KR20180130476A - 고전압 충전 부스터 및 직류 충전 필라에서 직류 견인 배터리를 충전하기 위한 방법 그리고 상응하는 전기 차량 - Google Patents

고전압 충전 부스터 및 직류 충전 필라에서 직류 견인 배터리를 충전하기 위한 방법 그리고 상응하는 전기 차량 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이하의 특징을 가지는 직류 충전 필라에서 직류 견인 배터리를 충전하기 위한 고전압 충전 부스터를 제공하는 것으로서, 제1 전압 레벨이 제2 전압 레벨과 상이한 경우에 제1 전압 레벨을 제2 전압 레벨로 변환하기 위한 변환기(14)와, 제1 전압 레벨이 제2 전압 레벨과 일치하는 경우에 전력 스테이지를 통해서 연결되거나 변환기(14)를 바이패스하기 위한 바이패스부(16)를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 또한 상응하는 전기 차량, 방법, 컴퓨터 프로그램 및 저장 매체를 제공한다.

Description

고전압 충전 부스터 및 직류 충전 필라에서 직류 견인 배터리를 충전하기 위한 방법 그리고 상응하는 전기 차량{HIGH-VOLTAGE CHARGE BOOSTER AND METHOD FOR CHARGING A DIRECT CURRENT TRACTION BATTERY AT A DIRECT CURRENT CHARGING PILLAR AND CORRESPONDING ELECTRIC VEHICLE}
본 발명은 직류 충전 필라에서 직류 견인 배터리를 충전하기 위한 고전압 충전 부스터에 관한 것이다. 본 발명은 또한 상응하는 전기 차량, 방법, 컴퓨터 프로그램 및 저장 매체에 관한 것이다.
종래 기술은, 예를 들어, 800 V의 직류 전압 레벨을 가지는 직류 견인 배터리를 구비하는 전기 차량을 포함한다. 견인 배터리를 충전하기 위해서, 전기 차량이 충전 필라를 통해서 고정적인 교류 전력 시스템으로 유도 방식 또는 케이블 결합ckable-bound) 방식으로 연결된다. 이어서, 충전이 직류로 직접적으로 실시될 수 있고, 충전 필라 내로 통합된 AC/DC 변환기가 이용된다. 대안적으로, 교류가 충전을 위해서 이용되고, 이는 전기 차량 내로 통합된 AC/DC 변환기를 필요로 한다.
US 2008/0215200 A1은 새로이 구성 가능한 다기능 전력 인버터를 가지는 제어 시스템 및 하이브리드 차량을 개시한다. 상기 문헌은 이러한 맥락에서, 특히 교류로 충전하기 위한 작동 방법을 설명한다.
US 2010/0231169 A1은 전기 차량에서 상이한 고전압들로, 예를 들어, 450V의 충전 전압을 기초로 하는 일반적인 에너지 변환을 설명한다.
US 2011/0148353 A1은 분할된 전력 전자장치에 의한 신속 충전을 위한 장치 및 방법에 관한 것이고, 직류 버스가 교류의 에너지 변환에 의해서 공급되는 직류 충전 필라의 디자인을 주로 설명한다.
US 2012/0049794 A1은, 두 개의 고전압 배터리에 공급하는 AC 충전 장치를 개시한다.
본 발명은, 청구범위의 독립항에 따른, 직류 충전 필라에서 직류 견인 배터리를 충전하기 위한 고전압 충전 부스터, 상응하는 전기 차량, 방법, 컴퓨터 프로그램 및 저장 매체를 제공한다.
이러한 해결책의 장점은, 800 V 기반 시설의 디자인 및 이와 관련된 국가 특유의(country-specific) 결정 및 정치적인 결정으로부터의 독립성이 기존의 400 V 기반 시설을 이용하는 것에 의해 달성된다는 데에 있다. 이러한 방식으로, 제시된 접근방식은, 세계적으로 향후 몇 년간 충전 호환성(compatibility)이 보장되는 것을 보편적인 지능적 방식으로 결정할 수 있다.
이 경우, 본 발명은 400 V의 직류 전압과 800 V의 직류 전압 사이에서 자동적으로 결정할 수 있다는 인식에 기초하고, 400 V가 존재하는 경우에, 절환 매트릭스에 의해서 자동적으로 절환될 수 있고 변환기를 활성화시킬 수 있다는 인식에 기초한다. 대안적으로, 새로운 800 V 기반 시설에서 병렬로 훨씬 더 신속하게 충전될 수 있다.
특히, 선택 가능한 전력 유동의 방향 및 200 내지 700 V의 공급 직류 기반 시설의 전압 범위을 가지는 비-전기적으로 격리된, 소위 양방향적 변환기가 여기에서 고려되고, 그러한 전압 범위는, 800 V 기반 시설이 존재할 때 바이패스될 수 있거나 직접 충전 프로세스를 위해서 급전 장치의 연결에 의해서 부동 상태(passive state)로 절환될 수 있다. 고전압 배터리에 인가하는 출력 전압이, 여기에서 1% 미만의 리플에서, 450 내지 950 V의 입력 전압 보다 높고 소프트웨어에 의한 내부 전압 조절 및 전류 조절에 의해서 제어된다.
본 발명의 추가적으로 유리한 실시예가 특허의 종속항에서 구체화되어 있다. 예를 들어, 충전 필라가 330 A 내지 350 A의 입력 전류를 부스터에 공급하고, 제1 전압 레벨이 200 V 내지 600 V이며, 제2 전압 레벨이 700 내지 900 V라면, 200 kW 이상까지의 전력에서 부스터가 175 A 내지 200 A의 출력 전류로 견인 배터리를 충전하게 하는 방식으로 변환기가 구성될 수 있고, 이때 차후의 실시예는 필시 더 높은 전압 레벨을 지원할 수 있을 것이다. 이러한 방식으로, 400 V의 충전 기반 시설의 최대의 이용이 450 V까지의 일정한 충전에 의해서 달성되고, 충전 시간은 통상적인 AC 충전에 비해서 상응하여 감소된다. 이러한 맥락에서, 충전의 상태를 통한 고전압 배터리에 의해 전압 증가의 독립성이 유지되는데, 이는 350 A의 충전 전류에서 25 kW의 전력 장점에 상응한다.
하나의 바람직한 실시예에서, 부스터가 6 l 미만의 용적(volumetric capacity)을 갖는다. 그에 따라, 요구되는 설치 공간이 11 kW 내장형(on-board) 충전 장치의 설치 공간에 상응하고, 이는 상응하게 구비되는 차량에 대해서 복수의 가능한 공급 옵션을 제공한다. 그러한 유형의 차량은, 특히 광범위하게 제공되는 800 V 기반 시설에서, 설치 공간과 관련하여 중립적인 방식으로 22 kW 교류 충전으로 개장될(retrofitted) 수 있다.
본 발명의 하나의 예시적인 실시예가 도면에 도시되어 있고 이하에서 보다 구체적으로 설명된다.
본 발명에 따르면, 400 V의 직류 전압과 800 V의 직류 전압 사이에서 자동적으로 결정할 수 있으며, 400 V가 존재하는 경우에, 절환 매트릭스에 의해서 자동적으로 절환될 수 있고 변환기를 활성화시킬 수 있다. 대안적으로, 새로운 800 V 기반 시설에서 병렬로 훨씬 더 신속하게 충전될 수 있다.
도 1은, 400 V의 전압 레벨에서, 직류 충전 필라에서 견인 배터리를 충전하기 위한 장치의 회로도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 400 V 부스터의 시스템 개요를 도시한다.
도 3은 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 컴퓨터 프로그램의 프로그램 흐름도를 도시한다.
도 1은, 400 V의 전압 레벨에서, 직류 충전 필라에서 견인 배터리(12)를 충전하기 위해 설정된 전기 차량의 요건을 도시한다. 이 경우, 관련 구성 기준들은 직류 충전 필라의 450 V의 제1 전압 레벨(Vin)을 600 V 내지 900 V, 특히 800 V의 제2 전압 레벨(Vout)로 변환하기 위한 150 kW의 전력을 포함한다. 이러한 경우에, 450 V 측에서, 350 A에 대한 설계와 유사한 333 A의 입력 전류가 도출되는 한편, 800 V 측에서 175 A의 출력 전류가 설정된다.
도 1에 도시된 변환기(14)는 언급된 요건들을 본질적으로 만족시킨다. 800 V에 대한 바이패스의 구현에 대한 문제가 여전히 열려있다(open).
도 2에 따른 발명의 고전압 충전 부스터(10)는, 충전 필라의 제1 전압 레벨(Vin)이 견인 배터리(12)의 제2 전압 레벨(Vout)과 일치하는 경우에, 변환기(14)를 전기적으로 바이패스하는 그러한 바이패스부(16)를 포함한다. 다른 한편으로, 제1 전압 레벨(Vin)이 제2 전압 레벨(Vout)과 상이하다면, 변환기(14)는 바이패스부(16)에 의해서 바이패스되지 않고, 그 대신에 제1 전압 레벨(Vin)을 제2 전압 레벨(Vout)로 변환한다. 이는, 예를 들어 도면에 따른 바이패스부(16)의 절환 위치에서 가정될 수도 있는데, 상기 절환 위치에서 충전 필라는 330 A 내지 350 A의 입력 전류를 부스터(10)에 공급하고, 제1 전압 레벨(Vin)은 400 V 내지 450 V이고, 제2 전압 레벨(Vout)은 800 V이다. 이러한 시나리오에서, 150 kW의 전력에서 부스터(10)는 187.5 A까지의 출력 전류로 견인 배터리(12)를 충전하고, 결과적으로 견인 배터리(12)는 그 후방 전력 전자장치(19)를 통해서 전기 차량(그 전체가 도시되어 있지 않음)의 전기 모터(18)에 공급한다.
이미 설명한 구성요소에 더하여, 전기 차량은 2개의 내장형 충전 장치(20, 22)를 포함하고, 그러한 충전 장치는, 11 kW의 각각의 전력에서 상응하게 구성된 교류 충전 소켓이 32 A까지의 3상 입력 전류를 가지는 그 충전 소켓(24)을 통해서 내장형 충전 장치(20, 22)에 공급하는 경우, 28 A의 출력 전류로 견인 배터리(12)를 충전한다.
이제, 설명된 전기 차량을 400 V의 제1 직류 전압 레벨로 직류 충전 필라에서 충전하기 위한 방법이 도 3에 의해서 개략적으로 설된 순서 제어부를 참조하여 설명되는데, 상기 순서 제어부는 내장형 충전 장치(20, 22) 내에 또는 부스터(10) 내에 위치될 수 있다. 이러한 목적을 위해서, 상응하는 소프트웨어 기능은, 부스트 제어를 위한 제1 소프트웨어 모듈, 부스트 동작의 검출 및 타당성 검토를 위한 제2 소프트웨어 모듈, 관련 구성요소의 실제 상태를 평가하기 위한 제3 소프트웨어 모듈, 부스트 경감(derating)을 위한 제4 소프트웨어 모듈, 부스트 접촉기(contactor)를 활성화시키기 위한 제5 소프트웨어 모듈, 충전 기반 시설과 함께 PLC 부스트 제어를 위한 제6 소프트웨어 모듈, 충전 전류의 타당성 검토를 위한 제7 소프트웨어 모듈, 과거의(historical) 값을 위한 제8 소프트웨어 모듈, 및 부스팅을 종료하기 위한 제9 소프트웨어 모듈을 포함한다.
제1 방법 단계(31)에서, 전기 차량은 400 V 직류 기반 시설에 연결된다. 제2 방법 단계(32)에서, 제3 소프트웨어 모듈이, 800 V 부스터(10)의 작동 가능 여부를 평가한다. 작동 성능(43)이 입증되면, 제6 소프트웨어 모듈이 제3 방법 단계(33)에서, 400 V 또는 800 V 충전 필라가 전기 차량에 연결되어 있는지의 여부를 평가한다.
만약 상기 평가가 400 V의 제1 전압 레벨(Vin)의 검출에 이르게 되면, 제4 방법 단계(34)에서 PLC가 시작되어 모든 충전 관련 정보를 교환한다. 제5 방법 단계(35)에서, 제1 소프트웨어 모듈이 모든 직류-충전 관련 정보를 계산하고 그러한 정보를 기반 시설에 전송한다. 예를 들어, 목표 전류 또는 목표 전압이 고려된다. 이어서, 제4 소프트웨어 모듈이 제6 방법 단계(36)에서, 계산된 전력이 800 V 부스터(10)에 의해서 전송될 수 있는지의 여부를 검사한다. 규정에 따른 검사 결과, 이러한 전력이 제한(44) 없이 전송될 수 있는 것으로 나오면, 제4 소프트웨어 모듈이 제7 방법 단계(37)에서 충전 프로세스를 시작한다.
제8 방법 단계(38)에서, 제5 소프트웨어 모듈이 800 V 부스터(10)에 대한 전력의 연결을 위한 접촉기의 절환을 제어하고 그러한 프로세스에서 제4 소프트웨어 모듈에 의해서 모니터링(45)된다. 제9 방법 단계(39)에서, 800 V 부스터(10)에 의해서 실시되는, 800 V의 제2 전압 레벨(Vout)로의 에너지의 변환(46) 중에, 제7 소프트웨어 모듈이, 800 V 부스터(10)의 실제 값에 대해서, 기반 시설의 제6 소프트웨어 모듈에 의해서 신호 전달되는(signaled) 충전 전류의 타당성을 검토한다. 제10 방법 단계(40)에서, 제8 소프트웨어 모듈이 시작하고 모든 환경 데이터를 저장한다.
소위, "워치독(watchdog) 기능"을 담당하는 제2 소프트웨어 모듈은, 제11 방법 단계(41)에서 전체 충전 동작을 병행해서 모니터링하고, 제12 방법 단계(42)에서 최종적으로 제9 소프트웨어 모듈이 무선 원격 제어, 키패드 또는 터치 패드에 의해서 또는 충전 기반 시설 자체에 의해서 충전 프로세스를 종료할 때까지, 제1 소프트웨어 모듈, 제3 소프트웨어 모듈, 제4 소프트웨어 모듈, 제5 소프트웨어 모듈, 제6 소프트웨어 모듈, 제7 소프트웨어 모듈, 제8 소프트웨어 모듈을 관리한다.
10: 고전압 충전 부스터
12: 견인 배터리
14: 변환기
16: 바이패스부

Claims (5)

  1. 직류 충전 필라에서 견인 배터리(12)를 충전하기 위한 고전압 충전 부스터로서, 입력 전류를 고전압 충전 부스터(10)에 공급하는 충전 필라는 제1 전압 레벨(Vin)을, 견인 배터리(12)는 제2 전압 레벨(Vout)을 가지는, 고전압 충전 부스터에 있어서,
    - 제1 전압 레벨(Vin)이 제2 전압 레벨(Vout)과 상이한 경우에, 견인 배터리(12)가 변환기(14)의 출력에 의해 충전되도록 제1 전압 레벨(Vin)을 제2 전압 레벨(Vout)로 변환하기 위한 변환기(14), 및
    - 제1 전압 레벨(Vin)이 제2 전압 레벨(Vout)과 일치하는 경우에, 견인 배터리(12)가 직류 충전 필라로부터 직접 충전되도록 급전 장치를 통해서 연결되거나 변환기(14)를 바이패스하기 위한 바이패스부(16)를 포함하는 것을 특징으로 하는 고전압 충전 부스터(10).
  2. 제1항에 있어서, 충전 필라가 330 A 내지 350 A의 입력 전류를 부스터(10)에 공급하고, 제1 전압 레벨(Vin)이 200 V 내지 450 V이며, 제2 전압 레벨(Vout)이 800 V라면, 150 kW까지의 전력에서 부스터(10)가 187.5 A 까지의 출력 전류로 견인 배터리(12)를 충전하는 방식으로, 변환기(14)는 양방향적으로 구성되는 것을 특징으로 하는 고전압 충전 부스터(10).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 부스터(10)는 6 l의 용적을 가지는 것을 특징으로 하는 고전압 충전 부스터(10).
  4. 전기 차량으로서,
    - 전기 차량을 구동하기 위한 전기 모터(18),
    - 전기 모터(18)의 공급을 위한 견인 배터리(12),
    - 교류 충전 소켓에서 견인 배터리(12)를 충전하기 위한 적어도 하나의 내장형 충전 장치(20, 22),
    - 직류 충전 필라에서 견인 배터리(12)를 충전하기 위한 제1항 또는 제2항에 따른 고전압 충전 부스터(10),
    - 바이패스부(16)의 케이블링 및
    - 고전압 충전 부스터(10)에 케이블로 연결된 내장형 컴퓨터를 특징으로 하는 전기 차량.
  5. 제4항에 있어서,
    - 전기 차량은 2개의 내장형 충전 장치(20, 22)를 포함하고
    충전 소켓이 내장형 충전 장치(20, 22)에 32 A까지의 3상 입력 전류를 공급하고, 제2 전압 레벨(Vout)이 700 내지 900 V인 경우에, 11 kW의 각각의 전력에서 내장형 충전 장치(20, 22)가 28 A의 출력 전류로 견인 배터리(12)를 충전하는 방식으로, 내장형 충전 장치(20, 22)가 구성되는 것을 특징으로 하는 전기 차량.
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