KR20220045024A - 플러그인 전기 자동차용 충전기 - Google Patents

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KR20220045024A
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후아 바이
리안 추
볼프강 베크
미하엘 노이도르프호퍼
게르트 슐라거
라크슈미 바라하 이예르
필립 코르타
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마그나 인터내셔널 인코포레이티드
유니버시티 오브 테네시 리서치 파운데이션
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Abstract

전기 자동차용 배터리 충전기는 배터리에 전력을 공급하기 위해 출력 버스에 DC 출력 전력을 공급한다. 배터리 충전기는 스위치를 사용하여 AC 소스로부터의 AC 전력을 DC 링크 버스 상의 DC 링크 전압으로 변환하는 AC/DC 컨버터를 포함한다. DC 링크 커패시터는 종래의 충전기 설계보다 큰 DC 링크 전압의 리플을 허용한다. DC/DC 스테이지는 DC 링크 버스로부터의 전류를 선택적으로 전도하여 AC 전력을 변압기에 공급하는 하나 이상의 스위치를 포함하는 DC/AC 컨버터를 포함한다. DC/AC 컨버터의 스위치는 열을 소산하기 위해 변압기 하우징과 열 접촉하는 절연 금속 기판에 장착된다. 제어기는 DC/AC 컨버터의 하나 이상의 스위치를 제어하고 DC 링크 전압의 리플에 응답하여 스위칭 주파수를 변경한다.

Description

플러그인 전기 자동차용 충전기
관련 출원에 대한 상호 참조
본 PCT 국제 특허 출원은 2019년 8월 16일자로 출원된 "Charger For In Plug-In Electric Vehicles"라는 명칭의 미국 가특허 출원 제62/887,910호의 이익 및 우선권을 주장하며, 그 전체 개시내용은 본 명세서에 참조로 포함된다.
통상적으로 전기 그리드에 대한 연결에 의해 제공되는 고정 전력원을 사용하여 플러그인 전기 자동차(EV)의 배터리 팩을 충전하기 위한 다양한 유형 및 장치가 존재한다. '배터리 충전기'라고도 명명되는 플러그인 EV 충전기는 광범위하게 레벨 1, 2 또는 3으로 분류될 수 있다. 레벨 1 충전기는 표준 단상 콘센트(북미에서는 120 VAC)를 사용하며 앞서 설명한 충전기의 3개의 레벨 중에서 배터리 팩을 충전하는 데 가장 오랜 시간이 걸린다. 레벨 2 충전기는 더 높은 공급 전압(북미에서는 240 VAC)을 이용하며 통상적으로 자동차 제조업자 또는 기타 전기 공급 장비 제조업자에 의해 $1000 내지 $3000 범위의 추가 비용으로 판매된다. 레벨 2 충전은 일반적으로 통상적인 플러그인 EV의 배터리 팩을 충전하는 데 2-4시간이 걸린다.
플러그인 EV 충전기는 EV와 일체화되거나 및/또는 독립형 유닛으로서 제공될 수 있다. 플러그인 EV 충전기의 크기와 중량은 중요한 고려 사항이다. 이는 EV와 일체화되거나 달리 운송되는 충전기에 대해 특히 해당한다.
본 개시내용은 AC 소스로부터의 AC 전력을 DC 포지티브 노드 및 DC 네거티브 노드를 포함하고 그 사이에 DC 링크 전압을 형성하는 DC 링크 버스 상의 DC 전력으로 변환하도록 구성된 AC/DC 컨버터를 포함하는 전기 자동차용 배터리 충전기를 제공한다. DC 링크 전압은 주기적인 변동으로서 리플을 갖는다. 배터리 충전기는 또한 DC 링크 버스로부터의 전류를 선택적으로 전도하여 DC 링크 버스로부터의 DC 전력을 DC 링크 전압과 상이한 출력 전압을 갖는 출력 DC 전력으로 변환하도록 구성된 스위치를 포함하는 DC/DC 스테이지를 포함한다. 배터리 충전기는 또한 스위치를 제어하고 DC 링크 전압의 리플에 응답하여 스위치의 스위칭 주파수 또는 듀티 사이클 또는 위상 편이(phase shift) 중 적어도 하나를 변경하도록 구성된 제어기를 포함한다.
본 개시내용은 또한 배터리 충전기를 작동시키는 방법을 제공한다. 방법은 DC 링크 버스로부터의 전류를 선택적으로 전도하여 DC 링크 버스로부터의 DC 전력을 DC 링크 전압과 상이한 출력 전압을 갖는 출력 DC 전력으로 변환하도록 스위치에 명령하는 단계; 및 DC 링크 버스 상의 DC 링크 전압의 리플에 응답하여 스위치의 스위칭 주파수 또는 듀티 사이클 또는 위상 편이 중 적어도 하나를 변경하는 단계를 포함한다.
본 발명의 설계의 추가 세부사항, 특징 및 이점은 관련 도면을 참조하여 실시예에 대한 다음 설명에서 비롯된다.
도 1은 본 개시내용의 일부 실시예에 따른 배터리 충전기의 개략적인 블록도를 도시하고;
도 2는 본 개시내용의 일부 실시예에 따른 배터리 충전기의 개략도를 도시하며;
도 3은 시간에 따른 DC 버스 전압 및 DC 버스 전류의 그래프를 도시하고;
도 4는 시간에 따른 그리드 전압과 그리드 전류의 합성 그래프를 도시하며;
도 5는 본 개시내용의 일부 실시예에 따른 DC-DC 스테이지의 작동을 예시하는 기능도를 도시하고;
도 6은 본 개시내용의 일부 실시예에 따른 배터리 충전기의 평면도를 도시하며;
도 7은 본 개시내용의 일부 실시예에 따른 배터리 충전기의 사시도를 도시하고;
도 8은 본 개시내용의 일부 실시예에 따른 배터리 충전기의 사시도를 도시하며;
도 9는 본 개시내용의 일부 실시예에 따른 배터리 충전기의 다양한 부품의 온도를 보여주는 사시도를 도시하고;
도 10은 본 개시내용의 일부 실시예에 따른 배터리 충전기의 다양한 부품의 온도를 보여주는 평면도를 도시하며;
도 11은 본 개시내용의 일부 실시예에 따른 배터리 충전기의 다양한 부품의 온도를 보여주는 정면도를 도시하고;
도 12는 본 개시내용의 일부 실시예에 따른 배터리 충전기의 다양한 부품의 온도를 보여주는 측면도를 도시하며;
도 13은 본 개시내용의 일부 실시예에 따른 배터리 충전기를 작동시키는 방법의 단계의 흐름도를 도시한다.
도면을 참조하여, 본 발명을 이하의 실시예의 관점에서 설명하기로 한다.
도 1 및 도 2는 각각 그리드 또는 유틸리티 라인 전력 공급원일 수 있는 AC 소스(18)로부터 획득된 AC 전력을 사용하여 배터리와 같은 부하(30)에 공급하기 위한 출력 버스(28)에 DC 출력 전력을 제공하도록 구성된 전기 자동차용 배터리 충전기(10)의 개략도를 도시한다. 본 개시내용의 배터리 충전기(10)는 그 구성요소의 전부 또는 대부분이 전기 자동차 내에 위치되고 전기 자동차와 함께 이동 가능한 내장 디바이스일 수 있다. 대안적으로, 본 개시내용의 배터리 충전기(10)는 자동차 외부에 위치될 수 있다. 예를 들어, 배터리 충전기(10)는 고정된 충전 스테이션 설비에 위치될 수 있다. 일부 실시예에서, 그리고 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, AC 소스(18)는 라인 전도체(L1)라고 명명될 수 있는 제1 입력 전도체(20)와 중성 전도체(N)라고 명명될 수 있는 제2 입력 전도체(22) 사이에 AC 그리드 전압(V grid )을 제공하는 단상 소스이다. 그러나, AC 소스(18)는, 북미 주거 및 조명 상용 서비스에서 일반적으로 제공되는 바와 같이, 3상 공급원과 같은 다른 구성, 또는 서로 180도 위상차인 AC 전압을 각각 전달하는 2개의 전도체가 있는 240V 단상 시스템과 같은 상이한 단상 구성을 가질 수 있다. 도 1에 도시된 부하(30)는 배터리 전압(V b ) 및 모델 배터리 저항(R b )을 포함하는 배터리의 단순화된 모델이다.
일부 실시예에서, 그리고 도 1에 도시된 바와 같이, 그리드 인덕터라고도 명명될 수 있는 입력 인덕터(24)는 제1 입력 전도체(20)와 제1 라인 노드(26) 사이에 연결된다. 입력 인덕터(24)는 인덕턴스(L grid )를 갖고 AC 소스(18)에 의해 공급되는 전압 및/또는 전류를 조절하는 데에 도움이 될 수 있고 전자기 간섭(electromagnetic interference)(EMI)을 감소시키도록 기능할 수 있다.
여전히 도 1을 참조하면, 배터리 충전기(10)는 AC 소스(18)로부터의 AC 전력을 DC 링크 버스(34, 36) 상의 DC 전력으로 변환하도록 구성된 제1 AC/DC 컨버터(32)를 포함한다. 구체적으로, DC 링크 버스(34, 36)는 DC 링크 전압(V DC_BUS )을 사이에 형성하는 DC 포지티브 노드(34)와 DC 네거티브 노드(36)를 포함한다. 정전용량 값(C dc )을 갖는 DC 링크 커패시터(38)는 DC 포지티브 노드(34)와 DC 네거티브 노드(36) 사이에 연결되어 DC 링크 전압(V DC_BUS )을 조절하고 안정화시킨다. 배터리 충전기(10)는 또한 변압기(44)에 AC 전력을 공급하는 DC/AC 컨버터(42)를 갖는 DC/DC 스테이지(40)를 포함한다. DC/DC 스테이지(40)는 또한 변압기(44)의 2차측으로부터의 AC 전력을 변환하여 DC 전력으로 출력 버스(28)를 여기시키도록 구성된 제2 AC/DC 컨버터(46)를 포함한다.
일부 실시예에서, DC 링크 전압(V DC_BUS )은 주기적인 변동으로서 리플을 갖는다. 리플은 AC 소스(18)의 주파수의 2배인 주파수를 가질 수 있다. 리플은 사인파일 수 있지만, 다른 파형 형상도 가능하다. 종래의 컨버터 설계에서는, 리플을 최소화하려고 하였다. 그러나, 본 개시내용의 일부 실시예에서, DC 링크 전압(V DC_BUS )의 리플은 종래의 설계에서 보다 더 큰 진폭을 갖도록 허용된다. 일부 실시예에서, 예를 들어 DC 링크 전압(V DC_BUS )은 330V와 410V 사이에서 변동하여, 80V의 피크 대 피크 리플을 제공할 수 있다. DC 링크 커패시터(38)의 크기는 DC 링크 전압(V DC_BUS )의 리플 진폭을 결정하는 데에 주요 인자이다. 본 개시내용의 일부 실시예에서, DC 링크 커패시터(38)는 80V의 피크 대 피크 리플을 제공하도록 100 μF의 값을 갖고, 여기서, 종래의 설계는 80V보다 실질적으로 작은 피크 대 피크 리플을 제공하도록 500 μF의 값을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, DC 링크 전압(V DC_BUS )은 능동 필터에 의해 조절되지 않는다. 달리 말하면, DC 링크 전압(V DC_BUS )을 능동적으로 조절하는 데 사용되는 스위치 또는 다른 능동-제어식 디바이스가 없을 수 있다.
도 2는 본 개시내용의 일부 실시예에 따른 배터리 충전기(10)의 개략도를 도시한다. 구체적으로, 도 2는 일부 예시적인 실시예에 따른 제1 AC/DC 컨버터(32), 및 DC/DC 스테이지(40)의 추가적인 내부 세부사항을 도시한다. 일부 실시예에서, 그리고 도 2에 도시된 바와 같이, 그리드 커패시터 또는 필터 커패시터라고도 명명되는 입력 커패시터(54)는 정전용량 값(Cf)을 가지며 제1 입력 전도체(20)와 제2 입력 전도체(22) 사이에 연결된다. 입력 커패시터(54)는 AC 소스(18)에 의해 공급되는 전압 및/또는 전류를 조절하는 데에 도움이 될 수 있고 전자기 간섭(EMI)을 감소시키도록 기능할 수 있다.
일부 실시예에서, 그리고 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 AC/DC 컨버터(32)는, 스위칭 트랜지스터와 같은 스위치를 사용하여, 단위 역률(1.0)에 실질적으로 가까운 역률을 제공하면서, AC 소스(18)로부터의 AC 전력을 DC 링크 버스(34, 36) 상의 DC 전력으로 변환하는 역률 보정(power factor correction)(PFC) 스테이지로서 구성된다. 달리 말하면, PFC 스테이지는 AC 소스(18)에 순수 저항성 부하로서 또는 그에 근접하게 나타날 수 있다. 제1 AC/DC 컨버터(32)는 제1 라인 노드(26)와 DC 링크 버스(34, 36)의 DC 포지티브 노드(34) 사이에서 전류를 선택적으로 전도하도록 구성된 제1 하이 스위치(56)를 포함한다. 제1 AC/DC 컨버터(32)는 또한 제1 라인 노드(26)와 DC 링크 버스(34, 36)의 DC 네거티브 노드(34) 사이에서 전류를 선택적으로 전도하도록 구성된 제1 로우 스위치(58)를 포함한다. 제1 하이 스위치(56) 및 제1 로우 스위치(58)는 각각, 예를 들어 100 kHz일 수 있는 고속 스위칭 주파수에서 작동할 수 있다. 함께, 제1 하이 스위치(56) 및 제1 로우 스위치(58)는 제1 AC/DC 컨버터(32)의 고속 다리(56, 58)라고 명명될 수 있다.
제1 AC/DC 컨버터(32)는 또한 제2 입력 전도체(22)와 DC 링크 버스(34, 36)의 DC 포지티브 노드(34) 사이에서 전류를 선택적으로 전도하도록 구성된 제2 하이 스위치(60), 및 제2 입력 전도체(22)와 DC 링크 버스(34, 36)의 DC 네거티브 노드(34) 사이에서 전류를 선택적으로 전도하도록 구성된 제2 로우 스위치(62)를 포함한다. 제2 하이 스위치(60) 및 제2 로우 스위치(62)는 각각 AC 소스의 주파수, 예를 들어 60 Hz와 일치할 수 있는 저속 스위칭 주파수에서 작동할 수 있다. 함께, 제2 하이 스위치(60) 및 제2 로우 스위치(62)는 제1 AC/DC 컨버터(32)의 저속 다리(60, 62)라고 명명될 수 있다. 제1 AC/DC 컨버터(32)의 스위치(56, 58, 60, 62)는 도시된 바와 같이 네거티브형 금속 산화물 반도체(NMOS) 유형의 전계 효과 트랜지스터(FET)일 수 있다. 그러나, 스위치(56, 58, 60, 62) 중 하나 이상은 다른 유형의 FET, 접합 트랜지스터 또는 트라이액(triac)과 같은 상이한 유형의 디바이스일 수 있다.
여전히 도 2를 참조하면, 배터리 충전기(10)는 DC 링크 버스(34, 36)로부터의 DC 전력을 DC 링크 전압(V DC_BUS )과 상이한 출력 전압(V out )을 갖는 출력 DC 전력으로 변환하기 위해 DC 링크 버스(34, 36)로부터 전류를 선택적으로 전도하도록 구성된 하나 이상의 스위치(70, 74, 76, 80)를 갖는 DC/DC 스테이지(40)를 포함한다. 배터리 충전기(10)는 또한 스위치(70, 74, 76, 80)를 제어하고 DC 링크 전압(V DC_BUS )의 리플에 응답하여 스위치의 스위칭 주파수 또는 듀티 사이클 또는 위상 편이 중 적어도 하나를 변경하도록 구성된 제어기(84)를 포함한다. 더 구체적으로, 제어기(84)는 프로세서(86), 및 프로세서(86)가 DC 링크 전압(V DC_BUS )의 리플에 응답하여 DC 링크 버스(34, 36)로부터 전류를 선택적으로 전도하도록 스위치(70, 74, 76, 80) 중 하나 이상에게 명령하게 하는 프로세서(86)에 의한 실행을 위한 명령(90)을 유지하는 기계 판독 가능 저장 메모리(88)를 포함한다. 프로세서(86)는 마이크로프로세서, 마이크로제어기, 프로그래밍 가능한 게이트 어레이, 또는 주문형 집적 회로(ASIC) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 그리고 도 2에 도시된 바와 같이, DC/DC 스테이지(40)는 DC 링크 버스(34, 36)로부터 전류를 변환함으로써 AC 전류를 생성하도록 구성된 DC/AC 컨버터(42)를 포함한다. 구체적으로, DC/AC 컨버터(42)는 DC 포지티브 노드(34)와 제1 내부 노드(72) 사이에서 전류를 선택적으로 전도하도록 구성된 제1 포지티브 스위치(70), 및 DC 네거티브 노드(36)와 제1 내부 노드(72) 사이에서 전류를 선택적으로 전도하도록 구성된 제1 네거티브 스위치(74)를 포함한다. DC/AC 컨버터(42)는 또한 DC 포지티브 노드(34)와 제2 내부 노드(78) 사이에서 전류를 선택적으로 전도하도록 구성된 제2 포지티브 스위치(76), 및 DC 네거티브 노드(36)와 제2 내부 노드(78) 사이에서 전류를 선택적으로 전도하도록 구성된 제2 네거티브 스위치(80)를 포함한다. DC/AC 컨버터(42)의 스위치(70, 74, 76, 80)는 도시된 바와 같이 네거티브형 금속 산화물 반도체(NMOS) 유형의 전계 효과 트랜지스터(FET)일 수 있다. 그러나, 스위치(56, 58, 60, 62) 중 하나 이상은 다른 유형의 FET, 접합 트랜지스터 또는 트라이액과 같은 상이한 유형의 디바이스일 수 있다.
따라서, 제1 및 제2 내부 노드(72, 78)는 인덕터-인덕터-커패시터(LLC) 공진 탱크(96) 및 1차 권선(102)과 2차 권선(104)을 갖는 변압기(100)에 의해 상이한 전압 레벨로 변환되는 AC 전류를 운반한다. 변압기 권선(102, 104)은 도 2에 도시된 바와 같이 1:1 비율을 가질 수 있지만, 다른 권선비가 사용될 수 있다. 공진 탱크(96)는 인덕턴스 값(Lp)을 갖는 공진 인덕터(108) 및 정전용량 값(Cp)을 갖는 공진 커패시터(110)를 포함한다. 공진 인덕터(108) 및 공진 커패시터(110)는 서로 직렬로 그리고 제1 내부 노드(72)와 제3 내부 노드(112) 사이에 배선된다. 인덕턴스 값(Lm)을 갖는 자화 인덕턴스(114), 및 변압기(100)의 1차 권선(102)은 제2 내부 노드(78)와 제3 내부 노드(112) 사이에 각각 연결된다. 자화 인덕턴스(114)는 독립형 디바이스 및/또는 변압기(100)의 1차 권선(102)의 기능적 특징일 수 있다. 일부 실시예에서, 그리고 특히 DC/DC 스테이지(40)가 인덕터-인덕터-커패시터(LLC) 공진 탱크(96)를 포함하는 경우, 스위치(70, 74, 76, 80)의 스위칭 주파수는 DC 링크 버스(34, 36) 상의 DC 링크 전압(V DC_BUS )의 리플에 응답하여 변경될 수 있다.
변압기(100)의 2차 권선(104)은 1차 권선(102)의 AC 전류에 의해 유도된 자속에 의해 유도된 AC 전압을 갖는 제1 2차 노드(118) 및 제2 2차 노드(120)를 형성한다. 제2 AC/DC 컨버터(46)는 제1 및 제2 2차 노드(118, 120)로부터의 AC 전압을 정류하고 출력 버스(28) 상에 출력 전압(V OUT )을 제공하도록 구성된다. 제2 AC/DC 컨버터(46)는 도 2에 도시된 바와 같이 브리지 정류기로서 연결된 4개의 다이오드를 포함할 수 있다. 그러나, 제2 AC/DC 컨버터(46)는 동기 정류(synchronous rectification)(SR)라고도 명명될 수 있는 능동 정류를 제공하도록 구성된 단일 다이오드, 파동 정류기, 및/또는 하나 이상의 스위치와 같은 다른 구성을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 그리고 도 2에 도시된 바와 같이, 출력 커패시터(124)는 출력 전압(V OUT )을 평활화하기 위해 출력 버스(28)를 가로질러 연결될 수 있다.
일부 실시예(도면에 도시되지 않음)에서, DC/DC 스테이지(40)는 DC 전류를 변압기(100)의 1차 권선(102)에 직접 공급하도록 구성된 하나 이상의 스위치를 포함하는 제1 능동 브리지를 포함하는 이중 능동 브리지(DAB) 유형의 컨버터를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 제1 능동 브리지는 도 2를 참조하여 앞서 설명된 DC/AC 컨버터(42)와 유사하거나 동일할 수 있다. 달리 말하면, DAB 유형의 컨버터는 제1 능동 브리지와 변압기(100) 사이에 임의의 공진 탱크(96)를 포함하지 않을 수 있다. DAB 유형의 컨버터는 또한 출력 버스(28) 상의 DC 출력 전력으로서 변압기(100)의 2차 권선(104)으로부터의 AC 전류를 정류하도록 구성된 제2 능동 브리지를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 특히 DC/DC 스테이지(40)가 이중 능동 브리지(DAB) 유형의 컨버터를 포함하는 경우, 스위치(70, 74, 76, 80)의 위상 편이는 DC 링크 버스(34, 36) 상의 DC 링크 전압(V DC_BUS )의 리플에 응답하여 변경될 수 있다.
도 3은 시간 경과에 따라 DC 링크 전압(V DC_BUS ) 및 DC 버스 전류(I DC_BUS )의 그래프를 도시하고, 도 4는 시간 경과에 따라 AC 소스(18)에 의해 배터리 충전기(10)에 공급되는 AC 그리드 전압(V GRID ) 및 AC 그리드 전류(I GRID )의 합성 그래프를 도시한다.
도 5는 본 개시내용의 일부 실시예에 따른 DC-DC 스테이지(40)의 작동을 예시하는 기능도를 도시한다. 구체적으로, 도 5는 전압 오류 신호(V error )를 생성하기 위해 실제 출력 전압(134)으로부터 기준 전압(132)을 감산하도록 구성된 합산 블록(130)을 도시한다. 전압 오류 신호(V error )는 시간 경과에 따른 전압 오류 신호(V error )에 기초하여 LLC 스위칭 주파수를 생성하는 주파수 비례-적분(PI) 제어기(138)로 전송된다. 일부 실시예에서, LLC 스위칭 주파수는 170 kHz 내지 250 kHz 사이에서 변경될 수 있지만, 다른 주파수가 사용될 수 있다. LLC 스위칭 주파수는 펄스-폭 변조(PWM) 신호를 생성하는 LLC PWM 생성기(140)에 제공된다. 펄스-폭 변조(PWM) 신호는 50% 듀티 사이클 구형파로서 구성될 수 있다. 펄스-폭 변조(PWM) 신호는, 예를 들어 도 2를 참조하여 앞서 설명된 DC/AC 컨버터(42)의 제1 포지티브 스위치(70) 및 제1 네거티브 스위치(74)를 포함할 수 있는 1차 H-브리지에 제공된다. 펄스-폭 변조(PWM) 신호는, 예를 들어 도 2를 참조하여 앞서 설명된 DC/AC 컨버터(42)의 제1 포지티브 스위치(70) 및 제1 네거티브 스위치(74)를 포함할 수 있는 1차 H-브리지(142)에 제공된다. 펄스-폭 변조(PWM) 신호는 또한, 예를 들어 도 2를 참조하여 앞서 설명된 DC/AC 컨버터(42)의 제2 포지티브 스위치(76) 및 제2 네거티브 스위치(80)를 포함할 수 있는 2차 H-브리지(144)에 제공된다. DC-DC 스테이지(40)는 또한 출력 전압(V OUT )의 값을 주기적으로 샘플링하고 유지하여 실제 출력 전압 신호(134)를 생성하도록 구성될 수 있는 출력 전압 모니터(146)를 포함할 수 있다.
도 6은 본 개시내용의 일부 실시예에 따른 배터리 충전기(10)의 평면도를 도시한다. 구체적으로, 도 6은 평탄한 평면에서 연장되고 변압기(100)를 포함하는 변압기 하우징(152)을 유지하는 인쇄 회로 보드와 같은 메인 보드(150)를 도시한다. 변압기 하우징(152)은 알루미늄과 같은 금속, 또는 다른 열 전도성 재료의 인클로저를 포함할 수 있다. 변압기(100) 위에는 전자 제어 유닛(electronic control unit)(ECU) 보드(154)가 배치되고, 메인 보드(150)와 ECU 보드(154) 사이에는 변압기(100)가 배치된다. ECU 보드는 프로세서(86) 및/또는 다른 전자 디바이스 및 구성요소를 포함할 수 있다. 입력 단자 커넥터(156) 및 출력 단자 커넥터(158)는 각각 AC 소스(18) 및 출력 버스(28)에 대한 전기적 연결을 각각 제공하기 위해 메인 보드(150) 상에 배치된다. 2개의 DC 링크 커패시터(38)는 단자 커넥터(156, 158)에 인접한 메인 보드(150) 상에 배치되고, 2개의 출력 커패시터(124)는 DC 링크 커패시터(38) 반대쪽에 있는 메인 보드(150) 상에 배치된다. 입력 인덕터(24)는 메인 보드(150) 상에 배치되고 도 6의 상단 근방에 큰 상자로서 도시되어 있다. 15개의 개별 디바이스의 어레이가 메인 보드(150) 상에 배치되고 함께 "그리드측 커패시터"라고도 명명될 수 있는 입력 커패시터(54)를 포함한다. 제1 AC/DC 컨버터(32)의 4개의 스위치(56, 58, 60, 62)는 변압기(100)와 입력 커패시터(54) 사이에서 메인 보드(150)로부터 상향 연장되는 것으로 도시되어 있다.
일부 실시예에서, DC/DC 스테이지(40)의 스위치(70, 74, 76, 80)는 변압기 하우징(152)과 열 접촉하는 절연 금속 기판(IMS)(160)에 각각 장착된다. 예를 들어, 스위치(70, 74, 76, 80) 중 하나 이상은 절연 금속 기판(160)에 솔더링될 수 있다. 따라서, 스위치(70, 74, 76, 80)의 작동으로 인한 폐열은 IMS(160)를 통해 변압기 하우징(152)으로 전도될 수 있고, 이 변압기 하우징으로부터 열이 제거될 수 있다. 열은 변압기 하우징(152)과 열-전도 접촉하는 하나 이상의 히트 싱크에 의해 변압기 하우징(152)으로부터 추가로 소산될 수 있다.
일부 실시예에서, 그리고 도 6에 도시된 바와 같이, 절연 금속 기판(160)은 메인 보드(150)에 직교하는 변압기 하우징(152)의 측벽(162)에 각각 배치된다. 이러한 구성은 메인 보드(150)와 절연 금속 기판(160) 상의 스위치(70, 74, 76, 80) 사이의 배선 연결을 단순화함으로써, 조립체를 보다 콤팩트하게 만들 수 있다.
일부 실시예에서, 그리고 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 절연 금속 기판(160)은 메인 보드(150)와 평행하게 이격된 변압기 하우징(152)의 상부 부분(164) 상에 각각 배치된다. 일부 실시예에서, 그리고 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 나사 및/또는 볼트(168)는 절연 금속 기판(160)을 DC/DC 스테이지(40)의 스위치(70, 74, 76, 80)와 변압기(100)의 각각의 1차 권선에 연결하기 위한 전도체로서 사용된다. 도 8은 도 8의 배터리 충전기(10)의 회전된 도면이지만, ECU 보드(154)가 제거되어 아래의 절연 금속 기판(160)의 세부사항을 도시한다.
도 8 내지 도 12는 각각 도 7 및 도 8의 배터리 충전기(10)의 상이한 도면을 도시하는 것으로, 절연 금속 기판(160)에서 및/또는 그 근방에서 가장 뜨거운 영역(170)으로부터 메인 보드(150)에서 또는 그 근방에서 가장 차가운 영역까지의 상이한 온도를 예시한다. 도 8 내지 도 12는 스위치(70, 74, 76, 80)가 질화갈륨(GaN) 디바이스인 150℃ 한계보다 훨씬 낮은 최대 온도가 스위치(70, 74, 76, 80)(387K = 114℃)에서 발생하는 것을 도시한다.
본 개시내용의 배터리 충전기(10)는 유사한 전력 변환 용량을 갖는 종래의 컨버터보다 상당히 작거나 및/또는 더 가벼울 수 있다. 이러한 절감은 1) DC 링크 커패시터(38)의 크기를 감소하는 것 및 2) IMS(160)를 변압기 하우징(152)에 부착하는 것의 조합에 의해 실현될 수 있다.
일부 실시예에서, 본 개시내용에 따라 구성된 배터리 충전기(10)는, 2.0 kW/L 미만의 전력 밀도를 갖는 시판 중인 유사한 용량의 다른 컨버터와 달리, 6.6/1.45 = 4.56 kW/L의 전력 밀도를 초래하는 2.45*1.18*0.5dm3=1.45L의 크기(전기 커넥터 없이)를 가질 수 있다.
배터리 충전기를 작동시키는 방법(200)이 도 13의 흐름도에 도시되어 있다. 방법(200)은 단계(202)에서 DC 링크 버스(34, 36)로부터의 전류를 선택적으로 전도하여 DC 링크 버스(34, 36)로부터의 DC 전력을 DC 링크 버스(34, 36) 상의 DC 링크 전압(V DC_BUS )과 상이한 출력 전압(V OUT )을 갖는 출력 DC 전력으로 변환하도록 스위치(70, 74, 76, 80)에게 명령하는 단계를 포함한다.
방법(200)은 또한 단계(204)에서 DC 링크 버스(34, 36) 상의 DC 링크 전압(V DC_BUS )의 리플에 응답하여 스위치(70, 74, 76, 80)의 스위칭 주파수 또는 듀티 사이클 또는 위상 편이 중 적어도 하나를 변경하는 단계를 포함한다. 단계(204)는 공칭 전압보다 작은 DC 링크 전압(V DC_BUS )에 응답하여 공칭 주파수 미만의 낮은 주파수에서 스위칭 주파수를 작동시키고, 공칭 전압보다 큰 DC 링크 전압(V DC_BUS )에 응답하여 공칭 주파수보다 큰 높은 주파수에서 스위칭 주파수를 작동시킴으로써 스위치(70, 74, 76, 80)의 스위칭 주파수를 변경시키는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 스위칭 주파수는 200 kHz의 공칭 주파수보다 50 kHz 작은 낮은 주파수(즉, 150 kHz)와 공칭 주파수보다 50 kHz 큰 높은 주파수(즉, 250 kHz) 사이에서 변경될 수 있다.
앞서 설명된 시스템, 방법 및/또는 프로세스, 그리고 그 단계는 특정 용례에 적절한 하드웨어, 소프트웨어 또는 하드웨어와 소프트웨어의 임의의 조합으로 실현될 수 있다. 하드웨어는 범용 컴퓨터 및/또는 전용 컴퓨팅 디바이스 또는 특정 컴퓨팅 디바이스 또는 특정 컴퓨팅 디바이스의 특정 양태 또는 구성요소를 포함할 수 있다. 프로세스는 내부 및/또는 외부 메모리와 함께 하나 이상의 마이크로프로세서, 마이크로제어기, 임베디드 마이크로제어기, 프로그래밍 가능한 디지털 신호 프로세서 또는 기타 프로그래밍 가능한 디바이스에서 실현될 수 있다. 프로세스는 또한, 또는 대안적으로, 전자 신호를 처리하도록 구성될 수 있는 주문형 집적 회로, 프로그래밍 가능한 게이트 어레이, 프로그래밍 가능한 어레이 로직, 또는 임의의 다른 디바이스 또는 디바이스들의 조합으로 구현될 수 있다. 또한, 프로세스들 중 하나 이상이 기계 판독 가능 매체 상에서 실행될 수 있는 컴퓨터 실행 가능한 코드로서 실현될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
컴퓨터 실행 가능한 코드는, 위의 디바이스들 중 하나는 물론 프로세서 프로세서 아키텍처의 이기종 조합, 또는 상이한 하드웨어와 소프트웨어의 조합, 또는 프로그램 명령을 실행할 수 있는 임의의 다른 기계에서 실행되도록 저장, 컴파일 또는 해석될 수 있는 C와 같은 구조화된 프로그래밍 언어, C++와 같은 객체 지향 프로그래밍 언어, 또는 임의의 다른 고수준 또는 저수준 프로그래밍 언어(어셈블리 언어, 하드웨어 기술 언어, 및 데이터베이스 프로그래밍 언어 및 기술을 포함)를 사용하여 생성될 수 있다.
따라서, 일 양태에서, 앞서 설명된 각각의 방법 및 그 조합은, 하나 이상의 컴퓨팅 디바이스 상에서 실행할 때, 그 단계를 수행하는 컴퓨터 실행 가능한 코드로 구현될 수 있다. 다른 양태에서, 방법은 그 단계를 수행하는 시스템으로 구현될 수 있고, 다양한 방식으로 디바이스에 걸쳐 분산될 수 있거나, 또는 모든 기능이 전용, 독립형 디바이스 또는 다른 하드웨어에 통합될 수 있다. 다른 양태에서, 앞서 설명된 프로세스와 관련된 단계를 수행하기 위한 수단은 앞서 설명된 하드웨어 및/또는 소프트웨어 중 임의의 것을 포함할 수 있다. 이러한 모든 순열 및 조합은 본 개시내용의 범위 내에 속하는 것으로 의도된다.
전술한 설명은 본 개시내용을 완전하게 하거나 제한하도록 의도되지 않는다. 특정 실시예의 개별 요소 또는 특징은 일반적으로 그 특정 실시예에 제한되지 않지만, 적용 가능한 경우, 특별히 도시되거나 설명되지 않더라도 상호 교환 가능하고 선택된 실시예에서 사용될 수 있다. 동일한 것이 또한 많은 방식으로 달라질 수 있다. 이러한 변경은 본 개시내용에서 벗어나는 것으로 고려되어서는 안되며, 이러한 모든 수정은 본 개시내용의 범위 내에 포함되도록 의도된다.

Claims (15)

  1. 전기 자동차용 배터리 충전기로서,
    AC 소스로부터의 AC 전력을 DC 포지티브 노드 및 DC 네거티브 노드를 포함하고 그 사이에 DC 링크 전압을 형성하는 DC 링크 버스 상의 DC 전력으로 변환하도록 구성된 AC/DC 컨버터 - DC 링크 전압은 주기적인 변동으로서 리플을 가짐 -;
    DC 링크 버스로부터의 전류를 선택적으로 전도하여 DC 링크 버스로부터의 DC 전력을 DC 링크 전압과 상이한 출력 전압을 갖는 출력 DC 전력으로 변환하도록 구성된 스위치를 포함하는 DC/DC 스테이지; 및
    스위치를 제어하고 DC 링크 전압의 리플에 응답하여 스위치의 스위칭 주파수 또는 듀티 사이클 또는 위상 편이 중 적어도 하나를 변경하도록 구성된 제어기를 포함하는, 배터리 충전기.
  2. 제1항에 있어서, 제어기는 DC 링크 전압의 리플에 응답하여 스위치의 스위칭 주파수를 변경하도록 구성되는, 배터리 충전기.
  3. 제1항에 있어서, 제어기는, 공칭 전압보다 작은 DC 링크 전압에 응답하여 공칭 주파수 미만의 낮은 주파수로부터 공칭 전압보다 큰 DC 링크 전압에 응답하여 공칭 주파수보다 큰 높은 주파수로 스위치의 스위칭 주파수를 변경하도록 구성되는, 배터리 충전기.
  4. 제3항에 있어서, 스위치의 스위칭 주파수는 DC 링크 전압에 기초하여 비례-적분(PI) 제어기에 의해 결정되는, 배터리 충전기.
  5. 제3항에 있어서, 낮은 주파수는 공칭 주파수보다 50 kHz 낮고, 높은 주파수는 공칭 주파수보다 50 kHz 높은, 배터리 충전기.
  6. 제3항에 있어서, 공칭 주파수는 200 kHz인, 배터리 충전기.
  7. 제1항에 있어서, 제어기는 DC 링크 전압의 리플에 응답하여 스위치의 듀티 사이클을 변경하도록 구성되는, 배터리 충전기.
  8. 제1항에 있어서, 제어기는 DC 링크 전압의 리플에 응답하여 스위치의 위상 편이를 변경하도록 구성되는, 배터리 충전기.
  9. 제1항에 있어서,
    DC 링크 전압의 리플을 조절하기 위해 DC 링크 버스의 DC 포지티브 노드와 DC 네거티브 노드 사이에 연결된 DC 링크 커패시터를 더 포함하는, 배터리 충전기.
  10. 제9항에 있어서, DC 링크 커패시터는 500 μF 미만의 값을 갖는, 배터리 충전기.
  11. 제9항에 있어서, DC 링크 커패시터는 100 μF 미만의 값을 갖는, 배터리 충전기.
  12. 제1항에 있어서, DC 링크 전압은 능동 필터에 의해 조절되지 않는, 배터리 충전기.
  13. 배터리 충전기의 작동 방법으로서,
    DC 링크 버스로부터의 전류를 선택적으로 전도하여 DC 링크 버스로부터의 DC 전력을 DC 링크 전압과 상이한 출력 전압을 갖는 출력 DC 전력으로 변환하도록 스위치에 명령하는 단계; 및
    DC 링크 버스 상의 DC 링크 전압의 리플에 응답하여 스위치의 스위칭 주파수 또는 듀티 사이클 또는 위상 편이 중 적어도 하나를 변경하는 단계를 포함하는, 방법.
  14. 제13항에 있어서, 스위치의 스위칭 주파수 또는 듀티 사이클 또는 위상 편이 중 적어도 하나를 변경하는 단계는 스위치의 스위칭 주파수를 변경하는 단계를 포함하는, 방법.
  15. 제14항에 있어서, 스위치의 스위칭 주파수를 변경하는 단계는, 공칭 전압보다 작은 DC 링크 전압에 응답하여 공칭 주파수 미만의 낮은 주파수에서 스위칭 주파수를 작동시키는 단계, 및 공칭 전압보다 큰 DC 링크 전압에 응답하여 공칭 주파수보다 큰 높은 주파수에서 스위칭 주파수를 작동시키는 단계를 포함하는, 방법.
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