KR102662698B1 - 충전용 전력 컨버터 장치 - Google Patents

충전용 전력 컨버터 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 충전용 전력 컨버터 장치는, 일단이 제1 전압전원의 고전위단과 연결된 제1 벅 스위치; 일단이 상기 제1 벅 스위치의 타단에 연결되고, 타단이 상기 제1 전압전원의 저전위단에 연결된 제1 다이오드; 일단이 제2 전압전원의 고전위단과 연결된 제2 벅 스위치; 일단이 상기 제2 벅 스위치의 타단에 연결되고, 타단이 상기 제2 전압전원의 저전위단에 연결된 제2 다이오드; 일단이 상기 제2 벅 스위치의 타단에 연결되고, 타단이 출력의 고전위단에 연결되는 인덕터; 상기 출력의 고전위단 및 저전위단 사이에 연결된 커패시터; 및 상기 제1 벅 스위치 및 제2 벅 스위치를 선택적으로 턴온시키는 스위칭 제어부를 포함할 수 있다.

Description

충전용 전력 컨버터 장치{POWER CONVERTER DEVICE FOR CHARGING}
본 발명은 차량이나 휴대용 전자기기 등을 위한 이동식 충전 장치에 적용될 수 있는 충전용 전력 컨버터 장치에 관한 것으로, 특히, 복수의 전압전원을 이용할 수 있는 충전용 전력 컨버터 장치에 관한 것이다.
엔진을 사용하는 모바일 장비에 의한 환경 및 자원고갈 문제 등으로 인하여 전기를 이용한 모바일에 대한 관심이 증대되고 있으며 그 보급 또한 급속히 확대되고 있다. 이러한 모바일 장비는 전기차량에서부터 전기 오토바이, 세그웨이, 전기 자전거 및 미니보드 등 다양한 종류에 대한 산업이 급속히 성장하고 있다. 전기차량과 같이 보급이 대중화된 모바일 장비는 에너지를 충전하기 위한 스테이션이 있어 충전이 용이하지만 전기자전거, 미니보드 등과 같이 아직 보급이 미흡한 모바일 장비들을 위한 충전 스테이션은 경제성 부족으로 활성화되지 못하고 있다.
일반적으로, 전기차량이나 휴대용으로 자주 쓰이는 전자기기는 어댑터를 접속하여 어댑터전원을 이용하거나, 내장되어 있는 배터리의 배터리전원을 이용하여 시스템전원을 사용한다. 이와 다른 방법으로는, 휴대용 전자기기 등에 전원을 공급하기 위한 외부전원 공급장치, 즉 외부배터리를 연결하여 외부배터리가 제공하는 배터리 전원을 이용하여 시스템 전원을 공급하는 방법이 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 직류 변환 컨버터가 적용된 배터리 충전기 구성을 도시한 블록도이다.
도시한 충전용 직류 변환 컨버터에서는 소용량에서 대용량까지 단일 입력을 단일 출력을 기본으로 하고 있으며, 충전용 직류 변환 컨버터의 대부분은 배터리의 특정 전압 및 용량에 맞추어 컨버터의 입력 용량 및 출력 용량을 설정한다.
즉, 각 배터리의 특정 충전 전압에 맞추어 입력 및 출력 전압 설정하는데, 소용량에서 대용량의 배터리 충전시 전력 효율이 좋지 않다. 이는 개인용 전기 이동 수단에 사용되는 배터리 충전 환경에서 자주 발생될 수 있는 소용량에서 대용량의 배터리 충전 상황을 고려하지 않은 것이다.
또한, 충전을 받는 한 기기에서 다양한 배터리 전압 대응이 불가능하며, 개인용 전기 이동 수단에 대한 충전 스테이션 설치시 다양한 전력원을 적용하는 것도 곤란하다. 이는 전기 차량용 충전 스테이션에 적용할 경우 더욱 불편함이 된다.
또한, 다양한 모바일 장비들은 24V, 36V, 48V 등의 다양한 전압을 가지는 배터리를 사용하기 때문에 이 장비들을 충전하기 위해서는 넓은 출력 범위를 가지는 충전기가 필요하다. 그러나, 출력 전압 범위가 넓을 경우 출력 전류 리플을 줄이기 위해 일반적으로 DC/DC컨버터의 출력 인덕턴스를 키우거나, 스위칭주파수를 높여야 하기 때문에 시스템의 가격이 상승하고, 스위칭 손실이 증가하게 된다
대한민국 공개공보 10-2007-0092074 : 전원공급장치
본 발명은 소용량 전원에서 대용량의 배터리를 효율적으로 충전할 수 있는 충전용 전력 컨버터 장치를 제공하고자 한다.
본 발명은 다수의 전원을 적용할 수 있는 충전용 전력 컨버터 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 충전용 전력 컨버터 장치는, 일단이 제1 전압전원의 고전위단과 연결된 제1 벅 스위치; 일단이 상기 제1 벅 스위치의 타단에 연결되고, 타단이 상기 제1 전압전원의 저전위단에 연결된 제1 다이오드; 일단이 제2 전압전원의 고전위단과 연결된 제2 벅 스위치; 일단이 상기 제2 벅 스위치의 타단에 연결되고, 타단이 상기 제2 전압전원의 저전위단에 연결된 제2 다이오드; 일단이 상기 제2 벅 스위치의 타단에 연결되고, 타단이 출력의 고전위단에 연결되는 인덕터; 상기 출력의 고전위단 및 저전위단 사이에 연결된 커패시터; 및 상기 제1 벅 스위치 및 제2 벅 스위치를 선택적으로 턴온시키는 스위칭 제어부를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 스위칭 제어부는, 컨버팅의 목표가 전력 전달 최대화에 있는 경우, 상기 제1 벅 스위치 및 상기 제2 벅 스위치를 동일한 패턴으로 구동하고, 컨버팅의 목표가 리플 억제에 있는 경우, 상기 제1 벅 스위치 및 상기 제2 벅 스위치를 서로 다른 패턴으로 구동할 수 있다.
여기서, 상기 스위칭 제어부는, 낮은 출력 전압에서는 상기 제1 벅 스위치의 턴온 구간 및 상기 제2 벅 스위치의 턴온 구간이 이격되도록 제어하고, 출력 전압이 높아질수록 상기 제1 벅 스위치의 턴온 구간 및 상기 제2 벅 스위치의 턴온 구간을 중첩 구간을 넓히도록 제어할 수 있다.
여기서, 상기 제1 전원의 전압과 제2 전원의 전압이 서로 다른 것을 특징으로 할 수 있다.
여기서, 상기 스위칭 제어부는, 출력 전압이 높아지는 순서에 대하여, 상기 제1 전원과 제2 전원중 전압이 더 낮은 것에 대한 벅 스위치의 턴온구간을 증가시키다가, 상기 턴온구간이 최대치에 도달하면, 다른 벅 스위치의 턴온구간을 증가시키다가, 출력 전압이 최대 출력 전압의 1/2에 도달하면 상기 낮은 것에 대한 벅 스위치의 턴온구간을 순간적으로 없앰과 동시에 상기 다른 벅 스위치의 턴온구간을 일정 간격 순간적으로 늘리는 방식의 제어를 수행할 수 있다.
여기서, 상기 스위칭 제어부는, 출력 전압이 최대 출력 전압의 1/2에 도달한 이후에는 상기 다른 벅 스위치의 턴온구간을 늘리다가, 상기 다른 벅 스위치의 턴온구간이 최대치에 도달하면, 상기 낮은 것에 대한 벅 스위치의 턴온구간을 증가시키는 방식의 제어를 수행할 수 있다.
여기서, 컨버팅의 목표 또는 상기 제1 전압전원 및 상기 제2 전압 전원에 대한 정보가 저장되는 설정부를 더 포함할 수 있다.
상술한 구성에 따른 본 발명의 충전용 전력 컨버터 장치를 실시하면, 소용량 전원에서 대용량의 배터리를 효율적으로 충전할 수 있는 이점이 있다.
본 발명의 충전용 전력 컨버터 장치는, 다수의 전원을 적용하여 소요 목적에 따라 효율적으로 충전을 수행할 수 있으며, 다수의 입력 전압 조합에 의한 전류 리플을 저감할 수 있는 이점이 있다.
본 발명의 충전용 전력 컨버터 장치는, 단일 충전기로 다양한 모바일 장비에 사용하기 위하여 넓은 출력 범위에서 배터리가 요구하는 전류 리플을 만족시키는 이점이 있다.
본 발명의 충전용 전력 컨버터 장치는, 대부분 모바일 장비의 배터리 전압인 통상 60V 이하의 전압 범위에서 모바일 충전장치에 적합한 전압을 발생할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 직류 변환 컨버터가 적용된 배터리 충전기 구성을 도시한 블록도.
도 2는 배터리 충전용 벅 컨버터를 도시한 회로도.
도 3은 본 발명의 사상에 따른 충전용 전력 컨버터 장치의 일 실시예를 도시한 회로도.
도 4는 도 3에 도시한 직렬 벅 컨버터 회로의 동작 모드를 설명하기 위한 회로도.
도 5는 도 3의 멀티레벨 컨버터에서 인덕터의 전류 리플과 커패시터의 전압 리플을 나타낸 그래프.
도 6은 입력전압 V 1 , V 2 전압 크기가 동일한 경우 시비율에 따른 출력전압과 출력전압 리플을 나타낸 그래프.
도 7은 입력전압 V 1 을 V 2 전압 크기의 2배로 설정함으로써 3레벨 출력을 발생을 할 수 있는 구조에서 시비율에 따른 출력전압과 출력전압 리플을 나타낸 그래프.
도 8은 제안된 토폴로지에 동일한 크기의 입력 전압을 인가한 경우와 상이한 전압크기를 가지는 이종전원을 사용하여 구성한 컨버터에서 운용전압에 따른 출력전압 리플을 비교한 그래프.
도 9는 각 출력전압(V o )에서 전압리플이 최소화되는 것을 직관적으로 확인하기 위해 4개의 구간(Section)으로 나누는 것을 나타낸 그래프.
도 10a는 저항 부하를 연결하여 출력 전압 지령치 60V에 대한 다중레벨 전압, 출력 전류와 출력 전압을 나타낸 파형도.
도 10b는 랜들스 모델로 구성된 배터리 등가 회로를 충전하는 과정의 출력 전압, 전류 파형을 나타낸 파형도.
도 11은 제안한 시스템을 이용해 방전 상태의 실제 배터리 팩을 충전을 하여 배터리의 충전 전압 및 전류 파형을 데이터 로거(Data Logger)를 통해 기록한 그래프.
도 12a는 출력전압을 30V로 제어한 경우 제안된 방식의 출력 전류 리플 최소화를 확인할 수 있는 파형도.
도 12b는 출력전압을 30V로 제어한 경우 구간 절환 시 출력전압 및 전류 리플을 비교한 결과를 나타낸 파형도.
도 13은 60V의 전압 지령 조건에서 과도상태하 출력 전압에 따른 전압 전류 리플을 확인하기 위한 파형도.
본 발명을 설명함에 있어서 제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되지 않을 수 있다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 연결되어 있다거나 접속되어 있다고 언급되는 경우는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해될 수 있다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
본 명세서에서, 포함하다 또는 구비하다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로서, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해될 수 있다.
또한, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
도 2는 배터리 충전용 벅 컨버터를 도시한 회로도이다.
충전 장치나 충전 스테이션에 전류 증폭 소자로서 벅 컨버터를 적용하면, 다양한 개인 전기 이동수단의 배터리 전압에 대응 가능하며, 충전안정성을 위해 고장시에도 충전 가능하고, 충전 스테이션 설치를 위해 다양한 전력원을 사용 가능하며, 대용량의 전력원을 공유 가능하다는 이점이 있다.
그러나, 도시한 벅 컨버터형 배터리 충전기는 소용량에서 대용량의 배터리 충전시 전력사용 효율면에서 불합리한 점이 많으며, 개인용 전기 이동수단에 동력원으로 사용되는 배터리의 다양한 전압에 대응하기가 난해하다.
일반적으로 개인용 모바일 기기 및 개인용 운송장비에 사용하는 배터리는 소용량에서의 출력부터 중용량의 출력까지 사용하고 있으며, 대부분 60[V]이하의 배터리를 사용하고 있다. 따라서 다양한 전압 및 용량에 대응하기 위해서는 DC-DC 컨버터의 출력 전압은 0∼70[V]을 출력할 수 있는 것이 바람직하다. ㅇ한일반적인 컨버터 회로를 적용하여, 배터리의 소용량부터 대용량에 대응을 위해 DC-DC 컨버터를 운용할 경우 소용량의 충전시 전력 운용 면에서 단점이 발생될 수 있다.
본 발명에서는 직렬 연결된 벅 컨버터 회로 타입의 멀티레벨 DC-DC 컨버터를 이용하여, 입력 전원을 이원화하여 입력 전원을 독립적으로 사용 가능한 구성을 제안한다.
도 3은 본 발명의 사상에 따른 충전용 전력 컨버터 장치의 일 실시예를 도시한 회로도이다.
도시한 충전용 전력 컨버터 장치는, 일단이 제1 전압전원(10)의 고전위단과 연결된 제1 벅 스위치(112); 일단이 상기 제1 벅 스위치(112)의 타단에 연결되고, 타단이 상기 제1 전압전원(10)의 저전위단에 연결된 제1 다이오드(114); 일단이 제2 전압전원(20)의 고전위단과 연결된 제2 벅 스위치(122); 일단이 상기 제2 벅 스위치(122)의 타단에 연결되고, 타단이 상기 제2 전압전원(20)의 저전위단에 연결된 제2 다이오드(124); 일단이 상기 제2 벅 스위치(122)의 타단에 연결되고, 타단이 출력의 고전위단에 연결되는 인덕터(140); 상기 출력의 고전위단 및 저전위단 사이에 연결된 커패시터(160); 및 상기 제1 벅 스위치(112) 및 제2 벅 스위치(122)를 선택적으로 턴온시키는 스위칭 제어부(200)를 포함할 수 있다.
구현에 따라, 컨버팅의 목표 또는 상기 제1 전압전원(10) 및 상기 제2 전압 전원(20)에 대한 정보(예: 2 전원의 전압이 다른 경우, 각 전압값)가 저장되는 설정부(300)를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 스위칭 제어부(200)는 상기 설정부(300)에 기재된 정보들에 따라 결정되는 방식으로 상기 제1 벅 스위치(112) 및 제2 벅 스위치(122)를 제어할 수 있다.
도시한 바와 같이, 상기 제1 벅 스위치(112)의 타단은 상기 제2 다이오드(124)의 타단에 연결되고, 상기 커패시터(160)와 상기 제1 다이오드(114)의 타단 및 상기 제1 전압전원(10)의 저전위단은 접지에 연결된다.
도시한 충전용 전력 컨버터 장치는, DC-DC Buck 컨버터 2개를 직렬로 연결하였으며, 출력 전압에 따라 각 입력 전원을 선택하여 출력에 대응하여 동작할 수 있으며, 그에 따라 작동하는 스위치의 상태에 따라 4가지의 출력 전압 모드가 있다.
도 4는 도 3에 도시한 직렬 벅 컨버터 회로의 동작 모드를 설명하기 위한 회로도이고, 하기 표 1은 상기 동작 모드별 전압 및 전력을 나타낸 테이블이다. 즉, 도 4에서 보이는 회로가 제안하는 형태의 멀티레벨 DC-DC 컨버터이며, 각 모드 별 Q1, Q2 스위치의 작동형태는 하기 표 1의 테이블에 표현한다.
각 모드별 전류의 흐름은 도 4에 도시한 바와 같으며, 상기 테이블로 나타낸 바와 같이, 출력전압에 따라 출력을 담당할 입력 전원 V1, V2가 결정되며, 여기에 따라 Q1, Q2의 동작 상태가 결정된다.
도 4a에 도시한 모드 0(Mode 0)에서는 두개의 다이오드(D1, D2)가 도통된 경우로 출력전압은 영전압을 발생한다.
도 4b에 도시한 모드 1(Mode 1)에서는 하단 벅(Buck) 컨버터 스위치(Q1)가 온되고 상단 벅(Buck) 컨버터의 다이오드(D2)가 도통되어 출력전압은 V1 전압을 발생한다.
도 4c에 도시한 모드 2(Mode 2)에서는 하단 벅(Buck) 컨버터의 다이오드(D1)가 도통되고, 상단 벅(Buck) 컨버터 스위치(Q2)가 온되어 출력전압은 V2 전압을 발생한다.
도 4c에 도시한 모드 3(Mode 3)에서는 그림 2 (d)는 하단 벅(Buck) 컨버터 스위치(Q1)가 온되고, 상단 벅(Buck) 컨버터 스위치(Q2)가 온되어 출력전압은 V1+V2 전압을 발생한다.
또한, 각각의 컨버터의 전력 전달은 P1과 P2이며, 각 모드별로 전달되는 전력 값은 상기 표 1에 표시된 값과 같다. 또한, 입력 전원을 이원화함으로서 3 레벨의 출력을 낼 수가 있으므로, 이에 따른 출력 리플의 감소도 동일 전압 2레벨에 비해서 우수하다.
도 5는 도 3의 멀티레벨 컨버터에서 인덕터의 전류 리플과 커패시터의 전압 리플을 나타낸 그래프이다. 인덕터(L)에 흐르는 전류를 i L 이라고 정의하면 인덕터의 전류리플(△i L )은 하기 수학식 1과 같이 주어지고, 출력전압을 V o 라고 정의하면 출력전압의 리플(△V o )은 하기 수학식 2와 같이 주어진다.
상기 수학식에서, V 1 의 듀티비는 d 1 , V 2 의 듀티비는 d 2 로 나타내었으며, T는 스위칭 주기를 나타낸다. 상기 수학식에서에서 알 수 있듯이 두개의 스위칭 상태(d 1 , d 2 )에 따라 동일한 출력전압을 갖지만, 전압 및 전류 리플이 최소화되도록 결정을 할 수 있다.
기존의 단일 벅(Buck) 컨버터의 경우 스위칭 소자의 시비율에 따라 출력 전압의 리플이 결정되지만, 도 3의 멀티레벨 컨버터와 같이 이종전원을 사용하는 경우 상단 벅 컨버터와 하단 벅 컨버터의 입력 전압에 따라 출력 전압 리플이 변하므로 다양한 충전전압에 대응할 수 있는 전압 설계의 유연성이 높아진다.
도 6은 입력전압 V 1 , V 2 전압 크기가 동일한 경우 시비율에 따른 출력전압과 출력전압 리플을 나타낸 그래프이다.
도시한 그래프에서 점선의 큰 반원이 종래 단일 전압 및 단일 벅 컨버터를 적용한 경우의 출력 전압이 높아질수록 발생되는 리플의 양상을 나타낸 것이며, 실선의 작은 반원이 2중 전압 및 직렬 2개의 벅 컨버터를 적용한 경우의 출력 전압이 높아질수록 발생되는 리플의 양상을 나타낸 것이다.
도시한 바와 같이, 기존 단일 벅 컨버터 방식 DC/DC 컨버터에 비해 출력전압 리플은 절반이 됨을 알 수 있다.
도 3의 스위칭 제어부(200)는, 상술한 리플 결과를 반영하여, 컨버팅의 목표가 전력 전달 최대화에 있는 경우에는, 제1 벅 스위치(112) 및 제2 벅 스위치(122)를 동일한 패턴으로 구동하고, 컨버팅의 목표가 리플 억제에 있는 경우에는, 도 6의 아래 플롯에 도시한 시비율과 같이, 제1 벅 스위치(112) 및 제2 벅 스위치(122)를 서로 다른 패턴으로 구동할 수 있다.
후자의 경우, 상기 스위칭 제어부(200)는, 낮은 출력 전압에서는 상기 제1 벅 스위치의 턴온 구간 및 상기 제2 벅 스위치의 턴온 구간이 이격되도록 제어하고(도 6의 0 ~ 1/2Vmax 구간), 출력 전압이 높아질수록 상기 제1 벅 스위치의 턴온 구간 및 상기 제2 벅 스위치의 턴온 구간을 중첩 구간을 넓히도록 제어한다.(도 6의 1/2Vmax ~ Vmax 구간)
도 7은 입력전압 V 1 을 V 2 전압 크기의 2배로 설정함으로써 3레벨 출력을 발생을 할 수 있는 구조이며, 시비율에 따른 출력전압과 출력전압 리플을 나타낸다. 3레벨 출력은 스위칭 상태에 따라 출력 전압 리플의 크기가 변하므로 리플이 최소화되도록 스위칭을 할 수 있다.
도 8의 아래쪽 그래프는 제안한 다중레벨 DC/DC 컨버터의 토폴로지에서 리플이 최소화가 되도록 하는 각 스위치(Q 1 , Q 2 )의 시비율(d 1 , d 2 )을 나타낸다.
도 8은 제안된 토폴로지에 동일한 크기의 입력 전압을 인가한 경우(도 6의 경우)와 상이한 전압크기를 가지는 이종전원을 사용하여 구성한 컨버터에서 운용전압에 따른 출력전압 리플을 비교한 것이다. 출력 최대 전압(V max )의 절반이 되는 부분의 주변 구간을 제외한 83.3%의 영역에서 기존의 2레벨 컨버터보다 출력 전압 리플의 크기가 감소함을 확인할 수 있다. 특히 대부분의 모바일용 배터리 충전전압인 24, 48V에서 최소가 된다. 넓은 영역의 출력을 가져야 하는 모바일용 충전기에서 제안된 충전 시스템을 적용하면 기존의 토폴로지보다 전압 및 전류 리플 측면에서 유리함을 알 수 있다.
도 3의 스위칭 제어부(200)는, 도 7의 아래 플롯에 도시한 시비율로 구동하는 경우, 출력 전압이 높아지는 순서에 대하여, 상기 제1 전원(10)과 제2 전원(20)중 전압이 더 낮은 것에 대한 벅 스위치의 턴온구간을 증가시키다가, 상기 턴온구간이 최대치에 도달하면, 다른 벅 스위치의 턴온구간을 증가시키다가, 출력 전압이 최대 출력 전압의 1/2에 도달하면 상기 낮은 것에 대한 벅 스위치의 턴온구간을 순간적으로 없앰과 동시에 상기 다른 벅 스위치의 턴온구간을 일정 간격 순간적으로 늘리는 방식의 제어를 수행한다.
또한, 상술한 방식의 제어와 연속하여, 도 3의 스위칭 제어부(200)는, 출력 전압이 최대 출력 전압의 1/2에 도달한 이후에는 상기 다른 벅 스위치의 턴온구간을 늘리다가, 상기 다른 벅 스위치의 턴온구간이 최대치에 도달하면, 상기 낮은 것에 대한 벅 스위치의 턴온구간을 증가시키는 방식의 제어를 수행한다.
다음, 본 발명의 사상에 따른 멀티레벨 컨버터에 대한 전압 리플의 감소 효과를 살펴보기 위한 시뮬레이션 실험을 살펴본다.
도 9는 제안한 방식의 타당성을 검증하기 위하여 각 출력전압(V o )에서 전압리플이 최소화되는 것을 직관적으로 확인하기 위해 4개의 구간(Section)으로 나누는 것을 나타낸다. 또한 ,전압리플을 세 개의 지점(Point)에서 시뮬레이션 및 실험을 행하였다. 이때 사용된 파라미터는 하기 표 2와 같다.
시뮬레이션 실험에서는 인덕터 전류 및 출력 전압의 리플 크기를 확인하기 위해 스위칭 주파수(fs), 인덕터(L) 및 커패시터(C)는 실제보다 작게 설계하여 제안한 내용을 검증하였다.
도 10a는 제안된 토폴로지의 동작을 확인하기 위해 저항 부하를 연결하여 출력 전압 지령치 60V에 대한 다중레벨 전압, 출력 전류와 출력 전압을 나타낸 파형도이다. 상기 파형도에서 3레벨 출력 전압을 확인할 수 있었으며, 출력 전압에 따라 전압 리플은 24V, 48V에서 0이 됨을 확인할 수 있었다. 또한 전압에 따른 출력 전류 리플 형상은 그림 6과 동일하게 나타났다.
도 10b는 랜들스 모델로 구성된 배터리 등가 회로를 충전하는 과정의 출력 전압, 전류 파형을 나타낸 파형도이다. 시뮬레이션에서는 충전 시간을 단축하기 위해 배터리의 등가 커패시터 용량을 0.08F 및 초기 충전 전압을 20V로 가정하였다. 도시한 파형도에서 초기에는 정전류 모드(CC Mode)로 충전하고, 배터리 SOC가 증가함에 따라 정전압 모드(CV Mode)로 동작하여 배터리 충전이 완료되도록 설정하였다. 배터리 충전량에 따라 전압, 전류 리플 형상은 저항부하를 연결한 경우와 동일하여 리플이 최소화되는 출력전압은 동일함을 확인하였다. 또한 최대 전류 리플은 약 4A로 최대가 됨을 알 수 있는데, 이때의 전류리플은 앞서 표 2에서 설명한 것과 같이 리플 크기를 확인하기 위해 인덕터와 커패시터를 작게 설계한 것이다.
도 11은 제안한 시스템을 이용해 방전 상태의 실제 배터리 팩을 충전을 하여 배터리의 충전 전압 및 전류 파형을 데이터 로거(Data Logger)를 통해 기록한 것이다. 실험에 사용된 배터리 팩의 사양은 하기 표 3과 같으며, 충전 전압 및 전류는 배터리의 사양에 맞추어 54.6V / 10A로 설정하였으며 본 실험을 통해 제안된 충전시스템의 타당성을 검증하였다.
제안된 방식의 출력 전류 리플 최소화를 확인하기 위한 파형으로서, 도 12a는 출력전압을 30V로 제어한 경우이며, 기존 방식인 Point 2와 제안된 방식인 Point 1을 비교한 결과 제안된 방식이 기존 방식에 대해서 2배 감소함을 확인할 수 있었다. 도 12b는 Point 3에서 구간 절환 시 출력전압 및 전류 리플을 비교한 결과를 나타낸다. 출력 전압 및 전류의 리플율은 변동 없이 양호하게 절환 됨을 확인하였다.
도 13은 출력 전압에 따른 전압 전류 리플을 확인하기 위한 파형으로 60V의 전압 지령 조건에서 과도상태를 나타낸다. 도면에서 알 수 있듯이 각 구간에서 전압, 전류 리플 변화는 시뮬레이션 결과인 도 10a와 동일한 형태를 가진다. 도면에서 알 수 있듯이 출력 전압 24, 48V에서 출력전류 및 전압 리플이 0이 되어 모바일용 배터리 전압의 대다수를 이루는 24, 48V 충전 시 전류 리플을 작게 가져 갈 수 있음을 확인하였다.
본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있으므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10 : 제1 전압전원 20 : 제2 전압전원
112 : 제1 벅 스위치 114 : 제1 다이오드
122 : 제2 벅 스위치 124 : 제2 다이오드
140 : 인덕터 160 : 커패시터
200 : 스위칭 제어부 300 : 설정부

Claims (7)

  1. 일단이 제1 전압전원의 고전위단과 연결된 제1 벅 스위치;
    일단이 상기 제1 벅 스위치의 타단에 연결되고, 타단이 상기 제1 전압전원의 저전위단에 연결된 제1 다이오드;
    일단이 제2 전압전원의 고전위단과 연결된 제2 벅 스위치;
    일단이 상기 제2 벅 스위치의 타단에 연결되고, 타단이 상기 제2 전압전원의 저전위단에 연결된 제2 다이오드;
    일단이 상기 제2 벅 스위치의 타단에 연결되고, 타단이 출력의 고전위단에 연결되는 인덕터;
    상기 출력의 고전위단 및 저전위단 사이에 연결된 커패시터; 및
    상기 제1 벅 스위치 및 제2 벅 스위치를 선택적으로 턴온시키는 스위칭 제어부
    를 포함하되,
    상기 제1 전압전원의 전압과 제2 전압전원의 전압이 서로 다르며,
    상기 스위칭 제어부는,
    출력 전압이 높아지는 순서에 대하여,
    상기 제1 전압전원과 제2 전압전원중 전압이 더 낮은 것에 대한 벅 스위치의 턴온구간을 증가시키다가,
    상기 턴온구간이 최대치에 도달하면, 다른 벅 스위치의 턴온구간을 증가시키다가,
    출력 전압이 최대 출력 전압의 1/2에 도달하면 상기 낮은 것에 대한 벅 스위치의 턴온구간을 순간적으로 없앰과 동시에 상기 다른 벅 스위치의 턴온구간을 일정 간격 순간적으로 늘리는 방식의 제어를 수행하는 충전용 전력 컨버터 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 제어부는,
    컨버팅의 목표가 전력 전달 최대화에 있는 경우, 상기 제1 벅 스위치 및 상기 제2 벅 스위치를 동일한 패턴으로 구동하고,
    컨버팅의 목표가 리플 억제에 있는 경우, 상기 제1 벅 스위치 및 상기 제2 벅 스위치를 서로 다른 패턴으로 구동하는 충전용 전력 컨버터 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 제어부는,
    낮은 출력 전압에서는 상기 제1 벅 스위치의 턴온 구간 및 상기 제2 벅 스위치의 턴온 구간이 이격되도록 제어하고,
    출력 전압이 높아질수록 상기 제1 벅 스위치의 턴온 구간 및 상기 제2 벅 스위치의 턴온 구간을 중첩 구간을 넓히도록 제어하는 충전용 전력 컨버터 장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 제어부는,
    출력 전압이 최대 출력 전압의 1/2에 도달한 이후에는 상기 다른 벅 스위치의 턴온구간을 늘리다가, 상기 다른 벅 스위치의 턴온구간이 최대치에 도달하면, 상기 낮은 것에 대한 벅 스위치의 턴온구간을 증가시키는 방식의 제어를 수행하는 충전용 전력 컨버터 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    컨버팅의 목표 또는 상기 제1 전압전원 및 상기 제2 전압 전원에 대한 정보가 저장되는 설정부
    를 더 포함하는 충전용 전력 컨버터 장치.




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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008278674A (ja) * 2007-05-01 2008-11-13 Sharp Corp 電力供給装置
KR101957062B1 (ko) * 2017-12-22 2019-03-11 인하대학교 산학협력단 듀얼 입력 싱글 인덕터 부스트 컨버터

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20070092074A (ko) 2006-03-08 2007-09-12 삼성전자주식회사 전원공급장치 및 전원공급장치의 전원 공급방법
KR102143363B1 (ko) * 2018-03-30 2020-08-11 성신전기공업(주) 3 레벨 인터리브드 충방전기를 가지는 전기에너지 저장 시스템

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008278674A (ja) * 2007-05-01 2008-11-13 Sharp Corp 電力供給装置
KR101957062B1 (ko) * 2017-12-22 2019-03-11 인하대학교 산학협력단 듀얼 입력 싱글 인덕터 부스트 컨버터

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