KR101273995B1 - 전원 장치 - Google Patents

Abstract

차량용 전원 장치는 제 1 배터리(B1), 이 제 1 배터리 보다 전압이 낮은 제 2 배터리(B2) 및 변압기(57)를 포함한다. 이 변압기(57)는 교류 전원(67)이 연결되는 일차 코일(57a), 상기 제 1 배터리(B1)가 연결되는 제 1 이차 코일(57b), 및 상기 제 2 배터리(B2)가 연결되는 적어도 하나의 제 2 이차 코일(57c)을 갖는다. 정류 회로(62)가 상기 제 2 이차 코일(57c)과 제 2 배터리(B2) 사이에 위치되다. 전압 조절 회로(63)가 는 정류 회로(62)와 제 2 배터리(B2) 사이에 위치된다. 제어부(66)가 교류 전원(67)을 사용해서 제 1 배터리(B1)를 충전하고 동시에 제 2 배터리에 전력을 공급한다.

Description

전원 장치{POWER SOURCE DEVICE}

본 발명은 전원 장치에 관한 것이다.

일본 공개 특허공보 제 2008-312395 호에 개시되어 있는 플러그인 하이브리드 차량과 전기 차량은 일반적으로 고전압 배터리를 사용한다. 이러한 차량들은 외부 상용 전원으로 고전압 배터리를 충전하기 위한 차량 탑재 충전기를 구비하고 있다.

그러나 상기 특허문헌에는 제 1 배터리가 교류 전원으로 충전되고 동시에 이 제 1 배터리 보다 전압이 낮은 제 2 배터리에는 교류 전원으로부터 전력이 공급되는 것이 개시되어 있지 않다.

따라서, 본 발명의 목적은, 제 1 배터리를 교류 전원으로 충전함과 동시에 또한 교류 전원으로부터 전력을 제 2 배터리(전압은 상기 제 1 배터리 보다 낮음)에 공급할 수 있는 전원 장치를 제공하는 것이다.

상기 목적을 이루기 위해, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 전원 장치는 적어도 하나의 제 1 배터리, 이 제 1 배터리 보다 전압이 낮은 적어도 하나의 제 2 배터리 및 변압기를 포함한다. 이 변압기는 교류 전원이 연결되는 일차 코일, 상기 제 1 배터리가 연결되는 적어도 하나의 제 1 이차 코일, 및 상기 제 2 배터리가 연결되는 적어도 하나의 제 2 이차 코일을 갖는다. 상기 전원 장치는 상기 변압기의 일차 코일과 교류 전원 사이에 위치되는 제 1 전력 변환 회로, 상기 변압기의 일차 코일과 제 1 전력 변환 회로 사이에 위치되는 제 2 전력 변환 회로, 상기 제 1 이차 코일과 제 1 배터리 사이에 위치되는 제 3 전력 변환 회로, 상기 제 2 이차 코일과 제 2 배터리 사이에 위치되는 정류 회로, 상기 정류 회로와 제 2 배터리 사이에 위치되는 전압 조절 회로, 및 상기 교류 전원을 사용해서 제 1 배터리를 충전하고 동시에 제 2 배터리에 전력을 공급하는 제어부를 더 포함한다.

이 구성에 따르면, 상기 전원 장치는 제 1 배터리를 교류 전원으로 충전함과 동시에 또한 상기 제 1 배터리 보다 낮은 전압을 갖는 제 2 배터리에 전력을 공급할 수 있다.

본 발명의 제 2 실시 형태에 따르면, 상기 제 1 실시 형태의 전원 장치에 있어, 상기 제어부는 제 1 제어부를 포함한다. 상기 제 1 제어부는, 상기 제 1 배터리에 대한 출력 피드백을 실행하면서 일차 코일 측에서 제 1 전력 변환 회로와 제 2 전력 변환 회로를 제어한다. 상기 제 1 제어부는 변압기의 제 1 이차 코일측에서 제 3 전력 변환 회로를 제어함으로써 교류 전원을 사용해 제 1 배터리를 충전한다. 동시에, 제 1 제어 회로는 상기 전압 조절 회로에 의해 제 2 배터리에 대한 출력 전압을 조절하면서 제 2 이차 코일측에서 교류 전원으로부터 전력을 제 2 배터리에 공급하게 된다.

상기 제 2 실시 형태에 따르면, 제 1 배터리에 대한 출력의 피드백이 실행되므로, 제 1 제어부는 제 1 배터리를 충전함과 동시에 제 2 배터리에 전력을 공급할 수 있다.

본 발명의 제 3 실시 형태에 따르면, 상기 제 1 실시 형태 또는 제 2 실시 형태에 따른 전원 장치에 있어, 상기 제어부는 제 2 제어부를 포함한다. 상기 제 2 제어부는 제 2 배터리에 대한 출력 피드백을 실행하면서 제 1 이차 코일 측에서 상기 제 3 전력 변환 회로를 제어하여 제 1 배터리로부터 전력을 제 2 배터리에 공급하게 된다.

본 발명의 제 4 실시 형태에 따르면, 상기 제 1 실시 형태 내지 제 3 실시 형태 중의 어느 한 실시 형태에 따른 전원 장치에 있어, 상기 제어부는 제 3 제어부를 포함한다. 상기 제 3 제어부는 제 1 배터리로부터 교류를 교류 전원측에 출력하고, 동시에 제 2 배터리에 전력을 공급한다.

상기 제 4 실시 형태에 따르면, 제 3 제어부는 제 1 배터리로부터 교류를 출력함과 동시에 교류 출력부로부터 전력을 저전압의 제 2 배터리에 공급할 수 있다.

본 발명의 제 5 실시 형태에 따르면, 상기 제 4 실시 형태에 따른 전원 장치에 있어, 상기 제어부는 제 4 제어부를 포함한다. 상기 제 4 제어부는 교류 전원으로부터의 출력 피드백을 실행하면서 제 3 전력 변환 회로를 제어함으로써 제 2 전력 변환 회로와 제 1 전력 변환 회로를 사용해 변압기의 일차 코일 측에서 교류를 발생시키며, 제 1 배터리로부터 교류 전원측에 교류 전압을 출력한다. 동시에 상기 제 4 제어부는 제 2 이차 코일측에서 제 1 배터리로부터 전력을 제 2 배터리에 공급한다.

상기 제 5 실시 형태에 따르면, 제 4 제어부는 교류 전원 측에서 출력의 피드백을 실행하기 때문에, 제 4 제어부는 교류를 출력함과 동시에 제 2 배터리에 전력을 공급할 수 있다.

본 발명의 제 6 실시 형태에 따르면, 상기 제어부는 제 2 배터리에 대한 출력 피드백을 실행하는 제 5 제어부를 더 포함한다.

상기 제 6 실시 형태에 따르면, 제 5 제어부는 제 2 배터리를 위한 출력과 교류 출력 모두의 피드백을 실행하기 때문에, 제 5 제어부는 상기 출력이 변압기의 정격을 초과하지 않도록 이들 출력을 제어할 수 있다.

본 발명의 제 7 실시 형태에 따르면, 상기 제 1 실시 형태 내지 제 6 실시 형태 중의 어느 한 실시 형태에 따른 전원 장치에 있어서, 상기 전원 장치는 차량에 장착되도록 설계되어 있다.

본 발명의 제 8 실시 형태에 따르면, 상기 제 7 실시 형태에 따른 전원 장치에 있어, 상기 제 2 배터리는 보충 배터리이다.

본 발명의 제 9 실시 형태에 따른 차량용 전원 장치는 적어도 하나의 제 1 배터리, 상기 제 1 배터리 보다 낮은 전압을 갖는 적어도 하나의 제 2 배터리, 제어 회로, 시스템 주 릴레이 및 충전기를 포함한다. 적어도 충전 중에 작동되는 장치가 상기 제 2 배터리에 연결되어 있다. 제어 회로는 라인을 통해 상기 제 1 배터리에 연결되고 부하를 제어한다. 상기 시스템 주 릴레이는 상기 라인에 제공된다. 상기 충전기는 상기 시스템 주 릴레이와 제 1 배터리 사이에서 상기 라인의 일 부분에 연결되고, 외부 교류 전원을 사용해서 제 1 배터리를 충전할 수 있다. 상기 변압기는 교류 전원이 연결되는 일차 코일, 상기 제 1 배터리가 연결되는 적어도 하나의 제 1 이차 코일, 및 상기 제 2 배터리가 연결되는 적어도 하나의 제 2 이차 코일을 갖는다. 상기 전원 장치는 상기 변압기의 일차 코일과 교류 전원 사이에 위치되는 제 1 전력 변환 회로, 상기 변압기의 일차 코일과 제 1 전력 변환 회로 사이에 위치되는 제 2 전력 변환 회로, 상기 제 1 이차 코일과 제 1 배터리 사이에 위치되는 제 3 전력 변환 회로, 상기 제 2 이차 코일과 제 2 배터리 사이에 위치되는 정류 회로, 상기 정류 회로와 제 2 배터리 사이에 위치되는 전압 조절 회로, 및 상기 시스템 주 릴레이가 열린 상태에서 상기 교류 전원을 사용해서 제 1 배터리를 충전하고 동시에 제 2 배터리에 전력을 공급하는 제어부를 더 포함한다.

상기 제 9 실시 형태에 따르면, 제 1 배터리를 교류 전원으로 충전하는 것은 시스템 주 릴레이가 열린 상태에서 수행된다. 충전시, 제어부는 제 1 배터리를 교류 전원으로 충전하고 동시에 제 2 배터리에 전력을 공급한다.

이렇게 해서, 충전기에 DC/DC 변환 기능을 추가함으로써, 적어도 충전 동안에 작동될 필요가 있는 장치에 필요한 전력을 충전 중에 공급할 수 있게 된다. 따라서, 제 1 배터리의 충전 중에 시스템 주 릴레이를 열면, 소비되는 전력이 줄어들고 또한 충전 효율이 개선된다.

본 발명의 제 10 실시 형태에 따르면, 상기 제 9 실시 형태에 따른 차량용 전원 장치에 있어, 상기 제어부는 제 1 제어부를 포함한다. 상기 제 1 제어부는, 상기 제 1 배터리에 대한 출력 피드백을 실행하면서 일차 코일 측에서 제 1 전력 변환 회로와 제 2 전력 변환 회로를 제어한다. 상기 제 1 제어부는 변압기의 제 1 이차 코일측에서 제 3 전력 변환 회로를 제어함으로써 교류 전원을 사용해 제 1 배터리를 충전하게 된다. 동시에, 제 1 제어부는 전압 조절 회로에 의해 제 2 배터리에 대한 출력 전압을 조절하면서 제 2 이차 코일측에서 교류 전원으로부터 전력을 제 2 배터리에 공급한다.

상기 제 10 실시 형태에 따르면, 제 1 배터리에 대한 출력의 피드백이 실행되므로, 제 1 제어부는 제 1 배터리를 충전함과 동시에 제 2 배터리에 전력을 공급할 수 있다.

본 발명의 제 11 실시 형태에 따르면, 상기 제 9 실시 형태 또는 10 실시 형태에 따른 전원 장치에 있어, 상기 제어부는 제 2 제어부를 포함한다. 상기 제 2 제어부는 제 2 배터리에 대한 출력 피드백을 실행하면서 제 1 이차 코일 측에서 제 3 전력 변환 회로를 제어하여 제 1 배터리로부터 전력을 제 2 배터리에 공급하도록 구성되어 있다.

본 발명의 제 12 실시 형태에 따르면, 상기 제 9 실시 형태 내지 제 11 실시 형태 중의 어느 한 실시 형태에 따른 전원 장치에 있어, 상기 제어부는 제 3 제어부를 포함한다. 상기 제 3 제어부는 제 1 배터리로부터 교류를 교류 전원측에 출력하고, 동시에 제 2 배터리에 전력을 공급한다.

상기 제 12 실시 형태에 따르면, 제 3 제어부는 제 1 배터리로부터 교류를 출력함과 동시에 교류 출력부로부터 전력을 저전압의 제 2 배터리에 공급할 수 있다.

본 발명의 제 13 실시 형태에 따르면, 상기 제 12 실시 형태에 따른 전원 장치에 있어, 상기 제어부는 제 4 제어부를 포함한다. 상기 제 4 제어부는 교류 전원으로부터의 출력의 피드백을 실행하면서 제 3 전력 변환 회로를 제어한다. 상기 제 4 제어부는 제 2 전력 변환 회로와 제 1 전력 변환 회로를 사용해 변압기의 일차 코일 측에서 교류를 발생시키며, 그리하여 제 1 배터리로부터 교류전원 측에 교류 전압을 출력한다. 동시에, 상기 제 3 전력 변환 회로는 제 2 이차 코일측에서 제 2 배터리에 전력을 공급하도록 구성되어 있다.

상기 제 13 실시 형태에 따르면, 교류 전압의 출력의 피드백이 실행되기 때문에, 제 4 제어부는 교류를 교류 전원에 출력함과 동시에 제 2 배터리에 전력을 공급할 수 있다.

제 14 실시 형태에 따르면, 상기 제 13 실시 형태에 따른 전원 장치에 있어, 상기 제어부는 제 2 배터리에 대한 출력의 피드백을 실행하는 제 5 제어부를 더 포함한다.

상기 제 14 실시 형태에 따르면, 제 5 제어부는 제 2 배터리를 위한 출력과 교류 출력 모두의 피드백을 실행하기 때문에, 제 5 제어부는 상기 출력이 변압기의 정격을 초과하지 않도록 이들 출력을 제어할 수 있다.

본 발명에 의하여, 제 1 배터리를 교류 전원으로 충전함과 동시에 또한 교류 전원으로부터 전력을 제 2 배터리(전압은 상기 제 1 배터리 보다 낮음)에 공급할 수 있다.

본 발명의 여타의 실시 형태와 이점들은 본 발명의 원리를 예시적으로 도시하는 첨부 도면을 참조로 한 이하의 설명으로부터 명백해 질 것이다.

신규하다고 생각되는 본 발명의 특징적 사항들은 특히 첨부된 특허 청구범위에 제시되어 있다. 본 발명의 목적 및 이점과 함께, 바람직한 실시 형태는, 첨부 도면을 참조로 한 이하의 설명으로부터 잘 이해될 것이다.

도 1 은 제 1 실시 형태에 따른 전원 장치를 나타내는 시스템도이다.
도 2 는 제 1 실시 형태에 따른 전원 장치의 회로도이다.
도 3 은 전원 장치의 작동을 설명하는 설명 회로도이다.
도 4 는 제 2 실시 형태에 따른 전원 장치의 작동을 설명하는 설명 회로도이다.
도 5 는 제 3 실시 형태에 따른 전원 장치의 회로도이다.
도 6 은 전형적인 차량 탑재 충전기를 나타내는 회로도이다.
도 7 은 전형적인 차량 탑재 충전기를 나타내는 시스템도이다.
도 8 은 전형적인 전원 장치를 나타내는 회로도이다.
도 9 는 전형적인 전원 장치를 나타내는 회로도이다.

도 1 ∼ 3 은 본 발명의 제 1 실시 형태를 나타낸다.

도 1 은 제 1 실시 형태에 따른 전원 장치(10)의 시스템도이다. 도 2 는 제 1 실시 형태의 전원 장치(10)의 회로 구성을 나타낸다. 전원 장치(10)는 플러그인 하이브리드 차량이나 전기차에 장착되는 차량 탑재 전원 장치이다.

도 1 에서 보는 바와 같이, 상기 전원 장치(10)는 제 1 배터리로서 역할하는 고전압 배터리(B1), 이 고전압 배터리(B1) 보다 낮은 전압을 갖는 제 2 배터리로서 역할하는 보충 배터리(B2), 전력 제어부(PCU: 20), 충전기(30), 시스템 주 릴레이(SMR: 40), 및 충전기 릴레이(CHR: 41)를 포함한다. 상기 PCU(20)는 부스트(boost) 컨버터(21), 인버터(22) 및 DC/DC 컨버터(23)를 포함한다.

상기 부스트 컨버터(21)와 고전압 배터리(B1)는 고전압 라인(LH)에 의해 서로 연결되어 있다. 시스템 주 릴레이(System Main Relay; SMR: 40)는 부스트 컨버터(21)와 고전압 배터리(B1) 사이에서 고전압 라인(LH)의 일부에 배치된다. 충전기(30)는 충전기 릴레이(41)를 통해 고전압 라인(LH)상의 시스템 주 릴레이(40) 및 고전압 배터리(B1)에 연결된다.

상기 충전기(30)는 충전기 커넥터(42)를 통해 외부 교류 전원으로서의 역할을 하는 상용 전원(도 2 에서 참조 번호 "67" 로 표시되어 있음)에 연결되도록 구성되어 있다. 충전기(30)는 상용 전원으로 고전압 배터리(B1)를 충전할 수 있다.

상기 인버터(22)는 차량을 움직이게 하는 구동 모터(도 2 에서 참조 부호 "M" 으로 표시되어 있음)에 연결된다. 부스트 컨버터(21)는 고전압 배터리(B1)의 고전압을 상승시키고, 인버터(22)는 상승된 전압을 사용하여 구동 모터를 작동시킨다. 이렇게 해서, 부스트 컨버터(21) 및 인버터(22)는 각각 제어 회로를 형성하게 되며, 상기 고전압 라인(LH)을 통해 고전압 배터리(B1)에 연결되며, 또한 부하인 구동 모터를 제어하도록 구성되어 있다.

상기 PCU(20)의 DC/DC 컨버터(23)는 시스템 주 릴레이(40)와 부스트 컨버터(21) 사이에서 고전압 라인(LH)의 일부에 연결된다. DC/DC 컨버터(23)는 고전압 배터리(B1)의 고전압을 보조 장치를 위한 저전압으로 변환시킨다. DC/DC 컨버터(23)는 저전압 라인(LL)을 통해 보충 배터리(B2)에 연결되고, 이 보충 배터리(B2)는 다른 저전압 라인(LL)을 통해 보조 장치(43, 44)에 연결된다. 이들 보조 장치는 전력 관리ECU(PM-ECU: 43) 및 다른 보조 장치(44)를 포함한다.

상기 전력 관리 ECU(43)는 예컨대 배터리(B1, B2)의 충전 상태를 모니터링하도록 되어 있다. 이렇게 해서, 적어도 충전중에 작동되는 전력 관리 ECU(43)는 보충 배터리(B2)에 연결된다.

상기 충전기(30)는 DC/DC 컨버터(45)를 갖는다. 보충 배터리(B2)는 DC/DC 컨버터(45)에 연결된다. DC/DC 컨버터(45)는 보충 배터리(B2)에 전력을 공급하도록 되어 있다.

도 2 의 좌측에서 중앙까지의 부분에서 보는 바와 같이, 상기 충전기(30)는 필터(51), 코일(52, 53), 제 1 스위칭 회로로서 역할하는 제 1 H-브리지 회로(54), 캐패시터(55), 제 2 스위칭 회로로서 역할하는 제 2 H-브리지 회로(56), 및 변압기(57)를 포함한다. 이 변압기(57)는 일차 코일(57a), 제 1 이차 코일(57b) 및 제 2 이차 코일(57c)을 포함한다. 상기 구성요소(51 ∼ 56)는 변압기(57)의 일차 코일(57a) 측에 위치되어 있다. 또한, 충전기(30)는 도 2 의 중앙에서 우측까지의 부분에서 보는 바와 같이, 제 3 스위칭 회로로서 역할하는 제 3 H-브리지 회로(58), 코일(59), 릴레이(60) 및 캐패시터(61)를 포함한다. 이들 구성요소(58 ∼ 61)는 변압기(57)의 제 1 이차 코일(57b) 측에 위치되어 있다. 또한, 충전기(30)는 도 2 의 중앙 하측부에서 우측까지의 부분에서 보는 바와 같이, 정류기(62), 제 4 스위칭 회로로서 역할하는 전압 조절 회로(63), 필터(65), 및 제어부로서 역할하는 제어 회로(66)를 포함한다 (구성요소(62, 63, 65)는 집합적으로 도 1 에서 참조 번호 "45" 로 표시되어 있음). 이들 구성요소(62 ∼ 65)는 변압기(57)의 제 2 이차 코일(57c) 측에 위치된다.

도 2 에서 보는 바와 같이, 역률(power factor) 보정을 할 수 있는 상기 제 1 H-브리지 회로(54)는 변압기(57)의 일차 코일(57a) 측에 위치된다. 제 1 H-브리지 회로(54)는 다이오드(D1, D2) 및 각기 MOSFET로 형성된 스위칭 소자(S1, S2)를 포함한다. 각각의 MOSFET 에 기생 다이오드(parasitic diode)가 병렬로 연결되어 있다. 다이오드(D1)의 애노드 단자 및 스위칭 소자(S1)의 드레인 단자가 서로 연결되어 있다. 다이오드(D2)의 애노드 단자 및 스위칭 소자(S2)의 드레인 단자가 서로 연결되어 있다. 다이오드(D1)의 캐소드 단자 및 다이오드(D2)의 캐소드 단자는 서로에 연결되어 있다. 스위칭 소자(S1)의 소스 단자와 스위칭 소자(S2)의 소소 단자가 서로 연결되어 있다.

상기 코일(52)의 일단은 다이오드(D1)와 스위칭 소자(S1) 사이의 일 지점에 연결되어 있다. 코일(52)의 타단은 필터(51)를 통해 상용 전원(67)에 연결되어 있으며, 이 전원은 교류 전원으로서 역할한다. 상기 코일(53)의 일단은 다이오드(D2)와 스위칭 소자(S2) 사이의 일 지점에 연결되어 있다. 코일(53)의 타단은 필터(51)를 통해 상용 전원(67)에 연결되어 있다.

상기 캐패시터(55)는 다이오드(D1, D2)의 캐소드 단자와 스위칭 소자(S1, S2)의 소스 단자 사이의 일 지점에 연결된다.

DC/DC 변환을 할 수 있는 제 2 H-브리지 회로(56)는 변압기(57)의 일차 코일(57a) 측에 위치된다. 제 2 H-브리지 회로(56)는 일차 코일(57a)과 제 1 H-브리지 회로(54) 사이에 배치된다. 제 2 H-브리지 회로(56)는 각기 MOSFET로 형성된 스위칭 소자(S3, S4, S5, S6)를 갖는다. 각각의 MOSFET 에 기생 다이오드가 병렬로 연결되어 있다. 스위칭 소자(S3)의 소스 단자와 스위칭 소자(S4)의 드레인 단자가 서로 연결되어 있다. 스위칭 소자(S5)의 소스 단자와 스위칭 소자(S6)의 드레인 단자가 서로 연결되어 있다. 스위칭 소자(S3)의 드레인 단자와 스위칭 소자(S5)의 드레인 단자가 서로 연결되어 있다. 스위칭 소자(S4)의 소스 단자와 스위칭 소자(S6)의 소스 단자가 서로 연결되어 있다.

상기 스위칭 소자(S3, S5)의 드레인 단자 및 스위칭 소자(S4, S6)의 소스 단자는 캐패시터(55)에 연결된다.

스위칭 소자(S3)와 스위칭 소자(S4) 사이의 일 지점은 변압기(57)의 일차 코일(57a)의 한 단자에 연결되어 있다. 스위칭 소자(S5)와 스위칭 소자(S6) 사이의 일 지점은 변압기(57)의 일차 코일(57a)의 다른 단자에 연결되어 있다.

이렇게 해서, 상용 전원(67)은 제 2 H-브리지 회로(56)와 제 1 H-브리지 회로(54)를 통해 변압기(57)의 일차 코일(57a)에 연결된다.

도 2 에서 보는 바와 같이, 정류를 할 수 있는 제 3 H-브리지 회로(58)는 변압기(57)의 제 1 이차 코일(57b) 측에 위치된다. 제 3 H-브리지 회로(58)는 각기 MOSFET로 형성된 스위칭 소자(S7, S8, S9, S10)를 갖는다. 각각의 MOSFET 에 기생 다이오드가 병렬로 연결되어 있다. 스위칭 소자(S7)의 소스 단자와 스위칭 소자(S8)의 드레인 단자가 서로 연결되어 있다. 스위칭 소자(S9)의 소스 단자와 스위칭 소자(S10)의 드레인 단자가 서로 연결되어 있다. 스위칭 소자(S7)의 드레인 단자와 스위칭 소자(S9)의 드레인 단자가 서로 연결되어 있다. 스위칭 소자(S8)의 소스 단자와 스위칭 소자(S10)의 소스 단자가 서로 연결되어 있다.

스위칭 소자(S7)와 스위칭 소자(S8) 사이의 일 지점은 변압기(57)의 제 1 이차 코일(57b)의 한 단자에 연결되어 있다. 스위칭 소자(S9)와 스위칭 소자(S10) 사이의 일 지점은 변압기(57)의 제 1 이차 코일(57b)의 다른 단자에 연결되어 있다.

스위칭 소자(S7, S9)의 드레인 단자는 코일(59)을 통해 캐패시터(61)의 일 전극에 연결된다. 스위칭 소자(S8, S10)의 소스 단자는 캐패시터(61)의 다른 전극에 연결된다. 릴레이(60)는 코일(59)에 병렬로 연결된다. 이 릴레이(60)가 작동되면, 스위칭 소자(S7, S9)의 드레인 단자가 코일(59)을 통해 캐패시터(61)의 한 전극에 연결된다. 대안적으로, 닫힌 상태의 릴레이(60)는 스위칭 소자(S7, S9)의 드레인 단자를 중간의 코일(59)을 통하지 않고 직접 캐패시터(61)의 한 전극에 연결시킨다.

상기 캐패시터(61)는 충전기 릴레이(41)를 통해 고전압 배터리(B1)에 연결되며, 이 고전압 배터리는 제 1 배터리로서 역할한다. 변압기(57)의 제 1 이차 코일(57b)은 제 3 H-브리지 회로(58)를 통해 고전압 배터리(B1)에 연결된다. 이 고전압 배터리(B1)는 시스템 주 릴레이(40)를 통해 부스트 컨버터(21)에 연결된다. 이 부스트 컨버터(21)는 인버터(22)를 통해 차량 구동 모터(M)에 연결된다.

도 2 의 우측 하부에서 보는 바와 같이, 전압을 조절할 수 있는 상기 전압 조절 회로(63)는 변압기(57)의 제 2 이차 코일(57c) 측에 위치된다. 전압 조절 회로(63)는 스위칭 소자(S11)와 다이오드(D3) 및 코일(64)을 포함한다. 스위칭 소자(S11)는 MOSFET 로 형성된다. 기생 다이오드가 상기 MOSFET 에 병렬로 연결되어 있다. 스위칭 소자(S11)의 드레인 단자는 정류기(62)를 통해 변압기(57)의 제 2 이차 코일(57c)의 한 단자에 연결된다. 스위칭 소자(S11)의 소스 단자는 코일(64)의 일단에 연결되어 있다. 이 코일(64)의 타단은 필터(65)를 통해 보충 배터리(B2)의 양의 단자에 연결된다. 스위칭 소자(S11)의 소스 단자는 다이오드(D3)의 캐소드 단자에 연결된다. 이 다이오드(D3)의 애노드 단자는 정류기(62)를 통해 변압기(57)의 제 2 이차 코일(57c)의 다른 단자에 연결된다. 다이오드(D3)의 애노드 단자는 필터(65)를 통해 보충 배터리(B2)의 음의 단자에 연결된다. 보충 배터리(B2)는 보조 장치(전력 관리 ECU(43) 및 다른 보조 장치(44))에 연결된다.

전술한 바와 같이, 변압기(57)의 제 2 이차 코일(57c)은 전압 조절 회로(63)를 통해 보충 배터리(B2)에 연결된다. 또한, 변압기(57)의 일차 코일(57a)은 상용 전원(67)에 연결된다. 그래서, 변압기(57)는 이차 코일측에서 제 1 이차 코일(57b)(고전압 배터리(B1)에 연결됨) 및 제 2 이차 코일(57c)(보충 배터리(B2)에 연결됨)을 갖는다.

도 2 에서 보는 바와 같이, 상기 제어 회로(66)는 제 1 H-브리지 회로(54)의 스위칭 소자(S1, S2), 제 2 H-브리지(56)의 스위칭 소자(S3, S4, S5, S6), 제 3 H-브리지 회로(58)의 스위칭 소자(S7, S8, S9, S10) 및 전압 조절 회로(63)의 스위칭 소자(S11)를 제어한다.

상기 제어 회로(66)는 피드백 신호(SGf1)를 받는다. 이 피드백 신호(SGf1)는 충전기 릴레이(41)로부터 고전압 배터리(B1)로의 출력 전압을 검출하는 검출 신호이다.

본 실시 형태에서, 상기 제 1 H-브리지 회로(54)는 변압기(57)의 일차 코일(57a)과 상용 전원(67) 사이에 제공되는 제 1 전력 변환 회로에 상당한다. 상기 제 2 H-브리지 회로(56)는 변압기(57)의 일차 코일(57a)과 제 1 전력 변환 회로 사이에 제공되는 제 2 전력 변환 회로에 상당한다. 상기 제 3 H-브리지 회로(58)는 제 1 이차 코일(57b)과 고전압 배터리(B1) 사이에 제공되는 제 3 전력 변환 회로에 상당한다. 정류기(62)는 제 2 이차 코일(57c)과 보충 배터리(B2) 사이에 제공되는 정류 회로에 상당한다. 전압 조절 회로(63)는 정류기(62)(정류 회로)와 보충 배터리(B2) 사이에 제공된다.

(작동)

도 3 은 전술한 바와 같은 전원 장치(10)의 작동, 즉 배터리(B1, B2)의 충전을 나타낸다.

먼저, 시스템 주 릴레이(40)가 오프로 된다(열린다). 또한, 충전기 릴레이(41)가 온으로 된다(닫힌다).

상용 전원(67)에서 주어지는 교류 전압은 필터(51)를 통해, 코일(52, 53), 제 1 H-브리지 회로(54) 및 캐패시터(55)로 형성되는 역률 보정 회로에 공급된다. 제 1 H-브리지 회로의 스위칭 소자(S1, S2)는 제어 회로(66)에서 주어지는 제어 신호에 의해 교대로 온 및 오프로 된다. 구체적으로, 제 1 H-브리지 회로(54)에 전달되는 교류 전압과 교류가 양(positive)이면, 스위칭 소자(S1)가 온 및 오프된다. 스위칭 소자(S1)가 온으로 되면, 전류는 코일(52) → 스위칭 소자(S1) → 스위칭 소자(S2)의 기생 다이오드 → 코일(53)의 순으로 흐르게 되며, 따라서 전기 에너지가 코일(52, 53)에 저장된다. 스위칭 소자(S1)가 오프로 되면, 코일(52, 53)에 전기 에너지가 저장되어 있는 상태에서, 전류가 코일(52) → 다이오드(D1) → 캐패시터(55) → 스위칭 소자(S2)의 기생 다이오드 → 코일(53)의 순으로 흐르게 된다. 제 1 H-브리지 회로(54)에 전달되는 교류 전압과 교류가 음(negative)이면, 스위칭 소자(S2)가 온 및 오프로 된다. 스위칭 소자(S2)가 온으로 되면, 전류는 코일(53) → 스위칭 소자(S2) → 스위칭 소자(S1)의 기생 다이오드 → 코일(52)의 순으로 흐르게 되며, 따라서 전기 에너지가 코일(52, 53)에 저장된다. 스위칭 소자(S2)가 오프로 되면, 코일(52, 53)에 전기 에너지가 저장되어 있는 상태에서, 전류가 코일(53) → 다이오드(D2) → 캐패시터(55) → 스위칭 소자(S1)의 기생 다이오드 → 코일(52)의 순으로 흐르게 된다.

상기 스위칭 소자(S1, S2)의 ON/OFF 제어를 통해, 교류 전압이 두 코일(52, 53)의 사용으로 상승되며 평활화(smooth)된다. 또한, 교류의 위상과 파형이 교류 전압의 것과 일치하거나 유사하게 되는 역률 보정이 실행된다. 구체적으로, 스위칭 소자(S1, S2)의 듀티 사이클을 변경하여 (듀티 제어가 실행된다), 교류 전압을 평활화하고, 두 코일(52, 53)을 사용해 전압을 상승시키며, 또한 역률 보정을 실행한다. 이 역률 보정시에는 교류의 위상과 파형이 교류 전압의 것과 일치하거나 유사하게 된다.

또한, 도 3 을 참조하여, 제 2 H-브리지 회로(56), 변압기(57) 및 제 3 H-브리지 회로(58)에서의 작동을 이제 설명키로 한다. 제 2 H-브리지 회로(56)의 스위칭 소자(S3 ∼ S6)는 제어 회로(66)에서 주어지는 제어 신호에 의해 스위칭 제어를 받게 되어, 제 1 H-브리지 회로(54)에서 공급되는 직류 전압을 교류 전압으로 변환시킨다. 변환된 교류 전압은 변압기(57)의 일차 코일(57a)에 공급되어, 변압기(57)의 제 1 이차 코일(57b)에 교류 전압이 유도된다. 제 3 H-브리지 회로(58)의 스위칭 소자(S7 ∼ S10)는 제어 회로(66)에서 주어지는 제어 신호에 의해 제어되어, 제 1 이차 코일(57b)에 의해 유도된 교류 전압을 직류 전압으로 변환시킨다. 그런 다음, 그 직류 전압은 고전압 배터리(B1)에 출력되어 고전압 배터리(B1)가 충전된다.

이렇게 해서, 제어 회로(66)는, 변압기(57)의 일차 코일(57a) 측에서 제 1 H-브리지 회로(54)가 역률 보정을 실행하도록 하고 또한 제 2 H-브리지 회로(56)는 DC/DC 변환을 실행하도록 하고 그리고 변압기(57)의 제 1 이차 코일(57b)측에서는 제 3 H-브리지 회로(58)가 정류를 실행하도록 함으로써 고전압 배터리(B1)를 충전시킨다. 이때, 역률 보정 회로는 전압을 380 ∼ 480 볼트로 올린다. 충전기 릴레이(41)로부터 고전압 배터리(B1)로의 출력인 고전압 출력은 144 ∼ 197 볼트이다.

고전압 배터리(B1)의 충전, 즉 제 1 출력 1 으로의 출력 작동은 피드백 신호(SGf1)를 제어 회로(66)에 보내어 실행된다. 구체적으로, 충전기(30)가 고전압 배터리(B1)를 위한 출력을 제어 회로(66)에 피드백할 때, 고전압 배터리(B1)를 위한 출력 전압이 소정의 고전압 출력(전압)에 도달하도록 충전이 이루어진다.

동시에, 변압기(57)의 제 2 이차 코일(57C) 측에서, 제 2 이차 코일(57c)에 의해 유도된 교류 전압은 정류기(62)에 의해 직류 전압으로 변환된다. 이 직류 전압은 전압 조절 회로(63)에 공급된다. 이 전압 조절 회로(63)의 스위칭 소자(S11)는 제어 회로(66)에서 주어지는 제어 신호에 의해 온 및 오프된다. 보충 배터리(B2)에 대한 출력 전압은 ON-OFF 제어를 통해 일정한 값으로 조절되고, 전압 조절 회로(63)는 제 2 출력 2 으로서 13 ∼ 14 볼트의 저전압을 보충 배터리(B2)에 출력하게 된다. 따라서, 제어 회로(66)는 전력을 보충 배터리(B2)에 공급한다.

즉, 제어 회로(66)는 입력부의 상용 전원(67)으로부터 제 1 출력 1 (고전압 출력)의 전력을 고전압 배터리(B1)에 출력하고, 제 2 출력 2 (보충 출력)의 전력을 보충 배터리(B2)에 출력한다.

이때, 보충 시스템에 대한 출력 전력, 즉 보충 출력은 배터리(B1, B2)의 충전 중에 전력 관리 ECU(43)에서 필요로 하므로, 상기 보충 출력은 대략 100 W 로 설정된다.

전술한 바와 같이, 배터리(B1, B2)의 충전을 제어할 때, 제어 회로(66)는 제 1 배터리(B1)에 대한 고전압 출력을 나타내는 피드백 신호(SGf1)를 받는다. 즉, 제 1 배터리(B1)에 대한 고전압 출력의 전력이 수 kW 로 설정되므로, 제 1 배터리(B1)에 대한 고전압 출력은 제 2 배터리(B2)에 대한 보충 출력 보다 크다. 그러므로, 상기 제어 회로(66)는 제 1 배터리(B1)에 대한 고전압 출력에 기초하여 충전기(30)에 대한 피드백 제어를 실행하고, 제 2 배터리(B2)에 대한 보충 출력을 21 ∼ 26 V 범위의 전압으로 설정하며 (이 전압은 제 1 배터리(B1)에 대한 고전압 출력에 따라 다르게 되며 제 2 배터리(B2)에 대해 요망되는 전압(대략 13 ∼ 14V) 보다 높다), 그리고 전압 조절 회로(63)를 통해 제 2 배터리(B2)에 대한 전압을 조절한다.

도 6 은 전형적인 차량 탑재 충전기의 회로도이다. 도 6 에서, 고전압 배터리(111)는 필터(101), 코일(102, 103), 역률 보정 H-브리지 회로(104), 캐패시터(105), DC/DC 변환 H-브리지 회로(106), 변압기(107),정류 H-브리지 회로(108), 코일(109) 및 캐패시터(110)를 통해 외부 상용 전원(100)에 연결된다.

도 7 은 전형적인 차량 탑재 충전기의 시스템 구성의 일예를 나타낸다. 도 7 에서, 인버터(202)가 고전압 라인(LH) 및 부스트 컨버터(201)를 통해 고전압 배터리(200)에 연결되어 있다. 상기 인버터(202)는 구동 모터를 구동시킨다. 시스템 주 릴레이(SMR)(203)가 고전압 배터리(200)를 부스트 컨버터(201)에 연결시키는 고전압 라인(LH)에 위치되어 있다. 충전기(205)가 충전기 릴레이(CER)(204)를 통해, 상기 시스템 주 릴레이(203)와 부스트 컨버터(201) 사이에 있는 고전압 라인(LH)의 일 부분에 연결되어 있다. 충전기(205)는 충전기 커넥터(206)를 통해 외부 상용 전원(도 6 에 있는 상용 전원(100))에 연결되어 있다.

또한, DC/DC 컨버터(207)는 시스템 주 릴레이(203)와 부스트 컨버터(201) 사이에 있는 고전압 라인(LH)의 일 부분에 연결된다. 보충 배터리(208)는 저전압 라인(LL)을 통해 DC/DC 컨버터(207)에 연결된다. 보조 장치(209, 210)는 저전압 라인(LL)을 통해 보충 배터리(208)에 연결된다. 보조 장치는 전력 관리 ECU(PM-ECU)(209)와 다른 보조 장치(210)를 포함한다. 전력 관리 ECU(209)는 예컨대 배터리(200, 208)의 충전 상태를 모니터링한다.

고전압 배터리(200)의 충전 동안에, 시스템 주 릴레이(203) 및 충전기 릴레이(204)는 닫히고 따라서 충전기(205)는 고전압 배터리(200)를 충전한다.

그러나, 고전압 배터리(200)의 충전 동안에 충전기(205)는 전력 관리 ECU(209)와 같은 구성품에 전력을 공급할 필요가 있고 그래서 DC/DC 컨버터(207)를 작동시킬 필요가 있다.

그러므로, 도 7 의 경우, 차량에 있는 보조 장치가 고전압 배터리(200)의 충전 동안에 작동하므로, 소비되는 전력이 증가되고 이 때문에 충전 효율이 낮아지게 된다.

도 7 에 나타나 있는 충전기(205)와는 달리, 도 1 에 나타나 있는 본 실시 형태의 충전기(30)는 시스템 주 릴레이(40)와 고전압 배터리(B1) 사이의 일 지점에 연결된다. 고전압 배터리(B1)의 충전 동안에, 시스템 주 릴레이(40)는 오프로 되어, 충전기(30)는 인버터(22)나 DC/DC 컨버터(23)에 전력을 공급하지 않는다. 도 1 에 나타난 충전기(30)에 DC/DC 컨버터 기능(45)를 추가하면, 충전기(30)는 고전압 배터리(B1)의 충전 중에 필요한 전력을 전력 관리 ECU(43)에 공급한다. 즉, 도 6 에 나타나 있는 전형적인 충전기와는 달리, 본 실시 형태는 도 2 에 나타나 있는 바와 같이 변압기(57)의 제 2 이차 코일(57c)(출력 코일)을 갖고 있으며, 따라서 제어 회로(66)가 출력 전력을 보충 시스템에 출력할 수 있다. 따라서, 본 실시 형태에서는, 전력이 고전압 배터리(B1)의 충전 동안에 전력 관리 ECU(43)에 공급될 때, DC/DC 컨버터(23)는 작동될 필요가 없다(차량의 보충 시스템이 작동될 필요가 없다). 따라서, 본 실시 형태에서는, 고전압 배터리(B1)의 충전 동안에 시스템 주 릴레이(40)를 열어, 제어 회로(66)가 소비되는 전력을 줄일 수 있고 또한 충전 효율을 개선시킬 수 있다. 즉, 제어 회로(66)는 불필요한 전력 소비를 줄일 수 있고 높은 충전 효율로 상용 전원(교류 전원)(67)으로부터 고전압 배터리(B1)를 충전할 수 있다.

전술한 실시 형태는 다음과 같은 이점을 갖는다.

(1) 제어 수단 또는 제어부로서 역할하는 제어 회로(66)는 상용 전원(67)으로부터 고전압 배터리(B1)를 충전하고 동시에 보충 배터리(B2)에 전력을 공급한다. 이러한 구성에 따르면, 제어 회로(66)는 상용 전원(67)으로부터 고전압 배터리(B1)를 충전함과 동시에 저전압 보충 배터리(B2)(이 배터리의 전압은 고전압 배터리(B1)보다 낮다)에 전력을 공급할 수 있다.

(2) 구체적으로, 고전압 배터리(B1)에 대한 출력 피드백을 실행하면서, 제 1 제어부로서 역할하는 제어 회로(66)는 변압기(57)의 일차 코일(57a) 측에서 제 1 H-브리지 회로(54)와 제 2 H-브리지 회로(56)을 제어하며, 또한 변압기(57)의 제 1 이차 코일(57b) 측에서 제 3 H-브리지 회로(58)를 제어하며, 그리 하여 상용 전원(67)으로부터 고전압 배터리(B1)를 충전한다.

동시에, 제 1 제어부로서 역할하는 제어 회로(66)는, 제 2 이차 코일(57c) 측에서 전압 조절 회로(63)로부터 보충 배터리(B2)로의 출력 전압을 조절하면서, 상용 전원(67)으로부터 보충 배터리(B2)에 전력을 공급한다. 다시 말하면, 제어 회로(66)는 제 1 제어부를 갖는다. 즉, 제어 회로(66)는, 상용 전원(67)으로부터 고전압 배터리(B1)에 대한 출력 피드백을 실행하면서, 변압기(57)의 일차 코일(57a) 측에서 제 1 H-브리지 회로(54)를 사용해 역률 보정을 실행하고 또한 제 2 H-브리지 회로(56)를 사용해서는 DC/DC 변환을 실행한다.

또한, 상기 제어 회로(66)는 변압기(57)의 제 1 이차 코일(57b) 측에서 제 3 H-브리지 회로(58)를 사용해 정류를 실행하여, 고전압 배터리(B1)를 충전한다. 동시에, 제어 회로(66)는 변압기(57)의 제 2 이차 코일(57c) 측에서 전압 조절 회로(63)로부터 보충 배터리(B2)로의 출력 전압을 일정한 값으로 조절하면서, 보충 배터리(B2)에 전력을 공급하게 된다. 따라서, 제어 회로(66)는 고전압 배터리(B1)에 대한 출력 피드백을 수행하므로, 제어 회로(66)는 고전압 배터리(B1)를 충전함과 동시에 보충 배터리(B2)에 전력을 공급할 수 있다.

또한, 변형예로서, 도 2 의 제 1 H-브리지 회로(PFC 회로)(54)의 하류에 있는 제 2 H-브리지 회로(56)는 푸시풀(push-pull) 회로일 수 있다.

도 4 는 제 2 실시 형태를 나타낸다. 제 1 실시 형태와의 상이점을 주로 설명하면, 본 실시 형태에서는, 저전압 배터리(B2)가 교류 전원(67)의 출력으로 충전되지 않고 고전압 배터리(B1)의 출력으로 충전된다.

본 실시 형태의 전원 장치는 또한 도 2 에 나타난 회로 구성을 갖는다.

이제 본 실시 형태의 전원 장치의 작동을 설명키로 한다.

충전 동안의 작동을 전술한 도 3 을 참조하여 설명한다.

시스템 주 릴레이(40)가 오프로 되고(열림) 충전기 릴레이(41)는 온으로 된(닫힘) 상태에서, 제어 회로(66)는 입력부의 상용 전원(67)으로부터 고전압 배터리(B1)로의 출력 1 (고전압 출력)을 수행하고 동시에 보충 배터리(B2)로의 출력 2 을 수행한다.

이때, 배터리(B1, B2)의 충전 중에 보충 시스템에 대한 출력 전력, 또는 보충 출력이 전력 관리 ECU(43)에서 필요하므로, 보충 출력은 대략 100 W 로 설정된다.

고전압 배터리(B1)를 위한 고전압 출력의 전력이 수 kW 로 설정되므로, 고전압 출력의 전력은 상기 보충 출력 보다 크다. 그러므로, 제어 회로(66)는 고전압 출력을 나타내는 피드백 신호(SGf1)에 근거하여 피드백 제어를 실행하고, 보충 출력을 21 ∼ 26 V 범위내의 전압(원하는 전압(대략 13 ∼ 14 V) 보다 높음) 으로 설정하며, 또한 전압 조절 회로(63)를 통해 전압을 조절한다.

도 4 는 차량이 움직이고 있는 상태를 나타낸다.

시스템 주 릴레이(40)가 온으로 되고(닫힘) 충전기 릴레이(41)가 온으로 된(닫힘) 상태에서, 제어 회로(66)는 고전압 배터리(B1)로부터의 출력을 144 ∼ 197 V 로 설정한다. 고전압 배터리(B1)의 충전 중에 정류 회로로서 기능하는 제 3 H-브리지 회로(58)는, 본 실시 형태에서 고전압 배터리(B1)로부터의 출력의 DC/DC 변환을 수행하는 DC/DC 변환 H-브리지 회로로 사용된다. 스위칭 소자(S7, S10) 및 스위칭 소자(S8, S9)는 교대로 온 및 오프되며, 따라서 교류 전압이 제 1 이차 코일(57b)에 공급되고, 제 2 이차 코일(57c)에서 교류 전압이 유도된다. 제 2 이차 코일(57c)에 의해 유도된 교류 전압은 정류기(62)에 의해 직류 전압으로 변환된다. 13 ∼ 14 V 의 전력이 보충 배터리(B2)에 공급된다.

상기 제어 회로(66)는 피드백 신호(SGf2)를 받는다. 이 피드백 신호(SGf2)는 보충 배터리(B2)에 대한 출력 전압의 검출 신호이다. 상기 신호(SGf2)를 사용하여, 제어 회로(66)는 피드백 제어를 실행한다. 고전압 배터리(B1)의 충전 동안의 작동과는 달리, 본 실시 형태에서 충전기(30)로부터의 출력은 하나만 있다. 또한, 제어 회로(66)는 보충 출력을 사용해서 피드백을 실행할 수 있다. 그러므로, 제어 회로(66)는 즉 MOSFET를 일정한 ON 상태로 두어 보충 출력측에서 전압 조절 회로(63)를 중지시킬 수 있으며, 따라서 전압 조절 회로(63)로부터 보조 장치로의 출력은 변하지 않는다.

고전압 배터리(B1)에 연결된 코일(59)은 릴레이(60)에 의해 단락된다.

이때, 보조 장치(배터리(B2))에 대한 출력은 차량의 운전 중에 요구되기 때문에 대략 2 kW 이다.

플러그인 하이브리드 차량과 전기차는 전형적인 전원 장치로서, 도 6 에 나타나 있는 상용 전원(100)으로부터 고전압 배터리(111)를 충전하기 위한 차량 탑재 충전기 및 도 8 에 나타나 있는 고전압 배터리(111)로부터 전압을 보조 장치(배터리(112))에 공급하기 위한 DC/DC 컨버터를 사용한다. 도 8 에서, DC/DC 컨버터는 H-브리지 회로(113), 변압기(114) 및 정류 H-브리지 회로(115)를 포함한다.

도 6 에 나타난 차량 탑재 충전기는 차량이 움직이지 않을 때(차량이 정지 상태에 있을 때) 사용되고, 도 8 에 나타나 있는 DC/DC 컨버터는 차량이 움직이고 있을 때 사용된다. 즉, 도 6 의 차량 탑재 충전기와 도 8 의 DC/DC 컨버터가 동시에 사용되지는 않지만, 이 둘은 차량에 장착될 필요가 있는 장치이다. 그러므로, 이들을 배치할 공간을 차량에 마련해야 할 필요가 있고 또한 차량의 무게가 증가하게 된다. 또한, 차량의 제조 비용도 증가한다.

이와는 달리, 본 실시 형태에 따르면, 도 3 에서 보는 바와 같이, 충전기(30)는 고전압 배터리(B1)에 대한 출력 외에도 보충 배터리(B2)에 대한 출력도 갖는다. 또한, 도 6 에 도시된 고전압 배터리(111)에 대한 출력을 위한 정류 H-브리지 회로(108)와 비교하여, 도 4 에 도시된 제 3 H-브리지 회로(58)는 양방향화가 가능하도록 도 6 에 도시된 제 3 H-브리지 회로(108)의 다이오드 대신에 MOSFET 를 갖는다. 본 실시 형태에서, 고전압 배터리(B1)의 충전 중에, 제어 회로(66)는 입력으로부터 고전압 배터리(B1)와 보충 배터리(B2)에 전력을 출력한다. 차량이 움직이고 있을 때, 제어 회로(66)는 고전압 배터리(B1)로부터 전력을 보충 배터리(B2)에 출력한다. 그 결과, 본 실시 형태에서는 충전기와 DC/DC 컨버터(58)가 통합된다. 이로써, 도 1 의 시스템 구성에서는 DC/DC 컨버터(23)가 필요 없게 된다.

전술한 실시 형태는 상기 이점 (1)과 (2) 외에도 다음과 같은 이점을 갖는다.

(3) 제 2 제어부로서 역할하는 제어 회로(66)는, 출력을 보충 배터리(B2)에 공급하여 고전압 배터리(B1)로부터 전력을 보충 배터리(B2)에 공급하면서, 제 1 이차 코일(57b) 측에서 제 3 H-브리지 회로(58)를 제어한다. 다시 말해, 제어 회로(66)는 제 2 제어부를 더 포함한다. 즉, 제어 회로(66)는, 고전압 배터리(B1)로부터 보충 배터리(B2)로의 출력 피드백을 실행하여 이 보충 배터리(B2)에 전력을 공급하면서, 변압기(57)의 제 1 이차 코일(57b) 측에서 DC/DC 변환을 실행하기 위해 제 3 H-브리지 회로(58)를 제어한다. 따라서, 제어 회로(66)는 고전압 배터리(B1)로부터 전력을 보충 배터리(B2)에 공급할 수 있다. 이리 하여, 충전기와 DC/DC 컨버터를 통합할 수 있고 또한 소형화와 비용 절감이 촉진된다.

변형예로서, 다이오드 브리지를 갖는 정류 회로가 도 3 의 상용 전원(67)으로부터 입력부에서 제 1 H-브리지 회로(PFC 회로) 상류의 위치에 제공될 수 있다. 또한, 제 1 H-브리지 회로(PFC 회로)(54)의 하류에 위치하는 제 2 H-브리지 회로(56)는 푸시풀 회로일 수 있다.

도 5 는 제 3 실시 형태를 나타낸다. 제 1 및 2 실시 형태와의 상이점을 주로 설명하면, 본 실시 형태에서는, 고전압 배터리(B1)로부터 교류가 필터(51)를 경유하여 교류 부하(80)에 출력된다. 이 교류 부하(80)는 교류 전원(67) 대신에 제공된다.

도 5 는 본 실시 형태의 전원 장치의 회로 구성을 나타내는 것으로, 도 2 의 구성을 대체한 것이다.

도 2 에 있는 제 1 H-브리지 회로(PFC 회로)에 있는 다이오드(D1, D2)는 도 5 에 있는 스위칭 소자(S12, S14)로 대체되어 있다. 즉, H-브리지 회로(54)를 대체하는 제 1 H-브리지 회로(70)는 4개의 스위칭 소자(S12, S13, S14, S15)를 갖는다. 이들 스위칭 소자(S12, S13, S14, S15)는 각각 MOSFET 로 형성되어 있다. 기생 다이오드가 MOSFET 에 병렬로 연결되어 있다. 스위칭 소자(S12)의 소스 단자와 스위칭 소자(S13)의 드레인 단자가 서로 연결되어 있다. 스위칭 소자(S14)의 소스 단자와 스위칭 소자(S15)의 드레인 단자가 서로 연결되어 있다. 스위칭 소자 (S12)의 드레인 단자와 스위칭 소자(S14)의 드레인 단자가 서로 연결되어 있다. 스위칭 소자(S13)의 소스 단자와 스위칭 소자(S15)의 소스 단자가 서로 연결되어 있다.

또한, 본 실시 형태에서도, 도 6 에 있는 고전압 배터리(111)에 출력하기 위한 정류 H-브리지 회로(108)의 다이오드가 도 5 에 있는 제 3 H-브리지 회로(58)에 있는 MOSFET 로 대체되어 있다.

이제, 본 실시 형태의 전원 장치의 작동을 설명키로 한다.

먼저 고전압 배터리(B1)의 충전 중의 작동을 설명한다. 기본적인 작용은 도 3 에 나타나 있는 것과 동일하므로, 고전압 배터리(B1)의 충전 동안의 작동을 도 3 을 참조하여 설명한다.

시스템 주 릴레이(40)가 오프로 되고(열림) 충전기 릴레이(41)가 온으로 된(닫힘) 상태에서, 제어 회로(66)는 입력의 상용 전원(67)으로부터 고전압 배터리(B1)로의 출력 1 (고전압 출력)을 수행하고 동시에 보충 배터리(B2)에 대한 출력 2 도 수행한다.

이때, 배터리(B1, B2)의 충전 동안에는 보충 시스템에 대한 출력 전력이 전력 관리 ECU(43)에서 요구되므로, 보충 출력은 대략 100 W 로 설정된다.

고전압 배터리(B1)를 위한 고전압 출력의 전력이 수 kW 로 설정되므로, 고전압 출력의 전력은 상기 보충 출력 보다 크다. 그러므로, 제어 회로(66)는 고전압 출력을 나타내는 피드백 신호(SGf1)에 근거하여 피드백 제어를 실행하고, 보충 출력을 21 ∼ 26 V 범위내의 전압(원하는 전압(대략 13 ∼ 14V) 보다 높음) 으로 설정하며, 또한 전압 조절 회로(63)를 통해 전압을 조절한다.

다음, 차량이 움직이고 있는 중의 작동을 설명한다. 기본적인 작용은 도 4 에 나타난 것과 동일하므로, 차량이 움직이고 있는 중의 작동을 도 4 를 참조하여 설명할 것이다.

시스템 주 릴레이(40)가 온으로 되고(닫힘) 충전기 릴레이(41)가 온으로 된(닫힘) 상태에서, 제어 회로(66)는 입력부로서 고전압 배터리(B1)를 사용하고, 충전 중에 정류 회로로서 기능하는 제 3 H-브리지 회로(58)를 DC/DC 변환 H-브리지 회로로서 사용하며, 그리하여 고전압 배터리(B1)로부터 전력을 보조 장치(배터리(B2))에 출력한다.

고전압 배터리(B1)의 충전 동안의 작동과는 달리, 충전기(30)로부터 단지 하나의 출력만 있고, 보충 회로를 사용해 피드백이 실행될 수 있다. 그러므로, 제어 회로(66)는 보충 출력의 전압 조절 회로(63)를 중지시킨다(따라서 출력은 변하지 않는다).

고전압 배터리(B1)에 연결된 코일(59)는 릴레이(60)에 의해 단락된다.

이때, 보조 장치(배터리(B2))에 대한 출력은 차량의 움직임 중에 요구되므로 대략 2kW 로 설정된다.

다음, 도 5 를 참조하여, 고전압 배터리(B1)로부터의 AC 출력 동안, 즉 고전압 배터리(B1)로부터 교류 부하(AC 부하)로의 출력 동안의 작동을 설명한다.

제어 회로(66)는 신호(SG3, SG4)를 받는다. 신호(SG3)는 보충 배터리(B2)에 대한 출력 전압 및 출력 전류의 검출 신호이다. 신호(SG4)는 교류 부하(80)에 대한 출력 전압 및 출력 전류의 검출 신호이다.

충전기 릴레이(41)가 온으로 된(닫힘) 상태에서, 제어 회로(66)는 고전압 배터리(B1)로부터 교류 전압을 교류 부하(80)에 출력한다. 또한 제어 회로(66)는 보조 장치에도 출력을 제공한다. 구체적으로, 제어 회로(66)는 제어 신호를 출력하여 제 3 H-브리지 회로(58)의 스위칭 소자(S7 ∼ S10)를 전환시키고, 그리 하여 고전압 배터리(B1)의 144 ∼ 197 V 범위내의 교류 전압을 변압기(57)의 제 1 이차 코일(57b)에 공급하게 된다. 스위칭 소자(S7, S10) 및 스위칭 소자(S8, S9)는 교대로 온 및 오프되며, 따라서 교류 전압이 제 1 이차 코일(57b)에 공급된다. 따라서, 일차 코일(57a) 과 제 2 이차 코일(57c)에 교류 전압이 유도된다. 제 2 H-브리지 회로(56)의 스위칭 소자(S3 ∼ S6)가 스위칭 제어를 받아서, 일차 코일(57a)에 의해 유도된 교류 전압은 직류 전압으로 변환되고, 이 직류 전압은 제 1 H-브리지 회로(70)에 공급된다. 제 1 H-브리지 회로(70)의 스위칭 소자(S12 ∼ S15)는 제어 회로(66)에서 주어지는 제어 신호에 의해 스위칭 제어를 받으며, 따라서 미리 정해진 전압값과 미리 정해진 주파수의 교류 전압이 발생된다.

제 3 H-브리지 회로(58)에 의한 DC/DC 변환 및 제 2 H-브리지 회로(56)에 의한 정류를 통해, 고전압 배터리(B1)로부터의 출력은 300 ∼ 480 V 로 증대된다. 제 1 H-브리지 회로(70)에 의한 AC 발생을 통해 제 1 H-브리지 회로(70)는 교류 부하(80)에 AC 100 V 를 출력한다.

다른 한편, 제 2 이차 코일(57c)에 의해 유도된 교류 전압은 정류기(62)에 의해 직류 전압으로 변환되고, 그의 전압 값은 전압 조절 회로(63)로 조절된다. 그후, 변환된 직류 전압은 보충 배터리(B2)에 공급된다. 보충 출력은 13 ∼ 14 V 이다.

제어 회로(66)는 보충 출력을 사용해서 신호(SG3)에 의해 피드백을 실행하고, AC 를 발생시키기 위해 제 1 H-브리지 회로(70)를 사용해서 AC 출력 전압(교류 부하(80)에 대한 출력 전압)을 조절한다.

또한, 제어 회로(66)는 보충 출력(배터리(B2)에 대한)과 교류 부하(80)에 대한 출력 모두를 모니터링하여, 출력이 변압기(57)의 정격을 초과하는 것을 방지한다.

도 9 는 고전압 배터리(111)로부터 교류 부하(116)를 위한 전형적인 전력 공급 시스템(AC 인버터)의 예시적인 구성을 나타낸다. 도 9 에서, 상기 전력 공급 시스템은 고전압 배터리(111)에서 부하(116)로의 순으로, DC/DC 변환 H-브리지 회로(117), 변압기(118), 정류 H-브리지 회로(119), 캐패시터(120), AC 발생 H-브리지 회로(121) 및 코일(122, 123)을 포함한다.

도 6 에 나타나 있는 차량 탑재 충전기는 차량이 움직이지 않을 때(차량이 정지 상태에 있을 때) 사용되며, 도 8 에 나타나 있는 DC/DC 컨버터는 차량이 움직이고 있을 때 사용된다. 즉, 도 6 의 차량 탑재 충전기 및 도 8 의 DC/DC 컨버터가 동시에 사용되지는 않지만, 이들 모두는 차량에 장착되는 필요한 장치인 것이다. 그러므로, 이들을 배치할 공간을 차량에 마련해야 하며 차량의 무게가 증가하게 된다. 또한, 비용기 증가된다. 또한, 도 9 에서 보는 바와 같이, 고전압 배터리(111)를 사용해서 교류 부하(116)(상용 전원으로 구동되는 장치)를 사용하기 위해서는 AC 인버터가 필요한다.

도 6 및 9 와 대조적으로, 본 실시 형태는 도 5 에 나타나 있는 회로 구성을 제공하며, 따라서 충전기(30)는 고전압 배터리(B1)에 대한 출력 외에도 보충 배터리(B2)에 대한 출력도 갖는다. 또한, 도 6 의 역률 보정 H-브리지 회로(104)의 정류 다이오드는 도 5 의 제 1 H-브리지 회로(70)에 있는 MOSFET 로 대체되어 있다. 또한, 도 6 에 나타나 있는 고전압 배터리(111)에 대한 출력을 위한 정류 H-브리지 회로(108)와 비교하여, 도 5 의 제 3 H-브리지 회로(58)의 다이오드는 MOSFET 로 대체되어 양방향화가 가능하다.

고전압 배터리(B1)의 충전 동안에, 제어 회로(66)는 교류 전원(67)으로부터의 입력으로부터 고전압 배터리(B1)와 보충 배터리(B2)에 전력을 출력한다. 차량이 움직이고 있을 때, 제어 회로(66)는 고전압 배터리(B1)로부터 보충 배터리(B2)에 전력을 출력한다. 또한, 차량이 정지되어 있고 고전압 배터리(B1)로부터 교류 부하(80)로의 전력 공급이 필요할 때, 제어 회로(66)는 고전압 배터리(B1)로부터 교류 부하(80)에 전력을 출력한다.

전술한 실시 형태는 상기 이점 (1), (2) 및 (3) 외에도 다음과 같은 이점을 갖는다.

(4) 제 3 제어부로서 역할하는 제어 회로(66)는 고전압 배터리(B1)로부터 교류를 부하(80)(67)에 출력하며, 동시에 보충 배터리(B2)에 전력을 공급한다. 다시 말해, 제어 회로(66)는 제 3 제어부를 더 포함한다. 이 구성에 따르면, 제어 회로(66)는 고전압 배터리(B1)로부터 교류를 교류 부하(80)에 출력함과 동시에 고전압 배터리(B1)로부터 전력을 저전압 보충 배터리(B2)에 공급할 수 있다.

(5) 제 4 제어부로서 역할하는 제어 회로(66)는 교류 부하(80)에 대한 출력 피드백을 실행하면서 제 3 H-브리지 회로(58)를 제어하며, 그리 하여 변압기(57)의 일차 코일(57a) 측에서 제 2 H-브리지 회로(56)와 제 1 H-브리지 회로(54)를 사용해서 교류를 발생시키며 또한 고전압 배터리(B1)로부터 교류 전압을 교류 부하(80)(상용 전원(67))에 출력한다. 다시 말해, 제어 회로(66)는 제 4 제어부를 더 포함한다. 동시에, 제어 회로(66)는 고전압 배터리(B1)로부터 제 2 이차 코일(57c) 측에서 보충 배터리(B2)에 전력을 공급한다. 즉, 제어 회로(66)는 제 3 H-브리지 회로(58)를 사용해서 DC/DC 변환을 실행하고, 그리 하여 변압기(57)의 일차 코일(57a) 측에서 제 2 H-브리지 회로(56)를 사용해서 정류를 실행하고 또한 제 1 H-브리지 회로(54)를 사용해서 교류를 발생시키며, 고전압 배터리(B1)로부터 교류 전압을 출력한다. 동시에, 제어 회로(66)는 고전압 배터리(B1)의 출력을 사용해서, 변압기(57)의 제 2 이차 코일(57c) 측에서 보충 배터리(B2)에 전력을 공급한다. 이때, 보충 배터리(B2)에 대한 출력 피드백을 실행하면서, 제어 회로(66)는 제 3 H-브리지 회로(58)를 사용해 DC/DC 변환을 실행하고, 제 2 H-브리지 회로를 사용해 정류를 실행하며 또한 제 1 H-브리지 회로(54)를 사용해 교류를 발생시킨다.

교류 전압의 출력 피드백이 실행되므로, 제어 회로(66)는 교류 부하(80)에 교류를 출력함과 동시에 보충 배터리(B2)에 전력을 공급할 수 있다. 다시 말해, 제어 회로(66)는 교류 전압을 출력할 수 있고 또한 고전압 배터리(B1)로부터 전력을 보충 배터리(B2)에 공급할 수 있다. 따라서, 본 실시 형태에 따르면, 충전기, DC/DC 컨버터 및 AC 인버터가 통합될 수 있고 소형화와 비용 절감이 촉진된다.

(6) 상기 이점 (5) 에서, 제 5 제어부로서 역할하는 제어 회로(66)는, 보충 배터리(B2)에 대한 출력 피드백을 실행하면서 제 3 H-브리지 회로(58), 제 2 H-브리지 회로(56) 및 제 1 H-브리지 회로(54)를 사용하여 교류를 발생시켜 교류 부하(80)에 교류 전압을 출력한다. 동시에, 제어 회로(66)는 고전압 배터리(B1)를 사용해서 제 2 이차 코일(57c) 측에서 보충 배터리(B2)에 전력을 공급한다. 그러므로, 제어 회로(66)는, 보충 배터리(B2)에 대한 전력 공급 및 교류 출력 모두의 피드백을 실행함으로써, 변압기(57)의 정격이 초과되는 것을 방지한다. 다시 말해, 제어 회로(66)는 제 5 제어부를 갖는다.

변형예로서, 고전압 배터리(B1)로부터의 AC 출력시(교류 부하(80)에 대한 출력시) 보조 장치(배터리(B2))에 대한 출력의 전력량이 작으면, 제어 회로(66)는 AC 출력(교류 부하(80)에 대한 출력)을 사용해 피드백 제어를 실행할 수 있다. 즉, 교류 전압의 출력의 피드백을 실행할 때, 제어 회로(66)는 제 3 H-브리지 회로(58)를 사용해서 DC/DC 변환을 실행하고 제 2 H-브리지 회로를 사용해서 정류를 실행하며 또한 제 1 H-브리지 회로(54)를 사용하여 교류를 발생시킨다.

본 발명은 전술한 실시 형태들에 한정되지 않고 다음과 같은 변형예로도 실시될 수도 있다.

스위칭 소자는 MOSFET 대신에 IGBT 로 형성될 수도 있다.

도 1 은 고전압 배터리(B1)의 전압이 부스트 컨버터(21)에 의해 증대되어 인버터(22)에 공급되는 시스템 구성을 나타낸다. 대신에, 부스트 컨버터(21)는 그 시스템에서 생략될 수도 있으며, 고전압 배터리(B1)와 인버터(22)는 고전압 라인(LH)을 통해 서로 연결되어 고전압 배터리(B1)의 전압을 인버터(22)에 공급하게 된다.

전원 장치(10)는 차량용에만 한정되지 않는다. 예컨대, 전원 장치(10)는 밤에 오프-피크(off-peak) 전력을 사용해서 배터리(B1)를 충전하고 충전된 전력을 낮 동안에 사용하는 공장, 사무실 및 가정집을 위한 전원 장치로 사용될 수도 있다.

도시된 실시 형태는 다수의 제 1 배터리(B1)를 갖는 전원 장치에도 적용될 수 있다. 즉, 도시된 실시 형태는 적어도 하나의 제 1 배터리를 갖는 전원 장치에도 적용될 수 있다.

도시된 실시 형태는 다수의 제 2 배터리(B2)를 갖는 전원 장치에도 적용될 수 있다. 즉, 도시된 실시 형태는 적어도 하나의 제 2 배터리(이 배터리의 전압은 제 1 배터리의 전압보다 낮음)를 갖는 전원 장치에 적용될 수 있다.

제 1 배터리(B1)에 연결되는 적어도 하나의 제 1 이차 코일 및 제 2 배터리(B2)에 연결되는 적어도 하나의 제 2 이차 코일을 포함한다면 어떤 변압기도 사용될 수 있다.

Claims (14)

1. 적어도 하나의 제 1 배터리;
   상기 제 1 배터리 보다 전압이 낮은 적어도 하나의 제 2 배터리;
   교류 전원이 연결되는 일차 코일, 상기 제 1 배터리가 연결되는 적어도 하나의 제 1 이차 코일 및, 상기 제 2 배터리가 연결되는 적어도 하나의 제 2 이차 코일을 갖는 변압기;
   상기 변압기의 일차 코일과 상기 교류 전원 사이에 위치되는 제 1 전력 변환 회로;
   상기 변압기의 일차 코일과 상기 제 1 전력 변환 회로 사이에 위치되는 제 2 전력 변환 회로;
   상기 제 1 이차 코일과 상기 제 1 배터리 사이에 위치되는 제 3 전력 변환 회로;
   상기 제 2 이차 코일과 상기 제 2 배터리 사이에 위치되는 정류 회로;
   상기 정류 회로와 상기 제 2 배터리 사이에 위치되는 전압 조절 회로;
   상기 교류 전원으로부터 상기 제 1 배터리를 충전하는 것을 제어하도록 구성되고, 이와 동시에 상기 제 2 배터리에 전력을 공급하는 것을 제어하도록 구성된 제어 회로;
   상기 제 1 배터리에 라인에 의해 접속된 부하를, 상기 제 1 배터리에 전기 접속하는, 상기 라인의 도중에 배치된 시스템 주 릴레이; 및
   상기 제 1 배터리에 상기 시스템 주 릴레이를 통해 전기 접속되는 제 4 전력 변환 회로를 포함하는 전원 장치에 있어서,
   상기 제 2 배터리에 보조 장치가 연결되고,
   상기 제어 회로는 또한, 상기 보조 장치에 대한 전력의 공급을 제어하고, 이와 동시에 상기 제 1 배터리를 충전하고, 또한 상기 제 2 배터리에 전력을 공급하도록 구성되고,
   상기 제어 회로는 상기 부하를 제어하고,
   상기 제 2 배터리는 상기 제 4 전력 변환 회로를 통해 상기 시스템 주 릴레이에 전기 접속되고,
   상기 시스템 주 릴레이가 온(on)인 경우에, 상기 제 4 전력 변환 회로는, 상기 제 1 배터리의 전압을 변환함으로써, 상기 제 2 배터리에 전력을 공급하고,
   상기 시스템 주 릴레이가 오프(off)인 경우, 상기 전원 장치는 상기 제 1 배터리를 충전함과 함께, 상기 제 2 배터리를, 상기 제 4 전력 변환 회로를 통하지 않고, 상기 정류 회로와 상기 전압 조절 회로를 통하여 충전하는 것을 특징으로 하는 전원 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제어 회로는, 상기 제 1 배터리에 대한 출력의 상기 제어 회로로의 피드백을 실행하면서 상기 일차 코일 측에서 상기 제 1 전력 변환 회로와 상기 제 2 전력 변환 회로를 제어하고 또한 상기 제 1 이차 코일측에서 상기 제 3 전력 변환 회로를 제어함으로써, 상기 교류 전원을 사용한 상기 제 1 배터리의 충전을 제어하도록 구성되고, 이와 동시에 상기 제어 회로는 상기 전압 조절 회로에 의해 상기 제 2 배터리의 출력 전압을 조절하면서 상기 제 2 이차 코일측에서 상기 교류 전원으로부터 상기 제 2 배터리로의 전력의 공급을 제어하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전원 장치.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 제어 회로는 상기 제 2 배터리에 대한 출력의 상기 제어 회로로의 피드백을 실행하면서 상기 제 1 이차 코일 측에서 상기 제 3 전력 변환 회로를 제어하여 상기 제 1 배터리로부터 상기 제 2 배터리로의 전력의 공급을 제어하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전원 장치.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중의 어느 한 항에 있어서,
   상기 제어 회로는 상기 제 1 배터리로부터 상기 교류 전원 측으로의 교류의 출력을 제어하고, 이와 동시에 상기 제 2 배터리에 대한 전력의 공급을 제어하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전원 장치.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 제어 회로는 상기 교류 전원에 대한 출력의 피드백을 실행하면서 상기 제 3 전력 변환 회로를 제어함으로써 상기 제 2 전력 변환 회로와 상기 제 1 전력 변환 회로를 사용해 상기 변압기의 일차 코일 측에서의 교류의 발생을 제어하고, 상기 제 1 배터리로부터 상기 교류 전원 측으로의 교류 전압의 출력을 제어하도록 구성되고, 이와 동시에 상기 제어 회로는 상기 제 2 이차 코일 측에서 상기 제 2 배터리에 대한 전력의 공급을 제어하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전원 장치.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 제어 회로는 상기 제 2 배터리에 대한 출력의 상기 제어 회로로의 피드백의 실행을 제어하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전원 장치.
7. 제 1 항 내지 제 3 항 중의 어느 한 항에 있어서,
   상기 전원 장치는 차량에 장착되도록 설계되어 있는 것을 특징으로 하는 전원 장치.
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