KR20230031091A - 전기 차량을 위한 하이브리드 충전 장치, 그것을 포함하는 충전 시스템 및 그것을 이용한 충전 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 하이브리드 충전 장치는, 교류 입력 전력을 제1 직류 전력으로 변환하도록 구성되는 AC-DC 컨버터; 직류 입력 전력을 제2 직류 전력으로 변환하도록 구성되는 DC-DC 컨버터; 상기 제1 직류 전력 및 상기 제2 직류 전력 중 적어도 하나로부터 전기 차량을 위한 충전 전력을 생성하도록 구성되는 전력 합산기; 및 상기 AC-DC 컨버터, 상기 DC-DC 컨버터 및 상기 전력 합산기를 제어하도록 구성되는 충전 컨트롤러를 포함한다.

Description

전기 차량을 위한 하이브리드 충전 장치, 그것을 포함하는 충전 시스템 및 그것을 이용한 충전 방법{HYBRID CHARGING DEVICE FOR ELECTRIC VEHICLE, CHARGING SYSTEM COMPRISING SAME, AND CHARGING METHOD USING SAME}
본 발명은 전기 차량을 위한 하이브리드 충전 기술에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 교류 입력 전력뿐만 아니라 직류 입력 전력을 동시에 공급받아 전기 차량을 위한 충전 전력을 생성하는 기술에 관한 것이다.
최근 세계 각국이 내연기관차의 배기가스 배출을 규제하고, 전기 차량의 대중화를 위한 각종 지원정책이 강화되면서, 전기차 시장과 관련 기술이 뚜렷하게 성장해오고 있다.
향후 전기차 시장의 성장세 유지를 위한 관건은 바로 충전 속도이다. 일반적으로, 일반적으로 전기 차량의 충전기는 가정 등에 마련된 교류 그리드 등과 같은 교류 전원부에서 공급되는 교류 전력을 전기 차량에 적합한 직류 전력으로 변환한 다음 전기 차량에 공급하는 충전 방식을 채용하고 있다.
그러나, 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 과정에서 무시할 수 없는 수준의 전력 손실이 발생하고, 게다가 교류 전력만으로 전기 차량에서 요구되는 직류 전압 레벨의 충전 전력을 생성하기는 역부족이다.
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 교류 전원부로부터의 교류 입력 전력뿐만 아니라 직류 전원부로부터의 직류 입력 전력을 동시에 공급받아 전기 차량을 위한 충전 전력을 생성하는 충전 장치, 상기 충전 장치를 포함하는 충전 시스템 및 상기 충전 장치를 이용한 충전 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타난 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 전기 차량을 위한 하이브리드 충전 장치는, 교류 입력 전력을 제1 직류 전력으로 변환하도록 구성되는 AC-DC 컨버터; 직류 입력 전력을 제2 직류 전력으로 변환하도록 구성되는 DC-DC 컨버터; 상기 제1 직류 전력 및 상기 제2 직류 전력 중 적어도 하나로부터 상기 전기 차량을 위한 충전 전력을 생성하도록 구성되는 전력 합산기; 및 상기 AC-DC 컨버터, 상기 DC-DC 컨버터 및 상기 전력 합산기를 제어하도록 구성되는 충전 컨트롤러를 포함한다.
상기 전력 합산기는, 상기 제1 직류 전력 및 상기 제2 직류 전력이 동시에 입력되는 경우, 상기 제1 직류 전력 및 상기 제2 직류 전력을 합산하여 전기 차량을 위한 충전 전력을 생성하도록 구성될 수 있다.
상기 충전 컨트롤러는, 상기 AC-DC 컨버터 및 상기 DC-DC 컨버터 각각의 동작 상태를 기초로, 상기 AC-DC 컨버터, 상기 DC-DC 컨버터 및 상기 전력 합산기를 제어하도록 구성될 수 있다.
상기 충전 컨트롤러는, 상기 전기 차량의 충전 요구로부터 목표 전력을 설정하도록 구성될 수 있다. 상기 충전 컨트롤러는, 상기 AC-DC 컨버터 및 상기 DC-DC 컨버터 각각의 동작 상태를 기초로, 상기 충전 전력이 상기 목표 전력과 동일하도록 상기 제1 직류 전력 및 상기 제2 직류 전력의 전력값을 설정하도록 구성될 수 있다.
상기 충전 컨트롤러는, 상기 AC-DC 컨버터의 동작 상태를 기초로 상기 AC-DC 컨버터의 제1 출력 허용 전력을 결정하도록 구성될 수 있다. 상기 충전 컨트롤러는, 상기 DC-DC 컨버터의 동작 상태를 기초로 상기 DC-DC 컨버터의 제2 출력 허용 전력을 결정하도록 구성될 수 있다. 상기 충전 컨트롤러는, 상기 제1 출력 허용 전력 및 상기 제2 출력 허용 전력의 합이 상기 목표 전력 이상인 경우, 상기 제1 직류 전력 및 상기 제2 직류 전력 간의 비율이 상기 제1 출력 허용 전력 및 상기 제2 출력 허용 전력 간의 비율과 동일하도록 상기 제1 직류 전력 및 상기 제2 직류 전력의 전력값을 설정하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 충전 시스템은, 솔라 패널, 에너지 저장 시스템 및 전력 변환 시스템을 구비하고, 교류 그리드에 접속되는 전원 시스템; 및 하이브리드 충전 장치를 포함한다. 상기 하이브리드 충전 장치는, 상기 전력 변환 시스템과 상기 교류 그리드로부터 공급되는 교류 입력 전력을 제1 직류 전력으로 변환하도록 구성되는 AC-DC 컨버터; 상기 전력 변환 시스템으로부터 공급되는 직류 입력 전력을 제2 직류 전력으로 변환하도록 구성되는 DC-DC 컨버터; 상기 제1 직류 전력 및 상기 제2 직류 전력 중 적어도 하나로부터 전기 차량을 위한 충전 전력을 생성하도록 구성되는 전력 합산기; 및 상기 AC-DC 컨버터, 상기 DC-DC 컨버터 및 상기 전력 합산기를 제어하도록 구성되는 충전 컨트롤러를 를 포함한다.
상기 전력 합산기는, 상기 제1 직류 전력 및 상기 제2 직류 전력이 동시에 입력되는 경우, 상기 제1 직류 전력 및 상기 제2 직류 전력을 합산하여 전기 차량을 위한 충전 전력을 생성하도록 구성될 수 있다.
상기 충전 컨트롤러는, 상기 AC-DC 컨버터 및 상기 DC-DC 컨버터 각각의 동작 상태를 기초로, 상기 AC-DC 컨버터, 상기 DC-DC 컨버터 및 상기 전력 합산기를 제어하도록 구성될 수 있다.
상기 충전 컨트롤러는, 상기 충전 요구로부터 목표 전력을 설정하도록 구성될 수 있다. 상기 충전 컨트롤러는, 상기 AC-DC 컨버터 및 상기 DC-DC 컨버터 각각의 동작 상태를 기초로, 상기 충전 전력이 상기 목표 전력과 동일하도록 상기 제1 직류 전력 및 상기 제2 직류 전력의 전력값을 설정하도록 구성될 수 있다.
상기 충전 컨트롤러는, 상기 AC-DC 컨버터의 동작 상태를 기초로 상기 AC-DC 컨버터의 제1 출력 허용 전력을 결정하도록 구성될 수 있다. 상기 충전 컨트롤러는, 상기 DC-DC 컨버터의 동작 상태를 기초로 상기 DC-DC 컨버터의 제2 출력 허용 전력을 결정하도록 구성될 수 있다. 상기 충전 컨트롤러는, 상기 제1 출력 허용 전력 및 상기 제2 출력 허용 전력의 합이 상기 목표 전력 이상인 경우, 상기 제1 직류 전력 및 상기 제2 직류 전력 간의 비율이 상기 제1 출력 허용 전력 및 상기 제2 출력 허용 전력 간의 비율과 동일하도록 상기 제1 직류 전력 및 상기 제2 직류 전력의 전력값을 설정하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른, AC-DC 컨버터, DC-DC 컨버터 및 전력 합산기를 포함하는 하이브리드 충전 장치를 이용한 충전 방법은, 상기 AC-DC 컨버터를 제어하여, 교류 입력 전력을 제1 직류 전력으로 변환하는 단계; 상기 DC-DC 컨버터를 제어하여, 직류 입력 전력을 제2 직류 전력으로 변환하는 단계; 및 상기 전력 합산기를 제어하여, 상기 제1 직류 전력 및 상기 제2 직류 전력 중 적어도 하나로부터 상기 전기 차량을 위한 충전 전력을 생성하는 단계를 포함한다.
상기 전기 차량을 위한 충전 전력을 생성하는 단계는, 상기 제1 직류 전력 및 상기 제2 직류 전력이 동시에 입력되는 경우, 상기 제1 직류 전력 및 상기 제2 직류 전력을 합산하여 상기 충전 전력을 생성할 수 있다.
상기 하이브리드 충전 장치를 이용한 충전 방법은, 상기 전기 차량의 충전 요구로부터 목표 전력을 설정하는 단계; 및 상기 AC-DC 컨버터 및 상기 DC-DC 컨버터 각각의 동작 상태를 기초로, 상기 충전 전력이 상기 목표 전력과 동일하도록 상기 제1 직류 전력 및 상기 제2 직류 전력의 전력값을 설정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 직류 전력 및 상기 제2 직류 전력의 전력값을 설정하는 단계는, 상기 AC-DC 컨버터의 동작 상태를 기초로 상기 AC-DC 컨버터의 제1 출력 허용 전력을 결정하는 단계; 상기 DC-DC 컨버터의 동작 상태를 기초로 상기 DC-DC 컨버터의 제2 출력 허용 전력을 결정하는 단계; 및 상기 제1 출력 허용 전력 및 상기 제2 출력 허용 전력의 합이 상기 목표 전력 이상인 경우, 상기 제1 직류 전력 및 상기 제2 직류 전력 간의 비율이 상기 제1 출력 허용 전력 및 상기 제2 출력 허용 전력 간의 비율과 동일하도록 상기 제1 직류 전력 및 상기 제2 직류 전력의 설정값을 설정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 교류 전원부로부터의 교류 입력 전력뿐만 아니라 직류 전원부로부터의 직류 입력 전력을 동시에 공급받아 전기 차량을 위한 충전 전력을 생성할 수 있다. 이에 따라, 전기 차량을 위한 충전 전력을 생성함에 있어서 교류 입력 전력을 단독으로 이용하는 방식보다, 급속 충전이 가능하여 전기 차량의 충전 시간을 단축할 수 있다.
본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 교류 입력 전력을 수신하는 AC-DC 컨버터 및 직류 입력 전력을 수신하는 DC-DC 컨버터 각각의 동작 상태에 따라, AC-DC 컨버터 및 DC-DC 컨버터 각각의 충전 전력에 대한 기여도(분담율)를 조절함으로써, 전력 변환 과정서의 전력 손실을 경감시키고 충전 전력의 생성을 안정적으로 유지할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명에 따른 충전 시스템의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 하이브리드 충전 장치에 의해 이용되는 최적 전력 곡선을 설명하는 데에 참조되는 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 하이브리드 충전 장치를 이용한 충전 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 하이브리드 충전 장치를 이용한 충전 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어들은, 다양한 구성요소들 중 어느 하나를 나머지와 구별하는 목적으로 사용되는 것이고, 그러한 용어들에 의해 구성요소들을 한정하기 위해 사용되는 것은 아니다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 <~부(unit)>와 같은 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 하드웨어, 소프트웨어, 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
도 1은 본 발명에 따른 충전 시스템의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 충전 시스템(1)은, 교류 충전 및 직류 충전이 통합된 형태인 이른바 하이브리드형 충전 방식에 따라, 전기 차량(2)을 위한 직류의 충전 전력을 생성하도록 제공된다.
충전 시스템(1)은, 전원 시스템(5) 및 하이브리드 충전 장치(100)를 포함한다.
전원 시스템(5)은, 솔라 패널(10), 에너지 저장 시스템(20) 및 전력 변환 시스템(PCS: power conversion system)(30)을 구비한다.
솔라 패널(10)은, 태양광 에너지를 직류 전력으로 변환한다. 솔라 패널(10)로부터 생성한 전체 직류 전력은 PCS(30)로 공급된다.
에너지 저장 시스템(20)은, 적어도 하나의 이차 전지(21) 및 배터리 관리 시스템(BMS(22): battery management system)을 포함한다.
PCS(30)는, 교류 전력 공급 기능 및 직류 전력 공급 기능이 통합된 형태를 취하고 있으며, '하이브리드 인버터'라고 칭할 수도 있다. PCS(30)는, 단방향 DC-DC 컨버터(31), 양방향 DC-DC 컨버터(32) 및 양방향 DC-AC 인버터(33)를 포함할 수 있다. 단방향 DC-DC 컨버터(31)는, 솔라 패널(10)로부터 입력되는 직류 전력의 전압 레벨을 에너지 저장 시스템(20)을 위한 다른 전압 레벨의 직류 전력으로 변환할 수 있다. 양방향 DC-DC 컨버터(32)는, 단방향 DC-DC 컨버터(31) 및/또는 양방향 DC-AC 인버터(33)로부터 공급되는 직류 전력의 전압 레벨을 조절하여, 에너지 저장 시스템(20)에 포함된 이차 전지(21)를 충전할 수 있다. 양방향 DC-AC 인버터(33)는, 단방향 DC-DC 컨버터(31) 및/또는 양방향 DC-DC 컨버터(32)로부터 입력되는 직류 전력을 교류로 변환하여 교류 그리드(3)에 공급(판매)하거나 하이브리드 충전 장치(100)에 공급할 수 있다. 예를 들어, 솔라 패널(10)의 전체 직류 전력이 14 [kW(kilowatt)]인 경우, PCS(30)는 14 [kW] 중 일부 직류 전력(예, 8 [kW])은 직류로 변환하고 나머지 직류 전력(예, 6 [kW])은 교류로 변환할 수 있다.
양방향 DC-DC 컨버터(32)는, 에너지 저장 시스템(20)를 방전시켜, 양방향 DC-AC 인버터(33)에 직류 전력을 입력할 수 있다. 양방향 DC-AC 인버터(33)는, 교류 그리드(3)으로부터 입력되는 교류 전력을 직류로 변환하여, 양방향 DC-DC 컨버터(32)에 입력할 수 있다.
BMS(22)는, 이차 전지(21)의 동작 상태(예, 전압, 전류, 온도, SOC)를 모니터링하도록 구성된다. BMS(22)는, PCS(30) 및 하이브리드 충전 장치(100) 중 적어도 하나와 통신 가능하고, 통신을 통해 취득된 데이터에 기초하여 이차 전지(21)의 충방전을 제어한다. 일 예로, 하이브리드 충전 장치(100)가 전기 차량(2)의 충전 전력의 생성을 중단하고 있는 대기 모드인 경우, BMS(22)는 이차 전지(21)의 동작 상태에 따라 이차 전지(21)의 충전 필요성을 판정한다. BMS(22)는, 이차 전지(21)의 충전이 필요한 것으로 판정되는 경우 PCS(30)에 충전 요구를 전달한다. PCS(30)는, BMS(22)의 충전 요구에 응답하여, 교류 그리드(3)으로부터의 교류 전력 및 솔라 패널(10)로부터의 직류 전력 중 적어도 하나로부터 이차 전지(21)를 위한 충전 전력을 생성한 다음 에너지 저장 시스템(20)에 공급한다.
PCS(30)에 의해 생성되는 전체 교류 전력 중, 전기 차량(2)을 위한 충전 전력의 생성에 기여하는 전력을 '교류 입력 전력'이라고 칭하기로 한다. PCS(30)에 의해 생성되는 생성되는 전체 직류 전력 중, 전기 차량(2)을 위한 충전 전력의 생성에 기여하는 전력을 '직류 입력 전력'이라고 칭하기로 한다.
하이브리드 충전 장치(100)는, AC-DC 컨버터(110), DC-DC 컨버터(120), 전력 합산기(130) 및 충전 컨트롤러(140)를 포함한다. 하이브리드 충전 장치(100)는, 충전 커넥터(150)를 더 포함할 수 있다. 충전 커넥터(150)는, 하이브리드 충전 장치(100)의 본체로부터 탈착 가능하도록 제공될 수 있다.
AC-DC 컨버터(110)는, 교류 입력 전력을 제1 직류 전력으로 변환하도록 구성된다. 일 예로, 교류 그리드(3)에서 7 [kW]의 교류 전력 및 PCS(30)에서 7 [kW]의 교류 전력이 하이브리드 충전 장치(100)에 공급되는 경우, 교류 입력 전력은 14 [kW]이다. 구체적으로, AC-DC 컨버터(110)의 입력단은 PCS(30)의 교류 출력단과 교류 그리드(3)에 접속되고, AC-DC 컨버터(110)의 출력단은 전력 합산기(130)의 입력단에 접속된다. 제1 직류 전력은, 전기 차량(2)을 위한 충전 전력을 생성하는 데에 이용되며, 소정의 전압 레벨 또는 전류 레벨을 가진다.
DC-DC 컨버터(120)는, 직류 입력 전력을 제2 직류 전력으로 변환하도록 구성된다. 일 예로, 에너지 저장 시스템(20)에서 7 [kW]의 직류 전력 및 PCS(30)에서 7 [kW]의 직류 전력이 하이브리드 충전 장치(100)에 공급되는 경우, 직류 입력 전력은 14 [kW]이다. 구체적으로, DC-DC 컨버터(120)의 입력단은 PCS(30)의 직류 출력단에 접속되고, DC-DC 컨버터(120)의 출력단은 전력 합산기(130)의 입력단에 접속된다. 제2 직류 전력 또한 전기 차량(2)을 위한 충전 전력을 생성하는 데에 이용되며, 소정의 전압 레벨 또는 전류 레벨을 가진다.
AC-DC 컨버터(110)와 DC-DC 컨버터(120) 각각의 출력단은 전력 합산기(130)에 대해 병렬로 접속되어 있다. 전력 합산기(130)는, AC-DC 컨버터(110)로부터의 제1 직류 전력과 DC-DC 컨버터(120)로부터의 제2 직류 전력을 합산하여, 전기 차량(2)을 위한 충전 전력을 생성하도록 구성된다. 물론, AC-DC 컨버터(110) 및 DC-DC 컨버터(120) 중 어느 하나가 대기 모드인 경우, 전력 합산기(130)는 AC-DC 컨버터(110) 및 DC-DC 컨버터(120) 중 동작 모드인 다른 하나로부터의 직류 전력만을 이용하여 전기 차량(2)을 위한 충전 전력을 생성할 수 있다. 전력 합산기(130)는, 제1 직류 전력과 제2 직류 전력 간의 역류를 방지하고, 둘 간의 존재 가능한 전압차를 완충함과 아울러, 충전 컨트롤러(140)로부터의 요구에 맞춰 제1 직류 전력과 제2 직류 전력 각각의 전류 레벨을 제한할 수 있다. 전력 합산기(130)로는, 예컨대 로드 쉐어링 IC(load sharing IC)가 이용될 수 있다.
충전 컨트롤러(140)는, 하드웨어적으로 ASICs(application specific integrated circuits), DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays), 마이크로 프로세서(microprocessors), 기타 기능 수행을 위한 전기적 유닛 중 적어도 하나를 이용하여 구현될 수 있다. 충전 컨트롤러(140)에는 메모리가 내장될 수 있다. 메모리는, 예컨대 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드디스크 타입(hard disk type), SSD 타입(Solid State Disk type), SDD 타입(Silicon Disk Drive type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 램(random access memory; RAM), SRAM(static random access memory), 롬(read-only memory; ROM), EEPROM(electrically erasable programmable read-only memory), PROM(programmable read-only memory) 중 적어도 하나의 타입의 저장매체를 포함할 수 있다. 메모리에는, 충전 컨트롤러(140)에 의한 연산 동작에 요구되는 데이터 및 프로그램이 기록될 수 있다.
충전 컨트롤러(140)는, AC-DC 컨버터(110), DC-DC 컨버터(120) 및 전력 합산기(130) 각각의 동작을 제어한다. 충전 커넥터(150)는, 전기 차량(2)과 하이브리드 충전 장치(100) 간의 충전 전력과 통신을 중계한다. 충전 커넥터(150)에는 통신선이 구비되며, 충전 컨트롤러(140)에 구비된 통신 회로는 충전 커넥터(150)의 통신선을 통해 전기 차량(2)과 양방향 통신을 수행할 수 있다. 충전 컨트롤러(140)는, 전기 차량(2)에 접속된 충전 커넥터(150)를 통해 전기 차량(2)으로부터의 충전 요구를 수신할 수 있다. 통신 회로는, 충전 컨트롤러(140)와 전기 차량(2) 간의 유선 통신 또는 무선 통신을 지원하도록 구성된다. 유선 통신은 예컨대 캔(CAN: contoller area network) 통신일 수 있고, 무선 통신은 예컨대 지그비나 블루투스 통신일 수 있다. 물론, 충전 컨트롤러(140)와 전기 차량(2) 간의 유무선 통신을 지원하는 것이라면, 통신 프토토콜의 종류는 특별히 한정되는 것은 아니다.
충전 컨트롤러(140)의 통신 회로는 또한 에너지 저장 시스템(20) 및 PCS(30) 중 적어도 하나와의 통신을 담당할 수 있다. 충전 컨트롤러(140)는, 에너지 저장 시스템(20) 및 PCS(30) 중 하나를 중계기로서 이용하여 다른 하나와의 통신을 수행할 수 있다. 일 예로, 충전 컨트롤러(140)는, 전기 차량(2)의 충전 요구에 응답하여 BMS(22)에게 충전 시작 명령을 전송하고, BMS(22)는 충전 시작 명령을 PCS(30)에게 전달할 수 있다. 다른 예로, 충전 컨트롤러(140)는, 전기 차량(2)으로부터의 충전 요구에 응답하여 PCS(30)에게 충전 시작 명령을 전송하고, PCS(30)는 충전 시작 명령을 BMS(22)에게 전달할 수 있다. PCS(30)는 충전 시작 명령에 응답하여, 이차 전지(21)에 대한 충방전을 정지할 수 있고, 솔라 패널(10)이 동작 중이라면 솔라 패널(10)로부터의 직류 전력을 교류로 변환하여 AC-DC 컨버터(110)에 공급할 수 있다.
전기 차량(2)의 충전 진행 중, 전기 차량(2)은 그에 구비된 배터리 팩의 충전 상황에 맞춰, 주기적 또는 비주기적으로 충전 요구를 변경할 수 있다. 충전 요구는, 전기 차량(2)에 대해 미리 정해진 충전 프로토콜에 따른 충전 전력의 희망 전압 레벨 및/또는 희망 전류 레벨을 나타내는 데이터를 포함할 수 있다. 충전 컨트롤러(140)는, 전기 차량(2)으로부터의 충전 요구로부터 전기 차량(2)이 요구하는 충전 전력 즉, 목표 전력을 설정할 수 있다. 일 예로, 목표 전력은, 전기 차량(2)으로부터 가장 최근에 수신된 충전 요구의 희망 전압 레벨 및 희망 전류 레벨의 곱과 동일할 수 있다. 충전 컨트롤러(140)는, AC-DC 컨버터(110) 및 DC-DC 컨버터(120) 각각의 동작 상태를 기초로, 전력 합산기(130)에서 생성되는 충전 전력이 목표 전력과 동일하도록 제1 직류 전력 및 제2 직류 전력을 조절할 수 있다.
충전 컨트롤러(140)는, AC-DC 컨버터(110) 및 DC-DC 컨버터(120) 각각의 동작 상태를 감시할 수 있다. 동작 상태는, 온도, 입력 전압, 입력 전류 등과 같이 동작 성능(예, 전력 변환 효율)에 의존성을 가지는 측정 가능한 파라미터(들)로부터 결정될 수 있다. 충전 컨트롤러(140)는, AC-DC 컨버터(110) 및 DC-DC 컨버터(120) 각각의 동작 상태를 점수화하고, 점수화된 동작 상태에 따라 AC-DC 컨버터(110) 및 DC-DC 컨버터(120)를 제어할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 하이브리드 충전 장치(100)에 의해 이용되는 최적 전력 곡선을 설명하는 데에 참조되는 도면이다. 도 2는, AC-DC 컨버터(110)와 DC-DC 컨버터(120) 각각의 동작 상태가 0~100의 범위로 점수화된 것을 예시하고 있다.
충전 컨트롤러(140)는, 전기 차량(2)의 충전 중, 제1 최적 전력 곡선(210)을 이용하여, AC-DC 컨버터(110)의 점수화된 동작 상태에 대응하는 제1 직류 전력의 제1 출력 허용 전력을 결정할 수 있다. 또한, 충전 컨트롤러(140)는, 전기 차량(2)의 충전 중, 제2 최적 전력 곡선(220)을 이용하여, DC-DC 컨버터(120)의 점수화된 동작 상태에 대응하는 제2 직류 전력의 제2 출력 허용 전력을 결정할 수 있다. 제1 최적 전력 곡선(210)은 AC-DC 컨버터(110)의 동작 상태와 제1 출력 허용 전력 간의 관계로서 미리 주어진 맵 또는 함수이고, 제2 최적 전력 곡선(220)은 DC-DC 컨버터(120)의 동작 상태와 제2 출력 허용 전력 간의 관계로서 미리 주어진 맵 또는 함수이다. 일 예로, 전기 차량(2)의 충전 중의 특정 시점에서, AC-DC 컨버터(110)의 점수화된 동작 상태가 A이고, DC-DC 컨버터(120)의 점수화된 동작 상태가 B인 경우, 제1 출력 허용 전력은 X [kW]로 결정되고, 제2 출력 허용 전력은 Y [kW]로 결정된다. 충전 컨트롤러(140)는, 제1 직류 전력 및 제2 직류 전력이 각각 제1 출력 허용 전력과 제2 출력 허용 전력 이하가 되도록 제한함으로써, AC-DC 컨버터(110) 및 DC-DC 컨버터(120)를 과부하로부터 보호할 수 있다.
충전 컨트롤러(140)는, 제1 출력 허용 전력 및 제2 출력 허용 전력의 합을 목표 전력과 비교하여, AC-DC 컨버터(110)에 요구할 제1 직류 전력의 크기 및 DC-DC 컨버터(120)에게 요구할 제2 직류 전력의 크기를 결정할 수 있다.
충전 컨트롤러(140)는, 제1 출력 허용 전력 및 제2 출력 허용 전력의 합이 목표 전력 이상인 경우, 제1 직류 전력 및 제2 직류 전력 간의 비율이 제1 출력 허용 전력 및 제2 출력 허용 전력 간의 비율과 동일하도록 제1 직류 전력 및 제2 직류 전력을 조절할 수 있다. 즉, 목표 전력, 제1 출력 허용 전력, 제2 출력 허용 전력, 제1 직류 전력 및 제2 직류 전력은, 다음의 수식 1 및 수식 2에 따른 조건을 만족할 수 있다.
<수식 1> 제1 직류 전력 = (제1 출력 허용 전력 × 목표 전력)/(제1 출력 허용 전력 + 제2 출력 허용 전력)
<수식 2> 제2 직류 전력 = (제2 출력 허용 전력 × 목표 전력)/(제1 출력 허용 전력 + 제2 출력 허용 전력)
충전 컨트롤러(140)는, 제1 출력 허용 전력 및 제2 출력 허용 전력의 합이 목표 전력 미만인 경우, 제1 직류 전력 및 제2 직류 전력 각각을 제1 출력 허용 전력 및 제2 출력 허용 전력과 동일하게 설정할 수 있다.
충전 컨트롤러(140)는, 전기 차량(2)의 충전 중, AC-DC 컨버터(110)의 입력단을 통해 교류 입력 전력을 감시할 수 있고, DC-DC 컨버터(120)의 입력단을 통해 직류 입력 전력을 감시할 수 있다.
충전 컨트롤러(140)는, 교류 입력 전력이 제1 출력 허용 전력 이상이고, 직류 입력 전력이 제2 출력 허용 전력보다 작은 경우, 교류 입력 전력을 감소시키고 직류 입력 전력을 증가시키기 위해, PCS(30)에게 제1 전력 조절 명령을 전송할 수 있다. PCS(30)는, 제1 전력 조절 명령에 응답하여, 솔라 패널(10)의 전체 직류 전력 중 양방향 DC-DC 컨버터(32)에 공급되는 직류 전력을 기준값만큼 증가시키고 양방향 DC-AC 인버터(33)에 공급되는 직류 전력을 기준값만큼 감소시킬 수 있다.
충전 컨트롤러(140)는, 교류 입력 전력이 제1 출력 허용 전력보다 작고, 직류 입력 전력이 제2 출력 허용 전력 이상인 경우, 교류 입력 전력을 증가시키고 직류 입력 전력을 감소시키기 위해, PCS(30)에게 제2 전력 조절 명령을 전송할 수 있다. PCS(30)는, 제2 전력 조절 명령에 응답하여, 솔라 패널(10)의 전체 직류 전력 중 양방향 DC-DC 컨버터(32)에 공급되는 직류 전력을 기준값만큼 감소시키고 양방향 DC-AC 인버터(33)에 공급되는 직류 전력을 기준값만큼 증가시킬 수 있다. 기준값은, 교류 입력 전력과 제1 출력 허용 전력 간의 차이 및 직류 입력 전력과 제2 출력 허용 전력 간의 차이 중 더 작은 것과 동일할 수 있다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 하이브리드 충전 장치(100)를 이용한 충전 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다. 도 3의 방법은, 하이브리드 충전 장치(100)가 충전 커넥터(150)를 통해 전기 차량(2)으로부터의 충전 요구를 수신한 것에 응답하여 실행될 수 있다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 단계 S300에서, 충전 컨트롤러(140)는, 전기 차량(2)의 충전 요구로부터 목표 전력을 설정한다.
단계 S312에서, 충전 컨트롤러(140)는, AC-DC 컨버터(110)의 제1 출력 허용 전력을 결정한다.
단계 S314에서, 충전 컨트롤러(140)는, DC-DC 컨버터(120)의 제2 출력 허용 전력을 결정한다.
단계 S320에서, 충전 컨트롤러(140)는, 제1 출력 허용 전력 및 제2 출력 허용 전력의 합이 목표 전력 이상인지 여부를 판정한다. 단계 S320의 값이 "예"인 경우, 단계 S330으로 진행한다. 단계 S320의 값이 "아니오"인 경우, 단계 S340으로 진행한다.
단계 S330에서, 충전 컨트롤러(140)는, (i)제1 직류 전력 및 제2 직류 전력의 합이 목표 전력과 동일하고, (ii)제1 직류 전력 및 제2 직류 전력 간의 비율이 제1 출력 허용 전력 및 제2 출력 허용 전력 간의 비율과 동일하도록, 제1 직류 전력 및 제2 직류 전력의 전력값을 설정한다.
단계 S340에서, 충전 컨트롤러(140)는, 제1 출력 허용 전력 및 제2 출력 허용 전력과 각각 동일하도록 제1 직류 전력 및 제2 직류 전력의 전력값을 설정한다.
단계 S350에서, 충전 컨트롤러(140)는, AC-DC 컨버터(110)를 제어하여 교류 입력 전력을 제1 직류 전력으로 변환하고, DC-DC 컨버터(120)를 제어하여 직류 입력 전력을 제2 직류 전력으로 변환한다. 즉, AC-DC 컨버터(110)는, 단계 S330 또는 단계 S340에서 충전 컨트롤러(140)에 의해 설정된 전력값에 따라 제1 직류 전력을 생성한다. DC-DC 컨버터(120)는, 단계 S330 또는 단계 S340에서 충전 컨트롤러(140)에 의해 설정된 전력값에 따라 제2 직류 전력을 생성한다.
단계 S360에서, 충전 컨트롤러(140)는, 전력 합산기(130)를 제어하여, 제1 직류 전력 및 제2 직류 전력 중 적어도 하나로부터 전기 차량(2)을 위한 충전 전력을 생성한다. 제1 직류 전력 및 상기 제2 직류 전력이 동시에 입력되는 경우, 전력 합산기(130)에 의해 생성되는 충전 전력은 제1 직류 전력 및 제2 직류 전력의 합과 동일하다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 하이브리드 충전 장치(100)를 이용한 충전 방법을 예시적으로 보여주는 순서도이다. 도 4의 방법은, 하이브리드 충전 장치(100)가 충전 커넥터(150)를 통해 전기 차량(2)으로부터의 충전 요구를 수신한 것에 응답하여 실행될 수 있다.
도 1, 도 2 및 도 4를 참조하면, 단계 S400에서, 충전 컨트롤러(140)는, 전기 차량(2)의 충전 요구로부터 목표 전력을 설정한다.
단계 S412에서, 충전 컨트롤러(140)는, AC-DC 컨버터(110)의 교류 입력 전력 및 제1 출력 허용 전력을 결정한다.
단계 S414에서, 충전 컨트롤러(140)는, DC-DC 컨버터(120)의 직류 입력 전력 및 제2 출력 허용 전력을 결정한다.
단계 S420에서, 충전 컨트롤러(140)는, 교류 입력 전력이 제1 출력 허용 전력 이상이고, 직류 입력 전력이 제2 출력 허용 전력 미만인지 여부를 판정한다. 단계 S420의 값이 "예"인 경우, 단계 S422로 진행한다.
단계 S422에서, 충전 컨트롤러(140)는, PCS(30)에게 제1 전력 조절 명령을 전송한다. PCS(30)는, 제1 전력 조절 명령에 응답하여, 교류 입력 전력을 감소시키고 직류 입력 전력을 증가시킨다.
단계 S430에서, 충전 컨트롤러(140)는, 교류 입력 전력이 제1 출력 허용 전력 미만이고, 직류 입력 전력이 제2 출력 허용 전력 이상인지 여부를 판정한다. 단계 S430의 값이 "예"인 경우, 단계 S432로 진행한다.
단계 S432에서, 충전 컨트롤러(140)는, PCS(30)에게 제2 전력 조절 명령을 전송한다. PCS(30)는, 제2 전력 조절 명령에 응답하여, 교류 입력 전력을 증가시키고 직류 입력 전력을 감소시킨다.
단계 S440에서, 충전 컨트롤러(140)는, 제1 출력 허용 전력 및 제2 출력 허용 전력의 합이 목표 전력 이상인지 여부를 판정한다. 단계 S440의 값이 "예"인 경우, 단계 S450으로 진행한다. 단계 S440의 값이 "아니오"인 경우, 단계 S450으로 진행한다.
단계 S450에서, 충전 컨트롤러(140)는, (i)제1 직류 전력 및 제2 직류 전력의 합이 목표 전력과 동일하고, (ii)제1 직류 전력 및 제2 직류 전력 간의 비율이 제1 출력 허용 전력 및 제2 출력 허용 전력 간의 비율과 동일하도록, 제1 직류 전력 및 제2 직류 전력의 전력값을 설정한다.
단계 S460에서, 충전 컨트롤러(140)는, 제1 출력 허용 전력 및 제2 출력 허용 전력과 각각 동일하도록 제1 직류 전력 및 제2 직류 전력의 전력값을 설정한다.
단계 S470에서, 충전 컨트롤러(140)는, AC-DC 컨버터(110)를 제어하여 교류 입력 전력을 제1 직류 전력으로 변환하고, DC-DC 컨버터(120)를 제어하여 직류 입력 전력을 제2 직류 전력으로 변환한다.
단계 S480에서, 충전 컨트롤러(140)는, 전력 합산기(130)를 제어하여, 제1 직류 전력 및 제2 직류 전력 중 적어도 하나로부터 전기 차량(2)을 위한 충전 전력을 생성한다. 제1 직류 전력 및 상기 제2 직류 전력이 동시에 입력되는 경우, 전력 합산기(130)에 의해 생성되는 충전 전력은 제1 직류 전력 및 제2 직류 전력의 합과 동일하다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
또한, 이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니라, 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수 있다.
1: 충전 시스템 2: 전기 차량
3: 교류 그리드 10: 솔라 패널
20: 에너지 저장 시스템 30: 전력 변환 시스템
100: 하이브리드 충전 장치
110: AC-DC 컨버터 120: DC-DC 컨버터
130: 전력 합산기 140: 충전 컨트롤러

Claims (14)

  1. 전기 차량을 위한 하이브리드 충전 장치에 있어서,
    교류 입력 전력을 제1 직류 전력으로 변환하도록 구성되는 AC-DC 컨버터;
    직류 입력 전력을 제2 직류 전력으로 변환하도록 구성되는 DC-DC 컨버터;
    상기 제1 직류 전력 및 상기 제2 직류 전력 중 적어도 하나로부터 상기 전기 차량을 위한 충전 전력을 생성하도록 구성되는 전력 합산기; 및
    상기 AC-DC 컨버터, 상기 DC-DC 컨버터 및 상기 전력 합산기를 제어하도록 구성되는 충전 컨트롤러를 포함하는 하이브리드 충전 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전력 합산기는,
    상기 제1 직류 전력 및 상기 제2 직류 전력이 동시에 입력되는 경우, 상기 제1 직류 전력 및 상기 제2 직류 전력을 합산하여 전기 차량을 위한 충전 전력을 생성하도록 구성되는 하이브리드 충전 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 충전 컨트롤러는,
    상기 AC-DC 컨버터 및 상기 DC-DC 컨버터 각각의 동작 상태를 기초로, 상기 AC-DC 컨버터, 상기 DC-DC 컨버터 및 상기 전력 합산기를 제어하도록 구성되는 하이브리드 충전 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 충전 컨트롤러는,
    상기 전기 차량의 충전 요구로부터 목표 전력을 설정하고,
    상기 AC-DC 컨버터 및 상기 DC-DC 컨버터 각각의 동작 상태를 기초로, 상기 충전 전력이 상기 목표 전력과 동일하도록 상기 제1 직류 전력 및 상기 제2 직류 전력의 전력값을 설정하도록 구성되는 하이브리드 충전 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 충전 컨트롤러는,
    상기 AC-DC 컨버터의 동작 상태를 기초로 상기 AC-DC 컨버터의 제1 출력 허용 전력을 결정하고,
    상기 DC-DC 컨버터의 동작 상태를 기초로 상기 DC-DC 컨버터의 제2 출력 허용 전력을 결정하고,
    상기 제1 출력 허용 전력 및 상기 제2 출력 허용 전력의 합이 상기 목표 전력 이상인 경우, 상기 제1 직류 전력 및 상기 제2 직류 전력 간의 비율이 상기 제1 출력 허용 전력 및 상기 제2 출력 허용 전력 간의 비율과 동일하도록 상기 제1 직류 전력 및 상기 제2 직류 전력의 전력값을 설정하도록 구성되는 하이브리드 충전 장치.
  6. 솔라 패널, 에너지 저장 시스템 및 전력 변환 시스템을 구비하고, 교류 그리드에 접속되는 전원 시스템; 및
    하이브리드 충전 장치를 포함하고,
    상기 하이브리드 충전 장치는,
    상기 전력 변환 시스템과 상기 교류 그리드로부터 공급되는 교류 입력 전력을 제1 직류 전력으로 변환하도록 구성되는 AC-DC 컨버터;
    상기 전력 변환 시스템으로부터 공급되는 직류 입력 전력을 제2 직류 전력으로 변환하도록 구성되는 DC-DC 컨버터;
    상기 제1 직류 전력 및 상기 제2 직류 전력 중 적어도 하나로부터 전기 차량을 위한 충전 전력을 생성하도록 구성되는 전력 합산기; 및
    상기 AC-DC 컨버터, 상기 DC-DC 컨버터 및 상기 전력 합산기를 제어하도록 구성되는 충전 컨트롤러를 포함하는 충전 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 전력 합산기는,
    상기 제1 직류 전력 및 상기 제2 직류 전력이 동시에 입력되는 경우, 상기 제1 직류 전력 및 상기 제2 직류 전력을 합산하여 전기 차량을 위한 충전 전력을 생성하도록 구성되는 충전 시스템.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 충전 컨트롤러는,
    상기 AC-DC 컨버터 및 상기 DC-DC 컨버터 각각의 동작 상태를 기초로, 상기 AC-DC 컨버터, 상기 DC-DC 컨버터 및 상기 전력 합산기를 제어하도록 구성되는 충전 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 충전 컨트롤러는,
    상기 충전 요구로부터 목표 전력을 설정하고,
    상기 AC-DC 컨버터 및 상기 DC-DC 컨버터 각각의 동작 상태를 기초로, 상기 충전 전력이 상기 목표 전력과 동일하도록 상기 제1 직류 전력 및 상기 제2 직류 전력의 전력값을 설정하도록 구성되는 충전 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 충전 컨트롤러는,
    상기 AC-DC 컨버터의 동작 상태를 기초로 상기 AC-DC 컨버터의 제1 출력 허용 전력을 결정하고,
    상기 DC-DC 컨버터의 동작 상태를 기초로 상기 DC-DC 컨버터의 제2 출력 허용 전력을 결정하고,
    상기 제1 출력 허용 전력 및 상기 제2 출력 허용 전력의 합이 상기 목표 전력 이상인 경우, 상기 제1 직류 전력 및 상기 제2 직류 전력 간의 비율이 상기 제1 출력 허용 전력 및 상기 제2 출력 허용 전력 간의 비율과 동일하도록 상기 제1 직류 전력 및 상기 제2 직류 전력의 전력값을 설정하도록 구성되는 충전 시스템.
  11. AC-DC 컨버터, DC-DC 컨버터 및 전력 합산기를 포함하는 하이브리드 충전 장치를 이용한 충전 방법에 있어서,
    상기 AC-DC 컨버터를 제어하여, 교류 입력 전력을 제1 직류 전력으로 변환하는 단계;
    상기 DC-DC 컨버터를 제어하여, 직류 입력 전력을 제2 직류 전력으로 변환하는 단계; 및
    상기 전력 합산기를 제어하여, 상기 제1 직류 전력 및 상기 제2 직류 전력 중 적어도 하나로부터 상기 전기 차량을 위한 충전 전력을 생성하는 단계를 포함하는 충전 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 전기 차량을 위한 충전 전력을 생성하는 단계는,
    상기 제1 직류 전력 및 상기 제2 직류 전력이 동시에 입력되는 경우, 상기 제1 직류 전력 및 상기 제2 직류 전력을 합산하여 상기 충전 전력을 생성하는 충전 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 전기 차량의 충전 요구로부터 목표 전력을 설정하는 단계; 및
    상기 AC-DC 컨버터 및 상기 DC-DC 컨버터 각각의 동작 상태를 기초로, 상기 충전 전력이 상기 목표 전력과 동일하도록 상기 제1 직류 전력 및 상기 제2 직류 전력의 전력값을 설정하는 단계를 더 포함하는 충전 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 직류 전력 및 상기 제2 직류 전력의 전력값을 설정하는 단계는,
    상기 AC-DC 컨버터의 동작 상태를 기초로 상기 AC-DC 컨버터의 제1 출력 허용 전력을 결정하는 단계;
    상기 DC-DC 컨버터의 동작 상태를 기초로 상기 DC-DC 컨버터의 제2 출력 허용 전력을 결정하는 단계; 및
    상기 제1 출력 허용 전력 및 상기 제2 출력 허용 전력의 합이 상기 목표 전력 이상인 경우, 상기 제1 직류 전력 및 상기 제2 직류 전력 간의 비율이 상기 제1 출력 허용 전력 및 상기 제2 출력 허용 전력 간의 비율과 동일하도록 상기 제1 직류 전력 및 상기 제2 직류 전력의 설정값을 설정하는 단계를 포함하는 충전 방법.
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