KR20160126336A - 친환경 차량의 무선충전장치 및 방법 - Google Patents

친환경 차량의 무선충전장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 친환경 차량의 무선충전장치 및 방법에 관한 것으로, 외부로부터 무선 전력을 공급받아 그 무선 전력을 직류 전압으로 정류하는 전력수신기와, 상기 전력수신기로부터 출력되는 정류된 직류 전압을 상기 충전 전압으로 변환하는 전력변환기와, 차량이 정지 상태인지를 확인하고 그 확인결과에 따라 배터리를 충전하도록 상기 전력변환기의 동작을 제어하는 제어기를 포함한다.

Description

친환경 차량의 무선충전장치 및 방법{WIRELESS CHARGER AND METHOD FOR ECO FRIENDLY VEHICLE}
본 발명은 친환경 차량의 무선충전장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 친환경 차량에서 회생전력을 이용한 배터리 충전 시 사용하는 고전압 양방향 컨버터(High Voltage Bi-direction DC/DC Converter, HDC)를 이용하여 친환경 차량의 고전압 배터리를 무선 충전하는 친환경 차량의 무선충전장치 및 방법에 관한 것이다.
현대는 환경오염이라는 심각한 문제가 발생됨에 따라 이를 해결하기 위하여 친환경 시스템 개발 및 에너지에 대한 연구가 진행되고 있다. 그 중 환경오염문제의 대안으로 전기자동차 및 하이브리드 차량 등의 친환경 차량이 제시되고 있다.
이러한 친환경 차량이 등장하면서 친환경 차량 내부에 장착된 고전압 배터리를 충전하기 위한 다양한 충전기술이 소개되고 있다. 특히, 플러그를 직접 꽂아 사용하는 유선충전방식의 불편함을 해소할 수 있는 비접촉 충전방식(무선충전방식)도 다양하게 제안되고 있다.
종래의 비접촉 충전 시스템는 차량 외부에 설치되는 송신부와 차량내부에 구성되는 수신부로 구성된다.
송신부는 계통전원(system power)을 입력으로 전압/전류의 위상을 동기화하는 PFC(Power Factor Correction) 회로와, 수신측(Rx)으로 전력전달을 위해 교류전압을 생성하는 인버터와, 교류 전력을 저장하여 2차 코일로 전달하는 1차 코일로 구성된다.
수신부는 송신측(Tx)로부터 전달되는 전력을 흡수하는 2차 코일, 생성된 교류전압을 직류전원으로 변환하는 정류부와, 배터리에서 요구하는 전압으로 변환하는 승·감압 컨버터로 구성된다. 정류부로부터 생성된 직류전압과 배터리의 충전량에 따라 요구하는 전압은 변동하게 되며, 정류부로부터 생성된 전압을 배터리에서 요구하는 전압으로 변환하기 위해 승·감압 컨버터가 사용된다. 계통전원과 배터리 간 비접촉 전력전달 방식을 통해 절연이 만족된다. 따라서, 통상적으로, 승·감압 컨버터의 토폴로지(전력회로)는 비절연형 방식의 승압(boost), 감압(buck), 승·감압 컨버터, 쿡(Cuk), 세픽(Sepic) 회로 방식 등이 채용된다.
상기한 종래의 비접촉 방식의 충전장치는 플러그를 연결하여 충전하는 유선충전방식의 불편함 및 안전 문제를 해결하였으나, 고전압 배터리 충전을 위해 대용량의 승·감압 컨버터를 사용해야 하므로, 충전장치의 구성 복잡도가 높아지는 문제점이 있다.
KR 101071933 B1
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 외부전원을 이용하여 친환경 차량의 고전압 배터리를 비접촉(무선) 충전할 때, 친환경 차량에서 회생전력을 이용한 충전 시 사용하는 고전압 양방향 컨버터(High Voltage Bi-direction DC/DC Converter, HDC)를 이용하여 배터리 충전에 요구되는 전압으로 변환하여 배터리 무선충전을 수행하는 친환경 차량의 무선충전장치 및 방법을 제공하고자 한다.
상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 친환경 차량의 무선충전방법은 제어기가 차량이 정지 상태인지를 확인하는 단계와, 상기 차량이 정지 상태이면 상기 제어기의 제어에 따라 전력수신기가 외부로부터 무선 전력을 수신하여 직류 전압으로 정류하는 단계와, 전력변환기가 상기 전력수신기로부터 출력되는 상기 직류 전압을 배터리에서 요구하는 충전 전압으로 변환하는 단계와, 상기 전력변환기에 의해 변환된 전압으로 상기 배터리를 충전하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전력변환기는, 고전압 양방향 컨버터로 구현되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 무선충전방법은 상기 차량이 운행 상태이면 상기 제어기의 제어에 따라 상기 전력변환기가 상기 배터리로부터 출력되는 출력전압을 모터 구동 전압으로 변환하여 출력하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 친환경 차량의 무선 충전 장치는 외부로부터 무선 전력을 공급받아 그 무선 전력을 직류 전압으로 정류하는 전력수신기와, 상기 전력수신기로부터 출력되는 정류된 직류 전압을 충전 전압으로 변환하는 전력변환기와, 차량이 정지 상태인지를 확인하고 그 확인결과에 따라 배터리를 충전하도록 상기 전력변환기의 동작을 제어하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전력수신기는, 외부로부터 무선 전력을 수신하는 수신부와, 상기 무선 전력을 직류 전압으로 변환하는 정류기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전력변환기는, 고전압 양방향 컨버터로 구현되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전력변환기는, 모터로부터 공급되는 회생전력을 상기 배터리에서 요구하는 충전 전압으로 변환하여 상기 배터리로 전달하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전력변환기는, 상기 배터리로부터 출력되는 출력 전압을 모터 구동 전압으로 변환하여 출력하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 외부전원을 이용하여 친환경 차량의 고전압 배터리를 비접촉 충전할 때, 친환경 차량에서 회생전력을 이용한 충전 시 사용하는 고전압 양방향 컨버터(High Voltage Bi-direction DC/DC Converter, HDC)를 이용하여 배터리 충전에 요구되는 전압으로 변환하여 배터리 무선충전을 수행할 수 있다.
이와 같이, 종래의 승·감압 컨버터를 제거하고 HDC를 이용하여 전력변환을 수행하므로, 무선충전장치의 구성을 간단하게 할 수 있다. 뿐만 아니라, 본 발명은 무선충전장치의 경량화, 고밀도, 대용량 충전을 가능하게 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 친환경 차량의 무선충전 시스템의 블록구성도.
도 2는 도 1에 도시된 전력변환기의 입출력 관계를 설명하기 위한 회로도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 친환경 차량의 무선충전방법을 도시한 흐름도.
본 명세서에 기재된 "포함하다", "구성하다", "가지다" 등의 용어는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 해당 구성요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 본 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 또한, "일", "하나" 및 "그" 등의 관사는 본 발명을 기술하는 문맥에 있어서 본 명세서에 달리 지시되거나 문맥에 의해 분명하게 반박되지 않는 한, 단수 및 복수 모두를 포함하는 의미로 사용될 수 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 친환경 차량의 무선충전 시스템의 블록구성도를 도시한다.
도 1을 참조하면, 친환경 차량의 무선충전 시스템은 무선충전장치(100) 및 전력공급장치(200)를 포함한다.
무선충전장치(100)는 친환경 차량 내부에 장착되어 전력공급장치(200)로부터 무선전력을 공급받아 후술되는 배터리(130)를 충전한다.
무선충전장치(100)는 전력수신기(110), 전력변환기(120), 배터리(130), 인버터(140), 모터(150), 제어기(160)를 포함한다.
전력수신기(110)는 외부로부터 공급되는 무선전력을 수신하는 역할을 한다. 이러한 전력수신기(110)는 수신부(111) 및 정류부(113)를 포함한다.
수신부(111)는 전력공급장치(200)로부터 전달되는 무선전력을 흡수하는 2차 코일로, 전달받은 무선전력으로 교류전압을 생성한다.
정류부(rectifier)(113)는 수신부(111)로부터 출력되는 교류전압을 직류전압으로 변환한다. 정류부(113)에서 정류된 직류전압은 배터리(130)의 충전량(State of Charge, SOC)과 무관하게 충전량이 최고일 때 전압으로 고정된다.
전력변환기(120)는 차량이 정지상태인 경우 정류부(113)로부터 출력되는 직류전압(정류전압)을 배터리(130)에서 요구하는 충전전압으로 변환한다. 전력변환기(120)는 고전압 양방향 컨버터(High Voltage Bi-direction DC/DC Converter, HDC)로 구현된다.
전력변환기(120)는 차량 운행 중 모터(150)에 의해 생성되는 회생전력을 배터리(130)에서 요구하는 충전전압으로 변환하여 배터리(130)에 전달한다. 전력변환기(120)는 배터리(130)의 전압을 승압하여 인버터(140)에 공급한다.
배터리(130)는 친환경 차량의 구동전력을 공급한다. 배터리(130)는 고전압 배터리로 구현되며 전력변환기(120)를 통해 공급되는 전력에 의해 충전된다.
배터리(130)는 충전량(잔량) 및 배터리 상태(과전압, 과전류, 과열 등) 등을 실시간으로 모니터링하여 과충전이나 과방전 등을 방지하는 배터리관리시스템(Battery Management System, BMS)을 포함한다. BMS(미도시)는 배터리 충전량(잔량)에 따라 변동하는 전압(충전을 위해 요구되는 전압)을 전력변환기(120)에 알린다.
인버터(140)는 전력변환기(120)로부터 출력되는 전력을 모터(150)에서 요구하는 3상의 교류전원으로 변환한다.
모터(150)는 전기에너지를 구동에너지로 변환하여 차량을 구동시킨다.
제어기(160)는 차량 내 장착된 센서(예: 속도 센서)를 통해 차량이 정지상태인지 운행중인지를 확인한다.
또한, 제어기(160)는 차량이 정지상태인 경우 배터리 잔량(SOC)을 체크하여 배터리 충전이 필요한지 여부를 결정한다. 제어기(160)는 배터리 충전이 필요하면 전력수신기(110) 및 전력변환기(120)를 제어하여 배터리 충전을 수행하게 한다.
한편, 제어기(160)는 차량이 운행 중이면 차량의 요구 전력에 따라 전력변환기(120)를 제어하여 정전류 또는 정전압 제어를 수행한다.
전력공급장치(200)는 차량 외부에 설치되어 차량 내부 장착된 배터리(130)의 충전에 필요한 무선전력을 공급한다. 전력공급장치(200)는 6.6kW~22kW의 전력을 공급한다. 이러한 전력공급장치(200)는 전원부(210), 교정부(220), 인버터(230), 송신부(240)를 포함한다.
전원부(210)는 계통전원을 공급한다. 전원부(210)는 센서(미도시)를 이용하여 차량의 접근을 감지하고, 차량이 일정 거리 이내로 접근하면 계통전원 공급을 개시한다.
교정부(220)는 전원부(210)로부터 입력되는 입력전압 및 입력전류의 위상을 동기화하여 역률을 보상한다. 즉, 교정부(220)는 전원부(210)를 통해 입력되는 전력의 효율을 향상시키는 역할을 한다. 이러한 교정부(220)는 PFC(power factor correction) 회로로 구현된다.
인버터(230)는 무선충전장치(100)로 전력을 전달하기 위해 교류전력(교류전압)을 생성한다.
송신부(240)는 인버터(230)로부터 출력되는 교류전력을 저장하여 무선충전장치(100)의 수신부(111)로 전달(coupling)하는 역할을 하는 1차 코일이다. 다시 말해서, 1차 코일에 전류가 흐르면 1차 코일 주변에 전자기장이 형성된다. 이때, 차량의 무선충전장치(100) 내 2차 코일이 전자기장과 공진 전자기장을 전력(전류)로 변환하여 배터리 충전에 이용한다.
도 2는 도 1에 도시된 전력변환기의 입출력 관계를 설명하기 위한 회로도이다.
전력변환기(120)의 스위치 A와 스위치 B는 상보적으로 동작한다. 정류부(113)에서 생성된 고전압은 전력변환기(120)의 커패시터에 연결된다.
전력변환기(120)의 스위치 A가 온(On) 상태인 동안 전력변환기(120)의 인덕터에 흐르는 전류가 증가하며 인덕터에 에너지가 축적된다. 그리고, 전력변환기(120)의 스위치 A가 오프(Off) 상태가 되고 스위치 B가 온 상태가 되면, 인덕터에 축적된 에너지가 스위치 B를 통해 배터리(130)로 전달되며 인덕터에 흐르는 전류가 감소한다.
전력변환기(120)의 스위치 A의 온 및 오프 동작 시 인덕터 전류의 변화에 따라 전력변환기(120)에 의한 충전전압이 제어된다.
먼저, 차량이 정지상태이며 배터리 충전 중일 때, 전력변환기(120)의 출력전압은 인덕터 전압 Vrx과 스위치 A의 듀티율(duty rate) D에 의해 결정된다.
Figure pat00001
여기서, I는 인덕터 전류, Vrx는 인덕터 전압, VL은 배터리 전압, L은 인덕턴스, D는 한 주기 동안 스위치 A가 온 되어 있는 시간, T는 시간이다.
다음, 차량이 운행 중일 때 전력변환기(120)는 회생전력을 이용하여 배터리(130)를 충전하거나 배터리(130)의 전력을 모터(150)에 공급하는 역할을 한다.
전력변환기(120)가 회생전력을 이용하여 배터리(130)를 충전하는 경우, [수학식 2]와 같이 전력변환기(120)의 커패시터 전압과 스위치 A의 튜티율에 의해 전력변환기(120)의 출력전압(충전전압)이 결정된다.
Figure pat00002
여기서, VH는 전력변환기(120)의 커패시터 전압이다.
한편, 전력변환기(120)가 모터(150)의 구동전압을 공급하는 경우, 전력변환기(120)의 출력전압 VH는 [수학식 3]과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00003
전력변환기(120)는 스위치 A와 스위치 B의 듀티 제어를 통해 전력수신기(110)로부터 출력되는 정류전압 또는 회생전력의 변환비율을 제어한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 친환경 차량의 무선충전방법을 도시한 흐름도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 무선충전장치(100)의 제어기(160)는 차량이 정지상태인지를 확인한다(S101). 예를 들어, 제어기(160)는 차량 내 장착된 속도 센서를 통해 차량 속도가 0인 상태로 일정 시간 유지되는 경우 차량이 정지상태인 것으로 결정한다.
제어기(160)는 차량이 정지상태이면 배터리 충전량(잔량)을 확인한다(S103). 제어기(160)는 차량 네트워크 통신을 통한 배터리(130) 내부의 배터리관리시스템(BMS)과의 데이터 통신을 통해 배터리 충전량을 확인한다.
제어기(160)는 배터리 충전량에 근거하여 배터리 충전 필요여부를 결정한다(S105).
제어기(160)는 배터리 충전이 필요한 경우 전력수신기(110)를 통해 외부의 전력공급장치(200)로부터 입력되는 입력전압을 정류한다(S107). 다시 말해서, 전력수신기(110)의 수신부(111)는 무선전력을 수신하여 교류전압을 생성하고, 정류부(113)는 수신부(111)로부터 출력되는 교류전압을 직류전압으로 변환한다.
제어기(160)의 제어에 따라 전력변환기(120)는 정류된 전압을 배터리(130)에서 요구하는 충전전압으로 변환한다(S109).
전력변환기(120)는 변환된 충전전압을 배터리(130)에 전달하여 배터리(130)를 충전한다(S111).
한편, 제어기(160)는 차량이 운행 중이면 차량 요구 전력에 따라 전력변환기(120)를 통해 정전류 및 정전압을 제어한다(S113). 전력변환기(120)는 배터리(130)로부터 출력되는 출력전압을 모터(150)의 구동전압으로 변환하여 출력한다. 또한, 전력변환기(120)는 모터(150)에 의해 회생전력이 생성되면 그 회생전력을 배터리(130)가 요구하는 충전전압으로 변환하여 배터리(130)로 전달한다.
이상과 같이, 본 발명에서는 기존 모터 구동 및 회생에너지 저장을 위해 고용량으로 구현되어 있는 HDC(120)를 통해 정류부(113)로부터 전달되는 대용량의 전력(전압)을 배터리(130)에서 요구하는 전압으로 변환하여 전달함으로써, 종래 전력수신측의 승/감압 컨버터를 제거하여 차량 내 충전장치의 구성을 간단하게 할 수 있다.
또한, 상기한 실시예에서는 전자기유도 방식(electromagnetic inductive coupling method)의 무선전력전송 기술을 이용하는 것을 예로 들어 설명하고 있으나, 이에 한정되지 않고 근거리전송 방식(electromagnetic radiation), 자기공명 방식(Resonant Magnetic Coupling), 전자기파 방식(Microwave) 등의 무선전력전송 기술 중 어느 하나가 적용될 수도 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예 및 응용 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예 및 응용 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 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 이해돼서는 안 될 것이다.
100: 무선충전장치
110: 전력수신기
111: 수신부
113: 정류부
120: 전력변환기
130: 배터리
140: 인버터
150: 모터
160: 제어기

Claims (8)

  1. 제어기가 차량이 정지 상태인지를 확인하는 단계와,
    상기 차량이 정지 상태이면 상기 제어기의 제어에 따라 전력수신기가 외부로부터 무선 전력을 수신하여 직류 전압으로 정류하는 단계와,
    전력변환기가 상기 전력수신기로부터 출력되는 상기 직류 전압을 배터리에서 요구하는 충전 전압으로 변환하는 단계와,
    상기 전력변환기에 의해 변환된 전압으로 상기 배터리를 충전하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 차량의 무선 충전 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전력변환기는,
    고전압 양방향 컨버터로 구현되는 것을 특징으로 하는 친환경 차량의 무선 충전 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 차량이 운행 상태이면 상기 제어기의 제어에 따라 상기 전력변환기가 상기 배터리로부터 출력되는 출력전압을 모터 구동 전압으로 변환하여 출력하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 차량의 무선 충전 방법.
  4. 외부로부터 무선 전력을 공급받아 그 무선 전력을 직류 전압으로 정류하는 전력수신기와,
    상기 전력수신기로부터 출력되는 정류된 직류 전압을 충전 전압으로 변환하는 전력변환기와,
    차량이 정지 상태인지를 확인하고 그 확인결과에 따라 배터리를 충전하도록 상기 전력변환기의 동작을 제어하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 차량의 무선 충전 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전력수신기는,
    외부로부터 무선 전력을 수신하는 수신부와,
    상기 무선 전력을 직류 전압으로 변환하는 정류기를 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 차량의 무선 충전 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 전력변환기는,
    고전압 양방향 컨버터로 구현되는 것을 특징으로 하는 친환경 차량의 무선 충전 장치.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 전력변환기는,
    모터로부터 공급되는 회생전력을 상기 배터리에서 요구하는 충전 전압으로 변환하여 상기 배터리로 전달하는 것을 특징으로 하는 친환경 차량의 무선 충전 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전력변환기는,
    상기 배터리로부터 출력되는 출력 전압을 모터 구동 전압으로 변환하여 출력하는 것을 특징으로 하는 친환경 차량의 무선 충전 장치.
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