KR20180034042A - 가정용 전력선을 이용한 전기차 충전장치 및 그에 따른 충전방법 - Google Patents

가정용 전력선을 이용한 전기차 충전장치 및 그에 따른 충전방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 동력 발생을 위한 전기모터; 상기 전기모터에 구동 전원을 공급하기 위한 대용량 배터리; 상기 전기모터에서 발생되는 동력의 토크를 조절하기 위해 상기 대용량 배터리에서 공급되는 구동전원을 PWM방식에 의해 상기 전기모터에 공급하는 인버터; 및 인렛(Inlet)을 통해 외부로부터 유입되는 교류전압을 이용하여 상기 대용량 배터리를 충전하는 대용량 온보드충전기(OBC);를 구비하는 전기자동차의 배터리 충전장치에 관한 것으로 특히, 상기 대용량 배터리에 대응하는 전용 대용량 온보드충전기는, 상용교류 전원 공급 전력선의 용량에 대응하는 소용량 온보드충전기를 복수개 구비하고, 구비되어진 복수의 소용량 온보드충전기를 병렬로 배열하여, 병렬 배연된 소용량 온보드충전기의 총 충전량이 상기 대용량 배터리에 대응하도록 구성하며; 상기 병렬 배열되어진 소용량 온보드충전기들과 상기 인렛의 사이에 상기 인렛을 통해 유입되는 전력을 상기 소용량 온보드충전기들에 균등 분배하는 순방향 전력분배장치와; 상기 병렬 배열되어진 소용량 온보드충전기들과 상기 대용량 배터리 사이에 상기 소용량 온보드충전기들에서 발생되는 충전전력을 취합하여 상기 대용량 배터리에 인가하기 위한 역방향 전력분배장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 가정용 전력선을 이용한 전기차 충전장치 및 그에 따른 구현 방법에 관한 것이다.

Description

가정용 전력선을 이용한 전기차 충전장치 및 그에 따른 충전방법{Electric Vehicle Charging Device And Method thereof Using Domestic Power Line}
본 발명은 전기자동차의 배터리 충전을 위한 시스템에 관한 것으로, 특히 대용량의 배터리를 충전하기 위한 충전기를 대용량으로 사용하는 것이 아니라 소용량의 충전기로 대용량 배터리를 충전도록 하여 가정용 전력선을 통해 공급되는 교류전원을 이용하여 충전할 수 있도록 하기 위한 가정용 전력선을 이용한 전기차 충전장치 및 그에 따른 충전방법에 관한 것이다.
일반적으로, 전기자동차는 날로 심각해져 가는 환경오염을 방지하기 위한 대비책과 한정된 유체 에너지를 새로운 에너지원으로 대체하고자 하는 목적에서 개발된 것으로, 배터리의 전원으로 모터를 구동시켜 일정 차속 이상의 주행성을 확보하여 준다.
이러한 전기자동차는 운전자가 액셀 페달을 조작하면 컨트롤러가 액셀 페달을 밟는 양에 따라 인버터의 게이트 주파수를 제어하여 배터리의 직류 전원을 PWM(pulse width modulation)제어하여 소정의 전류량을 모터에 공급하고, 이때 모터는 인버터에서 공급되는 전류량에 따라 일정 토크가 발생되어 회전함으로써 전기자동차가 주행할 수 있도록 한다.
이러한 전기자동차의 배터리는 그 용량이 한정된 2차 전지를 이용하기 때문에 전기자동차가 일정 시간 주행하면 충전된 전력이 소모되기 때문에, 배터리를 충전해 주어야 만 기대하는 기능을 수행할 수 있으며, 전기자동차 충전시스템은 크게 충전방식, 연결방식, 통신 및 제어방식에 따라 구분할 수 있다.
상술한 전기자동차 충전시스템에서 충전방식은 접촉식(Conductive) 충전방식과, 유도식(Inductive) 충전방식 그리고 배터리 교환방식(Battery Swapping)으로 구분한다.
또한, 상술한 전기자동차 충전시스템에서 전기적 연결장치는 주유기에 해당하는 커넥터(Connector) 및 주유구에 해당하는 전기자동차에 장착되는 인렛(Inlet)이 있으며 단상 및 삼상 교류형, 직류전용 그리고 교류와 직류가 함께 있는 콤보형으로 구분한다.
반면에 상술한 전기자동차 충전시스템에서 통신방식은 CAN 통신방식과 PLC 통신방식으로 구분할 수 있다.
상술한 전기자동차 충전시스템의 분류는 절대적인 것이 아니며, 실제적으로는 2개 이상의 방식이 결합되는 데, 근래 들어 많이 각광받고 있는 방식은 접촉식 충전방식에 따른 교류 충전스탠드이다.
상기 접촉식 충전방식에 따른 교류 충전스탠드는 충전장치가 아니고 충전을 위하여 교류 전원을 공급해주는 전원공급장치에 해당되며 실제 충전은 전기자동차 내부의 온보드충전기(On Board Charge; OBC)가 담당하며, 교류 전원을 사용하기 때문에 완속충전방식에 해당하여 그 충전시간이 7~8시간 소요되며 주로 심야시간대의 저렴한 전력을 이용하여 충전하므로 스마트그리드 측면에서 매우 바람직하다.
또한, 상기 완속충전방식의 경우 상용 교류전원을 사용할 수 있기 때문에 소비자 입장에서 그 편리성 때문에 근래 들어 각광받고 있는 충전방식인데, 그 충전 과정을 개괄적으로 살펴보면, 상용 전원을 전파 정류를 통해 직류로 변환한 다음 액티브 필터로 역률 조정을 하고 인버터로 고주파 교류로 변환한 다음 트랜스포머를 거쳐 직류로 변환하여 전기 자동차의 주행에 필요한 전력을 공급하는 고전압 배터리에 충전한다.
탑재형 충전기의 인버터는 입력되는 직류 전압을 고속으로 스위칭하여 고주파 교류로 변환하여 출력하는 고속 스위칭 회로를 포함한다.
더욱이, 최근 전기자동차의 일회 충전에 따른 이동 가능거리에 대한 요구가 늘어나면서 배터리의 용량이 증가하고 있기 때문에, 최소 30kwh 이상의 대용량 배터리를 사용하는데, 그에 따라 충전장치 역시 배터리에 대응하는 대용량이여야 한다.
상술한 바와 같이 전기자동차에서 통상적인 배터리와 충전기의 관계 및 충전시스템의 계통흐름을 첨부한 도 1을 참조하여 살펴보면, 30kwh 이상의 대용량 배터리(20)를 충전하기 위해서는 6.6kW의 충전용량을 갖는 온보드충전기(40)가 필요하며, 이를 위해서는 온보드충전기(40)가 필요로 하는 전력량이 공급되어야 한다.
따라서 가정용 전력선이 아니라 별도의 고 전력선을 구비하여야 하며, 필요에 따라서는 참조번호 100으로 지칭되는 고전력(7kW)용 플러그를 사용하여야 하기 때문에 전기파의 저변 확대가 어려워진다는 문제점이 발생되었다.
즉, 차량에 탑재되는 충전기(40)의 용량이 충분히 크지 않으면 충전시간이 많이 소요되어 차량의 상품성이 떨어지게 되며, 차량에 탑재되는 충전기(40)가 대용량 충전기라도 일반가정으로 공급되는 전력량이 적어 충전을 위한 별도의 전력선을 설치하지 않으면 제 효과를 발휘할 수 없게 된다는 문제점이 발생되는 것이다.
상술한 문제점을 해소하기 위한 본 발명의 목적은, 전기자동차의 배터리 충전을 위한 시스템으로서 특히, 대용량의 배터리를 충전하기 위한 충전기를 대용량으로 사용하는 것이 아니라, 소용량의 충전기로 대용량 배터리를 충전함으로써 가정용 전력선을 통해 공급되는 교류전원을 이용하여 전기차의 충전이 가능하도록 한 가정용 전력선을 이용한 전기차 충전장치 및 그에 따른 충전방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 가정용 전력선을 이용한 전기차 충전장치의 특징은, 동력 발생을 위한 전기모터와; 상기 전기모터에 구동 전원을 공급하기 위한 대용량 배터리와; 상기 전기모터에서 발생되는 동력의 토크를 조절하기 위해 상기 대용량 배터리에서 공급되는 구동전원을 PWM방식에 의해 상기 전기모터에 공급하는 인버터; 및 인렛(Inlet)을 통해 외부로부터 유입되는 교류전압을 이용하여 상기 대용량 배터리를 충전하는 대용량 온보드충전기(OBC)를 구비하는 전기자동차의 배터리 충전장치에 있어서; 상기 대용량 배터리에 대응하는 전용 대용량 온보드충전기는, 상용교류 전원 공급 전력선의 용량에 대응하는 소용량 온보드충전기를 복수개 구비하고, 구비되어진 복수의 소용량 온보드충전기를 병렬로 배열하여, 병렬 배연된 소용량 온보드충전기의 총 충전량이 상기 대용량 배터리에 대응하도록 구성하며; 상기 병렬 배열되어진 소용량 온보드충전기들과 상기 인렛의 사이에 상기 인렛을 통해 유입되는 전력을 상기 소용량 온보드충전기들에 균등 분배하는 순방향 전력분배장치와; 상기 병렬 배열되어진 소용량 온보드충전기들과 상기 대용량 배터리 사이에 상기 소용량 온보드충전기들에서 발생되는 충전전력을 취합하여 상기 대용량 배터리에 인가하기 위한 역방향 전력분배장치를 구비하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 가정용 전력선을 이용한 전기차 충전장치의 부가적인 특징은, 상기 소용량 온보드충전기의 개수에 대응하는 개수의 상용 전력선 플러그들과; 상기 복수의 상용 전력선 플러그들과 병렬 연결되어, 상기 인렛을 통해 상기 플러그들을 통해 유입되는 전력을 상기 순방향 전력분배장치측으로 전달하기 위한 커플러를 더 포함하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 가정용 전력선을 이용한 전기차 충전장치에 의해 충전하는 방법의 특징은, 동력 발생을 위한 전기모터와; 상기 전기모터에 구동 전원을 공급하기 위한 대용량 배터리와; 상기 전기모터에서 발생되는 동력의 토크를 조절하기 위해 상기 대용량 배터리에서 공급되는 구동전원을 PWM방식에 의해 상기 전기모터에 공급하는 인버터; 및 인렛을 통해 외부로부터 유입되는 교류전압을 이용하여 상기 대용량 배터리를 충전하는 대용량 온보드충전기(OBC)를 구비하는 전기자동차에서의 배터리 충전장치에 의한 충전방법에 있어서; 상용교류 전원 공급 전력선의 용량에 대응하는 소용량 온보드충전기를 복수개 구비하되, 구비되어진 소용량 온보드충전기의 총 충전량이 상기 대용량 배터리에 대응하도록 준비하는 제1과정과; 상기 제1과정을 통해 구비되어진 복수의 소용량 온보드충전기들과 상기 인렛의 위치하며 상기 인렛을 통해 유입되는 전력을 전력분배수단을 통해 상기 소용량 온보드충전기들에 균등 분배하는 제2과정과; 상기 제2과정을 통해 상기의 소용량 온보드충전기들에 균등 분배되어진 전력을 전력취합수단을 통해 취합하여 상기 대용량 배터리의 충전전력을 제공하는 제3과정을 포함하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 가정용 전력선을 이용한 전기차 충전장치에 의한 충전방법의 부가적인 특징은, 상기 소용량 온보드충전기의 개수에 대응하는 개수의 상용 전력선 플러그들을 구비하여, 상용 전력선 플러그를 콘센트에 플러그인 하는 것을 통해 상기 제2과정에서 균등 분배되는 전력량을 조정하도록 하는 제4과정을 더 포함하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 가정용 전력선을 이용한 전기차 충전장치에 의한 충전방법의 부가적인 다른 특징은, 상기 전력분배수단과 전력취합수단은 방향성을 갖는 전력분배장치를 사용하도록 하는 데 있다.
제안되는 실시예에 의하면, 전기자동차에 탑재되는 배터리는 충분히 큰 용량을 갖는 대용량의 배터리를 유지하면서도, 가정용 전력선에서 공급되는 저전력량을 이용하여 대용량 배터리를 충전하기 용이하며, 충전시간을 늦추는 경우 가정용 일반전기의 누진율이 적용되지 않도록 할 수 있게 되는 효과를 갖는다.
도 1은 일반적인 전기자동차에서의 배터리와 충전기 간의 상관관계를 예시한 예시도.
도 2는 본 발명에 따른 가정용 전력선을 이용한 전기차 충전장치의 구성예시도.
도 3은 본 발명에 따른 가정용 전력선을 이용한 전기차 충전장치의 다른 예시도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 가정용 전력선을 이용한 전기차 충전장치 및 그에 따른 충전방법을 상세히 설명한다.
첨부한 도 2는 본 발명에 따른 가정용 전력선을 이용한 전기차 충전장치의 구성예시도로서, 동력 발생을 위한 전기모터(10)와, 상기 전기모터(10)에 구동 전원을 공급하기 위한 대용량 배터리(20)와, 상기 전기모터(10)에서 발생되는 동력의 토크를 조절하기 위해 상기 대용량 배터리(20)에서 공급되는 구동전원을 PWM방식에 의해 상기 전기모터(20)에 공급하는 인버터(30), 및 인렛(Inlet; 120)을 통해 외부로부터 유입되는 교류전압을 이용하여 상기 대용량 배터리(20)를 충전하는 가상 대용량 온보드충전수단을 구비한다.
이때, 상기 가상 대용량 온보드충전수단은 첨부한 도 2에서 일점쇄선으로 묶여진 구성들이며, 참조번호는 부여하지 않았다.
상기 가상 대용량 온보드충전수단은 상용교류 전원 공급 전력(3.3kW)선의 용량에 대응하는 소용량 온보드충전기(40a, 40b)를 복수개 구비하고, 구비되어진 복수의 소용량 온보드충전기(40a, 40b)를 병렬로 배열하여, 병렬 배연된 소용량 온보드충전기(40a, 40b)의 총 충전량이 상기 대용량 배터리(20)에 대응하도록 구성하게 된다.
또한, 상기 병렬 배열되어진 소용량 온보드충전기(40a, 40b)들과 상기 인렛(120)의 사이에 상기 인렛(120)을 통해 유입되는 전력을 상기 소용량 온보드충전기들(40a, 40b)에 균등 분배하는 순방향 전력분배장치(Power Distribute Unit, PDU; 50)를 구비하며, 상기 병렬 배열되어진 소용량 온보드충전기들(40a, 40b)과 상기 대용량 배터리(20) 사이에 상기 소용량 온보드충전기들(40a, 40b)에서 발생되는 충전전력을 취합하여 상기 대용량 배터리(20)에 인가하기 위한 역방향 전력분배장치(Power Distribute Unit, PDU; 60)를 구비하게 된다.
이때 상기 참조번호 50으로 지칭되는 전력분배장치를 순방향이라 지칭하는 이유는 전력분배장치의 고유의 전력 분배 작동을 하기 때문이며, 상기 참조번호 60으로 지칭되는 전력분배장치를 약방향이라 지칭하는 이유는 전력분배장치의 고유의 전력 분배 작동이 아니라 전력의 유입경로는 다수인데 반하여 출력단이 하나인 관계로 전력이 분배되는 것이 아니라 취합되어지기 때문이다.
상술한 가상 대용량 온보드충전수단 외에 본 발명에서는 상기 소용량 온보드충전기(40a, 40b)의 개수에 대응하는 개수의 상용 전력선 즉, 3.3kW 전력량을 감당할 수 있는 전력선에 따른 플러그(100a, 100b)들을 구비하여, 상용 전력선 플러그(100a, 100b)를 콘센트에 플러그인 하는 것을 통해 상기 순방향 전력분배장치(50)에서 균등 분배되는 전력량을 조정하게 된다.
즉, 첨부한 도 2에서 플러그(100a, 100b)를 모두 이용하게 되면 실질적으로 커플러(110)를 통해 상기 인렛(120)에 공급되는 전력량은 6.6kW가 되며, 이에 상기 소용량 온보드충전기(40a, 40b)가 모두 정상 작동하기 때문에 충전시간이 첨부한 도 1에 도시되어진 대용량 온보드 충전기를 사용하는 것과 동일한 시간에 충전이 완료되어지게 된다.
반면에, 첨부한 도 2에서 플러그(100a, 100b)를 모두 이용하지 못하는 경우 즉, 참조번호 100a로 지칭되는 플러그만 사용하는 경우에는 실질적으로 상기 커플러(110)를 통해 상기 인렛(120)에 공급되는 전력량은 3.3kW가 되며, 이에 따라 충전시간이 2배로 늦어지게 되나 배터리 충전에 따른 전력소비가 낮아져 한국에서 적용되고 있는 일반 가정용 누진제에서는 어느 정도 자유로울 수 있게 된다.
상술한 실시예의 변형예로서, 첨부한 도 3은 첨부한 도 2에 도시되어진 실시예의 확장예시도로서, 3.3kW의 가정용 전력선을 기준으로 소용량 온보드충전기를 다수개 혹은 복수개를 구현하는 경우 차량에 거치되는 배터리의 용량은 15kwh를 기준으로 구비되는 소용량 온보드충전기의 개수에 비례하게 된다.
즉, 전기자동차의 대용량 배터리를 60kwh짜리로 구비하고자 하는 경우 3.3kW의 소용량 온보드충전기 4개를 병렬로 배치하면 그 충전효과를 13.2kW용량의 대용량 온보드충전기를 사용하는 것과 동일하게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안 될 것이다.
10 : 전기모터 20 : 대용량 배터리
30 : 인버터 40 : 온보드충전기
50 : 순방향 전력분배장치 60 : 역방향 전력분배장치
100a, 100b : 플러그 110 : 커플러
120 : 인렛

Claims (5)

  1. 동력 발생을 위한 전기모터; 상기 전기모터에 구동 전원을 공급하기 위한 대용량 배터리; 상기 전기모터에서 발생되는 동력의 토크를 조절하기 위해 상기 대용량 배터리에서 공급되는 구동전원을 PWM방식에 의해 상기 전기모터에 공급하는 인버터; 및 인렛(Inlet)을 통해 외부로부터 유입되는 교류전압을 이용하여 상기 대용량 배터리를 충전하는 대용량 온보드충전기(OBC);를 구비하는 전기자동차의 배터리 충전장치에 있어서;
    상기 대용량 배터리에 대응하는 전용 대용량 온보드충전기는,
    상용교류 전원 공급 전력선의 용량에 대응하는 소용량 온보드충전기를 복수개 구비하고, 구비되어진 복수의 소용량 온보드충전기를 병렬로 배열하여, 병렬 배연된 소용량 온보드충전기의 총 충전량이 상기 대용량 배터리에 대응하도록 구성하며;
    상기 병렬 배열되어진 소용량 온보드충전기들과 상기 인렛의 사이에 상기 인렛을 통해 유입되는 전력을 상기 소용량 온보드충전기들에 균등 분배하는 순방향 전력분배장치와;
    상기 병렬 배열되어진 소용량 온보드충전기들과 상기 대용량 배터리 사이에 상기 소용량 온보드충전기들에서 발생되는 충전전력을 취합하여 상기 대용량 배터리에 인가하기 위한 역방향 전력분배장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 가정용 전력선을 이용한 전기차 충전장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 소용량 온보드충전기의 개수에 대응하는 개수의 상용 전력선 플러그들과;
    상기 복수의 상용 전력선 플러그들과 병렬 연결되어, 상기 인렛을 통해 상기 플러그들을 통해 유입되는 전력을 상기 순방향 전력분배장치 측으로 전달하기 위한 커플러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가정용 전력선을 이용한 전기차 충전장치.
  3. 동력 발생을 위한 전기모터와; 상기 전기모터에 구동 전원을 공급하기 위한 대용량 배터리와; 상기 전기모터에서 발생되는 동력의 토크를 조절하기 위해 상기 대용량 배터리에서 공급되는 구동전원을 PWM방식에 의해 상기 전기모터에 공급하는 인버터; 및 인렛을 통해 외부로부터 유입되는 교류전압을 이용하여 상기 대용량 배터리를 충전하는 대용량 온보드충전기(OBC)를 구비하는 전기자동차에서의 배터리 충전장치에 의한 충전방법에 있어서;
    상용교류 전원 공급 전력선의 용량에 대응하는 소용량 온보드충전기를 복수개 구비하되, 구비되어진 소용량 온보드충전기의 총 충전량이 상기 대용량 배터리에 대응하도록 준비하는 제1과정;
    상기 제1과정을 통해 구비되어진 복수의 소용량 온보드충전기들과 상기 인렛의 위치하며 상기 인렛을 통해 유입되는 전력을 전력분배수단을 통해 상기 소용량 온보드충전기들에 균등 분배하는 제2과정; 및
    상기 제2과정을 통해 상기의 소용량 온보드충전기들에 균등 분배되어진 전력을 전력취합수단을 통해 취합하여 상기 대용량 배터리의 충전전력을 제공하는 제3과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 가정용 전력선을 이용한 전기차 충전장치의 충전방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 소용량 온보드충전기의 개수에 대응하는 개수의 상용 전력선 플러그들을 구비하여, 상용 전력선 플러그를 콘센트에 플러그인 하는 것을 통해 상기 제2과정에서 균등 분배되는 전력량을 조정하도록 하는 제4과정;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가정용 전력선을 이용한 전기차 충전장치의 충전방법.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 전력분배수단과 전력취합수단은 방향성을 갖는 전력분배장치를 사용하도록 하는 것을 특징으로 하는 가정용 전력선을 이용한 전기차 충전장치의 충전방법.
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