KR20160137765A - 친환경 차량의 완속 충전기 충전 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 친환경 차량의 완충 충전기 충전 제어 방법에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 AC 입력전원의 순간 정전시, DC-DC 전류제어기의 제어를 통하여 충전기 출력전류 지령을 최소한의 충전 전력으로 제한하는 동시에 PFC 컨버터의 출력단에 연결된 제1커패시터(DC 링크 커패시터)에 대한 전압 지령을 제로(0) 혹은 DC 링크 커패시터의 실제값으로 업데이트하고, 이후 AC 입력전원이 복귀되면, 제1커패시터의 전압 지령을 기존 전압 지령까지 일정 기울기로 올려주는 등의 제어를 함으로써, 완속충전기의 충전 동작이 멈추지 않고 원활하게 이루어질 수 있도록 한 친환경 차량의 완충 충전기 충전 제어 방법을 제공하고자 한 것이다.

Description

친환경 차량의 완충 충전기 충전 제어 방법{METHOD FOR CONTROLLING ON-BOARD BATTERY OF VEHICLE}
본 발명은 친환경 차량의 완속 충전기 충전 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 순간 정전 후 AC 입력전원 복귀시까지 완속 충전기의 충전 동작이 멈추지 않고 원활하게 이루어질 수 있도록 한 친환경 차량의 완충 충전기 충전 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로 친환경 차량의 일종인 플러그-인 하이브리드 자동차 및 전기자동차에는 외부전원(예를 들어, 가정용 AC 전원)을 충전 가능한 직류전원으로 변환하여 고전압배터리에 대한 충전전류를 생성하는 별도의 온보드 충전기(완속 충전기라고도 함)가 탑재되어 있으며, 이에 외부 AC 전원(가정용 교류 전원)으로부터 온보드 충전기(On-Board Battery Charger)를 통해 주행에 필요한 전기에너지가 배터리에 충전되어 친환경 차량의 주행이 이루어진다.
상기 온보드 충전기를 이용한 배터리 충전 방법은 가정용 교류 전원을 차량내에 설치되어 있는 온보드 충전기에 인가하는 단계와, 온보드 충전기에 의해 교류전원이 직류전원으로 변환되어 충전전류가 생성되는 단계와, 온보드 충전기에서 생성된 충전전류가 고전압 배터리에 인가되어 충전되는 단계로 이루어진다.
첨부한 도 1은 친환경 차량의 완속충전기를 나타낸 구성도이고, 도 2는 입력전원의 순간 정전 발생시 완속충전기의 종래 충전 제어 과정을 나타낸 그래프이다.
상기 완속충전기는 친환경 차량의 메인 배터리인 고전압배터리의 충전을 위한 것으로, 도 1에 나타낸 바와 같이, PFC(Power Factor Corrector) 컨버터(1), DC-DC 컨버터(2), PFC 제어기(3) 및 DC-DC 컨버터 제어기(8), 및 제1커패시터(4)와 제2커패시터(5)로 구성된다.
상기 PFC 컨버터(1)는 교류전원부(6)의 출력단에 연결되어 교류전원부(6)에서 입력받은 교류입력전압(VAC)을 직류전압(VDC)으로 변환함과 동시에 전원의 역률을 보상하고, 상기 DC-DC 컨버터(2)는 PFC 컨버터(1)의 출력단과 고전압배터리(7)의 입력단 사이에 연결되어 PFC 컨버터(1)에서 출력되는 직류전압(VDC)을 입력받아 고전압배터리(7)의 충전을 위한 전압으로 변환해준다.
이때 상기 DC-DC 컨버터(2)는 풀 브리지(Full Bridge) 또는 하프 브리지(Half Bridge) 방식의 스위칭 회로를 채용한 절연형 DC-DC 컨버터가 적용될 수 있다.
그리고, 상기 제1커패시터(4)와 제2커패시터(5)는 각각 PFC 컨버터(1)의 출력전압(VDC) 및 DC-DC 컨버터(2)의 출력전압(Vo)을 일정하게 평활하는 역할을 한다.
상기 PFC 제어기(3)는 교류전원부(6)에서 출력되는 교류전류(IAC) 및 전압값(VAC)과 PFC 컨버터(1)의 출력전압값(VDC)을 입력받아 PFC 컨버터(1)의 동작을 제어하고, 또한 상기 DC-DC 컨버터 제어기(8)는 DC-DC 컨버터(2)의 출력전류(Io) 및 전압값(Vo)을 입력받아 DC-DC 컨버터(2)의 동작을 제어하게 된다.
상기와 같은 구성의 완속충전기의 충전 중, AC 입력전압이 순간 정전되거나 단선이 되어 완속충전기로 송전이 중지됨에도 불구하고, 상기 제어기는 AC 입력전원의 유무에 상관없이 기존의 충전 제어를 그대로 유지시킨다.
상기 완속충전기의 AC 입력전압의 순간 정전시, PFC 컨버터(1)에 대한 입력전압(VAC)이 없는 것과 마찬가지이기 때문에, 입력 부재로 PFC 컨버터(1)는 제어불능 상태가 되고, PFC 제어기(3)는 PFC 컨버터(1)의 출력전압(VDC)을 제어할 수 없게 된다.
도 2를 참조하면, 상기 AC 입력전압(VAC)이 오프(OFF)되었음에도 불구하고 완속충전기의 충전동작을 기존 상태(AC 입력전압 온 상태)와 동일하게 제어함으로 인하여, 즉 PFC 제어기(3)에서 PFC 컨버터(1)에 대한 전류지령 및 제1커패시터(DC 링크 커패시터)에 대한 전압지령을 기존 상태와 같이 동일하게 제어함으로 인하여, AC 정전 구간에서 제1커패시터(4)의 출력전압(VDC)이 최소전압보다 점차 낮아지게 된다.
다시 말해서, 순간 정전이 되어 PFC 컨버터의 입력전류 및 전압이 없는 상태에서 즉, AC 정전 구간에서 제1커패시터(4)의 출력전압(VDC)을 확보할 수 없는 상황임에도 불구하고, PFC 제어기(3)가 제1커패시터에 대한 전압지령 등을 기존의 지령 수준으로 제어함으로써, 제1커패시터(4)의 출력전압(VDC)이 최소전압보다 점차 낮아져 PFC 제어기의 제어 에러는 계속 쌓이게 된다.
이때, 정전 해제로 인하여 AC 입력 전원이 복귀되면, 도 2에서 보듯이 순간적으로 매우 큰 AC 입력전압(VAC) 및 입력전류(IAC)이 PFC 컨버터(1)로 인가되어, PFC 컨버터(1)에 순간적으로 큰 인덕터 전류(IL)가 흐르게 되고, 또한 제1커패시터(4)에도 재충전을 위한 과도한 전압이 인가된다.
이렇게 순간 정전으로 인하여 완속충전기에 과전압 혹은 과전류가 반복적으로 발생하게 되면, 결국 내부 소자의 소손 등으로 인하여 차량탑재형 완속충전기(OBC)의 충전 동작이 멈추게 된다.
이와 같이, 가정용 전원을 이용한 완속충전기 사용시 AC 입력전원의 순간 정전에 의하여 AC 입력전원이 수 msec 동안 전력 공급을 못하게 될 경우, 완속충전기는 PFC단 링크 커패시터(제1커패시터(4))의 전압을 소진하여 지속적으로 배터리를 충전하게 되고, 그 후 AC입력 전원이 복귀하면 PFC단 링크 커패시터에 재충전을 위한 수백 암페어의 전류가 순간적으로 흐르게 되며, 이 전류에 의해 PFC단 링크 커패시터에 내압 이상의 과전압이 인가될 수 있다.
결과적으로, 과전류로 인한 소자 소손 및 내압 이상의 과전압 인가로 인한 커패시터 파손 등의 문제가 발생하여 차량탑재형 완속충전기(OBC)의 충전 동작이 멈추게 되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, AC 입력전원의 순간 정전시, DC-DC 전류제어기의 제어를 통하여 충전기 출력전류 지령을 최소한의 충전 전력으로 제한하는 동시에 PFC 컨버터의 출력단에 연결된 제1커패시터(DC 링크 커패시터)에 대한 전압 지령을 제로(0) 혹은 DC 링크 커패시터의 실제값으로 업데이트하고, 이후 AC 입력전원이 복귀되면, 제1커패시터의 전압 지령을 기존 전압 지령까지 일정 기울기로 올려주는 등의 제어를 함으로써, 완속충전기의 충전 동작이 멈추지 않고 원활하게 이루어질 수 있도록 한 친환경 차량의 완충 충전기 충전 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은: ⅰ) 완속 충전기의 충전 동작 중, AC 입력전원의 정전 유무를 판정하는 단계와; ⅱ) 상기 AC 입력전원의 정전시, 고전압배터리 충전을 위한 출력전류 지령을 최소 충전전류값으로 제한하는 단계와; ⅲ) PFC 컨버터의 출력단에 연결된 제1커패시터에 대한 전압 지령을 제로(0) 혹은 제1커패시터의 실제 출력전압 수준으로 제어하는 단계와; ⅳ) AC 입력전원의 복귀시, 제1커패시터에 대한 전압 지령을 본래 지령값으로 복귀시키는 단계와; ⅴ) 고전압배터리 충전을 위한 출력전류 지령을 본래 충전전류 지령값으로 복귀시키는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 차량의 완충 충전기 충전 제어 방법을 제공한다.
상기 ⅲ) 단계에서, AC 입력전원의 정전시 제1커패시터에 대한 전압 지령을 제로(0)로 제어하는 것은 PFC 제어기를 오프시키거나, PFC 제어기내 적분기를 리셋시켜서 이루어지고, 상기 AC 입력전원의 복귀시 PFC 제어기가 다시 온되고, 적분기의 리셋도 중단되는 것을 특징으로 한다.
상기 ⅳ) 단계에서, 상기 제1커패시터에 대한 전압 지령이 본래 지령값까지 일정 단계 또는 일정 기울기를 가지면서 점진적으로 복귀되는 것을 특징으로 한다.
상기 ⅴ) 단계에서, 상기 고전압배터리 충전을 위한 출력전류 지령이 본래 충전 전류 지령값까지 일정 단계 또는 일정 기울기를 가지면서 점진적으로 복귀되는 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 고전압배터리 충전을 위한 출력전류 지령이 본래 충전전류 지령값으로 복귀되는 시점은 제1커패시터에 대한 전압 지령이 본래 지령값으로 복귀 완료된 시점에 맞추어 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
첫째, 완속충전기의 충전 동작 중, 순간적인 AC 입력전원의 정전이 발생하더라도, 고전압배터리에 대한 충전이 안정적이고 원활하게 이루어질 수 있다.
둘째, 순전적인 AC 입력전원의 정전 후, AC 입력전원 복귀시 완속충전기의 PFC 및 DC 링크 커패시터 등에 순간적인 과전류 및 과전압이 인가되는 것을 방지함으로써, 완속충전기의 내부소자(다이오드, 스위치, 커패시터 등) 및 부품 등을 보호할 수 있다.
도 1은 친환경 차량의 완속충전기를 나타낸 구성도,
도 2는 입력전원의 순간 정전 발생시 종래의 완속충전기 충전 제어 과정을 나타낸 그래프,
도 3은 입력전원의 순간 정전 발생시 본 발명의 완속충전기 충전 제어 과정을 나타낸 그래프,
도 4는 본 발명에 따른 완속충전기 충전 제어 방법의 일 실시예를 도시한 순서도,
도 5는 본 발명에 따른 완속충전기 충전 제어 방법의 다른 실시예를 도시한 순서도,
도 6은 본 발명에 따른 완속충전기 충전 제어 방법의 또 다른 실시예를 도시한 순서도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
첨부한 도 1을 참조로 전술한 바와 같이, 친환경 차량의 완속충전기는 PFC(Power Factor Corrector) 컨버터(1), DC-DC 컨버터(2), PFC 제어기(3) 및 DC-DC 컨버터 제어기(8), 제1커패시터(4, DC 링크 커패시터)와 제2커패시터(5) 등을 포함하여 구성된다.
본 발명은 AC 입력전원의 유무를 판단하여 순간 정전으로 판정되면, 첫째 DC-DC 컨버터 제어기(8)를 통해 고전압배터리 충전을 위한 출력전류 지령을 최소 충전 전류값으로 제한하는 제어를 하고, 둘째 PFC 제어기(3)를 통해 제1커패시터(DC 링크 커패시터)의 전압 지령을 제로(0) 혹은 현재 DC 링크캡의 실제 출력전압 수준으로 업데이트하여 제어하는 점에 주안점이 있다.
또한, 본 발명은 AC 입력전원이 복귀되면, 첫째 제1커패시터(DC 링크 커패시터)의 전압 지령을 단계(STEP) 또는 일정 기울기로 서서히 본래 DC 링크캡 전압 지령값까지 올려주는 제어를 하고, 둘째 고전압배터리 충전을 위한 출력전류 지령을 제1커패시터에 대한 전압 지령이 본래 지령값으로 복귀 완료된 시점에 맞추어 본래의 출력전류 지령값까지 일정 기울기로 올려주는 제어를 하는 점에 주안점이 있다.
이와 같은 AC 입력전원 순간 정전 후 AC 입력전원 복귀시까지의 충전 제어를 통하여, 완속충전기의 PFC 및 DC 링크 커패시터 등에 순간적인 과전류 및 과전압이 인가되는 것을 방지함으로써, 완속충전기의 내부소자(다이오드, 스위치, 커패시터 등) 및 부품 등을 보호할 수 있고, 완속 충전기의 충전 동작이 멈추지 않고 원활하게 이루어질 수 있다.
여기서, 본 발명에 따른 완충 충전기 충전 제어 방법의 일 실시예를 설명하면 다음과 같다.
첨부한 도 3은 입력전원의 순간 정전 발생시 본 발명의 완속충전기 충전 제어 과정을 나타낸 그래프이고, 도 4는 본 발명에 따른 완속충전기 충전 제어 방법의 일 실시예를 도시한 순서도이다.
먼저, 완속 충전기의 충전 동작 중, AC 입력전원의 정전 유무를 판정하는 단계가 선행된다.
바람직하게는, 상기 완속 충전기의 충전 동작 중, AC 입력전원이 순간적으로 오프되면, PFC 제어기(3) 및 DC-DC 컨버터 제어기(8)에서 정전 상태로 판정한다.
다음으로, 상기 AC 입력전원이 정전으로 인하여 오프되면, 도 3에서 충전기 출력전류 지령으로 지시된 바와 같이 상기 DC-DC 컨버터 제어기(8)에서 충전기 출력전류 지령 즉, 고전압배터리 충전을 위한 출력전류 지령을 최소 충전전류값으로 제한하는 제어를 한다.
또한, 상기 AC 입력전원이 정전으로 인하여 오프되면, 도 3에서 제1커패시터(DC 링크 캡) 전압 지령으로 지시된 바와 같이 상기 PFC 제어기(3)에서 PFC 컨버터의 출력단에 연결된 제1커패시터(4) 즉, DC 링크 커패시터에 대한 전압 지령을 제로(0) 혹은 제1커패시터의 현재 (실제) 출력전압 수준으로 명령하는 제어를 한다.
이때, 상기 PFC 제어기(3)에서 제1커패시터(4)에 대한 전압 지령을 제로(0) 혹은 제1커패시터의 실제(현재) 출력전압 수준(AC 정전 구간에서 제1커패시터의 출력전압(VDC)이 최소전압보다 점차 낮아진 수준)으로 제어하는 이유는 이후 AC 입력 전원이 복귀되면, PFC 컨버터 및 DC링크 커패시터에 과도한 전압이 인가되어 제1커패시터의 출력전압이 과전압 레벨 이상으로 출력되는 현상(도 2에 AC 입력 전원이 복귀되는 시점에서 VDC가 과전압 레벨을 초과한 것을 볼 수 있음)것을 방지하기 위함에 있다.
한편, 상기 AC 입력전원이 복귀되면, 즉 AC 입력전원의 정전 상태가 해제되면, PFC 제어기(3)에서 제1커패시터(4)에 대한 전압 지령을 본래 지령값으로 올려주는 복귀 제어를 한다.
바람직하게는, AC 입력 전원이 복귀될 때, PFC 컨버터 및 DC링크 커패시터에 과도한 전압이 인가되는 점을 고려하여, 상기 제1커패시터(4)에 대한 전압 지령을 본래 지령값까지 올려주되 일정 단계 또는 일정 기울기를 가지면서 점진적으로 올려주는 복귀 제어가 이루어지도록 한다.
또한, 상기 AC 입력전원이 복귀되면, DC-DC 컨버터 제어기(8)에서 충전기 출력전류 지령 즉, 고전압배터리 충전을 위한 출력전류 지령을 최소 충전전류값으로 제한하던 것을 배제하고, 고전압 배터리 충전을 위한 출력전류 지령을 본래 충전전류 지령값으로 올려주는 복귀 제어를 한다.
바람직하게는, 상기 고전압배터리 충전을 위한 출력전류 지령을 본래 충전 전류 지령값까지 일정 단계 또는 일정 기울기를 가지면서 점진적으로 올려주는 복귀 제어를 한다.
특히, 상기 고전압배터리 충전을 위한 출력전류 지령이 본래 충전전류 지령값으로 복귀되는 시점은 제1커패시터에 대한 전압 지령이 본래 지령값으로 복귀 완료된 시점에 맞추어 이루어진다.
이와 같이, AC 입력전원의 정전시, 고전압배터리 충전을 위한 출력전류 지령을 최소 충전전류값으로 제한하고, DC 링크 커패시터에 대한 전압 지령을 제로(0) 혹은 실제 출력전압 수준으로 제어함으로써, 완속충전기의 PFC 컨버터 및 DC 링크 커패시터 등에 순간적인 과전류 및 과전압이 인가되는 것을 방지할 수 있고, 이에 완속충전기의 내부소자(다이오드, 스위치, 커패시터 등) 및 부품 등을 보호할 수 있다.
여기서, 본 발명에 따른 완충 충전기 충전 제어 방법의 다른 실시예를 설명하면 다음과 같다.
첨부한 도 5는 본 발명에 따른 완속충전기 충전 제어 방법의 다른 실시예를 도시한 순서도이다.
본 발명의 충전 제어 방법에 대한 다른 실시예는 AC 입력전원의 정전시 고전압배터리 충전을 위한 출력전류 지령을 최소 충전 전류값으로 제한하는 점은 상기한 일 실시예와 동일하게 진행되며, 단지 제1커패시터에 대한 전압 지령을 제로(0)로 제어하기 위하여 PFC 제어기를 아예 오프시키거나, PFC 제어기내 적분기를 리셋시키는 제어가 이루어지는 점에서 차이가 있다.
물론, 상기 AC 입력전원의 복귀시 PFC 제어기가 다시 온되고, 적분기의 리셋도 중단된다.
본 발명의 다른 실시예도 일 실시예와 마찬가지로, AC 입력전원의 정전시, 고전압배터리 충전을 위한 출력전류 지령을 최소 충전전류값으로 제한하고, DC 링크 커패시터에 대한 전압 지령을 PFC 제어기를 아예 오프시켜서 제로(0)로 제어함으로써, 완속충전기의 PFC 컨버터 및 DC 링크 커패시터 등에 순간적인 과전류 및 과전압이 인가되는 것을 방지할 수 있고, 이에 완속충전기의 내부소자(다이오드, 스위치, 커패시터 등) 및 부품 등을 보호할 수 있다.
여기서, 본 발명에 따른 완충 충전기 충전 제어 방법의 또 다른 실시예를 설명하면 다음과 같다.
첨부한 도 6은 본 발명에 따른 완속충전기 충전 제어 방법의 또 다른 실시예를 도시한 순서도이다.
본 발명의 충전 제어 방법에 대한 또 다른 실시예는 상기한 다른 실시예와 동일하게 진행되며, AC 입력전원의 정전시 고전압배터리 충전을 위한 출력전류 지령을 제한하지 않는 상태에서 제1커패시터에 대한 전압 지령을 제로(0)로 제어하기 위하여 PFC 제어기를 아예 오프시키거나, PFC 제어기내 적분기를 리셋시키는 제어가 이루어지는 점에서 차이가 있다.
물론, 상기 AC 입력전원의 복귀시 PFC 제어기가 다시 온되고, 적분기의 리셋도 중단된다.
본 발명의 또 다른 실시예도 다른 실시예와 마찬가지로, AC 입력전원의 정전시, 고전압배터리 충전을 위한 출력전류 지령을 제한하지 않은 상태에서 DC 링크 커패시터에 대한 전압 지령을 PFC 제어기를 아예 오프시켜서 제로(0)로 제어함으로써, 완속충전기의 PFC 컨버터 및 DC 링크 커패시터 등에 순간적인 과전류 및 과전압이 인가되는 것을 방지할 수 있고, 이에 완속충전기의 내부소자(다이오드, 스위치, 커패시터 등) 및 부품 등을 보호할 수 있다.
1 : PFC 컨버터
2 : DC-DC 컨버터
3 : PFC 제어기
4 : 제1커패시터
5 : 제2커패시터
6 : 교류전원부
7 : 고전압배터리
8 : DC-DC 컨버터용 제어기

Claims (5)

  1. ⅰ) 완속 충전기의 충전 동작 중, AC 입력전원의 정전 유무를 판정하는 단계와;
    ⅱ) 상기 AC 입력전원의 정전시, 고전압배터리 충전을 위한 출력전류 지령을 최소 충전 전류값으로 제한하는 단계와;
    ⅲ) PFC 컨버터의 출력단에 연결된 제1커패시터에 대한 전압 지령을 제로(0) 혹은 제1커패시터의 실제 출력전압 수준으로 제어하는 단계와;
    ⅳ) AC 입력전원의 복귀시, 제1커패시터에 대한 전압 지령을 본래 지령값으로 복귀시키는 단계와;
    ⅴ) 고전압배터리 충전을 위한 출력전류 지령을 본래 충전전류 지령값으로 복귀시키는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 차량의 완충 충전기 충전 제어 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 ⅲ) 단계에서, AC 입력전원의 정전시 제1커패시터에 대한 전압 지령을 제로(0)로 제어하는 것은 PFC 제어기를 오프시키거나, PFC 제어기내 적분기를 리셋시켜서 이루어지고, 상기 AC 입력전원의 복귀시 PFC 제어기가 다시 온되고, 적분기의 리셋도 중단되는 것을 특징으로 하는 친환경 차량의 완충 충전기 충전 제어 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 ⅳ) 단계에서, 상기 제1커패시터에 대한 전압 지령이 본래 지령값까지 일정 단계 또는 일정 기울기를 가지면서 점진적으로 복귀되는 것을 특징으로 하는 친환경 차량의 완충 충전기 충전 제어 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 ⅴ) 단계에서, 상기 고전압배터리 충전을 위한 출력전류 지령이 본래 충전 전류 지령값까지 일정 단계 또는 일정 기울기를 가지면서 점진적으로 복귀되는 것을 특징으로 하는 친환경 차량의 완충 충전기 충전 제어 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 고전압배터리 충전을 위한 출력전류 지령이 본래 충전전류 지령값으로 복귀되는 시점은 제1커패시터에 대한 전압 지령이 본래 지령값으로 복귀 완료된 시점에 맞추어 이루어지는 것을 특징으로 하는 친환경 차량의 완충 충전기 충전 제어 방법.
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