KR20170120000A - 전기자동차 충전 시스템 제어장치 - Google Patents

전기자동차 충전 시스템 제어장치 Download PDF

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Abstract

전기자동차 충전 시스템 제어장치가 개시된다. 본 발명의 장치는, 복수의 배터리 각각을 전압제어에 의해 완충전압보다 적은 소정 제1전압까지 충전하고, 복수의 배터리를 전류제어 방식으로 완충에 해당하는 제2전압의 소정 비율까지 충전하고, 복수의 배터리를 전압제어 방식으로 제2전압까지 충전하도록 제어한다.

Description

전기자동차 충전 시스템 제어장치{APPARATUS FOR CONTROLLING ELECTRIC VEHICLE CHARGING SYSTEM}
본 발명은 전기자동차 충전 시스템 제어장치에 대한 것이다.
일반적으로, 전기자동차 충전 시스템은, 태양광, 풍력, 연료전지 등 신재생 에너지로부터 발전된 전력이나 계통의 전력을 배터리에 저장하는 정류소이다.
전기자동차의 특징에 따라, 전기자동차 충전방식은 직접충전방식 및 배터리 교체 방식으로 나뉜다.
직접충전방식은 완속충전방식 및 급속충전방식으로 나뉘며, 이중 완속충전방식은 주택용이나 주차장용 위주로 설치되어 전기비용이 저렴하지만 완충까지 약 5시간이 소요되는 단점이 있다. 급속충전방식은 주유식 충전방식의 하나로, 전기자동차 운행으로 인한 배터리 방전시 고전력으로 단시간(30분) 내에 충전하는 방식이다.
배터리 교체방식은 주로 로봇팔을 이용하여 배터리를 반자동 또는 자동으로 교체하며 교체시간이 상대적으로 짧지만 스테이션 구축비용과 배터리 교체를 위한 추가적인 구매비용이 필요한 단점이 있다.
도 1은 종래 전기자동차 충전 시스템의 구성도로서, 직접충전방식에 해당한다.
종래의 전기자동차 충전 시스템은, 배터리(100), 전력변환장치(power conversion system, PCS)(200) 및 계통(300)으로 구성되며, PCS(200)는 계통(300)의 전력을 이용하여 배터리(100)를 완속 또는 급속으로 충전한다.
이때 배터리 관리 시스템(battery management system, BMS)(400)은 배터리(100)의 충전상태(state od charge, SOC), 배터리(100) 전류, 전압, 온도 등 상태를 모니터링하여 시스템의 제어부에 제공한다.
이와 같은 종래의 전기자동차 충전 시스템은 단방향 형태로서, 하나의 컨버터를 이용하여 하나의 배터리를 충전하는 구조이다. 그러나 대도시나 인구 밀집지역에서는 이러한 전기자동차 충전 시스템의 이용률을 높여 공간적 제약이나 비용을 절감할 수 있는 방안이 요구되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 하나의 컨버터를 이용하여 다수의 배터리를 동시에 충전가능하게 하는 전기자동차 충전 시스템 제어장치를 제공하는 것이다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일실시예의 전기자동차 충전 시스템 제어장치는, 복수의 배터리의 충전상태와 관련한 정보를 제어부에 제공하는 배터리관리부(BMS); 상기 복수의 배터리와 연결되는 복수의 전자접촉기; 계통으로부터 인가되는 교류전압을 직류전압으로 변환하여 배터리에 공급하는 컨버터부; 및 상기 복수의 배터리 각각을 전압제어에 의해 완충전압보다 적은 소정 제1전압까지 충전하고, 상기 복수의 배터리를 전류제어 방식으로 완충에 해당하는 제2전압의 소정 비율까지 충전하고, 상기 복수의 배터리를 전압제어 방식으로 상기 제2전압까지 충전하도록 제어하는 상기 제어부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 제어부는, 상기 복수의 배터리 중 제1배터리에 연결된 제1전자접촉기를 턴온하고, 상기 제1배터리가 상기 제1전압까지 도달하면, 상기 제1전자접촉기를 턴오프할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 제어부는, 상기 복수의 배터리가 상기 제1전압까지 충전되는 경우, 상기 복수의 배터리에 연결된 상기 복수의 전자접촉기를 턴온할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 컨버터부는, 상기 복수의 배터리 중 어느 하나 이상으로부터 공급되는 직류전압을 교류전압으로 변경하여 계통으로 공급할 수 있다.
본 발명의 일실시예의 제어장치는, 상기 복수의 전자접촉기와 상기 컨버터부 사이에 배치되어, 과전류가 배터리로 유입되는 것을 방지하는 직류 차단기를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예의 제어장치는, 상기 컨버터부와 계통의 사이에 배치되어, 과전류가 계통으로 유입되는 것을 방지하는 교류 차단기를 더 포함할 수 있다.
상기와 같은 본 발명은, 복수의 배터리를 동시에 충전하여, 시스템의 효율을 향상하게 하는 효과가 있다.
도 1은 종래 전기자동차 충전 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예의 전기자동차 충전 시스템을 설명하기 위한 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예의 전기자동차 충전 시스템의 제어방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일실시예의 전기자동차 충전 시스템을 설명하기 위한 구성도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예의 충전 시스템은, 복수의 배터리로 구성되는 배터리부(10)에 연결되는 것으로서, 시스템은, 각각 연결된 배터리를 시스템에 연결하는 복수의 전자접촉기로 구성되는 전자접촉기부(20), 초기충전부(30), 직류차단기(40), 양방향 전력변환부(50), 제1필터부(60), 제2필터부(70), 교류차단기(75), 배터리 관리부(BSM)(80) 및 제어부(90)를 포함할 수 있다.
배터리부(10)는 복수의 배터리(11, 12, ..., 1N)로 구성될 수 있다. 본 발명의 일실시예의 설명에서는 배터리만이 도시되어 있지만, 각각 전기자동차에 구비되는 것이다.
배터리부(10)의 복수의 복수의 배터리(11, 12, ..., 1N)은 전자접촉기부(20)의 직류 전자접촉기(21, 22, ..., 2N)에 의해 시스템과 연결되거나 연결이 해제될 수 있다. 전자접촉기(21, 22, ..., 2N)는 전자코일에 의해 접점의 개폐가 이루어질 수 있다.
초기충전부(30)는 피크전류에 의해 전자접촉기(21, 22, ..., 2N)에 고장이 발생하는 것을 방지하기 위해 피크전류를 제한하는 것으로서, 예를 들어 릴레이와 저항으로 이루어질 수 있지만, 본 발명이 이에 의해 제한되는 것은 아니며, 다양한 형태의 초기충전부(30)가 사용될 수 있을 것이다.
직류 차단기(40)는 컨버터부(50)로부터 배터리부(10)에 과전류, 즉 정격전류 이상의 전류가 유입될 때 사고를 예방하기 위해 전류의 흐름을 차단할 수 있다.
도시되지는 않았으나, 직류 전자접촉기부(20)와 직류 차단기(40) 사이에 퓨즈(fuse)를 배치하여, 컨버터부(50)의 스위칭부(52)의 스위치 소자를 보호할 수 있을 것이다.
교류 차단기(75)는 계통으로부터 시스템에 정격전류 이상의 전류가 유입될 때 사고예방을 위해 전류의 흐름을 차단할 수 있다.
제2필터부(70)는 예를 들어 전자정합성(electro magnetic compatibility, EMC) 필터로서, 계통으로부터 인가되는 전력의 노이즈를 필터링하고, 제1필터부(60)는 예를 들어 LCL 필터로서, 컨버터부(50)로부터 계통으로 출력되는 전력의 고조파를 감소할 수 있다. 제1 및 제2필터부(70, 75)의 구성은 예시적인 것으로서, 본 발명의 시스템이 더욱 더 많은 필터를 포함할 수도 있음은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 자명하다 할 것이다.
양방향 컨버터부(50)는 평활부(51) 및 스위칭부(52)를 포함하는 것으로서, 스위칭부(52)는 복수의 스위칭소자, 예를 들어 절연 게이트 양극성 트랜지스터(insulated gate bipolar mode transistor, IGBT)와 같은 전력 반도체 스위칭 소자를 포함할 수 있다. 복수의 스위칭소자는 제어부(90)에 의해 스위칭이 제어될 수 있다.
양방향 컨버터부(50)의 스위칭부(52)는 계통으로부터 인가되는 상용전력에 대응하는 교류전압을 제어부(90)의 제어에 의해 직류전압으로 변환하여 평활부(51)에 제공하거나, 또는 배터리부(10)로부터 제공되어 평활부(51)에 저장된 직류전압을 교류전압으로 변환하여 계통으로 제공할 수 있을 것이다.
이와 같은 양방향 컨버터부(50)의 구성에 의해 본 발명의 시스템은 에너지 저장장치(energy storage system, ESS) 또는 분산전원으로도 사용할 수 있을 것이다.
평활부(51)는 예를 들어 전해 커패시터를 포함하는 것으로서, 스위칭부(52)에 의해 제공되는 직류전압을 평활하거나, 또는 배터리부(10)로부터 제공되는 직류전압을 평활하여 저장할 수 있다.
BSM(80)는 각각의 배터리(11, 12, ..., 1N)의 충전상태와 관련한 정보, 예를 들어, 각각의 배터리(11, 12, ..., 1N)의 전압, 전류, 온도 등 각각의 배터리(11, 12, ..., 1N)의 충전상태를 실시간으로 계측하여, 이를 제어부(90)에 제공할 수 있다.
본 발명의 일실시예의 제어부(90)는 BMS(80)로부터 복수의 배터리의 충전상태와 관련한 정보를 수신하여, 복수의 배터리의 충전을 제어하기 위한 것으로서, 제어부(90)는 복수의 배터리가 연결되면, 입력된 배터리의 숫자를 BMS(80)를 통해 확인하고 그에 따라 스위칭부(52)의 복수의 스위치 소자를 제어할 수 있다.
먼저, 복수의 배터리가 연결되면, BMS(80)는 각 배터리의 전류, 전압, 및 온도 등을 확인하여 충전상태를 확인하고 잔존용량을 예측할 수 있다.
제어부(90)는 BMS(80)로부터 충전상태와 관련한 데이터를 수신하여, 복수의 배터리의 충전상태를 확인하고, 제1배터리(11)가 연결되면, 초기충전부(30)에 의한 초기충전 후, 제1배터리(11)를 연결하는 제1전자접촉기(21)를 닫고 컨버터(50)의 스위칭부(52)를 제어하여 전압제어에 의해 설정된 전압(예를 들어 400V)까지 충전할 수 있다. 전압제어란, 배터리를 충전할 때 정전압으로 제어하면서 전류를 주입하는 방식을 말한다. 설정된 전압(400V)이 되면 제1전자접촉기(21)를 열고 제2배터리(12)를 위의 순서로 설정된 전압으로 전압제어에 의해 충전할 수 있다.
배터리부(10)의 모든 배터리를 충전한 후, 전자접촉기부(20)의 모든 전자접촉기를 닫아 병렬로 복수의 배터리를 연결하고 동시에 스위칭부(52)를 제어하여 전류제어에 의해 설정된 전압까지 충전할 수 있다. 전류제어란, 배터리를 충전할 때 정전류로 제어하면서 전압을 충전하는 방식을 말한다. 이때 전류제어충전시 설정된 전압은 배터리의 안정성을 위해 완충의 95%로 설정할 수 있고, 예를 들어 570V까지 충전할 수 있다.
이후, 다시 스위칭부(52)를 제어하여 전압제어 방식으로 복수의 배터리를 완충하면, 병렬충전은 종료할 수 있다. 이를 도면을 참조로 다시 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일실시예의 전기자동차 충전 시스템의 제어방법을 설명하기 위한 흐름도로서, 본 발명의 일실시예의 제어부(90)가 시스템을 제어하는 방식을 나타낸 것이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예의 제어부(90)는, 복수의 배터리가 연결되는 경우(S31), BMS(80)로부터 각 배터리의 충전상태와 관련한 정보를 수신할 수 있다(S33).
이후, 제어부(90)는 어느 하나의 배터리('제1배터리(11)'라고 하자)와 연결된 전자접촉기('제1전자접촉기(21)'라 하자)를 턴온하고(S35), 연결된 제1배터리(11)의 전압이, 완충보다 적은 소정 제1전압(본 발명의 일실시예에서는, 400V인 것으로 함)보다 적은 경우(S37), 제어부(90)는 스위칭부(52)를 제어하여, 전압제어 방식으로 제1배터리(11)가 충전되도록 할 수 있다(S39). 즉, 제1배터리(11)를 정전압으로 제어하면서 전류를 주입하는 방식으로 제1배터리(11)를 충전할 수 있다.
이와 같이 제1배터리(11)의 충전을 지속하며, 제어부(90)는 제1배터리(11)의 전압이 제1전압(400V)인 경우(S41), 제1배터리(11)의 충전을 정지할 수 있다(S43). 제어부(90)는 다른 배터리의 충전상태를 확인하여, 모든 배터리의 충전이 완료되었는지 확인할 수 있다(S45). 모든 배터리의 충전이 완료되지 않은 경우, 제어부(90)는 제1전자접촉기(21)를 턴오프하고 다른 전자접촉기('제2전자접촉기(22)'라고 하자)를 턴온하여(S47), 제2전자접촉기(22)에 연결된 배터리('제2배터리(12)'라고 하자)에 대한 충전절차인 S37부터 다시 절차를 진행할 수 있다.
복수의 배터리에 대한 충전이 완료되면, 제어부(90)는 복수의 배터리에 대한 전자접촉기를 턴온하고(S49), 연결된 복수의 배터리에 대하여, 스위칭부(52)를 제어하여, 전류제어 방식으로 복수의 배터리가 충전되도록 할 수 있다(S51). 즉, 각 배터리를 정전류가 되도록 제어하면서 전압을 충전할 수 있다.
이후, 제어부(90)는 복수의 배터리의 전압이 완충대비 소정 비율(본 발명에서는, 완충대비 95%라 하며, 이때의 전압을 570V라 한다)이 된 경우(S53), 제어부(90)는 다시 복수의 배터리를 전압제어 방식으로 충전할 수 있다(S55). 제어부(90)는 모든 배터리가 완충(본 발명의 일실시예에서 600V)된 경우(S57), 전자접촉기를 턴오프하여 충전을 완료할 수 있다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 복수의 배터리를 동시에 충전하여, 시스템의 효율을 향상할 수 있다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
10: 배터리부 20: 접자접촉기부
30: 초기충전부 40: 직류 차단기
50: 컨버터부 60, 70: 필터부
75: 교류 차단기 80: BMS
90: 제어부

Claims (6)

  1. 복수의 배터리의 충전상태와 관련한 정보를 제어부에 제공하는 배터리관리부(BMS);
    상기 복수의 배터리와 연결되는 복수의 전자접촉기;
    계통으로부터 인가되는 교류전압을 직류전압으로 변환하여 배터리에 공급하는 컨버터부; 및
    상기 복수의 배터리 각각을 전압제어에 의해 완충전압보다 적은 소정 제1전압까지 충전하고, 상기 복수의 배터리를 전류제어 방식으로 완충에 해당하는 제2전압의 소정 비율까지 충전하고, 상기 복수의 배터리를 전압제어 방식으로 상기 제2전압까지 충전하도록 제어하는 상기 제어부를 포함하는 전기자동차 충전 시스템 제어장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 복수의 배터리 중 제1배터리에 연결된 제1전자접촉기를 턴온하고, 상기 제1배터리가 상기 제1전압까지 도달하면, 상기 제1전자접촉기를 턴오프하는 전기자동차 충전 시스템 제어장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 복수의 배터리가 상기 제1전압까지 충전되는 경우, 상기 복수의 배터리에 연결된 상기 복수의 전자접촉기를 턴온하는 전기자동차 충전 시스템 제어장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 컨버터부는,
    상기 복수의 배터리 중 어느 하나 이상으로부터 공급되는 직류전압을 교류전압으로 변경하여 계통으로 공급하는 전기자동차 충전 시스템 제어장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 전자접촉기와 상기 컨버터부 사이에 배치되어, 과전류가 배터리로 유입되는 것을 방지하는 직류 차단기를 더 포함하는 전기자동차 충전 시스템 제어장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 컨버터부와 계통의 사이에 배치되어, 과전류가 계통으로 유입되는 것을 방지하는 교류 차단기를 더 포함하는 전기자동차 충전 시스템 제어장치.
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