KR20200055860A - 차량용 배터리 충전 제어기 및 그것의 동작 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 배터리를 충전하는 차량용 제어기는, 전력 계통으로부터 단상의 교류 전압을 수신하고, 직류 전압을 발생하는 인버터 파워부, 및 충전 모드시 상기 인버터 파워부를 브리즈리스 벅-부스트 컨버터로 동작하도록 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.

Description

차량용 배터리 충전 제어기 및 그것의 동작 방법{CONTROLLER FOR CHARGING BATTERY IN VEHICLE AND OPERATING METHOD THEREOF}
본 발명은 차량용 배터리 충전 제어기 및 그것의 동작 방법에 관한 것이다.
대부분의 전기 자동차와 플러그인 하이브리드 자동차는 가정용 전원 플러그가 있다면 어디에서든지 배터리를 충전할 수 있도록 탑재형 완속 충전기(on-board charger, OBC)를 탑재하고 있다. OBC는 상용전원인 교류(AC)를 직류(DC)로 변환해 차량 내부 배터리를 충전하는 기능을 한다. 이러한 OBC는 고전압 스위치, 인덕터, 커패시터, 절연형 트랜스포머, 릴레이, 제어보드, 냉각 시스템, 이를 구성하기 위한 별도의 패키징을 필요로 한다. 그리고 이러한 차량에 탑재되는 충전기에 구성하는 각각의 부품은 고가 및 고중량의 부품으로 구성되기에 친환경 차량의 전체적인 원가 상승이 초래되고, 차량 중량 증가로 인해 차량 연비에 악영향을 주고 있다.
공개특허: 10-2011-0112737, 공개일: 2011년 10월 13일, 제목: 전기자동차 충전스탠드. 미국 등록특허: US 9,931,951, 등록일: 2018년 4월 3일, 제목: INTEGRATED DUAL-OUTPUT GRID-TO-VEHICLE (G2V) AND VEHICLE-TO-GRID (V2G) ONBOARD CHARGER FOR PLUG-IN ELECTRIC VEHICLES.
본 발명의 목적은 신뢰성, 양산성을 고려한 신규한 차량용 배터리 충전 제어기 및 그것의 동작 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 배터리를 충전하는 차량용 제어기는: 전력 계통으로부터 단상의 교류 전압을 수신하고, 직류 전압을 발생하는 인버터 파워부; 및 충전 모드시 상기 인버터 파워부를 브리즈리스 벅-부스트 컨버터로 동작하도록 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 전력 계통은 충전 스탠드를 포함하고, 상기 인버터 파워부는, 3상 모터; 상기 3상 모터와 상기 배터리 사이에 연결된 3상 인버터; 및 상기 충전 스탠드의 교류 전압을 상기 3상 모터로 전달하는 충전 모드 회로를 포함할 수 있다.
실시 예에 있어서, 구동 모드시 상기 충전 모드 회로는 상기 3상 모터로부터 전기적으로 연결되지 않는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 구동 모드시 상기 배터리로부터 직류 전압을 전달 받는 DC 링크 커패시터를 더 포함할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 충전 모드 회로는, 상기 충전 스탠드의 제 1 출력단에 연결된 제 1 노드와 제 3 노드 사이에 연결되는 제 1 트랜지스터; 상기 충전 스탠드의 제 2 출력단에 연결된 제 2 노드와 상기 제 3 노드 사이에 연결되는 제 2 트랜지스터; 상기 제 1 노드와 제 4 노드 사이에 연결되는 제 1 커패시터; 상기 제 2 노드와 상기 제 4 노드 사이에 연결되는 제 2 커패시터; 상기 제 4 노드와 상기 제 1 노드 사이에 연결되는 제 1 다이오드; 상기 제 4 노드와 상기 제 2 노드 사이에 연결되는 제 2 다이오드; 상기 제 4 노드와 상기 제 3 노드 사이에 연결되는 제 3 다이오드; 상기 제 3 노드와 상기 3상 모터의 중성선 사이에 연결되는 제 1 스위치; 및 상기 제 4 노드와 상기 배터리의 음전압단 사이에 연결되는 제 2 스위치를 포함할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 충전 모드시 상기 제 1 및 제 2 스위치는 온 상태인 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 구동 모드시 상기 제 1 및 제 2 스위치는 오프 상태인 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, AC 계통 주파수에 따라 브리지 다이오드 역할로 동작하도록 상기 제 1 및 제 2 트랜지스터들이 턴 온/오프 되는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 제어부는 상기 충전 모드시 상기 3상 모터 및 상기 3상 인버터를 3상 부스트 컨버터 회로로 동작시키는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 3상 부스트 컨버터는 3상 인터리브드 PWM(pulse width modulation) 제어 동작 되는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 제어부는 상기 충전 모드시 상기 3상 모터 및 상기 3상 인버터를 벅 컨버터 회로로 동작시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 배터리를 충전하는 차량용 제어기의 동작 방법은: 충전 모드 시, 릴레이 온 시킨 상태에서 브리즈리스 벅-부스트 컨버터로 동작시키는 단계; 및 구동 모드 시, 릴레이 오프 시킨 상태에서 상기 배터리로부터 직류 전압을 전달 받아 모터를 구동하는 단계를 포함할 수 있다.
실시 예에 있어서, 릴레이의 온/오프 상태를 결정하는 릴레이 모드 결정 단계를 더 포함할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 브리즈리스 벅-부스트 컨버터로 동작시키는 단계는, 충전 모드 회로가 브리지 다이오드 역할을 수행하도록 스위칭 하는 단계; 및 모터 및 인버터가 3상 부스트 컨버터 회로로 동작하도록 스위칭 하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 차량용 배터리 충전 제어기 및 그것의 동작 방법은, 충전 모드 시 브리즈리스 벅-부스트 컨버터로 동작시키는 회로를 구비함으로써, 저렴하면서도 신뢰성 있는 배터리 충전 동작 및 모터 구동 동작을 수행할 수 있다.
이하에 첨부되는 도면들은 본 실시 예에 관한 이해를 돕기 위한 것으로, 상세한 설명과 함께 실시 예들을 제공한다. 다만, 본 실시예의 기술적 특징이 특정 도면에 한정되는 것은 아니며, 각 도면에서 개시하는 특징들은 서로 조합되어 새로운 실시 예로 구성될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 차량용 충전 시스템의 충전 모드를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 차량용 충전 시스템(10)의 구동 모드를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 차량용 충전 시스템(10)의 충전 모드시 토폴로지를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 차량용 충전 시스템(10)의 구동 모드시 토폴리지를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 차량용 충전 시스템(10)의 모터 구동 모드 관련 회로를 개념적으로 보여주는 도면이다.
도 6는 본 발명의 실시 예에 따른 차량용 충전 시스템(10)의 충전 모드 관련 회로를 개념적으로 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 차량용 충전 시스템(10)의 충전 모드시 부스트 동작을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 8은 도 7의 부스트 동작 시 입력 전압(Vin)이 양수일 때 제 1 모드를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 9는 도 7의 부스트 동작 시 입력 전압(Vin)이 양수일 때 제 2 모드를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 10은 도 7의 부스트 동작 시 입력 전압(Vin)이 음수일 때 제 1 모드를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 11은 도 7의 부스트 동작 시 입력 전압(Vin)이 음수일 때 제 2 모드를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 차량용 충전 시스템(10)의 충전 모드시 벅(buck) 동작을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 13은 도 12의 벅 동작 시 입력 전압(Vin)이 양수일 때 제 1 모드를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 14는 도 12의 벅 동작 시 입력 전압(Vin)이 양수일 때 제 2 모드를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 15는 도 12의 벅 동작 시 입력 전압(Vin)이 음수일 때 제 1 모드를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 16은 도 12의 벅 동작 시 입력 전압(Vin)이 음수일 때 제 2 모드를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 17은 본 발명의 실시 예에 따른 차량용 충전 시스템(10)의 릴레이 동작을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 18은 본 발명의 실시 예에 따른 MCU의 동작 방법을 예시적으로 보여 주는 도면이다.
아래에서는 도면들을 이용하여 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 내용을 명확하고 상세하게 기재할 것이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다.
상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 혹은 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 혹은 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다. 본 출원에서 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.
본 출원에서, "포함하다" 혹은 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 혹은 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 혹은 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 혹은 이들을 조합한 것들의 존재 혹은 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 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 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 차량용 충전 시스템의 충전 모드를 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 1을 참조하면, 차량용 충전 시스템(10)은 충전 스탠드(100), MCU(microcontroller unit; 200), 및 배터리(300)를 포함할 수 있다.
충전 스탠드(100)는 외부의 교류 전원을 유/무선 방식으로 수신 받고, 직류 전원을 출력하도록 구현될 수 있다. 실시 예에 있어서, 교류 전원은 단상의 교류 전원일 수 있다. 다른 실시 예에 있어서, 교류 전원은 삼상의 교류 전원일 수도 있다. 한편, 충전 스탠드(100)에 본 발명이 제한되지 않고, 다양한 전력 계통으로 대체 가능하다고 이해되어야 할 것이다.
MCU(200; 차량용 제어기)는 충전 스탠드(100)의 출력 전압을 수신하고, 모터 및 인터버를 이용하여 브리즈리스 벅-부스트 컨버터(bridgeless buck boost converter)로 동작하도록 구현될 수 있다. MCU(200)는 인버터 파워부(210; PFC(power factor corrector)) 및 MCU 제어부(220)를 포함할 수 있다. 인버터 파워부(210)는 충전 스탠드(100)로부터 단상의 교류 전압을 수신하고, 직류 전압을 발생할 수 있다. MCU 제어부(220)는 충전 모드시 인버터 파워부(210)를 브리즈리스 벅-부스트 컨버터로 동작하도록 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
실시 예에 있어서, 모터는 중성선 도출 변경할 수 있다.
배터리(300)는 MCU(200)에 의해 부스팅 된 전압으로 에너지를 충전하도록 구현될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 차량용 충전 시스템(10)은 모터를 이용하면서도 모터의 변경 없이 인버터 충전기를 구현할 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따른 차량용 충전 시스템(10)은 승강압 컨버터를 구성하는 인덕터를 하나의 인덕터를 이용하는 벅-부스트 컨버터 타입으로 구현됨으로써, 종래의 그것과 비교하여 사이즈를 크게 줄일 수 있다. 또한 본 발명의 실시 예에 따른 차량용 충전 시스템(10)은 브리지다이오드를 사용하지 않기 때문에 종래의 브리지 다이오드에서 발생하는 효율 손실을 최소화시킴으로써 전력 변환 효율을 극대화 시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 차량용 충전 시스템(10)은 브리즈리스 벅-부스트 컨버터 타입으로 구현됨으로써 다양한 배터리 전압에 유연하게 대체 가능할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 차량용 충전 시스템(10)은 모터의 인덕터 이용시 모터가 차체의 바퀴에 직결되는 경우가 있으므로 모터를 구동시키지 않는 것이 필요하다. 본 발명의 실시 예에 따른 차량용 충전 시스템(10)은 인터리브드 PWM 방식에 따라 모터의 움직임을 발생시킬 수 있으나, 이는 차체가 갖는 관성에 의해 모터의 구동을 막을 수 있다. 따라서, 전기차 구동 모터의 인덕터를 이용해도 충전이 가능하다.
본 발명의 실시 예에 따른 차량용 충전 시스템(10)은 모드별(충전 모드/ 구동 모드) 특성을 고려하여 릴레이와 같은 스위치 소자 사용을 최소화시켜 적용할 수 있다. 또한 본 발명의 실시 예에 따른 차량용 충전 시스템(10)은 구동 모드와 충전 모드 별로 micro controller를 구비하지 않고, Micro controller를 통합시켜 구현될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 차량용 충전 시스템(10)은 충전 동작에서 종래의 OBC(on-board charger)를 MCU 인버터로 대체함으로써, 비용 절감과 성능 향상을 기대할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 차량용 충전 시스템(10)의 구동 모드를 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 2를 참조하면, 배터리(300)로부터 전원을 공급받은 MCU(200)는 모터(400)를 구동할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 차량용 충전 시스템(10)의 충전 모드시 토폴로지를 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 3을 참조하면, 차량용 충전 시스템(10)의 충전 모드는 모터 및 인버터(212)와 충전 모드 회로(214)로 구성된 브리즈리스 벅-부스트 컨버터가 부스트 컨버터 동작을 수행할 수 있다.
인버터(211)는 모터(400)의 상들(u, v, w)에 대응하는 리액터들의 각각에 연결된 트랜지스터 쌍들(TR11-TR12, TR21-TR22, TR31-TR32)과 커패시터(Cinv)를 포함할 수 있다. 트랜지스터 쌍들(TR11-TR12, TR21-TR22, TR31-TR32)의 각각은 배터리(300)의 양단에 연결될 수 있다.
충전 모드 회로(214)는 제 1 및 제 2 트랜지스터들(T1, T2), 제 1, 제 2, 및 제 3 다이오드들(D1, D2, D3), 제 1 및 제 2 커패시터들(C1, C2), 및 제 1 및 제 2 스위치들(SW1, SW2)을 포함할 수 있다.
제 1 트랜지스터(T1)는 제 1 노드(N1)와 제 3 노드(N3) 사이에 연결되고, 제 2 트랜지스터(T2)는 제 2 노드(N2)와 제 3 노드(N3) 사이에 연결될 수 있다. 여기서 제 1 노드(N1)는 EMI 필터의 제 1 출력단이고, 제 2 노드(N2)는 EMI 필터의 제 2 출력단일 수 있다. 제 1 다이오드(D1)는 제 1 노드(N1)와 제 4 노드(N4) 사이에 연결되고, 제 2 다이오드(D2)는 제 2 노드(N2)와 제 4 노드(N4) 사이에 연결되고, 제 3 다이오드(D3)는 제 3 노드(N3)와 제 4 노드(N4) 사이에 연결될 수 있다. 실시 예에 있어서, 다이오들(D1, D2, D3)의 일단들은 제 4 노드(N4)에 연결되고, 다이오들(D1, D2, D3)의 타단들은 제 3 노드(N3)에 연결될 수 있다. 제 1 커패시터(C1) 는 제 1 노드(N1)와 제 4 노드(N4) 사이에 연결되고, 제 2 커패시터(C2)는 제 2 노드(N2)와 제 4 노드(N4) 사이에 연결될 수 있다.
제 1 스위치(SW1) 는 제 3 노드(N3)와 모터(400)의 중성선 사이를 연결하도록 스위칭 할 수 있다. 제 2 스위치(SW2) 는 제 4 노드(N4)와 배터리(300)의 음전압단에 연결하도록 스위칭 할 수 있다.
리액터(L)는 옵션적으로 충전 모드 회로(214)와 모터(400)의 중성선 사이에 추가될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 차량용 충전 시스템(10)은 승압 모드와 강압 모드로 구분될 수 있다. 실시 예에 있어서, 승압 모드시 충전 모드 회로는 브리지 다이오드로 동작하고, 모터 및 인버터는 3상 인터리브드 PFC 부스트 컨버터로 동작할 수 있다. 강압 모드시, 충전 모드 회로를 통해 모터 및 인버터는 브리즈리스 벅 PFC 컨버터로 동작할 수 있다. 이 때, 모터 인덕터는 벅 컨버터의 인덕터로, 인버터는 바이패스 될 수 있다. 충전 모드 회로는 커패시터, 다이오드, 스위치, 릴레이 등을 포함할 수 있다. 여기서 릴레이는 충전/구동 모드 별 회로가 구현되기 위해 회로 연결을 변경할 수 있다. 여기서 커패시터, 다이오드, 및 스위치는 브리즈리스 벅-부스트 컨버터로 구현될 수 있다. 배터리에 충전되는 전류 리플을 저감하기 위해서 인덕터가 모터 인덕터 외에 옵션적으로 추가될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 차량용 충전 시스템(10)의 구동 모드시 토폴리지를 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 모터 및 인버터(212)는 충전 모드와 같이 이용될 수 있다. 모드 구분에 따라 모터 및 인터버(212)의 활용이 다르기 때문에, 구동 모드에서도 릴레이(SW1, SW2)를 통해 동작이 결정될 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 차량용 충전 시스템(10)의 모터 구동 모드 관련 회로를 개념적으로 보여주는 도면이다. 도 5를 참조하면, 모터 구동 모드시 배터리(300)로부터 전력이 DC 링크 커패시터(Cinv)을 통하여 3상 인버터(211)로 전달되고, 3상 인버터(211)에 의해 모터(400)가 구동될 수 있다. 실시 예에 있어서, 3상 인버터(211)는 배터리(300)의 DC 전력을 AC 전력으로 변환시킴으로써 모터(400)를 구동시킬 수 있다. 실시 예에 있어서, 동작 모드 결정 릴레이(SW1, SW2)는 모터 구동 모드시 오프 상태일 수 있다. 배터리(300)의 전력이 모터가 구동됨으로써 소모될 수 있다.
도 6는 본 발명의 실시 예에 따른 차량용 충전 시스템(10)의 충전 모드 관련 회로를 개념적으로 보여주는 도면이다. 도 6을 참조하면, 충전 모드시 충전 스탠드(100; EVSE, 전력 계통)는 단상의 AC 전압을 출력하고, 브리즈리스 벅-부스트 컨버터(210)는 AC 전압을 DC 전압으로 변환 및 승압시키고, 승압된 DC 전압은 DC 링크 커패시터(Dinv)를 통하여 배터리(300)로 전달될 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 차량용 충전 시스템(10)의 충전 모드시 부스트 동작을 예시적으로 보여주는 도면이다.
충전 모드 회로(214)는 AC 전압을 DC 전압으로 변환하도록 bridge diode 역할을 수행할 수 있다. AC 계통 주파수에 따라 bridge diode 역할로 동작하도록 트랜지스터들(T1, T2)의 온/오프 동작이 필요하다. 실시 예에 있어서, 충전 모드 회로(214)는 계통 전압의 2차 차수의 주파수 기준으로 PWM(pulse width modulation) 스위칭(예를 들어, 100 Hz 혹은 120 Hz)을 수행할 수 있다.
모터 및 인버터(212)는 부스트 컨버터로 동작할 수 있다. 실시 예에 있어서, 모터 및 인버터(212)는 모터 인덕터(L)과 2-레벨 인버터 회로를 이용하여 3 상 부스트 컨버터로 동작할 수 있다. 실시 예에 있어서, 부스트 컨버터는 3 상 인터리브드(interleaved) PWM(pulse width modulation) 동작 시 모터(400)의 진동은 차체가 가진 관성을 통해 해결될 수 있다. 실시 예에 있어서, 모터 및 인버터(212)는 부스트 충전 PWM 스위칭을 수행할 수 있다.
도 8은 도 7의 부스트 동작 시 입력 전압(Vin)이 양수일 때 제 1 모드를 예시적으로 보여주는 도면이다. 제 1 모드는 입력 전력이 부스트 인덕터(L)를 충전하는 구간을 지시할 수 있다.
도 9는 도 7의 부스트 동작 시 입력 전압(Vin)이 양수일 때 제 2 모드를 예시적으로 보여주는 도면이다. 제 2 모드는 입력 전력 및 충전된 모터 인덕터(L)의 전압이 배터리(300)을 충전하는 구간을 지시할 수 있다.
도 10은 도 7의 부스트 동작 시 입력 전압(Vin)이 음수일 때 제 1 모드를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 11은 도 7의 부스트 동작 시 입력 전압(Vin)이 음수일 때 제 2 모드를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 차량용 충전 시스템(10)의 충전 모드시 벅(buck) 동작을 예시적으로 보여주는 도면이다.
충전 모드 회로(214)는 AC 전압을 DC 전압으로 변환하도록 bridge diode 및 벅 컨버터의 스위치로써 역할을 수행할 수 있다. AC 계통 주파수에 따라 bridge diode 역할로 동작하도록 트랜지스터들(T1, T2)의 온/오프 동작이 수행될 수 있다. 실시 예에 있어서, 벅 컨버터 동작 사양에 맞게 동작이 수행될 수 있다.
실시 예에 있어서, 입력 전압(Vin)이 양수일 때, 충전 모드 회로(214)는 제 1 트랜지스터(T1)의 PWM 스위칭 할 수 있다. 여기서 PWM 스위칭은 100 Hz 혹은 120 Hz일 수 있다.
실시 예에 있어서, 입력 전압(Vin)이 양수일 때, 충전 모드 회로(214)는 제 2 트랜지스터(T2)의 PWM 스위칭 할 수 있다. 여기서 PWM 스위칭은 100 Hz 혹은 120 Hz일 수 있다.
모터 및 인버터(212)는 벅 컨버터 동작하는 수동 소자 역할을 수행할 수 있다. 실시 예에 있어서, 모터 인버터(L)는 벅 컨버터 인덕터로 동작할 수 있다. 실시 예에 있어서, 2-레벨 인버터는 풀 오프(full off).FWD (free wheeling diode)를 통해 동작할 수 있다. 인버터가 MOSFET으로 구성된 경우, 하이 레그(high leg)는 풀 온(full on)하여 도통 손실 저감 가능하다.
도 13은 도 12의 벅 동작 시 입력 전압(Vin)이 양수일 때 제 1 모드를 예시적으로 보여주는 도면이다. 제 1 모드는 입력 전력이 모터 인덕터(L)와 커패시터(Cinv; 배터리)를 충전하는 구간을 지시할 수 있다.
도 14는 도 12의 벅 동작 시 입력 전압(Vin)이 양수일 때 제 2 모드를 예시적으로 보여주는 도면이다. 제 2 모드는 입력 전력이 다이오드와 커패시터 통로로 동작하고, 모터 인덕터(L)에 충전된 에너지로 커패시터(Cinv, 배터리)를 충전하는 구간을 지시할 수 있다.
도 15는 도 12의 벅 동작 시 입력 전압(Vin)이 음수일 때 제 1 모드를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 16은 도 12의 벅 동작 시 입력 전압(Vin)이 음수일 때 제 2 모드를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 17은 본 발명의 실시 예에 따른 차량용 충전 시스템(10)의 릴레이 동작을 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 17을 참조하면, 충전 동작 시 제 1 및 제 2 스위치들(SW1, SW2)은 턴온 되고, 모터 구동 시 제 1 및 제 2 스위치들(SW1 및 SW2)은 턴 오프 될 수 있다.
도 18은 본 발명의 실시 예에 따른 MCU의 동작 방법을 예시적으로 보여 주는 도면이다. 도 1 내지 도 18을 참조하면, MCU 의 동작 방법은 다음과 같이 진행될 수 있다.
배터리 충전 모드 시, MCU(200)는 릴레이 온 시킨 상태에서 브리지리스 벅-부스트 컨버터로 동작할 수 있다(S120). 모터 구동 모드시, MCU(200)는 릴레이 오프 시킨 상태에서 배터리(300)로부터 DC 전압을 전달 받아 3상의 AC 전압을 출력함으로써 모터(400)를 구동시킬 수 있다.
본 발명에 따른 단계들 및/또는 동작들은 기술분야의 통상의 기술자에 의해 이해될 수 있는 것과 같이, 다른 순서로, 또는 병렬적으로, 또는 다른 에포크(epoch) 등을 위해 다른 실시 예들에서 동시에 일어날 수 있다.
실시 예에 따라서는, 단계들 및/또는 동작들의 일부 또는 전부는 하나 이상의 비-일시적 컴퓨터-판독가능 매체에 저장된 명령, 프로그램, 상호작용 데이터 구조(interactive data structure), 클라이언트 및/또는 서버를 구동하는 하나 이상의 프로세서들을 사용하여 적어도 일부가 구현되거나 또는 수행될 수 있다. 하나 이상의 비-일시적 컴퓨터-판독가능 매체는 예시적으로 소프트웨어, 펌웨어, 하드웨어, 및/또는 그것들의 어떠한 조합일 수 있다. 또한, 본 명세서에서 논의된 "모듈"의 기능은 소프트웨어, 펌웨어, 하드웨어, 및/또는 그것들의 어떠한 조합으로 구현될 수 있다.
본 발명의 실시 예들의 하나 이상의 동작들/단계들/모듈들을 구현/수행하기 위한 하나 이상의 비-일시적 컴퓨터-판독가능 매체 및/또는 수단들은 ASICs(application-specific integrated circuits), 표준 집적 회로들, 마이크로 컨트롤러를 포함하는, 적절한 명령들을 수행하는 컨트롤러, 및/또는 임베디드 컨트롤러, FPGAs(field-programmable gate arrays), CPLDs(complex programmable logic devices), 및 그와 같은 것들을 포함할 수 있지만, 여기에 한정되지는 않는다.
본 발명의 실시 예에 따른 차량용 충전 시스템(10)의 제어기는 모터/인버터를 이용 시 기존 인버터 회로의 큰 변경 없이 적용 가능하다. 또한, 본 발명의 실시 예에 따른 차량용 충전 시스템(10)의 제어기는 브리즈리스 벅-부스트 컨버터 타입을 모터 인버터 타입으로 이용하여 3상 인터리브드를 구현함으로써, 기존에 브리즈리스 컨버터 대비하여 부스트 모드에서 고성능의 충전을 가능하게 한다.
한편, EV 차량의 경우, 대부분의 배터리가 단상 입력 전압보다 높기 때문에 OBC는 승압 모드에서 충전이 가능해야 한다. 때에 따라 강압 모드에서도 충전이 필요할 수 있는데, 본 발명의 실시 예에 따른 차량용 충전 시스템(10)의 제어기는 강압 모드에서도 충전 가능하다. 또한, 본 발명의 실시 예에 따른 차량용 충전 시스템(10)의 제어기는 충전임에도 모터 인덕터 외에 별도의 인덕터를 추가하지 않고도 충전할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시 예에 따른 차량용 충전 시스템(10)의 제어기는 OBC의 구비하지 않고도 차량 패키징 및 중량 저감에 기여함으로써 차량 구동 효율을 극대화시킬 수 있다.
한편, 상술 된 본 발명의 내용은 발명을 실시하기 위한 구체적인 실시 예들에 불과하다. 본 발명은 구체적이고 실제로 이용할 수 있는 수단 자체뿐 아니라, 장차 기술로 활용할 수 있는 추상적이고 개념적인 아이디어인 기술적 사상을 포함할 것이다.
10: 차량용 충전 시스템
100: 충전 스탠드
200: MCU
300: 배터리
210: 인버터 파워부
220: MCU 제어부
400: 모터

Claims (14)

  1. 배터리를 충전하는 차량용 제어기에 있어서:
    전력 계통으로부터 단상의 교류 전압을 수신하고, 직류 전압을 발생하는 인버터 파워부; 및
    충전 모드시 상기 인버터 파워부를 브리즈리스 벅-부스트 컨버터로 동작하도록 제어하는 제어부를 포함하는 차량용 제어기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전력 계통은 충전 스탠드를 포함하고,
    상기 인버터 파워부는,
    3상 모터;
    상기 3상 모터와 상기 배터리 사이에 연결된 3상 인버터; 및
    상기 충전 스탠드의 교류 전압을 상기 3상 모터로 전달하는 충전 모드 회로를 포함하는 차량용 제어기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    구동 모드시 상기 충전 모드 회로는 상기 3상 모터로부터 전기적으로 연결되지 않는 것을 특징으로 하는 차량용 제어기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 구동 모드시 상기 배터리로부터 직류 전압을 전달 받는 DC 링크 커패시터를 더 포함하는 차량용 제어기.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 충전 모드 회로는,
    상기 충전 스탠드의 제 1 출력단에 연결된 제 1 노드와 제 3 노드 사이에 연결되는 제 1 트랜지스터;
    상기 충전 스탠드의 제 2 출력단에 연결된 제 2 노드와 상기 제 3 노드 사이에 연결되는 제 2 트랜지스터;
    상기 제 1 노드와 제 4 노드 사이에 연결되는 제 1 커패시터;
    상기 제 2 노드와 상기 제 4 노드 사이에 연결되는 제 2 커패시터;
    상기 제 4 노드와 상기 제 1 노드 사이에 연결되는 제 1 다이오드;
    상기 제 4 노드와 상기 제 2 노드 사이에 연결되는 제 2 다이오드;
    상기 제 4 노드와 상기 제 3 노드 사이에 연결되는 제 3 다이오드;
    상기 제 3 노드와 상기 3상 모터의 중성선 사이에 연결되는 제 1 스위치; 및
    상기 제 4 노드와 상기 배터리의 음전압단 사이에 연결되는 제 2 스위치를 포함하는 차량용 제어기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 충전 모드시 상기 제 1 및 제 2 스위치는 온 상태인 것을 특징으로 하는 차량용 제어기.
  7. 제 5 항에 있어서,
    구동 모드시 상기 제 1 및 제 2 스위치는 오프 상태인 것을 특징으로 하는 차량용 제어기.
  8. 제 5 항에 있어서,
    AC 계통 주파수에 따라 브리지 다이오드 역할로 동작하도록 상기 제 1 및 제 2 트랜지스터들이 턴 온/오프 되는 것을 특징으로 하는 차량용 제어기.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 충전 모드시 상기 3상 모터 및 상기 3상 인버터를 3상 부스트 컨버터 회로로 동작시키는 것을 특징으로 하는 차량용 제어기.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 3상 부스트 컨버터는 3상 인터리브드 PWM(pulse width modulation) 제어 동작 되는 것을 특징으로 하는 차량용 제어기.
  11. 제 5 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 충전 모드시 상기 3상 모터 및 상기 3상 인버터를 벅 컨버터 회로로 동작시키는 것을 특징으로 하는 차량용 제어기.
  12. 배터리를 충전하는 차량용 제어기의 동작 방법에 있어서:
    충전 모드 시, 릴레이 온 시킨 상태에서 브리즈리스 벅-부스트 컨버터로 동작시키는 단계; 및
    구동 모드 시, 릴레이 오프 시킨 상태에서 상기 배터리로부터 직류 전압을 전달 받아 모터를 구동하는 단계를 포함하는 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    릴레이의 온/오프 상태를 결정하는 릴레이 모드 결정 단계를 더 포함하는 방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 브리즈리스 벅-부스트 컨버터로 동작시키는 단계는,
    충전 모드 회로가 브리지 다이오드 역할을 수행하도록 스위칭 하는 단계; 및
    모터 및 인버터가 3상 부스트 컨버터 회로로 동작하도록 스위칭 하는 단계를 더 포함하는 방법.
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"Interleaved PFC Bridgeless Buck-Boost Converter 설계", 김민규, 중앙대학교 전자전기공학과(2016.08.31. 공개)* *
미국 등록특허: US 9,931,951, 등록일: 2018년 4월 3일, 제목: INTEGRATED DUAL-OUTPUT GRID-TO-VEHICLE (G2V) AND VEHICLE-TO-GRID (V2G) ONBOARD CHARGER FOR PLUG-IN ELECTRIC VEHICLES.

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