KR100944528B1

KR100944528B1 - 전기자동차 배터리 충전용 전력변환장치 및 그 제어 방법

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Publication number: KR100944528B1
Application number: KR1020090118644A
Authority: KR
Inventors: 엄주경; 이준기; 오주환; 강대업; 조대성
Original assignee: (주)인텍에프에이
Priority date: 2009-12-02
Filing date: 2009-12-02
Publication date: 2010-03-05

Abstract

본 발명은 전기자동차 배터리 충전용 전력변환장치 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 계통 전원에 연결되어 송전 선로로부터 AC 전원을 공급받아 제공하는 상용 전원부; 신재생 에너지원을 이용한 발전장치로부터 출력되는 전원을 공급하는 신재생에너지 전원부; 상기 상용 전원부에 연결되어, 상기 상용 전원부에서 출력된 AC 전원을 입력받아 DC 전원으로 변환시켜 출력하는 AC/DC 컨버터부; 상기 AC/DC 컨버터부의 출력단 및 상기 신재생에너지 전원부의 출력단에 연결되어, 상기 AC/DC 컨버터부에서 출력된 DC 전원 및 상기 신재생에너지 전원부에서 출력된 DC 전원을 각각 입력받아 배터리 충전에 적합한 DC 전원으로 변환시켜서 출력하는 DC/DC 컨버터부; 상기 DC/DC 컨버터와 배터리 사이에 연결되어, 상기 DC/DC 컨버터부와 상기 배터리간의 통전 상태를 제어하는 스위칭부; 상기 상용 전원부와 상기 AC/DC 컨버터부 사이에 연결되어, 상기 상용 전원부에서 출력된 AC 전원의 고조파를 제거 및 차단하는 필터부; 및 상기 AC/DC 컨버터부, DC/DC 컨버터부 및 스위칭부의 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 전기자동차 배터리 충전용 전력변환장치가 제공된다.

전기자동차, 배터리, 전력변환장치, 무효전력 보상기

Description

전기자동차 배터리 충전용 전력변환장치 및 그 제어 방법 {Power converter apparatus for charging battery of electric vehicle and method for controlling the same}

본 발명은 전기자동차 배터리 충전용 전력변환장치 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 신재생 에너지원으로부터 생성된 전원과 계통 전원에서 공급된 상용 전원을 공급받아 전기자동차 배터리를 충전함은 물론 계통 전원으로의 전력 환원이 가능한 전기자동차 배터리 충전용 전력변환장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.

세계적인 환경 규제 강화 및 에너지 비용 절감 추세에 따라 기존 제품을 대체하는 환경 친화적인 전기자동차에 대한 시대적 요구가 증대되고 있으며, CO₂ 저감 및 연비 개선과 환경 규제 강화 등에 대응하기 위한 친환경 전기자동차 시장의 성장세가 지속될 것으로 판단된다. 전기자동차 보급 확대와 운용 활성화를 위해 충전 인프라 구축이 필수적이며, 특히, 전력 전달 기기인 충전 스탠드와 충전 시스템의 병행 개발이 반드시 필요하다.

이러한 충전 시스템은 상용 전원부 즉, 계통 전원으로부터 공급받은 전원을 전기자동차 배터리 충전에 적합한 전원으로 변환시키는 전력변환장치와, 차량이나 사용자의 고유 정보를 식별하고 안전하고 효율적인 계통 전원의 공급을 위해 차량 내 배터리 충전 상태는 물론 공급되고 있는 계통 전력량을 모니터링하는 모니터링부, 전기 충전 사용료를 과금하기 위한 과금 장치 등을 포함한다. 충전 시스템을 설치하기 위해서는 많은 비용이 소요되는 데, 이렇게 많은 비용을 투입하여 설치한 충전 시스템을 전기자동차 배터리 충전용으로 사용하는 용도 이외의 다른 용도로 활용하여 충전 시스템의 운영 효율을 극대화할 필요가 있다.

또한 전국 곳곳에 이런 전기차 충전 시스템이 설치될 경우 각 충전소에서 전력 환원 및 무효보상을 한다면 각 송배전선로의 무효 보상 설비의 감소 및 송배전 능력, 계통안정도를 향상 시킬 수 있을 것이다.

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 충전 시스템의 활용도를 극대화시키기 위하여, 전기자동차 배터리의 충전 기능은 물론, 상용 전원부로의 전력 환원과 계통 전원의 무효 전력을 보상할 수 있는 전기자동차 배터리 충전용 전력변환장치 및 그 제어 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 계통 전원에 연결되어 송전 선로로부터 AC 전원을 공급받아 제공하는 상용 전원부; 신재생 에너지원을 이용한 발전장치로부터 출력되는 전원을 공급하는 신재생에너지 전원부; 상기 상용 전원부에 연결되어, 상기 상용 전원부에서 출력된 AC 전원을 입력받아 DC 전원으로 변환시켜 출력하는 AC/DC 컨버터부; 상기 AC/DC 컨버터부의 출력단 및 상기 신재생에너지 전원부의 출력단에 연결되어, 상기 AC/DC 컨버터부에서 출력된 DC 전원 및 상기 신재생에너지 전원부에서 출력된 DC 전원을 각각 입력받아 배터리 충전에 적합한 DC 전원으로 변환시켜서 출력하는 DC/DC 컨버터부; 상기 DC/DC 컨버터와 배터리 사이에 연결되어, 상기 DC/DC 컨버터부와 상기 배터리간의 통전 상태를 제어하는 스위칭부; 상기 상용 전원부와 상기 AC/DC 컨버터부 사이에 연결되어, 상기 상용 전원부에서 출력된 AC 전원의 고조파를 제거 및 차단하는 필터부; 및 상기 AC/DC 컨버터부, DC/DC 컨버터부 및 스위칭부의 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 전기자동차 배 터리 충전용 전력변환장치가 제공된다.

상기 DC/DC 컨버터부의 출력단에 연결되어, 상기 DC/DC 컨버터부에서 출력되는 DC 전압값을 측정하는 제1 DC 전압 검출기; 상기 신재생에너지 전원부의 출력단에 연결되어, 상기 신재생에너지 전원부에서 출력되는 DC 전압값을 측정하는 제2 DC 전압 검출기; 상기 배터리에 연결되어, 상기 배터리의 DC 전압값을 측정하는 제3 DC 전압 검출기; 및 AC/DC 컨버터의 DC 전압값을 측정하는 제4 DC 전압 검출기를 더 포함한다.

상기 제어부는 상기 제3 DC 전압 검출기의 측정값을 기초로 상기 배터리의 장착 여부와 상기 배터리의 충전 전압값을 판단하며, 상기 제어부는 상기 배터리의 충전 전압값이 기준치 이하일 경우에는 충전 동작을 지시하고, 충전 전압이 기준치 이상일 경우에는 상기 스위칭부를 동작시켜 상기 DC/DC 컨버터부와 상기 배터리간의 전기적 연결을 차단시킬 수 있다.

상기 제어부는 상기 제1 DC 전압 검출기를 통하여 측정된 DC 전압값과 미리 설정된 충전 전압값을 비교하여, 양자가 차이 발생한 경우 상기 DC/DC 컨버터부의 동작을 제어하여 양자가 일치되도록 조절한다.

상기 DC/DC 컨버터부와 상기 상용 전원부 사이에 연결된 인버터부를 더 포함하며, 상기 인버터부는 상기 DC/DC 컨버터부에서 출력된 DC 전원을 입력받아, 계통 전원의 전압크기와 위상에 일치하는 AC 전원으로 변환시켜서 상기 상용 전원부로 환원시키는 것을 특징으로 한다.

상기 상용 전원부에 연결되어, 상기 상용 전원부에서 출력되는 AC 전압값과 전류값을 측정하는 AC 전압 및 전류 검출기; 및 상기 AC 전압 및 전류 검출기에 연결되며, 상기 AC 전압 및 전류 검출기를 통하여 검출된 전압값에 기초하여 계통 전원의 위상을 검출하는 위상 검출기를 더 포함하며, 상기 제어부는 상기 위상 검출기에서 측정된 위상과 상기 AC 전압 및 전류 검출기에서 측정한 AC 전압값을 기초로 상기 인버터부에서 출력되는 AC 전원의 크기 및 위상이 계통 전원에 일치되도록 상기 인버터부를 조절하는 것을 특징으로 한다. 또한, 계통으로부터 전력을 흡수하거나 환원할 때 역률 보정 및 THD(Total harmonic distorsion)의 저감의 기능을 한다.

상기 AC/DC 컨버터부는 무효 전류를 발생시키고, 상기 발생된 무효 전류를 상기 상용 전원부로 공급하는 무효전력 보상기를 더 포함한다.

상기 제어부는 상기 배터리가 장착되지 않았거나, 또는 완충된 경우, 상기 전기자동차 배터리 충전용 전력변환장치를 환원 모드로 전환시키며, 상기 환원 모드로 전환한 후, 상기 신재생에너지 전원부에서 출력되는 DC 전원이 없을 경우, 상기 제어부는 상기 무효전력 보상기를 작동시킨다.

상기 상용 전원부에 연결되어, 상기 상용 전원부에서 출력되는 AC 전압값과 전류값을 측정하는 AC 전압 및 전류 검출기; 상기 AC 전압 및 전류 검출기에 연결되며, 상기 AC 전압 및 전류 검출기를 통하여 검출된 전압값에 기초하여 계통 전원의 위상을 검출하는 위상 검출기; 및 상기 AC/DC 컨버터부의 출력단에 연결되어, 상기 AC/DC 컨버터부에서 출력되는 DC 전압값을 측정하거나 또는 상기 AC/DC 컨버터부로 입력되는 DC 전압값을 측정하는 제4 DC 전압 검출기를 더 포함하며, 상기 무효전력 보상기는 상기 위상 검출기에서 검출된 계통 전원의 위상값과 크기을 기초로 보상기의 전압

과 계통 전압

의 위상각이 같고,

이면, 전원 계통에서 무효전력을 흡수하고,

이면, 전원 계통으로 무효전력을 공급한다. 또한 보상기의 전압이 계통 전압보다 진상이면 보상기는 유효전력을 전력 계통에 공급하고 이때 DC 캐패시터에 저장된 에너지를 계통으로 방출하게 되며, 보상기의 전압이 지상이면 전원 계통으로 유효전력을 흡수하여 DC 캐패시터에 에너지를 저장한다. 유무효 전력을 조정하므로써 역률 개선의 효과도 얻을 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 전기자동차 배터리 충전용 전력변환장치에 배터리가 장착되었는지 여부를 판단하는 단계; 상기 배터리가 장착된 경우, 상기 배터리의 충전 전압을 검출하여, 검출된 충전 전압이 미리 설정된 기준치 이하인지 여부를 판단하는 단계; 판단결과, 상기 배터리의 충전 전압이 미리 설정된 기준치 이하일 경우에는 충전 모드로 동작하여 배터리 충전을 수행하며, 상기 배터리의 충전 전압이 미리 설정된 기준치에 도달한 경우에는 전력변환장치와 상기 배터리 간의 전기적 연결을 차단하는 단계; 신재생에너지 전원부에서 출력되는 전원이 존재하는지 여부를 판단하는 단계; 판단 결과, 상기 신재생에너지 전원부에서 출력되는 전원이 존재하는 경우에는 환원 모드로 변환시켜, 상기 신재생에너지 전원부에서 출력되는 전원을 상용 전원부의 전압 크기와 위상에 일치하는 AC 전원으로 변환한 후, 상기 상용 전원부로 전원을 환원시키는 단계를 포함하는 전기자동차 배터리 충전용 전력변환장치의 제어방법이 제공된다.

판단 결과, 상기 신재생에너지 전원부에서 출력되는 전원이 존재하지 않는 경우, 계통 전원의 전압값과 위상값을 검출하는 단계; 상기 측정된 계통 전원의 위상값을 기초로 무효전력 보상기를 이용하여 상기 계통 전원과 크기와 위상차를 가지는 무효 전류를 생성하는 단계; 및 상기 생성된 무효 전류를 상기 계통 전원의 송전 선로에 공급하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따르면, 신재생 에너지 전원부에서 생성된 전력을 전기자동차 배터리 충전에 적용함은 물론, 계통 전원에 환원이 가능하게 된다.

또한, 환원할 전력이 없을 경우에는 계통 전원 전송 선로에 무효 전력을 보상함으로써 계통 안정화를 도모할 수 있으며, 급속 충전 시스템의 단점인 유휴 시간을 최소화시켜서 충전 시스템의 활용도를 극대화할 수 있게 된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차 배터리 충전용 전력변환장치의 블록도이며, 도 2는 도 1에 도시된 전기자동차 배터리 충전용 전력변환장치의 개략적인 구성도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 전기자동차 배터리 충전용 전력변환장치는 필터부(100), AC/DC 컨버터부(200), DC/DC 컨버터부(300), 스위칭부(400) 및 제어부(500)를 포함하며, 전기자동차 배터리 충전용 전력변환장치에 인가되는 전원부로는 상용 전원부(10)와 신재생에너지 전원부(20)를 이용한다.

상용 전원부(10)는 계통 전원에 연결되어 송전 선로로부터 AC 전원을 공급받아 전기자동차 배터리 충전용 전력변환장치에 제공한다. 신재생에너지 전원부(20)는 신재생 에너지원을 이용한 발전장치로부터 출력되는 전원을 공급하는 기능을 수행한다. 본 발명에서 이용되는 신재생에너지 전원부(20)는 DC 전원을 생산하여 공급하며, 태양광 발전장치나 연료 전지 발전장치 등 사용된다.

AC/DC 컨버터부(200)의 입력단은 상용 전원부(10)의 출력단에 연결된다. AC/DC 컨버터부(200)는 상용 전원부(10)에서 출력된 AC 전원을 입력받아 DC 전원으로 변환시켜서 출력한다. 필터부(100)는 상용 전원부(10)와 AC/DC 컨버터부(200) 사이에 연결되어, 상용 전원부(10)에서 출력된 AC 전원의 고조파를 제거하고 기능을 수행한다. 이 필터는 고조파량에 따라 단독 L방식과 LC, LCL 등 다양한 조합이 가능하며, 노이즈를 저감하기 위하여 노이즈 필터 및 절연을 위한 변압기를 포함한다.

DC/DC 컨버터부(300)의 입력단은 AC/DC 컨버터부(200)의 출력단에 연결된다. DC/DC 컨버터부(300)는 AC/DC 컨버터부(200)에서 출력된 DC 전원을 입력받아 전기자동차 배터리 충전에 적합한 DC 전원으로 변환시켜서 출력한다. 또한, DC/DC 컨버터부(300)의 입력단은 신재생 에너지 전원부(20)의 출력단에 연결되어, 신재생 에너지 전원부(20)에 출력된 DC 전원을 입력받아 전기자동차 배터리 충전에 적합한 DC 전원으로 변환시켜서 출력한다.

스위칭부(400)는 DC/DC 컨버터부(300)와 배터리(30) 사이에 연결된다. 스위칭부(400)는 DC/DC 컨버터부(300)와 배터리(30) 간의 전기적 연결을 도통 또는 단락시키는 기능을 수행한다. 본 실시예에서 스위칭부(400)로 사이리스터를 사용한다. 사이리스터는 양극(anode)·음극(cathode)·게이트(gate)의 3단자로 구성되어 있으며, 게이트에 신호가 인가되면 지속적인 게이트 전류의 공급 없이도 주회로에 역전류가 인가되거나 전류가 유지전류(holding currrent) 이하로 떨어질 때까지 통전상태를 유지한다.

제어부(500)는 AC/DC 컨버터부(200), DC/DC 컨버터부(300) 및 스위칭부(400)에 연결되어, 각 구성요소의 동작을 제어하는 기능을 수행한다. 특히, 제어부(500)는 배터리(30)의 충전전압에 적합하도록 DC/DC 컨버터부(300)의 출력을 조절하며, 배터리(30)의 충전상태에 따라 스위칭부(400)를 동작시켜서 전기자동차 배터리 충전용 전력변환장치와 배터리간의 전기적 연결의 온, 오프를 제어한다.

본 실시예에 따르면 전기자동차 배터리 충전용 전력변환장치의 전원부로 상용 전원부 이외에 신재생에너지 전원부를 활용함으로써, 환경친화적인 충전 시스템을 구현할 수 있게 된다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기자동차 배터리 충전용 전력변환장치의 블록도이다. 도 3에 도시된 실시예는 위에서 상술한 실시예와 비교하여 전압 검출부를 추가로 구성한다는 점이 상이하며, 나머지 구성은 유사한 바 이하에서는 상이한 구성을 위주로 살펴본다.

도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 전기자동차 배터리 충전용 전력변환장치는 필터부(100), AC/DC 컨버터부(200), DC/DC 컨버터부(300), 스위칭부(400), 제어부(500) 및 전압 검출부(600)를 포함하며, 전압 검출부(600)는 제1 DC 전압 검출기(610), 제2 DC 전압 검출기(620) 및 제3 DC 전압 검출기(630)로 구성된다.

제1 DC 전압 검출기(610)는 DC/DC 컨버터부(300)의 출력단에 연결되어, DC/DC 컨버터부(300)에서 출력되는 DC 전압값을 측정하고, 측정한 결과를 제어부(500)로 전송한다. 제2 DC 전압 검출기(620)는 신재생에너지 전원부(20)의 출력단에 연결되어, 신재생에너지 전원부(20)에서 출력되는 DC 전압값을 측정하고, 측정한 결과를 제어부(500)로 전송한다. 그리고, 제3 DC 전압 검출기(630)는 배터리(30)에 연결되어, 배터리(30)의 DC 전압값을 측정하여 그 결과를 제어부(500)로 전송하며, 제4 DC 전압 검출기(640)은 AC/DC 컨버터부(200)의 출력단에 연결되어, AC/DC 컨버터부(200)에서 출력되는 DC 전압값을 측정하여 그 결과를 제어부(500)로 전송한다.

제3 DC 전압 검출기(630)를 이용하여 충전 시스템에 배터리가 연결되었는지 여부와 배터리의 충전 전압을 점검한다. 제어부(500)는 충전 전압이 기준치 이하일 경우에는 충전 동작을 지시하고, 충전 전압이 기준치 이상일 경우에는 스위칭부(400)를 동작시켜 DC/DC 컨버터부(300)와 배터리(30) 사이의 전기적 연결을 차단시킨다.

제어부(500)는 제1 DC 전압 검출기(610)를 통하여 측정된 DC 전압값과 미리 설정된 충전 전압값을 비교한다. 만약, 양자가 차이 발생한 경우, 제어부(500)는 DC/DC 컨버터부(300)의 동작을 제어하여 양자가 일치되도록 조절한다. 이때, 제어부(500)는 전류 제어기(510)를 포함하며, 전류 제어기(510)는 DC/DC 컨버터부의 입력 전류를 조절하여 DC/DC 컨버터부(300)의 출력 전압을 조절한다.

도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기자동차 배터리 충전용 전력변환장치의 블록도이다. 본 실시예는 위의 실시예들과 비교하여, 유휴 전력을 계통 전원으로 환원할 수 있도록 인버터부를 추가적으로 구성한다.

도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 전기자동차 배터리 충전용 전력변환장치는 필터부(100), AC/DC 컨버터부(200), DC/DC 컨버터부(300), 스위칭부(400), 제어부(500), 인버터부(700), AC 전압 및 전류 검출기(810) 및 위상 검출기(820)를 포함한다.

인버터부(700)는 DC/DC 컨버터부(300)와 상용 전원부(10) 사이에 연결된다. 즉, 인버터부(700)의 입력단은 DC/DC 컨버터부(300)의 출력단에 연결되고, 인버터부(700)의 출력단은 상용 전원부(10)에 연결된다. 전기자동차 배터리 충전용 전력변환장치가 환원 모드 동작을 개시하면, DC/DC 컨버터부(300)에서 출력된 DC 전원은 인버터부(700)에 인가되고, 인버터부(700)는 DC 전원을 입력받아 계통 전원으로 환원에 적합한 크기와 위상의 AC 전원으로 변환시킨 후 출력한다. 출력된 AC 전원은 상용 전원부(10)로 인가되어 계통 전원으로 환원된다.

AC 전압 및 전류 검출기(810)는 상용 전원부(10)의 출력단에 연결되어, 상용 전원부(10)에서 출력되는 AC 전압값과 전류값을 측정한다. 위상 검출기(820)는 AC 전압 및 전류 검출기(810)에 연결되며, AC 전압 및 전류 검출기(810)를 통하여 검출된 전압값에 기초하여 계통 전원의 위상을 검출한다.

제어부(500)는 전압 제어기(520)를 포함하며, 전압 제어기(520)는 위상 검출기(820)에서 검출한 계통 전원의 위상과 AC 전압 및 전류 검출기(810)에서 측정한 AC 전압값을 기초로 인버터부(700)에서 출력되는 AC 전원의 크기 및 위상을 계통 전원과 일치하도록 인버터부(700)를 조절한다.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기자동차 배터리 충전용 전력변환장치의 블록도이다. 본 실시예는 환원 모드 동작시 별도의 인버터부를 구비하지 않고 AC/DC 컨버터부에서 인버터부의 동작을 수행하며, AC/DC 컨버터부가 무효전력 보상기를 추가로 포함한다는 점이 위의 실시예들과 상이하며, 이하에서는 상이한 구성을 위주로 상술한다.

계통 전원에서 이상적으로 요구되는 전기적인 특성은 송전 선로에서 소모하는 무효전력을 최소화하여 주어진 선로를 통해 최대전력을 전송하고, 계통에 연결된 모든 발전기들을 동기상태로 유지시키며, 계통의 전압을 가능한 정격으로 유지하는 것이다. 교류 송전 선로를 통해 전송되는 전력은 선로의 임피던스, 송,수전단 전압의 크기와 위상에 대해 함수관계를 갖는다. 따라서, 이 세 독립변수를 신속 정확하게 제어하면, 선로를 통해 전송되는 전력을 융통성 있게 조절하여 최대 전력의 전송, 계통의 과도안정도 증대, 그리고 계통의 저주파공진 감쇄 등의 효과를 얻을 수 있다. 선로에 무효전류를 주입 또는 흡수함으로서 선로 임피던스에 의한 전압강하보상 및 대지정전용량에 따른 전압상승을 억제하는 역할을 한다.

충전 시스템이 배터리의 충전 동작을 진행하지도 않고, 신재생에너지 전원부에서 출력되는 전원이 존재하지 않아서 환원 모드로 동작하지 않을 경우에 충전 시스템은 유휴시간을 갖게 된다. 본 실시예는 이러한 유휴 시간을 최소화하여 충전 시스템의 활용도를 극대화하고, 충전 시스템의 전원으로 작용하는 상용 전원부(10) 즉, 계통 전원의 안정화를 도모하기 위하여 무효전력 보상기를 이용한 실시예이다.

도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 전기자동차 배터리 충전용 전력변환장치는 필터부(100), AC/DC 컨버터부(200), DC/DC 컨버터부(300), 스위칭부(400), 제어부(500), 제1 DC 전압 검출기(610), 제2 DC 전압 검출기(620) 및 제3 DC 전압 검출기(630), AC 전압 및 전류 검출기(810) 및 위상 검출기(820)를 포함하며, AC/DC 컨버터부(200)는 무효전력 보상기(250)를 포함한다.

제1 DC 전압 검출기(610)는 DC/DC 컨버터부(300)의 출력단에 연결되어, DC/DC 컨버터부(300)에서 출력되는 DC 전압값을 측정하고, 측정한 결과를 제어부(500)로 전송한다. 제2 DC 전압 검출기(620)는 신재생에너지 전원부(20)의 출력단에 연결되어, 신재생에너지 전원부(20)에서 출력되는 DC 전압값을 측정하고, 측정한 결과를 제어부(500)로 전송한다. 그리고, 제3 DC 전압 검출기(630)는 배터리(30)에 연결되어, 배터리(30)의 DC 전압값을 측정하여 그 결과를 제어부(500)로 전송한다. 그리고, 제4 DC 전압 검출기(640)는 상기 AC/DC 컨버터부의 출력단에 연결되어, 상기 AC/DC 컨버터부에서 출력되는 DC 전압값을 측정하거나 또는 상기 AC/DC 컨버터부로 입력되는 DC 전압값을 측정하여, 그 결과를 제어부(500)로 전송한다. AC 전압 및 전류 검출기(810)는 상용 전원부(10)의 출력단에 연결되어, 상용 전원부(10)에서 출력되는 AC 전압값과 전류값을 측정한다. 위상 검출기(820)는 AC 전압 및 전류 검출기(810)에 연결되며, AC 전압 및 전류 검출기(810)를 통하여 검출된 전압값에 기초하여 계통 전원의 위상을 검출한다.

제3 DC 전압 검출기(630)를 이용하여 충전 시스템에 배터리가 연결되었는지 여부와 배터리의 충전 전압을 점검한다. 충전 시스템에 배터리가 연결되지 않았거나, 배터리가 완충된 경우, 제어부(500)는 전력변환장치를 충전 모드에서 환원 모드로 전환시킨다. 그리고 나서, 제2 DC 전압 검출기(620)를 이용하여 신재생에너지 전원부(20)에 출력되는 DC 전원이 존재하는지 점검한다.

이때, DC 전원이 존재하면 DC 전원을 AC 전원으로 변환시켜서 상용 전원부(10)로 AC 전원을 환원시키며, 출력되는 DC 전원이 존재하지 않으면 제어부(500)는 AC/DC 컨버터부(200)의 무효전력 보상기(250)를 작동시킨다.

무효전력 보상기(250)는 DC 전압을 설정값으로 유지시키면서, 유,무효 전력을 상용 전원부(10)를 통하여 공급 또는 흡수하고, 송전 선로에 연결됨으로써 송전 선로의 무효 전력을 최소화하여 최대 전력을 전송하도록 한다. 무효전력 보상기(250)는 위상 검출기(820)에서 측정한 계통 전원의 크기와 위상값을 기초로 계통 전원과 다른 크기와 위상차를 가지는 무효 전류를 생성하여, 상용 전원부(10)를 통하여 송전 선로에 공급한다.

상기 무효전력 보상기는 상기 위상 검출기에서 검출된 계통 전원의 위상값과 크기을 기초로 보상기의 전압

과 계통 전압

의 위상각이 같고,

이면, 전원 계통에서 무효전력을 흡수하고,

본 실시예에서 무효전력 보상기(250)는 위상 검출기(820)에서 측정한 계통 전원의 위상값을 기초로 계통 전원과 다른 크기와 위상차를 가지는 무효 전류를 생성하여, 상용 전원부(10)를 통하여 송전 선로에 공급하였다.

그 결과, 송전 선로의 무효전력을 조절할 수 있고, 송전 선로의 일시적인 정전사고에도 대비할 수 있으며, 전압의 순간적인 전압 변동 및 송전 선로의 고조파를 경감시키는 효과를 얻을 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 전기자동차 배터리 충전용 전력변환장치의 제어방법의 일 실시예를 나타낸 흐름도이다.

도 6을 참조하면, 우선 제3 DC 전압 검출기(630)를 이용하여 배터리가 연결되었는지 여부를 판단하는 과정을 수행한다(S10). 배터리가 장착된 경우에는 배터리의 충전 전압을 검출한다(S20).

S20 과정을 통하여 검출된 충전 전압이 미리 설정된 기준치 이하인지 여부를 판단한다(S30). 만약, 배터리의 충전 전압이 미리 설정된 기준치 (예를 들면, 배터리가 완충되었을 때의 충전 전압) 이하일 경우에는 충전 모드로 동작하여 배터리 충전에 적합하게 변환된 DC 전압을 배터리에 공급함으로써 충전 동작을 진행한다(S40).

한편, S30 과정에서 배터리의 충전 전압이 미리 설정된 기준치에 도달한 경우라면 DC/DC 컨버터부와 배터리 사이에 연결된 스위칭부를 작동시켜서 DC/DC 컨버터부와 배터리 간의 전기적 연결을 차단시킨다(S50). 그리고 나서, 신재생에너지 전원부에서 출력되는 전원이 존재하는지 여부를 판단한다(S60).

판단 결과, 신재생에너지 전원부에서 출력되는 전원이 존재하는 경우에는 전기자동차 배터리 충전용 전력변환장치를 환원 모드로 작동시킨다(S70). 즉, 신재생에너지 전원부에서 출력되는 DC 전원을 AC 전원으로 변환한 후, 상용 전원부의 전압 크기와 위상에 일치하는 AC 전원으로 변환한 다음에 상용 전원부로 전원을 환원시킨다.

도 7은 본 발명에 따른 전기자동차 배터리 충전용 전력변환장치의 제어방법의 다른 실시예를 나타낸 흐름도이다. 도 7에 도시된 실시예는 본 발명에 따른 전기자동차 배터리 충전용 전력변환장치를 이용하여 송전 선로의 무효전력을 보상하여, 충전시스템의 유휴 시간을 최소화함으로써 이용 효율을 극대화시킬 수 있는 실시예이다.

도 7을 참조하면, 배터리가 장착되지 않은 경우이거나 또는 배터리의 충전 전압이 미리 설정된 기준치에 도달한 경우 충전 모드 동작은 종료되고, 신재생에너지 전원부에서 출력되는 전원이 존재하는지 여부를 판단한다(S60).

판단 결과, 신재생에너지 전원부에서 출력되는 전원이 존재하는 경우에는 전기자동차 배터리 충전용 전력변환장치를 환원 모드로 작동시킨다. 즉, 신재생에너지 전원부에서 출력되는 DC 전원을 AC 전원으로 변환한 후(S71), 상용 전원부의 전압 크기와 위상에 일치하는 AC 전원으로 변환한 다음에 상용 전원부로 전원을 환원시킨다(S72).

한편, 신재생에너지 전원부에서 출력되는 전원이 존재하지 않는 경우, 우선 AC 전압, 전류 검출기와 위상 검출기를 이용하여 계통 전원의 전압값과 위상값을 검출한다(S80).

무효전력 보상기를 이용하여 측정된 계통 전원의 위상값을 기초로 계통 전원과 다른 크기와 위상차를 가지는 무효 전류를 생성한다(S90). 그리고 나서, 생성된 무효 전류를 상용 전원부를 통하여 계통 전원의 송전 선로에 공급한다(S100). 그 결과, 송전 선로의 무효전력을 조절할 수 있고, 송전 선로의 순간적인 정전사고에도 대비할 수 있으며, 전압의 순간적인 전압 변동 및 송전 선로의 고조파를 경감시키는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 충전시스템을 유휴 시간없이 활용할 수 있으므로, 운영 효율을 극대화시킬 수 있게 된다.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 전기자동차 배터리 충전용 전력변환장치 및 그 제어 방법의 예시적인 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이, 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차 배터리 충전용 전력변환장치의 블록도이다.

도 2는 도 1에 도시된 전기자동차 배터리 충전용 전력변환장치의 개략적인 구성도이다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기자동차 배터리 충전용 전력변환장치의 블록도이다.

도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기자동차 배터리 충전용 전력변환장치의 블록도이다.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기자동차 배터리 충전용 전력변환장치의 블록도이다.

도 6은 본 발명에 따른 전기자동차 배터리 충전용 전력변환장치의 제어방법을 나타낸 흐름도이다.

도 7은 본 발명에 따른 전기자동차 배터리 충전용 전력변환장치의 제어방법의 다른 실시예를 나타낸 흐름도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10 : 상용 전원부

20 : 신재생 에너지 전원부

30 : 전기자동차 배터리

100 : 필터부

200 : AC/DC 컨버터부

300 : DC-DC 컨버터부

400 : 스위칭부

500 : 제어부

Claims

전기자동차 배터리 충전용 전력변환장치에 있어서,

계통 전원에 연결되어 송전 선로로부터 AC 전원을 공급받아 제공하는 상용 전원부;

신재생 에너지원을 이용한 발전장치로부터 출력되는 전원을 공급하는 신재생에너지 전원부;

상기 상용 전원부에 연결되어, 상기 상용 전원부에서 출력된 AC 전원을 입력받아 DC 전원으로 변환시켜 출력하는 AC/DC 컨버터부;

상기 AC/DC 컨버터부의 출력단 및 상기 신재생에너지 전원부의 출력단에 연결되어, 상기 AC/DC 컨버터부에서 출력된 DC 전원 및 상기 신재생에너지 전원부에서 출력된 DC 전원을 각각 입력받아 배터리 충전에 적합한 DC 전원으로 변환시켜서 출력하는 DC/DC 컨버터부;

상기 DC/DC 컨버터와 배터리 사이에 연결되어, 상기 DC/DC 컨버터부와 상기 배터리간의 통전 상태를 제어하는 스위칭부;

상기 상용 전원부와 상기 AC/DC 컨버터부 사이에 연결되어, 상기 상용 전원부에서 출력된 AC 전원의 고조파를 제거 및 차단하는 필터부; 및

상기 AC/DC 컨버터부, DC/DC 컨버터부 및 스위칭부의 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차 배터리 충전용 전력변환장치.
제1항에 있어서,

상기 DC/DC 컨버터부의 출력단에 연결되어, 상기 DC/DC 컨버터부에서 출력되는 DC 전압값을 측정하는 제1 DC 전압 검출기;

상기 신재생에너지 전원부의 출력단에 연결되어, 상기 신재생에너지 전원부에서 출력되는 DC 전압값을 측정하는 제2 DC 전압 검출기; 및

상기 배터리에 연결되어, 상기 배터리의 DC 전압값을 측정하는 제3 DC 전압 검출기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차 배터리 충전용 전력변환장치.
제2항에 있어서,

상기 제어부는 상기 제3 DC 전압 검출기의 측정값을 기초로 상기 배터리의 장착 여부와 상기 배터리의 충전 전압값을 판단하며,

상기 제어부는 상기 배터리의 충전 전압값이 기준치 이하일 경우에는 충전 동작을 지시하고, 충전 전압이 기준치 이상일 경우에는 상기 스위칭부를 동작시켜 상기 DC/DC 컨버터부와 상기 배터리간의 전기적 연결을 차단시키는 것을 특징으로 하는 전기자동차 배터리 충전용 전력변환장치.
제2항에 있어서,

상기 제어부는 상기 제1 DC 전압 검출기를 통하여 측정된 DC 전압값과 미리 설정된 충전 전압값을 비교하여, 양자가 차이 발생한 경우 상기 DC/DC 컨버터부의 동작을 제어하여 양자가 일치되도록 조절하는 것을 특징으로 하는 전기자동차 배터리 충전용 전력변환장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 DC/DC 컨버터부와 상기 상용 전원부 사이에 연결된 인버터부를 더 포함하며,

상기 인버터부는 상기 DC/DC 컨버터부에서 출력된 DC 전원을 입력받아, 계통 전원의 전압크기와 위상에 일치하는 AC 전원으로 변환시켜서 상기 상용 전원부로 환원시키는 것을 특징으로 하는 전기자동차 배터리 충전용 전력변환장치.
제5항에 있어서,

상기 상용 전원부에 연결되어, 상기 상용 전원부에서 출력되는 AC 전압값과 전류값을 측정하는 AC 전압 및 전류 검출기; 및

상기 AC 전압 및 전류 검출기에 연결되며, 상기 AC 전압 및 전류 검출기를 통하여 검출된 전압값에 기초하여 계통 전원의 위상을 검출하는 위상 검출기를 더 포함하며,

상기 제어부는 상기 위상 검출기에서 측정된 위상과 상기 AC 전압 및 전류 검출기에서 측정한 AC 전압값을 기초로 상기 인버터부에서 출력되는 AC 전원의 크기 및 위상이 계통 전원에 일치되도록 상기 인버터부를 조절하는 것을 특징으로 하는 전기자동차 배터리 충전용 전력변환장치.
제2항에 있어서,

상기 AC/DC 컨버터부는 무효 전류를 발생시키고, 상기 발생된 무효 전류를 상기 상용 전원부로 공급하는 무효전력 보상기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차 배터리 충전용 전력변환장치.
제7항에 있어서,

상기 제어부는 상기 배터리가 장착되지 않았거나, 또는 완충된 경우, 상기 전기자동차 배터리 충전용 전력변환장치를 환원 모드로 전환시키며,

상기 환원 모드로 전환한 후, 상기 신재생에너지 전원부에서 출력되는 DC 전원이 없을 경우, 상기 제어부는 상기 무효전력 보상기를 작동시키는 것을 특징으로 하는 전기자동차 배터리 충전용 전력변환장치.
제7항에 있어서,

상기 상용 전원부에 연결되어, 상기 상용 전원부에서 출력되는 AC 전압값과 전류값을 측정하는 AC 전압 및 전류 검출기;

상기 AC 전압 및 전류 검출기에 연결되며, 상기 AC 전압 및 전류 검출기를 통하여 검출된 전압값에 기초하여 계통 전원의 크기와 위상을 검출하는 위상 검출기; 및

상기 AC/DC 컨버터부의 출력단에 연결되어, 상기 AC/DC 컨버터부에서 출력되는 DC 전압값을 측정하거나 또는 상기 AC/DC 컨버터부로 입력되는 DC 전압값을 측정하는 제4 DC 전압 검출기를 더 포함하며,

상기 무효전력 보상기는 상기 위상 검출기에서 검출된 계통 전원의 크기와 위상값, DC 전압을 기초로 상기 계통 전원과 다른 크기와 위상차를 가지는 무효 전류를 생성하는 것을 특징으로 하는 전기자동차 배터리 충전용 전력변환장치.
전기자동차 배터리 충전용 전력변환장치의 제어방법에 있어서,

상기 전기자동차 배터리 충전용 전력변환장치에 배터리가 장착되었는지 여부를 판단하는 단계;

상기 배터리가 장착된 경우, 상기 배터리의 충전 전압을 검출하여, 검출된 충전 전압이 미리 설정된 기준치 이하인지 여부를 판단하는 단계;

판단결과, 상기 배터리의 충전 전압이 미리 설정된 기준치 이하일 경우에는 충전 모드로 동작하여 배터리 충전을 수행하며, 상기 배터리의 충전 전압이 미리 설정된 기준치에 도달한 경우에는 전력변환장치와 상기 배터리 간의 전기적 연결을 차단하는 단계;

신재생에너지 전원부에서 출력되는 전원이 존재하는지 여부를 판단하는 단계;

판단 결과, 상기 신재생에너지 전원부에서 출력되는 전원이 존재하는 경우에는 환원 모드로 변환시켜, 상기 신재생에너지 전원부에서 출력되는 전원을 상용 전원부의 전압 크기와 위상에 일치하는 AC 전원으로 변환한 후, 상기 상용 전원부로 전원을 환원시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차 배터리 충전용 전력변환장치의 제어방법.
제10항에 있어서,

판단 결과, 상기 신재생에너지 전원부에서 출력되는 전원이 존재하지 않는 경우,

계통 전원의 전압값과 위상값을 검출하는 단계;

상기 검출된 계통 전원의 크기와 위상값을 기초로 무효전력 보상기를 이용하여 상기 계통 전원과 다른 크기와 위상차를 가지는 무효 전류를 생성하는 단계; 및

상기 생성된 무효 전류를 상기 계통 전원의 송전 선로에 공급하는 단계를 포 함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차 배터리 충전용 전력변환장치의 제어방법.