KR20160012505A - 양방향 dc-dc 컨버터의 전력 변환 모드 제어 장치, 방법 및 이를 포함하는 양방향 dc-dc 컨버팅 장치 - Google Patents

양방향 dc-dc 컨버터의 전력 변환 모드 제어 장치, 방법 및 이를 포함하는 양방향 dc-dc 컨버팅 장치 Download PDF

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KR20160012505A KR1020140094038A KR20140094038A KR20160012505A KR 20160012505 A KR20160012505 A KR 20160012505A KR 1020140094038 A KR1020140094038 A KR 1020140094038A KR 20140094038 A KR20140094038 A KR 20140094038A KR 20160012505 A KR20160012505 A KR 20160012505A
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Abstract

본 발명에 의한 양방향 DC-DC 컨버터의 전력 변환 모드 제어 장치는 저전압측 전압 오차와 고전압측 전압 오차를 비교하여 실제 전압이 기준 전압 대비 상대적으로 큰 쪽에서 작은 쪽으로 전력 변환이 수행되도록 전체 기준 전류를 결정하는 제어부; 및 상기 전체 기준 전류와 저전압측 전류의 차에 기반하여 듀티 커맨드를 생성하여 양방향 DC-DC 컨버터에 제공하는 듀티 커맨드 생성부를 포함하여, 외부 지령 없이 컨버터 스스로 저전압측 및 고전압측 전압 오차를 최소화하는 방향으로 끊김 없는 자연스러운 모드 전환이 가능하고, 상위 지령기의 연산 시간과 캔(CAN) 통신으로 인한 시간 지연(time lag)이 없으며, 전류 제어기가 하나로 통합되어 전류 제어기 구성이 간단하다.

Description

양방향 DC-DC 컨버터의 전력 변환 모드 제어 장치, 방법 및 이를 포함하는 양방향 DC-DC 컨버팅 장치{Power conversion mode control apparatus and method for bi-directional DC-DC converter and bi-directional DC-DC converting apparatus comprising the same}
본 발명은 양방향 DC-DC 컨버터의 전력 변환 모드 제어 장치, 방법 및 이를 포함하는 양방향 DC-DC 컨버팅 장치에 관한 것이다.
기존 내연 기관과 더불어 전기 모터를 동력 장치로 사용하는 하이브리드 전기차(HEV: Hybrid Electric Vehicle)에서 고전압 배터리인 48V 배터리와 저전압 배터리인 12V 배터리 사이에는 부스트(boost) 모드 또는 벅(buck) 모드로 동작하는 양방향 DC-DC 컨버터가 존재한다.
HEV의 전체 전력 시스템은 엔진 기동과 회생 제동을 담당하는 모터, 모터 구동 및 회생 전력 제어를 담당하는 인버터, 인버터의 구동과 여유 에너지 저장 장치의 역할로 사용되는 고전압 배터리, 전기 부하 등을 구동하기 위한 저전압 배터리 및 고전압 배터리와 저전압 배터리의 양방향 전력 전달 매개체인 양방향 DC-DC 컨버터로 구성된다.
양방향 DC-DC 컨버터는 고전압과 저전압 사이에서 자유롭게 양방향으로 전력을 변환하여 전달할 수 있어야 하고, 다양한 상황 하에서 신속하고 끊김 없는 모드 전환을 구현해야 한다. 특히, 초기 기동시에는 프리-차지(pre-charge) 구현을 위해 부스트(boost) 모드로 동작을 해야 하고, 프리-차지 종료 후에는 신속하게 벅(buck) 모드로 전력 변환 모드 전환이 이루어져야 한다. 또한, 토크 보조시에도 부스트 모드로 동작하게 되며 그 밖의 상황에서는 고전압측 에너지를 저전압측으로 전달하게 된다.
기존의 양방향 DC-DC 컨버터는 외부 전기 제어 유닛(ECU: Electric Control Unit)이나 상위 지령기에서 현재의 전력 변환 모드를 결정한 후, 캔(CAN) 통신을 통해 DC-DC 컨버터에 명령하면 컨버터는 수동적으로 외부 지령에 의해 부스트 모드 또는 벅 모드로 동작한다.
외부의 캔(CAN) 통신을 통한 지령에 의해 동작하는 양방향 DC-DC 컨버터는 저전압측 및 고전압측 각각에 대한 듀티 커맨드(duty command)를 생성하고, 외부 지령이 캔 통신을 통해 DC-DC 컨버터에 입력되면 지령에 맞는 최종 듀티 커맨드가 선택되어 벅 모드 또는 부스트 모드로 동작하게 된다.
이러한 전력 변환 모드 전환 방식은 전력 변환의 방향을 온전히 외부 지령에 의존하므로 외부 상위 제어기가 고장이 났을 경우 원하는 방향으로 전력 변환이 이루어지지 않는다. 또한, 모든 전환시 상위 제어기가 저전압측/고전압측 전압/전류 센싱값으로부터 벅 모드/부스트 모드를 결정하는 동안, 일정한 연산 시간이 필요하고 캔 통신에 의해 지령이 컨버터에 전달될 때 시간 지연(time lag)이 발생하게 된다. 따라서, 급격한 부하 변동에 의해 모드 전환시 끊김 없는 자연스러운 모드 전환이 이루어지기 어렵다.
하기의 선행기술문헌에 기재된 특허문헌은, 인덕터의 전류를 CCM(continuous conduction mode)로 동작시킬 수 있어 인덕터의 전류 리플을 감소시키고, 소프트 스위칭을 성취함으로써 스위칭 손실을 저감시키며 스위칭 주파수를 증가시킬 수 있고, 소프트 스위칭 동작으로 다이오드의 역 회복 특성에 의한 전압 서지를 게거할 수 있으며, 스위치와 다이오드의 전압정격을 출력전압보다 작게 할 수 있는 양방향 비절연 DC-DC 컨버터에 관한 것이다.
KR 10-0997377 B1
본 발명의 일 실시예가 해결하고자 하는 과제는, 양방향 DC-DC 컨버터가 별도의 외부 지령 신호 없이 스스로 저전압측 및 고전압측 전압 오차를 최소화하는 방향으로 끊김 없이 자연스러운 전력 변환을 할 수 있도록 하는 양방향 DC-DC 컨버터의 전력 변환 모드 제어 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예가 해결하고자 하는 다른 과제는, 양방향 DC-DC 컨버터가 별도의 외부 지령 신호 없이 스스로 저전압측 및 고전압측 전압 오차를 최소화하는 방향으로 끊김 없이 자연스러운 전력 변환을 할 수 있도록 하는 양방향 DC-DC 컨버터의 전력 변환 모드 제어 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예가 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 별도의 외부 지령 신호 없이 스스로 저전압측 및 고전압측 전압 오차를 최소화하는 방향으로 끊김 없이 자연스러운 전력 변환을 할 수 있는 전력 변환 모드 제어 장치를 포함하는 양방향 DC-DC 컨버팅 장치를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 의한 양방향 DC-DC 컨버터의 전력 변환 모드 제어 장치는, 저전압측 전압 오차와 고전압측 전압 오차를 비교하여 실제 전압이 기준 전압 대비 상대적으로 큰 쪽에서 작은 쪽으로 전력 변환이 되도록 전체 기준 전류를 결정하는 제어부, 및 상기 전체 기준 전류와 저전압측 전류의 차에 기반하여 듀티 커맨드를 생성하여 양방향 DC-DC 컨버터에 제공하는 듀티 커맨드 생성부를 포함한다.
상기 저전압측 전압 오차는 저전압측 기준 전압에서 실제 저전압측 전압을 감산한 값이고, 상기 고전압측 전압 오차는 고전압측 기준 전압에서 실제 고전압측 전압을 감산한 값이며, 상기 제어부는, 저전압측 전압 오차, 고전압측 전압 오차, 저전압측 기준 전류(IL _ ref) 및 고전압측 기준 전류(IH _ ref)에 기반하여, 고전압측 전압 오차가 저전압측 전압 오차 이상인 경우, 전체 기준 전류(Iref)를
Figure pat00001
로 결정하여 상기 양방향 DC-DC 컨버터가 부스트(boost) 모드로 동작되도록 하고, 상기 고전압측 전압 오차가 상기 저전압측 전압 오차 미만인 경우, 전체 기준 전류(Iref)를
Figure pat00002
로 결정하여 상기 양방향 DC-DC 컨버터가 벅(buck) 모드로 동작되도록 한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 양방향 DC-DC 컨버터의 전력 변환 모드 제어 장치 및 방법에 의하면, 외부 지령 없이 양방향 DC-DC 컨버터 스스로 저전압 배터리 및 고전압 배터리의 전압 오차를 최소화하는 방향으로 끊김 없는 자연스러운 전력 변환 모드 전환이 가능하다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 양방향 DC-DC 컨버터의 전력 변환 모드 제어 장치 및 방법에 의하면, 저전압 배터리와 고전압 배터리의 기준 전압과 실제 전압에 기반하여 스스로 전력 변환 모드가 결정되어 전력 변환이 이루어지므로, 양방향 DC-DC 컨버터는 상위 지령기의 폴트(fault) 발생시 외부 지령이 내려오지 않더라도 유연하게 대처가 가능하고, 상위 지령기의 연산 시간과 캔(CAN) 통신으로 인한 시간 지연이 없기 때문에, 급격한 부하 변동이 발생하더라도 끊김 없는 자연스러운 전력 변환 모드 전환이 가능하다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 양방향 DC-DC 컨버터의 전력 변환 모드 제어 장치가 적용되는 양방향 DC-DC 컨버팅 장치를 도시한 도면.
도 2는 도 1에 도시된 양방향 DC-DC 컨버터의 상세도.
도 3은 도 1에 도시된 제어부에 의해 수행되는 전력 변환 모드 전환을 위한 전체 기준 전류 결정 방법을 도시한 흐름도.
도 4는 저전압 배터리 및 고전압 배터리의 전압 상태에 따라 발생할 수 있는 모든 전력 변환 모드 전환 양상을 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 양방향 DC-DC 컨버터의 전력 변환 모드 제어 방법을 도시한 흐름도.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다.
또한, "제1", "제2", "일 면". "타 면" 등의 용어는, 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다.
이하, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 양방향 DC-DC 컨버터의 전력 변환 모드 제어 장치가 적용되는 양방향 DC-DC 컨버팅 장치를 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 의한 양방향 DC-DC 컨버터의 전력 변환 모드 제어 장치는, 저전압 감지기(124)에 의해 감지된 실제 저전압측 전압(VL)과 저전압측 기준 전압(VL *)의 차인 저전압측 전압 오차(VL _ err)를 생성하는 제1 감산기(108), 상기 저전압측 전압 오차(VL _ err)에 기반하여 저전압측 기준 전류(IL _ ref)를 생성하는 저전압 제어기(106), 고전압 감지기(116)에 의해 감지된 실제 고전압측 전압(VH)과 고전압측 기준 전압(VH *)의 차인 고전압측 전압 오차(VH _ err)를 생성하는 제2 감산기(100), 상기 고전압측 전압 오차(VH _ err)에 기반하여 고전압측 기준 전류(IH _ ref)를 생성하는 고전압 제어기(102), 상기 저전압측 전압 오차(VL _ err)와 상기 고전압측 전압 오차(VH _ err)를 비교하여 실제 전압(VL, VH)이 기준 전압(VL *, VH *) 대비 상대적으로 큰 쪽에서 작은 쪽으로 전력 변환이 이루어지도록 전체 기준 전류(Iref)를 결정하는 제어부(104), 상기 제어부(104)에서 출력되는 전체 기준 전류(Iref)와 저전압측 전류(IL)의 차를 생성하는 제3 감산기(110), 및 상기 전체 기준 전류(Iref)와 저전압측 전류(IL)의 차에 기반하여 듀티 커맨드(D)를 생성하여 양방향 DC-DC 컨버터(120)에 제공하는 듀티 커맨드 생성부(112)를 포함한다.
상기 듀티 커맨드(D)는 상기 전체 기준 전류(Iref)와 저전압측 전류(IL)의 차에 따라 가변되는 듀티비를 갖는 신호이다.
도 1에서, 참조번호 114는 고전압 배터리인 48V 배터리이고, 참조번호 118은 인버터 및 모터 부하이며, 참조번호 122는 전기부하이고, 참조번호 126은 저전압 배터리인 12V 배터리이다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 의한 양방향 DC-DC 컨버터의 전력 변환 모드 제어 장치의 동작을 하기에 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 양방향 DC-DC 컨버터의 전력 변환 모드 제어 장치는 저전압측 및 고전압측 전류 제어 루프가 독립적이지 않고, 하나의 전류 제어 루프를 저전압측 및 고전압측이 공유하고 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 양방향 DC-DC 컨버터의 전력 변환 모드 제어 장치에서 제어부(104)는, 저전압측 전압 오차(VL _ err)와 고전압측 전압 오차(VH _ err)를 비교하여 실제 전압(VL, VH)이 기준 전압(VL *, VH *) 대비 상대적으로 큰 쪽에서 작은 쪽으로 전력 변환이 이루어지도록 전체 기준 전류(Iref)를 결정함으로써, 외부 지령 없이, 스스로 전력 변환 모드를 결정하여 전력 변환이 수행되도록 한다.
우선, 저전압 감지기(124) 및 고전압 감지기(116)에 의해 저전압 배터리(126) 및 고전압 배터리(114) 각각의 실제 전압(VL, VH)이 센싱된다. 제1 감산기(108)에 의해 저전압 기준 전압(VL *)으로부터 저전압 배터리(126)의 실제 저전압측 전압(VL)이 감산되어 저전압측 전압 오차(VL _ err)가 생성되고, 제2 감산기(100)에 의해 고전압 기준 전압(VH *)으로부터 고전압 배터리(114)의 실제 고전압측 전압(VH)이 감산되어 고전압측 전압 오차(VH _ err)가 생성된다.
저전압 제어기(106)는, 상기 저전압측 전압 오차(VL _ err)에 기반하여 저전압측 기준 전류(IL _ ref)를 생성하고, 상기 고전압 제어기(102)는, 상기 고전압측 전압 오차(VH _ err)에 기반하여 고전압측 기준 전류(IH _ ref)를 생성한다.
상기 제어부(104)는, 상기 저전압측 전압 오차(VL _ err), 상기 고전압측 전압 오차(VH _ err), 상기 저전압측 기준 전류(IL _ ref) 및 상기 고전압측 기준 전류(IH _ ref)에 기반하여, 두 전압 오차(VL _ err, VH _ err)를 최소화하도록, 즉 두 전압 오차(VL _ err, VH _ err)의 크기를 균형화시키도록 전체 기준 전류(Iref)를 결정하여 출력한다.
본 발명의 일 실시예에서, 제어부(104)는 두 전압 오차(VL _ err, VH _ err)를 최소화하기 위하여, 상기 저전압측 전압 오차(VL _ err)와 상기 고전압측 전압 오차(VH _ err)가 같아질 때까지, 전압 오차가 작은 쪽에서 큰 쪽으로 전력 변환이 이루어지도록 전체 기준 전류(Iref)를 결정한다.
도 3에 도시된 전력 변환 모드 전환을 위한 전체 기준 전류 결정 방법을 도시한 흐름도를 참조하여, 제어부(104)가 두 전압 오차(VL _ err, VH _ err)를 최소화하기 위하여 전압 오차가 작은 쪽에서 큰 쪽으로 전력 변환이 이루어지도록 전체 기준 전류(Iref)를 결정하는 동작에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 3을 참조하면, 제어부(104)는, 단계 S300에서, 저전압측 전압 오차(VL _ err), 고전압측 전압 오차(VH _ err), 저전압측 기준 전류(IL _ ref) 및 고전압측 기준 전류(IH _ ref)를 획득한다.
제어부(104)는, 단계 S302에서, 저전압측 전압 오차(VL _ err)와 고전압측 전압 오차(VH _ err)를 비교한다. 즉, 제어부(104)는 고전압측 전압 오차(VH _ err)가 저전압측 전압 오차(VL _ err) 이상인지를 판단한다.
고전압측 전압 오차(VH _ err)가 저전압측 전압 오차(VL _ err) 이상인 경우, 제어부(104)는 단계 S304에서, 전체 기준 전류(Iref)를
Figure pat00003
로 결정하여 양방향 DC-DC 컨버터(120)로 출력한다.
고전압측 전압 오차(VH _ err)가 저전압측 전압 오차(VL _ err) 미만인 경우, 제어부(104)는 단계 S306에서, 전체 기준 전류(Iref)를
Figure pat00004
로 결정하여 양방향 DC-DC 컨버터(120)로 출력한다.
제3 감산기(110)는 제어부(104)에서 출력된 전체 기준 전류(Iref)로부터 저전압측 전류(IL)를 감산하고, 듀티 커맨드 생성부(112)는 제3 감산기(110)에서 출력되는 전체 기준 전류(Iref)와 저전압측 전류(IL)의 차에 기반하여 듀티 커맨드(D)를 생성하여 양방향 DC-DC 컨버터(120)에 제공한다.
도 2는 도 1에 도시된 양방향 DC-DC 컨버터(120)의 상세도이다. 도 2에 도시된 양방향 DC-DC 컨버터(120)는, 듀티 커맨드 생성부(112)로부터 출력되는 듀티 커맨드(D)에 따라 제1 스위칭 제어 신호를 출력하는 제1 게이트 드라이버(202), 상기 듀티 커맨드(D)를 반전시키기 위한 반전기(204), 상기 반전기(204)의 출력에 따라 제2 스위칭 제어 신호를 출력하는 제2 게이트 드라이버(200), 저전압 배터리(126)의 양단에 연결된 저전압측 커패시터(CL), 저전압 배터리(126)의 양극에 일단이 연결된 인덕터(L), 일단이 상기 인덕터(L)의 타단에 연결되고 타단은 상기 저전압 배터리(126)의 음극에 연결되며, 상기 제1 스위칭 제어 신호에 따라 스위칭되는 제1 스위치(S1), 고전압 배터리(114)의 양단에 연결된 고전압측 커패시터(CH), 일단이 상기 고전압 배터리(114)의 양극에 연결되고 타단은 상기 인덕터(L)의 타단에 연결되며, 상기 제2 스위칭 제어 신호에 따라 스위칭되는 제2 스위치(S2), 및 상기 인덕터(L)를 통해 흐르는 저전압측 전류(IL)를 감지하기 위한 전류 감지기(206)를 포함한다.
도 2에 도시된 양방향 DC-DC 컨버터(120)는 본 발명의 일 실시예에 의한 전력 변환 모드 제어 장치가 적용될 수 있는 예시적인 양방향 DC-DC 컨버터로서, 본 발명의 일 실시예에 의한 양방향 DC-DC 컨버터의 전력 변환 모드 제어 장치는, 도 2에 도시된 양방향 DC-DC 컨버터 뿐만 아니라, 듀티 커맨드(D)에 따라 부스트 모드 또는 벅 모드로 동작하는 어떠한 유형의 양방향 DC-DC 컨버터에도 적용될 수 있다.
도 2에 도시된 양방향 DC-DC 컨버터(120)는 상기 듀티 커맨드 생성부(112)로부터 출력되는 듀티 커맨드(D)에 따라 제1 스위치(S1) 또는 제2 스위치(S2)의 스위칭 동작이 제어되어, 부스트 모드 또는 벅 모드로 동작한다.
부스트 모드에서는 저전압측에서 고전압측으로 전력 변환이 수행되고, 벅 모드에서는 고전압측에서 저전압측으로 전력 변환이 수행된다.
본 발명의 일 실시예에서, 제어부(104)에서 출력되는 전체 기준 전류(Iref)의 크기는 모드 전환시 소스 전원에 해당하는 기준 전류값으로 결정되어 소스 전원의 전압 오차가 최소화하게끔 동작한다.
본 발명의 일 실시예에서는, 부스트 모드일 때의 전류 방향을 (+) 방향으로 설정하였다. 따라서, 고전압측 전압 오차(VH _ err)가 저전압측 전압 오차(VL _ err) 이상인 경우, 전체 기준 전류(Iref)는 (+)가 되어 저전압측 전류(IL)는 양의 방향을 추종하여 양방향 DC-DC 컨버터(120)는 부스트 모드로 동작하고, 고전압측 전압 오차(VH _ err)가 저전압측 전압 오차(VL _ err) 미만인 경우, 전체 기준 전류(Iref)는 (-)가 되어 저전압측 전류(IL)는 음의 방향을 추종하여 양방향 DC-DC 컨버터(120)는 벅 모드로 동작하게 된다.
도 4는 저전압 배터리 및 고전압 배터리의 전압 상태에 따라 발생할 수 있는 모든 전력 변환 모드 전환 양상을 도시한 도면이다.
도 4의 (a)는 실제 저전압측 전압(VL)과 실제 고전압측 전압(VH)이 모두 각각 기준 전압(VL *, VH *)보다 큰 경우를 나타낸다. 전압 오차는 기준 전압에서 실제 전압을 뺀 값이므로, 저전압측과 고전압측 모두 음의 전압 오차를 가지며, VH _ err≥VL_err(<0V)이 된다.
도 3에 도시된 전체 기준 전류(Iref) 결정 방법에 의해, 전체 기준 전류(Iref)는
Figure pat00005
이 되어 양의 값을 갖게 되므로 양방향 DC-DC 컨버터(120)는 부스트 모드로 동작하게 된다. 따라서, 저전압측이 소스원, 고전압측이 부하가 되어 저전압측에서 고전압측으로 전력이 전달되면서 저전압측 전압이 내려가고, 고전압측 전압이 올라가서 두 전압 오차가 같아질 때까지 부스트 모드로 동작하여 저전압측 오차(VL _ err) 및 고전압측 오차(VH _ err)가 최소화된다.
도 4의 (b)도 저전압측 전압(VL)과 고전압측 전압(VH)이 모두 각각 기준 전압(VL *, VH *)보다 큰 경우를 나타낸다. 하지만, 도 4의 (a)와 다르게, 고전압측 전압(VH)이 과다하게 큰 경우이므로, 고전압측의 전압 오차(VH _ err)를 감소시키는 방향으로 동작한다. 실제로, VH _err<VL _err(<0V)이 된다.
도 3에 도시된 전체 기준 전류(Iref) 결정 방법에 의해, 전체 기준 전류(Iref)는
Figure pat00006
이 되어 음의 값을 갖게 되므로 양방향 DC-DC 컨버터(120)는 벅 모드로 동작하게 된다. 따라서, 고전압측이 소스원, 저전압측이 부하가 되어 고전압측에서 저전압측으로 전력이 전달되면서 고전압측 전압이 내려가고, 저전압측 전압이 올라가서 두 전압 오차가 같아질 때까지 벅 모드로 동작하여 저전압측 오차(VL _ err) 및 고전압측 오차(VH _ err)가 최소화된다.
도 4의 (c)는 저전압측 전압(VL)과 고전압측 전압(VH)이 모두 각각 기준 전압(VL *, VH *)보다 작은 경우를 나타낸다. 저전압측 및 고전압측 모두 양의 전압 오차를 가지며, VH _err<VL _err(>0V)이 된다.
도 3에 도시된 전체 기준 전류(Iref) 결정 방법에 의해, 전체 기준 전류(Iref)는
Figure pat00007
이 되어 음의 값을 갖게 되므로 양방향 DC-DC 컨버터(120)는 벅 모드로 동작하게 된다. 따라서, 고전압측이 소스원, 저전압측이 부하가 되어 고전압측에서 저전압측으로 전력이 전달되면서 고전압측 전압이 내려가고, 저전압측 전압이 올라가서 두 전압 오차가 같아질 때까지 벅 모드로 동작하여 저전압측 오차(VL _ err) 및 고전압측 오차(VH _ err)가 최소화된다.
도 4의 (d)는 저전압측 전압(VL)과 고전압측 전압(VH)이 모두 각각 기준 전압(VL *, VH *)보다 작은 경우를 나타낸다. 저전압측 및 고전압측 모두 양의 전압 오차를 가지며, VH _ err≥VL _err(>0V)이 된다.
도 3에 도시된 전체 기준 전류(Iref) 결정 방법에 의해, 전체 기준 전류(Iref)는
Figure pat00008
이 되어 양의 값을 갖게 되므로 양방향 DC-DC 컨버터(120)는 부스트 모드로 동작하게 된다. 따라서, 저전압측이 소스원, 고전압측이 부하가 되어 저전압측에서 고전압측으로 전력이 전달되면서 저전압측 전압이 내려가고, 고전압측 전압이 올라가서 두 전압 오차가 같아질 때까지 부스트 모드로 동작하여 저전압측 오차(VL _ err) 및 고전압측 오차(VH _ err)가 최소화된다.
도 4의 (e)는 저전압측 전압(VL)은 저전압측 기준 전압(VL *)보다 작고, 고전압측 전압(VH)은 고전압측 기준 전압(VH *)보다 큰 경우를 나타낸다. 저전압측 오차(VL _ err)는 양의 전압 오차를 갖고, 고전압측 오차(VH _ err)는 음의 전압 오차를 가지며, VH _ err<VL _ err이 된다.
도 3에 도시된 전체 기준 전류(Iref) 결정 방법에 의해, 전체 기준 전류(Iref)는
Figure pat00009
이 되어 음의 값을 갖게 되므로 양방향 DC-DC 컨버터(120)는 벅 모드로 동작하게 된다. 따라서, 고전압측이 소스원, 저전압측이 부하가 되어 고전압측에서 저전압측으로 전력이 전달되면서 고전압측 전압이 내려가고, 저전압측 전압이 올라가서 두 전압 오차가 같아질 때까지 벅 모드로 동작하여 저전압측 오차(VL _ err) 및 고전압측 오차(VH _ err)가 최소화된다.
도 4의 (f)는 저전압측 전압(VL)은 저전압측 기준 전압(VL *)보다 크고, 고전압측 전압(VH)은 고전압측 기준 전압(VH *)보다 작은 경우를 나타낸다. 저전압측 오차(VL _ err)는 음의 전압 오차를 갖고, 고전압측 오차(VH _ err)는 양의 전압 오차를 가지며, VH _ err≥VL _ err이 된다.
도 3에 도시된 전체 기준 전류(Iref) 결정 방법에 의해, 전체 기준 전류(Iref)는
Figure pat00010
이 되어 양의 값을 가지게 되므로 양방향 DC-DC 컨버터(120)는 부스트 모드로 동작하게 된다. 따라서, 저전압측이 소스원, 고전압측이 부하가 되어 저전압측에서 고전압측으로 전력이 전달되면서 저전압측 전압이 내려가고, 고전압측 전압이 올라가서 두 전압 오차가 같아질 때까지 부스트 모드로 동작하여 저전압측 오차(VL _ err) 및 고전압측 오차(VH _ err)가 최소화된다.
실제 발생할 수 있는 모든 경우에 대하여 도 3에 도시된 전체 기준 전류(Iref) 결정 방법을 적용하면, 저전압측 오차(VL _ err) 및 고전압측 오차(VH _ err)를 최소화하도록, 즉 전압 오차들(VL _ err, VH _ err)을 균형화시키도록 자연스러운 모드 전환이 가능하다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 양방향 DC-DC 컨버터의 전력 변환 모드 제어 방법을 도시한 흐름도이다.
단계 S500에서, 제1 감산기(108)는 저전압측 기준 전압(VL *)으로부터 저전압 감지기(124)에 의해 감지된 저전압측 전압(VH)을 감산하여 저전압측 전압 오차(VL _ err)를 생성한다. 또한, 제2 감산기(100)는 고전압측 기준 전압(VH *)으로부터 고전압 감지기(116)에 의해 감지된 고전압측 전압(VH)을 감산하여 고전압측 전압 오차(VH _ err)를 생성한다.
단계 S502에서, 저전압 제어기(106)는 상기 저전압측 전압 오차(VL _ err)에 기반하여 저전압측 기준 전류(IL _ ref)를 생성하고, 고전압 제어기(102)는 상기 고전압측 전압 오차(VH _ err)에 기반하여 고전압측 기준 전류(IH _ ref)를 생성한다.
단계 S504에서, 제어부(104)는, 저전압측 전압 오차(VL _ err)와 고전압측 전압 오차(VH _ err)를 비교하여 저전압측 전압 오차(VL _ err)와 상기 고전압측 전압 오차(VH _ err)가 같아질 때까지, 실제 전압이 기준전압 대비 상대적으로 큰 쪽에서 작은 쪽으로 전력 변환이 수행되도록 전체 기준 전류(Iref)를 결정한다.
이를 상세히 설명하면, 제어부(104)는, 저전압측 전압 오차(VL _ err)와 상기 고전압측 전압 오차(VH _ err)가 같아질 때까지, 고전압측 전압 오차(VH _ err)가 저전압측 전압 오차(VL _ err) 이상인 경우, 전체 기준 전류(Iref)를
Figure pat00011
로 결정하여 양방향 DC-DC 컨버터(120)가 부스트 모드로 동작되도록 하고, 고전압측 전압 오차(VH _ err)가 저전압측 전압 오차(VL _ err) 미만인 경우, 전체 기준 전류(Iref)를
Figure pat00012
로 결정하여 양방향 DC-DC 컨버터(120)가 벅 모드로 동작되도록 한다.
단계 S506에서, 제3 감산기(110)는 제어부(104)로부터 출력되는 전체 기준 전류(Iref)로부터 저전압측 전류(IL)를 감산하고, 듀티 커맨드 생성부(112)는 전체 기준 전류(Iref)와 저전압측 전류(IL)의 차에 기반하여 듀티 커맨드(D)를 생성하여 양방향 DC-DC 컨버터(120)에 인가한다.
양방향 DC-DC 컨버터(120)는 듀티 커맨드 생성부(112)에서 출력되는 듀티 커맨드(D)에 따라 부스트 모드 또는 벅 모드로 동작하여, 실제 전압이 기준전압 대비 상대적으로 큰 쪽에서 작은 쪽으로 전력 변환이 수행됨으로써, 저전압측 전압 오차(VL _ err) 및 고전압측 전압 오차(VH _ err)를 최소화하도록, 즉 전압 오차들(Vㅣ_ err, VH _ err)을 균형화시키도록 자연스럽게 모드 전환이 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 양방향 DC-DC 컨버터의 전력 변환 모드 제어 장치 및 방법에 의하면, 기존의 외부 상위 지령기에 의해 결정되는 모드 전환과 비교하면, 저전압측 전류 제어기와 고전압측 전류 제어기가 하나로 통합되어 있고, 외부 지령 없이 양방향 DC-DC 컨버터 스스로 저전압측 전압 오차 및 고전압측 전압 오차를 최소화하는 방향으로 자연스럽게 끊김 없는 모드 전환이 이루어질 수 있다.
즉, 상위 지령기에 폴트(fault)가 발생하여 지령이 내려오지 않더라도 양방향 DC-DC 컨버터 자체적으로 저전압측 및 고전압측 전압 오차를 최소화하는 방향으로 스스로 동작하게 된다. 또한, 상위 지령기의 연산 시간과 캔(CAN) 통신으로 인한 시간 지연(time lag)이 없고 전류 제어기가 하나로 통합되어 전류 제어기 구성이 간단하다.
본 발명의 일 실시예에 의한 양방향 DC-DC 컨버터의 전력 변환 모드 제어 장치 및 방법의 기본 개념이 저전압측 전압 및 고전압측 전압을 센싱하여 실제 전압이 기준 전압 대비 상대적으로 큰 쪽에서 작은 쪽으로 전력 변환을 하는 것이므로, 각 부하 조건에서 전체적인 전압 오차를 최소화하는 방향으로 동작하여 부스트 모드와 벅 모드 간의 모드 전환 동작이 끊김 없이 자연스럽다. 또한, 실제 배터리 연결 시 발생 가능한 모든 부하 조건에서 모든 전환이 자연스럽게 이루어질 수 있다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세하게 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로, 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
100 : 제2 감산기 102 : 고전압 제어기
104 : 제어부 106 : 저전압 제어기
108 : 제1 감산기 110 : 제3 감산기
112 : 듀티 커맨드 생성부 114 : 고전압 배터리
116 : 고전압 감지기 118 : 인버터 및 모터부하
120 : 양방향 DC-DC 컨버터 122 : 전기부하
124 : 저전압 감지기 126 : 저전압 배터리
200 : 제2 게이트 드라이버 202 : 제1 게이트 드라이버
204 : 반전기 206 : 전류 감지기
VH : 실제 고전압측 전압 VL : 실제 저전압측 전압
VH * : 고전압측 기준 전압 VL * : 저전압측 기준 전압
CH : 고전압측 커패시터 CL : 저전압측 커패시터
S1 : 제1 스위치 S2 : 제2 스위치
L : 인덕터 IL : 저전압측 전류

Claims (16)

  1. 저전압측 전압 오차와 고전압측 전압 오차를 비교하여 실제 전압이 기준 전압 대비 상대적으로 큰 쪽에서 작은 쪽으로 전력 변환이 수행되도록 전체 기준 전류를 결정하는 제어부; 및
    상기 전체 기준 전류와 저전압측 전류의 차에 기반하여 듀티 커맨드를 생성하여 양방향 DC-DC 컨버터에 제공하는 듀티 커맨드 생성부를 포함하는 양방향 DC-DC 컨버터의 전력 변환 모드 제어 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 저전압측 전압 오차와 상기 고전압측 전압 오차가 같아 질 때까지, 실제 전압이 기준 전압 대비 상대적으로 큰 쪽에서 작은 쪽으로 전력 변환이 수행되도록 전체 기준 전류를 결정하는 양방향 DC-DC 컨버터의 전력 변환 모드 제어 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 실제 저전압측 전압과 저전압측 기준 전압의 차인 상기 저전압측 전압 오차를 생성하는 제1 감산기;
    상기 저전압측 전압 오차에 기반하여 저전압측 기준 전류(IL _ ref)를 생성하는 저전압 제어기;
    상기 실제 고전압측 전압과 고전압측 기준 전압의 차인 상기 고전압측 전압 오차를 생성하는 제2 감산기; 및
    상기 고전압측 전압 오차에 기반하여 고전압측 기준 전류(IH _ ref)를 생성하는 고전압 제어기를 더 포함하는 양방향 DC-DC 컨버터의 전력 변환 모드 제어 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 저전압측 전압 오차는 상기 저전압측 기준 전압에서 상기 실제 저전압측 전압을 감산한 값이고,
    상기 고전압측 전압 오차는 상기 고전압측 기준 전압에서 상기 실제 고전압측 전압을 감산한 값이며,
    상기 제어부는,
    상기 저전압측 전압 오차, 상기 고전압측 전압 오차, 상기 저전압측 기준 전류(IL _ ref) 및 상기 고전압측 기준 전류(IH _ ref)에 기반하여,
    상기 고전압측 전압 오차가 상기 저전압측 전압 오차 이상인 경우, 상기 전체 기준 전류(Iref)를
    Figure pat00013
    로 결정하여 상기 양방향 DC-DC 컨버터가 부스트(boost) 모드로 동작되도록 하고,
    상기 고전압측 전압 오차가 상기 저전압측 전압 오차 미만인 경우, 상기 전체 기준 전류(Iref)를
    Figure pat00014
    로 결정하여 상기 양방향 DC-DC 컨버터가 벅(buck) 모드로 동작되도록 하는 양방향 DC-DC 컨버터의 전력 변환 모드 제어 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제어부에서 출력되는 전체 기준 전류와 저전압측 전류의 차를 생성하는 제3 감산기를 더 포함하는 양방향 DC-DC 컨버터의 전력 변환 모드 제어 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 실제 저전압측 전압을 감지하는 저전압 감지기; 및
    상기 실제 고전압측 전압을 감지하는 고전압 감지기를 더 포함하는 양방향 DC-DC 컨버터의 전력 변환 모드 제어 장치.
  7. (A) 저전압측 전압 오차와 고전압측 전압 오차를 비교하여 실제 전압이 기준 전압 대비 상대적으로 큰 쪽에서 작은 쪽으로 전력 변환이 수행되도록 전체 기준 전류를 결정하는 단계; 및
    (B) 상기 전체 기준 전류와 저전압측 전류의 차에 기반하여 듀티 커맨드를 생성하여 양방향 DC-DC 컨버터에 제공하는 단계를 포함하는 양방향 DC-DC 컨버터의 전력 변환 모드 제어 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 단계 (A)는, 상기 저전압측 전압 오차와 상기 고전압측 전압 오차가 같아질 때까지, 실제 전압이 기준 전압 대비 상대적으로 큰 쪽에서 작은 쪽으로 전력 변환이 수행되도록 전체 기준 전류를 결정하는 단계를 포함하는 양방향 DC-DC 컨버터의 전력 변환 모드 제어 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 저전압측 전압 오차는 저전압측 기준 전압에서 실제 저전압측 전압을 감산한 값이고,
    상기 고전압측 전압 오차는 고전압측 기준 전압에서 실제 고전압측 전압을 감산한 값이며,
    상기 단계 (A)는,
    (A1) 상기 실제 저전압측 전압과 상기 저전압측 기준 전압의 차인 상기 저전압측 전압 오차를 생성하는 단계;
    (A2) 상기 저전압측 전압 오차를 수신하여 저전압측 기준 전류(IL _ ref)를 생성하는 단계;
    (A3) 상기 실제 고전압측 전압과 상기 고전압측 기준 전압의 차인 상기 고전압측 전압 오차를 생성하는 단계;
    (A4) 상기 고전압측 전압 오차를 수신하여 고전압측 기준 전류(IH _ ref)를 생성하는 단계;
    (A5) 상기 고전압측 전압 오차가 상기 저전압측 전압 오차 이상인 경우, 상기 전체 기준 전류(Iref)를
    Figure pat00015
    로 결정하여 상기 양방향 DC-DC 컨버터가 부스트(boost) 모드로 동작되도록 하는 단계; 및
    (A6) 상기 고전압측 전압 오차가 상기 저전압측 전압 오차 미만인 경우, 상기 전체 기준 전류(Iref)를
    Figure pat00016
    로 결정하여 상기 양방향 DC-DC 컨버터가 벅(buck) 모드로 동작되도록 하는 단계를 포함하는 양방향 DC-DC 컨버터의 전력 변환 모드 제어 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 단계 (B)는,
    (B1) 상기 전체 기준 전류(Iref)에서 상기 저전압측 전류를 감산하는 단계; 및
    (B2) 상기 전체 기준 전류(Iref)와 저전압측 전류의 차에 기반하여 듀티 커맨드를 생성하여 양방향 DC-DC 컨버터에 제공하는 단계를 포함하는 양방향 DC-DC 컨버터의 전력 변환 모드 제어 방법.
  11. 저전압측 전압 오차와 고전압측 전압 오차를 비교하여 실제 전압이 기준 전압 대비 상대적으로 큰 쪽에서 작은 쪽으로 전력 변환이 수행되도록 전체 기준 전류를 결정하는 제어부, 및 상기 전체 기준 전류와 저전압측 전류의 차에 기반하여 듀티 커맨드를 생성하여 양방향 DC-DC 컨버터에 제공하는 듀티 커맨드 생성부를 포함하는 전력 변환 모드 제어 장치; 및
    상기 듀티 커맨드에 따라 버스트 모드 또는 벅 모드로 동작하는 양방향 DC-DC 컨버터를 포함하는 전력 변환 모드 제어 장치를 포함하는 양방향 DC-DC 컨버팅 장치.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 저전압측 전압 오차와 상기 고전압측 전압 오차가 같아질 때까지, 실제 전압이 기준 전압 대비 상대적으로 큰 쪽에서 작은 쪽으로 전력 변환이 수행되도록 전체 기준 전류를 결정하는 전력 변환 모드 제어 장치를 포함하는 양방향 DC-DC 컨버팅 장치.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 전력 변환 모드 제어 장치는,
    상기 실제 저전압측 전압과 저전압측 기준 전압의 차인 상기 저전압측 전압 오차를 생성하는 제1 감산기;
    상기 저전압측 전압 오차에 기반하여 저전압측 기준 전류(IL _ ref)를 생성하는 저전압 제어기;
    상기 실제 고전압측 전압과 고전압측 기준 전압의 차인 상기 고전압측 전압 오차를 생성하는 제2 감산기; 및
    상기 고전압측 전압 오차에 기반하여 고전압측 기준 전류(IH _ ref)를 생성하는 고전압 제어기를 더 포함하는 전력 변환 모드 제어 장치를 포함하는 양방향 DC-DC 컨버팅 장치.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 저전압측 전압 오차는 상기 저전압측 기준 전압에서 상기 실제 저전압측 전압을 감산한 값이고,
    상기 고전압측 전압 오차는 상기 고전압측 기준 전압에서 상기 실제 고전압측 전압을 감산한 값이며,
    상기 제어부는,
    상기 저전압측 전압 오차, 상기 고전압측 전압 오차, 상기 저전압측 기준 전류(IL _ ref) 및 상기 고전압측 기준 전류(IH _ ref)에 기반하여,
    상기 고전압측 전압 오차가 상기 저전압측 전압 오차 이상인 경우, 상기 전체 기준 전류(Iref)를
    Figure pat00017
    로 결정하여 상기 양방향 DC-DC 컨버터가 부스트(boost) 모드로 동작되도록 하고,
    상기 고전압측 전압 오차가 상기 저전압측 전압 오차 미만인 경우, 상기 전체 기준 전류(Iref)를
    Figure pat00018
    로 결정하여 상기 양방향 DC-DC 컨버터가 벅(buck) 모드로 동작되도록 하는 전력 변환 모드 제어 장치를 포함하는 양방향 DC-DC 컨버팅 장치.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 전력 변환 모드 제어 장치는,
    상기 제어부에서 출력되는 전체 기준 전류와 저전압측 전류의 차를 생성하는 제3 감산기를 더 포함하는 전력 변환 모드 제어 장치를 포함하는 양방향 DC-DC 컨버팅 장치.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 양방향 DC-DC 컨버터는,
    상기 듀티 커맨드에 따라 제1 스위칭 제어 신호를 출력하는 제1 게이트 드라이버;
    상기 듀티 커맨드를 반전시키기 위한 반전기;
    상기 반전기의 출력에 따라 제2 스위칭 제어 신호를 출력하는 제2 게이트 드라이버;
    저전압 배터리의 양단에 연결된 저전압측 커패시터;
    상기 저전압 배터리의 양극에 일단이 연결된 인덕터;
    일단이 상기 인덕터의 타단에 연결되고 타단은 상기 저전압 배터리의 음극에 연결되며, 상기 제1 스위칭 제어 신호에 따라 스위칭되는 제1 스위치;
    고전압 배터리의 양단에 연결된 고전압측 커패시터;
    일단이 상기 고전압 배터리의 양극에 연결되고 타단은 상기 인덕터의 타단에 연결되며, 상기 제2 스위칭 제어 신호에 따라 스위칭되는 제2 스위치; 및
    상기 인덕터를 통해 흐르는 전류를 감지하기 위한 전류 감지기를 포함하는 전력 변환 모드 제어 장치를 포함하는 양방향 DC-DC 컨버팅 장치.
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