KR101985079B1 - Cascoded converter for electric vehicle, and method for controling thereof - Google Patents

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Abstract

전기자동차용 캐스코드 컨버터 및 그 구동방법이 개시된다. 본 발명에 따른 전기자동차용 캐스코드 컨버터는, 전기자동차의 배터리와 구동 모터 사이에 연결되어, 상기 배터리에 의해 생성되는 입력 전압의 일부를 변환하여 상기 구동 모터로 전달하거나, 상기 구동 모터에 의해 생성되는 에너지를 이용하여 상기 배터리를 충전하는 전기자동차용 캐스코드 컨버터에 있어서, 상기 배터리와 연결되고, 적어도 하나의 일차 스위치가 마련되는 풀 브릿지 회로와, 특정 공진주파수를 갖는 출력 전류를 생성하는 공진 탱크를 포함하는 풀 브릿지 LLC 컨버터, 상기 풀 브릿지 회로를 통해 전달받은 상기 출력 전류를 변환하는 변압기, 적어도 하나의 이차 스위치가 마련되고, 어느 하나의 상기 2차측 스위치의 제어에 의해 상기 변압기에 의해 변환된 출력 전압을 전달받거나 차단시키는 양방향 컨버터 및 상기 양방향 컨버터에 연결되며, 상기 양방향 컨버터로 전달된 입력 전압을 충전하거나, 충전된 전원을 상기 구동 모터로 공급하는 슈퍼커패시터를 포함한다.A cascode converter for an electric vehicle and a driving method thereof are disclosed. A cascode converter for an electric vehicle according to the present invention is connected between a battery of an electric vehicle and a drive motor to convert a part of an input voltage generated by the battery and transmit the converted voltage to the drive motor, The cascode converter for an electric vehicle according to claim 1, further comprising: a full bridge circuit connected to the battery and having at least one primary switch; a resonance tank for generating an output current having a specific resonance frequency; Bridge converter, a transformer for converting the output current passed through the full bridge circuit, at least one secondary switch, and the transformer is controlled by the control of any one of the secondary switches, A bidirectional converter that receives or blocks the output voltage, Coupled to, charging an input voltage transmitted to the bi-directional converter, or comprises a supercapacitor, which supplies the charging power to the driving motor.

Description

전기자동차용 캐스코드 컨버터 및 그 구동방법{CASCODED CONVERTER FOR ELECTRIC VEHICLE, AND METHOD FOR CONTROLING THEREOF}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a CASS code converter for an electric vehicle,

본 발명은 전기자동차용 캐스코드 컨버터 및 그 구동방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전기자동차의 하이브리드 에너지 저장 시스템을 구현하는 전기자동차용 캐스코드 컨버터 및 그 구동방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a cascode converter for an electric vehicle and a driving method thereof, and more particularly, to a cascode converter for an electric vehicle implementing a hybrid energy storage system of an electric vehicle and a driving method thereof.

전기자동차 분야 기술에 있어서, 하이브리드 에너지 저장 시스템(Hybrid Energy Storage System, HESS)은 자동차에 구비된 배터리와 슈퍼 커패시터(super capacitor, SC)를 포함하는 구성으로 구현된다. 이러한 하이브리드 에너지 저장 시스템은 보다 높은 에너지와 전력밀도, 배터리의 수명 연장, 전기자동차의 가속 모드에서 더욱 빠른 동적 반응 및 회생 제동 모드에서의 에너지 축적 등과 같은 다양한 장점을 가지고 있다.In the field of electric vehicles, a hybrid energy storage system (HESS) is implemented in a configuration including a battery and a super capacitor (SC) installed in an automobile. These hybrid energy storage systems have many advantages such as higher energy and power density, longer battery life, faster dynamic response in the accelerated mode of an electric vehicle, and energy accumulation in regenerative braking mode.

도 1은 종래의 전기자동차에서의 하이브리드 에너지 저장 시스템의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다. 도 1의 (a)는 복수의 컨버터로 구성된 종래의 하이브리드 에너지 저장 시스템의 구성에 관한 도면이고, 도 1의 (b)는 다중 입력 컨버터로 구현된 종래의 하이브리드 에너지 저장 시스템에 대한 도면이다. 도 1 에 도시된 바와 같이, 종래의 하이브리드 에너지 저장 시스템은 두 개의 단방향/양방향 DC-DC 컨버터로 구성되거나, 하나의 양방향 DC-DC 컨버터로 구성되어 있다. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a hybrid energy storage system in a conventional electric vehicle. FIG. 1 (a) is a diagram of a conventional hybrid energy storage system composed of a plurality of converters, and FIG. 1 (b) is a diagram of a conventional hybrid energy storage system implemented with a multiple input converter. As shown in FIG. 1, the conventional hybrid energy storage system is composed of two unidirectional / bidirectional DC-DC converters or one bidirectional DC-DC converter.

하지만, 상술한 구성에 따른 종래의 하이브리드 에너지 저장 기술은 슈퍼커패시터의 높은 정격 전압이 요구되며, 이에 따라 시스템 전체의 크기와 제작 비용이 증가된다는 문제점이 있다. 또한, 양방향 DC-DC 컨버터의 하드 스위칭으로 인해 시스템의 효율이 낮아진다는 단점 또한 존재한다. 따라서, 저비용, 고효율 및 소형화된 하이브리드 에너지 저장 시스템의 개발의 필요성이 요구되고 있는 실정이다.However, the conventional hybrid energy storage technique according to the above-described configuration requires a high rated voltage of the supercapacitor, which increases the size and manufacturing cost of the entire system. In addition, there is also a disadvantage that the efficiency of the system is lowered due to the hard switching of the bidirectional DC-DC converter. Therefore, there is a need for development of a low-cost, high-efficiency and miniaturized hybrid energy storage system.

한국등록특허 제10-0579297호Korean Patent No. 10-0579297 한국등록특허 제10-1031217호Korean Patent No. 10-1031217

본 발명의 일측면은 종래의 전기자동차의 하이브리드 에너지 저장 시스템에 비해 동작 성능 및 효율이 향상된 전기자동차용 캐스코드 컨버터 및 그 구동방법을 제공한다.An aspect of the present invention provides a cascode converter for an electric vehicle and a driving method thereof, which have improved operation performance and efficiency compared with a hybrid energy storage system of a conventional electric vehicle.

본 발명의 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problem of the present invention is not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems which are not mentioned can be understood by those skilled in the art from the following description.

본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차용 캐스코드 컨버터는, 전기자동차의 배터리와 구동 모터 사이에 연결되어, 상기 배터리에 의해 생성되는 입력 전압의 일부를 변환하여 상기 구동 모터로 전달하거나, 상기 구동 모터에 의해 생성되는 에너지를 이용하여 상기 배터리를 충전하는 전기자동차용 캐스코드 컨버터에 있어서, 상기 배터리와 연결되고, 적어도 하나의 일차 스위치가 마련되는 풀 브릿지 회로와, 특정 공진주파수를 갖는 출력 전류를 생성하는 공진 탱크를 포함하는 풀 브릿지 LLC 컨버터, 상기 풀 브릿지 회로를 통해 전달받은 상기 출력 전류를 변환하는 변압기, 적어도 하나의 이차 스위치가 마련되고, 어느 하나의 상기 2차측 스위치의 제어에 의해 상기 변압기에 의해 변환된 출력 전압을 전달받거나 차단시키는 양방향 컨버터 및 상기 양방향 컨버터에 연결되며, 상기 양방향 컨버터로 전달된 입력 전압을 충전하거나, 충전된 전원을 상기 구동 모터로 공급하는 슈퍼커패시터를 포함한다.A cascode converter for an electric vehicle according to an embodiment of the present invention is connected between a battery of an electric vehicle and a drive motor to convert a part of an input voltage generated by the battery and transmit the converted voltage to the drive motor, A cascode converter for an electric automobile which charges the battery using energy generated by a motor, the cascode converter comprising: a full bridge circuit connected to the battery and having at least one primary switch; A full bridge LLC converter including a resonance tank to be generated, a transformer for converting the output current passed through the full bridge circuit, at least one secondary switch, A bidirectional converter that receives or blocks the output voltage converted by the converter And a supercapacitor connected to the bidirectional converter for charging the input voltage transferred to the bidirectional converter or supplying the charged power to the driving motor.

상기 풀 브릿지 LLC 컨버터는 병렬로 연결된 제1 레그와 제2 레그를 포함하고, 상기 제1 레그는 제1 일차 스위치 및 제2 일차 스위치가 마련되고, 상기 제2 레그는 제3 일차 스위치 및 제4 일차 스위치가 마련될 수 있다.The full bridge LLC converter includes a first leg and a second leg connected in parallel, wherein the first leg is provided with a first primary switch and a second primary switch, the second leg comprises a third primary switch and a fourth A primary switch may be provided.

상기 변압기와 상기 양방향 컨버터 사이에 마련되고, 상기 변압기를 통해 전달되는 출력을 정류하는 정류 회로를 더 포함할 수 있다.And a rectifying circuit provided between the transformer and the bidirectional converter for rectifying an output transmitted through the transformer.

상기 정류 회로는, 상기 변압기의 2차측 권선의 일단과 연결돠는 제1 이차 스위치 및 상기 2차측 권선의 타단과 연결되는 제2 이차 스위치를 포함하고, 상기 양방향 컨버터는 직렬로 연결된 제3 이차 스위치 및 제4 이차 스위치를 포함할 수 있다.Wherein the rectifier circuit includes a first secondary switch connected to one end of a secondary winding of the transformer and a second secondary switch connected to the other end of the secondary winding and the bidirectional converter includes a third secondary switch And a fourth secondary switch.

적어도 하나의 상기 일차 스위치 및 적어도 하나의 상기 이차 스위치의 턴온 또는 턴오프를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.And a control unit for controlling turning on or off of at least one of the primary switch and the at least one secondary switch.

상기 제어부는, 상기 전기자동차가 정속 주행 중인 경우, 상기 전기자동차용 캐스코드 컨버터가 제1 동작 모드로 작동되도록 제어하고, 상기 전기자동차가 가속 주행 중인 경우, 상기 전기자동차용 캐스코드 컨버터가 제2 동작 모드로 작동되도록 제어하며, 상기 전기자동차가 감속 주행 중인 경우, 상기 전기자동차용 캐스코드 컨버터가 제3 동작 모드 및 제4 동작 모드로 작동되도록 제어할 수 있다.Wherein the control unit controls the cascade converter for an electric vehicle to operate in a first operation mode when the electric vehicle is traveling at a constant speed, and when the electric car is accelerating, And to control the cascade converter for the electric vehicle to operate in the third operation mode and the fourth operation mode when the electric vehicle is decelerating.

상기 제1 동작 모드에서 상기 제어부는, 어느 하나의 상기 이차 스위치와, 적어도 하나의 상기 일차 스위치가 턴온되도록 제어하고, 상기 이차 스위치의 턴온 신호와 상기 일차 스위치의 턴온 신호간의 위상 천이 각도를 제어하여로 상기 풀 브릿지 LLC 컨버터를 통해 출력되는 출력 전압을 일정하게 유지시킬 수 있다.In the first operation mode, the controller controls one of the secondary switches and at least one of the primary switches to be turned on, and controls a phase transition angle between a turn-on signal of the secondary switch and a turn-on signal of the primary switch The output voltage output through the full bridge LLC converter can be kept constant.

상기 양방향 컨버터는 양방향 벅-부스트 DC-DC 컨버터인 것을 특징으로 할 수 있다.The bidirectional converter may be a bi-directional buck-boost DC-DC converter.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차용 캐스코드 컨버터의 구동 방법은, 전기자동차의 배터리와 연결되고, 제1 일차 스위치 내지 제4 일차 스위치가 마련되는 풀 브릿지 LLC 컨버터와, 상기 풀 브릿지 LLC 컨버터를 통해 전달받은 출력 전류를 변환하는 변압기와, 제1 이차 스위치 및 제2 이차 스위치가 마련되고, 상기 변압기로부터 전달된 출력 전류를 변환하는 정류 회로와, 제3 이차 스위치 및 제4 이차 스위치가 마련되고, 상기 변압기에 의해 변환된 입력 전압을 전달받거나 차단시키는 양방향 컨버터와, 상기 양방향 컨버터에 연결된 슈퍼커패시터를 포함하는 전기자동차용 캐스코드 컨버터의 구동 방법에 있어서, 상기 전기자동차의 운행 속도에 따라 동작 모드를 결정하고, 결정된 상기 동작 모드에 따라 상기 제1 일차 스위치 내지 상기 제4 일차 스위치, 상기 제1 이차 스위치 내지 상기 제4 이차 스위치의 턴온 또는 턴오프를 제어하여, 상기 배터리에 의해 공급되는 출력 전압을 구동 모터로 전달하거나, 상기 구동 모터에 의해 생성된 전기 에너지를 상기 배터리에 충전한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of driving a cascode converter for an electric vehicle including a full bridge LLC converter connected to a battery of an electric vehicle and provided with first to fourth primary switches, A rectifier circuit having a first secondary switch and a second secondary switch and for converting an output current transferred from the transformer, a third secondary switch and a fourth secondary switch, And a supercapacitor connected to the bidirectional converter, the method comprising the steps of: (a) providing a control signal for controlling the speed of the electric vehicle, Determines the operation mode according to the determined operation mode, and controls the operation of the first to fourth switches A first secondary switch, and a fourth secondary switch, the first secondary switch to the fourth secondary switch being turned on or off so as to transfer an output voltage supplied by the battery to a driving motor, .

상기 전기자동차의 운행 속도에 따라 동작 모드를 결정하는 것은, 상기 전기자동차가 정속 주행 중인 경우, 상기 전기자동차용 캐스코드 컨버터가 제1 동작 모드로 작동되도록 제어하고, 상기 전기자동차가 가속 주행 중인 경우, 상기 전기자동차용 캐스코드 컨버터가 제2 동작 모드로 작동되도록 제어하며, 상기 전기자동차가 감속 주행 중인 경우, 상기 전기자동차용 캐스코드 컨버터가 제3 동작 모드 및 제4 동작 모드로 작동되도록 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.Determining the operation mode according to the traveling speed of the electric vehicle includes controlling the cascade converter for the electric car to operate in the first operation mode when the electric car is traveling at a constant speed, And controls the cascade converter for electric vehicles to operate in a second operation mode, and controls the cascade converter for electric vehicles to operate in a third operation mode and a fourth operation mode when the electric vehicle is decelerating . ≪ / RTI >

상기 제1 동작 모드에서 상기 전기자동차용 캐스코드 컨버터는, 어느 하나의 상기 이차 스위치와, 적어도 하나의 상기 일차 스위치가 턴온되도록 제어하고, 상기 이차 스위치의 턴온 신호와 상기 일차 스위치의 턴온 신호간의 위상 천이 각도를 제어하여로 상기 풀 브릿지 LLC 컨버터를 통해 출력되는 출력 전압을 일정하게 유지시킬 수 있다.The cascade converter for an electric vehicle in the first operation mode controls one of the secondary switches and at least one of the primary switches to be turned on and the phase between the turn-on signal of the secondary switch and the turn- The output voltage output through the full bridge LLC converter can be kept constant by controlling the transition angle.

상술한 본 발명의 일측면에 따르면, 두 개의 컨버터를 캐스코드 토폴로지로 구현함으로써, 고효율의 하이브리드 에너지 저장 시스템을 구현할 수 있으며, 슈퍼커패시터의 정격 전압과 정격 전력을 감소시킬 수 있다.According to one aspect of the present invention, by implementing two converters in a cascode topology, a high efficiency hybrid energy storage system can be realized, and the rated voltage and rated power of the supercapacitor can be reduced.

도 1은 종래 기술에 따른 하이브리드 에너지 저장 시스템의 실시 예가 도시된 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차용 캐스코드 컨버터가 개략적으로 구현된 회로도이다.
도 3 내지 도 7은 도 2의 전기자동차용 캐스코드 컨버터의 동작 특성 및 구동 원리가 도시된 도면이다.
도 8 내지 도 11은 도 2의 전기자동차용 캐스코드 컨버터의 실험 결과를 나타낸 도면이다.1 is a view showing an embodiment of a conventional hybrid energy storage system.
2 is a circuit diagram schematically illustrating a cascode converter for an electric vehicle according to an embodiment of the present invention.
Figs. 3 to 7 are diagrams showing the operating characteristics and operating principle of the cascode converter for an electric vehicle of Fig. 2; Fig.
Figs. 8 to 11 are diagrams showing experimental results of the cascode converter for an electric vehicle shown in Fig. 2. Fig.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예와 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.The following detailed description of the invention refers to the accompanying drawings, which illustrate, by way of illustration, specific embodiments in which the invention may be practiced. These embodiments are described in sufficient detail to enable those skilled in the art to practice the invention. It should be understood that the various embodiments of the present invention are different, but need not be mutually exclusive. For example, certain features, structures, and characteristics described herein may be implemented in other embodiments without departing from the spirit and scope of the invention in connection with an embodiment. It is also to be understood that the position or arrangement of the individual components within each disclosed embodiment may be varied without departing from the spirit and scope of the invention. The following detailed description is, therefore, not to be taken in a limiting sense, and the scope of the present invention is to be limited only by the appended claims, along with the full scope of equivalents to which such claims are entitled, if properly explained. In the drawings, like reference numerals refer to the same or similar functions throughout the several views.

이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차용 캐스코드 컨버터(1000)의 개략적인 구성이 도시된 회로도이다.2 is a circuit diagram showing a schematic configuration of a cascode converter 1000 for an electric vehicle according to an embodiment of the present invention.

본 실시예에 따른 전기자동차용 캐스코드 컨버터(100)는 전기 자동차의 배터리(200)와 구동 모터(300) 사이를 연결하며, 배터리(200)에 의해 공급되는 입력 전원을 처리할 수 있다. 이때, 배터리(200)에 의해 공급되는 입력 전원의 일부는 변환 손실(conversion losses) 없이 곧바로 구동 모터(300)로 전달되며, 나머지 전력은 전기자동차용 캐스코드 컨버터(100)에 의해 처리될 수 있다.The cascode converter 100 for an electric vehicle according to the present embodiment connects the battery 200 of the electric vehicle and the drive motor 300 and can process the input power supplied by the battery 200. At this time, a part of the input power supplied by the battery 200 may be directly transmitted to the drive motor 300 without conversion losses, and the remaining power may be processed by the electric car cascode converter 100 .

구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차용 캐스코드 컨버터(100)는 풀 브릿지 LLC 컨버터(10), 변압기(20), 정류 회로(30), 양방향 컨버터(40) 및 슈퍼커패시터(50)를 포함할 수 있다.Specifically, a cascode converter 100 for an electric vehicle according to an embodiment of the present invention includes a full bridge LLC converter 10, a transformer 20, a rectifier circuit 30, a bidirectional converter 40, and a supercapacitor 50 ).

풀 브릿지 LLC 컨버터(10)는 배터리(200)와 연결되는 컨버터일 수 있다. 구체적으로, 풀 브릿지 LLC 컨버터(10)는 풀 브릿지 회로(11)와 공진 탱크(12)를 포함할 수 있다.The full bridge LLC converter 10 may be a converter connected to the battery 200. Specifically, the full bridge LLC converter 10 may include a full bridge circuit 11 and a resonant tank 12.

풀 브릿지 회로(11)는 적어도 하나의 일차 스위치를 포함할 수 있다. 이하에서는, 설명의 편의를 위해 풀 브릿지 회로(11)는 네 개의 일차 스위치(S1, S2, S3, S4)를 포함하는 것으로 정의하여 설명하기로 한다. 하지만, 풀 브릿지 회로(11)에 구비되는 일차 스위치의 개수는 사용 환경에 따라 가변될 수 있다.The full bridge circuit 11 may include at least one primary switch. Hereinafter, for the sake of convenience, the full bridge circuit 11 will be described as including four primary switches S1, S2, S3, and S4. However, the number of primary switches provided in the full bridge circuit 11 may vary depending on the use environment.

구체적으로, 풀 브릿지 회로(11)는 배터리(200)에 대하여 병렬로 연결되는 제1 레그(11-1)와 제2 레그(11-2)를 포함할 수 있다. 제1 레그(11-1)의 상측(high side)에는 제1 일차 스위치(S1)가 마련되고, 제1 레그(11-1)의 하측(low side)에는 제2 일차 스위치(S2)가 마련될 수 있다. 그리고, 제2 레그(11-2)의 상측(high side)에는 제3 일차 스위치(S3)가 마련되고, 제2 레그(11-2)의 하측(low side)에는 제4 일차 스위치(S4)가 마련될 수 있다.Specifically, the full bridge circuit 11 may include a first leg 11-1 and a second leg 11-2 connected in parallel to the battery 200. [ A first primary switch S1 is provided on the high side of the first leg 11-1 and a second primary switch S2 is provided on the low side of the first leg 11-1 . A third primary switch S3 is provided on the high side of the second leg 11-2 and a fourth primary switch S4 is provided on the low side of the second leg 11-2. May be provided.

이때, 복수의 일차 스위치(S1, S2, S3, S4)는 BJT, JFET, MOSFET 등으로 마련될 수있으며, 이하의 설명에서는 복수의 일차 스위치(S1, S2, S3, S4)가 MOSFET 스위치로 마련된 것을 예로 들어 설명한다. 또한, 복수의 일차 스위치(S1, S2, S3, S4)에는 각각 제1 바디 다이오드(DS1) 내지 제4 바디 다이오드(DS4)와 제1 기생 커패시터(CS1) 내지 제4기생 커패시터(CS4)가 병렬로 연결되어 부가될 수 있다. 일예로, 제1 일차 스위치(S1)의 드레인 단자는 제1 바디 다이오드(DS1)의 캐소드 및 제1 기생 커패시터(CS1)의 일단과 연결되고, 제1 일차 스위치(S2)의 소스 단자는 제1 바디 다이오드(DS1)의 애노드 및 제1 기생 커패시터(CS1)의 타단과 연결될 수 있다. 이와 같은 방식으로, 제2 일차 스위치(S2) 내지 제4 일차 스위치(S4) 또한 제2 바디 다이오드(DS2) 내지 제4 바디 다이오드(DS4)와 제2 기생 커패시터(CS2) 내지 제4 기생 커패시터(CS4)가 병렬 연결될 수 있다.In the following description, a plurality of primary switches S1, S2, S3, and S4 are provided as MOSFET switches. In this case, the plurality of primary switches S1, S2, S3, and S4 may be BJTs, JFETs, As an example. The first to fourth body diodes DS1 to DS4 and the first to fourth parasitic capacitors CS1 to CS4 are connected in parallel to the plurality of primary switches S1, S2, S3, As shown in FIG. For example, the drain terminal of the first primary switch (S1) is connected to the cathode of the first body diode (DS1) and one end of the first parasitic capacitor (CS1), and the source terminal of the first primary switch The anode of the body diode DS1 and the other terminal of the first parasitic capacitor CS1. In this way, the second to fourth primary switches S2 to S4 are also switched between the second body diode DS2 to the fourth body diode DS4 and the second parasitic capacitors CS2 to fourth parasitic capacitors CS4) may be connected in parallel.

이러한 풀 브릿지 회로(11)는 제1 일차 스위치 내지 제4 일차 스위치의 턴온 또는 턴오프 제어에 따라 배터리(200)에 의해 공급되는 입력 전압을 구형파(square waveform)로 변환할 수 있다. 이와 관련된 구체적인 설명은 후술하기로 한다.The full bridge circuit 11 may convert the input voltage supplied by the battery 200 into a square waveform according to the turn-on or turn-off control of the first to fourth primary switches. A detailed description related to this will be given later.

공진 탱크(12)는 풀 브릿지 회로(11)를 통해 전달되는 구형파를 기초로 특정 공진주파수를 갖는 정현파 전류(sinusoidal current)를 생성할 수 있다. 공진 탱크(12)는 생성된 정현파 전류를 입력 전압선(12-1)을 통해 변압기(20)로 전달하며, 입력 전압선(12-1)은 공진 인덕터(L)를 포함할 수 있다.The resonance tank 12 can generate a sinusoidal current having a specific resonance frequency based on the square wave transmitted through the full bridge circuit 11. [ The resonance tank 12 transmits the generated sinusoidal current to the transformer 20 through the input voltage line 12-1 and the input voltage line 12-1 may include the resonant inductor L. [

변압기(20)는 1차측 권선(N1) 및 2차측 권선(N2)을 포함하며, 풀 브릿지 LLC 컨버터(10)와 정류 회로(30) 사이에 연결되어 변압기 턴비(1:n)에 따른 전압 변환을 수행할 수 있다. 이때, 변압기(20)는 절연형 변압기로써, 풀 브릿지 LLC 컨버터(10)와 정류 회로(30)를 절연시킬 수 있다.The transformer 20 includes a primary winding N1 and a secondary winding N2 and is connected between the full bridge LLC converter 10 and the rectifying circuit 30 to convert the voltage according to the transformer turn ratio 1: Can be performed. At this time, the transformer 20 is an insulated transformer, and the full bridge LLC converter 10 and the rectifying circuit 30 can be insulated.

여기서, 1차측 권선(N1)은 2차측 권선(N2)와 자화 결합되며, 제1 일차 스위치(S1)와 제2 일차 스위치(S2) 사이의 제1 접점(a)과 제3 일차 스위치(S3)와 제4 일차 스위치(S4)사이의 제2 접점(b)을 연결하는 입력 전압선(12-1) 상에 마련될 수 있다. 또한, 2차측 권선(N2)은 일차측 권선(N1)과 자화 결합되며, 정류 회로(30)와 연결되는 출력 전압선(12-2) 상에 마련될 수 있다.Here, the primary winding N1 is magnetically coupled to the secondary winding N2, and the first contact a between the first primary switch S1 and the second primary switch S2 and the first contact a between the third primary switch S3 On the input voltage line 12-1 connecting the second contact (b) between the first switch (S4) and the fourth primary switch (S4). The secondary winding N2 is magnetically coupled to the primary winding N1 and may be provided on the output voltage line 12-2 connected to the rectifying circuit 30. [

정류 회로(30)는 두 개의 이차 스위치(Q1, Q2)를 포함하며, 변압기(20)의 2차측 권선(N2)으로부터 전달되는 출력을 정류할 수 있다. 정류 회로(30)는 2차측 권선(N2)의 일단과 연결되는 제1 출력 전압선(12-2-1)상의 접점(c)을 기준으로 제1 이차 스위치(Q1)와 제1 다이오드(D1)가 병렬로 마련될 수 있다. 그리고, 정류 회로(30)는 2차측 권선(N2)의 타단과 연결되는 제2 출력 전압선(12-2-2)상의 접점(d)를 기준으로 제2 이차 스위치(Q2)와 제2 다이오드(D2)가 병렬로 마련될 수 있다.The rectifying circuit 30 includes two secondary switches Q1 and Q2 and is capable of rectifying the output transmitted from the secondary winding N2 of the transformer 20. [ The rectifying circuit 30 includes a first secondary switch Q1 and a first diode D1 based on a contact c on a first output voltage line 12-2-1 connected to one end of the secondary winding N2, May be provided in parallel. The rectifying circuit 30 is connected to the second secondary switch Q2 and the second diode Q2 with reference to the contact d on the second output voltage line 12-2-2 connected to the other end of the secondary winding N2 D2 may be provided in parallel.

양방향 컨버터(40)는 정류 회로(30)에 의해 정류된 출력 전압을 내부 인덕터(L)로 전달하거나, 내부 인덕터(L)에 저장된 에너지를 슈퍼커패시터(50) 및 부하(load)인 구동 모터(300)로 전달할 수 있다. 구체적으로, 양방향 컨버터(40)는 일단은 정류 회로(30)와 연결되고, 타단은 슈퍼커패시터(40) 및 구동 모터(300)와 연결될 수 있다. 이때, 슈퍼커패시터(40)와 구동 모터(300)는 양방향 컨버터(40)를 기준으로 병렬로 연결될 수 있다.The bidirectional converter 40 transfers the output voltage rectified by the rectifying circuit 30 to the internal inductor L or the energy stored in the internal inductor L to the driving motor 300). Specifically, the bidirectional converter 40 may be connected to the rectifying circuit 30 at one end and to the supercapacitor 40 and the driving motor 300 at the other end. At this time, the supercapacitor 40 and the driving motor 300 may be connected in parallel with the bidirectional converter 40 as a reference.

또한, 양방향 컨버터(40)는 정류 회로(30)에 구비된 이차 스위치(Q1, Q2)와는 다른 이차 스위치(Q3, Q4)를 포함할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차용 캐스코드 컨버터(1000)는 변압기(20)를 중심으로 1차측은 네 개의 일차 스위치(S1, S2, S3, S4)가 마련되며, 2차측은 네 개의 이차 스위치(Q1, Q2, Q3, Q4)가 마련될 수 있다. 이하에서는, 양방향 컨버터(40)에 마련된 두 개의 이차 스위치를 각각 제3 이차 스위치(Q3), 제4 이차 스위치(Q4)로 정의하여 설명하기로 한다.The bidirectional converter 40 may also include secondary switches Q3 and Q4 different from the secondary switches Q1 and Q2 provided in the rectifying circuit 30. [ That is, in the cascade converter 1000 for an electric vehicle according to an embodiment of the present invention, four primary switches S1, S2, S3, and S4 are provided on the primary side of the transformer 20, Four secondary switches (Q1, Q2, Q3, Q4) may be provided. Hereinafter, the two secondary switches provided in the bidirectional converter 40 will be described as a third secondary switch Q3 and a fourth secondary switch Q4, respectively.

양방향 컨버터(40)에 마련된 제3 이차 스위치(Q3)와 제4 이차 스위치(Q4)는 직렬로 연결되며, 제3 이차 스위치(Q3)와 제4 이차 스위치(Q4) 사이의 접점(e)를 기준으로 울트라커패시터(UC)가 병렬로 연결될 수 있다.The third secondary switch Q3 and the fourth secondary switch Q4 provided in the bidirectional converter 40 are connected in series and the contact e between the third secondary switch Q3 and the fourth secondary switch Q4 An ultra capacitor (UC) can be connected in parallel as a reference.

이러한 양방향 컨버터(40)는 벅 컨버터(Buck Converter)와 부스트 컨버터(Boost Converter)의 기능을 모두 수행할 수 있는 양방향 벅-부스트 DC-DC 컨버터(bidirectional buck-boost dc-dc converter)일 수 있다. The bidirectional converter 40 may be a bidirectional buck-boost dc-dc converter capable of performing both functions of a buck converter and a boost converter.

슈퍼커패시터(50)는 양방향 컨버터(40)를 기준으로 구동 모터(300)와 병렬로 연결될 수 있다. 슈퍼커패시터(50)는 피크 전력으로부터 배터리(200)를 보호할 수 있다. 슈퍼커패시터(50)는 양방향 컨버터(40)로부터 전달되는 출력을 저장하거나, 저장된 에너지를 구동 모터(300) 또는 양방향 컨버터(40)로 전달하여 충전된 에너지를 방전시킬 수 있다.The supercapacitor 50 may be connected in parallel with the drive motor 300 based on the bidirectional converter 40. The supercapacitor 50 can protect the battery 200 from peak power. The supercapacitor 50 may store the output from the bidirectional converter 40 or may transfer the stored energy to the drive motor 300 or the bidirectional converter 40 to discharge the charged energy.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차용 캐스코드 컨버터(1000)는 제어부(미도시)를 더 포함할 수 있다.Meanwhile, the cascade converter 1000 for an electric vehicle according to an embodiment of the present invention may further include a controller (not shown).

디지털 신호 프로세서와 같은 별도의 제어부(미도시)는 하이브리드 에너지 저장 시스템을 구현하기 위한 회로 내부 또는 외부에 마련되며, 회로 내부의 각 소자들과 전기적으로 연결되어 스위칭을 위한 소프트웨어(또는 애플리케이션)에 의해 복수의 스위치(S1, S2, S3, S4, Q1, Q2, Q3, Q4)의 턴 온 또는 턴 오프 동작을 제어할 수 있다.A separate control unit (not shown), such as a digital signal processor, is provided inside or outside the circuit for implementing the hybrid energy storage system, and is electrically connected to each element in the circuit and is controlled by software (or application) The turn-on or turn-off operation of the plurality of switches S1, S2, S3, S4, Q1, Q2, Q3, and Q4 can be controlled.

제어부(미도시)는 전기자동차의 운행 상태에 따라 복수의 스위치(S1, S2, S3, S4, Q1, Q2, Q3, Q4)의 턴 온 또는 턴 오프 동작을 제어하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차용 캐스코드 컨버터(1000)가 서로 다른 동작 모드로 동작되도록 제어할 수 있다. 이와 관련된 구체적인 설명은 후술하기로 한다.The control unit (not shown) controls the turn-on or turn-off operation of the plurality of switches S1, S2, S3, S4, Q1, Q2, Q3, Q4 according to the running state of the electric vehicle, The cascade converter 1000 for an electric vehicle according to the present invention can be operated in different operation modes. A detailed description related to this will be given later.

상술한 내용을 요약하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차용 캐스코드 컨버터(1000)는 풀 브릿지 LLC 컨버터(10)와 양방향 컨버터(40)가 캐스코드로 결합될 수 있다. 이때, 배터리(200)와 연결되는 풀 브릿지 LLC 컨버터(10)는 변압기(20)의 2차측에 능동 정류기(정류 회로(30))가 구비되며, 슈퍼커패시터(50)와 연결되는 양방향 컨버터(40)는 양방향 벅-부스트 DC-DC 컨버터일 수 있다.In summary, the cascade converter 1000 for an electric vehicle according to an embodiment of the present invention can be combined with the full bridge LLC converter 10 and the bidirectional converter 40 in a cascode. The full bridge LLC converter 10 connected to the battery 200 includes an active rectifier 30 at the secondary side of the transformer 20 and a bidirectional converter 40 connected to the supercapacitor 50, ) May be a bidirectional buck-boost DC-DC converter.

일반적인 상황에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차용 캐스코드 컨버터(100)를 구성하는 풀 브릿지 LLC 컨버터(10)는 공진 탱크(12)에 의해 결정되는 공진 주파수에서 작동될 수 있다. 즉, 공진 탱크(12)는 풀 브릿지 회로(11)를 통해 전달되는 구형파를 기초로 특정 공진주파수를 갖는 정현파 전류를 생성할 수 있다. 공진 탱크(10)에 의해 결정되는 공진 주파수는 다음의 수학식에 의해 결정될 수 있다.In a general situation, a full bridge LLC converter 10 that constitutes a cascode converter 100 for an electric vehicle according to an embodiment of the present invention may be operated at a resonant frequency determined by the resonant tank 12. That is, the resonance tank 12 can generate a sinusoidal current having a specific resonance frequency based on the square wave transmitted through the full bridge circuit 11. [ The resonance frequency determined by the resonance tank 10 can be determined by the following equation.

Figure 112017064160313-pat00001
Figure 112017064160313-pat00001

이때, 제어부(미도시)에 의해 정류 회로(30)에 포함된 제1 이차 스위치(Q1) 또는 제2 이차 스위치(Q2)중 어느 하나의 2차 스위치가 턴온되면, 변압기(20)의 2차측 권선(N2)쪽의 회로는 단락 상태가 될 수 있다. 따라서, 배터리(200)에 의해 생성된 입력 전압 및 공진 커패시터(미도시)에 저장된 전압은 공진 인덕터(Llk)를 충전시킬 수 있다. 그리고, 제어부(미도시)에 의해 정류 회로(30)에 포함된 어느 하나의 2차 스위치가 턴오프되면, 공진 인덕터(Llk)에 충전된 에너지는 변압기(20)를 통해 2차측 권선(N2), 즉 DC-link로 전달되고, 따라서 공진 인덕터(Llk)는 방전될 수 있다. At this time, when any one of the secondary switches of the first secondary switch Q1 or the second secondary switch Q2 included in the rectifying circuit 30 is turned on by the control unit (not shown), the secondary side of the transformer 20 The circuit on the winding N2 side can be short-circuited. Therefore, the input voltage generated by the battery 200 and the voltage stored in the resonant capacitor (not shown) can charge the resonant inductor Llk. When any one of the secondary switches included in the rectifier circuit 30 is turned off by the control unit (not shown), the energy charged in the resonant inductor Llk is transmitted to the secondary winding N2 through the transformer 20, That is, DC-link, so that the resonant inductor Llk can be discharged.

그리고, 제어부(미도시)는 배터리(200) 전압이 감소되면, 제1 이차 스위치(Q1)와 제2, 3 일차 스위치(S2 & S3), 또는 제2 이차 스위치(Q2)와 제1, 4 일차 스위치(S1 & S4)사이의 위상 시프트(phase shift)를 조정함으로써, 풀 브릿지 LLC 컨버터(10)의 출력 전압(또는 DC-link 전압)이 조절될 수 있다. 또한, 제어부(미도시)는 제3, 4 이차 스위치(Q3, Q4)는 변압기(20)의 2차측 권선(N2)으로부터 전달되는 전력을 저장하고, 구동 모터(300)의 동작 요구에 즉각적으로 응답하도록 제어할 수 있다.When the voltage of the battery 200 is decreased, the control unit (not shown) switches the first and second switches Q1 and Q2, the second and third switches S2 and S3, The output voltage (or DC-link voltage) of the full bridge LLC converter 10 can be adjusted by adjusting the phase shift between the primary switches S1 & In addition, the control unit (not shown) stores the electric power transmitted from the secondary winding N2 of the transformer 20 by the third and fourth secondary switches Q3 and Q4, Can be controlled to respond.

이상, 제어부에 의해 변압기(20)의 2차측에 마련된 어느 하나의 이차 스위치의 턴온 또는 턴오프를 제어하는 구체적인 과정을 설명하였다. 한편, 제어부에 의해 풀 브릿지 LLC 컨버터(10)에 포함된 어느 하나의 일차 스위치가 제어되는 구체적인 과정은 종래의 공진형 LLC 컨버터의 제어 방법과 동일하므로, 구체적인 설명은 생략하기로 한다.Hereinabove, a concrete procedure of controlling the turn-on or turn-off of any one of the secondary switches provided on the secondary side of the transformer 20 by the control unit has been described. Meanwhile, a specific process of controlling one of the primary switches included in the full bridge LLC converter 10 by the control unit is the same as that of the conventional resonant LLC converter, and thus a detailed description thereof will be omitted.

도 3 내지 도 7은 도 1의 전기자동차용 캐스코드 컨버터(100)의 구체적인 동작 과정이 도시된 도면이다.FIGS. 3 to 7 are views showing a specific operation process of the cascade converter 100 for an electric vehicle of FIG.

구체적으로, 도 3는 본 발명에 따른 전기자동차용 캐스코드 컨버터(100)가 제1 동작 모드로 동작 할 때의 동작 과정을 나타내는 도면이고, 도 4는 도 3의 동작 과정에서 나타나는 주요 파형이 도시된 도면이고, 도 5는 본 발명에 따른 전기자동차용 캐스코드 컨버터(100)가 제2 동작 모드로 동작 할 때의 동작 과정을 나타내는 도면이고, 도 6은 본 발명에 따른 전기자동차용 캐스코드 컨버터(100)가 제3 동작 모드로 동작 할 때의 동작 과정을 나타내는 도면이며, 도 7은 본 발명에 따른 전기자동차용 캐스코드 컨버터(100)가 제4 동작 모드로 동작 할 때의 동작 과정을 나타내는 도면이다.3 is a diagram illustrating an operation process when the cascade converter 100 for an electric vehicle according to the present invention operates in the first operation mode. FIG. 5 is a view showing an operational process when the cascade converter 100 for an electric vehicle according to the present invention is operated in the second operation mode, and FIG. 6 is a view showing the operation of the cascade converter for an electric car according to the present invention, 7 is a flowchart illustrating an operation procedure when the cascade converter 100 for an electric vehicle according to the present invention operates in the fourth operation mode. FIG.

도 3에 도시된 바와 같이, 전기자동차가 정속 주행 중일 때, 본 발명에 따른 전기자동차용 캐스코드 컨버터(100)는 제1 동작 모드로 동작될 수 있다.As shown in FIG. 3, when the electric vehicle is running at constant speed, the electric car cascade converter 100 according to the present invention can be operated in the first operation mode.

제1 동작 모드에서, 배터리(200)에 의해 공급되는 입력 전압은 구동 모터(300)로만 전달될 수 있다. 그리고, 제어부는 제1 이차 스위치(Q1)와 제2, 3 일차 스위치(S2 & S3)가 턴온되도록 제어하고, 이 때의 입력 전압은 제1 이차 스위치(Q1)와 제2, 3 일차 스위치(S2 & S3)의 턴온 신호간의 위상 차이인 위상 천이 각도(phase-shift angle) φ에 의해 제어될 수 있다. 또는, 제어부는 제2 이차 스위치(Q2)와 제1, 4 일차 스위치(S1 & S4)가 턴온되도록 제어하고, 이 때의 입력 전압은 제2 이차 스위치(Q2)와 제1, 4 일차 스위치(S1 & S4)의 턴온 신호간의 위상 차이인 위상 천이 각도(phase-shift angle) φ에 의해 제어될 수 있다.In the first mode of operation, the input voltage supplied by the battery 200 may only be delivered to the drive motor 300. The control unit controls the first secondary switch Q1 and the second and third primary switches S2 and S3 to be turned on. The input voltage at this time is the first secondary switch Q1 and the second and third primary switches Q1, S2 & S3), which is a phase-shift angle. Alternatively, the control unit controls the second secondary switch Q2 and the first and fourth primary switches S1 & S4 to be turned on, and the input voltage at this time is controlled by the second secondary switch Q2 and the first and fourth primary switches S1 &thetas; S.sub.4). The phase-shift angle .phi.

이때, 풀 브릿지 LLC 컨버터(10)는 상술한 수학식 1에 따른 고정된 공진 주파수에서 동작할 수 있다. 배터리(200)의 공칭 전압에서, 위상 천이 각도 φ는 0이며, 제1 이차 스위치(Q1)와 제2 이차 스위치(Q2)는 동기식 정류기로 사용될 수 있다. 이 경우, 전압 이득 M은 1이고, 이를 수학식으로 표현하면 다음과 같다.At this time, the full bridge LLC converter 10 can operate at a fixed resonant frequency according to Equation (1). At the nominal voltage of the battery 200, the phase shift angle [phi] is zero and the first and second secondary switches Q1 and Q2 can be used as synchronous rectifiers. In this case, the voltage gain M is 1, which can be expressed by the following equation.

Figure 112017064160313-pat00002
Figure 112017064160313-pat00002

이때, 상술한 바와 같이, 제어부(미도시)는 배터리(200) 전압이 감소되면, 제1 이차 스위치(Q1)와 제2, 3 일차 스위치(S2 & S3), 또는 제2 이차 스위치(Q2)와 제1, 4 일차 스위치(S1 & S4)사이의 위상 시프트(phase shift)를 조정함으로써, 풀 브릿지 LLC 컨버터(10)의 출력 전압(또는 DC-link 전압)을 조절할 수 있다. 즉, 제어부(미도시)는 배터리(200) 전압이 감소하는 경우, 출력 전압(DC-link 전압)이 일정하게 유지되도록, 위상 천이 각도 제어 방법을 이용하여 이차 스위치와 일차 스위치 간의 위상 시프트를 제어할 수 있다.When the voltage of the battery 200 is decreased, the controller (not shown) controls the first secondary switch Q1 and the second and third primary switches S2 and S3 or the second secondary switch Q2, The output voltage (or the DC-link voltage) of the full bridge LLC converter 10 can be adjusted by adjusting the phase shift between the first and fourth primary switches S1 and S4. That is, the control unit (not shown) controls the phase shift between the secondary switch and the primary switch using the phase shift angle control method so that the output voltage (DC-link voltage) can do.

도 4는 위상 천이 각도 제어 방법에 따른 주요 파형이 도시된 도면이다. 4 is a diagram showing a main waveform according to the phase shift angle control method.

도시된 바와 같이, 위상 천이 구간 동안, 제1, 4 일차 스위치(S1, S4)와 제1 이차 스위치(Q1)은 제어부에 의해 턴온되도록 제어될 수 있다. 따라서, 변압기(20)의 2차측 전류는 변압기(20)의 2차측 권선(N2), 제1 이차 스위치(Q1) 및 제2 이차 스위치(Q2)의 바디 다이오드로 구성된 폐 루프로 흐를 수 있다. 결과적으로, 변압기(20)의 2차측 전압은 0이 되고, 변압기(20)의 1차측에서 공진 전류는 증가하며, 공진 인덕터(Llk)는 에너지를 저장할 수 있다. As shown, during the phase transition period, the first and fourth primary switches S1 and S4 and the first secondary switch Q1 can be controlled to be turned on by the control unit. Thus, the secondary current of the transformer 20 can flow into a closed loop composed of the secondary diodes N2 of the transformer 20, the first secondary switch Q1, and the body diode of the second secondary switch Q2. As a result, the secondary voltage of the transformer 20 becomes zero, the resonance current increases on the primary side of the transformer 20, and the resonant inductor Llk can store energy.

이때, 제2 이차 스위치(Q2)가 제어부에 의해 턴온되면, 공진 인덕터(Llk)에 저장된 에너지는 방전되고, 방전된 에너지는 제2 이차 스위치(Q2)와 제1 다이오드(D1)를 통해 구동 모터(300)로 전달될 수 있다.At this time, when the second secondary switch Q2 is turned on by the control unit, the energy stored in the resonant inductor Llk is discharged, and the discharged energy is supplied to the driving motor 101 through the second secondary switch Q2 and the first diode D1. (300).

이러한 과정에서 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 일차 스위치(S1) 내지 제4 일차 스위치(S4)는 ZVS(Zero Voltage Switching, 영 전압 스위칭) 턴온 및 ZVS 턴오프를 얻을 수 있다.In this process, as shown in FIG. 4, the first to fourth primary switches S1 to S4 can obtain ZVS (Zero Voltage Switching) turn-on and ZVS turn-off.

한편, 전압 이득 M과 위상 천이 각도 φ와의 관계는 다음과 같다.On the other hand, the relationship between the voltage gain M and the phase shift angle?

Figure 112017064160313-pat00003
Figure 112017064160313-pat00003

여기서, Q는 정규화된 Q팩터(quality factor)이고, 다음의 수학식에 의해 정의될 수 있다.Here, Q is a normalized Q factor and can be defined by the following equation.

Figure 112017064160313-pat00004
Figure 112017064160313-pat00004

여기서, Zr은 특성 임피던이며, 다음의 수학식에 의해 정의될 수 있다.Here, Zr is a characteristic impedance and can be defined by the following equation.

Figure 112017064160313-pat00005
Figure 112017064160313-pat00005

그리고, 도 5에 도시된 바와 같이, 전기자동차가 가속 주행 중일 때, 본 발명에 따른 전기자동차용 캐스코드 컨버터(100)는 제2 동작 모드로 동작될 수 있다.And, as shown in Fig. 5, when the electric vehicle is accelerating, the cascade converter 100 for an electric vehicle according to the present invention can be operated in the second operation mode.

제2 동작 모드에서, 슈퍼커패시터(50)는 구동 모터(300)에 높은 피크의 과도 전류(transient current) 를 공급하도록, 저장된 에너지를 구동 모터(300)로 전달할 수 있다. 이를 위해, 제어부(미도시)는 제4 이차 스위치(Q4)가 메인 스위치로 동작하고, 제3 이차 스위치(Q3)가 방전 다이오드로 동작되도록 제어할 수 있다. 이에 따라, 양방향 컨버터(40)는 부스트 컨버터로 작동될 수 있다. 즉, 양방향 컨버터(40)는 풀 브릿지 LLC 컨버터(10) 및 변압기(20)를 통해 전달된 입력전압과, 슈퍼커패시터(50)에 저장된 에너지를 구동 모터(300)로 전달할 수 있다.In a second mode of operation, the supercapacitor 50 may deliver stored energy to the drive motor 300 to provide a high peak transient current to the drive motor 300. To this end, the control unit (not shown) can control the fourth secondary switch Q4 to operate as the main switch and the third secondary switch Q3 to operate as the discharge diode. Accordingly, bi-directional converter 40 can be operated as a boost converter. That is, the bidirectional converter 40 can transfer the input voltage transferred through the full bridge LLC converter 10 and the transformer 20, and the energy stored in the supercapacitor 50 to the drive motor 300.

그리고, 도 6에 도시된 바와 같이, 전기자동차가 감속 주행 중일 때, 본 발명에 따른 전기자동차용 캐스코드 컨버터(100)는 제3 동작 모드 및 제4 동작 모드로 동작될 수 있다.And, as shown in FIG. 6, when the electric vehicle is decelerating, the electric car cascade converter 100 according to the present invention can be operated in the third operation mode and the fourth operation mode.

제3 동작 모드에서, 구동 모터(300)는 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 발전기로 동작될 수 있다. 그리고, 구동 모터(300)에 의해 변환된 전기에너지는 본 발명에 따른 전기자동차용 캐스코드 컨버터(100)를 통해 배터리(200)에 저장될 수 있다. 이때, 제어부(미도시)는 제3 이차 스위치(Q3)가 메인 스위치로 동작하고, 제4 이차 스위치(Q4)가 환류 다이오드(free wheeling diode)로 동작되도록 제어할 수 있다. 이 과정에서, 양방향 컨버터(40)는 벅 컨버터로 동작될 수 있다.In the third mode of operation, the drive motor 300 may be operated as a generator that converts kinetic energy into electrical energy. The electric energy converted by the driving motor 300 may be stored in the battery 200 through the cascade converter 100 for electric vehicles according to the present invention. At this time, the control unit (not shown) may control the third secondary switch Q3 to operate as a main switch and the fourth secondary switch Q4 to operate as a free wheeling diode. In this process, bi-directional converter 40 may be operated as a buck converter.

도 7에 도시된 제4 동작 모드는 제3 동작 모드와 유사할 수 있다. 슈퍼커패시터(50)는 완전히 방전된 후, 공칭 전압(nominal voltage)까지 재충전할 수 있다.The fourth mode of operation shown in Fig. 7 may be similar to the third mode of operation. The supercapacitor 50 can be fully discharged and then recharged to a nominal voltage.

이하에서는, 도 8 내지 도 11을 참조하여 본 발명에 따른 전기자동차용 캐스코드 컨버터(100)의 성능 실험 및 효과를 설명하기로 한다.Hereinafter, performance tests and effects of the cascade converter 100 for an electric vehicle according to the present invention will be described with reference to FIGS. 8 to 11. FIG.

먼저, 본 발명에 따른 전기자동차용 캐스코드 컨버터(100)의 성능을 평가하기 위하여, 축소된 프로토 타입의 컨버터(2kW, 600V 출력)를 설계하여 테스트하였다. 슈퍼커패시터는 피크 전력 부하로부터 배터리(200)를 보호하며, 슈퍼커패시터의 용량을 결정하기 위해 부하(load)가 모델링되었다. 본 실시예에서는 Nissan Leaf 2013와 FTP-72 Urban Dynamometer Driving Schedule (UDDS)의 사양이 사용되었으며, 구체적인 사양은 표 1 및 도 8에 나타난 바와 같다.First, a reduced prototype converter (2 kW, 600 V output) was designed and tested to evaluate the performance of the cascode converter 100 for an electric vehicle according to the present invention. The super capacitor protects the battery 200 from the peak power load, and the load is modeled to determine the capacity of the supercapacitor. In this embodiment, specifications of the Nissan Leaf 2013 and FTP-72 Urban Dynamometer Driving Schedule (UDDS) are used, and specific specifications are shown in Table 1 and FIG.

Figure 112017064160313-pat00006
Figure 112017064160313-pat00006

전기자동차의 구동계에 요구되는 순시 전력(P)는 운동에너지, 공기저항(Far) 및 롤링저항(Frr)의 합으로 산출되며, 이는 수학식 6과 같다.The instantaneous power P required for the drive system of the electric vehicle is calculated as the sum of the kinetic energy, the air resistance Far and the rolling resistance Frr.

Figure 112017064160313-pat00007
Figure 112017064160313-pat00007

그리고, 슈퍼커패시터의 에너지(E)는 하기의 수학식 7에 의해 산출될 수 있다.The energy E of the supercapacitor can be calculated by the following equation (7).

Figure 112017064160313-pat00008
Figure 112017064160313-pat00008

도 9에 도시된 바와 같이, Nissan Leaf가 FTP-72 UDDS를 구동시키기 위해서는 슈퍼커패시터 뱅크에 최대 280kJ의 에너지가 필요함을 알 수 있다. 또한, 먼저, 본 발명에 따른 전기자동차용 캐스코드 컨버터(100)의 성능을 평가하기 위하여, 축소된 프로토 타입의 컨버터(2kW, 600V 출력)를 설계하였으며, 설계된 프로토타입의 스펙은 표 2에 도시된 바와 같다.As shown in FIG. 9, it can be seen that Nissan Leaf requires energy of up to 280 kJ to drive the FTP-72 UDDS in the supercapacitor bank. In order to evaluate the performance of the cascade converter 100 for an electric vehicle according to the present invention, a reduced prototype converter (2 kW, 600 V output) was designed and specifications of the designed prototype are shown in Table 2 Respectively.

Figure 112017064160313-pat00009
Figure 112017064160313-pat00009

도 10은 실험 대상으로 설계된 프로토타입의 정상 상태 파형이 도시된 도면이다.10 is a diagram showing a steady state waveform of a prototype designed for an experiment.

도 10의 (a)는 DC-link의 전압이 600V, 배터리 전압이 400V(위상 천이 각도는 0)일 때의 출력 전압의 정상 상태 파형이 도시된 그래프이고, 도 9의 (b)는 DC-link의 전압이 600V, 배터리 전압이 325V(위상 천이 각도는 약

Figure 112017064160313-pat00010
)일 때의 출력 전압의 정상 상태 파형이 도시된 그래프이다. 도시된 파형은 도 3을 참조하여 설명한 주요 파형과 일치한다.10A is a graph showing a steady state waveform of an output voltage when the DC-link voltage is 600V and the battery voltage is 400V (phase shift angle is 0), and FIG. 9B is a graph showing the steady- link voltage is 600V, the battery voltage is 325V (the phase shift angle is about
Figure 112017064160313-pat00010
) Is a graph showing a steady state waveform of the output voltage. The waveforms shown correspond to the main waveforms described with reference to Fig.

또한, 도 11은 종래의 LLC 컨버터와 본 발명에 따른 전기자동차용 캐스코드 컨버터(100)의 효율을 비교한 그래프이다.11 is a graph comparing efficiencies of a conventional LLC converter and a cascode converter 100 for an electric vehicle according to the present invention.

구체적으로, 도 11은 전기자동차용 캐스코드 컨버터(100)가 입력 배터리 전압 범위가 250V~500V이고, DC-link전압이 600V일 때 제1 동작 모드에서 작동하는 효율 곡선이 도시된 도표이다. 본 발명에 따른 전기자동차용 캐스코드 컨버터(100)는 배터리 전압이 400V일 때, 부하 범위에서 99.01%의 높은 효율을 달성함을 알 수 있다.Specifically, FIG. 11 is a diagram showing an efficiency curve in which the cascade converter 100 for an electric vehicle operates in the first operation mode when the input battery voltage range is 250V to 500V and the DC-link voltage is 600V. It can be seen that the cascade converter 100 for an electric vehicle according to the present invention achieves a high efficiency of 99.01% in the load range when the battery voltage is 400V.

이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the appended claims. It will be possible.

10: 풀 브릿지 LLC 컨버터
20: 변압기
30: 정류 회로
40: 양방향 컨버터
50: 슈퍼커패시터10: Full Bridge LLC Converter
20: Transformer
30: rectifying circuit
40: Bidirectional converter
50: Super capacitor

Claims (11)

전기자동차의 배터리와 구동 모터 사이에 연결되어, 상기 배터리에 의해 생성되는 입력 전압의 일부를 변환하여 상기 구동 모터로 전달하거나, 상기 구동 모터에 의해 생성되는 에너지를 이용하여 상기 배터리를 충전하는 전기자동차용 캐스코드 컨버터에 있어서,
상기 배터리와 연결되고, 적어도 하나의 일차 스위치가 마련되는 풀 브릿지 회로와, 특정 공진주파수를 갖는 출력 전류를 생성하는 공진 탱크를 포함하는 풀 브릿지 LLC 컨버터;
상기 풀 브릿지 회로를 통해 전달받은 상기 출력 전류를 변환하는 변압기;
적어도 하나의 이차 스위치가 마련되고, 어느 하나의 상기 이차 스위치의 제어에 의해 상기 변압기에 의해 변환된 출력 전압을 전달받거나 차단시키는 양방향 컨버터;
상기 양방향 컨버터에 연결되며, 상기 양방향 컨버터로 전달된 입력 전압을 충전하거나, 충전된 전원을 상기 구동 모터로 공급하는 슈퍼커패시터; 및
상기 전기자동차의 운행 상태에 따라 적어도 하나의 상기 일차 스위치 및 적어도 하나의 상기 이차 스위치의 턴온 또는 턴오프를 제어하며, 상기 이차 스위치의 턴온 신호와 상기 일차 스위치의 턴온 신호간의 위상 천이 각도를 조절하여 상기 풀 브릿지 LLC 컨버터의 출력 전압을 제어하는 제어부를 포함하는, 전기자동차용 캐스코드 컨버터.
An electric vehicle, which is connected between a battery of an electric vehicle and a drive motor to convert a part of an input voltage generated by the battery to transfer the electric power to the drive motor, or to charge the battery using energy generated by the drive motor. Claims [1]
A full bridge LLC converter including a full bridge circuit connected to the battery and having at least one primary switch, and a resonance tank for generating an output current having a specific resonance frequency;
A transformer for converting the output current received through the full bridge circuit;
A bidirectional converter provided with at least one secondary switch and receiving or blocking the output voltage converted by the transformer by control of any one of the secondary switches;
A supercapacitor connected to the bidirectional converter for charging an input voltage transferred to the bidirectional converter or supplying a charged power to the driving motor; And
And controls the turn-on or turn-off of at least one of the primary switch and the at least one secondary switch according to the running state of the electric vehicle, and adjusts the phase shift angle between the turn-on signal of the secondary switch and the turn- And a control unit for controlling an output voltage of the full bridge LLC converter.
제1항에 있어서,
상기 풀 브릿지 LLC 컨버터는 병렬로 연결된 제1 레그와 제2 레그를 포함하고,
상기 제1 레그는 제1 일차 스위치 및 제2 일차 스위치가 마련되고,
상기 제2 레그는 제3 일차 스위치 및 제4 일차 스위치가 마련되는, 전기자동차용 캐스코드 컨버터.
The method according to claim 1,
The full bridge LLC converter includes a first leg and a second leg connected in parallel,
Wherein the first leg is provided with a first primary switch and a second primary switch,
And the second leg is provided with a third primary switch and a fourth primary switch.
제1항에 있어서,
상기 변압기와 상기 양방향 컨버터 사이에 마련되고, 상기 변압기를 통해 전달되는 출력을 정류하는 정류 회로를 더 포함하는, 전기자동차용 캐스코드 컨버터. The method according to claim 1,
Further comprising a rectifying circuit provided between the transformer and the bidirectional converter for rectifying the output transmitted through the transformer. 제3항에 있어서,
상기 정류 회로는,
상기 변압기의 2차측 권선의 일단과 연결돠는 제1 이차 스위치 및 상기 2차측 권선의 타단과 연결되는 제2 이차 스위치를 포함하고,
상기 양방향 컨버터는 직렬로 연결된 제3 이차 스위치 및 제4 이차 스위치를 포함하는, 전기자동차용 캐스코드 컨버터.
The method of claim 3,
The rectifying circuit includes:
And a second secondary switch connected to one end of the secondary winding of the transformer, the first secondary switch being connected to the other end of the secondary winding,
Wherein the bi-directional converter comprises a third secondary switch and a fourth secondary switch connected in series.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 전기자동차가 정속 주행 중인 경우, 상기 전기자동차용 캐스코드 컨버터가 제1 동작 모드로 작동되도록 제어하고,
상기 전기자동차가 가속 주행 중인 경우, 상기 전기자동차용 캐스코드 컨버터가 제2 동작 모드로 작동되도록 제어하며,
상기 전기자동차가 감속 주행 중인 경우, 상기 전기자동차용 캐스코드 컨버터가 제3 동작 모드 및 제4 동작 모드로 작동되도록 제어하는, 전기자동차용 캐스코드 컨버터.
The method according to claim 1,
Wherein,
Controlling the cascade converter for an electric vehicle to operate in a first operation mode when the electric vehicle is traveling at a constant speed,
Controls the cascade converter for an electric vehicle to operate in a second operation mode when the electric vehicle is accelerating,
And controls the cascade converter for an electric vehicle to operate in a third operation mode and a fourth operation mode when the electric vehicle is decelerating.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 양방향 컨버터는 양방향 벅-부스트 DC-DC 컨버터인 것을 특징으로 하는, 전기자동차용 캐스코드 컨버터.
The method according to claim 1,
Wherein the bidirectional converter is a bi-directional buck-boost DC-DC converter.
전기자동차의 배터리와 연결되고, 제1 일차 스위치 내지 제4 일차 스위치가 마련되는 풀 브릿지 LLC 컨버터와, 상기 풀 브릿지 LLC 컨버터를 통해 전달받은 출력 전류를 변환하는 변압기와, 제1 이차 스위치 및 제2 이차 스위치가 마련되고, 상기 변압기로부터 전달된 출력 전류를 변환하는 정류 회로와, 제3 이차 스위치 및 제4 이차 스위치가 마련되고, 상기 변압기에 의해 변환된 입력 전압을 전달받거나 차단시키는 양방향 컨버터와, 상기 양방향 컨버터에 연결된 슈퍼커패시터를 포함하는 전기자동차용 캐스코드 컨버터의 구동 방법에 있어서,
상기 전기자동차의 운행 속도에 따라 동작 모드를 결정하고,
결정된 상기 동작 모드에 따라 상기 제1 일차 스위치 내지 상기 제4 일차 스위치, 상기 제1 이차 스위치 내지 상기 제4 이차 스위치의 턴온 또는 턴오프를 제어하여, 상기 배터리에 의해 공급되는 출력 전압을 구동 모터로 전달하거나, 상기 구동 모터에 의해 생성된 전기 에너지를 상기 배터리에 충전하며,
상기 동작 모드에 따라 어느 하나의 일차 스위치와 어느 하나의 이차 스위치가 턴온 되면, 상기 이차 스위치의 턴온 신호와 상기 일차 스위치의 턴온 신호간의 위상 천이 각도를 조절하여 상기 풀 브릿지 LLC 컨버터의 출력 전압을 일정하게 유지시키는, 전기자동차용 캐스코드 컨버터의 구동 방법.
A full bridge LLC converter connected to the battery of the electric vehicle and provided with first to fourth primary switches, a transformer for converting an output current transferred through the full bridge LLC converter, a first secondary switch and a second primary switch, A bidirectional converter that is provided with a secondary switch and that converts an output current transmitted from the transformer, a bidirectional converter that is provided with a third secondary switch and a fourth secondary switch, receives or blocks the input voltage converted by the transformer, And a supercapacitor connected to the bi-directional converter, the method comprising:
Determining an operation mode according to a traveling speed of the electric vehicle,
Controls the turn-on or turn-off of the first to fourth primary switches, the first to fourth secondary switches, and the fourth secondary switch in accordance with the determined operation mode to output the output voltage supplied by the battery to the drive motor Or charges the battery with electric energy generated by the driving motor,
The output voltage of the full bridge LLC converter is controlled by adjusting the phase shift angle between the turn-on signal of the secondary switch and the turn-on signal of the primary switch according to the operation mode, when the one primary switch and any one of the secondary switches are turned on Of the cascade converter for an electric vehicle.
제9항에 있어서,
상기 전기자동차의 운행 속도에 따라 동작 모드를 결정하는 것은,
상기 전기자동차가 정속 주행 중인 경우, 상기 전기자동차용 캐스코드 컨버터가 제1 동작 모드로 작동되도록 제어하고,
상기 전기자동차가 가속 주행 중인 경우, 상기 전기자동차용 캐스코드 컨버터가 제2 동작 모드로 작동되도록 제어하며,
상기 전기자동차가 감속 주행 중인 경우, 상기 전기자동차용 캐스코드 컨버터가 제3 동작 모드 및 제4 동작 모드로 작동되도록 제어하는 것을 특징으로 하는, 전기자동차용 캐스코드 컨버터의 구동 방법. 10. The method of claim 9,
Determining an operation mode according to a traveling speed of the electric vehicle,
Controlling the cascade converter for an electric vehicle to operate in a first operation mode when the electric vehicle is traveling at a constant speed,
Controls the cascade converter for an electric vehicle to operate in a second operation mode when the electric vehicle is accelerating,
And controls the cascade converter for electric vehicles to operate in the third operation mode and the fourth operation mode when the electric vehicle is decelerating. 삭제delete
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