KR101959922B1 - 완속충전기(On board charger, OBC) 제어 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 완속충전기(On board charger, OBC) 제어 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 OBC 제어 방법은, 입력 전원의 전압을 모니터링 하는 단계; 상기 입력 전원의 전압을 미리 설정된 역률 개선 회로(PFC)의 출력 전압으로 승압 또는 감압하는 단계; 및 상기 출력 전압을 인가 받은 컨버터가 출력단자의 리플 전류를 고려하여 상기 컨버터의 스위칭 주파수를 제어하는 단계; 를 포함하며, 상기 컨버터는, 상기 역률 개선 회로에 포함되는 제1 커패시터의 제1전압을 인가 받도록 제어하는 제1 스위치 및 상기 역률 개선 회로의 제2 커패시터의 제2 전압을 인가 받도록 제어하는 제2 스위치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

완속충전기(On board charger, OBC) 제어 방법 및 장치 {On board charger(OBC) control method and apparatus}
본 발명은 완속충전기(On board charger, OBC)에 관한 것으로, 상세하게는 완속충전기에서 충전을 제어하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
자동차 시장에서 최근 친환경차량의 수요가 급증하고 있다. 친환경차량으로서 전기 자동차(Electric Vehicle, EV)와 플러그인 하이브리드 전기 자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)에는 고전압 배터리를 충전하기 위한 충전 장치가 필요하다.
충전 장치는 완속충전기(On-Board-Charger, OBC)와 급속충전기로 분류되며,　표준화되어 차량에 관계없이 호환 가능한 완속충전기는 일반 상용 교류 전원(예를 들어, 220V)을 차량에 공급하여 충전하는 방식이다.　완속충전기는 전기 자동차 충전설비(Electric Vehicle Supply Equipment, EVSE)로부터 전기 에너지(AC전원)를 공급 받아, 휴대용 충전 케이블(In-Cable Control Box, ICCB)를 통해 고전압 배터리를 충전하는 장치이다. 배터리 용량에 따라 충전 시간이 4~6시간 정도 소요될 수 있다. 외부 전원 공급기로 충전하는 급속충전기의 경우,　전기차에　100~450V의 직류를 가변적으로 공급하여 배터리를 충전하는 방식으로 고압,　고용량 충전으로 충전시간이 적게(예를 들어, 30분 내지 40분) 소요된다.
한편, 동력원으로 모터 이외에 엔진도 이용하는 PHEV의 차량 내부에는 엔진, 모터 그리고 전력변환장치 등 차량에 탑재되는 동력 장치들이 순수 전기차 또는 내연기관 차량보다 많고, 이에 따라 운전자에게 주어지는 차량 내부 공간 활용이 줄어드는 문제점을 가질 수 있다.
또한, 차량에 탑재되는 장치들의 수가 증가하게 되어 일반 차량에 비해 가격도 상승하기 때문에 충전 장치의 소형화와 함께 충전 장치의 재료비 절감의 필요성이 증가하고 있다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로, 본 발명의 목적은 일반적으로 충전 장치에서 사용되는 컨버터(Converter)에 비해 부품수가 적고 구성이 간단하여 소형화 및 재료비 절감이 가능한 컨버터를 이용하는 완속 충전기(On board charger, OBC) 제어 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 완속충전기에 포함되는 역률 개선 회로(power factor corrector, PFC)의 전압 제어 및 컨버터(Converter)의 주파수 제어를 처리하는 부품 수를 감소시켜 새로운 회로 구조를 통해 소형화된 완속 충전기를 제어하는 방법 및 장치를 제공한다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 OBC 제어 방법은, 입력 전원의 전압을 모니터링 하는 단계; 상기 입력 전원의 전압을 미리 설정된 역률 개선 회로(Power Factor Corrector, PFC)의 출력 전압으로 승압 또는 감압하는 단계; 및 상기 출력 전압을 인가 받은 컨버터가 출력단자의 리플 전류(ripple current)를 고려하여 상기 컨버터(converter)의 스위칭 주파수를 제어하는 단계; 를 포함하며, 상기 컨버터는, 상기 역률 개선 회로에 포함되는 제1 커패시터의 제1전압을 인가 받도록 제어하는 제1 스위치 및 상기 역률 개선 회로의 제2 커패시터의 제2 전압을 인가 받도록 제어하는 제2 스위치를 포함할 수 있다.
실시예에 따라, 상기 컨버터의 전압 게인(gain)은 고정된 값을 가지며, 상기 전압 게인은 상기 컨버터의 입력 전압 대비 출력 전압의 비율일 수 있다.
실시예에 따라, 상기 출력 전압으로 승압 또는 감압하는 단계는, 상기 역률 개선 회로에 포함되는 스위칭 모듈의 듀티비(duty ratio)를 제어하는 단계; 를 포함할 수 있다.
실시예에 따라, 상기 역률 개선 회로는, 상기 스위칭 모듈의 듀티비 제어에 의해 전달되는 에너지가 저장되는 충전 모듈을 포함할 수 있다.
실시예에 따라, 상기 충전 모듈이 포함하는 상기 제1커패시터 및 상기 제2커패시터는 병렬 연결될 수 있다.
실시예에 따라, 상기 컨버터의 스위칭 주파수를 제어하는 단계는, 상기 제1스위치 및 상기 제2스위치의 교차 스위칭 동작 의해 스위칭 주파수를 제어하는 단계; 를 더 포함할 수 있다.
실시예에 따라, 상기 컨버터의 스위칭 주파수를 제어하는 단계는, 상기 스위칭 주파수는 고정주파수를 기준으로 상기 리플 전류에 따라 임계범위 내에서 제어되는 단계; 를 포함할 수 있다.
실시예에 따라, 상기 제 1 스위치 및 상기 제2 스위치는 직렬 연결될 수 있다.
실시예에 따라, 상기 듀티비의 제어는 FET(Field effect transistor)와 다이오드(diode)를 통해 수행될 수 있다.
실시예에 따라, 본 발명은 상기 기재된 방법을 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 완속 충전기는, 입력 전원의 전압 및 출력단자의 리플 전류를 모니터링 하는 모니터링부; 상기 입력 전원의 전압을 미리 설정된 출력 전압으로 승압 또는 감압하는 역률 개선 회로(PFC); 상기 역률 개선 회로에 포함되는 제1 커패시터의 제1전압을 인가 받도록 제어하는 제1 스위치 및 상기 역률 개선 회로의 제2 커패시터의 제2 전압을 인가 받도록 제어하는 제2 스위치를 포함하는 컨버터; 및 상기 역률 개선 회로의 승압 또는 감압을 제어하고, 상기 컨버터의 제1스위치 및 제2 스위치의 스위칭 동작을 제어하는 제어부; 를 포함할 수 있다.
실시예에 따라, 상기 컨버터는 상기 역률 개선 회로의 출력 전압을 인가 받고, 상기 출력단자의 리플 전류를 고려하여 상기 제1스위치 및 상기 제2스위치의 스위칭 주파수를 가변할 수 있다.
실시예에 따라, 상기 컨버터의 전압 게인(gain)은 고정된 값을 가지며, 상기 전압 게인은 상기 컨버터의 입력 전압 대비 출력 전압의 비율일 수 있다.
실시예에 따라, 상기 제어부는, 상기 역률 개선 회로에 포함되는 스위칭 모듈의 듀티비(duty ratio)를 제어할 수 있다.
실시예에 따라, 상기 역률 개선 회로는, 상기 스위칭 모듈의 듀티비 제어에 의해 전달되는 에너지가 저장되는 충전 모듈을 포함할 수 있다.
실시예에 따라, 상기 충전 모듈이 포함하는 상기 제1커패시터 및 상기 제2커패시터는 병렬 연결될 수 있다.
실시예에 따라, 상기 제어부는, 상기 제1스위치 및 상기 제2스위치의 교차 스위칭 동작 의해 스위칭 주파수를 제어할 수 있다.
실시예에 따라, 상기 제어부는, 상기 스위칭 주파수는 고정주파수를 기준으로 상기 리플 전류에 따라 임계범위 내에서 제어할 수 있다.
실시예에 따라, 상기 제 1 스위치 및 상기 제2 스위치는 직렬 연결될 수 있다.
실시예에 따라, 상기 듀티비의 제어는 FET(Field effect transistor)와 다이오드(diode)를 통해 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 완속충전기(On board charger, OBC) 제어 방법 및 장치에 대한 효과를 설명하면 다음과 같다.
첫째, 본 발명은 기존의 완속충전기 보다 완속충전기에 포함되는 스위치 개수를 줄여 완속충전기가 차량에서 차지하는 부피를 줄일 수 있고, 재료비 절감의 효과가 있다.
둘째, 본 발명은 역률 개선 회로(power factor corrector, PFC)의 전압 제어를 통해 컨버터(Converter)내부 변압기의 자화 인덕턴스 크기를 크게 설계할 수 있어 컨버터 내부 스위치의 턴오프(turn-off) 손실이 줄어들어 효율이 향상된다.
셋째, 완속충전기의 충전 효율은 연비와 직결되는 중요한 요소로서, 턴오프(turn-off) 손실이 줄어들어 전체 에너지 효율을 높이며, 이에 따른 연비 상승 효과가 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이하에 첨부되는 도면들은 본 발명에 관한 이해를 돕기 위한 것으로, 상세한 설명과 함께 본 발명에 대한 실시예들을 제공한다. 다만, 본 발명의 기술적 특징이 특정 도면에 한정되는 것은 아니며, 각 도면에서 개시하는 특징들은 서로 조합되어 새로운 실시예로 구성될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 완속충전기(On Board Charger)의 구조에 따른 충전 제어 시스템을 설명하기 위한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 교류 입력 전원에 대한 완속충전기에 포함된 각각의 구성의 동작을 설명하기 위한 구조도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 완속충전기의 역률 개선 회로(Power Factor Corrector, PFC)의 구조 및 DC/DC 컨버터의 구조를 설명하기 위한 구조도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 완속충전기의 컨버터에 포함되는 자화 인덕턴스와 누설 인덕턴스의 비율에 따른 컨버터 스위치의 턴오프(turn-off) 손실을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 PFC(Power Factor Corrector)의 스위칭 모듈에 의한 전압 제어 및 컨버터의 주파수 제어를 설명하기 위한 완속충전기의 구성도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 완속충전기 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
이하, 본 발명의 실시예들이 적용되는 장치 및 다양한 방법들에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
이상에서, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합되거나 결합되어 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 그 모든 구성 요소들이 각각 하나의 독립적인 하드웨어로 구현될 수 있지만, 각 구성 요소들의 그 일부 또는 전부가 선택적으로 조합되어 하나 또는 복수 개의 하드웨어에서 조합된 일부 또는 전부의 기능을 수행하는 프로그램 모듈을 갖는 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수도 있다. 그 컴퓨터 프로그램을 구성하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 본 발명의 기술 분야의 당업자에 의해 용이하게 추론될 수 있을 것이다. 이러한 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 저장매체(Computer Readable Media)에 저장되어 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써, 본 발명의 실시예를 구현할 수 있다. 컴퓨터 프로그램의 저장매체로서는 자기 기록매체, 광 기록매체, 캐리어 웨이브 매체 등이 포함될 수 있다.
실시예의 설명에 있어서, 각 구성 요소의 " 상(위) 또는 하(아래)", "전(앞) 또는 후(뒤)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상(위) 또는 하(아래)" 및"전(앞) 또는 후(뒤)"는 두 개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되거나 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 배치되어 형성되는 것을 모두 포함한다.
또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥 상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
그리고 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 도1 및 도 2에서 완속충전기에 대한 충전 제어 시스템의 전반적인 구조를 설명하고, 이를 바탕으로 일반적인 시스템에서 발생하는 문제점에 대해 검토한다.
또한, 도 3에서 구체적으로 완속충전기에 대한 충전 제어 시스템의 PFC 및 DC/DC 컨버터에서 충전 제어 방법 및 그 구조에 대해 설명한다.
이후, 도4, 도 5 및 도 6에서는 PFC(Power Factor Corrector)의 스위칭 모듈에 의한 전압 제어 및 컨버터의 주파수 제어를 설명하기 위한 완속충전기의 구성 및 제어 방법에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 완속충전기(On Board Charger)의 구조에 따른 충전 제어 시스템을 설명하기 위한 구성도이다.
도 1를 참조하면, 차량의 완속 충전기(OBC)에 의한 충전 제어 시스템은 크게, 교류 전원을 입력 전원으로 하여, EMI 필터(110), 역률 개선 회로(PFC, 120) 및 컨버터(DCDC Converter, 130)를 통해 고전압 배터리로 에너지를 저장하는 구조를 갖는다. 도 1에 도시된 구성요소들이 필수적인 것은 아니어서, 그보다 많은 구성요소들을 갖거나 그보다 적은 구성 요소들을 갖는 충전 제어 시스템이 구현될 수도 있다.
친환경차량의 충전은 급속 충전과 완속 충전으로 나눌 수 있다. 완속충전기(OBC)는 완속 충전시 입력 전원(예를 들어, 외부 교류(AC) 전원)을 정류, 승압 및 직류(DC) 전원으로 변환하여 친환경차량의 배터리로 충전하는 역할을 수행할 수 있다.
완속 충전기는 고주파 스위칭 온오프(On/Off) 동작을 하는 DC/DC 컨버터(전력변환기, 130)를 포함할 수 있고, DC/DC 컨버터(130)는 고주파 스위칭 온오프 동작에 의해 EMI 문제를 발생시킬 수 있다.
EMI(Electro Magnetic Interference)는 전자파 간섭 또는 전파 장애로서, 방사 또는 전도되는 전자파가 다른 전자 기기에 영향을 미치는 문제를 말한다. 완속 충전기는 충전 제어 시스템의 전력원인 입력 전원(계통 전원)과 직접적으로 연결이 되기 때문에, 완속 충전기에서 발생한 노이즈가 계통 전원으로 유입되는 것을 최소화할 수 있는 EMI필터(110)가 완속 충전기에 포함될 수 있다.
완속 충전기는 교류의 입력 전원을 직류 전원으로 변환시켜주며 역률을 개선해 주는 역률 개선 회로(Power Factor Collector, PFC, 120)를 포함할 수 있다.
일반적으로 역률 개선 회로(120)의 출력 전압이 고정된 크기를 갖는 구성과 상이하게, 본 발명에서는 역률 개선 회로(120)에 포함되어 있는 스위칭 모듈의 듀티비(duty ratio)를 제어함으로써 역률 개선 회로(120)의 입출력 전압 제어를 수행하고, 이에 따라 DC/DC 컨버터(130)로 인가하는 역률 개선 회로(120)의 출력 전압의 크기를 제어할 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 완속충전기 출력 전압을 컨버터의 주파수 제어와 함께 역률 개선 회로의 입출력 전압 제어를 이용할 수 있다.
완속 충전기는 고전압 배터리에서 요구되는 전압에 맞추어 충전을 할 수 있도록 출력 전압을 제어해주는 DC/DC컨버터(130)를 포함할 수 있다.
DC/DC컨버터(130)는 역률 개선 회로(120)의 출력 전압을 입력 전압으로 할 수 있다. DC/DC컨버터(130)는 고주파 스위칭 온오프 동작을 수행하는 스위칭부의 구성을 통해 주파수 제어를 함으로써 완속충전기 출력 전압을 제어할 수 있다.
일반적으로 역률 개선 회로(120)로부터 인가 받는 전압의 크기가 고정되어 DC/DC컨버터(130)에서 고주파 스위칭 온오프 동작을 통해 주파수 제어를 함으로써 완속충전기 출력 전압을 제어할 수 있었으나, DC/DC컨버터(130)의 넓은 입출력 전압 게인(gain)을 위해 DC/DC컨버터(130)에 포함되는 변압기의 자화 인덕턴스의 크기가 작게 설계되었다. 자화 인덕턴스의 크기가 작게 설계되면 자화 전류가 커지게 되고, 이에 따라 변압기의 환류 전류가 커짐으로써 DC/DC컨버터(130)의 고주파 스위칭 온오프 동작을 수행하는 스위치의 턴오프(turn-off) 손실이 증가하여 효율이 저하되는 한계를 가질 수 있다.
따라서, 일반적인 경우와 달리 본 발명에서 DC/DC컨버터(130)는 자화 인덕턴스의 크기를 키워 상기 한계를 극복하면서, 동시에 DC/DC컨버터(130)에 포함되는 스위치의 구조 변경을 통해 DC/DC컨버터(130)의 크기를 줄이는 완속충전기를 제안한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 교류 입력 전원에 대한 완속충전기에 포함된 각각의 구성의 동작을 설명하기 위한 구조도이다.
도 2를 참조하면, 입력 전원으로서 교류(AC) 전원이 인가될 때, 인가되는 전압은 정류, 절연, 정류, 승압, 감압 등의 처리를 통해 고전압 배터리(240)에 충전될 수 있다.
정류부(210)는 AC 입력 전원에 대해 전류를 한 방향으로 흐르게 하는 기능을 수행한다. 정류부(210)는 다이오드(diode)를 포함하여 구성될 수 있다. 일 실시예로서 정류부(210)는 PFC(220)에 포함되어 구성될 수 있다.
일 실시예로, AC 입력 전원과 정류부(210) 사이에 EMI 필터가 위치할 수 있다.
PFC(220, Power Factor Corrector)는 역률 개선 회로로서, 교류 전력을 직류 전력으로 바꾸는 과정에서 생기는 전력 손실을 줄이는 역할을 수행할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 입력된 전압의 크기를 전체적으로 균등하게 제어하는 기능을 수행한다.
DC-DC Converter(230)는 전압의 승압 또는 감압 기능을 수행하며, PFC(120)에서 직류 전압으로 정류된 출력 전압을 입력 전압으로 한다.
DC-DC Converter(230)는 변압기를 포함할 수 있고, PFC(220)으로부터 인가 받은 직류 전압은 변압기를 통해 승압 또는 감압된 교류 전압으로 변환될 수 있다. 이후, 변환된 교류 전압은 다시 정류 다이오드를 통해 승압 또는 감압된 직류 전압으로 출력되어 변환될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, A[V]를 B[V]로 전압을 변경하는 기능을 수행한다. B[V]는 고전압 배터리에서 요구되는 전압 크기일 수 있다.
DC-DC Converter(230)는 PFC(220)로부터 인가 되는 전압을 승압 또는 감압하기 위해 DC-DC Converter(230)의 주파수 스위칭 제어를 이용할 수 있다. 또한, DC-DC Converter(230)의 주파수 스위칭 제어는 DC-DC Converter(230)의 출력단자의 리플 전류를 제어하기 위해 이용될 수 있다.
고전압 배터리(240)는 직류 전압이 인가되어 충전이 이루어지므로, 고전압 배터리(240)로 전압을 인가하여 충전하는 DC-DC Converter(230)의 출력단자에 흐르는 리플 전류는 제어되어야 한다.
고전압 배터리(240)는 친환경차량에 구동 전력을 제공할 수 있다. 완속충전기는 친환경차량의 내부에 탑재된 충전기로서, 상용 교류(AC) 전력 계통에서 공급되는 전기 에너지를 직류(DC)로 변환하여 고전압 배터리(240)의 특성에 따라 충전 제어를 수행할 수 있다. PHEV에는 휠(wheel) 구동을 수행하는 전기모터에 동력을 제공하는 고전압 배터리(주배터리)와 일반적인 전장품에 전력을 공급하는 보조 배터리(저전압 배터리)를 포함하는 두 개의 배터리가 탑재될 수 있다. 상세하게, 전기 자동차는 전장품들을 기동시키기 위한 동작전원과 전기자동차를 움직이게 하기 위한 모터를 구동하는 구동전원을 필요로 하고, 동작전원 및 구동전원은 배터리로부터 공급되는데, 일반적으로 구동전원을 제공하기 위해 상대적으로 에너지 밀도와 출력 밀도가 큰 고전압배터리(또는 주 배터리)를 이용하고 있다. 그러나 전기자동차의 전장품들은 수 볼트에서 동작하므로, 상기 전장품에 맞는 전원을 공급하는 별도의 전장용 배터리(또는 보조 배터리)로부터 전원을 입력 받도록 구성된다.
본 발명의 일 실시예로서, 완속충전기는 고전압 배터리(240)를 충전하는 것이 바람직하나, 저전압 배터리를 충전할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 완속충전기의 역률 개선 회로(Power Factor Corrector, PFC)의 구조 및 DC/DC 컨버터의 구조를 설명하기 위한 구조도이다. 도 3에 도시된 구성요소들이 필수적인 것은 아니어서, 그보다 많은 구성요소들을 갖거나 그보다 적은 구성 요소들을 갖는, 완속충전기가 구현될 수도 있다.
도 3을 참조하면, 완속충전기는 AC 입력(310)으로부터 인가되는 전압을 정류부(320), PFC(330), DC-DC Converter(340)를 통해 고전압 배터리에 충전할 수 있다.
일 실시예로서, 정류부(320)은 다이오드 브릿지(diode bridge) 또는 브리지 정류기(bridge rectifier)로서 4개의 다이오드를 연결한 브릿지 회로로 구성될 수 있다.
PFC(330, Power Factor Corrector)는 역률 개선 회로로서, 교류 전력을 직류 전력으로 바꾸는 과정에서 생기는 전력 손실을 줄이는 역할을 수행한다.
본 발명의 일 실시예로서, PFC(330)는 내부의 정합회로를 이용하여, 교류 전원의 전압과 전류의 위상차이를 제거하여 송전 효율을 높인다. PFC(330)는 스위칭 모듈(332)을 포함하며, 스위칭 모듈(332)은 PWM(Pulse With Modulation) 제어를 통해 전원이 전체적으로 균등하게 할 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예로서 PFC(330)의 구성 요소들에 대해 상세히 살펴보기로 한다.
PFC(330)는 인덕터(L1) 및 캐패시터(C1)을 포함할 수 있는 정합회로를 포함할 수 있다. 정합회로는 상이한 성질의 전자 회로가 접속하는 장소에서 에너지를 가장 효율적으로 전하기 위해 접속점에서 본 양측에 임피던스를 같게 하는 기능을 수행한다.
본 발명의 일 실시예로, 정합회로는 인덕터(L1, 331) 및 캐패시터(C1, 333)을 포함하여 정류부(320)으로부터 정류된 에너지를 효율적으로 고전압 배터리로 전달하기 위해 임피던스 매칭(Impedeance Matching)을 수행한다. 임피던스 정합이 이뤄지지 않으면 반사파가 생겨 고전압 배터리로 최대 에너지를 전송하지 못하기 때문이다.
스위칭 모듈(332)은 인턱터(L1, 331)에 저장된 에너지를 충전 모듈(333)에 전달할 수 있다.
본 발명의 일 실시예로서, 스위칭 모듈(220)은 FET를 포함할 수 있다.
FET(Field Effect transistor)는 전계 효과 트랜지스터로서, 일반적으로 전압을 증폭하는 기능을 수행한다. 게이트(Gate)에 전압이 가해지면, 드래인(Drain)에서 Source(소스)로 또는 Source(소스) 에서 드래인(Drain)으로 전류가 흐른다. 게이트에 인가되는 전압의 량에 따라 흐르는 전류가 달라질 수 있고, 이러한 성질을 이용하여 본 발명의 일 실시예에서 FET는 스위칭 기능을 수행하기 위해 사용된다. PFC(330)는 FET의 PWM을 위한 듀티비(duty ratio) 제어를 통해 정류부(320)로부터 인가 받은 전압을 승압 또는 감압할 수 있다.
그러나, 일반적으로 PFC(330)의 스위칭 모듈(320)은 PWM의 듀티비(duty ratio) 제어를 수행하지 않아 정류부(320)으로 입력된 전압의 크기를 제어하지 않았다. 본 발명에서 스위칭 모듈(332)는 입력 전원으로부터 인가된 전압이 미리 설정된 전압에 미치지 못한 경우, 듀티비를 증가시켜 PFC(330)의 출력 전압을 승압 시킬 수 있다.
PFC(330)는 다이오드(diode)를 포함할 수 있고, 다이오드(diode)는 전류를 한 방향으로 흐르게 하고 역방향으로 흐리지 못하게 하는 성질을 가진 반도체소자이며, 교류를 직류로 변환하는 정류 작용을 한다.
충전 모듈(333)은 정류부(320)에서 전달받은 에너지를 저장하는 기능을 수행하며, 저장한 에너지를 DC-DC Converter(340)에 전달할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 충전 모듈(333)은 캐패시터(C1)를 포함하며, 이에 한정되지 않고, 에너지 저장 기능을 수행할 수 있는 소자로 대체될 수 있다.
DC-DC Converter(340)는 전압의 승압 또는 감압 기능을 수행하며, PFC(330)에서 직류 전압으로 정류된 출력 전압을 입력 전압으로 한다. DC-DC Converter(340)는 변압기를 포함할 수 있고, PFC(330)으로부터 인가 받은 직류 전압은 변압기를 통해 승압 또는 감압된 교류 전압으로 변환될 수 있다. 이후, 변환된 교류 전압은 다시 정류 다이오드를 통해 승압 또는 감압된 직류 전압으로 출력되어 변환될 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예로서 DC-DC Converter(340)의 구성 요소들에 대해 상세히 살펴보기로 한다.
DC-DC Converter(340)는 PFC(330)의 출력 전압을 변압기로 전달하기 위해 풀브릿지(341)를 이용할 수 있다. 풀브릿지(341)의 고주파 스위칭 온오프 동작을 통해 전달되는 전압은 변압기를 통해 다시 정류 과정을 거치고, 캐패시터에 전기 에너지로 저장될 수 있다.
일 실시예로, 풀브릿지(341)는 직류를 교번으로 스위칭하여 출력하는 4개의 스위치(예를 들어, FET)를 포함할 수 있다. 상세하게, 상단 스위치 및 하단 스위치가 중간점을 마주보고 캐스코드 구성으로 연결될 수 있다.
한편, 완속충전기(OBC)는 충전 표준에 적용되기 위해 고전압 배터리의 충전 용량(예를 들어, 3.3[KW]), 다소 넓은 범위의 입력 전압 범위(예를 들어, 70[V] 내지 285[V]), 출력 전압 범위(예를 들어, 240[V] 내지 413[V])를 만족해야 한다. 다소 넓은 입력 전압 범위와 출력 전압 범위에 의해 DC-DC Converter(340)는 입출력 전압 게인(gain)을 높게 설계할 필요가 있다.
DC-DC Converter(340)의 입출력 전압 게인은 PFC(120)의 출력 전압을 DC-DC Converter(340)의 입력 전압으로 하여 DC-DC Converter(340)의 입력 전압과 출력 전압의 비율일 수 있다.
DC-DC Converter(340)의 입출력 전압 게인은 누설 인덕터(Lr, 342) 및 자화 인턱터(Lm, 343)의 관계에 영향을 받는다. 이에 관하여는, 도 4에서 상세히 설명한다.
DC-DC Converter(340)는 풀브릿지(341)를 통해 교번적으로 변압기로 PFC(330)로부터 전달 받은 전압을 변압기로 인가하고, 변압기 및 정류기를 통해 DC-DC Converter(340)의 출력단에 전기 에너지를 저장할 수 있다. 일 실시예로, DC-DC Converter(340)의 출력단은 커패시터를 포함할 수 있다.
고전압 배터리는 DC-DC Converter(340) 출력단에 저장된 전압을 이용하여 충전될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 완속충전기의 컨버터에 포함되는 자화 인덕턴스와 누설 인덕턴스의 비율에 따른 컨버터 스위치의 턴오프(turn-off) 손실을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 누설 인덕터(Lr, 342) 및 자화 인턱터(Lm, 343)의 비율에 대한 m 값이 식1과 같이 정의된다.
Figure 112016087218546-pat00001
m의 크기가 작으면(예를 들어, m이 3인 경우), 높은 입출력 전압 게인을 가지며, 좁은 주파수 범위를 가지며, 입출력 전압 게인의 범위가 넓어 상대적으로 유동적인 제어가 가능하다.
m의 크기가 크면(예를 들어, m이 12인 경우), 자화 인덕터의 크기가 커서 높은 유도 인덕턴스를 가지며, 환류 전류(magnetizing circulating current)가 작아져 스위치의 턴오프(turn-off) 손실이 감소하게 되어 DC-DC컨버터 전체적으로 높은 효율을 가질 수 있다.
일반적으로, DC-DC컨버터의 입력 전압이 일정한 경우, 높은 입출력 전압 게인을 얻기 위해 DC-DC컨버터에 포함되어 있는 변압기의 자화 인덕턴스를 작게 설계해야 한다. 자화 인덕턴스를 작게 설계하게 되면 자화 전류가 커지게 되어 변압기의 환류 전류가 커지고 스위치의 turn-off 손실이 증가하게 되어 효율이 저하되는 문제점이 발생할 수 있다.
상기 문제점을 해소하기 위해 본 발명은 자화 인덕턴스를 크게 설계하여 상기 문제점을 해소할 수 있고, 이와 더불어 DC-DC 컨버터가 하프 브릿지를 포함하도록 하며, 역률 개선 회로의 충전 단자를 상단 및 하단 커패시터로 구성하여 역률 개선 회로의 전압 제어를 수행할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 PFC(Power Factor Corrector)의 스위칭 모듈에 의한 전압 제어 및 컨버터의 주파수 제어를 설명하기 위한 완속충전기의 구성도이다.
도 5를 참조하면, 완속충전기는 PFC(510)의 스위칭 모듈의 듀티비를 제어하여 PFC(510)의 출력 전압(DC-DC Converter(520)의 입력 전압)의 크기를 제어하는 전압 제어를 수행하고, 이와 함께 DC-DC Converter(520)의 출력단의 리플 전류를 모니터링하여 이를 제어하기 위한 하프 브릿지(521)의 주파수 제어를 수행할 수 있다.
PFC(510)의 충전 모듈(512)는 상단 커패시터(제1커패시터)와 하단 커패시터(제2커패시터)를 포함할 수 있다.
상단 커패시터에 인가되는 전압은 DC-DC Converter(520)가 포함하는 하프 브릿지(521)의 상단 스위치(제1스위치)가 활성화될 때 변압기로 전달할 수 있고, 하단 커패시터에 인가되는 전압은 하프브릿지(521)의 하단 스위치(제2스위치)가 활성화될 때 변압기로 전달될 수 있다. 상단 및 하단 스위치는 제어부(540)에 의해 교번적으로 직류 전압을 변압기로 전달할 수 있다.
예를 들어, PFC(510)의 출력단 전압이 700[V]인 경우, 상단 및 하단 커패시터 각각에 350[V]가 인가될 수 있고, DC-DC Converter(520)의 상단 및 하단 스위치의 교번적인 활성화로 인하여 350[V]의 전압이 변압기로 교번적으로 인가될 수 있다.
한편, PFC(510)의 스위칭 모듈(511)은 PFC(510)로 인가되는 전압의 크기를 승압 또는 감압 시키기 위해 듀티비를 제어할 수 있다.
예를 들어, PFC(510)로 인가되는 전압의 크기가 작은 경우, 제어부(540)는 스위칭 모듈(511)의 듀티비를 증가시켜 승압시킬 수 있다.
DC-DC Converter(520)는 하프브릿지(521), 변압기, 정류부 및 출력단(522)을 포함할 수 있다.
본 발명에서 DC-DC Converter(520)의 입출력 전압 게인(gain)은 고정된 값을 가질 수 있고, 출력단(522)의 리플 전류를 제어하기 위한 주파수 제어가 수행될 수 있다. 리플 전류를 제어하기 위한 주파수 제어는 미리 설정된 동작 주파수를 기준으로 일정 범위 내에서 변경될 수 있다.
모니터링부(530)는 PFC(510)의 입력 전압의 크기를 산출하기 위해 AC 입력의 전압 또는 정류부의 출력 전압을 모니터링할 수 있다. 또한, DC-DC Converter(520)의 출력단(522) 전압을 모니터링할 수 있다.
모니터링부(530)는 AC 입력의 전압 또는 정류부의 출력 전압의 모니터링한 결과를 제어부(540)으로 전달할 수 있다.
제어부(540)는 모니터링부(530)으로부터 전달 받은 AC 입력의 전압 또는 정류부의 출력 전압(PFC(510)의 입력 전압)의 크기와 미리 설정된 기준전압을 비교하여, PFC(510)의 입력 전압을 승압 또는 감압시키기 위해 스위칭 모듈(511)의 듀티비를 제어할 수 있다.
예를 들어, PFC(510)의 입력 전압이 기준전압보다 낮은 경우 스위칭 모듈(511)의 듀티비를 증가시켜 승압시킬 수 있다.
또한, 제어부(540)는 DC-DC Converter(520)의 출력단(522) 리플 전류를 모니터링부(530)로부터 전달 받을 수 있고, 리플 전류를 제거하기 위해 하프브릿지(521)의 스위칭 주파수를 제어할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 완속충전기 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 6을 참조하면, 완속충전기 는 입력 전원의 전압을 모니터링할 수 있다(S610).
완속충전기 는 역률 개선 회로(PFC)의 입력 전압을 승압 또는 감압 시켜 DC/DC 컨버터로 전달하기 위해 역률 개선 회로(PFC)의 입력 전압을 모니터링할 필요가 있다.
모니터링부는 역률 개선 회로(PFC)의 입력 전압의 크기를 산출하기 위해 입력 전원의 전압을 모니터링할 수 있다.
일 실시예로, 모니터링부는 입력 전원의 전압뿐만 아니라 정류부의 출력 전압을 모니터링할 수 있다.
완속충전기는 입력 전원의 전압을 미리 설정된 역률 개선 회로(PFC)의 출력 전압으로 승압 또는 감압할 수 있다(S620).
역률 개선 회로의 스위칭 모듈은 듀티비를 제어함으로써 역률 개선 회로(PFC)의 출력 전압으로 승압 또는 감압할 수 있다.
역률 개선 회로(PFC)의 출력 전압은 역률 개선 회로(PFC)의 충전 모듈에 저장될 수 있다.
본 발명의 일 실시예로, 역률 개선 회로(PFC)의 충전 모듈은 상단 커패시터(제1커패시터) 및 하단 커패시터(제2커패시터)를 포함할 수 있다. 상단 및 하단 커패시터는 DC/DC 컨버터의 하프 브릿지의 스위칭의 스위칭 주파수에 따라 교번적으로 DC/DC 컨버터에 전압을 인가할 수 있다.
완속충전기는 출력 전압을 인가 받은 컨버터가 출력단자의 리플 전류를 고려하여 컨버터의 스위칭 주파수를 제어할 수 있다(S630).
완속충전기는 DC/DC 컨버터의 출력단의 리플 전류를 모니터링하여 이를 제어하기 위해 하프브릿지의 스위칭 주파수를 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예로서, DC/DC 컨버터는 고정된 입출력 전압 게인을 가질 수 있다. 이에 따라, 스위칭 주파수는 기준 주파수와 일정 범위 내에서 주파수를 제어함으로써 리플 전류를 제어할 수 있다.
상술한 실시예에 따른 방법은 컴퓨터에서 실행되기 위한 프로그램으로 제작되어 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체에 저장될 수 있으며, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등을 포함한다.
컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고, 상술한 방법을 구현하기 위한 기능적인(function) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 실시예가 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (20)

  1. 입력 전원의 전압을 모니터링 하는 단계;
    상기 입력 전원의 전압을 미리 설정된 역률 개선 회로(Power Factor Corrector, PFC)의 출력 전압으로 승압 또는 감압하는 단계; 및
    상기 출력 전압을 인가 받은 컨버터가 출력단자의 리플 전류(ripple current)를 고려하여 상기 컨버터(converter)의 스위칭 주파수를 제어하는 단계;
    를 포함하며,
    상기 출력 전압으로 승압 또는 감압하는 단계는,
    제어부가 모니터링부으로부터 전달 받은 상기 입력 전원의 전압 또는 상기 역률 개선 회로의 입력 전압의 크기와 기 설정된 기준전압을 비교하고,
    상기 역률 개선 회로의 입력 전압을 승압 또는 감압시키도록 듀티비를 제어하는 단계를 포함하고,
    상기 컨버터는,
    상기 역률 개선 회로에 포함되는 제1,2 커패시터의 전압을 출력하도록 제어하는 제1,2 스위치를 포함하는 OBC 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 컨버터의 전압 게인(gain)은 고정된 값을 가지며,
    상기 전압 게인은 상기 컨버터의 입력 전압 대비 출력 전압의 비율인,
    OBC 제어 방법.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 역률 개선 회로는,
    스위칭 모듈의 듀티비 제어에 의해 전달되는 에너지가 저장되는 충전 모듈을 포함하는,
    OBC 제어 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 충전 모듈이 포함하는 상기 제1커패시터 및 상기 제2커패시터는 직렬 연결되는,
    OBC 제어 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 컨버터의 스위칭 주파수를 제어하는 단계는,
    상기 제1스위치 및 상기 제2스위치의 교차 스위칭 동작 의해 스위칭 주파수를 제어하는 단계;
    를 더 포함하는,
    OBC 제어 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 컨버터의 스위칭 주파수를 제어하는 단계는,
    상기 스위칭 주파수는 고정주파수를 기준으로 상기 리플 전류에 따라 임계범위 내에서 제어되는 단계;
    를 포함하는,
    OBC 제어 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제 1 스위치 및 상기 제2 스위치는 직렬 연결되는,
    OBC 제어 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 듀티비의 제어는 FET(Field effect transistor)와 다이오드(diode)를 통해 수행되는,
    OBC 제어 방법.
  10. 제1항, 제2항, 제4항 내지 제9항 중 어느 한 항에 기재된 방법을 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
  11. 입력 전원의 전압 및 출력단자의 리플 전류를 모니터링 하는 모니터링부;
    상기 입력 전원의 전압을 미리 설정된 출력 전압으로 승압 또는 감압하는 역률 개선 회로(PFC);
    상기 역률 개선 회로에 포함되는 제1 커패시터의 제1전압을 인가 받도록 제어하는 제1 스위치 및 상기 역률 개선 회로의 제2 커패시터의 제2 전압을 인가 받도록 제어하는 제2 스위치를 포함하는 컨버터; 및
    상기 모니터링부으로부터 전달 받은 상기 입력 전원의 전압 또는 상기 역률 개선 회로의 입력 전압의 크기와 기 설정된 기준전압을 비교하고,
    상기 역률 개선 회로의 입력 전압을 승압 또는 감압시키도록 듀티비를 제어하고,
    상기 컨버터의 제1스위치 및 제2 스위치의 스위칭 동작을 제어하는 제어부;
    를 포함하는
    완속 충전기.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 컨버터는
    상기 역률 개선 회로의 출력 전압을 인가 받고, 상기 출력단자의 리플 전류를 고려하여 상기 제1스위치 및 상기 제2스위치의 스위칭 주파수를 가변하는,
    완속 충전기.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 컨버터의 전압 게인(gain)은 고정된 값을 가지며,
    상기 전압 게인은 상기 컨버터의 입력 전압 대비 출력 전압의 비율인,
    완속 충전기.
  14. 삭제
  15. 제11항에 있어서,
    상기 역률 개선 회로는,
    스위칭 모듈의 듀티비 제어에 의해 전달되는 에너지가 저장되는 충전 모듈을 포함하는,
    완속 충전기.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 충전 모듈이 포함하는 상기 제1커패시터 및 상기 제2커패시터는 병렬 연결되는,
    완속 충전기.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1스위치 및 상기 제2스위치의 교차 스위칭 동작 의해 스위칭 주파수를 제어하는,
    완속 충전기.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 스위칭 주파수는 고정주파수를 기준으로 상기 리플 전류에 따라 임계범위 내에서 제어하는,
    완속 충전기.
  19. 제11항에 있어서,
    상기 제 1 스위치 및 상기 제2 스위치는 직렬 연결되는,
    완속 충전기.
  20. 제11항에 있어서,
    상기 듀티비의 제어는 FET(Field effect transistor)와 다이오드(diode)를 통해 수행되는,
    완속 충전기.
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