KR20230068380A - 휴대용 전기차 배터리 충전장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 휴대 및 이동이 가능하여 원하는 장소에서 서로 다른 충전조건을 갖는 다양한 e-모빌리티 배터리를 충전할 수 있으며, 각 충전조건에 따른 배터리 출력전압의 승압 또는 강압시 발생하는 손실을 최소화할 수 있는 휴대용 전기차 배터리 충전장치에 관한 것으로, 서로 다른 충전조건을 갖는 전기차들의 인렛에 대응하여 각각 결합되며, 결합되는 전기차의 특성 및 충전규격과 관련된 충전타입 정보를 저장하는 RFID 태그가 각각 부착된 복수의 충전어댑터; 상기 복수의 어댑터 모두와 결합하며, 하나의 어댑터가 선택되어 결합될 때 상기 RFID 태그를 읽어 출력된 타입정보를 획득하기 위한 RFID 리더를 포함하는 하나의 충전커넥터; 및 상기 커넥터와 케이블로 연결되며, 상기 타입정보에 기초하여 해당 전기차의 충전조건에 상응하는 충전전력을 전기차로 제공하는 배터리팩을 포함하며, 상기 배터리팩은, 배터리 셀들로 구성되는 복수의 배터리 모듈을 포함하는 배터리부; 상기 타입정보에 따른 충전조건으로부터 충전레벨을 선택하고, 선택된 충전레벨에 기초하여 상기 복수의 배터리 모듈 사이의 전기적 연결을 변환하여 배터리 출력전압을 조절하는 출력전압 출력부; 및 상기 출력된 출력전압을 강압 또는 승압하여 상기 충전조건에 상응하는 충전전압을 출력하는 충전전압 생성부를 포함할 수 있다.

Description

휴대용 전기차 배터리 충전장치
본 발명은 휴대용 전기차 배터리 충전장치에 관한 것으로, 구체적으로 외부의 AC 전원으로부터 내부 배터리를 충전하고, 충전된 전기에너지를 이용하여 전기자동차를 포함한 다양한 e-모빌리티의 배터리를 충전할 수 있는 휴대용 전기차 배터리 충전장치에 관한 것이다.
최근 전기자동차와 함께 초소형 전기차, 전기이륜차, 농업/특수용 전동차량, 교통약자용 전동차량 및 퍼스널 모빌리티 등 생활교통과 물류배송을 목적으로 사용하는 1~2인용 개인형 이동수단을 가리키는 e-모빌리티의 보급과 관심이 확대되고 있다. 이러한 전기자동차와 e-모빌리티들은 전기에너지를 통해 구동력을 얻기 때문에 필연적으로 배터리를 탑재하고 있으며, 배터리가 방전되면 충전소나 충전장치를 이용하여 이를 다시 충전을 하여 사용하여야 한다.
전기자동차 충전장치와 관련한 종래 기술로, 등록특허공보 제10-19822983호는 복수의 커넥터 어댑터, 복수의 커넥터 어댑터 중 하나의 커넥터 어댑터에 결합 가능한 베이스 커넥터 및 베이스 커넥터에 결합된 커넥터 어댑터의 타입을 인식하고 인식된 어댑터 타입에 대응하는 충전 전원의 출력을 제어하는 제어부를 포함하는 전기자동차 충전 장치를 개시하고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 휴대 및 이동이 가능하여 원하는 장소에서 서로 다른 충전조건을 갖는 다양한 e-모빌리티 배터리를 충전할 수 있으며, 각 충전조건에 따른 배터리 출력전압의 승압 또는 강압시 발생하는 손실을 최소화할 수 있는 휴대용 전기차 배터리 충전장치를 제공하는데 있다.
상술한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 휴대용 전기차 배터리 충전장치는, 각기 다른 전기차 인렛에 대응하여 각각 결합되며, 결합되는 전기차의 충전타입 및 충전규격과 관련한 충전정보를 저장하는 RFID 태그가 각각 부착된 복수의 충전어댑터; 상기 복수의 어댑터 모두와 결합될 수 있으며, 어느 하나의 어댑터가 선택되어 결합될 때 상기 RFID 태그를 읽어 상기 충전정보를 획득하기 위한 RFID 리더를 포함하는 하나의 충전커넥터; 및 상기 커넥터와 케이블로 연결되며, 상기 충전정보에 기초하여 해당 전기차로 충전전력을 제공하는 배터리팩을 포함할 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 배터리팩은, 배터리 셀들로 구성되는 복수의 배터리 모듈을 포함하는 배터리부; 상기 충전정보에 따른 충전타입으로부터 충전레벨을 선택하고, 선택된 충전레벨에 기초하여 상기 복수의 배터리 모듈 사이의 전기적 연결을 변환하여 배터리 출력전압을 조절하는 출력전압 조절부; 및 상기 출력전압을 강압 또는 승압하여 상기 충전규격에 상응하는 충전전압을 생성하는 충전전압 생성부를 포함할 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 출력전압 조절부는, 상기 복수의 배터리 모듈 사이의 전기적 연결을 통해 얻을 수 있는 최소 출력전압과 최대 출력전압 범위 내에서 일정 구간 단위로 나눈 N개의 충전레벨들 중에서 상기 충전타입에 따라 어느 하나를 선택하는 충전레벨 선택부; 상기 선택된 충전레벨의 전압 범위내에서 상기 출력전압을 결정하는 출력전압 결정부; 및 상기 출력전압의 출력을 위한 적어도 하나의 배터리 모듈을 선택하고, 복수의 배터리 모듈들 사이의 전기적 연결을 변환하기 위한 스위칭 제어신호를 생성하는 스위칭신호 생성부를 포함할 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 충전커넥터는 상기 충전어댑터와의 접촉면에서 수분을 검출하고 수분검출신호를 생성하는 수분센서 및 상기 충전어댑터와의 전기적 연결을 차단하는 차단회로를 더 포함하며, 상기 수분검출신호에 따라 상기 차단회로를 제어하는 커넥터 안전감시부를 더 포함할 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 충전 커넥터는 상기 충전어댑터와의 결합시 물리적 결합력을 강화하기 위한 전동식 락킹장치를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 휴대용 전기차 배터리 충전장치에 의하면, 충전커넥터와 연결되는 충전어댑터를 교체함으로써 하나의 충전장치로 서로 다른 충전 조건과 인렛을 갖는 다양한 전기차를 충전할 수 있는 효과가 있다.
또한, 충전 대상이 되는 전기차의 충전 조건에 맞추어 충전장치 내부에 탑재된 배터리 모듈의 출력전압을 조절함으로써, 충전전압으로의 승압 또는 강압 과정에서 발생하는 손실을 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 휴대용 전기차 배터리 충전장치의 주요 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 2는 도 1의 충전커넥터 및 충전 어뎁터의 일 실시예를 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1의 배터리부와 직병렬 변환스위치의 일 실시예를 나타내는 회로도이다.
도 4는 도 1의 제어부의 세부 구성을 나타내는 블록도이다.
이하, 본 명세서에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 휴대용 전기차 배터리 충전장치의 주요 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이고, 도 2는 도 1의 충전커넥터 및 충전 어뎁터의 일 실시예를 나타내는 도면이고, 도 3은 도 1의 배터리부와 직병렬 변환스위치의 일 실시예를 나타내는 회로도이고, 도 4는 도 1의 제어부의 세부 구성을 나타내는 블록도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 배터리 충전장치(10)는 외부의 AC 전원으로부터 전력을 공급받아 내부 배터리를 충전하며, 충전된 내부 배터리의 DC 전원으로부터 공급되는 전력을 전기차(20)에 제공함으로써, 전기차(20)의 배터리를 충전할 수 있다.
여기서, 전기차(20)는 탑재된 배터리의 전기에너지를 전기모터로 공급하여 구동력을 발생시키는 차량을 총칭한다. 예컨대, 본 명세서에서 전기차(20)는 순수 전기자동차(EV), 하이브리드 자동차(HEV), 플러그인하이브리드 자동차(PHEV) 등의 일반적인 전기자동차 뿐만 아니라, 초소형 전기차, 전기이륜차, 특수 전동차량, 전기 자전거, 퍼스널 모빌리티 등의 e-모빌리티를 포함할 수 있다.
배터리 충전장치(100)는 복수의 충전어댑터(100), 충전커넥터(200) 및 배터리팩(300)을 포함하여 구성될 수 있다.
충전어댑터(100)는 충전커넥터(200)와 전기차(20)의 인렛(21) 사이에서 서로를 연결하는 연결도구의 역할을 한다. 이를 위해, 충전어댑터(100)는 전기차 인렛(21)과의 결합을 위한 제1연결부(130) 및 충전커넥터(200)와의 연결을 위한 제2연결부(120)를 포함하여 구성될 수 있다.
전기차의 충전조건에 따라, 충전어댑터(100)는 제1연결부(130) 및 제2연결부(120)의 규격 및 형상을 달리하여 복수개로 구성될 수 있으며, 각각의 충전어댑터(100)에는 연결 가능한 전기차의 특성 및 충전 규격(예컨대, 충전전압, 충전전류, 충전용량 등)과 관련된 충전타입 정보가 저장된 RFID 태그(110)가 부착될 수 있다.
충전커넥터(200)는 케이블(260)을 통해 배터리팩(300)과 연결되며, 배터리팩(300)에서 공급되는 충전전력을 충전어댑터(100)를 통해 전기차(20)로 제공할 수 있다.
충전커넥터(200)에는 충전어댑터(100)의 제2연결부(120)와의 결합을 위한 접속구(250)가 마련될 수 있으며, 접속구(250)는 서로 다른 핀 구조와 형상을 갖는 복수의 충전어댑터(100)의 제1연결부(120) 모두와 각각 전기적 접속이 가능하도록 구현될 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 다른 배터리 충전장치는 하나의 충전커넥터에 충전어댑터만을 바꾸어 연결함으로써, 서로 다른 구조 및 형상의 인렛을 갖는 다양한 전기차와 연결될 수 있는 장점이 있다.
또한, 충전커넥터(200)는 RFID 리더(210)를 포함할 수 있다. RFID 리더(210)는 충전어댑터(100)가 결합을 위해 충전커넥터(200)로 접근될 때, 충전어댑터(100)에 부착된 RFID 태그(110)를 읽어 충전타입 정보를 획득하고, 획득된 충전타입 정보를 배터리팩(300)으로 제공할 수 있다.
또한, 충전커넥터(200)는 수분센서(220)를 포함할 수 있다. 수분센서(220)는 충전커넥터(200)와 충전어댑터(100)의 접촉 부위에서의 수분량을 검출할 수 있으며, 검출 결과를 배터리팩(300)으로 제공할 수 있다.
또한, 충전 커넥터(200)는 충전커넥터(200)와 충전어댑터(100) 사이의 전기적 연결을 온/오프하는 차단회로(230) 및 충전커넥터(200)와 충전어댑터(100)가 결합될 때 물리적 결합력을 강화시키기 위한 전동식 락킹장치(240)를 포함할 수 있다.
배터리팩(300)은 DC/DC 컨버터(310), 직병렬 변환스위치(320), 배터리부(330), AC/DC 컨버터(340) 및 제어부(350)를 포함하여 구성될 수 있다.
배터리부(330)는 복수의 배터리 셀들로 구성되는 복수의 배터리 모듈들로 구성될 수 있다. 에컨대, 도 2에서는 배터리부(330)가 4개의 배터리 모듈, 즉 제1배터리 모듈(311), 제2배터리 모듈(312), 제3배터리 모듈(313) 및 제4배터리 모듈(314)로 구성됨을 도시하고 있으나, 배터리부(330)에 포함되는 배터리 모듈의 개수가 이에 한정되는 것은 아니다.
각각의 배터리 모듈을 구성하는 배터리 셀은 전기에너지를 충전 및 방전해 사용할 수 있는 2차 전지로 납 축전지(Lead_Acid), 니켈 카드뮴(Ni-Cd) 전지, 니켈 수소(Ni-MH) 전지, 리튬 이온(Li-ion) 전지, 리튬 폴리머(Li-Polymer) 전지 등으로 구현될 수 있다.
직병렬 변환스위치(320)는 제어부(350)의 제어신호에 따라 스위칭 동작을 수행하는 복수의 스위치(S1 내지 S11)를 구비할 수 있다. 즉, 직병렬 변환스위치(320)는 복수의 배터리 모듈들(311 내지 314) 사이를 연결하는 스위치를 온/오프시킴으로써, 배터리부(330)의 출력전압(Vb)을 변동시키기 위한 것이다.
예컨대, 배터리 모듈이 3.7V의 정격 전압을 갖는 10개의 배터리 셀로 구성된다고 가정할 때, 도 2에 도시된 배터리 모듈들(311 내지 314)은 각각 30V의 정격 전압을 나타내며, 직병렬 변환스위치(320)의 스위칭에 따라 배터리부(330)의 출력전압(Vb)은 0V ~ 120V의 범위에서 변동될 수 있다.
DC/DC 컨버터(310)는 제어부(350)의 제어에 따라 배터리부(330)의 출력전압(Vb)을 강압 또는 승압하여 전기차(20) 충전을 위한 충전전압(Vc)을 생성할 수 있다. 예컨대, DC/DC 컨버터(310)는 강압 컨버터(Buck Converter)와 승압 컨버터(Boost Converter), 또는 승강압 컨버터(Buck-Boost Converter)로 구현될 수 있다.
AC/DC 컨버터(340)는 외부에서 인가된 AC 전원을 DC 전원으로 변환하여 베터리부(330)를 충전하기 위한 것으로, 회로 구성은 공지된 통상의 기술을 채용하여 구현될 수 있다.
제어부(350)는 배터리모듈 관리부(360), 출력전압 조절부(370), 충전전압 생성부(380), 커넥터 안전감시부(390)를 포함하여 구성될 수 있다.
배터리모듈 관리부(360)는 보호회로장치(Protection Circuit Module; PCM), 배터리 관리 시스템(Battery Management System; BMS) 등을 포함할 수 있다.
보호회로장치는 배터리 셀의 과충전 및 과방전을 보호하며, 과전류로 인한 보호회로 및 배터리 손상을 방지하는 기능을 수행할 수 있다. 배터리 관리시스템은 배터리의 충방전 상태, 전압, 온도, 내부압력, 입출력 상태등을 감시하며, 배터리 잔량, 시간, 총에너지량, 충방전 이력 등을 계산하여 충전 및 방전을 제어할 수 있다. 또한, 배터리 관리시스템은 직렬로 연결된 배터리 셀 전압을 동일하게 맞추는 셀 밸런싱 기능을 수행할 수 있다.
출력전압 조절부(370)는 배터리부(330)의 출력전압(Vb)을 조절하기 위한 구성으로, 충전레벨 선택부(371), 출력전압 결정부(372) 및 스위칭신호 생성부(373)를 포함할 수 있다.
충전레벨 선택부(371)는 충전커넥터(200)의 RFID 리더(210)로부터 제공된 충전타입에 기초하여, 배터리부(330)의 출력전압(Vb)과 관련된 충전레벨을 선택할 수 있다.
구체적으로, 충전레벨은 배터리 모듈들 사이의 전기적 연결을 통해 출력될 수 있는 배터리부(330)의 최소 출력전압과 최대 출력전압 범위 내에서 구분된 일정 구간을 의미할 수 있다. 예컨대, 도 2의 실시 예에 따라, 배터리부(300)의 최소 출력전압이 0V이고 최대 출력전압이 120V라 가정할 때, 출력전압레벨은 4개의 레벨로 구분될 수 있으며, 제1레벨은 0V ~ 30V 전압구간을, 제2레벨은 30V~60V 전압구간을, 제3레벨은 60V~90V 전압구간을, 제4레벨은 90V~120V 전압구간을 의미할 수 있다.
이와 같은 충전레벨의 개수와 전압구간은 배터리부의 출력전압 범위와 충전 대상인 전가차의 충전 조건을 고려하여 미리 설정될 수 있으며, 각각의 충전타입과 매칭하여 배터리팩(300)에 내장된 메모리에 저장될 수 있다. 예컨대, 전기자동차와 같이 높은 충전전압이 요구되는 충전타입은 높은 충전레벨과 매칭될 수 있으며, 상대적으로 낮은 충전전압이 요구되는 e-모빌리티의 충전타입은 보다 낮은 충전레벨과 매칭될 수 있다.
출력전압 결정부(372)는 배터리 관리부(360)로부터 제공된 배터리 상태정보를 고려하여, 선택된 충전레벨에 따른 전압 범위내에서 출력전압을 결정할 수 있으며, 스위칭신호 생성부(373)는 결정된 출력전압 또는 선택된 충전레벨에 따라 적어도 하나의 배터리 모듈을 선택하고, 직병렬 변환스위치(320)의 스위치(S1 내지 S11)를 제어하여 배터리 모듈들 사이의 전기적 연결을 변환할 수 있다.
커넥터 안전감시부(390)는 충전 커넥터(200)의 차단회로(230) 및 락킹장치(240)를 제어할 수 있다.
이상에서, 본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (4)

  1. 각기 다른 전기차 인렛에 대응하여 각각 결합되며, 결합되는 전기차의 충전타입 및 충전규격과 관련한 충전정보를 저장하는 RFID 태그가 각각 부착된 복수의 충전어댑터;
    상기 복수의 어댑터 모두와 결합될 수 있으며, 어느 하나의 어댑터가 선택되어 결합될 때 상기 RFID 태그를 읽어 상기 충전정보를 획득하기 위한 RFID 리더를 포함하는 하나의 충전커넥터; 및
    상기 커넥터와 케이블로 연결되며, 상기 충전정보에 기초하여 해당 전기차로 충전전력을 제공하는 배터리팩을 포함하며,
    상기 배터리팩은,
    배터리 셀들로 구성되는 복수의 배터리 모듈을 포함하는 배터리부;
    상기 충전정보에 따른 충전타입으로부터 충전레벨을 선택하고, 선택된 충전레벨에 기초하여 상기 복수의 배터리 모듈 사이의 전기적 연결을 변환하여 배터리 출력전압을 조절하는 출력전압 조절부; 및
    상기 출력전압을 강압 또는 승압하여 상기 충전규격에 상응하는 충전전압을 생성하는 충전전압 생성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 전기차 배터리 충전 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 출력전압 조절부는,
    상기 복수의 배터리 모듈 사이의 전기적 연결을 통해 얻을 수 있는 최소 출력전압과 최대 출력전압 범위 내에서 일정 구간 단위로 나눈 N개의 충전레벨들 중에서 상기 충전타입에 따라 어느 하나를 선택하는 충전레벨 선택부;
    상기 선택된 충전레벨의 전압 범위내에서 상기 출력전압을 결정하는 출력전압 결정부; 및
    상기 출력전압의 출력을 위한 적어도 하나의 배터리 모듈을 선택하고, 복수의 배터리 모듈들 사이의 전기적 연결을 변환하기 위한 스위칭 제어신호를 생성하는 스위칭신호 생성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 전기차 배터리 충전 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 충전커넥터는 상기 충전어댑터와의 접촉면에서 수분을 검출하고 수분검출신호를 생성하는 수분센서 및 상기 충전어댑터와의 전기적 연결을 차단하는 차단회로를 더 포함하며,
    상기 수분검출신호에 따라, 상기 차단회로를 제어하는 커넥터 안전감시부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 전기차 배터리 충전 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 충전 커넥터는 상기 충전어댑터와의 결합시 물리적 결합력을 강화하기 위한 전동식 락킹장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 전기차 배터리 충전장치.
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