KR20190110790A - 전기 자동차의 충전 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전기 자동차의 충전 장치에 관한 것으로, 구조가 단순하고, 크기가 작으며, 다양한 형태의 전원으로부터 공급되는 전력으로 배터리를 충전할 수 있는 전기 자동차의 충전 장치를 제공하는데 그 목적이 있다. 이를 위해 본 발명에 따른 전기 자동차의 충전 장치는, 전기 자동차를 구동하기 위한 동력을 발생시키도록 마련되는 모터와; 상기 모터에 전력을 공급하도록 마련되는 인버터와; 단상 교류 전력과 다상 교류 전력 가운데 적어도 하나의 입력 교류 전력이 입력되는 교류 전력 입력단과; 상기 교류 전력 입력단을 통해 상기 입력 교류 전력이 입력되는 단일의 3-레그 하프 브리지 회로를 포함하는 역률 보정부와; 상기 역률 보정부와 상기 모터 및 인버터 조합 가운데 적어도 하나를 통해 충전되는 링크 캐패시터와; 상기 교류 전력 입력단과 상기 역률 보정부, 상기 링크 캐패시터, 상기 모터, 상기 인버터를 선택적으로 연결하도록 마련되는 적어도 하나의 스위치를 포함하는 스위치 네트워크와; 상기 교류 전력 입력단을 통해 입력되는 입력 교류 전력의 조건에 따라 상기 역률 보정부와 상기 스위치 네트워크, 상기 인버터를 제어하도록 마련되는 제어부를 포함한다..

Description

전기 자동차의 충전 장치{BATTERY CHARGER FOR ELECTRIC VEHICLE}
본 발명은 자동차에 관한 것으로, 모터의 동력만을 이용하여 주행하는 전기 자동차의 충전 장치에 관한 것이다.
내연 기관 자동차가 화석 연료를 주 에너지원으로 사용하는 것과는 다르게, 전기 자동차는 전기 에너지를 주 에너지원으로 사용한다. 따라서 전기 자동차는 전기 에너지를 저장할 수 있는 고전압 배터리와, 동력원인 모터, 그리고 모터를 구동하기 위한 인버터가 필수적이다.
전기 자동차의 배터리를 충전하기 위한 충전기는 완속 충전기와 급속 충전기로 구분할 수 있다. 완속 충전기는 상용 교류 전력을 교류 전력 형태 그대로 자동차로 전달하는 반면, 급속 충전기는 상용 교류 전력을 직류로 변환하여 자동차로 전달한다. 완속 충전기의 경우 구조가 단순하고 가격도 저렴하기 때문에 보급율을 높이는데 유리하다. 다만, 완속 충전기를 사용하기 위해서는 전기 자동차에 차량 탑재용 충전기(On Board Charger, OBC)가 탑재되어 있어야 한다.
완속 충전기를 통해 제공되는 교류 전력은 완속 충전기가 설치되어 있는 국가에 따라 매우 다양하다. 이와 같은 다양한 형태의 교류 전력을 이용하여 전기 자동차의 배터리를 충전하기 위해서는 차량 탑재용 충전기가 다양한 형태의 상용 교류 전력에 대응할 수 있어야 한다.
전기 자동차의 1회 충전 주행 거리를 늘리기 위해서는 배터리의 용량은 클수록 좋다. 따라서 자동차 제조사에서는 전기 자동차의 배터리의 용량을 증가시키기 위해 노력하고 있다. 대용량 배터리의 채용은 충전 시간의 증가를 수반한다. 대용량 배터리의 충전 시간을 단축시키기 위해서는 차량 탑재 충전기(OBC)의 용량을 증가시켜야 한다. 차량 탑재 충전기(OBC)의 용량 증가는 구성품의 크기 증가 및 제조 원가 상승을 초래한다.
일 측면에 따르면, 구조가 단순하고, 크기가 작으며, 다양한 형태의 전원으로부터 공급되는 전력으로 배터리를 충전할 수 있는 전기 자동차의 충전 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 목적의 본 발명에 따른 전기 자동차의 충전 장치는, 전기 자동차를 구동하기 위한 동력을 발생시키도록 마련되는 모터와; 상기 모터에 전력을 공급하도록 마련되는 인버터와; 단상 교류 전력과 다상 교류 전력 가운데 적어도 하나의 입력 교류 전력이 입력되는 교류 전력 입력단과; 상기 교류 전력 입력단을 통해 상기 입력 교류 전력이 입력되는 단일의 3-레그 하프 브리지 회로를 포함하는 역률 보정부와; 상기 역률 보정부와 상기 모터 및 인버터 조합 가운데 적어도 하나를 통해 충전되는 링크 캐패시터와; 상기 교류 전력 입력단과 상기 역률 보정부, 상기 링크 캐패시터, 상기 모터, 상기 인버터를 선택적으로 연결하도록 마련되는 적어도 하나의 스위치(S1)(S2)(S3)(S4)(S5)(S6)를 포함하는 스위치 네트워크와; 상기 교류 전력 입력단을 통해 입력되는 입력 교류 전력의 조건에 따라 상기 역률 보정부와 상기 스위치 네트워크, 상기 인버터를 제어하도록 마련되는 제어부를 포함한다.
상술한 전기 자동차의 충전 장치에서, 상기 스위치 네트워크는, 상기 링크 캐패시터와 상기 인버터 사이에 마련되는 제 1 스위치(S5)를 포함한다.
상술한 전기 자동차의 충전 장치에서, 상기 스위치 네트워크는, 상기 인버터와 배터리 사이에 마련되는 제 2 스위치(S4)를 더 포함한다.
상술한 전기 자동차의 충전 장치에서, 상기 스위치 네트워크는, 상기 역률 보정부의 3 레그 중 어느 하나의 레그와 상기 인버터 사이에 마련되는 제 3 스위치(S6)를 더 포함한다.
상술한 전기 자동차의 충전 장치에서, 상기 스위치 네트워크는, 상기 모터의 중성점과 급속 충전 단자 사이에 마련되는 제 4 스위치(S2)를 더 포함한다.
상술한 전기 자동차의 충전 장치에서, 상기 스위치 네트워크는, 상기 급속 충전 단자와 상기 배터리의 양단 사이에 각각 마련되는 제 5 스위치(S1) 및 제 6 스위치(S3)를 더 포함한다.
상술한 전기 자동차의 충전 장치에서, 상기 제어부는 상기 역률 보정부의 스위칭 제어 시 누설 전류 감소를 위해 전류 모드 듀티 제어를 수행한다.
상술한 전기 자동차의 충전 장치에서, 상기 제어부는, 상기 역률 보정부와 상기 스위치 네트워크, 상기 인버터의 제어를 통해 상기 역률 보정부를 복수의 서로 다른 형태의 컨버터로 전환하여 상기 입력 교류 전력의 조건에 대응한다.
상술한 전기 자동차의 충전 장치에서, 상기 입력 교류 전력의 조건은 상기 입력 교류 전력의 다상 및 단상의 조건을 포함한다.
상술한 전기 자동차의 충전 장치에서, 상기 입력 교류 전력의 조건은 상기 입력 교류 전력의 대칭 및 비대칭의 전원 조건을 포함한다.
상술한 목적의 본 발명에 따른 또 다른 전기 자동차의 충전 장치는, 전기 자동차를 구동하기 위한 동력을 발생시키도록 마련되는 모터와; 상기 모터에 전력을 공급하도록 마련되는 인버터와; 단상 교류 전력과 다상 교류 전력 가운데 적어도 하나의 입력 교류 전력이 입력되는 교류 전력 입력단과; 상기 교류 전력 입력단을 통해 상기 입력 교류 전력이 입력되는 단일의 3-레그 하프 브리지 회로를 포함하는 역률 보정부와; 상기 역률 보정부와 상기 모터 및 인버터 조합 가운데 적어도 하나를 통해 충전되는 링크 캐패시터와; 상기 교류 전력 입력단과 상기 역률 보정부, 상기 링크 캐패시터, 상기 모터, 상기 인버터를 선택적으로 연결하도록 마련되는 적어도 하나의 스위치(S1)(S2)(S3)(S4)(S5)(S6)를 포함하는 스위치 네트워크와; 상기 교류 전력 입력단을 통해 입력되는 입력 교류 전력의 조건에 따라 상기 역률 보정부와 상기 스위치 네트워크, 상기 인버터를 제어하도록 마련되는 제어부를 포함하고, 상기 스위치 네트워크는, 상기 링크 캐패시터와 상기 인버터 사이에 마련되는 제 1 스위치(S5)와; 상기 인버터와 배터리 사이에 마련되는 제 2 스위치(S4)와; 상기 역률 보정부의 3 레그 중 어느 하나의 레그와 상기 인버터 사이에 마련되는 제 3 스위치(S6)를 포함한다.
상술한 전기 자동차의 충전 장치에서, 상기 스위치 네트워크는, 상기 모터의 중성점과 급속 충전 단자 사이에 마련되는 제 4 스위치(S2)를 더 포함한다.
상술한 전기 자동차의 충전 장치에서, 상기 스위치 네트워크는, 상기 급속 충전 단자와 상기 배터리의 양단 사이에 각각 마련되는 제 5 스위치(S1) 및 제 6 스위치(S3)를 더 포함한다.
상술한 전기 자동차의 충전 장치에서, 상기 제어부는 상기 역률 보정부의 스위칭 제어 시 누설 전류 감소를 위해 전류 모드 듀티 제어를 수행한다.
상술한 전기 자동차의 충전 장치에서, 상기 제어부는, 상기 역률 보정부와 상기 스위치 네트워크, 상기 인버터의 제어를 통해 상기 역률 보정부를 복수의 서로 다른 형태의 컨버터로 전환하여 상기 입력 교류 전력의 조건에 대응한다.
상술한 전기 자동차의 충전 장치에서, 상기 입력 교류 전력의 조건은 상기 입력 교류 전력의 다상 및 단상의 조건을 포함한다.
상술한 전기 자동차의 충전 장치에서, 상기 입력 교류 전력의 조건은 상기 입력 교류 전력의 대칭 및 비대칭의 전원 조건을 포함한다.
상술한 목적의 본 발명에 따른 또 다른 전기 자동차의 충전 장치는, 전기 자동차를 구동하기 위한 동력을 발생시키도록 마련되는 모터와; 상기 모터에 전력을 공급하도록 마련되는 인버터와; 단상 교류 전력과 다상 교류 전력 가운데 적어도 하나의 입력 교류 전력이 입력되는 교류 전력 입력단과; 상기 교류 전력 입력단을 통해 상기 입력 교류 전력이 입력되는 단일의 3-레그 하프 브리지 회로를 포함하는 역률 보정부와; 상기 역률 보정부와 상기 모터 및 인버터 조합 가운데 적어도 하나를 통해 충전되는 링크 캐패시터와; 상기 교류 전력 입력단과 상기 역률 보정부, 상기 링크 캐패시터, 상기 모터, 상기 인버터를 선택적으로 연결하도록 마련되는 적어도 하나의 스위치(S1)(S2)(S3)(S4)(S5)(S6)를 포함하는 스위치 네트워크와; 상기 교류 전력 입력단을 통해 입력되는 입력 교류 전력의 조건에 따라 상기 역률 보정부와 상기 스위치 네트워크, 상기 인버터를 제어하도록 마련되고, 상기 역률 보정부의 스위칭 제어 시 누설 전류 감소를 위해 전류 모드 듀티 제어를 수행하는 제어부를 포함한다.
상술한 전기 자동차의 충전 장치에서, 상기 제어부는 상기 역률 보정부의 스위칭 제어 시 누설 전류 감소를 위해 전류 모드 듀티 제어를 수행한다.
상술한 전기 자동차의 충전 장치에서, 상기 제어부는, 상기 역률 보정부와 상기 스위치 네트워크, 상기 인버터의 제어를 통해 상기 역률 보정부를 복수의 서로 다른 형태의 컨버터로 전환하여 상기 입력 교류 전력의 조건에 대응한다.
일 측면에 따르면, 구조가 단순하고, 크기가 작으며, 다양한 형태의 전원으로부터 공급되는 전력으로 배터리를 충전할 수 있는 전기 자동차의 충전 장치를 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전기 자동차를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 전기 자동차의 충전 장치를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 충전 장치의 회로 구성을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 충전 장치가 수용할 수 있는 다양한 종류의 전원을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 충전 장치에서 스위치(S5)가 턴 오프 되고 스위치(S6)가 턴 온 된 상태를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 충전 장치가 스위치(S5)의 턴 오프 및 스위치(S6)의 턴 온에 의해 변경된 구조를 나타낸 도면이다.
도 7은 계통 전력이 3상 교류 전력일 때 본 발명의 실시 예에 따른 충전 장치의 동작을 나타낸 도면이다.
도 8은 계통 전력이 단상 교류 전력일 때 본 발명의 실시 예에 따른 충전 장치의 동작을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 충전 장치의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전기 자동차를 나타낸 도면이다.
도 1에 나타낸 전기 자동차(100)는 모터(도 2의 212 참조)를 구비한다. 따라서 모터(212)를 구동하기 위한 전력을 저장할 고전압 배터리(102)가 필요하다. 일반적인 내연 기관 자동차에도 엔진 룸의 한쪽에 보조 배터리(도 2의 208 참조)가 마련된다. 하지만 전기 자동차(100)의 경우 크기가 큰 대용량의 고전압 배터리(212)가 요구된다. 본 발명의 실시 예에 따른 전기 자동차(100)에서는 2열 승객석 하부 공간에 고전압 배터리(102)를 설치한다. 고전압 배터리(102)에 저장되는 전력은 모터(212)를 구동하여 동력을 발생시키는데 사용될 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따른 고전압 배터리(102)는 리튬 배터리일 수 있다.
전기 자동차(100)에는 충전 소켓(104)이 마련된다. 충전 소켓(104)에는 외부의 완속 충전기(150)의 충전 커넥터(152)가 연결됨으로써 고전압 배터리(102)의 충전이 이루어질 수 있다. 즉 완속 충전기(150)의 충전 커넥터(152)를 전기 자동차(100)의 충전 소켓(104)에 연결하면 전기 자동차(100)의 고전압 배터리(102)가 충전된다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 전기 자동차의 충전 장치를 나타낸 도면이다.
전기 자동차(100)의 고전압 배터리(102)를 충전하기 위해 완속 충전기(150)가 사용될 수 있다. 고전압 배터리(102)는 400V~800V의 충전 전압을 가질 수 있다. 완속 충전기(150)는 상용 교류 전력(AC)을 교류 전력 형태 그대로 전기 자동차(100)로 공급한다. 완속 충전기(150)를 통해 공급되는 교류 전력은 전기 자동차(100) 내부에서 미리 설정된 레벨의 직류 전압으로 변환된다.
전기 자동차(100)의 내부에서는 차량 탑재 충전기(On Board Charger, OBC)(202)가 고전압 배터리(102)의 충전에 관여한다. OBC라고도 불리는 차량 탑재 충전기(202)는 완속 충전기(150)로부터 공급되는 상용 교류 전력을 800V의 직류 전압으로 변환하여 고전압 배터리(102)를 충전한다. 완속 충전기(150)는 상용 교류 전력을 교류 형태 그대로 전기 자동차(100)로 공급한다. 완속 충전기(150)로부터 공급되는 교류 전압은 전기 자동차(100)의 내부에서 차량 탑재 충전기(202)에 의해 직류 전압으로 변환된 후 고전압 배터리(102)를 충전하는데 사용된다.
도 2에서, 인버터(206)는 고전압 배터리(102)의 전력을 모터(212)에서 요구되는 전기적 특성을 갖도록 변환하여 모터(212)로 전달한다. 모터(212)는 인버터(206)를 통해 전달되는 전력에 의해 회전함으로써 동력을 발생시킨다. 도 2에 나타낸 충전 장치에서는, 모터(212)와 인버터(206)가 필요에 따라 차량 탑재 충전기(202)와 함께 고전압 배터리(102)의 충전에 이용될 수 있다.
제어부(210)는 차량 탑재 충전기(202)와 인버터(206), 모터(212)를 제어하여 고전압 배터리(102)의 충전이 이루어질 수 있도록 한다. 제어부(210)가 고전압 배터리(102)를 충전하기 위해 차량 탑재 충전기(202)와 인버터(206), 모터(212)를 제어할 때 입력 교류 전력의 비대칭으로 인해 발생할 수 있는 누설 전류를 줄이기 위해 전류 모드 방식의 듀티 제어를 수행한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 충전 장치의 회로 구성을 나타낸 도면이다. 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 차량 탑재 충전기(202)가 인버터(206) 및 모터(212)와 협업하여 고전압 배터리(102)를 충전하는 구조를 보여준다. 모터(212) 및 인버터(206)를 활용하여 고전압 배터리(102)의 요구 전압에 맞추어 충전 전압을 제어함으로써 기존의 DC/DC 컨버터를 사용하는 경우에 비해 상대적으로 구조가 단순하고 크기가 작으며 제조 비용이 저렴하다. 또한 기존의 DC/DC 컨버터는 변압기를 포함하기 때문에 절연 대책이 필수적이었으나, 본 발명의 실시 예에 따른 충전 장치는 변압기를 배제하고 모터(212) 및 인버터(206)를 활용하기 때문에 절연 대책이 필요치 않은 비절연형 충전 장치를 구현할 수 있다. 단, 비절연형 충전 장치에서 발생할 수 있는 저주파 누설 전류를 줄이기 위해 부스트 역률 보정부(414)의 스위칭 제어 시 전류 모드 듀티 제어(Current Mode Duty Control)를 실시한다.
차량 탑재 충전기(302)는 EMI 필터(Electro Magnetic Interference Filter)(322)와 부스트 역률 보정부(Boost Power Factor Corrector)(414), 파워 릴레이 회로부(416)를 포함한다. 파워 릴레이 회로부(416)는 도 3에 나타낸 스위치 S1, S2, S3, S4, S5, S6를 포함하도록 구성된다.
외부의 상용 교류 전원으로부터 EMI 필터(422)를 통해 부스트 역률 보정부(314)로 상용 교류 전력이 입력된다. EMI 필터(422)는 입력된 상용 교류 전력에 포함되어 있는 잡음을 제거하도록 마련된다.
부스트 역률 보정부(414)는 기본적으로 스위칭 소자(Q1)(Q2)(Q3)(Q4)(Q5)(Q6)로 구성되는 3-레그 하프 브리지 회로(3-Leg Half Bridge Circuit)로 구성된다. Q1과 Q4, Q2와 Q5, Q3와 Q6 사이에 각각 형성되는 제 1-3 레그(442)(444)(446)는 EMI 필터(422)에 연결된다. 제 1-3 레그(442)(444)(446) 각각은 도 3에 나타낸 것과 같은 인덕터 성분을 포함할 수 있다.
부스트 역률 보정부(414)에는 PFC 링크 캐패시터인 캐패시터(C1)가 마련된다. 캐패시터(C1)는 하프 브리지 회로의 양단 사이에 마련된다.
인버터(206)는 6개의 스위칭 소자(QA)(QB)(QC)(QD)(QE)(QF)로 구성된다. 스위칭 소자 QC 및 QF에 의해 발생하는 전류와 스위칭 소자 QB 및 QE에 의해 발생하는 전류, 스위칭 소자 QA 및 QD에 의해 발생하는 전류가 모터(212)의 3상 코일에 각각 인가된다.
부트스 역률 보정부(414)의 하단과 인버터(206)의 하단이 연결되는 노드에는 캐패시터(C2)를 통해 급속 충전기(490)가 연결될 수 있다. 급속 충전기(490)는 400V 또는 800V로 고전압 배터리(102)를 급속 충전한다. 이를 위해 급속 충전기(490)의 (+)단자는 스위치(S1)를 통해 고전압 배터리(102)의 (+)단자에 연결되고, 또 인덕터(L1) 및 스위치(S2)를 통해 모터(212)의 중성점에 연결된다. 즉, 급속 충전기(490)는, 스위치(S1)을 통해서는 고전압 배터리(102)의 (+)단자에 연결되고, 스위치(S2)를 통해서는 모터(212)의 중성점에 연결된다. 급속 충전기(490)의 (-)단자는 스위치(S3)를 통해 고전압 배터리(102)의 (-)단자 및 인버터(206)의 하단에 연결된다.
인버터(206)의 상단과 고전압 배터리(102)의 (+)단자 사이에는 스위치(S4)가 연결된다. 앞서 설명한 스위치(S3)는 스위치(S4)와 고전압 배터리(102)가 연결된 노드와 급속 충전기(290)의 (+)단자 사이에 연결된다. 스위치(S4)는 인버터(206)가 모터(212)를 구동하거나 또는 고전압 배터리(102)를 충전하도록 전환한다. 즉, 스위치(S4)가 턴 온 되면 인버터(206)는 모터(212)를 구동함으로써 동력이 발생하도록 한다. 반대로 스위치(S4)가 턴 오프 되면 인버터(206)는 모터(212)와 함께 고전압 배터리(102)를 충전하는데 이용된다.
부스트 역률 보정부(414)의 상단과 인버터(206)의 상단 사이에는 스위치(S5)가 연결된다. 스위치(S5)와 인버터(206)의 상단과 스위치(S5)가 연결된 노드에서 3-렉 하프 브리지 회로의 레그(446)에 이르는 경로에는 스위치(S6)가 연결된다. 즉, 부스트 역률 보정부(414)의 3-레그 하프 브리지 회로의 레그(446)와 인버터(206)의 상단이 스위치(S6)의 온/오프에 의해 연결/단절된다. 이 두 개의 스위치(S5)(S6)는 부스트 역률 보정부(414)의 전류 모드(Current Mode, CM) 듀티 제어를 위해 마련된다. 스위치(S5)가 턴 오프 되고 스위치(S6)가 턴 온 되면 부스트 역률 보정부(414)의 CM 듀티 제어가 수행될 수 있다.
도 3의 충전 장치에 마련되는 스위치 네트워크를 구성하는 복수의 스위치(S1)(S2)(S3)(S4)(S5)(S6) 및 복수의 스위칭 소자(Q1)(Q2)(Q3)(Q4)(Q5)(Q6)(QA)(QB)(QC)(QD)(QE)(QF)는 앞서 도 2에서 설명한 제어부(210)에 의해 턴 온 및 턴 오프가 제어된다. 본 발명의 실시 예에서는, 스위치 네트워크를 구성하는 복수의 스위치(S1)(S2)(S3)(S4)(S5)(S6)의 다양한 온/오프 조합을 통해 다양한 종류의 상용 교류 전력으로 고전압 배터리(102)의 충전이 이루어질 수 있도록 한다. 다양한 종류의 상용 교류 전력에 대해서는 다음의 도 4를 통해 자세히 설명하고자 한다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 충전 장치가 수용할 수 있는 다양한 종류의 전원을 나타낸 도면이다.
도 4의 (I)은 2상 대칭 전원(Bi-Phase Symmetric Power Source)을 나타낸 도면이다. 도 4의 (I)에 나타낸 바와 같이, 2상 대칭 전원은 공급 전력의 전압이 두 개의 전압(1/2Vac)(-1/2Vac)으로 나뉘어 공급된다. 두 개의 전압(1/2Vac)(-1/2Vac)이 서로 정 반대의 위상을 갖기 때문에 2상 대칭 전원이라 한다. 도 4의 (I)에 나타낸 것과 같은 2상 대칭 전원은 주로 북미 지역에서 사용된다.
도 4의 (II)는 단상 비대칭 전원(Single-Phase Asymmetric Power Source)을 나타낸 도면이다. 도 4의 (II)에 나타낸 바와 같이, 단상 비대칭 전원은 공급 전력의 전압이 단일 위상의 단일 전압(Vac)의 형태로 공급된다. 단일 전압(Vac)이 단일의 위상을 갖기 때문에 단상 비대칭 전원이라 한다. 도 4의 (II)에 나타낸 것과 같은 단상 비대칭 전원은 주로 한국과 북미 지역, 유럽 지역에서 사용된다.
도 4의 (III)은 3상 대칭 전원(3-Phase Symmetric Power Source)을 나타낸 도면이다. 도 4의 (III)에 나타낸 바와 같이, 3상 비대칭 전원은 공급 전력의 전압이 세 개의 전압(Va)(Vb)(Vc)으로 나뉘어 공급된다. 세 개의 전압(Va)(Vb)(Vc)이 서로 다른 위상을 갖기 때문에 3상 비대칭 전원이라 한다. 도 4의 (III)에 나타낸 것과 같은 3상 비대칭 전원은 주로 유럽 지역에서 사용된다.
이처럼, 국가별로 상용 교류 전원의 형태가 다양하기 때문에, 본 발명의 실시 예에 따른 충전 장치는 스위치 네트워크의 온/오프 조합을 통해 다양한 형태의 상용 교류 전원(즉 계통 전력)에 대응하고자 한다.
계통 전력은 대칭 구조와 비대칭 구조로 분류되고, 대칭/비대칭 구조에 다라 누설 전류의 크기가 달라진다. 대칭 구조의 계통 전력의 경우에는 누설 전류가 상대적으로 적고, 비대칭 구조의 계통 전력의 경우에는 누설 전류가 상대적으로 크다. 앞서 도 3의 설명에서 스위치(S5)가 턴 오프 되고 스위치(S6)가 턴 온 되면 부스트 역률 보정부(414)의 CM 듀티 제어가 수행될 수 있고, 이는 비절연형 충전 장치에서 발생할 수 있는 누설 전류를 최소화하기 위한 것임을 언급한 바 있다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 충전 장치에서 스위치(S5)가 턴 오프 되고 스위치(S6)가 턴 온 된 상태를 나타낸 도면이다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 스위치(S5)가 턴 오프 됨으로써 부스트 역률 보정부(414) 및 캐패시터(C1)가 모터(212) 및 인버터(206)와 전기적으로 단절된다. 또한 스위치(S6)가 턴 온 됨으로써 인버터(206)의 상단이 부스트 역률 보정부(414)의 레그(446)에 전기적으로 연결되고, 부스트 역률 보정부(414)의 레그(446)와 EMI 필터(422)가 단절된다. 도 5에 나타낸 완속 충전기(150)와 EMI 필터(422) 사이의 연결 관계로부터 알 수 있듯이, 부스트 역률 보정부(414)의 레그(446)의 전기적 단절로 인해 외부의 완속 충전기(150)로부터 EMI 필터(422)를 통해 입력되는 3상 교류 전력의 1개 상이 부스트 역률 보정부(414)로 입력되지 않게 된다. 스위치(S5)의 턴 오프 및 스위치(S6)의 턴 온에 의해 본 발명의 실시 예에 따른 충전 장치의 구조가 다음에 설명하는 도 6처럼 등가 회로로 나타낼 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 충전 장치가 스위치(S5)의 턴 오프 및 스위치(S6)의 턴 온에 의해 변경된 구조를 나타낸 도면이다. 도 6에 나타낸 바와 같이, 스위치(S5)가 턴 오프 되고 스위치(S6)가 턴 온 됨으로써, 부스트 역률 보정부(414)의 레그(442)(444)를 포함하는 일부분은 브리지리스 부스트 역률 보정부(Bridgeless Boost PFC)로서 동작하고, 역률 보정부(414)의 레그(446)를 포함하는 나머지 부분은 벅 컨버터(Buck Converter)로서 동작한다. 모터/인버터(212)(206)는 벅 DC/DC 컨버터(Buck DC/DC Converter)로서 동작한다. 도 6에 나타낸 구조에서, 예를 들면 캐패시터(C1)의 양단의 전압이 850-900V일 때, 캐패시터(C1)의 양단의 전압 850-900V는 벅 DC/DC 컨버터(Buck DC/DC Converter)로서 동작하는 모터/인버터(212)(206)의 작용에 의해 480-841V로 낮아진 상태로 고전압 배터리(102)의 충전에 사용된다.
도 5에 나타낸 것과 같은 스위치(S5)의 턴 오프 및 스위치(S6)의 턴 온을 통해 도 6에 나타낸 것과 같은 3단 구조로 변경하게 되면, 부스트 역률 보정부(414)의 CM 듀티 제어(스위칭 제어)를 실시하여 계통 전력의 대칭/비대칭에 따른 저주파 누설 전류를 줄일 수 있다.
도 7은 계통 전력이 3상 교류 전력일 때 본 발명의 실시 예에 따른 충전 장치의 동작을 나타낸 도면이다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 계통 전력이 3상 교류 전력일 때 본 발명의 실시 예에 따른 충전 장치의 스위치(S1)(S2)(S5)가 턴 온 되고 스위치(S3)(S4)(S6)가 턴 오프 된다. 이와 같은 스위치 네트워크의 온/오프에 따라, 부스트 역률 보정부(414)의 레그(446)와 인버터(206)가 전기적으로 단절된다. 또한 인버터(206)와 고전압 배터리(102)가 전기적으로 직접 연결되지 않고, 모터(212)를 통해서 고전압 배터리(102)에 전기적으로 연결된다. 이와 같은 구조에서, 완속 충전기(150)로부터 공급되는 3상 교류 전력이 온전히 부스트 역률 보정부(414)와 스위치(S5), 인버터(206), 모터(212)의 순서로 스위치(S1)를 통해 고전압 배터리(102)에 전달되어 고전압 배터리(102)의 충전이 이루어진다.
도 8은 계통 전력이 단상 교류 전력일 때 본 발명의 실시 예에 따른 충전 장치의 동작을 나타낸 도면이다. 도 8에 나타낸 바와 같이, 계통 전력이 3상 교류 전력일 때 본 발명의 실시 예에 따른 충전 장치의 스위치(S1)(S2)(S6)가 턴 온 되고 스위치(S3)(S4)(S5)가 턴 오프 된다. 이와 같은 스위치 네트워크의 온/오프에 따라, 3상 교류 전력의 1개 상이 부스트 역률 보정부(414)의 레그(446)와 전기적으로 단절되고, 대신 부스트 역률 보정부(414)의 레그(446)와 인버터(206)가 전기적으로 연결된다. 또한 인버터(206)와 고전압 배터리(102)가 전기적으로 직접 연결되지 않고, 모터(212)를 통해서 고전압 배터리(102)에 전기적으로 연결된다. 이와 같은 구조에서, 완속 충전기(150)로부터 공급되는 단상 교류 전력이 부스트 역률 보정부(414)의 레그(446)와 스위치(S6), 인버터(206), 모터(212)의 순서로 스위치(S1)를 통해 고전압 배터리(102)에 전달되어 고전압 배터리(102)의 충전이 이루어진다.
도 7 및 도 8에 나타낸 바와 같이, 완속 충전기(150)로부터 공급되는 입력 교류 전력(계통 전력)이 3상 또는 단상 여부에 따라 스위치 네트워크의 온/오프 조합을 통해 전력 전달 경로를 다르게 제어하고, CM 듀티 제어 방식으로 부스트 역률 보정부(414)를 스위칭 제어함으로써 고전압 배터리(102)의 충전 과정에서 입력 교류 전력(계통 전력)의 비대칭 특성으로 인해 발생하는 누설 전류를 크게 줄일 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 충전 장치의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다. 도 9에 나타낸 시뮬레이션 결과로부터 알 수 있듯이, CM 듀티 제어를 수행하지 않을 때와 CM 듀티 제어를 수행할 때 각각의 누설 전류(Ig)의 크기가 서로 크게 차이가 있음을 알 수 있다. CM 듀티 제어를 수행하지 않을 때의 누설 전류(Ig)는 105.3mArms이지만, CM 듀티 제어를 수행할 때의 누설 전류(Ig)는 10.3mArms로 크게 감소한다. 안전 규격에서 요구하는 누설 전류(Ig)는 15mA 이하여야 하는데 비대칭 전력의 경우 누설 전류(Ig)가 무려 105.3mArms로서 안전 규격에서 요구하는 값을 크게 상회한다. 하지만, 본 발명의 실시 예에 따른 충전 장치에서 CM 듀티 제어를 수행함으로써 누설 전류(Ig)가 103mArms에서 10.3mArms로 크게 감소하여 안전 규격에서 요구하는 15mArms 이하의 조건을 충분히 만족한다.
위의 설명은 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서 위에 개시된 실시 예 및 첨부된 도면들은 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예 및 첨부된 도면에 의하여 기술적 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 그 보호 범위는 아래의 청구 범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 전기 자동차
104 : 충전 소켓
150 : 완속 충전기
152 : 충전 커넥터
206 : 인버터
210 : 제어부
212 : 모터
202 : 차량 탑재 충전기
412 : 입력부
414 : 부스트 역률 보정부
416 : 파워 릴레이 회로부
422 : EMI 필터

Claims (20)

  1. 전기 자동차를 구동하기 위한 동력을 발생시키도록 마련되는 모터와;
    상기 모터에 전력을 공급하도록 마련되는 인버터와;
    단상 교류 전력과 다상 교류 전력 가운데 적어도 하나의 입력 교류 전력이 입력되는 교류 전력 입력단과;
    상기 교류 전력 입력단을 통해 상기 입력 교류 전력이 입력되는 단일의 3-레그 하프 브리지 회로를 포함하는 역률 보정부와;
    상기 역률 보정부와 상기 모터 및 인버터 조합 가운데 적어도 하나를 통해 충전되는 링크 캐패시터와;
    상기 교류 전력 입력단과 상기 역률 보정부, 상기 링크 캐패시터, 상기 모터, 상기 인버터를 선택적으로 연결하도록 마련되는 적어도 하나의 스위치(S1)(S2)(S3)(S4)(S5)(S6)를 포함하는 스위치 네트워크와;
    상기 교류 전력 입력단을 통해 입력되는 입력 교류 전력의 조건에 따라 상기 역률 보정부와 상기 스위치 네트워크, 상기 인버터를 제어하도록 마련되는 제어부를 포함하는 전기 자동차의 충전 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 스위치 네트워크는,
    상기 링크 캐패시터와 상기 인버터 사이에 마련되는 제 1 스위치(S5)를 포함하는 전기 자동차의 충전 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 스위치 네트워크는,
    상기 인버터와 배터리 사이에 마련되는 제 2 스위치(S4)를 더 포함하는 전기 자동차의 충전 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 스위치 네트워크는,
    상기 역률 보정부의 3 레그 중 어느 하나의 레그와 상기 인버터 사이에 마련되는 제 3 스위치(S6)를 더 포함하는 전기 자동차의 충전 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 스위치 네트워크는,
    상기 모터의 중성점과 급속 충전 단자 사이에 마련되는 제 4 스위치(S2)를 더 포함하는 전기 자동차의 충전 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 스위치 네트워크는,
    상기 급속 충전 단자와 상기 배터리의 양단 사이에 각각 마련되는 제 5 스위치(S1) 및 제 6 스위치(S3)를 더 포함하는 전기 자동차의 충전 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 역률 보정부의 스위칭 제어 시 누설 전류 감소를 위해 전류 모드 듀티 제어를 수행하는 전기 자동차의 충전 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 역률 보정부와 상기 스위치 네트워크, 상기 인버터의 제어를 통해 상기 역률 보정부를 복수의 서로 다른 형태의 컨버터로 전환하여 상기 입력 교류 전력의 조건에 대응하는 전기 자동차의 충전 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 입력 교류 전력의 조건은 상기 입력 교류 전력의 다상 및 단상의 조건을 포함하는 전기 자동차의 충전 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 입력 교류 전력의 조건은 상기 입력 교류 전력의 대칭 및 비대칭의 전원 조건을 포함하는 전기 자동차의 충전 장치.
  11. 전기 자동차를 구동하기 위한 동력을 발생시키도록 마련되는 모터와;
    상기 모터에 전력을 공급하도록 마련되는 인버터와;
    단상 교류 전력과 다상 교류 전력 가운데 적어도 하나의 입력 교류 전력이 입력되는 교류 전력 입력단과;
    상기 교류 전력 입력단을 통해 상기 입력 교류 전력이 입력되는 단일의 3-레그 하프 브리지 회로를 포함하는 역률 보정부와;
    상기 역률 보정부와 상기 모터 및 인버터 조합 가운데 적어도 하나를 통해 충전되는 링크 캐패시터와;
    상기 교류 전력 입력단과 상기 역률 보정부, 상기 링크 캐패시터, 상기 모터, 상기 인버터를 선택적으로 연결하도록 마련되는 적어도 하나의 스위치(S1)(S2)(S3)(S4)(S5)(S6)를 포함하는 스위치 네트워크와;
    상기 교류 전력 입력단을 통해 입력되는 입력 교류 전력의 조건에 따라 상기 역률 보정부와 상기 스위치 네트워크, 상기 인버터를 제어하도록 마련되는 제어부를 포함하고,
    상기 스위치 네트워크는,
    상기 링크 캐패시터와 상기 인버터 사이에 마련되는 제 1 스위치(S5)와;
    상기 인버터와 배터리 사이에 마련되는 제 2 스위치(S4)와;
    상기 역률 보정부의 3 레그 중 어느 하나의 레그와 상기 인버터 사이에 마련되는 제 3 스위치(S6)를 포함하는 전기 자동차의 충전 장치.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 스위치 네트워크는,
    상기 모터의 중성점과 급속 충전 단자 사이에 마련되는 제 4 스위치(S2)를 더 포함하는 전기 자동차의 충전 장치.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 스위치 네트워크는,
    상기 급속 충전 단자와 상기 배터리의 양단 사이에 각각 마련되는 제 5 스위치(S1) 및 제 6 스위치(S3)를 더 포함하는 전기 자동차의 충전 장치.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 역률 보정부의 스위칭 제어 시 누설 전류 감소를 위해 전류 모드 듀티 제어를 수행하는 전기 자동차의 충전 장치.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 역률 보정부와 상기 스위치 네트워크, 상기 인버터의 제어를 통해 상기 역률 보정부를 복수의 서로 다른 형태의 컨버터로 전환하여 상기 입력 교류 전력의 조건에 대응하는 전기 자동차의 충전 장치.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 입력 교류 전력의 조건은 상기 입력 교류 전력의 다상 및 단상의 조건을 포함하는 전기 자동차의 충전 장치.
  17. 상기 입력 교류 전력의 조건은 상기 입력 교류 전력의 대칭 및 비대칭의 전원 조건을 포함하는 전기 자동차의 충전 장치.
  18. 전기 자동차를 구동하기 위한 동력을 발생시키도록 마련되는 모터와;
    상기 모터에 전력을 공급하도록 마련되는 인버터와;
    단상 교류 전력과 다상 교류 전력 가운데 적어도 하나의 입력 교류 전력이 입력되는 교류 전력 입력단과;
    상기 교류 전력 입력단을 통해 상기 입력 교류 전력이 입력되는 단일의 3-레그 하프 브리지 회로를 포함하는 역률 보정부와;
    상기 역률 보정부와 상기 모터 및 인버터 조합 가운데 적어도 하나를 통해 충전되는 링크 캐패시터와;
    상기 교류 전력 입력단과 상기 역률 보정부, 상기 링크 캐패시터, 상기 모터, 상기 인버터를 선택적으로 연결하도록 마련되는 적어도 하나의 스위치(S1)(S2)(S3)(S4)(S5)(S6)를 포함하는 스위치 네트워크와;
    상기 교류 전력 입력단을 통해 입력되는 입력 교류 전력의 조건에 따라 상기 역률 보정부와 상기 스위치 네트워크, 상기 인버터를 제어하도록 마련되고, 상기 역률 보정부의 스위칭 제어 시 누설 전류 감소를 위해 전류 모드 듀티 제어를 수행하는 제어부를 포함하는 전기 자동차의 충전 장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 역률 보정부의 스위칭 제어 시 누설 전류 감소를 위해 전류 모드 듀티 제어를 수행하는 전기 자동차의 충전 장치.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 역률 보정부와 상기 스위치 네트워크, 상기 인버터의 제어를 통해 상기 역률 보정부를 복수의 서로 다른 형태의 컨버터로 전환하여 상기 입력 교류 전력의 조건에 대응하는 전기 자동차의 충전 장치.
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