KR101695244B1 - 차량의 동력 공급 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 차량의 동력 공급 장치에 관한 것이다. 본 발명은, 직류 전압을 저장하는 배터리; 상기 배터리의 양극에 연결된 제1 및 제4 스위칭부들; 상기 제1 스위칭부와 상기 특정 장치 사이에 연결된 제3 스위칭부; 상기 제1 스위칭부 및 제3 스위칭부의 연결부와 상기 제4 스위칭부 사이에 연결되며, 입력되는 전압을 변환하여 출력하는 전압 변환부; 상기 제4 스위칭부 및 상기 전압 변환부의 연결부에 입력단이 연결되고 상기 특정 장치에 출력단이 연결되며, 입력되는 신호의 전압이 특정 전압을 초과할 때 상기 신호를 상기 특정 장치로 전송하는 능동형 스위칭 소자; 및 상기 배터리의 음극과 상기 특정 장치 사이에 연결된 제2 스위칭부를 구비하는 차량의 동력 공급 장치를 제공한다.

Description

차량의 동력 공급 장치{Device for suppling power of car}

본 발명은 동력 공급 장치에 관한 것으로서, 특히 차량의 동력을 공급하는 장치에 관한 것이다.

가솔린의 가격 상승으로 엔진 없이 배터리를 이용하여 작동하는 전기 차량과, 배터리에 의해 동작하는 모터와 가솔린이나 개스에 의해 동작하는 엔진을 모두 구비하여 이 둘 중 하나를 적절히 사용하는 하이브리드(hybrid) 차량의 개발이 활발히 이루어지고 있다.

종래의 전기 차량과 하이브리드 차량은 배터리를 DC(Direct Current) 링크(link)단에 직접 연결하는 구조를 채택하고 있다. 이러한 연결구조는 저전압을 요하는 경우에 주로 사용되며, 구동모터가 큰 시스템에 적용할 경우 구동 모터 크기에 비례하여 시스템 전류용량을 키워야하기 때문에 케이블 중량 증가와 모터 사이즈 및 중량의 증가를 피할 수 없다.

이러한 단점을 극복하기 위하여 배터리 전압을 승압시켜서 상기 DC 링크단에 연결하는 구조를 개발 중에 있다. 그러나, 이 구조는 배터리의 고전압화 한계를 극복하기 위한 시스템이며, 이 구조의 특징은 시스템 전압을 기존 300볼트급에서 그 이상으로 승압하여 구동모터에 제공함으로써 전력케이블과 모터의 중량 및 사이즈를 줄이는 효과가 있다. 하지만, 차량이 저속 저토크 영역으로 동작할 경우에는 상기 승압 전압에 의해 오히려 전체 시스템 효율이 저하되는 단점이 있다.

따라서 상기 2가지 구조의 장단점을 보완할 수 있는 방법이 필요하다. 즉, 상기 2가지 구조는 초기충전을 위한 저항을 사용하므로 에너지를 낭비하며, 초기충전시간이 저항값에 의해 제한되며, DC 링크단에 작은 부하라도 있을 경우 초기충전이 되지 않는 단점이 있다. 따라서, 초기충전 저항을 사용하지 않는 구조가 요구되고 있다.

본 발명의 목적은 저항을 사용하지 않고 차량의 동력을 공급하는 차량의 동력 공급 장치를 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은,

차량의 특정 장치에 동력을 공급하는 장치에 있어서, 직류 전압을 저장하는 배터리; 및 상기 배터리와 상기 특정 장치 사이에 연결되며, 제1 내지 제3 모드를 통해 상기 특정 장치에 동력을 공급하며, 상기 제1 모드에서는 상기 특정 장치를 상기 배터리의 전압 레벨로 강압시키고, 상기 제2 모드에서는 상기 특정 장치를 상기 배터리의 전압 레벨로 유지시키며, 상기 제3 모드에서는 상기 배터리의 전압을 그보다 높은 전압으로 승압시켜서 상기 특정 장치에 인가하는 전압 공급부를 구비하는 차량의 동력 공급 장치를 제공한다.

상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 또한,

차량의 특정 장치에 동력을 공급하는 장치에 있어서, 직류 전압을 저장하는 배터리; 상기 배터리의 양극에 연결된 제1 및 제4 스위칭부들; 상기 제1 스위칭부와 상기 특정 장치 사이에 연결된 제3 스위칭부; 상기 제1 스위칭부 및 제3 스위칭부의 연결부와 상기 제4 스위칭부 사이에 연결되며, 입력되는 전압을 변환하여 출력하는 전압 변환부; 상기 제4 스위칭부 및 상기 전압 변환부의 연결부에 입력단이 연결되고 상기 특정 장치에 출력단이 연결되며, 입력되는 신호의 전압이 특정 전압을 초과할 때 상기 신호를 상기 특정 장치로 전송하는 능동형 스위칭 소자; 및 상기 배터리의 음극과 상기 특정 장치 사이에 연결된 제2 스위칭부를 구비하는 차량의 동력 공급 장치를 제공한다.

상기 제1 내지 제4 스위칭부들은 각각 릴레이로 구성될 수 있고, 상기 능동형 스위칭 소자는 상기 제4 스위칭부와 상기 전압 변환부의 연결부에 애노드가 연결되고 상기 특정 장치에 캐쏘드가 연결된 다이오드일 수 있다.

상기 전압 변환부는, 상기 배터리로부터 출력되는 전압이 상기 제1 스위칭부를 통해서 입력될 경우에는 상기 특정 장치를 상기 배터리의 전압 레벨로 강압시키고, 상기 배터리로부터 출력되는 전압이 상기 제4 스위칭부를 통해서 입력될 경우에는 상기 배터리의 전압보다 높은 전압으로 승압된 전압을 상기 특정 장치로 전송하는 양방향 전압 변환부이며, 상기 전압 변환부는 직류 전압을 다른 레벨의 직류 전압으로 변환하는 DC(Direct Current)-DC 변환기일 수 있다.

상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 또한,

차량의 특정 장치에 전압을 공급하는 동력 공급 장치에 있어서, 직류 전압을 공급하는 배터리; 상기 배터리의 양극에 연결된 제1 스위칭부; 상기 제1 스위칭부와 상기 특정 장치 사이에 연결된 제3 스위칭부; 상기 제1 스위칭부 및 제3 스위칭부의 연결부에 연결되며, 입력되는 전압을 변환하여 출력하는 전압 변환부; 상기 전압 변환부에 입력단이 연결되고 상기 특정 장치에 출력단이 연결되며, 입력되는 신호의 전압이 특정 전압을 초과할 때 상기 신호를 상기 특정 장치로 전송하는 능동형 스위칭 소자; 및 상기 배터리의 음극과 상기 특정 장치 사이에 연결된 제2 스위칭부를 구비하는 차량의 동력 공급 장치를 제공한다.

상기 제1 내지 제3 스위칭부들은 각각 릴레이로 구성될 수 있다.

상기 제1 스위칭부와 제2 스위칭부가 온되면 상기 배터리의 전압은 상기 제1 스위칭부를 통해서 상기 전압 변환부로 입력되고, 상기 전압 변환부는 상기 입력되는 전압을 상기 특정 장치에 인가하여 상기 특정 장치를 상기 배터리의 전압 레벨로 강압시킨다. 또한, 상기 제1 내지 제3 스위칭부들이 모두 온되면, 상기 배터리의 전압은 상기 특정 장치에 직접 인가되어 상기 특정 장치는 상기 배터리의 전압 레벨로 유지된다.

본 발명은 차량의 동력 공급 장치는 저항을 사용하지 않고, 복수개의 스위칭부들과 전압 변환부를 구비하여 강압 전압과 승압 전압 또는 강압 전압만으로 DC 링크 캐패시터를 충전시킨다.

따라서, 저항에 의한 손실이 발생하지 않으며, 그로 인하여 충전 시간이 빠르고 충전 효율이 높다.

또한, 저항을 사용하지 않고, 다이오드와 같은 능동형 스위칭 소자를 구비하기 때문에 차량의 동력 공급 장치의 전체 크기가 감소된다.

또한, 전압 변환부를 이용하여 배터리의 전압을 강압시키기 때문에 특정 장치에 인가되는 전압을 가변 제어할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 동력 공급 장치의 회로도 및 이에 연결된 특정 장치를 보여준다.
도 2는 도 1에 도시된 차량의 동력 공급 장치의 동작을 보여주는 타이밍도이다.
도 3 내지 도 5는 도 1에 도시된 차량의 동력 공급 장치의 각 모드별 동작을 설명하기 위한 회로도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 차량의 동력 공급 장치의 블록도이다.
도 7은 본 발명의 차량의 동력 공급 장치의 동작을 보여주는 타이밍도이다.
도 8 및 도 9는 차량의 동력 공급 장치의 각 모드별 동작을 설명하기 위한 회로도이다.
도 10은 도 1 및 도 6에 도시된 전압 변환부의 일 예인 DC-DC 변환기의 회로도 및 이에 연결된 배터리와 DC 링크 캐패시터를 보여준다.
도 11은 도 10에 도시된 전류들(I1,I2,I3)의 파형도이다.
도 12는 DC-DC 변환기에 흐르는 전류들 중 대표적으로 제1 전류(I1)의 흐르는 방향을 보여준다.

이하, 첨부한 도면들을 참고하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예들에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 도면들에 제시된 동일한 참조부호들은 동일한 부재들을 나타낸다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 동력 공급 장치(101)의 회로도 및 이에 연결된 특정 장치(105)를 보여준다.

상기 특정 장치(105)로써 DC(Direct Current) 링크 캐패시터(Link Capacitor)가 구비될 수 있다. DC 링크 캐패시터(105)는 차량의 동력 공급 장치(101)에 의해 충전되며, 충전이 완료된 상태에서 다른 장치, 예컨대 차량을 구동하는 모터에 DC 전압을 공급할 수 있다.

차량의 동력 공급 장치(101)는 배터리(111)의 전압 레벨로 DC 링크 캐패시터(105)를 충전할 수 있고, 배터리(111)의 전압보다 높은 전압으로 승압하여 DC 링크 캐패시터(105)를 충전할 수 있다.

도 1을 참조하면, 차량의 동력 공급 장치(101)는 배터리(111)와 전압 공급부(120)를 구비한다. 전압 공급부(120)는 구체적으로 제1 내지 제4 스위칭부들(121∼124), 전압 변환부(131) 및 능동형 스위칭 소자(141)를 구비한다.

배터리(111)는 고전압, 예컨대 300볼트 정도의 직류 전압을 저장할 수 있다. 배터리(111)는 차량에 장착되어 상기 차량의 작동에 필요한 전압을 공급한다.

제1 및 제4 스위칭부들(121,124)은 배터리(111)의 양극에 연결되고, 제2 스위칭부(122)는 배터리(111)의 음극에 연결되며, 제3 스위칭부(123)는 제1 스위칭부(121)와 DC 링크 캐패시터(105)에 연결된다. 제1 내지 제4 스위칭부들(121,124)은 각각 온(on)되면 입력되는 전류를 통과시키고 오프(off)되면 입력되는 전류를 통과시키지 않는다. 제1 내지 제4 스위칭부들(121,124)은 각각 릴레이(relay), 모스(MOS; Metal Oxide Semiconductor) 전계효과트랜지스터, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 중 하나를 이용하여 구성될 수 있다.

제1 내지 제4 스위칭부들(121∼124)이 모스 전계효과트랜지스터나 IGBT로 구성될 경우 차량의 동력 공급 장치(101)는 스위칭 제어부(도시 안됨)를 더 구비할 수 있다. 이 때, 상기 스위칭 제어부는 제1 내지 제4 모스 전계효과트랜지스터들 또는 IGBT들의 게이트들에 연결되어 이들을 온 또는 오프시킨다. 상기 스위칭 제어부는 외부 제어 신호를 받아서 상기 제1 내지 제4 모스 전계효과트랜지스터들 또는 IGBT들을 온 또는 오프시킬 수도 있고, 내부에 기 설정된 프로그램이나 타이머 등의 제어를 받아서 상기 제1 내지 제4 모스 전계효과트랜지스터들 또는 IGBT들을 온 또는 오프시킬 수 있다.

전압 변환부(131)는 제1 스위칭부(121)와 제4 스위칭부(124) 사이에 연결된다. 전압 변환부(131)는 양방향성을 갖는다. 즉, 전압 변환부(131)는 배터리(111)의 전압이 인가되는 방향에 따라 배터리(111)의 전압보다 높은 승압 전압을 출력할 수도 있고, 배터리(111)의 전압 레벨의 강압 전압을 출력할 수도 있다. 예컨대, 배터리(111)의 전압이 전단에 인가되면 전압 변환부(131)는 배터리(111)보다 높은 승압 전압을 출력하고, 배터리(111)의 전압이 후단에 인가되면 전압 변환부(131)는 배터리(111)의 전압 레벨의 강압 전압을 출력한다. 전압 변환부(131)에 대해서는 도 10 내지 도 12를 통하여 상세히 설명하기로 한다.

능동형 스위칭 소자(141)는 입력되는 신호의 전압 레벨에 따라 동작한다. 즉, 입력되는 신호의 전압 레벨이 특정 전압보다 높으면 온되고, 상기 특정 전압보다 낮으면 오프된다. 능동형 스위칭 소자(141)는 입력되는 전압을 DC 링크 캐패시터(105)로 전달하며, DC 링크 캐패시터(105)의 전압이 배터리(111)로 전달되는 것을 차단한다. 능동형 스위칭 소자(141)는 다이오드 또는 MOS 전계효과 트랜지스터로 구성될 수 있다.

능동형 스위칭 소자(141)로써 다이오드가 구비될 경우, 제4 스위칭부(124)와 전압 변환부(131)의 연결부에 상기 다이오드의 애노드(anode)가 연결되고, DC 링크 캐패시터(105)에 상기 다이오드의 캐쏘드(cathode)가 연결된다. 상기 다이오드는 애노드로 입력되는 전압이 캐쏘드의 전압보다 빌트인 전압, 예컨대 0.7볼트를 초과할 경우에 도통하여 상기 애노드로 입력되는 전압을 출력한다. 반대로, 다이오드는 캐쏘드에 인가되는 전압이 애노드의 전압보다 높을 경우에 오프되어 캐쏘드의 전압을 애노드로 전달하지는 않는다.

능동형 스위칭 소자(141)로써 모스 전계효과트랜지스터가 구비될 경우, 모스 전계효과트랜지스터는 NMOS 전계효과트랜지스터와 PMOS 전계효과트랜지스터로 구분된다. NMOS 전계효과트랜지스터인 경우, 제4 스위칭부(124)와 전압 변환부(131)의 연결부에 게이트와 드레인이 연결되고, DC 링크 캐패시터(105)에 소오스가 연결된다. PMOS 전계효과트랜지스터인 경우, 제4 스위칭부(124)와 전압 변환부(131)의 연결부에 게이트와 소오스가 연결되고, DC 링크 캐패시터(105)에 드레인이 연결된다. 모스 전계효과트랜지스터의 동작은 다이오드와 유사함으로 중복 설명은 생략한다.

도 2는 도 1에 도시된 차량의 동력 공급 장치(101)의 동작을 보여주는 타이밍도이고, 도 3 내지 도 5는 도 1에 도시된 차량의 동력 공급 장치(101)의 각 모드별 동작을 설명하기 위한 회로도이다. 도 2 내지 도 5를 참조하여 도 1에 도시된 차량의 동력 공급 장치(101)의 동작을 설명하기로 한다.

차량의 동력 공급 장치(101)는 3가지 모드를 통하여 DC 링크 캐패시터(105)를 충전한다.

제1 모드로써, 차량의 동력 공급 장치(101)는 DC 링크 캐패시터(105)를 초기 충전시키는 초기 충전 모드를 수행한다. 제1 모드일 경우, 도 3에 도시된 바와 같이 차량의 동력 공급 장치(101)는 제1 및 제2 스위칭부(121,122)들을 온시키고, 제3 및 제4 스위칭부들(123,124)을 오프시킨다. 그러면, 배터리(111)의 전압(VB)은 제1 스위칭부(121), 전압 변환부(131) 및 능동형 스위칭 소자(141)를 통하여 DC 링크 캐패시터(105)를 충전한다. 따라서, 도 2에 도시된 바와 같이 DC 링크 캐패시터(105)는 초기 전압에서 급격히 강압(상승)하면서 배터리(111)의 전압(VB) 레벨로 충전된다. 이 때, 전압 변환부(131)는 DC 링크 캐패시터(105)에 인가되는 전압(VS)을 배터리(111)의 전압(VB) 레벨로 인가할 수도 있고, 그보다 낮은 전압으로 인가할 수도 있다. 즉, 전압 변환부(131)는 사용자의 설정에 따라 DC 링크 캐패시터(105)에 충전되는 전압(VS)을 가변 제어할 수 있다.

제2 모드로써, 차량의 동력 공급 장치(101)는 배터리(111)와 DC 링크 캐패시터(105)를 직결시키는 직결 모드를 수행한다. 직결 모드는 차량이 저속 또는 저토크로 운행할 때 이용되는 모드이다. 제2 모드일 경우, 도 4에 도시된 바와 같이 차량의 동력 공급 장치(101)는 제1 내지 제3 스위칭부들(121∼123)을 온시키고, 제4 스위칭부(124)는 오프시킨다. 그러면, 배터리(111) 전압(VB)은 제1 및 제3 스위칭부들(121,123)을 통해서 DC 링크 캐패시터(105)에 직접 인가된다. 따라서, DC 링크 캐패시터(105)의 전압(VS)은 초기 충전 모드에서 강압된 전압 레벨 즉, 배터리(111) 전압(VB) 레벨로 유지된다.

제3 모드로써, 차량의 동력 공급 장치(101)는 배터리(111)의 전압(VB)을 승압시켜서 DC 링크 캐패시터(105)에 인가하는 승압 모드를 수행한다. 승압 모드는 차량이 고속 또는 고토크로 운행할 때 이용되는 모드이다. 제3 모드일 경우, 도 5에 도시된 바와 같이 차량의 동력 공급 장치(101)는 제2 내지 제4 스위칭부들(122∼124)을 온시키고 제1 스위칭부(121)는 오프시킨다. 그러면, 배터리(111) 전압은 제4 스위칭부(124), 전압 변환부(131) 및 제3 스위칭부(123)를 통하여 DC 링크 캐패시터(105)에 인가된다. 이 때, 배터리(111)의 전압(VB)은 전압 변환부(131)에 의해 그보다 높은 전압으로 승압되어 DC 링크 캐패시터(105)에 인가된다. 따라서, DC 링크 캐패시터(105)의 전압(VS)은 배터리(111)의 전압(VB)보다 높은 전압, 예컨대 620볼트 정도로 충전된다.

이와 같이, 차량의 동력 공급 장치(101)는 저항을 사용하지 않고, 복수개의 스위칭부들(121∼124)과 전압 변환부(131)를 구비하여 강압 전압과 승압 전압으로 DC 링크 캐패시터(105)를 충전시키기 때문에 저항에 의한 손실이 발생하지 않으며, 그로 인하여 충전 시간이 빠르고 충전 효율이 높다. 또한, 저항을 사용하지 않고, 다이오드와 같은 능동형 스위칭 소자(141)를 구비하기 때문에 차량의 동력 공급 장치(101)의 전체 크기가 감소된다. 또한, 전압 변환부(131)를 이용하여 배터리(111)의 전압(VB)을 강압 및 승압시키기 때문에 특정 장치(105)에 인가되는 전압(VS)을 가변 제어할 수 있는 장점이 있다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 차량의 동력 공급 장치(601)의 회로도이다. 도 6을 참조하면, 차량의 동력 공급 장치(601)는 제1 내지 제3 스위칭부들(621∼623), 전압 변환부(631) 및 능동형 스위칭 소자(641)를 구비한다. 도 6에 도시된 차량의 동력 공급 장치(601)는 도 1에 도시된 동력 공급 장치(101)와 비교할 때 제4 스위칭부(124)를 구비하지 않는다. 따라서, 도 6에 도시된 동력 공급 장치(601)는 도 2에 도시된 타이밍도에서 강압 모드와 직결 모드만을 수행한다.

제1 스위칭부(621)는 배터리(111)의 양극에 연결되고, 제2 스위칭부(622)는 배터리(111)의 음극에 연결되며, 제3 스위칭부(623)는 제1 스위칭부(621)와 DC 링크 캐패시터(105)에 연결된다. 제1 내지 제3 스위칭부들(621∼623)은 각각 온되면 입력되는 전류를 통과시키고 오프되면 입력되는 전류를 통과시키지 않는다. 제1 내지 제3 스위칭부들(621∼623)은 각각 릴레이, MOS 전계효과트랜지스터, IGBT 중 하나를 이용하여 구성될 수 있다.

제1 내지 제3 스위칭부들(621∼623)이 모스 전계효과트랜지스터나 IGBT로 구성될 경우 차량의 동력 공급 장치(601)는 스위칭 제어부를 더 구비할 수 있다. 이 때, 상기 스위칭 제어부는 상기 제1 내지 제3 모스 전계효과트랜지스터들 또는 IGBT들의 게이트들에 연결되어 이들을 온 또는 오프시킨다. 상기 스위칭 제어부는 외부 제어 신호를 받아서 상기 제1 내지 제3 모스 전계효과트랜지스터들 또는 IGBT들을 온 또는 오프시킬 수도 있고, 내부에 기 설정된 프로그램이나 타이머 등의 제어를 받아서 상기 제1 내지 제3 모스 전계효과트랜지스터들 또는 IGBT들을 온 또는 오프시킬 수 있다.

전압 변환부(631)는 제1 스위칭부(621)에 연결된다. 전압 변환부(631)는 단방향성을 갖는다. 즉, 전압 변환부(631)는 배터리(111)의 전압이 인가되면 배터리(111)의 전압 레벨의 강압 전압을 출력하여 DC 링크 캐패시터(105)를 충전한다. 전압 변환부(631)에 대해서는 도 10 내지 도 12를 통하여 상세히 설명하기로 한다.

능동형 스위칭 소자(641)는 입력되는 신호의 전압 레벨에 따라 동작한다. 즉, 입력되는 신호의 전압 레벨이 특정 전압보다 높으면 온되고, 상기 특정 전압보다 낮으면 오프된다. 능동형 스위칭 소자(641)는 입력되는 전압을 DC 링크 캐패시터(105)로 전달하며, DC 링크 캐패시터(105)의 전압이 배터리(111)로 전달되는 것을 차단한다. 능동형 스위칭 소자(641)는 다이오드 또는 MOS 전계효과 트랜지스터로 구성될 수 있다. 능동형 스위칭 소자(641)는 도 1에 도시된 능동형 스위칭 소자(141)와 동일함으로, 중복 설명은 생략하기로 한다.

도 7은 본 발명의 차량의 동력 공급 장치(601)의 동작을 보여주는 타이밍도이고, 도 8 및 도 9는 차량의 동력 공급 장치(601)의 각 모드별 동작을 설명하기 위한 회로도이다. 도 7 내지 도 9를 참조하여 도 6에 도시된 차량의 동력 공급 장치(601)의 동작을 설명하기로 한다.

차량의 동력 공급 장치(601)는 2가지 모드를 통하여 DC 링크 캐패시터(105)를 충전한다.

제1 모드로써, 차량의 동력 공급 장치(601)는 DC 링크 캐패시터(105)를 초기 충전시키는 초기 충전 모드를 수행한다. 제1 모드일 경우, 도 8에 도시된 바와 같이 차량의 동력 공급 장치(601)는 제1 및 제2 스위칭부들(621,622)을 온시키고, 제3 스위칭부(623)는 오프시킨다. 그러면, 배터리(111)의 전압(VB)은 제1 스위칭부(621), 전압 변환부(631) 및 능동형 스위칭 소자(641)를 통하여 DC 링크 캐패시터(105)를 충전한다. 따라서, 도 8에 도시된 바와 같이 DC 링크 캐패시터(105)는 초기 전압에서 급격히 강압(상승)하면서 배터리(111)의 전압(VB) 레벨로 충전된다. 이 때, 전압 변환부(631)는 DC 링크 캐패시터(105)에 충전되는 전압(VS)을 배터리(111)의 전압(VB) 레벨로 인가할 수도 있고, 그보다 낮은 전압으로 인가할 수도 있다. 즉, 전압 변환부(631)는 사용자의 설정에 따라 DC 링크 캐패시터(105)에 충전되는 전압(VS)을 가변 제어할 수 있다.

제2 모드로써, 차량의 동력 공급 장치(601)는 배터리(111)와 DC 링크 캐패시터(105)를 직결시키는 직결 모드를 수행한다. 직결 모드는 차량이 저속 또는 저토크로 운행할 때 이용되는 모드이다. 제2 모드일 경우, 도 9에 도시된 바와 같이 차량의 동력 공급 장치(601)는 제1 내지 제3 스위칭부들(621∼623)을 온시킨다. 그러면, 배터리(111) 전압은 제1 및 제3 스위칭부들(621,623)을 통해서 DC 링크 캐패시터(105)에 직접 인가된다. 따라서, DC 링크 캐패시터(105)의 전압(VS)은 초기 충전 모드에서 강압된 전압 레벨 즉, 배터리(111)의 전압(VB) 레벨로 유지된다.

이와 같이, 차량의 동력 공급 장치(601)는 저항을 사용하지 않고, 복수개의 스위칭부들(621∼623)과 전압 변환부(631)를 구비하여 강압 전압으로 DC 링크 캐패시터(105)를 충전시키기 때문에 저항에 의한 손실이 발생하지 않으며, 그로 인하여 충전 시간이 빠르고 충전 효율이 높다. 또한, 저항을 사용하지 않고, 다이오드와 같은 능동형 스위칭 소자(641)를 구비하기 때문에 차량의 동력 공급 장치(601)의 전체 크기가 감소된다. 또한, 전압 변환부(631)를 이용하여 배터리(111)의 전압(VB)을 강압시키기 때문에 특정 장치에 인가되는 전압(VS)을 가변 제어할 수 있는 장점이 있다.

도 10은 도 1 및 도 6에 도시된 전압 변환부(131,631)의 일 예인 DC-DC 변환기의 회로도 및 이에 연결된 배터리(111)와 DC 링크 캐패시터(105)를 보여주고, 도 11은 도 10에 도시된 전류들(I1,I2,I3)의 파형도이며, 도 12는 DC-DC 변환기(131,631)에 흐르는 전류들 중 대표적으로 제1 전류(I1)의 흐르는 방향을 보여준다.

도 10 및 도 12를 참조하면, DC-DC 변환기(131,631)는 제1 내지 제6 IGBT들(S1∼S6) 및 제1 내지 제3 인덕터들(L1∼L3)을 구비한다. 도 10 내지 도 12를 참조하여 DC-DC 변환기(131,631)의 동작을 설명하기로 한다. 도 10에 도시된 DC-DC 변환기(131,631)는 3상 변환기이다. 따라서, DC-DC 변환기(131,631)에는 3개의 전류(I1,I2,I3)가 흐른다.

먼저, 제1 전류(I1)에 대해 설명하기로 한다.

도 11에 도시된 t0부터 t3까지의 시간 동안에는 제1 IGBT(S1)는 온되고 제4 IGBT(S4)는 오프된다. 그러면, 제1 전류(I1)는 배터리(111)의 양극으로부터 제1 인덕터(L1), 제1 IGBT(S1), DC 링크 캐패시터(105)의 양극, DC 링크 캐패시터(105)의 음극 및 배터리(111)의 음극으로 흐른다(도 12 참조). 그에 따라 제1 전류(I1)는 t0부터 t3까지의 시간동안 증가한다.

도 11에 도시된 t3부터 t6까지의 시간 동안에는 제4 IGBT(S4)는 온되고 제1 IGBT(S1)는 오프된다. 그러면, 제1 전류(I1)는 배터리(111)의 양극으로부터 제1 인덕터(L1), 및 제4 IGBT(S4) 및 배터리(111)의 음극으로 흐른다(도 12 참조). 그에 따라 제1 전류(I1)는 t3부터 t6까지의 시간동안 감소한다.

제2 전류(I2)에 대해 설명하기로 한다.

도 11에 도시된 t2부터 t5까지의 시간 동안에는 제2 IGBT(S2)는 온되고 제5 IGBT(S5)는 오프된다. 그러면, 제2 전류(I2)는 배터리(111)의 양극으로부터 제2 인덕터(L2), 제2 IGBT(S2), DC 링크 캐패시터(105)의 양극, DC 링크 캐패시터(105)의 음극 및 배터리(111)의 음극으로 흐른다. 그에 따라 제2 전류(I2)는 t2부터 t5까지의 시간동안 증가한다.

도 11에 도시된 t5부터 t8까지의 시간 동안에는 제5 IGBT(S5)는 온되고 제2 IGBT(S2)는 오프된다. 그러면, 제2 전류(I2)는 배터리(111)의 양극으로부터 제2 인덕터(L2), 제5 IGBT(S5) 및 배터리(111)의 음극으로 흐른다. 그에 따라 제2 전류(I2)는 t5부터 t8까지의 시간동안 감소한다.

제3 전류(I3)에 대해 설명하기로 한다.

도 11에 도시된 t4부터 t7까지의 시간 동안에는 제3 IGBT(S3)는 온되고 제6 IGBT(S6)는 오프된다. 그러면, 제3 전류(I3)는 배터리(111)의 양극으로부터 제3 인덕터(L3), 제3 IGBT(S3), DC 링크 캐패시터(105)의 양극, DC 링크 캐패시터(105)의 음극 및 배터리(111)의 음극으로 흐른다. 그에 따라 제3 전류(I3)는 t4부터 t7까지의 시간동안 증가한다.

도 11에 도시된 t7부터 t10까지의 시간 동안에는 제6 IGBT(S6)는 온되고 제3 IGBT(S3)는 오프된다. 그러면, 제3 전류(I3)는 배터리(111)의 양극으로부터 제3 인덕터(L3), 제6 IGBT(S6) 및 배터리(111)의 음극으로 흐른다. 그에 따라 제3 전류(I3)는 t7부터 t10까지의 시간동안 감소한다.

양방향성 DC-DC 변환기(131,631)의 출력 전류(Ibatdc)의 파형은 도 11에 도시된 바와 같이 제1 전류(I1), 제2 전류(I2), 및 제3 전류(I3)의 파형들이 합성된 것이다.

참고로, DC 링크 캐패시터(105)에 의해 배터리(111)가 충전될 수 있으며, 이 경우 스위칭 순서는 상기와 동일하지만 전류의 방향은 반대이다.

제1 내지 제3 인덕터들(L1∼L3)은, 배터리(111)가 충전될 경우에 에너지를 저장하고, 도 10 내지 12를 통해 설명한 바와 같이 DC 링크 캐패시터(105)가 충전될 경우에는 에너지를 송출한다.

도 1 및 도 6에 도시된 전압 변환부(631)는 도 10에 도시된 3상 DC-DC 변환기(131,631) 대신 단상 DC-DC 변환기를 구비할 수도 있다. 3상 DC-DC 변환기(131,631)는 단상 DC-DC 변환기에 비해 전류 특성이 양호한 장점이 있으나, 전압 변환 기능은 상호 동일하게 수행한다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 아니하고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하며, 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

Claims (10)

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2. 차량의 특정 장치에 동력을 공급하는 장치에 있어서,
   직류 전압을 저장하는 배터리;
   상기 배터리의 양극에 병렬로 연결된 제1 스위칭부 및 제4 스위칭부;
   상기 제1 스위칭부와 상기 특정 장치의 사이에 연결된 제3 스위칭부;
   일단은 상기 제1 스위칭부 및 상기 제3 스위칭부의 사이에 연결되고 타단은 상기 제3 스위칭부와 상기 제4 스위칭부의 사이에 연결되며, 입력되는 전압을 변환하여 출력하는 전압 변환부;
   상기 제4 스위칭부 및 상기 전압 변환부의 사이에 입력단이 연결되고 상기 특정 장치에 출력단이 연결되며, 입력되는 신호의 전압이 특정 전압을 초과할 때 상기 신호를 상기 특정 장치로 전송하는 능동형 스위칭 소자; 및
   상기 배터리의 음극과 상기 특정 장치의 사이에 연결된 제2 스위칭부를 구비하고,
   상기 전압 변환부는 직류 전압을 다른 레벨의 직류 전압으로 변환하는 양방향 DC(Direct Current)-DC 변환기이며,
   상기 전압 변환부는 상기 배터리로부터 출력되는 전압이 상기 제1 스위칭부를 통해서 입력될 경우에는 상기 특정 장치를 상기 배터리의 전압레벨로 강압시키고,
   상기 배터리로부터 출력되는 전압이 상기 제4 스위칭부를 통해서 입력될 경우에는 상기 배터리의 상기 전압레벨보다 높게 승압된 전압을 상기 특정 장치로 전송하며,
   제1 모드에서는 상기 제1 스위칭부와 상기 제2 스위칭부가 온되고 상기 제3 스위칭부와 상기 제3 스위칭부가 오프됨으로써 상기 배터리가 상기 제1 스위칭부, 상기 전압 변환부, 및 상기 능동형 스위칭 소자를 통하여 상기 특정 장치에 연결되어, 상기 전압 변환부에 의해 상기 배터리의 전압레벨보다 낮은 초기 전압에서부터 상기 배터리의 상기 전압레벨까지 상승하는 전압이 상기 특정 장치에 인가되고,
   제2 모드에서는 상기 제1 스위칭부와 상기 제2 스위칭부와 상기 제3 스위칭부가 온되고 상기 제4 스위칭부가 오프됨으로써 상기 배터리가 상기 제1 스위칭부와 상기 제3 스위칭부를 통하여 상기 특정 장치에 직접 연결되어, 상기 배터리의 상기 전압레벨에 해당하는 전압이 상기 특정 장치에 인가되며,
   제3 모드에서는 상기 제1 스위칭부는 오프되고 상기 제2 스위칭부와 상기 제3 스위칭부와 상기 제4 스위칭부는 온됨으로써 상기 배터리가 상기 제4 스위칭부와 상기 전압 변환부와 상기 제3 스위칭부를 통하여 상기 특정 장치에 연결되어, 상기 전압 변환부에 의해 상기 배터리의 상기 전압레벨보다 높게 승압된 전압이 상기 특정 장치에 인가되는 것을 특징으로 하는 차량의 동력 공급 장치.
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