KR20220153401A - 전기구동 모빌리티의 전력 변환 시스템 및 그 제어 방법 - Google Patents

전기구동 모빌리티의 전력 변환 시스템 및 그 제어 방법 Download PDF

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이대우
강병구
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현대자동차주식회사
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Abstract

제1 에너지 저장 장치 및 상기 제1 에너지 저장 장치의 전압 보다 낮은 전압 출력을 갖는 제2 에너지 저장 장치; 상기 제1 에너지 장치에 일단이 연결된 릴레이; 상기 릴레이의 타단에 연결된 직류 링크 커패시터; 상기 직류 링크 커패시터와 상기 제2 에너지 저장 장치 사이에 구비되고 양방향 전압 변환이 가능한 제1 직류 컨버터; 및 상기 릴레이의 상태를 오프 상태에서 온 상태로 전환하기 이전에, 상기 제1 직류 컨버터가 상기 제2 에너지 저장 장치의 전압의 크기를 변환하여 상기 커패시터로 인가하도록 제어하여 상기 직류 링크 커패시터를 사전 설정된 전압 이상 충전시킨 후, 상기 릴레이를 온 상태로 전환하는 컨트롤러를 포함하는 전기구동 모빌리티의 전력 변환 시스템이 개시된다.

Description

전기구동 모빌리티의 전력 변환 시스템 및 그 제어 방법{POWER CONVERSION SYSTEM FOR ELECTRI-DRIVING MOBILITY VEHICLE AND METHOD FOR CONTROLLING THE SAME}
본 발명은 전기구동 모빌리티의 전력 변환 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 별도의 초기 충전 저항 및 초기 충전용 릴레이를 사용하지 않고서 고전압 직류 링크 커패시터를 미리 충전함으로써 급격한 입력 전압 변동에 따른 커패시터의 소손을 예방할 수 있고 초기 충전 저항의 제거에 따른 단가 절감이 가능한 전기구동 모빌리티의 전력 변환 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
전기 자동차나 플러그인 하이브리드 차량과 같은 자동차나 UAM(Urban Air Mobility) 또는 로봇 등과 같은 전기 구동 장치를 구비하는 모빌리티들은 고출력의 모터를 구동하기 위한 전력을 저장하는 고전압 배터리와 저전압으로 동작하는 부하들의 전원 전력을 제공하기 위한 전력을 저장하는 저전압 배터리 및 저전압 배터리의 충전을 위해 고전압 배터리의 전압의 크기를 변환하는 직류 컨버터 등을 구비할 수 있다.
또한, 전기구동 모빌리티는 고전압의 직류 링크 전압을 형성하기 위한 직류 링크 커패시터가 구비되고 모빌리티의 기동 시 고전압 배터리와 연결된 메인 릴레이를 오프 상태에서 온 상태로 전환하여 직류 링크 커패시터를 충전함으로써 직류 링크 전압이 형성되게 할 수 있다.
이와 같이 전기구동 모빌리티를 기동할 때 오프 상태의 메인 릴레이를 온 시키면 고전압 배터리로부터 직류 링크 커패시터 측으로 급격한 전류 유입이 발생하여 직류 링크 커패시터를 소손시킬 수 있다.
종래에는 직류 링크 커패시터의 소손을 방지하기 위해, 서로 직렬 연결된 초기 충전 저항과 초기 충전용 릴레이를 추가로 마련하여, 시스템 기동 시 초기 충전용 릴레이를 먼저 온 시켜 초기 충전 저항을 통해 급격한 전류 유입을 차단하고 직류 링크 커패시터가 사전 설정된 전압 이상으로 충전되면 메인 릴레이를 온 시키고 초기 충전용 릴레이를 오프 시키는 방식이 적용되고 있다.
그러나, 종래에 적용되는 초기 충전 저항 및 초기 충전용 릴레이는, 중량 및 사이즈 축소가 요구되는 최근의 전기구동 모빌리티의 기술적 요구에 부합하지 못하며, 시스템 구성에 소요되는 비용도 증가시키는 문제를 발생시킨다.
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 10-2014-0084369 A KR 10-2013-0090678 A
이에 본 발명은, 별도의 초기 충전 저항 및 초기 충전용 릴레이가 존재하지 않더라도 기동 시 급격한 전류 유입에 의한 직류 링크 커패시터의 소손을 방지할 수 있도록 직류 링크 커패시터를 초기 충전할 수 있는 전기구동 모빌리티의 전력 변환 시스템 및 그 제어 방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,
제1 에너지 저장 장치 및 상기 제1 에너지 저장 장치의 전압 보다 낮은 전압 출력을 갖는 제2 에너지 저장 장치;
상기 제1 에너지 장치에 일단이 연결된 릴레이;
상기 릴레이의 타단에 연결된 직류 링크 커패시터;
상기 직류 링크 커패시터와 상기 제2 에너지 저장 장치 사이에 구비되고 양방향 전압 변환이 가능한 제1 직류 컨버터; 및
상기 릴레이의 상태를 오프 상태에서 온 상태로 전환하기 이전에, 상기 제1 직류 컨버터가 상기 제2 에너지 저장 장치의 전압의 크기를 변환하여 상기 커패시터로 인가하도록 제어하여 상기 직류 링크 커패시터를 사전 설정된 전압 이상 충전시킨 후, 상기 릴레이를 온 상태로 전환하는 컨트롤러;
를 포함하는 전기구동 모빌리티의 전력 변환 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 직류 컨버터는, 상기 직류 링크 커패시터에 형성된 직류 전압을 강압하여 상기 제2 에너지 저장 장치의 충전에 적절한 크기의 전압의 크기로 출력하거나, 상기 제2 에너지 저장 장치에서 출력되는 직류 전압을 승압하여 상기 직류 링크 커패시터를 초기 충전하는데 필요한 크기의 사전 설정된 전압으로 출력할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 직류 컨버터는, 복수의 스위칭 소자를 포함하여 직류 링크 커패시터에 형성된 직류 전압을 교류의 형태로 변환하는 브릿지 회로와, 상기 브릿지 회로에 의해 변환된 교류 전압의 폭을 사전 설정된 권선비로 변환하는 트랜스포머와, 복수의 스위칭 소자를 포함하며 상기 트랜스포머에 의해 변환된 폭을 갖는 교류 전압을 직류 전압으로 변환하여 상기 제2 에너지 저장 장치로 제공하는 동기 정류 회로를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제2 에너지 저장 장치는 수퍼 커패시터 어레이일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태는, 상기 제1 직류 컨버터와 병렬 관계로 상기 직류 링크 커패시터와 상기 제2 에너지 저장 장치 사이에 연결된 제2 직류 컨버터를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제2 직류 컨버터는 액티브 클램프 포워드 컨버터일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 릴레이의 온 제어 요구를 입력 받는 경우 상기 제1 직류 컨버터를 역방향으로 동작 시켜 상기 직류 링크 커패시터를 사전 설정된 초기 충전 전압까지 충전시키고, 상기 직류 링크 커패시터가 상기 초기 충전 전압까지 충전이 완료되면, 상기 릴레이를 온 시키고 상기 제1 직류 컨버터 및 상기 제2 직류 컨버터 중 하나를 작동시켜 상기 직류 링크 커패시터의 전압을 강압하여 상기 제2 에너지 저장 장치에 인가할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 제1 직류 컨버터 및 상기 제2 직류 컨버터 중 하나를 작동시킨 이후, 상기 제2 에너지 저장 장치에서 전원 전력을 제공받는 전장 부하의 요구 부하량이 사전 설정된 기준값 보다 커지면 작동하지 않는 나머지 하나의 직류 컨버터를 작동시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 릴레이가 오프인 상태에서 상기 제2 에너지 저장 장치를 모니터링하고, 상기 제2 에너지 저장 장치가 저장한 전력량이 사전 설정된 기준값 이하가 되는 경우 상기 제1 직류 컨버터를 역방향으로 동작 시켜 상기 직류 링크 커패시터를 사전 설정된 초기 충전 전압까지 충전시키고, 상기 직류 링크 커패시터가 상기 초기 충전 전압까지 충전이 완료되면, 상기 릴레이를 온 시키고 상기 제1 직류 컨버터를 작동시켜 상기 직류 링크 커패시터의 전압을 강압하여 상기 제2 에너지 저장 장치에 인가할 수 잇다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 다른 수단으로서 본 발명은,
제1 에너지 저장 장치 및 상기 제1 에너지 저장 장치의 전압 보다 낮은 전압 출력을 갖는 제2 에너지 저장 장치와, 상기 제1 에너지 장치에 일단이 연결된 릴레이와, 상기 릴레이의 타단에 연결된 직류 링크 커패시터와, 상기 직류 링크 커패시터와 상기 제2 에너지 저장 장치 사이에 구비되고 양방향 전압 변환이 가능한 제1 직류 컨버터 및 상기 제1 직류 컨버터와 병렬 관계로 상기 직류 링크 커패시터와 상기 제2 에너지 저장 장치 사이에 연결된 제2 직류 컨버터를 포함하는 전기 구동 모빌리티의 전력 변환 시스템의 제어 방법에 있어서,
상기 릴레이의 온 제어 요구를 입력 받는 경우 상기 제1 직류 컨버터를 역방향으로 동작 시켜 상기 직류 링크 커패시터를 사전 설정된 초기 충전 전압까지 충전시키는 단계;
상기 직류 링크 커패시터가 상기 초기 충전 전압까지 충전이 완료되면, 상기 릴레이를 온 시키는 단계; 및
상기 제1 직류 컨버터 및 상기 제2 직류 컨버터 중 하나를 작동시켜 상기 직류 링크 커패시터의 전압을 강압하여 상기 제2 에너지 저장 장치에 인가하는 단계;
를 포함하는 전기 구동 모빌리티의 전력 변환 시스템의 제어 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태는, 상기 제2 에너지 저장 장치에 인가하는 단계 이후, 상기 제2 에너지 저장 장치에서 전원 전력을 제공받는 전장 부하의 요구 부하량이 사전 설정된 기준값 보다 커지면 작동하지 않는 나머지 하나의 직류 컨버터를 작동시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 또 다른 수단으로서 본 발명은,
제1 에너지 저장 장치 및 상기 제1 에너지 저장 장치의 전압 보다 낮은 전압 출력을 갖는 제2 에너지 저장 장치와, 상기 제1 에너지 장치에 일단이 연결된 릴레이와, 상기 릴레이의 타단에 연결된 직류 링크 커패시터와, 상기 직류 링크 커패시터와 상기 제2 에너지 저장 장치 사이에 구비되고 양방향 전압 변환이 가능한 제1 직류 컨버터 및 상기 제1 직류 컨버터와 병렬 관계로 상기 직류 링크 커패시터와 상기 제2 에너지 저장 장치 사이에 연결된 제2 직류 컨버터를 포함하는 전기 구동 모빌리티의 전력 변환 시스템의 제어 방법에 있어서,
상기 제2 에너지 저장 장치가 저장한 전력량이 사전 설정된 기준값 이하가 되는 경우 상기 제1 직류 컨버터를 역방향으로 동작 시켜 상기 직류 링크 커패시터를 사전 설정된 초기 충전 전압까지 충전시키는 단계;
상기 직류 링크 커패시터가 상기 초기 충전 전압까지 충전이 완료되면, 상기 릴레이를 온 시키는 단계; 및
상기 제1 직류 컨버터 및 상기 제2 직류 컨버터 중 하나를 작동시켜 상기 직류 링크 커패시터의 전압을 강압하여 상기 제2 에너지 저장 장치에 인가하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 구동 모빌리티의 전력 변환 시스템의 제어 방법을 제공한다.
상기 전기구동 모빌리티의 전력 변환 시스템에 따르면, 초기 충전에 사용되는 저항과 릴레이를 제거할 수 있게 함으로써 시스템 사이즈와 중량을 감소시킬 수 있으며, 모빌리티 단가를 저하시킬 수 있다.
또한, 상기 전기구동 모빌리티의 전력 변환 시스템에 따르면, 저전압 전력을 저장하기 위한 에너지 저장 장치를 수퍼 커패시터 어레이로 구현함으로써 시스템 사이즈 및 중량을 감소시킬 수 있다.
더하여, 상기 전기구동 모빌리티의 전력 변환 시스템에 따르면, 저전압 전력을 저장하기 위한 에너지 저장 장치를 수퍼 커패시터 어레이로 구현함에 따라 추가적으로 단방향의 직류 컨버터를 추가함으로써 요구되는 부하량에 따라 선택적인 직류 컨버터 구동을 통해 넓은 부하폭에서 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 전기구동 모빌리티의 전력 변환 시스템을 도시한 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 전기구동 모빌리티의 전력 변환 시스템의 동작예를 도시한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 전기구동 모빌리티의 전력 변환 시스템의 다른 동작예를 도시한 흐름도이다.
이하, 첨부의 도면을 참조하여 본 발명의 여러 실시형태에 따른 전기구동 모빌리티의 전력 변환 시스템을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 전기구동 모빌리티의 전력 변환 시스템을 도시한 회로도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 전기구동 모빌리티의 전력 변환 시스템은, 고전압 전력을 저장하는 제1 에너지 저장 장치(10)와, 상대적으로 저전압의 전력을 저장하는 제2 에너지 저장 장치(40)오, 제1 에너지 저장 장치(10)에 일단이 연결된 릴레이(20)와, 릴레이(20)의 타단에 연결된 직류 링크 커패시터(30)와, 직류 링크 커패시터(30) 및 제2 에너지 저장 장치(40) 사이에 구비되고 양방향 전압 변환이 가능한 제1 직류 컨버터(31) 및 컨트롤러(100)를 포함하여 구성될 수 있다.
제1 에너지 저장 장치(10)는 모빌리티의 구동력을 생성하는 모터에 전원으로 사용되는 고전압(예를 들어, 약 400 V 이상)의 직류 에너지를 저장하는 요소로서, 통상 고전압 배터리 또는 메인 배터리라 지칭될 수 있다. 제1 에너지 저장 장치(10)에서 방전되는 전력은 모터(미도시)로 제공되어 모터의 회전력을 생성하는데 사용될 수 있다. 또한, 제2 에너지 저장 장치(10)는 모빌리티의 외부에 마련된 충전 설비에 의해 제공되는 교류 또는 직류 전력에 의해 충전될 수 있다. 외부에서 제공되는 충전 전력이 교류 전력인 경우 모빌리티의 내부에는 교류 전력을 충전 가능한 크기의 전압을 갖는 직류 전력으로 변환하기 위한 충전기(미도시)가 구비될 수 있다.
제2 에너지 저장 장치(40)는 모빌리티 내의 전장 부하(50)에 전원 전력을 제공하기 위해 제1 에너지 저장 장치(10)의 전압 보다 상대적으로 작은 크기의 전압(예를 들어, 약 12 V)을 제공하는 에너지 저장 장치일 수 있다.
제2 에너지 저장 장치(40)는 다양하게 구현될 수 있으며, 특히 본 발명의 일 실시형태에서는 복수의 수퍼 커패시터를 병렬 연결한 수퍼 커패시터 어레이로 구현될 수 있다. 제2 에너지 저장 장치(40)를 수퍼 커패시터 어레이로 구현하는 경우 통상의 납축 배터리 또는 리튬 배터리에 비해 사이즈와 중량을 현저하게 감소시킬 수 있다.
특히, 제2 에너지 저장 장치(40)가 수퍼 커패시터 어레이로 구현되는 경우 하드웨어적인 측면에서 컨버터를 구성하는 모듈 내에 함께 구성될 수 있으므로 별도의 센싱 회로를 구비할 필요 없이 컨버터 출력단의 센싱 회로를 공유하여 제2 에너지 저장 장치(40)의 전압 또는 전류를 측정할 수 있는 장점이 있다.
릴레이(20)는 모빌리티가 기동하는 경우 오프 상태에서 온 상태로 전환될 수 있다. 릴레이(20)의 제어는 후술하는 컨트롤러(100)에 의해 이루어질 수 있다.
종래에는 릴레이(20)에 병렬로 초기 충전 저항과 초기 충전용 릴레이가 연결되었다. 이러한 종래의 시스템에서는, 모빌리티의 초기 기동 시 컨트롤러(100)가 초기 충전용 릴레이를 먼저 온 시켜 초기 충전 저항을 통해 전류가 흐르게 함으로써 급격한 전류의 유입을 방지하면서 직류 링크 커패시터(30)를 초기 충전하는 방식을 적용하였다.
그러나, 본 발명의 일 실시형태에 따른 전기구동 모빌리티의 전력 변환 시스템에서는 초기 충전 저항과 초기 충전용 릴레이가 제거되었으며, 컨트롤러(100)는 초기 기동시 릴레이(20)를 오프 상태에서 온 상태로 절환하기 이전에 제2 에너지 저장 장치(40)에 저장된 전력을 이용하여 직류 링크 커패시터(30)의 전압(VH)을 사전 설정된 크기 이상으로 충전되게 한 이후 릴레이(20)를 온 시킨다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시형태에 따른 전기구동 모빌리티의 전력 변환 시스템은 초기 충전 저항과 초기 충전용 릴레이가 존재하지 않더라도 직류 링크 커패시터(30)를 추기 충전시킬 수 있다.
이러한 제2 에너지 저장 장치(40)에 저장된 전력을 이용하여 직류 링크 커패시터(30)를 충전하기 위해서, 직류 링크 커패시터(30)와 제2 에너지 저장 장치(40) 사이에 구비되는 제1 직류 컨버터(31)는 양방향 동작이 가능한 컨버터로 구현될 수 있다.
제1 직류 컨버터(31)는 직류 링크 커패시터(30)에 형성된 직류 전압을 강압하여 제2 에너지 저장 장치(40)의 충전에 적절한 크기의 전압의 크기로 출력하거나, 제2 에너지 저장 장치(40)에서 출력되는 직류 전압을 승압하여 직류 링크 커패시터(30)를 초기 충전하는데 필요한 크기의 사전 설정된 전압으로 출력할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 제1 직류 컨버터(31)는 전기적 절연을 위해 트랜스포머(311)를 포함하는 절연형 직류-직류 컨버터 회로의 토폴로지로 구현될 수 있다.
더욱 구체적으로, 제1 직류 컨버터(31)는 복수의 스위칭 소자(S11-S14)를 포함하여 직류 링크 커패시터(31)에 형성된 직류 전압을 교류의 형태로 변환하는 브릿지 회로와, 브릿지 회로에 의해 변환된 교류 전압의 폭을 사전 설정된 권선비로 변환하는 트랜스포머(311)와, 복수의 스위칭 소자(S15, S16)을 포함하며 트랜스포머(311)에 의해 변환된 폭을 갖는 교류 전압을 다시 직류 전압으로 변환하여 제2 에너지 저장 장치(40)로 제공하는 동기 정류 회로(SR)를 포함할 수 있다.
전술한 바와 같이, 제1 직류 컨버터(11)는 제2 에너지 저장 장치(40)를 충전할 때의 전력 흐름 방향(이하, 정방향이라 함)과는 반대 방향(이하, 역방향이라 함)으로 전압을 변환할 수도 있다. 이 경우, 제2 에너지 저장 장치(40) 측의 직류 전압이 동기 정류 회로(SR)를 구성하는 스위칭 소자(S15, S16)의 스위칭에 의해 교류로 변환되어 트랜스포머(311)로 입력될 수 있으며, 트랜스포머(311)는 권선비에 따라 동기 정류 회로(SR)에서 입력된 교류 전압의 폭을 변환하여 스위칭 소자(S11-S14)로 구성된 브릿지 회로로 출력하고, 브릿지 회로는 트랜스포머(311)에서 입력된 교류 전압을 변환하여 직류 링크 커패시터(30)로 인가할 수 있다.
제1 직류 컨버터(31)에 의해 변환되는 전압의 크기는 트랜스포머(311)의 권선비 및 브릿지 회로와 동기 정류 회로(SR)에 포함된 스위칭 소자(S11-S14, S15, S16)의 스위칭 듀티비에 의해 적절하게 제어될 수 있다.
컨트롤러(100)는 입출력 전압의 크기 관계에 따라 브릿지 회로와 동기 정류 회로(SR)에 포함된 스위칭 소자(S11-S14, S15, S16)의 스위칭 듀티비를 결정하고 결정된 듀티비에 따라 브릿지 회로와 동기 정류 회로(SR)에 포함된 스위칭 소자(S11-S14, S15, S16)의 스위칭 듀티비의 온/오프를 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태는 단방향으로 전력 전달을 수행하는 추가의 제2 직류 컨버터(32)을 더 포함할 수 있다. 특히, 제2 에너지 저장 장치(40)를 수퍼 커패시터 어레이로 구현하는 경우 대전장 순간 부하(예를 들어, 조향, 제동 및 순간 모터 부하 등)에 대응하기 위해 제2 직류 컨버터(32)를 구비하는 것이 유리하다.
제2 직류 컨버터(32)는 전술한 제1 직류 컨버터(31)와 병렬 관계로 직류 링크 커패시터(30)와 제2 에너지 저장 장치(40) 사이에 연결될 수 있다.
제2 직류 컨버터(32)는 제1 에너지 저장 장치(10)에서 제2 에너지 저장 장치(40)로 제공되어야 하는 전력량이 큰 경우 제1 직류 컨버터(31)와 함께 구동될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 제2 직류 컨버터(32)는 제1 직류 컨버터(32)의 보조적 역할을 수행하는 것으로, 양방향 동작이 아닌 정방향 전력 전달만 가능하며 사이즈가 작고 효율이 우수한 액티브 클램프 포워드 컨버터로 구현될 수 있다.
컨트롤러(100)는 전술한 것과 같이 시스템 초기 기동 시 직류 링크 커패시터(30)를 초기 충전하기 위한 제어를 수행하고, 특정 조건이 충족되는 경우 제1 직류 컨버터(31)와 제2 직류 컨버터(32)가 동시 동작하게 하는 등의 제어를 수행할 수 있다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 전기구동 모빌리티의 전력 변환 시스템의 여러 동작예를 도시한 흐름도이다. 도 2 및 도 3에 도시된 흐름도의 동작은 컨트롤러(100)의 제어에 의해 수행되는 것으로 도 2 및 도 3에 대한 설명을 본 발명의 동작 관계 및 그에 따른 작용 효과가 더욱 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
먼저, 도 2를 참조하면, 컨트롤러(100)가 사용자 입력 등과 같이 시스템을 구동하기 위한 메인 릴레이(20)의 온 제어 요구를 입력 받으면(S11), 컨트롤러(100)는 제1 직류 컨버터(31)를 역방향으로 동작 시킬 수 있다(S12). 즉, 컨트롤러(100)는 제2 에너지 저장 장치(40)의 전압의 크기를 사전 설정된 직류 링크 커패시터(30)의 초기 충전 전압의 크기로 승압하도록 제1 직류 컨버터(31)를 동작시킬 수 있다. 이에 의해, 직류 링크 커패시터(30)는 사전 설정된 초기 충전 전압까지 충전될 수 있다.
직류 링크 커패시터(30)가 사전 설정된 초기 충전 전압까지 충전이 완료되면(S13), 컨트롤러(100)는 릴레이(20)를 온 시켜 제1 에너지 저장 장치(10)와 직류 링크 커패시터(30)를 전기적으로 연결시키고 제1 직류 컨버터(31)와 제2 직류 컨버터(32) 중 하나를 작동시켜 제1 에너지 저장 장치(10)와 전기적으로 연결된 직류 링크 커패시터(30)의 전압을 강압하여 제2 에너지 저장 장치(40)에 인가함으로써 제2 에너지 저장 장치(40)가 충전되게 할 수 있다(S14).
전술한 바와 같이, 제2 직류 컨버터(32)가 제1 직류 컨버터(31)의 보조적 수단으로 마련된 경우 단계(S14)에서 제1 직류 컨버터(31)를 작동시키는 것이 바람직하나, 이는 선택적 사항이며, 제2 직류 컨버터(32)가 상대적으로 성능 및 효율이 더 우수하다면 단계(S14)에서 제2 직류 컨버터(32)가 먼저 동작하게 할 수도 있다.
제1 직류 컨버터(31) 및 제2 직류 컨버터(32) 중 하나가 작동하던 중 전장 부하(50)가 요구하는 요구 부하량이 사전 설정된 기준값(A) 보다 크면(S15), 나머지 하나의 직류 컨버터를 작동시킬 수 있다(S16).
다음으로, 도 3을 참조하면, 컨트롤러(100)가 모빌리티의 전원을 오프 시키기 위해 릴레이(20)를 오프 시키기 위한 요구를 입력 받는 경우(S21), 컨트롤러(100)는 릴레이(20)를 오프 시키고 제2 에너지 저장 장치(40)의 상태를 모니터링 할 수 있다(S22).
모빌리티 시스템의 전원이 오프된 상태에서도 전장 부하(50)의 암전류 등에 제2 에너지 저장 장치(40)의 전력 소모가 이루어질 수 있으므로 제2 에너지 저장 장치(40)가 완전 방전되기 이전에 적절한 조치가 필요하다. 이를 위해, 단계(S22)에서, 컨트롤러(100)는 제2 에너지 저장 장치(40)의 상태를 모니터링 하는 것이 바람직하다.
배터리나 수퍼 커패시터 등과 같은 에너지 저장 장치의 충전 상태는 해당 에너지 저장 장치의 출력 전압으로 대부분 확인할 수 있으므로, 단계(S22)에서 컨트롤러(100)는 제2 에너지 저장 장치(40)의 전압(VL)을 모니터링 할 수 있다. 물론, 컨트롤러(100)는, 에너지 저장 장치에 저장된 전력량을 확인할 수 있는 다른 방식의 모니터링을 수행할 수도 있다.
이어, 제2 에너지 저장 장치(40)가 저장한 전력량이 사전 설정된 기준값 이하가 되면(예를 들어, 제2 에너지 저장 장치(40)의 출력 전압이 사전 설정된 기준값(B) 이하가 되면)(S23), 컨트롤러(100)는 제1 직류 컨버터(31)를 역방향으로 동작 시켜 직류 링크 커패시터(30)를 충전시킬 수 있다(S24).
즉, 단계(S24)에서, 제1 직류 컨버터(31)의 역방향 동작을 통해 제2 에너지 저장 장치(40)의 전압이 승압되어 직류 링크 커패시터(30)로 인가되어 직류 링크 커패시터(30)가 충전되며, 직류 링크 커패시터(30)가 사전 설정된 초기 충전 전압까지 충전이 완료되면(S25), 컨트롤러(100)는 릴레이(20)를 온 시켜 제1 에너지 저장 장치(10)와 직류 링크 커패시터(30)를 전기적으로 연결시키고 제1 직류 컨버터(31)를 정방향으로 작동시켜 제2 에너지 저장 장치(40)가 충전되게 하여 제2 에너지 저장 장치(40)가 완전 방전되는 것을 방지할 수 있다(S26).
물론, 제2 직류 컨버터(32)가 상대적으로 성능 및 효율이 더 우수하여 시스템 전체의 효율 측면에서 더욱 유리하다면, 단계(S26)에서 컨트롤러(100)는 제1 직류 컨버터(31) 대신 제2 직류 컨버터(32)가 동작하게 할 수도 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 여러 실시형태는 모빌리티 시스템에 마련된 직류 컨버터를 양방향 동작이 가능하게 구성하고 저전압의 에너지 저장 장치에 저장된 전력을 양방향 직류 컨버터에 의해 변환하여 고전압 측에 제공함으로써 초기 기동 시 직류 링크 커패시터를 초기 충전하기 위한 저항이나 추가의 릴레이가 없더라도 직류 링크 커패시터를 초기 충전시킬 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 여러 실시형태는 초기 충전에 사용되는 저항과 릴레이를 제거할 수 있게 함으로써 시스템 사이즈와 중량을 감소시킬 수 있으며, 모빌리티 단가를 저하시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시형태는, 저전압 전력을 저장하기 위한 에너지 저장 장치를 수퍼 커패시터 어레이로 구현함으로써 시스템 사이즈 및 중량을 감소시킬 수 있다.
더하여, 본 발명의 일 실시형태는, 저전압 전력을 저장하기 위한 에너지 저장 장치를 수퍼 커패시터 어레이로 구현함에 따라 추가적으로 단방향의 직류 컨버터를 추가함으로써 요구되는 부하량에 따라 선택적인 직류 컨버터 구동을 통해 넓은 부하폭에서 효율을 향상시킬 수 있다.
이상에서 본 발명의 특정한 실시형태에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 청구범위의 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
10: 제1 에너지 저장 장치 20: 릴레이
30: 직류 링크 커패시터 31: 제1 직류 컨버터
32: 제2 직류 컨버터 311, 321: 트랜스포머
40: 제2 에너지 저장 장치 50: 전장 부하
100: 컨트롤러 S11-S16, S21, S22: 스위칭 소자

Claims (12)

  1. 제1 에너지 저장 장치 및 상기 제1 에너지 저장 장치의 전압 보다 낮은 전압 출력을 갖는 제2 에너지 저장 장치;
    상기 제1 에너지 장치에 일단이 연결된 릴레이;
    상기 릴레이의 타단에 연결된 직류 링크 커패시터;
    상기 직류 링크 커패시터와 상기 제2 에너지 저장 장치 사이에 구비되고 양방향 전압 변환이 가능한 제1 직류 컨버터; 및
    상기 릴레이의 상태를 오프 상태에서 온 상태로 전환하기 이전에, 상기 제1 직류 컨버터가 상기 제2 에너지 저장 장치의 전압의 크기를 변환하여 상기 커패시터로 인가하도록 제어하여 상기 직류 링크 커패시터를 사전 설정된 전압 이상 충전시킨 후, 상기 릴레이를 온 상태로 전환하는 컨트롤러;
    를 포함하는 전기구동 모빌리티의 전력 변환 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 직류 컨버터는,
    상기 직류 링크 커패시터에 형성된 직류 전압을 강압하여 상기 제2 에너지 저장 장치의 충전에 적절한 크기의 전압의 크기로 출력하거나, 상기 제2 에너지 저장 장치에서 출력되는 직류 전압을 승압하여 상기 직류 링크 커패시터를 초기 충전하는데 필요한 크기의 사전 설정된 전압으로 출력하는 것을 특징으로 하는 전기구동 모빌리티의 전력 변환 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 직류 컨버터는,
    복수의 스위칭 소자를 포함하여 직류 링크 커패시터에 형성된 직류 전압을 교류의 형태로 변환하는 브릿지 회로와, 상기 브릿지 회로에 의해 변환된 교류 전압의 폭을 사전 설정된 권선비로 변환하는 트랜스포머와, 복수의 스위칭 소자를 포함하며 상기 트랜스포머에 의해 변환된 폭을 갖는 교류 전압을 직류 전압으로 변환하여 상기 제2 에너지 저장 장치로 제공하는 동기 정류 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기구동 모빌리티의 전력 변환 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 에너지 저장 장치는 수퍼 커패시터 어레이인 것을 특징으로 하는 전기구동 모빌리티의 전력 변환 시스템.
  5. 청구항 1 또는 청구항 4에 있어서,
    상기 제1 직류 컨버터와 병렬 관계로 상기 직류 링크 커패시터와 상기 제2 에너지 저장 장치 사이에 연결된 제2 직류 컨버터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기구동 모빌리티의 전력 변환 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제2 직류 컨버터는 액티브 클램프 포워드 컨버터인 것을 특징으로 하는 전기구동 모빌리티의 전력 변환 시스템.
  7. 청구항 5에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    상기 릴레이의 온 제어 요구를 입력 받는 경우 상기 제1 직류 컨버터를 역방향으로 동작 시켜 상기 직류 링크 커패시터를 사전 설정된 초기 충전 전압까지 충전시키고, 상기 직류 링크 커패시터가 상기 초기 충전 전압까지 충전이 완료되면, 상기 릴레이를 온 시키고 상기 제1 직류 컨버터 및 상기 제2 직류 컨버터 중 하나를 작동시켜 상기 직류 링크 커패시터의 전압을 강압하여 상기 제2 에너지 저장 장치에 인가하는 것을 특징으로 하는 전기 구동 모빌리티의 전력 변환 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    상기 제1 직류 컨버터 및 상기 제2 직류 컨버터 중 하나를 작동시킨 이후, 상기 제2 에너지 저장 장치에서 전원 전력을 제공받는 전장 부하의 요구 부하량이 사전 설정된 기준값 보다 커지면 작동하지 않는 나머지 하나의 직류 컨버터를 작동시키는 것을 특징으로 하는 전기 구동 모빌리티의 전력 변환 시스템.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    상기 릴레이가 오프인 상태에서 상기 제2 에너지 저장 장치를 모니터링하고, 상기 제2 에너지 저장 장치가 저장한 전력량이 사전 설정된 기준값 이하가 되는 경우 상기 제1 직류 컨버터를 역방향으로 동작 시켜 상기 직류 링크 커패시터를 사전 설정된 초기 충전 전압까지 충전시키고, 상기 직류 링크 커패시터가 상기 초기 충전 전압까지 충전이 완료되면, 상기 릴레이를 온 시키고 상기 제1 직류 컨버터를 작동시켜 상기 직류 링크 커패시터의 전압을 강압하여 상기 제2 에너지 저장 장치에 인가하는 것을 특징으로 하는 전기 구동 모빌리티의 전력 변환 시스템.
  10. 제1 에너지 저장 장치 및 상기 제1 에너지 저장 장치의 전압 보다 낮은 전압 출력을 갖는 제2 에너지 저장 장치와, 상기 제1 에너지 장치에 일단이 연결된 릴레이와, 상기 릴레이의 타단에 연결된 직류 링크 커패시터와, 상기 직류 링크 커패시터와 상기 제2 에너지 저장 장치 사이에 구비되고 양방향 전압 변환이 가능한 제1 직류 컨버터 및 상기 제1 직류 컨버터와 병렬 관계로 상기 직류 링크 커패시터와 상기 제2 에너지 저장 장치 사이에 연결된 제2 직류 컨버터를 포함하는 전기 구동 모빌리티의 전력 변환 시스템의 제어 방법에 있어서,
    상기 릴레이의 온 제어 요구를 입력 받는 경우 상기 제1 직류 컨버터를 역방향으로 동작 시켜 상기 직류 링크 커패시터를 사전 설정된 초기 충전 전압까지 충전시키는 단계;
    상기 직류 링크 커패시터가 상기 초기 충전 전압까지 충전이 완료되면, 상기 릴레이를 온 시키는 단계; 및
    상기 제1 직류 컨버터 및 상기 제2 직류 컨버터 중 하나를 작동시켜 상기 직류 링크 커패시터의 전압을 강압하여 상기 제2 에너지 저장 장치에 인가하는 단계;
    를 포함하는 전기 구동 모빌리티의 전력 변환 시스템의 제어 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 제2 에너지 저장 장치에 인가하는 단계 이후, 상기 제2 에너지 저장 장치에서 전원 전력을 제공받는 전장 부하의 요구 부하량이 사전 설정된 기준값 보다 커지면 작동하지 않는 나머지 하나의 직류 컨버터를 작동시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 구동 모빌리티의 전력 변환 시스템의 제어 방법.
  12. 제1 에너지 저장 장치 및 상기 제1 에너지 저장 장치의 전압 보다 낮은 전압 출력을 갖는 제2 에너지 저장 장치와, 상기 제1 에너지 장치에 일단이 연결된 릴레이와, 상기 릴레이의 타단에 연결된 직류 링크 커패시터와, 상기 직류 링크 커패시터와 상기 제2 에너지 저장 장치 사이에 구비되고 양방향 전압 변환이 가능한 제1 직류 컨버터 및 상기 제1 직류 컨버터와 병렬 관계로 상기 직류 링크 커패시터와 상기 제2 에너지 저장 장치 사이에 연결된 제2 직류 컨버터를 포함하는 전기 구동 모빌리티의 전력 변환 시스템의 제어 방법에 있어서,
    상기 제2 에너지 저장 장치가 저장한 전력량이 사전 설정된 기준값 이하가 되는 경우 상기 제1 직류 컨버터를 역방향으로 동작 시켜 상기 직류 링크 커패시터를 사전 설정된 초기 충전 전압까지 충전시키는 단계;
    상기 직류 링크 커패시터가 상기 초기 충전 전압까지 충전이 완료되면, 상기 릴레이를 온 시키는 단계; 및
    상기 제1 직류 컨버터 및 상기 제2 직류 컨버터 중 하나를 작동시켜 상기 직류 링크 커패시터의 전압을 강압하여 상기 제2 에너지 저장 장치에 인가하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 구동 모빌리티의 전력 변환 시스템의 제어 방법.
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