KR20120106379A - 배터리 충전 장치 - Google Patents

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Abstract

공용의 트랜스포머를 이용하여 AC 전원을 고전압 배터리 및 보조 전압 배터리를 충전하기 위한 제1 전압 및 제2 전압으로 분리하여 변환하는 하이브리드 전력 변환부; 상기 하이브리드 전력 변환부에 의해 변환된 상기 제1 전압을 강압하여 고전압 배터리를 충전하는 고전압 충전부; 상기 하이브리드 전력 변환부에 의해 변환된 상기 제2 전압 또는 상기 고전압 배터리의 전압을 강압하여 보조 배터리를 충전시키는 보조 전압 충전부; 및 상기 보조 전압 충전부에 상기 AC 전원에 의한 상기 제2 전압 또는 상기 고전압 배터리의 전압이 선택적으로 입력되도록 상기 AC 전원과 상기 보조 전압 충전부의 전기적 접속을 스위칭하고, 상기 고전압 배터리와 상기 보조 전압 충전부의 전기적 접속을 스위칭하는 스위칭부를 포함하며, 상기 스위칭부의 스위칭 동작에 의해 제1 모드에서는 상기 AC 전원에 의한 고전압 배터리 충전과 상기 보조 배터리 충전이 이루어지며, 제2 모드에서는 상기 AC 전원에 의한 고전압 배터리 충전이 정지되고, 상기 고전압 배터리의 전압에 의한 상기 보조 배터리 충전이 이루어지는 배터리 충전 장치가 제공된다.

Description

배터리 충전 장치{APPARATUS FOR CHARGING BATTERY}
본 발명은 배터리 충전 장치에 관한 것으로, 차량 탑재형 완속 충전부(OBC: On Board Charger)에서 전력 변환 구조를 공용으로 사용함으로써 AC 전원에 의한 고전압 배터리 충전시에 AC 전원에 의해 보조 배터리를 함께 충전시킬 수 있는 배터리 충전 장치에 관한 것이다.
최근 환경 파괴로 인한 지구 온난화와 고유가 등의 문제로 자동차 업계에서는 전기 자동차의 개발을 급속히 진행하고 있다. 현재 전세계 메이저급 자동차 제작사들은 주요 개발 차량으로 전기 자동차를 만들기 위해 연구개발 중이다.
전기 자동차는 배기가스가 전혀 없으며, 소음이 아주 작은 장점이 있다. 전기 자동차는 1873년 가솔린 자동차보다 먼저 제작되었으나, 배터리의 무거운 중량, 충전에 걸리는 시간 등의 문제 때문에 실용화되지 못하다가 공해문제가 최근 심각해지면서 다시 개발되고 있다. 하지만, 재충전 가능한 배터리의 사용횟수 제한으로 인하여 배터리 자체 만으로는 장거리 주행이 확보되지 않는 문제점이 있다.
따라서, 현재 시장에서는 화석연료와 배터리 같이 두 가지 동력원을 사용하는 하이브리드(Hybrid) 자동차가 북미지역을 중심으로 활발히 판매 사용되고 있다. 일본 도요타 자동차의 프리우스는 대표적인 하이브리드 자동차의 일종이다. 프리우스는 휘발유를 사용하는 엔진과 차량의 브레이킹 시에 회수되는 운동에너지를 전기에너지로 사용할 수 있는 알터네이터(Alternator) 및 모터(Motor)를 갖는다.
한편, 전기 자동차의 경우 재충전 가능한 배터리(즉, 2차 전지의 성능 개선)와 기존의 전지특성과는 다른 특성을 가진 연료전지 등을 사용하는 방안이 마련되고 있다. 이에, 전기 자동차 내부의 배터리 충전과 잦은 교체주기에 따른 기존의 문제점이 점차 해결되어 가고 있다.
일반 도로 주행용 전기 자동차가 아닌 일부 소형 전기 자동차의 경우에는 이미 상용화되어 활발히 사용되고 있다. 예를 들어, 골프장의 골프 카트, 경기장의 선수 및 장비 이동용 차량, 실내 운전 차량, 실내 청소 차량 등에서 활발히 사용되고 있으며, 곧 일반 상용 및 승용차에서도 전기자동차의 보급이 급속히 이루어질 것이라는 사실이 예견된다.
전기 자동차 및 하이브리드 자동차는 차량에 실려 있는 고전압 배터리를 충전하여 동력원으로 사용한다. 자동차에는 구동력을 위한 고전압 배터리와, 전자제어유닛의 동작을 위한 보조 배터리가 탑재되어 있다.
도 1에 도시된 바와 같이 종래의 배터리 충전 장치(1)는 AC 전원(11), 차량 탑재형 완속 충전부(OBC: On Board Charger)(12), 보조 배터리(13), 고전압 배터리(14), 저전압 변환기(LDC: Low Voltage DC-DC Converter)(15)를 포함한다.
고전압 배터리(14)를 충전하기 위하여, 차량 탑재형 완속 충전부(12)는 상용 AC 전원(11)을 고전압으로 변환하는 고전압 충전부(121)를 필요로 한다.
그러나, 종래의 배터리 충전 장치(1)는 고전압 배터리(14)만을 충전하게 되어, 충전 중 이그니션(IGN) 전원을 사용하는 전자제어유닛이 동작하면 보조 배터리(13)를 소모하게 된다.
따라서, 배터리 충전 장치(1)는 보조 배터리(13)의 전압이 떨어지면 저전압 변환기(15)를 동작시켜 보조 배터리(13)를 충전시켜야 하거나, 보조 배터리(13)의 충전이 필요한지 여부를 파악할 수 없어, 원활한 보조 배터리(13)의 전압 관리가 어려운 실정이다.
또한 저전압 변환기(15)는 고전압 배터리(14)에서 고전압을 저전압으로 변환시키는 변환과정을 통하여 보조 배터리(13)에 보조 전압을 충전시키므로, 고전압 배터리(14)의 고전압을 소모하게 되어, 고전압 배터리(14)의 충방전 횟수를 늘리게 하여 결국 고전압 배터리(14)의 수명을 단축시킬 수 있다.
본 발명의 목적은, 차량 탑재형 완속 충전부(OBC: On Board Charger)에서 전력 변환 구조를 공용으로 사용함으로써 하나의 AC 전원으로 고전압 배터리와 보조 배터리를 함께 충전시킬 수 있는 배터리 충전 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 공용의 트랜스포머를 이용하여 AC 전원을 고전압 배터리 및 보조 전압 배터리를 충전하기 위한 제1 전압 및 제2 전압으로 분리하여 변환하는 하이브리드 전력 변환부; 상기 하이브리드 전력 변환부에 의해 변환된 상기 제1 전압을 강압하여 고전압 배터리를 충전하는 고전압 충전부; 상기 하이브리드 전력 변환부에 의해 변환된 상기 제2 전압 또는 상기 고전압 배터리의 전압을 강압하여 보조 배터리를 충전시키는 보조 전압 충전부; 및 상기 보조 전압 충전부에 상기 AC 전원에 의한 상기 제2 전압 또는 상기 고전압 배터리의 전압이 선택적으로 입력되도록 상기 AC 전원과 상기 보조 전압 충전부의 전기적 접속을 스위칭하고, 상기 고전압 배터리와 상기 보조 전압 충전부의 전기적 접속을 스위칭하는 스위칭부를 포함하며, 상기 스위칭부의 스위칭 동작에 의해 제1 모드에서는 상기 AC 전원에 의한 고전압 배터리 충전과 상기 보조 배터리 충전이 이루어지며, 제2 모드에서는 상기 AC 전원에 의한 고전압 배터리 충전이 정지되고, 상기 고전압 배터리의 전압에 의한 상기 보조 배터리 충전이 이루어지는 배터리 충전 장치가 제공된다.
상기 하이브리드 전력 변환부, 상기 고전압 충전부, 상기 보조 전압 충전부 및 상기 스위칭부는 차량 탑재형 완속 충전부(OBC: On Board Charger)에 탑재될 수 있다.
상기 트랜스포머는 제1차 권선과, 상기 제1 전압 및 상기 제2 전압으로의 전력 변환을 위한 각각의 권선비를 가지는 각각의 제2 차 권선을 포함할 수 있다.
상기 스위칭부는 상기 제2 모드에서 상기 고전압 배터리의 전압을 상기 트랜스포머의 제1차 권선의 입력단에 전달하여 상기 보조 전압 충전부에서 상기 고전압 배터리의 전압에 의한 상기 보조 배터리 충전이 이루어지도록 스위칭을 수행할 수 있다.
상기 스위칭부는 상기 제2 모드에서 상기 고전압 배터리의 전압을 상기 트랜스포머의 제2차 권선에 전달하여 상기 보조 전압 충전부에서 상기 고전압 배터리의 전압에 의한 상기 보조 배터리 충전이 이루어지도록 스위칭을 수행할 수 있다.
상기 스위칭부는 상기 AC 전원의 공급 또는 차단을 스위칭하기 위한 제1 스위칭부 및 상기 고전압 배터리의 전압이 상기 보조 전압 충전부에 전달되는 것을 스위칭하기 위한 제2 스위칭부를 포함하되, 상기 제1 모드에서 상기 제1 스위칭부는 온상태로 스위칭되고, 상기 제2 스위칭부는 오프상태로 스위칭되며, 상기 제2 모드에서 상기 제1 스위칭부는 오프 상태로 스위칭되고, 상기 제2 스위칭부는 온상태로 스위칭될 수 있다.
상기 트랜스포머는 제1 차 권선과, 상기 제1 전압 및 상기 제2 전압으로의 전력 변환을 위한 각각의 권선비를 가지는 각각의 제2 차 권선을 포함하고, 상기 제2 스위칭부는 상기 고전압 배터리의 전압을 상기 트랜스포머의 제1차 권선의 입력단에 전달하도록 설치될 수 있다.
상기 제2 스위칭부는 상기 고전압 배터리의 양단과 상기 트랜스포머의 제1차 권선의 입력 양단 사이에 각각 설치될 수 있다.
상기 트랜스포머는 제1 차 권선과, 상기 제1 전압 및 상기 제2 전압으로의 전력 변환을 위한 각각의 권선비를 가지는 각각의 제2 차 권선을 포함하고, 상기 제2 스위칭부는 상기 고전압 배터리의 전압을 상기 트랜스포머의 제2 차 권선중에서 상기 고전압 충전부쪽에 연결된 제2 차 권선에 전달하도록 설치될 수 있다.
상기 제2 스위칭부는 상기 고전압 배터리의 양극 단자와 상기 트랜스포머의 제2 차 권선중에서 상기 고전압 충전부쪽에 연결된 제2 차 권선의 사이에 순방향으로 연결된 다이오드를 포함할 수 있다.
상기 배터리 충전 장치는 상기 AC 전원을 정류하여 직류로 변환하는 정류부; 및 상기 변환된 직류의 역률을 보정하여 상기 하이브리드 전력 변환부에 전달하는 PFC(Power Factor Correction) 회로부를 더 포함할 수 있다.
상기 고전압 충전부 및 상기 보조 전압 충전부는 인터리브로 구현된 벅(buck) 컨버터를 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 차량 탑재형 완속 충전부(OBC: On Board Charger)에 트랜스포머의 서로 다른 권선비를 통해 전력을 분리 전달할 수 있는 전력 변환 구조를 공용으로 사용함으로써 AC 전원에 의한 고전압 배터리의 충전시에 AC 전원으로 보조 배터리를 함께 충전시킬 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에 따르면 보조 배터리의 충전을 위해 별도의 저전압 변환기를 구비할 필요가 없이 AC 전원에 의한 고전압 배터리 충전 동작중에 보조 배터리에 대한 충전을 함께 수행함으로써 충전 시간을 단축시킬 수 있고 전력 전달 효율을 증대시킬 수 있으며, 이에 따라 고전압 배터리의 수명 단축을 해소할 수 있는 효과도 있다.
아울러, 본 발명에 의하면 PFC 회로의 출력 전압과, 하이브리드 전력 변환부에 의해 변환된 제1 전압을 고압으로 함으로써 전류량을 줄일 수 있고, PFC 회로와 고전압 충전부 및 보조 전압 충전부에 벅 컨버터를 인터리브로 구현함으로써 수동소자의 크기를 줄이면서도 열분산을 극대화할 수 있다.
도 1은 종래의 배터리 충전 장치를 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 장치를 설명하기 위한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 충전 장치의 구체적인 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 충전 장치의 구체적인 회로도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 충전 장치의 구체적인 회로도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 충전 장치의 구체적인 회로도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 장치를 설명하기 위한 블록도이다.
도 2를 참조하면 본 발명의 실시예에 따른 배터리 충전 장치(2)는 전기 자동차(EV ; Electric Vehicle)나 플러그인 하이브리드 자동차(PHEV: Plug-in Hybrid Electric Vehicle) 등에 설치되어, AC 전원(21)을 고전압으로 변환하여 고전압 배터리(24)에 충전시키고, AC 전원(21)(110V/220V)을 보조 전압으로 변환하여 보조 배터리(23)에 충전시킬 수 있다. 이와 같이 충전된 고전압 배터리(24)는 전기 자동차나 플러그인 하이브리드 자동차의 동력원으로 사용되며, 보조 배터리(23)는 차량에 설치된 각종 전자제어유닛, 예를 들면 제동 장치의 전자제어유닛, 현가 장치의 전자제어유닛, 조향 장치의 전자 제어 유닛 등의 구동을 위해 사용될 수 있다.
배터리 충전 장치(2)는 AC 전원(21), 차량 탑재형 완속 충전부(OBC: On Board Charger)(22), 보조 배터리(23) 및 고전압 배터리(24) 등을 포함한다.
한편, 배터리 충전 장치(2)의 구성들이 일체로 이루어질 수 있다. 따라서 배터리 충전 장치(2)는 전기 에너지로 구동되는 전기 자동차나 플러그인 하이브리드 자동차에 장착이 용이하다.
차량 탑재형 완속 충전부(22)는 하이브리드 전력 변환부(221), 고전압 충전부(222), 보조 전압 충전부(223), 및 스위칭부(224)를 포함하여 구성될 수 있다.
하이브리드 전력 변환부(221), 고전압 충전부(222), 보조 전압 충전부(223) 및 스위칭부(224)는 차량 탑재형 완속 충전부(22)에 탑재될 수 있다.
하이브리드 전력 변환부(221)는 공용의 트랜스포머를 구비하며, 차량 내에 설치된 배터리 관리 시스템(BMS: Battery Management System)으로부터 수신된 충전 지령에 따라 트랜스포머를 이용하여 AC 전원을 고전압 배터리 및 보조 전압 배터리를 충전하기 위한 제1 전압 및 제2 전압으로 분리하여 변환한다. 여기에서, 공용의 트랜스포머는 고전압 충전부(222) 및 보조 전압 충전부(223)를 위한 제1 전압 및 제2 전압으로의 전력 변환을 위해 공용으로 사용된다. 트랜스포머는 고전압 충전부(222) 및 보조 전압 충전부(223)의 전력 변환에 상응하는 각각의 권선비를 가지는 각각의 제2차 권선을 가진다.
고전압 충전부(222)는 차량 내에 설치된 배터리 관리 시스템(BMS: Battery Management System)으로부터 수신된 충전 지령에 따라 하이브리드 전력 변환부(221)에 의해 변환된 제1 전압을 강압하여 고전압 배터리(24)를 충전시키도록 한다.
보조 전압 충전부(223)는 AC 전원(21)에 의한 하이브리드 전력 변환부(221)의 제2 전압을 강압하여 보조 배터리(23)를 충전시키도록 한다.
스위칭부(224)는 보조 전압 충전부(223)에 AC 전원(21)에 의한 제2 전압 또는 고전압 배터리(24)의 전압이 선택적으로 입력되도록 AC 전원(21)과 보조 전압 충전부(223)의 전기적 접속을 스위칭하고, 고전압 배터리(24)와 보조 전압 충전부(223)의 전기적 접속을 스위칭한다.
스위칭부(224)는 제1 모드 및 제2 모드를 위한 스위칭을 수행할 수 있다. 여기에서, 제1 모드는 AC 전원이 공급되어 AC 전원에 의해 고전압 배터리를 충전함과 아울러, 보조적으로 보조 전압 배터리를 충전하는 AC 전원 충전 모드이고, 제2 모드는 AC 전원이 공급되지 않는 AC 전원 비충전 모드로서, 다만, 보조 전압 배터리를 충전할 필요가 있는 경우 고전압 배터리의 전압에 의해 보조 전압 배터리의 충전을 수행하는 모드이다.
스위칭부(224)의 스위칭 동작에 의해 제1 모드에서는 AC 전원(21)에 의한 고전압 배터리 충전과 보조 배터리 충전이 이루어진다. 스위칭부(224)의 스위칭 동작에 의해 제2 모드에서는 AC 전원에 의한 고전압 배터리 충전이 정지되고, 고전압 배터리(24)의 전압에 의한 보조 배터리 충전이 이루어질 수 있다.
스위칭부(224)는 AC 전원(21)의 공급 또는 차단을 스위칭하기 위한 제1 스위칭부 및 고전압 배터리(24)의 전압을 스위칭하기 위한 제2 스위칭부를 포함할 수 있다. 제1 모드에서 제1 스위칭부는 온상태로 스위칭되고, 제2 스위칭부는 오프상태로 스위칭된다. 한편, 제2 모드에서 제1 스위칭부는 오프 상태로 스위칭되고, 제2 스위칭부는 온상태로 스위칭될 수 있다.
AC 전원(21)에 의해 고전압 배터리(24)와 보조 배터리(23)를 충전시키는 동작을 설명하면 다음과 같다.
차량 탑재형 완속 충전부(22)는 배터리 관리 시스템(미도시)으로부터 고전압 배터리(24) 및 보조 배터리(23)의 충전지령을 수신한다. 이에 따라, 스위칭부(224)는 AC 전원이 하이브리드 전력 변환부(221)에 입력될 수 있도록 스위칭 동작을 스위칭한다. 다음 차량 탑재형 완속 충전부(22)는 하이브리드 전력 변환부(221)를 통해 AC 전원(21)을 제1 전압으로 변환하고 변환된 제1 전압을 고전압 충전부(222)로 출력한다. 고전압 충전부(222)는 제1 전압을 강압하여 고전압 배터리(24)를 충전시킨다. 한편, 차량 탑재형 완속 충전부(22)는 하이브리드 전력 변환부(221)를 통해 AC 전원(21)을 제2 전압으로 변환하고 변환된 제2 전압을 보조 전압 충전부(223)로 출력한다. 보조 전압 충전부(223)는 제2 전압을 강압하여 저전압 배터리(23)를 충전시킨다.
한편, 고전압 배터리(24)에 의해 보조 배터리(23)를 충전하는 동작을 설명하면 다음과 같다.
차량 탑재형 완속 충전부(22)는 배터리 관리 시스템(미도시)으로부터 보조 배터리(23)의 충전지령을 수신한다. 이에 따라, 스위칭부(224)는 AC 전원이 고전압 충전부(222)와 보조 전압 충전부(223)에 입력되는 것을 차단하고, 고전압 배터리(2)의 전력이 보조 전압 충전부(223)에 입력되도록 스위칭 동작을 수행한다.
이에 따라, 차량 탑재형 완속 충전부(22)는 트랜스포머의 제2 차 권선을 통하여 고전압 배터리(24)의 전력을 보조 전압 충전부(223)에 제공한다. 이에 따라, 보조 전압 충전부(223)는 고전압 배터리(24)의 전력을 강압하여 보조 배터리(23)를 충전시킨다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 충전 장치의 구체적인 회로도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, AC 전원(21)을 정류하여 직류로 변환하는 정류부(225), 역률을 보정하는 PFC(Power Factor Correction) 회로(226), 하이브리드 전력 변환부(221), 고전압 충전부(222), 보조 전압 충전부(223), 및 스위칭부(224)를 포함하여 구성될 수 있다. 이외에도 정류부(225)의 앞단에 EMI 필터를 구비할 수도 있으며, 이외에도 전류제어 및 전압 제어를 위한 회로들을 포함할 수 있다.
정류부(225)는 AC 전원을 정류하여 직류를 출력한다.
PFC 회로(226)는 정류부(225)를 통해 정류된 직류의 역률을 보정하여 하이브리드 전력 변환부(221)에 제공한다. PFC 회로(226)는 인터리브 부스트 컨버터(interleave boost converter)를 이용할 수 있다. 인터리브 부스트 컨버터는 승압형 컨버터로서, 입력단과 출력단의 접지가 같은 회로이다. 인터리브 부스트 컨버터는 스위치가 온 되어있는 동안은 입력전원이 인덕터 양단에 연결되어 전류의 충전이 이루어지고, 스위치가 오프되면 충전된 전류가 부하 측 필터로 전달된다. 인터리브 부스트 컨버터는 부하 측의 필터 입장에서 볼 때, 전류가 주기적으로 흘러 들어오다 끊어지기를 반복하며, 출력단의 전류는 항상 입력단의 전류보다 작다. 회로 동작의 원리상 손실성분이 없기 때문에 입력 전류*입력전압=출력전류*출력전압의 관계에서부터 출력전압이 입력전압보다 항상 높게 나타나며, (스위치 온 시간/스위칭 주기)를 시비율 D 라고 정의하면 Vo=Vi/(1-D)가 된다. PFC 회로(226)의 출력 전압은 예컨대, DC 380V일 수 있다. 한편, 도면에서, PFC 회로(226)는 인터리브 부스트 컨버터를 구성함에 있어 병렬 구조를 채용함으로써 하나의 회로가 손상되더라도 나머지 하나의 회로에 의해 동작할 수 있도록 하여 회로의 신뢰성이 보장되도록 하였다.
하이브리드 전력 변환부(221)는 공용의 트랜스포머를 구비하며, 공용의 트랜스포머를 이용하여 AC 전원을 고전압 배터리(2) 및 보조 전압 배터리를 충전하기 위한 제1 전압 및 제2 전압으로 분리하여 변환한다. 여기에서, 제1 전압은 예컨대, DC 500V일 수 있으며, 제2 전압은 100V일 수 있다. 여기에서, 공용의 트랜스포머는 고전압 충전부(222) 및 보조 전압 충전부(223)를 위한 제1 전압 및 제2 전압으로의 전력 변환을 위해 공용으로 사용된다. 트랜스포머는 고전압 충전부(222) 및 보조 전압 충전부(223)의 전력 변환에 상응하는 각각의 권선비를 가지는 각각의 제2차 권선을 가진다.
고전압 충전부(222) 및 보조 전압 충전부(223)는 강압형 컨버터를 이용할 수 있다. 예컨대, 인터리브로 구현된 벅(buck) 컨버터를 이용할 수 있다. 벅 컨버터는 입력단과 출력단이 같은 접지를 공유하는 회로에 쓰인다. 일정한 주기로 스위칭하는(온/오프를 반복하는) 스위칭 소자(222a)를 이용하여, 스위칭 소자(222a)가 온 되어있는 동안 입력전원이 회로에 연결되고 오프되어 있는 동안은 끊어진다. 이와 같이 주기적으로 연결되었다 끊어졌다 하는 펄스모양의 전압을 LC 필터를 통해 평활(평균)하여 직류전압을 출력한다.
벅 컨버터는 기본적으로 직류전압을 주기적으로 잘라내어(chopping) 만들어진 펄스전압을 평균하여 출력전압을 형성하는 원리가 적용될 수 있다. 이와 같은 방식의 컨버터를 전압원(voltage-fed) 컨버터라고 하며, 출력전압은 입력전압보다 항상 작다. 한 주기 내에서 스위치가 온 되어있는 시간이 길수록 펄스전압의 폭이 넓어지고, 스위치가 온 되어있는 시간이 짧을수록 펄스전압의 폭이 좁아지게 된다. (스위치 온 시간/스위칭 주기)를 시비율 D 라고 정의하면, 출력전압 Vo=D*Vi 가 된다.
고전압 충전부(222)는 하이브리드 전력 변환부(221)에 의해 변환된 제1 전압(500V)를 예컨대, 200 - 450V의 전압으로 강압하여 고전압 배터리(24)를 충전시킨다. 한편, 보조 전압 충전부(223)는 하이브리드 전력 변환부(221)에 의해 변환된 제2 전압(100V)를 예컨대, 12 - 14V의 전압으로 강압하여 보조 전압 배터리(23)를 충전시킨다.
이와 같이, PFC 회로(226)의 출력 전압을 380V로 하고, 하이브리드 전력 변환부(221)에 의해 변환된 제1 전압을 500V의 고압으로 함으로써 전류량을 줄일 수 있고, PFC 회로(226)와 고전압 충전부(222) 및 보조 전압 충전부(223)에 벅 컨버터를 인터리브로 구현함으로써 수동소자의 크기를 줄이면서도 열분산을 극대화할 수 있다.
정류부(225)의 입력단에 AC 전원(21)의 공급 또는 차단을 스위칭하기 위한 제1 스위칭부(224a)가 설치될 수 있다. 제1 스위칭부(224a)는 보조 전압 충전부(223)에 AC 전원(21)에 의한 제2 전압 또는 고전압 배터리(24)의 전압이 선택적으로 입력되도록 AC 전원(21)과 보조 전압 충전부(223)의 전기적 접속을 스위칭할 수 있다.
한편, 고전압 배터리(24)와 보조 전압 충전부(223)의 전기적 접속을 스위칭하기 위한 제2 스위칭부(224b)가 설치될 수 있다. 제2 스위칭부(224b)는 고전압 배터리(24)의 양단과 하이브리드 전력 변환부(221)에 구비된 트랜스포머의 제1차 권선의 양단 사이에 각각 설치된다.
제1 스위칭부(224a) 및 제2 스위칭부(224b)는 제1 모드 및 제2 모드를 위한 스위칭을 수행할 수 있다. 제1 스위칭부(224a) 및 제2 스위칭부(224b)의 스위칭 동작에 의해 제1 모드에서는 AC 전원(21)에 의한 고전압 배터리 충전과 보조 배터리 충전이 이루어진다. 제1 스위칭부(224a) 및 제2 스위칭부(224b)의 스위칭 동작에 의해 제2 모드에서는 AC 전원에 의한 고전압 배터리 충전이 정지되고, 고전압 배터리(24)의 전압에 의한 보조 배터리 충전이 이루어질 수 있다.
이때, 제1 모드에서 제1 스위칭부(224a)는 온상태로 스위칭되고, 제2 스위칭부(224b)는 오프상태로 스위칭된다. 한편, 제2 모드에서 제1 스위칭부(224a)는 오프 상태로 스위칭되고, 제2 스위칭부(224b)는 온상태로 스위칭될 수 있다.
이와 같이 구성된 구조에서 AC 전원(21)에 의해 고전압 배터리(24)와 보조 배터리(23)를 충전시키는 제1 모드의 동작을 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
차량 탑재형 완속 충전부(22)는 배터리 관리 시스템(미도시)으로부터 고전압 배터리(24) 및 보조 배터리(23)의 충전지령을 수신한다. 이에 따라, 도 3에 도시된 바와 같이 제1 스위칭부(224a) 및 제2 스위칭부(224b)는 AC 전원이 하이브리드 전력 변환부(221)에 입력될 수 있도록 스위칭 동작을 수행한다.
제1 모드에서 제1 스위칭부(224a)는 온상태로 스위칭되고, 제2 스위칭부(224b)는 오프상태로 스위칭된다. 이에 따라, AC 전원(21)은 정류부(225) 및 PFC 회로(226)를 통해 하이브리드 전력 변환부(221)에 입력된다. 하이브리드 전력 변환부(221)는 AC 전원(21)을 제1 전압으로 변환하고 변환된 제1 전압을 고전압 충전부(222)로 출력한다. 고전압 충전부(222)는 제1 전압을 강압하여 고전압 배터리(24)를 충전시킨다. 한편, 하이브리드 전력 변환부(221)는 AC 전원(21)을 제2 전압으로 변환하고 변환된 제2 전압을 보조 전압 충전부(223)로 출력한다. 보조 전압 충전부(223)는 제2 전압을 강압하여 저전압 배터리(23)를 충전시킨다.
한편, 도 4를 참조하여 고전압 배터리(24)에 의해 보조 배터리(23)를 충전하는 제2 모드의 동작을 설명하면 다음과 같다.
차량 탑재형 완속 충전부(22)는 배터리 관리 시스템(미도시)으로부터 보조 배터리(23)의 충전지령을 수신한다. 이에 따라, 도 4에 도시된 바와 같이 제1 스위칭부(224a) 및 제2 스위칭부(224b)는 AC 전원이 하이브리드 전력 변환부(221), 고전압 충전부(222), 보조 전압 충전부(223)에 입력되는 것을 차단하고, 고전압 배터리(2)의 전력이 보조 전압 충전부(223)에 입력되도록 스위칭 동작을 수행한다.
제2 모드에서 제1 스위칭부(224a)는 오프 상태로 스위칭되고, 제2 스위칭부(224b)는 온 상태로 스위칭된다. 이에 따라, 제1 스위칭부(224a)의 오프 동작에 의해, 정류부(225), PFC 회로(226), 및 하이브리드 전력 변환부(221)에 대한 AC 전원(21)의 공급이 차단된다. 따라서, 하이브리드 전력 변환부(221)는 AC 전원(21)에 의한 제1 전압 또는 제2 전압으로의 전력 변환을 수행할 수 없다. 따라서, 더 이상 제1 전압을 고전압 충전부(222)로 출력할 수 없으며, 고전압 충전부(222)는 제1 전압을 강압하여 고전압 배터리(24)를 충전시키는 동작을 수행할 수 없다. 한편, 하이브리드 전력 변환부(221)는 AC 전원(21)에 의한 제2 전압을 보조 전압 충전부(223)로 출력할 수 도 없다.
그렇지만, 제2 스위칭부(224b)가 온상태로 스위칭되어 있음에 따라, 고전압 배터리(24)의 전압은 제2 스위칭부(224b)를 통해 하이브리드 전력 변환부(221)의 입력단에 전달된다. 하이브리드 전력 변환부(221)의 입력단에 전달된 고전압 배터리(24)의 전압은 하이브리드 전력 변환부(221)에 구비된 트랜스포머의 제2 차 권선에 유기된다. 이때, 트랜스포머의 제2 차 권선은 고전압 충전부(222)에 연결되는 제2 차 권선과, 보조 전압 충전부(223)에 연결되는 제2 차 권선으로 구분될 수 있다. 한편, 제2 모드에서는 고전압 충전부(222)의 스위칭 소자(222a)는 오프 상태를 유지하도록 설정된다. 이에 따라, 고전압 배터리(24)의 전압은 트랜스포머의 제2 차 권선중에서 고전압 충전부(222)쪽에 연결된 제2 차 권선에는 유기되지 않고, 보조 충전부(223)쪽에 연결된 제2 차 권선에만 유기된다. 보조 전압 충전부(223)는 제2차 권선에 유기된 고전압 배터리(24)의 전압을 강압하여 저전압 배터리(23)를 충전시킨다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 충전 장치의 구체적인 회로도이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, AC 전원(21)을 정류하여 직류로 변환하는 정류부(225), 역률을 보정하는 PFC(Power Factor Correction) 회로(226), 하이브리드 전력 변환부(221), 고전압 충전부(222), 보조 전압 충전부(223), 및 스위칭부(224)를 포함하여 구성될 수 있다. 이외에도 정류부(225)의 앞단에 EMI 필터를 구비할 수도 있으며, 이외에도 전류제어 및 전압 제어를 위한 회로들을 포함할 수 있다.
정류부(225)는 AC 전원을 정류하여 직류를 출력한다. PFC 회로(226)는 정류부(225)를 통해 정류된 직류의 역률을 보정하여 하이브리드 전력 변환부(221)에 제공한다. PFC 회로(226)는 인터리브 부스트 컨버터(interleave boost converter)를 이용할 수 있다. 인터리브 부스트 컨버터는 승압형 컨버터로서, 입력단과 출력단의 접지가 같은 회로이다. 인터리브 부스트 컨버터는 스위치가 온 되어있는 동안은 입력전원이 인덕터 양단에 연결되어 전류의 충전이 이루어지고, 스위치가 오프되면 충전된 전류가 부하 측 필터로 전달된다. 인터리브 부스트 컨버터는 부하 측의 필터 입장에서 볼 때, 전류가 주기적으로 흘러 들어오다 끊어지기를 반복하며, 출력단의 전류는 항상 입력단의 전류보다 작다. 회로 동작의 원리상 손실성분이 없기 때문에 입력 전류*입력전압=출력전류*출력전압의 관계에서부터 출력전압이 입력전압보다 항상 높게 나타나며, (스위치 온 시간/스위칭 주기)를 시비율 D 라고 정의하면 Vo=Vi/(1-D)가 된다. PFC 회로(226)의 출력 전압은 예컨대, DC 380V일 수 있다.
하이브리드 전력 변환부(221)는 공용의 트랜스포머를 구비하며, 공용의 트랜스포머를 이용하여 AC 전원을 고전압 배터리(2) 및 보조 전압 배터리를 충전하기 위한 제1 전압 및 제2 전압으로 분리하여 변환한다. 여기에서, 제1 전압은 예컨대, DC 500V일 수 있으며, 제2 전압은 200 - 450V일 수 있다. 여기에서, 공용의 트랜스포머는 고전압 충전부(222) 및 보조 전압 충전부(223)를 위한 제1 전압 및 제2 전압으로의 전력 변환을 위해 공용으로 사용된다. 트랜스포머는 고전압 충전부(222) 및 보조 전압 충전부(223)의 전력 변환에 상응하는 각각의 권선비를 가지는 각각의 제2차 권선을 가진다.
고전압 충전부(222) 및 보조 전압 충전부(223)는 강압형 컨버터를 이용할 수 있다. 예컨대, 벅(buck) 컨버터를 이용할 수 있다. 벅 컨버터는 입력단과 출력단이 같은 접지를 공유하는 회로에 쓰인다. 일정한 주기로 스위칭하는(온/오프를 반복하는) 스위칭 소자(222a)를 이용하여, 스위칭 소자(222a)가 온 되어있는 동안 입력전원이 회로에 연결되고 오프되어 있는 동안은 끊어진다. 이와 같이 주기적으로 연결되었다 끊어졌다 하는 펄스모양의 전압을 LC 필터를 통해 평활(평균)하여 직류전압을 출력한다.
벅 컨버터는 기본적으로 직류전압을 주기적으로 잘라내어(chopping) 만들어진 펄스전압을 평균하여 출력전압을 형성하는 원리가 적용될 수 있다. 이와 같은 방식의 컨버터를 전압원(voltage-fed) 컨버터라고 하며, 출력전압은 입력전압보다 항상 작다. 한 주기 내에서 스위치가 온 되어있는 시간이 길수록 펄스전압의 폭이 넓어지고, 스위치가 온 되어있는 시간이 짧을수록 펄스전압의 폭이 좁아지게 된다. (스위치 온 시간/스위칭 주기)를 시비율 D 라고 정의하면, 출력전압 Vo=D*Vi 가 된다.
고전압 충전부(222)는 하이브리드 전력 변환부(221)에 의해 변환된 제1 전압(500V)을 예컨대, 200 - 450V의 전압으로 강압하여 고전압 배터리(24)를 충전시킨다. 한편, 보조 전압 충전부(223)는 하이브리드 전력 변환부(221)에 의해 변환된 제2 전압(100)을 예컨대, 12 - 14V의 전압으로 강압하여 보조 전압 배터리(23)를 충전시킨다.
정류부(225)의 입력단에 AC 전원(21)의 공급 또는 차단을 스위칭하기 위한 제1 스위칭부(224a)가 설치될 수 있다. 제1 스위칭부(224a)는 보조 전압 충전부(223)에 AC 전원(21)에 의한 제2 전압 또는 고전압 배터리(24)의 전압이 선택적으로 입력되도록 AC 전원(21)과 보조 전압 충전부(223)의 전기적 접속을 스위칭할 수 있다.
한편, 고전압 배터리(24)와 보조 전압 충전부(223)의 전기적 접속을 스위칭하기 위한 제2 스위칭부(224c)가 설치될 수 있다. 제2 스위칭부(224c)는 고전압 배터리(24)의 양극 단자와 트랜스포머의 제2 차 권선사이에 순방향으로 연결된 다이오드를 포함할 수 있다.
제1 스위칭부(224a) 및 제2 스위칭부(224c)는 제1 모드 및 제2 모드를 위한 스위칭을 수행할 수 있다. 제1 스위칭부(224a) 및 제2 스위칭부(224c)의 스위칭 동작에 의해 제1 모드에서는 AC 전원(21)에 의한 고전압 배터리 충전과 보조 배터리 충전이 이루어진다. 제1 스위칭부(224a) 및 제2 스위칭부(224c)의 스위칭 동작에 의해 제2 모드에서는 AC 전원에 의한 고전압 배터리 충전이 정지되고, 고전압 배터리(24)의 전압에 의한 보조 배터리 충전이 이루어질 수 있다.
이때, 제1 모드에서 제1 스위칭부(224a)는 온상태로 스위칭되고, 제2 스위칭부(224c)는 개방 상태를 유지한다. 한편, 제2 모드에서 제1 스위칭부(224a)는 오프 상태로 스위칭되고, 제2 스위칭부(224b)는 도통 상태를 유지한다.
이와 같이 구성된 구조에서 AC 전원(21)에 의해 고전압 배터리(24)와 보조 배터리(23)를 충전시키는 제1 모드의 동작을 도 5를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
차량 탑재형 완속 충전부(22)는 배터리 관리 시스템(미도시)으로부터 고전압 배터리(24) 및 보조 배터리(23)의 충전지령을 수신한다. 이에 따라, 도 5에 도시된 바와 같이 제1 스위칭부(224a) 및 제2 스위칭부(224b)는 AC 전원이 하이브리드 전력 변환부(221)에 입력될 수 있도록 스위칭 동작을 수행한다.
제1 모드에서 제1 스위칭부(224a)는 온상태로 스위칭되고, 제2 스위칭부(224b)는 개방 상태를 유지하게 된다. 이에 따라, AC 전원(21)은 정류부(225) 및 PFC 회로(226)를 통해 하이브리드 전력 변환부(221)에 입력된다. 하이브리드 전력 변환부(221)는 AC 전원(21)을 제1 전압으로 변환하고 변환된 제1 전압을 고전압 충전부(222)로 출력한다. 고전압 충전부(222)는 제1 전압을 강압하여 고전압 배터리(24)를 충전시킨다. 한편, 하이브리드 전력 변환부(221)는 AC 전원(21)을 제2 전압으로 변환하고 변환된 제2 전압을 보조 전압 충전부(223)로 출력한다. 보조 전압 충전부(223)는 제2 전압을 강압하여 저전압 배터리(23)를 충전시킨다.
한편, 도 6을 참조하여 고전압 배터리(24)에 의해 보조 배터리(23)를 충전하는 제2 모드의 동작을 설명하면 다음과 같다.
차량 탑재형 완속 충전부(22)는 배터리 관리 시스템(미도시)으로부터 보조 배터리(23)의 충전지령을 수신한다. 이에 따라, 도 6에 도시된 바와 같이 제1 스위칭부(224a) 및 제2 스위칭부(224b)는 AC 전원이 하이브리드 전력 변환부(221), 고전압 충전부(222), 보조 전압 충전부(223)에 입력되는 것을 차단하고, 고전압 배터리(2)의 전력이 보조 전압 충전부(223)에 입력되도록 스위칭 동작을 수행한다.
제2 모드에서 제1 스위칭부(224a)는 오프 상태로 스위칭되고, 제2 스위칭부(224b)는 도통 상태로 스위칭된다. 이에 따라, 제1 스위칭부(224a)의 오프 동작에 의해, 정류부(225), PFC 회로(226), 및 하이브리드 전력 변환부(221)에 대한 AC 전원(21)의 공급이 차단된다. 따라서, 하이브리드 전력 변환부(221)는 AC 전원(21)에 의한 제1 전압 또는 제2 전압으로의 전력 변환을 수행할 수 없다. 따라서, 더 이상 제1 전압을 고전압 충전부(222)로 출력할 수 없으며, 고전압 충전부(222)는 제1 전압을 강압하여 고전압 배터리(24)를 충전시키는 동작을 수행할 수 없다. 한편, 하이브리드 전력 변환부(221)는 AC 전원(21)에 의한 제2 전압을 보조 전압 충전부(223)로 출력할 수 도 없다.
그렇지만, 제2 스위칭부(224b)가 도통 상태로 스위칭되어 있음에 따라, 고전압 배터리(24)의 전압은 제2 스위칭부(224b)를 통해 하이브리드 전력 변환부(221)의 제2 차 권선에 전달된다. 트랜스포머의 제2 차 권선은 고전압 충전부(222)에 연결되는 제2 차 권선과, 보조 전압 충전부(223)에 연결되는 제2 차 권선으로 구분될 수 있다. 이때, 제2 차 권선중에서 고전압 충전부(222)쪽의 제2 차 권선에 전달된다. 고전압 충전부(222)의 제2 차 권선에 전달된 고전압 배터리(24)의 전압은 보조 전압 충전부(223) 쪽의 제2 차 권선에 유기된다.
한편, 제2 모드에서는 고전압 충전부(222)의 스위칭 소자(222a)는 오프 상태를 유지하도록 설정된다. 이에 따라, 고전압 배터리(24)의 전압은 트랜스포머의 제2 차 권선중에서 고전압 충전부(222)쪽으로는 흐르지 않고, 보조 충전부(223)쪽에 연결된 제2 차 권선에 유기된다. 보조 전압 충전부(223)는 제2차 권선에 유기된 고전압 배터리(24)의 전압을 강압하여 저전압 배터리(23)를 충전시킨다.
이상의 본 발명은 상기에 기술된 실시예들에 의해 한정되지 않고, 당업자들에 의해 다양한 변형 및 변경을 가져올 수 있으며, 이는 첨부된 청구항에서 정의되는 본 발명의 취지와 범위에 포함된다.
2 : 배터리 충전 장치 21 : AC 전원
22 : 차량 탑재형 완속 충전부 221 : 하이브리드 전력 변환부
222 : 고전압 충전부 223 : 보조 전압 충전부
224 : 스위칭부 225 : 정류부
226 : PFC 회로 23 : 보조 배터리
24 : 고전압 배터리

Claims (12)

  1. 공용의 트랜스포머를 이용하여 AC 전원을 고전압 배터리 및 보조 전압 배터리를 충전하기 위한 제1 전압 및 제2 전압으로 분리하여 변환하는 하이브리드 전력 변환부;
    상기 하이브리드 전력 변환부에 의해 변환된 상기 제1 전압을 강압하여 고전압 배터리를 충전하는 고전압 충전부;
    상기 하이브리드 전력 변환부에 의해 변환된 상기 제2 전압 또는 상기 고전압 배터리의 전압을 강압하여 보조 배터리를 충전시키는 보조 전압 충전부; 및
    상기 보조 전압 충전부에 상기 AC 전원에 의한 상기 제2 전압 또는 상기 고전압 배터리의 전압이 선택적으로 입력되도록 상기 AC 전원과 상기 보조 전압 충전부의 전기적 접속을 스위칭하고, 상기 고전압 배터리와 상기 보조 전압 충전부의 전기적 접속을 스위칭하는 스위칭부를 포함하며,
    상기 스위칭부의 스위칭 동작에 의해 제1 모드에서는 상기 AC 전원에 의한 고전압 배터리 충전과 상기 보조 배터리 충전이 이루어지며, 제2 모드에서는 상기 AC 전원에 의한 고전압 배터리 충전이 정지되고, 상기 고전압 배터리의 전압에 의한 상기 보조 배터리 충전이 이루어지는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 하이브리드 전력 변환부, 상기 고전압 충전부, 상기 보조 전압 충전부 및 상기 스위칭부는 차량 탑재형 완속 충전부(OBC: On Board Charger)에 탑재되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 트랜스포머는 제1차 권선과, 상기 제1 전압 및 상기 제2 전압으로의 전력 변환을 위한 각각의 권선비를 가지는 각각의 제2 차 권선을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 스위칭부는 상기 제2 모드에서 상기 고전압 배터리의 전압을 상기 트랜스포머의 제1차 권선의 입력단에 전달하여 상기 보조 전압 충전부에서 상기 고전압 배터리의 전압에 의한 상기 보조 배터리 충전이 이루어지도록 스위칭을 수행하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 스위칭부는 상기 제2 모드에서 상기 고전압 배터리의 전압을 상기 트랜스포머의 제2차 권선에 전달하여 상기 보조 전압 충전부에서 상기 고전압 배터리의 전압에 의한 상기 보조 배터리 충전이 이루어지도록 스위칭을 수행하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 스위칭부는 상기 AC 전원의 공급 또는 차단을 스위칭하기 위한 제1 스위칭부 및 상기 고전압 배터리의 전압이 상기 보조 전압 충전부에 전달되는 것을 스위칭하기 위한 제2 스위칭부를 포함하되,
    상기 제1 모드에서 상기 제1 스위칭부는 온상태로 스위칭되고, 상기 제2 스위칭부는 오프상태로 스위칭되며,
    상기 제2 모드에서 상기 제1 스위칭부는 오프 상태로 스위칭되고, 상기 제2 스위칭부는 온상태로 스위칭되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 트랜스포머는 제1 차 권선과, 상기 제1 전압 및 상기 제2 전압으로의 전력 변환을 위한 각각의 권선비를 가지는 각각의 제2 차 권선을 포함하고,
    상기 제2 스위칭부는 상기 고전압 배터리의 전압을 상기 트랜스포머의 제1차 권선의 입력단에 전달하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제2 스위칭부는 상기 고전압 배터리의 양단과 상기 트랜스포머의 제1차 권선의 입력 양단 사이에 각각 설치되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 트랜스포머는 제1 차 권선과, 상기 제1 전압 및 상기 제2 전압으로의 전력 변환을 위한 각각의 권선비를 가지는 각각의 제2 차 권선을 포함하고,
    상기 제2 스위칭부는 상기 고전압 배터리의 전압을 상기 트랜스포머의 제2 차 권선중에서 상기 고전압 충전부쪽에 연결된 제2 차 권선에 전달하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
  10. 청구항 9에서 있어서,
    상기 제2 스위칭부는 상기 고전압 배터리의 양극 단자와 상기 트랜스포머의 제2 차 권선중에서 상기 고전압 충전부쪽에 연결된 제2 차 권선의 사이에 순방향으로 연결된 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 AC 전원을 정류하여 직류로 변환하는 정류부; 및
    상기 변환된 직류의 역률을 보정하여 상기 하이브리드 전력 변환부에 전달하는 PFC(Power Factor Correction) 회로부를 더 포함하는 배터리 충전 장치.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 고전압 충전부 및 상기 보조 전압 충전부는 인터리브로 구현된 벅(buck) 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
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