KR101359264B1 - 양방향 동작이 가능한 전기 차량용 배터리 충전 장치 - Google Patents

양방향 동작이 가능한 전기 차량용 배터리 충전 장치 Download PDF

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KR101359264B1
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switching
electric vehicle
unit
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KR1020120122863A
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이준영
박승희
김원용
신철준
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명지대학교 산학협력단
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Abstract

양방향 동작이 가능한 전기 차량용 배터리 충전 장치가 개시된다. 개시된 전기 차량용 배터리 충전 장치는 입력 전압을 정류하여 제1 전압으로 변화시키는 정류부; 상기 제1 전압을 승압하여 제2 전압으로 변화시키는 제1 컨버터; 및 상기 제2 전압을 변화시켜 전기 차량용 배터리를 충전하기 위한 제3 전압을 생성하여 출력하는 제2 컨버터;를 포함하되, 상기 제2 컨버터부는 상기 제1 컨버터부의 출력단과 병렬로 연결되는 제1 스위칭부 및 제2 스위칭부를 포함하고, 상기 제1 스위칭부 및 상기 제2 스위칭부 각각은 일단이 상기 제1 컨버터부의 출력단과 연결되는 인덕터; 일단이 상기 인덕터의 타단과 연결되고 타단이 접지와 연결되는 제1 스위칭 소자; 및 일단이 상기 인덕터의 타단 및 상기 제1 스위칭 소자의 일단과 연결되는 제2 스위칭 소자를 포함한다.

Description

양방향 동작이 가능한 전기 차량용 배터리 충전 장치{BIDIRECTIONAL OPERABLE BATTERY CHARGING DEVICE FOR ELECTRIC VEHICLE}
본 발명의 실시예들은 양방향 동작이 가능한 전기 차량용 배터리 충전 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고용량의 전해 캐패시터를 사용하지 않으면서도 입력 전류 왜곡의 보상이 가능하며 고역률로 동작 가능한 양방향 전기 차량용 배터리 충전 장치에 관한 것이다.
일반적으로 전기 차량(EV: Electric Vehicle)용 배터리 충전 장치는 상용 전원을 입력으로 한다. 따라서, 전기 차량용 배터리 충전 장치는 110Vac 또는 220Vac에서 사용이 가능하며 역률 보정이 고려되어야 한다. 그리고 다양한 사양의 스팩의 배터리를 모두 충전할 수 있도록 전기 차량용 배터리 충전 장치는 100V 내지 500V 의 넓은 출력이 요구된다.
이를 위해, 도 1에 도시된 바와 같이 역률 개선(PFC: Power Factor Correction)을 담당하는 AC/DC 컨버터(110), AC 전압에 따라 변하는 전력을 안정된 DC 전력으로 변환하기 위한 고압 링크 캐패시터(120) 및 충전 제어를 위한 변압기를 사용하는 DC/DC 컨버터(130)를 포함하는 2단 구성의 전기 차량용 배터리 충전 장치(100)가 일반적으로 사용되고 있다. 이와 함께 전기 차량용 배터리 충전 장치의 크기를 줄이기 위해 고주파 스위칭이 수행되어야 한다.
도 2는 도 1에 도시된 종래의 전기 차량용 배터리 충전 장치(100)의 전력 흐름을 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 종래의 전기 차량용 충전 장치(100)는 AC 입력을 정류하여 입력측의 전류가 정류된 전압을 추종하도록 역률 개선단에서 전류 제어를 수행한다. 이 경우, 역률 개선단에서 출력되는 전압에는 Fluctuating Power가 발생하며 이를 필터링하기 위해 고압의 DC 링크 캐패시터가 이용된다. 그리고, AC/DC 단에서 형성된 DC 전압을 이용하여 절연을 위해 변압기를 사용하는 DC/DC 컨버터는 전류 제어를 통해 배터리를 충전하게 된다.
그러나, 상기한 종래의 전기 차량용 충전 장치(100)는 2단 구조로 되어 있어 구성이 복잡하다는 단점이 있었다. 또한, 종래의 전기 차량용 충전 장치(100)는 Fluctuating Power를 필터링하기 위해 수천 uF 이상의 고용량이면서 전력밀도가 높은 전해 캐패시터를 사용하여야 하는데, 전해 캐패시터는 온도가 높아지면 수명이 급격하게 줄어드는 단점이 있어서, 전기 차량과 같이 긴 수명이 요구되는 응용 분야에는 적합하지 않다는 문제점이 있었다.
이를 해결하기 위해, 전해 캐패시터를 대신하여 필름 캐패시터를 사용하는 방법을 고려할 수는 있으나, 필름 캐패시터는 전해 캐패시터에 비해 전력밀도가 매우 낮아 고용량으로 설계할 경우 높은 전력밀도를 요구하는 충전기에 적합하지 않는다는 문제점이 있었다. 그리고, 인덕터 전류제어에 있어 DCM(Discontinuous　Conduction Mode) 기법을 사용하는 경우, 입력전류에 왜곡이 생기고 고역률을 달성하기 어렵다는 문제점 또한 존재하였다.
상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명에서는 고용량의 전해 캐패시터를 사용하지 않으면서도 입력 전류 왜곡의 보상이 가능하며 고역률로 동작 가능한 양방향 전기 차량용 배터리 충전 장치를 제안하고자 한다.
본 발명의 다른 목적들은 하기의 실시예를 통해 당업자에 의해 도출될 수 있을 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 입력 전압을 정류하여 제1 전압으로 변화시키는 정류부; 상기 제1 전압을 승압하여 제2 전압으로 변화시키는 제1 컨버터; 및 상기 제2 전압을 변화시켜 전기 차량용 배터리를 충전하기 위한 제3 전압을 생성하여 출력하는 제2 컨버터;를 포함하되, 상기 제2 컨버터부는 상기 제1 컨버터부의 출력단과 병렬로 연결되는 제1 스위칭부 및 제2 스위칭부를 포함하고, 상기 제1 스위칭부 및 상기 제2 스위칭부 각각은 일단이 상기 제1 컨버터부의 출력단과 연결되는 인덕터; 일단이 상기 인덕터의 타단과 연결되고 타단이 접지와 연결되는 제1 스위칭 소자; 및 일단이 상기 인덕터의 타단 및 상기 제1 스위칭 소자의 일단과 연결되는 제2 스위칭 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 차량용 배터리 충전 장치가 제공된다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 양방향 동작이 가능한 전기 차량용 배터리 충전 장치에 있어서, 입력 전압을 정류하여 제1 전압으로 변화시키는 정류부; 상기 제1 전압을 승압하여 제2 전압으로 변화시키는 제1 컨버터; 및 상기 제2 전압을 변화시켜 전기 차량용 배터리를 충전하기 위한 제3 전압을 생성하여 출력하는 제2 컨버터;를 포함하되, 상기 제2 컨버터부는 일단이 상기 제1 컨버터부의 출력단과 연결되는 제1 인덕터; 일단이 상기 제1 인덕터의 타단과 연결되고 타단이 접지와 연결되는 제1-1 스위칭 소자; 일단이 상기 제1 인덕터의 타단 및 상기 제1-1 스위칭 소자의 일단과 연결되는 제1-2 스위칭 소자; 상기 제1 컨버터부의 출력단을 기준으로 상기 제1 인덕터와 병렬로 연결되는 제2 인덕터; 일단이 상기 제2 인덕터의 타단과 연결되고 타단이 접지와 연결되는 제2-1 스위칭 소자; 일단이 상기 제2 인덕터의 타단 및 상기 제2-1 스위칭 소자의 일단과 연결되고 타단이 상기 제1-2 스위칭 소자의 타단과 연결되는 제2-2 스위칭 소자;를 포함하며, 상기 전기 차량용 배터리 충전 장치가 일방향으로 동작하는 경우, 상기 제1-2 스위칭 소자 및 상기 제2-2 스위칭 소자는 오프 상태에 있고, 상기 제1-1 스위칭 소자 및 상기 제2-1 스위칭 소자는 주기적으로 온/오프되고, 상기 전기 차량용 배터리 충전 장치가 타방향으로 동작하는 경우, 상기 제1-1 스위칭 소자 및 상기 제2-1 스위칭 소자는 오프 상태에 있고, 상기 제1-2 스위칭 소자 및 상기 제2-2 스위칭 소자는 주기적으로 온/오프되는 것을 특징으로 하는 전기 차량용 배터리 충전 장치가 제공된다.
본 발명에 따른 양방향 전기 차량용 배터리 충전 장치는 고용량의 전해 캐패시터를 사용하지 않으면서도 입력 전류 왜곡의 보상이 가능하며 고역률로 동작 가능한 장점이 있다.
도 1은 종래의 전기 차량용 배터리 충전 장치의 개략적인 구성을 도시한 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 종래의 전기 차량용 배터리 충전 장치의 전력 흐름을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 차량용 충전 장치의 개략적인 구성을 도시한 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 차량용 충전 장치의 상세한 구성을 도시한 회로도이다.
도 5 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 차량용 배터리 충전 장치의 정방향 동작의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 차량용 배터리 충전 장치의 역방향 동작의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 전기 차량용 충전 장치(300)에 포함된 각 스위칭 소자의 온/오프의 일례를 정리하여 도시한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 여기서, "연결"은 "전기적인 연결"을 의미할 수 있다.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 차량용 충전 장치의 개략적인 구성을 도시한 블록도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 차량용 충전 장치의 상세한 구성을 도시한 회로도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 차량용 충전 장치(300)는 제1 정류부(310), 제1 컨버터부(320), 제2 컨버터부(330) 및 제어부(340)를 포함할 수 있다. 이하, 각 구성 요소 별로 그 기능을 상세히 설명하기로 한다.
제1 정류부(310)는 외부로부터 입력되는 교류 전압(Vac, 이하 "입력 전압"이라 함)을 반파 정류 또는 전파 정류하여 제1 전압을 생성한다. 이 때, 입력 전압(Vac)은 90Vac 이상 260Vac 이하의 크기를 가질 수 있다. 일례로, 입력되는 교류 전압은 110Vac 또는 220Vac의 크기를 가지는 상용 교류 전압일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 정류부(310)는 도 4에 도시된 바와 같이 외부 전원과 연결되며, 풀 브리지(Full Bridge) 형태로 연결된 4개의 스위칭 소자(SR1, SR2, SR3, SR4)를 포함할 수 있다.
일례로서, 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 정류부(310)에 포함되는 4개의 스위칭 소자(SR1, SR2, SR3, SR4) 각각은 하나의 트랜지스터(예를 들어, MOSFET) 및 입력단이 트랜지스터의 제2 도통전극(예를 들어, 드레인 단자)과 연결되고, 출력단이 트랜지스터의 제1 도통전극(예를 들어, 소스 단자)과 연결되는 다이오드로 구성될 수 있다. 트랜지스터로써 MOSFET이 사용되는 경우 전기 차량용 충전 장치(300)의 양방향 동작이 용이하게 된다. 그리고, 4개의 스위칭 소자(SR1, SR2, SR3, SR4)는 아래에서 설명하는 제어부(340)에 의해 온/오프가 제어된다.
한편, 이와 같은 제1 정류부(310)에 포함된 4개의 스위칭 소자(SR1, SR2, SR3, SR4)는 입력 전압(Vac)의 위상에 따라 온/오프가 제어된다. 그런데, 위상의 측정을 위해 입력 전압(Vac)을 센싱하는 경우, 센싱된 전압에는 노이즈가 포함될 수 있으므로 정확한 입력 전압(Vac)의 위상을 측정하기 어려울 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제어부(340)는 전역 통과 필터(All Pass Filter)를 이용한 단상 위상 고정 회로(PLL: Phase Lock Loop)를 이용하여 입력전압과 동일한 위상을 가지며 동일한 각주파수를 가지는 sin파를 생성하고, 이를 이용하여 4개의 스위칭 소자(SR1, SR2, SR3, SR4)의 온/오프를 제어할 수 있다.
다음으로, 제1 정류부(310)의 출력단에는 캐패시터(Cin) 및 제1 컨버터부(320)가 순차적으로 연결된다.
제1 컨버터부(320)는 제1 정류부(310)에 의해 전파 정류되어 입력되는 제1 전압을 승압하여 제2 전압으로 변화시킨다. 일례로서, 제1 컨버터부(320)는 도 4에 도시된 바와 같이 LLC 컨버터의 구성을 가질 수 있다.
보다 상세하게, 제1 컨버터부(320)는 제1 정류부(310)와 연결되어 제1 전압을 입력받는 제3 스위칭부(321), 제3 스위칭부(321)와 연결되어 승압 동작을 수행하는 변압기부(322) 및 변압기부(322)와 연결되어 상기 승압 동작의 결과로 생성된 전압을 정류하여 제2 전압을 생성하여 출력하는 제2 정류부(323)를 포함할 수 있다(제1 스위칭부 및 제2 스위칭부는 아래에서 설명하는 제2 컨버터부(330)에 구비됨). 각 구성 요소에 대해 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 제3 스위칭부(321)는 제1 정류부(310)의 2개의 출력단자와 연결되며, 풀 브리지 형태로 연결된 4개의 스위칭 소자(SLp1, SLp2, SLp3, SLp4)를 포함할 수 있다.
일례로서, 도 4에 도시된 바와 같이, 제3 스위칭부(321)에 포함되는 4개의 스위칭 소자(SLp1, SLp2, SLp3, SLp4) 각각은 하나의 트랜지스터(예를 들어, MOSFET) 및 입력단이 트랜지스터의 제2 도통전극(예를 들어, 드레인 단자)과 연결되고, 출력단이 트랜지스터의 제1 도통전극(예를 들어, 소스 단자)과 연결되는 다이오드로 구성될 수 있다. 트랜지스터로써 MOSFET이 사용되는 경우 전기 차량용 충전 장치(300)의 양방향 동작이 용이하게 된다.
이와 같은 4개의 스위칭 소자(SLp1, SLp2, SLp3, SLp4)는 특정 주기에 따라 주기적으로 온/오프(on/off)될 수 있으며, 이는 아래에서 설명하는 제어부(340)에 의해 제어된다. 일례로서, 스위칭 소자(SLp3) 및 스위칭 소자(SLp4)는 동시에 온/오프되고, 스위칭 소자(SLp2) 및 스위칭 소자(SLp3)는 동시에 온/오프될 수 있다. 그리고, 스위칭 소자(SLp1)/스위칭 소자(SLp4)가 온되는 시간과 스위칭 소자(SLp2)/스위칭 소자(SLp3) 제3 스위칭 소자(SL1) 및 제6 스위칭 소자(SL4)가 온되는 시간과 서로 겹치지 않을 수 있다.
다음으로, 변압기부(322)는 제3 스위칭부(321)와 연결되며, 스위칭부(321)로부터 출력된 전압을 승압한다. 이를 위해, 변압기부(322)의 2차측 권선수는 1차측 권선수보다 클 수 있다.
한편, 제3 스위칭부(321)와 변압기부(322) 사이에는 캐패시터(Cr) 및 인덕터(Lr)가 직렬로 연결될 수 있다.
마지막으로, 제2 정류부(323)는 변압기부(322)와 연결되며, 변압기부(322)에서 출력된 전압을 정류하여 제2 전압을 생성하여 출력한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제2 정류부(323)는 도 4에 도시된 바와 같이 풀 브리지 형태로 연결된 4개의 스위칭 소자(SLs1, SLs2, SLs3, SLs4)다이오드를 포함할 수 있다.
일례로서, 도 4에 도시된 바와 같이, 제2 정류부(323)에 포함되는 4개의 스위칭 소자(SLs1, SLs2, SLs3, SLs4) 각각은 하나의 트랜지스터(예를 들어, FET) 및 입력단이 트랜지스터의 제2 도통전극(예를 들어, 드레인 단자)과 연결되고, 출력단이 트랜지스터의 제1 도통전극(예를 들어, 소스 단자)과 연결되는 다이오드로 구성될 수 있다. 트랜지스터로써 MOSFET이 사용되는 경우 전기 차량용 충전 장치(300)의 양방향 동작이 용이하게 된다.
이러한 4개의 스위칭 소자(SLs1, SLs2, SLs3, SLs4) 역시 특정 주기에 따라 주기적으로 온/오프될 수 있으며, 제어부(340)에 의해 온/오프가 제어될 수 있다. 일례로서, 스위칭 소자(SLs3) 및 스위칭 소자(SLs4)는 동시에 온/오프되고, 스위칭 소자(SLs2) 및 스위칭 소자(SLs3)는 동시에 온/오프될 수 있다. 그리고, 스위칭 소자(SLs1)/스위칭 소자(SLs4)가 온되는 시간과 스위칭 소자(SLs2)/스위칭 소자(SLs3) 제3 스위칭 소자(SL1) 및 제6 스위칭 소자(SL4)가 온되는 시간과 서로 겹치지 않을 수 있다.
또한, 스위칭 소자(SLp1)/스위칭 소자(SLp4)와 스위칭 소자(SLs1)/스위칭 소자(SLs4)는 동시에 온/오프되고, 스위칭 소자(SLp2)/스위칭 소자(SLp3)와 스위칭 소자(SLs2)/스위칭 소자(SLs3)는 동시에 온/오프될 수 있다.
이와 같이 구성되는 제1 컨버터부(320)는 고정 주파수 고정 시비율로 동작될 수 있다. 이 경우, 변압기의 턴(turn)비 만을 조정하여 전압의 스케일링이 가능하므로, 소프트 스위칭으로 인한 손실을 저감시킬 수 있으며, 변압기의 크기를 감소시킬 수 있다.
계속하여, 제2 정류부(323)의 출력단(즉, 제1 컨버터부(320))은 출력단)은 캐패시터(CL) 및 제2 컨버터부(330)와 연결된다.
제2 컨버터부(330)는 제2 전압을 변화시켜 전기 차량용 배터리(350)를 충전하기 위한 제3 전압을 생성하여 출력함으로써 전기 차량용 배터리(350)의 충전 전류를 제어한다.
보다 상세하게, 제2 컨버터부(330)는 제1 컨버터부(320)의 출력단과 병렬로 연결되는 제1 스위칭부(331) 및 제2 스위칭부(332)를 포함할 수 있다. 그리고, 각 스위칭부(331, 332)는 일단이 제1 컨버터부(320)의 출력단과 연결되는 인덕터(L1, L2), 일단이 인덕터(L1, L2)의 타단과 연결되고 타단이 접지와 연결되는 제1 스위칭 소자(Sa1, Sb1) 및 일단이 인덕터(L1, L2)의 타단 및 제1 스위칭 소자(Sa1, Sb1)의 일단과 연결되는 제2 스위칭 소자(Sa2, Sb2)를 포함할 수 있다. 여기서, 제2 스위칭 소자(Sa2, Sb2)의 타단은 서로 연결되면서 전기 차량용 배터리(350)와 연결된다.
이하 설명의 편의를 위해, 제1 스위칭부(331)에 포함된 인덕터(L1) 및 2개의 스위칭 소자(Sa1, Sa2)를 각각 "제1 인덕터(L1)", "제1-1 스위칭 소자(Sa1)" 및 "제1-2 스위칭 소자(Sa2)"로 칭하고, 제2 스위칭부(332)에 포함된 인덕터(L2) 및 2개의 스위칭 소자(Sb1, Sb2)를 각각 "제2 인덕터(L2)", "제2-1 스위칭 소자(Sb1)" 및 "제2-2 스위칭 소자(Sb2)"로 칭하기로 한다.
정리하면, 제2 컨버터부(330)는 일단이 제1 컨버터부(320)의 출력단과 연결되는 제1 인덕터(L1), 일단이 제1 인덕터(L1)의 타단과 연결되고 타단이 접지와 연결되는 제1-1 스위칭 소자(Sa1), 일단이 제1 인덕터(L1)의 타단 및 제1-1 스위칭 소자(Sa1)의 일단과 연결되는 제1-2 스위칭 소자(Sa2), 제1 컨버터부(320)의 출력단을 기준으로 제1 인덕터(L1)와 병렬로 연결되는 제2 인덕터(L2), 일단이 제2 인덕터(L2)의 타단과 연결되고 타단이 접지와 연결되는 제2-1 스위칭 소자(Sb1), 일단이 제2 인덕터(L2)의 타단 및 제2-1 스위칭 소자(Sb1)의 일단과 연결되고 타단이 제1-2 스위칭 소자(Sa2)의 타단과 연결되는 제2-2 스위칭 소자(Sb2)를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1-1 스위칭 소자(Sa1)와 제2-1 스위칭 소자(Sb1)의 스위칭 동작은 함께 제어되고, 제1-2 스위칭 소자(Sa2)와 제2-2 스위칭 소자(Sb2)의 스위칭 동작은 함께 제어될 수 있다.
제어부(340)는 상기에서 설명한 스위칭 소자들(SR1, SR2, SR3, SR4, SLp1, SLp2, SLp3, SLp4, SLs1, SLs2, SLs3, SLs4, Sa1, Sa2, Sb1, Sb2)의 온/오프를 제어한다.
특히, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제어부(340)는 PI(Proportional-Integral) 제어 방식 및 PWM(Pulse Width Modulation) 제어 방식을 이용하여 제2 컨버터부(330)에 포함된 4개의 스위칭 소자(Sa1, Sa2, Sb1, Sb2)의 온/오프를 제어할 수 있다. 이를 위해, 제어부(340)는 도 3에 도시된 바와 같이 PI 제어부(341), 곱셈기(342) 및 PWM 제어부(343)를 포함할 수 있다.
PI 제어부(341)는 전기 차량용 배터리(350)로 인가되는 출력전류의 절대값(|IO|)과 상기한 출력전류에 대한 기준값(IO _ ref)을 입력받고, 이를 이용하여 PI 제어값를 출력한다. 이하, 설명의 편의를 위해, PI 제어값을 "제1 제어 파라미터"라 칭하기로 한다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 출력전류의 절대값(|IO|)과 출력전류의 기준값(IO _ ref)을 이용하여 생성되는 제1 제어 파라미터는 아래의 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112012089648732-pat00001
여기서, Do는 제1 제어 파라미터, VL , pk는 제1 컨버터부(320)의 출력단의 전압, TS는 제2 컨버터부(330)에 포함된 4개의 스위칭 소자(Sa1, Sa2, Sb1, Sb2)의 스위칭 주기, L은 제2 컨버터부(330)의 인덕턴스, P는 제2 컨버터부(330)에서 소비되는 전력을 각각 의미한다.
곱셈기(342)는 제1 제어 파라미터와 제2 제어 파라미터 간의 곱셈 연산을 수행한다. 여기서, 제2 제어 파라미터는 입력 전압(Vac)의 주파수, 전기 차량용 배터리(350)의 전압(즉, 캐패시터(Cb)의 양단 전압) 및 제1 컨버터부(320)의 출력단의 전압(즉, 캐패시터(CL)의 양단 전압)에 의해 정의된다. 이러한 제2 제어 파라미터는 전기 차량용 배터리 충전 장치(300)의 동작 방향(정방향 및 역방향)에 따라 서로 상이할 수 있는데, 이에 대해서는 아래에서 상세하게 설명하기로 한다.
PWM 제어부(343)는 제1 제어 파라미터와 제2 제어 파라미터의 곱의 값을 입력받아 PWM 제어값을 생성하여 출력하고, 이는 제1-1 스위칭 소자(Sa1), 제1-2 스위칭 소자(Sa2), 제2-1 스위칭 소자(Sb1) 및 제2-2 스위칭 소자(Sb2) 중 적어도 하나의 스위칭 소자로 인가되어 해당 스위칭 소자의 온/오프를 제어하는데 이용된다. 이하, 설명의 편의를 위해, 제1 제어 파라미터와 제2 제어 파라미터의 곱의 값을 "제3 제어 파라미터"로, PWM 제어부(343)에서 출력되는 제어값을 "스위칭 제어신호"라 칭하기로 한다.
이하, 전기 차량용 배터리 충전 장치(300)의 동작 방향을 정방향 및 역방향으로 구분하여 제2 컨버터부(330)에 포함된 4개의 스위칭 소자(Sa1, Sa2, Sb1, Sb2)의 온/오프 동작 및 이에 따른 전기 차량용 배터리 충전 장치(300)의 동작을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
1. 정방향(정류부(310)에서 제2 컨버터부(330)로의 방향)으로의 동작
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전기 차량용 배터리 충전 장치(300)가 정방향으로 동작하기 하는 경우, 제1-2 스위칭 소자(Sa2) 및 제2-2 스위칭 소자(Sb2)는 오프되고, 제1-1 스위칭 소자(Sa1)는 PWM 제어부(343)에서 출력된 스위칭 제어신호에 의해 온/오프가 제어될 수 있고, 제2-1 스위칭 소자(Sb1)는 PWM 제어부(343)에서 출력된 스위칭 제어신호가 기 설정된 위상만큼 지연된 신호에 의해 온/오프가 제어될 수 있으며, 결국 제2 컨버터부(330)는 부스트 컨버터로 동작할 수 있다. 이 때, 제2 제어 파라미터는 아래의 수학식 2와 같이 표현될 수 있으며, 최종적으로 PWM 제어부(343)로 인가되는 제3 제어 파라미터는 아래의 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112012089648732-pat00002
Figure 112012089648732-pat00003
여기서, HMF는 제2 제어 파라미터, VL , pk는 제1 컨버터부(320)의 출력단(즉, 캐패시터(CL) 양단)의 전압, Vbatt는 전기 차량용 배터리(350)의 전압,
Figure 112012089648732-pat00004
는 입력 전압(Vac)의 각주파수를 각각 의미한다.
여기서,
Figure 112012089648732-pat00005
는 전역 통과 필터(APF)를 이용하여 입력전압(Vac)과 90도의 위상차가 나는 가상 전압을 생성하고, 상기한 가상 전압을 위상 고정 회로(PLL)에 통과시킴으로써 획득될 수 있다.
도 5에서는 상기한 수학식 3에 포함된 각 파라미터들의 신호 파형을 도시하고 있고, 도 6에서는 제1-1 스위칭 소자(Sa1)로 입력되는 스위칭 제어신호와 제2-1 스위칭 소자(Sb1)로 입력되는 위상 지연된 스위칭 제어신호 및 이에 따른 제1 인덕터(L1) 및 제2 인덕터(L2)에 흐르는 전류의 파형을 도시하고 있다.
상기한 수학식 3과 도 5 및 도 6을 참조하면, 온/오프 동작이 반복되는 제1-1 스위칭 소자(Sa1) 및 제2-1 스위칭 소자(Sb1)가 온되는 시간 간격은 고정된 값을 갖지 않고 VL , pk, Vbatt,
Figure 112012089648732-pat00006
에 따라 각 스위칭 주기 내에서 변화하는 값을 가지게 된다.
다시 말해, 스위칭 주기 내에서 제1-1 스위칭 소자(Sa1)/제2-1 스위칭 소자(Sb1)가 온되는 시간 간격이 고정된 경우, 인덕터(L1, L2)에 흐르는 전류의 피크치를 연결한 파형은 도 7의 (a)와 도시된 바와 같이 중앙부가 볼록한 형태의 곡선의 형태를 가진다.
그러나, 본 발명에서와 같이 스위칭 주기 내에서 제1-1 스위칭 소자(Sa1)/제2-1 스위칭 소자(Sb1)가 온되는 시간 간격이 변화하는 경우, 인덕터(L1, L2)에 흐르는 전류의 피크치를 연결한 파형은 도 7의 (b)와 도시된 바와 같이 중앙부가 평평하거나 약간 오목한 형태의 곡선형태를 가지게 된다.
즉, 본 발명에 따르면, 스위칭 제어신호는 상기의 수학식 2에서 설명한 HMF에 의해 조절되며, 이에 따라 인덕터의 전류가 높은 지점(즉, 그래프 상에서의 중앙의 부분)에서의 시비율(즉, 스위칭 소자가 온되는 시간간격과 오프되는 시간간격의 비율)이 감소되게 되며, 결국 인덕터의 전류 피크가 저감되는 효과가 발생한다. 이에 따라, 입력전류에서 발생하는 왜곡을 보상할 수 있게 되고, 그 결과 고역률을 달성할 수 있게 된다.
도 8에서는 입력전압, 제1 파라미터, 제2 파라미터, 제3 파라미터 및 인덕터의 전류와 왜곡이 보상된 입력 전류의 파형을 도시하고 있다.
2. 역방향(제2 컨버터부(330)에서 정류부(310)로의 방향)으로의 동작
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전기 차량용 배터리 충전 장치(300)가 역방향으로 동작하기 하는 경우, 제1-1 스위칭 소자(Sa1) 및 제2-1 스위칭 소자(Sb1)는 오프되고, 제1-2 스위칭 소자(Sa2)는 PWM 제어부(343)에서 출력된 스위칭 제어신호에 의해 온/오프가 제어될 수 있고, 및 제2-2 스위칭 소자(Sb2)는 PWM 제어부(343)에서 출력된 스위칭 제어신호가 기 설정된 위상만큼 지연된 신호에 의해 온/오프가 제어될 수 있으며, 결국 제2 컨버터부(330)는 벅 컨버터로 동작할 수 있다. 이 때, 제2 제어 파라미터는 아래의 수학식 4와 같이 표현될 수 있으며, 최종적으로 PWM 제어부(343)로 인가되는 제3 제어 파라미터는 아래의 수학식 5와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112012089648732-pat00007
Figure 112012089648732-pat00008
도 9에서는 상기한 수학식 5에 포함된 각 파라미터들의 신호 파형을 도시하고 있고, 도 10에서는 제1-2 스위칭 소자(Sa2)로 입력되는 스위칭 제어신호와 제2-2 스위칭 소자(Sb2)로 입력되는 위상 지연된 스위칭 제어신호 및 이에 따른 제1 인덕터(L1) 및 제2 인덕터(L2)에 흐르는 전류의 파형을 도시하고 있다.
상기한 수학식 5과 도 9 및 도 10을 참조하면, 앞서 정방향 동작에서 설명한 바와 마찬가지로 온/오프 동작이 반복되는 제1-2 스위칭 소자(Sa2) 및 제2-2 스위칭 소자(Sb2)가 온되는 시간 간격은 고정된 값을 갖지 않고 VL , pk, Vbatt,
Figure 112012089648732-pat00009
에 따라 각 스위칭 주기 내에서 변화하는 값을 가지게 된다.
즉, 본 발명에 따르면, 스위칭 제어신호는 상기의 수학식 5에서 설명한 HMF에 의해 조절되며, 이에 따라 인덕터의 전류가 높은 지점(즉, 그래프 상에서의 중앙의 부분)에서의 시비율은 증가하게 된다. 여기서, 제2 컨버터부(330)는 벅 컨버터로 동작하므로 앞서 정방향으로의 동작에서 설명한 것과 유사하게 입력전류에서 발생하는 왜곡의 보상효과가 발생하게 된다.
한편, 도 11에서는 전기 차량용 충전 장치(300)에 포함된 각 스위칭 소자의 온/오프의 일례를 정리하여 도시하였다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 차량용 배터리 충전 장치(300)는 입력 전류에서 발생하는 왜곡의 보상이 가능한 바, Fluctuating power를 보상하기 위해 고용량 전해 캐패시터를 사용할 필요가 없으므로 필름 캐패시터를 사용하여 고주파 리플만을 제거해 사이즈 감소와 수명을 연장할 수 있는 장점이 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (14)

  1. 입력 전압을 정류하여 제1 전압으로 변화시키는 정류부;
    상기 제1 전압을 승압하여 제2 전압으로 변화시키는 제1 컨버터부; 및
    상기 제2 전압을 변화시켜 전기 차량용 배터리를 충전하기 위한 제3 전압을 생성하여 출력하되, 상기 제1 컨버터부의 출력단과 병렬로 연결되는 제1 스위칭부 및 제2 스위칭부를 포함하는 제2 컨버터부; 및
    상기 제1 스위칭부 및 상기 제2 스위칭부의 온/오프를 제어하기 위한 스위칭 제어신호를 생성하는 제어부;를 포함하되,
    상기 제어부는, 상기 전기 차량용 배터리로 인가되는 출력전류의 절대값 및 상기 출력전류에 대한 기준값을 입력받아 제1 제어 파라미터를 생성하여 출력하는 PI 제어부; 및 상기 제1 제어 파리미터와 상기 입력 전압의 주파수, 상기 전기 차량용 배터리의 전압 및 상기 제1 컨버터부의 출력단의 전압에 의해 정의되는 제2 제어 파라미터의 곱의 값을 입력받아 스위칭 제어신호를 생성하여 출력하는 PWM 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 차량용 배터리 충전 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 스위칭부에 포함된 제2 스위칭 소자(제1-2 스위칭 소자)의 타단과 상기 제2 스위칭부에 포함된 제2 스위칭 소자(제2-2 스위칭 소자)의 타단은 연결되며, 상기 제1-2 스위칭 소자의 타단 및 상기 제2-2 스위칭 소자의 타단은 상기 전기 차량용 배터리와 연결되는 것을 특징으로 하는 전기 차량용 배터리 충전 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 스위칭부에 포함된 제1 스위칭 소자(제1-1 스위칭 소자) 및 제2 스위칭 소자(제1-2 스위칭 소자)와 상기 제2 스위칭부에 포함된 제1 스위칭 소자(제2-1 스위칭 소자) 및 제2 스위칭 소자(제2-2 스위칭 소자)의 온/오프를 제어하기 위한 스위칭 제어신호를 생성하는 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 차량용 배터리 충전 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 PWM 제어부에서 출력된 스위칭 제어신호는 제1-1 스위칭 소자, 상기 제1-2 스위칭 소자, 상기 제2-1 스위칭 소자 및 상기 제2-2 스위칭 소자 중 적어도 하나의 스위칭 소자의 온/오프의 제어에 이용되는 것을 특징으로 하는 전기 차량용 배터리 충전 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 제어 파라미터는 아래의 수학식과 같이 표현되는 것을 특징으로 하는 전기 차량용 배터리 충전 장치.
    Figure 112012089648732-pat00010

    여기서, Do는 상기 제1 제어 파라미터, VL , pk는 상기 제1 컨버터부의 출력단의 전압, L은, P는 를 각각 의미함
  6. 제4항에 있어서,
    상기 전기 차량용 배터리 충전 장치가 상기 정류부에서 상기 제2 컨버터부로의 방향인 정방향으로 동작하는 경우,
    상기 제1-2 스위칭 소자 및 상기 제2-2 스위칭 소자는 오프되고, 상기 제1-1 스위칭 소자는 상기 PWM 제어부에서 출력된 스위칭 제어신호에 의해 온/오프가 제어되고, 및 상기 제2-1 스위칭 소자는 상기 PWM 제어부에서 출력된 스위칭 제어신호가 기 설정된 위상만큼 지연된 신호에 의해 온/오프가 제어되며,
    상기 제2 제어 파라미터는 아래의 수학식과 같이 표현되는 것을 특징으로 하는 전기 차량용 배터리 충전 장치.
    Figure 112012089648732-pat00011

    여기서, HMF는 상기 제2 제어 파라미터, VL , pk는 상기 제1 컨버터부의 출력단의 전압, Vbatt는 상기 전기 차량용 배터리의 전압, w는 상기 입력 전압의 각주파수를 각각 의미함.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 전기 차량용 배터리 충전 장치가 상기 제2 컨버터부에서 상기 정류부로의 방향인 역방향으로 동작하는 경우,
    상기 제1-1 스위칭 소자 및 상기 제2-1 스위칭 소자는 오프되고, 상기 제1-2 스위칭 소자는 PWM 제어부에서 출력된 스위칭 제어신호에 의해 온/오프가 제어되고, 및 상기 제2-2 스위칭 소자는 PWM 제어부에서 출력된 스위칭 제어신호가 기 설정된 위상만큼 지연된 신호에 의해 온/오프가 제어되며,
    상기 제2 제어 파라미터는 아래의 수학식과 같이 표현되는 것을 특징으로 하는 전기 차량용 배터리 충전 장치.
    Figure 112012089648732-pat00012

    여기서, HMF는 상기 제2 제어 파라미터, VL , pk는 상기 제1 컨버터부의 출력단의 전압, Vbatt는 상기 전기 차량용 배터리의 전압, w는 상기 입력 전압의 각주파수를 각각 의미함.
  8. 제1항에 있어서,
    제1 컨버터부는
    상기 제1 전압이 입력되는 제3 스위칭부;
    상기 제3 스위칭부와 연결된 변압기부; 및
    상기 변압기부와 연결되어 상기 제2 전압을 출력하는 제2 정류부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 차량용 배터리의 충전 장치.
  9. 양방향 동작이 가능한 전기 차량용 배터리 충전 장치에 있어서,
    입력 전압을 정류하여 제1 전압으로 변화시키는 정류부;
    상기 제1 전압을 승압하여 제2 전압으로 변화시키는 제1 컨버터부; 및
    상기 제2 전압을 변화시켜 전기 차량용 배터리를 충전하기 위한 제3 전압을 생성하여 출력하는 제2 컨버터부;를 포함하되,
    상기 제2 컨버터부는 일단이 상기 제1 컨버터부의 출력단과 연결되는 제1 인덕터; 일단이 상기 제1 인덕터의 타단과 연결되고 타단이 접지와 연결되는 제1-1 스위칭 소자; 일단이 상기 제1 인덕터의 타단 및 상기 제1-1 스위칭 소자의 일단과 연결되는 제1-2 스위칭 소자; 상기 제1 컨버터부의 출력단을 기준으로 상기 제1 인덕터와 병렬로 연결되는 제2 인덕터; 일단이 상기 제2 인덕터의 타단과 연결되고 타단이 접지와 연결되는 제2-1 스위칭 소자; 일단이 상기 제2 인덕터의 타단 및 상기 제2-1 스위칭 소자의 일단과 연결되고 타단이 상기 제1-2 스위칭 소자의 타단과 연결되는 제2-2 스위칭 소자;를 포함하며,
    상기 전기 차량용 배터리 충전 장치가 일방향으로 동작하는 경우, 상기 제1-2 스위칭 소자 및 상기 제2-2 스위칭 소자는 오프 상태에 있고, 상기 제1-1 스위칭 소자 및 상기 제2-1 스위칭 소자는 주기적으로 온/오프되고, 상기 전기 차량용 배터리 충전 장치가 타방향으로 동작하는 경우, 상기 제1-1 스위칭 소자 및 상기 제2-1 스위칭 소자는 오프 상태에 있고, 상기 제1-2 스위칭 소자 및 상기 제2-2 스위칭 소자는 주기적으로 온/오프되는 것을 특징으로 하는 전기 차량용 배터리 충전 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1-1 스위칭 소자, 상기 제1-2 스위칭 소자, 상기 제2-1 스위칭 소자 및 상기 제2-2 스위칭 소자의 스위칭 소자의 온/오프를 제어하기 위한 스위칭 제어신호를 생성하는 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 차량용 배터리 충전 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 전기 차량용 배터리로 인가되는 출력전류의 절대값 및 상기 출력전류에 대한 기준값을 입력받아 제1 제어 파라미터를 생성하여 출력하는 PI(Proportional-Integral) 제어부; 및
    상기 제1 제어 파리미터와 상기 입력 전압의 주파수, 상기 전기 차량용 배터리의 전압 및 상기 제1 컨버터부의 출력단의 전압에 의해 정의되는 제2 제어 파라미터의 곱의 값을 입력받아 스위칭 제어신호를 생성하여 출력하는 PWM(Pulse Width Modulation) 제어부;를 포함하되,
    상기 PWM 제어부에서 출력된 스위칭 제어신호는 제1-1 스위칭 소자, 상기 제1-2 스위칭 소자, 상기 제2-1 스위칭 소자 및 상기 제2-2 스위칭 소자 중 적어도 하나의 스위칭 소자의 온/오프의 제어에 이용되는 것을 특징으로 하는 전기 차량용 배터리 충전 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 제어 파라미터는 아래의 수학식과 같이 표현되는 것을 특징으로 하는 전기 차량용 배터리 충전 장치.
    Figure 112012089648732-pat00013

    여기서, Do는 상기 제1 제어 파라미터, VL , pk는 상기 제1 컨버터부의 출력단의 전압, L은, P는 를 각각 의미함
  13. 제11항에 있어서,
    상기 전기 차량용 배터리 충전 장치가 상기 정류부에서 상기 제2 컨버터부로의 방향인 정방향으로 동작하는 경우,
    상기 제1-2 스위칭 소자 및 상기 제2-2 스위칭 소자는 오프되고, 상기 제1-1 스위칭 소자는 PWM 제어부에서 출력된 스위칭 제어 신호에 의해 온/오프가 제어되고, 및 상기 제2-1 스위칭 소자는 PWM 제어부에서 출력된 스위칭 제어 신호가 기 설정된 위상만큼 지연된 신호에 의해 온/오프가 제어되며,
    상기 제2 제어 파라미터는 아래의 수학식과 같이 표현되는 것을 특징으로 하는 전기 차량용 배터리 충전 장치.
    Figure 112012089648732-pat00014

    여기서, HMF는 상기 제2 제어 파라미터, VL , pk는 상기 제1 컨버터부의 출력단의 전압, Vbatt는 상기 전기 차량용 배터리의 전압, w는 상기 입력 전압의 각주파수를 각각 의미함.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 전기 차량용 배터리 충전 장치가 상기 제2 컨버터부에서 상기 정류부로의 방향인 역방향으로 동작하는 경우,
    상기 제1-1 스위칭 소자 및 상기 제2-1 스위칭 소자는 오프되고, 상기 제1-2 스위칭 소자는 PWM 제어부에서 출력된 스위칭 제어 신호에 의해 온/오프가 제어되고, 및 상기 제2-2 스위칭 소자는 PWM 제어부에서 출력된 스위칭 제어 신호가 기 설정된 위상만큼 지연된 값에 의해 온/오프가 제어되며,
    상기 제2 제어 파라미터는 아래의 수학식과 같이 표현되는 것을 특징으로 하는 전기 차량용 배터리 충전 장치.
    Figure 112012089648732-pat00015

    여기서, HMF는 상기 제2 제어 파라미터, VL , pk는 상기 제1 컨버터부의 출력단의 전압, Vbatt는 상기 전기 차량용 배터리의 전압, w는 상기 입력 전압의 각주파수를 각각 의미함.
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