KR20140132567A

KR20140132567A - 하이브리드전기자동차 고전압 배터리 충전장치

Info

Publication number: KR20140132567A
Application number: KR1020130051913A
Authority: KR
Inventors: 전광수
Original assignee: 전광수
Priority date: 2013-05-08
Filing date: 2013-05-08
Publication date: 2014-11-18

Abstract

AC 전원을 입력받아 전력 변환을 위한 출력 전압으로 변환하는 입력 전원 처리부, 트랜스포머를 이용하여 상기 입력 전원 처리부의 출력 전압을 고전압 배터리를 충전하기 위한 고전압으로 변환하는 전력 변환부, 상기 전력 변환부에 의해 변환된 상기 고전압을 정전압 및 정전류 제어에 따라 고전압을 강압 하여 고전압 배터리를 충전하는 고전압 충전부, 상기 고전압 충전부에서 강압된 고전압을 안전하게 고전압 배터리와 동기 시키기 위한 안전브리지(프리챠지)장치부, 및 상기고전압 충전부는 배터리 관리 시스템으로부터의 제어 신호에 따라 상기AC 전원에 의한 고전압 배터리 충전을 수행하는 고전압 배터리 충전 장치가 제공된다.

Description

하이브리드전기자동차 고전압 배터리 충전장치 {Hybrid electric vehicles high-voltage battery charging device}

본 발명은 배터리 충전장치에 관한 것으로, 하이브리드자동차, 상기하이브리드자동차의 고전압 배터리 충전장치에 관한 것으로 AC 전원에 의한 고전압 배터리 충전장치에관한것이다.

최근 환경 파괴로 인한 지구 온난화와 고유가 등의 문제로 자동차 업계에서는 하이브리드 전기 자동차의 개발 및 보급을 급속히 진행하고 있다.

하이브리드 전기 자동차는 배기가스가 화석연료자동차에 비해 아주 적으며, 소음 또한 아주 작은 장점이 있다. 전기 자동차는 1873년 가솔린 자동차보다 먼저 제작되었으나, 배터리의 무거운 중량, 충전에 걸리는 시간 등의 문제 때문에 실용화되지 못하다가 공해 문제가 최근 심각해지면서 다시 개발되고 있다. 하지만, 재충전 가능한 배터리의 방전용량 제한으로 인하여 배터리 자체만으로는 장거리 주행이 확보되지 않는 문제점이 있다.

따라서, 현재 시장에서는 화석연료와 배터리의 두 가지 동력원을 사용하는 하이브리드(Hybrid) 자동차가 북미지역을 중심으로 활발히 판매 사용되고 있다. 일본 도요타 자동차의 프리우스와 한국 현대자동차의 소나타가 대표적인 하이브리드 자동차의 일종이다. 프리우스와 소나타는 휘발유를 사용하는 엔진과 차량의 브레이킹 시에 회수되는 운동에너지를 전기에너지로 변환 및 사용할 수 있는 제네레이터(Generator) 및 모터(Motor)를 갖는다.

하이브리드 전기자동차는 차량에 실려 있는 고전압 배터리를 기관을 이용하여 충전하여 동력원으로 사용한다. 하이브리드 전기자동차에는 구동력을 위한 고전압 배터리와, 전자제어유닛의 동작을 위한 보조 배터리가 탑재되어 있다.

도 1에 도시된 바와 같이 종래의 배터리 충전 장치(1)는 하이브리드 전기자동차에 탑재되어있는 엔진과 발전기를 통하여 AC 전원을 발생 시키고(11), 차량에 장착되어있는 인버터(12)를 통하여 고전압 배터리(12)를 충전하고, 저전압 보조 배터리는(15),고전압 배터리의 전원을 이용하여, 저전압 변환기(LDC: Low Voltage DC-DC Converter)(14)를 통하여 충전이 이루어진다.

고전압 배터리(13)를 충전하기 위하여, 차량 탑재형(인버터) 충전부(12)는 엔진을 가동하여 AC 전원(11)을 발생함으로 고전압 배터리의 충전을 위하여서는 AC전원(11)발생장치를 필요로 한다.

또한, 배터리 충전 장치(1)는 보조 배터리(15)의 전압이 떨어지면 저전압 변환기(14)를 동작시켜 보조 배터리(15)를 충전시켜야 하며, 저전압 변환기(14)는 고전압 배터리(13)에서 고전압을 저전압으로 변환시키는 변환과정을 통하여 보조 배터리(15)에 저전압을 충전시키므로, 고전압 배터리(13)의 고전압을 소모하게 되어, 고전압 배터리(13)의 충 방전 횟수를 늘리게 하여 결국 고전압 배터리(13)의 수명을 단축시킬 수 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 하이브리드 전기자동차의 교육을 위하여 전국의 수많은 교육기관에 보급되어있는 하이브리드 전기자동차를 교육현장에서 사용하면서 교육이 진행되는 시간외에 장시간 방치할 경우 하이브리드전기자동차 내부에 장착되어있는 고전압 배터리가 자기방전에 의하여 시간이 흐를수록 충전률이 떨어저 고전압 배터리가 손상되는 것을 방지하기 위해 수시로 하이브리드 전기자동차의 엔진을 가동하여 고전압 배터리를 충전하므로 이에 소비되는 연료와 함께 연소시에 필연적으로 발생되는 배기가스를 줄이며 고전압 배터리의 안정된 충전상태를 유지하기 위여 상용 AC전원으로 고전압 배터리를 충전시킬 수 있는 배터리 충전장치를 제공함에있다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, AC 전원을 입력받아 전력 변환을 위한 출력 전압으로 변환하는 입력 전원 처리부, 트랜스포머를 이용하여 상기 입력 전원 처리부의 출력 전압을 고전압 배터리를 충전하기 위한 고전압으로 분리하여 변환하는 전력 변환부, 상기 전력 변환부에 의해 변환된 상기 고전압을 가변 하여 고전압 배터리를 충전하는 고전압 충전부, 상기 전력변환부에 의해 변환된 상기 고전압을 하이브리드 전기자동차에 탑재 되어있는 고전압 배터리와 동기시키기 위한 안전 브리지(프리챠지)장치부, 상기 고전압 배터리의 전압을 가변 하여 가변전원을 생성하고 고전압배터리의 전원전압 사양에 맞게 충전시키는 가변전압 제어부, 상기 고전압 충전부 의 충전전류를 가변시켜 정 전류제어를 하는 상기 가변전류 제어부, 상기 배터리 관리 시스템으로 부터의 제어 신호에 따라 제1 모드에서는 상기 AC 전원에 의한 자동 ON-OFF 제어하는 고전압 배터리 충전을 수행하며, 제2 모드에서는 상기 고전압 배터리의 전압 및 전류를 가변시켜 수동으로 고전압 배터리 충전을 수행하는 배터리 충전장치가 제공된다.

상기 입력 전원 처리부, 상기 전력 변환부, 상기 고전압 충전부, 상기 가변전류 제어부, 상기 가변 전압제어부, 상기 안전 브리지(프리챠지)장치부는 차량 에 탑재될 수 있다.

상기 배터리 충전 장치에는 상기 트랜스포머의 제1차 권선과, 상기 제1 전압 및 상기 제2 전압으로의 전력 변환을 위한 권선비를 가지는 고전압 제2차권선 및 저전압 제2차 권선을 포함할 수 있다.

상기 고전압 충전부는 상기 제1 모드에서 상기 AC전압을 상기 트랜스포머의 고전압 제1차 권선에 전달하고, 상기 고전압 충전부는 상기 고전압 제1차 권선에 의해 상기 고전압 제2차 권선에 유기된 전압을 이용하여 상기 충전 전원을 생성하고 상기 고전압 배터리 충전을 수행할 수 있다.

상기 고전압 충전부는 상기 제1 모드에서는 동기 정류기를 이용하여 자동제어로 동작하고 상기 고전압 배터리의 전압은 상기 고전압 충전부에서 하이브리드차량에 탑재된 고전압 배터리에 전달되도록 안전스위칭 기능을 수행하는 프리챠지 브리지를 포함할 수 있다.

상기 프리챠지 브리지는 상기 배터리 관리 시스템으로부터 출력되는 제어 신호에 의해 상기 스위칭 기능을 수행할 수 있다.

상기 제어 신호는 PWM 신호일 수 있다.

상기 고전압 충전부는 상기 고전압 제2차 권선과 상기 프리챠지 브리지 사이에 L,C 인덕터를 더 포함할 수 있다.

상기 입력 전원 처리부는 상기 AC 전원을 정류하여 직류로 변환하는 정류부, 상기 변환된 직류의 역률을 보정하여 전력 변환을 위한 고전압으로 출력하는 역율 보정 회로를 포함할 수 있다.

상기 역율 보정 회로는 인터리브로 구현된 컨버터를 포함할 수 있다.

상기 가변전압 제어부 및 상기 가변 전류 제어부는 인터리브로 구현된 컨버터를 포함할 수 있다.

상기 고전압 충전부는 상기 컨버터에 연결된 DC 링크 커패시터, 및 상기 DC 링크 커패시터와 상기 하이브리드 전기자동차의 고전압 배터리와 연결되는 프리챠지 브리지에 연결된 브리지 다이오드를 포함할 수 있다.

본 발명에 의하면, 가변형 완속 충전부 에서 트랜스포머의 서로 다른 권선비를 통해 전력을 분리 전달할 수 있는 전력 변환 구조를 사용함으로써 AC 전원에 의한 고전압 배터리의 충전시에 AC 전원으로 인한 안전사고를 방지하고 고전압 배터리의 충전과 동시에 저전압 변환기(LDC: Low Voltage DC-DC Converter)를 이용하여 보조 배터리를 함께 충전시킬 수 있다.

또한 본 발명의 실시예에 따르면 고전압 배터리의 충전을 위해 화석연료를 사용하는 기관을 가동할 필요가 없이 AC 전원에 의한 고전압 배터리 충전을 수행함으로써 불필요한 연료소비와 배기가스의 발생을 방지할 수 있으며 전력 전달 효율을 증대시킬 수 있으며, 이에 따라 고전압 배터리의 수명 단축을 해소할 수 있는 효과도 있다.

아울러, 본 발명에 의하면 역율 보정 회로의 출력 전압과, 가변 전력 변환부에 의해 변환된 제1 전압을 고압으로 함으로써 전류량을 가변 할 수 있고, 역율 보정 회

로와 고전압 충전부 에 컨버터를 인터리브로 구현함으로써 구동소자의 크기를 줄이면서도 열 분산을 극대화할 수 있다.

제1도는 종래의 배터리 충전 장치를 설명하기 위한 블록도이다
제2도는 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 충전 장치를 설명하기위한블록도이다
제3도는 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 충전 장치의 구체적인 회로도이다
제4도는 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 충전 장치의 구체적인충전회로도이다

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 하이브리드 자동차(HEV:Hybrid Electric Vehicle) 등에 설치되어, AC 전원(10)을 고전압으로 변환하여 고전압 배터리(20)에 충전시키고, 충전된 고전압으로 저전압 컨버터(30)를 통하여 저전압으로 변환하여 보조 배터리(40)에 충전시킬 수 있다. 이와 같이 충전된 고전압 배터리(20)는 전기 자동차나 하이브리드 자동차의 동력원으로 사용되며, 보조 배터리(40)는 차량에 설치된 각종 전자제어유닛, 예를 들면 제동장치의 전자제어유닛, 현가장치의 전자제어유닛, 조향 장치의 전자 제어 유닛, 전조등 및 각종 등화장치 등의 구동을 위해 사용될 수 있다.

배터리 충전 장치(2)는 AC 전원(10), 완속 충전부(100), 고전압 배터리(20) 및 저 전압 보조 배터리(40) 등을 포함한다.

배터리 충전 장치(2)의 구성들이 일체로 이루어질 수 있다. 따라서 배터리 충전 장치(2)는 전기 에너지로 구동되는 전기 자동차나 하이브리드 자동차에 장착이 용이하다.

배터리 충전 장치(2)의 완속 충전부(100)는 입력 전원 처리부(110), 전력변환 제어부(120),가변전압 제어부(130), 가변전류 제어부(140), 고전압 충전부(150), 안전브리지(프리챠지)장치부(160)를 포함하여 구성될 수 있다.

전력 변환 제어부(120)는 트랜스포머를 구비하며, 차량 내에 설치된 고전압 배터리 관리 시스템(BMS:Battery Management System)(200)으로부터 수신된 충전 지령에 따라 트랜스포머를 이용하여 AC 전원을 고전압배터리를 충전하기 위한 변환을 한다. 여기에서 트랜스포머는 고전압 충전부(150)를 위한 전압으로의 전력 변환을 위해 사용된다. 트랜스포머는 고전압 충전부(150) 의 전력 변환에 상응하는 권선비를 가지는 고전압 제2차권선(122)을 가진다.

고전압 충전부(150)는 차량 내에 설치된 고전압 배터리 관리 시스템(BMS: Battery Management System)으로부터 수신된 충전 지령에 따라 전력 변환부(120)에 의해 변환된 전압을 강압하여 고전압 배터리(20)를 충전시키도록 한다.

AC 전원(10)에 의해 고전압 배터리(20)를 충전시키는 동작을 설명하면 다음과 같다.

완속 충전부(100)는 고전압 배터리 관리 시스템(BMS)(200)으로부터 고전압 배터리(20) 의 충전지령을 수신한다. 이에 따라, 입력전원 처리부(110)는 AC 전원이 전력 변환부(120)에 입력될 수 있도록 교류 전압을 직류 전압으로 변환한 후 고전압으로 상승시킨 후 다시 교류 전압으로 변환하여 전달한다. 다음 완속 충전부(100)는 전력 변환부(120)를 통해 AC 전원(10)을 고전압으로 변환하고 변환된 고전압을 고전압 충전부(150)로 출력한다. 고전압 충전부(150)는 고전압을 강압하여 안전브리지(프리챠지)장치부(160)를 통하여 고전압 배터리(20)를 충전시킨다.

도 3, 도 4 는 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 충전 장치의 구체적인 회로도이다.

도 3 내지 도 4 를 참조하면, 입력 전원 처리부(110), 전력 변환부(120), 가변전압 제어부(130), 가변전류 제어부(140), 고전압 충전부(150), 안전브리지(프리챠지)장치부(160)를 포함할 수 있다.

AC 전원(10)을 정류하여 직류로 변환하는 정류부(111), 고전압 브리지(112), 역률을 보정하는 회로(113), DC 링크 커패시터(114), AC 승압브리지(115), 커패시터(116)를 포함할 수 있다.

정류부(111)는 AC 전원(10)을 정류하여 직류를 출력한다.

역율 보정회로(113)는 정류부(111)를 통해 정류된 직류의 역률을 보정하여 전력 변환부(120)에 제공한다. 역율 보정회로(113)는 부스트 컨버터(boost converter)를 이용할 수 있다. 부스트 컨버터는 승압형 컨버터로서, 입력단과 출력단의 접지가 같은 회로이다. 부스트 컨버터는 스위치가 온 되어있는 동안은 입력전원이 인덕터 양단에 연결되어 전류의 충전이 이루어지고, 스위치가 오프되면 충전된 전류가 부하 측 필터로 전달된다. 부스트 컨버터는 부하 측의 필터 입장에서 볼 때, 전류가 주기적으로 흘러 들어오다 끊어지기를 반복하며, 출력단의 전류는 항상 입력단의 전류보다 작다.

역율 보정회로(113)에는 DC 링크 커패시터(114)이 연결된다. DC 링크 커패시터(114)에는 AC 승압브리지(115)가 연결된다. AC 승압브리지(115)는 DC 전압을 AC 전압으로 변환하는 기능을 수행한다. 커패시터(116)는 AC 승압브리지(115)와 전력 변환부(120)의 제1 차권선(121)사이에 연결된다.

전력 변환부(120)는 트랜스포머를 구비하며, 트랜스포머를 이용하여 AC 전원을 고전압 배터리(20) 를 충전하기 위한 전압으로 분리하여 변환한다. 여기에서, 전압은 예컨대, DC 약400V일 수 있다. 트랜스포머는 제1권선(121)과, 고전압 충전부(150)의 전력 변환에 상응하는 권선비를 가지는 고전압 제2차권선(122) 가진다.

고전압 충전부(150)는 강압형 컨버터를 이용할 수 있다. 고전압 컨버터(153)는 입력단과 출력단이 같은 접지를 공유하는 회로에 쓰인다. 일정한 주기로 스위칭 하는(온/오프를 반복하는) 스위칭 소자를 이용하여, 스위칭 소자가 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.

고전압 컨버터는 기본적으로 직류전압을 주기적으로 잘라내어(chopping) 만들어진 펄스전압을 평균하여 출력전압을 형성하는 원리가 적용될 수 있다. 이와 같은 방식의 컨버터를 전압공급 (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.

고전압 충전부(150)는 L,C 인덕터(151), 고전압 정류부(152), 고전압 컨버터(153), 가변전압 제어부(130), 가변전류 제어부(140)를 포함할 수 있다.

L,C 인덕터(151)는 고전압 권선(122)과 고전압 정류부(152) 사이에 연결된다.

고전압 충전부(150)는 전력 변환부(120)에 의해 변환된 전압(400V)을 가변전압 제어부(130)에서 100 - 300V의 전압으로 강압하고 가변전류 제어부(140)에서 0.1- 2A의 전류로 출력전류를 제한하여 고전압 배터리(20)를 충전시킨다.

이와 같이, 역율 보정회로(113)의 출력 전압을 400V로 하고, 전력 변환부(120)에 의해 변환된 전압을400V의 고압으로 함으로써 전류량을 줄일 수 있고, 역율 보정회로(113)와 고전압 충전부(150) 에 컨버터를 인터리브로 구현함으로써 구동소자의 크기를 줄이면서도 열 분산을 극대화할 수 있다.

이와 같이 구성된 구조에서 AC 전원(10)에 의해 고전압 배터리(20)를 충전시키는 충전모드의 동작을 도 4를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

완속 충전부(100)는 배터리 관리 시스템(BMS)(200)으로부터 고전압 배터리(20) 의 충전지령을 수신한다. 이에 따라, 도 4에 도시된 바와 같이 AC 전원이 전력 변환부(120)에 입력될 수 있도록 입력전원 처리부(110)가 동작한다.

충전 모드에서 AC 전원(10)은 정류부(111), 고전압 브리지(112), 역율 보정부(113), DC 링크 커패시터(114), AC 승압브리지(115) 및 커패시터(116)를 통해 전력 변환부(120)에 입력된다. 전력 변환부(120)는 AC 전원(10)을 고전압으로 변환하고 변환된 고전압을 고전압 충전부(150)로 출력한다. 고전압 충전부(150)는 L,C 인덕터(151), 고전압 정류부(152), 고전압 컨버터(153), 가변전압 제어부(130), 및 가변전류 제어부(140)를 이용하여 고전압을 강압하여 안전브리지(160)를 통하여 고전압 배터리 입력단의 전압과 동기 되어 안전하게 고전압 배터리(20)를 충전시킨다.

이상의 본 발명은 상기에 기술된 실시예들에 의해 한정되지 않고, 당업자들에 의해 다양한 변형 및 변경을 가져 올 수 있으며, 이는 첨부된 청구항 에서 정의되는 본 발명의 취지와 범위에 포함된다.

2 : 배터리 충전 장치 10 : AC 전원
20 : 고전압 배터리 30 : 저전압 변환기
40 : 저전압 보조 배터리 100 : 완속 충전부
110 : 입력전원 처리부 111: 정류부
112 : 고전압 브리지 113: 역율 보정부
114 : DC 링크 커패시터 115 : AC 승압브리지
116 : 공진 커패시터 120 : 전력 변환부
121 : 제1차 권선 122 : 고전압 제2차 권선
130 : 가변전압 제어부 140 : 가변전류 제어부
150 : 고전압 충전부 151 : 리키지 인덕터
152 : 고전압 정류부 153 : 고전압 컨버터
160 : 안전 브리지 200 : 배터리 관리 시스템(BMS)

Claims

AC 전원을 입력받아 전력 변환을 위한 출력 전압으로 변환하는 입력 전원 처리부,
트랜스포머를 이용하여 상기 입력 전원 처리부의 출력 전압을 고전압 배터리를 충전하기 위한 고전압으로 분리하여 변환하는 전력 변환부, 상기 전력 변환부에 의해 변환된 상기 고전압을 강압하여 고전압 배터리를 충전하는 고전압 충전부, 상기 고전압 충전부에서 강압된 고전압을 고전압 배터리의 사양에 맞게 출력 전압과전류를 가변하는 가변전압 제어부, 가변전류 제어부 및 완속 충전장치의 출력단과 고전압 배터리의 입력단자와의 안전한 접속을 위한 안전브리지( 프리 챠지)장치부, 상기 고전압 충전부 는 배터리 관리 시스템으로부터의 제어 신호에 따라 상기 AC 전원에 의한 고전압 배터리 충전을 수행하는 것을 특징으로 하는 고전압 배터리 충전 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 입력 전원 처리부, 상기 전력 변환부, 상기 가변전압 제어부, 상기 가변전류 제어부, 상기 고전압 충전부는 거치형 완속 충전기에 탑재되는 것을 특징으로 하는 고전압 배터리 충전 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 안전브리지(프리챠지)장치부는 프리챠지 저항, 1차접속제어 릴레이, 주접속 릴레이, 전극의 극성보호를 위한 브리지 다이오드를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 고전압 배터리 충전장치.
청구항 2에 있어서,
상기 가변전압 제어부는 고전압 충전부의 출력전압을 가변 할 수 있고 상기 가변전류 제어부는 고전압 충전부의 출력전류를 가변 할 수 있는 것을 특징으로 하는 고전압 배터리 충전장치