KR20140030458A

KR20140030458A - 단일 스위치를 사용한 복합형 충전 장치

Info

Publication number: KR20140030458A
Application number: KR1020120095199A
Authority: KR
Inventors: 유종욱; 김경만; 강찬호
Original assignee: 주식회사 이지트로닉스
Priority date: 2012-08-29
Filing date: 2012-08-29
Publication date: 2014-03-12
Also published as: KR101392494B1

Abstract

전기 자동차의 고전압 배터리와 저전압 배터리를 단일 회로를 사용하여 충전할 수 있는 복합형 충전 장치가 개시된다. 일 양상에 따른 충전 장치는, 교류 전원을 공급받아 스위칭하는 교류 전압 공급부와, 상기 스위칭된 교류 전압을 제1변환비율로 변환하여 고전압 출력단으로 출력하고, 상기 고전압 출력단에서의 교류 전압을 입력으로 하여 제2변환비율로 변환하여 저전압 출력단으로 출력하는 트랜스포머부와, 상기 제1변환비율로 변환하는 트랜스포머부의 출력부와 상기 고전압 출력단 사이와, 상기 제2전압비율로 변환하는 트랜스포머부의 입력부와 상기 고전압 출력단 사이에 위치하여 단락 또는 개방되는 스위치, 및 상기 스위치의 단락 및 개방을 제어하는 제어부를 포함한다. 이에 의해 고전압 배터리와 저전압 배터리를 각각 충전하기 위한 충전 회로에 포함된 중복되는 고가의 부품들을 회로적으로 통합하여 비용을 줄이면서 회로의 안전하고 안정된 동작을 보장할 수 있다.

Description

단일 스위치를 사용한 복합형 충전 장치 {United charger for electric vehicle using a single switch}

충전 회로, 특히 전기 자동차의 고전압 배터리와 저전압 배터리를 단일 회로를 사용하여 충전할 수 있는 복합형 충전 기술과 관련된다.

하이브리드(PHEV) 혹은 일반 전기 자동차(BEV) 등의 전기 자동차의 완속 충전 시스템은 상용 교류 전원을 입력받아 전기 자동차의 주행용 고전압 배터리를 충전하는 시스템을 말하며, 전기 자동차에 탑재된 탑재형 충전기(OBC : On Board Charger)를 통해 이루어진다. 완속 충전 시스템은 상용 전원을 전파 정류를 통해 직류로 변환한 다음 액티브 필터로 역률 조정을 하고 인버터로 고주파 교류로 변환한 다음 트랜스포머를 거쳐 직류로 변환하여 전기 자동차의 주행에 필요한 전력을 공급하는 고전압 배터리에 충전한다.

탑재형 충전기의 인버터는 입력되는 직류 전압을 고속으로 스위칭하여 고주파 교류로 변환하여 출력하는 고속 스위칭 회로를 포함한다. 한편, 전기 자동차에 있어서 전장용 전원 시스템에 전원을 공급하는 저전압 배터리의 충전은 주행용 고전압 배터리의 출력을 직류-직류 변환기 회로를 통해 감압시켜 행해진다. 고효율의 직류-직류 변환기 회로는 또한 입력되는 직류 전압을 고속으로 스위칭하여 고주파 교류로 변환하여 출력하는 고속 스위칭 회로를 포함한다.

따라서 전기 자동차에는 탑재형 충전기와 직류-직류 변환기의 두 충전 모듈이 탑재된다. 이로 인해 차량 내 공간을 차지할 뿐 아니라 고속 스위칭 회로와 같은 고가의 부품이 중복되어 사용되고 있다.

전기 자동차의 고전압 배터리와 저전압 배터리를 단일 회로를 사용하여 충전할 수 있는 복합형 충전 장치가 제공된다.

본 발명의 일 양상에 따른 전기자동차에서의 복합형 충전 장치는, 교류 전원을 공급받아 스위칭하는 교류 전압 공급부, 상기 스위칭된 교류 전압을 제1변환비율로 변환하여 고전압 출력단으로 출력하고, 상기 고전압 출력단에서의 교류 전압을 입력으로 하여 제2변환비율로 변환하여 저전압 출력단으로 출력하는 트랜스포머부, 상기 제1변환비율로 변환하는 트랜스포머부의 출력부와 상기 고전압 출력단 사이와, 상기 제2전압비율로 변환하는 트랜스포머부의 입력부와 상기 고전압 출력단 사이에 위치하여 단락 또는 개방되는 스위치, 및 상기 스위치의 단락 및 개방을 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.

여기서, 교류 전압 공급부는 LLC 공진회로, ZVS 전브리지 회로, 반브리지 회로 중 어느 하나를 포함할 수 있다.

또한 제어부는, 상기 고전압 출력단에 연결된 고전압 배터리에 충전하는 경우에는, 상기 제1변환비율로 변환하는 트랜스포머부의 출력단과 상기 고전압 출력단 사이를 단락시키고, 상기 제2전압비율로 변환하는 트랜스포머부의 입력단과 상기 고전압 출력단 사이는 개방시키도록 구성될 수 있다.

그리고 제어부는, 상기 저전압 출력단에 연결된 저전압 배터리에 충전하는 경우에는, 상기 제1변환비율로 변환하는 트랜스포머부의 출력단과 상기 고전압 출력단 사이를 개방시키고 상기 제2전압비율로 변환하는 트랜스포머부의 입력단과 상기 고전압 출력단 사이는 단락시키도록 구성될 수 있다.

여기서 스위치는, 3점 스위치이며, 제1접점은 상기 고전압 출력단과 상기 고전압 배터리 사이에 위치한 양방향 전브리지 스위칭회로의 제1센터점과 연결되고, 제2접점은 상기 제1변환비율로 변환하는 트랜스포머부의 출력단의 어느 한 단자에 연결되며, 제3접점은 상기 제2변환비율로 변환하는 트랜스포머부의 입력단의 어느 한 단자에 연결될 수 있다.

이때 양방향 전브리지 스위칭회로의 제2센터점은, 상기 제1변환비율로 변환하는 트랜스포머부의 출력단의 다른 한 단자에 연결됨과 동시에 상기 제2변환비율로 변환하는 트랜스포머부의 입력단의 다른 한 단자에 연결될 수 있다.

그리고 또한 스위치는, 하나의 릴레이 또는, IGBT, MOSFET를 포함하는 전력용 반도체를 포함할 수 있다.

고전압 배터리와 저전압 배터리를 각각 충전하기 위한 충전 회로에 포함된 중복되는 고가의 부품들을 회로적으로 통합하여 비용을 줄이면서 회로의 안전하고 안정된 동작을 보장한다.

또한 각 회로들의 배치와 조정을 통해 부품들의 용량을 낮추어 저가이고 소형화된 부품들을 사용할 수 있으며, 제어부를 통합함으로써 마이크로프로세서와 같은 고가의 부품들의 사용을 줄일 수 있다. 또한 트랜스포머의 부피와 중량을 감소시킬 뿐 아니라 그 방열을 위한 구조를 소형이면서 단순하게 할 수 있고, 스위치의 수를 줄여 부품 비용을 줄일 뿐 아니라 그 회로에서 발생하는 열을 처리하는 방열 구조의 비용도 줄일 수 있다.

도 1은 일 실시예에 따른 전기 자동차용 충전 장치의 구성도이다.
도 2는 스위치(130)의 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 실시예에 있어서, 고전압 배터리 충전 모드로 회로가 연결된 충전 경로를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 1에 도시된 실시예에 있어서, 저전압 배터리 충전 모드로 회로가 연결된 충전 경로를 설명하기 위한 도면이다.

전술한, 그리고 명시되지 않은 추가적인 목적들은 후술하는 실시예들을 통해 명확해질 것이다. 각 청구항에 기술된 양상들은 기술적으로 모순이 없는 한 독립적으로 상호간에 결합되어 다양한 발명을 구성하도록 조합될 수 있다. 후술하는 실시예들은 이러한 다양한 발명을 설명하는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 예를 상세히 설명한다.

도 1은 일 실시예에 따른 전기 자동차용 충전 장치의 구성도이다.

전기 자동차용 충전 장치는 교류 전압 공급부(110), 트랜스포머부(120), 스위치(130) 및 제어부(140)를 포함한다.

교류 전압 공급부(110)는 교류 전원을 공급받아 스위칭한다. 교류 전압 공급부(110)는 외부 교류 입력을 정류하고 고속으로 스위칭하여 고주파 교류로 변환하여 출력한다. 교류 전압 공급부(110)는 일예로 LLC 공진회로, ZVS(Zero Voltage Switching) 전브리지 회로, 반브리지 회로 중 어느 하나가 될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 일 실시예에 있어서, 교류 전압 공급부(110)는 전파정류회로(Full Bridge Rectifier)를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 교류 전압 공급부(110)의 전단에는 전자파 장해 필터(EMI Filter)를 더 포함할 수 있다. 고용량의 직류가 투입되는 급속 충전 모드와 달리, 완속 충전 모드에 있어서 외부 입력은 상용 교류 전력이다.

트랜스포머부(120)는 스위칭된 교류 전압을 제1변환비율로 변환하여 고전압 출력단으로 출력하고, 이 고전압 출력단에서의 교류 전압을 입력으로 하여 제2변환비율로 변환하여 저전압 출력단으로 출력한다. 여기서 제2변환비율은 제1변환비율보다 작으므로 고전압 배터리(150)에서의 높은 전압을 낮은 전압으로 감압하여, 저전압 배터리(160)에 충전할 수 있도록 한다.

스위치(130)는 제1변환비율로 변환하는 트랜스포머부(120)의 출력부와 고전압 출력단 사이와, 제2전압비율로 변환하는 트랜스포머부(120)의 입력부와 고전압 출력단 사이에 위치하여 단락 또는 개방된다.

스위치(130)는 도 1에서는 2개로 표현되었으나 도면상에서 2개의 스위치의 한 접점은 서로 연결되어 있어 공통으로 사용될 수 있으므로 하나의 3점 스위치로 구현하는 것이 바람직하다. 이때, 제1접점은 고전압 출력단과 고전압 배터리(150) 사이에 위치한 양방향 전브리지 스위칭회로의 제1센터점과 연결되고, 제2접점은 제1변환비율로 변환하는 트랜스포머부(120)의 출력단의 어느 한 단자에 연결되며, 제3접점은 제2변환비율로 변환하는 트랜스포머부(120)의 입력단의 어느 한 단자에 연결된다.

양방향 전브리지 스위칭회로는 전파 정류회로(Full Bridge Rectifier)와 LC 필터로 구성되어 제1변환비율로 변환된 교류를 직류로 변환하여 고전압 배터리(150)를 충전한다. 한편 저전압 배터리(160)를 충전하고자 하는 경우에, 고전압 배터리(150)의 출력은 동일한 양방향 전브리지 스위칭 회로를 거쳐 제2변환비율로 감압되어 저전압 배터리(160)로 공급된다.

이때 양방향 전브리지 스위칭회로의 제2센터점은, 제1변환비율로 변환하는 트랜스포머부(120)의 출력단의 다른 한 단자에 연결됨과 동시에, 제2변환비율로 변환하는 트랜스포머부(120)의 입력단의 다른 한 단자에 연결된다. 한편 스위치(130)는 하나의 릴레이로 구현될 수 있으며 또는, IGBT, MOSFET를 포함하는 전력용 반도체를 이용하여 구현될 수도 있다. 더 나아가 스위치(130)는 트랜지스터, FET, 트라이악(TRIAC), SSR, GTO, 전자접촉기(magnet contactor) 등 다양한 스위칭 소자를 이용하여 구현할 수도 있다.

제어부(140)는 스위치(130)의 단락 및 개방을 제어한다. 즉, 제어부(140)는 고전압 출력단에 연결된 고전압 배터리(150)에 충전하는 경우에는, 제1변환비율로 변환하는 트랜스포머부(120)의 출력단과 고전압 출력단 사이를 단락시키고, 제2전압비율로 변환하는 트랜스포머부(120)의 입력단과 고전압 출력단 사이는 개방시키고, 저전압 출력단에 연결된 저전압 배터리(160)에 충전하는 경우에는, 제1변환비율로 변환하는 트랜스포머부(120)의 출력단과 고전압 출력단 사이를 개방시키고 제2전압비율로 변환하는 트랜스포머부(120)의 입력단과 고전압 출력단 사이는 단락시키도록 스위치(130)를 제어한다. 즉, 제어부(140)는 고전압 배터리 충전 모드 또는 저전압 배터리 충전 모드 중 하나의 모드 선택 입력에 따라 타이밍에 맞추어 스위칭 제어 신호를 출력한다.

도 2는 스위치(130)의 일 실시예를 도시한 도면이다.

제1접점(210), 제2접점(220) 및 제3접점(230)을 구비하며, 각각의 접점(210, 220, 230)은 도 1을 참조하여 전술한 바와 같이 각각 고전압 출력단과 고전압 배터리(150) 사이에 위치한 양방향 전브리지 스위칭회로의 제1센터점, 제1변환비율로 변환하는 트랜스포머부(120)의 출력단의 어느 한 단자, 및 제2변환비율로 변환하는 트랜스포머부(120)의 입력단의 어느 한 단자에 연결된다.

도 3은 도 1에 도시된 실시예에 있어서, 고전압 배터리 충전 모드로 회로가 연결된 충전경로를 설명하기 위한 도면이다.

고전압 배터리 충전 모드로 동작하는 경우에는, 제1변환비율의 트랜스포머부(120)의 출력단으로의 경로는 단락되고, 제2변환비율의 트랜스포머부(120)의 입력단으로의 경로는 개방되도록 스위치(130)가 동작한다. 이에 의해 교류 전압 공급부(110)의 출력 교류 전압은 트랜스포머부(120)의 제1변환비율의 코일에 입력되어 고전압 출력단으로 출력되어 충전 경로가 형성됨을 알 수 있다.

도 4는 도 1에 도시된 실시예에 있어서, 저전압 배터리 충전 모드로 회로가 연결된 충전경로를 설명하기 위한 도면이다.

저전압 배터리 충전 모드로 동작하는 경우에는, 제1변환비율의 트랜스포머부(120)의 출력단으로의 경로는 개방되고, 제2변환비율의 트랜스포머부(120)의 입력단으로의 경로는 단락되도록 스위치(130)가 동작한다. 이에 의해 고전압 배터리(150)의 출력은 트랜스포머부(120)의 제2변환비율의 코일의 입력단으로 입력되어 전전압 출력단으로 출력됨으로써 저전압 배터리(160)로의 충전 경로가 형성됨을 알 수 있다.

이상에서 첨부된 도면을 참조하여 기술되는 실시예를 중심으로 설명되었지만 이에 한정되는 것은 아니며, 이로부터 당업자라면 자명하게 도출 가능한 다양한 변형예를 포괄하도록 의도된 특허청구범위에 의해 해석되어야 한다.

110 : 교류 전압 공급부
120 : 트랜스포머부
130 : 스위치
140 : 제어부
150 : 고전압 배터리
160 : 저전압 배터리

Claims

교류 전원을 공급받아 스위칭하는 교류 전압 공급부;
상기 스위칭된 교류 전압을 제1변환비율로 변환하여 고전압 출력단으로 출력하고, 상기 고전압 출력단에서의 교류 전압을 입력으로 하여 제2변환비율로 변환하여 저전압 출력단으로 출력하는 트랜스포머부;
상기 제1변환비율로 변환하는 트랜스포머부의 출력부와 상기 고전압 출력단 사이와, 상기 제2전압비율로 변환하는 트랜스포머부의 입력부와 상기 고전압 출력단 사이에 위치하여 단락 또는 개방되는 스위치; 및
상기 스위치의 단락 및 개방을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 복합형 충전 장치.
제1항에 있어서,
상기 교류 전압 공급부는 LLC 공진회로, ZVS 전브리지 회로, 반브리지 회로 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 복합형 충전 장치.
제1항에 있어서, 상기 제어부는
상기 고전압 출력단에 연결된 고전압 배터리에 충전하는 경우에는, 상기 제1변환비율로 변환하는 트랜스포머부의 출력단과 상기 고전압 출력단 사이를 단락시키고, 상기 제2전압비율로 변환하는 트랜스포머부의 입력단과 상기 고전압 출력단 사이는 개방시키는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 복합형 충전 장치.
제1항에 있어서, 상기 제어부는
상기 저전압 출력단에 연결된 저전압 배터리에 충전하는 경우에는, 상기 제1변환비율로 변환하는 트랜스포머부의 출력단과 상기 고전압 출력단 사이를 개방시키고 상기 제2전압비율로 변환하는 트랜스포머부의 입력단과 상기 고전압 출력단 사이는 단락시키는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 복합형 충전 장치.
제1항에 있어서,
상기 스위치는 3점 스위치이며, 제1접점은 상기 고전압 출력단과 상기 고전압 배터리 사이에 위치한 양방향 전브리지 스위칭회로의 제1센터점과 연결되고, 제2접점은 상기 제1변환비율로 변환하는 트랜스포머부의 출력단의 어느 한 단자에 연결되며, 제3접점은 상기 제2변환비율로 변환하는 트랜스포머부의 입력단의 어느 한 단자에 연결되는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 복합형 충전 장치.
제5항에 있어서,
상기 양방향 전브리지 스위칭회로의 제2센터점은, 상기 제1변환비율로 변환하는 트랜스포머부의 출력단의 다른 한 단자에 연결됨과 동시에 상기 제2변환비율로 변환하는 트랜스포머부의 입력단의 다른 한 단자에 연결되는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 복합형 충전 장치.
제5항에 있어서,
상기 스위치는 하나의 릴레이 또는, IGBT, MOSFET를 포함하는 전력용 반도체를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 복합형 충전 장치.