KR101729483B1 - 차량용 가변용량 충전시스템 - Google Patents

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이규찬
이태식
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이엔테크놀로지 주식회사
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Abstract

본 발명의 목적은, 차량에 대한 충전시스템으로서 부피가 작고 적은 비용으로 제작되며 충전시스템의 용량 증설이 용이하고 충전 대상 차량의 상황에 따라 차량에 공급하는 충전전력의 유연한 변경이 가능한 충전시스템 및 그 충전방법을 제공하는 것이다. 이를 위해 본 발명의 충전시스템은, 차량과 접속되는 복수의 직류충전단말 및 상기 직류충전단말과 서로 다른 하우징 내에 배치되어 상기 직류충전단말과 공간적으로 분리된 직류변환장치를 포함하되, 상기 직류변환장치는, 복수의 전력변환기 및 상기 복수의 전력변환기와 상기 복수의 직류충전단말 사이의 전기적 연결을 스위칭하는 직류분배망을 포함할 수 있다.

Description

차량용 가변용량 충전시스템{A VARIABLE CAPACITY CHARGING SYSTEM FOR VEHICLES}
본 발명은 차량을 충전하는 충전시스템 및 그 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 복수의 차량에 대해 가변적으로 전력을 공급할 수 있는 충전시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
가솔린이나 경유 등의 화석 연료를 사용하는 자동차들의 경우 화석 연료의 고갈 및 지구 온난화 문제를 야기하고 있고, 그 결과 환경 보호를 위한 이산화탄소 및 배출가스의 규제가 강화되고 있다. 이에 대한 대안으로 플러그인 하이브리드 자동차 및 전기차들이 서서히 보급되고 있으나, 충전 인프라의 구축이 전기차의 보급에 장애물로 작용하고 있다.
전기차들은 여러 가지 충전 방식으로 충전될 수 있는데, 우리 나라의 경우 현재 다음의 3가지 충전 방식, 즉 AC 3상, CHAdeMO(CHArge de MOve), CCS(Combined Charging System)을 지원하고 있다. 이중 AC 3상의 경우 차량의 배터리를 충전하기 위한 AC/DC 변환기를 차량에 탑재하고, CP(Control Pilot)와 CS(Connection Switch) 2개 선으로 차량과 충전장치가 통신하며, 충전장치가 3상 교류 전력을 전기차에 공급하면 전기차는 차량 내 AC/DC 변환기를 통해 배터리를 충전한다. CHAdeMO와 CCS의 경우, 각각 CAN 통신방식과 PLC 통신방식을 통해 차량과 충전장치가 통신하여, 충전장치 내의 AC/DC 변환기의 출력으로 나오는 직류를 차량의 배터리에 공급하여 충전을 수행한다.
현재까지의 전기차들은 통상 20kWH 용량의 배터리를 장착하는데, 완속 충전기로 3 ~ 6시간동안 완전 충전하거나, 급속 충전기로 20분 내외의 시간동안 약 80% 정도 충전한 후 100~140km를 주행한다. 이 정도의 배터리 용량은 가까운 거리의 출퇴근 용도로는 가능하지만 장거리 주행에는 적합하지 않다.
이에 대한 대응책으로 주요 전기차 제조사들이 배터리 용량을 키워 현재보다 2 ~ 3배의 주행거리를 가지는 전기차들을 개발함에 따라, 빠른 시일 내에 40 ~ 60 kWH의 용량을 가지는 전기차들이 확산될 가능성이 높아졌다.
그런데 현재 설치되는 급속 충전기들은 대부분 3가지 충전 표준을 모두 지원하는 50kW 용량의 단독형 충전기들로서, 주차장에 한 대 또는 두 대가 설치되고 있다. 이런 방식으로는 전기차가 조금만 늘어나도 충전을 위한 대기 시간이 늘어나는 불편이 야기될 가능성이 높고, 전기차의 배터리 용량이 2 ~ 3배로 커지게 되면 그 만큼 충전 및 대기시간이 늘어나서 불편은 몇 배 더 가중될 것이다.
도 1은 종래 충전장치를 예시하는 도면이다. 도 1을 참조하면, 충전장치(10)는 3가지 충전 방식의 차량을 모두 충전할 수 있도록 AC/DC 변환기, 절연변압기, 다수의 접촉기와 스위치, 제어기 및 세 가지 충전 방식에 맞는 통신 수단을 포함하고 있다.
CHAdeMO 차량(30) 또는 CCS 차량(40)을 충전할 경우, 충전장치(10)는 DC용 접촉기를 닫아서 충전장치(10) 내의 AC/DC 변환기에 AC 3상 전원(20)을 공급한다. CHAdeMO 차량(30)을 충전할 경우에는 제어기의 CAN 통신 모듈을 통해 CHAdeMO 차량(30)과 통신한 후 CHAdeMO용 스위치를 닫아서 AC/DC 변환기의 직류 전력을 CHAdeMO 차량(30)에 공급하고, CCS 차량(40)을 충전할 경우에는 제어기의 PLC 통신 모듈을 통해 CCS 차량(40)과 통신한 후, CCS용 스위치를 닫아서 AC/DC 변환기의 직류 전력을 CCS 차량(40)에 공급한다.
AC 3상 차량(50)을 충전할 경우, 충전장치(10)는 CP(Control Pilot)와 CS(Connection Switch) 2개 선으로 AC 3상 차량(50)과 통신한 후, AC용 접촉기를 닫아서 3상 교류 전력(20)을 절연변압기를 통해 AC 3상 차량(50)에 공급하면, AC 3상 차량(50)에 내장된 AC/DC 변환기가 AC 3상 전원을 직류로 변환하여 배터리를 충전한다.
이와 같은 종래 충전장치(10)의 경우 3가지 충전방식을 모두 지원하지만 특정 시점에서는 하나의 차량에만 충전전력을 공급할 수 있으므로, 주차장 또는 대규모 충전 스테이션과 같이 복수의 차량을 대상으로 하는 시설에는 복수의 충전장치(10)가 설치되어야 한다. 복수의 충전장치(10)는 각각 독립적으로 운영되기 때문에, 충전장치(10)에 구비되는 내부 구성들은 각각 충전장치(10)의 최대 충전전력에 해당되는 가용용량설비를 가져야 한다. 예를 들어, 충전장치(10)의 최대 충전전력이 50kW라고 할 때, AC/DC 변환기는 50kW 이상의 가용용량을 가져야 한다. 충전 시설(예를 들어, 주차장)에 3대의 충전장치(10)가 배치되는 경우, 충전장치(10)는 각각 50kW 이상의 가용용량을 가지는 AC/DC 변환기 및 절연변압기를 구비하게 되고, 전체로 볼 때, 해당 충전 시설에는 총합 150kW의 AC/DC 변환기와 150kW의 절연변압기가 설치되게 된다.
이러한 충전 인프라의 구성은 몇 가지 문제를 야기하는데, 우선, 개별 충전장치(10)들이 최대 충전전력에 해당되는 AC/DC 변환기 및 절연변압기를 각각 구비함으로써 구축 비용이 증가하는 문제가 발생한다. 게다가 충전장치(10)는 3가지 충전 방식을 모두 지원해야 하기 때문에 충전 시설의 규모가 커질수록 단가 및 유지 보수 비용도 상승하게 된다.
다른 문제로서, 수용 가능한 충전전력이 높은 차량이 새로 개발되더라도 기존에 설치된 충전장치(10)는 최대 충전전력을 초과하는 전력을 차량으로 공급할 수 없다는 문제가 있다. 예를 들어, 50kW 용량의 충전장치(10) 3개가 설치된 경우, 전체 설치용량은 150kW가 되더라도 차량 1대에 공급할 수 있는 최대 충전전력은 50kW로 제한되고 나머지 100kW는 활용될 수 없다는 문제가 있다. 따라서 기존에 설치된 충전장치(10)의 용량보다 더 큰 용량으로 충전이 가능한 차량에 대응하기 위해서는 충전장치(10) 자체를 더 큰 용량으로 교체해야 하는 문제가 있다.
한편, 충전장치(10)는 각각 AC/DC 변환기 및 절연변압기를 구비하게 되는데, 각각의 AC/DC 변환기와 절연변압기는 전력변환과정에서 열을 발생시킨다. 충전장치(10)는 이러한 열을 제어하기 위해 냉각장치를 구비하게 되는데, 냉각장치는 충전장치(10)의 제작비용을 증가시킬 뿐만 아니라 충전장치(10)의 전체 크기를 증가시키는 문제를 야기시킨다. 또한, 충전장치(10)는 차양이 없는 야외에 주로 설치되기 때문에, 직사광선에 의한 열을 받게 되고, 이러한 환경조건에서 내부 열을 제어해야 하기 때문에, 실내에서 사용되는 경우에 비해 더 큰 성능 및 크기를 가지는 냉각장치를 구비할 필요가 있다.
이와 같이 종래 충전장치(10)는 제작비용이 높고 최대 충전전력이 낮으며 크기가 상대적으로 크기 때문에 종래 충전장치(10)를 이용하여 충전 인프라를 확대해 나가기는 어렵다는 문제가 있었다. 또한 종래 충전장치(10)는 충전용량이 증가한 차량에 대응하기가 곤란하고, 새로운 충전 방식이 도입되거나 특정 충전 방식의 사용 빈도가 낮아지는 경우에 대해 유연하게 대응하기가 어렵다는 문제가 있었다.
공개특허공보 제10-2013-0117210호
본 발명의 목적은, 부피가 작고 적은 비용으로 제작되며 충전시스템의 용량 증설이 용이하고 충전 대상 차량의 상황에 따라 차량에 공급하는 충전전력의 유연한 변경이 가능한 충전시스템 및 그 충전방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 스위칭 소자의 개수를 줄이고 전류 용량을 줄여 가격을 낮추고 부피를 줄이면서도 충전 대상 차량의 상황에 따라 차량에 공급하는 충전전력의 유연한 변경이 가능한 충전시스템 및 그 충전방법을 제공하는 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 일 측면에서, 본 발명은 차량과 접속되는 복수의 직류충전단말; 및 상기 직류충전단말과 서로 다른 하우징 내에 배치되어 상기 직류충전단말과 공간적으로 분리된 직류변환장치;를 포함하되, 상기 직류변환장치는, 복수의 전력변환기; 및 상기 복수의 전력변환기와 상기 복수의 직류충전단말 사이의 전기적 연결을 스위칭하는 직류분배망;을 포함하는 것을 특징으로 하는 충전시스템이다.
상기 충전시스템에서, 상기 전력변환기 각각은 상기 직류분배망을 통해 상기 복수의 직류충전단말 중의 어느 직류충전단말에도 전력 공급이 가능할 수 있다.
상기 충전시스템에서, 상기 직류분배망은, 상기 전력변환기 각각의 양의 단자를 상기 복수의 직류충전단말 중의 어느 직류충전단말의 양의 단자에도 선택적으로 연결이 가능하고, 상기 전력변환기 각각의 음의 단자를 상기 복수의 직류충전단말 중의 어느 직류충전단말의 음의 단자에도 선택적으로 연결이 가능할 수 있다.
상기 충전시스템에서, 상기 복수의 전력변환기 각각의 최대 처리 용량의 합은 상기 복수의 직류충전단말 각각의 최대 처리 용량의 합보다 적을 수 있다.
상기 충전시스템에서, 상기 직류변환장치는 복수 개가 구비되고, 상기 충전시스템은 입력 교류전원의 최대 용량 및 충전시스템에 접속한 차량이 요구하는 충전전력에 기초하여 상기 충전시스템이 차량에 공급할 전체 전력을 결정하고, 각 직류변환장치가 차량으로 공급할 전력을 할당하는 중앙전력분배제어기를 더 포함할 수 있다.
상기 충전시스템에서, 상기 직류변환장치 각각은 직류전력분배제어기를 포함하고, 상기 직류전력분배제어기는 상기 중앙전력분배제어기로부터 할당받은 전력 한도 내에서 상기 직류변환장치에 속한 각 전력변환기가 공급할 전력을 할당 할 수 있다.
상기 충전시스템에서, 상기 직류전력분배제어기는 자신이 관리하는 직류충전단말에 접속된 차량에 변동이 생길 때 각 전력변환기가 공급할 전력을 재할당하고 직류분배망의 스위칭 소자의 연결을 전환하여 각 직류충전단말로 공급되는 전력을 변경할 수 있다.
상기 충전시스템에서, 상기 직류변환장치는 옥내에 위치하고 상기 직류충전단말은 옥외에 위치할 수 있다.
상기 충전시스템에서, 상기 복수의 전력변환기 각각의 양의 단자는 상기 직류충전단말의 개수와 동일한 개수의 스위칭 소자를 통해 상기 직류충전단말 각각의 양의 단자에 연결이 되고, 상기 복수의 전력변환기 각각의 음의 단자는 상기 직류충전단말의 개수와 동일한 개수의 스위칭 소자를 통해 상기 직류충전단말 각각의 음의 단자에 연결이 될 수 있다.
다른 측면에서 본 발명은, 차량과 접속되는 복수의 직류충전단말 및 상기 직류충전단말과 서로 다른 하우징 내에 배치되어 상기 직류충전단말과 공간적으로 분리된 직류변환장치를 포함하되, 상기 직류변환장치는 복수의 전력변환기 및 상기 복수의 전력변환기와 상기 복수의 직류충전단말 사이의 전기적 연결을 스위칭하는 직류분배망을 포함하는 충전시스템에 의해 수행되는 충전방법으로서, 제1 및 제2 전력변환기가 제1 직류충전단말을 통해 제1 차량에 전력을 공급하는 제1 단계; 제2 직류충전단말이 제2 차량에 전기적으로 연결되는 제2 단계; 상기 제2 전력변환기와 상기 제1 직류충전단말의 전기적 연결을 해제하는 제3 단계; 및 상기 제2 전력변환기가 상기 제2 직류충전단말을 통해 상기 제2 차량에 전력을 공급하는 제4 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 충전방법이다.
상기 충전방법은, 상기 제1 차량의 충전이 완료되는 제5 단계; 상기 제1 전력변환기와 상기 제1 직류충전단말의 전기적 연결을 해제하는 제6 단계; 및 상기 제1 전력변환기가 상기 제2 직류충전단말을 통해 상기 제2 차량에 전력을 공급하는 제7 단계;를 더 포함할 수 있다.
또 다른 측면에서 본 발명은, 차량과 접속되는 복수의 직류충전단말; 상기 직류충전단말과 서로 다른 하우징 내에 배치되어 상기 직류충전단말과 공간적으로 분리된 복수의 전력변환기; 및 상기 복수의 전력변환기와 상기 복수의 직류충전단말 사이의 전기적 연결을 스위칭하는 직류분배망;을 포함하되, 상기 복수의 전력변환기는 n 개의 그룹으로 나누어지고, 상기 복수의 직류충전단말은 상기 n 개의 전력변환기 그룹에 각각 대응되는 n 개의 그룹으로 나누어지며, 상기 직류분배망은 서로 대응하는 전력변환기 그룹과 직류충전단말 그룹 사이의 전기적 연결을 스위칭하는 n 개의 그룹내 스위칭 회로, 및 상기 직류충전단말 그룹 사이의 전기적 연결을 스위칭하는 그룹간 스위칭 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 충전시스템이다.
상기 충전시스템에서, 상기 직류충전단말 그룹 내의 직류충전단말은 대응하는 상기 전력변환기 그룹 내의 전력변환기로부터 상기 그룹내 스위칭 회로를 통해 전력을 공급받을 수 있을 뿐만 아니라, 대응하지 않는 상기 전력변환기 그룹으로부터 상기 그룹내 스위칭 회로 및 상기 그룹간 스위칭 회로를 통해 전력을 공급받을 수 있다.
상기 충전시스템에서, 상기 그룹간 스위칭 회로는 하나의 직류충전단말 그룹 내의 각각의 직류충전단말을 다른 하나의 직류충전단말 그룹 내의 임의의 직류충전단말에 연결이 가능할 수 있다.
상기 충전시스템에서, 상기 그룹내 스위칭 회로는 하나의 전력변환기 그룹 내의 각각의 전력변환기를 대응하는 직류충전단말 그룹 내의 임의의 직류충전단말에 연결이 가능할 수 있다.
하나의 전력변환기 그룹 내의 전력변환기 각각의 최대 처리 용량의 합은 대응하는 직류충전단말 그룹 내의 직류충전단말 각각의 최대 처리 용량의 합보다 적을 수 있다.
상기 충전시스템에서, 상기 n 은 2 이고, 제1 그룹의 직류충전단말은 CHAdeMO 충전 방식의 차량을 충전할 수 있고, 제2 그룹의 직류충전단말은 CCS 충전 방식의 차량을 충전할 수 있다.
상기 충전시스템에서, 상기 직류충전단말에 접속된 차량에 변동이 생길 때 각 전력변환기가 공급할 전력을 재할당하고 직류분배망의 스위칭 소자의 연결을 전환하여 각 직류충전단말로 공급되는 전력을 변경하는 직류전력분배제어기를 더 포함할 수 있다.
상기 충전시스템에서, 상기 직류변환장치는 옥내에 위치하고 상기 직류충전단말은 옥외에 위치할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면 부피가 작고 적은 비용으로 제작되며 충전시스템의 용량 증설이 용이하고 충전 대상 차량의 상황에 따라 차량에 공급하는 충전전력의 유연한 변경이 가능하다는 장점이 있다.
도 1은 종래 충전장치의 구성을 예시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 충전시스템을 예시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 직류분배망을 예시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 차량으로 공급되는 충전전력을 가변하는 예를 설명하는 도면이다.
도 5는 도 3의 직류분배망을 통해 복수의 전력변환기로부터 복수의 직류충전단말로 전력을 분배하는 예를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 직류분배망을 예시하는 도면이다.
도 7은 도 6의 실시예에서 그룹간 스위칭 회로 내부의 스위칭 소자의 전류 용량을 설정하는 방법을 예시하는 도면이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 충전시스템(200)을 예시하는 도면이다. 도 2를 참조하면, 충전시스템(200)은 직류변환장치(210, DCU; DC Converting Unit), 교류분배장치(220, ADU; AC Distribution Unit), 직류충전단말(230, DCT; DC Charging Terminal), 교류충전단말(240, ACT; AC Charging Terminal) 및 중앙전력분배제어기(250, CPDC; Central Power Distribution Controller)를 포함할 수 있다. 도 2에서 실선은 전력용 배선을 의미하고 점선은 제어용 신호선을 의미한다.
직류변환장치(210)는 입력 교류전원(260)으로부터 전력을 공급받아 교류를 직류로 변환하여 복수의 직류충전단말(230)로 공급한다. 직류변환장치(210)는 복수 개가 구비될 수 있고, 각각의 직류변환장치(210)는 복수의 전력변환기(212, PS; Power Supply), 직류분배망(214, DPSN; DC Power Switching Network) 및 직류전력분배제어기(216, DPDC; DC Power Distribution Controller)를 포함할 수 있다.
전력변환기(212)는 입력 교류전원(260)으로부터 공급받는 교류를 직류로 변환하는데, 공지의 AC/DC 변환기가 사용될 수 있다. 하나의 직류변환장치(210) 내에는 복수의 전력변환기(212)가 포함될 수 있고, 복수의 전력변환기(212) 각각의 전력용량은 서로 동일할 수도 있지만 서로 상이한 전력용량을 가지는 경우에도 후술할 바와 같이 직류분배망(214)에 의해 차량의 충전요구 전력에 적절히 대응할 수 있다.
직류분배망(214)은 복수의 전력변환기(212)와 복수의 직류충전단말(230) 사이의 전기적 연결을 스위칭하며 전력을 전달한다. 직류분배망(214)은 특정 전력변환기(212)를 특정 직류충전단말(230)에 연결하는 방식이 아니라, 전력변환기(212) 각각을 복수의 직류충전단말(230) 중의 어느 직류충전단말(230)에도 연결이 가능하게 구성될 수 있다. 이를 위해 직류분배망(214)은 다수의 스위칭 소자를 포함할 수 있고, 스위칭 소자에는 MOSFET, IGBT, MCT, GTO, Thyristor, 릴레이 등의 반도체 스위칭 소자가 사용될 수 있다. 직류분배망(214)의 동작에 대해서는 아래에서 도 3 내지 도 5를 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
직류전력분배제어기(216)는 복수의 직류충전단말(230) 및 중앙전력분배제어기(250)와 통신하며 직류충전단말(230)로부터 직류충전단말(230)의 정보, 차량 정보 및 차량 요구 전력 등을 수집하고 가용 전력 정보 및 제어 명령을 직류충전단말(230)에 전달하며, 전력변환기(212), 직류분배망(214), 직류충전단말(230) 및 차량의 상태에 대한 정보를 중앙전력분배제어기(250)에 전달하고, 중앙전력분배제어기(250)로부터 자신이 속한 직류변환장치(210)의 가용 전력 정보를 할당받고, 할당받은 전력 한도 내에서 각 전력변환기(212)가 직류충전단말(230)로 공급할 전력을 할당하며 각 전력변환기(212) 및 직류분배망(214)을 제어한다. 또한, 직류전력분배제어기(216)는 자신이 관리하는 직류충전단말(230)에 접속된 차량에 변동이 생길 때 각 전력변환기(212)가 공급할 전력을 재할당하고 직류분배망(214)의 스위칭 소자의 연결을 전환하여 각 직류충전단말(230)로 공급되는 전력을 변경할 수 있다.
교류분배장치(220)는 절연변압기(222), 교류분배망(224, APSN; AC Power Switching Network) 및 교류전력분배제어기(226, APDC; AC Power Distribution Controller)를 포함할 수 있다. 교류분배장치(220)는 교류충전단말(240)과 통신하며 입력 교류전원(260)으로부터 공급받은 전력을 교류충전단말(240)에 연결된 차량에서 필요한 충전전력에 따라 분배하여 제공한다.
절연변압기(222)는 입력 교류전원(260)의 교류 전력을 절연시키면서 차량을 충전하기에 적합한 크기의 교류 전압으로 변환하여 제공한다.
교류분배망(224)은 절연변압기(222)의 출력을 복수의 교류충전단말(240)로 분배하여 공급하거나 전력 공급을 차단할 수 있다. 이를 위해 교류분배망(224)은 다수의 스위칭 소자를 포함할 수 있고, 스위칭 소자에는 MOSFET, IGBT, MCT, GTO, Thyristor, 릴레이 등의 반도체 스위칭 소자가 사용될 수 있다.
교류전력분배제어기(226)는 직류전력분배제어기(216)과 유사한 기능을 수행한다. 교류전력분배제어기(226)는 복수의 교류충전단말(240) 및 중앙전력분배제어기(250)와 통신하여, 교류충전단말(240)로부터 교류충전단말(240)의 정보, 차량 정보 및 차량 요구 전력 등을 수집하고 가용 전력 정보 및 제어 명령을 교류충전단말(240)에 전달하며, 절연변압기(222), 교류분배망(224), 교류충전단말(240) 및 차량의 상태에 대한 정보를 중앙전력분배제어기(250)에 전달하고, 중앙전력분배제어기(250)로부터 자신이 속한 교류분배장치(220)의 가용 전력 정보를 할당받고, 할당받은 전력 범위 내에서 각 교류충전단말(240)로 공급할 전력을 계산하며 절연변압기(222) 및 교류분배망(224)을 제어하여 각 교류충전단말(240)을 통해 차량으로 공급되는 전력을 제어한다.
직류충전단말(230)은 직류 전력으로 충전되는 차량에 전기적으로 접속되어 직류변환장치(210)로부터 공급받은 직류 전력을 차량으로 공급하고, 차량과 통신하며 차량에 대한 정보(차량 정보, 충전 전압, 차량이 요구하는 충전 전력 등)를 수집하여 직류변환장치(210)로 전달한다. 또한, 직류충전단말(230)은 직류전력분배제어기(216)로부터 수집된 가용 충전 정보를 차량에 전달하여 충전이 진행되도록 하고 차량에 공급되는 전력을 증가 또는 감소시킬 수 있다
교류충전단말(240)은 교류 전력으로 충전되는 차량에 전기적으로 접속되어 교류분배장치(220)로부터 공급받은 교류 전력을 차량으로 공급하고, 차량에 대한 정보(차량 정보, 충전 전압, 차량이 요구하는 충전 전력 등)를 수집하여 교류분배장치(220)로 전달한다. 또한, 교류충전단말(240)은 교류전력분배제어기(226)로부터 수집된 가용 충전 정보를 차량에 전달하여 충전이 진행되도록 하고 차량에 공급되는 전력을 증가 또는 감소시킬 수 있다.
중앙전력분배제어기(250)는 직류변환장치(210) 및 교류분배장치(220)와 통신하며 직류변환장치(210), 직류충전단말(230), 교류분배장치(220), 교류충전단말(240) 및 충전단말(230, 240)에 연결된 차량의 정보를 수집하고, 입력 교류전원(260)의 최대 용량 및 충전단말(230, 240)에 접속한 차량이 요구하는 충전전력에 기초하여 충전시스템(200)이 차량에 공급할 전체 전력을 교류전원(260)의 최대 용량 범위 내에서 결정하고, 각 직류변환장치(210) 및 교류분배장치(220)가 공급할 전력을 할당한다.
이와 같은 충전시스템(200)에 의하면, 복수의 전력변환기(212)는 각각 특정 직류충전단말(230)에 연결되는 것이 아니라 필요에 따라 복수의 직류충전단말(230) 중의 임의의 것에 연결될 수 있으므로, 충전 대상 차량의 상황에 따라 차량에 공급하는 충전전력의 유연한 변경이 가능하다는 장점이 있다. 즉, 직류충전단말(230)에 접속된 차량의 충전전력 요구에 따라 복수의 전력변환기(212)를 직류분배망(214)를 통해 다양한 방식으로 직류충전단말(230)에 연결하여 복수의 전력변환기(212)의 활용도를 높일 수 있으므로, 복수의 전력변환기(212) 각각의 최대 처리 용량의 합을 복수의 직류충전단말(230) 각각의 최대 처리 용량의 합보다 적게 설치하는 것이 가능하고, 이로 인해 설치 비용과 크기를 줄일 수 있다.
또한, 본 발명의 충전시스템(200)은 용량을 늘리고 싶은 경우 필요에 따라 직류충전장치(210)나 교류분배장치(220)를 추가하거나 또는 직류충전장치(210) 내의 전력변환기(212)를 추가하면 되므로 용량 증설이 용이하다. 직류충전장치(210)와 교류분배장치(220)의 용량이 충분한 경우에는 직류충전단말(230) 및/또는 교류충전단말(240)만을 추가함으로써 더 많은 수의 차량을 충전하도록 용이하게 확장할 수도 있다.
또한, 직류충전단말(230)과 교류충전단말(240)은 옥외 또는 차양이 없는 곳에 설치되는 것이 일반적이지만, 직류변환장치(210)는 직류충전단말(230)과 서로 다른 하우징 내에 배치되어 직류충전단말(230)과 공간적으로 분리되어 설치될 수 있고, 교류분배장치(220)는 교류충전단말(240)과 서로 다른 하우징 내에 배치되어 교류충전단말(240)과 공간적으로 분리되어 설치될 수 있으므로 설치 위치에 제약이 없다. 즉, 직류충전단말(230)과 교류충전단말(240)은 옥외에 설치되더라도 직류변환장치(210) 및/또는 교류분배장치(220)는 옥내 또는 차양이 있는 곳에 설치할 수 있고, 이 경우 냉각장치의 용량을 줄일 수 있으므로 가격을 낮추고 크기를 줄일 수 있는 장점이 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 직류분배망(214)을 예시하는 도면이다. 도 3을 참조하면, 직류분배망(214)은 복수의 전력변환기(212) 각각의 양의 단자(+)를 복수의 직류충전단말(230) 중의 어느 직류충전단말(230)의 양의 단자(+)에도 선택적으로 연결이 가능하고, 복수의 전력변환기(212) 각각의 음의 단자(-)를 복수의 직류충전단말(230) 중의 어느 직류충전단말(230)의 음의 단자(-)에도 선택적으로 연결이 가능한 방식으로 구성될 수 있다. 이러한 직류분배망(214)에 의하면 복수의 전력변환기(212) 각각은 복수의 직류충전단말(230) 중의 어느 직류충전단말(230)에도 전력 공급이 가능하다. 예를 들면, 복수의 전력변환기(212) 각각의 양의 단자는 직류충전단말(230)의 개수와 동일한 개수의 스위칭 소자(314)를 통해 직류충전단말(230) 각각의 양의 단자에 연결이 되고, 복수의 전력변환기(212) 각각의 음의 단자는 직류충전단말(230)의 개수와 동일한 개수의 스위칭 소자를 통해 직류충전단말(230) 각각의 음의 단자에 연결이 될 수 있다. 이를 위해 직류분배망(214)은 다수의 스위칭 소자(314)를 포함할 수 있고, 스위칭 소자(314)에는 MOSFET, IGBT, MCT, GTO, Thyristor, 릴레이 등의 반도체 스위칭 소자가 사용될 수 있다.
직류변환장치(210)가 K 개의 전력변환기(212)를 포함하고, 각 전력변환기(212)는 P kW의 충전용량을 가지고 있으며, M 개의 직류충전단말(230)을 포함하는 경우, 도 3에 예시된 직류분배망(214)은 K x M x 2 개의 스위칭 소자들을 사용하여, 직류전력분배제어기(216)의 제어에 따라 임의의 전력변환기(212)의 출력을 임의의 직류충전단말(230)로 제공하도록 연결할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 차량으로 공급되는 충전전력을 가변하는 예를 설명하는 도면이고, 도 5는 도 3의 직류분배망(214)을 통해 복수의 전력변환기(212)로부터 복수의 직류충전단말(230)로 전력을 분배하는 예를 나타내는 도면이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 시간 t1에서 제1 차량이 제1 직류충전단말(DCT #1)에 연결되고, 시간 t2에서 제2 차량이 제2 직류충전단말(DCT #2)에 연결되며, 시간 t3에서 제3 차량이 제3 직류충전단말(DCT #3)에 연결되고, 시간 t4에서 제4 차량이 제4 직류충전단말(DCT #4)에 연결되는 상황을 가정한다. 또한, 입력 교류전원의 최대 전력은 200 kW, 전력변환기(212) 각각의 전력용량 P = 50 kW, 전력변환기(212)의 개수 K = 4, 직류충전단말(230)의 개수 M = 4인 경우를 예로 든다. 도 4에서 도면부호 410은 제1 차량에 공급되는 충전전력을 나타내고, 도면부호 420은 제2 차량에 공급되는 충전전력을 나타내며, 도면부호 430은 제3 차량에 공급되는 충전전력을 나타내고, 도면부호 440은 제4 차량에 공급되는 충전전력을 나타내며, 도면부호 450은 전체 차량에 공급되는 충전전력의 합을 나타낸다.
시간 t1에서 제1 직류충전단말(DCT #1)에만 150kW로 충전하는 차량이 연결되고, 나머지 직류충전단말들은 차량에 연결되지 않은 경우, 직류전력분배제어기(216)는 제1 전력변환기(PS #1), 제2 전력변환기(PS #2) 및 제3 전력변환기(PS #3)의 출력의 합 150kW를 제1 직류충전단말(DCT #1)에 공급하도록 결정한 후, 제1 전력변환기(PS #1), 제2 전력변환기(PS #2) 및 제3 전력변환기(PS #3)의 양의 단자와 제1 직류충전단말(DCT #1)의 양의 단자 사이의 스위칭 소자들을 닫고, 제1 전력변환기(PS #1), 제2 전력변환기(PS #2) 및 제3 전력변환기(PS #3)의 음의 단자와 제1 직류충전단말(DCT #1)의 음의 단자 사이의 스위칭 소자들을 닫으며, 나머지 스위칭 소자들을 모두 열고, 제1 전력변환기(PS #1), 제2 전력변환기(PS #2) 및 제3 전력변환기(PS #3)의 출력을 각각 50kW로 설정한다. 이 때 전력변환기의 출력의 합은 150kW가 된다. 도 5(a)는 이 상황에서의 직류분배망(214)의 스위칭 소자의 연결 상태를 나타낸다.
시간 t2에서 제1 차량과 동일한 우선순위를 가지면서 150kW로 충전하는 제2 차량이 제2 직류충전단말(DCT #2)에 연결되는 경우, 직류전력분배제어기(216)는 제1 전력변환기(PS #1)와 제2 전력변환기(PS #2)의 출력의 합 100kW를 제1 직류충전단말(DCT #1)에 공급하고, 제3 전력변환기(PS #3)와 제4 전력변환기(PS #4)의 출력의 합 100kW를 제2 직류충전단말(DCT #2)에 공급하도록 결정한 후, 제3 전력변환기(PS #3)의 출력을 중단하고 제3 전력변환기(PS #3)와 제1 직류충전단말(DCT #1) 사이의 스위칭 소자의 연결을 끊으며, 제3 전력변환기(PS #3)와 제4 전력변환기(PS #4)의 양의 단자와 제2 직류충전단말(DCT #2)의 양의 단자 사이의 스위칭 소자를 닫고, 제3 전력변환기(PS #3)와 제4 전력변환기(PS #4)의 음의 단자와 제2 직류충전단말(DCT #2)의 음의 단자 사이의 스위칭 소자를 닫으며, 제3 전력변환기(PS #3) 및 제4 전력변환기(PS #4)의 출력을 50kW로 설정한다. 이 때 전력변환기(PS)의 출력의 합은 200kW가 된다. 도 5(b)는 이 상황에서의 직류분배망(214)의 스위칭 소자의 연결 상태를 나타낸다.
시간 t3에서 제1 차량 및 제2 차량과 동일한 우선순위를 가지면서 150kW로 충전하는 제3 차량이 제3 직류충전단말(DCT #3)에 연결되는 경우, 직류전력분배제어기(216)는 제1 전력변환기(PS #1)와 제2 전력변환기(PS #2)의 출력의 합 100kW를 제1 직류충전단말(DCT #1)에 공급하고, 제3 전력변환기(PS #3)의 출력 50kW를 제2 직류충전단말(DCT #2)에 공급하며, 제4 전력변환기(PS #4)의 출력 50kW를 제3 직류충전단말(DCT #4)에 공급하도록 결정한 후, 제4 전력변환기(PS #4)의 출력을 중단하고 제4 전력변환기(PS #4)와 제2 직류충전단말(DCT #2) 사이의 스위칭 소자의 연결을 끊으며, 제4 전력변환기(PS #4)의 양의 단자와 제3 직류충전단말(DCT #3)의 양의 단자 사이의 스위칭 소자를 닫고, 제4 전력변환기(PS #4)의 음의 단자와 제3 직류충전단말(DCT #3)의 음의 단자 사이의 스위칭 소자를 닫으며, 제4 전력변환기(PS #4)의 출력을 50kW로 설정한다. 이 때 전력변환기(212)의 출력의 합은 200kW가 된다. 도 5(c)는 이 상황에서의 직류분배망(214)의 스위칭 소자의 연결 상태를 나타낸다.
시간 t4에서 제1 차량, 제2 차량 및 제3 차량과 동일한 우선순위를 가지면서 50kW로 충전하는 제4 차량이 제4 직류충전단말(DCT #4)에 연결되는 경우, 직류전력분배제어기(216)는 제1 전력변환기(PS #1)의 출력 50kW를 제1 직류충전단말(DCT #1)에 공급하고, 제2 전력변환기(PS #2)의 출력 50kW를 제4 직류충전단말(DCT #4)에 공급하며, 제3 전력변환기(PS #3)의 출력 50kW를 제2 직류충전단말(DCT #2)에 공급하고, 제4 전력변환기(PS #4)의 출력 50kW를 제3 직류충전단말(DCT #4)에 공급하도록 결정한 후, 제2 전력변환기(PS #2)의 출력을 중단하고 제2 전력변환기(PS #2)와 제1 직류충전단말(DCT #1) 사이의 스위칭 소자의 연결을 끊으며, 제2 전력변환기(PS #2)의 양의 단자와 제4 직류충전단말(DCT #4)의 양의 단자 사이의 스위칭 소자를 닫고, 제2 전력변환기(PS #2)의 음의 단자와 제4 직류충전단말(DCT #4)의 음의 단자 사이의 스위칭 소자를 닫으며, 제2 전력변환기(PS #4)의 출력을 50kW로 설정한다. 이 때 전력변환기(212)의 출력의 합은 200kW가 된다. 도 5(d)는 이 상황에서의 직류분배망(214)의 스위칭 소자의 연결 상태를 나타낸다.
이후 t5 및 t6에서 제1 차량 및 제2 차량의 충전이 각각 완료되면 해당 차량을 충전하던 전력변환기(212)는 최대 충전전력을 유지하면서 차량들의 충전 용량과 우선 순위를 고려하여 다른 차량의 충전에 사용될 수 있다.
이상 도 4 및 도 5를 참조하여 전력변환기가 4개이고 직류충전단말이 4개인 경우에 발생할 수 있는 일부 상황을 예로 들어 설명하였으나 이와는 다른 상황도 다양하게 발생할 수 있음은 자명하다. 본 발명에 따라 전력변환기가 충전 대상 직류충전단말을 변경하는 절차를 살펴보면, 제1 및 제2 전력변환기가 제1 직류충전단말을 통해 제1 차량에 전력을 공급하는 제1 단계, 제2 직류충전단말이 제2 차량에 전기적으로 연결되는 제2 단계, 제2 전력변환기와 제1 직류충전단말의 전기적 연결을 해제하는 제3 단계, 제2 전력변환기가 제2 직류충전단말을 통해 제2 차량에 전력을 공급하는 제4 단계, 제1 차량의 충전이 완료되는 제5 단계, 제1 전력변환기와 제1 직류충전단말의 전기적 연결을 해제하는 제6 단계, 제1 전력변환기가 제2 직류충전단말을 통해 제2 차량에 전력을 공급하는 제7 단계를 포함할 수 있다. 이러한 충전방법에 의하면 임의의 전력변환기의 출력을 직류분배망을 통해 임의의 직류충전단말로 연결하여 전력변환기의 활용율을 높임으로써 차량의 충전 요구에 맞춰 빠른 시간 내에 충전을 완료할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예는 직류분배망(214)을 사용함으로써, 복수의 전력변환기(212)의 임의의 출력을 복수의 직류충전단말(230) 중의 임의의 것에 자유롭게 연결이 가능하여, 가용 전력 범위 내에서 각 차량의 충전 전력을 동적으로 분배할 수 있다. 종전 방식에 의할 경우 50kW 충전장치 4개가 설치된 경우 150kW 용량의 차량 한 대를 충전하더라도 최대 50kW로 충전할 수밖에 없었으나, 본 발명에 의하면 3개의 전력변환기(212)의 출력을 모두 모아 하나의 차량이 허용하는 최대 전력인 150kW로 충전할 수 있으므로 훨씬 빠른 시간에 충전이 가능하다. 또한 복수의 차량이 동시에 충전되는 경우라면 복수의 전력변환기(212)를 모두 가동하여 차량들의 우선 순위에 따라 적절히 분배하여 충전전력을 공급할 수 있다. 즉, 본 발명에 의하면 직류분배망을 사용하여 복수의 전력변환기(212)의 활용율을 높임으로써, 복수의 전력변환기(212)의 용량의 합이 종전 방식에 비해 적다고 하더라도 차량의 충전 시간을 단축시키는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 의하면 교류전원(260)에서 공급되는 입력 전력의 크기와 차량의 충전 수요에 따라 직류변환장치(210) 및 교류분배장치(220)를 추가하거나 또는 직류변환장치(210) 내의 전력변환기(212)를 추가하여 전체 시스템의 용량을 증가시키는 것이 용이하고, 직류변환장치(210) 및 교류분배장치(220)의 용량이 충분하다면 직류충전단말(230) 및/또는 교류충전단말(240)의 수를 필요에 따라 추가함으로써 간편하게 충전 가능한 차량의 수를 늘릴 수도 있다.
다음으로 도 6을 참조하여 다른 실시예에 따른 직류분배망을 사용한 충전시스템에 대해 설명한다. 도 6의 실시예에 따른 충전시스템은, 복수의 전력변환기(212)가 제1 전력변환기 그룹(630) 및 제2 전력변환기 그룹(640)으로 나누어지고, 복수의 직류충전단말(230)은 2개의 전력변환기 그룹(630, 640)에 각각 대응되는 제1 직류충전단말 그룹(610) 및 제2 직류충전단말 그룹(620)으로 나누어진다. 또한, 직류분배망은 서로 대응하는 전력변환기 그룹(630, 640)과 직류충전단말 그룹(610, 620) 사이의 전기적 연결을 스위칭하는 2 개의 그룹내 스위칭 회로(650, 660), 및 직류충전단말 그룹(610, 620) 사이의 전기적 연결을 스위칭하는 그룹간 스위칭 회로(670)를 포함할 수 있다. 즉, 제1 전력변환기 그룹(630)과 제1 직류충전단말 그룹(610) 사이의 전기적 연결을 스위칭하는 그룹내 스위칭 회로(650), 제2 전력변환기 그룹(640)과 제2 직류충전단말 그룹(620) 사이의 전기적 연결을 스위칭하는 그룹내 스위칭 회로(660) 및 제1, 제2 직류충전단말 그룹(610, 620) 사이의 전기적 연결을 스위칭하는 그룹간 스위칭 회로(670)를 포함할 수 있다.
도 6(a)를 참조하면, 제1 그룹내 스위칭 회로(650)는 제1 직류충전단말 그룹(610)과 제1 전력변환기 그룹(630) 사이의 전기적 연결을 스위칭하는 기능을 수행한다. 제1 그룹내 스위칭 회로(650)는 제1 전력변환기 그룹(630) 내의 각각의 전력변환기(PS #1-1 내지 #1-6)를 대응하는 제1 직류충전단말 그룹(610) 내의 임의의 직류충전단말(DCT #1-1 내지 #1-4)에 연결이 가능하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 각각의 전력변환기(PS #1-1 내지 #1-6)는 직류충전단말(DCT #1-1 내지 #1-4) 각각에 스위칭 소자를 통해 연결될 수 있다. 이 경우 제1 그룹내 스위칭 회로(650)는 전력변환기(PS #1-1 내지 #1-6)의 개수와 직류충전단말(DCT #1-1 내지 #1-4)의 개수를 곱한 6 × 4 = 24 개의 스위칭 소자가 사용된다.
도 6(b)를 참조하면, 제2 그룹내 스위칭 회로(660)는 제2 직류충전단말 그룹(620)과 제2 전력변환기 그룹(640) 사이의 전기적 연결을 스위칭하는 기능을 수행한다. 제2 그룹내 스위칭 회로(660)는 제2 전력변환기 그룹(640) 내의 각각의 전력변환기(PS #2-1 내지 #2-6)를 대응하는 제2 직류충전단말 그룹(620) 내의 임의의 직류충전단말(DCT #2-1 내지 #2-4)에 연결이 가능하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 각각의 전력변환기(PS #2-1 내지 #2-6)는 직류충전단말(DCT #2-1 내지 #2-4) 각각에 스위칭 소자를 통해 연결될 수 있다. 이 경우 제2 그룹내 스위칭 회로(660)는 전력변환기(PS #2-1 내지 #2-6)의 개수와 직류충전단말(DCT #2-1 내지 #2-4)의 개수를 곱한 6 × 4 = 24 개의 스위칭 소자가 사용된다.
도 6(c)를 참조하면, 그룹간 스위칭 회로(670)는 하나의 직류충전단말 그룹(610) 내의 각각의 직류충전단말(DCT #1-1 내지 #1-4)을 다른 하나의 직류충전단말 그룹(620) 내의 임의의 직류충전단말(DCT #2-1 내지 #2-4)에 연결이 가능하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 제1 그룹의 직류충전단말(DCT #1-1 내지 #1-4) 각각은 제2 그룹의 직류충전단말(DCT #2-1 내지 #2-4) 각각에 스위칭 소자를 통해 연결될 수 있다. 이 경우 그룹간 스위칭 회로(670)는 제1 그룹의 직류충전단말(DCT #1-1 내지 #1-4)의 개수와 제2 그룹의 직류충전단말(DCT #2-1 내지 #2-4)의 개수를 곱한 4 × 4 = 16 개의 스위칭 소자가 사용된다.
도 6에 예시된 직류분배망에 의하면, 직류충전단말 그룹(610, 620) 중의 어느 하나의 그룹 내의 직류충전단말(230)은 대응하는 전력변환기 그룹(630, 640) 내의 전력변환기(212)로부터 그룹내 스위칭 회로(650, 660)를 통해 전력을 공급받을 수 있을 뿐만 아니라, 대응하지 않는 전력변환기 그룹(630, 640)으로부터 그룹내 스위칭 회로(650, 660) 및 그룹간 스위칭 회로(670)를 통해 전력을 공급받을 수 있다. 예를 들어, 제1 직류충전단말 그룹(610)의 제1 직류충전단말(DCT #1-1)은 제1 그룹내 스위칭 회로(650)를 통해 제1 전력변환기 그룹(630) 내의 6개의 전력변환기(PS #1-1 내지 #1-6) 중의 어느 것으로부터도 전력을 공급받을 수 있을 뿐만 아니라, 제1 그룹내 스위칭 회로(650) 및 그룹간 스위칭 회로(670)을 통해 제2 전력변환기 그룹(640) 내의 6개의 전력변환기(PS #2-1 내지 #2-6) 중의 어느 것으로부터도 전력을 공급받을 수 있다.
도 6에 예시된 직류분배망 구성의 장점은 도 3에 예시된 방식에 따른 직류분배망(214)과의 대비를 통해 명백히 알 수 있다. 직류충전단말(230)이 8개이고 전력변환기(212)가 12개인 경우를 예를 들면, 도 3에 예시된 방식의 직류분배망(214)에서는 8 × 12 = 96 개의 스위칭 소자(314)가 필요하다. 반면, 도 6에 예시된 방식에 의하면 제1 그룹내 스위칭 회로(650)에 24개의 스위칭 소자, 제2 그룹내 스위칭 회로(660)에 24개의 스위칭 소자 및 그룹간 스위칭 회로(670)에 16개의 스위칭 소자가 사용되므로 합계 64개의 스위칭 소자를 사용하면서도 도 3에 예시된 방식과 거의 동등한 기능을 수행할 수 있다. 즉, 도 6의 실시예에 의하면 도 3의 실시예에 비해 훨씬 적은 수의 스위칭 소자를 사용하면서도 동등한 기능을 수행할 수 있는 장점이 있다.
도 6에서는 직류충전단말(230) 및 전력변환기(212)를 2개의 그룹으로 나눈 것으로 예시하였고, 이 경우 2개의 그룹을 CHAdeMO 방식과 CCS 방식의 직류충전단말 그룹으로 나눌 수 있을 뿐만 아니라 충전소의 직류충전단말의 개수가 통상 10개 이내임을 고려할 때 2개의 그룹으로 나누는 것이 바람직할 것으로 판단되나, 필요에 따라 그룹의 수는 2개 이상으로 확대될 수 있다.
다음으로 도 6의 실시예에 따른 직류분배망을 통한 전력 분배에 대해 설명한다. 직류분배망은 직류전력분배제어기에 의해 제어되는데, 직류분배망이 도 6의 실시예와 같이 복수의 그룹내 스위칭 회로(650, 660)와 그룹간 스위칭 회로(670)로 구성되는 경우 각 스위칭 회로(650, 660, 670)를 제어하는 서브 제어기를 별도로 배치할 수도 있으나, 하나의 직류전력분배제어기에 의해 통합 제어되는 것이 바람직하다.
도 6의 실시예에서 그룹 간의 전력 이동이 불필요한 경우 제1 직류충전단말 그룹(610)은 제1 전력변환기 그룹(630)으로부터 전력을 공급받고 제2 직류충전단말 그룹(620)은 제2 전력변환기 그룹(640)으로부터 전력을 공급받는다. 이 경우 그룹 내에서 복수의 전력변환기(212)를 복수의 직류충전단말(230)에 연결하여 전력을 분배하는 방법은 앞서 도 4 및 도 5를 통해 설명한 바와 유사하게 동작할 수 있다.
만약, 직류충전단말 그룹(610, 620) 중의 어느 하나에 차량이 많이 연결되어 해당 그룹의 전력변환기로부터 공급되는 전력이 부족한 경우, 다른 그룹의 전력변환기로부터 전력을 공급받을 수 있다. 다른 그룹의 전력변환기로부터 공급받는 전력을 어느 하나 혹은 두 개의 직류충전단말로 한꺼번에 공급하는 경우 그룹간 스위칭 회로(670)의 스위칭 소자를 통해 흐르는 전류의 양이 많을 수 있으므로 그룹간 스위칭 회로(670)의 스위칭 소자의 전류 용량을 줄이기 위한 방안이 필요하다.
예를 들어, 제1 그룹의 전력변환기(630) 내의 6개의 전력변환기(212)는 제1 그룹의 직류충전단말기 2개(DCT #1-1 및 DCT #1-1)에 모든 전력을 공급하고 있는 상황에서 제1 그룹의 나머지 직류충전단말기 2개(DCT #1-3 및 DCT #1-4)에 각각 신규로 차량이 연결되고 제2 그룹의 직류충전단말(620)에는 차량이 연결되어 있지 않은 경우를 가정한다. 이때, 제2 그룹의 전력변환기(640) 내의 전력변환기(212) 6개를 3개씩 나누어 제1 그룹의 직류충전단말기 2개(DCT #1-3 및 DCT #1-4)에 공급할 경우, 그룹간 스위칭 회로(670) 내의 일부 스위칭 소자를 통해 흐르는 전류가 지나치게 커지지 않도록 하는 것이 바람직하다.
하나의 방법으로, 제2 그룹의 전력변환기(212) 6개 중의 3개의 전류를 직류충전단말(DCT #2-3)과 직류충전단말(DCT #1-3)을 연결하는 스위칭 소자를 통해 직류충전단말(DCT #1-3)에 공급하고, 제2 그룹의 전력변환기(212) 6개 중의 나머지 3개의 전류를 직류충전단말(DCT #2-4)과 직류충전단말(DCT #1-4)을 연결하는 스위칭 소자를 통해 직류충전단말(DCT #1-4)에 공급할 수 있다. 그러나 이 경우 위 두 개의 스위칭 소자에는 전력변환기(212) 3개에서 공급되는 전류가 흐르므로 전력변환기(212) 전류 용량의 3배의 용량을 가지는 스위칭 소자를 사용해야 한다.
다른 방법으로, 위 경우에서 제2 그룹의 전력변환기(212) 6개 중의 2개의 전류를 직류충전단말(DCT #2-1)과 직류충전단말(DCT #1-3)을 연결하는 스위칭 소자를 통해 직류충전단말(DCT #1-3)에 공급하고, 제2 그룹의 전력변환기(212) 6개 중의 1개의 전류를 직류충전단말(DCT #2-2)과 직류충전단말(DCT #1-3)을 연결하는 스위칭 소자를 통해 직류충전단말(DCT #1-3)에 공급하며, 제2 그룹의 전력변환기(212) 6개 중의 2개의 전류를 직류충전단말(DCT #2-3)과 직류충전단말(DCT #1-4)을 연결하는 스위칭 소자를 통해 직류충전단말(DCT #1-4)에 공급하고, 제2 그룹의 전력변환기(212) 6개 중의 1개의 전류를 직류충전단말(DCT #2-4)과 직류충전단말(DCT #1-4)을 연결하는 스위칭 소자를 통해 직류충전단말(DCT #1-4)에 공급할 수 있다. 이렇게 연결하면 그룹간 스위칭 회로(670) 내의 어느 스위칭 소자도 제2 그룹의 전력변환기(212) 중의 2개의 전류 용량 이상의 전류가 흐르지는 않는다. 즉, 그룹간 전력 배분의 경우 그룹간 스위칭 회로(670) 내의 스위칭 소자를 최대한 많이 사용하도록 제어하면 스위칭 소자의 전류 용량을 줄일 수 있다. 이 경우 그룹간 스위칭 회로(670) 내의 스위칭 소자 각각의 전류 용량은 각 전력변환기(212)의 전류 용량의 K 배 이하가 될 수 있다. 여기서, K는 전력변환기 개수를 직류충전단말 개수로 나눈 값에서 소수점을 올림한 정수이다.
그룹간 스위칭 회로(670)의 스위칭 소자의 전류 용량을 줄일 수 있는 다른 방법으로는, 그룹간 스위칭 회로(670)의 스위칭 소자를 상대적으로 전류 용량이 큰 스위칭 소자군과 상대적으로 전류 용량이 작은 스위칭 소자군으로 나누는 것이다. 예를 들어, 하나의 그룹 내에서 직류충전단말(230)이 4개이고 전력변환기(212)가 6개인 경우, 직류충전단말(230) 4개 중의 2개에는 전력변환기(212)를 1개씩 할당하고, 직류충전단말(230)의 나머지 2개에는 전력변환기(212)를 2개씩 할당하는 것으로 개념적으로 가정한다(위 할당은 그룹내 전력 분배와는 무관하고 그룹간 스위칭 회로의 스위칭 소자의 전류 용량 설정을 위한 개념적 구분이다). 그러면 전력변환기(212) 2개가 할당된 직류충전단말(230)에 연결된 스위칭 소자는 전력변환기(212) 전류 용량의 2배의 용량을 가질 필요가 있지만, 전력변환기(212) 1개가 할당된 직류충전단말(230)에 연결된 스위칭 소자는 전력변환기(212) 전류 용량과 동일한 용량을 가질 수 있다.
이를 도 7을 통해 좀 더 구체적으로 설명한다. 그룹간 스위칭 회로(670)의 스위칭 소자의 용량 결정을 위해, 제1 그룹의 직류충전단말 2개(DCT #1-1 및 DCT #1-2)와 제2 그룹의 직류충전단말 2개(DCT #2-1 및 DCT #2-2)에는 2개의 전력변환기를 할당하는 것으로 가정하고 나머지 직류충전단말은 1개의 전력변환기를 할당하는 것으로 가정한다. 그러면 제1 그룹의 직류충전단말 2개(DCT #1-1 및 DCT #1-2)와 제2 그룹의 직류충전단말 2개(DCT #2-1 및 DCT #2-2)를 그룹간 연결하는 스위칭 소자 4개(S11, S12, S21, S22)는 전력변환기(212) 전류 용량의 2배의 용량을 가져야 하지만, 나머지 12개의 스위칭 소자는 전력변환기(212)와 동등한 용량을 가질 수 있다. 이렇게 구성하더라도 제2 그룹의 모든 전력변환기의 전력을 제1 그룹으로 전송할 때, 예를 들면, 전류 용량이 큰 스위칭 소자 S11과 S22를 통해 각각 2개 전력변환기(212)의 전류를 공급하고 나머지 스위칭 소자 중 2개인 S33 및 S44를 통해 각각 1개 전력변환기(212)의 전류를 공급하면 된다.
즉, 그룹 내의 각각의 직류충전단말(230)은 기본적으로 전력변환기(212)의 개수를 직류충전단말의 개수로 나눈 몫(X)에 해당하는 X 개의 전력변환기를 할당하되 전력변환기의 개수를 직류충전단말의 개수로 나눈 나머지에 해당하는 수의 직류충전단말은 1개씩의 전력변환기를 더 할당받아 X+1개의 전력변환기를 담당한다. 그리고 X+1 개씩의 전력변환기를 할당받은 직류충전단말을 그룹간 연결하는 스위칭 소자의 전류 용량은 전력변환기 전류 용량의 X+1 배가 되도록 하고, 그룹간 스위칭 회로의 나머지 스위칭 소자의 전류 용량은 전력변환기 전류 용량의 X 배가 되도록 할 수 있다. 이 방법에 의하면 그룹간 스위칭 회로(670) 내의 모든 스위칭 소자의 용량을 전력변환기 용량의 X+1 배를 하는 것에 비해 일부 스위칭 소자만 전력변환기 용량의 X+1 배로 하고 나머지 스위칭 소자는 전력변환기 용량의 X 배로 줄일 수 있으므로 가격이나 부피 측면에서 유리하다.
이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥 상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 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 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
200 : 충전시스템
210 : 직류변환장치(DCU; DC Converting Unit)
212 : 전력변환기(PS; Power Supply)
214 : 직류분배망(DPSN; DC Power Switching Network)
216 : 직류전력분배제어기(DPDC; DC Power Distribution Controller)
220 : 교류분배장치(ADU; AC Distribution Unit)
222 : 절연변압기
224 : 교류분배망(APSN; AC Power Switching Network)
226 : 교류전력분배제어기(APDC; AC Power Distribution Controller)
230 : 직류충전단말(DCT; DC Charging Terminal)
240 : 교류충전단말(ACT; AC Charging Terminal)
250 : 중앙전력분배제어기(CPDC; Central Power Distribution Controller)
260 : 교류전원
610 : 제1 직류충전단말 그룹
620 : 제2 직류충전단말 그룹
630 : 제1 전력변환기 그룹
640 : 제2 전력변환기 그룹
650 : 제1 그룹내 스위칭 회로
660 : 제2 그룹내 스위칭 회로
670 : 그룹간 스위칭 회로

Claims (8)

  1. 차량과 접속되는 복수의 직류충전단말;
    상기 직류충전단말과 서로 다른 하우징 내에 배치되어 상기 직류충전단말과 공간적으로 분리된 복수의 전력변환기; 및
    상기 복수의 전력변환기와 상기 복수의 직류충전단말 사이의 전기적 연결을 스위칭하는 직류분배망;을 포함하되
    상기 복수의 전력변환기는 2 개의 그룹으로 나누어지고, 상기 복수의 직류충전단말은 상기 2 개의 전력변환기 그룹에 각각 대응되는 2 개의 그룹으로 나누어지며,
    상기 직류분배망은 서로 대응하는 전력변환기 그룹과 직류충전단말 그룹 사이의 전기적 연결을 스위칭하는 2 개의 그룹내 스위칭 회로, 및 상기 직류충전단말 그룹 사이의 전기적 연결을 스위칭하는 그룹간 스위칭 회로를 포함하되,
    상기 직류충전단말 그룹 내의 직류충전단말은 대응하는 상기 전력변환기 그룹 내의 전력변환기로부터 상기 그룹내 스위칭 회로를 통해 전력을 공급받을 수 있고, 대응하지 않는 상기 전력변환기 그룹으로부터 상기 그룹내 스위칭 회로 및 상기 그룹간 스위칭 회로를 통해 전력을 공급받을 수 있으며,
    상기 그룹내 스위칭 회로는 해당 그룹 내의 전력변환기의 개수와 직류충전단말의 개수의 곱에 대응하는 수의 스위칭 소자를 사용하여 그룹 내의 임의의 전력변환기를 임의의 직류충전단말에 연결할 수 있고,
    상기 그룹간 스위칭 회로는 하나의 직류충전단말 그룹 내의 직류충전단말의 개수와 다른 하나의 직류충전단말 그룹 내의 직류충전단말 개수의 곱에 대응하는 수의 스위칭 소자를 사용하여 상기 하나의 직류충전단말 그룹 내의 임의의 직류충전단말을 상기 다른 하나의 직류충전단말 그룹 내의 임의의 직류충전단말에 연결이 가능하며
    상기 2 개의 직류충전단말 그룹 중에서 상기 하나의 직류충전단말 그룹은 CHAdeMO 충전 방식의 차량을 충전할 수 있고, 상기 다른 하나의 직류충전단말 그룹은 CCS 충전 방식의 차량을 충전할 수 있으며,
    어느 하나의 그룹 내의 전력변환기로부터 다른 하나의 그룹 내의 직류충전단말로 그룹간 전력을 공급하는 것은, 상기 전력을 공급할 전력변환기와 상기 어느 하나의 그룹 내에서 차량이 연결되어 있지 않은 직류충전단말을 연결하는 그룹내 스위칭 소자, 및 상기 차량이 연결되어 있지 않은 직류충전단말과 상기 전력을 공급받을 직류충전단말을 연결하는 그룹간 스위칭 소자를 통해 수행되고,
    상기 복수의 전력변환기는 동일한 전류 용량을 가지고, 상기 2 개의 그룹은 서로 동일한 수의 전력변환기 및 동일한 수의 직류충전단말을 포함하며, 상기 그룹간 스위칭 회로 내의 스위칭 소자 각각의 전류 용량은 각 전력변환기의 전류 용량의 K 배 이하 - 여기서, K는 전력변환기 개수를 직류충전단말 개수로 나눈 값에서 소수점 이하를 올림한 정수 - 로 설정되는 것을 특징으로 하는 충전시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서, 하나의 전력변환기 그룹 내의 전력변환기 각각의 최대 처리 용량의 합은 대응하는 직류충전단말 그룹 내의 직류충전단말 각각의 최대 처리 용량의 합보다 적은 것을 특징으로 하는 충전시스템.
  6. 삭제
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 직류충전단말에 접속된 차량에 변동이 생길 때 각 전력변환기가 공급할 전력을 재할당하고 직류분배망의 스위칭 소자의 연결을 전환하여 각 직류충전단말로 공급되는 전력을 변경하는 직류전력분배제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 충전시스템.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 전력변환기는 옥내에 위치하고 상기 직류충전단말은 옥외에 위치한 것을 특징으로 하는 충전시스템.
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