KR101190676B1 - 배터리 급속 충전 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배터리 급속 충전 장치에 관한 것으로, 배터리 급속 충전 장치는 직류 전압의 역률을 개선시키고 상기 직류 전압을 배터리의 정격전압으로 승압시키는 역률 개선부; 및 역률 개선부의 출력 전압에서 배터리의 정격전압과 배터리의 충전 전압간의 차전압만큼을 전압 감압시키는 DC-DC 변환부를 포함하며, 상기 DC-DC 변환부는, 서로 상이한 권선비를 가지는 1차 권선과 2차 권선을 통해 전압 감압 동작을 수행하는 고주파 변압부; 역률 개선부의 출력 전압을 입력받은 후, 배터리의 충전 전압에 따라 고주파 변압부의 1차 권선에 공급되는 교류 전압을 가변하는 스위칭부; 및 고주파 변압부의 2차 권선으로부터 출력되는 교류 전압을 직류 전압으로 정류하여 출력하는 정류부를 포함하며, 정류부의 제1 출력은 역률 개선부의 출력에 연결되며, 정류부의 제2 출력은 배터리의 양극에 연결됨으로써, 전력 변환 효율을 향상시켜 줄 수 있도록 한다.

Description

배터리 급속 충전 장치{Bettary Quick charging device}
본 발명은 배터리 급속 충전 장치에 관한 것으로, 특히 차량에 적용되는배터리를 보다 효율적으로 충전시킬 수 있도록 하는 배터리 급속 충전 장치에 관한 것이다.
차량에 적용되는 배터리는 SOC(State of charge)에 따라서 지속적으로 충전 동작을 수행해야 한다.
차량에 적용되는 배터리를 충전하기 위한 충전 장치는 크게 급속 충전 장치(Quick Charger)와 탑재용 충전 장치(Onboard Charger)로 구분될 수 있다.
일반적으로 급속 충전 방식은 전기 자동차용 충전소에 설치된 충전 장치를 통해서 고전압 배터리를 급속으로 충전하는 것을 말하며, 급속 충전 장치의 용량은 50kW 정도이며, 충전 시간은 평균적으로 30분이내(배터리의 SOC가 0%에서 80%가 되는 시간을 기준)이다.
그러나, 배터리에 실질직으로 충전될 수 있는 전압(이하, 충전전압)은 SOC(State of charge)에 의해 변동되는 데 반해, 종래의 기술에 따른 배터리 급속 충전 장치는 이러한 요소를 전혀 고려할 수 가 없었다.
종래의 배터리 급속 충전 장치는 도1에서와 같이 구성되어 도2의 2단계 변환구조를 가진다.
도1 및 도2를 참조하면, 종래의 급속 충전 장치는 입력 전원단(100)을 통해 입력되는 교류 전원을 우선 EMI 필터 및 정류부(310)를 통해 고주파 잡음이 제거된 직류 전압으로 변환한 후, 역률 개선부(320)에 공급하고, 역률 개선부(320)는 ηp의 효율에 따라 직류 전압을 승압시켜 준다. 그리고 DC-DC 변환부(330)는 전압 승압된 직류 전압을 다시 ηc의 효율에 따라 감압시킨 후, 배터리(200)에 최종 공급해준다.
이와 같이 종래의 급속 충전 장치, 특히 DC-DC 변환부(330)는 SOC에 따라 변동되는 배터리의 충전전압에 상관없이 항상 역률 개선부(320)의 출력 전압(ηpⅹPin) 모두에 대해 DC-DC 변환 동작(Po = ηcηpⅹPin)을 수행함을 알 수 있다.
즉, 종래의 급속 충전 장치는 SOC에 따라 변동되는 배터리의 충전전압을 고려할 수 없어, 전력 변환 효율이 불필요하게 낭비되는 문제를 가짐을 알 수 있다.
이에 본 발명에서는 SOC에 따라 변동되는 배터리의 충전전압을 고려하여 배터리 충전 동작을 수행함으로써, 전력 변환 효율을 향상시켜 줄 수 있는 배터리 급속 충전 장치를 제공하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 일 실시 형태에 따르면, 직류 전압의 역률을 개선시키고 상기 직류 전압을 배터리의 정격전압으로 승압시키는 역률 개선부; 및
상기 역률 개선부의 출력 전압에서 상기 배터리의 정격전압과 상기 배터리의 충전 전압간의 차전압만큼을 전압 감압시키는 DC-DC 변환부를 포함하며,
상기 DC-DC 변환부는,
서로 상이한 권선비를 가지는 1차 권선과 2차 권선을 통해 전압 감압 동작을 수행하는 고주파 변압부;
상기 역률 개선부의 출력 전압을 입력받은 후, 상기 배터리의 충전 전압에 따라 상기 고주파 변압부의 1차 권선에 공급되는 교류 전압을 가변하는 스위칭부; 및
상기 고주파 변압부의 2차 권선으로부터 출력되는 교류 전압을 직류 전압으로 정류하여 출력하는 정류부를 포함하며,
상기 정류부의 제1 출력은 상기 역률 개선부의 출력에 연결되며, 상기 정류부의 제2 출력은 상기 배터리의 양극에 연결되는 배터리의 급속 충전 장치를 제공한다.
상기 충전전압은 SOC(State of charge)에 따라 변화되는 것을 특징으로 한다.
상기 스위칭부는 상기 역률 개선부와 상기 고주파 변압부의 1차권선측 사이에 위치하는 풀 브리지 컨버터를 포함하고, 상기 풀 브리지 컨버터를 구성하는 스위치들의 동작 듀티를 제어하여, 직류 전압에서 교류 전압으로의 변화량을 조절하는 것을 특징으로 한다.
삭제
상기 배터리 급속 충전 장치는 상호 절연된 1차권선과 2차권선으로 구성되어 배터리 급속 충전 장치의 절연성을 확보함과 동시에, 상기 역률 개선부의 출력 전압이 상기 배터리의 정격전압이 되도록 하는 저주파 절연 변압기; 상기 저주파 절연 변압기로부터 출력되는 교류 전압에 포함된 고주파 노이즈 성분을 제거하는 EMI 필터부; 및 상기 EMI 필터부 로부터 출력되는 교류 전압을 직류 전압으로 변환하여 상기 역률 개선부에 공급하는 입력 정류부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 저주파 절연 변압기는 상기 배터리의 정격전압 및/또는 상기 저주파 절연 변압기에 입력되는 전압에 따라 턴비가 조정되는 것을 특징으로 한다.
상기 저주파 절연 변압기에 입력되는 전압은 단상계통전원 또는 삼상계통전원인 것을 특징으로 한다.
상기 배터리 급속 충전 장치는 상기 DC-DC 변환부로부터 출력되는 직류전압을 평활화한 후 배터리에 공급하는 필터부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 급속 충전 장치
본 발명의 배터리 급속 충전 장치는 SOC에 따라 변동되는 배터리의 충전전압을 고려하여 전력 변환 부담 비율을 최소화할 수 있는 DC-DC 변환부를 제안함으로써, 배터리 급속 충전 장치의 전체 전력 변환 효율을 획기적으로 향상시켜 줄 수 있다. 그리고 DC-DC 변환부의 감소된 전력 변환 부담 비율만큼 배터리 급속 충전 장치를 소용량으로 구현할 수 있기 때문에 제작 원가를 낮추고, 장치 크기도 감소시켜 줄 수 있다.
또한, 배터리 급속 충전 장치의 입력단에 절연성을 확보하고 역률 개선부의 출력 전압이 배터리의 정격전압이 되도록 하는 입력 전원의 전압을 미리 조절해주는 저주파 절연 변압기를 구비함으로써, 배터리 급속 충전 장치의 동작 신뢰성과 동작 효율을 추가적으로 확보할 수 있도록 한다.
도1은 종래의 기술에 따른 배터리 급속 충전 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도2는 종래의 기술에 따른 배터리 급속 충전 장치의 전력 변환 구조를 도시한 도면이다.
도3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 급속 충전 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 급속 충전 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도5는 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 변환부의 구성을 도시한 도면이다.
도6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 급속 충전 장치의 전력 변환 구조를 도시한 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
또한, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도3 및 도4는 본 발명의 실시예들에 따른 배터리 급속 충전 장치의 구성도를 도시한 도면이다.
도3 및 도4에 도시된 바와 같이, 배터리 급속 충전 장치는 저주파 절연 변압기(410), EMI 필터 및 정류부(420), 역률 개선부(430), DC-DC 변환부(440), 필터부(450) 등으로 이루어지며, 입력 전원단(100)을 단상계통전원(110)뿐 만 아니라 삼상계통전원(120)으로도 구현할 수 있다.
저주파 절연 변압기(410)는 상호 절연된 1차권선과 2차권선으로 구성되어 배터리 급속 충전 장치의 절연성을 확보한다. 또한 역률 개선부(430)의 출력 전압이 배터리(200)의 정격전압(또는 기준전압)이 되도록 역률 개선부(430)의 입력측에서 미리 조정해주는 역할을 한다.
예를 들어, 배터리(200)가 300V의 정격전압을 가지며, 역률 개선부(430)는 220V의 전압을 인가받아 300V로 승압할 수 있다고 가정하면, 저주파 절연 변압기(410)는 220V/220V의 턴비(단상계통전원(110)일 때), 380V/220V 또는 440V/220V의 턴비(삼상계통전원(120)일 때)를 사용해서, 저주파 절연 변압기(410)의 출력 전압(또는 역률 개선부(430)의 입력 전압)을 220V로 맞춰준다. 이에 역률 개선부(430)는 항상 220V를 제공받아, 안정적으로 300V의 출력 전압을 출력할 수 있게 된다.
물론, 배터리(200), 단상계통전원(110) 또는 삼상상계통전원(120)의 표준 전압이 가변된다면, 저주파 절연 변압기(410)의 턴비 또한 그에 맞게 조정될 수 있다.
EMI 필터 및 정류부(420)는 저주파 절연 변압기(410)를 거쳐 공급되는 교류 전압에 포함된 고주파 잡음을 제거하고, 브릿지 다이오드 등을 통해 고주파 잡음이 제거된 교류 전압을 정류하여 직류 전압을 출력한다.
역률 개선부(430)는 직류 전압의 역률을 개선함과 동시에 직류 전압을 배터리(200)의 정격전압으로 승압시킨다.
DC-DC 변환부(440)는 SOC에 따라 변동되는 배터리의 충전전압을 고려하여 전력 변환 효율을 가변해준다. 즉, 역률 개선부(430)의 출력 전압을 바이패스시키고, 바이패스된 전압에서 배터리의 정격전압과 배터리의 충전전압간의 차전압만큼을 전압 감압시켜주도록 한다.
이를 위해, DC-DC 변환부(440)는 도5에서와 같이 고주파 변압부(441), 스위칭부(442), 정류부(443), 그리고 스위칭부(442)와 정류부(443)간을 연결하는 바이패스 경로(444)를 구비할 수 있다.
고주파 변압부(441)는 서로 상이한 권선비를 가지는 1차권선과 2차권선을 구비하여, 전압 강압 동작을 수행한다.
스위칭부(442)는 배터리의 충전전압에 따라 직류 전압에서 교류 전압으로부터 변화량을 가변한다. 즉, SOC에 따른 정격전압 변동량에 대해서만 전압 감압 동작이 수행되도록 한다. 이러한 스위칭부(442)는 역률 개선부(430)의 출력단과 고주파 변압부(441)의 1차권선 사이에 위치된 풀 브리지 커넥터(full brige connector)로 구현되며, 풀 브리지 커넥터를 구성하는 스위치들((sw1, sw4)(sw2, sw3))를 교대로 동작시켜 역률 개선부(430)로부터 출력되는 직류 전압을 교류 전압으로 변환시켜 줄 수 있다. 또한, 스위치들((sw1, sw4)(sw2, sw3))의 동작 듀티를 제어하여 역률 개선부(430)의 출력 중 배터리의 정격전압과 배터리의 충전전압간 차에 해당하는 전압만이 고주파 변압부(441)의 1차권선에 공급되도록 할 수 있다.
바이패스 경로(444)는 역률 개선부(430)의 출력을 고주파 변압부(441)의 1차권선측에서 2차권선측으로 직접 바이패스시켜 준다.
정류부(443)는 고주파 변압부(441)로부터 출력되는 교류 전압(즉, 고주파 변압부(441)를 통해 공급되는 교류 전압과 바이패스 경로(444)을 통해 공급되는 교류 전압)를 입력받고 이를 정류하여, 배터리의 충전 전압을 생성하여 출력한다. 이러한 정류부(443) 또한 입력측 정류부(420)와 같이 브릿지 다이오드를 통해 구현될 수 있다.
필터부(450)는 LC 필터 등으로 구성되어 DC-DC 변환부(440)로부터 출력되는 직류 전압을 평활화한 후 배터리(200)에 공급한다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 변환부의 동작을 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 배터리(200)의 정격전압은 300V이나, SOC에 따라 배터리(200)의 충전전압이 280V으로 변동되었다면, DC-DC 변환부(440)는 바이패스 경로(444)을 통해 공급되는 300V에서 배터리(200)의 정격전압과 배터리(200)의 충전전압간 차에 해당하는 20V만 스위칭부(442) 및 고주파 변압기(441)을 통해 출력하면 된다.
이에 DC-DC 변환부(440)에서 부담하는 전력은 차전압 만큼에 해당하는 것으로, 종래의 DC-DC 변환부에서는 280V 전체를 출력해야 하는 데 반해, 본 발명의 DC-DC 변환부(440)에서는 20V만을 출력하면 된다.
즉, 본 발명의 DC-DC 변환부(440)의 전력 부담율은 종래에 약 14배만큼 줄어들고, 이에 비례하여 DC-DC 변환부(440)에서의 손실도 줄어들게 되어 효율은 증가하게 된다.
반면, 배터리(200)의 정격전압은 300V이나, SOC에 따라 배터리(200)에 실질적으로 충전될 수 있는 전압, 즉 충전전압이 300V이상인 경우, DC -DC 변환부(440)는 바이패스 경로(444)을 통해 역률 개선부(430)로부터 공급되는 직류 전압(300V) 모두를 바이패스시켜 준다. 즉, 본 발명의 고주파 변압기(441)는 전력 변환 동작을 수행하지 않고, 역률 개선부(430)의 출력을 그대로 배터리(200)에 제공해줌을 알 수 있다.
이와 같이 본 발명의 배터리 급속 충전 장치는 배터리(200)의 충전전압(또는 SOC에 따른 배터리의 정격전압 변동량)을 고려하여 DC-DC 변환부의 전력 변환 부담 비율을 최소화시킴으로써, 배터리 급속 충전 장치의 전력 변환 효율을 전체적으로 향상시켜 줄 수 있다.
본 발명의 배터리 급속 충전 장치의 전력 변환 구조는 도6과 같이 표현될 수 있다.
도6를 참조하면, 배터리 급속 충전 장치는 DC-DC 변환부와 병렬되는 바이패스 경로를 구비함으로써, 수학식1과 같은 전력 변환 효율을 가지게 된다.
Figure 112010082769175-pat00001
Pin는 입력 전압, Po는 출력 전압, ηc는 DC-DC 변환부의 전력 변환 효율, ηp는 역률 개선부의 전력 변환 효율, 1-p는 DC-DC 변환부의 전력 변환 부담 비율.
즉, DC-DC 변환부의 전력분담율(1-p)에 따라 배터리 급속 충전 장치의 효율이 계산되며, 종래에 효율이 월등히 증가하게 된다.
배터리 정격전압 이상에서는 DC-DC 변환부의 전력분담율이 "0"으로, 전체전력이 바이패스 경로을 통해 공급되는 상황이 된다. 이는 2단 전력변환에서 1단 전력변환이 되는 것과 동일한 효과를 제공한다.
이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
410: 저주파 절연 변압기 420: EMI 필터 및 정류부
430: 역률 개선부 440: DC-DC 변환부
450: 필터부 441: 고주파 변압부
442: 스위칭부 443: 정류부
444: 바이패스 경로

Claims (8)

  1. 직류 전압의 역률을 개선시키고 상기 직류 전압을 배터리의 정격전압으로 승압시키는 역률 개선부; 및
    상기 역률 개선부의 출력 전압에서 상기 배터리의 정격전압과 상기 배터리의 충전 전압간의 차전압만큼을 전압 감압시키는 DC-DC 변환부를 포함하며,
    상기 DC-DC 변환부는,
    서로 상이한 권선비를 가지는 1차 권선과 2차 권선을 통해 전압 감압 동작을 수행하는 고주파 변압부;
    상기 역률 개선부의 출력 전압을 입력받은 후, 상기 배터리의 충전 전압에 따라 상기 고주파 변압부의 1차 권선에 공급되는 교류 전압을 가변하는 스위칭부; 및
    상기 고주파 변압부의 2차 권선으로부터 출력되는 교류 전압을 직류 전압으로 정류하여 출력하는 정류부를 포함하며,
    상기 정류부의 제1 출력은 상기 역률 개선부의 출력에 연결되며, 상기 정류부의 제2 출력은 상기 배터리의 양극에 연결되는 배터리의 급속 충전 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 충전전압은
    SOC(State of charge)에 따라 변화되는 것을 특징으로 하는 배터리 급속 충전 장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 스위칭부는
    상기 역률 개선부와 상기 고주파 변압부의 1차권선측 사이에 위치하는 풀 브리지 컨버터를 포함하고,
    상기 풀 브리지 컨버터를 구성하는 스위치들의 동작 듀티를 제어하여, 직류 전압에서 교류 전압으로의 변화량을 조절하는 것을 특징으로 하는 배터리 급속 충전 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상호 절연된 1차권선과 2차권선으로 구성되어 배터리 급속 충전 장치의 절연성을 확보함과 동시에, 상기 역률 개선부의 출력 전압이 상기 배터리의 정격전압이 되도록 하는 저주파 절연 변압기;
    상기 저주파 절연 변압기로부터 출력되는 교류 전압에 포함된 고주파 노이즈 성분을 제거하는 EMI 필터부; 및
    상기 EMI 필터부 로부터 출력되는 교류 전압을 직류 전압으로 변환하여 상기 역률 개선부에 공급하는 입력 정류부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 급속 충전 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 저주파 절연 변압기는
    상기 배터리의 정격전압 및/또는 상기 저주파 절연 변압기에 입력되는 전압에 따라 턴비가 조정되는 것을 특징으로 하는 배터리 급속 충전 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 저주파 절연 변압기에 입력되는 전압은
    단상계통전원 또는 삼상계통전원인 것을 특징으로 하는 배터리 급속 충전 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 DC-DC 변환부로부터 출력되는 직류전압을 평활화한 후 배터리에 공급하는 필터부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 급속 충전 장치.
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JP2005348560A (ja) 2004-06-04 2005-12-15 Sanken Electric Co Ltd スイッチング電源装置及び力率改善回路

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