KR102529205B1 - 반도체 변압기 전력 공급 구조의 전기 자동차 충전 시스템 - Google Patents

반도체 변압기 전력 공급 구조의 전기 자동차 충전 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 변압기 전력 공급 구조의 전기 자동차 충전 시스템에 관한 것이다. 반도체 변압기 전력 공급 구조의 전기 자동차 충전 시스템은 지능형 반도체 변압기형 전력 공급 모듈(11)로부터 직류 전력을 전송을 받는 SST(Solid State Transformer) 출력 조절 모듈(12); SST 출력 조절 모듈(12)과 전기적으로 연결된 충전기 모듈(13) 또는 디스펜서 모듈(14)을 포함하고, SST 출력 모듈(12), 충전기 모듈(13) 또는 디스펜서 모듈(14)은 공급된 직류 전력을 미리 결정된 전압 수준으로 변환한다.

Description

반도체 변압기 전력 공급 구조의 전기 자동차 충전 시스템{A System for Charging an Electrical Vehicle Based on Supplying Power Structure Using a Solid State Transformer}
본 발명은 반도체 변압기 전력 공급 구조의 전기 자동차 충전 시스템에 관한 것이고, 구체적으로 교류 전기를 직류 전기로 변환하는 반도체 변압기로부터 공급되는 직류 전기로 충전기를 통하여 전기 자동차를 충전시키는 반도체 변압기 전력 공급 구조의 전기 자동차 충전 시스템에 관한 것이다.
배터리로부터 공급되는 전력으로 구동되는 모터에 의하여 작동되는 전기 자동차의 운행을 위하여 배터리가 충전되어야 한다. 전기 자동차의 배터리는 예를 들어 교류 전원의 공급하여 전기 자동차에 설치된 OBC(On Board Charger)에서 직류로 변환하여 배터리를 충전시키는 완속 충전 방식 또는 직류 전기로 전기 배터리를 충전시키는 급속 충전 방식에 의하여 충전될 수 있다. 이와 같이 전기 자동차의 배터리는 직류 전기에 의하여 충전되어야 한다. 급속 충전의 경우 충전기에서 직류로 공급되지만 배전 과정에서 교류 전기가 직류 전기로 변환된 이후 전기 자동차의 배터리를 직접 충전시키는 구조를 가진다. 국제공개번호 WO 2010/099135는 고전압 배터리(high voltage battery)를 충전시키기 위하여 고주파 변압기(high frequency transformer)를 탑재하여 전기적 저전압원(low voltage source)으로부터의 저전압 신호(low voltage signal)를 고전압 신호(high voltage signal)로 변환시키는 충전 시스템에 대하여 개시한다. 특허공개번호 10-2018-0112993은 배전 선로에 연계된 변압기의 부하량에 기초한 전주에 설치된 전기차 충전 장치, 전기차 충전 시스템 및 전주에 설치된 전기차 충전 장치 제어 방법에 대하여 개시한다. 선행기술은 공급되는 전력을 변압시켜 전기 자동차를 충전시키는 방법에 대하여 개시하지만 직류 전기에 의하여 직접 전기 자동차를 충전시키는 방법에 대하여 개시하지 않는다.
본 발명은 선행기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로 아래와 같은 목적을 가진다.
선행기술1: 국제공개번호 WO 2010/099135(아메리칸 액슬 앤드 메뉴팩처링, 2010.09.02. 공개) 하이브리드 전기 자동차 배터리 충전을 위한 고주파 변압기의 사용 선행기술2: 특허공개번호 10-2018-0112993(한국전력공사, 2018.10.15. 공개) 배전선로에 연계된 변압기의 부하량에 기초한 전주에 설치된 전기차 충전 장치, 전기차 충전 시스템 및 전주에 설치된 전기차 충전 장치 제어 방법
본 발명의 목적은 직류 전기를 공급하는 반도체 변압기 전력 공급 구조에서 공급되는 직류 전기를 충전기를 통하여 전기 자동차의 배터리로 공급하여 충전시키는 반도체 변압기 전력 공급 구조의 전기 자동차 충전 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 적절한 실시 형태에 따르면, 반도체 변압기 전력 공급 구조의 전기 자동차 충전 시스템은 지능형 반도체 변압기형 전력 공급 모듈로부터 직류 전력을 전송을 받는 SST(Solid State Transformer) 출력 조절 모듈; SST 출력 조절 모듈과 전기적으로 연결된 충전기 모듈 또는 디스펜서 모듈을 포함하고, SST 출력 모듈, 충전기 모듈 또는 디스펜서 모듈은 공급된 직류 전력을 미리 결정된 전압 수준으로 변환한다.
본 발명의 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 지능형 반도체 변압기형 전력 공급 모듈은 하나의 입력 모듈을 통하여 입력된 AC 전력이 다수의 DC 전력으로 출력되는 구조가 된다.
본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 충전 전압을 미리 결정된 수준으로 조절하는 전압 조절 모듈을 더 포함한다.
본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, SST 출력 모듈 모듈은 DC 전력의 차단을 위한 차단 수단 및 계측 수단을 포함한다.
본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 충전 과정의 제어를 위한 충전 제어 모듈을 포함하고, 충전 제어 모듈은 차량 배터리의 충전 상태를 탐지하기 위하여 BMS(Batter Management System)의 충전 정보를 탐지한다.
본 발명에 따른 반도체 변압기 전력 공급 구조의 전기 자동차 충전 시스템은 직류 전기가 공급되는 배전 설비로부터 직류 전기를 직접 배터리로 공급하여 AC/DC의 변환에 따른 전류 손실이 감소되도록 한다. 본 발명에 따른 충전 시스템은 직류 공급 방식에 의하여 충전 구조가 전체적으로 간단해지도록 한다. 또한 본 발명에 따른 충전 시스템은 직류 공급 방식에 의하여 하나 또는 다수의 전기 자동차의 충전 시간이 감소되도록 하면서 다수의 전기 자동차에 대한 전력 배분이 효율적으로 이루어지도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 반도체 변압기 전력 공급 구조의 전기 자동차 충전 시스템의 실시 예를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 충전 시스템에 직류 전력을 공급하는 지능형 반도체 변압기 전력 공급 구조의 실시 예를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 충전 시스템에서 직류 전력이 충전기로 공급되는 구조의 실시 예를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 충전 시스템에서 전기 자동차가 충전되는 과정의 실시 예를 도시한 것이다.
아래에서 본 발명은 첨부된 도면에 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되지만 실시 예는 본 발명의 명확한 이해를 위한 것으로 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 아래의 설명에서 서로 다른 도면에서 동일한 도면 부호를 가지는 구성요소는 유사한 기능을 가지므로 발명의 이해를 위하여 필요하지 않는다면 반복하여 설명이 되지 않으며 공지의 구성요소는 간략하게 설명이 되거나 생략이 되지만 본 발명의 실시 예에서 제외되는 것으로 이해되지 않아야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 반도체 변압기 전력 공급 구조의 전기 자동차 충전 시스템의 실시 예를 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 반도체 변압기 전력 공급 구조의 전기 자동차 충전 시스템은 지능형 반도체 변압기형 전력 공급 모듈(11)로부터 직류 전력을 전송을 받는 SST(Solid State Transformer) 출력 조절 모듈(12); SST 출력 조절 모듈(12)과 전기적으로 연결된 충전기 모듈(13) 또는 디스펜서 모듈(14)을 포함하고, SST 출력 모듈(12), 충전기 모듈(13) 또는 디스펜서 모듈(14)은 공급된 직류 전력을 미리 결정된 전압 수준으로 변환한다.
지능형 반도체 변압기형 전력 공급 모듈(11)은 고주파 전력 변환 기술을 결합하여 전력 특성을 변환하는 전력 전자 변환 기술을 이용하여 전력 특성을 변환하여 전력을 공급하는 다양한 형태의 모듈이 될 수 있다. 지능형 반도체 변압기형 전력 공급 모듈(11)은 예를 들어 변압기 및 AC-DC 정류기를 포함할 수 있고, 직류 전력을 부하에 공급할 수 있다. 지능형 반도체 변압기형 전력 공급 모듈(11)은 교류 전력을 공급하는 수전 설비(ES)로부터 전송된 교류 전력을 반도체 직류 변압 모듈(112)에 의하여 직류 전류로 변환하는 기능을 가질 수 있다. 구체적으로 개폐 장치(Circuit Breaker)(111a) 및 계기용 변성기(Metering of Fit: MOF)를 통하여 반도체 직류 변압 모듈(112)로 유입되어 변압 및 정류가 되어 직류 전력으로 변환될 수 있다. 이와 같이 변환된 직류 전력은 개폐 장치(113)를 경유하여 부하로 전송될 수 있다. SST 출력 조절 모듈(12)은 지능형 반도체 변압기형 전력 공급 모듈(11)로부터 전력 공급을 받아 충전기(13, 13a 내지 13n)를 통하여 전기 자동차의 배터리를 충전시킬 수 있는 직류 전류를 조절하는 기능을 가질 수 있다. 고전압 또는 중전압을 가지는 교류 전력이 지능형 반도체 변압기형 전력 공급 모듈(11)에 의하여 저전압 직류 전력으로 변환될 수 있고, 저전압 직류 전력은 SST 출력 조절 모듈(12)에 의하여 전기 자동차 배터리의 충전이 가능한 직류 전압 또는 직류 전류로 조절될 수 있다. 예를 들어 SST 출력 조절 모듈(12)은 반도체 변압기와 같은 전압 변환 수단, 정전압 또는 정전류 수단 또는 리플(ripple) 방지 수단과 같은 배터리 충전을 위한 다양한 소자 또는 회로를 포함할 수 있다. 예를 들어 SST 출력 조절 모듈(12)은 DC 1,500 V, DC 750 V 또는 DC 380 V의 전압 조건으로 충전기(13, 13a 내지 13n)가 충전되도록 전압을 조절하면서 정전압 회로에 의하여 정해진 전압 조건이 유지되도록 할 수 있다. 또한 예를 들어 외부 열 또는 작동 열로 인하여 발생될 수 있는 리플(ripple)이 방지되도록 할 수 있다. SST 출력 조절 모듈(12)은 이와 같이 전력 공급 모듈(11)로부터 전송된 예를 들어 수십 또는 수 KV의 직류 전력을 직접 수신하거나, 배전 설비를 통하여 낮추어진 상태로 수신하여 전기 자동차 배터리의 충전에 적합한 직류 전압으로 변환하여 충전기(13) 또는 디스펜서 모듈(14)에 공급할 수 있다. 디스펜서 모듈(14)은 적어도 하나의 충전기(13a 내지 13n)가 연결될 수 있고, 각각의, 충전기(13a 내지 13n)에 의하여 전기 자동차(EV)의 배터리가 충전될 수 있다. 선택적으로 하나의 충전기(13)에 다수 개의 디스펜서(14a 내지 14m)가 연결되고, 각각의 디스펜서(14a 내지 14m)에 의하여 전기 자동차(EV)의 배터리가 충전될 수 있다. 충전기(13, 13a 내지 13n)는 전기 자동차에 내장된 배터리를 충전시킬 수 있는 다양한 구조를 가질 수 있고 이에 의하여 본 발명은 제한되지 않는다. 위에서 설명된 것처럼, 반도체 직류 변압 모듈(112)은 변압기와 정류기를 포함하는 반도체 변압기를 포함할 수 있고, SST 출력 조절 모듈(12)이 또한 선택적으로 반도체 변압기를 포함할 수 있다. 아래에서 이와 같은 반도체 변압기의 실시 예에 대하여 설명된다.
도 2는 본 발명에 따른 충전 시스템에 직류 전력을 공급하는 지능형 반도체 변압기 전력 공급 구조의 실시 예를 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, 지능형 반도체 변환 모듈(SST 모듈)은 입력된 AC 전력을 DC 전력으로 변환하는 AC/DC 정류 모듈(AC/DC); DC 전력을 DC 전력으로 변압하는 DC/DC 모듈(DC/DC) 및 변환된 DC 전력의 출력을 조절하는 출력 조절 모듈(V-out)로 이루어질 수 있다. 수전 설비로부터 교류 전력(V_in)이 입력될 수 있고, SST 모듈은 다수 개의 서브 모듈로 이루어질 수 있고, 서로 다른 서브 모듈은 H-브리지(bridge) 연결과 같은 방식으로 전기적으로 연결될 수 있다. 각각의 서브 모듈은 서브 AC/DC 정류 모듈(AC/DC); 서브 DC/DC 모듈(DC/DC) 및 서브 출력 조절 모듈((V-out)을 포함할 수 있다. 서브 AC/DC 정류 모듈(AC/DC)은 다이오드와 반도체 스위치로 이루어진 정류 회로(21a, 21b); 및 커패시터 또는 가변 커패시터가 서로 연결되어 전압을 조절하면서 리플을 제거하는 정류 안정 회로(22a)를 포함할 수 있다. 서브 DC/DC 모듈(DC/DC)은 다이오드 및 반도체 스위치 소자를 포함하는 스위치 회로(23a, 23b); 커패시터 또는 제1 변환 코일을 포함하는 변환 입력 회로(25a, 25b); 및 변환 입력 회로(25a, 25b)의 전력을 변환시키는 출력 변환 회로(26a, 26b)를 포함한다. 그리고 서브 출력 조절 모듈(V_out)은 적어도 하나의 커패시터를 포함하는 전압 조절 회로(27a, 27b); 및 가변 커패시터를 포함하는 출력 안정 회로(28a, 28b)를 포함할 수 있다. 하나의 변환 입력 회로(25a, 26b)에 적어도 하나의 출력 변환 회로(26a, 26b)가 병렬로 연결될 수 있다. 이와 같은 SST 모듈 구조에서 예를 들어 22.9 kV/AC의 교류 전력(V_in)이 1,500 V/DC, 750 V/DC 또는 380 V/DC의 출력 전력(Vo11 내지 Vo23)으로 변환될 수 있고, 서로 다른 출력 단자는 서로 다른 출력 전압을 가질 수 있다. SST 모듈은 다양한 구조로 형성될 수 있고 제시된 실시 예에 제한되지 않는다.
도 3은 본 발명에 따른 충전 시스템에서 직류 전력이 충전기로 공급되는 구조의 실시 예를 도시한 것이다.
도 3을 참조하면, SST 그리드(Grid) 망(31)으로부터 직류 전류가 공급될 수 있고, SST 출력 모듈(32)은 공급된 직류 전류를 전기 자동차의 충전이 가능한 형태로 변환 또는 조절하는 기능을 가질 수 있다. SST 출력 모듈(32)은 위에서 설명된 반도체 변환 모듈을 포함할 수 있고, SST 그리드 망(31)으로부터 직류 전류가 공급되는 경우 AC/DC 정류 모듈이 제거된 구조를 가질 수 있다. SST 출력 모듈(32)은 예를 들어 정전압 회로 또는 안정화 회로를 포함할 수 있다. 충전기로 직류 전력을 공급하는 과정에서 다양한 원인으로 발생되는 리플(ripple) 또는 요동(fluctuation)이 리플 제거 모듈(33)에 의하여 제거될 수 있고, 리플 제거 모듈(33)은 예를 들어 보상 회로 또는 가변 커패시터 회로를 포함할 수 있다. 충전을 위하여 전류가 제어되면서 전압 상태가 감시될 필요가 있고, 전류 제어 및 전압 감시가 전류 제어 모듈(34) 및 전압 감시 모듈(35)에 의하여 조절될 수 있다. 그리고 충전 조절 모듈(36)에 의하여 전기 자동차의 배터리의 충전이 조절될 수 있다. 아래에서 이와 같이 직류 전압에 의하여 전기 자동차의 배터리의 충전이 조절되는 과정에 대하여 설명된다.
도 4는 본 발명에 따른 충전 시스템에서 전기 자동차가 충전되는 과정의 실시 예를 도시한 것이다.
도 4를 참조하면, SST 출력 모듈(32)은 DC 전력의 차단을 위한 차단 수단(42a) 및 계측 수단(42b)을 포함한다. 또한 충전 시스템은 충전 과정의 제어를 위한 충전 제어 모듈(41)을 포함하고, 충전 제어 모듈(41)은 차량 배터리(48)의 충전 상태를 탐지하기 위하여 BMS(Batter Management System)의 충전 정보를 탐지한다. 대안으로 충전기(47_1 내지 47_N)에 통신 수단이 설치되어 차량 배터리(48)의 상태가 탐지될 수 있다. 예를 들어 통신 수단과 BMS(49) 또는 다른 충전을 관리하는 관리 수단의 통신(CM)을 통하여 차량 배터리(48)의 상태가 탐지될 수 있다. SST 출력 모듈(32)로부터 직류 전력이 공급될 수 있고, 개폐기와 같은 차단 수단(32a)을 통하여 충전기(47_1 내지 47_N)로 전송될 수 있다. 예를 들어 계기용 변성기(MOF)와 같은 계측 수단(42b)에 의하여 공급되는 전력량이 측정될 수 있다. 차량 배터리(48)에 충전을 위하여 공급되어야 하는 전류가 전류 제어 유닛(43)에 의하여 제어될 수 있고, 공급 전압이 전압 선택 유닛(44)에 의하여 선택될 수 있다. 하나의 SST 출력 모듈(32)에 다수 개의 충전기(47_1 내지 47_N)이 연결될 수 있고, 각각의 충전기(47_1 내지 47_N)에 공급되어야 하는 전류가 배분 모듈(45)에 의하여 결정될 수 있다. 또한 각각의 충전기(47_1 내지 47_N)로 충전되는 전력량이 계측 기기(46)에 의하여 계측되어 요금이 산정될 수 있다. 차량 배터리(48)로 직접 전류가 공급되어 충전이 되므로 차량 배터리(48)의 충전 양 또는 차량 배터리의 상태가 탐지될 필요가 있고, 차량 배터리(48)는 BMS(Battery Management System)(49)에 의하여 관리가 되므로 차량 배터리(48)의 충전 상태 또는 관련 정보가 BMS(49)를 통하여 획득될 수 있다. 충전 제어 모듈(41)은 BMS(49)와 직접적으로 또는 간접적으로 통신할 수 있는 통신 수단(411)을 포함할 수 있고, 통신 수단(411)을 통하여 차량 배터리(48)의 충전 상태 또는 차량 배터리(48)와 관련된 정보를 획득하고 이에 기초하여 차량 배터리(48)의 충전을 제어할 수 있다. SST 출력 모듈(32)에 의한 차량 배터리(48)의 충전은 다양한 방법으로 이루어질 수 있고 제시된 실시 예에 제한되지 않는다.
위에서 본 발명은 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되었지만 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 제시된 실시 예를 참조하여 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형 및 수정 발명을 만들 수 있을 것이다. 본 발명은 이와 같은 변형 및 수정 발명에 의하여 제한되지 않으며 다만 아래에 첨부된 청구범위에 의하여 제한된다.
11: 전력 공급 모듈 12: SST 출력 조절 모듈
13: 충전기 모듈 14: 디스펜서 모듈
35: 전압 조절 모듈 41: 충전 제어 모듈
42a: 차단 수단 42b: 계측 수단
48: 차량 배터리 49: BMS

Claims (5)

  1. 지능형 반도체 변압기형 전력 공급 모듈(11)로부터 직류 전력을 전송을 받는 SST(Solid State Transformer) 출력 조절 모듈(12);
    SST 출력 조절 모듈(12)과 전기적으로 연결된 충전기 모듈(13) 또는 디스펜서 모듈(14)을 포함하고,
    SST 출력 모듈(12), 충전기 모듈(13) 또는 디스펜서 모듈(14)은 공급된 직류 전력을 미리 결정된 전압 수준으로 변환하고,
    지능형 반도체 변압기형 전력 공급 모듈(11)은 하나의 입력 모듈을 통하여 입력된 AC 전력이 다수의 DC 전력으로 출력되는 구조가 되도록 서브 AC/DC 정류 모듈(AC/DC); 서브 DC/DC 모듈(DC/DC) 및 서브 출력 조절 모듈(V-out)을 각각 포함하는 다수 개의 서브 모듈로 이루어지고,
    서브 AC/DC 정류 모듈(AC/DC)은 다이오드와 반도체 스위치로 이루어진 정류 회로(21a, 21b); 및 커패시터 또는 가변 커패시터가 서로 연결되어 전압을 조절하면서 리플을 제거하는 정류 안정 회로(22a)를 포함하고,
    서브 DC/DC 모듈(DC/DC)은 다이오드 및 반도체 스위치 소자를 포함하는 스위치 회로(23a, 23b); 커패시터 또는 제1 변환 코일을 포함하는 변환 입력 회로(25a, 25b); 및 변환 입력 회로(25a, 25b)의 전력을 변환시키는 출력 변환 회로(26a, 26b)를 포함하고,
    서브 출력 조절 모듈(V_out)은 적어도 하나의 커패시터를 포함하는 전압 조절 회로(27a, 27b); 및 가변 커패시터를 포함하는 출력 안정 회로(28a, 28b)를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 변압기 전력 공급 구조의 전기 자동차 충전 시스템.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서, 충전 전압을 미리 결정된 수준으로 조절하는 전압 조절 모듈(35)을 더 포함하는 반도체 변압기 전력 공급 구조의 전기 자동차 충전 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서, SST 출력 모듈 모듈(12)은 DC 전력의 차단을 위한 차단 수단(42a) 및 계측 수단(42b)을 포함하는 반도체 변압기 전력 공급 구조의 전기 자동차 충전 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서, 충전 과정의 제어를 위한 충전 제어 모듈(41)을 포함하고, 충전 제어 모듈(41)은 차량 배터리(48)의 충전 상태를 탐지하기 위하여 BMS(Batter Management System)의 충전 정보를 탐지하는 것을 특징으로 하는 반도체 변압기 전력 공급 구조의 전기 자동차 충전 시스템.
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