KR101188241B1 - 전기 자동차용 상용 전원 완속 충전기 - Google Patents

전기 자동차용 상용 전원 완속 충전기 Download PDF

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Abstract

상용 교류 전원을 전파 정류하여 정류된 전압을 출력하는 정류부; 상기 정류된 전압을 입력받아 고정 시비율 및 고정 주파수로 동작하여 강압된 직류 링크 전압을 출력하는 LLC 공진 컨버터; 및 상기 직류 링크 전압을 승압하여 밧데리 부하에 상응하는 충전 전압을 출력하는 부스트 컨버터를 포함하는 전기 자동차용 상용 전원 완속 충전기가 제공된다.

Description

전기 자동차용 상용 전원 완속 충전기{BATTERY CHARGER USING COMMON POWER SOURCE FOR ELECTRIC VEHICLE}
본 발명은 전기 자동차용 상용전원 충전기에 관한 것으로, 상세하게는 넓은 출력 범위를 갖는 고효율 고역률 전기 자동차용 상용전원 완속 충전기에 관한 것이다.
최근 환경 파괴로 인한 지구 온난화와 고유가 등의 문제로 자동차 업계에서는 전기 자동차의 개발을 급속히 진행하고 있다. 현재 전세계 메이저급 자동차 제작사들은 주요 개발 차량으로 전기 자동차를 만들기 위해 연구개발 중이다.
전기 자동차는 배기가스가 전혀 없으며, 소음이 아주 작은 장점이 있다. 전기 자동차는 1873년 가솔린 자동차보다 먼저 제작되었으나, 밧데리의 무거운 중량, 충전에 걸리는 시간 등의 문제 때문에 실용화되지 못하다가 공해문제가 최근 심각해지면서 다시 개발되고 있다. 하지만, 재충전 가능한 밧데리의 사용횟수 제한으로 인하여 밧데리 자체 만으로는 장거리 주행이 확보되지 않는 문제점을 가지고 있다.
따라서, 현재 시장에서는 화석연료와 밧데리 같이 두 가지 동력원을 사용하는 하이브리드(Hybrid) 자동차가 북미지역을 중심으로 활발히 판매 사용되고 있다. 일본 도요다 자동차의 프리우스는 대표적인 하이브리드 자동차의 일종이다. 프리우스는 휘발유를 사용하는 엔진과 차량의 브레이킹 시에 회수되는 운동에너지를 전기에너지로 사용할 수 있는 알터네이터(Alternator) 및 모터(Motor)를 갖는다.
한편, 전기 자동차의 경우 재충전 가능한 밧데리(즉, 2차 전지의 성능 개선)와 기존의 전지특성과는 다른 특성을 가진 연료전지 등을 사용하는 방안이 마련되고 있다. 이에, 전기 자동차 내부의 밧데리 충전과 잦은 교체주기에 따른 기존의 문제점이 점차 해결되어 가고 있다.
일반 도로 주행용 전기 자동차가 아닌 일부 소형 전기 자동차의 경우에는 이미 상용화되어 활발히 사용되고 있다. 예를 들어, 골프장의 골프 카트, 경기장의 선수 및 장비 이동용 차량, 실내 운전 차량, 실내 청소 차량 등에서 활발히 사용되고 있으며, 곧 일반 상용 및 승용차에서도 전기자동차의 보급이 급속히 이루어질 것이라는 사실이 예견된다.
본 발명이 해결하려는 과제는 넓은 출력 범위를 갖는 고효율 고역률 전기 자동차용 상용전원 완속 충전기를 제공하는데 있다.
본 발명의 일측면에 의하면, 상용 교류 전원을 전파 정류하여 정류된 전압을 출력하는 정류부; 상기 정류된 전압을 입력받아 고정 시비율 및 고정 주파수로 동작하여 강압된 직류 링크 전압을 출력하는 LLC 공진 컨버터; 및 상기 직류 링크 전압을 승압하여 밧데리 부하에 상응하는 충전 전압을 출력하는 부스트 컨버터를 포함하는 전기 자동차용 상용 전원 완속 충전기가 제공된다.
상기 LLC 공진 컨버터는 고정주파수 및 고정 시비율로 교번 동작을 하여 상기 정류된 전압을 교류로 변환하도록 풀 브릿지로 구성된 스위칭 소자를 포함하는 입력 스위칭부; 상기 입력 스위칭부로부터 교류 전압을 입력받아 권선비에 따라 강압된 교류 전압을 출력하는 변압기; 및 상기 강압된 교류 전압을 정류하여 상기 직류 링크 전압을 출력하는 동기 정류 회로부를 포함할 수 있다.
상기 LLC 공진 컨버터는 상기 변압기 2차측의 누설 인덕턴스 값과 공진하도록 상기 변압기의 2차측에 직렬 연결된 커패시터를 더 포함하며, 상기 입력 스위칭부는 영전압 스위칭을 위해 LLC 공진이 이루어지도록 상기 공진 주파수와 동기화된 스위칭 주파수를 가질 수 있다.
상기 동기 정류 회로부는 입력 전압 변동에 따른 링크전압을 일정한 전압으로 유지하기 위해, 입력 전압에 따라 풀 브릿지 동기 정류 또는 하프 브릿지 동기 정류를 수행하는 풀 브릿지로 구성된 스위칭 소자를 포함할 수 있다.
상기 동기 정류 회로부는 상기 상용 교류 전원이 110V인 경우, 온 또는 오프로 스위칭 동작을 수행하는 2개의 스위칭 소자와, 상시 온 동작을 수행하는 하나의 스위칭 소자와, 상시 오프 동작을 수행하는 하나의 스위칭 소자를 포함할 수 있다.
상기 부스트 컨버터는 출력전압 또는 출력전류 제어 및 역률 보정 제어를 수행하기 위한 커패시터, 코일, 스위칭 소자를 포함할 수 있다.
상기 전기 자동차용 상용 전원 완속 충전기는 상기 부스트 컨버터의 출력을 정류 평활하는 정류 평활부를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, LLC 공진 컨버터를 사용하여 일정한 링크 전압을 유지하여 상용 교류 전원 (110V/220V)의 입력과 넓은 범위의 출력을 할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 영전압 스위칭 동작으로 스위칭 손실을 줄였으며, 고정 주파수 및 고정 시비율로 동작하여 제어를 간소할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전기 자동차용 상용 전원 완속 충전기의 구성 블록도이다.
도 2는 일실시예에 따른 전기 자동차용 상용 전원 완속 충전기의 상세한 회로도이다.
도 3은 상용전압 220V 입력에 따라 풀브릿지로 동작하는 동기 정류부(220)의 스위칭 동작을 보여준다.
도 4는 상용전압 110V 입력에 따라 풀브릿지로 동작하는 동기 정류부(220)의 스위칭 동작을 보여준다.
도 5는 본 발명에서의 입력전압 및 입력전류 측정 파형을 보여준다.
도 6은 본 발명에서 출력전압 및 출력 전류 측정 파형을 보여준다.
도 7은 본 발명에서 LLC 공진컨버터와 부스트 컨버터 사이의 링크 전압 측정 파형을 보여준다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전기 자동차용 상용 전원 완속 충전기의 구성 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 전기 자동차용 상용 전원 완속 충전기는 정류부(100), LLC 공진 컨버터(200), 부스트 컨버터(300), 정류 평활부(400)를 포함하여 구성된다.
정류부(100)는 상용 교류 전원을 전파 정류하여 정류된 전압을 출력하도록 브릿지 교류 전원을 전파 정류하여 정류된 전압을 출력하도록 브릿지 다이오드로 구성된다.
LLC 공진 컨버터(200)는 정류부(100)를 통해 정류된 전압을 입력받아 강압된 직류 링크 전압을 출력한다. LLC 공진 컨버터(200)는 고정 시비율 및 고정 주파수로 동작한다.
부스트 컨버터(300)는 LLC 공진 컨버터(200)로부터 입력되는 직류 링크 전압을 승압하여 밧데리 부하에 상응하는 충전 전압을 출력한다.
정류 평활부(400)는 부스트 컨버터(300)의 출력을 정류 평활한다.
도 2는 일실시예에 따른 전기 자동차용 상용 전원 완속 충전기의 상세한 회로도이다.
도 2를 참조하면, 3.3kW급 전기 자동차용 상용 전원용 완속 충전기의 회로도가 도시되어 있다.
LLC 공진 컨버터(200)는 공진 주파수와 동기화된 고정 주파수와 고정 시비율로 동작하여 별다른 제어를 하지 않으며 변압기(T)의 권선비에 의해 에너지를 전달하며 변압기를 기준으로 1차측과 2차측을 절연하는 기능을 담당한다.
LLC 공진 컨버터(200)는 상용 교류 전원을 입력받아 예컨대, 80V의 링크전압을 출력한다.
LLC 공진 컨버터(200)는 입력 스위칭부(210), 동기 정류 회로부(220), 변압기(T), 커패시터(Cr)를 포함한다.
입력 스위칭부(210)는 고정주파수 및 고정 시비율로 교번 동작을 하여 정류된 전압을 교류로 변환하도록 풀 브릿지로 구성된 스위칭 소자(Sa1, Sa2, Sa3, Sa4)를 포함한다.
변압기(T)는 입력 스위칭부(210)로부터 교류 전압을 입력받아 권선비에 따라 강압된 교류 전압을 출력한다.
변압기(T)는 권선비에 따라 상용 전원 입력을 80V로 강압한다. 변압기(T)의 권선비는 예컨대 20대 7일 수 있다.
변압기(T) 크기의 간소화를 위해 입력 스위칭부(210)의 동작 주파수는 100kHz로 설정할 수 있다. 또한, 고주파수에 따른 스위칭 손실을 줄이기 위하여 LLC 공진을 이용하여 영전압 스위칭(ZVS: Zero Voltage Switching) 동작을 하게 된다.
커패시터(Cr)는 변압기(T)의 2차측과 직렬연결되어 변압기 2차측의 누설인덕턴스 값과 공진을 하게 되며 스위칭 주파수를 공진 주파수와 동기화시켜 LLC 공진을 하게 된다. 물론, 본 발명은 이에 제한되지 않고, 공진을 위한 커패시터가 변압기(T)의 1차측에 연결될 수 도 있다.
동기 정류 회로부(220)는 변압기(T)를 통해 강압된 교류 전압을 정류하여 직류 링크 전압을 출력한다.
동기 정류부(220)는 상용전압 220V 또는 110V 입력에 따라 풀브릿지 또는 하프브릿지 정류기로 동작한다. 이에 따라, LLC 공진 컨버터(200)의 출력은 80V를 유지될 수 있다.
부스트 컨버터(300)는 LLC 공진 컨버터(200)로부터 출력되는 80V의 링크 전압을 입력받아 120V~450V의 DC 전압을 출력한다.
부스트 컨버터(300)는 제어 동작을 수행하여 출력전압제어 또는 출력전류제어 및 역률을 보정 기능을 수행하게 된다.
부스트 컨버터(300)는 출력전압 또는 출력전류 제어 및 역률 보정 제어를 수행하기 위한 커패시터(C1), 코일(Lb), 스위칭 소자(Sb)를 포함할 수 있다. 이때, 역률 보정 제어를 수행하는 부스트 컨버터(300)가 LLC 공진 컨버터(200)의 후단에 위치하여 LLC 공진 컨버터(200)로부터 강압된 직류 링크 전압을 입력받기 때문에, 커패시터(C1)의 용량이 소용량이어도 동작이 가능하다.
한편, 일반적으로, 차량의 충전기 장치에는 수명이 짧은 전해 커패시터나 폭발 위험이 있는 탄탈 커패시터는 사용이 힘들기 때문에 필름 커패시터를 사용하고 있다. 필름 커패시터의 경우 수명이 길고 폭발하지 않는 대신에 용량이 작다. 그렇지만, 본 발명에서는 역률 보정 제어를 수행하는 부스트 컨버터(300)가 LLC 공진 컨버터(200)의 후단에 위치하여 LLC 공진 컨버터(200)로부터 강압된 직류 링크 전압을 입력받기 때문에, 커패시터(C1)를 용량이 작은 필름 커패시터로 구현하는 것이 가능하다.
정류 평활부(400)는 부스트 컨버터(300)의 출력을 정류 평활하는 기능을 수행한다. 정류 평활부(400)는 정류를 위한 다이오드(Db)와 커패시터(C2)를 포함한다.
도 3은 상용전압 220V 입력에 따라 풀브릿지로 동작하는 동기 정류부(220)의 스위칭 동작을 보여준다.
도 3을 참조하면, 입력 스위칭부(210)의 Sa1, Sa4가 온동작할 때, 동기 정류부(220)의 SR1, SR4는 온동작하며, 입력 스위칭부(210)의 Sa2, Sa3이 온동작할 때, 동기 정류부(220)의 SR2, SR3는 온동작하도록 구성된다.
도 4는 상용전압 110V 입력에 따라 하프 브릿지로 동작하는 동기 정류부(220)의 스위칭 동작을 보여준다.
도 4를 참조하면, 입력 스위칭부(210)의 Sa1, Sa4가 온동작할 때, 동기 정류부(220)의 SR1는 온동작하며, 입력 스위칭부(210)의 Sa2, Sa3이 온동작할 때, 동기 정류부(220)의 SR3는 온동작하도록 구성된다. 이때, 동기 정류부(220)의 SR4는 상기 온동작하며, SR2는 오프 동작하도록 구성된다.
도 5는 본 발명에서의 입력전압 및 입력전류 측정 파형을 보여준다.
도 5를 참조하면, 정류부(100)에 입력되는 상용 교류 전원(220V)의 입력 전압과 입력 전류가 같은 위상을 가지고 있음을 볼 수 있다. 이는 LLC 공진 컨버터(200)에서 LLC 공진을 통해 입력 스위칭부(210)의 스위칭 동작시 영전압 스위칭 동작을 하게 되어 스위칭 손실을 발생시키지 않기 때문이다.
도 6은 본 발명에서 출력전압 및 출력 전류 측정 파형을 보여준다. 도 6을 참조하면, 부스트 컨버터(300)의 출력이 250V의 DC 전압을 보여주고 있음을 알 수 있다.
도 7은 본 발명에서 LLC 공진컨버터와 부스트 컨버터 사이의 링크 전압 측정 파형을 보여준다. 도 7을 참조하면, LLC 공진컨버터와 부스트 컨버터 사이의 링크 전압이 안정되게 유지되고 있음을 볼 수 있다.
이와 같이 구성된 전기 자동차용 상용 전원 완속 충전기의 동작을 설명하도록 한다.
상용 전원 220V 입력시 교류 전압은 정류부(100)를 통해 전파 정류된다.
정류된 전압은 풀 브릿지 방식으로 구성된 입력 스위칭부(210)에서의 고정주파수 및 고정 시비율로 교번 동작을 통해 교류로 변환되고, 20대 7로 권선된 변압기(T)를 통해 전압은 강압된다.
이 전압은 변압기 2차측의 풀브릿지 동기 정류회로(220)를 통해 다시 전파 정류 되며 80V로 유지된다.
이 과정에서 스위칭 주파수를 100kHz 이상으로 설정하여 변압기 사이즈를 최소화할 수 있다. 또한 변압기(T) 2차측과 직렬연결된 커패시터(Cr)는 변압기 2차측의 누설인덕턴스 값과 공진을 하게 되며 스위칭 주파수를 공진 주파수와 동기화시켜 LLC 공진을 하게 된다.
이 LLC 공진을 통해 입력 스위칭부(210)의 스위칭 동작시 영전압 스위칭 동작을 하게 되어 스위칭 손실을 저감하게 된다.
80V로 유지된 전압은 후단의 부스트 컨버터(300)에 입력되며 부스트 컨버터(300)의 제어를 통해 역률 보정 및 출력전류제어기능 또는 출력전압제어기능을 수행하게 된다.
상용전원 110V 입력시 변압기 1차측까지의 동작은 상술된 내용과 동일하며, 동기 정류부(220)는 스위칭 동작을 수행하는 스위치 2개(SR1, SR3)와 상시 ON 및 상시 OFF 동작을 수행하는 스위치 2개(S4, S2)로 동작되어 하프 브릿지 동기 정류기로 동작하여 전압은 80V를 유지하게 되며 이후 기능은 상기내용과 동일하다.
이상과 같이 본 발명에 따른 전기 자동차용 상용 전원 완속 충전기를 예시된 도면을 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 이상에서 설명된 실시예와 도면에 의해 한정되지 않으며, 특허청구범위 내에서 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자들에 의해 다양한 수정 및 변형될 수 있음은 물론이다.
예컨대, 본 발명의 실시예에서는 전기 자동차에 대하여 기술되었지만, 전기 자동차의 밧데리 기술을 포함하는 하이브리드 자동차에도 적용될 수 있는 것을 자명하다 할 것이다.
100 : 정류부 200 : LLC 공진 컨버터
300 : 부스트 컨버터 400: 정류 평활부

Claims (7)

  1. 상용 교류 전원을 전파 정류하여 정류된 전압을 출력하는 정류부;
    상기 정류된 전압을 입력받아 고정 시비율 및 고정 주파수로 동작하여 강압된 직류 링크 전압을 출력하는 LLC 공진 컨버터;
    상기 직류 링크 전압을 승압하여 밧데리 부하에 상응하는 충전 전압을 출력하는 부스트 컨버터; 및
    상기 부스트 컨버터의 출력을 정류 평활하는 정류 평활부를 포함하되,
    상기 부스트 컨버터는 상기 LLC 공진 컨버터의 후단에 위치하여 상기 LLC 공진 컨버터로부터 강압된 직류 링크 전압을 입력받고,
    상기 LLC 공진 컨버터는 상기 강압된 교류 전압을 정류하여 상기 직류 링크 전압을 출력하는 동기 정류 회로부를 포함하고,
    상기 동기 정류 회로부는 상기 상용 교류 전원이 110V인 경우, 온 또는 오프로 스위칭 동작을 수행하는 2개의 스위칭 소자와, 상시 온 동작을 수행하는 하나의 스위칭 소자와, 상시 오프 동작을 수행하는 하나의 스위칭 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 상용 전원 완속 충전기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 LLC 공진 컨버터는
    고정주파수 및 고정 시비율로 교번 동작을 하여 상기 정류된 전압을 교류로 변환하도록 풀 브릿지로 구성된 스위칭 소자를 포함하는 입력 스위칭부;
    상기 입력 스위칭부로부터 교류 전압을 입력받아 권선비에 따라 강압된 교류 전압을 출력하는 변압기를 포함하는 전기 자동차용 상용 전원 완속 충전기.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 LLC 공진 컨버터는
    상기 변압기 2차측의 누설 인덕턴스 값과 공진하도록 상기 변압기의 2차측에 직렬 연결된 커패시터를 더 포함하며,
    상기 입력 스위칭부는 영전압 스위칭을 위해 LLC 공진이 이루어지도록 상기 공진 주파수와 동기화된 스위칭 주파수를 가지는 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 상용 전원 완속 충전기.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 동기 정류 회로부는
    입력 전압 변동에 따른 링크전압을 일정한 전압으로 유지하기 위해, 입력 전압에 따라 풀 브릿지 동기 정류 또는 하프 브릿지 동기 정류를 수행하는 풀 브릿지로 구성된 스위칭 소자를 포함하는 전기 자동차용 상용 전원 완속 충전기.
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 부스트 컨버터는 출력전압 또는 출력전류 제어 및 역률 보정 제어를 수행하기 위한 커패시터, 코일, 스위칭 소자를 포함하는 전기 자동차용 상용 전원 완속 충전기.
  7. 삭제
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