KR101974106B1 - 다수의 직류-직류 변환기를 이용하는 충전기 - Google Patents

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Abstract

충전기는, 계통의 교류 전압을 직류 전압으로 변환하여 출력할 수 있는 계통용 변환기; 상기 계통용 변환기로부터의 직류 전압을 직류 전압으로 변환하여 출력하는 다수의 직류-직류 변환기를 포함하는 직류-직류 변환부; 및 적어도 하나의 보상용 축전지를 포함하는 보상용 축전지부;를 포함하되, 상기 직류-직류 변환부와 상기 보상용 축전지부는, 직렬로 연결되는 것을 특징으로 한다. 충전기에 따르면, 병렬로 연결된 다수의 직류-직류 변환기와 직렬로 연결된 다수의 보상용 축전지를 선택적으로 이용하는 것에 의해, 충전 전압 및 부하 변동에 따른 효율의 저하를 방지할 수 있다.

Description

다수의 직류-직류 변환기를 이용하는 충전기{BATTERY CHARGER USING MULTIPLE DC TO DC CONVERTERS}
본 발명은 다수의 직류-직류 변환기를 이용하는 충전기에 관한 것이다.
도 1은 일반적인 전기 자동차용 충전기(100)의 구성도이다.
도 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 일반적인 전기 자동차용 충전기(100)는, 계통의 교류 전압을 직류 전압으로 변환하여 출력할 수 있는 계통용 변환기(111) 및 계통용 변환기(111)로부터의 직류 전압을 직류 전압으로 변환하여 출력하는 직류-직류 변환기(121)를 포함하여 구성된다.
아울러, 도 2는 직류-직류 변환기(121)의 일실시예를 나타낸다.
도 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 직류-직류 변환기(121)는, 스위치 소자의 입력을 펄스폭 변조하는 것에 의해 그 출력을 제어하게 된다. 직류-직류 변환기(121)의 정격치에서는 입력된 직류 전압에 대한 출력 직류 전압의 효율이 최적화된다. 그런데, 직류-직류 변환기(121)에 연결되는 부하가 작거나 출력 직류 전압이 낮은 경우에는, 듀티비가 작아져서 도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 그 효율이 급격히 나빠진다.
도 3은 일반적인 전기 자동차용 충전기(100)의 출력 전압에 따른 효율을 나타내는 그래프이다. 도 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 일반적인 전기 자동차용 충전기(100)의 경우, 축전지의 출력 전압의 범위가 넓어서, 축전지의 출력 전압이 낮을 경우에는 그 출력 효율이 낮다.
도 4는 일반적인 전기 자동차용 충전기(100)의 부하에 따른 효율을 나타내는 그래프이다. 도 4로부터 알 수 있는 바와 같이, 일반적인 전기 자동차용 충전기(100)의 경우, 부하가 작을 경우에는 그 출력 효율이 낮다.
아울러, 전기 자동차의 보급에 따라 이를 지원하기 위한 도시 인프라로써 급속 충전기의 설치는 필수불가결한 요소가 되었다. 그런데 급속 충전을 위해서는 비교적 큰 전력이 순간적으로 필요하며, 대략 시스템당 50KW(400~500VDC, 100~125A)의 용량이 필요하다. 이에 필요한 충전기를 제작하고자 하면 비교적 높은 전압(500VDC)과 높은 전류(125A)를 필요로 하게 되는데, 이를 위해 충전기의 내부 스위칭 소자인 IGBT나 정류 소자인 다이오드 등이 높은 전압이 필요하게 되어 효율이 저하되게 된다.
본 발명은 전술한 바와 같은 기술적 과제를 해결하는 데 목적이 있는 발명으로서, 병렬로 연결된 다수의 직류-직류 변환기와 직렬로 연결된 다수의 보상용 축전지를 선택적으로 이용하는 것에 의해, 충전 전압 및 부하 변동에 따른 효율의 저하를 방지할 수 있는 충전기를 제공하는 것에 그 목적이 있다.
아울러, 본 발명의 다른 목적은 전기 자동차 내부에 포함된 전기 자동차용 축전지와 별도로 보상용 축전지를 구비하여, 저전압 소자로 구현 가능하여 충전 효율을 높일 수 있고, 보상용 축전지로부터 전기 자동차용 축전지로의 충전을 통해 전기 자동차를 초 급속으로 충전할 수 있는 보상용 축전지를 이용한 전기 자동차 급속 충전기를 제공하는 것에도 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 계통의 부하 사용량이 적은 시간에 보상용 축전지를 충전하여 계통의 피크 전력에 대한 부담을 주지 않을 뿐만 아니라, 계통에서 사용되는 부하 전력이 임의의 설정치 이상일 경우 보상용 축전지를 계통으로 방전하여 계통의 피크 부하를 감소시킬 수 있는 보상용 축전지를 이용한 전기 자동차 급속 충전기를 제공하는 것에도 있다.
본 발명의 충전기는, 계통의 교류 전압을 직류 전압으로 변환하여 출력할 수 있는 계통용 변환기; 상기 계통용 변환기로부터 출력된 직류 전압을 직류 전압으로 변환하여 출력할 수 있는 다수의 직류-직류 변환기를 포함하는 직류-직류 변환부; 및 적어도 하나의 보상용 축전지를 포함하는 보상용 축전지부;를 포함하되, 상기 직류-직류 변환부와 상기 보상용 축전지부는, 직렬로 연결된 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 다수의 직류-직류 변환기는 서로 병렬로 연결된 것이 바람직하다. 또한, 상기 보상용 축전지부는 다수의 보상용 축전지를 포함하되, 상기 다수의 보상용 축전지는 서로 직렬로 연결된 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 다수의 보상용 축전지 중 적어도 일부의 양극 또는 음극과 상기 보상용 축전지부의 출력 노드 사이에 적어도 하나의 스위치를 포함하고 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 충전기에 의한 충전 시에, 상기 직류-직류 변환부에 포함된 다수의 직류-직류 변환기 중 0개 또는 적어도 하나가 직류 전압을 직류 전압으로 변환하여 출력할 수 있다. 아울러, 본 발명의 충전기에 의한 충전 시에, 상기 보상용 축전지부에 포함된 다수의 보상용 축전지 중 0개 또는 적어도 하나가 방전할 수 있는 것을 특징으로 한다.
아울러, 본 발명의 충전기는, 상기 계통용 변환기의 일단과 일단이 연결되는 다이오드;를 더 포함하되, 상기 다이오드의 타단은, 상기 보상용 축전지부의 일단과 연결되는 것을 특징으로 하는 한다.
또한, 본 발명의 충전기는, 상기 계통용 변환기의 일단과 일단이 연결되는 스위칭 소자;를 더 포함하되, 상기 스위칭 소자의 타단은, 상기 보상용 축전지부의 일단과 연결되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 충전기에 따르면, 병렬로 연결된 다수의 직류-직류 변환기와 직렬로 연결된 다수의 보상용 축전지를 선택적으로 이용하는 것에 의해, 충전 전압 및 부하 변동에 따른 효율의 저하를 방지할 수 있다.
아울러 본 발명의 충전기에 따르면, 전기 자동차 내부에 포함된 전기 자동차용 축전지와 별도로 보상용 축전지를 구비하여, 저전압 소자로 구현 가능하여 충전 효율을 높일 수 있고, 보상용 축전지로부터 전기 자동차용 축전기로의 충전을 통해 전기 자동차를 초 급속으로 충전할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 계통의 부하 사용량이 적은 시간에 보상용 축전지를 충전하여 계통의 피크 전력에 대한 부담을 주지 않을 뿐만 아니라, 계통에서 사용되는 부하 전력이 임의의 설정치 이상일 경우 보상용 축전지를 계통으로 방전하여 계통의 피크 부하를 감소시킬 수 있다.
도 1은 일반적인 전기 자동차용 충전기의 구성도.
도 2는 직류-직류 변환기의 일실시예.
도 3은 일반적인 전기 자동차용 충전기의 출력 전압에 따른 효율을 나타내는 그래프.
도 4는 일반적인 전기 자동차용 충전기의 부하에 따른 효율을 나타내는 그래프.
도 5는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 다수의 직류-직류 변환기를 이용하는 충전기의 구성도.
도 6은 본 발명의 충전기의 출력 전압에 따른 효율을 나타내는 그래프.
도 7은 본 발명의 충전기의 부하에 따른 효율을 나타내는 그래프.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예에 따른 다수의 직류-직류 변환기를 이용하는 충전기에 대해 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 하기의 실시예는 본 발명을 구체화하기 위한 것일 뿐 본 발명의 권리 범위를 제한하거나 한정하는 것이 아님은 물론이다. 본 발명의 상세한 설명 및 실시예로부터 본 발명이 속하는 기술 분야의 전문가가 용이하게 유추할 수 있는 것은 본 발명의 권리 범위에 속하는 것으로 해석된다.
본 발명의 다수의 직류-직류 변환기를 이용하는 충전기(200)는, 자동차 등의 부하가 연결된 경우, 전기 충전을 하는 역할을 한다.
도 5는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 다수의 직류-직류 변환기를 이용하는 충전기(200)의 구성도를 나타낸다.
도 5로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 다수의 직류-직류 변환기를 이용하는 충전기(200)는, 계통용 변환기(211), 직류-직류 변환부(220), 보상용 축전지부(230) 및 제어기(241)를 포함한다.
계통용 변환기(211)는, 계통의 교류 전압을 직류 전압으로 변환하여 출력할 수 있다. 아울러, 계통용 변환기(211)는 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 출력할 수도 있는 양방향 컨버터인 것이 바람직하다.
직류-직류 변환부(220)는, 계통용 변환기(211)로부터의 직류 전압을 직류 전압으로 변환하여 출력할 수 있는 다수의 직류-직류 변환기(221)를 포함한다.
다수의 직류-직류 변환기(221)의 출력 전류는, 동일하거나 서로 다르게, 즉 다양하게 설정될 수 있다. 아울러, 다수의 직류-직류 변환기(221)는 서로 병렬로 연결된 것을 특징으로 한다. 다수의 직류-직류 변환기(221)의 입력 단자 또는 출력 단자에 스위치(미도시)를 삽입하는 것에 의해, 제어기(241)가 스위치를 제어하여, 다수의 직류-직류 변환기(221) 중 0개의 직류-직류 변환기(221)로부터 다수의 직류-직류 변환기(221) 모두를 필요에 따라 선택하여 직류-직류 변환부(220)가 출력하도록 할 수 있다. 즉, 본 발명의 충전기(200)에 의한 충전 시에, 직류-직류 변환부(220)에 포함된 다수의 직류-직류 변환기(221) 중 0개 또는 적어도 하나가 직류 전압을 직류 전압으로 변환하여 출력할 수 있다.
보상용 축전지부(230)는, 적어도 하나의 보상용 축전지(231)를 포함하고, 직류-직류 변환부(220)의 제 1 출력 노드와 일단이 연결된다. 바람직하게는 보상용 축전지부(230)는, 다수의 보상용 축전지(231)를 포함하는 것을 특징으로 한다. 아울러, 다수의 보상용 축전지(231)는 서로 직렬로 연결되고, 다수의 보상용 축전지(231) 중 적어도 일부의 양극 또는 음극과 제 1 출력 노드 사이에 스위치를 포함하고 있는 것을 특징으로 한다. 다수의 보상용 축전지(231) 중 적어도 일부의 양극 또는 음극과 제 1 출력 노드 사이에 포함된 스위치의 온오프 제어를 통해, 제어기(241)는 0개의 보상용 축전지(231)로부터 다수의 보상용 축전지(231) 모두의 출력을 필요에 따라 선택하여 보상용 축전지부(230)가 출력할 수 있도록 한다. 해당 보상용 축전지(210)가 출력한다는 것은, 해당 보상용 축전지(231)가 방전하는 것을 의미한다. 아울러, 보상용 축전지부(230)의 보상용 축전지(231)는 계통용 변환기(211)의 출력을 이용하여 충전된다. 즉, 본 발명의 충전기(200)에 의한 충전 시에, 보상용 축전지부(230)에 포함된 다수의 보상용 축전지(231) 중 0개 또는 적어도 하나가 방전하여, 충전기(200)에 연결된 자동차와 같은 부하를 충전할 수 있다.
직류-직류 변환부(220)의 출력과 보상용 축전지부(230)의 출력은 직렬로 연결되어, 최종적으로 충전기(200)의 출력이 된다. 아울러, 충전기(200)의 출력 단자에 다양한 종류의 자동차를 연결하여 충전할 수 있다.
제어기(241)는, 마이콤 등의 프로세서 또는 회로 소자에 의해 구현될 수 있다. 즉, 제어기(241)는 소프트웨어, 또는 하드웨어 또는 소프트웨어와 하드웨어의 조합에 의해 구현될 수 있다.
제어기(241)는, 직류-직류 변환부(220) 및 보상용 축전지부(230)의 동작을 제어할 수 있다.
구체적으로 제어기(241)는, 직류-직류 변환부(220)에 포함된 다수의 직류-직류 변환기(221) 중 어느 하나도 직류 전압을 직류 전압으로 변환하여 출력되지 않도록 하거나, 다수의 직류-직류 변환기(221) 중 적어도 하나가 직류 전압을 직류 전압으로 변환하여 출력하도록 제어할 수 있다. 즉, 제어기(241)는 0개의 직류-직류 변환기(221)로부터 다수의 직류-직류 변환기(221) 모두를 필요에 따라 선택하여 직류-직류 변환부(220)가 출력할 수 있도록 한다.
아울러, 제어기(241)는, 0개의 보상용 축전지(231)로부터 다수의 보상용 축전지(231) 모두의 출력을 필요에 따라 선택하여 보상용 축전지부(230)가 출력할 수 있도록 한다. 예를 들어, 접지 단자와 연결된 스위치가 온이 되고, 다른 스위치는 오프가 될 경우, 보상용 축전지부(230)로부터 충전기(200)의 출력 단자로의 출력은 없게 된다.
결론적으로, 제어기(241)는 0개의 직류-직류 변환기(221)로부터 다수의 직류-직류 변환기(221) 모두 및 0개의 보상용 축전지(231)로부터 다수의 보상용 축전지(231) 모두를 필요에 따라 다양한 방법에 의해 조합하여, 충전기(200)가 충전할 수 있도록 한다.
즉, 충전기(200)의 출력은 직류-직류 변환부(220)의 출력과 보상용 축전지부(230)의 출력의 합이 되는 데, 충전기(200)의 출력에 연결되는 전기 자동차 등과 같은 부하의 특성에 따라, 다수의 직류-직류 변환기(221)와 다수의 보상용 축전지(231)를 조합하여 출력할 수 있다. 이에 따라 직류-직류 변환부(220)의 입력에 대한 출력의 효율을 높게 유지할 수 있다.
예를 들면, 충전기(200)의 출력에 연결되는 전기 자동차가 낮은 출력 전압 및 낮은 부하의 특성을 가지면, 보상용 축전지부(230)의 보상용 축전지(231)의 일부를 출력할 수 있다. 아울러, 충전기(200)의 출력에 연결되는 전기 자동차가 높은 출력 전압 및 높은 부하의 특성을 가지면, 다수의 직류-직류 변환기(221) 모두를 이용할 수 있다. 또한, 충전기(200)의 출력에 연결되는 전기 자동차가 중간 출력 전압 및 중간 부하의 특성을 가지면, 보상용 축전지(231)의 일부와 직류-직류 변환기(221)의 일부를 이용할 수 있다.
이러한 본 발명의 직류-직류 변환부(220)는 보상용 축전지부(230)와 직렬로 연결된 구조에 의해, 외부의 전기 자동차를 충전하는 용량을 직렬로 분담하는 구조를 지니고 있다. 이러한 직렬 연결 방식을 채택하는 것에 의해, 전기 자동차용 축전지의 충전 전압은 보상용 축전지부(230)의 전압과 직류-직류 변환부(220)의 전압의 합이 되어 계통용 변환기(211) 및 직류-직류 변환부(220)의 분담이 그만큼 줄어들 수 있다. 이에 따라, 계통용 변환기(211) 및 직류-직류 변환부(220)를 보다 작은 용량으로 구현 가능하여, 크기도 현저하게 줄일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 제어기(241)는, 미리 설정된 제 1 시간 동안 보상용 축전지부(230)를 충전하되, 보상용 축전지부(230)가 충전하는 제 1 시간 동안은 충전기(200)에 의해 전기 자동차용 축전지를 충전하지 않도록 계통용 변환기(211) 및 직류-직류 변환부(220)의 동작을 제어하는 것을 특징으로 한다. 즉, 제 1 시간을 심야 시간의 일정 동안으로 설정하는 것에 의해, 계통의 부하가 낮은 동안 보상용 축전지부(230)를 충전하고, 계통의 부하가 높은 동안은 보상용 축전지부(230)로부터 계통으로 방전하거나 보상용 축전지부(230)로부터 전기 자동차용 축전지를 충전하는 것에 의해 계통의 부담을 경감할 수 있다. 달리 표현하자면, 제어기(241)는 계통에서 사용되는 부하 전력이 제 1 설정값 이상일 경우, 보상용 축전지부(230)의 전력을 계통으로 방전하여 계통의 피크 부하를 감소시킬 수 있다.
즉, 계통의 피크 전력에 대한 부담을 주지 않으면서 전기 자동차를 급속 충전 할 수 있어 계통에 사용되는 전력의 평준화를 기하면서도 전기 자동차를 급속충전 할 수 있다.
아울러, 본 발명의 충전기(200)는, 계통용 변환기(211)의 일단과 일단이 연결되는 다이오드(D1)를 포함하고, 다이오드(D1)의 타단은, 보상용 축전지부(230)의 일단과 연결되는 것에 의해, 계통용 변환기(211)에 의해 보상용 축전지부(230)는 충전하고, 보상용 축전지부(230)로부터 계통으로의 흐름은 차단할 수 있다. 계통용 변환기(211)의 일단과 연결되는 다이오드(D1)의 일단은 양극인 것이 바람직하다.
다만, 다이오드(D1) 대신 스위칭 소자(미도시)를 계통용 변환기(211)와 보상용 축전지부(230) 사이에 삽입하는 것에 의해, 계통의 전력을 이용하여 계통용 변환기(211)를 통해 보상용 축전지부(230)를 충전하거나, 보상용 축전지부(230)로부터 계통용 변환기(211)를 통해 계통을 충전하도록, 제어기(241)를 이용하여 제어할 수도 있다. 물론, 별도의 다이오드(D1)나 스위칭 소자 없이, 계통용 변환기(211)의 일단과 보상용 축전지(30)를 직접 연결하는 것 또한 가능하다.
도 6은 본 발명의 충전기(200)의 출력 전압에 따른 효율을 나타내는 그래프이다. 도 6으로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 충전기(200)의 경우, 도 3의 일반적인 충전기(100)에 비해 출력 전압이 낮을 경우 그 출력 효율이 개선되는 것을 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 충전기(200)의 부하에 따른 효율을 나타내는 그래프이다. 도 7로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 충전기(200)의 경우, 도 4의 일반적인 충전기(100)에 비해 축전지의 부하가 작을 경우 그 출력 효율이 개선되는 것을 알 수 있다.
전력 변환 장치의 경우 대용량에 사용 가능한 스위치는 600V 계열이나 1,200V 계열로 구분할 수 있는데 기존 전기 자동차 충전기에 사용 가능한 회로 방식으로는 1,200V 계열로 구성해야 하며 정류 회로의 다이오드도 1,200V 이상을 사용해야 하는데 본 방식으로는 600V 계열을 사용할 수 있어 계통용 변환기(211) 및 병렬로 연결된 다수의 직류-직류 변환기(221)의 효율을 높일 수 있다.
또한, 본 발명의 충전기(200)의 크기도 보상용 축전지부(230)의 용량에 따라 달라지겠지만 보상용 축전지부(230)를 지하 공간에 내장하여 외부에는 비교적 작은 용량의 충전기만 노출하여 설치 가능함으로 도시 충전소 등에 설치하는 경우 외부의 면적을 작게 차지함으로써 설치에도 유리함을 알 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 충전기(200)에 따르면, 병렬로 연결된 다수의 직류-직류 변환기(221)와 직렬로 연결된 다수의 보상용 축전지를 선택적으로 이용하는 것에 의해, 충전 전압 및 부하 변동에 따른 효율의 저하를 방지할 수 있음을 알 수 있다.
아울러, 본 발명의 충전기(200)에 따르면, 전기 자동차 내부에 포함된 전기 자동차용 축전지와 별도로 보상용 축전지부(230)를 구비하여, 저전압 소자로 구현 가능하여 충전 효율을 높일 수 있고, 보상용 축전지부(230))로부터 전기 자동차용 축전기로의 충전을 통해 전기 자동차를 초 급속으로 충전할 수 있다.
또한, 본 발명의 충전기(200)는, 계통의 부하 사용량이 적은 시간에 보상용 축전지부(230)를 충전하여 계통의 피크 전력에 대한 부담을 주지 않을 뿐만 아니라, 계통에서 사용되는 부하 전력이 임의의 설정치 이상일 경우 보상용 축전지부(230)를 계통으로 방전하여 계통의 피크 부하를 감소시킬 수 있다.
100, 200 : 충전기
111, 211 : 계통용 변환기
220 : 직류-직류 변환부
121, 221 : 직류-직류 변환기
230 : 보상용 축전지부
231 : 보상용 축전지
241 : 제어기

Claims (8)

  1. 충전기에 있어서,
    계통의 교류 전압을 직류 전압으로 변환하여 출력할 수 있는 계통용 변환기;
    상기 계통용 변환기로부터 출력된 직류 전압을 직류 전압으로 변환하여 출력할 수 있는 다수의 직류-직류 변환기를 포함하는 직류-직류 변환부; 및
    적어도 하나의 보상용 축전지를 포함하는 보상용 축전지부;를 포함하되,
    상기 직류-직류 변환부와 상기 보상용 축전지부는, 직렬로 연결된 것을 특징으로 하고,
    상기 다수의 직류-직류 변환기는, 서로 병렬로 연결된 것을 특징으로 하고,
    상기 보상용 축전지부는, 다수의 보상용 축전지를 포함하되,
    상기 다수의 보상용 축전지는, 서로 직렬로 연결된 것을 특징으로 하고,
    상기 충전기에 의한 충전 시에, 상기 직류-직류 변환부에 포함된 다수의 직류-직류 변환기 중 0개 또는 적어도 하나가 직류 전압을 직류 전압으로 변환하여 출력할 수 있고,
    상기 충전기에 의한 충전 시에, 상기 보상용 축전지부에 포함된 다수의 보상용 축전지 중 0개 또는 적어도 하나가 방전할 수 있고,
    상기 다수의 보상용 축전지 중 적어도 일부의 양극 또는 음극과 상기 보상용 축전지부의 출력 노드 사이에 적어도 하나의 스위치를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 충전기.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 충전기는,
    상기 계통용 변환기의 일단과 일단이 연결되는 다이오드;를 더 포함하되,
    상기 다이오드의 타단은,
    상기 보상용 축전지부의 일단과 연결되는 것을 특징으로 하는 충전기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 충전기는,
    상기 계통용 변환기의 일단과 일단이 연결되는 스위칭 소자;를 더 포함하되,
    상기 스위칭 소자의 타단은,
    상기 보상용 축전지부의 일단과 연결되는 것을 특징으로 하는 충전기.

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