KR20180004680A - 전기자동차용 캐스코드 컨버터 및 그 구동방법 - Google Patents

전기자동차용 캐스코드 컨버터 및 그 구동방법 Download PDF

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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.

Description

전기자동차용 캐스코드 컨버터 및 그 구동방법{CASCODED CONVERTER FOR ELECTRIC VEHICLE, AND METHOD FOR CONTROLING THEREOF}
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.
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.
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.
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.
한국등록특허 제10-0579297호 한국등록특허 제10-1031217호
본 발명의 일측면은 종래의 전기자동차의 하이브리드 에너지 저장 시스템에 비해 동작 성능 및 효율이 향상된 전기자동차용 캐스코드 컨버터 및 그 구동방법을 제공한다.
본 발명의 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
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.
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.
상기 변압기와 상기 양방향 컨버터 사이에 마련되고, 상기 변압기를 통해 전달되는 출력을 정류하는 정류 회로를 더 포함할 수 있다.
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.
적어도 하나의 상기 일차 스위치 및 적어도 하나의 상기 이차 스위치의 턴온 또는 턴오프를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
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.
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.
상기 양방향 컨버터는 양방향 벅-부스트 DC-DC 컨버터인 것을 특징으로 할 수 있다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차용 캐스코드 컨버터(1000)의 개략적인 구성이 도시된 회로도이다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차용 캐스코드 컨버터(1000)는 제어부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
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.
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.
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.
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.
Figure 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.
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.
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.
도 3 내지 도 7은 도 1의 전기자동차용 캐스코드 컨버터(100)의 구체적인 동작 과정이 도시된 도면이다.
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.
도 3에 도시된 바와 같이, 전기자동차가 정속 주행 중일 때, 본 발명에 따른 전기자동차용 캐스코드 컨버터(100)는 제1 동작 모드로 동작될 수 있다.
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.
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.
Figure 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.
도 4는 위상 천이 각도 제어 방법에 따른 주요 파형이 도시된 도면이다.
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.
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.
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.
한편, 전압 이득 M과 위상 천이 각도 φ와의 관계는 다음과 같다.
Figure pat00003
여기서, Q는 정규화된 Q팩터(quality factor)이고, 다음의 수학식에 의해 정의될 수 있다.
Figure pat00004
여기서, Zr은 특성 임피던이며, 다음의 수학식에 의해 정의될 수 있다.
Figure 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.
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.
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.
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.
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.
이하에서는, 도 8 내지 도 11을 참조하여 본 발명에 따른 전기자동차용 캐스코드 컨버터(100)의 성능 실험 및 효과를 설명하기로 한다.
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.
Figure pat00006
전기자동차의 구동계에 요구되는 순시 전력(P)는 운동에너지, 공기저항(Far) 및 롤링저항(Frr)의 합으로 산출되며, 이는 수학식 6과 같다.
Figure pat00007
그리고, 슈퍼커패시터의 에너지(E)는 하기의 수학식 7에 의해 산출될 수 있다.
Figure 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.
Figure pat00009
도 10은 실험 대상으로 설계된 프로토타입의 정상 상태 파형이 도시된 도면이다.
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 pat00010
)일 때의 출력 전압의 정상 상태 파형이 도시된 그래프이다. 도시된 파형은 도 3을 참조하여 설명한 주요 파형과 일치한다.
또한, 도 11은 종래의 LLC 컨버터와 본 발명에 따른 전기자동차용 캐스코드 컨버터(100)의 효율을 비교한 그래프이다.
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.
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.
10: 풀 브릿지 LLC 컨버터
20: 변압기
30: 정류 회로
40: 양방향 컨버터
50: 슈퍼커패시터

Claims (11)

  1. 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 포함하는, 전기자동차용 캐스코드 컨버터.
  2. 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.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 변압기와 상기 양방향 컨버터 사이에 마련되고, 상기 변압기를 통해 전달되는 출력을 정류하는 정류 회로를 더 포함하는, 전기자동차용 캐스코드 컨버터.
  4. 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.
  5. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 상기 일차 스위치 및 적어도 하나의 상기 이차 스위치의 턴온 또는 턴오프를 제어하는 제어부를 더 포함하는, 전기자동차용 캐스코드 컨버터.
  6. 제5항에 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.
  7. 제6항에 있어서,
    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 유지시키는, 전기자동차용 캐스코드 컨버터.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 양방향 컨버터는 양방향 벅-부스트 DC-DC 컨버터인 것을 특징으로 하는, 전기자동차용 캐스코드 컨버터.
  9. 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 충전하는, 전기자동차용 캐스코드 컨버터의 구동 방법.
  10. 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.
  11. 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 유지시키는, 전기자동차용 캐스코드 컨버터의 구동 방법.
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