WO2021075592A1 - 충전 장치 - Google Patents

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WO2021075592A1
WO2021075592A1 PCT/KR2019/013528 KR2019013528W WO2021075592A1 WO 2021075592 A1 WO2021075592 A1 WO 2021075592A1 KR 2019013528 W KR2019013528 W KR 2019013528W WO 2021075592 A1 WO2021075592 A1 WO 2021075592A1
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switch
converter
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PCT/KR2019/013528
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English (en)
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김성두
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김성두
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    • B60L53/20—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles characterised by converters located in the vehicle
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    • Y02T90/10—Technologies relating to charging of electric vehicles
    • Y02T90/14—Plug-in electric vehicles

Definitions

  • the present invention relates to a charging device for charging a battery.
  • Electric vehicles mentioned below include electric vehicles, electric motorcycles, and electric bicycles.
  • the battery can be attached or detached in an electric vehicle.
  • a battery management system (BMS) may be provided in the battery.
  • the present invention is to provide a charging device capable of distributing power to a battery, protecting overcharge of a battery, and facilitating expansion of a charging line.
  • the charging device of the present invention includes an AC module through which AC power flows; And a power module connected to the AC module and having two AC/DC converters configured to convert the AC power into DC power input to a battery.
  • the output terminal of the first AC/DC converter provided in the power module and the output terminal of the second AC/DC converter may be connected in parallel.
  • the power module is electrically connected to the connection terminal and can be electrically connected to different batteries.
  • a first output unit and a second output unit may be provided.
  • the power module is formed with only two AC/DC conversion units and three or less switches, it is easy to expand and change a line.
  • connection between each AC/DC conversion unit is required for power distribution to a plurality of batteries.
  • a complicated connection structure of a spider web structure is not required. Therefore, there is an advantage that failure is not easily generated, and maintenance is very easy.
  • each power module can operate independently of the other power module. Therefore, it is very easy to add additional power modules, and there is an advantage in that normal operation of the remaining power modules is guaranteed regardless of the addition or deletion of a specific power module.
  • the charging device of the present invention can distribute power to two batteries by using two AC/DC converters provided in the power module, and can effectively protect the battery of a specific battery while supplying the remaining power to other batteries. have.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a charging device of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a state in which the battery of the present invention is mounted on an electric vehicle.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing the power module of the present invention.
  • 4 to 7 are schematic diagrams showing the operation of the power module of the present invention.
  • the charging device illustrated in FIG. 1 may include a power center 110 and a kiosk 130.
  • the terminal unit 150 is provided in the kiosk 130, and the battery 90 may be accommodated in the terminal unit 150.
  • the user who arrives at the kiosk 130 may return his or her discharged battery 90 to the terminal unit 150 of the kiosk 130.
  • the battery 90 that needs to be charged may be accommodated in the terminal unit 150 after being withdrawn from the electric vehicle.
  • the user When paying for the kiosk 130, the user can take out the charged battery 90 from the terminal unit 150 of the kiosk 130 and mount it on his or her electric vehicle. The user does not have to wait for the battery 90 to be charged.
  • the power center 110 may receive AC power through a commercial line 170.
  • the kiosk 130 is connected to the power center 110 and the power line 180 and may include a terminal unit 150 in which the battery 90 is accommodated.
  • the kiosk 130 may be electrically connected to the power center 110 by the power line 180.
  • the kiosk 130 may be connected to one power center 110 in plurality.
  • the kiosk 130 may receive DC power from the power center 110 through the power line 180. This is not limited thereto, and when the AC/DC converter is provided in the kiosk 130, the kiosk 130 may receive AC power from the power center 110 through the power line 180.
  • a plurality of connection terminals 115 to which the power line 180 is detachably connected may be provided in the power center 110.
  • the number of kiosks 130 connected to the power center 110 through a plurality of connection terminals 115 may be expanded.
  • An AC module 309 through which AC power flows, and a power module 300 equipped with two AC/DC converters that convert AC power into DC power input to the battery 90 are provided in the power center 110 or the kiosk 130 Can be provided in.
  • the power module 300 may be electrically connected to the AC module 309 to receive AC power.
  • the power center 110 and the kiosk 130 are described as being separated, but the power center 110 / kiosk 130 in which the power module 300 is installed in the kiosk 130 may be integrated.
  • the controller 370 that controls the power module 300 may determine a difference between a contract power value set to be supplied to the battery 90 and a protected power value for protecting the battery 90.
  • the power module 300 may supply the DC power to the battery 90 by lowering the DC power by the surplus power k generated due to the difference between the contract power value and the protection power value.
  • the power module 300 may charge the battery 90 in one of a plurality of charging modes.
  • the user of the battery 90 can select a charging mode he desires.
  • the power module 300 may operate according to the selected charging mode.
  • the power module 300 may operate in one of a fast mode, a medium speed mode, and a slow mode according to a user's selection.
  • the power module 300 may basically supply DC power according to the contracted power value of the operation mode selected by the user.
  • the contract power value of the medium speed mode may be higher than the contract power value of the slow mode, and the contract power value of the rapid mode may be higher than the contract power value of the medium speed mode.
  • a contract power value matching the charging mode may be set.
  • the rapid mode may be a charging mode in which the battery 90 is charged with 50kW.
  • 50kW set in the rapid mode may be the contracted power value in the rapid mode.
  • the medium speed mode may be a charging mode in which the battery 90 is charged with 30 kW.
  • 30kW set in the medium speed mode may be a contract power value of the medium speed mode.
  • the slow mode may be a charging mode in which the battery 90 is charged with 7 to 20 kW.
  • 7 to 20 kW set in the slow mode may be a contract power value in the slow mode.
  • the power module 300 may charge the battery of the battery 90 with 50 kW corresponding to the contracted power value in the rapid mode.
  • the battery 90 being charged in the rapid mode is likely to be continuously charged with a contract power value of 50 kW up to a charge amount set by the user, for example, a 100% charge amount, but the reality is different.
  • the battery 90 may be provided with a battery management system (BMS) that protects and manages the battery.
  • BMS battery management system
  • the BMS may reduce the power input to the battery of the battery 90 to a preset protection power value when the amount of charge of the battery satisfies the set value in order to prevent an increase in temperature, prevent deterioration, and prevent explosion of the battery.
  • the BMS may lower the power value of the DC power to the protection power value. In this case, surplus power k generated due to the difference between the contract power value and the protection power value may be wasted. In addition, when the BMS malfunctions, DC power of the contracted power value may be applied to the battery as it is, so there is a risk of damage to the battery.
  • the power center 110 may provide DC power lowered to the protection power value according to the state of the battery.
  • the power center 110 itself lowers the DC power to the protection power value, and the DC power of the protection power value may be provided to the battery 90.
  • the control unit 370 may communicate with the battery 90 to determine the protection power value or to determine the protection time point at which the protection power value is required.
  • a vehicle signal line connecting the battery 90 and the kiosk 130 and a power signal line connecting the kiosk 130 and the power center 110 may be provided.
  • the controller 370 may acquire battery-related information of the battery 90 through communication with the BMS.
  • the control unit 370 may determine a protection time point and a protection power value of the battery 90 through analysis of battery-related information.
  • the power module 300 may adjust DC power to one of a contract power value and a protection power value according to battery-related information.
  • the power module 300 may basically set DC power as a contract power value. When the amount of charge of the battery satisfies the set value, the power module 300 may lower the DC power to the protection power value.
  • the power module 300 may supply DC power of a contracted power value to the battery 90.
  • the power module 300 may lower the DC power to the protection power value according to the protection point.
  • the power module 300 may lower the DC power of the contract power value to the protection power value through, for example, adjusting the current value.
  • the controller 370 determines the current value according to the protection power value required by the battery 90.
  • DC power with a reduced value may be supplied to the battery 90.
  • surplus power k corresponding to the difference between the contract power value and the protected power value is not provided to the battery 90, the burden on the battery 90 processing surplus power k is reduced, and the surplus power k The battery can be prevented from being damaged due to the supply of power.
  • surplus power k itself is not produced from the standpoint of the power center 110, unnecessary commercial power is not used. In addition, surplus power k may be provided to another battery 90 waiting to be charged as needed.
  • the control unit 370 may identify a specific node that requires surplus power k among a plurality of nodes.
  • the power module 300 may generate power greater than the protection power value. For example, even if the power module 300 enters a protection mode that provides DC power of a protection contract value to a vehicle being charged, power that satisfies the contract power value may be generated as it is.
  • the power module 300 may supply some of the generated power as DC power to the battery 90 and supply the remaining surplus power k to a specific node.
  • the power module 300 that has been supplying 120A to the specific battery 90 according to the contracted power value may reduce 120A to 60A according to the request of the specific battery 90. At this time, the remaining 60A related to surplus power among 120A may not be produced. If there is another node requesting the surplus power, the power module 300 may supply at least some of the remaining 60A related to the surplus power to the other node.
  • the amount of charge of the battery may be satisfied.
  • DC power of the protection power value may be supplied to the battery 90 from the initial charging.
  • the control unit 370 may generate a notification signal indicating that the vehicle is in a state in which the vehicle should be charged with the protection power value, and may transmit it to the kiosk 130.
  • the user who checks the notification signal through the kiosk 130 may change the charging mode to a medium speed mode or a slow mode.
  • the charging time of the battery 90 in the fast mode supplying 120A is 30 minutes 19 seconds, and in the medium-speed mode supplying 60A, the battery 90 This charging time is 33 minutes 48 seconds, which makes no difference in less than 4 minutes. In this case, the loss of the user who selected the fast mode by paying a high cost is inevitably increased.
  • the power center 110 since the power center 110 does not consume as much commercial power as the surplus power, or the surplus power is provided to another node, a benefit is generated on the power center 110 side.
  • the controller 370 may reduce a cost due to surplus power among charging fees paid by the user.
  • the surplus power k generated while charging the specific battery 90 may be supplied to another node, that is, another battery 90 connected to another battery connection line.
  • the specific battery 90 being charged with 50 kW corresponding to the rapid mode may enter a protection mode in which excess power k is generated.
  • the surplus power k may be varied according to the protection power value.
  • the variable amount of the protection power value and the surplus power k may be different for each vehicle type and for each charging mode. Therefore, it is very complicated in reality to reduce the amount of power or supply it to other nodes by extracting the correct surplus power k.
  • a method of dividing the surplus power k into several steps by forming a plurality of AC/DC converters is a feature of the present invention.
  • three AC/DC conversion units having a capacity of 20 kW may be formed, and a combined power of 60 kW of the three AC/DC conversion units may be supplied to the specific battery 90.
  • the protection power value of the specific battery 90 satisfies a certain value
  • 40kW of combined power of the two AC/DC converters may be supplied to the specific battery 90.
  • the remaining power of the AC/DC converter 20kW may be used as the surplus power.
  • 20 kW of power of one AC/DC conversion unit may be supplied to the specific battery 90.
  • the sum of the remaining two AC/DC conversion units 40kW or two 20kW powers of each AC/DC conversion unit may be used as the surplus power.
  • a plurality of AC/DC converters may be provided in order to separately provide the power of the contract power value and the power of the protection power value.
  • two 30kW class AC/DC converters may be provided.
  • 60kW in which two 30kW powers are added may be supplied to the specific battery 90. Since 60kW satisfies 50kW, there is no problem.
  • the mesh network structure is very inefficient. This is because each battery connection line must all be connected to the remaining battery connection lines in some way. When 10 battery connection lines are provided, 45 connection lines that can electrically connect the battery connection line and the battery connection line must be provided.
  • connection line must be equipped with a controllable switch to supply power to the appropriate battery connection line, so 45 switches must be added.
  • the mesh network structure of the comparative example has a very high manufacturing cost and is very difficult to maintain and expand, so it is difficult to use it in practical terms.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing the power module 300 of the present invention.
  • the power module 300 of the present invention may have only two AC/DC conversion units, not three or more AC/DC conversion units.
  • One of the two AC/DC converting units will be referred to as a first AC/DC converting unit 311 and the other will be referred to as a second AC/DC converting unit 312.
  • an output terminal of the first AC/DC converter 311 provided in the power module 300 and an output terminal of the second AC/DC converter 312 may be connected in parallel.
  • a connection line, a connection node, and the like in which the output terminal of the first AC/DC converter 311 and the output terminal of the second AC/DC converter 312 are connected in parallel are defined as the connection terminal 390.
  • the power module 300 may be provided with a first output unit 351 and a second output unit 352 that are electrically connected to the connection terminal 390 and electrically connectable to different batteries 90.
  • a power module 300 having a simple structure in which two AC/DC conversion units and two output units are connected in parallel may be provided.
  • the summed power of the first AC/DC conversion unit 311 and the second AC/DC conversion unit 312 is supplied to the battery 90 Can be.
  • the summed power of the first AC/DC conversion unit 311 and the second AC/DC conversion unit 312 is applied to each battery 90 by the connection terminal 390. ) Can be distributed.
  • 4 to 7 are schematic diagrams illustrating the operation of the power module 300.
  • a method for actively performing power distribution and processing surplus power k may be added.
  • a second switch 332 may be provided.
  • the charging device may be provided with a control unit 370 that controls the first switch 331 and the second switch 332.
  • the control unit 370 is preferably installed in the power module 300 for modularization of the power module 300.
  • the controller 370 may control each switch in one of a first mode, a second mode, and a third mode.
  • each switch electrically connecting the connection terminal 390 and each output unit is defined as on, and the operation of each switch that disconnects the electrical connection between the connection terminal 390 and each output unit is turned off. It is defined as
  • the first mode may be a control mode in which the first switch 331 is turned on and the second switch 332 is turned off.
  • the second mode may be a control mode in which the first switch 331 is turned off and the second switch 332 is turned on.
  • the third mode may be a control mode in which the first switch 331 is turned on and the second switch 332 is turned on.
  • a basic mode in which both the first switch 331 and the second switch 332 are turned off may be added.
  • the sum of the sum of the first power of the first AC/DC conversion unit 311 and the second power of the second AC/DC conversion unit 312 is electrically connected to the first output unit 351. It may be supplied to the first battery 91.
  • the summation power may be supplied to the second battery 92 electrically connected to the second output unit 352.
  • the summed power may be distributed and supplied to the first battery 91 and the second battery 92.
  • the first AC/DC conversion unit 311 and the second AC/DC conversion unit 312 are smaller than the largest contract power value among the plurality of charging modes, and have a power value equal to or greater than the smallest contract power value among the plurality of charging modes. Power can be output.
  • the first AC/DC converter 311 may output first power having a power value that is less than 50 kW of the contract power value in the fast mode and equal to or greater than the contract power value in the slow mode.
  • the second AC/DC converter 312 may output first power having a power value that is less than the contract power value of 50 kW in the rapid mode and equal to or greater than the contract power value in the slow mode.
  • the power value of the first power and the power value of the second power are determined within a range where the total power value of the combined power of the first power and the second power is greater than the largest contract power value (contract power value in rapid mode) 50 kW. It is good to be.
  • the first power and the second power may be 30 kW, respectively.
  • one power module 300 processes two batteries 90 requesting medium-speed mode together (providing 30kW each) or one battery 90 requesting rapid mode (providing 60kW) can do.
  • one of the first power and the second power may be 15kW and the other may be 35kW.
  • one battery 90 that requires a medium speed mode and one battery 90 that requires a slow mode are processed together with one power module, or one battery 90 that requires a fast mode is processed. I can.
  • first AC/DC converter 311 and the second AC/DC converter 312 output 30kW corresponding to the contracted power value in the medium speed mode.
  • a first battery 91 requesting a medium speed mode or a slow mode is electrically connected to the first output unit 351 through the first power line 181, and a second output unit through the second power line 182
  • the controller 370 may operate in the third mode as shown in FIG. 5.
  • the sum of the sum of the first power 30kW of the first AC/DC converter 311 and the second power 30kW of the second AC/DC converter 312 is 60kW of the first battery 91 and It may be distributed and supplied to the second battery 92. If the load of the first battery 91 and the load of the second battery 92 are the same, 30 kW is supplied to the first battery 91 and the second battery 92, respectively, and the corresponding power value is The contract power value can be satisfied.
  • control unit 370 When the control unit 370 is connected to the first battery 91 to the first output unit 351 and the second battery 92 having a lower charging order than the first battery 91 is connected to the second output unit 352 , It can operate in the first mode as shown in FIG. 4.
  • the control unit 370 May turn on the first switch 331 and turn off the second switch 332.
  • the total power of 60 kW of the first AC/DC conversion unit 311 and the second AC/DC conversion unit 312 is calculated as the first battery 91 electrically connected to the first output unit 351.
  • the combined power of 60kW can sufficiently satisfy the contracted power value of 50kW in the high-speed mode.
  • the second battery 92 having a low charging order due to the rapid mode of the first battery 91 may wait until the first battery 91 is completely charged.
  • the controller 370 may operate in the second mode.
  • the second battery 92 has to wait 20 minutes to start charging.
  • the controller 370 operating in the first mode may charge the battery of the second battery 92 by operating in the second mode when charging of the first battery 91 is completed, that is, 20 minutes elapse.
  • the charging start time of the second battery 92 may be earlier than 20 minutes.
  • the controller 370 may change the first mode to the third mode. .
  • the protection mode of the battery may be activated from a time when the battery charge amount satisfies 73%.
  • surplus power other than the power received by the first battery 91 may be supplied to the second battery 92 waiting to be charged.
  • 30kW corresponding to a portion of the sum of 60kW of the sum of the first power and the second power supplied to the first battery 91 may be supplied to the second battery 92.
  • the second battery 92 may be supplied with power earlier than the expected standby time.
  • the protection power value has a tendency to gradually decrease as time elapses from the start point.
  • the acceptable power may gradually decrease in the order of 40 kW, 30 kW, and 20 kW in accordance with the protection power value that decreases over time.
  • control unit 370 may change the existing first mode to the third mode only when the protected power value is less than half of the total power among the protection modes.
  • the controller 370 may maintain the third mode until the battery of the first battery 91 satisfies the required amount. When the battery of the first battery 91 is charged to satisfy the required amount, the controller 370 may operate in the second mode to provide all of the summed power to the second battery 92.
  • the controller 370 may receive whether the protection mode is activated for the battery being charged by DC power from the battery 90 connected to each output terminal.
  • the controller 370 may control the first switch 331 and the second switch 332 according to whether the protection mode is activated.
  • a third switch 333 disposed between the output terminal of the first AC/DC converter 311 and the output terminal of the second AC/DC converter 312 is preferably provided at the connection terminal 390.
  • the first output unit 351 may be electrically connected to one end of the third switch 333.
  • the second output unit 352 may be electrically connected to the other end of the third switch 333.
  • 60kW of combined power of the first power and the second power may be supplied to the first battery 91.
  • the controller 370 may operate in the third mode to distribute the sum power.
  • the second battery 92 is not connected to the second output unit 352
  • a problem arises that the total power of 60 kW is supplied to the first battery 91 as it is despite the execution of the third mode.
  • the third switch 333 may be used to prepare for a case in which only one of the two output units is connected to the battery 90.
  • the control unit 370 turns on the third switch 333 until the protection mode is activated, so that the output terminal of the first AC/DC conversion unit 311 and the output terminal of the second AC/DC conversion unit 312 are turned on. You can keep the parallel connection between them.
  • the control unit 370 turns off the third switch 333 as shown in FIG. 7 to convert the first AC/DC.
  • the parallel connection between the output terminal of the unit 311 and the output terminal of the second AC/DC converter 312 may be released.
  • the AC module 309 may include a bus bar in which a plurality of power modules 300 may be installed.
  • a terminal electrically connected while contacting an input terminal of each AC/DC conversion unit may be provided.
  • the power module 300 includes a first switch 331 disposed between the connection end 390 and the first output unit 351, and a second switch disposed between the connection end 390 and the second output unit 352. 332, a control unit 370 for controlling the first switch 331 and the second switch 332 may be provided.
  • the power module 300 may include a plate-shaped substrate that can be mounted on a bus bar.
  • the first switch 331, the second switch 332, and the control unit 370 may be installed on the substrate.
  • the battery of the first battery 91 electrically connected to the first output unit 351 is protected under the control of the controller 370, or the first battery 91 and the first battery electrically connected to the first output unit 351 are protected. 2 Power distribution to the second battery 92 electrically connected to the output unit 352 may be performed.
  • Each of the power modules 300 connected in plurality to the bus bar may be electrically disconnected from each other except for the bus bar (electrical disconnection of the output side).
  • the control unit 370 provided in the specific power module 300 includes a first switch 331 and a second switch provided in the specific power module 300 regardless of other power modules 300.
  • the switch 332 can be independently controlled.
  • Expansion of the power module 300 for the busbar may be facilitated through electrical disconnection between the power modules 300 and independent control of the control unit 370. This is because even if a specific power module 300 is additionally installed or deleted in the bus bar, it does not affect other power modules 300 installed in the bus bar.

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Abstract

본 발명의 충전 장치는 교류 전력이 흐르는 교류 모듈; 상기 교류 모듈에 연결되고, 상기 교류 전력을 배터리에 입력되는 직류 전력으로 변환하는 AC/DC 변환부가 2개 구비된 전력 모듈;을 포함하고, 상기 전력 모듈에 마련된 제1 AC/DC 변환부의 출력단과 제2 AC/DC 변환부의 출력단은 병렬로 연결되며, 상기 제1 AC/DC 변환부의 출력단과 상기 제2 AC/DC 변환부의 출력단이 병렬로 연결된 연결단이 정의될 때, 상기 전력 모듈에는 상기 연결단에 전기적으로 연결되고 서로 다른 배터리에 전기적으로 연결 가능한 제1 출력부 및 제2 출력부가 마련될 수 있다.

Description

충전 장치
본 발명은 배터리를 충전하는 충전 장치에 관한 것이다.
이하에서 언급되는 전기차는 전기 자동차, 전기 오토바이, 전기 자전거를 포함한다. 전기차에는 배터리가 착탈될 수 있다. 배터리 제어 시스템으로서 BMS(Battery Management System)가 배터리에 마련될 수 있다.
배터리의 충전 시스템에 관한 많은 연구가 행해지고 있지만 배터리의 과충전 방지를 충전 장치 구조만으로 해결하는 방안, 충전 선로의 증설 편의성 개선 방안 등은 부족한 상황이다.
본 발명은 배터리의 전력 분배, 배터리의 과충전 보호가 가능하고, 충전 선로 증설이 용이한 충전 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 충전 장치는 교류 전력이 흐르는 교류 모듈; 상기 교류 모듈에 연결되고, 상기 교류 전력을 배터리에 입력되는 직류 전력으로 변환하는 AC/DC 변환부가 2개 구비된 전력 모듈;을 포함할 수 있다.
상기 전력 모듈에 마련된 제1 AC/DC 변환부의 출력단과 제2 AC/DC 변환부의 출력단은 병렬로 연결될 수 있다.
상기 제1 AC/DC 변환부의 출력단과 상기 제2 AC/DC 변환부의 출력단이 병렬로 연결된 연결단이 정의될 때, 상기 전력 모듈에는 상기 연결단에 전기적으로 연결되고 서로 다른 배터리에 전기적으로 연결 가능한 제1 출력부 및 제2 출력부가 마련될 수 있다.
본 발명에 따르면, 2개의 AC/DC 변환부, 3개 이하의 스위치만으로 전력 모듈이 형성되므로, 증설 및 선로의 가변이 용이하다.
복수의 배터리에 대한 전력 분배를 위해 각 AC/DC 변환부 간의 연결이 요구되는데, 본 발명에 따르면 오직 2개의 AC/DC 변환부만 서로 병렬 연결되므로, 거미줄 구조의 복잡한 연결 구조가 요구되지 않는다. 따라서, 고장이 잘 발생되지 않고, 유지 보수가 매우 쉬운 장점이 있다.
또한, 스위치를 제어하는 제어부가 전력 모듈에 각각 마련되므로, 각 전력 모듈은 다른 전력 모듈에 대해 독립적으로 동작할 수 있다. 따라서, 전력 모듈의 추가 증설이 매우 용이하며, 특정 전력 모듈의 추가 및 삭제에 상관없이 나머지 전력 모듈의 정상 작동이 보장되는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 충전 장치는 전력 모듈에 마련된 2개의 AC/DC 변환부를 이용해서 2개 배터리에 대한 전력 분배가 가능하며, 특정 배터리의 배터리를 효과적으로 보호하는 동시에 남는 잉여 전력을 다른 배터리에 공급할 수 있다.
도 1은 본 발명의 충전 장치를 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명의 배터리가 전기차에 장착되는 상태를 도시한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 전력 모듈을 나타낸 개략도이다.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 전력 모듈의 동작을 나타낸 개략도이다.
도 1에 도시된 충전 장치는 전력 센터(110), 키오스크(130)를 포함할 수 있다.
키오스크(130)에 단자부(150)가 마련되고, 배터리(90)는 단자부(150)에 수납될 수 있다. 키오스크(130)에 도착한 사용자는 자신의 방전된 배터리(90)를 키오스크(130)의 단자부(150)에 반납할 수 있다. 충전이 필요한 배터리(90)는 전기차에서 인출된 후 단자부(150)에 수납될 수 있다.
키오스크(130)에 비용을 지불하면, 사용자는 충전된 배터리(90)를 키오스크(130)의 단자부(150)에서 꺼내어 자신의 전기차에 장착할 수 있다. 사용자는 배터리(90)가 충전될 때까지 기다리지 않아도 된다.
전력 센터(110)는 교류 전력을 상용 라인(170)을 통해 입력받을 수 있다. 키오스크(130)는 전력 센터(110)와 전력 라인(180)으로 연결되며, 배터리(90)가 수납되는 단자부(150)를 구비할 수 있다.
전력 라인(180)에 의해 키오스크(130)는 전력 센터(110)에 전기적으로 연결될 수 있다.
키오스크(130)는 하나의 전력 센터(110)에 복수로 연결될 수 있다.
AC/DC 변환부가 전력 센터(110)에 마련되는 경우, 키오스크(130)는 전력 라인(180)을 통해 전력 센터(110)로부터 직류 전력을 제공받을 수 있다. 이에 한정되지 않고, AC/DC 변환부가 키오스크(130)에 마련되는 경우, 키오스크(130)는 전력 라인(180)을 통해 전력 센터(110)로부터 교류 전력을 제공받을 수 있다.
전력 센터(110)에는 전력 라인(180)이 분리 가능하게 연결되는 복수의 연결 단자(115)가 마련될 수 있다. 복수의 연결 단자(115)를 통해 전력 센터(110)에 연결되는 키오스크(130)의 개수 확장이 가능할 수 있다.
교류 전력이 흐르는 교류 모듈(309), 교류 전력을 배터리(90)에 입력되는 직류 전력으로 변환하는 AC/DC 변환부가 2개 구비된 전력 모듈(300)이 전력 센터(110) 또는 키오스크(130)에 마련될 수 있다. 전력 모듈(300)은 교류 전력을 입력받도록, 교류 모듈(309)에 전기적으로 연결될 수 있다.
도 1에서는 전력 센터(110)와 키오스크(130)가 분리된 것으로 설명되지만, 전력 모듈(300)이 키오스크(130)에 설치된 전력 센터(110)/키오스크(130) 일체형도 가능하다.
전력 모듈(300)을 제어하는 제어부(370)는, 제어부(370)는 배터리(90)에 공급하기로 설정된 계약 전력값과 배터리(90)를 보호하기 위한 보호 전력값 간의 차이를 파악할 수 있다.
전력 모듈(300)은 계약 전력값과 보호 전력값 간의 차이로 인해 발생된 잉여 전력 k만큼 직류 전력을 낮춰서 배터리(90)에 공급할 수 있다. 전력 모듈(300)은 복수의 충전 모드 중 하나로 배터리(90)를 충전할 수 있다.
키오스크(130)에 배터리(90)가 연결되면, 배터리(90)의 사용자는 자신이 원하는 충전 모드를 선택할 수 있다. 사용자에 의해 충전 모드가 선택되면, 전력 모듈(300)은 선택된 충전 모드에 맞춰 동작할 수 있다.
일 예로, 전력 모듈(300)은 사용자의 선택에 따라 급속 모드, 중속 모드, 완속 모드 중 하나로 동작할 수 있다.
전력 모듈(300)은 기본적으로 사용자가 선택한 동작 모드의 계약 전력값에 따라 직류 전력을 공급할 수 있다.
중속 모드의 계약 전력값은 완속 모드의 계약 전력값보다 높고, 급속 모드의 계약 전력값은 중속 모드의 계약 전력값보다 높을 수 있다.
충전 모드에 매칭되는 계약 전력값이 설정될 수 있다.
일 예로, 급속 모드는 50kW로 배터리(90)를 충전하는 충전 모드일 수 있다. 이때, 급속 모드에 설정된 50kW가 급속 모드의 계약 전력값일 수 있다.
중속 모드는 30kW로 배터리(90)를 충전하는 충전 모드일 수 있다. 이때, 중속 모드에 설정된 30kW가 중속 모드의 계약 전력값일 수 있다.
완속 모드는 7~20kW로 배터리(90)를 충전하는 충전 모드일 수 있다. 이때, 완속 모드에 설정된 7~20kW가 완속 모드의 계약 전력값일 수 있다.
사용자가 급속 모드를 원하는 경우, 50kW의 계약 전력값으로 배터리(90)를 충전하기를 원하는 것과 동일하다. 이에 따라, 전력 모듈(300)은 급속 모드의 계약 전력값에 해당하는 50kW로 배터리(90)의 배터리를 충전할 수 있다.
급속 모드로 충전 중인 배터리(90)는 사용자가 설정한 충전량, 예를 들어 100% 충전량까지 지속적으로 계약 전력값 50kW로 충전될 것 같지만, 현실은 다르다.
배터리(90)에는 배터리를 보호 관리하는 BMS(Battery Management System)가 마련될 수 있다.
BMS는 배터리의 온도 증가 방지, 열화 방지, 폭발 방지를 위해, 배터리의 충전량이 설정값을 만족하면 배터리(90)의 배터리로 입력되는 전력을 기설정된 보호 전력값으로 낮출 수 있다.
배터리(90)의 배터리로 입력되던 전력을 보호 전력값으로 낮추는 방법은 2가지가 가능하다.
먼저, 전력 센터(110)로부터 계약 전력값의 직류 전력을 그대로 입력받은 후 BMS가 해당 직류 전력의 전력값을 보호 전력값으로 낮출 수 있다. 이 경우, 계약 전력값과 보호 전력값 간의 차이로 인해 발생된 잉여 전력 k가 낭비될 수 있다. 또한, BMS의 오동작시 배터리에 계약 전력값의 직류 전력이 그대로 인가될 수 있으므로, 배터리의 훼손 위험이 존재한다.
다음으로, 전력 센터(110)에서 배터리의 상태에 맞춰 보호 전력값으로 낮춘 직류 전력을 제공할 수 있다. 본 발명의 충전 장치에 따르면, 전력 센터(110) 자체에서 직류 전력을 보호 전력값으로 낮추고, 보호 전력값의 직류 전력이 배터리(90)로 제공될 수 있다.
보호 전력값을 파악하거나, 보호 전력값이 요구되는 보호 시점을 파악하기 위해 제어부(370)는 배터리(90)와 통신할 수 있다.
일 예로, 배터리(90)와 키오스크(130)를 연결하는 차량 신호선, 키오스크(130)와 전력 센터(110)를 연결하는 전력 신호선이 마련될 수 있다.
제어부(370)는 BMS와의 통신을 통해 배터리(90)의 배터리 관련 정보를 획득할 수 있다. 제어부(370)는 배터리 관련 정보의 분석을 통해 배터리(90)의 보호 시점 및 보호 전력값을 파악할 수 있다.
전력 모듈(300)은 배터리 관련 정보에 따라 계약 전력값과 보호 전력값 중 하나로 직류 전력을 조절할 수 있다.
전력 모듈(300)은 기본적으로 계약 전력값으로 직류 전력을 세팅할 수 있다. 전력 모듈(300)은 배터리의 충전량이 설정값을 만족하면, 보호 전력값으로 직류 전력을 낮출 수 있다.
예를 들어, 전력 모듈(300)은 계약 전력값의 직류 전력을 배터리(90)에 공급할 수 있다. 제어부(370)에 의해 보호 시점이 파악되면, 전력 모듈(300)은 보호 시점에 맞춰 직류 전력을 보호 전력값으로 낮출 수 있다. 이때, 전력 모듈(300)은 예를 들어 전류값의 조절을 통해 계약 전력값의 직류 전력을 보호 전력값으로 낮출 수 있다.
예를 들어, 급속 충전되던 배터리의 충전량이 설정값 73%를 만족하면, 배터리(90)와의 통신을 통해 해당 사실을 파악한 제어부(370)는 배터리(90)에서 요구하는 보호 전력값에 맞추어 전류값을 줄인 직류 전력을 배터리(90)에 공급할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 계약 전력값과 보호 전력값 간의 차이에 해당하는 잉여 전력 k가 배터리(90)로 제공되지 않으므로, 잉여 전력 k를 처리하는 배터리(90)의 부담이 경감되고, 잉여 전력 k의 공급으로 인한 배터리의 훼손이 방지될 수 있다.
전력 센터(110)의 입장에서 잉여 전력 k 자체가 생산되지 않으므로, 불필요한 상용 전력을 이용하지 않게 된다. 또한, 필요에 따라 잉여 전력 k를 충전 대기 중인 다른 배터리(90)로 제공할 수 있다.
제어부(370)는 복수의 노드 중 잉여 전력 k를 필요로 하는 특정 노드를 파악할 수 있다.
잉여 전력 k를 필요로 하는 특정 노드가 존재하면, 전력 모듈(300)은 보호 전력값보다 큰 전력을 생성할 수 있다. 예를 들어, 전력 모듈(300)은 충전 중인 차량에 대해 보호 계약값의 직류 전력을 제공하는 보호 모드에 돌입하더라도, 계약 전력값을 만족하는 전력을 그대로 생성할 수 있다.
전력 모듈(300)은 생성된 전력 중 일부를 직류 전력으로서 배터리(90)에 공급하고, 나머지 잉여 전력 k를 특정 노드에 공급할 수 있다.
일 예로, 계약 전력값에 따라 120A를 특정 배터리(90)에 공급 중이던 전력 모듈(300)은 특정 배터리(90)의 요구에 따라 120A를 60A로 줄일 수 있다. 이때, 120A 중 잉여 전력과 관련된 나머지 60A는 생산하지 않을 수 있다. 만약, 잉여 전력을 요구하는 다른 노드가 존재하면, 전력 모듈(300)은 잉여 전력과 관련된 나머지 60A 중 적어도 일부를 다른 노드로 공급할 수 있다.
한편, 배터리(90)의 충전 초기부터 배터리의 충전량이 설정값을 만족한 상태일 수 있다. 이 경우, 충전 초기와 배터리의 보호 시점이 일치하므로, 충전 초기부터 보호 전력값의 직류 전력이 배터리(90)에 공급될 수 있다.
이때, 급속 모드를 요구한 사용자는 비싼 비용의 지불에도 불구하고 저속으로 배터리를 충전하는 상태가 된다. 이 경우, 제어부(370)는 보호 전력값으로 차량이 충전되어야 하는 상태임을 나타내는 알림 신호를 생성해서 키오스크(130)로 전달할 수 있다. 키오스크(130)를 통해 알림 신호를 확인한 사용자는 중속 모드 또는 완속 모드로 충전 모드를 변경할 수 있다.
예를 들어, 배터리를 40%부터 95%까지 충전할 때, 120A를 공급하는 급속 모드의 경우 배터리(90)의 충전 시간은 30분 19초이고, 60A를 공급하는 중속 모드의 경우 배터리(90)이 충전 시간은 33분 48초로, 채 4분도 차이가 나지 않는다. 이 경우, 비싼 비용을 지불하고 급속 모드를 선택한 사용자의 손실이 가중될 수밖에 없다.
보호 시점의 경과에도 불구하고 잉여 전력까지 포함된 직류 전력을 지속적으로 배터리(90)로 제공하는 경우, 전력 센터(110)의 입장에서 소모한 상용 전력이 계약 전력값에 대응되므로 사용자의 손실을 보충해줄 방법이 없다.
그러나, 본 발명에 따르면, 전력 센터(110)에서 잉여 전력만큼 상용 전력을 소모하지 않거나, 잉여 전력이 다른 노드에 제공되므로 전력 센터(110) 측에 이익이 발생된다.
제어부(370)는 잉여 전력이 발생된 경우, 사용자가 지불한 충전료 중 잉여 전력으로 인한 비용을 감할 수 있다.
한편, 특정 배터리(90)를 충전 중에 발생한 잉여 전력 k를 다른 노드, 다시 말해 다른 배터리 연결 라인에 연결된 다른 배터리(90)에 공급할 수 있다.
급속 모드에 해당하는 50kW로 충전 중인 특정 배터리(90)가 잉여 전력 k가 발생되는 보호 모드로 돌입할 수 있다. 이때, 잉여 전력 k는 보호 전력값에 따라 가변될 수 있다. 이때, 보호 전력값 및 잉여 전력 k의 가변량은 차종별, 충전 모드별로 다를 수 있다. 따라서, 정확한 잉여 전력 k를 추출해서 전력량을 줄이거나 다른 노드에 공급하는 것은 현실적으로 매우 복잡하다.
복잡한 함수를 이용하여 잉여 전력 k를 정확하게 추출하는 대신, 현실적으로 AC/DC 변환부를 복수로 형성하여 잉여 전력 k를 몇단계로 나누는 방안이 본 발명의 특징이다.
일 예로, 20kW 용량의 AC/DC 변환부가 3개 형성되고, 3개 AC/DC 변환부의 합산 전력 60kW가 특정 배터리(90)에 공급될 수 있다. 특정 배터리(90)의 보호 전력값이 일정한 값을 만족하면, 2개 AC/DC 변환부의 합산 전력 40kW가 특정 배터리(90)에 공급될 수 있다. 이때, 나머지 1개 AC/DC 변환부의 전력 20kW가 잉여 전력으로 이용될 수 있다. 특정 배터리(90)의 보호 전력값이 더욱 낮아져 다른 값을 만족하면, 1개 AC/DC 변환부의 전력 20kW가 특정 배터리(90)에 공급될 수 있다. 이때, 나머지 2개 AC/DC 변환부의 합산 전력 40kW 또는 각 AC/DC 변환부의 전력 20kW 2개가 잉여 전력으로 이용될 수 있다.
결과적으로, 계약 전력값의 전력 및 보호 전력값의 전력을 구분해서 제공하기 위해, 복수의 AC/DC 변환부가 마련될 수 있다.
예를 들어, 50kW 급속 모드를 실행하기 위해, 30kW급 AC/DC 변환부 2개가 마련될 수 있다. 급속 모드의 경우 30kW 전력 2개가 합산된 60kW가 특정 배터리(90)에 공급될 수 있다. 60kW는 50kW를 만족하므로 별다른 문제가 없다.
잉여 전력값 k가 발생되는 보호 모드가 발동되면, 1개의 AC/DC 변환부에서 출력된 30kW만 특정 배터리(90)로 공급되고, 나머지 AC/DC 변환부에서 출력된 30kW는 잉여 전력으로서 다른 배터리(90)에 공급될 수 있다.
본 발명과 비교를 위한 비교 실시예로서, 메쉬망 구조는 매우 비효율적이다. 왜냐하면, 각 배터리 연결 라인이 나머지 배터리 연결 라인에 어떤 식으로든 모두 연결되어야 하기 때문이다. 10개의 배터리 연결 라인이 마련된 경우 배터리 연결 라인과 배터리 연결 라인을 전기적으로 연결할 수 있는 연결 라인이 45개나 마련되어야 한다.
적절한 배터리 연결 라인에 전력을 공급하기 위해 각 연결 라인에는 각각 제어 가능한 스위치가 마련되어야 하므로, 45개의 스위치가 추가되어야 한다.
많은 개수의 연결 라인 및 많은 개수의 스위치가 요구되는 메쉬망 구조는 고장 발생시 어디에서 고장이 발생되었는지 파악하기 어렵고, 교체 작업 역시 매우 어렵다. 또한, 새로운 전력 모듈(300)의 연결시 전력 모듈(300)에 마련된 각 AC/DC 변환부를 다른 전력 모듈(300)에 전기적으로 연결시키는 복잡한 과정이 요구된다.
결과적으로, 비교 실시예의 메쉬망 구조는 제조비가 매우 높고, 유지 보수 및 증설이 매우 어려우므로 현실적으로 사용되기 어렵다.
도 3은 본 발명의 전력 모듈(300)을 나타낸 개략도이다.
복잡한 메쉬망 구조를 타파하기 위해 본 발명의 전력 모듈(300)은 3개 이상의 AC/DC 변환부가 아니라 오직 2개의 AC/DC 변환부만 가질 수 있다. 2개의 AC/DC 변환부 중 하나를 제1 AC/DC 변환부(311)로 칭하고, 나머지 하나를 제2 AC/DC 변환부(312)로 칭하기로 한다.
전력 분배 또는 잉여 전력의 처리를 위해 전력 모듈(300)에 마련된 제1 AC/DC 변환부(311)의 출력단과 제2 AC/DC 변환부(312)의 출력단은 병렬로 연결될 수 있다. 이때, 제1 AC/DC 변환부(311)의 출력단과 제2 AC/DC 변환부(312)의 출력단을 병렬로 연결한 연결 라인, 연결 노드 등을 연결단(390)으로 정의한다.
전력 모듈(300)에는 연결단(390)에 전기적으로 연결되고 서로 다른 배터리(90)에 전기적으로 연결 가능한 제1 출력부(351) 및 제2 출력부(352)가 마련될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 서로 병렬 연결된 2개의 AC/DC 변환부, 2개의 출력부가 마련된 간소한 구조의 전력 모듈(300)이 제공될 수 있다.
2개의 출력부 중 어느 하나의 출력부에만 배터리(90)가 연결되면, 제1 AC/DC 변환부(311)와 제2 AC/DC 변환부(312)의 합산 전력이 배터리(90)에 공급될 수 있다.
2개의 출력부에 배터리(90)가 각각 연결되면, 제1 AC/DC 변환부(311)와 제2 AC/DC 변환부(312)의 합산 전력은 연결단(390)에 의해 각 배터리(90)에 분배될 수 있다.
이상의 충전 장치에 따르면, 출력부에 배터리(90)가 연결된 여부에 따라 전력 분배가 이루어지는 수동 제어가 가능하다.
도 4 내지 도 7은 전력 모듈(300)의 동작을 나타낸 개략도이다.
전력 분배를 능동적으로 수행하는 동시에 잉여 전력 k를 처리하기 위한 방안이 추가될 수 있다.
일 예로, 전력 모듈(300)에는 연결단(390)과 제1 출력부(351) 사이에 배치되는 제1 스위치(331), 연결단(390)과 제2 출력부(352) 사이에 배치되는 제2 스위치(332)가 마련될 수 있다.
충전 장치에는 제1 스위치(331) 및 제2 스위치(332)를 제어하는 제어부(370)가 마련될 수 있다. 이때, 제어부(370)는 전력 모듈(300)의 모듈화를 위해 전력 모듈(300)에 설치되는 것이 좋다.
제어부(370)는 제1 모드, 제2 모드, 제3 모드 중 하나로 각 스위치를 제어할 수 있다.
연결단(390)과 각 출력부를 전기적으로 연결시키는 각 스위치의 동작을 온(on)으로 정의하고, 연결단(390)과 각 출력부 간의 전기적 연결을 해제시키는 각 스위치의 동작을 오프(off)로 정의한다.
제1 모드는 제1 스위치(331)를 온(on)시키고, 제2 스위치(332)를 오프(off)시키는 제어 모드일 수 있다.
제2 모드는 제1 스위치(331)를 오프(off)시키고, 제2 스위치(332)를 온(on)시키는 제어 모드일 수 있다.
제3 모드는 제1 스위치(331)를 온(on)시키고, 제2 스위치(332)를 온(on)시키는 제어 모드일 수 있다.
제1 스위치(331) 및 제2 스위치(332)를 모두 오프(off)시키는 기본 모드가 추가될 수 있다.
제1 모드로 인해 제1 AC/DC 변환부(311)의 제1 전력과 제2 AC/DC 변환부(312)의 제2 전력이 합해진 합산 전력이 제1 출력부(351)에 전기적으로 연결된 제1 배터리(91)로 공급될 수 있다.
제2 모드로 인해 합산 전력이 제2 출력부(352)에 전기적으로 연결된 제2 배터리(92)로 공급될 수 있다.
제3 모드로 인해 합산 전력이 제1 배터리(91) 및 제2 배터리(92)로 분배되어 공급될 수 있다.
제1 AC/DC 변환부(311) 및 제2 AC/DC 변환부(312)는 복수의 충전 모드 중 가장 큰 계약 전력값보다 작고, 복수의 충전 모드 중 가장 작은 계약 전력값 이상의 전력값을 갖는 전력을 출력할 수 있다.
일 예로, 제1 AC/DC 변환부(311)는 급속 모드의 계약 전력값 50kW보다 작고 완속 모드의 계약 전력값 이상의 전력값을 갖는 제1 전력을 출력할 수 있다.
제2 AC/DC 변환부(312)는 급속 모드의 계약 전력값 50kW보다 작고 완속 모드의 계약 전력값 이상의 전력값을 갖는 제1 전력을 출력할 수 있다.
이때, 제1 전력과 제2 전력의 합산 전력의 전력값이 가장 큰 계약 전력값(급속 모드의 계약 전력값) 50kW보다 큰 범위 내에서 제1 전력의 전력값과 제2 전력의 전력값이 결정되는 것이 좋다.
예를 들어, 제1 전력과 제2 전력은 각각 30kW일 수 있다. 이 경우, 하나의 전력 모듈(300)로 중속 모드를 요구하는 2대의 배터리(90)를 함께 처리(각각 30kW씩 제공)하거나, 급속 모드를 요구하는 1대의 배터리(90)를 처리(60kW 제공)할 수 있다.
또는, 제1 전력과 제2 전력 중 하나는 15kW이고 나머지는 35kW일 수 있다. 이 경우, 하나의 전력 모둘로 중속 모드를 요구하는 1대의 배터리(90) 및 완속 모드를 요구하는 1대의 배터리(90)를 함께 처리하거나, 급속 모드를 요구하는 1대의 배터리(90)를 처리할 수 있다.
제1 AC/DC 변환부(311) 및 제2 AC/DC 변환부(312)가 중속 모드의 계약 전력값에 해당하는 30kW를 출력하는 경우를 가정한다.
제1 전력 라인(181)을 통해 제1 출력부(351)에 중속 모드 또는 완속 모드를 요구하는 제1 배터리(91)가 전기적으로 연결되고, 제2 전력 라인(182)을 통해 제2 출력부(352)에 중속 모드 또는 완속 모드를 요구하는 제2 배터리(92)가 전기적으로 연결되면, 도 5와 같이 제어부(370)는 제3 모드로 동작할 수 있다.
제3 모드에 따라 제1 AC/DC 변환부(311)의 제1 전력 30kW와 제2 AC/DC 변환부(312)의 제2 전력 30kW가 합산된 합산 전력 60kW가 제1 배터리(91) 및 제2 배터리(92)에 분배되어 공급될 수 있다. 만약, 제1 배터리(91)의 부하와 제2 배터리(92)의 부하가 동일하다면, 제1 배터리(91) 및 제2 배터리(92)에 각각 30kW씩 공급되며, 해당 전력값은 중속 모드의 계약 전력값을 만족할 수 있다.
제어부(370)는 제1 출력부(351)에 제1 배터리(91)고 연결되고 제2 출력부(352)에 제1 배터리(91)보다 충전 순위가 낮은 제2 배터리(92)가 연결되면, 도 4와 같이 제1 모드로 동작할 수 있다.
일 예로, 제1 출력부(351)에 연결된 제1 배터리(91)가 급속 모드를 요구하고, 제2 출력부(352)에 연결된 제2 배터리(92)보다 충전 순위가 높은 경우, 제어부(370)는 제1 스위치(331)를 온시키고, 제2 스위치(332)를 오프시킬 수 있다.
제1 모드의 실행에 의해, 제1 AC/DC 변환부(311)와 제2 AC/DC 변환부(312)의 합산 전력 60kW는 제1 출력부(351)에 전기적으로 연결된 제1 배터리(91)로 공급될 수 있다. 합산 전력 60kW는 고속 모드의 계약 전력값 50kW를 충분하게 만족할 수 있다.
제1 배터리(91)의 급속 모드로 인해 충전 순위가 낮은 제2 배터리(92)는 제1 배터리(91)의 충전이 완료될 때까지 대기할 수 있다.
만약, 제2 배터리(92)가 제1 배터리(91)보다 충전 순위가 높고 급속 모드를 요구한다면, 제어부(370)는 제2 모드로 동작할 수 있다.
급속 모드로 충전 중인 제1 배터리(91)의 충전 완료 시간이 20분이면, 기본적으로 제2 배터리(92)는 충전 개시까지 20분을 기다려야 한다. 제1 모드로 동작 중인 제어부(370)는 제1 배터리(91)의 충전이 완료되면, 다시 말해 20분이 경과하면 제2 모드로 동작하여 제2 배터리(92)의 배터리를 충전할 수 있다.
한편, 본 발명에 따르면, 제2 배터리(92)의 충전 개시 시간이 20분보다 앞당겨질 수 있다.
일 예로, 제어부(370)는 제1 모드로 동작 중인 상태에서 제1 배터리(91)의 배터리 충전량이 요구량을 만족하기 전에 배터리의 보호 모드가 발동되면, 제1 모드를 제3 모드로 바꿀 수 있다.
예를 들어, 요구량이 제1 배터리(91)의 배터리를 95%까지 충전시키는 것인 경우, 배터리 충전량이 73%를 만족하는 시점부터 배터리의 보호 모드가 발동할 수 있다.
제3 모드로 인해, 제1 배터리(91)에서 수용한 전력을 제외한 나머지 잉여 전력이 충전을 기다리는 제2 배터리(92)로 공급될 수 있다. 제3 모드가 되면, 제1 배터리(91)로 모두 공급되던 제1 전력과 제2 전력의 합산 전력 60kW 중 일부에 해당하는 30kW가 제2 배터리(92)로 공급될 수 있다.
보호 모드는 제1 배터리(91)의 충전 완료 시간 20분보다 일찍 발동되므로, 제2 배터리(92)는 예상 대기 시간보다 일찍 전력을 공급받을 수 있다.
한편, 보호 모드의 개시 시점에 곧바로 제3 모드가 실행되면 충전 우선권을 갖는 제1 배터리(91)에 손해가 발생될 수 있다. 보호 전력값은 개시 시점으로부터 시간이 경과됨에 따라 점진적으로 낮아지는 경향을 갖는다.
예를 들어, 합산 전력 60kW 중 50kW를 수용하던 상태에서 보호 모드가 발동되면, 수용 가능한 전력은 시간의 경과에 따라 낮아지는 보호 전력값에 맞춰, 40kW, 30kW, 20kW 순으로 점진적으로 낮아질 수 있다.
보호 모드 중 제1 배터리(91)에서 수용 가능한 전력이 40kW일 때, 제3 모드가 실행되면, 합산 전력 60kW 중 30kW만 입력받게 되므로, 10kW를 덜 입력받는 셈이 된다.
충전 우선권을 갖는 배터리(90)의 손해를 줄이기 위해 제어부(370)는 보호 모드 중 보호 전력값이 합산 전력의 절반 이하가 되는 경우에 한해 기존 제1 모드를 제3 모드로 변경할 수 있다.
제어부(370)는 제1 배터리(91)의 배터리가 요구량을 만족할 때까지 제3 모드를 유지할 수 있다. 제1 배터리(91)의 배터리가 요구량을 만족하도록 충전되면, 제어부(370)는 제2 모드로 동작하여 합산 전력 전부를 제2 배터리(92)에 제공할 수 있다.
제어부(370)는 각 출력단에 연결된 배터리(90)로부터 직류 전력에 의해 충전 중인 배터리에 대한 보호 모드 발동 여부를 수신할 수 있다. 제어부(370)는 보호 모드의 발동 여부에 따라 제1 스위치(331) 및 제2 스위치(332)를 제어할 수 있다.
한편, 연결단(390)에는 제1 AC/DC 변환부(311)의 출력단과 제2 AC/DC 변환부(312)의 출력단 사이에 배치되는 제3 스위치(333)가 마련되는 것이 좋다. 이때, 제1 출력부(351)는 제3 스위치(333)의 일단에 전기적으로 연결될 수 있다. 제2 출력부(352)는 제3 스위치(333)의 타단에 전기적으로 연결될 수 있다.
제3 스위치(333)가 없는 경우, 도 6과 같은 문제가 발생될 수 있다.
제어부(370)는 제1 출력부(351)에 급속 모드를 원하는 제1 배터리(91)가 연결되고, 제2 출력부(352)가 어떤 배터리(90)에도 연결되지 않은 대기 상태이면, 제1 모드로 동작할 수 있다.
제1 모드로 인해 제1 전력과 제2 전력의 합산 전력 60kW가 제1 배터리(91)로 공급될 수 있다.
제1 배터리(91)의 배터리 보호 모드가 발동되면, 합산 전력을 분배하기 위해 제어부(370)는 제3 모드로 동작할 수 있다. 그런데, 제2 출력부(352)에 제2 배터리(92)가 연결되지 않은 상태이므로, 제3 모드의 실행에도 불구하고 합산 전력 60kW가 그대로 제1 배터리(91)로 공급되는 문제가 발생된다.
2개의 출력부 중 어느 하나의 출력부만 배터리(90)에 연결된 경우를 대비하기 위해 제3 스위치(333)가 이용될 수 있다.
일 예로, 제어부(370)는 제1 출력부(351)에 급속 모드를 원하는 제1 배터리(91)가 연결되고, 제2 출력부(352)가 어떤 배터리(90)에도 연결되지 않은 대기 상태이면, 제1 모드로 동작할 수 있다. 또한, 제어부(370)는 보호 모드가 발동되기 전까지 제3 스위치(333)를 온(on)시켜 제1 AC/DC 변환부(311)의 출력단과 제2 AC/DC 변환부(312)의 출력단 간의 병렬 연결을 유지시킬 수 있다.
제1 모드 및 제3 스위치(333)의 온에 의해 제1 전력과 제2 전력의 합산 전력 60kW가 제1 배터리(91)로 공급될 수 있다.
제어부(370)는 제1 배터리(91)의 배터리 충전량이 요구량을 만족하기 전에 배터리의 보호 모드가 발동되면, 도 7고 같이 제3 스위치(333)를 오프(off)시켜 제1 AC/DC 변환부(311)의 출력단과 제2 AC/DC 변환부(312)의 출력단 간의 병렬 연결을 해제시킬 수 있다.
병렬 연결의 해제로 인해 제1 배터리(91)에는 제1 AC/DC 변환부(311)의 제1 전력만 공급되는 상태가 된다. 제2 AC/DC 변환부(312)의 제2 전력은 배터리(90)에 의해 소모되지 않게 된다.
다시 도 3으로 돌아가서, 교류 모듈(309)은 전력 모듈(300)이 복수로 설치될 수 있는 버스바를 포함할 수 있다. 버스바에는 전력 모듈(300)이 장착되면 각 AC/DC 변환부의 입력단에 접촉되면서 전기적으로 연결되는 단자가 마련될 수 있다.
전력 모듈(300)에는 연결단(390)과 제1 출력부(351) 사이에 배치되는 제1 스위치(331), 연결단(390)과 제2 출력부(352) 사이에 배치되는 제2 스위치(332), 제1 스위치(331)와 제2 스위치(332)를 제어하는 제어부(370)가 마련될 수 있다. 전력 모듈(300)은 버스바에 장착될 수 있는 판 형상의 기판을 포함할 수 있다. 제1 스위치(331), 제2 스위치(332), 제어부(370)는 기판에 설치될 수 있다.
제어부(370)의 제어에 의해 제1 출력부(351)에 전기적으로 연결된 제1 배터리(91)의 배터리가 보호되거나, 제1 출력부(351)에 전기적으로 연결된 제1 배터리(91) 및 제2 출력부(352)에 전기적으로 연결된 제2 배터리(92)에 대한 전력 분배가 이루어질 수 있다.
버스바에 복수로 연결된 각 전력 모듈(300)은 버스바를 제외하고 서로 전기적으로 단절(출력측의 전기적 단절)될 수 있다.
버스바에 연결된 복수의 전력 모듈(300) 중 특정 전력 모듈(300)에 마련된 제어부(370)는 다른 전력 모듈(300)에 상관없이 특정 전력 모듈(300)에 마련된 제1 스위치(331) 및 제2 스위치(332)를 독립적으로 제어할 수 있다.
각 전력 모듈(300) 간의 전기적 단절 및 제어부(370)의 독립 제어를 통해 버스바에 대한 전력 모듈(300)의 증설이 용이할 수 있다. 왜냐하면, 특정 전력 모듈(300)을 버스바에 추가로 설치하거나 삭제하더라도, 버스바에 설치된 다른 전력 모듈(300)에 영향을 미치지 않기 때문이다.
<부호의 설명>
90...배터리 110...전력 센터
115...연결 단자 130...키오스크
150...단자부 170...상용 라인
180...전력 라인 181...제1 전력 라인
182...제2 전력 라인 300...전력 모듈
309...교류 모듈
311...제1 AC/DC 변환부 312...제2 AC/DC 변환부
331...제1 스위치 332...제2 스위치
333...제3 스위치 351...제1 출력부
352...제2 출력부 370...제어부
390...연결단

Claims (7)

  1. 전기차 또는 전기 오토바이에 착탈되는 배터리;
    교류 전력이 흐르는 교류 모듈;
    상기 교류 모듈에 연결되고, 상기 교류 전력을 배터리에 입력되는 직류 전력으로 변환하는 AC/DC 변환부가 2개 구비된 전력 모듈;을 포함하고,
    상기 전력 모듈에 마련된 제1 AC/DC 변환부의 출력단과 제2 AC/DC 변환부의 출력단은 병렬로 연결되며,
    상기 제1 AC/DC 변환부의 출력단과 상기 제2 AC/DC 변환부의 출력단이 병렬로 연결된 연결단이 정의될 때,
    상기 전력 모듈에는 상기 연결단에 전기적으로 연결되고 서로 다른 배터리에 전기적으로 연결 가능한 제1 출력부 및 제2 출력부가 마련되고,
    상기 배터리는 상기 제1 출력부 및 제2 출력부에 착탈 가능하게 연결되며,
    상기 교류 모듈은 상기 전력 모듈이 복수로 설치될 수 있는 버스바를 포함하며,
    상기 전력 모듈이 장착되면 상기 버스바는 상기 AC/DC 변환부의 입력단에 전기적으로 연결되고,
    상기 버스바에 복수로 연결된 각 전력 모듈은 상기 버스바를 제외하고 서로 전기적으로 단절된 상태를 유지하며,
    상기 연결단과 상기 제1 출력부 사이에 배치되는 제1 스위치, 상기 연결단과 상기 제2 출력부 사이에 배치되는 제2 스위치가 상기 전력 모듈에 마련되고,
    상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치를 제어하는 제어부가 마련되며,
    상기 제어부는 제1 모드, 제2 모드, 제3 모드 중 하나로 각 스위치를 제어하고,
    상기 연결단과 각 출력부를 전기적으로 연결시키는 각 스위치의 동작을 온(on)으로 정의하고, 상기 연결단과 각 출력부 간의 전기적 연결을 해제시키는 각 스위치의 동작을 오프(off)로 정의할 때,
    상기 제1 모드는 상기 제1 스위치를 온(on)시키고, 상기 제2 스위치를 오프(off)시키는 모드이며,
    상기 제2 모드는 상기 제1 스위치를 오프(off)시키고, 상기 제2 스위치를 온(on)시키는 모드이고,
    상기 제3 모드는 상기 제1 스위치를 온(on)시키고, 상기 제2 스위치를 온(on)시키는 모드이며,
    상기 제1 모드에서는 상기 제1 AC/DC 변환부의 제1 전력과 상기 제2 AC/DC 변환부의 제2 전력이 합해진 합산 전력이 상기 제1 출력부에 전기적으로 연결된 제1 배터리로 공급되고,
    상기 제2 모드에서는 상기 합산 전력이 상기 제2 출력부에 전기적으로 연결된 제2 배터리로 공급되며,
    상기 제3 모드에서는 상기 합산 전력이 상기 제1 배터리 및 상기 제2 배터리로 분배되는 충전 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    키오스크에 단자부가 마련되고,
    상기 배터리는 상기 단자부에 수납되며,
    충전된 배터리는 상기 단자부에서 인출된 후 전기차에 장착되고,
    충전이 필요한 배터리는 상기 전기차에서 인출된 후 상기 단자부에 수납되는 충전 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 각 출력단에 연결된 배터리로부터 상기 직류 전력에 의해 충전 중인 배터리에 대한 보호 모드 발동 여부를 수신하며, 상기 보호 모드의 발동 여부에 따라 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치를 제어하고,
    상기 제1 출력부에 상기 제1 배터리가 연결되고, 상기 제2 출력부에 상기 제1 배터리보다 충전 순위가 낮은 상기 제2 배터리가 연결되면, 상기 제어부는 상기 제1 모드로 동작하고,
    상기 제1 모드로 동작 중인 상태에서 상기 제1 배터리의 배터리 충전량이 요구량을 만족하기 전에 배터리의 상기 보호 모드가 발동되면, 상기 제어부는 상기 제1 모드를 상기 제3 모드로 바꾸며,
    상기 제1 배터리의 배터리가 상기 요구량을 만족할 때까지 상기 제어부는 상기 제3 모드를 유지하고,
    상기 제3 모드로 인해, 상기 제1 배터리에서 수용한 전력을 제외한 나머지 잉여 전력이 충전을 기다리는 상기 제2 배터리로 공급되는 충전 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 보호 모드 중 보호 전력값이 상기 제1 AC/DC 변환부와 상기 제2 AC/DC 변환부의 합산 전력의 절반 이하가 되는 경우에 한해 상기 제1 모드를 상기 제3 모드로 변경하는 충전 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 연결단에는 상기 제1 AC/DC 변환부의 출력단과 상기 제2 AC/DC 변환부의 출력단 사이에 배치되는 제3 스위치가 마련되고,
    상기 제1 출력부는 상기 제3 스위치의 일단에 전기적으로 연결되며,
    상기 제2 출력부는 상기 제3 스위치의 타단에 전기적으로 연결되고,
    상기 제어부는 상기 제1 출력부에 제1 배터리가 연결되고 상기 제2 출력부가 대기 상태이면, 상기 제1 모드로 동작하며,
    상기 제어부는 상기 제1 배터리의 배터리 충전량이 요구량을 만족하기 전에 배터리의 상기 보호 모드가 발동되면, 상기 제3 스위치를 오프(off)시켜 상기 제1 AC/DC 변환부의 출력단과 상기 제2 AC/DC 변환부의 출력단 간의 병렬 연결을 해제시키고,
    상기 제어부는 상기 보호 모드가 발동되기 전까지 상기 제3 스위치를 온(on)시켜 상기 제1 AC/DC 변환부의 출력단과 상기 제2 AC/DC 변환부의 출력단 간의 병렬 연결을 유지시키는 충전 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 AC/DC 변환부 및 상기 제2 AC/DC 변환부는 복수의 충전 모드 중 가장 큰 계약 전력값보다 작고, 복수의 충전 모드 중 가장 작은 계약 전력값 이상의 전력값을 갖는 전력을 출력하고,
    상기 제1 AC/DC 변환부로부터 출력되는 제1 전력과 상기 제2 AC/DC 변환부로부터 출력되는 제2 전력의 합산 전력의 전력값이 가장 큰 계약 전력값보다 큰 범위 내에서 상기 제1 전력의 전력값과 상기 제2 전력의 전력값이 결정되는 충전 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전력 모듈 각각에는 상기 연결단과 상기 제1 출력부 사이에 배치되는 상기 제1 스위치, 상기 연결단과 상기 제2 출력부 사이에 배치되는 상기 제2 스위치 및 상기 제1 스위치와 상기 제2 스위치를 제어하는 상기 제어부가 마련되며,
    상기 제어부의 제어에 의해 상기 제1 출력부에 전기적으로 연결된 제1 배터리의 배터리가 보호되거나, 상기 제1 출력부에 전기적으로 연결된 제1 배터리 및 상기 제2 출력부에 전기적으로 연결된 제2 배터리에 대한 전력 분배가 이루어지고,
    상기 버스바에 연결된 복수의 전력 모듈 중 특정 전력 모듈에 마련된 제어부는 다른 전력 모듈에 상관없이 상기 특정 전력 모듈에 마련된 제1 스위치 및 제2 스위치를 독립적으로 제어하는 충전 장치.
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