KR20120067068A - Bettary quick charging device - Google Patents

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김태원
박태준
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재단법인 포항산업과학연구원
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Abstract

PURPOSE: A battery rapid charging device is provided to improve power conversion efficiency by charging a battery in consideration of a charging voltage of the battery changed according to SOC(State of Charge). CONSTITUTION: A power factor improvement unit(430) improves a power factor of a direct current voltage. The power factor improvement unit boosts the direct current voltage to a rated voltage of a battery. A DC-DC transform unit(440) bypasses an output voltage of the power factor improvement unit. The DC-DC transform unit depressurizes the bypassed output voltage as the differential between the rated voltage of the battery and a charging voltage. The charging voltage is changed according to SOC.

Description

배터리 급속 충전 장치{Bettary Quick charging device}Battery Quick Charging Device {Bettary Quick charging device}

본 발명은 배터리 급속 충전 장치에 관한 것으로, 특히 차량에 적용되는배터리를 보다 효율적으로 충전시킬 수 있도록 하는 배터리 급속 충전 장치에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fast charging device for batteries, and more particularly, to a fast charging device for charging a battery applied to a vehicle more efficiently.

차량에 적용되는 배터리는 SOC(State of charge)에 따라서 지속적으로 충전 동작을 수행해야 한다. The battery applied to the vehicle must continuously perform a charging operation according to a state of charge (SOC).

차량에 적용되는 배터리를 충전하기 위한 충전 장치는 크게 급속 충전 장치(Quick Charger)와 탑재용 충전 장치(Onboard Charger)로 구분될 수 있다. A charging device for charging a battery applied to a vehicle may be largely classified into a quick charger and an onboard charger.

일반적으로 급속 충전 방식은 전기 자동차용 충전소에 설치된 충전 장치를 통해서 고전압 배터리를 급속으로 충전하는 것을 말하며, 급속 충전 장치의 용량은 50kW 정도이며, 충전 시간은 평균적으로 30분이내(배터리의 SOC가 0%에서 80%가 되는 시간을 기준)이다.In general, the fast charging method is to charge a high voltage battery rapidly through a charging device installed in an electric vehicle charging station. The capacity of the fast charging device is about 50kW, and the charging time is 30 minutes on average (with 0% SOC of the battery). At 80% of the time).

그러나, 배터리에 실질직으로 충전될 수 있는 전압(이하, 충전전압)은 SOC(State of charge)에 의해 변동되는 데 반해, 종래의 기술에 따른 배터리 급속 충전 장치는 이러한 요소를 전혀 고려할 수 가 없었다. However, while the voltage that can be actually charged in the battery (hereinafter, referred to as charge voltage) is changed by SOC (State of charge), the battery rapid charging device according to the prior art has not considered this factor at all. .

종래의 배터리 급속 충전 장치는 도1에서와 같이 구성되어 도2의 2단계 변환구조를 가진다. The conventional battery fast charging device is configured as shown in FIG. 1 and has a two-stage conversion structure of FIG.

도1 및 도2를 참조하면, 종래의 급속 충전 장치는 입력 전원단(100)을 통해 입력되는 교류 전원을 우선 EMI 필터 및 정류부(310)를 통해 고주파 잡음이 제거된 직류 전압으로 변환한 후, 역률 개선부(320)에 공급하고, 역률 개선부(320)는 ηp의 효율에 따라 직류 전압을 승압시켜 준다. 그리고 DC-DC 변환부(330)는 전압 승압된 직류 전압을 다시 ηc의 효율에 따라 감압시킨 후, 배터리(200)에 최종 공급해준다. 1 and 2, the conventional fast charging device first converts the AC power input through the input power supply stage 100 into a DC voltage from which high frequency noise is removed through the EMI filter and the rectifier 310, The power factor improving unit 320 supplies the power factor improving unit 320, and the power factor improving unit 320 boosts the DC voltage according to the efficiency of η p . The DC-DC converter 330 decompresses the voltage boosted DC voltage again according to the efficiency of η c , and finally supplies it to the battery 200.

이와 같이 종래의 급속 충전 장치, 특히 DC-DC 변환부(330)는 SOC에 따라 변동되는 배터리의 충전전압에 상관없이 항상 역률 개선부(320)의 출력 전압(ηpⅹPin) 모두에 대해 DC-DC 변환 동작(Po = ηcηpⅹPin)을 수행함을 알 수 있다. As described above, the conventional fast charging device, particularly the DC-DC converter 330, always applies DC-to all the output voltages η p ⅹ Pin of the power factor improving unit 320 regardless of the charging voltage of the battery which varies with SOC. It can be seen that the DC conversion operation (P o = η c η p ⅹ P in ) is performed.

즉, 종래의 급속 충전 장치는 SOC에 따라 변동되는 배터리의 충전전압을 고려할 수 없어, 전력 변환 효율이 불필요하게 낭비되는 문제를 가짐을 알 수 있다.
That is, the conventional fast charging device cannot consider the charging voltage of the battery that varies according to the SOC, and it can be seen that there is a problem that power conversion efficiency is unnecessary.

이에 본 발명에서는 SOC에 따라 변동되는 배터리의 충전전압을 고려하여 배터리 충전 동작을 수행함으로써, 전력 변환 효율을 향상시켜 줄 수 있는 배터리 급속 충전 장치를 제공하고자 한다. Accordingly, the present invention is to provide a battery fast charging device that can improve the power conversion efficiency by performing the battery charging operation in consideration of the charging voltage of the battery that changes according to the SOC.

상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 일 실시 형태에 따르면, 직류 전압의 역률을 개선시키고 상기 직류 전압을 배터리의 정격전압으로 승압시키는 역률 개선부; 및 상기 역률 개선부의 출력 전압을 바이패스시키고, 상기 바이패스된 전압에서 배터리의 정격전압과 배터리의 충전전압간의 차전압만큼을 전압 감압시키는 DC-DC 변환부를 포함하는 배터리 급속 충전 장치를 제공한다. As a means for solving the above problems, according to an embodiment of the present invention, the power factor improving unit for improving the power factor of the DC voltage and boosting the DC voltage to the rated voltage of the battery; And a DC-DC converter configured to bypass the output voltage of the power factor improving unit and reduce the voltage by a voltage difference between the rated voltage of the battery and the charging voltage of the battery at the bypassed voltage.

상기 충전전압은 SOC(State of charge)에 따라 변화되는 것을 특징으로 한다. The charging voltage is characterized in that it changes according to the state of charge (SOC).

상기 DC-DC 변환부는 서로 상이한 권선비를 가지는 1차권선과 2차권선을 통해 전압 감압 동작을 수행하는 고주파 변압부; 배터리의 충전전압에 따라 상기 고주파 변압부의 1차권선측에 공급되는 교류 전압을 가변하는 스위칭부; 상기 승압된 직류 전압을 상기 고주파 변압부의 1차권선측에서 2차권선측으로 바이패스시키는 바이패스 경로; 및 상기 고주파 변압부의 2차권선측로부터 출력되는 교류 전압을 직류 전압으로 정류하여 배터리의 충전전압을 생성 및 출력하는 정류부를 포함하는 것을 특징으로 한다.The DC-DC converter may include a high frequency transformer configured to perform a voltage decompression operation through a primary winding and a secondary winding having different winding ratios; A switching unit configured to vary an AC voltage supplied to a primary winding side of the high frequency transformer unit according to a charging voltage of a battery; A bypass path for bypassing the boosted DC voltage from the primary winding side to the secondary winding side of the high frequency transformer unit; And a rectifier for rectifying the AC voltage output from the secondary winding side of the high frequency transformer into a DC voltage to generate and output a charging voltage of the battery.

상기 스위칭부는 상기 역률 개선부와 상기 고주파 변압부의 1차권선측 사이에 위치하는 풀 브리지 컨버터를 포함하고, 상기 풀 브리지 컨버터를 구성하는 스위치들의 동작 듀티를 제어하여, 직류 전압에서 교류 전압으로의 변화량을 조절하는 것을 특징으로 한다. The switching unit includes a full bridge converter located between the power factor improving unit and the primary winding side of the high frequency transformer unit, and controls the operation duty of the switches constituting the full bridge converter to change the DC voltage to AC voltage. It characterized in that to adjust.

상기 배터리 급속 충전 장치는 상호 절연된 1차권선과 2차권선으로 구성되어 배터리 급속 충전 장치의 절연성을 확보함과 동시에, 상기 역률 개선부의 출력 전압이 상기 배터리의 정격전압이 되도록 하는 저주파 절연 변압기; 상기 저주파 절연 변압기로부터 출력되는 교류 전압에 포함된 고주파 노이즈 성분을 제거하는 EMI 필터부; 및 상기 EMI 필터부 로부터 출력되는 교류 전압을 직류 전압으로 변환하여 상기 역률 개선부에 공급하는 입력 정류부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. The battery fast charging device may include a primary winding and a secondary winding that are insulated from each other to ensure insulation of the battery rapid charging device, and to allow the output voltage of the power factor improving unit to be a rated voltage of the battery; An EMI filter unit for removing high frequency noise components included in an AC voltage output from the low frequency isolation transformer; And an input rectifying unit converting an AC voltage output from the EMI filter unit into a DC voltage and supplying the power factor to the power factor improving unit.

상기 저주파 절연 변압기는 상기 배터리의 정격전압 및/또는 상기 저주파 절연 변압기에 입력되는 전압에 따라 턴비가 조정되는 것을 특징으로 한다. The low frequency isolation transformer is characterized in that the turn ratio is adjusted according to the rated voltage of the battery and / or the voltage input to the low frequency isolation transformer.

상기 저주파 절연 변압기에 입력되는 전압은 단상계통전원 또는 삼상계통전원인 것을 특징으로 한다. The voltage input to the low frequency isolation transformer is characterized in that the single-phase system power or three-phase system power.

상기 배터리 급속 충전 장치는 상기 DC-DC 변환부로부터 출력되는 직류전압을 평활화한 후 배터리에 공급하는 필터부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 급속 충전 장치
The battery rapid charging device further comprises a filter unit for supplying a battery after smoothing the DC voltage output from the DC-DC converter.

본 발명의 배터리 급속 충전 장치는 SOC에 따라 변동되는 배터리의 충전전압을 고려하여 전력 변환 부담 비율을 최소화할 수 있는 DC-DC 변환부를 제안함으로써, 배터리 급속 충전 장치의 전체 전력 변환 효율을 획기적으로 향상시켜 줄 수 있다. 그리고 DC-DC 변환부의 감소된 전력 변환 부담 비율만큼 배터리 급속 충전 장치를 소용량으로 구현할 수 있기 때문에 제작 원가를 낮추고, 장치 크기도 감소시켜 줄 수 있다. The battery fast charging device of the present invention proposes a DC-DC converter that can minimize the power conversion burden ratio in consideration of the charging voltage of a battery that varies according to SOC, thereby dramatically improving the overall power conversion efficiency of the battery fast charging device. I can let you. In addition, since the fast charging device for a battery can be implemented in a small capacity by the reduced power conversion burden ratio of the DC-DC converter, the manufacturing cost can be reduced and the device size can be reduced.

또한, 배터리 급속 충전 장치의 입력단에 절연성을 확보하고 역률 개선부의 출력 전압이 배터리의 정격전압이 되도록 하는 입력 전원의 전압을 미리 조절해주는 저주파 절연 변압기를 구비함으로써, 배터리 급속 충전 장치의 동작 신뢰성과 동작 효율을 추가적으로 확보할 수 있도록 한다.
In addition, by providing a low-frequency isolation transformer to ensure the insulation at the input terminal of the battery fast charging device and to adjust the voltage of the input power in advance so that the output voltage of the power factor improving unit is the rated voltage of the battery, the operation reliability and operation of the battery fast charging device Allow for additional efficiency.

도1은 종래의 기술에 따른 배터리 급속 충전 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도2는 종래의 기술에 따른 배터리 급속 충전 장치의 전력 변환 구조를 도시한 도면이다.
도3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 급속 충전 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 급속 충전 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도5는 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 변환부의 구성을 도시한 도면이다.
도6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 급속 충전 장치의 전력 변환 구조를 도시한 도면이다. 1 is a view showing the configuration of a battery rapid charging apparatus according to the prior art.
2 is a view showing a power conversion structure of a battery rapid charging apparatus according to the prior art.
3 is a diagram illustrating a configuration of a battery rapid charging apparatus according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram showing the configuration of a battery rapid charging apparatus according to another embodiment of the present invention.
5 is a diagram illustrating a configuration of a DC-DC converter according to an exemplary embodiment of the present invention.
6 is a diagram illustrating a power conversion structure of a battery rapid charging apparatus according to an embodiment of the present invention.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein.

도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and like parts are denoted by similar reference numerals throughout the specification.

또한, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
In addition, when a part is said to "include" a certain component, this means that it may further include other components, except to exclude other components unless otherwise stated.

도3 및 도4는 본 발명의 실시예들에 따른 배터리 급속 충전 장치의 구성도를 도시한 도면이다. 3 and 4 are diagrams illustrating a configuration of a battery rapid charging apparatus according to embodiments of the present invention.

도3 및 도4에 도시된 바와 같이, 배터리 급속 충전 장치는 저주파 절연 변압기(410), EMI 필터 및 정류부(420), 역률 개선부(430), DC-DC 변환부(440), 필터부(450) 등으로 이루어지며, 입력 전원단(100)을 단상계통전원(110)뿐 만 아니라 삼상계통전원(120)으로도 구현할 수 있다.
As shown in FIGS. 3 and 4, the apparatus for fast charging a battery includes a low frequency isolation transformer 410, an EMI filter and rectifier 420, a power factor improving unit 430, a DC-DC converter 440, and a filter unit ( 450), and the input power source 100 may be implemented not only as the single-phase system power source 110 but also as a three-phase system power source 120.

저주파 절연 변압기(410)는 상호 절연된 1차권선과 2차권선으로 구성되어 배터리 급속 충전 장치의 절연성을 확보한다. 또한 역률 개선부(430)의 출력 전압이 배터리(200)의 정격전압(또는 기준전압)이 되도록 역률 개선부(430)의 입력측에서 미리 조정해주는 역할을 한다.The low frequency isolation transformer 410 is composed of a primary winding and a secondary winding that are insulated from each other to secure insulation of the battery fast charging device. In addition, the input voltage of the power factor improving unit 430 adjusts in advance so that the output voltage of the power factor improving unit 430 becomes the rated voltage (or reference voltage) of the battery 200.

예를 들어, 배터리(200)가 300V의 정격전압을 가지며, 역률 개선부(430)는 220V의 전압을 인가받아 300V로 승압할 수 있다고 가정하면, 저주파 절연 변압기(410)는 220V/220V의 턴비(단상계통전원(110)일 때), 380V/220V 또는 440V/220V의 턴비(삼상계통전원(120)일 때)를 사용해서, 저주파 절연 변압기(410)의 출력 전압(또는 역률 개선부(430)의 입력 전압)을 220V로 맞춰준다. 이에 역률 개선부(430)는 항상 220V를 제공받아, 안정적으로 300V의 출력 전압을 출력할 수 있게 된다. For example, assuming that the battery 200 has a rated voltage of 300V, and the power factor improving unit 430 may be boosted to 300V by applying a voltage of 220V, the low frequency isolation transformer 410 may have a turn ratio of 220V / 220V. (When the single-phase system power supply 110), using a turn ratio of 380V / 220V or 440V / 220V (when the three-phase system power supply 120), the output voltage (or power factor improvement unit 430) of the low frequency isolation transformer 410 ) Set the input voltage) to 220V. The power factor improving unit 430 is always provided with 220V, it is possible to stably output the output voltage of 300V.

물론, 배터리(200), 단상계통전원(110) 또는 삼상상계통전원(120)의 표준 전압이 가변된다면, 저주파 절연 변압기(410)의 턴비 또한 그에 맞게 조정될 수 있다. Of course, if the standard voltage of the battery 200, single-phase system power supply 110 or three-phase system power supply 120 is variable, the turn ratio of the low frequency isolation transformer 410 may also be adjusted accordingly.

EMI 필터 및 정류부(420)는 저주파 절연 변압기(410)를 거쳐 공급되는 교류 전압에 포함된 고주파 잡음을 제거하고, 브릿지 다이오드 등을 통해 고주파 잡음이 제거된 교류 전압을 정류하여 직류 전압을 출력한다. The EMI filter and rectifier 420 removes high frequency noise included in an AC voltage supplied through the low frequency isolation transformer 410, and rectifies an AC voltage from which high frequency noise is removed through a bridge diode to output a DC voltage.

역률 개선부(430)는 직류 전압의 역률을 개선함과 동시에 직류 전압을 배터리(200)의 정격전압으로 승압시킨다. The power factor improving unit 430 improves the power factor of the DC voltage and boosts the DC voltage to the rated voltage of the battery 200.

DC-DC 변환부(440)는 SOC에 따라 변동되는 배터리의 충전전압을 고려하여 전력 변환 효율을 가변해준다. 즉, 역률 개선부(430)의 출력 전압을 바이패스시키고, 바이패스된 전압에서 배터리의 정격전압과 배터리의 충전전압간의 차전압만큼을 전압 감압시켜주도록 한다. The DC-DC converter 440 may vary the power conversion efficiency in consideration of the charging voltage of the battery that varies with SOC. That is, the output voltage of the power factor improving unit 430 is bypassed, and the voltage is reduced by the difference voltage between the rated voltage of the battery and the charging voltage of the battery.

이를 위해, DC-DC 변환부(440)는 도5에서와 같이 고주파 변압부(441), 스위칭부(442), 정류부(443), 그리고 스위칭부(442)와 정류부(443)간을 연결하는 바이패스 경로(444)를 구비할 수 있다. To this end, the DC-DC converter 440 connects the high frequency transformer 441, the switch 442, the rectifier 443, and the switch 442 and the rectifier 443 as shown in FIG. 5. Bypass path 444 may be provided.

고주파 변압부(441)는 서로 상이한 권선비를 가지는 1차권선과 2차권선을 구비하여, 전압 강압 동작을 수행한다. The high frequency transformer 441 includes a primary winding and a secondary winding having different turns ratios, and perform a voltage step-down operation.

스위칭부(442)는 배터리의 충전전압에 따라 직류 전압에서 교류 전압으로부터 변화량을 가변한다. 즉, SOC에 따른 정격전압 변동량에 대해서만 전압 감압 동작이 수행되도록 한다. 이러한 스위칭부(442)는 역률 개선부(430)의 출력단과 고주파 변압부(441)의 1차권선 사이에 위치된 풀 브리지 커넥터(full brige connector)로 구현되며, 풀 브리지 커넥터를 구성하는 스위치들((sw1, sw4)(sw2, sw3))를 교대로 동작시켜 역률 개선부(430)로부터 출력되는 직류 전압을 교류 전압으로 변환시켜 줄 수 있다. 또한, 스위치들((sw1, sw4)(sw2, sw3))의 동작 듀티를 제어하여 역률 개선부(430)의 출력 중 배터리의 정격전압과 배터리의 충전전압간 차에 해당하는 전압만이 고주파 변압부(441)의 1차권선에 공급되도록 할 수 있다. The switching unit 442 varies the amount of change from the AC voltage to the DC voltage according to the charging voltage of the battery. That is, the voltage decompression operation is performed only for the rated voltage variation according to the SOC. The switching unit 442 is implemented as a full bridge connector (full brige connector) located between the output terminal of the power factor improving unit 430 and the primary winding of the high frequency transformer 444, the switches constituting the full bridge connector ((sw1, sw4) (sw2, sw3)) may be alternately operated to convert the DC voltage output from the power factor improving unit 430 into an AC voltage. In addition, by controlling the operating duty of the switches (sw1, sw4) (sw2, sw3), only the voltage corresponding to the difference between the rated voltage of the battery and the charging voltage of the battery during the output of the power factor improving unit 430 It can be supplied to the primary winding of the part 441.

바이패스 경로(444)는 역률 개선부(430)의 출력을 고주파 변압부(441)의 1차권선측에서 2차권선측으로 직접 바이패스시켜 준다. The bypass path 444 bypasses the output of the power factor improving unit 430 directly from the primary winding side to the secondary winding side of the high frequency transformer 441.

정류부(443)는 고주파 변압부(441)로부터 출력되는 교류 전압(즉, 고주파 변압부(441)를 통해 공급되는 교류 전압과 바이패스 경로(444)을 통해 공급되는 교류 전압)를 입력받고 이를 정류하여, 배터리의 충전 전압을 생성하여 출력한다. 이러한 정류부(443) 또한 입력측 정류부(420)와 같이 브릿지 다이오드를 통해 구현될 수 있다. The rectifier 443 receives and rectifies an AC voltage output from the high frequency transformer 441 (that is, an AC voltage supplied through the high frequency transformer 441 and an AC voltage supplied through the bypass path 444). To generate and output the charging voltage of the battery. The rectifier 443 may also be implemented through a bridge diode like the input rectifier 420.

필터부(450)는 LC 필터 등으로 구성되어 DC-DC 변환부(440)로부터 출력되는 직류 전압을 평활화한 후 배터리(200)에 공급한다.
The filter unit 450 is composed of an LC filter or the like to smooth the DC voltage output from the DC-DC converter 440 and supply the same to the battery 200.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 변환부의 동작을 살펴보면 다음과 같다. Hereinafter, the operation of the DC-DC converter according to an embodiment of the present invention will be described.

먼저, 배터리(200)의 정격전압은 300V이나, SOC에 따라 배터리(200)의 충전전압이 280V으로 변동되었다면, DC-DC 변환부(440)는 바이패스 경로(444)을 통해 공급되는 300V에서 배터리(200)의 정격전압과 배터리(200)의 충전전압간 차에 해당하는 20V만 스위칭부(442) 및 고주파 변압기(441)을 통해 출력하면 된다. First, the rated voltage of the battery 200 is 300V, but if the charging voltage of the battery 200 is changed to 280V according to the SOC, the DC-DC converter 440 at 300V supplied through the bypass path 444. Only 20V corresponding to the difference between the rated voltage of the battery 200 and the charging voltage of the battery 200 may be output through the switching unit 442 and the high frequency transformer 441.

이에 DC-DC 변환부(440)에서 부담하는 전력은 차전압 만큼에 해당하는 것으로, 종래의 DC-DC 변환부에서는 280V 전체를 출력해야 하는 데 반해, 본 발명의 DC-DC 변환부(440)에서는 20V만을 출력하면 된다. The DC-DC converter 440 is equivalent to the amount of the difference voltage, the conventional DC-DC converter 280V to output the whole, whereas the DC-DC converter 440 of the present invention You only need to output 20V.

즉, 본 발명의 DC-DC 변환부(440)의 전력 부담율은 종래에 약 14배만큼 줄어들고, 이에 비례하여 DC-DC 변환부(440)에서의 손실도 줄어들게 되어 효율은 증가하게 된다.
That is, the power burden of the DC-DC converter 440 of the present invention is reduced by about 14 times in the related art, and the loss in the DC-DC converter 440 is also reduced in proportion to the efficiency, thereby increasing efficiency.

반면, 배터리(200)의 정격전압은 300V이나, SOC에 따라 배터리(200)에 실질적으로 충전될 수 있는 전압, 즉 충전전압이 300V이상인 경우, DC -DC 변환부(440)는 바이패스 경로(444)을 통해 역률 개선부(430)로부터 공급되는 직류 전압(300V) 모두를 바이패스시켜 준다. 즉, 본 발명의 고주파 변압기(441)는 전력 변환 동작을 수행하지 않고, 역률 개선부(430)의 출력을 그대로 배터리(200)에 제공해줌을 알 수 있다.
On the other hand, the rated voltage of the battery 200 is 300V, but when the voltage that can be substantially charged in the battery 200 according to the SOC, that is, the charging voltage is 300V or more, the DC-DC converter 440 is a bypass path ( Bypassing all of the DC voltage (300V) supplied from the power factor improving unit 430 through 444. That is, it can be seen that the high frequency transformer 441 of the present invention provides the output of the power factor improving unit 430 to the battery 200 without performing a power conversion operation.

이와 같이 본 발명의 배터리 급속 충전 장치는 배터리(200)의 충전전압(또는 SOC에 따른 배터리의 정격전압 변동량)을 고려하여 DC-DC 변환부의 전력 변환 부담 비율을 최소화시킴으로써, 배터리 급속 충전 장치의 전력 변환 효율을 전체적으로 향상시켜 줄 수 있다. As described above, the battery rapid charging apparatus of the present invention minimizes the power conversion burden ratio of the DC-DC converter in consideration of the charging voltage of the battery 200 (or the rated voltage variation of the battery according to SOC), thereby reducing the power of the battery rapid charging apparatus. The overall conversion efficiency can be improved.

본 발명의 배터리 급속 충전 장치의 전력 변환 구조는 도6과 같이 표현될 수 있다. The power conversion structure of the fast charging device of the present invention can be expressed as shown in FIG.

도6를 참조하면, 배터리 급속 충전 장치는 DC-DC 변환부와 병렬되는 바이패스 경로를 구비함으로써, 수학식1과 같은 전력 변환 효율을 가지게 된다. Referring to FIG. 6, the battery rapid charging apparatus has a bypass path in parallel with the DC-DC converter, and thus has a power conversion efficiency as shown in Equation (1).

Figure pat00001
Figure pat00001

Pin는 입력 전압, Po는 출력 전압, ηc는 DC-DC 변환부의 전력 변환 효율, ηp는 역률 개선부의 전력 변환 효율, 1-p는 DC-DC 변환부의 전력 변환 부담 비율. P in is the input voltage, P o is the output voltage, η c is the power conversion efficiency of the DC-DC converter, ηp is the power conversion efficiency of the power factor improving unit, and 1-p is the power conversion burden ratio of the DC-DC converter.

즉, DC-DC 변환부의 전력분담율(1-p)에 따라 배터리 급속 충전 장치의 효율이 계산되며, 종래에 효율이 월등히 증가하게 된다. That is, the efficiency of the battery fast charging device is calculated according to the power sharing ratio 1-p of the DC-DC converter, and the efficiency is greatly increased in the related art.

배터리 정격전압 이상에서는 DC-DC 변환부의 전력분담율이 "0"으로, 전체전력이 바이패스 경로을 통해 공급되는 상황이 된다. 이는 2단 전력변환에서 1단 전력변환이 되는 것과 동일한 효과를 제공한다.
Above the rated voltage of the battery, the power sharing ratio of the DC-DC converter is "0", and the entire power is supplied through the bypass path. This provides the same effect as the first stage power conversion in the two stage power conversion.

이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although described with reference to the embodiments above, those skilled in the art will understand that the present invention can be variously modified and changed without departing from the spirit and scope of the invention as set forth in the claims below. Could be.

410: 저주파 절연 변압기 420: EMI 필터 및 정류부
430: 역률 개선부 440: DC-DC 변환부
450: 필터부 441: 고주파 변압부
442: 스위칭부 443: 정류부
444: 바이패스 경로 410: low frequency isolation transformer 420: EMI filter and rectifier
430: power factor improving unit 440: DC-DC converter
450: filter portion 441: high frequency transformer portion
442: switching unit 443: rectifier
444: bypass path

Claims (8)

직류 전압의 역률을 개선시키고 상기 직류 전압을 배터리의 정격전압으로 승압시키는 역률 개선부; 및
상기 역률 개선부의 출력 전압을 바이패스시키고, 상기 바이패스된 전압에서 배터리의 정격전압과 배터리의 충전전압간의 차전압만큼을 전압 감압시키는 DC-DC 변환부를 포함하는 배터리 급속 충전 장치.A power factor improving unit for improving a power factor of the DC voltage and boosting the DC voltage to a rated voltage of the battery; And
And a DC-DC converter configured to bypass the output voltage of the power factor improving unit and reduce the voltage by a voltage difference between the rated voltage of the battery and the charging voltage of the battery. 제1항에 있어서, 상기 충전전압은
SOC(State of charge)에 따라 변화되는 것을 특징으로 하는 배터리 급속 충전 장치.The method of claim 1, wherein the charging voltage is
A fast charging device for a battery, characterized in that the state of charge (SOC) changes. 제1항에 있어서, 상기 DC-DC 변환부는
서로 상이한 권선비를 가지는 1차권선과 2차권선을 통해 전압 감압 동작을 수행하는 고주파 변압부;
배터리의 충전전압에 따라 상기 고주파 변압부의 1차권선측에 공급되는 교류 전압을 가변하는 스위칭부;
상기 승압된 직류 전압을 상기 고주파 변압부의 1차권선측에서 2차권선측으로 바이패스시키는 바이패스 경로; 및
상기 고주파 변압부의 2차권선측로부터 출력되는 교류 전압을 직류 전압으로 정류하여 배터리의 충전전압을 생성 및 출력하는 정류부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 급속 충전 장치.The method of claim 1, wherein the DC-DC converter
A high frequency transformer configured to perform a voltage decompression operation through the primary windings and the secondary windings having different winding ratios;
A switching unit configured to vary an AC voltage supplied to a primary winding side of the high frequency transformer unit according to a charging voltage of a battery;
A bypass path for bypassing the boosted DC voltage from the primary winding side to the secondary winding side of the high frequency transformer unit; And
And a rectifier for rectifying the AC voltage output from the secondary winding side of the high frequency transformer into a DC voltage to generate and output a charging voltage of the battery. 제3항에 있어서, 상기 스위칭부는
상기 역률 개선부와 상기 고주파 변압부의 1차권선측 사이에 위치하는 풀 브리지 컨버터를 포함하고,
상기 풀 브리지 컨버터를 구성하는 스위치들의 동작 듀티를 제어하여, 직류 전압에서 교류 전압으로의 변화량을 조절하는 것을 특징으로 하는 배터리 급속 충전 장치.The method of claim 3, wherein the switching unit
A full bridge converter located between the power factor improving unit and the primary winding side of the high frequency transformer unit,
And controlling the amount of change from a DC voltage to an AC voltage by controlling the operation duty of the switches constituting the full bridge converter. 제1항에 있어서,
상호 절연된 1차권선과 2차권선으로 구성되어 배터리 급속 충전 장치의 절연성을 확보함과 동시에, 상기 역률 개선부의 출력 전압이 상기 배터리의 정격전압이 되도록 하는 저주파 절연 변압기;
상기 저주파 절연 변압기로부터 출력되는 교류 전압에 포함된 고주파 노이즈 성분을 제거하는 EMI 필터부; 및
상기 EMI 필터부 로부터 출력되는 교류 전압을 직류 전압으로 변환하여 상기 역률 개선부에 공급하는 입력 정류부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 급속 충전 장치.The method of claim 1,
A low frequency insulated transformer composed of mutually insulated primary windings and secondary windings to ensure insulation of the fast charging device of the battery and to make the output voltage of the power factor improving unit equal to the rated voltage of the battery;
An EMI filter unit for removing high frequency noise components included in an AC voltage output from the low frequency isolation transformer; And
And an input rectifier for converting an AC voltage output from the EMI filter unit into a DC voltage and supplying the power factor to the power factor improving unit. 제5항에 있어서, 상기 저주파 절연 변압기는
상기 배터리의 정격전압 및/또는 상기 저주파 절연 변압기에 입력되는 전압에 따라 턴비가 조정되는 것을 특징으로 하는 배터리 급속 충전 장치.The low frequency isolation transformer of claim 5, wherein
And a turn ratio is adjusted according to a rated voltage of the battery and / or a voltage input to the low frequency isolation transformer. 제6항에 있어서, 상기 저주파 절연 변압기에 입력되는 전압은
단상계통전원 또는 삼상계통전원인 것을 특징으로 하는 배터리 급속 충전 장치.The method of claim 6, wherein the voltage input to the low frequency isolation transformer is
Battery fast charging device, characterized in that the single-phase system power or three-phase system power. 제1항에 있어서,
상기 DC-DC 변환부로부터 출력되는 직류전압을 평활화한 후 배터리에 공급하는 필터부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 급속 충전 장치.The method of claim 1,
And a filter unit for smoothing the DC voltage output from the DC-DC converter and supplying the battery to the battery.
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