KR20200123888A - 친환경 차량용 충전 시스템 및 이를 이용한 충전 제어방법 - Google Patents

친환경 차량용 충전 시스템 및 이를 이용한 충전 제어방법 Download PDF

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이제환
이기종
신상철
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명에 따른 친환경 차량용 충전 시스템은 차량 배터리를 충전시키기 위한 전력을 제공하는 전력 제공부; 모터 및 상기 모터와 연결된 인버터를 포함하며, 상기 전력 제공부에서 제공되는 전력을 공급받아 상기 배터리를 충전하는 충전부; 상기 전력 제공부와 상기 배터리를 연결시키는 하나 이상의 릴레이; 및 상기 충전부를 통해 상기 배터리를 충전하기 전에 상기 모터의 회전자를 기 설정된 기준 위치로 이동시키는 컨트롤러;를 포함할 수 있다.

Description

친환경 차량용 충전 시스템 및 이를 이용한 충전 제어방법{CHARGING SYSTEM FOR ECO-FRIENDLY VEHICLE AND CONTROLLING CHARGING METHOD USING THE SAME}
본 발명은 친환경 차량용 충전 시스템 및 이를 이용한 충전 제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 모터-인버터를 포함하는 충전부를 통해 배터리를 충전하기 전에 모터의 회전자를 기 설정된 기준 위치로 이동시킨 뒤 충전을 진행하여 인버터를 구성하는 전력변환 소자들의 온도를 일정하게 유지시킬 수 있는 친환경 차량용 충전 시스템 및 이를 이용한 충전 제어방법에 관한 것이다.
전기 자동차(Electric Vehicle, EV) 또는 플러그-인 하이브리드 자동차(Plug-In Hybrid Electric Vehicle, PHEV)와 같은 친환경 자동차는 배터리 충전을 위하여 충전소에 설치된 전기 자동차 충전설비(Electric Vehicle Supply Equipment, EVSE)를 이용한다.
도 1은 종래의 모터-인버터를 사용하는 일반적인 차량용 충전 시스템을 나타내는 도면이다. 도 1을 참조하여 종래의 차량용 충전 시스템을 설명하면 예를 들어, 배터리가 800V이고 충전기가 400V 충전기인 경우, 2스위치(SW2)와 3스위치(SW3)를 온시키고 모터-인버터를 통해 400V를 승압하여 배터리가 충전되도록 하며, 충전기가 800V 충전기인 경우, 1스위치(SW1)와 3스위치(SW3)를 온시켜 충전기를 배터리와 직접 연결하여 배터리가 충전되도록 할 수 있다.
한편, 모터의 회전자의 위치에 따라 모터의 각 상의 인덕턴스에는 편차가 발생하며 그에 따라 인버터의 각 상별 전류에 불균형이 발생할 수 있다. 구체적으로, 인덕턴스가 낮은 상의 경우 전류 리플이 과다하여 인버터의 전류 및 손실이 증가하며 인버터의 전력변환 소자의 온도가 높아질 수 있고, 인덕턴스가 큰 상의 경우 전류 리플이 작아 인버터의 전류 및 손실이 감소하며 인버터의 전력변환 소자의 온도가 낮아질 수 있다. 다시 말해, 모터의 각 상의 인덕턴스에 편차가 발생하면 인버터를 구성하는 전력변환 소자의 온도 차이에 의해 인버터의 내구가 악화될 수 있는 문제점이 있었다.
KR 10-2018-0130246
상술한 문제점을 해결하기 위해 제안된 본 발명은, 모터-인버터를 포함하는 충전부를 통해 배터리를 충전하기 전에 모터의 회전자를 기 설정된 기준 위치로 이동시킨 뒤 충전을 진행함으로써 인버터를 구성하는 전력변환 소자들의 온도를 일정하게 유지하여 인버터의 내구를 향상시킬 수 있는 차량용 충전 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 친환경 차량용 충전 시스템은 차량 배터리를 충전시키기 위한 전력을 제공하는 전력 제공부; 모터 및 상기 모터와 연결된 인버터를 포함하며, 상기 전력 제공부에서 제공되는 전력을 공급받아 상기 배터리를 충전하는 충전부; 상기 전력 제공부와 상기 배터리를 연결시키는 하나 이상의 릴레이; 및 상기 충전부를 통해 상기 배터리를 충전하기 전에 상기 모터의 회전자를 기 설정된 기준 위치로 이동시키는 컨트롤러;를 포함할 수 있다.
상기 모터는 3상 모터이며, 상기 기 설정된 기준 위치는 상기 모터의 각 상의 인덕턴스가 평형을 이루는 위치일 수 있다.
상기 모터의 회전자의 위치를 검출하는 위치 검출부; 및 상기 모터의 각 상의 인덕턴스가 평형을 이루도록 하는 상기 모터 회전자의 기준 위치정보가 저장된 저장부;를 더 포함할 수 있다.
상기 컨트롤러는, 상기 위치 검출부에서 검출된 회전자의 위치와 상기 저장부에 저장된 기준 위치를 비교하여, 상기 검출된 회전자의 위치가 상기 기준 위치와 상이하면 상기 인버터를 제어하여 상기 회전자를 회전시켜 상기 기준 위치로 이동시킬 수 있다.
상기 릴레이는 상기 전력 제공부와 상기 배터리를 사이에 위치한 제1 릴레이 및 제2 릴레이와 상기 전력 제공부와 상기 충전부 사이에 위치한 제3 릴레이를 포함할 수 있다.
상기 컨트롤러는 상기 릴레이의 온/오프를 제어하고, 상기 배터리와 상기 전력 제공부의 용량이 동일한 경우, 상기 제1 릴레이 및 상기 제2 릴레이를 온시켜 상기 전력 제공부에서 상기 배터리에 전력을 공급하여 상기 배터리를 충전시킬 수 있다.
상기 컨트롤러는 상기 릴레이의 온/오프를 제어하고, 상기 전력 제공부의 용량이 상기 배터리의 용량보다 작은 경우, 상기 제1 릴레이 및 상기 제3 릴레이를 온시켜 상기 전력 제공부에서 제공되는 전력을 상기 충전부에서 승압한 후 상기 배터리에 공급하여 상기 배터리가 충전되도록 할 수 있다.
상술한 다른 목적을 달성하기 위한 본발명에 따른 차량용 충전 시스템을 이용한 충전 제어방법은, 전력 제공부의 용량과 배터리의 용량을 비교하는 단계; 상기 전력 제공부의 용량이 상기 배터리의 용량보다 작으면 모터의 회전자를 기 설정된 기준 위치로 이동시키는 단계; 각 릴레이의 온/오프를 제어하는 단계; 및 상기 전력 제공부에서 제공되는 전력을 충전부에서 승압시킨 후 배터리에 공급하여 배터리를 충전시키는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 모터는 3상 모터이고 인버터와 연결되며, 상기 기 설정된 위치는 모터의 각 상의 인덕턴스가 평형을 이루는 위치일 수 있다.
상기 전력 제공부의 용량과 상기 배터리의 용량을 비교하는 단계 이전에,
상기 모터의 각 상의 인덕턴스가 평형을 이루도록 하는 상기 모터 회전자의 기준 위치 정보를 저장하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 전력 제공부의 용량이 상기 배터리의 용량보다 작으면 상기 모터의 회전자를 기 설정된 기준 위치로 이동시키는 단계는, 상기 전력 제공부의 용량이 상기 배터리의 용량보다 작으면 상기 모터의 회전자의 위치를 검출하는 단계; 상기 검출된 회전자의 위치와 기 저장된 기준 위치를 비교하는 단계; 및 상기 검출된 회전자의 위치가 상기 기준 위치와 상이하면 인버터를 제어하여 상기 회전자를 회전시켜 상기 기준 위치로 이동시키는 단계;를 포함할 수 있다.
각 릴레이의 온/오프를 제어하는 단계에서는, 제1 릴레이 및 제3 릴레이를 온시키고 제2 릴레이는 오프시킬 수 있다.
본 발명에 따르면 본 발명은, 모터-인버터를 포함하는 충전부를 통해 배터리를 충전하기 전에 모터의 회전자를 기 설정된 기준 위치로 이동시킨 뒤 충전을 진행함으로써, 인버터를 구성하는 전력변환 소자들의 온도를 일정하게 유지시킬 수 있고 그에 따라 인버터의 내구를 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래의 모터-인버터를 사용하는 일반적인 차량용 충전 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 종래의 차량용 충전 시스템에서 충전 시에 모터의 각 상의 인덕턴스의 편차로 인해 발생한 각 상의 전류 불균형으로 인해 인버터 내의 전력변환 소자의 온도 편차가 발생한 것을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 친환경 차량용 충전 시스템을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 충전 시스템에서 회전자를 기 설정된 기준 위치로 이동시킨 후 충전 시에 각 상별 인덕턴스와 각 상에 연결된 전력변환 소자의 온도를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 충전 시스템의 컨트롤러에서 모터의 회전자의 위치를 조정하는 것을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 친환경 차량용 충전 시스템을 이용한 충전 제어방법의 흐름을 나타내는 흐름도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 친환경 차량용 충전 시스템에 대해 살펴본다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 친환경 차량용 충전 시스템을 나타내는 도면이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 충전 시스템에서 회전자를 기 설정된 기준 위치로 이동시킨 후 충전 시에 각 상별 인덕턴스와 각 상에 연결된 전력변환 소자의 온도를 나타내는 도면이며, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 충전 시스템의 컨트롤러에서 모터의 회전자의 위치를 조정하는 것을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 친환경 차량용 충전 시스템은 전력 제공부(100), 충전부(200), 하나 이상의 릴레이(300) 및 컨트롤러(400)를 포함하며, 위치 검출부(500) 및 저장부(600)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
전력 제공부(100)는 차량 배터리(700)를 충전시키기 위한 전력을 제공하는 역할을 한다. 실시예에 따라, 전력 제공부(100)는 차량 배터리를 충전시키기 위한 전력을 제공하는 충전소의 전기 자동차 충전설비(Electric Vehicle Supply Equipment, EVSE)일 수 있다.
충전부(200)는 전력 제공부(100)로부터 제공되는 전력을 공급받아 배터리(700)를 충전하는 역할을 한다. 구체적으로, 충전부(200)는 모터(210) 및 모터(210)와 연결된 인버터(220)를 포함하여 구성될 수 있다. 실시예에 따라, 배터리(700)가 800V이고, 전력 제공부(100)가 400V 충전기인 경우, 충전부(200)는 전력 제공부(100)에서 제공되는 전압을 모터-인버터를 통해 800V로 승압한 후, 승압된 800V의 전압을 배터리(700)에 제공하여 배터리(700)를 충전시킬 수 있다.
한편, 본 발명에서의 모터(210)는 3상 모터일 수 있으며, 인버터(220)는 인버터(220) 내에 서로 연결된 복수의 전력변환 소자(S1-S6)를 통해 모터(210)로부터 3상 신호를 입력 받을 수 있다. 이때, 3상 신호는 모터(210)의 각 상에 입력되는 입력전압 및 입력전류를 포함할 수 있다.
릴레이(300)는 전력 제공부(100)와 배터리(700)를 연결시킬 수 있으며, 도 3에 도시된 바와 같이 릴레이(300)는 전력 제공부(100)와 배터리(700) 사이에 위치한 제1 릴레이(310) 및 제2 릴레이(320)와 전력 제공부(100)와 충전부(200) 사이에 위치한 제3 릴레이(330)를 포함할 수 있다. 제1 릴레이(310), 제2 릴레이(320) 및 제3 릴레이(330)은 추후 설명할 컨트롤러(400)의 제어에 따라 온/오프될 수 있다. 구체적으로 배터리(700)의 용량과 전력 제공부(100)의 용량에 따라 컨트롤러(400)는 제1 릴레이(310), 제2 릴레이(320) 및 제3 릴레이(330)의 온/오프를 제어할 수 있다.
위치 검출부(500)는 모터(210)의 회전자의 위치를 검출하는 역할을 한다. 실시예에 따라, 위치 검출부(500)는 레졸버 또는 엔코더 등일 수 있다. 아울러, 저장부(600)는 모터(210)의 각 상의 인덕턴스가 평형을 이루도록 하는 모터 회전자의 기준 위치 정보를 저장하는 역할을 한다.
컨트롤러(400)는 전력 제공부(100)와 배터리(700)의 용량을 비교하여 제1 릴레이(310), 제2 릴레이(320) 및 제3 릴레이(330)의 온/오프를 제어하여 배터리(700)가 충전되도록 할 수 있다.
구체적으로, 실시예에 따라 배터리(700)와 전력 제공부(100)의 용량이 800V로 동일한 경우, 컨트롤러(400)는 제1 릴레이(310) 및 제2 릴레이(320)를 온시키고, 제3 릴레이(330)는 오프되도록 제어하여 전력 제공부(100)에서 배터리(700)에 전력을 공급하여 해당 배터리(700)가 충전되도록 할 수 있다.
다른 실시예에 따라, 전력 제공부(100)의 용량이 배터리(700)의 용량보다 작은 경우, 컨트롤러(400)는 제1 릴레이(310) 및 제3 릴레이(330)를 온시키고 제2 릴레이(320)는 오프되도록 하여 전력 제공부(100)에서 제공되는 전력을 충전부(200)에서 승압한 후 배터리(700)에 공급하여 배터리(700)가 충전되도록 할 수 있다. 예를 들어, 배터리(700)가 800V이고, 전력 제공부(100)가 400V 충전기인 경우, 컨트롤러(400)는 제1 릴레이(310) 및 제3 릴레이(330)를 온시키고 제2 릴레이(320)는 오프되도록 하여 전력 제공부(100)에서 제공되는 전압을 800V로 승압한 후, 800V의 전압을 배터리(700)에 제공하여 배터리(700)를 충전시킬 수 있다.
한편, 컨트롤러(400)는 전력 제공부(100)의 용량이 배터리(700)의 용량보다 작아 충전부(200)를 통해 전압을 승압한 후 배터리(700)의 충전을 진행해야 하는 경우, 배터리(700)를 충전하기 전에 모터(210)의 회전자를 기 설정된 기준 위치로 이동시킬 수 있다. 이때, 기 설정된 기준 위치는 모터(210)의 각 상의 인덕턴스가 평형을 이루는 위치일 수 있다. 아울러, 기 설정된 기준 위치 정보는 실험을 통해 도출된 실험 값일 수 있으며 상술한 저장부(600)에 저장될 수 있다.
구체적으로, 도 5를 참조하여 컨트롤러(400)에서 모터(210)의 회전자의 위치를 이동시키는 것을 설명하면, 컨트롤러(400)는 전력 제공부(100)의 용량이 배터리(700)의 용량보다 작은 경우, 위치 검출부(500)를 통해 모터(210) 회전자의 위치를 검출하며, 검출된 회전자의 위치와 저장부(600)에 저장된 기준 위치를 비교하고, 검출된 회전자의 위치가 기준 위치와 상이하면, 인버터(220)를 제어하여 회전자를 회전시켜 회전자를 기준 위치로 이동시킬 수 있다.
이처럼, 본 발명에서는 모터(210) 및 인버터(220)를 포함한 충전부(200)를 통해 전력 제공부(100)에서 제공된 전력을 승압한 후 배터리(700)를 충전해야 하는 경우, 충전부(200)를 통해 배터리(700)를 충전하기 전에 컨트롤러(400)에서 모터(210)의 회전자를 기 설정된 위치로 이동시킴으로써, 도 4에 도시된 바와 같이 모터(210)의 각 상의 인덕턴스를 평형으로 맞출 수 있고, 그에 따라 모터(210)의 각 상의 전류 편차를 최소화 시킬 수 있으며, 그에 따라 모터(210)의 각 상에 연결된 인버터(220) 내의 복수의 전력변환 소자들의 온도 편차를 최소화 시켜 인버터(220)의 내구를 보다 향상시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 친환경 차량용 충전 시스템을 이용한 충전 제어방법의 흐름을 나타내는 흐름도이다. 도 6에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 친환경 차량용 충전 시스템을 이용한 충전 제어방법은 전력 제공부의 용량과 배터리의 용량을 비교하는 단계, 전력 제공부의 용량이 배터리의 용량보다 작으면 모터의 회전자를 기 설정된 기준 위치로 이동시키는 단계, 각 릴레이의 온/오프를 제어하는 단계 및 전력 제공부에서 제공되는 전력을 충전부에서 승압시킨 후 배터리에 공급하여 배터리를 충전시키는 단계를 포함할 수 있다. 여기서, 모터는 3상 모터이고 인버터와 연결되며, 기 설정된 위치는 모터의 각 상의 인덕턴스가 평형을 이루는 위치일 수 있다. 아울러, 전력 제공부의 용량과 배터리의 용량을 비교하는 단계 이전에, 모터의 각 상의 인덕턴스가 평형을 이루도록 하는 상기 모터 회전자의 기준 위치 정보를 저장하는 단계를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 전력 제공부의 용량이 배터리의 용량보다 작으면 모터의 회전자를 기 설정된 기준 위치로 이동시키는 단계는, 전력 제공부의 용량이 배터리의 용량보다 작으면 모터의 회전자의 위치를 검출하는 단계, 검출된 회전자의 위치와 기 저장된 기준 위치를 비교하는 단계 및 검출된 회전자의 위치가 기준 위치와 상이하면 인버터를 제어하여 상기 회전자를 회전시켜 상기 기준 위치로 이동시키는 단계를 포함할 수 있다.
아울러, 각 릴레이의 온/오프를 제어하는 단계에서는 제1 릴레이 및 제3 릴레이를 온시키고 제2 릴레이는 오프시킬 수 있다.
한편, 전력 제공부의 용량이 배터리의 용량과 동일한 경우에는 각 릴레이의 온/오프를 제어하는 단계에서 제1 릴레이 및 제2 릴레이를 온시키고 제3 릴레이는 오프시킬 수 있다.
100: 전력 제공부 200: 충전부
210: 모터 220: 인버터
S1-S6: 전력변환 소자
300: 릴레이 310: 제1 릴레이
320: 제2 릴레이
330: 제3 릴레이
400: 컨트롤러 500: 위치 검출부
600: 저장부 700: 배터리

Claims (12)

  1. 차량 배터리를 충전시키기 위한 전력을 제공하는 전력 제공부;
    모터 및 상기 모터와 연결된 인버터를 포함하며, 상기 전력 제공부에서 제공되는 전력을 공급받아 상기 배터리를 충전하는 충전부;
    상기 전력 제공부와 상기 배터리를 연결시키는 하나 이상의 릴레이; 및
    상기 충전부를 통해 상기 배터리를 충전하기 전에 상기 모터의 회전자를 기 설정된 기준 위치로 이동시키는 컨트롤러;를 포함하는 친환경 차량용 충전 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 모터는 3상 모터이며, 상기 기 설정된 기준 위치는 상기 모터의 각 상의 인덕턴스가 평형을 이루는 위치인 것을 특징으로 하는 친환경 차량용 충전 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 모터의 회전자의 위치를 검출하는 위치 검출부; 및
    상기 모터의 각 상의 인덕턴스가 평형을 이루도록 하는 상기 모터 회전자의 기준 위치정보가 저장된 저장부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 차량용 충전 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 컨트롤러는, 상기 위치 검출부에서 검출된 회전자의 위치와 상기 저장부에 저장된 기준 위치를 비교하여, 상기 검출된 회전자의 위치가 상기 기준 위치와 상이하면 상기 인버터를 제어하여 상기 회전자를 회전시켜 상기 기준 위치로 이동시키는 것을 특징으로 하는 친환경 차량용 충전 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 릴레이는 상기 전력 제공부와 상기 배터리를 사이에 위치한 제1 릴레이 및 제2 릴레이와 상기 전력 제공부와 상기 충전부 사이에 위치한 제3 릴레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 차량용 충전 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 컨트롤러는 상기 릴레이의 온/오프를 제어하고, 상기 배터리와 상기 전력 제공부의 용량이 동일한 경우, 상기 제1 릴레이 및 상기 제2 릴레이를 온시켜 상기 전력 제공부에서 상기 배터리에 전력을 공급하여 상기 배터리를 충전시키는 것을 특징으로 하는 친환경 차량용 충전 시스템.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 컨트롤러는 상기 릴레이의 온/오프를 제어하고, 상기 전력 제공부의 용량이 상기 배터리의 용량보다 작은 경우, 상기 제1 릴레이 및 상기 제3 릴레이를 온시켜 상기 전력 제공부에서 제공되는 전력을 상기 충전부에서 승압한 후 상기 배터리에 공급하여 상기 배터리가 충전되도록 하는 것을 특징으로 하는 친환경 차량용 충전 시스템.
  8. 청구항 1의 친환경 차량용 충전 시스템을 이용한 충전 제어방법에 있어서,
    전력 제공부의 용량과 배터리의 용량을 비교하는 단계;
    상기 전력 제공부의 용량이 상기 배터리의 용량보다 작으면 모터의 회전자를 기 설정된 기준 위치로 이동시키는 단계;
    각 릴레이의 온/오프를 제어하는 단계; 및
    상기 전력 제공부에서 제공되는 전력을 충전부에서 승압시킨 후 배터리에 공급하여 배터리를 충전시키는 단계;를 포함하는 친환경 차량용 충전 시스템을 이용한 충전 제어방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 모터는 3상 모터이고 인버터와 연결되며, 상기 기 설정된 위치는 모터의 각 상의 인덕턴스가 평형을 이루는 위치인 것을 특징으로 하는 친환경 차량용 충전 시스템을 이용한 충전 제어방법.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 전력 제공부의 용량과 상기 배터리의 용량을 비교하는 단계 이전에,
    상기 모터의 각 상의 인덕턴스가 평형을 이루도록 하는 상기 모터 회전자의 기준 위치 정보를 저장하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 차량용 충전 시스템을 이용한 충전 제어방법.
  11. 청구항 8에 있어서,
    상기 전력 제공부의 용량이 상기 배터리의 용량보다 작으면 상기 모터의 회전자를 기 설정된 기준 위치로 이동시키는 단계는,
    상기 전력 제공부의 용량이 상기 배터리의 용량보다 작으면 상기 모터의 회전자의 위치를 검출하는 단계;
    상기 검출된 회전자의 위치와 기 저장된 기준 위치를 비교하는 단계; 및
    상기 검출된 회전자의 위치가 상기 기준 위치와 상이하면 인버터를 제어하여 상기 회전자를 회전시켜 상기 기준 위치로 이동시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 차량용 충전 시스템을 이용한 충전 제어방법.
  12. 청구항 8에 있어서,
    각 릴레이의 온/오프를 제어하는 단계에서는,
    제1 릴레이 및 제3 릴레이를 온시키고 제2 릴레이는 오프시키는 것을 특징으로 하는 친환경 차량용 충전 시스템을 이용한 충전 제어방법.
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