KR20110063186A - Battery charging apparatus with bidirectrional power control - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A battery charging device of a bidirectional power control type is provided to simplify a circuit configuration and reduce a power conversion frequency, thereby increasing reliability and saving costs. CONSTITUTION: A battery charging device of a bidirectional power control type includes a first power converting unit(110), a second power converting unit(120), and a switching controller(130). The switching controller controls the switching signal of each IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) in the first power converting unit and the second power converting unit. The IGBT functions as a switching element if a switching signal is applied and functions as a diode if a switching signal is not applied.

Description

양방향 전력제어 방식의 배터리 충전장치{BATTERY CHARGING APPARATUS WITH BIDIRECTRIONAL POWER CONTROL}Battery charging device of bidirectional power control method {BATTERY CHARGING APPARATUS WITH BIDIRECTRIONAL POWER CONTROL}

본 발명은 양방향 전력제어 방식의 배터리 충전장치에 관한 것으로서, 특히 전력계통으로부터 공급된 전력을 충전함과 동시에 충전된 전력을 다시 전력계통으로 제공하도록 하는 양방향 전력제어 방식의 배터리 충전장치에 관한 것이다.The present invention relates to a battery charging device of the bidirectional power control method, and more particularly to a battery charging device of the bidirectional power control method for charging the power supplied from the power system and at the same time provide the charged power back to the power system.

통상적으로 배터리 충전장치는 전력계통으로부터 공급된 전력을 충전하는 장치를 말한다. 이러한 배터리는 다양한 분야의 전기장치에 널리 이용되고 있다. 특히 국가적인 관심사인 전기자동차에 핵심적인 필수요소이다. Typically, the battery charger refers to a device for charging power supplied from a power system. Such batteries are widely used in electric devices in various fields. In particular, it is a key element for electric vehicles, a national concern.

전기자동차의 필수요소인 리튬 이온 배터리는 전기자동차의 상용화에 가장 큰 역할을 담당하고 있다. 배터리는 전기자동차의 에너지원으로 큰 전력을 충전하여야 하고 충전시간을 최소화하여 사용자가 이용에 불편함이 없도록 하여야 한다.Lithium ion batteries, an essential element of electric vehicles, play the largest role in the commercialization of electric vehicles. The battery should be charged with a large power as an energy source of the electric vehicle and the charging time should be minimized so that the user does not have inconvenience.

최근에 에너지 효율화의 요구가 점차 증대되고 있어 충전된 전력이 자연방전 등으로 소비됨이 없이 다시 전력계통으로 전력을 넘겨주는 양방향 전력제어가 요구 되고 있다. 배터리의 충전을 담당하는 충전장치는 장비의 빠르고 안정적인 성능 구현을 위해 스위치를 이용한 전력전자기술이 적용되고 있으며 정밀한 제어를 통한 최적의 운전 성능을 발휘할 수 있도록 연구되고 있다.In recent years, the demand for energy efficiency is gradually increasing, and thus, bidirectional power control is required to transfer the power back to the power system without being charged by natural discharge. The charging device that charges the battery is applied with power electronic technology using a switch to realize the fast and stable performance of the equipment and is being researched to show the optimum driving performance through precise control.

도 1은 종래의 일반적인 배터리 충전장치의 구성을 보이는 회로도이다.1 is a circuit diagram showing the configuration of a conventional battery charger.

도 1을 참조하면, 종래의 일반적인 배터리 충전장치는 정류부(10), DC/AC 변환부(20), 고주파 변압기(30) 및 AC/DC 변환부(30)로 구성된다. 정류부(10)는 3상 리액터(11)와 다이오드(12)로 구성되어 3상 계통(60)의 전력을 정류하고, DC/AC 변환부(20)는 4개의 IGBT(21)로 구성되어 정류된 DC 전력을 AC 전력으로 변환한다. 이어, 고주파 변압기(30)는 변환된 AC 전력을 배터리(70)의 충전전압에 맞게 감압하고 AC/DC 변환부(40)는 다이오드(41)와 콘덴서(42)를 이용하여 다시 DC 전력으로 변환한다. IGBT(21) 소자는 스위칭 제어부(50)에서 제공되는 스위칭신호에 의해 스위칭 동작이 수행된다.Referring to FIG. 1, a conventional battery charger includes a rectifier 10, a DC / AC converter 20, a high frequency transformer 30, and an AC / DC converter 30. The rectifier 10 includes a three-phase reactor 11 and a diode 12 to rectify the power of the three-phase system 60, and the DC / AC converter 20 is configured by four IGBTs 21 to rectify the power. Converted DC power to AC power. Subsequently, the high frequency transformer 30 decompresses the converted AC power according to the charging voltage of the battery 70 and the AC / DC converter 40 converts the DC power back into DC power using the diode 41 and the capacitor 42. do. The IGBT 21 element performs a switching operation by a switching signal provided from the switching controller 50.

이와 같이, 이러한 종래의 일반적인 배터리 충전장치의 경우 배터리 충전을 위한 제어는 DC/AC 변환부(20)에 있는 IGBT(21)를 동작시켜 제어하게 되며, 이러한 방식을 풀 브릿지(full bridge) 방식이라 한다. 풀 브릿지 방식의 변환부는 DC 전력을 AC 전력으로 변환하여 출력을 제어하며, 스위칭 소자의 듀티비(IGBT의 온/오프 시간 비)를 변경하여 주면서 출력전압을 제어하게 된다.As such, in the case of the conventional general battery charger, the control for charging the battery is controlled by operating the IGBT 21 in the DC / AC converter 20. This method is called a full bridge method. do. The full-bridge converter converts DC power into AC power to control the output, and controls the output voltage by changing the duty ratio (IGBT on / off time ratio) of the switching element.

그런데, 이러한 종래의 일반적인 배터리 충전장치에서는 전력계통의 전압과 절연된 형태로 되어 있어 시스템 보호 및 제어에 유리한 점은 있으나, 3상 전력계통의 전력을 이용하여 배터리 충전을 위해서는 전력변환이 많이 필요하기 때문에 전 력변환 과정에서 전력손실이 발생하게 되고, 그에 따른 신뢰성 감소 및 비용증가를 초래하게 된다.By the way, in the conventional conventional battery charger is insulated from the voltage of the power system has an advantage to protect and control the system, but using a power of the three-phase power system requires a lot of power conversion to charge the battery As a result, power loss occurs during the power conversion process, resulting in reduced reliability and increased costs.

또한, 종래의 배터리 충전장치에서는 전력계통에서 배터리 충전기 방향으로의 단방향 형태의 에너지 변환만 이루어지며, 배터리에 충전된 전력을 다시 전력계통으로 환원시키기 위한 양방향 전력제어가 불가능하기 때문에 에너지의 효율적인 운영이 어렵다는 문제점이 있다.In addition, in the conventional battery charger, only one-way energy conversion is made from the power system to the battery charger, and bidirectional power control for reducing power charged in the battery back to the power system is not possible, thereby effectively operating energy. There is a problem that is difficult.

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 전력계통으로부터 공급된 전력을 충전함과 동시에, 그 충전된 전력을 다시 전력계통으로 제공하도록 하는 양방향 전력제어 방식의 배터리 충전장치를 제공하는데 목적이 있다.The present invention has been proposed to solve the above-mentioned problems of the prior art, and at the same time charging the power supplied from the power system, the battery charging apparatus of the bidirectional power control method to provide the charged power back to the power system The purpose is to provide.

또한, 본 발명은 전력계통에서 공급된 전력의 변환횟수를 줄이고 소자 및 부품의 개수를 최소화하여 간단하고 저렴한 비용으로 배터리를 충전시킬 수 있는 양방향 전력제어 방식의 배터리 충전장치를 제공하는데 다른 목적이 있다.In addition, another object of the present invention is to provide a battery charging device of a bidirectional power control method that can charge the battery at a simple and low cost by reducing the number of conversion of the power supplied from the power system and minimizing the number of devices and components. .

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,The present invention for achieving the above object,

전력계통으로부터 배터리를 충전시키는 배터리 충전장치에 있어서, 상기 전력계통으로부터 공급된 교류전력을 직류전력으로 변환하고 상기 배터리로부터 공급된 직류전력을 교류전력으로 변환하는 제1 전력변환부; 상기 제1 전력변환부에서 변환된 직류전력을 상기 배터리 충전에 맞는 직류전력으로 변환하고 상기 배터리로부터 공급된 DC 전력을 다른 DC 전력으로 변환하는 제2 전력변환부; 및 상기 제1 및 제2 전력변환부의 스위칭동작을 위한 스위칭신호를 제어하는 스위칭 제어부; 를 포함하고, 상기 전력계통으로부터 상기 배터리로 충전 전압을 공급하는 충전모드와, 상기 배터리로부터 상기 전력계통으로 회생 전압을 공급하는 회생모드의 양방향 전력전 송이 가능한 양방향 전력제어 방식의 배터리 충전장치를 제공한다.A battery charging apparatus for charging a battery from a power system, the battery charging apparatus comprising: a first power converter configured to convert AC power supplied from the power system into DC power and convert DC power supplied from the battery into AC power; A second power converter converting the DC power converted by the first power converter into DC power suitable for charging the battery and converting DC power supplied from the battery into other DC power; And a switching control unit controlling a switching signal for the switching operation of the first and second power conversion units. And a charging mode for supplying a charging voltage from the power system to the battery, and a bidirectional power control method capable of providing bidirectional power control in a regenerative mode for supplying a regenerative voltage from the battery to the power system. do.

본 발명의 실시 예에서, 상기 제1 전력변환부는 상기 전력계통에 직렬로 연결된 제1 리액터 및 적어도 한 쌍의 IGBT를 포함하고, 상기 전력계통으로부터 상기 리액터를 통해 상기 각 IGBT 쌍의 중간점으로 교류전력을 공급받으며, 상기 제2 전력변환부는 상기 각각의 IGBT 쌍에 직렬 및 병렬로 각각 연결된 제1 및 제2 IGBT 및 상기 제1 IGBT에 직렬로 연결된 제2 리액터를 포함한다.In an embodiment of the present invention, the first power converter includes a first reactor and at least one pair of IGBTs connected in series with the power system, and alternates from the power system to an intermediate point of each pair of IGBTs through the reactor. Powered, the second power converter includes first and second IGBTs connected in series and in parallel to the respective IGBT pairs, and a second reactor connected in series to the first IGBT.

본 발명의 실시 예에서, 상기 전력계통에서 상기 배터리로 전력을 충전하는 충전모드인 경우, 상기 스위칭 제어부는 상기 제1 전력변환부에서는 상기 적어도 한 쌍의 IGBT의 스위칭신호를 오프하여 각각 다이오드로 동작하도록 하며, 상기 제2 전력변환부에서는 제1 IGBT의 스위칭신호는 온하여 스위칭소자로, 제2 IGBT로의 스위칭신호는 오프하여 다이오드로 동작하도록 한다.In an embodiment of the present disclosure, in the charging mode in which the battery is charged with the battery in the power system, the switching controller may operate as a diode by turning off the at least one pair of IGBT switching signals in the first power converter. In the second power converter, the switching signal of the first IGBT is turned on to be a switching device, and the switching signal to the second IGBT is turned off to operate as a diode.

이때, 상기 전력계통으로부터 공급된 전력(VLine), 제2 IGBT의 양단전압(Vc1) 및 상기 배터리의 양단전압(Vc2)은 Vc1 = VLine×

Figure 112009075177583-PAT00001
> Vc2의 관계를 갖는다.At this time, the power (V Line ) supplied from the power system, the voltage (Vc1) of both ends of the second IGBT and the voltage (Vc2) of the battery are Vc1 = V Line ×
Figure 112009075177583-PAT00001
> Vc2.

또한, 이때, 상기 제2 전력변환부는 벅(Buck) 컨버터로 동작한다.In this case, the second power converter operates as a buck converter.

본 발명의 실시 예에서, 상기 배터리에서 상기 전력계통으로 전력을 회생하는 회생모드인 경우, 상기 스위칭 제어부는 상기 제1 전력변환부에서는 상기 적어도 한 쌍의 IGBT의 스위칭신호를 온하여 각각 스위칭소자로 동작하도록 하며, 상기 제2 전력변환부에서는 제1 IGBT의 스위칭신호는 오프하여 다이오드로, 제2 IGBT로의 스위칭신호는 온하여 스위칭소자로 동작하도록 한다.In the embodiment of the present invention, in the regenerative mode for regenerating power from the battery to the power system, the switching controller turns on the switching signals of the at least one pair of IGBTs to the switching elements in the first power converter. In the second power converter, the switching signal of the first IGBT is turned off to the diode, and the switching signal to the second IGBT is turned on to operate as the switching device.

이때, 상기 전력계통으로부터 공급된 전력(VLine), 제2 IGBT의 양단전압(Vc1) 및 상기 배터리의 양단전압(Vc2)은 VLine× 21/2 < Vc1 및 Vc1 > Vc2의 관계를 갖는다.In this case, the power V line supplied from the power system, the voltage Vc1 of the second IGBT and the voltage Vc2 of the battery have a relationship of V Line x 2 1/2 <Vc1 and Vc1> Vc2. .

또한, 이때, 상기 제2 전력변환부는 부스트(Boost) 컨버터로 동작한다.In this case, the second power converter operates as a boost converter.

본 발명에 의하면 기존의 배터리 충전장치에 비해 회로 구성을 간소화할 수 있고, 전력 변환 횟수를 줄일 수 있으므로 신뢰성 및 비용 절감 효과가 있다.According to the present invention, since the circuit configuration can be simplified and the number of power conversion can be reduced, compared to the conventional battery charger, reliability and cost reduction effect can be obtained.

또한, 본 발명에 의하면 전력계통에서 배터리로 충전전력을 공급하여 배터리를 충전시키고, 반대로 배터리에 충전된 전력을 다시 전력계통으로 되돌려줄 수 있는 양방향 전력제어가 가능하기 때문에 에너지 사용 효율을 극대화할 수 있다.In addition, according to the present invention it is possible to maximize the efficiency of energy use because bi-directional power control is possible to supply the charging power from the power system to the battery to charge the battery, and conversely to return the power charged to the battery back to the power system. have.

나아가, 본 발명에 의하면 회로를 구성하는 부품 소자를 공용화할 수 있기 때문에 제품의 부피를 최소화할 수 있다.Furthermore, according to the present invention, since the component elements constituting the circuit can be shared, the volume of the product can be minimized.

이하에서, 본 발명의 바람직한 실시 예가 첨부된 도면들을 참조하여 설명할 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In the description of the present invention, detailed descriptions of well-known functions or configurations will be omitted when it is determined that the detailed descriptions may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention.

본 발명은 전력계통으로부터 공급된 전력을 충전하고 충전된 전력을 다시 전력 계통으로 넘겨주는 양방향 전력제어가 가능한 배터리 충전장치를 제공한다. 이를 위하여 본 발명에 따른 배터리 충전장치는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT: Insulated gate bipolar transistor, 이하 IGBT라 함)를 이용한다. IGBT는 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET:metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)을 게이트부에 짜 넣은 접합형 트랜지스터이다. 게이트-에미터 간의 전압이 구동되어 입력신호에 의해 온/오프가 생기는 자기소호형이므로, 대전력의 고속 스위칭이 가능한 반도체 소자이다. The present invention provides a battery charger capable of bi-directional power control to charge the power supplied from the power system and to transfer the charged power back to the power system. To this end, the battery charger according to the present invention uses an insulated gate bipolar transistor (IGBT). The IGBT is a junction transistor in which a metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET) is incorporated in the gate part. Since the voltage between the gate and the emitter is driven to turn on / off by the input signal, it is a semiconductor device capable of fast switching of large power.

또한, 본 발명에 적용되는 IGBT의 구조를 살펴보면 N채널 종형 MOSFET의 드레인 측에 P 콜렉터를 추가한 구조이다. P 콜렉터로부터의 정공(hole)의 주입에 의해 N 베이스 층의 도전율변조가 일어나 저항이 저하한다. 때문에 MOSFET과 비교할 때 고전압용에 적합하다. 한편, 주입한 캐리어의 소멸에 시간이 걸리기 때문에 턴오프 시간이 길어진다.In addition, the structure of the IGBT applied to the present invention is a structure in which a P collector is added to the drain side of an N-channel vertical MOSFET. The injection of holes from the P collector causes conductivity modulation of the N base layer, resulting in a drop in resistance. This makes them suitable for high voltage applications when compared to MOSFETs. On the other hand, the turn-off time is long because the injected carrier takes time to disappear.

본 발명에서는 이러한 IGBT를 이용하여 쌍방향 스위칭을 구성하므로 역내압을 갖게 하기 위한 다이오드가 불필요해진다. 또한, 소자 수의 저감에 의해 저비용화, 소형화, 경량화 등이 가능해진다. 나아가, 온(on) 전압의 반감을 기대할 수 있으며, AC-AC 직접 변환용 소자로서 교류전동기, 하이브리드 자동차 등에 이용되고 있다.In the present invention, since the bidirectional switching is configured using the IGBT, a diode for providing reverse breakdown voltage is unnecessary. In addition, the reduction in the number of elements makes it possible to reduce costs, reduce size, and reduce weight. Furthermore, the half-voltage of the on voltage can be expected, and it is used in AC motors, hybrid vehicles, and the like as an AC-AC direct conversion element.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 전력제어 방식의 배터리 충전장치의 구성을 나타낸 회로도이다.2 is a circuit diagram illustrating a configuration of a battery charging apparatus of a bidirectional power control method according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 양방향 전력제어 방식의 배터리 충전장치(100)는 제1 전력변환부(110), 제2 전력변환부(120) 및 스위칭 제어부(130)를 포함하여 구성된다. Referring to FIG. 2, the battery charging apparatus 100 of the bidirectional power control method according to an embodiment of the present invention may include a first power converter 110, a second power converter 120, and a switching controller 130. It is configured to include.

제1 전력변환부(110)는 전력계통(200)으로부터 공급된 교류전력을 직류전력으로 변환하고 배터리(300)로부터 공급된 직류전력을 교류전력으로 변환하는 기능을 수행한다. 이러한 제1 전력변환부(110)는 예컨대 AC-DC 컨버터로 구현될 수 있다. 본 발명에 따른 제1 전력변환부(110)는 적어도 한 쌍의 IGBT(111)를 포함하고, 전력계통(200)으로부터 3상 리액터(112)를 통해 공급되는 교류전력은 이러한 각각의 IGBT(111) 쌍의 중간점으로 입력된다. The first power converter 110 converts the AC power supplied from the power system 200 into DC power and converts the DC power supplied from the battery 300 into AC power. The first power converter 110 may be implemented as, for example, an AC-DC converter. The first power converter 110 according to the present invention includes at least one pair of IGBTs 111, the AC power supplied from the power system 200 through the three-phase reactor 112 is each of these IGBTs (111) ) Is entered as the midpoint of the pair.

이때, 도 2에는 일례로서 전력계통(200)을 3상으로 도시하고 있으나 다른 일례에서는 단상 전력을 공급할 수도 있다. 이 경우 제1 전력변환부(110)는 한 쌍의 IGBT(111)를 포함하고, 그 한 쌍의 IGBT의 중간점으로 전력계통(200)으로부터 교류전력을 공급받는다. 이때의 제1 전력변환부(110)는 단상 AC-DC 컨버터로 구현될 수 있다. 이러한 단상 및 3상 전력은 사용자에 의해 임의로 선택될 수 있다. In this case, although the power system 200 is shown in three phases as an example in FIG. 2, single phase power may be supplied in another example. In this case, the first power converter 110 includes a pair of IGBTs 111 and receives AC power from the power system 200 as an intermediate point of the pair of IGBTs. In this case, the first power converter 110 may be implemented as a single-phase AC-DC converter. These single and three phase powers can be arbitrarily selected by the user.

제2 전력변환부(120)는 제1 전력변환부(110)에 의해 변환된 직류전력을 배터리(300)의 충전에 맞는 직류전력으로 변환하고, 역으로 그 배터리(300)로부터 공급된 직류전력을 전력계통(200)에 맞도록 다른 교류전력으로 변환하는 기능을 수행한다. 이러한 제2 전력변환부(120)는 예컨대 DC-DC 컨버터로 구현될 수 있다. 본 발명에 따른 제2 전력변환부(120)는 IGBT(111) 쌍에 직렬로 연결된 제1 IGBT(121), IGBT(111) 쌍에 병렬로 연결된 제2 IGBT(122) 및 제1 IGBT(121)에 직렬로 연결된 리액터(123)를 포함한다. The second power converter 120 converts the DC power converted by the first power converter 110 into DC power suitable for charging the battery 300, and conversely, DC power supplied from the battery 300. To convert to another AC power to fit the power system 200. The second power converter 120 may be implemented as, for example, a DC-DC converter. The second power converter 120 according to the present invention includes a first IGBT 121 connected in series to the IGBT 111 pair, a second IGBT 122 and a first IGBT 121 connected in parallel to the IGBT 111 pair. And a reactor 123 connected in series.

스위칭 제어부(130)는 제1 전력변환부(110) 및 제2 전력변환부(120) 내의 각 IGBT(111,121,122)의 스위칭 신호를 제어한다. 이러한 스위칭 신호의 제어는 전력계통(200)에서 공급되는 전력을 배터리(300)에 충전하는지, 또는 배터리(300)에 충전된 충전전류를 다시 전력계통(200)으로 되돌려주는지에 따라 달라진다. 이러한 각각의 IGBT(111,121,122)는 스위칭 신호가 온(ON)되면 스위칭소자로 동작하고 스위칭 신호가 오프(OFF)되면 다이오드로 동작한다. The switching controller 130 controls the switching signals of the IGBTs 111, 121, and 122 in the first power converter 110 and the second power converter 120. The control of the switching signal depends on whether the power supplied from the power system 200 is charged to the battery 300 or whether the charging current charged in the battery 300 is returned to the power system 200 again. Each of the IGBTs 111, 121, and 122 operates as a switching element when the switching signal is turned on and as a diode when the switching signal is turned off.

이러한 구성에 의하여 본 발명은 전력계통(200)으로부터 배터리(300)로 충전 전압을 공급하는 충전모드와, 이와 반대방향인 배터리(300)로부터 전력계통(200)으로 회생 전압을 공급하는 회생모드의 양방향 전력전송 제어가 가능하도록 한다. 이하에서 도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 충전모드 및 회생모드에서의 전력공급 과정을 상세하게 설명한다.By such a configuration, the present invention provides a charging mode for supplying a charging voltage from the power system 200 to the battery 300 and a regenerative mode for supplying a regenerative voltage from the battery 300 in the opposite direction to the power system 200. Enable bidirectional power transfer control. Hereinafter, the power supply process in the charging mode and the regenerative mode according to the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 3 and 4.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 전력제어 방식의 배터리 충전장치에서의 충전모드를 나타낸 회로 동작도이다.3 is a circuit diagram illustrating a charging mode in a battery charging apparatus of a bidirectional power control method according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 양방향 전력제어 방식의 배터리 충전장치가 충전모드로 동작하기 위해서는 스위칭 제어부(130)에서 제1 전력변환부(110) 내 각 쌍의 IGBT(111)의 스위칭 신호를 오프함과 동시에, 제2 전력변환부(120) 내 제1 IGBT(121)의 스위칭 신호는 온하고, 제2 IGBT(122)의 스위칭 신호는 오프한다. 이로써 제1 전력변환부(110) 내 각 쌍의 IGBT(111)는 다이오드로 동작하고 제2 전력 변환부(120) 내 제1 IGBT(121)는 스위칭소자로, 제2 IGBT(122)는 다이오드로 동작하게 된다. Referring to FIG. 3, in order for the bidirectional power control type battery charger to operate in the charging mode, the switching controller 130 switches the signals of each pair of IGBTs 111 in the first power converter 110. At the same time, the switching signal of the first IGBT 121 in the second power converter 120 is turned on and the switching signal of the second IGBT 122 is turned off. As a result, each pair of IGBTs 111 in the first power converter 110 operates as a diode, and the first IGBT 121 in the second power converter 120 is a switching device, and the second IGBT 122 is a diode. Will work.

이에 따라 전력계통(200)에서 공급된 교류전력은 제1 전력변환부(110)의 각 다이오드를 통해 제2 전력변환부(120)로 전송되고, 제2 전력변환부(120)는 벅(Buck) 컨버터로 동작하여 배터리(300) 방향으로 충전전력이 출력된다. 이때, 스위칭소자로 동작하는 제1 IGBT(121)의 스위칭 온/오프 시간에 따른 듀티비에 따라 출력전력이 결정된다. Accordingly, the AC power supplied from the power system 200 is transmitted to the second power converter 120 through each diode of the first power converter 110, and the second power converter 120 is a buck. ) Is operated as a converter and the charging power is output in the direction of the battery 300. In this case, the output power is determined according to the duty ratio according to the switching on / off time of the first IGBT 121 operating as the switching element.

이때, 전력계통(200)으로부터 공급된 전력(VLine)과, 제2 IGBT(122)의 양단 전압(Vc1) 및 배터리(300)의 양단 전압(Vc2)은 하기의 관계를 갖는다.In this case, the power V Line supplied from the power system 200, the voltage Vc1 at both ends of the second IGBT 122, and the voltage Vc2 at both ends of the battery 300 have the following relationship.

[수식1][Equation 1]

Vc1 = VLine×

Figure 112009075177583-PAT00002
> Vc2Vc1 = V Line ×
Figure 112009075177583-PAT00002
> Vc2

이와 같이, 본 발명에서는 전력계통(200)에서 배터리(300)로 전력을 공급하여 배터리(300)를 충전시키는 충전모드에서는 제1 전력변환부(110)를 구성하는 적어도 한 쌍의 IGBT(111)의 스위칭신호를 오프함으로써 이들 IGBT(111)를 다이오드로 동작하게 하여 배터리(300)방향으로 교류전력을 공급하도록 함과 동시에, 제2 전력변환부(120)를 구성하는 제1 IGBT(121)의 스위칭신호는 온하여 스위칭소자로 동작하도록 하고, 제2 IGBT(122)의 스위칭신호는 오프하여 다이오드로 동작하게 하여 벅(Buck) 컨버터로 동작하게 함으로써 배터리(300)의 충전에 맞도록 전력을 변환하 도록 한다.As described above, in the present invention, at least one pair of IGBTs 111 constituting the first power converter 110 in the charging mode of charging the battery 300 by supplying power from the power system 200 to the battery 300. Of the first IGBT 121 constituting the second power converter 120 while supplying AC power to the battery 300 by operating the IGBT 111 as a diode by turning off the switching signal. The switching signal is turned on to operate as a switching element, and the switching signal of the second IGBT 122 is turned off to operate as a diode to operate as a buck converter to convert power to match the charging of the battery 300. Do it.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 전력제어 방식의 배터리 충전장치에서의 회생모드를 나타낸 회로 동작도이다.4 is a circuit diagram illustrating a regenerative mode in a battery charging apparatus of a bidirectional power control method according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 양방향 전력제어 방식의 배터리 충전장치가 회생모드로 동작하기 위해서는 도 3의 동작과 반대가 되도록 한다. 즉, 회생모드를 위해 스위칭 제어부(130)에서 제1 전력변환부(110) 내 각 쌍의 IGBT(111)의 스위칭신호를 온함과 동시에, 제2 전력변환부(120) 내 제1 IGBT(121)의 스위칭신호는 오프하고, 제2 IGBT(122)의 스위칭신호는 온한다. 이로써 제1 전력변환부(110) 내 각 쌍의 IGBT(111)는 스위칭소자로 동작함과 동시에, 제2 전력변환부(120) 내 제1 IGBT(121)는 다이오드로, 제2 IGBT(122)는 스위칭소자로 동작하게 된다. 이때, 제2 전력변환부(120)는 부스트(Boost) 컨버터로 동작하게 된다.Referring to FIG. 4, in order to operate the bidirectional power control type battery charging apparatus in the regenerative mode, the operation of FIG. 3 is reversed. That is, for the regenerative mode, the switching controller 130 turns on the switching signal of each pair of IGBTs 111 in the first power converter 110 and at the same time, the first IGBT 121 in the second power converter 120. ) And the switching signal of the second IGBT 122 is turned on. As a result, each pair of IGBTs 111 in the first power converter 110 operates as a switching device, and at the same time, the first IGBT 121 in the second power converter 120 is a diode and a second IGBT 122 is used. ) Acts as a switching element. In this case, the second power converter 120 operates as a boost converter.

이에 따라, 배터리(300)에 충전된 전력은 제2 전력변환부(120)의 다이오드(121) 및 스위칭소자(122)를 통해 전력계통(200)으로 공급된다. 이때, 스위칭소자로 동작하는 제2 IGBT(122)의 스위칭 온/오프 시간에 따른 듀티비에 따라 출력전력이 결정된다. Accordingly, the power charged in the battery 300 is supplied to the power system 200 through the diode 121 and the switching device 122 of the second power converter 120. In this case, the output power is determined according to the duty ratio according to the switching on / off time of the second IGBT 122 operating as the switching element.

이때, 전력계통(200)으로부터 공급된 전력(VLine)과, 제2 IGBT(122)의 양단 전압(Vc1) 및 배터리(300)의 양단 전압(Vc2)은 하기의 관계를 갖는다.In this case, the power V Line supplied from the power system 200, the voltage Vc1 at both ends of the second IGBT 122, and the voltage Vc2 at both ends of the battery 300 have the following relationship.

[수식2][Equation 2]

VLine× 21/2 < Vc1 , Vc1 > Vc2V Line × 2 1/2 <Vc1, Vc1> Vc2

이와 같이, 본 발명에서는 배터리(300)에서 충전된 전력을 전력계통(200)으로 되돌려주는 회생모드에서는 제2 전력변환부(120)를 구성하는 제1 IGBT(121)의 스위칭신호는 오프하여 다이오드로 동작하도록 하고, 제2 IGBT(122)의 스위칭신호는 온하여 스위칭소자로 동작하게 하여 부스트(Boost) 컨버터로 동작하게 함으로써 배터리(300)에 충전된 전력을 전력계통(200) 방향으로 되돌려주고, 이와 동시에 제1 전력변환부(110)를 구성하는 적어도 한 쌍의 IGBT(111)의 스위칭신호를 온함으로써 이들 IGBT(111)를 스위칭소자로 동작하게 하여 전력계통(200)으로 전력을 회생시키게 한다.As described above, in the present invention, the switching signal of the first IGBT 121 constituting the second power converter 120 is turned off in the regenerative mode in which the power charged from the battery 300 is returned to the power system 200. And the switching signal of the second IGBT 122 is turned on to operate as a switching device to operate as a boost converter to return the power charged in the battery 300 toward the power system 200. At the same time, by switching on the switching signals of at least one pair of IGBTs 111 constituting the first power converter 110, the IGBTs 111 operate as switching elements to regenerate power to the power system 200. do.

이상의 회로 구성에서는 필요에 따라 AC-DC 컨버터를 역률 제어 및 고조파 보상 등에도 사용할 수 있기 때문에 응용이 가능하며, 병렬로 연결된 구조에서 각각의 역할을 나누어 다양한 동작이 가능하도록 할 수 있기 때문에 어떠한 상황에서도 안정적인 시스템이 될 수 있도록 제어할 수 있다. In the above circuit configuration, the AC-DC converter can be used for power factor control, harmonic compensation, etc. as needed, and it is possible to apply various functions in a parallel structure to enable various operations. It can be controlled to be a stable system.

이상에서 설명한 본 발명은 바람직한 실시 예들을 통하여 상세하게 설명되었지만, 본 발명은 이러한 실시 예들의 내용에 한정되는 것이 아님을 밝혀둔다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 비록 실시 예에 제시되지 않았지만 첨부된 청구항의 기재 범위 내에서 다양한 본 발명에 대한 모조나 개량이 가능하며, 이들 모두 본 발명의 기술적 범위에 속함은 너무나 자명하다 할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.While the invention has been shown and described with reference to certain preferred embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments. Those skilled in the art to which the present invention pertains, although not shown in the embodiments, can be imitated or improved for various inventions within the scope of the appended claims, all of which fall within the technical scope of the present invention. Belonging will be too self-evident. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the technical spirit of the appended claims.

도 1은 종래의 일반적인 배터리 충전장치의 구성을 보이는 회로도이다.1 is a circuit diagram showing the configuration of a conventional battery charger.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 전력제어 방식의 배터리 충전장치의 구성을 나타낸 회로도이다.2 is a circuit diagram illustrating a configuration of a battery charging apparatus of a bidirectional power control method according to an embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 전력제어 방식의 배터리 충전장치에서의 충전모드를 나타낸 회로 동작도이다.3 is a circuit diagram illustrating a charging mode in a battery charging apparatus of a bidirectional power control method according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 양방향 전력제어 방식의 배터리 충전장치에서의 회생모드를 나타낸 회로 동작도이다.4 is a circuit diagram illustrating a regenerative mode in a battery charging apparatus of a bidirectional power control method according to an exemplary embodiment of the present invention.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 * Explanation of symbols on the main parts of the drawings

110 : 제1 전력변환부 111,121,122 : IGBT110: first power converter 111,121,122: IGBT

120 : 제2 전력변환부 112,123 : 리액터120: second power converter 112,123: reactor

130 : 스위칭 제어부 200 : 전력계통130: switching control unit 200: power system

300 : 배터리 300: battery

Claims (8)

전력계통으로부터 배터리를 충전시키는 배터리 충전장치에 있어서,In the battery charger for charging the battery from the power system, 상기 전력계통으로부터 공급된 교류전력을 직류전력으로 변환하고 상기 배터리로부터 공급된 직류전력을 교류전력으로 변환하는 제1 전력변환부; A first power converter converting the AC power supplied from the power system into DC power and converting the DC power supplied from the battery into AC power; 상기 제1 전력변환부에서 변환된 직류전력을 상기 배터리 충전에 맞는 직류전력으로 변환하고 상기 배터리로부터 공급된 직류전력을 다른 직류전력으로 변환하는 제2 전력변환부; 및A second power converter converting the DC power converted by the first power converter into DC power suitable for charging the battery and converting DC power supplied from the battery into another DC power; And 상기 제1 및 제2 전력변환부의 스위칭동작을 위한 스위칭신호를 제어하는 스위칭 제어부; 를 포함하고,A switching controller controlling a switching signal for switching operations of the first and second power converters; Including, 상기 전력계통으로부터 상기 배터리로 충전 전압을 공급하는 충전모드와, 상기 배터리로부터 상기 전력계통으로 회생 전압을 공급하는 회생모드의 양방향 전력전송이 가능한 양방향 전력제어 방식의 배터리 충전장치.A bidirectional power control type battery charging apparatus capable of bidirectional power transfer in a charging mode for supplying a charging voltage from the power system to the battery and a regenerative mode for supplying a regenerative voltage from the battery to the power system. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 제1 전력변환부는 상기 전력계통에 직렬로 연결된 제1 리액터 및 적어도 한 쌍의 IGBT를 포함하고, 상기 전력계통으로부터 상기 리액터를 통해 상기 각 IGBT 쌍의 중간점으로 교류전력을 공급받으며,The first power converter includes a first reactor and at least one pair of IGBTs connected in series with the power system, and receives AC power from the power system to an intermediate point of each pair of IGBTs through the reactor. 상기 제2 전력변환부는 상기 각각의 IGBT 쌍에 직렬 및 병렬로 각각 연결된 제 1 및 제2 IGBT 및 상기 제1 IGBT에 직렬로 연결된 제2 리액터를 포함하는 양방향 전력제어 방식의 배터리 충전장치.And the second power converter includes first and second IGBTs connected in series and parallel to each of the IGBT pairs, and a second reactor connected in series to the first IGBT. 청구항 2에 있어서,The method according to claim 2, 상기 전력계통에서 상기 배터리로 전력을 충전하는 충전모드인 경우,In the charging mode for charging power from the power system to the battery, 상기 스위칭 제어부는 상기 제1 전력변환부에서는 상기 적어도 한 쌍의 IGBT의 스위칭신호를 오프하여 각각 다이오드로 동작하도록 하며, 상기 제2 전력변환부에서는 제1 IGBT의 스위칭신호는 온하여 스위칭소자로, 제2 IGBT로의 스위칭신호는 오프하여 다이오드로 동작하도록 하는 양방향 전력제어 방식의 배터리 충전장치.The switching controller turns off the switching signals of the at least one pair of IGBTs in the first power converter to operate as diodes, and in the second power converter, the switching signals of the first IGBT are turned on as switching devices. The battery charging device of the bidirectional power control method to turn off the switching signal to the second IGBT to operate as a diode. 청구항 3에 있어서,The method of claim 3, 상기 전력계통으로부터 공급된 전력(VLine), 제2 IGBT의 양단전압(Vc1) 및 상기 배터리의 양단전압(Vc2)는 하기의 관계를 갖는 양방향 전력제어 방식의 배터리 충전장치.The power charging system of the bi-directional power control method having the following relationship between the power supplied from the power system (V Line ), the voltage between both ends of the second IGBT (Vc1) and the voltage between both ends of the battery (Vc2). Vc1 = VLine×
Figure 112009075177583-PAT00003
> Vc2Vc1 = V Line ×
Figure 112009075177583-PAT00003
> Vc2 청구항 3에 있어서,The method of claim 3, 상기 제2 전력변환부는 벅(Buck) 컨버터로 동작하는 양방향 전력제어 방식의 배터리 충전장치.The second power converter is a bi-directional power control method battery charger that operates as a buck (buck) converter. 청구항 2에 있어서,The method according to claim 2, 상기 배터리에서 상기 전력계통으로 전력을 회생하는 회생모드인 경우,In the regenerative mode for regenerating power from the battery to the power system, 상기 스위칭 제어부는 상기 제1 전력변환부에서는 상기 적어도 한 쌍의 IGBT의 스위칭신호를 온하여 각각 스위칭소자로 동작하도록 하며, 상기 제2 전력변환부에서는 제1 IGBT의 스위칭신호는 오프하여 다이오드로, 제2 IGBT로의 스위칭신호는 온하여 스위칭소자로 동작하도록 하는 양방향 전력제어 방식의 배터리 충전장치.The switching controller turns on the switching signals of the at least one pair of IGBTs in the first power converter to operate as switching elements, and in the second power converter, the switching signals of the first IGBT are turned off to diodes. The battery charging device of the bidirectional power control method to turn on the switching signal to the second IGBT to operate as a switching device. 청구항 6에 있어서,The method according to claim 6, 상기 전력계통으로부터 공급된 전력(VLine), 제2 IGBT의 양단전압(Vc1) 및 상기 배터리의 양단전압(Vc2)는 하기의 관계를 갖는 양방향 전력제어 방식의 배터리 충전장치.The power charging system of the bi-directional power control method having the following relationship between the power supplied from the power system (V Line ), the voltage between both ends of the second IGBT (Vc1) and the voltage between both ends of the battery (Vc2). VLine× 21/2 < Vc1 , Vc1 > Vc2V Line × 2 1/2 <Vc1, Vc1> Vc2 청구항 6에 있어서,The method according to claim 6, 상기 제2 전력변환부는 부스트(Boost) 컨버터로 동작하는 양방향 전력제어 방식의 배터리 충전장치.The second power converter is a bi-directional power control method of the battery charging device that operates as a boost (Boost) converter.
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KR20190061608A (en) * 2017-11-28 2019-06-05 (주) 에이치엠티 Power Conversion Apparatus for ESS
KR20210096488A (en) * 2020-01-28 2021-08-05 엘지전자 주식회사 Grid-connected energy storage system

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