KR102155896B1 - 배터리 충전 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

배터리 충전 장치 및 그 제어 방법을 개시한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 배터리 충전 장치에 있어서, 고주파 자속을 수신하는 집전 코일 및 상기 집전 코일과 공진하는 공진 커패시터를 포함하고, 상기 집전 코일에 발생하는 유도 기전력에 의하여 교류를 생성하는 픽업부; H 브리지 형태로 연결된 제1 다이오드, 제2 다이오드, 제3 다이오드 및 제4 다이오드와, 상기 제1 다이오드와 병렬로 연결된 제1 스위치, 상기 제2 다이오드와 병렬로 연결된 제2 스위치, 상기 제3 다이오드와 병렬로 연결된 제3 스위치 및 상기 제4 다이오드와 병렬로 연결된 제4 스위치를 포함하고, 상기 교류를 직류로 정류하고 출력을 조절하여 배터리에 공급하는 변환부, 상기 변환부는 상기 픽업부의 양단과 연결되어 있음; 상기 제1 스위치 내지 제4 스위치의 게이트 전압을 제어하도록 하는 스위칭 신호를 출력하는 제어부; 및 상기 픽업부의 전류의 극성이 변화하는 시점을 기준으로 상기 스위칭 신호의 극성이 변화하는 시점을 정확히 조절하도록 측정된 전류 신호의 위상을 보상하는 위상지연보상부를 포함하는 배터리 충전 장치를 제공한다.

Description

배터리 충전 장치 및 그 제어 방법{Apparatus and Method for Wireless Battery Charging}
본 실시예는 배터리 충전 장치 및 그 제어 방법에 대한 것으로서, 특히 전기자동차의 배터리 충전에 사용되는 배터리 충전 장치 및 그 제어 방법에 대한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 발명에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
무선 전력 전송은 전기에너지를 전자기파, 전자기 유도 또는 전자기 공진 형태로 전선 없이 전달하는 기술로서 현대 사회를 바꾼 무선 통신기술에 이어 미래 사회를 바꿀 주역으로 기대되는 기술이다. 소형 전자 제품에서는 스마트폰 등 무선 전력 전송을 이용한 물건들이 선을 보이고 있고, 전기자동차 등 대전력 무선 전력 전송 분야로도 많은 연구가 진행되고 있다.
전기자동차를 예로 들면 무선 전력 전송 장치는 급전 트랙을 따라 움직이는 전기자동차에 무선으로 전력을 전송한다. 전기자동차의 배터리 충전 장치는 급전 트랙에서 발생하는 자속에 의해 유도기전력이 유기되는 집전 코일을 이용하여 무선으로 전송되는 전력을 수신한다. 집전 코일에 수신된 전류는 교류이므로 무선 전송 전력으로 전기자동차의 배터리를 충전하기 위해서는 1) 교류를 직류로 정류하고 2) 출력 세기를 조절해 줄 필요가 있다. 따라서 전기자동차의 배터리 충전 장치는 일반적으로 전력을 수신하는 집전 코일, 교류를 직류로 정류하는 정류 장치 및 출력을 조절하는 레귤레이터를 포함한다.
근래 이러한 자동차 무선 충전 시스템은 일정 주파수의 전원 시스템을 이용하는 경우가 많으며, 전력전달의 효율을 높이기 위하여 공진 회로를 포함하여 구성하고 있다. 또한, 배터리에 전송되는 전력 전달 효율을 높이기 위하여 집전부에 다이오드 및 다이오드 양단에 연결된 스위칭 소자를 구비하고, 스위칭 소자를 조절하는 방법이 이용된다. 이 경우 스위칭 소자의 스위칭 시점이 매우 중요하다. 스위칭 소자나 그의 게이트 구동회로에서의 시간지연으로 인한 스위칭 시점의 오류는 회로내의 손실을 증가시키는 문제점이 있다.
본 실시예는 무선 전송 전력 제어에 스위칭 소자를 이용하는 경우, 스위칭 신호에 발생할 수 있는 시간 지연을 보상할 수 있는 전류 제어 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
구체적으로, 본 실시예는 배터리 충전 시스템에서, PWM 방식, 동기 정류 방식, integral cycle 제어 방식을 적용하는 경우에 발생하는 시간 지연을 해결할 수 있는 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 배터리 충전 장치에 있어서, 고주파 자속을 수신하는 집전 코일 및 상기 집전 코일과 공진하는 공진 커패시터를 포함하고, 상기 집전 코일에 발생하는 유도 기전력에 의하여 교류를 생성하는 픽업부; H 브리지 형태로 연결된 제1 다이오드, 제2 다이오드, 제3 다이오드 및 제4 다이오드와, 상기 제1 다이오드와 병렬로 연결된 제1 스위치, 상기 제2 다이오드와 병렬로 연결된 제2 스위치, 상기 제3 다이오드와 병렬로 연결된 제3 스위치 및 상기 제4 다이오드와 병렬로 연결된 제4 스위치를 포함하고, 상기 교류를 직류로 정류하고 출력을 조절하여 배터리에 공급하는 변환부, 상기 변환부는 상기 픽업부의 양단과 연결되어 있음; 상기 제1 스위치 내지 제4 스위치의 게이트 전압을 제어하도록 하는 스위칭 신호를 출력하는 제어부; 및 상기 픽업부의 전류의 극성이 변화하는 시점을 기준으로 상기 스위칭 신호의 극성이 변화하는 시점을 정확히 조절하도록 측정된 전류 신호의 위상을 보상하는 위상지연보상부를 포함하는 배터리 충전 장치를 제공한다.
본 실시예에 따른 배터리 충전 장치는 다음과 같은 특징을 더 포함할 수 있다. 상기 장치에서, 상기 위상지연보상부는, 전역 통과 필터(All-pass filter)를 이용하여 상기 위상을 제어하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 전역 통과 필터는, 상기 스위칭 신호의 위상이 상기 픽업부 전류의 위상과 0
Figure 112017125650168-pat00001
또는 360
Figure 112017125650168-pat00002
의 정수배 차이가 나도록 상기 스위칭 신호의 위상을 보상할 수 있다.
본 실시예의 다른 측면에 의하면, 고주파 자속을 수신하는 집전 코일에 발생하는 유도 기전력에 의하여 교류를 생성하는 픽업부, 상기 교류를 직류로 정류하고 출력을 조절하여 배터리에 공급하는 변환부를 포함하되, 상기 변환부는 H 브리지 형태로 연결된 제1 스위치, 제2 스위치, 제3 스위치 및 제4 스위치와, 상기 제1 스위치와 병렬로 연결된 제1 다이오드, 상기 제2 스위치와 병렬로 연결된 제2 다이오드, 상기 제3 스위치와 병렬로 연결된 제3 다이오드 및 상기 제4 스위치와 병렬로 연결된 제4 다이오드를 포함하는 배터리 충전 장치의 제어 방법에 있어서, 픽업부의 전류와 스위칭 신호를 비교하고 오차를 계산하는 과정; 상기 오차를 이용하여 상기 스위칭 신호가 갖는 위상 지연의 크기를 결정하고, 상기 위상 지연의 크기만큼 스위칭 신호의 위상을 조절하도록 제어하는 과정; 및 위상이 조절된 스위칭 신호를 스위칭 소자의 게이트에 인가하는 과정을 포함하는 제어 방법을 제공한다.
본 실시예에 의하면 무선 전송 전력 제어에 스위칭 소자를 이용하는 경우, 스위칭 소자의 스위칭 시점에 따라 발생할 수 있는 게이트 구동 신호의 시간 지연을 보상하고 배터리에 전달되는 전력 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 실시예에 의하면 배터리 충전 시스템에서, PWM 방식, 동기 정류 방식, integral cycle 제어 방식을 적용하는 경우에 발생하는 시간 지연 문제를 해결할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 장치를 예시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 시스템에서, PWM 방식, 동기 정류 방식, integral cycle 제어 방식을 적용하는 경우의 공급 전압 및 픽업부 전류를 예시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 동기 정류 제어 방법을 적용하는 경우 발생할 수 있는 게이트 신호 지연을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 위상지연보상부의 동작을 설명하기 위해 배터리 충전 장치의 구성을 간략히 예시한 도면이다.
이하 본 발명의 일 실시예를 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되어 있더라도 가능한 한 동일한 부호를 사용하고 있음에 유의해야 한다. 또한 본 발명의 일 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그에 대한 상세한 설명을 생략한다.
본 발명의 일 실시예의 구성요소를 설명함에 있어서 제1, 제2, i), ii), a), b) 등의 부호를 사용할 수 있다. 이러한 부호는 그 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위한 것일 뿐 그 부호에 의해 해당 구성요소의 본질, 차례, 순서 등이 한정되는 것은 아니다. 본 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함' 또는 '구비'한다고 할 때, 이는 명시적으로 반대되는 기재가 없는 한 해당 부분이 다른 구성요소를 부가하는 것을 배제하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. '~부', '모듈' 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 '하드웨어', '소프트웨어' 또는 '하드웨어와 소프트웨어의 결합'으로 구현될 수 있다.
기존의 배터리 충전 장치는 정류 장치와 레귤레이터가 별도의 모듈로 구성되어 있었으나, 특허 제10-1383556호 '정류 및 전압 제어 방법 및 장치'는 정류 장치와 레귤레이터를 일체화한 배터리 충전 장치를 개시하고 있이다. 본 발명자가 개시한 배터리 충전 장치는 정류부와 전압 조절부를 구분하지 않고 일체형으로 구현함으로써 누설 인덕턴스가 큰 경우에도 출력의 크기를 제어하여 안정적으로 직류를 얻을 수 있다. 본 실시예는 특허 제10-1383556호에 개시된 정류 장치와 레귤레이터를 일체화한 배터리 충전 장치에 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 장치를 예시한 도면이다.
무선 전송된 전력으로 전기자동차의 배터리를 충전하기 위해서는 무선 전송된 교류를 직류로 정류하고 배터리의 특성에 따라 출력을 조절하여야 하므로 배터리 충전 장치는 일반적으로 무선 전송 전력을 수신하는 집전 코일, 교류를 직류로 정류하는 정류 장치 및 출력을 조절하는 레귤레이터를 포함한다.
전기자동차의 배터리 충전 장치에서 무선 전력 전송 장치로부터 전송되는 전력을 수신하는 부분을 픽업부(110)라고 한다. 픽업부(110)는 유도 기전력(Induced Electromotive Force)을 형성하는 집전 코일과 공진(Resonance)하는 공진 소자를 포함한다. 집전 코일은 급전 트랙에서 발생하는 자속에 의해 유기되는 유도기전력을 이용하여 전력을 수신한다. 공진 소자는 동작 주파수에서 픽업부(110)의 인덕턴스를 상쇄시키는 역할을 한다. 픽업부(110)에서 집전 코일은 인덕터(Inductor)인 것이 바람직하고 공진소자는 커패시터(Capacitor)인 것이 바람직하나 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 소자로 수정 및 변형하여 적용 가능할 것이다.
즉, 도 1에 도시된 픽업부(110)는 큰 인덕턴스를 갖으며, 픽업부(110)의 외부에는 픽업부(110)로부터 전력을 공급받아 안정된 직류를 만드는 장치를 부착하는데 이러한, 장치는 다이오드와 스위칭부로 구성된 브릿지회로가 직결되는 것이 바람직하다. 이를 실시예에 적용하여 설명하자면, 변환부(120)와 제어부(미도시)가 될 수 있다. 이때, 공진 캐패시터는 동작 주파수에서 픽업부(110)의 인덕턴스를 상쇄시키는 역할을 한다. 또한, 이러한 픽업부(110)는 공진 캐패시터로 보상되어 있다. 이때, 출력전압은 입력에 비해서 높으며, 별도의 필터 인덕터(Filter Inductor)를 필요로 하지는 않는다.
변환부(120)는 픽업부(110)의 양단과 연결된 장치로서 픽업부(110)에서 공급된 교류를 직류로 정류하고 출력을 조절하여 배터리에 공급한다. 변환부(120)의 구조를 살펴 보면 변환부(120)는 제1 다이오드(131), 제2 다이오드(132), 제3 다이오드(133) 및 제4 다이오드(134)를 포함하며, 제1 내지 제4 다이오드(131, 132, 133, 134)는 H 브리지 형태로 연결되어 있다. 각 다이오드에는 제1 내지 제4 스위치(121, 122, 123, 124)가 병렬로 연결되어 있다.
변환부(120)의 스위치는 바람직하게는 MOSFET이나 반드시 이에 한정되지는 않는다. 즉 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 스위치를 사용할 수 있을 것이다.
제어부(미도시)는 변환부(120)의 스위치를 선택적으로 턴 온(Turn-On) 또는 턴 오프(Turn-Off)시킴으로써 픽업부(110)에서 발생하는 교류를 직류로 정류하고 출력을 조절한다. 변환부(120)에서 출력된 직류는 배터리에 공급된다.
제어부(미도시)는 스위치의 턴 온, 턴 오프, 스위칭 타이밍 등을 조절하여 픽업부(110)로부터 공급 받은 교류를 직류로 정류하고 출력을 조절하여 배터리로 공급한다. 구체적으로 제어부(미도시)는 픽업부(110)의 양단이 단락되도록 변환부(120)를 제어하여 배터리로 흐르는 전류를 차단하거나 픽업부(110)에서 공급된 전류를 정류하여 배터리로 공급할 수 있다.
제어부(미도시)는 복수의 스위칭 소자(121 내지 124)들의 게이트(Gate)에 인가하기 위한 게이트 스위칭 신호를 발생한다. 제어부(미도시)는 복수의 게이트 스위칭 신호들을 복수의 스위칭 소자(121 내지 124)들의 게이트로 전달한다.
한편, 변환부(120)에 포함된 복수의 스위칭 소자(121 내지 124)들 각각의 게이트에는 스위칭 신호의 발생 및 스위칭 전달을 담당하는 구동회로인 제어부(미도시)와 연결되어, 복수의 스위칭 소자(121 내지 124)들 각각 턴 온(Turn-On) 및 턴 오프(Turn-Off)시킨다. 여기서, 제어부(미도시)는 스위칭 신호의 발생 및 전달을 위해 복수의 스위칭 소자(121 내지 124)를 각각의 게이트마다 연결되는 각각의 구동회로 형태로 구현될 수 있으며, 도면에는 생략되어 있다. 한편, 변환부(120)는 두 개의 스위칭 소자가 쌍을 이루어 직렬 접속되고, 직렬 접속된 복수의 스위칭 소자가 플러스 전원단자 및 마이너스 전원단자 사이에 병렬 접속된다.
이하에서는 제어부(미도시)의 전류 제어 방법에 대해 설명한다.
제어부(미도시)에서 배터리로 공급되는 전류를 차단하는 과정에 대하여 설명한다.
픽업부(110)의 전류의 극성이 플러스(+)인 경우 제어부(미도시)는 제2 스위치(122) 또는 제3 스위치(123)를 턴 온시킨다.
픽업부(110)의 전류의 극성이 플러스(+)일 때 제2 스위치(122)가 턴 온되면 픽업부(110)에서 발생하는 전류가 제1 다이오드(131)와 제2 스위치(122)를 거쳐 픽업부(110)로 돌아간다. 즉 픽업부(110)가 단락되어 배터리로 흐르는 전류가 차단된다.
픽업부(110)의 전류의 극성이 플러스(+)일 때 제3 스위치(123)가 턴 온되면 픽업부(110)에서 발생하는 전류가 제3 스위치(123)와 제4 다이오드(134)를 거쳐 픽업부(110)로 돌아간다. 즉 픽업부(110)가 단락되어 배터리로 흐르는 전류가 차단된다.
픽업부(110)의 전류의 극성이 플러스(+)일 때 제2 스위치(122) 또는 제3 스위치(123) 중 어느 것을 턴 온시켜도 무방하나, 스위치의 수명을 고려하면 제2 스위치(122)와 제3 스위치(123)를 번갈아가며 턴 온시키는 것이 바람직하다.
픽업부(110)의 전류의 극성이 마이너스(-)인 경우 제어부(미도시)는 제1 스위치(121) 또는 제4 스위치(124)를 턴 온시킨다.
픽업부(110)의 전류의 극성이 마이너스(-)일 때 제1 스위치(121)가 턴 온되면 픽업부(110)에서 발생하는 전류가 제2 다이오드(132)와 제1 스위치(121)를 거쳐 픽업부(110)로 돌아간다. 즉 픽업부(110)가 단락되어 배터리로 흐르는 전류가 차단된다.
픽업부(110)의 전류의 극성이 마이너스(-)일 때 제4 스위치(124)가 턴 온되면 픽업부(110)에서 발생하는 전류가 제4 스위치(124)와 제3 다이오드(133)를 거쳐 픽업부(110)로 돌아간다. 즉 픽업부(110)가 단락되어 배터리로 흐르는 전류가 차단된다.
제1 스위치(121) 또는 제4 스위치(124) 중 어느 것을 턴 온시켜도 무방하나 스위치의 수명을 고려하면 제1 스위치(121)와 제4 스위치(124)를 번갈아가며 턴 온시키는 것이 바람직하다.
다음으로 제어부(미도시)에서 배터리로 정류된 전류를 공급하는 과정에 대하여 설명한다.
픽업부(110)의 전류의 극성이 플러스(+)인 경우 제어부(미도시)는 제1 내지 제4 스위치(121, 122, 123, 124)를 턴 오프시킨다.
픽업부(110)의 전류의 극성이 플러스(+)일 때 제1 내지 제4 스위치(121, 122, 123, 124)가 턴 오프되면 픽업부(110)에서 발생하는 전류가 제1 다이오드(131), 배터리 및 제4 다이오드(134)를 거쳐 흐른다.
픽업부(110)의 전류의 극성이 마이너스(-)인 경우 제어부(미도시)는 제1 내지 제4 스위치(121, 122, 123, 124)를 턴 오프시킨다.
픽업부(110)의 전류의 극성이 마이너스(-)일 때 제1 내지 제4 스위치(121, 122, 123, 124)가 턴 오프되면 픽업부(110)에서 발생하는 전류가 제2 다이오드(132), 배터리 및 제3 다이오드(133)를 거쳐 흐른다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 시스템에서, PWM 방식, 동기 정류 방식, integral cycle 제어 방식을 적용하는 경우의 공급 전압 및 픽업부 전류를 예시한 도면이다. 도 2의 (a)는 PWM 방식의 경우, (b)는 동기 정류 방식의 경우, (c)는 integral cycle 제어 방식의 경우를 각각 예시한 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 충전 제어 방식은 픽업부로 전달되는 전류가 일정 주파수에서 동작한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, (a)에 도시된 바와 같은 PWM 제어의 경우, 배터리에 공급되는 전압은 다음과 같은 수학식 1을 만족한다.
Figure 112017125650168-pat00003
여기서,
Figure 112017125650168-pat00004
는 도통각를 의미한다. 만일 좌변이 우변보다 크면 전류가 증가하고, 우변이 좌변보다 크면 전류가 감소한다. 이런 성질을 이용하여 제어기는 도통각
Figure 112017125650168-pat00005
값을 이용해 충전전류를 조절한다.
또한, (b)에 도시된 바와 같은 동기 정류 방식의 경우, 배터리에 공급되는 전압은 다음과 같은 수학식 2를 만족한다.
Figure 112017125650168-pat00006
만일 좌변이 우변보다 크면 전류가 증가하고, 만일 우변이 좌변보다 크면 전류가 감소한다. 이런 성질을 이용하여 제어기는 급전 측을 통하여
Figure 112017125650168-pat00007
를 조절하고, 충전전류를 조절한다
또한, (c)에 도시된 바와 같은 integral cycle 제어 방식의 경우, 배터리에 공급되는 전압은 다음과 같은 수학식 3을 만족한다.
Figure 112017125650168-pat00008
여기서, N은 제어주기를 동작 교류의 주기 회수로 나타낸 것이고, n은 제어주기 동안에 동기정류회로로 동작한 횟수이다. 만일 좌변이 우변보다 크면 전류가 증가하고, 우변이 좌변보다 크면 전류가 감소한다. 이런 성질을 이용하여 제어기는 n값을 이용하여 충전전류를 조절한다.
이와 같이, 단자 A-B 간의 전압
Figure 112017125650168-pat00009
는, 픽업부의 전류 및 전압과 동위상일 경우에 스위칭 손실이 최저가 되어 전력 전달이 최대가 된다. 따라서, 스위칭 신호에서 발생하는 시간 지연을 해결하여 전력 전달 효율을 높일 수 있다. 본 실시예에서는, 시간 지연을 위상 지연으로 해석하고, 실제 회로에서 발생하는 스위칭 신호의 위상 지연을 해결하여 전력 전달 효율을 높이고자 한다. 즉, 실제 배터리 충전 회로를 구성하는 요소들에서 실제적으로 발생하는 시간 지연을 검출하고, 이를 위상 지연으로 환산하고, 필터 등을 사용하여 전체 위상 지연을 0도 또는 360도의 정수배가 되도록 하여, 스위칭 신호가 픽업부의 전류 부호의 변화에 맞춰 동시에 스위치를 온 또는 오프 시킬 수 있도록 한다. 이러한 실시예의 적용을 위해, 시스템이 일정 주파수로 동작하고 공진 회로를 포함하여 구성된 경우에 시간 지연을 위상 지연으로 해석하거나 설계할 수 있음을 이용한다. 도 2에서 예시한 바와 같은 PWM 방식, 동기 정류 방식 및 integral cycle 제어 방식이 여기에 해당할 수 있으며 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 동기 정류 제어 방법을 적용하는 경우 발생할 수 있는 게이트 신호 지연을 설명하기 위한 도면이다.
상술한 제어 방법에서 일부 스위치를 턴 온하여 동기 정류를 수행함으로써 다이오드 저항에 의한 전력 손실을 최소화할 수 있다. 동기 정류란 출력 다이오드의 온(ON) 동작에 따른 전력 손실을 최소화하기 위하여 다이오드가 온(ON)될 때 다이오드와 병렬로 연결되어 있는 스위치를 함께 온(ON)시키는 것이다. 도 2의 (a)는 이러한 동기 정류 제어를 위해 제어부(미도시)에서 출력하는 스위칭 신호의 이상적인 경우를 도시한 도면이고, 도 2의 (b)는 스위칭 신호에 시간 지연이 발생한 경우를 예시한 도면이다. 도면에서
Figure 112017125650168-pat00010
의 시간 그래프는, 게이트에 인가되는 스위칭 신호에 대한 그래프를 나타낸다.
이하에서는, 제어부(미도시)에서 동기 정류 방식을 이용하여 배터리로 정류된 전류를 공급하는 과정에 대하여 설명한다.
픽업부(110)의 전류(
Figure 112017125650168-pat00011
)의 극성이 플러스(+)인 경우 제어부(미도시)는 제1 스위치(121) 및 제4 스위치(124)를 턴 온시킨다. 제1 스위치(121) 및 제4 스위치(124)가 턴 온되면 픽업부(110)에서 발생하는 전류가 제1 스위치(121), 배터리 및 제4 스위치(124)를 거쳐 흐른다.
픽업부(110)의 전류(
Figure 112017125650168-pat00012
)의 극성이 마이너스(-)인 경우 제어부(미도시)는 제2 스위치(122) 및 제3 스위치(123)를 턴 온시킨다. 제2 스위치(122) 및 제3 스위치(123)가 턴 온되면 픽업부(110)에서 발생하는 전류가 제2 스위치(122), 배터리 및 제3 스위치(123)를 거쳐 흐른다.
이와 같이 제어부(미도시)에서는 픽업부(110)의 전류(
Figure 112017125650168-pat00013
)의 극성을 기초로 스위칭 신호를 발생시킨다. 이를 위해서 제어부(미도시)는 픽업부(100)의 전류(
Figure 112017125650168-pat00014
)를 측정하는 과정을 거쳐 극성을 판단하고 게이트 구동 신호를 출력해야 하는데 이 과정에서 시간 지연이 발생한다. 즉, 제어부(미도시)로부터 게이트에 인가되는 스위칭 신호는 도 2의 (a)에 도시된 것과 같이 픽업부(110)의 전류(
Figure 112017125650168-pat00015
)의 극성 변화에 맞추어 정확하게 출력되는 것이 이상적이지만, 실제적으로는 게이트 구동 신호의 발생 과정에서 도 2의 (b)와 같이 시간 지연이 발생하게 된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 위상지연보상부의 동작을 설명하기 위해 배터리 충전 장치의 구성을 간략히 예시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 장치는 전류 검출부(410), 위상지연 보상부(420), 제어부(430) 및 스위칭 소자(440)를 포함하여 구성될 수 있다.
전류 검출부(410)는 픽업부(도 1의 110)의 전류를 검출한다. 전류 검출부(410)는 픽업부의 전류를 측정하여 제어부에 전달하고, 제어부(430)는 픽업부의 전류의 극성에 따라 스위칭 신호를 제어한다.
위상지연 보상부(420)는 스위칭 소자(440)의 스위칭 시점에 발생하는 시간 지연을 보상하기 위해, 제어부(430)의 스위칭 신호의 위상을 조절한다. 신호의 전달지연(전파지연)은 위상지연으로 표현할 수 있다. 위상지연 보상부(420)는 전류의 측정에서 게이트 구동회로 및 스위칭 소자의 온오프 지연까지 고려한 지연을 위상지연으로 표현하고, 그만큼 위상을 필터로 앞당긴다.
위상지연 보상부(420)는 스위칭 신호의 위상을 조절하기 위해 전역통과필터(All-pass filter)로 구성될 수 있다. 위상을 앞당기는데 쓰일 수 있는 필터로는 고역 통과(진상) 필터와 전역 통과 필터가 있는데 고역통과필터는 잡음을 증폭시키는 효과가 있어 적절하지 못하다. 따라서, 전역 통과 필터로 위상을 앞당겨 전체적으로 위상의 변화가 없는 시스템을 구성하는 것이 바람직하다.
전역통과필터는 신호처리 필터의 하나로서 모든 신호의 크기 변화 없이 단지 위상만을 변화시킨다. 간단한 수식의 변화로서 원하는 위상지연 값을 얻을 수 있다.
위상지연 보상부(420)는 스위칭 신호를 검출하여 픽업부의 전류와 비교한 뒤 그 시간 오차를 위상 지연으로 나타내고 전역통과필터를 통해 보상한다. 구체적으로, 위상지연 보상부(420)는 스위칭 신호를 피드백받고, 이를 픽업부의 전류와 비교한 후 오차를 구한다. 위상지연 보상부(420)에서는 이 오차를 가지고 기준 정현파신호와 비교하여 위상지연 크기를 결정하고, 스위칭 신호에 대한 위상을 조절하여 픽업부의 전류의 극성에 따라 스위칭 소자가 적절하게 온오프될 수 있도록 신호의 위상을 보상한다.
전류 검출부(410)의 검출 회로에서 발생하는 시간 지연을
Figure 112017125650168-pat00016
, 제어부(430)에서 스위칭 신호를 생성하면서 발생하는 시간 지연을
Figure 112017125650168-pat00017
, 스위칭 소자(440)의 온-오프 지연을
Figure 112017125650168-pat00018
라 하였을 때, 위상지연 보상부(420)는
Figure 112017125650168-pat00019
만큼의 위상 지연을 발생시킨다. 즉, 위상지연 보상부(420)는 제어부(430)의 스위칭 신호의 위상을
Figure 112017125650168-pat00020
만큼 앞당겨 결과적으로 스위칭 소자(440)의 턴 온 및 턴 오프가 픽업부의 전류의 극성 변화에 따라 시간지연 없이 발생할 수 있도록 한다. 이러한
Figure 112017125650168-pat00021
,
Figure 112017125650168-pat00022
,
Figure 112017125650168-pat00023
의 값은 배터리 충전 장치의 구현에 사용되는 회로 또는 소자에 따라 미리 알려진 값일 수 있다.
한편, 스위칭 신호의 위상을 반드시
Figure 112017125650168-pat00024
만큼 앞당기는 것이 아니더라도, 스위칭 신호의 위상을
Figure 112017125650168-pat00025
(m은 정수)만큼 조절함으로써 위에서 설명한 것과 같은 결과를 제공할 수 있다.
제어부(430)는 스위칭 소자(440)의 턴 온, 턴 오프, 스위칭 타이밍 등을 조절하여 픽업부로부터 공급 받은 교류를 직류로 정류하고 출력을 조절하여 배터리로 공급한다. 제어부(430)는 복수의 스위칭 소자(440)들의 게이트에 인가하기 위한 게이트 스위칭 신호를 발생한다. 제어부(430)는 복수의 게이트 스위칭 신호들을 복수의 스위칭 소자(440)들의 게이트로 전달한다.
스위칭 소자(440)는 배터리에 공급되는 전류를 정류하기 위해 제어부(430)의 게이트 스위칭 신호에 따라 턴 온 또는 턴 오프된다.
본 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과하고 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 본 실시예의 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
본 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고 따라서 본 실시예에 의하여 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며 그와 동등하거나 균등하다고 인정되는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
110: 픽업부 120: 변환부
121: 제1 스위치 122: 제2 스위치
123: 제3 스위치 124: 제4 스위치
131: 제1 다이오드 132: 제2 다이오드
133: 제3 다이오드 134: 제4 다이오드

Claims (8)

  1. 배터리 충전 장치에 있어서,
    고주파 자속을 수신하는 집전 코일 및 상기 집전 코일과 공진하는 공진 커패시터를 포함하고, 상기 집전 코일에 발생하는 유도 기전력에 의하여 교류를 생성하는 픽업부;
    H 브리지 형태로 연결된 제1 다이오드, 제2 다이오드, 제3 다이오드 및 제4 다이오드와, 상기 제1 다이오드와 병렬로 연결된 제1 스위치, 상기 제2 다이오드와 병렬로 연결된 제2 스위치, 상기 제3 다이오드와 병렬로 연결된 제3 스위치 및 상기 제4 다이오드와 병렬로 연결된 제4 스위치를 포함하고, 상기 교류를 직류로 정류하고 출력을 조절하여 배터리에 공급하는 변환부, 상기 변환부는 상기 픽업부의 양단과 연결되어 있음;
    상기 픽업부의 전류의 극성의 변화에 따라 상기 제1 스위치 내지 제4 스위치의 게이트 전압을 제어하도록 하는 스위칭 신호를 출력하는 제어부; 및
    상기 픽업부의 전류의 극성이 변화하는 시점에서 상기 픽업부의 전류와 상기 스위칭 신호를 비교하고 오차를 계산한 후, 상기 오차를 이용하여 상기 스위칭 신호가 갖는 위상 지연의 크기를 결정하고, 상기 위상 지연의 크기만큼 상기 스위칭 신호의 위상이 조절되도록, 측정된 전류 신호의 위상을 보상하는 위상지연보상부
    를 포함하고,
    상기 위상지연보상부는 전역 통과 필터(All-pass filter)를 이용하여 상기 위상을 보상하도록 구성되고,
    상기 전역 통과 필터는, 상기 픽업부의 전류를 검출하는 검출 회로에서 발생하는 위상 지연, 상기 제어부에 의한 위상 지연, 및 상기 제1 스위치 내지 제4 스위치의 온-오프에 의한 위상 지연을 고려하여 상기 측정된 전류 신호의 위상을 조절하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전역 통과 필터는,
    상기 전류 신호의 측정에서부터 스위칭 소자의 온-오프에 이르는 시간 지연에 대해 상기 스위칭 신호의 위상이 상기 픽업부 전류의 위상과 0
    Figure 112020079389978-pat00026
    또는 360
    Figure 112020079389978-pat00027
    의 정수배 차이가 나도록 상기 측정된 전류 신호의 위상을 보상하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
  5. 고주파 자속을 수신하는 집전 코일에 발생하는 유도 기전력에 의하여 교류를 생성하는 픽업부, 상기 교류를 직류로 정류하고 출력을 조절하여 배터리에 공급하는 변환부를 포함하되, 상기 변환부는 H 브리지 형태로 연결된 제1 스위치, 제2 스위치, 제3 스위치 및 제4 스위치와, 상기 제1 스위치와 병렬로 연결된 제1 다이오드, 상기 제2 스위치와 병렬로 연결된 제2 다이오드, 상기 제3 스위치와 병렬로 연결된 제3 다이오드 및 상기 제4 스위치와 병렬로 연결된 제4 다이오드를 포함하는 배터리 충전 장치의 제어 방법에 있어서,
    상기 픽업부의 전류의 극성이 변화하는 시점에서 상기 픽업부의 전류와 스위칭 신호를 비교하고 오차를 계산하는 과정;
    상기 오차를 이용하여 상기 스위칭 신호가 갖는 위상 지연의 크기를 결정하고, 상기 위상 지연의 크기만큼 상기 스위칭 신호의 위상이 조절되도록, 측정된 전류 신호의 위상을 보상하는 과정; 및
    위상이 조절된 스위칭 신호를 스위칭 소자의 게이트에 인가하는 과정
    을 포함하되,
    상기 스위칭 신호는 상기 픽업부의 상기 전류의 극성의 변화에 따라 상기 제1 스위치 내지 제4 스위치의 게이트 전압을 제어하고,
    상기 위상을 보상하는 과정은, 전역 통과 필터(All-pass filter)를 이용하여 상기 위상을 조절하도록 보상하고,
    상기 픽업부의 전류를 검출하는 과정에서 발생하는 위상 지연, 스위칭 신호를 생성하면서 발생하는 위상 지연, 및 제1 스위치 내지 제4 스위치의 온-오프에 의한 위상 지연을 고려하여 위상 지연의 크기를 결정하는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제5항에 있어서,
    상기 위상을 보상하는 과정은,
    상기 스위칭 신호의 위상이 상기 픽업부 전류의 위상과 0
    Figure 112020007746426-pat00028
    또는 360
    Figure 112020007746426-pat00029
    의 정수배 차이가 나도록 상기 스위칭 신호의 위상을 제어하는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
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