KR20200011090A - 친환경 차량의 컨버터 제어 시스템 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

친환경 차량의 컨버터 제어 시스템 및 그 방법이 개시된다.
본 발명의 실시 예에 따른, 친환경 차량의 컨버터 제어 시스템은 차량의 구동력을 발생하는 구동 모터, 상기 구동 모터에 전원을 공급하는 고전압 배터리, 외부에서 공급되는 교류전원을 승압한 후 직류전원로 변환하여 상기 고전압 전원으로 배터리를 충전하는 차량 충전부, 상기 고전압 배터리 또는 차량 충전부에서 입력되는 고전압 전원을 저전압으로 가변하여 상기 전장 부하 및 보조 배터리로 공급하는 컨버터, 상기 친환경 차량의 상태정보와 상기 컨버터의 입력전압을 검출하는 상태 검출부 및 상기 상태정보를 참조하여 상기 컨버터를 풀 브릿지(Full-Bridge) 혹은 하프 브릿지(Half-Bridge)로 선택적으로 동작시키는 제어부를 포함한다.

Description

친환경 차량의 컨버터 제어 시스템 및 그 방법{SYSTEM AND METHOD FOR LOW VOLTAGE DC-DC CONVERTER CONTROL OF ENVIRONMENTALLY FRIENDLY VEHICLES}

본 발명은 친환경 차량의 컨버터 제어 시스템 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 친환경 차량의 완속충전시 고전압을 저전압으로 변환하는 컨버터의 효율을 향상시키기 위한 친환경 차량의 컨버터 제어 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.

일반적으로 전기 자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV) 및 플러그인 하이브리 자동차(PHEV)와 같은 친환경 차량은 내연기관 차량과는 달리 배터리를 활용한 모터의 힘으로 구동된다.

이러한 친환경 차량은 모터의 힘으로 움직이기 때문에 대용량의 고전압 배터리와 상기 고전압 배터리의 전압(예; 200 ~ 400V)을 차량의 전장부하가 사용할 수 있는 저전압(예; 12V)로 변환하여 내연기관의 알터네이터와 같이 보조 배터리를 충전하는 저전압 직류변환 컨버터(Low voltage DC-DC Converter, LDC)가 장착된다.

예컨대, 도 1은 종래의 친환경 차량에서 주행 및 충전 중에 LDC의 동작 상태를 비교하여 나타낸다.

첨부된 도 1을 참조하면, LDC는 친환경 차량의 주행 중 고전압 배터리에서 고전압 에너지를 받아 저전압으로 변환한 후 보조 배터리와 차량의 각종 전장부하로 공급한다.

또한, LDC는 친환경 차량이 완속충전 중에는 외부의 AC전원을 DC전원으로 변환하는 탑재형 완속 충전기(On-Board Charger, OBC)로부터 고전압 에너지를 받아 저전압으로 변환한 후 보조 배터리와 전장 부하로 공급할 수 있다.

이때, 친환경 차량의 주행 시와 완속 충전시의 LDC 동작 범위는 도 1의 그래프에 나타낸 예시와 같이 서로 다르다.

먼저, LDC 입력전압범위가 다른 이유를 설명하면, 주행시의 전압은 온도와 모터의 구동/회생에 따른 고전압배터리의 특성이 반영되어 전압 범위가 넓지만, 충전 중에는 낮은 전류로 충전만 하기 때문에 입력전압범위가 좁기 때문이다.

또한, LDC 입력파워가 다른 이유를 설명하면, 주행 중에는 12V 전장 부하를 많이 사용하게 되어, 거의 모든 제어기가 동작하고 제어 조건에 따른 팬(Fan)이나 램프(Lamp) 등의 부하들이 동작하지만, 충전 중에는 충전을 위한 일부 제어기만 동작하여 12V 전장 부하 소모가 상대적으로 적기 때문이다.

한편, 친환경 차량의 주행시와 완속충전시의 LDC 동작 범위가 서로 다르기 때문에 LDC 효율에서도 확연한 차이가 발생한다.

도 2는 종래 친환경 차량에 적용되는 LDC 회로도를 나타낸다.

도 3은 종래 친환경 차량의 주행 및 충전 중 LDC 효율을 나타낸 그래프이다.

먼저, 첨부된 도 2를 참조하면, 종래의 친환경 차량에 적용된 LDC의 회로는 위상천이 풀 브리지 컨버터(Phase Shift Full-Bridge Converter)로써 고전압(300V)에서 저전압(12V)으로 변환 시 4개 FET의 도통 손실과 스위칭 손실이 주요 손실 인자이다. 이에, 종래 상기 스위칭 손실이 발생되는 것을 방지하기 위하여 LDC의 영전압 스위칭을 제어하고 있다.

그러나, 도 3의 LDC 효율을 나타낸 그래프 곡선과 같이 LDC 효율은 주행시와 충전시의 확연한 차이가 있으며, 문제는 충전시 저부하(50 ~ 150W) 수준에서의 LDC 효율이 급격히 저감되데 있다. 이렇게 저부하 효율이 급격히 떨어지는 이유는 LDC 특성상 완속충전중 저부하 동작범위에서는 영전압 스위칭이 되지 않기 때문이다.

즉, 현재 적용된 LDC는 200W 이하의 저부하 조건에서는 영전압 스위칭이 되지 않기 때문에 완속 충전 시 스위칭 손실이 증가되는 문제점이 있다.

이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예는 친환경 차량의 완속충전중인 저부하조건에서 저전압 직류변환 컨버터를 하프 브릿지로 동작하고 영전압 스위칭 제어를 통해 LDC 효율을 향상시킬 수 있는 친환경 차량의 컨버터 제어 시스템 및 그 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 친환경 차량의 컨버터 제어 시스템은, 차량의 구동력을 발생하는 구동 모터; 상기 구동 모터에 전원을 공급하는 고전압 배터리; 상기 고전압 배터리에서 공급되는 전원을 3상 교류전원으로 변환하여 상기 구동 모터를 구동하는 인버터; 외부에서 공급되는 교류전원을 승압한 후 직류전원로 변환하여 상기 고전압 전원으로 배터리를 충전하는 차량 충전부; 상기 고전압 배터리 또는 차량 충전부에서 입력되는 고전압 전원을 저전압으로 가변하여 상기 전장 부하 및 보조 배터리로 공급하는 컨버터; 상기 친환경 차량의 상태정보와 상기 컨버터의 입력전압을 검출하는 상태 검출부; 및 상기 상태정보를 참조하여 상기 컨버터를 풀 브릿지(Full-Bridge) 혹은 하프 브릿지(Half-Bridge)로 선택적으로 동작시키는 제어부를 포함한다.

또한, 상기 컨버터는 LDC(Low Voltage DC-DC Converter)이며, 4개의 스위치를 포함할 수 있다.

또한, 상기 제어부는 상기 하프 브릿지로 동작 시 상기 컨버터의 제1 스위치와 제2 스위치를 PWM 동작을 수행하도록 제어하고, 제3 스위치와 제4 스위치를 오프(OFF)할 수 있다.

또한, 상기 제어부는 상기 컨버터의 하프 브릿지 동작 상태에서의 영전압 스위칭을 제어할 수 있다.

또한, 상기 제어부는 상기 충전시 상기 컨버터의 기준 입력전압을 설정하고, 상기 입력전압이 상기 기준 입력전압 이하이면 상기 풀 브릿지로 제어하고, 상기 입력전압이 상기 기준 입력전압을 초과하면 상기 하프 브릿지로 제어 할 수 있다.

또한, 상기 기준 입력전압은 상기 컨버터의 도통손실의 양이 스위칭 손실의 양과 같아지는 시점의 컨버터 부하량에 대응되는 입력전압 값으로 설정할 수 있다.

또한, 상기 제어부는 상기 컨버터의 풀 브릿지 동작 상태에서의 영전압 스위칭을 제어할 수 있다.

한편, 본 발명의 일 측면에 따른, 친환경 차량의 컨버터 제어 시스템이 외부전원으로 차량 충전시 입력되는 고전압 전원을 저전압으로 가변하여 전장부하와 배터리로 공급하는 컨버터(Low Voltage DC-DC Converter, LDC)를 제어하는 방법은, a) 친환경 차량의 충전 시작이 검출되면 상태정보를 수집하여 상기 컨버터의 입력전압을 검출하는 단계; b) 상기 검출된 입력전압이 미리 설정된 기준 입력전압 이하이면 상기 컨버터가 풀 브릿지로 동작하도록 제어하는 단계; 및 c) 상기 검출된 입력전압이 상기 기준 입력전압을 초과하면 상기 컨버터가 하프 브릿지로 동작하도록 제어하는 단계를 포함한다.

또한, 상기 a) 단계 이전에, 충전중 발생되는 상기 컨버터의 도통 손실의 양이 스위칭 손실의 양과 같아지는 시점의 컨버터 부하량에 대응되는 입력전압 값으로 상기 기준 입력전압을 설정하는 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 b) 단계는, 상기 컨버터의 설계 인자에 따른 PWM 듀티 범위를 기본 듀티로 결정하고, 상기 컨버터의 모든 스위치를 PWM 동작시키는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 상기 c) 단계는, 상기 컨버터의 설계 인자에 따른 PWM 듀티 범위를 기본 듀티의 두 배로 결정하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 상기 c) 단계는, 상기 컨버터의 제1 스위치와 제2 스위치를 PWM 동작을 수행하도록 제어하고, 제3 스위치와 제4 스위치를 오프(OFF)하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 상기 c) 단계는, 상기 컨버터의 하프 브릿지 동작 상태에서의 영전압 스위칭을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 상기 c) 단계는, 상기 친환경 차량의 시동(Start) 또는 IG ON 신호가 검출되면 상기 컨버터를 풀 브릿지 동작으로 전환하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 상기 c) 단계 이후에, 상기 검출된 입력전압이 컨버터 설계인자에 설정된 충전시 상한 입력전압에 도달하면, 상기 보조 배터리의 충전을 종료하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 친환경 차량의 완속충전시 컨버터를 하프 브릿지(Half-Bridge)로 동작시킴으로써 풀 브릿지(Full-Bridge) 대비 스위칭 손실을 절반으로 줄일 수 있다.

또한, 충전시 컨버터의 하프 브릿지(Half-Bridge) 동작으로 영전압 스위칭이 가능하여 추가적으로 스위칭 손실을 저감할 수 있으며 그에 따른 연비를 향상시킬 수 있다.

또한, 충전시의 컨버터 입력전압이 배터리 충전을 위한 목표전압 출력이 불가능한 수준의 기준 입력전압 이하이면 풀 브릿지로 구동하고, 상기 기준 입력전압을 초과시 하프 브릿지로 전환함으로써 LDC 충전효율과 안정적인 배터리 충전이 가능한 효과가 있다.

도 1은 종래의 친환경 차량에서 주행 및 충전 중에 LDC의 동작 상태를 비교하여 나타낸다.
도 2는 종래 친환경 차량에 적용되는 LDC 회로도를 나타낸다.
도 3은 종래 친환경 차량의 주행 및 충전 중 LDC 효율을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 친환경 차량의 충전 제어 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 컨버터(LDC)의 구성을 개략적으로 나타낸다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 PHEV 차량의 LDC 설계인자와 회로별 출력전압 방정식을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 완속충전중 LDC 제어 상태(A)와 그에 따른 LDC 효율(B)을 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 LDC 손실을 고려한 입력 기준전압 설정방법을 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 친환경 차량의 컨버터 제어 방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

명세서 전체에서, 제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.

명세서 전체에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결된다'거나 '접속된다'고 언급되는 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '직접 연결된다'거나 '직접 접속된다'고 언급되는 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 아니하는 것으로 이해되어야 할 것이다.

명세서 전체에서, 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

명세서 전체에서, '포함한다', '가진다' 등과 관련된 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 명세서에서 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 포함한다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이제 본 발명의 실시 예에 따른 친환경 차량의 저전압 직류변환기 제어 시스템 및 그 방법에 대하여 도면을 참조로 하여 상세하게 설명한다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 친환경 차량의 충전 제어 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다.

첨부된 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 친환경 차량의 컨버터 제어 시스템(100)은 고전압 배터리(110), 보조 배터리(120), 인버터(130), 구동 모터(140), 차량 충전부(150), 컨버터(160), 상태 검출부(170) 및 제어부(180)를 포함한다.

고전압 배터리(110)는 복수의 배터리 셀이 직렬로 연결된 배터리팩으로 구성되어 에너지를 저장하고, 저장된 에너지를 구동 모터(140)의 구동을 위해 공급한다.

이하, 고전압 배터리(110)의 목표 공급 전압을 410V로 가정하여 설명하겠으나 본 발명의 실시 예가 이에 한정되지 않고 변경 설계될 수 있으며, 배터리 셀 단위의 전압 크기 변동에 따라 목표하는 공급 전압을 맞추기 위해 조합되는 셀의 개수도 달라질 수 있다.

보조 배터리(120)는 차량의 각종 전장 부하에 12V 전원을 공급하는 차량 배터리를 의미한다.

인버터(130)는 제어부(180)에서 인가되는 제어신호에 따라 고전압 배터리(110)에서 공급되는 전원을 3상 교류전원으로 변환시켜 구동 모터(140)를 구동한다.

구동 모터(140)는 인버터(130)에서 공급되는 고전압 전원으로 친환경 차량의 구동력을 발생한다.

차량 충전부(150)는 차량 탑재형 충전기(On-Board Charger, OBC)로써, 외부에서 공급되는 교류 전원(AC)을 승압한 후 직류전원(DC)으로 변환하여 고전압 배터리(110)를 충전하는 역할을 한다.

컨버터(Low Voltage DC-DC Converter, LDC)(160)는 친환경 차량의 주행시 고전압 배터리(110)로부터 입력되는 고전압 전원을 차량의 전장 부하에 사용되는 전압(예; 12V)에 맞게 가변 하여 공급 한다. 이때, 컨버터(160)는 가변된 전압으로 보조 배터리(120)를 충전하는 내연기관의 알터네이터와 같은 기능을 수행한다.

또한, 컨버터(160)는 친환경 차량의 완속충전시 차량 충전부(150)에서 입력되는 고전압 전원을 저전압(예; 12V)으로 가변하여 차량의 전장 부하 및 보조 배터리(120)로 공급할 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 컨버터(LDC)의 구성을 개략적으로 나타낸다.

첨부된 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 컨버터(160)는 풀 브릿지(Full-Bridge) 컨버터가 적용된다.

컨버터(160)는 4개 스위치(FET1 ~ FET4)를 포함하는 풀 브릿지(Full-Bridge) 컨버터로 구성된다.

컨버터(160)는 입력필터를 통해 고전압 전원의 노이즈를 제거하고 4개 스위치(FET1 ~ FET4)의 고속 스위칭을 통해 직류(DC) 속성을 교류(AC) 속성으로 변환하며, 트랜스포머를 통해 감압한 후 출력필터를 통해 평활화하여 교류(AC) 속성을 직류(DC) 속성으로 변환한다.

컨버터(160)는 친환경 차량이 주행 중인 고부하 조건에서는 풀 브릿지(Full-Bridge)로 동작하고, 완속충전시 상대적으로 낮은 저부하 조건에서는 하프 브릿지(Half-Bridge)로 동작할 수 있다. 상기 하프 브릿지(Half-Bridge)로 동작 시 컨버터(160)의 제1 스위치(FET1)와 제2 스위치(FET2)를 온(ON)으로 구동하고, 제3 스위치(FET3)와 제4 스위치(FET4)를 오프(OFF)할 수 있다. 혹은 그 반대 조합의 온/오프 구동도 가능하다.

또한, 컨버터(160)는 상대적으로 고부하 조건인 주행중에는 풀 브릿지(Full-Bridge)로 동작하고, 상대적으로 저부하 조건인 완속충전중에는 하프 브릿지(Half-Bridge)로 동작할 수 있다. 여기서, 상기 주행중은 차량이 도로를 주행하는 것뿐 아니라 시동이나 IG ON 등으로 각종 전장 부하에 전원이 연결되어 있는 상태를 의미할 수 있다.

상태 검출부(170)는 친환경 차량의 운행이나 충전에 따른 각종 센서와 제어기로부터 상태정보를 검출한다. 상태 검출부(170)는 친환경 차량의 상태정보에 따른 컨버터 입력전압을 검출할 수 있다.

제어부(180)는 친환경 차량의 파워 컨트롤 유닛(Power Control Unit)으로 적어도 하나의 프로세서를 포함하며, 친환경 차량의 전력 제어를 위한 상기 각 구성의 전반적인 동작을 제어한다.

제어부(180)는 상태 검출부(170)를 통해 친환경 차량의 운전중 또는 충전중의 상태정보를 파악한다.

제어부(180)는 상기 상태정보를 참조하여 상기 컨버터를 풀 브릿지(Full-Bridge) 혹은 하프 브릿지(Half-Bridge)로 선택적으로 동작시킨다.

예컨대, 제어부(180)는 상기 상태정보를 참조하여 친환경 차량이 운전중인 상태로 파악되면 컨버터(160)를 풀 브릿지(Full-Bridge)로 동작시키고, 상기 풀 브릿지 동작 상태에서의 영전압 스위칭을 제어하여 스위칭 손실을 저감시킬 수 있다. 여기서, 상기 영전압 스위칭(Zero Voltage Switching, ZVS)는 전압이 영(Zero)일 때 온(ON)하여 스위칭 손실이 영(Zero)이 되고, 오프(OFF)시 전압의 상승기울기를 줄여서 오프(OFF) 스위칭 손실을 줄이는 것을 의미한다.

다만, 앞서 도 3을 통해 설명한 것과 같이, 종래에는 LDC 특성상 완속충전중인 저부하 동작범위에서는 영전압 스위칭이 되지 않기 때문에 스위칭 손실이 발생되어 상기 운전중인 상태에 비해 LDC 효율이 떨어지는 문제를 제시한바 있다.

이러한 문제를 해결하고자, 본 발명의 실시 예에 따른 제어부(180)는 상기 상태정보에 따른 친환경 차량이 완속충전중인 것으로 파악되면 컨버터(160)의 제1 스위치(FET1)와 제2 스위치(FET2)만 온(ON)으로 구동하는 하프 브릿지(Half-Bridge)로 동작시킨다. 즉, 컨버터(160)의 두 개의 스위치만 PWM 동작을 하기 때문에 풀 브릿지(Full-Bridge) 대비 스위칭 손실을 절반으로 줄일 수 있다.

또한, 제어부(180)는 컨버터(160)를 하프 브릿지(Half-Bridge)로 동작시 영전압 스위칭 제어가 가능하게 되므로 영전압 제어를 수행함으로써 추가적으로 스위칭 손실을 저감할 수 있는 이점이 있다.

다만, LDC 설계는 친환경 차량의 주행조건에서의 동작범위 기준으로 되어있기 때문에, 제어부(180)는 완속충전시의 전체 전압영역에서 하프 브릿지(Half-Bridge) 동작을 제어할 수 없다.

예컨대, 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 PHEV 차량의 LDC 설계인자와 회로별 출력전압 방정식을 나타낸다.

첨부된 도 6을 참조하면, <표1>은 플러그인 하이브리드차량(PHEV)의 LDC 설계인자를 나타내고, <표2>는 상기 LDC 설계 인자에 따른 풀 브릿지와 하프 브릿지 회로별 출력전압 방정식을 보여준다.

상기 <표1>과 <표2>를 참조할 때, PHEV 차량의 충전시 기준 입력전압 340 ~ 350V 까지는 LDC 목표전압인 12.8V 출력이 불가능하다.

그러므로, 제어부(180)는 350V를 완속충전시의 기준 입력전압으로 설정하여, 상기 기준 입력전압 이하까지는 컨버터(160)를 풀 브릿지(Full-Bridge)로 제어하고, 상기 기준 입력전압을 초과한 이후에는 하프 브릿지(Half-Bridge)로 제어할 수 있다.

예컨대, 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 완속충전중 LDC 제어 상태(A)와 그에 따른 LDC 효율(B)을 나타낸 그래프이다.

첨부된 도 7을 참조하면, 제어부(180)는 상기 <표1>의 PHEV 차량을 가정할 때 완속충전을 시작한 후 입력전압이 기준 입력전압(예; 350V) 이하에서는 컨버터(160)를 풀 브릿지(Full-Bridge) 동작으로 제어한다. 그리고, 상기 기준 입력전압(예; 350V)을 초과하면 하프 브릿지(Half-Bridge) 동작을 제어할 수 있다.

이러한, LDC 제어 상태(A)의 그래프를 참조할 때, 전체 완속충전시간(100%)중 컨버터(160)의 풀 브릿지(Full-Bridge) 동작시간은 15%, 하프 브릿지(Half-Bridge) 동작시간은 85%로 나타난다.

따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 완속충전중 LDC 효율은 5~10% 상승하여 연비를 최대 0.4% 상승시킬 수 있다. 이는 완속충전시에 LDC 효율이 1% 상승하면, 차량의 연비가 0.04% 상승하는 것을 고려할 때 본 발명의 실시 예에 따르면 완속충전시의 LDC 효율을 주행시의 LDC 효율수준으로 상승시킬 수 있는 효과가 있다.

한편, 앞선 실시 예에서 설명된 상기 입력 기준전압 350V는 하나의 예시로써 친환경 차량의 LDC 설계 인자에 따라 변경 설정될 수 있으며, 다음의 도 8을 통해 입력 기준전압 설정 방법을 설명한다.

도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 LDC 손실을 고려한 입력 기준전압 설정방법을 나타낸 그래프이다.

첨부된 도 8을 참조하면, 기본적으로 풀 브리지 컨버터에서의 고전압-저전압 변환 시 손실은 컨버터(160)에 구성된 4개 스위치(FET1 ~ FET4)의 도통 손실과 스위칭 손실로 나누어진다. 이때, 컨버터 부하량에 따른 스위칭 손실은 변화가 거의 없지만 도통 손실은 증가하게 된다.

제어부(180)는 완속충전시 컨버터(160)의 풀 브릿지(Full-Bridge)구동 중 하프 브릿지(Half-Bridge) 구동으로 전환하는데 기준이 되는 상기 기준 입력전압을 컨버터(160)의 도통손실의 양(a)이 스위칭 손실의 양(b)과 같아지는 시점의 컨버터 부하량(즉, 출력양)에 대응되는 입력전압 값으로 설정할 수 있다.

이때, 도 8과 같이 상기 기준 입력전압을 기준으로 컨버터 부하량의 저부하 구간과 고부하 구간을 구분하면, 상기 저부하 구간에서는 스위칭 손실이 도통 손실에 비하여 상대적으로 높게 나타나고 상기 고부하 구간에서는 스위칭 손실이 도통 손실에 비하여 상대적으로 낮게 나타남을 알 수 있다.

제어부(180)는 입력전압이 낮은 저부하 구간에서는 LDC 목표전압(예; 12.8V)을 맞추기 어렵기 때문에 상태 검출부(170)에서 검출된 컨버터 입력전압이 상기 기준 입력전압 이하이면 컨버터(160)를 풀 브릿지(Full-Bridge)로 구동한다.

그리고, 제어부(180)는 상기 컨버터 입력전압이 상기 기준 입력전압을 초과하면 컨버터(160)를 하프 브릿지(Half-Bridge)로 구동한다.

이때, 상기 도통 손실은 각 스위치 손실에 스위치 개수를 곱한 값이므로 스위치 개수가 절반만 동작하는 하프 브릿지(Half-Bridge)로 구동 시 스위치 구동 개수가 줄어든 만큼 스위칭 손실을 감소시킬 수 있다.

여기에서, 본 발명의 실시 예에 따른 컨버터(160)는 친환경 차량이 주행 중인 전장부하의 고부하 조건에서는 풀 브릿지(Full-Bridge)로 동작하고, 완속충전시 상대적으로 낮은 저부하 조건에서의 LDC 효율을 위해 하프 브릿지(Half-Bridge)로 동작하는 것이 주요 특징이다.

이러한 전장부하의 저부하 조건은 단순히 풀 브릿지 컨버터를 하프 브릿지로도 제어할 수 있는 것과는 LDC 효율에서 차별됨을 명확히 한다.

예컨대, 친환경 차량 혹은 풀 브릿지 컨버터를 사용하는 전자기기의 운전으로 부하량이 걸리는 고부하 조건(즉, 일반 운전조건)에서 컨버터가 하프 브릿지 동작을 수행하는 경우에는 같은 전압동작에서도 두 배의 전류가 필요하기 때문에 도통 손실이 크게 증가되는 단점이 있다. 그렇기 때문에 부하량이 높은 경우의 컨버터 동작은 하프 브릿지 보다 풀 브릿지가 유리한 것이 일반적이며, 무리하게 하프 브릿지로 동작시에는 큰 도통 손실을 감수해야 하는 점에서 차별된다.

한편, 전술한 친환경 차량의 컨버터 제어 시스템(100)의 구성을 바탕으로 본 발명의 실시 예에 따른 친환경 차량의 컨버터 제어 방법을 다음의 도 9를 통해 설한다. 다만, 상기 친환경 차량의 컨버터 제어 시스템(100)의 세부구성은 기능별로 세분화되거나 하나의 시스템으로 통합될 수 있으므로 도 9를 통한 친환경 차량의 컨버터 제어 방법을 설명함에 있어서 그 주체를 컨버터 제어 시스템(100)으로 하여 설명하도록 한다.

도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 친환경 차량의 컨버터 제어 방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이다.

첨부된 도 9를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 컨버터 제어 시스템(100)은 상태 검출부(170)를 통해 친환경 차량의 충전 시작이 검출되면, 상태정보를 수집하여 컨버터 입력전압을 검출한다(S1).

컨버터 제어 시스템(100)은 검출된 컨버터 입력전압을 미리 설정된 기준 입력전압과 비교하여 초과 여부에 따라 컨버터(160)의 하프 브릿지 또는 풀 브릿지 동작을 판단한다(S2).

상기 S2 단계에서, 컨버터 제어 시스템(100)은 상기 검출된 입력전압이 미리 설정된 기준 입력전압 이하이면(S2; 아니오), 컨버터(160)가 풀 브릿지로 동작하도록 제어한다(S3).

이때, 컨버터 제어 시스템(100)은 LDC 설계 인자에 따른 PWM 듀티 범위(D)를 기본 듀티로 결정하고(S4), 컨버터(160)의 모든 스위치(FET1 ~ FET4)를 온(ON) 하여 PWM 동작을 수행하도록 한다(S5). 이러한, 상기 S3 단계 내지 S5 단계에 따른 상기 풀 브릿지 동작은 상기 컨버터 입력전압이 기준 입력전압을 초과할 때까지 반복된다.

반면, 상기 S2 단계에서, 컨버터 제어 시스템(100)은 상기 검출된 입력전압이 상기 기준 입력전압을 초과하면(S2; 예), 컨버터(160)가 하프 브릿지로 동작하도록 제어한다(S6).

이때, 컨버터 제어 시스템(100)은 LDC 설계 인자에 따른 PWM 듀티 범위(D)를 기본 듀티의 두 배로 결정하고(S4), 컨버터(160)에 구비된 스위치 중에서 절반만 동작시킨다(S7). 예컨대, 컨버터 제어 시스템(100)은 제1 스위치(FET1)와 제2 스위치(FET2)를 온(ON)하여 PWM 동작을 수행하도록 하고, 제3 스위치(FET3)와 제4 스위치(FET4)는 오프(OFF)할 수 있다.

컨버터 제어 시스템(100)은 상기 컨버터 입력전압이 LDC 설계인자에 설정된 충전시의 상한 입력전압 미만이면(S9; 아니오), 상기 S1 단계로 돌아가 상기 하프 브릿지 제어를 반복한다.

이후, 컨버터 제어 시스템(100)은 상기 컨버터 입력전압이 상기 충전시 상한 입력전압에 도달하면(S9; 예), 보조 배터리의 충전을 종료한다.

또한, 바람직하게는 친환경 차량의 충전 중에는 안전을 위하여 시동(Start)을 제한할 수 있으나, 제조사나 차량 모델에 따라서 시동이나 IG ON으로 충전중 전장부하의 사용을 허용하는 것을 완전히 배제할 수 없다.

그러므로, 상기 도 9에서는 생략되었으나, 컨버터 제어 시스템(100)은 컨버터(160)의 하프 브릿지 동작 중 상태 검출부(170)로부터 시동(Start) 또는 IG ON 신호가 검출되면 컨버터(160)를 풀 브릿지 동작으로 전환하는 단계를 더 포함할 수 있다.

이는, 충전시 컨버터(160)의 하프 브릿지 동작 중 시동/IG ON으로 전장 부하에 상시 전원이 공급되면, 그에 따른 전장부하의 부하량 증가되며 상기 부하량이 높은 곳에서의 하프 브릿지 동작은 두 배의 전류를 필요로 하여 도통 손실이 크게 증가하기 때문에 이를 방지하기 위한 것이다.

이와 같이, 본 발명의 실시 예에 따르면, 친환경 차량의 완속충전시 컨버터를 하프 브릿지(Half-Bridge)로 동작시킴으로써 풀 브릿지(Full-Bridge) 대비 스위칭 손실을 절반으로 줄일 수 있는 효과가 있다.

또한, 충전시 컨버터의 하프 브릿지(Half-Bridge) 동작으로 영전압 스위칭이 가능하여 추가적으로 스위칭 손실을 저감할 수 있는 효과가 있다.

또한, 충전시의 컨버터 입력전압이 목표전압(12.8V) 출력이 불가능한 수준의 기준 입력전압 이하이면 풀 브릿지로 구동하고, 상기 기준 입력전압을 초과시 하프 브릿지로 전환함으로써 LDC 충전효율과 함께 안정적인 배터리 충전이 가능한 효과가 있다.

이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

100: 컨버터 제어 시스템
110: 고전압 배터리
120: 보조 배터리
130: 인버터
140: 구동 모터
150: 차량 충전부
160: 컨버터(LDC)
170: 상태 검출부
180: 제어부

Claims (16)

1. 친환경 차량의 구동력을 발생하는 구동 모터;
   상기 구동 모터에 전원을 공급하는 고전압 배터리;
   외부에서 공급되는 교류전원을 승압한 후 직류전원로 변환하여 상기 고전압 전원으로 배터리를 충전하는 차량 충전부;
   상기 고전압 배터리 또는 차량 충전부에서 입력되는 고전압 전원을 저전압으로 가변하여 상기 전장 부하 및 보조 배터리로 공급하는 컨버터;
   상기 친환경 차량의 상태정보와 상기 컨버터의 입력전압을 검출하는 상태 검출부; 및
   상기 상태정보를 참조하여 상기 컨버터를 풀 브릿지(Full-Bridge) 혹은 하프 브릿지(Half-Bridge)로 선택적으로 동작시키는 제어부;
   를 포함하는 친환경 차량의 컨버터 제어 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 컨버터는
   LDC(Low Voltage DC-DC Converter)로써 4개의 스위치를 포함하는 친환경 차량의 컨버터 제어 시스템.
3. 제1항에 있어서,
   상기 제어부는
   상기 상태정보를 참조하여 차량의 주행시 상기 컨버터를 풀 브릿지로 동작시키고 충전시 상기 컨버터를 하프 브릿지로 동작시키는 친환경 차량의 컨버터 제어 시스템.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제어부는
   상기 하프 브릿지로 동작 시 상기 컨버터의 제1 스위치와 제2 스위치를 PWM 동작을 수행하도록 제어하고, 제3 스위치와 제4 스위치를 오프(OFF)하는 친환경 차량의 컨버터 제어 시스템.
5. 제4항에 있어서,
   상기 제어부는
   상기 컨버터의 하프 브릿지 동작 상태에서의 영전압 스위칭을 제어하는 친환경 차량의 컨버터 제어 시스템.
6. 제4항에 있어서,
   상기 제어부는
   상기 충전시 상기 컨버터의 기준 입력전압을 설정하고, 상기 입력전압이 상기 기준 입력전압 이하이면 상기 풀 브릿지로 제어하고, 상기 입력전압이 상기 기준 입력전압을 초과하면 상기 하프 브릿지로 제어하는 친환경 차량의 컨버터 제어 시스템.
7. 제6항에 있어서,
   상기 기준 입력전압은
   상기 컨버터의 도통손실의 양이 스위칭 손실의 양과 같아지는 시점의 컨버터 부하량에 대응되는 입력전압 값으로 설정되는 것을 특징으로 하는 친환경 차량의 컨버터 제어 시스템.
8. 제1항에 있어서,
   상기 제어부는
   상기 컨버터의 풀 브릿지 동작 상태에서의 영전압 스위칭을 제어하는 친환경 차량의 컨버터 제어 시스템.
9. 친환경 차량의 컨버터 제어 시스템이 외부전원으로 차량 충전시 입력되는 고전압 전원을 저전압으로 가변하여 전장부하와 배터리로 공급하는 컨버터(Low Voltage DC-DC Converter, LDC)를 제어하는 방법에 있어서,
   a) 친환경 차량의 충전 시작이 검출되면 상태정보를 수집하여 상기 컨버터의 입력전압을 검출하는 단계;
   b) 상기 검출된 입력전압이 미리 설정된 기준 입력전압 이하이면 상기 컨버터가 풀 브릿지로 동작하도록 제어하는 단계; 및
   c) 상기 검출된 입력전압이 상기 기준 입력전압을 초과하면 상기 컨버터가 하프 브릿지로 동작하도록 제어하는 단계;
   를 포함하는 친환경 차량의 컨버터 제어 방법.
10. 제9항에 있어서,
    상기 a) 단계 이전에,
    충전중 발생되는 상기 컨버터의 도통 손실의 양이 스위칭 손실의 양과 같아지는 시점의 컨버터 부하량에 대응되는 입력전압 값으로 상기 기준 입력전압을 설정하는 단계를 더 포함하는 친환경 차량의 컨버터 제어 방법.
11. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 b) 단계는,
    상기 컨버터의 설계 인자에 따른 PWM 듀티 범위를 기본 듀티로 결정하고, 상기 컨버터의 모든 스위치를 PWM 동작시키는 단계를 포함하는 친환경 차량의 컨버터 제어 방법.
12. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 c) 단계는,
    상기 컨버터의 설계 인자에 따른 PWM 듀티 범위를 기본 듀티의 두 배로 결정하는 단계를 포함하는 친환경 차량의 컨버터 제어 방법.
13. 제12항에 있어서,
    상기 c) 단계는,
    상기 컨버터의 제1 스위치와 제2 스위치를 PWM 동작을 수행하도록 제어하고, 제3 스위치와 제4 스위치를 오프(OFF)하는 단계를 포함하는 친환경 차량의 컨버터 제어 방법.
14. 제9항에 있어서,
    상기 c) 단계는,
    상기 컨버터의 하프 브릿지 동작 상태에서의 영전압 스위칭을 제어하는 단계를 포함하는 친환경 차량의 컨버터 제어 방법.
15. 제9항에 있어서,
    상기 c) 단계는,
    상기 친환경 차량의 시동(Start) 또는 IG ON 신호가 검출되면 상기 컨버터를 풀 브릿지 동작으로 전환하는 단계를 포함하는 친환경 차량의 컨버터 제어 방법.
16. 제9항에 있어서,
    상기 c) 단계 이후에,
    상기 검출된 입력전압이 컨버터 설계인자에 설정된 충전시 상한 입력전압에 도달하면, 상기 보조 배터리의 충전을 종료하는 단계를 더 포함하는 친환경 차량의 컨버터 제어 방법.

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