KR20190056153A - 무 역률보상회로 방식의 충전 시스템 - Google Patents

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KR20190056153A KR1020170153309A KR20170153309A KR20190056153A KR 20190056153 A KR20190056153 A KR 20190056153A KR 1020170153309 A KR1020170153309 A KR 1020170153309A KR 20170153309 A KR20170153309 A KR 20170153309A KR 20190056153 A KR20190056153 A KR 20190056153A
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Abstract

계통단에 역률 및 전류 품질 개선을 위한 회로를 필요로 하지 않는 무 역률보상회로 방식의 충전 시스템이 개시된다.

Description

무 역률보상회로 방식의 충전 시스템{CHARGING SYSTEM WITHOUT POWER FACTOR CORRECTION CIRCUIT}
본 발명은 충전 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 계통단에 역률 및 전류 품질 개선을 위한 회로를 필요로 하지 않는 무 역률보상회로 방식의 충전 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 자동차로서 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 차량 기술들은 대부분 계통(grid)으로부터 차량에 구비된 배터리를 충전하여 전동의 구동에 활용한다. 이에 따라, 전기 에너지를 이용한 친환경 차량은 계통으로부터 제공되는 전기 에너지를 배터리에 충전하기 위한 차량 탑재형 충전 회로가 요구된다.
차량 탑재형 충전 회로는 친환경 차량의 배터리 충전을 위해서 필수적인 회로로서 여러 가지의 다양한 토폴로지를 이용하여 구현될 수 있지만, 대부분의 차량 탑재형 충전 회로는 절연을 위한 고주파 트랜스포머와 필터, 다수의 스위칭 소자, 제어 모듈로 구현되고 있다.
특히, 계통에 연결되는 충전기 회로가 계통의 규정 만족을 위해 계통 전류의 품질 및 역률을 보장하기 위해 충전 회로는 별도의 역률보상회로(PFC: Power Factor Correction circuit)를 내장하고 있다. 이로 인해 충전 회로는 불가피하게 가격 및 부피가 상승하게 되며 결국 친환경 차량의 가격 상승으로 이어져 소비자의 경제적부담을 가중하여 친환경 차량 시장 성장의 걸림돌이 된다.
이에, 당 기술분야에서는 친환경 차량에 구비되는 차량 탑재형 충전 회로의 부피와 무게 및 비용을 줄이기 위한 다양한 연구 개발이 요구되고 있다.
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 10-2013-0068411 A KR 10-2014-0071593 A
이에 본 발명은, 차량 탑재형 충전 회로에서 계통 전류의 품질과 역률을 개선하기 위해 마련되는 역률보상회로를 제거하면서도 양호한 성능을 확보할 수 있는 무 역률보상회로 방식의 충전 시스템을 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,
계통전력을 정류하는 정류회로;
상기 정류회로에 의해 정류된 전압-전류를 입력 받아 충전 전압-전류로 변환하여 배터리로 제공하는 컨버터; 및
상기 정류회로와 상기 컨버터의 접속단 사이에 양단이 연결된 커패시터를 포함하며,
상기 컨버터는 상기 정류회로에 의해 정류된 전압-전류를 고주파 신호로 변환하는 제1 고주파 스위칭 회로와, 상기 제1 인버터에 의해 변환된 고주파 신호가 입력되는 2차측 코일 및 상기 2차측 코일과 전자기적으로 결합되어 상기 2차측 코일에 인가된 고주파 신호를 권선비에 따라 유도하여 출력하는 1차측 코일을 갖는 트랜스포머와, 상기 1차측 코일에 유도된 고주파 신호를 저주파로 변환하여 배터리로 제공하는 제2 고주파 스위칭 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 무 역률보상회로 방식의 충전 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 고주파 스위칭 회로 및 제2 고주파 스위칭 회로는 각각 복수의 스위칭 소자를 포함하는 풀브릿지 회로일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 커패시터는 필름 커패시터로 구현될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 제1 고주파 스위칭 회로 및 제2 고주파 스위칭 회로의 스위칭 듀티를 조정하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제어부는, 상기 2차측 코일의 전압이,
식 '
Figure pat00001
'과 같이 결정되도록 제1 고주파 스위칭 회로를 제어할 수 있다(Vs는 2차측 코일 전압, Vs'= (np/ns)*Vs, np: 1차측 코일 권선수, ns는 2차측 코일 권선수, Vdc는 커패시터 양단 전압, Es는 계통 전압의 피크값, Es'= (np/ns)*Es,
Figure pat00002
는 제1 고주파 스위칭 회로의 동작 주파수[rad/s],
Figure pat00003
는 계통 전압의 주파수[rad/s]).
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제어부는, 상위 제어기로부터 충전 전력 지령값(Ps)을 입력 받고, 충전 전력 지령값(Ps)과 사전 설정된 상기 제1 고주파 스위칭 회로에 의해 생성되는 고주파 성분의 역률(kpf)을 다음 식들에 적용하여 Iss, Isc, Ips, Ipc를 도출할 수 있다.
[식]
Figure pat00004
Figure pat00005
Figure pat00006
(Rp: 1차측 코일의 저항 성분, Lm: 1차측 코일과 2차측 코일의 상호 인덕턴스 성분, Rs: 2차측 코일 권선 저항 성분, Rs': 1차측으로 환산된 2차측 코일 권선 저항 성분 [Rs'= (np/ns)2 *Rs], Vs': 1차측으로 환산된 2차측 코일 양단 전압 [Vs'= (np/ns)*Vs], Is: 2차측 코일 전류, Is': 1차측으로 환산된 2차측 코일 전류 [Is'= (ns/np)*Is], Iss: Is'의 사인 성분 피크값, Isc: Is'의 코사인 성분 피크값이며, Ip: 1차측 코일 전류, Ips: Ip의 사인 성분 피크값, Ipc: Ip의 코사인 성분 피크값)
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제어부는 도출된 Ips, Ipc를 이용하여 상기 배터리를 충전하기 위한 충전 전류의 지령값을 도출하고, 상기 제2 고주파 스위칭 회로의 스위칭 듀티를 조정하여 상기 충전 전류의 지령값에 대응되는 충전전류가 배터리에 인가되도록 상기 트랜스포머의 2차측 권선의 전압을 조정할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제어부는, 상기 제1 고주파 스위칭 회로와 상기 제2 고주파 스위칭 회로의 캐리어 위상차를 최대로 고정하고, 상기 트랜스포머의 1차측 코일 전압을 계통 주파수의 2배로 변경하고, 상기 제2 고주파 스위칭 회로의 스위칭 주파수 마다 1과 -1을 번갈아 곱하여 구형파를 출력하여 상기 트랜스포머의 1차측 코일의 전압 지령을 생성할 수 있다.
본 발명에 따르면, 종래 충전 시스템에 비해 간단한 구조의 충전 시스템으로 구현 가능하며, 고주파 트랜스포머 시스템의 제어를 통해 계통에서 요구되는 역률 및 고조파 왜곡률을 만족시킬 수 있다.
이에, 본 발명에 따르면, 충전 시스템이 추가적인 필터 없이 단상 계통과 직접 연결될 수 있으며, 직류단 전압 형성을 위한 커패시터는 매우 작은 용량을 사용하기 때문에, 전체 시스템의 비용, 사이즈, 무게 및 신뢰성 측면에서 기존 시스템들에 대비해 우수한 성능과 장점을 가진다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 무 역률보상회로 방식의 충전 시스템을 도시한 회로도이다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 무 역률보상회로 방식의 충전 시스템을 더욱 상세하게 도시한 회로도이다.
도 5 및 도 6은 도 2에 도시된 본 발명의 일 실시형태에 따른 무 역률보상회로 방식의 충전 시스템 내의 트랜스포머를 모델링한 회로도이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시형태에 따른 무 역률보상회로 방식의 충전 시스템의 제어 동작을 설명하기 위한 제어 블록도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 무 역률보상회로 방식의 충전 시스템에 대하여 살펴본다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 무 역률보상회로 방식의 충전 시스템을 도시한 회로도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 무 역률보상회로 방식의 충전 시스템(10)은, 계통전원(40)을 정류하는 정류회로(11)와 정류회로(11)에 의해 정류된 전력을 충전 전력으로 변환하여 배터리(30)로 제공하는 컨버터(20)를 포함하여 구성될 수 있다. 특히, 정류회로(11)에 의해 정류된 전압이 인가되도록 컨버터(20)의 계통측 입력단에는 저용량의 커패시터(12)가 구비될 수 있다.
정류회로(11)는 통상적으로 네 개의 다이오드로 구현되는 전파정류회로로 구현될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서는 정류회로(11)의 출력 전압이 인가되도록 작은 용량의 커패시터(12)가 정류회로(11)의 출력단에 마련된다. 이 커패시터(12)는 정류회로(11)의 출력 전압을 일정하게 유지하는 평활회로의 용도로 사용되는 것이 아니라 후술하는 컨버터(20) 내의 고주파 스위칭에 따른 고주파 잡음을 제거하기 위한 것으로 작은 용량을 가질 수 있다. 따라서, 커패시터(12)는 고용량을 구현하기 위한 전해 커패시터(electrolytic capacitor)를 사용하지 않고 필름 커패시터(film capacitor)만이 사용된다.
컨버터(20)는 두 개의 고주파 스위칭 회로(21, 23)와 두 회로(21, 23) 사이에 마련되는 트랜스포머(22)를 포함하여 구성될 수 있다.
제1 고주파 스위칭 회로(21)는 정류된 전력을 고주파 신호로 변환하여 트랜스포머(22)의 입력측 코일로 인가할 수 있다.
트랜스포머(22)는 입력측 코일에 인가된 고주파 신호를 입력측 코일과 상호 인덕턴스를 형성하여 자기적으로 결합된 출력측 코일로 변환하여 출력할 수 있다.
제2 고주파 스위칭 회로(23)는 트랜스포머(22)의 출력측 코일에 출력된 고주파 신호를 다시 저주파로 변환하여 배터리(40)로 전달한다.
계통전원(40)은 외부로부터 일정 주파수로 공급되는 교류 전력(통상, 상용의 교류전원)을 의미하며, 배터리(30)는 전기차량 또는 플러그인 하이브리드 차량 등과 같이 바퀴를 회전시키는 구동력을 생성하는 전동기를 구비한 친환경 차량에서 전동기의 구동을 위한 전력을 공급하기 위한 에너지 저장 장치가 될 수 있다
제어부(50)는 배터리(40)로 제공되는 충전 전력의 지령값을 입력 받고 입력 받은 충전 전력 지령을 구현할 수 있는 충전 전압과 충전 전류가 배터리(40)로 제공될 수 있도록 고주파 스위칭 회로부(21, 23)를 제어할 수 있다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 무 역률보상회로 방식의 충전 시스템을 더욱 상세하게 도시한 회로도로서, 특히 컨버터(20)의 다양한 예를 도시한다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 적용되는 컨버터(20)는 그 내부에 마련된 트랜스포머(22)의 1차측(배터리측)과 2차측(정류회로측)이 각각 단상 권선의 형태로 구현되고, 트랜스포머(22)의 1차측과 2차측에 각각 연결된 고주파 스위칭 회로(23, 21)가 각각 네 개의 스위치 소자로 구현된 액티브 풀브릿지 회로로 구현될 수 있다.
또한, 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 적용되는 컨버터(20)는 그 내부에 마련된 트랜스포머(22)의 1차측(배터리측)이 3상 권선으로 구현되고 2차측(정류회로측)이 각각의 3상 권선과 전자기적으로 결합된 단상 권선으로 구현될 수 있다. 또한, 트랜스포머(22)의 1차측에 연결된 고주파 스위칭 회로(23)는 3상 권선 마다 상하로 하나씩 연결된 총 여섯 개의 스위칭 소자로 구현되는 액티브 풀브릿지 회로로 구현될 수 있으며, 트랜스포머(22)의 2차측에 연결된 고주파 스위칭 회로(21)는 2차측의 단상권선 양단의 상하로 하나씩 연결된 총 네 개의 스위칭 소자로 구현될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시형태에서, 컨버터(20)는 두 개의 액티브 풀브릿지 회로를 포함하는 구조를 가지므로 더블 액티브 브릿지(Double Active Bridge: DAB)라고도 칭할 수 있다.
본 발명의 여러 실시형태는 이 더블 액티브 브릿지를 구성하는 스위칭 소자의 제어를 통해 계통전원(40)에서 공급되는 전력을 배터리(30)로 공급하면서도 계통 전류의 품질 및 역률을 보장하고자 하는 것이다. 이를 위해서, 본 발명의 여러 실시형태에서는, 더블 액티브 브릿지가 기존의 전력 전달의 위한 동작뿐만 아니라 계통 전류의 모양의 개선하기 위한 제어도 함께 수행하도록 스위칭 소자를 제어할 수 있다.
한편, 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시형태는, 권선형 동기 전동기(22')의 고정자 코일과 계자 코일 사이의 상호 인덕턴스에 의한 전자기적 결합을 활용하여 별도의 트랜스포머를 마련하지 않고서도 충전 시스템을 구축할 수 있다. 즉, 권선형 동기 전동기(22')의 고정자 코일이 트랜스포머의 1차측 권선이 될 수 있고, 계자 코일이 트랜스포머의 2차측 권선이 될 수 있다.
권선형 동기 전동기(22')를 구동하기 위한 시스템에서는 배터리(30) 전력을 3상 교류 전력으로 변환하여 권선형 동기 전동기의 고정자 코일로 공급하는 고주파 스위칭 회로(23)와, 배터리(30) 전력을 단상 교류로 변환하여 계자 코일에 제공하는 브릿지 회로가 미리 마련되어 있으므로 컨버터를 추가로 구현할 필요가 없으며 계통전원(40)과 계자 코일에 연결된 브릿지 회로를 연결하기 위한 다이오드 정류회로(11)와 커패시터(12)만 마련하면 충전 시스템을 구현할 수 있다. 다만, 충전 시 배터리(30)와 계자 코일에 연결된 브릿지 회로(21)를 전기적으로 절연시킬 수 있는 릴레이(R)를 추가하여야 한다.
권선형 동기 전동기를 충전 시스템의 컨버터로 적용하는 기술은, 동 출원인에 의해 출원된 한국특허출원 제10-2016-0140223호 및 제10-2016-0140224호에 상세하게 기술된다.
이상과 같은 회로 구성을 갖는 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 무 역률보상회로 방식의 충전 시스템의 동작에 대해 설명한다.
도 5 및 도 6은 도 2에 도시된 본 발명의 일 실시형태에 따른 무 역률보상회로 방식의 충전 시스템 내의 트랜스포머를 모델링한 회로도이다. 특히, 도 5는 본 발명의 일 실시형태에 적용되는 권선형 동기 전동기의 트랜스포머의 1차측(배터리측) 코일과 2차측(정류회로측) 코일이 존재하는 형태로 모델링한 것이다. 또한, 도 6은 도 5에 도시된 것과 같은 트랜스포머 모델의 1차측(배터리측) 코일과 2차측(정류회로측) 코일의 권선비를 고려하여 1차측(배터리측)으로 파라미터들을 변환한 모델을 도시한 회로도이다.
도 5 및 도 6에 도시된 모델에서 각 파라미터는 다음과 같이 정의될 수 있다.
np: 1차측(배터리측) 코일 권선수
ns: 2차측(정류회로측) 코일 권선수
Rp: 1차측 코일 권선 저항 성분
Llp: 1차측 코일 누설 인덕턴스 성분
Lmp: 1차측 코일 상호 인덕턴스 성분
Rs: 2차측 코일 권선 저항 성분
Lls: 2차측 코일 누설 인덕턴스 성분
Lms: 2차측 코일 상호 인덕턴스 성분
Lls': 1차측으로 환산된 2차측 코일 누설 인덕턴스 성분 [Lls'= (np/ns)2 *Lls]
Rs': 1차측으로 환산된 2차측 코일 권선 저항 성분 [Rs'= (np/ns)2 *Rs]
Vp: 1차측 코일 양단 전압
Vs: 2차측 코일 양단 전압
Vs': 1차측으로 환산된 2차측 코일 양단 전압 [Vs'= (np/ns)*Vs]Ip: 1차측 코일 전류
Is: 2차측 코일 전류
Is': 1차측으로 환산된 2차측 코일 전류 [Is'= (ns/np)*Is]
본 발명의 일 실시형태에서, 트랜스포터(22)의 2차측(정류회로측) 코일에 연결된 고주파 스위칭 회로(21)와 정류회로(11)의 연결단(직류단)의 전압(Vdc)은 계통 전압(Vg)에 따라 변화하게 된다. 따라서, 계통 전압(Vg)이 0(zero) 또는 그에 가까운 값을 갖는 경우에는 2차측(정류회로측) 코일 양단 전압(Vs 또는 Vs')을 조정하여 배터리(30)로 제공되는 출력을 제어하기 어렵게 된다. 이러한 점을 고려하여, 본 발명의 일 실시형태는 2차측(정류회로측) 코일 양단 전압(Vs 또는 Vs')을 항상 최대한 출력할 수 있게 하고 이 2차측(정류회로측) 코일 양단 전압(Vs 또는 Vs')에 따라 적절히 1차측(배터리측) 코일 양단 전압(Vp)을 조절하여 배터리 공급 전력을 제어할 수 있다.
2차측(정류회로측) 코일 양단 전압은 다음 식 1과 같이 표현될 수 있다.
[식 1]
Figure pat00007
식 1에서 Es는 계통 전압의 피크값, Es'는 1차측으로 환산된 계통 전압 피크값[Es'= (np/ns)*Es]이고,
Figure pat00008
는 고주파 스위칭 회로의 동작 주파수[rad/s] 이고,
Figure pat00009
는 계통 전압의 주파수[rad/s]이다.
이 경우, 2차측(정류회로측) 코일에 흐르는 전류 및 1차측(배터리측) 코일의 전압 및 그에 흐르는 전류 및 2차측(정류회로측)는 다음 식 2와 같이 사인 및 코사인 성분으로 표현할 수 있다.
[식 2]
Figure pat00010
식 2에서, Iss는 Is'의 사인 성분 피크값이고, Isc는 Is'의 코사인 성분 피크값이며, Eps는 Vp의 사인 성분 피크값이고, Epc는 Vp의 코사인 성분 피크값이며, Ips는 Ip의 사인 성분 피크값이고, Ipc는 Ip의 코사인 성분 피크값이다.
여기서, 도 6에 도시된 회로의 구조에서 1차측(배터리측) 코일의 전압과 2차측(정류회로측) 코일의 전압은 다음 식 3을 만족하여야 한다.
[식 3]
Figure pat00011
2차측(정류회로측) 코일의 전압을 상기 식 1과 같이 결정할 때, 원하는 출력 Ps를 얻기 위한 식 2의 파라미터 값들은 식 3으로부터 다음 식 4와 같이 설정할 수 있다.
[식 4]
Figure pat00012
Figure pat00013
Figure pat00014
여기서 kpf는 고주파 스위칭 회로(21, 23)에 의해 생성되는 고주파 성분의 역률을 의미하며 계통의 역률과는 무관한 값으로, 트랜스포머(22)의 동손을 고려하여 효율적으로 설정할 수 있다. 더욱 상세하게, kpf는 고주파 스위칭 회로에서 만들어 주는 고주파 전압의 역률(위상차)를 의미하는 것인데, Vp와 Vs'에 대해 식 4에서 Vp*Ip(충전 전력)가 최대가 되는 방향의 kpf값을 찾는 방식으로 결정될 수 있다. 이는 바탕으로 실험적 반복을 통해 최적 해를 구할 수하는 방식으로 결정될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 무 역률보상회로 방식의 충전 시스템은 단상 계통(40)과 연결되므로 계통 전류의 역률이 1에 가까울 경우, 전력이 계통의 2배 주파수로 들어오게 된다. 또한 본 발명의 일 실시형태에 따른 무 역률보상회로 방식의 충전 시스템은 2차측에 연결된 커패시터(12)의 용량이 매우 작기 때문에 2차측(정류회로측) 코일로 입력되는 전력은 거의 변화 없이 1차측(배터리측) 코일로 제공되는 전력(Ps) 와 같게 된다. 이는 전력(Ps)를 조절하여 입력 전력도 조절할 수 있다는 것을 의미하고, 전력(Ps)를 계통의 2배 주파수로 변화시켜 계통 전류 모양을 정할 수 있게 된다. 즉, 계통의 역률 및 고조파를 제거 할 수 있다.
상기 식 4를 기반으로 구현되는 전류지령 및 전압지령 계산을 위한 제어 블록도가 도 7에 도시된다. Iss, Isc, Ips, Ipc를 얻기 위해선 식 4의 모든 변수를 알아야 하는데, kpf를 포함한 나머지 값들은 미리 설정되는 값이고, 충전 전력 지령값(Ps*)는 상위 제어기에서 내려오는 지령값이다. 이 지령값을 입력 받아 식 4에 의해 계산된 전류(Ip) 생성하도록 고주파 스위칭 회로(23)에 전압 지령값(Vp*)을 결정하게 된다.
전술한 것과 같은 제어 동작은 제어부(50)에서 수행될 수 있다.
정리하면, 제어부(50)는 상위 제어기로부터 충전 전력 지령값(Ps*)을 제공받고, 상기 식 4에 충전 전력 지령값(Ps*) 및 여러 변수들을 입력하여 Iss, Isc, Ips, Ipc를 도출할 수 있다. 도출된 Iss, Isc, Ips, Ipc를 이용하여 제어부(50)는 충전 전류의 지령값(Ip*)을 도출할 수 있으며 PR 제어 등을 통해 실제 충전 전류가 충전 전류의 지령값(Ip*)을 추종하게 할 수 있는 충전 전압의 지령값(Vp*)을 도출할 수 있다. 제어부(50)는 트랜스포머(22)의 1차측(배터리측) 권선의 전압이 이 충전 전압의 지령값(Vp*)이 될 수 있도록 고주파 스위칭 회로(23)의 스위칭 듀티를 제어할 수 있다. 또한, 제어부(50)는 상기 식 1을 이용하여 트랜스포머(22)의 2차측(계통측) 권선의 전압의 지령값(Vs*)을 도출하고 트랜스포머(22)의 2차측(계통측) 권선의 전압이 이 지령값(Vs*)이 되도록 고주파 스위칭 회로(23)의 스위칭 듀티를 제어할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시형태에 따른 무 역률보상회로 방식의 충전 시스템의 또 다른 제어 동작을 설명하기 위한 제어 블록도이다.
고주파 정현파를 사용하는 것은 일반적으로 그 고주파가 인버터의 스위칭 주파수의 대략 10배 이하의 주파수인 경우에 사용한다. 보다 높은 주파수를 적용하기 위해서는 구형파를 주입하게 되며 이 경우 최대 스위칭 주파수까지 주파수를 높일 수 있다. 이러한 방식은 흔히 DAB 라는 시스템에서 많이 사용되며, 전력 계산을 위해 사용되는 값들이 모두 구형파의 기본파 성분만을 고려하나, 구형파의 경우 그 이상의 주파수의 많은 성분을 포함하기 때문에 기본파 성분만을 고려한 전력 계산은 많은 오차가 있을 수 있다. 하지만 그 전력의 크기는 전압 크기나 양측의 PWM 캐리어의 위상을 변화 시켜 조절 할 수 있으며, 식 5와 같이 표현될 수 있다.
[식 5]
Figure pat00015
식 5에서, Llt 는 트랜스포머의 1차측과 2차측의 리키지 인덕턴스의 합이며, Fs는 스위칭 주파수를 의미하고, d는 양측 PWM 캐리어의 딜레이의 비를 의미한다. 즉, d는 양측 캐리어의 위상차를 2π로 나눈 값이며, -0.25 < d < 0.25 에서 조절될 수 있다.
도 8에 도시된 제어 방식은, 2차측의 경우 도 7의 제어 방식과 같이 최대 전압을 출력하게 하고, 1차측은 원하는 전력을 얻기 위해 그 크기가 조절된다. 여기서 위에서 언급한 것처럼 d 를 조절 하여 원하는 파워를 얻을 수 도 있으나, 본 발명의 일 실시형태에서는 d 를 최대로 고정한 상태에서 1차측의 전압(Vp) 만을 변화시켜 구동하는 방식을 사용하고자 한다.
전술한 것과 같은 고주파와 같이 출력 전력은 계통 주파수의 2배 주파수를 가져야 하므로, 1차측 전압은 계통 주파수의 2배로 바꾸어 준다. 또한 스위칭 주파수의 구형파 전압 생성을 위해서 스위칭 주파수 마다 1과 -1을 번갈아 곱해주어 원하는 구형파를 출력한다. 정현파와는 다르게 출력 전력이 다소 오차가 있을 수 있으므로 원하는 전력 출력을 위해서 PI 제어기를 적용할 수 있다. 2차단 전압은 커패시터(12) 양단 전압의 크기에 따라 변화하여 출력 가능한 최대 전압을 출력한다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시형태는 종래 충전 시스템에 비해 간단한 구조의 충전 시스템으로 구현 가능하며, 고주파 트랜스포머 시스템의 제어를 통해 계통에서 요구되는 역률 및 고조파 왜곡률을 만족시킬 수 있다. 이에, 본 발명의 일 실시형태는 추가적인 필터 없이 단상 계통과 직접 연결될 수 있으며, 직류단 전압 형성을 위한 커패시터는 매우 작은 용량을 사용하기 때문에, 전체 시스템의 비용, 사이즈, 무게 및 신뢰성 측면에서 기존 시스템들에 대비해 우수한 성능과 장점을 가진다.
본 발명은 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 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
10: 충전 시스템 12: 커패시터
20: 컨버터 21, 23: 고주파 인버터
22: 트랜스포머 30: 배터리
40: 계통(전력) 50: 제어부

Claims (8)

  1. 계통전력을 정류하는 정류회로;
    상기 정류회로에 의해 정류된 전압-전류를 입력 받아 충전 전압-전류로 변환하여 배터리로 제공하는 컨버터; 및
    상기 정류회로와 상기 컨버터의 접속단 사이에 양단이 연결된 커패시터를 포함하며,
    상기 컨버터는 상기 정류회로에 의해 정류된 전압-전류를 고주파 신호로 변환하는 제1 고주파 스위칭 회로와, 상기 제1 인버터에 의해 변환된 고주파 신호가 입력되는 2차측 코일 및 상기 2차측 코일과 전자기적으로 결합되어 상기 2차측 코일에 인가된 고주파 신호를 권선비에 따라 유도하여 출력하는 1차측 코일을 갖는 트랜스포머와, 상기 1차측 코일에 유도된 고주파 신호를 저주파로 변환하여 배터리로 제공하는 제2 고주파 스위칭 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 무 역률보상회로 방식의 충전 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 고주파 스위칭 회로 및 제2 고주파 스위칭 회로는 각각 복수의 스위칭 소자를 포함하는 풀브릿지 회로인 것을 특징으로 하는 무 역률보상회로 방식의 충전 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 커패시터는 필름 커패시터인 것을 특징으로 하는 무 역률보상회로 방식의 충전 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    제1 고주파 스위칭 회로 및 제2 고주파 스위칭 회로의 스위칭 듀티를 조정하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 무 역률보상회로 방식의 충전 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 2차측 코일의 전압이,
    식 '
    Figure pat00016
    '과 같이 결정되도록 제1 고주파 스위칭 회로를 제어하는 것을 특징으로 하는 무 역률보상회로 방식의 충전 시스템(Vs는 2차측 코일 전압, Vs'= (np/ns)*Vs, np : 1차측 코일 권선수, ns는 2차측 코일 권선수, Vdc는 커패시터 양단 전압, Es는 계통 전압의 피크값, Es'= (np/ns)*Es,
    Figure pat00017
    는 제1 고주파 스위칭 회로의 동작 주파수[rad/s],
    Figure pat00018
    는 계통 전압의 주파수[rad/s]).
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제어부는, 상위 제어기로부터 충전 전력 지령값(Ps)을 입력 받고, 충전 전력 지령값(Ps)과 사전 설정된 상기 제1 고주파 스위칭 회로에 의해 생성되는 고주파 성분의 역률(kpf)을 다음 식들에 적용하여 Iss, Isc, Ips, Ipc를 도출하는 것을 특징으로 하는 무 역률보상회로 방식의 충전 시스템
    Figure pat00019

    Figure pat00020

    Figure pat00021

    (Rp: 1차측 코일의 저항 성분, Lm: 1차측 코일과 2차측 코일의 상호 인덕턴스 성분, Rs: 2차측 코일 권선 저항 성분, Rs': 1차측으로 환산된 2차측 코일 권선 저항 성분 [Rs'= (np/ns)2 *Rs], Vs': 1차측으로 환산된 2차측 코일 양단 전압 [Vs'= (np/ns)*Vs], Is: 2차측 코일 전류, Is': 1차측으로 환산된 2차측 코일 전류 [Is'= (ns/np)*Is], Iss: Is'의 사인 성분 피크값, Isc: Is'의 코사인 성분 피크값이며, Ip: 1차측 코일 전류, Ips: Ip의 사인 성분 피크값, Ipc: Ip의 코사인 성분 피크값).
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제어부는 도출된 Ips, Ipc를 이용하여 상기 배터리를 충전하기 위한 충전 전류의 지령값을 도출하고, 상기 제2 고주파 스위칭 회로의 스위칭 듀티를 조정하여 상기 충전 전류의 지령값에 대응되는 충전전류가 배터리에 인가되도록 상기 트랜스포머의 2차측 권선의 전압을 조정하는 것을 특징으로 하는 무 역률보상회로 방식의 충전 시스템.
  8. 청구항 4에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 제1 고주파 스위칭 회로와 상기 제2 고주파 스위칭 회로의 캐리어 위상차를 최대로 고정하고, 상기 트랜스포머의 1차측 코일 전압을 계통 주파수의 2배로 변경하고, 상기 제2 고주파 스위칭 회로의 스위칭 주파수 마다 1과 -1을 번갈아 곱하여 구형파를 출력하여 상기 트랜스포머의 1차측 코일의 전압 지령을 생성하는 것을 특징으로 하는 무 역률보상회로 방식의 충전 시스템.
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