KR20130068996A

KR20130068996A - 전기자동차용 컨버터

Info

Publication number: KR20130068996A
Application number: KR1020110136497A
Authority: KR
Inventors: 최강진
Original assignee: (주)브이이엔에스
Priority date: 2011-12-16
Filing date: 2011-12-16
Publication date: 2013-06-26

Abstract

본 발명은 전기자동차용 컨버터에 관한 것이다. 본 발명에 따른 전기자동차용 컨버터는, 시스템으로 공급되는 제1 직류전압을 입력받는 전압입력부, 제1 직류전압을 교류전압으로 변환시키는 스위칭부, 상기 교류전압을 정류 및 평활하여 제2 직류전압을 출력하는 정류/평활부 및 상기 제2 직류전압의 특정 주파수를 제거하여, 제3 직류전압을 출력하는 노치필터부를 포함하고, 상기 제3 직류전압의 리플전압은 상기 제2 직류전압의 리플전압보다 작다.

Description

전기자동차용 컨버터{converter for electric vehicle}

본 발명은 전기자동차용 컨버터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기자동차에 사용되는 강압형 컨버터에 있어서, 출력단에 노치필터부를 포함시켜, 출력전압의 특정주파수를 제거하여, 리플 전압을 감소시키는 전기자동차용 컨버터에 관한 것이다.

전기자동차는 장래의 자동차 공해 및 에너지 문제를 해결할 수 있는 가장 가능성 높은 대안이라는 점에서 연구가 활발하게 진행되고 있다.

전기자동차(EV ; Electric vehicle)는 주로 배터리의 전원을 이용하여 AC 또는 DC 모터를 구동하여 동력을 얻는 자동차로서, 크게 배터리전용 전기자동차와 하이브리드 전기자동차로 분류되며, 배터리전용 전기자동차는 배터리의 전원을 이용하여 모터를 구동하며, 전원이 다 소모되면 재충전하고, 하이브리드 전기자동차는 엔진을 가동하여 전기발전을 하여 배터리에 충전을 하고 이 전기를 이용하여 전기모터를 구동하여 차를 움직이게 할 수 있다.

또한, 하이브리드 전기자동차는 직렬 방식과 병렬 방식으로 분류될 수 있으며, 직렬 방식은 엔진에서 출력되는 기계적 에너지는 발전기를 통하여 전기적 에너지로 바뀌고 이 전기적 에너지가 배터리나 모터로 공급되어 차량은 항상 모터로 구동되는 자동차로 기존의 전기자동차에 주행거리의 증대를 위하여 엔진과 발전기를 추가시킨 개념이고, 병렬 방식은 배터리 전원으로도 차를 움직이게 할 수 있고 엔진(가솔린 또는 디젤)만으로도 차량을 구동시키는 두 가지 동력원을 사용하고 주행조건에 따라 병렬 방식은 엔진과 모터가 동시에 차량을 구동할 수도 있다.

또한, 최근 모터/제어기술도 점점 발달하여 고출력, 소형이면서 효율이 높은 시스템이 개발되고 있다. DC모터를 AC모터로 변환함에 따라 출력과 EV의 동력성능(가속성능, 최고속도)이 크게 향상되어 가솔린차에 비하여 손색없는 수준에 도달하였다. 고출력화를 추진하면서 고회전화 함에 따라 모터가 경량소형화되어 탑재 중량이나 용적도 크게 감소하였다.

이러한 전기자동차는 배터리의 고전압을 전기자동차의 내부 모듈 전원으로 사용하기 위해 저전압으로 변환한다. 이때, 강압형 컨버터(벅 컨버터)를 이용하여 전압을 변환하는데, 강압형 컨버터로 변환되어 출력되는 직류전압에 리플전압이 포함되어있어, 안정적인 전압을 출력할 수 없다는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 강압형 컨버터의 출력단에 노치필터부를 포함하여, 리플전압을 제거함으로써 안정적인 전압을 출력하는 전기자동차용 컨버터를 제공함에 있다.

상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 전기자동차용 컨버터는, 시스템으로 공급되는 제1 직류전압을 입력받는 전압입력부, 제1 직류전압을 교류전압으로 변환시키는 스위칭부, 상기 교류전압을 정류 및 평활하여 제2 직류전압을 출력하는 정류/평활부 및 상기 제2 직류전압의 특정 주파수를 제거하여, 제3 직류전압을 출력하는 노치필터부를 포함하고, 상기 제3 직류전압의 리플전압은 상기 제2 직류전압의 리플전압보다 작다.

본 발명에 따른 전기자동차용 컨버터는 노치필터부를 포함하여 특정 주파수를 제거함으로써, 리플전압을 감소시킬 수 있다.

또한, 노치필터부에 포함되는 노치필터회로를 2단으로 구성하여, 보다 넓은 대역에서 안정된 전압을 출력할 수 있다.

따라서, 전기자동차를 안정적으로 주행할 수 있고, 전기자동차의 신뢰성을 개선할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차의 내부 구성을 개략적으로 나타낸 도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차용 컨버터의 회로도를 개략적으로 나타낸 도이다.
도 3은 비교예와 실시예에 따른 전기자동차용 컨버터의 출력전압을 나타내는 그래프이다.
도 4는 비교예 및 실험예에 따른 전기자동차용 컨버터에서의 주파수 응답을 나타내는 그래프이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

이하, 본 발명의 실시예들에 의한 전기자동차 및 그 제어방법을 설명하기 위한 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차의 내부 구성을 개략적으로 나타낸 도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차는 차량제어부(VCM)(110), 컨버터(120), 내부 모듈(160), 전력릴레이부(PRA)(130), 배터리(140), 배터리 관리 시스템(BMS)(150)을 포함한다.

이와 같은 구성요소들은 실제 응용에서 구현될 때 필요에 따라 2 이상의 구성요소가 하나의 구성요소로 합쳐지거나, 혹은 하나의 구성요소가 2 이상의 구성요소로 세분되어 구성될 수 있다.

전기자동차는 상기와 같이 배터리(140)를 포함하여, 배터리(140)에 충전된 전원을 동작전원으로 이용하여 동작하며, 소정의 충전소 또는 차량 충전설비 또는 가정에서 외부로부터 전원을 공급받아 구비되는 배터리(140)를 충전한다.

배터리(140)는 복수의 배터리셀로 구성되어, 고전압의 전기에너지를 저장한다. 이 때, 전기자동차는 배터리(140)의 충전을 제어하고 배터리(140)의 잔여용량, 충전 필요성을 판단하며, 배터리(140)에 저장된 충전전류를 전기자동차의 각 부로 공급하는데 따른 관리를 수행하는 배터리 관리 시스템(BMS: Battery management system)(150)을 더 포함한다.

배터리 관리 시스템(150)은 배터리(140)를 충전하고 사용할 때, 배터리(140) 내의 셀 간의 전압차를 고르게 유지하여, 배터리(140)가 과충전되거나 과방전되지 않도록 제어함으로써 배터리(140)의 수명을 연장한다.

배터리 관리 시스템(150)은 현재 배터리(140)의 배터리 잔량 및 배터리 전압을 측정하여 차량제어부(110)에 출력한다.

전력릴레이부(PRA: Power relay assembly)(130)는 고전압을 스위칭하기 위해 복수의 릴레이와, 센서를 포함하여 배터리(140)로부터 인가되는 고전압의 동작전원을 컨버터(120)로 인가하거나 차단한다. 이때 전력릴레이부(130)는 차량제어부(110)의 제어명령에 의해 릴레이가 동작한다.

전력릴레이부(130)는 차량 시동 시 또는 차량의 시동이 꺼지는 경우, 차량제어부(110)의 제어명령에 따라, 구비되는 복수의 릴레이를 소정 순서에 따라 스위칭 함으로써, 차량의 내부 모듈(160)로 배터리(140)에 저장된 고전압의 동작전원이 인가되도록 한다.

차량제어부(Vehicle control module: VCM)(110)는 차량 주행 및 동작에 따른 전반을 제어한다. 차량제어부(110)는 인터페이스부(미도시) 및 센서부(미도시)의 입력에 대응하여 설정된 동작이 수행되도록 모터제어부(미도시)로 소정의 명령을 생성하여 인가하여 제어하고, 데이터의 입출력을 제어한다.

컨버터(120)는 배터리(140)의 고전압을 입력받아 내부 모듈(160)에서 사용할 저전압으로 변환하는 강압형 컨버터일 수 있다. 이 때, 컨버터(120)는 배터리(140)에서 입력받은 직류전압을 교류 전압으로 변환하고, 변환한 교류 전압을 다시 정류함으로써 직류 전압을 출력할 수 있다. 또한, 컨버터(120)는 출력단에 노치필터부를 포함하여, 출력전압의 리플전압을 완화시킬 수 있다. 컨버터(120) 회로에 대한 자세한 설명은 도 2에서 상술한다.

내부 모듈(160)은 전원공급을 필요로 하는 모터제어부, 입력수단과 출력수단을 포함하는 인터페이스부 등일 수 있으며, 이에 한정하지 않는다. 내부모듈(160)은 컨버터(120)에서 변환된 출력전압을 전원으로 공급받아 작동될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차 컨버터의 회로도를 개략적으로 나타낸 도이다.

도 2를 참조하면, 실시예에 따른 컨버터(120)는 출력전압이 입력전압보다 낮은 강압형 컨버터일 수 있으며, 컨버터(120)는 전압입력부(210), 스위칭부(215), 정류/평활부(220), 노치필터부(230)를 포함할 수 있다.

도 1에서 상술한 바와 같이, 배터리(140)에는 고전압의 전원이 저장되며, 복수의 릴레이를 포함하는 전력릴레이부(130)에 의해 배터리(140)의 전압이 입력전압(이하 "제1 직류전압"이라 한다.)으로 전압입력부(210)에 입력될 수 있다.

스위칭부(215)는 전압입력부(210)와 직렬로 연결되어, 주기적으로 스위칭되며, 제1 직류전압을 교류전압으로 변환시킬 수 있다.

정류/평활부(220)는 전압입력부(210)와 병렬로 연결된 다이오드(D), 캐패시터(C) 및 전압입력부(210)와 직렬로 연결된 인덕터(L1)를 포함하여 구성될 수 있다. 정류/평활부(220)는 교류전압을 정류 및 평활하여 캐패시터(C)의 양단에서 제2 직류전압을 출력할 수 있다.

노치필터부(230)는 캐패시터(C)에 병렬로 연결되어, 제2 직류전압의 특정 주파수를 제거하여, 저항(R)의 양단에서 제3 직류전압(250)을 출력할 수 있다.

노치필터부(230)는 제1 노치필터회로(235)를 포함할 수 있으며, 제2 노치필터회로(237)를 더 포함하여 구성할 수 있다.

제1 노치필터회로(235)는 제1 인덕터(L2)와 제1 캐패시터(C2)가 병렬로 연결된 회로이며, 제2 노치필터회로(237)도 제1 노치필터회로(235)와 마찬가지로 제2 인덕터(L3)와 제2 캐패시터(C3)가 병렬로 연결된 회로이다.

제1 노치필터회로(235)는 제1 인덕터(L2)와 제1 캐패시터(C2) 값에 의하여 정해지는 특정주파수를 제거할 수 있다.

상기와 같이 제거되는 특정주파수를 공진주파수라 하는데, 이는 회로의 임피던스 중 허수 임피던스가 0이되는 주파수 값을 의미한다. 따라서, 회로의 허수 임피던스를 주파수, 인덕터 및 캐패시터에 관한 식으로 구한 다음, 제거하고자 하는 특정 주파수를 대입하여, 허수 임피던스가 0이 되도록 인덕터의 값과 캐패시터의 값을 정할 수 있다.

도 3은 비교예와 실시예에 따른 전기자동차용 컨버터의 출력전압을 나타내는 그래프이다. 비교예는 노치필터부를 포함하지 않은 컨버터의 출력전압을 나타내고, 실험예는 제1 노치필터회로와 제2 노치필터회로를 포함하는 노치필터부를 포함하는 컨버터의 출력전압을 나타낸다.

또한, 비교예 및 실시예는 1V의 직류전압을 출력하기 위한 회로구성을 가지나, 이에 한정되는 것은 아니다.

도 3의 그래프를 참조하여, 비교예와 실험예를 비교해 보면, 비교예에서는 0.06~0.07V정도의 리플전압이 출력되며, 실험예에서는 0.005~0.01V정도의 리플전압이 출력되는 것을 알 수 있다.

따라서, 노치필터부에 의하여 출력전압의 리플전압이 감소되고, 안정된 출력전압을 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다.

도 4는 비교예 및 실험예에 따른 전기자동차용 컨버터에서의 주파수 응답을 나타내는 그래프이다.

도 4의 그래프를 참조하면, 비교예의 경우 공진주파수가 나타나지 않으며, 고주파 영역에서는, 이상적인 주파수 응답과도 큰 차이가 있다는 것을 알 수 있다.

반면에, 실험예의 컨버터의 경우, 노치필터부를 제1 노치필터회로(235) 및 제2 노치필터회로(237)를 포함하는 2단구성을 하여, 공진주파수 값이 두가지로 나타나며, 이상적인 컨버터에서의 주파수 응답을 따라간다는 것을 알 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.

110 : 차량 제어부 120 : 컨버터
130 : 전력릴레이부 140: 배터리
150 : 배터리 관리 시스템 160: 내부모듈

Claims

시스템으로 공급되는 제1 직류전압을 입력받는 전압입력부;
제1 직류전압을 교류전압으로 변환시키는 스위칭부;
상기 교류전압을 정류 및 평활하여 제2 직류전압을 출력하는 정류/평활부; 및
상기 제2 직류전압의 특정 주파수를 제거하여, 제3 직류전압을 출력하는 노치필터부를 포함하고,
상기 제3 직류전압의 리플전압은 상기 제2 직류전압의 리플전압보다 작은 전기자동차용 컨버터.
제1항에 있어서,
상기 노치필터부는 제1 인덕터와 제1 캐패시터가 병렬로 연결된 제1 노치필터회로를 포함하는 전기자동차용 컨버터.
제2항에 있어서,
상기 제거되는 특정 주파수는 제1 인덕터와 제1 캐패시터 값에 의하여 결정되는 전기자동차용 컨버터.
제2항에 있어서,
상기 노치필터부는 제2 인덕터와 제2 캐패시터가 병렬로 연결된 제2 노치필터회로를 포함하고, 상기 제1 노치필터와 상기 제2 노치필터회로는 직렬 연결된 전기자동차용 컨버터.
제1항에 있어서,
상기 정류/평활부는 상기 전압입력부와 병렬 연결된 다이오드 및 캐패시터를 포함하고, 상기 제1 직류전압과 직렬 연결된 인덕터를 포함하는 전기자동차용 컨버터.
제1항에 있어서,
상기 제3 직류전압은 상기 제1 직류전압보다 낮은 전기자동차용 컨버터.