KR102644445B1 - 충전 시 전기차용 배터리의 전류 리플 제거를 위한 위상 천이 풀 브릿지 컨버터 및 그 이용 방법 - Google Patents

충전 시 전기차용 배터리의 전류 리플 제거를 위한 위상 천이 풀 브릿지 컨버터 및 그 이용 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 충전 시 전기차용 배터리의 전류 리플 제거를 위한 위상 천이 풀 브릿지 컨버터 및 그 이용 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 충전 시 전기차용 배터리의 전류 리플 제거를 위한 위상 천이 풀 브릿지 컨버터로서, 미리 설정된 충전 전압으로 변환된 직류 전력을 전기차용 배터리에 공급하기 위한 제1 풀 브릿지 컨버터; 상기 제1 풀 브릿지 컨버터와 병렬로 연결 접속되어, 출력 전류 리플이 저감될 수 있도록 상기 제1 풀 브릿지 컨버터와 인터리빙(interleaving)으로 동작되는 제2 풀 브릿지 컨버터; 및 상기 제1 풀 브릿지 컨버터와 제2 풀 브릿지 컨버터의 병렬로 연결 접속되는 양 단으로 전기차용 배터리가 연결되어 충전되는 충전부를 포함하는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 특징에 따른 충전 시 전기차용 배터리의 전류 리플 제거를 위한 위상 천이 풀 브릿지 컨버터의 이용 방법은, 충전 시 전기차용 배터리의 전류 리플 제거를 위한 위상 천이 풀 브릿지 컨버터의 이용 방법으로서, (1) 충전부에 충전을 위한 전기차용 배터리가 연결되는 단계; (2) 제1 풀 브릿지 컨버터가 상기 단계 (1)을 통해 연결된 전기차용 배터리의 충전을 위해 미리 설정된 충전 전압으로 변환된 직류 전력을 전기차용 배터리에 공급하는 단계; 및 (3) 제2 풀 브릿지 컨버터가 상기 제1 풀 브릿지 컨버터와 병렬로 연결 접속되어, 출력 전류 리플이 저감될 수 있도록 상기 제1 풀 브릿지 컨버터와 인터리빙(interleaving)으로 동작되는 단계를 포함하는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.
본 발명에서 제안하고 있는 충전 시 전기차용 배터리의 전류 리플 제거를 위한 위상 천이 풀 브릿지 컨버터 및 그 이용 방법에 따르면, 미리 설정된 충전 전압으로 변환된 직류 전력을 전기차용 배터리에 공급하기 위한 제1 풀 브릿지 컨버터와, 제1 풀 브릿지 컨버터와 병렬로 연결 접속되어, 출력 전류 리플이 저감될 수 있도록 제1 풀 브릿지 컨버터와 인터리빙(interleaving)으로 동작되는 제2 풀 브릿지 컨버터와, 제1 풀 브릿지 컨버터와 제2 풀 브릿지 컨버터의 병렬로 연결 접속되는 양 단으로 전기차용 배터리가 연결되어 충전되는 충전부를 포함하여 구성함으로써, 배터리를 충전하기 위한 전류의 리플이 저감되어 배터리의 전류 스트레스가 저감되고, 동시에 기존의 하드 스위칭 제어를 통한 풀 브릿지 컨버터에 비해 높은 전력변환 효율을 달성할 수 있도록 할 수 있다.
또한, 본 발명의 충전 시 전기차용 배터리의 전류 리플 제거를 위한 위상 천이 풀 브릿지 컨버터 및 그 이용 방법에 따르면, 두 개의 풀 브릿지 형태의 컨버터를 병렬로 구성하고, 출력 전류 리플을 제거하기 위해 두 개의 풀 브릿지 형태의 컨버터를 인터리빙으로 동작시켜 출력 전류 리플을 저감시키고, 양방향 전력 전달이 가능하도록 구성함으로써, 양방향으로 위상 천이 풀 브릿지 제어를 통해 양방향 모두 ZVS가 가능하며, 공진형 컨버터에 비해 제어가 쉽고, V2G 기술을 실현하는 회로 구성으로 적용될 수 있도록 할 수 있다.

Description

충전 시 전기차용 배터리의 전류 리플 제거를 위한 위상 천이 풀 브릿지 컨버터 및 그 이용 방법{PHASE-SHIFTED FULL-BRIDGE CONVERTER TO ELIMINATE CURRENT RIPPLE IN EV BATTERIES DURING CHARGING AND METHOD OF USING THE SAME}
본 발명은 충전 시 전기차용 배터리의 전류 리플 제거를 위한 위상 천이 풀 브릿지 컨버터 및 그 이용 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 두 개의 풀 브릿지 형태의 컨버터를 병렬로 구성하고, 출력 전류 리플을 제거하기 위해 두 개의 풀 브릿지 형태의 컨버터를 인터리빙 동작을 통해 출력 전류 리플을 저감하고, 양방향 전력 전달이 가능하도록 하는 충전 시 전기차용 배터리의 전류 리플 제거를 위한 위상 천이 풀 브릿지 컨버터 및 그 이용 방법에 관한 것이다.
현재 온실가스 배출의 가장 큰 원인 중 하나인 자동차에 대하여 각종 규제에 대응하여 자동차 산업계에서는 이에 대응하여 전기 자동차(Electric Vehicle; EV), 하이브리드 자동차(Hybrid Electric Vehicle; HEV), 플러그인 하이브리드 자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle; PHEV) 등의 개발에 박차를 가하고 있다. 이러한 전기 자동차 등은 전기 에너지를 2차 전지인 배터리에 축적하고, 모터를 이용하여 전기 에너지를 동력 에너지로 변환한다. 이때 전기 에너지를 배터리에 충전하는 방식으로는 직류 고전압의 전력(약 50kW 이상)을 배터리에 직접 인가하여 충전하는 급속 충전 방식과, 상용 교류 전압을 가진 교류 전력을 인가하는 완속 충전 방식이 있다.
일반적인 전기 자동차용 충전 장치는 DC/DC 컨버터로서 주로 풀 브릿지 컨버터(Full Bridge Converter)를 사용한다. 이러한 풀 브릿지 컨버터에 포함된 수동 소자 부품의 소자 파라미터는 DC/DC 컨버터에 입력되는 PWM 신호의 듀티비가 최대일 때 충전 시스템의 효율이 최대가 되도록 설계되는 것이 일반적이다. 결국, 일반적인 전기 자동차용 충전 장치는 PFC 회로의 출력 전압을 약 400V로 고정한 후, DC/DC 컨버터에 있어서 충전 전압을 조절하는 형태를 가진다.
그러나 충전 전압의 조절은 DC/DC 컨버터에 있어서 PWM 신호의 듀티비 조절에 의하므로, DC/DC 컨버터 내부의 리플(ripple) 전류의 상승을 초래하고, 스위칭 소자에 있어서 스위칭 손실 등을 일으키게 되는 문제가 있었다. 즉, 기존의 위상 천이 풀 브릿지(PSFB) 컨버터는 단방향 파워링(powering)이 가능한 회로 구성으로, 1차 측의 스위칭 손실을 최소화는 가능하나, 2차 측의 전파 정류회로는 다이오드로 구성되어 있어 역방향 파워링이 불가능한 문제가 있었다. 대한민국 등록특허공보 제10-1558794호가 선행기술 문헌으로 개시되고 있다.
본 발명은 기존에 제안된 방법들의 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 미리 설정된 충전 전압으로 변환된 직류 전력을 전기차용 배터리에 공급하기 위한 제1 풀 브릿지 컨버터와, 제1 풀 브릿지 컨버터와 병렬로 연결 접속되어, 출력 전류 리플이 저감될 수 있도록 제1 풀 브릿지 컨버터와 인터리빙(interleaving)으로 동작되는 제2 풀 브릿지 컨버터와, 제1 풀 브릿지 컨버터와 제2 풀 브릿지 컨버터의 병렬로 연결 접속되는 양 단으로 전기차용 배터리가 연결되어 충전되는 충전부를 포함하여 구성함으로써, 배터리를 충전하기 위한 전류의 리플이 저감되어 배터리의 전류 스트레스가 저감되고, 동시에 기존의 하드 스위칭 제어를 통한 풀 브릿지 컨버터에 비해 높은 전력변환 효율을 달성할 수 있도록 하는, 충전 시 전기차용 배터리의 전류 리플 제거를 위한 위상 천이 풀 브릿지 컨버터 및 그 이용 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 두 개의 풀 브릿지 형태의 컨버터를 병렬로 구성하고, 출력 전류 리플을 제거하기 위해 두 개의 풀 브릿지 형태의 컨버터를 인터리빙으로 동작시켜 출력 전류 리플을 저감시키고, 양방향 전력 전달이 가능하도록 구성함으로써, 양방향으로 위상 천이 풀 브릿지 제어를 통해 양방향 모두 ZVS가 가능하며, 공진형 컨버터에 비해 제어가 쉽고, V2G 기술을 실현하는 회로 구성으로 적용될 수 있도록 하는, 충전 시 전기차용 배터리의 전류 리플 제거를 위한 위상 천이 풀 브릿지 컨버터 및 그 이용 방법을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 충전 시 전기차용 배터리의 전류 리플 제거를 위한 위상 천이 풀 브릿지 컨버터는,
충전 시 전기차용 배터리의 전류 리플 제거를 위한 위상 천이 풀 브릿지 컨버터로서,
미리 설정된 충전 전압으로 변환된 직류 전력을 전기차용 배터리에 공급하기 위한 제1 풀 브릿지 컨버터;
상기 제1 풀 브릿지 컨버터와 병렬로 연결 접속되어, 출력 전류 리플이 저감될 수 있도록 상기 제1 풀 브릿지 컨버터와 인터리빙(interleaving)으로 동작되는 제2 풀 브릿지 컨버터; 및
상기 제1 풀 브릿지 컨버터와 제2 풀 브릿지 컨버터의 병렬로 연결 접속되는 양 단으로 전기차용 배터리가 연결되어 충전되는 충전부를 포함하는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 위상 천이 풀 브릿지 컨버터는,
상기 제1 풀 브릿지 컨버터와 제2 풀 브릿지 컨버터를 병렬로 연결 접속하여 인터리빙 동작을 통해 출력 전류 리플을 저감하되, 양방향 충전이 가능하도록 기능할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1 및 제2 풀 브릿지 컨버터 각각은,
컨버터 1차 측과 2차 측이 모두 MOSFET로 구성되어, 역방향 파워링(powering)이 가능하도록 기능할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1 및 제2 풀 브릿지 컨버터 각각은,
두 개의 동일한 회로가 병렬로 결성되어 동일한 입력과 출력을 갖도록 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1 및 제2 풀 브릿지 컨버터 각각은,
MOSFET로 구성하되, MOSFET 간의 게이트 신호는 서로 180°의 위상차를 갖고 동작할 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 제1 및 제2 풀 브릿지 컨버터 각각은,
서로 180°의 위상차를 가지고 동작하기 때문에 2차 측 전류는 출력에서 중첩되어 이상적으로 전류 리플률이 0에 근사할 수 있다.
더욱 더 바람직하게는, 상기 제1 및 제2 풀 브릿지 컨버터 각각은,
서로 180°의 위상차를 가지고 동작하여 인덕터 없이 전류 리플률을 저감하는 것이 가능하도록 기능할 수 있다.
더욱 더 바람직하게는, 상기 제1 및 제2 풀 브릿지 컨버터 각각은,
양방향 ZVS(Zero-Voltage Switching)가 가능하도록 기능할 수 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 충전 시 전기차용 배터리의 전류 리플 제거를 위한 위상 천이 풀 브릿지 컨버터의 이용 방법은,
충전 시 전기차용 배터리의 전류 리플 제거를 위한 위상 천이 풀 브릿지 컨버터의 이용 방법으로서,
(1) 충전부에 충전을 위한 전기차용 배터리가 연결되는 단계;
(2) 제1 풀 브릿지 컨버터가 상기 단계 (1)을 통해 연결된 전기차용 배터리의 충전을 위해 미리 설정된 충전 전압으로 변환된 직류 전력을 전기차용 배터리에 공급하는 단계; 및
(3) 제2 풀 브릿지 컨버터가 상기 제1 풀 브릿지 컨버터와 병렬로 연결 접속되어, 출력 전류 리플이 저감될 수 있도록 상기 제1 풀 브릿지 컨버터와 인터리빙(interleaving)으로 동작되는 단계를 포함하는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 위상 천이 풀 브릿지 컨버터는,
상기 제1 풀 브릿지 컨버터와 제2 풀 브릿지 컨버터를 병렬로 연결 접속하여 인터리빙 동작을 통해 출력 전류 리플을 저감하되, 양방향 충전이 가능하도록 기능할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1 및 제2 풀 브릿지 컨버터 각각은,
컨버터 1차 측과 2차 측이 모두 MOSFET로 구성되어, 역방향 파워링(powering)이 가능하도록 기능할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1 및 제2 풀 브릿지 컨버터 각각은,
두 개의 동일한 회로가 병렬로 결성되어 동일한 입력과 출력을 갖도록 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1 및 제2 풀 브릿지 컨버터 각각은,
MOSFET로 구성하되, MOSFET 간의 게이트 신호는 서로 180°의 위상차를 갖고 동작할 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 제1 및 제2 풀 브릿지 컨버터 각각은,
서로 180°의 위상차를 가지고 동작하기 때문에 2차 측 전류는 출력에서 중첩되어 이상적으로 전류 리플률이 0에 근사할 수 있다.
더욱 더 바람직하게는, 상기 제1 및 제2 풀 브릿지 컨버터 각각은,
서로 180°의 위상차를 가지고 동작하여 인덕터 없이 전류 리플률을 저감하는 것이 가능하도록 기능할 수 있다.
더욱 더 바람직하게는, 상기 제1 및 제2 풀 브릿지 컨버터 각각은,
양방향 ZVS(Zero-Voltage Switching)가 가능하도록 기능할 수 있다.
본 발명에서 제안하고 있는 충전 시 전기차용 배터리의 전류 리플 제거를 위한 위상 천이 풀 브릿지 컨버터 및 그 이용 방법에 따르면, 미리 설정된 충전 전압으로 변환된 직류 전력을 전기차용 배터리에 공급하기 위한 제1 풀 브릿지 컨버터와, 제1 풀 브릿지 컨버터와 병렬로 연결 접속되어, 출력 전류 리플이 저감될 수 있도록 제1 풀 브릿지 컨버터와 인터리빙(interleaving)으로 동작되는 제2 풀 브릿지 컨버터와, 제1 풀 브릿지 컨버터와 제2 풀 브릿지 컨버터의 병렬로 연결 접속되는 양 단으로 전기차용 배터리가 연결되어 충전되는 충전부를 포함하여 구성함으로써, 배터리를 충전하기 위한 전류의 리플이 저감되어 배터리의 전류 스트레스가 저감되고, 동시에 기존의 하드 스위칭 제어를 통한 풀 브릿지 컨버터에 비해 높은 전력변환 효율을 달성할 수 있도록 할 수 있다.
또한, 본 발명의 충전 시 전기차용 배터리의 전류 리플 제거를 위한 위상 천이 풀 브릿지 컨버터 및 그 이용 방법에 따르면, 두 개의 풀 브릿지 형태의 컨버터를 병렬로 구성하고, 출력 전류 리플을 제거하기 위해 두 개의 풀 브릿지 형태의 컨버터를 인터리빙으로 동작시켜 출력 전류 리플을 저감시키고, 양방향 전력 전달이 가능하도록 구성함으로써, 양방향으로 위상 천이 풀 브릿지 제어를 통해 양방향 모두 ZVS가 가능하며, 공진형 컨버터에 비해 제어가 쉽고, V2G 기술을 실현하는 회로 구성으로 적용될 수 있도록 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 충전 시 전기차용 배터리의 전류 리플 제거를 위한 위상 천이 풀 브릿지 컨버터의 구성을 기능블록으로 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 충전 시 전기차용 배터리의 전류 리플 제거를 위한 위상 천이 풀 브릿지 컨버터의 기능블록의 회로 결선도를 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 충전 시 전기차용 배터리의 전류 리플 제거를 위한 위상 천이 풀 브릿지 컨버터에 전기차용 배터리가 일 측에 연결되는 구성을 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 충전 시 전기차용 배터리의 전류 리플 제거를 위한 위상 천이 풀 브릿지 컨버터에 전기차용 배터리가 타 측에 연결되는 구성을 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 충전 시 전기차용 배터리의 전류 리플 제거를 위한 위상 천이 풀 브릿지 컨버터의 회로 구성을 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 충전 시 전기차용 배터리의 전류 리플 제거를 위한 위상 천이 풀 브릿지 컨버터의 비 인터리브 구조의 정방향 동작 출력 전류를 도시한 도면.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 충전 시 전기차용 배터리의 전류 리플 제거를 위한 위상 천이 풀 브릿지 컨버터의 인터리브 구조의 정방향 동작 출력 전류를 도시한 도면.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 충전 시 전기차용 배터리의 전류 리플 제거를 위한 위상 천이 풀 브릿지 컨버터의 이용 방법의 흐름을 도시한 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 ‘연결’ 되어 있다고 할 때, 이는 ‘직접적으로 연결’ 되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 ‘간접적으로 연결’ 되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 ‘포함’ 한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 충전 시 전기차용 배터리의 전류 리플 제거를 위한 위상 천이 풀 브릿지 컨버터의 구성을 기능블록으로 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 충전 시 전기차용 배터리의 전류 리플 제거를 위한 위상 천이 풀 브릿지 컨버터의 기능블록의 회로 결선도를 도시한 도면이며, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 충전 시 전기차용 배터리의 전류 리플 제거를 위한 위상 천이 풀 브릿지 컨버터에 전기차용 배터리가 일 측에 연결되는 구성을 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 충전 시 전기차용 배터리의 전류 리플 제거를 위한 위상 천이 풀 브릿지 컨버터에 전기차용 배터리가 타 측에 연결되는 구성을 도시한 도면이며, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 충전 시 전기차용 배터리의 전류 리플 제거를 위한 위상 천이 풀 브릿지 컨버터의 회로 구성을 도시한 도면이다. 도 1 내지 도 5에 각각 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 충전 시 전기차용 배터리의 전류 리플 제거를 위한 위상 천이 풀 브릿지 컨버터(100)는, 미리 설정된 충전 전압으로 변환된 직류 전력을 전기차용 배터리(101)에 공급하기 위한 제1 풀 브릿지 컨버터(110)와, 제1 풀 브릿지 컨버터(110)와 병렬로 연결 접속되어, 출력 전류 리플이 저감될 수 있도록 제1 풀 브릿지 컨버터(110)와 인터리빙(interleaving)으로 동작되는 제2 풀 브릿지 컨버터(120)와, 제1 풀 브릿지 컨버터(110)와 제2 풀 브릿지 컨버터(120)의 병렬로 연결 접속되는 양 단으로 전기차용 배터리(101)가 연결되어 충전되는 충전부(130)를 포함하여 구성될 수 있다. 이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 충전 시 전기차용 배터리의 전류 리플 제거를 위한 위상 천이 풀 브릿지 컨버터에 대해 상세히 설명하기로 한다.
제1 풀 브릿지 컨버터(110)는, 미리 설정된 충전 전압으로 변환된 직류 전력을 전기차용 배터리(101)에 공급하기 위한 컨버터의 구성이다. 이러한 제1 풀 브릿지 컨버터(110)는 컨버터 1차 측과 2차 측이 모두 MOSFET로 구성되어, 역방향 파워링(powering)이 가능하도록 기능할 수 있다.
제2 풀 브릿지 컨버터(120)는, 제1 풀 브릿지 컨버터(110)와 병렬로 연결 접속되어, 출력 전류 리플이 저감될 수 있도록 제1 풀 브릿지 컨버터(110)와 인터리빙(interleaving)으로 동작되는 컨버터의 구성이다. 이러한 제2 풀 브릿지 컨버터(120)는 컨버터 1차 측과 2차 측이 모두 MOSFET로 구성되어, 역방향 파워링(powering)이 가능하도록 기능할 수 있다.
이와 같이, 위상 천이 풀 브릿지 컨버터(100)는 제1 풀 브릿지 컨버터(110)와 제2 풀 브릿지 컨버터(120)를 병렬로 연결 접속하여 인터리빙 동작을 통해 출력 전류 리플을 저감하되, 양방향 충전이 가능하도록 기능할 수 있다.
또한, 제1 및 제2 풀 브릿지 컨버터(110, 120) 각각은 두 개의 동일한 회로가 병렬로 결성되어 동일한 입력과 출력을 갖도록 할 수 있다.
또한, 제1 및 제2 풀 브릿지 컨버터(110, 120) 각각은 MOSFET로 구성하되, MOSFET 간의 게이트 신호는 서로 180°의 위상차를 갖고 동작할 수 있다. 여기서, 제1 및 제2 풀 브릿지 컨버터(110, 120) 각각은 서로 180°의 위상차를 가지고 동작하기 때문에 2차 측 전류는 출력에서 중첩되어 이상적으로 전류 리플률이 0에 근사할 수 있다.
또한, 제1 및 제2 풀 브릿지 컨버터(110, 120) 각각은 서로 180°의 위상차를 가지고 동작하여 인덕터 없이 전류 리플률을 저감하는 것이 가능하도록 기능할 수 있다. 또한, 제1 및 제2 풀 브릿지 컨버터(110, 120) 각각은 양방향 ZVS(Zero-Voltage Switching)가 가능하도록 기능할 수 있다. 또한, 인덕터를 사용할 때보다 인터리빙 구조를 적용했을 때가 전류 리플률이 더 작아, 충전 시 충전회로의 배터리의 전류 리플률이 더 작게 될 수 있다.
충전부(130)는, 제1 풀 브릿지 컨버터(110)와 제2 풀 브릿지 컨버터(120)의 병렬로 연결 접속되는 양 단으로 전기차용 배터리(101)가 연결되어 충전되는 구성이다. 이러한 충전부(130)는 제1 및 제2 풀 브릿지 컨버터(110, 120)의 양 단으로 각각 설치되는 2개로 구성될 수 있다. 여기서, 충전부(130) 각각은 전기차용 배터리(101)에 충전 전압을 정류하여 공급할 수 있는 4개의 커패시터의 조합으로 구성될 수 있다.
이와 같이, 미리 설정된 충전 전압으로 변환된 직류 전력을 전기차용 배터리(101)에 공급하기 위한 제1 풀 브릿지 컨버터(110)와, 제1 풀 브릿지 컨버터(110)와 병렬로 연결 접속되어, 출력 전류 리플이 저감될 수 있도록 제1 풀 브릿지 컨버터(110)와 인터리빙(interleaving)으로 동작되는 제2 풀 브릿지 컨버터(120)와, 제1 풀 브릿지 컨버터(110)와 제2 풀 브릿지 컨버터(120)의 병렬로 연결 접속되는 양 단으로 전기차용 배터리(101)가 연결되어 충전되는 충전부(130)를 포함하는 위상 천이 풀 브릿지 컨버터(100)는 양방향 전력 전달이 가능함에 따른 V2G(Vehicle-to-Grid) 기술의 실현이 가능하도록 할 수 있다. 또한, 배터리를 충전하기 위한 전류의 리플이 저감되어 배터리의 전류 스트레스를 저감할 수 있음과 동시에 기존의 하드 스위칭 제어를 통한 풀 브릿지 컨버터에 비해 높은 전력변환 효율을 달성할 수 있도록 기능할 수 있다. 또한, 두 개의 풀 브릿지 형태의 컨버터를 병렬로 구성하여 인터리빙 동작을 통해 출력 전류 리플을 저감함에 따라 공진형 컨버터에 비해 제어가 쉽고, V2G 기술을 실현하는 회로 구성으로 적용될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 충전 시 전기차용 배터리의 전류 리플 제거를 위한 위상 천이 풀 브릿지 컨버터의 비 인터리브 구조의 정방향 동작 출력 전류를 도시한 도면이고, 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 충전 시 전기차용 배터리의 전류 리플 제거를 위한 위상 천이 풀 브릿지 컨버터의 인터리브 구조의 정방향 동작 출력 전류를 도시한 도면이다. 도 6 및 도 7에 각각 도시된 바와 같이, 인터리브 구조를 통해 정 방향 동작 시, 전류 리플률이 저감됨을 시뮬레이션을 통해 확인하였다. 즉, 비 인터리브 구조적용 시, 출력 전류 리플은 0.25A이고, 인터리브 구조적용 시, 출력 전류 리플은 0.15A로 나타났다. 또한, 인터리브 구조를 통해 정방향 동작 시, 출력 전류의 RMS치가 저감되고, 각 시스템 도통 손실이 감소하며, 이를 통한 시스템 효율 증가와 함께 시스템 발열 개선이 가능하다. 즉, 비 인터리브 구조적용 시, 출력 전류 RMS는 5.97A이고, 인터리브 구조적용 시, 출력 전류 RMS는 4.815A로 나타났다. 이와 같이, 부하가 커질수록 전류 리플률이 더 감소하고, 비 인터리브 구조 대비 더 높은 부하에서 발열 현상이 더 낮음을 확인할 수 있었다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 충전 시 전기차용 배터리의 전류 리플 제거를 위한 위상 천이 풀 브릿지 컨버터의 이용 방법의 흐름을 도시한 도면이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 충전 시 전기차용 배터리의 전류 리플 제거를 위한 위상 천이 풀 브릿지 컨버터의 이용 방법은, 충전부에 충전을 위한 전기차용 배터리가 연결되는 단계(S110), 제1 풀 브릿지 컨버터 단계 S110을 통해 연결된 전기차용 배터리의 충전을 위해 미리 설정된 충전 전압으로 변환된 직류 전력을 전기차용 배터리에 공급하는 단계(S120), 및 제2 풀 브릿지 컨버터가 제1 풀 브릿지 컨버터와 병렬로 연결 접속되어, 출력 전류 리플이 저감될 수 있도록 제1 풀 브릿지 컨버터와 인터리빙(interleaving)으로 동작되는 단계(S130)를 포함하여 구현될 수 있다.
단계 S110에서는, 충전부(130)에 충전을 위한 전기차용 배터리(101)가 연결된다. 이러한 단계 S110에서의 충전부(130)는 제1 및 제2 풀 브릿지 컨버터(110, 120)의 양 단으로 각각 설치되는 2개로 구성될 수 있다. 여기서, 충전부(130) 각각은 전기차용 배터리(101)에 충전 전압을 정류하여 공급할 수 있는 4개의 커패시터의 조합으로 구성될 수 있다.
단계 S120에서는, 제1 풀 브릿지 컨버터(110)가 단계 S110을 통해 연결된 전기차용 배터리(101)의 충전을 위해 미리 설정된 충전 전압으로 변환된 직류 전력을 전기차용 배터리(101)에 공급한다. 이러한 단계 S120에서의 제1 풀 브릿지 컨버터(110)는 컨버터 1차 측과 2차 측이 모두 MOSFET로 구성되어, 역방향 파워링(powering)이 가능하도록 기능할 수 있다.
단계 S130에서는, 제2 풀 브릿지 컨버터(120)가 제1 풀 브릿지 컨버터(110)와 병렬로 연결 접속되어, 출력 전류 리플이 저감될 수 있도록 제1 풀 브릿지 컨버터(110)와 인터리빙(interleaving)으로 동작된다. 이러한 단계 S130에서의 제2 풀 브릿지 컨버터(120)는 컨버터 1차 측과 2차 측이 모두 MOSFET로 구성되어, 역방향 파워링(powering)이 가능하도록 기능할 수 있다.
이와 같이, 위상 천이 풀 브릿지 컨버터(100)는 제1 풀 브릿지 컨버터(110)와 제2 풀 브릿지 컨버터(120)를 병렬로 연결 접속하여 인터리빙 동작을 통해 출력 전류 리플을 저감하되, 양방향 충전이 가능하도록 기능할 수 있다. 여기서, 제1 및 제2 풀 브릿지 컨버터(110, 120) 각각은 두 개의 동일한 회로가 병렬로 결성되어 동일한 입력과 출력을 갖도록 할 수 있다.
또한, 제1 및 제2 풀 브릿지 컨버터(110, 120) 각각은 MOSFET로 구성하되, MOSFET 간의 게이트 신호는 서로 180°의 위상차를 갖고 동작할 수 있다. 여기서, 제1 및 제2 풀 브릿지 컨버터(110, 120) 각각은 서로 180°의 위상차를 가지고 동작하기 때문에 2차 측 전류는 출력에서 중첩되어 이상적으로 전류 리플률이 0에 근사할 수 있다.
또한, 제1 및 제2 풀 브릿지 컨버터(110, 120) 각각은 서로 180°의 위상차를 가지고 동작하여 인덕터 없이 전류 리플률을 저감하는 것이 가능하도록 기능할 수 있다. 또한, 제1 및 제2 풀 브릿지 컨버터(110, 120) 각각은 양방향 ZVS(Zero-Voltage Switching)가 가능하도록 기능할 수 있다. 또한, 인덕터를 사용할 때보다 인터리빙 구조를 적용했을 때가 전류 리플률이 더 작아, 충전 시 충전회로의 배터리의 전류 리플률이 더 작게 될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 충전 시 전기차용 배터리의 전류 리플 제거를 위한 위상 천이 풀 브릿지 컨버터 및 그 이용 방법은, 미리 설정된 충전 전압으로 변환된 직류 전력을 전기차용 배터리에 공급하기 위한 제1 풀 브릿지 컨버터와, 제1 풀 브릿지 컨버터와 병렬로 연결 접속되어, 출력 전류 리플이 저감될 수 있도록 제1 풀 브릿지 컨버터와 인터리빙(interleaving)으로 동작되는 제2 풀 브릿지 컨버터와, 제1 풀 브릿지 컨버터와 제2 풀 브릿지 컨버터의 병렬로 연결 접속되는 양 단으로 전기차용 배터리가 연결되어 충전되는 충전부를 포함하여 구성함으로써, 배터리를 충전하기 위한 전류의 리플이 저감되어 배터리의 전류 스트레스가 저감되고, 동시에 기존의 하드 스위칭 제어를 통한 풀 브릿지 컨버터에 비해 높은 전력변환 효율을 달성할 수 있도록 할 수 있으며, 특히, 두 개의 풀 브릿지 형태의 컨버터를 병렬로 구성하고, 출력 전류 리플을 제거하기 위해 두 개의 풀 브릿지 형태의 컨버터를 인터리빙으로 동작시켜 출력 전류 리플을 저감시키고, 양방향 전력 전달이 가능하도록 구성함으로써, 양방향으로 위상 천이 풀 브릿지 제어를 통해 양방향 모두 ZVS가 가능하며, 공진형 컨버터에 비해 제어가 쉽고, V2G 기술을 실현하는 회로 구성으로 적용될 수 있도록 할 수 있게 된다.
이상 설명한 본 발명은 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양한 변형이나 응용이 가능하며, 본 발명에 따른 기술적 사상의 범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야 할 것이다.
100: 본 발명의 일실시예에 따른 위상 천이 풀 브릿지 컨버터
101: 전기차용 배터리
110: 제1 풀 브릿지 컨버터
120: 제2 풀 브릿지 컨버터
130: 충전부
S110: 충전부에 충전을 위한 전기차용 배터리가 연결되는 단계
S120: 제1 풀 브릿지 컨버터 단계 S110을 통해 연결된 전기차용 배터리의 충전을 위해 미리 설정된 충전 전압으로 변환된 직류 전력을 전기차용 배터리에 공급하는 단계
S130: 제2 풀 브릿지 컨버터가 제1 풀 브릿지 컨버터와 병렬로 연결 접속되어, 출력 전류 리플이 저감될 수 있도록 제1 풀 브릿지 컨버터와 인터리빙(interleaving)으로 동작되는 단계

Claims (16)

  1. 충전 시 전기차용 배터리의 전류 리플 제거를 위한 위상 천이 풀 브릿지 컨버터(100)로서,
    미리 설정된 충전 전압으로 변환된 직류 전력을 전기차용 배터리(101)에 공급하기 위한 제1 풀 브릿지 컨버터(110);
    상기 제1 풀 브릿지 컨버터(110)와 병렬로 연결 접속되어, 출력 전류 리플이 저감될 수 있도록 상기 제1 풀 브릿지 컨버터(110)와 인터리빙(interleaving)으로 동작되는 제2 풀 브릿지 컨버터(120); 및
    상기 제1 풀 브릿지 컨버터(110)와 제2 풀 브릿지 컨버터(120)의 병렬로 연결 접속되는 양 단으로 전기차용 배터리(101)가 연결되어 충전되는 충전부(130)를 포함하되,
    상기 위상 천이 풀 브릿지 컨버터(100)는,
    상기 제1 풀 브릿지 컨버터(110)와 제2 풀 브릿지 컨버터(120)를 병렬로 연결 접속하여 인터리빙 동작을 통해 출력 전류 리플을 저감하되, 양방향 충전이 가능하도록 기능하고,
    상기 제1 및 제2 풀 브릿지 컨버터(110, 120) 각각은,
    컨버터 1차 측과 2차 측이 모두 MOSFET로 구성되어, 역방향 파워링(powering)이 가능하도록 기능하며,
    상기 제1 및 제2 풀 브릿지 컨버터(110, 120) 각각은,
    두 개의 동일한 회로가 병렬로 결성되어 동일한 입력과 출력을 갖도록 하고,
    상기 제1 및 제2 풀 브릿지 컨버터(110, 120) 각각은,
    MOSFET로 구성하되, MOSFET 간의 게이트 신호는 서로 180°의 위상차를 갖고 동작하며,
    상기 제1 및 제2 풀 브릿지 컨버터(110, 120) 각각은,
    서로 180°의 위상차를 가지고 동작하기 때문에 2차 측 전류는 출력에서 중첩되어 이상적으로 전류 리플률이 0에 근사하고,
    상기 제1 및 제2 풀 브릿지 컨버터(110, 120) 각각은,
    서로 180°의 위상차를 가지고 동작하여 인덕터 없이 전류 리플률을 저감하는 것이 가능하도록 기능하며,
    상기 제1 및 제2 풀 브릿지 컨버터(110, 120) 각각은,
    양방향 ZVS(Zero-Voltage Switching)가 가능하도록 기능하고,
    상기 제1 및 제2 풀 브릿지 컨버터(110, 120) 각각은,
    인덕터를 사용할 때 보다 인터리빙 구조를 적용했을 때가 전류 리플률이 더 작아, 충전 시 충전회로의 배터리의 전류 리플률이 더 작게 되도록 기능하고,
    상기 충전부(130)는,
    상기 제1 및 제2 풀 브릿지 컨버터(110, 120)의 양단으로 각각 설치되는 2개로 구성되며,
    상기 충전부(130) 각각은,
    전기차용 배터리(101)에 충전 전압을 정류하여 공급할 수 있는 4개의 커패시터 조합으로 구성되는 것을 특징으로 하는, 충전 시 전기차용 배터리의 전류 리플 제거를 위한 위상 천이 풀 브릿지 컨버터.
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  9. 충전 시 전기차용 배터리의 전류 리플 제거를 위한 위상 천이 풀 브릿지 컨버터(100)의 이용 방법으로서,
    (1) 충전부(130)에 충전을 위한 전기차용 배터리(101)가 연결되는 단계;
    (2) 제1 풀 브릿지 컨버터(110)가 상기 단계 (1)을 통해 연결된 전기차용 배터리(101)의 충전을 위해 미리 설정된 충전 전압으로 변환된 직류 전력을 전기차용 배터리(101)에 공급하는 단계;
    (3) 제2 풀 브릿지 컨버터(120)가 상기 제1 풀 브릿지 컨버터(110)와 병렬로 연결 접속되어, 출력 전류 리플이 저감될 수 있도록 상기 제1 풀 브릿지 컨버터(110)와 인터리빙(interleaving)으로 동작되는 단계를 포함하되,
    상기 위상 천이 풀 브릿지 컨버터(100)는,
    상기 제1 풀 브릿지 컨버터(110)와 제2 풀 브릿지 컨버터(120)를 병렬로 연결 접속하여 인터리빙 동작을 통해 출력 전류 리플을 저감하되, 양방향 충전이 가능하도록 기능하고,
    상기 제1 및 제2 풀 브릿지 컨버터(110, 120) 각각은,
    컨버터 1차 측과 2차 측이 모두 MOSFET로 구성되어, 역방향 파워링(powering)이 가능하도록 기능하며,
    상기 제1 및 제2 풀 브릿지 컨버터(110, 120) 각각은,
    두 개의 동일한 회로가 병렬로 결성되어 동일한 입력과 출력을 갖도록 하고,
    상기 제1 및 제2 풀 브릿지 컨버터(110, 120) 각각은,
    MOSFET로 구성하되, MOSFET 간의 게이트 신호는 서로 180°의 위상차를 갖고 동작하며,
    상기 제1 및 제2 풀 브릿지 컨버터(110, 120) 각각은,
    서로 180°의 위상차를 가지고 동작하기 때문에 2차 측 전류는 출력에서 중첩되어 이상적으로 전류 리플률이 0에 근사하고,
    상기 제1 및 제2 풀 브릿지 컨버터(110, 120) 각각은,
    서로 180°의 위상차를 가지고 동작하여 인덕터 없이 전류 리플률을 저감하는 것이 가능하도록 기능하며,
    상기 제1 및 제2 풀 브릿지 컨버터(110, 120) 각각은,
    양방향 ZVS(Zero-Voltage Switching)가 가능하도록 기능하고,
    상기 제1 및 제2 풀 브릿지 컨버터(110, 120) 각각은,
    인덕터를 사용할 때 보다 인터리빙 구조를 적용했을 때가 전류 리플률이 더 작아, 충전 시 충전회로의 배터리의 전류 리플률이 더 작게 되도록 기능하고,
    상기 충전부(130)는,
    상기 제1 및 제2 풀 브릿지 컨버터(110, 120)의 양단으로 각각 설치되는 2개로 구성되며,
    상기 충전부(130) 각각은,
    전기차용 배터리(101)에 충전 전압을 정류하여 공급할 수 있는 4개의 커패시터 조합으로 구성되는 것을 특징으로 하는, 충전 시 전기차용 배터리의 전류 리플 제거를 위한 위상 천이 풀 브릿지 컨버터의 이용 방법.
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