JP2016149921A - 電気自動車の充電システム - Google Patents
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Abstract
【課題】別途の充電器を設けることなく、電気自動車に既に取り付けられたモーター及びインバーターに基づき具現される電気自動車の充電システムを提供する。
【解決手段】電気自動車の充電システムは、直流電力を蓄積または出力する直流電源１０１、電気自動車を駆動するモーター１１７、前記モーターを駆動させるインバーター、交流電力を出力する交流電源１２３、前記インバーターが出力する直流電力を前記直流電源に供給するためのスイッチング動作を行う充電リレー１１９、及び前記交流電源を前記インバーターに供給するためのスイッチング動作を行う入力リレー１０７を含む。
【選択図】図２
【解決手段】電気自動車の充電システムは、直流電力を蓄積または出力する直流電源１０１、電気自動車を駆動するモーター１１７、前記モーターを駆動させるインバーター、交流電力を出力する交流電源１２３、前記インバーターが出力する直流電力を前記直流電源に供給するためのスイッチング動作を行う充電リレー１１９、及び前記交流電源を前記インバーターに供給するためのスイッチング動作を行う入力リレー１０７を含む。
【選択図】図２
Description
本発明は、電気自動車の充電システムに関する内容であって、具体的には、外部電源をプラグイン方式で接続してバッテリーの充電を提供する充電システムに関する技術である。
ハイブリッド自動車（Plug-in Hybrid Electric Vehicle、以下、「PHEV」と称する）または電気自動車（Electric Vehicle、以下、「EV」と称する）は、外部交流（Analog Current、以下、「AC」と称する）電源から車両の内部に取り付けられた緩速充電器（On-board Charger、以下、「OBC」と称する）を介して走行に必要な電気エネルギーをバッテリーに充電して走行する。
このようなOBCは、高電圧スイッチ、インダクター、キャパシタ、絶縁型トランスフォーマー、リレー、制御ボード、冷却システムと、これを構成するための別途のパッケージングとが必要であるため、サイズ、重量及び価格的に不利である。その上、車両の走行中には不要で、充電中にだけ必要なOBCを別に構成して車両に取り付けなければならない。よって、車両の重量増加によって車両の駆動燃費に悪影響を与えるという問題がある。
さらに、従来、バッテリーを充電するため、インバーターで家庭用電源を目標電圧に昇圧（Boost）させ、直流（Direct Current、以下、「DC」と称する）-直流（DC）コンバーターはスイッチング制御を行うことなく単なる電流パスのみ形成する構造が提示されている。このような構造は、高電圧バッテリー電圧が入力された家庭用電圧より高い場合は関係ないが、低い場合はブーストPFC（Power Factor Corrector）の制御に困難さがある。
さらに、従来、モーターシステムの構成に応じて、HDC（High Voltage DC-DC Converter）がない場合には、高電圧バッテリー電圧が入力電圧より低い場合に対しては制御ができないという欠点がある。これを克服するためには、バック（Buck）コンバーターの役割が可能な別途の直流（DC）-直流（DC）装置が必要である。
さらに、従来のインバーター一体型充電システム構造は、両方向DC-DCコンバーターを含む構造であって、インバーターを介しブースト（Boost）制御を行って入力電圧をバッテリー電圧以上に昇圧させる。そして、両方向コンバーターを介しバック（Buck）制御を行って目標バッテリー電圧に降圧させる。
ところが、このような構造は、車両自体に両方向コンバーターが含まれている構造にだけ適用され得るという限界がある。また、両方向コンバーターがない場合には、外部入力電圧及びバッテリー電圧範囲に応じて充電不可領域が発生する。つまり、バッテリー電圧範囲が低い場合、或いはAC整流電圧 ＞ バッテリー電圧の場合、バッテリーの低SOC（State-of-charge）領域でブースト充電制御不可領域が発生する。
本発明が解決しようとする技術的課題は、別途の充電器を設けることなく、電気自動車に既に取り付けられたモーター及びインバーターに基づき具現される電気自動車の充電システムを提供することにある。
本発明の他の目的及び利点等は、下記の説明によって理解可能であり、本発明の実施例により一層明らかに分かることになるはずである。本発明の目的及び利点等は、特許請求の範囲に示した手段及びその組合せによって実現可能であることが容易に分かるはずである。
本発明の一実施形態に係る電気自動車の充電システムは、直流電力を蓄積または出力する直流電源、前記電気自動車を駆動するモーター、電流の流れに従い前記モーターを駆動させるインバーター、前記直流電源に電力を供給する交流電源、前記インバーターが出力する直流電力を前記直流電源に供給するためのスイッチング動作を行う充電リレー、及び前記交流電源を前記インバーターに供給するためのスイッチング動作を行う入力リレーを含む。
さらに、前記入力リレーは、前記交流電源の両端に配置される2つの入力リレーを含むことができる。
さらに、前記モーターの駆動時に、前記モーターへ前記直流電源に充電された直流電源を供給する2つのメインリレー；及び前記直流電源と並列に連結され、前記充電リレー及び前記メインリレーの間に配置され、前記直流電源に充電される電源を格納する補助キャパシタをさらに含むことができる。
さらに、前記充電リレーと前記インバーターとの間に配置されるインダクターをさらに含むことができる。
さらに、前記充電リレーは、前記直流電源と前記インバーターとの間に備えられる第1充電リレー、及び前記モーターと前記入力リレーとの間に備えられる第2充電リレーを含むことができる。
さらに、前記第2充電リレーは、複数個の前記第2充電リレーが直列に連結されてもよい。
さらに、前記インバーターの3相スイッチのうち2相では、ブースト（Boost）制御を利用してバッテリー電圧以上に昇圧されるブーストコンバーターに利用されてもよい。
さらに、前記インバーターの3相スイッチのうち1相では、バック（Buck）制御を利用してキャパシタの電圧が目標バッテリーの電圧に降圧されるバックコンバーターに利用されてもよい。
本発明の実施形態によれば、電気自動車で既存に構成されていた充電器（OBC）を用いず、既存のPE（Power Electronic）部品及び簡単な追加装置を用いて、車両システムの構成に係らず既に取り付けられているモーター及びインバーターをもって充電システムを具現することができる。よって、モーター及びインバーターを用いる全てのシステム、例えば、1モーター、2モーター、HDCの包含有無に係らないシステムで充電動作を具現することができる。したがって、パッケージング性能の向上、車両重量の低減、充電器に比べた大幅のコストの節減が可能である。
このような充電器（OBC）の削除により、車両パッケージング及び重量の低減に寄与して車両駆動の効率を上昇させることができる。また、充電器（OBC）の価格である1台当り約100万ウォン（推定）から、追加装置の構成時にかかる費用の約20万ウォン（推定）を除いた80万ウォンのコスト節減の効果を期待することができる。
併せて、本発明の実施形態によれば、既存の充電システムに備えられた整流器を用いないことから、追加的なパッケージング性能の向上、車両重量の低減及びコスト節減が可能である。
以下では、図を参考にしながら、本発明の実施形態に対し、本発明の属する技術分野で通常の知識を有する者が容易に実施することができるように詳しく説明する。しかし、本発明は多様な異なる形態に具現されてもよく、ここで説明する実施形態に限定されない。また、図で本発明を明らかに説明するため、説明と係わりのない部分は省略し、明細書全体を通して類似の部分に対しては類似の図面符号を付けた。
明細書全体で、ある部分がある構成要素を『含む』という場合、これは、特に反対される記載がない限り、他の構成要素を除外するものではなく、他の構成要素をさらに含むことができることを意味する。
さらに、明細書に記載された『・・・部』の用語は、少なくとも1つの機能や動作を処理する単位を意味し、これはハードウェアやソフトウェア、またはハードウェア及びソフトウェアの結合で具現されてもよい。
以下、図を参考にしながら、本発明の実施形態に係る電気自動車の充電システムに対し詳しく説明する。
ここで、電気自動車は、ハイブリッド自動車または電気自動車であってもよい。
本発明の一実施形態に係る電気自動車の充電システムは、常用電源である外部電源をプラグイン方式で接続してバッテリーの充電を提供する充電システムである。
図1は、本発明の一実施形態に係る電気自動車の充電システムのブロック図であって、モーター（motor）システムの一体型充電システムの構造を示す。
図1に示す通り、充電システムは、直流電源101、メインリレー1 103、メインリレー2 105、充電リレー1 107、補助キャパシタ（Buck）111、DCリンクキャパシタ113、インバーター115、モーター117、充電リレー2 119、入力リレー121及び交流電源123を含む。
ここで、直流電源101、メインリレー1 103、メインリレー2 105、充電リレー1 107、補助キャパシタ（Buck）111はバッテリーを構成する。このようなバッテリーは、インバーター115から直流電力の供給を受けて直流電源101に蓄積する。また、直流電源101に充電された直流電力は、インバーター115を介してモーター117に供給される。
インバーター115は、電流の流れ方向に沿って電気自動車のモーター117を制御する。このようなインバーター115は直流電力を交流電力に変換する。
モーター117は、インバーター115に連結されて電気自動車（図示省略）を駆動し、バッテリーからインバーター115を経て供給された交流を利用して駆動される。
交流（AC）電源123は外部電源であって、バッテリーに電力を供給する。
このとき、本発明の実施形態によれば、充電リレー1 107、充電リレー2 119及び入力リレー121が充電システムに更に構成される部品である。
さらに、図1に示したが、補助キャパシタ（Buck）111は充電システムに選択的に追加される部品である。
ここで、補助キャパシタ（Buck）111は、インダクター（図2の109）に流れるリプル電流を吸収して直流電圧を作る用途に用いられる平滑用キャパシタである。ここではバッテリーが大容量キャパシタの役割を担うので不要であるかもしれないが、制御上の必要時に追加されてもよい。
メインリレー1 103及びメインリレー2 105は、直流電源101に充電された電源をモーター119へ供給するためのスイッチング動作を行う。メインリレー1 103及びメインリレー2 105は、直流電源101の両端に連結されて直流電源101に入出力される電圧及び電流を制御する。
充電リレー1 107、充電リレー2 119及び入力リレー121は、交流（AC）電源123から交流電源をバッテリーへ供給して充電するためのスイッチング動作を行う。
ここで、図1の充電システムの充電動作を説明する。
図2は、図1の充電システムを簡略化した図で、図3は、充電動作時の図1の充電システムを簡略化した図であり、図4は、本発明の一実施形態に基づき問題領域を解決する状況を示した図である。
図2及び図3に示す通り、充電時に下記表1のように、メインリレー1 103及びメインリレー2 105と充電リレー1 107、充電リレー2 119、入力リレー121を利用して回路の結線を変え、インバーター115のスイッチを用いてブースト（Boost）コンバーター（A）とバック（Buck）コンバーター（B）を構成する。
ここで、追加される部品107、119、121は、インバータースイッチング素子であるパワーモジュールパックの外部に設置可能なので、既存のシステム構成をそのまま利用することができるようになる。
ここで、モーター駆動時と充電時のリレーは、前記表1のように動作して回路の結線を作る。
このとき、AC外部電源123を、インバーター115の3相スイッチのうち2相を利用してブースト（Boost）制御を行い、バッテリー電圧以上に昇圧させる。そして、昇圧された電圧はDCリンクキャパシタ113に充電される。そして、インバーター115の3相スイッチのうち1相を利用してバック（Buck）制御を行い、DCリンクキャパシタ113の電圧を目標バッテリー電圧に降圧させる。つまり、図1は、簡単に図2に変わることになることが分かる。ここで、インバーター115はスイッチング素子が3相で構成されており、2相はブーストコンバーター（A）に用いられ、1相はバックコンバーター（B）に用いられる。
ここで、インバーターの2相はブーストコンバーター（A）に用いられ、但し、並列に連結された制御方法に従いさらに良好な性能を期待することができる。
具体的に、ブーストコンバーター（A）に用いられる1相（C）は、交流電源123が陽[+]であるときブーストスイッチング動作を行い、ブーストコンバーター（A）に用いられる1相（D）は、交流電源123が陰[-]であるときブーストスイッチング動作を行うことにより、別途の整流器が備えられなくともブーストスイッチング動作が可能な構造である。
したがって、図1、2及び3に示した充電システムは、DC-DC両方向コンバーターがない構造で、インバーターのスイッチだけ有してブースト（Boost）コンバーター（A）とバック（Buck）コンバーター（B）を構成することができ、別途の整流器が備えられなくともブーストスイッチング動作が可能な構造の構成を有することができる。このようにすれば、図4に示す通り、既存の問題領域を解決することができる。
つまり、従来のインバーター充電器の構成では、モーターのインダクタンスとインバーターのスイッチ素子を有してブースト制御のみ可能であった。したがって、交流入力電圧が高電圧バッテリーより電圧の高い区間（図4の電圧制御が不可能な領域）ではブースト電圧の制御ができない。
したがって、所望の電圧で制御ができない区間が生じるのである。
しかし、本発明の一実施形態によれば、別途のバックコンバーターまたは両方向DC-DCコンバーターの構成なしに、インバーターのスイッチング素子だけでブースト制御及びバック制御を可能にする。したがって、ブースト制御を介しDC-Link電圧を常に交流入力電圧より高い領域に昇圧し、バック制御を介しDC-Link電圧を再度所望の電圧、即ち、高電圧バッテリーの目標電圧に降圧させることができるので、既存の問題領域と係わりなく常に制御可能な状態にすることができる。
本発明の一実施形態に係る充電システムの構成は、DC-DC両方向コンバーターがない構造で、インバーター115のスイッチだけ有してブースト（Boost）コンバーターとバック（Buck）コンバーターを構成することができる。
併せて、本発明の一実施形態に係る充電システムの構成では、充電器（OBC）の削除により、車両パッケージング及び重量の低減に寄与して車両駆動の効率を上昇させることができる。
以上、本発明は、例として限定された構成と図によって説明されたが、本発明の技術的思想はこのようなものに限定されず、本発明の属する技術分野で通常の知識を有する者によって、本発明の技術的思想と特許請求の範囲の均等範囲内で多様な修正及び変形実施が可能なはずである。
Claims (8)
- 電気自動車の充電システムにおいて、
直流電力を蓄積または出力する直流電源；
前記電気自動車を駆動するモーター；
電流の流れに従い前記モーターを駆動させるインバーター；
前記直流電源に電力を供給する交流電源；
前記インバーターが出力する直流電力を前記直流電源に供給するためのスイッチング動作を行う充電リレー；及び
前記交流電源を前記インバーターに供給するためのスイッチング動作を行う入力リレー
を含むことを特徴とする電気自動車の充電システム。 - 前記入力リレーは、前記交流電源の両端に配置される2つの入力リレーを含むことを特徴とする請求項1に記載の電気自動車の充電システム。
- 前記モーターの駆動時に、前記モーターへ前記直流電源に充電された直流電源を供給する2つのメインリレー；及び
前記直流電源と並列に連結され、前記充電リレー及び前記メインリレーの間に配置され、前記直流電源に充電される電源を格納する補助キャパシタをさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の電気自動車の充電システム。 - 前記充電リレーと前記インバーターとの間に配置されるインダクターをさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の電気自動車の充電システム。
- 前記充電リレーは、
前記直流電源と前記インバーターとの間に備えられる第1充電リレー；及び
前記モーターと前記入力リレーとの間に備えられる第2充電リレーを含むことを特徴とする請求項4に記載の電気自動車の充電システム。 - 前記第2充電リレーは、複数個の第2充電リレーが直列に連結されていることを特徴とする請求項5に記載の電気自動車の充電システム。
- 前記インバーターの3相スイッチのうち2相では、ブースト（Boost）制御を利用してバッテリー電圧以上に昇圧されるブーストコンバーターに利用されることを特徴とする請求項1に記載の電気自動車の充電システム。
- 前記インバーターの3相スイッチのうち1相では、バック（Buck）制御を利用してキャパシタの電圧が目標バッテリーの電圧に降圧されるバックコンバーターに利用されることを特徴とする請求項1に記載の電気自動車の充電システム。
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