KR101878026B1

KR101878026B1 - 전기차량 충전제어 방법

Info

Publication number: KR101878026B1
Application number: KR1020150179161A
Authority: KR
Inventors: 손기봉; 최규태; 이혁진; 성현욱
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2015-12-15
Filing date: 2015-12-15
Publication date: 2018-07-16
Also published as: KR20170071656A

Abstract

충전장치로 인가되는 입력순시전력 주파수를 도출하는 단계; 충전장치 출력전력의 주파수와 상기 입력순시전력 주파수를 동기화하는 단계; 및 동기화된 상기 충전장치 출력전력으로 배터리를 충전하는 단계;를 포함하는 전기차량 충전제어 방법이 소개된다.

Description

전기차량 충전제어 방법{CHARGING CONTROL METHOD FOR ELECTRIC VEHICLE}

본 발명은 외부 전원을 이용하여 전기차량 배터리를 충전시키는 충전장치의 출력전력을 제어하여 충전장치 내에 마련되는 링크 커패시터의 용량을 감소시킬 수 있는 전기차량 충전제어 방법에 관한 것이다.

일반적인 배터리 충전기는 AC 110V 또는 AC 220V와 같은 상용 전원(교류 전원)을 입력 전원으로 사용하고 있다. 직류 전원에서는 전압과 전류의 곱이 유효전력이 되나, 교류 전원에서는 전류와 전압의 곱에 역률(Power Factor)을 곱한 값이 유효전력이 되므로, 역률 보정이 고려되어야 한다. 따라서 배터리 충전기는 역률개선(PFC, Power Factor Correction)을 담당하는 AC/DC 컨버터, 보다 안정된 DC 전압으로의 변환을 위한 고압 링크 커패시터 및 충전제어를 위한 변압기를 사용하는 DC/DC 단의 2단 구성을 가진다.

또한, 배터리 충전기는 인가된 교류 전압을 정류하여 입력측의 전류가 정류된 전압을 추종하도록 역률개선단에서 전류제어를 실시한다. 이때, 변동 전압이 발생하므로, 이를 필터링 하기 위해 고압의 DC 링크 커패시터를 사용한다. 이후 AC/DC 컨버터에서 형성된 직류 전압은 DC/DC 컨버터의 입력단으로 전달되고, DC/DC 컨버터는 DC/DC 컨버터에 포함된 변압기를 통해 전류를 제어하고, 배터리를 충전한다.

따라서 AC 전원을 이용하여 충전을 실시하는 전기차량의 경우에는 역률개선회로의 효율을 향상시키는 것이 충전효율을 향상시키는데 있어서 가장 핵심적인 요인이므로 이에 대한 다양한 제어방법이 개발되고 있다. 공개특허공보 2015-0023997 "플러그-인 하이브리드 자동차 및 전기자동차의 충전 제어 방법"에서도 전기자동차 또는 플러그인 하이브리드 자동차에서 완속충전기를 통한 배터리 충전 동안 PFC 컨버터의 출력 제어 방법을 개선하여 높은 충전 효율을 도모할 수 있는 충전 제어 방법을 제시하고 있다.

그러나 이에 따르더라도 역률보상회로의 링크단에 인가되는 전압의 리플값을 제어하는 방법은 제시되어 있지 않았는바, 충전장치의 보호를 위하여 해당 전압리플 크기에 따른 커패시터를 추가하여야 하며, 상기 리플 전압의 크기가 클수록 커패시터의 용량도 커져야 하므로 충전장치의 원가, 사이즈 및 발열이 커지는 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 2015-0023997 A

본 발명은 전기차량의 충전에 이용되는 충전장치에 있어서 역률개선회로의 출력단에 발생하는 전압리플을 감소시켜 링크단 커패시터의 용량을 줄일 수 있는 전기차량 충전 제어 방법을 제공하는데 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전기차량 충전제어 방법은 충전장치로 인가되는 입력순시전력 주파수를 도출하는 단계; 충전장치 출력전력의 주파수와 상기 입력순시전력 주파수를 동기화하는 단계; 및 동기화된 상기 충전장치 출력전력으로 배터리를 충전하는 단계;를 포함한다.

상기 입력순시전력 주파수를 도출하는 단계는, 충전장치의 입력전류와 입력전압를 곱하여 입력순시전력을 도출하는 단계; 및 도출된 상기 입력순시전력에서 입력순시전력의 주파수를 검출하는 단계;를 포함한다.

상기 동기화하는 단계는, 상기 입력순시전력의 주파수와 충전장치 출력전류지령의 주파수를 동기화함으로써 상기 입력순시전력의 주파수와 상기 충전장치 출력전력의 주파수가 동기화되는 것을 특징으로 한다.

상기 동기화하는 단계는, 상기 입력순시전력을 고역통과필터에 적용하여 입력순시전력의 교류성분을 도출하는 단계; 상기 교류성분을 충전장치의 평균출력전력으로 제산하여 기본전류지령을 도출하는 단계; 상기 기본전류지령에 미리 설정된 상수값을 승산하여 최종전류지령을 도출하는 단계; 및 상기 최종전류지령을 충전장치 출력전류지령에 적용하여 상기 입력순시전력의 주파수와 상기 충전장치 출력전력의 주파수를 동기화하는 단계;를 포함한다.

상기 동기화하는 단계는, 상기 입력순시전력과 입력순시전력의 평균값의 차이를 이용하여 입력순시전력의 교류성분을 도출하는 단계; 상기 교류성분을 충전장치의 평균출력전력으로 제산하여 기본전류지령을 도출하는 단계; 상기 기본전류지령에 미리 설정된 상수값을 승산하여 최종전류지령을 도출하는 단계; 및 상기 최종전류지령을 충전장치 출력전류지령에 적용하여 상기 입력순시전력의 주파수와 상기 충전장치 출력전력의 주파수를 동기화하는 단계;를 포함한다.

상기 입력순시전력의 평균값은 하기의 수식을 이용하여 도출하는 것을 특징으로 한다.

P_av: 입력순시전력의 평균값, P(t): 입력순시전력, T: 입력순시전력의 주기

상기 입력순시전력의 주파수를 도출하는 단계는, 충전장치 입력전압을 전대역통과필터에 적용하여 위상변환입력전압을 도출하는 단계; 상기 충전장치 입력전압과 상기 위상변환입력전압을 위상고정루프에 적용하여 상기 충전장치 입력전압의 주파수를 도출하는 단계; 및 상기 충전장치 입력전압의 주파수를 이용하여 입력순시전력의 주파수를 도출하는 단계;를 포함한다.

상기 동기화하는 단계는, 상기 입력순시전력의 주파수에 코사인함수를 적용하여 기본전류지령을 도출하는 단계; 상기 기본전류지령에 미리 설정된 상수값을 승산하여 최종전류지령을 도출하는 단계; 및 상기 최종전류지령을 충전장치 출력전류지령에 적용하여 상기 입력순시전력의 주파수와 상기 충전장치 출력전력의 주파수를 동기화하는 단계;를 포함한다.

상술한 바와 같이 이용하면 아래와 같은 효과를 얻을 수 있다.

첫째, 충전장치의 링크단에 인가되는 전압의 리플이 감소하므로 링크단에 마련되는 커패시터의 용량을 감소시킬 수 있어 원가절감의 효과가 있다.

둘째, 커패시터에 인가되는 전압 리플 감소로 인해 전압 리플로 인하여 커패시터에 발생하는 발열이 감소되어 충전장치의 내구성이 향상된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기차량 충전제어 방법의 순서도
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 동기화하는 단계의 순서도

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 살펴본다.

본 발명의 실시에 따른 전기차량 충전제어 방법은 도1에서 도시한 바와 같이 충전장치로 인가되는 입력순시전력 주파수를 도출하는 단계(S10); 충전장치 출력전력의 주파수와 상기 입력순시전력 주파수를 동기화하는 단계(S20); 및 동기화된 상기 충전장치 출력전력으로 배터리를 충전하는 단계(S30);를 포함한다. 여기서, 상술한 본 발명의 실시예에 따른 전기차량 충전제어 방법의 각 단계는 전기차량의 충전을 제어하는 충전 제어부에 의해 이루어질 수 있다.

본 발명의 목적은 충전장치의 출력전력에 리플을 포함시켜 충전장치 내부에 마련되는 링크단 커패시터에 인가되는 전압리플을 감소시키기 위함이다. 따라서 출력전력에 포함시킬 리플의 형태를 정하는 것이 매우 중요한데 이러한 리플의 형태를 정하는 가장 중요한 요인은 리플의 주파수 성분이다.

출력전력에 리플성분을 포함시키는 것은 앞서 언급하였듯이 충전장치 링크단 커패시터에 인가되는 전압리플을 감소시키기 위함인데, 여기에서 출력전력의 리플성분과 충전장치로 인가되는 입력순시전력이 정확히 동기화되지 않는다면 오히려 충전장치 링크단 커패시터에 인가되는 전압리플이 증가할 수 있기 ?문이다.

따라서 출력전력의 리플성분과 입력순시전력의 주파수를 동기화시키기 위한 선결단계로써 본 발명에서는 입력순시전력 주파수를 도출하는 단계(S10)를 두고 있는 것이다. 본 단계에서 동기화라함은 출력전력의 리플성분과 입력순시전력을 주파수를 동일하게 조정하는 것을 의미하며 이를 통해 양 성분의 주파수가 동일해 짐으로써 링크단 커패시터의 리플전압을 효율적으로 감소시킬 수 있게 되는 것이다.

본 발명에 따른 입력순시전력 주파수를 도출하는 단계(S10)는, 충전장치의 입력전류와 입력전압를 곱하여 입력순시전력을 도출하는 단계; 및 도출된 상기 입력순시전력에서 입력순시전력의 주파수를 검출하는 단계;를 통해 도출할 수 있다. 상기 입력전류와 입력전압은 일반적으로 상용교류전원에서 인가되는 전류와 전압을 의미할 것이므로 수식으로 표시한다면 입력전류는 I_mcos(wt)로 입력전압은 V_mcos(wt)로 표시할 수 있을 것이다. 따라서 상기 입력순시전력은 입력전류와 입력전압의 곱이므로 입력순시전력은 I_mV_m(1-cos(2wt))가 된다. 따라서 입력순시전력의 주파수는 입력전류와 입력전압 주파수의 2배가 될 것이다. 상용교류전원의 입력전류 및 입력전압의 주파수는 기본적으로 60Hz이므로 이에 따를 경우 입력순시전력의 주파수는 120Hz가 될 것이다.

이와 같은 방식으로 입력순시전력의 주파수가 검출되었다면, 해당 주파수와 충전장치 출력전력의 주파수를 동기화하는 주파수 동기화 단계(S20)를 수행하게 되는데, 본 발명에서는 입력순시전력의 주파수와 충전장치 출력전류지령의 주파수를 동기화함으로써 상기 입력순시전력의 주파수와 상기 충전장치 출력전력의 주파수가 동기화되도록 하는 방법을 제시하고 있다. 앞서 언급한 바와 같이 출력전력의 주파수를 조정하기 위해서는 출력전류나 출력전압 중 하나를 조정해야 할 것인데, 출력전압에 리플성분을 포함시키는 것은 배터리의 내구성 측면에서 효율적이지 못하므로 충전장치 출력전류와 밀접한 관련이 있는 출력전류지령의 주파수를 조정함으로써 입력순시전력의 주파수와 출력전력의 주파수가 동기화되도록 하고 있는 것이다.

구체적으로 주파수 동기화 단계(S20)는 도2에서 도시하고 있는 바와 같이 상기 입력순시전력을 고역통과필터에 적용하여 입력순시전력의 교류성분을 도출하는 단계(S22); 상기 교류성분을 충전장치의 평균출력전력으로 제산하여 기본전류지령을 도출하는 단계(S24); 상기 기본전류지령에 미리 설정된 상수값을 승산하여 최종전류지령을 도출하는 단계(S26); 및 상기 최종전류지령을 충전장치 출력전류지령에 적용하여 상기 입력순시전력의 주파수와 상기 충전장치 출력전력의 주파수를 동기화하는 단계(S28);를 포함한다.

교류성분 도출단계(S22)는 직류와 교류성분이 혼재되어 있는 입력순시전력에서 교류성분만을 도출하기 위한 단계인데, 본 발명에서는 교류성분만을 도출하는 방법으로 앞서 입력순시전력을 고역통과필터에 적용하는 방법을 제시하고 있다. 직류의 주파수성분은 0Hz에 해당하므로 입력순시전력을 고역통과필터에 적용할 경우 용이하게 직류성분을 제거할 수 있게 된다. 상기 고역통과필터는 하드웨어방식의 아날로그필터로 구현될 수 있으나 소프트웨어 방식으로 필터를 구현하는 것이 원가 및 효율 측면에서 바람직할 것이다.

고역통과필터를 적용하는 방식 외에 입력순시전력과 입력순시전력의 평균값의 차이를 이용하여 입력순시전력의 교류성분을 도출하는 방법을 고려해볼 수 있다. 이는 앞서 언급한 입력순시전력 수식인 I_mV_m(1-cos(2wt))을 보면 쉽게 이해할 수 있다. 본 수식에서 직류 성분은 I_mV_m이라고 할 수 있을 것인데, 이는 입력순시전력의 평균값이므로 입력순시전력과 입력순시전력 평균값을 차이를 이용하면 입력순시전력의 교류성분만을 도출하는 것이 가능해지는 것이다. 입력순시전력 평균값은 앞서 언급한 바와 같이 입력전류와 입력전압을 이용하여 도출할 수 있지만 하기의 수식을 이용하여도 도출이 가능할 것이다.

이와 같은 방식에 따라 입력순시전력의 교류성분만을 도출하였다면 기본전류지령 도출단계(S24)를 수행하게 되는데, 이는 앞서 언급하였듯이 충전장치 출력전류지령의 주파수를 입력순시전력의 주파수와 동기화하기 위함이다. 앞선 입력순시전력 수식인 I_mV_m(1-cos(2wt))에서 교류성분만이 도출되었다면 결국 교류성분 도출단계(S22)를 수행하였을 때 도출된 교류성분은 -I_mV_mcos(2wt)가 될 것이다. 따라서 본 수식에서 주파수성분만을 도출하여 이를 기본전류지령으로 도출하기 위해서는 I_mV_m을 상기 수식에서 제산해 줄 필요가 있다. 그런데 I_mV_m은 충전장치의 평균출력전력으로 볼 수 있으므로 결국 도출된 교류성분을 충전장치의 평균출력전력으로 제산함으로써 크기는 1값을 가지고 주파수성분은 입력순시전력 주파수와 동일한 기본전류지령을 도출할 수 있게 되는 것이다.

기본전류지령 도출단계(S24)를 통해 기본전류지령을 도출하였다면 최종적으로 충전장치의 출력전류지령으로 적용한 최종전류지령을 도출하여야 하는바 본 발명의 최종전류지령 도출단계(S26)에서는 기본전류지령의 주파수 성분은 그대로 유지한 상태로 미리 설정된 상수값을 승산하여 최종전류지령을 도출하도록 하고 있다. 기본전류지령은 배터리의 충전효율은 고려하지 않고 입력순시전력과 충전장치 출력전력 주파수만을 동기화시키기 위한 값이므로 배터리의 충전효율을 높이기 위하여 상수값을 승산하는 것이다. 상기 상수값은 기본전류지령의 크기를 변경시키기 위한 것인바, 충전장치가 충전하고자 하는 배터리의 충전전류에 따라 다양한 값을 가질 수 있을 것이다.

상기 단계 이후에는 도2에서 볼 수 있듯이 주파수 동기화 단계(S28)를 수행하게 되는데, 이를 통해 최종전류지령이 충전장치 출력전류지령에 적용이 되게 되는바 입력순시전력의 주파수와 충전장치 출력전력 주파수가 동기화되게 되는 것이다. 여기서 출력전류지령이란 충전장치에서 출력하고자 하는 출력전류의 목표값을 의미하는 것으로, 이상적인 충전장치를 가정하였을 경우 출력전류지령과 출력전류는 동일한 값을 가질 것이다.

앞선 방식과 다르게 본 발명에서는 입력순시전력 주파수 도출 단계(S10)를 충전장치 입력전압을 전대역통과필터에 적용하여 위상변환입력전압을 도출하는 단계; 상기 충전장치 입력전압과 상기 위상변환입력전압을 위상고정루프에 적용하여 상기 충전장치 입력전압의 주파수를 도출하는 단계; 및 상기 충전장치 입력전압의 주파수를 이용하여 입력순시전력의 주파수를 도출하는 단계;로 구성된 방법도 제시하고 있다.

충전장치 입력전압을 전대역통과필터에 적용하면 상기 입력전압과 90도의 위상차이가 존재하는 위상변환입력전압이 도출될 것인데, 이 위상변환입력전압과 입력전압을 위상고정루프(Phase Locked Loop)에 적용하게 되면 두 전압간 위상차이를 이용하여 손쉽게 입력전압의 주파수를 도출할 수 있다. 입력전압의 주파수를 도출하였다면 앞서 언급한 입력순시전력의 수식인 I_mV_m(1-cos(2wt))를 이용하여 손쉽게 입력순시전력의 주파수를 도출할 수 있을 것이다.

위와 같은 방식으로 입력순시전력 주파수를 도출한 경우 본 발명에서는 입력순시전력과 충전장치 출력전력의 주파수를 동기화하는 방법으로 상기 입력순시전력 주파수에 코사인함수를 적용하여 기본전류지령을 도출하는 단계; 상기 기본전류지령에 미리 설정된 상수값을 승산하여 최종전류지령을 도출하는 단계; 및 상기 최종전류지령을 충전장치 출력전류지령에 적용하여 상기 입력순시전력의 주파수와 상기 충전장치 출력전력의 주파수를 동기화하는 단계;를 제시하고 있다.

앞서 도출한 입력순시전력의 주파수에 코사인함수를 적용하면 입력순시전력과 동일한 주파수 성분을 가지며 크기는 1을 가지는 교류성분을 도출할 수 있는데, 결국 이는 앞서 언급한 기본전류지령과 동일한 값이 될 것이므로 이를 기본전류지령으로 도출한다. 본 발명에서는 코사인함수를 적용한다고 하였지만 사인과 코사인함수는 위상차이만 있을 뿐 실질적으로 동일하므로 본 단계에서 사인함수를 적용하여도 무방할 것이다.

이와 같이 기본전류지령을 도출하였다면 최종전류지령을 도출하는 단계와 최종전류지령을 이용하여 주파수를 동기화하는 단계는 앞서 기재한 방법과 동일하게 수행될 것이다.

따라서 앞서 언급한 방법을 이용해 충전장치 출력전력을 입력순시전력과 동일한 주파수를 가지도록 제어가 가능하다면 이에 따라 충전장치 링크단에 인가되는 전압의 리플은 감소하게 될 것이다. 이에 따라 링크단에 발생하는 전압리플을 보상하기 위하여 마련되는 커패시터의 용량도 감소될 것인바, 본 발명에 따를 경우 충전장치 링크단 커패시터의 용량을 감소시킬 수 있어, 충전장치의 원가를 절감시킬 수 있을 뿐만 아니라, 커패시터를 충방전하는 전력이 감소하여 커패시터에 발생하는 발열이 감소된다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 청구범위에 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.

S10: 입력순시전력 주파수 도출단계 S20: 주파수 동기화 단계
S30: 배터리 충전 단계

Claims

충전 제어부가,
충전장치로 인가되는 입력순시전력 주파수를 도출하는 단계;
충전장치의 출력전력의 주파수를 도출하는 단계;
도출된 충전장치 출력전력의 주파수와 상기 입력순시전력 주파수를 동기화하는 단계; 및
동기화된 상기 충전장치 출력전력으로 배터리를 충전하는 단계;를 포함하되,
충전장치의 출력전력의 주파수를 도출하는 단계에서 충전장치의 출력전력은 리플 성분을 포함하는 전기차량 충전제어 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 입력순시전력 주파수를 도출하는 단계는,
충전장치의 입력전류와 입력전압를 곱하여 입력순시전력을 도출하는 단계; 및
도출된 상기 입력순시전력에서 입력순시전력의 주파수를 검출하는 단계;를 포함하는 전기차량 충전제어 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 동기화하는 단계는,
상기 입력순시전력의 주파수와 충전장치 출력전류지령의 주파수를 동기화함으로써 상기 입력순시전력의 주파수와 상기 충전장치 출력전력의 주파수가 동기화되는 것을 특징으로 하는 전기차량 충전제어 방법.
청구항 3에 있어서,
상기 동기화하는 단계는,
상기 입력순시전력을 고역통과필터에 적용하여 입력순시전력의 교류성분을 도출하는 단계;
상기 교류성분을 충전장치의 평균출력전력으로 제산하여 기본전류지령을 도출하는 단계;
상기 기본전류지령에 미리 설정된 상수값을 승산하여 최종전류지령을 도출하는 단계; 및
상기 최종전류지령을 충전장치 출력전류지령에 적용하여 상기 입력순시전력의 주파수와 상기 충전장치 출력전력의 주파수를 동기화하는 단계;를 포함하는 전기차량 충전제어 방법.
청구항 3에 있어서,
상기 동기화하는 단계는,
상기 입력순시전력과 입력순시전력의 평균값의 차이를 이용하여 입력순시전력의 교류성분을 도출하는 단계;
상기 교류성분을 충전장치의 평균출력전력으로 제산하여 기본전류지령을 도출하는 단계;
상기 기본전류지령에 미리 설정된 상수값을 승산하여 최종전류지령을 도출하는 단계; 및
상기 최종전류지령을 충전장치 출력전류지령에 적용하여 상기 입력순시전력의 주파수와 상기 충전장치 출력전력의 주파수를 동기화하는 단계;를 포함하는 전기차량 충전제어 방법.
청구항 5에 있어서,
상기 입력순시전력의 평균값은 하기의 수식을 이용하여 도출하는 것을 특징으로 하는 전기차량 충전제어 방법.

P_av: 입력순시전력의 평균값, P(t): 입력순시전력, T: 입력순시전력의 주기
청구항 1에 있어서,
상기 입력순시전력의 주파수를 도출하는 단계는,
충전장치 입력전압을 전대역통과필터에 적용하여 위상변환입력전압을 도출하는 단계;
상기 충전장치 입력전압과 상기 위상변환입력전압을 위상고정루프에 적용하여 상기 충전장치 입력전압의 주파수를 도출하는 단계; 및
상기 충전장치 입력전압의 주파수를 이용하여 입력순시전력의 주파수를 도출하는 단계;를 포함하는 전기차량 충전제어 방법.
청구항 7에 있어서,
상기 동기화하는 단계는,
상기 입력순시전력의 주파수에 코사인함수를 적용하여 기본전류지령을 도출하는 단계;
상기 기본전류지령에 미리 설정된 상수값을 승산하여 최종전류지령을 도출하는 단계; 및
상기 최종전류지령을 충전장치 출력전류지령에 적용하여 상기 입력순시전력의 주파수와 상기 충전장치 출력전력의 주파수를 동기화하는 단계;를 포함하는 전기차량 충전제어 방법.