KR102488223B1 - 공진형 dc-dc컨버터를 적용한 전기자동차 충전시스템 - Google Patents

공진형 dc-dc컨버터를 적용한 전기자동차 충전시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR102488223B1
KR102488223B1 KR1020220064735A KR20220064735A KR102488223B1 KR 102488223 B1 KR102488223 B1 KR 102488223B1 KR 1020220064735 A KR1020220064735 A KR 1020220064735A KR 20220064735 A KR20220064735 A KR 20220064735A KR 102488223 B1 KR102488223 B1 KR 102488223B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
resonant
transformer
voltage
output
converter
Prior art date
Application number
KR1020220064735A
Other languages
English (en)
Inventor
김영일
Original Assignee
지투파워(주)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 지투파워(주) filed Critical 지투파워(주)
Priority to KR1020220064735A priority Critical patent/KR102488223B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102488223B1 publication Critical patent/KR102488223B1/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L53/00—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles
    • B60L53/20—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles characterised by converters located in the vehicle
    • B60L53/24—Using the vehicle's propulsion converter for charging
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/10—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries
    • B60L58/12—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries responding to state of charge [SoC]
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0048—Circuits or arrangements for reducing losses
    • H02M1/0054—Transistor switching losses
    • H02M1/0058—Transistor switching losses by employing soft switching techniques, i.e. commutation of transistors when applied voltage is zero or when current flow is zero
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/01—Resonant DC/DC converters
    • H02M3/015—Resonant DC/DC converters with means for adaptation of resonance frequency, e.g. by modification of capacitance or inductance of resonance circuit
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/1552—Boost converters exploiting the leakage inductance of a transformer or of an alternator as boost inductor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2210/00—Converter types
    • B60L2210/10—DC to DC converters
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2240/00—Control parameters of input or output; Target parameters
    • B60L2240/40—Drive Train control parameters
    • B60L2240/52—Drive Train control parameters related to converters
    • B60L2240/527—Voltage
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2240/00—Control parameters of input or output; Target parameters
    • B60L2240/40—Drive Train control parameters
    • B60L2240/52—Drive Train control parameters related to converters
    • B60L2240/529—Current
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2240/00—Control parameters of input or output; Target parameters
    • B60L2240/40—Drive Train control parameters
    • B60L2240/54—Drive Train control parameters related to batteries
    • B60L2240/547—Voltage
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/7072—Electromobility specific charging systems or methods for batteries, ultracapacitors, supercapacitors or double-layer capacitors

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

본 발명은 공진형 DC-DC컨버터를 적용한 전기자동차 충전시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 스위칭 주파수를 공진인덕턴스와 공진커패시턴스에 의해 결정된 공진 주파수로 고정시킴으로써, 배터리의 부하가 변동되더라도 1차측의 스위치들과 2차측의 정류다이오드에 의해서 소프트 스위칭 동작으로 인해 배터리를 충전하는 전 구간에서 순환전류가 최소가 되어 충전 효율을 높일 수 있는 공진형 DC-DC컨버터를 적용한 전기자동차 충전시스템에 관한 것이다.
상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 공진형 DC-DC컨버터를 적용한 전기자동차 충전시스템는 공급되는 교류전원에서 전자기 간섭의 노이즈를 제거하는 EMI(Electro-Magnetic Interference)필터부; 상기 EMI필터부에서 출력되는 교류전원을 직류전원으로 변환하고, 역률을 보정하는 정류PFC(Power Factor Corrector)부; 상기 정류PFC부에서 출력되는 직류전원을 상기 배터리를 충전시킬 수 있는 입력과 절연된 직류전원으로 출력하는 DC-DC컨버터부; 상기 DC-DC컨버터부에서 출력되는 직류전원의 전압을 평활하여 출력하는 DC필터부; 및 상기 DC필터부에서 출력되는 전압과 전류 및 상기 배터리의 전압에 근거하여 상기 DC-DC컨버터부의 정전류와 정전압을 제어하는 충전제어부를 포함하여 구성되고, 상기 충전제어부에서 상기 DC-DC컨버터부의 스위칭을 제어하는 스위칭 주파수는 공진인덕턴스와 공진커패시턴스에 의해 결정된 공진 주파수로 고정되는 것을 특징으로 한다.

Description

공진형 DC-DC컨버터를 적용한 전기자동차 충전시스템{CHARGING SYSTEM FOR ELECTRIC VEHICLE WITH RESONANT DC-DC CONVERTER}
본 발명은 공진형 DC-DC컨버터를 적용한 전기자동차 충전시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 스위칭 주파수를 공진인덕턴스와 공진커패시턴스에 의해 결정된 공진 주파수로 고정시킴으로써, 배터리의 부하가 변동되더라도 1차측의 스위치들과 2차측의 정류다이오드에 의해서 소프트 스위칭 동작으로 인해 배터리를 충전하는 전 구간에서 순환전류가 최소가 되어 충전 효율을 높일 수 있는 공진형 DC-DC컨버터를 적용한 전기자동차 충전시스템에 관한 것이다.
친환경 자동차의 종류는 하이브리드자동차(HEV: Hybrid Electric Vehicle), 플러그인하이브리드 자동차(PHEV : Plug-in Hybrid Electric Vehicle), 전기자동차(EV: Electric Vehicle) 및 연료전지자동차(FCEV: Fuel Cell Electric Vehicle) 등으로 구분될 수 있고, 칭환경 자동차는 HEV 중심으로 보급되나 PHEV/EV 와 FCEV로 확대되고 있다.
친환경 자동차는 내연기관을 대체하는 연료전지 또는 배터리 등 에너지원으로부터의 전력을 구동모터에 전달하는 전기동력시스템이 가장 핵심적인 장치이다.
상기의 구성 중에서, 배터리는 에너지를 저장하고, 저장된 에너지를 이용하여 구동모터의 구동에 필요한 에너지를 공급해야 하는 것으로서, 충전시스템은 배터리에 애너지를 저장시키기 위한 중요한 구성이다.
배터리 급속 충전시스템은 고조파 규제를 위한 PFC 스테이지와 전기적 절연 및 2차 측 배터리에 필요한 전압을 공급하기 위한 DC-DC 컨버터 스테이지로 구성되어 있다.
DC-DC 컨버터는 배터리의 충전 방법에 따라 원하는 전압과 전류를 출력해야 하므로 배터리 충전시스템에서 가장 중요한 구성요소이다. 배터리 충전시스템의 특성은 DC-DC 컨버터의 특성과 직결되는 것으로서, 특히 전기자동차 배터리 충전시스템에 요구되는 조건은 광범위한 전압을 출력할 수 있는 고성능과 전기적 손실이 적은 고효율을 요구한다.
이러한 컨버터 중에서, 공진형 컨버터는 스위칭 주파수에 따라 넓은 범위의 전압을 출력할 수 있고, 높은 스위칭 주파수를 사용하여 고 전력밀도의 조건을 만족시킬 수 있다. 또한, 1차 측 스위칭 소자의 영전압 스위칭(Zero Voltage Switching)과 2차 측 DC정류기 다이오드의 영전류 스위칭(Zero Current Switching)으로 높은 주파수에서도 스위칭 손실을 저감하여 고효율의 요구조건을 만족시킬 수 있기 때문에 배터리 충전시스템에 적합하다.
전기자동차 충전시스템에 관한 기술로서, 등록특허공보 제10-1936462호에 전기 자동차용 배터리 충전 장치가 개시되었다.
상기 기술은 외부로부터 입력된 상용 교류 전원을 평활화하여 노이즈 성분을 제거하고 노이즈 제거된 전압을 출력하는 평활부, 노이즈 제거된 전압을 전파 정류하여 직류 전압으로 변조하고, 역률 보정 회로를 통해 상기 변조된 직류 전압의 역률을 보정하여 출력하는 정류부, 출력 인덕터가 적용된 공진 회로를 통해 상기 역률 보정된 직류 전압을 소정의 출력 전압값으로 변환하여 변환된 직류 전압을 배터리로 출력하는 전력 변환부, 및 주파수 제어 방식으로 상기 전력 변환부의 출력 전압을 제어하는 제어부를 포함한다.
또한, 공개특허공보 제10-2021-0099813호에 전기자동차 고전압 DC-DC 컨버터가 개시되었다.
상기 기술은 입력 전압을 제공하는 입력부; 상기 입력 전압을 강압하여 전압을 낮추는 벅(Buck) 컨버터부; 상기 낮춰진 전압을 강압하고 상기 벅 컨버터부로부터 전기적으로 절연시키는 DC/DC 컨버터부; 및 상기 DC/DC 컨버터부에서 강압된 전압을 출력하는 출력부; 가 순서대로 연결되어 포함되고, 상기 벅 컨버터부와 DC/DC 컨버터부의 스위칭을 제어하는 제어부를 포함한다.
하지만, 배터리 충전을 위한 공진형 컨버터는 부하가 배터리이므로 기존의 저항부하의 경우와 다르게 설계되어야 한다. 따라서 정전류(CC, Constant Current) 충전과 정전압(CV, Constant Voltage) 충전 스테이지를 가지는 리튬이온 배터리의 충전 방법과 공진형 컨버터의 특성을 고려하여 원하는 출력 전압의 범위를 만족하는 동시에 높은 효율을 가지는 공진형 컨버터를 설계할 필요가 있다.
등록특허공보 제10-1936462호(2019. 01. 02.) 공개특허공보 제10-2021-0099813호(2021. 08. 13.)
본 발명은 상기의 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 DC-DC컨버터부의 스위칭을 제어하는 스위칭 주파수는 공진인덕턴스와 공진커패시턴스에 의해 결정된 공진 주파수로 고정하여 배터리(부하)의 변동에도 소프트 스위칭을 통해 순환전류를 최소화할 수 있는 공진형 DC-DC컨버터를 적용한 전기자동차 충전시스템를 제공하는 데 있다.
상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 공진형 DC-DC컨버터를 적용한 전기자동차 충전시스템는 공급되는 교류전원에서 전자기 간섭의 노이즈를 제거하는 EMI(Electro-Magnetic Interference)필터부; 상기 EMI필터부에서 출력되는 교류전원을 직류전원으로 변환하고, 역률을 보정하는 정류PFC(Power Factor Corrector)부; 상기 정류PFC부에서 출력되는 직류전원으로 배터리를 충전시킬 수 있는 입력과 절연된 직류전원으로 출력하는 DC-DC컨버터부; 상기 DC-DC컨버터부에서 출력되는 직류전원의 전압을 평활하여 출력하는 DC필터부; 및 상기 DC필터부에서 출력되는 전압과 전류 및 상기 배터리의 전압에 근거하여 상기 DC-DC컨버터부의 정전류와 정전압을 제어하는 충전제어부를 포함하여 구성되고, 상기 충전제어부에서 상기 DC-DC컨버터부의 스위칭을 제어하는 스위칭 주파수는 공진인덕턴스와 공진커패시턴스에 의해 결정된 공진 주파수로 고정되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 DC-DC컨버터부는 상기 정류PFC부에서 출력되는 직류전원을 스위칭하는 스위칭회로와 상기 스위칭회로에 연결되는 공진회로를 포함하는 공진형 컨버터; 상기 공진회로에 연결되어 전압을 변환하는 트랜스포머; 및 상기 트랜스포머의 2차측에 연결되어 부하에 공진전류를 전달하여 출력전압을 출력하는 정류기를 포함한다.
또한, 상기 공진회로는 상기 스위칭회로에 연결되고 공진커패시터 및 공진인덕터를 포함하여 구성되되, 상기 공진커패시터는 제1 공진커패시터와 제2 공진커패시터가 분할되어 직렬로 연결될 수 있다.
또한, 상기 스위칭 주파수는 상기 공진회로의 공진인덕터 인덕턴스, 상기 트랜스포머의 자화인덕턴스 및 상기 트랜스포머의 누설인덕턴스에 의해 결정되고, 상기 공진인덕터 인덕턴스는 상기 트랜스포머의 누설인덕턴스에 근거하여 선정될 수 있다.
또한, 상기 트랜스포머는 제1 트랜스포머와 제2 트랜스포머를 포함하되, 상기 제1 트랜스포머와 제2 트랜스포머는 상기 공진회로에 병렬로 연결될 수 있다.
또한, 상기 정류기는 상기 제1 트랜스포머의 2차측에 연결되는 제1 정류기; 및 상기 제2 트랜스포머의 2차측에 연결되는 제2 정류기를 포함한다.
또한, 상기 제1 정류기의 출력단에는 직류전압을 안정화시키는 제1 전해커패시터가 구성되고, 상기 제2 정류기의 출력단에는 직류전압을 안정화시키는 제2 전해커패시터가 상기 제1 전해커패시터에 병렬로 구성되며, 상기 제1 전해커패시터와 제2 전해커패시터에 병렬로 링크스위치와 링크다이오드가 구성되고, 상기 링크다이오드에 인가되는 전압으로 상기 배터리를 충전시키도록 구성된다.
본 발명에 의하면, 스위칭 주파수를 공진인덕턴스와 공진커패시턴스에 의해 결정된 공진 주파수로 고정되어, 배터리의 부하가 변동되더라도 1차측의 스위치들과 2차측의 정류다이오드에 의해서 소프트 스위칭 동작으로 인해 배터리로 전기에너지를 충전하는 효율이 상승하는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 공진형 DC-DC컨버터를 적용한 전기자동차 충전시스템의 개략적인 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 공진형 DC-DC컨버터를 적용한 전기자동차 충전시스템에 적용된 정류PFC부의 개략적인 회로도,
도 3은 본 발명에 따른 공진형 DC-DC컨버터를 적용한 전기자동차 충전시스템에 적용된 DC-DC컨버터부의 회로도,
도 4는 본 발명에 따른 공진형 DC-DC컨버터를 적용한 전기자동차 충전시스템에 적용된 공진형 컨버터의 모드별 동작상태를 나타낸 도면,
도 5는 본 발명에 따른 공진형 DC-DC컨버터를 적용한 전기자동차 충전시스템에 적용된 공진형 컨버터의 동작 파형을 나타낸 그래프,
도 6은 본 발명에 따른 공진형 DC-DC컨버터를 적용한 전기자동차 충전시스템에서 충전제어부를 통해 출력되는 전류의 파형을 나타낸 그래프
도 7은 본 발명에 따른 공진형 DC-DC컨버터를 적용한 전기자동차 충전시스템에서 충전제어부를 통해 출력되는 전압의 파형을 나타낸 그래프,
도 8은 본 발명에 따른 공진형 DC-DC컨버터를 적용한 전기자동차 충전시스템의 효율을 나타낸 그래프이다.
다음으로, 본 발명에 따른 공진형 DC-DC컨버터를 적용한 전기자동차 충전시스템의 바람직한 실시 예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
이하에서 동일한 기능을 하는 기술요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 사용하고, 중복 설명을 피하기 위하여 반복되는 상세한 설명은 생략한다.
또한, 이하에 설명하는 실시 예는 본 발명의 바람직한 실시 예를 효과적으로 보여주기 위하여 예시적으로 나타내는 것으로, 본 발명의 권리범위를 제한하기 위하여 해석되어서는 안 된다.
본 발명은 공진형 DC-DC컨버터를 적용한 전기자동차 충전시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 스위칭 주파수를 공진인덕턴스와 공진커패시턴스에 의해 결정된 공진 주파수로 고정시킴으로써, 배터리의 부하가 변동되더라도 1차측의 스위치들과 2차측의 정류다이오드에 의해서 소프트 스위칭 동작으로 인해 배터리를 충전하는 전 구간에서 순환전류가 최소가 되어 충전 효율을 높일 수 있는 공진형 DC-DC컨버터를 적용한 전기자동차 충전시스템에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 공진형 DC-DC컨버터를 적용한 전기자동차 충전시스템의 개략적인 구성도를 나타낸 도면이다.
첨부된 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 공진형 DC-DC컨버터를 적용한 전기자동차 충전시스템은 EMI(Electro-Magnetic Interference)필터부(10), 정류PFC(Power Factor Corrector)부(20), DC-DC컨버터부(30), DC필터부(40) 및 충전제어부(50)를 포함하여 구성되고, 본 발명의 충전시스템을 통해 상용전원의 교류전원을 이용하여 전기자동차의 배터리(B)를 충전하게 된다.
여기서, 상기 상용전원은 단상 220V/60Hz의 계통으로 구성될 수 있다.
통상적으로 상기 상용전원은 가정용 또는 상업용으로 사용될 수 있는 단상의 교류 전원일 수 있다. 대한민국에서 상용 전압은 단상 AC 220V인 것이 일반적이고, 국가에 따라서 사용 전압은 상이할 수는 있으나 85~265V의 범위 내에 있다. 또한, 주파수는 60Hz인 것이 일반적이며, 50Hz일 수도 있다. 이 상용전원에 의하여 교류 전원이 입력되게 된다.
EMI필터부(10)는 공급되는 교류전원에서 전자기 간섭의 노이즈를 제거한다.
AC-DC 및 DC-DC 컨버터는 전도성과 복사성 방사 잡음에서 상당히 높은 수치를 나타낸다. 이러한 EMI 노이즈가 컨버터(AC-AD, DC-DC)에 입력 전원을 공급하는 주전원 입력측에서 필터링되지 않으면, 충전시스템의 다른 구성에 영향을 미쳐 EMI 노이즈에 의한 오동작이 발생될 수 있다.
본 발명에 따른 EMI필터부(10)는 수동 EMI필터와 능동 EMI필터로 구분될 수있다.
수동 EMI 필터는 인덕터와 커패시터로 구성된 LPF(low pass filter)로서, 초크코일의 인덕턴스 성분과 X-커패시터가 DM 잡음을 차단시키는 필터로서 LC LPF의 역할을 하여 잡음을 감쇠하게 되며, 초크코일의 누설 인덕턴스와 Y-커패시터가 CM 잡음을 감쇄시키는 LC LPF의 역할을 수행한다.
능동 EMI 필터는 잡음 검출회로, 반전 증폭 회로 및 주입 회로로 구성된다.
잡음 검출회로는 전압검출, 전류검출 두 가지로 분류되며, DC성분 또는 기본파(60Hz)성분을 제외한 고주파 잡음만 검출하는 것을 목적으로 한다.
반전 증폭회로의 경우 검출된 신호를 180°의 역위상과 원하는 이득을 갖는 출력신호를 출력하는 역할을 하며, 주요 소자인 OP-Amp의 이득과 위상 및 주파수 특성에 따라 회로구성이 결정된다.
주입회로는 잡음 검출회로와 마찬가지로 크게 전압주입, 전류주입 두 가지 형태로 나누어지게 되며 회로의 임피던스와 주입 위상오차를 고려하여 설계된다.
본 발명에 적용된 EMI필터부(10)는 저주파대역의 잡음을 감쇠시키고 위상오차에 따른 고주파 잡음은 수동 EMI 필터로 감쇠시키도록 구성될 수 있다.
이때, 수동 EMI 필터는 저주파 제거가 목표가 아니라 250khz 이상의 고주파 대역의 잡음만 제거하면 되기 때문에 저용량의 인덕턴스와 커패시턴스로 구성될 수 있다.
따라서 전체적인 EMI필터부(10)를 구성하는 경우 크기와 부피를 개선할 수 있고, 충전시스템의 각 구성에 일정 수준의 EMI 노이즈를 제거하여 충전기의 오동작을 방지하게 된다.
정류PFC부(20)는 EMI필터부(10)에서 출력되는 교류전원을 직류전원으로 변환하고, 역률을 보정하는 기능을 수행한다.
도 2는 본 발명에 따른 공진형 DC-DC컨버터를 적용한 전기자동차 충전시스템에 적용된 정류PFC부의 개략적인 회로도를 나타낸 것이다.
첨부된 도 2를 참조하면, 상기 정류PFC부(20)는 교류전원을 직류전원으로 정류하는 ACDC정류기(21)와 역률을 보상하는 역률보상회로(22)를 포함한다.
상기 ACDC정류기(21)는 4개의 브릿지 정류 다이오드를 연결한 브리지 회로로 구성된다. 상기 브리지 정류 다이오드는 입력된 교류전원을 어떠한 극성 전압이 입력되더라도 동일한 극성 전압을 출력한다.
역률보상회로(22)는 상기 ACDC정류기(21)에서 정류되어 출력되는 정류 전원을 저장하는 입력커패시터(Cp1)와 입력인덕터(Lp)의 전하(에너지)가 저장되는 출력커패시터(Cp2)가 직렬 결합된 구조를 가진다. 또한, 입력전류를 전류 불연속 모드(DCM, Discontinuous Conduction Mode)로 동작시켜 입력 전류나 전압의 센싱없이 일정 시비율(Duty ratio)로 스위칭하는 스위치(Qp) 및 상기 스위치(Qp)와 직렬로 구성되는 환류다이오드(Dp)를 포함한다.
이와 같이 구성된 상기 역률보상회로(22)는 스위치의 온/오프와 출력커패시터(Cp2)에 충전된 전하가 방전되는 3개의 모드로 동작된다.
모드 1은 스위치(Qp)가 턴 온 상태로서, 스위치(Qp)가 턴 온 상태로 전환되면, 입력전류는 입력인덕터(Lp)를 거쳐 스위치(Qp)를 통해 상승한다. 여기서 입력인덕터(Lp)에는 스위칭 동작에 의해 전하가 저장되고 출력커패시터(Cp2)는 방전된다.
모드 2는 스위치(Qp)가 턴 오프 상태로서, 스위치(Qp)가 턴 오프 상태로 전환되면, 입력전류는 하강하며 입력인덕터(Lp)에 흐르는 전류는 감소한다.
이때, 상기 모드 1에서 입력인덕터(Lp)에 저장되었던 전하는 환류 다이오드(Dp)를 통해 출력커패시터(Cp2)에 충전되며 동시에 출력 측으로 방출된다.
모드 3은 모드 2에서 입력인덕터(Lp)에 흐르던 전류가 0이 되는 상태로 입력전류도 0이 된다. 환류다이오드(Dp)는 차단되고 출력커패시터(Cp2)에 충전된 전하가 출력으로 방전된다.
이러한 구성에서, 스위치(Qp)의 온/오프 구간 동안 출력전압은 항상 입력커패시터 양단전압과 출력커패시터 양단전압의 합이 출력된다. 즉, 입력되는 입력전압 220V에 대하여 출력 700V의 출력 직류전원이 출력된다.
따라서 상기 정류PFC부(20)에서 출력되는 직류전원은 입력 직류전원을 고전압으로 변환할 수 있고, 추가 제어기가 필요 없는 장점을 가진다.
DC-DC컨버터부(30, 도 1 참조)는 정류PFC부(20)에서 출력되는 직류전원을 상기 배터리를 충전시킬 수 있는 입력과 절연된 직류전원으로 출력하는 기능을 수행한다.
도 3은 본 발명에 따른 공진형 DC-DC컨버터를 적용한 전기자동차 충전시스템에 적용된 DC-DC컨버터부의 회로도를 나타낸 것이다.
첨부된 도 3을 참조하면, DC-DC컨버터부(30)는 공진형 컨버터(100), 트랜스포머(200) 및 DC정류기(300)를 포함하여 구성된다.
상기 공진형 컨버터(100)는 정류PFC부(20)에서 출력되는 직류전원을 스위칭하는 스위칭회로(100)와 상기 스위칭회로(100)에 연결되는 공진회로(120)를 포함한다.
스위칭회로(100)는 4개의 스위칭소자(Q1, Q2, Q3, Q4)로 구성되고, 스위칭 주파수(예를 들면 gating signal)에 근거하여 직류전압을 입력받아 소정의 전압을 가진 전력으로 스위칭하여 출력한다.
상기 스위칭소자(Q1, Q2, Q3, Q4)는 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)와 같은 반도체 스위칭소자 또는 실리콘 카바이드(SiC) 기반의 MOSFET이 사용될 수 있다.
특히, 상기 실리콘 카바이드(SiC) 기반의 MOSFET은 전압/전류 사양 이외에도 낮은 정전 용량의 고속 스위칭에 최적화 되어 있고, 낮은 임피던스 패키지로 이루어지며, 낮은 역회복 전하를 가지고 스위칭 속도가 빠른 장점을 가지고 있다. 또한, 높은 전압(대략 900V)을 안정적으로 스위칭할 수 있는 것으로서, 본 발명의 스위칭회로에 적합하다.
공진회로(120)는 커패시터(Cr)와 인덕터(Lr)를 포함하여 구성된다.
본 발명에서는 정류PFC부(20)에서는 비교적 높은 직류전압(예를 들면 대략 700V)이 인가됨에 따라 후단에 설치된 트랜스포머(200)는 대용량이 설치되어야 하는 데, 1개의 대용량 트랜스포머를 사용하는 것보다 상대적으로 중용량의 트랜스포머 2개를 사용하는 것이 전력용량 대비 트랜스포머의 이용률이 향상된다.
따라서, 2개의 트랜스포머를 사용하기 위해 상기 공진회로(120)는 상기 스위칭회로(110)에 연결되고 공진커패시터 및 공진인덕터(Lr)를 포함하여 구성되되, 상기 공진커패시터는 제1 공진커패시터(Cr1)와 제2 공진커패시터(Cr2)가 분할되어 직렬로 연결된다.
상기 공진커패시터에는 20 ~ 25A의 실효치 전류가 흐르고, 양단에는 높은 고전압(예를 들면 대략 800V)이 인가된다. 고전압이 인가됨에 따라 상기 공진커패시터는 고전압/고전류에 적합한 특수 필름커패시터가 사용되는데, 특수 필름커패시터는 사이즈도 매우크고 고가이다.
이에, 본 발명에서 상기 커패시터는 컨버터에서는 저가격, 저전류의 널리 상용화된 필름커패시터를 복수 개 병렬로 결합하여 공진커패시터 뱅크로 제작하고, 제작된 공진커패시터 뱅크를 직렬 연결하여 800V 이상의 고전압의 스트레스를 견딜 수 있는 구성되게 한다.
트랜스포머(200)의 인덕턴스는 자화인덕턴스와 누설인덕턴스의 합으로 이루어지는 데, 본 발명에서 상기 공진인덕터(Lr)는 상기 트랜스포머의 누설인덕턴스에 의해 결정되게 된다.
트랜스포머(200)는 공진형 컨버터(120)의 공진회로(120)에 연결되어 상기 공진회로(120)에서 출력되는 직류전원(전압)을 변환한다. 이때, 상기 트랜스포머(200)는 상기 공진회로(120)에서 출력되는 직류전원을 소정의 승압하는 것으로서, 대략 700V의 직류전압을 800V의 직류전압으로 승압한다.
여기서, 상기 트랜스포머(200)는 제1 트랜스포머(210)와 제2 트랜스포머(220)를 포함하되, 상기 제1 트랜스포머(210)와 제2 트랜스포머(220)는 상기 공진회로(120)에 병렬로 연결된다.
상기 공진형 컨버터(100)와 트랜스포머(200)의 연결에 따른 스위칭 주파수에 대해 설명한다.
스위칭 주파수는 공진커패시터와 공진인덕턴스를 통해 산출된다. 공진커패시터는 공진회로에 구성된 커패시터에 의해 이루어지고, 공진인덕턴스는 공진회로의 공진인덕턴스와 트랜스포머의 인턱턴스에 의해 이루어진다.
상기 트랜스포머는 인덕턴스는 자화인덕턴스와 누설인덕턴스의 합으로 이루어지는 데, 상기 자화인덕턴스는 누설인덕턴스보다 상대적으로 크다.
여기서 자화인덕턴스는 다음의 수학식 1에 의해 산출된다.
수학식 1)
Figure 112022055833473-pat00001
여기서, Lm은 자화인덕턴스, k1은 1차측 커플링 계수, k2는 2차측 커플링 계수, Ls1은 트랜스포머의 2차측을 개방한 상태에서 1차측에서 본 인덕턴스이다.
본 발명에 적용된 상기 트랜스포머(200)는 제1 트랜스포머(210)와 제2 트랜스포머(220)가 병렬로 연결된 구조이다. 이에, 상기 제1 트랜스포머(210)와 제2 트랜스포머(220)는 동일한 사양(동일한 인덕턴스)을 가지도록 구성되고, 상기 제1 트랜스포머(210)와 제2 트랜스포머(220) 중에서 선택된 하나의 트랜스포머에서 산출된 자화인덕턴스는 2배 용량으로 구성되어야 한다.
즉, 트랜스포머(200)의 산출된 자화인덕턴스가 250μH로 산출되는 경우, 제1 트랜스포머(210)의 자화인덕턴스와 제2 트랜스포머의 자화인덕턴스는 500μH로 구성되어야 한다.
아울러, 제1 트랜스포머(210) 및 제2 트랜스포머(220)의 누설인덕턴스는 8 ~ 10μH에서 선택될 수 있다. 이때, 상기 제1 트랜스포머와 제2 트랜스포머가 병렬 구조로 연결되므로, 트랜스포머의 전체 누설인덕턴스는 4 ~ 5μH에서 이루어진다.
본 발명에서 상기 DC-DC컨버터부의 스위칭을 제어하는 스위칭 주파수는 공진인덕턴스와 공진커패시턴스에 의해 결정된 공진 주파수로 고정된다.
여기서, 스위칭 주파수 선정을 위해 네 가지 사항이 고려되어야 한다.
첫 번째 고려 사항은 컨버터의 구조이다. 본 발명에 다른 DC-DC컨버터는 공진형 컨버터와 DC정류기가 직렬로 연결된 구조이다.
이와 같은 구조에서는 DC 링크 전압의 안정화가 매우 중요하다. 즉, 공진형 컨버터(100)의 스위칭 주파수가 DC정류기(300)의 링크스위치(Q5)의 스위칭 주파수보다 상대적으로 낮게 되면 DC 링크 전압에서 큰 리플 전압이 발생하게 된다.
발생되는 큰 리플 전압은 고조파 전류를 발생시켜 트랜스포머에서 추가적인 손실을 일으키고 시스템 전체에 소음을 발생시키게 된다.
이를 개선하기 위해서는 큰 용량의 링크커패시터가 요구되고, 이는 장치의 대형화를 초래한다. 결론적으로 작은 용량의 링크커패시터를 사용함에도 링크 전압에서 리플 전압을 최소화하기 위해서는 공진형 컨버터의 스위칭 주파수가 DC정류기의 스위칭 주파수보다 상대적으로 빠르거나 같아야 한다.
두 번째로, 공진형 컨버터는 공진점 고정 주파수로 설계되어 1차측 스위치들에서 ZVS 턴 온, 2차측 다이오드들에서 ZCS 턴 오프 동작이 달성된다. 그 결과로, 100kHz 이상 고주파 설계가 가능하다. 그러나 스위칭 주파수가 너무 빠르면 공진형 컨버터가 공진점에서 설계되었다 하더라도 DC정류기의 정류다이오드들은 하드스위칭 턴 오프하게 되어 역회복 특성에 의한 손실 및 전압 스파이크가 발생될 수 있다.
세 번째 고려 사항은 DC정류기가 800V의 고전압에서 하드 스위칭을 한다는 것이다. 이 때문에 매우 큰 스위칭 손실이 발생하게 되어 효율이 크게 악화 될 수 있으므로 너무 높은 스위칭 주파수를 채택할 수 없다.
네 번째 고려 사항은 사용하고자 하는 전력반도체 디바이스이다. 일반적으로 고주파 스위칭용으로 파워 MOSFET이 많이 사용된다. 하지만, 파워 MOSFET은 고전압 대용량급이 없으므로 900V급 이상의 SiC-MOSFET 스위칭 소자가 바람직하다.
SiC-MOSFET 스위칭 소자는 스위칭 속도가 매우 빠르다는 장점을 갖지만 DC정류기의 스위칭에서와 같이 고전압의 하드 스위칭하는 경우 여전히 발열 문제를 일으킬 수 있는 단점이 있다.
공진형 컨버터의 경우 공진점에서 스위칭이 이루어지면 효율이 가장 높으며, 공진점이 아닌 다른 영역에서 스위칭이 이루어지면 효율이 저하되게 된다.
이에 본 발명에서는 가장 효율이 높은 지점에서 동작하도록 스위칭 주파수를 공진인덕터(Lr), 공진커패시터(Cr1, Cr2)에 의해 결정된 공진 주파수에 고정시키도록 구성된다. 그러면, 부하가 변동하더라도 1차측 스위치들과 2차측 정류다이오드에서 항상 소프트 스위칭 동작이 달성이 되고, 변압기 자화인덕턴스 Lm에 의한 순환전류도 최소화 될 수있다.
공진주파수는 다음의 수학식 2에 의해 산출된다.
수학식 2)
Figure 112022055833473-pat00002
여기서, f0는 공진주파수, L은 공진인덕턴스, C는 공진커패시턴스이다.
우선, 스위칭 주파수를 선정하게 되면, 선정된 스위칭 주파수와 상기 수학식 2에 근거하여 공진인덕턴스와 공진커패시터를 산출하면 된다.
여기서, 상기 공진커패시터의 커패시턴스는 복수 개 병렬로 결합하여 제작된 공진커패시터 뱅크의 용량에 의해 결정된다.
이에, 공진회로(120)에서 전체적인 공진인덕턴스는 공진인덕터(Lr)의 인덕턴스와 트랜스포머의 인덕턴스의 합으로 이루어진다.
트랜스포머의 자화인덕턴스는 수학식 1에 의해 산출된다.
트랜스포머의 누설인덕턴스는 제작 및 결선에 의해 결정되기 때문에 정확하게 예측하기 어려운 값이고, 본 발명의 회로방식에서 공진형 컨버터(100)의 스위칭 주파수가 공진 주파수에 고정되므로 회로 설계 및 동작에 영향이 없도록 해야 한다. 이를 위해 구성되는 공진인덕터(Lr)의 인덕턴스 용량은 트랜스포머의 누설인덕턴스 용량보다 상대적으로 크게 되도록 하는 것이 바람직하다. 그런데 상기 공진인덕터의 인덕턴스 용량이 상기 트랜스포머의 누설인덕턴스 용량보다 너무 커지면 필요한 코어가 커지기 때문에 이를 모두 고려해서 설계하면, 트랜스포머의 누설인덕턴스는 8 ~ 10μH에서 선택될 수 있다. 이때, 상기 제1 트랜스포머와 제2 트랜스포머가 병렬 구조로 연결되므로, 트랜스포머의 전체 누설인덕턴스는 4 ~ 5μH로 선정될 수 있다.
DC정류기(300)는 트랜스포머(200)의 2차측에 연결되어 부하에 공진전류를 전달하여 출력전압을 출력하는 기능을 수행한다.
상기 DC정류기(300)는 4개의 정류다이오드로 구성되는데, 상기 트랜스포머(200)가 제1 트랜스포머(210)와 제2 트랜스포머(220)로 구성되기 때문에, 상기 DC정류기(300)도 제1 트랜스포머(210)의 2차측에 연결되어 정류다이오드(D1, D2, D3, D4)를 포함하는 구성되는 제1 DC정류기(310)와 제2 트랜스포머(220)의 2차측에 연결되어 정류다이오드(D5, D6, D7, D8)를 포함하는 제2 DC정류기(320)를 포함하여 구성된다.
또한, 상기 제1 DC정류기(310)의 출력단에는 직류전압을 안정화시키는 제1 전해커패시터(301)가 구성되고, 상기 제2 DC정류기(320)의 출력단에는 직류전압을 안정화시키는 제2 전해커패시터(302)가 구성된다. 이때, 상기 제1 전해커패시터(301)와 제2 전해커패시터(302)는 서로 병렬로 구성된다.
또한, 상기 DC정류기(300)에는 상기 제1 전해커패시터(301)와 제2 전해커패시터(302)에 병렬로 링크스위치(Q5)와 링크다이오드(DL)가 구성되고, 상기 링크다이오드(DL)에 인가되는 전압으로 전기자동차의 배터리를 충전시키게 된다.
상기 링크스위치(Q5)는 온 상태인 경우 배터리(B) 측으로 전류가 흐르게 되는데, DC필터부(40)에 의해 고주파는 제거되고 저주파만 통과하게 된다.
상기 링크스위치(Q5)가 오프 상태인 경우 DC필터부(40)의 커패시터(C1)에 의해 전류의 급감을 방지하게 된다. 이에, 소정의 전류 리플은 발생되지만 구형파의 직류전압이 출력되게 된다.
상기 링크다이오드(DL)는 상기 링크스위치(Q5)가 빠르게 온/오프(on/off)되는 상태에서 인덕터(DC필터부의 인덕터)에 의해 발생되는 관성 전류를 방전시키는 역할을 수행한다.
상기와 같이 구성된 공진형 컨버터(100)의 동작과정을 살펴본다.
도 4는 본 발명에 따른 공진형 DC-DC컨버터를 적용한 전기자동차 충전시스템에 적용된 공진형 컨버터의 모드 1 및 모드 2의 동작상태를 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명에 따른 공진형 DC-DC컨버터를 적용한 전기자동차 충전시스템에 적용된 공진형 컨버터의 동작 파형을 나타낸 도면이다.
첨부된 4의 (a)를 참조하면, 모드 1(t0 ∼ t1)은 전력전달 구간으로 t0 ~ t1까지의 구간이다. 모드 1 구간에서 스위치(Q1, Q3)가 턴온 상태이고, 정류 다이오드(D1, D3, D5, D7)가 도통 상태에 있다. 상기 모드 1 구간에서 공진인덕터(Lr)와 공진커패시터(Cr1, Cr2)에 의해 공진 전류가 발생하고, 발생된 공진 전류가 제1 트랜스포머(210)와 제2 트랜스포머(220)를 통해 2차측에 전달되게 된다.
첨부된 도면의 도 4 (b)를 참조하면, 모드 2(t1 ∼ t2)는 스위치(Q1, Q2, Q3, Q4)에 연결된 기생커패시터(Coss1, Coss2, Coss3, Coss4)들의 충·방전 구간으로 t1 ~ t2까지의 구간이다.
모드 1에서 공진인덕터(Lr)와 공진커패시터(Cr1, Cr2)에 의한 공진 전류가 자화인덕턴스(Lm)에 흐르는 전류와 같아지면 정류다이오드(D1, D3, D5, D7)는 영전류 스위칭(ZCS, Zero Current Switching)이 턴오프되고, 스위치(Q1)와 스위치(Q3)가 턴오프된다.
이에, 제1 및 제2 트랜스포머(210, 220)의 자화인덕턴스(Lm)에 흐르는 전류(I_ZVS)가 모든 스위치(Q1, Q2, Q3, Q4)들의 기생커패시터(Coss1, Coss2, Coss3, Coss4)들을 충·방전시킨다.
상기 모드 2의 t2 시점에서 영전압 스위칭(ZVS, Zero Voltage Switching)이 턴온되고, 스위치(Q2)와 스위치(Q4)가 턴온된다.
모드 3(t2 ∼ t3)은 전력전달 구간으로 t2 ~ t3까지의 구간이다. 모드 3 구간에서 스위치(Q2, Q4)가 턴온 상태이고, 정류 다이오드(D1, D3, D5, D7)가 도통 상태에 있다. 상기 모드 3 구간에서 공진인덕터(Lr)와 공진커패시터(Cr1, Cr2)에 의해 공진 전류가 발생하고, 발생된 공진 전류가 제1 트랜스포머(210)와 제2 트랜스포머(220)를 통해 2차측에 전달되게 된다.
모드 2(t3 ∼ t4)는 스위치(Q1, Q2, Q3, Q4)에 연결된 기생커패시터(Coss1, Coss2, Coss3, Coss4)들의 충·방전 구간으로 t3 ~ t4까지의 구간이다.
모드 3에서 공진인덕터(Lr)와 공진커패시터(Cr1, Cr2)에 의한 공진 전류가 자화인덕턴스(Lm)에 흐르는 전류와 같아지면 정류다이오드(D1, D3, D5, D7)는 영전류 스위칭(ZCS, Zero Current Switching)이 턴오프되고, 스위치(Q1)와 스위치(Q3)가 턴오프된다.
이에, 제1 및 제2 트랜스포머(210, 220)의 자화인덕턴스(Lm)에 흐르는 전류(I_ZVS)가 모든 스위치(Q1, Q2, Q3, Q4)들의 기생커패시터(Coss1, Coss2, Coss3, Coss4)들을 충·방전시킨다.
상기 모드 4의 t4 시점에서 영전압 스위칭(ZVS, Zero Voltage Switching)이 턴온되고, 스위치(Q1)와 스위치(Q3)가 턴온된다.
상기 모드 4 이후에는 모드 1로 복귀되어 모드 1 ~ 모드 4가 반복되게 된다.
스위칭 주파수가 고정되어 있으므로 출력전압이 제어가 어려운 단점이 있지만, 뒷단에 직렬로 연결된 DC정류기에서 듀티 제어로 배터리를 일정전류-일정전압 방식으로 충전을 하게 된다.
요약하면, 본 발명에 적용된 공진형 컨버터(100)는 높은 효율점에서 시스템에 전기적 절연만 보장하고 충전 기능은 순환전류가 전혀 발생하지 않는 DC정류기(300)가 수행하도록 한 것이다. 이와 같은 구조로 인하여 기존 DC-DC 컨버터들과 다르게 배터리 충전 전 구간에서 순환전류가 최소화가 되어 배터리 충전전압 크기에 관계없이 항상 높은 효율로 운전될 수 있게 된다. 또한, 공진형 컨버터에서 ZVS가 충전 전 구간 동안 달성되어 스위칭 손실이 최소화된다. ZVS 달성은 높은 스위칭 주파수 동작을 보장하여 고효율과 더불어 고전력밀도 달성을 가능하게 한다.
스위칭 손실 및 순환전류 손실이 거의 없는 고주파 고정 주파수 공진형 컨버터와 순환전류가 없는 구조인 DC정류기를 직렬로 배치한 새로운 EV 급속 충전시스템용 DC-DC 컨버터로 인하여 배터리 충전 전 부하영역에서 항상 높은 효율로 배터리를 충전할 수 있고, 대용량이면서 고주파로 동작시켜 시스템의 크기를 크게 줄일 수 있게 된다.
DC필터부(40, 도 3 참조)는 DC-DC컨버터부에서 출력되는 직류전원의 전압을 평활하여 출력하는 기능을 수행하는 것으로서, 인덕터와 커패시터가 병렬로 연결된 저역 통과필터(LPF, Low Pass Filter)로 구성될 수 있다.
상기 저역 통과필터는 주파수가 낮은 영역의 신호 성분은 통과할 수 있으나 주파수가 높은 영역에서는 인덕터의 임피던스가 높아짐과 동시에 커패시터의 임피던스는 낮아지기 때문에 고주파 신호 성분이 제거되게 된다.
충전제어부(50)는 상기 DC필터부에서 출력되는 전압과 전류 및 상기 배터리의 전압에 근거하여 상기 DC-DC컨버터부의 정전류와 정전압을 제어하는 기능을 수행한다.
본 발명에서 공진형 컨버터(100)의 스위칭 주파수는 공진인덕턴스와 공진커패시턴스에 의해 결정된 공진 주파수로 고정된다.
이에, 출력되는 전류 및 전압을 제어하기 위해서는 DC정류기(300)의 링크스위치(Q5)를 제어해야 한다.
정전류(constant current)제어 및 정전압(constant voltage)제어는 DC정류기(300)의 링크스위치(Q5)의 듀티제어에 의해 이루어진다.
도 6은 본 발명에 따른 공진형 DC-DC컨버터를 적용한 전기자동차 충전시스템에서 충전제어부를 통해 출력되는 전류의 파형을 나타낸 그래프이고, 도 7은 충전제어부를 통해 출력되는 전압의 파형을 나타낸 그래프다.
도 6의 (a)는 출력전류와 지령전류의 파형 그래프, (b)는 DC정류기의 링크스위치 스위칭 주파수, (c)는 공진 전류, (d)는 DC정류기의 링크스위치 전압과 전류이다. 또한, 도 7의 (a)는 출력전압와 지령전압의 파형 그래프, (b)는 DC정류기의 링크스위치 스위칭 주파수, (c)는 공진 전류, (d)는 DC정류기의 링크스위치 전압과 전류이다.
첨부된 도 6 및 도 7을 참조하면, 충전제어부(50)는 듀티 제어를 통해 설정 전류 7.5A 및 설정전압 650V를 일정하게 출력하도록 제어하고 있음을 알 수 있다.
즉, 출력제어부(50)는 DC필터부(40)에서 출력되는 전류 및 전압을 검출하고, 검출된 전류 및 전압에 근거하여 설정된 전류 및 전압이 출력되도록 DC정류기(300)의 링크스위치(Q5)를 48 ~ 51KHz의 범위 내에서 듀티 제어하여 배터리를 지령 전류와 지령 전압으로 충전하도록 제어한다.
또한, 상기 충전제어부(50)는 배터리의 전압을 통해 배터리의 전압이 소정의 전압 이상인 것으로 판단되면, 충전이 완료된 것으로 판단하고 충전을 중지시킨다.
배터리의 경우 완전충전 또는 완전방전에서 수명이 1주기씩 저하될 수 있다.
즉, 완전방전 또는 완전충전을 1회 수행에 따라 배터리를 충전에 따른 사용주기가 감소되게 된다. 이에 대략 20% 이내에서 방전이 정지되어 충전되어야 하고, 대략 90%에서 충전이 정지되어야 배터리의 기대 수명을 유지할 수 있다.
상기 출력제어부(50)는 사용자의 설정에 따라 배터리 최대치의 85 ~ 90%의 범위 내에서 충전되도록 설정될 수 있다.
예를 들어, 상기 출력제어부는 설정에 따라 배터리가 90%로 충전된 경우 100%로 표시하여 배터리의 완충을 제한함으로써, 배터리의 기대 수명을 유지하도록 구성된다.
이때, 사용자의 조작에 따라 배터리의 완전 충전의 비율이 변경된 경우 상기 출력제어부(50)를 통해 표시되는 화면에는 사용자가 조정한 완전 충전 비율이 표시되게 구성된다.
도 8은 본 발명에 따른 공진형 DC-DC컨버터를 적용한 전기자동차 충전시스템의 효율을 나타낸 그래프이다.
첨부된 도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 DC-DC컨버터는 영전압 스위칭이 가능하기 때문에 턴온 손실이 없다. 그러나 턴오프 손실이 존재하기 때문에 턴오프 손실이 효율에 주요한 영향을 미친다. 따라서 스위칭 소자의 턴오프 손실이 비교적 크게 영향을 미치는 상대적으로 낮은 전력(예를 들면 350V)에서는 효율이 최소 94.23%이고, 턴오프 손실의 영향이 작게 영향으 미치는 상대적으로 높은 전력(예를 들면 650V)에서는 최대 97.42%의 효율이 증가됨을 알 수 있다.
본 발명에 의하면, 스위칭 주파수를 공진인덕턴스와 공진커패시턴스에 의해 결정된 공진 주파수로 고정되어, 배터리의 부하가 변동되더라도 1차측의 스위치들과 2차측의 정류다이오드에 의해서 소프트 스위칭 동작으로 인해 배터리로 전기에너지를 충전하는 효율이 상승하는 장점이 있다.
상기에서는 본 발명에 따른 공진형 DC-DC컨버터를 적용한 전기자동차 충전시스템의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고, 청구범위 및 발명의 설명, 첨부한 도면의 범위 내에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고, 이 또한 본 발명의 범위내에 속한다.
10: EMI필터부 20: 정류PFC부
30: DC-DC컨버터부 40: DC필터부
50: 충전제어부 100: 공진형 컨버터
110: 스위칭회로 120: 공진회로
200: 트랜스포머 210: 제1 트랜스포머
220: 제2 트랜스포머 300: 정류기

Claims (7)

  1. 공급되는 교류전원에서 전자기 간섭의 노이즈를 제거하는 EMI(Electro-Magnetic Interference)필터부;
    상기 EMI필터부에서 출력되는 교류전원을 직류전원으로 변환하고, 역률을 보정하는 정류PFC(Power Factor Corrector)부;
    상기 정류PFC부에서 출력되는 직류전원으로 배터리를 충전시킬 수 있는 입력과 절연된 직류전원으로 출력하는 DC-DC컨버터부;
    상기 DC-DC컨버터부에서 출력되는 직류전원의 전압을 평활하여 출력하는 DC필터부; 및
    상기 DC필터부에서 출력되는 전압과 전류 및 상기 배터리의 전압에 근거하여 상기 DC-DC컨버터부의 정전류와 정전압을 제어하는 충전제어부;
    를 포함하여 구성되고,
    상기 충전제어부에서 상기 DC-DC컨버터부의 스위칭을 제어하는 스위칭 주파수는 공진인덕턴스와 공진커패시턴스에 의해 결정된 공진 주파수로 고정되며,
    상기 정류PFC부는 교류전원을 직류전원으로 정류하는 ACDC정류기와 역률을 보상하는 역률보상회로를 포함하되,
    상기 역률보상회로는,
    상기 ACDC정류기에서 정류되어 출력되는 정류 전원을 저장하는 입력커패시터(Cp1); 입력인덕터(Lp)의 전하(에너지)가 저장되는 출력커패시터(Cp2); 입력전류를 전류 불연속 모드로 동작시키도록 스위칭하는 스위치(Qp); 및 상기 스위치(Qp)에 직렬로 구성되는 환류다이오드(Dp)를 포함하여 구성되어,
    상기 역률보상회로는,
    상기 스위치(Qp)가 턴 온 상태로 전환되어 상기 입력인덕터(Lp)에는 스위칭 동작에 의해 전하가 저장되고 상기 출력커패시터(Cp2)는 방전되는 모드 1;
    상기 스위치(Qp)가 턴 오프 상태로 전환되어 입력전류는 하강하며 상기 입력인덕터(Lp)에 흐르는 전류는 감소하고, 상기 모드 1에서 상기 입력인덕터(Lp)에 저장되었던 전하는 상기 환류 다이오드(Dp)를 통해 상기 출력커패시터(Cp2)에 충전되면서 출력 측으로 방출되는 모드 2; 및
    상기 환류다이오드(Dp)는 차단되고 상기 출력커패시터(Cp2)에 충전된 전하가 출력으로 방전되며, 상기 모드 2에서 상기 입력인덕터(Lp)에 흐르던 전류가 0이 되는 상태로 입력전류도 0이 되는 모드 3;
    으로 동작되고,
    상기 DC-DC컨버터부는,
    상기 정류PFC부에서 출력되는 직류전원을 스위칭하는 스위칭회로와 상기 스위칭회로에 연결되는 공진회로를 포함하는 공진형 컨버터;
    상기 공진회로에 연결되어 전압을 변환하는 트랜스포머; 및
    상기 트랜스포머의 2차측에 연결되어 부하에 공진전류를 전달하여 출력전압을 출력하는 DC정류기;
    를 포함하며,
    상기 트랜스포머는,
    제1 트랜스포머와 제2 트랜스포머를 포함하되, 상기 제1 트랜스포머와 제2 트랜스포머는 상기 공진회로에 병렬로 연결되고,
    상기 DC정류기는,
    상기 제1 트랜스포머의 2차측에 연결되는 제1 DC정류기; 및
    상기 제2 트랜스포머의 2차측에 연결되는 제2 DC정류기;
    를 포함하며,
    상기 제1 DC정류기의 출력단에는 직류전압을 안정화시키는 제1 전해커패시터가 구성되고, 상기 제2 DC정류기의 출력단에는 직류전압을 안정화시키는 제2 전해커패시터가 상기 제1 전해커패시터에 병렬로 구성되며,
    상기 제1 전해커패시터와 제2 전해커패시터에 병렬로 링크스위치(Q5)와 링크다이오드(DL)가 구성되고,
    상기 링크스위치(Q5)는 온 상태인 경우 상기 배터리 측으로 전류가 흐르게 되어 상기 DC필터부에 의해 고주파는 제거되고 저주파만 통과되며,
    상기 링크스위치(Q5)가 오프 상태인 경우 상기 DC필터부의 제1 전해커패시터에 의해서 구형파의 직류전압이 출력되어, 상기 링크다이오드(DL)에 인가되는 전압으로 상기 배터리를 충전시키는 것을 특징으로 하는 공진형 DC-DC컨버터를 적용한 전기자동차 충전시스템.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 공진회로는,
    상기 스위칭회로에 연결되고 공진커패시터 및 공진인덕터를 포함하여 구성되되, 상기 공진커패시터는 제1 공진커패시터와 제2 공진커패시터가 분할되어 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 공진형 DC-DC컨버터를 적용한 전기자동차 충전시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 스위칭 주파수는,
    상기 공진회로의 공진인덕터 인덕턴스, 상기 트랜스포머의 자화인덕턴스 및 상기 트랜스포머의 누설인덕턴스에 의해 결정되고,
    상기 공진인덕터 인덕턴스는 상기 트랜스포머의 누설인덕턴스에 근거하여 선정되는 되는 것을 특징으로 하는 공진형 DC-DC컨버터를 적용한 전기자동차 충전시스템.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
KR1020220064735A 2022-05-26 2022-05-26 공진형 dc-dc컨버터를 적용한 전기자동차 충전시스템 KR102488223B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020220064735A KR102488223B1 (ko) 2022-05-26 2022-05-26 공진형 dc-dc컨버터를 적용한 전기자동차 충전시스템

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020220064735A KR102488223B1 (ko) 2022-05-26 2022-05-26 공진형 dc-dc컨버터를 적용한 전기자동차 충전시스템

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR102488223B1 true KR102488223B1 (ko) 2023-01-16

Family

ID=85109993

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020220064735A KR102488223B1 (ko) 2022-05-26 2022-05-26 공진형 dc-dc컨버터를 적용한 전기자동차 충전시스템

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102488223B1 (ko)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20230032942A1 (en) * 2021-08-02 2023-02-02 Transient Plasma Systems, Inc. Power converter comprising series resonant converter(s) having a full-bridge series resonant topology and methods of operating same
CN116696946A (zh) * 2023-08-02 2023-09-05 山东华东风机有限公司 一种磁悬浮轴承控制装置及控制方法
KR102620382B1 (ko) * 2023-11-29 2024-01-03 (주)아하 다수의 소출력 전력모듈로 고출력을 만드는 전기차 충전모듈 및 그 충전모듈의 구동방법

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20170002325A (ko) * 2015-06-29 2017-01-06 페어차일드코리아반도체 주식회사 소프트 스타트 회로 및 이를 포함하는 벅 컨버터
KR20180004655A (ko) * 2016-07-04 2018-01-12 숭실대학교산학협력단 하이브리드 풀브릿지 llc 컨버터 및 그 구동방법
KR20180017987A (ko) * 2016-08-12 2018-02-21 현대자동차주식회사 전기 자동차용 배터리 충전 장치
JP2018102119A (ja) * 2016-12-19 2018-06-28 アナログ・ディヴァイシス・グローバル・アンリミテッド・カンパニー 絶縁型ｄｃ／ｄｃコンバータ
KR20210099813A (ko) 2020-02-05 2021-08-13 주식회사 만도 전기자동차용 고전압 dc-dc 컨버터

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20170002325A (ko) * 2015-06-29 2017-01-06 페어차일드코리아반도체 주식회사 소프트 스타트 회로 및 이를 포함하는 벅 컨버터
KR20180004655A (ko) * 2016-07-04 2018-01-12 숭실대학교산학협력단 하이브리드 풀브릿지 llc 컨버터 및 그 구동방법
KR20180017987A (ko) * 2016-08-12 2018-02-21 현대자동차주식회사 전기 자동차용 배터리 충전 장치
KR101936462B1 (ko) 2016-08-12 2019-01-08 현대자동차주식회사 전기 자동차용 배터리 충전 장치
JP2018102119A (ja) * 2016-12-19 2018-06-28 アナログ・ディヴァイシス・グローバル・アンリミテッド・カンパニー 絶縁型ｄｃ／ｄｃコンバータ
KR20210099813A (ko) 2020-02-05 2021-08-13 주식회사 만도 전기자동차용 고전압 dc-dc 컨버터

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20230032942A1 (en) * 2021-08-02 2023-02-02 Transient Plasma Systems, Inc. Power converter comprising series resonant converter(s) having a full-bridge series resonant topology and methods of operating same
US12081131B2 (en) * 2021-08-02 2024-09-03 Transient Plasma Systems, Inc. Power converter comprising series resonant converter(s) having a full-bridge series resonant topology and methods of operating same
CN116696946A (zh) * 2023-08-02 2023-09-05 山东华东风机有限公司 一种磁悬浮轴承控制装置及控制方法
CN116696946B (zh) * 2023-08-02 2023-10-20 山东华东风机有限公司 一种磁悬浮轴承控制装置及控制方法
KR102620382B1 (ko) * 2023-11-29 2024-01-03 (주)아하 다수의 소출력 전력모듈로 고출력을 만드는 전기차 충전모듈 및 그 충전모듈의 구동방법

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102488223B1 (ko) 공진형 dc-dc컨버터를 적용한 전기자동차 충전시스템
JP5472183B2 (ja) スイッチング電源装置
Lee et al. Half-bridge integrated ZVS full-bridge converter with reduced conduction loss for electric vehicle battery chargers
Zhang et al. Optimal design of a push-pull-forward half-bridge (PPFHB) bidirectional DC–DC converter with variable input voltage
Gu et al. Hybrid-switching full-bridge DC–DC converter with minimal voltage stress of bridge rectifier, reduced circulating losses, and filter requirement for electric vehicle battery chargers
KR101704181B1 (ko) 차량용 충전기
US9667171B2 (en) Switching circuit, power converter, and control method
US20200099311A1 (en) Bridgeless single-stage ac/dc converter
US6717827B2 (en) Switching power supply
JP2003324956A (ja) 直列共振型ブリッジインバータ回路の制御方法及び直列共振型ブリッジインバータ回路
KR102545894B1 (ko) 듀얼 dc-dc컨버터를 적용한 전기자동차용 충전시스템
CN103201939A (zh) 虚拟参数高压侧mosfet驱动器
US10218260B1 (en) DC-DC converter with snubber circuit
KR20180004675A (ko) 보조 lc 공진 회로를 갖는 양방향 컨버터 및 그 구동 방법
Yang et al. Design of high efficiency high power density 10.5 kW three phase on-board-charger for electric/hybrid vehicles
Amiri et al. An interleaved nonisolated ZVS ultrahigh step-down DC–DC converter with low voltage stress
Jeong et al. Electrolytic capacitor-less single-power-conversion on-board charger with high efficiency
JP2017055536A (ja) 電力変換装置
Kushwaha et al. A bridgeless isolated half-bridge converter based EV charger with power factor preregulation
Vesali et al. A new nonisolated soft switched DC‐DC bidirectional converter with high conversion ratio and low voltage stress on the switches
Kim et al. Soft-switching step-up converter with ripple-free output current
Lu et al. Power battery charger for electric vehicles
WO2011016854A1 (en) Soft switching using a lossless snubber circuit in a power converter
KR101649109B1 (ko) 듀얼 풀브리지 컨버터
Dhanalakshmi et al. A Review on Two-Stage Back End DC-DC Converter in On-Board Battery Charger for Electric Vehicle

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant