KR20160126898A - Dc-dc 변환기의 작동 방법 - Google Patents

Dc-dc 변환기의 작동 방법 Download PDF

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독터. 인제니어. 하.체. 에프. 포르쉐 악티엔게젤샤프트
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Abstract

본 발명은, 충전기(20)의 DC-DC 변환기(22)를 작동시키는 방법으로서, DC-DC 변환기는 일차측에서, 직렬로 차례로 그리고 이차측 변환 코일(48)에 나란히 배치되는 제1 변환 코일(28) 및 적어도 하나의 제2 변환 코일(30)을 갖고, 각각의 반도체 스위치는 적어도 하나의 제2 일차측 변환 코일(30)과 병렬로 연결되며, 이 반도체 스위치에 의해, 충전기(20)의 적어도 하나의 작동 파라미터의 현재값에 따라, 적어도 하나의 제2 일차측 변환 코일(30)이 스위치-온 또는 스위치-오프되는, 방법에 관한 것이다.

Description

DC-DC 변환기의 작동 방법{METHOD FOR OPERATING A DC-DC CONVERTER}
본 발명은 충전기용 DC-DC 변환기의 작동 방법, DC-DC 변환기 및 자동차용 충전기에 관한 것이다.
구동 또는 이동을 위해 적어도 하나의 전기 모터를 구비하여 사용하거나 자동차를 전기차 또는 하이브리드 차량이라 한다. 이 경우, 자동차의 주행 동작 중, 적어도 하나의 전기 모터는, 배터리 또는 충전지라고도 할 수 있는 적어도 하나의 전기 에너지 저장기로부터 전기 에너지를 공급받는다. 적어도 하나의 전기 에너지 저장기는 결과적으로 충전 동작 시 전기 에너지를 공급받는다. 그 중에서도 자동차에 탑재된 충전기가 이를 위해 사용된다. 여기에서, 충전 동작 중 충전기의 작동 파라미터가 변하며, 이에 따라, 충전 동작도 영향을 받는다는 것이 고려되어야 한다.
전기차의 충전지용 전력 변환기가 문헌 DE 26 45 507 A1에 기재된다. 전력 변환기는 충전지의 DC 전압을 AC 전압으로 변환하도록 설계된다. 이는 비교적 높은 전압을 갖는 전기차의 구동 모터에, 이에 반해 낮은 전압을 갖는 충전지로부터 전력을 공급하는 것을 가능하게 한다.
전기차의 전력 공급부를 작동하는 방법이 문헌 DE 44 37 876 A1에 기재된다. 전력 공급부는, 전기차 구동을 위한 제1 배터리와, DC-DC 변환기를 통하여 충전 가능하며 전기차 내의 다른 부하기에 에너지를 공급하는 제2 배터리를 포함한다. 이 경우, DC-DC 변환기는 이로부터 이루어지는 부하 요건이 편의상 최소 값에 도달할 경우에만 작동된다.
모터 구동식 차량용 충전 시스템이 문헌 US 6 150 794 A로부터 알려져 있다. 충전 시스템은 두 개의 충전기를 포함하며, 각 충전기는 코일을 갖는다. 두 충전기의 코일이 서로로부터 작은 거리로 배치된 경우 차량의 배터리는 충전 시스템에 의해 충전될 수 있다.
또한, 문헌 CN 201269922 Y는 배터리용 자동 검출 시스템을 개시하며, 이 시스템은, 단지 작은 양의 열이 발생되는 방식으로 작동을 제어하도록 설계된다.
이러한 배경기술에 대하여, 본 발명의 목적은 적어도 하나의 DC-DC 변환기를 갖는 자동차의 충전기의 효율을 최적화하는 데에 있다.
이 목적은 방법, DC-DC 변환기 및 충전기에 대한 독립 특허 청구항의 특징에 의해 달성된다. 방법, DC-DC 변환기 및 충전기의 실시예는 종속 특허 청구항 및 설명으로부터 명백하다.
본 발명에 따른 방법은 충전기의 DC-DC 변환기를 작동시키기 위한 것으로, DC-DC 변환기는 일차측에서, 변환 코일로 구현되는 제1 코일 및 변환 코일로 구현되는 적어도 하나의 제2 코일을 갖고, 이들 코일은 직렬로 차례로 그리고 변환 코일로서 구현되는 이차측 코일에 나란히 배치된다. 각각의 반도체 스위치는 적어도 하나의 제2 일차측 변환 코일과 병렬로 연결되며, 이 반도체 스위치에 의해, 충전기의 적어도 하나의 작동 파라미터의 현재값에 따라, 적어도 하나의 제2 일차측 변환 코일이 스위치-온 또는 스위치-오프된다.
따라서, DC-DC 변환기는, 제1 일차측 변환 코일에 나란하게, 추가적인 제2 일차측 변환 코일 또는 적당하다면 복수의 제2 일차측 변환 코일을 포함하며, 일차측 변환 코일 모두는 차례로 직렬로 그리고 이차측 변환 코일에 나란하게 배치된다. 각각의 반도체 스위치는 각각의 추가적인 적어도 하나의 제2 일차측 변환 코일과 병렬로 연결된다. 방법의 실시예에서, 제1 일차측 변환 코일에 나란하게, 각각 할당된 반도체 스위치를 통하여 가변적으로 조절 가능한 개수의 제2 일차측 변환 코일이 스위치-온 또는 스위치-오프되며, 그 결과, 가변적으로 조절 가능한 권취수(number of turns)가 활성화되거나 비활성화된다.
모든 능동형 일차측 변환 코일은 AC 전류의 형태의 전류가 이를 통하여 흐르는 경우 전자기장을 발생시키며, 전자기장은 나란히 배치된 이차측 변환 코일에서 AC 전류를 유도한다. DC-DC 변환기의 공진 주파수는 능동형 일차측 변환 코일의 개수에 영향을 받는다.
충전기 및/또는 DC-DC 변환기의 온도 및 충전기 및/또는 DC-DC 변환기를 통하여 흐르는 전류가 적어도 하나의 작동 파라미터로서 고려된다.
적어도 하나의 제2 일차측 변환 코일은, 추가적으로, 과거에 검출된 상기 적어도 하나의 작동 파라미터의 값에 따라 스위치-온 또는 스위치-오프된다.
또한, 적어도 하나의 스위치, 일반적으로 두 개의 스위치가 변환 코일과 직렬로 연결되며, 적어도 하나의 스위치는 충전기의 적어도 하나의 작동 파라미터의 현재값에 따라 폐쇄되거나 개방된다.
뿐만 아니라, 적어도 하나의 작동 파라미터의 특성 곡선이 고려된다.
본 발명에 따른 DC-DC 변환기는 충전기용으로 구비되며, 일차측에서, 직렬로 차례로 그리고 DC-DC 변환기의 이차측 코일에 나란하게 배치되는, 제1 변환 코일 및 적어도 하나의 제2 변환 코일을 포함한다. 각각의 반도체 스위치는 적어도 하나의 제2 일차측 변환 코일과 병렬로 연결되며, 이 반도체 스위치에 의해, 충전기의 적어도 하나의 작동 파라미터의 현재값에 따라, 적어도 하나의 제2 일차측 변환 코일이 스위치-온 또는 스위치-오프된다.
적어도 하나의 스위치는 변환 코일과 직렬로 연결된다. 이 경우, 충전기의 적어도 하나의 작동 파라미터의 현재값에 따라 적어도 하나의 스위치가 폐쇄되거나 개방된다.
일 실시예에서, 적어도 하나의 제2 변환 코일과 병렬로 배치되는 적어도 하나의 각각의 반도체 스위치는, 예를 들면, 전계 효과 트랜지스터 및/또는 탄화 규소 반도체로 구현된다.
DC-DC 변환기는 연산 유닛을 더 포함하며, 연산 유닛에 의해, 스위치-온 또는 스위치-오프되는 적어도 하나의 반도체 스위치에 의해 각각의 적어도 하나의 반도체 스위치의 상태가 변경되며, 그 결과 적어도 하나의 제2 일차측 변환 코일이 활성화되거나 비활성화된다.
추가적인 실시예에서, 전류 측정 회로가 변환 코일과 직렬로 연결되며, 이 전류 측정 회로에 의해, DC-DC 변환기의 적어도 하나의 작동 파라미터가 검출된다. 연산 유닛은, 두 개의 측정 지점에서, 전류 측정 회로에 연결되며, 이를 통해, 전류 측정 회로가 연산 유닛에 의해 모니터링된다. 전류 측정 회로를 통하여 흐르는 전류를 측정하기 위해 전류 측정 회로는, 예를 들면 측정 저항기 또는 보통 유도 전류 변압기인 전류 변압기로 구현된다.
일 실시예에서, 적어도 하나의 스위치는 연산 유닛에 의해 개방되거나 폐쇄될 수 있다.
DC-DC 변환기는, 전자 부품으로서 적어도 제1 및 적어도 하나의 제2 일차측 변환 코일을 갖는 일차측 전기 회로를 포함하며, 일차측 변환 코일은 직렬로 연결된다. 마찬가지로, 일차측 전기 회로에서, 적어도 하나의 스위치는, 예를 들면, 일차측 전기 회로의 처음 및/또는 끝에서 일차측 변환 코일과 직렬로 연결된다. 추가적인 실시예에서, 전류 측정 회로는 또한 일차측 변환 코일과 직렬로 연결된다. 뿐만 아니라, 적어도 하나의 추가적인 선택적 전자 부품으로서, 적어도 하나의 인덕터 코일 및 적어도 하나의 축전기는 변환 코일과 직렬로 연결된다. 적어도 하나의 반도체 스위치는 적어도 하나의 제2 변환 코일과 병렬로 연결된다.
본 발명에 따른 충전기는 전기 에너지 저장기를 충전하도록 설계되며, 제시된 적어도 하나의 DC-DC 변환기를 갖는다.
충전기는 자동차에서 사용되며, 자동차의 전기 에너지 저장기를 충전하는 데에 활용된다.
보통 소위 플러그인 차량이라고 하며 하이브리드 또는 전기차로 구현되는, 자동차의 (트랙션 배터리로 구현되는) 전기 에너지 저장기를 충전하기 위해, 전기 에너지 저장기는 제시된 충전기를 통하여 정지형(stationary) 전기 그리드에 연결된다. 자동차에 배치되는 충전기는 전기 에너지 저장기를 충전하기 위한 충전 과정 또는 충전 동작과, 이러한 방법의 맥락에서 충전기 자체를 관리하고 이에 따라 개회로 제어 및/또는 폐회로 제어하도록 설계된다.
충전기는 전자 부품, 예를 들면, 다이오드, 적어도 하나의 갈바니 절연된 변압기, 적어도 하나의 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET) 등을 포함한다. 충전 동작을 수행할 때, 충전기는 능동형 일차측 변환 코일의 개수를 다르게 하는 것에 의해 파라미터-제어된 전환을 수행하며, 그 결과, 효율의 감소가 보상된다. 이러한 방법을 수행할 때, 전류 세기의 증가에 따른 전자 부품의 내부 저항의 증가는 제시된 충전기에 의해 감소된다.
이 경우, 예로서, 충전기의 적어도 하나의 작동 파라미터로서, 충전기의 온도 부하 및/또는 전류 부하가 관리된다. 충전 동작을 전환하거나 변경하기 위해, 개별 변환 코일과 이에 따라 변압기로서의 적어도 하나의 공진 DC-DC 변환기의 권취부가 스위치-온 또는 스위치-오프되며, 그 결과, 적어도 하나의 공진 변환기, 예를 들면, LLC의 컨트롤러 파라미터와 이에 따른 적어도 하나의 추가적인 전자 부품으로서의 적어도 하나의 공진 DC-DC 변환기의 컨트롤러 파라미터가 결국 조정된다.
이러한 방법의 맥락에서, 충전기의 효율이 그 전체 작동 범위에 걸쳐 최적화된다. 충전기는 결국 전자 부품으로 이루어지는 개별 전자 스테이지를 포함한다. 하나의 이러한 전자 스테이지는 역률 보정 필터로서 구현되고, 역률 보정(Power Factor Correction) 또는 PFC 스테이지라고도 하며, 이러한 역률 보정 필터 전류는 높은 전력에서 정현 곡선으로(sinusoidal) 그려진다. 추가적인 전자 스테이지로서 중간 회로가 전기 에너지를 저장하도록 설계된다. 충전기의 적어도 하나의 전자 스테이지로서 제시된 DC-DC 변환기는 변압기를 통한 전기 에너지의 갈바니 절연된 전달을 위해 설계된다.
이차측에서, 전자 스테이지의 하류에, 추가적인 전자 스테이지로서 수동형 정류기 스테이지가 연결되어 있으며, 이에 의해 전기 에너지 저장기의 충전 중, 보통 고전압 배터리의 충전 중, AC 전압 신호가 평활화된다.
이 방법의 경우 일 실시예에서, 변압기 인덕턴스가 관리되며 이에 따라 최적화된다. 적어도 충전기를 통하여 흐르는 구동 전류의 값에 따라 효율이 결정된다는 것이 추가적으로 고려된다. 이 경우, 개별 전자 스테이지의 내부 저항 및 이에 따른 개별 전자 부품 또는 전자 구성 부품의 내부 저항의 결과로 인한 손실은 전류의 크기에 비례한다. 추가적인 전자 부품으로서, 충전기는 적어도 하나의 정류기 다이오드, 적어도 하나의 갈바니 절연된 변압기 및 적어도 하나의 MOSFET를 갖는다.
충전기가 7.2 kW, 11 kW 또는 22 kW의 전력을 갖는 고집적 충전기로 구현되는 경우, 적어도 하나의 공진 스위칭 DC-DC 변환기는 전기 에너지의 갈바니 절연된 전달을 위한 전자 스테이지로서 사용된다. 적어도 하나의 공진 DC-DC 변환기는, 전자 부품으로서, 축전기, 인덕턴스 또는 코일과, 보통 MOSFET으로 구현되는 전자 스위치를 포함하며, 공진 DC-DC 변환기에 의해, 전기 에너지의 전달이 부하 지점에 따라 공진 지점에서 유지된다. 이 경우, 전기 에너지는 후속하여 MOSFET에 의해 고주파로 공급되며, 이에 따라, 공진 DC-DC 변환기가 공진되고/되거나 공진에서 유지된다.
이 방법의 실시예에서, 충전기의 상이한 소프트웨어 및/또는 하드웨어 기능이 관리된다. 이 경우, 충전기의 하나의 모듈이 과거에 검출된 작동 파라미터로서의 이전의 충전 전력의 적분을 평가한다. 뿐만 아니라, 추가적인 모듈이 작동 파라미터로서 냉각수 온도를 평가한다. 충전기의 하나의 모듈은 작동 파라미터로서 전기 에너지의 처리량을 평가하도록 설계된다. 보통 열 센서 또는 온도계로서 구현되는 추가적인 모듈이 작동 파라미터로서 충전기의 외부 온도를 검출한다. 뿐만 아니라, 마찬가지로 열 센서로 구현되는 하나의 모듈은 충전기의 작동 파라미터로서 내측 또는 내부 온도를 검출하도록 설계된다.
충전기의 각각의 전력 경로의 작동 파라미터, 예를 들면, 일차측 또는 이차측 전기 회로의 작동 파라미터로서 현재 전력은, 이를 위해 제공된 모듈에 의해 마찬가지로 검출되고 평가된다. 적어도 하나의 추가적인 모듈은, 충전기의 작동 파라미터로서, 전자 부품, 예를 들면, 반도체 및 변압기의 전류 부하의 실제 작동 상태를 검출한다. 이러한 전자 부품의 전압 부하의 실제 상태는, 마찬가지로 이를 위해 제공되는 모듈에 의해 작동 파라미터로서 검출된다. 작동 파라미터로서 최근의 일, 주 또는 월의 기간에 걸친 적분 접근법에 의한 충전기의 기후 환경의 평가가, 이를 위해 설계된 모듈에 의해 평가된다.
뿐만 아니라, 작동 파라미터로서 추가적인 전력의 증가에 대한 값을 출력하는 하나의 모듈이 구비된다. 또한, 충전기는 전력의 증가의 추천을 수행하는 충전 관리를 위한 충전소용 하나의 모듈을 포함한다. 뿐만 아니라, 무엇보다도, 적어도 하나의 공진 DC-DC 변환기의 일차측 회로의 공진 주파수 및 권취수가 작동 중 부수적으로 조정된다. 또한, 전환 시점에서 히스테리시스를 평가하는 하나의 모듈이 제공된다.
이러한 방법의 맥락에서 검출되어 최적 효율을 설정하는 데에 고려되는 상술한 작동 파라미터의 값과 연관된 모든 데이터가 중앙 모듈, 예를 들면, 메인 모듈에 수집되어 이에 의해 평가된다. 중앙 모듈은, 예를 들면, DC-DC 변환기의 제시된 연산 유닛으로서 구현된다. 또한, 이렇게 수집된 데이터는 중앙 모듈 또는 연산 유닛에 의해 계산된다. 소프트웨어 기능을 수행하면서 그리고 연산 유닛에 저장되는 적어도 하나의 작동 파라미터의 적어도 하나의 특성 곡선을 고려하면서, 후속하여 전환 시점이 연산 유닛에 의해 계산된다. 일 실시예에서, 상술한 모듈은 제시된 DC-DC 변환기의 연산 유닛에서 하드웨어 및/또는 소프트웨어 기능으로 구현된다.
본 발명의 추가적인 이점 및 실시예는 상세한 설명 및 첨부된 도면으로부터 명백하다.
상술한 특징 및 아래에서 더 설명되는 특징은 각각 제시된 조합으로 사용될 수 있을 뿐만 아니라 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위내에서, 다른 조합으로 또는 단독으로 사용될 수 있다는 것은 말할 필요도 없다.
본 발명은 실시예를 기반으로 도면에 개략적으로 도시되며, 도면을 참조로 하여 개략적이고 상세하게 설명된다.
도 1은 공진 DC-DC 변환기의 통상적인 유형의 개략도를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 충전기의 일 실시예의 구성 부품으로서 본 발명에 따른 공진 DC-DC 변환기의 일 실시예의 개략도를 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 방법의 일 실시예를 구현하는 도면을 도시한다.
도 4는 종래 기술에 따라 사용되는 충전기의 작동 파라미터를 갖는 선도를 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 충전기의 일 실시예의 작동 파라미터를 갖는 선도를 도시한다.
도면은 서로 밀접한 관계를 가지고 중요하게 설명된다. 동일한 참조 번호는 동일한 구성 부품을 나타낸다.
도 1에 개략적으로 도시된 바와 같은 공진의 갈바니 절연된 DC-DC 변환기(2)의 예는 일차측에서, 본원에서 트랜지스터로 구현되는 제1 스위치(4)와, 제1 코일(6)과, 제2 코일(8)과, 축전기(10)와, 트랜지스터로서 구현되는 추가적인 스위치(12)를 포함한다. 또한, DC-DC 변환기(2)는 이차측에서, 일차측 제2 코일(8) 옆에 병렬로 배치되는 코일(14)을 포함한다.
도 2에 개략적으로 도시된 바와 같은 충전기(20)의 실시예는, 모터 작동 시 자동차를 구동하거나 이동시키도록 설계되는 적어도 하나의 전기 기계를 갖는 자동차에 배치된다. 이를 위하여, 적어도 하나의 전기 기계는 자동차의 적어도 하나의 전기 에너지 저장기로부터 전기 에너지를 제공받으며, 전기 에너지는 적어도 하나의 전기 기계에 의해 역학적 에너지로 변환된다. 본 발명에 따른 방법의 실시예의 일 구현예에서, 도 2에 도시된 충전기(20)는 보통 고전압 배터리 또는 충전지인 배터리 또는 충전지라고도 하는 적어도 하나의 전기 에너지 저장기를 충전하는 데에 사용된다.
충전기(20)는, 제1 전자 스테이지 또는 전자 부품으로서, 공진 DC 전압 변환기라고 할 수도 있는 공진 DC-DC 변환기(22)의 제1 실시예를 포함한다. 뿐만 아니라, 충전기(20)는 추가적인 전자 스테이지(124, 126, 128)를 포함하며, 이 셋은 본원에 예로서 개략적으로 도시된다.
DC-DC 변환기(22)는 일차측에서, 전자 부품으로서, 본원에서 트랜지스터로 구현되는 제1 스위치(24)와, 인덕턴스(CP0)를 가지며 인덕터 코일(26)로 구현되는 제1 코일과, 제1 일차측 변환 코일(28)로 구현되며 인덕턴스(LP1)를 갖는 제2 일차측 코일과, 인덕턴스(LP2)를 갖는 제2 일차측 변환 코일(30)로 구현되는 제3 일차측 코일과, 본원에서 측정 저항기(32)로 구현되는 전류 측정 회로와, 정전 용량(CP)을 갖는 축전기(34)와, 본원에서 마찬가지로 트랜지스터로 구현되는 제2 스위치(36)를 포함한다.
DC-DC 변환기(22)의 제시된 실시예에서, 상술한 전자 부품은 직렬로 연결되어 일차측 전기 회로를 형성한다. 또한, 본원에서 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터로 구현되는 전계 효과 트랜지스터(38)는 제3 코일 또는 제2 변환 코일(30)과 병렬로 연결된다. 뿐만 아니라, DC-DC 변환기(22)는 본원에서 마이크로컨트롤러로 구현되며 전계 효과 트랜지스터(38)에 연결되는 연산 유닛(40)을 포함한다.
뿐만 아니라, 연산 유닛(40)은 제1 측정 지점(42) 및 제2 측정 지점(44)에서 측정 저항기(32)에 연결된다. 결과적으로, 측정 저항기(32)의 작동 파라미터의 각각의 현재값이 연산 유닛(40)에 의해 검출된다. 뿐만 아니라, 연산 유닛(40)은 본원에서 디지털 신호 처리기로 구현되는 전자 회로(46)에 연결된다. 또한, 전자 회로(46)는 제1 스위치(24) 및 제2 스위치(36) 모두에 연결되도록 구비되며, 각각의 스위치(24, 36)는 전자 회로(46)를 통하여 개방되거나 폐쇄된다.
또한, DC-DC 변환기(22)는 이차측에서, 마찬가지로 변환 코일(48)로 구현되며 그에 병렬로 두 개의 일차측 변환 코일(28, 30)과 나란히 배치되는 코일을 포함한다. 일차측 변환 코일(28, 30) 및 이차측 변환 코일(48)은 서로 상호 작용하도록 설계된다. 제2 변환 코일(30)은 전계 효과 트랜지스터(38)의 상태에 따라 스위치-온 또는 스위치-오프된다. 이 경우, 제2 변환 코일(30)은 스위치-온되는 경우 다른 일차측 전자 부품에 연결된다. 제2 변환 코일(30)이 스위치-오프되는 경우, 다른 일차측 전자 부품으로부터 연결 해제된다. 결과적으로, 일차측 전류는 제1 일차측 변환 코일(28)을 통해서만 흐르거나 제1 일차측 변환 코일(28) 및 제2 일차측 변환 코일(30) 모두를 통하여 흐른다.
일차측 전류가 적어도 하나의 일차측 변환 코일(28, 30)을 통하여 흐르면, 일차측 변환 코일(28, 30)에 의해 전자기장이 발생된다. 이 경우, 전자기장은 또한 이차측 변환 코일(48)에 영향을 미치며, 전자기장에 의해 이차측 변환 코일(48)에서 이차측 전류가 유도된다.
방법의 제1 실시예가 구현될 때, 제2 일차측 변환 코일(30)은 증대형 전계 효과 트랜지스터(38)에 의해 구동된다. 제1 일차측 변환 코일(28)만이 스위치-온되거나 사용 가능해져 이에 따라 활성화되면, DC-DC 변환기(22)의 일차측 인덕턴스가 인덕터 코일(26)의 인덕턴스 및 제1 일차측 변환 코일(28)의 인덕턴스의 합으로부터 발생된다. 이 경우, DC-DC 변환기(22)의 공진 주파수(fR)는 fR = 0.5/π*(CP*(LP0+LP1))-0.5이다. 그러나, 제2 일차측 변환 코일(30)이 구동되어 이에 따라 스위치-온되거나 사용 가능해지고, 그 결과, 제2 일차측 변환 코일(30)이 활성화되면, DC-DC 변환기(22)의 공진 주파수(fR)는 fR = 0.5/π*(CP*(LP0+LP1+LP2))-0.5와 같이 된다.
또한, 연산 유닛(40) 및 전자 회로(46)로부터 출발하여, 연산 유닛(40)에 저장되어 보관되는 적어도 하나의 공진 곡선을 고려하여, 본원에서는 연산 유닛(40)에서 적어도 하나의 공진 곡선을 기반으로 일치되게 두 개의 스위치(24, 36) 중 적어도 하나의 컨트롤러 파라미터가 조정된다.
전류 측정 회로의 실시예로서 측정 저항기(32) 또는 측정 분류기는 일차측을 통하여 흐르는 전류, 본원에서는 공진 전류를 측정하도록 설계된다. 이를 위하여, 그로부터 연산 유닛(40)에 의해 흐르는 전류가 결정되고 모니터링되는 측정 저항기(32)에서 측정 지점(42, 44)을 통하여 전압값이 연산 유닛(40)에 의해 나온다. 또한, 측정 저항기(32)는 측정 저항기(32)의 온도의 각각의 현재값을 측정하는 열 센서(50) 또는 온도 센서가 할당된다. 측정 저항기(32)에 대해 각각 현재 측정된 값은 측정 저항기(32)의 온도에 대해 허용되는 한계값과 비교된다. 온도의 현재값이 한계값을 초과하면, 완전한 DC-DC 변환기(22)에 대해 통상적으로, 전류가 차단되는 것에 의해 과부하 보호가 실현된다.
두 개의 스위치(24, 36)에 대한 컨트롤러 파라미터의 조정은 연산 유닛(40) 및 전자 회로(46)에 의해 수행된다. 이 경우, 적어도 하나의 스위치(24, 36)의 스위치-온 지속 기간 동안의 값이 적어도 하나의 공진 곡선을 고려하여 적어도 연산 유닛(40)에 의해 계산되고 미리 정해진다. 이 경우, 연산 유닛(40)에 의해 결정된 바와 같은 스위치-온 지속 기간 동안의 값은 DC-DC 변환기(22)의 적어도 하나의 작동 파라미터에 따라 결정되며, 적어도 하나의 스위치(24, 36)는 스위치-온 지속 기간 동안 각각 제공되고/되거나 미리 정해진 값에 따라 전자 회로(46)에 의해 설정된다.
측정 저항기(32)를 통하여 흐르며 연산 유닛(40)에 의해 모니터링되는 전류값이 한계값을 초과하면, 전력 감소를 수행하는 것에 의해 일차측 전류가 감소되며, 그 결과, DC-DC 변환기(22)의 온도도 또한 결국 감소한다.
공진 DC-DC 변환기(22)는 충전기(20)의 추가적인 전자 스테이지(124, 126, 128) 중 하나로서 갈바니 절연 변압기, 본원에서는 고전압 변압기의 전기 에너지를 전달하는 데에 추가적으로 요구되는 교류 전압을 발생시킨다. 이를 위하여, 교류 전자기장이 발생된다. 이 경우, 교류 전자기장의 발생은 MOSFET로 구현되는 적어도 하나의 추가적인 전계 효과 트랜지스터, H-브리지로 구현되는 복수의 이러한 전계 효과 트랜지스터에 의해 이루어진다. 이 경우, 스위치(24, 36)를 통하여, 전기 에너지를 제공하기 위한 전류가 변환 코일(28, 30)로 절환되며, 이러한 두 개의 변환 코일(28, 30)은 스위칭 주파수에 따라 축전기(34)와 공진된다. 이 경우, 스위칭 주파수는 부하 지점(load point)에 따라 결정되고, 출력 전압 및 출력 전력에 따라 조정되며, 그 결과, DC-DC 변환기(22)의 작동이 조정된다.
DC-DC 변환기(22)의 실시예의 작동 중, 도 1을 참조로 하여 제시된 DC-DC 변환기(2)에 대비하여, 전계 효과 트랜지스터를 통하여 추가적인 또는 제2 일차측 변환 코일(30)을 스위치-오프 또는 스위치-온시켜 비활성화 또는 활성화에 의해, DC-DC 변환기(22)의 동작 지점에 따라, 전류가 흐르는 권취수가 보통 증가되거나 감소되게 조정된다. 그 결과, DC-DC 변환기(22)의 일차측의 공진이 관리되고, 보통 변경되고, 이에 따라, 최적 작동 범위가 DC-DC 변환기(22)에 대해 달성되며, 전반적으로 DC-DC 변환기(22)의 전자 부품의 발열로 인한 손실이 감소되며, 이에 따라, 그 효율이 증가된다.
이 경우, 연산 유닛(40) 또는 마이크로컨트롤러에 저장된 적어도 하나의 특성 곡선에 따라, DC-DC 변환기(22)의 각각의 작동 범위 및 이에 따른 적어도 하나의 동작 지점이 알려져 있다. 이 경우, 가능한 특성 곡선으로서 적어도 하나의 공진 곡선을 고려하여, DC-DC 변환기(22)의 출력 전압 및 유출 전류가 조정되며, 출력 전압은 예를 들면 300 V일 수 있고, 유출 전류는 예를 들면 10 A일 수 있다.
이 경우, 전계 효과 트랜지스터(38)는 연산 유닛(40)에 의해 관리되며, 각각의 동작 지점은 연산 유닛(40)에 의해 계산되고 평가된다. 이러한 평가로 인하여 스위치 "온"으로부터 "오프"로 또는 "오프"로부터 "온"으로의 전계 효과 트랜지스터(38)의 전환이 제공되면, 전계 효과 트랜지스터(38)가 연산 유닛(40)에 의해 스위치-온 또는 스위치-오프된다.
전계 효과 트랜지스터(38)의 상태에 따라, 하나의 제2 또는 추가적인 추가적인 일차측 변환 코일(30)이 활성화되거나 비활성화된다. 그 결과, DC-DC 변환기(22)의 전체 인덕턴스의 권취수와 이에 따른 이차측 변환 코일(48)의 권취수에 대한 권취수비가 전체적으로 변경되며, 그 결과 효율이 다시 향상된다.
또한, 연산 유닛(40)에 의해 스위치(24, 36) 중 적어도 하나를 스위치-온 또는 스위치-오프하는 것에 의해, 결과적인 공진 주파수가 마찬가지로 관리되고, 스위칭 시간이 조정되어, 그 결과, DC-DC 변환기(22)가 공진으로 유지된다. 본원에서는, DC-DC 변환기(22)의 인덕턴스의 변경이 그 공진 주파수에 결합되는 것이 고려된다.
도 2를 참조로 하여 제시된 바와 같은 DC-DC 변환기(22)의 실시예는, 제1 일차측 변환 코일(28)에 나란하게, 전계 효과 트랜지스터(38)가 병렬로 연결되는 단지 하나의 추가적인 일차측 변환 코일(30)을 포함한다.
추가적인 구성에서, 본 발명에 따른 DC-DC 변환기의 추가적인 실시예가 제1 일차측 변환 코일과 나란한 복수의 추가적인 일차측 변환 코일을 가질 수 있으며, 일차측 변환 코일 모두는 직렬로 연결되고 이차측 변환 코일 옆에 병렬로 배치된다. 이 경우, 전계 효과 트랜지스터는 각각 추가적인 일차측 변환 코일과 병렬로 연결된다. 각각의 전계 효과 트랜지스터는 연산 유닛을 통하여 관리된다. 결과적으로, 능동형 및 수동형 일차측 변환 코일의 개수와, 이에 따른 DC-DC 변환기의 권취수 및 공진 주파수가 동작 지점에 따라 DC-DC 변환기의 이러한 실시예에 대하여 달라진다.
본 발명에 따른 방법의 실시예를 수행할 때, 도 3으로부터의 선도를 참조로 하여 설정된 바와 같이, 복수의 단계(101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108, 109, 110, 111, 112, 113, 114, 115, 116)가 수행된다.
이 경우, 제1 단계(101)에서는 충전기(20)의 작동 파라미터로서의 이전의 충전 전력, 본원에서 고려되는 최근의 일, 주 또는 월의 기간 내의 충전 전력의 적분을 평가한다. 적분값이 충전 전력에 대한 정의 가능한 한계값과 적어도 동일한 크기라면, 충전기(20)의 냉매의 온도가 작동 파라미터로서 검출되고 평가되며, 온도값은 마찬가지로 한계값과 비교된다.
뿐만 아니라, 제3 단계(103)에서는, 작동 파라미터로서 충전기(20)의 외부 온도를 측정하고 이를 위해 제공된 적어도 하나의 한계값과의 비교에 의해 이를 평가한다. 보통 제2 및 제3 단계(102, 103)와 동시에 수행되는 제4 단계(104)는, 추가적인 작동 파라미터로서 적어도 하나의 전자 부품과 이에 따른 충전기(20)의 적어도 하나의 전자 구성 부품의 온도를 검출하여 이를 위해 각각 제공된 한계값과 비교하는 것에 의해 이를 평가하는 단계를 포함한다.
또한, 제5 단계(105)에서는, 작동 파라미터로서 충전기(20)를 통하여 전기 에너지의 처리량을 측정하여 이를 위해 제공된 한계값과 이를 비교한다. 전기 에너지의 처리량의 값이 이를 위해 제공된 한계값에 비하여 크다면, 제6 단계(106)에서는 각각의 전력 경로 또는 레일의 작동 파라미터로서 각각의 전력값을 결정하며, 각각의 전력 경로, 예를 들면, 일차측 또는 이차측 전기 회로에서의 각각의 현재 검출된 전력값이 이를 위해 제공된 한계값과 비교된다. 본원에서 전력 경로 모두가 순서대로인 것으로 나타나면, 제7 단계(107)에서는, 작동 파라미터로서 충전기(20)의 전자 부품, 즉 적어도 코일, 축전기, 저항기, 반도체 및/또는 변압기의 전류 부하를 검출하여 평가한다. 이들이 순서대로 되어 있는 경우, 제8 단계(108)에서는, 작동 파라미터로서 열적 조건을 고려하고 이에 따라 적어도 충전기(20)의 주변에서 우세하는 외부 온도를 고려하여 충전기(20)의 마지막 충전 과정을 평가한다.
작동 파라미터로서 외부 온도값과 이에 따른 온도 조건이 이를 위해 미리 정해진 최대 한계값에 비하여 낮은 경우, 제9 단계(109)에서는 작동 파라미터로서 현재 충전 전류를 결정하고 평가한다. 뿐만 아니라, 충전기(20)의 최적 효율이, 충전기(20)에 의해 공급될 적어도 하나의 전기 에너지 저장기의 작동 파라미터로서 예측 기대되는 충전 상태(SOC)를 기반으로 제9 단계(109)의 맥락에서 계산된다. 전류 또는 충전 전류가 이를 위해 제공된 최대 한계값에 비하여 낮은 경우 그리고 계산된 효율이 충전기(20)의 현재 효율에 비하여 큰 경우, 제10 단계(110)에서는, 본원에서는 결정 단계에서, 현재 효율이 미리 정해진 목표값에 비하여 낮거나 높은지 여부를 확인한다.
제10 단계(110)가 효율값이 목표값에 비하여 낮다는 것을 나타내면, 제11 단계(111)에서, 연산 유닛(40)은, 적어도 하나의 스위치(24, 36) 및 전계 효과 트랜지스터(38)의 변압기 변압의 전환의 시점을 결정하고, 적어도 하나의 스위치(24, 36) 및/또는 전계 효과 트랜지스터(38)를 스위치-온 또는 스위치-오프하며, 여기서 전계 효과 트랜지스터는 계산된 최적 효율에 따라 일차측 변환 코일(28, 30)의 권취수를 이차측 변환 코일(48)의 권취수로 조정하기 위한 반도체로써 기능한다.
또한, 제12 단계(112)에서는, 작동 파라미터로서, 반도체의 스위칭 손실을 최소화하기 위한 공진 DC-DC 변환기(22)의 컨트롤러 파라미터를 조정한다. 뿐만 아니라, 컨트롤러 파라미터는 또한 새로운 권취수비로 조정된다.
제13 단계(113)에서, 연산 유닛(40)에 저장된 적어도 하나의 공진 특성 곡선을 기반으로 작동 파라미터가 자동으로 조정된다. 이러한 조정은 적어도 작동 파라미터로서 교류의 목표값에 대한 사전 정의에 따라 수행된다.
이 경우, 전압의 목표값 및 직류의 목표값에 대한 사전 정의, DC-DC 변환기(22)의 스위칭 주파수에 대한 사전 정의 및 DC-DC 변환기(22)의 공진 주파수에 대한 사전 정의는 작동 파라미터로서 고려된다.
또한, 제14 단계(114)와 관련하여, 도 5에 도시된 바와 같이, 충전기(20)의 효율의 곡선(64, 66, 68) 또는 특성 곡선의 후방 영역 및 전방 영역 모두에서 증가가 이루어진다.
이와 병렬로, 제15 단계(115)에서는 본원에서 측정 저항기(32)로 구현되는 전류 측정 회로를 통하여 흐르는 전류의 값을 모니터링하고, 제16 단계(116)에서는 추가적인 작동 파라미터로서 측정 저항기(32)의 온도를 모니터링한다.
도 4 및 도 5에서의 두 개의 선도는 각각 DC-DC 변환기(22)를 통하여 흐르는 교류의 값이 암페어로 그려지는 횡좌표(60)를 포함한다. 뿐만 아니라, 이러한 두 개의 선도 각각은 충전기(20)의 효율의 백분율 값이 횡좌표(60)에 대하여 그려지는 종좌표(62)를 포함한다.
도 4로부터의 제1 선도에서, 종래 기술로부터 알려진 충전기의 효율의 제1 특성 곡선(64), 제2 특성 곡선(66) 및 제3 특성 곡선(68)이 상이한 동작 지점에 대한 교류의 기능으로서 그려진다. 이 경우, 세 개의 곡선(64, 66, 68) 모두는 교류값의 증가에 따라 효율이 감소하는 것을 나타낸다.
이러한 세 개의 곡선(64, 66, 68)은 비교 목적으로 도 5의 선도에 마찬가지로 포함된다. 뿐만 아니라, 도 5에서의 선도는 충전기를 이용한 방법의 실시예를 수행할 때 충전기(20)에 대하여 발생하는 추가적인 곡선(70)을 포함한다. 이 경우, 동작 지점(72)이 이러한 곡선(70)을 따라 표시되고, 동작 지점, 방법의 맥락에서, DC-DC 변환기(22)의 권취수비의 조정에 의해 컨트롤러 파라미터 및/또는 공진 주파수가 변경되며, 그 결과, 이와 달리 통상 손실이 감소된다.
그러므로, 특히 컨트롤러 파라미터로서 전환 시점이 관리된다. 뿐만 아니라, 공진 주파수의 조정이 수행되며, 그 결과, DC-DC 변환기(22)의 효율이 최적화된다.

Claims (15)

  1. 충전기(20)의 DC-DC 변환기(22)를 작동시키는 방법으로서,
    DC-DC 변환기는 일차측에서, 직렬로 차례로 그리고 이차측 변환 코일(48)에 나란히 배치되는 제1 변환 코일(28) 및 적어도 하나의 제2 변환 코일(30)을 갖고,
    각각의 반도체 스위치가 적어도 하나의 제2 일차측 변환 코일(30)과 병렬로 연결되며, 이 반도체 스위치에 의해, 충전기(20)의 적어도 하나의 작동 파라미터의 현재값에 따라, 적어도 하나의 제2 일차측 변환 코일(30)이 스위치-온 또는 스위치-오프되는, DC-DC 변환기의 작동 방법.
  2. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 작동 파라미터로서 충전기(20)의 온도가 고려되는, DC-DC 변환기의 작동 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 적어도 하나의 작동 파라미터로서 충전기(20)를 통하여 흐르는 전류가 고려되는, DC-DC 변환기의 작동 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 적어도 하나의 제2 일차측 변환 코일(30)은 과거에 검출된 적어도 하나의 작동 파라미터의 값에 따라 스위치-온 또는 스위치-오프되는, DC-DC 변환기의 작동 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 적어도 하나의 스위치(24, 36)가 일차측 변환 코일(28, 30)과 직렬로 연결되며, 적어도 하나의 스위치(24, 36)는 충전기(20)의 적어도 하나의 작동 파라미터의 현재값에 따라 폐쇄되거나 개방되는, DC-DC 변환기의 작동 방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 적어도 하나의 작동 파라미터의 특성 곡선이 고려되는, DC-DC 변환기의 작동 방법.
  7. 일차측에서, 직렬로 차례로 그리고 이차측 변환 코일(48)에 나란히 배치되는 제1 변환 코일(28) 및 적어도 하나의 제2 변환 코일(30)을 갖는 충전기(20)용 DC-DC 변환기로서,
    각각의 반도체 스위치가 적어도 하나의 제2 일차측 변환 코일(30)과 병렬로 연결되며, 이 반도체 스위치에 의해, 충전기(20)의 적어도 하나의 작동 파라미터의 현재값에 따라, 적어도 하나의 제2 일차측 변환 코일(30)이 스위치-온 또는 스위치-오프되는, DC-DC 변환기.
  8. 제7항에 있어서, 일차측 변환 코일(28, 30)과 직렬로 연결되는 적어도 하나의 스위치(24, 36)를 가지며, 적어도 하나의 스위치(24, 36)는 충전기(20)의 적어도 하나의 작동 파라미터의 현재값에 따라 폐쇄되거나 개방되는, DC-DC 변환기.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 적어도 하나의 각각의 반도체 스위치는 전계 효과 트랜지스터(38)로 구현되는, DC-DC 변환기.
  10. 제7항 또는 제8항에 있어서, 각각의 적어도 하나의 반도체 스위치의 상태를 변경시키는 연산 유닛(40)을 갖는 DC-DC 변환기.
  11. 제7항 또는 제8항에 있어서, 측정 저항기(32)로서 구현되는 전류 측정 회로가 일차측 변환 코일(28, 30)과 직렬로 연결되며, 이 전류 측정 회로에 의해, DC-DC 변환기(22)의 적어도 하나의 작동 파라미터가 검출되는, DC-DC 변환기.
  12. 제10항에 있어서, 연산 유닛(40)은, 두 개의 측정 지점(42, 44)에서, 측정 저항기(32)로 구현된 전류 측정 회로에 연결되며, 이를 통해 전류 측정 회로가 연산 유닛(40)에 의해 모니터링될 수 있는, DC-DC 변환기.
  13. 제8항에 있어서, 적어도 하나의 스위치(24, 36)는 연산 유닛(40)에 의해 개방되거나 폐쇄될 수 있는, DC-DC 변환기.
  14. 전기 에너지 저장기를 충전하는 충전기로서, 제7항 또는 제8항에 따른 적어도 하나의 DC-DC 변환기(22)를 갖는 충전기.
  15. 제14항에 있어서, 자동차에 사용되는 충전기.
KR1020160048742A 2015-04-24 2016-04-21 Dc-dc 변환기의 작동 방법 KR101912002B1 (ko)

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