KR102602691B1 - 전류 제한 기능을 가지는 배터리 시뮬레이션 장치 - Google Patents

전류 제한 기능을 가지는 배터리 시뮬레이션 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전류 제한 기능을 가지는 배터리 시뮬레이션 장치에 관한 것으로서, 3상 교류전압을 직류 변환하는 제1 컨버터부와, 소정의 변압기를 통해 상기 변환된 직류전압을 절연 및 승압 또는 감압하여 원하는 직류 전압으로 변환하는 제2 컨버터부를 포함하며, 상기 제2 컨버터부의 출력단에 배터리 테스트용 전자부하가 연결되는 경우 상기 출력단 전압을 상기 전자부하의 충전전압으로 제공하는 배터리 시뮬레이터 회로와, 상기 전자부하에 대한 충전 또는 방전 테스트 수행 시 상기 출력단의 전류와 기설정된 전류 제한값 간의 오차에 기초한 이득값의 크기에 따라 정전류 모드와 정전압 모드 중 어느 하나의 모드로 동작하도록 상기 제2 컨버터부 내부의 스위칭 소자들을 스위칭 제어하는 제어 모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 별도의 모드 구분이 요구되지 않아 복잡한 수학적 모델링 없이도 구현 가능하며, 과도 상태를 제거하기 위한 히스테리시스 밴드 없이도 자동으로 정전류 모드에서 정전압 모드로 변경할 수 있는 효과가 있다.

Description

전류 제한 기능을 가지는 배터리 시뮬레이션 장치{BATTERY SIMULATION APPARATUS HAVING CURRENT LIMITING FUNCTION}
본 발명은 배터리 충전 시 전류 제한 기능에 의해 정전류 모드에서 정전압 모드로 자동 변경되어 동작하도록 하는 배터리 시뮬레이션 장치에 관한 것이다.
일반적으로 배터리 충전기는 도 1에 도시된 바와 같이 정전류 모드(CC; Constant Current)와 정전압 모드(CV; Constant Voltage)로 구성된다.
만일 배터리 충전기가 정전압(CV) 모드만으로 구성된다면 배터리에 큰 전류가 흘러 배터리가 파손될 수 있기 때문에, 배터리를 보호하기 위한 방안으로서 초기에는 정전류(CC) 모드로 전류를 제어하다가 일정 시간 지난 후에 정전압(CV) 모드로 전압을 제어하는 방식이 주로 이용된다.
그러나, 이러한 기존의 CC-CV 제어기는 모드가 변경됨에 따라 과도 상태로 오버슈트가 발생하거나 채터링 현상과 같이 모드가 연속적으로 변경되는 현상이 발생할 수 있다는 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 기존에는 적분기를 이용하여 모드 변경 시 발생하는 과도 상태를 제거하고 히스테리시스 밴드를 이용하여 채터링 현상을 제거하는 방식이 이용되었다.
그러나 기존 방식의 경우, 히스테리시스의 비선형 특성으로 인해 수식적으로 모델링 하기가 매우 어려워서 정확히 언제 정전류(CC) 모드에서 정전압(CV) 모드로 변경해야 하는지를 알기 어렵고, 적분기를 이용하는 경우엔 제어기의 반응이 느려지는 단점이 있다.
KR 10-1938035 B1 KR 10-1295316 B1
본 발명의 목적은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 배터리 충전 시 전류 제한 기능에 의해 정전류 모드에서 정전압 모드로 자동 변경되어 동작하도록 하는 배터리 시뮬레이션 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 전류 제한 기능을 가지는 배터리 시뮬레이션 장치는, 3상 교류전압을 직류 변환하는 제1 컨버터부와, 소정의 변압기를 통해 상기 변환된 직류전압을 절연 및 승압 또는 감압하여 원하는 직류 전압으로 변환하는 제2 컨버터부를 포함하며, 상기 제2 컨버터부의 출력단에 배터리 테스트용 전자부하가 연결되는 경우 상기 출력단 전압을 상기 전자부하의 충전전압으로 제공하는 배터리 시뮬레이터 회로와, 상기 전자부하에 대한 충전 또는 방전 테스트 수행 시 상기 출력단의 전류와 기설정된 전류 제한값 간의 오차에 기초한 이득값의 크기에 따라 정전류 모드와 정전압 모드 중 어느 하나의 모드로 동작하도록 상기 제2 컨버터부 내부의 스위칭 소자들을 스위칭 제어하는 제어 모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제어 모듈은, 상기 이득값의 크기 및 변동성에 따라 정전류 모드와 정전압 모드 중 어느 하나의 모드로 동작하도록 상기 변압기의 1차측 및 2차측 전압의 하이 레벨 구간 및 위상차에 대한 제어신호를 출력하는 출력 제어부와, 상기 출력된 제어신호에 따라 상기 제2 컨버터부 내부의 스위칭 소자들을 스위칭 제어하기 위한 스위칭 신호를 생성하는 스위칭 신호 생성부를 포함하며, 상기 출력단의 전류가 기설정된 전류 제한값에 수렴할 때까지는 상기 이득값이 변동함에 따라 정전류 모드로 동작하고, 상기 출력단의 전류가 상기 전류 제한값에 수렴한 이후부터는 상기 이득값이 일정한 상수값으로 고정됨에 따라 정전압 모드로 동작하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 출력 제어부는, 상기 출력단의 전류와 기설정된 전류 제한값 간의 누적 오차를 적분한 값을 기설정된 기준 범위와 비교한 결과에 따라 상기 결과값, 상기 기준 범위의 상한값 및 하한값 중 어느 하나를 상기 이득값으로 결정하는 이득값 결정부와, 상기 결정된 이득값과 상기 제2 컨버터부에 대한 출력 전압지령을 곱한 후 이를 상기 출력단의 전압과 비교하여 PI 제어를 수행한 출력변수값에 기설정된 위상범위 내로 위상을 가변함에 따른 위상변수값과, 상기 출력변수값을 기설정된 수식에 적용하여 상기 변압기의 1차측 및 2차측의 전압이 하이 레벨인 구간을 연산함에 따른 연산결과값을 각각 출력하는 연산 출력부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 별도의 모드 구분이 요구되지 않아 복잡한 수학적 모델링 없이도 구현 가능하며, 과도 상태를 제거하기 위한 히스테리시스 밴드 없이도 자동으로 정전류 모드에서 정전압 모드로 변경할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 전류 제한 기능에 의해 정전류 모드에서 정전압 모드로 변경 시 변화가 크지 않아 안정적인 동작을 수행할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 배터리 충전기의 동작 시 시간에 따른 배터리 전압 및 전류의 변화를 나타낸 그래프이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시뮬레이션 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이고,
도 3은 도 2의 배터리 시뮬레이터 회로의 일례를 나타낸 회로도이고,
도 4는 도 2의 제어 모듈의 구성을 나타낸 블록도이고,
도 5는 도 4의 출력 제어부의 세부 구성 및 동작 원리를 설명하기 위한 도면이고,
도 6은 도 4의 스위칭 신호 생성부에서 출력 제어부의 출력에 기초하여 PWM 신호를 생성하는 원리를 설명하기 위한 도면이고,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시뮬레이션 장치의 동작 시 시간에 따른 출력 전압, 출력 전류 및 이득값의 변화를 나타낸 그래프이고,
도 8은 도 5의 이득값 결정부의 유무에 따른 출력 전압 및 전류의 파형을 비교하여 나타낸 그래프이고,
도 9는 종래의 배터리 충전기와 본 발명에 따른 배터리 시뮬레이션 장치 각각에 대한 출력 전압 및 전류의 파형을 비교하여 나타낸 그래프이다.
이상과 같은 본 발명에 대한 해결하려는 과제, 과제의 해결수단, 발명의 효과를 포함한 구체적인 사항들은 다음에 기재할 실시예 및 도면에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시뮬레이션 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 3은 도 2의 배터리 시뮬레이터 회로의 일례를 나타낸 회로도이고, 도 4는 도 2의 제어 모듈의 구성을 나타낸 블록도이고, 도 5는 도 4의 출력 제어부의 세부 구성 및 동작 원리를 설명하기 위한 도면이고, 도 6은 도 4의 스위칭 신호 생성부에서 출력 제어부의 출력에 기초하여 PWM 신호를 생성하는 원리를 설명하기 위한 도면이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시뮬레이션 장치의 동작 시 시간에 따른 출력 전압, 출력 전류 및 이득값의 변화를 나타낸 그래프이다.
이하, 전술한 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 전류 제한 기능을 가지는 배터리 시뮬레이션 장치에 대해 설명하도록 한다.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시뮬레이션 장치(10)는 도 2에 도시된 바와 같이 소정의 입력전압(Vi)이 인가되는 배터리 시뮬레이터 회로(100)와, 상기 회로(100)의 출력전압(Vo)을 제어하기 위한 제어 모듈(300)을 포함하여 구성된다.
배터리 시뮬레이션 장치(10)는 배터리 시뮬레이터 회로(100)의 출력단에 실제 배터리 팩과 동일한 동작을 수행하도록 설계되는 배터리 테스트용 전자부하(40)를 연결한 상태에서 해당 회로(100)의 출력전압(Vo)을 측정한 결과를 모니터링하여 제어 모듈(300)을 통해 제어할 수 있다.
배터리 시뮬레이터 회로(100)는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 3상 교류전압(Vi)이 인가되는 3상 그리드(110)와, 상기 교류전압을 인가받아 직류 변환하는 제1 컨버터부(200)와, 상기 변환된 직류전압을 소정의 변압기(140)를 통해 절연 및 승압 또는 감압하여 원하는 직류전압으로 변환하는 제2 컨버터부(130)를 포함한다.
배터리 시뮬레이터 회로(100)는 제2 컨버터부(130)의 출력단에 배터리 테스트용 전자부하(40)가 연결되는 경우 출력단 전압(Vo)을 전자부하(40)의 충전전압으로 제공한다.
제1 컨버터부(120)는 3상(3φ) 각각에 대응하여 상·하단 한 쌍씩 연결되는 복수 개의 스위칭 소자(Sa,S' a,Sb,S' b,Sc,S' c)에 의해 3상 브릿지 구조를 형성하는 AC-DC 컨버터인 것이 바람직하다.
제2 컨버터부(130)는 제1 컨버터부(120)에 의해 변환된 직류전압을 절연 및 승압 또는 감압하도록 제1 컨버터부(120)의 상하단부 각각에 대응하여 구비되는 한 쌍의 변압기(140)와, 상기 변압기(140)의 1차측 및 2차측에 각각 연결되는 복수의 풀 브릿지 회로(150,160,170,180)를 포함하는 DAB 컨버터인 것이 바람직하다.
이때, 상기 복수의 풀 브릿지 회로는 한 쌍의 변압기(140)의 1차측에 대응되는 제1 풀 브릿지 회로(150) 및 제2 풀 브릿지 회로(160)와, 한 쌍의 변압기(140)의 2차측에 대응되는 제3 풀 브릿지 회로(170) 및 제4 풀 브릿지 회로(180)를 포함하는 것일 수 있다.
한편, 배터리 시뮬레이터 회로(100)는 도 3에 도시된 바와 같이 입력측 리액터(115), 입력 필터부(125) 및 출력 필터부(135)를 더 포함할 수 있다.
입력측 리액터(115)는 3상 그리드(110)와 제1 컨버터부(120)의 입력단 사이에 배치되며, 제1 컨버터부(120)로 입력되는 교류전류를 필터링하는 역할을 한다.
입력 필터부(125)는 제2 컨버터부(130)의 입력전압을 평활화하기 위한 것으로서, 제1 컨버터부(120)의 상하단 출력단과 제2 컨버터부(130)의 제1 풀 브릿지 회로(150) 및 제2 풀 브릿지 회로(160) 각각의 입력단 사이에 배치되되 상호 직렬 연결되는 한 쌍의 입력 커패시터를 포함한다.
출력 필터부(135)는 제2 컨버터부(130)의 출력전압을 평활화하기 위한 것으로서, 양단이 제2 컨버터부(130)의 제3 풀 브릿지 회로(170) 및 제4 풀 브릿지 회로(180) 각각의 출력단에 연결되는 한 쌍의 출력 커패시터를 포함한다.
제어 모듈(300)은 배터리 시뮬레이터 회로(100)의 출력단 전압(Vo) 레벨을 제어하기 위한 것이다.
제어 모듈(300)은 배터리 시뮬레이터 회로(100)의 출력단에 연결되는 전자부하(40)에 대한 충전 또는 방전 테스트의 수행 시, 제2 컨버터부(130)의 출력전류(IO)와 기설정된 전류 제한값(Io.limit*) 간의 오차에 기초한 이득값(K)의 크기에 따라 정전류(CC) 모드와 정전압(CV) 모드 중 어느 하나의 모드로 동작하도록 제2 컨버터부(130) 내부의 스위칭 소자들을 스위칭 제어한다.
구체적으로, 제어 모듈(300)은 제2 컨버터부(130)의 출력전류(IO)가 기설정된 전류 제한값(Io.limit*)에 수렴할 때까지는 이득값(K)이 변동함에 따라 정전류(CC) 모드로 동작하고, 출력 전류(IO)가 전류 제한값(Io.limit*)에 수렴한 이후부터는 이득값(K)이 일정한 상수값으로 고정됨에 따라 정전압(CV) 모드로 동작할 수 있으며, 이를 위해 제어 모듈(300)은 도 4에 도시된 바와 같이 출력 제어부(320), DC 전류 제거부(340) 및 스위칭 신호 생성부(330)를 포함할 수 있다.
출력 제어부(320)는 이득값(K)의 크기 및 변동성에 따라 정전류(CC) 모드와 정전압(CV) 모드 중 어느 하나의 모드로 동작하도록 제2 컨버터부(130)의 내부 변압기(140)의 1차측 및 2차측 전압의 하이 레벨 구간(d1,d2) 및 위상차(α)에 대한 제어신호를 출력한다.
여기서, 출력 제어부는 도 5에 도시된 바와 같이 이득값 결정부(322) 및 연산 출력부(324)를 포함할 수 있다.
이득값 결정부(322)는 기설정된 전류 제한값(Io.limit*)에 기초하여 제2 컨버터부(130)의 출력전류(IO)를 제한하기 위한 이득값(K)을 결정하는 역할을 한다.
이득값 결정부(322)는 출력단 전류(IO)와 기설정된 전류 제한값(Io.limit*) 간의 누적 오차를 적분한 값(Kn)을 기설정된 기준 범위(R)와 비교한 결과에 따라 상기 결과값(Kn), 상기 기준 범위(R)의 상한값(RU) 및 하한값(RL) 중 어느 하나를 이득값(K)으로 결정한다.
구체적으로, 이득값 결정부(322)는 아래의 수학식 1에 기초하여 출력단 전류(IO)와 기설정된 전류 제한값(Io.limit*) 간의 누적 오차를 적분한 결과값(Kn)을 계산할 수 있다.
Figure 112021138947571-pat00001
여기서, Kn은 현재 결과값을 나타내고, Kn-1은 이전 결과값을 나타내고, I* O.lim는 전류 제한값을 나타내고, IO는 출력단 전류값을 나타내고, Ki는 적분 이득을 나타내고, △t는 시간 변화량을 나타낸다.
또한, 이득값 결정부(322)는 상기 수학식 1에 의해 계산된 결과값(Kn)을 기설정된 기준 범위(R)와 비교한 결과, 아래의 수학식 2와 같이 기준 범위(R)에 속하는 경우엔 결과값(Kn)을 이득값(K)으로 결정하고, 기준 범위(R)의 하한값(RL) 미만인 경우엔 하한값(RL)을 이득값(K)으로 결정하고, 기준 범위(R)의 상한값(RU)을 초과하는 경우엔 상한값(RU)을 이득값(K)으로 결정할 수 있다.
Figure 112021138947571-pat00002
이때, 상기 기준 범위(R)는 "0 이상 1 이하"의 범위, 즉, 하한값(RL)은 "0"의 값, 상한값(RU)은 "1"의 값을 가지도록 기설정되는 것이 바람직하다.
이 경우, (n+1)의 수식에서는 Kn값이 이전값이 되므로 안티 와인드업(anti-windup)과 같이 포화를 방지하기 위한 별도의 제어기가 요구되지 않는 이점이 있다.
이와 관련하여, 도 7을 참조하여 본 발명에 따른 제어 모듈(300)에 의한 동작 모드 제어 방법에 대하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 전자부하(40)가 방전되어 충전 전압이 낮은 경우엔 배터리 시뮬레이터 회로(10)가 출력전압 명령치(VO *)로 전압 출력 시 출력전류(Io)는 출력전류 제한값(Io.limit*)보다 높아지므로 이득값(K)이 1보다 작아지며, 출력전류(Io)가 출력전류 제한값(Io.limit*)과 같아질 때까지 이득값(K)이 감소함에 따라, 배터리 시뮬레이터 회로(10)의 출력전압(Vo)도 작아지게 된다.
다음으로, 만약 출력전류(Io)가 출력전류 제한값(Io.limit*)과 같아지면, 정전류를 제어하는 것과 같기 때문에 배터리 시뮬레이터 회로(10)는 정전류(CC) 모드로 동작하게 된다. 이로 인해 정전류(CC) 모드에서 전자부하(40)가 충전됨에 따라 부하전압은 서서히 증가하고, 배터리 시뮬레이터 회로(10)의 출력전압(Vo)이 일정한 경우 출력전류(Io)는 출력전류 제한값(Io.limit*)보다 낮아지므로 이득값(K)이 증가하게 되어 출력전압(Vo)도 증가하게 된다.
다음으로, 만약 이득값(K)이 증가하다가 1이 되면, 이득값 결정부(322)의 전류 제한 기능에 의해 더 이상 증가할 수 없기 때문에, 배터리 시뮬레이터 회로(10)의 출력전압(Vo)이 출력전압 명령치(VO *)와 같아져도 출력전류(Io)는 출력전류 제한값(Io.limit*)보다 높지 않으므로 이득값(K)은 감소하지 않게 된다. 이러한 모드는 정전압으로 제어되는 것과 같기 때문에 배터리 시뮬레이터 회로(10)는 정전압(CV) 모드로 동작하게 된다.
즉, 본 발명에 따른 제어 모듈(300)에 의하면 별도의 모드 구분이 요구되지 않으며 과도상태를 제거하기 위한 히스테리시스 밴드 없이 자동으로 정전류(CC) 모드에서 정전압(CV) 모드로 변경이 가능하며 과도 상태가 발생하지 않게 된다.
연산 출력부(322)는 이득값 결정부(322)에 의해 결정된 이득값(K)과 배터리 시뮬레이터 회로(100)의 출력 전압지령(VOU*)에 기초하여 출력단 전압(Vo)을 제어하기 위한 제어신호의 연산 및 출력을 수행한다.
연산 출력부(320)는 도 5에 도시된 바와 같이 이득값 결정부(322)에 의해 결정된 이득값(K)을 제2 컨버터부(130)에 대한 출력 전압지령(VOU*)과 곱한 후 이를 출력전압(VOU)과 비교하여 PI 제어를 수행한 출력변수값에 기설정된 위상범위 내로 위상을 가변함에 따른 위상변수값(αU)과, 상기 출력변수값을 기설정된 수식에 적용하여 변압기(140)의 1차측 및 2차측의 전압이 하이 레벨인 구간을 연산함에 따른 연산결과값(d1U,d2U)을 각각 출력한다.
여기서, 출력 전압지령(VOU*)은 제2 컨버터부(130)의 입력전압을 밸런싱 제어하는 것으로서, 제2 컨버터부(130)의 상·하단 입력전압을 기설정된 기준출력전압(VO *)에 기초하여 상호 비교한 결과에 따라 동일하게 유지하도록 제어하기 위한 상·하단 전압지령(VOU *,VOL *)을 포함할 수 있다.
이때, 상·하단 전압지령(VOU *,VOL *)은 제2 컨버터부(130)의 상단 입력전압(ViU) 과 하단 입력전압(ViL) 간의 차를 적분하여 전체 출력전압 명령치(Vo *)의 절반값(Vo */2)에 각각 더하고 뺀 값에 대응하는 것일 수 있다.
한편, 연산 출력부(320)에 의한 연산결과값(d1U,d2U)의 연산 시 적용되는 상기 기설정된 수식은 아래의 수학식 3 내지 5와 같이 정리할 수 있다.
Figure 112021138947571-pat00003
Figure 112021138947571-pat00004
Figure 112021138947571-pat00005
여기서, d1은 제1 연산결과값으로서 변압기의 1차측 전압이 하이 레벨인 시간을 나타내고, d2는 제2 연산결과값으로서 변압기의 2차측 전압이 하이 레벨인 시간을 나타내고, α는 변압기의 1차측 및 2차측 전압 간의 위상차로서 0 내지 90도 범위로 제한된 값을 나타낸다.
DC 전류 제거부(340)는 변압기(140)의 DC 전류 성분을 제거하기 위한 것이다.
DC 전류 제거부(340)는 변압기(140)에 흐르는 내부전류(i1)에 포함된 DC 성분전류(I1dc)를 추출한 후 이를 아날로그 신호에서 디지털 신호로 변환하고, 상기 변환된 디지털 신호(I1dc_ADC)에 대한 PI 제어를 수행함에 따른 제어결과값(-d0)을 생성하여 출력한다.
이때, DC 전류 제거부(340)는 변압기(140)의 1차측에 양 또는 음의 DC 전류가 생성된 경우, 상기 출력된 제어결과값(-d0)에 기초한 음 또는 양의 DC 전압을 발생시킴에 따라 변압기의 내부전류(i1)에 포함된 DC 성분전류(I1dc)가 상쇄되어 제거되도록 한다.
스위칭 신호 생성부(330)는 출력 제어부(320)의 출력에 따라 제2 컨버터부(130) 내부의 스위칭 소자들을 스위칭 제어하기 위한 PWM 신호를 생성한다.
여기서, 스위칭 신호 생성부(330)는 위상변수값(αU) 및 연산결과값(d1U,d2U)에 기초하여 제2 컨버터부(130)에 대한 스위칭 동작을 제어하기 위한 스위칭 신호(S1U ~ S4U, S' 1U ~ S' 4L)를 생성할 수 있다.
이와 관련하여, 출력전압 제어부(320)의 출력에 기초하여 PWM 신호를 생성하는 원리에 대해 도 6을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
예컨대, 만일 제2 컨버터부(130)의 상단 및 하단 회로를 구분 없이 동시 제어할 땐(α=αU=αL, d1=d1U=d1L, d2=d2U=d2L), 제1 스위치 회로(S1)에 대한 스위칭 제어를 위해 "0" 시점부터 "t4" 시점까지 하이 레벨의 PWM 스위칭 신호가 생성되고, 제2 스위치 회로(S2)에 대한 스위칭 제어를 위해 "t2" 시점부터 "t5" 시점까지 하이 레벨의 PWM 스위칭 신호가 생성되고, 제3 스위치 회로(S3)에 대한 스위칭 제어를 위해 "t1" 시점에 하이 레벨로 전환되는 PWM 스위칭 신호가 생성되고, 제4 스위치 회로(S4)에 대한 스위칭 제어를 위해 "t3" 시점에 하이 레벨로 전환되는 PWM 스위칭 신호가 생성된다.
이에 따라, 변압기(140)의 1차측 전압(V1) 제어를 위한 PWM 전압 신호는 변압기(140)의 1차측에 대응되는 제1 스위치 회로(S1) 및 제2 스위치 회로(S2)에 대응하여 제1 스위치 회로(S1)가 하이 레벨로 전환되는 "0" 시점부터 제2 스위치 회로(S2)가 하이 레벨로 전환되는 "t2" 시점까지 하이 레벨 상태를 유지하도록 생성되고, 변압기(140)의 2차측 전압(V2) 제어를 위한 PWM 전압 신호는 변압기(140)의 2차측에 대응되는 제3 스위치 회로(S3) 및 제4 스위치 회로(S4)에 대응하여 제3 스위치 회로(S3)가 하이 레벨로 전환되는 "t1" 시점부터 제4 스위치 회로(S4)가 하이 레벨로 전환되는 "t2" 시점까지 하이 레벨 상태를 유지하도록 생성된다.
이때, 제1 스위치 회로(S1)는 제1 풀 브릿지 회로(150)의 제1 상부 스위칭 소자쌍(S1U-S'1U)에 대응하여 상호 병렬 연결되는 제1 상부 레그와 제2 풀 브릿지 회로(160)의 제1 하부 스위칭 소자쌍(S1L-S'1L)에 대응하여 상호 병렬 연결되는 제1 하부 레그를 포함하고, 제2 스위치 회로(S2)는 제1 풀 브릿지 회로(150)의 제2 상부 스위칭 소자쌍(S2U-S'2U)에 대응하여 상호 병렬 연결되는 제2 상부 레그와 제2 풀 브릿지 회로(160)의 제2 하부 스위칭 소자쌍(S2L-S'2L)에 대응하여 상호 병렬 연결되는 제2 하부 레그를 포함한다.
또한, 제3 스위치 회로(S3)는 제3 풀 브릿지 회로(170)의 제3 상부 스위칭 소자쌍(S3U-S'3U)에 대응하여 상호 병렬 연결되는 제3 상부 레그와 제4 풀 브릿지 회로(180)의 제3 하부 스위칭 소자쌍(S3L-S'3L,S4L-S'4L)에 대응하여 상호 병렬 연결되는 제3 하부 레그를 포함하고, 제4 스위치 회로(S4)는 제4 상부 스위칭 소자쌍(S4U-S'4U)에 대응하여 상호 병렬 연결되는 제4 상부 레그와 제4 하부 스위칭 소자쌍(S3L-S'3L,S4L-S'4L)에 대응하여 상호 병렬 연결되는 제4 하부 레그를 포함한다.
여기서, 스위칭 신호 생성부(330)는 전술한 위상변수값(αU) 및 연산결과값(d1U,d2U)과 더불어 DC 전류 제거부(340)로부터 출력된 제어결과값(-d0)에 기초하여 제2 컨버터부(130)에 대한 스위칭 동작을 제어하기 위한 스위칭 신호(S1U ~ S4U, S' 1U ~ S' 4L)를 생성할 수 있다.
예컨대, 만일 제2 컨버터부(130)의 상단 및 하단 회로를 구분 없이 동시 제어할 땐(α=αU=αL, d1=d1U=d1L, d2=d2U=d2L), 제3 스위치 회로(S3) 및 제4 스위치 회로(S4) 각각에 대한 PWM 스위칭 신호는 도 6에 도시된 바와 동일한 파형으로 생성되나, 제1 스위치 회로(S1)의 경우엔 스위칭 제어를 위해 "-d0" 시점부터 "t4'=t4+d0" 시점까지 하이 레벨의 PWM 스위칭 신호가 생성되고, 제2 스위치 회로(S2)의 경우엔 스위칭 제어를 위해 "t2'=t2+d0" 시점부터 "t5'=t5+d0" 시점까지 하이 레벨의 PWM 스위칭 신호가 생성된다.
이에 따라, 변압기(140)의 1차측 전압(V1) 제어를 위한 PWM 전압 신호는 제1 스위치 회로(S1)가 하이 레벨로 전환되는 "-d0" 시점부터 제2 스위치 회로(S2)가 하이 레벨로 전환되는 "t2'=t2+d0" 시점까지 하이 레벨 상태를 유지하도록 생성되고, 변압기(140)의 2차측 전압(V2) 제어를 위한 PWM 전압 신호는 도 6에 도시된 바와 동일한 파형으로 생성된다.
즉, 스위칭 신호 생성부(330)의 PWM 신호 생성 시 DC 전류 제거부(340)로부터 출력된 제어결과값(-d0)을 고려할 때, 제1 스위치 회로(S1)에 대한 스위칭 신호의 경우 하이 레벨 구간의 시점은 제어결과값(d0)만큼 감소하고 종점은 제어결과값(d0)만큼 증가함에 따라 하이 레벨 구간의 길이가 제어결과값(d0)의 두배만큼 증가됨을 확인할 수 있고, 제2 스위치 회로(S1)에 대한 스위칭 신호의 경우 하이 레벨 구간의 시점은 제어결과값(d0)만큼 증가하고 종점은 제어결과값(d0)만큼 감소함에 따라 하이 레벨 구간의 길이가 제어결과값(d0)의 두배만큼 감소됨을 확인할 수 있다.
또한, 제1 스위치 회로(S1) 및 제2 스위치 회로의 영향을 받는 변압기(140)의 1차측 전압(V1) 신호의 경우엔 하이 레벨 구간의 시점은 제1 스위치 회로(S1)의 스위칭 신호에 대응하여 제어결과값(d0)만큼 감소하고 종점은 제2 스위치 회로(S2)의 스위칭 신호에 대응하여 제어결과값(d0)만큼 증가함에 따라 하이 레벨 구간의 길이가 제어결과값(d0)의 두배만큼 증가되므로, 이로 인해 생성된 양의 DC 전압으로 인해 기존에 변압기(140)의 1차측 전압(V1)에 포함된 DC 성분 전류가 상쇄하여 제거됨을 확인할 수 있다.
전술한 본 발명에 따른 배터리 시뮬레이션 장치(10)의 특징을 바탕으로 하여 본 발명에 따른 제어 모듈(300)의 전류 제한 기능으로 인한 효과와 종래의 배터리 충전기와 대비하여 본 발명이 가지는 효과에 대해 도 8 및 도 9를 참조하여 설명하도록 한다.
먼저, 도 8은 본 발명에 따른 출력 제어부(320)에서 이득값 결정부(322)를 포함하지 않는 경우(도 8a)와 포함하는 경우(도 8b)를 비교하기 위한 것으로서, 출력전압 명령치(VO *)로 전압을 출력하는 경우에 출력전류 제한값(Io.limit*)을 초과하는 부하에 대하여 이득값 결정부(322)를 포함하지 않는 경우(도 8a)엔 출력전류(Io)가 출력전류 제한값(Io.limit*)을 초과하는 파형을 나타내는 반면, 이득값 결정부(322)를 포함하는 경우(도 8b)엔 전류 제한 기능에 의해 출력전류(Io)가 출력전류 제한값(Io.limit*)에 수렴하는 파형을 나타내게 된다.
다음으로, 도 9는 본 발명에 따른 배터리 시뮬레이션 장치(10)와 종래의 배터리 충전기 각각에 의한 제어기의 성능을 시험하기 위해 전자부하(40)로서 파워서플라이를 연결하고 전압을 순간적으로 변화시켜 정전류(CC) 모드에서 정전압(CV) 모드로 전환되는 경우의 실험 파형을 나타낸 것으로서, 도 9a는 종래의 배터리 충전기의 출력 전압(VO) 및 전류(Io)의 파형을 나타낸 그래프이고, 도 9b는 본 발명에 따른 배터리 시뮬레이션 장치(10)의 출력 전압(Vo) 및 전류(Io)의 파형에 대한 그래프이다.
이와 관련하여, 종래의 제어기는 도 9a에 도시된 바와 같이 출력 전압(Vo)이 상승함에 따라 정전압(CV) 모드로 변경되지만 히스테리시스 밴드가 작아서 정전류(CC) 모드와 정전압(CV) 모드를 여러 번 반복하는 파형을 나타내는 데 반해, 본 발명에 따른 제어기는 도 9b에 도시된 바와 같이 출력 전압(Vo)이 상승함에 따라 이득값(K)이 변하여 정전압(CV) 모드로 변경되는 것을 확인할 수 있다.
즉, 종래의 제어기는 정전류(CC) 모드와 정전압(CV) 모드가 0과 1로 구분되어 모드가 변경될 때 변화가 심할 수 있지만 본 발명에 따른 제어기의 이득값(K)은 flat형태로 표현되므로 정전류(CC) 모드와 정전압(CV) 모드의 구분이 크지 않게 된다.
이상, 바람직한 실시예를 통하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며 특허청구범위 내에서 다양하게 실시될 수 있다.
특히, 전술한 내용은 후술할 발명의 청구범위를 더욱 잘 이해할 수 있도록 본 발명의 특징과 기술적 강점을 다소 폭넓게 상술하였으므로, 상술한 본 발명의 개념과 특정 실시예는 본 발명과 유사 목적을 수행하기 위한 다른 형상의 설계나 수정의 기본으로써 즉시 사용될 수 있음이 해당 기술 분야의 숙련된 사람들에 의해 인식되어야 한다.
또한, 상기에서 기술된 실시예는 본 발명에 따른 하나의 실시예일 뿐이며, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술적 사상의 범위에서 다양한 수정 및 변경된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 개시된 실시예는 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 이러한 다양한 수정 및 변경 또한 본 발명의 기술적 사상의 범위에 속하는 것으로 전술한 본 발명의 청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 배터리 시뮬레이션 장치 40: 전자부하
100: 배터리 시뮬레이터 회로 110: 3상 그리드
115: 입력측 리액터 120: 제1 컨버터부
125: 입력 필터부 130: 제2 컨버터부
135: 출력 필터부 140: 변압기
150: 제1 풀 브릿지 회로 160: 제2 풀 브릿지 회로
170: 제3 풀 브릿지 회로 180: 제4 풀 브릿지 회로
300: 제어 모듈 320: 출력 제어부
322: 이득값 결정부 324: 연산 출력부
330: 스위칭 신호 생성부 340: DC 전류 제거부

Claims (6)

  1. 3상 교류전압을 직류 변환하는 제1 컨버터부와, 소정의 변압기를 통해 상기 변환된 직류전압을 절연 및 승압 또는 감압하여 원하는 직류 전압으로 변환하는 제2 컨버터부를 포함하며, 상기 제2 컨버터부의 출력단에 배터리 테스트용 전자부하가 연결되는 경우 상기 제2 컨버터부의 출력단 전압을 상기 전자부하의 충전전압으로 제공하는 배터리 시뮬레이터 회로; 및
    상기 전자부하에 대한 충전 또는 방전 테스트 수행 시 상기 출력단의 전류와 기설정된 전류 제한값 간의 오차에 기초한 이득값의 크기에 따라 정전류 모드와 정전압 모드 중 어느 하나의 모드로 동작하도록 상기 제2 컨버터부 내부의 스위칭 소자들을 스위칭 제어하는 제어 모듈;을 포함하며,
    상기 제어 모듈은,
    상기 이득값의 크기 및 변동성에 따라 정전류 모드와 정전압 모드 중 어느 하나의 모드로 동작하도록 상기 변압기의 1차측 및 2차측 전압의 하이 레벨 구간 및 위상차에 대한 제어신호를 출력하는 출력 제어부; 및
    상기 출력된 제어신호에 따라 상기 제2 컨버터부 내부의 스위칭 소자들을 스위칭 제어하기 위한 스위칭 신호를 생성하는 스위칭 신호 생성부;를 포함하고,
    상기 출력단의 전류가 기설정된 전류 제한값에 수렴할 때까지는 상기 이득값이 변동함에 따라 정전류 모드로 동작하고, 상기 출력단의 전류가 상기 전류 제한값에 수렴한 이후부터는 상기 이득값이 일정한 상수값으로 고정됨에 따라 정전압 모드로 동작하는 것을 특징으로 하는 전류 제한 기능을 가지는 배터리 시뮬레이션 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 출력 제어부는,
    상기 출력단의 전류와 기설정된 전류 제한값 간의 누적 오차를 적분한 값을 기설정된 기준 범위와 비교한 결과에 따라 상기 결과값, 상기 기준 범위의 상한값 및 하한값 중 어느 하나를 상기 이득값으로 결정하는 이득값 결정부; 및
    상기 결정된 이득값과 상기 제2 컨버터부에 대한 출력 전압지령을 곱한 후 이를 상기 출력단의 전압과 비교하여 PI 제어를 수행한 출력변수값에 기설정된 위상범위 내로 위상을 가변함에 따른 위상변수값과, 상기 출력변수값을 기설정된 수식에 적용하여 상기 변압기의 1차측 및 2차측의 전압이 하이 레벨인 구간을 연산함에 따른 연산결과값을 각각 출력하는 연산 출력부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 제한 기능을 가지는 배터리 시뮬레이션 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 이득값 결정부는,
    아래의 수학식 I에 기초하여 상기 출력단의 전류와 기설정된 전류 제한값 간의 누적 오차를 적분한 결과값을 계산하는 것을 특징으로 하는 전류 제한 기능을 가지는 배터리 시뮬레이션 장치.
    (수학식 I)
    Figure 112023085534543-pat00006

    여기서, Kn은 현재 결과값을 나타내고, Kn-1은 이전 결과값을 나타내고, I* O.lim는 전류 제한값을 나타내고, IO는 출력단 전류값을 나타내고, Ki는 적분 이득을 나타내고, △t는 시간 변화량을 나타낸다.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 이득값 결정부는,
    상기 계산된 결과값을 기설정된 기준 범위와 비교하여 상기 기준 범위에 속하는 경우엔 상기 결과값을 상기 이득값으로 결정하고, 상기 기준 범위의 하한값 미만인 경우엔 상기 하한값을 상기 이득값으로 결정하고, 상기 기준 범위의 상한값을 초과하는 경우엔 상기 상한값을 상기 이득값으로 결정하는 것을 특징으로 하는 전류 제한 기능을 가지는 배터리 시뮬레이션 장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 연산 출력부는,
    상기 출력변수값을 아래의 수학식 II 또는 수학식 III에 적용하여 상기 변압기의 1차측 및 2차측의 전압이 하이 레벨인 구간을 연산함에 따른 제1 및 제2 연산결과값을 출력하는 것을 특징으로 하는 전류 제한 기능을 가지는 배터리 시뮬레이션 장치.
    (수학식 II)
    Figure 112023085534543-pat00007

    (수학식 III)
    Figure 112023085534543-pat00008

    여기서, d1은 제1 연산결과값으로서 변압기의 1차측 전압이 하이 레벨인 시간을 나타내고, d2는 제2 연산결과값으로서 변압기의 2차측 전압이 하이 레벨인 시간을 나타내고, α는 변압기의 1차측 및 2차측 전압 간의 위상차로서 0 내지 90도 범위로 제한된 값을 나타내고, M은 상기 제2 컨버터부의 출력 전압과 상단 입력 전압의 비를 나타낸다.
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