KR102564793B1 - 모듈형 전기차 충전기 및 충전 방법 - Google Patents

모듈형 전기차 충전기 및 충전 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 전기차 충전기는, 전력계통으로부터 공급되는 전력을 변환하여 전기차에 공급하는 복수의 모듈, 전기차 통신부와 페어링 연결되어 데이터를 송수신하는 충전기 통신부, 충전기 통신부에 수신된 데이터에 기반해, 상기 모듈을 동작시키는 지령을 하달하는 제어부를 포함할 수 있고, 복수의 모듈은 전기차 충전시 전기차에 병렬로 연결될 수 있으며, 복수의 모듈은 서로 다른 용량을 가질 수 있다.
본 발명의 전기차 충전 방법은, 전기차가 페어링된 전기차 충전기로 충전을 요청하는 단계인 요청 단계, 제어부가 전기차 통신부로부터 전송받은 요청 데이터에 기반해 전기차에 공급할 충전 전력을 산출하는 산출 단계, 산출 단계에서 계산된 충전 전력 및 기준 전력을 상호 비교하는 비교 단계, 제어부가 상기 산출 단계의 비교에 의해 온/오프할 모듈을 결정하는 분배 단계, 요청 단계, 산출 단계, 비교 단계, 및 분배 단계를 반복 수행하는 반복 단계를 포함할 수 있고, 복수의 모듈은 전기차 충전시 전기차에 병렬로 연결될 수 있으며, 복수의 모듈은 서로 다른 용량을 가질 수 있다.

Description

모듈형 전기차 충전기 및 충전 방법{Modular type EV charging device and EV charging method}
본 발명은 전기차를 충전시키는 전기차 충전기의 전력 변환기가 모듈 방식으로 구비되는 충전기 및 충전 방법에 대한 것이다.
전기차로부터 충전기에 요구하는 전력량은 전기차 배터리의 충전 잔량(State of Charge: SoC)에 따라 달라질 수 있고, 배터리의 충전 잔량이 적게 남았을 때는 요청하는 전력량이 증가하고, 반대로 배터리의 충전 잔량이 많이 남았을 때는 요청하는 전력량이 감소할 수 있다.
즉, 충전기는 전기차 상황에 따라 요청되는 전력이 변동할 수 있다. 이에 따라 전기차의 요청 전력이 충전기의 출력 전력보다 상당히 하회하는 경부하 구간에서는 충전기의 효율이 낮아지고, 충전기의 용량에 비례한 일정 용량 이상의 충전량이 요구되는 중부하 이상의 구간에서는 충전기의 효율이 높아질 수 있다.
단일형 전력 변환기의 충전기는, 충전 상황 또는 충전 후반부의 충전 방식 등에 의해, 전체 충전 프로파일동안 경부하 구간이 존재하게되므로 낮은 효율의 충전을 진행하게되고, 이것은 충전기 시스템 전체의 효율 감소로 이어질 수 있다.
본 발명은, 모듈형 전력 변환기(이하 모듈로 지칭함)가 마련된 전기차 충전기로서, 전기차에서 요구하는 충전 요구량이 적은 구간에서는 그에 대응하여 일부 모듈를 온/오프하여 운영되는 모듈의 개수를 변동함으로써 전기차 충전기의 효율을 극대화할 수 있다.
본 발명의 전기차 충전기는, 전력계통으로부터 공급되는 전력을 변환하여 전기차에 공급하는 복수의 모듈, 전기차 통신부와 페어링 연결되어 데이터를 송수신하는 충전기 통신부, 충전기 통신부에 수신된 데이터에 기반해, 상기 모듈을 동작시키는 지령을 하달하는 제어부를 포함할 수 있고, 복수의 모듈은 전기차 충전시 전기차에 병렬로 연결될 수 있으며, 복수의 모듈은 서로 다른 용량을 가질 수 있다.
본 발명의 복수의 모듈은 2의 제곱의 수의 용량을 가지도록 구성될 수 있고, 설정된 전체 충전 전력 범위를 1kW 를 포함하는 단위 전력별로 상기 모듈의 on/off 를 통해 조절가능할 수 있다.
본 발명의 전기차 충전 방법은, 전기차가 페어링된 전기차 충전기로 충전을 요청하는 단계인 요청 단계, 제어부가 전기차 통신부로부터 전송받은 요청 데이터에 기반해 전기차에 공급할 충전 전력을 산출하는 산출 단계, 산출 단계에서 계산된 충전 전력 및 기준 전력을 상호 비교하는 비교 단계, 제어부가 상기 산출 단계의 비교에 의해 온/오프할 모듈을 결정하는 분배 단계, 요청 단계, 산출 단계, 비교 단계, 및 분배 단계를 반복 수행하는 반복 단계를 포함할 수 있고, 복수의 모듈은 전기차 충전시 전기차에 병렬로 연결될 수 있으며, 복수의 모듈은 서로 다른 용량을 가질 수 있다.
복수의 모듈형 전력 변환기의 충전기를 이용하는 경우에도, 복수의 병렬 연결된 모듈들이 전기차로부터 요구되는 충전 부하량을 고르게 나누어 분담한다면, 여전히 적어도 일부의 모듈은 자신이 가진 전력 용량 전체를 이용하지 못할 수 있다. 이는 단일형 전력 변환기의 충전기에서의 저효율의 문제가 반복 발생할 수 있다.
따라서, 본 발명은 전기차에서 요구하는 충전 요구량이 적은 구간에서는 그에 대응하여 일부 모듈을 온 또는 오프 시킴으로써, 충전기를 전체 충전 시간동안 중부하 구간 이상의 고효율로 운영할 수 있다.
또한, 복수 모듈의 용량을 다르게 구성한다면, 충전 전력의 실시간 변동에도 더욱 정밀하게 대처하여 복수 모듈로 운영하는 전기차 충전기의 효율을 극대화할 수 있다.
특히, 모듈의 용량을 2의 제곱의 수로 구성하면 1 kW 단위로 모든 출력을 커버할 수 있다. 따라서, 필요없는 전력변환기는 끄고, 필요한 전력환기는 최대출력으로 이용하여 효율을 극대화할 수 있다.
본 발명의 밴딩부는, 기준 전력 근처에서 충전이 지속되는 경우 발생하는 채터링 문제를 방지하기 위한 히스테리시스 밴드를 형성할 수 있다.
본 발명의 카운팅부는, 온/오프 동작하는 모듈의 부하 스트레스가 치우치는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 전기차 충전기의 설명도이다.
도 2는 본 발명의 전기차 충전 방법의 흐름도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 복수의 모듈이 2의 제곱수로 마련되는 일 실시 예에 대한 표이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 복수의 모듈이 동일한 용량을 가지는 다른 실시 예에 대한 충전 방법 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 산출 단계에서 프로파일부에 대한 설명도이다.
도 8은 본 발명의 충전 프로파일에 대한 것이다.
도 9는 본 발명의 밴딩부에 대한 설명도이다.
도 10은 본 발명의 적용/미적용 간의 효율을 비교한 그래프이다.
도 11은 본 발명의 카운팅부에 대한 설명도이다.
도 1 내지 도 11을 참조하여 본 발명의 전기차 충전기 및 전기차 충전 방법에 대해 설명한다.
도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 전기차 충전기의 구조 및 충전 방법에 대해 설명한다.
전력계통으로부터 공급된 전기는 전기차 충전기를 통해 전기차(10)에 공급될 수 있다. 충전기의 전력 변환기는 전력계통으로부터 공급받은 교류를 직류로 변환하여 전기차(10)에 공급할 수 있다. 이하 '모듈'은 복수로 마련된 전력 변환기를 의미할 수 있다.
본 발명의 전기차 충전기는 제어부(110), 카운팅부(130), 밴딩부(150), 및 프로파일부(170) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 제어부(110), 카운팅부(130), 밴딩부(150), 및 프로파일부(170) 중 적어도 일부는 전기차 충전기에 마련되거나, 별도의 서버에 구비될 수 있다.
충전 스테이션과 같이 복수의 충전기가 설치될 수 있는 공간에서는 전체적인 충전기 관리를 위해, 각 충전기와는 별도의 서버가 마련될 수 있다. 서버는, 충전기 또는 충전 스테이션의 위치와 인접한 곳에 위치할 수 있고, 복수의 충전 스테이션을 운영하는 사업자는 각 충전 스테이션과 상당한 거리가 이격된 곳에 위치할 수 있다.
프로파일부(170)는 전기차 충전기 또는 서버뿐 아니라 전기차(10)에 설치될 수 있다. 이는 프로파일부(170)에 의해 생성되는 충전 프로파일은, 전기차(10)가 생성하여 전기차 충전기에 요청될 수도 있고, 요청 데이터(D100)에 기반하여 전기차 충전기 또는 서버에서 생성될 수 있다.
전기차 충전기는 복수의 모듈(200) 및 전기차 통신부를 포함할 수 있다.
각 모듈은 AC 3상 (380V 60Hz) 전원을 이용하여 입력받을 수 있다. 모듈의 출력부인 DC 부는 병렬 연결되어 전기차에 연결될 수 있다.
전기차 통신부는 전기차 통신 컨트롤러(EVCC, Electric Vehicle Communication Controller)를 포함할 수 있다.
충전을 위해 충전기의 커넥터를 전기차(10)에 연결하는 등의 페어링을 통해 상호 통신 연결이 시작될 수 있다. 전기차(10) 및 충전기가 페어링 연결되면, 전기차와 관련된 데이터는 전기차 통신 컨트롤러로부터 충전기 통신부로 전송될 수 있다. 충전기 통신부는 충전기 통신 컨트롤러(SECC, Supply Equipment Communication Controller)를 포함할 수 있다.
제어부(110)는, 충전기 통신부로부터 전기차(10)에 대한 정보를 수신받을 수 있고, 각 모듈(200)에 지령을 하달하여 온/오프 등의 각 모듈(200)의 동작을 제어할 수 있다. 일 예로, 각 모듈(200)은 제어부(110)와 CAN 통신으로 연결될 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 전기차 충전 방법은, 요청 단계(S100), 산출 단계(S200), 비교 단계(S300), 분배 단계(S400), 및 반복 단계(S500) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
요청 단계(S100)는 전기차(10)가 페어링된 전기차 충전기로 충전을 요청하는 단계일 수 있다. 요청 단계(S100)에서, 전기차(10)로부터 충전기로 전기차(10)와 관련된 데이터가 전송될 수 있고, 전기차와 관련된 데이터는 요청 데이터(D100)를 포함할 수 있다.
요청 데이터(D100)는, 정격 전류와 정격 전압 등의 각 전기차 고유의 사양과 관련된 사양 데이터(D110), 및 급속/완속 충전의 충전 방식 선정 등을 포함하는 선택 데이터(D130)를 포함할 수 있다. 사양 데이터(D110)는 각 전기차의 고유의 특징으로 고정된 값일 수 있고, 선택 데이터(D130)는 운전자의 상황에 따라 가변되는 값일 수 있다.
산출 단계(S200)에서, 제어부(110)는 전기차 통신부로부터 전송받은 요청 데이터(D100)에 기반해 충전기에서 공급할 충전 전력을 산출할 수 있다. 제어부(110)는 전기차(10)에 의해 요청되거나 산출한 각 전기차(10)의 전압 및 전류를 이용해 충전 전력을 산출할 수 있다. 충전 전력은 전기차(10) 및 충전기가 페어링되는 동안 실시간으로 상호 통신되며 산출될 수 있다.
본 발명은, 전기차 충전기에 설치된 전력 변환기를 복수의 모듈(200)로 구성하는 것을 특징으로 하고, 모듈(200)의 각 용량을 조절함으로써 전기차 충전기의 효율을 개선하는 것을 그 목적으로 한다.
각 모듈(200)의 용량을 조절하는 것은, 모듈(200)을 모두 다른 용량으로 구성하는 제1 구성, 모든 모듈(200)을 동일한 용량으로 구성하는 제2 구성, 각 동일 또는 다른 용량을 가진 모듈(200)을 혼합하는 제3 구성을 포함할 수 있다.
충전기의 설치 위치 및 배치 상황에 따라 제1 구성 내지 제3 구성 중에 하나가 선택될 수 있다.
예를 들어, 제1 구성은 2의 제곱수의 용량을 가지는 모듈(200)을 포함할 수 있고, 제2 구성은 30 kW 모듈(200) 4개로 100 kW 급을 구성하는 것일 수 있으며, 제3 구성은 제1 구성 및 제2 구성의 혼합형일 수 있다.
제2 구성에 비해, 제1 구성은 1 kW 등의 단위 전력 당 모듈(200)의 온/오프 제어 대응이 가능하여 더욱 정밀한 운영이 가능할 수 있다.
제2 구성은 기준 전력(RP)에 의해 분할된 구간 내에서 모듈(200)의 부가적인 on/off 없이 유지되는 전력 범위가 발생할 수 있다. 이에 비해, 제1 구성에서는, 충전기의 전체 용량에 따라 구성되는 모듈(200)의 수에 따라 분별되는 구간이 발생할 뿐, 제2 구성와 같은 모듈(200)의 on/off 동작으로 제어가 안되는 범위는 발생하지 않는다.
또한, 제3 구성에 비해, 제1 구성은, 충전기 설치시 필요한 최소 대수의 모듈(200)로 구성될 수 있고, 충전기 운영에 필요한 최소 대수를 제공할 수 있다.
따라서, 제1 구성은 1 kW 등의 단위 전력 당 모든 충전 전력 범위에 대응가능하면서도 최소한의 모듈(200) 대수로 운영 가능할 수 있다.
제1 구성에 대해 도 3 및 도 4를 참조하여 먼저 설명하고, 제2 구성에 대해 도 5 내지 도 11을 참조하여 후술한다.
도 5 내지 도 11을 참조하여 후술되는 내용은 동일한 용량의 모듈(200)에 대한 것만 제외하면 제1 구성의 2의 제곱수로 구성되는 모듈(200)에 동일하게 적용될 수 있다. 예를 들어, 충전 프로파일(D200), 기준 전력(RP), 히스테리시스 밴드, 밴드 상한과 밴드 하한, 카운팅부(130), 밴딩부(150), 및 프로파일부(170)를 포함하는 내용은 전력 변환기가 복수의 모듈(200)로 구성되는 경우면 공통적으로 적용될 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하여, 복수의 모듈(200)의 용량이 다르게 설정되는 경우에 대해 설명한다.
모듈의 출력 용량에 따라 기준 전력(RP)이 정해지고 기준 전력(RP)에 따라 구간이 나눠질 수 있다.
만일 복수개의 모듈(200)이 모두 같은 출력 용량이면, 그 출력 용량에 대응하는 제1 구간, 제2 구간 등의 구간이 형성되고 이러한 구간 범위에 속하는 충전 전력은 동일한 온/오프 모듈 구조를 가진다.
예를 들어, 4개의 30 kW의 모듈로 100 kW 급 전기차 충전기를 구성하는 경우, 30 kW(de-rating 등의 이유로 구간 범위는 더 줄어들 수 있음)의 범위를 가지는 구간이 형성될 수 있고, 30 kW 내지 60 kW 의 제2 구간에서는 2개의 모듈(210,220)이 on 되고, 나머지 2개의 모듈(230,240)은 off 될 수 있다. 제2 구간의 범위내에서는 이러한 모듈 2개 on, 2개 off 의 동일한 구조를 가진다.
따라서, 복수개의 모듈(200)의 출력 용량을 다르게 구성한다면, 충전 전력의 실시간 변동에도 더욱 정밀하게 대처하여 복수 모듈(200)로 운영하는 전기차 충전기의 효율을 극대화할 수 있다.
특히, 모듈(200)의 용량을 2의 제곱의 수로 구성하면 1 kW 단위로 모든 출력을 커버할 수 있다. 따라서, 필요없는 전력변환기는 끄고, 필요한 전력환기는 최대출력으로 이용하여 효율을 극대화할 수 있다.
도 3 및 도 4는 모듈(200)의 용량이 2의 제곱수로 구성되고, 서로 다른 용량을 가지는 모듈(200)의 조합 중 각 2의 제곱수에 해당하는 모듈(200)이 한대씩만 갖춰지는 경우를 일 실시 예로 설명한다. 이는 복수의 모듈(200) 중에서 일부만 다른 용량을 가지고 다른 일부는 같은 용량을 가지는 등 다양한 구성이 가능하기 때문이다.
그러나, 2의 제곱수의 용량을 가지는 모듈이 각 2의 제곱수에 한대씩만 구비되는 경우에, 단위 전력(예를 들어 1kW)당 모든 범위의 전력 범위를 만족하는 모듈의 대수는 최소화될 수 있다. 따라서, 목표로 하는 충전 용량(예를 들어 100kW급 전기차 충전기)의 모든 범위를 단위 전력별로 커버가능하면서도 최소한의 서로 다른 용량의 모듈수를 제공할 수 있다.
100 kW 급의 전기차 충전기의 경우, 전기차 충전기는 20(1)kW, 21(2)kW, 22(4)kW, 23(8)kW, 24(16)kW, 25(32)kW, 및 26(64)kW 의 7개의 모듈(200)를 포함할 수 있다. 50 kW 급의 전기차 충전기의 경우, 전기차 충전기는 20(1)kW, 21(2)kW, 22(4)kW, 23(8)kW, 24(16)kW, 및 25(32)kW 의 6개의 모듈(200)를 포함할 수 있다.
충전 전력은 제1 구간(1kW), 제2 구간(2~3kW), 제3 구간(4~7kW), 제4 구간(8~15kW), 제5 구간(16~31kW) 등의 순차 구간으로 분별될 수 있다. 제N 구간은 2의 제곱수의 모듈(200)이 최소 N 개면 충분할 수 있다.
각 구간에서 운영되는 동안, 각 구간에 포함된 가장 큰 용량을 가진 모듈(200)은 항상 on 상태를 유지할 수 있다.
예로, 제4 구간(8~15kW)에서 전기차 충전기가 동작하는 경우, 23(8)kW 모듈은 계속 on 상태를 유지할 수 있고, 나머지 모듈(20(1)kW, 21(2)kW, 22(4)kW)은 on 또는 off 가 변동될 수 있다.
복수의 모듈(200)이 동일한 용량을 가지는 경우에 대해 설명한다.
도 5는 충전 전력이 점차 증가하는 구간에서 적용되는 충전 흐름일 수 있고, 도 6은 충전 전력이 점차 하강하는 구간에서 적용되는 충전 흐름일 수 있다.
도 5를 참조하면, 충전 전력이 점차 증가하는 구간에서는, 제1 기준 전력(RP1) 내지 제3 기준 전력(RP3)의 순서로 산출된 충전 전력과 기준 전력(RP)이 비교될 수 있다.
분배 단계(S400)에서, 충전 전력이 제1 기준 전력(RP1)보다 작다면, 충전 전력은 제1 구간에 속할 수 있고, 하나의 모듈만 on 되어도 충분하므로 제1 모듈(210)을 제외한 나머지는 다 오프된 상태를 유지할 수 있다.
충전 전력이 제1 기준 전력(RP1)보다 크다면, 제2 비교 단계(S320)로 넘어갈 수 있다. 충전 전력이 제2 기준 전력(RP2)보다 작다면, 충전 전력은 제1 기준 전력(RP1)보다 크고 제2 기준 전력(RP2)보다 작은 제2 구간에 속할 수 있고, 두 개의 모듈만 on 되면 충분하므로 제1 모듈(210) 및 제2 모듈(220)을 제외한 나머지는 오프된 상태를 유지할 수 있다.
상기의 방법을 반복 적용함으로써, 충전기의 용량 및 모듈(200)의 용량이 변화더라도 적어도 일부의 모듈(200)을 on/off 동작하여 최적으로 충전할 수 있다.
반복 단계(S500)에서, 상기의 요청 단계(S100) 내지 분배 단계(S400)를 반복적으로 적용하면, 전기차(10)에 요구되는 충전 전력이 실시간으로 변동되더라도 그에 대응할 수 있다.
도 6을 참조하여 도 5의 충전 전력이 증가하는 구간에 대한 내용과 비교하면, 충전 전력이 점차 하강하는 구간에서는, 비교 단계(S300) 및 분배 단계(S400)에서 차이가 있고, 나머지 단계는 동일하게 적용될 수 있다.
기준 전력(RP)의 값은 오름차순 또는 내림차순으로 각 상황마다 편의상 정의될 수 있으나, 하나의 충전 프로파일에 증가 구간 및 하강 구간이 동시에 존재 가능하기에 제1 기준 전력(RP1)이 가장 낮은 값을 가지고 제2 기준 전력(RP2)부터 점차 증가하도록 설정한다.
일 실시 예로, 제1 비교 단계(S310)에서, 제어부(110)에 의해 산출된 충전 전력은 제3 기준 전력(RP3)과 비교될 수 있다.
충전 전력이 제3 기준 전력(RP3)보다 크다면, 충전 전력은 제3 기준 전력(RP3)보다 크고 제4 기준 전력(RP4)보다 작은 제4 구간에 속할 수 있고, 충전 전력은 4개의 모듈(200)이 모두 on 된 상태를 유지할 필요가 있다.
충전 전력이 제3 기준 전력(RP3)보다 작다면, 제2 비교 단계(S320)로 넘어갈 수 있다.
충전 전력이 제2 기준 전력(RP2)보다 크고 제3 기준 전력(RP3)보다 작다면, 충전 전력은 제3 구간에 속할 수 있고, 제4 모듈(240)은 off 될 수 있으며, 나머지 3개의 모듈(200)은 on 상태를 유지할 수 있다.
이와 같은 방식에 의해, 각 모듈(200)을 off 시키면서 실시간으로 하강하는 충전 전력에도 최적의 효율로 충전을 할 수 있다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 충전 전력은 프로파일부(170)에 의해 충전 시간 전체에 걸쳐 충전 프로파일(D200) 방식으로 제공될 수 있다. 전기차 운전자에 의해 급속 또는 완속 충전 등의 충전 방식 등을 포함하는 충전 선택 사항 선택이 완료되면, 프로파일부(170)는 전체 충전 시간을 산정하고 그에 따른 충전 프로파일을 생성할 수 있다. 충전 프로파일은 시간에 따른 충전될 전류, 전압 또는 전력의 변화를 포함할 수 있고, 충전 프로파일은 이후 단계에서 모듈(200) 제어에 이용될 충전 전력을 제공할 수 있다.
물론 프로파일부(170)에 의해 미리 충전 프로파일(D200)이 설정된 후에 모듈(200)이 동작되는 것이 아니라, 제어부(110)는 실시간으로 전송되는 전기차(10)의 요청 데이터(D100)로부터 변동하는 전기차의 충전 상태(SOC)에 기반해 충전 전력을 산출하여 각 모듈(200)을 구동할 수 있다.
비교 단계(S300)는 산출 단계(S200)에서 계산된 충전 전력 및 기준 전력(RP)을 상호 비교하는 단계일 수 있다.
기준 전력(RP)은 복수개로 마련될 수 있고, 순차로 복수개의 기준 전력(RP)과 충전 전력을 비교될 수 있다. 기준 전력(RP)은 제어부(110)에 의해 on 또는 off 될 모듈(200)이 결정되는데 이용될 수 있다. 기준 전력(RP)은 각 모듈(200)의 용량 및 충전기의 전체 용량에 따라 기설정될 수 있다.
충전기의 최대 전력 용량은 구비된 모듈(200)의 전력 용량의 전체 합보다 작게 설정될 수 있다. 복수의 기준 전력(RP)에 의해 각 모듈(200)의 온/오프가 달라지는 구간이 설정될 수 있다. 기준 전력(RP)의 수는 모듈(200)의 수보다 작을 수 있고, 각 구간의 수는 모듈(200)의 수와 동일할 수 있다.
각 모듈(200)의 전력 용량이 동일한 경우, 기준 전력(RP)은 모듈(200)의 전력 용량과 동일한 크기로 설정될 수 있다.
4개의 모듈(200)의 구비되고 각 모듈(200)의 전력 용량이 동일한 경우, 0kw 내지 제1 기준 전력(RP1)의 범위를 가지는 제1 구간, 제1 기준 전력(RP1) 내지 제2 기준 전력(RP2)의 범위를 가지는 제2 구간, 제2 기준 전력(RP2) 내지 제3 기준 전력(RP3)의 범위를 가지는 제3 구간, 및 제3 기준 전력(RP3) 내지 제4 기준 전력(RP4)의 범위를 가지는 제4 구간이 설정될 수 있다.
예를 들어, 4개의 30kW 모듈(200)에 대해 제1 기준 전력(RP1)은 30kW, 제2 기준 전력(RP2)은 60kW, 제3 기준 전력(RP3)은 90kW로 설정될 수 있다.
한편, 기준 전력(RP)은 충전 중에 모듈(200)에 가해지는 부하 스트레스를 줄이기 위해 De-Rating을 적용하여 각 모듈(200)의 최대 출력보다 적게 산정될 수 있다.
예를 들어, 약 10%의 De-Rating이 적용되고 충전기가 100kW 급인 경우, 제1 기준 전력(RP1)은 25kW, 제2 기준 전력(RP2)은 55kW, 및 제3 기준 전력(RP3)은 85kW로 설정될 수 있다. 제1 구간 및 제4 구간은 변경된 기준 전력에 맞춰 재설정되고 그 수는 4개로 동일할 수 있다.
충전 프로파일은 시계열을 따라 충전 전력이 증가하는 구간 또는 충전 전력이 하강하는 구간을 포함할 수 있다.
도 8의 충전 프로파일(D200)에서, 제2 모듈(M2), 제3 모듈(M3) 및 제4 모듈(M4)을 순차로 on 시키는 충전 전력 상승 구간은 도 5에 해당할 수 있고, 제4 모듈(M4), 제3 모듈(M3) 및 제2 모듈(M2)을 순차로 off 시키는 충전 전력 하강 구간은 도 6에 해당할 수 있다.
분배 단계(S400)에서, 충전 전력에 따라 구동되는 모듈(200)의 개수가 변경될 때, 모듈(200)은 기준 전력(RP)을 기준으로 턴온 또는 턴오프될 수 있다. 만약 기준 전력(RP) 근처에서 충전이 지속된다면, 노이즈나 에러 등으로 인해 충전 전력이 기준 전력(RP) 근처에서 흔들리는 채터링 문제가 발생할 수 있다.
본 발명의 밴딩부(150)는 이러한 문제 방지를 위해 히스테리시스 밴드를 형성할 수 있다.
히스테리시스 밴드는 밴드 하한(BL) 내지 밴드 상한(BU)의 범위를 가질 수 있다. 밴드는 기준 전력(RP)의 수만큼 설정될 수 있고, 설정된 밴드의 수만큼 분별되는 밴드 하한(BL) 및 밴드 상한(BU)이 설정될 수 있다.
밴드 상한(BU)은 기설정된 기준 전력(RP)과 동일할 수 있고, 그에 따라 밴드 하한(BL)은 기준 전력(RP)보다 낮게 설정될 수 있다.
일 실시 예로, 도 9를 참조하면, 밴드 상한(BU, 25kW)을 기준으로 모듈의 수가 결정될 때 밴드가 적용되지 않았을 경우, 노이즈나 에러 등으로 인해 충전 전력이 25kW 위아래로 흔들리면 제2 모듈(220)이 온-오프를 반복할 수 있다.
충전 전력이 밴드 상한(25kW) 이상이 되면, 제2 모듈(220)이 온 상태가 되고, 밴드 하한(BL, 22kW) 이하에서 오프 상태가 되기 때문에 밴드 상한(25kW) 근처에서 전력량이 흔들려도 제2 모듈(220)이 온 상태를 유지할 수 있어 채터링 현상을 방지할 수 있다.
밴드 하한(BL)은 전기차 충전 기술 표준에 따라 그 값이 결정될 수 있다.
전기차 직류 충전 기술 표준인 IEC 61851-23에 따르면 전류 제어 충전 모드시 충전기와 전기차에서 요구하는 전류의 허용 오차 값이 50A 이상에서 5% 이내이고, 전류 리플 제한이 3A 이내일 수 있다. 전압 기준을 최대 전압인 1,000V로 하고 전류가 3A 이내로 변동한다고 가정하였을 때 전력 변동 수치는 3kW이며, 이 수치를 기준으로 히스테리시스 밴드에 적용할 수 있다. 이에 따라, 밴드 하한(BL)은 22kW, 52kW, 82kW 로 설정될 수 있다.
도 10을 참조하면, 충전기에 저항 부하기를 연결하여 출력을 점차 증가시키며 효율을 측정하였고, 충전기에 본 발명의 충전기 및 충전 방법을 적용하여 효율을 시험한 것과 적용하지 않고 시험한 것을 비교하여 결과를 통해 검증하였다.
시험에 사용되는 충전기는 AC 전력량계, 배선용차단기(Molded Case Circuit Breaker: MCCB), 전자접촉기(Magnetic Contactor:　MC), 30kW 전력 변환기 모듈(200) 4개, DC 전력량계, DC 릴레이 등으로 구성되어 있으며, 제어부(110)는 TI사의 TMS320F28377을 사용하였다.
출력을 1kW에서부터 40kW까지 증가시키면서 본 발명을 적용한 경우의 효율은, 본 발명을 적용하지 않은 경우에 비해 충전 효율이 전체적으로 상승한 것을 확인할 수 있다.
평균 효율은 제어기법을 적용하지 않았을 때는 80.46%이고, 적용하였을 때는 85.5%로 약 5%의 차이가 났다. 특히 20kW 미만 출력 구간에서 효율의 차이가 크게 나는 것을 확인할 수 있으며, 가장 많은 차이를 보인 출력은 2kW로 약 25% 효율 차이가 났다.
각 모듈(200)의 온/오프 동작하는 순서가 같게 유지되다면, 모듈(200)의 부하 스트레스가 일부 모듈(200)로 치우칠 수 있다.
도 11을 참조하면, 상기 문제를 방지하고자 본 발명의 카운팅부(130)는, 제어부(110)로부터 분배 데이터(D300)를 입력받아 분배된 횟수에 따라 각 모듈(200)의 분배 우선 순위를 산정할 수 있다.
분배 데이터(D300)는 분배 단계(S400)를 통해 각 모듈(200)이 턴온되는 회수 또는 온된채로 유지된 시간 등에 대한 데이터를 포함할 수 있다.
카운팅부(130)는, 분배 데이터(D300)로부터 턴온되는 회수가 많거나 온된채로 유지된 시간이 긴 모듈(200)에 대해, on 동작하도록 분배하는 우선 순위를 후순위로 연기할 수 있다.
10... 전기차 110... 제어부
130... 카운팅부 150... 밴딩부
170... 프로파일부 200... 모듈
210... 제1 모듈 220... 제2 모듈
230... 제3 모듈 240... 제4 모듈
S100... 요청 단계 S200... 산출 단계
S300... 비교 단계 S310... 제1 비교 단계
S320... 제2 비교 단계 S330... 제3 비교 단계
S400... 분배 단계 S500... 반복 단계
D100... 요청 데이터 D110... 사양 데이터
D130... 선택 데이터 D200... 충전 프로파일
D300... 분배 데이터 RP... 기준 전력
RP1... 제1 기준 전력 RP2... 제2 기준 전력
RP3... 제3 기준 전력 BU... 밴드 상한
BL... 밴드 하한

Claims (12)

  1. 전력계통으로부터 공급되는 전력을 변환하여 전기차에 공급하는 복수의 모듈;
    전기차 통신부와 페어링 연결되어 데이터를 송수신하는 충전기 통신부;
    상기 충전기 통신부에 수신된 데이터에 기반해, 상기 모듈을 동작시키는 지령을 하달하는 제어부; 를 포함하고,
    상기 복수의 모듈은 전기차 충전시 전기차에 병렬로 연결되며,
    상기 복수의 모듈은 서로 다른 용량을 가지고,
    상기 복수의 모듈은 2의 제곱의 수의 용량을 가지도록 구성되는 전기차 충전기.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 모듈은 각 2의 제곱수에 한대씩만 구비되며,
    설정된 전체 충전 전력 범위를 1kW 를 포함하는 단위 전력별로 상기 모듈의 on/off 를 통해 조절가능한 전기차 충전기.
  4. 제1 항에 있어서,
    전기차의 충전 가능한 충전 전력은 제1 구간(1kW), 제2 구간(2~3kW), 제3 구간(4~7kW), 제4 구간(8~15kW), 및 제5 구간(16~31kW)을 포함하는 제N 구간(N은 2이상의 자연수)으로 분별되며,
    상기 제N 구간은 2의 제곱수의 모듈이 최소 N 개인 전기차 충전기.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 전기차 통신부로부터 전송받은 요청 데이터에 기반해 전기차에 공급할 충전 전력을 산출하고,
    상기 충전 전력 및 기준 전력 간의 비교에 의해, 상기 제어부가 온/오프 구동될 모듈이 결정되고,
    복수의 기준 전력에 의해 각 모듈의 온/오프가 달라지는 복수의 구간이 설정되며,
    상기 기준 전력의 수는 상기 모듈의 수보다 작고, 상기 구간의 수는 상기 모듈의 수와 동일한 전기차 충전기.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 전기차 통신부로부터 전송받은 요청 데이터에 기반해 전기차에 공급할 충전 전력을 산출하고,
    상기 충전 전력 및 기준 전력 간의 비교에 의해, 상기 제어부가 온/오프 구동될 모듈이 결정되며,
    밴드 하한 내지 밴드 상한의 범위를 가지는 히스테리시스 밴드를 형성하는 밴딩부를 포함하고,
    상기 히스테리시스 밴드에는 상기 기준 전력이 포함되는 전기차 충전기.
  7. 제1 항에 있어서,
    분배 데이터를 입력받아 분배된 횟수에 따라 각 모듈의 분배 우선 순위를 산정하는 카운팅부를 포함하고,
    상기 분배 데이터는 각 모듈이 온되는 회수 또는 온된채로 유지된 시간에 대한 데이터를 포함하며,
    상기 카운팅부는, 턴온되는 회수가 많거나 온된채로 유지된 시간이 긴 모듈에 대해, 구동되는 분배 우선 순위를 후순위로 연기하는 전기차 충전기.
  8. 전기차가 페어링된 전기차 충전기로 충전을 요청하는 요청 단계;
    제어부가 전기차 통신부로부터 전송받은 요청 데이터에 기반해 전기차에 공급할 충전 전력을 산출하는 산출 단계;
    상기 산출 단계에서 계산된 충전 전력 및 기준 전력을 상호 비교하는 비교 단계;
    상기 제어부가 상기 산출 단계의 비교에 의해 온/오프할 모듈을 결정하는 분배 단계;
    상기 요청 단계, 산출 단계, 비교 단계, 및 분배 단계를 반복 수행하는 반복 단계; 를 포함하고,
    전기차 충전기에는 전력계통으로부터 공급되는 전력을 변환하여 전기차에 공급하는 복수의 모듈이 마련되며,
    상기 복수의 모듈은 전기차 충전시 전기차에 병렬로 연결되며,
    상기 복수의 모듈은 서로 다른 용량을 가지고,
    상기 복수의 모듈은 2의 제곱의 수의 용량을 가지도록 구성되는 전기차 충전 방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    설정된 전체 충전 전력 범위를 1kW 를 포함하는 단위 전력별로 상기 모듈의 on/off 를 통해 조절가능한 전기차 충전 방법.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 산출 단계에서, 상기 제어부는 상기 전기차 통신부로부터 전송받은 요청 데이터에 기반해 전기차에 공급할 충전 전력을 산출하고,
    상기 비교 단계에서,
    상기 충전 전력 및 기준 전력은 상호 비교되며,
    상기 충전 전력이 제1 기준 전력보다 작다면, 상기 충전 전력은 제1 구간에 속하고 제1 모듈을 제외한 나머지 모듈은 모두 오프되고,
    상기 충전 전력이 제1 기준 전력보다 크다면, 제2 비교 단계로 넘어가며,
    상기 충전 전력이 제2 기준 전력보다 작다면, 상기 충전 전력은 상기 제1 기준 전력보다 크고 상기 제2 기준 전력보다 작은 제2 구간에 속하고 상기 제1 모듈 및 제2 모듈을 제외한 나머지 모듈은 오프되는 전기차 충전 방법.
  11. 제8 항에 있어서,
    상기 산출 단계에서, 상기 제어부는 상기 전기차 통신부로부터 전송받은 요청 데이터에 기반해 전기차에 공급할 충전 전력을 산출하고,
    상기 비교 단계에서,
    상기 충전 전력 및 기준 전력은 상호 비교되며,
    밴딩부는 밴드 하한 내지 밴드 상한의 범위를 가지는 히스테리시스 밴드를 형성하고,
    상기 밴드 상한은 상기 기준 전력과 동일하고, 상기 밴드 하한은 상기 기준 전력보다 낮게 설정되는 전기차 충전 방법.
  12. 제8 항에 있어서,
    상기 분배 단계에서,
    카운팅부는 분배 데이터를 입력받아 분배된 횟수에 따라 각 모듈의 분배 우선 순위를 산정하고,
    상기 분배 데이터는 각 모듈이 온되는 회수 또는 온된채로 유지된 시간에 대한 데이터를 포함하며,
    상기 카운팅부는, 턴온되는 회수가 많거나 온된채로 유지된 시간이 긴 모듈에 대해, 구동되는 분배 우선 순위를 후순위로 연기하는 전기차 충전 방법.

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