KR20080004537A - 전압변환장치 및 차량 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 DC/DC 변환기(30)는 리액터(L), IGBT 소자(TR3), IGBT 소자(TR4), 데드타임생성부(37) 및 DC-CPU(31)를 포함한다. 상기 데드타임생성부(37)는, 듀티비의 기준신호(GATEBA)에 따라, IGBT 소자(TR3, TR4) 양자 모두를 비도통 상태로 유지하기 위한 데드타임의 비활성화 간격이 제공되는 제1 및 제2활성화신호(GUP, GUN)를 출력한다. 상기 DC-CPU(31)는 리액터(L)를 통과하는 리액터 전류값(IL)에 따라, 전압지령값(Vfcr)을 토대로 산출된 가상 듀티비를 보정한 다음, 기준신호(GATEBA)를 출력한다. 상기 DC-CPU(31)는, 리액터 전류값이 상기 리액터 전류값(IL)의 3 상태들간에 전이가 발생하는 값에 근접하게 될 때, 보정값들을 점진적으로 전환시키는 것이 바람직하다.

Description

전압변환장치 및 차량{VOLTAGE CONVERTING APPARATUS AND VEHICLE}
본 발명은 전압변환장치 및 차량에 관한 것으로, 특히 두 전압시스템 사이에 제공되어, 전류를 양방향으로 공급할 수 있는 전압변환장치 및 상기 전압변환장치가 갖춰진 차량에 관한 것이다.
일본특허공개공보 제2004-120844호에는 인버터와 조합하여 사용되는 부스트컨버터용 제어장치가 개시되어 있다. 이 제어장치는 검출된 출력전압값과 출력전압제어값간의 차이에 대응하여 동작함으로써, 비례적분제어에 의한 피드백에 의해 컨버터스위칭소자의 듀티비를 제어하게 된다.
상기 제어장치는 연산회로에 의해 인버터의 출력 파워값을 획득하고, 상기 값을 비교기에 의해 소정값과 비교하여, 컨버터의 전류의 경로를 결정하게 되며, 상기 판정 결과에 따라 컨버터의 전압의 변동을 최소화하거나 방지하기 위해 듀티비를 보정하는 양을 보정회로로부터 출력한다.
최근에는, 차량을 추진시키기 위한 구동원으로서 교류 모터를 채택하고, 상기 교류 모터를 구동하는 인버터장치를 내부에 장착하는 전기자동차, 하이브리드자동차, 연료전지자동차 및 기타 유사한 자동차들이 나타났다.
일부 이러한 차량들은 차량을 추진시키기 위해 모터를 구동하기 위한 고전압 배터리 및 보조 기계용 저전압 배터리와 같은 2이상의 상이한 전압의 배터리를 그 내부에 장착한다.
나아가, 연료전지가 내부에 장착된 자동차가 운전을 개시할 때, 상기 연료전지는 안정된 출력이 얻어지기 전에 변하는 전압을 출력한다. 이에 따라, 안정된 구동력을 보장하기 위하여 연료전지를 2차전지와 결합하여, 그들을 함께 사용을 위한 전압 컨버터에 의해 연결시키는 것이 연구되고 있다.
연료전지의 출력 전압 및 2차전지의 출력 전압 양자 모두는 차량의 상태에 따라 변한다. 이에 따라, 그 사이에 연결된 전압 컨버터는, 차량에 필요한 동력에 따라 2차전지로부터 연료전지로 및 그 역으로 전류를 공급하도록 작동된다.
이에 따라, 차량의 가속도, 도로의 경사도 등에 따라 필요한 전압을 신속하게 출력할 수 있는 전압 컨버터가 요구되고 있다.
나아가, 일본특허공개공보 제2004-120844호에는 인버터로부터의 파워 출력에 따라 듀티비를 보정하는 양을 결정하는 것이 개시되어 있다. 하지만, 인버터에 인접하여 연결되는 연료전지를 구비한 시스템에 있어서, 인버터의 출력 전압 단독으로는 정확한 최적의 보정량을 획득하기 불충분할 수도 있다.
본 발명은 출력 전압을 제어하는 것을 촉진시킬 수 있는 전압 컨버터 및 상기 전압 컨버터를 구비한 차량을 고안하였다.
요약하면, 본 발명은 인버터와 조합하여 사용되는 전압변환기를 제어하는 제어유닛을 포함하는 전압변환장치를 제공한다. 상기 제어유닛은, 상기 전압변환기를 통과하는 전류를 검출하기 위한 검출수단; 및 상기 전압변환기가 스위칭소자를 턴 온 및 턴 오프시킬 수 있는 듀티비를 보정하기 위해 상기 검출수단으로부터 수신되는 출력에 응답하여 동작하는 보정수단을 포함한다.
상기 전압변환기는, 상기 인버터에 연결된 제1전원노드와 축전장치에 연결된 제2전원노드간의 전압 변환을 제공하는 것이 바람직하다.
정류소자를 통해 상기 제1전원노드에도 연료전지가 연결되는 것이 바람직하다.
상기 전압변환기는, 상기 듀티비가 더욱 클 때, 상기 제1전원노드의 전압을 상기 제2전원노드의 전압보다 높게 설정하는 것이 바람직하다.
또다른 실시형태의 본 발명은 인버터와 조합하여 사용되는 전압변환기를 제어하는 제어유닛을 포함하는 전압변환장치를 제공한다. 상기 제어유닛은, 상기 전압변환기를 통과하는 전류를 검출하기 위한 검출유닛; 및 상기 전압변환기가 스위칭소자를 턴 온 및 턴 오프시킬 수 있는 듀티비를 보정하기 위해 상기 검출수단으로부터 수신되는 출력에 응답하여 동작하는 보정유닛을 포함한다.
상기 전압변환기는, 상기 인버터에 연결된 제1전원노드와 축전장치에 연결된 제2전원노드간의 전압 변환을 제공하는 것이 바람직하다.
정류소자를 통해 상기 제1전원노드에도 연료전지가 연결되는 것이 바람직하다.
상기 전압변환기는, 상기 듀티비가 더욱 클 때, 상기 제1전원노드의 전압을 상기 제2전원노드의 전압보다 높게 설정하는 것이 바람직하다.
또다른 실시형태의 본 발명은 리액터; 제1활성화신호에 응답하여, 상기 리액터의 일단부를 제1전원노드와 결합시키도록 동작하는 제1스위칭소자; 제2활성화신호에 응답하여, 상기 리액터의 일단부를 접지노드와 결합시키도록 동작하는 제2스위칭소자; 듀티비에 대한 기준신호에 응답하여, 상기 제1 및 제2스위칭소자 양자 모두가 도통되는 것을 방지하는 데드타임에 대응하는 비활성기간이 제공된 상기 제1 및 제2활성화신호를 출력하도록 동작하는 제1데드타임생성유닛; 및 상기 기준신호를 출력하기 위해, 상기 리액터를 통과하는 전류의 값에 따라, 전압제어값을 토대로 산출된 임시 듀티비를 보정하는 제어유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 전압변환기를 제공한다.
상기 제어유닛은 상기 리액터의 전류의 값을 3 상태와 연관시키고, 상기 리액터의 전류의 값이 상태가 전이하는 값에 근접할 때, 상기 제어유닛이 보정값을 점진적으로 전환하는 것이 바람직하다.
상기 제어유닛은 상기 전압제어값과 출력전압값간의 편차를 토대로 비례적분미분제어를 행하고, 상기 임시 듀티비를 보정하기 위해 상기 리액터의 전류의 값에 따라 적분항을 보정하는 것이 바람직하다.
상기 전압변환기는 상기 제2활성화신호 및 상기 제1활성화신호와 동기되어 활성화되는 제3활성화신호 및 제4활성화신호를 각각 출력하도록 상기 기준신호에 응답하여 동작하는 제2데드타임생성유닛; 상기 제3활성화신호에 응답하여, 상기 리액터의 타단부를 제2전원노드와 결합시키도록 동작하는 제3스위칭소자; 및 상기 제4활성화신호에 응답하여, 상기 리액터의 타단부를 접지노드와 결합시키도록 동작하는 제4스위칭소자를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 제1전원노드는 모터를 구동하기 위한 인버터에 연결되고, 상기 제2전원노드는 축전장치에 연결되는 것이 바람직하다.
정류소자를 통해 상기 제1전원노드에도 연료전지가 연결되는 것이 바람직하다.
또다른 실시형태의 본 발명은, 리액터; 제1활성화신호에 응답하여, 상기 리액터의 일단부를 제1전원노드와 결합시키도록 동작하는 제1스위칭소자; 제2활성화신호에 응답하여, 상기 리액터의 일단부를 접지노드와 결합시키도록 동작하는 제2스위칭소자; 듀티비에 대한 기준신호에 응답하여, 상기 제1 및 제2스위칭소자 양자 모두가 도통되는 것을 방지하는 데드타임에 대응하는 비활성기간이 제공된 상기 제1 및 제2활성화신호를 출력하도록 동작하는 제1데드타임생성유닛; 및 상기 기준신호를 출력하기 위해, 상기 리액터를 통과하는 전류의 값에 따라, 전압제어값을 토대로 산출된 임시 듀티비를 보정하는 제어유닛을 포함하는 전압변환장치를 포함한 차량을 제공한다.
상기 제어유닛은 상기 리액터의 전류의 값을 3 상태와 연관시키고, 상기 리액터의 전류의 값이 상태가 전이하는 값에 근접할 때, 상기 제어유닛이 보정값을 점진적으로 전환하는 것이 바람직하다.
상기 제어유닛은 상기 전압제어값과 출력전압값간의 편차를 토대로 비례적분미분제어를 행하고, 상기 임시 듀티비를 보정하기 위해 상기 리액터의 전류의 값에 따라 적분항을 보정하는 것이 바람직하다.
상기 전압변환기는, 상기 제2활성화신호 및 상기 제1활성화신호와 동기되어 활성화되는 제3활성화신호 및 제4활성화신호를 각각 출력하도록 상기 기준신호에 응답하여 동작하는 제2데드타임생성유닛; 상기 제3활성화신호에 응답하여, 상기 리액터의 타단부를 제2전원노드와 결합시키도록 동작하는 제3스위칭소자; 및 상기 제4활성화신호에 응답하여, 상기 리액터의 타단부를 접지노드와 결합시키도록 동작하는 제4스위칭소자를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 차량은, 차륜을 구동하는 모터; 상기 제1전원노드에 연결되어, 상기 모터를 구동하는 인버터; 및 상기 제2전원노드에 연결된 축전장치를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 차량은, 연료전지; 및 상기 제1전원노드와 상기 연료전지 사이에 연결된 정류소자를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 정밀도가 개선된 출력 전압이 제공될 수 있어, 리액터의 전류가 변경된 상태를 가지는 경우, 출력 전압이 초기 단계에서 목표값으로 수렴될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예의 전압변환기가 내부에 장착된 차량의 구성을 도시한 도면;
도 2는 도 1의 DC/DC 컨버터(30)의 상세한 구성을 도시한 회로도;
도 3은 스위칭소자의 듀티비가 50% 보다 작을 때, 리액터를 통과하는 전류가 어떻게 변하는 지를 예시하기 위한 도면;
도 4는 스위칭소자의 듀티비가 50% 보다 클 때, 리액터를 통과하는 전류가 어떻게 변하는 지를 예시하기 위한 도면;
도 5는 리액터의 전류가 3 상태로 분류되는 것을 예시하기 위한 파형도;
도 6은 도 5에 도시된 상태 A에서 리액터의 전류의 변동과 기준신호(GATEBA)간의 관계를 나타내는 동작파형도;
도 7은 도 5에 도시된 상태 C에서 리액터의 전류의 변동과 기준신호(GATEBA)간의 관계를 나타내는 동작파형도;
도 8은 도 5에 도시된 상태 B에서 리액터의 전류의 변동과 기준신호(GATEBA)간의 관계를 나타내는 동작파형도;
도 9는 도 2에 도시된 DC-CPU(31)의 구성을 도시한 블럭도;
도 10은 DC-CPU(31)에 의해 수행되는 처리의 구조를 나타내는 흐름도;
도 11은 리액터의 전류가 음일 때의 리액터의 전류와 데드타임보정값간의 관계를 도시한 도면;
도 12는 리액터의 전류가 양일 때의 리액터의 전류와 데드타임보정값간의 관계를 도시한 도면;
도 13은 제2실시예에서 도 2의 DC-CPU(31)를 대체하는 DC-CPU(31A)의 구성을 도시한 블럭도;
도 14는 DC-CPU(31A)에 의해 수행되는 처리의 구조를 나타내는 흐름도; 및
도 15는 적분항 이득을 전환하는 일 예시를 도시한 도면이다.
이하, 본 발명을 보다 구체적으로 도면들을 참조하여 실시예들로 기술하기로 한다. 도면에서, 동일하거나 대응하는 구성요소들은 동일하게 표시되며, 반복해서 설명하지는 않기로 한다.
차량의 일반적인 구성
도 1은 본 발명의 일 실시예의 전압 컨버터가 내부에 장착된 차량의 구성을 예시하기 위한 도면이다. 일 예시로서, 상기 차량은 연료전지자동차로 도시되어 있다. 하지만, 차량이 이것으로 국한되는 것은 아니다. 본 발명은 전기자동차 및 하이브리드자동차에도 적용가능하다
도 1을 참조하면, 상기 차량은 차륜(63L, 63R)에 연결된 동기모터(61)가 구동력원으로서의 역할을 하도록 작동한다. 동기모터(61)는 전원시스템(1)에 의해 구동된다. 전원시스템(1)은 인버터(60)에 의해 3상 교류로 변환되어 동기모터(61)로 공급되는 직류를 출력한다. 동기모터(61)는 또한 제동 시 파워제너레이터로서의 기능도 한다.
전원시스템(1)은 연료전지(40), 배터리(20), DC/DC 컨버터(30) 등으로 구성된다. 연료전지(40)는 수소 및 산소의 전기화학반응에 의해 전력을 발생시키는 장치이다. 일 예시로는, 고체고분자연료전지가 사용될 수 있다. 하지만, 연료전지(40)가 이것으로 국한되는 것은 아니다. 이는 포스포-연료전지, 멜티드-카보네이트 연료전지 또는 다양한 타입의 연료전지에 의해 구현될 수도 있다. 발전 시, 알콜 또는 유사한 소스 재료를 개조하여 생성되는 수소 가스를 이용한다. 본 실시예에서는, 전력을 발생시키는 역할을 하는 스택, 연료가스를 발생시키는 역할을 하는 리포머 등이 포함되기도 하는데, 이를 연료전지(40)라고 한다. 리포머는 본질적으로 수소가스를 흡장하기 위하여, 수소흡장합금, 수소실린더 등을 이용하는 구성예로 대체될 수도 있다는 점에 유의한다.
배터리(20)는 충방전가능한 2차전지이고, 일 예시로는 니켈금속하이드라이드전지가 사용될 수 있다. 나아가, 다양한 타입의 2차전지도 적용가능하다. 나아가, 배터리(20)는 예컨대 캐패시터와 같은 2차전지 이외의 충방전가능한 축전장치로 대체될 수도 있다.
연료전지(40) 및 배터리(20)는 인버터(60)에 병렬로 연결된다. 연료전지(40)로부터 인버터(60)로의 회로에는 배터리(20)로부터 흐르거나 동기모터(61)에 의해 발생되는 전류가 다시 역행하는 것을 방지하기 위한 다이오드(42)가 제공된다. 병렬로 연결된 각각의 전원들의 전력을 적절하게 이용하면 그들 간의 전압의 상대적인 차이를 제어하는 것을 수반한다. 이를 위해, 본 실시예는 배터리(20)와 인버터(60) 사이에 DC/DC 컨버터(30)를 제공한다. DC/DC 컨버터(30)는 직류전압컨버터이다. DC/DC 컨버터(30)는 배터리(20)로부터 DC 전압을 수신하고, 수신된 DC 전압을 조정하며, 조정된 전압을 인버터(60)로 출력하는 기능을 하고, 연료전지(40) 또는 모터(61)로부터의 DC 전압을 수신하고, 수신된 DC 전압을 조정하며, 조정된 전압을 배터리(20)로 출력하는 기능을 한다. 이러한 기능을 담당하는 DC/DC 컨버터(30)는 배터리(20)가 충전 및 방전되도록 한다.
배터리(20)와 DC/DC 컨버터(30) 사이에는, 차량용 보조기계(50)와 FC 보조기계(51)가 연결된다. 다시 말해, 배터리(20)가 이들 보조기계용 전원으로서의 역할 을 한다. 차량용 보조기계(50)는 차량 운전 시에 사용되는 다양한 파워 장비이다. 이는 조명기기, 에어컨디셔너, 유압펌프 등을 포함한다. FC 보조기계(51)는 연료전지(40) 작동 시에 사용되는 다양한 파워 장비이다. 이는 연료가스를 공급하는데 사용되는 펌프, 개조되기 위한 소스 재료, 리포머의 온도를 조정하는 히터 등을 포함한다.
상술된 각각의 구성요소는 CPU, RAM 및 ROM을 내부적으로 포함하는 마이크로컴퓨터로서 구성되는 제어유닛(10)에 의해 제어됨으로써 작동된다. 제어유닛(10)은 필요한 원동력에 대응하는 3상 교류를 동기모터(61)로 출력하도록 전환하기 위해 인버터(60)를 제어한다. 필요한 원동력에 대응하는 파워를 공급하기 위하여, 연료전지(40)의 동작 및 DC/DC 컨버터(30)의 동작을 제어한다.
이러한 제어를 구현하기 위하여, 제어유닛(10)은 예컨대 액셀러레이터페달센서(11), 배터리(20)의 SOC를 검출하는 충전상태(SOC)센서(21), 연료전지(40)의 가스유량을 검출하는 유량센서(41) 및 차속을 검출하는 차속센서(62)를 포함하는 각종 센서로부터 신호를 수신한다. 도시되지는 않았지만, 제어유닛(10)은 또한 기타 여러 타입의 센서들에도 연결된다.
도 2는 도 1의 DC/DC 컨버터(30)의 상세한 구성을 도시한 회로도이다. 동작 이해를 돕기 위하여, 도 2는 DC/DC 컨버터(30) 주변 부분의 일부의 구성도 보여준다는 점에 유의한다.
도 2를 참조하면, 상기 차량에는 배터리(20), 배터리(20)의 단자들 사이에 연결된 평활캐패시터(6), 인버터(60), 인버터(60)에 의해 구동되는 모터(61), 직렬 로 연결되어 직류 전압을 인버터로 공급하는 다이오드(42)와 연료전지(40), 상기 인버터의 전원 단자들 사이에 연결된 평활캐패시터(14)가 제공된다. 다이오드(42)는 전류가 연료전지(40) 안으로 흐르는 것을 방지하기 위한 보호장치이다.
이 차량은 또한 그 내부에 배터리(20)의 전압(VB)을 검출하는 전압센서(22), 배터리(20)로 흐르는 전류(IB)를 검출하는 전류센서(23), 인버터의 전압(VINV)을 검출하는 전압센서(44), 인버터에 근접하여 흐르는 전류(IINV)를 검출하는 전류센서(43), 및 배터리의 전압(VB)과 인버터의 전압(VINV)간의 전압 변환을 상호 수행하는 DC/DC 컨버터(30)를 탑재하였다.
DC/DC 컨버터(30)는 배터리(20)의 단자들 사이에 연결된 제1아암, 인버터(60)의 전원 단자들 사이에 연결된 제2아암 및 상기 제1아암과 제2아암 사이에 연결된 리액터(L)를 포함한다.
상기 제1아암은 배터리(20)의 양전극과 음전극 사이에 직렬로 연결된 IGBT 소자(TR1, TR2)와, IGBT 소자(TR1)에 병렬로 연결된 다이오드(D1), IGBT 소자(TR2)에 병렬로 연결된 다이오드(D2)를 포함한다.
IGBT 소자(TR1)는 배터리(20)의 양전극에 연결된 콜렉터와 노드(N1)에 연결된 이미터를 구비한다. 다이오드(D1)는 노드(N1)로부터 배터리(20)의 양전극을 향하는 방향이 전진 방향이 되도록 연결된다.
IGBT 소자(TR2)는 노드(N1)에 연결된 콜렉터와 배터리(20)의 음전극에 연결된 이미터를 구비한다. 다이오드(D2)는 배터리(20)의 음전극으로부터 노드(N1)로 향하는 방향이 전진 방향이 되도록 연결된다.
상기 제2아암은 인버터의 양의 전원 단자와 음의 전원 단자들 사이에 직렬로 연결된 IGBT 소자(TR3, TR4)와, IGBT 소자(TR3)에 병렬로 연결된 다이오드(D3), IGBT 소자(TR4)에 병렬로 연결된 다이오드(D4)를 포함한다.
IGBT 소자(TR3)는 인버터(60)의 양의 전원 단자에 연결된 콜렉터와 노드(N2)에 연결된 이미터를 구비한다. 다이오드(D3)는 노드(N2)로부터 인버터(60)의 양의 전원 단자를 향하는 방향이 전진 방향이 되도록 연결된다.
IGBT 소자(TR4)는 노드(N2)에 연결된 콜렉터와 인버터(60)의 음의 전원 단자에 연결된 이미터를 구비한다. 다이오드(D4)는 인버터(60)의 음의 전원 단자로부터 노드(N2)로 향하는 방향이 전진 방향이 되도록 연결된다.
리액터(L)는 노드(N1)와 노드(N2) 사이에 연결된다
배터리(20)의 전압(VB) 및 연료전지(40)가 출력하는 전압은 각각 부분적으로 중첩되는 범위들을 가정할 수 있다. 예를 들어, 배터리는 니켈금속하이드라이드전지로 구현되어, 그 전원 전압은 예시를 위하여 예컨대 200V 내지 300V의 범위 내에서 변한다. 다른 한편으로, 연료전지(40)는 예시를 위하여 예컨대 240V 내지 400V의 범위 내에서 변하는 전압을 출력한다. 이와 같이, 배터리(20)의 전압은 연료전지(40)로부터의 출력보다 높거나 낮을 수도 있다. 이에 따라, DC/DC 컨버터(30)는 앞서 설명된 바와 같이, 제1아암 및 제2아암을 구비하도록 구성된다. 이러한 구성은 배터리(20)로부터 인버터(60)로의 업/다운 전압 변환과 인버터(60)로부터 배터리(20)로의 업/다운 전압 변환을 가능하게 한다.
DC/DC 컨버터(30)는 DC-CPU(31), 버퍼(32), 인버전 버퍼(34, 35, 36, 38, 39), 데드타임생성유닛(33, 37) 및 리액터(L)의 전류(IL)의 값을 검출하는 전류센서(SE)를 더 포함한다.
DC-CPU(31)는 전압제어값(Vfcr)과 전류값(IL)에 응답하여, 컨버터를 전환하기 위한 듀티비에 대한 참조로서의 역할을 하는 신호(GATEBA)를 출력하도록 작동된다. 신호(GATEBA)는 버퍼(32)에 의해 데드타임생성유닛(33)으로 전송된다. 데드타임생성유닛(33)은, 데드 타임이 그 사이에 있어 각각의 활성 기간을 갖는 2가지 상보 출력 신호들을 제공하도록 출력 신호의 상승을 지연시킨다. 데드타임에 있어서는, 2가지 출력 신호들 모두 비활성화된다.
데드타임생성유닛(33)은 각각 인버전 버퍼(34, 35)로 입력되는 상보 신호들을 출력한다. 인버전 버퍼(34)는 게이트 신호(MUP)를 IGBT 소자(TR1)로 출력한다. 인버전 버퍼(35)는 게이트 신호(MDN)를 IGBT 소자(TR1)로 출력한다.
나아가, 신호(GATEBA)는 인버전 버퍼(36)에 의해 데드타임생성유닛(37)으로도 전송된다. 데드타임생성유닛(37)은 데드 타임이 그 사이에 있어 각각의 활성 기간을 갖는 2가지 상보 출력 신호들을 제공하도록 입력 신호의 상승이나 하강을 지연시킨다. 데드타임에 있어서는, 2가지 출력 신호들 모두 비활성화된다.
데드타임생성유닛(37)은 인버전 버퍼(38, 39)로 입력되는 상보 신호들을 출력한다. 인버전 버퍼(38)는 게이트 신호(GUP)를 IGBT 소자(TR3)로 출력한다. 인버전 버퍼(39)는 게이트 신호(GUN)를 IGBT 소자(TR4)로 출력한다.
도 3은 스위칭소자의 듀티비가 50% 보다 작을 때, 리액터를 통과하는 전류가 어떻게 변하는 지를 예시하기 위한 도면이다.
도 4는 스위칭소자의 듀티비가 50% 보다 클 때, 리액터를 통과하는 전류가 어떻게 변하는 지를 예시하기 위한 도면이다.
여기서, "듀티비"는 Ton/(Ton + Toff)로 표시되되, Ton은 스위칭소자의 온 타임을 나타내고, Toff는 스위칭소자의 오프 타임을 나타낸다.
나아가, 리액터의 전류가 △I/△T = V/L 로 결정된 슬로프를 가지는 동안, 도 3 및 도 4는 이해를 쉽게 하기 위하여 컨버터의 유입구와 유출구의 전압이 같은 경우에 대한 리액터의 전류(IL)를 나타낸다.
도 3에 도시된 바와 같이, IL 기준 펄스의 듀티비(D)가 50% 보다 작은 경우, 리액터의 전류(IL)는 점진적으로 감소한다. 이와는 대조적으로, 도 4에 도시된 바와 같이, IL 기준 펄스의 듀티비(D)가 50% 보다 큰 경우, 리액터의 전류(IL)가 점진적으로 증가한다.
도 2의 배터리(20)가 방전되면, IGBT 소자(TR1, TR4)는 리액터(L)에 에너지를 저장하기 위해 턴 온이 되도록 제어된다. 후속해서, IGBT 소자(TR1, TR4) 양자 모두가 턴 오프 되도록 제어되면, 리액터(L)에 저장된 에너지는 다이오드(D2) → 리액터(L) → 다이오드(D3)의 전류 경로를 통해 방전된다.
이는 배터리(20)로부터 공급되는 파워가 인버터(60)를 구동시켜 모터(61)를 회전시키게 한다. 그와 함께 동기되어, IGBT 소자(TR2, TR3)가 도통되도록 제어됨으로써, 다이오드(D2, D3)에서의 손실을 줄이도록 저항력을 감소시키게 된다. 하지만, IGBT 소자가 턴 오프 되도록 전환되면, 딜레이를 가지고 턴 오프되며, 이에 따라 데드타임을 갖는 게이트 제어 신호가 제공된다는 점에 유의해야 한다.
도 2의 DC-CPU(31)로서 생성되는 기준 신호(GATEBA)가 제공되면, IGBT 소자의 게이트를 구동하는 신호를 생성하도록 PWM 제어가 이용되며, 예컨대 상기 소자를 턴 온 시키는 명령을 지연시키기 위한 구성이 추가되어, 상부 및 하부 아암들의 단락 위험을 피하고, 이러한 단락을 방지하게 되며, 상기 상부 및 하부 아암들은 데드타임이라 하는 시간 주기 동안 모두 턴 오프되는 IGBT 소자들을 구비한다.
도시되지는 않았지만, 모터(61)는 리덕션 기어를 통해 차륜들에 연결되어 있다. 따라서, 배터리(20)는, 연료전지(40) 단독으로 소요 파워를 만족하는 파워를 제공할 수 없을 정도로 높은 파워 범위 내에서 모터(61)가 작동되는 경우; 차량이 정지하고, 적은 부하로 주행하거나 또는 연료전지(40)의 효율이 낮은 범위 내에서 구동되는 경우 등에서 방전된다.
도 2의 배터리(20)가 충전되면, IGBT 소자(TR2, TR3)는 리액터(L)에 에너지를 저장하기 위해 턴 온이 되도록 제어된다. 후속해서, IGBT 소자(TR2, TR3) 양자 모두가 턴 오프 되도록 제어되면, 리액터(L)에 저장된 에너지는 다이오드(D4) → 리액터(L) → 다이오드(D1)의 전류 경로를 통해 방전된다.
따라서, 배터리(20)는, 배터리(20)가 감소된 SOC를 가지고, 연료전지(40)도 마진을 가진 출력을 가지는 경우; 또는 주행 중인 차량이 제동되고, 모터(61)가 회생 동작을 제공하여, 전기에너지를 복원시켜 배터리(20)에 저장하는 경우에 충전된다.
이러한 작업에 의하여, 연료전지(40)에 발생된 직류 파워가 공급되거나, 회생 동작에 의해 모터(61)에서 발생된 교류 파워가 인버터(60)에서 직류 파워로 변 환되어, 배터리(20)를 충전하도록 공급된다.
배터리(20)의 충전 또한 상부 및 하부 아암들이 단락되는 것을 방지하도록 도입되는 데드타임으로 행해진다.
도 5는 리액터의 전류가 3 상태로 분류되는 것을 예시하기 위한 파형도이다.
도 5를 참조하면, 상태 A는 리액터의 전류(IL)가 하나의 스위칭 사이클 동안 일정하게 네거티브인 상태이다. 리액터가 도 2에 도시된 리액터의 전류(IL)의 화살표로 표시된 방향으로의 전류를 가지면, 상기 리액터는 포지티브 방향으로의 전류를 가진다는 점에 유의한다. 다시 말해, 상태 A는 배터리(20)가 연료전지(40) 또는 인버터(60)로부터 충전되는 상태이다.
상태 C는 리액터의 전류(IL)가 하나의 스위칭 사이클 동안 일정하게 포지티브인 상태이다. 다시 말해, 상태 C는 배터리(20)가 인버터(60)로 방전되는 상태이다.
상태 B는 하나의 스위칭 사이클 동안, 리액터의 전류(IL)가 양의 값을 갖는 최대값(Imax)과 음의 값을 갖는 최소값(Imin)을 가지는 상태이다. 다시 말해, 상태 B는 배터리(20)를 충전하는 전류와 배터리(20)가 방전하는 전류가 서로 거의 상쇄되는 상태이다.
도 6은 도 5에 도시된 상태 A에서 리액터의 전류의 변동과 기준 신호(GATEBA)간의 관계를 나타내는 동작파형도이다.
도 2 및 도 6을 참조하면, 데드타임생성유닛(33, 37)에 의해 추가되는 데드타임을 갖는 DC-CPU(31)로부터 출력되는 기준 신호(GATEBA)가 결과적으로 도 6의 파형도에 도시된 바와 같이, IGBT 소자(TR1~TR4)를 턴 온 및 턴 오프 시킨다.
보다 구체적으로는, 기준 신호(GATEBA)가 강하하는 시간 t1에서 그리고 이에 응답하여 턴 온 된 IGBT 소자(TR1, TR4)가 턴 오프 되거나 비활성화되고, 데드타임(Tdt1)이 경과하거나 시간 t3에 도달할 때, 턴 오프 된 IGBT 소자(TR2, TR3)가 턴 온 되거나 활성화된다.
후속해서, 기준 신호(GATEBA)가 상승하는 시간 t4에서 그리고 이에 응답하여 턴 온 된 IGBT 소자(TR2, TR3)가 턴 오프 되거나 비활성화되고, 데드타임(Tdt2)이 경과하거나 시간 t6에 도달할 때, 턴 오프 된 IGBT 소자(TR1, TR4)가 턴 온 되거나 활성화된다.
IGBT 소자(TR1~TR4)는 각각 그것에 병렬로 연결된 다이오드(D1~D4)를 구비한다는 점에 유의한다. 이는 다이오드의 포워드 방향으로 데드 타임 동안에도 전류가 흐르도록 한다.
상태 A에서, 리액터의 전류(IL)는 네거티브, 즉 도 2의 노드 N2로부터 노드 N1로 흐른다. 이에 따라, IGBT 소자(TR1~TR4)가 모두 턴 오프 되면, 즉 데드타임에서, 다이오드(D1, D4)가 도통된다.
다시 말해, IGBT 소자(TR1, TR4)가 도통되는 시간(t6 내지 t7) 더하기 데드타임(Tdt1, Tdt2) 동안, 즉 시간 t4 내지 t9 동안, 리액터의 전류(IL)가 한 사이클 동안 증가하고, 리액터의 전류(IL)는 시간 t3 내지 t4 동안에만, 즉 IGBT 소자(TR2, TR3)가 도통될 때에만 한 사이클 동안 감소한다.
이와 같이, 기준 신호(GATEBA)가 50% 의 듀티비를 가진다면, 상태 A에서 리 액터의 전류(IL)가 점진적으로 증가하는 경향을 가질 것이다.
도 7은 도 5에 도시된 상태 C에서 리액터의 전류의 변동과 기준 신호(GATEBA)간의 관계를 나타내는 동작파형도이다.
도 7에서 IGBT 소자(TR1~TR4)가 어떻게 턴 온 및 턴 오프 되는지와 기준 신호(GATEBA)는 도 6의 것과 유사하다. 이에 따라, 반복해서 설명하지는 않기로 한다.
도 2 및 도 7을 참조하면, 상태 C에서, 리액터의 전류(IL)가 포지티브, 즉 도 2의 노드 N1로부터 노드 N2로 흐른다. 이에 따라, IGBT 소자(TR1~TR4)가 모두 턴 오프되면, 즉 데드타임에서는 다이오드(D2, D3)가 도통된다.
다시 말해, t3 내지 t4의 IGBT 소자(TR2, TR3)의 도통 시간 및 데드타임(Tdt1, Tdt2)의 총 시간 동안, 즉 시간 t1 내지 t6 동안, 리액터의 전류(IL)가 한 사이클 동안 감소하고, 상기 리액터의 전류(IL)는 시간 t6 내지 t7 동안에만, 즉 IGBT 소자(TR1, TR4)가 도통될 때에만 한 사이클 동안 증가한다.
이와 같이, 기준 신호(GATEBA)가 50% 의 듀티비를 가진다면, 상태 C에서 리액터의 전류(IL)가 점진적으로 감소하는 경향을 가질 것이다.
도 8은 도 5에 도시된 상태 B에서 리액터의 전류의 변동과 기준 신호(GATEBA)간의 관계를 나타내는 동작파형도이다.
도 8에서 IGBT 소자(TR1~TR4)가 어떻게 턴 온 및 턴 오프 되는지와 기준 신호(GATEBA)는 도 6의 것과 유사하다. 이에 따라, 반복해서 설명하지는 않기로 한다.
도 2 및 도 8을 참조하면, 상태 B에서, 리액터의 전류(IL)가 포지티브, 즉 도 2의 노드 N1로부터 노드 N2로 흐르는 시간 주기와, 리액터의 전류(IL)가 네거티브, 즉 도 2의 노드 N2로부터 노드 N1로 흐르는 시간 주기가 반복된다.
이 경우, t3 내지 t4의 IGBT 소자(TR2, TR3)의 도통 시간 및 데드타임(Tdt1)의 총 시간 동안, 즉 시간 t1 내지 t4 동안, 리액터의 전류(IL)가 한 사이클 동안 감소하고, IGBT 소자(TR1, TR4)의 도통 시간 및 데드타임(Tdt2)의 총 시간 동안, 즉 시간 t4 내지 t7 동안, 리액터의 전류(IL)는 한 사이클 동안 증가한다.
이와 같이, 기준 신호(GATEBA)가 50% 의 듀티비를 갖고 데드타임(Tdt1, Tdt2)들이 같다면, 상태 B에서 리액터의 전류(IL)가 현재 가지고 있는 상태를 유지하려는 경향을 가질 것이다.
따라서, 도 6~8을 참조하여 설명하는 바와 같이, 기준 신호(GATEBA)의 듀티비 및 전류가 리액터에서 실제로 증가/감소되는 듀티가 리액터의 전류 상태에 따라 다르다.
이와 같이, 정밀한 제어를 위해서는, 리액터의 전류 상태에 따라 기준 신호(GATEBA)의 듀티비를 보정할 필요가 있다.
보다 구체적으로, 상태 A에서는, 기준 신호(GATEBA)의 듀티비를 목표보다 작게 보정하는 것이 필요하고, 상태 C에서는, 기준 신호(GATEBA)의 듀티비를 목표보다 크게 보정하는 것이 필요하다.
제1실시예
도 9는 도 2에 도시된 DC-CPU(31)의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 9를 참조하면, DC-CPU(31)는 전압제어값(Vfcr)과 인버터의 전압값(VINV)간의 편차(△Vfc)를 산출하는 연산유닛(72), 편차 △Vfc를 미분하는 처리유닛(74), 처리유닛(74)의 출력에 미분항 이득 KdV를 곱하는 연산유닛(76), 편차 △Vfc를 적분하는 처리유닛(80), 처리유닛(80)의 출력에 적분항 이득 KiV를 곱하는 연산유닛(82), 편차 △Vfc에 비례중항(KpV)을 곱하는 연산유닛(78), 및 연산유닛(76, 82, 84)의 출력들의 합을 계산하는 연산유닛(84)을 포함한다. 연산유닛(84)은 합 신호 Vfc를 출력한다.
DC-CPU(31)는 또한 전압제어신호(Vfcr) 및 배터리의 전압값(VB)을 수신하여, 전압값 Vfcreq로서 Vfcr/(VB+Vfcr)을 계산 및 출력하는 피드포워드처리유닛(86), 도 2의 전류센서(SE)로부터 리액터의 전류(IL)를 수신하고, 그것이 도 5의 상태 A~C 중 어떤 것을 가지는 지를 결정하여, 상기 결정된 상태에 대응하는 데드타임에 상응하는 양만큼 듀티비를 보정하는 값을 선택하는 데드타임보정유닛(90), 전압값 V1을 출력하도록 데드타임보정유닛(90)의 출력, 전압값 Vfc 및 전압값 Vfcreq를 함께 더하는 가산처리유닛(88), 및 전압값 V1을 수신하여 기준 신호(GATEBA)를 출력하는 PWM 처리유닛(92)을 더 포함한다.
데드타임보정유닛(90)은 보정값들로서, 예컨대 상태 A, B, C 에 대해 각각 -36V, 5.4V, 42.8V 의 전압값들을 출력하기 위한 프로세스를 수행한다.
PWM 처리유닛(92)은 가산처리유닛(88)에 의해 제공되는 가산 결과로 제공된 전압값 V1에 상응하는 전환용 기준으로서의 역할을 하는 타이밍을 나타내는 신호(GATEBA)를 도 2의 버퍼(32) 및 인버전 버퍼(36)로 출력한다.
도 10은 DC-CPU(31)에 의해 수행되는 프로세스의 구조를 나타내는 흐름도이다. 이 프로세스는 각각의 소정의 시간 동안 또는 소정의 조건이 수립될 때마다, 상기 제어의 주요 루틴으로부터 실행된다.
도 10을 참조하면, 프로세스가 개시되는 경우, 초기에는 단계 S1에서 DC-CPU(31)가 도 2의 전류센서(SE)로부터 출력되는 리액터의 전류값(IL)을 획득하여, 상기 리액터의 전류가 현재 가지고 있는 것이 도 5의 상태 A~C 중 어떤 것인 지를 검출한다.
보다 구체적으로는, 전류값(IL)이 한 사이클 동안 증가/감소하는 동안, 그 피크값이 측정된다. Imax < 0 이면, 리액터의 전류가 상태 A를 가진 것으로 판정이 내려진다. Imin > 0 이면, 리액터의 전류가 상태 C를 가진 것으로 판정이 내려진다. Imin < 0 < Imax 이면, 리액터의 전류가 상태 B를 가진 것으로 판정이 내려진다.
그 후, 단계 S2에서, 데드타임보정값이 계산된다. 예를 들어, 상태 A, B, C 에 대해, -36V, 5.4V, 42.8V의 전압값이 각각 보정값들로 제공되는데, 그 이유는 도 9의 PWM 처리유닛(92)으로 입력되기 전, 기준 신호(GATEBA)의 듀티비가 이에 대응하는 전압값과 함께 계산되기 때문이다. 표현을 위한 기준으로 시간이 이용되고, Tdt1 = Tdt2 = Tdt 이면, 도 6, 도 8 및 도 7로부터, 상태 A, B, C 에 대해서는, +Tdt, 0, -Tdt가 각각 기준 신호(GATEBA)의 듀티비를 보정하는 값(즉, 데드타임보정값)들이다. 상기 프로세스는 그 후에 단계 S3으로 진행된다.
단계 S3에서, 초기에는 피드포워드항(FF 항) 및 피드백항(FB 항)이 계산된 다. 상기 FF 항은 Vfcr/(VB + Vfcr)을 계산하여 얻어진다. 상기 FB 항은 전압제어값(Vfcr)과 인버터의 전압값(VINV)간의 편차 △Vfc에 대해 PID 프로세스를 수행하여 얻어진다. 그러면, FF 항 + FB 항 + 데드타임보정값이 계산되어 도 9의 전압값 V1을 얻게 되고, 전압값 V1에 대응하는 듀티비의 기준 신호(GATEBA)가 얻어진다.
단계 S3이 완료되면, 제어가 주요 루틴으로 되돌아간다. 이러한 프로세스에 의하여, 정밀도가 개선된 출력 전압이 제공될 수 있고, 리액터의 전류가 변화된 상태를 가진다면, 출력 전압이 초기 단계에서 목표값으로 수렴될 수 있다.
제1실시예의 예시적인 변형예
제1실시예에서는, 리액터의 3가지 전류 상태 중 하나에 대응하는 데드타임보정값이 선택되어 그에 따라 결정된다. 하지만, 상기 리액터의 전류가 전이되어 한 상태에서 다른 상태로 변하게 되면, 전압 제어능력을 개선할 여지가 여전히 남게 된다.
보다 구체적으로는, 리액터의 전류가 상태 A로부터 상태 B로, 그 후에 상태 C로 변한다면, 도 5에 도시된 바와 같이, 상태 A가 상태 B로 전환될 때 순간적으로 갑작스럽게 데드타임보정값을 전환하는 것은 안정된 출력 전압이 얻어지기 전 시간을 필요로 하는 것이 수반될 수 있다.
도 11은 리액터의 전류가 네거티브일 때의 리액터의 전류와 데드타임보정값간의 관계를 보여준다.
도 12는 리액터의 전류가 포지티브일 때의 리액터의 전류와 데드타임보정값간의 관계를 보여준다.
한 사이클 동안 리액터의 전류가 최대값 Imax < 0 을 가진다면, 도 11에 도시된 바와 같이, Imax < -I1 의 범위에서, 데드타임보정값 △T 가 -Tdt로 고정되고, -I1 < Imax < 0 의 범위에서는, 데드타임보정값 △T 가 -Tdt에서 0으로 점진적으로 변하게 된다.
이와는 대조적으로, 한 사이클 동안 리액터의 전류가 최소값 Imin > 0 을 가진다면, 도 12에 도시된 바와 같이, Imin > I2 의 범위에서는, 데드타임보정값 △T 가 +Tdt로 고정되고, 0 < Imin < I2 의 범위에서는, 데드타임보정값 △T 가 0에서 +Tdt로 점진적으로 변하게 된다.
다시 말해, 도 2에서, DC/DC 컨버터(30)는 리액터(L), 제1활성화신호(GUP)에 응답하여 리액터(L)의 일단부를 인버터의 제1전원노드와 결합시키도록 동작하는 IGBT 소자(TR3), 제2활성화신호(GUN)에 응답하여 리액터(L)의 일단부를 접지노드와 결합시키도록 동작하는 IGBT 소자(TR4), 데드타임생성유닛(37) 및 DC-CPU(31)를 포함한다.
데드타임생성유닛(37)은 듀티비에 대한 기준 신호(GATEBA)에 응답하여, IGBT 소자(TR3, TR4) 양자 모두가 도통되는 것을 방지하는 데드타임에 대응하는 비활성 기간을 갖는 제1 및 제2활성화신호(GUP, GUN)를 출력하도록 동작한다. DC-CPU(31)는 전압제어값 Vfcr을 토대로 산출된 임시 듀티비를 리액터(L)를 통과하는 리액터의 전류값(IL)에 따라 보정하고, 기준 신호(GATEBA)를 출력한다. DC-CPU(31)는 리액터의 전류값(IL)을 3 상태와 연관시키고, 상기 리액터의 전류값이 한 상태가 다른 상태로 전이되는 값에 접근하면, DC-CPU(31)는 도 11 및 도 12에 도시된 맵들에 따라 보정값을 점진적으로 전환시킨다.
이렇게 데드타임보정값에 의해 보정된 듀티비를 갖는 기준 신호(GATEBA)는 또한 리액터의 전류가 전이되어 한 상태로부터 다른 상태로 변하게 될 때에 평활 및 정상 전압 제어를 가능하게 한다.
제2실시예
제2실시예에서는, DC-CPU(31)가 DC-CPU(31A)로 대체된다.
도 13은 제2실시예에서 도 2의 DC-CPU(31)를 대체하는 DC-CPU(31A)의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 13을 참조하면, DC-CPU(31A)는 전압제어값(Vfcr)과 인버터의 전압값(VINV)간의 편차(△Vfc)를 산출하는 연산유닛(72), 편차 △Vfc를 미분하는 처리유닛(74), 처리유닛(74)의 출력에 미분항 이득 KdV를 곱하는 연산유닛(76), 편차 △Vfc를 적분하는 처리유닛(80), 처리유닛(80)의 출력에 적분항 이득 KiV를 곱하는 연산유닛(82A), 편차 △Vfc에 비례중항(KpV)을 곱하는 연산유닛(78), 및 연산유닛(76, 82, 84)의 출력들의 합을 계산하는 연산유닛(84)을 포함한다. 연산유닛(84)은 합 신호 Vfc를 출력한다. 연산유닛(82A)은 도 2의 전류센서(SE)로부터 리액터의 전류값(IL)을 수신하고, 그것이 도 5의 상태 A~C 중 어떤 것을 가지는 가를 결정하여, 상기 결정된 상태에 대응하도록 적분항 이득을 증가/감소시킨다.
DC-CPU(31A)는 또한 전압제어신호(Vfcr) 및 배터리의 전압값(VB)을 수신하여, 전압값 Vfcreq로서 Vfcr/(VB+Vfcr)을 계산 및 출력하는 피드포워드처리유닛(86), 전압값 V1A를 출력하도록 전압값 Vfc 및 전압값 Vfcreq를 함께 더하는 가 산처리유닛(88A), 및 전압값 V1A을 수신하여 기준 신호(GATEBA)를 출력하는 PWM 처리유닛(92)을 더 포함한다.
PWM 처리유닛(92)은 가산처리유닛(88)에 의해 제공되는 가산 결과로 제공된 전압값 V1에 상응하는 전환용 기준으로서의 역할을 하는 타이밍을 나타내는 신호(GATEBA)를 도 2의 버퍼(32) 및 인버전 버퍼(36)로 출력한다.
도 14는 DC-CPU(31A)에 의해 수행되는 프로세스의 구조를 나타내는 흐름도이다. 이 프로세스는 각각의 소정의 시간 동안 또는 소정의 조건이 수립될 때마다, 상기 제어의 주요 루틴으로부터의 실행을 위해 호출된다.
도 14를 참조하면, 프로세스가 개시되는 경우, 초기에는 단계 S11에서 DC-CPU(31A)가 도 2의 전류센서(SE)로부터 출력되는 리액터의 전류값(IL)을 획득하여, 상기 리액터의 전류가 현재 가지고 있는 것이 도 5의 상태 A~C 중 어떤 것인 지를 검출한다.
보다 구체적으로는, 전류값(IL)이 한 사이클 동안 증가/감소하는 동안, 그 피크값이 측정된다. Imax < 0 이면, 리액터의 전류는 상태 A를 가진 것으로 판정이 내려진다. Imin > 0 이면, 리액터의 전류는 상태 C를 가진 것으로 판정이 내려진다. Imin < 0 < Imax 이면, 리액터의 전류는 상태 B를 가진 것으로 판정이 내려진다.
그 후, 단계 S12에서는, 리액터의 전류(IL)가 바로 앞서 샘플링되었을 때에 얻어진 것과 상이한 상태를 가지는 지의 여부에 관한 판정이 내려진다. 보다 구체적으로는, 도 5의 상태(A~C)들 가운데, 상태 전이 A→B, B→C 또는 C→B, B→A 가 발생하였는 지의 여부가 검출된다.
단계 S12에서, 리액터의 전류가 변화된 상태를 가진다면, 상기 프로세스는 단계 S13으로 진행되어, 적분항 이득이 소정의 시간 주기 동안 증가/감소되는데, 그 이유는 PID 제어가 실행되면, 데드타임에 대응하는 정도 만큼 듀티비 보정을 겪게 되는 것이 적분항 이득이고, 이에 따라 리액터의 전류의 변화된 상태가 검출되기 전에 상기 적분항 이득이 상기 리액터의 전류의 변화된 상태에 바로 매칭되기 때문이다.
도 15는 적분항 이득을 전환하는 일 예시를 보여준다.
도 15를 참조하면, 수평축은 리액터의 전류의 상태에 대응하는 배터리의 전류를 나타낸다. 수직축은 보정된 적분항 이득을 나타낸다. 배터리의 전류가 네거티브이면, 즉 배터리가 충전되면, 적분항 이득은 -60V이다. 배터리의 전류가 포지티브이면, 즉 배터리가 방전되면, 적분항 이득은 +30V이다. 배터리의 전류가 0 정도이면, 적분항 이득은 -10V이다.
도 5에서 알 수 있는 바와 같이, 상기 배터리의 전류가 포지티브이면, 리액터의 전류는 상태 C에 상응하는 상태를 가지고, 도 5에서 알 수 있는 바와 같이, 배터리의 전류가 네거티브이면, 리액터의 전류는 상태 A에 상응하는 상태를 가지며, 배터리의 전류가 0 정도이면, 리액터의 전류는 상태 B에 상응하는 상태를 가진다는 점에 유의한다. 이와 같이, 리액터(L)에 전류센서(SE)가 제공되지 않는 경우에도, 배터리의 전류(IB)를 측정함으로써, 듀티비 보정의 일반적인 제어를 가능하게 한다.
도 14를 다시 참조하면, 단계 S13이 종료되는 경우, 프로세스는 단계 S14로 진행된다. 상기 프로세스는 또한 단계 S12에서 리액터 전류의 변화된 상태가 검출되지 않는 경우에는 단계 S14로 진행된다.
단계 S14에서, 초기에는 피드포워드항(FF 항) 및 피드백항(FB 항)이 계산된다. 상기 FF 항은 Vfcr/(VB + Vfcr)을 계산하여 얻어진다. 상기 FB 항은 전압제어값(Vfcr)과 인버터의 전압값(VINV)간의 편차 △Vfc에 대해 PID 프로세스를 수행하여 얻어진다. 상기 PID 프로세스는 필요에 따라 증가/감소된 적분항 이득을 가진다. 그러면, FF 항 + FB 항이 계산되어 도 13의 전압값 V1A를 얻게 되고, 전압값 V1A에 대응하는 듀티비의 기준 신호(GATEBA)가 얻어진다.
단계 S14가 완료되면, 상기 프로세스는 단계 S15로 진행되어, 제어가 주요 루틴으로 되돌아간다. 이러한 프로세스는, 리액터의 전류가 변화된 상태를 가진다면, 출력 전압이 초기 단계에서 목표값으로 수렴되도록 한다.
본 명세서에 개시된 실시예들은 예시적인 것으로 여하한의 실시형태로 제한되지 않는다는 것을 이해하여야 한다. 본 발명의 범위는 상술된 상세한 설명보다는 청구범위의 항목들로 한정되며, 상기 청구범위에 등가인 범위와 기술적 사상 내에 어떠한 수정예도 포함하고자 한다.

Claims (20)

  1. 인버터(60)와 조합하여 사용되는 전압변환기를 제어하는 제어유닛을 포함하여 이루어지는 전압변환장치에 있어서,
    상기 제어유닛은,
    상기 전압변환기를 통과하는 전류를 검출하기 위한 검출수단(SE); 및
    상기 전압변환기가 스위칭소자를 턴 온 및 턴 오프시킬 수 있는 듀티비를 보정하기 위해 상기 검출수단(SE)으로부터 수신되는 출력에 응답하여 동작하는 보정수단(31~39)을 포함하는 것을 특징으로 하는 전압변환장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전압변환기는, 상기 인버터(60)에 연결된 제1전원노드와 축전장치(20)에 연결된 제2전원노드간의 전압 변환을 제공하는 것을 특징으로 하는 전압변환장치.
  3. 제2항에 있어서,
    정류소자(42)를 통해 상기 제1전원노드에도 연료전지(40)가 연결되는 것을 특징으로 하는 전압변환장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 전압변환기는, 상기 듀티비가 더욱 클 때, 상기 제1전원노드의 전압을 상기 제2전원노드의 전압보다 높게 설정하는 것을 특징으로 하는 전압변환장치.
  5. 인버터(60)와 조합하여 사용되는 전압변환기를 제어하는 제어유닛을 포함하여 이루어지는 전압변환장치에 있어서,
    상기 제어유닛은,
    상기 전압변환기를 통과하는 전류를 검출하기 위한 검출유닛(SE); 및
    상기 전압변환기가 스위칭소자를 턴 온 및 턴 오프시킬 수 있는 듀티비를 보정하기 위해 상기 검출수단(SE)으로부터 수신되는 출력에 응답하여 동작하는 보정유닛(31~39)을 포함하는 것을 특징으로 하는 전압변환장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 전압변환기는, 상기 인버터(60)에 연결된 제1전원노드와 축전장치(20)에 연결된 제2전원노드간의 전압 변환을 제공하는 것을 특징으로 하는 전압변환장치.
  7. 제6항에 있어서,
    정류소자(42)를 통해 상기 제1전원노드에도 연료전지(40)가 연결되는 것을 특징으로 하는 전압변환장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 전압변환기는, 상기 듀티비가 더욱 클 때, 상기 제1전원노드의 전압을 상기 제2전원노드의 전압보다 높게 설정하는 것을 특징으로 하는 전압변환장치.
  9. 전압변환장치에 있어서,
    리액터(L);
    제1활성화신호(GUP)에 응답하여, 상기 리액터(L)의 일단부를 제1전원노드와 결합시키도록 동작하는 제1스위칭소자(TR3);
    제2활성화신호(GUN)에 응답하여, 상기 리액터(L)의 일단부를 접지노드와 결합시키도록 동작하는 제2스위칭소자(TR4);
    듀티비에 대한 기준신호(GATEBA)에 응답하여, 상기 제1 및 제2스위칭소자(TR3, TR4) 양자 모두가 도통되는 것을 방지하는 데드타임에 대응하는 비활성기간이 제공된 상기 제1 및 제2활성화신호(GUP, GUN)를 출력하도록 동작하는 제1데드타임생성유닛(37); 및
    상기 기준신호를 출력하기 위해, 상기 리액터(L)를 통과하는 전류(IL)의 값에 따라, 전압제어값을 토대로 산출된 임시 듀티비를 보정하는 제어유닛(31)을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전압변환장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제어유닛(31)은 상기 리액터의 전류의 값을 3 상태와 연관시키고, 상기 리액터의 전류의 값이 상태가 전이하는 값에 근접할 때, 상기 제어유닛(31)이 보정값을 점진적으로 전환하는 것을 특징으로 하는 전압변환장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제어유닛(31)은 상기 전압제어값과 출력전압값간의 편차를 토대로 비례적분미분제어를 행하고, 상기 임시 듀티비를 보정하기 위해 상기 리액터의 전류의 값에 따라 적분항을 보정하는 것을 특징으로 하는 전압변환장치.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 제2활성화신호(GUN) 및 상기 제1활성화신호(GUP)와 동기되어 활성화되는 제3활성화신호(MUP) 및 제4활성화신호(MUN)를 각각 출력하도록 상기 기준신호에 응답하여 동작하는 제2데드타임생성유닛(33);
    상기 제3활성화신호(MUP)에 응답하여, 상기 리액터(L)의 타단부를 제2전원노드와 결합시키도록 동작하는 제3스위칭소자(TR1); 및
    상기 제4활성화신호(MUN)에 응답하여, 상기 리액터(L)의 타단부를 접지노드와 결합시키도록 동작하는 제4스위칭소자(TR2)를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전압변환장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1전원노드는 모터를 구동하기 위한 인버터(60)에 연결되고, 상기 제2 전원노드는 축전장치(20)에 연결되는 것을 특징으로 하는 전압변환장치.
  14. 제13항에 있어서,
    정류소자(42)를 통해 상기 제1전원노드에도 연료전지(40)가 연결되는 것을 특징으로 하는 전압변환장치.
  15. 차량에 있어서,
    리액터(L);
    제1활성화신호(GUP)에 응답하여, 상기 리액터(L)의 일단부를 제1전원노드와 결합시키도록 동작하는 제1스위칭소자(TR3);
    제2활성화신호(GUN)에 응답하여, 상기 리액터(L)의 일단부를 접지노드와 결합시키도록 동작하는 제2스위칭소자(TR4);
    듀티비에 대한 기준신호(GATEBA)에 응답하여, 상기 제1 및 제2스위칭소자(TR3, TR4) 양자 모두가 도통되는 것을 방지하는 데드타임에 대응하는 비활성기간이 제공된 상기 제1 및 제2활성화신호(GUP, GUN)를 출력하도록 동작하는 제1데드타임생성유닛(37); 및
    상기 기준신호를 출력하기 위해, 상기 리액터(L)를 통과하는 전류(IL)의 값에 따라, 전압제어값을 토대로 산출된 임시 듀티비를 보정하는 제어유닛(31)을 포함하여 이루어지는 전압변환장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제어유닛(31)은 상기 리액터의 전류의 값을 3 상태와 연관시키고, 상기 리액터의 전류의 값이 상태가 전이하는 값에 근접할 때, 상기 제어유닛(31)이 보정값을 점진적으로 전환하는 것을 특징으로 하는 차량.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 제어유닛(31)은 상기 전압제어값과 출력전압값간의 편차를 토대로 비례적분미분제어를 행하고, 상기 임시 듀티비를 보정하기 위해 상기 리액터의 전류의 값에 따라 적분항을 보정하는 것을 특징으로 하는 차량.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 전압변환장치는,
    상기 제2활성화신호(GUN) 및 상기 제1활성화신호(GUP)와 동기되어 활성화되는 제3활성화신호(MUP) 및 제4활성화신호(MUN)를 각각 출력하도록 상기 기준신호에 응답하여 동작하는 제2데드타임생성유닛(33);
    상기 제3활성화신호(MUP)에 응답하여, 상기 리액터(L)의 타단부를 제2전원노드와 결합시키도록 동작하는 제3스위칭소자(TR1); 및
    상기 제4활성화신호(MUN)에 응답하여, 상기 리액터(L)의 타단부를 접지노드와 결합시키도록 동작하는 제4스위칭소자(TR2)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량.
  19. 제18항에 있어서,
    차륜을 구동하는 모터(61);
    상기 제1전원노드에 연결되어, 상기 모터를 구동하는 인버터(60); 및
    상기 제2전원노드에 연결된 축전장치(20)를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 차량.
  20. 제19항에 있어서,
    연료전지(40); 및
    상기 제1전원노드와 상기 연료전지(40) 사이에 연결된 정류소자(42)를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 차량.
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