KR20190063526A - 전기자동차용 탑재형 충전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기자동차용 탑재형 충전장치에 관한 것으로, EVSE(Electric Vehicle Supply Equipment)로부터 전달되는 AC 전원으로부터 1차측 전원을 생성하는 고전압 1차측 회로; 2차측 전원을 기반으로 고전압 배터리 충전 전원을 생성하는 고전압 2차측 회로; 상기 고전압 1차측 회로의 1차측 전원을 상기 2차측 전원으로 변환하여 상기 고전압 2차측 회로에 제공하는 트랜스포머; 저전압 배터리의 충전 전압을 기반으로 구동하며, 상기 1차측 전원 상태와 상기 2차측 전원 상태를 비교 분석하여 상기 고전압 1차측 회로를 동작 제어하는 저전압 회로; 절연형으로 구현되며, 상기 1차측 전원 상태와 상기 2차측 전원 상태를 센싱하여 상기 저전압 회로에 통보하는 다수의 센싱부; 절연형으로 구현되며, 상기 저전압 회로로부터 출력되는 다수의 제어신호를 상기 고전압 1차측 회로에 드라이빙하는 다수의 게이트 드라이버; 및 상기 저전압 배터리의 충전 전력을 기반으로 상기 다수의 센싱부 및 상기 다수의 게이트 드라이버 각각의 드라이빙 전압을 생성 및 공급하는 다중 출력 트랜스포머;를 포함하며, 상기 트랜스포머 및 상기 다중 출력 트랜스포머는 입력와 출력을 전기적으로 절연시키고 자기적으로 결합시키는 것을 특징으로 한다.

Description

전기자동차용 탑재형 충전장치{On board Charger for electric vehicle}

본 발명은 전기자동차용 탑재형 충전장치에 관한 것으로, 특히 고전압 영역의 고전압이 저전압 영역으로 유입되는 것을 사전 차단할 수 있도록 하는 전기자동차용 탑재형 충전장치에 관한 것이다.

일반적으로, 내연기관을 사용하는 자동차의 경우 배기가스에 의한 대기 오염이 사회적 문제로 대두되고 있어, 환경친화적인 전기자동차의 연구 개발이 활발하게 진행되어 실용화 단계까지 진행되고 있다.

전기자동차는 주동력원으로 배터리를 사용하고 있으며, 구동력 발생을 위하여 배터리 전압에 의해 구동되는 모터를 적용하고 있다.

다만, 이러한 전기자동차는 모터 구동 전압을 제공하는 고전압 배터리 이외에 저전압 배터리와 같은 보조 배터리를 추가 구비하고, 이를 통해 각종 제어 신호계의 구동 전력을 제공하도록 하는 데, 이는 고출력이 필요한 부품에서의 효율성 및 스위치의 내전압 때문이다.

그 결과, 전기자동차는 고전압 영역과 저전압 영역이 존재하게 되는 데, 이러한 경우 두 영역의 절연은 매우 중요하다. 만약, 고전압 영역의 고전압이 저전압 영역에 유입되면, 저전압 영역의 그라운드의 전위가 흔들리게 되고, 이에 따른 오동작이 발생되기 때문이다.

국내공개특허 제10-2004-0001258호(공개일자 2004년01월07일)

이에 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 고전압 영역의 고전압이 저전압 영역으로 유입되는 것을 보다 안전하게 사전 차단할 수 있도록 하는 전기자동차용 탑재형 충전장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 일 실시 형태에 따르면, EVSE(Electric Vehicle Supply Equipment)로부터 전달되는 AC 전원으로부터 1차측 전원을 생성하는 고전압 1차측 회로; 2차측 전원을 기반으로 고전압 배터리 충전 전원을 생성하는 고전압 2차측 회로; 상기 고전압 1차측 회로의 1차측 전원을 상기 2차측 전원으로 변환하여 상기 고전압 2차측 회로에 제공하는 트랜스포머; 저전압 배터리의 충전 전압을 기반으로 구동하며, 상기 1차측 전원 상태와 상기 2차측 전원 상태를 비교 분석하여 상기 고전압 1차측 회로를 동작 제어하는 저전압 회로; 절연형으로 구현되며, 상기 1차측 전원 상태와 상기 2차측 전원 상태를 센싱하여 상기 저전압 회로에 통보하는 다수의 센싱부; 절연형으로 구현되며, 상기 저전압 회로로부터 출력되는 다수의 제어신호를 상기 고전압 1차측 회로에 드라이빙하는 다수의 게이트 드라이버; 및 상기 저전압 배터리의 충전 전력을 기반으로 상기 다수의 센싱부 및 상기 다수의 게이트 드라이버 각각의 드라이빙 전압을 생성 및 공급하는 다중 출력 트랜스포머;를 포함하며, 상기 트랜스포머 및 상기 다중 출력 트랜스포머는 입력와 출력을 전기적으로 절연시키고 자기적으로 결합시키는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 탑재형 충전 장치를 제공한다.

상기 저전압 회로는 저전압 배터리의 충전 전력을 기반으로 제1 전압을 발생하는 제1 SMPS(switched mode power supply); 상기 저전압 배터리의 충전 전력을 기반으로 제2 전압을 발생하는 제2 SMPS; 상기 제2 전압을 전압 강하하여 제3 전압을 발생하는 레귤레이터; 및 상기 제3 전압에 의해 구동되며, 차측 전원 상태와 2차측 전원 상태를 비교 분석하여 상기 고전압 1차측 회로를 동작 제어하는 MCU(Micro Control Unit)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 다중 출력 트랜스포머는 상기 제1 전압을 기반으로 상기 저전압 배터리의 충전 전력을 기반으로 상기 다수의 센싱부 및 상기 다수의 게이트 드라이버 각각의 드라이빙 전압을 생성 및 공급하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 전기자동차용 탑재형 충전장치는 고전압 1차측 회로, 고전압 2차측 회로, 저전압 회로 모두가 서로 전기적 절연 상태를 유지하면서 전력 및 각종 신호들을 송수신하도록 한다. 이에 고전압 영역의 전압이 저전압 영역으로 유입되는 것을 사전 차단하여, 탑재형 충전 장치의 동작 안정화를 실현할 수 있도록 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탑재형 충전 장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 트랜스포머의 일예를 도시한 도면이다.

본 발명의 목적 및 효과, 그리고 그것들을 달성하기 위한 기술적 구성들은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다.

그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탑재형 충전 장치를 도시한 도면이다.

도 1을 참고하면, 본 발명의 탑재형 충전 장치는 크게 고전압 1차측 회로(100), 고전압 2차측 회로(200), 트랜스포머(300), 저전압 회로(400), 다수의 센싱부(510,520,530), 다수의 게이트 드라이버(610,620,630), 및 다중 출력 트랜스포머(700) 등을 포함한다.

특히, 본 발명은 트랜스포머(300)를 통해 고전압 1차측 회로(100)와 고전압 2차측 회로(200)간을 전기적으로 절연시키고, 다수의 센싱부(510,520,530), 다수의 게이트 드라이버(610,620,630) 및 다중 출력 트랜스포머(700)를 통해서는 저전압 회로(400)와 고전압 1차측 회로(100) 및 고전압 2차측 회로(200)간을 전기적으로 절연시키도록 한다.

즉, 고전압 2차측 회로(200)에서 고전압 1차측 회로(100)로, 고전압 1차측 회로(100)에서 저전압 회로(400)로, 또는 고전압 2차측 회로(200)에서 저전압 회로(400)로 전기가 유기되는 것을 사전 차단할 수 있도록 한다.

이하, 도 1을 계속하여 참고하여 탑재형 충전 장치의 절연 방법에 대해 보다 상세히 설명하도록 한다.

고전압 1차측 회로(100)는 EVSE(Electric Vehicle Supply Equipment)(10)로부터 전달되는 AC 전원의 잡음을 필터링하는 AC 필터(110), AC 전원의 인가 여부를 결정하는 릴레이(120), 릴레이 제어 신호를 발생하는 릴레이 드라이버(125), AC 전원을 정류하여 DC 전원을 생성하는 정류기(130), 트랜지스터 스위칭을 통해 DC 전원의 역률을 보상하는 PFC 회로(140) 등을 포함하고, 이들을 통해 트랜스포머(300)의 1차측 전원을 생성하도록 한다.

고전압 2차측 회로(200)는 트랜스포머(300)로부터 출력되는 2차측 전원을 정류하여 고전압 배터리 충전 전원을 생성하는 풀 브릿지 다이오드(210), 고전압 배터리 충전 전원을 평활화하는 평활 회로(220), 고전압 배터리 충전 전원의 출력 여부를 결정하는 릴레이(230) 등을 포함하여, 2차측 전원에 상응하는 고전압 배터리 충전 전원을 생성하도록 한다.

트랜스포머(300)는 도 2에 도시된 바와 같이 고전압 1차측 회로(100)의 PFC 회로(140)에 양단이 연결되는 1차측 코일과, 고전압 2차측 회로(200)의 풀 브릿지 다이오드(210)에 양단이 연결되는 2차측 코일을 구비하고, 1차측 코일과 2차측 코일의 권선비(N1:N2)에 따라 1차측 전원을 2차측 전원으로 변환하도록 한다.

특히, 본 발명은 전기적으로 절연되며 자기적으로 결합되는 1차 코일과 2차 코일을 구비하는 트랜스포머(300)를 통해 전력 변환을 수행함으로써, 고전압 1차측 회로(100) 및 고전압 2차측 회로(200)간을 전기적으로 완벽하게 절연된 상태에서 고전압 배터리(20)를 충전할 수 있도록 한다.

저전압 회로(400)는 1차측 전원 상태와 2차측 전원 상태를 비교 분석하여 고전압 1차측 회로(특히, PFC 회로(140))를 동작 제어하는 MCU(Micro Control Unit)(410)를 포함할 수 있다. 또한, 저전압 배터리(30)의 충전 전력을 기반으로 저전압 회로(400)의 구동 전압을 생성 및 제공하는 제1 및 제2 SMPS(switched mode power supply)(420,430), 및 레귤레이터(440) 등을 더 포함한다.

이때, 제1 SMPS(420)는 차후 설명되는 다중 출력 트랜스포머(700)의 입력 전압을 생성할 수 있으며, 제2 SMPS(430)는 릴레이 드라이버(125), 게이트 드라이버(410,420,430) 및 센싱부(510,520,530)의 드라이빙 전압을 발생하고, 레귤레이터(440)는 제2 SMPS(430)의 출력 전압을 전압 강하하여 MCU(410)의 구동 전압을 발생하도록 한다.

다수의 센싱부(510,520,530)는 1차측 또는 2차측에 연결되어 전압 또는 전류를 센싱할 수 있도록 한다.

예를 들어, 1차측 및 2차측 전압, 2차측 전류를 센싱할 수 있으며, 1차측 전압을 센싱하는 센싱부(510)는 PFC 회로(140)의 양 입력단 중 하나에 연결된 전압 측정 센서(511), 전압 측정 센서(511)의 출력을 증폭하여 출력하는 증폭기(512)으로 구현되고, 2차측 전압을 센싱하는 센싱부(520)는 평활 회로(220)의 양 출력단 중 하나에 연결된 전압 측정 센서(521), 전압 측정 센서(521)의 출력을 증폭하여 출력하는 증폭기(522)으로 구현될 수 있다. 이때, 본 발명에서는 상기의 증폭기(512,522)를 저전압측 그라운드와 고전압측 그라운드를 독립적으로 구성하는 절연 증폭기로 구현함으로써, 저전압 회로(400)가 고전압 1차측 회로(100) 및 고전압 2차측 회로(200)로부터 전기적으로 절연될 수 있도록 한다.

그리고 1차측 또는 2차측 전류를 센싱하는 센싱부(530)는 자기장 세기를 기반으로 전류량을 체크하는 절연형 센서로 구현함으로써, 별도의 절연 증폭기를 구비하지 않도록 한다.

다수의 게이트 드라이버(610,620,630)는 MCU(410)의 제어하에 듀티폭이 가변되는 제1 내지 제3 PWM 신호를 생성하여 정류기(130) 및 PFC 회로(140)에 공급하도록 한다. 이때의 게이트 드라이버도 절연형으로 구현되어, 고전압 1차측 회로(100)의 고전압이 게이트 드라이버를 거쳐 저전압 회로(400)쪽으로 유기되는 것이 사전 방지하도록 한다.

다중 출력 트랜스포머(700)는 제1 SMPS(420)의 출력 전압을 기반으로 다수레벨의 전압을 생성 및 출력하도록 한다. 이는 제1 SMPS(420)의 양단이 연결되는 1차측 코일과, 스택 권선 방식으로 구현되는 2차측 코일로 구현될 수 있으며, 이 또한 1차측 코일과 2차측 코일이 전기적으로 완벽하게 절연되며 자기적으로 결합되는 원리에 의해, 저전압 회로(400)가 고전압 1차측 회로(100)로부터 전기적으로 절연될 수 있도록 한다.

이와 같이 구성되는 탑재형 충전 장치는 다음과 같이 구동되어, 고전압 배터리(20)의 고전압이 고전압 1차측 회로(100) 및 저전압 회로(400)로 유기되는 것이 사전 차단하도록 한다.

만약, 저전압 회로(400)의 제2 SMPS(430)는 저전압 배터리(30)의 충전 전력을 기반으로 MCU(410)의 구동 전원을 생성 및 공급하고, MCU(410)는 이에 응답하여 동작 활성화된다.

그러면, 제1 SMPS(420)는 동작 활성화된 MCU(410)의 제어하에 저전압 배터리(30)의 충전 전력을 기반으로 다중 출력 트랜스포머(700)의 입력 전압을 발생하고, 다중 출력 트랜스포머(700)는 릴레이 드라이버(125), 게이트 드라이버(410,420,430) 및 센싱부(510,520,530)의 드라이빙 전압을 발생한 후, 이들을 전기적 절연 상태로 고전압 1차측 회로(100)에 전달하도록 한다.

이러한 상태에서, EVSE(10)이 AC 전원을 고전압 1차측 회로(100)에 인가하면, 트랜스포머(300)는 전기적 절연 상태에서 고전압 1차측 회로(100)를 거쳐 전송되는 1차측 전원을 2차측 전원으로 전력 변환하여 고전압 2차측 회로(200)에 전달함으로써, 트랜스포머(300)가 고전압 배터리(20)의 고전압이 고전압 1차측 회로(100)로 유기되는 것이 사전 차단하도록 한다.

마지막으로, 센싱부(510,520,530)는 1차측 및 2차측 전압, 2차측 전류를 센싱하고, 이 또한 전기적 절연 상태에서 고전압 1차측 회로(100) 및 고전압 2차측 회로(200)에서 저전압 회로(400)의 MCU(410)로 전달함으로써, 센싱 결과 전달에 의한 고전압 유기 현상의 발생도 사전 차단되도록 한다.

이와 같이, 본 발명은 고전압 1차측 회로(100), 고전압 2차측 회로(200), 저전압 회로(400) 모두가 서로 전기적 절연 상태를 유지하면서 전력 및 각종 신호들을 송수신하도록 함으로써, 고전압 영역의 전압이 저전압 영역으로 유입되는 것을 사전 차단하고, 그 결과 탑재형 충전 장치의 동작 안정화를 실현할 수 있음을 알 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (3)

1. EVSE(Electric Vehicle Supply Equipment)로부터 전달되는 AC 전원으로부터 1차측 전원을 생성하는 고전압 1차측 회로;
   2차측 전원을 기반으로 고전압 배터리 충전 전원을 생성하는 고전압 2차측 회로;
   상기 고전압 1차측 회로의 1차측 전원을 상기 2차측 전원으로 변환하여 상기 고전압 2차측 회로에 제공하는 트랜스포머;
   저전압 배터리의 충전 전압을 기반으로 구동하며, 상기 1차측 전원 상태와 상기 2차측 전원 상태를 비교 분석하여 상기 고전압 1차측 회로를 동작 제어하는 저전압 회로;
   절연형으로 구현되며, 상기 1차측 전원 상태와 상기 2차측 전원 상태를 센싱하여 상기 저전압 회로에 통보하는 다수의 센싱부;
   절연형으로 구현되며, 상기 저전압 회로로부터 출력되는 다수의 제어신호를 상기 고전압 1차측 회로에 드라이빙하는 다수의 게이트 드라이버; 및
   상기 저전압 배터리의 충전 전력을 기반으로 상기 다수의 센싱부 및 상기 다수의 게이트 드라이버 각각의 드라이빙 전압을 생성 및 공급하는 다중 출력 트랜스포머;를 포함하며,
   상기 트랜스포머 및 상기 다중 출력 트랜스포머는
   입력와 출력을 전기적으로 절연시키고 자기적으로 결합시키는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 탑재형 충전 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 저전압 회로는
   저전압 배터리의 충전 전력을 기반으로 제1 전압을 발생하는 제1 SMPS(switched mode power supply);
   상기 저전압 배터리의 충전 전력을 기반으로 제2 전압을 발생하는 제2 SMPS;
   상기 제2 전압을 전압 강하하여 제3 전압을 발생하는 레귤레이터; 및
   상기 제3 전압에 의해 구동되며, 차측 전원 상태와 2차측 전원 상태를 비교 분석하여 상기 고전압 1차측 회로를 동작 제어하는 MCU(Micro Control Unit)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 탑재형 충전 장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 다중 출력 트랜스포머는
   상기 제1 전압을 기반으로 상기 저전압 배터리의 충전 전력을 기반으로 상기 다수의 센싱부 및 상기 다수의 게이트 드라이버 각각의 드라이빙 전압을 생성 및 공급하는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 탑재형 충전 장치.

Images