KR102429957B1 - 차량용 obc 제어방법 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

친환경차량의 OBC(On Board Charger)의 DC-DC LLC 컨버터가 항상 공진주파수에서 동작할 수 있도록 DC 링크전압을 제어함으로써, OBC의 효율을 향상시킬 수 있는 차량용 OBC 제어방법 및 시스템이 소개된다.

Description

차량용 OBC 제어방법 및 시스템{CONTROLLING METHOD AND SYSTEM FOR ON BOARD CHARGER OF VEHICLE}
본 발명은 차량용 OBC 제어방법 및 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 친환경차량의 OBC(On Board Charger)의 DC-DC LLC 컨버터가 항상 공진주파수에서 동작할 수 있도록 DC 링크전압을 제어함으로써, OBC의 효율을 향상시킬 수 있는 차량용 OBC 제어방법 및 시스템에 관한 것이다.
하이브리드 자동차 및 전기자동차 등의 친환경자동차는 차량탑재형 충전기 OBC(On Board Charger)를 가지고 있다. OBC는 메인배터리인 고전압배터리를 충전하는 기능을 수행하며, OBC는 PFC(Power Factor Correction), LLC 컨버터를 포함한다. LLC 컨버터는 일반적으로 공진 인덕턴스 Lr, 자화 인덕턴스 Lm, 공진 커패시턴스 Cr로 구성된 공진회로(공진탱크)를 가지는데, 이 공진탱크가 공진주파수(fo)에서 동작할 때 LLC 컨버터의 효율이 가장 좋다.
종래 기술은 OBC의 LLC 컨버터가 최고의 효율로 동작하도록(공진네트워크의 공진주파수(fo)에서 동작하도록) 출력전압(고전압 배터리전압)에 따라 DC 링크전압 가변맵을 설정했었다. 그러나, OBC 샘플별로 공진네트워크의 소자값이 상이하기 때문에 변압기 특성에 따라 자화 인덕턴스 Lm과 공진 인덕턴스 Lr의 오차는 최대 15%이상 발생하였다. 이로 인해, 대표 샘플의 설계치를 기반으로 DC 링크전압 가변맵을 설정하였다고 하더라도 공진탱크에 오차 발생시 LLC 컨버터의 입출력관계식이 달라진다. 그 결과, 종래 기술은 LLC 컨버터의 최적 효율 포인트인 공진주파수(fo)에서 동작하지 않게 되어 샘플별로 상이한 제품 효율을 가지게 되고, 나아가 특정 샘플은 효율이 낮아지고 차량의 전비를 감소시키는 문제점이 있었다.
따라서, LLC 컨버터의 공진 회로(공진 탱크)에 소자 오차가 발생하더라고 LLC 컨버터를 항상 공진점에서 동작시킬 수 있는 솔루션이 필요하였던 것이다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-2015-0132792 A
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 친환경차량의 OBC(On Board Charger)의 DC-DC LLC 컨버터가 항상 공진주파수에서 동작할 수 있도록 DC 링크전압을 제어함으로써, OBC의 효율을 향상시킬 수 있는 차량용 OBC 제어방법 및 시스템을 제공하고자 함이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 차량용 OBC 제어방법은, 입력단 측에 스위칭부와 공진 회로를 구비하고 출력단 측에 다이오드로 구현된 정류부를 구비한 LLC 컨버터를 포함하는 차량용 OBC 제어방법에 있어서, 스위칭부의 스위칭 턴 온 시간 및 정류부의 다이오드 도통 시간을 검출하는 단계; 스위칭부의 스위칭 턴 온 시간과 정류부의 다이오드 도통 시간을 서로 비교하고, 스위칭부의 턴 온 되는 시점과 정류부의 다이오드 도통되는 시점을 서로 비교하여 스위칭부의 동작주파수영역을 판단하는 단계; 및 판단된 동작주파수영역에 따라 스위칭부의 스위칭 주파수가 LLC 컨버터의 공진주파수영역에서 동작하도록 LLC 컨버터 입력단 전압을 조정하는 단계;를 포함한다.
스위칭부의 동작주파수영역을 판단하는 단계에서는, 스위칭부의 스위칭 턴 온 시간이 정류부의 다이오드 도통 시간보다 긴 경우 스위칭 주파수가 공진주파수 보다 낮은 주파수영역에서 동작하는 것으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
LLC 컨버터 입력단 전압을 조정하는 단계에서는, LLC 컨버터 입력단 전압을 증가시키는 것을 특징으로 한다.
스위칭부의 동작주파수영역을 판단하는 단계에서는, 스위칭부의 스위칭 턴 온 시간이 정류부의 다이오드 도통 시간보다 짧은 경우 스위칭부의 턴 온 되는 시점과 정류부의 다이오드 도통되는 시점이 같은지 판단하고, 스위칭부의 턴 온 되는 시점과 정류부의 다이오드 도통되는 시점이 같지 않은 경우 스위칭 주파수가 공진주파수영역에서 동작하는 것으로 판단하고, LLC 컨버터 입력단 전압을 조정하는 단계에서는, LLC 컨버터 입력단 전압을 조정하지 않고 LLC 컨버터를 동작시키는 것을 특징으로 한다.
스위칭부의 동작주파수영역을 판단하는 단계에서는, 스위칭부의 스위칭 턴 온 시간이 정류부의 다이오드 도통 시간보다 짧은 경우 스위칭부의 턴 온 되는 시점과 정류부의 다이오드 도통되는 시점이 같은지 판단하고, 스위칭부의 턴 온 되는 시점과 정류부의 다이오드 도통되는 시점이 같은 경우 스위칭 주파수가 공진주파수 보다 높은 주파수영역에서 동작하는 것으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
LLC 컨버터 입력단 전압을 조정하는 단계에서는, LLC 컨버터 입력단 전압을 감소시키는 것을 특징으로 한다.
LLC 컨버터 입력단 전압을 조정하는 단계 이후, 스위칭부의 스위칭 턴 온 시간 및 정류부의 다이오드 도통 시간을 검출하는 단계로 진입하는 것을 특징으로 한다.
LLC 컨버터 입력단 전압을 조정하는 단계 이후, 스위칭부의 스위칭 턴 온 시간이 정류부의 다이오드 도통 시간보다 짧고, 스위칭부의 턴 온 되는 시점과 정류부의 다이오드 도통되는 시점이 같지 않은 경우 LLC 컨버터를 동작시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 차량용 OBC 시스템은, 입력단 측에 스위칭부와 공진 회로를 구비하고 출력단 측에 다이오드로 구현된 정류부를 구비한 LLC 컨버터; 및 스위칭부의 스위칭 턴 온 시간 및 정류부의 다이오드 도통 시간을 검출하고, 스위칭부의 스위칭 턴 온 시간과 정류부의 다이오드 도통 시간을 서로 비교하고 스위칭부의 턴 온 되는 시점과 정류부의 다이오드 도통되는 시점을 서로 비교하여 스위칭부의 동작주파수영역을 판단하며, 판단된 동작주파수영역에 따라 스위칭부의 스위칭 주파수가 LLC 컨버터의 공진주파수영역에서 동작하도록 LLC 컨버터 입력단 전압을 조정하는 제어부;를 포함한다.
제어부는, 스위칭부의 스위칭 턴 온 시간이 정류부의 다이오드 도통 시간보다 긴 경우 스위칭 주파수가 공진주파수 보다 낮은 주파수영역에서 동작하는 것으로 판단하여, LLC 컨버터 입력단 전압을 증가시키는 것을 특징으로 한다.
제어부는, 스위칭부의 스위칭 턴 온 시간이 정류부의 다이오드 도통 시간보다 짧은 경우 스위칭부의 턴 온 되는 시점과 정류부의 다이오드 도통되는 시점이 같은지 판단하고, 스위칭부의 턴 온 되는 시점과 정류부의 다이오드 도통되는 시점이 같지 않은 경우 스위칭 주파수가 공진주파수영역에서 동작하는 것으로 판단하여, LLC 컨버터 입력단 전압을 조정하지 않고 LLC 컨버터를 동작시키는 것을 특징으로 한다.
제어부는, 스위칭부의 스위칭 턴 온 시간이 정류부의 다이오드 도통 시간보다 짧은 경우 스위칭부의 턴 온 되는 시점과 정류부의 다이오드 도통되는 시점이 같은지 판단하고, 스위칭부의 턴 온 되는 시점과 정류부의 다이오드 도통되는 시점이 같은 경우 스위칭 주파수가 공진주파수 보다 높은 주파수영역에서 동작하는 것으로 판단하여, LLC 컨버터 입력단 전압을 감소시키는 것을 특징으로 한다.
외부에서 입력되는 교류전원의 무효전력을 감소시키고 직류전압으로 변환하여 출력하는 역률보상부(PFC); 역률보상부로부터 출력된 직류전압을 입력받아 스위칭을 통해 변압부의 1차측에 교류전압을 출력하는 스위칭부, 스위칭부로부터 출력된 교류전압을 1차측에서 입력받아 전압레벨을 조정하여 2차측에 출력하는 변압부, 변압부의 2차측으로부터 출력된 교류전압을 정류하여 직류전압을 출력하는 정류부를 포함하는 LLC 컨버터; 및 스위칭부의 스위칭 턴 온 시간 및 정류부의 다이오드 도통 시간을 검출하고, 스위칭부의 스위칭 턴 온 시간과 정류부의 다이오드 도통 시간을 서로 비교하고 스위칭부의 턴 온 되는 시점과 정류부의 다이오드 도통되는 시점을 서로 비교하여 스위칭부의 동작주파수영역을 판단하며, 판단된 동작주파수영역에 따라 스위칭부의 스위칭 주파수가 LLC 컨버터의 공진주파수영역에서 동작하도록 LLC 컨버터 입력단 전압을 조정하는 제어부;를 포함한다.
LLC 컨버터의 스위칭부는 일측은 역률보상부의 출력단과 연결되고 타측은 공진회로에 연결되는 제1 스위치, 제2 스위치를 포함하고, 정류부는 일측은 변압부의 2차측 단자에 연결되고 타측은 LLC 컨버터의 출력단에 연결되는 제1 다이오드, 제2 다이오드를 포함하고, 제어부는 스위칭부의 제1, 2 스위치의 턴 온 시간 및 정류부의 제1, 2 다이오드 도통 시간을 검출하고, 제1 스위치의 턴 온 시간과 제1 다이오드의 도통 시간을 서로 비교하고 제1 스위치의 턴 온 되는 시점과 제1 다이오드의 도통되는 시점을 서로 비교하여 스위칭부의 동작주파수영역을 판단하거나 또는 제2 스위치의 턴 온 시간과 제2 다이오드의 도통 시간을 서로 비교하고 제2 스위치의 턴 온 되는 시점과 제2 다이오드의 도통되는 시점을 서로 비교하여 스위칭부의 동작주파수영역을 판단하며, 판단된 동작주파수영역에 따라 스위칭부의 스위칭 주파수가 LLC 컨버터의 공진주파수영역에서 동작하도록 LLC 컨버터 입력단 전압을 조정하는 제어부;를 포함한다.
제어부는, 스위칭부의 스위칭 턴 온 시간이 정류부의 다이오드 도통 시간보다 긴 경우 스위칭 주파수가 공진주파수 보다 낮은 주파수영역에서 동작하는 것으로 판단하여 LLC 컨버터 입력단 전압을 증가시키고, 스위칭부의 스위칭 턴 온 시간이 정류부의 다이오드 도통 시간보다 짧고 스위칭부의 턴 온 되는 시점과 정류부의 다이오드 도통되는 시점이 같지 않은 경우 스위칭 주파수가 공진주파수영역에서 동작하는 것으로 판단하여 LLC 컨버터 입력단 전압을 조정하지 않으며, 스위칭부의 스위칭 턴 온 시간이 정류부의 다이오드 도통 시간보다 짧고 스위칭부의 턴 온 되는 시점과 정류부의 다이오드 도통되는 시점이 같은 경우 스위칭 주파수가 공진주파수 보다 높은 주파수영역에서 동작하는 것으로 판단하여 LLC 컨버터 입력단 전압을 감소시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 차량용 OBC 제어방법 및 시스템에 따르면, 친환경차량의 OBC(On Board Charger)의 DC-DC LLC 컨버터가 항상 공진주파수에서 동작할 수 있도록 DC 링크전압을 제어함으로써, OBC의 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, OBC 단품의 효율 상승으로 인해 차량 단위의 전비 향상이 가능하다.
또한, 샘플별 효율 편차가 적어지고, 차량 전비 상승을 통한 충전시간 또한 적어지므로, 상품성이 향상될 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 OBC 시스템의 구성도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 OBC 시스템의 LLC 컨버터의 전달함수를 나타내는 도면.
도 4 내지 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 OBC 시스템의 스위칭 주파수에 따른 LLC 컨버터 출력단 다이오드 도통 특성을 나타내는 도면.
도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 OBC 제어방법의 순서도.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 차량용 OBC 제어방법 및 시스템에 대하여 살펴본다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 OBC 시스템의 구성도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 OBC 시스템의 LLC 컨버터의 전달함수를 나타내는 도면이다. 도 4 내지 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 OBC 시스템의 스위칭 주파수에 따른 LLC 컨버터 출력단 다이오드 도통 특성을 나타내는 도면이고, 도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 OBC 제어방법의 순서도이다.
먼저 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 OBC 시스템은, 입력단 측에 스위칭부(10)와 공진 회로(30)를 구비하고 출력단 측에 다이오드로 구현된 정류부(50)를 구비한 LLC 컨버터(100); 및 스위칭부(10)의 스위칭 턴 온(Turn on) 시간 및 정류부(50)의 다이오드 도통 시간을 검출하고, 스위칭부(10)의 스위칭 턴 온 시간과 정류부(50)의 다이오드 도통 시간을 서로 비교하고 스위칭부(10)의 턴 온 되는 시점과 정류부(50)의 다이오드 도통되는 시점을 서로 비교하여 스위칭부(10)의 동작주파수영역을 판단하며, 판단된 동작주파수영역에 따라 스위칭부(10)의 스위칭 주파수가 LLC 컨버터(100)의 공진주파수영역에서 동작하도록 LLC 컨버터(100) 입력단 전압을 조정하는 제어부(300);를 포함할 수 있다.
여기서, 제어부(300)는, 스위칭부(10)의 스위칭 턴 온 시간이 정류부(50)의 다이오드 도통 시간보다 긴 경우 스위칭 주파수가 공진주파수 보다 낮은 주파수영역에서 동작하는 것으로 판단하여, LLC 컨버터(100) 입력단 전압을 증가시킬 수 있다. 또한, 제어부(300)는, 스위칭부(10)의 스위칭 턴 온 시간이 정류부(50)의 다이오드 도통 시간보다 짧은 경우 스위칭부(10)의 턴 온 되는 시점과 정류부(50)의 다이오드 도통되는 시점이 같은지 판단하고, 스위칭부(10)의 턴 온 되는 시점과 정류부(50)의 다이오드 도통되는 시점이 같지 않은 경우 스위칭 주파수가 공진주파수영역에서 동작하는 것으로 판단하여, LLC 컨버터(100) 입력단 전압을 조정하지 않고 LLC 컨버터(100)를 동작시킬 수 있다. 또한, 제어부(300)는, 스위칭부(10)의 스위칭 턴 온 시간이 정류부(50)의 다이오드 도통 시간보다 짧은 경우 스위칭부(10)의 턴 온 되는 시점과 정류부(50)의 다이오드 도통되는 시점이 같은지 판단하고, 스위칭부(10)의 턴 온 되는 시점과 정류부(50)의 다이오드 도통되는 시점이 같은 경우 스위칭 주파수가 공진주파수 보다 높은 주파수영역에서 동작하는 것으로 판단하여, LLC 컨버터(100) 입력단 전압을 감소시킬 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 OBC 시스템은, 외부에서 입력되는 교류전원의 무효전력을 감소시키고 직류전압으로 변환하여 출력하는 역률보상부(PFC)(70); 역률보상부(70)로부터 출력된 직류전압을 입력받아 스위칭을 통해 변압부(90)의 1차측에 교류전압을 출력하는 스위칭부(10), 스위칭부(10)로부터 출력된 교류전압을 1차측에서 입력받아 전압레벨을 조정하여 2차측에 출력하는 변압부(90), 변압부(90)의 2차측으로부터 출력된 교류전압을 정류하여 직류전압을 출력하는 정류부(50)를 포함하는 LLC 컨버터(100); 및 스위칭부(10)의 스위칭 턴 온 시간 및 정류부(50)의 다이오드 도통 시간을 검출하고, 스위칭부(10)의 스위칭 턴 온 시간과 정류부(50)의 다이오드 도통 시간을 서로 비교하고 스위칭부(10)의 턴 온 되는 시점과 정류부(50)의 다이오드 도통되는 시점을 서로 비교하여 스위칭부(10)의 동작주파수영역을 판단하며, 판단된 동작주파수영역에 따라 스위칭부(10)의 스위칭 주파수가 LLC 컨버터(100)의 공진주파수영역에서 동작하도록 LLC 컨버터(100) 입력단 전압을 조정하는 제어부(300);를 포함할 수 있다.
여기서, PFC는 본 발명의 일 실시예로서 입력 전압보다 큰 출력 전압을 얻을 수 있는 Boost PFC일 수 있고, LLC 컨버터(100)의 스위칭부(10)는 일측은 역률보상부(70)의 출력단과 연결되고 타측은 공진회로(30)에 연결되는 제1 스위치(Q1), 제2 스위치(Q2)를 포함하고, 정류부(50)는 일측은 변압부(90)의 2차측 단자에 연결되고 타측은 LLC 컨버터(100)의 출력단에 연결되는 제1 다이오드(D1), 제2 다이오드(D2)를 포함하고, 제어부(300)는 스위칭부(10)의 제1, 2 스위치(Q1, Q2)의 턴 온 시간 및 정류부(50)의 제1, 2 다이오드(D1, D2) 도통 시간을 검출하고, 제1 스위치(Q1)의 턴 온 시간과 제1 다이오드(D1)의 도통 시간을 서로 비교하고 제1 스위치(Q1)의 턴 온 되는 시점과 제1 다이오드(D1)의 도통되는 시점을 서로 비교하여 스위칭부(10)의 동작주파수영역을 판단하거나 또는 제2 스위치(Q2)의 턴 온 시간과 제2 다이오드(D2)의 도통 시간을 서로 비교하고 제2 스위치(Q2)의 턴 온 되는 시점과 제2 다이오드(D2)의 도통되는 시점을 서로 비교하여 스위칭부(10)의 동작주파수영역을 판단하며, 판단된 동작주파수영역에 따라 스위칭부(10)의 스위칭 주파수가 LLC 컨버터(100)의 공진주파수영역에서 동작하도록 LLC 컨버터(100) 입력단 전압을 조정하는 제어부(300);를 포함할 수 있다.
제어부(300)는, 스위칭부(10)의 스위칭 턴 온 시간이 정류부(50)의 다이오드 도통 시간보다 긴 경우 스위칭 주파수가 공진주파수 보다 낮은 주파수영역에서 동작하는 것으로 판단하여 LLC 컨버터(100) 입력단 전압을 증가시키고, 스위칭부(10)의 스위칭 턴 온 시간이 정류부(50)의 다이오드 도통 시간보다 짧고 스위칭부(10)의 턴 온 되는 시점과 정류부(50)의 다이오드 도통되는 시점이 같지 않은 경우 스위칭 주파수가 공진주파수영역에서 동작하는 것으로 판단하여 LLC 컨버터(100) 입력단 전압을 조정하지 않으며, 스위칭부(10)의 스위칭 턴 온 시간이 정류부(50)의 다이오드 도통 시간보다 짧고 스위칭부(10)의 턴 온 되는 시점과 정류부(50)의 다이오드 도통되는 시점이 같은 경우 스위칭 주파수가 공진주파수 보다 높은 주파수영역에서 동작하는 것으로 판단하여 LLC 컨버터(100) 입력단 전압을 감소시킬 수 있다.
도 3을 참조하면, LLC 컨버터(100)의 공진 회로(30)의 공진주파수 fo를 중심으로 공진주파수보다 낮은 영역을 below resonance 영역, 공진주파수보다 높은 영역을 above resonance 영역이라 명한다. 스위칭 주파수가 어떤 영역에서 동작하느냐에 따라 LLC 컨버터의 입력전압 대비 출력전압의 이득(gain)이 결정된다. 도 3에서 보는 바와 같이 공진주파수 fo를 중심으로부터 스위칭 주파수가 낮아지면 이득이 커지게 되는데(No use부분 제외), 이때 LLC 컨버터(100) 입력단 전압인 DC 링크전압 VDC를 높게 설정하면 LLC 컨버터의 스위칭 주파수가 높아지게 된다. 반대로, 공진주파수 fo를 중심으로부터 스위칭 주파수가 높아지면 이득이 작아지게 되는데, 이때 LLC 컨버터(100) 입력단 전압인 DC 링크전압 VDC를 낮게 설정하면 LLC 컨버터의 스위칭 주파수가 낮아지게 된다. LLC 컨버터의 VO/VDC 전달함수에서 VO값은 배터리 충전전압으로써 고정된 값이므로, below resonance 영역, above resonance 영역에서 LLC 컨버터(100) 입력단 전압인 DC 링크전압 VDC를 조정함으로써, LLC 컨버터의 스위칭 주파수가 항상 공진주파수에서 동작하도록 할 수 있다. 이를 통해, OBC의 효율을 향상시킬 수 있고, 나아가 최종적으로 차량의 전비를 상승시킬 수 있다.
도 4 내지 도 6은 각각의 스위칭 영역에서의 공진 회로(30)의 전류와 정류부(50) 다이오드 전류를 나타낸다. 여기서, 동작 영역에 따라 다이오드 도통 시간이 다른 것을 확인할 수 있고, 각각의 주파수 영역에서 정류부(50) 다이오드 도통 특성과 스위칭부(10)의 스위칭 주파수 간의 관계를 확인할 수 있다. 더욱 구체적으로, 도 4는 공진주파수보다 낮은 below resonance 영역에서 LLC 컨버터(100)가 동작하는 것을 나타내며 스위칭 턴 온 시간이 다이오드 도통 시간보다 긴 것을 확인할 수 있다. 도 5는 공진주파수 영역에서, 도 6은 공진주파수보다 높은 above resonance 영역에서 각각 LLC 컨버터(100)가 동작하는 것을 나타내는 데, 두 영역모두 스위칭 턴 온 시간이 다이오드 도통 시간보다 짧은 것을 확인할 수 있고, 스위칭 턴 온 시간과 데드타임(Dead time)의 합은 다이오드 도통 시간도통 시간것을 확인할 수 있다. 그리고, 공진주파수보다 높은 above resonance 영역에서의 스위칭부(10)의 턴 온 되는 시점과 정류부(50)의 다이오드 도통되는 시점이 같은 반면 공진주파수 영역은 그렇지 않은 것을 확인할 수 있다.
본 발명은 이러한 스위칭 주파수에 따른 다이오드 도통 특성을 이용하여 LLC 컨버터(100)가 항상 공진주파수에서 동작하도록 하는 것이다.
이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 OBC 시스템을 제어하는 차량용 OBC 제어방법을 설명하도록 하겠다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 OBC 제어방법은, 입력단 측에 스위칭부와 공진 회로를 구비하고 출력단 측에 다이오드로 구현된 정류부를 구비한 LLC 컨버터를 포함하는 차량용 OBC 제어방법에 있어서, 스위칭부의 스위칭 턴 온(Turn on) 시간 및 정류부의 다이오드 도통 시간을 검출하는 단계(S100); 스위칭부의 스위칭 턴 온 시간과 정류부의 다이오드 도통 시간을 서로 비교하고, 스위칭부의 턴 온 되는 시점과 정류부의 다이오드 도통되는 시점을 서로 비교하여 스위칭부의 동작주파수영역을 판단하는 단계(S200, S400); 및 판단된 동작주파수영역에 따라 스위칭부의 스위칭 주파수가 LLC 컨버터의 공진주파수영역에서 동작하도록 LLC 컨버터 입력단 전압을 조정하는 단계(S320, S620);를 포함할 수 있다.
스위칭부의 스위칭 턴 온 시간 및 정류부의 다이오드 도통 시간을 검출하는 단계(S100)에서는, 제어부에서 스위칭부의 스위칭 턴 온 시간 및 턴 온 되는 시점, 정류부의 다이오드 도통 시간 및 도통되는 시점, LLC 컨버터 입력단 전압인 DC 링크전압 VDC를 모니터링할 수 있다. 여기서, 본 발명의 일 실시예로서 도 2를 참조하면 스위칭부의 스위칭 턴 온 시간 및 정류부의 다이오드 도통 시간은 스위칭부의 제1, 2 스위치(Q1, Q2)의 턴 온 시간 및 정류부의 제1, 2 다이오드(D1, D2) 도통 시간일 수 있고, 스위칭부의 스위칭 턴 온 되는 시점 및 정류부의 다이오드 도통되는 시점은 스위칭부의 제1, 2 스위치(Q1, Q2)의 턴 온 되는 시점 및 정류부의 제1, 2 다이오드(D1, D2) 도통되는 시점일 수 있다.
스위칭부의 동작주파수영역을 판단하는 단계(S200, S400)에서는, 상기 검출단계(S100)에서 검출된 스위칭부의 스위칭 턴 온 시간 및 정류부의 다이오드 도통 시간, 스위칭부의 스위칭 턴 온 되는 시점 및 정류부의 다이오드 도통되는 시점을 비교하여 LLC 컨버터가 어느 주파수 영역에서 동작하는지 여부를 판단할 수 있다. 여기서, 본 발명의 일 실시예로서 도 2를 참조하면 스위칭부의 제1 스위치(Q1)의 턴 온 시간과 정류부의 제1 다이오드(D1)의 도통 시간을 서로 비교하고 스위칭부의 제1 스위치(Q1)의 턴 온 되는 시점과 정류부의 제1 다이오드(D1)의 도통되는 시점을 서로 비교하여 스위칭부의 동작주파수영역을 판단하거나 또는 스위칭부의 제2 스위치(Q2)의 턴 온 시간과 정류부의 제2 다이오드(D2)의 도통 시간을 서로 비교하고 스위칭부의 제2 스위치(Q2)의 턴 온 되는 시점과 정류부의 제2 다이오드(D2)의 도통되는 시점을 서로 비교하여 스위칭부의 동작주파수영역을 판단할 수 있다.
구체적으로, 스위칭부의 스위칭 턴 온 시간이 정류부의 다이오드 도통 시간보다 긴 경우 스위칭 주파수가 공진주파수 보다 낮은 주파수영역에서 동작하는 것으로 판단할 수 있다(S300). 그리고, 스위칭부의 스위칭 턴 온 시간이 정류부의 다이오드 도통 시간보다 짧은 경우 스위칭부의 턴 온 되는 시점과 정류부의 다이오드 도통되는 시점이 같은지 판단하게 된다(S400). 스위칭부의 턴 온 되는 시점과 정류부의 다이오드 도통되는 시점이 같지 않은 경우 스위칭 주파수가 공진주파수영역에서 동작하는 것으로 판단하고(S500), 스위칭부의 턴 온 되는 시점과 정류부의 다이오드 도통되는 시점이 같은 경우 스위칭 주파수가 공진주파수 보다 높은 주파수영역에서 동작하는 것으로 판단할 수 있다(S600).
LLC 컨버터 입력단 전압을 조정하는 단계(S320, S620)에서는, 상기 판단된 동작주파수 영역에 따라 LLC 컨버터가 공진주파수 영역에서 동작하도록 LLC 컨버터 입력단 전압인 DC 링크전압 VDC를 조정하게 된다.
구체적으로, 스위칭부의 동작주파수영역이 공진주파수보다 낮은 주파수영역으로 판단된 경우 LLC 컨버터 입력단 전압을 증가시키고, 스위칭부의 동작주파수영역이 공진주파수보다 높은 주파수영역으로 판단된 경우 LLC 컨버터 입력단 전압을 감소시킨 후 다시 스위칭부의 스위칭 턴 온 시간 및 정류부의 다이오드 도통 시간을 검출하는 단계로 진입하여 LLC 컨버터가 공진주파수 영역에서 동작할 때의 동작 특성이 검출되는 지 판단하게 된다. 이러한 스위칭부의 동작주파수영역에 따라 LLC 컨버터 입력단 전압을 증가 또는 감소 반복을 통해 LLC 컨버터가 항상 공진주파수 영역에서 동작하도록 하여 OBC의 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 샘플별 효율 편차가 적어지고, 차량 전비 상승을 통한 충전시간 또한 적어지므로, 상품성이 향상될 수 있다.
한편, 스위칭부의 동작주파수영역이 공진주파수영역에서 동작하는 것으로 판단된 경우에는 LLC 컨버터 입력단 전압을 조정하지 않고 LLC 컨버터를 동작시키게 된다(S800).
도 8을 참조하면, 스위칭부의 동작주파수영역이 공진주파수보다 낮거나 높은 주파수영역으로 판단하여 LLC 컨버터 입력단 전압을 조정하는 단계 이후, 본 발명의 일 실시예로서 스위칭부의 스위칭 턴 온 시간이 정류부의 다이오드 도통 시간보다 짧고, 스위칭부의 턴 온 되는 시점과 정류부의 다이오드 도통되는 시점이 같지 않은 경우 LLC 컨버터를 동작시킬 수 있다(S700).
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 여러 실시형태에 따른 차량용 OBC 제어방법 및 시스템은, LLC 컨버터가 항상 공진주파수에서 동작할 수 있도록 LLC 컨버터(100) 입력단 전압인 DC 링크전압을 조정함으로써, OBC의 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, OBC 단품의 효율 상승으로 인해 차량 단위의 전비 향상이 가능하다.
또한, 샘플별 효율 편차가 적어지고, 차량 전비 상승을 통한 충전시간 또한 적어지므로, 상품성이 향상될 수 있다.
본 발명의 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
10: 스위칭부 30: 공진 회로
50: 정류부 70: 역률보상회로(PFC)
90: 변압부 100: LLC 컨버터
300: 제어부

Claims (15)

  1. 입력단 측에 스위칭부와 공진 회로를 구비하고 출력단 측에 다이오드로 구현된 정류부를 구비한 LLC 컨버터를 포함하는 차량용 OBC 제어방법에 있어서,
    스위칭부의 스위칭 턴 온 시간 및 정류부의 다이오드 도통 시간을 검출하는 단계;
    스위칭부의 스위칭 턴 온 시간과 정류부의 다이오드 도통 시간을 서로 비교하고, 스위칭부의 턴 온 되는 시점과 정류부의 다이오드 도통되는 시점을 서로 비교하여 스위칭부의 동작주파수영역을 판단하는 단계; 및
    판단된 동작주파수영역에 따라 스위칭부의 스위칭 주파수가 LLC 컨버터의 공진주파수영역에서 동작하도록 LLC 컨버터 입력단 전압을 조정하는 단계;를 포함하고,
    스위칭부의 동작주파수영역을 판단하는 단계에서는,
    스위칭부의 스위칭 턴 온 시간이 정류부의 다이오드 도통 시간보다 짧은 경우 스위칭부의 턴 온 되는 시점과 정류부의 다이오드 도통되는 시점이 같은지 판단하고, 스위칭부의 턴 온 되는 시점과 정류부의 다이오드 도통되는 시점이 같지 않은 경우 스위칭 주파수가 공진주파수영역에서 동작하는 것으로 판단하고,
    LLC 컨버터 입력단 전압을 조정하는 단계에서는,
    LLC 컨버터 입력단 전압을 그대로 유지하면서 LLC 컨버터를 동작시키는 것을 특징으로 하는 차량용 OBC 제어방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    스위칭부의 동작주파수영역을 판단하는 단계에서는,
    스위칭부의 스위칭 턴 온 시간이 정류부의 다이오드 도통 시간보다 긴 경우 스위칭 주파수가 공진주파수 보다 낮은 주파수영역에서 동작하는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 차량용 OBC 제어방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    LLC 컨버터 입력단 전압을 조정하는 단계에서는,
    LLC 컨버터 입력단 전압을 증가시키는 것을 특징으로 하는 차량용 OBC 제어방법.
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    스위칭부의 동작주파수영역을 판단하는 단계에서는,
    스위칭부의 스위칭 턴 온 시간이 정류부의 다이오드 도통 시간보다 짧은 경우 스위칭부의 턴 온 되는 시점과 정류부의 다이오드 도통되는 시점이 같은지 판단하고, 스위칭부의 턴 온 되는 시점과 정류부의 다이오드 도통되는 시점이 같은 경우 스위칭 주파수가 공진주파수 보다 높은 주파수영역에서 동작하는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 차량용 OBC 제어방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    LLC 컨버터 입력단 전압을 조정하는 단계에서는,
    LLC 컨버터 입력단 전압을 감소시키는 것을 특징으로 하는 차량용 OBC 제어방법.
  7. 청구항 3 또는 6에 있어서,
    LLC 컨버터 입력단 전압을 조정하는 단계 이후,
    스위칭부의 스위칭 턴 온 시간 및 정류부의 다이오드 도통 시간을 검출하는 단계로 진입하는 것을 특징으로 하는 차량용 OBC 제어방법.
  8. 청구항 3 또는 6에 있어서,
    LLC 컨버터 입력단 전압을 조정하는 단계 이후,
    스위칭부의 스위칭 턴 온 시간이 정류부의 다이오드 도통 시간보다 짧고, 스위칭부의 턴 온 되는 시점과 정류부의 다이오드 도통되는 시점이 같지 않은 경우 LLC 컨버터를 동작시키는 것을 특징으로 하는 차량용 OBC 제어방법.
  9. 입력단 측에 스위칭부와 공진 회로를 구비하고 출력단 측에 다이오드로 구현된 정류부를 구비한 LLC 컨버터; 및
    스위칭부의 스위칭 턴 온 시간 및 정류부의 다이오드 도통 시간을 검출하고, 스위칭부의 스위칭 턴 온 시간과 정류부의 다이오드 도통 시간을 서로 비교하고 스위칭부의 턴 온 되는 시점과 정류부의 다이오드 도통되는 시점을 서로 비교하여 스위칭부의 동작주파수영역을 판단하며, 판단된 동작주파수영역에 따라 스위칭부의 스위칭 주파수가 LLC 컨버터의 공진주파수영역에서 동작하도록 LLC 컨버터 입력단 전압을 조정하는 제어부;를 포함하고,
    제어부는,
    스위칭부의 스위칭 턴 온 시간이 정류부의 다이오드 도통 시간보다 짧은 경우 스위칭부의 턴 온 되는 시점과 정류부의 다이오드 도통되는 시점이 같은지 판단하고, 스위칭부의 턴 온 되는 시점과 정류부의 다이오드 도통되는 시점이 같지 않은 경우 스위칭 주파수가 공진주파수영역에서 동작하는 것으로 판단하여, LLC 컨버터 입력단 전압을 그대로 유지하면서 LLC 컨버터를 동작시키는 것을 특징으로 하는 차량용 OBC 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    제어부는,
    스위칭부의 스위칭 턴 온 시간이 정류부의 다이오드 도통 시간보다 긴 경우 스위칭 주파수가 공진주파수 보다 낮은 주파수영역에서 동작하는 것으로 판단하여, LLC 컨버터 입력단 전압을 증가시키는 것을 특징으로 하는 차량용 OBC 시스템.
  11. 삭제
  12. 청구항 9에 있어서,
    제어부는,
    스위칭부의 스위칭 턴 온 시간이 정류부의 다이오드 도통 시간보다 짧은 경우 스위칭부의 턴 온 되는 시점과 정류부의 다이오드 도통되는 시점이 같은지 판단하고, 스위칭부의 턴 온 되는 시점과 정류부의 다이오드 도통되는 시점이 같은 경우 스위칭 주파수가 공진주파수 보다 높은 주파수영역에서 동작하는 것으로 판단하여, LLC 컨버터 입력단 전압을 감소시키는 것을 특징으로 하는 차량용 OBC 시스템.
  13. 외부에서 입력되는 교류전원의 무효전력을 감소시키고 직류전압으로 변환하여 출력하는 역률보상부(PFC);
    역률보상부로부터 출력된 직류전압을 입력받아 스위칭을 통해 변압부의 1차측에 교류전압을 출력하는 스위칭부, 스위칭부로부터 출력된 교류전압을 1차측에서 입력받아 전압레벨을 조정하여 2차측에 출력하는 변압부, 변압부의 2차측으로부터 출력된 교류전압을 정류하여 직류전압을 출력하는 정류부를 포함하는 LLC 컨버터; 및
    스위칭부의 스위칭 턴 온 시간 및 정류부의 다이오드 도통 시간을 검출하고, 스위칭부의 스위칭 턴 온 시간과 정류부의 다이오드 도통 시간을 서로 비교하고 스위칭부의 턴 온 되는 시점과 정류부의 다이오드 도통되는 시점을 서로 비교하여 스위칭부의 동작주파수영역을 판단하며, 판단된 동작주파수영역에 따라 스위칭부의 스위칭 주파수가 LLC 컨버터의 공진주파수영역에서 동작하도록 LLC 컨버터 입력단 전압을 조정하는 제어부;를 포함하고,
    LLC 컨버터의 스위칭부는 일측은 역률보상부의 출력단과 연결되고 타측은 공진회로에 연결되는 제1 스위치, 제2 스위치를 포함하고, 정류부는 일측은 변압부의 2차측 단자에 연결되고 타측은 LLC 컨버터의 출력단에 연결되는 제1 다이오드, 제2 다이오드를 포함하고,
    제어부는 스위칭부의 제1, 2 스위치의 턴 온 시간 및 정류부의 제1, 2 다이오드 도통 시간을 검출하고, 제1 스위치의 턴 온 시간과 제1 다이오드의 도통 시간을 서로 비교하고 제1 스위치의 턴 온 되는 시점과 제1 다이오드의 도통되는 시점을 서로 비교하여 스위칭부의 동작주파수영역을 판단하거나 또는 제2 스위치의 턴 온 시간과 제2 다이오드의 도통 시간을 서로 비교하고 제2 스위치의 턴 온 되는 시점과 제2 다이오드의 도통되는 시점을 서로 비교하여 스위칭부의 동작주파수영역을 판단하며, 판단된 동작주파수영역에 따라 스위칭부의 스위칭 주파수가 LLC 컨버터의 공진주파수영역에서 동작하도록 LLC 컨버터 입력단 전압을 조정하는 제어부;를 포함하는 차량용 OBC 시스템.
  14. 삭제
  15. 청구항 13에 있어서,
    제어부는,
    스위칭부의 스위칭 턴 온 시간이 정류부의 다이오드 도통 시간보다 긴 경우 스위칭 주파수가 공진주파수 보다 낮은 주파수영역에서 동작하는 것으로 판단하여 LLC 컨버터 입력단 전압을 증가시키고, 스위칭부의 스위칭 턴 온 시간이 정류부의 다이오드 도통 시간보다 짧고 스위칭부의 턴 온 되는 시점과 정류부의 다이오드 도통되는 시점이 같지 않은 경우 스위칭 주파수가 공진주파수영역에서 동작하는 것으로 판단하여 LLC 컨버터 입력단 전압을 그대로 유지하며, 스위칭부의 스위칭 턴 온 시간이 정류부의 다이오드 도통 시간보다 짧고 스위칭부의 턴 온 되는 시점과 정류부의 다이오드 도통되는 시점이 같은 경우 스위칭 주파수가 공진주파수 보다 높은 주파수영역에서 동작하는 것으로 판단하여 LLC 컨버터 입력단 전압을 감소시키는 것을 특징으로 하는 차량용 OBC 시스템.
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