KR20200143789A - 전기 화물차의 충전 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기 화물차의 충전 방법에 관한 것으로, a) 온보드 충전부에서 EVSE(Electric Vehicle Supply Equipment)로부터 CP 전압을 입력받는 단계와, b) 배터리 제어부에서 상기 CP 전압을 샘플링하여 평균값을 산출하는 단계와, c) 상기 평균값을 이용하여 주배터리의 충전여부를 판단하는 단계와, d) 상기 c) 단계에서 충전이 필요하다고 판단된 경우, 주배터리를 충전하는 단계를 포함한다.

Description

전기 화물차의 충전 방법{Charging method for an electric truck}

본 발명은 전기 화물차의 충전 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 1톤 상용 전기차에 적합한 충전 방법에 관한 것이다.

최근 환경문제 특히 지구온난화와 기후변화에 대한 관심이 높아지고 다수의 국가가 이산화탄소 배출량 감축에 대한 기후변화협약을 이행하기 위한 논의를 진행되었으며, 이러한 논의에서 지구온난화의 원인은 이산화탄소 발생의 증가이며 이산화탄소의 증가는 자동차에서 내뿜는 탄소가 주범으로 지적된 바가 있다.

탄소배출 규제 정책에 따라 자동차 업계에 석유를 기반으로 한 자동차는 연료 효율을 높이고 탄소 배출 감소를 요구하게 되었으며, 이에 전기에 의해 자동차를 거동시키고, 배기가스를 발생시키지 않는 전기 자동차(Electric Vehicle, EV)가 다양한 형태로 개발되고 있으며, 수요 또한 급속히 증가하고 있는 실정이다.

이러한 전기 자동차(EV)는 외부로부터 전기 에너지를 공급받아 이를 배터리(Battery)에 충전한 후, 배터리에 충전된 전압으로 차륜과 결합된 모터를 통해 기계적 에너지인 동력을 얻는다.

즉, 전기 자동차(EV)는 배터리에 충전된 전압으로 모터를 구동시켜야 하기 때문에 대용량의 충전식 배터리를 사용하며, 이러한 대용량의 충전식 배터리를 충전하기 위한 배터리 충전장치를 구비하고 있다.

그리고 전기 자동차(EV)의 보급 확대를 위해서는 전기 자동차(EV)의 전원을 충전할 수 있는 충전 인프라의 구축이 필수적이다. 특히, 전기 자동차(EV)의 배터리의 용량을 늘리는 것은 차체의 무게를 가중시키는 단점이 있어 한번의 완충으로 전기 자동차(EV)가 운행 가능한 거리는 제한적일 수밖에 없다.

따라서, 전기 자동차(EV)의 중장거리 운행을 위해, 언제 어디서나 전기 자동차(EV)를 충전할 수 있도록 도로망과 연계된 충전소의 설치는 필수적이며 가정용 충전설비와 인프라를 갖추는 것도 또한, 전기 자동차(EV)의 보급확대를 위해 반드시 필요하다.

종래 전기 자동차의 충전장치는 등록특허 10-1903121호(전기자동차용 충전 및 전력변환 겸용 회로, 2018년 9월 20일 등록)에 기재되어 있다.

구체적으로 차량용 전원 공급장치(EVSE: Electric Vehicle Supply Equipment)에서 전원을 공급받아 배터리를 충전하는 OBC(On Board Charger)와 OBC의 전압으로 저전압의 보조 배터리를 충전하는 LDC(Low Voltage DC/DC Converter)를 일체화하는 것을 주요 내용으로 한다.

전기 자동차의 충전은 OBC의 제어 파일럿(Control Pilot, CP) 전압의 레벨을 BMS(Battery Management System)에서 검출하고, 그 CP 전압의 레벨에 따라 충전여부를 결정하게 된다.

그러나 CP 전압에 노이즈가 삽입된 경우 정확한 CP 전압의 검출이 이루어지지 않으며, 노이즈가 삽입된 CP 전압에 따라 충전 제어를 수행함으로써, 충전이 잘 이루어지지 않는 문제점이 있었다.

또한, 종래의 전기 자동차 충전장치는 승용차에 적합한 것이었으며, 화물을 적재하여 큰 부하의 운행을 하는 전기 화물차에 부합하는 충전 방법의 개발이 요구되고 있다.

상기와 같은 문제점을 감안한 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 화물용 전기 자동차에 적합하며, CP 전압에 노이즈가 삽입된 경우에도 정확한 충전 제어가 가능한 전기 화물차의 충전 방법을 제공함에 있다.

상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명 사용 전기 자동차의 충전 방법은, a) 온보드 충전부에서 EVSE(Electric Vehicle Supply Equipment)로부터 CP 전압을 입력받는 단계와, b) 배터리 제어부에서 상기 CP 전압을 샘플링하여 평균값을 산출하는 단계와, c) 상기 평균값을 이용하여 주배터리의 충전여부를 판단하는 단계와, d) 상기 c) 단계에서 충전이 필요하다고 판단된 경우, 주배터리를 충전하는 단계를 포함한다.

본 발명은 전기 화물차에 적합한 용량의 배터리를 충전 제어하되, 노이즈가 삽입된 CP 전압이 수신되는 경우에도 정확한 충전 제어를 수행함으로써, 안정성과 신뢰성을 높일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 충전 방법의 실행을 위한 전기 화물차의 충전 장치 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명 전기 화물차의 충전 방법의 순서도이다.
도 3은 본 발명의 CP 전압을 샘플링 하는 원리를 설명하는 그래프이다.

본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라, 여러가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예에 대한 설명은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 구성요소는 설명의 편의를 위하여 그 크기를 실제보다 확대하여 도시한 것이며, 각 구성요소의 비율은 과장되거나 축소될 수 있다.

'제1', '제2' 등의 용어는 다양한 구성요소를 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소는 위 용어에 의해 한정되어서는 안 된다. 위 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 '제1구성요소'는 '제2구성요소'로 명명될 수 있고, 유사하게 '제2구성요소'도 '제1구성요소'로 명명될 수 있다. 또한, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 표현하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어는 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.

이하에서는, 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 전기 화물차의 충전 방법에 대하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 충전 방법을 구현하기 위한 전기 화물차의 충전 장치 블록 구성도이다.

도 1을 참조하면 충전 장치(10)는, 전기 화물차에 적합한 용량의 주배터리(12)와, 상기 주배터리(12)의 전압보다 낮은 전압의 보조배터리(15)와, EVSE(Electric Vehicle Supply Equipment)(1)로부터 상용 교류전원을 공급받아 직류전원으로 변환하여 주배터리(12)를 충전하는 온보드 충전부(On-Board Charger, OBC, 11)와, 상기 온보드 충전부(11)로부터 CP 전압을 CAN 통신부(16)를 통해 수신하고, CP 전압 레벨 평균값을 산출하고, CP 전압 레벨 평균값에 따라 상기 온보드 충전부(11)를 제어하여 주배터리(12)를 충전하는 배터리 제어부(Battery Management System, BMS, 13)와, 상기 주배터리(12)의 직류전압을 더 낮은 직류전압값으로 변환하여 보조배터리(15)를 충전하는 전압변환부(Low Voltage DC/DC Converter, LDC, 14)를 포함하여 구성될 수 있다.

이하, 상기와 같이 구성되는 충전 장치(10)의 구성과 작용과 함께 본 발명 충전 방법에 대하여 구체적으로 설명한다.

먼저, EVSE(1)는 전기 자동차 충전설비로 상용 교류 전원에서 충전 대상인 전기 자동차까지 안전한 전력 흐름을 제공하고, 탑재형 충전기와 PLC(Power Line Communication) 통신을 통하여 충전설비에 맞는 전류 제한치를 탑재형 충전기로 보내는 역할을 한다.

EVSE(1)는 가정에 구비된 충전 설비이거나 주유소와 같은 자동차 충전소에 구비된 충전스탠드일 수 있다. 따라서 본 명세서 및 특허청구범위에서 EVSE 란 하이브리드 자동차나 전기자동차를 충전할 수 있는 충전 스탠드로써, ICCB(In Cable Control Box) 또는 CCID(Charging Circuit Interrupt Devive) 등을 모두 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.

주배터리(12)는 화물을 운반하기 위한 전기 화물차에 적합한 용량의 것으로 한다.

구체적으로 3.65V, 54Ah 셀(Cell)을 사용한다. 위의 셀들을 7개씩 묶어 하나의 배터리 모듈을 이루며, 배터리 모듈 14개가 하나의 배터리 팩을 이룬다. 즉, 배터리 팩은 98개의 셀을 포함한다.

상기 주배터리(12)는 듀얼 배터리 팩으로 위의 배터리 팩이 2개인 것으로 한다. 즉, 주배터리(12)는 모두 196개의 셀을 포함하는 것으로 한다.

배터리 제어부(13)는 상기 주배터리(12)의 셀 간을 정밀하게 균형을 잡아주며, 모든 셀이 완전 충전상태가 될 수 있도록 제어한다.

그리고 주배터리(12)의 SOC(State of Charge)를 모니터링하여 온보드 충전부(11)에 통보하여, 온보드 충전부(11)가 주배터리(12) SOC가 따라 전력 변환 모드를 동적으로 변환할 수 있도록 한다.

또한, 필요한 경우 주배터리(12)의 SOC를 기반으로 전력 변환 모드를 직접 결정 및 통보할 수도 있도록 한다.

온보드 충전부(11)는 상용 교류 전원(AC)입력과 주배터리(12)를 충전하기 위한 직류전압(DC) 출력을 전기적으로 절연시키며, 상용 교류 전원을 AC 상용 전원을 DC 전원으로 변환하여, 이를 통해 주배터리(12)를 충전하도록 한다.

그리고 주배터리(12)의 SOC에 따라 CC/CV 모드에 따른 전력 변환을 수행하도록 한다. CV 모드는 일정 전압을 유지하면서 충전 동작을 수행하는 것이고, CC 모드는 일정 전류를 유지하면서 충전 동작을 수행하는 것이다.

다만, 충전 배터리의 SOC가 임계값 이상이면, 충전 배터리에는 충전에 따른 과전류가 흐를 수 있게 되는 데, 이러한 경우 충전 배터리는 과전류에 의해 손상될 수 있게 된다. 이를 방지하기 위하여 본 발명에서 배터리 제어부(13)는 주배터리(12)의 SOC를 모니터링하여 임계값보다 작은 경우에는 CV 모드에 따라 충전 동작을 수행하도록 하고, 이상인 경우에는 CC 모드에 따라 충전 동작을 수행하도록 온보드 충전부(11)를 제어한다. 이와 같은 제어에 의하여 충전에 의해 2차 사고 발생을 사전 방지할 수 있다.

전압변환부(14)는 주배터리(12)의 고전압(예를 들어, 360V)을 차량에서 사용되는 저전압(예를 들어, 12V)으로 변환하여, 저전압의 보조배터리(15)의 충전 및 차량 전장부하 전원을 공급하는 역할을 한다.

특히, 본 발명의 온보드 충전부(11)는 EVSE(1)와 연동하여 고전압의 주배터리(12)를 충전하도록 하되, 주배터리(12)의 SOC에 따라 전력 변환 모드를 능동 가변함으로써, 주배터리(12)를 보다 신속하고 안전하게 충전할 수 있도록 한다.

또한, 온보드 충전부(11)는 고전압 스위치, 인덕터, 커패시터, 절연형 트랜스 포머, 릴레이 등을 포함할 수 있다.

온보드 충전부(11)는 충전 포트를 통해 EVSE(1)와 연결되어 EVSE(1)로부터 상용 교류 전원(AC)를 입력 받아 직류 전원(DC)으로 변환한다. 이를 위하여 온보드 충전부(11)는 전압 레벨을 체크하기 위해 EVSE(1)로부터 컨트롤 파일럿(CP: Control Pilot) 전압을 입력 받는다.

이때, 배터리 제어부(13)는 온보드 충전부(11)로부터 전원을 공급받아 미리 설정된 프로그램에 따라 주배터리(12)의 충전 여부를 결정한다.

충전 여부의 결정은 온보드 충전부(11)가 수신한 CP 전압을 샘플링하여 전압 레벨의 평균값을 계산한다.

따라서, 배터리 제어부(13)는 상기 주배터리(12)의 SOC를 검출하는 수단, CAN 통신부(16)를 통해 통신하기 위한 통신수단과 함께 CP 전압의 샘플링 수단과 샘플링된 CP 전압을 이용하여 전압 레벨의 평균값을 산출할 수 있는 설정된 프로그램에 의해 동작하는 하나 이상의 프로세서를 포함하여 구현될 수 있다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기 화물차의 충전 방법의 순서도이다.

도 2를 참조하면, S21단계와 같이 온보드 충전부(11)가 EVSE(1)에서 CP 전압을 수신한다.

상기 EVSE(1)는 컨트롤 파일럿 회로를 포함하는 것으로, EVSE(1)는 온보드 충전부(11)에 전원을 공급하기 위해 컨트롤 파일럿 회로를 통하여 출력 전압을 CP 전압의 신호로 변환할 수 있다.

그 다음, S22단계와 같이 상기 온보드 충전부(11)가 EVSE(1)로부터 CP 전압을 입력받게 되면, 그 CP 전압의 레벨을 CAN 통신부(16)를 통해 배터리 제어부(13)로 제공하고, 배터리 제어부(13)는 CP 전압을 샘플링하여 평균값을 계산한다.

그 다음, S23단계와 같이 상기 배터리 제어부(13)는 CP 전압의 주기 및 CP 전압의 듀티 주기의 카운터값을 계산한다.

그 다음, S24단계와 같이 상기 카운터 값으로 CP 전압 주기 및 CP 전압 듀티주기를 계산한다.

도 3은 본 발명의 CP 전압을 샘플링 하는 원리를 설명하는 그래프이다.

도 3에 도시한 바와 같이 배터리 제어부(13)는 입력된 CP 전압을 CP 듀티 주기 동안 센싱 주기만큼 샘플링하여 얻는 전압 레벨들의 값의 평균값을 계산한다.

상기 CP 듀티 주기는 EVSE(1)에서 미리 정해질 수 있고(예를 들면, 1kHz), 상기 배터리 제어부(13)는 CP 전압 레벨의 평균값을 AD 변환하여 샘플링할 수 있다. 상기 S22 단계에서 CP 전압을 샘플링하여 전압 레벨의 평균값을 계산할 수 있을 뿐만 아니라, CP 전압 주기와 CP 전압 듀티 주기를 계산할 수 있다.

이를 위하여, S23단계와 같이 배터리 제어부(13)는 CP 전압 주기와 CP 전압 듀티 주기의 카운터 값을 계산한다.

다시 도 3을 참조하면, 상기 CP 전압 주기의 카운터 값은 첫 번째 상승 에지(Rising edge)를 인식한 후 두 번째 상승 에지 인식 전까지 카운터를 증가시키고, 두 번째 상승 에지를 인식한 후에는 카운터를 정지시켜 계산할 수 있다. CP 전압 주기의 카운터 값을 계산한 이후에는 카운터를 리셋한 후 재카운트 할 수 있다.

상기 CP 전압 듀티 주기 카운터 값은 첫 번째 상승 에지를 인식 한 후 첫 번째 하강 에지 인식 전까지 카운터를 증가시키고, 첫 번째 하강 에지를 인식한 후에는 카운터를 정지시켜 계산할 수 있다. CP 전압 듀티 주기의 카운터 값을 계산한 이후에는 카운터를 리셋한 후 재카운트 할 수 있다.

상기 S23 단계에서 배터리 제어부(13)가 CP 전압 주기와 CP 전압 듀티 주기의 카운터 값을 각각 계산하면, S24단계와 같이 상기 카운터 값을 기초로 CP 전압 주기와 CP 전압 듀티 주기를 계산할 수 있다.

예를 들면, CP 전압 듀티 주기는 CP 듀티 전압 카운터 값과 CP 전압 카운터 값에 일정 값을 곱하여 계산될 수 있다.

상기 S22 단계에서 CP 전압을 샘플링하여 평균값을 계산하면, 배터리 제어부(13)는 S25단계와 같이 상기 평균값에 근거하여 주배터리(12)에 충전이 필요 한지 여부를 판단한다.

이때 주배터리(12)는 두 개의 배터리 팩으로 이루어지며, 충전 필요 여부는 배터리 팩마다 수행한다.

상기 S25 단계에서 충전이 필요하다고 판단한 경우에는 S26단계의 주배터리(12)를 충전하는 단계로 진행하고, 충전이 필요하지 않다고 판단한 경우에는 종료한다.

이와 같은 과정을 통해 단순하게 CP 전압 레벨을 사용하여 충전 여부를 결정하는 방식이 아닌, CP 전압 레벨의 평균갑을 이용하기 때문에 CP 전압 레벨에 잡음이 삽입된 경우에도 정확한 배터리 충전 제어를 수행할 수 있게 된다.

이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

11:온보드 충전부 12:주배터리
13:배터리 제어부 14:전압변환부
15:보조배터리 16:CAN 통신부

Claims (3)

1. a) 온보드 충전부에서 EVSE(Electric Vehicle Supply Equipment)로부터 CP 전압을 입력받는 단계;
   b) 배터리 제어부에서 상기 CP 전압을 샘플링하여 평균값을 산출하는 단계;
   c) 상기 평균값을 이용하여 주배터리의 충전여부를 판단하는 단계; 및
   d) 상기 c) 단계에서 충전이 필요하다고 판단된 경우, 주배터리를 충전하는 단계를 포함하는 전기 화물차의 충전 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 주배터리는,
   3.65V, 54Ah 셀(Cell) 98개가 집적된 배터리 팩 2개로 이루어지며, 상기 c) 단계는 배터리 팩 각각에 대하여 판단 것을 특징으로 하는 전기 화물차의 충전 방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 b) 단계는,
   CP 전압 주기와 CP 전압 듀티 주기의 카운터 값을 각각 계산하고, 상기 CP 전압 주기의 카운터 값과 상기 CP 전압 듀티 주기의 카운터 값을 기초로 CP 전압 주기와 CP 전압 듀티 주기를 산출하여, CP 전압 레벨의 평균값을 구하는 것을 특징으로 하는 전기 화물차의 충전 방법.

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