KR102040228B1

KR102040228B1 - 배터리 충전 장치

Info

Publication number: KR102040228B1
Application number: KR1020170116192A
Authority: KR
Inventors: 김일환; 채상헌
Original assignee: 제주대학교 산학협력단
Priority date: 2017-09-11
Filing date: 2017-09-11
Publication date: 2019-11-04
Also published as: KR20190029091A

Abstract

본 발명은 배터리 충전 장치에 관한 것으로서, 상용 전원부에서 출력되는 3상 전원의 각 상에 대한 전류를 감지하여 각 상에 대한 3상 전류를 출력하는 전류 감지부, 3상 전원의 각 상에 대한 전압을 감지하여 각 상에 대한 3상 전압을 출력하는 제1 전압 감지부, 상용 전원부의 교류 전압을 직류 전압으로 변환하여 충전부로 출력하는 3상 교류-직류 변환부, 3상 교류-직류 변환부에서 출력되는 직류 전압을 출력하는 제2 전압 감지부, 그리고 3상 전류를 d축 전류와 q축 전류로 변환하고 상기 3상 전압을 d축 전압과 q축 전압으로 변환하며, d축 전류와 q축 전류 그리고 d축 전압과 q축 전압을 이용하여 역률을 산출하며, 역률 지령값과 역률의 차를 비례적분 제어하여 d축 전류 지령값을 산출하고, d축 전류 지령값과 d축 전류의 차를 비례적분 제어하여 d축 전압 지령값을 출력하고, 직류 전압 지령값과 직류 전압의 차를 비례적분 제어하여 q축 전류 지령값을 산출하고, q축 전류 지령값과 q축 전류의 차를 비례적분 제어하여 q축 전압 지령값을 출력하고, d축 전압 지령값과 q축 전압 지령값을 이용하여 펄스폭 변조 신호를 생성해 3상 교류-직류 변환기로 출력하는 제어 유닛을 포함한다.

Description

배터리 충전 장치{APPARATUS FOR CHARGING BATTERY}

본 발명은 배터리 충전 장치, 좀 더 구체적으로 차량용 배터리 충전 장치에 관한 것이다.

일반적으로 전기 자동차에서 주 동력원으로 사용되는 배터리(battery)는 전기 자동차의 주행에 따라 충전되어 전압이 방전되므로 일정 주기마다 그리고 일정 거리를 주행한 이후에 충전 동작이 이루어져야 한다.

이러한 전기 자동차의 배터리를 충전하기 위해서는 전기 자동차 내부에 장착되어 있는 충전 장치를 이용하거나 외부에 별도로 설치된 배터리 충전소의 충전 장치를 이용한다.

또한 전기 자동차의 배터리 충전 방식은 충전 전류의 크기에 따라 일반 충전 방식과 급속 충전 방식으로 나눠진다.

일반 충전 방식은 일반적으로 20A 이하의 전류로 장시간 충전이 이루어지는 경우이고, 급속 충전 방식은 대략 30A 이상의 전류로 단시간 내에 충전이 이루어지는 경우이다.

일반적으로, 차량에 탑재되어 있는 충전 장치는 일반 충전 방식에 따라 전기 자동차의 충전 동작을 실시하고 배터리 충전소의 충전 장치는 급속 충전 방식에 따라 전기 자동차의 충전 동작을 실시한다.

이러한 종래의 전기 자동차 충전 장치는 유효 전력만을 제어하여 배터리 충전 기능만을 행하고 있으므로, 동작 효율이 감소하는 문제가 존재한다.

한국 등록특허 등록번호 10-1194485(등록일자: 2012년 10월 18일, 발명의 명칭: 가변 주파수 역률 제어 충전 장치) 한국 등록특허 등록번호 10-1628525(등록일자: 2016년 06월 01일, 발명의 명칭: 차량용 배터리 충전기)

따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 배터리 충전 장치의 사용 효율을 향상시키기 위한 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 배터리 충전 장치의 동작의 안정성을 높이고 전력 소모와 대기 전력을 감소시켜 전력 효율을 향상시키기 위한 것이다.

본 발명의 한 특징에 따른 배터리 충전 장치는 상용 전원부에 연결되어 있고, 상기 상용 전원부에서 출력되는 3상 전원의 각 상에 대한 전류를 감지하여 각 상에 대한 3상 전류를 출력하는 전류 감지부, 상기 상용 전원부에 연결되어 있고, 상기 3상 전원의 각 상에 대한 전압을 감지하여 각 상에 대한 3상 전압을 출력하는 제1 전압 감지부, 상기 상용 전원부에 연결되어 있고 상기 상용 전원부의 교류 전압을 직류 전압으로 변환하여 충전부로 출력하는 3상 교류-직류 변환부, 상기 3상 교류-직류 변환부에 연결되어 상기 3상 교류-직류 변환부에서 출력되는 직류 전압을 출력하는 제2 전압 감지부, 그리고 상기 전류 감지부와 상기 제1 및 제2 전압 감지부에 연결되어 있고, 상기 3상 전류를 d축 전류와 q축 전류로 변환하고 상기 3상 전압을 d축 전압과 q축 전압으로 변환하며, 상기 d축 전류와 q축 전류 그리고 상기 d축 전압과 q축 전압을 이용하여 역률을 산출하며, 역률 지령값과 상기 역률의 차를 비례적분 제어하여 d축 전류 지령값을 산출하고, 상기 d축 전류 지령값과 상기 d축 전류의 차를 비례적분 제어하여 d축 전압 지령값을 출력하고, 직류 전압 지령값과 상기 직류 전압의 차를 비례적분 제어하여 q축 전류 지령값을 산출하고, 상기 q축 전류 지령값과 상기 q축 전류의 차를 비례적분 제어하여 q축 전압 지령값을 출력하고, 상기 d축 전압 지령값과 상기 q축 전압 지령값을 이용하여 펄스폭 변조 신호를 생성해 상기 3상 교류-직류 변환기로 출력하는 제어 유닛을 포함할 수 있다.

상기 제어 유닛은 상기 3상 전류를 d축 전류와 q축 전류로 변환하고 상기 3상 전압을 d축 전압과 q축 전압으로 변환하는 dq축 변환부, 상기 dq축 변환부에 연결되어 되어 있고, dq축 전압과 dq축 전류를 이용하여 유효 전력과 무효 전력을 산출하고, 상기 유효 전력과 상기 무효 전력을 이용해 피상 전력을 산출하며, 상기 유효 전력과 상기 피상 전력을 이용해 상기 역률을 산출하는 역률 산출부, 상기 역률 산출부, 상기 역률 지령값 및 상기 d축 전류에 연결되어 d축 전압 지령값을 출력하는 역률 제어부, 상기 제2 전압 감지부, 상기 직류 전압 지령값 및 상기 q축 전류에 연결되어 q축 전압 지령값을 출력하는 직류 전압 제어부, 상기 역률 제어부와 상기 직류 전압 제어부에 연결되어 있고, 상기 d축 전압 지령값과 상기 q축 전압 지령값을 이용하여 3상의 전압 지령값으로 변환하는 abc상 변환부, 그리고 상기 abc상 변환부에 연결되어 있고, 상기 3상의 전압 지령값에 따라 해당 펄스폭을 갖는 펄스폭 변조 신호를 출력하는 펄스폭 변조신호 생성부를 포함할 수 있다.

상기 역률 제어부는 (+) 입력단자로 역률 지령값이 인가되고 (-) 입력단자로 상기 역률이 인가되는 제1 뺄셈기, 상기 제1 뺄셈기의 출력 단자에 입력단자가 연결되어 있는 제1 비례적분 제어기, 상기 제1 비례적분 제어기의 출력단자에 (+) 입력 단자가 연결되어 있고 상기 d축 전류에 (-) 입력단자가 연결되어 있는 제2 뺄셈기, 그리고 상기 제2 뺄셈기의 출력 단자에 입력단자가 연결되어 있고 상기 abc상 변환부에 출력단자가 연결되어 있는 제2 비례적분 제어기를 포함하고, 상기 직류 전압 제어부는 (+) 입력단자로 상기 직류 전압 지령값이 인가되고 (-) 입력단자로 상기 직류 전압이 인가되는 제1 뺄셈기, 상기 제1 뺄셈기의 출력 단자에 입력단자가 연결되어 있는 제1 비례적분 제어기, 상기 제1 비례적분 제어기의 출력단자에 (+) 입력 단자가 연결되어 있고 상기 q축 전류에 (-) 입력단자가 연결되어 있는 제2 뺄셈기, 그리고 상기 제2 뺄셈기의 출력 단자에 입력단자가 연결되어 있고 상기 abc상 변환부에 출력단자가 연결되어 있는 제2 비례적분 제어기를 포함할 수 있다.

상기 제어 유닛은 상기 d축 전류에 함유되어 있는 d축 전류 고조파 성분과 상기 q축 전류에 함유되어 있는 q축 전류 고조파 성분을 추출하고, 상기 역률 지령값과 상기 역률의 차에 대한 비례적분 제어된 값에 상기 d축 전류 고조파 성분을 가산하여 상기 d축 전류 지령값을 산출하고, 상기 직류 전압 지령값과 상기 직류 전압의 차에 대한 비례적분 제어된 값에 상기 q축 전류 고조파 성분을 가산하여 상기 q축 전류 지령값을 산출할 수 있다.

상기 제어 모듈은 상기 d축 전류가 입력되는 제1 저역 통과 필터, 상기 d축 전류에 (+) 입력단자가 연결되어 있고 상기 제1 저역 통과 필터의 출력단자가 (-) 입력단자가 연결되어 있고 d축 전류 고조파 성분을 출력하는 제1 뺄셈기, 그리고 상기 q축 전류가 입력되는 제2 저역 통과 필터, 상기 q축 전류에 (+) 입력단자가 연결되어 있고 상기 제2 저역 통과 필터의 출력단자가 (-) 입력단자가 연결되어 있고 q축 전류 고조파 성분을 출력하는 제2 뺄셈기를 포함하는 고조파 성분 검출부를 더 포함할 수 있다.

상기 역률 제어부는 상기 제1 비례적분 제어기의 출력단자에 (+) 입력단자가 연결되어 있고 상기 d축 전류 고조파 성분에 (-) 입력단자가 연결되어 있으며 상기 제2 뺄셈기의 (+) 입력단자에 출력단자가 연결되어 있는 덧셈기를 더 포함하고, 상기 직류 전압 제어부는 상기 제1 비례적분 제어기의 출력단자에 (+) 입력단자가 연결되어 있고 상기 q축 전류 고조파 성분에 (-) 입력단자가 연결되어 있으며 상기 제2 뺄셈기의 (+) 입력단자에 출력단자가 연결되어 있는 덧셈기를 더 포함할 수 있다.

이러한 특징에 따르면, 3상 전원의 상전류에 포함되어 있는 고조파 성분이 제거되어, 안정적인 3상 전원의 출력이 이루어지므로, 배터리 쪽 뿐만 아니라 상용부하 쪽으로 안정적인 전원 공급이 이루어진다.

또한, 3상 교류-직류 변환부로부터 출력되는 직류 전압을 실시간으로 감지하여 직류 전압 지령값과 동일한 직류 전압이 출력될 수 있도록 3상 교류-직류 변환부(40)의 동작을 제어하므로, 안정적으로 원하는 크기의 직류 전압이 출력되므로 배터리(70)의 충전 동작 역시 안정적으로 이루어진다.

3상 전원의 상전압과 상전류를 이용하여 유효 전력과 무효 전력을 산출한 후 현재의 수용가 역률을 산출하고, 수용가 역률이 역률 지령값이 될 수 있도록 역률 보정 동작을 실시하므로, 3상 전원의 전력 효율이 향상되고, 충전장치가 항시 가동되므로 대기 전력이 없어진다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 충전 장치의 개략적인 블럭도이다.
도 2는 도 1에 도시한 제어 유닛의 블록도이다.
도 3은 도 2에 도시한 고조파 성분 검출부의 블록도이다.
도 4는 도 2에 도시한 역률 산출부의 블록도이다.
도 5는 도 3에 도시한 역률 제어부와 직류 전압 제어부의 블록도이다.
도 6은 종래의 차량용 배터리 충전 장치의 3상 교류-직류 변환부에서 출력되는 직류 전압과 역률에 대한 파형도이다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 차량용 배터리 충전 장치의 3상 교류-직류 변환부에서 출력되는 직류 전압과 역률에 대한 파형도이다.
도 8는 종래의 배터리 충전 장치에서 출력되는 계통측 전류 중 한 상에 대한 파형도이다.
도 9은 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 충전 장치에서 출력되는 계통측 전류 중 한 상에 대한 파형도이다.
도 10은 종래의 차량용 배터리 충전 장치에서 계통측 전류에 함유된 고조파 성분에 대한 FFT 분석 결과에 대한 그래프이다.
도 11는 본 발명의 한 실시예에 따른 차량용 배터리 충전 장치에서 계통측 전류에 함유된 고조파 성분에 대한 FFT 분석 결과에 대한 그래프이다.
도 12은 종래의 차량용 배터리 충전 장치에서 전압과 전류의 상태를 도시한 도면으로서, (a) 차량용 배터리 충전 장치의 계통측 전압, 교류-직류 변환기의 입력측 전류 및 수용가측 전류인 상용 부하측 전류를 도시하고, (b)는 계통측 전압과 계통측 전류에 대한 파형도이다.
도 13는 본 발명의 한 실시예에 따른 차량용 배터리 충전 장치에서 전압과 전류의 상태를 도시한 도면으로서, (a) 차량용 배터리 충전 장치의 계통측 전압, 교류-직류 변환기의 입력측 전류(예, a상 전류) 및 수용가측 전류인 상용 부하측 전류를 도시하고, (b)는 계통측 전압과 계통측 전류에 대한 파형도이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "접속되어" 있다거나 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 접속되어 있거나 연결되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 한다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 접속되어" 있다거나 "직접 연결되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 충전 장치에 대하여 설명한다.

하나의 예로서, 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 충전 장치는 차량용 배터리 충전 장치이고, 이때, 급속 충전 방식을 이용한 차량용 배터리 충전 장치를 예로서 설명한다.

먼저, 도 1을 참고로 하여 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 충전 장치의 구조에 상세하게 설명한다.

본 예의 배터리 충전 장치는 상용 전원부(10), 상용 전원부(10)에 연결되어 있는 전류 감지부(21), 상용 전원부(10)에 연결되어 있는 전압 감지부(예, 제1 전압 감지부)(22), 전류 감지부(21)와 제1 전압 감지부(22)에 연결되어 있는 제어 유닛(30), 상용 전원부(10)와 제어 유닛(30)에 연결되어 있는 3상 교류(AC)-직류(DC) 변환부(AC-DC 변환부)(40), 교류-직류 변환부(40)의 양단에 연결되어 있는 전압 감지부(예, 제2 전압 감지부)(51), 그리고 교류-직류 변환부(40)와 배터리(70) 사이에 연결되어 있는 충전부(60)를 구비한다.

상용 전원부(10)는 3상(a, b, c) 전원인 계통 전원에 연결되어 송전 선로로부터 3상(a, b, c)의 교류 전원을 공급받아 3상 교류-직류 변환부(40)로 공급한다.

이러한 상용 전원부(10)는 또한 상용 전원을 사용하는 수용가(예, 가정집)의 부하인 상용 부하(80)에 연결되어 상용 부하(80)의 동작에 필요한 전원을 공급한다.

필요에 따라, 상용 전원부(10)에 연결되어 있는 필터부를 추가로 구비할 수 있고, 필터부에 의해 상용 전원부(10)로부터 공급되는 직류 전원의 불필요한 노이즈(noise) 성분이 제거되어, 노이즈 성분이 제거된 직류 전원이 교류-직류 변환부(40)로 공급될 수 있다. 필터부는 EMI(electromagnetic interference) 필터가 사용될 수 있다.

전류 감지부(21)는 상용 전원부(10)의 각 상(a, b, c)의 전원이 공급되는 각 전선에 연결되어 각 상(a, b, c)의 전원에 대한 전류인 계통측 상전류(Ia, Ib, Ic)를 각각 감지해 제어 유닛(30)으로 출력한다.

제1 전압 감지부(22)는 상용 전원부(10)의 각 상(a, b, c)의 전원에 대한 전선과 접지 사이에 연결되어 각 상(a, b, c)의 대한 전압인 계통측 상전압(Va, Vb, Vc)을 감지하여 제어 유닛(30)에 출력한다.

따라서, 전류 감지부(21)와 전압 감지부(22)는 각 (a, b, c)의 전원에 대한 상전류(Ia, Ib, Ic)와 상전압(Va, Vb, Vc)을 감지하므로, 각각 3개로 이루어져 있다.

3상 교류-직류 변환부(40)는 3상 상용 전원부(10)로부터 인가되는 3상 교류 전원을 3상 직류 전원으로 변환하는 3상 컨버터(converter)로서, 제어 유닛(30)으로부터 인가되는 각 상(a, b, c)을 위한 펄스폭 변조 신호(PWM41-PWM46)를 제어 단자로 각각 인가받는 IGBT(insulated gate bipolar mode transistor)와 같은 스위칭 소자(SW41-SW46) 및 평활 동작을 위한 커패시터 등을 구비한다.

이때, 직렬로 연결되는 있는 스위칭 소자(SW41 및 SW44, SW42 및 SW45, SW43-SW46)의 제어 단자로 각각 인가되는 펄스폭 변조 신호(PWM41 및 PWM44, PWM42 및 PWM, PWM43-PWM46)는 서로 반전 상태를 갖고 있으므로, 펄스폭 변조 신호(PWM44 내지 PWM46)는 펄스폭 변조 신호(PWM41 내지 PWM43)의 반전 신호이다.

따라서, 교류-직류 변환부(40)는 각 스위칭 소자(SW41-SW46)의 제어 단자로 인가되는 제어 신호인 펄스폭 변조 신호(PWM41-PWM46)의 상태에 따라 턴온 또는 턴오프되어 상용 전원부(10)로부터 인가되는 3상 전원을 직류 상태의 전원(즉, 직류 전원)으로 변환하여 충전부(60)로 출력한다.

제2 전압 감지부(51)는, 이미 기술한 것처럼, 3상 교류-직류 변환부(40)의 출력 단자에 연결되어 있는 3상 교류-직류 변환부(40)의 두 출력 단자 사이에 인가되는 직류 전압(Vdc)을 감지하여 제어 유닛(30)으로 출력한다.

이로 인해, 제2 전압 감지부(51)는 3상 교류-직류 변환부(40)에 변환된 직류 전압(Vdc)을 감지하여 제어 유닛(30)으로 출력한다.

충전부(60)는 3상 교류-직류 변환부(40)로부터 인가되는 직류 전원을 배터리(70)에 충전하기 위한 것으로서, 충전 제어부(도시하지 않음)로부터 인가되는 충전 제어 신호에 따라 동작 상태가 변하여 배터리(70)로의 충전 동작을 실시한다.

이러한 충전부(60)는 트랜지스터로 이루어져 있는 복수의 스위칭 소자, 1차측 및 2차측 코일(coil), 그리고 복수의 다이오드로 이루어진 정류기 등으로 이루어져 있고, 통상적으로 알려져 있는 전기 자동차의 배터리(예, 70)를 충전하기 위한 충전부일 수 있다.

제어 유닛(30)은, 도 2에 도시한 것처럼, 전류 감지부(21)에서 출력되는 상전류(Ia, Ib, Ic)와 제1 전압 감지부(22)에서 출력되는 상전압(Va, Vb, Vc)이 인가되는 dq축 변환부(31), dq축 변환부(31)에 연결되어 있는 고조파 성분 검출부(32), dq축 변환부(31)에 연결되어 있는 역률 산출부(33), dq축 변환부(31)와 역률 산출부(33)에 연결되어 있는 역률 제어부(34), 역률 제어부(34)와 고조파 성분 검출부(32)에 연결되어 있고 제2 전압 감지부(51)로부터 인가되는 직류 전압(Vdc)이 인가되는 직류 전압 제어부(35), 직류 전압 제어부(35)와 연결되어 있는 abc상 변환부(36), 그리고 abc상 변환부(36)와 3상 교류-직류 변환부(40)에 연결되어 있는 펄스폭 변조 신호 생성부(37)를 구비한다.

dq축 변환부(31)는 3상 전원(a, b, c)의 상전류(Ia, Ib, Ic)와 상전압(Va, Vb, Vc)를 d축과 q축 성분으로 변환하기 위한 것으로서, 이미 설명한 것처럼, 전류 감지부(21)와 제1 전압 감지부(22)의 출력인 상전류(Ia, Ib, Ic)와 상전압(Va, Vb, Vc)을 이용하여 d축과 q축에 대한 d축 및 q축 전압(Vd, Vq)과 d축 및 q축 전류(Id, Iq)을 출력한다.

고조파 성분 검출부(32)는 dq축 변환부(31)에서 출력되는 d축 및 q축 전류(Id, Iq)를 입력받아 d축 전류(Id)와 q축 전류(Iq)의 고조파 성분인 d축 전류 고조파 성분(Id*)과 q축 전류 고조파 성분(Iq*)을 검출하여 직류 전압 제어부(35)로 출력한다.

이러한 고조파 성분 검출부(32)의 구조의 한 예는 도 3과 같다.

즉, 도 3을 참고로 하면, 본 예의 고조파 성분 검출부(32)는 d축 전류(Id)에 포함되어 있는 d축 전류 고조파 성분(Id*)을 검출하는 제1 고조파 성분 검출 부분(321)과 q축 전류(Iq)에 포함되어 있는 q축 전류 고조파 성분(Iq*)을 검출하는 제2 고조파 성분 검출 부분(322)로 구분되어 있다.

제1 및 제2 고조파 성분 검출 부분(321, 322)의 구조는 서로 동일하다.

즉, 제1 및 제2 고조파 성분 검출 부분(321, 322)은 각각 d축 전류(Id)와 q축 전류(Iq)가 각각 인가되는 제1 및 제2 저역 통과 필터(3211, 3221), 해당 저역 통과 필터(3211, 3221)의 출력 단자와 해당 축(d, q)의 전류(Id, Iq)가 각각 연결되어 있는 제1 및 제2 뺄셈기(3212, 3222), 그리고 제1 및 제2 뺄셈기(3212, 3222)에 각각 연결되어 있고 d축 전류 고조파 성분(Id*)과 q축 전류 고조파 성분(Iq*)을 출력하는 제1 및 제2 비례적분(PI) 제어기(3213, 3223)를 구비한다.

역률 산출부(33)는 제1 상 변환부(31)에서 출력되는 d축 및 q축에 대한 전압(Vd, Vq)과 전류(Id, Iq)를 수신하여 유효 전력(Pact)과 무효 전력(Q을 산출하고, 산출된 유효 전력(Pact)과 무효 전력(Q)을 이용하여 역률을 산출한다.

본 예에서, 이러한 역률 산출부(33)는, 도 4에 도시한 것처럼, 유효 전력 산출 부분(331), 무효 전력 산출 부분(332), 그리고 유효 전력 산출 부분(331)과 무효 전력 산출 부분(332)에 연결되어 있는 역률 산출 부분(333)을 구비한다.

유효 전력 산출 부분(331)은 d축 전압(Vd)과 d축 전류(Id)가 입력단자로 각각 인가되는 제1 곱셈기(3311), q축 전압(Vq)과 q축 전류(Iq)가 입력단자로 각각 인가되는 제2 곱셈기(3312), 제1 곱셈기(3311, 3312)의 출력 단자에 (+) 입력 단자가 연결되어 있고 제2 곱셈기(3312)의 출력 단자에 (-) 입력 단자가 연결되어 있는 덧셈기(3313), 그리고 덧셈기(3313)의 출력단자와 설정값(1.5)에 각각 입력 단자가 연결되어 있고 유효 전력(Pact)을 출력하는 제3 곱셈기(3314)를 구비한다

무효 전력 산출 부분(332)은 q축 전압(Vq)과 q축 전류(Iq)가 입력단자로 각각 인가되는 제1 곱셈기(3321), d축 전압(Vd)과 d축 전류(Id)가 입력단자로 각각 인가되는 제2 곱셈기(3322), 제1 곱셈기(3321)의 출력단자에 (+) 입력 단자가 연결되어 있고 제2 곱셈기(3322)의 출력 단자에 (-) 입력 단자가 연결되어 있는 뺄셈기(3323), 그리고 뺄셈기(3323)의 출력단자와 설정값(예, 1.5)에 각 입력 단자가 연결되어 있는 무효 전력(Qreact)을 출력하는 제3 곱셈기(3324)를 구비한다.

역률 산출 부분(333)은 유효 전력 산출 부분(331)의 제3 곱셈기(3314)의 출력 단자[즉, 산출된 유효 전력(Pact)]와 무효 전력 산출 부분(332)의 제3 곱셈기(3324)의 출력 단자[즉, 산출된 무효 전력(Qreact)]에 각각 입력 단자가 연결되어 있는 제1 및 제2 제곱기(3331, 3332), 제1 및 제2 제곱기(3331, 3332)의 각 출력단자에 각 입력단자가 연결되어 있는 덧셈기(3333), 그리고 유효 전력 산출 부분(331)의 제3 곱셈기(3314)의 출력 단자와 덧셈기(3333)의 출력 단자에 각 입력 단자가 연결되어 있고 역률을 출력하는 나눗셈기(3334)를 구비한다.

도 5에는 역률 제어부(34)와 직류 전압 제어부(35)의 구조가 도시되어 있다.

도 5를 참고로 하면, 역률 산출부(33)에 연결된 역률 제어부 (34)는 역률 지령값(즉, 목표 역률)과 산출된 수용가 역률, 고조파 성분 검출부(32)로부터 d축 전류 고조파 성분(Id*) 및 d축 전류(Id)를 인가받아 d축 전압 지령값(Vdtar)을 출력한다.

이러한 역률 제어부(34)는 역률 지령값이 (+) 입력단자에 인가되고 수용가 역률가 (-) 입력단자로 인가되는 제1 뺄셈기(341), 제1 뺄셈기(341)의 출력 단자에 입력단자가 연결되어 있는 제1 비례적분 제어기(342), 제1 비례적분 제어기(342)의 출력단자에 (+) 입력 단자가 연결되어 있고 d축 전류 고조파 성분(Id*)에 (-) 입력 단자가 연결되어 있는 덧셈기(343), 덧셈기(343)의 출력 단자에 (+) 입력 단자가 연결되어 있고 d축 전류(Id)가 연결되어 있는 제2 뺄셈기(344), 그리고 제2 뺄셈기(344)의 출력 단자에 입력 단자가 연결되어 있고, abc 상 변환부(36)의 일측 입력단자에 출력 단자가 연결되어 있는 제2 비례적분 제어기(3515)를 구비하고 있다.

직류 전압 제어부(35)는 직류 전압 지령값(목표 직류 전압), 제2 전압 감지부(51)로부터 직류 전압(Vdc), 고조파 성분 검출부(32)로부터 q축 전류 고조파 성분(Iq*) 및 q축 전류(Iq)를 인가받아 q축 전압 지령값(Vqtar)을 출력한다.

이러한 직류 전압 제어부(35)는 역률 제어부(34)와 비교할 때 입력되는 신호의 종류만 상이할 뿐 d축 전압 지령값 출력 부분(351)와 동일한 구조를 갖고 있다.

즉, 직류 전압 제어부(35)는 직류 전압 지령값과 제2 전압 감지부(51)로부터 인가되는 현재의 직류 전압(Vdc)이 각각 (+) 입력단자와 (-) 입력단자로 인가되는 제1 뺄셈기(351), 제1 뺄셈기(351)에 연결되어 있는 제1 비례적분 제어기(352), 제1 비례적분 제어기(352)에 (+) 입력 단자가 연결되어 있고 q축 전류 고조파 성분(Iq*)에 (-) 입력 단자가 연결되어 있는 덧셈기(353), 덧셈기(353)의 출력 단자에 (+) 입력 단자가 연결되어 있고 q축 전류(Iq)가 연결되어 있는 제2 뺄셈기(354), 그리고 제2 뺄셈기(354)의 출력 단자에 입력 단자가 연결되어 있고, abc상 변환부(36)의 타측 입력단자에 출력 단자가 연결되어 있는 제2 비례적분 제어기(355)를 구비한다.

abc상 변환부(36)는 역률 제어부(34)와 직류 전압 제어부(35)로부터 각각 인가되는 d축 전압 지령값(Vqtar)과 q축 전압 지령값(Vqtar)인 d축 성분과 q축 성분의 전압 지령값을 abc상 변환 동작을 통해 각 상에 대한 전압 지령값인 3상 전압 지령값(Va1, Vb1, Vc1)으로 변환한 후, 펄스폭 변조 신호 생성부(37)의 기준 전압으로서 인가한다.

펄스폭 변조 신호 생성부(37)는 삼각파 생성기(도시하지 않음)으로 인가되는 삼각파와 abc상 변환부(36)로부터 인가되는 3상 전압 지령값(Va1, Vb1, Vc1)을 각각 인가받는 비교기 등으로 이루어져 있다.

따라서, 펄스폭 변조 신호 생성부(37)는 각 상에 대한 전압 지령값(Va1, Vb1, Vc1)의 크기에 따라 해당 펄스폭을 갖는 각 상에 대한 펄스 신호(PWM41-PWM46)을 생성하여 3상 교류-전류 변환부(40)로 출력한다.

이러한 구조를 갖는 배터리 충전 장치의 동작은 다음과 같다.

본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 충전 장치는 직류 부하의 한 예인 전기 자동차의 충전 동작의 실시 여부에 무관하게 계통 전원인 3상 상용 전원의 고조파 성분을 상쇄시키고 무효 전력을 보상하여 역률 보상 제어를 실시한다.

이러한 배터리 충전 장치의 동작은 다음과 같다.

전류 감지부(21)의 동작에 의해 각 상(a, b, c)에 대한 상전류(Ia, Ib, Ic)가 인가되고 제1 전압 감지부(22)의 동작에 의해 각 상(a, b, c)에 대한 상전압(Va, Vb, Vc)이 제어 유닛(30)으로 인가되면, dq축 변환부(31)는 인가되는 3상 전류(Ia, Ib, Ic)와 3상 전압(Va, Vb, Vc) 각각을 dq 등가 변환시켜 d축과 q축에 대한 전류(Id, Iq)과 전압(Vd, Vq)을 출력한다. 이러한 dq축 변환부(31)의 동작에 의해 3상 교류 전류와 전압은 2상의 전류와 전압으로 변환한다.

따라서, dq축 변환부(31)는 아래의 [수학식 1]을 이용하여 3상의 상전압(Va, Vb, Vc)을 d축과 q축의 전압인 d축 전압(Vd)과 q축 전압(Vq)으로 변환하여 출력하고, [수학식 2]를 이용하여 3상의 상전류(Ia, Ib, Ic)를 d축과 q축의 전류인 d축 전류(Id)와 q축 전류(Iq)로 변환하여 출력한다.

여기서, θ는 계통 전압 벡터의 위상각을 나타낸다.

이처럼, dq축 변환부(31)에 의해 3상 전원의 상전압(Va, Vb, Vc)과 상전류(Ia, Ib, Ic)이 d축과 q축의 전압(Vd, Vq) 및 전류(Id, Iq)로 변환되면, d축과 q축의 전류(Id, Iq)는 고조파 성분 검출부(32)로 인가되어 변환되면, d축 전류(Id)과 q축 전류(Iq)에 ㅍ함되어 있는 고조파 성분(Id*, Iq*)이 추출된다.

따라서, d축 전류(Id)는 제1 고조파 성분 검출 부분(321)의 제1 저역 통과 필터(3211)로 인가되어 제1 저역 통과 필터(3211)에서 정해진 크기 이하의 주파수를 갖는 전류(Id)만이 통과하여 제1 뺄셈기(3212)로 인가된다.

따라서, 제1 뺄셈기(3212)는 (+) 입력단자로 인가되는 d축 전류(Id)에서 저역 통과 필터(3211)를 통과한 필터링된 d축 전류를 차감하여 d축 전류(Id)에서 d축 전류 고조파 성분(Id*)만을 추출하여 직류 전압 제어부(35)로 출력한다.

이때, 제1 뺄셈기(3212)의 출력 신호는 제1 비례적분 제어기(3213)로 인가되므로, 제1 뺄셈기(3212)의 동작에 의해 추출된 d축 전류 고조파 성분(Id*)은 비례 적분 제어기(3213)의 피드백 제어에 의해 제1 뺄셈기(3212)의 감산 결과[즉, d축 전류(Id)와 저역 통과 필터(3211)를 통과한 전류의 차이]가 '0'이 되도록 제어된다.

이러한 제1 고조파 성분 검출 부분(321)의 동작과 동일하게, 제2 고조파 성분 검출 부분(322)이 동작하여 q축 전류(Iq)에 포함되어 있는 q축 전류 고조파 성분(Iq*)이 추출되어 직류 전압 제어부(35)로 인가된다. 이미 기재한 것처럼, 제1 뺄셈기(3212)의 출력 신호는 제1 비례적분 제어기(3213)로 인가되므로, 제1 뺄셈기(3212)의 동작에 의해 추출된 d축 전류 고조파 성분(Id*)은 비례 적분 제어기(3213)의 피드백 제어에 의해 제1 뺄셈기(3212)의 감산 결과가 '0'이 되도록 제어된다.

또한, dq축 변환부(31)에서 출력되는 dq축 전압(Vd, Vq)과 전류(Id, Iq)는 역률 산출부(33)로 인가된다.

역률 산출부(33)는 유효 전력 산출 부분(331)과 무효 전력 산출 부분(332)을 이용하여 역률 산출을 위한 유효 전력(Pact)과 무효 전력(Qreact)을 산출한 후, 산출된 유효 전력과 무효 전력을 이용하여 역률을 산출하게 된다.

따라서, 유효 전력 산출 부분(331)은 제1 곱셈기(3311)를 이용하여 인가되는 d축 전압(Vd)과 d축 전류(Id)을 곱하여 d축 전력을 산출하고, 제2 곱셈기(3312)를 이용하여 인가되는 q축 전압(Vq)과 q축 전류(Iq)을 곱하여 q축 전력을 산출한다.

다음, 덧셈기(3313)의 동작에 의해 산출된 d축 전력과 q축 전력을 더하여 d축 전력과 q축 전력의 합을 구한 후, 제2 곱셈기(3314)의 동작에 의해 d축 전력과 q축 전력의 합에 설정값인 1.5가 곱해져 산출된 값은 최종적으로 유효 전력(Pact)을 산출한다.

무효 전력 산출 부분(332) 역시 유효 전력 산출 부분(331)과 유사하게, 제1 곱셈기(3321)을 이용하여 q축 전압(Vq)과 d축 전류(Id)를 곱하여 qd축 전력을 산출하고, 제2 곱셈기(3322)을 이용하여 d축 전압(Vd)과 q축 전류(Id)를 곱하여 dq축 전력을 산출한다.

그런 다음, 뺄셈기(3323)는 산출된 qd축 전력에서 dq축 전력을 감산한 후, 감산된 전력에 설정값(1.5)을 곱하여 무효 전력(Qreact)을 산출한다.

이처럼 유효 전력 산출 부분(331)과 무효 전력 산출 부분(332)의 동작에 의해 유효 전력(Pact)과 무효 전력(Qreact)이 산출되면, 역률 산출 부분(333)은 제곱기(3331, 3332)와 덧셈기(3333)를 통해 유효 전력(Pact)과 무효 전력(Qreact)을 이용한 피상 전력(apparent power)을 산출한 후, 나눗셈기(3334)를 이용해 유효 전력(Pact)을 피상 전력으로 나눠 현재의 역률(즉, 수용가 역률)을 산출하여 직류 전압 제어부(35)로 출력한다.

이와 같이, 현재의 수용가 역률, 현재의 직류 전압(Vdc) 및 d축과 q축의 전류 고조파 성분(Id*, Iq*)이 산출되거나 검출되어 직류 전압 제어부(35)로 인가되면, 역률 제어부(34)와 직류 전압 제어부(35)는 각각 3상 교류-직류 변환부(40)의 동작을 제어하여 수용가 역률이 역률 지령값을 가질 수 있도록 하고 제2 전압 감지부(51)에 의해 감지되는 직류 전압(Vdc)이 직류 전압 지령값이 되도록 한다.

따라서, 역률 제어부(34)는 역률 보정을 실시하기 위해, 제1 뺄셈기(341)를 이용하여 외부로부터 사용자의 동작에 의해 입력되는 역률 지령값과 산출된 수용가 역률의 차이를 산출한 후 제1 비례적분 제어기(342)로 인가하여 수용가 역률이 역률 지령값과 같아지도록 제어한다. 이때, 제1 비례적분 제어기(342)에서 출력되는 신호는 d축 전류 지령값이 된다.

다음, 비례적분 제어기(342)에서 출력되는 신호인 d축 전류 지령값은 덧셈기(343)로 인가된다.

덧셈기(343)는 다른 입력 단자를 통해 입력되는 d축 전류 고조파 성분(Id*)와 d축 전류 지령값 즉, 제1 비례적분 제어기(342)로부터 인가되는 상기 역률 지령값과 상기 역률의 차에 대한 비례적분 제어된 값을 더한다. 이처럼, d축 전류 지령값에 d축 전류 고조파 성분(Id*)이 합쳐져 연산되므로, 고조파 성분 검출부(32)에 의해 검출된 d축 전류 고조파 성분(Id*)의 상쇄 동작이 이루어지도록 한다.

덧셈부(343)의 출력은 다시 제2 뺄셈기(344)의 (+) 입력단자로 인가되므로, 제2 뺄셈기(344)는 고조파 성분(Id*)이 더해진 d축 전류 지령값에서 (-) 입력단자로 인가된 d축 전류(Id)의 감산 동작을 실시한 후 제2 비례적분 제어기(345)로 인가하여 비례 적분 제어를 실시한 후 d축 전압 지령값(Vdtar)을 abc상 변환부(36)로 출력한다.

직류 전압 제어부(35)의 동작 역시 인가되는 신호의 종류만 상이할 뿐, 역률 제어부(34)의 동작과 동일하다.

따라서, 제1 비례적분 제어기(352)에서 출력되는 q축 전류 지령값과 q축 전류 고조파 성분(Iq*)이 더해지는 덧셈기(353)의 동작에 의해 고조파 성분 검출부(32)에 의해 검출된 q축 전류 고조파 성분(Iq*)의 상쇄 동작이 이루어지고, 제2 뺄셈기(354)의 동작에 의해 출력되는 q축 전압 지령값(Vqtar)에는 q축 전류 고조파 성분(Iq*)을 상쇄하기 위한 성분이 함유된다.

이러한 역률 제어부(34)와 직류 전압 제어부(35)의 동작에서, 각 제2 뺄셈기(344, 354)의 동작에 의해 d축 전압 지령값(Vdtar)과 q축 전압 지령값(Vqtar)에는 d축 전류 고조파 성분(Id*) 및 q축 전류 고조파 성분(Iq*)과는 반대 극성의 신호 성분이 함유되고, 이로 인해, 펄스폭 변조신호 생성부(37)의 펄스폭 변조 신호(PWP41-PWM46) 역시 d축 전류 고조파 성분(Id*)과 q축 전류 고조파 성분(Iq*)을 상쇄할 수 있는 상태가 되므로, 3상 교류-직류 변환부(40)에서 출력되는 직류 전류에는 고조파 성분이 상쇄된 상태가 된다.

대안적인 예에서, 고조파 성분의 상쇄 기능이 생략되는 경우, 제어 유닛(30)은 고조파 성분 검출부(32)는 생략되며, 이에 대응하여 역률 제어부(34)와 직류 전압 제어부(35)에서 덧셈기(343, 353) 역시 생략된다.

이런 경우, 제1 비례적분 제어기(342, 352)의 출력 단자는 각각 대응하는 제2 뺄셈기(3444, 354)의 (+) 입력단자로 연결되어 해당 제1 비례적분 제어기(342, 352)에서 출력되는 역률 지령값과 수용가 역률의 차의 신호 및 직류 전압 지령값과 직류 전압의 차의 신호인 d축 전류 지령값과 q축 전류 지령값은 대응하는 제2 뺄셈기(344, 354)로 바로 인가되어 해당 상태의 d축 전압 지령값과 q축 전압 지령값을 출력한다.

abc 상 변환부(36)는 아래의 [수학식 3]을 이용하여 역률 제어부(34)와 직류 전압 제어부(35)로부터 인가되는 d축 전압 지령값(Vdtar)과 q축 전압 지령값(Vqtar)을 이용하여 3상(a, b, c)의 전압 지령값(Va1, Vb1, Vc1)을 생성하여, 펄스폭 변조신호 생성부(37)로 출력한다.

펄스폭 변조 신호 생성부(37)는 도시하지 않은 삼각파 발생기 등을 통해 인가되는 삼각파 신호와 abc상 변환부(36)로부터 인가되는 각 상(a, b, c)에 대한 전압 지령값(Va1, Vb1, Vc1)을 이용하여 해당 펄스폭을 갖는 펄스폭 변조 신호를 생성하여 교류-직류 변환부(40)의 해당 스위칭 소자(SW41-SW46)의 제어 단자로 인가한다.

따라서, 교류-직류 변환부(40)는 인가되는 펄스폭 변조 신호의 펄스폭 크기에 따라 해당 스위칭 소자(SW41-SW46)의 턴온 시간과 턴오프 시간이 정해져 상용 전원부(10)로부터 인가되는 3상 전원을 해당 크기의 직류 전원으로 변환하여 충전부(60)로 인가된다.

충전부(60)는 인가되는 직류 전원을 이용하여 도시하지 않는 충전 제어부의 제어 동작에 따라 동작하여 배터리(70로의 충전 동작을 실시하게 된다.

이러한 동작을 통해, 3상 전원의 상전류(Ia, Ib, Ic)에 포함되어 있는 고조파 성분이 제거되어, 안정적인 3상 전원의 출력이 이루어지므로, 배터리(70)의 사용 여부에 무관하게 안정적인 3상 전원의 출력이 가능하다. 이로 인해, 배터리(70) 쪽 뿐만 아니라 상용부하(80) 쪽으로 안정적인 전원 공급이 이루어진다.

또한, 제2 전압 감지부(51)의 동작에 의해 3상 교류-직류 변환부(40)로부터 출력되는 직류 전압(Vdc)을 실시간으로 감지하여 직류 전압 지령값과 동일한 직류 전압이 출력될 수 있도록 3상 교류-직류 변환부(40)의 동작을 제어한다. 이로 인해, 안정적으로 원하는 크기의 직류 전압이 출력되므로 배터리(70)의 충전 동작 역시 안정적으로 이루어진다.

이에 더하여, 3상 전원의 상전압(Va, Vb, Vc)과 상전류(Ia, Ib, Ic)를 실시간으로 감지하여, 유효 전력과 무효 전력을 산출한 후 현재의 수용가 역률을 산출하고, 수용가 역률이 역률 지령값이 될 수 있도록 역률 보정 동작을 실시한다. 이러한 3상 전원에 대한 역률 보정에 의해 3상 전원의 전력 효율이 향상되고, 상용부하(80)의 대기 전력 소모가 감소되는 효과가 발생한다.

다음, 도 6 내지 도 13을 참고로 하여 본 예의 배터리 충전 장치의 동작 파형도를 도시한다.

도 6은 종래의 차량용 배터리 충전 장치의 3상 교류-직류 변환부에서 출력되는 직류 전압과 역률에 대한 파형도를 도시하고, 도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 차량용 배터리 충전 장치의 3상 교류-직류 변환부에서 출력되는 직류 전압과 역률에 대한 파형도를 도시하며, 도 6 및 도 7에서, (a)는 직류 전압에 대한 파형도이고 (b)는 역률에 대한 파형도이다.

도 6 및 도 7은 2초에서 배터리의 충전 동작이 시작되어 7초에서 배터리의 충전 동작이 종료된 경우의 파형도이다.

도 6에 도시한 것처럼, 종래에는 충전 동작이 시작되는 시점이 2초 부근에서 직류 전압과 역률의 상태가 매우 불안정함을 알 수 있었다.

또한 도 6의 (b)에 도시한 것처럼, 종래에는 배터리의 충전 동작이 이루어질 때만 교류-직류 변환부의 동작이 이루어져 도 6의 (a) 처럼 배터리 충전 동작이 이루어지지 않는 구간에서의 직류 전압의 크기는 '0'이 된다. 따라서, 배터리의 충전 동작이 시작되면 교류-직류 변환부는 비동작 상태에서 동작 상태로 전환될 때 과도 특성에 의해 오버슈트(overshoot) 현상이 발생하였다.

또한, 도 6의 (b) 처럼, 종래에는 역률 보정이 이루어지지 않았으므로 배터리의 충전 동작이 이루어지는 구간(2초 내지 7초 구간)과 충전 동작이 이루어지지 않는 구간에서의 역률 차이가 발생함을 알 수 있었다.

하지만, 도 7의 (a)와 (b)에 도시한 것처럼, 본 발명의 경우, 배터리의 충전 동작 여부와 무관하게 항상 역률 보정이 이루어지고, 이로 인해, 교류-직류 변환부 역시 충전 동작 여부에 무관하게 동작하므로, 배터리의 충전 동작이 시작되어도 직류 전압에 대한 변동은 크게 발생하지 않았고, 역률 역시 안정적으로 역률 지령값(예, 1)을 유지함을 알 수 있었다.

도 8과 도 9는 계통측 전류(예, a상의 전류)의 파형을 도시한 것으로 도 8은 종래의 차량용 배터리 충전 장치에서의 전류 파형도이고, 도 9는 본 발명의 한 실시예에 따른 차량용 배터리 충전 장치에서의 전류 파형도이다. 도 8 및 도 9의 경우에도, 배터리의 충전 동작은 2초에서 시작되어 7초에서 완료되었다.

따라서, 도 9에 도시된 전류 파형의 형태는 도 8에 도시된 전류 파형에 비해 고조파 성분 제거로 찌그러짐 현상이 크게 감소하였고 역률 보상 동작에 의해 안정적인 정현파 형태를 갖고 있음을 알 수 있다.

도 10과 도 11은 계통측 전류에 함유된 고조파 성분에 대한 FFT(fast Fourier transform) 분석 결과로서, 도 10의 도면은 종래의 경우이고, 도 11은 본 발명의 한 실시예에 따른 경우이다.

본 발명의 경우, 고조파 성분 검출부(32)의 동작에 의해 고조파 성분의 제거됨에 따라 도 11에 도시한 것처럼 본 발명의 전류 파형이 도 10의 파형에 비해 안정적이었다.

도 12와 도 13은 각각 종래와 본 발명의 한 실시예에 따른 차량용 배터리 충전 장치의 전압과 전류의 상태를 도시한 도면으로서, (a) 차량용 배터리 충전 장치의 계통측 전압, 교류-직류 변환기의 입력측 전류(예, a상 전류) 및 수용가측 전류인 상용 부하측 전류를 도시하고, (b)는 계통측 전압과 계통측 전류에 대한 파형도이다. 이때, 계통측 전류를 실질적으로 교류-직류 변환기의 입력측 전류와 수용가측 전류의 합이다.

따라서, 도 13의 (b)에 도시한 것처럼, 전압과 전류의 위상 차가 발생하지 않아 역률이 '1'임을 알 수 있다.

본 발명의 실시예에서는 전기 자동차의 배터리(70)를 급속 충전 방식에 따라 충전할 때 차량용 배터리 충전 장치가 사용되는 예에 대해 기술하였지만, 이에 한정되지 않고 스위칭 소자(SW41-SW46)를 이용하여 교류 신호를 직류 신호로 변환하는 3상 교류-직류 변환기를 이용한 배터리 충전 장치에 모두 사용될 수 있다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

10: 상용 전원부 21: 전류 감지부
22, 51: 전압 감지부 30: 제어 유닛
31: dq축 변환부 32: 고조파 성분 검출부
33: 역률 산출부 34: 역률 제어부
35: 직류 전압 제어부 36: abc상 변환부
37: 펄스폭 변조신호 생성부 45: 3상 교류-직류 변환부
60: 충전부 70: 배터리
80: 상용 부하

Claims

상용 전원부에 연결되어 있고, 상기 상용 전원부에서 출력되는 3상 전원의 각 상에 대한 전류를 감지하여 각 상에 대한 3상 전류를 출력하는 전류 감지부,
상기 상용 전원부에 연결되어 있고, 상기 3상 전원의 각 상에 대한 전압을 감지하여 각 상에 대한 3상 전압을 출력하는 제1 전압 감지부,
상기 상용 전원부에 연결되어 있고 상기 상용 전원부의 교류 전압을 직류 전압으로 변환하여 충전부로 출력하는 3상 교류-직류 변환부,
상기 3상 교류-직류 변환부에 연결되어 상기 3상 교류-직류 변환부에서 출력되는 직류 전압을 출력하는 제2 전압 감지부, 그리고
상기 전류 감지부와 상기 제1 및 제2 전압 감지부에 연결되어 있고, 상기 3상 전류를 d축 전류와 q축 전류로 변환하고 상기 3상 전압을 d축 전압과 q축 전압으로 변환하며, 상기 d축 전류와 q축 전류 그리고 상기 d축 전압과 q축 전압을 이용하여 역률을 산출하며, 역률 지령값과 상기 역률의 차를 비례적분 제어하여 d축 전류 지령값을 산출하고, 상기 d축 전류 지령값과 상기 d축 전류의 차를 비례적분 제어하여 d축 전압 지령값을 출력하고, 직류 전압 지령값과 상기 직류 전압의 차를 비례적분 제어하여 q축 전류 지령값을 산출하고, 상기 q축 전류 지령값과 상기 q축 전류의 차를 비례적분 제어하여 q축 전압 지령값을 출력하고, 상기 d축 전압 지령값과 상기 q축 전압 지령값을 이용하여 펄스폭 변조 신호를 생성해 상기 3상 교류-직류 변환부로 출력하는 제어 유닛
을 포함하고,
상기 제어 유닛은,
상기 3상 전류를 d축 전류와 q축 전류로 변환하고 상기 3상 전압을 d축 전압과 q축 전압으로 변환하는 dq축 변환부,
상기 dq축 변환부에 연결되어 되어 있고, dq축 전압과 dq축 전류를 이용하여 유효 전력과 무효 전력을 산출하고, 상기 유효 전력과 상기 무효 전력을 이용해 피상 전력을 산출하며, 상기 유효 전력과 상기 피상 전력을 이용해 상기 역률을 산출하는 역률 산출부,
상기 역률 산출부, 상기 역률 지령값 및 상기 d축 전류에 연결되어 d축 전압 지령값을 출력하는 역률 제어부,
상기 제2 전압 감지부, 상기 직류 전압 지령값 및 상기 q축 전류에 연결되어 q축 전압 지령값을 출력하는 직류 전압 제어부,
상기 역률 제어부와 상기 직류 전압 제어부에 연결되어 있고, 상기 d축 전압 지령값과 상기 q축 전압 지령값을 이용하여 하기의 수학식 3으로부터 3상의 전압 지령값으로 변환하는 abc상 변환부,
[수학식 3]

,
상기 abc상 변환부에 연결되어 있고, 상기 3상의 전압 지령값에 따라 해당 펄스폭을 갖는 펄스폭 변조 신호를 출력하는 펄스폭 변조신호 생성부
를 포함하고,
상기 역률 산출부는,
d축 전압(Vd)과 d축 전류(Id)가 입력단자로 각각 인가되는 제1 곱셈기, q축 전압(Vq)과 q축 전류(Iq)가 입력단자로 각각 인가되는 제2 곱셈기, 제1 곱셈기의 출력 단자에 (+) 입력 단자가 연결되어 있고 제2 곱셈기의 출력 단자에 (-) 입력 단자가 연결되어 있는 덧셈기, 그리고 덧셈기의 출력단자와 설정값(1.5)에 각각 입력 단자가 연결되어 있고 유효 전력(Pact)을 출력하는 제3 곱셈기를 포함하는 유효 전력 산출 부분, 그리고
q축 전압(Vq)과 q축 전류(Iq)가 입력단자로 각각 인가되는 제1 곱셈기, d축 전압(Vd)과 d축 전류(Id)가 입력단자로 각각 인가되는 제2 곱셈기, 제1 곱셈기의 출력단자에 (+) 입력 단자가 연결되어 있고 제2 곱셈기의 출력 단자에 (-) 입력 단자가 연결되어 있는 뺄셈기, 그리고 뺄셈기의 출력단자와 설정값에 각 입력 단자가 연결되어 있는 무효 전력(Qreact)을 출력하는 제3 곱셈기를 포함하는 무효 전력 산출 부분
을 포함하는 배터리 충전 장치.
삭제
제1항에서,
상기 역률 제어부는,
(+) 입력단자로 역률 지령값이 인가되고 (-) 입력단자로 상기 역률이 인가되는 제1 뺄셈기,
상기 제1 뺄셈기의 출력 단자에 입력단자가 연결되어 있는 제1 비례적분 제어기,
상기 제1 비례적분 제어기의 출력단자에 (+) 입력 단자가 연결되어 있고 상기 d축 전류에 (-) 입력단자가 연결되어 있는 제2 뺄셈기, 그리고
상기 제2 뺄셈기의 출력 단자에 입력단자가 연결되어 있고 상기 abc상 변환부에 출력단자가 연결되어 있는 제2 비례적분 제어기
를 포함하고,
상기 직류 전압 제어부는,
(+) 입력단자로 상기 직류 전압 지령값이 인가되고 (-) 입력단자로 상기 직류 전압이 인가되는 제1 뺄셈기,
상기 제1 뺄셈기의 출력 단자에 입력단자가 연결되어 있는 제1 비례적분 제어기,
상기 제1 비례적분 제어기의 출력단자에 (+) 입력 단자가 연결되어 있고 상기 q축 전류에 (-) 입력단자가 연결되어 있는 제2 뺄셈기, 그리고
상기 제2 뺄셈기의 출력 단자에 입력단자가 연결되어 있고 상기 abc상 변환부에 출력단자가 연결되어 있는 제2 비례적분 제어기
를 포함하는 배터리 충전 장치.
제3항에서,
상기 제어 유닛은 상기 d축 전류에 함유되어 있는 d축 전류 고조파 성분과 상기 q축 전류에 함유되어 있는 q축 전류 고조파 성분을 추출하고, 상기 역률 지령값과 상기 역률의 차에 대한 비례적분 제어된 값에 상기 d축 전류 고조파 성분을 가산하여 상기 d축 전류 지령값을 산출하고, 상기 직류 전압 지령값과 상기 직류 전압의 차에 대한 비례적분 제어된 값에 상기 q축 전류 고조파 성분을 가산하여 상기 q축 전류 지령값을 산출하는 배터리 충전 장치.
제4항에서,
상기 제어 유닛은,
상기 d축 전류가 입력되는 제1 저역 통과 필터, 상기 d축 전류에 (+) 입력단자가 연결되어 있고 상기 제1 저역 통과 필터의 출력단자가 (-) 입력단자가 연결되어 있고 d축 전류 고조파 성분을 출력하는 제1 뺄셈기, 그리고
상기 q축 전류가 입력되는 제2 저역 통과 필터, 상기 q축 전류에 (+) 입력단자가 연결되어 있고 상기 제2 저역 통과 필터의 출력단자가 (-) 입력단자가 연결되어 있고 q축 전류 고조파 성분을 출력하는 제2 뺄셈기를 포함하는 고조파 성분 검출부
를 더 포함하는 배터리 충전 장치.
제4항 또는 제5항에서,
상기 역률 제어부는 상기 제1 비례적분 제어기의 출력단자에 (+) 입력단자가 연결되어 있고 상기 d축 전류 고조파 성분에 (-) 입력단자가 연결되어 있으며 상기 제2 뺄셈기의 (+) 입력단자에 출력단자가 연결되어 있는 덧셈기를 더 포함하고,
상기 직류 전압 제어부는 상기 제1 비례적분 제어기의 출력단자에 (+) 입력단자가 연결되어 있고 상기 q축 전류 고조파 성분에 (-) 입력단자가 연결되어 있으며 상기 제2 뺄셈기의 (+) 입력단자에 출력단자가 연결되어 있는 덧셈기를 더 포함하는
배터리 충전 장치.