KR102366967B1

KR102366967B1 - 초기 충전 컨버터

Info

Publication number: KR102366967B1
Application number: KR1020210121849A
Authority: KR
Inventors: 김구용
Original assignee: 주식회사 엠디엠
Priority date: 2021-09-13
Filing date: 2021-09-13
Publication date: 2022-02-24
Also published as: WO2023038190A1

Abstract

본 발명은 슈퍼커패시터의 충전에 있어서, 다양한 출력을 얻을 수 있어 입력전압의 변동에 대응할 수 있는 초기 충전 컨버터에 관한 것으로, 전원(100), 슈퍼커패시터(200), 상기 전원(100)과 상기 슈퍼커패시터(200) 사이에 위치하고, 상기 전원(100)의 입력전압을 승압 또는 강압하여 출력해 상기 슈퍼커패시터(200)을 충전시키는 벅-부스트 컨버터(300) 및 상기 전원(100)의 입력전압과 상기 슈퍼커패시터(200)의 전압에 따라 상기 벅-부스트 컨버터(300)에 포함되는 스위치들을 제어하는 제어모듈(400)을 포함하되, 상기 벅-부스트 컨버터(300)는, 상기 전원(100)과 직렬로 연결되는 제1스위치(S1), 양단이 상기 제1스위치(S1)와 상기 전원(100)에 연결되는 제2스위치(S2), 상기 제2스위치(S2)와 병렬로 연결되는 제3스위치(S3) 및 상기 슈퍼커패시터(200)과 직렬로 연결되고, 일단은 상기 제3스위치(S3)의 일단과 연결되는 제4스위치(S4)를 포함한다.

Description

초기 충전 컨버터{Initial Charge Converter}

본 발명은 초기 충전 컨버터에 관한 것으로, 보다 상세히는 슈퍼 커패시터를 충전하는 초기 충전 컨버터에 관한 것이다.

특허문헌 001은 슈퍼커패시터를 이용한 전기차 동력장치 및 전기차량에 관한 것으로, 슈퍼커패시터를 이용한 전기차 동력장치에 있어서, 부하를 구동시키고 회생제동을 통해 발전하는 모터-발전기, 외부 충전 에너지 및 상기 모터-발전기에 의해 발전된 에너지를 축전하는 슈퍼커패시터, 상기 슈퍼커패시터로부터 전원을 공급받아 저장하고 상기 모터-발전기로 구동전력을 공급하는 배터리, 상기 슈퍼커패시터 및 배터리의 충전량(SoC)이 보조발전 동작점보다 적은 경우에 구동하는 엔진 및 상기 엔진 구동에 따라 보조발전하고 발전된 에너지를 상기 슈퍼커패시터로 제공하는 발전기를 포함하는 슈퍼커패시터를 이용한 전기차 동력장치를 개시하고 있다.

특허문헌 002는 배터리와 슈퍼커패시터를 병용하는 하이브리드형 전기자동차의 전력 운용방법에 관한 것으로, 차량을 주행시키는 동력을 제공하는 구동모터에 전력을 전달하는 배터리 장치와 슈퍼커패시터가 마련된 전기자동차에 있어서, 슈퍼커패시터에 저장된 가용전력의 양을 확인하는 슈퍼커패시터 저장량 확인단계 및 상기 슈퍼커패시터 저장량 확인단계 후 슈퍼커패시터에 저장된 가용전력의 양이 충분하면 운전자가 밟아 조작하는 가속패달의 조작 각도에 따라 슈퍼커패시터에서 구동모터로 전달되는 전력을 단속하는 가속패달 각도 측정단계 를 포함하는 배터리와 슈퍼커패시터를 병용하는 하이브리드형 전기자동차의 전력 운용방법을 개시하고 있다.

특허문헌 003은 슈퍼커패시터를 이용한 배터리관리시스템의 전원 안정화 장치에 관한 것으로, 배터리관리시스템에 사용되는 슈퍼커패시터를 이용한 배터리관리시스템의 전원 안정화 장치에 있어서, 전원과 부하단 사이에 병렬로 연결된 슈퍼커패시터, 상기 전원과 슈퍼커패시터 사이에 연결되고, 제1스위치를 포함하는 충전회로, 상기 전원과 슈퍼커패시터 사이에 상기 충전회로와 병렬로 연결되는 제2스위치, 상기 슈퍼커패시터와 부하단 사이에 연결되는 제3스위치 및 상기 슈퍼커패시터의 출력전압에 따라 상기 제1 내지 제3스위치의 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 슈퍼커패시터를 이용한 배터리관리시스템의 전원 안정화 장치를 개시하고 있다.

특허문헌 004는 전기 자동차 전원장치 및 그 제어방법에 관한 것으로, 슈퍼 커패시터, 양방향 DC/DC 컨버터, 배터리, 모터 및 제어부를 구비한 전기 자동차 전원 장치에 있어서, 상기 전기 자동차 구동시 발생되는 상기 모터의 부하 전류값, 상기 배터리의 전압값, 상기 슈퍼 커패시터의 전압값, 상기 슈퍼 커패시터의 대응 전류값을 읽고, 상기 값들을 상기 제어부에 저장하는 단계, 상기 제어부에서, 상기 배터리의 전압값과 상기 배터리의 과전압을 방지하기 위해 설정된 전압값을 비교하는 단계, 상기 제어부에서, 상기 배터리의 전압값과 상기 배터리의 과전압을 방지하기 위해 설정된 전압값을 비교하는 단계이후, 상기 슈퍼 커패시터의 전압값과 상기 슈퍼 커패시터의 SOC(State Of Charge) 전압값을 비교하여 상기 슈퍼 커패시터의 대응 전류값을 도출하는 단계; 와 상기 모터의 부하 전류값을 상기 배터리의 평균 부하 전류값과 비교하여 상기 슈퍼 커패시터의 대응 전류값을 도출하는 단계를 구비하여 상기 모터의 부하 전류 변화에 대한 대응과 상기 배터리를 보호 해주는 전기 자동차 전원장치의 제어방법을 개시하고 있다.

한국 등록특허공보 10-2012-0131727(공개일 2012.12.05) 한국 공개특허공보 10-2012-0078027(공개일 2012.07.10) 한국 공개특허공보 10-2019-0061955(공개일 2019.06.05) 한국 공개특허공보 10-2015-0051149(공개일 2015.05.11)

본 발명은 슈퍼커패시터의 충전에 있어서, 다양한 출력을 얻을 수 있어 입력전압의 변동에 대응할 수 있는 초기 충전 컨버터에 관한 것이다.

종래기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 의한 초기 충전 컨버터는, 전원(100), 슈퍼커패시터(200), 상기 전원(100)과 상기 슈퍼커패시터(200) 사이에 위치하고, 상기 전원(100)의 입력전압을 승압 또는 강압하여 출력해 상기 슈퍼커패시터(200)을 충전시키는 벅-부스트 컨버터(300) 및 상기 전원(100)의 입력전압과 상기 슈퍼커패시터(200)의 전압에 따라 상기 벅-부스트 컨버터(300)에 포함되는 스위치들을 제어하는 제어모듈(400)을 포함하되, 상기 벅-부스트 컨버터(300)는, 상기 전원(100)과 직렬로 연결되는 제1스위치(S1), 양단이 상기 제1스위치(S1)와 상기 전원(100)에 연결되는 제2스위치(S2), 상기 제2스위치(S2)와 병렬로 연결되는 제3스위치(S3) 및 상기 슈퍼커패시터(200)과 직렬로 연결되고, 일단은 상기 제3스위치(S3)의 일단과 연결되는 제4스위치(S4)를 포함하고, 상기 인덕터(310)은 양단이 상기 제1스위치(S1)와 상기 제2스위치(S2)가 연결된 노드와 상기 제3스위치(S3)와 상기 제4스위치(S4)가 연결된 노드에 각각 연결된다.

본 발명에 의한 초기 충전 컨버터에서 상기 제어모듈(400)은, 상기 슈퍼커패시터(200)의 전압 Vout을 상기 전원(100)의 입력전압 Vin으로 나눈 값이 0 이상 0.5 미만일 때, 스위칭 주기 내에서 상기 제1스위치(S1)와 상기 제2스위치(S2)를 교번하여 온 및 오프 되도록 제어하되, 상기 제1스위치(S1)의 듀티비를 0 이상 0.5 미만으로 제어하고, 상기 제3스위치(S3)는 오프시키며, 상기 제4스위치(S4)는 온 시킨다.

본 발명에 의한 초기 충전 컨버터에서 상기 제어모듈(400)은, 상기 슈퍼커패시터(200)의 전압 Vout을 상기 전원(100)의 입력전압 Vin으로 나눈 값이 0.5일 때, 스위칭 주기 내에서 상기 제1스위치(S1)와 상기 제2스위치(S2)를 교번하여 온 및 오프 되도록 제어하되, 상기 제1스위치(S1)의 듀티비를 0.5로 제어하고, 상기 제3스위치(S3)는 오프시키며, 상기 제4스위치(S4)는 온 되도록 제어한다.

본 발명에 의한 초기 충전 컨버터에서 상기 제어모듈(400)은, 상기 슈퍼커패시터(200)의 전압 Vout을 상기 전원(100)의 입력전압 Vin으로 나눈 값이 0.5 초과하면, 스위칭 주기 내에서 상기 제1스위치(S1)와 상기 제2스위치(S2)를 교번하여 온 및 오프 되도록 제어하되, 상기 제1스위치(S1)의 듀티비를 0.5로 제어하고, 스위칭 주기 내에서 상기 제3스위치(S3)와 상기 제4스위치(S4)를 교번하여 온 및 오프되도록 제어하되, 상기 제3스위치(S3)가 상기 제1스위치(S1)가 온 되어 있는 동안, 온 및 오프되도록 제어한다.

본 발명에 의한 초기 충전 컨버터에서 상기 제어모듈(400)은, 상기 슈퍼커패시터(200)의 전압 Vout와 상기 전원(100)의 입력전압 Vin이 동일하면, 상기 제3스위치(S3)의 온 시간을 증가시켜 상기 제1스위치(S1)와 상기 제3스위치(S3)가 온 될 동안 상기 제2스위치(S2)와 상기 제4스위치(S4)가 오프되고, 상기 제1스위치(S1) 및 상기 제3스위치(S3)가 오프될 동안 상기 제2스위치(S2)와 상기 제4스위치(S4)가 오프되도록 제어한다.

본 발명에 의한 초기 충전 컨버터에서 상기 제어모듈(400)은, 상기 슈퍼커패시터(200)의 전압 Vout을 상기 전원(100)의 입력전압 Vin로 나눈 값이 1을 초과하면, 스위칭 주기 내에서 상기 제1스위치(S1)의 듀티비를 0.5보다 크게 제어한다.

본 발명에 의한 초기 충전 컨버터에서 상기 전원(100)은 연료 전지이다.

본 발명에 의한 초기 충전 컨버터에서 상기 초기 충전 컨버터는 수소전기 자동차의 시동시 상기 슈퍼커패시터(200)을 충전시킨다.

본 발명은 제어모듈이 슈퍼커패시터와 전원의 전압에 따라 벅-부스트 컨버터를 서로 다른 모드로 제어하여, 벅-부스트 컨버터의 출력 전류가 연속 전류 형태로 흐르는 구간을 증가시켜 슈퍼커패시터를 충전시키는 데 소요되는 시간을 감소시키는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 초기 충전 컨버터의 회로도이고,
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 초기 충전 컨버터의 제어모듈이 제1동작모드에서 제1 내지 4스위치 각각에 인가되는 스위칭 신호의 개략도이며,
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 초기 충전 컨버터의 제어모듈이 제2동작모드에서 제1 내지 4스위치 각각에 인가되는 스위칭 신호의 개략도이고,
도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 초기 충전 컨버터의 제어모듈이 제3동작모드에서 제1 내지 4스위치 각각에 인가되는 스위칭 신호의 개략도이며,
도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 초기 충전 컨버터의 제어모듈이 제4동작모드에서 제1 내지 4스위치 각각에 인가되는 스위칭 신호의 개략도이고,
도 6은 본 발명의 일실시예에 의한 초기 충전 컨버터의 제어모듈이 제5동작모드에서 제1 내지 4스위치 각각에 인가되는 스위칭 신호의 개략도이다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시 예를 상세하게 설명한다.

아래의 실시예에서 인용하는 번호는 인용대상에만 한정되지 않으며, 모든 실시예에 적용될 수 있다. 실시예에서 제시한 구성과 동일한 목적 및 효과를 발휘하는 대상은 균등한 치환대상에 해당된다. 실시예에서 제시한 상위개념은 기재하지 않은 하위개념 대상을 포함한다.

(실시예 1-1) 본 발명인 초기 충전 컨버터는, 전원(100), 슈퍼커패시터(200), 상기 전원(100)과 상기 슈퍼커패시터(200) 사이에 위치하고, 상기 전원(100)의 입력전압을 승압 또는 강압하여 출력해 상기 슈퍼커패시터(200)을 충전시키는 벅-부스트 컨버터(300) 및 상기 전원(100)의 입력전압과 상기 슈퍼커패시터(200)의 전압에 따라 상기 벅-부스트 컨버터(300)에 포함되는 스위치들을 제어하는 제어모듈(400)을 포함하되, 상기 벅-부스트 컨버터(300)는, 상기 전원(100)과 직렬로 연결되는 제1스위치(S1), 양단이 상기 제1스위치(S1)와 상기 전원(100)에 연결되는 제2스위치(S2), 상기 제2스위치(S2)와 병렬로 연결되는 제3스위치(S3) 및 상기 슈퍼커패시터(200)와 직렬로 연결되고, 일단은 상기 제3스위치(S3)의 일단과 연결되는 제4스위치(S4)를 포함하고, 상기 인덕터(310)는 양단이 상기 제1스위치(S1)와 상기 제2스위치(S2)가 연결된 노드와 상기 제3스위치(S3)와 상기 제4스위치(S4)가 연결된 노드에 각각 연결된다.

본 발명인 초기 충전 컨버터는 다양한 시스템에 적용될 수 있으며, 본 실시예에서는 수소전기자동차에 적용되는 것에 대해서 설명한다. 즉, 본 실시예에서 전원(100)은 연료 전지(fuel cell)일 수 있다. 종래 수소전기자동차의 연료전지와 슈퍼커패시터 사이에는 저항이 연결되어, 연료전지에서 슈퍼커패시터를 충전했다. 단, 충전 전류가 슈퍼커패시터 전압의 상승에 따라 감소하는 특성을 가지므로 충전 소요 시간이 길어진다. 또한 저항 소자에서의 도통 손실이 크게 발생하는 어려움이 있다. 본 발명은 이를 극복하기 위해, 제1스위치(S1), 제2스위치(S2), 제3스위치(S3), 제4스위치(S4) 및 인덕터(310)을 포함하는 벅-부스트 컨버터(300)을 연료전지인 전원(100)과 슈퍼커패시터(200) 사이에 배치하고, 제어모듈에서 전원(100)의 전압과 슈퍼커패시터(200)의 전압에 따라 벅-부스트 컨버터(300)을 다양한 모드로 제어할 수 있다.

(실시예 1-2) 본 발명인 초기 충전 컨버터는, 실시예 1-1에 있어서, 상기 제어모듈(400)은, 상기 슈퍼커패시터(200)의 전압 Vout을 상기 전원(100)의 입력전압 Vin으로 나눈 값이 0 이상 0.5 미만일 때, 스위칭 주기 내에서 상기 제1스위치(S1)와 상기 제2스위치(S2)를 교번하여 온 및 오프 되도록 제어하되, 상기 제1스위치(S1)의 듀티비를 0 이상 0.5 미만으로 제어하고, 상기 제3스위치(S3)는 오프시키며, 상기 제4스위치(S4)는 온 시킨다.

본 발명에서 벅-부스트 컨버터(300)의 출력전압은 슈퍼커패시터(200)의 전압과 연동된다. 따라서 이하 설명하는 Vout은 벅-부스트 컨버터(300)의 출력전압과 슈퍼커패시터(200)의 전압과 동일하다. 본 실시예에서는 전원(100)의 입력전압인 Vin이 슈퍼커패시터(200)의 전압인 Vout보다 2배를 초과하여 클 때, 제1스위치(S1)와 제2스위치(S2)를 교번하여 턴 온과 턴 오프를 반복하고, 제3스위치(S3)는 오프시키며, 제4스위치(S4)는 온 시킨다.

본 실시예에서 인덕터(310) 양단에 가해지는 전압의 크기와 전압 인가 시간을 파악함으로써 입력 전압과 출력 전압의 관계를 아래와 같이 수식적으로 표현할 수 있다. 아래 수식은 제1스위치(S1)가 ON되는 시간을 Ts(스위칭 주기)로 나눈 시비율 값이다. 도 2와 같이 스위치가 동작하면 하기의 과정을 통해 [수식 1]이 도출된다.

상기한 식에서 D는 제1스위치(S1)이 듀티비로 제1스위치(S1)의 듀티비는 0 이상 0.5 미만의 값이 되므로, 1-D는 0.5 이상의 값을 가지게 된다. 따라서 벅-부스트 컨버터(300)의 출력전압은 0V에서 전원(100)의 입력전압 Vin의 0.5배 미만의 값을 가지게 된다.

(실시예 1-3) 본 발명인 초기 충전 컨버터는, 실시예 1-1에 있어서, 상기 제어모듈(400)은, 상기 슈퍼커패시터(200)의 전압 Vout을 상기 전원(100)의 입력전압 Vin으로 나눈 값이 0.5일 때, 스위칭 주기 내에서 상기 제1스위치(S1)와 상기 제2스위치(S2)를 교번하여 온 및 오프 되도록 제어하되, 상기 제1스위치(S1)의 듀티비를 0.5로 제어하고, 상기 제3스위치(S3)는 오프시키며, 상기 제4스위치(S4)는 온 되도록 제어한다.

본 실시예는 앞서 설명한 실시예 1-2와 비교했을 때, 제1스위치(S1)의 듀티비 D가 0.5이고, 제2스위치(S2)의 듀티비 또한 이에 대응해 감소하여 0.5로 설정된 것을 제외하면 서로 동일하다. 이때 벅-부스트 컨버터(300)의 출력전압은 전원(100)의 입력전압에 0.5를 곱한 것으로, 입력전압의 절반이 된다. 본 실시예 또한 앞서 설명한 실시예 1-2와 마찬가지로 벅-부스트 컨버터(300)이 벅-컨버터로 동작한다. 본 발명의 실시예 1-1과 실시예 1-2에서 제1스위치(S1)와 제2스위치(S2) 각각을 교번하여 턴 온 및 턴 오프시키면서, 제3스위치(S3)는 턴 오프상태를 유지하고, 제4스위치(S4)는 턴 온시키는 것은 벅-부스트 컨버터(300)의 출력전류의 형태를 연속적인 형태로 유지시키기 위한 것이다.

도 3과 같이 스위치가 동작하면 하기의 과정을 통해 [수식 2]가 도출된다.

상기한 수식 2는 제1스위치(S1)의 듀티비를 0.5로 고정했을 때이며, 본 실시예의 제어방식은 앞서 설명한 실시예 1-2의 스위치 제어방식이 유지되는 최종 지점의 제어방식이라고 할 수 있다.

(실시예 1-4) 본 발명인 초기 충전 컨버터는, 실시예 1-1에 있어서, 상기 제어모듈(400)은, 상기 슈퍼커패시터(200)의 전압 Vout을 상기 전원(100)의 입력전압 Vin으로 나눈 값이 0.5 초과하면, 스위칭 주기 내에서 상기 제1스위치(S1)와 상기 제2스위치(S2)를 교번하여 온 및 오프 되도록 제어하되, 상기 제1스위치(S1)의 듀티비를 0.5로 제어하고, 스위칭 주기 내에서 상기 제3스위치(S3)와 상기 제4스위치(S4)를 교번하여 온 및 오프되도록 제어하되, 상기 제3스위치(S3)가 상기 제1스위치(S1)가 온 되어 있는 동안, 온 및 오프되도록 제어한다.

본 실시예에서 제어모듈(400)은 앞서 설명한 실시예 1-3에서, 제1스위치(S1)와 제2스위치(S2)의 듀티비는 각각 0.5로 유지하고, 제3스위치(S3)와 제4스위치(S4)의 듀티비를 변경한다. 보다 구체적으로, 제3스위치(S3)의 듀티비를 0 이상 0.5 미만으로 제어하되, 제3스위치(S3)가 턴 온되고 턴 오프되는 시점이 제1스위치(S1)가 턴 온되는 시점 내에 위치하도록 제3스위치(S3)를 스위칭하며, 제4스위치(S4)는 제3스위치(S3)와 교번되어 온 및 오프되도록 제어한다.

도 4과 같이 스위치가 동작하면 하기의 과정을 통해 [수식 3]이 도출된다.

상기한 식에서 D는 제3스위치(S3)의 듀티비로, 제3스위치(S3)의 듀티비는 0 이상 0.5 미만의 값이 되므로, 1-D는 0.5 이상의 값을 가지게 된다. 따라서 벅-부스트 컨버터(300)의 출력전압은 전원(100)의 입력전압 Vin의 0.5배 이상 Vin 미만의 값을 가지게 된다. 즉, 본 실시예는 강압되는 정도가 실시예 1-3보다 작으나 출력 전압이 실시예 1-3과 연속성을 갖는다.

(실시예 1-5) 본 발명은 초기 충전 컨버터는, 실시예 1-4에 있어서, 상기 제어모듈(400)은, 상기 슈퍼커패시터(200)의 전압 Vout와 상기 전원(100)의 입력전압 Vin이 동일하면, 상기 제3스위치(S3)의 온 시간을 증가시켜 상기 제1스위치(S1)와 상기 제3스위치(S3)가 온 될 동안 상기 제2스위치(S2)와 상기 제4스위치(S4)가 오프되고, 상기 제1스위치(S1) 및 상기 제3스위치(S3)가 오프될 동안 상기 제2스위치(S2)와 상기 제4스위치(S4)가 온 되도록 제어한다.

즉, 본 실시예에서는 제1스위치(S1), 제2스위치(S2), 제3스위치(S3) 및 제4스위치(S4)의 듀티비는 0.5로 고정된다. 이 경우 벅-부스터 컨버터(300)의 출력은 전원(100)의 입력전압 Vin과 동일해진다. 보다 구체적으로, 도 5와 같이 스위치가 동작하면 하기의 과정을 통해 [수식 4]가 도출된다.

상기한 수식 4로 설명되는 본 실시예는, 도 4에 도시된 스위치 제어 방식이 유지되는 최종 지점이다.

(실시예 1-6) 본 발명은 초기 충전 컨버터는, 실시예 1-4에 있어서, 상기 제어모듈(400)은, 상기 슈퍼커패시터(200)의 전압 Vout을 상기 전원(100)의 입력전압 Vin로 나눈 값이 1을 초과하면, 스위칭 주기 내에서 상기 제1스위치(S1)의 듀티비를 0.5보다 크게 제어한다.

단, 이 때 제3스위치(S3)가 온 및 오프되는 구간이 제1스위치(S1)가 온 되는 구간에 포함되도록 제어할 수 있다. 제3스위치(S3)와 제4스위치(S4) 각각의 듀티비는 0.5로 고정될 수 있다. 도 6과 같이 스위치가 동작하면 하기의 과정을 통해 [수식 5]가 도출된다.

상기한 식에서 D는 제1스위치(S1)의 듀티비로, 제1스위치(S1)의 듀티비는 0.5 이상 1 미만의 값이 되므로, 1-D는 0.5 미만의 값을 가지게 된다. 따라서 벅-부스트 컨버터(300)의 출력전압은 전원(100)의 입력전압 Vin의 1배 이상 2배 미만의 값을 가지게 된다.

앞서 설명한 본 발명은 설명했듯 연료전지인 전원(100)의 전압, 즉 입력전압 Vin과 슈퍼커패시터(200)의 전압인 Vout의 관계에 따라 (실시예 1-2) ~ (실시예 1-6) 중 어느 하나의 실시예를 선택하여 동작할 수 있다. 이는 연료전지인 전원(100)의 입력전압 Vin은 제어할 수 없고, 연료전지의 특성상 연료전지에서 출력되는 전류의 크기에 따라 전압이 가변되기 때문이다. 보다 구체적으로는 연료전지인 전원(100)의 출력전압을 벅-부스트 컨버터(300)의 입력전압으로 활용하여 벅-부스트 컨버터(300)의 출력전류가 높아지면 전원(100)의 전압이 하강하는 특성을 가져, 연료전지인 전원(100)의 입력전압 Vin과 슈퍼커패시터(200)의 전압 Vout의 관계가 수시로 변경되기 때문이다. 즉, 본 발명은 상술한 (실시예 1-2) ~ (실시예 1-6) 중 어느 하나를 선택해 벅-부스트 컨버터(300)를 제어하여, 전원(100)과 슈퍼커패시터(200)의 상태에 따라 제어 관점에서 원하는 벅-부스트 컨버터(300)의 출력전압을 유지하서도 출력전류를 연속적으로 유지시키면서, 슈퍼커패시터(200)를 충전시킬 수 있다.

(실시예 2-1) 본 발명인 초기 충전 컨버터는, 실시예 1-1에 있어서, 상기 제어모듈(400)은, 상기 수소전기 자동차의 시동시 모터에 인가되는 돌입전류의 특성에 따라 상기 슈퍼커패시터(200)의 충전조건을 변경한다.

수소전기자동차의 시동이 걸리는 상황에 대해서는 변수가 매우 적게 발생한다. 따라서 본 실시예에서 제어모듈(400)은 수소전기 자동차의 시동시 모터에 인가되는 돌입전류의 특성에 따라 슈퍼커패시터(200)의 충전조건을 변경할 수 있다. 제어모듈(400)은 수소전기 자동차의 시동시 모터에 인가되는 돌입전류와, 이때 연료전지()의 상태 및 슈퍼커패시터(200)의 전압과 같은 데이터셋을 이용해 슈퍼커패시터(200)의 충전조건을 학습하고, 학습된 요소들에 따라 슈퍼커패시터(200)의 충전조건을 변경할 수 있다. 여기서 충전조건이란 벅-부스트 컨버터(300)의 출력전압일 수 있다.

100 : 전원
200 : 슈퍼커패시터
300 : 벅-부스트 컨버터
310 : 인덕터
400 : 제어모듈
S1 : 제1스위치
S2 : 제2스위치
S3 : 제3스위치
S4 : 제4스위치

Claims

전원(100);
슈퍼커패시터(200);
상기 전원(100)과 상기 슈퍼커패시터(200) 사이에 위치하고, 상기 전원(100)의 입력전압을 승압 또는 강압하여 출력해 상기 슈퍼커패시터(200)를 충전시키는 벅-부스트 컨버터(300); 및
상기 전원(100)의 입력전압과 상기 슈퍼커패시터(200)의 전압에 따라 상기 벅-부스트 컨버터(300)에 포함되는 스위치들을 제어하는 제어모듈(400);
을 포함하되,
상기 벅-부스트 컨버터(300)는,
상기 전원(100)과 직렬로 연결되는 제1스위치(S1);
양단이 상기 제1스위치(S1)와 상기 전원(100)에 연결되는 제2스위치(S2);
상기 제2스위치(S2)와 병렬로 연결되는 제3스위치(S3); 및
상기 슈퍼커패시터(200)와 직렬로 연결되고, 일단은 상기 제3스위치(S3)의 일단과 연결되는 제4스위치(S4);
를 포함하고,
인덕터(310)는 양단이 상기 제1스위치(S1)와 상기 제2스위치(S2)가 연결된 노드와 상기 제3스위치(S3)와 상기 제4스위치(S4)가 연결된 노드에 각각 연결되며,
상기 전원(100)은 연료 전지이고,
상기 제어모듈(400)은,
상기 슈퍼커패시터(200)의 전압 Vout을 상기 전원(100)의 입력전압 Vin으로 나눈 값이 0.5를 초과하면, 스위칭 주기 내에서 상기 제1스위치(S1)와 상기 제2스위치(S2)를 교번하여 온 및 오프 되도록 제어하되, 상기 제1스위치(S1)의 듀티비를 0.5로 제어하고, 스위칭 주기 내에서 상기 제3스위치(S3)와 상기 제4스위치(S4)를 교번하여 온 및 오프되도록 제어하되, 상기 제3스위치(S3)가 상기 제1스위치(S1)가 온 되어 있는 동안, 온 및 오프되도록 제어하며,
상기 슈퍼커패시터(200)의 전압 Vout와 상기 전원(100)의 입력전압 Vin이 동일하면, 상기 제3스위치(S3)의 온 시간을 증가시켜 상기 제1스위치(S1)와 상기 제3스위치(S3)가 온 될 동안 상기 제2스위치(S2)와 상기 제4스위치(S4)가 오프되고, 상기 제1스위치(S1) 및 상기 제3스위치(S3)가 오프될 동안 상기 제2스위치(S2)와 상기 제4스위치(S4)가 온 되도록 제어하고,
상기 슈퍼커패시터(200)의 전압 Vout을 상기 전원(100)의 입력전압 Vin로 나눈 값이 1을 초과하면, 스위칭 주기 내에서 상기 제1스위치(S1)의 듀티비를 0.5보다 크게 제어하는 초기 충전 컨버터.
제1항에 있어서,
상기 제어모듈(400)은,
상기 슈퍼커패시터(200)의 전압 Vout을 상기 전원(100)의 입력전압 Vin으로 나눈 값이 0 이상 0.5 미만일 때, 스위칭 주기 내에서 상기 제1스위치(S1)와 상기 제2스위치(S2)를 교번하여 온 및 오프 되도록 제어하되, 상기 제1스위치(S1)의 듀티비를 0 이상 0.5 미만으로 제어하고, 상기 제3스위치(S3)는 오프시키며, 상기 제4스위치(S4)는 온 시키는 초기 충전 컨버터.
제1항에 있어서,
상기 제어모듈(400)은,
상기 슈퍼커패시터(200)의 전압 Vout을 상기 전원(100)의 입력전압 Vin으로 나눈 값이 0.5일 때, 스위칭 주기 내에서 상기 제1스위치(S1)와 상기 제2스위치(S2)를 교번하여 온 및 오프 되도록 제어하되, 상기 제1스위치(S1)의 듀티비를 0.5로 제어하고, 상기 제3스위치(S3)는 오프시키며, 상기 제4스위치(S4)는 온 되도록 제어하는 초기 충전 컨버터.
삭제
삭제
삭제
삭제
제1항에 있어서,
상기 초기 충전 컨버터는 수소전기 자동차의 시동시 상기 슈퍼커패시터(200)를 충전시키는 초기 충전 컨버터.
제8항에 있어서,
상기 제어모듈(400)은, 상기 수소전기 자동차의 시동시 모터에 인가되는 돌입전류의 특성에 따라 상기 슈퍼커패시터(200)의 충전조건을 변경하는 초기 충전 컨버터.