KR102633710B1 - 고효율 충전기 및 이를 구동하는 방법 - Google Patents

고효율 충전기 및 이를 구동하는 방법 Download PDF

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Abstract

고효율 충전기 및 이를 구동시키는 방법이 개시된다. 상기 충전기는 인버터,
상기 인버터에 연결되며, 상기 인버터로부터 출력된 직류전원을 변환하여 배터리를 충전시키는 컨버터 및 상기 인버터 및 상기 컨버터 중 적어도 하나의 동작을 제어하는 제어부를 포함한다. 여기서, 상기 컨버터의 입력으로 DC 링크 전압이 인가되며, 특정 배터리 전압 범위에서 상기 배터리의 전압에 따라 상기 DC 링크 전압이 가변된다.

Description

고효율 충전기 및 이를 구동하는 방법{HIGH-EFFICIENCY CHARGER AND METHOD OF DRIVING THE SAME}
본 발명은 고효율 충전기 및 이를 구동하는 방법에 관한 것이다.
플러그인 하이브리드 자동차와 전기 자동차에는 탑재형 완속충전기(OBC:On-Board Charger)가 탑재되어 있다.
기존의 OBC의 경우 전기자동차의 배터리 전압에 무관하게 DC링크 전압(DC-DC 컨버터 입력전압)을 일정한 전압으로 제어한다. 이러한 제어 방법은 고효율 동작 영역에서 DC/DC 컨버터가 공진 주파수에서 동작하는 것이 보장되지 않으며, 따라서 상기 OBC의 효율이 낮았다.
KR 10-2141100 B
본 발명은 고효율 충전기 및 이를 구동시키는 방법을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 충전기는 인버터; 상기 인버터에 연결되며, 상기 인버터로부터 출력된 직류전원을 변환하여 배터리를 충전시키는 컨버터; 및 상기 인버터 및 상기 컨버터 중 적어도 하나의 동작을 제어하는 제어부를 포함한다. 여기서, 상기 컨버터의 입력으로 DC 링크 전압이 인가되며, 특정 배터리 전압 범위에서 상기 배터리의 전압에 따라 상기 DC 링크 전압이 가변된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 인버터, 상기 인버터에 연결된 컨버터 및 상기 인버터와 상기 컨버터의 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 충전기를 구동하는 방법은 충전 모드시 상기 컨버터의 출력 전압으로 충전되는 배터리의 전압을 감지하는 단계; 상기 제어부는 상기 감지된 배터리의 전압에 따라 DC 링크 전압 지령을 결정하는 단계; 및 상기 제어부는 상기 결정된 DC 링크 전압 지령에 따라 상기 인버터의 스위치들을 제어하여 상기 컨버터의 입력인 DC 링크 전압을 가변시키는 단계를 포함한다. 여기서, 상기 DC 링크 전압은 특정 배터리 전압 범위에서 상기 배터리의 전압에 따라 가변되나 상기 컨버터의 스위칭 주파수 또는 듀티는 고정된다.
본 발명에 따른 충전기, 예를 들어 차량용 충전기는 양방향 충전기로서 고효율이 요구되는 배터리 전압 범위에서 DC/DC 컨버터의 입력인 DC 링크 전압을 선형적으로 가변시킨다. 결과적으로, 상기 DC/DC 컨버터가 공진 주파수 영역에서 동작할 수 있어서 상기 충전기의 효율이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 충전기의 구성을 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 제어 과정을 도시한 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 모드시 충전기 제어 과정을 도시한 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 방전 모드시 충전기 제어 과정을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 제어 블록을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 방전 제어 블록을 도시한 도면이다.
본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
본 발명은 충전기, 예를 들어 차량용 양방향 탑재형 충전기에 관한 것으로서, 고효율이 요구되는 특정 배터리 전압 범위에서 DC/DC 컨버터를 공진 주파수 영역에서 동작시켜 상기 충전기의 효율을 향상시킬 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 충전기는 고효율이 요청되는 배터리 전압 범위(예를 들어, 300V ~ 360V)에서 DC/DC 컨버터의 입력 전압인 DC 링크 전압을 선형적으로 조절하여 DC/DC 컨버터를 고효율 영역에서 동작시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 다양한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상술하겠다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 충전기의 구성을 도시한 블록도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 제어 과정을 도시한 회로도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 모드시 충전기 제어 과정을 도시한 회로도이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 방전 모드시 충전기 제어 과정을 도시한 도면이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 제어 블록을 도시한 도면이며, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 방전 제어 블록을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예의 충전기는 예를 들어 차량용 탑재형 완속 충전기(On-Board Charger, OBC)로서 단상 인버터(100), DC/DC 컨버터(102) 및 제어부(104)를 포함할 수 있다. 여기서, DC/DC 컨버터(102)의 입력 전압이 DC 링크 전압이며, 상기 충전기는 양방향 충전기일 수 있다.
인버터(100)는 교류전원을 직류전원으로 변환시키며, DC/DC 컨버터(102)는 입력되는 직류전원을 변환하여 배터리를 충전시킬 수 있다. 이 때, DC/DC 컨버터(102)는 스위치들의 스위칭을 통하여 출력 전압과 출력 전류를 조절할 수 있다.
제어부(104)는 DC/DC 컨버터(102)가 고효율 영역에서 동작하도록 인버터(100) 및 DC/DC 컨버터(102)를 제어할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제어부(104)는 도 4에 도시된 바와 같이 고효율이 요구되는 배터리 전압 범위(예를 들어 300V ~ 360V)에서는 DC 링크 전압을 예를 들어 375V ~ 450V까지 선형적으로 가변시킬 수 있다. 이 때, 상기 DC 링크 전압의 가변에 응답하여 배터리 전압도 선형적으로 가변될 수 있다. 즉, 상기 DC 링크 전압과 상기 배터리 전압은 일대일 대응할 수 있다.
도 4에서는 상기 배터리 전압은 (DC 링크 전압×0.8)에 해당할 수 있다. 한편, 상기 배터리 전압 범위와 상기 DC 링크 전압의 범위는 일 예이며, 설계에 따라 달라질 수 있다.
이러한 DC 링크 전압 조절시 DC/DC 컨버터(102)의 스위칭 주파수 또는 듀티를 고정하여 사용할 수 있다. 예를 들어, DC/DC 컨버터(102)가 공진형 컨버터인 경우 스위칭 주파수를 공진 주파수로 동작시키고, PWM 컨버터인 경우 스위치들을 동작시키는 PWM 신호를 고정 듀티로 사용할 수 있다. 즉, 상기 충전기는 상기 스위칭 주파수 또는 상기 듀티를 고정시키되 상기 DC 링크 전압 조절을 통하여 상기 배터리를 충전시킬 수 있다.
다만, 고효율이 요구되는 배터리 전압 범위를 벗어난 전압 범위(예를 들어, 300V 미만, 360V 초과)에서는 DC 링크 전압은 일정 전압을 사용하고 DC/DC 컨버터(102)의 스위칭 주파수를 가변시키거나 듀티를 가변시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 배터리 전압이 300V 미만에서는 상기 DC 링크 전압을 375V로 고정시키고 상기 스위칭 주파수나 듀티를 가변시키고, 상기 배터리 전압이 360V 초과에서는 상기 DC 링크 전압을 450V로 고정시키고 상기 스위칭 주파수나 듀티를 가변시킬 수 있다.
정리하면, 고효율이 요청되는 배터리 전압 범위에서는 배터리 전압에 기초하여 DC 링크 전압을 선형적으로 가변시키고, 상기 배터리 전압 범위 외의 전압 범위에서는 상기 DC 링크 전압으로 일정한 전압을 사용하고 DC/DC 컨버터(102)의 스위칭 주파수나 듀티를 가변시킬 수 있다.
다만, 고효율이 요청되는 배터리 전압 범위는 차량에 따라 다를 수 있으나, 제어 방법은 동일하다.
DC/DC 컨버터(102)를 공진형 컨버터의 일종인 CLLLC 컨버터로 가정하면, 스위칭 주파수와 공진 주파수가 일치할 때 DC/DC 컨버터(102)의 출력 전압은 하기 수학식 1과 같다.
여기서, Vin은 DC/DC 컨버터(102)의 입력전압이며, NS/NP는 변압기의 턴비를 의미한다.
상기 변압기의 턴비(NS/NP)는 일정하므로, 출력전압에 영향을 주는 파라미터는 DC/DC 컨버터의 입력전압, 즉 DC 링크 전압이다. 따라서, 상기 충전기는 상기 DC 링크 전압을 조절하여 DC/DC 컨버터(102)를 공진 주파수 영역에서 스위칭시킬 수 있다. 즉, DC/DC 컨버터(102)의 공진 주파수 영역에서의 동작이 보장되며, 따라서 상기 충전기의 효율이 우수하다.
종래의 충전기는 일정한 DC 링크 전압을 사용하므로, 고효율 배터리 동작 범위에서 공진 주파수 영역에서의 동작이 보장되지 않는다. 결과적으로, 상기 충전기의 효율이 낮다.
이하, 상기 충전기의 구체적인 제어 과정을 살펴보겠다. DC/DC 컨버터(102)는 설명의 편의를 위하여 공진형 컨버터로서 CLLLC 컨버터라 가정하겠다.
도 2를 참조하여 충전 모드를 살펴보면, 제어부(104)는 배터리 전압에 기초하여 DC 링크 전압 지령을 결정할 수 있다. 여기서, 상기 배터리 전압은 센서(미도시)에 의해 감지되어 제어부(104)로 제공될 수 있다.
상기 DC 링크 전압 지령 계산은 하기 수학식 2와 같을 수 있다.
[수학식 2]
DC 링크 전압 지령=Vbattery×1.25
여기서, Vbattery는 배터리 전압을 나타내며, 제어변수(1.25)는 도 4에서 상기 배터리 전압과 상기 DC 링크 전압의 비율에 따라 산출된 값이다. 다만, 고효율 배터리 전압 범위가 다르면 제어변수도 달라질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제어부(104)는 DC 링크 전압 지령을 최소값 375V, 최대값 450V로 제한할 수 있다. 결과적으로, 상기 DC 링크 전압은 375V 내지 450V 범위에서 가변되며, 375V 미만 또는 450V 초과 범위에서는 고정될 수 있다.
이어서, 제어부(104)는 이러한 DC 링크 전압 지령에 따라 인버터(100)의 스위치들(S1H, S1L, S2H, S2L)의 동작을 제어할 수 있다. 여기서, 교류전원에 대하여 병렬로 연결된 제 1 스위치들(S1H, S1L)이 상보적으로 동작하고, 상기 교류전원에 대하여 병렬로 연결된 제 2 스위치들(S2H, S2L)이 상보적으로 동작할 수 있다. 다만, 인버터(100)의 회로는 도 2의 회로로 제한되지는 않는다.
DC/DC 컨버터(102) 제어 과정을 살펴보면, 제어부(104)는 DC/DC 컨버터(102)의 출력 전류와 출력 전압(배터리 전압)에 기초하여 DC/DC 컨버터(102)의 스위칭 주파수를 공진 주파수로 동작시킬 수 있다.
일 실시예에 따르면, DC/DC 컨버터(102)는 변압기, 상기 변압기 전단의 정류기로서 제 3 스위치들(Q1, Q2, Q3, Q4) 및 상기 변압기 후단의 제 4 스위치들(M1, M2, M3, M4)을 포함할 수 있다.
제어부(104)는 제 3 스위치들(Q1, Q2, Q3, Q4) 및 제 4 스위치들(M1, M2, M3, M4)의 동작을 제어하여 스위칭 주파수를 공진 주파수 영역에서 동작시킬 수 있다. 다만, DC/DC 컨버터(102)의 회로는 도 2의 회로로 제한되지는 않는다.
이러한 충전 모드를 위한 제어부(104)의 구성은 도 5에서 보여진다.
도 5에 도시된 바와 같이, 제어부(104)에 포함된 인버터 제어 블록(500)은 전압 리미터, 합산기, 전압 PI 제어부, 전류 PI 제어부 및 PWM 생성부를 포함할 수 있다.
또한, 제어부(104)에 포함된 컨버터 제어 블록(502)은 합산기, 전압 PI 제어부, 멀티플렉스, 합산기, 전류 PI 제어부, 주파수 리미터 및 PFM 동작부를 포함할 수 있다.
다만, 인버터 제어 블록(500) 및 컨버터 제어 블록(502)은 일 예이며, 위의 동작을 하는 한 다양하게 변형될 수 있다.
도 3을 참조하여 방전 모드를 살펴보면, 제어부(104)는 배터리 전압에 기초하여 DC 링크 전압 지령을 결정할 수 있다. 여기서, 상기 배터리 전압은 센서(미도시)에 의해 감지되어 제어부(104)로 제공될 수 있다. 상기 DC 링크 전압 지령 계산은 수학식 2와 같을 수 있다.
이러한 DC 링크 전압 지령은 최소값 375V, 최대값 450V로 제한되며, 컨버터 제어 블록(602)이 DC 링크 전압을 가변시킬 수 있다. 이 때, DC/DC 컨버터(102)의 스위칭 주파수는 공진 주파수 영역에서 동작할 수 있다.
인버터(100)는 외부 전력 지령을 받아 전류 제어기를 통하여 계통으로 전력을 방전할 수 있다.
이러한 방전 모드를 위한 제어부(104)의 구성은 도 6에서 보여진다.
도 6에 도시된 바와 같이, 제어부(104)에 포함된 인버터 제어 블록(600)은 합산기, 전류 PI 제어부 및 PWM 생성부를 포함할 수 있다.
또한, 제어부(104)에 포함된 컨버터 제어 블록(602)은 전압 리미터, 합산기, 전압 PI 제어부, 주파수 리미터 및 PFM 동작부를 포함할 수 있다.
다만, 인버터 제어 블록(600) 및 컨버터 제어 블록(602)은 일 예이며, 위의 동작을 하는 한 다양하게 변형될 수 있다.
한편, 전술된 실시예의 구성 요소는 프로세스적인 관점에서 용이하게 파악될 수 있다. 즉, 각각의 구성 요소는 각각의 프로세스로 파악될 수 있다. 또한 전술된 실시예의 프로세스는 장치의 구성 요소 관점에서 용이하게 파악될 수 있다.
또한 앞서 설명한 기술적 내용들은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예들을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 하드웨어 장치는 실시예들의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
상기한 본 발명의 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
100 : 단상 인버터 102 : DC/DC 컨버터
104 : 제어부

Claims (10)

  1. 인버터;
    상기 인버터에 연결되며, 상기 인버터로부터 출력된 직류전원을 변환하여 배터리를 충전시키는 컨버터; 및
    상기 인버터 및 상기 컨버터 중 적어도 하나의 동작을 제어하는 제어부를 포함하되,
    상기 컨버터의 입력으로 DC 링크 전압이 인가되며, 상대적으로 고효율이 요구되는 특정 배터리 전압 범위에서 상기 배터리의 전압에 따라 상기 DC 링크 전압이 가변되고 상기 DC 링크 전압이 가변될 동안 상기 컨버터의 스위칭 주파수 또는 상기 컨버터의 스위치들을 제어하는 PWM 신호의 듀티는 고정되며,
    상대적으로 고효율이 요구되지 않는 상기 특정 배터리 전압 범위 외의 전압 범위에서는 상기 DC 링크 전압은 고정되며 상기 컨버터의 스위칭 주파수 또는 듀티가 가변되는 것을 특징으로 하는 충전기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 컨버터는 DC/DC 컨버터이되,
    상기 DC 링크 전압은 상기 배터리의 전압에 따라 선형적으로 가변되며, 상기 배터리의 전압은 상기 DC 링크 전압에 일대일 대응하는 것을 특징으로 하는 충전기.
  3. 제2항에 있어서, 상기 충전기는 차량용 충전기이되,
    상기 DC 링크 전압은 375V 내지 450V의 범위를 가지며, 상기 배터리의 전압은 300V 내지 360V의 범위를 가지는 것을 특징으로 하는 충전기.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서, 상기 제어부는 상기 배터리의 전압에 따라 DC 링크 전압 지령을 생성하고, 상기 생성된 DC 링크 전압 지령을 따라 상기 인버터의 스위치들의 스위칭 동작을 제어하여 상기 DC 링크 전압을 가변시키는 것을 특징으로 하는 충전기.
  7. 인버터, 상기 인버터에 연결된 컨버터 및 상기 인버터와 상기 컨버터의 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 충전기를 구동하는 방법에 있어서,
    충전 모드시 상기 컨버터의 출력 전압으로 충전되는 배터리의 전압을 감지하는 단계;
    상기 제어부는 상기 감지된 배터리의 전압에 따라 DC 링크 전압 지령을 결정하는 단계; 및
    상기 제어부는 상기 결정된 DC 링크 전압 지령에 따라 상기 인버터의 스위치들을 제어하여 상기 컨버터의 입력인 DC 링크 전압을 가변시키는 단계를 포함하되,
    상기 DC 링크 전압은 상대적으로 고효율이 요구되는 특정 배터리 전압 범위에서 상기 배터리의 전압에 따라 가변되나 상기 컨버터의 스위칭 주파수 또는 듀티는 고정되며,
    상대적으로 고효율이 요구되지 않는 상기 특정 배터리 전압 범위 외의 전압 범위에서는 상기 DC 링크 전압은 고정되며 상기 컨버터의 스위칭 주파수 또는 듀티가 가변되는 것을 특징으로 하는 충전기 구동 방법.
  8. 삭제
  9. 제7항에 있어서,
    상기 DC 링크 전압 지령을 기설정 최소값 및 기설정 최대값으로 제하는 단계;
    상기 컨버터의 출력 전압과 출력 전류를 감지하는 단계; 및
    상기 제어부는 상기 감지된 출력 전압과 출력 전류에 따라 상기 컨버터의 스위칭 주파수를 공진 주파수로 동작시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 충전기 구동 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    방전 모드시 상기 배터리의 전압에 따라 DC 링크 전압 지령을 결정하는 단계; 및
    상기 결정된 DC 링크 전압 지령을 기설정 최소값 및 기설정 최대값으로 제한하는 단계;
    상기 제한된 DC 링크 전압 지령에 따라 상기 컨버터를 제어하여 상기 DC 링크 전압을 가변시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 충전기 구동 방법.






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