KR20000014436A - 부스트타입 충전시스템의 효율을 개선하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

부스트타입 충전시스템의 효율을 개선하기 위한 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기자동차의 배터리를 충전시키기위한 부스트타입 충전시스템의 효율개선장치 및 방법에 관한 것으로, 특히, 시스템 보호를 위한 휴즈와 마이컴에 의해 제어되는 릴레이 스위치로구성된 교류입력부와; 전원으로부터 유입되는 전자파간섭(ELETRO-MAGNETIC INTERFERENCE 이하 EMI라 칭한다)을 제거하기 위한 EMI필터부와; 입력된 교류전압을 직류전압으로 변환하기 위한 정류부와; 입력되는 직류전압보다 높은 직류전압을 출력하는 부스트파워스테이지와; 출력되는 전원전압을 트랜스포머로 전달받아 교류출력을 직류출력으로 변환하는 출력부와; 충전시스템의 출력전류에 의해 배터리를 충전하는 배터리 팩과; 충전시스템의 출력전류 및 온도, 상기 배터리 팩에 충전되는 전류, 전압, 배터리 팩의 온도등을 체크하여 충전시스템 전반의 동작을 제어하는 제어부를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 부스트타입 충전시스템의 효율을 개선하기 위한 장치로써, 본 발명은 에너지의 절약에 따른 전력 소모의 감소와 비용절감 그리고 방열소자 및 전력 소자의 소형화에 의한 원가를 절감할 수 있으며, 제품의 수명을 연장하여 내구성 증가의 효과가 있는 것이다.

Description

부스트타입 충전시스템의 효율을 개선하기 위한 장치 및 방법
본 발명은 전기자동차의 배터리를 충전시키기위한 부스트타입 충전시스템의 효율개선장치 및 방법에 관한 것으로, 특히, 충전시스템에 온도, 전압, 전류센서를 추가하고 마이컴을 이용 충전하고자 하는 배터리의 특성에 따라 충전전류의 양을 조절하고, 쿨러등의 부가장치를 제어하여 충전시스템의 효율을 증진시키기 위한 부스트타입 충전시스템의 효율을 개선하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
대형 트랜스포머를 이용한 종래의 충전시스템은 열이 많이 발생하며, 많은 열의 발생으로 인하여 에너지 손실이 크고 충전시간도 오래 걸린다. 상기와 같은 이유로 배터리에 손상을 주기 쉬운 문제점이 있으며, 또한, 전력전자의 PWM을 이용한 전력 변환식 충전시스템은 충전효율은 개선되었지만 온도보상, 효율보상이 없어 여전히 에너지 손실이 많으며 고정형 시스템의 경우 노이즈에 약한 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위한 것으로, 특히, 배터리마다 다른 충방전 방식과 온도에 따른 효율의 변화를 마이컴으로 하여금 판단토록 하여 현재의 상황에서 효율을 극대화 시킬 수 있도록 하였으며 아이솔레이션 앰플리파이어(ISOLATION AMPLIFIER) 및 필터회로를 이용하여 노이즈에 의한 영향을 최소화 하도록 한 부스트타입 충전시스템의 효율을 개선하기 위한 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명 부스트타입 충전시스템의 효율을 개선하기 위한 장치는 시스템 보호를 위한 휴즈와 마이컴에 의해 제어되는 릴레이 스위치로구성된 교류입력부와; 전원으로부터 유입되는 전자파간섭(ELETRO-MAGNETIC INTERFERENCE 이하 EMI라 칭한다)을 제거하기 위한 EMI필터부와; 입력된 교류전압을 직류전압으로 변환하기 위한 정류부와; 입력되는 직류전압보다 높은 직류전압을 출력하는 부스트파워스테이지와; 출력되는 전원전압을 트랜스포머로 전달받아 교류출력을 직류출력으로 변환하는 출력부와; 충전시스템의 출력전류에 의해 충전되는 배터리 팩과; 충전시스템의 출력전류 및 온도, 상기 배터리 팩에 충전되는 전류와 전압 및 배터리 팩의 온도등을 체크하여 충전시스템의 전반적인 동작을 제어하는 제어부를 포함하여 구성됨을 그 기술적 구성상의 특징으로 한다.
상기 제어부는 센서에 의해 검출된 전류나 온도등의 정보를 종합하여 부스트파워스테이지의 트랜지스터 스위치 및 쿨러의 작동여부 그리고 시스템의 동작을 일시적으로 정지시키는 마이컴과; 시스템에서 입력되는 신호를 증폭하여 노이즈를 제거하는 아이솔레이션 앰플리파이어와; 상기 아이솔레이션 앰플리파이어에서 출력되는 아날로그 신호를 디지탈신호로 변환하여 마이컴으로 인가하는 A/D컨버터와; 온도센서 및 전압센서로부터 입력되는 데이타의 노이즈를 제거하기 위한 다수개의 RC필터를 포함하여 구성된다.
도 1 은 본 발명 부스트타입 충전시스템의 효율을 개선하기 위한 장치의
블럭도 이며,
도 2 는 배터리의 전압에 따른 전류량의 변화를 선형으로 근사화한
그래프 이며,
도 3 은 효율을 지수함수적으로 나타낸 그래프 이며,
도 4 는 본 발명 부스트타입 충전시스템의 효율을 개선하기 위한을 보여주는
제어흐름도 이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>
100 : 교류입력부 200 : EMI필터부
300 : 정류부 400 : 부스트파워스테이지
500 : 출력부 600 : 배터리 팩
700 : 제어부 710 : 마이컴
730 : 아이솔레이션 앰플리파이어 750 : A/D컨버터
770 : RC필터
이하, 상기와 같이 구성된 본 발명 부스트타입 충전시스템의 효율을 개선하기 위한 장치 및 방법의 기술적 사상에 따른 일 실시예를 들어, 첨부된 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.
<실시예>
도 1 에 도시된 바와같이, 교류입력부(100)는 시스템 보호를 위한 휴즈와 마이컴에 의해 제어되는 릴레이 스위치로 구성되어, 외부단자전원 110V∼220V의 전압을 EMI필터부(200)로 인가하며, EMI필터부(200)는 상기 교류입력부(100)로부터 인가되는 전압이나 전류에 실려있는 EMI를 필터링하여 정류부(300)로 인가하며, 정류부(300)는 상기 EMI필터부(200)로부터 인가된 교류전압을 직류전압으로 변환하여 부스트파워스테이지(400)로 인가한다.
부스트파워스테이지(400)는 상기 정류부(300)에서 인가되는 전압을 증폭하여 정류부(300)에서 인가되는 직류전압보다 높은 직류전압을 만들어 출력부(500)로 인가하며, 출력부(500)는 상기 부스트파워스테이지(400)에서 출력되는 전원전압을 트랜스포머로 전달받아 교류출력을 직류출력으로 변환하여 배터리 팩(600)으로 인가하며, 배터리 팩(600)은 충전시스템의 출력전류에 의해 배터리를 충전하게 된다.
제어부(700)에서는 충전시스템의 출력전류 및 온도, 상기 배터리 팩(600)에 충전되는 전류 및 전압, 그리고 배터리 팩(600)의 온도등을 체크하여 충전시스템 전반의 동작을 제어함으로써 본 실시예를 구성한다.
상기 제어부(700)의 마이컴(710)은 센서(온도, 전압, 전류센서)에 의해 검출된 전류나 온도등의 정보를 종합하여 부스트파워스테이지(400)의 트랜지스터 스위치 동작과 배터리 팩(600)의 온도를 낮추기위한 배터리쿨러 또는 시스템의 온도를 낮추기위한 시스템쿨러의 작동여부 및 시스템의 일시정지등의 여부를 결정한다.
아이솔레이션 앰플리파이어(730)는 시스템에서 입력되는 전압과 그라운드를 갖는 신호를 분리하여 증폭하고 신호에 실려있는 노이즈를 제거하여 마이컴(710)으로 인가하며, A/D컨버터(750)는 상기 아이솔레이션 앰플리파이어(730)에서 출력되는 아날로그 신호를 디지탈신호로 변환하여 마이컴(710)으로 인가하여 본 실시예를 구성한다.
이하, 상기와 같이 구성된 본 실시예의 동작을 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1 은 부스트타입 충전시스템의 효율을 개선하기 위한 장치의 블럭도로써, 외부전원단자로부터 110V∼220V의 교류전압을 입력받은 교류입력부(100)는 이를 EMI필터부(200)로 인가하게 되며, 상기 교류입력부(100)로부터 교류전압을 인가받은 EMI필터부(200)는 전압이나 전류에 실려있는 EMI를 LC필터(L3,C1 L4,C2)에서 필터링하여 정류부(300)로 인가한다. 이때, 교류입력부(100)는 시스템 보호를 위한 휴즈(FUSE)와 마이컴(710)에 의해 제어되는 릴레이스위치(RELAY SWITCH)로 구성된다.
상기 EMI필터부(200)의 LC필터에서 필터링된 전류나 전압을 인가받은 정류부(300)는 상기 EMI필터부(200)로부터 인가된 교류전압을 직류전압으로 정류하여 부스트파워스테이지(400)로 인가한다.
상기 정류부(300)로부터 정류된 직류전압을 인가받은 부스트파워스테이지(400)는 정류부(300)에서 인가되는 전압을 캐패시터(C4) 및 코일(L5), 그리고 마이컴(710)의 제어신호에 따라 스위칭되는 트랜지스터(TR)를 이용하여 증폭하고 이를 정류부(300)에서 인가되는 직류전압보다 높은 직류전압으로 만들어 출력부(500)로 인가한다.
상기 부스트파워스테이지(400)로부터 출력되는 높은 직류의 전원전압을 트랜스포머로 인가받은 출력부(500)는 교류출력을 직류출력으로 변환하여 배터리 팩(600)으로 인가한다.
한편, 상기 출력부(500)로부터 직류출력을 인가받은 배터리 팩(600)은 충전시스템의 출력전류에 의해 배터리를 충전하게 된다.
상기와 같이 배터리 팩(600)의 배터리가 충전될때, 충전시스템의 출력전류와 온도를 부스트파워스테이지(400)의 내부에 내장되어 있는 저항(R1)과 온도센서(S1)를 이용하여 측정하고, 배터리 팩(600)으로 충전되는 전류, 전압, 그리고 배터리 팩(600) 내부의 온도를 전압,전류센서(S2)와 온도센서(S3)를 이용하여 측정한다.
상기 각 센서에 의해 측정된 데이타는 RC필터(770)를 통해 아이솔레이션 앰플리파이어(730)로 인가된다. 상기 각 센서로부터 데이타를 입력받은 아이솔레이션 앰플리파이어(730)는 입력된 데이타를 서로 다른 전원과 그라운드를 갖는 신호로 아이솔레이션하고 증폭하여 A/D컨버터(750)로 인가하게 된다.
상기 아이솔레이션 앰플리파이어(730)로부터 아날로그 신호를 입력받은 A/D컨버터(750)는 아날로그 신호를 디지탈 신호로 변환하여 마이컴(710)으로 인가하게 된다.
상기 A/D컨버터(750)로부터 데이타를 인가받은 마이컴(710)은 데이타를 종합분석하여 부스트파워스테이지(400)의 트랜지스터 온/오프 및 교류입력부(100)의 릴레이스위치(RS) 온/오프를 제어하거나, 충전시스템의 온도나 배터리 팩(600)의 온도가 높을때는 시스템쿨러나 배터리 쿨러를 작동시켜 충전시스템이나 배터리 팩(600)의 온도를 낮추게 된다.
한편, 마이컴(710)은 사용자 인터페이스를 통해 입력된 데이타에 따라 충전시스템의 전반적인 동작을 제어하게 되는데 사용자가 배터리의 종류, 배터리의 갯수 및 충전시간등을 입력하게 되면 마이컴(710)은 충전에 필요한 전압이나 전류 및 충전시스템과 배터리 팩의 온도를 결정하게 된다.
상기와 같이, 제어부(700)는 충전시스템의 출력전류 및 온도, 상기 배터리 팩(600)에 충전되는 전류 및 전압, 그리고 배터리 팩(600)의 온도등을 체크하여 충전시스템 전반의 동작을 제어하게 된다.
배터리의 특성을 고려한 충전제어방법을 먼저, 도 2 와 도 4 를 통해 설명하면, 배터리는 방전되면서 전압이 하강하며 이때 배터리의 방전상태에 따라 배터리의 내부저항이 가변하게 된다. 따라서, 이러한 특성에 맞추어 충전전류를 제어하면 불필요한 에너지의 손실을 방지하여 효율을 향상시킬수 있다.
도 2 는 배터리의 전압에 따른 전류량의 변화를 선형으로 근사화한 그래프로 온도에 따라 서로다른 근사식을 얻을수 있다. 도 2 를 참조하여 근사식을 구해보면 제 1 범위의 근사식은 iBatt=RIVBatt+iRI 이고, 제 2 범위의 근사식은 iBatt=RⅡVBatt+iRⅡ 이다.
( iBatt : 배터리 전류, RⅠ,RⅡ : 내부저항, VBatt : 배터리 전압, iRⅠ,iRⅡ : 최대전류)
따라서, 배터리의 종류에 따라 상기와 같은 충전 전류식에 대한 여러개의 맵을 만들어 제어부(700)의 마이컴(710)에 저장을 하면 사용자 인터페이스(USER INTERFACE)를 통해 구현할 수 있다.
도 4 는 부스트타입 충전시스템의 효율을 개선하기 위한방법의 제어흐름도 로써 사용자가 배터리의 갯수, 배터리의 종류, 충전시간에 따른 충전모드를 선택(S1)하게 된다. 배터리의 전압이 제 1 범위에 있는지 제 2 범위에 있는지를 체크하여 배터리의 전압이 제 1 범위에 있다면 배터리의 전류는 근사식 iBatt=RIVBatt+iRI 에 의해 구할수 있고, 만약 배터리의 전압이 제 2 범위에 있다면 근사식 iBatt=RⅡVBatt+iRⅡ 에 의해 배터리의 전류값을 구할 수가 있는 것이다(S2). 이를 알고리즘으로 표현하면 다음과 같다.
IF VBatt in 제 1 범위 then IBatt = RIVBatt+iRI else IF VBatt in 제 2 범위 then IBatt = RⅡVBatt+iRⅡ
이렇게 결정된 전류량은 부스터파워스태이지(400)의 저항(R1)에 의해 측정된 전류값과 출력부(500)의 출력전류를 체크하는 전류센서(S2)에 의해 측정된 전류값의 크기를 고려하여 부스터파워스테이지(400)의 트랜지스터의 온/오프 시간을 마이컴(710)에서 조절하게 된다.
충전시스템의 온도 및 배터리의 온도에 따른 쿨링(COOLING)과 효율을 비교한 충전제어방법을 도 3 과 도 4 를 참조하여 설명하면, 충전시스템의 온도가 상승하게 되면 시스템 내부의 소자를 보호하기 위해 쿨링시스템을 작동시켜야 한다. 또한 배터리 팩(600)내부의 배터리 온도가 상승하면 충전효율의 향상과 배터리 보호를 위해 배터리 쿨러를 작동시켜야 한다. 이때 각각의 쿨러가 소모하는 전력은 다음과 같이 시스템 쿨러 = 200W, 배터리 쿨러 = 500∼1.5KW의 고정식으로 정의한다.
도 3 은 효율을 지수함수적으로 나타낸 그래프이며, 충전시스템의 효율은 전류값의 함수로 표현할 수 있는데, 도 3 과 같이 지수함수적으로 감소하는 특성이 있다. 이러한 특성을 수식으로 표현하면 efficiency=K1Ie-K2II , 이때 충전시스템의 효율은 온도에 의해서 가변됨으로 온도 Ts에 대한 선형적인 비례관계로 근사화 하면 efficiency=K1Ie-K2II-KTTS 이러한 수식이 얻어지게 된다.
K1I : 실험에 의해 얻어지는 값, KTTS : 온도에 따라 변화하는 효율
따라서, 현재의 온도와 전류에 따른 시스템의 효율을 구할수 있게 되었으므로, 현재 시스템의 온도가 임계치 이하일때 쿨러를 작동시킬 것인지, 아니면 시스템의 온도가 임계치까지 상승한후에 쿨러를 작동시킬 것인지를 결정하면 된다.
공냉식 쿨러의 경우 시스템의 효율상승에 미치는 영향이 25% 정도이다. 따라서 쿨러를 작동 시켰을때 개선되는 25%의 에너지가 쿨러를 작동시키는데 필요한 에너지보다 작다면 임계치 온도가 넘지 않는한 쿨러를 동작시킬 필요가 없다. 그러나 시스템이 고온에서 계속 작동하는 것은 시스템 소자에 악영향을 줄 우려가 있으므로 에너지의 75% 범위내에서는 쿨러를 작동시키는 것으로 한다.
이렇게 하여 시스템 온도에 따른 쿨러의 동작을 도 4 를 참조하여 설명하면 만일 현재 시스템의 온도가 임계치 온도보다 높으면 쿨러를 작동시키고, 만약, 임계치의 온도가 현재 시스템의 온도보다 높거나 시스템 쿨링에 들어가는 에너지에 0.75를 곱한 값이 시스템 쿨링에 들어가는 에너지에 0.75를 곱하고, 그 값에 효율을 곱한 값이 크면 시스템 쿨러를 온시키고 시간이 지나 시스템의 온도가 내려가면 시스템 쿨러를 오프한다(S3). 상기 내용을 알고리즘으로 표현하면
IF (Ts≥Tsys) then Coolersys=ONelse IF (Ts<Tsys) and (Pcoolersys*0.75≤Pcoolersys*0.75*efficiency) then Coolersys=ON.else Coolersys=OFF.
배터리 쿨러를 작동시키면 배터리의 온도는 하강하고 배터리가 받아들일수 있는 전류의 양은 증가한다. 즉 효율은 작아 떨어지지만 충전시간은 단축됨을 의미한다. 따라서 배터리 쿨러의 작동은 두 가지를 기준으로 이루어지는데 먼저, 사용자가 급속충전을 원한다면 쿨러의 에너지 손실을 무시하고 임계온도( TBatt ) 이하에서도 쿨러를 작동시키게 된다. 그러나 효율을 원한다면 시스템의 쿨러만 온도와 효율에 따라 작동시키고 배터리 쿨러는 임계온도( TBatt ) 이상이 되었을 때만 작동시키면 된다.
도 4 를 참조하여 설명하면 즉, 배터리의 충전모드가 급속 충전이면 배터리의 효율을 무시하고 쿨러를 온시키며, 만약 충전모드가 효율성을 고려한 충전모드이면 현재의 배터리온도가 임계치온도보다 높을때만 배터리쿨러를 온시키고 시간이 흘러 배터리 온도가 낮아지면 배터리 쿨러를 오프시킨다(S4). 이를 알고리즘으로 표현하면 다음과 같다.
IF (CHARGE MODE = QUICK) then Cooler Batt = ON.else IF (CHARGE MODE=Efficient and TB ≥ TBatt then Cooler Batt = ON.else Cooler Batt = OFF.
상기와 같은 알고리즘으로 시스템과 배터리의 온도를 조절하여 배터리의 충전이 완료되었나를 비교판단하여 충전이 끝났으면 충전시스템을 종료하고, 충전이 끝나지 않았으면 제 2 단계(S2)로 리턴된다(S5).
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명 부스트타입 충전시스템의 효율을 개선하기 위한 장치 및 방법은, 센서와 마이컴을 이용하여 충전효율의 개선과 다양한 배터리의 대응성 그리고 사용자 인터페이스가 제공되며 또한 확장성이 용이하다. 효율의 개선은 에너지의 절약에 따른 전력 소모의 감소와 비용절감 그리고 방열소자 및 전력 소자의 소형화에 의한 원가를 절감할 수 있으며, 제품의 수명을 연장하여 내구성 증가를 가져오는 효과가 있는 것이다.

Claims (4)

  1. 시스템 보호를 위한 휴즈와 마이컴에 의해 제어되는 릴레이 스위치로구성된 교류입력부와; 전원으로부터 유입되는 EMI를 제거하기 위한 EMI필터부와; 입력된 교류전압을 직류전압으로 변환하기 위한 정류부와; 입력되는 직류전압보다 높은 직류전압을 출력하는 부스트파워스테이지와; 출력되는 전원전압을 트랜스포머로 전달받아 교류출력을 직류출력으로 변환하는 출력부와; 충전시스템의 출력전류에 의해 충전되는 배터리 팩과; 충전시스템의 출력전류 및 온도, 상기 배터리 팩에 충전되는 전류, 전압, 배터리 팩의 온도등을 체크하여 충전시스템 전반의 동작을 제어하는 제어부를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 부스트타입 충전시스템의 효율을 개선하기 위한 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제어부는 센서에 의해 검출된 전류나 온도등의 정보를 종합하여 부스트파워스테이지의 트랜지스터 스위치 및 쿨러의 작동여부 시스템의 동작을 일시적으로 막는 마이컴과; 시스템에서 입력되는 신호를 증폭하여 노이즈를 제거하는 아이솔레이션 앰플리파이어와; 상기 아이솔레이션 앰플리파이어에서 출력되는 아날로그 신호를 디지탈신호로 변환하여 마이컴으로 인가하는 A/D컨버터와; 온도센서 및 전압센서로부터 입력되는 데이타의 노이즈를 제거하기 위한 다수개의 RC필터를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 부스트타입 충전시스템의 효율을 개선하기 위한 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 마이컴은 사용자 인터페이스를 통해 입력되는 사용자 환경에 따라 배터리의 충전을 제어하여 배터리의 효율을 증가시킴을 특징으로 하는 부스트타입 충전시스템의 효율을 개선하기 위한 장치.
  4. 사용자가 배터리의 갯수, 배터리의 종류, 충전시간에 따른 충전모드를 선택하는 제 1 단계(S1)와; 상기 제 1 단계(S1)에서 선택된 충전모드에 따라 배터리의 전압이 제 1 범위에 있는지 제 2 범위에 있는지를 체크하여 만일 배터리의 전압이 제 1 범위에 있다면 배터리의 전류는 근사식 iBatt=RIVBatt+iRI 에 의해 구하고, 만약 배터리의 전압이 제 2 범위에 있다면 근사식 iBatt=RⅡVBatt+iRⅡ 에 의해 배터리의 전류값을 구하는 제 2 단계(S2)와; 만일 현재 시스템의 온도(Ts)가 임계치 온도(Tsys)보다 높으면 쿨러를 작동시키고, 만약, 임계치의 온도(Tsys)가 현재 시스템의 온도(Ts)보다 높거나 시스템 쿨링에 들어가는 에너지에 0.75를 곱한값(Pcoolersys*0.75)이 시스템 쿨링에 들어가는 에너지에 0.75를 곱하고, 그 값에 효율을 곱한값(Pcoolersys*0.75*efficiency)이 크면 시스템 쿨러를 온시키고 시간이 지나 시스템의 온도가 내려가면 시스템 쿨러를 오프하는 제 3 단계(S3)와; 배터리의 충전모드가 급속 충전이면 배터리의 효율을 무시하고 쿨러를 온시키며, 만약 충전모드가 효율성을 고려한 충전모드이면 현재의 배터리온도가 임계치온도보다 높을때만 배터리쿨러를 온시키고 시간이 흘러 배터리 온도가 낮아지면 배터리 쿨러를 오프시키는 제 4 단계(S4)와; 배터리의 충전이 완료되었나를 비교판단하여 충전이 끝났으면 충전시스템을 종료하고, 충전이 끝나지 않았으면 제 2 단계(S2)로 리턴되는 제 5 단계(S5)로 동작됨을 특징으로 하는 부스트타입 충전시스템의 효율을 개선하기 위한 방법.
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