KR20160092815A

KR20160092815A - 피에프씨 온도에 따른 듀티비 보상 제어 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20160092815A
Application number: KR1020150013687A
Authority: KR
Inventors: 이경수
Original assignee: 주식회사 만도
Priority date: 2015-01-28
Filing date: 2015-01-28
Publication date: 2016-08-05
Also published as: KR102332744B1

Abstract

본 발명은 상용 AC 전원을 이용하여 고전압 배터리를 충전하는 OBC가 PFC 모듈을 통해 전력의 변환 시 온도에 따른 인덕턴스 및 저항의 소자 값이 변화할 때 온도 변화를 고려해 PFC 제어를 통해 최적 효율 및 역률을 달성할 수 있도록 하는 피에프씨 온도에 따른 듀티비 보상 제어 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 피에프씨 온도에 따른 듀티비 보상 제어 시스템은, 배터리에 전원을 충전하는 플랜트(Plant); 상기 배터리에 충전되는 전원에 대한 역률을 조정하는 PFC 컨버터의 온도를 감지하는 PFC 온도 감지부; 상기 PFC 컨버터의 온도에 대응하는 듀티비(Duty Rate) 정보를 저장하고 있는 듀티비 테이블; 상기 배터리에 충전되는 전원에 대해 비례 및 적분 제어를 수행하는 비례/적분 제어기(PI Cotroller); 및 상기 비례/적분 제어기로부터 출력되어 상기 배터리에 상기 플랜트를 통해 충전되는 전원에 대해, 전향 보상 알고리즘과 전류 제한 알고리즘, 파형 정형(Wave Shaping) 알고리즘을 수행하고, 상기 듀티비 테이블에 근거해 상기 PFC 온도 감지부를 통해 감지된 PFC 컨버터의 온도에 대응된 듀티비로 보상하여 PWM 제어를 수행하는 PWM 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

피에프씨 온도에 따른 듀티비 보상 제어 시스템 및 방법{Method and system for controlling compensation of duty rate using a temperature of Power Factor Correction}

온도에 따른 인덕턴스 및 저항의 소자 값이 변화할 때 온도 변화를 고려해 PFC 제어를 통해 최적 효율 및 역률을 달성할 수 있도록 하는 피에프씨 온도에 따른 듀티비 보상 제어 시스템 및 방법에 관한 것이다.

본 발명은 피에프씨 온도에 따른 듀티비 보상 제어 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 상용 AC 전원을 이용하여 고전압 배터리를 충전하는 OBC(On Board Charger)가 PFC(Power Factor Correction) 모듈을 통해 전력의 변환 시 최근에, 전기를 이용하여 주행하는 전기 자동차(Electric Vehicle)의 기술 개발이 급속히 이루어지고 있다.

전기 자동차는 회전력을 발생시키는 모터, 모터에 전원을 제공하는 배터리, 모터의 회전수를 제어하기 위한 인버터, 배터리에 전기를 축전하기 위한 충전기 및 차량용 12V 전원을 발생하기 위한 로우 DC 컨버터를 포함한다.

이들 부품들의 특징은 교류 전원을 직류로, 저전압 직류를 고전압 직류로 또는 이와 반대의 형태로 고전압 직류를 저전압 직류로 전기 에너지의 형태를 목적에 맞게 바꾸는 역할을 한다.

한편, OBC(On Board Charger)는 상용 AC 전원을 이용하여 전기 자동차의 고전압 배터리를 충전하는 역할을 수행하고, OBC의 구성 모듈 중 PFC(Power Factor Correction) 모듈은 크게 역률 개선 및 전력변환의 기능을 수행한다.

고전압 배터리의 충전을 위해 전력의 변환 시 손실 에너지는 열로 변환되기 때문에 발열이 발생하며, 온도에 따른 소자의 인덕턴스 및 저항값 변화로 효율 및 역률 역시 변화하게 된다.

그런데, 종래의 경우에 PFC 모듈을 제어하여 전력을 변환함과 더불어 역률을 개선하는데, 전류제한 알고리즘, 전향보상 알고리즘 및 웨이브 쉐이핑(Wave Shaping) 알고리즘만 적용되고, 온도 변화에 따른 소자의 특성 변화는 고려되지 않아 최대 효율 출력 및 역률 제어에 제한이 있다는 문제점이 있다.

한국 등록특허공보 제0154843호(등록일 : 1998년 07월 10일)

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 상용 AC 전원을 이용하여 고전압 배터리를 충전하는 OBC가 PFC 모듈을 통해 전력의 변환 시 온도에 따른 인덕턴스 및 저항의 소자 값이 변화할 때 온도 변화를 고려해 PFC 제어를 통해 최적 효율 및 역률을 달성할 수 있도록 하는 피에프씨 온도에 따른 듀티비 보상 제어 시스템 및 방법을 제공함에 있다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 배터리에 전원을 충전하는 플랜트(Plant); 상기 배터리에 충전되는 전원에 대한 역률을 조정하는 역률 조정(Power Factor Correction, 이하 PFC) 컨버터의 온도를 감지하는 PFC 온도 감지부; 상기 PFC 컨버터의 온도에 대응하는 듀티비(Duty Rate) 정보를 저장하고 있는 듀티비 테이블(PFC Interpolation Table); 상기 배터리에 충전되는 전원에 대해 비례 및 적분 제어를 수행하는 비례/적분 제어기(Propotional/Integral Cotroller); 및 상기 비례/적분 제어기로부터 출력되어 상기 배터리에 상기 플랜트를 통해 충전되는 전원에 대해, 전향 보상 알고리즘과 전류 제한 알고리즘, 파형 정형(Wave Shaping) 알고리즘을 수행하고, 상기 듀티비 테이블에 근거해 상기 PFC 온도 감지부를 통해 감지된 PFC 컨버터의 온도에 대응된 듀티비로 보상하여 PWM(Pulse Width Modulation) 제어를 수행하는 PWM 제어부를 포함하는 피에프씨 온도에 따른 듀티비 보상 제어 시스템이 제공된다.

또한, 상기 PWM 제어부는, 상기 전향 보상 알고리즘과 전류 제한 알고리즘, 파형 정형(Wave Shaping) 알고리즘을 통해 산출된 값에 상기 듀티비 테이블에 근거해 산출된 듀티비로 산출된 값을 가산 또는 감산하여 PWM 제어의 온 타임(On Time)을 결정하게 된다.

또한, 상기 PFC 컨버터는, 부스트 다이오드(Boost Diode)를 포함한 부스트 컨버터(Boost Converter)로 구성된다.

또한, 상기 전향 보상 알고리즘은, 입력전압 변동이나 부하 변동에서 직류단 전압제어의 동특성을 위한 전향보상 듀티비를 적용하게 된다.

그리고, 상기 전류 제한 알고리즘은, 입력전압에 따른 최대 DCM 전류를 매 샘플링 도안 계산하여 센싱 전류가 이 값을 넘을 경우에 최종 듀티비를 감소시키게 된다.

한편, 전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따르면, (a) PFC 컨버터가 교류 전원을 직류 전원으로 변환해 역률을 조정하는 단계; (b) PWM 제어부가 상기 역률이 조정된 직류 전원에 대해, 전향 보상 알고리즘, 전류 제한 알고리즘 및 파형 정형 알고리즘을 수행하는 단계; (c) PFC 온도 감지부가 상기 PFC 컨버터의 온도를 감지하는 단계; (d) PWM 제어부가 상기 PFC 컨버터의 온도에 대응하는 듀티비를 결정하는 단계; 및 (e) PWM 제어부가 상기 전향 보상 알고리즘, 전류 제한 알고리즘 및 파형 정형 알고리즘을 수행한 결과를 적용하고, 상기 결정된 듀티비로 보상하여 PWM(Pulse Width Modulation) 제어를 수행하는 단계를 포함하는 피에프씨 온도에 따른 듀티비 보상 제어 방법이 제공된다.

또한, 상기 (e) 단계는, 상기 PWM 제어부가 상기 전향 보상 알고리즘과 전류 제한 알고리즘, 파형 정형(Wave Shaping) 알고리즘을 통해 산출된 값에 상기 듀티비 테이블에 근거해 산출된 듀티비로 산출된 값을 가산 또는 감산하여 PWM 제어의 온 타임(On Time)을 결정하여 PWM 제어를 수행하는 것이다.

또한, 상기 (a) 단계는, 상기 PFC 컨버터가 부스트 다이오드(Boost Diode)를 포함한 부스트 컨버터(Boost Converter)에서, 상기 부스트 다이오드에 흐르는 평균 전류와, 부하로 흐르는 평균 전류를 이용해 전향보상 듀티비를 산출하여 역률을 조정하게 된다.

그리고, 상기 전류 제한 알고리즘은, 입력전압에 따른 최대 DCM 전류를 매 샘플링 동안 계산하여 센싱 전류가 이 값을 넘을 경우에 최종 듀티비를 감소시키게 된다.

본 발명에 의하면, 입력전압 변동이나 부하 변동 환경에서 전압제어의 동 특성을 향상시킬 수 있다.

또한, 전원을 배터리에 충전할 때 연속 전류 모드(CCM:Continuous-conduction-mode)로 동작하는 것을 방지할 수 있다.

또한, PLL(Phase Lock Loop) 기법의 대용으로 파형 정형(Wave Shaping) 알고리즘을 사용하여 역률을 확보할 수 있다.

그리고, PFC 컨버터의 온도에 따라 인덕턴스 및 저항의 소자 값이 변화할 때 온도 변화를 고려해 PFC 제어를 통해 최적 효율 및 역률을 달성할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 피에프씨 온도에 따른 듀티비 보상 제어 시스템의 개략적인 구성을 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 PFC 컨버터의 구성 예를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 피에프씨 온도에 따른 듀티비 보상 제어 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 PFC 컨버터에서 한 스위칭 구간의 인덕터 전류의 특성을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 전압 변동 시 입력 전류가 개선되기 전과 개선 후의 결과를 나타낸 그래프이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 특정한 실시형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명에 따른 피에프씨 온도에 따른 듀티비 보상 제어 시스템 및 방법의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 첨부도면을 참조하여 설명함에 있어 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 피에프씨 온도에 따른 듀티비 보상 제어 시스템의 개략적인 구성을 나타낸 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 듀티비 보상 제어 시스템(100)은, 플랜트(Plant)(110), 역률 조정(Power Factor Correction, 이하 PFC) 컨버터(120), PFC 온도 감지부(130), 듀티비 테이블(PFC Interpolation Table)(140), 비례/적분(PI) 제어기(Propotional/Integral Cotroller)(150) 및 PWM(Pulse Width Modulation) 제어부(160)를 포함한다.

플랜트(110)는 배터리에 전원을 충전하는 역할을 한다.

PFC 컨버터(120)는 교류 전원을 직류 전원으로 변환해 역률을 조정한다. 또한, PFC 컨버터(120)는, 도 2에 도시된 바와 같이 부스트 다이오드(Boost Diode)를 포함한 부스트 컨버터(Boost Converter)로 구성할 수 있다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 PFC 컨버터의 구성 예를 나타낸 도면이다.

PFC 온도 감지부(130)는 PFC 컨버터의 온도를 감지한다.

듀티비 테이블(140)은 PFC 컨버터의 온도에 대응하는 듀티비(Duty Rate) 정보를 저장하고 있다.

PI 제어기(150)는 배터리에 충전되는 전원에 대해 비례 및 적분 제어를 수행한다.

PWM 제어부(160)는 PI 제어기(140)로부터 출력되어 배터리에 플랜트(110)를 통해 충전되는 전원에 대해, 전향 보상 알고리즘과 전류 제한 알고리즘, 파형 정형(Wave Shaping) 알고리즘을 수행하고, 듀티비 테이블(140)에 근거해 PFC 온도 감지부(130)를 통해 감지된 PFC 컨버터의 온도에 대응된 듀티비로 보상하여 PWM 제어를 수행한다.

또한, PWM 제어부(160)는, 전향 보상 알고리즘과 전류 제한 알고리즘, 파형 정형(Wave Shaping) 알고리즘을 통해 산출된 값에 듀티비 테이블(140)에 근거해 산출된 듀티비로 산출된 값을 가산 또는 감산하여 PWM 제어의 온 타임(On Time)을 결정하게 된다.

또한, 전향 보상 알고리즘은, 입력전압 변동이나 부하 변동에서 직류단 전압제어의 동특성을 위한 전향보상 듀티비를 적용하게 된다.

그리고, 전류 제한 알고리즘은, 입력전압에 따른 최대 DCM 전류를 매 샘플링 동안 계산하여 센싱 전류가 이 값을 넘을 경우에 최종 듀티비를 감소시키게 된다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 피에프씨 온도에 따른 듀티비 보상 제어 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도를 나타낸 도면이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 듀티비 보상 제어 시스템(100)은, PFC 컨버터(120)가 교류 전원을 직류 전원으로 변환해 역률을 조정한다(S310).

이때, PFC 컨버터(120)는 도 2에 도시된 바와 같이 부스트 다이오드(Boost Diode)를 포함한 부스트 컨버터(Boost Converter)로 구성할 수 있으며, 부스트 다이오드에 흐르는 평균 전류와, 부하로 흐르는 평균 전류를 이용해 전향보상 듀티비를 산출하여 역률을 조정하게 된다.

여기서, 부스트 컨버터에서 부스트 다이오드에 흐르는 평균 전류는 다음 수학식 1과 같이 얻을 수 있다.

또한, 부하로 흐르는 평균 전류는 다음 수학식 2와 같이 얻을 수 있다.

따라서, 전향 보상 듀티값(D_ff)은 다음 수학식 3과 같이 얻을 수 있다.

그리고, 부스트 컨버터를 구성하는 스위칭 소자의 한 스위칭 구간의 인덕터 전류는 도 4와 같은 특성을 나타낸다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 PFC 컨버터에서 한 스위칭 구간의 인덕터 전류의 특성을 나타낸 그래프이다.

이어, PWM 제어부(160)가 역률이 조정된 직류 전원에 대해, 전향 보상 알고리즘, 전류 제한 알고리즘 및 파형 정형 알고리즘을 수행한다(S320).

여기서, 전향 보상 알고리즘은, 입력전압 변동이나 부하 변동에서 직류단 전압제어의 동특성을 위한 전향보상 듀티비를 적용하게 된다.

또한, 전류 제한 알고리즘은, 입력전압에 따른 최대 DCM 전류를 매 샘플링 도안 계산하여 센싱 전류가 이 값을 넘을 경우에 최종 듀티비를 감소시키게 된다.

이어, PFC 온도 감지부(130)가 PFC 컨버터의 온도를 감지한다(S330).

이어, PWM 제어부(160)가 PFC 컨버터의 온도에 대응하는 듀티비를 결정한다(S340).

이어, PWM 제어부(160)가 전향 보상 알고리즘, 전류 제한 알고리즘 및 파형 정형 알고리즘을 수행한 결과를 적용하고, 결정된 듀티비로 보상하여 PWM(Pulse Width Modulation) 제어를 수행한다(S350).

즉, PWM 제어부(160)는 전향 보상 알고리즘과 전류 제한 알고리즘, 파형 정형(Wave Shaping) 알고리즘을 통해 산출된 값에 듀티비 테이블(140)에 근거해 산출된 듀티비로 산출된 값을 가산 또는 감산하여 PWM 제어의 온 타임(On Time)을 결정하여 PWM 제어를 수행하는 것이다. 따라서, 도 5에 도시된 바와 같이 260V에서 280V로 전압 변동 시 입력 전류가 개선된 것을 확인할 수 있다. 도 5는 본 발명의 실시예에 따라 전압 변동 시 입력 전류가 개선되기 전과 개선 후의 결과를 나타낸 그래프이다.

PFC 컨버터(120)를 DCM 부스트 컨버터로 구성할 경우에 과부하나 과전압이 입력되면 연속 전류 모드(CCM)로 동작하게 되어 과도 전류로 인해 OBC가 소손 될 위험이 있다. 따라서, 입력 전압에 따른 최대 DCM 전류를 매 샘플링 동안 계산하여 센싱 전류가 이 값을 넘을 경우에 최종 듀티를 감소시키게 됨으로써 입력 전류를 개선하는 것이다.

전술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 상용 AC 전원을 이용하여 고전압 배터리를 충전하는 OBC가 PFC 모듈을 통해 전력의 변환 시 온도에 따른 인덕턴스 및 저항의 소자 값이 변화할 때 온도 변화를 고려해 PFC 제어를 통해 최적 효율 및 역률을 달성할 수 있도록 하는 피에프씨 온도에 따른 듀티비 보상 제어 시스템 및 방법을 실현할 수 있다.

본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있으므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

본 발명은 상용 AC 전원을 이용하여 고전압 배터리를 충전하는 OBC가 PFC 모듈을 통해 전력의 변환 시 온도에 따른 인덕턴스 및 저항의 소자 값이 변화할 때 온도 변화를 고려해 PFC 제어를 통해 최적 효율 및 역률을 달성할 수 있도록 하는 피에프씨 온도에 따른 듀티비 보상 제어 시스템 및 방법에 적용할 수 있다.

100 : 듀티비 보상 제어 시스템 110 : 플랜트
120 : PFC 컨버터 130 : PFC 온도 감지부
140 : 듀티비 테이블 150 : PI 제어기
160 : PWM 제어부

Claims

배터리에 전원을 충전하는 플랜트(Plant);
상기 배터리에 충전되는 전원에 대한 역률을 조정하는 역률 조정(Power Factor Correction, 이하 PFC) 컨버터의 온도를 감지하는 PFC 온도 감지부;
상기 PFC 컨버터의 온도에 대응하는 듀티비(Duty Rate) 정보를 저장하고 있는 듀티비 테이블(PFC Interpolation Table);
상기 배터리에 충전되는 전원에 대해 비례 및 적분 제어를 수행하는 비례/적분 제어기(Propotional/Integral Cotroller); 및
상기 비례/적분 제어기로부터 출력되어 상기 배터리에 상기 플랜트를 통해 충전되는 전원에 대해, 전향 보상 알고리즘과 전류 제한 알고리즘, 파형 정형(Wave Shaping) 알고리즘을 수행하고, 상기 듀티비 테이블에 근거해 상기 PFC 온도 감지부를 통해 감지된 PFC 컨버터의 온도에 대응된 듀티비로 보상하여 PWM(Pulse Width Modulation) 제어를 수행하는 PWM 제어부;
를 포함하는 피에프씨 온도에 따른 듀티비 보상 제어 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 PWM 제어부는, 상기 전향 보상 알고리즘과 전류 제한 알고리즘, 파형 정형(Wave Shaping) 알고리즘을 통해 산출된 값에 상기 듀티비 테이블에 근거해 산출된 듀티비로 산출된 값을 가산 또는 감산하여 PWM 제어의 온 타임(On Time)을 결정하는 것을 특징으로 하는 피에프씨 온도에 따른 듀티비 보상 제어 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 PFC 컨버터는, 부스트 다이오드(Boost Diode)를 포함한 부스트 컨버터(Boost Converter)로 구성된 것을 특징으로 하는 피에프씨 온도에 따른 듀티비 보상 제어 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 전향 보상 알고리즘은, 입력전압 변동이나 부하 변동에서 직류단 전압제어의 동특성을 위한 전향보상 듀티비를 적용하는 것을 특징으로 하는 피에프씨 온도에 따른 듀티비 보상 제어 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 전류 제한 알고리즘은, 입력전압에 따른 최대 DCM 전류를 매 샘플링 도안 계산하여 센싱 전류가 이 값을 넘을 경우에 최종 듀티비를 감소시키는 것을 특징으로 하는 피에프씨 온도에 따른 듀티비 보상 제어 시스템.
(a) PFC 컨버터가 교류 전원을 직류 전원으로 변환해 역률을 조정하는 단계;
(b) PWM 제어부가 상기 역률이 조정된 직류 전원에 대해, 전향 보상 알고리즘, 전류 제한 알고리즘 및 파형 정형 알고리즘을 수행하는 단계;
(c) PFC 온도 감지부가 상기 PFC 컨버터의 온도를 감지하는 단계;
(d) PWM 제어부가 상기 PFC 컨버터의 온도에 대응하는 듀티비를 결정하는 단계; 및
(e) PWM 제어부가 상기 전향 보상 알고리즘, 전류 제한 알고리즘 및 파형 정형 알고리즘을 수행한 결과를 적용하고, 상기 결정된 듀티비로 보상하여 PWM(Pulse Width Modulation) 제어를 수행하는 단계;
를 포함하는 피에프씨 온도에 따른 듀티비 보상 제어 방법.
청구항 6에 있어서,
상기 (e) 단계는, 상기 PWM 제어부가 상기 전향 보상 알고리즘과 전류 제한 알고리즘, 파형 정형(Wave Shaping) 알고리즘을 통해 산출된 값에 상기 듀티비 테이블에 근거해 산출된 듀티비로 산출된 값을 가산 또는 감산하여 PWM 제어의 온 타임(On Time)을 결정하여 PWM 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 피에프씨 온도에 따른 듀티비 보상 제어 방법.
청구항 6에 있어서,
상기 (a) 단계는, 상기 PFC 컨버터가 부스트 다이오드(Boost Diode)를 포함한 부스트 컨버터(Boost Converter)에서, 상기 부스트 다이오드에 흐르는 평균 전류와, 부하로 흐르는 평균 전류를 이용해 전향보상 듀티비를 산출하여 역률을 조정하는 것을 특징으로 하는 피에프씨 온도에 따른 듀티비 보상 제어 방법.
청구항 6에 있어서,
상기 전향 보상 알고리즘은, 입력전압 변동이나 부하 변동에서 직류단 전압제어의 동특성을 위한 전향보상 듀티비를 적용하는 것을 특징으로 하는 피에프씨 온도에 따른 듀티비 보상 제어 방법.
청구항 6에 있어서,
상기 전류 제한 알고리즘은, 입력전압에 따른 최대 DCM 전류를 매 샘플링 동안 계산하여 센싱 전류가 이 값을 넘을 경우에 최종 듀티비를 감소시키는 것을 특징으로 하는 피에프씨 온도에 따른 듀티비 보상 제어 방법.