원인 교류 전원의 노이즈를 제거하는 입력필터, 에너지 효율을 높여주는 PFC(Power Factor Corrector) 회로, 배터리에 전력을 안정적으로 공급하기 위한 DC/DC 컨버터 등을 포함하여 구성될 수 있다.
충전 제어기(210)는 외부 전력을 공급받아 충전 전력 수급 제어를 실행하는 충전 제어부(211), 충전 전력을 외부로 공급하는 충전 전력 공급 제어를 실행하는 방전 제어부(212) 등을 포함하여 구성될 수 있다. 부연하면, 충전 제어기(210)는 충전제어부(211)과 방전제어부(212)를 절환하여 전력을 공급 또는 수급받을 수 있도록 동작한다. 충전 제어부(211) 및 방전 제어부(212)는 마이크로프로세서, 메모리, 전자 회로 등으로 구성되며, 제어를 실행하도록 마이크로프로세가 프로그래밍된다. 전자 회로는 I.C(Integrated Circuit), 스위칭 소자 등이 될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 전력 공급 시에는 충전 제어기(210)의 제어 전자 회로(212)가 동작된다. 즉, 충전 제어기(210)가 충전 전력 공급 제어로 동작되며, 전력 제어기(130) 및 모터(140)를 강압 컨버터로 동작시켜 상대 차량에 전력을 공급하고(굵은 실선), 서로의 정보를 송수신할 수 있다(가는 점선).
물론, 도 2와 달리, 차량 배터리 충전용 전력 변환 장치(200)가 적용된 차량간 충전시에는 충전 전력을 공급하는 공급측 차량은 충전 전력을 외부로 공급하는 충전 전력 공급 제어를 실행하고, 충전 전력을 공급받는 수급측 차량은 외부 전력을 공급받는 충전 전력 수급 제어를 실행한다. 외부 전력을 공급받는 충전 전력 수급 제어가 실행되는 경우, 굵은 점선과 같이, 모터(140)/전력 제어기(130)를 바이패스하여 배터리를 충전하거나, 모터(140)/전력 제어기(130)를 통해 충전가능하게 할 수도 있다.
또한, 상기 충전 전력, 외부 전력, 차량 정보, 배터리 정보 등에 대한 정보를 표시하는 디스플레이(270)가 충전 제어기(210) 또는 차량 내 제어기와 연결되어 구성된다. 차량내 제어기로는 VCU(Vehicle Control Unit), HCU(Hybrid Control Unit) 등을 들 수 있다. 디스플레이(270)는 LCD(Liquid Crystal Display), LED(Light Emitting Diode) 디스플레이, PDP(Plasma Display Panel), OLED(Organic LED) 디스플레이, 터치 스크린, CRT(Cathod Ray Tube), 플렉시블 디스플레이 등이 될 수 있다.
도 3은 도 2에 도시된 차량 배터리 충전용 전력 변환 장치가 그리드와 연결되는 개념도이다. 도 3을 참조하면, 전기 차량 충전 장비(EVSE: Electric Vehicle Supply Equipment)(320)가 AC 그리드(310)로부터 그리드 전원(30)을 공급받아 충전 전력을 차량 배터리 충전용 전력 변환 장치(200)에 공급한다. 즉, 충전 제어기(210)가 외부 전력을 공급받는 충전 전력 수급 제어를 실행한다. 전력을 받는 차량측에서는 굵은점선으로 모터(140)/전력 제어기(130)를 바이패스하여 배터리(120)를 충전하거나, 모터(140)/전력 제어기(130)를 통해 충전 가능하게 할 수도 있다.
물론, 차량이 충전 전력을 외부로 공급하는 충전 전력 공급 제어를 실행하는 경우, 충전 제어기(210)는 전력 제어기(130) 및 모터(140)를 강압 컨버터로 동작시켜 오프보드 충전기(330)에 전력을 공급하고(굵은 실선), 오프보드 충전기(330)를 제어하는 제어회로(350)와 서로의 정보를 송수신할 수 있다(가는 점선).
여기서, 오프보드 충전기(330)는 양방향 충전기가 될 수 있다. 이를 위해, 정류기, 직류 전원 공급기 등이 구성될 수 있다.
도 4a는 도 1에서 연결 인렛 커넥터(150)의 개념도이고, 도 4b는 도 4a에 도시된 연결 인렛 커넥터의 세부 구성도이다. 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 연결 인렛 커넥터(150)는 외부와 연결되어 충전 전력 및/또는 제어 신호를 전달하는 기능을 수행한다. 이를 위해, 연결 인렛 커넥터(150)는, 전원(예를 들면 교류 3상 전원)을 공급하기 위한 전원 공급 단자(501,502), 제어 신호(CP: Control Pilot) 및/또는 근접 검출 신호(Proximity Detection)를 송수신하기 위한 신호 연결 단자(504), 연결 인렛 커넥터(150)가 외부(다른 차량, EVSE 등을 들 수 있음)와 연결되어 있는지를 검출하기 위한 연결 스위치 단자(505), 전원의 접지를 위한 접지(PE: Protective Earth) 단자(506), 차량의 전력을 외부에 공급하는 DC(Direct Current) 단자(511-1,511-2) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
따라서, 충전 제어기(210)는 신호 연결 단자(504)를 통해 획득된 신호를 통해 전력 제어가 가능하다. 부연하면, 외부와 연결하여 전력을 공급시작 전 또는 진행 중 언제든지 외부로부터 이상을 감지 또는 어떤 신호를 받았을 때는 전력공급을 차단할 수 있다.
또한, 연결 스위치 단자(505)는 사용자가 커넥터(150)를 차량에서 완전히 제거하기 전에 배터리 고전압이 전달되지 못하도록 차단하는 단자 기능을 한다. 물론, 이러한 연결 인렛 커넥터(150)와 연결되는 플러그(미도시)도 유사하게 단자들과 연결될 수 있는 커넥터 핀들을 갖는다. 또한, 배터리 제어기(120), 충전기(250), 전력 제어기(130), 충전 제어기(210) 등은 MM-CAN(Multimedia-Controller Area Network), B-CAN(Body-Controller Area Network, 고속 CAN(Controller Area Network), 통신라인(예, 500kbps), CAN-FD(Flexible Data-Rate) 통신라인, Flexlay 통신라인, LIN(Local Interconnect Network) 통신 라인, PLC(Power Line Communication) 통신 라인, CP(Control Pilot) 통신 라인 등으로 연결되어 상호간에 정보를 송수신한다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 일반 차량과의 연결을 보여주는 도면이다. 도 5를 참조하면, 긴급 충전 서비스 차량(100)과 방전 차량(10)은 케이블(510)에 연결된다. 즉, 서로의 인렛측이 연결된다. 이 연결 상태에서, 충전 제어기(210)는 스위치(S5)의 동작을 통해 차대차 급속충전 모드임을 알 수 있고, 급속충전 공급 모드로 동작하기 위해 스위치(S4)의 위치를 EVSE 모드로 전환하여 EVSE 초기 기능을 수행할 수 있다. 여기서, EVSE 모드는 일반 EVSE(도 3의 320)를 모사하여 급속 충전을 수행하는 방식을 말한다.
또한, 케이블(510)이 정상 연결된 것으로 판단된 이후 PLC 통신을 통해 서로의 정보를 주고받으며 충전 기능을 수행 할 수 있다.
한편, 차대차 충전 시 케이블(510)은 도 5에 도시된 바와 같이 공급 차량측 및 수급 차량측에 동일한 구조로 커넥터 내부 회로(S3, 저항 등)가 구성되어 있다. 이렇게 함으로서 긴급 충전 서비스 차량(100)에서는 EVSE가 연결되어 에너지를 받을 때와 방전차량이 연결되어 에너지를 줄 때 커넥터 회로가 호환되도록 구성되어 질 수 있다.
또한, 일반 EVSE가 연결된 경우에는 스위치(S4)는 일반 차량과 같이 동작하기 위해 스위치를 아래로 접속시켜 EVSE(320)가 보내는 신호를 받을 수 있게 한다. 따라서, 커넥터 연결이 된 것을 확인 후, EVSE와 PLC 통신을 통해 정보를 주고받으며 전원을 공급받을 수 있다. 물론, 이를 위해서 다이오드, 버퍼(503), 스위치(S2), 저항 등이 직결 및/또는 병별로 연결된다. 또한, 스위치(S2)는 접지와 연결된다. 이러한 구성은 방전 차량(10)측에도 유사하게 구성된다.
물론, 긴급 충전 서비스 차량(100)의 회로에서 스위치(S4) 뒤에 연결된 모니터링 회로 및 PLC 통신 회로는 스위치(S4)의 앞과 뒤 어느 곳에 있어도 무방하다. 한편으로, 스위치(S4) 대신 스위치(S1) 또는 다른 스위치 회로로 충전 전력을 외부로 공급하는 충전 전력 공급 제어를 실행하는 충전 제어부(도 2의 211) 및 외부 전력을 공급받는 충전 전력 수급 제어를 실행하는 방전 제어부(212) 사이를 절환시킬 수 있는 회로도 구현 가능하다.
또한, 충전 제어기(210)는 근접 모니터링 회로를 통해 방전 차량(10)이 긴급 충전 서비스 차량(100)에 접촉되기 이전에 근접하였는 결정한다. 물론, 이를 위해 근접 센서가 구성될 수 있다.
기타 EVSE 및/또는 차량측 기능을 하기 위한 온도센싱, 절연 모니터링 등을 위한 별도 회로들은 생략되어 있다.
또한, 스위치(S1 내지 S5)는 파워 릴레이, FET(Field Effect Transistor), MOSFET(Metal Oxide Semiconductor FET), IGBT(Insulated Gate Bipolar Mode Transistor), 파워 정류 다이오드 등과 같은 반도체 스위칭 소자, 사이리스터, GTO(Gate Turn-Off) 사이리스터, TRIAC(Triode for alternating current), SCR(Silicon Controlled Rectifier), I.C(Integrated Ciruit) 회로 등이 사용될 수 있다. 특히, 반도체 소자의 경우 바이폴라, 전력 MOSFET(Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor) 소자 등이 사용될 수 있다. 전력 MOSFET 소자는 고전압 고전류 동작으로 일반 MOSFET와 달리 DMOS(Double-Diffused Metal Oxide Semiconductor) 구조를 갖는다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 파워 회로의 구성 블록도이다. 특히, 도 6은 모터(도 2의 110) 및 전력 제어기(130)가 감압 컨버터로 동작하여 EVSE 모드 기능을 구현하는 예시를 보여준다. 도 6을 참조하면, 크게, 배터리, 전력 제어기(인버터), 모터 부분으로 구분할 수 있다. 전력 제어기(130)는 모터 구동시에는 3상 120도 위상차를 갖는 전류를 제어하여 동작하지만, 차량 정지 중에 강압 컨버터로 동작하여 외부 타차량을 충전할 수 있다.
전력 제어기(130)는 제어부(미도시)를 포함하며 6개의 스위치(Q1 내지 Q6)가 병렬로 구성되어 있고, Q1,Q3,Q5를 스위칭시키면 3상 컨버터의 강압 컨버터처럼 동작하게 된다. 제어부는 마이크로프로세서, 전자 회로 등으로 구성된다. 이때 모터(140)의 3상 권선을 통해 리플을 포함한 DC 전류가 들어가게 되며, 중성점(601)이 인출된 중성점 인출부(C1)가 모터(140)의 출력측에 구성된다. 중성점 인출부(C1)를 통해 3상 전류의 합으로 보이는 전류가 출력된다. 이 출력 전류는 배터리(B1)의 전압보다는 낮은 전압으로 출력되며, PWM(Pulse Width Modulation) 듀티(duty)에 의해 조절 가능하다.
또한, 중성점 인출부(C1)의 출력 전류에 대한 DC 전류 리플을 최소화하기 위해 L 또는 L/C 필터 등을 구비될 수 있다. 또한, 모터(140)와 중성점 인출부(C1) 사이에 스위치(R6)를 구성하여 모터(140)가 모터 또는 컨버터로 동작되도록 한다. 또한, 중성점 인출부(C1)에는 유입되는 외부 전력을 검출할 수 있는 센서(610)를 포함할 수 있다. 이 센서(610)는 전력 제어기(130)의 제어부와 연결되어 질 수 있다.
배터리(120)측에는 배터리 전원의 도통 또는 차단을 위한 스위치(R1,R2,R3)가 구성된다. 특히, 스위치(R3)는 외부 전력이 중성점 인출부(C1)로부터 유입될 때, 과전압 등에 의해 배터리(120)가 파손되는 것을 방지하기 위한 것이며 저항이 직렬로 연결될 수 있다.
모터(140)는 일반적으로 고정자 권선(미도시) 및 회전자(미도시)를 갖고 있고, 고정자 권선은 누설 인덕턴스, 상호 인덕턴스등으로 구성된다. 상 전류가 흐르게 되면 고정자 권선의 전류 제어를 통해 변화시켜 자속 벡터 합으로 된 고정자 자속을 회전시켜 회전자를 회전시킨다.
이와 달리, 본 발명의 일실시예에서는 모터(140)에 중성점 인출부(C1)를 구성함으로써 DC-DC 컨버터로 동작시키게 된다. 즉, 3상 전류를 동일 전류 크기로 제어를 하게 되면 각 상(U,V,W)의 자속 벡터는 크기는 같고, 120도씩 방향이 다른 자속벡터를 만들며, 이 자속 벡터의 합은 3상 전류 크기가 동일하다면 zero이다. 이렇게 되면 회전자의 위치, 전류의 크기에 상관없이 회전 토크는 발생하지 않으며, 3상 인터리브 DC-DC 컨버터와 같이 동작시키면 모터의 회전 토크 없이 승압 또는 강압 컨버터로 동작이 가능하다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 동상 PWM(Pulse Width Modulation)(711,712,713)과 3상 인터리브 PWM의 비교 파형도이다. 도 7을 참조하면, 모터(140)가 3상모터인 경우에는 3상 인덕턴스 성분을 갖고 있고, 이 인덕턴스에 의해 컨버터 동작을 수행할 수 있게 한다. 전력 제어기(130)가 동상 PWM(710)으로 동작할 때는 모터 권선에는 누설 전류만 보이게 되어 상전류 리플이 크며, 출력 리플 전류는 PWM 주파수의 리플을 발생시키며 3상 전류의 합으로 출력된다. 이럴 때는 중성점 인출부(도 6의 C1)의 출력측에 L 또는 L/C 필터 등을 추가하여 출력 리플 전류를 줄일 수 있다.
또한, 전력 제어기(130)를 3상 인터리브(각 상간 120도 위상차) PWM(720)으로 스위칭하여 동작하게 되면, 각 상의 전류는 서로 다른 위상의 전압이 인가된다. 이때의 모터(140)의 각상 전류는 누설 인덕턴스를 갖고 있는 커플 인덕터와 같이 서로 쇄교하는 자속에 의해 서로 영향을 미친다. 이때의 모터(140)의 중성점 인출부(C1)의 출력 전류의 리플은 PWM 주파수의 3배에 해당하는 리플을 발생시키며, PWM 주파수에 비례하여 리플 전류 크기가 줄어든다.
도 8은 일반적인 리플 발생을 보여주는 그래프이다. 도 8을 참조하면, 상단 그래프(810)는 전력 제어기(130)가 동상 PWM(710)으로 스위칭하여 동작되는 경우 모터(140)의 출력 전류 그래프이다. 하단 그래프(820)는 전력 제어기(130)가 3상 인터리브 PWM(720)으로 스위칭하여 동작되는 경우 모터(140)의 출력 전류 그래프이다. UVW 전류(812,830) 및 모터 중성점 출력 전류(811,821)가 동상 PWM(710) 및 3상 인터리브 PWM(720)에 따라 변동된다.
도 9는 도 8에 도시된 UVW 전류(830)를 확대하여 보여주는 그래프이다. 특히, 도 9는 모터(140)가 DC-DC 컨버터로 동작(3상 120도 위상차 인터리브 PWM)시의 각 상 전류(910,920,930)를 보여준다. 서로 쇄교하는 자속이 다른 상에 영향을 주어 PWM 주파수의 3배에 해당하는 변화/굴곡이 발생한다. 각 상 전류 리플의 크기와 모양은 PWM duty(입출력 전압), 모터의 누설 인덕턴스, 회전자 위치(회전자 위치에 따라 각 상의 인덕턴스가 다른 경우)와 관련이 있다.
상기 전류를 보면, 각 상의 평균 전류는 같지만, 스위칭할 때 각 상의 전류가 미세하게 다름을 볼 수 있다. 이러한 전류차이만큼 모터의 3상 자속의 벡터 크기가 달라지면 미세 토크를 발생시키게 된다. 하지만, 발생 평균 토크는 zero이며, 미미한 리플 토크만 나타나게 된다. 즉, 3상 컨버터로 동작시 회전토크는 발생하지 않는다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 충전 전력을 생성하는 과정을 보여주는 흐름도이다. 즉, 도 10은 긴급 충전 서비스 차량(100)이 방전 차량(10)에 충전 전력을 공급하는 과정을 보여준다. 도 10을 참조하면, 긴급 충전 서비스 차량(100)과 방전 차량(10)이 고전압 급속 충전 케이블로 연결되어 이상 없음을 판별 후 PLC 통신을 통해 서로의 전력 정보를 공유게 된다(단계 S1010). 이후, 긴급 충전 서비스 차량(100)에서는 충전 제어기(210)가 긴급 충전 서비스 차량(100)과 방전 차량(10) 간 급속충전 프로세스의 EVSE 모드를 수행한다.
이후, 목표 전력을 설정 후 모터(140)/전력 제어기(130)를 3상 강압 컨버터로 PWM을 통해 전류 제어를 하여 모터 중성점(601) → 외부 케이블(510) → 방전 차량(10)으로 에너지를 공급하게 된다(단계 S1030,S1040,S1050).
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 충전 과정을 보여주는 흐름도이다. 즉, 도 11은 긴급 충전 서비스 차량(100)이 공급원(예를 들면, EVSE, 다른 전기 차량)으로부터 외부 전력을 공급받는 과정을 보여준다. 도 11을 참조하면, 긴급 충전 서비스 차량(100)과 외부 장비가 고전압 급속 충전 케이블로 연결되어 공급원으로부터 외부 전력을 공급받는다(단계 S1110,S1120). 즉, 외부 케이블(510) →중성점 인출부(C1) → 스위치(R4,R6) → 모터 중성점(601) → 전력 제어기(130) → 배터리(110) 순서로 외부 전력이 유입된다. 또는 외부 케이블(510)→ 중성점 인출부(C1) → 스위치(R4,R5) → 배터리(110) 순서로 에너지(전류)가 흐른다.
공급원의 최대 외부 전력과 긴급 충전 서비스 차량(100)의 배터리 전원을 비교한다(단계 S1130). 비교결과, 최대 외부 전력이 긴급 충전 서비스 차량(100)의 배터리 전원보다 낮을 때는 모터(140)/전력 제어기(130)를 승압 컨버터로 동작시켜 배터리(100)를 충전할 수도 있다(단계 S1140).
여기에 개시된 실시형태들과 관련하여 설명된 방법 또는 알고리즘의 단계들은, 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 (명령) 코드, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.
상기 매체에 기록되는 프로그램 (명령) 코드는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프 등과 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD, 블루레이 등과 같은 광기록 매체(optical media) 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 (명령) 코드를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 반도체 기억 소자가 포함될 수 있다.
여기서, 프로그램 (명령) 코드의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
100: 긴급 충전 서비스 차량
110: 배터리
120: 배터리 제어기
130: 전력 제어기
140: 모터
210: 충전 제어기
211: 충전 제어부
212: 방전 제어부

Claims (18)

  1. 배터리;
    상기 배터리로부터 배터리 전원을 공급받는 모터;
    상기 배터리 전원을 충전 전력으로 변경하도록 상기 모터를 제어하는 전력 제어기; 및
    상기 충전 전력을 외부로 공급하는 충전 전력 공급 제어 및 외부 전력을 공급받는 충전 전력 수급 제어를 선택적으로 수행하는 충전 제어기;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 배터리 충전용 전력 변환 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 모터는 커플 인덕터로 동작 가능하게 중성점이 외부로 인출되는 중성점 인출부를 가지는 것을 특징으로 하는 차량 배터리 충전용 전력 변환 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 중성점 인출부는 상기 외부 전력을 검출할 수 있는 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 배터리 충전용 전력 변환 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 중성점 인출부는 상기 충전 전력의 리플을 필터링하기 위한 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 배터리 충전용 전력 변환 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 외부와 연결되어 상기 충전 전력 또는 제어 신호를 전달하는 연결 인렛 커넥터를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 배터리 충전용 전력 변환 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 연결 인렛 커넥터는 상기 외부 전력을 받기 위한 제 1 단자, 상기 연결 인렛 커넥터가 외부와 연결되어 있는지 검출하기 위한 제 2 단자, 및 제어 신호를 송수신하기 위한 신호 연결 단자을 갖는 것을 특징으로 하는 차량 배터리 충전용 전력 변환 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 충전 전력 또는 외부 전력에 대한 정보를 표시하는 디스플레이;를 더 포함하며, 상기 충전 전력은 사용자 입력에 의해 설정되는 것을 특징으로 하는 차량 배터리 충전용 전력 변환 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 충전 전력은 상기 배터리 전원보다 낮은 전압이며, PWM(Pulse Width Modulation) 듀티에 의해 조절되는 것을 특징으로 할 수 있는 차량 배터리 충전용 전력 변환 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 충전 제어기는,
    상기 충전 전력 공급 제어를 실행하는 충전 제어부; 및 상기 충전 전력 수급 제어를 실행하는 방전 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 배터리 충전용 전력 변환 장치.
  10. 충전 제어기가 충전 전력을 외부로 공급하는 충전 전력 공급 제어 및 외부 전력을 공급받는 충전 전력 수급 제어를 선택적으로 수행하는 선택 단계;
    모터가 배터리로부터 배터리 전원을 공급받는 배터리 전원 공급 단계; 및
    전력 제어기가 상기 충전 제어기의 제어에 따라 배터리 전원을 충전 전력으로 변경하도록 모터를 제어하는 모터 제어 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 배터리 충전용 전력 변환 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 모터는 커플 인덕터로 동작 가능하게 중성점이 외부로 인출되는 중성점 인출부를 가지는 것을 특징으로 하는 차량 배터리 충전용 전력 변환 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 중성점 인출부는 상기 외부 전력을 검출할 수 있는 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 배터리 충전용 전력 변환 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 중성점 인출부는 상기 충전 전력의 리플을 필터링하기 위한 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 배터리 충전용 전력 변환 방법.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 외부와 연결되어 상기 충전 전력 또는 제어 신호를 전달하는 연결 인렛 커넥터를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 배터리 충전용 전력 변환 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 연결 인렛 커넥터는 상기 외부 전력을 받기 위한 제 1 단자, 상기 연결 인렛 커넥터가 외부와 연결되어 있는지 검출하기 위한 제 2 단자, 및 제어 신호를 송수신하기 위한 신호 연결 단자을 갖는 것을 특징으로 하는 차량 배터리 충전용 전력 변환 방법.
  16. 제 10 항에 있어서,
    상기 선택 단계는, 상기 충전 전력 또는 외부 전력에 대한 정보를 디스플레이에 표시하는 단계;를 더 포함하며, 상기 충전 전력은 사용자 입력에 의해 설정되는 것을 특징으로 하는 차량 배터리 충전용 전력 변환 방법.
  17. 제 10 항에 있어서,
    상기 충전 전력은 상기 배터리 전원보다 낮은 전압이며, PWM(Pulse Width Modulation) 듀티에 의해 조절되는 것을 특징으로 할 수 있는 차량 배터리 충전용 전력 변환 방법.
  18. 제 10 항에 있어서,
    상기 충전 제어기는,
    상기 충전 전력 공급 제어를 실행하는 충전 제어부; 및 상기 충전 전력 수급 제어를 실행하는 방전 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 배터리 충전용 전력 변환 방법.
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