KR20140002404A - 전력 변환 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치는 상용 교류 전원(AC)을 정류하는 정류기; 상기 정류기로부터 정류된 전원의 전압을 검출하고 측정된 전압값에 따라 주파수를 변환하는 마이컴; 및, 상기 마이컴으로부터 직류 전원을 입력받는 일차 코일과, 상기 일차 코일 간의 사전에 설정된 권선비에 따라 메인 전원을 출력하는 이차 코일을 갖는 트랜스포머;를 포함한다.

Description

전력 변환 장치 및 방법{POWER TRANSMISSION APPARATUS AND METHOD THEREOF}

본 발명은 전력 변환 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기자동차의 전원인 배터리의 전압 변화에 능동적으로 대처할 수 있는 전력 변환 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 차량 대수의 폭발적인 증가에 따라 배기가스에 의한 대기 오염이 사회적 문제로 대두되고 있어, 한정된 천연자원을 사용하지 않는 전기자동차(Electic Vehicle)나 연비 고효율의 하이브리드 전기자동차(HEV), 연료전지 자동차(FCEV)의 연구 개발이 활발하게 진행되어 실용화 단계까지 진행되고 있다.

전기자동차(Electric vehicle; EV)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 구동하고 전원이 다 소모되면 재충전하고, 하이브리드 전기자동차는 엔진을 가동하여 전기발전을 하여 배터리에 충전을 하고 이 전기를 이용하여 전기모터를 구동하여 차를 움직이게 할 수 있다.

본 발명은 전기자동차(EV)의 전력제어에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기자동차의 HV(High Voltage) 배터리에서 공급되는 전압이 LV(Low Voltage) 배터리 및 부하에 공급될 때 최적의 상태에서 공급될 수 있도록 하는 전기자동차의 전원 제어장치 및 방법에 관한 것이다.

본 발명은 전기자동차에서 배터리가 부하에 안정된 구동 전압을 공급할 수 있도록 하여 신뢰성 및 안정성을 개선하는 것을 목적으로 한다.

발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치는 전기에너지를 공급하는 배터리; 및, 상기 배터리의 출력 전압을 검출하고 측정된 전압값에 따라 출력단에 연결된 컨버터에 공급되는 전압을 제어하는 전압제어부;를 포함한다.

발명의 실시예에 따르면 배터리를 장착한 전기자동차에서 DC-DC 컨버터의 교체없이 주파수를 변화시킴으로써 전압의 크기가 일정하게 제어될 수 있다.

도 1은 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치를 나타내는 구성도이다.
도 2는 발명의 실시예에 따른 전압 및 주파수의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 3은 발명의 실시예에 따른 전압 제어 흐름을 나타내는 흐름도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 기타 실시 예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

도 1을 참조하면, 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치(110)는 전기에너지를 공급하는 배터리 (111)와, 상기 배터리 (111)로부터 정류된 전원의 전압을 검출하고 측정된 전압값에 따라 주파수 및 듀티비를 변환하는 전압제어부(112), 상기 전압제어부(112)로부터 출력된 전원을 입력받는 컨버터(113), 상기 컨버터(113)로부터 출력되는 전원을 입력받는 일차 코일(P)과, 상기 일차 코일(P)간의 사전에 설정된 권선비에 따라 메인 전원을 출력하는 이차 코일(S1) 을 갖는 트랜스포머(114)를 포함한다.

상기 배터리(111)는 고압의 전기에너지를 저장하고, 소정의 충전소, 차량 충전설비 또는 가정에서 외부로부터 전원을 공급받아 충전한다. 상기 배터리(111)는 차량운행에 필요한 전력을 부하측에 공급하는 기능을 담당한다.

상기 전압제어부(112)는 상기 배터리(111)의 출력단에 연결되어 상기 배터리(111)의 출력전압을 감지함과 더불어, 감지된 출력전압에 따라 주파수 그리고/또는 듀티비를 조절하여 일정한 출력전압이 상기 컨버터(113)에 공급되도록 동작한다.

상기 전압제어부(112)는 상기 배터리(111)의 출력전압을 실시간으로 검출할 수 있다. 상기 전압제어부(112)는 내부에 전압 검출기, 주파수 변환기를 포함할 수 있다. 상기 상기 전압제어부(112)의 구체적인 동작에 대해서는 후술한다.

상기 컨버터(113)는 상기 전압제어부(112)의 출력단에 연결되며, 풀 브릿지로 구성될 수 있고 정류된 전원을 상기 트랜스포머(114)로 공급한다.

상기 트랜스포머(114)는 상기 컨버터(113)의 출력단에 연결되고, 일차 코일(P) 및 이차 코일(S)을 포함한다.

상기 일차 코일(P) 및, 상기 이차 코일(S1) 은 각각의 도전체로 형성되어 사전에 설정된 권선비에 따라 사전에 설정된 전압 레벨을 갖는 메인 전원을 출력한다.

상기 일차 코일(P)과 이차 코일(S1)은 상호 자기적으로 결합되어 있으며 전기적으로 절연된다.

도 2는 발명의 실시예에 따른 전압 및 주파수의 관계를 나타내는 그래프이다. 이하에서는 도 2를 참고하여 발명의 실시예에 따른 전압 및 주파수의 관계를 기술한다.

상기 트랜스포머(114) 이차측의 출력전압은 일차측의 입력전압, 상기 일차 코일(P)과 이차 코일(S1)의 권선 비율 및 듀티에 의해 제어될 수 있다.

그러나 권선비는 고정된 값이기 때문에, 듀티비를 제어하여 출력전압을 제어하게 된다. 상기 듀티비의 제어는 PWM(Pulse Width Modulation)의 방식으로 실행될 수 있다.

예를 들어, 컨버터(113)의 입력 전압값이 설정된 정상범위 내에서의 최소값(Vin-min)인 경우, 듀티 비율을 최대화(t_{on - max})하여 출력전압을 제어한다.

그리고 입력 전압값이 설정된 정격전압(Vin-set)인 경우, 듀티 비율을 최소화(t_{on - min})하여 출력전압을 제어할 수 있다.

상기와 같이 입력 전압값이 최소값(Vin-min) 내지 정격전압(Vin-set) 사이인 경우에는 듀티 비율을 제어하여 출력전압을 제어할 수 있다.

그러나 입력 전압이 정격전압 이상의 전압으로 인가되는 경우, 듀티를 t_{on - min} 이하로 줄일 수는 없으므로, 듀티는 t_{on - min}으로 고정하고 스위칭 주파수를 감소시키는 방법으로 출력전압을 제어할 수 있다.

도 2를 참고하면 입력 전압값이 설정된 정상범위 내에서의 최대값(Vin-set)인 경우, 듀티는 ton-min 이고 스위칭 주파수는 f-min임을 알 수 있다.

그리고 Vin-set과 Vin-max은 듀티가 상이하나, 주파수는 f-min으로 동일함을 알 수 있다.

또한 입력 전압값이 설정된 정상범위 내에서의 최대값(Vin-set)을 초과한 전압(Vin-max) 경우, 듀티는 ton-min 이고 스위칭 주파수는 f-max임을 알 수 있다. 상기와 같이 입력전압이 Vin-set이상으로 인가되어도 주파수를 조절하여 입력전압을 제어할 수 있다.

구체적으로, 듀티의 사이클이 반복되는 한 주기의 시간이 도 2에 도시된 바와 같이 증가 또는 감소하여 상기 컨버터(113)의 입력전압이 일정범위 이내로 제어될 수 있다.

상기 방법에 의해 설정된 전압 이상의 전압이 인가되어도 듀티의 온-오프 타임은 변화되지 않지만, 주파수를 제어하여 더 큰 입력 전압에서도 출력전압을 제어할 수 있게 된다.

도 3은 발명의 실시예에 따른 전압 제어 흐름을 나타내는 흐름도이다. 제1 단계(S1)에서, 컨버터로 입력되는 입력전압(Vin)을 검출한다.

제2 단계(S2)에서, 상기 입력전압(Vin)과 사전에 설정된 정격전압(Vset)을 비교한다.

상기 제2 단계(S2)에서 검출된 입력전압(Vin)이 정격전압(Vset) 이하의 전압인 경우에는, 상기 스위칭 유닛(114)을 통해 PWM의 듀티를 변환하여 컨버터의 입력전압(Vin)을 제어한다(제3 단계(S3)).

상기 제2 단계(S2)에서 검출된 입력전압(Vin)이 정격전압(Vset) 이상의 전압인 경우에는, 상기 정류기(111)의 스위칭 주파수를 감소시킴으로써 출력전압(Vin)을 제어한다(제4 단계(S4)).

이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (6)

1. 전기에너지를 공급하는 배터리; 및,
   상기 배터리의 출력 전압을 검출하고 측정된 전압값에 따라 출력단에 연결된 컨버터에 공급되는 전압을 제어하는 전압제어부;를 포함하는 전력 변환 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 전압제어부는 주파수 및 듀티 중 적어도 하나를 변환하는 전력 변환 장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 전압제어부는 소정 간격의 시간으로 상기 배터리의 출력전압을 검출하는 전력 변환 장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 전압제어부는 전압 측정기 및, 주파수 변환기를 포함하는 전력 변환 장치.
5. 컨버터로 입력되는 입력전압을 검출하는 단계;
   상기 입력전압(Vin)과 사전에 설정된 정격전압(Vset)을 비교하는 단계;
   상기 검출된 입력전압(Vin)이 상기 정격전압(Vset) 이하의 전압인 경우에는, 스위칭 유닛을 통해 PWM의 듀티를 변환하여 출력전압(Vout)을 제어하고, 상기 검출된 입력전압(Vin)이 상기 정격전압(Vset) 이상의 전압인 경우에는, 정류기의 스위칭 주파수를 감소시킴으로써 출력전압(Vout)을 제어하는 전력 변환 방법.
6. 제5항에 있어서,
   상기 트랜스포머의 입력전압(Vin)을 검출하는 단계는 소정간격으로 반복되는 전력 변환 방법.

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