KR102601769B1 - 멀티 포트 충전기 - Google Patents

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Abstract

별도의 부품이나 장치의 추가 없이 기설치된 차량 탑재형 충전기를 활용하여 낮은 직류 충전 전압을 승압하여 더 높은 전압의 배터리를 충전할 수 있고, 충전 뿐만 아니라 V2G, V2L 등과 같은 다양한 활용이 가능한 멀티 포트 충전기가 개시된다.

Description

멀티 포트 충전기{MULTI-PORT CHARGER}
본 발명은 멀티 포트 충전기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 별도의 부품이나 장치의 추가 없이 기설치된 차량 탑재형 충전기(On-Board Charger: OBC)를 활용하여 낮은 직류 충전 전압을 승압함으로써 더 높은 전압의 배터리를 충전할 수 있고, 충전뿐만 아니라 V2G, V2L 등과 같은 다양한 활용이 가능한 멀티 포트 충전기에 관한 것이다.
전기 차량의 고성능화 추세에 따라, 전기 차량의 동력원인 모터를 구동하기 위한 전기 에너지를 저장하는 배터리의 전압도 높아지고 있다. 예를 들어, 기존 전기 차량의 경우 400V의 배터리를 채용한 반면, 최근 출시되는 새로운 전기 차량의 경우 800V의 배터리를 구비하는 경우가 발생한다.
그러나, 기존 충전 인프라는 대부분 400V 충전을 위한 충전 설비들이므로 신규 출시된 전기 차량의 800V 배터리를 충전하기 위해서는 승압을 위한 전력 변환 장치를 차량 내 추가하거나 새로운 800V 충전 설비를 갖는 인프라가 구축되어야 하는 실정이다.
그러나, 차량에 전력 변환 장치를 추가하는 경우 차량 회로의 구조가 복잡해질 뿐만 아니라 차량의 단가가 현저하게 상승하게 되는 문제가 발생한다. 또한, 새로운 인프라 구축에도 많은 사회적 비용과 시간이 소요되는 문제가 발생한다.
따라서, 본 발명은 별도의 부품이나 장치의 추가 없이 기설치된 차량 탑재형 충전기를 활용하여 낮은 직류 충전 전압을 승압함으로써 더 높은 전압의 배터리를 충전할 수 있고, 충전뿐만 아니라 V2G, V2L 등과 같은 다양한 활용이 가능한 멀티 포트 충전기를 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,
제1 양방향 교류-직류 컨버터, 제2 양방향 교류-직류 컨버터 및 제3 양방향 교류-직류 컨버터- 상기 제1 내지 제3 양방향 교류-직류 컨버터의 직류측 정(+)단자 및 부(-)단자는 각각 상호 전기적으로 연결됨-;
상기 제1 내지 제3 양방향 교류-직류 컨버터의 직류측에 연결되며 직류-직류 컨버터의 토폴로지를 갖는 적어도 하나의 디커플링 회로부;
상기 제1 양방향 교류-직류 컨버터의 교류측 전압 인가 단자와 상기 제2 양방향 교류-직류 컨버터의 교류측 전압 인가 단자 사이의 전기적 연결상태를 결정하는 제1 릴레이;
상기 제2 양방향 교류-직류 컨버터의 교류측 전압 인가 단자와 상기 제3 양방향 교류-직류 컨버터의 교류측 전압 인가 단자 사이의 전기적 연결상태를 결정하는 제2 릴레이;
상기 제1 양방향 교류-직류 컨버터의 교류측 중성단과 상기 제2 양방향 교류-직류 컨버터의 교류측 중성단 사이의 전기적 연결상태를 결정하는 제3 릴레이; 및
동작 모드에 기반하여 상기 제1 내지 제3 양방향 AC-DC 컨버터, 상기 디커플링 회로부, 상기 제1 내지 제3 릴레이의 동작을 제어하는 제어부를 포함하며,
상기 정(+)단자 및 상기 부(-)단자가 제1 직류 포트가 되고, 상기 디커플링 회로부의 출력단과 상기 부(-)단자가 상기 제1 직류 포트의 전압 보다 낮은 전압의 제2 직류 포트가 되며,
상기 디커플링 회로부는, 상기 정(+)단자에 일단이 연결된 제1 스위칭 소자와, 상기 제1 스위칭 소자의 타단에 일단이 연결되고 상기 부(-)단자에 타단이 연결된 제2 스위칭 소자와, 상기 제1 스위칭 소자와 상기 제2 스위칭 소자의 연결 노드에 일단이 연결되고 상기 출력단에 타단이 연결된 인덕터 및 상기 인덕터의 타단과 상기 부(-)단자에 각각 양단이 연결된 커패시터를 포함하며,
상기 디커플링 회로부는, 상기 커패시터의 일단을, 상기 인덕터의 일단 및 상기 제3 양방향 교류-직류 컨버터 내의 트랜스포머의 2차측 코일의 중점에 선택적으로 전기적 연결하는 제4 릴레이를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티 포트 충전기를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제2 직류 포트에 입력되는 직류 충전 전력으로 상기 제1 직류 포트에 연결된 배터리를 충전하는 동작 모드에서, 상기 제어부는, 상기 디커플링 회로부 각각을 부스트 컨버터로 동작시켜 상기 제2 직류 포트의 전압을 승압시켜 상기 제1 직류 포트로 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제1 직류 포트에 입력되는 직류 충전 전력으로 상기 제2 직류 포트에 연결된 배터리를 충전하는 동작 모드에서, 상기 제어부는, 상기 디커플링 회로부를 벅 컨버터로 동작시켜 상기 제1 직류 포트의 전압을 강압시켜 상기 제2 직류 포트로 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제1 직류 포트 또는 상기 제2 직류 포트에 입력되는 직류 충전 전력으로 각각 상기 제2 직류 포트 또는 상기 제1 직류 포트에 연결된 배터리를 충전하면서 상기 교류측에 연결된 교류 부하로 단상 교류 전력을 제공하는 동작 모드에서, 상기 제어부는, 상기 제1 내지 제3 릴레이를 개방 상태가 되게 하며, 상기 제4 릴레이를 제어하여 상기 커패시터가 상기 제3 양방향 교류-직류 컨버터 내 2차측 코일의 중점에 전기적으로 연결되게 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 디커플링 회로부 각각의 제1 스위칭 소자 및 제2 스위칭 소자는, 모터 구동용 인버터의 각 상에 대응되는 레그 중 적어도 하나의 레그에 포함된 스위칭 소자로 구현되며, 상기 디커플링 회로부 각각의 인덕터는, 상기 인버터에 연결된 모터 내에 구비된 각 상의 코일 중 적어도 하나로 구현되며, 상기 모터 내에 구비된 각 상의 코일이 서로 연결된 중성점이 상기 출력단이 될 수 있다.
상기 멀티 포트 충전기의 여러 실시예에 따르면, 별도의 컨버터 등과 같은 회로의 추가 없이 디커플링을 위해 마련된 디커플링 회로를 적절하게 활용하여 충전 설비에서 제공되는 전압 또는 배터리의 전압의 크기를 용이하게 변환할 수 있다.
이에 따라, 상기 멀티 포트 충전기의 여러 실시예에 따르면, 기존에 갖추어진 400V 충전 설비를 활용하여 신규 출시되는 800V 배터리를 구비한 전기 차량을 충전하기 위해 요구되는 추가적인 변환 장치 또는 새로운 인프라 구축 등에 소요되는 비용을 절감할 수 있다.
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 포트 충전기를 도시한 블록 구성도이다.
도 2는 도 1의 멀티 포트 충전기의 구체적인 회로의 예시를 도시한 회로도이다.
도 3 내지 도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 포트 충전기의 제1 동작 모드 시 회로 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 포트 충전기의 제2 동작 모드 시 회로 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 9 내지 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 포트 충전기의 제3 동작 모드 시 회로 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 13 및 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 포트 충전기의 제4 동작 모드 시 회로 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 15 및 도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 포트 충전기의 제5 동작 모드 시 회로 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 17 내지 도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 포트 충전기의 제6 동작 모드 시 회로 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 포트 충전기의 제1 내지 제3 디커플링 회로부를 인버터와 모터로 구현한 예를 도시한 회로도이다.
실시예들에 대한 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 예시를 위한 목적으로 개시된 것으로서, 다양한 형태로 변경되어 실시될 수 있다. 따라서, 실시예들은 특정한 개시형태로 한정되는 것이 아니며, 본 명세서의 범위는 기술적 사상에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이런 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 해석되어야 한다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설명된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 포트 충전기를 도시한 블록 구성도이고, 도 2는 도 1의 멀티 포트 충전기의 구체적인 회로의 예시를 도시한 회로도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 포트 충전기는,제1 양방향 교류-직류 컨버터(11), 제2 양방향 교류-직류 컨버터(12) 및 제3 양방향 교류-직류 컨버터(13); 제1 양방향 교류-직류 컨버터(11)의 직류측, 제2 양방향 교류-직류 컨버터(12)의 직류측 및 제3 양방향 교류-직류 컨버터(13)의 직류측에 각각 연결되며 직류-직류 컨버터의 토폴로지를 갖는 제1 디커플링 회로부(21), 제2 디커플링 회로부(22) 및 제3 디커플링 회로부(23); 제1 양방향 교류-직류 컨버터(11)의 교류측 전압 인가 단자와 제2 양방향 교류-직류 컨버터(12)의 교류측 전압 인가 단자 사이의 전기적 연결상태를 결정하는 제1 릴레이(R1); 제2 양방향 교류-직류 컨버터(21)의 교류측 전압 인가 단자와 제3 양방향 교류-직류 컨버터(13)의 교류측 전압 인가 단자 사이의 전기적 연결상태를 결정하는 제2 릴레이(R2); 제1 양방향 교류-직류 컨버터(11)의 교류측 중성단과 제2 양방향 교류-직류 컨버터(12)의 교류측 중성단 사이의 전기적 연결상태를 결정하는 제3 릴레이(R3) 및 동작 모드에 기반하여 제1 내지 제3 양방향 AC-DC 컨버터(11-13), 제1 내지 제3 디커플링 회로부(21), 제1 내지 제3 릴레이(R1-R3)의 동작을 제어하는 제어부(100)를 포함하여 구성될 수 있다.
제1 내지 제3 양방향 교류-직류 컨버터(11-13)는 각각 교류측으로 입력되는 교류 전력을 변환하여 직류측으로 출력하거나, 직류측으로 입력되는 직류 전력을 변환하여 교류측으로 출력하는 회로로 구성될 수 있다. 도 2에서는 인터리브드 토템폴 기반으로 구현된 양방향 교류-직류 컨버터의 예를 도시하고 있으나 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 직류측과 교류측을 절연하기 위한 트랜스포머가 채용된 다양한 공지의 교류-직류 컨버터의 토폴로지가 채용될 수 있다.
제1 내지 제3 양방향 교류-직류 컨버터(11-13)의 구체적인 회로 구성이나 그 동작은 본 출원과 동일한 출원인 및 발명자에 의해 선행 출원된 공개특허 제10-2018-0070446호(명칭: 단일단 인터리브드 토템폴 소프트 스위칭 컨버터), 공개특허 제10-2018-0070447호(명칭: 단일단 인터리브드 소프트 스위칭 AC-DC 컨버터) 및 공개특허 제10-2022-0122915호(명칭: 삼상 및 단상 겸용 충전기)에 이미 기술되고 있으므로 추가의 설명은 생략하기로 한다.
제1 내지 제3 디커플링 회로부(21-23)는 당 기술분야에 알려진 직류-직류 컨버터의 토폴로지를 적용하여 구현될 수 있다. 제1 내지 제3 디커플링 회로부(21-23)를 구성하는 직류-직류 컨버터 토폴로지의 입력단은 각각 제1 내지 제3 양방향 교류-직류 컨버터(11-13)의 직류측 정(+) 출력단에 연결되고 서로 전기적으로 연결되어 충전기의 하나의 포트(P1)를 구성할 수 있으며, 제1 내지 제3 디커플링 회로부(21-23)를 구성하는 직류-직류 컨버터 토폴로지의 출력단은 서로 전기적으로 서로 연결되어 다른 하나의 포터(P2)를 구성할 수 있다.
더욱 구체적으로, 제1 디커플링 회로부(21)는 제1 양방향 교류-직류 컨버터(11)의 직류측 정(+)단자에 일단이 연결된 제1 스위칭 소자(S1)와, 제1 스위칭 소자(S2)의 타단에 일단이 연결되고 제1 양방향 교류-직류 컨버터(11)의 직류측 부(-)단자에 타단이 연결된 제2 스위칭 소자(S2)와, 제1 스위칭 소자(S1)와 제2 스위칭 소자(S2)의 연결 노드에 일단이 연결된 인덕터(L1) 및 인덕터(L1)의 타단과 제1 양방향 교류-직류 컨버터(11)의 직류측 부(-)단자에 각각 양단이 연결된 커패시터(C1)를 포함할 수 있다.
제2 디커플링 회로부(22) 및 제3 디커플링 회로부(23) 역시 제1 디커플링 회로부(21)와 실질적으로 동일한 회로 구조를 가질 수 있다.
다만, 제3 디커플링 회로부(23)는 모드에 따라 제어부(100)에 의해 연결 상태가 제어되는 릴레이(R4)를 더 포함할 수 있다. 릴레이(L4)는 커패시터(C3)의 일단을 인덕터(L3)의 일단과 제3 양방향 교류-직류 컨버터(13) 내의 트랜스포머의 2차측 코일의 중점 사이를 선택적으로 연결할 수 있다. 릴레이(R4)의 동작 및 작용 효과에 대해서는 추후 더욱 상세하게 설명하기로 한다.
또한, 본 발명의 여러 실시예 및 그 도면은 각각의 교류-직류 컨버터의 직류측에 각각 하나의 디커플링 회로부가 연결된 예를 설명하고 있으나, 디커플링 회로부를 구성하는 소자들의 용량이 충분히 큰 경우에는 하나의 디커플링 회로부만 적용될 수 있다.
제1 내지 제3 릴레이(R1-R3)는 충전기의 동작 모드에 따라 그 연결 상태가 제어부(100)에 의해 제어될 수 있다. 예를 들어, 충전기가 3상 교류의 충전 전력이 입력되는 경우 제1 내지 제2 릴레이(R1-R2)는 오프 상태로 제어되어 제1 내지 제3 양방향 교류-직류 컨버터(11-13) 각각에 교류 충전 전력이 입력되게 할 수 있다. 다른 예로, 충전기가 단상 교류 충전 전력이 입력되는 경우, 제1 내지 제2 릴레이(R1-R2)는 온 상태로 제어되어 제1 내지 제3 양방향 교류-직류 컨버터(11-13)에 공통의 교류 충전 전력이 입력되게 할 수 있다. 또한, 제3 릴레이(R3)는 제1 양방향 교류-직류 컨버터(11)의 교류측 및 제2 양방향 교류-직류 컨버터(12)의 교류측이 각각 교류 전력을 출력할 때 두 교류 출력을 분리하기 위해 오프될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 충전기는, 제1 내지 제3 양방향 교류-직류 컨버터(11-13)의 교류측 입출력단과 직류측 입출력단 및 제1 내지 제3 디커플링 회로부(21-23)에 의해 형성되는 단자 등에 의해 다중 포트 구조를 가질 수 있다. 이하에서는 이러한 다중 포트 구조를 활용하여 본 발명의 일 실시예가 여러 가지 모드로 운용되는 예를 더욱 상세하게 설명하기로 한다.
한편, 단상 동작에서 디커플링을 위해 직류측에 직류-직류 컨버터 회로의 토폴로지를 갖는 디커플링 회로를 구비하고 디커플링 동작을 수행하게 하는 기법 또한 당 기술 분야에 공지의 기술이므로 구체적인 동작 기법에 대한 설명은 생략하기로 한다.
1. 낮은 전압 고속 충전 설비를 이용한 높은 전압 배터리 충전
도 3 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 포트 충전기의 제1 동작 모드 시 회로 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 3 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 제1 내지 제3 디커플링 회로부(21-23)가 구성하는 직류-직류 컨버터의 출력단에 해당하는 정(+)단자와 직류측 부(-)단자 사이에 해당하는 포트(P2)에 400V급 고속 충전 설비가 연결되어 400V급 직류 충전 전력이 인가되는 경우, 제어부(100)는 제1 내지 제3 양방향 교류-직류 컨버터(11-13)는 턴오프 상태로 만들고 제1 내지 제3 디커플링 회로부(21-23)를 부스트 컨버터로 동작시켜 포트(P2)에 인가되는 충전 전력을 승압시켜 포트(P1)에 연결된 800V 배터리로 제공할 수 있다.
이 동작 모드에서 제1 내지 제3 디커플링 회로부(21-23)는 모두 부스트 컨버터로 동작하여야 하므로, 제어부(100)는 릴레이(R4)를 인덕터(L3)의 일단과 도통하도록 그 상태를 제어할 수 있고, 제1 내지 제3 디커플링 회로부(21-23) 내 스위칭 소자(S1-S6)를 펄스폭 변조 제어하여 포트(P2)로 입력된 직류 전력의 전압을 승압시켜 포트(P1)으로 출력할 수 있다.
즉, 이 동작 모드에서 400V급 고속 충전 설비와 800V 배터리 사이에는 도 5에 도시된 것과 같은 인터리브드 부스트 컨버터가 구현될 수 있으며, 그 동작 파형은 도 6에 도시한 바와 같다.
이 동작 모드에서, 손실이 없는 이상적인 동작이 이루어지는 경우 400V급 충전 설비에서 제공되는 전력(50kW)이 800V 배터리로 그대로 제공될 수 있다.
2. 낮은 전압 고속 충전 설비를 이용한 높은 전압 배터리 충전 및 3상 완속 충전(또는 3상 교류 출력(V2G))
도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 포트 충전기의 제2 동작 모드 시 회로 동작을 설명하기 위한 도면이다.
이 동작 모드에서, 포트(P2)로 400V급 고속 충전 설비에서 충전 전력이 입력되는 것을 승압시켜 포트(P1)의 800V 배터리로 제공하기 위해 제1 내지 제3 디커플링 회로부(21-23)를 부스트 컨버터로 동작시키는 것은 도 5 내지 도 6을 통해 설명한 것과 동일하다.
다만, 도 7에 도시된 것과 같이, 이 모드에서는 3상의 교류 충전 전력을 제1 내지 제3 양방향 교류-직류 컨버터(11-13) 각각의 교류측에서 입력 받고 입력 받은 3상 교류 충전 전력을 변환 시킨 직류 전력을 포트(P2)로 제공하여 800V 배터리에 추가의 충전 전력을 제공할 수 있다.
이 경우, 제어부(100)는 제1 내지 제3 양방향 교류-직류 컨버터(11-13) 각각의 스위칭 소자를 펄스폭 변조 제어하여 제1 내지 제3 양방향 교류-직류 컨버터(11-13)의 교류측 입력 교류 전력을 직류측으로 변환하여 제공되게 할 수 있다. 또한, 제1 내지 제3 양방향 교류-직류 컨버터(11-13) 각각이 하나의 상에 해당하는 전력 변환이 수행되게 하기 위해 제어부(100)는 릴레이(R1, R2)를 턴 오프 시켜 개방 상태가 되게 하고, 릴레이(R3)를 턴 온시켜 단락시킬 수 있다.
이러한 제어를 통해, 손실이 없는 이상적인 동작이 이루어지는 경우 400V급 충전 설비에서 제공되는 전력(50kW)과 교류측으로 입력되는 교류 충전 전력(22kW)를 합산한 충전 전력이 800V 배터리로 제공되어 더욱 신속한 배터리의 충전이 가능하게 된다.
또한, 이 모드에서는, 도 8에 도시된 것과 같이, 제1 내지 제3 양방향 교류-직류 컨버터(11-13)가 직류 전력을 변환하여 교류측으로 제공하는 V2G(Vehicle to Grid) 동작을 수행하는 경우, 포트(P2)에서 제1 내지 제3 양방향 교류-직류 컨버터(11-13)의 교류측으로 3상 교류 전력을 제공할 수 있다.
이 경우, 제어부(100)는 제1 내지 제3 양방향 교류-직류 컨버터(11-13) 각각의 스위칭 소자를 펄스폭 변조 제어하여 제1 내지 제3 양방향 교류-직류 컨버터(11-13)의 직류측 전력을 교류측으로 변환하여 제공되게 할 수 있다. 또한, 제1 내지 제3 양방향 교류-직류 컨버터(11-13) 각각이 하나의 상에 해당하는 전력 변환이 수행되게 하기 위해 제어부(100)는 릴레이(R1, R2)를 턴 오프 시켜 개방 상태가 되게 하고, 릴레이(R3)를 턴 온시켜 단락시킬 수 있다.
이러한 제어를 통해, 실이 없는 이상적인 동작이 이루어지는 경우, 교류측으로 22kW의 교류 전력이 변환되어 제공되고 800V 배터리는 28kW의 충전 전력으로 충전될 수 있다.
3. 낮은 전압 고속 충전 설비를 이용한 높은 전압 배터리 충전 및 단상 교류 출력(V2L)
도 9 내지 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 포트 충전기의 제3 동작 모드 시 회로 동작을 설명하기 위한 도면이다.
제3 동작 모드는, 400V급 고속 충전 설비를 통해 포트(P2)로 입력되는 충전 전력으로 800V 배터리를 충전하면서 제1 내지 제3 양방향 교류-직류 컨버터(11-13)의 교류측에 연결되는 교류 부하로 교류 전력을 제공하는 V2L(Vehicle to Load) 동작을 수행하는 모드이다.
이 동작 모드에서, 포트(P2)로 400V급 고속 충전 설비에서 충전 전력이 입력되는 것을 승압시켜 포트(P1)의 800V 배터리로 제공하기 위해 제1 내지 제3 디커플링 회로부(21-23)를 부스트 컨버터로 동작시키는 것은 도 5 내지 도 8을 통해 설명한 것과 동일하다.
다만, 도 9 내지 도 10에 도시된 것과 같이, 제1 양방향 교류-직류 컨버터(11)와 제2 양방향 교류-직류 컨버터(12)에 각각 연결된 교류 부하에 교류 전력을 공급하기 위해, 제어부(100)는 릴레이(R1 내지 R3)를 턴오프 시켜 개방 상태가 되게 하여 제1 양방향 교류-직류 컨버터(11)의 교류측과 제2 양방향 교류-직류 컨버터(12)의 교류측을 분리시키고, 제3 디커플링 회로 내 릴레이(R4)를 제어하여 커패시터(C3)가 제3 양방향 교류-직류 컨버터(13) 내 2차측 코일의 중점에 전기적으로 연결되게 한다.
이러한 제어부(100)의 제어를 통해 구현되는 회로가 도 11에 도시된다.
도 11에 도시된 것과 같이, 커패시터(C3)를 제3 양방향 교류-직류 컨버터(13) 내 2차측 코일의 중점에 전기적으로 연결시키고 제3 양방향 교류-직류 컨버터(13) 내 스위칭 소자를 단락시키게 되면, 2상 인터리빙 벅컨버터의 토폴로지를 갖는 디커플링 회로가 구성이 된다. 이러한 디 커플링 회로를 통해, 단상 동작에 의해 발생한 2 고조파 등과 같은 저주파를 커패시터(C3)에 저장할 수 있으므로, 배터리로 제공되는 직류 전류에 리플을 제거할 수 있다. 이에 따라, 제1 내지 제3 디커플링 회로는 모두 800V 배터리를 충전하기 위한 전압 승압에 사용될 수 있어 급속 충전 전력의 크기를 최대로 할 수 있다. 즉, 교류 부하 각각에서 사용되는 교류 전력이 3.8 kW라고 하면 급속 충전기에서 제공되는 전력(50 kW)에서 각각의 부하에 제공되는 전력을 제외한 최대 전력(42.4 kW)를 배터리로 제공할 수 있다.
즉, 이 동작 모드에서 형성되는 동작 파형이 도 12에 도시된다.
4. 높은 전압 고속 충전 설비를 이용한 배터리 충전 및 직류 부하 또는 교류 부하로 전력 공급
도 13 및 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 포트 충전기의 제4 동작 모드 시 회로 동작을 설명하기 위한 도면이다.
제4 동작 모드는, 800V급 고속 충전 설비를 통해 포트(P1)로 입력되는 충전 전력으로 800V 배터리를 충전하면서 포트(P2)에 연결된 직류 부하 또는 제1 내지 제3 양방향 교류-직류 컨버터(11-13)의 교류측에 연결되는 교류 부하로 교류 전력을 제공하는 V2L(Vehicle to Load) 동작을 수행하는 모드이다.
도 13에 도시된 것과 같이, 포트(P2)에 직류 부하만 연결된 경우, 포트(P1)로 800V급 고속 충전 설비에서 입력된 충전 전력으로 800V 배터리를 충전하면서, 제어부(100)는 제1 내지 제3 디커플링 회로(21-23)는 벅 컨버터로 작동시켜 포트(P1)의 전압을 강압시켜 포트(P2)의 400V급 직류 부하에 제공되게 할 수 있다.
도 14에 도시된 것과 같이, 제1 양방향 교류-직류 컨버터(11)와 제2 양방향 교류-직류 컨버터(12)에 각각 연결된 교류 부하에 교류 전력을 공급하는 경우, 제어부(100)는 제1 내지 제3 디커플링 회로(21-23)는 벅 컨버터로 작동시키고, 릴레이(R1 내지 R3)를 턴오프 시켜 개방 상태가 되게 하여 제1 양방향 교류-직류 컨버터(11)의 교류측과 제2 양방향 교류-직류 컨버터(12)의 교류측을 분리시키며, 제3 디커플링 회로 내 릴레이(R4)를 제어하여 커패시터(C3)가 제3 양방향 교류-직류 컨버터(13) 내 2차측 코일의 중점에 전기적으로 연결되게 하고, 제3 양방향 교류-직류 컨버터(13) 내 스위칭 소자를 단락시킬 수 있다.
이러한 제어부(100)의 제어를 통해, 포트(P2)에 연결된 직류 부하에는 최대의 전력 공급이 이루어질 수 있으며, 제3 양방향 교류-직류 컨버터(13)에 의해 2상 인터리빙 벅컨버터의 토폴로지를 갖는 디커플링 회로를 구성함으로써 단상 동작에 의해 발생한 2 고조파 등과 같은 저주파를 커패시터(C3)에 저장할 수 있으므로, 배터리로 제공되는 직류 전류에 리플을 제거할 수 있다. 이에 따라, 제1 내지 제3 디커플링 회로는 모두 전압 강압에 사용할 수 있다.
5. 서로 다른 두 전압을 갖는 배터리 사이의 충전
도 15 및 도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 포트 충전기의 제5 동작 모드 시 회로 동작을 설명하기 위한 도면이다.
제5 동작 모드는 포트(P1)에 상대적으로 높은 전압(예를 들어, 800V)을 갖는 배터리가 연결되고 포트(P2)에 상대적으로 낮은 전압(예를 들어, 400V)을 갖는 배터리가 연결된 경우, 상호간 충전을 수행하는 동작 모드이다.
도 15에 도시된 것과 같이, 제어부(100)가 제1 내지 제3 디커플링 회로(21-23)를 모두 부스트 컨버터로 동작시키는 경우 400V 배터리의 전압이 승압되어 800V 배터리로 제공됨으로써 800V 배터리가 충전될 수 있다.
도 16에 도시된 것과 같이, 제어부(100)가 제1 내지 제3 디커플링 회로(21-23)를 모두 벅 컨버터로 동작시키는 경우 800V 배터리의 전압이 강압되어 400V 배터리로 제공됨으로써 400V 배터리가 충전될 수 있다.
6. 교류 충전 또는 V2G (직류-직류 컨버터 미동작)
도 17 내지 도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 포트 충전기의 제6 동작 모드 시 회로 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 17은 제1 내지 제3 양방향 교류-직류 컨버터(11-13)의 교류측으로 입력된 삼상 교류 충전 전력을 변환하여 포트(P1)에 연결된 800V 배터리를 충전하거나, 800V 배터리의 직류 전력을 변환하여 제1 내지 제3 양방향 교류-직류 컨버터(11-13)의 교류측으로 3상 교류 계통으로 공급하는 V2G 동작을 수행하는 모드를 도시한다.
도 17에 도시된 것과 같이, 제1 내지 제3 양방향 교류-직류 컨버터(11-13)가 3상 충전 또는 V2G 동작을 수행하는 경우, 저주파 성분은 직류 출력측에서 자연적으로 상쇄되어 리플없는 배터리 직류 충전 및 V2G가 가능하므로, 제1 내지 제3 디커플링 회로(21-23)는 작동하지 않는다. 즉, 제어부(100)는 제1 내지 제3 양방향 교류-직류 컨버터(11-13)를 턴온 시켜 동작시키고, 제1 내지 제3 디커플링 회로(21-23)를 턴 오프 상태가 되게 할 수 있다. 물론 3상 교류의 입력 또는 출력이 필요하므로 제어부(100)는 릴레이(R1, R2)를 턴 오프시키고, 릴레이(R3)를 턴온 시킬 수 있다.
도 18은 제1 내지 제3 양방향 교류-직류 컨버터(11-13)의 교류측으로 단상 교류 충전 전력을 입력 받고 이를 변환하여 포트(P1)에 연결된 800V 배터리를 충전하거나, 800V 배터리의 직류 전력을 변환하여 제1 내지 제3 양방향 교류-직류 컨버터(11-13)의 교류측으로 단상 계통으로 공급하는 V2G 동작을 수행하는 모드를 도시한다.
도 18에 도시된 것과 같이, 제1 내지 제3 양방향 교류-직류 컨버터(11-13)가 단상의 입력 또는 출력을 갖게 하기 위해, 제어부(100)는 릴레이(R1 내지 R3)를 단락 상태가 되게 제어할 수 있다. 3상 충전 또는 V2G와는 달리, 단상 충전 또는 V2G 동작에서는 각 상의 전류 병합을 통한 리플 상쇄가 이루어질 수 없으므로, 제1 내지 제3 디커플링 회로(21-23)에 의한 디커플링이 수행되게 제어할 수 있다.
도 19는 두 개의 양방향 교류-직류 컨버터(11, 12)에 의한 800V 충전 또는 V2G 동작과 함께 나머지 교류-직류 컨버터(13)의 교류측에 연결된 교류 부하로 전력을 공급하는 V2L 동작을 수행하는 모드를 도시한다.
이 경우에도, 제어부(100)는 제1 내지 제2 디커플링 회로(21-22)에 의한 디커플링이 수행되게 제어할 수 있게, 디커플링 회로(21, 22) 내의 스위칭 소자를 제어하고, 양방향 교류-직류 컨버터(11-13)에 의해 직류측 전압을 변환하여 교류측으로 제공하도록 제어할 수 있다. 또한, 제어부(100)는 두 개의 양방향 교류-직류 컨버터(11, 12)는 단상 교류 전력을 제공하게 되므로 릴레이(R1)은 온 시키고, 교류 부하와의 연결 차단을 위해 릴레이(R2, R3)는 개방시킬 수 있다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 포트 충전기의 제1 내지 제3 디커플링 회로부를 인버터와 모터로 구현한 예를 도시한 회로도이다.
도 20을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에서 제1 내지 제3 디커플링 회로부는 전기 차량 등에 기설치된 인버터와 모터를 활용하여 구현할 수 있다.
더욱 구체적으로, 제1 내지 제3 디커플링 회로부의 제1 스위칭 소자(S1, S3, S5) 및 제2 스위칭 소자(S2, S4, S6)는 모터 구동을 위해 구비된 인버터(IVT)의 각 상에 대응되는 레그에 포함된 두 개의 스위칭 소자로 구현이 가능하다.
또한, 제1 내지 제3 디커플링 회로부의 인덕터(L1, L2, L3)는 인버터(IVT)의 각 상에 대응되는 레그에 포함된 두 개의 스위칭 소자가 연결되는 노드에 연결된 모터(M) 내의 각 상의 코일로 구현이 가능하다.
모터(M) 내 각 상의 코일이 상호 연결된 중성점은 제1 내지 제3 디커플링 회로부의 공통으로 연결된 출력단이 될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 포트 충전기는 기설치된 탑재형 충전기가 디커플링 회로부를 갖지 않는 구조를 갖는 경우에도, 기설치된 모터와 모터 구동을 위한 인버터 회로를 활용하여 디커플링 회로부를 구현할 수 있어, 멀티 포트 충전을 구현하기 위해 별도의 회로를 추가하거나 회로 설계를 크게 변경하지 않고서도 다양한 전압의 충전이 가능하게 된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 여러 실시예에 따른 멀티 포트 충전기는, 별도의 컨버터 등과 같은 회로의 추가 없이 디커플링을 위해 마련된 디커플링 회로를 적절하게 활용하여 충전 설비에서 제공되는 전압 또는 배터리의 전압의 크기를 용이하게 변환할 수 있다.
이에 따라, 기존에 갖추어진 400V 충전 설비를 활용하여 신규 출시되는 800V 배터리를 구비한 전기 차량을 충전하기 위해 요구되는 추가적인 변환 장치 또는 새로운 인프라 구축 등에 소요되는 비용을 절감할 수 있다.
11-13: 양방향 교류-직류 컨버터
21-23: 디커플링 회로부
100: 제어부

Claims (5)

  1. 제1 양방향 교류-직류 컨버터, 제2 양방향 교류-직류 컨버터 및 제3 양방향 교류-직류 컨버터- 상기 제1 내지 제3 양방향 교류-직류 컨버터의 직류측 정(+)단자 및 부(-)단자는 각각 상호 전기적으로 연결됨-;
    상기 제1 내지 제3 양방향 교류-직류 컨버터의 직류측에 연결되며 직류-직류 컨버터의 토폴로지를 갖는 적어도 하나의 디커플링 회로부;
    상기 제1 양방향 교류-직류 컨버터의 교류측 전압 인가 단자와 상기 제2 양방향 교류-직류 컨버터의 교류측 전압 인가 단자 사이의 전기적 연결상태를 결정하는 제1 릴레이;
    상기 제2 양방향 교류-직류 컨버터의 교류측 전압 인가 단자와 상기 제3 양방향 교류-직류 컨버터의 교류측 전압 인가 단자 사이의 전기적 연결상태를 결정하는 제2 릴레이;
    상기 제1 양방향 교류-직류 컨버터의 교류측 중성단과 상기 제2 양방향 교류-직류 컨버터의 교류측 중성단 사이의 전기적 연결상태를 결정하는 제3 릴레이; 및
    동작 모드에 기반하여 상기 제1 내지 제3 양방향 AC-DC 컨버터, 상기 디커플링 회로부, 상기 제1 내지 제3 릴레이의 동작을 제어하는 제어부를 포함하며,
    상기 정(+)단자 및 상기 부(-)단자가 제1 직류 포트가 되고, 상기 디커플링 회로부의 출력단과 상기 부(-)단자가 상기 제1 직류 포트의 전압 보다 낮은 전압의 제2 직류 포트가 되며,
    상기 디커플링 회로부는, 상기 정(+)단자에 일단이 연결된 제1 스위칭 소자와, 상기 제1 스위칭 소자의 타단에 일단이 연결되고 상기 부(-)단자에 타단이 연결된 제2 스위칭 소자와, 상기 제1 스위칭 소자와 상기 제2 스위칭 소자의 연결 노드에 일단이 연결되고 상기 출력단에 타단이 연결된 인덕터 및 상기 인덕터의 타단과 상기 부(-)단자에 각각 양단이 연결된 커패시터를 포함하며,
    상기 디커플링 회로부는, 상기 커패시터의 일단을, 상기 인덕터의 일단 및 상기 제3 양방향 교류-직류 컨버터 내의 트랜스포머의 2차측 코일의 중점에 선택적으로 전기적 연결하는 제4 릴레이를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티 포트 충전기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 직류 포트에 입력되는 직류 충전 전력으로 상기 제1 직류 포트에 연결된 배터리를 충전하는 동작 모드에서,
    상기 제어부는, 상기 디커플링 회로부 각각을 부스트 컨버터로 동작시켜 상기 제2 직류 포트의 전압을 승압시켜 상기 제1 직류 포트로 제공하는 것을 특징으로 하는 멀티 포트 충전기.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 직류 포트에 입력되는 직류 충전 전력으로 상기 제2 직류 포트에 연결된 배터리를 충전하는 동작 모드에서,
    상기 제어부는, 상기 디커플링 회로부를 벅 컨버터로 동작시켜 상기 제1 직류 포트의 전압을 강압시켜 상기 제2 직류 포트로 제공하는 것을 특징으로 하는 멀티 포트 충전기.
  4. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 직류 포트 또는 상기 제2 직류 포트에 입력되는 직류 충전 전력으로 각각 상기 제2 직류 포트 또는 상기 제1 직류 포트에 연결된 배터리를 충전하면서 상기 교류측에 연결된 교류 부하로 단상 교류 전력을 제공하는 동작 모드에서,
    상기 제어부는, 상기 제1 내지 제3 릴레이를 개방 상태가 되게 하며, 상기 제4 릴레이를 제어하여 상기 커패시터가 상기 제3 양방향 교류-직류 컨버터 내 2차측 코일의 중점에 전기적으로 연결되게 하는 것을 특징으로 하는 멀티 포트 충전기.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 디커플링 회로부 각각의 제1 스위칭 소자 및 제2 스위칭 소자는, 모터 구동용 인버터의 각 상에 대응되는 레그 중 적어도 하나의 레그에 포함된 스위칭 소자로 구현되며,
    상기 디커플링 회로부 각각의 인덕터는, 상기 인버터에 연결된 모터 내에 구비된 각 상의 코일 중 적어도 하나로 구현되며,
    상기 모터 내에 구비된 각 상의 코일이 서로 연결된 중성점이 상기 출력단이 되는 것을 특징으로 하는 멀티 포트 충전기.
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