KR100405710B1

KR100405710B1 - 전기 자동차의 배터리 충전 장치

Info

Publication number: KR100405710B1
Application number: KR10-2001-0036564A
Authority: KR
Inventors: 이영국
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2001-06-26
Filing date: 2001-06-26
Publication date: 2003-11-14
Also published as: KR20030000538A

Abstract

본 발명은 전기 자동차의 배터리 충전 장치에 관한 것이다.

본 발명에 의하면, AC 전원 입력부는 외부에서 입력받은 AC 전원을 AC 입력 필터부로 전달하되 제어부의 진폭 제한 신호에 따라 차단시키며, 전압의 위상과 진폭을 감지하여 제어부에 전달하고, AC 입력 필터부는 충전 장치 내부에서 스위칭 시에 발생하는 고주파 노이즈를 필터링하여 출력하고, 탭 변환 변압기는 제어부의 탭 변환 신호에 대응하여 선택된 소정의 변압을 출력하고, 전파 정류부는 DC로 변환하여 출력하고, 평활부는 고전압 측 신호를 받아 평활하여 출력하고, 전류 감지부는 저전압 측 신호를 받아 출력하되 전류를 감지하여 제어부로 전달하며, 승압형 컨버터부는 제어부의 승압 제어 신호에 따라 단위 역률을 수행하여 배터리 충전 전류를 출력함으로써, 전기 자동차의 배터리를 효율적으로 충전시킬 수 있다.

Description

전기 자동차의 배터리 충전 장치{ELECTRIC AUTOMOBILE BATTERY CHARGING EQUIPMENT}

본 발명은 전기 자동차에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전기 자동차의 배터리 충전 장치에 관한 것이다.

전기 자동차용 배터리 충전 장치는 광범위한 동작 영역, 즉, 입력 AC 220Vrms, 10% 변동, 출력 DC 레인지 250V~400V 등에서 최대 효율 운전이 가능하여야 한다. 이러한, 최대 효율 운전은 입력 전원의 단위 역률 제어가 가능하여야 하고, 스위칭 소자에 의한 전력 손실을 최소화 할 수 있는 구조 및 제어 방식을 채용하여야만 구현할 수 있다.

그러나, 이와 같은 충전 장치의 효율 및 동작 운전 범위를 만족하기 위하여, 종래의 배터리 충전기는 수많은 수동 소자, 스위칭 소자, 변압기 등을 채용하고 있어서, 이로 인한 부품의 비용이 과다하고, 전력 소모가 크며, 구성이 복잡하게 되는 문제점이 있다.

따라서, 배터리를 사용하는 전기 자동차에 있어서, 간단한 구성으로도 단위역률 제어가 가능하여 최대 효율로 동작하는 전기 자동차의 충전 장치를 제공하자는 데 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기 자동차의 배터리 충전 장치의 블록도이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전기 자동차의 배터리 충전 장치를 회로로 구현할 때의 도면이다.

이러한 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명의 특징에 따른 전기 자동차의 충전 장치는, 충전 장치에 의해 충전 가능한 배터리에서 전력을 공급받아 구동하는 전기 자동차에 있어서, 외부에서 입력받은 AC 전원을 AC 입력 필터부로 전달하되 제어부의 진폭 제한 신호에 따라 차단 될 수 있고, 전압의 위상과 진폭을 감지하여 제어부에 전달하는 AC 전원 입력부; 상기 AC 전원 입력부에서 AC 전원을 입력받고, 충전 장치 내부에서 스위칭 시에 발생하는 고주파 노이즈를 필터링하여 출력하는 AC 입력 필터부; 상기 AC 입력 필터부에서 출력되는 신호를 받아 변압하고, 제어부의 탭 변환 신호에 대응하여 선택한 소정의 변압을 출력하는 탭 변환 변압기; 상기 탭 변환 변압기에서 출력되는 신호를 받아 DC로 변환하여 출력하는 전파 정류부; 상기 전파 정류부에서 출력되는 고전압 측 신호를 받아 평활하여 출력하는 평활부; 상기 전파 정류부에서 출력되는 저전압 측 신호를 받아 출력하되 전류 신호를 감지하여 제어부로 전달하는 전류 감지부; 상기 평활부에서 고전압 측 신호를 받고, 상기 전류 감지부에서 저전압 측 신호를 받아, 제어부의 승압 제어 신호에 따라 단위 역률을 수행하여 배터리 충전 전류를 출력하는 승압형 컨버터부; 및 상기 AC 전원 입력부에서 받은 전압의 위상과 진폭, 및 상기 전류 감지부에서 받은 전류 신호를 처리하여, 상기 진폭 제한 신호, 탭 변환 신호, 및 승압 제어 신호를 출력하는 제어부를 포함한다.

상기 승압형 컨버터부는, 상기 평활부에서 출력되는 고전압 측과, 상기 전류 감지부에서 출력되는 저전압 측 사이를, 상기 제어부의 승압 제어 신호에 따라 단락 또는 개방시키는 온오프 스위치; 상기 평활부에서 출력되는 고전압 측과, 상기 전류 감지부에서 출력되는 저전압 측 사이에 역방향으로 연결되어 있는 다이오드; 및 상기 다이오드와 병렬 연결되어 있는 콘덴서를 포함한다.

상기 탭 변환 신호는, 상기 탭 변환 변압기가(Vbat는 배터리 전압,Vinp는 AC 입력 전원의 피크치)를 만족하게 하는 변압을 출력하도록 제어하는 신호임을 특징으로 한다.

이에 따라, AC 전원 입력부는 외부에서 입력받은 AC 전원을 AC 입력 필터부로 전달하되 제어부의 진폭 제한 신호에 따라 차단시키며, 전압의 위상과 진폭을 감지하여 제어부에 전달하고, AC 입력 필터부는 충전 장치 내부에서 스위칭 시에 발생하는 고주파 노이즈를 필터링하여 출력하고, 탭 변환 변압기는 제어부의 탭 변환 신호에 대응하여 선택된 소정의 변압을 출력하고, 전파 정류부는 DC로 변환하여 출력하고, 평활부는 고전압 측 신호를 받아 평활하여 출력하고, 전류 감지부는 저전압 측 신호를 받아 출력하되 전류를 감지하여 제어부로 전달하며, 승압형 컨버터부는 제어부의 승압 제어 신호에 따라 단위 역률을 수행하여 배터리 충전 전류를 출력함으로써, 전기 자동차의 배터리를 효율적으로 충전시킬 수 있다.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 가장 바람직한 실시예에 따른 전기 자동차의 충전 장치의구체적인 구성 및 동작을 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.

도 1에 본 발명의 실시예에 따른 전기 자동차의 충전 장치의 블록도가 도시되어 있다.

첨부한 도 1에 도시되어 있듯이, 본 발명의 실시예에 따른 전기 자동차의 충전 장치는, AC 전원 입력부(220), AC 입력 필터부(230), 탭 변환 변압기(240), 전파 정류부(250), 평활부(260), 전류 감지부(270), 승압형 컨버터부(280), DC 출력부(290), 및 제어부(300)로 이루어진다. 도 1에 도시된 그림에서, AC 전원(210)은 본 발명의 실시예에 따른 전기 자동차의 충전 장치가 외부에서 AC 전원(210)을 공급받는 것을 표시한 것이고, 배터리(310)는 본 발명의 실시예에 따른 전기 자동차의 충전 장치가 전기 자동차에 장착되어 있는 배터리(310)에 충전시키는 것을 표시한 것이다.

AC 전원 입력부(220)는 외부에서 입력받은 AC 전원(210)을 AC 입력 필터부(230)로 전달하되 제어부(300)의 진폭 제한 신호에 따라 차단 될 수 있고, 전압의 위상과 진폭을 감지하여 제어부(300)에 전달한다.

AC 입력 필터부(230)는 상기 AC 전원 입력부(220)에서 AC 전원(210)을 입력받고, 충전 장치 내부에서 스위칭 시에 발생하는 고주파 노이즈를 필터링하여 출력한다.

탭 변환 변압기(240)는 상기 AC 입력 필터부(230)에서 출력되는 신호를 받아 변압하고, 제어부(300)의 탭 변환 신호에 대응하여 선택한 소정의 변압을 출력한다.

전파 정류부(250)는 상기 탭 변환 변압기(240)에서 출력되는 신호를 받아 DC로 변환하여 출력한다.

평활부(260)는 상기 전파 정류부(250)에서 출력되는 고전압 측 신호를 받아 평활하여 출력한다.

전류 감지부(270)는 상기 전파 정류부(250)에서 출력되는 저전압 측 신호를 받아 출력하되 전류 신호를 감지하여 제어부(300)로 전달한다.

승압형 컨버터부(280)는 상기 평활부(260)에서 고전압 측 신호를 받고, 상기 전류 감지부(270)에서 저전압 측 신호를 받아, 제어부(300)의 승압 제어 신호에 따라 단위 역률을 수행하여 배터리(310)에 충전 전류를 출력한다.

DC 출력부(290)는 상기 승압형 컨버터부(280)에서 출력되는 DC 출력을 받아 배터리(310)로 전달한다.

제어부(300)는 상기 AC 전원 입력부(220)에서 받은 전압의 위상과 진폭, 및 상기 전류 감지부(270)에서 받은 전류 신호를 처리하여, 상기 진폭 제한 신호, 탭 변환 신호, 및 승압 제어 신호를 출력한다.

이러한 구조로 이루어진 본 발명의 실시예에 따른 전기 자동차의 충전 장치의 동작을 보다 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전기 자동차의 배터리(310) 충전 장치를 회로로 구현할 때의 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이, AC 전원 입력부(220)는 외부에서 입력받은 AC 전원(210)을 AC 입력 필터부(230)로 전달한다. 이때, 전압의 위상과 진폭이 감지되어 제어부(300)로 전달되는데, 제어부(300)는 입력 AC 전원(210) 전압의 진폭이 소정의 값을 넘으면, 회로를 보호하기 위하여 AC 입력 필터부(230)로 전달되지 못하도록 하기 위한 소정의 진폭 제한 신호를 생성하여, 스위치(SW1,SW2)에 공급함으로써 AC 전원(210)이 AC 입력 필터부(230) 후단으로 전달되지 못하도록 차단시킨다.

상기 AC 전원 입력부(220)에서 AC 전원(210)을 입력받은 AC 입력 필터부(230)는, 충전 장치 내부, 특히 승압형 컨버터부(280)에서 스위칭 시에 발생하여 전체 회로에 영향을 끼치는 고주파 노이즈를 필터링하여 출력한다. 이외에도, 실제 구현시 스위치 회로가 더 추가되는 경우에 그 스위치 회로들의 스위칭 시에 고주파 노이즈가 발생한 것을 필터링 하게 된다. 이것은, 도 2에 도시된 코일들(CL1, L1, L2)의 상호 작용에 의하여 구현된다.

상기 AC 입력 필터부(230)에서 출력되는 신호를 받은 탭 변환 변압기(240)는 변압기(CL2)에 의하여 변압하고, 제어부(300)의 탭 변환 신호를 받는 스위치들 (SW3,SW4)에 의하여 선택된 소정의 변압을 출력한다. 여기서, 탭 변환 변압기(240)는, 제어부(300)의 탭 변환 신호에 의한 제어를 받아(Vbat는 배터리 전압,Vinp는 AC 입력 전원의 피크치)를 만족하게 하는 변압을 출력하도록 되어있다.

상기 탭 변환 변압기(240)에서 출력되는 신호를 받은 전파 정류부(250)는 다이오드들(D1~D4)의 작용에 의하여 DC로 정류하여 출력한다. 이때, 정류된 신호는파의 형태를 가지므로, 상기 전파 정류부(250)에서 출력되는 고전압 측 신호를 받은 평활부(260)는 코일(L3)의 작용에 의해 직선형으로 평활하여 출력한다. 상기 전파 정류부(250)에서 출력되는 저전압 측 신호를 받은 전류 감지부(270)는 저항(R1)을 거쳐 후단으로 출력하되 저항(R1)에서 감지된 전류 신호를 제어부(300)로 전달한다.

승압형 컨버터부(280)는 상기 평활부(260)에서 고전압 측 신호를 받고, 상기 전류 감지부(270)에서 저전압 측 신호를 받아, 제어부(300)의 승압 제어 신호에 따라 단위 역률을 수행하여 배터리(310) 충전 전류를 출력한다. 여기서, 승압형 컨버터부(280)가 단위 역률을 수행하는 것은 전력 효율을 최대로 하기 위한 것으로서, 이것은 스위치(300)와 다이오드(D5)의 동작에 의하여 이루어지고, 콘덴서(C1)에 의하여는 충전 능력을 향상시키면서, 노이즈를 제거시키게 되어 있다. 이때, 제어부(300)는 상기 AC 전원 입력부(220)에서 받은 AC 전원(210) 전압의 위상과 상기 전류 감지부(270)에서 받은 전류 신호를 받아 처리하여, AC 전원(210) 전압의 위상과 배터리(310)에 출력되는 전류의 위상이 일치하도록 하는 소정의 승압 제어 신호를 생성하여 스위치(300)에 공급함으로써, AC 전원(210) 전압의 위상과 배터리(310)에 출력되는 전류의 위상을 일치 시켜서 단위 역률이 수행되도록 하는 것이다. 여기서, 스위치(300)의 동작에 의하여 승압형 컨버터부(280)의 고전압 측과 저전압 측이 단락 되면, 코일(L3)에서 전류가 소비되면서 전압이 상승하므로 승압이 동시에 이루어진다.

위에서, 제어부(300)가 상기 AC 전원 입력부(220)에서 받은 전압의 위상과 진폭, 및 상기 전류 감지부(270)에서 받은 전류 신호를 처리하여, 상기 진폭 제한 신호, 탭 변환 신호, 및 승압 제어 신호를 생성하여 출력함으로써 이루어진다.

이와 같이 발생된 승압형 컨버터부(280)의 DC 출력은, AC 전원(210)이 220Vrms 일 때, 250V~400V 까지 발생되고, DC 출력부(290)는 커넥터 등에 의하여 상기 승압형 컨버터부(280)에서 출력되는 DC 출력을 받아 배터리(310)로 전달한다.

위에 기술된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 전기 자동차의 충전 장치는, AC 전원 입력부(220)는 외부에서 입력받은 AC 전원(210)을 AC 입력 필터부(230)로 전달하되 제어부(300)의 진폭 제한 신호에 따라 차단시키며, 전압의 위상과 진폭을 감지하여 제어부(300)에 전달하고, AC 입력 필터부(230)는 충전 장치 내부에서 스위칭 시에 발생하는 고주파 노이즈를 필터링하여 출력하고, 탭 변환 변압기(240)는 제어부(300)의 탭 변환 신호에 대응하여 선택된 소정의 변압을 출력하고, 전파 정류부(250)는 DC로 변환하여 출력하고, 평활부(260)는 고전압 측 신호를 받아 평활하여 출력하고, 전류 감지부(270)는 저전압 측 신호를 받아 출력하되 전류를 감지하여 제어부(300)로 전달하며, 승압형 컨버터부(280)는 제어부(300)의 승압 제어 신호에 따라 단위 역률을 수행하여 배터리(310)에 충전 전류를 출력함으로써, 전기 자동차의 배터리(310)를 효율적으로 충전시킬 수 있도록 하였다.

본 발명은 다음에 기술되는 청구 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경 및 실시가 가능하다.

이상에서와 같은 본 발명의 실시예에 따라, 충전 장치를 구성하는 수동 소자나 스위칭 소자의 개수가 크게 감소하므로 배터리 충전 장치의 구조가 간단해지며, , 차량에 장착하기 용이하고, 그 부품에 드는 비용이 크게 저감된다.

그리고, 단상 AC 220Vrms 입력 전원을 받아 배터리의 출력 전압을 DC 250V~400V 까지 광범위하게 동작시킬 수 있는 조건에서도 단위 역률을 제어할 수 있으므로, 전력 손실이 작고, 전력 효율이 매우 높다.

Claims

충전 장치에 의해 충전 가능한 배터리에서 전력을 공급받아 구동하는 전기 자동차에 있어서,

외부에서 입력받은 AC 전원을 AC 입력 필터부로 전달하되 제어부의 진폭 제한 신호에 따라 차단 될 수 있고, 전압의 위상과 진폭을 감지하여 제어부에 전달하는 AC 전원 입력부;

상기 AC 전원 입력부에서 AC 전원을 입력받고, 충전 장치 내부에서 스위칭 시에 발생하는 고주파 노이즈를 필터링하여 출력하는 AC 입력 필터부;

상기 AC 입력 필터부에서 출력되는 신호를 받아 변압하고, 제어부의 탭 변환 신호에 대응하여 선택한 소정의 변압을 출력하는 탭 변환 변압기;

상기 탭 변환 변압기에서 출력되는 신호를 받아 DC로 변환하여 출력하는 전파 정류부;

상기 전파 정류부에서 출력되는 고전압 측 신호를 받아 평활하여 출력하는 평활부;

상기 전파 정류부에서 출력되는 저전압 측 신호를 받아 출력하되 전류를 감지하여 제어부로 전달하는 전류 감지부;

상기 평활부에서 고전압 측 신호를 받고, 상기 전류 감지부에서 저전압 측 신호를 받아, 제어부의 승압 제어 신호에 따라 단위 역률을 수행하여 배터리 충전 전류를 출력하는 승압형 컨버터부; 및

상기 AC 전원 입력부에서 받은 전압의 위상과 진폭, 및 상기 전류 감지부에서 받은 전류 신호를 처리하여, 상기 진폭 제한 신호, 탭 변환 신호, 및 승압 제어 신호를 출력하는 제어부

를 포함하는 전기 자동차의 충전 장치.
제 1항에 있어서,

상기 승압형 컨버터부는,

상기 평활부에서 출력되는 고전압 측과, 상기 전류 감지부에서 출력되는 저전압 측 사이를, 상기 제어부의 승압 제어 신호에 따라 단락 또는 개방시키는 온오프 스위치;

상기 평활부에서 출력되는 고전압 측과, 상기 전류 감지부에서 출력되는 저전압 측 사이에 역방향으로 연결되어 있는 다이오드; 및

상기 다이오드와 병렬 연결되어 있는 콘덴서

를 포함하는 전기 자동차의 충전 장치.
제 1항에 있어서,

상기 탭 변환 신호는,

상기 탭 변환 변압기가(Vbat는 배터리 전압,Vinp는 AC 입력 전원의 피크치)를 만족하게 하는 변압을 출력하도록 제어하는 신호임

을 특징으로 하는 전기 자동차의 충전 장치.