KR20160093285A - Dc-dc 컨버터 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 DC-DC 컨버터 제어방법에 관한 것으로, 방전전압과 최소전압 사이 구간에서 전압제어기를 통해 최대전류만큼 정전류를 출력하여 보조배터리를 빠르게 충전하는 단계와; 최소전압과 최대전압 사이 구간에서 보조배터리의 정상적인 전압범위에서 출력되는 가변파워에 대해 LDC 출력단에서 센싱되는 측정전압으로 나눠준 값으로 전류지령을 생성하여 일정한 파워를 출력하는 단계를 포함하는 DC-DC 컨버터 제어방법을 제공함으로써, 전압지령에 상관없이 출력전압을 전 범위에 걸쳐 동일한 파워로 출력하여 파워부품의 부담을 줄이고, 최대전류에 제한을 두어 정전류 모드를 통해 보조배터리를 빠르게 충전할 수 있는 효과가 있다.

Description

DC-DC 컨버터 제어방법{A control method of DC-DC converter}

본 발명은 DC-DC 컨버터 제어방법에 관한 것으로, 전압지령에 상관없이 사용하는 출력전압의 전체범위에 걸쳐 동일한 파워를 출력하여 전장부품의 부담을 줄이고, 최대제한전류만큼 정전류를 출력하여 방전상태의 보조배터리를 빠르게 충전할 수 있는 저전압 DC-DC 컨버터(Low Voltage DC-DC Converter)의 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로, 차량의 전기장치로는 엔진전기장치(시동장치, 점화장치, 충전장치)와 등화장치가 구성되어 있으며, 최근에는 차량이 보다 전자제어화 됨에 따라 샤시전기장치를 포함하여 대부분의 시스템들이 전기전자화 되고 있는 추세이다.

이때, 차량에 설치되는 램프, 오디오, 히터, 에어컨 등의 각종 전장품들의 경우 차량의 정지 시에는 배터리로부터 전원을 공급받고, 주행 시에는 발전기로부터 전원을 공급받도록 되어 있으며, 통상의 전원 전압으로는 14V계 전원 시스템의 발전용량이 사용되고 있다.

한편, 최근에 정보기술산업의 발달과 더불어 차량의 편의성 증대를 목적으로 하는 다양한 신기술들이 차량에 접목되고 있으며, 앞으로도 현 차량 시스템을 최대한 이용할 수 있는 신기술의 개발이 계속될 전망이다.

이에 따라, 하이브리드차량(HEV), 연료전지차량, 연료전지하이브리드차량 등의 환경차량(전기자동차)은 12V 배터리(보조배터리)의 충전 및 12V 전장부하에 전력을 공급하는 저전압 DC-DC 컨버터(Low Voltage DC-DC Converter, LDC)가 설치되는 것이 보편적이다.

즉, 기존 가솔린차량의 발전기 역할을 수행하는 저전압 DC-DC 컨버터(이하, LDC라 칭함)는 메인배터리의 고전압을 감압시켜 12V 전압을 출력 공급하며, 메인배터리 혹은 구동모터에 의한 회생에너지의 고전압(DC)을 12V의 저전압(DC)로 변환시켜 보조배터리를 충전시키거나 전장부하에 공급한다.

따라서, 도 1에 도시된 전압지령에 따른 출력전류 값의 변화 그래프에 의하면, 현재 환경차량에서 보조배터리를 충전하고 전장부하에 전원들 공급하는 LDC는 출력전압(V_O )의 일정 범위 내에서 가변되고, 최대전류(I_{O_MAX} )는 출력전압(V_O )과 상관없이 일정한 값(고정값)으로 제한하고 있으며, 전압지령(V_{O_REF} )이 가장 높을 때 LDC는 최대파워(P_{O_MAX} )를 출력하고, 전압지령(V_{O_REF} )이 가장 낮을 때 최소파워(P_{O_MIN} )를 출력하게 된다.

다시 말해, 현재 보조배터리의 로직은 전체 출력전압(V_O )의 범위 내에서 최대전류(I_{O_MAX} )가 고정된 상태를 유지하게 된다.

한편, 도 2에 도시된 전압지령에 따른 구간별 출력파워 변화 그래프에 의하면, 평균전압지령(V_{O_REF_NOM} )을 기준으로 최대전류(I_{O_MAX} )를 설정하고, 이에 따라, 평균전압지령(V_{O_REF_NOM} )보다 전압지령(V_{O_REF} )이 작은 경우 정격파워(P_{O_RATED} )에 비해 파워부족 구간이 발생하고, 반대로, 평균전압지령(V_{O_REF_NOM} )보다 전압지령(V_{O_REF} )이 높은 경우 정격파워(P_{O_RATED} )에 비해 파워초과 구간이 발생한다.

따라서, 도 3에 도시된 최대전류 초과시 출력파워 디레이팅 그래프에 의하면, 최대전류(I_{O_MAX} )보다 높은 전류가 출력단에 흐르게 되는 경우 평균전압(V_{O_NOM} ) 대 출력전류(I_O )의 기울기(slope)로 전압지령(V_{O_REF} )을 낮추며 LDC 출력단을 통해 보조배터리의 충/방전 밸런스를 맞추면서 출력파워 디레이팅(Output power derating)을 수행한다.

그러나, 실제적으로 최대전류(I_{O_MAX} )보다 LDC의 출력단에 출력전류(I_O )가 높을 경우, 출력파워 디레이팅(Output power derating)으로 인해 출련단의 전류는 최대전류(I_{O_MAX} )가 되므로, 전압지령(V_{O_REF} )을 제어하는 간접적인 방식으로 LDC 출력단에 출력전류를 제한함에 따라 보조배터리의 SOC에 의존인 것은 물론, 기울기가 최적화 되지 못하므로 출력전류(I_O ) 리플(ripple)이 크게 발생하는 문제점이 있다.

전압지령에 의해 결정되는 전류로 충전되므로 보조배터리의 빠른 충전을 요구하기 어려우며, 보조배터리가 방전된 상태에서 발생하는 로드덤프에 의해 순간적으로 배터리의 충전과전류가 발생하는 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 전압지령에 상관없이 출력전압을 전 범위에 걸쳐 동일한 파워로 출력하여 파워부품의 부담을 줄이고, 최대전류에 제한을 두어 정전류 모드를 통해 보조배터리를 빠르게 충전할 수 있는 저전압 DC-DC 컨버터(Low Voltage DC-DC Converter)의 제어방법에 관한 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 방전전압과 최소전압 사이 구간에서 전압제어기를 통해 최대전류만큼 정전류를 출력하여 보조배터리를 빠르게 충전하는 단계와; 최소전압과 최대전압 사이 구간에서 보조배터리의 정상적인 전압범위에서 출력되는 가변파워에 대해 LDC 출력단에서 센싱되는 측정전압으로 나눠준 값으로 전류지령을 생성하여 일정한 파워를 출력하는 단계를 포함하는 DC-DC 컨버터 제어방법을 제공한다.

여기서, 상기 전압제어기의 출력단에 최종 전류지령은 최대제한전류와 가변파워를 측정전압으로 나눈 최소값으로 구해진 최대전류가 리미터의 최상값으로 정해지는 최종 출력값으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 가변파워는 메인배터리의 SOC, 차량 주행 또는 보조배터리의 온도에 의해 파워제한이 필요할 때 LEC제어기를 통해 실시간으로 가변파워량을 받아 전류를 제어하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 구성된 본 발명을 제공함으로써, 전압지령에 상관없이 출력전압을 전 범위에 걸쳐 동일한 파워로 출력하여 파워부품의 부담을 줄이고, 최대전류에 제한을 두어 정전류 모드를 통해 보조배터리를 빠르게 충전할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래에 전압지령에 따른 출력전류 변화 그래프.
도 2는 종래에 전압지령에 따른 구간별 출력파워 변화 그래프.
도 3은 종래에 최대전류 초과시 출력파워 디레이팅 그래프.
도 4는 본 발명의 DC-DC 컨버터 제어방법에 따른 LDC 제어 과정을 도시한 그래프.
도 5는 본 발명의 DC-DC 컨버터 제어방법에 따른 LDC제어기의 구조에 대한 개략도.
도 6은 도 5의 LDC제어기의 구조에서 리미터의 구조에 대한 개략도.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.

본 발명은 전압지령(V_{O_REF} )과 상관없이 사용하는 출력전압(V_O )의 전 범위에서 동일한 출력파워(P_O )를 출력하여 전압이 낮을 시 사용하지 않았던 출력파워(P_O ) 구간의 이용률을 높이고, 전압이 높을 시 오버해서 사용하였던 출력파워(P_O ) 구간은 사용하지 않으므로 파워부품의 부담을 줄일 수 있게 하며, 보조배터리의 전압이 낮을 시에는 출력되는 최대전류(I_{FB_MAX_LMT} )에 제한을 두고 정전류(Constant current)모드로 제어하여 보조배터리를 빠르게 충전할 수 있도록 하는 점에 주된 특징이 있다.

따라서, 본 발명의 DC-DC 컨버터 제어방법은 도 4에 도시된 LDC 제어 과정을 도시한 그래프를 통해 설명한다.

우선, 방전전압(V_{O_UV} ) ~ 최소전압(V_{O_MIN} ) 구간에는 보조배터리가 방전된 상태이므로 단 시단에 최대한 충전하는 것이 유리하다.

즉, 그래프 상에 최종최대제한전류(I_{FB_MAX_LMT} )만큼 제어하여 전류를 흘려줌으로써, 이와 동일하게 정전류가 출력됨에 따라 빠르게 충전할 수 있다.

다음으로 최소전압(V_{O_MIN} ) ~ 최대전압(V_{O_MAX} ) 구간에는 보조배터리가 정상적인 전압 범위에 있으며 가변되는 출력파워(P_{O_VAR} )에 대해 LDC출력단에서 센싱되는 측정전압(V_{O_LPF} )으로 나눠준 값으로 전류지령이 생성되므로 이 구간에서는 정격파워(P_{O_RATED} )가 출력된다.

마지막으로 전류제어기(30)를 통해 최종적으로 듀티(D_FB )를 출력하게 된다.

한편, 도 5에 도시된 LDC제어기(10)에 대한 개략도에 의하면, 가변파워(P_{O_VAR} )는 메인배터리의 SOC나 차량의 주행(가/감속) 또는 보조배터리의 온도/SOC 등에 의해 파워제한이 필요할 때 가변 될 수 있고 전압제어기(20)에서는 실시간으로 가변파워(P_{O_VAR} )량을 받아 출력전류(I_O )를 제어한다.

또한, 전압제어기(20)의 출력인 최종전류지령(I_{FB_REF} )은 도 6은 도 5의 LDC제어기(10)에서 리미터(40)의 구조에 대한 개략도에 도시된 바와 같이, 최종최대제한전류(I_{FB_MAX_LMT} )에 대해 가변파워(P_{O_VAR} )를 측정전압(V_{O_LPF} )으로 나눈 최소값으로 취해진 최대전류(I_{FB_MAX} )를 리미터의 최대 값으로 전하여 최종적으로 출력된다.

한편, 냉시동, 장기간 차량방치, 노후화에 의해 보조배터리의 SOC가 좋지 않을 경우 더욱 효율적으로 단시간에 충전할 수 있으며, 출력 평균전압(V_{O_NOM} )을 기준으로 선정된 최대전류(I_{O_MAX} ) 값을 사용하여 출력을 낼 때 출력전압(V_O )에 따라 출력파워(P_O )가 달라지므로 파워부품의 설계 기준이 불명확한 부분을 개선할 수 있다.

또한, 보조배터리의 SOC가 좋지 않은 경우 보조배터리의 고정터미널이 헐거워 로드덤프 상황이 발생하는 상황에서 과전류에 의해 LDC 내부 부품을 보호하기 위한 출력오프가 발생한 이력이 있어 악의 상황에서도 강건하게 동작 가능할 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명을 제공함으로써, 전압지령에 상관없이 출력전압을 전 범위에 걸쳐 동일한 파워로 출력하여 파워부품의 부담을 줄이고, 최대전류에 제한을 두어 정전류 모드를 통해 보조배터리를 빠르게 충전할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.

이상에 설명한 본 명세서 및 청구범위에 사용되는 용어 및 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 본 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 도면 및 실시 예에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것이 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

I_O : 출력전류 I_{O_MAX} : 최대전류
I_{O_MIN} : 최소전류 I_{O_REF} : 전류지령
I_{FB_MAX_LMT} : 최종최대제한전류 I_{FB_REF} : 최종전류지령
P_O : 출력파워 P_{O_RATED} : 정격파워
P_{O_VAR} : 가변파워 P_{O_MAX} : 최대파워
P_{O_MIN} : 최소파워 V_O : 출력전압
V_{O_UV} : 방전전압 V_{O_MIN} : 최소전압
V_{O_NOM} : 평균전압 V_{O_MAX} : 최대전압
V_{O_LPF} : 측정전압 V_{O_REF} : 전압지령
V_{O_REF_MIN} : 최소전압지령 V_{O_REF_NOM} : 평균전압지령
V_{O_REF_MAX} : 최대전압지령 CC : 정전류모드
CP : 정전력모드 10 : LDC제어기
20 : 전압제어기 30 : 전류제어기
40 : 리미터

Claims (3)

1. DC-DC 컨버터 제어방법에 있어서,
   방전전압과 최소전압 사이 구간에서 전압제어기를 통해 최대전류만큼 정전류를 출력하여 보조배터리를 빠르게 충전하는 단계와;
   최소전압과 최대전압 사이 구간에서 보조배터리의 정상적인 전압범위에서 출력되는 가변파워에 대해 LDC 출력단에서 센싱되는 측정전압으로 나눠준 값으로 전류지령을 생성하여 일정한 파워를 출력하는 단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 DC-DC 컨버터 제어방법.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 전압제어기의 출력단에 최종 전류지령은 최대제한전류와 가변파워를 측정전압으로 나눈 최소값으로 구해진 최대전류가 리미터의 최상값으로 정해지는 최종 출력값으로 이루어진 것을 특징으로 하는 DC-DC 컨버터 제어방법.
3. 청구항 1에 있어서,
   가변파워는 메인배터리의 SOC, 차량 주행 또는 보조배터리의 온도에 의해 파워제한이 필요할 때 LEC제어기를 통해 실시간으로 가변파워량을 받아 전류를 제어하는 것을 특징으로 하는 DC-DC 컨버터 제어방법.

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