KR20210156704A - 변압기 출력 1250 볼트 전압을 사용하는 전동차 직류 충전 시스템 - Google Patents

변압기 출력 1250 볼트 전압을 사용하는 전동차 직류 충전 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 변압기 출력 1250 볼트 전압을 사용하는 전동차 직류 충전 시스템을 제공하고, 이는 삼상 배전 변압기 출력 선 전압이 1250 볼트인 출력단 및 강압형 고주파 PWM 정류 필터링 회로를 포함하고; 상기 출력단은 강압형 고주파 PWM 정류 필터링 회로에 연결되며; 상기 강압형 고주파 PWM 정류 필터링 회로는 충전 컨트롤러를 포함하고, 상기 충전 컨트롤러는 상기 강압형 고주파 PWM 정류 필터링 회로를 제어한다. 상기 정류 회로는 부피가 작고 용량이 커서 전동차에 장착하기 편리하고 충전소 겸용 쾌속 충전 장치를 형성한다. 본 발명은 충전 시스템을 간소화하고 원가를 감소하며 충전 장치 자체의 용전 손실을 감소하여 충전이 더 편리한 변압기 출력 1250 볼트 전압을 사용하는 전동차 직류 충전 시스템을 제공한다.

Description

변압기 출력 1250 볼트 전압을 사용하는 전동차 직류 충전 시스템{Electric vehicle DC charging system using a voltage of 1250 volts output by a transformer}
본 발명은 전동차 쾌속 충전 시스템에 관한 것이고, 특히 변압기 출력 1250 볼트 전압을 사용하는 전동차 직류 충전 시스템에 관한 것이다.
전동차 축전지의 쾌속 충전에 대한 요구를 만족시키기 위해서는, 고성능 직류 충전소를 사용해야 한다. 전자 소자의 성능이 영향을 받을 수 있기에 단일 유닛 공률은 너무 클 수 없으므로, 기존의 고성능 직류 충전소는 다수의 스위치 전원이 병렬되어 이루어지고, 전원은 변압기 출력 삼상 선 전압이 공칭값인 220 v 또는 380 v를 이용하여 전력을 공급한다. 스위치 전원은 Boost 정류 직렬 스위치 유닛을 사용하고, 스위치 전원은 고주파 변압기를 필요로 하며, 제어 장치는 축전지의 충전 요구에 따라 각각의 병렬된 스위치 전원에 대해 공률 분배를 진행한다. 상기 장치에 사용되는 전자 소자가 많기에 전선 연결이 복잡하고 자체적인 장치의 손실도 크며 원가가 높다. 이 밖에, 충전 과정은 플러그 앤 차지(Plug and charge)로서 배전망 부하가 낮을 때 사용하도록 제어하지 않는다.
이를 감안하여, 충전 시스템을 간소화하고 원가를 감소하며 충전 장치 자체의 용전 손실을 감소하고, 부피가 작고 용량이 큰 직류 충전 장치로서 전동차에 장착하기도 편리하고 충전소 겸용 쾌속 충전 장치를 형성하며, 충전이 더 편리하도록 하는 변압기 출력 1250 볼트 전압을 사용하는 전동차 직류 충전 시스템을 제공한다.
본 발명의 목적을 달성하기 위해 아래와 같은 과제의 해결 수단을 사용한다.
변압기 출력 1250 볼트 전압을 사용하는 전동차 직류 충전 시스템은, 삼상 배전 변압기 출력 선 전압이 1250 볼트인 출력단 및 강압형 고주파 PWM 정류 필터링 회로를 포함하고; 상기 출력단은 강압형 고주파 PWM 정류 필터링 회로에 연결되며; 상기 강압형 고주파 PWM 정류 필터링 회로는 충전 컨트롤러를 포함하고, 상기 충전 컨트롤러는 상기 강압형 고주파 PWM 정류 필터링 회로를 제어한다.
상기 삼상 배전 변압기는 1차 고압측 및 2차 저압측을 포함하고, 1차 고압측은 공용 중압 배전망에 접속되며, 2차 저압측 출력 선 전압은 1250 볼트이다.
상기 강압형 고주파 PWM 정류 필터링 회로는 강압형(Buck) 고주파 PWM 정류 필터이다.
상기 강압형 고주파 PWM 정류 필터링 회로는 전동차 차체에 설치되어 쾌속 충전 시스템을 구성하고, 상기 충전 시스템은 차량 내장 충전 소켓을 포함하며, 상기 선 전압이 1250 볼트인 출력단은 충전 플러그를 포함하고, 상기 충전 플러그는 충전 소켓과 연결되어 전동차를 충전한다.
상기 강압형 고주파 PWM 정류 필터는 커패시터 및 인덕터를 포함하고, 상기 커패시터 및 인덕터는 상기 충전 플러그 부분에 설치된다.
상기 충전 컨트롤러에 배전망의 시간대별 전기 요금제에 따라 제어되는 시스템을 설치한다.
상기 변압기는 2차 코일을 포함하고, 상기 2차 코일은 적어도 2개의 병렬 충전 플러그를 포함하며, 상기 충전 시스템은 변압기 용량에 따라 시간대별, 공률별로 각각의 충전 플러그에 전력을 제공한다.
상기 2차 코일은 적어도 2개의 충전소를 더 포함하고, 상기 충전 시스템은 변압기 용량에 따라 시간대별, 공률별로 각각의 충전소에 전력을 제공한다.
본 발명의 유익한 효과는 아래와 같다. 1) 본 발명은 전동차 축전지의 직류 충전 시스템을 제공하고, 1250 볼트를 출력하는 배전 변압기와 강압형 고주파 PWM 정류 필터링 회로를 조합하여 사용함으로써, 스위치 전원 고주파 변압기의 사용을 피하고 소자의 사용 개수를 줄인다. 2) 강압형 고주파 PWM 정류 회로 입력 전압이 높기에, 전환관(switching tube), 다이오드 회로 전류가 감소되고 아울러 직렬된 트랜지스터가 적어 장치 자체의 용전 손실을 감소한다. 3) 단일 장치 용량을 크게 할 수 있고 다수개(Buck) 정류 회로를 병렬하는 것을 통해 용량을 확대할 수 있다. 4) 본 발명은 장치 부피가 작기에 차량에 장착될 수 있고, 삼상 1250 볼트 교류 전원을 사용하여 전력을 공급하면 된다. 5) 본 발명은 장치의 원가가 저렴하고 배전망 부하가 낮은 시간에 충전하는 컨트롤러를 장착하기 편리하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 변압기 출력 1250 볼트 전압을 사용하는 전동차 직류 충전 시스템의 회로도이다.
도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 변압기 출력 1250 볼트 전압을 사용하는 전동차 직류 충전 시스템의 회로도이다.
아래 도면 및 본 발명의 실시예를 참조하여 본 발명을 더 상세히 설명한다.
실시예 1
도 1을 참조하면, 변압기 출력 1250 볼트 전압을 사용하는 전동차 직류 충전 시스템은, 삼상 배전 변압기 출력 선 전압이 1250 볼트인 출력단 및 강압형 고주파 PWM 정류 필터링 회로를 포함하고; 상기 출력단은 강압형 고주파 PWM 정류 필터링 회로에 연결되며; 상기 강압형 고주파 PWM 정류 필터링 회로는 충전 컨트롤러(4)를 포함하고, 상기 충전 컨트롤러(4)는 상기 강압형 고주파 PWM 정류 필터링 회로를 제어한다.
상기 삼상 배전 변압기(1)는 1차 고압측(11) 및 2차 저압측(12)을 포함하고, 1차 고압측(11)은 공용 중압 배전망에 접속되며, 2차 저압측(12) 출력 선 전압은 1250 볼트(상전압 722 볼트)이고, 중성점은 직접 접지된다.
상기 강압형 고주파 PWM 정류 필터링 회로(2)는 강압형 고주파 PWM 정류 필터이다.
상기 삼상 배전 변압기는 1차 고압측 및 2차 저압측을 포함하고, 1차 고압측은 공용 중압 배전망에 접속되며, 2차 저압측 출력 선 전압은 1250 볼트(상전압 722 볼트)이다. 이 전압은 강압형(Buck) 고주파 PWM 정류기에 전력을 공급한다. 전압 값 1250 볼트의 획득은 아래 몇가지 요구를 동시에 만족하는 것을 원칙으로 한다. 1, 배터리 공칭 전압 요구; 2. 배전망이 역률(power factor)에 대한 제어(PFC) 요구; 3. 배전망 전압 진폭의 변동 요구(예를 들면 국가 중압 배전망 전압 품질이 요구하는 진폭의 변동은 ±7%이다); 4. 축전지 충전 종료 전압이 충전지 공칭 전압보다 높아야 된다는 요구; 회로 트랜지스터의 압력 강하가 전반 전압 회로에서의 점유비는 여기에서 고려하지 않는다. 1250 볼트의 계산 방법은 아래와 같다.
상기 배전 변압기 출력 상전압 유효값을 Uo라고 설정하고, 전동차 축전지 공칭 전압을 U1라고 설정한다.
역률 제어 요구를 만족하기 위해 Uo는
Figure pat00001
보다 크거나 같아야 한다.
Figure pat00002
는 전압 최대치를 유효값으로 환산 시의 계수이고;
배전망 전압 변동 7% 요구를 더 만족해야 하기에 1.07을 곱하면
Figure pat00003
이다.
회로 중 트랜지스터 압력 강하 점유비가 작기에 여기서는 고려하지 않는다. 현재 전동차 축전지 전압은 기본적으로 750 볼트 이하이기에 750 볼트 전압으로 계산하면 선 전압은
Figure pat00004
볼트이다. 1135 볼트 선 전압을 취한다.
상기 축전지 충전 종료 전압은 축전지 공칭 전압보다 약 10% 크고, 일부 축전지 충전 종료 전압은 축전지 공칭 전압보다 10% 이상 크다. 충전 후기의 충전 전류가 작기에 배전망이 고조파에 대한 요구를 만족시킬 수 있으므로, 여기서는 10%를 취한다. 마지막으로, 배전 변압기 출력 선 전압은 또 1135×1.1＝1248.5 볼트보다 크거나 같기에 1250 볼트를 취한다.
상술한 계산을 종합하면, 배전 변압기 출력 선 전압이 1250 볼트일 때 공칭단 전압이 750 볼트보다 작거나 같은 모든 축전지를 위해 쾌속 충전이 가능하다.
상기 강압형(Buck) 고주파 PWM 정류 필터링 회로(2)는 교류 필터, 정류 브릿지 및 직류 필터링 회로를 포함하고, 충전 인터페이스에 출력된다. 강압형 고주파 PWM 정류 필터링 회로(2)의 제어는 배전망 역률 요구를 만족하고, 배터리 충전 전략을 만족하도록 변조되고 상응한 보호 회로를 추가하며 이격 구동을 거쳐 PWM 정류 기능을 완성한다. 차량에는 모두 배터리 회로 절연 검출 시스템이 설치되기에, 설치된 시스템이 변압기 2차 코일 중성점 접지를 검출하지 못하도록 하기를 권장하며, 한세트의 변압기 2차 코일이 다수의 충전소를 구비하도록 하여 충전소 설치 투자를 감소한다.
본 실시예에서, 상기 충전 전원은 이격 구동 회로(3)와 충전 컨트롤러(4)를 포함하고, 상기 충전 컨트롤러(4)는 이격 구동 회로(3)을 통해 상기 강압형 고주파 PWM 정류 필터링 회로(2)를 제어한다.
또한, 상기 변압기(1) 출력 선 전압이 1250 볼트인 출력단과 강압형 고주파 PWM 정류 필터링 회로(2) 사이에 보호 회로(5)가 설치되고, 상기 보호 회로(5)는 강압형 고주파 PWM 정류 필터링 회로(2)를 보호한다.
상기 충전 컨트롤러(4)에 배전망의 시간대별 전기 요금제에 따라 제어되는 시스템을 설치하고, 주차 시간이 허락되면 충전 과정이 배전망 부하가 낮아 전기요금이 싼 시간에 이루어질 수 있도록 한다.
상기 변압기는 2차 코일을 포함하고, 상기 2차 코일은 적어도 2개의 병렬 충전 플러그를 포함하며, 상기 충전 시스템은 변압기 용량에 따라 시간대별, 공률별로 각각의 충전 플러그에 전력을 제공한다. 충전 전후의 시간에 차량을 움직일 필요가 없기에, 변압기 용량을 절약하고 사용률을 높인다. 도 1에 도시된 바와 같이 커넥터 K4, K7이다.
상기 2차 코일은 적어도 2개의 충전소를 더 포함하고, 상기 충전 시스템은 변압기 용량에 따라 시간대별, 공률별로 각각의 충전소에 전력을 제공한다. 충전 전후의 시간에 차량을 움직일 필요가 없기에, 변압기 용량을 절약하고 사용률을 높인다.
본 발명의 배전 변압기 2차 저압측 코일은 스마트 충전 컨트롤러(4)를 구비하고, 본 코일에 구비된 각각의 충전소 및 각각의 1250 볼트 전원 플러그를 제어한다. 상기 스마트 충전 컨트롤러(4)는 고장 보호, 전원 도통/차단, 시간대별 제어, 공률별 제어, 변압기 과부하 방지, 전력 스케줄링 시스템과의 통신 및 차량과의 통신 기능을 구비한다. 충전 속도가 빠르기에 주차 시간이 허락되면 상기 스마트 충전 컨트롤러(4)는 차량과 배전망 부하가 낮은 시간대에 충전을 진행하도록 예약 안배한다. 또한 코일 용량이 시간대별, 공률별로 각각의 플러그 또는 충전소에 전력을 제공한다. 다수의 출력단을 설치하고 각각의 포트는 순차적으로 시간에 따라 전력을 공급하여 차량이 충전 종료 후 차량 위치를 옮길 필요가 없기에 변압기 용량을 절약한다. 이 밖에, 배전망 스케줄링 시스템이 직접 본 컨트롤러를 제어하기에, 충전 부하가 배전망 부하가 낮은 시간에 전력을 제공받아 배전망 부하 평형 목적을 달성한다.
본 발명은 강압형 고주파 PWM 정류 필터링 회로(2)의 부피가 작아 차량에 장착되기 편리하고, 충전소 일체형 쾌속 충전 장치로 구성될 수 있다. 주차 지점에 1250 볼트 스마트 제어 플러그를 설치하고, 차량에 충전 소켓을 설치하면 전기가 통한 후 차량 탑재 충전 장치에 전력이 공급된다. 도 1을 참조하면 커넥터(K4), 차량 탑재 충전 컨트롤러는 플러그 컨트롤러를 통해 통신을 진행하여 K1이 스위치와 연동하여 전력을 도통하거나 차단하도록 한다. 차량 탑재 장치는 배터리 요구에 따라 배터리에 충전을 진행한다. 충전 과정은 쾌속 또는 완속 사이 또는 충전 전략에 따라 임의로 설정되어 축전지 수명을 연장할 수 있다. 충전 컨트롤러는 데이터 케이블을 통해 차량밖의 스마트 제어 플러그의 전력 도통 및 차단을 제어할 수 있다.
바람직하게, 상기 강압형 고주파 PWM 정류 필터(2)는 커패시터 및 인덕터를 포함하고, 상기 커패시터 및 인덕터는 상기 충전 플러그 부분에 설치되어 차량 탑재 소자를 감소한다. 본 실시예의 도 1은 배리스터(R1, R2, R3), 인덕터(L1, L2, L3), 커패시터(C1, C2, C3)를 지면 플러그측에 배치하고 차량 탑재 소자는 정류 브릿지 뒤에 배치하였다. 도 1에서 K5가 커넥터이다(K4는 설치하지 않았다).
중요한 것은 차량 탑재 충전 컨트롤러 또는 충전소 컨트롤러는 배전망 부하에 따라 시간대별 전기 요금제로 제어되는 소프트웨어가 설치되어, 주차 시간이 허락되면 충전 과정이 전기요금이 저렴할 때 진행되도록 하여 차량 원가를 절약하고 배전망의 경제적 운행에 유리하다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에서 상기 직류 충전소는 충전소 컨트롤러(4) 및 강압형 고주파 PWM 정류 필터링 회로(2)를 포함하고;
상기 충전소 컨트롤러(4)는 변조 및 보호 회로를 구비하며, 그 출력 신호단은 이격 구동 회로를 거쳐 상기 강압형 고주파 PWM 정류 전환관(V1, V2, V3, V4, V5, V6)의 게이트와 연결되어 전환관의 도통 및 차단을 제어한다.
본 실시예에서, 상기 배전 변압기의 2차 저압측(12)은 하나의 삼상 2차 코일이고, 선 전압이 1250 볼트이며, 직류 충전소는 다수개이고, 2차 코일의 중성점은 직접 접지된다. PWM 변조를 통해 정류 회로 출력 전류 크기 및 출력 역률에 대한 제어를 완료하며, 필터링 회로는 전류 리플(ripple) 상황이 자동차 축전지 충전 요구에 달성하도록 한다. 전반 직류 충전 장치는 출력단자(U2)를 통해 전동차 축전지를 충전한다. 더 확장하면, 도 1에서 K4, K7는 병렬 플러그이고, 시간대별, 공률별 제어 목적을 달성한다.
실시예 2
도 2를 참조하면, 본 실시예와 상기 도 1의 구별은 상기 배전 변압기(1)의 2차 저압측에 다수의 삼상 2차 코일을 설치하고, 이는 2차 코일(12) 및 2차 코일(13)을 포함한다. 상기 2차 코일은 필요에 따라 더 추가할 수 있고, 상기 각각의 코일 중성점은 직접 접지되지 않으며, 그 목적은 각각의 충전소의 전기 이격 요구를 만족하기 위함이다.
그 직류 충전소의 개수와 2차 코일의 개수는 같고, 각각의 2차 코일은 하나의 충전소를 구비하며, 코일 중성점은 릴레이 노드(도 2, J), 배리스터(도 2, R4) 및 리미트 저항(도 2, R)을 통해 병렬 접지된다. 리미트 저항은 저항 값이 아주 크기에 저압 코일 전위 플로팅을 제한하는 작용을 하고, 릴레이 노드는 충전소 작동 시 온(on)되고 비작동 시 폐합 도통되며, 배리스터는 중성점이 과전압을 방지한다. 이를 제외한 부분은 구체적인 실시형태 1과 같다.
본 실시예에서, 상기 2차 코일(13)은 충전 컨트롤러(41), 이격 구동 회로(31) 및 보호 제어 회로(51)을 더 포함한다.
도 1을 참조하면, 상기 도 1에서 1은 배전 변압기이고; L1, L2, L3는 필터링 인덕터이며; C1, C2, C3는 에너지 저장 커패시터이고; V1, V2, V3, V4, V5, V6는 전환관이며; D1, D2, D3, D4, D5, D6는 다이오드이고; D7은 플라이백 다이오드이며; L4는 에너지 저장 인덕터이고; C4는 필터링 커패시터이며; U2는 충전소 출력단이고; R1, R2, R3은 리미트 저항이며; 11은 변압기 고압 코일이고, 12는 변압기 저압 코일이며; K1 및 K6는 연동 스마트 스위치이고; K4, K5, K7는 커넥터이다.
도 2를 참조하면 상기 도 2에서 상기 L1, L2, L3는 필터링 인덕터이며; C1, C2, C3는 에너지 저장 커패시터이고; V1, V2, V3, V4, V5, V6는 전환관이며; D1, D2, D3, D4, D5, D6는 다이오드이고; D7은 플라이백 다이오드이며; L4는 에너지 저장 인덕터이고; C4는 필터링 커패시터이며; U2는 하나의 충전소 출력단이고; U3은 하나의 충전소 출력단이며; R1, R2, R3, R은 배리스터이며; R4는 리미트 저항이고;J는 릴레이 노드이며; 1은 배전 변압기이고, 여기서 11은 변압기 고압 코일이고, 12는 하나의 저압 코일이며, 13은 하나의 저압 코일이며; K1은 연동 스마트 스위치이고; K4, K5, K7는 커넥터이다.
본 발명은 전동차량 충전을 위한 고성능 직류 충전소이고, 상기 충전소는 출력 선 전압이 1250 볼트인 삼상 배전 변압기를 사용하며, 변압기 출력단 및 강압형(Buck) 고주파 PWM 정류 필터링 회로가 연결되어 축전지를 충전한다. 상기 발명은 충전소 구조를 간소화하고 장치 자체의 용전 손실을 감소한다.
이밖에, 강압형(Buck) 고주파 PWM 정류 필터링 충전 장치의 부피가 작기에 차량에 장착될 수 있고 충전소 겸용형 쾌속 충전 방식을 형성할 수 있다. 충전 지점에 선 전압이 1250 볼트인 삼상 전원 플러그선을 설치하고 전원선을 연결하여 차량 쾌속 충전을 진행한다.
장치의 원가가 낮기에 충전 타이밍 컨트롤러를 설치하기 편리하고, 배전망 부하가 낮아 전기요금이 낮은 시간에 차량 탑재 배터리를 충전하도록 제어함으로써 충전 비용을 감소하고 배전망 경제 운행 수준을 향상시킨다.
본 발명은 구체적인 실례를 들어 본 발명의 원리 및 실시형태에 대해 기술하였으나, 이상의 실시예에 대한 설명은 본 발명의 방법 및 그 핵심 사상을 이해하는데 도움을 주고자 하는 것일 뿐; 본 기술분야의 통상의 기술자는 본 발명의 사상에 따라 구체적인 실시형태 및 그 응용범위에서 변화를 주어 배전 변압기 출력 전압의 사용은 1250 볼트에 근접하는 값일 수 있다. 따라서 본 명세서에서 1250 볼트라는 수치는 본 발명에 대한 한정으로 이해해서는 안된다.

Claims (7)

  1. 변압기 출력 1250 볼트 전압을 사용하는 전동차 직류 충전 시스템에 있어서,
    삼상 배전 변압기 출력 선 전압이 1250 볼트인 출력단 및 강압형 고주파 PWM 정류 필터링 회로를 포함하고; 상기 출력단은 강압형 고주파 PWM 정류 필터링 회로에 연결되며;
    상기 강압형 고주파 PWM 정류 필터링 회로는 충전 컨트롤러를 포함하고, 상기 충전 컨트롤러는 상기 강압형 고주파 PWM 정류 필터링 회로를 제어하는 것을 특징으로 하는 변압기 출력 1250 볼트 전압을 사용하는 전동차 직류 충전 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 삼상 배전 변압기는 1차 고압측 및 2차 저압측을 포함하고, 1차 고압측은 공용 중압 배전망에 접속되며, 2차 저압측 출력 선 전압은 1250 볼트인 것을 특징으로 하는 변압기 출력 1250 볼트 전압을 사용하는 전동차 직류 충전 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 강압형 고주파 PWM 정류 필터링 회로는 전동차 차체에 설치되어 쾌속 충전 시스템을 구성하고, 상기 충전 시스템은 차량 내장 충전 소켓을 포함하며, 상기 선 전압이 1250 볼트인 출력단은 충전 플러그를 포함하고, 상기 충전 플러그는 충전 소켓과 연결되어 전동차를 충전하는 것을 특징으로 하는 변압기 출력 1250 볼트 전압을 사용하는 전동차 직류 충전 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 강압형 고주파 PWM 정류 필터는 커패시터 및 인덕터를 포함하고, 상기 커패시터 및 인덕터는 상기 충전 플러그 부분에 설치되는 것을 특징으로 하는 변압기 출력 1250 볼트 전압을 사용하는 전동차 직류 충전 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 충전 컨트롤러에 배전망의 시간대별 전기 요금제에 따라 제어되는 시스템을 설치하는 것을 특징으로 하는 변압기 출력 1250 볼트 전압을 사용하는 전동차 직류 충전 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 변압기는 2차 코일을 포함하고, 상기 2차 코일은 적어도 2개의 병렬 충전 플러그를 포함하며, 상기 충전 시스템은 변압기 용량에 따라 시간대별, 공률별로 각각의 충전 플러그에 전력을 제공하는 것을 특징으로 하는 변압기 출력 1250 볼트 전압을 사용하는 전동차 직류 충전 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 2차 코일은 적어도 2개의 충전소를 더 포함하고, 상기 충전 시스템은 변압기 용량에 따라 시간대별, 공률별로 각각의 충전소에 전력을 제공하는 것을 특징으로 하는 변압기 출력 1250 볼트 전압을 사용하는 전동차 직류 충전 시스템.
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