KR20210133374A - 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템 및 방법 - Google Patents

모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

차량에 마련된 모터 구동 시스템을 활용하여 다양한 전압의 충전 설비를 이용하여 차량 배터리를 충전할 수 있으며 나아가 차량 배터리의 실제 전압 상태에 따라 충전 방식을 선택적으로 결정함으로써 충전 효율을 더욱 향상시킬 수 있는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템 및 방법이 개시된다.

Description

모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR CHARGING USING MOTOR DRIVING SYSTEM}
본 발명은 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템 및 방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는 차량에 마련된 모터 구동 시스템을 활용하여 다양한 전압의 충전 설비를 이용하여 차량 배터리를 충전할 수 있으며 나아가 차량 배터리의 상태에 따라 충전 효율을 더욱 향상시킬 수 있는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 전기 자동차 또는 플러그인 하이브리드 자동차는 외부의 충전 설비에서 제공되는 전력을 제공받아 차량 내 배터리를 충전하고, 충전된 배터리에 저장된 전기 에너지를 이용하여 모터를 구동함으로써 차량의 동력을 생성할 수 있다.
차량 내 배터리를 충전하는 방식은 크게 외부의 교류 충전 전력을 제공받아 배터리 충전에 적합한 크기의 직류 충전 전력으로 변환하는 차량 탑재형 충전기를 이용하여 배터리를 비교적 느린 속도로 충전하는 완속 충전 방식 및 외부의 직류 충전 전력을 직접 배터리로 제공하여 신속하게 배터리를 충전하는 급속 충전 방식의 두가지 충전 방식이 적용되고 있다.
급속 충전 방식의 경우, 충전 설비에서 차량의 배터리를 충전할 수 있는 크기의 전압을 제공하지 못하는 경우 충전이 불가능할 수 있다. 예를 들어, 급속 충전을 위한 충전 설비는 400V의 단일된 전압 규격을 출력하도록 제작되었으나, 차량 내에 사용되는 배터리는 효율 및 주행 가능 거리 향상을 위해 800V 혹은 그 이상의 전압을 가지도록 배터리가 설계될 수 있다. 이러한 경우, 급속 충전 설비는 여전히 400V의 충전 전압을 제공하고 있으나 차량 내 사용되는 배터리는 800V 이상의 전압 사양을 가지므로, 급속 충전 설비를 차량에 직접 연결하여 배터리를 충전하는 것이 불가능하며, 충전을 위해서는 외부의 충전 설비에서 제공된 전압을 승압하기 위한 승압 컨버터가 별도로 요구된다.
그러나, 400V의 전압을 800V 이상으로 승압하기 위한 대용량의 승압 컨버터는 무게와 부피가 매우 클 뿐만 아니라 가격 또한 고가로서 차량 내 구비하기 어려울 뿐만 아니라 차량 내 구비한다고 하더라도 차량의 가격을 크게 상승시키는 원인이 될 수 있다.
이에 당 기술분야에서는 기존 인프라로 구축되어 있는 상대적으로 낮은 전압의 충전 전압을 제공하는 충전 설비의 전압을 제공 받아 추가적 장치 및 추가적 비용 상승 없이 고전압으로 승압하여 배터리로 제공할 수 있는 새로운 충전 기술로서 모터의 중성점으로 제공 받은 외부의 충전 전력을 인버터를 이용하여 변환한 후 배터리로 제공하여 배터리를 충전하는 새로운 기술이 제안되었다(한국공개특허공보 제10-2019-0119778).
기 제안된 모터 구동 시스템을 이용한 충전 기법은, 모터에 구비된 3상 코일과 인버터의 스위칭 소자의 연결 구조를 컨버터가 되도록 제어함으로써 3상 코일이 상호 연결된 중성점으로 입력된 충전 전압을 승압하여 인버터에 연결된 배터리로 인가되게 하는 방식을 적용하고 있다.
이러한 종래의 모터 구동 시스템을 이용한 충전 기법은, 단순히 배터리의 전압 사양에 따라 충전 설비에서 제공된 직류 전압을 직접 배터리로 인가되게 하거나 모터의 중성점으로 직류 전압을 인가 받아 모터 구동 시스템을 이용하여 승압하여 배터리로 제공되게 하는 두가지 모드 중 하나를 선택하여 적용하고 있다.
그러나, 종래의 방식은 배터리의 실제 전압을 기반으로 충전 방식을 결정하지 않으므로, 직접 직류 전압을 배터리로 인가할 수 있는 상황에서도 모터 구동 시스템의 전압 변환 과정을 거쳐 배터리를 충전하는 경우가 발생할 수 있어, 스위칭 손실이나 충전 파워의 감소에 따른 효율 저하 및 충전 시간 증가의 문제가 발생할 수 있다.
KR 10-2019-0119778 A
이에 본 발명은, 차량에 마련된 모터 구동 시스템을 활용하여 다양한 전압의 충전 설비를 이용하여 차량 배터리를 충전할 수 있으며 나아가 차량 배터리의 실제 전압 상태에 따라 충전 방식을 선택적으로 결정함으로써 충전 효율을 더욱 향상시킬 수 있는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템 및 방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,
배터리가 연결된 직류 연결단과 교류 연결단 사이에 연결된 스위칭 소자를 포함하고 상기 스위칭 소자의 온/오프 상태를 조정하여 상기 직류 연결단과 상기 교류 연결단 사이의 전력 변환을 수행하는 인버터;
상기 교류 연결단에 연결된 복수의 코일을 포함하는 모터;
상기 직류 연결단에 일단이 연결된 제1 릴레이와 상기 모터의 중성점에 연결된 제2 릴레이- 상기 제1 릴레이의 타단과 상기 제2 릴레이의 타단은 충전 전력 입력단에 연결됨-; 및
상기 배터리의 전압 검출값과 상기 충전 전력 입력단으로 충전 설비가 제공하는 충전 전압의 최대값을 비교한 결과를 기반으로 상기 제1 릴레이 및 상기 제2 릴레이의 상태를 제어하여 상기 충전 설비로부터 제공되는 충전 전력이 상기 배터리로 제공되게 하는 컨트롤러;
를 포함하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 제1 릴레이를 단락시키고 상기 제2 릴레이를 개방하여 상기 충전 전력이 상기 직류 연결단에 직접 인가되게 하여 상기 배터리를 충전하는 제1 충전 모드 및 상기 제1 릴레이를 개방하고 상기 제2 릴레이를 단락시켜 상기 모터의 중성점으로 상기 충전 전력이 인가되게 하고 상기 스위칭 소자의 온/오프 상태를 제어하여 상기 모터의 중성점으로 인가된 상기 충전 전력을 전압의 크기를 변환하여 상기 직류 연결단에 출력함으로써 상기 배터리를 충전하는 제2 충전 모드 중 하나의 충전 모드를 결정할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 배터리의 전압 검출값이 상기 충전 전압의 최대값보다 낮은 경우 상기 제1 충전 모드로 상기 배터리를 충전할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 배터리가 상기 충전 전압의 최대값에 대응되는 충전상태까지 충전되는데 소요되는 잔여 충전 시간을 연산하고, 상기 잔여 충전 시간이 사전 설정된 기준 시간 보다 큰 경우 상기 제1 충전 모드로 상기 배터리를 충전하고, 상기 잔여 충전 시간이 상기 기준 시간 보다 작거나 같은 경우 상기 제2 충전 모드로 상기 배터리를 충전할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 배터리의 전압 또는 충전상태와 상기 충전 설비에서 제공되는 충전 전류 사이의 관계에 따른 충전 모드 결정 테이블에 상기 배터리의 전압 검출값 및 상기 충전 설비에서 제공되는 충전 전류를 적용하여 상기 제1 충전 모드 및 상기 제2 충전 모드 중 하나를 결정할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 충전 모드 결정 테이블은, 상기 배터리의 전압 또는 충전상태가 낮고 상기 충전 전류가 낮을수록 상기 제1 충전 모드를 수행하고 상기 배터리 전압 또는 충전상태가 높고 상기 충전 전류가 높을수록 상기 제2 충전 모드를 수행하도록 결정될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 제1 충전 모드를 수행하는 중 상기 배터리의 전압 검출값이 상기 충전 전압의 최대값보다 보다 크거나 같아지거나 상기 배터리의 전압 검출값에 대응되는 충전상태가 상기 충전 전압의 최대값에 대응되는 충전상태 보다 크거나 같아지는 경우, 상기 제2 충전 모드로 충전 방식을 변경할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 제1 충전 모드를 수행하는 중 상기 배터리의 전압 검출값이 상기 충전 전압의 최대값보다 보다 크거나 같아지거나 상기 배터리의 전압 검출값에 대응되는 충전상태가 상기 충전 전압의 최대값에 대응되는 충전상태 보다 크거나 같아지는 경우, 상기 충전 설비로 충전 전류 지령을 0으로 제공하고, 이어 상기 충전 설비에서 제공되는 전류가 실질적으로 0이 되는 경우 상기 제1 릴레이를 개방하고 상기 제2 릴레이를 단락시키며, 이어 상기 전류 지령을 증가시킬 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 다른 수단으로서 본 발명은,
배터리가 연결된 직류 연결단과 교류 연결단 사이에 연결된 스위칭 소자를 포함하고 상기 스위칭 소자의 온/오프 상태를 조정하여 상기 직류 연결단과 상기 교류 연결단 사이의 전력 변환을 수행하는 인버터; 상기 교류 연결단에 연결된 복수의 코일을 포함하는 모터; 및 상기 직류 연결단에 일단이 연결된 제1 릴레이와 상기 모터의 중성점에 연결된 제2 릴레이- 상기 제1 릴레이의 타단과 상기 제2 릴레이의 타단은 충전 전력 입력단에 연결됨-를 포함하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 방법으로서,
충전이 개시되면, 상기 배터리의 전압 검출값과 상기 충전 전력 입력단으로 충전 설비가 제공하는 충전 전압의 최대값을 비교하거나, 상기 배터리의 전압 검출값에 대응되는 상기 배터리의 충전상태와 상기 충전 전압의 최대값에 대응되는 충전상태를 비교하는 단계; 및
상기 배터리의 전압 검출값이 상기 충전 전압의 최대값 보다 작거나 상기 배터리의 전압 검출값에 대응되는 상기 배터리의 충전상태가 상기 충전 전압의 최대값에 대응되는 충전상태 보다 작은 경우, 상기 제1 릴레이를 단락시키고 상기 제2 릴레이를 개방하여 상기 충전 전력이 상기 직류 연결단에 직접 인가되게 하여 상기 배터리를 충전하는 제1 충전 모드를 수행하는 단계;
를 포함하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태는, 상기 배터리의 전압 검출값이 상기 충전 전압의 최대값 보다 크거나 같거나 상기 배터리의 전압 검출값에 대응되는 상기 배터리의 충전상태가 상기 충전 전압의 최대값에 대응되는 충전상태 보다 크거나 같은 경우, 상기 제1 릴레이를 개방하고 상기 제2 릴레이를 단락시켜 상기 모터의 중성점으로 상기 충전 전력이 인가되게 하고 상기 스위칭 소자의 온/오프 상태를 제어하여 상기 모터의 중성점으로 인가된 상기 충전 전력을 전압의 크기를 변환하여 상기 직류 연결단에 출력함으로써 상기 배터리를 충전하는 제2 충전 모드를 수행하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태는, 상기 배터리가 상기 충전 전압의 최대값에 대응되는 충전상태까지 충전되는데 소요되는 잔여 충전 시간을 연산하고, 상기 잔여 충전 시간이 사전 설정된 기준 시간 보다 큰 경우 상기 제1 충전 모드를 수행하며, 상기 잔여 충전 시간이 상기 기준 시간 보다 작거나 같은 경우 상기 제1 릴레이를 개방하고 상기 제2 릴레이를 단락시켜 상기 모터의 중성점으로 상기 충전 전력이 인가되게 하고 상기 스위칭 소자의 온/오프 상태를 제어하여 상기 모터의 중성점으로 인가된 상기 충전 전력을 전압의 크기를 변환하여 상기 직류 연결단에 출력함으로써 상기 배터리를 충전하는 제2 충전 모드를 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태는, 상기 배터리의 전압 또는 충전상태와 상기 충전 설비에서 제공되는 충전 전류 사이의 관계에 따른 충전 모드 결정 테이블에 상기 배터리의 전압 검출값 및 상기 충전 설비에서 제공되는 충전 전류를 적용하여 상기 제1 충전 모드 및 상기 제2 충전 모드 중 하나를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 충전 모드 결정 테이블은, 상기 배터리의 전압 또는 충전상태가 낮고 상기 충전 전류가 낮을수록 상기 제1 충전 모드를 수행하고 상기 배터리 전압 또는 충전상태가 높고 상기 충전 전류가 높을수록 상기 제2 충전 모드를 수행하도록 결정될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태는, 상기 제1 충전 모드를 수행하는 중, 상기 배터리의 전압 검출값이 상기 충전 전압의 최대값보다 보다 크거나 같아지거나 상기 배터리의 전압 검출값에 대응되는 충전상태가 상기 충전 전압의 최대값에 대응되는 충전상태 보다 크거나 같아지는 경우, 상기 제1 릴레이를 개방하고 상기 제2 릴레이를 단락시켜 상기 모터의 중성점으로 상기 충전 전력이 인가되게 하고 상기 스위칭 소자의 온/오프 상태를 제어하여 상기 모터의 중성점으로 인가된 상기 충전 전력을 전압의 크기를 변환하여 상기 직류 연결단에 출력함으로써 상기 배터리를 충전하는 제2 충전 모드로 충전 방식을 변경하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태는, 상기 제1 충전 모드를 수행하는 중, 상기 배터리의 전압 검출값이 상기 충전 전압의 최대값보다 보다 크거나 같아지거나 상기 배터리의 전압 검출값에 대응되는 충전상태가 상기 충전 전압의 최대값에 대응되는 충전상태 보다 크거나 같아지는 경우, 상기 충전 설비로 충전 전류 지령을 0으로 제공하고, 이어 상기 충전 설비에서 제공되는 전류가 실질적으로 0이 되는 경우 상기 제1 릴레이를 개방하고 상기 제2 릴레이를 단락시키며, 이어 상기 전류 지령을 증가시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템 및 방법에 따르면, 배터리의 사양이 외부 충전 설비가 제공하는 충전 전압 최대값보다 큰 경우에도 실제 측정된 배터리 전압(즉, 배터리 전압 검출값)이 충전 설비가 제공하는 충전 전압 최대값보다 작은 상태에는, 전압 크기 변환 없이 직접 외부 충전 설비에서 제공되는 충전 전력을 배터리로 인가되게 함으로써 배터리 충전 시간을 감소시키고 충전 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 시스템을 이용한 충전 방법의 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템 및 방법에서 적용되는 충전 모드 결정 테이블의 개념을 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템 및 방법에서 충전 모드 전환 단계를 더욱 상세하게 도시한 흐름도이다.
이하, 첨부의 도면을 참조하여 다양한 실시 형태에 따른 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템 및 방법을 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 충전 시스템은, 차량에 구비된 배터리(110)와 인버터(120) 및 모터(130)와 복수의 릴레이(R11, R12) 및 컨트롤러(150)를 포함하여 구성될 수 있다.
일반적으로, 모터(130)를 구동하기 위한 시스템은, 모터(130)를 구동하기 위한 전력을 저장하는 에너지 저장 장치인 배터리(110)와 배터리(110)에 저장된 직류 전력을 3상의 교류로 변환하여 모터(130)로 제공하는 인버터(120)를 포함할 수 있다. 인버터(120)는 배터리(110)의 양단에 각각 연결된 양(+)단자(121p)와 음(-)단자(121n)를 포함하는 직류 연결단과 직류 연결단 사이에 상호 병렬 관계로 연결되는 세 개의 레그를 가지며, 각 레그에는 두 개의 스위칭 소자(S11과 S12, S13과 S14, S15와 S16)가 서로 직렬 연결되고 두 스위칭 소자의 연결 노드가 각각 모터(130)의 각 상에 연결되는 복수의 모터 연결단(121a, 121b, 121c)이 된다.
모터 구동을 위해서, 모터(130)의 구동을 통해 얻고자 하는 모터(130)의 토크에 해당하는 전류 지령만큼 모터(130)로 전류를 제공할 수 있도록 인버터(120) 내 스위칭 소자(S11-S16)의 펄스폭 변조 제어가 수행될 수 있다. 이와 같이, 모터(130)를 구동하기 위한 에너지 흐름은 도 1의 배터리(110)에서 모터(130) 방향으로 이루어진다.
한편, 모터(130)의 중성점에서 인버터(120)의 직류 연결단(121p, 121n)의 방향으로 파워링이 이루어지는 경우, 인버터(120)의 하나의 레그에 포함된 두 개의 스위칭 소자(S11과 S12, 또는 S13과 S14, 또는 S15와 S16)와 두 스위칭 소자의 연결 노드에 일단이 연결된 모터(130) 내 코일은 중성점 전압을 인버터의 직류 연결단으로 승압하여 제공할 수 있는 하나의 직류 컨버터 회로를 구성할 수 있다.
따라서, 인버터(120)아 모터(130) 내 코일의 연결 구조는 총 3 개의 컨버터 회로가 병렬로 연결된 것과 같으며, 이들 복수의 병렬 연결된 직류 컨버터를 동시 또는 선택적으로 작동시키거나 인터리브드(interleaved)하게 작동하도록 스위칭 소자(S11-S16)를 제어함으로써 중성점(N)의 전압을 승압하여 배터리(110)로 제공할 수 있다.
본 발명의 여러 실시형태는, 외부 충전 설비(예를 들어, EVSE(Electric Vehicle Supply Equipment))(200)로부터 차량의 충전용 입출력 포트(140)으로 제공되는 외부 충전 전력의 최대 전압의 크기와 배터리의 현재 전압(즉, 전압 검출값)에 기반하여, 외부 충전 전력을 배터리(110)로 직접 제공하는 제1 충전 모드와, 외부 충전 전력을 모터(130)의 중성점(N)으로 제공되게 한 후 인버터(120)의 스위칭 소자(S11-S16)의 제어를 통해 승압하여 배터리(110)로 제공되게 하는 제2 충전 모드를 선택적으로 사용하도록 구현될 수 있다.
컨트롤러(150)는 일반적으로 연산이나 판단을 수행하는 알고리즘이나 명령이 저장된 메모리와 메모리에 저장된 알고리즘이나 명령을 실행하여 판단 및 결정을 수행하는 프로세서를 포함한 구조를 가질 수 있다. 본 발명의 여러 실시형태에서, 컨트롤러(150)는 제1 충전 모드 및 제2 충전 모드의 선택, 또는 제1 충전 모드에서 제2 충전 모드로의 전환 여부를 판단하고 결정할 수 있다. 컨트롤러(150)는 기존 차량에 구비된 차량 제어기, 모터 제어기 또는 배터리 관리 시스템 등의 형태로 구현되거나 별도로 차량에 추가적으로 구비될 수도 있다.
컨트롤러(150)의 동작 및 작용 효과는 후술하는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 시스템을 이용한 충전 방법에 대한 설명을 통해 더욱 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 시스템을 이용한 충전 방법의 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 차량의 충전 입출력 포트(140)로 외부 충전 설비(200)가 전기적으로 연결되고 충전 프로세스가 시작되면, 컨트롤러(150)는 차량 내 배터리(110)의 전압을 검출한 전압 검출값(VBAT)과 충전 설비(200)로부터 충전 설비(200)가 제공하는 충전 전력의 충전 전압 최대값(VEVSE,max)을 입력 받고 두 값을 비교할 수 있다(S11).
이어, 컨트롤러(150)는 단계(S12)를 선택적으로 수행하여 충전 모드를 결정할 수 있다. 단계(S12)는 제1 충전 모드를 수행하는 것이 실질적인 이득, 즉 충전 시간을 감소시킬 수 있는 실질적인 효과를 갖는지 판단하기 위한 것이다.
단계(S12)는 배터리(110)가 충전 전압 최대값(VEVSE,max)에 대응되는 충전상태(State Of Charge: SOC)까지 충전되는데 소요되는 잔여 충전 시간을 연산하고, 잔여 충전 시간과 사전 설정된 기준 시간을 비교할 수 있다. 일반적으로 배터리는 SOC에 따라 그 전압이 변경된다. 예를 들어 배터리의 SOC가 높은 경우 배터리 전압은 높게 나타나고 배터리의 SOC가 낮은 경우 배터리 전압은 낮게 나타난다. 따라서, 배터리의 전압을 통해 그에 대응되는 배터리의 SOC를 파악할 수 있다.
전술한 바와 같이, 제1 충전 모드는 배터리(110)로 직류의 충전 전력을 변환 과정 없이 직접 제공하는 모드이고, 제2 충전 모드는 모터(130)와 인버터(120)로 구현되는 승압 컨버터 회로의 스위칭 소자의 스위칭을 통해 전압의 크기를 변환하여 배터리(110)로 충전 전력을 제공하는 모드이다. 제1 충전 모드는 배터리(110)의 전압 검출값이 충전 설비(200)의 충전 전압 최대값보다 작은 경우에 수행되는 것으로 충전에 의해 배터리(110)의 전압 검출값이 충전 전압 최대값 보다 커지는 경우 제2 충전 모드로 전환해야 한다.
또한, 후술하는 바와 같이, 충전 모드의 전환을 위해 릴레이(R11, R2)의 상태를 변경하기 위해서는 충전 설비(200)에서 제공되는 충전 전류를 실질적으로 0으로 감소시킬 필요가 있고 다시 충전을 재개하기 위해서는 충전 전류를 다시 원하는 값으로 증가시켜야 하는데, 충전 전류의 감소 및 증가 시에는 일정한 시간이 소요된다. 즉, 충전 모드를 전환하여 충전이 지속적으로 이루어지게 하기 위해서는 일정 시간이 소요된다. 따라서, 충전 모드의 전환에 소요되는 시간이 제1 충전 모드를 적용하여 감소시킬 수 있는 충전 시간 보다 큰 경우에는, 배터리(110)의 전압 검출값(VBAT)이 충전 전압 최대값(VEVSE,max) 보다 작다고 하더라도 제1 충전 모드를 적용하지 않고 충전 개시 시점부터 제2 충전 모드를 적용하는 것이 더 바람직할 수도 있다.
이러한 점들을 고려하여, 단계(S12)에서, 컨트롤러(150)는 배터리(110)가 충전 전압 최대값(VEVSE,max)에 대응되는 충전상태(State Of Charge: SOC)까지 충전되는데 소요되는 잔여 충전 시간을 연산하고, 잔여 충전 시간과 사전 설정된 기준 시간을 비교하여, 잔여 충전 시간이 더 큰 경우에 제1 충전 모드를 실행하고(S13), 그렇지 않은 경우에 제2 충전 모드를 실행할 수 있다(S15). 여기서 기준 시간은 충전 모드의 전환에 소요되는 시간에 상응할 수 있다.
다른 예로, 단계(S12)에서는 배터리(110)의 SOC와 충전 설비(200)에서 제공되는 충전 전류의 크기에 따라 제1 충전 모드의 실행 여부를 결정할 수 있다.
배터리(110)의 SOC가 낮은 경우에는 제1 충전 모드로 충전하는 시간이 길어지므로 제1 충전 모드를 적용하는 실익이 크다. 또한, 충전 설비(200)로부터 제공되는 충전 전류의 크기가 충분히 크다면 제1 충전 모드를 실행하지 않고 제2 충전 모드만 진행하는 것이 충전 모드 전환 없이 충전 설비(200)의 충전 전압 최대값(VEVSE,max)보다 더 높은 전압까지 배터리를 완충하는데 더 효율적일 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템 및 방법에서 적용되는 충전 모드 결정 테이블의 개념을 설명하는 도면이다.
컨트롤러(150)는, 도 3에 도시된 것과 같이 배터리(110)의 SOC와 충전 전류의 관계에 따라 제1 충전 모드와 제2 충전 모드의 실행 여부를 사전에 결정한 테이블을 사전에 저장하고 이를 활용하여 제1 충전 모드 및 제2 충전 모드의 실행 여부를 결정할 수 있다.
컨트롤러(150)는 단계(S11)을 수행한 후 단계(S12)를 수행하여 충전 모드를 결정하거나, 두 단계(S11, S12) 중 한 단계만 수행하여 충전 모드를 결정할 수도 있다.
단계(S11) 및/또는 단계(S12)의 판단 결과 제1 충전 모드의 실행이 결정되면, 컨트롤러(150)는 제1 릴레이(R11)와 제3 릴레이(R13)을 단락시키고 제2 릴레이(R12)를 개방하여 충전 입출력 포트(140)로 제공되는 충전 전력이 변환 과정 없이 직접 배터리(110)로 제공되게 하여 배터리(110)를 충전할 수 있다(S13).
이어, 컨트롤러(150)는, 제1 충전 모드를 수행하는 중(S13) 배터리(110)의 전압 검출값(VBAT)이 충전 전압의 최대값(VEVSE,max)보다 보다 크거나 같아지거나 배터리(110)의 전압 검출값(VBAT)에 대응되는 SOC가 충전 전압의 최대값(VEVSE,max)에 대응되는 SOC 보다 크거나 같아지는 경우(S14), 제1 릴레이(R11)를 개방하고 제2 릴레이(R12)와 제3 릴레이(R13)을 단락시켜 제1 충전 모드에서 제2 충전 모드로 충전 방식을 변경할 수 있다(S15).
이어, 컨트롤러(110)는 배터리(110)의 SOC가 사전 설정된 목표치까지 이르거나 배터리(110)가 만충되는 경우 충전을 종료하는 것으로 판단하여(S16), 충전 프로세스를 종료할 수 있다.
충전 모드를 전환하는 단계(S14)에서, 컨트롤러(100)는 외부 충전 설비(200)로 충전 전류 지령을 전달하여 충전 설비(200)에서 제공되는 충전 전류의 크기를 조정하면서 릴레이(R11, R12)의 상태를 제어할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템 및 방법에서 충전 모드 전환 단계를 더욱 상세하게 도시한 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 컨트롤러(150)는 제1 충전 모드를 수행하는 중 배터리의 전압 검출값(VBAT)이 충전 전압의 최대값(VEVSE,max)보다 크거나 같아지거나 상기 배터리의 전압 검출값(VBAT)에 대응되는 충전상태가 충전 전압의 최대값(VEVSE,max)에 대응되는 충전상태 보다 크거나 같아지는 경우, 충전 설비(200)로 충전 전류 지령을 0으로 제공하고(S141), 충전 설비(200)에서 제공되는 전류가 실질적으로 0이 된 것으로 확인한 이후(S142), 제1 릴레이(R11)를 개방하고 제2 릴레이(R12)를 단락시켜 모터(130)와 인버터(120)에 의한 전압 크기 변환을 통해 충전이 이루어지는 제2 충전 모드를 수행하도록 회로 구조를 구성하며(S143), 이어 전류 지령을 증가시켜 충전 설비(200)에 제공함으로써 충전 설비(200)로부터 원하는 크기의 전류가 제공될 수 있게 할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 여러 실시형태에 따른 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템 및 방법은, 배터리의 사양이 외부 충전 설비가 제공하는 충전 전압 최대값보다 큰 경우에도 실제 측정된 배터리 전압(즉, 배터리 전압 검출값)이 충전 설비가 제공하는 충전 전압 최대값보다 작은 상태에는, 전압 크기 변환 없이 직접 외부 충전 설비에서 제공되는 충전 전력을 배터리로 인가되게 함으로써 배터리 충전 시간을 감소시키고 충전 효율을 향상시킬 수 있다.
이상에서 본 발명의 특정한 실시형태에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 청구범위의 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
110: 배터리 120: 인버터
121p, 121n: 직류 연결단 121a, 121b, 121c: 모터 연결단
130: 모터 140: 외부 연결 포트
150: 컨트롤러 N: 모터 중성점
S11-S16: 인버터 스위칭 소자
R11, R12, R13: 릴레이

Claims (15)

  1. 배터리가 연결된 직류 연결단과 교류 연결단 사이에 연결된 스위칭 소자를 포함하고 상기 스위칭 소자의 온/오프 상태를 조정하여 상기 직류 연결단과 상기 교류 연결단 사이의 전력 변환을 수행하는 인버터;
    상기 교류 연결단에 연결된 복수의 코일을 포함하는 모터;
    상기 직류 연결단에 일단이 연결된 제1 릴레이와 상기 모터의 중성점에 연결된 제2 릴레이- 상기 제1 릴레이의 타단과 상기 제2 릴레이의 타단은 충전 전력 입력단에 연결됨-; 및
    상기 배터리의 전압 검출값과 상기 충전 전력 입력단으로 충전 설비가 제공하는 충전 전압의 최대값을 비교한 결과를 기반으로 상기 제1 릴레이 및 상기 제2 릴레이의 상태를 제어하여 상기 충전 설비로부터 제공되는 충전 전력이 상기 배터리로 제공되게 하는 컨트롤러;
    를 포함하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    상기 제1 릴레이를 단락시키고 상기 제2 릴레이를 개방하여 상기 충전 전력이 상기 직류 연결단에 직접 인가되게 하여 상기 배터리를 충전하는 제1 충전 모드 및
    상기 제1 릴레이를 개방하고 상기 제2 릴레이를 단락시켜 상기 모터의 중성점으로 상기 충전 전력이 인가되게 하고 상기 스위칭 소자의 온/오프 상태를 제어하여 상기 모터의 중성점으로 인가된 상기 충전 전력을 전압의 크기를 변환하여 상기 직류 연결단에 출력함으로써 상기 배터리를 충전하는 제2 충전 모드 중 하나의 충전 모드를 결정하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    상기 배터리의 전압 검출값이 상기 충전 전압의 최대값보다 낮은 경우 상기 제1 충전 모드로 상기 배터리를 충전하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템.
  4. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    상기 배터리가 상기 충전 전압의 최대값에 대응되는 충전상태까지 충전되는데 소요되는 잔여 충전 시간을 연산하고, 상기 잔여 충전 시간이 사전 설정된 기준 시간 보다 큰 경우 상기 제1 충전 모드로 상기 배터리를 충전하고, 상기 잔여 충전 시간이 상기 기준 시간 보다 작거나 같은 경우 상기 제2 충전 모드로 상기 배터리를 충전하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템.
  5. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    상기 배터리의 전압 또는 충전상태와 상기 충전 설비에서 제공되는 충전 전류 사이의 관계에 따른 충전 모드 결정 테이블에 상기 배터리의 전압 검출값 및 상기 충전 설비에서 제공되는 충전 전류를 적용하여 상기 제1 충전 모드 및 상기 제2 충전 모드 중 하나를 결정하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 충전 모드 결정 테이블은,
    상기 배터리의 전압 또는 충전상태가 낮고 상기 충전 전류가 낮을수록 상기 제1 충전 모드를 수행하고 상기 배터리 전압 또는 충전상태가 높고 상기 충전 전류가 높을수록 상기 제2 충전 모드를 수행하도록 결정된 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템.
  7. 청구항 2에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    상기 제1 충전 모드를 수행하는 중 상기 배터리의 전압 검출값이 상기 충전 전압의 최대값보다 보다 크거나 같아지거나 상기 배터리의 전압 검출값에 대응되는 충전상태가 상기 충전 전압의 최대값에 대응되는 충전상태 보다 크거나 같아지는 경우, 상기 제2 충전 모드로 충전 방식을 변경하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    상기 제1 충전 모드를 수행하는 중 상기 배터리의 전압 검출값이 상기 충전 전압의 최대값보다 보다 크거나 같아지거나 상기 배터리의 전압 검출값에 대응되는 충전상태가 상기 충전 전압의 최대값에 대응되는 충전상태 보다 크거나 같아지는 경우, 상기 충전 설비로 충전 전류 지령을 0으로 제공하고, 이어 상기 충전 설비에서 제공되는 전류가 실질적으로 0이 되는 경우 상기 제1 릴레이를 개방하고 상기 제2 릴레이를 단락시키며, 이어 상기 전류 지령을 증가시키는 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템.
  9. 배터리가 연결된 직류 연결단과 교류 연결단 사이에 연결된 스위칭 소자를 포함하고 상기 스위칭 소자의 온/오프 상태를 조정하여 상기 직류 연결단과 상기 교류 연결단 사이의 전력 변환을 수행하는 인버터; 상기 교류 연결단에 연결된 복수의 코일을 포함하는 모터; 및 상기 직류 연결단에 일단이 연결된 제1 릴레이와 상기 모터의 중성점에 연결된 제2 릴레이- 상기 제1 릴레이의 타단과 상기 제2 릴레이의 타단은 충전 전력 입력단에 연결됨-를 포함하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 방법에 있어서,
    충전이 개시되면, 상기 배터리의 전압 검출값과 상기 충전 전력 입력단으로 충전 설비가 제공하는 충전 전압의 최대값을 비교하거나, 상기 배터리의 전압 검출값에 대응되는 상기 배터리의 충전상태와 상기 충전 전압의 최대값에 대응되는 충전상태를 비교하는 단계; 및
    상기 배터리의 전압 검출값이 상기 충전 전압의 최대값 보다 작거나 상기 배터리의 전압 검출값에 대응되는 상기 배터리의 충전상태가 상기 충전 전압의 최대값에 대응되는 충전상태 보다 작은 경우, 상기 제1 릴레이를 단락시키고 상기 제2 릴레이를 개방하여 상기 충전 전력이 상기 직류 연결단에 직접 인가되게 하여 상기 배터리를 충전하는 제1 충전 모드를 수행하는 단계;
    를 포함하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 배터리의 전압 검출값이 상기 충전 전압의 최대값 보다 크거나 같거나 상기 배터리의 전압 검출값에 대응되는 상기 배터리의 충전상태가 상기 충전 전압의 최대값에 대응되는 충전상태 보다 크거나 같은 경우, 상기 제1 릴레이를 개방하고 상기 제2 릴레이를 단락시켜 상기 모터의 중성점으로 상기 충전 전력이 인가되게 하고 상기 스위칭 소자의 온/오프 상태를 제어하여 상기 모터의 중성점으로 인가된 상기 충전 전력을 전압의 크기를 변환하여 상기 직류 연결단에 출력함으로써 상기 배터리를 충전하는 제2 충전 모드를 수행하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 방법.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 배터리가 상기 충전 전압의 최대값에 대응되는 충전상태까지 충전되는데 소요되는 잔여 충전 시간을 연산하고, 상기 잔여 충전 시간이 사전 설정된 기준 시간 보다 큰 경우 상기 제1 충전 모드를 수행하며, 상기 잔여 충전 시간이 상기 기준 시간 보다 작거나 같은 경우 상기 제1 릴레이를 개방하고 상기 제2 릴레이를 단락시켜 상기 모터의 중성점으로 상기 충전 전력이 인가되게 하고 상기 스위칭 소자의 온/오프 상태를 제어하여 상기 모터의 중성점으로 인가된 상기 충전 전력을 전압의 크기를 변환하여 상기 직류 연결단에 출력함으로써 상기 배터리를 충전하는 제2 충전 모드를 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 방법.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 배터리의 전압 또는 충전상태와 상기 충전 설비에서 제공되는 충전 전류 사이의 관계에 따른 충전 모드 결정 테이블에 상기 배터리의 전압 검출값 및 상기 충전 설비에서 제공되는 충전 전류를 적용하여 상기 제1 충전 모드 및 상기 제2 충전 모드 중 하나를 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 방법.
  13. 청구항 12에 있어서, 상기 충전 모드 결정 테이블은,
    상기 배터리의 전압 또는 충전상태가 낮고 상기 충전 전류가 낮을수록 상기 제1 충전 모드를 수행하고 상기 배터리 전압 또는 충전상태가 높고 상기 충전 전류가 높을수록 상기 제2 충전 모드를 수행하도록 결정된 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 방법.
  14. 청구항 9에 있어서,
    상기 제1 충전 모드를 수행하는 중, 상기 배터리의 전압 검출값이 상기 충전 전압의 최대값보다 보다 크거나 같아지거나 상기 배터리의 전압 검출값에 대응되는 충전상태가 상기 충전 전압의 최대값에 대응되는 충전상태 보다 크거나 같아지는 경우, 상기 제1 릴레이를 개방하고 상기 제2 릴레이를 단락시켜 상기 모터의 중성점으로 상기 충전 전력이 인가되게 하고 상기 스위칭 소자의 온/오프 상태를 제어하여 상기 모터의 중성점으로 인가된 상기 충전 전력을 전압의 크기를 변환하여 상기 직류 연결단에 출력함으로써 상기 배터리를 충전하는 제2 충전 모드로 충전 방식을 변경하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 방법.
  15. 청구항 9에 있어서,
    상기 제1 충전 모드를 수행하는 중, 상기 배터리의 전압 검출값이 상기 충전 전압의 최대값보다 보다 크거나 같아지거나 상기 배터리의 전압 검출값에 대응되는 충전상태가 상기 충전 전압의 최대값에 대응되는 충전상태 보다 크거나 같아지는 경우, 상기 충전 설비로 충전 전류 지령을 0으로 제공하고, 이어 상기 충전 설비에서 제공되는 전류가 실질적으로 0이 되는 경우 상기 제1 릴레이를 개방하고 상기 제2 릴레이를 단락시키며, 이어 상기 전류 지령을 증가시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 방법.
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