KR20110112738A - 전기자동차 급속충전기 - Google Patents

전기자동차 급속충전기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전력계통에서 교류(AC)전력을 공급받아 직류(DC)전력으로 변환하여 전기자동차에 충전전력을 공급하기 위한 전기자동차 급속충전기에 관한 것이며, 더욱 구체적으로는 급속충전기의 기능, 사양, 디자인, 기구 개발, H/W 및 S/W 개발, 결제시스템 개발, RFID 시험 및 최적화, 작동순서, 시험절차 및 장비, 제작 시험 단계별 개선사항, 시험 및 평가, 주요 모듈설명을 구체화한 것이다.

Description

전기자동차 급속충전기{Charger of electric vehicle}
본 발명은 전력계통에서 교류(AC)전력을 공급받아 직류(DC)전력으로 변환하여 전기자동차에 충전전력을 공급하기 위한 전기자동차 급속충전기에 관한 것이며, 더욱 구체적으로는 급속충전기의 기능, 사양, 디자인, 기구 개발, H/W 및 S/W 개발, 결제시스템 개발, RFID 시험 및 최적화, 작동순서, 시험절차 및 장비, 제작 시험 단계별 개선사항, 시험 및 평가, 주요 모듈설명을 구체화한 것이다.
전기자동차 충전기는 충전시 급속의 경우 교류 380V, 85A 이상, 직류 450V, 110A내외가 흐르기 때문에 안전사고 위험이 존재하며, 또한 충전기는 전기자동차 배터리관리시스템(BMS)와 정상적인 통신을 통해 데이터를 주고 받을 수 있어야 한다.
본 발명의 목적은, 전기자동차에 충전전력을 효율적으로 공급하기 위한 전기자동차 급속충전기를 제공함에 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전기자동차 급속충전기는, 전기자동차용 배터리 충전, 배터리 시스템 모니터링, 배터리 상태 디스플레이, 충전 전력량 측정, 배터리 및 충전시스템 안전 제어, 사용자 및 차량 인식, 과금 및 결제, 차량 및 서버와 통신, 데이터 저장 중 적어도 하나의 기능이 구현된다.
또한, 입력 사양은 3상 380V, 56kW이며, 출력 전압 범위와 충전 출력은 DC100~450V, 50kW이고, 전압과 전류의 측정 정밀도는 ±1%이며, 역률과 충전 효율은 각각 0.98과 85%를 목표 사양으로 가지며, 배터리 및 충전 시스템 보호기능으로 과전압, 과전류, 과온, 배터리 이상 상태에서 충전을 자동적으로 중지시키는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명에 따른 전기자동차 급속충전기는, Analyzer Probe를 매칭할 RF Module에 연결하여 Impedance Analyzer 화면에 출력되는 13.56MHz 대역에서의 임피던스와 위상을 확인하며 원하는 매칭소자를 삽입하는 RFID 시험 장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명에 따른 전기자동차 급속충전기는, RF MODULE 구동 시 소모되는 최대전류, 높이 별 Field Voltage, A, B Type Modulation, Rx단 전압, 각종 카드 중 적어도 하나에 대한 테스트 진행 시 하나의 항목에서라도 범위를 벗어나거나 부족하게 되면 IMPEDANCE MATCHING에서 다른 임피던스, 위상 Point로 이동시켜서 다시 테스트 진행하는 RFID 시험 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 충전 대기 시(System - Idle), 급속 충전기의 상단에 위치한 LED가 Blue Color로 점등되고, 충전기 동작 시(System Activation) LED가 reen Color로 점등되며, RFID 카드를 충전기에 위치시키면 충전기 케이블 함이 자동적으로 열리고, 전기자동차에 충전기 케이블을 연결시킨 후 충전을 시작하면 LED가 Red Color로 점등되고, 충전기 고장 시 LED가 Yellow Color로 점멸되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 전력계통에서 교류(AC)전력을 공급받아 직류(DC)전력으로 변환하여 전기자동차에 충전전력을 공급할 때 보다 효율적으로 충전전력을 공급하는 효과를 가진다.
도 1 및 도 2 는 본 발명에 따른 전기자동차 급속충전기의 외관도이다.
도 3 및 도 4는 급속충전기의 시스템 블록도와 H/W 조립도면을 나타낸 것이다.
도 5a 내지 도 5e 는 급속충전기의 조립과정을 나타낸 것이다.
도 6 은 급속충전기의 Touch Screen의 대표적인 GUI 화면을 나타낸 것이다.
도 7 은 본 발명에 따른 급속충전기의 결제 시스템을 설명하는데 참조되는 블록도이다.
도 8 은 본 발명에 따른 급속충전기의 결제 시스템에 대한 동작 흐름을 나타낸 흐름도이다.
도 9 는 일 실시예에 따른 RFID 시험 장치를 나타낸 것이다.
도 10 은 다른 실시예에 따른 RFID 시험 장치를 나타낸 것이다.
도 11a 내지 도 11f 는 급속충전기의 작동 순서에 따른 LED Indicator의 변화를 나타낸 것이다.
도 12 는 CAN통신 Driver IC에 문제가 발생되어 통신 양단에 제너다이오드 추가한 회로도를 나타낸 것이다.
도 13a 내지 도 13c 는 급속충전기의 정전류 특성 시험을 30, 50, 100A 조건에서 실시한 예를 나타낸 것이다.
도 14a 내지 도 14d 는 급속충전기의 출력 전압과 전류의 리플을 조사하기 위한 시험 결과를 나타낸 것이다.
도 15a 는 급속충전기의 역률과 충전효율을 조사하기 위한 시험을 420V, 110A 조건에서 수행한 결과를 나타낸 것이다.
도 15b 는 ITHD와 VTHD를 조사하기 위한 시험을 420V, 110A 조건에서 수행한 결과를 나타낸 것이다.
도 16 은 급속충전기 주요 모듈 구성을 설명하는데 참조되는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다.
특히, 본 발명에서는 전기자동차 급속충전기의 기능, 사양, 디자인, 기구 개발, H/W 및 S/W 개발, 결제시스템 개발, RFID 시험 및 최적화, 작동순서, 시험절차 및 장비, 제작 시험 단계별 개선사항, 시험 및 평가, 주요 모듈에 대해 구체적으로 설명하고자 한다.
1.1 급속충전기의 기능
- 전기자동차용 배터리 충전
- 배터리 시스템 모니터링
- 배터리 상태 디스플레이
- 충전 전력량 측정
- 배터리 및 충전시스템 안전 제어
- 사용자 및 차량 인식
- 과금 및 결제
- 차량 및 서버와 통신
- 데이터 저장
1. 2 사양
본 발명에 따른 전기자동차의 급속충전기에 대한 주요 사양은 아래 [표 1]과 같다.
Figure pat00001
즉, 전기자동차의 급속충전기의 입력 사양은 3상 380V, 56kW이며, 출력 전압 범위와 충전 출력은 DC100~450V, 50kW이다. 또한, 전압과 전류의 측정 정밀도는 ±1%이며, 역률과 충전 효율은 각각 0.98과 85%를 목표 사양으로 갖는다. 또한, 전기자동차의 급속충전기는 배터리 및 충전 시스템 보호기능으로 과전압, 과전류, 과온, 배터리 이상 상태 등의 상태에서 충전을 자동적으로 중지시키는 기능이 구현된다.
1.3 충전기 디자인 사양
급속충전기의 디자인은 도 1에 도시된 외관도를 참조한다.
1.4 기구 개발
급속충전기의 외관도 중 평면도, 정면도, 측면도는 도 2a 내지 도 2c를 참조한다.
1.5 H/W 개발
1.5.1 시스템 블록도
급속충전기의 시스템 블록도와 H/W 조립도면은 도 3 및 도 4를 참조한다.
1.5.2 H/W 제작
급속충전기의 조립과정은 도 5a 내지 도 5e를 참조한다.
① 도 5a는 PCB Panel 조립과정을 나타낸 것이다.
② 도 5b는 Inverter 부 조립과정을 나타낸 것이다.
③ 도 5c는 DC-DC Converter 부 조립과정을 나타낸 것이다.
④ 도 5d는 기타 H/W 조립과정을 나타낸 것이다.
⑤ 도 5e는 외부 Case 조립과정을 나타낸 것이다.
1.6 S/W 개발
1.6.1 통신 시스템
； 전기자동차 ↔ 급속충전기: CAN 2.0A
； 급속충전기 ↔ 서버: LAN
； MCU ↔ Touch Screen: RS485
； 급속충전기 ↔ PC: RS232
1.6.2 MMI 개발: Touch Screen GUI 개발
급속충전기의 Touch Screen의 대표적인 GUI는 도 6을 참조한다.
도 6을 참조하면, 급속충전기의 Touch Screen GUI는 충전 중에 표시되는 디스플레이 화면으로, 배터리의 전류와 전압, 충전 모드, 충전 상태, 충전량 및 요금을 나타낸다.
1.7 결제 시스템 개발
도 7은 본 발명에 따른 급속충전기의 결제 시스템을 설명하는데 참조되는 블록도이고, 도 8은 본 발명에 따른 급속충전기의 결제 시스템에 대한 동작 흐름을 나타낸 흐름도이다.
본 발명에 따른 급속충전기의 결제 시스템의 주요 사양은 아래 [표 2]와 같다.
Figure pat00002
본 발명에서는 사용자 인식 및 결제 시스템을 개발하였다. 사용자 인식 기능으로는 RFID Reader를 선택하였으며 결제를 위해서는 신용카드와 포인트카드 등을 사용할 수 있는 시스템을 개발하였다. 또한, 결제 시 영수증을 출력할 수 있는 기능을 추가하였다.
1.8 RFID 시험 및 최적화 과정
1.8.1 RF-MODULE IMPEDANCE MATCHING
도 9는 일 실시예에 따른 RFID 시험 장치를 나타낸 것이다.
도 9에 도시된 MATCHING 장비들을 살펴보면, ①은 IMPEDANCE ANALYZER(4194A- AGILENT)이고, ②는 ANALYZER PROBE이며, ③은 RF MODULE이다.
도 9를 참조하면, 일 실시예에 따른 RFID 시험 장치는 Analyzer Probe를 매칭할 RF Module에 연결하여 Impedance Analyzer 화면에 출력되는 13.56MHz 대역에서의 임피던스와 위상을 확인하며 원하는 매칭소자를 삽입한다.
3.8.2 매칭 후 모듈 테스트
도 10은 다른 실시예에 따른 RFID 시험 장치를 나타낸 것이다.
도 10에 도시된 RF MODULE 장비들을 살펴보면, ①은 RF MODULE이고, ①-①은 RF MODULE 테스트용 HOST 연결 케이블이고, ②는 테스트용 HOST(Note Book), ③은 Waveform Generator(33250A-Agilent), ④는 Multimeter(34401A-HP), ⑤는 Power Supply(K3005-Vupower), ⑥은 Oscilloscope(64XI-LeCroy), ⑦은 Field Voltage 측정 PICC, 그리고 ⑧은 A, B Type Modulation 측정 PICC이다. 그 외에, 인식 거리 측정용 Card, Tag 등이 추가 이용될 수 있다.
도 10을 참조하면, 다른 실시예에 따른 RFID 시험 장치는 1)항에서 Impedance Matching 된 RF MODULE을 도 10과 같이 구현된 각 장비를 사용하여 아래의 항목에 대해 테스트를 진행한다.
가) RF MODULE 구동 시 소모되는 최대전류: Carrier ON과 카드 접촉 시 최대전류를 Power Supply를 이용하여 확인한다
나) 높이 별 Field Voltage: 0Cm부터 4Cm까지 1Cm 구간 별로 발생되는 Field 전압을 Multimeter와 Field Voltage 측정 PICC로 측정한다.
다) A, B Type Modulation: Oscilloscope와 A, B Type Modulation 측정
PICC로 0Cm 부터 4Cm까지 1Cm 구간 별로 측정한다.
라) Rx단 전압: Oscilloscope를 이용하여 Rx 단의 전압을 측정한다.
마) 각종 카드: 각종 카드 및 Tag의 인식 거리를 테스트용 HOST(Note Book)
의 카드 인식 프로그램을 이용하여 확인한다.
바) 위의 가)부터 마)까지 테스트 진행 시 하나의 항목에서라도 범위를 벗어나거나 부족하게 되면 1)항 IMPEDANCE MATCHING에서 다른 임피던스, 위상 Point로 이동시켜서 다시 테스트 진행한다. 2)항 테스트 항목이 모두 충족될 때까지 IMPEDANCE MATCHING과 테스트는 반복하여 진행한다.
1.9 급속충전기의 작동 순서
급속충전기의 작동 순서에 따른 LED Indicator의 변화는 도 11a 내지 도 11f를 참조한다.
먼저, 충전 대기 시(System - Idle)에는 도 11a와 같이 급속 충전기의 상단에 위치한 LED가 Blue Color로 점등되며, 충전기 동작 시(System Activation)에는 도 11b와 같이 Green Color로 점등된다. 다음으로 RFID 카드를 충전기에 위치시키면 도 11c와 같이 충전기 케이블 함이 자동적으로 열리고, 전기자동차에 충전기 케이블을 연결시킨 후 도 11e와 같이 충전을 시작하면 도 11d와 같이 LED는 Red Color로 점등된다. 그리고 충전기 고장 시에는 도 11f와같이 LED가 Yellow Color로 점멸된다.
1.10 시험 절차 및 장비
1.10.1 육안 검사
① 배선 결선 상태 확인
② 볼트 조임 상태 확인
③ 기구물 치수 확인
1.10.2 H/W Test
① 절연 내압 및 절연 저항 측정
② Control Panel Test: 지그를 사용한 각 B/D 동작 확인
③ Inverter Stack Test: Inverter Stack 제어 상태 확인
④ DC-DC Stack Test: DC-DC Stack 제어 상태 확인
※ 필요 장비: 절연 내압계, 절연 저항계, DVM, Oscilloscope, 34401, 지그, 부하
1.10.3 프로그램 운용
Touch Screen과 연동하여 장비 동작 상태 확인
1.10.4 기능 검사
① 장비 Sequence: Sequence 동작 상태 확인
② Calibration
③ Program 연동 Load Test: 실 부하를 대비한 최종 Test
※ 필요 장비: DVM, 34401, 부하
1.11 제작, 시험 단계별 개선 사항
1.11.1 CAN 통신 불량
통신 쪽 접지 세라믹 콘덴서 제거 후 해결.
통신 Ground를 Frame에 접지 시킴.
도 12는 CAN통신 Driver IC에 문제가 발생되어 통신 양단에 제너다이오드 추가한 회로도를 나타낸 것이다.
1.11.2 Touch Screen 관리자 모드 접속 시 문제.
충전기 동작 중 Fault 발생 시, 관리자 모드 접속 후 다시 동작 화면으로 이동하면 화면 키가 동작되지 않았던 버그 수정
1.12 시험 및 평가
1.12.1 정전류 충전 시험
도 13a 내지 도 13c는 급속충전기의 정전류 특성 시험을 30, 50, 100A 조건에서 실시한 예를 나타낸 것이다.
도 13a는 30A 정전류 파형(15A/div, 10ms/div)을 나타낸 그래프이고, 도 13b는 50A 정전류 파형(25A/div, 10ms/div)을 나타낸 그래프이며, 도 13c는 100A 정전류 파형(50A/div, 10ms/div)을 나타낸 그래프이다.
시험 결과 출력 전류는 10ms 수준의 Rising Time 을 나타내었으며 전류 안정성이 우수한 효과를 가진다.
3.12.2 출력 전압/전류 리플 시험
도 14a 내지 도 14d는 급속충전기의 출력 전압과 전류의 리플을 조사하기 위한 시험 결과를 나타낸 것이다.
도 14a는 30A (좌), 50A (우) 전압 리플 파형(1V/div, 20ms/div)을 나타낸 것이고, 도 14b는 80A (좌), 110A (우) 전압 리플 파형(1V/div, 20ms/div)을 나타낸 것이고, 도 14c는 30A (좌), 50A (우) 전류 리플 파형(500mA/div, 10ms/div)을 나타낸 것이고, 도 14d는 80A (좌) (500mA/div), 110A (우) 전류 리플 파형(2A/div, 10ms/div)을 나타낸 것이다.
시험 결과 출력 전압의 리플은 RMS 500mV 수준을 나타내었다. 또한, 출력 전류의 리플은 RMS 170~220mA를 나타내었다.
3.12.3 역률 및 효율 시험
도 15a는 급속충전기의 역률과 충전효율을 조사하기 위한 시험을 420V, 110A 조건에서 수행한 결과를 나타낸 것이다. 시험 결과 충전기의 역률은 0.99를 나타내었으며 충전효율은90.64%를 나타내었다.
또한, 도 15b는 ITHD와 VTHD를 조사하기 위한 시험을 420V, 110A 조건에서 수행한 결과를 나타낸 것이다. 시험 결과 VTHD는 1.21%, ITHD는 2.69%를 나타내었다.
3.13 급속충전기의 주요 모듈 설명
도 16은 급속충전기 주요 모듈 구성을 설명하는데 참조되는 도면이다.
도 16에 도시된 바와 같이, ① 내지 ⑥의 각 모듈 및 그에 대응하는 기능은 아래와 같다.
① LED : 4가지 색깔로 장비의 상태 표시.
② TOUCH SCREEN : 장비의 동작 제어와 상태를 확인.
③ MAGNETIC CARD READER : 신용카드 결제를 위한 장치.
④ EMG: 비상시 장비를 정지시키기 위한 안전 장치.
⑤ PRINTER : 결제시 영수증을 출력하는 장치.
⑥ RF ID : 신분 확인 및 결제 장치

Claims (5)

  1. 전기자동차용 배터리 충전, 배터리 시스템 모니터링, 배터리 상태 디스플레이, 충전 전력량 측정, 배터리 및 충전시스템 안전 제어, 사용자 및 차량 인식, 과금 및 결제, 차량 및 서버와 통신, 데이터 저장 중 적어도 하나의 기능이 구현되는 전기자동차 급속충전기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    입력 사양은 3상 380V, 56kW이며, 출력 전압 범위와 충전 출력은 DC100~450V, 50kW이고, 전압과 전류의 측정 정밀도는 ±1%이며, 역률과 충전 효율은 각각 0.98과 85%를 목표 사양으로 가지며, 배터리 및 충전 시스템 보호기능으로 과전압, 과전류, 과온, 배터리 이상 상태에서 충전을 자동적으로 중지시키는 것을 특징으로 하는 전기자동차 급속충전기.
  3. 청구항 1에 있어서,
    Analyzer Probe를 매칭할 RF Module에 연결하여 Impedance Analyzer 화면에 출력되는 13.56MHz 대역에서의 임피던스와 위상을 확인하며 원하는 매칭소자를 삽입하는 RFID 시험 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차 급속충전기.
  4. 청구항 1에 있어서,
    RF MODULE 구동 시 소모되는 최대전류, 높이 별 Field Voltage, A, B Type Modulation, Rx단 전압, 각종 카드 중 적어도 하나에 대한 테스트 진행 시 하나의 항목에서라도 범위를 벗어나거나 부족하게 되면 IMPEDANCE MATCHING에서 다른 임피던스, 위상 Point로 이동시켜서 다시 테스트 진행하는 RFID 시험 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차 급속충전기.
  5. 청구항 1에 있어서,
    충전 대기 시(System - Idle), 급속 충전기의 상단에 위치한 LED가 Blue Color로 점등되고, 충전기 동작 시(System Activation) LED가 reen Color로 점등되며, RFID 카드를 충전기에 위치시키면 충전기 케이블 함이 자동적으로 열리고, 전기자동차에 충전기 케이블을 연결시킨 후 충전을 시작하면 LED가 Red Color로 점등되고, 충전기 고장 시 LED가 Yellow Color로 점멸되는 것을 특징으로 하는 전기자동차 급속충전기.
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