KR101165621B1 - 차량용 충전 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 차량용 충전 장치는 외부로부터 110V 또는 220V의 교류 전력을 입력받아 전파 정류하는 제1정류기; 전파 정류된 전력의 전압을 일정 크기의 링크 전압으로 강압하는 LLC 공진 컨버터; 링크 전압을 유지시키는 제2정류기; 외부로부터 110V의 교류 전력이 입력된 경우 제2정류기를 하프 브리지 모드로 구동 제어하고, 외부로부터 220V의 교류 전력이 입력된 경우 제2정류기를 풀 브리지 모드로 구동 제어하는 컨트롤러; 컨트롤러를 통해 제어된 제2정류기의 링크 전압을 승압시켜 배터리로 출력하는 부스트 컨버터를 포함한다.
본 발명은 사용전원으로 110V 및 220V를 모두 사용할 수 있고, LLC 공진 컨버터를 이용하여 링크전압을 80V로 유지할 수 있으며 이때 ZVS(Zero Voltage Switching; 제로 전압 스위칭) 스위칭 동작으로 스위칭 손실을 저감할 수 있고, 고정주파수 및 고정 시비율(즉, 듀티비)로 동작하여 제어를 간소화할 수 있다. 또한 80V의 링크 전압을 부스트 컨버터를 통해 넓은 범위의 전압으로 출력할 수 있다. 또한 링크 전압을 다시 부스트 컨버터를 통해 승압시켜 최종 출력하고 역률을 제어하여 충전 구동 시 제어를 간소화할 수 있다.

Description

차량용 충전 장치 {Vehicle charging apparatus}
본 발명은 차량용 충전 장치에 관한 것으로, 특히 차량에 마련된 배터리를 완속 충전시키는 차량용 충전 장치에 관한 것이다.
일반적으로 전기 자동차는 날로 심각해져 가는 환경오염을 방지하기 위한 대비책과 한정된 유체 에너지를 새로운 에너지원으로 대체하고자 하는 목적에서 개발된 것으로, 배터리의 전원으로 모터를 구동시켜 일정 차속 이상의 주행성을 확보하여 준다.
이러한 전기자동차는 운전자가 액셀 페달을 조작하면 컨트롤러가 액셀 페달을 밟는 양에 따라 인버터의 게이트 주파수를 제어하여 배터리의 직류 전원을 PWM(pulse width modulation)제어하여 소정의 전류량을 모터에 공급하고, 이때 모터는 인버터에서 공급되는 전류량에 따라 일정 토크가 발생되어 회전함으로써 전기자동차가 주행할 수 있도록 한다.
이러한 전기자동차의 배터리는 그 용량이 한정된 2차 전지를 이용하기 때문에 전기자동차가 일정 시간 주행하면 충전된 전력이 소모된다.
전기자동차의 배터리 소모 시 운전자는 가정이나 충전 장치가 설치된 주유소와 같은 충전소에서 배터리를 충전하는데, 이때 전기 자동차는 외부 교류 전원을 인가받고 인가된 외부 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 배터리를 충전한다.
즉, 전기 자동차는 배터리에 충전된 전압으로 모터를 구동시켜야 하기 때문에 대용량의 충전식 배터리를 사용하며, 이러한 대용량의 충전식 배터리를 충전하기 위한 배터리 충전 장치를 구비하고 있다.
배터리 충전 장치는 충전 시간에 따라 급속 충전기와 완속 충전기로 구분된다. 급속 충전기는 주유소와 같이 주행 중 긴급하게 충전하기 위한 장소에 설치되고 충전시간은 약 20분 정도 소요된다. 반면, 완속 충전기는 주차장이나 쇼핑몰 등 장시간 주차가 예상되는 장소에 설치되고 충전시간은 약 5시간 정도 소요된다.
이러한 배터리 충전 장치는 상용전원 110V/220V의 전압을 모두 사용하지 못하고 하나의 입력(단일 입력)만을 사용할 수 있으며, 배터리 충전을 위해 출력되는 전압의 범위도 좁다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 넓은 출력 범위를 갖는 고효율 고역률의 차량용 충전 장치를 제공한다.
본 발명의 다른 목적은 220V 및 110V의 상용전원으로 충전 가능하고, 미리 정해진 주파수 및 시비율로 LLC 공진 컨버터를 제어함으로써 제어 동작을 간소화한 차량용 충전 장치를 제공한다.
본 발명의 또 다른 목적은 제로 전압 스위칭을 수행하야 스위칭 손실을 저감한 차량용 충전 장치를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따른 차량용 충전 장치는 외부로부터 110V 또는 220V의 교류 전력을 입력받아 전파 정류하는 제1정류기; 전파 정류된 전력의 전압을 일정 크기의 링크 전압으로 강압하는 LLC 공진 컨버터; 링크 전압을 유지시키는 제2정류기; 외부로부터 110V의 교류 전력이 입력된 경우 제2정류기를 하프 브리지 모드로 구동 제어하고, 외부로부터 220V의 교류 전력이 입력된 경우 제2정류기를 풀 브리지 모드로 구동 제어하는 컨트롤러; 컨트롤러를 통해 제어된 제2정류기의 링크 전압을 승압시켜 배터리로 출력하는 부스트 컨버터를 포함한다.
LLC 공진 컨버터는, 전파 정류된 전압을 미리 정해진 주파수 및 시비율로 하는 복수 스위칭 소자를 가진다.
LLC 공진 컨버터의 복수 스위칭 소자는, 풀 브리지 모드로 구동한다.
부스트 컨버터는, 컨트롤러에서 출력되는 펄스 신호에 따라 스위칭되어 링크 전압을 제어하여 대략 120 내지 450V의 직류 전압으로 배터리로 출력한다.
차량용 충전 장치는 LLC 공진 컨버터와 제2정류기를 절연시키는 변압기를 더 포함한다.
차량용 충전 장치는 변압기의 2차측에 직렬 연결된 공진 콘덴서를 더 포함한다.
제2정류기는, 컨트롤러의 지시에 따라 하프 브리지 모드 또는 풀 브리지 모드로 구동하는 복수의 스위칭 소자를 포함하고, 복수의 스위칭 소자는 제로 전압 스위칭을 수행한다.
LLC 공진 컨버터는, 대략 80V의 전압을 출력한다.
본 발명은 사용전원으로 110V 및 220V를 모두 사용할 수 있고, LLC 공진 컨버터를 이용하여 링크전압을 80V로 유지할 수 있으며 이때 ZVS(Zero Voltage Switching; 제로 전압 스위칭) 스위칭 동작으로 스위칭 손실을 저감할 수 있고, 고정주파수 및 고정 시비율(즉, 듀티비)로 동작하여 제어를 간소화할 수 있다.
또한 80V의 링크 전압을 부스트 컨버터를 통해 넓은 범위의 전압으로 출력할 수 있다.
또한 링크 전압을 다시 부스트 컨버터를 통해 승압시켜 최종 출력하고 역률을 제어하여 충전 구동 시 제어를 간소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 충전 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 충전 장치의 회로 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 충전 장치의 입력 신호 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 충전 장치의 링크 전압 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 충전 장치의 출력 신호 그래프이다.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 충전 시스템의 구성도로, 차량용 충전 시스템은 제1정류기(10), 공진컨버터(20), 제2정류기(30), 부트스 컨버터(40), 배터리(50), 컨트롤러(60) 및 변압기(TF)를 포함한다.
제1정류기(10)는 브리지 다이오드로 이루어지고, 상용전원(1)으로부터 입력되는 110V 또는 220V의 교류 전압을 전파 정류하여 출력한다.
도 1을 참조하면, 제1정류기(10)의 입력측에 상용전원(1)의 전압 파형을 도시하고, 제1정류기(10)의 출력측에 전파 정류된 전압의 파형을 도시하였다.
LLC 공진 컨버터(20)는 변압기(TF)의 1차측에 마련되고, 풀 브리지 방식으로 구동되는 복수의 스위칭 소자(Sa1 내지 Sa4)로 이루어진다.
이러한 LLC 공진 컨버터(20)는 컨트롤러(60)의 지시에 따라 고정 주파수 및 고정 시비율(즉, 듀티비)로 스위치를 교번 동작시켜 제1정류기(10)에서 전파 정류된 전압을 교류로 변환시킨다. 즉 LLC 공진 컨버터(20)는 제1정류기(10)에서 전파 정류된 전압을 대략 80V의 링크전압으로 강압한다.
여기서 LLC 공진 컨버터(20)는 변압기(TF)의 권선비에 따라 상용 전원의 전압을 80V로 강압한다. 이때 변압기(TF)의 1차 측과 2차 측은 대략 20 대 7로 권선된다.
LLC 공진 컨버터(20)는 전압 강압 과정에서 변압기(TF) 크기의 간소화를 위해 스위칭 주파수를 대략 100kHz로 설정한다.
이와 같이, LLC 공진 컨버터(20)는 공진 주파수와 동기화된 고정 주파수와 고정 시비율로 동작하여 제어를 간소화할 수 있고, 변압기(TF)의 권선비에 의해 에너지를 전달하며 변압기(TF)를 기준으로 1차측과 2차측을 절연하는 기능을 담당한다.
제2정류기(30)는 변압기(TF)의 2차측에 마련되고, 컨트롤러(60)의 지시에 따라 풀 브리지 또는 하프 브리지로 구동하는 복수의 스위칭 소자(SR1 내지 SR4)로 이루어진다.
제2정류기(30)는 변압기(TF)의 2차측에 직렬 연결된 콘덴서(Cr)를 더 포함하고, 이 콘덴서(Cr)는 변압기(TF)의 2차측의 누설 인덕턴스 값과 공진을 하게 되며 스위칭 주파수를 공진주파수와 동기와시켜 LLC 공진을 하게 된다.
이 LLC 공진을 통해 스위치의 스위칭 동작 시 ZVS(Zero Voltage Switching; 제로 전압 스위칭) 동작을 수행함으로써 대략 100kHz의 고주파수에 따른 스위칭 손실을 줄일 수 있다.
여기서 스위칭 주파수를 100kHz 이상으로 설정하면 변압기의 사이즈를 줄일 수 있다.
이러한 제2정류기(30)는 상용전원이 220V 또는 110V 인지에 따라 풀 브리지 모드 또는 하프 브리지 모드로 동작한다.
제2정류기(30)는 LLC 공진 컨버터(20)에서 강압된 전압을 다시 전파 정류하여 80V의 링크 전압으로 유지시킨다.
도1을 참조하면, LLC 공진 컨버터(20) 및 제2정류기(30)를 통해 출력되는 80V 링크 전압의 파형을 도시하였다.
부스트 컨버터(40)는 인덕터(Lb), 스위칭 소자(MOSFET: Sb), 다이오드(Db)로 이루어진다.
이러한 부스트 컨버터(40)는 제2정류기(30)에서 강압된 80V의 링크 전압을 승압하여 대략 120 내지 450V 넓은 범위의 전압을 최종적으로 배터리(50)에 출력한다. 여기서 부스트 컨버터(40)에서 배터리(50)로 출력되는 전압 그래프를 도 1에 도시하였다.
부스트 컨버터(40)는 컨트롤러(60)의 지시에 따라 출력 전압과 출력 전류를 제어하며, 역률을 보정한다.
아울러, 충전 장치는 콘덴서(C1) 및 콘덴서(C2)를 더 포함하고, 여기서 콘덴서(C1)는 제2정류기(30)에서 출력되는 80V의 링크 전압을 평활하여 안정화시키고, 콘덴서(C2)는 부스트 컨버터(40)에서 출력되는 120 내지 450V의 출력 전압을 평활하여 안정화시킨다.
배터리(50)는 부스트 컨버터(40)에서 출력되는 전압을 공급받아 완속 충전하는 충전식 배터리이다.
컨트롤러(60)는 제1정류기(10), LLC 공진 컨버터(20), 제2정류기(30) 및 부스트 컨버터(40)의 동작을 제어한다.
이러한, 컨트롤러(60)는 미리 정해진 주파수와 시비율로 LLC 공진 컨버터(20)의 복수 스위칭 소자(Sa1 내지 Sa4)의 구동을 제어한다.
그리고 컨트롤러(60)는 상용전원(1)의 입력 전압이 110V 또는 220V인지 판단하고, 판단결과에 따라 제2정류기(30)의 스위치 동작을 제어한다.
좀 더 구체적으로, 컨트롤러(60)는 상용전원(1)이 220V라고 판단된 경우 제1정류기(20) 및 제2정류기(30)를 풀 브리지 모드로 동작 제어하고, 상용전원(1)이 110V라고 판단된 경우 제1정류기(20)를 풀 브리지 모드로 동작 제어하고, 제2정류기(30)를 하프 브리지 모드로 동작 제어한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 차량용 충전 장치의 회로 구성도이다. 이를 도 3 내지 도 5를 참조하여 설명하도록 한다.
여기서 도 3은 차량용 충전 장치의 입력 신호 그래프이고, 도 4는 차량용 충전 장치의 링크 전압 그래프이며, 도 5는 차량용 충전 장치의 출력 신호 그래프이다.
차량의 충전 장치는 상용전원(1)으로부터 110V 또는 220V의 전압을 가진 교류 전력을 공급받는다. 차량의 충전 장치에 공급되는 전력의 전압(Vi) 및 전류(Ii)는 도 3에 도시된 바와 같다.
제1정류기(10)는 브리지 다이오드로 이루어지고, 교류의 110V 또는 220V 상용전원을 전파 정류한다.
LLC 공진 컨버터(20)는 변압기(TF)와 공진 콘덴서(Cr)가 마련된 공진 회로 및 미리 정해진 고정 주파수 및 고정 시비율에 대응하여 동작하는 복수 개의 스위칭 소자(Sa1, Sa2, Sa3, Sa4)를 포함한다.
여기서, 변압기(TF)와 직렬 연결된 공진 콘덴서(Cr)는 변압기(TF)의 공진 인덕턴스 값(lra)과 공진을 하게 되며 스위칭 주파수를 공진 주파수와 동기화시켜 LLC 공진을 하게 된다. 이 LLC 공진을 통해 스위칭 소자(Sa1, Sa2, Sa3, Sa4)의 스위칭 동작 시 ZVS(Zero Voltage Switching; 제로 전압 스위칭) 동작을 하게 되어 스위칭 손실을 저감하게 된다.
그리고 복수 개의 스위칭 소자(Sa1, Sa2, Sa3, Sa4)는 제1정류기(10)로부터 전파 정류된 전압을 공급받고, 이 전파 정류된 전압이 대략 80V 링크 전압으로 유지되도록 풀 브리지 모드로 동작한다.
이러한 LLC 공진 컨버터(20)는 공진 주파수와 고정 주파수와 고정 시비율로 동작하여 별다른 제어를 하지 않으며, 변압기(TF)의 권선비에 의해 에너지를 전달하며 변압기(TF)를 기준으로 1차 측과 2차 측을 절연한다.
이때 변압기(TF) 크기의 간소화를 위해 스위칭소자(Sa1, Sa2, Sa3, Sa4)의 동작 주파수를 100kHz 이상으로 설정하는 것이 가능하다.
제2정류기(30)는 4개의 스위칭 소자(SR1, SR2, SR3, SR4)를 포함하여 변압기(TF)를 통해 강압된 전압을 다시 전파 정류하여 80V의 링크 전압으로 유지되도록 한다.
LLC 공진 컨버터(20)와 제2정류기(30) 사이의 링크 전압(Vlink)은 도 4에 도시된 바와 같다.
이때, 제2정류기(30)는 110V 상용전원(1)이 입력되는 경우 하프 브리지 모드로 동작되고, 220V 상용전원(1)이 입력되는 경우 풀 브리지 모드로 동작하여, 제2정류기(30)를 통해 출력되는 전압이 80V로 유지되도록 한다.
부스트 컨버터(40)는 컨트롤러(60)에서 출력되는 펄스 신호(PWM) 에 따라 스위칭 되어 부스트 컨버터(40)의 펄스폭을 변조 제어하는 스위칭 소자(MOSFET: Sb)와, 스위칭 소자(Sb)의 온 기간에 따라 부스트 컨버터(40)에서 출력되는 직류 전압을 제어하는 인덕터(Lb)와, 스위칭 소자(Sb)의 스위칭 동작에 따라 배터리(50)로 흐르는 전류를 조정하는 다이오드(Db)로 구성되어 있다.
여기서 MOSFET(Sb)는 N채널 증가형 MOSFET로, +전류가 게이트에 들어오면 드레인에서 소스로 전류가 흐르게 되고 인덕터(Lb), MOSFET(Sb) 접지 순으로 전류가 흐르게 된다. 이때 MOSFET(Sb)의 게이트의 전압을 0으로 만들면 MOSFET(Sb)는 오프되고, 인덕터(Lb)에 역기전력이 발생하고 다시 MOSFET(Sb)가 온 때까지 일정 시간동안 승압된 전류를 내보낸다.
부스트 컨버터(40)에서 배터리(50)로 출력되는 전력의 전압(Vo) 및 전류(Vi)는 도 5에 도시된 바와 같다.
이하, 상기 같이 구성된 차량용 충전 장치의 동작 과정을 설명한다.
상용전원(1)으로부터 110V 또는 220V의 교류 전력이 입력되면, 제1정류기(10)는 110V 또는 220V의 교류 전력을 전파 정류하고, 전파 정류된 전력의 전압을 LLC 공진 컨버터(20)를 통해 대략 80V의 링크 전압으로 유지시킨다.
여기서 LLC 공진 컨버터(20)는 고정 주파수 및 고정 시비율로 스위칭 동작하여 대략 80V의 전압으로 유지시키고 이 전압을 제2정류기(30)로 출력하며, 제2정류기(30)는 LLC 공진 컨버터(20)로부터 입력된 대략 80V의 전압을 유지시켜 부스트 컨버터(40)로 출력한다.
이때 제2정류기(30)는 상용전원(1)에서 110V가 공급된 경우 하프 브리지 모드로 동작하여 높은 주파수의 교류로 변환하고, 상용전원(1)에서 220V가 공급된 경우 풀 브리지 모드로 동작하여 높은 주파수의 교류로 변환하여 부스트 컨버터(40)로 출력한다.
다음, 부스트 컨버터(40)는 컨트롤러(60)에서 출력되는 펄스 신호에 따라 스위칭 소자(MOSFET: Sb)의 온 듀티를 제어하여 제2정류기(30)로부터 입력된 교류 전력을 최종 출력되는 전압과 전류를 제어하고 역률을 보정한다.
이에 따라 차량용 충전 장치는 상용 전원(1)의 입력 전압에 무관하게 넓은 범위의 출력 전압이 가능하도록 LLC 공진 컨버터(20)를 이용하여 링크 전압을 80V로 유지하였으며, 이때 ZVS 스위칭 동작으로 스위칭 손실을 저감하였고, 고정 주파수 및 고정 시비율로 동작하여 제어를 간소화하였다.
또한 강압된 링크 전압은 다시 부스트 컨버터(40)를 통해 승압되어 넓은 범위의 전압 출력으로써 최종 출력이 된다.
1 : 상용 전원 10 : 제1정류기
20 : LLC 공진 컨버터 TF : 변압기
30 : 제2정류기 40 : 부스트
50 : 배터리 60 : 컨트롤러

Claims (8)

  1. 외부로부터 110V 또는 220V의 교류 전력을 입력받아 전파 정류하는 제1정류기;
    상기 전파 정류된 전력의 전압을 일정 크기의 링크 전압으로 강압하는 LLC 공진 컨버터;
    상기 링크 전압을 유지시키는 제2정류기;
    상기 외부로부터 110V의 교류 전력이 입력된 경우 상기 제2정류기를 하프 브리지 모드로 구동 제어하고, 상기 외부로부터 220V의 교류 전력이 입력된 경우 상기 제2정류기를 풀 브리지 모드로 구동 제어하는 컨트롤러;
    상기 컨트롤러를 통해 제어된 제2정류기의 링크 전압을 승압시켜 배터리로 출력하는 부스트 컨버터를 포함하는 차량용 충전 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 LLC 공진 컨버터는,
    상기 전파 정류된 전압을 미리 정해진 주파수 및 시비율로 하는 복수 스위칭 소자를 가지는 차량용 충전 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 LLC 공진 컨버터의 상기 복수 스위칭 소자는,
    풀 브리지 모드로 구동하는 차량용 충전 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 부스트 컨버터는,
    상기 컨트롤러에서 출력되는 펄스 신호에 따라 스위칭되어 상기 링크 전압을 제어하여 120 내지 450V의 직류 전압으로 상기 배터리로 출력하는 차량용 충전 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 LLC 공진 컨버터와 상기 제2정류기를 절연시키는 변압기를 더 포함하는 차량용 충전 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 변압기의 2차측에 직렬 연결된 공진 콘덴서를 더 포함하는 차량용 충전 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 제2정류기는,
    상기 컨트롤러의 지시에 따라 하프 브리지 모드 또는 풀 브리지 모드로 구동하는 복수의 스위칭 소자를 포함하고,
    상기 복수의 스위칭 소자는 제로 전압 스위칭을 수행하는 차량용 충전 장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 LLC 공진 컨버터는,
    80V의 전압을 출력하는 차량용 충전 장치.
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