KR102620382B1 - 다수의 소출력 전력모듈로 고출력을 만드는 전기차 충전모듈 및 그 충전모듈의 구동방법 - Google Patents

다수의 소출력 전력모듈로 고출력을 만드는 전기차 충전모듈 및 그 충전모듈의 구동방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다수의 소출력 전력모듈로 고출력을 만드는 전기차 충전모듈 및 그 충전모듈의 구동방법에 관한 것으로서, 본 발명의 실시예에 따른 다수의 소출력 전력모듈로 고출력을 만드는 전기차 충전모듈은 제1 인버터 및 제2 인버터로 각각 입력되는 양의 정전압(+VDC)을 교류의 전압과 전류로 변환한 후 정류하여 제1 전력의 전압과 전류를 출력하는 제1 변환 회로부, 제3 인버터 및 제4 인버터로 각각 입력된 음의 정전압(-VDC)을 교류의 전압과 전류로 변환한 후 정류하여 제2 전력의 전압과 정류를 출력하는 제2 변환 회로부, 그리고 제1 변환 회로부 및 제2 변환 회로부를 직렬 또는 병렬 동작시켜 제1 전력의 전압과 전류 및 제2 전력의 전압과 전류의 조합에 의한 기준 전압 이상의 고전압과 기준 전류 이상의 고전류를 출력하는 스위칭 회로부를 포함할 수 있다.

Description

다수의 소출력 전력모듈로 고출력을 만드는 전기차 충전모듈 및 그 충전모듈의 구동방법{ELECTRIC VEHICLE CHARGING MODULE FOR PRODUCING HIGH OUTPUT FROM MULTIPLE LOW-OUTPUT POWER MODULES AND DRIVING METHOD THEREOF}
본 발명은 다수의 소출력 전력모듈로 고출력을 만드는 전기차 충전모듈 및 그 충전모듈의 구동방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 정류된 DC 전압을 직-병렬로 접속하고, 이에 대하여 전류-전압을 조합하여 원하는 목표 전력을 고속으로 충전하기 위해 충전 모듈을 제어하는 방식으로, 전기차 충전의 고출력을 보장하는 것을 기반으로, 다수의 소출력 전력모듈을 사용하여 효율적으로 고출력을 생성할 수 있도록 회로를 구성하고, 다수의 소출력 전력모듈에 부하를 분산하여 발열을 최소화 함과 동시에 소비전력을 최소화함으로써 충전모듈의 사용 안전을 보장하는, 다수의 소출력 전력모듈로 고출력을 만드는 전기차 충전모듈 및 그 충전모듈의 구동방법에 관한 것이다.
현재, 전기자동차에서 요구하는 충전 전압과 전류가 대부분 다르기 때문에, 서로 다른 부하의 충전 전압, 전류 요구를 만족시키기 위해, 충전모듈(CM)은 필요 시 다양한 전압, 전류 공급을 구현해야 한다. 종래 기술에서, 충전모듈(CM)의 다양한 출력을 구현하기 위해, 충전모듈(CM)의 전압, 전류 변환 회로가 단일 변환 방식을 사용하고 있어 고전압, 고전류의 최상위 규격을 기반으로 회로를 구성함으로써 발열 문제와 전력사용 효율이 낮아지는 심각한 문제 발생과 전력변환 장치의 성능을 저하 시키고 있으며, 이로 인해 신뢰성이 낮아지는 심각한 문제를 초래하고 있다.
따라서, 충전모듈(CM)의 고출력을 보장하는 것을 기반으로 부하를 분산할 뿐만 아니라 발열을 최소화하고, 소비전력의 효율을 최대화하여 충전모듈 및 전기차의 사용 안전을 보장하는 것이 현재 시급히 해결해야 하는 문제이다.
한국등록특허공보 제10-2596676호(2023.10.27) 한국공개특허공보 제10-2022-0010591호(2022.01.25) 한국공개특허공보 제10-2023-0085738호(2023.06.14) 한국공개특허공보 제10-2023-0122784호(2023.08.22) 한국공개특허공보 제10-2023-0086386호(2023.06.15)
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 충전모듈(CM)의 소비전력에 대한 효율증대 및 목표 출력을 다양하게 제어가 가능하고, 발열을 최소화 하기 위한 방법으로 충전모듈(CM)에서 정류된 다수의 소전력 전력모듈에서 제공되는 DC 전압, 전류를 직-병렬로 접속하고, 이에 대하여 전류, 전압을 조합하여 전력을 만들고 제어하는 방식으로, 충전모듈(CM)의 고출력을 보장하는 것을 기반으로 부하를 분산하여 발열을 최소화 함으로써 전기차 충전기의 사용 안전을 보장하는, 다수의 소출력 전력모듈로 고출력을 만드는 전기차 충전모듈 및 그 충전모듈의 구동방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 다수의 소출력 전력모듈을 사용한 전기차 충전모듈(CM)은, 제1 인버터 및 제2 인버터로 각각 입력되는 양의 정전압(+VDC)을 교류의 전압과 전류로 변환한 후 정류하여 제1 전력의 전압과 전류를 출력하는 제1 변환 회로부, 제3 인버터 및 제4 인버터로 각각 입력된 음의 정전압(-VDC)을 교류의 전압과 전류로 변환한 후 정류하여 제2 전력의 전압과 정류를 출력하는 제2 변환 회로부, 및 상기 제1 변환 회로부 및 상기 제2 변환 회로부를 직렬 또는 병렬 동작시켜 상기 제1 전력의 전압과 전류 및 상기 제2 전력의 전압과 전류의 조합에 의한 기준 전압 이상의 고전압과 기준 전류 이상의 고전류를 출력하는 스위칭 회로부를 포함한다.
상기 전기차 충전모듈(CM)은, 상기 제1 변환 회로부, 상기 제2 변환 회로부 및 상기 스위칭 회로부의 동작을 제어하는 제어 회로부를 더 포함하며, 상기 제1 변환 회로부에서 출력되는 상기 제1 전력의 전압과 전류와 상기 제2 변환 회로부에서 출력되는 상기 제2 전력의 전압과 전류는 동일값을 가질 수 있다.
상기 제어 회로부는 상기 제1 인버터 내지 상기 제4 인버터의 구동 주파수를 조정하여 상기 교류의 전압을 변경하며, 상기 제1 인버터 내지 상기 제4 인버터를 PWM(Pulse Width Modulation) 제어하여 상기 교류 전류를 변경할 수 있다.
상기 제1 변환 회로부는 상기 제1 인버터의 출력단에 연결되는 제1 변압기(T1) 및 상기 제2 인버터에 출력단에 연결되는 제2 변압기(T2)를 통해 상기 양의 정전압을 상기 교류의 전압과 전류로 변환하며, 상기 제2 변환 회로부는 상기 제3 인버터의 출력단에 연결되는 제3 변압기(T3) 및 상기 제4 인버터에 출력단에 연결되는 제4 변압기(T4)를 통해 상기 음의 정전압을 상기 교류의 전압과 전류로 변환할 수 있다.
상기 제1 변환 회로부 및 상기 제2 변환 회로부는, 상기 제1 변압기 내지 상기 제4 변압기와 상기 스위칭 회로부의 사이에 상기 제1 전력의 전압과 전류와 상기 제2 전력의 전압과 전류로 각각 정류하기 위한 2개의 풀 브리지(Full Bridge) 정류회로를 포함할 수 있다.
상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 다수의 소출력 전력모듈을 사용한 전기차 충전모듈의 구동방법은 제1 변환 회로부를 구성하는 제1 인버터 및 제2 인버터로 각각 입력되는 양의 정전압(+VDC)을 교류의 전압과 전류로 변환한 후 정류하여 제1 전력의 전압과 전류를 출력하는 단계, 제2 변환 회로부를 구성하는 제3 인버터 및 제4 인버터로 각각 입력된 음의 정전압(-VDC)을 교류의 전압과 전류로 변환한 후 정류하여 제2 전력의 전압과 정류를 출력하는 단계, 및 스위칭 회로부가 상기 제1 변환 회로부 및 상기 제2 변환 회로부를 직렬 또는 병렬 동작시켜 상기 제1 전력의 전압과 전류 및 상기 제2 전력의 전압과 전류의 조합에 의한 기준 전압 이상의 고전압과 기준 전류 이상의 고전류를 출력하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따르면 전기자동차 충전모듈(CM)은, 다수의 인버터(Inverter)를 사용하여 인버터에 가해지는 부하를 분산함으로써 고전력 생산의 효율을 증대시킬 수 있고, 인버터에서 발생하는 발열을 최소화할 수 있다. 즉 다수의 소전압과 소전류의 인버터들을 통해 얻은 정류된 직류 전원들을 직-병렬 조합을 통해 전압을 높이거나 전류를 증대시키는 방법을 적용함으로써 효과적으로 전압-전류를 제어하여 원하는 고전력(Power)을 얻을 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 전기차 충전모듈(CM)의 부분별 구성 요소를 예시한 블록다이어그램이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 도 1의 전기차 충전모듈(CM)의 기본 회로도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 충전모듈(CM) 제어 방법의 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 도 2의 전기차 충전모듈(CM)의 제어 및 구동과정을 나타내는 흐름도이다.
본 발명은 이하에서 서술되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 내용을 예를 들어 설명한 것이고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 자세히 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 명세서에서 기술하는 실시 예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 예시된 영역들은 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 표현된 것이다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시 예들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성 요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성 요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시 예들은 그것의 상보적인 실시 예들도 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자에 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 개념 및 이에 따른 실시 예들에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 전기차 충전모듈(CM)의 기본 구조를 예시한 블록다이어그램이며, 도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 도 1의 전기차 충전모듈(CM)의 기본 회로도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 전기차 충전모듈(100)은 가령 정류된 DC 전압을 직-병렬로 조합한 충전모듈로서 직류전원 공급장치와 충전이 이루어지는 부하단(Load)의 사이에 구성될 수 있으며, 제1 변환 회로부(혹은 제1 PWM (CM)장치)(110), 제2 변환 회로부(혹은 제2 PWM 장치)(120) 및 스위칭 회로부(130)의 일부 또는 전부를 포함하며, 나아가 CPU, MPU 등의 프로세서(Pocessor)를 포함하는 제어 회로부(140)를 더 포함할 수 있다.
여기서, "일부 또는 전부를 포함"한다는 것은 가령 전기차 충전모듈(100)이 N개의 변환 회로부(예: PWM 장치)를 포함하여 구성될 때 원하는 목표 전압이나 전류를 얻기 위하여 적어도 하나의 변환 회로부를 생략하여 전기차 충전모듈(100)를 구성하거나, 스위칭 회로부(130)와 같은 일부 구성요소가 제1 변환 회로부(110) 또는 제2 변환 회로부(120)에 통합되어 구성될 수 있는 것 등을 의미하는 것으로서, 발명의 충분한 이해를 돕기 위하여 전부 포함하는 것으로 설명한다.
본 발명의 실시 예에서는 직-병렬 조합을 설명하기 위한 것이므로 PWM (Pulse Width Modulation) 장치 등으로 구성되는 제1 변환 회로부(110)와 제2 변환 회로부(120)의 2개로 조합되는 것으로 가정하여 이하 설명하도록 한다. 물론 그러한 구성에 특별히 한정하려는 것은 아니다.
도 1의 제1 변환 회로부(110)는 가령 외부의 직류전원 공급장치로부터 DC 전압을 제공받을 수 있다. 더 정확하게는 양의 정전압(+VDC)을 제공받을 수 있다. 통상적으로 전기 자동차의 충전은 상용전원을 변환하여 사용할 수 있으며, 가령 110V나 220V의 상용전원을 반파 정류기나 전파 정류기 등 다양한 형태의 정류기를 사용해 정류한 후 그 정류된 맥류(Ripple Current)가 포함되는 전압을 맥류가 없는 전압으로 변환하는 평활회로 등을 통해 평활함으로써 안정된 일정한 레벨의 DC 전압을 얻을 수 있게 된다. 평활회로는 대표적으로 캐패시터(C)를 사용하는 회로가 많이 사용되고 있다. 물론 직류전원 공급장치는 이의 과정에서 DC-DC 컨버터나 펌핑업(Pumping up) 회로 등을 통해 평활된 DC 전압을 레벨업(Level-up) 또는 펌핑업(Pumping up)시키거나 레벨다운(Level-down)시켜 원하는 레벨의 DC 전압을 얻을 수 있다.
좀더 구체적으로 도 2에서, 제1 변환 회로부(110)는 제1 및 제2 DC-AC 인버터(111), 제1 및 제2 변압기(Transformer)(113) 및 정류 회로부(115)를 포함하여 구성될 수 있다. DC-AC 인버터(111)와 변압기(113)는 각각 2개씩 구성될 수 있다. 이는 제1 인버터 및 제2 인버터, 그리고 제1 탭 변압기 및 제2 변압기의 형태로 명명될 수 있다. DC-AC 인버터(111)는 입력된 DC 전압(혹은 양의 정전압)을 교류, 더 정확하게는 교류 형태(예: 교류 형태의 불연속 형태)의 전압이나 전류로 변환하여 변압기(113)로 제공할 수 있으며, 변압기(113)는 1차측 코일에 입력된 전압을 변환하여 2차측 코일을 통해 (+), (-)의 전원을 출력할 수 있다. 물론 인버터의 제어 동작은 CPU 등 외부의 제어 회로부의 기 설정된 방식에 따라 제어가 이루어질 수 있다. 제어 회로부는 인버터의 구동 주파수를 조정하여 교류 전압을 변경할 수 있으며, 또 PWM 제어를 통해 교류 전류를 변경할 수 있다. 변압기(113)의 경우 2차측에 중간 2가지의 출력을 가지므로 인버터에서 발생한 분배 전력을 적정하게 배분해 줄 수 있다. 인버터를 구성하는 가령 PWM 제어기는 풀 브리지(Full Bridge) 형태로 구성되는 제1 내지 제4 스위칭 소자를 포함하므로 이를 제어하여 이를 통해 입력 전압을 AC 형태의 전압으로 변환하여 출력할 수 있다. 여기서, 스위칭 소자는 MOS FET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)나 IGBT 소자 등 다양한 소자가 사용될 수 있다.
제2 변환 회로부(120)의 경우에도 제1 변환 회로부(110)의 내부 구성과 크게 다르지 않다. 다시 말해, 제2 변환 회로부(120)는 제1 변환 회로부(110)와 동일한 크기의 음의 정전압(-VDC) 즉 제2 DC 전압을 외부의 직류전원 공급장치로부터 동시에 제공받을 수 있으며, 입력된 제2 DC 전압을 각각 제3 및 제4 DC-AC 인버터(121)를 통해 변환하여 각각 AC 형태의 전압이나 전류를 출력할 수 있다. 물론 각각의 출력 전압은 제3 출력전압, 제4 출력전압의 형태로 명명될 수도 있다. 또는 제2 전력을 갖는 전압이나 전류라 명명될 수 있다. 그리고 각각의 DC-AC 인버터(121)를 통해 출력된 AC 형태의 전압은 제3 및 제4 변압기(123)의 1차측 코일로 각각 입력되어 2차측 코일을 통해 변환되어 출력될 수 있다. 물론 입력전압(V1) 대비 출력전압(V2)은 코일의 권선 수(N1:N2)에 비례한다.
다시 정리해 보면, 본 발명의 실시 예에 따른 제1 변환 회로부(110) 및 제2 변환 회로부(120)에 포함되는 인버터(111, 121)는 풀 브리지(Full Bridge)회로로 구성되며, 각 모듈에서는 주파수를 변경하거나 PWM 신호를 받아 LLC 공진 회로의 트랜스를 통해 교류 전압과 전류를 생성할 수 있다. (+) 직류전원을 공급받아 작동하는 2개의 인버터와, (-) 직류전원을 공급받아 작동하는 2개의 인버터로 구성하여 작동한다. 이 (+), (-)의 양전원에 의해 발생된 전력(Power)은 서로 짝을 이루어 작동할 수 있다. 각 인버터는 최대 500V 전압과 30A의 전류를 공급할 수 있다(예: 최대 전압, 전류는 사용하고자 하는 목표 전력에 따라 설계 변경이 얼마든지 가능할 수 있다). 전압은 구동 주파수로 변경시키고, 전류는 PWM으로 제어하여 목표 전력을 생성할 수 있다. 여기서, PWM은 스위치가 온오프(on-off) 동작하는 듀티비(duty ratio)를 조절하는 것을 의미할 수 있다. 물론, 전체 온오프 시간(T)은 일정하며 그 시간 내에서 듀티비를 조절한다고 볼 수 있다.
또한 변압기(113, 123) 즉 트랜스포머는 각 인버터(111, 121)에서 발생된 고주파의 교류 전력을 2차 측에 분배하여 공급하도록 동작한다. 트랜스포머의 1차 측은 인덕턴스(L), 캐패시턴스(C), 트랜스(Trans)의 L 등으로 구성된 공진회로를 적용할 수도 있다. 2차 측은 2개의 동일한 출력 코일을 갖고 있으며, 각 인버터(111, 121)와의 조합에 대하여 인버터(111, 121)에서 발생한 분배 전력을 적정하게 배분해 주는데 사용된다.
정류 회로부(115)는 제1 내지 제4 변압기(113, 123)의 출력단과 도 1의 스위칭 회로부(130)의 사이에 구성된다. 제1 내지 제4 변압기(113, 123)를 통해 출력되는 전압 또는 전류에 대하여 정류된 전류 또는 전압을 각각 출력할 수 있다. 정류 회로부(115)는 정류 다이오드(Rectifier Diode)를 포함하여 구성될 수 있으며, 각 다이오드는 브리지 다이오드로 구성될 수 있다. D1, D2, 그리고 D3, D4로 구성된 2종의 전력 생성군을 형성할 수 있다. 본 발명의 실시 예에서 각 정류 다이오드 군에 의해 생성되는 전력은 각각 최대전압 500V, 최대 전류 30A를 공급할 수 있다(예: 최대 15KW). 본 발명의 실시 예에서는 D1, D2, D3, D4를 각각 제1 다이오드군(혹은 제1 그룹의 다이오드) 내지 제4 다이오드군이라 명명할 수 있다.
도 2에서 볼 때, 본 발명의 실시 예에 따른 정류 회로부(115)는 제1 내지 제4 다이오드군으로 구성된다. 제1 다이오드군(D1)은 제1 변압기(T1)의 2차측 3번 단자(113a)에 연결되며, (+) 전압은 또한 제2 다이오드군(D2)를 구성하는 (+) 전압 단자에 연결되며, 제1 스위칭소자(예: 릴레이소자)(131)를 통해서는 제3 다이오드군(D3)을 구성하는 제1 다이오드 및 제4 다이오드군(D4)을 구성하는 제1 다이오드군의 (+) 전압에 각각 연결된다.
반면 제1 다이오드군(D1)의 다른 쪽 교류 입력단자는 제2 변압기(T2)의 6번 단자에 연결되며, (-) 전압은 제2 다이오드군(D2)을 구성하는 (-) 전압, 또 제3 스위칭 소자(133)를 경유하여 제3 다이오드군(D3)을 구성하는 제2 다이오드 및 제4 다이오드군(D4)를 구성하는 - 전압에 각각 연결되어 출력 단자측(GND-OUT)에 연결된다.
이외에도 제2 다이오드군(D2)을 구성하는 교류 입력단자는 제3 변압기(T3)의 3번 단자(123a)에 연결되고, 다른 교류입력 단자는 제4 변압기(T4)의 6번 단자에 각각 연결된다. 제3 다이오드군(D3)을 구성하는 교류 입력단자는 제1 변압기(T1)의 5번 단자에, 그리고 교류 입력단자는 제2 변압기(T2)의 4번 단자에 각각 연결된다. 제4 다이오드군(D4)을 구성하는 교류 입력단자는 제3 변압기(T3)의 5번 단자에, 그리고 제2 다이오드군의 교류 입력단자는 제4 변압기(T4)의 4번 단자에 각각 연결된다. 그리고, 제2 다이오드군(D2)을 구성하는 (-) 전압과 제3 다이오드군(D3)을 구성하는 (-) 전압이 제2 스위칭 소자(132)에 의해 서로 연결되며, 제2 다이오드군(D2)을 구성하는 (-) 전압은 제1 다이오드군(D1)을 구성하는 (-) 전압과도 연결되어 있으며, 제3 다이오드군(D3)을 구성하는 (-) 전압은 제4 다이오드군(D4)를 구성하는 - 전압과도 연결되어 있다.
뿐만 아니라 제2 변압기(T2)의 3번 단자(113b)는 제1 변압기(T1)의 6번 단자에 연결되며, 제4 변압기(T4)의 3번 단자(123b)는 제3 변압기(T3)의 6번 단자에 연결된다. 이하 제1 변압기(T1) 내지 제4 변압기(T4)의 구체적인 연결 관계는 도 2에 도시된 내용으로 대신하고자 한다.
한편 본 발명의 실시 예에 따른 스위칭 회로부(130; 131 ~ 133)는 제1 변환 회로부(110) 및 제2 변환 회로부(120)를 전기적으로 또는 회로적으로 서로 연결하며, 가령 정류 회로부(115)를 통해 출력되는 전류나 전압을 서로 조합하여 출력하기 위한 동작을 수행할 수 있다. 다시 말해 스위칭 회로부(130; 131~133)는 CPU 등의 제어 회로부의 기 설정된 방식에 따라 제어되어 정류 회로부(115)를 통해 출력되는 전압이나 전류를 직렬 또는 병렬로 조합하여 출력한다고 볼 수 있다. 예를 들어 최대전압 500V의 전압이 출력되면 높은 전류로 충전이 가능하며, 1,000V의 전압을 필요로 하는 전기자동차의 경우에는 직렬 연결에 의해 낮은 전류로 충전이 가능할 수 있다.
이와 같이 스위칭 회로부(130; 131~133)는 제어 회로부의 제어 동작에 의해 제어되어 다양한 규격의 전류나 전압을 출력할 수 있다.
스위칭 회로부(130; 131~133)는 고전압 및 고전류가 사용되므로 릴레이 소자를 포함하여 구성될 수 있다. 물론, 릴레이 소자는 도 2에서와 같이 복수의 릴레이 소자(131 ~ 133)가 사용될 수 있다. 도 2의 경우에는 출력단을 구성하는 양 단자의 사이에 3개의 릴레이 소자(131 ~ 133)가 구성되는 것을 보여주고 있다. 릴레이의 역할은 인버터에 의해 발생된 각 직류 전압, 전류의 제어를 위해 직-병렬회로를 구성하는 것이다. 직-병렬회로를 구성하기 위해 총 3개의 릴레이(Relay)를 사용하고 있다(RLY 1A, RLA 2A, RLY 3A). 이 릴레이들의 접점을 통해 기 출력된 직류 전원의 직-병렬 회로를 구성하도록 제어함으로써 효과적인 고전압과 고전류를 생성하게 된다. 생성되는 고전압과 고전류는 <표 1>에서와 같이 나타낼 수 있다. 고전압과 고전류는 기준치(소전력 전력모듈의 공급 가능한 전압, 전류) 이상의 전압과 전류를 의미할 수 있다.
구조 RLY 1A RLY 2A RLY 3A 출력전력(최대)
병렬 Off On On 500V, 120A
직렬 On Off Off 1000V, 60A
도 2에서 볼 때, 본 발명의 실시 예에 따른 전기차 충전모듈(100)은 제1 내지 제3 스위칭 소자 즉 릴레이 소자는 REALY 1A 즉 제2 스위칭소자(132)를 개방(open) 동작시키고, 대신 RELAY 2A, RELAY 3A 즉 제1 스위칭 소자(131) 및 제3 스위칭소자(133)를 턴온(turn on)시킬 때 병렬 동작하며, 이에 따라 출력단에서는 500V, 120A의 전압과 전류를 각각 출력할 수 있다. 반면 제1 스위칭 소자(131) 및 제3 스위칭소자(133)를 턴오프(turn off)시키고 즉 개방하고 대신 제2 스위칭소자(132)를 턴온시키는 경우 직렬 동작이 이루어지며 이를 통해 <표 1>에서와 같이 최대 1000V, 60A의 고전압과 고전류를 출력단을 통해 출력할 수 있다. 물론 상기의 조합은 충전 목표 전력에 따라 얼마든지 조합 및 변경이 가능할 수 있을 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 충전모듈(CM)은 직류전원공급 장치를 (+), (-)의 전원을 사용하여 부하에 대한 발열을 최소화하는 것에 역점을 두고 있다. 다수의 인버터를 사용하여 인버터에 가해지는 부하를 분산함으로써 사용 전력에 대한 효율을 증대시키고, 인버터에서 발생하는 발열을 최소화할 수 있는 회로를 구성하고 있다. 즉 기준 이하의 소전압 및 소전류의 인버터들을 통해 얻은 정류된 직류 전원들을 직-병렬 조합을 통해 전압을 상승시키거나 전류를 증대시키는 방법을 적용함으로써 효과적으로 전압, 전류를 제어하여 목표 전력을 얻을 수 있는 회로를 적용하였다고 볼 수 있다. 따라서 나아가서 본 발명에서 이러한 구조를 N개 연결하고 릴레이를 제어하여 원하는 만큼의 최대 출력 전력을 얻을 수 있도록 확장하여 설계하는 것도 얼마든지 가능할 수 있을 것이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 충전모듈(100)의 기본 흐름도이고, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 충전모듈(100)의 충전제어 방법의 구동과정에 대한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 충전모듈(100) 제어 장치의 기본 구성 흐름도도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 충전 제어장치 가령 제어 회로부는 목표값 확보부(혹은 획득 유닛)(200), 목표값 확인부(혹은 확정 유닛)(210), 목표값 제어부(혹은 제어부)(220)를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 목표값 확보부(혹은 획득 유닛)(200), 목표값 확인부(혹은 확정 유닛)(210), 목표값 제어부(혹은 제어부)(220)는 하드웨어(H/W), 소프트웨어(S/W) 또는 그 조합에 구성될 수 있을 것이다.
획득 유닛(200)은, 목표 출력값을 획득하기 위한 동작을 수행할 수 있다. 확정 유닛(210)을 목표 출력값을 확정하고, 충전 목표 출력값에 근거하여, 충전 모듈의 목표 작업 모드를 확정한 것에 사용된다. 여기서, 목표 동작 모드는 직렬 모드 또는 병렬 모드이다.
제어부(220)는 목표 작업 모드에 따라 충전 모듈 중의 DC-AC 인버터에 적절한 전력을 배분하도록 제어하고, 이에 따른 각종 릴레이를 제어하여 충전 모듈이 목표 작업 모드에서 목표 출력 부하를 충전하도록 한다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 도 1의 전기차 충전모듈의 구동과정을 나타내는 흐름도이다.
설명의 편의상 도 4를 도 1과 도 2를 함께 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 충전모듈(100)은 입력된 3상 교류를 정류시 (+), (-) 전원을 동시에 얻을 수 있는 정류 회로를 사용하여 (+), (-) 직류를 만들어 공급한다. 제1 변환 회로부(110)를 구성하는 제1 인버터 및 제2 인버터로 각각 입력되는 양의 정전압을 교류의 전압과 전류로 변환한 후 정류하여 제1 전력의 전압과 전류를 출력한다(S300). 본 발명의 실시예에서는 발열 문제를 해결하기 위해 기준 이하의 소전압 및 소전류를 사용하는 제1 인버터 및 제2 인버터를 동작시켜 정류된 제1 전원을 출력할 수 있다.
또한 전기차 충전모듈(100)의 제2 변환 회로부(120)는, 제2 변환 회로부(120)를 구성하는 제3 인버터 및 제4 인버터로 각각 입력된 음의 정전압(-VDC)을 교류의 전압과 전류로 변환한 후 정류하여 제2 전력의 전압과 정류를 출력할 수 있다(S310). 제2 변환 회로부(120)의 경우에도 기준 이하의 소전압 및 소전류를 사용하는 제3 인버터 및 제4 인버터를 동작시켜 정류된 제2 전원을 출력할 수 있다.
나아가 전기차 충전모듈(100)를 구성하는 스위칭 회로부(130)는, 가령 CPU 등의 제어 회로부에서 제공하는 외부의 제어 신호에 의해 동작하여 제1 변환 회로부(110) 및 제2 변환 회로부(120)를 직렬 또는 병렬 동작시켜 제1 전력의 전압과 전류 및 제2 전력의 전압과 전류의 조합에 의한 기준 전압 이상의 고전압과 기준 전류 이상의 고전류를 출력할 수 있다(S320). 스위칭 회로부(130)는 각각 출력되는 제1 전원 및 제2 전원을 직렬 또는 병렬로 조합해 동작시켜 출력 전압 또는 출력 전류를 증가시킬 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 <표 1>에서 살펴본 바와 같이, 병렬로 조합될 때 최대 출력전력은 최대전압 500V, 최대 전류 120A이며, 직렬로 조합될 때 최대 출력전력은 최대전압 1000V, 최대전류 60A가 될 수 있다.
상기한 내용 이외에도 도 1의 전기차 충전모듈(100)은 다양한 동작을 수행할 수 있으며, 기타 자세한 내용은 앞서 충분히 설명하였으므로 그 내용들로 대신하고자 한다.
한편, 본 발명의 실시 예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시 예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 그 모든 구성요소들이 각각 하나의 독립적인 하드웨어로 구현될 수 있지만, 각 구성 요소들의 그 일부 또는 전부가 선택적으로 조합되어 하나 또는 복수 개의 하드웨어에서 조합된 일부 또는 전부의 기능을 수행하는 프로그램 모듈을 갖는 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수도 있다. 그 컴퓨터 프로그램을 구성하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 본 발명의 기술 분야의 당업자에 의해 용이하게 추론될 수 있을 것이다. 이러한 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 비일시적 저장매체(non-transitory computer readable media)에 저장되어 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써, 본 발명의 실시 예를 구현할 수 있다.
여기서 비일시적 판독 가능 기록매체란, 레지스터, 캐시(cache), 메모리 등과 같이 짧은 순간 동안 데이터를 저장하는 매체가 아니라, 반영구적으로 데이터를 저장하며, 기기에 의해 판독(reading)이 가능한 매체를 의미한다. 구체적으로, 상술한 프로그램들은 CD, DVD, 하드 디스크, 블루레이 디스크, USB, 메모리 카드, ROM 등과 같은 비일시적 판독가능 기록매체에 저장되어 제공될 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.
110: 제1 변환 회로부 111: DC-AC 인버터
113: 탭 변압기 115: 정류 회로부
120: 제2 변환 회로부 130: 스위칭 회로부
131 ~ 133: 릴레이 소자(혹은 스위칭 소자)

Claims (3)

  1. 제1 인버터 및 제2 인버터로 각각 입력되는 양의 정전압(+VDC)을 교류의 전압과 전류로 변환한 후 정류하여 제1 전력의 전압과 전류를 출력하는 제1 변환 회로부;
    제3 인버터 및 제4 인버터로 각각 입력된 음의 정전압(-VDC)을 교류의 전압과 전류로 변환한 후 정류하여 제2 전력의 전압과 정류를 출력하는 제2 변환 회로부; 및
    상기 제1 변환 회로부 및 상기 제2 변환 회로부를 직렬 또는 병렬 동작시켜 상기 제1 전력의 전압과 전류 및 상기 제2 전력의 전압과 전류의 조합에 의한 기준 전압 이상의 고전압과 기준 전류 이상의 고전류를 출력하는 스위칭 회로부;를
    포함하는, 다수의 소출력 전력모듈로 고출력을 만드는 전기차 충전모듈(CM).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 변환 회로부, 상기 제2 변환 회로부 및 상기 스위칭회로부의 동작을 제어하는 제어 회로부;를 더 포함하며,
    상기 제1 변환 회로부에서 출력되는 상기 제1 전력의 전압과 전류와 상기 제2 변환 회로부에서 출력되는 상기 제2 전력의 전압과 전류는 동일값을 가지며,
    상기 제어 회로부는 상기 제1 인버터 내지 상기 제4 인버터의 구동 주파수를 조정하여 상기 교류의 전압을 변경하며, 상기 제1 인버터 내지 상기 제4 인버터를 PWM(Pulse Width Modulation) 제어하여 상기 교류의 전류를 변경하는, 다수의 소출력 전력모듈로 고출력을 만드는 전기차 충전모듈(CM).
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 변환 회로부는, 상기 제1 인버터의 출력단에 연결되는 제1 변압기(T1) 및 상기 제2 인버터에 출력단에 연결되는 제2 변압기(T2)를 통해 상기 양의 정전압을 상기 교류의 전압과 전류로 변환하며,
    상기 제2 변환 회로부는, 상기 제3 인버터의 출력단에 연결되는 제3 변압기(T3) 및 상기 제4 인버터에 출력단에 연결되는 제4 변압기(T4)를 통해 상기 음의 정전압을 상기 교류의 전압과 전류로 변환하는, 다수의 소출력 전력모듈로 고출력을 만드는 전기차 충전모듈(CM).
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