KR20180029713A - 전기자동차용 충전제어장치 - Google Patents

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Abstract

전기자동차용 충전제어장치가 개시된다. 본 발명에 의한 전기자동차용 충전제어장치는, 교류 전원에 대해 정류 및 리플 안정화를 수행하며, 정류 전압의 승압 또는 강압을 수행하는 역률 보상기와, 인덕터와 스위칭 소자의 기생 캐패시터를 공진요소로 하여 스위칭을 수행하는 풀 브리지 컨버터와, 스위칭 소자의 개폐동작에 따라 1차측 전압을 2차측으로 유도하는 변압기와, 2차측으로 유도된 교류 전원에 대한 정류를 수행하고, 정류된 직류 전원의 서지 전압을 제거하고, 리플 안정화를 수행하는 풀 브리지 정류기를 포함한다. 본 발명에 따르면, 정류된 전압에 대해 인덕터 및 캐패시터를 이용하여 리플을 감소시키므로 충전 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, LC 필터 앞단에 스너버 회로를 구성하여 리플 감소 및 서지 전압 제거가 이루어지므로, 충전을 위한 안정적으로 전원공급이 이루어질 뿐 아니라, 출력 캐패시터의 수명 및 배터리의 수명이 단축되는 것을 방지할 수 있다.

Description

전기자동차용 충전제어장치{Apparatus for controlling electric vehicle charger}
본 발명은 전기자동차용 충전제어장치에 관한 것이다. 더 구체적으로는 서지 전압 및 리플을 감소시키는 전기자동차용 충전제어장치에 관한 것이다.
에너지 고갈에 따른 미래 대체 에너지 개발 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
자동차 업계에서도 석유 에너지원에서 전기, 수소 등의 에너지원으로 대체가 이루어지고 있다. 전기 자동차(Electric Vehicle; EV), 하이브리드 자동차(Hybrid Electric Vehicle; HEV), 플러그인 하이브리드 자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle; PHEV) 등이 그 대표적인 예이다.
전기 자동차는 2차 전지인 배터리를 이용하여 전기 에너지를 동력 에너지로 변환한다. 전기 에너지를 배터리에 충전하는 방식으로는 직류 고전압의 전력(50kW 이상)을 배터리에 직접 인가하여 충전하는 급속 충전 방식과, 상용 교류 전압을 가진 교류 전력(3 ~ 6kW)을 인가하는 완속 충전 방식이 있다.
하이브리드 자동차는 가솔린엔진과 전기모터, 수소연소엔진과 연료전지, 천연가스와 가솔린엔진, 디젤과 전기모터 등 두 가지 이상의 구동장치를 동시에 탑재하고 있으며, 저공해 실현 및 연비 향상을 목적으로 개발되고 있다.
플러그인 하이브리드 자동차는 전기 자동차와 하이브리드 자동차의 중간 단계로서, 가정용 전기나 외부 전기콘센트에 플러그를 꽂아 충전한 전기로 주행하다가 충전한 전기가 모두 소모되면 가솔린 엔진으로 움직이는, 내연기관 엔진과 배터리의 전기동력을 동시에 이용하며, 하이브리드카보다 진일보한 방식이라할 수 있다.
현재로서는 석유 에너지원의 대체 에너지원으로서 전기 자동차가 대안으로 생각되고 있으며, 이에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 특히, 배터리 관련 연구가 활발히 이루어지고 있다. 즉, 통상의 상용 교류 전압 AC 100 ~ 240V을 이용하여 DC 240 ~ 413V 직류 전압으로 변환하여 충전하는 충전 장치의 개발에 많은 연구가 이루어지고 있다. 이른바, "탑재형 충전 장치(On-Board Charger; OBC)"의 개발이 지속적으로 이루어지고 있다.
그런데, 교류 전원으로부터 높은 효율의 직류 전원을 얻기 위해서 주로 스위칭 모드 파워 서플라이(SMPS; Switching Mode Power Supply)를 사용하게 되는데, 리플(ripple) 등을 포함한 노이즈가 발생되는 문제점이 있다. 또한 교류 전압의 정류를 위해 사용되는 정류다이오드의 오프시 서지(surge) 전압이 발생되는 문제점이 있다.
문헌 1. 대한민국특허청 특허공개번호 제10-2016-0101808호, "풀브리지 DC-DC 컨버터"
따라서, 본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 정류된 전압에 대해 인덕터 및 캐패시터를 이용하여 리플을 감소시킴과 아울러 스너버 회로를 이용하여 서지 전압을 제거할 수 있도록 하는 전기자동차용 충전제어장치를 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전기자동차용 충전제어장치는, 교류 전원에 대해 정류 및 리플 안정화를 수행하며, 정류 전압의 승압 또는 강압을 수행하는 역률 보상기; 인덕터와 스위칭 소자의 기생 캐패시터를 공진요소로 하여 스위칭을 수행하는 풀 브리지 컨버터; 상기 스위칭 소자의 개폐동작에 따라 1차측 전압을 2차측으로 유도하는 변압기; 및 상기 2차측으로 유도된 교류 전원에 대한 정류를 수행하고, 정류된 직류 전원의 서지 전압을 제거하고, 리플 안정화를 수행하는 풀 브리지 정류기를 포함한다.
이 때, 상기 역률 보상기는, 풀 브리지로 구성되어 교류 전원을 정류하는 정류 회로; 및 정류된 직류 전원을 승압 또는 강압시키는 벅-부스트(Buck-Boost) 회로를 포함한다. 여기서, 상기 벅-부스트(Buck-Boost) 회로는, 인덕터(Lin)와 평활 캐패시터(C1)를 이용하여 직류 전원에 대해 리플 및 노이즈를 감소시킨다.
또한, 상기 풀 브리지 컨버터는, 풀 브리지로 구성되어 입력 전압을 교번적 스위칭으로 전달하는 스위칭 소자(SW3) 내지 스위칭 소자(SW6); 상기 스위칭 소자(SW3) 내지 스위칭 소자(SW6) 양단에 각각 병렬 연결된 역병렬 기생 다이오드; 상기 스위칭 소자(SW3) 내지 스위칭 소자(SW6) 양단에 각각 병렬 연결된 동기정류기 기생 캐패시터; 및 상기 스위칭 소자(SW3)와 상기 스위칭 소자(SW4) 사이의 접점에 일단이 접속되고, 타단은 상기 변압기에 접속되는 공진 인덕터를 포함한다.
또한, 상기 풀 브리지 정류기는, 2차측으로 유도된 교류 전원을 정류하는 정류 회로; 상기 정류 회로로부터 발생된 서지 전압을 제거하는 스너버 회로; 및 상기 스너버 회로로부터 출력된 전압을 평활화시켜 배터리로 공급하는 출력 회로를 포함한다. 여기서, 상기 스너버 회로는, 상기 정류 회로에 대해, 직렬연결된 평활 캐패시터(C2) 및 정류 소자(D10), 직렬연결된 정류 소자(D11) 및 평활 캐패시터(C3)를 병렬연결하여 구성한다.
또한, 상기 역률 보상기에 입력되는 교류 전원은 100 ~ 240V 범위 내에서 설정될 수 있다.
그리고, 상기 풀 브리지 컨버터는 펄스폭변조 위상시프트(PWM PS; Pulse-Width Modulation Phase Shift) 방식으로 스위칭하여 고주파의 AC 구형파 전압으로 변환한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 전기자동차용 충전제어장치에 따르면, 정류된 전압에 대해 인덕터 및 캐패시터를 이용하여 리플을 감소시키므로 충전 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, LC 필터 앞단에 스너버 회로를 구성하여 리플 감소 및 서지 전압 제거가 이루어지므로, 충전을 위한 안정적으로 전원공급이 이루어질 뿐 아니라, 출력 캐패시터의 수명 및 배터리의 수명이 단축되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 전기자동차용 충전제어장치의 제어회로블록도이다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예 및 첨부하는 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하되, 도면의 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭함을 전제하여 설명하기로 한다.
발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에서 어느 하나의 구성요소가 다른 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 당해 구성요소만으로 이루어지는 것으로 한정되어 해석되지 아니하며, 다른 구성요소들을 더 포함할 수 있는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에서 "~수단", "~부", "~모듈", "~블록"으로 명명된 구성요소들은 적어도 하나 이상의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이들 각각은 소프트웨어 또는 하드웨어, 또는 이들의 결합에 의하여 구현될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 전기자동차용 충전제어장치가 구현된 일 예를 특정한 실시예를 통해 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 전기자동차용 충전제어장치의 제어회로블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 전기자동차용 충전제어장치는, 교류 전원(AC)에 대해 정류 및 리플 안정화를 수행하며, 정류 전압의 승압 또는 강압을 수행하는 역률 보상기(1)와, 인덕터와 스위칭 소자의 기생 캐패시터를 공진요소로 하여 스위칭을 수행하는 풀 브리지 컨버터(2)와, 스위칭 소자의 개폐동작에 따라 1차측 전압을 2차측으로 유도하는 변압기(3)와, 2차측으로 유도된 교류 전원에 대한 정류를 수행하고, 정류된 직류 전원의 서지 전압을 제거하고, 리플 안정화를 수행하는 풀 브리지 정류기(4)를 포함한다.
이와 같이 구성된 본 발명의 전기자동차용 충전제어장치는, 입력된 교류 전원(AC)을 전파정류하여 직류 전원으로 변화시키고, 이어서 직류 전원에 대한 승압 및 강압을 수행한다. 이 때, 인덕터 및 캐패시터를 이용하여 리플을 감소시킨다. 이후, 직류 전원에 대해 인덕터와 스위칭 소자의 기생 캐패시터를 공진요소로 하여 스위칭소자에서 순차적으로 스위칭이 이루어지게 된다. 스위칭소자에서 순차적으로 스위칭에 의해 형성된 교류 전원은 변압기(3)에서 권선비에 따라 2차 전압이 유도된다. 이어서 유도된 2차 교류 전원에 대한 전파정류가 이루어지고, 정류된 직류 전원에 대해 스너버를 이용하여 서지 전압을 제거하고, 출력 인덕터와 출력 캐패시터를 이용하여 리플을 감소시킨다. 이렇게 리플 및 서지 전압이 제거된 직류 전원을 배터리(Bat)에 공급함으로써 충전의 효율성 및 안정성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 적용된 역률 보상기(1)는, 교류 전원(AC)을 정류하는 정류 회로(11)와, 정류된 직류 전원을 승압 또는 강압시키는 벅-부스트(Buck-Boost) 회로(12)를 포함한다.
정류 회로(11)는 4개의 정류 소자(D1 ~ D4)가 브리지 회로를 구성한 것이며, 여기서 정류 소자(D1 ~ D4)로는 반도체 다이오드를 이용할 수 있다.
벅-부스트 회로(12)는, 스위칭 소자(SW1, SW2), 인덕터(Lin), 정류 소자(D5) 및 평활 캐패시터(C1)를 포함한다. 스위칭 소자(SW1 및 SW2)는 펄스폭변조(PWM; Pulse-Width Modulation) 방식이나 펄스폭변조 위상시프트(PWM PS; Pulse-Width Modulation Phase Shift) 방식 중 어느 하나의 방식에 의해 스위칭이 이루어질 수 있으며, 본 실시예에서와 같이 인덕터와 스위칭 소자의 기생 캐패시터를 공진요소로 이용하는 경우에는 펄스폭변조 위상시프트 방식을 이용하는 것이 바람직하다.
벅-부스트 회로(12)는, 정류 회로(브리지 회로)(11)의 A점과 B점 사이에 인덕터(Lin), 정류 소자(D5), 평활 캐패시터(C1) 및 스위칭 소자(SW1)를 직렬로 연결하고, 인덕터(Lin)와 정류 소자(D5) 사이의 접점과 스위칭 소자(SW2)와 평활 캐패시터(C1) 사이의 접점에 스위칭 소자(SW2)를 형성시키고 있다.
이와 같이 구성된 역률 보상기(1)는, 상용 교류 전압 AC 100 ~ 240V를 입력받아 정류 회로(11)에서 직류 전원으로 전파 정류하며, 정류된 전압은 벅-부스트 회로(12)에서 직류 전압에 대한 승압 또는 강압이 이루어지게 된다. 이 때, 정류 회로(11)로부터 출력된 직류 전원에 대해 인덕터(Lin)와 평활 캐패시터(C1)를 이용하여 리플을 감소시킴과 동시에 노이즈도 감소시킨다.
본 발명에 적용된 풀 브리지 컨버터(2)는, 풀 브리지로 구성되어 입력 전압을 교번적 스위칭으로 전달하는 스위칭 소자(SW3) 내지 스위칭 소자(SW6)와, 스위칭 소자(SW3) 내지 스위칭 소자(SW6) 양단에 각각 병렬 연결된 역병렬 기생 다이오드와, 스위칭 소자(SW3) 내지 스위칭 소자(SW6) 양단에 각각 병렬 연결된 동기정류기 기생 캐패시터와, 스위칭 소자(SW3)와 스위칭 소자(SW4) 사이의 접점에 일단이 접속되고, 타단은 변압기(3)에 접속되는 공진 인덕터(LR)를 포함한다.
본 실시예에서는 공진 인덕터(LR)를 풀 브리지 컨버터(2)에 형성되는 경우에 대해 설명하고 있으나, 해당 공진 인덕터(LR)는 변압기(3)의 구성으로 정의할 수도 있다.
풀 브리지 컨버터(2)는 펄스폭변조 위상시프트 방식을 이용하여 스위칭 소자(SW3) 내지 스위칭 소자(SW6)에 대한 순차적인 스위칭이 이루어지게 되며, 스위칭을 통해 충전 전압으로의 변환이 이루어지게 된다. 즉, 풀 브리지 컨버터는 펄스폭변조 위상시프트(PWM PS; Pulse-Width Modulation Phase Shift) 방식으로 스위칭이 이루어지며, 이에 고주파의 AC 구형파 전압으로 변환이 이루어지게 된다.
이와 같이 구성된 풀 브리지 컨버터(2)는, 스위칭 소자가 순차적으로 스위칭이 이루어짐에 따른 전류의 선형적인 증감에 대응하여 전압이 선형적으로 증감하여 교류파형을 출력한다. 이에 교류 전원이 생성된다. 이 때, 공진 인덕터(LR)는 교류 전압을 승압시키는 기능을 수행한다. 이후, 변압기(3)는 권선비에 따라 전압의 승압 또는 강압을 수행한다. 한편, 변압기(3)는 2차측과의 절연을 통해 배터리(Bat) 및 차량에 실장된 전자장치를 보호하는 기능도 수행한다.
본 발명에 적용된 풀 브리지 정류기(4)는, 교류 전원을 정류하는 정류 회로(41)와, 정류 회로(41)로부터 발생된 서지 전압을 제거하는 스너버 회로(42)와, 스너버 회로(42)로부터 출력된 전압을 평활화시켜 배터리(Bat)로 공급하는 출력 회로(43)를 포함한다.
정류 회로(41)는, 4개의 정류 소자(D6 ~ D9)가 브리지 회로를 구성한 것이며, 여기서 정류 소자(D6 ~ D9)로는 반도체 다이오드를 이용할 수 있다.
스너버 회로(42)는, C점과 D점 사이에 직렬연결된 평활 캐패시터(C2) 및 정류 소자(D10), 직렬연결된 정류 소자(D11) 및 평활 캐패시터(C3)를 병렬연결하고 있다.
출력 회로(43)는, C점과 D점 사이에 직렬연결된 출력 인덕터(Lin)와 출력 캐패시터(Co)를 포함한다. 출력 인덕터(Lin)와 출력 캐패시터(Co) 사이의 접점과 D점 사이에 배터리(Bat)가 접속되어 있다.
이와 같이 구성된 풀 브리지 정류기(4)는, 2차측으로 변환된 교류 전원을 입력받아 정류 회로(41)에서 교류 전원을 직류 전원으로 전파 정류하며, 정류된 전압은 스너버 회로(42)의 캐패시터를 통해 정류 회로(41)의 오프시 발생하는 서지성 고전압을 제거한다. 이어서, 출력 인덕터(Lin)와 출력 캐패시터(Co)를 통해 리플 감소와 동시에 노이즈 감소가 이루어진 직류 전원으로 전환시켜 배터리(Bat)에 공급한다.
이상 몇 가지의 실시예를 통해 본 발명의 기술적 사상을 살펴보았다.
본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기재사항으로부터 상기 살펴본 실시예를 다양하게 변형하거나 변경할 수 있음은 자명하다. 또한, 비록 명시적으로 도시되거나 설명되지 아니하였다 하여도 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기재사항으로부터 본 발명에 의한 기술적 사상을 포함하는 다양한 형태의 변형을 할 수 있음은 자명하며, 이는 여전히 본 발명의 권리범위에 속한다. 첨부하는 도면을 참조하여 설명된 상기의 실시예들은 본 발명을 설명하기 위한 목적으로 기술된 것이며 본 발명의 권리범위는 이러한 실시예에 국한되지 아니한다.
1 : 역률 보상기 2 : 풀 브리지 컨버터
3 : 변압기 4 : 풀 브리지 정류기
D : 다이오드 정류 소자 SW : 스위칭 소자
C1, C2, C3 : 평활 캐패시터 T : 변압기
LR : 공진 인덕터 Lin : 출력 인덕터
Co : 출력 캐패시터

Claims (8)

  1. 교류 전원에 대해 정류 및 리플 안정화를 수행하며, 정류 전압의 승압 또는 강압을 수행하는 역률 보상기;
    인덕터와 스위칭 소자의 기생 캐패시터를 공진요소로 하여 스위칭을 수행하는 풀 브리지 컨버터;
    상기 스위칭 소자의 개폐동작에 따라 1차측 전압을 2차측으로 유도하는 변압기; 및
    상기 2차측으로 유도된 교류 전원에 대한 정류를 수행하고, 정류된 직류 전원의 서지 전압을 제거하고, 리플 안정화를 수행하는 풀 브리지 정류기를 포함하는 전기자동차용 충전제어장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 역률 보상기는,
    풀 브리지로 구성되어 교류 전원을 정류하는 정류 회로; 및
    정류된 직류 전원을 승압 또는 강압시키는 벅-부스트(Buck-Boost) 회로를 포함하는 전기자동차용 충전제어장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 벅-부스트(Buck-Boost) 회로는,
    인덕터(Lin)와 평활 캐패시터(C1)를 이용하여 직류 전원에 대해 리플 및 노이즈를 감소시키는 전기자동차용 충전제어장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 풀 브리지 컨버터는,
    풀 브리지로 구성되어 입력 전압을 교번적 스위칭으로 전달하는 스위칭 소자(SW3) 내지 스위칭 소자(SW6);
    상기 스위칭 소자(SW3) 내지 스위칭 소자(SW6) 양단에 각각 병렬 연결된 역병렬 기생 다이오드;
    상기 스위칭 소자(SW3) 내지 스위칭 소자(SW6) 양단에 각각 병렬 연결된 동기정류기 기생 캐패시터; 및
    상기 스위칭 소자(SW3)와 상기 스위칭 소자(SW4) 사이의 접점에 일단이 접속되고, 타단은 상기 변압기에 접속되는 공진 인덕터를 포함하는 전기자동차용 충전제어장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 풀 브리지 정류기는,
    2차측으로 유도된 교류 전원을 정류하는 정류 회로;
    상기 정류 회로로부터 발생된 서지 전압을 제거하는 스너버 회로; 및
    상기 스너버 회로로부터 출력된 전압을 평활화시켜 배터리로 공급하는 출력 회로를 포함하는 전기자동차용 충전제어장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 스너버 회로는,
    상기 정류 회로에 대해, 직렬연결된 평활 캐패시터(C2) 및 정류 소자(D10), 직렬연결된 정류 소자(D11) 및 평활 캐패시터(C3)를 병렬연결한 전기자동차용 충전제어장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 역률 보상기에 입력되는 교류 전원은 100 ~ 240V 범위 내에서 설정되는 전기자동차용 충전제어장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 풀 브리지 컨버터는 펄스폭변조 위상시프트(PWM PS; Pulse-Width Modulation Phase Shift) 방식으로 스위칭하여 고주파의 AC 구형파 전압으로 변환하는 전기자동차용 충전제어장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR102086439B1 (ko) * 2018-09-04 2020-03-09 주식회사 티팩토리 Ess 시스템
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WO2021210850A1 (ko) * 2020-04-14 2021-10-21 엘지이노텍 주식회사 영 전압 스위칭 회로 및 이를 포함하는 컨버터
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