KR101308711B1

KR101308711B1 - 전기자동차 배터리 충전장치

Info

Publication number: KR101308711B1
Application number: KR1020120071450A
Authority: KR
Inventors: 박준석; 김원규; 최헌수
Original assignee: 엘에스산전 주식회사; 한국항공대학교산학협력단; 국민대학교산학협력단
Priority date: 2012-06-29
Filing date: 2012-06-29
Publication date: 2013-09-25

Abstract

본 발명은 전기자동차의 배터리 충전시 초기에 대용량충전기를 이용하여 충전하다가 이후에 저용량충전기로 전환하여 충전하도록 하는 전기자동차 배터리 충전장치에 관한 것이다.
본 발명의 전기자동차 배터리 충전장치는, 전기자동차 배터리의 충전량을 검출하는 충전량검출부; 상기 배터리를 상대적으로 고속충전하는 대용량충전기; 상기 배터리를 상대적으로 저속충전하는 저용량충전기; 상기 배터리에 상기 대용량충전기 또는 저용량충전기를 선택적으로 연결하는 전력스위칭부; 및 상기 충전량검출부에서 검출한 상기 배터리의 충전량에 따라 상기 대용량충전기 또는 저용량충전기 중 하나가 상기 배터리에 연결되도록 상기 전력스위칭부의 동작을 제어하는 충전제어부를 포함한다.

Description

전기자동차 배터리 충전장치{APPARATUS FOR CHARGING POWER OF BATTERY FOR ELECTRIC VEHICLE}

본 발명은 전기자동차의 배터리 충전에 관한 것으로서, 특히 배터리 충전기를 이용하여 전기자동차의 배터리 충전 시 초기에 대용량충전기로 충전하다가 미리 설정된 시점 이후에는 저용량충전기로 전환하여 충전하도록 하는 전기자동차 배터리 충전장치에 관한 것이다.

최근에 화석연료의 고갈 염려 등으로 인해 전기로 구동되는 전기자동차가 많이 개발되고 있다. 예컨대, 전기로 모터를 구동시켜 차량의 주행을 수행하거나, 내연기관과 모터를 병용하여 차량의 주행을 수행하고 있다.

이와 같이 전기자동차의 주행을 위한 구동력을 제공하기 위해서는 전기를 공급하기 위한 배터리가 필요하다. 특히, 배터리의 경량화 및 소형화와 더불어 짧은 충전시간이 전기자동차가 실용화되기 위한 필수적인 선결 조건으로 꼽힌다.

종래에는 전기자동차의 배터리 충전에는 시간이 많이 소요된다는 문제점이 있다. 특히, 여러 대의 전기자동차를 충전하는 경우 충전시간으로 인해 대기시간이 길어져 사용자 편의성을 저해하는 요인이 된다.

이러한 문제를 해결하기 위해 전기자동차의 배터리 자체를 교환하는 방식이 채택되어 연구되고 있다. 하지만, 배터리를 교체하는데도 역시 시간이 많이 소요될 뿐만 아니라 배터리 교체를 위한 장비 등을 구축하는데 비용이 더 소요되는 문제점이 있다.

따라서, 해당 기술분야에서는 짧은 시간 내에 여러 대의 전기자동차의 배터리를 효율적으로 충전할 수 있도록 하는 기술이 요구되고 있는 실정이다.

한국공개특허공보 제10-2011-0114024호 (공개일: 2011.10.19.) 한국공개특허문헌 제10-2011-0004292호 (공개일 : 2011.01.13.)

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 짧은 시간 내에 다수의 전기자동차의 배터리를 효율적으로 충전할 수 있도록 하는 전기자동차 배터리 충전장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 전기자동차 배터리의 충전시 대용량충전기 및 저용량충전기의 혼용에 따른 사용효율을 높일 수 있는 전기자동차 배터리 충전장치를 제공하는데 다른 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전기자동차 배터리 충전장치는,

전기자동차 배터리의 충전량을 검출하는 충전량검출부; 상기 배터리를 상대적으로 고속충전하는 대용량충전기; 상기 배터리를 상대적으로 저속충전하는 저용량충전기; 상기 배터리에 상기 대용량충전기 또는 저용량충전기를 선택적으로 연결하는 전력스위칭부; 및 상기 충전량검출부에서 검출한 상기 배터리의 충전량에 따라 상기 대용량충전기 또는 저용량충전기 중 하나가 상기 배터리에 연결되도록 상기 전력스위칭부의 동작을 제어하는 충전제어부를 포함하고, 상기 충전제어부는 상기 배터리의 충전시 초기에 상기 대용량충전기가 상기 배터리에 연결되도록 하고 상기 대용량충전기에 의한 배터리의 충전량이 미리 설정된 기준전압에 도달하면 충전전류를 기설정된 값으로 감소시킨 후에 상기 저용량충전기가 상기 배터리에 연결되도록 상기 전력스위칭부의 동작을 제어한다.

본 발명에서, 상기 대용량충전기의 충전전류의 크기는 상기 저용량충전기의 충전전류의 크기보다 2배 이상임이 바람직하다.

본 발명에서, 상기 대용량충전기의 충전전류는 미리 설정된 시간 동안 전류의 크기가 일정한 정전류를 포함한다.

삭제

본 발명에서, 상기 배터리의 충전량이 완전 충전전압의 95~99%의 범위에 도달하면 상기 저용량충전기가 상기 배터리에 연결된다.

삭제

본 발명에서, 상기 기설정된 값은 상기 대용량충전기에 의한 충전전류의 80~90%임이 바람직하다.

상기와 같은 구성으로 이루어진 본 발명에 따른 전기자동차 배터리의 충전장치 및 충전방법에서는 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

본 발명에 의하면 여러 대의 전기자동차에 대하여 짧은 시간 내에 배터리를 충전할 수 있다.

또한, 본 발명은 충전 초기에는 대용량 충전기와 저용량 충전기의 사용을 적절하게 전환하여 충전하므로 이들 충전기의 사용효율을 높일 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 전기자동차의 배터리 충전장치의 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 전력스위칭부의 동작에 따라 배터리에 충전전류를 공급하는 예시도.
도 3은 본 발명에 따른 전기자동차의 배터리 충전에 따른 충전전압 및 충전전류를 나타낸 그래프 도면.
도 4는 본 발명에 따른 전기자동차의 배터리 충전장치의 동작을 설명하기 위한 흐름도.

이하에서, 본 발명의 바람직한 실시 예가 첨부된 도면들을 참조하여 설명할 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 전기자동차의 배터리 충전장치의 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 전기자동차의 배터리 충전장치(100)는 충전량검출부(110), 대용량충전기(120), 저용량충전기(130), 전력스위칭부(140) 및 충전제어부(150)를 포함하여 구성된다.

충전량검출부(110)는 충전하고자 하는 배터리(B)의 충전량을 검출한다. 여기서,충전량검출부(110)는 배터리(B)에 남아있는 충전전압뿐만 아니라 충전중인 상태 및 충전이 완료된 상태에서의 충전전압을 검출한다. 이러한 충전량검출부(110)는 예컨대, 배터리(B)의 전압을 실시간 측정함으로써 배터리(B)의 충전량을 검출할 수 있도록 한다.

대용량충전기(120) 및 저용량충전기(130)는 배터리(B)로 충전을 위한 충전전류를 공급함으로써 배터리(B)를 충전시킨다. 이때, 대용량충전기(120)는 저용량충전기(130)에 비해 상대적으로 고속충전이 이루어진다. 예컨대, 대용량충전기(120)의 충전전류는 저용량충전기(130)의 충전전류보다 최소 2배 이상임이 바람직하다. 이는 대용량충전기(120)에서 저용량충전기(130)에 비해 어느 정도 이상으로 고속충전이 가능하도록 하기 위한 것이다. 본 실시 예에서 대용량충전기(120)는 미리 설정된 충전전압까지 예컨대, 최대 100A의 전류로 급속충전이 이루어질 수 있다. 또한, 대용량충전기(120)의 충전전류는 미리 설정된 시간 동안 전류의 크기가 일정한 정전류를 포함함이 바람직하다.

전력스위칭부(140)는 대용량충전기(120)와 저용량충전기(130) 중 어느 하나를 선택적으로 배터리(B)에 연결한다. 이러한 전력스위칭부(140)는 후술하는 충전제어부(150)의 제어신호에 따라 예컨대, 전력스위치의 스위칭동작에 따라 대용량충전기(120)의 출력단자 또는 저용량충전기(130)의 출력단자 중 선택된 어느 하나를 배터리(B)의 입력단자에 연결시키도록 하는 것이다. 이로써, 충전제어부(150)의 제어신호에 따라 대용량충전기(120) 또는 저용량충전기(130) 중 하나에서 배터리(B)로 충전전류가 공급되도록 하고 이에 따라 상대적으로 고속충전 또는 저속충전이 이루어지도록 한다.

충전제어부(150)는 충전량검출부(110)에서 검출한 배터리(B)의 충전량에 따라 대용량충전기(120) 또는 저용량충전기(130) 중 하나가 배터리(B)에 연결되도록 전력스위칭부(140)의 동작을 제어한다. 구체적으로 설명하면, 충전제어부(150)는 초기에 상대적으로 대전류를 배터리(B)로 제공하기 위하여 대용량충전기(130)가 배터리(B)에 연결되도록 전력스위칭부(140)의 동작을 제어함으로써 대용량충전기(130)에 의해 상대적으로 고속충전이 이루어지도록 하였다가, 배터리(B)에 충전된 충전전압이 미리 설정된 기준전압에 도달하면 충전제어부(150)는 상대적으로 저전류를 배터리(B)로 제공하기 위하여 저용량충전기(130)가 배터리(B)에 연결되도록 전력스위칭부(140)의 동작을 제어함으로써 저용량충전기(130)의 동작을 제어함으로써 저용량충전기(130)가 배터리(B)에 연결되도록 대전류 배터리(B)의 동작을 제어하는 것이다. 이때, 본 발명의 바람직한 실시 예에서 충전제어부(150)는 대용량충전기(120)에 의한 고속충전에서 충전전압이 미리 설정된 기준전압에 도달한 경우 충전전류를 어느 정도(예컨대, 고속충전시의 충전전류의 80~90%)으로 감소한 후에 저용량충전기(130)를 배터리(B)에 연결되도록 전력스위칭부(140)의 동작을 제어함이 바람직하다. 이는 대용량충전기(120)에 의한 충전전류가 아직 대전류이므로 그 충전전류를 어느 정도 감소한 이후에 전환하도록 함이 바람직하기 때문이다.

도 2는 본 발명에 따른 전력스위칭부의 동작에 따라 배터리에 충전전류를 공급하는 예시도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에서는 초기에는 도 2의 (a)에서와 같이 대용량충전기(120)에서 충전전류를 배터리(B)로 공급하도록 한다. 이러한 상대적인 고속충전에 의해 배터리(B)가 빠른 속도로 충전이 이루어진다. 이때, 배터리(B)가 충전되는 동안 배터리(B)의 충전전압은 실시간으로 검출된다. 이후, 검출된 배터리(B)의 충전전압이 미리 설정된 기준전압까지 상승하게 되면 도 2의 (b)에서와 같이 저용량충전기(130)에서 충전전류를 배터리(B)로 공급하도록 한다. 이러한 상대적인 저속충전에 의해 배터리(B)는 안정적인 충전이 이루어지게 된다. 상술한 바와 같이 도 2의 (a)와 (b) 간의 충전 모드의 절환은 충전제어부(150)의 제어신호에 따라 전력스위칭부(140)에서 구현된다.

도 3은 본 발명에 따른 전기자동차의 배터리 충전에 따른 충전전압 및 충전전류를 나타낸 그래프 도면이다.

도 3을 참조하여 본 실시 예에서 전기자동차의 배터리에 따른 충전전압 및 충전전류의 타임차트를 살펴보면, 가로축은 시간경과를 나타내고 세로축은 전압 및 전류의 크기를 나타낸다. 도면에서 V0는 배터리의 방전전압이고, V1은 완충전압이다. 또한, I0는 개시 충전전류이고 I1은 고속충전을 위한 정전류이며, I2는 마무리 충전전류이다.

도면을 참조하면, 배터리(B)의 충전전압은 충전개시 전에 방전전압 V0를 유지하다가 고속충전모드에서 대용량충전기(120)로부터 충전전류 I1을 제공받으면서 고속충전이 이루어지게 되어 완충전압 V1까지 급속히 증가함을 알 수 있다. 이때, 배터리(B)의 충전전압은 완충전압 V1에 도달하면서 포화되어 정전압 구간을 형성하게 됨을 알 수 있다.

충전전류의 경우 개시 충전전류 I0에서 배터리(B)가 대용량충전기(120)에 연결되어 고속충전모드 동안에는 정전류 I1을 일정시간 동안 유지하면서 충전하도록 하고, 충전전압이 미리 설정된 기준전압에 도달하게 되면, 즉 배터리(B)의 충전전압이 완충전압 V1에 포화되면 저용량충전기(130)로 연결을 변환하여 저속충전모드 동안에는 충전전류가 계속 감소하여 정전압 구간에서 마무리 충전전류 I2에 이르는 것을 알 수 있다.

도면에서 알 수 있듯이, 전기자동차 배터리(B)의 충전시 초기상태의 충전전압 V0 및 충전전류 I0를 감지한 후 대용량충전기(120)를 배터리(B)에 연결하여 충전전류를 공급하도록 함으로써 배터리(B)의 충전이 이루어지도록 한다. 이때, 대용량충전기(120)를 이용하여 고속충전모드 동안 대전류인 정전류 I1으로 배터리(B)를 빠르게 충전하도록 한다. 이후에 배터리(B)에 충전된 전압이 미리 설정된 기준전압에 도달한 것으로 판단되면, 배터리(B)에 대한 연결을 대용량충전기(120)에서 저용량충전기(130)로 전환하여 저속충전모드로 변환한다. 저속충전모드에서는 충전전류가 서서히 감소하도록 하면서 서서히 충전되도록 한다. 여기서, 본 실시 예에서 상기한 기준전압은 예컨대, 배터리(B)가 완전히 충전된 전압의 95~99%로 설정함이 바람직하다. 이는 충전중에 배터리(B)의 충전전압이 상기 범위에 빨리 도달하도록 급고속충전이 이루어지도록 하고, 이후에는 저속충전으로 안정적인 충전이 이루어지도록 하기 위한 것이다.

이때, 고속충전모드 구간에서는 충전전류의 크기가 일정한 정전류구간과 배터리(B)의 충전전압이 포화되어 일정한 크기가 되는 정전압구간으로 이루어지고, 정전압구간에서 충전전류가 점차 낮아져 마무리 충전전류 I2에 이르면 충전이 완료됨을 알 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 전기자동차의 배터리 충전장치의 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 전기자동차 배터리 충전장치에서는, 먼저 배터리(B)를 충전위치에 셋팅한다(S101). 배터리(B)의 충전이 시작되면서 충전량검출부(110)에서 해당 배터리(B)의 충전전압에 대한 실시간 검출을 시작한다(S103).

이러한 충전전압 검출과 동시에, 충전제어부(150)에서는 대용량충전기(120)가 배터리(B)에 연결되도록 전력스위칭부(140)의 동작을 제어한다(S105). 이로써, 상대적으로 고속충전이 이루어진다(S107). 이러한 고속충전에서는 충전전류가 일정시간 동안 정전류 구간을 형성한다.

이후, 충전량검출부(110)에서 배터리(B)의 충전전압을 실시간 검출하는 중에 상기 충전전압이 미리 설정된 기준전압, 예컨대 완전히 충전된 전압의 95~99%의 범위 내에 도달하는지를 판단하여(S109), 충전전압이 기준전압에 도달하면 저용량충전기(130)가 배터리(B)에 연결되도록 전력스위칭부(140)의 동작을 제어한다(S111). 이로써, 상대적으로 저속충전이 이루어진다(S113). 이때, 저속충전 중에는 충전전압이 일정시간 동안 정전압 구간을 형성한다.

한편, 도면에 도시하지 않았으나 본 발명의 바람직한 실시 예에서, S111 단계에서는 충전전압이 기준전압에 도달하면 바로 저용용충전기(130)를 배터리(B)에 연결하지 않고 충전전류를 미리 설정된 값(예컨대, 정전류의 80~90%로 설정함)으로 감소시킨 후에 저용량충전기(130)를 배터리(B)에 연결되도록 전력스위칭부(140)의 동작을 제어한다. 이는 정전압 구간에서 아직 충전전류가 대전류이므로 그 충전전류를 어느 정도 감소한 이후에 전환하도록 함이 바람직하기 때문이다.

본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 않고 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다. 예컨대, 상술한 실시 예에서는 전력스위칭부(140)는 접점스위치, 릴레이, IGBT(insulated gate bipolar mode transistor), 딥스위치 등의 실시 예로 구현이 가능하며, 대용량충전기(120) 또는 저용량충전기(130)의 출력단자 중 어느 하나를 선택적으로 배터리(B)의 입력단자와 연결할 수 있도록 하는 수단이면 충분히 다른 실시 예가 가능할 것이다.

따라서, 이상에서 설명한 본 발명은 바람직한 실시 예들을 통하여 상세하게 설명되었지만, 본 발명은 이러한 실시 예들의 내용에 한정되는 것이 아님을 밝혀둔다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 비록 실시 예에 제시되지 않았지만 첨부된 청구항의 기재 범위 내에서 다양한 본 발명에 대한 모조나 개량이 가능하며, 이들 모두 본 발명의 기술적 범위에 속함은 너무나 자명하다 할 것이다. 이에, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

최근 환경문제, 에너지문제 등에 대한 대안으로서 전기자동차에 대한 관심이 높아지고 있으며, 이와 관련된 기술에 대한 연구가 지속적으로 진행되고 있다. 특히, 전기자동차의 배터리 충전에 대한 기술들이 활발하게 연구되고 있다.

이에, 본 발명은 다수의 전기자동차를 빠르고 효율적으로 충전할 수 있으므로 전기자동차 분야에 매우 유용하게 적용될 수 있을 것이다.

110 : 충전량검출부 120 : 대용량충전기
130 : 저용량충전기 140 : 전력스위칭부
150 : 충전제어부

Claims

전기자동차 배터리의 충전량을 검출하는 충전량검출부;
상기 배터리를 상대적으로 고속충전하는 대용량충전기;
상기 배터리를 상대적으로 저속충전하는 저용량충전기;
상기 배터리에 상기 대용량충전기 또는 저용량충전기를 선택적으로 연결하는 전력스위칭부; 및
상기 충전량검출부에서 검출한 상기 배터리의 충전량에 따라 상기 대용량충전기 또는 저용량충전기 중 하나가 상기 배터리에 연결되도록 상기 전력스위칭부의 동작을 제어하는 충전제어부; 를 포함하고,
상기 충전제어부는 상기 배터리의 충전시 초기에 상기 대용량충전기가 상기 배터리에 연결되도록 하고 상기 대용량충전기에 의한 배터리의 충전량이 미리 설정된 기준전압에 도달하면 충전전류를 기설정된 값으로 감소시킨 후에 상기 저용량충전기가 상기 배터리에 연결되도록 상기 전력스위칭부의 동작을 제어함을 특징으로 하는 전기자동차 배터리 충전장치.
제1항에 있어서,
상기 대용량충전기의 충전전류의 크기는 상기 저용량충전기의 충전전류의 크기보다 2배 이상임을 특징으로 하는 전기자동차 배터리 충전장치.
제2항에 있어서,
상기 대용량충전기의 충전전류는 미리 설정된 시간 동안 전류의 크기가 일정한 정전류를 포함함을 특징으로 하는 전기자동차 배터리 충전장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 배터리의 충전량이 완전 충전전압의 95~99%의 범위에 도달하면 상기 저용량충전기가 상기 배터리에 연결됨을 특징으로 하는 전기자동차 배터리 충전장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 기설정된 값은 상기 대용량충전기에 의한 충전전류의 80~90%인 것을 특징으로 하는 전기자동차 배터리 충전장치.