KR102530939B1

KR102530939B1 - 차량용 전력변환 시스템

Info

Publication number: KR102530939B1
Application number: KR1020180041263A
Authority: KR
Inventors: 하태종; 여인용; 이대우; 이윤식
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아 주식회사
Priority date: 2018-04-09
Filing date: 2018-04-09
Publication date: 2023-05-11
Also published as: CN110356255B; US10965205B2; KR20190118084A; US20190312499A1; CN110356255A

Abstract

차량용 전력 변환 시스템은, 제1 에너지 저장 장치; 교류 전력을 정류하여 직류 링크 전압을 생성하는 정류회로 및 상기 직류 링크 전압의 크기를 변환하여 상기 제1 에너지 저장 장치의 충전 전압을 생성하는 직류-직류 변환회로를 포함하는 충전 장치; 상기 제1 에너지 저장 장치의 전압 및 상기 직류 링크 전압 중 하나를 선택적으로 하향 변환하여 사전 설정된 크기의 저전압을 출력하는 저전압 직류 변환 장치를 포함한다. 상기 저전압 직류 변환 장치는, 상기 교류 전력의 입력에 의한 상기 제1 에너지 저장 장치의 충전 진행 여부에 기반하여 상기 제1 에너지 저장 장치의 전압 및 상기 직류 링크 전압 중 하나를 선택적으로 상기 저전압으로 변환한다.

Description

차량용 전력변환 시스템{POWER CONVERTING SYSTEM FOR VEHICLE}

본 발명은 차량용 전력변환 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 저부하 상태에서 저전압 직류 변환 장치의 효율 저하 및 고전압 배터리의 전압 증대 추세에 수반하는 저전압 직류 변환 장치의 스위칭 손실 증대로 인한 효율 저하를 방지할 수 있는 차량용 전력변환 시스템에 관한 것이다.

지구 온난화와 환경 오염 등의 문제가 심각하게 대두 되면서 자동차 산업 분야에서도 환경 오염을 최대한 감소시킬 수 있는 친환경 차량에 대한 연구 개발이 활발하게 이루어지고 있으며 그 시장도 점차 확대되고 있다.

친환경 차량으로서 기존의 화석 연료를 연소시켜 구동력을 발생시키는 엔진 대신 전기 에너지를 이용하여 구동력을 생성하는 전동기를 적용한 전기 차량, 하이브리드 차량 및 플러그인 하이브리드 차량이 세계적으로 출시되고 있는 상황이다. 이러한 전기 에너지를 이용한 친환경 차량들 중 전기 차량과 플러그인 하이브리드 차량은 계통(grid)에 연결된 외부 충전 설비로부터 전력을 제공받아 차량에 구비된 배터리를 충전하고, 배터리의 충전된 전력을 이용하여 차량 구동에 필요한 운동 에너지를 생산한다. 이에 따라, 친환경 차량은 외부 충전 설비로부터 계통 전력을 제공 받아 배터리를 충전하기 위한 전력으로 변환하는 차량 탑재형 충전기를 구비한다.

차량 탑재형 충전기(On Board Charger: OBC)가 교류의 계통 전력을 변환하여 출력한 직류 전력은 차량 내 고전압 배터리로 인가되어 고전압 배터리가 충전될 수 있다. 한편, 고전압 배터리의 단자는 차량의 공조 시스템과 같은 고전압 부하 및 고전압을 저전압으로 변환하는 저전압 직류 변환 장치(Low Voltage DC-DC Converter: LDC)와 연결될 수 있다. 저전압 직류 변환 장치는 고전압 배터리의 전압을 하향변환하여 전장부하의 동작을 전압 또는 저전압 배터리의 충전을 위한 전압을 생성한다.

일반적으로 저전압 직류 변환 장치는 저부하 구간에서 효율이 급격하게 떨어지는 특징을 갖는다. 또한, 저전압 직류 변환 장치는 입력 전압, 즉 고전압 배터리의 전압이 높으면 그 내부에 포함된 스위칭 소자의 스위칭 손실이 증가하는 특징을 갖는다.

차량 탑재형 충전기에 의해 고전압 배터리의 충전이 진행되고 있을 때, 차량은 차량 충전에 요구되는 최소한의 부하만 작동하게 되므로 저전압 직류 변환 장치는 저부하 구간에서 동작하게 되므로 저전압 직류 변환 장치의 효율이 급격하게 저하되어 결국 전체 충전 효율을 감소시키는 문제가 발생한다.

특히, 전기 차량 등의 주행거리 증대를 위해 고전압 배터리의 용량 및 출력 전압이 증가되는 산업 분야의 추세를 감안할 때, 향후에는 저전압 직류 변환 장치의 스위칭 손실이 더욱 커지게 되고 그에 따라 저전압 직류 변환 장치의 효율이 더욱 저하되며 나아가 전체 충전 효율까지 더 감소할 것으로 예상된다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

KR 10-2016-0013551 A KR 10-2014-0114175 A

이에 본 발명은, 저부하 상태에서 저전압 직류 변환 장치의 효율 저하 및 고전압 배터리의 전압 증대 추세에 수반하는 저전압 직류 변환 장치의 스위칭 손실 증대로 인한 효율 저하를 방지할 수 있는 차량용 전력변환 시스템을 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,

제1 에너지 저장 장치;

교류 전력을 정류하여 직류 링크 전압을 생성하는 정류회로 및 상기 직류 링크 전압의 크기를 변환하여 상기 제1 에너지 저장 장치의 충전 전압을 생성하는 직류-직류 변환회로를 포함하는 충전 장치;

상기 제1 에너지 저장 장치의 전압을 하향변환 하여 사전 설정된 크기를 갖는 저전압으로 출력하는 제1 저전압 직류 변환 장치; 및

상기 직류 링크 전압을 변환하여 상기 저전압을 출력하는 제2 저전압 직류 변환 장치를 포함하며,

상기 교류 전력의 입력에 의한 상기 제1 에너지 저장 장치의 충전 진행 여부에 기반하여 상기 제1 저전압 직류 변환 장치 및 상기 제2 저전압 직류 변환 장치가 선택적으로 구동되는 것을 특징으로 하는 차량용 전력 변환 시스템을 제공한다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 충전 장치가 구동되어 상기 제1 에너지 저장 장치의 충전이 진행되는 중에는 상기 제1 저전압 직류 변환 장치가 셧오프되고 상기 제2 저전압 직류 변환 장치가 구동되고, 상기 제1 에너지 저장 장치의 충전이 진행되는 중이지 않은 상태에는 상기 제1 저전압 직류 변환 장치가 구동되고 상기 제2 저전압 직류 변환 장치가 셧오프될 수 있다.

본 발명의 일 실시형태는, 상기 제1 에너지 저장 장치와 상기 제1 저전압 직류 변환 장치 사이의 전기적 연결을 단속하는 스위칭부를 더 포함할 수 있다. 상기 스위칭부는 상기 제1 저전압 직류 변환 장치가 구동되고 상기 제2 저전압 직류 변환 장치가 셧오프될 때 단락되고, 상기 제1 저전압 직류 변환 장치가 셧오프되고 상기 제2 저전압 직류 변환 장치가 구동될 때 개방될 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 저전압 직류 변환 장치는, 상기 제1 에너지 저장 장치의 출력 전압을 교류 전압으로 변환하는 교류 생성 회로; 상기 교류 생성 회로에서 변환된 교류 전압이 인가되는 1차 코일과 상기 1차 코일과의 권선비에 따라 상기 1차 코일에 인가되는 교류 전압의 크기를 변환하여 출력하는 2차 코일을 갖는 트랜스포머; 및 상기 트랜스포머의 2차 코일에서 출력된 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 직류 생성 회로를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 교류 생성 회로는, 상기 제1 에너지 저장 장치의 양단에 순차적으로 상호 연결된 커패시터, 제1 스위칭 소자 및 제2 스위칭 소자를 포함하며, 상기 커패시터와 상기 제1 에너지 저장 장치의 연결 노드에는 상기 트랜스포머의 1차 코일의 일단이 연결되고, 상기 제1 스위칭 소자 및 제2 스위칭 소자의 연결노드에는 상기 트랜스포머의 1차 코일의 타단이 연결되며, 상기 제1 스위칭 소자 및 제2 스위칭 소자가 교번하여 온/오프 됨에 의해 상기 트랜스포머의 1차 코일에 교류 전압을 인가할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 트랜스포머는 서로 직렬연결된 제1 2차 코일 및 제2 2차 코일을 포함하며, 상기 직류 생성 회로는, 상기 제1 2차 코일의 일단에 연결된 애노드를 갖는 제1 다이오드와, 상기 제2 2차 코일의 일단에 연결된 애노드 및 상기 제1 다이오드의 캐소드에 연결된 캐소드를 갖는 제2 다이오드와, 상기 제1 다이오드의 캐소드에 일단이 연결되고 보조 배터리의 일단에 타단이 연결된 인덕터 및 상기 보조 배터리의 양단 사이에 연결된 커패시터를 포함하고, 상기 제1 2차 코일과 상기 제2 2차 코일의 연결노드가 상기 보조 배터리의 타단에 연결될 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제2 저전압 직류 변환 장치는, 상기 직류 링크 전압을 교류 전압으로 변환하는 교류 생성 회로; 상기 교류 생성 회로에서 변환된 교류 전압이 인가되는 1차 코일과 상기 1차 코일과의 권선비에 따라 상기 1차 코일에 인가되는 교류 전압의 크기를 변환하여 출력하는 2차 코일을 갖는 트랜스포머; 및 상기 트랜스포머의 2차 코일에서 출력된 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 직류 생성 회로를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 교류 생성 회로는, 상기 제1 에너지 저장 장치의 양단에 순차적으로 상호 연결된 커패시터, 제3 스위칭 소자 및 제4 스위칭 소자를 포함하며, 상기 커패시터와 상기 제1 에너지 저장 장치의 연결 노드에는 상기 트랜스포머의 1차 코일의 일단이 연결되고, 상기 제3 스위칭 소자 및 제4 스위칭 소자의 연결노드에는 상기 트랜스포머의 1차 코일의 타단이 연결되며, 상기 제3 스위칭 소자 및 제4 스위칭 소자가 교번하여 온/오프 됨에 의해 상기 트랜스포머의 1차 코일에 교류 전압을 인가할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 트랜스포머는 서로 직렬연결된 제1 2차 코일 및 제2 2차 코일을 포함하며, 상기 직류 생성 회로는, 상기 제1 2차 코일의 일단에 연결된 애노드를 갖는 제3 다이오드와, 상기 제2 2차 코일의 일단에 연결된 애노드 및 상기 제1 다이오드의 캐소드에 연결된 캐소드를 갖는 제4 다이오드와, 상기 제1 다이오드의 캐소드에 일단이 연결되고 보조 배터리의 일단에 타단이 연결된 인덕터 및 상기 보조 배터리의 양단 사이에 연결된 커패시터를 포함하고, 상기 제1 2차 코일과 상기 제2 2차 코일의 연결노드가 상기 보조 배터리의 타단에 연결될 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 저전압 직류 변환 장치는, 상기 제1 에너지 저장 장치의 출력 전압을 교류 전압으로 변환하는 제1 교류 생성 회로; 상기 교류 생성 회로에서 변환된 교류 전압이 인가되는 1차 코일과 상기 1차 코일과의 권선비에 따라 상기 1차 코일에 인가되는 교류 전압의 크기를 변환하여 출력하는 2차 코일을 갖는 트랜스포머; 및 상기 트랜스포머의 2차 코일에서 출력된 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 직류 생성 회로를 포함하며, 상기 제2 저전압 직류 변환 장치는, 상기 직류 링크 전압을 교류 전압으로 변환하여 상기 트랜스포머에 제공하는 제2 교류 생성 회로를 포함하며, 상기 교류 전력의 입력에 의한 상기 제1 에너지 저장 장치의 충전 진행 여부에 기반하여 상기 제1 교류 생성 회로와 상기 제2 교류 생성 회로를 선택적으로 구동되게 할 수 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 다른 수단으로서 본 발명은,

제1 에너지 저장 장치;

상기 제1 에너지 저장 장치의 전압 및 상기 직류 링크 전압 중 하나를 선택적으로 하향 변환하여 사전 설정된 크기의 저전압을 출력하는 저전압 직류 변환 장치를 포함하며,

상기 저전압 직류 변환 장치는, 상기 교류 전력의 입력에 의한 상기 제1 에너지 저장 장치의 충전 진행 여부에 기반하여 상기 제1 에너지 저장 장치의 전압 및 상기 직류 링크 전압 중 하나를 선택적으로 상기 저전압으로 변환하는 것을 특징으로 하는 차량용 전력 변환 시스템을 제공한다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 저전압 직류 변환 장치는, 상기 제1 에너지 저장 장치의 출력 전압을 교류 전압으로 변환하는 제1 교류 생성 장치; 상기 직류 링크 전압을 교류 전압으로 변환하는 제2 교류 생성 장치; 상기 제1 교류 생성 장치 및 상기 제2 교류 생성 장치에서 생성된 교류 전압이 각각 인가되며 서로 직렬 연결된 제1 1차 코일 및 제2 1차 코일과, 제1 1차 코일 및 제2 1차 코일과 전자기적으로 결합된 2차 코일을 포함하고, 상기 제1 1차 코일 및 제2 1차 코일에 인가되는 교류 전압의 크기를 변환하여 2차 코일로 유도하는 트랜스포머(T); 및 2차 코일로 유도된 교류전압을 직류로 변환하는 직류 생성 회로를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 충전 장치가 구동되어 상기 제1 에너지 저장 장치의 충전이 진행되는 중에는 상기 제1 교류 생성 장치가 셧오프되고 상기 제2 교류 생성 장치가 구동되며, 상기 제1 에너지 저장 장치의 충전이 진행되는 중이지 않은 상태에는 상기 제1 교류 생성 장치가 구동되고 상기 제2 교류 생성 장치가 셧오프될 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 에너지 저장 장치와 상기 제1 교류 생성 장치 사이의 전기적 연결 상태를 단속하는 스위칭부를 더 포함하며, 상기 스위칭부는 상기 제1 교류 생성 장치가 구동되고 상기 제2 교류 생성 장치가 셧오프될 때 단락되고, 상기 제1 교류 생성 장치가 셧오프되고 상기 제2 교류 생성 장치가 구동될 때 개방될 수 있다.

상기 차량용 전력변환 시스템에 따르면, 저부하 조건인 충전시와 고부하 조건인 차량 주행시에 각각 선택적으로 서로 다른 저전압 직류 변환기를 구동하여 보조 배터리 및 전장 부하에 전력을 공급되게 함으로써, 부하 조건에 상관없이 고전압 배터리의 고전압을 저전압으로 변환하는 종래 기술에 비해 상대적으로 전력 손실 및 스위칭 손실을 감소시켜 전반적인 시스템 효율을 향상시킬 수 있다. 특히, 상기 차량용 전력변환 시스템은 경우에 따라 고전압 배터리의 전압 보다 상대적으로 저전압인 충전 장치의 직류 링크 전압을 입력으로 함으로써 스위칭 손실도 감소시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 차량용 전력 변환 시스템의 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 차량용 전력 변환 시스템의 저전압 직류 변환 장치를 더욱 상세하게 도시한 회로도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 차량용 전력 변환 시스템의 저전압 직류 변환 장치를 더욱 상세하게 도시한 회로도이다.

이하, 첨부의 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시 형태에 따른 차량용 전력 변환 시스템을 더욱 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 차량용 전력 변환 시스템의 블록 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 차량용 전력 변환 시스템은, 차량(10) 내에 구비되는 차량 탑재형 충전 장치(On Board Charger: OBC)(10)와, 고전압 배터리(20), 복수의 저전압 직류 변환 장치(100, 200) 및 보조 배터리(30)를 포함하여 구성될 수 있다. 고전압 배터리(20)는 제1 에너지 저장 장치이며, 보조 배터리(30)는 제2 에너지 저장 장치이다.

고전압 배터리(20)는 전기 차량 또는 하이브리드 차량의 휠에 구동력을 제공하는 구동 모터에 에너지를 제공하기 위한 에너지 저장 장치로서, 메인 배터리라 칭하기도 한다. 고전압 배터리(20)는 외부의 충전 설비(미도시)로부터 제공되는 전력을 제공받아 충전된다.

고전압 배터리(20)를 충전하기 위한 외부 충전 설비는 직류전력 또는 교류전력을 차량으로 제공할 수 있는데, 통상 완속 충전 시에는 상용의 교류 전력이 고전압 배터리(20)의 충전을 위해 차량으로 제공될 수 있다.

보조 배터리(30)는 고전압 배터리(20)에 비해 낮은 전압 출력할 수 있도록 마련된 에너지 저장 장치로 저전압 배터리라고도 한다. 보조 배터리(30)는 차량의 전장 부하에 전원전력을 제공하기 위해 마련된다. 본 발명의 여러 실시형태에서, 보조 배터리(30)는 고전압 배터리(20)에 저장된 에너지를 저전압으로 변환하는 제1 저전압 직류 변환 장치(100) 및 충전 장치(10)에서 직류 링크 전압(V_LINK)을 저전압으로 변환하는 제2 저전압 직류 변환 장치(200)에서 선택적으로 전력을 제공 받아 충전될 수 있다.

차량 탑재형 충전 장치(10)는 완속 충전 시 외부 충전 설비로부터 제공되는 교류 전력을 고전압 배터리(20)의 충전에 요구되는 전압값을 갖는 직류 전력으로 변환하기 위해 마련된다.

더욱 구체적으로 충전 장치(10)는 교류 전력을 정류하여 직류 전력을 출력하는 정류회로(11)와, 정류회로(11)의 정류에 의해 생성된 직류 전압인 직류 링크 전압(V_LINK)의 크기를 고전압 배터리(20)의 충전 전압에 대응되는 크기로 변환하는 직류-직류 변환회로(15)를 포함할 수 있다.

예를 들어, 정류회로(11)는 네 개의 다이오드 또는 네 개의 스위칭 소자로 구성된 풀브릿지 회로로 구현될 수 있다.

또한, 정류회로(11)와 직류-직류 변환회로(15) 사이에는 역률 보정(Power Factor Correction: PFC) 회로(13)가 구비될 수 있다. 역률 보정 회로(13)는 교류 입력의 역률을 조정하여 출력하기 위해 마련된 것으로, 인덕터와 스위칭 소자 등으로 구성되는 부스트 컨버터의 토폴로지를 적용하여 구성될 수 있다. 역률 보정 회로(13)는 여러 조건들을 감안하여 선택적으로 적용될 수 있다.

도 1의 실시형태는 역률 보정 회로(13)를 포함하는 구성으로 직류 링크 전압(V_LINK)이 역률 보정 회로(13)의 출력에 형성되는 것으로 도시된다. 하지만, 직류 링크 전압(V_LINK)은 교류 전력의 직류 변환을 통해 형성되어 직류 입력을 요구하는 요소들이 연결되는 단자, 즉 직류 링크 커패시터(C_LINK)가 형성하는 연결된 단자의 전압으로 이해되어야 하므로, 역률 보정 회로(13)가 적용되지 않는 예에서는 정류회로(11)의 출력단이 직류 링크단이 될 수 있다. 이러한 점을 고려할 때, 역률 보정 회로(13)는 정류 회로(11) 내에 포함되는 요소로 이해될 수 있으며, 넓은 의미의 정류회로는 직류 링크 전압(V_LINK)을 생성하는 요소로 설명될 수도 있다. 다른 측면으로, 직류 링크 전압(V_LINK)은 고전압 배터리(20)이 충전전압을 생성하는 직류-직류 변환회로(15)의 입력전압으로 이해될 수도 있다.

직류-직류 변환회로(15)는 직류 링크 전압(V_LINK)의 크기를 변환하여 출력한다. 직류-직류 변환회로(15)에서 출력하는 전압은 고전압 배터리(20)를 충전하기 위한 전압으로 고전압 배터리 충전전압(V_BAT)으로 칭할 수 있다. 통상, 고전압 배터리(20)의 전압은 400V 이상의 전압이므로 상용의 교류 전원을 정류하여 생성되는 직류 링크 전압(V_LINK)은 고전압 배터리를 충전할 수 있는 크기를 갖지 못한다. 직류-직류 변환회로(15)는 직류 링크 전압(V_LINK)의 크기를 상향 변환하여 고전압 배터리(20)를 충전할 수 있는 크기를 갖는 충전 전압(V_BAT)을 생성한다.

본 발명의 여러 실시형태는, 고전압 배터리(20)에 연결되어 고전압 배터리(20)의 단자 전압의 값을 그 보다 작은 전압값으로 변환하는 저전압 직류 변환 장치(Low Voltage DC-DC Converter: LDC)(100)와 충전 장치(10) 내의 직류 링크단의 직류 링크 전압(V_LINK)의 크기를 하향 변환하는 다른 하나의 저전압 직류 변환 장치(200)를 구비하는 것을 특징으로 한다.

제1 저전압 직류 변환 장치(100)는 그 입력단이 고전압 배터리(20)의 단자에 연결되고, 고전압 배터리(20)의 단자 전압의 크기를 하향 변환하여 보조 배터리(30)에 적용가능한 크기를 갖는 전압을 출력한다. 제1 저전압 직류 변환 장치(100)의 출력단은 보조 배터리(30) 및 차량의 전장 부하(미도시)에 연결될 수 있다.

제2 저전압 직류 변환 장치(200)는 그 입력단이 충전 장치(10) 내의 직류 링크단에 연결되고, 직류 링크 전압(V_LINK)을 하향 변환하여 보조 배터리(30)에 적용가능한 크기를 갖는 전압을 출력한다. 제2 저전압 직류 변환 장치(200)의 출력단은 보조 배터리(30) 및 차량의 전장 부하(미도시)에 연결될 수 있다. 즉, 제2 저전압 직류 변환 장치(200)는 제1 저전압 직류 변환 장치(200)와 출력단을 공유할 수 있다.

통상 고전압 배터리(20)의 전압이 수백 V(예를 들어, 400V 이상)이고 보조 배터리(30)의 전압이 수십 V(예를 들어, 12-24V)이며, 상용 교류 전압을 정류한 직류 링크 전압(V_LINK)이 대략 300 V 내외이므로, 제1 저전압 직류 변환 장치(100)는 제2 저전압 직류 변환 장치(200)에 비해 더 큰 직류 입력을 가지며, 더 큰 폭으로 전압을 변환하여야 한다.

제2 저전압 직류 변환 장치(200)는 제1 저전압 직류 변환 장치(100)에 비해 전압 변환의 폭이 작고 입력 전압도 작기 때문에, 제2 저전압 직류 변환 장치(200)를 구성하는 전기전자 부품은 제1 저전압 직류 변환 장치(100)를 구성하는 전기전자 부품의 전자기적 특성(예를 들면, 내압 용량 등)이 상대적으로 떨어지는 저렴한 부품으로 구성 가능하다. 더하여, 전압 변환의 폭이 적으므로 제2 저전압 직류 변환 장치(200)는 제1 저전압 직류 변환 장치(100)에 비해 전력 손실이 적다. 또한, 제2 저전압 직류 변환 장치(200)는 제1 저전압 직류 변환 장치(100)에 비해 낮은 전압을 입력 받아 스위칭 하게 되므로 그 내부 스위칭 소자에 의한 스위칭 손실도 감소하게 된다.

본 발명의 여러 실시형태는, 차량의 충전 여부에 따라 제1 저전압 직류 변환 장치(100)와 제2 저전압 직류 변환 장치(200)를 선택적으로 구동시킬 수 있다. 예를 들어, 외부의 충전 설비와 차량이 전기적으로 연결되어 충전 설비의 교류 전력이 제공되는 상태, 즉 고전압 배터리(20)의 충전이 진행 중인 상태에서는, 제1 저전압 직류 변환 장치(100)는 구동되지 않고(셧오프), 제2 저전압 직류 변환 장치(200)가 구동되게 할 수 있다.

즉, 차량의 고전압 배터리가 외부 충전 설비에 의해 충전이 진행되는 상태와 같이 저부하 상태인 경우에는 제1 저전압 직류 변환 장치(100)를 셧오프 시키고 제2 저전압 직류 변환 장치(200)를 구동함으로써, 본 발명의 여러 실시형태는 상대적으로 전력 손실 및 스위칭 손실을 감소시켜 전반적인 시스템 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 여러 실시형태는, 차량이 주행 중인 경우에는 제2 저전압 직류 변환 장치(200)를 셧오프 시키고 제1 저전압 직류 변환 장치(100)를 구동하여 주행 중에 요구되는 다양한 전장에 의한 고부하를 원활하게 공급할 수 있게 한다.

제1 저전압 직류 변환 장치(100)와 제2 저전압 직류 변환 장치(200)의 선택적인 구동은 차량에 마련된 여러 컨트롤러 중 하나가 담당할 수 있다. 예를 들어, HPCU(Hybrid Power Control Unit)가 제1 저전압 직류 변환 장치(100)와 제2 저전압 직류 변환 장치(200)의 선택적인 구동 및 구동되는 저전압 직류 변환 장치의 제어를 수행할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 차량용 전력 변환 시스템의 저전압 직류 변환 장치를 더욱 상세하게 도시한 회로도이다.

도 2를 참조하면, 제1 저전압 직류 변환 장치(100)는, 고전압 배터리(20)에 저장된 에너지를 교류로 변환하여 트랜스포머(T1)의 1차 코일로 제공하는 교류 생성 회로(110)와 1차 코일과 2차 코일을 포함하는 트랜스포머(T1)와, 트랜스포머(T1)의 2차 코일에 유도된 교류 전압을 직류로 변환하여 보조 배터리(30) 및 전장 부하(미도시)로 제공하는 직류 생성 회로(130)를 포함하여 구성될 수 있다.

교류 생성 회로(110)는 고전압 배터리(20)의 양단에 순차적으로 서로 연결된 커패시터(C1)와 제1 스위칭 소자(S11) 및 제2 스위칭 소자(S12)를 포함한다. 커패시터(C1)와 고전압 배터리(20)의 연결 노드에는 트랜스포머(T1)의 1차 코일의 일단이 연결되고, 제1 스위칭 소자(S11) 및 제2 스위칭 소자(S12)의 연결노드에는 트랜스포머(T1)의 1차 코일의 타단이 연결된다.

제2 스위칭 소자(S12)가 턴온되고 제1 스위칭 소자(S11)가 턴오프 되면, 고전압 배터리(20)에서 제공되는 에너지는 트랜스포머(T1)의 1차 코일에 (N1)에 축적된다. 이어, 제2 스위칭 소자(S12)가 턴오프되고 제1 스위칭 소자(S11)가 턴온되면, 트랜스포머(T1)의 1차 코일과 커패시터(C1)가 전류 루프를 형성하여 트랜스포머(T1)의 1차 코일에 축적된 에너지가 커패시터(C1)를 통해 환류하게 된다. 즉, 제1 스위칭 소자(S11)와 제2 스위칭 소자(S12)가 교번하여 온/오프를 반복하면 트랜스포머(T1)의 1차 코일에는 반대 방향으로 전류가 교번하여 흐르게 되는 교류 전력(전압)이 인가되는 상태가 된다.

트랜스포머(T1)의 1차 코일과 2차 코일은 고전압 배터리(20)의 출력 전압을 원하는 크기의 전압으로 변환하는데 적절한 권선비를 갖고 상호 전자기적 결합이 될 수 있다. 특히, 2차 코일은, 서로 동일한 권선수를 갖고 서로 직렬 연결된 두 개의 코일로 구현될 수 있다.

직류 생성 회로(130)는 트랜스포머(T1)의 두 개의 2차 코일에 각각 연결되어 2차 코일 각각에 의해 유도된 교류 전압이 정류되어 양의 값을 출력하도록 구현된 다이오드(D11, D12)와 다이오드(D11, D12)를 통과한 전력을 필터링하는 필터를 구성하는 인덕터(L1) 및 커패시터(C31)을 포함할 수 있다. 구체적으로, 트랜스포머(T1)의 2차 코일은 서로 직렬 연결된 제1 2차 코일 및 제2 2차 코일을 포함하며 제1 다이오드(D11)의 애노드는 제1 2차 코일의 일단에 연결되고, 제2 다이오드(D12)의 애노드는 제2 2차 코일의 일단에 연결되며, 제2 다이오드(D12)의 캐소드는 제1 다이오드(D11)의 캐소드와 연결된다. 제1 다이오드(D11)와 제2 다이오드(D12)의 캐소드는 필터를 구성하는 인덕터(L)의 일단에 연결되고, 인덕터(L)의 타단은 보조 배터리(30)의 일단에 연결된다. 또한, 필터를 구성하는 커패시터(C3)의 일단은 보조 배터리(30)의 일단에 연결되고 커패시터(C3)의 타단과 제1 2차 코일 및 제2 2차 코일의 연결노드는 보조배터리(30)의 타단에 연결된다.

제1 저전압 직류 변환 장치(100)와 비교할 때, 제2 저전압 직류 변환 장치(200)는 입력단이 연결되는 위치만 차이가 있을 뿐, 회로 구조는 실질적으로 동일한다. 제2 저전압 직류 변환 장치(200)는, 고전압 배터리(20)에 저장된 에너지를 트랜스포머(T1)의 1차 코일로 제공하는 교류 생성 회로(210)와 1차 코일과 2차 코일을 포함하여 1차 코일에 인가되는 교류 전압의 크기를 변환하여 2차 코일로 유도하는 트랜스포머(T2)와, 트랜스포머(T2)의 2차 코일에 유도된 교류 전압을 직류로 변환하여 보조 배터리(30) 및 전장 부하(미도시)로 제공하는 직류 생성 회로(230)를 포함하여 구성될 수 있다

제2 저전압 직류 변환 장치(200) 내의 교류 생성 회로(210), 트랜스포머(T2) 및 직류 생성 회로(230)의 구성과 동작은 제1 저전압 직류 변환 장치(100)와 실질적으로 동일하므로 그에 대한 상세한 설명을 생략하여도 당업계의 통상의 기술자가 실시하는데 문제가 없을 것이다.

한편, 본 발명의 일 실시형태에 따른 차량용 전력 변환 시스템은, 고전압 배터리(20)와 제1 저전압 직류 변환 장치(100) 사이의 전기적 연결을 단속하는 릴레이(RLY)와 같은 스위칭부가 구비될 수 있다. 이 스위칭부는 제1 저전압 직류 변환 장치(100)가 구동되고 제2 저전압 직류 변환 장치(200)가 셧오프될 때 단락되고, 제1 저전압 직류 변환 장치(100)가 셧오프되고 제2 저전압 직류 변환 장치(200)가 구동될 때 개방될 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서 제1 저전압 직류 변환 장치(100)가 셧오프되고 제2 저전압 직류 변환 장치(200)가 구동되는 경우는 고전압 배터리(20)의 충전이 진행 중인 상태인데, 이 경우에 제1 저전압 직류 변환 장치(100)가 제1 저전압 직류 변환 장치(100)의 입력단이 고전압 배터리(20)의 단자와 연결이 형성된 상태라고 하면 고전압 배터리(20)로 제공되는 충전 전력이나 고전압 배터리(20)에 저장된 에너지에 의해 제1 저전압 직류 변환 장치(100)는 전기적인 영향을 받을 수 있다. 따라서, 제1 저전압 직류 변환 장치(100)의 구동이 요구되지 않는 상태에서 제1 저전압 직류 변환 장치(100)와 고전압 배터리(20) 사이의 완벽한 아이솔레이션을 구현하기 위해 양자 사이의 전기적 연결을 단속하는 스위칭부를 구비하여 스위칭부를 개방 상태로 제어하는 것이 바람직하다.

물론, 직류 링크 전압(V_LINK)이 생성되는 직류 링크단과 제2 저전압 직류 변환 장치(200) 사이에도 스위칭부가 구비될 수도 있다. 하지만, 제2 저전압 직류 변환 장치(200)는 고전압 배터리(20)를 충전이 진행되는 상태에서 구동되므로 충전을 위한 외부 교류 전력이 인가되지 않는 상태에서는 직류 링크 전압(V_LINK)이 생성되지 않으며, 충전 장치(10) 내의 직류-직류 변환회로(15) 자체도 내부에 트랜스포머를 포함하여 그 입출력단이 아이솔레이션 되므로 고전압 배터리(20)에 의한 영향도 이미 제거된 상태일 수 있다. 따라서, 직류 링크단과 제2 저전압 직류 변환 장치(200) 사이에 스위칭부를 구비하는 것은 실익이 없다.

도 3은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 차량용 전력 변환 시스템의 저전압 직류 변환 장치를 더욱 상세하게 도시한 회로도이다.

도 3에 도시된 실시형태는, 제1 저전압 직류 변환 장치(100)와 제2 직류 변환 장치(200)가 변압기(T)와 직류 생성 회로(320)를 공유하는 회로구조를 갖는 실시형태이다.

이하에서는, 직류 생성 회로(320)를 공유하는 제1 저전압 직류 변환 장치(100)와 제2 직류 변환 장치(200)를 포함하는 장치를 편의상 제3 저전압 직류 변환 장치(300)라 칭하기로 한다.

제3 저전압 직류 변환 장치(300)는, 고전압 배터리(20)의 출력 전압을 교류 전압으로 변환하는 제1 교류 생성 장치(110)와, 직류 링크 전압(V_LINK)을 교류 전압으로 변환하는 제2 교류 생성 장치(210)와, 제1 교류 생성 장치(110) 및 제2 교류 생성 장치(210)에서 생성된 교류 전압이 각각 인가되며 서로 직렬 연결된 제1 1차 코일 및 제2 1차 코일과, 제1 1차 코일 및 제2 1차 코일과 전자기적으로 결합된 2차 코일을 포함하고, 상기 제1 1차 코일 및 제2 1차 코일에 인가되는 교류 전압의 크기를 변환하여 2차 코일로 유도하는 트랜스포머(T) 및 2차 코일로 유도된 교류전압을 직류로 변환하여 보조 배터리(30) 및 차량의 전장 부하(미도시)로 제공하는 직류 생성 회로(320)를 포함하여 구성될 수 있다.

제1 교류 생성 회로(110)는 고전압 배터리(20)의 양단에 순차적으로 연결된 커패시터(C1)와 제1 스위칭 소자(S11) 및 제2 스위칭 소자(S12)를 포함한다. 커패시터(C1)와 고전압 배터리(20)의 연결 노드에는 트랜스포머(T)의 제1 1차 코일의 일단이 연결되고, 제1 스위칭 소자(S11) 및 제2 스위칭 소자(S12)의 연결노드에는 트랜스포머(T)의 제1 1차 코일의 타단, 즉 제1 1차 코일과 제2 1차 코일의 연결노드가 연결된다.

제2 교류 생성 회로(210)는 직류 링크단(직류 링크 커패시터(C_LINK))에 고전압 배터리(20)의 양단에 순차적으로 연결된 커패시터(C2)와 제3 스위칭 소자(S21) 및 제4 스위칭 소자(S22)를 포함한다. 커패시터(C2)와 직류 링크단의 연결 노드에는 트랜스포머(T)의 제2 1차 코일의 일단, 즉 제1 1차 코일과 제2 1차 코일의 연결노드가 연결되고, 제3 스위칭 소자(S21) 및 제4 스위칭 소자(S22)의 연결노드에는 트랜스포머(T)의 제2 1차 코일의 타단이 연결된다.

고전압 배터리(20)의 충전이 진행 중인 경우에는, 스위칭부(RLY)의 개방에 의해 고전압 배터리(20)와 제1 교류 생성 회로(110) 사이의 전기적 연결이 차단되고 제1 교류 생성 회로(110) 내의 스위칭 소자(S11, S12)의 제어가 이루어지지 않으며, 제2 교류 생성 회로(210) 내의 스위칭 소자(S21, S22)가 상호 교번하여 온/오프 됨에 의해 직류 링크 전압(V_LINK)가 교류로 변환되어 트랜스포머(T)의 제2 1차 코일에 인가되고, 2차 코일에 유도된 교류 전압이 직류 생성 회로(320)에 의해 직류로 변환되어 보조 배터리(30) 및 차량의 전장 부하(미도시)로 제공된다.

고전압 배터리(20)의 충전이 이루어지지 않고 차량이 주행 중인 상태에서는, 스위칭부(RLY)가 단락 되고 제1 교류 생성 회로(110) 내의 스위칭 소자(S11, S12)가 상호 교번하여 온/오프 됨에 의해 고전압 배터리(20)의 출력 전압이 교류로 변환되어 트랜스포머(T)의 제1 1차 코일에 인가되고, 2차 코일에 유도된 교류 전압이 직류 생성 회로(320)에 의해 직류로 변환되어 보조 배터리(30) 및 차량의 전장 부하(미도시)로 제공된다.

이와 같이, 도 3에 도시된 실시형태는 트랜스포머(T)와 트랜스포머(T)에 의해 크기가 조정된 교류 전압을 다시 직류로 변환하는 직류 생성 회로(320)을 입력에 상관 없이 함께 공유함으로써 부품 수를 감소시키고 그에 따라 제작 원가를 절감할 수 있다.

이상에서 본 발명의 특정한 실시형태에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

10: 충전 장치 11: 정류회로
13: 역률 보정 회로 15: 직류-직류 변환 회로
20: 고전압 배터리(제1 에너지 저장 장치)
30: 보조 배터리(제2 에너지 저장 장치)
100: 제1 저전압 직류 변환 장치
200: 제2 저전압 직류 변환 장치

Claims

제1 에너지 저장 장치;
교류 전력을 정류하여 직류 링크 전압을 생성하는 정류회로 및 상기 직류 링크 전압의 크기를 변환하여 상기 제1 에너지 저장 장치의 충전 전압을 생성하는 직류-직류 변환회로를 포함하는 충전 장치;
상기 제1 에너지 저장 장치의 전압을 하향변환 하여 사전 설정된 크기를 갖는 저전압으로 출력하는 제1 저전압 직류 변환 장치; 및
상기 직류 링크 전압을 변환하여 상기 저전압을 출력하는 제2 저전압 직류 변환 장치를 포함하며,
상기 제1 저전압 직류 변환 장치는, 상기 제1 에너지 저장 장치의 출력 전압을 교류 전압으로 변환하는 제1 교류 생성 회로; 상기 교류 생성 회로에서 변환된 교류 전압이 인가되는 1차 코일과 상기 1차 코일과의 권선비에 따라 상기 1차 코일에 인가되는 교류 전압의 크기를 변환하여 출력하는 2차 코일을 갖는 트랜스포머; 및 상기 트랜스포머의 2차 코일에서 출력된 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 직류 생성 회로를 포함하며,
상기 제2 저전압 직류 변환 장치는, 상기 직류 링크 전압을 교류 전압으로 변환하여 상기 트랜스포머에 제공하는 제2 교류 생성 회로를 포함하며,
상기 교류 전력의 입력에 의한 상기 제1 에너지 저장 장치의 충전 진행 여부에 기반하여 상기 제1 교류 생성 회로와 상기 제2 교류 생성 회로를 선택적으로 구동되는 것을 특징으로 하는 차량용 전력 변환 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 충전 장치가 구동되어 상기 제1 에너지 저장 장치의 충전이 진행되는 중에는 상기 제1 저전압 직류 변환 장치가 셧오프되고 상기 제2 저전압 직류 변환 장치가 구동되고,
상기 제1 에너지 저장 장치의 충전이 진행되는 중이지 않은 상태에는 상기 제1 저전압 직류 변환 장치가 구동되고 상기 제2 저전압 직류 변환 장치가 셧오프되는 것을 특징으로 하는 차량용 전력 변환 시스템.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 제1 에너지 저장 장치와 상기 제1 저전압 직류 변환 장치 사이의 전기적 연결을 단속하는 스위칭부를 더 포함하며,
상기 스위칭부는 상기 제1 저전압 직류 변환 장치가 구동되고 상기 제2 저전압 직류 변환 장치가 셧오프될 때 단락되고, 상기 제1 저전압 직류 변환 장치가 셧오프되고 상기 제2 저전압 직류 변환 장치가 구동될 때 개방되는 것을 특징으로 하는 차량용 전력 변환 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 저전압 직류 변환 장치는,
상기 제1 에너지 저장 장치의 출력 전압을 교류 전압으로 변환하는 교류 생성 회로; 상기 교류 생성 회로에서 변환된 교류 전압이 인가되는 1차 코일과 상기 1차 코일과의 권선비에 따라 상기 1차 코일에 인가되는 교류 전압의 크기를 변환하여 출력하는 2차 코일을 갖는 트랜스포머; 및 상기 트랜스포머의 2차 코일에서 출력된 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 직류 생성 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 전력 변환 시스템.
청구항 4에 있어서,
상기 교류 생성 회로는, 상기 제1 에너지 저장 장치의 양단에 순차적으로 상호 연결된 커패시터, 제1 스위칭 소자 및 제2 스위칭 소자를 포함하며,
상기 커패시터와 상기 제1 에너지 저장 장치의 연결 노드에는 상기 트랜스포머의 1차 코일의 일단이 연결되고, 상기 제1 스위칭 소자 및 제2 스위칭 소자의 연결노드에는 상기 트랜스포머의 1차 코일의 타단이 연결되며,
상기 제1 스위칭 소자 및 제2 스위칭 소자가 교번하여 온/오프 됨에 의해 상기 트랜스포머의 1차 코일에 교류 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 차량용 전력 변환 시스템.
청구항 4에 있어서,
상기 트랜스포머는 서로 직렬연결된 제1 2차 코일 및 제2 2차 코일을 포함하며,
상기 직류 생성 회로는, 상기 제1 2차 코일의 일단에 연결된 애노드를 갖는 제1 다이오드와, 상기 제2 2차 코일의 일단에 연결된 애노드 및 상기 제1 다이오드의 캐소드에 연결된 캐소드를 갖는 제2 다이오드와, 상기 제1 다이오드의 캐소드에 일단이 연결되고 보조 배터리의 일단에 타단이 연결된 인덕터 및 상기 보조 배터리의 양단 사이에 연결된 커패시터를 포함하고, 상기 제1 2차 코일과 상기 제2 2차 코일의 연결노드가 상기 보조 배터리의 타단에 연결된 것을 특징으로 하는 차량용 전력 변환 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 제2 저전압 직류 변환 장치는,
상기 직류 링크 전압을 교류 전압으로 변환하는 교류 생성 회로; 상기 교류 생성 회로에서 변환된 교류 전압이 인가되는 1차 코일과 상기 1차 코일과의 권선비에 따라 상기 1차 코일에 인가되는 교류 전압의 크기를 변환하여 출력하는 2차 코일을 갖는 트랜스포머; 및 상기 트랜스포머의 2차 코일에서 출력된 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 직류 생성 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 전력 변환 시스템.
청구항 7에 있어서,
상기 교류 생성 회로는, 상기 제1 에너지 저장 장치의 양단에 순차적으로 상호 연결된 커패시터, 제3 스위칭 소자 및 제4 스위칭 소자를 포함하며,
상기 커패시터와 상기 제1 에너지 저장 장치의 연결 노드에는 상기 트랜스포머의 1차 코일의 일단이 연결되고, 상기 제3 스위칭 소자 및 제4 스위칭 소자의 연결노드에는 상기 트랜스포머의 1차 코일의 타단이 연결되며,
상기 제3 스위칭 소자 및 제4 스위칭 소자가 교번하여 온/오프 됨에 의해 상기 트랜스포머의 1차 코일에 교류 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 차량용 전력 변환 시스템.
청구항 7에 있어서,
상기 트랜스포머는 서로 직렬연결된 제1 2차 코일 및 제2 2차 코일을 포함하며,
상기 직류 생성 회로는, 상기 제1 2차 코일의 일단에 연결된 애노드를 갖는 제3 다이오드와, 상기 제1 2차 코일의 일단에 연결된 애노드 및 상기 제1, 2차 코일의 일단에 연결된 애노드를 갖는 제1 다이오드의 캐소드에 연결된 캐소드를 갖는 제4 다이오드와, 상기 제1 다이오드의 캐소드에 일단이 연결되고 보조 배터리의 일단에 타단이 연결된 인덕터 및 상기 보조 배터리의 양단 사이에 연결된 커패시터를 포함하고, 상기 제1 2차 코일과 상기 제2 2차 코일의 연결노드가 상기 보조 배터리의 타단에 연결된 것을 특징으로 하는 차량용 전력 변환 시스템.
삭제
제1 에너지 저장 장치;
교류 전력을 정류하여 직류 링크 전압을 생성하는 정류회로 및 상기 직류 링크 전압의 크기를 변환하여 상기 제1 에너지 저장 장치의 충전 전압을 생성하는 직류-직류 변환회로를 포함하는 충전 장치;
상기 제1 에너지 저장 장치의 전압 및 상기 직류 링크 전압 중 하나를 선택적으로 하향 변환하여 사전 설정된 크기의 저전압을 출력하는 저전압 직류 변환 장치를 포함하며,
상기 저전압 직류 변환 장치는, 상기 제1 에너지 저장 장치의 출력 전압을 교류 전압으로 변환하는 제1 교류 생성 장치;
상기 직류 링크 전압을 교류 전압으로 변환하는 제2 교류 생성 장치;
상기 제1 교류 생성 장치 및 상기 제2 교류 생성 장치에서 생성된 교류 전압이 각각 인가되며 서로 직렬 연결된 제1 1차 코일 및 제2 1차 코일과, 제1 1차 코일 및 제2 1차 코일과 전자기적으로 결합된 2차 코일을 포함하고, 상기 제1 1차 코일 및 제2 1차 코일에 인가되는 교류 전압의 크기를 변환하여 2차 코일로 유도하는 트랜스포머(T);
2차 코일로 유도된 교류전압을 직류로 변환하는 직류 생성 회로를 포함하고,
상기 충전 장치가 구동되어 상기 제1 에너지 저장 장치의 충전이 진행되는 중에는 상기 제1 교류 생성 장치가 셧오프되고 상기 제2 교류 생성 장치가 구동되며,
상기 제1 에너지 저장 장치의 충전이 진행되는 중이지 않은 상태에는 상기 제1 교류 생성 장치가 구동되고 상기 제2 교류 생성 장치가 셧오프되는 것을 특징으로 하는 차량용 전력 변환 시스템.
삭제
삭제
청구항 11에 있어서,
상기 제1 에너지 저장 장치와 상기 제1 교류 생성 장치 사이의 전기적 연결 상태를 단속하는 스위칭부를 더 포함하며,
상기 스위칭부는 상기 제1 교류 생성 장치가 구동되고 상기 제2 교류 생성 장치가 셧오프될 때 단락되고, 상기 제1 교류 생성 장치가 셧오프되고 상기 제2 교류 생성 장치가 구동될 때 개방되는 것을 특징으로 하는 차량용 전력 변환 시스템.