KR20130117210A - 차량용 배터리충전시스템 - Google Patents

차량용 배터리충전시스템 Download PDF

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KR20130117210A
KR20130117210A KR1020120040141A KR20120040141A KR20130117210A KR 20130117210 A KR20130117210 A KR 20130117210A KR 1020120040141 A KR1020120040141 A KR 1020120040141A KR 20120040141 A KR20120040141 A KR 20120040141A KR 20130117210 A KR20130117210 A KR 20130117210A
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방효진
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현대모비스 주식회사
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Abstract

본 발명은 외부로부터 입력된 직류전력을 교류전력으로 변환하는 제1 풀브리지회로부; 1차측 입력단을 통해 상기 제1 풀브리지회로부로부터 입력된 교류전력을 이용하여, 상기 고전압배터리를 충전하도록 변압하여 출력하기 위한 2차측 제1 출력단과, 상기 저전압배터리를 충전하도록 변압하여 출력하기 위한 2차측 제2 출력단을 구비한 변압기; 상기 2차측 제1 출력단으로부터 입력된 교류전력을 직류전력으로 변환하여 상기 고전압배터리로 출력하거나, 상기 고전압배터리로부터 입력된 직류전력을 교류전력으로 변환하여 상기 2차측 제1 출력단으로 출력하는 제2 풀브리지회로부; 상기 2차측 제2 출력단으로부터 입력된 전력을 정류하여 필터링하고 변환하여 상기 저전압배터리로 공급하는 출력회로부; 및 상기 제1 풀브리지회로부, 상기 제2 풀브리지회로부 및 상기 출력회로부를 각각 제어함으로써 상기 고전압배터리와 상기 저전압배터리의 충전동작을 독립적으로 제어하는 제어부를 포함함으로써, 탑재형충전기와 저전압 직류-직류컨버터를 하나의 부품으로 통합하여 구현할 수 있다.

Description

차량용 배터리충전시스템{Vehicle battery charging system}
본 발명은 차량용 배터리충전시스템에 관한 것으로, 구체적으로는 공급되는 교류전원을 이용하여 차량내부의 배터리를 충전하는 차량용 배터리충전시스템에 관한 것이다.
차량용 배터리충전시스템은 차량의 고전압배터리를 충전하기 위해 탑재형충전기(On Board Charger, OBC)를 구비하고, 고전압배터리의 전력을 이용하여 저전압배터리를 충전하기 위해 저전압 직류-직류컨버터(Low Voltage DC/DC Converter, LDC)를 구비한다.
이와 같이, 종래 차량용 배터리충전시스템은 일반적으로 차량의 운행을 위해 2가지의 부품인 탑재형충전기와 저전압 직류-직류컨버터를 필수적으로 사용하고 있다.
즉, 차량용 배터리충전시스템은 정차시 차량용 배터리충전시스템를 이용하여 고전압배터리를 충전하고, 저전압 직류-직류컨버터를 통해 저전압배터리 및 전장부하(12V)에 전력을 공급한다.
한편, 차량의 연비향상 및 제조비의 절감을 위한 기술개발이 차량의 모든 기술분야에서 진행되고 있는 추세에 따라, 차량용 배터리충전시스템 분야에서도 차량의 연비향상 및 제조비의 절감을 위한 다양한 기술개발이 진행되고 있다.
그러나, 종래 차량용 배터리충전시스템에 있어, 부품수의 감소를 통해 경량화 및 연비향상을 꾀하는 노력은 아직 미흡한 실정이다.
KR 10-2005-0121561 A, 2005. 12. 27, 도면 1
본 발명의 목적은 필수적으로 사용되는 탑재형충전기(On Board Charger, OBC) 및 저전압 직류-직류컨버터(Low Voltage DC/DC Converter, LDC)의 기능을 하나로 통합할 수 있는 레이아웃 및 소프트웨어 로직을 개발함으로써 제조부품의 개수를 줄일 수 있는 차량용 배터리충전시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면은 차량의 고전압배터리 및 저전압배터리를 충전하는 차량용 배터리충전시스템에 관한 것으로, 본 차량용 배터리충전시스템은 외부의 제어에 의해 동작하고, 외부로부터 입력된 직류전력을 변환하여 교류전력을 출력하는 제1 풀브리지(full bridge)회로부; 1차측 입력단을 통해 상기 제1 풀브리지회로부로부터 입력된 교류전력을 이용하여, 상기 고전압배터리를 충전하도록 변압하여 출력하기 위한 2차측 제1 출력단과, 상기 저전압배터리를 충전하도록 변압하여 출력하기 위한 2차측 제2 출력단을 구비한 변압기; 외부의 제어에 의해 동작하고, 상기 2차측 제1 출력단으로부터 입력된 교류전력을 직류전력으로 변환하여 상기 고전압배터리로 출력하는 제1 선택모드로 동작하거나, 상기 고전압배터리로부터 입력된 직류전력을 교류전력으로 변환하여 상기 2차측 제1 출력단으로 출력하는 제2 선택모드로 동작 가능한 제2 풀브리지(full bridge)회로부; 외부의 제어에 의해 동작하고, 상기 2차측 제2 출력단으로부터 입력된 전력을 정류하여 필터링하고 변환하여 상기 저전압배터리로 공급하는 출력회로부; 및 상기 제1 풀브리지회로부, 상기 제2 풀브리지회로부 및 상기 출력회로부를 각각 제어함으로써 상기 고전압배터리와 상기 저전압배터리의 충전동작을 독립적으로 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는, 상기 저전압배터리로의 충전을 금지하고, 상기 제1 풀브리지회로부로 입력된 직류전력에 의해 상기 고전압배터리를 충전하도록 제어하는 제1 동작모드를 수행할 수 있다. 상기 제1 동작모드는, 상기 제1 풀브리지회로부가 활성화되고 상기 출력회로부가 비활성화되도록 제어하고, 상기 제2 풀브리지회로부가 상기 제1 선택모드로 동작하도록 제어할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 제1 풀브리지회로부로 입력된 직류전력에 의한 충전을 금지하고, 상기 고전압배터리에 충전된 전력에 의해 상기 저전압배터리를 충전하도록 제어할 수 있다. 상기 제2 동작모드는, 상기 제1 풀브리지회로부가 비활성화되고, 상기 제2 풀브리지회로부가 상기 제2 선택모드로 동작하며, 상기 출력회로부가 활성화되도록 제어할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 제1 풀브리지회로부로 입력된 직류전력에 의해 상기 저전압배터리 및 상기 고전압배터리를 동시에 충전하도록 제어하는 제3 동작모드를 수행할 수 있다. 상기 제3 동작모드는, 상기 제1 풀브리지회로부 및 상기 출력회로부가 활성화되도록 제어하고, 상기 제2 풀브리지회로부가 상기 제1 선택모드로 동작하도록 제어할 수 있다.
본 차량용 배터리충전시스템은 외부로부터 교류전원을 공급받아 정류하는 정류회로부; 및 상기 정류회로부에 의해 정류된 전력의 역률을 개선하여 상기 제1 풀브리지회로부로 입력되는 직류전력을 출력하는 역률개선회로부를 더 포함할 수 있다.
본 차량용 배터리충전시스템은 상기 제2 풀브리지회로부와 상기 고전압배터리의 사이에 배치되고, 상기 제2 풀브리지회로부에 의해 변환되어 출력된 전력을 필터링하여 상기 고전압배터리로 공급하는 필터회로부를 더 포함할 수 있다.
상기 출력회로부는 상기 2차측 제2 출력단으로부터 입력된 전력을 정류하는 정류회로와, 상기 정류회로에 의해 정류된 전력을 필터링하는 필터회로와, 상기 필터회로에 의해 필터링된 전력을 변환하여 상기 저전압배터리로 공급하는 전력변환회로를 구비할 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 제어부가 전술한 제1 풀브리지회로부, 제2 풀브리지회로부 및 출력회로부를 각각 3가지 모드로 제어함으로써, 종래 별개로 마련된 탑재형충전기(On Board Charger, OBC) 및 저전압 직류-직류컨버터(Low Voltage DC/DC Converter, LDC)의 기능을 하나로 통합할 수 있어 부품수 감소에 따른 제조단가의 절감과 제품의 결량화를 달성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 배터리충전시스템의 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 배터리충전시스템의 3가지 동작모드를 설명하기 위한 표를 도시한 도면이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예들에 따른 차량용 배터리충전시스템에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 배터리충전시스템에 대한 블록도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 차량용 배터리충전시스템(1)은 정류회로부(10), 역률개선회로부(20), 제1 풀브리지회로부(30), 변압기(40), 제2 풀브리지회로부(50), 필터회로부(60) 및 출력회로부(70)로 이루어질 수 있다.
정류회로부(10)는 외부로부터 교류전원을 공급받아 역률개선회로부(20)로 전달한다. 일반적으로, 교류전원은 차량의 외부에 위치한 가정용 또는 공장용 상용전원이거나, 별도로 마련된 교류전원공급장치로부터 입력될 수 있다. 정류회로부(10)로 입력될 수 있는 교류전원은 차량에 장착된 발전기로부터 공급될 수 있다.
역률개선회로부(20)는 정류회로부(10)에 의해 정류된 전력의 역률을 개선하여 제1 풀브리지회로부(30)로 전달된다.
제1 풀브리지회로부(30)는 제어부(80)로부터 전달되는 제어신호에 의해 동작하며, 역률개선회로부(20)로부터 전달되는 직류전력을 변환하여 교류전력을 출력한다. 제1 풀브리지회로부(30)는 외부로부터 입력된 교류전력을 이용하여 고전압배터리(B1)를 충전하거나, 고전압배터리(B1) 및 저전압배터리(B2)를 동시에 충전하는 경우 제어부(80)에 의해 활성화된다.
일 예로서, 제1 풀브리지회로부(30)는 도 1에 도시된 바와 같이 4개의 N채널 모스펫(32)으로 구성될 수 있다. 제어부(80)로부터 입력되는 제어신호는 PWM 신호형태로 각 N채널 모스펫(32)의 게이트로 전달되어 제1 풀브리지회로부(30)를 제어함으로써 입력된 직류전력을 사전에 정해진 교류전력으로 변환할 수 있다. 제1 풀브리지회로부(30)는 제어부(80)의 동작모드에 따라 동작이 활성화되거나 비활성화될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 변압기(40)는 1차측 입력단(42), 2차측 제1 출력단(44) 및 2차측 제2 출력단(46)을 통해 외부구성과 연결된다. 1차측 입력단(42)은 제1 풀브리지회로부(30)의 출력단에 연결되고, 2차측 제1 출력단(46)은 제2 풀브리지회로부(50)의 입력단에 연결되며, 2차측 제2 출력단(46)은 출력회로부(70)의 입력단에 연결된다.
즉, 변압기(40)는, 1차측 입력단(42)을 통해 제1 풀브리지회로부(30)로부터 입력된 교류전력을 이용하여 2차측 제1 출력단(44)을 통해 고전압배터리(B1)를 충전하도록 변압하여 출력하고, 2차측 제2 출력단(46)을 통해 저전압배터리(B2)를 충전하도록 변압하여 출력할 수 있다.
제2 풀브리지회로부(50)는 제어부(80)로부터 전달되는 제어신호에 의해 2가지 선택모드로 동작할 수 있다.
제1 선택모드는 2차측 제1 출력단(44)으로부터 입력된 교류전력을 직류전력으로 변환하여 고전압배터리(B1)로 출력하는 모드이다. 이에 의해 외부로부터 입력된 교류전원을 이용하여 고전압배터리(B1)를 충전할 수 있다.
제2 선택모드는 고전압배터리(B1)로부터 입력된 직류전력을 교류전력으로 변환하여 2차측 제1 출력단(44)으로 출력하는 모드이다. 제2 선택모드는 제1 풀브리지회로부(30)로부터 변압기(40)의 1차측으로 전력이 입력되지 않는 경우에 동작하는 모드로서, 고전압배터리(B1)의 충전전력을 이용하여 저전압배터리(B2)를 충전하기 위한 모드이다.
필터회로부(60)는 제2 풀브리지회로부(50)와 고전압배터리(B1)의 사이에 배치되고, 제2 풀브리지회로부(50)에 의해 변환되어 출력된 전력을 필터링하여 고전압배터리(B1)로 공급할 수 있다.
출력회로부(70)는 도 1에 도시된 바와 같이, 2차측 제2 출력단(46)으로부터 입력된 전력을 정류하는 정류회로(72), 정류된 전력을 필터링하는 필터회로(74) 및 필터링된 전력을 직류-직류 변환하는 전력변환회로(76)로 이루어 질 수 있다. 출력회로부(70)는 2차측 제2 출력단(46)으로부터 입력된 전력을 이용하여 저전압배터리(B2)를 충전하는 경우 제어부(80)의 제어에 의해 활성화될 수 있다.
본 실시예에 따른 제어부(80)는 전술한 제1 풀브리지회로부(30), 제2 풀브리지회로부(50) 및 출력회로부(70)를 각각 제어함으로써 고전압배터리(B1)와 저전압배터리(B2)의 충전동작을 3가지 모드로 독립적으로 제어할 수 있다. 제어부(80)는 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 동작모드(82), 제2 동작모드(84) 및 제3 동작모드(86)로 이루어질 수 있다.
이하에서는 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 배터리충전시스템(1)의 3가지 동작모드에 대해 설명한다. 도 2는 본 실시예에 따른 차량용 배터리충전시스템(1)의 3가지 동작모드를 설명하기 위한 표를 도시한 도면이다.
제1 동작모드(82)는 저전압배터리(B2)의 충전을 진행하지 않고, 제1 풀브리지회로부(30)로 입력된 직류전력에 의해 고전압배터리(B1)를 충전하도록 제어하는 모드이다.
즉 제1 동작모드(82)는 제1 풀브리지회로부(30)가 활성화되도록 제어하여 역률개선회로부(20)로부터 입력된 직류전력을 교류전력으로 변환하여 변압기(40)의 1차측으로 공급한다. 또한 제1 동작모드(82)는 출력회로부(70)가 비활성화되도록 제어하여 변압기(40)의 2차측 제2 출력단(46)으로부터 입력된 전력에 의한 저전압배터리(B2)의 충전동작을 금지한다. 또한, 제1 동작모드(82)는 제 2 풀브리지회로부(50)가 위에서 설명한 제1 선택모드로 동작하도록 제어한다.
도 2를 참고하면, 제1 동작모드(82)에 의한 전력의 흐름은 외부 교류전원, 정류회로부(10), 역률개선회로부(20), 제1 풀브리지회로부(30), 변압기(40) 및 필터회로부(60)를 통해 고전압배터리(B1)에 도달한다.
다음, 제2 동작모드(84)는 외부의 교류전원이 아닌 고전압배터리(B1)에 충전된 전력을 이용하여 저전압배터리(B2)를 충전하는 모드로서, 제1 풀브리지회로부(30)로 입력된 직류전력에 의한 충전을 금지하고, 고전압배터리(B1)에 충전된 전력에 의해 저전압배터리(B2)를 충전할 수 있다.
즉, 제2 동작모드(84)는 제1 풀브리지회로부(30)로 입력된 직류전력에 의한 충전을 금지하도록 제1 풀브리지회로부(30)가 비활성화되도록 제어한다. 또한, 고전압배터리(B1)의 충전전력이 2차측 제1 출력단(44)을 통해 변압기(40)로 입력되도록 제2 풀브리지회로부(50)가 제2 선택모드로 동작하도록 제어한다. 또한, 2차측 제2 출력단(46)을 통해 공급되는 고전압배터리(B1)의 충전전력에 의해 저전압배터리(B2)를 충전하도록 출력회로부(70)를 활성화한다.
도 2를 참고하면, 제2 동작모드(84)에 의한 전력의 흐름은 고전압배터리(B1), 필터회로부(60), 제2 풀브리지회로부(50), 변압기(40), 정류회로(72), 필터회로(74) 및 전력변환회로(76)를 통해 저전압배터리(B2)에 도달한다.
다음, 제3 동작모드(86)는 제1 풀브리지회로부(30)로 입력된 직류전력에 의해 고전압배터리(B1) 및 저전압배터리(B2)를 동시에 충전하도록 제어하는 모드이다.
즉 제3 동작모드(86)는 제1 풀브리지회로부(30)가 활성화되도록 제어하여 역률개선회로부(20)로부터 입력된 직류전력을 교류전력으로 변환하여 변압기(40)의 1차측으로 공급한다. 또한 제3 동작모드(86)는 출력회로부(70)가 활성화되도록 제어하여 변압기(40)의 2차측 제2 출력단(46)으로부터 입력된 전력에 의한 저전압배터리(B2)의 충전동작을 수행한다. 또한, 제3 동작모드(86)는 제 2 풀브리지회로부(50)가 위에서 설명한 제1 선택모드로 동작하도록 제어한다.
도 2를 참고하면, 제3 동작모드(86)에 의한 전력의 흐름은 외부 교류전원, 정류회로부(10), 역률개선회로부(20), 제1 풀브리지회로부(30), 변압기(40), 제2 풀브리지회로부(50) 및 필터회로부(60)를 통해 고전압배터리(B1)에 도달하는 제1 흐름과, 외부 교류전원, 정류회로부(10), 역률개선회로부(20), 제1 풀브리지회로부(30), 변압기(40), 정류회로(72), 필터회로(74) 및 전력변환회로(76)를 통해 저전압배터리(B2)에 도달하는 제2 흐름으로 이루질 수 있다.
이와 같이 본 실시예에 따른 차량용 배터리충전시스템(1)은 종래 탑재형충전기(On Board Charger, OBC) 및 저전압 직류-직류 컨버터(Low Voltage DC/DC Converter, LDC)를 하나의 제품으로 구현함으로써 제조부품의 수를 줄일 수 있다.
1: 차량용 배터리충전시스템
10: 정류회로부
20: 역률개선회로부
30: 제1 풀브리지회로부
32: N채널 모스펫
40: 변압기
42: 1차측 입력단
44: 2차측 제1 출력단
46: 2차측 제2 출력단
50: 제2 풀브리지회로부
60: 필터회로부
70: 출력회로부
72: 정류회로
74: 필터회로
76: 전력변환회로
80: 제어부
82: 제1 동작모드
84: 제2 동작모드
86: 제3 동작모드
B1: 고전압배터리
B2: 저전압배터리

Claims (10)

  1. 차량의 고전압배터리 및 저전압배터리를 충전하는 차량용 배터리충전시스템에 있어서,
    외부의 제어에 의해 동작하고, 외부로부터 입력된 직류전력을 변환하여 교류전력을 출력하는 제1 풀브리지(full bridge)회로부;
    1차측 입력단을 통해 상기 제1 풀브리지회로부로부터 입력된 교류전력을 이용하여, 상기 고전압배터리를 충전하도록 변압하여 출력하기 위한 2차측 제1 출력단과, 상기 저전압배터리를 충전하도록 변압하여 출력하기 위한 2차측 제2 출력단을 구비한 변압기;
    외부의 제어에 의해 동작하고, 상기 2차측 제1 출력단으로부터 입력된 교류전력을 직류전력으로 변환하여 상기 고전압배터리로 출력하는 제1 선택모드로 동작하거나, 상기 고전압배터리로부터 입력된 직류전력을 교류전력으로 변환하여 상기 2차측 제1 출력단으로 출력하는 제2 선택모드로 동작 가능한 제2 풀브리지(full bridge)회로부;
    외부의 제어에 의해 동작하고, 상기 2차측 제2 출력단으로부터 입력된 전력을 정류하여 필터링하고 변환하여 상기 저전압배터리로 공급하는 출력회로부; 및
    상기 제1 풀브리지회로부, 상기 제2 풀브리지회로부 및 상기 출력회로부를 각각 제어함으로써 상기 고전압배터리와 상기 저전압배터리의 충전동작을 독립적으로 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리충전시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 저전압배터리로의 충전을 금지하고, 상기 제1 풀브리지회로부로 입력된 직류전력에 의해 상기 고전압배터리를 충전하도록 제어하는 제1 동작모드를 수행하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리충전시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 동작모드는, 상기 제1 풀브리지회로부가 활성화되고 상기 출력회로부가 비활성화되도록 제어하고, 상기 제2 풀브리지회로부가 상기 제1 선택모드로 동작하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리충전시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 제1 풀브리지회로부로 입력된 직류전력에 의한 충전을 금지하고, 상기 고전압배터리에 충전된 전력에 의해 상기 저전압배터리를 충전하도록 제어하는 제2 동작모드를 수행하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리충전시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2 동작모드는, 상기 제1 풀브리지회로부가 비활성화되고, 상기 제2 풀브리지회로부가 상기 제2 선택모드로 동작하며, 상기 출력회로부가 활성화되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리충전시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 제1 풀브리지회로부로 입력된 직류전력에 의해 상기 저전압배터리 및 상기 고전압배터리를 동시에 충전하도록 제어하는 제3 동작모드를 수행하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리충전시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제3 동작모드는, 상기 제1 풀브리지회로부 및 상기 출력회로부가 활성화되도록 제어하고, 상기 제2 풀브리지회로부가 상기 제1 선택모드로 동작하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리충전시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    외부로부터 교류전원을 공급받아 정류하는 정류회로부; 및
    상기 정류회로부에 의해 정류된 전력의 역률을 개선하여 상기 제1 풀브리지회로부로 입력되는 직류전력을 출력하는 역률개선회로부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리충전시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제2 풀브리지회로부와 상기 고전압배터리의 사이에 배치되고, 상기 제2 풀브리지회로부에 의해 변환되어 출력된 전력을 필터링하여 상기 고전압배터리로 공급하는 필터회로부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리충전시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 출력회로부는 상기 2차측 제2 출력단으로부터 입력된 전력을 정류하는 정류회로와, 상기 정류회로에 의해 정류된 전력을 필터링하는 필터회로와, 상기 필터회로에 의해 필터링된 전력을 변환하여 상기 저전압배터리로 공급하는 전력변환회로를 구비하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리충전시스템.
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