KR101601549B1 - 배터리 충전 제어 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

배터리 충전 제어 방법 및 장치가 개시된다. 본 발명에 따른 배터리의 충전 및 제어를 수행하는 장치는, 배터리 충전 장치의 입력 전원으로 인가된 교류 전압을 직류 전압으로 정류하는 AC/DC 컨버터, AC/DC 컨버터의 출력단에 결합되며, 직류 전압을 고주파 스위칭을 통해 스케일링하는 DC/DC 컨버터 및 DC/DC 컨버터의 출력단에 결합되며, 스케일링된 직류 전압을 입력 전압으로 하여 불연속적인 동작을 통해 역률 개선된 전류로 배터리를 충전하는 척 컨버터를 포함하는 배터리 충전 제어 장치를 포함한다. 본 발명에 따르면, 배터리 충전 장치에 용량이 작은 커패시터를 사용함으로써 배터리 충전 장치의 장수명화를 제공 가능하다.

Description

배터리 충전 제어 방법 및 장치{METHOD FOR BATTERY CHARGING CONTROL AND APPARATUS THEREFOR}
본 발명은 배터리의 충전을 제어하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배터리 충전 장치의 장수명을 위한 배터리의 충전을 제어하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
일반적인 배터리 충전기는 AC 110V 또는 AC 220V와 같은 상용 전원(교류 전원)을 입력 전원으로 사용하고 있다. 직류 전원에서는 전압과 전류의 곱이 유효전력이 되나, 교류 전원에서는 전류와 전압의 곱에 역률(power factor)을 곱한 값이 유효전력이 되므로, 역률 보정이 고려되어야 한다. 따라서, 배터리 충전기는 역률개선(PFC, power factor correction)을 담당하는 AC/DC 컨버터, 보다 안정된 DC 전압으로의 변환을 위한 고압 링크 커패시터(capacitor) 및 충전제어를 위한 변압기를 사용하는 DC/DC 단의 2단 구성을 가진다.
또한, 배터리 충전기는 인가된 교류 전압을 정류하여 입력측의 전류가 정류된 전압을 추종하도록 역률개선단에서 전류제어를 실시한다. 이때, 변동 전압(fluctuating power)이 발생하므로, 이를 필터링 하기 위해 고압의 DC 링크 커패시터를 사용한다. 이후, AC/DC 컨버터에서 형성된 직류 전압은 DC/DC 컨버터의 입력단으로 전달되고, DC/DC 컨버터는 DC/DC 컨버터에 포함된 변합기를 통해 전류를 제어하고, 배터리를 충전한다.
이러한, 배터리 충전기는 2단 구조로 되어 있어 시스템이 복잡하다. 또한, DC 링크 커패시터는 발생된 변동 전압의 필터링을 위해 수천 uF 이상의 고용량을 사용하므로, 기존의 배터리 충전기는 전력밀도가 높은 전해 커패시터를 사용하고 있다.
예컨대, 한국 공개특허공보 제10-2012-0018935호(2012.03.06. 차량용 충전 장치)는 교류 전원인 상용 전원으로 차량용 배터리를 충전하는 방법을 제안하고 있다. 하지만, 이와 같은 방법을 사용하는 차량용 배터리 충전 방법은 전해 커패시터의 수명은 온도에 매우 민감하여, 온도가 높아지면 수명이 급감하는 단점이 있다. 따라서, 자동차와 같이 긴 수명 시간을 요구하는 응용분야에서는 적합하지 않은 문제점이 있다. 또한, 이와 같은 문제를 해결하기 위해 전해 커패시터 대신 필름 커패시터를 고려할 수 있으나, 전해 커패시터에 비해 전력밀도가 매우 낮아 고용량으로 설계할 경우, 높은 전력밀도를 요구하는 충전기에 적합하지 않은 문제점이 있다.
상기한 바와 같은 문제점을 극복하기 위한 본 발명의 목적은 용량이 작은 커패시터를 사용하여 배터리의 충전을 제어하고 역률을 개선함으로써 배터리 충전 장치의 장수명을 보장하는 배터리 충전 제어 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 용량이 작은 커패시터를 사용하여 배터리의 충전을 제어하고 역률을 개선함으로써 배터리 충전 장치의 장수명을 보장하는 배터리 충전 제어 방법을 제공하는 것이다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 제어 장치는 배터리의 충전 및 제어를 수행하는 장치로서, 상기 장치의 입력 전원으로 인가된 교류 전압을 직류 전압으로 정류(rectification)하는 AC/DC 컨버터, 상기 AC/DC 컨버터의 출력단에 결합되며, 상기 직류 전압을 고주파 스위칭을 통해 스케일링(scaling)하는 DC/DC 컨버터 및 상기 DC/DC 컨버터의 출력단에 결합되며, 상기 스케일링된 직류 전압을 입력 전압으로 하여, 불연속적인 동작을 통해 역률 개선된 전류를 생성하고, 생성된 전류를 상기 배터리에 공급하는 척 컨버터(Cuk converter)를 포함한다.
여기서, 상기 DC/DC 컨버터는 미리 설정된 주파수에 기초하여 PWM(Pulse Width Modulation) 처리를 통해 상기 직류 전압을 스케일링할 수 있다.
여기서, 상기 스케일링된 직류 전압은 상기 AC/DC 컨버터에서 출력되는 전압과 동일한 유형의 파형을 가지는 전압일 수 있다.
여기서, 상기 척 컨버터는 불연속적으로 동작함으로써, 상기 배터리에 공급하는 전류를 상기 스케일링된 직류 전압과 동일한 유형의 파형으로 유지하여 공급할 수 있다.
여기서, 상기 척 컨버터는, 상기 제1 서브-척 컨버터 및 상기 제1 서브-척 컨버터와 병렬로 결합되는 제2 서브-척 컨버터로 구성될 수 있다.
여기서, 상기 제1 서브-척 컨버터는 상기 제2 서브-척 컨버터와 위상이 다른 전류를 상기 배터리에 공급할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 충전 장치에서 수행되는 배터리 충전 제어 방법에 있어서, 상기 장치의 AC/DC 컨버터를 통해 입력 전원으로 인가된 교류 전압을 직류 전압으로 정류(rectification)하는 단계, 상기 장치의 DC/DC 컨버터를 통해 상기 직류 전압을 고주파 스위칭으로 스케일링(scaling)하는 단계 및 상기 스케일링된 직류 전압을 입력 전압으로 하는, 상기 장치의 척 컨버터(Cuk converter)의 불연속적인 동작을 통해 역률 개선된 전류를 생성하고, 생성된 전류를 상기 배터리에 공급하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 직류 전압을 고주파 스위칭으로 스케일링하는 단계는 미리 설정된 주파수에 기초하여 PWM(Pulse Width Modulation) 처리를 통해 상기 직류 전압을 스케일링할 수 있다.
여기서, 상기 스케일링된 직류 전압은 상기 AC/DC 컨버터에서 출력되는 전압과 동일한 유형의 파형을 가지는 전압일 수 있다.
여기서, 상기 척 컨버터는 불연속적으로 동작함으로써, 상기 배터리에 공급하는 전류를 상기 스케일링된 직류 전압과 동일한 유형의 파형으로 유지하여 공급할 수 있다.
여기서, 상기 생성된 전류를 상기 배터리에 공급하는 단계는 상기 스케일링된 직류 전압은 제1 서브-척 컨버터 및 상기 제1 서브-척 컨버터와 병렬 구조로 구성된 제2 서브-척 컨버터에 인가되는 단계 및 상기 제1 서브-척 컨버터 및 제2 서브-척 컨버터를 통해, 서로 다른 위상을 가지는 전류를 상기 배터리에 공급하는 단계를 포함할 수 있다.
상술한 바와 같은 배터리 충전 제어 방법 및 장치에 따르면, 용량이 작은 커패시터를 사용하여 배터리 충전을 제어할 수 있고, 배터리 충전의 역률을 개선하여 배터리 충전의 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배터리 충전 제어 방법 및 장치에 따르면, 용량이 작은 커패시터를 사용함으로써 배터리 충전 장치의 장수명이 요구되는 자동차 배터리와 같은 응용분야에 적용 가능하다.
도 1은 배터리 충전 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2는 배터리 충전 장치에 인가되는 전원 및 이에 따라 흐르는 전류의 파형을 나타내는 그래프이다.
도 3은 배터리 충전 장치에서 정류된 전압 및 이에 따라 흐르는 전류의 파형을 나타내는 그래프이다.
도 4는 배터리 충전 장치에서 AC/DC 컨버터를 통해 변환되는 전압을 나타내는 그래프이다.
도 5는 배터리 충전 장치에서 배터리를 충전하는 전류 및 전압의 파형을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 제어 방법이 수행되는 회로도이다.
도 7은 도 6에 도시한 회로에서 동작하는 전압 및 전류의 파형을 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명에 따른 배터리 충전 제어 장치의 구성을 나타내는 개념도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 제어 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 10은 본 발명에 따른 배터리 충전 제어 방법을 모의 실험한 회로도이다.
도 11은 도 10에 도시한 회로에서 동작하는 전압 및 전류의 파형을 나타내는 그래프이다.
도 12는 도 10에 도시한 회로에서 위상 천이된 전류의 파형을 나타내는 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 이하, 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
이하에서는, 도 1 내지 도 5를 참조하여, 배터리 충전 장치에서 수행되는 배터리 충전 방법을 설명한다. 여기서, 배터리 충전 장치가 충전하는 배터리는 전기 차량용(electronic vehicle) 배터리를 의미할 수 있다.
도 1은 배터리 충전 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 배터리 충전 장치는 배터리 충전 장치의 입력 전원으로 인가된 교류 전압을 직류 전압으로 정류(rectification)할 수 있다(S110).
배터리 충전 장치는 장치 내에 포함된 AC/DC 컨버터(converter)를 통해 입력 전원으로 인가된 교류 전압을 직류 전압으로 정류할 수 있고, 도 2를 참조하여 배터리 충전 장치에 인가된 교류 전압 및 교류 전압에 따라 발생되는 교류 전원을 확인할 수 있다.
도 2는 배터리 충전 장치에 인가되는 전원 및 이에 따라 흐르는 전류의 파형을 나타내는 그래프이다.
도 2를 참조하면, 배터리 충전 장치가 사용하는 AC 110V 또는 AC 220V와 같은 교류 전압(210)은 사인파(sine wave)의 형태를 가질 수 있다. 또한, 배터리 충전 장치는 인가된 교류 전압(210)에 따라, 사인파의 형태를 가진 교류 전류(220)를 발생시킬 수 있다. 도 3을 참조하여, 배터리 충전 장치의 AC/DC 컨버터를 통해 정류된 교류 전압이 직류 전압의 파형을 가지는 것을 확인할 수 있다.
도 3은 배터리 충전 장치에서 정류된 전압 및 이에 따라 흐르는 전류의 파형을 나타내는 그래프이다.
도 3을 참조하면, 배터리 충전 장치에 도 2에 도시된 바와 같은 교류 전압(210)이 인가되면, AC/DC 컨버터를 통해 직류 전압(310)으로 정류할 수 있다. 또한, 배터리 충전 장치는 DC/DC 컨버터의 입력측에 흐르는 입력 전류(320)가 정류된 전압을 추종하도록 제어할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 배터리 충전 장치는 정류된 직류 전압을 고압 링크 커패시터를 통해 안정된 직류 전압으로 변환할 수 있다(S120). 도 4를 참조하여, 배터리 충전 장치에서 변환되어 안정된 직류 파형을 가지는 전압을 확인할 수 있다.
도 4는 배터리 충전 장치에서 AC/DC 컨버터를 통해 변환되는 전압을 나타내는 그래프이다.
도 4를 참조하면, 배터리 충전 장치에서 정류된 직류 전압을 고압 링크 커패시터를 통해 변환하여 출력된 안정된 직류 전압인 링크 전압(410)을 확인할 수 있다. 여기서, 배터리 충전 장치에 사용되는 커패시터는 전해 커패시터(electrolytic capacitor) 또는 필름 커패시터(film capacitor)를 의미할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 배터리 충전 장치는 변환된 안정된 직류 전압으로 DC/DC 컨버터를 통해 배터리의 충전을 제어할 수 있다(S130). 도 5를 참조하여, 배터리 충전 장치에서 DC/DC 컨버터를 통해 배터리에 충전되는 충전 전류 및 충전 전압을 확인할 수 있다.
도 5는 배터리 충전 장치에서 배터리를 충전하는 전류 및 전압의 파형을 나타내는 그래프이다.
도 5를 참조하면, 배터리 충전 장치는 DC/DC 컨버터를 통해, 배터리에 충전되는 충전 전류(510) 및 충전 전압(520)을 제어할 수 있다. 여기서, 배터리 충전 장치는 DC/DC 컨버터의 변압기를 통해, 직류 전압을 전력용량이 큰 다른 전압의 교류 전압으로 변환하고, 교류 전압을 다시 정류하여 배터리 충전에 필요한 직류 전압으로 변환할 수 있다.
이하에서는, 도 6 내지 도 7을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 제어 방법이 수행되는 회로의 동작을 설명한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 제어 방법이 수행되는 회로도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 제어 방법이 수행되는 충전 제어 회로(600)는 배터리를 충전하는 장치에 포함되어 구성될 수 있고, 배터리를 충전하는 장치의 충전을 제어하는 별도의 제어 장치에 포함되어 구성될 수도 있다.
충전 제어 회로(600)는 AC/DC 컨버터(610), DC/DC 컨버터(620) 및 척 컨버터(Cuk converter)(630)를 포함할 수 있다.
먼저, 충전 제어 회로(600)의 AC/DC 컨버터(610)는 충전 제어 회로(600)의 전원으로 인가된 교류 전원을 정류하여 직류 전압으로 변환할 수 있다. 여기서, 충전 제어 회로(600)에 인가된 교류 전원은 AC 110V 또는 AC 220V와 같은 교류 전압일 수 있다.
여기서, 도 7을 참조하여, 충전 제어 회로(600)의 AC/DC 컨버터(610)를 통해 직류 전압으로 변환되어 DC/DC 컨버터(620)으로 전달되는 전압을 확인할 수 있다.
도 7은 도 6에 도시한 회로에서 동작하는 전압 및 전류의 파형을 나타내는 그래프이다.
도 7을 참조하면, 충전 제어 회로(600)의 AC/DC 컨버터(610)에서 DC/DC 컨버터(620)로 전달되는 직류 전압은 제1 전압(710)과 같을 수 있다. 여기서, DC/DC 컨버터(620)는 고주파 LLC DC/DC 컨버터일 수 있다.
다시 도 6을 참조하면, 충전 제어 회로(600)의 DC/DC 컨버터(620)는 AC/DC 컨버터(610)의 출력단과 연결될 수 있고, AC/DC 컨버터(610)에서 정류된 전압을 고주파 스위칭을 통해 스케일링(scaling)할 수 있다. 구체적으로, DC/DC 컨버터(620)는 특정 주파수의 삼각파에 기초하여 전압의 펄스(pulse)의 폭(width)를 조절하여 정류된 전압을 조절할 수 있다. 도 7을 참조하여, 충전 제어 회로(600)의 DC/DC 컨버터(620)에 흐르는 전류를 확인할 수 있다.
도 7을 참조하면, 충전 제어 회로(600)의 DC/DC 컨버터(620)에 포함된 인덕터(Lr)를 통해 흐르는 전류는, 도 7에 도시된 제1 전류(720)와 같을 수 있고, 인덕터(Lm)를 통해 흐르는 전류는, 제2 전류(730)와 같을 수 있다.
다시 도 6을 참조하면, 충전 제어 회로(600)의 척 컨버터(630)는 DC/DC 컨버터(620)의 출력단과 연결될 수 있고, DC/DC 컨버터(620)로부터 스케일링된 전압을 전달받을 수 있다.
여기서, 척 컨버터(630)는 불연속적으로 동작할 수 있고, 이에 따라 척 컨버터(630)에 포함된 인덕터에 흐르는 전류는 척 컨버터(630)로 입력된 전압의 파형과 동일한 유형의 파형을 가짐으로써, 역률 개선을 수행할 수 있다. 도 7을 참조하여, 척 컨버터(630)에 제공되는 전압을 확인할 수 있다.
도 7을 참조하면, 척 컨버터(630)에 제공되는 전압은 제2 전압(740)과 같을 수 있다.
다시 도 6을 참조하면, 척 컨버터(630)는 제1 서브 척 컨버터(631) 및 제2 서브 척 컨버터(632)를 포함할 수 있고, 제1 서버 척 컨버터(631) 및 제2 서버 척 컨버터(632)는 서로 병렬 구조로 구성될 수 있다.
척 컨버터(630)의 제1 서브 척 컨버터(631) 및 제2 서브 척 컨버터(632)는 병렬 구조로 구성됨으로써, 각 척 컨버터에 걸리는 전압이 저감되는 효과를 가질 수 있다.
구체적으로, 제1 서브 척 컨버터(631)는 DC/DC 컨버터에 포함된 두 개의 커패시터 중 제1 커패시터의 출력단과 연결될 수 있고, 제2 서브 척 컨버터(632)는 DC/DC 컨버터에 포함된 두 개의 커패시터 중 제2 커패시터의 출력단과 연결될 수 있다. 또한, 제1 서브 척 컨버터(631) 및 제2 서브 척 컨버터(632)는 서로 병렬 구조로 연결됨으로써, 각각의 척 컨버터에 동일한 전압(Vb/2)이 인가될 수 있다.
제1 서브 척 컨버터(631) 및 제2 서브 척 컨버터(632) 중 어느 하나의 척 컨버터는 위상 천이(phase shift) 방식으로 동작할 수 있고, 이에 따라 각각의 척 컨버터에서 출력되는 전류는 서로 다른 위상을 가질 수 있다.
충전 제어 회로(600)는 제1 서브 척 컨버터(631) 및 제2 서브 척 컨버터(632)가 서로 다른 위상을 가지는 전류를 출력함으로써, 배터리에 충전되는 충전 전류 리플(ripple)을 저감할 수 있다. 여기서, 전류 리플은 직류 전류에 포함된 교류 전류의 성분을 의미할 수 있다. 도 7을 참조하여, 제1 서브 척 컨버터(631) 및 제2 서버 척 컨버터(632)에 흐르는 전류를 확인할 수 있다.
도 7을 참조하면, 제1 서브 척 컨버터(631)에 포함된 제1 인덕터에 흐르는 전류는 도 7에 도시된 제3 전류(750)와 같을 수 있고, 제2 서브 척 컨버터(632)에 포함된 제2 인덕터에 흐르는 전류는 제4 전류(760)과 같을 수 있다. 또한, 제1 서브 척 컨버터(631)의 제3 전류(750)와 제2 서브 척 컨버터(632)의 제4 전류(760)는 일정 간격(Tsb)의 위상 차이를 가질 수 있다.
다시 도 6을 참조하면, 제1 서브 척 컨버터(631) 및 제2 서브 척 컨버터(632)의 출력단은 충전되는 배터리와 연결되어 배터리에 충전되는 전압 및 전류를 제공할 수 있다. 상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 제어 회로는 배터리 충전 장치에 포함되어, 배터리의 충전을 제어하고 역률을 개선할 수 있다.
도 8은 본 발명에 따른 배터리 충전 제어 장치의 구성을 나타내는 개념도이다.
도 8을 참조하면, 배터리 충전 제어 장치(800)는 저역통과필터(LPF, low pass filter)(810), 기준 발생부(820), 충전 전류 제어부(830), PWM 제어부(840) 및 위상 천이부(850)를 포함할 수 있다.
여기서, 상기와 같은 배터리 충전 장치(800)의 각 구성은 수행하는 역할에 따라 구분한 구조적인 구성일 뿐, 동일한 역할을 수행하는 다른 형태의 구성으로 대체될 수도 있다.
배터리 충전 장치(800)는 저역통과필터(810)를 통해 배터리 충전을 위한 전류(ib)를 필터링할 수 있고, 기준 발생기(820)를 통해 배터리를 충전하기 위한 기준 전류(Ib_ref)를 획득할 수 있다.
이후, 배터리 충전 장치(800)의 충전 전류 제어부(830)는 PWM 제어부(840)와 연동되어 동작할 수 있고, 저역통과필터(810)에 의해 필터링된 전류(ib) 및 기준 발생기(820)로부터 획득한 기준 전류(Ib_ref)에 기초하여 배터리에 충전되는 전류를 제어할 수 있다.
이후, 배터리 충전 장치(800)는 위상 천이부(850)를 통해, 배터리를 충전하는 전류에 대하여 위상을 천이할 수 있고, 이에 따라 배터리 충전 장치는 위상이 천이되지 않은 전류인 제1 출력과 위상이 천이된 전류 제2 출력을 가질 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 제어 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 9를 참조하여 설명하는 배터리 충전 제어 방법은, 배터리를 충전하는 장치에서 수행될 수 있고, 도 6을 참조하여 설명한 배터리 충전 제어 회로를 통해서 구현될 수 있다.
먼저, 배터리 충전 장치는 배터리 충전 장치의 입력 전원으로 인가된 교류 전압을 직류 전압으로 정류할 수 있다(S910).
여기서, 배터리 충전 장치가 충전하는 배터리는 전기 차량용 배터리를 의미할 수 있고, 배터리를 충전하기 위해 입력 전원으로 인가된 AC 110V 또는 AC 220V와 같은 교류 전압을 직류 전압으로 정류할 수 있다. 배터리 충전 장치가 교류 전압을 직류 전압으로 정류하는 구체적인 방법은 도 6 및 7을 참조하여 설명한 AC/DC 컨버터가 수행하는 동작과 동일할 수 있다.
이후, 배터리 충전 장치는 직류 전압을 고주파 스위칭을 통해 스케일링할 수 있다(S920).
여기서, 배터리 충전 장치는 장치에 포함된 DC/DC 컨버터를 통해서, 직류 전압을 고주파 스위칭 하여 스케일링 할 수 있고, 이에 따른 전압 및 전류의 변화는 도 6 및 7을 참조하여 설명한 DC/DC 컨버터의 동작 과정에서의 전압 및 전류와 동일할 수 있다.
이후, 배터리 충전 장치는 스케일링된 직류 전압을 입력 전압으로 하는 척 컨버터의 불연속적인 동작을 통해 역률 개선된 충전 전류를 출력할 수 있다(S930).
여기서, 배터리 충전 장치에 포함된 척 컨버터는 DC/DC 컨버터의 출력단과 연결될 수 있고, 제1 서브 척 컨버터 및 제2 서브 척 컨버터로 구성될 수 있다. 또한, 배터리 충전 장치는 제1 서브 척 컨버터 및 제2 서브 척 컨버터를 병렬 구조로 가질 수 있다.
배터리 충전 장치에서 수행되는 배터리 충전 전류의 제어 및 역률 개선하는 구체적인 방법은 도 6 및 7을 참조하여 설명한 척 컨버터의 동작 과정과 동일할 수 있다. 상술한 바와 같이, 배터리 충전 장치는 단계 S910 내지 S930을 통해 배터리 충전의 제어 및 역률 개선을 수행함으로써, 배터리 충전 장치의 장수명을 제공할 수 있다.
이하에서는, 도 10 내지 도 12를 참조하여 본 발명에 따른 배터리 충전 제어 장치의 동작을 검증할 수 있는 모의 실험 결과를 설명한다.
도 10은 본 발명에 따른 배터리 충전 제어 방법을 모의 실험한 회로도이다.
도 10을 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 충전 제어 방법을 위한 모의 실험 회로에서는 입력 전원으로 AC 220V를 사용하였고, 충전하는 배터리의 전압은 450V를 사용하였다. 또한, 모의 실험 회로에 사용된 변압기의 권선비는 1:1.6으로 설정하였고, DC/DC 컨버터의 듀티비(duty ratio)은 50%의 고정 시비율로 설정하였다. 또한, 모의 실험 회로의 척 컨버터는 50KHz의 주파수로 PWM(pulse width modulation) 전류 제어를 사용하였다. 도 11을 참조하여, 상기와 같은 조건에서 배터리 충전을 수행하여 나타나는 전류 및 전압의 파형을 확인할 수 있다.
도 11은 도 10에 도시한 회로에서 동작하는 전압 및 전류의 파형을 나타내는 그래프이다.
도 11을 참조하면, 모의 실험 회로에 인가된 입력 전원은 교류 전압(Vac)의 파형을 가지며, 인가된 교류 전압(Vac)는 정류되어 직류 전압(Vin)의 파형을 가진다. 이후, 정류된 직류 전압(Vin)은 DC/DC 컨버터의 입력단으로 전달되고, 이에 따라 DC/DC 컨버터에 포함된 인덕터를 통해 전류(ILrp)의 파형을 가지는 전류가 흐른다.
이후, 모의 실험 회로의 척 컨버터는 DC/DC 컨버터로부터 출력단에서 전달되는 전압을 입력 전압으로 하여, DCM(discontinuous-conduction mode) 동작한다. 여기서, 척 컨버터의 입력단에 흐르는 전류는 제1 전류(IL1) 및 제2 전류(IL2)의 파형을 가지며, 배터리에 충전되는 전류는 제3 전류(Ib)의 파형을 가지는 것을 확인할 수 있다. 도 12를 참조하여, 모의 실험 회로의 척 컨버터에서 위상이 천이된 전류의 파형을 확인할 수 있다.
도 12는 도 10에 도시한 회로에서 위상 천이된 전류의 파형을 나타내는 그래프이다.
도 12를 참조하면, 모의 실험 회로의 DC/DC 컨버터의 전류(ILrp)가 척 컨버터로 전달되고, 척 컨버터에서의 제1 전류(IL1) 및 제2 전류(IL2)의 파형을 확인할 수 있다. 여기서, 제1 전류(IL1) 및 제2 전류(IL2) 중 제2 전류(IL2)는 위상이 천이된 파형임을 확인 수 있다.
상술한 바와 같이, 모의 실험을 통하여 본 발명에 따른 배터리 충전 제어 방법을 수행할 경우, 배터리의 충전에 대하여 역률을 개선할 수 있고, 용량이 작은 커패시터를 사용할 수 있음으로써, 배터리 충전 장치의 장수명화를 제공할 수 있음을 알 수 있다.
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.
210 : 교류 전압 220 : 교류 전류
310 : 직류 전압 320 : 입력 전류
410 : 링크 전압 510 : 충전 전류
520 : 충전 전압 600 : 충전 제어 회로
610 : AC/DC 컨버터 620 : DC/DC 컨버터
630 : 척 컨버터 631 : 제1 서브 척 컨버터
632 : 제2 서브 척 컨버터 710 : 제1 전압
720 : 제1 전류 730 : 제2 전류
740 : 제2 전압 750 : 제3 전류
760 : 제4 전류 800 : 충전 제어 장치
810 : 저역통과필터 820 : 기준 발생기
830 : 충전 전류 제어부 840 : PWM 제어부
850 : 위상 천이부

Claims (11)

  1. 배터리의 충전 및 제어를 수행하는 장치로서,
    상기 장치의 입력 전원으로 인가된 교류 전압을 직류 전압으로 정류(rectification)하는 AC/DC 컨버터;
    상기 AC/DC 컨버터의 출력단에 결합되며, 상기 직류 전압을 고주파 스위칭을 통해 스케일링(scaling)하는 DC/DC 컨버터; 및
    상기 DC/DC 컨버터의 출력단에 결합되며, 상기 스케일링된 직류 전압을 입력 전압으로 하여, 불연속적인 동작을 통해 상기 스케일링된 직류 전압과 동일한 파형의 역률 개선된 전류를 생성하고, 생성된 전류를 상기 배터리에 공급하는 척 컨버터(Cuk converter)를 포함하되,
    상기 척 컨버터는,
    상기 DC/DC 컨버터에 포함된 제1 커패시터의 출력단과 연결되는 제1 서브-척 컨버터; 및
    상기 DC/DC 컨버터에 포함되고 상기 제1 커패시터와 직렬로 연결된 제2 커패시터의 출력단과 연결되어 상기 제1 서브-척 컨버터와 병렬 구조를 가지는 제2 서브-척 컨버터를 포함하고,
    상기 제1 서브-척 컨버터 및 상기 제2 서브-척 컨버터 중 하나의 컨버터는 위상 천이(phase shift) 방식으로 동작하여, 상기 제1 서브-척 컨버터 및 상기 제2 서브-척 컨버터는 서로 다른 위상을 가지는 전류를 상기 배터리에 공급하는 배터리 충전 제어 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 DC/DC 컨버터는,
    미리 설정된 주파수에 기초하여 PWM(Pulse Width Modulation) 처리를 통해 상기 직류 전압을 스케일링하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 제어 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 스케일링된 직류 전압은,
    상기 AC/DC 컨버터에서 출력되는 전압과 동일한 유형의 파형을 가지는 전압인 것을 특징으로 하는 배터리 충전 제어 장치.
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  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 배터리의 충전 장치에서 수행되는 배터리 충전 제어 방법에 있어서,
    상기 장치의 AC/DC 컨버터를 통해 입력 전원으로 인가된 교류 전압을 직류 전압으로 정류(rectification)하는 단계;
    상기 장치의 DC/DC 컨버터를 통해 상기 직류 전압을 고주파 스위칭으로 스케일링(scaling)하는 단계; 및
    상기 스케일링된 직류 전압을 입력 전압으로 하는, 상기 장치의 척 컨버터(Cuk converter)의 불연속적인 동작을 통해 상기 스케일링된 직류 전압과 동일한 파형의 역률 개선된 전류를 생성하고, 생성된 전류를 상기 배터리에 공급하는 단계를 포함하되,
    상기 생성된 전류를 상기 배터리에 공급하는 단계는,
    상기 스케일링된 직류 전압을 상기 DC/DC 컨버터에 포함된 제1 커패시터의 출력단과 연결되는 제1 서브-척 컨버터 및 상기 DC/DC 컨버터에 포함되고 상기 제1 커패시터와 직렬로 연결된 제2 커패시터의 출력단과 연결되어 상기 제1 서브-척 컨버터와 병렬 구조를 가지는 제2 서브-척 컨버터에 인가하는 단계; 및
    상기 제1 서브-척 컨버터 및 상기 제2 서브-척 컨버터 중 하나의 컨버터는 위상 천이(phase shift) 방식으로 동작하여, 상기 제1 서브-척 컨버터 및 상기 제2 서브-척 컨버터를 통해 서로 다른 위상을 가지는 전류를 상기 배터리에 공급하는 단계를 포함하는 배터리 충전 제어 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 직류 전압을 고주파 스위칭으로 스케일링하는 단계는,
    미리 설정된 주파수에 기초하여 PWM(Pulse Width Modulation) 처리를 통해 상기 직류 전압을 스케일링하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 제어 방법.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 스케일링된 직류 전압은,
    상기 AC/DC 컨버터에서 출력되는 전압과 동일한 유형의 파형을 가지는 전압인 것을 특징으로 하는 배터리 충전 제어 방법.
  10. 삭제
  11. 삭제
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