KR101518336B1 - 배터리를 충방전하기 위한 양방향 ｄｃ－ｄｃ 컨버터 및 이를 이용한 배터리 충방전 방법 - Google Patents

배터리를 충방전하기 위한 양방향 ｄｃ－ｄｃ 컨버터 및 이를 이용한 배터리 충방전 방법 Download PDF

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Abstract

제 1 전원에 직렬로 연결되어 제 1 스위칭 신호에 따른 온 및 오프 동작을 통해 제 1 전원으로부터 인가되는 제 1 전압을 스위칭하는 제 1 스위칭부; 탭(tap)을 갖는 제 1 차 측 권선과 제 2 차 측 권선을 포함하고, 제 1 차 측 권선으로 인가된 스위칭된 제 1 전압을 변압하는 변압기; 제 2 전원에 직렬로 연결되어 제 2 스위칭 신호에 따른 온 및 오프 동작을 통해 제 2 전원으로부터 인가되는 제 2 전압을 스위칭하는 제 2 스위칭부; 제 2 차 측 권선과 제 2 스위칭부 사이에 직렬로 연결되어 변압된 제 1 전압과 스위칭된 2 전압 사이의 차 전압을 인가받는 인덕터; 및 벅 모드 또는 부스트 모드 하에서 가변되는 제 2 전압을 측정하고, 측정된 제 2 전압에 기초하여, 스위칭된 제 1 전압이 제 1 차 측 권선의 제 1 단부와 제 2 단부 사이에 인가되거나, 탭과 제 1 단부 사이에 인가되도록 하는 제 1 스위칭 신호를 제 1 스위칭부로 전송하는 제어부를 포함하는 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 DC-DC 컨버터가 개시된다.

Description

배터리를 충방전하기 위한 양방향 ＤＣ－ＤＣ 컨버터 및 이를 이용한 배터리 충방전 방법 {BIDIRECTIONAL DC TO DC CONVERTER FOR CHARGING AND DISCHARGING BATTERY AND METHOD FOR CHARGING AND DISCHARGING BATTERY BY USING THE SAME}
본 발명은 양방향 DC-DC 컨버터 및 이를 이용한 배터리 충방전 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 가변하는 배터리 전압에 따라 낮아지는 양방향 DC-DC 컨버터의 효율을 높이기 위하여 변압기의 권선비를 자동으로 변환할 수 있는 양방향 DC-DC 컨버터 및 이를 이용한 배터리 충방전 방법에 관한 것이다.
일반적으로 양방향 DC-DC 컨버터는 고압 측 전압에서 저압 측 전압으로 전압을 강하시키는 벅(buck) 모드 또는 저압 측 전압에서 고압 측 전압으로 전압을 상승시키는 부스트(boost) 모드로 동작할 수 있다.
양방향 DC-DC 컨버터는 벅 모드에서 배터리를 충전하고, 부스트 모드에서 배터리를 방전할 수 있는데, 구체적으로, 직류 버스단과 배터리를 DC-DC 컨버터에 연결하고, 직류 버스단의 전력을 DC-DC 컨버터를 통해 배터리로 공급함으로써 배터리를 충전할 수 있으며, 배터리의 전력을 DC-DC 컨버터를 통해 직류 버스단으로 공급함으로써 배터리를 방전할 수 있다.
배터리의 전압은 배터리에 대한 충전 양에 따라 변동한다. 즉, 충전 중에는 배터리의 전압이 상승하고, 방전될 때에는 전압이 낮아지게 된다. DC-DC 컨버터 설계시 입력 전압(예를 들어, 직류 버스단의 전압)과 출력 전압(예를 들어, 배터리의 전압)의 크기에 기초하여 변압기의 권선비를 결정하게 되는데, 출력 전압이 가변되면, 미리 결정된 권선비에 의해서는 양방향 DC-DC 컨버터의 최대 효율을 달성할 수 없게 된다. 따라서, 출력 전압이 가변되더라도 양방향 DC-DC 컨버터의 효율을 유지할 수 있는 방안이 요구된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 DC-DC 컨버터 및 이를 이용한 배터리 충방전 방법은 배터리 전압이 충방전에 의해 가변하더라도 양방향 DC-DC 컨버터의 효율을 유지하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 DC-DC 컨버터 및 이를 이용한 배터리 충방전 방법은 양방향 DC-DC 컨버터의 동작 중에 배터리의 전압에 따라 양방향 DC-DC 컨버터의 동작 모드 전환의 발생을 방지하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 DC-DC 컨버터는,
제 1 전원에 직렬로 연결되어 제 1 스위칭 신호에 따른 온 및 오프 동작을 통해 상기 제 1 전원으로부터 인가되는 제 1 전압을 스위칭하는 제 1 스위칭부; 탭(tap)을 갖는 제 1 차 측 권선과 제 2 차 측 권선을 포함하고, 상기 제 1 차 측 권선으로 인가된 상기 스위칭된 제 1 전압을 변압하는 변압기; 제 2 전원에 직렬로 연결되어 제 2 스위칭 신호에 따른 온 및 오프 동작을 통해 상기 제 2 전원으로부터 인가되는 제 2 전압을 스위칭하는 제 2 스위칭부; 상기 제 2 차 측 권선과 상기 제 2 스위칭부 사이에 직렬로 연결되어 상기 변압된 제 1 전압과 상기 스위칭된 2 전압 사이의 차 전압을 인가받는 인덕터; 및 벅 모드 또는 부스트 모드 하에서 가변되는 상기 제 2 전압을 측정하고, 상기 측정된 제 2 전압에 기초하여, 상기 스위칭된 제 1 전압이 상기 제 1 차 측 권선의 제 1 단부와 제 2 단부 사이에 인가되거나, 상기 탭과 상기 제 1 단부 사이에 인가되도록 하는 제 1 스위칭 신호를 상기 제 1 스위칭부로 전송하는 제어부를 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 측정된 제 2 전압과 기 설정된 기준 전압을 비교하여, 상기 측정된 제 2 전압이 상기 기 설정된 기준 전압보다 크면, 상기 스위칭된 제 1 전압이 상기 탭과 상기 제 1 단부 사이에 인가되도록 하는 제 1 스위칭 신호를 상기 제 1 스위칭부로 전송하고, 상기 측정된 제 2 전압이 상기 기 설정된 기준 전압 이하이면, 상기 스위칭된 제 1 전압이 상기 제 1 단부와 상기 제 2 단부 사이에 인가되도록 하는 제 1 스위칭 신호를 상기 제 1 스위칭부로 전송할 수 있다.
상기 제 1 차 측 권선의 탭과 상기 제 1 단부 사이의 권선 수, 상기 제 1 단부와 상기 제 2 단부 사이의 권선수 및 상기 제 2 차 측 권선의 권선수는, 상기 탭과 상기 제 1 단부 사이에 인가되어 상기 변압기에 의해 변압된 전압의 크기가 최대 제 2 전압의 크기보다 크고, 상기 제 1 단부와 상기 제 2 단부 사이에 인가되어 상기 변압기에 의해 변압된 전압의 크기가 기 설정된 기준 전압의 크기보다 크도록 결정될 수 있다.
상기 양방향 DC-DC 컨버터는, 상기 제 1 전원 및 상기 제 1 스위칭부에 병렬로 연결되어 상기 제 1 전압을 클램핑(clamping)하는 제 1 커패시터; 및 상기 제 2 전압 및 상기 제 2 스위칭부에 병렬로 연결되어 상기 제 2 전압을 클램핑하는 제 2 커패시터를 더 포함할 수 있다.
상기 제 1 스위칭부 및 상기 제 2 스위칭부 각각은, 복수 개의 스위치를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 복수 개의 스위치 각각의 온 및 오프 동작을 제어하기 위한 상기 제 1 스위칭 신호와 상기 제 2 스위칭 신호를 상기 복수 개의 스위치 각각으로 전송할 수 있다.
상기 제 1 스위칭부 및 상기 제 2 스위칭부 각각은, 풀 브릿지(full bridge) 회로, 하프 브릿지(half bridge) 회로 또는 센터 탭 회로를 포함할 수 있다.
상기 제 1 스위칭부가 풀 브릿지 회로인 경우, 상기 제 1 스위칭부는 서로 직렬 연결되고 상기 제 1 전원과는 병렬로 연결되는 제 1 스위치와 제 2 스위치, 서로 직렬 연결되고 상기 제 1 스위치와 제 2 스위치에는 병렬로 연결되는 제 3 스위치와 제 4 스위치, 및 서로 직렬 연결되고 상기 제 3 스위치와 제 4 스위치에는 병렬로 연결되는 제 5 스위치와 제 6 스위치를 포함하되, 상기 제어부는, 상기 측정된 제 2 전압이 상기 기 설정된 기준 전압보다 크면, 상기 제 1 스위치와 제 2 스위치 사이의 접점과 상기 제 3 스위치와 제 4 스위치 사이의 접점 사이의 전압이 상기 탭과 상기 제 1 단부 사이에 인가되도록 하는 제 1 스위칭 신호를 상기 제 1 스위칭부로 전송하고, 상기 측정된 제 2 전압이 상기 기 설정된 기준 전압 이하이면, 상기 제 1 스위치와 제 2 스위치 사이의 접점과 상기 제 5 스위치와 제 6 스위치 사이의 접점 사이의 전압이 상기 제 1 단부와 상기 제 2 단부 사이에 인가되도록 하는 제 1 스위칭 신호를 상기 제 1 스위칭부로 전송할 수 있다.
상기 제 1 스위칭부가 하프 브릿지 회로인 경우, 상기 제 1 스위칭부는, 서로 직렬 연결되고 상기 제 1 전원과는 병렬로 연결되는 제 3 커패시터와 제 4 커패시터, 서로 직렬 연결되고 상기 제 3 커패시터와 제 4 커패시터에는 병렬로 연결되는 제 7 스위치와 제 8 스위치, 및 서로 직렬 연결되고 상기 제 7 스위치와 제 8 스위치에는 병렬로 연결되는 제 9 스위치와 제 10 스위치를 포함하되, 상기 제어부는, 상기 측정된 제 2 전압이 상기 기 설정된 기준 전압보다 크면, 상기 제 3 커패시터와 제 4 커패시터 사이의 접점과 상기 제 7 스위치와 제 8 스위치 사이의 접점 사이의 전압이 상기 탭과 상기 제 1 단부 사이에 인가되도록 하는 제 1 스위칭 신호를 상기 제 1 스위칭부로 전송하고, 상기 측정된 제 2 전압이 상기 기 설정된 기준 전압 이하이면, 상기 제 3 커패시터와 제 4 커패시터 사이의 접점과 상기 제 9 스위치와 제 10 스위치 사이의 접점 사이의 전압이 상기 제 1 단부와 상기 제 2 단부 사이에 인가되도록 하는 제 1 스위칭 신호를 상기 제 1 스위칭부로 전송할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 충방전 방법은,
양방향 DC-DC 컨버터의 벅 모드 또는 부스트 모드 하에서 가변되는 배터리의 전압을 측정하는 단계; 상기 측정된 배터리의 전압에 기초하여, 제 1 전원에 직렬로 연결된 제 1 스위칭부에 의해 스위칭되는 상기 제 1 전원의 제 1 전압이, 변압기의 제 1 차 측 권선의 제 1 단부와 제 2 단부 사이에 인가되거나, 상기 변압기의 탭과 상기 제 1 단부 사이에 인가되도록 하는 제 1 스위칭 신호를 상기 제 1 스위칭부로 전송하는 단계; 상기 제 1 스위칭부를 이용하여, 상기 제 1 스위칭 신호에 따른 온 및 오프 동작을 통해 상기 제 1 전원으로부터 인가되는 제 1 전압을 스위칭하는 단계; 상기 변압기를 이용하여 상기 스위칭된 제 1 전압을 변압하는 단계; 상기 배터리에 직렬로 연결된 제 2 스위칭부를 이용하여, 제 2 스위칭 신호에 따른 온 및 오프 동작을 통해 상기 배터리로부터 인가되는 제 2 전압을 스위칭하는 단계; 상기 변압된 제 1 전압과 상기 스위칭된 제 2 전압 사이의 차 전압을 상기 제 2 차 측 권선과 상기 제 2 스위칭부 사이에 직렬로 연결된 인덕터에 인가하는 단계; 및 상기 인덕터를 통해 흐르는 전류를 이용하여 상기 배터리를 충전 또는 방전하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 DC-DC 컨버터 및 이를 이용한 배터리 충방전 방법은 배터리 전압이 충방전에 의해 가변하더라도 양방향 DC-DC 컨버터의 효율을 유지할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 DC-DC 컨버터 및 이를 이용한 배터리 충방전 방법은 양방향 DC-DC 컨버터의 동작 중에 배터리의 전압에 따라 양방향 DC-DC 컨버터의 동작 모드 전환의 발생을 방지할 수 있다.
도 1은 일반적인 양방향 DC-DC 컨버터의 회로도이다.
도 2a는 도 1에 도시된 일반적인 양방향 DC-DC 컨버터가 벅 모드로 동작할 때의 신호 파형을 도시하는 도면이다.
도 2b는 도 1에 도시된 일반적인 양방향 DC-DC 컨버터가 부스트 모드로 동작할 때의 신호 파형을 도시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 DC-DC 컨버터의 회로도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 양방향 DC-DC 컨버터의 회로도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충방전 방법의 순서를 도시하는 순서도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 실시예에서 사용되는 '부'라는 용어는 소프트웨어, FPGA 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, '부'는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 '부'는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. '부'는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 '부'는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로 코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 '부'들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 '부'들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 '부'들로 더 분리될 수 있다.
도 1은 일반적인 양방향 DC-DC 컨버터(10)의 회로도이다.
제 1 전원(11)은 고전압 측 전원이고, 배터리(12)는 저전압 측 전원이다. 제 1 스위칭부(13)는 제 1 전원(11)에 직렬로 연결되어 제 1 전원(11)의 제 1 전압(Vin)을 인가받고, 제 2 스위칭부(15)는 배터리(12)에 직렬로 연결되어 배터리(12)의 제 2 전압(Vo)을 인가받는다. 제 1 스위칭부(13)는 스위칭 신호에 따라 제 1 전원(11)으로부터 인가되는 제 1 전압(Vin)을 스위칭하고, 제 2 스위칭부(15)는 스위칭 신호에 따라 배터리(12)으로부터 인가되는 제 2 전압(Vo)을 스위칭한다.
제 1 스위칭부(13)와 제 2 스위칭부(15)는 각각 네 개의 스위치(14, 16)를 포함한다. 제 1 스위칭부(13)에 포함된 S1 스위치, S2 스위치, S3 스위치 및 S4 스위치들 중 S1 스위치와 S4 스위치(제 1 그룹 스위치), 그리고 S2 스위치와 S3 스위치(제 2 그룹 스위치) 각각은 스위칭 신호에 따라 동시에 온 및 오프 동작을 할 수 있고, S1 스위치와 S4 스위치(제 1 그룹 스위치), 그리고 S2 스위치와 S3 스위치(제 2 그룹 스위치)는 서로 상보적으로 동작할 수 있다. 예를 들어, S1 스위치와 S4 스위치가 온 상태인 경우, S2 스위치와 S3 스위치가 오프 상태일 수 있다.
또한, 제 2 스위칭부(15)에 포함된 Q1 스위치, Q2 스위치, Q3 스위치 및 Q4 스위치들 중 Q1 스위치와 Q4 스위치(제 1 그룹 스위치), 그리고 Q2 스위치와 Q3 스위치(제 2 그룹 스위치) 각각은 스위칭 신호에 따라 동시에 온 및 오프 동작을 할 수 있고, Q1 스위치와 Q4 스위치(제 1 그룹 스위치), 그리고 Q2 스위치와 Q3 스위치(제 2 그룹 스위치)는 서로 상보적으로 동작할 수 있다.
변압기(17)는 1:n(n은 자연수)의 권선비를 가지며, 제 1 스위칭부(13)를 통해 인가되는 스위칭된 제 1 전압(Vab)를 변압한다. 변압기(17)의 권선비가 1:n이므로, 변압기(17)의 제 2 차 측 권선으로 인가되는 전압은 nVab (n×Vab)가 될 것이다.
인덕터(18)는 변압기(17)의 제 2 차 측 권선과 제 2 스위칭부(15) 사이에 직렬로 연결되어, 변압기(17)에 의해 변압된 제 1 전압과 스위칭된 제 2 전압 사이의 차 전압(VL = nVab-Vcd)을 인가받는다. 배터리(12)는 인덕터(18)를 통해 흐르는 인덕터 전류(IL)에 의해 충전되거나 방전될 수 있다.
일반적인 양방향 DC-DC 컨버터(10)는 제 1 스위칭부(13)와 제 2 스위칭부(15)에 포함된 스위치들(14, 16) 각각으로 스위칭 신호를 전달할 수 있는데, 양방향 DC-DC 컨버터(10)는 스위칭 신호에 대해 위상 천이 변조(phase shift modulation)를 적용하여 벅 모드 또는 부스트 모드를 선택할 수 있다.
예를 들어, 제 1 스위칭부(13)로 전달하는 스위칭 신호를 기준으로 제 2 스위칭부(15)로 전달하는 스위칭 신호를 위상 천이하게 되면, 양방향 DC-DC 컨버터(10)는 제 1 전원(11)에서 배터리(12)로 전력을 전달하는 벅 모드로 동작하게 되고, 제 2 스위칭부(15)로 전달하는 스위칭 신호를 기준으로 제 1 스위칭부(13)로 전달하는 스위칭 신호를 위상 천이하게 되면, 양방향 DC-DC 컨버터(10)는 배터리(12)에서 제 1 전원(11)으로 전력을 전달하는 부스트 모드로 동작하게 된다. 이에 대해서는 도 2a 및 도 2b를 참조하여 상세히 설명한다.
도 2a는 일반적인 양방향 DC-DC 컨버터(10)가 벅 모드로 동작할 때의 신호 파형을 도시하는 도면이고, 도 2b는 일반적인 양방향 DC-DC 컨버터(10)가 부스트 모드로 동작할 때의 신호 파형을 도시하는 도면이다.
먼저, 도 2a에 도시된 S1,4는 도 1의 S1 스위치 및 S4 스위치로 전달되는 스위칭 신호의 파형이고, S2,3은 S2 스위치 및 S3 스위치로 전달되는 스위칭 신호의 파형이고, Q2,3은 Q2 스위치 및 Q3 스위치로 전달되는 스위칭 신호의 파형이며, Q1,4는 Q1 스위치 및 Q4 스위치로 전달되는 스위칭 신호의 파형이다.
S1 스위치 및 S4 스위치로 전달되는 스위칭 신호의 파형과 S2 스위치 및 S3 스위치로 전달되는 스위칭 신호의 파형이 상보적이라는 것을 알 수 있다.
또한, Q1 스위치 및 Q4 스위치로 전달되는 스위칭 신호의 파형은 S1 스위치 및 S4 스위치로 전달되는 스위칭 신호의 파형에 비해 위상 천이되었는바, 이를 통해 양방향 DC-DC 컨버터(10)가 벅 모드로 동작한다는 것을 알 수 있다.
S1 스위치 및 S4 스위치가 온 되면 변압기(17)의 제 2 차 측 권선의 전압(nVab)은 제 1 전압(Vin)에 권선비를 곱한 nVin이 되고. 반대로 S2 스위치 및 S3 스위치가 온 되면 변압기(17)의 제 2 차 측 권선의 전압(nVab)은 -nVin이 된다.
또한, Q1 스위치 및 Q4 스위치가 온 되면, Vcd는 배터리(12)의 제 2 전압(Vo), 즉 Vo가 되고, Q2 스위치 및 Q3 스위치가 온 되면, Vcd는 -Vo가 된다.
인덕터(18)에는 nVab-Vcd의 전압이 인가되고 인덕터(18)의 충전 및 방전 원리에 의해 출력 전류(Io)가 제어될 수 있다. 인덕터 전류(IL)의 파형을 보면, 벅 모드 하에서 인덕터 전류(IL)가 IL1에서 Ip로 상승하는 것을 알 수 있다.
다음으로, 도 2b를 보면, S1 스위치 및 S4 스위치로 전달되는 스위칭 신호의 파형은 Q1 스위치 및 Q4 스위치로 전달되는 스위칭 신호의 파형에 비해 위상 천이되었는바, 이를 통해 양방향 DC-DC 컨버터(10)가 부스트 모드로 동작한다는 것을 알 수 있다.
Q1 스위치 및 Q4 스위치가 온 되면, Vcd는 배터리(12)의 제 2 전압(Vo), 즉 Vo가 되고, Q2 스위치 및 Q3 스위치가 온 되면, Vcd는 -Vo가 된다
또한, S1 스위치 및 S4 스위치가 온 되면 변압기(17)의 제 2 차 측 권선의 전압(nVab)은 제 1 전압(Vin)에 권선비를 곱한 nVin이 되고. 반대로 S2 스위치 및 S3 스위치가 온 되면 변압기(17)의 제 2 차 측 권선의 전압(nVab)은 -nVin이 된다.
인덕터(18)에는 nVab-Vcd의 전압이 인가되고 인덕터(18)의 충전 및 방전 원리에 의해 출력 전류(Io)가 제어될 수 있다. 인덕터 전류(IL)의 파형을 보면, 부스트 모드 하에서 인덕터 전류(IL)가 Ip에서 IL1으로 하강하였다는 것을 알 수 있다.
다시 도 1을 보면, 일반적인 양방향 DC-DC 컨버터(10)는 변압기(17)의 제 2 차 측 권선의 전압(nVab)이 스위칭된 제 2 전압(Vcd) 보다 클 때, 제 1 전원(11)에서 배터리(12)로 전력이 전달되는 벅 모드로 동작하거나 배터리(12)에서 제 1 전원(11)으로 전력이 전달되는 부스트 모드로 동작할 수 있다.
따라서, 변압기(17)의 제 2 차 측 권선의 전압(nVab)이 스위칭된 제 2 전압(Vcd)보다 작을 때에는, 양방향 DC-DC 컨버터(10)는 제 1 전원(11)에서 배터리(12)로 전력이 전달되는 부스트 모드로 동작하거나, 배터리(12)에서 제 1 전원(11)으로 전력이 전달되는 벅 모드로 동작하게 된다. 즉, 변압기(17)의 제 2 차 측 권선의 전압(nVab)의 크기와 스위칭된 제 2 전압(Vcd)의 크기 차이에 의해 양방향 DC-DC 컨버터(10)의 모드 변경이 발생할 수 있다.
양방향 DC-DC 컨버터(10)에서 예상치 못한 모드 변경이 발생하는 경우를 방지하기 위해, 일반적으로 변압기(17)의 권선비는 배터리(12)의 제 2 전압이 최대 전압일 때를 기준으로 미리 결정된다. 따라서, 일반적인 양방향 DC-DC 컨버터(10)에서 변압기(17)의 권선비는 배터리(12)의 제 2 전압이 최대 전압일 때에 최적화된 것이며, 배터리(12)의 제 2 전압이 가변하는 경우에는 양방향 DC-DC 컨버터(10)의 효율이 낮아질 수 밖에 없다.
배터리(12)의 제 2 전압이 최저 전압일 때를 가정하면, 변압기(17)의 제 2 차 측 권선의 전압(nVab)과 스위칭된 제 2 전압(Vcd) 사이의 차이가 커져 인덕터(18)를 통해 흐르는 인덕터 전류(IL)를 증가시키고, 증가된 인덕터 전류(IL)는 스위치들(14, 16)에 의한 손실을 유발할 수 있다. 따라서, 변압기(17)의 권선비를 조절하여, 변압기(17)의 제 2 차 측 권선의 전압(nVab)과 스위칭된 배터리 전압(Vcd) 사이의 차이를 일정하게 유지하는 것이 중요하다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 DC-DC 컨버터(300)의 회로도이다.
도 3에 도시된 양방향 DC-DC 컨버터(300)는 DAB(Dual Active Bridge) 컨버터를 포함할 수 있다. DAB 컨버터는 위상 천이 ZVS(Phase-shifted Zero voltage switching) 컨버터의 구조와 유사하나, 출력 측에 인덕터가 없는 구조로써 양방향 동작 방법이 동일하여 쉽게 구현할 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 DC-DC 컨버터(300)는 제 1 전원(310), 제 1 스위칭부(330), 제 2 전원(320), 제 2 스위칭부(340), 변압기(350), 인덕터(360) 및 제어부(370)를 포함할 수 있다. 제어부(370)는 마이크로프로세서로 구성될 수 있다.
제 1 전원(310)은 고전압 측 전원이고, 제 2 전원(320)은 저전압 측 전원일 수 있다. 제 2 전원(320)은 배터리를 포함할 수 있다.
제 1 스위칭부(330)는 제 1 전원(310)에 직렬로 연결되어 제 1 전원(310)의 제 1 전압(Vin)을 인가받고, 제 2 스위칭부(340)는 제 2 전원(320)에 직렬로 연결되어 제 2 전원(320)의 제 2 전압(Vo)을 인가받는다.
제 1 스위칭부(330)와 제 2 스위칭부(340)는 풀 브릿지 회로, 하프 브릿지(half bridge) 회로 또는 센터 탭(center tap) 회로일 수도 있다. 도 3은 제 1 스위칭부(330)와 제 2 스위칭부(340)가 풀 브릿지 회로로 구성될 수 있다.
도 3에 도시된 제 1 스위칭부(330)는 6 개의 스위치(332)를 포함하고, 제 2 스위칭부(340)는 4개의 스위치(342)를 포함하고 있는데, 각 스위치(332, 342)는 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Trasnistor) 스위치 또는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 스위치일 수 있다. 상기 스위치들(332, 342)이 MOSFET 스위치로 구성되는 경우, MOSFET 스위치의 소스(source)와 드레인(drain) 사이에 다이오드가 전기적으로 연결될 수 있다.
제 1 스위칭부(330)는 제어부(370)로부터 전달되는 제 1 스위칭 신호(375)에 따라 제 1 전원(310)으로부터 인가되는 제 1 전압(Vin)을 스위칭하고, 제 2 스위칭부(340)는 제어부(370)로부터 전달되는 제 2 스위칭 신호(376)에 따라 제 2 전원(320)으로부터 인가되는 제 2 전압(Vo)을 스위칭한다.
변압기(350)의 제 1 차 측 권선은 탭(tap)(352)을 포함하며, 제 1 차 측 권선의 제 1 단부와 탭(352) 사이의 권선수는 Np1, 탭(352)과 제 2 단부 사이의 권선수는 Np2이다. 변압기(350)의 제 2 차 측 권선의 권선수는 Ns이다.
변압기(350)는 스위칭된 제 1 전압으로서 Va1b를 인가받으면, Ns/(Np1+Np2)(Ns, Np1, Np2는 자연수)의 권선비로 상기 스위칭된 제 1 전압을 변압하여 변압된 제 1 전압인 Va1b × (Ns/(Np1+Np2))를 제 2 차 측 권선에 인가하며, 스위칭된 제 1 전압으로서 Va2b를 인가받으면 Ns/Np2의 권선비로 상기 스위칭된 제 1 전압을 변압하여 변압된 제 1 전압인 Va2b × (Ns/Np2)를 제 2 차 측 권선에 인가한다.
인덕터(360)는 변압기(350)의 제 2 차 측 권선과 제 2 스위칭부(340) 사이에 직렬로 연결되어, 변압기(350)에 의해 변압된 제 1 전압과 스위칭된 제 2 전압(Vcd) 사이의 차 전압(VL)을 인가받는다. 제 2 전원(320)은 인덕터 전류(IL)에 의해 충전되거나 방전될 수 있다.
제어부(370)는 제 1 스위칭부(330)로 제 1 스위칭 신호(375)를 전달하고, 제 2 스위칭부(340)로 제 2 스위칭 신호(376)를 전달하는 게이트 구동 드라이버(372), 및 소정 조건의 제 1 스위칭 신호(375)와 제 2 스위칭 신호(376)를 생성하기 위한 제어 신호를 게이트 구동 드라이버(372)로 전송하는 DSP(digital signal processor)(374)를 포함할 수 있다.
게이트 구동 드라이버(372)는 제 1 스위칭부(330)와 제 2 스위칭부(340)에 포함된 스위치들(332, 342) 각각으로 제 1 스위칭 신호(375)와 제 2 스위칭 신호(376)를 전달할 수 있는데, 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 DC-DC 컨버터(300)의 게이트 구동 드라이버(372)는 제 1 스위칭 신호(375) 또는 제 2 스위칭 신호(376)에 대해 위상 천이 변조(phase shift modulation)를 적용하여 벅 모드 또는 부스트 모드를 선택할 수 있다. 이에 대해서는 전술하였는바, 상세한 설명을 생략한다.
DSP(374)는 벅 모드 또는 부스트 모드 하에서 가변되는 제 2 전압(Vo)을 측정하고, 측정된 제 2 전압(Vo)에 기초하여, 스위칭된 제 1 전압이 변압기의 제 1 차 측 권선의 제 1 단부와 제 2 단부 사이에 인가되거나, 탭(352)과 제 2 단부 사이에 인가되도록 하는 제 1 스위칭 신호(375)를 생성하기 위한 제어 신호를 게이트 구동 드라이버(372)로 전달한다.
구체적으로, DSP(374)는 측정된 제 2 전압(Vo)과 기 설정된 기준 전압을 비교하여, 측정된 제 2 전압(Vo)이 기 설정된 기준 전압보다 크면, 스위칭된 제 1 전압(Va2b)이 탭(352)과 제 2 단부 사이에 인가되도록 하는 제 1 스위칭 신호(375)를 위한 제어 신호를 게이트 구동 드라이버(372)로 전달하고, 상기 측정된 제 2 전압(Vo)이 기 설정된 기준 전압 이하이면, 스위칭된 제 1 전압(Va1b)이 제 1 단부와 제 2 단부 사이에 인가되도록 하는 제 1 스위칭 신호(375)를 위한 제어 신호를 게이트 구동 드라이버(372)로 전달한다.
스위칭된 제 1 전압(Va2b)이 탭(352)과 제 2 단부 사이에 인가되도록 하는 제 1 스위칭 신호(375)는, 제 1 스위칭부(300)에 포함된 스위치들 중 S2 스위치와 S6 스위치, S3 스위치와 S5 스위치를 동작시킬 수 있다. 예를 들어, 제 1 스위칭 신호(375)는 S2 스위치와 S6 스위치를 동시에 온 시켜 Vin이 탭(352)과 제 2 단부 사이에 인가되도록 하고, S2 스위치와 S6 스위치를 동시에 오프시킨 후에, S3 스위치와 S5 스위치를 동시에 온 시켜 ?in이 탭(352)과 제 2 단부 사이에 인가되도록 할 수 있다. 스위칭된 제 1 전압이 탭(352)과 제 2 단부 사이에 인가된 경우, 변압기(350)의 제 2 차 측 권선에는 Va2b × (Ns/Np2)의 전압이 인가된다.
또한, 스위칭된 제 1 전압(Va1b)이 제 1 단부와 제 2 단부 사이에 인가되도록 하는 제 1 스위칭 신호(375)는 제 1 스위칭부(300)에 포함된 스위치들 중 S1 스위치와 S6 스위치, S3 스위치와 S4 스위치를 동작시킬 수 있다. 예를 들어, 제 1 스위칭 신호(375)는 S1 스위치와 S6 스위치를 동시에 온 시켜 Vin이 제 1 단부와 제 2 단부 사이에 인가되도록 하고, S1 스위치와 S6 스위치를 동시에 오프시킨 후에, S3 스위치와 S4 스위치를 동시에 온 시켜 ?in이 제 1 단부와 제 2 단부 사이에 인가되도록 할 수 있다. 스위칭된 제 1 전압이 제 1 단부와 제 2 단부 사이에 인가된 경우, 변압기(350)의 제 2 차 측 권선에는 Va1b × (Ns/(Np1+Np2))의 전압이 인가된다.
다시 말하면, 가변하는 제 2 전압(Vo)이 기 설정된 기준 전압보다 큰 경우, 변압기(350)의 제 2 차 측 권선에는 Va2b × (Ns/Np2)의 전압이 인가되고, 가변하는 제 2 전압(Vo)이 기 설정된 기준 전압 이하인 경우, 변압기(350)의 제 2 차 측 권선에는 Va1b × (Ns/(Np1+Np2))의 전압이 인가된다.
Va2b 전압과 Va1b 전압의 크기는 Vin으로 동일하고, Ns/(Np1+Np2)는 Ns/Np2보다 작기 때문에, 제 2 전압(Vo)이 기 설정된 기준 전압보다 큰 경우에 변압기(350)의 제 2 차 측 권선에 인가되는 전압 Va2b × (Ns/Np2)의 크기는, 제 2 전압(Vo)이 기 설정된 기준 전압 이하인 경우에 변압기(350)의 제 2 차 측 권선에 인가되는 전압 Va1b × (Ns/(Np1+Np2))보다 클 것이다. 이에 따라, 인덕터(360)에 가해지는 전압(VL)의 크기는 일정하게 유지될 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 DC-DC 컨버터(300)는 제 2 전압(Vo)이 작을 때에는 변압기(350)의 권선비를 감소시켜 변압기(350)의 제 2 차 측 권선에 인가되는 전압의 크기를 감소시키고, 제 2 전압(Vo)이 클 때에는 변압기(350)의 권선비를 증가시켜 변압기(350)의 제 2 차 측 권선에 인가되는 전압의 크기를 증가시키기 때문에 인덕터 전압(VL)을 일정하게 유지시킬 수 있다.
한편, 변압기(350)의 권선 수 Np1, Np2 및 Ns는 제 2 전압(Vo)이 최대일 때와 제 2 전압(Vo)이 기 설정된 기준 전압과 동일할 때를 기준으로 설정될 수 있다. 구체적으로, 제 2 전압(Vo)의 크기가 최대 제 2 전압(Vo,max)의 크기인 경우, 변압기(350)의 제 2 차 측 권선에 가해지는 전압 Va2b × (Ns/Np2)이 최대 제 2 전압(Vo,max)의 크기보다 크고, 제 2 전압(Vo)의 크기가 기 설정된 기준 전압의 크기와 동일한 경우, 변압기(350)의 제 2 차 측 권선에 가해지는 전압 Va1b × (Ns/(Np1+Np2))의 크기가 기 설정된 기준 전압의 크기보다 크도록 Np1, Np2 및 Ns가 결정될 수 있다. 이에 따라, 제 2 전압(Vo)이 가변함에 따라 예상치 못한 모드 전환이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 DC-DC 컨버터(300)는 제 1 전원(310) 및 제 1 스위칭부(330)에 병렬로 연결되어 제 1 전압(Vin)을 클램핑(clamping)하는 제 1 커패시터(380)와, 제 2 전원(320) 및 제 2 스위칭부(340)에 병렬로 연결되어 제 2 전압(Vo)을 클램핑하는 제 2 커패시터(390)를 더 포함할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 양방향 DC-DC 컨버터(300)의 회로도이다.
도 4에 도시된 양방향 DC-DC 컨버터(300)의 제 1 스위칭부(330)는 도 3에 도시된 양방향 DC-DC 컨버터(300)의 제 1 스위칭부(330)와 달리 하프 브릿지 회로로 구성된다.
도 4는 제 1 스위칭부(330)만이 하프 브릿지 회로인 것으로 도시하고 있지만, 제 2 스위칭부(340)만이 하프 브릿지 회로일 수도 있고, 제 1 스위칭부(330)와 제 2 스위칭부(340) 모두가 하프 브릿지 회로일 수도 이다.
제 1 스위칭부(330)는 서로 직렬 연결되고 제 1 전원(310)과는 병렬로 연결되는 제 3 커패시터(333)와 제 4 커패시터(334), 서로 직렬 연결되고 제 3 커패시터(333)와 제 4 커패시터(334)에는 병렬로 연결되는 S1 스위치와 S3 스위치, 및 서로 직렬 연결되고 S1 스위치와 S3 스위치에는 병렬로 연결되는 S2 스위치와 S4 스위치를 포함한다.
DSP(374)는 제 1 스위칭부(330)에 의해 스위칭된 제 1 전압이 변압기(350)의 제 1 단부와 제 2 단부 사이에 인가되도록 하거나, 스위칭된 제 1 전압이 변압기(350)의 탭(352)과 제 1 단부 사이에 인가되도록 하는 제 1 스위칭 신호(375)를 위한 제어 신호를 게이트 구동 드라이버(372)로 전달할 수 있다.
구체적으로, DSP(374)는 제 2 전압(Vo)의 크기를 측정하고, 측정된 제 2 전압(Vo)과 기 설정된 기준 전압을 비교하여, 측정된 제 2 전압(Vo)이 기 설정된 기준 전압보다 크면, 제 3 커패시터(333)와 제 4 커패시터(334) 사이의 접점(a1)과 S1 스위치와 S3 스위치 사이의 접점(a2) 사이의 전압(Va1a2)이 탭(352)과 제 1 단부 사이에 인가되도록 하는 제 1 스위칭 신호(375)를 위한 제어 신호를 게이트 구동 드라이버(372)로 전달하고, 측정된 제 2 전압(Vo)이 기 설정된 기준 전압 이하이면, 제 3 커패시터(333)와 제 4 커패시터(334) 사이의 접점(a1)과 S2 스위치와 S4 스위치 사이의 접점(b) 사이의 전압(Va1b)이 제 1 단부와 제 2 단부 사이에 인가되도록 하는 제 1 스위칭 신호(375)를 위한 제어 신호를 게이트 구동 드라이버(372)로 전송한다.
스위칭된 제 1 전압이 탭(352)과 제 1 단부 사이에 인가되도록 하는 제 1 스위칭 신호(375)는 제 1 스위칭부(330)에 포함된 스위치들(332) 중 S1 스위치와 S3 스위치를 동작시킬 수 있다. 예를 들어, 제 1 스위칭 신호(375)는 S1 스위치를 온 시켜 Vin이 탭(352)과 제 1 단부 사이에 인가되도록 하고, S1 스위치를 오프시킨 후에, S3 스위치를 온 시켜 Vin이 탭(352)과 제 1 단부 사이에 인가되도록 할 수 있다. 스위칭된 제 1 전압이 탭(352)과 제 1 단부 사이에 인가된 경우, 변압기(350)의 제 2 차 측 권선에는 Va1a2 × (Ns/Np1)의 전압이 인가된다.
또한, 스위칭된 제 1 전압이 제 1 단부와 제 2 단부 사이에 인가되도록 하는 제 1 스위칭 신호(375)는 제 1 스위칭부(300)에 포함된 스위치들(332) 중 S2 스위치와 S4 스위치를 동작시킬 수 있다. 예를 들어, 제 1 스위칭 신호(375)는 S2 스위치를 온 시켜 Vin이 제 1 단부와 제 2 단부 사이에 인가되도록 하고, S2 스위치를 오프시킨 후에, S4 스위치를 온 시켜 Vin이 제 1 단부와 제 2 단부 사이에 인가되도록 할 수 있다. 스위칭된 제 1 전압이 제 1 단부와 제 2 단부 사이에 인가된 경우, 변압기(350)의 제 2 차 측 권선에는 Va1b × (Ns/(Np1+Np2))의 전압이 인가된다.
다시 말하면, 가변하는 제 2 전압(Vo)이 기 설정된 기준 전압보다 큰 경우, 변압기(350)의 제 2 차 측 권선에는 Va1a2 × (Ns/Np1)의 전압이 인가되고, 가변하는 제 2 전압(Vo)이 기 설정된 기준 전압 이하인 경우, 변압기(350)의 제 2 차 측 권선에는 Va1b × (Ns/(Np1+Np2))의 전압이 인가된다.
Va1a2 전압과 Va1b 전압의 크기는 Vin으로 동일하고, Ns/(Np1+Np2)는 Ns/Np1보다 작기 때문에, 제 2 전압(Vo)이 기 설정된 기준 전압보다 큰 경우에 변압기(350)의 제 2 차 측 권선에 인가되는 전압 Va1a2 × (Ns/Np1)의 크기는, 제 2 전압(Vo)이 기 설정된 기준 전압 이하인 경우에 변압기(350)의 제 2 차 측 권선에 인가되는 전압 Va1b × (Ns/(Np1+Np2))보다 클 것이다. 이에 따라, 인덕터(360)에 가해지는 전압(VL)의 크기는 일정하게 유지될 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 충방전 방법의 순서를 도시하는 순서도이다. 도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 충방전 방법은 도 3 또는 도 4에 도시된 양방향 DC-DC 컨버터(300)에서 시계열적으로 처리되는 단계들로 구성된다. 따라서, 이하에서 생략된 내용이라 하더라도 도 3 또는 도 4에 도시된 양방향 DC-DC 컨버터(300)에 관하여 이상에서 기술된 내용은 도 5의 배터리 충방전 방법에도 적용됨을 알 수 있다.
S510 단계에서, 양방향 DC-DC 컨버터(300)는 양방향 DC-DC 컨버터(300)의 벅 모드 또는 부스트 모드 하에서 가변되는 배터리(320)의 전압을 측정한다.
S520 단계에서, 양방향 DC-DC 컨버터(300)는 측정된 배터리(320)의 전압에 기초하여, 제 1 전원(310)에 직렬로 연결된 제 1 스위칭부(330)에 의해 스위칭되는 제 1 전원(310)의 제 1 전압(Vin)이, 변압기(350)의 제 1 차 측 권선의 제 1 단부와 제 2 단부 사이에 인가되거나, 변압기(350)의 탭(352)과 제 1 단부 사이에 인가되도록 하는 제 1 스위칭 신호(375)를 제 1 스위칭부(330)로 전송한다.
S530 단계에서, 양방향 DC-DC 컨버터(300)는 제 1 스위칭부(330)를 이용하여 제 1 스위칭 신호(375)에 따른 온 및 오프 동작을 통해 제 1 전원(310)으로부터 인가되는 제 1 전압(Vin)을 스위칭한다.
S540 단계에서, 양방향 DC-DC 컨버터(300)는 변압기(350)를 이용하여 스위칭된 제 1 전압을 변압한다.
S550 단계에서, 양방향 DC-DC 컨버터(300)는 배터리(320)에 직렬로 연결된 제 2 스위칭부(340)를 이용하여, 제 2 스위칭 신호(376)에 따른 온 및 오프 동작을 통해 배터리(320)로부터 인가되는 제 2 전압(Vo)을 스위칭한다.
S560 단계에서, 양방향 DC-DC 컨버터(300)는 변압된 제 1 전압과 스위칭된 제 2 전압 사이의 차 전압을 제 2 차 측 권선과 제 2 스위칭부(340) 사이에 직렬로 연결된 인덕터(360)에 인가한다.
S570 단계에서, 양방항 DC-DC 컨버터(300)는 인덕터(360)를 통해 흐르는 전류(IL)를 이용하여 배터리(320)를 충전 또는 방전한다.
한편, 상술한 본 발명의 실시예들은 컴퓨터에서 실행될 수 있는 프로그램으로 작성가능하고, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 이용하여 상기 프로그램을 동작시키는 범용 디지털 컴퓨터에서 구현될 수 있다.
상기 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 마그네틱 저장매체(예를 들면, 롬, 플로피 디스크, 하드디스크 등), 광학적 판독 매체(예를 들면, 시디롬, 디브이디 등) 및 캐리어 웨이브(예를 들면, 인터넷을 통한 전송)와 같은 저장매체를 포함한다.
이상과 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
300: 양방향 DC-DC 컨버터
310: 제 1 전원
320: 제 2 전원
330: 제 1 스위칭부
340: 제 2 스위칭부
350: 변압기
360: 인덕터
370: 제어부

Claims (9)

  1. 제 1 전원에 직렬로 연결되어 제 1 스위칭 신호에 따른 온 및 오프 동작을 통해 상기 제 1 전원으로부터 인가되는 제 1 전압을 스위칭하는 제 1 스위칭부;
    탭(tap)을 갖는 제 1 차 측 권선, 및 제 2 차 측 권선을 포함하고, 상기 제 1 차 측 권선으로 인가된 상기 스위칭된 제 1 전압을 변압하는 변압기;
    제 2 전원에 직렬로 연결되어 제 2 스위칭 신호에 따른 온 및 오프 동작을 통해 상기 제 2 전원으로부터 인가되는 제 2 전압을 스위칭하는 제 2 스위칭부;
    상기 제 2 차 측 권선과 상기 제 2 스위칭부 사이에 직렬로 연결되어 상기 변압된 제 1 전압과 상기 스위칭된 2 전압 사이의 차 전압을 인가받는 인덕터; 및
    벅 모드 또는 부스트 모드 하에서 가변되는 상기 제 2 전압을 측정하고, 상기 측정된 제 2 전압과 기 설정된 기준 전압을 비교하여, 상기 측정된 제 2 전압이 상기 기 설정된 기준 전압보다 크면, 상기 스위칭된 제 1 전압이 상기 탭과 상기 제 1 차 측 권선의 제 1 단부 사이에 인가되도록 하는 제 1 스위칭 신호를 상기 제 1 스위칭부로 전송하고, 상기 측정된 제 2 전압이 상기 기 설정된 기준 전압 이하이면, 상기 스위칭된 제 1 전압이 상기 제 1 단부와 상기 제 1 차 측 권선의 제 2 단부 사이에 인가되도록 하는 제 1 스위칭 신호를 상기 제 1 스위칭부로 전송하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 컨버터.
  2. 삭제
  3. 제 1 전원에 직렬로 연결되어 제 1 스위칭 신호에 따른 온 및 오프 동작을 통해 상기 제 1 전원으로부터 인가되는 제 1 전압을 스위칭하는 제 1 스위칭부;
    탭(tap)을 갖는 제 1 차 측 권선, 및 제 2 차 측 권선을 포함하고, 상기 제 1 차 측 권선으로 인가된 상기 스위칭된 제 1 전압을 변압하는 변압기;
    제 2 전원에 직렬로 연결되어 제 2 스위칭 신호에 따른 온 및 오프 동작을 통해 상기 제 2 전원으로부터 인가되는 제 2 전압을 스위칭하는 제 2 스위칭부;
    상기 제 2 차 측 권선과 상기 제 2 스위칭부 사이에 직렬로 연결되어 상기 변압된 제 1 전압과 상기 스위칭된 2 전압 사이의 차 전압을 인가받는 인덕터; 및
    벅 모드 또는 부스트 모드 하에서 가변되는 상기 제 2 전압을 측정하고, 상기 측정된 제 2 전압에 기초하여, 상기 스위칭된 제 1 전압이 상기 제 1 차 측 권선의 제 1 단부와 제 2 단부 사이에 인가되거나, 상기 탭과 상기 제 1 단부 사이에 인가되도록 하는 제 1 스위칭 신호를 상기 제 1 스위칭부로 전송하는 제어부를 포함하되,
    상기 제 1 차 측 권선의 탭과 상기 제 1 단부 사이의 권선 수, 상기 제 1 단부와 상기 제 2 단부 사이의 권선수 및 상기 제 2 차 측 권선의 권선수는,
    상기 탭과 상기 제 1 단부 사이에 인가되어 상기 변압기에 의해 변압된 전압의 크기가 최대 제 2 전압의 크기보다 크고, 상기 제 1 단부와 상기 제 2 단부 사이에 인가되어 상기 변압기에 의해 변압된 전압의 크기가 기 설정된 기준 전압의 크기보다 크도록 결정되는 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 컨버터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 양방향 DC-DC 컨버터는,
    상기 제 1 전원 및 상기 제 1 스위칭부에 병렬로 연결되어 상기 제 1 전압을 클램핑(clamping)하는 제 1 커패시터; 및
    상기 제 2 전압 및 상기 제 2 스위칭부에 병렬로 연결되어 상기 제 2 전압을 클램핑하는 제 2 커패시터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 컨버터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제 1 스위칭부 및 상기 제 2 스위칭부 각각은,
    복수 개의 스위치를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 복수 개의 스위치 각각의 온 및 오프 동작을 제어하기 위한 상기 제 1 스위칭 신호와 상기 제 2 스위칭 신호를 상기 복수 개의 스위치 각각으로 전송하는 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 컨버터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제 1 스위칭부 및 상기 제 2 스위칭부 각각은,
    풀 브릿지(full bridge) 회로, 하프 브릿지(half bridge) 회로 또는 센터 탭 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 DC-DC 컨버터.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제 1 스위칭부가 풀 브릿지 회로인 경우, 상기 제 1 스위칭부는 서로 직렬 연결되고 상기 제 1 전원과는 병렬로 연결되는 제 1 스위치와 제 2 스위치, 서로 직렬 연결되고 상기 제 1 스위치와 제 2 스위치에는 병렬로 연결되는 제 3 스위치와 제 4 스위치, 및 서로 직렬 연결되고 상기 제 3 스위치와 제 4 스위치에는 병렬로 연결되는 제 5 스위치와 제 6 스위치를 포함하되,
    상기 제어부는,
    상기 측정된 제 2 전압이 상기 기 설정된 기준 전압보다 크면, 상기 제 1 스위치와 제 2 스위치 사이의 접점과 상기 제 3 스위치와 제 4 스위치 사이의 접점 사이의 전압이 상기 탭과 상기 제 1 단부 사이에 인가되도록 하는 제 1 스위칭 신호를 상기 제 1 스위칭부로 전송하고,
    상기 측정된 제 2 전압이 상기 기 설정된 기준 전압 이하이면, 상기 제 1 스위치와 제 2 스위치 사이의 접점과 상기 제 5 스위치와 제 6 스위치 사이의 접점 사이의 전압이 상기 제 1 단부와 상기 제 2 단부 사이에 인가되도록 하는 제 1 스위칭 신호를 상기 제 1 스위칭부로 전송하는 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 컨버터.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제 1 스위칭부가 하프 브릿지 회로인 경우,
    상기 제 1 스위칭부는, 서로 직렬 연결되고 상기 제 1 전원과는 병렬로 연결되는 제 3 커패시터와 제 4 커패시터, 서로 직렬 연결되고 상기 제 3 커패시터와 제 4 커패시터에는 병렬로 연결되는 제 7 스위치와 제 8 스위치, 및 서로 직렬 연결되고 상기 제 7 스위치와 제 8 스위치에는 병렬로 연결되는 제 9 스위치와 제 10 스위치를 포함하되,
    상기 제어부는,
    상기 측정된 제 2 전압이 상기 기 설정된 기준 전압보다 크면, 상기 제 3 커패시터와 제 4 커패시터 사이의 접점과 상기 제 7 스위치와 제 8 스위치 사이의 접점 사이의 전압이 상기 탭과 상기 제 1 단부 사이에 인가되도록 하는 제 1 스위칭 신호를 상기 제 1 스위칭부로 전송하고,
    상기 측정된 제 2 전압이 상기 기 설정된 기준 전압 이하이면, 상기 제 3 커패시터와 제 4 커패시터 사이의 접점과 상기 제 9 스위치와 제 10 스위치 사이의 접점 사이의 전압이 상기 제 1 단부와 상기 제 2 단부 사이에 인가되도록 하는 제 1 스위칭 신호를 상기 제 1 스위칭부로 전송하는 것을 특징으로 하는 양방향 DC-DC 컨버터.
  9. 양방향 DC-DC 컨버터의 벅 모드 또는 부스트 모드 하에서 가변되는 배터리의 전압을 측정하는 단계;
    상기 측정된 배터리의 전압과 기 설정된 기준 전압을 비교하여, 상기 측정된 배터리의 전압이 상기 기 설정된 기준 전압보다 크면, 제 1 전원에 직렬로 연결된 제 1 스위칭부에 의해 스위칭되는 상기 제 1 전원의 제 1 전압이 변압기의 탭과 상기 변압기의 제 1 차 측 권선의 제 1 단부 사이에 인가되도록 하는 제 1 스위칭 신호를 상기 제 1 스위칭부로 전송하고, 상기 측정된 배터리의 전압이 상기 기 설정된 기준 전압 이하이면, 상기 제 1 스위칭부에 의해 스위칭되는 제 1 전압이 상기 제 1 단부와 상기 제 1 차 측 권선의 제 2 단부 사이에 인가되도록 하는 제 1 스위칭 신호를 상기 제 1 스위칭부로 전송하는 단계;
    상기 제 1 스위칭부를 이용하여, 상기 제 1 스위칭 신호에 따른 온 및 오프 동작을 통해 상기 제 1 전원으로부터 인가되는 제 1 전압을 스위칭하는 단계;
    상기 변압기를 이용하여 상기 스위칭된 제 1 전압을 변압하는 단계;
    상기 배터리에 직렬로 연결된 제 2 스위칭부를 이용하여, 제 2 스위칭 신호에 따른 온 및 오프 동작을 통해 상기 배터리로부터 인가되는 제 2 전압을 스위칭하는 단계;
    상기 변압된 제 1 전압과 상기 스위칭된 제 2 전압 사이의 차 전압을 상기 변압기의 제 2 차 측 권선과 상기 제 2 스위칭부 사이에 직렬로 연결된 인덕터에 인가하는 단계; 및
    상기 인덕터를 통해 흐르는 전류를 이용하여 상기 배터리를 충전 또는 방전하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리의 충방전 방법.
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