KR20130080678A - 차량의 배터리 충전 장치 - Google Patents

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Abstract

차량의 배터리 충전 장치에 있어서, 모터부; 및 배터리의 직류 전압을 승압 또는 강압시키는 컨버터와 상기 컨버터를 통해 전달받은 직류 전압을 교류 신호로 변환하여 상기 모터부에 구동 제어신호를 출력하는 모터 구동부를 포함하되, 상기 모터부는 상기 배터리를 충전하기 위한 교류 전원을 입력받기 위한 배선 및 플러그와, 상기 교류 전원에 의한 상기 배터리의 충전을 위해 상기 배터리의 충전시 트랜스포머 또는 인덕터의 기능을 수행하기 위한 권선 구조를 가지며, 상기 모터 구동부는 상기 모터부로부터 전달받은 상기 교류 전원을 이용하여 정류하여 상기 배터리를 충전하는 차량의 배터리 충전 장치가 제공된다.

Description

차량의 배터리 충전 장치{APPARATUS FOR CHARGING BATTERY OF VEHICLE}
본 발명은 차량의 배터리 충전 장치에 관한 것으로, 상세하게는 차량의 배터리를 충전할 때 차량에 구비되어 있는 모터를 트랜스포머 또는 인덕터의 기능으로 이용하여 충전동작을 수행할 수 있는 차량의 배터리 충전 장치에 관한 것이다.
최근 환경 파괴로 인한 지구 온난화와 고유가 등의 문제로 자동차 업계에서 는 전기 자동차의 개발을 급속히 진행하고 있다. 현재 전세계 메이저급 자동차 제작사들은 주요 개발 차량으로 전기 자동차를 만들기 위해 연구개발 중이다.
전기 자동차는 배기가스가 전혀 없으며, 소음이 아주 작은 장점이 있다. 전기 자동차는 1873년 가솔린 자동차보다 먼저 제작되었으나, 배터리의 무거운 중량, 충전에 걸리는 시간 등의 문제 때문에 실용화되지 못하다가 공해문제가 최근 심각해지면서 다시 개발되고 있다. 하지만, 재충전 가능한 배터리의 사용횟수 제한으로 인하여 배터리 자체 만으로는 장거리 주행이 확보되지 않는 문제점이 있다.
따라서, 현재 시장에서는 화석연료와 배터리 같이 두 가지 동력원을 사용하는 하이브리드(Hybrid) 자동차가 북미지역을 중심으로 활발히 판매 사용되고 있다.
한편, 전기 자동차의 경우 재충전 가능한 배터리(즉, 2차 전지의 성능 개선)와 기존의 전지특성과는 다른 특성을 가진 연료전지 등을 사용하는 방안이 마련되고 있다. 이에, 전기 자동차 내부의 배터리 충전과 잦은 교체주기에 따른 기존의 문제점이 점차 해결되어 가고 있다.
일반 도로 주행용 전기 자동차가 아닌 일부 소형 전기 자동차의 경우에는 이미 상용화되어 활발히 사용되고 있다. 예를 들어, 골프장의 골프 카트, 경기장의 선수 및 장비 이동용 차량, 실내 운전 차량, 실내 청소 차량 등에서 활발히 사용되고 있으며, 곧 일반 상용 및 승용차에서도 전기자동차의 보급이 급속히 이루어질 것이라는 사실이 예견된다.
전기 자동차 및 하이브리드 자동차는 차량에 실려 있는 고전압 배터리를 충전하여 동력원으로 사용한다. 자동차에는 구동력을 위한 고전압 배터리와, 전자제어유닛의 동작을 위한 보조 배터리가 탑재되어 있다.
도 1은 종래의 차량용 배터리 충전 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 각 차량마다 배터리를 충전하기 위한 별도의 배터리 충전장치를 구비하고 있다. 도 1에 도시된 바와 같이 종래의 배터리 충전 장치(1)는 AC 전원(11), 차량 탑재형 완속 충전부(OBC: On Board Charger)(12), 보조 배터리(13), 고전압 배터리(14), 저전압 변환기(LDC: Low Voltage DC-DC Converter)(15)를 포함한다.
차량 탑재형 완속 충전부(12)는 고전압 배터리(14)를 충전하기 위하여, AC 전원(11)을 고전압으로 변환하는 고전압 충전부(12a)를 구비하고 있다. 또한 배터리 충전 장치(1)는 보조 배터리(13)의 전압이 떨어지면 저전압 변환기(15)를 동작시켜 보조 배터리(13)를 충전시킨다.
이와 같이 전기 자동차 및 하이브리드 자동차는 차량에 실려 있는 차량용 배터리를 충전하기 위한 별도의 배터리 충전장치를 장착해야 차량의 생산 비용이 증가하고 배터리 충전장치를 장착할 공간을 별도로 확보해야 하는 불편함이 있었다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 전기 자동차 및 하이브리드 자동차에 실려 있는 차량용 배터리를 충전하기 위하여 별도의 배터리 충전장치를 구비하지 않고 예컨대 전동식 파워 스티어링 시스템의 전자 제어 장치에 구비되어 있는 조향용모터와, 그 모터를 구동하기 위한 모터 구동 장치를 이용하여 차량의 배터리를 충전할 수 있는 배터리 충전장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 일측면에 의하면, 차량의 배터리 충전 장치에 있어서, 모터부; 및 배터리의 직류 전압을 승압 또는 강압시키는 컨버터와 상기 컨버터를 통해 전달받은 직류 전압을 교류 신호로 변환하여 상기 모터부에 구동 제어신호를 출력하는 모터 구동부를 포함하되, 상기 모터부는 상기 배터리를 충전하기 위한 교류 전원을 입력받기 위한 배선 및 플러그와, 상기 교류 전원에 의한 상기 배터리의 충전을 위해 상기 배터리의 충전시 트랜스포머 또는 인덕터의 기능을 수행하기 위한 권선 구조를 가지며, 상기 모터 구동부는 상기 모터부로부터 전달받은 상기 교류 전원을 이용하여 정류하여 상기 배터리를 충전하는 차량의 배터리 충전 장치가 제공된다.
상기 모터부는 상기 배터리의 충전시 입력된 교류 전압을 고전압으로 승압시키는 트랜스포머의 기능을 수행하기 위하여, 철심과, 상기 철심에 감겨진 제1 차 권선 및 제2 차 권선을 구비할 수 있다.
상기 인버터는 상기 모터부에 의해 고전압으로 승압된 교류 전압을 입력받아 스위칭 소자에 의해 스위칭을 하여 정류 기능을 통해 직류 전압으로 변환하고, 상기 컨버터는 상기 인버터에 의해 변환된 직류 전압을 상기 배터리를 충전하기 위한 전압으로 강압하고 역률을 보정하여 상기 배터리를 충전시킬 수 있다.
상기 인버터는 상기 모터부에 의해 고전압으로 승압된 교류 전압을 입력받아 스위칭 소자에 의해 스위칭을 통해 정류하여 직류 전압으로 변환하고 전압 강압하여 상기 배터리를 충전시킬 수 있다.
상기 인버터는 상기 배터리의 전력을 교류 전원측으로 반환하는 양방향 충전기능을 더 포함할 수 있다.
상기 모터부는 철심과, 상기 철심에 감겨져 상기 배터리의 충전시 입력된 교류 전압을 안정화시켜 출력하기 위한 인덕터 기능을 수행하기 위한 권선을 구비할 수 있다.
상기 인버터는 상기 모터부에 의해 안정화된 교류 전압을 입력받아 스위칭 소자에 의한 스위칭을 통해 정류 및 직류 전압으로 변환하여 고전압으로 승압하고, 상기 컨버터는 상기 인버터에 의해 변환된 직류 전압을 상기 배터리를 충전하기 위한 전압으로 강압하고 역률을 보정하여 상기 배터리를 충전시킬 수 있다.
상기 인버터는 상기 배터리의 전력을 교류 전원측으로 반환하는 양방향 충전기능을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 전기 자동차 및 하이브리드 자동차에 실려 있는 차량용 배터리를 충전하기 위하여 별도의 배터리 충전장치를 구비하지 않으면서도 모터와, 그 모터를 구동하기 위한 모터 구동부를 이용하여 차량의 배터리를 충전할 수 있음에 따라 차량의 생산 비용을 줄일 수 있고 차량의 내부 공간을 넓게 사용할 수 있는 효과를 제공할 수 있다.
도 1은 종래의 차량용 배터리 충전 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 배터리 충전 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 배터리 충전 장치에 사용되는 모터의 권선 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 차량용 배터리 충전 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 차량용 배터리 충전 장치에 사용되는 모터의 권선 방법을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 배터리 충전 장치를 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 배터리 충전 장치에 사용되는 모터의 권선 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 충전 장치는 모터 구동부(100)와 트랜스포머의 기능을 수행하는 모터부(200)를 포함하여 구성되어 전기 자동차(EV ; Electric Vehicle)나 플러그인 하이브리드 자동차(PHEV: Plug-in Hybrid Electric Vehicle) 등에 설치되어, AC 전원을 고전압으로 변환하여 배터리(10)를 충전시킬 수 있다.
이와 같이 충전된 배터리(10)는 전기 자동차나 플러그인 하이브리드 자동차의 동력원이나, 차량에 설치된 각종 전자제어유닛, 예를 들면 제동 장치의 전자제어유닛, 현가 장치의 전자제어유닛, 조향 장치의 전자 제어 유닛 등의 구동을 위해 사용될 수 있다.
모터 구동부(100)는 차량 탑재형 완속 충전부(OBC: On Board Charger)형태로 구성될 수 있다.
모터 구동부(100)는 배터리(10)의 직류 전압 레벨을 강압 또는 승압하는 컨버터(120)와, 모터부(200)를 구동시키기 위해 컨버터(120)에서 출력된 전압을 입력받아 DC 링크를 통해 입력된 직류를 3상의 교류신호를 변환하여 3상 교류 모터에 모터 구동 신호를 제공하는 인버터(110)를 포함할 수 있다.
인버터(110)는 배터리로부터 공급되는 직류를 3상의 교류신호를 변환하여 3상 교류 모터에 제공하기 위한 스위칭 소자와, 스위칭 소자의 순간적인 전압강하를 막기 위한 DC 링크 커패시터를 구비하고 있다.
인버터(110)는 배터리(10)로부터 공급되는 직류를 3상의 교류신호를 변환하기 위하여 하이 사이드와 로사이트에 각각 3개씩 전체적으로 6개의 스위칭 소자를 포함하고 있다. 스위칭 소자는 FET가 사용될 수 있다. FET는 고속 스위칭에 적합하다. 스위칭 소자는 고속 스위칭을 하기 때문에 조향시에 순간적인 전압 드롭이 생길 수 있다. 이에 따라 DC 링크 커패시터가 스위칭 소자의 순간적인 전압 드롭을 방지하기 위해 인버터(110)에 구비된다.
한편, 모터부(200)는 3상 교류 모터로서 인버터(110)로부터 출력되는 모터 구동 신호에 따라 동작할 수 있다. 한편, 모터부(200)는 AC 전원을 입력받을 수 있는 배선과 플러그를 구비하고 있다.
따라서, 모터부(200)가 배터리(100)의 충전을 수행할 때는 구비된 플러그를 통해 AC 전원을 입력받게 된다.
모터부(200)는 배터리(100)의 충전을 위해 전력 변환을 위한 트랜스포머의 기능을 수행하기 위한 권선 구조를 가지고 있다.
즉, 도 3에 도시된 바와 같이 모터부(200)는 코일을 감기 위한 철심(210)과, 철심(210)의 둘레로 코일을 감아 AC 전원을 입력받는 제1 차 권선(220)과, 철심(210)에 코일을 감아 전력을 변환시키는 제2 차 권선(230)을 구비하고 있다. 이때, 모터부(200)는 3상 교류 모터임에 따라 철심(210)이 3개가 구비되어 있으며 각각의 철심(210)에 제1 차 권선(220)과 제2 차 권선(230)이 구비되어 있다. 이때, 3 개의 철심(210)에 형성된 각 제1 차 권선(220)은 전기적으로 직렬 연결되도록 배선된다. 또한 모터부(200)는 하우징부(240)와 로터(250)를 구비하고 있다.
모터부(200)는 입력된 AC 전원을 제1차 권선(220)과 제2 차 권선(230)의 권선비에 따라 배터리(10)를 충전하기 위한 고전압으로 승압시켜서 모터구동부(100)의 인버터(110)에 전달한다.
인버터(110)는 모터부(200)에 의해 고전압으로 승압된 교류 전압을 입력받아 스위칭 소자에 의해 스위칭을 하여 정류 기능을 통해 직류 전압으로 변환한다.
컨버터(120)는 능동 제어모듈로 동작하여 인버터(110)에 의해 변환된 직류 전압을 배터리(10)를 충전하기 위한 전압으로 강압함과 역률을 보정하는 PFC(Power Factor Correction) 기능을 수행하여 배터리(10)를 충전시킨다.
한편, 인버터(110)는 능동 제어 모듈로 동작하여 모터부(200)에 의해 고전압으로 승압된 교류 전압을 입력받아 스위칭 소자에 의해 스위칭을 하여 정류 기능을 통해 직류 전압으로 변환함과 전압 강압의 기능을 수행하여 컨버터(120)의 기능을 대신할 수 도 있다. 이를 위해서는 컨버터(120)를 비활성화시키기 위한 스위치가 내부적으로 구비될 수 있다. 그러나, 이러한 기술적인 변화들은 필요에 따라 얼마든지 변형가능할 수 있다.
한편, 인버터(110)는 양방향 특성을 가짐에 따라 배터리(10)의 충전뿐 아니라 배터리(10)의 전력을 교류 전원측으로 반환하는 양방향 충전기로서의 구현도 가능할 수 있다.
통상적인 모터 구동 장치의 경우 대부분의 전력을 모터가 소비하게 된다. 이는 모터부(200)와 모터구동부(100)에 구비된 인버터(110)가 급속 충전을 감당할 만큼의 용량을 가지고 있음을 의미한다. 다만, 영구 자석형 모터는 용량이 제한되므로 급속 충전형으로 설계하기 위해서는 영구자석의 세기를 작게 하거나 영구자석 없는 타입의 모터를 사용하는 등의 다양한 변형을 가할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 차량용 배터리 충전 장치를 설명하기 위한 도면이고, 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 차량용 배터리 충전 장치에 사용되는 모터의 권선 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 충전 장치는 모터 구동부(100)와 인덕터의 기능을 수행하는 모터부(300)를 포함하여 구성되어 전기 자동차(EV ; Electric Vehicle)나 플러그인 하이브리드 자동차(PHEV: Plug-in Hybrid Electric Vehicle) 등에 설치되어, AC 전원을 고전압으로 변환하여 배터리(10)를 충전시킬 수 있다.
이와 같이 충전된 배터리(10)는 전기 자동차나 플러그인 하이브리드 자동차의 동력원이나, 차량에 설치된 각종 전자제어유닛, 예를 들면 제동 장치의 전자제어유닛, 현가 장치의 전자제어유닛, 조향 장치의 전자 제어 유닛 등의 구동을 위해 사용될 수 있다.
모터 구동부(100)는 차량 탑재형 완속 충전부(OBC: On Board Charger) 형태로 구성될 수 있다. 모터 구동부(100)는 배터리(10)의 직류 전압 레벨을 강압 또는 승압하는 컨버터(120)와, 모터부(300)를 구동시키기 위해 컨버터(120)에서 출력된 전압을 입력받아 DC 링크를 통해 입력된 직류를 3상의 교류신호를 변환하여 3상 교류 모터에 모터 구동 신호를 제공하는 인버터(110)를 포함할 수 있다.
인버터(110)는 배터리로부터 공급되는 직류를 3상의 교류신호를 변환하여 3 상 교류 모터에 제공하기 위한 스위칭 소자와, 스위칭 소자의 순간적인 전압강하를 막기 위한 DC 링크 커패시터를 구비하고 있다.
인버터(110)는 배터리(10)로부터 공급되는 직류를 3상의 교류신호를 변환하기 위하여 하이 사이드와 로 사이드에 각각 3개씩 전체적으로 6개의 스위칭 소자를 포함하고 있다. 스위칭 소자는 FET가 사용될 수 있다. FET는 고속 스위칭에 적합하다. 스위칭 소자는 고속 스위칭을 하기 때문에 조향시에 순간적인 전압 드롭이 생길 수 있다. 이에 따라 DC 링크 커패시터가 스위칭 소자의 순간적인 전압 드롭을 방지하기 위해 인버터(110)에 구비된다.
한편, 모터부(300)는 3상 교류 모터로서 인버터(110)로부터 출력되는 모터 구동 신호에 따라 동작할 수 있다. 한편, 모터부(300)는 AC 전원을 입력받을 수 있는 배선과 플러그를 구비하고 있다.
따라서, 모터부(300)가 배터리(100)의 충전을 수행할 때는 구비된 플러그를 통해 AC 전원을 입력받게 된다.
모터부(300)는 철심에 감겨진 권선을 구비하고 있다. 즉, 도 5에 도시된 바와 같이 모터부(300)는 코일을 감기 위한 철심(360)과, 철심(360)의 둘레로 코일을 감아 이루어진 권선(310, 320, 340)을 구비하고 있다. 이때, 모터부(300)는 3상 교류 모터임에 따라 철심(360)이 3개가 구비되어 있으며 각각의 철심(360)에 각 권선(310, 320, 330)이 구비되어 있다. 또한 모터부(200)는 하우징부(340)와 로터(350)를 구비하고 있다.
모터부(300)는 입력된 AC 전원을 권선(310, 320, 330)의 인덕터 기능을 통해 안정된 교류 전원을 모터 구동부(100)의 인버터(110)에 전달할 수 있다. 즉, AC 전원의 전류가 권선(310, 320, 330)을 통해 흐르면 여기에 역기전력이 발생하여 출력의 진폭을 감소시키는 방향으로 자계가 형성되고 입력이 떨어지기 시작할 때는 권선(310, 320, 330)의 자계가 약해져서 출력의 크기를 일정하게 유지시킨다.
한편, 인버터(110)는 능동 제어 모듈로 동작하여 모터부(300)로부터 안정화된 교류 전압을 입력받아 스위칭 소자에 의해 스위칭을 하여 정류 기능을 통해 직류 전압으로 변환함과 고전압으로 승압하는 기능을 수행할 수 있다.
컨버터(120)는 인버터(110)에 의해 변환된 직류 전압을 배터리(10)를 충전하기 위한 전압으로 강압함과 역률을 보정하는 PFC(Power Factor Correction) 기능을 수행하여 배터리(10)를 충전시킨다.
한편, 인버터(110)는 양방향 특성을 가짐에 따라 배터리(10)의 충전뿐 아니라 배터리(10)의 전력을 교류 전원측으로 반환하는 양방향 충전기로서의 구현도 가능할 수 있다.
통상적인 모터 구동 장치의 경우 대부분의 전력을 모터가 소비하게 된다. 이는 모터부(200)와 모터구동부(100)에 구비된 인버터(110)가 급속 충전을 감당할 만큼의 용량을 가지고 있음을 의미한다. 다만, 영구 자석형 모터는 용량이 제한되므로 급속 충전형으로 설계하기 위해서는 영구자석의 세기를 작게 하거나 영구자석 없는 타입의 모터를 사용하는 등의 다양한 변형을 가할 수 있다.
이상의 본 발명은 상기에 기술된 실시예들에 의해 한정되지 않고, 당업자들에 의해 다양한 변형 및 변경을 가져올 수 있으며, 이는 첨부된 청구항에서 정의되는 본 발명의 취지와 범위에 포함된다.
예컨대, 본 발명의 실시예들에서는 모터 구동부와 모터를 이용하여 배터리를 충전하는 것에 대하여 설명하였지만, 모터에 대응하는 권선 구조를 가지는 발전기를 이용하여 배터리를 충전하도록 변형이 가능하다.
10 : 배터리 100: 모터 구동부
110 : 인버터 120 : 컨버터
200 : 모터부 300 : 모터부

Claims (8)

  1. 차량의 배터리 충전 장치에 있어서,
    모터부; 및
    배터리의 직류 전압을 승압 또는 강압시키는 컨버터와 상기 컨버터를 통해 전달받은 직류 전압을 교류 신호로 변환하여 상기 모터부에 구동 제어신호를 출력하는 모터 구동부를 포함하되,
    상기 모터부는 상기 배터리를 충전하기 위한 교류 전원을 입력받기 위한 배선 및 플러그와, 상기 교류 전원에 의한 상기 배터리의 충전을 위해 상기 배터리의 충전시 트랜스포머 또는 인덕터의 기능을 수행하기 위한 권선 구조를 가지며,
    상기 모터 구동부는 상기 모터부로부터 전달받은 상기 교류 전원을 이용하여 정류하여 상기 배터리를 충전하는 것을 특징으로 하는 차량의 배터리 충전 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 모터부는 상기 배터리의 충전시 입력된 교류 전압을 고전압으로 승압시키는 트랜스포머의 기능을 수행하기 위하여, 철심과, 상기 철심에 감겨진 제1 차 권선 및 제2 차 권선을 구비하는 것을 특징으로 하는 차량의 배터리 충전 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 인버터는 상기 모터부에 의해 고전압으로 승압된 교류 전압을 입력받아 스위칭 소자에 의해 스위칭을 하여 정류 기능을 통해 직류 전압으로 변환하고,
    상기 컨버터는 상기 인버터에 의해 변환된 직류 전압을 상기 배터리를 충전하기 위한 전압으로 강압하고 역률을 보정하여 상기 배터리를 충전시키는 것을 특징으로 하는 차량의 배터리 충전 장치.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 인버터는 상기 모터부에 의해 고전압으로 승압된 교류 전압을 입력받아 스위칭 소자에 의해 스위칭을 통해 정류하여 직류 전압으로 변환하고 전압 강압하여 상기 배터리를 충전시키는 것을 특징으로 하는 차량의 배터리 충전 장치.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 인버터는 상기 배터리의 전력을 교류 전원측으로 반환하는 양방향 충전기능을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 배터리 충전 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 모터부는 철심과, 상기 철심에 감겨져 상기 배터리의 충전시 입력된 교류 전압을 안정화시켜 출력하기 위한 인덕터 기능을 수행하기 위한 권선을 구비하는 것을 특징으로 하는 차량의 배터리 충전 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 인버터는 상기 모터부에 의해 안정화된 교류 전압을 입력받아 스위칭 소자에 의한 스위칭을 통해 정류 및 직류 전압으로 변환하여 고전압으로 승압하고,
    상기 컨버터는 상기 인버터에 의해 변환된 직류 전압을 상기 배터리를 충전하기 위한 전압으로 강압하고 역률을 보정하여 상기 배터리를 충전시키는 것을 특징으로 하는 차량의 배터리 충전 장치.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 인버터는 상기 배터리의 전력을 교류 전원측으로 반환하는 양방향 충전기능을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 배터리 충전 장치.
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