KR20220069832A - Dc 전류 소스로 전기차를 직접 충전하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

Dc 전류 소스로 전기차를 직접 충전하기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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다니엘 슈페서
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독터. 인제니어. 하.체. 에프. 포르쉐 악티엔게젤샤프트
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Abstract

본 발명은 DC 전류 소스(1)로 전기차(9)를 직접 충전하기 위한 방법에 관한 것으로, 이 방법은, DC 전류 소스(1)에 의해 에너지 탭(4)에 직류를 제공하는 단계 및 에너지 탭(4)에서 전기차(9)를 충전하는 단계를 포함하며, 상기 충전 과정 동안 DC 전류 소스(1)와 에너지 탭(4) 사이에 배치된 인버터(3)가 우회(bypass)됨으로써, DC 전류 소스(1)에 의해 제공된 직류가 에너지 탭(4)에 제공된다. 또한, 상응하는 충전 장치가 제공된다.

Description

DC 전류 소스로 전기차를 직접 충전하기 위한 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR DIRECTLY CHARGING AN ELECTRIC VEHICLE AT A DC CURRENT SOURCE}
본 발명은 DC 전류 소스(current source)로 전기차를 직접 충전하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
태양광 발전(photovoltaic) 설비를 갖춘 건물에서, 일반적으로 태양광 모듈(태양광 발전 모듈)의 출력에 인가되는 DC 전압은 처음에 DC/DC 변환기에 의해 특정 DC 전압 값으로 조정된(regulated) 다음, 이어서 DC/AC 변환기에 공급되며, 상기 DC/AC 변환기는 조정된 DC 전압을 AC 전압으로 변환한다. 이렇게 생성된 교류는, 예를 들어 전기차를 충전하기 위해 건물에서 직접 사용될 수 있거나, 유료로 전력망(electricity grid)에 공급될 수도 있다. 건물에 제공된 충전소에서 전기차를 충전할 경우, 먼저 차량측에서 공급된 AC 전압의 AC/DC 변환이 수행되고, 이어서 DC/DC 변환기에 의해 적합한 DC 전압으로 변환되며, 이를 사용하여 트랙션 배터리(traction battery)가 충전된다. 이와 동일한 방식으로, DC 태양광 발전 설비에 추가로 또는 그 대안으로 예를 들어 열전 발전기(thermoelectric generator)가 사용될 수 있다.
이러한 접근법은 특히 개인 가정에 매우 매력적이고 가내 태양광 발전 설비를 이용한 전기차의 충전을 가능하게 하지만, 각각의 전류 또는 전압 변환이 손실될 수 있고, 그 결과 방금 설명한 태양광 발전 설비에 의해 생성된 전류로 전기차를 충전할 때 효율이 감소하는 문제가 발생한다.
공보 DE102015219665A1호로부터, 태양광 발전 시스템 또는 열전 시스템으로부터 충전 장치를 통해 자동차의 배터리로 충전 에너지가 공급되는, 자동차의 배터리 충전 방법이 공지되어 있다. 충전 장치에 충전 에너지를 임시 저장하기 위해 에너지 저장소가 사용되며, 이 에너지 저장소에 임시 저장된 충전 에너지량을 기술하는 충전 상태 변수가 임계값을 초과하는 것이 검출되면, 배터리는 적어도 충전 에너지량의 일부를 사용하여 충전된다.
본 발명의 과제는, 태양광 전기를 이용한 전기차의 충전 과정을 더 효율적으로 설계하는 것이다.
상기 과제는, DC 전류 소스로 전기차를 직접 충전하기 위한 본 발명에 따른 방법 및 상응하는 장치에 의해 해결된다. 추가 실시는 종속 청구항들에 정의되어 있다.
본 발명은 DC 전류 소스로 전기차를 직접 충전하기 위한 방법을 제공한다. 방법은 DC 전류 소스에 의해 에너지 탭(energy tap)에 직류를 제공하는 단계를 포함한다. 이는 주로, DC 전류 소스에 의해 에너지 탭에 제공될 직류를 제공할 수 있는 기본 가능성을 의미한다. 에너지 탭은, 예를 들어 건물 내에 또는 건물상에 설치된 충전 포인트일 수 있으며, 예를 들어, DC 전류 소스도 연결되어 있는 건물 전력 공급 시스템에 연결되고 전기차의 충전을 위해 특별히 제공되는 충전 장치일 수 있다.
DC 전류 소스는, 에너지 변환(예를 들어, 태양광 발전, 전기 화학적 또는 열전 에너지 변환)에 기초하여, 기본적으로 직류 또는 DC 전압을 제공할 수 있는 장치이다. 따라서, DC 전류 소스 또는 DC 전압 소스는, 예를 들어 태양광 발전 설비, 또는 복수의 태양광 발전 설비가 상호 연결된 태양광 발전 망, 또는 열전 발전기일 수 있다. DC 전압 변환기는, 전압을 안정화시키고 전압 레벨을 조정하기 위해 사용될 수 있는 모듈로서, DC 전류 소스의 하류에 연결될 수 있거나 이에 통합될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 방법은, 에너지 탭에서 전기차를 충전하는 단계를 포함한다. 이를 위해, 차량은 종래기술에 공지된 방식으로 적합한 충전 케이블에 의해 에너지 탭에 연결되며, 에너지 탭에 제공되는 전류로 충전된다. 충전 과정을 위해 충전기, 예를 들어, 월 박스(wall box) 충전 스테이션에 제공된 충전 케이블이 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 충전 방법은, 충전 과정 동안 DC 전류 소스와 에너지 탭 사이에 배치된 인버터가 우회(bypass)됨으로써, DC 전류 소스에 의해 제공된 직류가 에너지 탭에 제공되는 것을 특징으로 한다. 여기서 강조할 점은, DC 전류 소스에 의해 제공된 직류는, 인버터에 의한 사전 전류 변환 없이 에너지 탭에 제공된다는 점이다. 인버터는 도입부에서 이미 언급한, DC 전류 소스에 의해 제공된 직류를 교류로 변환하여 건물 전력 공급 시스템으로 공급되게 하는 건물측 DC/AC 변환기이다. 충전 과정 동안 건물측 인버터를 우회하기 위해, 예를 들어 계전기와 같은 스위치가 사용될 수 있으며, 이에 의해, 즉, DC 전류 소스의 출력과 에너지 탭(예를 들어, 해당 충전기의 연결부) 사이의 도전 경로가 예를 들어 스위치에 의해 활성화됨으로써, 인버터가 우회될 수 있다. 인버터의 우회라는 개념은, 인버터 내에 배치된 스위치가 지속적으로 스위치 온되고 클록 방식으로 작동되지 않음으로써 입력 전류가 인버터에 의해 변환 없이 출력 전류로서 제공되는, 인버터의 스위칭을 의미할 수도 있다.
따라서, 본 발명에 따른 직접 충전은, 일반적으로 DC 전류 소스와 건물측 에너지 탭 사이의 전류 경로에 배치된 적어도 하나의 전류 또는 전압 변환기(AC/DC, DC/AC 또는 DC/DC)를 우회하여 전기차의 트랙션 배터리의 충전을 가능하게 하는, 최적화된 충전 토폴로지를 가진 충전 과정이다. 우회된 전류 변환기는 특히 바로 위에 언급한 인버터일 수 있으며, 이 인버터는 DC 전류 소스에 의해 제공된 직류를 교류로 변환하고, 그럼으로써 상기 교류는 DC 전류 소스(예를 들어, 태양광 발전 설비)가 연결되어 작동되는 전력 공급 시스템(예를 들어, 건물 전력 공급 시스템)으로 공급된다. 바람직하게는, 직접 충전 과정 동안 복수의 전류 또는 전압 변환기가 차량측뿐만 아니라 건물측에서도 우회될 수 있으며, 이때 후자는 자동차 외부에 있는 충전 인프라 부분을 나타낸다. 특히, 본 발명에 따른 충전 프로세스 동안 추가적으로, 건물측에 배치되어 DC 전류 소스의 하류에 연결되는 DC 전압 변환기가 우회될 수 있다.
본 발명에 따른 충전 방법의 추가 실시예에 따라, 전기차의 충전 과정 동안 차량측 충전 스트랜드(charging strand)의 정류기가 우회될 수 있다. 정류기는 일반적으로 차량측 충전 스트랜드 내에 제공되는 차내 정류기이고, AC 충전 시 교류를 직류로 변환하며, 이 직류를 사용하여 트랙션 배터리가 충전된다. 또한, 일반적으로 정류기와 트랙션 배터리 사이에 DC 전압 변환기(예를 들어, 벅/부스트 컨버터, buck-boost converter)가 연결된다. 차량측 정류기의 우회를 통해, 에너지 탭에 제공된 직류가 차량측 DC 전압 변환기에 의해서만 변환되며, 그 결과, DC 전류 소스로부터 비롯되는 직류가 자동차의 DC 링크(DC link)에 직접 도달할 수 있다. 그 결과, 에너지 탭에 제공된 DC 전압은, 전체적으로 더 적은 손실로, 전기차의 DC 전압 변환기에 의해 트랙션 배터리를 충전하기에 적합한 DC 전압으로 변환될 수 있다.
본 발명에 따른 충전 방법의 추가 실시예에 따라, 충전 과정 동안 DC 전류 소스에 연결되고 인버터의 상류에 연결된 DC 전압 변환기가 우회될 수 있다. DC 전압 변환기는, DC 전류 소스의 에너지 변환 모듈(예를 들어, 태양광 발전 모듈)에 의해 생성된 조정되지 않은 DC 전압을, 경우에 따라 변경된 전압 레벨을 갖는 조정된 DC 전압으로 변환하는, DC 전류 소스에 속하는 DC/DC 변환기일 수 있다. 이와 관련하여 DC 전압 변환기는 DC 전류 소스에 통합될 수 있다. 따라서, 본원에 설명된 본 발명에 따른 충전 방법의 실시예에서, DC 전류 소스의 출력에 인가되는 조정되지 않은 DC 전압이 직접 전기차의 DC 링크에 인가된다. 그 결과, 변환 손실이 최대한 최소화될 수 있는데, 그 이유는 이러한 경우 차량측 DC 전압 변환기가 DC 전류 소스와 트랙션 배터리 사이의 전류 경로에서 상호 연결되어 충전 과정에 관여되는 유일한 전류 변환 장치이기 때문이다.
본 발명에 따른 충전 방법의 추가 실시예에 따라, 인버터와, 필요한 경우 DC 전압 변환기를 우회하기 위해, 이러한 2개의 구성 요소를 우회하는 전류 경로가 스위치에 의해 활성화될 수 있다.
본 발명에 따른 충전 방법의 추가 실시예에 따라, 전기차의 충전 과정을 위해, DC 전류 소스의 출력이 에너지 탭 또는 이의 전류 입력에 연결될 수 있다. 이 경우, 연결은 별도로 또는 직접, 즉, 예를 들어 충전 과정을 위해 특별히 제공되어 앞서 언급된 스위치에 의해 활성화되는 전류 경로에 의해, 수행될 수 있다. 반면에 연결이 간접적으로도 수행될 수도 있으며, 그 결과 이미 존재하는 배전 인프라(예를 들어, 건물에 설치된 배전망)가 대부분 사용된다. 어떤 경우이든, 에너지 탭과 DC 전류 소스의 출력의 변경된 연결은, 일반적으로 그들 사이에 연결된 전류 변환 장치(즉, AC/DC, DC/AC, DC/DC 변환기) 중 적어도 하나가 우회되도록 한다. 달리 표현하면, 본 발명에 따른 충전 방법의 범주에서, DC 전류 소스에 의해 제공된 DC 전압, 바람직하게는, 이의 에너지 변환 모듈(들)에 의해 제공된 조정되지 않은 DC 전압은, 트랙션 배터리를 충전하기 위해 전기차의 충전 플러그에 제공될 수 있다.
본 발명에 따른 충전 방법의 다양한 실시예에서, DC 전류 소스의 출력은, 바람직하게는 DC 전류 소스의 DC 전압 변환기의 추가적인 우회 하에, 다른 경우에는 3상 전류(L1, L2, L3, N)를 이용한 전기차의 AC 충전을 위해 사용되는 에너지 탭의 위상(예를 들어, L2 및 L3)과 연결될 수 있다.
또한, 본 발명은 DC 전류 소스로 전기차를 직접 충전하기 위한 장치를 제공한다. 이 경우, 충전 장치는 전술한 유형의 DC 전류 소스, 특히, 적어도 하나의 태양광 발전 모듈을 가질 수 있는 태양광 발전 설비를 갖는다. 또한, 본 발명에 따른 장치는 DC 전류 소스에 연결된 에너지 탭을 갖는다. 이 경우, 에너지 탭은, DC 전류 소스도 할당된, 즉, 예를 들어 건물 전력 공급 시스템에 연결된 하우징에 또는 그 내에 장착될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는 스위치를 가지며, 이 스위치는 DC 전류 소스와 에너지 탭 사이에 연결되어, 활성화될 경우 DC 전류 소스의 전류 공급 및 전압 공급 출력과 에너지 탭 사이에 배치된 인버터를 우회하도록 구성된다.
충전 장치의 추가 실시예에 따라, 스위치는 추가로, DC 전류 소스와 인버터 사이에 제공된 정류기를 우회하도록 구성될 수 있다. 따라서, 이미 설명한 바와 같이, 건물측 인버터와 더불어, 일반적으로 인버터의 상류에 연결되고 예를 들어 DC 전류 소스에 할당될 수 있는 DC 전압 변환기도 우회할 수 있다.
전반적으로, 본 발명에 따른 충전 장치는, 본 발명에 따른 전술한 충전 방법을 수행할 수 있게 하는 방식으로 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 충전 장치의 추가 실시예에서, 스위치는, DC 전류 소스의 2개의 전류 공급 및 전압 공급 출력을, 다른 경우에 또는 통상적으로 교류로 전기차를 충전하는 데 사용되는 에너지 탭의 2개의 위상(예를 들어, L2 및 L3)에 연결하도록 구성될 수 있다. 특히 여기서 건물측 인버터 및 바람직하게는 이의 상류에 연결된 DC 전압 변환기도 우회됨으로써, DC 전류 소스의 조정되지 않은 DC 전압이 사전에 전류 또는 전압 변환을 거치지 않고 바로 전기차에 공급될 수 있다. 그러면, 전기차의 트랙션 배터리의 상류에 연결된 DC/DC 변환기를 통해, 전체적으로 단 1회의 전류 또는 전압 변환 프로세스만 수행된다. 상기 DC/DC 변환기는, DC 전류 소스의 전류 생성 모듈(들)에 의해 생성되는 조정되지 않은 전압을 적은 손실로 트랙션 배터리를 충전하기에 적합한 DC 전압으로 변환한다.
전술한 특징들 및 하기에 추가로 설명될 특징들은 여기에 명시된 조합뿐만 아니라 다른 방식으로 조합된 형태로 또는 단독으로도 본 발명의 범주 내에서 적용될 수 있다.
본 발명의 다른 이점 및 구성은 상세한 설명 및 첨부 도면을 참조한다.
도 1은 종래기술에 따라 수행되는 전기차의 통상적인 충전 과정의 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 전기차의 예시적인 충전 과정의 개략도이다.
도 1은 전기차가 충전되도록 의도된 예시적인 충전 인프라를 도시한다. 충전 과정은, 예를 들어 건물(5) 내에 설치된 태양광 발전 설비일 수 있는 DC 전류 소스(1)에 의해 생성된 전류를 사용하여 수행된다. DC 전류 소스(1)는 DC 전압 변환기(2)에 연결되고, DC 전압 변환기(2)는 다시 인버터(3)에 연결된다. DC 전류 소스(1)의 조정되지 않은 전압이 DC 전압 변환기(2)의 입력측에 인가된다. DC 전압 변환기(2)는 상기 입력 전압을 조정/안정화하고, 필요한 경우, 상기 입력 전압이 인버터(3)를 통해 AC 전압 또는 교류로 변환되기 전에 그의 전압 레벨을 조정한다. 이어서, 상기 교류가 건물 전력 공급 시스템(도 1에 명시적으로 도시되지 않음)으로 공급될 수 있으며, 건물(5) 자체에서 사용되거나 전력 공급망으로 공급될 수 있다.
도 1에 도시된 실시예에서, 에너지 탭(4)에 제공된 교류 전압은 전기차(9)를 충전하기 위해 사용된다. 차량 충전 인프라는 통상적인 충전 인프라에 상응할 수 있으며, 여기서는, 트랙션 배터리(8)에 연결된 DC 전압 변환기(7)에 연결된 정류기(6)에 의해 대략적으로만 도시되어 있다.
도시된 바와 같이, 종래기술로부터 공지된 통상적인 충전 과정에서는, DC 전류 소스(1)와 트랙션 배터리(8) 사이의 전류 경로가 총 4개의 전류 또는 전압 변환기를 통해 연장된다. 각각의 전류 또는 전압 변환기에 의해 수행되는 전류/전압 변환은 손실을 수반하기 때문에, 이러한 방식으로 구성된 충전 체인의 효율은 상당히 감소한다.
이와 비교하여, 도 2는 본 발명에 따른 충전 방법에 기초한 충전 인프라의 본 발명에 따른 구성을 도시한다. 기본 구성은 동일하므로, 동일한 요소는 동일한 참조 부호로 표시되며, 다시 상세히 설명하지 않는다.
종래기술과 대조적으로, 본 발명에 따른 충전 방법의 일 실시예에 따르면, 건물(5)측의 에너지 탭과 DC 전류 소스(1) 사이의 2개의 변환기, 즉, DC 전압 변환기(2)와 인버터(3)는 우회되고 충전 과정에 관여하지 않는다. 결과적으로, 이들의 손실은 본 발명에 따른 충전 체인의 효율을 감소시키지 않는다. 도시된 실시예에서, 스위치로서의 계전기(10)에 의해 대체 경로가 제공되며, 상기 대체 경로는 DC 전류 소스(1)의 출력을 에너지 탭(4)에 연결하는 데 사용된다.
상기 대체 경로는 정류기(2)만 우회하고, 다시 인버터(3)를 통하여 이어지는 통상적인 전류 경로에 합류할 수도 있으며, 그런 다음에 인버터(3)가 스위칭됨에 따라 상기 인버터의 스위칭 손실이 통전에 영향을 주지 않고 충전 과정의 효율을 저하시키지 않는다.
대안으로서, 본 발명에 따른 충전 방법의 범주에서, 인버터(3)만 우회되거나 스위칭될 수 있으며, 그 결과 정류기(2)에 의해 조정된 전압이 바로 에너지 탭(4)에 인가된다.
본 발명에 따른 방법에서는, 차량측 정류기(6)가 스위칭되거나(도 2에 도시된 옵션) 우회되는(도 2에 도시되지 않은 옵션) 방식으로 종래기술과 상이한 차량측 충전 스트랜드의 조정도 수행될 수 있다. 전기차(9)를 충전하기 위한 (필요한 경우 조정된) DC 전압이 바람직하게 이미 에너지 탭(4)에서 제공되기 때문에, 정류기(6)를 통해 충전 전압을 정류할 필요가 없으며, 결과적으로 본 발명에 따른 충전 방법의 효율이 추가로 증가할 수 있다.
본 발명에 따른 충전 방법은, 전기차(9)가 에너지 탭에 연결되는 즉시 자동으로 개시될 수 있다. 에너지 탭(4)은, DC 전류 소스(1)로부터 직접 제공되는 직류 (충전) 전류를 위한 전류 경로로 전환하도록 구성될 수 있다. 그와 동시에, 에너지 탭(4)으로부터 전기차(9)로, 정류기(6)가 스위칭될 수 있다는 정보가 전송될 수 있다.
또한, 에너지 탭(4)에는, DC 전류 소스(1)로부터 제공된 전력에 관한 정보를 상기 DC 전류 소스로부터 조회하여 이를 전기차(9)의 가능한 충전 전력과 비교하도록 구성된 장치가 제공될 수 있다. 이 장치는, 본 발명에 따른 방법이 개시될 지의 여부를 결정하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 충전 방법은, DC 전류 소스(1)를 통한 충전 전력 공급과 관련된 특정 임계값에 도달할 때 개시될 수 있다. 이 경우, 임계값은 사용자에 의해 설정될 수 있다. 상기 장치는, 전기차(9)의 최대 충전 전력의 30%에 상응하거나 에너지 탭(4)에 의해 제공될 수 있는 최대 충전 전력에 상응하는 충전 전력을 DC 전류 소스(1)가 제공할 수 있을 때에만, 본 발명에 따른 충전 방법을 개시하도록 구성될 수 있다. DC 전류 소스(1)에 의해 제공되는 충전 전력이 임계값 미만인 경우, 도 1에 따른 충전 과정이 수행될 수 있으며, 그 결과 DC 전류 소스(1)에 의해 제공된 충전 전력은 건물(5)에 연결된 전력 공급망에 의해 보충된다.

Claims (8)

  1. DC 전류 소스(1)로 전기차(9)를 직접 충전하기 위한 방법으로서, 이 방법은:
    DC 전류 소스(1)에 의해 에너지 탭(4)에 직류를 제공하는 단계; 및
    에너지 탭(4)에서 전기차(9)를 충전하는 단계;를 포함하고,
    상기 충전 과정 동안 DC 전류 소스(1)와 에너지 탭(4) 사이에 배치된 인버터(3)가 우회됨으로써, DC 전류 소스(1)에 의해 제공된 직류가 에너지 탭(4)에 제공되는,
    DC 전류 소스로 전기차를 직접 충전하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 충전 과정 동안 차량측 충전 스트랜드에 있는 정류기(6)가 우회되는, DC 전류 소스로 전기차를 직접 충전하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 충전 과정 동안, DC 전류 소스(1)에 연결되고 인버터(3)의 상류에 연결된 DC 전압 변환기(2)가 우회되는, DC 전류 소스로 전기차를 직접 충전하는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    전기차의 충전 과정을 위해, DC 전류 소스(1)의 출력이 에너지 탭(4)과 연결되며, 바람직하게는, 다른 경우에는 3상 전류로 전기차(9)를 AC 충전하기 위해 사용되는 에너지 탭(4)의 위상과 연결되는, DC 전류 소스로 전기차를 직접 충전하는 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 제3항을 인용하는 경우,
    인버터(3) 및 경우에 따라 DC 전압 변환기를 우회하기 위해, 이러한 2개의 구성 요소를 우회하는 전류 경로가 스위치(10)에 의해 활성화되는, DC 전류 소스로 전기차를 직접 충전하는 방법.
  6. DC 전류 소스(1)로 전기차(9)를 직접 충전하기 위한 장치로서, 이 장치는:
    DC 전류 소스(1);
    상기 DC 전류 소스(1)에 연결된 에너지 탭(4);
    활성화될 경우, DC 전류 소스(1)의 전류 공급 및 전압 공급 출력과 에너지 탭(4) 사이에 배치된 인버터(3)를 우회하도록 구성된 스위치(10);
    를 포함하는, DC 전류 소스로 전기차를 직접 충전하기 위한 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    스위치(10)는 추가로, DC 전류 소스(1)와 인버터(3) 사이에 제공된 DC 전압 변환기(2)를 우회하도록 구성되는, DC 전류 소스로 전기차를 직접 충전하기 위한 장치.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    스위치(10)는, DC 전류 소스(1)의 상기 2개의 전류 공급 및 전압 공급 출력을, 다른 경우에는 전기차를 AC 충전하기 위해 사용되는 에너지 탭(4)의 2개의 위상과 연결하도록 구성되는, DC 전류 소스로 전기차를 직접 충전하기 위한 장치.
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