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KR20240136509A - 전기자동차용 충전 시스템 - Google Patents

전기자동차용 충전 시스템 Download PDF

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Publication number
KR20240136509A
KR20240136509A KR1020230029388A KR20230029388A KR20240136509A KR 20240136509 A KR20240136509 A KR 20240136509A KR 1020230029388 A KR1020230029388 A KR 1020230029388A KR 20230029388 A KR20230029388 A KR 20230029388A KR 20240136509 A KR20240136509 A KR 20240136509A
Authority
KR
South Korea
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stator winding
motor
battery
converter
factor correction
Prior art date
Application number
KR1020230029388A
Other languages
English (en)
Inventor
노승수
김민성
Original Assignee
이래에이엠에스 주식회사
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 이래에이엠에스 주식회사 filed Critical 이래에이엠에스 주식회사
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Priority to PCT/KR2024/002552 priority patent/WO2024186042A1/ko
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Abstract

전기자동차의 배터리를 충전할 수 있도록 구성되는 전기자동차용 충전 시스템은, 모터 인버터, AC 전원을 이용하여 상기 배터리를 충전할 수 있는 온보드 차저 기능의 구현을 위해 AC-DC 컨버터 작용할 수 있도록 구성되는 역률 개선 회로, 상기 모터의 스테이터 권선과 상기 역률 개선 회로에 각각 연결되는 인덕터, 그리고 상기 역률 개선 회로의 상기 스테이터 권선에의 전기적 연결을 제어할 수 있고 상기 모터 인버터와 상기 역률 개선 회로의 작동을 제어할 수 있도록 구성되는 컨트롤러를 포함한다. 상기 모터 인버터는 상기 컨트롤러의 제어에 의해 양방향 전류 흐름을 선택적으로 형성하여 DC-AC 인버터, DC-DC 부스트 컨버터, 및 DC-DC 벅 컨버터 중 어느 하나로 선택적으로 작용할 수 있도록 구현할 수 있도록 구성된다. 상기 역률 개선 회로는 상기 컨트롤러의 제어에 의해 양방향 전류 흐름을 선택적으로 형성하여 AC-DC 컨버터 및 DC-AC 컨버터 중 어느 하나로 선택적으로 작용할 수 있도록 구성된다.

Description

전기자동차용 충전 시스템{Charging system for electric vehicles}
본 발명은 전기자동차용 충전 시스템에 관한 것이다.
배터리의 전원을 이용하는 전기자동차(electric vehicle, EV)용 충전 장치는 직류 400V 또는 직류 800V 충전 전압을 사용하고 있다. 800V 전압을 사용하는 초급속 충전 장치는 상대적으로 큰 100kW 정도의 전력 사용량을 갖기 때문에 확대 적용에 제한이 있고, 이로 인해 주로 400V의 급속 충전 장치가 주로 사용되고 있다.
전기자동차의 전비 및 사용성을 높이기 위해 급속 충전에 대한 요구가 높고 이를 위한 방안으로 800V의 배터리 시스템이 적용되기 시작하면서 400V 급속 충전 장치를 위한 부스트 컨버터(boost converter) 및 OBC(On Board Charger)의 800V 충전이 요구되고 있다. 종래의 방식은 부피와 무게가 크고 가격이 비싸다는 문제를 가지기 때문에, 자동차에 실장 가능하면서 컴팩트한 충전 장치가 요구된다.
공개특허공보 제10-2019-0119778호 (2019.10.23.)
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 컴팩트한 구조를 가지는 전기자동차의 충전 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 전기자동차의 배터리를 충전할 수 있도록 구성되는 전기자동차용 충전 시스템은, DC-AC 인버터로 작용하여 상기 배터리의 DC 전압을 상기 전기자동차의 모터를 구동할 수 있는 AC 전압으로 변환하여 상기 모터의 스테이터 권선으로 인가할 수 있도록 구성되는 모터 인버터, AC 전원을 이용하여 상기 배터리를 충전할 수 있는 온보드 차저 기능의 구현을 위해 AC-DC 컨버터 작용할 수 있도록 구성되며 상기 스테이터 권선에 선택적으로 전기적으로 연결될 수 있도록 구성되는 역률 개선 회로, 상기 모터의 스테이터 권선과 상기 역률 개선 회로에 각각 연결되는 인덕터, 그리고 상기 역률 개선 회로의 상기 스테이터 권선에의 전기적 연결을 제어할 수 있고 상기 모터 인버터와 상기 역률 개선 회로의 작동을 제어할 수 있도록 구성되는 컨트롤러를 포함한다. 상기 모터 인버터는 상기 컨트롤러의 제어에 의해 양방향 전류 흐름을 선택적으로 형성하여 DC-AC 인버터, DC-DC 부스트 컨버터, 및 DC-DC 벅 컨버터 중 어느 하나로 선택적으로 작용할 수 있도록 구현할 수 있도록 구성된다. 상기 역률 개선 회로는 상기 컨트롤러의 제어에 의해 양방향 전류 흐름을 선택적으로 형성하여 AC-DC 컨버터 및 DC-AC 컨버터 중 어느 하나로 선택적으로 작용할 수 있도록 구성된다.
상기 컨트롤러는, 상기 모터의 구동이 필요한 경우, 상기 역률 개선 회로와 상기 스테이터 권선의 전기적 연결이 차단되도록 제어할 수 있고, 상기 모터 인버터가 상기 배터리에서 상기 스테이터 권선으로 향하는 전류 흐름을 형성하여 상기 DC-AC 인버터로 작용하도록 제어할 수 있다.
상기 컨트롤러는, 상기 온보드 차저 기능의 구현을 위해 상기 AC 전원에 의한 상기 배터리의 충전이 필요한 경우, 상기 역률 개선 회로와 상기 스테이터 권선의 전기적 연결이 이루어지도록 제어할 수 있고, 상기 역률 개선 회로가 상기 스테이터 권선을 향하는 전류 흐름을 형성하여 상기 AC-DC 컨버터로 작용하도록 제어할 수 있고, 상기 모터 인버터가 상기 스테이터 권선에서 상기 배터리로 향하는 전류 흐름을 형성하여 상기 DC-DC 부스트 컨버터로 작용하도록 제어할 수 있다.
상기 컨트롤러는, 상기 배터리에서 외부로의 출력이 필요한 경우, 상기 역률 개선 회로와 상기 스테이터 권선의 전기적 연결이 이루어지도록 제어할 수 있고, 상기 모터 인버터가 상기 배터리에서 상기 스테이터 권선을 향하는 전류 흐름을 형성하여 상기 DC-DC 벅 컨버터로 작용하도록 제어할 수 있고, 상기 역률 개선 회로가 상기 스테이터 권선에서 전원의 출력을 위한 출력 요소를 향하는 전류 흐름을 형성하여 상기 DC-AC 컨버터로 작용하도록 제어할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 전기자동차 충전 시스템은 상기 배터리의 급속 충전을 위해 외부의 급속 충전 전원에 전기적으로 연결될 수 있도록 구성되며 상기 스테이터 권선에 선택적으로 전기적으로 연결될 수 있도록 구성되는 급속 충전 라인을 더 포함할 수 있다. 상기 컨트롤러는, 상기 급속 충전 전원에 의한 상기 배터리의 충전이 필요한 경우, 상기 급속 충전 라인과 상기 스테이터 권선의 전기적 연결이 이루어지도록 제어할 수 있고, 상기 모터 인버터가 상기 스테이터 권선에서 상기 배터리로 향하는 전류 흐름을 형성하여 상기 DC-DC 부스트 컨버터로 작용하도록 제어할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 전기자동차의 배터리를 충전할 수 있도록 구성되는 전기자동차용 충전 시스템은, 상기 전기자동차의 모터의 스테이터 권선, 상기 스테이터 권선에 전기적으로 연결되며 양방향 전류 흐름의 구현을 통해 DC-AC 인버터 및 AC-DC 컨버터로 선택적으로 작용할 수 있도록 구성되는 모터 인버터, 상기 스테이터 권선에 선택적으로 전기적으로 연결될 수 있도록 구성되며 양방향 전류 흐름의 구현을 통해 AC-DC 컨버터 및 DC-AC 컨버터로 선택적으로 작용할 수 있도록 구성되는 역률 개선 회로, 상기 스테이터 권선에 선택적으로 전기적으로 연결될 수 있도록 구성되며 외부의 급속 충전 전원에 전기적으로 연결될 수 있도록 구성되는 급속 충전 라인, 그리고 상기 역률 개선 회로와 상기 급속 충전 라인의 상기 스테이터 권선에의 전기적 연결이 선택적으로 이루어지도록 제어하며 상기 모터 인버터와 상기 역률 개선 회로의 작동을 제어하는 컨트롤러를 포함한다. 상기 컨트롤러는, 상기 모터의 구동이 필요한 경우, 상기 역률 개선 회로와 상기 스테이터 권선의 전기적 연결이 차단되도록 제어하고, 상기 모터 인버터가 상기 배터리에서 상기 스테이터 권선으로 향하는 전류 흐름을 형성하여 상기 DC-AC 인버터로 작용하도록 제어한다. 상기 컨트롤러는, 상기 AC 전원에 의한 상기 배터리의 충전이 필요한 경우, 상기 역률 개선 회로와 상기 스테이터 권선의 전기적 연결이 이루어지도록 제어하고, 상기 역률 개선 회로가 상기 스테이터 권선을 향하는 전류 흐름을 형성하여 상기 AC-DC 컨버터로 작용하도록 제어하고, 상기 모터 인버터가 상기 스테이터 권선에서 상기 배터리로 향하는 전류 흐름을 형성하여 상기 DC-DC 부스트 컨버터로 작용하도록 제어한다. 상기 컨트롤러는, 상기 배터리의 전원의 외부로의 출력이 필요한 경우, 상기 역률 개선 회로와 상기 스테이터 권선의 전기적 연결이 이루어지도록 제어하고, 상기 모터 인버터가 상기 배터리에서 상기 스테이터 권선을 향하는 전류 흐름을 형성하여 상기 DC-DC 벅 컨버터로 작용하도록 제어하고, 상기 역률 개선 회로가 상기 스테이터 권선에서 전원의 출력을 위한 출력 요소를 향하는 전류 흐름을 형성하여 상기 DC-AC 컨버터로 작용하도록 제어한다. 상기 컨트롤러는, 상기 급속 충전 전원에 의한 상기 배터리의 충전이 필요한 경우, 상기 급속 충전 라인과 상기 스테이터 권선의 전기적 연결이 이루어지도록 제어하고, 상기 모터 인버터가 상기 스테이터 권선에서 상기 배터리로 향하는 전류 흐름을 형성하여 상기 DC-DC 부스트 컨버터로 작용하도록 제어한다.
상기 모터는 3개의 스테이터 권선을 포함하는 3상 전기 모터일 수 있고, 상기 모터 인버터는 상기 3상 전기 모터의 상기 스테이터 권선에 각각 전기적으로 연결되는 3개의 하프 브릿지를 포함하는 스위칭 모듈을 포함할 수 있고, 상기 역률 개선 회로는 상기 모터 인버터와 동일한 토폴로지를 갖도록 구성될 수 있다.
본 발명에 의하면, 모터를 구동하기 위한 모터 인버터를 온보드 차저 기능의 구현을 위한 DC-DC 컨버터로 활용함으로써, 충전 시스템의 컴팩트화가 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차의 충전 시스템의 구성을 보여주는 도면이다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차용 충전 시스템(1)은 모터 인버터(10)와 컨트롤러(50)를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 전기자동차용 충전 시스템(1)은 전기자동차의 배터리(101)를 충전하는 기능 및 배터리(101)의 전원이 외부 부하로 공급되도록 하는 기능을 선택적으로 수행할 수 있도록 구성된다. 또한 본 발명의 전기자동차용 충전 시스템(1)은 충전 기능 시 직류 고전압 전원, 예를 들어 400V 전원에 의한 급속 충전 및 교류 전원에 의한 완속 충전을 선택적으로 수행할 수 있도록 구성된다. 이와 같은 여러 기능의 수행 시, 모터(103)의 구동을 위한 요소인 모터 인버터(10)는 급속 충전 또는 완속 충전 시에는 승압 DC-DC 컨버터인 부스트 컨버터(boost converter)로 이용되고 외부 부하로의 전원 공급 시에는 강압 DC-DC 컨버터인 벅 컨버터(buck converter)로 이용된다. 즉, 본 발명의 실시예에서는, 모터(103)를 구동하기 위한 모터 인버터(10)가 기본적으로 모터(103) 구동 시 DC-AC 인버터로 사용될 뿐만 아니라 소위 온보드 차저에 의해 완속 충전 및 고전압 전원에 의한 급속 충전 시에 승압 DC-DC 컨버터로 사용되고 배터리(101)의 전원을 외부 부하로 공급할 시에는 강압 DC-DC 컨버터로 사용된다. 이와 같은 모터 인버터(10)의 공용화를 통해 온보드 차저의 구성요소인 별도의 DC-DC 컨버터의 삭제가 가능하며, 이를 통해 충전 시스템의 무게 및 가격을 낮출 수 있고 컴팩트한 구조가 달성될 수 있다.
모터 인버터(10)는 모터(103)를 동력원으로 하는 전기자동차의 주구동원 및 회생제동용으로 사용될 수 있다. 모터 인버터(10)는 배터리(101)의 고전압, 예를 들어 800V DC를 입력받아 모터(103)를 구동할 수 있도록 전압과 주파수를 변동시켜 AC로 변환하여 모터(103)로 인가한다. 모터(103)는 예를 들어 유도전동기(IM), 동기전동기(SM) 중 매입형 영구자석동기모터(IPMSM), 스위치드 릴럭턴스 모터(SRM) 등 다양한 전기 모터일 수 있다. 구체적으로, 모터(103)는 도 1에 도시된 바와 같이 3상 전기 모터일 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차용 충전 시스템은, 통상적으로 모터를 구동하기 위한 모터 인버터가 전기자동차의 구동 시 외에는 작동하지 않는다는 점에 착안하여, 모터 인버터(10)를 전기자동차의 충전이나 전기자동차의 전원을 외부로 공급하여 사용하는 용도로 적용한다.
모터 인버터(10)는 도 1에 도시된 바와 같이 모터(103)의 각 단에 연결되는 3개의 하프 브릿지(half bridge)를 포함하는 스위칭 모듈(11), 그리고 스위칭 모듈(11)에 병렬로 연결되는 커패시터(C1)를 포함할 있다. 스위칭 모듈(11)은 전력변환 기능을 수행하며, 배터리(101)에서 모터(103)로의 전류 흐름을 형성하여 DC-AC 인버팅 기능 또는 DC-DC 벅 컨버팅 기능을 수행하고 모터(103)에서 배터리(101)로의 전류 흐름을 형성하여 DC-DC 부스트 컨버팅 기능을 수행할 수 있도록 구성된다. 도 1에는 하나의 커패시터(C1)가 구비되는 경우가 예시적으로 도시되어 있으나 병렬로 연결되는 2개 이상의 커패시터가 구비될 수도 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 스위칭 모듈(11)은 전력변환 스위칭 소자(T1, T2, T3, T4, T5, T6)에 의해 형성되는 3개의 하프 브릿지를 포함하고, 3개의 하프 브릿지의 중간탭은 모터(103)의 스테이터 권선, 즉 인덕터(L1, L2, L3)에 각각 연결된다. 전력변환 스위칭 소자는 능동적 단속 기능을 가지는 IGBT, SiC MOSFET, Si MOSFET와 소자 내장형 역방향 바디 다이오드(body diode) 또는 추가의 역방향 다이오드(reverse diode)일 수 있다. 모터(103)를 구동하기 위한 전력변환 기능을 수행하는 스위칭 모듈(11)의 3개의 하프 브릿지는 고전압 배터리(101)의 DC 전압을 SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation), FOC(Field Oriented Control), DC(Direct Bang-bang Control) 등의 기법을 적용하여 모터(103)의 구동 전압 및 주파수로 변경하여 모터 토크 및 속도 제어를 수행할 수 있도록 제어될 수 있다.
3상 모터(103)의 구동 시에 모터 인버터(10)의 3개의 하프 브릿지는 병렬 결선으로 구성되며 다상 모터 구동 시 모터 상수와 동일한 개수의 하프 브릿지의 병렬 결선으로 구성될 수 있다.
전기자동차의 구동력의 생성을 위해 모터(103)가 작동할 시에, 모터 인버터(10)는 배터리(101)의 DC 전압을 AC 전압으로 변환하는 DC-AC 변환 기능을 한다. 이때 스위칭 모듈(10)에서 모터(103)의 권선으로의 전류 흐름이 형성되도록 제어되며, 모터 인버터(10)와 모터(103)의 인덕터(L1, L2, L3)는 DC 전압을 AC 전압으로 변경하는 DC-AC 변환기로 작동한다. 이때 모터(103)는 AC 부하로 동작한다.
한편, 모터(103)는 전류용량이 큰 3개의 인덕턴스가 중성점에 연결된 구조를 갖고 모터(103)의 권선이 모터 인버터(10)의 3개의 하프 브릿지의 중간탭에 연결되는 구조를 갖기 때문에, 모터(103)가 부하로 작용하지 않는 경우에는 모터(103)와 모터 인버터(10)가 전류의 흐름 방향에 따라 비절연형(non-isolating) 승압형 컨버터(boost converter)와 비절연형 강압형 컨버터(buck converter)의 토폴로지를 갖는 것을 알 수 있다.
이러한 모터(103)와 모터 인버터(10)의 구조적 특징에 기초하여 모터(103)와 모터 인버터(10)를 고속 충전, 완속 충전, 전원 이용 시에 이용한다. 따라서 모터(103)가 전기자동차의 구동력 생성을 위해 사용되는 경우 모터 인버터(10)는 DC-AC 인버터의 용도로 사용되고, 반면 모터(103)와 모터 인버터(10)는 모터(103)의 스테이터의 권선 중성점에 DC 전압이 인가되는 경우 이 DC 전압을 승압하여 고압의 배터리(101) 쪽으로 공급하는 승압용 DC-DC 컨버터의 용도로, 고전압 배터리(101)의 단자로부터 모터(103)의 권선 중성점으로 전압을 낮춰 전류를 흘리는 경우 강압용 DC-DC 컨버터의 용도로 사용될 수 있다. 모터(103)와 모터 인버터(10)를 이와 같이 DC-AC 인버터 또는 DC-DC 컨버터로 사용하기 위해서는 모터(103)의 중성점을 외부 단자와 연결되거나 외부 단자로부터 차단되도록 하는 것이 필요하며, 이를 위해 온/오프 기능을 갖는 스위칭 수단, 예를 들어 릴레이(RLY1)가 구비된다.
또한 모터(103)와 모터 인버터(10)는 DC-DC 부스팅 컨버터로 동작하여 예를 들어 400V, 50kW 직류 전압으로 충전하는 급속충전소를 이용하여 800V 차량용 고압 배터리를 충전할 수 있도록 작용할 수 있다. 이에 의해 400V 급속충전소를 이용하여 800V 배터리의 충전이 이루어질 수 있다.
컨트롤러(50)는 상기한 기능이 구현될 수 있도록 모터 인버터(10)의 스위칭 모듈(11)과 릴레이(RLY1)의 작동을 제어한다. 예를 들어, 컨트롤러(50)는 모터(103)가 전기자동차의 구동력을 생성해야 하는 경우 스위칭 모듈(11)을 DC-AC 인버터 기능을 구현하도록 제어하고 릴레이(RLY1)를 오프시킨다.
한편, 컨트롤러(50)는 외부의 파워 스테이션(105), 예를 들어 400V 파워 스테이션을 이용하여 배터리(101)를 충전해야 하는 경우 릴레이(RLY1)를 온시키고 스위칭 모듈(11)을 DC-DC 컨버터 기능을 구현하도록 제어할 수 있다. 파워 스테이션(105)에 전기적으로 연결될 수 있는 급속 충전 라인(106)이 구비될 수 있으며, 급속 충전 라인(106)은 스위칭 수단, 예를 들어 릴레이(RLY1)를 통해서 모터(103)의 인덕터(L1, L2, L3)에 선택적으로 전기적으로 연결될 수 있다. 이때, 충전 시 전류 리플을 저감하기 위해 충전 입력단 인덕터(L4)가 파워 스테이션(105)과 모터(103) 사이에 직렬로 연결될 수 있다. 이에 의해 전기자동차의 충전 시스템이 외부의 충전 전원, 예를 들어 400V 파워 스테이션(105)에 전기적으로 연결되는 경우, 컨트롤러(50)가 릴레이(RLY1)를 온시키고 모터 인버터(10)를 400V를 800V로 변환하는 DC-DC 부스팅 컨버터로 동작시킴으로써, 400V 급속 충전소를 이용하여 800V 배터리(101)의 충전이 이루어질 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차용 충전 시스템(1)은 AC 전원에 의한 완속 충전을 위한 차량 탑재형 충전기 기능, 소위 온보드 차저(On Board Charger, OBC) 기능을 구현하기 위한 요소, EMI 필터(31)와 역률 개선(power factor correction, PFC) 회로(33)를 포함한다. 예를 들어, 온보드 차저는 60Hz 단상 교류 전원(이하에서 AC 전원이라고 함)을 고압 배터리(101)를 충전할 수 있는 직류 전원으로 변환하는 장치일 수 있다. 온보드 차저는 AC 충전 단자, AC-DC 컨버터, 절연 변압기(isolation transformer), DC-DC 컨버터의 형태로 구현될 수 있다. 기능적으로는 AC 전원이 공급되면 입력단의 EMI 필터(31)를 거친 후 AC 전압을 DC 전압으로 변환하는 역률 개선 회로(33)를 통해 AC 전압이 맥동이 있는 DC 전압으로 변환되고, 그리고 나서 고압의 배터리(101)의 충전에 적합한 DC 전압으로 변환하기 위해 절연 변압기를 포함하는 DC-DC 컨버터를 거쳐 배터리(101)를 충전하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 따른 충전 시스템의 온보드 차저 기능은 2-스테이지 아키텍처(two-stage architecture)로 구성될 수 있고, 첫 번째 스테이지는 AC-DC 컨버팅이고, 두 번째 스테이지는 DC-DC 컨버팅이다. AC-DC 컨버팅은 EMI 필터(31)와 PFC 회로(33)에 의해 수행될 수 있고, DC-DC 컨버팅은 모터(103)와 모터 인버터(10)에 의해 수행될 수 있다.
EMI 필터(31)는 스위칭 시 발생하는 고주파 성분이 계통에 부정적 영향을 줄 수 있기 때문에 이를 방지하는 기능을 한다. EMI는 전자파 간섭 또는 전파 장애로서 방사 또는 전도되는 전자파가 다른 전자 기기에 영향을 미치는 것을 의미한다. 완속 충전을 위한 시스템은 전력원인 입력 전원(계통 전원)과 직접적으로 연결되기 때문에 완속 충전 시스템에서 발생한 노이즈가 계통 전원으로 유입되는 것을 최소화하는 EMI 필터(31)가 구비된다.
PFC 회로(33)는 역률 개선(power factor correction, PFC) 기능을 처리하는 회로로 구성될 수 있다. 역률 개선 기능은 OBC의 계통 AC 측 전압과 전류의 위상을 동일하게, 즉 역률(PF)을 1로 만들어주는 것을 의미한다. PFC 기능을 통해 계통 측 역률을 1로 만들어서 불필요하게 낭비되는 무효 전력 부분을 제거할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, PFC 회로(33)는 모터(103) 및 모터 인버터(10)와 동일한 토폴로지를 갖도록 구성된다. 도 1을 참조하면, PFC 회로(33)는 모터(103)의 인버터와 동일 용량을 갖는 3개의 인덕터(L5, L6, L7), 그리고 모터 인버터(10)와 동일한 3개의 하프-브릿지를 포함하는 스위칭 모듈(35)을 포함한다. PFC 회로(33)는 3상 전원을 사용하는 3상 풀-브릿지 PFC(three-phase full-bridge PFC)로 구현될 수 있으며, 스위칭 모듈(35)은 모터 인버터(10)의 토폴로지와 동일하게 3개의 하프-브릿지를 포함할 수 있다. 스위칭 모듈(35)은 전력변환 스위칭 소자(T7, T8, T9 T10, T11, T12)에 의해 형성되는 3개의 하프 브릿지를 포함하고, 3개의 하프 브릿지의 중간탭은 인턱터(L5, L6, L7)를 통해 EMI 필터(31)에 각각 연결된다. 이와 같이, PFC 회로의 스위칭 모듈은 3상 AC 전원을 이용하는 경우에는 3개의 하프 브릿지의 병렬 결선으로 구성될 수 있다. 이와 달리, 단상 AC 전원을 이용하는 경우에는, PFC 회로의 스위칭 모듈은 2개의 하프 브릿지의 병렬 결선으로 구성될 수도 있다.
PFC 회로(33)는 충전 입력단 인덕터(L4)를 통해 모터(103)의 스테이터 권선, 즉 인덕터(L1, L2, L3)에 연결될 수 있으며, 이에 의해 전류 리플을 저감할 수 있다.
온보드 차저의 AC 전원단의 EMI 필터(31)를 제외하고 생각할 경우, AC 전원단으로부터 고전압 배터리(101) 방향으로의 전류 흐름의 경우 3개의 하프-브릿지와 3개의 인덕터를 제어할 때 인덕터에 AC 전압의 형태로 AC 입력 전류가 흐르도록 제어함으로써 PFC 회로(33)는 PFC 기능을 구현하는 AC-DC 컨버터로 작동하도록 제어된다. 한편, 배터리(101)로부터 AC 전원단으로 전류가 흐르도록 제어하는 경우, PFC 회로(33)는 DC 전압을 AC 사인파로 변환하는 DC-AC 인버터로 작동하도록 제어된다. 이러한 PFC 회로(33)의 작동 제어는 콘트롤러(50)에 의한 PWM 제어에 의해 이루어질 수 있다.
PFC 회로(33)는 커패시터(C2)를 포함할 수 있으며, 커패시터(C2)는 스위칭 모듈(35)에 병렬로 연결될 수 있다. 도 1에는 하나의 커패시터(C2)가 구비되는 경우가 예시적으로 도시되어 있으나 병렬로 연결되는 2개 이상의 커패시터가 구비될 수도 있다. 커패시터(C2)는 전류 리플을 저감하는 기능과 함께 전압 스파크, EMI 등으로부터 배터리(101)를 보호하는 기능을 수행한다.
본 발명의 실시예에 따른 충전 시스템의 온보드 차저 기능의 두 번째 스테이지인 DC-DC 컨버팅은 모터 인버터(10)에 의해 수행된다. AC-DC 컨버터로 작동하는 PFC 회로(33)의 출력단은 릴레이(RLY1)를 통해 모터(103)의 중성단에 연결됨으로써 모터 인버터(10)에 연결된다. 모터 인버터(10)는 PFC 회로에 의해 AC의 정류에 의해 얻어진 DC를 배터리(101)에서 필요로 하는 전압 값의 DC로 승압한다. 이때, 모터(103)의 권선에서 전력변환 기능을 하는 스위칭 모듈(11)로의 전류 흐름이 형성되도록 제어되며, 모터(103)의 권선과 스위칭 모듈(11)은 전압 승압을 수행하는 부스트 컨버터로 작동한다.
앞에서 설명한 바와 같이 배터리(101)로부터 AC 전원단으로 전류가 흐르도록 함으로써 V2L(Vehicle to Load), V2V(Vehicle to Vehicle), V2G(Vehicle to Grid), V2H(Vehicle to Home) 등의 용도로 사용될 수 있다. 이러한 기능들은 전기자동차의 배터리(101)를 이동 가능한 에너지 저장 시스템(energy storage system, ESS)으로 활용하는 것이다.
V2L의 구현을 위해, 단상의 AC 전원을 만들고 단상 출력부 단자를 통해 전기자동차에 구비되는 전원 출력 요소, 예를 들어 콘센트(109)를 통해 220V 단상 구동 제품으로 전원을 공급할 수 있다. V2L 기능을 위한 콘센트(109)의 전기적 연결을 온/오프 하기 위한 스위칭 수단, 예를 들어 릴레이(RLY2)가 구비될 수 있으며, 컨트롤러(50)를 통해 릴레이(RLY2)을 온/오프 시킬 수 있도록 구성될 수 있다. 릴레이(RLY2)의 작동을 통해 안전이 필요하거나 필요한 상황에서 콘센트(109)로 공급되는 전원을 차단할 수 있다.
3상 전원을 만드는 경우에는 3상 정현파 형태의 전원을 생성하도록 PFC 회로(33)를 제어하여 3상 출력부 단자를 통해 3상 전원을 공급하는 V2V, V2G, V2H 기능이 구현될 수 있다. 이때, 모터 인버터(10)는 배터리(101)의 전압을 강압하는 DC-DC 컨버터로 작동하고 PFC 회로(33)는 모터 인버터(10)에 의해 강압된 DC 전압을 AC 전압으로 변환하는 DC-AC 인버터 기능을 수행한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 위에서 설명한 바와 같이, 모터 인버터(10)는 여러 기능, 즉 모터 구동 시의 DC-AC 변환, OBC의 부스트 컨버터로 이용 시의 DC-DC 승압, 400V 급속충전을 위한 부스트 컨버터로 이용 시의 DC-DC 승압, 및 배터리(101)의 전원 출력을 위한 벅 컨버터로 이용 시 DC-DC 강압을 수행하도록 구성된다. 이에 의해 충전 시스템의 구성이 간단해지고 효율이 향상될 수 있다. 특히 전기자동차의 모터를 구동하기 위한 모터 인버터를 OBC 기능의 수행을 위한 부스트 컨버터로 활용함으로써, OBC 기능의 수행을 위한 별도의 DC-DC 컨버터가 생략될 수 있다.
컨트롤러(50)는 상기한 기능들을 구현하기 위한 제어를 수행할 수 있다. 또한 제어에 필요한 각 부분의 전압, 전류 등을 측정하기 위한 센서(도시되지 않음), 릴레이(도시되지 않음) 등이 구비될 수 있으며, 컨트롤러(50)는 센서에 의해 측정된 전류, 전압 등을 기초로 필요한 제어를 수행하도록 구성될 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 아니하며 본 발명의 실시예로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 변경되어 균등한 것으로 인정되는 범위의 모든 변경 및 수정을 포함한다.
1: 전기자동차용 충전 시스템
101: 배터리
103: 모터
10: 모터 인버터
11: 스위칭 모듈
105: 파워 스테이션
31: EMI 필터
33: 역률 개선 회로
50: 컨트롤러

Claims (7)

  1. 전기자동차의 배터리를 충전할 수 있도록 구성되는 전기자동차용 충전 시스템에 있어서,
    DC-AC 인버터로 작용하여 상기 배터리의 DC 전압을 상기 전기자동차의 모터를 구동할 수 있는 AC 전압으로 변환하여 상기 모터의 스테이터 권선으로 인가할 수 있도록 구성되는 모터 인버터,
    AC 전원을 이용하여 상기 배터리를 충전할 수 있는 온보드 차저 기능의 구현을 위해 AC-DC 컨버터 작용할 수 있도록 구성되며 상기 스테이터 권선에 선택적으로 전기적으로 연결될 수 있도록 구성되는 역률 개선 회로,
    상기 모터의 스테이터 권선과 상기 역률 개선 회로에 각각 연결되는 인덕터, 그리고
    상기 역률 개선 회로의 상기 스테이터 권선에의 전기적 연결을 제어할 수 있고 상기 모터 인버터와 상기 역률 개선 회로의 작동을 제어할 수 있도록 구성되는 컨트롤러를 포함하고,
    상기 모터 인버터는 상기 컨트롤러의 제어에 의해 양방향 전류 흐름을 선택적으로 형성하여 DC-AC 인버터, DC-DC 부스트 컨버터, 및 DC-DC 벅 컨버터 중 어느 하나로 선택적으로 작용할 수 있도록 구현할 수 있도록 구성되고,
    상기 역률 개선 회로는 상기 컨트롤러의 제어에 의해 양방향 전류 흐름을 선택적으로 형성하여 AC-DC 컨버터 및 DC-AC 컨버터 중 어느 하나로 선택적으로 작용할 수 있도록 구성되는 전기자동차용 충전 시스템.
  2. 제1항에서,
    상기 컨트롤러는, 상기 모터의 구동이 필요한 경우, 상기 역률 개선 회로와 상기 스테이터 권선의 전기적 연결이 차단되도록 제어하고, 상기 모터 인버터가 상기 배터리에서 상기 스테이터 권선으로 향하는 전류 흐름을 형성하여 상기 DC-AC 인버터로 작용하도록 제어하는 전기자동차용 충전 시스템.
  3. 제1항에서,
    상기 컨트롤러는, 상기 온보드 차저 기능의 구현을 위해 상기 AC 전원에 의한 상기 배터리의 충전이 필요한 경우, 상기 역률 개선 회로와 상기 스테이터 권선의 전기적 연결이 이루어지도록 제어하고, 상기 역률 개선 회로가 상기 스테이터 권선을 향하는 전류 흐름을 형성하여 상기 AC-DC 컨버터로 작용하도록 제어하고, 상기 모터 인버터가 상기 스테이터 권선에서 상기 배터리로 향하는 전류 흐름을 형성하여 상기 DC-DC 부스트 컨버터로 작용하도록 제어하는 전기자동차용 충전 시스템.
  4. 제1항에서,
    상기 컨트롤러는, 상기 배터리에서 외부로의 출력이 필요한 경우, 상기 역률 개선 회로와 상기 스테이터 권선의 전기적 연결이 이루어지도록 제어하고, 상기 모터 인버터가 상기 배터리에서 상기 스테이터 권선을 향하는 전류 흐름을 형성하여 상기 DC-DC 벅 컨버터로 작용하도록 제어하고, 상기 역률 개선 회로가 상기 스테이터 권선에서 전원의 출력을 위한 출력 요소를 향하는 전류 흐름을 형성하여 상기 DC-AC 컨버터로 작용하도록 제어하는 전기자동차용 충전 시스템.
  5. 제1항에서,
    상기 배터리의 급속 충전을 위해 외부의 급속 충전 전원에 전기적으로 연결될 수 있도록 구성되며 상기 스테이터 권선에 선택적으로 전기적으로 연결될 수 있도록 구성되는 급속 충전 라인을 더 포함하고,
    상기 컨트롤러는, 상기 급속 충전 전원에 의한 상기 배터리의 충전이 필요한 경우, 상기 급속 충전 라인과 상기 스테이터 권선의 전기적 연결이 이루어지도록 제어하고, 상기 모터 인버터가 상기 스테이터 권선에서 상기 배터리로 향하는 전류 흐름을 형성하여 상기 DC-DC 부스트 컨버터로 작용하도록 제어하는 전기자동차용 충전 시스템.
  6. 전기자동차의 배터리를 충전할 수 있도록 구성되는 전기자동차용 충전 시스템에 있어서,
    상기 전기자동차의 모터의 스테이터 권선,
    상기 스테이터 권선에 전기적으로 연결되며 양방향 전류 흐름의 구현을 통해 DC-AC 인버터 및 AC-DC 컨버터로 선택적으로 작용할 수 있도록 구성되는 모터 인버터,
    상기 스테이터 권선에 선택적으로 전기적으로 연결될 수 있도록 구성되며 양방향 전류 흐름의 구현을 통해 AC-DC 컨버터 및 DC-AC 컨버터로 선택적으로 작용할 수 있도록 구성되는 역률 개선 회로,
    상기 스테이터 권선에 선택적으로 전기적으로 연결될 수 있도록 구성되며 외부의 급속 충전 전원에 전기적으로 연결될 수 있도록 구성되는 급속 충전 라인, 그리고
    상기 역률 개선 회로와 상기 급속 충전 라인의 상기 스테이터 권선에의 전기적 연결이 선택적으로 이루어지도록 제어하며 상기 모터 인버터와 상기 역률 개선 회로의 작동을 제어하는 컨트롤러를 포함하고,
    상기 컨트롤러는, 상기 모터의 구동이 필요한 경우, 상기 역률 개선 회로와 상기 스테이터 권선의 전기적 연결이 차단되도록 제어하고, 상기 모터 인버터가 상기 배터리에서 상기 스테이터 권선으로 향하는 전류 흐름을 형성하여 상기 DC-AC 인버터로 작용하도록 제어하고,
    상기 컨트롤러는, 상기 AC 전원에 의한 상기 배터리의 충전이 필요한 경우, 상기 역률 개선 회로와 상기 스테이터 권선의 전기적 연결이 이루어지도록 제어하고, 상기 역률 개선 회로가 상기 스테이터 권선을 향하는 전류 흐름을 형성하여 상기 AC-DC 컨버터로 작용하도록 제어하고, 상기 모터 인버터가 상기 스테이터 권선에서 상기 배터리로 향하는 전류 흐름을 형성하여 상기 DC-DC 부스트 컨버터로 작용하도록 제어하고,
    상기 컨트롤러는, 상기 배터리의 전원의 외부로의 출력이 필요한 경우, 상기 역률 개선 회로와 상기 스테이터 권선의 전기적 연결이 이루어지도록 제어하고, 상기 모터 인버터가 상기 배터리에서 상기 스테이터 권선을 향하는 전류 흐름을 형성하여 상기 DC-DC 벅 컨버터로 작용하도록 제어하고, 상기 역률 개선 회로가 상기 스테이터 권선에서 전원의 출력을 위한 출력 요소를 향하는 전류 흐름을 형성하여 상기 DC-AC 컨버터로 작용하도록 제어하고,
    상기 컨트롤러는, 상기 급속 충전 전원에 의한 상기 배터리의 충전이 필요한 경우, 상기 급속 충전 라인과 상기 스테이터 권선의 전기적 연결이 이루어지도록 제어하고, 상기 모터 인버터가 상기 스테이터 권선에서 상기 배터리로 향하는 전류 흐름을 형성하여 상기 DC-DC 부스트 컨버터로 작용하도록 제어하는 전기자동차용 충전 시스템.
  7. 제6항에서,
    상기 모터는 3개의 스테이터 권선을 포함하는 3상 전기 모터이고,
    상기 모터 인버터는 상기 3상 전기 모터의 상기 스테이터 권선에 각각 전기적으로 연결되는 3개의 하프 브릿지를 포함하는 스위칭 모듈을 포함하고,
    상기 역률 개선 회로는 상기 모터 인버터와 동일한 토폴로지를 갖도록 구성되는 전기자동차용 충전 시스템.
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