KR20100138210A

KR20100138210A - 다양한 전원을 입력으로 하는 전기자동차 충전용 전력변환장치

Info

Publication number: KR20100138210A
Application number: KR1020090056634A
Authority: KR
Inventors: 방효진
Original assignee: 엘에스산전 주식회사
Priority date: 2009-06-24
Filing date: 2009-06-24
Publication date: 2010-12-31
Also published as: KR101060781B1

Abstract

본 발명은 전기 자동차에 있어서 상용전원외에 태양전지 모듈등 다양한 전원으로 배터리 충전이 가능하게한 전기자동차 충전용 전력변환장치를 제공하려는 것으로서, 본 발명에 따라서 상용 교류전원 또는 직류전원으로부터의 전압을 승압하여 제공하는 승압회로부; 직류를 교류로 변환하기 위한 인버터부와, 교류전원을 전달하는 트랜스포머(transformer)와, 교류를 직류로 변환하는 정류회로부를 갖는 직류-직류 변환부; 상기 승압회로부의 출력전압과 설정된 기준전압값의 차이값을 비례적분에 의해 제 1 주파수변화량으로 변환하고, 제 1 주파수변화량에 전원입력단의 입력전압을 곱해 기준 전류값을 얻고 기준 전류값과 승압 회로부의 인덕터 코일을 흐르는 전류값의 차이값을 비례적분에 의해 제 2 주파수변화량으로 변환하여, 제 2 주파수 변화량에 따라 승압 회로부의 제 1 스위칭 소자의 스위칭 듀티(switching duty)를 결정하여 제 1 펄스 폭 변조신호를 발출하는 승압회로 제어부; 및 직류전원일 경우 변화하는 기준 전류값중 상기 입력전압이 최대가 되는 기준 전류값과 최종 출력전류간의 차이값을 비례적분하여 주파수 변화량을 얻고 해당 주파수 변화량에 따라 상기 인버터부의 제 2 스위칭소자의 스위칭 듀티를 결정하여 제 2 펄스 폭 변조신호를 발출하는 직류-직류 변환부 제어부를 포함하는 전기자동차 충전용 전력변환장치가 제공된다.

전기자동차, 전력변환장치

Description

다양한 전원을 입력으로 하는 전기자동차 충전용 전력변환장치{POWER CONVERTER FOR ELECTRIC VEHICLE USING VARIOUS ELECTRICAL SOURCES}

본 발명은 전기자동차에 관한 것으로 특히 다양한 전원을 입력으로 하는 전기자동차 또는 플러그인 하이브리드 자동차(Plug-In Hybrid Electric Vehicle)의 충전용 전력변환장치에 관한 것이다.

미래형 자동차중 하나인 전기자동차는 일반가정에서 전원 플러그를 자동차에 연결하여 2차전지에 충전하고 충전된 전기에너지를 이용하여 자동차를 구동하는 자동차이며, 플러그인 하이브리드 자동차(Plug-In Hybrid Electric Vehicle)는 기본적으로 전원 플러그를 자동차에 연결하여 2차전지에 충전하고 충전된 전기에너지를 이용하여 자동차를 구동하며 충전된 전기에너지가 부족하면 일반 화석연료를 비상용으로 사용할 수 있는 자동차를 지칭한다. 상기 플러그인 하이브리드 자동차는 그리드 접속 하이브리드자동차(Grid-Connected Hybrid Electric Vehicle)로도 불린다.

종래기술에 따른 전기자동차 충전용 전력변환장치는 오직 상용교류전원으로만 충전시킬 수 있다는 문제점을 가지고 있었다. 따라서 장거리 여행시 충전 에너 지의 소모후 일반 화석연료만 사용해야하므로 플러그인 하이브리드 자동차의 장점인 에너지 효율과 탄소배출의 최소화등 친환경적 효과를 전혀 발휘할 수 없는 문제가 있다.

따라서 본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해소하는 것으로서, 본 발명의 목적은 일반 상용교류전원뿐 아니라 배터리(battery) 또는 태양전지 셀로부터의 직류전원도 이용하여 전기자동차용 배터리에 충전을 할 수 있는 전기자동차 충전용 전력변환장치를 제공하는 것이다.

상기 본 발명의 목적은, 전기자동차 충전용 전력변환장치에 있어서,

상용 교류전원 또는 직류전원으로부터의 전압을 승압하여 제공하기 위해 제 1 스위칭 소자와 인덕터 코일(inductor coil)을 갖는 승압회로부;

상기 승압 회로부의 출력단에 접속되고, 직류를 교류로 변환하기 위한 다수의 제 2 스위칭 소자를 갖는 인버터부와, 상기 인버터부에 접속되어 교류전원을 전달하는 트랜스포머(transformer)와, 상기 트랜스포머의 출력단에 접속되어 교류를 직류로 변환하여 전기자동차용 배터리에 충전을 위한 직류전원을 공급하는 정류회로부를 갖는 직류-직류 변환부;

상기 승압회로부의 제 1 스위칭 소자에 출력단이 접속되고, 상기 직류-직류 변환 회로부에서 전기자동차용 배터리로 출력되는 최종 출력전압을 일정하게 제어하기 위해서 상기 승압회로부의 출력전압과 설정된 기준전압값의 차이값을 비례적분에 의해 제 1 주파수변화량으로 변환하고, 역률을 향상시키도록 상기 제 1 주파수변화량에 전원입력단의 입력전압을 곱해 기준 전류값을 얻고, 상기 기준 전류값 과 상기 승압 회로부의 인덕터 코일을 흐르는 전류값의 차이값을 비례적분에 의해 제 2 주파수변화량으로 변환하여, 상기 제 2 주파수 변화량에 따라 상기 승압 회로부의 제 1 스위칭 소자의 스위칭 듀티(switching duty)를 결정하는 제 1 펄스 폭 변조신호를 발출하는 승압회로 제어부; 및

상기 직류-직류 변환부의 제 2 스위칭 소자에 출력단이 접속되고, 전기자동차용 배터리로 출력되는 최종 출력전압과 최종 출력전류를 일정하게 제어하기 위해서, 설정된 기준 전류값과 기준 전압값을 상기 직류-직류 변환부의 최종 출력전류 및 최종 출력전압을 비교해서, 설정된 기준 전류값과 최종 출력전류간의 차이값과 설정된 기준 전압값과 최종 출력전압간의 차이값중 어느 하나를 비례적분하여 주파수 변화량을 얻고 해당 주파수 변화량에 따라 상기 인버터부의 제 2 스위칭소자의 스위칭 듀티를 결정하는 제 2 펄스 폭 변조신호를 발출하되, 상기 전원입력단의 입력전압을 근거로 직류전원여부를 결정하여 직류전원일 경우 변화하는 기준 전류값중 상기 입력전압이 최대가 되는 기준 전류값과 최종 출력전류간의 차이값을 비례적분하여 주파수 변화량을 얻고 해당 주파수 변화량에 따라 상기 인버터부의 제 2 스위칭소자의 스위칭 듀티를 결정하여 제 2 펄스 폭 변조신호를 발출하는 직류-직류 변환부 제어부를 포함하는 본 발명에 따른 전기자동차 충전용 전력변환장치를 제공함으로써 달성될 수 있다.

본 발명에 따른 전기자동차 충전용 전력변환장치를 제공함에 따라서 상용교류전원 뿐 아니라 태양전지 셀(cell) 또는 배터리(battery)와 같은 직류전원을 접 속하여 전기자동차용 배터리(차량 구동용 배터리)를 충전할 수 있고 따라서 장거리 여행시에도 화석연료의 사용을 최소화함으로써 에너지 사용의 효율성을 높혀 경제적이고 친환경적 효과를 극대화할 수 있는 잇점이 있다.

상기 본 발명의 목적과 이를 달성하는 본 발명의 구성 및 그의 작용효과는 첨부한 도면을 참조한 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 이하의 상세한 설명에 의해서 좀 더 명확히 이해될 수 있을 것이다.

먼저, 본 발명에 따른 전기자동차 충전용 전력변환장치의 주회로부 구성을 보여주는 회로도인 도 1을 참조하여 설명한다.

본 발명에 따른 전기자동차 충전용 전력변환장치는 크게 구분하여 승압회로부(boosting circuit section)(1)와, 직류-직류 변환부(2)를 포함하여 구성된다.

승압회로부(1)는 일명 역률 보정부로도 부를 수 있는 바와 같이 승압된 직류전압을 출력하는 승압기능외에 출력전압 및 입력전압과 같은위상의 입력전류를 만들어 역률을 보정하는(향상시키는) 기능을 가진다.

승압회로부(1)는 전원 입력단(도 1에서 "V_input"으로 표기된 부분의 좌측 회로연결단 참조)에 접속되어 상용 교류전원(S1) 또는 직류전원(S2 또는 S3)으로부터의 전압을 승압하여 제공하기 위해 제 1 스위칭 소자(Q1)와 인덕터 코일(inductor coil)(L1)을 갖는다. 위에서 승압회로부(1)는 전원 입력단에 접속되는 직류전원(S2 또는 S3)은 태양전지 셀(solar cell)(S2)와 배터리(battery)(S3)를 포함한다. 여기서 태양전지 셀(solar cell)(S2)은 바람직하게 전기자동차의 지붕을 포함하는 부위의 유리창에 피복되는 태양전지 셀로 구성될 수 있다.

승압회로부(1)의 출력전압 및 입력전압과 같은위상의 입력전류를 만드는 것은 제 1 스위칭 소자(Q1)의 스위칭 듀티(switching duty)를 제어하는 도 3의 승압회로 제어부(4)의 제어에 의해서, 즉 승압회로 제어부(4)로부터 출력되는 펄스폭변조신호(PWM_B)에 의해서 달성될 수 있다.

승압회로부(1)는 상기 전원 입력단을 통해 접속되는 전원이 상용 교류전원(S1)일 경우 해당 교류를 직류로 정류하고 제 1 스위칭 소자(Q1)의 턴 오프(turn off)시 인덕터 코일(L1)의 역기전력에 의한 전류를 승압회로부(1)의 출력측으로 흐르게 하여 효율을 높여주는 프리 휠링 다이오드(freewheeling diode)를 구성하는 제 1 정류회로부(1a)를 포함한다.

승압회로부(1)에서 미설명 부호 CT1은 인덕터 코일(inductor coil)(L1)을 통해 흐르는 전류(Ib_real)을 검출하기 위한 제 1 변류기이고, 미설명 부호 V_input은 상기 전원 입력단에 인가되는 전원의 입력전압을 의미한다.

승압회로부(1)에서 제 1 스위칭 소자(Q1)에는 병렬로 역전방지용 다이오드가 접속되고, 다이오드(D1)도 커패시터(C1)측으로의 전류 흐름만 허용하고 그 반대의 전류 흐름은 불허하기 위해 제 1 스위칭 소자(Q1)의 출력단에 접속된다.

도 1에서 커패시터(C1)는 그의 충전전압에 의해 승압회로부(1)의 직류 출력전압(V_out)을 일정하게 출력하기 위한 정전압 출력용 커패시터이다.

직류-직류 변환부(2)는 승압 회로부(1)의 출력단에 접속되고, 인버터부(2a)와, 트랜스포머(transformer)(Tr)와, 제 2 정류회로부(2b)를 포함한다.

인버터부(2a)는 승압 회로부(1)로부터의 직류를 교류로 변환하며 다수의 제 2 스위칭 소자를 갖는다. 제 2 스위칭 소자는 게이트(gate)제어에 의해 턴온(turn on) 또는 턴오프(turn off) 제어되는 반도체 스위치인 예컨대 SCR(Silicon Cupled Rectifier),IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 등으로 구성될 수 있다. 인버터부(2a)를 구성하는 제 2 스위칭 소자들 각각에 병렬로 접속된 다이오드는 인버터부(2a)의 출력측으로부터 제 2 스위칭 소자측으로 역전하여 흘러들어오는 전류흐름을 불허하기 위한 역전방지용 다이오드이다. 인버터부(2a)의 제 2 스위칭 소자의 스위칭 제어는 전기자동차 구동용 배터리(B)로 최종 출력되는 최종 출력전압과 최종 출력전류를 일정하게 제어하는 도 2에 도시한 직류-직류 변환부 제어부(3)에 의해서 즉, 직류-직류 변환부 제어부(3)가 출력하는 펄스폭변조신호(PWM)에 의해서 달성될 수 있다.

트랜스포머(Tr)는 인버터부(2a)에 접속되어 교류전원을 제 2 정류회로부(2b)에 전달한다.

제 2 정류회로부(2b)는 트랜스포머(Tr)의 출력단(즉, 2차측 권선)에 접속되어 교류를 직류로 변환하여 전기자동차용 배터리 즉, 전기자동차 구동용 배터리(B)에 충전을 위한 직류전원을 공급한다.

본 발명에 따른 전기자동차 충전용 전력변환장치는 도 3에 도시된 바와 같은 승압회로 제어부(4)와 도 2에 도시된 바와 같은 직류-직류 변환부 제어부(3)을 더 포함한다.

먼저, 도 1의 주회로부중 승압회로부의 제 1 스위칭소자의 스위칭 듀티를 제 어하는 펄스폭변조신호를 출력하는 승압회로 제어부의 회로 구성을 보여주는 회로도인 도 3을 주로 참조하고 도 1을 보조적으로 참조하여, 승압회로 제어부(4)의 구성과 작용을 설명한다.

승압회로 제어부(4)는 도 1에 도시되고 상술한 바와 같은 승압회로부(1)의 제 1 스위칭 소자(Q1)에 출력단이 접속된다.

도 3에 있어서, 승압회로 제어부(4)는 도 1의 직류-직류 변환 회로부(2)에서 전기자동차용 배터리(B)로 출력되는 최종 출력전압(V_real)을 일정하게 제어하기 위해서 승압회로부(1)의 출력전압(V_out)과 설정된 기준전압값(V_ref)의 차이값(ΔV)을 비례적분에 의해 제 1 주파수변화량(Δf1)으로 변환하고, 역률을 향상시키도록 제 1 주파수변화량(Δf1)에 전원입력단의 입력전압(V_input)을 곱해 기준 전류값(I_ref)을 얻고, 기준 전류값(I_ref)과 승압 회로부(1)의 인덕터 코일(L1)을 흐르는 전류값(Ib_real)의 차이값(ΔI)을 비례적분에 의해 제 2 주파수변화량(Δf2)으로 변환하여, 제 2 주파수 변화량(Δf2)에 따라 승압 회로부(1)의 제 1 스위칭 소자(Q1)의 스위칭 듀티(switching duty)를 결정하는 제 1 펄스 폭 변조신호(PWM_B)를 발출한다.

도 3에 있어서, 승압회로 제어부(4)는, 제 1 감산부(4a)와, 제 2 비례적분부(4b)와, 제 2 주파수 제한부(4c)와, 제 2 모드 결정부(4d)와, 곱셈부(4e)와, 제 2 감산부(4f)와, 제 3 비례적분부(4g)와, 제 3 주파수 제한부(4h) 및 제 2 펄스폭변조부(4i)를 포함하여 구성된다.

승압회로 제어부(4)에 포함되는 제 1 감산부(4a)는 설정된 기준전압 값(V_ref)으로부터 승압회로부(1)의 출력전압(V_out)을 감산하여 차이값(ΔV)을 출력한다.

제 2 비례적분부(4b)는 제 1 감산부(4a)로부터 출력되는 차이값(ΔV)을 비례적분하여 제 1 주파수변화량(Δf1)으로 변환하여 출력한다.

제 2 주파수 제한부(4c)는 제 1 주파수변화량(Δf1)에 포함될 수 있는 높은 주파수 또는 낮은 주파수의 노이즈를 제거하여 미리 결정된 주파수 대역의 신호(Δf*)를 출력하기 위해 선택적으로 추가 구성될 수 있는 수단으로서, 높은 주파수로서 미리 결정된 제 1 주파수를 초과하는 고주파 노이즈(noise) 또는 낮은 주파수로서 미리 결정된 제 2 주파수미만의 저주파 노이즈를 제거한다.

제 2 모드 결정부(4d)는 도 1의 전원입력단의 입력전압(V_input)를 근거로 입력전압(V_input)이 교류전압인지 직류전압인지 결정한다. 결정방법으로는 예컨대 시간경과에 따라서 미리설정된 기준값을 초과하여 입력전압(V_input)의 변화가 있으면 교류전압으로 결정하고 시간경과에도 미리설정된 기준값보다 작게 입력전압(V_input)의 변화가 없으면 직류전압으로 결정하는 방법이 이용될 수 있다. 또한, 제 2 모드 결정부(4d)는 도 1의 전원입력단으로부터의 입력전압(V_input)을 곱셈부(4e)에 전달한다. 여기서, 제 2 모드 결정부(4d)는 도 2의 제 모드 결정부(3a)와 실질적으로 동일한 하나의 회로부 또는 프로그램적으로 해당 기능(즉 입력전압을 근거로 교류와 직류를 결정하고 입력전압을 전달하는 기능)을 수행하는 기능부로 구성될 수 있다. 도 3으로 도시한 실시 예에 있어서, 선택적으로 추가되었으나, 승압회로 제어부(4)에 있어서 제 2 모드 결정부(4d)는 생략되고 도 1의 전원입력단 의 입력전압(V_input)이 직접 곱셈부(4e)에 전달되는 실시 예의 구성도 가능하다.

입력전압(V_input)과 동위상의 입력전류(도 1의 Ib_real 참조)를 만들어 승압회로부(1)의 역률을 향상시키도록, 곱셈부(4e)는 제 1 주파수변화량(Δf1) 또는 제 2 주파수 제한부(4c)로부터 출력되는 미리 결정된 주파수 대역의 신호(Δf*)에 전원입력단의 입력전압(V_input)을 곱해 기준 전류값(I_ref)을 얻고 이를 출력한다.

제 2 감산부(4f)는, 곱셈부(4e)가 출력한 기준 전류값(I_ref)으로부터 승압 회로부(1)의 인덕터 코일(L1)을 흐르는 전류값(Ib_real)을 감산하여 차이값(ΔI)을 얻고 이를 출력한다.

제 3 비례적분부(4g)는, 제 2 감산부(4f)가 출력한 차이값(ΔI)을 비례적분하여 제 2 주파수변화량(Δf2)으로 변환하고 이를 출력한다.

제 3 주파수 제한부(4h)는 제 2 주파수변화량(Δf2)에 포함될 수 있는 높은 주파수 또는 낮은 주파수의 노이즈를 제거하여 미리 결정된 주파수 대역의 신호(f*)를 출력하기 위해 선택적으로 추가 구성될 수 있는 수단으로서, 높은 주파수로서 미리 결정된 일 주파수를 초과하는 고주파 노이즈(noise) 또는 낮은 주파수로서 미리 결정된 다른 주파수미만의 저주파 노이즈를 제거한다.

제 2 펄스폭변조부(4i)는 제 2 주파수 변화량(Δf2)로서 미리 결정된 주파수 대역의 신호(f*)에 따라 승압 회로부(1)의 제 1 스위칭 소자(Q1)의 스위칭 듀티(switching duty)를 결정하는 제 1 펄스 폭 변조신호(PWM_B)를 발출한다.

다음, 도 1의 주회로부중 인버터부의 제 2 스위칭소자의 스위칭 듀티를 결정 하는 제 2 펄스 폭 변조신호를 발출하는 직류-직류 변환부 제어부의 회로 구성을 보여주는 회로도인 도 2를 주로 참조하고 도 1을 보조적으로 참조하여, 직류-직류 변환부 제어부(3)의 구성과 작용을 설명한다.

직류-직류 변환부 제어부(3)는 도 1의 직류-직류 변환부(2)내 인버터부(2a)의 제 2 스위칭 소자에 출력단이 접속된다.

직류-직류 변환부 제어부(3)는 전기자동차용 배터리(B)로 출력되는 최종 출력전압(V_real)과 최종 출력전류(I_real)를 일정하게 제어하기 위해서, 설정된 기준 전류값(I_ref)과 기준 전압값(V_ref)을 직류-직류 변환부(2)의 최종 출력전류(I_real) 및 최종 출력전압(V_real)을 비교해서, 설정된 기준 전류값과 최종 출력전류간의 차이값과 설정된 기준 전압값과 최종 출력전압간의 차이값중 어느 하나를 비례적분하여 주파수 변화량을 얻고 해당 주파수 변화량에 따라 상기 인버터부의 제 2 스위칭소자의 스위칭 듀티를 결정하는 제 2 펄스 폭 변조신호(PWM)를 발출한다.

이를 위해서 직류-직류 변환부 제어부(3)는, 도 2에 도시된 실시 예와 같이 제 1 모드 결정부(3a)와, 최대 전력점 추적부(Maximum Power Point Tracking section)(3b)와, 기준전류 및 기준전압 발생부(3c)와, 전압 및 전류 차이값 연산부(3d)와, 제 1 비례적분부(3e)와, 제 1 주파수 제한부(3f)와, 제 1 펄스폭변조부(3g)를 포함하여 구성될 수 있다.

제 1 모드 결정부(3a)는, 도 1의 전원입력단의 입력전압(V_input)를 근거로 입력전압(V_input)이 교류전압인지 직류전압인지 결정한다. 결정방법으로는 예컨대 시간경과에 따라서 미리설정된 기준값을 초과하여 입력전압(V_input)의 변화가 있으면 교류전압으로 결정하고 시간경과에도 미리설정된 기준값보다 작게 입력전압(V_input)의 변화가 없으면 직류전압으로 결정하고 시간경과에 따라 미리설정된 기준값보다 큰 입력전압(V_input)의 변화가 있으면 교류전압으로 결정하는 방법이 이용될 수 있다. 여기서, 제 1 모드 결정부(3a)는 도 3의 제 2 모드 결정부(4d)와 실질적으로 동일한 하나의 회로부 또는 프로그램적으로 해당 기능(즉 입력전압을 근거로 교류와 직류를 결정하고 입력전압을 전달하는 기능)을 수행하는 기능부로 구성될 수 있다.

최대 전력점 추적부(Maximum Power Point Tracking section)(3b)는, 제 1 모드 결정부(3a)로부터의 출력신호가 입력전압(V_input)이 교류전압인 것으로 결정한 것이면 후술하는 기준전류 및 기준전압 발생부(3c)로부터의 기준전류값(I_ref)을 바이패스(bypass)하여 출력한다. 최대 전력점 추적부(Maximum Power Point Tracking section)(3b)는, 제 1 모드 결정부(3a)로부터의 출력신호가 입력전압(V_input)이 직류전압인 것으로 결정한 것이면, 기준전류 및 기준전압 발생부(3c)로부터의 기준전류값(I_ref)을 근거로 미리 결정된 미소값 만큼 값을 변화시켜 기준전류값을 출력하되, 입력전압(V_input)이 최대일 때의 기준전류값(I_ref_M)을 찾아 출력한다. 이와 같이 최대 전력점 추적부(3b)는, 입력 전원이 태양전지 셀(S2)인 경우, 입력 전원의 입력전압(V_input)이 최대일 때의 기준전류값(I_ref_M)을 찾아 직류-직류 변환부(2)의 출력전력이 최대되게 한다. 최대 전력점 추적부(Maximum Power Point Tracking section)(3b)는 입력 전원이 태양전지 셀(S2)인 경우, 입력 전원의 입력전압(V_input)이 최대일 때의 기준전류값(I_ref_M)을 찾아 직류-직류 변환부(2)의 출력전력이 최대되게하는 알고리즘(algorithm)으로 처리프로그램(program)으로 구성될 수 있다.

기준전류 및 기준전압 발생부(3c)는, 설정된 기준 전류값(I_ref)과 설정된 기준 전압값(V_ref)을 출력한다.

전압 및 전류 차이값 연산부(3d)는, 입력 전원이 교류전원일 경우 설정된 기준 전류값(I_ref)과 최종 출력전류(I_real)간의 차이값과 설정된 기준 전압값(V_ref)과 최종 출력전압(V_ref)간의 차이값중 어느 하나를 출력하거나, 입력 전원이 직류전원일 경우 최대 전력점 추적부(Maximum Power Point Tracking section)(3b)가 제공하는 변화하는 기준 전류값중 입력전압(V_input)이 최대가 될 때의 기준 전류값(I_ref_M)과 최종 출력전류(I_real)간의 차이값을 출력한다.

제 1 비례적분부(3e)는, 설정된 기준 전류값(I_ref)과 최종 출력전류(I_real)간의 차이값과 설정된 기준 전압값(V_ref)과 최종 출력전압(V_real)간의 차이값중 어느 하나를 비례적분하여 얻는 주파수 변화량 또는, 입력전압(V_input)이 최대일 때의 기준 전류값(I_ref_M)과 최종 출력전류(I_real)간의 차이값을 비례적분하여 얻는 주파수 변화량을 출력한다. 여기서, 제 1 비례적분부(3e)가 설정된 기준 전류값(I_ref)과 최종 출력전류(I_real)간의 차이값과 설정된 기준 전압값(V_ref)과 최종 출력전압(V_real)간의 차이값중 어느 하나를 비례적분하는 경우는 입력 전원의 입력전압(V_input)이 교류전압인 경우이다. 또한, 제 1 비례적분부(3e)가 입력전압(V_input)이 최대일 때의 기준전류값(I_ref_M)을 비례적분하는 경우는, 입력 전원의 입력전압(V_input)이 직류전압인 경우이다.

제 1 주파수 제한부(3f)는, 제 1 비례적분부(3e)로부터의 주파수변화량에 포함될 수 있는 높은 주파수 또는 낮은 주파수의 노이즈를 제거하여 미리 결정된 주파수 대역의 신호를 출력하기 위해 선택적으로 추가 구성될 수 있는 수단으로서, 높은 주파수로서 미리 결정된 주파수를 초과하는 고주파 노이즈(noise) 또는 낮은 주파수로서 미리 결정된 주파수미만의 저주파 노이즈를 제거한다.

제 1 펄스폭변조부(3g)는, 제 1 주파수 제한부(3f)에 의해서 노이즈가 제거된 제 1 비례적분부(3e)로부터의 주파수변화량에 따라 인버터부(2a)의 제 2 스위칭소자의 스위칭 듀티를 결정하는 제 2 펄스 폭 변조신호(PWM)를 발출한다. 여기서, 실시 예상 인버터부(2a)의 제 2 스위칭소자가 4개의 반도체 스위치로 구성되므로 이에 대응하여 제 2 펄스 폭 변조신호(PWM)도 4개의 신호가 출력될 수 있다.

한편, 상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 전기자동차 충전용 전력변환장치의 동작을 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

입력전원이 도 1에 도시된 바와 같은 본 발명에 따른 전기자동차 충전용 전력변환장치에 접속되면, 먼저 본 발명에 따른 전기자동차 충전용 전력변환장치에 포함되는 제 1 모드 결정부(3a) 및/또는 제 2 모드 결정부(4d)는 입력전압이 교류전압인지 직류전압인지 결정한다. 이때 제 1 모드 결정부(3a) 및/또는 제 2 모드 결정부(4d)가 교류전압인지 직류전압인지를 결정하는 방법은 예컨대 시간경과에 따라서 미리설정된 기준값을 초과하여 입력전압(V_input)의 변화가 있으면 교류전압으로 결정하고 시간경과에도 미리설정된 기준값보다 작게 입력전압(V_input)의 변 화가 없으면 직류전압으로 결정하고 시간경과에 따라 미리설정된 기준값보다 큰 입력전압(V_input)의 변화가 있으면 교류전압으로 결정하는 방법이 이용될 수 있다.

도 1을 참조할 수 있는 바와 같이 입력전원이 승압회로부(1)의 전원 입력단에 접속되면, 승압회로부(1)의 제 1 정류회로부(1a)가 전원이 상용 교류전원(S1)일 경우 해당 교류를 직류로 정류하여 출력하고 제 1 정류회로부(1a)가 갖는 프리휠링 다이오드가 제 1 스위칭 소자(Q1)의 턴 오프(turn off)시 인덕터 코일(L1)의 역기전력에 의한 전류를 승압회로부(1)의 출력측으로 흐르게 하여 효율을 높여준다.

제 1 정류회로부(1a)로부터 출력되는 직류전압은 제 1 스위칭 소자(Q1)의 턴온 및 턴오프 스위칭에 따라 인덕터 코일(L1)에 유기되는 승압전압에 의해 승압되어 승압된 출력전압(V_output)으로 출력된다.

이때 제 1 스위칭 소자(Q1)의 스위칭 듀티는 도 3의 승압회로 제어부(4)의 최종 출력신호인 제 1 펄스 폭 변조신호(PWM_B)에 의해 제어된다.

도 3을 참조하여 제 1 펄스 폭 변조신호(PWM_B)가 만들어지는 과정을 설명한다.

승압회로 제어부(4)에 포함되는 제 1 감산부(4a)는 설정된 기준전압값(V_ref)으로부터 승압회로부(1)의 출력전압(V_out)(미도시한 전압 변성기 등의 전압검출수단에 의해 검출)을 감산하여 차이값(ΔV)을 출력한다.

제 2 주파수 제한부(4c)는 제 1 주파수변화량(Δf1)에 포함될 수 있는 높은 주파수 또는 낮은 주파수의 노이즈를 제거하여 미리 결정된 주파수 대역의 신호(Δf*)를 출력한다.

제 2 모드 결정부(4d)는 도 1의 전원입력단으로부터의 입력전압(V_input)을 곱셈부(4e)에 전달한다.

제 3 주파수 제한부(4h)는 제 2 주파수변화량(Δf2)에 포함될 수 있는 높은 주파수 또는 낮은 주파수의 노이즈를 제거하여 미리 결정된 주파수 대역의 신호(f*)를 출력한다.

다시 도 1로 돌아가서, 이후 직류 출력전압(V_output)은 커패시터(C1)에 의해 평활되어 일정한 전압으로 인버터부(2a)에 공급된다.

인버터부(2a)는 커패시터(C1)에 의해 평활되어 공급되는 직류전류를 교류전류로 변환한다. 이때 인버터부(2a)를 구성하는 스위칭소자들의 직류-교류변환을 위한 스위칭 듀티는 도 2의 직류-직류 변환부 제어부(3)에 의해 제어된다.

도 2를 참조하여 직류-직류 변환부 제어부(3)의 제어출력인 제 2 펄스폭변조신호(PWM)가 만들어지는 과정을 설명하면 다음과 같다.

입력전원이 상용교류전원(S1)이면, 기준전류 및 기준전압 발생부(3c)에서 출력되는 기준전류(I_ref)와 최종 출력전류(I_real){제 2 변류기 CT2에 의해 검출}의 차이값 또는 기준전압(V_ref)과 최종 출력전압(V_real)(전압변성기와 같은 전압검출수단에 의해 검출)의 차이값을 제 1 비례적분부(3e)에 의해 비례적분하여 주파수를 얻는다. 다음, 얻은 해당 주파수를 제 1 주파수 제한부(3f)에 의해 미리 결정된 주파수 대역으로 제한함과 함께, 제 1 펄스폭변조부(3g)가 해당 주파수에 따라 펄스폭변조신호(PWM)를 발출하여, 펄스폭변조신호(PWM)에 의해 직류-직류 변환부(2)의 인버터부(2a)내 스위칭 소자들을 제어한다. 요약하여, 입력전원이 교류전원이면, 기준전류 및 기준전압 발생부(3c)에서 출력되는 기준전류(I_ref)와 기준전압(V_ref)에 따라서 직류-직류 변환부(2)를 제어한다.

입력전압이 직류전원{태양전지 셀(S1) or 배터리(S3)}인 경우, 제 1 모드 결정부(3a)는, 도 1의 전원입력단의 입력전압(V_input)를 근거로 입력전압(V_input)이 직류전압인 것으로 결정한다.

최대 전력점 추적부(Maximum Power Point Tracking section)(3b)는, 제 1 모드 결정부(3a)로부터의 출력신호가 입력전압(V_input)이 교류전압인 것으로 결정한 것이면, 기준전류 및 기준전압 발생부(3c)로부터의 기준전류값(I_ref)을 바이패스(bypass)하여 출력한다. 최대 전력점 추적부(Maximum Power Point Tracking section)(3b)는, 제 1 모드 결정부(3a)로부터의 출력신호가 입력전압(V_input)이 직류전압인 것으로 결정한 것이면, 기준전류 및 기준전압 발생부(3c)로부터의 기준전류값(I_ref)을 근거로 미리 결정된 미소값 만큼 값을 변화시켜 기준전류값을 출력하되, 입력전압(V_input)이 최대일 때의 기준전류값(I_ref_M)을 찾아 출력한다. 이와 같이 최대 전력점 추적부(3b)는, 입력 전원이 태양전지 셀(S2)인 경우, 입력 전원의 입력전압(V_input)이 최대일 때의 기준전류값(I_ref_M)을 찾아 직류-직류 변환부(2)의 출력전력이 최대되게 한다.

제 1 비례적분부(3e)는, 입력전압(V_input)이 최대일 때의 기준 전류 값(I_ref_M)과 최종 출력전류(I_real)간의 차이값을 비례적분하여 얻는 주파수 변화량을 출력한다.

제 1 주파수 제한부(3f)는, 제 1 비례적분부(3e)로부터의 주파수변화량에 포함될 수 있는 높은 주파수 또는 낮은 주파수의 노이즈를 제거하여 미리 결정된 주파수 대역의 신호를 출력한다.

제 1 펄스폭변조부(3g)는, 제 1 주파수 제한부(3f)에 의해서 노이즈가 제거된 제 1 비례적분부(3e)로부터의 주파수변화량에 따라 인버터부(2a)의 제 2 스위칭소자의 스위칭 듀티를 결정하는 제 2 펄스 폭 변조신호(PWM)를 발출한다.

다시, 도 1로 돌아가서, 이후 인버터부(2a)에 의해서 직류-교류 변환된 교류전원은 트랜스포머(Tr)는 인버터부(2a)에 접속되어 교류전원을 제 2 정류회로부(2b)에 전달한다.

제 2 정류회로부(2b)는 트랜스포머(Tr)의 출력단(즉, 2차측 권선)에 접속되어 교류를 직류로 변환하여 전기자동차용 배터리 즉, 전기자동차 구동용 배터리(B)에 충전을 위한 직류전원을 공급한다. 따라서 전기자동차 구동용 배터리(B)에 충전된 직류전원을 이용하여 전기자동차를 구동할 수 있게 된다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따라서 상용교류전원 뿐 아니라 태양전지 셀(cell) 또는 배터리(battery)와 같은 직류전원을 접속하여 전기자동차용 배터리(차량 구동용 배터리)를 충전할 수 있고 따라서 장거리 여행시에도 화석연료의 사용을 최소화함으로써 에너지 사용의 효율성을 높혀 경제적이고 친환경적 효과를 극대화할 수 있는 잇점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 전기자동차 충전용 전력변환장치의 주회로부 구성을 보여주는 회로도이고,

도 2는 도 1의 주회로부중 직류-직류 변환부 제어부내 인버터부의 제 2 스위칭소자의 스위칭 듀티를 결정하는 제 2 펄스 폭 변조신호를 발출하는 직류-직류 변환부 제어부의 회로 구성을 보여주는 회로도이며,

도 3은 도 1의 주회로부중 승압회로부의 제 1 스위칭소자의 스위칭 듀티를 제어하는 펄스폭변조신호를 출력하는 승압회로 제어부의 회로 구성을 보여주는 회로도이다.

*도면의 주요부에 대한 부호의 설명

1: 승압회로부 1a: 제 1 정류회로부

2: 직류-직류 변환부 2a: 인버터부

2b: 제 2 정류회로부 3: 직류-직류 변환부 제어부

3a: 제 1 모드 결정부 3b: 최대 전력점 추적부

3c: 기준전류 및 기준전압 발생부

3d: 전압 및 전류 차이값 연산부

3e: 제 1 비례적분부 3f: 제 1 주파수 제한부

3g: 제 1 펄스폭변조부 4: 승압회로 제어부

4a: 제 1 감산부 4b: 제 2 비례적분부

4c: 제 2 주파수 제한부 4d: 제 2 모드 결정부

4e: 곱셈부 4f: 제 2 감산부

4g: 제 3 비례적분부 4h: 제 3 주파수 제한부

4i: 제 2 펄스폭변조부 S1: 상용교류전원

S2: 태양전지 셀 S3: 배터리

Claims

전기자동차 충전용 전력변환장치에 있어서,

전원 입력단에 접속되어 상용 교류전원 또는 직류전원으로부터의 전압을 승압하여 제공하는 승압회로부;

상기 승압 회로부의 출력단에 접속되고, 직류를 교류로 변환하는 인버터부와, 교류를 직류로 변환하여 전기자동차용 배터리에 충전을 위한 직류전원을 공급하는 정류회로부를 갖는 직류-직류 변환부;

상기 승압회로부의 스위칭 소자에 출력단이 접속되고, 상기 승압 회로부의 스위칭 소자의 스위칭 듀티(switching duty)를 결정하는 제 1 펄스 폭 변조신호를 발출하는 승압회로 제어부;

상기 직류-직류 변환부에 출력단이 접속되고, 설정된 기준 전류값과 기준 전압값을 상기 직류-직류 변환부의 최종 출력전류 및 최종 출력전압을 비교해서, 설정된 기준 전류값과 최종 출력전류간의 차이값과 설정된 기준 전압값과 최종 출력전압간의 차이값중 어느 하나를 비례적분하여 주파수 변화량을 얻고 해당 주파수 변화량에 따라 상기 인버터부의 스위칭소자의 스위칭 듀티를 결정하는 제 2 펄스 폭 변조신호를 발출하는 직류-직류 변환부 제어부; 및

전원입력단의 입력전압을 근거로 입력전원이 교류전원인지 직류전원인지 결정하는 모드(mode) 결정부;를 포함하는 전기자동차 충전용 전력변환장치.
제1항에 있어서,

상기 모드 결정부가 입력전원이 교류전원인지 직류전원인 것으로 결정하면,

상기 직류-직류 변환부 제어부는,

변화하는 기준 전류값중 상기 직류-직류 변환부의 출력전력이 최대가 되는 기준 전류값과 최종 출력전류간의 차이값을 비례적분하여 주파수 변화량을 얻고, 해당 주파수 변화량에 따라 상기 인버터부의 제 2 스위칭소자의 스위칭 듀티를 결정하는 제 2 펄스 폭 변조신호를 발출하는 제어부로 구성된 것을 특징으로 하는 전기자동차 충전용 전력변환장치.
제1항에 있어서,

상기 승압회로부에 접속되는 전원 입력단에 공급되는 직류전원은 태양전지 셀(cell)로 구성되는 것을 특징으로 하는 전기자동차 충전용 전력변환장치.
제3항에 있어서,

상기 태양전지 셀은,

전기자동차의 지붕을 포함하는 부위의 유리창에 피복되는 태양전지 셀인 것을 특징으로 하는 전기자동차 충전용 전력변환장치.
제1항에 있어서,

상기 승압회로부에 접속되는 전원 입력단에 공급되는 직류전원은 배터 리(battery)로 구성되는 것을 특징으로 하는 전기자동차 충전용 전력변환장치.
전기자동차 충전용 전력변환장치에 있어서,

상용 교류전원 또는 직류전원으로부터의 전압을 승압하여 제공하기 위해 제 1 스위칭 소자와 인덕터 코일(inductor coil)을 갖는 승압회로부;

상기 승압 회로부의 출력단에 접속되고, 직류를 교류로 변환하기 위한 다수의 제 2 스위칭 소자를 갖는 인버터부와, 상기 인버터부에 접속되어 교류전원을 전달하는 트랜스포머(transformer)와, 상기 트랜스포머의 출력단에 접속되어 교류를 직류로 변환하여 전기자동차용 배터리에 충전을 위한 직류전원을 공급하는 정류회로부를 갖는 직류-직류 변환부;

상기 승압회로부의 제 1 스위칭 소자에 출력단이 접속되고, 상기 직류-직류 변환 회로부에서 전기자동차용 배터리로 출력되는 최종 출력전압을 일정하게 제어하기 위해서 상기 승압회로부의 출력전압과 설정된 기준전압값의 차이값을 비례적분에 의해 제 1 주파수변화량으로 변환하고, 역률을 향상시키도록 상기 제 1 주파수변화량에 전원입력단의 입력전압을 곱해 기준 전류값을 얻고, 상기 기준 전류값과 상기 승압 회로부의 인덕터 코일을 흐르는 전류값의 차이값을 비례적분에 의해 제 2 주파수변화량으로 변환하여, 상기 제 2 주파수 변화량에 따라 상기 승압 회로부의 제 1 스위칭 소자의 스위칭 듀티(switching duty)를 결정하는 제 1 펄스 폭 변조신호를 발출하는 승압회로 제어부; 및

상기 직류-직류 변환부의 제 2 스위칭 소자에 출력단이 접속되고, 전기자동 차용 배터리로 출력되는 최종 출력전압과 최종 출력전류를 일정하게 제어하기 위해서, 설정된 기준 전류값과 상기 직류-직류 변환부의 최종 출력전류를 비교하고 기준 전압값과 상기 직류-직류 변환부의 최종 출력전압을 비교해서, 설정된 기준 전류값과 최종 출력전류간의 차이값과 설정된 기준 전압값과 최종 출력전압간의 차이값중 어느 하나를 비례적분하여 주파수 변화량을 얻고, 해당 주파수 변화량에 따라 상기 인버터부의 제 2 스위칭소자의 스위칭 듀티를 결정하여 제 2 펄스 폭 변조신호를 발출하되, 상기 전원입력단의 입력전압을 근거로 직류전원여부를 결정하여 직류전원일 경우 변화하는 기준 전류값중 상기 입력전압이 최대가 될 때의 기준 전류값과 최종 출력전류간의 차이값을 비례적분하여 주파수 변화량을 얻고, 해당 주파수 변화량에 따라 상기 인버터부의 제 2 스위칭소자의 스위칭 듀티를 결정하는 제 2 펄스 폭 변조신호를 발출하는 직류-직류 변환부 제어부;를 포함하는 전기자동차 충전용 전력변환장치.
제6항에 있어서,

상기 승압회로 제어부는,

설정된 기준전압값으로부터 상기 승압회로부의 출력전압을 감산하여 차이값을 출력하는 제 1 감산부;

제 1 감산부로부터 출력되는 차이값을 비례적분하여 제 1 주파수변화량으로 변환하여 출력하는 제 1 비례적분부;

제 1 주파수변화량에 전원입력단의 입력전압을 곱해, 기준 전류값을 얻어 출 력하는 곱셈부;

상기 곱셈부가 출력한 기준 전류값으로부터 상기 승압 회로부의 인덕터 코일을 흐르는 전류값을 감산하여, 차이값을 얻어 출력하는 제 2 감산부;

상기 제 2 감산부가 출력한 차이값을 비례적분하여 제 2 주파수변화량으로 변환하여 출력하는 제 2 비례적분부; 및

상기 제 2 주파수 변화량에 따라 승압 회로부(1)의 제 1 스위칭 소자(Q1)의 스위칭 듀티(switching duty)를 결정하는 펄스 폭 변조신호를 발출하는 펄스폭변조부; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전기자동차 충전용 전력변환장치.
제7항에 있어서,

상기 제 1 비례적분부와 곱셈부 사이 및 상기 제 2 비례적분부와 펄스폭변조부사이에 각각 접속되어, 미리 결정된 주파수 대역의 신호로 주파수신호를 제한하는 주파수 제한부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차 충전용 전력변환장치.
제6항에 있어서,

상기 직류-직류 변환부 제어부는,

전원입력단의 입력전압을 근거로 입력전압이 교류전압인지 직류전압인지 결정하는 제 1 모드 결정부;

설정된 기준 전류값과 설정된 기준 전압값을 출력하는 기준전류 및 기준전압 발생부;

제 1 모드 결정부로부터의 출력신호가 입력전압이 교류전압인 것으로 결정한 것이면 상기 기준전류 및 기준전압 발생부로부터의 기준전류값을 출력하고, 제 1 모드 결정부로부터의 출력신호가 입력전압이 직류전압인 것으로 결정한 것이면, 상기 기준전류 및 기준전압 발생부로부터의 기준전류값을 근거로 미리 결정된 미소값 만큼 값을 변화시켜 기준전류값을 출력하되, 입력전압이 최대일 때의 기준전류값을 찾아 출력하는 최대 전력점 추적부(Maximum Power Point Tracking section);

입력 전원이 교류전원일 경우 설정된 기준 전류값과 최종 출력전류간의 차이값과 설정된 기준 전압값과 최종 출력전압간의 차이값중 어느 하나를 출력하고, 입력 전원이 직류전원일 경우 상기 최대 전력점 추적부가 제공하는 변화하는 기준 전류값중 입력전압이 최대가 될 때의 기준 전류과 최종 출력전류간의 차이값을 출력하는 전압 및 전류 차이값 연산부;

입력전원이 교류전원인 경우 설정된 기준 전류값과 최종 출력전류간의 차이값과 설정된 기준 전압값과 최종 출력전압간의 차이값중 어느 하나를 비례적분하여 얻는 주파수 변화량을 출력하고, 입력전원이 직류전원인 경우 입력전압이 최대일 때의 기준 전류값과 최종 출력전류간의 차이값을 비례적분하여 얻는 주파수 변화량을 출력하는 비례적분부; 및

비례적분부로부터의 주파수변화량에 따라 상기 인버터부의 스위칭소자의 스위칭 듀티를 결정하는 펄스 폭 변조신호를 발출하는 펄스폭변조부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전기자동차 충전용 전력변환장치.
제9항에 있어서,

상기 비례적분부와 상기 펄스폭변조부사이에 접속되어, 미리 결정된 주파수 대역의 신호로 주파수신호를 제한하는 주파수 제한부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차 충전용 전력변환장치.