KR102476486B1 - 유선 충전 시스템의 정류기 토폴로지 구조를 활용한 무선 충전 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유선 충전 시스템의 정류기 토폴로지 구조를 활용한 무선 충전 시스템에 관한 기술입니다.
본 발명은, 전기 자동차에 설치되어 있는 충전 장치에 내장된 정류기(50)를, 정류기(50)를 구성하는 복수 스위치의 릴레이 동작으로 유선 충전 시스템 및 무선 충전 시스템에서 선택적으로 공유하는 것을 특징으로 합니다. 바람직하게는, 상기 복수의 스위치의 구조는 3상 3개의 레그를 갖는 6개의 스위치 구조이며, 3상 AC 출력의 유선 충전의 경우 6개의 스위치를 모두 사용하여 정류하고, 무선 충전의 경우 4개의 스위치만 사용하여 정류하도록 할 수 있습니다.

Description

유선 충전 시스템의 정류기 토폴로지 구조를 활용한 무선 충전 시스템{THE WIRELESS CHARGING SYSTEM UTILIZING A TOPOLOGY STRUCTURE OF RECTIFIER IN A WIRED CHARGING SYSTEM}

본 발명은 전기 자동차 기술에 관하며, 특히 차량에 설치된 배터리를 무선 충전하는 시스템에 관한다.

전기 자동차(Electric Vehicle: EV)는 외부 소스들로부터 배터리를 충전한다. 충전용 AC 전원 혹은 가정용 전원 등을 통해서 충전하는 방식의 유선 충전 접속이 알려져 있다. 전력 공급 장치에 물리적으로 접속되는 케이블과 커넥터가 있어야 하며, 때때로 불편하다. 이를 대체하기 위해서 무선 충전 시스템이 알려졌다. 충전 스테이션에 미리 정해진 위치에 주차함으로써 무선 충전이 가능한 환경을 만든다. 이때 충전 스테이션의 충전 패드(Tx)와 차량의 충전 패드(Rx)의 위치를 정합할 필요가 있다.

그러나 전기 자동차의 유선 혹은 무선 충전에 관한 글로벌 기술 표준이 아직 완전히 정립되어 있지 않아서 제조사마다 여러 가지 방식으로 충전을 행하고 있다. 게다가 전기 자동차에 설치된 충전 장치는 유선 충전을 지원하는 시스템과 무선 충전을 지원하는 시스템이 별개로 혼용되기도 한다. 다양한 배터리 충전에 대응해야 하기 때문에 그로 말미암아 차체의 무게와 비용 요소에 좋지 않은 문제가 야기될 수 있다.

본 발명의 발명자는 이러한 문제를 개선하기 위해서 참으로 연구하고 개발함으로써 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명의 목적은 전술한 것처럼, 유선 충전 시스템과 무선 충전 시스템에서 중요한 소자를 선택적으로 공유할 수 있는 방법을 강구하고, 그 방법을 구현함으로써 기존의 충전 시스템 구성을 간단하고 경제적으로 개선할 수 있도록 함에 있다.

본 발명이 추구하려는 개선의 목적을 이해하기 위해서 도면을 이용해서 설명한다. 도 2는 출원인이 제조하는 EV에 적용된 충전 시스템에서 사용하는 기술을 개략적으로 나타내었다. EV 배터리를 3상 AC 출력으로 급속 충전하기 위해 정류기(50)가 차량 내에 설치되어 있다. 이 정류기(50)는 유선 충전 시스템과 전기적으로 연결돼서 3상 교류 전원을 차량 측에 제공한다. 한편, 무선 충전 시스템에 관해서는 1차측 무선충전 송신부(13)(Tx)와 2차측 무선충전 수신부(Rx)(20)의 비접촉 자기장 유도를 통해서 충전 스테이션의 교류 전원(10)이 차량 측으로 전달되는데, 도시되어 있는 것처럼 입력 필터 요소들(21, 22: 21은 Rectifier, 22는 Regulator이다)을 거쳐서 정류기(50)의 입력단에 연결되는 구조를 갖는다.

그런데 기존의 무선충전방식에서 1차측에는 역률개선회로(PFC)(11)가 있고, 2차 측에도 정류기(21)가 있다. 효율개선을 위해서라면 반도체 스위칭 소자를 이용한 Active Power Factor Correction을 사용하는 방법이 제안될 수 있다. 그런데 기본적으로 반도체 스위칭 소자의 사용은 비용 상승을 초래한다.

본 발명의 개선 목적은 이러하다. 차량 내 정류기(50)를 공유하는 구조로 토폴로지를 개선함으로써, 정류기(50)가 Active Power Factor Correction을 위한 스위칭을 수행하는 것이다. 그러면 PFC(11) 회로를 저감할 수 있으므로 비용 면에서 이득이 생길 것이다. 또한 정류기(21)를 중복 사용하지 않게 되는 까닭에 장비의 사이즈와 비용 면에서 장점이 있다. 차량에 설치되는 정전류 충전방식의 충전기를 사용하고 있다면(예컨대 출원인의 SM3^TM EV의 탑재형 충전기), 그 충전기의 인버터가 평할 역할 및 충전 전류제어를 수행할 수 있으므로, 도 2의 전압안정회로(22)를 대체할 수 있다.

이로써 기존 차량의 구조를 크게 변경하지 않아도 효과적으로 차량 내 정류기를 공유할 수 있게 된다.

한편, 본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 것이다.

이와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명은, 전기 자동차에 설치되어 있는 충전 장치에 내장된 정류기를, 정류기를 구성하는 복수 스위치의 릴레이 동작으로 유선 충전 시스템 및 무선 충전 시스템에서 선택적으로 공유하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 유선 충전 시스템의 정류기 토폴로지 구조를 활용한 무선 충전 시스템에 있어서, 상기 복수의 스위치의 구조는 3상 3개의 레그를 갖는 6개의 스위치 구조이며, 3상 AC 출력의 유선 충전의 경우 6개의 스위치를 모두 사용하여 정류하고, 무선 충전의 경우 4개의 스위치만 사용하여 정류하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 유선 충전 시스템의 정류기 토폴로지 구조를 활용한 무선 충전 시스템에 있어서, 상기 릴레이의 접속은 상기 정류기 및 차량 측 배터리를 연결하는 회선 사이에 설치되며, 무선 충전 수신부와 전기적으로 연결되도록 하는 것이 좋다.

기존의 3상 AC 전력으로 배터리를 충전하는 EV를 무선 충전함에 있어서, 본 발명은 유선용 충전기의 구성과 무선용 충전기의 구성이 각각 별개로 구비되어 있는 점을 하나로 긴밀하게 통합하는 방식으로 개선했다.

유선 충전 시스템 및 무선 충전 시스템의 정류기의 중복사용을 일원화하고, 유선 충전 시 3상 AC 전력을 차량 배터리로 공급하는 정류기에 있는 기존 복수 스위칭 소자들을 새롭게 토폴로지 구성하여 릴레이 제어함으로써 경제적인 이점을 거둔다. 차량 측 장치에서는 입력 필터들을 저감할 수 있어서 사이즈와 비용을 절약할 수 있다. 충전 스테이션 장치에서는 PFC 회로를 대체할 수 있어서 또한 유용하다.

한편, 여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급됨을 첨언한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 무선 충전 시스템 토폴로지 구조의 예를 나타낸다.
도 2는 종래 방식의 무선 충전 시스템의 접속 방식의 전체적인 연결 구조를 나타내었다.
※ 첨부된 도면은 본 발명의 기술사상에 대한 이해를 위하여 참조로서 예시된 것임을 밝히며, 그것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지는 아니한다.

이제 도면을 참조하여 본 발명을 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 어느 실시예에 따른 충전 시스템의 개략적인 토폴로지 구조를 나타낸다.

본 발명에서는, 전술한 바와 같이, 정류기(50)를 유선 충전 시스템 및 무선 충전 시스템에서 선택적으로 공유한다. 유선 충전 시스템에서 정류기(50)는 전력 계통과 연결된 유선 충전 스테이션의 충전소 장치에서 공급된 전원을 3상 AC 출력으로 변환하여 EV 인렛(1)으로 전달한다.

바람직하게는 상기 정류기(50)는 3상의 형태로 3개의 레그를 갖는 여섯 개의 스위치 소자(g1, g2, g3, g4, g5, g6)로 구성되어 있으며 있다. 그래서 도시되어 있는 것처럼 EV 배터리를 3상 AC 출력으로 충전한다.

무선 충전 시스템에서는 이들 스위치 중에서 4개만 사용해서 정류한다. 무선 충전의 2차 측 수신부(26)에 연결되어 있는 두 회선은 정류기(50)로부터 인출되는 3개의 회선 중 2개에 대해서만 51 및 52에서 연결되도록 하고, 결과적으로 스위치는 g1, g2, g4, g5가 무선 충전에 사용되도록 구성할 수 있다.

이와 같이 정류기(50)를 유선 충전 시스템과 무선 충전 시스템에 공유하고, 정류기(50)로 하여금 무선 충전 시의 역률보상을 위한 스위칭을 수행하도록 함으로써, 무선 충전 시스템에서의 PFC 회로를 사용하지 않는 이점이 있다(도 2의 11과 비교하라). 결과적으로 1차측 PFC 회로 및 2차 측의 정류기(11, 21)의 역할을 상기 정류기(50)가 수행하도록 하는 것이다.

전력계통을 통해 공급되는 AC 전원(10)과 연결되어 있는 충전 스테이지 장치는 컨버터(15)를 통해서 공급되는 전력을 충전용을 변환하고, 변환된 전력은 1차측 무선충전 송신부(16)의 Tx 패드를 통해서 비접촉으로 2차측 무선충전 수신부(26)의 Rx 패드로 전달된다. 그리고 2차측 무선충전 수신부(26)에 수신된 전력은 정류기(50)로 전달되어 정류된다. 그리고 4개의 스위치 동작, 예컨대 g1, g5이 턴온(turn on)되고, 다음으로 g2, g4가 턴온되는 방식으로 동작해서 차량 충전기 쪽으로 정류된 전력을 공급한다.

한편 드라이버(60)는 위와 같은 방식으로 스위치 릴레이 동작을 구동한다. 또한, 정류기 마이크로컨트롤러(61)가 상기 드라이버를 제어하면서 PWM(Pulse Width Modulation) 제어를 통해서 정류기의 역류를 개선한다.

한편, 도 1에 도시된 것처럼, 본 발명의 바람직한 실시예에서는 상기 릴레이의 접속점(51, 52)은 정류기(50) 및 배터리에 충전전원이 공급되도록 EV 인렛(1)에 연결되는 회선 사이에 설치되고, 또한, 2차 측 무선충전 수신부(26)와 전기적으로 연결되도록 구성한다. 이와 관련해서 도 2와 비교해 보자.

도 2에서는 무선충전 수신부(20)로 전달된 전력은 정류기(50)의 앞 단에 있는 구성들, 즉 입력 필터들(21, 22)을 거쳐서 정류기(50, 정류기 또한 입력 필터 구성이다)와 연결되었다. 그러나 본 발명의 경우, 도 1에 도시되어 있는 것처럼, 입력 필터들의 뒷단에 릴레이를 설치하여 접속한다. 이와 같이 구성함으로써 입력 필터들의 공유에 의한 무선충전 수신부(26)의 임피던스 매칭 회로의 간섭을 방지할 수 있는 장점이 있다.

이와 같이, 본 발명은 유선 충전 시스템의 정류기 토폴로지 구조를 활용해서 무선 충전 시스템에서 그 정류기(50)를 공유할 수 있다. 차량 내 정류기를 공유하는 구조이기 때문에 기존 차량의 구조를 크게 변경하지 않아도 되는 장점을 갖는다. 여기서 유선충전 방식의 충전 시스템과 무선 충전 방식의 충전 시스템의 접점은 릴레이 동작을 통해서 제어했다.

본 발명의 보호범위가 이상에서 명시적으로 설명한 실시예의 기재와 표현에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 자명한 변경이나 치환으로 말미암아 본 발명이 보호범위가 제한될 수도 없음을 다시 한 번 첨언한다.

Claims (3)

1. 전기 자동차에 설치되어 있는 충전 장치에 내장된 정류기를, 정류기를 구성하는 복수 스위치의 릴레이 동작으로 유선 충전 시스템 및 무선 충전 시스템에서 선택적으로 공유하며,
   상기 복수의 스위치의 구조는 3상 3개의 레그를 갖는 6개의 스위치 구조이며, 3상 AC 출력의 유선 충전의 경우 6개의 스위치를 모두 사용하여 정류하고, 무선 충전의 경우 4개의 스위치만 사용하여 정류하는 것인, 유선 충전 시스템의 정류기 토폴로지 구조를 활용한 무선 충전 시스템.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 릴레이의 접속은 상기 정류기 및 차량 측 배터리를 연결하는 회선 사이에 설치되며, 무선 충전 수신부와 전기적으로 연결되는 것인, 유선 충전 시스템의 정류기 토폴로지 구조를 활용한 무선 충전 시스템.
   

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