KR102486104B1 - 전기 자동차의 충전 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전기 자동차의 충전 장치에 관한 것으로, 구조가 단순하고, 크기가 작으며, 다양한 형태의 전원으로부터 공급되는 전력으로 배터리를 충전할 수 있는 전기 자동차의 충전 장치를 제공하는데 그 목적이 있다. 이를 위해 본 발명에 따른 전기 자동차의 충전 장치는, 단상 교류 전력과 다상 교류 전력 가운데 적어도 하나의 입력 교류 전력이 입력되는 교류 전력 입력단과; 상기 교류 전력 입력단을 통해 상기 입력 교류 전력이 입력되는 단일의 3-레그 하프 브리지 회로를 포함하는 역률 보정부와; 상기 역률 보정부를 통해 충전되는 링크 캐패시터와; 상기 링크 캐패시터와 배터리 사이에 연결되는 컨버터와; 상기 교류 전력 입력단을 구성하는 교류 전력 입력 라인과 중성선 가운데 어느 하나와 상기 역률 보정부를 연결하도록 마련되는 제 1 스위치와, 상기 교류 전력 입력단과 상기 역률 보정부, 상기 링크 캐패시터를 선택적으로 연결하도록 마련되는 적어도 하나의 제 2 스위치를 포함하는 스위치 네트워크와; 상기 교류 전력 입력단을 통해 입력되는 입력 교류 전력의 조건에 따라 상기 역률 보정부와 상기 스위치 네트워크를 제어하도록 마련되는 제어부를 포함한다.

Description

전기 자동차의 충전 장치{BATTERY CHARGER FOR ELECTRIC VEHICLE}
본 발명은 자동차에 관한 것으로, 모터의 동력만을 이용하여 주행하는 전기 자동차의 충전 장치에 관한 것이다.
내연 기관 자동차가 화석 연료를 주 에너지원으로 사용하는 것과는 다르게, 전기 자동차는 전기 에너지를 주 에너지원으로 사용한다. 따라서 전기 자동차는 전기 에너지를 저장할 수 있는 고전압 배터리와, 동력원인 모터, 그리고 모터를 구동하기 위한 인버터가 필수적이다.
전기 자동차의 배터리를 충전하기 위한 충전기는 완속 충전기와 급속 충전기로 구분할 수 있다. 완속 충전기는 상용 교류 전력을 교류 전력 형태 그대로 자동차로 전달하는 반면, 급속 충전기는 상용 교류 전력을 직류로 변환하여 자동차로 전달한다. 완속 충전기의 경우 구조가 단순하고 가격도 저렴하기 때문에 보급율을 높이는데 유리하다. 다만, 완속 충전기를 사용하기 위해서는 전기 자동차에 차량 탑재용 충전기(On Board Charger, OBC)가 탑재되어 있어야 한다.
완속 충전기를 통해 제공되는 교류 전력은 완속 충전기가 설치되어 있는 국가에 따라 매우 다양하다. 이와 같은 다양한 형태의 교류 전력을 이용하여 전기 자동차의 배터리를 충전하기 위해서는 차량 탑재용 충전기가 다양한 형태의 상용 교류 전력에 대응할 수 있어야 한다.
전기 자동차의 1회 충전 주행 거리를 늘리기 위해서는 배터리의 용량은 클수록 좋다. 따라서 자동차 제조사에서는 전기 자동차의 배터리의 용량을 증가시키기 위해 노력하고 있다. 대용량 배터리의 채용은 충전 시간의 증가를 수반한다. 대용량 배터리의 충전 시간을 단축시키기 위해서는 차량 탑재 충전기(OBC)의 용량을 증가시켜야 한다. 차량 탑재 충전기(OBC)의 용량 증가는 구성품의 크기 증가 및 제조 원가 상승을 초래한다.
일 측면에 따르면, 구조가 단순하고, 크기가 작으며, 다양한 형태의 전원으로부터 공급되는 전력으로 배터리를 충전할 수 있는 전기 자동차의 충전 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 목적의 본 발명에 따른 전기 자동차의 충전 장치는, 단상 교류 전력과 다상 교류 전력 가운데 적어도 하나의 입력 교류 전력이 입력되는 교류 전력 입력단과; 상기 교류 전력 입력단을 통해 상기 입력 교류 전력이 입력되는 단일의 3-레그 하프 브리지 회로를 포함하는 역률 보정부와; 상기 역률 보정부를 통해 충전되는 링크 캐패시터와; 상기 링크 캐패시터와 배터리 사이에 연결되는 컨버터와; 상기 교류 전력 입력단을 구성하는 교류 전력 입력 라인과 중성선 가운데 어느 하나와 상기 역률 보정부를 연결하도록 마련되는 제 1 스위치(S1)와, 상기 교류 전력 입력단과 상기 역률 보정부, 상기 링크 캐패시터를 선택적으로 연결하도록 마련되는 적어도 하나의 제 2 스위치(S2)(S3)(S4)(S5)(S6)(S7)를 포함하는 스위치 네트워크와; 상기 교류 전력 입력단을 통해 입력되는 입력 교류 전력의 조건에 따라 상기 역률 보정부와 상기 스위치 네트워크를 제어하도록 마련되는 제어부를 포함한다.
상술한 전기 자동차의 충전 장치에서, 상기 제 1 스위치(S1)는 상기 교류 전력 입력단에 마련되어 상기 입력 교류 전력의 다상 및 단상의 조건에 대응하도록 온/오프 제어된다.
상술한 전기 자동차의 충전 장치에서, 상기 적어도 하나의 제 2 스위치는 상기 교류 전력 입력단과 상기 역률 보정부 사이에 마련되는 제 3 스위치(S2)를 포함한다.
상술한 전기 자동차의 충전 장치에서, 상기 스위치 네트워크는, 상기 역률 보정부와 상기 링크 캐패시터 사이에 마련되는 제 4 스위치(S4)를 더 포함한다.
상술한 전기 자동차의 충전 장치에서, 상기 스위치 네트워크는, 상기 링크 캐패시터의 양단과 상기 컨버터의 양단 사이에 각각 제 5 스위치(S5) 및 제 6 스위치(S7)를 더 포함한다.
상술한 전기 자동차의 충전 장치에서, 상기 컨버터는, 직렬 연결되는 두 개의 스위칭 소자를 포함하고, 상기 두 개의 스위칭 소자의 연결 점이 상기 역률 보정부의 적어도 하나의 레그에 연결되며, 상기 연결점과 상기 배터리의 일단 사이에 제 7 스위치(S6)가 마련된다.
상술한 전기 자동차의 충전 장치에서, 상기 제어부는, 상기 역률 보정부와 상기 스위치 네트워크, 상기 인버터의 제어를 통해 상기 역률 보정부를 복수의 서로 다른 형태의 컨버터로 전환하여 상기 입력 교류 전력의 조건에 대응한다.
상술한 전기 자동차의 충전 장치에서, 상기 입력 교류 전력의 조건은 상기 입력 교류 전력의 다상 및 단상의 조건을 포함한다.
상술한 전기 자동차의 충전 장치에서, 상기 입력 교류 전력의 조건은 상기 입력 교류 전력의 대칭 및 비대칭의 전원 조건을 포함한다.
상술한 목적의 본 발명에 따른 또 다른 전기 자동차의 충전 장치는, 단상 교류 전력과 다상 교류 전력 가운데 적어도 하나의 입력 교류 전력이 입력되는 교류 전력 입력단과; 상기 교류 전력 입력단을 통해 상기 입력 교류 전력이 입력되는 단일의 3-레그 하프 브리지 회로를 포함하는 역률 보정부와; 상기 역률 보정부를 통해 충전되는 링크 캐패시터와; 상기 링크 캐패시터와 배터리 사이에 연결되는 컨버터와; 상기 교류 전력 입력단을 구성하는 교류 전력 입력 라인과 중성선 가운데 어느 하나와 상기 역률 보정부를 연결하도록 마련되는 제 1 스위치(S1)와, 상기 교류 전력 입력단과 상기 역률 보정부, 상기 링크 캐패시터를 선택적으로 연결하도록 마련되는 적어도 하나의 제 2 스위치(S2)(S3)(S4)(S5)(S6)(S7)를 포함하는 스위치 네트워크와; 상기 교류 전력 입력단을 통해 입력되는 입력 교류 전력의 조건에 따라 상기 역률 보정부와 상기 스위치 네트워크를 제어하도록 마련되는 제어부를 포함하되, 상기 스위치 네트워크는, 상기 교류 전력 입력단에 마련되어 상기 입력 교류 전력의 다상 및 단상의 조건에 대응하도록 온/오프 제어되는 제 1 스위치(S1)와; 상기 교류 전력 입력단과 상기 역률 보정부 사이에 마련되는 제 2 스위치(S2)를 더 포함한다.
상술한 전기 자동차의 충전 장치에서, 상기 스위치 네트워크는, 상기 역률 보정부와 상기 링크 캐패시터 사이에 마련되는 제 4 스위치(S4)를 더 포함한다.
상술한 전기 자동차의 충전 장치에서, 상기 스위치 네트워크는, 상기 링크 캐패시터의 양단과 상기 컨버터의 양단 사이에 각각 제 5 스위치(S5) 및 제 6 스위치(S7)를 더 포함한다.
상술한 전기 자동차의 충전 장치에서, 상기 컨버터는, 직렬 연결되는 두 개의 스위칭 소자를 포함하고, 상기 두 개의 스위칭 소자의 연결 점이 상기 역률 보정부의 적어도 하나의 레그에 연결되며, 상기 연결점과 상기 배터리의 일단 사이에 제 7 스위치(S6)가 마련된다.
상술한 전기 자동차의 충전 장치에서, 상기 제어부는, 상기 역률 보정부와 상기 스위치 네트워크, 상기 인버터의 제어를 통해 상기 역률 보정부를 복수의 서로 다른 형태의 컨버터로 전환하여 상기 입력 교류 전력의 조건에 대응한다.
상술한 전기 자동차의 충전 장치에서, 상기 입력 교류 전력의 조건은 상기 입력 교류 전력의 다상 및 단상의 조건을 포함한다.
상술한 전기 자동차의 충전 장치에서, 제 상기 입력 교류 전력의 조건은 상기 입력 교류 전력의 대칭 및 비대칭의 전원 조건을 포함한다.상술한 목적의 본 발명에 따른 또 다른 전기 자동차의 충전 장치는, 단상 교류 전력과 다상 교류 전력 가운데 적어도 하나의 입력 교류 전력이 입력되는 교류 전력 입력단과; 상기 교류 전력 입력단을 통해 상기 입력 교류 전력이 입력되는 단일의 3-레그 하프 브리지 회로를 포함하는 역률 보정부와; 상기 역률 보정부를 통해 충전되는 링크 캐패시터와; 상기 링크 캐패시터와 배터리 사이에 마련되고, 직렬 연결되는 두 개의 스위칭 소자를 포함하고, 상기 두 개의 스위칭 소자의 연결 점이 상기 역률 보정부의 적어도 하나의 레그에 연결되며, 상기 연결점과 상기 배터리의 일단 사이에 제 7 스위치(S6)가 마련되는 컨버터와; 상기 교류 전력 입력단을 구성하는 교류 전력 입력 라인과 중성선 가운데 어느 하나와 상기 역률 보정부를 연결하도록 마련되는 제 1 스위치(S1)와, 상기 교류 전력 입력단과 상기 역률 보정부, 상기 링크 캐패시터를 선택적으로 연결하도록 마련되는 적어도 하나의 제 2 스위치(S2)(S3)(S4)(S5)(S6)(S7)를 포함하는 스위치 네트워크와; 상기 교류 전력 입력단을 통해 입력되는 입력 교류 전력의 조건에 따라 상기 역률 보정부와 상기 스위치 네트워크를 제어하도록 마련되는 제어부를 포함한다.
일 측면에 따르면, 구조가 단순하고, 크기가 작으며, 다양한 형태의 전원으로부터 공급되는 전력으로 배터리를 충전할 수 있는 전기 자동차의 충전 장치를 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전기 자동차를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 전기 자동차의 차량 탑재 청전기를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 차량 탑재 충전기의 구성을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 차량 탑재용 충전기가 수용할 수 있는 다양한 종류의 전원을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 차량 탑재 충전기의 누설 전류 차단을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 북미의 240V 단상 교류 전원(EVSE) 또는 유럽 및 한국의 220V 단상 교류 전원에 대응하기 위한 스위치 네트워크의 온/오프 조합을 나타낸 도면이다.
도 7은 유럽 지역의 120V 단상 교류 전원(ICCB)에 대응하기 위한 스위치 네트워크의 온/오프 조합을 나타낸 도면이다.
도 8은 유럽의 380V 3상 교류 전원에 대응하기 위한 스위치 네트워크의 온/오프 조합을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 차량 탑재 충전기의 제 1 변형 실시 예를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 차량 탑재 충전기의 제 2 변형 실시 예를 나타낸 도면이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전기 자동차를 나타낸 도면이다.
도 1에 나타낸 전기 자동차(100)는 모터(도 2의 212 참조)를 구비한다. 따라서 모터(212)를 구동하기 위한 전력을 저장할 고전압 배터리(102)가 필요하다. 일반적인 내연 기관 자동차에도 엔진 룸의 한쪽에 보조 배터리(도 2의 208 참조)가 마련된다. 하지만 전기 자동차(100)의 경우 크기가 큰 대용량의 고전압 배터리(212)가 요구된다. 본 발명의 실시 예에 따른 전기 자동차(100)에서는 2열 승객석 하부 공간에 고전압 배터리(102)를 설치한다. 고전압 배터리(102)에 저장되는 전력은 모터(212)를 구동하여 동력을 발생시키는데 사용될 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따른 고전압 배터리(102)는 리튬 배터리일 수 있다.
전기 자동차(100)에는 충전 소켓(104)이 마련된다. 충전 소켓(104)에는 외부의 완속 충전기(150)의 충전 커넥터(152)가 연결됨으로써 고전압 배터리(102)의 충전이 이루어질 수 있다. 즉 완속 충전기(150)의 충전 커넥터(152)를 전기 자동차(100)의 충전 소켓(104)에 연결하면 전기 자동차(100)의 고전압 배터리(102)가 충전된다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 전기 자동차의 차량 탑재 청전기를 나타낸 도면이다.
전기 자동차(100)의 고전압 배터리(102)를 충전하기 위해 완속 충전기(150)가 사용될 수 있다. 고전압 배터리(102)는 400V~800V의 충전 전압을 가질 수 있다. 완속 충전기(150)는 상용 교류 전력(AC)을 교류 전력 형태 그대로 전기 자동차(100)로 공급한다. 완속 충전기(150)를 통해 공급되는 교류 전력은 전기 자동차(100) 내부에서 미리 설정된 레벨의 직류 전압으로 변환된다.
전기 자동차(100)의 내부에서는 차량 탑재 충전기(On Board Charger, OBC)(202)가 고전압 배터리(102)의 충전에 관여한다. OBC라고도 불리는 차량 탑재 충전기(202)는 완속 충전기(150)로부터 공급되는 상용 교류 전력을 800V의 직류 전압으로 변환하여 고전압 배터리(102)를 충전한다. 완속 충전기(150)는 상용 교류 전력을 교류 형태 그대로 전기 자동차(100)로 공급한다. 완속 충전기(150)로부터 공급되는 교류 전압은 전기 자동차(100)의 내부에서 차량 탑재 충전기(202)에 의해 직류 전압으로 변환된 후 고전압 배터리(102)를 충전하는데 사용된다.
제어부(210)는 차량 탑재 충전기(202)와 인버터(206), 모터(212)를 제어하여 고전압 배터리(102)의 충전이 이루어질 수 있도록 한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 차량 탑재 충전기의 구성을 나타낸 도면이다.
차량 탑재 충전기(202)는 입력부(312)와 부스트 역률 보정부(Boost Power Factor Corrector)(314), 컨버터(318), 파워 릴레이 회로부(316)를 포함한다.
입력부(312)에는 외부의 상용 교류 전원으로부터 상용 교류 전력이 입력된다. 입력부(312)는 5개의 입력 라인(L1)(L2)(L3)(N)(G)과 EMI 필터(Electro Magnetic Interference Filter)(322), 스위치(S1)를 포함한다.
EMI 필터(322)는 입력된 상용 교류 전력에 포함되어 있는 잡음을 제거하도록 마련된다. EMI 필터(322)는 5개의 입력 라인(L1)(L2)(L3)(N)(G)이 연결된다. 외부의 상용 교류 전원으로부터 입력 라인(L1)(L2)(L3)(N)(G)을 통해 EMI 필터(322)로 상용 교류 전력이 입력된다. L1과 L2, L3는 교류 전력 입력 라인이고, N은 중성선이며, G는 접지선이다.
입력 라인(L1)(L2)(L3)(N)(G) 가운데 교류 전력 입력 라인(L1)(L2)(L3)을 통해 최대 3상의 교류 전력이 EMI 필터(322)로 입력될 수 있다. 즉, 교류 전력 입력 라인(L1)(L2)(L3) 모두를 통해 3상의 교류 전력이 EMI 필터(322)로 입력될 수 있다. 또는 교류 전력 입력 라인(L1)(L2)만을 통해 2상의 교류 전력이 EMI 필터(322)로 입력될 수 있다. 또는 교류 전력 입력 라인(L1)과 중성선(N)만을 통해 단상 교류 전력이 EMI 필터(322)로 입력될 수 있다.
입력부(312)의 스위치(S1)는 교류 전력 입력 라인(L2)와 중성선(N) 가운데 어느 하나를 EMI 필터(322)로 연결한다. 입력 상용 교류 전력이 3상 또는 2상일 때에는 교류 전력 입력 라인(L2)이 EMI 필터(322)에 연결되도록 스위치(S1)가 제어된다. 만약 입력 상용 교류 전력이 단상이면 중성선(N)이 EMI 필터(322)에 연결되도록 스위치(S1)가 제어된다.
부스트 역률 보정부(314)는 기본적으로 스위칭 소자(Q1)(Q2)(Q3)(Q4)(Q5)(Q6)로 구성되는 3-레그 하프 브리지 회로(3-Leg Half Bridge Circuit)로 구성된다. Q1과 Q4, Q2와 Q5, Q3와 Q6 사이에 각각 형성되는 제 1-3 레그(342)(344)(346)는 EMI 필터(322)에 연결된다. 제 1-3 레그(342)(344)(346) 각각에는 EMI 필터(322)에서 부스트 역률 보정부(314)의 하프 브리지 회로로 전달되는 각 상의 상 전류(I1)(I2)(I3)가 검출될 수 있다. 제 1-3 레그(342)(344)(346) 각각은 인덕터 성분을 포함할 수 있다.
3개의 레그 중 스위칭 소자 Q3와 Q6 사이에 형성되는 레그(346)와 EMI 필터(322)의 출력단 사이에는 스위치(S2)가 마련된다. 스위치(S2)는 3-레그 하프 브리지 회로의 레그(346)와 EMI 필터(322)의 출력단 사이를 전기적으로 단속하도록 제어된다. 또한 3-레그 하프 브리지 회로의 레그(346)는 컨버터(318)의 스위칭 소자(Q7)와 스위칭 소자(Q8)의 사이에도 전기적으로 연결된다. 스위칭 소자(Q7)와 스위칭 소자(Q8)의 사이에서 캐패시터(C2)의 일단 사이에는 스위치(S6)가 연결된다.
또한, 부스트 역률 보정부(314)에는 PFC 링크 캐패시터인 캐패시터(C1)가 마련된다. 캐패시터(C1)는 하프 브리지 회로의 양단 사이에 마련된다.
또한, 부스트 역률 보정부(314)에는 스위치(S4)(S5)(S7)가 더 마련된다. 이 가운데 스위치(S4)는 하프 브리지 회로의 상단과 앞서 설명한 캐패시터(C1)의 (+)전극 사이에 역률 보정 소자(P1)와 병렬로 연결된다. 나머지 두 개의 스위치(S5)(S7)는 캐패시터(C1)의 양단에 각각 하나씩 마련되어 부스트 역률 보정부(314)와 후술하는 컨버터(318) 사이를 전기적으로 연결한다. 즉, 부스트 역률 보정부(314)는 스위치(S5)(S7)를 통해 컨버터(318)에 전기적으로 연결된다. 또한 부스트 역률 보정부(314)는 스위치(S4)(S5)를 통해 파워 릴레이 회로부(316)의 양단에도 전기적으로 연결된다. 컨버터(318)에는 등가 모델링 Y 캐패시터인 캐패시터(C2)(C3)가 직렬 연결된다. 캐패시터(C2)(C3)가 서로 연결되는 노드는 접지된다.
파워 릴레이 회로부(316)에서, 캐패시터(C2)와 고전압 배터리(102)의 (+) 전극 사이에는 두 개의 스위치(BS1)(BS2)와 하나의 파워 팩터 소자(P2)가 마련된다. 스위치(BS1)와 파워 팩터 소자(P1)는 캐패시터(C2)와 고전압 배터리(102)의 (+) 전극 사이에 직렬 연결되고, 이 직렬 연결 구조에 스위치(BS2)가 병렬 연결된다. 캐패시터(C3)와 고전압 배터리(102)의 (-) 전극 사이에는 스위치(BS3)가 마련된다.
도 3의 차량 탑재 충전기(202)에 마련되는 스위치 네트워크를 구성하는 복수의 스위치(S1)(S2)(S4)(S5)(S6)(S7)(BS1)(BS2)(BS3)는 앞서 도 2에서 설명한 제어부(210)에 의해 제어되어 턴 온 및 턴 오프 된다. 본 발명의 실시 예에서는, 스위치 네트워크를 구성하는 복수의 스위치(S1)(S2)(S4)(S5)(S6)(S7)(BS1)(BS2)(BS3)의 다양한 온/오프 조합을 통해 다양한 종류의 상용 교류 전력으로 고전압 배터리(102)의 충전이 이루어질 수 있도록 한다. 다양한 종류의 상용 교류 전력에 대해서는 다음의 도 4를 통해 자세히 설명하고자 한다.
도 3에 나타낸 복수의 스위치(S1)(S2)(S4)(S5)(S6)(S7)(BS1)(BS2)(BS3)와 복수의 스위칭 소자(Q1)(Q2)(Q3)(Q4)(Q5)(Q6)(Q7)(Q8)의 턴 온 및 턴 오프는 제어부(210)에 의해 제어된다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 차량 탑재용 충전기가 수용할 수 있는 다양한 종류의 전원을 나타낸 도면이다.
도 4의 (I)은 2상 대칭 전원(Bi-Phase Symmetric Power Source)을 나타낸 도면이다. 도 4의 (I)에 나타낸 바와 같이, 2상 대칭 전원은 공급 전력의 전압이 두 개의 전압(1/2Vac)(-1/2Vac)으로 나뉘어 공급된다. 두 개의 전압(1/2Vac)(-1/2Vac)이 서로 정 반대의 위상을 갖기 때문에 2상 대칭 전원이라 한다. 도 4의 (I)에 나타낸 것과 같은 2상 대칭 전원은 주로 북미 지역에서 사용된다.
도 4의 (II)는 단상 비대칭 전원(Single-Phase Asymmetric Power Source)을 나타낸 도면이다. 도 4의 (II)에 나타낸 바와 같이, 단상 비대칭 전원은 공급 전력의 전압이 단일 위상의 단일 전압(Vac)의 형태로 공급된다. 단일 전압(Vac)이 단일의 위상을 갖기 때문에 단상 비대칭 전원이라 한다. 도 4의 (II)에 나타낸 것과 같은 단상 비대칭 전원은 주로 한국과 북미 지역, 유럽 지역에서 사용된다.
도 4의 (III)은 3상 대칭 전원(3-Phase Symmetric Power Source)을 나타낸 도면이다. 도 4의 (III)에 나타낸 바와 같이, 3상 비대칭 전원은 공급 전력의 전압이 세 개의 전압(Va)(Vb)(Vc)으로 나뉘어 공급된다. 세 개의 전압(Va)(Vb)(Vc)이 서로 다른 위상을 갖기 때문에 3상 비대칭 전원이라 한다. 도 4의 (III)에 나타낸 것과 같은 3상 비대칭 전원은 주로 유럽 지역에서 사용된다.
이처럼, 국가별로 상용 교류 전원의 형태가 다양하기 때문에, 본 발명의 실시 예에 따른 차량 탑재용 충전기(302)는 스위치 네트워크의 온/오프 조합을 통해 다양한 형태의 국가별 상용 교류 전원에 대응하고자 한다. 예를 들면, 2상 대칭 전원에 대해서는 단상 풀 브리지 인버터 타입의 부스트 역률 보정부를 구현함으로써 고전압 배터리(102)가 충전될 수 있도록 한다. 또한, 예를 들면, 단상 비대칭 전원에 대해서는 단상 풀 브리지 인버터 타입의 부스트 역률 보정부를 구현하면서 벅 컨버터도 함께 구현하거나, 또는 부스트+부스트 구조를 구현함으로써 고전압 배터리(102)가 충전될 수 있도록 한다. 또한, 예를 들면, 삼상 대칭 전원에 대해서는 3-레그 부스트 역률 보정부를 구현하면서 벅 컨버터도 함께 구현함으로써 고전압 배터리(102)가 충전될 수 있도록 한다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 차량 탑재 충전기의 누설 전류 차단을 설명하기 위한 도면이다.
앞서 도 3에서 설명한 컨버터(318)는 누설 전류를 차단하고 또 다단 승압이 가능하도록 하는 역할을 수행한다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 계통 전원으로부터 입력되는 입력 교류 전력은 1점 쇄선 화살표로 표시된 (+)극성과 2점 쇄선 화살표로 표시된 (-)극성으로 구분할 수 있다. 이 중에서 1점 쇄선 화살표로 표시된 (+)극성의 전력은 스위칭 소자(Q8)의 턴 오프에 의해 차단되고, 2점 쇄선 화살표로 표시된 (-)극성의 전력은 스위칭 소자(Q7) 및 스위치(S6)의 턴 오프에 의해 차단된다. 이처럼, 컨버터(318)를 구성하는 스위칭 소자(Q7)(Q8) 및 스위치(S6)를 통해 누설 전류가 차단될 수 있다. 또한 스위칭 소자(Q7)(Q8)를 통해 다단 승압이 이루어질 수 있다.
도 6 내지 도 8은 다양한 형태의 국가별 상용 교류 전원에 대응하기 위한 스위치 네트워크의 온/오프 조합을 나타낸 도면이다.
도 6은 북미의 240V 단상 교류 전원(EVSE) 또는 유럽 및 한국의 220V 단상 교류 전원에 대응하기 위한 스위치 네트워크의 온/오프 조합을 나타낸 도면이다.
도 6의 경우, 스위치 네트워크를 구성하는 각 스위치들의 온/오프 조합은 다음과 같다.
S1 : ON, S2 : OFF, S4 : ON, S5 : OFF, S6 : OFF, S7 : ON
BS1 : ON, BS2 : ON, BS3 : ON
스위치(S1)는 턴 온 되어 중성선(N)이 EMI 필터(322)에 연결된다. 이로써 교류 전력 입력 라인(L1)과 중성선(N)을 통해 단상 대칭 교류 전력이 입력될 수 있다. 스위치(S2)(S6)는 모두 턴 오프 된다. 이로써 부스트 역률 보정부(314)의 제 3 레그(346)가 스위치(Q7)와 스위치(Q8) 사이의 노드로 연결된다. 여기에 더하여 부스트 역률 보정부(314)의 스위칭 소자(Q1)(Q3)(Q5)가 턴 온 된다.
도 6에서, 스위치(S5)가 턴 온 되고 스위치(S6)가 턴 오프 되면 단상 풀 브리지 인버터 타입 부스트 역률 보정부를 구현할 수 있다. 반대로, 스위치(S5)가 턴 오프 되고 스위치(S6)가 턴 온 되면 단상 풀 브리지 인버터 타입 부스트 역률 보정부만을 구현할 수 있다. 이와 같은 스위치 네트워크의 온/오프 조합에 의해, 도 6에 점선 화살표로 나타낸 경로를 따라 캐패시터(C1)가 충전된다. 또한 캐패시터(C1)의 충전 전압은 도 6에 실선 화살표로 나타낸 경로를 따라 부스트 역률 보정부(314) 및 컨버터(318)를 통해 고전압 배터리(102)를 충전한다. 이와 같은 스위치 네트워크의 온/오프 조합을 통해 북미의 240V 단상 교류 전원(EVSE) 또는 유럽 및 한국의 220V 단상 교류 전원에 대응할 수 있다.
도 7은 유럽 지역의 120V 단상 교류 전원(ICCB)에 대응하기 위한 스위치 네트워크의 온/오프 조합을 나타낸 도면이다. ICCB는 전기 자동차를 충전하기 위한 가정용 충전기(In Cable Control Box)이다.
도 7의 경우, 스위치 네트워크를 구성하는 각 스위치들의 온/오프 조합은 다음과 같다.
S1 : ON, S2 : OFF, S4 : ON, S5 : OFF, S6 : ON, S7 : ON
BS1 : ON, BS2 : ON, BS3 : ON
스위치(S1)는 턴 온 되어 중성선(N)이 EMI 필터(322)에 연결된다. 이로써 교류 전력 입력 라인(L1)과 중성선(N)을 통해 단상 대칭 교류 전력이 입력될 수 있다. 스위치(S2)는 턴 오프 되고 스위치(S6)는 턴 온 된다. 이로써 부스트 역률 보정부(314)의 제 3 레그(346)가 스위치(Q7)와 스위치(Q8) 사이의 노드로 연결되고, 턴 온 된 스위치(S6)를 통해 고전압 배터리(102)의 (+) 단자까지 연결된다. 여기에 더하여 부스트 역률 보정부(314)의 스위칭 소자(Q1)(Q3)(Q5)가 턴 온 된다.
도 7에서, 스위치(S5)가 턴 온 되고 스위치(S6)가 턴 오프 되면 단상 풀 브리지 인버터 타입 부스트 역률 보정부 및 하프 브리지 벅 컨버터를 구현할 수 있다. 이와 달리 스위치(S5) 및 스위치(S6)가 모두 턴 오프 되면 단상 풀 브리지 인버터 타입 부스트 역률 보정부만을 구현할 수 있다. 이와 같은 스위치 네트워크의 온/오프 조합에 의해, 도 7에 점선 화살표로 나타낸 경로를 따라 캐패시터(C1)가 충전된다. 또한 캐패시터(C1)의 충전 전압은 도 7에 실선 화살표로 나타낸 경로를 따라 부스트 역률 보정부(314) 및 컨버터(318)를 통해 고전압 배터리(102)를 충전한다. 이와 같은 스위치 네트워크의 온/오프 조합을 통해 단상 풀 브리지 인버터 타입 부스트 역률 보정부 및 하프 브리지 벅 컨버터를 구현함으로써 유럽 지역의 120V 단상 교류 전원(ICCB)에 대응할 수 있다.
도 8은 유럽의 380V 3상 교류 전원에 대응하기 위한 스위치 네트워크의 온/오프 조합을 나타낸 도면이다.
도 8의 경우, 스위치 네트워크를 구성하는 각 스위치들의 온/오프 조합은 다음과 같다.
S1 : OFF, S2 : OFF, S4 : ON, S5 : OFF, S6 : OFF, S7 : ON
BS1 : ON, BS2 : ON, BS3 : ON
스위치(S1)는 턴 오프 되어 교류 전력 입력 라인(L2)이 EMI 필터(322)에 연결된다. 이로써 교류 전력 입력 라인(L1)(L2) 및 중성선(N)을 통해 3상 교류 전력이 입력될 수 있다. 스위치(S2)(S6)는 모두 턴 오프 된다. 이로써 부스트 역률 보정부(314)의 제 3 레그(346)가 스위치(Q7)와 스위치(Q8) 사이의 노드로 연결된다. 여기에 더하여 부스트 역률 보정부(314)의 스위칭 소자(Q1)(Q3)(Q5)가 턴 온 된다.
도 8에서, 스위치(S2)가 턴 온 되면 2상 부스트 역률 보정부 및 하프 브리지 벅 컨버터를 구현할 수 있다. 이와 달리 스위치(S2)가 턴 오프 되면 2상 부스트 역률 보정부 또는 3-레그 부스트 역률 보정부를 구현할 수 있다. 이와 같은 스위치 네트워크의 온/오프 조합에 의해, 도 8에 점선 화살표로 나타낸 경로를 따라 캐패시터(C1)가 충전된다. 또한 캐패시터(C1)의 충전 전압은 도 6에 실선 화살표로 나타낸 경로를 따라 부스트 역률 보정부(314) 및 컨버터(318)를 통해 고전압 배터리(102)를 충전한다. 이와 같은 스위치 네트워크의 온/오프 조합을 통해 유럽의 380V 3상 교류 전원에 대응할 수 있다. 도 8의 충전 장치에서, 스위치(S5)가 턴 온 되면 3상 부스트 회로로 동작할 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 차량 탑재 충전기의 제 1 변형 실시 예를 나타낸 도면이다.
도 9에 나타낸 제 1 변형 실시 예의 차량 탑재 충전기(202A)는 단상 교류 전원 전용으로서, 하나의 교류 전력 입력 라인(L1)과 중성선(N), 그라운드(G)만을 포함하고, 도 3의 스위치(S2)는 포함하지 않는다. 이로써 교류 전력 입력 라인(L1)과 중성선(N), 그라운드(G)만을 통해 단상 교류 전력만이 입력될 수 있다. 이 경우 도 3의 스위치(S2)는 필요치 않다. 만약 완속 충전기(150)가 단상 교류 전력만을 공급하는 경우라면, 도 9에 나타낸 것처럼 차량 탑재 충전기(202A)를 구성함으로써 구조를 더 작고 단순하게 구현할 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 차량 탑재 충전기의 제 2 변형 실시 예를 나타낸 도면이다.
도 10에 나타낸 제 2 변형 실시 예의 차량 탑재 충전기(202B)는 3상 교류 전원에 대응하기 위한 구조로서, 특히 다단 승압이 불필요한 경우에 적용할 수 있는 구조를 갖는다. 이를 위해 도 10의 차량 탑재 충전기(202B)는 도 3의 스위칭 소자(Q8)를 포함하지 않는다. 즉, 스위칭 소자(Q7)(Q8) 가운데 스위칭 소자(Q7)만이 캐패시터(C2)의 일단과 레그(346) 사이에 연결된다. 만약 완속 충전기(150)가 3상 교류 전력만을 공급하고 특히 다단 승압이 필요치 않은 경우라면, 도 10에 나타낸 것처럼 차량 탑재 충전기(202B)를 구성함으로써 구조를 더 작고 단순하게 구현할 수 있다.
위의 설명은 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서 위에 개시된 실시 예 및 첨부된 도면들은 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예 및 첨부된 도면에 의하여 기술적 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 그 보호 범위는 아래의 청구 범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 전기 자동차
104 : 충전 소켓
150 : 완속 충전기
152 : 충전 커넥터
210 : 제어부
202 : 차량 탑재 충전기
312 : 입력부
314 : 부스트 역률 보정부
316 : 파워 릴레이 회로부
318 : 컨버터
322 : EMI 필터

Claims (17)

  1. 단상 교류 전력과 다상 교류 전력 가운데 적어도 하나의 입력 교류 전력이 입력되는 교류 전력 입력단과;
    상기 교류 전력 입력단을 통해 상기 입력 교류 전력이 입력되는 단일의 3-레그 하프 브리지 회로를 포함하는 역률 보정부와;
    상기 역률 보정부를 통해 충전되는 링크 캐패시터와;
    상기 링크 캐패시터와 배터리 사이에 연결되는 컨버터와;
    상기 교류 전력 입력단을 구성하는 교류 전력 입력 라인과 중성선 가운데 어느 하나와 상기 역률 보정부를 연결하도록 마련되는 제 1 스위치(S1)와, 상기 교류 전력 입력단과 상기 역률 보정부, 상기 링크 캐패시터를 선택적으로 연결하도록 마련되는 적어도 하나의 제 2 스위치(S2)(S3)(S4)(S5)(S6)(S7)를 포함하는 스위치 네트워크와;
    상기 교류 전력 입력단을 통해 입력되는 입력 교류 전력의 조건에 따라 상기 역률 보정부와 상기 스위치 네트워크를 제어하도록 마련되는 제어부를 포함하는 전기 자동차의 충전 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 스위치(S1)는 상기 교류 전력 입력단에 마련되어 상기 입력 교류 전력의 다상 및 단상의 조건에 대응하도록 온/오프 제어되는 전기 자동차의 충전 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제 2 스위치는 상기 교류 전력 입력단과 상기 역률 보정부 사이에 마련되는 제 3 스위치(S2)를 포함하는 전기 자동차의 충전 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 스위치 네트워크는,
    상기 역률 보정부와 상기 링크 캐패시터 사이에 마련되는 제 4 스위치(S4)를 더 포함하는 전기 자동차의 충전 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 스위치 네트워크는,
    상기 링크 캐패시터의 양단과 상기 컨버터의 양단 사이에 각각 제 5 스위치(S5) 및 제 6 스위치(S7)를 더 포함하는 전기 자동차의 충전 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 컨버터는,
    직렬 연결되는 두 개의 스위칭 소자를 포함하고, 상기 두 개의 스위칭 소자의 연결 점이 상기 역률 보정부의 적어도 하나의 레그에 연결되며, 상기 연결점과 상기 배터리의 일단 사이에 제 7 스위치(S6)가 마련되는 전기 자동차의 충전 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 역률 보정부와 상기 스위치 네트워크, 인버터의 제어를 통해 상기 역률 보정부를 복수의 서로 다른 형태의 컨버터로 전환하여 상기 입력 교류 전력의 조건에 대응하는 전기 자동차의 충전 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 입력 교류 전력의 조건은 상기 입력 교류 전력의 다상 및 단상의 조건을 포함하는 전기 자동차의 충전 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 입력 교류 전력의 조건은 상기 입력 교류 전력의 대칭 및 비대칭의 전원 조건을 포함하는 전기 자동차의 충전 장치.
  10. 단상 교류 전력과 다상 교류 전력 가운데 적어도 하나의 입력 교류 전력이 입력되는 교류 전력 입력단과;
    상기 교류 전력 입력단을 통해 상기 입력 교류 전력이 입력되는 단일의 3-레그 하프 브리지 회로를 포함하는 역률 보정부와;
    상기 역률 보정부를 통해 충전되는 링크 캐패시터와;
    상기 링크 캐패시터와 배터리 사이에 연결되는 컨버터와;
    상기 교류 전력 입력단을 구성하는 교류 전력 입력 라인과 중성선 가운데 어느 하나와 상기 역률 보정부를 연결하도록 마련되는 제 1 스위치(S1)와, 상기 교류 전력 입력단과 상기 역률 보정부, 상기 링크 캐패시터를 선택적으로 연결하도록 마련되는 적어도 하나의 제 2 스위치(S2)(S3)(S4)(S5)(S6)(S7)를 포함하는 스위치 네트워크와;
    상기 교류 전력 입력단을 통해 입력되는 입력 교류 전력의 조건에 따라 상기 역률 보정부와 상기 스위치 네트워크를 제어하도록 마련되는 제어부를 포함하되,
    상기 스위치 네트워크는,
    상기 교류 전력 입력단에 마련되어 상기 입력 교류 전력의 다상 및 단상의 조건에 대응하도록 온/오프 제어되는 제 1 스위치(S1)와;
    상기 교류 전력 입력단과 상기 역률 보정부 사이에 마련되는 제 2 스위치(S2)를 더 포함하는 전기 자동차의 충전 장치.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 스위치 네트워크는,
    상기 역률 보정부와 상기 링크 캐패시터 사이에 마련되는 제 4 스위치(S4)를 더 포함하는 전기 자동차의 충전 장치.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 스위치 네트워크는,
    상기 링크 캐패시터의 양단과 상기 컨버터의 양단 사이에 각각 제 5 스위치(S5) 및 제 6 스위치(S7)를 더 포함하는 전기 자동차의 충전 장치.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 컨버터는,
    직렬 연결되는 두 개의 스위칭 소자를 포함하고, 상기 두 개의 스위칭 소자의 연결 점이 상기 역률 보정부의 적어도 하나의 레그에 연결되며, 상기 연결점과 상기 배터리의 일단 사이에 제 7 스위치(S6)가 마련되는 전기 자동차의 충전 장치.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 역률 보정부와 상기 스위치 네트워크, 인버터의 제어를 통해 상기 역률 보정부를 복수의 서로 다른 형태의 컨버터로 전환하여 상기 입력 교류 전력의 조건에 대응하는 전기 자동차의 충전 장치.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 입력 교류 전력의 조건은 상기 입력 교류 전력의 다상 및 단상의 조건을 포함하는 전기 자동차의 충전 장치.
  16. 제 10 항에 있어서,
    제 상기 입력 교류 전력의 조건은 상기 입력 교류 전력의 대칭 및 비대칭의 전원 조건을 포함하는 전기 자동차의 충전 장치.
  17. 단상 교류 전력과 다상 교류 전력 가운데 적어도 하나의 입력 교류 전력이 입력되는 교류 전력 입력단과;
    상기 교류 전력 입력단을 통해 상기 입력 교류 전력이 입력되는 단일의 3-레그 하프 브리지 회로를 포함하는 역률 보정부와;
    상기 역률 보정부를 통해 충전되는 링크 캐패시터와;
    상기 링크 캐패시터와 배터리 사이에 마련되고, 직렬 연결되는 두 개의 스위칭 소자를 포함하고, 상기 두 개의 스위칭 소자의 연결 점이 상기 역률 보정부의 적어도 하나의 레그에 연결되며, 상기 연결점과 상기 배터리의 일단 사이에 제 7 스위치(S6)가 마련되는 컨버터와;
    상기 교류 전력 입력단을 구성하는 교류 전력 입력 라인과 중성선 가운데 어느 하나와 상기 역률 보정부를 연결하도록 마련되는 제 1 스위치(S1)와, 상기 교류 전력 입력단과 상기 역률 보정부, 상기 링크 캐패시터를 선택적으로 연결하도록 마련되는 적어도 하나의 제 2 스위치(S2)(S3)(S4)(S5)(S6)(S7)를 포함하는 스위치 네트워크와;
    상기 교류 전력 입력단을 통해 입력되는 입력 교류 전력의 조건에 따라 상기 역률 보정부와 상기 스위치 네트워크를 제어하도록 마련되는 제어부를 포함하는 전기 자동차의 충전 장치.
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