KR20150004487A - 충전 장치 및 충전 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일실시예에 따르면 충전 장치가 제공된다. 상기 충전 장치는, 교류 전압인 입력 전압을 정류하여 제1 직류 전압으로 변환하는 제1 컨버터; 상기 제1 직류 전압을 입력받고, 상기 제1 직류 전압을 제1 배터리를 충전하기 위한 제1 충전 전압으로 변환하는 제2 컨버터; 상기 제2 컨버터의 동작 중에 발생하는 서지 전압을 흡수하는 스너버 회로; 및 상기 제2 컨버터가 동작하는 경우에 상기 스너버 회로에 의해 흡수된 전압을 이용해 제2 배터리를 충전하기 위한 제2 충전 전압을 생성하는 제3 컨버터를 포함한다.

Description

충전 장치 및 충전 방법{CHARGING APPARATUS AND CHARGING METHOD}
본 발명은 충전 장치 및 충전 방법에 관한 것으로써, 구체적으로 전기 자동차 또는 플러그인 하이브리드 차(plug-in hybrid car)의 배터리를 충전하는 충전 장치 및 충전 방법에 관한 것이다.
플로그인 하이브리드 차 및 전기 자동차(이하 전기차 라 함)는 상용 교류 전원(AC 전원)을 이용해 차량 내부의 배터리를 충전하는 충전 장치(on board charger)가 필요하다. 전기차에 사용되는 종래의 충전 장치는 도 1과 같다.
도 1은 전기차에 사용되는 종래의 충전 장치를 나타낸 도면이다.
충전 장치는 AC/DC 컨버터(10), DC/DC 컨버터(20) 및 DC/DC 컨버터(30)를 포함한다.
AC/DC 컨버터(10)는 입력된 교류 전압(V_AC)을 직류 전압으로 변환한다. 구체적으로 AC/DC 컨버터(10)는 정류부(11) 및 LC 필터(12)를 포함한다.
정류부(11)는 다수의 다이오드(D1~D4)를 포함하고, 입력 교류 전압(V_AC)을 정류한다.
LC 필터(12)는 인덕터(L1), 스위치(SW1), 다이오드(D5) 및 캐패시터(C1)를 포함한다. 인덕터(L1)는 정류부(11)로부터 출력된 정류 전압의 노이즈를 제거하여 캐패시터(C1)로 전달한다. 캐패시터(C1)은 인덕터(L1)로부터 전달받은 직류 전압을 저장한다. 한편, 스위치(SW1)의 온/오프 기간에 따라 캐패시터(C1)에 저장되는 전압의 양이 결정된다. 구체적으로 스위치(SW1)가 턴오프된 경우에는 정류부(11)로부터 출력된 정류 전압이 인덕터(L1)와 다이오드(D5)를 거쳐 캐패시터(C1)에 전달된다. 스위치(SW1)가 턴온된 경우에는 정류부(11)로부터 출력된 정류 전압은 인덕터(L1)를 거쳐 스위치(SW1)를 통과하게 된다.
DC/DC 컨버터(20)는 캐패시터(C1)에 저장된 직류 전압의 레벨을 조절해 고전압 배터리(40)를 충전하기 위한 제1 충전 전압을 생성한다. 구체적으로 DC/DC 컨버터(20)는 다수의 스위치(SW2~SW5), 변압기(T1), 다수의 정류 다이오드(D6~D9), 인덕터(L2), 캐패시터(C2) 및 스너버 회로(21)를 포함한다. 스너버 회로(21)는 DC/DC 컨버터(20)의 동작 중에 발생하는 서지 전압(surge voltage)을 흡수함으로써, 서지 전압으로부터 회로를 보호한다. 여기서, 서지 전압은, 변압기(T1)의 기생 커패시턴스, 정류 다이오드(D6~D9)의 역회복 특성 및 기생 커패시턴스, 그리고 인덕터(L2)의 영향으로 발생된다. 서지 전압에 의해 DC/DC 컨버터(20, 30)의 이상 동작(예, EMC/EMI성 노이즈, 회로의 효율성 저하)이 발생하게 되고, 심할 경우에 정류 다이오드(D6~D9)가 파괴될 수 있다. 스너버 회로(21)는, 정류 다이오드(D6~D9)와 인덕터(L2) 사이에서 서지성 전압을 흡수한다. 구체적으로 스너버 회로(21)는 저항(Rs), 캐패시터(Cs) 및 다이오드(Ds)를 포함한다. DC/DC 컨버터(20)에 의해 생성된 제1 충전 전압은 고전압 배터리(40)로 전달된다.
DC/DC 컨버터(30)는 저전압 배터리(50) 충전 및 전장 부하에 전원을 공급하기 위한 구성이다. DC/DC 컨버터(30)는 고전압 배터리(40)에 저장된 배터리 전압을 이용해 저전압 배터리(50)를 충전하기 위한 제2 충전 전압을 생성한다. DC/DC 컨버터(30)는 다수의 스위치(SW6~SW9), 변압기(T2), 다수의 정류 다이오드(D10, D11), 인덕터(L3) 및 캐패시터(C3)를 포함한다. 한편, DC/DC 컨버터(30)는 저전압 DC/DC 컨버터(LDC: Low voltage DC/DC Converter)이다. DC/DC 컨버터(30)에 의해 생성된 제2 충전 전압은 저전압 배터리(50)로 전달된다.
도 2는 도 1에 도시된 종래의 충전 장치의 충전 과정을 나타낸 순서도이다.
먼저 교류 전압(V_AC)이 충전 장치에 입력된다(S10).
AC/DC 컨버터(10)는 입력 교류 전압(V_AC)을 정류하여 직류 전압으로 변환한다(S20).
DC/DC 컨버터(20)는 S20 단계에서 생성된 직류 전압의 레벨을 조절해 제1 충전 전압을 생성한다(S30).
S30 단계에서 생성된 제1 충전 전압은 고전압 배터리(40)에 전달된다(S40). 고전압 배터리(40)는 충전된다.
DC/DC 컨버터(30)는 고전압 배터리(40)에 저장된 배터리 전압의 레벨을 조절해 제2 충전 전압을 생성한다(S40).
S40 단계에서 생성된 제2 충전 전압은 저전압 배터리(50)에 전달된다. 저전압 배터리(50)는 충전된다.
한편, 종래의 충전 장치는 저전압 배터리(50)를 충전하기 위해 DC/DC 컨버터(30)가 동작하는데, DC/DC 컨버터(30)는 고전압 배터리(40)로부터 전압(에너지)를 전달받기 때문에 DC/DC 컨버터(30)의 동작 효율에 따라 차량 연비가 감소될 수 있다.
또한, 저전압 배터리(40)를 충전하기 위해서 AC-DC 컨버터(10), DC/DC 컨버터(20), 고전압 배터리(40), DC/DC 컨버터(30), 저전압 배터리(50) 순서로 전력이 전달되는데, 이러한 복잡한 전력 흐름으로 인해 충전 장치의 충전 효율이 떨어지게 된다.
한편, DC/DC 컨버터(20)는 전력 반도체 소자들(예, SW2~SW5 등)과 스너버 회로(21)를 구성하는 소자들(Rs, Cs, Ds 등)을 포함하는데, 이렇게 많은 반도체 소자를 포함하는 종래의 충전 장치는 사이즈가 크고, 충전 효율이 낮다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 충전 효율이 높고 사이즈가 작은 충전 장치 및 상기 충전 장치의 충전 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일실시예에 따르면 충전 장치가 제공된다. 상기 충전 장치는, 교류 전압인 입력 전압을 정류하여 제1 직류 전압으로 변환하는 제1 컨버터; 상기 제1 직류 전압을 입력받고, 상기 제1 직류 전압을 제1 배터리를 충전하기 위한 제1 충전 전압으로 변환하는 제2 컨버터; 상기 제2 컨버터의 동작 중에 발생하는 서지 전압을 흡수하는 스너버 회로; 및 상기 제2 컨버터가 동작하는 경우에 상기 스너버 회로에 의해 흡수된 전압을 이용해 제2 배터리를 충전하기 위한 제2 충전 전압을 생성하는 제3 컨버터를 포함한다.
상기 제3 컨버터는 상기 제2 컨버터가 동작하지 않는 경우에 상기 제1 배터리에 저장된 제1 배터리 전압을 이용해 상기 제2 충전 전압을 생성한다.
상기 스너버 회로는, 상기 제2 컨버터의 동작 중에 상기 서지 전압이 발생하면 턴온되는 제1 다이오드; 및 턴온된 상기 제1 다이오드로부터 전달받은 전압을 저장하는 제1 캐패시터를 포함한다.
상기 제3 컨버터는 상기 제1 캐패시터에 저장된 전압의 레벨을 조절하는 변압기를 포함한다. 여기서, 상기 변압기는, 상기 제2 컨버터가 동작 중인 경우에 제1 기간에 상기 제1 캐패시터로부터 전압을 전달받아 1차측에 축적하고, 제2 기간에 상기 1차측에 축적된 전압을 2차측으로 전달한다.
상기 변압기는 상기 제2 기간에 1차측의 전류를 환류시킨다.
상기 변압기는, 상기 제2 컨버터가 동작하지 않는 경우에 제3 기간에 상기 제1 캐패시터로부터 상기 제1 배터리 전압을 전달받아 1차측에 축적하고, 제4 기간에 상기 제3 기간에 1차측에 축적된 전압을 2차측으로 전달한다.
상기 변압기는 상기 제4 기간에 1차측의 전류를 환류시킨다.
상기 제3 컨버터는, 1차측의 일단이 제1 노드와 연결되고, 상기 제1 노드에 흐르는 전류의 레벨을 조절하여 1차측에서 2차측으로 전달하는 변압기; 일단이 상기 변압기의 1차측의 타단과 연결되고 타단이 접지되는 제1 스위치; 일단이 상기 변압기의 1차측의 타단과 연결되는 제2 스위치; 및 일단이 상기 제2 스위치의 타단과 연결되고 타단이 상기 제1 노드와 연결되는 제2 캐패시터를 포함한다.
상기 제3 컨버터는, 상기 변압기로부터 전달된 전압을 정류하는 제1 정류부; 및 상기 제1 정류부에 의해 정류된 전압의 노이즈를 제거하여 상기 제2 충전 전압을 생성하는 제1 필터를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 필터는, 상기 제1 정류부에 의해 정류된 전압의 노이즈를 제거하는 제1 인덕터; 및 상기 제1 인덕터에 의해 노이즈가 제거된 전압인 상기 제2 충전 전압을 저장하는 제2 캐패시터를 포함한다.
상기 제2 충전 전압의 레벨은 상기 제1 충전 전압의 레벨 보다 낮다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 충전기의 충전 방법이 제공된다. 상기 충전기의 충전 방법은, 교류 전압인 입력 전압을 정류하여 제1 직류 전압으로 변환하는 단계; 상기 제1 직류 전압을 입력받고, 상기 제1 직류 전압의 레벨을 조절해 제1 배터리를 충전하기 위한 제1 충전 전압을 생성하는 단계; 상기 제1 충전 전압을 생성하는 단계에서 발생하는 서지 전압을 제1 캐패시터를 이용해 흡수하는 단계; 및 상기 제1 충전 전압을 생성하는 단계를 통해 제1 충전 전압을 생성하는 경우에 상기 제1 캐패시터에 저장된 제1 전압을 이용해 제2 배터리를 충전하기 위한 제2 충전 전압을 생성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 충전 장치를 구성하는 DC/DC 컨버터를 적은 개수의 반도체 소자로 설계할 수 있어, 제작 비용을 줄이고 충전 장치의 사이즈를 최소화할 수 있다.
또한, 종래에는 고전압 배터리를 충전한 후에 고전압 배터리에 저장된 전압(에너지)를 이용해 저전압 배터리를 충전하므로 전력의 흐름이 복잡하였다. 하지만, 본 발명은 스너버 회로에 의해 흡수된 서지 전압을 이용해 저전압 배터리를 충전하므로(즉, 고전압 배터리를 거치지 않고 저전압 배터리를 충전할 수 있으므로) 전력의 흐름이 짧고 간소하다. 이를 통해, 충전 효율을 높일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 고전압 배터리를 충전하고 있지 않는 경우에 고전압 배터리에 저장된 전압(에너지)을 이용해 저전압 배터리를 충전하는데, 이때 고전압 배터리에 저장된 전압은 고전압 배터리와 연결된 인덕터를 통과하게 된다. 이를 통해, 충전 장치의 EMC(Electromagnetic Compatibility) 억제 능력을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 저전압 배터리 충전용 전압을 생성하는 DC/DC 컨버터는 액티브 포워드 컨버터 구조이므로, 회로 용량이 700~1.5kW까지 확대된다. 이를 통해, 충전 장치는 일반 차량의 배터리(예, 12V 배터리 등)도 충전할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 절연 변압기를 이용하기 때문에 고전압 배터리와 저전압 배터리 사이에 단락이 되는 현상을 방지할 수 있다.
도 1은 전기차에서 사용되는 종래의 충전 장치를 나타낸 도면.
도 2는 도 1에 도시된 충전 장치의 충전 과정을 나타낸 순서도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 충전 장치를 나타낸 도면.
도 4는 고전압 배터리와 저전압 배터리를 함께 충전하는 경우의 전류 흐름을 나타낸 도면.
도 5는 고전압 배터리와 저전압 배터리를 함께 충전하는 경우의 충전 과정을 나타낸 순서도.
도 6은 저전압 배터리만을 충전하는 경우의 전류 흐름을 나타낸 도면.
도 7은 저전압 배터리만을 충전하는 경우의 충전 과정을 나타낸 순서도.
도 8은 DC/DC 컨버터(230)가 턴오프 상태인 경우의 전류 흐름을 나타낸 도면.
도 9는 DC/DC 컨버터(230)가 턴온 상태인 경우의 전류 흐름을 나타낸 도면.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 충전 장치를 나타낸 도면이다.
충전 장치는 AC/DC 컨버터(100), DC/DC 컨버터(210), 스너버 회로(220) 및 DC/DC 컨버터(230)를 포함한다.
AC/DC 컨버터(100)는 입력된 교류 전압(V_AC)을 정류하여 직류 전압으로 변환한다. AC/DC 컨버터(100)의 구성은 도 1과 함께 상술한 AC/DC 컨버터(10)와 동일하므로, 자세한 설명은 생략한다.
DC/DC 컨버터(210)는 AC/DC 컨버터(100)에 의해 변환된 직류 전압(이하 제1 직류 전압이라 함)의 레벨을 조절해 제1 충전 전압을 생성한다. 여기서, 상기 제1 충전 전압은 고전압 배터리(40)를 충전하기 위한 전압이다. 구체적으로 DC/DC 컨버터(210)는 스위칭부(211), 변압기(212), 정류부(213) 및 필터(214)를 포함한다.
스위칭부(211)는 다수의 스위치(SW11~SW14)를 포함하며 다수의 스위치(SW11~SW14)의 스위칭 동작을 통해 제1 직류 전압을 교류 전압으로 변환한다. 구체적으로 한 쌍의 스위치(SW11, SW14)는 동시에 턴온/턴오프되고, 한 쌍의 스위치(SW12, SW13)는 동시에 턴온/턴오프된다.
변압기(212)는 스위칭부(211)로부터 전달된 교류 전압(이하 제1 교류 전압이라 함)의 레벨을 조절한다. 구체적으로 변압기(212)는 스위칭부(211)로부터 전달된 전류(제1 교류 전압에 대응함)의 레벨을 조절해 1차측(N1)에서 2차측(N2)으로 전달한다.
정류부(213)는 변압기(212)로부터 출력된 교류 전압을 정류한다. 구체적으로 정류부(213)는 다수의 정류 다이오드(D16~D19)를 포함한다.
필터(214)는 정류부(213)에 의해 정류된 전압(이하 제1 정류 전압이라 함)의 노이즈를 제거하여 제1 충전 전압을 생성한다. 구체적으로 필터(214)는 인덕터(L_OUT)와 캐패시터(C_OUT)를 포함한다. 인덕터(L_OUT)는 제1 정류 전압의 노이즈를 제거하여 캐패시터(C_OUT)로 전달한다. 캐패시터(C_OUT)는 인덕터(L_OUT)로부터 전달된 전압(제1 충전 전압)을 저장한다. 스위칭부(211)의 스위치(예, SW11, SW14)가 턴온 상태이고 DC/DC 컨버터(210)에 의해 에너지가 고전압 배터리(40)로 전달되는 구간에서는, 인덕터(L_OUT)는 에너지 축적 상태(전류 상승 구간)가 되고, 캐패시터(C_OUT)도 에너지 축적 상태가 된다. 이때, 다이오드(D_SB)가 도통되고, 도통된 다이오드(D_SB)로부터 전달된 전압을 통해 캐패시터(C_SB)가 충전된다.
스너버 회로(220)는 DC/DC 컨버터(210) 동작 중에 서지 전압(surge voltage)이 발생하면 서지 전압을 흡수함으로써, DC/DC 컨버터(210)를 서지 전압으로부터 보호한다. 여기서 서지 전압이란 단시간 내에 심한 파형의 변화를 일으키는 전압이다. 예를 들어, 서지 전압이 발생한 경우는 제1 정류 전압의 레벨이 설계치(예상 범위)보다 과하게 높은 경우일 수 있다. 스너버 회로(220)는 다이오드(D_SB)와 캐패시터(C_SB)를 포함한다. 다이오드(D_SB)는 노드(ND1)에 서지 전압이 발생하면 도통된다. 캐패시터(C_SB)는 도통된 다이오드(D_SB)로부터 전달된 서지 전압을 저장한다. 즉, 캐패시터(C_SB)는 도통된 다이오드(D_SB)로부터 전달된 서지 전압을 통해 충전된다.
DC/DC 컨버터(230)는 DC/DC 컨버터(210)가 동작하는 경우(즉, 제1 충전 전압이 생성되는 경우)에 스너버 회로(220)에 의해 흡수된 전압(즉, 캐패시터(C_SB)에 저장된 전압)의 레벨을 조절해 제2 충전 전압을 생성한다. 여기서 제2 충전 전압은 저전압 배터리(50)를 충전하기 위한 전압이다. 한편, DC/DC 컨버터(230)는 DC/DC 컨버터(210)가 동작하지 않는 경우(즉, 제1 충전 전압이 생성되지 않는 경우)에 고전압 배터리(40)에 저장된 전압(이하 제1 배터리 전압이라 함)을 이용해 제2 충전 전압을 생성한다. 구체적으로 DC/DC 컨버터(230)는 액티브 포워드 컨버터(active forward converter) 구조이고, 제어부(231), 변압기(232), 정류부(233) 및 필터(234)를 포함한다.
변압기(232)는 노드(ND2)의 전압 레벨을 1차측(N1)과 2차측(N2)의 권선비에따라 조절한다. 구체적으로 변압기(232)는 노드(ND2)에 흐르는 전류의 레벨을 조절하여 1차측(N1)에서 2차측(N2)으로 전달한다. 변압기(232)의 1차측(N1)의 일단은 노드(ND2)와 연결되고, 변압기(232)의 1차측(N1)의 타단은 노드(ND3)와 연결된다. 한편, 노드(ND2)의 전압은 스너버 회로(220)에 의해 흡수된 서지 전압(즉, 캐패시터(C_SB)에 저장된 서지 전압) 및 고전압 배터리(40)에 저장된 전압 중 어느 하나일 수 있다. 구체적으로 DC/DC 컨버터(210)가 동작하는 경우(즉, 제1 충전 전압이 생성되는 경우)에는 스너버 회로(220)에 의해 흡수된 서지 전압이 노드(ND2)에 실리고, DC/DC 컨버터(210)가 동작하지 않는 경우(즉, 제1 충전 전압이 생성되지 않는 경우)에는 제1 배터리 전압이 노드(ND2)에 실린다. 한편, 변압기(232)는 절연 변압기이다. 절연 변압기인 변압기(232)를 사용함으로써, 고전압 배터리(40)와 저전압 배터리(50) 사이에 단락이 되는 현상이 방지된다.
제어부(231)는 변압기(232)에 전달되는 전압/전류를 제어한다. 구체적으로 제어부(231)는 스위치(SW15), 스위치(SW16) 및 캐패시터(C4)를 포함한다. 스위치(SW16)는 일단이 노드(ND3)와 연결되고, 타단은 접지된다. 스위치(SW15)는 일단이 노드(ND3)와 연결되고, 타단은 캐패시터(C4)의 일단과 연결된다. 캐패시터(C4)는 타단이 노드(ND2)와 연결된다. 구체적으로, 스위치(SW16)가 턴온되고 스위치(SW15)가 턴오프되면, 노드(ND2)에 실린 전류(에너지)는 변압기(232)의 1차측(N1)에서 변압기(232)의 2차측(N2)으로 전달되지 않는다. 이 경우에, 노드(ND2)에 실린 전압(에너지)은 변압기(232)의 1차측(N1)에 축적된다. 이하에서는 스위치(SW16)가 턴온되고 스위치(SW15)가 턴오프된 경우를 'DC/DC 컨버터(230)가 턴오프 상태인 경우'라 한다. 한편, 스위치(SW16)가 턴오프되고 스위치(SW15)가 턴온되면, 노드(ND2)에 실린 전류(에너지)는 노드(ND3)와 캐패시터(C4)를 통해 환류한다. 이 경우에, 변압기(232)의 1차측(N1)에 축적되어 있던 전압(에너지)는 변압기(232)의 2차측(N2)으로 전달된다. 이하에서는 스위치(SW16)가 턴오프되고 스위치(SW15)가 턴온된 경우를 'DC/DC 컨버터(230)가 턴온 상태인 경우'라 한다.
정류부(233)는 변압기(232)로부터 전달된 전압을 정류한다. 구체적으로 정류부(233)는 다수의 정류 다이오드(D20, D21)를 포함한다.
필터(234)는 정류부(233)에 의해 정류된 전압의 노이즈를 제거하여 제2 충전 전압을 생성한다. 구체적으로 필터(234)는 인덕터(L4)와 캐패시터(C5)를 포함한다. 인덕터(L4)는 정류부(233)에 의해 정류된 전압의 노이즈를 제거하여 캐패시터(C5)로 전달한다. 캐패시터(C5)는 인덕터(L4)로부터 전달받은 전압(제2 충전 전압)을 저장한다.
도 4는 고전압 배터리와 저전압 배터리를 함께 충전하는 경우의 전류 흐름을 나타낸 도면이다.
본 발명의 충전 장치는 상용 교류 전압(V_AC)을 이용하여 고전압 배터리(40)를 충전하는 경우에 저전압 배터리(50)도 함께 충전한다. 구체적으로, 상용 교류 전압인 입력 전압(V_AC)을 이용해 고전압 배터리(40)를 충전하는 경우에 AC/DC 컨버터(100), 스위칭부(211), 변압기(212), 정류부(213) 및 필터(214)를 통해 화살표(A1)와 같은 전류 경로가 형성된다. 즉, 입력 교류 전압(V_AC)이 AC/DC 컨버터(100)에 의해 제1 직류 전압으로 변환되고, 제1 직류 전압이 스위칭부(211), 변압기(212), 정류부(213) 및 필터(214)를 거쳐 제1 충전 전압으로 변환된다. 구체적으로, 스위칭부(211)의 스위치(예, SW11, SW14)가 턴온 상태이고 DC/DC 컨버터(210)에 의해 에너지가 고전압 배터리(40)로 전달되는 구간에서는, 인덕터(L_OUT)는 에너지 축적 상태가 되고, 캐패시터(C_OUT)도 에너지 축적 상태가 된다. 이때, 다이오드(D_SB)가 도통되어 화살표(A2_1)와 같은 전류 경로가 형성된다. 도통된 다이오드(D_SB)로부터 전달된 전압을 통해 캐패시터(C_SB)가 충전된다. 여기서, 스위치(SW15)는 턴온 상태이고, 스위치(SW16)는 턴오프 상태이다.
그리고 제1 충전 전압은 고전압 배터리(40)에 전달된다. 구체적으로, 스위칭부(211)의 스위치(예, SW11, SW14)가 턴온 상태이지만 DC/DC 컨버터(210)에 의해 고전압 배터리(40)로 에너지가 전달되지 않는 구간에서는, 인덕터(L_OUT)에 축적되어 있던 에너지가 방전(전류 하강 구간)되고, 캐패시터(C_OUT)도 축적되어 있던 에너지가 방전되어 고전압 배터리(40)로 에너지가 전달된다. 이를 통해, 고전압 배터리(40)가 충전된다. 이때, 다이오드(D_SB)는 차단(정류부(213)에 의해 정류된 전압이 없으므로 전위차에 의해 차단됨)되고, 화살표(A2_2, A3)와 같은 전류 경로가 형성된다. 즉, 캐패시터(C_SB)에 축적되어 있던 에너지가 DC/DC 컨버터(230)을 통해 필터(234)로 전달된다. 이때, 제어부(231)의 스위치(SW15)는 턴오프 상태에서 턴온 상태로 변경되고, 스위치(SW16)는 턴온 상태에서 턴오프 상태로 변경된다. 인덕터(L4)와 캐패시터(C5)는 필터(234)로 전달된 에너지를 축적한다.
그리고, 제어부(231)의 스위치(SW15)가 턴오프되고 스위치(SW16)가 턴온되어 에너지가 변압기(232)를 통해 필터(234)로 전달되지 않는 경우에, 인덕터(L4)와 캐패시터(C5)에 축적되어 있던 에너지가 방전되어 저전압 배터리(50)로 전달된다. 이를 통해, 저전압 배터리(50)가 충전된다.
도 5는 고전압 배터리와 저전압 배터리를 함께 충전하는 경우의 충전 과정을 나타낸 순서도이다. 도 4 및 도 5를 참고하여 고전압 배터리(40)와 저전압 배터리(50)를 함께 충전하는 경우의 충전 과정을 설명한다.
먼저 상용 교류 전압(V_AC)이 충전 장치에 입력된다(S110).
AC/DC 컨버터(100)가 교류 전압(V_AC)을 제1 직류 전압으로 변환한다(S120).
제1 직류 전압은 스위칭부(211)를 통과하여 제1 교류 전압으로 변환되고, 제1 교류 전압은 변압기(212)를 통해 전압 레벨이 조절된다. 그리고 변압기(212)를 통과한 전압은 정류부(213)를 통해 정류되고, 제1 정류 전압은 인덕터(L_OUT)에 의해 노이즈가 제거되어 캐패시터(C_OUT)에 저장된다(S130).
캐패시터(C_OUT)에 저장된 전압(제1 충전 전압)은 고전압 배터리(40)에 전달되고, 고전압 배터리(40)는 충전된다(S140).
한편, 정류부(213)에 의해 정류된 전압인 제1 정류 전압에서 서지 현상이 발생한 경우에, 스너버 회로(220)가 노드(ND1)에 실린 제1 정류 전압을 흡수한다. 구체적으로 제1 정류 전압에서 서지 현상이 발생하면 다이오드(D_SB)가 도통되어 제1 정류 전압이 캐패시터(C_SB)에 전달되고, 캐패시터(C_SB)는 전달된 전압을 저장한다.
캐패시터(C_SB)에 저장된 제1 정류 전압은 DC/DC 컨버터(230)로 전달된다. 노드(ND2)에 실린 제1 정류 전압은 변압기(232)에 의해 전압 레벨이 조절되고, 변압기(232)를 통과한 전압은 정류부(233)에 의해 정류된다. 그리고 정류부(233)에 의해 정류된 전압은 필터(234)에 의해 노이즈가 제거되어 제2 충전 전압으로 변환된다(S150).
제2 충전 전압은 저전압 배터리(50)에 전달된다(S160). 저전압 배터리(50)는 충전된다.
도 6은 저전압 배터리만을 충전하는 경우의 전류 흐름을 나타낸 도면이다.
상용 교류 전원(V_AC)를 이용해 고전압 배터리(40)를 충전하지 않는 경우에는 AC/DC 컨버터(100)와 DC/DC 컨버터(210)는 동작하지 않는다. 여기서 DC/DC 컨버터(210)가 동작하지 않으면, 제1 충전 전압은 생성되지 않는다. 이 경우에 고전압 배터리(40)에 저장된 전압(에너지)를 이용해 저전압 배터리(50)를 충전한다. 구체적으로, 고전압 배터리(40), 인덕터(L_OUT) 및 노드(ND1)를 통해 화살표(A4)와 같은 전류 경로가 형성된다. 그리고 노드(ND1), 스너버 회로(220) 및 노드(ND2)를 통해 화살표(A5)와 같은 전류 경로가 형성된다. 그리고 제어부(231), 변압기(232), 정류부(233) 및 필터(234)를 통해 화살표(A6)와 같은 전류 경로가 형성된다. 즉, 고전압 배터리(40)에 저장된 제1 배터리 전압은 화살표(A4)와 같이 인덕터(L_OUT)를 통과한다. 인덕터(L_OUT)를 통과한 제1 배터리 전압은 화살표(A5)와 같이 스너버 회로(220)를 거쳐 DC/DC 컨버터(230)로 전달된다. DC/DC 컨버터(230)에 전달된 제1 배터리 전압은 화살표(A6) 방향으로 제어부(231), 변압기(232), 정류부(233) 및 필터(234)를 거쳐 제2 충전 전압으로 변환된다. 그리고 제2 충전 전압은 저전압 배터리(50)에 전달된다.
도 7은 저전압 배터리만을 충전하는 경우의 충전 과정을 나타낸 순서도이다.
도 6 및 도 7를 참고하여 고전압 배터리(40)를 충전하지 않는 경우에 저전압 배터리(50)를 충전하는 과정을 설명한다.
먼저 제1 배터리 전압이 인덕터(L_OUT)를 통과한다(S210). 인덕터(L_OUT)를통해 제1 배터리 전압의 노이즈를 1차적으로 제거함으로써 충전 장치의 EMC(Electromagnetic Compatibility) 억제 기능을 더욱 향상시킬 수 있다. 도 1에 도시된 종래의 충전 장치에서는 저전압 배터리(50) 충전 시에 고전압 배터리(40)에 저장된 전압이 인덕터(L2)를 통과하지 않기 때문에 상술한 본 발명과 같은 효과를 기대하기 어렵다.
인덕터(L_OUT)를 통과한 제1 배터리 전압은 스너버 회로(220)를 거쳐 DC/DC 컨버터(230)로 전달된다.
노드(ND2)에 실린 제1 배터리 전압은 변압기(232)에 의해 전압 레벨이 조절되고, 변압기(232)를 통과한 전압은 정류부(233)에 의해 정류된다. 그리고 정류부(233)에 의해 정류된 전압은 필터(234)에 의해 노이즈가 제거되어 제2 충전 전압으로 변환된다(S220).
제2 충전 전압은 저전압 배터리(50)에 전달된다(S230). 저전압 배터리(50)는 충전된다.
한편, 고전압 배터리(40)의 충전 여부와 관계없이 DC/DC 컨버터(230)가 턴온 상태인 경우와 턴오프 상태인 경우는 반복하여 발생한다. 즉, 도 4와 같이 고전압 배터리(40)를 충전하는 경우에 DC/DC 컨버터(230)의 턴온 상태와 턴오프 상태는 번갈아 가며 발생한다. 그리고 도 6과 같이 고전압 배터리(40)를 충전하지 않는 경우에도 DC/DC 컨버터(230)의 턴온 상태와 턴오프 상태는 번갈아 가며 발생한다. DC/DC 컨버터(230)의 턴온 상태와 턴오프 상태의 시간 비에 따라서 DC/DC 컨버터(230)에 의해 생성되는 제2 충전 전압의 레벨이 조절된다.
도 8은 DC/DC 컨버터(230)가 턴오프 상태인 경우의 전류 흐름을 나타낸 도면이다. DC/DC 컨버터(230)가 턴오프 상태인 경우는 스위치(SW16)가 턴온되고 스위치(SW15)가 턴오프된 상태이다.
화살표(A2)와 같은 전류 경로가 형성된다. 즉, 캐패시터(C_SB)에 축적되어 있던 에너지가 DC/DC 컨버터(230)로 전달된다. 그리고 노드(ND2), 변압기(232)의 1차측(N1) 코일 및 스위치(SW16)를 통해 화살표(A3_1~A3_4)와 같은 전류 경로가 형성된다. 상기 전류 경로(A3_1~A3_4)를 통해 변압기(232)의 1차측(N1)에 에너지가 축적된다. 즉, DC/DC 컨버터(230)가 턴오프 상태인 경우에는 노드(ND2)에 실린 전압(에너지)은 변압기(232)의 1차측(N1)에 축적만 되고, 필터(234)로 전달되지는 않는다.한편, 필터(234)로 에너지가 전달되지 않기 때문에, 캐패시터(C5) 및 저전압 배터리(50)를 통해 화살표(A3_5, A3_6)와 같은 전류 경로가 형성된다. 즉, 인덕터(L4)와 캐패시터(C5)에 축적되어 있던 전압(에너지)가 방전되어 저전압 배터리(50)로 전달된다. 이를 통해, 저전압 배터리(50)는 충전된다.
도 9는 DC/DC 컨버터(230)가 턴온 상태인 경우의 전류 흐름을 나타낸 도면이다. DC/DC 컨버터(230)가 턴온 상태인 경우는 스위치(SW16)가 턴오프되고 스위치(SW15)가 턴온된 상태이다.
DC/DC 컨버터(230)가 턴온 상태인 경우에는 노드(ND2), 변압기(232)의 1차측(N1) 코일, 노드(ND3), 스위치(SW15) 및 캐패시터(C4)를 통해 화살표(A3_7~A3_10)와 같은 전류 경로가 형성된다. 이 경우에, 변압기(232)의 1차측(N1)에 축적된 전압(에너지)이 변압기(232)의 2차측(N2)으로 전달된다. 즉, DC/DC 컨버터(230)가 턴온 상태인 경우에는, 에너지는 변압기(232)를 통해 필터(234)로 전달된다. 한편, DC/DC 컨버터(230)는 변압기(232)의 포화(기능 정지)를 막기 위하여 노드(ND2)의 전류를 화살표(A3_7~A3_10)와 같이 환류시킨다. 포화 방지를 위해 전류를 환류시키는 동작을 리셋(reset) 동작이라 한다. 리셋 동작에 의해, 변압기(232)에 도통되던 전류의 흐름이 유지된다.
한편, 변압기(232), 정류부(233), 인덕터(L4) 및 캐패시터(C5)를 통해 화살표(A3_11, A3_12)와 같은 전류 경로가 형성된다. 즉, 변압기(232)를 통과한 전압(에너지)은 정류부(233)에 의해 정류되고, 정류부(233)에 의해 정류된 전압은 인덕터(L4)에 의해 노이즈가 제거되어 캐패시터(C5)에 저장된다. 이를 통해, 캐패시터(C5)는 충전된다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: AC/DC 컨버터 210: DC/DC 컨버터
220: 스너버 회로 230: DC/DC 컨버터
40: 고전압 배터리 50: 저전압 배터리

Claims (20)

  1. 교류 전압인 입력 전압을 정류하여 제1 직류 전압으로 변환하는 제1 컨버터;
    상기 제1 직류 전압을 입력받고, 상기 제1 직류 전압을 제1 배터리를 충전하기 위한 제1 충전 전압으로 변환하는 제2 컨버터;
    상기 제2 컨버터의 동작 중에 발생하는 서지 전압을 흡수하는 스너버 회로; 및
    상기 제2 컨버터가 동작하는 경우에 상기 스너버 회로에 의해 흡수된 전압을 이용해 제2 배터리를 충전하기 위한 제2 충전 전압을 생성하는 제3 컨버터
    를 포함하는 충전 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제3 컨버터는
    상기 제2 컨버터가 동작하지 않는 경우에 상기 제1 배터리에 저장된 제1 배터리 전압을 이용해 상기 제2 충전 전압을 생성하는
    충전 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 스너버 회로는
    상기 제2 컨버터의 동작 중에 상기 서지 전압이 발생하면 턴온되는 제1 다이오드; 및
    턴온된 상기 제1 다이오드로부터 전달받은 전압을 저장하는 제1 캐패시터를 포함하는
    충전 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제3 컨버터는 상기 제1 캐패시터에 저장된 전압의 레벨을 조절하는 변압기를 포함하고,
    상기 변압기는,
    상기 제2 컨버터가 동작 중인 경우에 제1 기간에 상기 제1 캐패시터로부터 전압을 전달받아 1차측에 축적하고, 제2 기간에 상기 1차측에 축적된 전압을 2차측으로 전달하는
    충전 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 변압기는 상기 제2 기간에 1차측의 전류를 환류시키는
    충전 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 변압기는,
    상기 제2 컨버터가 동작하지 않는 경우에 제3 기간에 상기 제1 캐패시터로부터 상기 제1 배터리 전압을 전달받아 1차측에 축적하고, 제4 기간에 상기 제3 기간에 1차측에 축적된 전압을 2차측으로 전달하는
    충전 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 변압기는 상기 제4 기간에 1차측의 전류를 환류시키는
    충전 장치.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 제3 컨버터는,
    1차측의 일단이 제1 노드와 연결되고, 상기 제1 노드에 흐르는 전류의 레벨을 조절하여 1차측에서 2차측으로 전달하는 변압기;
    일단이 상기 변압기의 1차측의 타단과 연결되고 타단이 접지되는 제1 스위치;
    일단이 상기 변압기의 1차측의 타단과 연결되는 제2 스위치; 및
    일단이 상기 제2 스위치의 타단과 연결되고 타단이 상기 제1 노드와 연결되는 제2 캐패시터를 포함하는
    충전 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 노드에 흐르는 전류는, 상기 제1 캐패시터로부터 전달된 전류인
    충전 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 변압기는,
    상기 제1 스위치가 턴온되고 상기 제2 스위치가 턴오프되면 상기 제1 노드의전압을 1차측에 축적하고,
    상기 제1 스위치가 턴오프되고 상기 제2 스위치가 턴온되면 상기 1차측에 축적된 전압을 2차측으로 전달하고 상기 제1 노드에 흐르는 전류를 1차측에서 상기 제2 캐패시터로 환류시키는
    충전 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제3 컨버터는,
    상기 변압기로부터 전달된 전압을 정류하는 제1 정류부; 및
    상기 제1 정류부에 의해 정류된 전압의 노이즈를 제거하여 상기 제2 충전 전압을 생성하는 제1 필터를 더 포함하는
    충전 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 필터는,
    상기 제1 정류부에 의해 정류된 전압의 노이즈를 제거하는 제1 인덕터; 및
    상기 제1 인덕터에 의해 노이즈가 제거된 전압인 상기 제2 충전 전압을 저장하는 제2 캐패시터를 포함하는
    충전 장치.
  13. 제2항에 있어서,
    상기 제2 컨버터는,
    스위칭 동작을 통해 상기 제1 직류 전압을 제1 교류 전압으로 변환하는 스위칭부;
    상기 제1 교류 전압의 레벨을 조절하는 변압기;
    상기 변압기로부터 전달된 전압을 정류하는 정류부; 및
    상기 정류부에 의해 정류된 전압의 노이즈를 제거하여 상기 제1 충전 전압을 생성하는 제2 필터를 포함하는
    충전 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제2 필터는,
    상기 정류부에 의해 정류된 전압의 노이즈를 제거하는 제1 인덕터; 및
    상기 제1 인덕터에 의해 노이즈가 제거된 전압인 상기 제1 충전 전압을 저장하는 제1 캐패시터를 포함하고,
    상기 제3 컨버터는,
    상기 제2 컨버터가 동작하지 않는 경우에 상기 제1 인덕터를 통과한 상기 제1 배터리 전압을 이용해 상기 제2 충전 전압을 생성하는
    충전 장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 제2 충전 전압의 레벨은 상기 제1 충전 전압의 레벨 보다 낮은
    충전 장치.
  16. 교류 전압인 입력 전압을 정류하여 제1 직류 전압으로 변환하는 단계;
    상기 제1 직류 전압을 입력받고, 상기 제1 직류 전압의 레벨을 조절해 제1 배터리를 충전하기 위한 제1 충전 전압을 생성하는 단계;
    상기 제1 충전 전압을 생성하는 단계에서 발생하는 서지 전압을 제1 캐패시터를 이용해 흡수하는 단계; 및
    상기 제1 충전 전압을 생성하는 단계를 통해 제1 충전 전압을 생성하는 경우에, 상기 제1 캐패시터에 저장된 제1 전압을 이용해 제2 배터리를 충전하기 위한 제2 충전 전압을 생성하는 단계
    를 포함하는 충전기의 충전 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제1 충전 전압을 생성하지 않는 경우에 상기 제1 배터리에 저장된 제1배터리 전압을 이용해 상기 제2 충전 전압을 생성하는 단계
    를 더 포함하는 충전기의 충전 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제1 배터리 전압을 이용해 상기 제2 충전 전압을 생성하는 단계는,
    상기 제1 배터리 전압이 상기 제1 배터리의 일단과 연결된 인덕터를 통과하는 단계를 포함하는
    충전기의 충전 방법.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 제1 전압을 이용해 제2 충전 전압을 생성하는 단계는,
    제1 기간에 상기 제1 캐패시터로부터 상기 제1 전압을 전달받아 변압기에 축적하는 단계;
    제2 기간에 상기 변압기에 축적된 전압을 상기 변압기의 1차측에서 2차측으로 전달하는 단계; 및
    상기 제2 기간에 상기 변압기의 1차측의 전류를 환류시키는 단계를 포함하는
    충전기의 충전 방법.
  20. 제16항에 있어서,
    상기 제2 충전 전압의 레벨은 상기 제1 충전 전압의 레벨 보다 낮은
    충전기의 충전 방법.
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