KR101202814B1 - 전기 자동차용 급속 충전기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전기 자동차용 급속 충전기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전기 자동차용 배터리를 충전하는 방식 중 전기 충전소의 급속 충전기에 사용가능한 전기 자동차용 급속 충전기에 관한 것이다.
본 발명의 전기 자동차용 급속 충전기에 있어서, 교류 입력전원과 전기자동차용 급속 충전기와의 전기적인 절연을 실현하는 트랜스포머(transformer, 100); 상기 트랜스포머에서 출력된 교류 전압을 직류 전압으로 전환하되, 입력전압과 출력전류를 동위상으로 유지하는 PFC 컨버터(200); 상기 PFC 컨버터의 출력과 연결되는 버퍼링 배터리 유닛(buffering battery unit 300); 상기 PFC 컨버터의 출력 직류 전압을 변화시키는 DC-DC 컨버터(DC-DC convert, 400); 및 일단이 버퍼링 배터리 유닛의 출력에 연결되고 타단이 상기 DC-DC 컨버터의 출력에 연결되는 제1 스위치(MC1)와, 일단이 상기 제1 스위치의 타단과 연결되고 타단이 접지되며 상기 제1 스위치와 반대로 연동되는 제2 스위치(MC2)로 이루어지는 마그네틱 컨텍 유니트(magnetic contactor unit, 500);를 포함하되,
상기 제1 스위치가 ON 되고, 제2 스위치가 OFF되는 경우, DC-DC 컨버터의 출력 전압과 버퍼링 배터리 유닛의 출력전압의 합이 출력되며, 상기 제1 스위치가 OFF 되고, 제2 스위치가 ON되는 경우, DC-DC 컨버터의 출력 전압이 출력된다.

Description

전기 자동차용 급속 충전기{A Quick Charger For Electric Vehicles}
본 발명은 전기 자동차용 급속 충전기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전기 자동차용 배터리를 충전하는 방식 중 전기 충전소의 급속 충전기에 사용가능한 전기 자동차용 급속 충전기에 관한 것이다.
고래로 자동차가 개발된 후 인간의 생활영역은 예전과 비교할 수 없을 정도로 넓어졌으며, 한국에서도 마이카 시대에 접어든지 이미 오래다.
현재, 이러한 문명의 대표적인 이기인 자동차는 화석연료인 휘발류, 경유 또는 LPG 가스를 사용하여야 함으로 환경오염의 주범으로 내몰리고 있는 것 또한 현실이다.
2000년대 들어서 다국적 기업 뿐만아니라 국가 차원에서도 친환경 자동차 개발을 국가 핵심 전략 산업으로 지정하여 친환경 자동차 개발에 열을 올리고 있다.
협의의 전기 자동차(순수한 의미의 전기 자동차)는 일반가정에서 전원 플러그를 자동차에 연결하여 2차전지에 충전하고 충전된 전기에너지를 이용하여 자동차를 구동하는 자동차이며, 플러그인 하이브리드 자동차(Plug-In Hybrid Electric Vehicle)는 기본적으로 전원 플러그를 자동차에 연결하여 2차전지에 충전하고 충전된 전기에너지를 이용하여 자동차를 구동하며 충전된 전기에너지가 부족하면 일반 화석연료를 비상용으로 사용할 수 있는 자동차를 지칭한다. 상기 플러그인 하이브리드 자동차는 그리드 접속 하이브리드자동차(Grid-Connected Hybrid Electric Vehicle)로도 불린다.
한편, 전기 자동차용 배터리의 충전기의 종류를 급속 충전기와 완속 충전기로 구분된다.
급속 충전기는 현재 휘발유를 주유하는 주유소와 동일한 개념으로 전기충전소에 설치되는 충전기로서, 배터리의 충전시간은 30분 이내이며, 충전용량은 50kW이상인 충전기를 말하며, 완속 충전기는 가정용 전원을 이용하여 배터리의 전원을 충전하는 충전기로서, 배터리의 충전시간은 6-7시간 정도, 충전용량은 3kW 정도의 충전기를 말한다.
본 발명의 목적은 컨버터가 PFC 기능을 수행하게 하며, 충전시 전력의 품질 저하를 방지하고, PFC 컨버터의 파워 용량을 감소시켜 설계 가능하며, 전력 변환 효율이 높고, 전기자동차용 배터리 또는 전기자전거용 배터리의 충전에도 사용될 수 있는 전기 자동차용 급속 충전기를 제공하는 것이다.
본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위한 것으로서, 본 발명의 전기 자동차용 급속 충전기에 있어서, 교류 입력전원과 전기자동차용 급속 충전기와의 전기적인 절연을 실현하는 트랜스포머(transformer, 100); 상기 트랜스포머에서 출력된 교류 전압을 직류 전압으로 전환하되, 입력전압과 출력전류를 동위상으로 유지하는 PFC 컨버터(200); 상기 PFC 컨버터의 출력과 연결되는 버퍼링 배터리 유닛(buffering battery unit 300); 상기 PFC 컨버터의 출력 직류 전압을 변화시키는 DC-DC 컨버터(DC-DC convert, 400); 및 일단이 버퍼링 배터리 유닛의 출력에 연결되고 타단이 상기 DC-DC 컨버터의 출력에 연결되는 제1 스위치(MC1)와, 일단이 상기 제1 스위치의 타단과 연결되고 타단이 접지되며 상기 제1 스위치와 반대로 연동되는 제2 스위치(MC2)로 이루어지는 마그네틱 컨텍 유니트(magnetic contactor unit, 500);를 포함하되,
상기 제1 스위치가 ON 되고, 제2 스위치가 OFF되는 경우, DC-DC 컨버터의 출력 전압과 버퍼링 배터리 유닛의 출력전압의 합이 출력되며, 상기 제1 스위치가 OFF 되고, 제2 스위치가 ON되는 경우, DC-DC 컨버터의 출력 전압이 출력된다.
바람직한 실시예에 따르면, 상기 PFC 컨버터는 상기 트랜스포머 내부의 누설 인덕턴스를 이용하여 PFC 기능을 수행한다.
바람직한 실시예에 따르면, 상기 DC-DC 컨버터는 상기 PFC 컨버터의 출력 전압(Vdc)을 AC로 변환하는 인버터, 상기 인버터에서 변환된 AC를 적용된 권선 비에 해당하는 AC로 출력하는 고주파 변압기, 고주파 변압기의 AC 출력을 DC로 변환하는 정류기, 및 상기 정류기의 출력을 필터링하는 출력 필터부를 포함한다.
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이상의 구성을 가진 본 발명의 전기 자동차용 급속 충전기는 추가적인 인덕터의 삽입없이 변압기 내부의 누설 인덕턴스를 이용하여 PFC 기능을 수행할 수 있어 역률 개선 효과를 지니고 있으며, 버퍼링 배터리를 삽입하여 전기 자동차용 배터리 충전시에 발생되는 교류 입력단의 전력 품질 저하 현상을 방지하고, 최대전력의 일부를 버퍼링 배터리가 부담케 함으로써 PFC 컨버터의 파워 용량 감소 설계가 가능하게 하여 급속 배터리 충전기 구성시 비용을 크게 절감할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 버퍼링 배터리를 DC-DC 컨버터와의 직렬 연결로 전력 변환 효율을 향상시킬 수 있으며, 택일적으로 선택되는 2개의 마그네틱 컨텍(Magnetic Contactor)을 적용함으로써 이종 특성의 출력 전압을 발생시킬 수 있다. 이에 따라, 별도의 전용 충전기를 따로 제작하지 않아도, 전기 자동차용 배터리와 전기 자전거 등의 배터리 충전에도 즉, 다른 특성의 배터리 충전에도 적용 가능하다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 전기 자동차용 급속 충전기의 전체 구성도.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 전기 자동차용 급속 충전기의 PFC의 회로도.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 전기 자동차용 급속 충전기의 버퍼링배터리의 역할을 설명하기 위한 부분 회로도.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 전기 자동차용 급속 충전기의 DC-DC 컨버터의 세부 구성 회로도.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 전기 자동차용 급속 충전기에서 DC-DC 컨버터의 출력 필터부의 파형변화를 나타냄.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 전기 자동차용 급속 충전기의 마그네틱 컨텍 유니트의 작동 회로도.
이하에서는 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 전기 자동차용 급속 충전기를 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 전기 자동차용 급속 충전기의 전체 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의, 전기 충전소에 설치되는 급속충전기에 사용되는 전기 자동차용 급속 충전기은 트랜스포머(transformer, 변압기, 100), PFC 컨버터(200), 버퍼링 배터리 유닛(300), 및 DC-DC 컨버터(400)를 포함한다. 또한, 도시된 바와 같이 필요에 따라, 마그네틱 컨텍 유니트(magnetic contactor unit, 500)를 추가로 포함할 수 있다.
먼저, 트랜스포머(transformer, 변압기, 100)는 3상 교류 입력전원과 배터리 충전기과의 전기적인 절연을 실현한다. 현재, 한국에서는 가정용, 상업용으로 220V 교류전원이 사용되는 데, 3상 교류(220V, 60Hz)을 입력전원으로 하여 130V 의 교류전원으로 출력한다. 트랜스포머(100)는 3상 교류 입력전원과 본 발명의 배터리 충전기과의 전기적인 절연을 통하여 전기 자동차용 배터리 충전시에 충전기의 안전성을 확보할 수 있으며, 트랜스포머 내부의 누설 인덕턴스는 후단의 PFC 컨버터에 연결되어 PFC 컨버터가 PFC(Power Factor Correction) 기능을 수행하도록 한다. 즉, 트랜스포머의 출력전원은 PFC 컨버터의 입력전원으로 연결된다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 전기 자동차용 급속 충전기의 PFC의 회로도이다. 도 2에서와 같이, PFC는 트랜스포머 내부의 누설 인덕턴스와 연결되게 된다.
PFC 컨버터(200)는 상기 트랜스포머에서 출력된 교류 전압을 직류 전압으로 전환하되, 입력전압과 출력전류를 동위상으로 유지하는 기능을 수행한다.
일반적으로, PFC(Power Factor Correction)란 전력 역율을 향상시키는 기능을 가진 회로로써, 절전 효과나 전자파를 감소시키는 효과를 기대할 수 있다. 즉, 출력이 같은 파워라 하더라도 PFC회로가 있는 경우에는 안정된 전류의 공급으로 전자파를 줄일 수 있다.
본 발명의 PFC는 트랜스포머 내부의 누설 인덕턴스를 이용하여 PFC 기능을 수행한다. 이는 종래의 정류기(AC-DC 변환기)와는 구별되는 기술적 사상이다.
즉, 종래의 정류기는 다이오드 및 사이리스트(thyristor)를 이용하는 데, 입력 전압과 출력 전류의 위상 차이로 인한 입력 전압 왜곡 현상이 발생되고 전류 조파(harmonics)가 발생된다. 이는 동일한 AC 전원에 연결된 타 장비에 악영향을 미치는 결과를 초래한다. 본 발명에서는, PFC 컨버터는 변압기 내부의 누설 인덕턴스와 연결됨으로 추가로 인덕터를 삽입해야하는 단점을 극복할 수 있다.
한편, PFC 컨버터의 출력측에 연결되는 버퍼링 배터리 유닛을 포함한다. 버퍼링 배터리 유닛(300)의 입력측은 PFC 컨버터의 출력측 및 DC-DC 컨버터의 입력측에 연결된다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 전기 자동차용 급속 충전기의 버퍼링배터리의 역할을 설명하기 위한 부분 회로도이다. (a)는 버퍼링 배터리 유닛이 PFC의 출력측에 연결됨을 도시하며, (b)는 DC-DC 컨버터에 연결됨을 도시한다.
본 발명에서는 전기 자동차용 배터리 충전 시 발생되는 피크 전력(50kW)를 버퍼링 배터리 유닛이 부담하게 된다. 즉, 전기 자동차용 배터리 충전시에 발생되는 급격한 전력 변화를 완화시켜 전력 품질의 저하를 방지하게 되는 것이다. 버퍼링 배터리 유닛이 최대 전력의 일부를 부담함으로써 PFC 컨버터의 파워 용량을 줄이는 설계가 가능하고 이에 따라 비용을 절감할 수 있어 급속 배터리 충전기 구성시 비용을 절감할 수 있게 되는 것이다.
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도 3의 (b)에서와 같이, 버퍼링 배터리 유닛은 DC-DC 컨버터의 출력단과 직렬로 연결된다(도 3의 붉은 실선). 즉, 버퍼링 배터리 유닛은 (+) 단자는 DC-DC 컨버터의 출력단에서 (-) 단자와도 연결된다. 도 1의 전체 장치에서 보자면, 제1 스위치(MC 1)는 ON 되고, 제2 스위치(MC 2)가 OFF된 상태에서 버퍼링 배터리 유닛의 (+)단자는 DC-DC 컨버터의 입력단 (+)단자 뿐만아니라, DC-DC 컨버터 출력단 (-) 단자와도 직렬로 연결되게 되는 것이다. 이러한 연결은 전력변환효율 상승을 기대할 수 있다(한국 특허 10-0770791호 참조, 전기연구원 출원).
PFC 컨버터의 출력 전압은 DC-DC 컨버터를 거치면서 변화된다. DC-DC converter(디시디시컨버터, 직류-직류 변환기)는 어떤 전압의 직류전원에서 다른 전압의 직류전원으로 변환하는 전자회로 장치를 말한다. DC-DC 컨버터는 4부분으로 구성된다. 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 전기 자동차용 급속 충전기의 DC-DC 컨버터의 세부 구성 회로도이다.
DC-DC 컨버터는 인버터(①), 고주파 변압기(②), 정류기(③), 및 출력 필터부(④)를 포함한다.
인버터는 PFC 컨버터의 출력 전압(Vdc)을 입력전원으로 하여 이를 AC로 변환한다. 위상 변이(phase shift, 위상차) 방식을 이용하여 스위치에서 발생되는 손실을 감소시키게 된다.
고주파 변압기는 인버터에서 변환된 AC를 적용된 권선 비에 해당하는 AC로 출력한다. 즉, 권선비에 따라 고주파 변압기에서 출력되는 AC 전압은 변화된다. 고주파 변압기의 AC 출력은 정류기를 거치면서 DC로 변환된다. 즉, 정류기는 AC-DC 컨버터 기능을 수행하게 된다.
정류기의 출력 전압은 저역통과필터 방식의 출력 필터부를 거치면서 필터링된다. PWM(Pulse Width Modulation, 펄스폭 변조)에 의한 출력 파형을 DC로 필터링하게 되는 것이다(도 5 참조).
다음으로, 마그네틱 컨텍 유니트(500)에 대해서 설명하기로 한다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 전기 자동차용 급속 충전기의 마그네틱 컨텍 유니트의 작동 회로도이다.
마그네틱 컨텍 유니트(magnetic contactor unit)는 상기 버퍼링 배터리 유닛과 상기 DC-DC 컨버터의 출력단 사이에는 위치하는 제1 스위치(MC1)과, 상기 제1 스위치(MC1)와 DC-DC 컨버터의 출력단이 연결되는 부분에 연결되며 상기 제1 스위치와 반대로 연동되는 제2 스위치(MC2)로 이루어진다. 즉, 마그네틱 컨텍 유니트는 제1 스위치(MC1)와 제2 스위치(MC2)로 이루어지는 데, 도면에서 확인되는 바와 같이, 제1 스위치(MC1)는 일단이 버퍼링 배터리 유닛의 출력에 연결되고 타단이 상기 DC-DC 컨버터의 출력에 연결되며, 제2 스위치(MC2)는 일단이 상기 제1 스위치의 타단과 연결되고 타단이 접지된다.
필요에 따라, 제1 스위치 또는 제2 스위치가 택일적으로 선택된다. 즉, 배터리 충전 부하가 변동함에 따라 스위치의 개별동작을 적용하여 0～500V의 출력 전압을 공급하게 된다. 다시말해, 전기 자동차용 배터리이냐, 전기 자전거용 배터리이냐에 따라 제1 스위치 또는 제2 스위치를 선택하여 충전하게 된다.
제1 스위치가 ON 되고, 제2 스위치가 OFF된 상태(도 6의 a)에서의 출력 전압은 DC-DC 컨버터의 출력 전압과 버퍼링 배터리 유닛의 출력전압의 합이며, 이 전압이 충전용 배터리에 공급되는 데, 대략 300～500V 의 전압이 공급됨으로, 충전용 배터리는 전기 자동차용 배터리에 적용가능하다.
이와는 반대로, 제1 스위치가 OFF 되고, 제2 스위치가 ON된 상태(도 6의 b)에서의 출력 전압은 DC-DC 컨버터의 출력 전압만이 충전용 배터리에 공급된다. 이때는 0～300V 의 전압이 공급됨으로, 충전용 배터리는 전기 자전거용 배터리에 적용가능하다.
이에 따라, 충전용 배터리의 부하 변동에 따라 스위치를 가변적으로 ON/OFF 시켜 충전을 실시할 수 있다는 장점이 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라, 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것도 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 트랜스포머(변압기)
200: PFC 컨버터
300: 버퍼링 배터리 유닛
400: DC-DC 컨버터
500: 마그네틱 컨텍 유니트
600: 충전 배터리

Claims (5)

  1. 전기 자동차용 배터리의 급속 충전기에 있어서,
    교류 입력전원과 전기자동차용 급속 충전기와의 전기적인 절연을 실현하는 트랜스포머(transformer, 100);
    상기 트랜스포머에서 출력된 교류 전압을 직류 전압으로 전환하되, 입력전압과 출력전류를 동위상으로 유지하는 PFC 컨버터(200);
    상기 PFC 컨버터의 출력과 연결되는 버퍼링 배터리 유닛(buffering battery unit 300);
    상기 PFC 컨버터의 출력 직류 전압을 변화시키는 DC-DC 컨버터(DC-DC convert, 400); 및
    일단이 버퍼링 배터리 유닛의 출력에 연결되고 타단이 상기 DC-DC 컨버터의 출력에 연결되는 제1 스위치(MC1)와, 일단이 상기 제1 스위치의 타단과 연결되고 타단이 접지되며 상기 제1 스위치와 반대로 연동되는 제2 스위치(MC2)로 이루어지는 마그네틱 컨텍 유니트(magnetic contactor unit, 500);를 포함하되,
    상기 제1 스위치가 ON 되고, 제2 스위치가 OFF되는 경우, DC-DC 컨버터의 출력 전압과 버퍼링 배터리 유닛의 출력전압의 합이 출력되며,
    상기 제1 스위치가 OFF 되고, 제2 스위치가 ON되는 경우, DC-DC 컨버터의 출력 전압이 출력되는 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 급속 충전기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 PFC 컨버터는 상기 트랜스포머 내부의 누설 인덕턴스를 이용하여 PFC 기능을 수행하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 급속 충전기
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 DC-DC 컨버터는
    상기 PFC 컨버터의 출력 전압(Vdc)을 AC로 변환하는 인버터,
    상기 인버터에서 변환된 AC를 적용된 권선 비에 해당하는 AC로 출력하는 고주파 변압기,
    고주파 변압기의 AC 출력을 DC로 변환하는 정류기, 및
    상기 정류기의 출력을 필터링하는 출력 필터부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 급속 충전기.
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