KR102428658B1 - 전력 변환 장치, 상기 전력 변환 장치의 제어 방법 및 상기 전력 변환 장치가 설치된 차량 - Google Patents

전력 변환 장치, 상기 전력 변환 장치의 제어 방법 및 상기 전력 변환 장치가 설치된 차량 Download PDF

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Abstract

전력 변환 장치, 상기 전력 변환 장치의 제어 방법 및 상기 전력 변환 장치가 설치된 차량에 관한 것으로, 전력 변환 장치는 일단은 제1 축전지와 연결되고 타단은 전원 및 제2 축전지 중 적어도 하나와 선택적으로 연결되는 제1 변전부, 일단은 상기 제1 축전지와 연결되고 타단은 상기 제2 축전지와 연결되어 상기 제1 축전지에서 공급되는 전력을 제2 축전지로 제공하는 제2 변전부 및 상기 전원 및 제2 축전지 중 어느 하나를 상기 제1 변전부와 연결하는 스위칭부를 포함할 수 있다.

Description

전력 변환 장치, 상기 전력 변환 장치의 제어 방법 및 상기 전력 변환 장치가 설치된 차량{POWER CONVERSION APPARATUS, METHOD FOR CONTROLLING THE SAME AND VEHICLE INCLUDING THE SAME}
전력 변환 장치, 상기 전력 변환 장치의 제어 방법 및 상기 전력 변환 장치가 설치된 차량에 관한 것이다.
차량은, 도로나 선로를 주행하면서 목적지까지 이동 가능한 장치를 의미한다. 통상적으로 차량은, 차체에 설치된 하나 이상의 차륜의 회전 구동에 의해 이동 가능하게 마련된다. 이와 같은 차량은, 예를 들어, 삼륜 또는 사륜 자동차나, 모터사이클 등의 이륜 자동차나, 건설 기계나, 자전거나 또는 선로 상에 배치된 레일 위에서 주행하는 열차 등을 포함할 수 있다.
기존에는 차량은 통상적으로, 가솔린이나 디젤과 같은 화석 연료를 연소시켜 열 에너지를 획득하고 획득한 열 에너지를 차륜의 회전에 필요한 기계 에너지로 변환시킴으로써, 차륜의 회전에 필요한 동력을 획득하였다.
근자에는 차량은 화석 연료의 연소에 따른 열 에너지가 아닌 전기 에너지를 이용하여 차륜의 회전에 필요한 동력을 획득할 수도 있다. 이와 같이 전기 에너지를 이용하여 동력을 획득하는 차량을 전기 자동차라고 한다.
이와 같은 전기 자동차로는, 예를 들어, 오직 전기 에너지만을 이용하여 동력을 획득하는 통상적인 전기 자동차(EV, Electric Vehicle)나, 화석 연료의 연소에 따른 열 에너지와 전기 에너지 양자를 모두 이용하여 동력을 획득하는 하이브리드 전기 자동차(HEV, Hybrid Electric Vehicle)나, 또는 화석 연료의 연소에 따른 열 에너지와 전기 에너지 양자를 모두 이용하되 외부로부터 공급되는 전기 에너지를 내장된 축전지에 충전 가능한 플러그-인 하이브리드 전기 자동차(PHEV, Plug-in Hybrid Electric Vehicle) 등이 있을 수 있다.
전체적인 크기를 축소하면서 효율적으로 전장 부하 및 축전지 중 적어도 하나의 충전을 수행할 수 있는 전력 변환 장치, 상기 전력 변환 장치의 제어 방법 및 상기 전력 변환 장치가 설치된 차량을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
상술한 과제를 해결하기 위하여 전력 변환 장치, 상기 전력 변환 장치의 제어 방법 및 상기 전력 변환 장치가 설치된 차량이 제공된다.
전력 변환 장치는, 일단은 제1 축전지와 연결되고 타단은 전원 및 제2 축전지 중 적어도 하나와 선택적으로 연결되는 제1 변전부, 일단은 상기 제1 축전지와 연결되고 타단은 상기 제2 축전지와 연결되어 상기 제1 축전지에서 공급되는 전력을 제2 축전지로 제공하는 제2 변전부 및 상기 전원 및 제2 축전지 중 어느 하나를 상기 제1 변전부와 연결하는 스위칭부를 포함할 수 있다.
상기 제1 변전부는, 상기 전원과 연결되면 상기 전원에서 공급되는 전력을 상기 제1 축전지로 제공하고, 상기 제2 축전지와 연결되면 상기 제1 축전지에서 공급되는 전력을 제2 축전지로 제공할 수 있다.
상기 제1 변전부는 상기 전원과 연결되면 상기 전원에 의해 인가되는 전압을 승압하고, 상기 제2 축전지와 연결되면 상기 제1 축전지에 의해 인가되는 전압을 강압할 수 있다.
상기 제2 변전부는, 상기 제1 축전지에 의해 인가되는 전압을 강압할 수 있다.
상기 전원을 이용하여 충전이 수행되는 경우, 상기 제1 변전부 및 상기 제2 변전부가 동작을 수행하여, 상기 제1 변전부는 전원에서 공급되는 전력을 제1 축전지로 제공하고, 상기 제2 변전부는 제1 축전지의 전력을 제2 축전지로 제공할 수 있다.
전기적으로 연결된 외부 장치의 전력 요구량이 상대적으로 낮거나 또는 저전력으로 상기 제2 축전지를 충전하는 경우, 상기 제1 변전부 및 상기 제2 변전부 중 어느 하나가 동작하여 제1 축전지의 전력을 제2 축전지로 제공할 수 있다.
상기 제1 변전부의 최대 전력 용량 및 상기 제2 변전부의 최대 전력 용량은 서로 상이할 수 있다.
전기적으로 연결된 외부 장치의 전력 요구량이 상대적으로 높거나 또는 고전력으로 상기 제2 축전지를 충전하는 경우, 상기 제1 변전부 및 상기 제2 변전부가 함께 동작하여 제1 축전지의 전력을 제2 축전지로 제공할 수 있다.
상기 제1 변전부 및 상기 제2 변전부는 상기 제1 축전지와 상기 제2 축전지 사이에서 상호 병렬로 연결 가능하다.
전력 변환 장치는, 상기 제1 변전부, 상기 제2 변전부 및 상기 스위칭부 중 적어도 하나의 동작을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 변전부 및 상기 제2 변전부 중 적어도 하나는, 저 전압 DC-DC 변환기(LDC, Low Voltage DC-DC Converter)를 포함할 수 있다.
상기 전원은, 입사된 태양광에 대응하는 전력을 출력하는 태양광 전력 생성부를 포함할 수 있다.
전력 변환 장치의 제어 방법은, 전력 변환 장치의 동작을 결정하는 단계, 상기 전력 변환 장치가 전원을 이용하여 제1 축전지 및 제2 축전지를 충전하는 경우, 제1 변전부가 전원과 전기적으로 연결되고, 상기 제1 변전부 및 제2 변전부가 동작을 개시하고, 상기 제1 변전부는 전원에서 공급되는 전력을 제1 축전지로 제공하고, 상기 제2 변전부는 제1 축전지의 전력을 제2 축전지로 제공하는 단계를 포함하되, 상기 제1 변전부는 일단은 상기 제1 축전지와 연결되고 타단은 제어에 따라서 상기 전원 및 상기 제2 축전지 중 적어도 하나와 선택적으로 연결되고, 상기 제2 변전부는 상기 제1 축전지 및 상기 제2 축전지를 전기적으로 연결할 수 있다.
전력 변환 장치의 제어 방법은, 전기적으로 연결된 외부 장치의 전력 요구량이 상대적으로 낮거나 또는 저전력으로 상기 제2 축전지를 충전하는 경우, 상기 제1 변전부 및 상기 제2 변전부 중 어느 하나가 동작을 개시하고, 상기 제1 변전부 및 상기 제2 변전부 중 어느 하나는 제1 축전지의 전력을 제2 축전지로 제공하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 변전부 및 상기 제2 변전부의 최대 전력 용량은 서로 상이할 수 있다.
전력 변환 장치의 제어 방법은, 상기 제1 변전부가 상기 제2 축전지와 전기적으로 연결되는 단계를 더 포함할 수 있다.
전력 변환 장치의 제어 방법은, 전기적으로 연결된 외부 장치의 전력 요구량이 상대적으로 높거나 또는 고전력으로 상기 제2 축전지를 충전하는 경우, 상기 제1 변전부가 상기 제2 축전지와 전기적으로 연결되고, 상기 제1 변전부 및 상기 제2 변전부가 함께 동작을 개시하고 상기 제1 변전부 및 상기 제2 변전부 양자가 함께 제1 축전지의 전력을 제2 축전지로 제공하는 단계를 더 포함할 수 있다.
차량은, 전력을 공급하는 전원, 상기 전원에 의해 공급된 전력에 의해 충전되고 상대적으로 고전압의 제1 축전지, 상기 제1 축전지에 의해 공급된 전력에 의해 충전되고 상대적으로 저전압의 제2 축전지, 일단은 상기 제1 축전지와 연결되고 타단은 상기 전원 및 상기 제2 축전지 중 적어도 하나와 선택적으로 연결되는 제1 변전부 및 일단은 상기 제1 축전지와 연결되고 타단은 상기 제2 축전지와 연결되어 상기 제1 축전지에서 공급되는 전력을 제2 축전지로 제공하는 제2 변전부를 포함할 수 있다.
상기 전원을 이용하여 충전이 수행되는 경우, 상기 제1 변전부 및 상기 제2 변전부가 동작을 수행하여, 상기 제1 변전부는 전원에서 공급되는 전력을 제1 축전지로 제공하고, 상기 제2 변전부는 제1 축전지의 전력을 제2 축전지로 제공할 수 있다.
전기적으로 연결된 주변 장치의 전력 요구량이 상대적으로 낮거나 또는 저전력으로 상기 제2 축전지를 충전하는 경우, 상기 제1 변전부 및 상기 제2 변전부 중 어느 하나가 동작하여 제1 축전지의 전력을 제2 축전지로 제공할 수 있다.
전기적으로 연결된 주변 장치의 전력 요구량이 상대적으로 높거나 또는 고전력으로 상기 제2 축전지를 충전하는 경우, 상기 제1 변전부 및 상기 제2 변전부가 함께 동작하여 제1 축전지의 전력을 제2 축전지로 제공할 수 있다.
상술한 전력 변환 장치, 상기 전력 변환 장치의 제어 방법 및 상기 전력 변환 장치가 설치된 차량에 의하면, 전력 변환 장치의 전체적인 크기가 축소되면서도 전력 변환 장치가 효율적으로 축전지를 충전할 수 있게 되는 효과를 얻을 수 있다.
상술한 전력 변환 장치, 상기 전력 변환 장치의 제어 방법 및 상기 전력 변환 장치가 설치된 차량에 의하면, 전력 변환 장치의 전체적인 크기가 축소됨으로써 전력 변환 장치가 설치된 차량의 전체적인 중량 감소되고 이에 따라 차량의 연비가 개선되는 효과를 얻을 수 있다.
상술한 전력 변환 장치, 상기 전력 변환 장치의 제어 방법 및 상기 전력 변환 장치가 설치된 차량에 의하면, 전력 변환 장치에 마련되는 변압기의 개수를 상대적으로 감소시킬 수 있게 되므로, 전력 변환 장치의 제작 단가가 절감되는 경제적 효과도 얻을 수 있다.
상술한 전력 변환 장치, 상기 전력 변환 장치의 제어 방법 및 상기 전력 변환 장치가 설치된 차량에 의하면, 전력 변환 장치가 상황에 따라서 선택적 운전이 가능하게 되므로, 전력 변환 장치가 보다 효율적으로 동작할 수 있게 되고, 전력 변환 장치의 효율적 동작에 따라 전력 변환 장치가 설치된 차량의 연비가 개선되는 효과도 얻을 수 있다.
도 1a는 전력 변환 장치의 일 실시예에 대한 블록도이다.
도 1b는 전력 변환 장치의 일 실시예에 대한 회로도이다.
도 2a는 제1 스위치 소자 및 제2 스위치 소자 중 적어도 하나의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 2b는 제3 스위치 소자 및 제4 스위치 소자의 동작을 설명하기 위한 제1 도이다.
도 2c는 제3 스위치 소자 및 제4 스위치 소자의 동작을 설명하기 위한 제2 도이다.
도 3은 전력 변환 장치의 동작의 제1 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 전력 변환 장치의 동작의 제2 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 전력 변환 장치의 동작의 제3 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 전력 변환 장치의 동작의 제4 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 차량의 일 실시예의 외관을 도시한 도면이다.
도 8은 차량의 일 실시예에 대한 블록도이다.
도 9는 종래 오직 하나의 1.8 kW 저 전압 DC-DC 변전기가 이용된 경우에서의 출력 전류 대비 부하 별 효율을 도시한 도면이다.
도 10은 0.8 kW의 제1 변전부가 이용되는 경우에 있어서의 출력 전류 대비 부하 별 효율을 도시한 도면이다.
도 11은 1.2 kW의 제2 변전부가 이용되는 경우에 있어서의 출력 전류 대비 부하 별 효율을 도시한 도면이다.
도 12는 전력 변환 장치의 제어 방법의 일 실시예에 대한 흐름도이다.
이하 명세서 전체에서 동일 참조 부호는 특별한 사정이 없는 한 동일 구성요소를 지칭한다. 이하에서 사용되는 '부'가 부가된 용어는, 소프트웨어 또는 하드웨어로 구현될 수 있으며, 실시예에 따라 '부'가 하나의 부품으로 구현되거나, 하나의 '부'가 복수의 부품들로 구현되는 것도 가능하다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 어떤 부분과 다른 부분에 따라서 물리적 연결을 의미할 수도 있고, 또는 전기적으로 연결된 것을 의미할 수도 있다.
또한, 어떤 부분이 다른 부분을 포함한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 부분 이외의 또 다른 부분을 제외하는 것이 아니며, 설계자의 선택에 따라서 또 다른 부분을 더 포함할 수 있음을 의미한다.
제 1 이나 제 2 등의 용어는 하나의 부분을 다른 부분으로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 특별한 기재가 없는 이상 이들이 순차적인 표현을 의미하는 것은 아니다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 예외가 있지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
이하 도 1a 내지 도 6을 참조하여 전력 변환 장치가 마련된 충전 시스템의 일 실시예에 대해서 설명한다.
도 1a는 전력 변환 장치의 일 실시예에 대한 블록도이다.
도 1a에 에 도시된 바를 참조하면, 충전 시스템(1)은 전원(10)과, 제1 축전지(20)와, 제2 축전지(30)와, 제1 축전지(20) 및 제2 축전지(30) 중 적어도 하나의 충전을 제어할 수 있는 전력 변환 장치(100)를 포함할 수 있다.
전원(10)는 제1 축전지(20) 및 제2 축전지(30) 중 적어도 하나의 충전에 요구되는 전력을 공급할 수 있다.
전원(10)는, 예를 들어, 자체적으로 전력을 생성할 수 있는 장치나, 제1 축전지(20) 및 제2 축전지(30) 이외의 다른 축전지나, 또는 외부에서 공급되는 상용 전원을 포함할 수 있다. 여기서, 자체적으로 전력을 생성할 수 있는 장치는, 예를 들어, 연료의 연소 에너지를 이용하여 전력을 생성하는 장치나, 풍력이나 수력을 이용하여 전력을 생성하는 장치나, 및/또는 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하여 전력을 생성하는 장치(태양광 전력 생성 장치)를 포함할 수 있다. 태양광 전력 생성 장치는, 예를 들어, 태양 전지(Solar Cell)를 포함할 수 있다.
제1 축전지(20) 및 제2 축전지(30)는 제공된 전기 에너지를 화학 에너지의 상태로 변환하여 전기 에너지를 축적 및 저장할 수 있도록 마련된다.
제1 축전지(20) 및 제2 축전지(30) 각각은 납 축전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 리튬 이온 전지, 리튬 이온 폴리머 전지 및 리튬 인산 철 전지 중 적어도 하나를 이용하여 구현될 수 있다. 그러나, 제1 축전지(20) 및 제2 축전지(30)는 이에 한정되어 구현되는 것은 아니며, 설계자가 고려 가능한 다양한 종류의 축전지를 이용하여 구현 가능하다.
제1 축전지(20) 및 제2 축전지(30)는 서로 동종의 축전지를 이용하여 구현될 수도 있고, 또는 서로 이종의 축전지를 이용하여 구현될 수도 있다.
일 실시예에 의하면, 제1 축전지(20) 및 제2 축전지(30)의 전압은 각각 상이할 수 있다. 예를 들어, 제1 축전지(20)는 제2 축전지(30)보다 상대적으로 높은 전압을 가질 수 있으며, 제1 축전지(20)의 전압과 제2 축전지(30)의 전압 사이의 차이는 상당히 클 수도 있다. 보다 구체적으로 예를 들어, 제1 축전지(20)의 전압은 360V이고, 제2 축전지(30)의 전압은 12V일 수 있다. 이외에도 설계자는 충전 시스템(1)의 사용 환경이나 적용 대상에 따라서 제1 축전지(20)의 전압 및 제2 축전지(30)의 전압을 다양하게 설정할 수 있다. 또한, 실시예에 따라서 상술한 바와는 반대로 제2 축전지(30)가 제1 축전지(20)보다 상대적으로 더 높은 전압을 갖는 것도 가능하다.
제1 축전지(20) 및 제2 축전지(30)의 전압이 서로 상이한 경우, 각각(20, 30)은 서로 상이한 부하의 장치에 전력을 공급하도록 마련된 것일 수 있다. 예를 들어, 제1 축전지(20)가 제2 축전지(30)에 비해 상대적으로 높은 전압을 갖는 경우, 제1 축전지(20)는 고부하의 장치, 일례로 자동차의 구동 모터에 전력을 공급하도록 마련되고, 제2 축전지(30)는 중부하 또는 저부하의 장치, 일례로 자동차의 조명이나 계기판 등에 전력을 공급하도록 마련된 것일 수 있다.
다른 실시예에 의하면, 제1 축전지(20) 및 제2 축전지(30)의 전압이 서로 동일한 것도 가능하다. 이 경우, 제1 축전지(20) 및 제2 축전지(30)는 각각 동일한 부하의 장치 또는 서로 상이한 부하의 장치에 전력을 공급하도록 마련된 것일 수 있다.
전력 변환 장치(100)는, 전력을 변환하여 제1 축전지(20) 및 제2 축전지(30) 중 적어도 하나의 충전을 수행할 수 있도록 설계된다.
일 실시예에 따르면, 전력 변환 장치(100)는 전원(10)에서 공급되는 전력을 제1 축전지(20)에 전달하여 제1 축전지(20)가 충전되도록 하고, 또한, 필요에 따라, 제1 축전지(20)에 의해 공급되는 전력을 제2 축전지(30)에 전달하여 제2 축전지(30)가 충전되도록 한다. 이에 따라 전력 변환 장치(100)는 제1 축전지(20) 및 제2 축전지(30) 중 적어도 하나가 충전될 수 있도록 한다.
도 1에 도시된 바에 의하면, 전력 변환 장치(100)는, 제1 변전부(110), 제2 변전부(150) 및 스위칭부(190)를 포함할 수 있다. 이하 제1 변전부(110), 제2 변전부(150) 및 스위칭부(190)를 설명함에 있어서 제1 변전부(110), 제2 변전부(150) 및 스위칭부(190) 중 적어도 하나에 연결된 라인(L11 내지 L43)은, 실시예에 따라서, 전기적 신호의 전송을 위해 설계자가 고려할 수 있는 도선, 회로 또는 이외 기타 전기적 신호의 전송이 가능한 장치 등을 포함할 수 있다.
제1 변전부(110)는 일 단은 스위칭부(190)와 연결되고, 타 단은 제1 축전지(20)와 연결된다.
제1 변전부(110)는, 스위칭부(190)와 적어도 하나의 라인(L12)을 통해 전기적으로 연결될 수 있다. 또한 제1 변전부(110)는 전류의 유동이 가능하도록 전원(10) 및 제2 축전지(30)와 소정의 라인(L13, L44)을 이용하여 연결될 수 있다. 이 경우, 제2 축전지(30)와 제2 변전부(150)를 연결하는 어느 하나의 라인(L42)에서 분기된 라인(L44)이 전원(10)과 제1 변전부(110)를 연결하는 라인(L13)과 연결되어, 제1 변전부(110)는 전원(10) 및 제2 축전지(30) 중 적어도 하나와 연결될 수 있게 된다.
또한, 제1 변전부(110)는 제1 축전지(20)와 적어도 하나의 다른 라인(L21, L22)를 통해 연결될 수 있다. 이 경우, 제1 변전부(110)와 제1 축전지(20)를 연결하는 적어도 하나의 다른 라인(L21, L22)은 제1 축전지(20)와 제2 변전부(150)를 연결하는 적어도 하나의 라인(L31, L32)에 연결 및 진입하도록 설계된 것일 수 있다.
제1 변전부(110)는, 전기적 신호(즉, 전류)가 양 방향으로 선택적으로 전달될 수 있도록 마련된 것일 수 있다. 다시 말해서, 제1 변전부(110)는, 일 단에서 타 단으로 전기적 신호를 전달하거나 또는 반대로 타 단에서 일 단으로 전기적 신호를 전달할 수 있다. 보다 구체적으로 제1 변전부(110)는 스위칭부(190) 와 연결된 일 단에 공급된 전력(전류)를 제1 축전지(20)에 연결된 타 단으로 전달하고, 또한 제1 축전지(20)와 연결된 타 단에 공급된 전력을 스위칭부(190), 전원(10) 또는 제2 축전지(30)와 연결된 일 단으로 전달할 수 있다. 필요에 따라서, 제1 변전부(110)는 어느 방향으로도 전기적 신호가 전달되지 않도록 동작을 중단할 수도 있다. 이와 같은 제1 변전부(110)에 의한 전기적 신호의 전달 방향 또는 제1 변전부(110)의 동작 여부는, 제1 변전부(110)에 자체적으로 마련된 제어 장치에 의해 수행될 수도 있고, 또는 외부의 제어부(90)에서 전달된 제어 신호에 따라 수행될 수 있다.
일 실시예에 의하면, 제1 변전부(110)는 저 전압 DC-DC 변환기(LDC, Low Voltage DC-DC Converter)를 이용하여 구현 가능하다.
제2 변전부(150)는 일 단은 제1 축전지(20)와 연결되고, 타 단은 제2 축전지(30)와 연결되도록 마련된다.
제2 변전부(150)는, 제1 축전지(20)와 적어도 하나의 라인(L31, L32)을 통해 전류의 유동이 가능하도록 전기적으로 연결된다. 상술한 바와 같이, 제2 변전부(150)와 제1 축전지(20)를 연결하는 적어도 하나의 라인(L31, L32)은 일 위치에서 분기되어 제1 변전부(110)와 연결된다(L21, L22).
또한, 제2 변전부(150)는, 제2 축전지(30)와 적어도 하나의 다른 라인(L41, L42)를 통해 전기적으로 연결된다. 이 경우, 적어도 하나의 다른 라인(L41, L42)의 일 위치에서 분기된 라인(L43, L44) 중 어느 하나(L43)는 스위칭부(190)와 연결된다. 스위칭부(190)의 동작에 따라 제1 변전부(110)와 스위칭부(190)를 연결하는 라인(L12)은 어느 하나의 라인(L43)과 전기적으로 연결 가능하게 된다. 다른 하나의 라인(L44)는 제1 변전부(110)와 연결된다. 이 경우, 다른 하나의 라인(L44)은 제1 변전부(110) 및 전원(10)을 연결하는 어느 하나의 라인(L13)에 연결 및 진입하도록 설계된 것일 수 있다. 실시예에 따라서, 적어도 하나의 다른 라인(L41, L42)은 제2 축전지(30) 이외에 다른 외부 부하(40)와 전기적으로 연결될 수 있다. 이 경우, 적어도 하나의 다른 라인(L41, L42)은 오직 외부 부하(40)만 연결될 수도 있고, 또는 제2 축전지(30) 및 외부 부하(40) 양자에 모두 연결될 수도 있다. 제2 축전지(30) 및 외부 부하(40) 양자에 모두 연결된 경우, 적어도 하나의 다른 라인(L41, L42)에는 외부 부하(40)와 연결되는 라인이 분기되어 형성될 수도 있다.
제2 변전부(150)는, 오직 하나의 방향으로 전기적 신호가 전달되도록 설계된 것일 수 있다. 예를 들어, 제2 변전부(150)는, 제1 축전지(20)로부터 전력이 공급되는 일 단으로부터 제2 축전지(30)가 연결된 타 단 방향으로만 전기적 신호를 전달하도록 마련된 것일 수 있다. 따라서, 제2 변전부(150)는, 선택적으로 동작 개시하여 제1 축전지(20)에서 공급된 전력을 제2 축전지(30)로 전달하도록 하거나 또는 동작을 중단하여 어떠한 전력도 전달되지 않도록 할 수 있다. 이와 같은 제2 변전부(150)의 동작 여부는 제1 변전부(110)에 자체적으로 마련된 제어 장치에 의해 수행될 수도 있고, 또는 외부의 제어부(90)에서 전달된 제어 신호에 따라 수행될 수 있다.
일 실시예에 의하면, 제2 변전부(150)는, 제1 변전부(110)와 동일하게 저 전압 DC-DC 변환기(LDC, Low Voltage DC-DC Converter)를 이용하여 구현 가능하다.
제1 변전부(110) 및 제2 변전부(150)의 최대 전력 용량은 서로 동일할 수도 있고, 또는 서로 상이할 수도 있다. 제1 변전부(110) 및 제2 변전부(150)의 용량이 서로 상이한 경우, 제1 변전부(110) 및 제2 변전부(150) 중 어느 하나는 다른 하나보다 상대적으로 최대 전력 용량이 작을 수 있으며, 이 경우 어느 하나(110, 150)의 최대 전력 용량은 다른 하나(150, 110)의 전력 용량의 대략 두 배 정도로 결정된 것일 수 있다. 구체적으로 예를 들어, 제1 변전부(110)의 최대 전력 용량은 0.6kW로 설정되고, 제2 변전부(150)의 최대 전력 용량은 이의 두 배인 1.2kW로 설정될 수 있다. 그러나, 제1 변전부(110) 및 제2 변전부(150) 각각의 전력 용량은 예시된 바에 한정되는 것은 아니며, 설계자가 임의적으로 선택 및 결정하는 바에 따라서 다양하게 결정될 수 있다. 예를 들어, 상술한 실시예에서의 제1 변전부(110) 및 제2 변전부(150) 각각의 최대 전력 용량은, 충전 시스템(1)과 연결된 외부 부하(40)의 크기나 제2 축전지(30)의 용량 등을 기반으로 적절하게 결정된 것일 수 있다. 보다 구체적으로 충전 시스템(1)에 의해 공급되는 전력이 가장 빈번하게 이용되는 어느 하나의 부하 영역을 정격으로 하여 제1 변전부(110)의 최대 전력 용량을 결정하고, 및/또는 빈번하게 이용되는 또 다른 부하 영역을 정격으로 하여 제2 변전부(150)의 최대 전력 용량을 결정할 수도 있다. 또한, 통상적인 충전 시스템은 하나의 저 전압 DC-DC 변환기를 이용할 수 있는데, 상술한 실시예에서의 제1 변전부(110) 및 제2 변전부(150) 각각의 최대 전력 용량은 통상적인 충전 시스템의 저 전압 DC-DC 변환기의 최대 전력 용량을 일정한 비율로 분배하여 결정된 것일 수 있다. 즉, 통상적인 충전 시스템의 저 전압 DC-DC 변환기가 1.8kW의 최대 전력 용량을 갖는 경우, 제1 변전부(110) 및 제2 변전부(150) 각각의 최대 전력 용량은 1.8kW를 1:2로 분배한 0.6kW 및 1.2kW로 결정될 수도 있다.
제1 변전부(110) 및 제2 변전부(150)는, 실시예에 따라서, 제1 축전지(20)와 제2 축전지(10) 사이에서 상호 병렬로 연결되도록 설계될 수도 있다. 그러나, 설계자의 설계 방식에 따라서 제1 변전부(110) 및 제2 변전부(150)는 서로 병렬로 연결되지 않을 수도 있다.
제1 변전부(110) 및 제2 변전부(150)의 구체적인 구조 및 동작은 후술하도록 한다.
스위칭부(190)는 스위칭 동작에 따라서 제1 변전부(110)를 전원(10)과 선택적으로 연결하거나, 또는 제1 변전부(110)를 제2 축전지(30)와 선택적으로 연결할 수 있다.
스위칭부(190)는 적어도 하나의 라인(L11)을 통해 전원(10)과 연결되고, 다른 적어도 하나의 라인(L43)을 통해 제2 축전지(30)와 연결된다. 또한, 스위칭부(190)는 또 다른 적어도 하나의 라인(L12)을 통해 제1 변전부(110)와 연결된다.
스위칭부(190)는, 제1 변전부(110)와 연결된 라인(L12)에 적어도 하나의 라인(L11)을 연결하거나, 또는 다른 적어도 하나의 라인(L43)을 제1 변전부(110)와 연결된 라인(L12)에 연결하여, 제1 변전부(110)와 전원(10) 및 제2 축전지(30) 중 어느 하나 사이의 전기적 연결을 선택적으로 수행할 수 있다.
스위칭부(190)가 제1 변전부(110)와 연결된 라인(L12)에 적어도 하나의 라인(L11)을 연결하는 경우, 제1 변전부(110)는 전원(10)과 연결되어 전원(10)에서 공급되는 전력이 제1 변전부(110)로 전달될 수 있게 된다. 또한, 스위칭부(190)가 다른 적어도 하나의 라인(L43)을 제1 변전부(110)와 연결된 라인(L12)에 연결하는 경우, 제1 변전부(110)는 제2 축전지(30)와 연결되어 제1 축전지(20)에서 공급되는 전력이 제2 변전부(120)로 전달될 수 있게 된다.
스위칭부(190)의 동작은 제어부(90)의 제어에 따라 수행될 수도 있다.
일 실시예에 의하면, 충전 시스템(1)은 제어부(90)를 더 포함할 수도 있다.
제어부(90)는, 사용자의 조작 및/또는 미리 정의된 설정에 따라서 소정의 전기적 신호(이하 제어 신호)를 생성하고, 생성된 제어 신호를 상응하는 부품, 일례로 제1 변전부(110), 제2 변전부(150) 및 스위칭부(190) 중 적어도 하나에 전달하여 제1 변전부(110), 제2 변전부(150) 및 스위칭부(190) 적어도 하나의 동작을 제어할 수 있다.
예를 들어, 제어부(90)는 전원(10)을 이용한 제1 축전지(10) 및 제2 축전지(20) 중 적어도 하나의 충전이 필요한 경우인지, 제1 축전지(20)를 이용하여 제2 축전지(30)를 충전할 필요한 경우인지, 및/또는 제1 축전지(20) 및 제2 축전지(30) 중 적어도 하나를 이용하여 외부의 부하(40)에 대한 전력 공급이 필요한 경우인지 등을 판단하고, 판단 결과를 기반으로 제어 신호를 생성하여 제1 변전부(110), 제2 변전부(150) 및 스위칭부(190) 중 적어도 하나의 동작을 제어할 수 있다.
제어부(90)는 중앙 처리 장치(CPU, Central Processing Unit)나 마이크로 컨트롤러 유닛(MCU, Micro Controller Unit)이나, 또는 전자 제어 장치(ECU, Electronic Control Unit) 등을 포함할 수 있다. 중앙 처리 장치, 마이크로 컨트롤러 유닛 또는 전자 제어 장치 등은 하나 또는 둘 이상의 반도체 칩 및 관련 부품을 이용하여 구현될 수 있다. 또한, 중앙 처리 장치, 마이크로 컨트롤러 유닛 또는 전자 제어 장치 등은 내장되거나 또는 사용자에 의해 입력되는 프로그램이나 데이터를 기초로 차량(1)의 각종 동작에 대한 처리를 수행할 수 있다.
이하 제1 변전부(110) 및 제2 변전부(150)가 마련된 전력 변환 장치(100)의 구체적인 일례에 대해 보다 자세히 설명하도록 하되, 제1 변전부(110)로 양 방향 저 전압 DC-DC 변환기를 이용하고 제2 변전부(150)로 일 방향 저 전압 DC-DC 변환기를 이용하는 일례를 들어 전력 변환 장치(100)를 보다 상세하게 설명하도록 한다.
도 1b는 전력 변환 장치의 일 실시예에 대한 회로도이다.
도 1b에 도시된 바를 참조하면, 제1 변전부(110)는, 전류의 흐름을 차단하거나 또는 전류의 흐름의 방향을 결정하는 적어도 하나의 스위치 소자(111, 112, 113, 114, 이하 설명의 편의를 위해 각각 제1 스위치 소자 내지 제4 스위치 소자로 지칭함)와, 전압을 변화시키는 변압부(115)와, 이들을 연결하기 위한 라인(141, 141a, 142, 142a, 143, 144, 145, 146)을 포함할 수 있으며, 필요에 따라 각종 회로 부품(143a, 146a)을 더 포함할 수 있다.
도 2a는 제1 스위치 소자 및 제2 스위치 소자 중 적어도 하나의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 전원(19)및 제2 축전지(30)가 각각 그라운드(19, 39)에 접지되어 있어, 실질적으로 제2 축전지(30)와 연결된 라인(L42)에서 분기된 어느 하나의 라인(L42)은 생략 가능하므로 도 2a에서는 제2 축전지(30)와 연결된 라인(L42)에서 분기된 어느 하나의 라인(L42)을 생략하여 도시하였다.
제1 스위치 소자(111) 및 제2 스위치 소자(112)는, 변압부(115)를 중심으로 스위칭부(190), 전원(10) 및 제2 축전지(30) 방향에 마련된다.
구체적으로 예를 들어, 도 1b에 도시된 바와 같이, 제1 스위치 소자(111)는 일 단은 변압부(115)의 제1 코일(115b)의 일 말단에서 연장된 라인(141)에 연결되고 타 단은 제1 변전부(110)와 전원(10)을 연결하는 라인(L13)에서 분기되는 라인(141a)에 연결되어 마련될 수 있다. 제2 스위치 소자(112)는 일 단은 변압부(115)의 제1 코일(115b)의 타 말단에서 연장된 라인(144)에 연결되고 타 단은 제1 변전부(110)와 전원(10)을 연결하는 라인(L13)에 연결되어 마련될 수 있다.
제1 변전부(110)는 제2 변전부(150)와 상이하게 저항(153, 154)의 위치에 제1 스위치 소자(111) 및 제2 스위치 소자(112)를 포함하고 있으므로, 제1 변전부(110)는 전력을 제1 축전지(20) 방향으로 전달하거나 또는 이의 반대 방향으로 전달할 수 있게 된다.
일 실시예에 따르면, 제1 스위치 소자(111) 및 제2 스위치 소자(112)는, 상호 동일하게 동작할 수 있다. 다시 말해서, 제1 스위치 소자(111)가 동작 상태(온 상태)인 경우, 제2 스위치 소자(112) 역시 동작 상태가 되고, 제1 스위치 소자(111)가 동작 중지 상태(오프 상태)인 경우 제2 스위치 소자(112) 역시 동작 중지 상태가 될 수 있다.
제1 스위치 소자(111) 및 제2 스위치 소자(112)는, 펄스 폭 변조 신호(PWM 신호, Pulse Width Modulation 신호)를 출력할 수 있다. 다시 말해서, 제1 스위치 소자(111) 및 제2 스위치 소자(112)는, 도 2a에 도시된 바와 같이, 출력되는 신호의 폭(w1, w2)을 조절하여 제1 축전지(20)에 공급되는 전압을 상승시키거나 또는 하강시킬 수 있다. 여기서 신호의 폭(w1, w2)은 신호가 출력되는 시간에 비례하는 것일 수 있다. 다시 말해서, 제1 스위치 소자(111) 및 제2 스위치 소자(112) 중 적어도 하나로부터 신호가 상대적으로 장 시간 동안 출력되는 경우 신호의 폭(w2)은 증가하고, 신호가 상대적으로 단 시간 동안 출력되는 경우 신호의 폭(w1)은 감소하게 된다.
구체적으로, 도 2a의 상단에 도시된 바와 같이 제1 스위치 소자(111) 및 제2 스위치 소자(112) 중 적어도 하나로부터 출력되는 신호의 폭(w1)이 상대적으로 좁은 경우(온 타임이 짧은 경우), 제1 축전지(20) 단에 공급되는 전압은 강압된다. 반대로 도 2a의 하단에 도시된 바와 같이 제1 스위치 소자(111) 및 제2 스위치 소자(112) 중 적어도 하나로부터 출력되는 신호의 폭(w2)이 상대적으로 넓은 경우(온 타임이 긴 경우), 제1 축전지(20) 단 방향으로 공급되는 전압은 승압된다. 다시 말해서, 제1 스위치 소자(111) 및 제2 스위치 소자(112) 중 적어도 하나의 스위칭 듀티에 의해 승압 및/또는 강압이 수행될 수 있게 된다.
이에 따라 제1 스위치 소자(111) 및 제2 스위치 소자(112)의 동작에 의해 전원(10)에서 공급되어 제1 축전지(20) 방향으로 전달되는 전기적 신호의 전압을 승압할 수 있게 된다.
실시예에 따라서, 제1 스위치 소자(111) 및 제2 스위치 소자(112) 중 적어도 하나의 동작은, 제어부(90)에 의해 수행될 수 있다.
제1 스위치 소자(111) 및 제2 스위치 소자(112)가 동일하게 동작하는 것은, 전원(10)에 의해 제1 축전지(20)가 충전되는 경우에 수행되는 것일 수도 있다.
제1 스위치 소자(111) 및 제2 스위치 소자(112) 각각은, 예를 들어, 트랜지스터를 이용하여 구현된 것일 수 있다. 여기서, 트랜지스터는, 접합형 트랜지스터(BJT, Bipolar Junction Transistor), 사이리스터(Thyristor), 전계 효과 트랜지스터(FET, Field-effect transistor) 및 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT, Insulated Gate Bipolar mode Transistor) 중 적어도 하나를 이용하여 구현 가능하다. 여기서, 전계 효과 트랜지스터는, 금속 반도체 전계 효과 트랜지스터(MESFET, metal semiconductor field-effect transistor) 및/또는 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET, Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 등을 채용하여 구현 가능하다. 이외에도 설계자가 고려할 수 있는 다양한 스위치 소자가 상술한 제1 스위치 소자(111) 및 제2 스위치 소자(112) 중 적어도 하나로 채용 가능하다.
변압부(115)는 인가되는 전압의 승압 또는 강압을 수행한다. 변압부(115)는 예를 들어 서로 대응하여 마련된 복수의 코일(115a, 115b)과, 각각의 코일(115a, 115b)이 감겨지는 복수의 코어(미도시)를 포함할 수 있다. 변압부(115)는 각각의 코일(115a, 115b)의 권수에 따라서 변압을 수행한다.
제1 코일(115a)에는, 스위칭부(190)와 연결된 라인(L12)에서 연장된 적어도 하나의 라인(143)이 형성될 수 있다. 적어도 하나의 라인(143)이 제1 코일(115b)에 연결되는 위치에 따라서 제1 코일(115b)의 권수가 가변되고, 이에 따라 변압부(115)에 의한 승압 및 강압의 정도가 가변될 수 있게 된다. 적어도 하나의 라인(143)은 제1 코일(115b)에 전력을 공급하거나 또는 제1 코일(115b)로부터 출력되는 전력을 스위치 소자(190) 방향으로 전달할 수 있다. 실시예에 따라서 스위칭부(190)와 연결된 적어도 하나의 라인(143)에는 인덕턴(143a)가 형성 가능하다.
제3 스위치 소자(113) 및 제4 스위치 소자(114)는, 변압부(115)를 중심으로 제1 축전지(20) 방향에 마련될 수 있다.
보다 구체적으로 예를 들어, 제3 스위치 소자(113)는 일 단은 변압부(115)의 제2 코일(115a)의 일 말단에 연결된 라인(145)에 연결되고 타 단은 제2 코일(115a)의 타 말단에 연결된 라인(144)에서 분기된 라인(146)에 연결된다. 여기서, 제2 코일(115a)의 타 말단에 연결된 라인(144)은 제1 축전지(20)와 연결된 어느 하나의 라인(L21)와 연결되어 마련된다. 실시예에 따라 제2 코일(115a)의 타 말단에 연결된 라인(144)에서 분기된 라인(146)에는 커패시터(146a)가 설치될 수도 있다. 이 경우, 커패시터는 분기점 및 제3 스위치 소자(113) 사이에 설치된 것일 수 있다. 제4 스위치 소자(114)는 일 단은 제2 코일(115a)의 일 말단에 연결된 라인(145)으로부터 분기된 라인과 연결되고, 타 단은 제1 축전지(20)와 연결된 라인(L22)에 연결된다.
도 2b는 제3 스위치 소자 및 제4 스위치 소자의 동작을 설명하기 위한 제1 도이고, 도 2c는 제3 스위치 소자 및 제4 스위치 소자의 동작을 설명하기 위한 제2 도이다.
도 2b 및 도 2c에 도시된 바를 참조하면, 제3 스위치 소자(113) 및 제4 스위치 소자(114)는, 필요에 따라, 미리 설정된 바에 의해 또는 외부의 제어에 의해서 상호 반대로 동작할 수도 있다. 다시 말해서, 제3 스위치 소자(113)가 동작하는 경우 제4 스위치 소자(114)는 동작을 중단하고(t1 내지 t2, t4 내지 t5), 반대로 제3 스위치 소자(113)가 동작을 중단한 경우 제4 스위치 소자(114)는 동작을 수행할 수 있다(t2 내지 t3, t5 내지 t6). 따라서, 제3 스위치 소자(113) 및 제4 스위치 소자(114)에서 출력되는 전류의 위상은 서로 반대가 된다.
제3 스위치 소자(113) 및 제4 스위치 소자(114)는 동작하는 시간(온 타임)의 길이에 따라서 전압을 상승시키거나 또는 하강시킬 수 있다. 예를 들어, 도 2b에 도시된 바와 같이 제3 스위치 소자(113)가 상대적으로 짧은 시간 동안 동작하여 전류를 이동시키는 경우(t1 내지 t2)에는, 전압의 하강이 이루어진다. 예를 들어, 제1 축전지(20)에서 제2 축전지(30)로 전달되는 전기적 신호의 전압(즉, 제2 축전지(30)에 인가되는 전압)은 상대적으로 낮아지게 된다. 반대로 도 2c에 도시된 바와 같이 제3 스위치 소자(113)가 상대적으로 긴 시간 동안 동작하여 전류를 이동시키는 경우(t4 내지 t5)에는, 승압이 이루어지며, 예를 들어, 제1 축전지(20)에서 제2 축전지(30)로 전달되는 전기적 신호의 전압(즉, 제2 축전지(30)에 인가되는 전압)은 상대적으로 높아지게 된다.
이에 따라 제3 스위치 소자(113) 및 제4 스위치 소자(114)는 동작에 의해 제1 축전지(20)에서 제2 축전지(30) 방향으로 전달되는 전압이 강압될 수 있게 된다.
일 실시예에 의하면, 제3 스위치 소자(113) 및 제4 스위치 소자(114) 중 적어도 하나의 동작은, 상술한 제어부(90)에 의해 수행되도록 설계될 수도 있다.
또한, 제3 스위치 소자(113) 및 제4 스위치 소자(114)의 교차 동작은 제1 축전지(20)에 의해 제2 축전지(30)가 충전되는 경우에 수행되는 것일 수도 있다.
제3 스위치 소자(113) 및 제4 스위치 소자(114)는, 제1 스위치 소자(111) 및 제2 스위치 소자(112)와 동일하게 소정의 트랜지스터를 이용하여 구현된 것일 수도 있으며, 예를 들어 절연 게이트 양극성 트랜지스터를 채용하여 구현된 것일 수도 있다.
상술한 제1 스위치 소자 내지 제4 스위치 소자(111 내지 114)의 모두 또는 일부가 동작을 중단하면, 제1 변전기(110)의 동작은 중단되고 제1 변전기(110)를 통해서는 전원(10) 또는 제1 축전지(20)로부터 공급되는 전류가 이동할 수 없게 된다.
도 1b에 도시된 바를 참조하면, 제2 변전부(150)는 전류의 흐름을 차단하거나 또는 전류의 흐름의 방향을 결정하는 적어도 하나의 스위치 소자(151 152), 이하 설명의 편의를 위해 각각 제5 스위치 소자 및 제6 스위치 소자라 칭함)와, 변압이 수행되는 변압부(115)와, 이들을 연결하는 적어도 하나의 라인(181, 182, 183, 184, 185, 186, 187, 188)을 포함할 수 있다. 제2 변전부(150)는 설계자의 필요에 따라 각종 회로 부품(188a)을 더 포함할 수도 있다.
제5 스위치 소자(151) 및 제6 스위치 소자(152)는, 도 1b에 도시된 바와 같이, 변압부(155)를 중심으로 제1 축전지(20) 방향에 마련된다.
구체적으로 예를 들어, 제5 스위치 소자(151)는 일 단은 변압부(155)의 제3 코일(155a)의 일 말단에서 연장된 라인(184)에 되고, 타 단은 제3 코일(155a)의 타 말단에서 연장된 라인(181)으로부터 분기된 라인(182, 183)에 연결된다. 제3 코일(155a)의 타 말단에서 연장된 라인(181)은, 제1 축전지(20)와 전기적으로 연결된 라인(L31)에서 연장된 라인(181)에 연결된 것일 수 있다. 제3 코일(155a)의 타 말단에서 연장된 라인(181)으로부터 분기된 라인(182, 183)에는 필요에 따라 커패시터(182a)가 더 설치될 수 있다. 제6 스위치 소자(152)는, 일 단은 제3 코일(155a)의 일 말단에 연결된 라인(184)에서 분기된 라인(185)에 연결되고, 타 말단은 제1 축전지(20)와 전기적으로 연결된 라인(L32)에 연결되어 마련된다.
제5 스위치 소자(151) 및 제6 스위치 소자(152)는, 상술한 제3 스위치 소자(113) 및 제4 스위치 소자(114)와 동일하게 동작할 수 있다. 다시 말해서, 도 2c에 도시된 바와 같이 제5 스위치 소자(151) 및 제6 스위치 소자(152)는, 상호 반대로 동작하도록 제어될 수 있다. 또한, 제5 스위치 소자(151) 및 제6 스위치 소자(152)는 동작하는 시간(온 타임)의 길이에 따라서 제2 축전지(30) 방향으로 전달되는 전기적 신호의 전압을 상승시키거나 또는 하강시킬 수 있다.
제5 스위치 소자(151) 및 제6 스위치 소자(152)는 양자 모두 동작을 중단할 수도 있다. 이 경우, 제2 변전부(150)는 동작을 중단하며, 제1 축전지(20)에서 공급되는 전력은 제2 변전부(150)를 통해서는 제2 축전지(30)로 전달될 수 없게 된다.
제5 스위치 소자(151) 및 제6 스위치 소자(152)의 동작은 외부의 제어부(90)의 제어 신호를 기반으로 제어될 수도 있다.
변압부(155)는 제1 축전지(20)가 마련된 방향(즉, 제5 스위치 소자(151) 및 제6 스위치 소자(152)가 설치된 방향)에서 인가되는 전압을 승압하거나 또는 강압시킬 수 있다. 변압부(155)는 예를 들어 서로 대응하여 마련된 제3 코일(155a) 및 제4 코일(155b)과, 각각의 코일(155a, 155b)이 감겨지는 복수의 코어(미도시)를 포함하여 구현 가능하다. 서로 대응하는 제3 코일(155a) 및 제4 코일(155b) 각각의 권수에 의거하여 변압부(155)는 일정하게 또는 가변적으로 승압 또는 강압을 수행할 수 있다.
제4 코일(155b)에는, 제2 축전지(30)에서 연장된 라인(L41)과 연결되는 적어도 하나의 라인(188)이 형성될 수 있다. 제4 코일(155b)의 권수는 적어도 하나의 라인(188)이 연결되는 위치에 따라서 변경 가능하다. 이에 따라 변압부(155)에 의해 전압이 변환되는 정도가 가변될 수 있게 된다. 실시예에 따라서, 제2 축전지(30)에서 연장된 라인(L41)과 연결되는 적어도 하나의 라인(188)에는 인덕턴(188a)를 더 설치하는 것도 가능하다.
변압부(155)를 중심으로 제2 축전지(30) 방향에는 적어도 하나의 저항(153, 154, 이하 각각 제1 저항 및 제2 저항이라 칭함)이 마련될 수 있다. 저항(153, 154)은 각각 제4 코일(155b)의 양 말단에 연결된 각각의 라인(186, 187)에 연결될 수 있다. 다시 말해서, 제1 저항(153)은 일 말단이 제4 코일(155b)의 일 말단과 연결된 라인(187)에 연결되고, 제2 저항(154)은 일 말단이 제4 코일(155b)의 타 말단과 연결된 라인(186)에 연결되어 마련될 수 있다. 제1 저항(153) 및 제2 저항(154) 각각의 타 말단은, 제2 축전지(30)와 연결된 일 라인(L42)과 연결된 라인(186a, 187a)에 연결된다.
실시예에 따라서 복수의 저항(153, 154) 중 적어도 하나는 생략 가능하다.
제2 변전부(150)는 제1 변전부(110)와 상이하게 제1 스위치 소자(111) 및 제2 스위치 소자(112) 대신에 저항(153, 154)을 포함하므로, 일 방향으로만 전력을 전달할 수 있게 된다. 다시 말해서, 제1 축전지(20)의 전력은 제2 축전지(30) 방향으로만 전달될 수 있게 된다.
일 실시예에 의하면, 스위칭부(190)는 제1 변전부(110)와 연결되는 라인(L12)에 연결 가능한 제1 단자(191)와, 전원(10)과 연결되는 라인(L11)에 연결 가능한 제2 단자(192)와, 제2 축전지(90)와 연결되는 라인(L43)에 연결 가능한 제3 단자(193)를 포함할 수 있다. 스위칭부(90)는 제1 단자(191)와 제2 단자(192)를 연결하여 전원(10)과 제1 변전부(110)를 전기적으로 연결하거나, 또는 제1 단자(191)와 제3 단자(193)를 연결하여 제1 변전부(110)와 제2 축전지(30)를 전기적으로 연결할 수 있다. 이에 따라, 제1 전부(110)의 타 단은 전원(10) 및 제2 축전지(30) 중 적어도 하나와 선택적으로 연결 가능하게 된다.
일 실시예에 의하면, 충전 시스템(1)은, 제2 축전지(30)와 병렬로 연결된 콘덴서(37)를 더 포함할 수 있다. 콘덴서(37)는 제2 축전지(30)와 병렬로 연결되었으므로 제2 축전지(30)의 충전 전압과 동일하거나 또는 이에 근사한 전압을 가지게 되므로, 제2 축전지(30)의 충전 전압을 측정하기 위해 이용될 수 있다.
이하 도 3 내지 도 6을 참조하여, 상술한 전력 변환 장치(100)의 동작에 따라서 다양한 방법으로 제1 축전지(20) 및/또는 제2 축전지(30)가 충전되는 과정을 설명하도록 한다. 도 3 내지 도 6을 참조하여 충전 과정을 설명함에 있어서, 제1 변전부(110)의 최대 전력 용량이 제2 변전부(150)의 최대 전력 용량보다 상대적으로 낮게 설정된 경우를 예로 들어 설명하도록 한다.
도 3은 전력 변환 장치의 동작의 제1 예를 설명하기 위한 도면이다. 도 3은 전원(10)이 공급하는 전력에 의해 제1 축전지(20) 및 제2 축전지(30) 중 적어도 하나가 충전되는 일례를 도시한 것이다.
도 3에 도시된 바에 의하면, 전원(10)이 공급하는 전력에 의해 제1 축전지(20) 및 제2 축전지(30) 중 적어도 하나가 충전되는 경우, 스위칭부(190)는 제1 변전부(110)와 연결된 라인(L12)과 전원(10)과 연결된 라인(L11)을 상호 전기적으로 연결함으로써 전원(10)과 제1 변전부(110) 사이에서 전류가 유동할 수 있도록 한다.
스위칭부(190)의 동작과 동시에 또는 순차적으로 제1 변전부(110)가 동작을 개시한다(제1 변전부(110)가 온 상태가 된다).
구체적으로는 제1 변전부(110)의 제1 스위치 소자(111) 및 제2 스위치 소자(112)는 서로 동일하게, 도 2a의 상단 또는 하단에 도시된 바와 같이, 온/오프 동작을 수행하여 제1 변전부(110)에 인가되는 전압을 승압하거나 또는 강압하여 변환한다. 제1 변전부(110)의 변압부(115)도 함께 동작하여 제1 변전부(110)에 인가되는 전압을 변환할 수 있다. 이에 따라 제1 변전부(110)는 제1 축전지(20)의 충전에 적절한 전압을 출력할 수 있게 된다. 예를 들어, 만약 전원(10)에서 공급되는 전압이 25V이고 제1 축전지(20)의 충전 전압이 360V인 경우, 제1 변전부(110)의 제1 스위치 소자(111), 제2 스위치 소자(112) 및/또는 변압부(115)의 동작에 따라서 제1 변전부(110)는 인가되는 25V의 전압을 360V 또는 이에 근사한 전압으로 변환하여 출력할 수 있다. 한편, 제1 변전부(110)의 제3 스위치 소자(113) 및 제4 스위치 소자(114)는 전원(10) 방향에서 제1 축전지(20) 방향으로 전력이 공급될 수 있도록 동작한다. 예를 들어, 제3 스위치 소자(113)는 오프 상태가 되고, 제4 스위치 소자(114)는 온 상태가 되어 변압부(115)에서 출력되는 변압된 전기적 신호가 제1 축전지(20)로 공급되도록 한다. 이에 따라서, 전원(10)에서 출력되는 전력은 제1 변전부(110)를 경유하여 적절하게 변전된 후 제1 축전지(20)로 전달되고(C11), 이에 따라 제1 축전지(20)는 충전되게 된다.
한편, 실시예에 따라서, 제1 변전부(110)가 동작을 개시하는 경우, 이와 동시에 또는 순차적으로 제2 변전부(150)도 동작을 개시할 수 있다(제2 변전부(150)가 온 상태가 된다).
이 경우, 제2 변전부(150)의 제5 스위치 소자(151) 및 제6 스위치 소자(152)는 제1 축전지(20)에서 제2 축전지(30) 방향으로 전력이 공급되도록 동작할 수 있다. 예를 들어, 제5 스위치 소자(151) 및 제6 스위치 소자(152)는 도 2b 또는 도 2c에 도시된 바와 같이 상호 교차하여 동작하여 제2 변전부(150)에 인가되는 전압을 승압하거나 또는 강압할 수 있다. 따라서, 제2 변전부(150)는 제2 축전지(30)의 충전에 적절한 전압을 획득할 수 있게 된다. 예를 들어, 만약 제1 축전지(20)의 출력 전압이 360V이고 제2 축전지(30)의 충전 전압이 12V인 경우, 제2 변전부(150)의 제5 스위치 소자(151), 제6 스위치 소자(152) 및/또는 변압부(155)의 동작에 따라서 제2 변전부(150)는 인가되는 360V의 전압을 12V 또는 이에 근사한 전압으로 변환하여 출력할 수 있다. 이에 따라서, 제1 축전지(20)에서 출력되는 전력은 제2 변전부(150)에서 적절하게 변전된 후 제2 축전지(30)로 전달될 수 있게 되고(C12), 제2 축전지(30)는 적절하게 충전된다.
도 4는 전력 변환 장치의 동작의 제2 예를 설명하기 위한 도면이다. 도 4는 외부 부하(40)에서 요구하는 부하가 낮거나 또는 제2 축전지(30)를 낮은 출력으로 충전하는 경우 제1 축전지(20)의 전력을 이용하여 제2 축전지(30)를 충전하는 일례를 도시한 것이다.
도 4에 도시된 바에 의하면, 제1 축전지(20)를 이용하여 제2 축전지(30)가 충전되는 경우, 스위칭부(190)는 제1 변전부(110)와 연결된 라인(L12)과 제2 축전지(30)와 연결된 라인(L43)을 상호 전기적으로 연결함으로써, 제2 축전지(30)과 제1 변전부(110) 사이에서 전류가 유동할 수 있도록 한다.
스위칭부(190)의 동작과 동시에 또는 순차적으로 제1 변전부(110)가 동작을 개시한다.
제1 변전부(110)의 제3 스위치 소자(113) 및 제4 스위치 소자(114)는 도 2b 또는 도 2c에 도시된 바와 같이 상호 교차하여 온/오프 동작하여 제1 축전지(20)에 의해 제1 변전부(150)에 인가되는 전압을 승압하거나 또는 강압할 수 있다. 이에 따라 제1 변전부(110)는 제2 축전지(30)의 충전에 적절한 전압을 획득할 수 있게 된다. 예를 들어, 제2 축전지(30)의 충전 전압이 12V이고 제1 축전지(20)의 출력 전압이 360V이라면, 제1 변전부(150)의 제3 스위치 소자(153)는 도 2b에 도시된 바와 같이 상대적으로 짧은 시간 동안 온 상태가 된 후 오프 상태가 되고 제4 스위치 소자(154)는 이와 반대로 상대적으로 짧은 시간 동안 오프 상태가 된 후 온 상태가 됨으로써 제2 축전지(30)의 충전에 적절한 전압을 획득할 수 있게 된다. 이에 따라 제1 축전지(20)에서 공급된 전력은 제1 변전부(110)를 경유하여 적절하게 변전된 후 제2 축전지(30) 또는 외부 부하(40)로 전달될 수 있게 된다(C20).
이 경우, 제2 변전부(150)는 동작을 수행하지 않을 수 있다. 다시 말해서, 제2 변전부(150)는 오프 상태가 되며, 이에 따라 제2 변전부(150)를 통해서는 전력이 전달되지 않는다. 제2 변전부(150)는, 미리 정의된 설정이나 제어부(90)의 제어에 따라, 제5 스위치 소자(151) 및/또는 제6 스위치 소자(152)가 동작을 하지 않음으로써 오프 상태가 될 수 있다.
한편, 상술한 바와는 반대로 제1 변전부(110)의 전력 용량이 제2 변전부(150)의 전력 용량보다 상대적으로 높게 설정된 경우라면, 상술한 일례는 외부 부하(40)에서 요구하는 부하가 보통이거나(중부하) 또는 제2 축전지(30)를 보통의 출력으로 충전하는 경우에 적용될 수 있을 것이다.
도 5는 전력 변환 장치의 동작의 제3 예를 설명하기 위한 도면이다. 도 5는 외부 부하(40)에서 요구하는 부하가 보통이거나(중부하) 또는 제2 축전지(30)를 보통의 출력으로 충전하는 경우 제1 축전지(20)의 전력을 이용하여 제2 축전지(30)를 충전하는 일례를 도시한 것이다.
도 5에 도시된 바에 의하면, 제1 축전지(20)를 이용하여 제2 축전지(30)가 충전되는 경우, 스위칭부(190)는 제1 변전부(110)와 연결된 라인(L12)과 제2 축전지(30)와 연결된 라인(L43)을 상호 전기적으로 연결함으로써, 제2 축전지(30)과 제1 변전부(110) 사이에서 전류가 유동할 수 있도록 한다.
스위칭부(190)의 동작과 동시에 또는 순차적으로 제2 변전부(120)가 동작을 개시한다.
이 경우, 제2 변전부(150)의 제5 스위치 소자(151) 및 제6 스위치 소자(152)가 동작을 개시하고, 이에 따라 제2 변전부(120)는 제1 축전지(20)에서 제2 축전지(30) 방향으로 전력을 적절하게 공급할 수 있도록 동작하게 된다. 예를 들어, 제5 스위치 소자(151) 및 제6 스위치 소자(152)는 도 2b 또는 도 2c에 도시된 바와 같이 상호 교차하여 동작하여 제2 변전부(150)에 인가되는 전압을 승압하거나 또는 강압할 수 있다. 또한, 제2 변전부(150)의 변압부(155) 역시 설정에 따라서 제2 변전부(150)에 인가되는 전압을 승압하거나 또는 강압할 수 있다. 제5 스위치 소자(151), 제6 스위치 소자(152) 및 변압부(155)의 동작에 따라서, 제2 변전부(150)는 제2 축전지(30)의 충전에 적절한 전압의 전기적 신호를 출력할 수 있게 된다. 그러므로, 제1 축전지(20)에서 출력되는 전력은 제2 변전부(150)에서 적절하게 변전된 후 제2 축전지(30) 또는 외부 부하(40)로 전달될 수 있게 되고(C30), 제2 축전지(30)는 충전되거나 또는 외부 부하(40)는 공급된 전력을 이용하여 소정의 동작을 수행하게 된다.
한편, 제1 변전부(110)는 오프 상태가 되어 동작을 수행하지 않을 수 있다. 이에 따라 제1 변전부(110)를 통해서는 전력이 전달되지 않는다. 제1 변전부(110)는, 미리 정의된 설정이나 제어부(90)의 제어에 따라, 제1 스위치 소자(151), 제2 스위치 소자(152), 제3 스위치 소자(153) 및 제4 스위치 소자(154) 전부 또는 이들 중 일부가 동작을 수행하지 않음으로써 오프 상태로 전환될 수 있다.
한편, 상술한 바와는 반대로 제1 변전부(110)의 전력 용량이 제2 변전부(150)의 전력 용량보다 상대적으로 높게 설정된 경우라면, 상술한 충전 과정은 외부 부하(40)에서 요구하는 부하가 낮거나 또는 제2 축전지(30)를 낮은 출력으로 충전하는 경우에 이용될 수 있을 것이다.
도 6은 전력 변환 장치의 동작의 제4 예를 설명하기 위한 도면이다. 도 6은 외부 부하(40)에서 요구하는 부하가 상대적으로 높거나 또는 제2 축전지(30)를 상대적으로 높은 출력으로 충전하는 경우 제1 축전지(20)의 전력을 이용하여 제2 축전지(30)를 충전하는 과정의 일례를 도시한 것이다.
도 6에 도시된 바에 의하면, 제1 축전지(20)를 이용하여 제2 축전지(30)가 충전되는 경우, 스위칭부(190)는 제1 변전부(110)와 연결된 라인(L12)과 제2 축전지(30)와 연결된 라인(L43)을 상호 전기적으로 연결함으로써, 제2 축전지(30)과 제1 변전부(110) 사이에서 전류가 유동할 수 있도록 한다.
스위칭부(190)의 동작과 동시에 또는 순차적으로 제1 변전부(110) 및 제2 변전부(150)가 함께 동작을 개시한다. 제1 변전부(110) 및 제2 변전부(150)의 동작 개시는 동시에 수행될 수도 있고 또는 이시에 수행될 수도 있다.
제1 축전지(20)에서 출력된 전력은 제1 변전부(110) 및 제2 변전부(120)에 공급된다.
제1 변전부(110)는, 제3 스위치 소자(113) 및 제4 스위치 소자(114)의 동작에 따라서 제1 축전지(20)에 의해 제1 변전부(150)에 인가되는 전압을 승압하거나 또는 강압할 수 있다. 예를 들어, 제1 변전부(150)의 제3 스위치 소자(153)는 도 2b에 도시된 바와 같이 상대적으로 짧은 시간 동안 온 상태가 된 후 오프 상태가 되고 제4 스위치 소자(154)는 이와 반대로 상대적으로 짧은 시간 동안 오프 상태가 된 후 온 상태가 됨으로써 인가되는 전압을 강압할 수 있다. 이에 따라 제1 축전지(20)에서 공급된 전력은 제1 변전부(110)를 경유하면서 적절하게 변전된 후 제2 축전지(30) 또는 외부 부하(40)로 전달될 수 있게 된다(C41). 제2 축전지(30)는 제1 변전부(110)에 제공된 전력에 의해 충전이 개시된다.
또한, 제2 변전부(150)는 제5 스위치 소자(151) 및 제6 스위치 소자(152)의 동작에 따라서 제1 축전지(20)에 의해 제2 변전부(120)에 인가되는 전압을 승압하거나 또는 강압할 수 있다. 예를 들어, 제5 스위치 소자(151) 및 제6 스위치 소자(152)는 도 2b에 도시된 바와 같이 상대적으로 짧은 시간 동안 상호 교차하여 온 상태가 됨으로써 제2 변전부(150)에 인가되는 전압을 강압하여 제2 축전지(30)의 충전에 적절한 전압을 획득한다. 이에 따라 제1 축전지(20)에서 출력되는 전력은 제2 변전부(150)에서 적절하게 변전된 후 제2 축전지(30) 또는 외부 부하(40)로 전달될 수 있게 된다(C42). 제2 축전지(30)는 제2 변전부(150)에 제공된 전력에 의해 충전된다.
따라서, 제1 축전지(20)에서 출력되는 전력은 제1 변전부(110) 및 제2 변전부(150) 각각에 의해 제2 축전지(30) 또는 외부 부하(40)로 전달될 수 있으며, 이에 따라 제2 축전지(30)의 충전에 높은 전력 용량이 요구되거나 또는 외부 부하(40)가 높은 부하를 요구하는 경우에도 보다 적절하게 전력을 공급할 수 있게 된다.
이와 같이 전력 변환 장치(100)에 의하면, 필요에 따라 전원(10)에 의해 공급되는 전력을 제1 축전지(20) 또는 제2 축전지(30)에 충전하거나, 또는 전력 용량을 적절히 선택하여 제1 축전지(20)에서 공급되는 전력으로 제2 축전지(30)를 충전할 수 있게 된다. 따라서, 상술한 전력 변환 장치(100)에 의하면, 상대적으로 적은 수의 부품으로 효율적으로 전력 공급을 조절할 수 있게 된다.
이하 도 7 내지 도 12를 참조하여 전력 변환 장치가 마련된 차량의 일 실시예에 대해서 설명하도록 한다.
도 7은 차량의 일 실시예의 외관을 도시한 도면이고, 도 8은 차량의 일 실시예에 대한 블록도이다.
도 7 및 도 8에 도시된 바의 의하면, 차량(200)은 차량(200)의 외관을 형성하는 차체(201)와, 차체(201)에 의해 외부 공간과 구획되는 내부 공간(202)과, 차체(201)의 일부 또는 전부에 설치되고 태양광에 의해 전기 에너지를 생성하는 태양광 전력 생성부(210)와, 내부 공간(202)의 일 위치에 설치되고 전기 에너지를 동력 에너지로 변환하여 차륜에 전달하는 구동 모터(221)와, 전기 에너지를 축적하고 필요에 따라서 구동 모터(30)에 전기 에너지를 공급하는 제1 축전지(220)와, 적어도 하나의 주변 장치(240)에 전기 에너지를 공급하는 제2 축전지(230)와, 사용자의 편의 또는 안전 등을 위해 마련된 주변 장치(240)와, 차량(200)의 각종 동작을 제어하기 위한 제어부(290)와, 제1 축전지(220) 및/또는 제2 축전지(230)의 충전을 제어하는 전력 변환 장치(300)를 포함할 수 있다.
차체(201)는 차량(200)의 종류에 따라 다양한 형상을 가질 수 있다. 차체(201)는, 예를 들어, 루프(201a)와, 트렁크 보닛(201b)과, 엔진룸 보닛(201c)를 포함할 수 있다.
내부 공간(202)에는 운전자 및/또는 동승자가 탑승 가능하도록 마련되고 적어도 하나의 운전석 및/또는 동승자석이 마련된 탑승 공간을 포함하며, 탑승 공간은 대시보드에 의해 엔진 및/또는 구동 모터(221) 등의 각종 부품이 설치되는 엔진룸과 구획된다. 탑승 공간에는 내부 조명(241)이나, 계기판(242)이나, 내비게이션 장치(243)와 같은 각종 주변 장치(240)가 설치된다.
태양광 전력 생산부(210)는 입사된 태양광을 이용하여 전기 에너지를 획득할 수 있는 장치를 의미한다. 태양광 전력 생산부(210)는, 각각 개별적으로 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 적어도 하나의 솔라셀(210a)을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 솔라셀(210a)은 예를 들어 매트릭스 형태로 배열될 수 있다.
태양광 전력 생산부(210)는, 일 실시예에 의하면, 도 7에 도시된 바와 같이, 차체(201)의 루프(201a)의 전부 또는 일부에 설치될 수 있다. 실시예에 따라서, 태양광 전력 생산부(210)는 트렁크 보닛(201b) 및 엔진룸 보닛(201c) 중 적어도 하나에 설치되는 것도 가능하다. 또한, 실시예에 따라, 태양광 전력 생산부(210)는 루프(201a)와, 트렁크 보닛(201b)과, 엔진룸 보닛(201c) 모두에 설치될 수도 있으며, 이 경우 루프(201a)와, 트렁크 보닛(201b)과, 엔진룸 보닛(201c) 각각의 전부 및/또는 일부에 설치될 수도 있다.
솔라셀(210a)에서 출력되는 전력은 전력 변환 장치(300)로 전달된다.
제1 축전지(220)는, 적어도 일 회 이상 충전 가능하며, 상대적으로 높은 용량을 필요로 하는 부품에 전력을 공급하도록 마련된다. 예를 들어, 제1 축전지(220)는 차량(200)의 차륜에 동력 에너지를 전달하여 차량(200)의 주행을 가능하게 하는 구동 모터(221)에 필요한 전력을 공급할 수 있다. 제1 축전지(220)는 태양광 전력 생산부(210)에서 생성된 전력을 이용하여 충전될 수 있다. 실시예에 따라서, 제1 축전지(220)는 태양광 전력 생산부(210) 이외의 다른 전원(일례로 상용 전원)에서 공급되는 전력을 이용하여 충전될 수도 있다.
일 실시예에 의하면 태양광 전력 생산부(210)와 제1 축전지(220) 사이에는 전력 변환 장치(300)가 마련되어 있어, 태양광 전력 생산부(210)에서 출력된 전력은 전력 변환 장치(300)에 의해 변전되어 제1 축전지(220)로 전달될 수 있다. 또한, 제1 축전지(220)의 전력은 전력 변환 장치(300)를 통하여 변전된 후 제2 축전지(230)로 전달될 수도 있다. 실시예에 따라서, 전력 변환 장치(300)는, 태양광 전력 생산부(210) 이외의 다른 전원에 상응하는 장치, 일례로 외부의 전력 공급 케이블이 장착되어 전력 공급 케이블로부터 전력을 공급받는 전력 공급 단자와 제1 축전지(220) 사이에 배치되도록 차량(200) 내에 설치될 수도 있다.
제1 축전지(220)는 제2 축전지(230)에 비해 상대적으로 고전압의 축전지일 수 있다.
제2 축전지(230)는 적어도 일 회 이상 충전 가능하며, 상대적으로 낮은 용량을 필요로 하는 부품에 전력을 공급하도록 마련된다. 예를 들어, 제2 축전지(230)는 차량(200) 내부에 설치된 주변 장치(240), 일례로 조명(241), 계기판(242) 및/또는 내비게이션 장치(243) 등에 필요한 전력을 공급할 수 있다. 도 8에는 주변 장치(240)의 일례로 조명(241), 계기판(242) 및 내비게이션 장치(243)만이 도시되어 있으나, 이는 예시적인 것으로 주변 장치(240)는 이들 외에도 공조 장치나, 라디오 수신 장치나, 전조등이나, 후미등이나, 통신 모듈이나 또는 기타 전기 에너지를 필요로 하는 각종 부품들 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이 제2 축전지(230)는 제1 축전지(220)에 비해 상대적으로 저전압의 축전지일 수 있다.
상술한 제1 축전지(220) 및 제2 축전지(230)는, 예를 들어, 납 축전지를 이용하여 구현될 수도 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
제어부(290)는, 차량(200) 내부의 각종 부품, 일례로 전력 변환 장치(300), 구동 모터(221) 및/또는 주변 장치(240) 등에 제어 신호를 전송하여 이들을 제어할 수 있다.
제어부(290)는, 예를 들어, 전자 제어 장치(ECU) 등을 이용하여 구현될 수 있다. 전자 제어 장치 등은, 설계자의 선택에 따라, 차량(200) 내부 공간(202)의 측의 임의의 위치에 설치될 수 있다. 예를 들어, 전자 제어 장치 등은 대시보드와 엔진 룸 사이의 공간에 장착되는 기판에 설치되어 차량(200) 내부 공간(202)에 장착될 수 있다.
전력 변환 장치(300)는, 미리 정의된 설정이나 제어부(290)의 제어에 따라서 제1 축전지(220) 및 제2 축전지(230) 중 적어도 하나의 충전을 제어한다. 전력 변환 장치(300)는, 도 1a 내지 도 6을 통해 설명한 전력 변환 장치(100)를 이용하여 구현된 것일 수 있다.
예를 들어, 전력 변환 장치(300)는 필요에 따라 솔라셀(210a)에서 출력되는 전력은 제1 축전지(220)에 전달하거나 또는 제1 축전지(220)에 전달하면서 제2 축전지(230)에 전달할 수도 있다.
또한, 전력 변환 장치(300)는 제1 축전지(220)에서 공급되는 전력을 제2 축전지(230) 및/또는 주변 장치(240)로 전달할 수 있다. 이 경우 전력 변환 장치(300)는 선택적으로 최대 전력 용량을 변경하면서 제1 축전지(220)에서 공급되는 전력을 제2 축전지(230) 및/또는 주변 장치(240)로 전달할 수 있다.
전력 변환 장치(300)는, 도 1a에 도시된 바와 같이, 제1 변전부(110) 및 제2 변전부(150)를 포함할 수 있다. 이하 차량(200) 내에서 제1 변전부(110) 및 제2 변전부(150)의 최대 전력 용량을 결정하는 방법에 대해 설명한다.
도 9는 종래 오직 하나의 1.8 kW 저 전압 DC-DC 변전기가 이용된 경우에서의 출력 전류 대비 부하 별 효율을 도시한 도면이다. 도 10은 0.8 kW의 제1 변전부가 이용되는 경우에 있어서의 출력 전류 대비 부하 별 효율을 도시한 도면이고, 도 11은 1.2 kW의 제2 변전부가 이용되는 경우에 있어서의 출력 전류 대비 부하 별 효율을 도시한 도면으로, 전력 변환 장치(300)의 제1 변전부(110)로 0.6 kW 저 전압 DC-DC 변전기가 이용되고, 제2 변전부(150)로 1.8 kW 저 전압 DC-DC 변전기가 이용되는 경우에서의 출력 전류 대비 부하 별 효율을 도시한 도면이다. 도 9 내지 도 11에서의 커브는 출력 전류(A)에 따른 효율의 관계를 도시한 것이다. 또한, 도 9 내지 도 11에서 내측에 사선이 부재한 블록은 도심 주행 시의 주로 사용되는 부하 영역을 의미하고, 내측에 사선이 도시된 블록은 고속도로(HWY, Highway) 주행 시의 주로 사용되는 부하 영역을 의미한다. 도심을 주행하는 경우와 고속도로를 주행하는 경우, 차량(200)에 설치된 각종 장치나 부품 중 일부의 사용 빈도나 형태가 상이하기 때문에 도심을 주행하는 경우와 고속도로를 주행하는 경우에서의 부하 영역은 서로 상이할 수 있다.
도 9에 도시된 바에 의하면, 종래 기술에 따라 오직 하나의 1.8 kW 저 전압 DC-DC 변전기만을 이용하는 경우, 전력 이용 효율은 대체적으로 출력 전류가 대략 20A가 될 때까지 증가한 후, 대략 40A 주변에서 최대 효율을 갖는다. 그러나, 도심 주행 시에 주로 사용되는 부하 영역은 대략 5A에서 25A 사이이고, 고속도로 주행 시에 주로 사용되는 부하 영역은 대략 10A에서 30A 사이이므로, 도심 시행 시나 또는 고속도로 주행 시의 효율은 최대 효율보다 낮을 수밖에 없다.
한편, 도 4에 도시된 바와 같이 제1 변전부(110)만이 구동하는 경우라면, 도 10에 도시된 바와 같이 효율은 대체적으로 출력 전류가 대략 10A까지 증가한 후, 대략 15A 주변에서 최대 효율을 갖는다. 상술한 바와 같이 도심 주행 시에 주로 사용되는 부하 영역은 대략 5A에서 25A 사이이고, 고속도로 주행 시에 주로 사용되는 부하 영역은 대략 10A에서 30A 사이이므로, 최대 효율을 갖는 출력 전류가 도심 주행 시에 주로 사용되는 부하 영역과 고속도로 주행 시에 주로 사용되는 부하 영역의 범위 내에 포함되게 된다. 따라서, 도심 주행 시의 효율이나 고속도로 주행 시의 효율은 대략 최대 효율(약 93%)과 동일하거나 근접하게 될 수 있다.
또한, 도 5에 도시된 바와 같이 제2 변전부(150)만이 구동하는 경우라면, 도 11에 도시된 바와 같이 효율은 대체적으로 출력 전류가 대략 15A까지 증가한 후, 대략 25A 주변에서 최대 효율을 갖는다. 상술한 바와 같이 도심 주행 시에 주로 사용되는 부하 영역은 대략 5A에서 25A 사이이고, 고속도로 주행 시에 주로 사용되는 부하 영역은 대략 10A에서 30A 사이이므로, 최대 효율을 갖는 출력 전류는, 도심 주행 시에 주로 사용되는 부하 영역과 고속도로 주행 시에 주로 사용되는 부하 영역의 범위 내에 포함될 수 있게 된다. 따라서, 도심 주행 시의 효율이나 고속도로 주행 시의 효율이, 최대 효율(약 93%)과 동일하거나 근접하게 될 수 있게 된다.
따라서, 요구되는 부하나 충전 용량에 따라서 제1 변전부(110) 및 제2 변전부(150) 중 적어도 하나를 동작시킴으로써, 차량(200)의 전력 이용 효율이 극대화되도록 할 수 있게 되며, 이에 따라 연비의 향상 효과를 얻을 수 있게 된다.
이하 도 12를 참조하여 전력 변환 장치의 제어 방법의 일 실시예에 대해서 보다 구체적으로 설명한다.
도 12는 전력 변환 장치의 제어 방법의 일 실시예에 대한 흐름도이다.
도 12에 도시된 바를 참조하면, 먼저 차량 내부에 사용되는 각종 장치의 종료나 요구 전력량, 또는 차량의 주행 환경 등을 기반으로 전력 변환 장치의 동작 모드가 결정된다(1000).
여기서, 차량의 동작 모드는 충전 모드로 결정될 수 있다(1010의 예). 충전 모드는 전원, 일례로 태양광 전력 생성 장치의 솔라셀로부터 공급되는 전력으로 축전지를 충전하기 위한 일련의 동작을 의미한다.
충전 모드로 동작 모드가 결정되면, 스위칭부의 동작에 따라서 일 단은 제1 축전지와 연결된 제1 변전부의 타 단이 전원과 연결되고, 이와 동시에, 이에 선행하여 또는 이에 후행하여 제1 변전부가 동작을 개시한다(1011). 제1 변전부의 동작 개시는, 상술한 제1 변전부에 마련된 제1 스위치 소자 내지 제4 스위치 소자 중 적어도 하나의 동작 개시에 따라 수행될 수 있다. 한편, 제1 변전부의 제1 스위치 소자 및 제2 스위치 소자의 동작에 따라서 제1 변전부는 전원에서 인가되는 전압의 변압을 수행할 수 있다.
순차적으로 제1 변전부는 전원에서 공급되는 전력을 제1 축전지로 제공하고, 이에 응하여 제1 축전지의 충전이 개시된다(1012).
한편, 제1 변전부의 동작 개시와 더불어, 제1 변전부와 최대 전력 용량이 서로 상이한 제2 변전부도 동작을 개시할 수도 있다(1011). 제2 변전부는 제1 축전지와 제2 축전지 사이에 마련된 것일 수 있다. 제2 변전부의 동작은 제2 변전부에 마련된 제5 스위치 소자 및 제6 스위치 소자의 동작 개시에 응하여 개시된다.
제2 변전부가 동작을 개시하면 제1 축전지에서 공급되는 전력은 제2 축전지로 전달되고, 이에 따라 제2 축전지도 충전되게 된다(1012).
충전 모드가 아닌 경우, 차량의 동작 모드는 저부하 운전 모드로 결정될 수도 있다(1020의 예). 저부하 운전 모드는 상대적으로 적은 양의 부하가 요구되는 운전 모드를 의미하며, 상대적으로 낮은 전력으로 제2 축전지를 충전하는 경우를 포함할 수 있다.
저부하 운전 모드에 따라 동작할 것이 결정되면, 스위칭부의 동작에 따라서 일단은 제1 축전지와 연결된 제1 변전부의 타 단이 제2 축전지와 연결되고, 제1 변전부 및 제2 변전부 중 상대적으로 최대 전력 용량이 적은 변전부, 일례로 제1 변전부가 동작을 개시한다(1021). 이 경우, 제1 변전부의 제3 스위치 소자 및 제4 스위치 소자가 동작하여 제1 축전지로부터 제1 변전부에 인가되는 전압의 변전을 수행한다. 한편, 이 경우 상대적으로 최대 전력 용량이 높은 제2 변전부의 동작은 차단된다. 제2 변전부의 동작의 차단은 제5 스위치 소자 및 제6 스위치 소자의 동작을 차단함으로써 수행될 수 있다.
제1 변전부가 동작을 개시하면 제1 축전지에서 공급되는 전력은 제1 변전부를 통하여 제2 축전지로 전달되고, 이에 따라 제2 축전지가 충전될 수 있게 된다(1022). 이 경우, 제1 축전지의 충전은 수행되지 않을 수 있다.
또한, 차량의 동작 모드는 중부하 운전 모드로 결정될 수도 있다(1030의 예). 중부하 운전 모드는 저부하 운전모드보다는 상대적으로 높은 부하가 요구되나, 고부하 운전 모드보다는 상대적으로 낮은 부하가 요구되는 운전 모드를 의미하며, 상대적으로 중단 수준의 전력으로 제2 축전지를 충전하는 경우를 포함할 수 있다.
중부하 운전 모드에서는, 제1 변전부 및 제2 변전부 중 상대적으로 최대 전력 용량이 큰 변전부, 일례로 제2 변전부가 동작을 개시한다(1031). 이 경우, 제2 변전부의 제5 스위치 소자 및 제6 스위치 소자가 동작하여 제1 축전지로부터 제2 변전부에 인가되는 전압의 변전을 수행한다. 상술한 바와 반대로 상대적으로 최대 전력 용량이 낮은 제1 변전부의 동작은 차단된다. 제1 변전부의 동작의 차단은, 제1 스위치 소자 및 제2 스위치 소자의 동작을 차단하거나, 제3 스위치 소자 및 제4 스위치 소자의 동작을 중단시킴으로써 수행될 수도 있고, 제1 스위치 소자 및 제2 스위치 소자 중 어느 하나와 제3 스위치 소자 및 제4 스위치 소자 중 어느 하나의 동작을 각각 중단시킴으로써 수행될 수도 있다.
제2 변전부가 동작을 개시하면 제1 축전지에서 공급되는 전력은 제2 변전부를 통하여 제2 축전지로 전달되고, 이에 따라 제2 축전지가 충전되게 된다(1032). 중부하 운전 모드에서는, 상술한 바와 동일하게, 제1 축전지는 충전되지 않을 수 있다.
이 경우, 제1 변전부의 타 단은, 설계자의 설계에 따라서, 제2 축전지와 전기적으로 연결될 수도 있고, 또는 전원과 전기적으로 연결될 수도 있다.
만약 차량의 동작 모드가 고부하 운전 모드로 결정되면(1040의 예), 스위칭부의 동작에 따라서 일단은 제1 축전지와 연결된 제1 변전부의 타 단이 제2 축전지와 연결되고, 아울러 제1 변전부 및 제2 변전부 양자 모두 동작을 개시한다(1041). 여기서, 고부하 운전 모드는, 저부하 운전 모드 및 중부하 운전모드에 비해 상대적으로 높은 부하가 요구되거나, 또는 상대적으로 높은 전력으로 제2 축전지를 충전하기 위한 운전 모드를 의미한다.
이 경우, 제1 변전부의 제3 스위치 소자 및 제4 스위치 소자가 동작하여 제1 축전지로부터 제1 변전부에 인가되는 전압의 변전을 수행하고, 제2 변전부의 제5 스위치 소자 및 제6 스위치 소자가 동작하여 제1 축전지로부터 제2 변전부에 인가되는 전압의 변전을 수행한다. 이에 따라 제2 축전지에는 제1 변전부의 전력과 제2 변전부의 전력이 함께 제공되고 충전이 개시된다(1042).
상술한 전력 변환 장치의 제어 방법은, 저부하 운전 모드, 중부하 운전 모드 및 고부하 운전 모드에서 제1 축전지에서 제공되는 전력을 이용하여 제2 축전지를 충전하는 일례를 기반으로 설명하였으나, 이는 동일하게 또는 일부 변형된 방법으로 외부 부하에 전력을 공급하는 일례에도 적용 가능하다. 다시 말해서, 제2 축전지는 외부 부하로 대체될 수 있다. 물론, 상술한 전력 변환 장치의 제어 방법은, 제2 축전지와 더불어 외부 부하에 함께 전력이 공급되는 경우에도 적용 가능함은 자명하다.
상술한 실시예에 따른 전력 변환 장치의 제어 방법은, 다양한 컴퓨터 장치에 의해 구동될 수 있는 프로그램의 형태로 구현될 수 있다. 여기서 프로그램은, 프로그램 명령, 데이터 파일 및 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 프로그램은 기계어 코드나 고급 언어 코드를 이용하여 설계 및 제작된 것일 수 있다. 프로그램은 상술한 차량 충전 방법을 구현하기 위하여 특별히 설계된 것일 수도 있고, 컴퓨터 소프트웨어 분야에서 통상의 기술자에게 기 공지되어 사용 가능한 각종 함수나 정의를 이용하여 구현된 것일 수도 있다.
전력 변환 장치의 제어 방법을 구현하기 위한 프로그램은, 컴퓨터에 의해 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터에 의해 판독 가능한 기록 매체는, 예를 들어, 하드 디스크나 플로피 디스크와 같은 자기 디스크 저장 매체, 자기 테이프, 컴팩트 디스크(CD)나 디브이디(DVD)와 같은 광 기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 기록 매체(magneto-optical media) 및 롬(ROM), 램(RAM) 또는 플래시 메모리 등과 같은 반도체 저장 장치 등 컴퓨터 등의 호출에 따라 실행되는 특정 프로그램을 저장 가능한 다양한 종류의 하드웨어 장치를 포함할 수 있다.
이상 전력 변환 장치, 상기 전력 변환 장치의 제어 방법 및 상기 전력 변환 장치가 설치된 차량의 여러 실시예에 대해 설명하였으나, 전력 변환 장치, 상기 전력 변환 장치의 제어 방법 및 상기 전력 변환 장치가 설치된 차량은 오직 상술한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 상술한 실시예를 기초로 수정 및 변형하여 구현 가능한 다양한 실시예 역시 상술한 전력 변환 장치, 상기 전력 변환 장치의 제어 방법 및 상기 전력 변환 장치가 설치된 차량의 일례가 될 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성 요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나 다른 구성 요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 또는 치환되더라도 상술한 전력 변환 장치, 상기 전력 변환 장치의 제어 방법 및 상기 전력 변환 장치가 설치된 차량과 동일하거나 유사한 결과를 획득할 수 있다.
1: 충전 시스템 10: 전원
20: 제1 축전지 30: 제2 축전지
40: 외부 부하 100: 전력 변환 장치
110: 제1 변전부 150: 제2 변전부
190: 스위칭부 200: 차량
210: 솔라루프 210a: 솔라셀
220: 제1 축전지 221: 구동 모터
230: 제2 축전지 290: 제어부
300: 전력 변환 장치 240: 주변 장치
241: 조명 242: 계기판
243: 내비게이션 장치

Claims (21)

  1. 일단은 제1 축전지와 연결되고 타단은 전원 및 제2 축전지 중 적어도 하나와 선택적으로 연결되는 제1 변전부;
    일단은 상기 제1 축전지와 연결되고 타단은 상기 제2 축전지와 연결되어 상기 제1 축전지에서 공급되는 전력을 제2 축전지로 제공하는 제2 변전부; 및
    상기 전원 및 제2 축전지 중 어느 하나를 상기 제1 변전부와 연결하는 스위칭부;를 포함하되,
    전기적으로 연결된 외부 장치의 전력 요구량이 미리 설정된 값보다 낮거나 또는 미리 설정된 전력보다 낮은 전력으로 상기 제2 축전지를 충전하는 경우, 상기 제1 변전부 및 상기 제2 변전부 중 어느 하나가 동작하여 제1 축전지의 전력을 제2 축전지로 제공하고,
    상기 전기적으로 연결된 외부 장치의 전력 요구량이 상기 미리 설정된 값보다 높거나 또는 상기 미리 설정된 전력보다 높은 전력으로 상기 제2 축전지를 충전하는 경우, 상기 제1 변전부 및 상기 제2 변전부가 함께 동작하여 제1 축전지의 전력을 제2 축전지로 제공하는 전력 변환 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 변전부는, 상기 전원과 연결되면 상기 전원에서 공급되는 전력을 상기 제1 축전지로 제공하고, 상기 제2 축전지와 연결되면 상기 제1 축전지에서 공급되는 전력을 제2 축전지로 제공하는 전력 변환 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 변전부는 상기 전원과 연결되면 상기 전원에 의해 인가되는 전압을 승압하고, 상기 제2 축전지와 연결되면 상기 제1 축전지에 의해 인가되는 전압을 강압하는 전력 변환 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 변전부는, 상기 제1 축전지에 의해 인가되는 전압을 강압하는 전력 변환 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전원을 이용하여 충전이 수행되는 경우, 상기 제1 변전부 및 상기 제2 변전부가 동작을 수행하여, 상기 제1 변전부는 전원에서 공급되는 전력을 제1 축전지로 제공하고, 상기 제2 변전부는 제1 축전지의 전력을 제2 축전지로 제공하는 전력 변환 장치.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 변전부의 최대 전력 용량 및 상기 제2 변전부의 최대 전력 용량은 서로 상이한 전력 변환 장치.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 변전부 및 상기 제2 변전부는 상기 제1 축전지와 상기 제2 축전지 사이에서 상호 병렬로 연결되는 전력 변환 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 변전부, 상기 제2 변전부 및 상기 스위칭부 중 적어도 하나의 동작을 제어하는 제어부;를 더 포함하는 전력 변환 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 변전부 및 상기 제2 변전부 중 적어도 하나는, 미리 설정된 전압보다 낮은 저 전압 DC-DC 변환기를 포함하는 전력 변환 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 전원은, 입사된 태양광에 대응하는 전력을 출력하는 태양광 전력 생성부를 포함하는 전력 변환 장치.
  13. 전력 변환 장치의 동작을 결정하는 단계;
    상기 전력 변환 장치가 전원을 이용하여 제1 축전지 및 제2 축전지를 충전하는 경우, 제1 변전부가 전원과 전기적으로 연결되고, 상기 제1 변전부 및 제2 변전부가 동작을 개시하고, 상기 제1 변전부는 전원에서 공급되는 전력을 제1 축전지로 제공하고, 상기 제2 변전부는 제1 축전지의 전력을 제2 축전지로 제공하는 단계;;
    전기적으로 연결된 외부 장치의 전력 요구량이 미리 설정된 값보다 낮거나 또는 미리 설정된 전력보다 낮은 전력으로 상기 제2 축전지를 충전하는 경우, 상기 제1 변전부 및 상기 제2 변전부 중 어느 하나가 동작을 개시하고, 상기 제1 변전부 및 상기 제2 변전부 중 어느 하나는 제1 축전지의 전력을 제2 축전지로 제공하는 단계;;
    상기 전기적으로 연결된 외부 장치의 전력 요구량이 상기 미리 설정된 값보다 높거나 또는 상기 미리 설정된 전력보다 높은 전력으로 상기 제2 축전지를 충전하는 경우, 상기 제1 변전부가 상기 제2 축전지와 전기적으로 연결되고, 상기 제1 변전부 및 상기 제2 변전부가 함께 동작을 개시하고 상기 제1 변전부 및 상기 제2 변전부 양자가 함께 제1 축전지의 전력을 제2 축전지로 제공하는 단계;를 포함하되,,
    상기 제1 변전부는 일단은 상기 제1 축전지와 연결되고 타단은 제어에 따라서 상기 전원 및 상기 제2 축전지 중 적어도 하나와 선택적으로 연결되고,
    상기 제2 변전부는 상기 제1 축전지 및 상기 제2 축전지를 전기적으로 연결하는 전력 변환 장치의 제어 방법.
  14. 삭제
  15. 제13항에 있어서,
    상기 제1 변전부 및 상기 제2 변전부의 최대 전력 용량은 서로 상이한 전력 변환 장치의 제어 방법.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 제1 변전부가 상기 제2 축전지와 전기적으로 연결되는 단계;를 더 포함하는 전력 변환 장치의 제어 방법.
  17. 삭제
  18. 전력을 공급하는 전원;
    상기 전원에 의해 공급된 전력에 의해 충전되고 미리 설정된 고전압의 제1 축전지;
    상기 제1 축전지에 의해 공급된 전력에 의해 충전되고 상기 고전압보다 낮은 미리 설정된 저전압의 제2 축전지;
    일단은 상기 제1 축전지와 연결되고 타단은 상기 전원 및 상기 제2 축전지 중 적어도 하나와 선택적으로 연결되는 제1 변전부; 및
    일단은 상기 제1 축전지와 연결되고 타단은 상기 제2 축전지와 연결되어 상기 제1 축전지에서 공급되는 전력을 제2 축전지로 제공하는 제2 변전부;를 포함하되,
    전기적으로 연결된 주변 장치의 전력 요구량이 미리 설정된 값보다 낮거나 또는 미리 설정된 전력보다 낮은 전력으로 상기 제2 축전지를 충전하는 경우, 상기 제1 변전부 및 상기 제2 변전부 중 어느 하나가 동작하여 제1 축전지의 전력을 제2 축전지로 제공하고,
    상기 전기적으로 연결된 주변 장치의 전력 요구량이 상기 미리 설정된 값보다 높거나 또는 상기 미리 설정된 전력보다 높은 전력으로 상기 제2 축전지를 충전하는 경우, 상기 제1 변전부 및 상기 제2 변전부가 함께 동작하여 제1 축전지의 전력을 제2 축전지로 제공하는 차량.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 전원을 이용하여 충전이 수행되는 경우, 상기 제1 변전부 및 상기 제2 변전부가 동작을 수행하여, 상기 제1 변전부는 전원에서 공급되는 전력을 제1 축전지로 제공하고, 상기 제2 변전부는 제1 축전지의 전력을 제2 축전지로 제공하는 차량.
  20. 삭제
  21. 삭제
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