KR101628525B1 - 차량용 배터리 충전기 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 차량용 배터리 충전기는 전원에 연결된 충전장치로부터 출력되는 충전전력을 복수의 상으로 분배하고, 각각의 상에 분배된 충전전력의 역률을 보상하도록 마련된 역률보상회로; 및 충전장치 또는 충전장치의 충전전력에 따라 역률보상회로를 복수의 상 중 일부로만 충전전력이 분배되도록 제어하는 제어기를 포함할 수 있다.

Description

차량용 배터리 충전기 {Apparatus for charging battery of vehicle}
본 발명은 전원과 연결된 충전장치에 따라 역률보상회로를 제어함으로써 충전효율을 개선하는 차량용 배터리 충전기에 관한 것이다.
산업화 시대 이후 가솔린 및 디젤 연료를 토대로 한 자동차 산업의 발전은 자동차의 배출가스로 인해 대기 오염을 가속화시키는 결과를 불러일으켰다. 이에 배출가스가 없는 친환경 자동차에 대한 개발이 현재 많이 이루어지고 있다.
친환경 자동차는 하이브리드 자동차, 플러그인 하이브리드 자동차, 전기 자동차, 연료전지 자동차 등이 있다. 이 중 플러그인 하이브리드 자동차와 전기 자동차 사용자는 가정용 전원을 사용하여 충전이 가능한 방식으로써 두 종류의 차량에는 차량탑재형 완속충전기(On-Board Battery Charger:OBC)가 탑재되어 있다.
가정용 전원을 이용한 충전전력이 큰 차량탑재형 완속충전기(OBC)의 경우 인덕터의 사이즈 축소 및 발열특성을 위하여 작은 인덕터 여러 개를 사용한다. 인덕터를 2개 이상 사용하여 다상 인터리브 방식 토폴로지를 사용한다.
또한, 차량탑재형 완속충전기(OBC)는 EVSE(Electric Vehicle Supply Equipment) 충전방식(통상 6kW이상) 또는 ICCB(In-Cable Control Box) 충전방식(통상 3.3kW이하)을 사용하며, 두 충전방식 모두에서 차량탑재형 완속충전기(OBC)의 전력전달효율은 전기자동차 및 플러그인 하이브리드 자동차의 연비와 직결되므로 넓은 충전전력 범위에서 고효율을 요구한다.
종래에는 OBC의 충전 시 AC전원과 연결된 충전장치가 EVSE로 사용되거나 ICCB로 사용될 경우에 관계없이 역률보상회로를 2상 인터리브 PWM방식을 사용하였다. 하지만, ICCB 충전방식과 같은 저전력 충전이 수행될 경우에는 기존 2상 인터리브 PWM방식을 사용할 경우, 도통 손실량 대비 스위칭 및 다이오드 온드랍 손실량이 커져 충전효율이 저하되는 문제점이 있었다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-2012-0025641 A
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로 충전장치의 종류, 충전전력 또는 충전허용전류 듀티비에 기반하여 역률보상회로를 2상 또는 단상 PWM방식으로 제어하는 차량용 배터리 충전기를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 차량용 배터리 충전기는 전원에 연결된 충전장치로부터 출력되는 충전전력을 복수의 상으로 분배하고, 각각의 상에 분배된 충전전력의 역률을 보상하도록 마련된 역률보상회로; 및 상기 충전장치 또는 충전장치의 충전전력에 따라 상기 역률보상회로를 복수의 상 중 일부로만 충전전력이 분배되도록 제어하는 제어기를 포함할 수 있다.
상기 제어기는 충전장치가 ICCB일 경우, 상기 역률보상회로를 복수의 상 중 일부로만 충전전력이 분배되도록 제어할 수 있다.
상기 제어기는 상기 충전전력이 기설정된 전력 미만인 경우, 상기 역률보상회로를 복수의 상 중 일부로만 충전전력이 분배되도록 제어할 수 있다.
상기 제어기는 충전장치의 충전허용전류 듀티비(Duty)가 기설정된 값 미만인 경우, 상기 역률보상회로를 복수의 상 중 일부로만 충전전력이 분배되도록 제어할 수 있다.
상기 제어기는 충전장치 후단의 전압을 측정하고, 상기 측정된 전압에 기반하여 전압실효값을 산출하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 제어기는 충전장치의 충전전력이 기설정된 전력 미만이고 상기 전압실효값이 기설정된 전압 이상인 경우이면, 상기 역률보상회로를 복수의 상 중 일부로만 충전전력이 분배되도록 제어할 수 있다.
상기 제어기는 충전장치의 충전허용전류 듀티비(Duty)가 기설정된 값 미만이고 상기 전압실효값이 기설정된 전압 이상인 경우, 상기 역률보상회로를 복수의 상 중 일부로만 충전전력이 분배되도록 제어할 수 있다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 차량용 배터리 충전기에 따르면, 충전장치의 종류, 충전전력 또는 충전허용전류 듀티비에 따라 역률보상회로를 단상 PWM방식으로 절환함으로써, 충전전력이 저전력일 경우에 2상 인터리브 PWM방식을 사용한 종래기술보다 스위칭 손실 및 다이오드 온드랍을 감소시켜 충전효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 기존대비 높은 충전효율을 달성함으로써 차량연비 향상, 충전시간 단축, 전기세 절감의 효과를 얻을 수 있다.
또한, 기존의 차량용 배터리 충전기에 별도의 장치를 추가하지 않더라고 구성할 수 있어 토폴로지 변경 및 하드웨어적 추가로 인한 원가상승 요인을 제거할 수 있고, 역률보상회로의 2상 중 하나의 상만을 사용함으로써 1상의 사용량을 반감시켜 역률보상회로의 내구성을 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 배터리 충전기를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 역률보상회로가 2상 PWM방식일 때의 전류흐름을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 역률보상회로가 단상 PWM방식일 때의 전류흐름을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 역률보상회로 제어에 기반한 충전전력 대비 충전효율을 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전압실효값과 충전전력에 기반한 역률보상회로의 제어조건을 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전압실효값과 충전허용전류 듀티비에 기반한 역률보상회로의 제어조건을 도시한 그래프이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 차량용 배터리 충전기에 대하여 살펴본다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 배터리 충전기를 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 역률보상회로가 2상 PWM방식일 때의 전류흐름을 도시한 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 역률보상회로가 단상 PWM방식일 때의 전류흐름을 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 역률보상회로 제어에 기반한 충전전력 대비 충전효율을 도시한 그래프이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전압실효값과 충전전력에 기반한 역률보상회로의 제어조건을 도시한 그래프이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전압실효값과 충전허용전류 듀티비에 기반한 역률보상회로의 제어조건을 도시한 그래프이다.
도 1 내지 도 6을 참조하면, 차량용 배터리 충전기는 전원(140)에 연결된 충전장치(110)로부터 출력되는 충전전력을 복수의 상으로 분배하고, 각각의 상에 분배된 충전전력의 역률을 보상하도록 마련된 역률보상회로(120); 및 상기 충전장치(110) 또는 충전장치(110)의 충전전력에 따라 상기 역률보상회로(120)를 복수의 상 중 일부로만 충전전력이 분배되도록 제어하는 제어기(130)를 포함할 수 있다.
충전장치(110)는 전원(140)으로부터 교류전력을 공급받고 충전방식에 따라 상이한 전력으로 충전전력을 출력한다. 특히, 충전장치(110)는 EVSE(Electric Vehicle Supply Equipment) 또는 ICCB(In-Cable Control Box)를 적용할 수 있는데, 예컨대 EVSE방식은 통상적으로 6kW이상의 충전전력을 출력하고, ICCB방식은 3.3kW이하의 충전전력을 출력한다.
역률보상회로(120)는 충전장치(110)로부터 출력된 충전전력을 공급받아 복수의 상에 분배한 후 역률보상을 수행하는데, 도 1에 도시된 일 실시예에 따른 차량용 배터리 충전기의 역률보상회로(120)와 같이, 2상 인터리브 PWM방식을 사용할 수 있다. 이는 일 실시 예일 뿐, 2개 이상의 복수의 상을 가지는 역률보상회로(120)를 포함하는 차량용 배터리 충전기에도 본 발명은 적용될 수 있다.
역률보상회로(120)로부터 출력된 충전전력은 DC-DC 컨버터(150)를 통과하여 고전압배터리(160)에 입력됨으로써 차량용 고전압 배터리(160)의 충전이 이루어진다.
먼저, 제어기(130)는 충전장치(110)가 ICCB일 경우, 상기 역률보상회로(120)를 복수의 상 중 일부로만 충전전력이 분배되도록 제어할 수 있다.
종래의 경우에는 도 2와 같이 충전장치(110)에 상관없이 충전전력이 모두 복수의 상(123,125)에 분배되었다. 예를 들어, 종래에는 충전장치(110)가 EVSE인 경우, 충전전력이 6kW이상이기 때문에 역률보상회로(120)의 하나의 상에 각각 3kW의 충전전력이 분배되었다. 충전장치(110)가 ICCB인 경우에는 충전전력이 3.3kW이하이기 때문에 역률보상회로(120)의 하나의 상에 1.65kW의 충전전력이 각각 분배되었다. 즉, 종래에는 충전장치(110)가 ICCB인 경우에도 다상 인터리브 PWM방식을 적용함으로써, 역률보상회로(120)의 복수의 상들에 각각 분배되는 충전전력이 낮아지는 현상이 발생하였다. 이에 따라 충전을 수행하게 될 시 충전효율이 감소하게 되었다.
따라서, 본 발명의 제어기(130)는 충전장치(110)가 ICCB이면 역률보상회로(120)의 복수의 상들 중 어느 하나로만 충전전력이 흐르도록 마련함으로써, 역률보상회로(120)의 하나의 상에 인가되는 충전전력을 상승시켜 충전효율을 향상시킨다.
예를 들어, 충전장치(110)가 ICCB인 경우, 도 3과 같이 제어기(130)가 역률보상회로(120)를 단상 PWM방식으로 제어하면, 역률보상회로(120)의 하나의 상(123)에 충전전력 3.3kW가 모두 인가되고, 다른 하나의 상(125)에는 충전전력이 분배되지 않게 된다. 이에 따라, 역률보상회로(120)의 하나의 상(123)에 입력되는 충전전력이 상대적으로 증가함으로써 충전효율이 향상된다.
또 다른 제어방법으로써, 제어기(130)는 충전장치(110)로부터 출력된 충전전력이 기설정된 전력 미만인 경우, 상기 역률보상회로(120)를 복수의 상 중 일부로만 충전전력이 분배되도록 제어하고, 충전장치(110)의 충전허용전류 듀티비(Duty)가 기설정된 값 미만인 경우, 상기 역률보상회로(120)를 복수의 상 중 일부로만 충전전력이 분배되도록 제어할 수 있다.
즉, 제어기(130)는 상술했던 전원(140)에 연결된 충전장치(110)가 EVSE인지 또는 ICCB인지 판단하여 제어를 수행하는 방법 이외에도, 충전장치(110)의 충전전력 또는 충전허용전류 듀티비(Duty) 정보를 이용하여 역률보상회로(120)의 제어를 수행할 수 있다. 여기서, 충전허용전류 듀티비(Duty)는 충전장치(110)의 충전이 허용되는 전류의 최대값을 나타내는 신호이다.
예를 들어, 제어기(130)는 충전장치(110)로부터 충전전력 정보를 수신하는 경우, 기설정된 전력을 저전력 판단의 기준이 되는 전력인 3.3kW로 설정할 수 있다. 이에 따라, 충전장치(110)로부터 출력되는 충전전력이 3.3kW이하이면 충전장치(110)가 ICCB이거나 저전력을 출력하는 것으로 판단하여 역률보상회로(120)를 하나의 상에만 충전전력이 흐르도록 제어한다. 반면, 충전장치(110)로부터 출력되는 충전전력이 3.3kW보다 크면 충전장치(110)가 EVSE이거나 고전력을 출력하는 것으로 판단하여 역률보상회로(120)를 복수의 상에 충전전력이 분배되도록 제어할 수 있다. 따라서, 충전전력에 따른 최적의 충전효율을 유지할 수 있다.
또한, 제어기(130)는 충전장치(110)로부터 충전허용전류 듀티비(Duty) 신호를 수신하는 경우, 기설정된 값을 저전력 판단의 기준이 되는 3.3kW에 해당하는 듀티비로 설정할 수 있다. 즉, 충전장치(110)의 충전허용전류 듀티비(Duty)가 기설정된 값 이하이면 충전장치(110)가 ICCB이거나 저전력을 출력하는 것으로 판단하여 역률보상회로(120)를 하나의 상에만 충전전력이 흐르도록 제어한다. 반대로, 충전장치(110)의 충전허용전류 듀티비(Duty)가 기설정된 값보다 크면 충전장치(110)가 EVSE이거나 고전력을 출력하는 것으로 판단하여 역률보상회로(120)를 복수의 상에 충전전력이 분배되도록 제어함으로 충전허용전류 듀티비(Duty)에 따른 최적의 충전효율을 유지할 수 있다.
상술한 예에서 기설정된 전력과 기설정된 값이 숫자로 한정된 것은 일 실시예에 따른 것일 뿐, 설계자에 의해서 가변되어 적용될 수 있다.
실제로, 도 4를 참조하면 역률보상회로(120)에 인가되는 충전전력이 상승할 시 그에 따라 충전효율이 증가함을 알 수 있는데, 충전전력이 중간값의 전력구간에서 효율이 최대가 되고 고/저 전력구간에서는 효율이 저하되는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 발명과 같이 역률보상회로(120)의 각 상에 저전력이 인가되는 것을 막음으로써 충전효율을 향상시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 제어기(130)는 충전장치(110) 후단의 전압을 측정하고, 상기 측정된 전압에 기반하여 전압실효값을 산출할 수 있다.
전압실효값은 충전장치(110)로부터 출력되는 교류전압을 이용하여 산출되는 값으로 평균적으로 인가되는 전압의 크기를 나타내는 지표이다. 통상적으로 전압실효값이 커질수록 충전전력이 증가한다.
제어기(130)는 충전장치(110) 충전전력이 기설정된 전력 미만이고 상기 전압실효값이 기설정된 전압 이상인 경우이면 상기 역률보상회로(120)를 복수의 상 중 일부로만 충전전력이 분배되도록 제어하고, 충전장치(110)의 충전허용전류 듀티비(Duty)가 기설정된 값 미만이고 상기 전압실효값이 기설정된 전압 이상인 경우이면 상기 역률보상회로(120)를 복수의 상 중 일부로만 충전전력이 분배되도록 제어할 수 있다.
여기서, 기설정된 전압은 목표되는 전압실효값의 절반으로 설정될 수 있다. 일 예로, 전원(140)으로부터 인가되어야 할 목표전압이 320V라면, 180V이하의 전압이 인가될 경우에는 충전전력이 목표로 하는 전력보다 낮게 측정되기 때문에 충전장치(110)가 EVSE방식을 사용하는지 ICCB방식을 사용하는지 정확히 판단할 수 없다. 따라서, 제어기(130)는 기설정된 전압을 180V로 설정함으로써, 전압실효값이 기설정된 전압 이상일 경우에 목표전압에 안정적으로 도달했다고 판단하여 충전장치(110)의 충전전력 또는 충전허용전류 듀티비(Duty)에 기반한 제어를 수행한다. 이에 따라, 제어의 신뢰성이 향상될 수 있다.
도 5는 전압실효값과 충전전력의 관계에 있어서 제어기(130)가 역률보상회로(120)를 단상 PWM방식으로 제어하는 영역을 도시하고 있으며, 도 6은 전압실효값과 충전허용전류 듀티비(Duty)의 관계에 있어서 제어기(130)가 역률보상회로(120)를 단상 PWM방식으로 제어하는 영역을 해칭으로 도시하고 있다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 차량용 배터리 충전기에 따르면, 충전장치의 종류, 충전전력 또는 충전허용전류 듀티비에 따라 역률보상회로를 단상 PWM방식으로 절환함으로써, 충전전력이 저전력일 경우에 2상 인터리브 PWM방식을 사용한 종래기술보다 스위칭 손실 및 다이오드 온드랍을 감소시켜 충전효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 기존대비 높은 충전효율을 달성함으로써 차량연비 향상, 충전시간 단축, 전기세 절감의 효과를 얻을 수 있다.
또한, 기존의 차량용 배터리 충전기에 별도의 장치를 추가하지 않더라고 구성할 수 있어 토폴로지 변경 및 하드웨어적 추가로 인한 원가상승 요인을 제거할 수 있고, 역률보상회로의 2상 중 하나의 상만을 사용함으로써 1상의 사용량을 반감시켜 역률보상회로의 내구성을 증가시킬 수 있다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
110: 충전장치 120: 역률보상회로
130: 제어기 140: 전원
150: DC-DC 컨버터 160: 고전압 배터리

Claims (7)

  1. 전원에 연결된 충전장치로부터 출력되는 충전전력을 복수의 상으로 분배하고, 각각의 상에 분배된 충전전력의 역률을 보상하도록 마련된 역률보상회로; 및
    상기 충전장치 또는 충전장치의 충전전력에 따라 상기 복수의 역률보상회로 중 일부로만 충전전력이 분배되도록 제어하는 제어기를 포함하며,
    상기 제어기는 충전장치의 충전허용전류 듀티비(Duty)가 기설정된 값 미만인 경우, 상기 역률보상회로를 복수의 상 중 일부로만 충전전력이 분배되도록 제어하고,
    상기 충전허용전류 듀티비는 상기 충전장치의 충전이 허용되는 전류의 최대값을 나타내는 신호인 것을 특징으로 하는,
    차량용 배터리 충전기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는 충전장치가 ICCB(In-Cable Control Box)일 경우, 상기 역률보상회로를 복수의 상 중 일부로만 충전전력이 분배되도록 제어하는,
    차량용 배터리 충전기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 충전전력이 기설정된 전력 미만인 경우, 상기 역률보상회로를 복수의 상 중 일부로만 충전전력이 분배되도록 제어하는,
    차량용 배터리 충전기.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는 충전장치 후단의 전압을 측정하고, 상기 측정된 전압에 기반하여 전압실효값을 산출하는 것을 특징으로 하는,
    차량용 배터리 충전기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어기는 충전장치의 충전전력이 기설정된 전력 미만이고 상기 전압실효값이 기설정된 전압 이상인 경우이면, 상기 역률보상회로를 복수의 상 중 일부로만 충전전력이 분배되도록 제어하는,
    차량용 배터리 충전기.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제어기는 충전장치의 충전허용전류 듀티비(Duty)가 기설정된 값 미만이고 상기 전압실효값이 기설정된 전압 이상인 경우, 상기 역률보상회로를 복수의 상 중 일부로만 충전전력이 분배되도록 제어하는,
    차량용 배터리 충전기.
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