KR102257788B1 - 배터리 충전 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가정용으로 휴대 가능하고 전기차에 탑재가 가능하며, 특히 소형 전기차의 리튬배터리의 충전을 가능하게 하면서, 통신기능 및 안전 편의 기능이 탑재된 충전장치를 제공하기 위한 것이다.
이를 위해 본 발명의 배터리 충전 장치는, AC전원과 접속된 플러그의 케이블 및 전기차의 배터리와 접속된 커넥터의 케이블과 연결되는 배터리 충전 장치에 있어서, 상기 배터리 충전 장치의 케이스 내부에는 상기 케이스의 높이 방향을 따라 상호 이격되게 설치되는 다수개의 방열판 과 상기 케이스의 외부 공기를 내부로 공급하는 냉각팬 및 상기 케이스의 내부 온도를 감지하는 온도센서를 포함하는 기구부; 상기 플러그의 케이블로부터 AC전원을 공급받아 상기 배터리 충전에 필요한 DC 전원을 커넥터의 케이블에 공급하며, 공급되는 AC전원의 노이즈를 저감시키는 노이즈 필터링 모듈을 포함하는 충전부; 상기 충전부, 기구부 및 배터리와 연결되어 오류를 판단하고, 상기 오류가 미리 정해진 안전 기준 범위의 내외(內外)인지에 따라 오류 정보의 생성과 DC전원의 공급 및 냉각팬을 제어하는 제어부; 및 상기 제어부와 연결되어 상기 생성된 오류 정보를 단말기와 공유 가능케 하는 통신부;가 설치되는 것을 특징으로 한다.

Description

배터리 충전 장치 및 방법{Battery charging device and method}
본 발명은 배터리 충전 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가정용으로 휴대가 가능하고 전기차에 탑재가 가능하며, 특히 소형 전기차의 배터리를 충전하는데 최적화된 배터리 충전 장치 및 방법에 관한 것이다.
세계적인 환경 규제 강화 및 에너지 비용 절감 추세에 따라 기존 제품을 대체하는 환경 친화적인 전기자동차에 대한 시대적 요구가 증대되고 있으며, CO2 저감 및 연비 개선과 환경 규제 강화 등에 대응하기 위한 친환경 전기자동차 시장의 성장세가 지속될 것으로 판단된다.
이러한 전기자동차 보급 확대와 운용 활성화를 위해 충전 인프라 구축이 필수적이며, 특히 배터리 충전 장치 병행 개발이 반드시 필요하다.
그 중에서도 소형 전기차(LEV)의 경우 가정용 AC전원을 이용하여 배터리를 충전할 수 있다.
이와 같은 가정용 AC전원을 이용한 충전방식은 그러한 제한이 없기 때문에 완속 충전방식을 사용하는 것이 일반적이다.
이로 인해 배터리가 충전되는 시간 동안 사용자가 소형 전기차의 주변에서 대기하는 것이 아니기 때문에 사용자가 소형 전기차를 사용하려고 할 때에 비로소 전력전달이 중단되고 배터리가 충전되지 않았다는 것을 인지하게 되는 문제점과 함께, 배터리가 전기자동차의 운행에 필요한 최소한의 충전도 되지 못한 상태에서 충전이 중단되는 경우 안전 사고가 발생될 수 있는 문제점이 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2017-0072992호(공개일자: 2017.06.28) 대한민국 공개특허공보 제10-2013-0078106호(공개일자: 2013.07.10)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 가정용으로 휴대 가능하고 전기차에 탑재가 가능하며, 특히 소형 전기차의 리튬배터리의 충전을 가능하게 하면서, 통신기능 및 안전 편의 기능이 탑재된 충전장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
이와 함께 본 발명의 기타 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 이는 본 발명의 청구범위에 기재된 사항 및 그 실시예의 개시 내용뿐만 아니라, 이들로부터 용이하게 추고할 수 있는 범위 내의 수단 및 조합에 의해 더욱 넓은 범위로 포섭될 것임을 첨언한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 배터리 충전 장치는, AC전원과 접속된 플러그의 케이블 및 전기차의 배터리와 접속된 커넥터의 케이블과 연결되는 배터리 충전 장치에 있어서, 상기 배터리 충전 장치의 케이스 내부에는 상기 케이스의 높이 방향을 따라 상호 이격되게 설치되는 다수개의 방열판 과 상기 케이스의 외부 공기를 내부로 공급하는 냉각팬 및 상기 케이스의 내부 온도를 감지하는 온도센서를 포함하는 기구부; 상기 플러그의 케이블로부터 AC전원을 공급받아 상기 배터리 충전에 필요한 DC 전원을 커넥터의 케이블에 공급하며, 공급되는 AC전원의 노이즈를 저감시키는 노이즈 필터링 모듈을 포함하는 충전부; 상기 충전부, 기구부 및 배터리와 연결되어 오류를 판단하고, 상기 오류가 미리 정해진 안전 기준 범위의 내외(內外)인지에 따라 오류 정보의 생성과 DC전원의 공급 및 냉각팬을 제어하는 제어부; 및 상기 제어부와 연결되어 상기 생성된 오류 정보를 단말기와 공유 가능케 하는 통신부;가 설치되는 것을 특징으로 한다.
그리고 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 충전부는 상기 AC전원을 DC전원으로 변환하는 AC/DC 인버터 모듈과 DC/DC 컨버터 모듈 및, 상기 DC/DC 컨버터와 연결되어 상기 배터리에 공급될 DC전원의 공급을 제어하는 전원 스위칭 모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 노이즈 필터링 모듈은 상기 AC전원과 AC/DC 인버터부 사이에 연결되어 상기 AC전원의 고주파를 제거하는 LC 방식의 필터로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이와 함께 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 배터리 충전 방법은, 상기 AC전원과 전기차의 배터리를 연결시킨 이후, 상기 충전부를 작동시켜 상기 배터리에 DC 전원을 공급하는 제1 단계; 상기 충전부, 기구부 및 배터리의 오류 발생 여부를 판단하는 제2 단계; 상기 발생된 오류가 미리 정해진 안전 기준 범위의 내외인지를 판단하는 제3 단계; 상기 발생된 오류가 안전 기준 범위의 이외인 경우 오류 정보를 생성함과 더불어 상기 전원 스위칭 모듈을 제어하여 DC전원의 공급을 차단하는 제4 단계; 상기 오류 정보를 단말기와 공유하는 제5 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 제2 단계는 상기 AC전원의 OFF 여부, 상기 AC전원의 전압이 안전 기준 범위를 이탈하였는지 여부, 상기 케이스 내부 온도의 안전 기준 범위 이탈 여부, 상기 배터리 전압의 역극성 인식 여부, 상기 DC전원의 전압이 안전 기준 범위를 이탈하였는지 여부를 포함하여 오류 발생 여부를 판단하는 것을 특징으로 한다.
상술된 바와 같이 본 발명에 따르면 다음과 같은 효과를 기대할 수 있을 것이다.
환경부 보급사업 대상 평가 기준에 적합한 전용 리튬충전기로 60V 10~15A급 용량으로 4시간 이내에 완전 충전이 완료되고, 통신기능을 장착하며, 회로 단락보호기능, 과충전 방지기능, 과전류 충전 방지기능, 배터리 역극성 결선 감지 장치, 방전 방지기능 등의 안전 편의 기능이 적용된 배터리 충전 장치의 보급을 가능하게 할 수 있는 이점이 있다.
이와 함께 본 발명의 다른 효과는 이상에서 설명한 실시예 및 본 발명의 청구범위에 기재된 사항뿐만 아니라, 이들로부터 용이하게 추고할 수 있는 범위 내에서 발생할 수 있는 효과 및 산업 발전에 기여하는 잠정적 장점의 가능성들에 의해 보다 넓은 범위로 포섭될 것임을 첨언한다.
도 1은 본 발명에 따른 배터리 충전 장치를 개략적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 배터리 충전 장치의 구성을 블록도로 나타낸 도면이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하고자 한다. 설명에 앞서 본 발명의 이점 및 특징 및 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그리고 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것으로 본 발명을 제한하고자 하는 것이 아니며, 이러한 용어 중 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함하는 것이고, 설명 상에 방향을 지칭하는 단어는 설명의 이해를 돕기 위한 것으로 시점에 따라 변경 가능함을 주지하는 바이다.
본 발명은 가정용으로 휴대 가능하고 전기차에 탑재가 가능하며, 특히 소형 전기차의 리튬배터리의 충전을 가능하게 하면서, 통신기능 및 안전 편의 기능이 탑재된 배터리 충전 장치 및 방법을 제공하기 위한 것으로, 도 1 내지 도 2를 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.
먼저 본 발명에 따른 배터리 충전 장치(10)는 AC전원과 접속된 플러그의 케이블 및 전기차의 배터리와 접속된 커넥터의 케이블과 연결되어 배터리의 충전을 가능하게 하기 위한 구조로 이루어진다.
이와 같은 배터리 충전 장치(10)의 케이스(C) 내부에는 기구부(100), 충전부(200), 제어부(300) 및 통신부(400)가 설치된다.
먼저 기구부(100)는 방열판(110), 냉각팬(미도시) 및 온도센서(미도시)를 포함하여 이루어진다. 방열판(100)은 다수개로 케이스(C)의 높이 방향을 따라 상호 이격되게 설치된다. 그리고 냉각팬은 케이스(C)의 외부 공기를 내부로 공급하여 공랭식 냉각 방식을 가능하게 하며, 온도 센서는 케이스(C)의 내부 온도를 감지하게 된다.
다음으로 충전부(200)는 플러그의 케이블(도면부호 미도시)로부터 가정용 상용 전원인 AC전원을 공급받아 전기차 배터리 충전에 필요한 DC 전원을 커넥터의 케이블(도면부호 미도시)에 한다.
이러한 충전부(200)는 노이즈 필터 모듈(210), AC/DC 인버터 모듈(220), DC/DC 인버터 모듈(230), 전원 스위칭 모듈(240)과 더불어 디스플레이 모듈(250)을 더 포함하여 이루어질 수 있다.
노이즈 필터 모듈(210)은 AC전원과 AC/DC 인버터부 사이에 연결되어 상기 AC전원의 고주파를 제거하는 LC 방식의 필터로 이루어진다.
그리고 AC/DC 인버터 모듈(220)은 AC전원을 공급받아 DC전원으로 변환시켜 출력한다. 이와 함께 DC/DC 컨버터 모듈(230)은 출력된 DC전원을 공급받아 전기차 배터리의 충전에 적합한 DC전원으로 변환시켜 출력한다.
이어서 전원 스위칭 모듈(240)은 DC/DC 컨버터 모듈(230)과 전기차 배터리 사이에 연결되어 상호 간의 통전 상태를 통제하여 전기차 배터리에 공급될 DC전원의 공급을 제어하게 된다.
그리고 디스플레이 모듈(250)은 후술되는 제어부(300)와 연동되어 케이스(C)에 설치될 수 있는 액정 디스플레이, 터치 스크린 또는 LED에 AC전원 정보 및 DC전원 정보를 표시할 수 있다.
이와 함께 제어부(300)의 주된 기능은 충전부(200)를 제어하기 위한 것으로, 이러한 제어부(200)는 마이컴(MICOM)의 탑재와 더불어 충전부(200)와는 디지털 신호 프로세서 방식과 절연게이트형 양극성 트랜지스터를 이용한 고주파 펄스폭 제어 방식을 통해 상호 연동되며, 아울러 충전부(200)는 LLC 공진형 컨버터 방식으로 소프트-스위칭(soft-switching)[영 전압 스위칭(ZVS; Zero Voltage Switching)과 영 전류 스위칭(ZCS; Zero Current Switching)]의 구현이 가능하여 노이즈 저감, 저발열 및 내구성 증대 등을 구현할 수 있게 된다.
이와 더불어 제어부(300)는 AC전원, 충전부(200) 및 기구부(100)와 더불어 통신부(400)를 통해 단말기(500) 및 전기차 배터리의 BMS(Battery Management System)과 연동되어 AC전원, 충전부(200), 기구부(300) 및 전기차 배터리 관련 정보를 공유할 수 있다.
이를 통해 제어부(300)는 충전부(200), 기구부(100) 및 배터리의 오류를 판단하고, 이러한 오류가 미리 정해진 안전 기준 범위의 내외(內外)인지에 따라 오류 정보의 생성과 DC전원의 공급 및 냉각팬을 제어할 수 있게 된다.
다음으로 통신부(400)는 제어부(300)와 연결되어 생성된 오류 정보를 BMS(600)와 연동되는 단말기(500)와 공유 가능하게 한다. 이러한 통신부(400)는 CAN(Controller Area Network) 뿐만 아니라 PLC(Power Line Communication) 통신, 무선 통신 및 인터넷망 등의 통신 방식을 이용하여 제어부(300) 및 단말기(500)와 통신할 수 있게 된다.
그리고 단말기(500)는 스마트폰(Smart Phone), 개인용 컴퓨터(Personal Computer, PC), 태블릿 PC(Tablet PC), 휴대용 개인정보 단말기(Personal Digital Assistant, PDA), 랩톱(Laptop) 등으로 구현될 수 있으며, 이와 유사한 역할을 하는 무선이동통신 단말기는 모두 포함하는 개념이다.
다음으로 본 발명에 따른 배터리 충전 방법은 제1 단계부터 제4 단계가 순차적으로 수행됨으로써 이루어질 수 있다.
제1 단계는 AC전원과 전기차의 배터리를 연결시킨 이후, 충전부(200)를 작동시켜 배터리에 DC 전원을 공급하는 단계이다.
그리고 제2 단계는 충전부(200), 기구부(100) 및 배터리의 오류 발생 여부를 판단하는 단계이며, 제3 단계는 발생된 오류가 미리 정해진 안전 기준 범위의 내외인지를 판단하는 단계이다.
이러한 제2 단계와 제3 단계에서는 다음의 오류 발생 코드별로 미리 정해진 안전 기준 범위(각 코드별로 사용자가 적절히 정할 수 있음)를 벗어나는 경우 오류로 판단할 수 있게 된다.
첫 번째 코드는 충전부(200)의 동작 변수들을 초기 설정하지 않았거나 충전부(200) 또는 제어부(300)의 내부 저장메모리가 불량일 경우 초기화가 발생되었는지 여부이다.
두 번째 코드는 AC전원의 OFF 상태 즉 AC 전원을 차단하거나 순간 정전이 발생되었는지 여부이다.
세 번째 코드는 입력되는 AC전원의 전압이 안전 기준 범위를 벗어났는지 여부이다.
네 번째 코드는 냉각팬의 고장으로 케이스(C) 내부 온도가 상승하여 안전 기준 범위 벗어났는지 여부이다.
다섯 번째 코드는 충전 동작 중 커넥터 케이블이 단락되거나 배터리에 이상이 생겨 배터리 측의 전압이 최소 동작 전압보다 낮거나 충전 설정 전압보다 높아져 안전 기준 범위를 벗어났는지 여부이다.
여섯 번째 코드는 커넥터와 배터리간 연결에서 극성이 반대로 되어 배터리 전압의 역극성이 인식되었는지 여부이다.
일곱 번째 코드는 입력되는 AC전원의 전압 및 전류가 안전 기준 범위를 벗어났는지 여부이다.
여덟 번째 코드는 출력되는 DC전원의 전압이 높아져 안전 기준 범위를 벗어 났는지 여부이다.
아홉 번째 코드는 배터리가 연결되지 않았거나 설정된 충전조건이 배터리 사양과 불일치하여 배터리 전압이 허용 최소 충전 전압보다 높거나 낮은지 여부이다.
이어서 제4 단계는 발생된 오류가 안전 기준 범위의 이외인 경우 오류 정보를 생성함과 더불어 상기 전원 스위칭 모듈(240)을 제어하여 DC전원의 공급을 차단하는 단계이며, 제5 단계는 오류 정보를 단말기(500) 및 BMS(600)와 공유하는 단계이다.
이상의 설명은 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 그리고 상술한 바와 같이 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 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.
10: 배터리 충전 장치
100: 기구부
200: 충전부
300: 제어부
400: 통신부
500: 단말기
600: BMS

Claims (5)

  1. AC전원과 접속된 플러그의 케이블 및 전기차의 배터리와 접속된 커넥터의 케이블과 연결되는 배터리 충전 장치에 있어서,
    상기 배터리 충전 장치의 케이스 내부에는,
    상기 케이스의 높이 방향을 따라 상호 이격되게 설치되는 다수개의 방열판 과 상기 케이스의 외부 공기를 내부로 공급하는 냉각팬 및 상기 케이스의 내부 온도를 감지하는 온도센서를 포함하는 기구부;
    상기 플러그의 케이블로부터 AC전원을 공급받아 상기 배터리 충전에 필요한 DC 전원을 커넥터의 케이블에 공급하며, 공급되는 AC전원의 노이즈를 저감시키는 노이즈 필터링 모듈을 포함하는 충전부;
    상기 충전부, 기구부 및 배터리와 연결되어 오류를 판단하고, 상기 오류가 미리 정해진 안전 기준 범위의 내외(內外)인지에 따라 오류 정보의 생성과 DC전원의 공급 및 냉각팬을 제어하는 제어부; 및,
    상기 제어부와 연결되어 상기 생성된 오류 정보를 단말기와 공유 가능케 하는 통신부;가 설치되며,
    상기 충전부는 상기 AC전원을 DC전원으로 변환하는 AC/DC 인버터 모듈과 DC/DC 컨버터 모듈 및 상기 DC/DC 컨버터와 연결되어 상기 배터리에 공급될 DC전원의 공급을 제어하는 전원 스위칭 모듈을 포함하고,
    상기 노이즈 필터링 모듈은 상기 AC전원과 AC/DC 인버터부 사이에 연결되어 상기 AC전원의 고주파를 제거하는 LC 방식의 필터로 이루어지고,
    상기 제어부는 상기 통신부를 통해 상기 생성된 오류 정보를 상기 전기차의 BMS(Battery Management System)와 공유하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. AC전원과 전기차의 배터리를 연결시킨 이후, 충전부를 작동시켜 상기 배터리에 DC 전원을 공급하는 제1 단계;
    케이스와 상기 케이스의 높이 방향을 따라 상호 이격되게 설치되는 다수개의 방열판 과 상기 케이스의 외부 공기를 내부로 공급하는 냉각팬 및 상기 케이스의 내부 온도를 감지하는 온도센서를 포함하는 기구부가 마련되고, 상기 충전부, 상기 기구부 및 상기 배터리의 오류 발생 여부를 판단하는 제2 단계;
    상기 발생된 오류가 미리 정해진 안전 기준 범위의 내외인지를 판단하는 제3 단계;
    상기 발생된 오류가 안전 기준 범위의 이외인 경우 오류 정보를 생성함과 더불어 DC/DC 컨버터와 연결되어 상기 배터리에 공급될 DC전원의 공급을 제어하는 전원 스위칭 모듈을 제어하여 DC전원의 공급을 차단하는 제4 단계;
    상기 오류 정보를 단말기 및 상기 전기차의 BMS(Battery Management System)와 공유하는 제5 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2 단계는,
    상기 AC전원의 OFF 여부,
    상기 AC전원의 전압이 안전 기준 범위를 이탈하였는지 여부,
    상기 케이스 내부 온도의 안전 기준 범위 이탈 여부,
    상기 배터리 전압의 역극성 인식 여부,
    상기 DC전원의 전압이 안전 기준 범위를 이탈하였는지 여부를 포함하여 오류 발생을 판단하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 방법.
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