KR101490928B1

KR101490928B1 - 충전 장치 및 충전 방법

Info

Publication number: KR101490928B1
Application number: KR20130074850A
Authority: KR
Inventors: 이우영; 송병섭; 이대우; 양진영; 김종필
Original assignee: 현대자동차 주식회사
Priority date: 2013-06-27
Filing date: 2013-06-27
Publication date: 2015-02-09
Also published as: KR20150002967A

Abstract

본 발명의 일실시예에 따르면 충전 장치가 제공된다. 상기 충전 장치는, 교류 전압인 입력 전압을 정류하여 제1 직류 전압으로 변환하는 제1 컨버터; 상기 제1 직류 전압의 레벨을 조절하고, 상기 조절된 제1 직류 전압을 정류하여 제1 정류 전압을 생성하고, 상기 제1 정류 전압의 노이즈를 제거하여 제1 배터리를 충전하기 위한 제1 충전 전압을 생성하는 제2 컨버터; 상기 제1 정류 전압의 서지성 전압을 흡수하는 스너버 회로; 및 상기 스너버 회로에 의해 흡수된 전압을 이용해 제2 배터리를 충전하기 위한 제2 충전 전압을 생성하는 제3 컨버터를 포함한다. 여기서 상기 제3 컨버터는 복수의 스위치가 풀 브릿지(full bridge) 구조로 연결되는 위상천이 풀 브릿지 컨버터이다.

Description

충전 장치 및 충전 방법{CHARGING APPARATUS AND CHARGING METHOD}

본 발명은 충전 장치 및 충전 방법에 관한 것으로써, 구체적으로 전기 자동차 또는 플러그인 하이브리드 차(plug-in hybrid car)의 배터리를 충전하는 충전 장치 및 충전 방법에 관한 것이다.

플로그인 하이브리드 차 및 전기 자동차(이하 전기차 라 함)는 상용 교류 전원(AC 전원)을 이용해 차량 내부의 배터리를 충전하는 충전 장치(on board charger)가 필요하다. 전기차에 사용되는 종래의 충전 장치는 도 1과 같다.

도 1은 전기차에 사용되는 종래의 충전 장치를 나타낸 도면이다.

충전 장치는 AC/DC 컨버터(10), DC/DC 컨버터(20) 및 DC/DC 컨버터(30)를 포함한다.

AC/DC 컨버터(10)는 입력된 교류 전압(V_AC)을 직류 전압으로 변환한다. 구체적으로 AC/DC 컨버터(10)는 정류부(11) 및 부스트 컨버터(12)를 포함한다.

정류부(11)는 다수의 다이오드(D1~D4)를 포함하고, 입력 교류 전압(V_AC)을 정류한다.

부스트 컨버터(12)는 인덕터(L1), 스위치(SW1), 다이오드(D5) 및 캐패시터(C1)를 포함한다. 스위치(SW1)가 턴온 상태인 동안에는 인덕터(L1)는 정류부(11)의 출력 전압에 비례하는 에너지를 저장하고, 스위치(SW1)가 턴오프 상태인 동안에는 정류부(11)의 출력 전압과 인덕터(L1)에 저장되어 있던 에너지가 동시에 다이오드(D5)를 거쳐 캐패시터(C1)에 전달된다. 따라서, 캐패시터(C1)에 인가되는 전압은 항상 정류부(11)의 출력 전압보다 높고, 스위치(SW1)의 온/오프 기간에 따라 달라진다.

DC/DC 컨버터(20)는 다수의 스위치(SW2~SW5)의 위상을 조절해, 고전압 배터리(40)를 충전하기 위한 제1 충전 전압을 생성한다. 구체적으로 DC/DC 컨버터(20)는 다수의 스위치(SW2~SW5), 변압기(T1), 다수의 정류 다이오드(D6~D9), 인덕터(L2), 캐패시터(C2) 및 스너버 회로(21)를 포함한다. 스너버 회로(21)는 DC/DC 컨버터(20)의 동작 중에 발생하는 서지 전압(surge voltage)을 흡수함으로써, 서지 전압으로부터 회로를 보호한다. 여기서 서지 전압은 단시간 내에 심한 파형의 변화를 일으키는 전압이다. 서지 전압은, 변압기(T1)의 기생 커패시턴스, 정류 다이오드(D6~D9)의 역회복 특성 및 기생 커패시턴스, 그리고 인덕터(L2)의 영향으로 발생된다. 서지 전압에 의해 DC/DC 컨버터(20, 30)의 이상 동작(예, EMC/EMI성 노이즈, 회로의 효율성 저하)이 발생하게 되고, 심할 경우에 정류 다이오드(D6~D9)가 파괴될 수 있다. 스너버 회로(21)는, 정류 다이오드(D6~D9)와 인덕터(L2) 사이에서 서지성 전압을 흡수한다. 구체적으로 스너버 회로(21)는 저항(Rs), 캐패시터(Cs) 및 다이오드(Ds)를 포함한다. DC/DC 컨버터(20)에 의해 생성된 제1 충전 전압은 고전압 배터리(40)로 전달된다.

DC/DC 컨버터(30)는 저전압 배터리(50) 충전 및 전장 부하에 전원을 공급하기 위한 구성이다. DC/DC 컨버터(30)는 고전압 배터리(40)에 저장된 배터리 전압을 이용해 저전압 배터리(50)를 충전하기 위한 제2 충전 전압을 생성한다. DC/DC 컨버터(30)는 다수의 스위치(SW6~SW9)의 위상을 조절해, 제2 충전 전압의 레벨을 조절할 수 있다. DC/DC 컨버터(30)는 다수의 스위치(SW6~SW9), 변압기(T2), 다수의 정류 다이오드(D10, D11), 인덕터(L3) 및 캐패시터(C3)를 포함한다. 한편, DC/DC 컨버터(30)는 저전압 DC/DC 컨버터(LDC: Low voltage DC/DC Converter)이다. DC/DC 컨버터(30)에 의해 생성된 제2 충전 전압은 저전압 배터리(50)로 전달된다.

도 2는 도 1에 도시된 종래의 충전 장치의 충전 과정을 나타낸 순서도이다.

먼저 교류 전압(V_AC)이 충전 장치에 입력된다(S10).

AC/DC 컨버터(10)는 입력 교류 전압(V_AC)을 정류하여 직류 전압으로 변환한다(S20).

DC/DC 컨버터(20)는 다수의 스위치(SW2~SW5)의 위상을 조절해, 제1 충전 전압을 생성한다(S30).

S30 단계에서 생성된 제1 충전 전압은 고전압 배터리(40)에 전달된다(S40). 고전압 배터리(40)는 충전된다.

DC/DC 컨버터(30)는 고전압 배터리(40)에 저장된 배터리 전압의 레벨에 따라다수의 스위치(SW6~SW9)의 위상을 조절해, 제2 충전 전압을 생성한다(S40).

S40 단계에서 생성된 제2 충전 전압은 저전압 배터리(50)에 전달된다. 저전압 배터리(50)는 충전된다.

한편, 종래의 충전 장치는, 고전압 배터리(40) 충전 중에 저전압 배터리(50)를 충전하기 위해서 DC/DC 컨버터(30)가 동작하는데, DC/DC 컨버터(30)는 고전압 배터리(40)로부터 전압(에너지)를 전달받기 때문에 DC/DC 컨버터(30)의 효율은 고전압 배터리(40) 충전을 위한 DC/DC 컨버터(20)의 효율에 큰 영향을 받는다. 이는 충전 장치의 전체 효율을 감소시키는 원인이다.

한편, DC/DC 컨버터(20)는 전력 반도체 소자들(예, SW2~SW5 등)과 스너버 회로(21)를 구성하는 소자들(Rs, Cs, Ds 등)을 포함하는데, 이렇게 많은 반도체 소자를 포함하는 종래의 충전 장치는 사이즈가 크고, 충전 효율이 낮다.

KR 10-2013-0047963 A, 2013. 05. 09, 도 2

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 충전 효율이 높고 사이즈가 작은 충전 장치 및 상기 충전 장치의 충전 방법을 제공하는 것이다.

상기 제1 컨버터는 상기 입력 전압과 입력 교류 전류의 역률(power factor)을 보상한다.

상기 제2 컨버터는 다수의 제1 스위치를 포함하고, 상기 제1 컨버터로부터 전달된 상기 제1 직류 전압이 고정 전압인 경우에 상기 다수의 제1 스위치의 온/오프 동작 및 스위칭 위상을 제어해 상기 제1 충전 전압을 생성한다.

상기 스너버 회로는, 일단에 상기 제2 컨버터에 의해 생성된 상기 제1 정류 전압이 인가되고, 상기 일단과 타단의 전압 차이가 임계값보다 높은 경우에 턴온되는 제1 다이오드; 및 상기 제1 다이오드의 타단과 연결되고, 상기 턴온된 제1 다이오드로부터 전달된 전압을 저장하는 제1 캐패시터를 포함한다.

상기 제3 컨버터는, 상기 복수의 스위치를 포함하고, 상기 복수의 스위치의 스위칭 동작 및 위상제어를 통해 상기 제1 캐패시터에 저장된 전압을 교류 전압으로 변환하는 스위칭부; 1차측과 2차측의 권선비에 따라 1차측과 연결된 상기 스위칭부로부터 전달된 교류 전압의 레벨을 조절하는 변압기; 및 상기 변압기의 2차측에서 출력된 전압을 정류하는 정류부를 포함한다.

상기 스위칭부는 제1 스위치 내지 제4 스위치를 포함한다. 상기 제1 스위치는 일단이 상기 제1 캐패시터의 일단과 연결되고 타단이 상기 변압기의 1차측의 일단과 연결되고, 상기 제2 스위치는 일단이 상기 변압기의 1차측의 타단과 연결되고 타단은 접지되고, 상기 제3 스위치는 일단이 상기 제1 캐패시터의 일단과 연결되고 타단이 상기 변압기의 1차측의 타단과 연결되고, 상기 제4 스위치는 일단이 상기 변압기의 1차측의 일단과 연결되고 타단은 접지된다.

상기 제3 컨버터는 상기 정류부에 의해 정류된 전압인 제2 정류 전압의 노이즈를 제거하여 상기 제2 충전 전압을 생성하는 필터를 더 포함한다.

상기 필터는 상기 제2 정류 전압의 노이즈를 제거하는 인덕터; 및 상기 인덕터에 의해 노이즈가 제거된 전압인 상기 제2 충전 전압을 저장하는 제2 캐패시터를 포함한다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 충전 장치가 제공된다. 상기 충전 장치는, 교류 전압인 입력 전압을 정류하여 제1 직류 전압으로 변환하는 제1 컨버터; 상기 제1 직류 전압의 레벨을 조절하고, 상기 조절된 제1 직류 전압을 정류하여 제1 정류 전압을 생성하고, 상기 제1 정류 전압의 노이즈를 제거하여 제1 배터리를 충전하기 위한 제1 충전 전압을 생성하는 제2 컨버터; 상기 제1 정류 전압의 서지성 전압을 흡수하는 스너버 회로; 및 상기 스너버 회로에 의해 흡수된 전압 및 상기 제1 배터리에 저장된 제1 배터리 전압 중 어느 한 전압을 이용해 제2 배터리를 충전하기 위한 제2 충전 전압을 생성하는 제3 컨버터를 포함한다. 여기서 상기 제3 컨버터는 복수의 스위치가 풀 브릿지(full bridge) 구조로 연결되는 위상천이 풀 브릿지 컨버터이다.

상기 제3 컨버터는, 상기 제2 컨버터가 상기 제1 충전 전압을 생성하는 경우에 상기 스너버 회로에 의해 흡수된 전압을 이용해 상기 제2 충전 전압을 생성하고, 상기 제2 컨버터가 상기 제1 충전 전압을 생성하지 않는 경우에 상기 제1 배터리 전압을 이용해 상기 제2 충전 전압을 생성한다.

상기 제2 충전 전압의 레벨은 상기 제1 충전 전압의 레벨보다 낮다.

또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면 충전기의 충전 방법이 제공된다. 상기 충전기의 충전 방법은, 교류 전압인 입력 전압을 정류하여 제1 직류 전압으로 변환하는 단계; 상기 제1 직류 전압의 레벨을 조절하고, 상기 조절된 제1 직류 전압을 정류하여 제1 정류 전압을 생성하는 단계; 상기 제1 정류 전압의 노이즈를 제거하여 제1 배터리를 충전하기 위한 제1 충전 전압을 생성하는 단계; 상기 제1 정류 전압이 생성된 경우에 상기 제1 정류 전압의 서지성 전압을 흡수해 제1 캐패시터에 저장하는 단계; 및 상기 제1 캐패시터에 저장된 제1 전압을 이용해 제2 배터리를 충전하기 위한 제2 충전 전압을 생성하는 단계를 포함한다. 여기서, 상기 제2 충전 전압을 생성하는 단계는, 풀 브릿지(full bridge) 구조로 연결된 복수의 스위치의 스위칭 동작 및 위상 제어를 통해 상기 제1 전압을 교류 전압으로 변환하는 단계를 포함한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 충전 장치를 구성하는 DC/DC 컨버터를 적은 개수의 반도체 소자로 설계할 수 있어, 제작 비용을 줄이고 충전 장치의 사이즈를 최소화할 수 있다.

또한, 종래에는 고전압 배터리를 충전한 후에 고전압 배터리에 저장된 전압(에너지)을 이용해 저전압 배터리를 충전하므로 전력의 흐름이 복잡하였다. 하지만, 본 발명은 스너버 회로에 의해 흡수된 전압을 이용해 저전압 배터리를 충전하므로(즉, 고전압 배터리를 거치지 않고 저전압 배터리를 충전할 수 있으므로) 전력의 흐름이 짧고 간소하다. 이를 통해, 충전 효율을 높일 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 고전압 배터리를 충전하고 있지 않는 경우에 고전압 배터리에 저장된 전압(에너지)을 이용해 저전압 배터리를 충전하는데, 이때 고전압 배터리에 저장된 전압은 고전압 배터리와 연결된 인덕터를 통과하게 된다. 이를 통해, 충전 장치의 EMC(Electromagnetic Compatibility) 억제 능력을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 저전압 배터리 충전용 전압을 생성하는 DC/DC 컨버터는 풀 브릿지(full bridge) 컨버터 구조이므로, 회로 용량이 2~10kW까지 확대된다. 이를 통해, 충전 장치는 일반 차량의 배터리(예, 12V 배터리 등)는 물론 중/대형 차량의 배터리(예, 24V 배터리 등)도 충전할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 저전압 배터리 충전용 전압을 생성하는 DC/DC 컨버터는 절연 변압기를 이용하기 때문에 고전압 배터리와 저전압 배터리 사이에 단락이 되는 현상을 방지할 수 있다.

도 1은 전기차에서 사용되는 종래의 충전 장치를 나타낸 도면.
도 2는 도 1에서 도시된 충전 장치의 충전 과정을 나타낸 순서도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 충전 장치를 나타낸 도면.
도 4는 고전압 배터리와 저전압 배터리를 함께 충전하는 경우의 전력 흐름을 나타낸 도면.
도 5는 고전압 배터리와 저전압 배터리를 함께 충전하는 경우의 충전 과정을 나타낸 순서도.
도 6은 저전압 배터리만을 충전하는 경우의 전력 흐름을 나타낸 도면.
도 7은 저전압 배터리만을 충전하는 경우의 충전 과정을 나타낸 순서도.

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. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 충전 장치를 나타낸 도면이다.

충전 장치는 AC/DC 컨버터(100), DC/DC 컨버터(210), 스너버 회로(220) 및 DC/DC 컨버터(230)를 포함한다.

AC/DC 컨버터(100)는 교류 전압인 입력 전압(V_AC)을 정류하여 직류 전압으로 변환한다. 또한, AC/DC 컨버터(100)는 입력 교류 전압과 입력 교류 전류의 역률(power factor)을 1에 가깝게 유지시켜 무효 전력의 증가를 방지한다. AC/DC 컨버터(100)의 구성은 도 1과 함께 상술한 AC/DC 컨버터(10)와 동일하므로, 자세한 설명은 생략한다.

DC/DC 컨버터(210)는 AC/DC 컨버터(100)에 의해 변환된 직류 전압(이하 제1 직류 전압이라 함)의 레벨을 조절하거나, 제1 직류 전압이 고정 전압이라면 다수의 스위치(SW11~SW14)의 스위칭 위상을 조절해 제1 충전 전압을 생성한다. 여기서, 상기 제1 충전 전압은 고전압 배터리(40)를 충전하기 위한 전압이다. 구체적으로 DC/DC 컨버터(210)는 스위칭부(211), 변압기(212), 정류부(213), 필터(214), 및 스너버 회로(220)를 포함한다.

스위칭부(211)는 다수의 스위치(SW11~SW14)를 포함하고, 다수의 스위치(SW11~SW14)의 스위칭 동작 및 위상 조절을 통해 제1 직류 전압을 교류 전압으로 변환한다. 제1 레그는 스위치(SW11, SW12)로 구성되고, 제2 레그는 스위치(SW13, SW14)로 구성된다. 각 레그는 두 개의 구성 스위치가 동시에 턴온되지 않도록 하기 위해, 두 개의 구성 스위치 모두가 오프되는 기간을 둔다. 예를 들어, 제1 레그의 두 개의 스위치(SW11, SW12)가 동시에 턴온되지 않도록 하기 위해, 두 개의 스위치(SW11, SW12) 모두가 오프되는 기간을 둔다. 이를 데드 타임(dead time)이라 한다. 또한, 각 스위치(SW11~SW14)는 50%의 듀티를 유지하면서 스위칭한다. 각 스위치(SW11~SW14)의 위상 조절 방법은 다음과 같다. 먼저, 스위치(SW11)와 스위치(SW14)가 턴온된다. 이 경우에 변압기(212)에 전압이 인가된다. 다음, 스위치(SW11)가 턴오프되고 데드 타임을 유지한 후에 스위치(SW12)가 턴온된다. 이 경우에는 변압기(212)에 전압이 인가되지 않고, 스위치(SW12), 변압기(212)의 1차측(N1), 그리고 스위치(SW14)를 통해 전류만 환류하게 된다. 다음, 스위치(SW14)가 턴오프되고 데드 타임을 유지한 후에 스위치(SW13)가 턴온된다. 이 경우에는 변압기(212)에 전압이 인가된다. 스위치(SW12, SW13)가 턴온되었을 때 변압기(212)에 인가되는 전압은, 스위치(SW11, SW14)가 턴온되었을 때 변압기(212)에 인가되는 전압의 반대 극성 전압이다. 다음, 스위치(SW12)가 턴오프되고 데드 타임을 유지한 후에 스위치(SW11)가 턴온된다. 이 경우에는 변압기(212)에 전압이 인가되지 않고, 스위치(SW13), 변압기(212)의 1차측(N1), 그리고 스위치(SW11)를 통해 전류만 환류하게 된다. 다음, 스위치(SW13)가 턴오프되고 데드 타임을 유지한 후에 스위치(SW14)가 턴온된다. 이 경우는, 상술한 스위치(SW11, SW14)가 턴온된 경우와 동일하다. 상기의 과정들이 반복되면서 제1 직류 전압이 교류 전압으로 변환되어 변압기(212)에 인가된다. 변압기(212)에 전압이 인가되는 조건인 스위치(SW11, SW14)가 동시에 턴온되는 기간과 스위치(SW12, SW13)가 동시에 턴온되는 기간을 각 스위치의 듀티 변화없이 스위칭 위상만으로 조절하여, 변압기(212)에 인가되는 교류 전압의 절대 평균 전압을 조절할 수 있다. 이는 제1 충전 전압을 조절할 수 있다는 것을 의미한다. 변압기(212)는 스위칭부(211)로부터 전달된 교류 전압(이하 제1 교류 전압이라 함)의 레벨을 1차측(N1)과 2차측(N2)의 권선비에 따라 조절한다. 구체적으로 변압기(212)는 스위칭부(211)로부터 전달된 전류(제1 교류 전압에 대응함)의 레벨을 1차측(N1)과 2차측(N2)의 권선비에 따라 조절해 1차측(N1)에서 2차측(N2)으로 전달한다.

정류부(213)는 변압기(212)의 2차측(N2)으로부터 출력된 교류 전압을 정류한다. 구체적으로 정류부(213)는 다수의 정류 다이오드(D16~D19)를 포함한다.

필터(214)는 정류부(213)에 의해 정류된 전압(이하 제1 정류 전압이라 함)의 노이즈를 제거하여 제1 충전 전압을 생성한다. 구체적으로 필터(214)는 인덕터(L_OUT)와 캐패시터(C_OUT)를 포함한다. 인덕터(L_OUT)와 캐패시터(C_OUT)는 제1 충전 전압의 리플과 충전 전류의 리플을 감소시키는 역할을 한다.

스너버 회로(220)는 DC/DC 컨버터(210)가 동작하는 경우(즉, 제1 충전 전압이 생성되는 경우)에 정류부(213)로부터 출력된 제1 정류 전압의 서지성 전압을 흡수한다. 이를 통해 DC/DC 컨버터(210)의 출력 즉, 제1 충전 전압에 서지 전압이 발생하는 것을 억제한다. 즉, 스너버 회로(220)는 노드(ND1)에 실린 서지성 전압을 흡수함으로써, 필터(214)로 전달되는 전압의 레벨이 설계치(예상 범위)보다 과하게 높아지지 않도록 한다(서지 현상 방지). 구체적으로 스너버 회로(220)는 다이오드(D_SB)와 캐패시터(C_SB)를 포함한다. 노드(ND1)의 전압 레벨이 이미 제1 충전 전압 이상의 레벨로 충전되어 있는 캐패시터(C_SB)의 전압 레벨보다 높은 경우에, 다이오드(D_SB)는 도통(턴온)된다. 즉, 다이오드(D_SB)의 애노드의 전압(노드(ND1)에 실린 전압)과 다이오드(D_SB)의 캐소드의 전압의 차이가 다이오드 전압(예, 0.7V) 이상이면 다이오드(D_SB)는 턴온된다. 여기서 DC/DC 컨버터(210)가 제1 충전 전압을 생성하는 경우에 정류부(213)의 동작에 의해 생성된 제1 정류 전압의 서지성 전압이 노드(ND1)에 실리고, DC/DC 컨버터(210)가 제1 충전 전압을 생성하지 않는 경우에는 고전압 배터리(40)에 저장된 전압(이하 제1 배터리 전압 이라 함)이 노드(ND1)에 실린다. 제1 충전 전압을 생성하는 경우에는 캐패시터(C_SB)에 제1 정류 전압의 서지성 전압이 충전되고, 제1 충전 전압을 생성하지 않는 경우에는 캐패시터(C_SB)에 제1 배터리 전압이 충전된다.

DC/DC 컨버터(230)는 스너버 회로(220)로부터 전달된 전압(캐패시터(C_SB)에저장된 전압)을 입력으로 다수의 스위치(SW15~SW18)의 스위칭 동작 및 위상을 조절하여, 제2 충전 전압을 생성한다. 여기서 제2 충전 전압은 저전압 배터리(50)를 충전하기 위한 전압이다. 한편, DC/DC 컨버터(210)가 동작하는 경우(DC/DC 컨버터(210)가 제1 충전 전압을 생성하는 경우)에는 스너버 회로(220)에 의해 흡수된 전압(제1 정류 전압의 서지성 전압)이 DC/DC 컨버터(230)로 전달되고, DC/DC 컨버터(210)가 동작하지 않는 경우에는 제1 배터리 전압이 DC/DC 컨버터(230)로 전달된다. 구체적으로 DC/DC 컨버터(230)는 위상천이 풀 브릿지 컨버터(phase shift full bridge converter) 구조이고, 스위칭부(231), 변압기(232), 정류부(233) 및 필터(234)를 포함한다.

스위칭부(231)는 풀 브릿지 구조로 연결된 다수의 스위치(SW15~SW18)를 포함하고, 스너버 회로(220)로부터 전달된 전압(즉, 캐패시터(C_SB)에 저장된 전압)을 다수의 스위치(SW15~SW18)의 스위칭 동작 및 위상 조절을 통해 교류 전압으로 변환한다. 스위치(SW15)는 일단이 캐패시터(C_SB)의 일단과 연결되고 타단이 노드(ND2)와 연결된다. 여기서 노드(ND2)는 변압기(232)의 1차측(N1)의 일단과 연결된다. 스위치(SW16)는 일단이 노드(ND3)와 연결되고 타단이 접지된다. 여기서 노드(ND3)는 변압기(232)의 1차측(N1)의 타단과 연결된다. 스위치(SW17)는 일단이 캐패시터(C_SB)의 일단과 연결되고 타단이 노드(ND3)와 연결된다. 스위치(SW18)는 일단이 노드(ND2)와 연결되고 타단이 접지된다. 제3 레그는 스위치(SW15, SW18)로 구성되고, 제4 레그는 스위치(SW16, SW17)로 구성된다. 각 레그는 두 개의 구성 스위치가 동시에 턴온되지 않도록 하기 위해, 두 개의 구성 스위치 모두가 오프되는 기간을 둔다. 예를 들어, 제3 레그의 두 개의 스위치(SW15, SW18)가 동시에 턴온되지 않도록 하기 위해, 두 개의 스위치(SW15, SW18) 모두가 오프되는 기간을 둔다. 이를 데드 타임(dead time)이라 한다. 또한, 각 스위치(SW15~SW18)는 50%의 듀티를 유지하면서 스위칭한다. 각 스위치(SW15~SW18)의 위상 조절 방법은 다음과 같다. 먼저, 스위치(SW15)와 스위치(SW16)가 턴온된다. 이 경우에 변압기(232)에 전압이 인가된다. 다음, 스위치(SW15)가 턴오프되고 데드 타임을 유지한 후에 스위치(SW18)가 턴온된다. 이 경우에는 변압기(232)에 전압이 인가되지 않고, 스위치(SW18), 변압기(232)의 1차측(N1), 그리고 스위치(SW16)를 통해 전류만 환류하게 된다. 다음, 스위치(SW16)가 턴오프되고 데드 타임을 유지한 후에 스위치(SW17)가 턴온된다. 이 경우에는 변압기(232)에 전압이 인가된다. 스위치(SW17, SW18)가 턴온되었을 때 변압기(232)에 인가되는 전압은, 스위치(SW15, SW16)가 턴온되었을 때 변압기(232)에 인가되는 전압의 반대 극성 전압이다. 다음, 스위치(SW18)가 턴오프되고 데드 타임을 유지한 후에 스위치(SW15)가 턴온된다. 이 경우에는 변압기(232)에 전압이 인가되지 않고, 스위치(SW15), 변압기(232)의 1차측(N1), 그리고 스위치(SW17)를 통해 전류만 환류하게 된다. 다음, 스위치(SW17)가 턴오프되고 데드 타임을 유지한 후에 스위치(SW16)가 턴온된다. 이 경우는, 상술한 스위치(SW15, SW16)가 턴온된 경우와 동일하다. 상기의 과정들이 반복되면서 스너버 회로(220)로부터 전달된 직류 전압(즉, 캐패시터(C_SB)에 충전된 전압)이 교류 전압으로 변환되어 변압기(232)에 인가된다. 변압기(232)에 전압이 인가되는 조건인 스위치(SW15, SW16)가 동시에 턴온되는 기간과 스위치(SW17, SW18)가 동시에 턴온되는 기간을 각 스위치의 듀티 변화없이 스위칭 위상만으로 조절하여, 변압기(232)에 인가되는 교류 전압의 절대 평균 전압을 조절할 수 있다. 이는 제2 충전 전압을 조절할 수 있다는 것을 의미한다.

변압기(232)는 1차측(N1)과 연결된 스위칭부(231)로부터 전달받은 전압의 레벨을 1차측(N1)과 2차측(N2)의 권선비에 따라 조절한다. 구체적으로, 스위칭부(231)로부터 전달된 전압을 통해 변압기(232)의 1차측(N1)에 축전된 전압(에너지)이 변압기(232)의 2차측(N2)으로 전달된다. 한편, 변압기(232)는 절연 변압기이다. 절연 변압기인 변압기(232)를 사용함으로써, 고전압 배터리(40)와 저전압 배터리(50) 사이에 단락이 되는 현상이 방지된다.

정류부(233)는 변압기(232)로부터 전달된 전압을 정류한다. 구체적으로 정류부(233)는 다수의 정류 다이오드(D20, D21)를 포함한다.

필터(234)는 정류부(233)에 의해 정류된 전압(이하 제2 정류 전압이라 함)의 노이즈를 제거하여 제2 충전 전압을 생성한다. 구체적으로 필터(234)는 인덕터(L4)와 캐패시터(C4)를 포함한다. 인덕터(L4)와 캐패시터(C4)는 제2 충전 전압의 리플과 충전 전류의 리플을 감소시키는 역할을 한다.

도 4는 고전압 배터리와 저전압 배터리를 함께 충전하는 경우의 전력 흐름을 나타낸 도면이다.

본 발명의 충전 장치는 상용 교류 전압인 입력 전압(V_AC)을 이용해 고전압 배터리(40)를 충전하는 경우에 저전압 배터리(50)도 함께 충전한다. 구체적으로, 상용 교류 전압인 입력 전압(V_AC)을 이용해 고전압 배터리(40)를 충전하는 경우에 AC/DC 컨버터(100), 스위칭부(211), 변압기(212), 정류부(213) 및 필터(214)를 통해 화살표(A1)와 같은 전력 전달 경로가 형성된다. 즉, 상용 교류 전압인 입력 전압(V_AC)이 AC/DC 컨버터(100)에 의해 제1 직류 전압으로 변환되고, 제1 직류 전압이 스위칭부(211), 변압기(212), 정류부(213) 및 필터(214)를 거쳐 제1 충전 전압으로 변환된다. 그리고 제1 충전 전압은 고전압 배터리(40)에 전달된다. 이와 동시에, 노드(ND1), 스너버 회로(220) 및 노드(ND4)를 통해 화살표(A2)와 같은 전력 전달 경로가 형성되고, 스위칭부(231), 변압기(232), 정류부(233) 및 필터(234)를 통해 화살표(A3)와 같은 전력 전달 경로가 형성된다. 즉, 노드(ND1)에 실린 제1 정류 전압의 서지성 전압이 스너버 회로(220)에 의해 흡수되고, 스너버 회로(220)에 의해 흡수된 전압은 화살표(A2) 방향과 같이 DC/DC 컨버터(230)에 전달된다. DC/DC 컨버터(230)에 전달된 전압은 화살표(A3) 방향으로 스위칭부(231), 변압기(232), 정류부(233) 및 필터(234)를 거쳐 제2 충전 전압으로 변환된다. 그리고 제2 충전 전압은 저전압 배터리(50)에 전달된다.

도 5는 고전압 배터리와 저전압 배터리를 함께 충전하는 경우의 충전 과정을 나타낸 순서도이다. 도 4 및 도 5를 참고하여 고전압 배터리(40)와 저전압 배터리(50)를 함께 충전하는 경우의 충전 과정을 설명한다.

먼저 상용 교류 전압인 입력 전압(V_AC)이 충전 장치에 입력된다(S110).

AC/DC 컨버터(100)가 입력 전압(V_AC)을 제1 직류 전압으로 변환한다(S120).

제1 직류 전압은 스위칭부(211)를 통과하여 제1 교류 전압으로 변환되고, 제1 교류 전압은 변압기(212)의 턴 비율에 의해 전압 레벨이 조절된다. 그리고 변압기(212)를 통과한 전압은 정류부(213)를 통해 정류되고, 제1 정류 전압은 인덕터(L_OUT)에 의해 노이즈가 제거되어 캐패시터(C_OUT)에 저장된다(S130).

캐패시터(C_OUT)에 저장된 전압(제1 충전 전압)은 고전압 배터리(40)에 전달되고, 고전압 배터리(40)는 충전된다(S140).한편, 스너버 회로(220)가 노드(ND1)에 실린 제1 정류 전압의 서지성 전압을 흡수한다. 구체적으로 노드(ND1)의 전압 레벨이 이미 제1 충전 전압 이상의 레벨로 충전되어 있는 캐패시터(C_SB)의 전압 레벨보다 높은 경우에, 다이오드(D_SB)는 도통(턴온)된다. 캐패시터(C_SB)에 저장된 전압은 DC/DC 컨버터(230)로 전달된다. DC/DC 컨버터(230)로 전달된 전압은 스위칭부(231)의 온/오프 동작 및 스위칭 위상 조절에 의해 교류 전압으로 변환되고, 스위칭부(231)로부터 변압기(232)로 전달된 전압은 변압기(232)의 턴 비율에 의해 전압 레벨이 조절되고, 변압기(232)를 통과한 전압은 정류부(233)에 의해 정류된다. 그리고 제2 정류 전압은 인덕터(L4)에 의해 노이즈가 제거되어 캐패시터(C4)에 저장된다(S150).

캐패시터(C4)에 저장된 전압(제2 충전 전압)은 저전압 배터리(50)에 전달되고, 저전압 배터리(50)는 충전된다(S160).

도 6은 저전압 배터리만을 충전하는 경우의 전력 흐름을 나타낸 도면이다.

상용 교류 전압인 입력 전압(V_AC)을 이용해 고전압 배터리(40)를 충전하지 않는 경우에는 AC/DC 컨버터(100)와 DC/DC 컨버터(210)는 동작하지 않는다. 여기서 DC/DC 컨버터(210)가 동작하지 않으면, 제1 충전 전압은 생성되지 않는다. 이 경우에 고전압 배터리(40)에 저장된 전압(에너지)을 이용해 저전압 배터리(50)를 충전한다. 구체적으로, 고전압 배터리(40), 인덕터(L_OUT) 및 노드(ND1)를 통해 화살표(A4)와 같은 전력 전달 경로가 형성된다. 그리고 노드(ND1), 스너버 회로(220) 및 노드(ND4)를 통해 화살표(A5)와 같은 전력 전달 경로가 형성된다. 그리고 스위칭부(231), 변압기(232), 정류부(233) 및 필터(234)를 통해 화살표(A6)와 같은 전력 전달 경로가 형성된다. 즉, 고전압 배터리(40)에 저장된 제1 배터리 전압은 화살표(A4)와 같이 인덕터(L_OUT)를 통과한다. 인덕터(L_OUT)를 통과한 제1 배터리 전압은 화살표(A5)와 같이 스너버 회로(220)를 거쳐 DC/DC 컨버터(230)로 전달된다. 이 때 스너버 회로(220)는 서지성 전압 제거 역할을 수행하지 않고, 인덕터(L_OUT)와 함께 DC/DC 컨버터(230)의 입력 EMC 필터 역할만 수행한다. DC/DC 컨버터(230)에 전달된 제1 배터리 전압은 화살표(A6) 방향으로 스위칭부(231), 변압기(232), 정류부(233) 및 필터(234)를 거쳐 제2 충전 전압으로 변환된다. 그리고 제2 충전 전압은 저전압 배터리(50)에 전달된다.

도 7은 저전압 배터리만을 충전하는 경우의 충전 과정을 나타낸 순서도이다. 도 6 및 도 7를 참고하여 고전압 배터리(40)를 충전하지 않는 경우에 저전압 배터리(50)를 충전하는 과정을 설명한다.

먼저 고전압 배터리(40)에 저장된 제1 배터리 전압이 인덕터(L_OUT)를 통과한다(S210). 인덕터(L_OUT)를 통해 제1 배터리 전압의 노이즈를 1차적으로 제거함으로써 충전 장치의 EMC(Electromagnetic Compatibility) 억제 기능을 더욱 향상시킬 수 있다. 도 1에 도시된 종래의 충전 장치에서는 저전압 배터리(50) 충전 시에 고전압 배터리(40)에 저장된 전압이 인덕터(L2)를 통과하지 않기 때문에 상술한 본 발명과 같은 효과를 기대하기 어렵다.

노드(ND1)의 전압(즉, 인덕터(L_OUT)를 통과한 제1 배터리 전압)의 레벨이 캐패시터(C_SB)의 전압 레벨보다 높은 경우에, 다이오드(D_SB)는 턴온된다. 턴온된 다이오드(D_SB)를 통해 제1 배터리 전압이 캐패시터(C_SB)에 전달되어 저장된다. 캐패시터(C_SB)에 저장된 제1 배터리 전압은 DC/DC 컨버터(230)로 전달된다. 이때, 인덕터(L_OUT)와 캐패시터(C_SB)는 상술한 바와 같이 충전 장치의 EMC 필터 역할을 수행한다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따르면, EMC 억제용 필터를 따로 사용할 필요가 없으므로, 충전 장치의 전체 사이즈 및 원가를 낮출 수 있다.

DC/DC 컨버터(230)로 전달된 전압은 스위칭부(231)의 온/오프 동작 및 스위칭 위상 제어를 통해 교류 전압으로 변환되고, 스위칭부(231)로부터 변압기(232)로 전달된 전압은 변압기(232)의 턴 비율에 의해 전압 레벨이 조절되고, 변압기(232)를 통과한 전압은 정류부(233)에 의해 정류된다. 그리고 제2 정류 전압은 인덕터(L4)에 의해 노이즈가 제거되어 캐패시터(C4)에 저장된다(S220).

캐패시터(C4)에 저장된 전압(제2 충전 전압)은 저전압 배터리(50)에 전달되고, 저전압 배터리(50)는 충전된다(S230).

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

100: AC/DC 컨버터 210: DC/DC 컨버터
220: 스너버 회로 230: DC/DC 컨버터
40: 고전압 배터리 50: 저전압 배터리

Claims

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교류 전압인 입력 전압을 정류하여 제1 직류 전압으로 변환하는 제1 컨버터;
상기 제1 직류 전압의 레벨을 조절하고, 상기 조절된 제1 직류 전압을 정류하여 제1 정류 전압을 생성하고, 상기 제1 정류 전압의 노이즈를 제거하여 제1 배터리를 충전하기 위한 제1 충전 전압을 생성하는 제2 컨버터;
상기 제1 정류 전압의 서지성 전압을 흡수하는 스너버 회로; 및
상기 스너버 회로에 의해 흡수된 전압 및 상기 제1 배터리에 저장된 제1 배터리 전압 중 어느 한 전압을 이용해 제2 배터리를 충전하기 위한 제2 충전 전압을 생성하는 제3 컨버터를 포함하고,
상기 제3 컨버터는
복수의 스위치가 풀 브릿지(full bridge) 구조로 연결되는 위상천이 풀 브릿지 컨버터인
충전 장치.
제9항에 있어서,
상기 제1 컨버터는
상기 입력 전압과 입력 교류 전류의 역률(power factor)을 보상하는
충전 장치.
제9항에 있어서,
상기 제2 컨버터는
다수의 제1 스위치를 포함하고,
상기 제1 컨버터로부터 전달된 상기 제1 직류 전압이 고정 전압인 경우에 상기 다수의 제1 스위치의 온/오프 동작 및 스위칭 위상을 제어해 상기 제1 충전 전압을 생성하는
충전 장치.
제9항에 있어서,
상기 제3 컨버터는,
상기 제2 컨버터가 상기 제1 충전 전압을 생성하는 경우에 상기 스너버 회로에 의해 흡수된 전압을 이용해 상기 제2 충전 전압을 생성하고
상기 제2 컨버터가 상기 제1 충전 전압을 생성하지 않는 경우에 상기 제1 배터리 전압을 이용해 상기 제2 충전 전압을 생성하는
충전 장치.
제12항에 있어서,
상기 스너버 회로는,
일단이 제1 노드와 연결되고, 상기 일단과 타단의 전압 차이가 임계값 보다 높은 경우에 턴온되는 제1 다이오드; 및
상기 제1 다이오드의 타단과 연결되고, 상기 턴온된 제1 다이오드로부터 전달된 전압을 저장하는 제1 캐패시터를 포함하고,
상기 제1 노드의 전압은,
상기 제2 컨버터가 상기 제1 충전 전압을 생성하는 경우에 상기 제1 정류 전압의 서지성 전압이고 상기 제2 컨버터가 상기 제1 충전 전압을 생성하지 않는 경우에 상기 제1 배터리 전압인
충전 장치.
제13항에 있어서,
상기 제3 컨버터는,
상기 복수의 스위치를 포함하고, 상기 복수의 스위치의 스위칭 동작 및 위상제어를 통해 상기 제1 캐패시터에 저장된 전압을 교류 전압으로 변환하는 제1 스위칭부;
1차측과 2차측의 권선비에 따라 1차측과 연결된 상기 제1 스위칭부로부터 전달된 전압의 레벨을 조절하는 제1 변압기; 및
상기 제1 변압기의 2차측에서 출력된 전압을 정류하는 제1 정류부를 포함하는
충전 장치.
제14항에 있어서,
상기 제1 스위칭부는 제1 스위치 내지 제4 스위치를 포함하고,
상기 제1 스위치는 일단이 상기 제1 캐패시터의 일단과 연결되고 타단이 상기 제1 변압기의 1차측의 일단과 연결되고,
상기 제2 스위치는 일단이 상기 제1 변압기의 1차측의 타단과 연결되고 타단은 접지되고,
상기 제3 스위치는 일단이 상기 제1 캐패시터의 일단과 연결되고 타단이 상기 제1 변압기의 1차측의 타단과 연결되고,
상기 제4 스위치는 일단이 상기 제1 변압기의 1차측의 일단과 연결되고 타단은 접지되고,
상기 제1 스위치와 상기 제2 스위치는 제1 기간에 턴온되고 제2 기간에 턴오프되고,
상기 제3 스위치와 상기 제4 스위치는 상기 제1 기간에 턴오프되고 상기 제2 기간에 턴온되는
충전 장치.
제15항에 있어서,
상기 제2 컨버터는,
스위칭 동작을 통해 상기 제1 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 제2 스위칭부;
1차측과 연결된 상기 제2 스위칭부로부터 전달된 전압의 레벨을 1차측과 2차측의 권선비에 따라 조절하는 제2 변압기;
상기 제2 변압기의 2차측으로부터 출력된 전압을 정류하여 상기 제1 정류 전압을 생성하는 제2 정류부; 및
상기 제1 정류 전압의 노이즈를 제거하여 상기 제1 충전 전압을 생성하는 제1 필터를 포함하는
충전 장치.
제16항에 있어서,
상기 제1 필터는,
상기 제1 정류 전압의 노이즈를 제거하는 제1 인덕터; 및
상기 제1 인덕터에 의해 노이즈가 제거된 전압인 상기 제1 충전 전압을 저장하는 제2 캐패시터를 포함하는
충전 장치.
제17항에 있어서,
상기 제1 노드의 전압은
상기 제2 컨버터가 상기 제1 충전 전압을 생성하지 않는 경우에 상기 제1 인덕터를 통과한 상기 제1 배터리 전압인
충전 장치.
제9항에 있어서,
상기 제2 충전 전압의 레벨은 상기 제1 충전 전압의 레벨보다 낮은
충전 장치.
교류 전압인 입력 전압을 정류하여 제1 직류 전압으로 변환하는 단계;
상기 제1 직류 전압의 레벨을 조절하고, 상기 조절된 제1 직류 전압을 정류하여 제1 정류 전압을 생성하는 단계;
상기 제1 정류 전압의 노이즈를 제거하여 제1 배터리를 충전하기 위한 제1 충전 전압을 생성하는 단계;
상기 제1 정류 전압이 생성된 경우에 상기 제1 정류 전압의 서지성 전압을 흡수해 제1 캐패시터에 저장하는 단계;
상기 제1 정류 전압이 생성되지 않은 경우에 상기 제1 배터리에 저장된 제1 배터리 전압을 상기 제1 캐패시터에 저장하는 단계; 및
상기 제1 캐패시터에 저장된 제1 전압을 이용해 제2 배터리를 충전하기 위한 제2 충전 전압을 생성하는 단계를 포함하고,
상기 제2 충전 전압을 생성하는 단계는,
풀 브릿지(full bridge) 구조로 연결된 복수의 스위치의 스위칭 동작 및 위상 제어를 통해 상기 제1 전압을 교류 전압으로 변환하는 단계를 포함하는
충전기의 충전 방법.
제20항에 있어서,
상기 제1 직류 전압으로 변환하는 단계는,
상기 입력 전압과 입력 교류 전류의 역률(power factor)을 보상하는 단계를 포함하는
충전기의 충전 방법.
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제20항에 있어서,
상기 제1 배터리 전압을 상기 제1 캐패시터에 저장하는 단계는,
상기 제1 배터리 전압을 상기 제1 배터리의 일단과 연결된 인덕터에 통과시키는 단계; 및
상기 인덕터를 통과한 전압을 상기 제1 캐패시터에 저장하는 단계를 포함하는
충전기의 충전 방법.
제20항에 있어서,
상기 제2 충전 전압을 생성하는 단계는,
상기 제1 전압을 교류 전압으로 변환하는 단계를 통해 교류 전압으로 변환된 전압의 레벨을 변압기의 1차측과 2차측의 권선비에 따라 조절하는 단계를 더 포함하고,
상기 복수의 스위치는 제1 스위치 내지 제4 스위치를 포함하고,
상기 제1 스위치는 일단이 상기 제1 캐패시터의 일단과 연결되고 타단이 상기 변압기의 1차측의 일단과 연결되고,
상기 제2 스위치는 일단이 상기 변압기의 1차측의 타단과 연결되고 타단은 접지되고,
상기 제3 스위치는 일단이 상기 제1 캐패시터의 일단과 연결되고 타단이 상기 변압기의 1차측의 타단과 연결되고,
상기 제4 스위치는 일단이 상기 변압기의 1차측의 일단과 연결되고 타단은 접지되고,
상기 제1 스위치와 상기 제2 스위치는 제1 기간에 턴온되고 제2 기간에 턴오프되고,
상기 제3 스위치와 상기 제4 스위치는 상기 제1 기간에 턴오프되고 상기 제2 기간에 턴온되는
충전기의 충전 방법.
제20항에 있어서,
상기 저장하는 단계는,
상기 제1 정류 전압의 서지성 전압을 다이오드의 일단에 인가시켜 상기 다이오드를 턴온시키는 단계; 및
상기 턴온된 다이오드로부터 전달된 전압을 상기 다이오드의 타단과 연결된 상기 제1 캐패시터에 저장하는 단계를 포함하는
충전기의 충전 방법.
제14항에 있어서,
상기 제3 컨버터는
상기 제1 정류부에 의해 정류된 전압인 제2 정류 전압의 노이즈를 제거하여 상기 제2 충전 전압을 생성하는 필터를 더 포함하는
충전 장치.
제26항에 있어서,
상기 필터는
상기 제2 정류 전압의 노이즈를 제거하는 인덕터; 및
상기 인덕터에 의해 노이즈가 제거된 전압인 상기 제2 충전 전압을 저장하는 제2 캐패시터를 포함하는
충전 장치.