KR102610007B1 - 전기차의 급속 충전 시스템 및 이를 이용한 전기차의 급속 충전 방법 - Google Patents

전기차의 급속 충전 시스템 및 이를 이용한 전기차의 급속 충전 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 충전기와 병렬 연결되는 급속 충전 커패시터의 초기 동작 특성에 의해 절연 검사의 불만족(fail) 문제가 발생하지 않도록 구성된 전기차의 급속 충전 시스템 및 이를 이용한 전기차의 급속 충전 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 실시예인 전기차의 급속 충전 시스템에 따르면, DC 링크 커패시터에 먼저 배터리의 전압을 충전한 후 이를 급속 충전 커패시터에 분배하여 급속 충전 커패시터의 전압을 충전기가 제공하는 전압과 동일해지도록 함으로써 절연 검사를 위한 외부 전원 인가시에 급속 충전 커패시터에 의한 전류 루프가 형성되지 않는다. 따라서, 실제 절연 문제가 없는 경우에도 급속 충전 커패시터에 의해 절연 검사의 불만족 문제가 발생하는 것을 방지할 수 있다.

Description

전기차의 급속 충전 시스템 및 이를 이용한 전기차의 급속 충전 방법{Electric vehicle fast charging system and electric vehicle fast charging method using the same}
본 발명은, 전기차의 급속 충전 시스템 및 이를 이용한 전기차의 급속 충전 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 충전기와 병렬 연결되는 급속 충전 커패시터의 초기 동작 특성에 의해 절연 검사의 불만족(fail) 문제가 발생하지 않도록 구성된 전기차의 급속 충전 시스템 및 이를 이용한 전기차의 급속 충전 방법에 관한 것이다.
전기차는 고전압의 배터리와, 고전압 배터리를 전원으로 구동하는 주행용 모터와, 상기 배터리에서 공급되는 직류 전원을 교류로 변환하여 상기 모터에 인가하는 인버터를 포함하고 있다. 이러한 전기차에는 외부 전원(예를 들어, 급속 충전기)을 충전 가능한 직류 전원으로 변환하여 상기 배터리를 충전하는 충전 회로가 포함된다.
이때, 상기 배터리에 대한 급속 충전을 위하여 충전 전압을 승압(예, 400V에서 800V로 승압)시켜 충전하는 시스템을 멀티 충전 시스템이라 하며, 멀티 충전 시스템을 이용하면 400V급 급속 충전기로부터 800V급 사양을 갖는 전기차의 배터리를 급속 충전시킬 수 있다.
도 5는 종래 멀티 충전 시스템의 충전 회로에 대한 일 예를 나타낸 것이다.
차량의 정지 상태에서 외부의 급속 충전기 커넥터가 인렛(inlet)(5)에 연결되어 차량의 충전 회로에 접속되면, 도 5에 도시된 바와 같이 스위치들(sw1 내지 sw5)이 급속 충전 경로를 형성하기 위하여 온오프 제어된다.
상기 급속 충전기로부터 공급되는 전압(예, 400V)은 부스터 컨버터 역할을 하는 모터(1)와 인버터(7)를 통해 승압(예, 800V)되며, 이에 따라 배터리(3)가 급속 충전될 수 있다. 상기 배터리(3)에는 도시되지 않았으나 승압된 전압이 충전되는 커패시터가 병렬 연결될 수 있다.
한편, 이러한 멀티 충전 시스템을 통해 400V급 급속 충전기로 배터리를 충전하는 경우, 충전 개시 이전에 충전기의 절연 진단을 먼저 수행하게 된다. 절연 진단은 충전기가 기 설정된 절연 사양을 만족하는지 여부의 판단을 위해 외부 전압을 인가하여 절연 저항을 측정하는 방식으로 진행된다.
이때, 충전기와 병렬로 연결되는 급속 충전 커패시터(9)에 초기 충전 전류가 흐르게 되고 전류 루프(loop)가 형성된다. 이로 인해 충전기의 충전 개시 전 절연 진단에서 불만족(fail)이 발생할 가능성이 높다. 이는 시간의 흐름에 따라 충전 전압이 안정화되면서 절연 조건을 만족하게 될 것임에도 불구하고 커패시터의 동작 특성상 발생하는 문제이다.
본 발명은, 급속 충전 커패시터에 의한 절연 검사의 불만족(fail) 문제가 발생하지 않도록 충전 개시 이전에 일련의 동작을 수행하는 전기차의 급속 충전 시스템 및 전기차의 급속 충전 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 전기차의 급속 충전 시스템은, 전기차의 구동을 위한 모터; 상기 모터에 전력을 공급하는 배터리; 상기 배터리를 급속 충전하는 충전기의 충전 커넥터가 연결되는 인렛(inlet); 상기 배터리와 상기 모터 사이에 연결되고 상기 배터리와 상기 모터 사이의 전류 흐름 또는 상기 배터리와 상기 인렛 사이의 전류 흐름을 단속하는 적어도 하나 이상의 스위치를 포함하는 스위치부; 상기 인렛과 상기 스위치부 사이에 구비되고 상기 충전 커넥터가 상기 인렛에 연결되는 경우 상기 충전기와 병렬로 연결되는 급속 충전 커패시터; 상기 배터리와 상기 모터 사이에 연결되는 DC 링크 커패시터; 및 상기 스위치부의 동작을 제어하는 제어부;를 포함하며, 상기 제어부는, 상기 급속 충전이 시작되기 이전에 상기 배터리의 전압 일부를 상기 급속 충전 커패시터에 충전하도록 상기 스위치부를 제어할 수 있다.
여기서 제어부는, 상기 스위치부를 제1 스위칭 모드로 제어하여 상기 인렛과 상기 배터리의 연결이 차단된 상태에서 상기 배터리와 상기 DC 링크 커패시터를 연결한 후, 상기 배터리의 전압을 상기 DC 링크 커패시터에 충전하고, 상기 제1 스위칭 모드의 종료 이후 상기 스위치부를 제2 스위칭 모드로 제어하여 상기 배터리와 상기 DC 링크 커패시터의 연결이 차단된 상태에서 상기 DC 링크 커패시터와 상기 급속 충전 커패시터를 연결한 후, 상기 DC 링크 커패시터에 충전된 전압을 상기 급속 충전 커패시터에 분배할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 전기차의 급속 충전 시스템은, 상기 모터와 상기 DC 링크 커패시터 사이에 연결되고, 상기 배터리에서 공급되는 직류 전원을 모터에 듀티 제어하여 인가하는 인버터를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 배터리의 사양이 상기 충전기가 제공하는 전압보다 고전압인 경우, 상기 제어부는, 상기 제2 스위칭 모드의 종료 이후 상기 인렛으로부터의 전류가 상기 모터와 상기 인버터를 거쳐 상기 배터리로 전달되도록 상기 스위치부를 제3 스위칭 모드로 제어하며, 상기 인버터는, 상기 모터와 함께 부스터 컨버터로 동작하여 상기 충전기가 제공하는 전압을 승압한 후 상기 배터리에 충전할 수 있다.
한편, 상기 스위치부는, 일단이 상기 배터리의 양극 단자에 연결되고 타단이 상기 DC 링크 커패시터의 일단에 연결되는 제1 스위치; 일단이 상기 배터리의 음극 단자에 연결되고 타단이 상기 DC 링크 커패시터의 타단에 연결되는 제2 스위치; 일단이 상기 인렛의 일단에 연결되고 타단이 상기 제2 스위치와 상기 DC 링크 커패시터의 사이에 연결되는 제3 스위치; 일단이 상기 인렛의 타단에 연결되고 타단이 상기 제1 스위치와 상기 DC 링크 커패시터의 사이에 연결되는 제4 스위치; 및 일단이 상기 제4 스위치와 상기 인렛 사이에 연결되고 타단이 상기 모터에 연결되는 제5 스위치를 포함하며, 상기 급속 충전 커패시터는, 일단이 상기 제3 스위치의 타단에 연결되고 타단이 상기 제4 스위치의 일단과 상기 제5 스위치의 일단 사이에 연결될 수 있다.
이때, 상기 제어부는, 상기 제1 스위치와 상기 제2 스위치는 온 제어하고, 상기 제3 스위치와 상기 제4 스위치 및 상기 제5 스위치는 오프 제어하는 제1 스위칭 모드로 동작하여, 상기 DC 링크 커패시터를 상기 배터리의 전압으로 충전할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 제1 스위칭 모드의 종료 이후, 상기 제1 스위치와 상기 제5 스위치는 오프 제어하고, 상기 제2 스위치와 상기 제3 스위치 및 상기 제4 스위치는 온 제어하는 제2 스위칭 모드로 동작하여, 상기 제1 스위칭 모드 동안에 상기 DC 링크 커패시터에 충전된 전압을 상기 급속 충전 커패시터에 분배할 수 있다.
또한, 상기 배터리의 사양이 상기 충전기가 제공하는 전압보다 고전압인 경우, 상기 제어부는, 상기 제2 스위칭 모드의 종료 이후, 상기 제1 스위치와 상기 제2 스위치와 상기 제3 스위치 및 상기 제5 스위치를 온 제어하고, 상기 제4 스위치는 오프 제어하는 제3 스위칭 모드로 동작하며, 상기 인버터는, 상기 모터와 함께 부스터 컨버터로 동작하여 상기 충전기가 제공하는 전압을 승압한 후 상기 배터리에 충전할 수 있다.
아울러, 상기 제어부는, 상기 급속 충전 커패시터를 충전하기 위한 제어를 수행한 이후에, 상기 급속 충전 커패시터의 양단 전압을 측정하여 상기 급속 충전 커패시터의 고장 여부를 판단할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 급속 충전 커패시터를 충전하기 위한 제어를 수행한 이후에, 상기 충전기에 대한 절연 검사를 수행할 수 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 전기차의 급속 충전 방법은, 상기 전기차의 배터리와 상기 배터리의 전력으로 구동하는 모터 사이에 연결된 DC 링크 커패시터를 충전하는 단계; 상기 전기차를 충전하는 충전기의 커넥터가 결합되는 인렛(inlet)에 병렬 연결된 급속 충전 커패시터를 상기 DC 링크 커패시터와 연결하고, 상기 DC 링크 커패시터에 충전된 전압을 상기 급속 충전 커패시터에 분배하여 충전하는 단계; 상기 급속 충전 커패시터의 전압을 검사하는 단계; 상기 충전기의 절연 상태를 검사하는 단계; 및 상기 급속 충전 커패시터의 전압이 정상이고 상기 충전기의 절연 상태가 기 설정된 사양을 만족하는 경우 상기 충전기로부터 상기 배터리로의 충전을 개시하는 단계;를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 DC 링크 커패시터를 충전하는 단계는, 상기 인렛과 상기 배터리의 연결이 차단된 상태에서 상기 배터리와 상기 DC 링크 커패시터를 연결한 후, 상기 배터리의 전압을 상기 DC 링크 커패시터에 충전할 수 있다.
또한, 상기 DC 링크 커패시터에 충전된 전압을 상기 급속 충전 커패시터에 분배하여 충전하는 단계는, 상기 DC 링크 커패시터에 대한 충전의 종료 이후 상기 배터리와 상기 DC 링크 커패시터의 연결이 차단된 상태에서 상기 DC 링크 커패시터와 상기 급속 충전 커패시터를 연결하여 상기 DC 링크 커패시터에 충전된 전압을 상기 급속 충전 커패시터에 분배할 수 있다.
또한, 상기 급속 충전 커패시터의 전압을 검사하는 단계는, 상기 DC 링크 커패시터에 충전된 전압을 상기 급속 충전 커패시터에 분배하여 충전하는 단계의 이후에, 상기 급속 충전 커패시터의 양단 전압을 측정하여 상기 급속 충전 커패시터의 고장 여부를 판단할 수 있다.
또한, 상기 충전기로부터 상기 배터리로의 충전을 개시하는 단계는, 상기 배터리의 사양이 상기 충전기가 제공하는 전압보다 고전압인 경우, 상기 배터리에서 공급되는 직류 전원을 모터에 듀티 제어하여 인가하는 인버터와 상기 모터를 함께 부스터 컨버터로 동작시켜 상기 충전기가 제공하는 전압을 승압한 후 상기 배터리에 충전할 수 있다.
본 발명에 따르면, DC 링크 커패시터에 먼저 배터리의 전압을 충전한 후 이를 급속 충전 커패시터에 분배하여 급속 충전 커패시터의 전압을 충전기가 제공하는 전압과 동일해지도록 함으로써 절연 검사를 위한 외부 전원 인가시에 급속 충전 커패시터에 의한 전류 루프가 형성되지 않는다. 따라서, 실제 절연 문제가 없는 경우에도 급속 충전 커패시터에 의해 절연 검사의 불만족 문제가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기차의 급속 충전 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전기차의 급속 충전 시스템의 회로도이다.
도 3a 내지 도 3c는 도 2의 회로도에 스위치들의 온오프 제어에 의해 가변되는 전류 흐름을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전기차의 급속 충전 방법의 흐름을 나타낸 순서도이다.
도 5는 종래 멀티 충전 시스템의 충전 회로에 대한 일 예를 나타낸 것이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 의도는 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명을 설명함에 있어서 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지 않을 수 있다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
"및/또는"이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함할 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급되는 경우는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해될 수 있다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로서, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해될 수 있다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석될 수 있으며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않을 수 있다.
아울러, 이하의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것으로서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기차의 급속 충전 시스템의 구성도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전기차의 급속 충전 시스템의 회로도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전기차의 급속 충전 시스템은, 전기차의 구동을 위한 모터(100), 모터(100)에 전력을 공급하는 배터리(200), 인렛(inlet)(300), 스위치부(400), 급속 충전 커패시터(500), DC 링크 커패시터(600) 및 제어부(700)를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 전기차의 급속 충전 시스템은, 인버터(800)를 더 포함할 수 있다.
인버터(800)는, 배터리(200)에서 공급되는 직류 전원을 모터(100)에 듀티 제어하여 인가하는 구성이다. 잘 알려진 바와 같이, 인버터(800)는 구동 드라이버로부터 제어 신호를 받아 인버터(800)에 포함된 반도체 스위치들의 온오프 동작으로 듀티를 가변할 수 있다. 본 발명의 실시예에서 구동 드라이버는 개념적으로 제어부(700)에 포함될 수 있다.
인렛(300)은, 전기차에 설치되며, 배터리(200)를 급속 충전하는 충전기의 충전 커넥터가 연결되는 구성이다. 이때, 인렛(300)에 연결되는 충전기의 사양은 400V일 수 있다. 400V급 충전기를 이용하여 800V급 배터리(200)를 충전하는 경우에는 모터(100)와 인버터(800)가 부스터 컨버터로 동작하여 400V 전압을 800V로 승압하여 배터리(200)를 충전할 수 있다. 만일, 800V급 충전기를 이용하여 800V급 배터리(200)를 충전하는 경우에는 충전 전력이 모터(100)와 인버터(800)를 경유하도록 구성될 필요 없이 배터리(200)와 인렛(300)을 바로 연결하여 배터리(200)를 충전할 수 있다.
스위치부(400)는, 배터리(200)와 모터(100) 사이에 연결될 수 있다. 스위치부(400)는, 배터리(200)와 모터(100) 사이의 전류 흐름 또는 배터리(200)와 인렛(300) 사이의 전류 흐름을 단속하는 적어도 하나 이상의 스위치를 포함할 수 있다. 도 2를 참조하면, 스위치부(400)는 제1 스위치(sw1), 제2 스위치(sw2), 제3 스위치(sw3), 제4 스위치(sw4) 및 제5 스위치(sw5)를 포함할 수 있다. 스위치들의 온오프에 따른 전류 흐름의 변화에 대해서는 도 3a 내지 도 3c를 참조하여 후술하기로 한다.
급속 충전 커패시터(500)는, 인렛(300)과 스위치부(400) 사이에 구비될 수 있다. 충전 커넥터가 인렛(300)에 연결되는 경우 충전기는 급속 충전 커패시터(500)와 병렬로 연결된다. 보다 구체적으로, 충전기의 양(+) 단자 측과 음(-) 단자 측이 각각 급속 충전 커패시터(500)의 일단과 타단에 연결된다.
급속 충전 커패시터(500)는 차량의 일반적인 운행 중에는 사용되지 않는 구성으로서, 충전기가 차량(차량의 인렛(300))에 연결되는 경우에 디커플링을 수행하여 안전하게 전원이 공급되도록 구비되는 구성이다. 충전기가 차량에 연결되고 충전이 개시되기 전에는 급속 충전 커패시터(500)에 전하가 아직 충전되지 않은 상태이다.
DC 링크 커패시터(600)는 배터리(200)와 모터(100) 사이에 연결될 수 있다. 보다 구체적으로, DC 링크 커패시터(600)는 배터리(200)와 인버터(800) 사이에 연결될 수 있다. DC 링크 커패시터(600)는 배터리(200)가 방전되면서 모터(100)로 전력을 제공하는 때에 공급되는 전압을 평활화하는 용도로 구비되는 구성이다.
제어부(700)는, 스위치부(400)의 동작을 제어할 수 있다. 보다 구체적으로, 제어부(700)는 스위치부(400)에 포함된 적어도 하나 이상의 스위치의 온오프를 제어할 수 있다. 제어부(700)는, CPU, MCU, 마이크로 컨트롤러, 마이크로 프로세서 등 컴퓨터 프로그램 명령을 실행하여 동작을 수행할 수 있는 각종 컨트롤러 중 임의의 것일 수 있다.
본 발명의 목적을 달성하기 위해, 제어부(700)는 충전기의 연결에 의한 급속 충전이 시작되기 이전에 배터리(200)의 전압 일부를 급속 충전 커패시터(500)에 충전하도록 스위치부(400)를 제어할 수 있다.
이에 대해, 아래에서 도 3을 더 참조하여 설명한다.
도 3a 내지 도 3c는 도 2의 회로도에 스위치들의 온오프 제어에 의해 가변되는 전류 흐름을 나타낸 것이다.
스위치부(400)의 온오프 제어 동작에 대해 설명하기에 앞서, 스위치부(400)에 포함된 스위치들의 배치에 대해 설명한다.
제1 스위치(sw1)는 일단이 배터리(200)의 양극 단자에 연결되고 타단이 DC 링크 커패시터(600)의 일단에 연결될 수 있다.
제2 스위치(sw2)는 일단이 배터리(200)의 음극 단자에 연결되고 타단이 DC 링크 커패시터(600)의 타단에 연결될 수 있다.
제3 스위치(sw3)는, 일단이 인렛(300)의 일단에 연결되고 타단이 제2 스위치(sw2)와 DC 링크 커패시터(600)의 사이에 연결될 수 있다. 여기서, 인렛(300)의 일단은 충전기가 인렛(300)에 연결되는 때에 충전기의 음(-) 단자 측과 연결되는 지점을 의미할 수 있다. 다른 관점에서, 인렛(300)의 일단은 배터리(200)의 음극 단자가 연결되는 지점을 의미할 수 있다. 인렛(300)의 타단은 충전기가 인렛(300)에 연결되는 때에 충전기의 양(+) 단자 측과 연결되는 지점을 의미할 수 있다. 다른 관점에서, 인렛(300)의 타단은 배터리(200)의 양극 단자가 연결되는 지점을 의미할 수 있다.
제4 스위치(sw4)는 일단이 인렛(300)의 타단에 연결되고 타단이 제1 스위치(sw1)와 DC 링크 커패시터(600)의 사이에 연결될 수 있다.
제5 스위치(sw5)는 일단이 제4 스위치(sw4)와 인렛(300) 사이에 연결되고 타단이 모터(100)에 연결될 수 있다.
이때, 급속 충전 커패시터(500)는, 일단이 제3 스위치(sw3)의 타단에 연결되고 타단이 제4 스위치(sw4)의 일단과 제5 스위치(sw5)의 일단 사이에 연결된다.
제어부(700)는 스위치부(400)를 제1 스위칭 모드로 제어할 수 있다.(도 3a 참조)
제1 스위칭 모드는 인렛(300)과 배터리(200)의 전기적 연결은 차단하고 배터리(200)와 DC 링크 커패시터(600)를 전기적으로 연결하는 스위칭 모드이다. 보다 구체적으로, 제1 스위칭 모드에서 제어부(700)는, 제1 스위치(sw1)와 제2 스위치(sw2)는 온 제어하고, 제3 스위치(sw3)와 제4 스위치(sw4) 및 제5 스위치(sw5)는 오프 제어할 수 있다.
이러한 제어 하에서 배터리(200)의 전압은 DC 링크 커패시터(600)에 충전될 수 있다. 일 예로, 배터리(200)의 전압이 800V라면 DC 링크 커패시터(600)도 800V로 충전된다.
이때, 인버터(800)는 구동하지 않는다. 즉, 모터(100)로는 전류가 흐르지 않는다. 제1 스위칭 모드는 DC 링크 커패시터(600)의 전압과 배터리(200)의 전압이 동일해질 때까지 지속될 수 있다.
제어부(700)는, 제1 스위칭 모드의 종료 이후 스위치부(400)를 제2 스위칭 모드로 제어할 수 있다.(도 3b 참조)
제2 스위칭 모드는, 배터리(200)와 DC 링크 커패시터(600)의 전기적인 연결은 차단하고 DC 링크 커패시터(600)와 급속 충전 커패시터(500)를 전기적으로 연결하는 스위칭 모드이다. 보다 구체적으로, 제2 스위칭 모드에서 제어부(700)는, 제1 스위치(sw1)와 제5 스위치(sw5)는 오프 제어하고, 제2 스위치(sw2)와 제3 스위치(sw3) 및 제4 스위치(sw4)는 온 제어할 수 있다.
이러한 제어 하에서 제1 스위칭 모드 동안에 DC 링크 커패시터(600)에 충전된 전압은 급속 충전 커패시터(500)에 분배될 수 있다. 일 예로, 제1 스위칭 모드에서 DC 링크 커패시터(600)에 충전된 전압이 800V라면 전압 분배 이후 DC 링크 커패시터(600)와 급속 충전 커패시터(500)는 각각 400V로 전압이 분배된다.
이를 보다 구체적으로 설명하자면, DC 링크 커패시터(600)와 급속 충전 커패시터(500)만이 병렬로 연결되면서 Q = CV에 의해, Q(전하량)가 일정한 상황에서 C(커패시턴스)가 2배로 올라갈 경우 V(전압)값은 1/2배가 되어 각 전압이 400V를 형성하는 것이다. 물론 이를 만족하기 위해서는, 각 커패시터의 C 값은 동일할 것이 전제된다.
이때에도, 인버터(800)는 구동하지 않는다. 즉, 모터(100)로는 전류가 흐르지 않고 오직 DC 링크 커패시터(600)와 급속 충전 커패시터(500) 사이의 전류 패스만이 형성된다. 제2 스위칭 모드는 급속 충전 커패시터(500)의 전압과 DC 링크 커패시터(600)의 전압이 동일해질 때까지 지속될 수 있다.
제어부(700)는, 제2 스위칭 모드의 종료 이후 스위치부(400)를 제3 스위칭 모드로 제어할 수 있다.(도 3c 참조)
제3 스위칭 모드는 배터리(200)가 충전기의 제공 전력을 이용하여 충전되는 충전 모드이다.
일 예로, 배터리(200)의 사양이 충전기가 제공하는 전압보다 고전압인 경우, 즉, 배터리(200)는 800V급 사양이고 충전기가 제공하는 전압이 400V급인 경우, 제어부(700)는, 인렛(300)으로부터 유입되는 전류가 모터(100)와 인버터(800)를 거쳐 배터리(200)로 전달되도록 스위치부(400)를 제어할 수 있다.
보다 구체적으로, 제3 스위칭 모드에서 제어부(700)는, 제1 스위치(sw1)와 제2 스위치(sw2)와 제3 스위치(sw3) 및 제5 스위치(sw5)는 온 제어하고, 제4 스위치(sw4)는 오프 제어할 수 있다.
이러한 제어 하에서 인버터(800)는 상술한 바와 같이 모터(100)와 함께 부스터 컨버터로 동작하여 충전기가 제공하는 전압을 승압한 후 배터리(200)에 충전할 수 있다.
한편, 제3 스위칭 모드인 충전 모드가 개시되기 전에 제2 스위칭 모드가 수행되므로 충전 개시 이전에 급속 충전 커패시터(500)는 충전기가 제공하는 전압과 동일한 전압으로 기 충전된 상태이다.
따라서, 충전 모드가 개시되기 전, 절연 검사를 수행하기 위해 외부 전압이 인가되는 경우에도 급속 충전 커패시터(500)에 의한 전류 루프는 형성되지 않는다. 따라서, 급속 충전 커패시터(500)의 동작 특성에 의한 절연 검사의 불만족 문제가 발생하지 않는 이점이 있다. 더불어, 추가적인 하드웨어 구성이나 원가 상승 요인 없이 기존 시스템의 구성에 대한 제어만으로도 상술한 이점을 달성할 수 있다.
한편, 제어부(700)는, 제2 스위칭 모드의 종료 이후 제3 스위칭 모드가 수행되기 전에 급속 충전 커패시터(500)의 양단 전압을 측정할 수 있다.
제어부(700)는 상기 측정된 전압을 기초로 급속 충전 커패시터(500)의 고장 여부를 판단할 수 있다. 상기 고장은 예를 들어, 단락(short) 또는 개방(open)일 수 있다. 급속 충전 커패시터(500)는 제2 스위칭 모드의 종료 이후 예상되는 전압값(400V)을 만족하지 못하는 경우에 측정된 전압에 따라 상기 고장 중 어느 하나로 판단될 수 있다.
이로써, 충전 개시 전에 급속 충전 커패시터(500)의 고장을 미리 판단하고 충전 개시를 차단한 상태에서 적절한 조치를 취할 수 있게 되는 이점이 있다.
아울러, 제어부(700)는, 제2 스위칭 모드의 종료 이후 제3 스위칭 모드가 수행되기 전에 충전기에 대한 절연 검사를 수행할 수 있다. 상기 절연 검사는 급속 충전 커패시터(500)의 고장 판단 이후에 수행되는 것이 바람직하다. 본 발명의 실시예를 통해, 절연 고장의 문제가 없는 경우에도 절연 검사에서 불만족을 발생시키는 원인이 되었던 급속 충전 커패시터(500)의 초기 충전 문제가 해결된 바 절연 검사에 대한 신뢰성이 향상될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전기차의 급속 충전 방법의 흐름을 나타낸 순서도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전기차의 급속 충전 방법은 상술한 전기차의 급속 충전 시스템에 의해 수행될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 전기차의 급속 충전 방법은, 먼저, 전기차의 배터리(200)와 배터리(200)의 전력으로 구동하는 모터(100) 사이에 연결된 DC 링크 커패시터(600)를 충전하는 단계(S100)가 수행된다.
본 단계(S100)는, 제어부(700)에서 제1 스위칭 모드로 스위치부(400)를 제어하는 단계이다. 보다 구체적으로 제어부(700)는, 스위치부(400)를 제어하여 인렛(300)과 배터리(200)의 전기적 연결은 차단하고 배터리(200)와 DC 링크 커패시터(600)를 전기적으로 연결한 후, 배터리(200)의 전압을 DC 링크 커패시터(600)에 충전할 수 있다.
다음으로, 전기차를 충전하는 충전기의 커넥터가 결합되는 인렛(300)에 병렬 연결된 급속 충전 커패시터(500)를 DC 링크 커패시터(600)와 연결하고 DC 링크 커패시터(600)에 충전된 전압을 급속 충전 커패시터(500)에 분배하여 충전하는 단계(S200)가 수행된다.
본 단계(S200)는, 제어부(700)에서 제2 스위칭 모드로 스위치부(400)를 제어하는 단계이다. 보다 구체적으로 제어부(700)는, DC 링크 커패시터(600)에 대한 충전의 종료 이후, 배터리(200)와 DC 링크 커패시터(600)의 전기적 연결은 차단하고 DC 링크 커패시터(600)와 급속 충전 커패시터(500)를 전기적으로 연결하여 DC 링크 커패시터(600)에 충전된 전압을 급속 충전 커패시터(500)에 분배할 수 있다.
다음으로, 급속 충전 커패시터(500)의 전압을 검사하는 단계(S300)가 수행된다.
본 단계(S300)는, 제어부(700)에서 제2 스위칭 모드의 종료 이후 충전 개시 전에 급속 충전 커패시터(500)의 양단 전압을 측정하는 단계이다. 본 단계(S300)에서는 급속 충전 커패시터(500)의 고장을 진단할 수 있다. 상기 고장은 예를 들어, 단락(short) 또는 개방(open)일 수 있다. 급속 충전 커패시터(500)는 제2 스위칭 모드의 종료 이후 예상되는 전압값(400V)을 만족하지 못하는 경우에 측정된 전압에 따라 상기 고장 중 어느 하나로 판단될 수 있다.
상기 고장으로 판단되는 경우 충전은 개시되지 않는다.
다음으로, 충전기의 절연 상태를 검사하는 단계(S400)가 수행된다.
본 단계(S400)에서 수행되는 절연 검사는 급속 충전 커패시터(500)의 고장 판단 이후에 수행되는 것이 바람직하다. 본 발명의 실시예에서, 절연 고장의 문제가 없는 경우에도 절연 검사에서 불만족을 발생시키는 원인이 되었던 급속 충전 커패시터(500)의 초기 충전 문제가 해결된 바 절연 검사에 대한 신뢰성이 향상될 수 있다.
상기 절연 검사에서 기 설정된 사양을 만족하지 못하는 경우에는 충전이 개시되지 않는다.
다음으로, 급속 충전 커패시터(500)의 전압이 정상이고 충전기의 절연 상태가 기 설정된 사양을 만족하는 경우에는 충전기로부터 배터리(200)로의 충전이 개시된다.(S500)
본 단계(S500)는, 제어부(700)에서 제3 스위칭 모드로 스위치부(400)를 제어하는 단계이다. 보다 구체적으로 제어부(700)는, 배터리(200)의 사양이 충전기가 제공하는 전압보다 고전압인 경우, 인버터(800)와 모터(100)를 함께 부스터 컨버터로 동작시켜 충전기가 제공하는 전압을 승압한 후 배터리(200)에 충전할 수 있다.
이상 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따르면, DC 링크 커패시터에 먼저 배터리의 전압을 충전한 후 이를 급속 충전 커패시터에 분배하여 급속 충전 커패시터의 전압을 충전기가 제공하는 전압과 동일해지도록 함으로써 절연 검사를 위한 외부 전원 인가시에 급속 충전 커패시터에 의한 전류 루프가 형성되지 않는다. 따라서, 실제 절연 문제가 없는 경우에도 급속 충전 커패시터에 의해 절연 검사의 불만족 문제가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
한편, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것이 아니라 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상은 청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명의 기술적 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100: 모터
200: 배터리
300: 인렛
400: 스위치부
500: 급속 충전 커패시터
600: DC 링크 커패시터
700: 제어부
800: 인버터

Claims (15)

  1. 전기차의 구동을 위한 모터;
    상기 모터에 전력을 공급하는 배터리;
    상기 배터리를 급속 충전하는 충전기의 충전 커넥터가 연결되는 인렛(inlet);
    상기 배터리와 상기 모터 사이에 연결되고 상기 배터리와 상기 모터 사이의 전류 흐름 또는 상기 배터리와 상기 인렛 사이의 전류 흐름을 단속하는 적어도 하나 이상의 스위치를 포함하는 스위치부;
    상기 인렛과 상기 스위치부 사이에 구비되고 상기 충전 커넥터가 상기 인렛에 연결되는 경우 상기 충전기와 병렬로 연결되는 급속 충전 커패시터;
    상기 배터리와 상기 모터 사이에 연결되는 DC 링크 커패시터; 및
    상기 스위치부의 동작을 제어하는 제어부;를 포함하며,
    상기 제어부는,
    상기 급속 충전이 시작되기 이전에 상기 배터리의 전압 일부를 상기 급속 충전 커패시터에 충전하도록 상기 스위치부를 제어하는 것을 특징으로 하는,
    전기차의 급속 충전 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 스위치부를 제1 스위칭 모드로 제어하여 상기 인렛과 상기 배터리의 연결이 차단된 상태에서 상기 배터리와 상기 DC 링크 커패시터를 연결한 후, 상기 배터리의 전압을 상기 DC 링크 커패시터에 충전하고,
    상기 제1 스위칭 모드의 종료 이후 상기 스위치부를 제2 스위칭 모드로 제어하여 상기 배터리와 상기 DC 링크 커패시터의 연결이 차단된 상태에서 상기 DC 링크 커패시터와 상기 급속 충전 커패시터를 연결한 후, 상기 DC 링크 커패시터에 충전된 전압을 상기 급속 충전 커패시터에 분배하는 것을 특징으로 하는,
    전기차의 급속 충전 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 모터와 상기 DC 링크 커패시터 사이에 연결되고, 상기 배터리에서 공급되는 직류 전원을 모터에 듀티 제어하여 인가하는 인버터를 더 포함하는,
    전기차의 급속 충전 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 배터리의 사양이 상기 충전기가 제공하는 전압보다 고전압인 경우,
    상기 제어부는, 상기 제2 스위칭 모드의 종료 이후 상기 인렛으로부터의 전류가 상기 모터와 상기 인버터를 거쳐 상기 배터리로 전달되도록 상기 스위치부를 제3 스위칭 모드로 제어하며,
    상기 인버터는, 상기 모터와 함께 부스터 컨버터로 동작하여 상기 충전기가 제공하는 전압을 승압한 후 상기 배터리에 충전하는 것을 특징으로 하는,
    전기차의 급속 충전 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 스위치부는,
    일단이 상기 배터리의 양극 단자에 연결되고 타단이 상기 DC 링크 커패시터의 일단에 연결되는 제1 스위치;
    일단이 상기 배터리의 음극 단자에 연결되고 타단이 상기 DC 링크 커패시터의 타단에 연결되는 제2 스위치;
    일단이 상기 인렛의 일단에 연결되고 타단이 상기 제2 스위치와 상기 DC 링크 커패시터의 사이에 연결되는 제3 스위치;
    일단이 상기 인렛의 타단에 연결되고 타단이 상기 제1 스위치와 상기 DC 링크 커패시터의 사이에 연결되는 제4 스위치; 및
    일단이 상기 제4 스위치와 상기 인렛 사이에 연결되고 타단이 상기 모터에 연결되는 제5 스위치를 포함하며,
    상기 급속 충전 커패시터는, 일단이 상기 제3 스위치의 타단에 연결되고 타단이 상기 제4 스위치의 일단과 상기 제5 스위치의 일단 사이에 연결되는,
    전기차의 급속 충전 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 스위치와 상기 제2 스위치는 온 제어하고, 상기 제3 스위치와 상기 제4 스위치 및 상기 제5 스위치는 오프 제어하는 제1 스위칭 모드로 동작하여, 상기 DC 링크 커패시터를 상기 배터리의 전압으로 충전하는 것을 특징으로 하는,
    전기차의 급속 충전 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 스위칭 모드의 종료 이후, 상기 제1 스위치와 상기 제5 스위치는 오프 제어하고, 상기 제2 스위치와 상기 제3 스위치 및 상기 제4 스위치는 온 제어하는 제2 스위칭 모드로 동작하여, 상기 제1 스위칭 모드 동안에 상기 DC 링크 커패시터에 충전된 전압을 상기 급속 충전 커패시터에 분배하는 것을 특징으로 하는,
    전기차의 급속 충전 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 모터와 상기 DC 링크 커패시터 사이에 연결되고, 상기 배터리에서 공급되는 직류 전원을 모터에 듀티 제어하여 인가하는 인버터를 더 포함하고,
    상기 배터리의 사양이 상기 충전기가 제공하는 전압보다 고전압인 경우,
    상기 제어부는,
    상기 제2 스위칭 모드의 종료 이후, 상기 제1 스위치와 상기 제2 스위치와 상기 제3 스위치 및 상기 제5 스위치를 온 제어하고, 상기 제4 스위치는 오프 제어하는 제3 스위칭 모드로 동작하며,
    상기 인버터는, 상기 모터와 함께 부스터 컨버터로 동작하여 상기 충전기가 제공하는 전압을 승압한 후 상기 배터리에 충전하는 것을 특징으로 하는,
    전기차의 급속 충전 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 급속 충전 커패시터를 충전하기 위한 제어를 수행한 이후에, 상기 급속 충전 커패시터의 양단 전압을 측정하여 상기 급속 충전 커패시터의 고장 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는,
    전기차의 급속 충전 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 급속 충전 커패시터를 충전하기 위한 제어를 수행한 이후에, 상기 충전기에 대한 절연 검사를 수행하는 것을 특징으로 하는,
    전기차의 급속 충전 시스템.
  11. 전기차의 급속 충전 방법으로서,
    상기 전기차의 배터리와 상기 배터리의 전력으로 구동하는 모터 사이에 연결된 DC 링크 커패시터를 충전하는 단계;
    상기 전기차를 충전하는 충전기의 커넥터가 결합되는 인렛(inlet)에 병렬 연결된 급속 충전 커패시터를 상기 DC 링크 커패시터와 연결하고, 상기 DC 링크 커패시터에 충전된 전압을 상기 급속 충전 커패시터에 분배하여 충전하는 단계;
    상기 급속 충전 커패시터의 전압을 검사하는 단계;
    상기 충전기의 절연 상태를 검사하는 단계; 및
    상기 급속 충전 커패시터의 전압이 정상이고 상기 충전기의 절연 상태가 기 설정된 사양을 만족하는 경우 상기 충전기로부터 상기 배터리로의 충전을 개시하는 단계;를 포함하는
    전기차의 급속 충전 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 DC 링크 커패시터를 충전하는 단계는,
    상기 인렛과 상기 배터리의 연결이 차단된 상태에서 상기 배터리와 상기 DC 링크 커패시터를 연결한 후, 상기 배터리의 전압을 상기 DC 링크 커패시터에 충전하는 것을 특징으로 하는,
    전기차의 급속 충전 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 DC 링크 커패시터에 충전된 전압을 상기 급속 충전 커패시터에 분배하여 충전하는 단계는,
    상기 DC 링크 커패시터에 대한 충전의 종료 이후 상기 배터리와 상기 DC 링크 커패시터의 연결이 차단된 상태에서 상기 DC 링크 커패시터와 상기 급속 충전 커패시터를 연결하여 상기 DC 링크 커패시터에 충전된 전압을 상기 급속 충전 커패시터에 분배하는 것을 특징으로 하는,
    전기차의 급속 충전 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 급속 충전 커패시터의 전압을 검사하는 단계는,
    상기 DC 링크 커패시터에 충전된 전압을 상기 급속 충전 커패시터에 분배하여 충전하는 단계의 이후에, 상기 급속 충전 커패시터의 양단 전압을 측정하여 상기 급속 충전 커패시터의 고장 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는,
    전기차의 급속 충전 방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 충전기로부터 상기 배터리로의 충전을 개시하는 단계는,
    상기 배터리의 사양이 상기 충전기가 제공하는 전압보다 고전압인 경우,
    상기 배터리에서 공급되는 직류 전원을 모터에 듀티 제어하여 인가하는 인버터와 상기 모터를 함께 부스터 컨버터로 동작시켜 상기 충전기가 제공하는 전압을 승압한 후 상기 배터리에 충전하는 것을 특징으로 하는,
    전기차의 급속 충전 방법.

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