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KR20130067413A - 통합 충전 제어 시스템 - Google Patents

통합 충전 제어 시스템 Download PDF

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Publication number
KR20130067413A
KR20130067413A KR1020110134552A KR20110134552A KR20130067413A KR 20130067413 A KR20130067413 A KR 20130067413A KR 1020110134552 A KR1020110134552 A KR 1020110134552A KR 20110134552 A KR20110134552 A KR 20110134552A KR 20130067413 A KR20130067413 A KR 20130067413A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
phase
charging
unbalance
control system
charge
Prior art date
Application number
KR1020110134552A
Other languages
English (en)
Inventor
서재진
오성민
Original Assignee
주식회사 효성
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 효성 filed Critical 주식회사 효성
Priority to KR1020110134552A priority Critical patent/KR20130067413A/ko
Publication of KR20130067413A publication Critical patent/KR20130067413A/ko

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Abstract

본 발명의 통합 충전 제어 시스템은, 적어도 3개 이상의 단상 충전기; 3상 교류 계통의 3상 중 상기 각 단상 충전기를 충전하기 위한 충전 상을 전환하기 위한 적어도 3개 이상의 상 전환 장치; 및 상기 각 단상 충전기에서 차량 충전을 요청받으면, 상기 요청에 따른 충전을 위한 충전 상을 결정하고, 상기 상 전환 장치를 상기 결정된 충전 상으로 전환하도록 제어하는 중앙 제어부를 포함한다.
본 발명의 통합 충전 제어 시스템을 실시함에 의해서 3상 불평형 발생을 효율적으로 억제할 수 있는 이점이 있다.

Description

통합 충전 제어 시스템{Total Charging Control System}
본 발명은 다수 개의 충전기들의 충전 동작을 제어할 수 있는 통합 충전 제어 시스템에 관한 것으로, 특히, 3상 전원으로 전기 자동차에 전력을 충전하는 다수개의 충전기들에 의한 3상 불평형을 억제할 수 있는 통합 충전 제어 시스템에 관한 것이다.
고유가 및 환경 오염, 자원 고갈의 문제로 최근 전기 자동차에 대한 관심이 증대되고, 연구 개발이 활발히 진행되고 있다.
전기 자동차를 상용화하기 위해서는, 전기 자동차 자체에 대한 성능 및 기술의 발전 뿐만 아니라, 사회적으로 전기 자동차들의 이용을 뒷받침하는 인프라가 충분히 구축될 것이 요망된다. 즉, 전기 자동차의 사용자(운전자)가 다양한 장소에서 편리하게 자신의 전기 자동차를 충전할 수 있도록, 충전용 전력을 공급하는 시스템이 전기 자동차가 운행되는 영역들 중 다양한 장소에 상당수 설치되는 것이 필요하다.
전기 자동차를 위한 인프라의 상당 부분을 차지하는 충전 시스템은 상당한 전력을 소비하는 설비라서, 보다 고효율을 위해 3상 교류 전력을 이용하여 설비를 구성함이 일반적이다. 즉, 상기 충전 시스템에 포함된 각 충전기는 3상 교류 전원을 입력으로 하여, 충전시스템에 교류 전력을 공급한다.
그런데, 3상 전력 중 선택된 1상의 단상 교류 전력을 입력 전력으로 사용하는 다수개의 충전기의 사용에 따라, 3상 불평형이 발생하거나, 및/또는 고조파가 더욱 심화될 수 있다.
본 발명은 3상 불평형을 효율적으로 억제할 수 있는 통합 충전 제어 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일측면에 따른 통합 충전 제어 시스템은, 적어도 3개 이상의 단상 충전기; 3상 교류 계통의 3상 중 상기 각 단상 충전기를 충전하기 위한 충전 상을 전환하기 위한 적어도 3개 이상의 상 전환 장치; 및 상기 각 단상 충전기에서 차량 충전을 요청받으면, 상기 요청에 따른 충전을 위한 충전 상을 결정하고, 상기 상 전환 장치를 상기 결정된 충전 상으로 전환하도록 제어하는 중앙 제어부를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 중앙 제어부는, 3상 전압 불평형율 또는 3상 전류 불평형율이 최소가 되도록 충전 상을 결정할 수 있다.
여기서,, 상기 중앙 제어부는, 3상을 구성하는 각 상에 대하여 충전 상이 결정되었을 때를 가정하여, 각 상이 결정되었을 때의 전압 불평형율 또는 전류 불평형율을 각각 구하여, 최소 불평형율을 가지는 상을 충전 상으로 결정할 수 있다.
여기서, 상기 중앙 제어부는, 전압 또는 전류에 대한 3상 벡터 합이 원점에 가깝도록 충전 상을 결정할 수 있다.
여기서, 상기 중앙 제어부는, 상기 결정된 충전 상으로 충전을 수행하는 도중에 소정의 정도 이상의 불평형이 발생하면, 불평형 완화 조치를 수행할 수 있다.
여기서, 상기 중앙 제어부는, 소비전력이 가장 높은 상으로 충전 중인 단상 충전기들 중 배터리 잔존용량(State of Charge)이 가장 높은 전기 자동차의 충전을 소정 시간 동안 중지시킬 수 있다.
상기 구성에 따른 본 발명의 통합 충전 제어 시스템을 실시함에 의해, 3상 불평형 발생을 효율적으로 억제할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 보상 대상 라인에 설치된 3상 불평형 보상 장치를 도시한 회로도.
도 2는 3상 전력 계통에 연결된 다수개의 단상 부하들에 대한 각 전력 공급 상을 스위칭하기 위한 상변환 스위칭 구조를 도시한 회로도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 통합 충전 제어 시스템의 구조를 도시한 구조도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 통합 충전 제어 시스템의 블록도.
도 5는 도 4의 중앙 제어부에서 수행되는 충전 전 충전 상 결정 방법을 도시한 흐름도.
도 6은 도 4의 중앙 제어부에서 수행되는 충전 중 3상 불평형 처리 방법을 도시한 흐름도.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어 지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
또한 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있으며, 사용된 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명을 기술하기에 앞서, 먼저 단상 교류 충전기들의 상변환 과정 및 3상 불평형 발생에 대하여 살펴보겠다.
도 1은 보상 대상 라인에 설치된 3상 불평형 보상 장치를 도시한다. 도시한 3상 불평형 보상 장치를 이용하면 3상 불평형이 발생한 위치에서 적극적으로 3상 불평형을 보상할 수 있지만, 불평형 보상 장치의 비용이 크며, 전체 충전 시스템에 포함된 충전기들 및 전력 공급 라인들의 개수가 커지면, 보상 장치의 용량도 커져야 하는 문제가 있다.
도 2는 3상 전력 계통에 연결된 다수개의 단상 부하들에 대한 각 전력 공급 상을 스위칭하기 위한 상변환 스위칭 구조를 도시한다. 상기 상변환 스위치는 3상(R, S, T상) 중, 단상 부하에 공급할 상을 선택하기 위한 스위치로서, 도시된 바와 같이, 전체 전력 공급 시스템을 제어하는 제어부에 의해 제어되도록 구현될 수 있다.
본 발명의 실시예를 설명하기에 앞서 3상 불평형을 판단하는 주요 파라미터인, 전압불평형율(VUF), 전류불평형율(CUF) 및 설비불평형율(LUF)에 대한 정의는 다음 수학식들과 같음을 규정하겠다.
Figure pat00001
Figure pat00002
Figure pat00003
또한, 실제 각국에서 사용되는 전압 불평형율 규정에 대하여 살펴보면 하기 표 1과 같으며, 설비 불평형율의 경우, 전기설비내선기준 1440에 따르면 3상 설비 불평형율은 30% 이하로 할 것을 규정하고 있다.
Figure pat00004
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 통합 충전 제어 시스템의 구조를 도시한 구조도이며, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 통합 충전 제어 시스템의 블록도이다.
도시한 충전 제어 시스템은, 다수개의 단상 충전기들(41 ~ 49); 3상 교류 계통의 3상 중 상기 각 단상 충전기(41 ~ 49)를 충전하기 위한 충전 상을 전환하기 위한 다수개의 상 전환 장치들(31 ~ 39); 및 상기 각 단상 충전기(41 ~ 49)에서 차량 충전을 요청받으면, 상기 요청에 따른 충전을 위한 충전 상을 결정하고, 상기 상 전환 장치(31 ~ 39)를 상기 결정된 충전 상으로 전환하도록 제어하는 중앙 제어부(10)를 포함할 수 있다.
상기 단상 충전기(41 ~ 49)는, 3상을 구성하는 각 R, S, T상을 각각 담당하도록 적어도 3개 이상을 구비하는 것이 바람직하다. 상기 단상 충전기(41 ~ 49)는 외부에서 인가되는 전원인 3상 교류에서 선택된 상에 의한 단상 전력을 차량(전기 자동차)으로 공급하는 충전기일 수 있다.
상기 단상 충전기는 충전 대상 차량이 자신의 충전 아웃렛에 연결됨을 감지하면 상기 중앙 제어부(10)로 이를 통보할 수 있다.
상기 상 전환 장치들(31 ~ 39)은 상기 각 단상 충전기(41 ~ 49) 마다 하나씩 구비하는 것이 바람직하다. 또한, 이 경우, 상기 상 전환 장치(31 ~ 39)는 적어도 3개 이상을 구비하는 것이 바람직하다.
상기 상 전환 장치들(31 ~ 39)는 근접한 사이트에 위치한 것들끼리 분전반(21, 22, 23) 형태로 묶여져 관리될 수 있다.
도시한 통합 충전 제어 시스템은, 전체 충전 계통의 전력 특성을 측정하기 위한 전력 품질 측정 장비(50)를 더 포함할 수 있다. 상기 전력 품질 측정 장비(50)에서 측정된 전력 특성(전력 품질값)은 상기 중앙 제어부(10)로 전송되어 충전 제어를 위한 판단 자료로 이용될 수 있다.
상기 중앙 제어부(10)는, 상기 특정 단상 충전기(41)에서 차량 충전을 요청받으면, 상기 요청에 따른 충전을 개시하기 전에 상기 요청에 따른 충전을 위한 충전 상을 결정한다. 또한, 상기 중앙 제어부(10)는, 상기 충전을 요청받은 단상 충전기(41)에 대한 충전 상을 전환하는 상기 상 전환 장치(31)를 상기 결정된 충전 상으로 전환하도록 제어한다.
상기 중앙 제어부(10)는, 상기 충전 상을 결정함에 있어서, 3상 전압 불평형율 및/또는 3상 전류 불평형율이 최소가 되도록 충전 상을 결정할 수 있다.
예컨대, 상기 중앙 제어부(10)는, 충전 요청이 접수된 단상 충전기에 R상으로부터 충전을 수행할 때의 전압 불평형율 및/또는 전압 불평형율을 구하고, S상으로부터 충전을 수행할 때의 전압 불평형율 및/또는 전압 불평형율을 구하며, T상으로부터 충전을 수행할 때의 전압 불평형율 및/또는 전압 불평형율을 구하고, 구해진 3개의 전압 불평형율 및/또는 전류 불평형율에서 가장 작은 최소 전압 불평형율 또는 최소 전류 불평형율을 가진 상을, 상기 단상 충전기(41)에 대한 충전 상으로 결정할 수 있다.
보다 구체적인 예를 살펴보면 다음과 같다. 각 단상 충전기들(41 ~ 49)이 정해진 상으로 충전을 수행함에 따라 그 길이 및 방향이 결정되는 각 2차원 벡터가 규정된다. 상기 전압 불평형율 또는 전류 불평형율은, 상기 충전 제어 시스템에 포함된 모든 단상 충전기들(41 ~ 49) 중 현재 충전을 수행 중인 단상 충전기들(여기서는 41을 제외한 42 ~ 49)에 대하여, 상기 규정된 2차원 벡터들을 더 하고, 상기 충전 요청이 접수된 단상 충전기(41)를 3상 중 하나의 상으로 충전을 수행할 경우 규정되는 2차원 벡터를 더 하였을 때, 3상 벡터 합이 원점에 가까운 상을 상기 충전 상으로 결정할 수 있다.
전압 불평형율과 전류 불평형율을 동시에 고려하는 경우에는, 전류 불평형율과 전압 불평형율의 기하 평균값을 이용할 수 있다.
한편, 보다 개선된 구현의 중앙 제어부(10)는, 상기 결정된 충전 상으로 충전을 수행하는 도중에 소정의 정도 이상의 불평형이 발생하면, 상기 충전을 수행 중인 상을 변경하는 실시간 3상 불평형 모니터링 및 보정 기능을 겸할 수 있다. 또는, 충전을 수행 중인 상을 변경하는 것은, 심각한 문제를 초래할 수 있으므로, 3상 불평형을 초래한다고 판단되는 상에 연계된 일부 단상 충전기의 충전 동작을 일시 정지시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 통합 충전 제어 시스템(구체적으로는 중앙 제어부)에서 수행되는 충전 전 충전 상 결정 방법을 도시한 흐름도이다.
도시한 충전 전 충전 상 결정 방법은, 특정 단상 충전기로부터 전기 자동차에 대한 충전 요청을 접수하는 단계(S110); 상기 전기 자동차에 대한 충전 상태 정보를 획득하는 단계(S120); 상기 충전 요청한 전기 자동차 및 다른 전기 자동차에 대한 앞으로의 충전 전력 프로파일을 추정하는 단계(S140); 각 상별로 상기 충전 요청한 전기 자동차 및 다른 전기 자동차들의 프로파일들을 중첩시키는 단계(S160); 각 상별로 소비 전력 지수를 계산하는 단계(S180); 및 가장 낮은 소비 전력 지수를 가지는 상을 상기 충전 요청받은 단상 충전기에 결선하는 단계(S190)를 포함할 수 있다.
운휴 중인 어느 충전 단말기에 충전을 원하는 전기 자동차가 연결되면, 상기 충전 단말기는 상기 연결된 전기 자동차에 대한 충전 요청으로 판단하고, 상기 연결된 전기 자동차에 대한 충전 상태 정보를 확인한다.
상기 충전 상태 정보로는 OBC(On Board Charger), BMS(Battery Management System), SOC(State of Charge)가 있다. 예컨대, 충전 제어 작업에 필요할 수 있는, 전기 자동차에 설치된 배터리의 충전 용량, 잔존 충전 용량, 충전 전압/전류, 급속/일반 충전 여부 등을 확인할 수 있다.
상기 충전 단말기는 상기 확인된 충전 상태 정보를 상기 중앙 제어부로 전송한다.
여기서, 상기 충전 요청한 전기 자동차 뿐만 아니라, 다른 단상 충전기와 연결되어 충전 중인 다른 전기 자동차들에 대한 충전 상태 정보도 획득하는 것이 바람직하다. 이를 위해, 충전 중인 다른 전기 자동차들에 대한 충전 상태 정보를 필요시마다 획득하거나, 상기 중앙 제어부 내의 저장부에 기 저장된 값을 독출할 수 있다.
상기 중앙 제어부는, 상기 획득된 충전 상태 정보를 이용하여 상기 충전 요청한 전기 자동차 및 다른 전기 자동차에 대한 앞으로의 충전 전력 프로파일을 추정한다(S140).
또한 상기 중앙 제어부는, 상기 S140 단계에서 구해진, 전체 충전 계통에 포함된 모든 단상 충전기들에 대한 충전 전력 프로파일들을 이용하여, 3상을 구성하는 R, S, T 각 상별로 상기 충전 요청한 전기 자동차 및 다른 전기 자동차들의 프로파일들을 중첩시킬 수 있다(S160).
도면에서의 상기 중앙 제어부는 각 상별로 소비 전력 지수를 계산하는 것을 3회 반복하여, R, S, T 모든 상에 대하여 소비 전력 지수를 획득하고(S180), 가장 낮은 소비 전력 지수를 가지는 상을 상기 충전 요청받은 단상 충전기가 충전을 수행할 상으로 결정하고, 이에 따라 상기 단상 충전기를 결정된 충전 상에 결선한다(S190).
상기 흐름도에서 θn A, θn B, θn C은 각 상별 i 구간부터 n구간 까지의 소비전력지수이며, 하기 수학식에 따라 규정될 수 있다.
Figure pat00005
상기 흐름도에서, tend는 새롭게 충전 요청한 전기 자동차의 충전 완료 시간을 의미한다.
상기 수학식들은 전력 공급 구간을 n등분하여, 상기 순서도에 따른 3상 불평형 예방 작업은 각 i구간에 대하여 수행됨을 알 수 있다. 여기서, 상기 구간은 시간축에 대하여 구분될 수 있으며, 동일한 길이로 구분되거나, 또는, 어느 단상 충전기로부터 충전 요청을 받을 때마다, 새로운 구간을 구분할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 통합 충전 제어 시스템(보다 구체적으로 중앙 제어부)에서 수행되는 충전 중 3상 불평형 처리 방법을 도시한 흐름도이다.
도시한 충전 중 3상 불평형 처리 방법은, 전체 충전 계통의 3상 전압 불평형을 모니터링하는 단계(S320); 상기 전압 불평형율이 소정의 기준값을 넘으면(S330), 각 상별로 소비전력을 구하는 단계(S340); 소비전력이 가장 높은 상에 결선되어 충전 중인 전기 자동차들 중 배터리 잔존용량(State of Charge)이 가장 높은 전기 자동차의 충전을 소정 시간 동안 중지시키는 단계(S350); 및 전체 충전 계통의 3상 전압 불평형을 모니터링하는 단계를 반복하는 단계(S320)를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 충전을 중지시키는 단계(S350) 이후에, 충전이 중지된 전기 자동차에 연결된 단상 충전기에 적용될 지연 시간을 획득하는 단계(S360); 및 상기 단상 충전기에 대한 충전 중지 시점 이후 상기 지연 시간이 경과되면, 상기 중지된 충전을 재시작하는 단계(S380)를 수행할 수 있다.
상기 S360 단계에서 해당 단상 충전기에 적용될 지연 시간은, 단상 충전기 자체의 특성(충전 용량, 소비 전압/전류, 입력/출력 임피던스값 등) 및/또는 충전 중인 전기 자동차의 특성(배터리의 BMS 특성, SOC, 차량 내 충전 회로의 입력 임피던스 등)을 반영하여 결정될 수 있다.
상기 모니터링 단계(S320)는, 상기 통합 충전 제어 시스템이 운행되는 모든 시간에 주기적으로 수행될 수 있으며, 모니터링 중 상기 전압 불평형율이 소정의 기준값을 넘으면, 상기 S340 단계 내지 S380 단계를 수행하여, 불평형율 완화를 위해 충전을 일시 정지할 단상 충전기를 선택한다.
상기 흐름도에서 dTk는 EVk의 지연 시간이며, 하기 수학식에 따라 규정될 수 있다.
Figure pat00006
상기 흐름도에서 SA, SB, SC는 각 상별 소비전력값이며, EVk는 충전이 정지된 k번째 전기 자동차를 가리키며, Ck는 EVk의 지연 시간 계수를 의미한다.
도시한 흐름도에서는, 소정 기준 이상의 3상 불평형 전압이 발생하면, 가장 소비전력이 높은 상에서, 가장 배터리 잔존 용량이이 높은 전기 자동차에 대한 충전을 일시정지시켜, 3상 불평형을 완화한 후, 다시 3상 불평형 전압의 정도를 확인한다. 이어진 확인 결과, 아직도 소정 기준 이상의 3상 불평형 전압이 존재하면, 그 시점에서 가장 소비전력이 높은 상에서, 가장 배터리 잔존 용량이 높은 전기 자동차(앞서, 일시 정지 중인 전기 자동차는 검색에서 제외함은 당연하다)에 대한 충전을 일시정지시킨다.
상기 일시정지된 전기 자동차에 대한 정지 시간이 너무 길어지면, 차량 및 충전 시스템에 악영향을 줄 수 있으며, 사용자의 불만 요인이 되므로, 소정 지연 시간이 경과하면, 일시정지된 충전 작업을 재시작한다. 한편, 충전 작업이 재시작된 후에도 3상 전압 불평형이 발생할 수 있는데, 이 경우, 그 전에 일시정지되었던 전기 자동차는 다음번 일시정지할 것을 선택할 때 제외시키는 것이 바람직하다.
도시한 흐름도는 3상 전압 불평형 정도를 기준으로 모니터링 및 완화 활동을 수행하였지만, 다른 구현에서는 3상 전류 불평형을 기준으로 하거나, 전압 불평형 및 전류 불평형을 모두 적용할 수 있다.
이상, 본 발명의 특정 실시예에 관하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음이 이해될 필요가 있다.
10 : 중앙 제어부 21, 22, 23 : 분전반
31 ~ 39 : 상 전환 장치 41 ~ 49 : 단상 충전기
50 : 전력 품질 측정 장비

Claims (6)

  1. 적어도 3개 이상의 단상 충전기;
    3상 교류 계통의 3상 중 상기 각 단상 충전기를 충전하기 위한 충전 상을 전환하기 위한 적어도 3개 이상의 상 전환 장치;
    상기 각 단상 충전기에서 차량 충전을 요청받으면, 상기 요청에 따른 충전을 위한 충전 상을 결정하고, 상기 상 전환 장치를 상기 결정된 충전 상으로 전환하도록 제어하는 중앙 제어부;
    를 포함하는 통합 충전 제어 시스템
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 중앙 제어부는,
    3상 전압 불평형율 또는 3상 전류 불평형율이 최소가 되도록 충전 상을 결정하는 통합 충전 제어 시스템
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 중앙 제어부는,
    3상을 구성하는 각 상에 대하여 충전 상이 결정되었을 때를 가정하여,
    각 상이 결정되었을 때의 전압 불평형율 또는 전류 불평형율을 각각 구하여, 최소 불평형율을 가지는 상을 충전 상으로 결정하는 통합 충전 제어 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 중앙 제어부는,
    전압 또는 전류에 대한 3상 벡터 합이 원점에 가깝도록 충전 상을 결정하는 통합 충전 제어 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 중앙 제어부는,
    상기 결정된 충전 상으로 충전을 수행하는 도중에 소정의 정도 이상의 불평형이 발생하면, 불평형 완화 조치를 수행하는 통합 충전 제어 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 중앙 제어부는,
    소비전력이 가장 높은 상으로 충전 중인 단상 충전기들 중 배터리 잔존용량(State of Charge)이 가장 높은 전기 자동차의 충전을 소정 시간 동안 중지시키는 통합 충전 제어 시스템.
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