KR102608745B1

KR102608745B1 - 이종의 이상 전류로 인한 사고를 방지할 수 있는 전기차충전시스템

Info

Publication number: KR102608745B1
Application number: KR1020230076049A
Authority: KR
Inventors: 배윤호; 신문수; 이은철
Original assignee: 주식회사 에코스
Priority date: 2023-06-14
Filing date: 2023-06-14
Publication date: 2023-12-06

Abstract

이종의 이상 전류로 인한 사고를 방지할 수 있는 전기차충전시스템에 관한 것으로, 교류전원선에 설치되어 교류전원선에 흐르는 교류 중에서 저주파 성분과 고주파 성분을 검출하는 교류겸용센서를 이용하여 교류전원선에서의 이종의 이상 전류의 발생 여부에 따라 교류전원선에 흐르는 교류의 흐름을 허용하거나 차단함으로써 하나의 전류 센서를 이용하여 아크, 과전류 등 교류전원선에서 발생 가능한 이종의 이상 전류를 검출하여 교류전원선에서의 이종의 이상 전류 발생으로 인한 전기차 충전 사고를 방지할 수 있다.

Description

이종의 이상 전류로 인한 사고를 방지할 수 있는 전기차충전시스템 {Electric vehicle charging system capable of preventing accident due to heteogeneous abnormal current}

이종의 이상 전류를 검출하여 이로 인한 사고를 방지할 수 있는 전기차충전시스템에 관한 것이다.

최근 들어, 전기차 보급이 확대되면서 전기차충전시설 설치가 의무화되었지만 전기차 충전 중에 전기차 화재가 빈번하게 발생하고 있으며, 심지어 전기차 주행 중에 화재가 발생하는 경우도 자주 보도되고 있다. 이러한 전기차 화재는 대부분 배터리로의 과전류 유입, 배터리 과열이 원인인 것으로 밝혀져 있지만 그 대비책은 여전히 부족한 실정이다. 전기차충전시설에 과전류, 아크 등 이상 전류가 발생하게 되면 전기충전시설 및 전기차의 손상을 초래하게 되고, 이로 인해 화재가 발생하게 되면 막대한 재산 손실 및 인명 피해로 확대될 수 있다.

전기차충전시설은 대부분 아파트나 빌딩 지하 주차장의 협소한 공간에 설치되기 때문에 콤팩트하게 제작되고 있다. 전기차충전시설에서 발생되는 과전류, 아크 등 다양한 이상 전류를 검출하기 위해서는 아크 검출용 전류센서와 과전류 검출용 전류센서 등 여러 개의 전류센서가 설치되어야 한다. 전기차 충전을 위해 전력 변환을 담당하는 전력설비 내부는 일반적으로 매우 많은 부품이 내장되어 있어 매우 비좁고, 전류센서는 주변 노이즈가 강하지 않으면서 이상 전류의 검출이 요구되는 제한된 공간에 설치되어야 함에 따라 과전류, 아크 등 다양한 이상 전류의 발생으로 인한 사고를 방지할 수 있으면서도 콤팩트한 사이즈의 전력설비의 설계가 어려운 경우가 빈번하게 발생하고 있다.

하나의 전류 센서를 이용하여 아크, 과전류 등 교류전원선에서 발생 가능한 이종의 이상 전류를 검출하여 교류전원선에서의 이종의 이상 전류 발생으로 인한 전기차 충전 사고를 방지할 수 있고, 하나의 전류 센서를 이용하여 아크, 과전류 등 직류전원선에서 발생 가능한 이종의 이상 전류를 검출하여 직류전원선에서의 이종의 이상 전류 발생으로 인한 전기차 충전 사고를 방지할 수 있는 전기차충전시스템을 제공하는 데에 있다. 상기된 바와 같은 기술적 과제로 한정되지 않으며, 이하의 설명으로부터 또 다른 기술적 과제가 도출될 수도 있다.

본 발명에 따른 전기차충전시스템은 외부 전원으로부터 유입된 교류가 흐르는 복수의 교류전원선; 상기 복수의 교류전원선 중에서 어느 하나의 교류전원선에 설치되어 상기 어느 하나의 교류전원선에 흐르는 교류 중에서 저주파 성분과 고주파 성분을 검출하는 교류겸용센서; 상기 복수의 교류전원선 중에서 적어도 하나의 교류전원선에 설치되어 상기 교류겸용센서에 의해 검출된 저주파 성분과 고주파 성분에 기초한 이종의 이상 전류의 발생 여부에 따라 상기 적어도 하나의 교류전원선에 흐르는 교류의 흐름을 허용하거나 차단하는 적어도 하나의 교류차단기; 및 상기 복수의 교류전원선을 통하여 상기 외부 전원로부터 공급된 교류 전력을 전기차 충전에 이용되는 직류 전력으로 변환하는 전력변환모듈을 포함한다.

상기 전기차충전시스템은 상기 교류겸용센서에 의해 검출된 저주파 성분과 고주파 성분에 기초하여 상기 어느 하나의 교류전원선에서의 이종의 이상 전류의 발생을 검출하는 제 1 이상전류검출모듈; 및 상기 제 1 이상전류검출모듈의 검출 결과에 따라 상기 적어도 하나의 교류차단기의 동작을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.

상기 교류겸용센서는 중공을 갖는 링형으로 형성되어 상기 중공을 통과하는 어느 하나의 교류전원선에 흐르는 전류로부터 발생된 자기장을 집속하기 위한 자기코어; 상기 자기코어에 복수 회 감김으로써 상기 어느 하나의 교류전원선에 흐르는 교류 중에서 저주파 성분을 검출하는 저주파와이어; 및 상기 자기코어에 상기 저주파와이어의 감김 횟수보다 적은 횟수로 감김으로써 상기 어느 하나의 교류전원선에 흐르는 교류 중에서 고주파수 성분을 검출하는 고주파와이어를 포함할 수 있다.

상기 전기차충전시스템은 상기 저주파와이어에 의해 검출된 저주파 성분을 이용하여 상기 어느 하나의 교류전원선에서의 과전류 발생을 검출함과 동시에 상기 저주파와이어에 의해 검출된 저주파 성분과 상기 고주파와이어에 의해 검출된 고주파 성분을 이용하여 상기 어느 하나의 교류전원선에서의 아크 발생을 검출함으로써 상기 어느 하나의 교류전원선에서의 이종의 이상 전류의 발생을 검출하는 제 1 이상전류검출모듈; 및 상기 제 1 이상전류검출모듈의 검출 결과에 따라 상기 적어도 하나의 교류차단기의 동작을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.

상기 제 1 이상전류검출모듈은 상기 저주파와이어에 의해 검출된 저주파 성분에 대한 복수의 저주파 전류 순시값의 변동과 상기 고주파와이어에 의해 검출된 고주파 성분에 대한 복수의 고주파 전류 순시값의 크기에 기초하여 상기 어느 하나의 교류전원선에서의 아크 발생을 검출할 수 있다.

상기 제 1 이상전류검출모듈은 상기 저주파와이어에 의해 검출된 저주파 성분 중 미리 설정된 상한주파수 이하의 저주파 전류 신호를 통과시키는 저역통과필터; 상기 고주파와이어에 의해 검출된 고주파 성분 중 미리 설정된 대역의 고주파 전류 신호를 통과키는 대역통과필터; 및 상기 저역통과필터를 통과한 저주파 전류 신호의 변동과 상기 대역통과필터를 통과한 고주파 전류 신호의 크기에 기초하여 상기 전선에서의 아크 발생을 검출하는 아크검출부를 포함할 수 있다.

상기 제 1 이상전류검출모듈은 상기 저역통과필터를 통과한 저주파 전류 신호를 증폭하는 저역증폭부; 및 상기 고역통과필터를 통과한 고주파 전류 신호를 증폭하는 고역증폭부를 더 포함하고, 상기 아크검출부는 상기 저역증폭부에 의해 증폭된 저주파 전류 신호에 대한 복수의 저주파 전류 순시값의 변동과 상기 고역증폭부에 의해 증폭된 고주파 전류 신호에 대한 복수의 고주파 전류 순시값의 크기에 기초하여 상기 전선에서의 아크 발생을 검출할 수 있다.

상기 아크검출부는 상기 복수의 저주파 전류 순시값에 대한 실효값의 변동폭과 상기 복수의 고주파 전류 순시값 각각에서 상기 복수의 고주파 전류 순시값의 최소값을 감산한 결과의 평균값의 크기에 기초하여 상기 어느 하나의 교류전원선에서의 아크 발생을 검출할 수 있다.

상기 제 1 이상전류검출모듈은 상기 저주파와이어에 의해 검출된 저파수 성분에 해당하는 저주파 대역의 전류의 영점을 연속적으로 검출하는 영점검출부를 더 포함하고, 상기 아크검출부는 상기 영점검출부에 의해 검출된 영점을 기준으로 반주기 단위로 상기 저역증폭부에 의해 증폭된 저주파 전류 신호로부터 상기 복수의 저주파 전류 순시값을 추출하고, 상기 고역증폭부에 의해 증폭된 고주파 전류 신호로부터 상기 복수의 고주파 전류 순시값을 추출할 수 있다.

상기 전기차충전시스템은 상기 전력변환모듈로부터 출력된 직류가 흐르는 복수의 직류전원선; 상기 복수의 직류전원선 중에서 어느 하나의 직류전원선에 설치되어 상기 어느 하나의 직류전원선에 흐르는 직류 중에서 직류 성분과 고주파 성분을 검출하는 직류겸용센서; 및 상기 복수의 직류전원선 중에서 적어도 하나의 직류전원선에 설치되어 상기 직류겸용센서에 의해 검출된 직류 성분과 고주파 성분에 기초한 이종의 이상 전류의 발생 여부에 따라 상기 적어도 하나의 직류전원선에 흐르는 직류의 흐름을 허용하거나 차단하는 적어도 하나의 직류차단기를 더 포함할 수 있다.

상기 전기차충전시스템은 상기 직류겸용센서에 의해 검출된 직류 성분과 고주파 성분에 기초하여 상기 어느 하나의 직류전원선에서의 이종의 이상 전류의 발생을 검출하는 제 2 이상전류검출모듈; 및 상기 제 2 이상전류검출모듈의 검출 결과에 따라 상기 적어도 하나의 직류차단기의 동작을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.

상기 직류겸용센서는 중공을 갖는 링형으로 형성되어 상기 중공을 통과하는 어느 하나의 직류전원선에 흐르는 직류로부터 발생된 자기장을 집속하기 위한 자기코어; 상기 자기코어에 삽입되어 홀 효과를 이용하여 상기 어느 하나의 직류전원선에 흐르는 직류 중에서 직류 성분을 검출하는 홀소자; 및 상기 자기코어에 감김으로써 상기 어느 하나의 직류전원선에 흐르는 직류 중에서 고주파 성분을 검출하는 고주파와이어를 포함할 수 있다.

상기 전기차충전시스템은 상기 홀소자에 의해 검출된 직류 성분을 이용하여 상기 어느 하나의 직류전원선에서의 과전류 발생을 검출함과 동시에 상기 홀소자에 의해 검출된 직류 성분과 상기 고주파와이어에 의해 검출된 고주파 성분을 이용하여 상기 어느 하나의 직류전원선에서의 아크 발생을 검출함으로써 상기 어느 하나의 직류전원선에서의 이종의 이상 전류의 발생을 검출하는 제 2 이상전류검출모듈; 및 상기 제 2 이상전류검출모듈의 검출 결과에 따라 상기 적어도 하나의 직류차단기의 동작을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.

상기 제 2 이상전류검출모듈은 상기 홀소자에 의해 검출된 직류 성분에 대한 복수의 직류 순시값의 변동과 상기 고주파와이어에 의해 검출된 고주파 성분에 대한 산출된 복수의 고주파 전류 순시값의 크기에 기초하여 상기 어느 하나의 직류전원선에서의 아크 발생을 검출할 수 있다.

상기 제 2 이상전류검출모듈은 상기 고주파와이어에 의해 검출된 고주파 성분 중 미리 설정된 대역의 고주파 전류 신호를 통과키는 대역통과필터; 및 상기 홀소자에 의해 검출된 직류 성분의 변동과 상기 대역통과필터를 통과한 고주파 전류 신호의 크기에 기초하여 상기 어느 하나의 직류전원선에서의 아크 발생을 검출하는 아크검출부를 포함할 수 있다.

상기 제 2 이상전류검출모듈은 상기 홀소자에 의해 검출된 직류 성분을 증폭하는 저역증폭부; 및 상기 고역통과필터를 통과한 고주파 전류 신호를 증폭하는 고역증폭부를 더 포함하고, 상기 아크검출부는 상기 저역증폭부에 의해 증폭된 직류 성분에 대한 복수의 직류 순시값의 변동과 상기 고역증폭부에 의해 증폭된 고주파 전류 신호에 대한 복수의 고주파 전류 순시값의 크기에 기초하여 상기 전선에서의 아크 발생을 검출할 수 있다.

상기 아크검출부는 상기 복수의 직류 순시값에 대한 평균값의 변동폭과 상기 복수의 고주파 전류 순시값 각각에서 상기 복수의 고주파 전류 순시값의 최소값을 감산한 결과의 평균값의 크기에 기초하여 상기 어느 하나의 직류전원선에서의 아크 발생을 검출할 수 있다.

상기 아크검출부는 일정 간격으로 상기 저역증폭부에 의해 증폭된 직류 성분으로부터 상기 복수의 직류 순시값을 추출하고, 상기 고역증폭부에 의해 증폭된 고주파 전류 신호로부터 상기 복수의 고주파 전류 순시값을 추출할 수 있다.

상기 전력변환모듈은 상기 복수의 교류전원선과 상기 복수의 직류전원선이 전기적으로 절연된 상태로 상기 외부 전원로부터 공급된 교류 전력을 직류 전력으로 변환할 수 있다.

상기 전력변환모듈은 상기 외부 전원로부터 공급된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 제 1 컨버터; 상기 제 1 컨버터로부터 출력된 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 인버터; 상기 인버터로부터 출력된 교류 전력의 전압을 변압하는 절연변압기; 및 상기 절연변압기로부터 출력된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 제 2 컨버터를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 전기차충전시스템은 교류전원선에 설치되어 교류전원선에 흐르는 교류 중에서 저주파 성분과 고주파 성분을 검출하는 교류겸용센서를 이용하여 교류전원선에서의 이종의 이상 전류의 발생 여부에 따라 교류전원선에 흐르는 교류의 흐름을 허용하거나 차단함으로써 하나의 전류 센서를 이용하여 아크, 과전류 등 교류전원선에서 발생 가능한 이종의 이상 전류를 검출하여 교류전원선에서의 이종의 이상 전류 발생으로 인한 전기차 충전 사고를 방지할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 전기차충전시스템은 직류전원선에 설치되어 직류전원선에 흐르는 직류 중에서 직류 성분과 고주파 성분을 검출하는 직류겸용센서를 이용하여 직류전원선에서의 이종의 이상 전류의 발생 여부에 따라 직류전원선에 흐르는 직류의 흐름을 허용하거나 차단함으로써 하나의 전류 센서를 이용하여 아크, 과전류 등 직류전원선에서 발생 가능한 이종의 이상 전류를 검출하여 직류전원선에서의 이종의 이상 전류 발생으로 인한 전기차 충전 사고를 방지할 수 있다.

이와 같이, 두 개의 전류센서만을 이용하여 외부 전원으로부터 전기차충전시스템으로 교류 전력이 입력되는 측에서 발생되는 이종의 이상 전류로 인한 전기차 충전 사고와 전기차충전시스템으로부터 전기차로 직류 전력이 출력되는 측에서 발생되는 이종의 이상 전류로 인한 전기차 충전 사고를 이중으로 방지할 수 있다. 특히, 여러 개의 센서 사용에 따른 전기차충전시스템 내부의 공간 확보가 불필요하게 되어 아크, 과전류 등 이종의 이상 전류를 통합적으로 검출할 수 있는 기능을 갖는 전기차충전시스템의 제작이 용이해질 수 있고, 제작 비용이 절감될 수 있다.

게다가, 본 발명에 따른 전기차충전시스템은 저주파와이어에 의해 검출된 저주파 성분과 고주파와이어에 의해 검출된 고주파 성분을 이용하여 교류전원선에서의 아크 발생을 검출하고, 홀소자에 의해 검출된 직류 성분과 고주파와이어에 의해 검출된 고주파 성분을 이용하여 직류전원선에서의 아크 발생을 검출함으로써 아크가 발생하는 고주파수 대역의 신호만을 이용하는 종래의 아크 검출기에 비해 아크 발생을 정확하게 검출할 수 있다. 상기된 바와 같은 기술적 과제로 한정되지 않으며, 이하의 설명으로부터 또 다른 기술적 과제가 도출될 수도 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기차충전시스템(1)의 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 교류겸용센서(10)와 직류겸용센서(41)의 평면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 교류겸용센서(12)와 직류겸용센서(41)의 사시도 및 기호이다.
도 4는 도 1에 도시된 제 1 이상전류검출모듈(50)의 구성도이다.
도 5는 도 1에 도시된 제 2 이상전류검출모듈(60)의 구성도이다.
도 6은 도 4에 도시된 아크검출부(57)의 아크 검출 방법의 흐름도이다.
도 7은 도 5에 도시된 아크검출부(65)의 아크 검출 방법의 흐름도이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예는 하나의 전류 센서를 이용하여 아크, 과전류 등 교류전원선에서 발생 가능한 이종의 이상 전류를 검출하여 교류전원선에서의 이종의 이상 전류 발생으로 인한 전기차 충전 사고를 방지할 수 있고, 하나의 전류 센서를 이용하여 아크, 과전류 등 직류전원선에서 발생 가능한 이종의 이상 전류를 검출하여 직류전원선에서의 이종의 이상 전류 발생으로 인한 전기차 충전 사고를 방지할 수 있는 전기차충전시스템에 관한 것이다. 이하에서는 이러한 전기차충전시스템을 간략하게 "전기차충전시스템"으로 호칭하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기차충전시스템(1)의 구성도이다. 도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 전기차충전시스템(1)은 복수의 교류전원선(10), 복수의 제 1 누전차단기(11), 교류겸용센서(12), 복수의 교류분기선(20), 복수의 제 2 누전차단기(21), 직류전원부(22), 전력변환모듈(30), 복수의 직류전원선(40), 직류겸용센서(41), 전류계(42), 전압계(43), 퓨즈(44), 다이오드(45), 제 1 이상전류검출모듈(50), 제 2 이상전류검출모듈(60), 제어부(70), 복수의 교류차단기(80), 및 복수의 직류차단기(90)로 구성된다. 제어부(70)로 입력되거나 제어부(70)로부터 출력되는 신호는 점선으로 표시되어 있다.

복수의 교류전원선(10)은 외부 전원과 전력변환모듈(30) 사이에 배치되어 외부 전원으로부터 유입된 교류가 흐른다. 복수의 교류전원선(1)에 흐르는 교류는 50Hz 교류 또는 60Hz 교류일 수 있다. 복수의 교류전원선(10)을 통하여 외부 전원로부터 교류 전력이 전력변환모듈(30)로 공급된다. 도 1에 도시된 실시예에 따르면, 복수의 교류전원선(10)은 세 가닥의 전선으로 이루어져 있으며 이것을 통해 삼상 교류가 흐르고, 복수의 교류전원선(10)을 통하여 외부 전원로부터 삼상 교류 전력이 전력변환모듈(30)로 공급된다. 외부 전원로부터 단상 교류 전력이 전력변환모듈(30)로 공급될 경우, 복수의 교류전원선(10)은 두 가닥의 전선으로 이루어져 있으며 이것을 통해 단상 교류가 흐르게 된다.

복수의 제 1 누전차단기(11)는 복수의 교류전원선(10)에 설치되어 복수의 교류전원선(10)에서의 누전의 발생 여부에 따라 복수의 교류전원선(10)에 흐르는 교류의 흐름을 허용하거나 차단한다. 복수의 제 1 누전차단기(11)는 복수의 교류전원선(10)에서의 누전의 발생을 검출하면 복수의 교류전원선(10)에 흐르는 교류의 흐름을 차단한다. 복수의 제 1 누전차단기(11)에 의해 복수의 교류전원선(10)에 흐르는 교류의 흐름이 차단되면, 전력변환모듈(30)로의 교류 전력 공급이 차단된다.

교류겸용센서(12)는 저주파 성분 및 고주파 성분 겸용 전류센서로서 복수의 교류전원선(10) 중에서 어느 하나의 교류전원선(10)에 설치되어 어느 하나의 교류전원선(10)에 흐르는 교류 중에서 저주파 성분과 고주파 성분을 검출한다. 교류전원선(10)에 흐르는 교류에는 50Hz 교류 또는 60Hz 교류에 해당하는 저주파 성분 외에 아크 등으로 인한 고주파 성분이 포함되어 있다.

도 2는 도 1에 도시된 교류겸용센서(10)와 직류겸용센서(41)의 평면도이다. 도 2의 (a)에는 교류겸용센서(12)의 평면도가 도시되어 있고, 도 2의 (b)에는 직류겸용센서(41)의 평면도가 도시되어 있다. 도 3은 도 2에 도시된 교류겸용센서(12)와 직류겸용센서(41)의 사시도 및 기호이다. 도 3의 (a)에는 교류겸용센서(12)의 사시도가 도시되어 있고, 도 3의 (b)에는 교류겸용센서(12)의 기호(symbol)가 도시되어 있고, 도 3의 (c)에는 직류겸용센서(41)의 사시도가 도시되어 있고, 도 3의 (d)에는 직류겸용센서(41)의 기호가 도시되어 있다.

대표적인 전류센서인 변류기의 기호는 일자 라인에 중첩된 하나의 원으로 표현되는 반면, 본 실시예에 따른 교류겸용센서(12)의 기호는 일자 라인에 중첩된 두 개의 동심원으로 표현된다. 두 개의 동심원 각각의 크기는 자기코어(121)에 감기는 각 와이어의 길이를 상징적으로 나타낸다. 따라서, 두 개의 동심원 중 내측 원은 고주파와이어(123)에 해당되고, 외측 원은 저주파와이어(122)을 나타낸다. 본 실시예에 따른 직류겸용센서(41)의 기호는 하나의 원과 그 안에 배치된 하나의 사각형으로 표현된다. 여기에서, 하나의 원은 고주파와이어(413)를 상징적으로 나타내고, 하나의 사각형은 홀소자(412)를 상징적으로 나타낸다.

도 2, 3을 참조하면, 교류겸용센서(12)는 자기코어(121), 저주파와이어(122), 및 고주파와이어(123)로 구성된다. 도 2, 3에 도시된 저주파와이어(122), 고주파와이어(123)의 감김 횟수는 본 실시예에 대한 이해를 돕기 위한 예시적인 것으로 교류겸용센서(12)가 제품으로 구현될 경우의 실제 감김 횟수와 다르다. 예를 들어, 저주파와이어(122)는 자기코어(121)에 수백회 감길 수 있다.

교류겸용센서(12)의 자기코어(121)는 중공을 갖는 링형으로 형성되어 중공을 통과하는 어느 하나의 교류전원선(10)에 흐르는 교류로부터 발생된 자기장을 집속한다. 자기코어(121)를 통과하는 어느 하나의 교류전원선(10)은 삼상 교류를 공급하기 위한 세 가닥의 교류전원선 중 어느 하나일 수 있고, 단상 교류를 공급하기 위한 두 가닥의 교류전원선 중 어느 하나일 수 있다. 자기코어(121)는 자기장 집속력을 높기 위해 여러 장의 규소 강판이 적층된 형태로 제작될 수도 있고, 나노크리스탈 자성체로 제작될 수도 있다.

교류겸용센서(12)의 저주파와이어(122)는 자기코어(121)의 중공을 통과한 후에 자기코어(121)의 중공을 다시 통과하는 방식으로 자기코어(121)에 복수 회 감김으로써 어느 하나의 교류전원선(10)에 흐르는 교류 중에서 저주파 성분을 검출한다. 도 1, 2에 도시된 바와 같이, 저주파와이어(122)는 자기코어(121)의 중공을 통과한 후에 자기코어(121)의 중공을 다시 통과하는 방식으로 자기코어(121)의 표면 둘레에 나선형으로 복수 회 감겨 있다. 저주파와이어(122)에 의해 검출된 저주파 성분은 50Hz 교류 또는 60Hz 교류를 포함하는 저주파수 대역의 전류이다.

교류겸용센서(12)의 고주파와이어(123)는 저주파와이어(122)가 감겨 있는 자기코어(121)의 중공을 통과한 후에 저주파와이어(122)가 감겨 있는 자기코어(121)의 중공을 다시 통과하는 방식으로 자기코어(121)에 복수 회 감김으로써 어느 하나의 교류전원선(10)에 흐르는 교류 중에서 고주파 성분을 검출한다. 고주파와이어(123)에 의해 검출된 고주파 성분은 아크 발생 대역을 포함하는 고주파수 대역의 전류이다. 도 1, 2에 도시된 바와 같이, 고주파와이어(123)는 저주파와이어(122)가 감겨 있는 자기코어(121)의 중공을 통과한 후에 저주파와이어(122)가 감겨 있는 자기코어(121)의 중공을 다시 통과하는 방식으로 저주파와이어(122)가 감겨 있는 자기코어(121)의 표면 둘레에 나선형으로 복수 회 감겨 있다.

본 실시예에 따르면, 저주파와이어(122)는 자기코어(121)의 중공을 통과한 후에 자기코어(121)의 중공을 다시 통과하는 방식으로 자기코어(121)에 고주파와이어(123)의 감김 횟수보다 많은 횟수로 감김으로써 교류전원선(10)에 흐르는 교류 중에서 저주파 성분을 검출하고, 고주파와이어(123)는 자기코어(121)의 중공을 통과한 후에 자기코어(121)의 중공을 다시 통과하는 방식으로 자기코어(121)에 저주파와이어(122)의 감김 횟수보다 적은 횟수로 감김으로써 교류전원선(10)에 흐르는 교류 중에서 고주파 성분을 검출한다. 이와 같이, 저주파와이어(122) 및 고주파와이어(123) 각각에 의해 검출되는 전류의 주파수대역은 저주파와이어(122) 및 고주파와이어(123) 각각의 감김 횟수에 반비례한다.

자기코어(121)가 도 1, 2에 도시된 바와 같이 환상 링형으로 형성될 경우, 저주파와이어(122)에 의해 검출되는 전류의 주파수대역은 아래와 같은 수학식 1에 의해 결정된다.

수학식 1에서 BW_L은 저주파와이어(122)에 의해 검출되는 전류의 주파수대역이고, μ은 자기코어(121)의 투자율이고, S는 자기코어(121)의 횡단면적이고, l은 자기코어(121)의 평균 둘레길이이고, N_L은 저주파와이어(122)의 감김 횟수이고, N_H는 고주파와이어(123)의 감김 횟수이고, a_L은 저주파와이어(122)의 자기인덕턴스 보정계수이고, b는 저주파와이어(122)와 고주파와이어(123)간의 상호인덕턴스 보정계수이다. C_L은 서로 이웃하게 배치되는 두 가닥의 저주파와이어(122) 사이의 커패시턴스이고, W_L은 저주파와이어(122)에 의해 검출되는 전류의 주파수대역의 폭을 결정하는 값이다.

여기에서, a_L, b, C_L, W_L은 자기코어(121)의 형태, 저주파와이어(122)과 고주파와이어(123) 각각의 감김 간격, 동선 굵기 등 다양한 인자에 의해 결정되는 값이다. 오실로스코프, 스펙트럼 분석기 등을 사용하여 저주파와이어(122)에 의해 검출되는 전류의 주파수대역을 모니터링하면서 다양한 인자들을 조정해나가는 방식으로 교류겸용센서(12)를 설계함으로써 설계자가 원하는 정확한 주파수대역의 전류를 검출하는 교류겸용센서(12)를 제작할 수 있다.

수학식 1에 따르면, 나선형으로 감겨 있는 저주파와이어(122)의 감김 횟수에 반비례하는 저주파와이어(122)의 자기인덕턴스와 저주파와이어(122)의 나선형 감김 구조에 따라 서로 이웃하게 배치되는 두 가닥의 저주파와이어(122) 사이의 커패시턴스에 의해 저주파와이어(122)에 의해 검출되는 전류의 주파수대역이 결정된다. N_L은 고전압 전류를 저저압 전류로 변환하기 위해 매우 큰 값이 되는 반면, N_H는 고주파 성분을 검출하기 위해 N_L에 비해 매우 작은 값이 된다. N_L과 N_H의 차이가 많이 날수록 저주파와이어(122)와 고주파와이어(123)간의 상호인덕턴스는 저주파와이어(122)에 의해 검출되는 전류의 주파수대역에 거의 영향을 주지 않게 된다. 교류전원선(10)에 흐르는 고전압 전류를 저저압 전류로 변환하기 위한 저주파와이어(122)의 감김 횟수의 큰 변화 없이 저주파와이어(122)에 의해 설계자가 원하는 저주파 성분이 검출될 수 있게 된다.

자기코어(121)가 도 1, 2에 도시된 바와 같이 환상 링형으로 형성될 경우, 고주파와이어(123)에 의해 검출되는 전류의 주파수대역은 아래와 같은 수학식 2에 의해 결정된다.

수학식 2에서 BW_H은 고주파와이어(123)에 의해 검출되는 전류의 주파수대역이고, μ은 자기코어(121)의 투자율이고, S는 자기코어(121)의 횡단면적이고, l은 자기코어(121)의 평균 둘레길이이고, N_L은 저주파와이어(122)의 감김 횟수이고, N_H는 고주파와이어(12)의 감김 횟수이고, a_H은 고주파와이어(123)의 자기인덕턴스 보정계수이고, b는 저주파와이어(122)와 고주파와이어(123)간의 상호인덕턴스 보정계수이다. C_H은 서로 이웃하게 배치되는 두 가닥의 고주파와이어(123) 사이의 커패시턴스이고, W_H은 고주파와이어(123)에 의해 검출되는 전류의 주파수대역의 폭을 결정하는 값이다. 상술한 바와 같이, a_L, b, C_L, W_H은 자기코어(121)의 형태, 저주파와이어(122)과 고주파와이어(123) 각각의 감김 간격, 동선 굵기 등 다양한 인자에 의해 결정되는 값이다.

수학식 2에 따르면, 나선형으로 감겨 있는 고주파와이어(123)의 감김 횟수에 반비례하는 고주파와이어(123)의 자기인덕턴스와 고주파와이어(123)의 나선형 감김 구조에 따라 서로 이웃하게 배치되는 두 가닥의 고주파와이어(123) 사이의 커패시턴스에 의해 고주파와이어(123)에 의해 검출되는 전류의 주파수대역이 결정된다. 고주파와이어(123)의 감김 횟수는 교류전원선(10)에 흐르는 고전압 전류를 저저압 전류로 변환하기 위한 권선비와는 관련이 없고, 교류전원선(10) 주변의 노이즈 정도의 에너지를 갖는 초기 아크 노이즈를 검출하기 위한 것이므로 초기 아크 노이즈의 발생 주파수 대역에 맞게 자유롭게 설계될 수 있다.

복수의 교류분기선(20)은 복수의 교류전원선(10)으로부터 분기된 복수의 전원선으로 외부 전원으로부터 유입된 교류가 흐른다. 복수의 교류분기선(20)을 통하여 외부 전원로부터 교류 전력이 직류전원부(22)로 공급된다. 도 1에 도시된 실시예에 따르면, 복수의 교류분기선(20)은 세 가닥의 전선으로 이루어져 있으며 이것을 통해 삼상 교류가 흐르고, 복수의 교류분기선(20)을 통하여 외부 전원로부터 삼상 교류 전력이 직류전원부(22)로 공급된다. 외부 전원로부터 단상 교류 전력이 직류전원부(22)로 공급될 경우, 복수의 교류분기선(20)은 두 가닥의 전선으로 이루어져 있으며 이것을 통해 단상 교류가 흐르게 된다.

복수의 제 2 누전차단기(21)는 복수의 교류분기선(20)에 설치되어 복수의 교류분기선(20)에서의 누전의 발생 여부에 따라 복수의 교류분기선(20)에 흐르는 교류의 흐름을 허용하거나 차단한다. 복수의 제 2 누전차단기(21)는 복수의 교류분기선(20)에서의 누전의 발생을 검출하면 복수의 교류분기선(20)에 흐르는 교류의 흐름을 차단한다. 복수의 제 2 누전차단기(21)에 의해 복수의 교류분기선(20)에 흐르는 교류의 흐름이 차단되면, 직류전원부(22)로의 교류 전력 공급이 차단된다.

직류전원부(22)는 복수의 교류전원선(10)을 통하여 외부 전원로부터 공급된 교류 전력을 제어부(70)의 구동에 이용되는 직류 전력으로 변환한다. 본 실시예에서는 직류전원부(22)로부터 출력된 직류 전력은 직류겸용센서(41)의 홀소자(412)의 구동용 전원으로도 이용된다. 직류전원부(22)와 직류겸용센서(41) 사이의 직류전원선은 도면 복잡도를 낮추기 위해 생략되어 있다.

전력변환모듈(30)은 제어부(70)의 제어에 따라 복수의 교류전원선(10)을 통하여 외부 전원로부터 공급된 교류 전력을 전기차 충전에 이용되는 직류 전력으로 변환한다. 제어부(70)의 제어에 따라 전력변환모듈(30)의 전력변환 동작이 시작되거나 정지된다. 본 실시예에서는 복수의 교류전원선(10)에 과전류, 아크 전류 등 이상 전류가 발생되면 복수의 교류차단기(80)에 의해 복수의 교류전원선(10)에 흐르는 교류의 흐름이 차단된다. 대부분의 차단기는 전자석을 이용한 접점 분리 방식의 트립 구조를 갖기 때문에 트립이 완료되기까지 다소의 시간이 소요될 수 있다.

이로 인해, 복수의 교류차단기(80)의 트립이 완료되기까지 복수의 교류전원선(10)에 발생된 이상 전류가 전력변환모듈(30)로 유입될 수 있다. 본 실시예에서는 복수의 교류전원선(10)에 과전류, 아크 전류 등 이상 전류가 발생되면 제어부(70)에 의해 전력변환모듈(30)의 전력변환 동작이 즉시 정지되도록 함으로써 복수의 교류전원선(10)에 발생된 이상 전류로 인한 사고의 발생 가능성이 대폭 낮아질 수 있을 뿐만 아니라 복수의 교류전원선(10)에 발생된 이상 전류로 인한 직류 전력의 품질 열화가 방지될 수 있다.

본 실시예에 따르면, 전력변환모듈(30)은 복수의 교류전원선(10)과 복수의 직류전원선(40)이 전기적으로 절연된 상태로 외부 전원로부터 공급된 교류 전력을 전기차 충전에 이용되는 직류 전력으로 변환한다. 복수의 직류전원선(40)에 흐르는 직류에 비해 복수의 교류전원선(10)에 흐르는 교류는 전류 변동이 심하기 때문에 훨씬 더 큰 노이즈가 빈번하게 발생하게 된다. 복수의 교류전원선(10)에서 발생된 노이즈가 복수의 직류전원선(40)에 유입되면 양질의 직류 전력을 이용하여 전기차 충전이 이루어지기 어렵게 된다.

본 실시예에서는 복수의 교류전원선(10)과 복수의 직류전원선(40)이 전기적으로 절연된 상태로 복수의 교류전원선(10)을 통하여 외부 전원로부터 공급된 교류 전력을 전기차 충전에 이용되는 직류 전력으로 변환되기 때문에 복수의 교류전원선(10)에서 발생된 노이즈가 복수의 직류전원선(40)에 유입되는 것이 차단될 수 있다. 그 결과, 전력변환모듈(30)로부터 양질의 직류 전력이 출력될 수 있고, 양질의 직류 전력을 이용하여 전기차 충전이 이루어질 수 있게 된다.

도 1을 참조하면, 전력변환모듈(30)은 제 1 컨버터(31), 인버터(32), 절연변압기(33), 및 제 2 컨버터(34)로 구성된다. 도 1에 도시된 실시예는 하나의 전력변환모듈(30)만을 포함하고 있으나 전기차(2)의 요구 전력량에 대응되어 최적의 효율로 전력 변환을 할 수 있도록 복수의 전력변환모듈을 포함할 수도 있다.

제 1 컨버터(31)는 복수의 교류전원선(10)을 통하여 외부 전원로부터 공급된 교류 전력을 직류 전력으로 변환한다. 예를 들어, 제 1 컨버터(31)는 복수의 모스펫(MOSFET, Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)을 제어부(70)의 제어에 따라 온오프 스위칭함으로써 입력 역률을 1로 제어하면서 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 펄스폭 변조 방식의 컨버터로 구현될 수 있다. 모든 모스펫이 오프되면 제 1 컨버터(31)의 전력변환 동작이 정지된다.

인버터(32)는 제 1 컨버터(31)로부터 출력된 직류 전력을 교류 전력으로 변환한다. 절연변압기(33)는 인버터(32)로부터 출력된 교류 전력의 전압을 변압한다. 절연변압기(33)는 인버터(32)의 출력단에 연결된 일차 권선과 제 2 컨버터(34)의 입력단에 연결된 이차 권선이 전기적으로 절연된 구조의 변압기이다. 예를 들어, 절연변압기(33)의 일차 권선과 이차 권선 사이에 패러데이 실드(Faraday shield)를 삽입함으로써 일차 권선과 이차 권선은 전기적으로 절연될 수 있다.

제 2 컨버터(34)는 절연변압기(33)로부터 출력된 교류 전력을 직류 전력으로 변환한다. 제 2 컨버터(34)도 제 1 컨버터(31)와 마찬가지로 복수의 모스펫을 제어부(70)의 제어에 따라 온오프 스위칭함으로써 입력 역률을 1로 제어하면서 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 펄스폭 변조 방식의 컨버터로 구현될 수 있다. 모든 모스펫이 오프되면 제 2 컨버터(34)의 전력변환 동작이 정지된다.

복수의 직류전원선(40)은 전력변환모듈(30)과 충전커넥터(미도시) 사이에 배치되어 전력변환모듈(30)로부터 출력된 직류가 흐른다. 복수의 직류전원선(40)은 두 가닥의 전원선으로 이루어지며 이것을 통하여 전력변환모듈(30)로부터 직류 전력이 전기차(2)로 공급된다. 복수의 직류전원선(40)의 말단에 연결된 충전커넥터가 전기차(2)의 충전소켓(미도시)에 삽입되면 전기차(2)의 두 개의 컨택터(contactor)(100)는 온되어 전기차(2)의 배터리(200)로 전력변환모듈(30)로부터 직류 전력이 유입되면서 배터리(200) 충전이 이루어지게 된다.

직류겸용센서(41)은 직류 성분 및 고주파 성분 겸용 전류센서로서 복수의 직류전원선(40) 중에서 어느 하나의 직류전원선(40)에 설치되어 어느 하나의 직류전원선(40)에 흐르는 직류 중에서 직류 성분과 고주파 성분을 검출한다. 직류전원선(40)에 흐르는 직류에는 직류 성분 외에 아크 등으로 인한 고주파 성분이 포함되어 있다. 도 2, 3을 참조하면, 직류겸용센서(41)는 자기코어(411), 홀소자(412), 및 고주파와이어(413)로 구성된다. 도 2, 3에 도시된 고주파와이어(413)의 감김 횟수는 본 실시예에 대한 이해를 돕기 위한 예시적인 것으로 직류겸용센서(41)가 제품으로 구현될 경우의 실제 감김 횟수와 다르다.

직류겸용센서(41)의 자기코어(411)는 중공을 갖는 링형으로 형성되어 중공을 통과하는 어느 하나의 직류전원선(40)에 흐르는 직류로부터 발생된 자기장을 집속한다. 자기코어(411)를 통과하는 어느 하나의 직류전원선(40)은 직류를 공급하기 위한 두 가닥의 직류전원선 중 어느 하나이다. 자기코어(411)는 자기장 집속력을 높기 위해 여러 장의 규소 강판이 적층된 형태로 제작될 수도 있고, 나노크리스탈 자성체로 제작될 수도 있다.

직류겸용센서(41)의 홀소자(412)는 자기코어(411)에 삽입되어 홀 효과(Hall effect)를 이용하여 어느 하나의 직류전원선(40)에 흐르는 직류 중에서 직류 성분을 검출한다. 홀소자(412)는 자기코어(411)에 집속된 자기장의 세기에 따라 변화하는 전압을 출력하는 반도체 소자로서 전압 형태의 직류 성분을 출력한다. 직류전원선(40)에 흐르는 직류는 교류로부터 변환된 직류로서 어느 정도의 리플이 존재한다. 특히, 직류전원선(40)에 아크 등 이상 전류가 발생하면 그 크기가 순간적으로 크게 변화하게 된다. 홀소자(412)는 이러한 리플이 존재하는 직류 성분을 검출하게 된다.

직류겸용센서(41)의 고주파와이어(413)는 홀소자(412)가 삽입된 자기코어(411)의 중공을 통과한 후에 홀소자(412)가 삽입된 자기코어(411)의 중공을 다시 통과하는 방식으로 자기코어(411)에 복수 회 감김으로써 어느 하나의 직류전원선(40)에 흐르는 직류 중에서 고주파 성분을 검출한다. 도 2, 3에 도시된 바와 같이, 고주파와이어(413)는 홀소자(412)가 삽입된 자기코어(411)의 중공을 통과한 후에 홀소자(412)가 삽입된 자기코어(411)의 중공을 다시 통과하는 방식으로 홀소자(412)가 삽입된 자기코어(411)의 표면 둘레에 나선형으로 복수 회 감겨 있다. 고주파와이어(413)에 의해 검출되는 전류의 주파수대역은 고주파와이어(413)의 감김 횟수에 반비례한다.

자기코어(411)가 도 2, 3에 도시된 바와 같이 환상 링형으로 형성될 경우, 고주파와이어(413)에 의해 검출되는 전류의 주파수대역은 "bN_LN_H"이 제거된 수학식 2에 의해 결정된다. 이것은 고주파와이어(413)의 자기인덕턴스만이 존재하고 상호인덕턴스가 존재하지 않기 때문이다. 고주파와이어(123)과 마찬가지로, 고주파와이어(413)의 감김 횟수는 직류전원선(40)에 흐르는 고전압 전류를 저저압 전류로 변환하기 위한 권선비와는 관련이 없고, 직류전원선(40) 주변의 노이즈 정도의 에너지를 갖는 초기 아크 노이즈를 검출하기 위한 것이므로 초기 아크 노이즈의 발생 주파수 대역에 맞게 자유롭게 설계될 수 있다.

전류계(42)는 복수의 직류전원선(40) 중에서 어느 하나의 직류전원선(40)에 설치되어 복수의 직류전원선(40)에 흐르는 직류의 전류값을 측정한다. 전압계(43)는 복수의 직류전원선(40) 사이에 설치되어 복수의 직류전원선(40)에 흐르는 직류의 전압값을 측정한다. 퓨즈(44)는 복수의 직류전원선(40) 중에서 어느 하나의 직류전원선(40)에 설치되어 과전류 발생시에 전기차(2)로 과전류가 유입되는 것을 방지하는 역할을 한다. 다이오드(45)는 전기차(2)로부터 전력변환모듈(30)로 역방향 전류가 유입되는 것을 방지하는 역할을 한다.

제 1 이상전류검출모듈(50)은 교류겸용센서(12)에 의해 검출된 저주파 성분과 고주파 성분에 기초하여 복수의 교류전원선(10) 중 어느 하나의 교류전원선(10)에서의 이종의 이상 전류의 발생을 검출한다. 교류전원선(10)에서 발생되는 이종의 이상 전류의 대표적인 예로는 과전류와 아크 전류를 들 수 있다. 즉, 제 1 이상전류검출모듈(50)은 저주파와이어(122)에 의해 검출된 저주파 성분을 이용하여 어느 하나의 교류전원선(10)에서의 과전류 발생을 검출함과 동시에 저주파와이어(122)에 의해 검출된 저주파 성분과 고주파와이어(123)에 의해 검출된 고주파 성분을 이용하여 어느 하나의 교류전원선(10)에서의 아크 발생을 검출함으로써 어느 하나의 교류전원선(10)에서의 이종의 이상 전류의 발생을 검출한다.

도 4는 도 1에 도시된 제 1 이상전류검출모듈(50)의 구성도이다. 도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 제 1 이상전류검출모듈(50)은 저역통과필터(51), 저역증폭부(52), 대역통과필터(53), 고역증폭부(54), 영점검출부(55), 과전류검출부(56), 및 아크검출부(57)로 구성된다. 교류겸용센서(12)는 도 2의 (b) 기호로 표시되어 있다.

저역통과필터(51)는 저주파와이어(122)에 의해 검출된 저주파 성분 중 미리 설정된 상한주파수 이하의 저주파 전류 신호를 통과시킨다. 예를 들어, 저역통과필터(51)는 상한주파수 1Khz 이하의 저주파 전류 신호를 통과시키고, 1Khz를 초과하는 신호를 차단할 수 있다. 저역통과필터(51)에 연결된 두 가닥의 저주파와이어(122) 사이에는 버든 저항이 병렬 연결되어 전압 형태의 전류 신호가 저역통과필터(51)로 입력될 수 있다. 저역통과필터(51)는 인덕터, 캐패시터 등과 소자들의 조합으로 이루어진 아날로그 저역통과필터로 구현될 수 있고, 상한주파수는 이러한 소자들의 값 조정으로 설정될 수 있다. 저역통과필터(51)는 저주파와이어(122)를 통해 검출된 저주파 대역의 전류로부터 주변 노이즈를 제거하는 역할을 한다.

저역증폭부(52)는 저역통과필터(51)를 통과한 저주파 전류 신호를 증폭한다. 저역증폭부(52)는 아크검출부(57)의 아날로그 디지털 변환의 입력 범위에 맞추어 옵셋과 게인이 설계된 차동증폭기로 구현될 수 있다.

대역통과필터(53)는 고주파와이어(123)에 의해 검출된 고주파 성분 중 미리 설정된 대역의 고주파 전류 신호를 통과시킨다. 예를 들어, 대역통과필터(53)는 중심주파수가 150Mhz이고 대역폭이 68Mhz인 고주파 전류 신호를 통과시키고, 나머지 대역의 전류 신호를 차단할 수 있다. 대역통과필터(53)는 인덕터, 캐패시터 등과 소자들의 조합으로 이루어진 아날로그 대역통과필터로 구현될 수 있고, 통과 대역은 이러한 소자들의 값 조정으로 설정될 수 있다. 대역통과필터(53)는 아크 범위에 속하는 주파수 대역의 고주파 전류 신호만을 추출하는 역할을 한다.

고역증폭부(54)는 대역통과필터(53)를 통과한 고주파 전류 신호를 증폭한다. 고역증폭부(54)는 광대역의 신호 증폭이 가능한 로그증폭기와 아크검출부(57)의 아날로그 디지털 변환의 입력 범위에 맞추어 옵셋과 게인이 설계된 차동증폭기의 조합으로 구현될 수 있다. 아크 노이즈는 매우 넓은 대역에 걸쳐 발생하기 때문에 광대역의 신호 증폭이 가능한 로그증폭기가 사용된다. 로그증폭기의 입력 임피던스가 버든 저항의 역할을 하기 때문에 버든 저항 사용이 생략될 수 있다.

영점검출부(55)는 저역증폭부(52)에 의해 증폭된 저주파 전류 신호의 영점을 연속적으로 검출함으로써 저주파와이어(122)에 의해 검출된 저주파 대역의 전류의 영점을 연속적으로 검출한다. 저주파와이어(122)에 의해 검출된 저주파 대역의 전류는 교류 타입의 전류로 영점검출부(55)에 의해 연속적으로 검출된 두 영점 사이의 구간은 저주파와이어(122)를 통해 검출된 저주파 대역의 전류의 반주기에 해당된다.

과전류검출부(56)는 저주파와이어(12)에 의해 검출된 저주파 성분을 이용하여 교류전원선(10)에서의 과전류 발생을 검출한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 과전류검출부(56)는 아날로그 비교기를 이용하여 저역통과필터(51)를 통과한 저주파 전류 신호의 크기와 미리 결정된 임계 크기를 비교하고, 그 비교 결과 저역통과필터(51)를 통과한 저주파 전류 신호의 크기가 임계 크기보다 크면 교류전원선(10)에서 과전류가 발생한 것으로 결정한다. 임계 크기는 교류전원선(10)으로부터 전류가 흘러들어가는 전기회로의 정격 전류, 교류전원선(10)을 통해 전력을 공급받는 부하의 정격 전력 등을 고려하여 결정된다. 아날로그 비교기의 성능에 따라, 과전류검출부(56)는 저역증폭부(52)에 의해 증폭된 저주파 전류 신호의 크기와 미리 결정된 임계 크기를 비교하고, 그 비교 결과 저역증폭부(52)에 의해 증폭된 저주파 전류 신호의 크기가 임계 크기보다 크면 교류전원선(10)에서 과전류가 발생한 것으로 결정한다.

아크검출부(57)는 저주파와이어(122)에 의해 검출된 저주파 성분과 고주파와이어(123)에 의해 검출된 고주파 성분을 이용하여 교류전원선(10)에서의 아크 발생을 검출한다. 보다 상세하게 설명하면, 아크검출부(57)는 저역통과필터(51)를 통과한 저주파 전류 신호의 변동과 대역통과필터(53)를 통과한 고주파 전류 신호의 크기에 기초하여 교류전원선(10)에서의 아크 발생을 검출한다. 아크검출부(57)는 마이크로프로세서와 두 개의 ADC(Analog Digital Converter)의 조합으로 구현될 수 있다.

본 실시예에 따르면, 아크검출부(57)는 저주파와이어(12)에 의해 검출된 저주파 성분에 대한 복수의 저주파 전류 순시값의 변동과 고주파와이어(123)에 의해 검출된 고주파 성분에 대한 복수의 고주파 전류 순시값의 크기에 기초하여 어느 하나의 교류전원선(10)에서의 아크 발생을 검출할 수 있다. 즉, 아크검출부(57)는 저역증폭부(52)에 의해 증폭된 저주파 전류 신호에 대한 복수의 저주파 전류 순시값의 변동과 고역증폭부(54)에 의해 증폭된 고주파 전류 신호에 대한 복수의 고주파 전류 순시값의 크기에 기초하여 교류전원선(10)에서의 아크 발생을 검출한다.

제 2 이상전류검출모듈(60)은 직류겸용센서(41)에 의해 검출된 직류 성분과 고주파 성분에 기초하여 복수의 직류전원선(40) 중 어느 하나의 직류전원선(40)에서의 이종의 이상 전류의 발생을 검출한다. 직류전원선(40)에서 발생되는 이종의 이상 전류의 대표적인 예로는 과전류와 아크 전류를 들 수 있다. 즉, 제 2 이상전류검출모듈(60)은 홀소자(412)에 의해 검출된 직류 성분을 이용하여 어느 하나의 직류전원선(40)에서의 과전류 발생을 검출함과 동시에 홀소자(412)에 의해 검출된 직류 성분과 고주파와이어(413)에 의해 검출된 고주파 성분을 이용하여 어느 하나의 직류전원선(40)에서의 아크 발생을 검출함으로써 어느 하나의 직류전원선(40)에서의 이종의 이상 전류의 발생을 검출한다.

도 5는 도 1에 도시된 제 2 이상전류검출모듈(60)의 구성도이다. 도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 제 2 이상전류검출모듈(60)은 저역증폭부(61), 대역통과필터(62), 고역증폭부(63), 과전류검출부(64), 및 아크검출부(65)로 구성된다. 직류겸용센서(41)는 도 3의 (d) 기호로 표시되어 있다.

저역증폭부(61)는 홀소자(412)에 의해 검출된 직류 성분을 증폭한다. 저역증폭부(61)는 아크검출부(65)의 아날로그 디지털 변환의 입력 범위에 맞추어 옵셋과 게인이 설계된 차동증폭기로 구현될 수 있다.

대역통과필터(62)는 고주파와이어(123)에 의해 검출된 고주파 성분 중 미리 설정된 대역의 고주파 전류 신호를 통과시킨다. 예를 들어, 대역통과필터(62)는 중심주파수가 150Mhz이고 대역폭이 68Mhz인 고주파 전류 신호를 통과시키고, 나머지 대역의 전류 신호를 차단할 수 있다. 대역통과필터(62)는 인덕터, 캐패시터 등과 소자들의 조합으로 이루어진 아날로그 대역통과필터로 구현될 수 있고, 통과 대역은 이러한 소자들의 값 조정으로 설정될 수 있다. 대역통과필터(62)는 아크 범위에 속하는 주파수 대역의 고주파 전류 신호만을 추출하는 역할을 한다.

고역증폭부(63)는 대역통과필터(62)를 통과한 고주파 전류 신호를 증폭한다. 고역증폭부(63)는 광대역의 신호 증폭이 가능한 로그증폭기와 아크검출부(65)의 아날로그 디지털 변환의 입력 범위에 맞추어 옵셋과 게인이 설계된 차동증폭기의 조합으로 구현될 수 있다. 아크 노이즈는 매우 넓은 대역에 걸쳐 발생하기 때문에 광대역의 신호 증폭이 가능한 로그증폭기가 사용된다. 로그증폭기의 입력 임피던스가 버든 저항의 역할을 하기 때문에 버든 저항 사용이 생략될 수 있다.

과전류검출부(64)는 홀소자(412)에 의해 검출된 직류 성분을 이용하여 직류전원선(40)에서의 과전류 발생을 검출한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 과전류검출부(64)는 아날로그 비교기를 이용하여 저역증폭부(61)에 의해 증폭된 직류 성분의 크기와 미리 결정된 임계 크기를 비교하고, 그 비교 결과 저역증폭부(61)에 의해 증폭된 직류 성분의 크기가 임계 크기보다 크면 교류전원선(10)에서 과전류가 발생한 것으로 결정한다. 임계 크기는 전기차(2)의 배터리 정격 전력 등을 고려하여 결정된다.

아크검출부(65)는 홀소자(412)에 의해 검출된 직류 성분과 고주파와이어(123)에 의해 검출된 고주파 성분을 이용하여 교류전원선(10)에서의 아크 발생을 검출한다. 보다 상세하게 설명하면, 아크검출부(65)는 홀소자(412)에 의해 검출된 직류 성분의 변동과 대역통과필터(62)를 통과한 고주파 전류 신호의 크기에 기초하여 교류전원선(10)에서의 아크 발생을 검출한다. 아크검출부(65)는 마이크로프로세서와 두 개의 ADC(Analog Digital Converter)의 조합으로 구현될 수 있다.

본 실시예에 따르면, 아크검출부(65)는 홀소자(412)에 의해 검출된 직류 성분에 대한 복수의 직류 순시값의 변동과 고주파와이어(123)에 의해 검출된 고주파 성분에 대한 복수의 고주파 전류 순시값의 크기에 기초하여 어느 하나의 교류전원선(10)에서의 아크 발생을 검출할 수 있다. 즉, 아크검출부(65)는 저역증폭부(61)에 의해 증폭된 직류 성분에 대한 복수의 직류 순시값의 변동과 고역증폭부(63)에 의해 증폭된 고주파 전류 신호에 대한 복수의 고주파 전류 순시값의 크기에 기초하여 교류전원선(10)에서의 아크 발생을 검출한다.

도 6은 도 4에 도시된 아크검출부(57)의 아크 검출 방법의 흐름도이다. 도 6을 참조하면, 도 4에 도시된 아크검출부(57)의 아크 검출 방법은 다음과 같이 101~103 단계, 201~203 단계, 301~306 단계로 구성된다. 101~103 단계는 저역증폭부(52)에 의해 증폭된 저주파 전류 신호에 대해 반주기 단위로 실효값과 변동폭을 반복해서 산출하는 루프 과정에 해당된다. 201~203 단계는 고역증폭부(54)에 의해 증폭된 고주파 전류 신호에 대해 반주기 단위로 아크 점수를 반복해서 산출하는 루프 과정에 해당된다.

301~306 단계는 101~103 단계의 루프 과정에서 반주기 단위로 산출된 실효값의 변동폭과 201~203 단계의 루프 과정에서 반주기 단위로 산출된 아크 점수를 이용하여 교류전원선(10)에서의 아크 발생 여부를 결정하는 메인 과정이다. 101~103 단계와 201~203 단계는 301~306 단계의 메인 과정이 수행되는 동안에 그 메인 과정의 진행과 별개로 계속적으로 반복되는 루프 과정으로서 301~306 단계는 그 메인 과정의 수행 시점에서 101~103 단계, 201~203 단계에서 산출된 값을 이용하게 된다.

101 단계에서 아크검출부(57)는 영점검출부(55)에 의해 검출된 영점을 기준으로 반주기 단위로 저역증폭부(52)에 의해 증폭된 저주파 전류 신호를 32회 샘플링함으로써 저역증폭부(52)에 의해 증폭된 저주파 전류 신호로부터 반주기마다 32 개의 저주파 전류 순시값을 추출한다. 이와 같이 추출된 32 개의 저주파 전류 순시값은 디지털 값으로 101 단계는 아날로그 타입의 저주파 신호를 디지털 신호로 변환하는 과정에 해당된다.

102 단계에서 아크검출부(57)는 101 단계에서 추출된 반주기 동안의 32 개의 저주파 전류 순시값에 대한 실효값을 산출한다. 아크검출부(57)는 반주기 동안의 32 개의 저주파 전류 순시값 각각을 제곱하고, 그 제곱값들에 대한 반주기 동안의 평균값을 산출하고, 그 평균값에 대한 제곱근 값을 산출함으로써 반주기 동안의 32 개의 저주파 전류 순시값에 대한 실효값을 산출한다. 이와 같이 산출된 실효값은 반주기 동안의 저주파 전류 실효값에 해당된다.

103 단계에서 아크검출부(57)는 102 단계에서 산출된 반주기 동안의 저주파 전류 실효값을 이전 반주기 동안의 저주파 전류 실효값으로부터 감산함으로써 저주파 전류 실효값의 변동폭을 산출한다.

201 단계에서 아크검출부(57)는 영점검출부(55)에 의해 검출된 영점을 기준으로 반주기 단위로 고역증폭부(54)에 의해 증폭된 고주파 전류 신호를 32회 샘플링함으로써 고역증폭부(54)에 의해 증폭된 고주파 전류 신호로부터 반주기마다 32 개의 고주파 전류 순시값을 추출한다. 여기에서, 반주기는 영점검출부(55)에 의해 연속적으로 검출된 두 영점 사이의 구간에 해당된다. 이와 같이 추출된 32 개의 고주파 전류 순시값은 디지털 값으로 201 단계는 아날로그 타입의 고주파 신호를 디지털 신호로 변환하는 과정에 해당된다.

이와 같이, 영점검출부(55)에 의해 검출된 영점을 기준으로 저주파 전류 순시값과 고주파 전류 순시값이 추출되기 때문에 저주파 전류와 고주파 전류간의 동기화가 이루어져 그 각각의 주파수 변동에 기인한 오차가 방지될 수 있다.

202 단계에서 아크검출부(57)는 201 단계에서 추출된 반주기 동안의 32 개의 고주파 전류 순시값 각각에서 201 단계에서 추출된 반주기 동안의 32 개의 고주파 전류 순시값의 최소값을 감산하고, 그 감산 결과의 평균값을 산출한다. 반주기 동안의 32 개의 고주파 전류 순시값의 최소값은 교류전원선(10)에 흐르는 전류에 아크가 없는 상태에서의 주변 노이즈의 크기로 추정될 수 있다. 따라서, 202 단계에서 산출된 평균값은 아크 노이즈의 평균 값으로 볼 수 있다.

203 단계에서 아크검출부(57)는 202 단계에서 산출된 평균값을 정규화함으로써 202 단계에서 산출된 평균값에 대한 아크 점수를 산출한다. 202 단계에서 산출된 평균값의 정규화는 매우 넓은 범위에 분포하는 평균값을 아크 검출 판단을 위한 일정 범위 내의 값으로 변환하는 과정을 의미한다. 예를 들어, 아크검출부(57)는 202 단계에서 산출된 평균값을 미리 결정된 상수 값으로 나눔으로써 202 단계에서 산출된 평균값에 대한 아크 점수를 산출한다.

301 단계에서 아크검출부(57)는 102 단계에서 산출된 반주기 동안의 저주파 전류 실효값의 크기에 반비례하여 타이머 시간을 설정하고, 이와 같이 설정된 타이머 시간에 대한 카운트다운을 시작한다. 반주기 동안의 저주파 전류 실효값이 클수록 교류전원선(10)에 발생된 아크의 크기가 커지게 되고, 결과적으로 화재 발생 가능성도 높아지게 된다. 본 실시예에서는 반주기 동안의 저주파 전류 실효값이 클수록 타이머 시간을 짧게 함으로써 아크 검출이 신속하게 이루어지도록 한다.

302 단계에서 아크검출부(57)는 203 단계에서 산출된 아크 점수를 누적 가산한다. 203 단계에서 산출된 아크 점수를 누적 가산한다는 것은 203 단계에서 아크 점수가 산출될 때마다 지금까지 누적 가산된 아크 점수의 합계에 새로 산출된 아크 점수를 가산한다는 것을 의미한다.

303 단계에서 아크검출부(57)는 301 단계에서 설정된 타이머 시간이 경과되었는가를 확인한다. 303 단계에서의 확인 결과, 301 단계에서 설정된 타이머 시간이 경과되었으면 304 단계로 진행한다. 그렇지 않으면, 302 단계로 돌아간다. 301 단계에서 설정된 타이머 시간 동안에 203 단계는 여러 번 반복된다. 즉, 301 단계에서 설정된 타이머 시간 동안, 203 단계의 수행 회수 만큼 203 단계에서 산출된 아크 점수의 누적 가산이 반복된다.

304 단계에서 아크검출부(57)는 103 단계에서 산출된 저주파 전류 실효값의 변동폭이 102 단계에서 산출된 저주파 전류 실효값에 대해 미리 설정된 기준 비율에 해당하는 값보다 큰가를 확인한다. 예를 들어, 기준 비율이 5%이면 아크검출부(57)는 103 단계에서 산출된 저주파 전류 실효값의 변동폭이 102 단계에서 산출된 저주파 전류 실효값의 5%에 해당하는 값보다 큰가를 확인한다. 교류전원선(10)에서 아크가 발생되면 저주파 전류 실효값의 변동이 발생된다. 304 단계에서의 확인 결과, 103 단계에서 산출된 저주파 전류 실효값의 변동폭이 102 단계에서 산출된 저주파 전류 실효값의 5%에 해당하는 값보다 크면 305 단계로 진행한다. 그렇지 않으면, 301 단계로 돌아간다.

305 단계에서 아크검출부(57)는 302 단계에서 누적 가산된 아크 점수의 합계가 미리 설정된 기준값보다 큰가를 확인한다. 305 단계에서의 확인 결과, 302 단계에서 산출된 아크 점수의 누적 합계가 기준값보다 크면 306 단계로 진행한다. 그렇지 않으면, 301 단계로 돌아간다. 301 단계로 돌아가게 되면, 다시 301 단계가 수행되는 시점에서 102 단계에서 산출된 반주기 동안의 저주파 전류 실효값의 크기에 반비례하여 타이머 시간이 재설정되고, 상기된 메인 과정이 반복된다.

306 단계에서 아크검출부(57)는 교류전원선(10)에서 아크가 발생된 것으로 결정한다. 본 실시예에 따르면, 아크검출부(57)는 복수의 저주파 전류 순시값에 대한 실효값의 변동폭과 복수의 고주파 전류 순시값 각각에서 복수의 고주파 전류 순시값의 최소값을 감산한 결과의 평균값의 크기에 기초하여 어느 하나의 교류전원선(10)에서의 아크 발생을 검출함으로써 교류전원선(10)의 주변 노이즈의 영향 없이 정확하게 어느 하나의 교류전원선(10)에서의 아크 발생을 검출할 수 있다.

도 7은 도 5에 도시된 아크검출부(65)의 아크 검출 방법의 흐름도이다. 도 를 참조하면, 도 5에 도시된 아크검출부(65)의 아크 검출 방법은 다음과 같이 401~403 단계, 501~503 단계, 601~606 단계로 구성된다. 401~403 단계는 저역증폭부(61)에 의해 증폭된 직류 성분에 대해 일정 간격으로 평균값과 변동폭을 반복해서 산출하는 루프 과정에 해당된다. 501~503 단계는 고역증폭부(63)에 의해 증폭된 고주파 전류 신호에 대해 일정 간격으로 아크 점수를 반복해서 산출하는 루프 과정에 해당된다.

601~606 단계는 401~403 단계의 루프 과정에서 일정 간격으로 산출된 평균값의 변동폭과 501~503 단계의 루프 과정에서 일정 간격으로 산출된 아크 점수를 이용하여 직류전원선(40)에서의 아크 발생 여부를 결정하는 메인 과정이다. 401~403 단계와 501~503 단계는 601~606 단계의 메인 과정이 수행되는 동안에 그 메인 과정의 진행과 별개로 계속적으로 반복되는 루프 과정으로서 601~606 단계는 그 메인 과정의 수행 시점에서 401~403 단계, 501~503 단계에서 산출된 값을 이용하게 된다.

여기에서, 일정 간격은 영점검출부(55)에 의해 검출된 영점을 기준으로 한 반주기 단위가 될 수 있다. 저역증폭부(61)에 의해 증폭된 직류 성분은 주기적으로 변화하는 전류가 아니기 때문에 영점이 존재하지 않는다. 본 실시예는 4에 도시된 아크검출부(57)와 도 5에 도시된 아크검출부(65)간의 동작을 동기화함으로써 제어부(70)가 두 개의 아크검출부로부터 입력되는 신호를 효율적으로 처리할 수 있도록 설계된다. 이하에서는 일정 간격을 영점검출부(55)에 의해 검출된 영점을 기준으로 한 반주기 단위로 특정하여 도 5에 도시된 아크검출부(65)의 아크 검출 방법을 설명하기로 한다.

401 단계에서 아크검출부(65)는 영점검출부(55)에 의해 검출된 영점을 기준으로 반주기 단위로 저역증폭부(61)에 의해 증폭된 직류 성분을 32회 샘플링함으로써 저역증폭부(61)에 의해 증폭된 직류 성분으로부터 반주기마다 32 개의 직류 순시값을 추출한다. 이와 같이 추출된 32 개의 직류 순시값은 디지털 값으로 401 단계는 아날로그 타입의 직류 성분을 디지털 신호로 변환하는 과정에 해당된다. 저역증폭부(61)에 의해 증폭된 직류 성분은 리플이 존재하는 직류이기 때문에 항상 그 크기가 변동된다.

402 단계에서 아크검출부(65)는 401 단계에서 추출된 반주기 동안의 32 개의 직류 순시값에 대한 평균값을 산출한다. 아크검출부(65)는 반주기 동안의 32 개의 직류 순시값을 모두 더하고, 32로 나눔으로써 반주기 동안의 32 개의 직류 순시값에 대한 평균값을 산출한다. 이와 같이 산출된 평균값은 반주기 동안의 직류 평균값에 해당된다.

403 단계에서 아크검출부(65)는 402 단계에서 산출된 반주기 동안의 직류 평균값을 이전 반주기 동안의 직류 평균값으로부터 감산함으로써 직류 평균값의 변동폭을 산출한다.

501 단계에서 아크검출부(65)는 영점검출부(55)에 의해 검출된 영점을 기준으로 반주기 단위로 고역증폭부(63)에 의해 증폭된 고주파 전류 신호를 32회 샘플링함으로써 고역증폭부(63)에 의해 증폭된 고주파 전류 신호로부터 반주기마다 32 개의 고주파 전류 순시값을 추출한다. 이와 같이 추출된 32 개의 고주파 전류 순시값은 디지털 값으로 501 단계는 아날로그 타입의 고주파 신호를 디지털 신호로 변환하는 과정에 해당된다.

502 단계에서 아크검출부(65)는 501 단계에서 추출된 반주기 동안의 32 개의 고주파 전류 순시값 각각에서 501 단계에서 추출된 반주기 동안의 32 개의 고주파 전류 순시값의 최소값을 감산하고, 그 감산 결과의 평균값을 산출한다. 반주기 동안의 32 개의 고주파 전류 순시값의 최소값은 직류전원선(40)에 흐르는 전류에 아크가 없는 상태에서의 주변 노이즈의 크기로 추정될 수 있다. 따라서, 502 단계에서 산출된 평균값은 아크 노이즈의 평균 값으로 볼 수 있다.

503 단계에서 아크검출부(65)는 502 단계에서 산출된 평균값을 정규화함으로써 502 단계에서 산출된 평균값에 대한 아크 점수를 산출한다. 502 단계에서 산출된 평균값의 정규화는 매우 넓은 범위에 분포하는 평균값을 아크 검출 판단을 위한 일정 범위 내의 값으로 변환하는 과정을 의미한다. 예를 들어, 아크검출부(65)는 502 단계에서 산출된 평균값을 미리 결정된 상수 값으로 나눔으로써 502 단계에서 산출된 평균값에 대한 아크 점수를 산출한다.

601 단계에서 아크검출부(65)는 402 단계에서 산출된 반주기 동안의 직류 평균값의 크기에 반비례하여 타이머 시간을 설정하고, 이와 같이 설정된 타이머 시간에 대한 카운트다운을 시작한다. 반주기 동안의 직류 평균값이 클수록 직류전원선(40)에 발생된 아크의 크기가 커지게 되고, 결과적으로 화재 발생 가능성도 높아지게 된다. 본 실시예에서는 반주기 동안의 직류 평균값이 클수록 타이머 시간을 짧게 함으로써 아크 검출이 신속하게 이루어지도록 한다.

602 단계에서 아크검출부(65)는 503 단계에서 산출된 아크 점수를 누적 가산한다. 503 단계에서 산출된 아크 점수를 누적 가산한다는 것은 503 단계에서 아크 점수가 산출될 때마다 지금까지 누적 가산된 아크 점수의 합계에 새로 산출된 아크 점수를 가산한다는 것을 의미한다.

603 단계에서 아크검출부(65)는 601 단계에서 설정된 타이머 시간이 경과되었는가를 확인한다. 603 단계에서의 확인 결과, 601 단계에서 설정된 타이머 시간이 경과되었으면 604 단계로 진행한다. 그렇지 않으면, 602 단계로 돌아간다. 601 단계에서 설정된 타이머 시간 동안에 503 단계는 여러 번 반복된다. 즉, 601 단계에서 설정된 타이머 시간 동안, 503 단계의 수행 회수 만큼 503 단계에서 산출된 아크 점수의 누적 가산이 반복된다.

604 단계에서 아크검출부(65)는 403 단계에서 산출된 직류 평균값의 변동폭이 402 단계에서 산출된 직류 평균값에 대해 미리 설정된 기준 비율에 해당하는 값보다 큰가를 확인한다. 예를 들어, 기준 비율이 5%이면 아크검출부(65)는 403 단계에서 산출된 직류 평균값의 변동폭이 402 단계에서 산출된 직류 평균값의 5%에 해당하는 값보다 큰가를 확인한다. 직류전원선(40)에서 아크가 발생되면 직류 평균값의 변동이 발생된다. 604 단계에서의 확인 결과, 403 단계에서 산출된 직류 평균값의 변동폭이 402 단계에서 산출된 직류 평균값의 5%에 해당하는 값보다 크면 605 단계로 진행한다. 그렇지 않으면, 601 단계로 돌아간다.

605 단계에서 아크검출부(65)는 602 단계에서 누적 가산된 아크 점수의 합계가 미리 설정된 기준값보다 큰가를 확인한다. 605 단계에서의 확인 결과, 602 단계에서 산출된 아크 점수의 누적 합계가 기준값보다 크면 606 단계로 진행한다. 그렇지 않으면, 601 단계로 돌아간다. 601 단계로 돌아가게 되면, 다시 601 단계가 수행되는 시점에서 402 단계에서 산출된 반주기 동안의 저주파 전류 실효값의 크기에 반비례하여 타이머 시간이 재설정되고, 상기된 메인 과정이 반복된다.

606 단계에서 아크검출부(65)는 직류전원선(40)에서 아크가 발생된 것으로 결정한다. 본 실시예에 따르면, 아크검출부(65)는 복수의 직류 순시값에 대한 평균값의 변동폭과 복수의 고주파 전류 순시값 각각에서 복수의 고주파 전류 순시값의 최소값을 감산한 결과의 평균값의 크기에 기초하여 어느 하나의 직류전원선(40)에서의 아크 발생을 검출함으로써 직류전원선(40)의 주변 노이즈의 영향 없이 정확하게 어느 하나의 직류전원선(40)에서의 아크 발생을 검출할 수 있다.

제어부(70)는 제 1 이상전류검출모듈(50)의 검출 결과, 즉 아크검출부(57)의 검출 결과와 과전류검출부(56)의 검출 결과에 따라 복수의 교류차단기(80)의 동작을 제어하고, 제 2 이상전류검출모듈(60)의 검출 결과, 즉 아크검출부(65)의 검출 결과와 과전류검출부(64)의 검출 결과에 따라 복수의 직류차단기(90)의 동작을 제어한다. 또한, 제어부(70)는 전류계(42)에 의해 측정된 전류값과 전압계(43)에 의해 측정된 전압값이 일정하도록 전력변환모듈(30)의 전력변환 동작을 제어한다. 예를 들어, 제어부(70)는 전류계(42)에 의해 측정된 전류값과 전압계(43)에 의해 측정된 전압값이 일정하도록 제 1 컨버터(31)와 제 2 컨버터(34) 각각의 복수의 모스펫의 온오프 스위칭을 제어할 수 있다.

제어부(70)는 제 1 이상전류검출모듈(50)의 아크검출부(57)에 의해 교류전원선(10)에 아크가 발생된 것으로 결정되거나 과전류검출부(56)에 의해 복수의 교류전원선(10)에 과전류가 발생된 것으로 결정되면 복수의 교류차단기(80)가 복수의 교류전원선(10)에 흐르는 교류의 흐름을 차단하도록 복수의 교류차단기(80)의 동작을 제어하고, 제 2 이상전류검출모듈(60)의 아크검출부(65)에 의해 복수의 직류전원선(40)에 아크가 발생된 것으로 결정되거나 과전류검출부(64)에 의해 복수의 직류전원선(40)에 과전류가 발생된 것으로 결정되면 복수의 직류차단기(90)가 복수의 직류전원선(40)에 흐르는 직류의 흐름을 차단하도록 복수의 직류차단기(90)의 동작을 제어한다.

즉, 제어부(70)는 제 1 이상전류검출모듈(50)의 아크검출부(57)에 의해 교류전원선(10)에 아크가 발생된 것으로 결정되거나 과전류검출부(56)에 의해 복수의 교류전원선(10)에 과전류가 발생된 것으로 결정되면 복수의 교류차단기(80)가 복수의 교류전원선(10)에 흐르는 교류의 흐름을 차단하도록 복수의 교류차단기(80) 각각에 트립 신호를 출력하고, 제 2 이상전류검출모듈(60)의 아크검출부(65)에 의해 복수의 직류전원선(40)에 아크가 발생된 것으로 결정되거나 과전류검출부(64)에 의해 복수의 직류전원선(40)에 과전류가 발생된 것으로 결정되면 복수의 직류차단기(90)가 복수의 직류전원선(40)에 흐르는 직류의 흐름을 차단하도록 복수의 직류차단기(90) 각각에 트립 신호를 출력한다.

복수의 교류차단기(80)는 복수의 교류전원선(10)에 설치되어 교류겸용센서(12)에 의해 검출된 저주파 성분과 고주파 성분에 기초한 이종의 이상 전류의 발생 여부에 따라 복수의 교류전원선(10)에 흐르는 전류의 흐름을 허용하거나 차단한다. 도 1에 도시된 실시예에 따르면, 세 개의 교류차단기(80)가 세 가닥의 교류전원선(10)에 설치되어 세 가닥의 교류전원선(10)에 흐르는 전류의 흐름을 허용하거나 차단한다. 하나의 교류차단기(80)가 세 가닥의 교류전원선(10) 중 한 가닥의 교류전원선(10)에 설치되어 한 가닥의 교류전원선(10)에 흐르는 전류의 흐름을 허용하거나 차단할 수도 있다.

각 교류차단기(80)는 교류겸용센서(12)에 의해 검출된 저주파 성분과 고주파 성분에 기초한 이종의 이상 전류의 발생 여부에 따라, 즉 제어부(70)의 제어에 따라 각 교류전원선(10)에 흐르는 전류의 흐름을 허용하거나 차단한다. 각 교류차단기(80)는 제어부(70)로부터 투입 신호가 입력되거나 어떤 신호도 입력되지 않는 정상 상태에서는 투입된 상태로 유지된다. 각 교류차단기(80)는 제어부(70)로부터 트립 신호를 수신하면 트립되어 각 교류전원선(10)에 흐르는 전류의 흐름을 차단한다. 이후, 사용자에 의해 과전류와 아크에 대한 점검 수리가 이루어지게 된다. 사용자의 점검 수리가 완료되면 사용자에 의해 수동으로 각 교류차단기(80)가 투입된다.

복수의 직류차단기(90)는 복수의 직류전원선(40)에 설치되어 직류겸용센서(41)에 의해 검출된 직류 성분과 고주파 성분에 기초한 이종의 이상 전류의 발생 여부에 따라 복수의 직류전원선(40)에 흐르는 직류의 흐름을 허용하거나 차단한다. 도 1에 도시된 실시예에 따르면, 두 개의 직류차단기(90)가 두 가닥의 직류전원선(40)에 설치되어 두 가닥의 직류전원선(40)에 흐르는 전류의 흐름을 허용하거나 차단한다. 하나의 직류차단기(90)가 두 가닥의 직류전원선(40) 중 한 가닥의 직류전원선(40)에 설치되어 한 가닥의 직류전원선(40)에 흐르는 전류의 흐름을 허용하거나 차단할 수도 있다.

각 직류차단기(90)는 직류겸용센서(41)에 의해 검출된 저주파 성분과 고주파 성분에 기초한 이종의 이상 전류의 발생 여부에 따라, 즉 제어부(70)의 제어에 따라 각 직류전원선(40)에 흐르는 전류의 흐름을 허용하거나 차단한다. 각 직류차단기(90)는 제어부(70)로부터 투입 신호가 입력되거나 어떤 신호도 입력되지 않는 정상 상태에서는 투입된 상태로 유지된다. 각 직류차단기(90)는 제어부(70)로부터 트립 신호를 수신하면 트립되어 각 직류전원선(40)에 흐르는 전류의 흐름을 차단한다. 이후, 사용자에 의해 과전류와 아크에 대한 점검 수리가 이루어지게 된다. 사용자의 점검 수리가 완료되면 사용자에 의해 수동으로 각 직류차단기(90)가 투입된다.

전기차(2)의 충전 중에 배터리(200)로 과전류가 유입되거나 배터리(200)가 과열되면 전기차(2)의 충전 또는 주행 중에 전기차(2)에 화재가 발생할 수 있다. 배터리(200)로의 과전류 유입, 배터리(200)의 과열 원인은 대부분 외부 전원으로부터 전기차충전시스템(1)으로 교류 전력이 입력되는 측에서 발생되는 아크, 과전류 등 이상 전류와 전기차충전시스템(1)으로부터 전기차(2)로 직류 전력이 출력되는 측에서 발생되는 아크, 과전류 등 이상 전류에 기인한다. 전기차 화재에 도달하지는 않더라도 이러한 이상 전류로 인해 전기차충전시스템(1)과 전기차(2)가 손상되는 경우가 훨씬 더 빈번하게 발생할 수 있다.

본 실시예에 따른 전기차충전시스템(1)은 교류전원선(10)에 설치되어 교류전원선(10)에 흐르는 교류 중에서 저주파 성분과 고주파 성분을 검출하는 교류겸용센서(12)를 이용하여 교류전원선(10)에서의 이종의 이상 전류의 발생 여부에 따라 교류전원선(10)에 흐르는 교류의 흐름을 허용하거나 차단함으로써 하나의 전류 센서를 이용하여 아크, 과전류 등 교류전원선(10)에서 발생 가능한 이종의 이상 전류를 검출하여 교류전원선(10)에서의 이종의 이상 전류 발생으로 인한 전기차충전시스템(1) 및 전기차(2)의 손상, 화재 등 전기차 충전 사고를 방지할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 전기차충전시스템(1)은 직류전원선(40)에 설치되어 직류전원선(40)에 흐르는 직류 중에서 직류 성분과 고주파 성분을 검출하는 직류겸용센서(41)를 이용하여 직류전원선(40)에서의 이종의 이상 전류의 발생 여부에 따라 직류전원선(40)에 흐르는 직류의 흐름을 허용하거나 차단함으로써 하나의 전류 센서를 이용하여 아크, 과전류 등 직류전원선(40)에서 발생 가능한 이종의 이상 전류를 검출하여 직류전원선(40)에서의 이종의 이상 전류 발생으로 인한 전기차충전시스템(1) 및 전기차(2)의 손상, 화재 등 전기차 충전 사고를 방지할 수 있다.

이와 같이, 본 실시예에 따른 전기차충전시스템(1)은 두 개의 전류센서만을 사용하여 교류전원선(10)으로부터의 과전류, 아크전류 유입과 직류전원선(40)으로부터의 과전류, 아크전류 유입을 차단함으로써 전기차충전시스템(1)으로 교류 전력이 입력되는 측에서 발생되는 이종의 이상 전류로 인한 전기차 충전 사고와 전기차충전시스템(1)으로부터 전기차(2)로 직류 전력이 출력되는 측에서 발생되는 이종의 이상 전류로 인한 전기차 충전 사고를 이중으로 방지할 수 있다.

아크는 그 세기가 미약한 전조 단계에서 검출되어 미리 차단될 수 있으나, 마이크로프로세서 등으로 구현되는 아크검출부(57, 65)에 과전류가 유입되면 아크검출부(57, 65)가 고장날 수 있다. 본 실시예에 따르면, 과전류검출부(56, 64)는 아날로그 방식으로 과전류를 검출하기 때문에 디지털 방식으로 아크를 검출하는 아크검출부(57, 65)에 과전류가 입력되기 전에 과전류 검출이 가능하게 된다. 이에 따라, 아크검출부(57, 65)로의 과전류 유입이 차단될 수 있다.

전기차충전시스템(1)은 컴팩트하게 제작됨에 따라 그 내부는 일반적으로 매우 많은 부품이 내장되어 있어 매우 비좁다. 본 실시예에 따르면, 하나의 센서를 이용하여 교류전원선(10)에서의 아크 발생과 과전류 발생을 모두 검출할 수 있어 여러 개의 센서 사용에 따른 전기차충전시스템(1) 내부의 공간 확보가 불필요하게 된다. 그 결과, 아크, 과전류 등 이종의 이상 전류를 통합적으로 검출하여 이종의 이상 전류로 인한 사고를 방지할 수 있는 전기차충전시스템(1)의 제작이 용이해질 수 있고, 제작 비용이 절감될 수 있다.

이제까지 본 발명에 대하여 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

1 ... 전기차충전시스템
10 ... 교류전원선
11 ... 제 1 누전차단기
12 ... 교류겸용센서
121 ... 자기코어
122 ... 저주파와이어
123 ... 고주파와이어
20 ... 교류분기선
21 ... 제 2 누전차단기
22 ... 직류전원부
30 ... 전력변환모듈
31 ... 제 1 컨버터
32 ... 인버터
33 ... 절연변압기
34 ... 제 2 컨버터
40 ... 직류전원선
41 ... 직류겸용센서
411 ... 자기코어
412 ... 홀소자
413 ... 고주파와이어
42 ... 전류계
43 ... 전압계
44 ... 퓨즈
45 ... 다이오드
50 ... 제 1 이상전류검출모듈
51 ... 저역통과필터
52 ... 저역증폭부
53 ... 대역통과필터
54 ... 고역증폭부
55 ... 영점검출부
56 ... 과전류검출부
57 ... 아크검출부
60 ... 제 2 이상전류검출모듈
61 ... 저역증폭부
62 ... 대역통과필터
63 ... 고역증폭부
64 ... 과전류검출부
65 ... 아크검출부
70 ... 제어부
80 ... 교류차단기
90 ... 직류차단기

Claims

외부 전원으로부터 유입된 교류가 흐르는 복수의 교류전원선;
상기 복수의 교류전원선 중에서 어느 하나의 교류전원선에 설치되어 상기 어느 하나의 교류전원선에 흐르는 교류 중에서 저주파 성분과 고주파 성분을 검출하는 교류겸용센서;
상기 복수의 교류전원선 중에서 적어도 하나의 교류전원선에 설치되어 상기 교류겸용센서에 의해 검출된 저주파 성분과 고주파 성분에 기초한 이종의 이상 전류의 발생 여부에 따라 상기 적어도 하나의 교류전원선에 흐르는 교류의 흐름을 허용하거나 차단하는 적어도 하나의 교류차단기; 및
상기 복수의 교류전원선을 통하여 상기 외부 전원로부터 공급된 교류 전력을 전기차 충전에 이용되는 직류 전력으로 변환하는 전력변환모듈을 포함하고,
상기 교류겸용센서는
중공을 갖는 링형으로 형성되어 상기 중공을 통과하는 어느 하나의 교류전원선에 흐르는 전류로부터 발생된 자기장을 집속하기 위한 자기코어;
상기 자기코어의 중공을 통과한 후에 상기 자기코어의 중공을 다시 통과하는 방식으로 상기 자기코어에 복수 회 감김으로써 상기 어느 하나의 교류전원선에 흐르는 교류 중에서 저주파 성분을 검출하는 저주파와이어; 및
상기 자기코어의 중공을 통과한 후에 상기 자기코어의 중공을 다시 통과하는 방식으로 상기 자기코어에 상기 저주파와이어의 감김 횟수보다 적은 횟수로 감김으로써 상기 어느 하나의 교류전원선에 흐르는 교류 중에서 고주파수 성분을 검출하는 고주파와이어를 포함하고,
상기 저주파와이어 및 상기 고주파와이어 각각에 의해 검출되는 전류의 주파수대역은 상기 저주파와이어 및 상기 고주파와이어 각각의 감김 횟수에 반비례하는 것을 특징으로 하는 전기차충전시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 교류겸용센서에 의해 검출된 저주파 성분과 고주파 성분에 기초하여 상기 어느 하나의 교류전원선에서의 이종의 이상 전류의 발생을 검출하는 제 1 이상전류검출모듈; 및
상기 제 1 이상전류검출모듈의 검출 결과에 따라 상기 적어도 하나의 교류차단기의 동작을 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기차충전시스템.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 저주파와이어에 의해 검출된 저주파 성분을 이용하여 상기 어느 하나의 교류전원선에서의 과전류 발생을 검출함과 동시에 상기 저주파와이어에 의해 검출된 저주파 성분과 상기 고주파와이어에 의해 검출된 고주파 성분을 이용하여 상기 어느 하나의 교류전원선에서의 아크 발생을 검출함으로써 상기 어느 하나의 교류전원선에서의 이종의 이상 전류의 발생을 검출하는 제 1 이상전류검출모듈; 및
상기 제 1 이상전류검출모듈의 검출 결과에 따라 상기 적어도 하나의 교류차단기의 동작을 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기차충전시스템.
제 4 항에 있어서,
상기 제 1 이상전류검출모듈은 상기 저주파와이어에 의해 검출된 저주파 성분에 대한 복수의 저주파 전류 순시값의 변동과 상기 고주파와이어에 의해 검출된 고주파 성분에 대한 복수의 고주파 전류 순시값의 크기에 기초하여 상기 어느 하나의 교류전원선에서의 아크 발생을 검출하는 것을 특징으로 하는 전기차충전시스템.
제 4 항에 있어서,
상기 제 1 이상전류검출모듈은
상기 저주파와이어에 의해 검출된 저주파 성분 중 미리 설정된 상한주파수 이하의 저주파 전류 신호를 통과시키는 저역통과필터;
상기 고주파와이어에 의해 검출된 고주파 성분 중 미리 설정된 대역의 고주파 전류 신호를 통과키는 대역통과필터; 및
상기 저역통과필터를 통과한 저주파 전류 신호의 변동과 상기 대역통과필터를 통과한 고주파 전류 신호의 크기에 기초하여 상기 어느 하나의 교류전원선에서의 아크 발생을 검출하는 아크검출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기차충전시스템.
제 6 항에 있어서,
상기 제 1 이상전류검출모듈은
상기 저역통과필터를 통과한 저주파 전류 신호를 증폭하는 저역증폭부; 및
상기 대역통과필터를 통과한 고주파 전류 신호를 증폭하는 고역증폭부를 더 포함하고,
상기 아크검출부는 상기 저역증폭부에 의해 증폭된 저주파 전류 신호에 대한 복수의 저주파 전류 순시값의 변동과 상기 고역증폭부에 의해 증폭된 고주파 전류 신호에 대한 복수의 고주파 전류 순시값의 크기에 기초하여 상기 어느 하나의 교류전원선에서의 아크 발생을 검출하는 것을 특징으로 하는 전기차충전시스템.
제 7 항에 있어서,
상기 아크검출부는 상기 복수의 저주파 전류 순시값에 대한 실효값의 변동폭과 상기 복수의 고주파 전류 순시값 각각에서 상기 복수의 고주파 전류 순시값의 최소값을 감산한 결과의 평균값의 크기에 기초하여 상기 어느 하나의 교류전원선에서의 아크 발생을 검출하는 것을 특징으로 하는 전기차충전시스템.
제 8 항에 있어서,
상기 제 1 이상전류검출모듈은 상기 저주파와이어에 의해 검출된 저파수 성분에 해당하는 저주파 대역의 전류의 영점을 연속적으로 검출하는 영점검출부를 더 포함하고,
상기 아크검출부는 상기 영점검출부에 의해 검출된 영점을 기준으로 반주기 단위로 상기 저역증폭부에 의해 증폭된 저주파 전류 신호로부터 상기 복수의 저주파 전류 순시값을 추출하고, 상기 고역증폭부에 의해 증폭된 고주파 전류 신호로부터 상기 복수의 고주파 전류 순시값을 추출하는 것을 특징으로 하는 전기차충전시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 전력변환모듈로부터 출력된 직류가 흐르는 복수의 직류전원선;
상기 복수의 직류전원선 중에서 어느 하나의 직류전원선에 설치되어 상기 어느 하나의 직류전원선에 흐르는 직류 중에서 직류 성분과 고주파 성분을 검출하는 직류겸용센서; 및
상기 복수의 직류전원선 중에서 적어도 하나의 직류전원선에 설치되어 상기 직류겸용센서에 의해 검출된 직류 성분과 고주파 성분에 기초한 이종의 이상 전류의 발생 여부에 따라 상기 적어도 하나의 직류전원선에 흐르는 직류의 흐름을 허용하거나 차단하는 적어도 하나의 직류차단기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기차충전시스템.
제 10 항에 있어서,
상기 직류겸용센서에 의해 검출된 직류 성분과 고주파 성분에 기초하여 상기 어느 하나의 직류전원선에서의 이종의 이상 전류의 발생을 검출하는 제 2 이상전류검출모듈; 및
상기 제 2 이상전류검출모듈의 검출 결과에 따라 상기 적어도 하나의 직류차단기의 동작을 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기차충전시스템.
제 10 항에 있어서,
상기 직류겸용센서는
중공을 갖는 링형으로 형성되어 상기 중공을 통과하는 어느 하나의 직류전원선에 흐르는 직류로부터 발생된 자기장을 집속하기 위한 자기코어;
상기 자기코어에 삽입되어 홀 효과를 이용하여 상기 어느 하나의 직류전원선에 흐르는 직류 중에서 직류 성분을 검출하는 홀소자; 및
상기 자기코어에 감김으로써 상기 어느 하나의 직류전원선에 흐르는 직류 중에서 고주파 성분을 검출하는 고주파와이어를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기차충전시스템.
제 12 항에 있어서,
상기 홀소자에 의해 검출된 직류 성분을 이용하여 상기 어느 하나의 직류전원선에서의 과전류 발생을 검출함과 동시에 상기 홀소자에 의해 검출된 직류 성분과 상기 고주파와이어에 의해 검출된 고주파 성분을 이용하여 상기 어느 하나의 직류전원선에서의 아크 발생을 검출함으로써 상기 어느 하나의 직류전원선에서의 이종의 이상 전류의 발생을 검출하는 제 2 이상전류검출모듈; 및
상기 제 2 이상전류검출모듈의 검출 결과에 따라 상기 적어도 하나의 직류차단기의 동작을 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기차충전시스템.
제 13 항에 있어서,
상기 제 2 이상전류검출모듈은 상기 홀소자에 의해 검출된 직류 성분에 대한 복수의 직류 순시값의 변동과 상기 고주파와이어에 의해 검출된 고주파 성분에 대한 산출된 복수의 고주파 전류 순시값의 크기에 기초하여 상기 어느 하나의 직류전원선에서의 아크 발생을 검출하는 것을 특징으로 하는 전기차충전시스템.
제 13 항에 있어서,
상기 제 2 이상전류검출모듈은
상기 고주파와이어에 의해 검출된 고주파 성분 중 미리 설정된 대역의 고주파 전류 신호를 통과키는 대역통과필터; 및
상기 홀소자에 의해 검출된 직류 성분의 변동과 상기 대역통과필터를 통과한 고주파 전류 신호의 크기에 기초하여 상기 어느 하나의 직류전원선에서의 아크 발생을 검출하는 아크검출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기차충전시스템.
제 15 항에 있어서,
상기 제 2 이상전류검출모듈은
상기 홀소자에 의해 검출된 직류 성분을 증폭하는 저역증폭부; 및
상기 대역통과필터를 통과한 고주파 전류 신호를 증폭하는 고역증폭부를 더 포함하고,
상기 아크검출부는 상기 저역증폭부에 의해 증폭된 직류 성분에 대한 복수의 직류 순시값의 변동과 상기 고역증폭부에 의해 증폭된 고주파 전류 신호에 대한 복수의 고주파 전류 순시값의 크기에 기초하여 상기 어느 하나의 직류전원선에서의 아크 발생을 검출하는 것을 특징으로 하는 전기차충전시스템.
제 16 항에 있어서,
상기 아크검출부는 상기 복수의 직류 순시값에 대한 평균값의 변동폭과 상기 복수의 고주파 전류 순시값 각각에서 상기 복수의 고주파 전류 순시값의 최소값을 감산한 결과의 평균값의 크기에 기초하여 상기 어느 하나의 직류전원선에서의 아크 발생을 검출하는 것을 특징으로 하는 전기차충전시스템.
제 17 항에 있어서,
상기 아크검출부는 일정 간격으로 상기 저역증폭부에 의해 증폭된 직류 성분으로부터 상기 복수의 직류 순시값을 추출하고, 상기 고역증폭부에 의해 증폭된 고주파 전류 신호로부터 상기 복수의 고주파 전류 순시값을 추출하는 것을 특징으로 하는 전기차충전시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 전력변환모듈은 상기 복수의 교류전원선과 상기 복수의 직류전원선이 전기적으로 절연된 상태로 상기 외부 전원로부터 공급된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 것을 특징으로 하는 전기차충전시스템.
제 19 항에 있어서,
상기 전력변환모듈은
상기 외부 전원로부터 공급된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 제 1 컨버터;
상기 제 1 컨버터로부터 출력된 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 인버터;
상기 인버터로부터 출력된 교류 전력의 전압을 변압하는 절연변압기; 및
상기 절연변압기로부터 출력된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 제 2 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기차충전시스템.