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KR101846683B1 - 전기차량의 충전시스템 및 충전 제어방법 - Google Patents

전기차량의 충전시스템 및 충전 제어방법 Download PDF

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KR101846683B1
KR101846683B1 KR1020160080889A KR20160080889A KR101846683B1 KR 101846683 B1 KR101846683 B1 KR 101846683B1 KR 1020160080889 A KR1020160080889 A KR 1020160080889A KR 20160080889 A KR20160080889 A KR 20160080889A KR 101846683 B1 KR101846683 B1 KR 101846683B1
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vehicle charging
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variable impedance
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전재화
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현대자동차주식회사
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Abstract

외부전원을 전력변환시켜 차량 배터리를 충전시킬 수 있는 차량충전장치; 및 상기 외부전원과 상기 차량충전장치 사이에 마련되며, 상기 차량충전장치로 인가되는 전류를 감지하여 상기 차량충전장치를 이용해 차량 충전이 가능한지 여부를 판단하고 차량 충전이 불가능하다고 판단된 경우에는 상기 차량충전장치를 통해 차량충전이 가능하도록 상기 차량충전장치의 제어변수를 변경하는 제어부;를 포함하는 전기차량의 충전시스템이 소개된다.

Description

전기차량의 충전시스템 및 충전 제어방법{CHARGING SYSTEM AND CONTROL METHOD FOR ELECTRIC VEHICLE}
본 발명은 교류전원을 이용하여 차량의 배터리를 충전하는 전기차량의 안정적인 충전 환경을 조성할 수 있는 전기차량의 충전시스템 및 충전 제어방법에 관한 것이다.
UN 기후 변화 협약 및 교토 의정서는 대한민국을 비롯한 세계 각국에 대하여 온실가스를 의무적으로 감축하도록 강제하고 있다. 이에 따라서, 대한민국 정부는 정책적으로 온실가스를 감축하기 위한 다양한 대책을 강구하고 있다. 특히, 정부는 온실가스 배출의 가장 큰 원인 중 하나인 자동차에 대하여 각종 규제를 부과하고 있는데, 자동차 산업계에서는 이에 대응하여 전기 자동차(EV: Electric Vehicle), 하이브리드 자동차(Hybrid Electric Vehicle: HEV), 플러그인 하이브리드 자동차(PHEV: Plig-in Hybrid Electric Vehicle) 등의 개발에 박차를 가하고 있다.
전기 자동차 등은 전기 에너지를 2차 전지인 배터리에 축적하고, 모터를 이용하여 상기 전기 에너지를 동력 에너지로 변환한다. 이때 전기 에너지를 배터리에 충전하는 방식으로는 직류 고전압의 전력을 배터리에 직접 인가하여 충전하는 급속 충전 방식과, 상용 교류 전압을 가진 교류 전력을 인가하는 완속 충전 방식이 있다.
다만, 통상적으로 일반 가정에서 구해지는 전력의 전압보다 전기 자동차에 탑재되는 배터리는 상대적으로 더 고전압의 직류 전압을 가진다. 따라서 친환경적인 전기 자동차를 널리 상용화하고 실질적으로 활용하기 위해서는 사용 교류 전력을 효율적으로 고전압의 직류 전력으로 변환할 수 있는 차량충전장치를 필요로 하는바 이에 대한 개발이 지속적으로 이루어지고 있다.
다만 이와 같은 개발을 통해 차량충전장치 자체의 성능이 향상되더라도 차량충전장치의 외적인 요소 즉, 충전케이블의 임피던스 또는 변전소에서 가정용 전원간 송전선의 임피던스 등과 차량충전장치 부품 편차로 인한 변수는 여전히 전기차량의 충전시스템을 제어하는데 있어서 고려되지 않았는바 이로 인한 다양한 문제가 발생하였다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-1509709 B1
본 발명은 차량충전장치의 부품 양산편차, 변압기 및 변압기와 사용전원간 송전선의 임피던스로 인하여 차량충전장치가 오동작하는 것을 방지할 수 있는 전기차량의 충전시스템 및 충전 제어방법을 제공하는데 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전기차량의 충전시스템은 외부전원을 전력변환시켜 차량 배터리를 충전시킬 수 있는 차량충전장치; 및 상기 외부전원과 상기 차량충전장치 사이에 마련되며, 상기 차량충전장치로 인가되는 전류를 감지하여 상기 차량충전장치를 이용해 차량 충전이 가능한지 여부를 판단하고 차량 충전이 불가능하다고 판단된 경우에는 상기 차량충전장치를 통해 차량충전이 가능하도록 상기 차량충전장치의 제어변수를 변경하는 제어부;를 포함한다.
외부전원과 상기 차량충전장치 사이에 마련되어, 임피던스의 저항과 리액턴스 성분을 변경할 수 있는 가변임피던스;를 더 포함하며, 상기 제어부는 상기 가변임피던스에 흐르는 전류를 감지하여 상기 차량 충전장치를 이용해 차량 충전이 가능한지 여부를 판단하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는 상기 가변임티던스의 저항과 리액턴스 성분을 변경시켜가며 상기 가변임피던스에 흐르는 전류를 FFT(Fast Fourier Transform)시킨 전류변환값이 기설정된 제어범위에 포함되는 경우에는 상기 차량충전장치를 이용해 차량 충전이 가능한 것으로 판단하고 상기 제어범위를 벗어나는 경우에는 상기 차량충전장치를 이용해 차량 충전이 불가능한 것으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
상기 차량충전장치는 역률보상회로와 DC/DC 컨버터로 구성되고, 상기 제어변수는 상기 역률보상회로 또는 상기 DC/DC컨버터를 구성하는 스위치 소자의 듀티비인 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는 상기 전류변환값이 상기 제어범위의 최소값 미만인 경우에는 상기 스위치 소자의 듀티비를 증가시키는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는 상기 전류변환값이 상기 제어범위의 최대값을 초과하는 경우에는 상기 스위치 소자의 듀티비를 감소시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 전기차량의 충전 제어방법은 제어부에서 외부전원과 차량충전장치 사이에 마련되는 가변임피던스에 흐르는 전류를 감지하는 단계; 상기 제어부에서 상기 전류를 이용하여 차량 충전이 가능한지 여부를 판단하는 단계; 및 차량 충전이 가능하다고 판단된 경우에는 상기 제어부에서 상기 차량충전장치의 제어변수를 유지하고 차량 충전이 불가능하다고 판단된 경우에는 상기 제어부에서 상기 차량충전장치의 제어변수를 변경하는 단계;를 포함한다.
상기 차량 충전 가능여부를 판단하는 단계는, 상기 제어부에서 상기 가변임피던스의 저항과 리액턴스 성분을 변경시켜가며 상기 가변임피던스에 흐르는 전류를 FFT(Fast Fourier Transform)시켜 전류변환값을 도출하는 단계; 및 상기 전류변환값이 기설정된 제어범위에 포함되는 경우에는 상기 제어부에서 차량 충전이 가능한 것으로 판단하고 상기 제어범위를 벗어나는 경우에는 차량 충전이 불가능한 것으로 판단하는 단계;를 포함한다.
상기 차량충전장치의 제어변수를 변경하는 단계는, 상기 전류변환값이 상기 제어범위의 최소값 미만인 경우에는 상기 제어부에서 상기 차량충전장치를 구성하는 스위치 소자의 듀티비를 증가시키고, 상기 전류변환값이 상기 제어범위의 최대값을 초과하는 경우에는 상기 스위치 소자의 듀티비를 감소시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따를 경우 차량충전장치 외부의 임피던스와 차량충전장치의 부품편차를 동시에 고려하여 전기차량의 충전제어가 가능해지므로 외부 임피던스가 변화하더라도 차량의 안정적 충전이 가능하며, 차량충전장치의 부품 편차에 인한 차량충전장치의 불량품률이 개선될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기차량 충전 시스템의 구성도
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전류변화값 그래프
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전기차량 충전 제어방법의 순서도
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 살펴본다.
본 발명에 따른 전기차량의 충전시스템은 도1에서 도시하고 있는 바와 같이 외부전원을 전력변환시켜 차량 배터리를 충전시킬 수 있는 차량충전장치(10); 상기 외부전원과 상기 차량충전장치(10) 사이에 마련되며, 상기 차량충전장치(10)로 인가되는 전류를 감지하여 상기 차량충전장치(10)를 이용해 차량 충전이 가능한지 여부를 판단하고 차량 충전이 불가능하다고 판단된 경우에는 상기 차량충전장치(10)를 통해 차량충전이 가능하도록 상기 차량충전장치(10)의 제어변수를 변경하는 제어부(20);를 포함하여 구성될 수 있으며, 이에 외부전원과 상기 차량충전장치(10) 사이에 마련되어, 임피던스의 저항과 리액턴스 성분을 변경할 수 있는 가변임피던스(30);를 더 포함하고 상기 제어부(20)는 상기 가변임피던스(30)에 흐르는 전류를 감지하여 상기 차량 충전장치를 이용해 차량 충전이 가능한지 여부를 판단할 수 있다.
앞서 언급한 바와 같이 외부전원(특히 가정용 상용전원)을 이용하는 경우 정확하게 220V의 교류전원(국내의 경우 220V에 해당하고 외국에서는 이와 다를 수 있다. 예를 들어 일본의 경우 가정용 상용전원은 110V 교류전원이다.)이 외부전원을 통해 인가되는 것은 아니다. 발전소에서 변전소로 송전하는 경우 발생하는 전력 손실이 발생하며 변전소에서 가정용 상용전원으로 송전하는 경우의 손실 및 송전선로에 의한 손실이 발생하므로 발전소에서 이러한 손실을 고려하여 송전을 한다고 하더라도 각각의 가정에 220V의 교류전원을 전송하는 것은 매우 어려운 일이다.
따라서 본 발명에서는 이러한 다양한 손실들을 고려하여 차량충전장치(10)를 제어하기 위하여 가변임피던스(30)를 포함하고 있는 것이다. 가변임피던스(30)는 앞서 언급한 바와 같이 임피던스의 저항 성분(임피던스의 실수성분과 동일한 의미)과 리액턴스 성분(임피던스의 허수성분과 동일한 의미)을 변경할 수 있는 임피던스를 의미하는데, 도1에서 그 일례로써 저항(32)과 인덕터(34)를 포함하는 가변임피던스(30) 구조를 제시하고 있다.
다만 도1에서 도시하고 있는 가변임피던스(30)는 본 발명에 따른 가변임피던스(30)의 다양한 실시예 중에서 하나일 뿐이며, 설계자의 요구에 따라 통상의 기술자라면 인덕터(34)를 커패시터로 변경하는 것도 가능하며, 가변임피던스(30) 자체를 그 역수의 값을 가지는 가변어드미턴스로 변경도 가능하므로 이러한 파생구조도 본 발명의 권리범위에 포함될 수 있을 것이다.
가변임피던스(30)를 적절히 활용하면 앞서 언급한 손실을 모두 합한 전력손실을 상기 가변임피던스(30)를 통해 전기차량의 충전제어에 활용이 가능한데, 구체적으로 본 발명에서는 이러한 외적인 요소를 감안한 전기차량의 충전제어 방법으로 상기 가변임티던스의 저항과 리액턴스 성분을 변경시켜가며 상기 가변임피던스(30)에 흐르는 전류를 FFT(Fast Fourier Transform)시킨 전류변환값을 이용하여 충전제어장치를 제어하는 방법을 제시하고 있다.
FFT는 고속 푸리에 변환을 의미하는 것으로 디지털 신호 처리 분야에서 편미분 방정식의 근을 구하기 위함뿐만 아니라 이산 푸리에 변환(DTF: Discrete Fourier Transform)과 그 역변환을 빠르게 수행할 수 있는 변환 방법이다. 도2에서 이와 같이 변환된 전류변환값의 그래프를 도시하고 있는데, 주파수 값에 따라 전류변환값이 전체적으로 감소되는 경향을 가지는 것을 확인할 수 있다. 이는 본 발명의 일실시예에 따른 가변임피던스(30)에서 리액턴스 성분으로 도1에서 도시하고 있는 바와 같이 인덕터(34)를 구성하고 있는데 인덕터(34)의 특성상 주파수값이 커질수록 리액턴스 성분이 커지기 때문이다. 따라서 주파수값이 커질수록 발전소로부터 전송되는 과정에서 손실되는 손실전력이 커지는바, 전체적으로 전류변환값의 그래프는 도2와 같은 형태로 도시될 수 있을 것이다.
따라서 본 발명에서는 전류변환값을 이용해 차량충전장치(10)로 인가되는 전류가 적절한 값에 해당하는지 여부를 판단하게 되는데, 이에 대한 판단기준으로 본 발명에서 제공하고 있는 것이 도2에 도시되어 있는 제어범위이다. 즉 전류변환값이 상기 제어범위에 포함되어 있는 경우에는 차량충전장치(10)를 통해 안정적인 차량 충전이 이루어질 수 있는 상태로 보아 차량 충전이 가능한 상태로 판단하고 전류변환값이 제어범위를 벗어나는 경우에는 전류제어가 불안정한 상태에 있는 것이므로 차량 충전이 불가능한 상태라고 판단하는 것이다. 즉, 도2를 살펴보면 알 수 있듯이 A case와 B case 가 전류변환값이 제어범위를 벗어난 경우에 해당하는 바 이 경우가 차량 충전이 불가능한 상태라고 볼 수 있을 것이다.
여기에서 제어범위는 설계자가 필요에 따라 적절하게 선택할 수 있는 값으로 차량충전장치(10)에서 발생할 수 있는 전류리플은 마진값으로 가져갈 수 있으면서 배터리 충전효율과 차량충전장치(10) 셧다운을 방지할 수 있는 값으로 설정하는 것이 바람직할 것이다.
따라서 제어부(20)는 이와 같이 차량 충전이 불가능하다고 판단된 경우 차량충전장치(10)의 제어변수를 변경하여 차량 충전이 가능해질 수 있도록 제어를 수행하게 되는데, 여기서 제어변수란 차량충전장치(10)를 구성하는 여러가지 요소를 포함할 수 있을 것이나 대표적으로 도1에서 도시하고 있는 바와 같이 차량충전장치(10)에 포함되어 있는 역률보상회로(12)와 DC/DC 컨버터(14)를 구성하는 스위치 소자의 듀티비를 생각할 수 있을 것이다.
차량충전장치(10)는 이를 구성하는 역률보상회로(12)와 DC/DC 컨버터(14)의 스위치 소자의 게이트단으로 인가되는 듀티비 제어를 통해 출력전류 제어가 가능한데, 일반적으로 듀티비를 증가시키면 출력전류가 커지며 듀티비를 감소시키면 출력전류가 감소되는 경향이 있다. 따라서 본 발명에서는 이러한 점을 이용하여 차량충전장치(10)를 통한 차량충전이 불가능하다고 판단된 경우 그 상태에 따라 차량충전장치(10) 스위치 소자의 듀티비를 변경하여 충전이 가능하도록 하는 방법을 제시하고 있는 것이다.
구체적으로 이를 앞선 도2의 A case와 B case로 나누어 생각을 해보면 A case는 전류변환값이 제어범위의 최소값 미만인 경우에 해당하므로 차량충전장치(10)의 출력전류가 지나치게 낮아 차량 충전을 진행할 수 없는 경우에 해당한다. 이러한 이유는 앞서 언급한 바와 같이 차량충전장치(10)를 구성하는 부품의 양산오차에 기인한 것으로 볼 수 있는데, 대표적으로 차량충전장치(10)를 구성하는 변압기의 양산오차를 고려할 수 있을 것이다. 따라서 이와 같이 하드웨어적으로 문제가 발생한 경우에는 차량충전장치(10) 스위치 소자의 듀티비를 증가시켜 출력전류 크기를 증가시킴으로써 상기 양산오차를 보상할 수 있도록 하는 것이다.
B case의 경우에는 A case와는 반대로 출력전류의 크기가 차량충전장치(10)의 허용전류보다 커 차량충전장치(10)에 셧다운이 발생할 수 있는 경우로 이와 같은 경우에는 차량출력전류를 감소시키는 것이 필요하다. 따라서 본 발명에서는 이 경우 차량충전장치(10) 스위치 소자의 듀티비를 감소시켜 출력전류 크기를 감소시킴으로써 전류변환값이 제어범위의 최대값 이하가 되도록 제어하고 있는 것이다.
더불어 본 발명에 따른 전기차량의 충전 제어방법은 도3에서 도시하고 있는 바와 같이 제어부(20)에서 외부전원과 차량충전장치(10) 사이에 마련되는 가변임피던스(30)에 흐르는 전류를 감지하는 단계(10);와 상기 제어부(20)에서 상기 가변임피던스(30)의 저항과 리액턴스 성분을 변경시켜가며 상기 가변임피던스(30)에 흐르는 전류를 FFT(Fast Fourier Transform)시켜 전류변환값을 도출하는 단계(S20);를 포함할 수 있으며, 제어부(20)에서 전류변환값이 기설정된 제어범위에 포함되는지 판단하는 단계(S30)를 통해 상기 전류변환값이 기설정된 제어범위에 포함되는 경우에는 차량 충전이 가능하다고 판단되는 경우이므로 제어부(20)에서 차량충전장치(10)의 제어변수를 유지하도록 하는 제어변수 유지단계(S40)를 수행한다.
반면에 전류변환값이 제어범위에 포함되지 않는 경우에는 차량 충전이 불가능하다고 판단된 경우이므로 차량충전장치(10)의 제어변수를 변경하는 것이 필요한데, 이 경우에도 앞서 언급한 바와 같이 전류변환값이 제어범위 최소값 미만에 해당하는지 또는 제어범위 최대값을 초과하는지에 따라 판단이 다르므로 이를 판단하는 단계(S50)를 거쳐 전류변환값이 제어범위 최소값 미만인 경우에는 제어부(20)에서 차량충전장치(10)를 구성하는 스위치 소자의 듀티비를 증가시키는 듀티비 증가단계(S60)를 수행하고, 전류변환값이 제어범위 최대값을 초과하는 경우에는 차량충전장치(10)를 구성하는 스위치 소자의 듀티비를 감소시키는 듀티비 감소단계(S70)를 수행하게 된다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
10: 차량충전장치 12: 역률보상회로
14: DC/DC 컨버터 20: 제어부
30: 가변임피던스 32:저항
34: 인덕터

Claims (9)

  1. 외부전원을 전력변환시켜 차량 배터리를 충전시킬 수 있는 차량충전장치;
    상기 외부전원과 상기 차량충전장치 사이에 마련되며, 상기 차량충전장치로 인가되는 전류를 감지하여 상기 차량충전장치를 이용해 차량 충전이 가능한지 여부를 판단하고 차량 충전이 불가능하다고 판단된 경우에는 상기 차량충전장치를 통해 차량충전이 가능하도록 상기 차량충전장치의 제어변수를 변경하는 제어부; 및
    외부전원과 상기 차량충전장치 사이에 마련되어, 임피던스의 저항과 리액턴스 성분을 변경할 수 있는 가변임피던스;를 포함하며,
    상기 제어부는 상기 가변임피던스에 흐르는 전류를 감지하여 상기 차량 충전장치를 이용해 차량 충전이 가능한지 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 전기차량의 충전시스템.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는 상기 가변임피던스의 저항과 리액턴스 성분을 변경시켜가며 상기 가변임피던스에 흐르는 전류를 FFT(Fast Fourier Transform)시킨 전류변환값이 기설정된 제어범위에 포함되는 경우에는 상기 차량충전장치를 이용해 차량 충전이 가능한 것으로 판단하고 상기 제어범위를 벗어나는 경우에는 상기 차량충전장치를 이용해 차량 충전이 불가능한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 전기차량의 충전시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 차량충전장치는 역률보상회로와 DC/DC 컨버터로 구성되고, 상기 제어변수는 상기 역률보상회로 또는 상기 DC/DC컨버터를 구성하는 스위치 소자의 듀티비인 것을 특징으로 하는 전기차량의 충전시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제어부는 상기 전류변환값이 상기 제어범위의 최소값 미만인 경우에는 상기 스위치 소자의 듀티비를 증가시키는 것을 특징으로 하는 전기차량의 충전시스템.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 제어부는 상기 전류변환값이 상기 제어범위의 최대값을 초과하는 경우에는 상기 스위치 소자의 듀티비를 감소시키는 것을 특징으로 하는 전기차량의 충전시스템.
  7. 제어부에서 외부전원과 차량충전장치 사이에 마련되는 가변임피던스에 흐르는 전류를 감지하는 단계;
    상기 제어부에서 상기 전류를 이용하여 차량 충전이 가능한지 여부를 판단하는 단계; 및
    차량 충전이 가능하다고 판단된 경우에는 상기 제어부에서 상기 차량충전장치의 제어변수를 유지하고 차량 충전이 불가능하다고 판단된 경우에는 상기 제어부에서 상기 차량충전장치의 제어변수를 변경하는 단계;를 포함하며,
    상기 차량 충전 가능여부를 판단하는 단계는,
    상기 제어부에서 상기 가변임피던스의 저항과 리액턴스 성분을 변경시켜가며 상기 가변임피던스에 흐르는 전류를 FFT(Fast Fourier Transform)시켜 전류변환값을 도출하는 단계; 및 상기 전류변환값이 기설정된 제어범위에 포함되는 경우에는 상기 제어부에서 차량 충전이 가능한 것으로 판단하고 상기 제어범위를 벗어나는 경우에는 차량 충전이 불가능한 것으로 판단하는 단계;를 포함하는 전기차량의 충전 제어방법.
  8. 삭제
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 차량충전장치의 제어변수를 변경하는 단계는,
    상기 전류변환값이 상기 제어범위의 최소값 미만인 경우에는 상기 제어부에서 상기 차량충전장치를 구성하는 스위치 소자의 듀티비를 증가시키고, 상기 전류변환값이 상기 제어범위의 최대값을 초과하는 경우에는 상기 스위치 소자의 듀티비를 감소시키는 것을 특징으로 하는 전기차량의 충전 제어방법.
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