KR102395910B1 - 전기차량용 충전건 장치 - Google Patents

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박정근
이원범
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주식회사 이엘일렉트릭
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Abstract

본 발명은 본 발명은 전기 자동차의 충전 시 온도 과열로 인한 사고 발생을 방지하고 교체 가능한 구조를 가지는 전기차량용 충전건 장치를 제안한다. 본 발명의 충전건 장치는, 충전건의 내부 또는 충전건과 접속구 사이의 온도를 감지하는 적어도 하나의 온도 센서와, 온도센서의 감지 값을 실시간 표시하는 디스플레이, 장착 플레이트의 관통홀에 이동 가능하게 장착된 제어파일럿(Control Pilot)핀, 상기 제어파일럿 핀의 이동을 위한 구동력을 제공하는 모터, 상기 온도 센서의 감지값을 기초로 하여 상기 모터를 정/역회전시켜 상기 장착 플레이트를 기준으로 상기 제어파일럿 핀을 전/후 방향으로 이동시키는 제어부를 포함하여 구성된다. 그리고 충전건은 충전장치에서 연장된 충전 케이블의 단부와 결합 및 분리 가능하게 형성된다.

Description

전기차량용 충전건 장치{Charging gun device for electric vehicles}
본 발명은 전기 자동차의 충전 시 온도 과열로 인한 사고 발생을 방지하고 교체 가능한 구조를 가지는 전기차량용 충전건 장치에 관한 것이다.
전기차의 보급과 함께 전기차 충전기의 설치가 확대되고 있다. 이러한 전기자동차의 보급 확대와 활성화를 위해 충전 인프라 구축은 필수적이다. 충전 인프라는 갈수록 많은 장소에 설치되어 전기차의 충전을 위한 편의성은 계속 개선되고 있다.
그러나 이러한 충전 편의성에도 불구하고 위험요소도 증가하는 추세이다. 반복적인 충전동작으로 충전건과 전기차 커넥터의 접속부 과열로 인하여, 충전시스템 또는 전기차의 고장이나 화재가 발생하는 것이다. 단 한번의 고장이나 화재발생은 물질적인 피해는 물론 인명피해까지 초래할 수 있다는 점에서 이러한 위험 요인을 원천적으로 방지하기 위한 노력이 필요하다. 그래서 충전기 커넥터와 전기차 커넥터간의 과열 발생시 충전동작을 강제로 중단시킬 방안이 요구된다.
충전건과 충전건에 연결된 충전케이블은 일체로 형성된 구조이다. 그래서 충전건과 충전케이블을 따로 교체할 수 없었다. 충전건 또는 충전케이블이 파손된 경우에도 일체로 교체하는 방법밖에 없어 불필요한 비용 증가를 초래했다.
한국등록특허 10-2130598호(전기차 충전기용 커넥터)
따라서 본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 전기차량의 충전 도중 충전건의 충전커넥터와 전기차량의 접속구와의 과열로 발생할 수 있는 파손이나 화재를 방지하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 충전건과 충전케이블을 결합/분리되게 하여 어느 하나의 구성만을 교체할 수 있는 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전기차량용 충전건 장치는, 전기차량의 접속구에 연결되어 전기차량에 충전에 사용되는 충전건이고, 상기 충전건은, 상기 충전건의 내부 또는 충전건과 접속구 사이의 온도를 감지하는 적어도 하나의 온도 센서; 장착 플레이트의 관통홀에 이동 가능하게 장착된 제어파일럿(Control Pilot)핀; 상기 제어파일럿 핀의 이동을 위한 구동력을 제공하는 모터; 및 상기 온도 센서의 감지 값을 기초로 하여 상기 모터를 정/역회전시켜 상기 장착 플레이트를 기준으로 상기 제어파일럿 핀을 전/후 방향으로 이동시키는 제어부를 포함하여 구성된다.
상기 온도센서의 감지 값을 실시간 표시하는 디스플레이를 더 포함하여 구성된다.
상기 모터 구동에 따라 상기 제어파일럿 핀은 전기차량의 접속구에 마련된 대응 단자와 결합 또는 분리되고, 분리된 경우 전기차량의 충전동작은 중지된다.
상기 제어파일럿 핀에 신호라인이 연결되고, 상기 신호라인에 릴레이가 연결되며, 상기 제어부는 감지 값에 따라 상기 릴레이를 동작시켜 신호라인을 차단한다.
상기 충전건은, 충전장치에서 연장된 충전 케이블의 단부와 결합 및 분리 가능하게 형성된다.
이상과 같은 본 발명에 따르면, 전기차량의 충전 동작 중에 충전건의 충전커넥터와 접속구(inlet) 사이의 온도를 지속적으로 모니터링하고, 기 셋팅된 온도 범위를 벗어나서 과열이 초래될 경우 제어파일럿(CP) 핀을 접속구의 대응단자에서 이격되게 하여 충전동작이 중단되게 하였다. 따라서 충전동작 중 의도치 않게 충전건과 전기차 커넥터의 접속부가 과열되어도 충전동작의 중단으로 인해 충전시스템의 파손이나 화재 발생을 방지하는 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 충전건과, 충전건에 연결된 충전케이블을 분리할 수 있도록 함으로써 손상되거나 파손된 충전건 또는 충전케이블만을 교체할 수 있어, 불필요한 비용증가를 방지할 수 있다.
도 1은 일반적인 전기차 충전 시스템 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 전기 차량용 충전건 장치의 사시도이다.
도 3은 충전건 장치의 측면도이다.
도 4는 본 발명의 충전건 장치의 블록 구성도이다.
본 발명의 목적 및 효과, 그리고 그것들을 달성하기 위한 기술적 구성들은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다.
그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명은 다양한 타입(type)의 충전건 장치에 충전시 온도를 모니터링하면서 미리 셋팅한 설정 범위를 벗어날 경우 충전동작을 중단시킬 수 있는 디바이스를 마련한 것으로서, 이러한 본 발명의 실시 예 구성을 도면에 기초하여 상세하게 설명하기로 한다.
충전방식별 충전건 커넥터 구조에 대해 살펴본다. 충전건은 전기차량의 커넥터 구조 및 충전방식 구조에 따라 다양한 형태로 제작된다.
예를 들어, 전기차에 교류 220V를 공급하여 배터리를 충전하는 AC 단상 방식의 충전건 커넥터는 5핀 구조이다. 1핀 및 2핀은 전원 핀, 3번핀은 접지(Protective Earth, PE), 4번핀은 전기차의 안전이나 작동 모드에 필요한 데이터의 전송에 관련된 조건을 보호하는 전자적 또는 기계적 수단을 말하는 제어파일럿(Control Pilot, CP), 5번핀은 전기차에 충전기 커넥터의 연결여부를 감지하는 커플러의 전기적 또는 기계적 수단을 말하는 연결스위치(Connection Switch, CS)이다. 4번핀 및 5번핀을 통해 전기차에 충전기 커넥터의 연결 여부 및 충전상태를 확인할 수 있다.
또 교류 220V와 380V를 공급하여 배터리를 충전하는 AC 3상 커넥터는 7핀구조이고, 직류 100 ~ 450V를 가변적으로 공급하여 배터리를 충전하는 DC CHAdeMO는 8개의 시그널 핀과 2개의 전원 핀을 가지는 총 10핀 구조, 하나의 커플러로 완속 및 급속 충전을 할 수 있는 방식으로 완속 충전시에는 220V를 공급하여 배터리를 충전하고 급속 충전시에는 직류 100~450V를 가변적으로 공급하여 배터리를 충전하는 DC 콤보 방식은 5개의 시그널 핀과 2개의 전원 핀을 가지는 총 7핀 구조이다.
이처럼 충전건의 커넥터는 상이한 핀 개수를 가지며, 이러한 핀들의 배치 등으로 디자인도 각각 다양하게 설계될 수 밖에 없다. 그래서 모든 충전건을 대상으로 충전 중 위험상황 발생시 충전을 중단해야 할 구성을 공통적으로 적용하기는 어렵다.
본 발명은 전기차 충전시 온도 과열로 인해 충전을 중단할 필요가 있는 경우 충전이 중단되도록 하는 방안을 모든 충전건에 동일하게 적용할 수 있도록 한 것이다. 위에서 말한 바와 같이 모든 충전건에는 제어 파일럿(CP)핀이 기본적으로 구성된다. 제어 파일럿 핀이 충전 동작시 안전 및 작동모드와 관련한 각종 데이터 및 신호 전송을 담당하며, 제어파일럿 핀을 이용하여 충전기와 전기차 간에 신호 송수신이 이루어진 후 충전을 시작하기 때문이다. 일반적으로 정상 충전 동작 이후의 충전 종료는 전기차로부터 종료 신호를 수신하면, 충전기는 전원 공급을 종료하게 된다. 이하에서 설명하는 본 발명의 실시 예에 따른 충전건 장치는 국내 완속 충전기의 대부분을 차지하는 AC 단상(5핀) 타입을 예를 들어 설명한다.
도 1은 전기차 충전 시스템 구성도이다. 충전 시스템(100)은, 충전장치(400), 충전 케이블(300), 충전건(200)을 포함한다.
충전건(200)은 사용자가 손으로 휴대하여 전기 자동차(10)에 마련된 접속구(Inlet)(20)에 충전건(200)의 충전 커넥터(230)를 연결함으로써 충전장치(400)를 전기 자동차(10)에 전기적으로 접속시키는 부분이다. 충전 케이블(300)은 충전건(200)을 충전장치(400)와 전기적으로 연결하기 위한 부분으로, 충전 케이블(300)내에는 P선, N선 등이 배선될 수 있다. 이때, 전기적으로 P선은 + 극성, N선은 - 극성을 가진다. 충전장치(400)는 전기 자동차(10)의 배터리를 충전하는데 필요한 전력 변환기 등을 포함하는 부분으로, 완속 충전장치 또는 급속 충전장치 또는 완속/급속 겸용 충전장치일 수 있다.
이러한 충전 시스템(100)에서 사용자가 손으로 휴대하여 전기 자동차(10)에 장착되는 접속구(Inlet)(20)에 충전건(200)의 충전 커넥터(230)를 연결하면, 충전장치(400)로부터 공급되는 전원이 충전 케이블(300)과 충전건(200)을 통해 전기 자동차(10)로 공급되어 전기 자동차(10)의 배터리를 충전시킨다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 전기 차량용 충전건 장치의 사시도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 충전건 장치(200)는 일단은 전기 자동차(10)의 접속구(Inlet)(20)와 장착되는 충전 커넥터(230)가 구비되고, 타단은 충전장치(400)에 연결된 케이블(300)이 구비된다.
충전건 장치(200)는 하우징이 외관을 형성하며, 이러한 하우징은 플라스틱 등의 절연성 수지 재질로 구성될 수 있고 내부 구성요소들을 보호하는 역할을 한다. 그리고 하우징의 전방에는 충전 커넥터(230)가 형성되고 내측에는 장착 플레이트(232)가 구비된다. 장착 플레이트(232)에는 접속구(20)와 접촉하는 각종 핀 단자들이 설치된다. 도 2에서 보듯이 장착 플레이트(232)에는 교류 220V를 공급하는 제1 전원 핀(241) 및 제2 전원 핀(242), 접지 핀(243), CP 핀(245), CS 핀(244)이 전방으로 돌출된 채로 배치되어 있다.
하우징의 외면에는 디스플레이(220)가 구비된다. 디스플레이(220)는 충전건(200) 내부 온도 값을 표시한다. 사용자가 디스플레이(220)를 통해 내부 온도를 지속적으로 모니터링 한다. 온도 측정을 위해 적어도 하나의 온도센서(254)가 설치된다.
본 발명에서 제1 전원 핀(241), 제2 전원 핀(242), 접지 핀(243), CS 핀(244)은 장착 플레이트(232)에 고정 설치된다. 즉 장착 플레이트(232)에는 소정 피치의 핀들이 삽입되도록 관통홀이 형성되며, 관통홀에 끼워진 상태로 고정된다. 반면 CP 핀(245)은 측면에서 봤을 때 전후방 방향으로 이동 가능한 구조로 장착되며, 이는 도 3을 참조하여 살펴본다.
도 3은 충전건 장치의 측면도이다. 도 3을 참조하면 장착 플레이트(232)를 기준으로 좌측방향은 전기차량의 접속구(20), 우측방향은 충전장치(400)가 위치한다.
장착 플레이트(232)에는 핀 장착용 관통홀이 형성된다. 관통홀에는 각종 핀 들이 끼움 고정된다. 도면에는 제1 전원 핀(241), 접지 핀(243), CP 핀(245)만을 도시하였다. 이때 CP 핀(245)을 제외한 나머지 핀들(241, 242, 243, 244)은 평상시 충전을 위해 충전건(200)을 접속구(Inlet)(20) 방향으로 밀더라도 관통홀에 견고하게 장착된 상태이며, 정상적인 충전동작이 진행되는 동안 어떠한 이동도 없이 고정된 상태를 유지한다.
본 발명은 충전동작으로 충전건(200)과 접속구(20)의 과열로 인하여 발생할 수 있는 충전 장치(400) 또는 전기 자동차(10)의 고장이나 화재를 방지하는 것이다. 따라서 충전건(200)이 과열될 경우 충전동작을 중단시키도록 해야 하며, 본 실시 예는 CP 핀(245)을 이용한다. CP 핀(245)은 전기차의 안전이나 작동 모드에 필요한 데이터의 전송에 관련된 조건을 보호하는 핀 단자로서, CP 핀(245)을 전기 자동차(10)의 접속구(20)에서 분리하면 충전동작을 중지시킬 수 있다.
도 3에서 보듯이 장착 플레이트(232)의 내측에 위치한 CP 핀(245)의 외주면 일측에는 수평 기어(252)가 형성된다. 그리고 모터(270)의 구동축과 결합된 원형 기어(260)가 수평 기어(252)와 맞물리도록 구성된다. 모터(270)의 구동에 따른 원형 기어(260)와 수평 기어(252)의 기어운동에 의하여 CP 핀(245)이 좌우 방향으로 이동하게 된다. CP 핀(245)이 접속구(20)의 대응 단자와 조금이라도 이격되기만 하면 데이터 전송이 차단되어 충전동작이 중단되게 된다. 여기서 온도 센서(245)의 감지 값에 따라 데이터 전송이 차단되는 정도로만 제어부(280)가 CP 핀(245)의 이동을 제어하면 된다. 예컨대 모터(270)를 1~2회전 정도만 회전시켜도 될 것이다.
한편 본 발은 상기 모터(270)의 구동상태를 감지하는 센서가 더 구성될 수 있다. CP 핀(245)를 이동시켜야 할 조건에서 모터(270)가 구동되지 않으면 위험상황에서 계속 충전이 되기 때문이다. 이 경우 제어부(280)는 사용자가 이를 인지할 수 있도록 경고음 등을 발생시키도록 해야 한다.
본 발명에 따르면 CP 핀(245)의 이동을 위한 구조는 다양하게 변형할 수 있다. 예를 들어 CP 핀(245)의 외주면에 그립(grip) 부재를 감싸도록 설치하고, 그립 부재와 모터(270) 사이를 소정 길이를 가지는 프레임 바를 연결하여 구성할 수 있다. 그리고 프레임 바는 다관절 링크나 봉, 기어(랙/피니언) 등과 같은 구조로 만들 수 있다. 즉 모터(270)의 구동력에 의해 CP 핀(245)을 좌우방향으로 이동시킬 수 있는 어떠한 구조도 상관없다.
도 4는 본 발명의 충전건 장치(200)의 블록 구성도이다. 도시한 바와 같이 충전건 장치(200)에는 적어도 하나의 온도 센서(254), 디스플레이(220), 제어부(280), 모터(270), CP 핀(245), 릴레이(290)를 포함한다.
온도 센서(254)는 충전건 장치(200)의 내부 온도를 감지할 수 있는 위치에 장착되면 된다. 다른 예로 충전동작시 충전건(200)과 접속구(20)가 연결될 경우 그 사이에 형성되는 내부 공간의 온도를 감지할 수 있도록 장착될 수도 있다. 또는 각종 핀(241 ~ 245)들의 온도를 더 정확하게 측정하도록 각 핀(241 ~ 245) 단자들과 직접 접촉된 상태로 장착되게 구성하는 것도 가능하다.
디스플레이(220)는 온도 센서(254)의 감지 값을 표시한다. 사용자가 디스플레이(220)를 통해 온도 감지 값을 직접 모니터링하면서 수동으로 충전동작을 중지시킬수도 있다.
제어부(280)는 CP 핀(245)의 이동을 제어한다. 제어부(280)는 기 셋팅된 온도 범위값을 가지며, 온도 센서(254)의 감지 값이 온도 범위를 벗어날 경우 모터(270) 구동을 제어하여 CP 핀(245)이 접속구(20)의 대응 단자에서 이탈되도록 한다. 온도 범위를 벗어나서 계속 충전될 경우 충전동작을 중지시키게 된다.
본 발명의 실시 예로 CP 핀(245)의 신호라인에 릴레이(290)를 더 연결할 수 있다. 이러한 릴레이(290)는 CP 핀(245)의 신호라인을 연결 또는 차단하는 역할을 한다. 즉 온도 센서(254)의 감지 값이 기 셋팅된 온도 범위를 벗어나면 제어부(280)가 릴레이(290)을 오픈시켜 신호라인을 차단시킴으로써 충전동작을 강제로 중지시키는 것이다. 이후 감지 값이 정상범위 내로 돌아오면 다시 충전동작이 수행되도록 제어할 수 있다.
본 발명의 실시 예로 CP 핀(245)의 신호라인에 릴레이(290) 대신 바이메탈(bimetal)를 적용할 수 있다. 전기 자동차(10)의 충전 중 과열로 인한 피해는 상당하다. 그래서 온도 과열로 인한 문제를 최대한 방지할 수 있는 구조이어야 한다. 바이메탈은 온도 변화에 따라 휘는 성질을 이용하는 소자로서, 기 셋팅된 온도범위를 벗어난 경우 바이메탈은 신호라인을 차단시켜 충전동작을 중단시킬 수 있다. 릴레이(290) 보다 구성이 더 간단하다.
본 발명에 따르면 충전건(200)과 충전 케이블(300)은 결합/분리가 가능한 구조이다. 결합/분리 구조는 어느 특정 구조에 한정하지 않고, 나사방식, 강제끼움방식, 체결수단을 이용한 방식 등 다앙한 방식이 적용될 수 있다. 앞서 도 2는 충전건(200)과 충전 케이블(300)의 단부에 나사선을 형성하여 결합/분리하는 에를 도시하고 있다. 충전건(200)과 충전 케이블(300)을 분리 후 다시 연결할 때 제1 전원 핀(241) 및 제2 전원 핀(242), 접지 핀(243), CP 핀(245), CS 핀(244)은 대응하는 신호단자와 서로 연결되도록 설계되어야 함은 당연하다.
반복적인 충전동작으로 인해 충전건이나 충전케이블은 마모되거나 파손될 수 있고, 이러한 문제는 안전한 충전동작을 방해하는 원인이다. 종래에는 충전건(200)과 충전 케이블(300)이 일체로 형성된 구조이다. 그래서 충전건(200) 또는 충전 케이블(300)의 교체가 필요한 경우, 충전건(200)과 충전케이블(300) 모두를 교체해야만 했다. 반면, 본 발명은 충전건(200) 또는 충전 케이블(300)의 교체가 가능하다. 그래서 유지 보수가 쉽고, 파손되더라도 용이하게 교체할 수 있어, 지속적인 충전 서비스의 제공이 가능하다.
이상과 같이 본 발명의 도시된 실시 예를 참고하여 설명하고 있으나, 이는 예시적인 것들에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 요지 및 범위에 벗어나지 않으면서도 다양한 변형, 변경 및 균등한 타 실시 예들이 가능하다는 것을 명백하게 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적인 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100: 충전 시스템
200: 충전건
220: 디스플레이
230: 충전 커넥터
232: 장착 플레이트
241 ~ 245: 핀들
254: 온도센서
270: 모터
280: 제어부
290: 릴레이
300: 충전 케이블
400: 충전장치

Claims (5)

  1. 전기차량의 접속구에 연결되어 전기차량의 충전에 사용되는 충전건이고,
    상기 충전건은,
    상기 충전건의 내부 또는 충전건과 접속구 사이의 온도를 감지하는 적어도 하나의 온도 센서;
    장착 플레이트의 관통홀에 이동 가능하게 장착된 제어파일럿(Control Pilot)핀;
    상기 제어파일럿 핀의 외주면 일 측에 형성된 수평기어;
    상기 수평기어와 기어 결합된 원형기어;
    상기 제어파일럿 핀의 이동을 위해 상기 원형기어로 구동력을 제공하는 모터;
    상기 모터의 구동상태를 감지하는 센서; 및
    상기 온도 센서의 감지 값을 기초로 하여 상기 모터를 정/역회전시켜 상기 장착 플레이트를 기준으로 상기 제어파일럿 핀을 직접 전/후 방향으로 이동시키는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부에 의해 상기 제어파일럿 핀은 전기차량의 접속구에 마련된 대응 단자와 결합 또는 분리되고, 상기 충전건과 접속구가 결합된 상태에서 상기 제어파일럿 핀이 상기 접속구의 대응 단자와 분리되면 상기 전기차량의 충전동작은 중지되고,
    상기 센서 감지 결과, 상기 제어파일럿 핀이 이동될 조건에서 상기 모터가 미 구동 시에 상기 제어부는 경고음을 출력하도록 구성되는, 전기차량용 충전건 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 온도센서의 감지 값을 실시간 표시하는 디스플레이를 더 포함하는 전기차량용 충전건 장치.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어파일럿 핀에 신호라인이 연결되고,
    상기 신호라인에 릴레이가 연결되며,
    상기 제어부는 감지 값에 따라 상기 릴레이를 동작시켜 신호라인을 차단하는 전기차량용 충전건 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 충전건은,
    충전장치에서 연장된 충전 케이블의 단부와 결합 및 분리 가능하게 형성되는 전기차량용 충전건 장치.
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