KR20130078386A - 전기자동차 충전기용 ｄｃ-ｄｃ 컨버터 - Google Patents

전기자동차 충전기용 ｄｃ-ｄｃ 컨버터 Download PDF

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Abstract

고전압 배터리의 전원을 이용하여 저전압 배터리를 충전하기 위한 장치가 개시되며, 상기 장치는 상기 고전압 배터리의 출력에 연결되어, 상기 고전압 배터리로부터 전원을 제공받아 상기 저전압 배터리의 충전을 위한 전원으로 변환하기 위한 2 채널로 구성된 DC-DC 컨버터 유닛; 및 상기 2 채널로 구성된 DC-DC 컨버터 유닛 각각의 출력에 연결되어, 상기 저전압 배터리에 연결되는 출력부를 포함하고, 상기 2 채널로 구성된 DC-DC 컨버터 유닛 각각은: 상기 고전압 배터리로부터 전원을 공급받아 위상차에 의해 스위칭하기 위한 스위칭부; 상기 스위칭부의 출력단에 연결되어 상기 스위칭부의 출력의 전압을 강하하기 위한 변압기부; 상기 변압기부로부터의 출력을 정류하여 직류 전압으로 변환하는 정류부; 및 상기 정류부의 출력을 필터링하고, 상기 출력부에 연결된 필터부를 포함할 수 있다.

Description

전기자동차 충전기용 ＤＣ-ＤＣ 컨버터{DC TO DC CONVERTER FOR A CHARGER OF AN ELECTRIC VEHICLE}
본 발명은 전기자동차의 배터리를 충전하기 위한 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 충전기용 소자내압 감소형 DC-DC 컨버터에 관한 것이다.
일반적인 자동차는 석유, 가스 등을 사용하기 때문에 일산화탄소, 이산화탄소, 매연 등의 환경유해물질의 배출이 문제되고 있다. 최근, 이를 해결하기 위해 친환경자동차에 대한 관심이 증대되고 있으며 친환경자동차 중 전기자동차의 양산화 및 대중화의 기대치가 높아지고 있다. 특히, 전기자동차 전장부품의 고효율 및 고특성의 요구가 증대되고 있다.
따라서, 전기자동차 내부에 장착되어 고전압 배터리로부터 150Vdc 내지 300Vdc의 입력전압을 인가받아 12Vdc의 저전압 배터리를 충전하는 장치로서, 고효율의 컨버터에 대한 개발이 필요하다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 효율성과 안정성을 보장할 수 있는 배터리를 충전하기 위한 장치, 예컨대 DC-DC 컨버터를 제안하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따라 고전압 배터리의 전원을 이용하여 저전압 배터리를 충전하기 위한 장치가 개시되며, 상기 장치는 상기 고전압 배터리의 출력에 연결되어, 상기 고전압 배터리로부터 전원을 제공받아 상기 저전압 배터리의 충전을 위한 전원으로 변환하기 위한 2 채널로 구성된 DC-DC 컨버터 유닛; 및 상기 2 채널로 구성된 DC-DC 컨버터 유닛 각각의 출력에 연결되어, 상기 저전압 배터리에 연결되는 출력부를 포함하고, 상기 2 채널로 구성된 DC-DC 컨버터 유닛 각각은: 상기 고전압 배터리로부터 전원을 공급받아 위상차에 의해 스위칭하기 위한 스위칭부; 상기 스위칭부의 출력단에 연결되어 상기 스위칭부의 출력의 전압을 강하하기 위한 변압기부; 상기 변압기부로부터의 출력을 정류하여 직류 전압으로 변환하는 정류부; 및 상기 정류부의 출력을 필터링하고, 상기 출력부에 연결된 필터부를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 2 채널 각각의 스위칭부는 서로 직렬로 연결될 수 있다.
또한, 상기 정류부와 상기 필터부는 전류 배율기(current doubler) 방식으로 구성될 수 있다.
상기 필터부는 1개의 코어에 2개의 권선으로 구성된 커플링된(coupled) 인덕터로 구성될 수 있다.
상기 스위칭부는 풀-브리지(full-bridge) 스위칭 모듈 또는 하프-브리지(half-bridge) 스위칭 모듈로 구성될 수 있다.
상기 정류부는 2개의 모스펫(MOSFET) 또는 2개의 다이오드로 구성될 수 있다.
상기 각 채널의 DC-DC 컨버터 유닛의 스위칭부는 4개의 MOSFET들로 구성되며, 제 1 채널의 DC-DC 컨버터 유닛의 MOSFET들과, 제 2 채널의 DC-DC 컨버터 유닛의 MOSFET들은 서로 90도의 위상차를 갖도록 구성될 수 있다.
본 발명은 스위칭 소자의 정격내압을 줄이고 구성을 단순화할 수 있으며, 비용 및 공간 절감 효과를 얻을 수 있다. 또한, 출력 전류의 리플(ripple)을 줄일 수 있고, 커플링된(coupled) 인덕터의 사용으로 인덕턴스를 줄여 필터부의 크기를 줄여 제품의 크기와 무게를 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차의 배터리 충전장치의 개략도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차의 배터리 충전장치의 회로도를 도시한다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차 배터리 충전장치의 전류흐름을 도시한다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 포괄하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차의 배터리 충전장치의 개략도를 도시한다. 상기 배터리의 충전장치는 고전압 배터리(110); 상기 고전압 배터리의 직류 전원을 스위칭하여 교류 전원으로 변환하기 위한 스위칭부(120-1, 120-2); 상기 스위칭부로부터 출력되는 교류 전원을 전압강하하기 위한 변압기부(130-1, 130-2); 상기 전하강하 또는 변압된 교류 전원을 직류 전원으로 정류하기 위한 정류부(140-1, 140-2); 및 상기 정류된 전원을 필터링하기 위한 필터부(150-1, 150-2); 및 상기 필터부로부터 출력된 전원을 인가받아 충전하기 위한 저전압 배터리(160)를 포함할 수 있다.
도 1을 참조하면, 상기 스위칭부, 상기 변압기부, 상기 정류부 및 상기 필터부는 모두 2개가 구비되었고, 이를 다시 말하면 상기 스위칭부, 상기 변압기부, 상기 정류부 및 상기 필터부를 포함한 DC-DC 컨버터 유닛은 2개가 구비되며, 또는 2 채널로 구성된다.
다시 말하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 배터리의 전원을 이용하여 저전압 배터리를 충전하기 위한 배터리 충전장치는 상기 고전압 배터리의 출력에 연결되어, 상기 고전압 배터리로부터 전원을 제공받아 상기 저전압 배터리의 충전을 위한 전원으로 변환하기 위한 2 채널로 구성된 DC-DC 컨버터 유닛(120, 130, 140, 150); 및 상기 2 채널로 구성된 DC-DC 컨버터 유닛 각각의 출력에 연결되어, 상기 저전압 배터리에 연결되는 출력부(160)를 포함할 수 있다.
상기 각각의 DC-DC 컨버터 유닛은 상기 고전압 배터리로부터 전원을 공급받아 위상차에 의해 스위칭하기 위한 스위칭부(120-1, 120-2); 상기 스위칭부의 출력단에 연결되어 상기 스위칭부의 출력의 전압을 강하하기 위한 변압기부(130-1, 130-2); 상기 변압기부로부터의 출력을 정류하여 직류 전압으로 변환하는 정류부(140-1, 140-2); 및 상기 정류부의 출력을 필터링하고, 상기 출력부에 연결된 필터부(150-1, 150-2)를 포함할 수 있다.
한편, 도 1에 도시된 것처럼, 상기 스위칭부(120-1, 120-2)는 서로 직렬 연결되어 있음을 확인할 수 있다. 이는 입력단의 고전압 배터리(110)의 전압을 견디기 위한 방안으로서, 상기 2개의 스위칭부(120-1, 120-2)가 구비되면 각각의 스위칭부에 정격 전류의 절반(1/2)이 흐르게 된다. 따라서, 상기 배터리 충전장치의 입력단의 고전압 배터리(110)에 의한 전압 입력을 분배할 수 있으므로, 상기 스위칭부 각각의 내압을 낮출 수 있다.
또한, 도 1에서 도시된 것처럼, 상기 정류부(140-1, 140-2)와 상기 필터부(150-1, 150-2)는 전류 배율기(current doubler) 방식으로 구성될 수 있다. 특히, 전기자동차 충전시스템에서는 출력전압이 낮으며 높은 직류 전류를 요구하기 때문에 제안한 전류 배율기 방식이 유리하다.
상기 필터부(150-1, 150-2)는 커플링된(coupled) 인덕터를 사용하여 상기 인턱터의 인덕턴스 값을 감소시키고 부피도 감소시킬 수 있다. 상기 커플링된 인덕터는 하나의 코어에 복수 개의 권선을 감아 형성한 인덕터이다. 저전압 대전류 형태의 DC-DC 컨버터에서 그 변환 효율에 가장 큰 영향을 미치는 부분은 상기 컨버터의 출력단의 전도 손(conduction loss)인데, 상기 커플링된 인덕터를 이용함으로써 상기 전도 손을 줄일 수 있다. 또한, 이러한 커플링된 인덕터는 대전류를 분산하여 흐르게 하므로 열 분산 효과도 유도할 수 있고, 출력 전류의 리플을 현저히 감소시킬 수 있다.
또한, 상기 스위칭부(120-1, 120-2)는 4개의 스위칭 소자로 구성된 풀-브리지(full-bridge) 타입 스위칭 모듈 또는 2개의 스위칭 소자로 구성된 하프-브리지(half-bridge) 타입 스위칭 모듈로 이루어질 수 있다. 여기서, 상기 스위칭 소자는 모스펫(MOSFET) 또는 다이오드일 수 있고, 그 밖에 스위칭을 수행할 수 있는 소자이면 어떤 것이든 가능하다.
한편, 상기 각각의 DC-DC 컨버터 유닛은 서로 직렬로 연결된 2개의 스위칭부(120-1, 120-2)를 포함하며, 이들은 2 채널로 구성된 DC-DC 컨버터 유닛으로 지칭될 수도 있다. 상기 각 채널의 DC-DC 컨버터 유닛의 스위칭부(120-1, 120-2)는 각각 4개의 스위칭 소자 또는 2개의 스위칭 소자로 구성되며, 이러한 서로 다른 채널에 속한 스위칭부는 서로 90도의 위상차를 갖도록 구성될 수 있다. 다시 말하면, 제 1 채널의 스위칭부와 제 2 채널의 스위칭부는 서로 다른 위상으로 스위치 온/오프(on/off)를 수행할 수 있다.
또한, 상기 정류부(140-1, 140-2)는 2개의 모스펫(MOSFET) 또는 2개의 다이오드로 구성될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자동차의 배터리 충전장치의 회로도를 도시한다. 도 2는 도 1에 도시된 상기 배터리 충전장치의 개략도를 실제 회로 또는 소자로 구성한 것을 도시한다.
상기 배터리 충전장치의 스위칭부(120-1, 120-2)는 6개의 스위칭 소자(S1 내지 S4 그리고 SR1 내지 SR2, 또는 S5 내지 S8 그리고 SR3 내지 SR4)를 갖는 2 채널 직렬 연결형 풀 브리지 스위칭 회로로서, 간단한 방식으로도 각 채널의 개별적 조정이 가능하게 한 스위칭 회로이다.
상기 스위칭부(120-1, 120-2)는 네 개의 스위칭 소자로 이루어지는 복수 개의 풀-브리지 컨버터들이 직렬로 연결되어 구성되며, 각각 고전압 배터리의 입력 직류 전원(Vdc)을 스위칭한다.
앞서 설명한 것과 동일한 맥락으로, 상기 도 2에서 상단의 채널을 제1 채널로, 하단의 채널을 제2 채널로 지칭하도록 한다. 상기 스위칭부(120-1, 120-2)는 각각의 스위칭 소자들이 위상차에 따라 스위칭을 할 수 있다.
즉, 상기 도 2에서 제1 채널의 스위칭부(120-1)의 스위칭 소자 네(4) 개의 위상은 제2 채널의 스위칭부(120-2)의 스위칭 소자 네 개의 위상과 90도 차이에 의해 시프트(shift)되어 동작할 수 있다. 상기 스위칭부(120-1, 120-2)는 스위칭간 도통되어 단락되는 현상을 피하기 위해 위상의 차를 개별적으로 조정하여 동작될 수 있다.
아래에서는, 상기 스위칭부(120-1, 120-2)의 동작을 좀더 상세히 설명하도록 한다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전장치의 전류 흐름을 나타낸다. 좀더 상세하게는 상기 스위칭부(120-1, 120-2)의 동작과 관련된 상기 배터리 충전장치의 전류 흐름을 도시한다.
상기 스위칭부(120-1, 120-2)의 스위칭 소자 S1과 S4가 모두 스위치 온(ON) 상태일 때 입력전류는 스위칭 소자 S1을 흐르면서 변압기부의 1차측 자화인덕터 Lm1에 에너지를 저장하게 된다. 그리고 스위칭 소자 S1보다 위상이 90도 시프트된 스위칭 소자 S5와 S8도 스위치 온 상태를 유지할 수 있다. 자화인덕터를 통해 흐른 에너지는 스위칭 소자 S4를 통과하여 제1 채널과 같은 방법으로 스위칭 소자 S4를 통과한 전류는 스위칭 소자 S5을 흐르면서 변압기부의 1차측 자화인덕터 Lm2에 에너지를 저장하고 스위칭 소자 S8을 통과하여 입력 측 접지(그라운드)로 빠지게 된다.
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전장치의 전류 흐름을 나타낸다. 도 3b를 참조하면, 스위칭 소자 S2와 S3가 모두 스위치 온 일 때 90도씩 위상이 시프트된 스위칭 소자 S6과 S7도 스위치 온이 된다. 입력전류가 스위칭 소자 S3을 흐르면서 변압기부(130-1, 130-2)를 통해 스위칭 소자 S2를 거쳐 스위칭 소자 S6와 S7로의 전류 흐름을 도시한다.
상기 변압기부는 제1 채널의 변압기(130-1)와 제2 채널의 변압기(130-2)는 제1 채널의 스위칭부(120-1) 및 제2 채널의 스위칭부(120-2)에서 스위치 온/오프함으로써 상기 변압기부의 1차 측에 전압이 유기되고, 유기되는 전압은 변압기의 상호 작용에 의해 상기 변압기부의 2차 측에 전압이 발생되며, 정류부(140-1, 140-2)를 통해 직류전압으로 정류된다.
출력단은 저전압 대전류 형태의 컨버터에서 효율에 가장 큰 영향을 미치는 부분은 출력 단의 전도 손인데, 이를 감소시키기 위해서 상기 정류부의 출력단에 커플링된 인덕터를 필터부로서 사용하여, 인덕터의 인덕턴스 값을 줄이고 부피도 감소시키는 것이 효과적이다. 또한, 이렇게 출력단의 필터부에 커플링된 인덕터를 삽입하여 대전류의 출력전류를 나누어 흐르게 하여 열 분산 효과와 출력 리플전류를 저감시킬 수 있다.
도 3a과 같이 상기 스위칭부(120-1, 120-2)의 스위칭 소자(S1, S4, S5, S8)가 스위치 온일 때 상기 정류부(140-1, 140-2)의 스위칭 소자(SR1, SR3)은 스위칭 온이 되어 도 3a에 도시된 것처럼 폐루프가 형성될 수 있다.
또한, 도 3b와 같이 상기 스위칭부(120-1, 120-2)의 스위칭 소자(S2, S3, S6, S7)가 스위치 온일 때 상기 정류부(140-1, 140-2)의 스위칭 소자(SR2, SR4)은 스위치 온이 되어 도 3b에 도시된 것처럼 폐루프가 형성될 수 있다.
위에서 본 발명의 실시예들이 설명되었으며, 당해 기술 분야에 속한 통상의 지식을 가진 자는 이러한 실시예들은 발명을 한정하기 위한 것이 아니라 단지 예시적인 것임을 인식할 수 있고, 본 발명의 범위 또는 사상을 벗어나지 않고 변형, 수정 등이 가능함을 인식할 것이다.
110: 고전압 배터리(110) 120-1, 120-2: 스위칭부
130-1, 130-2: 변압기부 140-1, 140-2: 정류부
150-1, 150-2: 필터부 160: 저전압 배터리

Claims (7)

  1. 고전압 배터리의 전원을 이용하여 저전압 배터리를 충전하기 위한 장치로서,
    상기 고전압 배터리의 출력에 연결되어, 상기 고전압 배터리로부터 전원을 제공받아 상기 저전압 배터리의 충전을 위한 전원으로 변환하기 위한 2 채널로 구성된 DC-DC 컨버터 유닛; 및
    상기 2 채널로 구성된 DC-DC 컨버터 유닛 각각의 출력에 연결되어, 상기 저전압 배터리에 연결되는 출력부를 포함하고, 상기 2 채널로 구성된 DC-DC 컨버터 유닛 각각은:
    상기 고전압 배터리로부터 전원을 공급받아 위상차에 의해 스위칭하기 위한 스위칭부;
    상기 스위칭부의 출력단에 연결되어 상기 스위칭부의 출력의 전압을 강하하기 위한 변압기부;
    상기 변압기부로부터의 출력을 정류하여 직류 전압으로 변환하는 정류부; 및
    상기 정류부의 출력을 필터링하고, 상기 출력부에 연결된 필터부를 포함하는, 고전압 배터리를 이용하여 저전압 배터리를 충전하기 위한 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 2 채널 각각의 스위칭부는 서로 직렬로 연결되는, 고전압 배터리를 이용하여 저전압 배터리를 충전하기 위한 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 정류부와 상기 필터부는 전류 배율기(current doubler) 방식으로 구성되는, 고전압 배터리를 이용하여 저전압 배터리를 충전하기 위한 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 필터부는:
    1개의 코어에 2개의 권선으로 구성된 커플링된(coupled) 인덕터로 구성되는, 고전압 배터리를 이용하여 저전압 배터리를 충전하기 위한 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 스위칭부는 풀-브리지(full-bridge) 스위칭 모듈 또는 하프-브리지(half-bridge) 스위칭 모듈로 구성되는, 고전압 배터리를 이용하여 저전압 배터리를 충전하기 위한 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 정류부는 2개의 모스펫(MOSFET) 또는 2개의 다이오드로 구성되는, 고전압 배터리를 이용하여 저전압 배터리를 충전하기 위한 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 각 채널의 DC-DC 컨버터 유닛의 스위칭부는 4개의 MOSFET들로 구성되며,
    제 1 채널의 DC-DC 컨버터 유닛의 MOSFET들과, 제 2 채널의 DC-DC 컨버터 유닛의 MOSFET들은 서로 90도의 위상차를 갖도록 구성되는, 고전압 배터리를 이용하여 저전압 배터리를 충전하기 위한 장치.
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