KR20140143909A - 친환경 차량의 배터리 충전용 온보드 충전기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 친환경 차량의 배터리 충전용 온보드 충전기 및 이를 이용한 배터리 충전 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 플러그-인 하이브리드 및 전기자동차의 배터리 충전용 온보드 충전기의 스너버 회로부를 새롭게 개선하여, 출력전류 리플을 감소시킬 수 있도록 한 친환경 차량의 배터리 충전용 온보드 충전기에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 온보드 충전기의 변압기 2차 정류단에 캐패시터 2개, 다이오드 3개를 새롭게 조합 배열하여, 정류 다이오드에서 발생하는 서지 전압을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 출력 전류 리플을 줄일 수 있도록 한 친환경 차량의 배터리 충전용 온보드 충전기를 제공하고자 한 것이다.

Description

친환경 차량의 배터리 충전용 온보드 충전기{ON BOARD CHARGER FOR CHARGING BATTERY}
본 발명은 친환경 차량의 배터리 충전용 온보드 충전기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 플러그-인 하이브리드 및 전기자동차의 배터리 충전용 온보드 충전기의 스너버 회로부를 새롭게 개선하여, 출력전류 리플을 감소시킬 수 있도록 한 친환경 차량의의 배터리 충전용 온보드 충전기에 관한 것이다.
일반적으로 친환경 차량의 일종인 플러그-인 하이브리드 및 전기자동차에는 전원 충전을 위한 온보드 충전기와 배터리를 구비하고 있다.
상기 온보드 충전기를 이용한 배터리 충전 방법은 가정용 교류 전원을 차량내에 설치되어 있는 온보드 충전기에 인가하는 단계와, 온보드 충전기에 의해 교류전원이 직류전원으로 변환되어 충전전류가 생성되는 단계와, 온보드 충전기에서 생성된 충전전류가 고전압 배터리에 인가되어 충전되는 단계를 포함한다.
상기 고전압 배터리에 대한 온보드 충전기의 충전 동작 안정성을 도모하는 동시에 고전압 배터리의 수명 감소를 방지하기 위하여, 온보드 충전기에 포함된 정류다이오드의 서지 전압을 최소화하는 동시에 출력 전류의 리플을 줄이는 것이 무엇보다 중요하며, 이를 위해 온보드 충전기에는 스너버(snubber) 회로부가 포함되어 있다.
여기서, 종래 기술로서 스너버 회로부를 포함하는 온보드 충전기의 회로 구성 및 동작을 첨부한 도 1 및 도 2를 참조로 살펴보면 다음과 같다.
종래 기술에 따른 온보드 충전기는: AC 상용 전원과 연결되어, AC 입력전류의 역률을 입력전압의 역률과 동일하도록 보상하여 유효전력의 사용을 높일 수 있도록 한 역률 보상기(10)와, 역률보상기와 연결되어 DC 입력전압을 AC 전압으로 변경하는 풀브릿지 입력부(20)와; 풀브릿지 입력부로부터의 AC 전압에 대한 출력 전압을 높이고 고전압과 차체간의 절연을 확보하기 위한 메인 변압기(30)와; 메인 변압기에서 승압된 AC 전압을 DC 전압으로 변환시키는 정류 다이오드(40)와; 정류 다이오드의 오프시 발생하는 서지성 고전압을 제거하는 스너버 회로부(50)와; 출력 커패시터와 함께 출력 전압을 리플이 감소된 DC 전압으로 전환시키는 동시에 노이즈를 줄여주기 위한 출력 인덕터(60)와; 출력 인덕터(60)와 함께 출력 전압을 리플이 감소된 DC 전압으로 전환시키는 동시에 노이즈를 감소시키기 위한 출력 커패시터(70)와; 출력 커패시터로부터의 DC 전압을 받아 충전되는 고전압 배터리(80); 를 포함하여 구성되어 있다.
특히, 종래 기술의 일례에 따른 스너버 회로부(50)는 첨부한 도 1에서 보듯이, 정류 다이오드(40)의 출력단과 출력 인덕터(60)의 입력단 사이에 1개의 다이오드(D1)와, 1개의 커패시터(C1)와, 1개의 저항(R1)으로 구성되어 있다.
즉, 상기 스너버 회로부(50)는 다이오드(D1)와 커패시터(C1)이 정류 다이오드(40)의 출력단과 출력 인덕터(60)의 입력단 사이에 차례로 배치되고, 커패시터(C1)에는 저항(R1)이 더 연결된 구성으로 되어 있다.
따라서, 상기 정류 다이오드(40)의 오프(off)시 발생하는 서지(Surge) 전압이 스너버 회로부(50)의 다이오드(D1)을 통해 커패시터(C1)에 충전되고, 커패시터(C1)에 충전된 서지 전압은 저항(R1)을 통해 방전되어 제거된다.
그러나, 상기 저항(R1)에서 발열 형태의 손실이 발생하고, 발열이 크게 발생할 경우 스너버 회로에 소손으로 이어질 수 있으며, 결국 전체 회로의 파괴로 이어질 수 있는 위험성이 있다.
종래 기술의 다른 예에 따른 스너버 회로부(50)는 첨부한 도 2에서 보듯이, 정류 다이오드(40)의 출력단과 출력 인덕터(60)의 출력단 사이에 2개의 다이오드(D1,D2)와, 1개의 커패시터(C1)로 구성되어 있다.
즉, 상기 스너버 회로부(50)는 정류 다이오드(40)의 출력단과 출력 인덕터(60)의 출력단 사이에 차례로 배열되는 제1다이오드(D1)와 커패시터(C1)를 비롯하여, 출력 인덕터(60)의 출력단으로부터 다시 커패시터(C1)쪽으로 폐구간을 이루면서 전압을 인가시키는 제2다이오드(D2)를 포함하여 구성되어 있다.
따라서, 상기 정류 다이오드(40)의 오프시 발생하는 서지 전압이 커패시터(C1)에 충전되고(도 2의 검정색 화살표 방향), 커패시터(C1)에 충전된 서지 전압은 도 2의 흰색 화살표로 표시한 바와 같이 출력 인덕터(60)와 제2다이오드(D2)를 거쳐 다시 커패시터(C1)쪽으로 방전되며 제거된다.
그러나, 상기 출력 인덕터(60)의 리플을 비롯하여, 커패시터(C1)와 변압기 누설 인덕터스가 공진하여 발생하는 전류가 더해져 출력 커패시터(70)쪽으로 출력됨으로써, 인덕터에 흐르는 전류 리플이 커짐과 동시에 출력 커패시터(70)에 RMS (root mean square) 전류를 증가시켜 커패시터의 수명을 단축시키는 단점이 있고, 또한 고전압 배터리쪽으로도 리플 전류가 증가하여 배터리 수명에 악영향을 미칠 수 있는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 온보드 충전기의 변압기 2차 정류단에 캐패시터 2개, 다이오드 3개를 새롭게 조합 배열하여, 정류 다이오드에서 발생하는 서지 전압을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 출력 전류 리플을 줄일 수 있도록 한 친환경 차량의의 배터리 충전용 온보드 충전기를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 AC 상용 전원과 연결되는 역률 보상기와, 역률보상기와 연결되어 DC 입력전압을 AC 전압으로 변경하는 풀브릿지 입력부와, 풀브릿지 입력부로부터의 AC 전압에 대한 출력 전압을 승압시키는 메인 변압기와, 메인 변압기에서 승압된 AC 전압을 DC 전압으로 변환시키는 정류 다이오드와, 정류 다이오드의 오프시 발생하는 서지성 고전압을 제거하는 스너버 회로부와, 출력 커패시터와 함께 출력 전압을 리플이 감소된 DC 전압으로 전환시키는 출력 인덕터와, 출력 인덕터와 함께 출력 전압을 리플이 감소된 DC 전압으로 전환시키는 출력 커패시터와, 출력 커패시터로부터의 DC 전압을 받아 충전되는 고전압 배터리를 포함하는 친환경 차량의 배터리 충전용 온보드 충전기에 있어서,
상기 스너버 회로부는: 정류 다이로드의 출력단과 연결되어 정류 다이오드로부터의 서지 전압을 충전하는 제1커패시터 및 제2커패시터와; 제1 및 제2커패시터로부터 각각 방전되는 서지 전압의 폐루프 방전경로를 이루도록 제1 및 제2커패시터와 폐루프를 형성하며 연결되는 제1 내지 제3다이오드; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 친환경 차량의 배터리 충전용 온보드 충전기를 제공한다.
본 발명의 바람직한 구현예로서, 상기 제1커패시터의 타단은 제1다이오드의 애노드와 연결되는 동시에 제3다이오드의 캐소드와 연결되고, 상기 제2커패시터의 일단은 제1다이오드의 캐소드와 연결되는 동시에 캐소드가 인덕터의 일단과 연결된 제2다이오드의 애노드와 연결되며, 상기 제2커패시터의 타단은 제3다이오드의 애노드와 연결된 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
본 발명에 따르면, 플러그-인 하이브리드 또는 전기차용 온보드 충전기의 변압기 2차 정류단에 캐패시터 2개, 다이오드 3개를 조합 배열하는 스너버 회로 구성을 통하여, 정류 다이오드에서 발생하는 서지 전압을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 출력 전류 리플을 줄일 수 있다.
또한, 스너버 회로부의 출력 리플 전류의 감소에 따른 RMS 전류를 감소시킬 수 있고, 결국 출력 커패시터의 수명과 고전압 배터리의 수명을 늘려 비용 절감을 이룰 수 있다.
도 1 및 도 2는 종래의 온보드 충전기 회로 구성을 나타낸 회로도,
도 3은 본 발명에 따른 플러그-인 하이브리드 및 전기자동차의 배터리 충전용 온보드 충전기를 나타낸 회로도,
도 4는 본 발명 및 종래의 스너버 회로의 다이오드에 작용하는 전압을 측정한 파형도,
도 5는 본 발명 및 종래의 스너버 회로의 출력전류 리플을 나타낸 파형도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
전술한 바와 같이, 친환경 차량 즉, 플러그-인 하이브리드 및 전기자동차는 고전압 배터리에 대한 충전을 위하여 온보드 충전기를 포함하고 있으며, 그 충전 방법은 보통 가정용 교류 전원을 차량내에 설치되어 있는 온보드 충전기에 인가하는 단계와, 온보드 충전기에 의해 교류전원이 직류전원으로 변환되어 충전전류가 생성되는 단계와, 온보드 충전기에서 생성된 충전전류가 고전압 배터리에 인가되어 충전되는 단계로 이루어지고 있다.
상기 온보드 충전기는 정류 다이오드의 서지 전압을 최소화하는 동시에 출력 전류의 리플을 줄이고, 궁극적으로는 출력 커패시터 및 고전압 배터리의 수명이 단축되는 것을 방지하기 위하여 스너버 회로부를 포함한다.
첨부한 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 온보드 충전기는: AC 상용 전원과 연결되어, AC 입력전류의 역률을 입력전압의 역률과 동일하도록 보상하여 유효전력의 사용을 높일 수 있도록 한 역률 보상기(10)와, 역률보상기와 연결되어 DC 입력전압을 AC 전압으로 변경하는 풀브릿지 입력부(20)와; 풀브릿지 입력부로부터의 AC 전압에 대한 출력 전압을 높이고 고전압과 차체간의 절연을 확보하기 위한 메인 변압기(30)와; 메인 변압기에서 승압된 AC 전압을 DC 전압으로 변환시키는 정류 다이오드(40)와; 정류 다이오드의 오프시 발생하는 서지성 고전압을 제거하는 스너버 회로부(50)와; 출력 커패시터와 함께 출력 전압을 리플이 감소된 DC 전압으로 전환시키는 동시에 노이즈를 줄여주기 위한 출력 인덕터(60)와; 출력 인덕터(60)와 함께 출력 전압을 리플이 감소된 DC 전압으로 전환시키는 동시에 노이즈를 감소시키기 위한 출력 커패시터(70)와; 출력 커패시터로부터의 DC 전압을 받아 충전되는 고전압 배터리(80); 를 포함하여 구성된다.
본 발명에 따른 상기 스너버 회로부(50)는 변압기 2차 정류단인 정류 다이오드(40)와 출력 인덕터(60) 사이에 캐패시터 2개, 다이오드 3개를 조합 배열하는 회로 구성을 통하여, 정류 다이오드에서 발생하는 서지 전압을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 출력 전류 리플을 줄일 수 있도록 한 것이다.
즉, 본 발명의 스너버 회로부(50)는 정류 다이로드(40)의 출력단과 연결되어 정류 다이오드(40)로부터의 서지 전압을 충전하는 충전경로에 제1커패시터(C1) 및 제2커패시터(C2)가 배치된 점, 그리고 제1 및 제2커패시터(C1,C2)에 충전된 서지 전압의 방전경로서 제1 및 제2커패시터(C1,C2)와 폐루프를 형성하며 연결되는 제1 내지 제3다이오드(D1,D2,D3)를 포함하는 점에 특징이 있다.
상기 제1커패시터(C1)의 일단은 정류 다이오드(40)의 출력단에 연결되고, 제1커패시터(C1)의 타단은 제1다이오드(D1)의 애노드와 연결되는 동시에 제3다이오드(D3)의 캐소드와 연결된다.
또한, 상기 제2커패시터(D2)는 제1커패시터(C1)와 제1 및 제2다이오드(C1,C3)를 사이에 두고 배열되는 바, 이 제2커패시터(D2)의 일단은 제1다이오드(D1)의 캐소드와 연결되는 동시에 제2다이오드(D2)의 애노드와 연결되고, 제2커패시터(D2)의 타단은 제3다이오드(D3)의 애노드와 연결된다.
이때, 상기 제2다이오드(D2)의 캐소드는 인덕터(60)의 입력단쪽에 연결된다.
이러한 본 발명의 스너버 회로 구성에서 서지 전압을 충전하는 충전경로는 첨부한 도 3의 검정색 화살표로 표시한 바와 같이 제1커패시터(C1)와 제1다이오드(D2)와 제2커패시터(C2)의 순서로 이루어진다.
반면, 상기 제1 및 제2커패시터(C1,C2)의 각 방전경로는 폐루프를 이루게 된다.
보다 상세하게는, 상기 제1커패시터(C1)의 방전경로는 도 3의 흰색 화살표로 표시된 바와 같이 제1커패시터(C1)의 (+)단으로부터 출력 인덕터(60)와 출력 커패시터(70)가 연결된 경로를 거쳐 제3다이오드(D3)를 순환하는 폐루프를 이루고, 제2커패시터(C2)의 방전경로는 도 3의 흰색 화살펴로 표시된 바와 같이 제2커패시터(C1)의 (+)단으로부터 제2다이오드(D2)를 거쳐 출력 인덕터(60)와 출력 커패시터(70)를 차례로 순환하는 폐루프를 이루게 된다.
따라서, 상기 정류 다이오드(40)의 오프시 발생하는 서지 전압이 제1커패시터(C1)에 충전되는 동시에 제1다이오드(D2)를 거쳐 제2커패시터(C2)에 충전되어 제거된다.
반면, 상기 정류 다이오드의 정상 작동시 제1커패시터(C1)에 충전된 서지 전압이 제1커패시터(C1)의 (+)단으로부터 출력 인덕터(60)와 출력 커패시터(70)쪽으로 방전되고, 또한 제2커패시터(C2)에 충전된 서지 전압은 제2커패시터(C1)의 (+)단으로부터 제2다이오드(D2)를 거쳐 출력 인덕터(60)와 출력 커패시터(70)쪽으로 방전된다.
이때, 상기 출력 인덕터(60)의 리플만이 출력단인 출력 커패시터(70)쪽으로 전달되므로, 종래의 다른 예에 따른 스너버 회로에서 인덕터 리플 이외에 서지전압 충방전용 커패시터와 인덕터의 누설 인덕턴스가 공진하여 발생하는 전류가 더해져 리플 전류가 증가하는 점과 달리, 최종 출력 전류의 리플을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 시험예 결과로서, 본 발명 및 종래의 스너버 회로의 다이오드에 작용하는 전압을 측정한 파형도인 첨부한 도 4를 참조하면, 전술한 종래의 일례에 따른 스너버 회로에 의하여 스너빙(snubbing)된 후의 정상 동작시의 정류 다이오드의 전압(도 4에 종래 1로 표시) 피크(peak)가 계속 높게 나타내는 현상이 발생되지만, 종래의 다른 예에 따른 스너버 회로 및 본 발명의 스너버 회로는 정류 다이오드의 전압 피크는 제한되어 출력됨을 알 수 있었으며, 이를 통해 낮은 내압의 정류 다이오드를 사용할 수 있음을 알 수 있다.
본 발명의 시험예 결과로서, 본 발명 및 종래의 스너버 회로의 출력전류 리플을 나타낸 파형도인 첨부한 도 5를 참조하면, 전술한 종래의 일례 및 다른 예에 따른 스너버 회로에 의한 출력 전류 리플은 높게 나타났으며, 특히 종래의 다른 예에 따른 스너버 회로에 의한 출력 전류 리플(종래 2로 표시됨)은 공진으로 인하여 상단히 높게 나타났으며, 반면 본 발명의 스너버 회로에 의한 출력 리플은 0.6A 수준으로 낮게 나타났음을 알 수 있었다.
이와 같이, 본 발명에 따른 스너버 회로에 의하면 정류 다이오드에서 발생하는 서지 전압을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 출력 전류 리플을 크게 줄일 수 있고, 또한 출력 리플 전류의 감소에 따른 RMS 전류를 감소시킬 수 있으며, 궁극적으로는 출력 커패시터의 수명과 고전압 배터리의 수명이 단축되는 것을 방지할 수 있다.
10 : 역률 보상기
20 : 풀브릿지 입력부
30 : 메인 변압기
40 : 정류 다이오드
50 : 스너버 회로부
60 : 출력 인덕터
70 : 출력 커패시터
80 : 고전압 배터리

Claims (2)

  1. AC 상용 전원과 연결되는 역률보상기와 연결되어 DC전압을 AC전압으로 변경하는 풀브릿지 입력부(20)와, 풀브릿지 입력부로부터의 AC 전압을 승압시키는 메인 변압기(30)와, 메인 변압기에서 승압된 AC 전압을 DC 전압으로 변환시키는 정류 다이오드(40)와, 정류 다이오드의 오프시 발생하는 서지성 고전압을 제거하는 스너버 회로부(50)와, 출력 커패시터와 함께 출력 전압을 리플이 감소된 DC 전압으로 전환시키는 출력 인덕터(60)와, 출력 인덕터(60)와 함께 출력 전압을 리플이 감소된 DC 전압으로 전환시키는 출력 커패시터(70)를 포함하는 친환경 차량의 배터리 충전용 온보드 충전기에 있어서,
    상기 스너버 회로부(50)는:
    정류 다이로드(40)의 출력단과 연결되어 정류 다이오드(40)로부터의 서지 전압을 충전하는 제1커패시터(C1) 및 제2커패시터(C2)와;
    제1 및 제2커패시터(C1,C2)로부터 각각 방전되는 서지 전압의 폐루프 방전경로를 이루도록 제1 및 제2커패시터(C1,C2)와 폐루프를 형성하며 연결되는 제1 내지 제3다이오드(D1,D2,D3);
    를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 친환경 차량의의 배터리 충전용 온보드 충전기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1커패시터(C1)의 타단은 제1다이오드(D1)의 애노드와 연결되는 동시에 제3다이오드(D3)의 캐소드와 연결되고, 상기 제2커패시터(D2)의 일단은 제1다이오드(D1)의 캐소드와 연결되는 동시에 캐소드가 인덕터(60)의 일단과 연결된 제2다이오드(D2)의 애노드와 연결되며, 상기 제2커패시터(D2)의 타단은 제3다이오드(D3)의 애노드와 연결된 것을 특징으로 하는 친환경 차량의 배터리 충전용 온보드 충전기.
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