KR102208523B1 - Ldc 및 obc 통합 모듈 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 LDC 및 OBC 통합 모듈 장치는, 입력전류의 역률 및 THD 제어를 위한 PFC 회로와, 배터리 충전용 전압으로 변환하는 제1 DC-DC 컨버터와, 입출력 전압 또는 충전 시퀀스 동작에 대한 오류 검출을 위한 컨트롤러를 포함하며, 상기 제1 DC-DC 컨버터로 변환된 전압으로 배터리를 충전하는 OBC 모듈; 및 상기 배터리를 입력전압으로 받아, 저전압(LDC) 전원으로 변환하여 차량 내부에 전원을 공급하는 LDC 모듈을 포함하되, 상기 LDC 모듈을 구성하는 LDC 모듈 내부 회로는 높은 입출력 변동과 저전압 대전류에 적합하며, 전력변환 효율을 높이기 위한 소프트 스위칭 기법이 가능한 공진형 토폴로지를 이용하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

LDC 및 OBC 통합 모듈 장치{LDC and OBC integration module device}

본 발명은 LDC 및 OBC 통합 모듈 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 OBC와 LDC 간 일체화된 구조를 갖는 LDC 및 OBC 통합 모듈 장치에 관한 것이다.

친환경 자동차에 적용되는 전기에너지를 저장하고 활용하는 에너지 저장시스템은 주로 배터리와 배터리 관리장치(BMS), PRA(Pre-Charge Relay Assembly), Service Plug, Bus-Bar, Case 등으로 구성되는 배터리 시스템이 대표적이며, 전기에너지를 효율적으로 변환하고 활용하기 위한 전력변환시스템은 HDC(High Voltage DC-DC Converter), LDC(Low Voltage Converter), OBC(On-Board Charger) 등이 있다.

LDC는 배터리의 고전압 직류(HVDC) 전원을 12V 저전압(LDC) 전원으로 변환시켜 주는 역할을 하는 전력 변환 장치이다.

LDC는 각종회로와 함께 입/출력을 위한 커넥터, 파워소자(IGBT, MOSFET), 수동소자(커패시터, 인덕터)등으로 구성된다.

OBC는 도 1에 도시된 바와 같이, 사용자가 원하는 장소와 시간대에 배터리를 충전할 수 있도록 차량 내부에 탑재되는 충전장치이며, 교류의 계통전력을 직류로 변환하기 위한 전력변환 장치가 사용된다. 차량에 탑재되는 특성상 소형 및 경량화 기술이 매우 중요하고, 배터리로 인한 넓은 출력전압 제어 범위와 높은 충전 효율이 요구되며, 충전 용량에 따라 충전시간이 결정되기 때문에 충전 Level을 적절히 설정해야 한다.

차량 전장화와 더불어 친환경 자동차 보급에 따른 고전압 시스템의 장착 확대에 따라 전장품에 전력을 공급하기 위한 다양한 전력변환장치의 탑재가 많아지고 있으며, 특히 OBC, LDC, HDC 등은 친환경 자동차의 성능에 직접적인 영향을 주는 주요한 전력변환장치이다.

현재 전기자동차의 전력시스템은 다른 차량용 전장 부품과 같이 효과적인 자동차 실장 및 기존 내연기관 자동차 대비 가격 경쟁력을 위해 무게, 부피, 단가 절감이 요구되며, 실용성과 성능을 동시에 만족하기 위하여 각기 다른 기능을 하는 장치의 통합이 필요하다.

또한 기존의 OBC, LDC 단일 모듈은 다음과 같은 문제가 있었다.

OBC, LDC 단일 모듈 사용 시 OBC 모듈과 LDC 모듈간 연결되는 배선, 하우징, 냉각 장치 등이 두 배로 사용되기 때문에 원가 및 크기 상승에 원인이 된다.

OBC, LDC 단일 모듈은 스위칭 소자와 수동소자를 사용하여 전력변환을 하기 때문에 열손실이 불가피하고, 방열을 위한 Heat-Sink가 필요하며, OBC, LDC 각각의 Heat-Sink 사용에 따른 무게가 증가된다.

OBC,　LDC 단일 모듈은 모두 트랜스(transformer)를 사용하여 안정성을 확보하지만, 트랜스는 일반 다른 부품에 비해, 사이즈가 커 전체 사이즈가 커지는 문제가 있다.

마이크로 e-모빌리티(초소형 전기자동차)의 경우, 일반 전기자동차에 비해 크기가 작기 때문에 시스템의 소형 및 경량화가 필요하다.

따라서, 전술한 문제를 해결하기 위하여 LDC 및 OBC 통합 모듈 장치에 대한 연구가 필요하게 되었다.

대한민국 등록실용신안 제20-0287249호(2002년08월14일 등록)

본 발명의 목적은 OBC 모듈과 LDC 모듈 간 일체화된 구조를 갖고, 차량 내 에너지원인 배터리를 충전하기 위한 OBC 모듈과 차량 내/전장 시스템(센서류, 네비게이션, 헤드라이트 등) 구동을 위한 LDC 모듈 그리고 배터리 충전 알고리즘(CC-CV 알고리즘) 동작 및 오류검출(입력 과전압 및 과전류, 출력전압에 대한 오류검출)을 위한 컨트롤러를 포함하는 LDC 및 OBC 통합 모듈 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 LDC 및 OBC 통합 모듈 장치는, 입력전류의 역률 및 THD 제어를 위한 PFC 회로와, 배터리 충전용 전압으로 변환하는 제1 DC-DC 컨버터와, 입출력 전압 또는 충전 시퀀스 동작에 대한 오류 검출을 위한 컨트롤러를 포함하며, 상기 제1 DC-DC 컨버터로 변환된 전압으로 배터리를 충전하는 OBC 모듈; 및 상기 배터리를 입력전압으로 받아, 저전압(LDC) 전원으로 변환하여 차량 내부에 전원을 공급하는 LDC 모듈을 포함하되, 상기 LDC 모듈을 구성하는 LDC 모듈 내부 회로는 높은 입출력 변동과 저전압 대전류에 적합하며, 전력변환 효율을 높이기 위한 소프트 스위칭 기법이 가능한 공진형 토폴로지를 이용하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기에 있어서, 상기 LDC 모듈 내부 회로는 스위칭 손실을 감소시키기 위해서 ZVS(Zero Voltage Switching) 동작이 가능한 공진형 토폴로지를 사용하며, 출력 측 다이오드 도통손실을 감소시키기 위한 동기식 정류 방식을 사용하는 것을 특징으로 한다.

상기에 있어서, 상기 PFC 회로는 토템-폴(Totem-pole) PFC 회로인 것을 특징으로 한다.

상기에 있어서, 상기 DC-DC 컨버터는 직렬 LLC 공진형 컨버터인 것을 특징으로 한다.

상기에 있어서, 상기 직렬 LLC 공진형 컨버터는 PI 제어를 위해 Ziegler Nichols 방법을 이용하여 P, I 이득 값을 선정하는 것을 특징으로 한다.

상기에 있어서, 상기 DC-DC 컨버터는 화합물 반도체로 이루어진 스위칭 소자를 사용하여 스위칭 손실을 최소화하여 변환하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 LDC 및 OBC 통합 모듈 장치는 OBC 모듈과 LDC 모듈 간 일체화된 구조로서, 차량 내 시스템의 복잡성 해소, 와이어 하네스 감소, 유지보수의 용이성, 장착 공간의 확보, 냉각 구조 공유가 가능하며, 각각 구성되었던 전압 및 전류 센싱 회로, 필터회로를 공유해서 사용함으로써 전력 밀도 향상이 가능한 장점이 있다.

또한, 히트싱크(Heat-Sink) 및 PCB 실장공간을 대폭 축소 가능하며, OBC 모듈과 LDC 모듈의 최대 전력변환 동작이 동시에 발생하지 않기 때문에, 실장 및 방열설계에 더욱 유리하며, 두 개의 다른 기능을 하는 모듈을 통합하여 소형 및 경량화가 가능하며, 그로 인해 궁극적으로 마이크로 e-모빌리티의 연비 개선 및 원가 절감이 가능하다.

도 1은 일반적인 OBC 개념도 및 시스템 구성을 보인 도면이다.
도 2는 본 발명에 적용되는 LDC 및 OBC 통합 모듈 장치 개념도이다.
도 3은 본 발명의 LDC 및 OBC 통합 모듈 장치의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 LDC 및 OBC 통합 모듈 장치의 블록도이다.
도 5는 본 발명에 제안된 LLC 직렬 공진형 컨버터 토폴로지 예시를 보여주는 도면이다.
도 6은 LDC 설계 알고리즘 예시를 보여주는 도면이다.
도 7은 자성소자 설계 알고리즘 예시를 보여주는 도면이다.
도 8은 LDC PCB 구조 예상 형태를 보여주는 도면이다.
도 9는 Totem-pole PFC 회로와 직렬공진형 토폴로지를 적용한 회로를 예시적으로 설명한 도면이다.
도 10은 OBC PFC 알고리즘의 순서도이다.
도 11은 OBC DC-DC Converter 알고리즘의 예시이다.
도 12는 Short 보호 회로의 구성 예시이다.
도 13은 화합물 반도체를 이용한 게이트 드라이버(예시)이다.
도 14는 스위치 동작 파형 비교 예이다.
도 15는 OBC Bridgeless Totem-pole PFC 블록도(예시)이다.
도 16은 임계 민감도 방법이 적용된 시뮬레이션을 나타낸 도면이다.
도 17은 신경망을 활용한 PID 이득값 추정을 설명한 도면이다.
도 18은 MOSFET 스위칭 전환시 손실을 나타낸 도면이다.
도 19는 소프트 스위칭 MOSFET 전류 및 전압 파형이다.
도 20은 고정/변동 주파수 차이를 나타낸 도면이다.
도 21은 에너지 소모를 위한 MOSFET과 평행 고속 바디 다이오드 도면이다.
도 22는 소프트 스위칭을 위한 PWM Duty 및 Dead time 최적화를 보인 도면이다.
도 23은 OBC LLC 공진형 컨버터의 회로 구성 예시이다.
도 24는 OCV(Open Circuit Voltage)와 이론적 최대 충전 가능 전류를 나타낸 그래프이다.
도 25는 다양한 CC 구간 충전 전류에 따른 충전시간과 평균 전류를 나타낸 그래프이다.
도 26은 Charging time[1000 secs]을 나타낸 그래프이다.
도 27은 CC 구간 충전 전류에 따른 충전시간과 최대 상승온도 관계를 나타낸 도면이다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 구성요소를 추가, 변경, 삭제 등을 통하여, 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본원 발명 사상 범위 내에 포함된다고 할 것이다. 또한, 각 실시예의 도면에 나타나는 동일한 사상의 범위 내의 기능이 동일한 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 설명한다.

도 2는 본 발명에 적용되는 LDC 및 OBC 통합 모듈 장치 개념도이며, 도 3은 본 발명의 LDC 및 OBC 통합 모듈 장치의 개략도이며, 도 4는 본 발명의 LDC 및 OBC 통합 모듈 장치의 블록도이다.

LDC 및 OBC 통합 모듈 장치(10)는 차량 내 에너지원인 배터리를 충전하기 위한 OBC 모듈(100)과, 차량 내전장 시스템 구동을 위한 LDC 모듈(300) 그리고 배터리 충전 알고리즘 동작 및 오류검출을 위한 컨트롤러(200)와, OBC 모듈(100), LDC 모듈(300) 및 컨트롤러(200)를 내장하기 위한 케이스(미도시)로 구성된다.

컨트롤러(200)는 입출력 전압, 전류 또는 충전 시퀀스 동작에 대한 오류 검출을 수행할 수 있다.

OBC 모듈(100)은 계통 전원규정(IEEE 1547, SAE-J2894, IEC1000-3-2 및 NEC 690 등)을 만족하기 위해 입력전류의 높은 역률 및 낮은 THD 제어를 위한 PFC(Power Factor Correction, 역률 개선) 회로와, 입출력 전압 크기 및 안정성을 고려한 절연형 제1 DC-DC 컨버터(130)와, 출력 직류 전압, 충전 시퀀스 동작 및 에러 검출을 위한 컨트롤러(200)와 제1 LC 필터(110)를 포함한다.

또한 OBC 모듈(100)은 OBC 모듈(100)의 내부 회로를 구성하는 자성소자(인덕터, 트랜스)를 설계하며, 자성소자는 예컨대 입력단 제1 LC 필터(110), PFC 회로(120)의 입력단 인덕터, DC-DC 컨버터단 공진 인덕터, 변압기 출력 필터가 될 수 있다. 자성소자의 회로 설계를 위해 도 7의 설계 알고리즘이 적용될 수 있다.

제1 DC-DC 컨버터(130)는 PFC 회로(120)를 거쳐 변환된 직류 전압을 배터리 충전용 전압(예 : DC 72V)으로 변환할 수 있다.

제1 LC 필터(110)는 OBC 모듈(100)의 내부 회로를 구성하는 스위칭 소자가 변환될 때마다 발생하는 고주파 잡음을 제거하는 역할을 수행한다.

LDC 모듈(300)은 배터리를 입력전압으로 받아, 저전압(LDC) 전원으로 변환하여 차량 내부에 전원을 공급하는 역할을 수행한다.

LDC 모듈(300)은 LDC 모듈(300)의 내부 회로에서 발생하는 노이즈 제거를 위한 제2 LC 필터(310)와, 배터리 입력전압을 저전압으로 변환하기 위한 제2 DC-DC 컨버터(320)를 포함한다.

LDC 모듈(300)은 배터리를 입력전압으로 받기 때문에 배터리의 충전상태(SOC)에 따라 전압이 변동되므로, 입출력전압의 가변범위가 큰 전력 모듈이다.

이에 따라 LDC 모듈(300)을 구성하는 LDC 모듈(300) 내부 회로는 높은 입출력 변동과 저전압 대전류에 적합한 토폴로지가 되며, 도 5에 도시된 바와 같이, 전력변환 효율을 높이기 위한 소프트 스위칭 기법이 가능한 공진형 토폴로지(Topology)를 사용한다.

이를 위해 1.2kW LDC 회로를 설계하고, 72V 배터리 사양에 적합한 저전압, 대전류(12V/100A) 토폴로지 선정 및 알고리즘을 설계한다.

또한 마이크로 e-모빌리티에 사용되는 72V 배터리의 특성을 파악하여 장기 동작 안정성 및 신뢰성을 고려한 회로 설계를 수행한다.

또한 일반적으로 LDC 전원단의 효율 감소는 스위칭 손실 및 출력 측 대전류 다이오드 정류 방식 사용에 의한 도통손실이 효율 감소의 주된 원인이 되고, 스위칭 주파수가 높아짐에 따라 DC-DC 전원단의 부피는 감소시킬 수 있지만, 스위칭 손실이 증가되므로, 스위칭 손실을 감소시키기 위해서 ZVS(Zero Voltage Switching) 동작이 가능한 공진형 토폴로지를 사용하며, 출력 측 다이오드 도통손실을 감소시키기 위한 동기식 정류 방식을 사용한다.

또한 LDC 모듈(300) 내부 회로는 입력 측 풀 브릿지(Full Bridge) 형태의 구조를 이루며, 출력 측에는 동기식 정류 방식을 사용한 LLC 공진형 토폴로지를 사용한다.

도 6을 참조하여 LDC 회로 설계 알고리즘에 대해 보다 자세히 설명하면, 먼저 공진 이득과 주파수 변화 폭을 고려한 알고리즘을 설계하고, 실행 오차 감소를 위한 공진주파수, 변압기 자화인덕턴스와 공진인덕턴스의 비를 고려한 설계 알고리즘 적용 및 LDC 최적화를 설계한다.

변압기 자화인덕턴스와 공진인덕턴스의 비가 작을수록 높은 전압 이득을 얻을 수 있지만 변압기 커플링이 좋지 않아 효율적인 측면에서 좋지 않으며, 반대로 자화인덕턴스와 공진인덕턴스의 비가 큰 경우에는 전압이득이 낮아 출력전압 제어에 어려움이 있다.

나아가, 전력 밀도 향상을 위한 PCB 구조 및 케이스 내에 부품 배치 최적화를 도 8의 LDC 모듈(300)의 PCB 구조 예상 형태를 참조하여 설명하면, 다음과 같다.

높은 전류를 전달하기 위해, PCB의 배치는 단일 측면 부품 배치 방식으로 4개의 PCB층으로 구성하며, 상단(+전원), 하단(GND) 면에 1~2mm 두께의 구리 부스바로 구성한다.

또한 부스바의 산화 방지를 위해 폴리우레탄 투명 페인트로 라카 작업을 진행하며, PCB와 케이스 사이의 틈새는 써멀 패드를 이용하여 틈새를 줄여 열전달 효과를 최대화한다.

이때 부스바의 고정은 일반 나사와 부싱을 이용해 고정한다.

나아가, 제1,2 DC-DC 컨버터의 효율 상승을 위해서는 스위칭 소자의 스위칭 손실 및 도통 손실, 수동소자(인덕터, 변압기) 코어 손실을 줄여 변환해야 한다.

비동기식 정류 방식보다 효율 상향을 위해 2차측 정류기 구동 방식을 동기식 정류방식으로 변경하여 스위칭 손실을 줄이고 효율을 상승시킬 수 있다.

또한, 화합물 반도체로 이루어진 스위칭 소자를 사용하여 스위칭 손실 최소화가 가능하다.

화합물 반도체는 GaN, SiC를 사용할 수 있으며, 기존의 실리콘 전력반도체(Si)와 비교하여 열 특성 향상, 고속 스위칭, 고전압/고전류 특성 및 스위칭 손실 최소화 등이 가능하고 이에 따른 시스템의 소형화 및 전력 효율 향상 효과를 얻을 수 있다.

화합물 반도체의 경우 기존의 실리콘 반도체 보다 낮은 도통 저항값과 작은 소자커패시턴스 값을 가지며 짧은 스위칭 턴-온, 턴-오프 시간으로 스위칭 시 발생하는 스위칭 손실이 낮아 효율적인 전력변환에 유리하다.

높은 스위칭 주파수에서의 우수한 특성으로 회로를 구성하는 수동소자인 인덕터나 커패시터의 크기를 감소시킬 수 있어 궁극적으로 전력변환을 위한 LDC 및 OBC 통합 모듈 장치(10)의 부피 감소 및 경량화가 가능하다.

화합물 반도체로 제작된 스위칭 소자를 이용할 경우, 높은 스위칭 주파수의 우수한 특성으로 전력변환을 위한 본 발명의 LDC 및 OBC 통합 모듈 장치(10)의 크기 감소가 가능하다.

높은 온도에서도 동작하는 고온 동작의 우수한 특성으로 인해 LDC 및 OBC 통합 모듈 장치(10)의 내부 냉각 장치 또한 크게 줄일 수 있다.

나아가, 화합물 반도체 소자의 경우 고속 스위칭을 실현하기 위해서는 게이트 드라이버 내에 존재하는 기생 인덕턴스를 최소화하는 것이 중요하며, 화합물 반도체의 게이트 구동 전압이 달라 도 13과 같은 별도의 게이트 드라이버의 설계가 필요하다.

게이트 드라이버를 구성할 때 가장 중요한 것은 원치않는 턴온현상(Unwanted Turn on)이 발생하지 않도록 스위칭 전압의 안정성 확보가 중요하므로 게이트 드라이버 내 안정성 확보를 위한 보호회로를 설계한다.

게이트 드라이버 게이트 루프 내 기생 인덕턴스는 링잉 성분과 오버 슈트를 동반하기 때문에 게이트 루프 내 기생 인덕턴스를 최소화하는 것이 중요하다. 따라서, 신뢰성 확보를 위한 화합물 반도체에 최적화된 부품 배치를 하고, 도 12와 같은 단락 보호 회로를 구성한 PCB 설계를 진행한다.

나아가 OBC 모듈(100)은 72V 배터리 사양에 적합하도록 한 6.6kW OBC 모듈(100) 내부 회로의 토폴로지를 선정한다.

다단(Multi Stage) 구조의 경우 PFC 회로(120)와 DC-DC 컨버터부로 구성되며, 일단(Single Stage) 구조에 비해 많이 선호된다. 다단(Multi Stage) 전원단은 상용 교류 계통 전력을 직류로 전력 변환하며, 배터리를 충전하며 계통 전원 규정을 만족하기 위해 입력전류의 높은 역률 및 낮은 THD 제어를 위한 PFC(역률 개선) 회로가 필요하며, 넓은 배터리 전압 범위를 충전하기 위한 DC-DC 전압 제어가 필요하다.

PFC 회로(120)는 교류 전압이 변환된 직류 전압을 배터리 충전용 전압으로 변환시키는 변환을 수행하며, 변환되는 과정에서 발생되는 돌입전류량을 제어하기 위해 소프트 스위칭(소프트 스타트)을 적용할 수도 있다.

OBC 모듈(100)의 다양한 토폴로지 분석 후 배터리의 넓은 충전범위를 만족시킬 수 있는 넓은 출력을 가지는 토폴로지를 선정한다.

토폴로지 별 설계 특징상 토템-폴(Totem-pole) PFC 회로(120)와 직렬 공진형 컨버터를 같이 사용하는 것이 부품소자수가 적고, 높은 전력밀도 형성, 높은 효율을 나타내고, 제어가 간편한 이점이 있다.

즉, 본 발명에서는 고성능, 고효율 및 고전력의 OBC 모듈(100) 특성을 달성하기 위해 소프트 스위칭과 높은 전력밀도로 회로 구성이 가능하도록 도 9에 도시된 바와 같이, 토템-폴(Totem-pole) PFC 회로(120)와 직렬 공진형 컨버터에 대한 토폴로지를 구성한 회로로 설계한다.

또한 일반적인 PFC 회로(120)의 경우, 입력전압이 음의 상일 때 공통모드(CM) 노이즈가 스위칭 성분을 갖기 때문에, 전자 방해 잡음(EMI) 특성이 좋지 않으므로, 고효율과 낮은 공통모드 노이즈를 달성하기에 적합하며, 소형 전기 자동차에 적용되는 2V 배터리 사양에 적합한 OBC 모듈(100) 내 PFC 회로(120)의 알고리즘을 설계한다. 이를 위해 도 10의 알고리즘이 적용될 수 있다.

OBC 모듈(100)의 전력 용량이 6.6 kW이고, 한 레그의 스위치로 동작하기 힘들기 때문에 도 15에 도시된 바와 같이, 3개의 토템-폴(Totem-pole) PFC 회로(120)를 병렬로 구성하여 회로를 구성할 수 있다.

각 상을 180도씩 밀어서 동작하는 인터리빙 방식을 사용하면 입력 및 출력 리플이 감소하고 작은 값의 수동소자를 사용할 수 있으며, EMI 특성 향상이 가능하기 때문에 3개의 모듈로 한 인터리브드 토템-폴(Totem-pole) PFC 회로(120)에 적합한 알고리즘을 설계한다.

일반적으로 전기자동차 충전기용으로 많이 고려되는 토폴로지는 PSFB 컨버터이나, 출력전압의 넓은 변동은 제어 변수인 시비율의 변동을 크게 만들어 순환 전류가 발생한다. 이러한 동작으로 인해 배터리 충전 전압의 특정 지점에서는 고효율이 달성될 수 있지만, 그 외 다른 충전 전압 영역에서는 효율이 크게 악화된다.

공진형 컨버터 중에서 충전기에 많이 사용되는 토폴로지인 LLC 직렬 공진형 DC-DC 컨버터는 변압기의 자화인덕턴스를 공진요소로 사용하며, 자화인덕턴스는 부하와 병렬로 연결되어 있어 순환 전류를 발생시키지만, 도 14에 도시된 바와 같이 출력부하전류가 감소해도 넓은 ZVS 달성 영역을 보장한다.

따라서 전부하 영역에서 소프트 스위칭을 보장하는 도 11과 같은 LLC 직렬 공진형 DC-DC 컨버터를 사용한 알고리즘을 설계한다.

나아가, 전력 용량 6.6kw의 LLC 직렬 공진형 DC-DC 컨버터의 알고리즘 최적화를 수행한다.

LLC 직렬 공진형 DC-DC 컨버터는 영전압 스위칭(ZVS) 조건에서 동작이 가능하기 때문에, 이상적으로 스위칭 손실을 제거할 수 있으며, 넓은 출력 전압 범위가 가능하다.

이때 PWM 컨버터의 경우 DC 성분만 고려되기 때문에, 스위칭 고조파 성분은 무시한다.

따라서 상태 공간 평균화(물리적 계를 입력, 출력, 상태 변수의 1차 미분 방정식으로 표현하는 수학적 모델) 기법을 적용하여 컨버터의 모델링 절차를 수행한다.

상태 공간 평균화 기법은 간단하고 정확한 모델링을 수행한다. 그러나 LLC 공진형 컨버터의 경우 공진 인덕터 전류, 공진 캐패시터 전압 그리고 자화 인덕터 전류에 고조파 성분이 포함되어 LLC 공진형 컨버터의 고유 주파수가 스위칭 주파수와 비슷하여 상태 공간 평균화 기법을 적용하기 어려움이 있다.

LLC 직렬 공진형 DC-DC 컨버터의 모델링 절차는 Extended Describing Function(EDF) 기법을 기반으로 수행하며, 소신호 모델링 수식을 이용하여 Ziegler Nichols 방법으로 출력 전압 제어기를 설계하고 이산시간 영역으로 등가 변환되며, 디지털 제어기 전달함수는 MATLAB 시뮬레이션을 통해 구현한다.

LLC 직렬 공진형 DC-DC 컨버터의 경우 내부 스위치(반도체 소자)의 동작 주파수를 변동시켜 평균출력전압을 제어하는 방식이다. 따라서 출력전압을 제어하기 위해 디바이드된 전압을 센싱받거나 전압 센서의 센싱 값을 받아 출력전압을 고정시키기 위한 동작 주파수 변동 알고리즘의 최적화 설계가 필요하다.

이를 위한 출력 전압 제어기는 PI(비례적분) 형태의 제어기를 사용하며, PI 제어를 하기 위해서는 제어대상 시스템을 해석하여 모델링한 후 모델에 적합한 P, I 이득 값을 선정한다.

비선형성을 가진 LLC 직렬 공진형 DC-DC 컨버터의 PI 제어를 위해 Ziegler Nichols 방법을 이용하게 되면, 모델링하는 과정 없이 빠른 시간 내에 이득 값 조율이 가능하다.

Ziegler Nichols 방법은 2가지이며, 프로세스 반응곡선(process reaction curve)을 보는 방법과 임계 민감도 방법(ultimate sensitivity method)으로 나뉜다.

프로세스 반응곡선 방법은 시스템이 안정한 경우에 프로세스의 단위 계단 응답을 얻는 것으로, 시스템이 불안정한 경우에는 프로세스의 단위 계단 응답은 발산하게 되어 사용 불가이다.

도 16의 임계 민감도 방법은 안정한계에서 시스템 진동의 진폭과 주파수를 평가하며, 시스템이 안정한계가 될 때까지 즉, 프로세스의 극점이 허수축 상에 존재할 때까지 비례 이득을 증가시켜 구동기 포화에 의해 제한된 진폭으로 지속적인 진동이 생성되며, 극점이 허수축 상에 존재할 수 있는 시스템에서 사용한다.

Ziegler Nichols 방법은 실제 프로세스에 단위 계단 응답을 얻는 실험으로 응답이 발산하면 하드웨어 문제가 발생한다.

임계 이득 및 임계 주기는 진동의 진폭이 가능한 한 작을 때 측정되어야 하며, 그 때 측정된 결과는 도 16과 같다.

시스템이 안정한계가 되어 제한된 진폭으로 지속적인 진동이 발생하게 될 때 비례 이득 값으로 임계 이득 K를 결정하고, 그 때 진동하는 주기로 임계 주기 P를 결정한다.

K, P 값을 Ziegler Nichols 조율표에 적용하여 최적화된 조율 파라미터들을 선정하며, 제어기 항은

와 같이 정의한다.

이때, 발산하지 않고 수렴하게 되는 적당한 이득 값에서부터 변화시키면서 극점이 허수축에 위치하는 이득 값을 도 17에 도시된 바와 같이, 머신 러닝의 지도학습을 통해 결정하며, 지도 학습은 훈련 데이터로부터 주어진 데이터에 대해 예측하고자 하는 값을 올바로 추측해내는 것으로 파형에 따른 출력 효율 데이터를 통해 최적의 이득 값을 결정한다.

도 18은 MOSFET 스위칭 전환시 손실을 나타낸 도면이며, 도 19는 소프트 스위칭 MOSFET 전류 및 전압 파형이며, 도 20은 고정/변동 주파수 차이를 나타낸 도면이며, 도 21은 에너지 소모를 위한 MOSFET과 평행 고속 바디 다이오드 도면이며, 도 22는 ZVS 소프트 스위칭을 위한 PWM Duty 및 Dead time 최적화를 보인 도면이다.

본 발명에 적용되는 부분의 턴온 및 턴오프 전환 동안 조정기의 통합 전계효과 금속산화물 반도체(MOSFET) 스위치에 인가되는 고전류 및 고전압 응력의 동시 발생으로 인한 스위칭 손실이 발생할 수 있다.

유사 공진형 스위칭은 전압 컨버터 효율성을 향상시키는 좋은 기법이지만 전체 소프트 스위칭을 구현하면 더 많은 부분을 개선할 수 있다.

소프트 스위칭(ZVS, 영전압스위칭)은 MOSFET의 온타임 동안('공진형' 스위칭 전환 발생) 일반적인 PWM 전력 변환으로 변동 주파수를 변화시키는 고정 오프타임 제어 또는 출력 전압의 조정을 유지하기 위한 온타임 제어를 활용하는 PWM 전력으로 고려할 수 있으며, 지정된 시간 단위 동안 조정 가능한 듀티 사이클을 사용하는 고정 주파수 변환과 유사하다.

일반적인 PWM은 고정 주파수를 사용하고 듀티 사이클에 변화를 주어 조정을 수행하는 반면, 도 20에 도시된 바와 같이 ZVS는 변동 주파수를 달리하여(결과적으로 온타임 변경) 출력 전압을 유지한다.

ZVS의 다른 두 가지 이점은 EMI의 고조파 스펙트럼이 감소된다는 것(스위칭 주파수의 중간에 배치)과, 더 높은 주파수 작동으로 잡음이 감소되고 LDC 모듈(300)링이 쉬워지며, 더 작은 LDC 모듈(300) 부품의 사용이 가능하다.

한 가지 단점은 스위칭 오프 전에 MOSFET이 모든 에너지를 방출했음을 보장할 수 없고(특히 높은 주파수에서), 장기적으로 이 저장된 에너지는 고속 스위칭 전압 조정기에서 부품 장애 유발 가능성이 존재한다. 따라서 스위치와 평행하게 바디 다이오드를 추가하여 해결한다.

ZVS와 같이 주파수를 수정하여 손실이 가장 작은 최적의 Duty비를 검증하고, 적절한 delay 시간을 두어 최적 효율의 dead time을 검출한다.

1차측 MOSFET의 바디 다이오드 성능에 따라 기동시, 과부하 조건시 또는 출력 단락시 등의 여러 비정상적 조건에서 심각한 슛스루 전류, 바디 다이오드 dv/dt, 항복 dv/dt, 게이트 산화막 항복과 관련된 몇 가지 예기치 못한 시스템 또는 소자의 소손이 발생하므로, 용량성 영역에서 작동하지 않도록 해야 한다.

LLC 직렬 공진형 DC-DC 컨버터가 과도상태로 넘어가지 않더럭 시퀀스 설계 및 용량성 영역을 검토하여 과도상태를 방지하며, 도 23에 OBC LLC 공진형 컨버터의 회로 구성 예시를 보여주고 있다.

또한, 소형 전기 자동차용 72V 배터리 충전을 위한 최적 CC-CV 충전 제어 알고리즘을 설계할 수 있다.

배터리 충전을 위한 최적 CC-CV(Constant Current-Contant Voltage, 정전압-정전류) 제어 알고리즘을 설계하며, 마이크로 e-모빌리티 배터리 사양(예 : 72V 배터리)에 맞는 CC-CV 충전프로파일을 설계하며, DSP 보드를 이용한 배터리 CC-CV 제어 알고리즘을 최적화하며, CC-CV 충전을 위한 제어 회로 파라미터에 맞는 최적화 제어방식을 설계한다.

CC-CV 충전 제어 알고리즘의 가장 중요한 요소는 CC구간 충전 전류(

), 최대 배터리 전압(

), CV구간 최종 충전 전류(

)이며, CC-CV충전 알고리즘은 CC구간의 충전전류(

)에 의하여 결정한다.

도 24에서 구간(Region) 1, 3, 2 순으로 변화율이 높은데, 구간 1은 적은 충전 전류에도 배터리 전압이 빠르게 상승하며, 배터리 용량 중에서 매우 작은 부분을 의미한다.

최대 전압과 OCV를 함께 고려하면 이론적인 충전 가능 최대 전류 계산이 가능하며, 배터리가 충전됨에 따라 이론적인 최대 충전 가능 전류(

)는 점차 적어진다.

CC구간의 충전 전류를 0.1C부터 이론적인 최대 충전 가능 전류(

) 보다 작은 1.2C까지 변화하면서 배터리의 충전 특성과 열특성을 분석하고, 충전시간과 충전에 의해 상승한 온도(

)를 고려하여 최적의 충전 전류량을 계산한다.

CC구간의 충전 전류가 작을수록 충전량이 작아져서 최대 배터리 전압까지 도달하는 시간이 점점 길어진다.

작은 전류에서 CV 최종 충전 전류까지 도달하는 시간이 짧아지므로, 상대적으로 CC구간보다 CV구간이 짧은 반면, CC구간의 충전 전류가 클수록 배터리가 빠르게 전압이 상승하며, 배터리의 저항 성분에 의한 IR drop과 분극에 의한 전압이 CCV(Closed Circuit Voltage)를 더욱 증가시켜 최대 배터리 전압에 빠르게 도달하므로 CC구간이 짧아지고 CV구간에 도달한다.

CV구간 도달 시 CC구간의 충전 전류(

)가 크기 때문에, CV구간의 최종 충전 전류(

)까지 도달하는 시간이 길어지고 CV구간의 시간이 상대적으로 증가한다.

CC구간과 CV구간을 모두 고려한 충전시간(

)은 큰 CC구간의 충전 전류를 사용했을 때, 평균 전류가 상대적으로 크기 때문에 고정된 배터리 용량에서 다음 수학식 1에 의해 충전시간이 짧아진다.

도 25를 참조하면 큰 CC구간의 충전 전류(

)를 사용하여도 충전시간은 짧아지지 못하는데, 이를 포화(Saturation)라 하며, CC구간의 충전 전류가 점점 증가하여도 충전시간에는 영향을 미치지 못한다.

이러한 현상은 큰 충전 전류를 갖는 CC구간이 점점 짧아지고 상대적으로 작은 충전 전류를 갖는 CV구간이 점점 늘어나면서 충전시간의 감소 둔화로 이어진다.

매우 큰 1.1C 정도의 CC구간 충전 전류(

)에 의하여 충전되면 배터리의 저항 성분에 의한 IR drop과 분극에 의한 전압 때문에 매우 빠르게 최대 배터리 전압(

)에 도달하여 CC구간이 Region 1에서 끝나고, 대부분의 충전시간(

)을 CV구간을 유지하며 충전시간이 포화된다.

0.1C에서 0.5C까지 작은 CC구간의 충전 전류(

)가 사용되면 충전시간(

)은 급격히 큰 폭으로 감소하지만 0.5C ~　1.2C까지 큰 CC구간의 충전 전류(

)가 사용되면 충전시간(

)의 변화율이 감소한다.

배터리의 상승 온도는 수학식 2와 같이, 저항 성분, 엔트로피, 그리고 주변으로 열전달에 의한 열 균형에 의해 결정되며,

,

,

,

,

는 각각 배터리의 열용량, 온도, 저항 성분에 의한 열, 엔트로피에 의한 열, 주변으로의 열전달을 의미한다.

충전 시,

는 양의 값,

는 음의 값을 가지며,

는 충전 전류의 제곱에 비례하고,

는 충전 전류에 비례한다.

도 26 및 도 27을 참조하면, CC구간의 충전 전류(

)를 점점 크게 할수록 최대 상승온도(

)는 엔트로피에 의한 흡열 반응과 주변으로의 열전달에도 불구하고, 충전 전류의 제곱에 비례하는 저항 성분에 의해 점점 증가한다.

따라서 1.1C 정도의 큰 CC구간 충전 전류(

)를 사용하면 매우 짧은 CC구간을 유지하고 대부분의 CV구간 동안 유사한 충전 전류로 충전되면서 동일한 충전시간(

)과 최대 상승온도(

)를 유지한다.

충전시간(

)이 최대 상승온도(

)에 비해 먼저 포화되기 때문에, 충전시간(

)이 포화되기 시작할 때의 CC구간의 충전 전류(

)를 이용하여 짧은 충전시간(

)과 최대 상승온도(

)를 유지한다.

10 ; LDC 및 OBC 통합 모듈 장치
100 ; OBC 모듈
110 ; 제1 LC 필터
120 ; PFC 회로
130 ; 제1 DC-DC 컨버터
200 ; 컨트롤러
300 ; LDC 모듈
310 ; 제2 LC 필터
320 ; 제2 DC-DC 컨버터

Claims (8)

1. 입력전류의 역률 및 THD 제어를 위한 PFC 회로와, 배터리 충전용 전압으로 변환하며 직렬 LLC 공진형 컨버터인 제1 DC-DC 컨버터와, 입출력 전압 또는 충전 시퀀스 동작에 대한 오류 검출을 위한 컨트롤러를 포함하며, 상기 제1 DC-DC 컨버터로 변환된 전압으로 배터리를 충전하는 OBC 모듈; 및
   상기 배터리를 입력전압으로 받아, 저전압(LDC) 전원으로 변환하여 차량 내부에 전원을 공급하는 LDC 모듈을 포함하되,
   상기 LDC 모듈을 구성하는 LDC 모듈 내부 회로는 입출력 변동과 저전압 대전류에 적합하며, 전력변환 효율을 높이기 위한 소프트 스위칭 기법이 가능한 공진형 토폴로지를 이용하여 구성되며,
   상기 직렬 LLC 공진형 컨버터는
   내부 스위치의 동작 주파수를 변동시켜 평균출력전압을 제어하며,
   출력 전압 제어를 PI(비례적분) 제어하기 위해 Ziegler Nichols 방법을 이용하여 P, I 이득 값을 선정하며,
   상기 PFC 회로는
   3개의 모듈로 한 인터리브드 토템-폴(Totem-pole) PFC 회로이며,
   각 상을 180도씩 밀어서 동작하는 인터리빙 방식을 사용하여, 입력 및 출력 리플이 감소하고, EMI 특성 향상이 가능하며,
   상기 제1 DC-DC 컨버터는
   화합물 반도체로 이루어진 스위칭 소자를 사용하여 스위칭 손실을 최소화하여 변환하며,
   상기 OBC 모듈은
   OBC 모듈의 내부 회로를 구성하는 스위칭 소자가 변환될 때마다 발생하는 고주파 잡음을 제거하는 제1 LC 필터를 더 포함하며,
   상기 LDC 모듈은
   DC 모듈의 내부 회로에서 발생하는 노이즈 제거를 위한 제2 LC 필터;
   배터리 입력전압을 저전압으로 변환하기 위한 제2 DC-DC 컨버터;
   를 포함하며,
   상기 LDC 모듈 내부 회로는
   스위칭 손실을 감소시키기 위해서 ZVS(Zero Voltage Switching) 동작이 가능한 공진형 토폴로지를 사용하며,
   출력 측 다이오드 도통손실을 감소시키기 위한 동기식 정류 방식을 사용하며,
   상기 LDC 모듈은
   전력 밀도 향상 및 높은 전류를 전달하기 위해,
   PCB의 배치는 단일 측면 부품 배치 방식으로 4개의 PCB층으로 구성하되 상단(+전원), 하단(GND) 면에 구리 부스바를 구성하며,
   상기 부스바의 산화 방지를 위해 폴리우레탄 페인트로 라카 작업을 진행하며, PCB와 케이스 사이의 틈새는 써멀 패드를 이용하여 틈새를 줄이는 것을 특징으로 하는 LDC 및 OBC 통합 모듈 장치.
   
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