KR101774665B1 - 친환경 차량용 컨버터 제어 장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 친환경 차량용 컨버터 제어 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 친환경 차량의 컨버터 제어용 PWM 신호를 생성하는데 이용되는 램프신호의 기울기를 기준 듀티 이하(전류불연속모드)에서는 가파르게 조절(제 1 값으로 조절)하고, 기준 듀티를 초과(전류연속모드)하면 완만하게 조절(제 2 값으로 조절)함으로써, 낮은 부하(load) 환경에서도 컨버터의 전류제어 응답특성(제어 성능)을 향상시킬 수 있는 친환경 차량용 컨버터 제어 장치 및 그 방법을 제공하고자 한다.
이를 위하여, 본 발명은 친환경 차량용 컨버터 제어 장치에 있어서, 기준전류를 입력받는 기준전류 입력기; 컨버터의 입력전류와 램프신호의 기울기 조절용 DC 오프셋 및 톱니파를 중첩하여 램프신호를 생성하는 램프신호 생성기; 및 기준전류 입력기를 통해 입력된 기준전류와 램프신호 생성기에 의해 생성된 램프신호를 이용하여 PWM 신호를 생성하는 비교기를 포함한다.

Description

친환경 차량용 컨버터 제어 장치 및 그 방법{APPARATUS FOR CONTROLLING CONVERTER OF GREEN CAR AND METHOD THEREOF}
본 발명은 친환경 차량용 컨버터 제어 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 친환경 차량의 컨버터(Low voltage DC-DC Converter, LDC) 제어용 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 생성하는데 이용되는 램프 신호의 기울기를 이원화하여 낮은 부하(load) 환경에서도 컨버터의 전류제어 응답특성(제어 성능)을 향상시킬 수 있는 기술에 관한 것이다.
본 발명에서, 친환경 차량은 고전압 배터리를 이용하여 전기모터를 구동시켜 주행하는 차량으로서, HEV(Hybrid Electric Vehicle), EV(Electric Vehicle), PHEV(Plug-in Hybrid Electric Vehicle), FCEV(Fuel Cell Electric Vehicle) 등을 포함한다.
일반적으로, 친환경 차량은 구동용 전원을 공급하기 위한 고전압 배터리와 전장부하에 전원을 공급하기 위한 보조 배터리를 구비한다. 이때, 보조 배터리 및 전장부하와 연결되어 있는 LDC(Low voltage DC-DC Converter)는 상위 제어기의 제어하에 보조 배터리의 전압이 기준치를 초과하지 않으면 고전압 배터리의 전압을 낮추어 보조 배터리를 충전한다.
이러한 종래의 LDC는 친환경 차량의 컨버터 제어용 PWM 신호를 생성하는데 이용되는 램프신호의 기울기가 일원화되어 있어, 전압지령이 보조배터리의 충전전압보다 낮은 경우, 전류제어 응답특성이 느린 전류불연속모드로 진입하게 됨으로써, ZVS(Zero voltage switching)이 불가하여 스위칭 손실을 야기하고, 출력 리플이 악화되며, 코어류(트랜스, 인덕터) 부품에 소음을 유발하는 문제점이 있다.
대한민국등록특허 제10-1090701호
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 친환경 차량의 컨버터 제어용 PWM 신호를 생성하는데 이용되는 램프신호의 기울기를 기준 듀티 이하(전류불연속모드)에서는 가파르게 조절(제 1 값으로 조절)하고, 기준 듀티를 초과(전류연속모드)하면 완만하게 조절(제 2 값으로 조절)함으로써, 낮은 부하(load) 환경에서도 컨버터의 전류제어 응답특성(제어 성능)을 향상시킬 수 있는 친환경 차량용 컨버터 제어 장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 전류연속모드의 전류제어 응답특성에 최적화된 램프신호의 기울기를 기준 듀티 이하(전류불연속모드)에서는 가파르게 조절(제 1 값으로 조절)하여 응답특성을 향상시키고, 기준 듀티를 초과(전류연속모드)하면 완만하게 조절(제 2 값으로 조절)하여 응답특성을 유지시킬 수 있는 친환경 차량용 컨버터 제어 장치 및 그 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 장치는, 친환경 차량용 컨버터 제어 장치에 있어서, 기준전류를 입력받는 기준전류 입력기; 컨버터의 입력전류와 램프신호의 기울기 조절용 DC 오프셋 및 톱니파를 중첩하여 램프신호를 생성하는 램프신호 생성기; 및 기준전류 입력기를 통해 입력된 기준전류와 램프신호 생성기에 의해 생성된 램프신호를 이용하여 PWM 신호를 생성하는 비교기를 포함한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 방법은, 친환경 차량용 컨버터 제어 방법에 있어서, 기준전류 입력기가 기준전류를 입력받는 단계; 램프신호 생성기가 컨버터의 입력전류와 램프신호의 기울기 조절용 DC 오프셋 및 톱니파를 중첩하여 램프신호를 생성하는 단계; 및 비교기가 기준전류 입력기를 통해 입력된 기준전류와 램프신호 생성기에 의해 생성된 램프신호를 이용하여 PWM 신호를 생성하는 단계를 포함한다.
상기와 같은 본 발명은, 친환경 차량의 컨버터 제어용 PWM 신호를 생성하는데 이용되는 램프신호의 기울기를 기준 듀티 이하(전류불연속모드)에서는 가파르게 조절(제 1 값으로 조절)하고, 기준 듀티를 초과(전류연속모드)하면 완만하게 조절(제 2 값으로 조절)함으로써, 낮은 부하(load) 환경에서도 컨버터의 전류제어 응답특성(제어 성능)을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 듀티가 작은 운전 조건에서 LDC의 출력전압의 리플 값을 2.35Vpp에서 512mVpp로 낮출 수 있는 효과가 있다.
도 1 은 본 발명에 따른 친환경 차량용 컨버터 제어 장치의 일실시예 구성도,
도 2 는 본 발명에 따른 친환경 차량용 컨버터 제어 장치의 일실시예 회도로,
도 3 은 본 발명이 적용되는 LDC의 일예시도,
도 4 는 본 발명에 따른 친환경 차량용 컨버터 제어 장치의 동작 결과를 나타내는 일예시도,
도 5 는 본 발명에 따른 친환경 차량용 컨버터 제어 방법에 대한 일실시예 흐름도이다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되어 있는 상세한 설명을 통하여 보다 명확해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1 은 본 발명에 따른 친환경 차량용 컨버터 제어 장치의 일실시예 구성도로서, LDC를 예로 들어 설명하기로 한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 친환경 차량용 컨버터 제어 장치는, 기준전류 입력기(10), 램프신호 생성기(20), 및 비교기(30)를 포함한다.
상기 각 구성요소들에 대해 살펴보면, 먼저 기준전류 입력기(10)는 기준전류로서 전류지령(Current Reference)을 입력받는다.
다음으로, 램프신호 생성기(20)는 입력전류와 DC 오프셋 및 톱니파(톱니 신호)를 중첩하여 램프신호(Ramp Signal)를 생성한다.
여기서, 입력전류는 LDC로 입력되는 전류로서 구체적으로 LDC 내 변압기의 1차측에 흐르는 전류를 의미한다. 또한, DC 오프셋은 PWM 신호의 듀티가 기준치 이하가 되는 구간, 즉 LDC가 전류불연속모드로 동작하는 구간에서 램프신호의 기울기 값을 증가시키는 작용을 한다. 또한, 톱니파의 기울기는 LDC의 발산을 방지하기 위해 LDC 내부의 출력 인덕터(도 3에서 ILo)에 흐르는 전류의 기울기의 0.5배 이상이 되도록 설정한다. 이때, 기준치는 LDC의 입력전압과 출력전압 및 트랜스 턴비(강압비율)에 의해 결정된다.
특히, 램프신호 생성기(20)는 도 4에 도시된 바와 같이 PWM 신호의 듀티가 기준치 이하가 되는 구간(430)에서는 제 1 값의 기울기를 가지는 램프신호를 생성하고, PWM 신호의 듀티가 기준치를 초과하는 구간(440)에서는 제 2 값의 기울기를 가지는 램프신호를 생성한다. 이때, 제 1 값은 제 2 값보다 큰 값이다.
다음으로, 비교기(30)는 피크 전류 비교기로서, 기준전류 입력기(10)를 통해 입력된 기준전류(Ic)와 램프신호 생성기(20)에 의해 생성된 램프신호(Is)를 이용하여 PWM 신호를 생성한다. 즉, 비교기(30)는 램프신호 생성기(20)에 의해 생성된 램프신호가 기준전류 입력기(10)를 통해 입력된 기준전류를 초과하면 1, 초과하지 않으면 0으로 판단하여 PWM 신호를 생성한다.
상기 각 구성요소들은 제어기(미도시)에 의해 제어될 수 있으며, 이때 제어기는 상기 각 구성요소들이 제 기능을 정상적으로 수행할 수 있도록 전반적인 제어를 수행한다.
이하, 도 2를 참조하여 램프신호 생성기(20)의 구조에 대해 상세히 살펴보기로 한다.
도 2 는 본 발명에 따른 친환경 차량용 컨버터 제어 장치의 일실시예 회도로이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 램프신호 생성기(20)는 입력전류(21)와 톱니파(22) 및 DC 옵셋(23)을 중첩하여 램프신호를 생성한다. 이때, 저항(R4, R5, R6) 및 커패시터(C2)는 램프신호 기울기의 게인을 조절하는 역할을 수행한다.
도 3 은 본 발명이 적용되는 LDC의 일예시도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명이 적용되는 LDC는 컨버터 제어 장치(100)에 의한 전류제어와 전압 제어기(200)에 의한 전압제어를 함께 수행한다.
컨버터 제어 장치(100)는 기준전류 입력기(10)를 통해 입력된 기준전류(Ic)와 램프신호 생성기(20)에 의해 생성된 램프신호(Is)를 이용하여 PWM 신호를 생성하고, 생성된 PWM 신호의 듀티를 결정한다.
LDC의 입력전압이 높고 출력전압(요구전압)이 낮으며 부하가 낮은 운전 조건으로 인해 최소 듀티를 출력하게 되면, 전류가 낮아 전류불연속모드로 진입하게 된다. 전류불연속모드는 전류연속모드 대비 응답성이 현저하게 떨어지며, 전류지령이 램프신호의 최저 레벨 이하로 떨어졌다 다시 램프신호와 만나 듀티를 출력하는 버스트 모드에 진입하면 응답성능은 더욱더 느려진다. 이때, 램프신호의 기울기는 전류제어 응답성능을 결정하는 인자로 Lo(300)에 흐르는 전류 기울기의 0.5배 이상 되어야 제어신호가 발산을 하지 않는다.
종래에는 발산을 막기 위해 램프신호의 기울기를 결정하였다면, 본 발명에서는 극저부하에서의 제어성능을 개선하기 위해 램프신호의 기울기를 일정 듀티 이하 구간과 이상의 구간으로 이원화한다. 따라서 본 발명은 듀티별 응답성을 다르게 조절하여 구간별 응답성능을 맞출 수 있다.
예를 들어, 전류지령(Ic)이 전압레벨로 1.0V(Full scale :4.5V)인 낮은 듀티 구간에서 제어 불안정이 발생했다면, 램프신호에 DC 옵셋을 추가하여 동일 듀티에 대한 전류지령(Ic)의 상향효과를 유발함으로써 Ic=1.0V의 불안정한 운전구간을 사용하지 않을 수 있다.
또한, 낮은 듀티 구간에서 램프신호의 기울기를 상향시키면 전류지령(Ic) 1.0V와 비교되어 출력되는 듀티 변동량이 감소하여 제어 안정성을 확보할 수 있다. 램프신호의 기울기는 도 2에 도시된 바와 같이 저항(R4, R5, R6)의 조합과 C2에 의해 결정된다. 스위칭 주파수의 주기로 커패시터(C2)의 충/방전이 수행되면서 커패시터의 용량에 따라 기울기는 변경되며, 낮은 듀티 구간에서는 가파르게 설정하고, 일정 듀티 이상에서는 완만하게 설정하여 전류제어 응답성능을 결정하는 것이 바람직하다.
도 4 는 본 발명에 따른 친환경 차량용 컨버터 제어 장치의 동작 결과를 나타내는 일예시도이다.
도 4에서, '410'은 기준전류(Ic)를 나타내고, '420'은 램프신호의 전류 최대치를 나타내며, '430'은 PWM 신호의 듀티가 기준치 이하가 되는 구간을 나타내고, '440'은 PWM 신호의 듀티가 기준치를 초과하는 구간을 나타낸다.
이를 통해, '440' 구간에서의 램프신호의 기울기에 비해 '430' 구간에서의 램프신호의 기울기가 더 가파름을 알 수 있다.
이로 인해, 전류지령(Ic)이 미세하게 변동시 '430' 구간에서의 듀티 변동폭이 '440' 구간에서의 듀티 변동폭보다 작다. 따라서 최종적으로 출력전압의 변동량이 작아져 제어가 안정적이다.
도 5 는 본 발명에 따른 친환경 차량용 컨버터 제어 방법에 대한 일실시예 흐름도이다.
먼저, 기준전류 입력기(10)가 기준전류를 입력받는다(501).
그리고 램프신호 생성기(10)가 컨버터의 입력전류와 램프신호의 기울기 조절용 DC 오프셋 및 톱니파를 중첩하여 램프신호를 생성한다(502). 이때, 램프신호 생성기(10)는 PWM 신호의 듀티가 기준치 이하가 되는 구간에서는 제 1 값의 기울기를 가지는 램프신호를 생성하고, PWM 신호의 듀티가 기준치를 초과하는 구간에서는 제 2 값의 기울기를 가지는 램프신호를 생성한다.
이후, 비교기(30)가 기준전류 입력기를 통해 입력된 기준전류와 램프신호 생성기에 의해 생성된 램프신호를 이용하여 PWM 신호를 생성한다(503).
한편, 전술한 바와 같은 본 발명의 방법은 컴퓨터 프로그램으로 작성이 가능하다. 그리고 상기 프로그램을 구성하는 코드 및 코드 세그먼트는 당해 분야의 컴퓨터 프로그래머에 의하여 용이하게 추론될 수 있다.　또한, 상기 작성된 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체(정보저장매체)에 저장되고, 컴퓨터에 의하여 판독되고 실행됨으로써 본 발명의 방법을 구현한다. 그리고 상기 기록매체는 컴퓨터가 판독할 수 있는 모든 형태의 기록매체를 포함한다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
10 : 기준전류 입력기
20 : 램프신호 생성기
30 : 비교기

Claims (7)

  1. 기준전류를 입력받는 기준전류 입력기;
    컨버터의 입력전류와 램프신호의 기울기 조절용 DC 오프셋 및 톱니파를 중첩하여 램프신호를 생성하는 램프신호 생성기; 및
    기준전류 입력기를 통해 입력된 기준전류와 램프신호 생성기에 의해 생성된 램프신호를 이용하여 PWM 신호를 생성하는 비교기를 포함하되,
    상기 램프신호 생성기는,
    PWM 신호의 듀티가 기준치 이하가 되는 구간에서는 제 1 값의 기울기를 가지는 램프신호를 생성하고, PWM 신호의 듀티가 기준치를 초과하는 구간에서는 제 2 값의 기울기를 가지는 램프신호를 생성하며, 상기 제 1 값은 상기 제 2 값보다 큰 값인 것을 특징으로 하는 친환경 차량용 컨버터 제어 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 비교기는,
    피크 전류 비교기인 것을 특징으로 하는 친환경 차량용 컨버터 제어 장치.
  5. 기준전류 입력기가 기준전류를 입력받는 단계;
    램프신호 생성기가 컨버터의 입력전류와 램프신호의 기울기 조절용 DC 오프셋 및 톱니파를 중첩하여 램프신호를 생성하는 단계; 및
    비교기가 기준전류 입력기를 통해 입력된 기준전류와 램프신호 생성기에 의해 생성된 램프신호를 이용하여 PWM 신호를 생성하는 단계를 포함하되,
    상기 램프신호 생성 단계는,
    PWM 신호의 듀티가 기준치 이하가 되는 구간에서는 제 1 값의 기울기를 가지는 램프신호를 생성하고, PWM 신호의 듀티가 기준치를 초과하는 구간에서는 제 2 값의 기울기를 가지는 램프신호를 생성하며, 상기 제 1 값은 상기 제 2 값보다 큰 값인 것을 특징으로 하는 친환경 차량용 컨버터 제어 방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
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