KR20110072013A

KR20110072013A - 양방향 컨버터 제어 방법

Info

Publication number: KR20110072013A
Application number: KR1020090128772A
Authority: KR
Inventors: 최학기
Original assignee: 현대모비스 주식회사
Priority date: 2009-12-22
Filing date: 2009-12-22
Publication date: 2011-06-29

Abstract

본 발명은 양방향 컨버터 제어 방법에 관한 것으로, 양방향 컨버터의 출력 용량이 증가하였다면, 이와 대응되도록 스위치 소자들의 동작 주기를 감소시킴으로써, 변압기의 동작 주파수를 증가시키고, 양방향 컨버터의 출력 용량이 감소하였다면, 이와 대응되도록 스위치 소자들의 동작 주기를 증가시킴으로써, 변압기의 동작 주파수를 감소시켜서 하나의 변압기를 이용하면서도 벅 모드와 부스트 모드 별로 양방향 컨버터의 효율을 최적의 상태로 증가시킬 수 있다.

양방향 컨버터, 변압기, 출력 용량, 주파수

Description

양방향 컨버터 제어 방법{CONTROL METHOD FOR TWO-WAY CONVERTER}

본 발명은 양방향 컨버터 제어 방법에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 하나의 변압기를 이용하면서도 변압기의 주파수 제어를 통해 벅 모드와 부스트 모드 별로 양방향 컨버터의 효율을 최적의 상태로 증가시킬 수 있는 양방향 컨버터 제어 방법에 관한 것이다.

일반적으로 연료 전지 차량과 하이브리드 차량은 고전압의 메인 배터리와, 차량의 각 전장 부하들에 전압을 공급하기 위한 저전압의 보조 배터리를 구비한다.

그리고 고전압의 메인 배터리와 저전압의 보조 배터리 사이에는 메인 배터리에서 출력되는 전압을 변환(감압)하거나, 보조 배터리에서 출력되는 전압을 변환(승압)하기 위해서 양방향으로 전압을 변환할 수 있는 양방향 컨버터가 구비된다.

이러한 양방향 컨버터는 차량이 시동될 때에는 보조 배터리에서 인가되는 저전압을 승압(Boost)하여, 메인 배터리에 고전압을 인가하는 부스트 모드(boost mode)로 동작한다.

또한 양방향 컨버터는 차량이 시동될 때 이외에는 메인 배터리에서 인가되는 고전압을 감압(buck)하여, 상기 보조 배터리를 충전하거나, 차량 내의 각 전장 부 하에 전압을 공급하는 벅 모드(buck mode)로 동작한다.

즉, 차량이 시동될 때와 시동된 후에 양방향 컨버터를 통해서 흐르는 전류는 서로 반대가 된다. 그리고 이러한 양방향 컨버터는 내부의 스위치 소자들의 동작에 따라 부스트 모드 또는 벅 모드로 동작한다.

그러나 메인 배터리의 늦은 응답 특성으로 인해 차량 시동 시에 보조 배터리의 전압을 승압시켜 이를 보조하는 부스트 모드일 때가 벅 모드일 때에 비해서 양방향 컨버터에 큰 출력 용량을 요구한다. 그러므로 이와 같은 양방향 컨버터는 벅 모드와 부스트 모드일 때 동일한 변압기를 통해 전압을 감압 또는 승압하여, 동시에 두 모드를 최적인 상태로 동작시키기는 어려움이 따른다.

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 출력 용량이 크거나 감소될 경우에 이와 대응되도록 변압기의 동작 주파수를 제어하여, 하나의 변압기를 통해 각 모드별로 효율을 최적의 상태로 증가시킬 수 있는 양방향 컨버터 제어 방법을 제공하는데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의한 양방향 컨버터 제어 방법은 양방향 컨버터가 모드를 벅 모드에서 부스트 모드로 변환하거나 부스트 모드에서 벅 모드로 변환할 때, 상기 양방향 컨버터의 출력 용량이 변화되었는지 여부를 판단하 는 단계 및 상기 양방향 컨버터의 출력 용량이 모드 변경 전에 비해서 증가하였을 경우에는, 상기 양방향 컨버터의 동작 모드에 따라 스위치 소자들의 동작 주파수를 모드 변경 전보다 증가시키는 단계를 포함할 수 있다.

상기 양방향 컨버터의 출력 용량이 상기 부스트 모드에 비해서 상기 벅 모드일 때 증가하였다면, 상기 양방향 컨버터를 부스트 모드로 동작시키는 스위치 소자들이 동작하는 주파수에 비해서, 상기 양방향 컨버터를 벅 모드로 동작시키는 스위치 소자들이 동작하는 주파수를 증가 시킬 수 있다.

상기 양방향 컨버터의 출력 용량이 감소하였을 경우에는, 상기 양방향 컨버터의 상기 스위치 소자가 동작하는 주파수를 감소시키는 단계를 포함할 수 있다.

상기 양방향 컨버터의 출력 용량이 상기 벅 모드에 비해서 상기 부스트 모드 일 때 증가하였다면, 상기 양방향 컨버터를 부스트 모드로 동작시키는 스위치 소자들이 동작하는 주파수에 비해서, 상기 양방향 컨버터를 벅 모드로 동작시키는 스위치 소자들이 동작하는 주파수를 감소시킬 수 있다.

본 발명에 의한 양방향 컨버터 제어 방법은 출력 용량이 크거나 감소될 경우에 이와 대응되도록 변압기의 동작 주파수를 제어하여, 하나의 변압기를 통해 각 모드별로 효율을 최적의 상태로 증가시킬 수 있게 된다.

본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다. 여기서, 명세서 전체를 통하여 유사한 구성 및 동작을 갖는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 양방향 컨버터 제어 방법을 도시한 순서도가 도시되어 있다. 또한, 도 2를 참조하면, 본 발명의 양방향 컨버터를 도시한 회로도가 도시되어 있다.

우선 도 2에 도시된 바와 같이 양방향 컨버터(10)는 양방향 컨버터(10)를 부스트 모드(boost mode)로 동작시키는 부스트 스위치 소자들(S1, S2, S3, S4), 양방향 컨버터를 벅 모드(buck mode)로 동작시키는 벅 스위치 소자들(S5, S6, S7, S8), 보조 배터리(SB)에서 인가되는 전압을 승압하거나 메인 배터리(MB)에서 인가되는 고전압을 감압하는 변압기(T)를 포함한다.

그리고 이러한 부스트 스위치 소자들(S1, S2, S3, S4)과 벅 스위치 소자들(S5, S6, S7, S8)은 제어기(미도시)와 전기적으로 연결되어, 상기 제어기에서 인가되는 신호에 의해서 온/오프 된다.

이러한 양방향 컨버터(10)는 차량이 시동될 때, 부스트 스위치 소자들(S1, S2, S3, S4)이 온 되어, 변압기(T)를 통해 보조 배터리(SB)에서 인가되는 전압을 승압하여 메인 배터리(MB) 및 메인 배터리(MB)를 구동시키기 위한 구동 부품들에 승압된 전압을 인가하는 부스트 모드로 동작한다.

또한, 이러한 양방향 컨버터(10)는 차량이 시동될 때 이외에는 벅 스위치 소 자들(S5, S6, S7, S8)이 온 되어, 변압기(T)를 통해 메인 배터리(MB)에서 인가되는 고전압을 감압하여, 보조 배터리(SB)를 충전하거나, 차량 내의 각 전장 부품(EL)에 전압을 공급하는 벅 모드로 동작한다.

그리고 변압기(T)의 고유 값이며, 양방향 컨버터(10)의 출력에 영향을 주고, 양방향 컨버터(10)의 효율에 영향을 주는 AP(Area product)는 수학식 1과 변압기(T)의 코어에 대한 특성 값(Aw, Ae)을 통해 산출된다.

이러한 AP에 관한 수학식 1은 일예로, 우선 Aw와 Ae는 변압기(T)의 코어에 대한 고정 값으로, 각각 코어 창면적(Core window area)과 코어 자기 횡단 면적(Core magnetic cross-section area)이다. 그리고 여기서 Aw와 Ae는 변압기(T)의 코어에 대한 고유 값으로 고정된 값으로, AP값이 Aw와 Ae의 곱의 상태로 유지될 때 양방향 컨버터(10)의 효율은 최적의 상태로 유지시킬 수 있다.

또한 Po는 양방향 컨버터(10)의 출력 용량이고, K는 상수이고, △B는 변압기(T)의 자속이 포화되지 않는 한도에서 최대의 스윙 값(Flux density swing)이며, f는 변압기(T)의 주파수이다.

즉, AP는 주파수, 상수 및 최대 스윙 값이 동일하게 유지될 경우, 양방향 컨버터(10)의 출력에 의해서 AP값은 변경되어 양방향 컨버터(10)의 효율을 저하 시킬 수 있다. 그러므로 AP값은 양방향 컨버터(10)의 출력 용량이 증가할 경우에는 이와 대응되도록 변압기(T)가 동작하는 주파수를 증가시켜서 AP를 Ae와 Aw의 곱의 값으로 유지되도록 하여, 양방향 컨버터(10)의 효율을 최적의 상태로 유지시킬 수 있다.

이하에서는 도 1에 도시된 양방향 컨버터 제어 방법을 도 2를 참조하여 설명하고자 한다.

우선 제어기는 양방향 컨버터(10)의 동작모드가 변경되었는지 여부를 판단(S1)한다.

즉, 제어기는 양방향 컨버터(10)로 인가되는 제어신호가 벅 스위치 소자들(S5, S6, S7, S8)이 동작하도록 제어 신호를 인가하다가 부스트 스위치 소자들(S1, S2, S3, S4)이 동작하도록 제어 신호를 인가하면 양방향 컨버터(10)의 동작이 벅 모드에서 부스트 모드로 변경된 것으로 판단한다.

또한 제어기는 양방향 컨버터(10)로 인가되는 제어신호가 부스트 스위치 소자들(S1, S2, S3, S4)이 동작하도록 제어 신호를 인가하다가 벅 스위치 소자들(S5, S6, S7, S8)이 동작하도록 제어 신호를 인가하면 양방향 컨버터(10)의 동작이 부스트 모드에서 벅 모드로 변경된 것으로 판단한다.

그리고 양방향 컨버터(10)의 동작 모드가 변경되었다면, 이때 양방향 컨버터(10)에서 출력되는 전력양인 출력 용량이 증가하였는지 여부를 확인(S2)한다. 그리고 제어기는 양방향 컨버터(10)의 출력 용량이 증가하였다면 이와 대응되도록 스위치 소자들의 동작을 제어하는 제어신호의 주파수를 증가시킨다.

예를 들어, 양방향 컨버터(10)가 벅 모드에서 부스트 모드로 변경되고, 모드 가 변경되면서 양방향 컨버터(10)의 출력 용량이 증가하였다면, 제어기는 도 3에 도시된 바와 같이 부스트 스위치 소자들(S1, S2, S3, S4)에 인가되는 제어신호의 동작 주기(Tboo1)를 벅 스위치 소자들(S5, S6, S7, S8)에 인가되던 제어신호의 동작 주기(Tbu) 보다 더 짧게 설정하여 동작 주파수를 증가시킨다.

즉, 이와 같이 양방향 컨버터(10)의 출력 용량이 증가하였다면, 이와 대응되도록 스위치 소자들의 동작 주기를 감소시킴으로써, 변압기(T)의 동작 주파수를 증가시킨다. 이때 상기 변압기(T)의 동작 주파수는 스위치 소자들의 동작 손실 등의 기타 변수등도 감안하여 결정된다.

또한 양방향 컨버터(10)가 벅 모드에서 부스트 모드로 변경되고, 모드가 변경되면서 양방향 컨버터(10)의 출력 용량이 감소하였다면, 제어기는 도 4에 도시된 바와 같이 부스트 스위치 소자들(S1, S2, S3, S4)에 인가되는 제어신호의 동작 주기(Tboo2)를 벅 스위치 소자들(S5, S6, S7, S8)에 인가되던 제어신호의 동작 주기(Tbu) 보다 더 길게 설정하여 동작 주파수를 감소시킨다.

즉, 이와 같이 양방향 컨버터(10)의 출력 용량이 감소하였다면, 이와 대응되도록 스위치 소자들의 동작 주기를 증가시킴으로써, 변압기(T)의 동작 주파수를 감소시킨다.

이와 같은 양방향 컨버터(10)는 출력 용량이 큰 모드일 때에는 대응되도록 변압기(T)의 동작 주파수를 제어하여 양방향 컨버터(10)의 효율을 결정짓는 AP가 저하되는 것을 방지할 수 있으므로, 동일한 변압기를 이용하면서도 주파수 제어를 통해 각 모드 별로 양방향 컨버터(10)의 효율을 증가시킬 수 있다.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 의한 양방향 컨버터 제어 방법을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 양방향 컨버터 제어 방법을 도시한 순서도이다.

도 2는 본 발명의 양방향 컨버터를 도시한 회로도이다.

도 3은 도 2의 양방향 컨버터의 출력 용량이 증가하였을 경우에 동작 모드 별 타이밍도 이다.

도 4는 도 2의 양방향 컨버터의 출력 용량이 감소하였을 경우에 동작 모드 별 타이밍도 이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

10; 양방향 컨버터 MB; 메인 배터리

SB; 보조 배터리 S1, S2, S3, S4; 부스트 스위치 소자들

T; 변압기 S5, S6, S7, S8; 벅 스위치 소자들

Claims

양방향 컨버터가 모드를 벅 모드에서 부스트 모드로 변환하거나 부스트 모드에서 벅 모드로 변환할 때, 상기 양방향 컨버터의 출력 용량이 변화되었는지 여부를 판단하는 단계; 및

상기 양방향 컨버터의 출력 용량이 모드 변경 전에 비해서 증가하였을 경우에는, 상기 양방향 컨버터의 동작 모드에 따라 스위치 소자들의 동작 주파수를 모드 변경 전보다 증가시키는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 양방향 컨버터 제어 방법.
청구항 1에 있어서,

상기 양방향 컨버터의 출력 용량이 상기 부스트 모드에 비해서 상기 벅 모드일 때 증가하였다면, 상기 양방향 컨버터를 부스트 모드로 동작시키는 스위치 소자들이 동작하는 주파수에 비해서, 상기 양방향 컨버터를 벅 모드로 동작시키는 스위치 소자들이 동작하는 주파수를 증가 시키는 것을 특징으로 하는 양방향 컨버터 제어 방법.
청구항 1에 있어서,

상기 양방향 컨버터의 출력 용량이 감소하였을 경우에는, 상기 양방향 컨버터의 상기 스위치 소자가 동작하는 주파수를 감소시키는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 양방향 컨버터 제어 방법.
청구항 3에 있어서,

상기 양방향 컨버터의 출력 용량이 상기 벅 모드에 비해서 상기 부스트 모드 일 때 증가하였다면, 상기 양방향 컨버터를 부스트 모드로 동작시키는 스위치 소자들이 동작하는 주파수에 비해서, 상기 양방향 컨버터를 벅 모드로 동작시키는 스위치 소자들이 동작하는 주파수를 감소시키는 것을 특징으로 하는 양방향 컨버터 제어 방법.