KR102344504B1 - 전원 변환 장치 및 방법 - Google Patents

전원 변환 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전원 변환 장치 및 방법에 대하여 개시한다. 본 발명의 일면에 따른 전원 변환 장치는, 온-오프(ON-OFF)되어, 고전압 배터리로부터의 제1 DC 전압을 구형파 제1 AC 전압으로 변환하는 제1 스위칭 소자; 상기 제1 AC 전압을 감압하여 제2 AC 전압을 출력하는 트랜스포머; 상기 제2 AC 전압을 정류하는 정류회로; 상기 제2 AC 전압을 AC-DC 변환하여 제2 DC 전압으로 변환하는 평활회로; 및 상기 제2 DC 전압을 크기 변환(Up Conversion)하여 상기 제2 DC 전압보다 큰 크기의 제3 DC 전압을 출력하는 DC-DC 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

전원 변환 장치 및 방법{Appratus and Method for Transforming Power}
본 발명은 전원 변환 기술에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 고전압 배터리의 전압을 자동차 전장품의 동작 전원에 대응하도록 변환하는 전원 변환 장치 및 방법에 관한 것이다.
전기 자동차 또는 하이브리드 자동차는 수백 V의 DC 전압이 충전된 고전압 배터리를 탑재하고, 컨버팅 장치에 의해 고전압 배터리 전압을 48V 또는 14V로 변환하여 자동차 전장부품에 공급하고 있다.
일 예로서, 도 1과 같이, 종래의 컨버터 장치는 풀-브릿지 형태의 PWM 방식의 제어회로(②)에 의해 고전압 배터리(①)로부터 출력되는 수백 V의 DC 전압을 원하는 듀티(Pulse Width)를 갖는 AC 전압으로 변환한다. 또한, 변압기(③)는 AC 전압을 1차적으로 2차 측으로 전달하며, 권선비에 따라 1차 전압을 강압시키고, 정류 다이오드(④)는 AC 전압을 다시 DC 전압으로 변환한다. LC 필터(⑤)는 DC 전압을 필터링하여 리플을 제거하여 깨끗한 DC 전압으로 변환하며, 하이브리드 자동차의 전장부하(⑥)에 48V를 출력한다. 비절연형 컨버터(⑦)는 48V를 14V로 강압시켜 14V 전장부품 및 12V 보조배터리(⑧)에 12V를 출력한다.
전술한 바와 같이, 최근에는 14V 전원을 사용하는 자동차의 전장품 중 고전류를 필요로 하는 MDPS, ARS 등의 장치에 공급되는 전원으로 48V 전압을 일부 채용한다. 왜냐하면, 전압이 14V에서 48V로 증가하면, 소비전류가 낮아져 차량의 연비가 증대될 수 있기 때문이다.
본 발명은 전술한 바와 같은 기술적 배경에서 안출된 것으로서, 고전압 배터리를 채택하는 자동차의 전장품에 보다 안정적으로 전압을 공급할 수 있는 전원 변환 장치 및 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일면에 따른 전원 변환 장치는, 온-오프(ON-OFF)되어, 고전압 배터리로부터의 제1 DC 전압을 구형파 제1 AC 전압으로 변환하는 제1 스위칭 소자; 상기 제1 AC 전압을 감압하여 제2 AC 전압을 출력하는 트랜스포머; 상기 제2 AC 전압을 정류하는 정류회로; 상기 제2 AC 전압을 AC-DC 변환하여 제2 DC 전압으로 변환하는 평활회로; 및 상기 제2 DC 전압을 크기 변환(Up Conversion)하여 상기 제2 DC 전압보다 큰 크기의 제3 DC 전압을 출력하는 DC-DC 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 면에 따른 고전압 배터리 전압을 감압하여 자동차 내 전장품에 공급하는 방법은, 고전압 배터리가 연결되면, 기설정된 제1 주기에 따라 제1 스위칭 소자를 온-오프하여 상기 고전압 배터리로부터의 제2 DC 전압을 출력 또는 미출력하는 단계; 상기 제2 DC 전압의 출력 또는 미출력에 따라 생성된 제1 AC 전압을 감압하여 제2 AC 전압을 출력하는 단계; 상기 제2 AC 전압을 정류 및 평활하여 제2 DC 전압을 생성하는 단계; 및 상기 제2 DC 전압의 승압하여 상기 제2 DC 전압보다 크기가 큰 제3 DC 전압을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 고전압 배터리를 채택하는 자동차의 전장품에 보다 안정적으로 전압을 공급할 수 있다.
도 1은 종래의 컨버터 장치의 일 예를 도시한 회로도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전원 변환 장치를 도시한 회로도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전원 변환/공급 방법을 도시한 흐름도.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이제 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전원 변환 장치를 도시한 회로도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 전원 변환 장치(20)는 제어부(240), 제1 스위칭 소자(210), 트랜스포머(220), 정류회로(230), 평활회로(250) 및 DC-DC 컨버터(260)를 포함한다.
제1 스위칭 소자(210)는 고전압 배터리로부터 100V 이상의 제1 DC 전압이 공급되면, 제어부(240)의 제어에 따라, 제1 주기로 온/오프되어 고전압 배터리에 충전된 전기에너지를 구형파인 제1 AC 전압을 변환한다. 제1 스위칭 소자(210)는 FET 등일 수 있다. 여기서, 제1 AC 전압의 크기는 제1 주기에 따라 달라질 수 있다.
트랜스포머(220)는 권선비에 대응하여 제1 AC 전압을 감압하여 제2 AC 전압을 출력한다. 트랜스포머(220)는 그 특성에 의해 제1 AC 전압과 제2 AC 전압 간을 절연할 수 있다.
정류회로(230)는 제1 및 제2 다이오드(D1, D2)를 포함하고, 제2 AC 전압을 정류하고 제2 AC 전압의 전류가 역으로 흐르는 것을 방지한다. 그에 따라, 정류회로(230)는 양의 제2 AC 전압을 출력한다.
평활회로(250)는 정류된 제2 AC 전압을 평활하여 제2 DC 전압을 생성한다. 평활회로(250)는 제1 인덕터(L1) 및 제1 커패시터(C1)를 포함하는데, 제1 인덕터(L1)는 정류회로(230)에 의해 정류된 전류를 필터링하여 에너지를 저장한다. 제1 커패시터(C1)는 정류회로(230)에 의해 정류된 전압을 필터링하여 직류 전압으로 변환한다. 여기서, 제2 DC 전압은 14V±기설정된 제1 오차 크기의 전압일 수 있으며, 제2 DC 전압의 크기는 트랜스포머(220)의 권선비에 따라 달라질 수 있다.
제2 DC 전압은 하이브리드 자동차 또는 전기 자동차 내 14V 전압을 사용하는 전장품에 공급된다.
DC-DC 컨버터(260)는 제2 DC 전압에 대해 크기 변환(Up Conversion)하여 제2 DC 전압보다 큰 크기의 제3 DC 전압을 출력한다.
DC-DC 컨버터(260)는 제2 스위칭 소자(E), 제2 인덕터(L2), 제3 다이오드(D3) 및 제2 커패시터(C2)를 포함한다.
제2 스위칭 소자(E)는 제어부(240)의 제어에 따른 제2 주기의 온-오프 스위칭을 통해 제2 DC 전압을 승압된 제2 구형파로 변환한다. 제2 인덕터(L2)는 제2 스위칭 소자(E)의 온-오프 스위칭에 따른 전압 승압시에 제2 DC 전압의 에너지를 저장한다. 제3 다이오드(D3)는 승압된 제2 구형파를 정류하고 전류의 역방향 흐름을 방지하여 양의 구형파를 출력한다. 제2 커패시터(C2)는 양의 구형파를 필터링하여 제2 DC 전압으로 변환한다. 여기서, 제3 DC 전압은 48V±기설정된 제2 오차 크기의 전압일 수 있다. 이때, 제1 오차 및 제2 오차는 전원 변환 장치(20) 및 전장부품의 성능에 따라 달라질 수 있고, 제3 DC 전압의 크기는 제2 주기에 따라 달라질 수 있다.
제어부(240)는 MCP 등의 소자로서, 제1 스위칭 소자(210) 및 제2 스위칭 소자(E)의 스위칭 및 스위칭 주기를 제어할 수 있다.
구체적으로, 제어부(240)는 GPIO 포트 등을 통해서 고전압 배터리로부터 제1 DC 전압이 인가되면, 고전압 배터리의 연결을 감지하고, 제1 스위칭 소자(210)를 온-오프할 수 있다. 이때, 제1 DC 전압은 자동차의 시동이 켜지면 단락되고, 꺼지면 개방되는 스위치(10)에 의해 전원 변환 장치(20)에 인가되거나, 인가되지 않을 것이다. 이때, 스위치(10) 또는 전원 변환 장치(20)의 일 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
또한, 제어부(240)는 GPIO 포트 등을 통해서 제2 DC 전압이 인가됨을 감지하면, 제2 스위칭 소자(E)에 대한 온-오프 제어를 개시하여 제3 DC 전압을 생성할 수 있다.
한편, 전술한 예에서는 전원 변환 장치(20)가 도 2에 도시된 다른 구성요소(CT, 절연소자 등)를 포함하지 않는 경우를 예로 들어 설명하였다. 하지만, 전원 변환 장치(20)는 그 구성에 따라 도 2의 다른 구성요소, 또는 또 다른 구성요소를 더 포함할 수도 있음은 물론이다.
또한, 전술한 예에서는 제2 DC 전압이 14V에 상응하고, 제3 DC 전압이 48V에 상응하는 경우를 예로 들어 설명하였다. 하지만, 전원 변환 장치 및 자동차 전장품의 구성에 따라서, 제2 DC 전압의 크기가 제3 DC 전압의 크기보다 더 적을 수도 있다. 하지만, 이 경우에도 본 발명의 실시예는 각 전압을 사용하는 전장품의 수를 고려하여, 먼저 생성된 제2 DC 전압을 이용하는 전장품이 나중에 생성된 제2 DC 전압을 이용하는 전장품의 수보다 많도록 구성됨은 물론이다. 이러한 구성에 의해서 본 발명의 실시예는 전원 변환 장치의 뒤단에 문제가 발생했을 경우에도 많은 전장품의 동작에는 문제가 없도록 할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예는 자동차 내 더 많은 전장품에 의해 사용되는 14V 전원을 먼저 생성하고, 이후 14V 전압에 대한 업 컨버팅을 통해서 소수의 전장품들의 전력 공급원인 48V 전원을 생성할 수 있다. 그에 따라, 본 발명의 실시예는 종래의 비절연형 컨버터의 고장 발생시에는 차량 내 대부분의 전장품이 작동하지 못하는 종래의 문제를 예방할 수 있다.
더불어, 본 발명의 실시예는 종래의 전원 변환 장치에 비해서 차량 고장 대응(Fail-Safe) 측면에서도 우수할 수 있다.
이하, 도 3을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 전원 변환/공급 방법에 대해서 설명한다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전원 변환/공급 방법을 도시한 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 제어부(240)는 고전압 배터리가 연결되는지를 확인한다(S310). 여기서, 제어부(240)는 GPIO 포트 등을 통해서 고전압 배터리의 전압을 감지함에 따라 고전압 배터리의 연결을 감지할 수 있다.
제어부(240)는 기설정된 제1 주기에 따라 제1 스위칭 소자(210)를 온-오프하여 고전압 배터리로부터의 제2 DC 전압을 출력 또는 미출력한다(S320).
트랜스포머(220)는 제2 DC 전압의 출력 또는 미출력에 따라 생성된 제1 AC 전압을 감압하여 제2 AC 전압을 출력한다(S330).
정류회로(230)가 제2 AC 전압을 정류하고, 평활회로(250)가 정류된 제2 AC 전압을 평활하여 제2 DC 전압을 생성한다(S340). 이때, 제2 DC 전압은 생성된 제2 DC 전압을 사용하는 적어도 하나의 제1 전장품에 공급될 수 있다.
DC-DC 컨버터(260)는 제2 DC 전압의 승압하여 제3 DC 전압을 생성한다(S350). 이때, 제3 DC 전압은 제3 DC 전압을 동작 전원으로 사용하는 적어도 하나의 제2 전장품에 공급될 수 있다. 여기서, 제2 전장품은 제1 전장품보다 많은 전류를 소비하는 MDPS((Motor Driven Power Steering) 장치 및 ARS(Active Roll Stabilization) 장치를 포함할 수 있다.
이때, DC-DC 컨버터(260)는 제어부(240)의 제어에 따른 기설정된 제2 주기에 따라 온/오프되면서, 에너지를 제2 인덕터(L2)에 저장하여 입력 전압을 승압할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예는 자동차 내 더 많은 전장품에 의해 사용되는 14V 전원을 먼저 생성하고, 이후 14V 전압에 대한 업 컨버팅을 통해서 소수의 전장품들의 전력 공급원인 48V 전원을 출력할 수 있다.
그에 따라, 본 발명의 실시예는 비절연형 컨버터의 고장 발생시에는 차량 내 대부분의 전장품이 작동하지 못하는 종래의 문제를 예방할 수 있다.
더불어, 본 발명의 실시예는 종래의 전원 변환 방법에 비해서 차량 고장 대응(Fail-Safe) 측면에서도 우수할 수 있다.
이상, 본 발명의 구성에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 물론이다. 따라서 본 발명의 보호 범위는 전술한 실시예에 국한되어서는 아니되며 이하의 특허청구범위의 기재에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 고전압 배터리 전압을 감압하여 차량 내 전장품에 전력을 공급하는 전력 변환 장치로서,
    온-오프(ON-OFF)되어, 고전압 배터리로부터의 제1 DC 전압을 구형파 제1 AC 전압으로 변환하는 제1 스위칭 소자;
    상기 제1 AC 전압을 감압하여 제2 AC 전압을 출력하는 트랜스포머;
    상기 제2 AC 전압을 정류하는 정류회로;
    상기 제2 AC 전압을 AC-DC 변환하여 차량내 전장품 중 과반수 전장품의 동작 전압이 되는 제2 DC 전압으로 변환하는 평활회로; 및
    상기 제2 DC 전압을 크기 변환(Up Conversion)하여 상기 제2 DC 전압보다 높고 차량 내 전장품 중 절반 미만의 전장품의 동작 전압이 되는 제3 DC 전압을 출력하는 DC-DC 컨버터
    를 포함하는 전원 변환 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제2 DC 전압은,
    하이브리드 자동차 또는 전기 자동차 내 14V 전압을 사용하는 전장품에 공급되는 것인 전원 변환 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제3 DC 전압은,
    48V 전압으로서, 하이브리드 자동차 또는 전기 자동차 내 상대적으로 큰 전류를 소비하는 MDPS((Motor Driven Power Steering) 장치 및 ARS(Active Roll Stabilization) 장치를 포함하는 전장품에 공급되는 것인 전원 변환 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 DC-DC 컨버터는,
    온-오프 스위칭을 통해 상기 제2 DC 전압을 제2 구형파로 변환하는 제2 스위칭 소자;
    상기 온-오프 스위칭시에 상기 제2 DC 전압의 에너지를 저장하는 인덕터;
    상기 제2 구형파를 정류하여 정방향 구형파를 출력하는 다이오드; 및
    상기 정방향 구형파를 필터링하여 상기 제2 DC 전압으로 변환하는 커패시터;
    를 포함하는 전원 변환 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제1 스위칭 소자 및 상기 제2 스위칭 소자의 스위칭 및 스위칭 주기를 제어하는 제어부를 더 포함하며,
    상기 제어부는, 상기 제1 DC 전압의 인가를 감지하면, 상기 제1 스위칭 소자의 온-오프를 제어하며, 상기 평활회로로부터 상기 제2 DC 전압이 출력됨을 확인하면, 상기 제2 스위칭 소자의 스위칭을 개시하는 것인 전원 변환 장치.
  6. 고전압 배터리 전압을 감압하여 차량 내 전장품에 공급하는 방법으로서,
    고전압 배터리가 연결되면, 기설정된 제1 주기에 따라 제1 스위칭 소자를 온-오프(ON-OFF)하여 상기 고전압 배터리로부터의 제2 DC 전압을 출력 또는 미출력하는 단계;
    상기 제2 DC 전압의 출력 또는 미출력에 따라 생성된 제1 AC 전압을 감압하여 제2 AC 전압을 출력하는 단계;
    상기 제2 AC 전압을 정류 및 평활하여 차량내 전장품 중 과반수 전장품의 동작 전압이 되는 제2 DC 전압을 생성하는 단계; 및
    상기 제2 DC 전압의 승압하여 상기 제2 DC 전압보다 높고 차량 내 전장품 중 소수의 절반 미만의 전장품의 동작 전압이 되는 제3 DC 전압을 생성하는 단계;
    를 포함하는 전원 변환/공급 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제3 DC 전압을 생성하는 단계는,
    제2 스위칭 소자에 대한 온-오프 스위칭을 통해 상기 제2 DC 전압을 제2 구형파로 변환하는 단계;
    상기 제2 스위칭 소자의 온-오프 스위칭시에 상기 제2 DC 전압의 에너지가 인덕터에 저장되는 단계;
    상기 제2 구형파를 정류하여 정방향 구형파를 출력하는 단계; 및
    상기 정방향 구형파를 필터링하여 상기 제3 DC 전압으로 변환하는 단계
    를 포함하는 것인 전원 변환/공급 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제2 DC 전압을 사용하는 적어도 하나의 제1 전장품에 상기 제2 DC 전압을 공급하는 단계; 및
    상기 제3 DC 전압을 동작 전원으로 사용하는 적어도 하나의 제2 전장품에 상기 제3 DC 전압을 공급하는 단계
    를 더 포함하는 전원 변환/공급 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제2 전장품은,
    상기 제1 전장품보다 큰 전류를 소비하는 MDPS((Motor Driven Power Steering) 장치 및 ARS(Active Roll Stabilization) 장치를 포함하는 전장품인 전원 변환/공급 방법.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 제2 DC 전압은 14V±기설정된 제1 오차이며,
    상기 제3 DC 전압은 48V±기설정된 제2 오차인 전원 변환/공급 방법.
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