KR20200115785A - 양방향 완속 충전기 및 그 제어 방법 - Google Patents

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양진영
양진명
이우영
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Abstract

본 발명은, 양방향 완속 충전기 및 그 제어 방법에 관한 것이다. 본 발명의 양방향 완속 충전기는, 충전 제어 시스템의 전력원인 입력 전원; 입력 전원과 연결되는 역률 개선 회로(Power Factor Collector; PFC); 역률 개선 회로에 연결되며 스위칭부 및 출력단으로 구성된 DC/DC 회로; 입력 전원과 역률 개선 회로를 연결하는 제1 라인 또는 역률 개선 회로와 DC/DC 회로의 출력단을 연결하는 제2 라인 중 어느 하나가 연결되도록 온오프 제어되는 제1 스위치; 및 DC/DC 회로의 스위칭부와 출력단 사이에 연결되어 온오프 제어되는 제2 스위치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 기존의 OBC 회로에 단지 스위치 2개만을 추가함으로써 양방향 전력 전송이 이루어지도록 할 수 있다는 이점이 있다.

Description

양방향 완속 충전기 및 그 제어 방법 {BI-DIRECTIONAL ON BOARD CHARGER AND A METHOD FOR CONTROLLING THEREOF}
본 발명은 양방향 완속 충전기 및 그 제어 방법에 관한 것으로서, 특히 기존의 단방향 완속 충전기 구조에 스위치 2개를 적용하여 양방향 전력 전송이 가능하도록 함으로써 사이즈 및 재료비 증대 없이 전력 변환 효율을 개선하는 방법에 관한 것이다.
자동차 시장에서 최근 친환경 차량의 수요가 급증하고 있다. 친환경 차량으로서 전기 자동차(Electric Vehicle; EV)와 플러그인 하이브리드 전기 자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle; PHEV)에는 고전압 배터리를 충전하기 위한 충전 장치가 필요하다.
충전 장치는 완속 충전기(On Board Charger; OBC)와 급속 충전기로 분류되며, 표준화되어 차량에 관계없이 호환 가능한 완속 충전기는 일반 상용 교류 전원(예를 들어, 220V)을 차량에 공급하여 충전하는 방식이다. 완속 충전기는 전기 자동차 충전 설비(Electric Vehicle Supply Equipment; EVSE)로부터 전기 에너지(AC 전원)를 공급 받아, 휴대용 충전 케이블(In-Cable Control Box; ICCB)을 통해 고전압 배터리를 충전하는 장치이다. 배터리 용량에 따라 충전 시간이 4~6 시간 정도 소요될 수 있다. 외부 전원 공급기로 충전하는 급속 충전기의 경우, 전기차에 100~450V의 직류를 가변적으로 공급하여 배터리를 충전하는 방식으로 고압, 고용량 충전으로 충전 시간이 적게(예를 들어, 30분 내지 40분) 소요된다.
이처럼 친환경 차량의 보급이 확대되면서 스마트 그리드에서의 에너지 자원을 이용하여 비상 전력에 대응하려는 움직임이 활발해지고 있다. 스마트 그리드에 전력을 전송하기 위해서는 기존의 단방향 전력 회로 구조를 갖는 OBC에 대해 배터리로부터 그리드에 전력을 역전송하기 위한 양방향 충전 시스템의 적용이 필요하다.
하지만, 기존의 단방향 OBC를 양방향 OBC로 변경하기 위해서는 회로 및 부품의 추가가 필요하게 되는데, 이렇게 회로 및 부품이 추가되면 사이즈 및 재료비가 증가되는 문제점을 가질 수 있다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 기존의 단방향 완속 충전기 구조에 스위치 2개를 적용하여 양방향 전력 전송이 가능하도록 함으로써 사이즈 및 재료비 증대 없이 전력 변환 효율을 개선시키는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 완속 충전기는, 충전 시스템의 전력원인 입력 전원; 입력 전원과 연결되는 역률 개선 회로(Power Factor Corrector; PFC); 역률 개선 회로에 연결되며 스위칭부 및 출력단으로 구성된 DC/DC 회로; 입력 전원과 역률 개선 회로를 연결하는 제1 라인 또는 상기 역률 개선 회로와 상기 DC/DC 회로의 출력단을 연결하는 제2 라인 중 어느 하나를 연결시키는 제1 스위치; 및 DC/DC 회로의 스위칭부와 출력단 사이에 배치되어 스위칭부와 출력단을 선택적으로 연결시키는 제2 스위치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
실시예에 따라, 충전 시에 상기 제1 라인이 연결되도록 상기 제1 스위치가 턴온되고, 상기 제2 스위치는 턴오프될 수 있다.
실시예에 따라, 방전 시에 상기 제2 라인이 연결되도록 상기 제1 스위치가 턴온되고, 상기 제2 스위치는 턴온될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 양방향 완속 충전기는, 충전 시스템의 전력원인 입력 전원; 입력 전원과 연결되는 역률 개선 회로(Power Factor Corrector; PFC); 역률 개선 회로에 연결되며 스위칭부 및 출력단으로 구성된 DC/DC 회로; 입력 전원과 역률 개선 회로의 입력단 사이에 배치되어 입력 전원과 역률 개선 회로의 입력단을 선택적으로 연결시키는 제3 스위치; 입력 전원과 DC/DC 회로의 출력단 사이에 배치되어 입력 전원과 DC/DC 회로의 출력단을 선택적으로 연결시키는 제4 스위치; 및 DC/DC 회로의 스위칭부와 출력단 사이에 배치되어 상기 스위칭부와 출력단을 선택적으로 연결시키는 제5 스위치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
실시예에 따라, 충전 시에 상기 제3 스위치가 턴온되고, 상기 제4 스위치가 턴오프되며, 상기 제5 스위치는 턴오프될 수 있다.
실시예에 따라, 방전 시에 상기 제3 스위치가 턴오프되고, 상기 제4 스위치가 턴온되며, 상기 제5 스위치는 턴온될 수 있다.
실시예에 따라, 상기 역률 개선 회로는 3상 충전을 위한 3-레그(leg) PFC일 수 있다.
실시예에 따라, DC/DC 회로는 변압기를 포함하며 변압기 1차 측의 풀브릿지, 변압기 2차 측의 브리지 다이오드, 및 출력단의 커패시터로 구성될 수 있다.
실시예에 따라, DC/DC 회로의 출력단에 고전압 배터리가 연결될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 완속 충전기의 제어 방법은, 완속 충전기의 입력 전원과 역률 개선 회로를 연결하는 제1 라인이 연결되도록 상기 완속 충전기의 역률 개선 회로에 포함된 제1 스위치를 턴온하는 단계; 상기 완속 충전기의 DC/DC 회로의 스위칭부와 출력단 사이에 연결된 제2 스위치를 턴오프하는 단계; 및 상기 제1 라인이 연결되도록 상기 제1 스위치가 턴온되고 상기 제2 스위치가 턴오프된 경우에, 상기 완속 충전기가 충전을 시작하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
실시예에 따라, 완속 충전기의 역률 개선 회로와 DC/DC 회로의 출력단을 연결하는 제2 라인이 연결되도록 상기 완속 충전기의 역률 개선 회로에 포함된 제1 스위치를 턴온하는 단계; 상기 DC/DC 회로의 스위칭부와 출력단 사이에 연결된 제2 스위치를 턴온하는 단계; 및 상기 제2 라인이 연결되도록 상기 제1 스위치가 턴온되고 상기 제2 스위치가 턴온된 경우에, 상기 완속 충전기가 방전을 시작하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 양방향 완속 충전기(OBC) 및 그 제어 방법에 대한 효과를 설명하면 다음과 같다.
첫째, 종래 기술에 따르면 양방향 전력 전송을 위해 회로/부품의 추가 및 토폴로지의 변경이 필요하였지만, 본 발명에 따르면 기존의 OBC 회로에 단지 스위치 2개만을 추가함으로써 양방향 전력 전송이 이루어지도록 할 수 있다는 이점이 있다.
둘째, 본 발명에 따른 2단 회로 구성으로 인해 양방향 전력 전송시에 기존의 OBC 회로 대비 전력 변환 효율이 약 1% 개선될 수 있다는 이점이 있다.
셋째, 본 발명은 기존의 단방향 OBC 회로에 스위치 2개를 추가함으로써 양방향 전력 전송이 가능하도록 하여, 기존 회로 대비 재료비 및 사이즈가 감소될 수 있는 효과가 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이하에 첨부되는 도면들은 본 발명에 관한 이해를 돕기 위한 것으로, 상세한 설명과 함께 본 발명에 대한 실시예들을 제공한다. 다만, 본 발명의 기술적 특징이 특정 도면에 한정되는 것은 아니며, 각 도면에서 개시하는 특징들은 서로 조합되어 새로운 실시예로 구성될 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따라 전력망 전기를 통해 전기차 배터리를 충전 모드로만 동작하는 단방향 충전 시스템을 나타낸 개략도이다.
도 2는 종래 기술에 따라 양방향 인프라를 통해 전기차 배터리의 전력을 충/방전 동작하는 양방향 충전 시스템에 관한 개략도이다.
도 3은 종래 기술에 따른 단방향 완속 충전기(OBC)의 역률 개선 회로(PFC)의 구조 및 DC/DC 회로의 구조를 나타낸 구조도이다.
도 4는 종래 기술에 따라 완속 충전기(OBC)에 양방향 충전 시스템을 적용한 역률 개선 회로(PFC)의 구조, DC/DC 회로의 구조 및 벅 컨버터의 구조를 나타낸 구조도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 완속 충전기(OBC)의 역률 개선 회로(PFC)의 구조 및 DC/DC 회로의 구조를 나타낸 구조도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 완속 충전기(OBC)의 충전 동작 설명하기 위한 구조도이다.
도 7a은 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 완속 충전기(OBC)의 방전 동작 설명하기 위한 구조도이다.
도 7b는 도 7a의 구조도에 대한 등가 회로를 나타낸 구조도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 양방향 완속 충전기(OBC)의 역률 개선 회로(PFC)의 구조 및 DC/DC 회로의 구조를 나타낸 구조도이다.
이하, 첨부된 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 본 발명이 예시적 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일 참조부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부재를 나타낸다.
본 발명의 목적 및 효과는 하기의 설명에 의해서 자연스럽게 이해되거나 보다 분명해 질 수 있으며, 하기의 기재만으로 본 발명의 목적 및 효과가 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
친환경 차량의 충전은 급속 충전과 완속 충전으로 나눌 수 있다. 완속 충전기(OBC)는 완속 충전시 입력 전원(예컨대, 외부 교류(AC) 전원)을 정류, 승압 및 직류(DC) 전원으로 변환하여 친환경 차량의 배터리로 충전하는 역할을 수행할 수 있다. 완속 충전기(OBC)는 교류의 입력 전원을 직류 전원으로 변환시켜주며 역률을 개선해주는 역률 개선 회로(PFC)를 포함할 수 있다.
이와 관련하여, 도 1 및 도 2에서 완속 충전기의 단방향 충전 시스템 및 양방향 충전 시스템의 전반적인 구조를 설명하고, 이를 바탕으로 도 3 및 도 4를 통해 종래의 완속 충전기 회로에 양방향 충전 시스템을 적용함에 따라 발생하는 문제점에 대해 검토한다.
이후, 본 발명의 일 실시예에 따라 도 5, 도 6, 도 7a 및 도 7b에서 단방향과 양방향이 서로 호환되는 완속 충전기의 구조 및 그 제어 방법에 대해 설명한다.
도 1은 종래 기술에 따라 전력망 전기를 통해 전기차 배터리를 충전 모드로만 동작하는 단방향 충전 시스템을 나타낸 개략도이다.
도 1을 참조하면, 차량의 완속 충전기(OBC)에 의한 단방향 충전 시스템은 크게, 교류 전원(110)을 입력 전원으로 하여, 전기 자동차 충전 설비(EVSE)(120), 정류기(130), 역률 개선 회로(PFC)(140), DC/AC 컨버터(150), 변압기(160), 및 정류기(170)를 통해 고전압 배터리(180)로 에너지를 저장하는 구조를 갖는다. 도 1에 도시된 구성요소들이 필수적인 것은 아니어서, 그보다 많은 구성요소들을 갖거나 그보다 적은 구성요소들을 갖는 충전 제어 시스템이 구현될 수도 있다.
도 2는 종래 기술에 따라 양방향 인프라를 통해 전기차 배터리의 전력을 충/방전 동작하는 양방향 충전 시스템에 관한 개략도이다.
도 2를 참조하면, 차량의 완속 충전기(OBC)에 의한 양방향 충전 시스템은 크게, 교류 전원(210)을 입력 전원으로 하여, 양방향 전기 자동차 충전 설비(EVSE)(220), 양방향 역률 개선 회로(PFC)(230), DC/AC 컨버터(240), 변압기(250), 및 AC/DC 컨버터(260)를 통해 고전압 배터리(270)로 에너지를 저장하는 구조를 갖는다. 도 2에 도시된 구성요소들이 필수적인 것은 아니어서, 그보다 많은 구성요소들을 갖거나 그보다 적은 구성요소들을 갖는 충전 제어 시스템이 구현될 수도 있다.
도 3은 종래 기술에 따른 단방향 완속 충전기(OBC) 회로를 나타낸 구조도이고, 도 4는 종래 기술에 따라 완속 충전기(OBC)에 양방향 충전 시스템을 적용한 회로를 나타낸 구조도이다.
도 3을 참조하면, 단방향 완속 충전기는 AC 입력으부터 AC 입력 필터(310)를 거쳐서 인가되는 전압을 PFC 회로(320) 및 DC/DC 회로(330)를 통해 고전압 배터리에 충전할 수 있다. PFC 회로(320)는 역률 개선 회로로서, 교류 전력을 직류 전력으로 바꾸는 과정에서 생기는 전력 손실을 줄이는 역할을 수행하고, DC/DC 회로(330)는 전압의 승압 또는 감압 기능을 수행하며, PFC 회로(320)에서 직류 전압으로 정류된 출력 전압을 입력 전압으로 한다. 이하에서는 PFC 회로(320) 및 DC/DC 회로(330) 각각의 구성요소들에 대해 상세히 살펴보기로 한다.
PFC 회로(320)는 브리지 다이오드, 즉, 4개의 다이오드를 연결한 브리지 회로를 포함할 수 있는데, 다이오드는 전류를 한 방향으로 흐르게 하고 역방향으로 흐르지 못하게 하는 성질을 가진 반도체 소자이며, 교류를 직류로 변환하는 정류 작용을 한다. PFC 회로(320)는 부스트 컨버터를 포함할 수 있고, 부스트 컨버터는 인덕터(L)에 저장된 에너지를 커패시터(C)에 전달할 수 있으며, PWM(Pulse With Modulation)을 위한 듀티비(duty ratio) 제어를 통해 PFC 회로(320)의 출력 전압을 승압시킬 수 있다.
DC/DC 회로(330)는 PFC 회로(320)의 출력 전압을 변압기로 전달하기 위해 풀브릿지(full bridge)를 이용할 수 있으며, 풀브릿지는 직류를 교번으로 스위칭하여 출력하는 4개의 스위치를 포함할 수 있다. DC/DC 회로(330)는 풀브릿지를 통해 PFC 회로(320)로부터 전달 받은 전압을 변압기로 인가하고, 변압기 및 정류기를 통해 DC/DC 회로(330)의 출력단의 커패시터에 전기 에너지를 저장할 수 있다.
도 4를 참조하면, 양방향 완속 충전기는 AC 입력으부터 AC 입력 필터(410)를 거쳐서 인가되는 전압을 PFC 회로(420), DC/DC 회로(430), 및 벅 컨버터(440)를 통해 고전압 배터리에 충전할 수 있다. PFC 회로(420)는 인버터 구조를 포함할 수 있고, DC/DC 회로(430)는 풀브릿지 및 양방향 컨버터로 구성될 수 있으며, 벅 컨버터(440)는 스위칭 소자, 인덕터 및 커패시터로 구성되어 DC/DC 회로(430)로부터 입력되는 전압의 감압 기능을 수행할 수 있다.
아래 표 1을 참조하여 종래 기술에 따른 도 3의 단방향 완속 충전기 회로 구조와 도 4의 양방향 완속 충전기 회로 구조를 비교하여 볼 때, 양방향 회로 구조로 변경하게 되면, 기존의 단방향 회로 구조에 비하여 PFC 회로의 토폴로지가 변경되며, DC/DC 회로의 2차측 반도체 소자가 변경될 뿐 아니라, 벅 컨버터 회로가 추가되어야 한다.
Figure pat00001
구체적으로, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, PFC 회로의 토폴로지가 기존의 단방향 회로에서는 브리지 다이오드 및 부스트 컨버터 구조를 적용한 PFC(320)인 데에 비하여, 양방향 회로에서는 인버터 구조를 적용한 PFC(420)로 변경된다. 또한, DC/DC 회로의 토폴로지가 기존의 단방향 회로에서는 풀브리지로 구성되는 데에 비하여, 양방향 회로에서는 양방향 컨버터가 적용된 풀브리지로 구성됨에 따라 2차측 반도체 소자가 변경되며, 벅 컨버터 회로(440)가 추가된다. 이와 같이 회로가 추가되면서 전력 변환 효율이 저하될 뿐 아니라, 부품 수가 증가하게 되어 사이즈 및 재료비 상승이라는 문제점이 나타나게 된다.
상술한 종래의 양방향 회로 구조에 따른 문제점들을 해결하기 위해 고안된 본 발명에 따른 단방향/양방향 호환이 되는 완속 충전기의 구조에 대해 이하에서 상세히 살펴 보도록 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 완속 충전기(OBC)의 역률 개선 회로(PFC)의 구조 및 DC/DC 회로의 구조를 나타낸 구조도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 완속 충전기(OBC)는 크게 교류 전원을 입력 전원으로 하여, EMI 필터(510), PFC 회로(520) 및 DC/DC 회로(530)를 통해 고전압 배터리로 에너지를 저장하는 구조를 갖는다. 도 5에 도시된 구성요소들이 필수적인 것은 아니어서, 그보다 많은 구성요소들을 갖거나 그보다 적은 구성요소들을 갖는 양방향 완속 충전기가 구현될 수도 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예로서 PFC 회로(520)의 구성요소들에 대해 상세히 살펴보기로 한다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 PFC 회로(520)는 3상 충전을 위한 3-레그(leg) PFC 회로로서, 제1 스위치(S1)(521), 인덕터(L1, L2, L3), 스위칭 모듈(Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6) 및 커패시터(C1)를 포함할 수 있다. 이러한 3상 충전을 위한 3-레그(leg) PFC 회로와 관련하여, 주행 거리 증대를 위해 배터리의 용량이 증대되면서 충전 시간의 단축에 대한 요구가 증가하고 있어, 대용량 충전이 가능한 인프라가 구축이 되고 있기 때문에, 단상/3상 입력 대응 대용량 완속 충전기의 개발이 진행되고 있다.
본 발명의 일 실시예로서, 스위칭 모듈(Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6)은 전계 효과 트랜지스터(FET)를 포함할 수 있으며, 이는 일반적으로 전압을 증폭하는 기능을 수행한다. 게이트에 전압이 가해지면, 드레인(Drain)에서 소스(Source)로 또는 소스(Source)에서 드레인(Drain)으로 전류가 흐른다. 게이트에 인가되는 전압의 양에 따라 흐르는 전류가 달라질 수 있고, 이러한 성질을 이용하여 본 발명의 일 실시예에서 FET는 스위칭 기능을 수행하기 위해 사용된다.
또한, 본 발명의 일 실시예로서, 제1 스위치(S1)(521)는 도 5에 도시된 바와 같이, 입력 전원과 PFC 회로(520)를 연결하는 제1 라인 또는 PFC 회로(520)와 DC/DC 회로(530)의 출력단을 연결하는 제2 라인 중 어느 하나를 연결시키는 것이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 DC/DC 회로(530)는 풀브릿지, 변압기, 브리지 다이오드, 제2 스위치(S2)(531) 및 커패시터(C)를 포함할 수 있으며, 풀브릿지는 직류를 교번으로 스위칭하여 출력하는 4개의 스위치(예컨대, FET)를 포함할 수 있고, 제2 스위치(S2)(531)는 DC/DC 회로(530)의 스위칭부(풀브릿지)와 출력단(커패시터(C)) 사이에 배치되어 스위칭부와 출력단을 선택적으로 연결시키는 것이다.
이와 같이 본 발명에 따른 단방향/양방향 호환이 되는 완속 충전기는 단상/3상 입력 대응 완속 충전기 구조에 스위치 2개(S1 및 S2)를 적용하여 양방향 전력 전송이 가능하도록 한 것으로서, 스위치 2개(S1 및 S2)의 추가만으로 양방향 전력 전송이 가능하여 기존의 회로에 비하여 전력 변환 효율이 개선될 뿐 아니라 재료비 및 사이즈 또한 증대되지 않는다는 장점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 완속 충전기는 스위치 2개(S1 및 S2)를 이용한 하이브리드 제어 기법을 통해 단방향/양방향 호환이 되도록 설계된다. 스위치 2개(S1 및 S2)를 이용한 하이브리드 제어 기법에 대해서는 이하에서 구체적으로 설명한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 완속 충전기(OBC)의 충전 동작 설명하기 위한 구조도이다.
도 6을 참조하면, 제1 스위치(S1)(521)는 입력 전원과 PFC 회로(520)를 연결하는 제1 라인(1)을 연결하고 제2 스위치(S2)는 턴오프되도록 제어된다. 이러한 경우에, 도 6의 화살표로 표시된 바와 같이, 입력 전원으로부터의 전력 에너지는 EMI 입력 필터(510), PFC 회로(520), 및 DC/DC 회로(530)를 거쳐서 고전압 배터리에 저장된다. 이는, PFC 회로와 절연형 DC/DC 회로가 조합된 회로 구조에 따른 완속 충전기의 충전 동작을 나타내는 것이다.
도 7a은 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 완속 충전기(OBC)의 방전 동작 설명하기 위한 구조도이다.
도 7a를 참조하면, 제1 스위치(S1)(521)는 PFC 회로(520)와 DC/DC 회로(530)의 출력단을 연결하는 제2 라인(2) 연결하고 제2 스위치(S2)(531)는 턴온되도록 제어된다. 이러한 경우에, 도 7a의 화살표로 표시된 바와 같이, 고전압 배터리에 저장되어 있던 전력 에너지는 DC/DC 회로(530)의 출력단(C)으로부터 곧바로 PFC 회로(520)로 전달되어, 예컨대, 3-레그 PFC 회로(520)의 인덕터(L3), 제1 스위칭 모듈(Q6), 커패시터(C1) 및 제2 스위칭 모듈(Q2)을 순차적으로 통과한 후에 EMI 입력 필터(510)를 거쳐서 입력 전원으로 전달된다.
위와 같은 동작은 도 7a의 회로 대한 등가 회로를 나타낸 도 7b에 도시된 바와 같이, 비절연형 DC/DC회로(720)와 DC/AC 컨버터(710)가 조합된 회로 구조에 따른 완속 충전기의 방전 동작을 나타내는 것이다. 도 7b에 도시된 방전 시의 등가 회로를 참조하면, 완속 충전기의 방전 동작은 3-레그 PFC 회로의 1개 레그를 부스트 컨버터(720)처럼 활용하고, 나머지 2개 레그를 이용해 DC/AC 변환 및 방전(710)을 실시하게 되는 것이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 양방향 완속 충전기(OBC)의 역률 개선 회로(PFC)(820)의 구조 및 DC/DC 회로(830)의 구조를 나타낸 구조도이다. 도 8은 도 5에 도시된 구조에서 스위치 2개(S1 및 S2) 대신에 스위치 3개(S3, S4 및 S5)를 적용한 구조를 나타낸다.
본 발명의 또 다른 실시예로서, 도 8을 참조하면, 제3 스위치(S3)(821)는 입력 전원과 PFC 회로(820)의 입력단 사이에 배치되어 입력 전원과 PFC 회로(820)의 입력단을 선택적으로 연결시키는 것이고, 제4 스위치(S4)(822)는 입력 전원과 DC/DC 회로(830)의 출력단 사이에 배치되어 입력 전원과 DC/DC 회로(830)의 출력단을 선택적으로 연결시키는 것이다. 또한, 제5 스위치(S5)(831)는 DC/DC 회로(830)의 스위칭부(풀브릿지)와 출력단(커패시터(C)) 사이에 배치되어 스위칭부와 출력단을 선택적으로 연결시키는 것이다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 도 8과 같은 완속 충전기 구조에서, 충전 시에는 제3 스위치(S3)(821)가 턴온되고, 제4 스위치(S4)(822)가 턴오프되며, 제5 스위치(S5)(831)는 턴오프되도록 제어되고, 방전 시에는 제3 스위치(S3)(821)가 턴오프되고, 제4 스위치(S4)(822)가 턴온되며, 제5 스위치(S5)(831)는 턴온되도록 제어된다.
이러한 하이브리드 제어 기법을 통한 양방향 완속 충전기의 충전/방전 방법을 각 단계별로 설명하면 다음과 같다.
우선, 양방향 완속 충전기의 충전 동작은, 완속 충전기의 입력 전원과 역률 개선 회로를 연결하는 제1 라인이 연결되도록 완속 충전기의 역률 개선 회로에 포함된 제1 스위치(S1)를 턴온하는 단계; 완속 충전기의 DC/DC 회로의 스위칭부와 출력단 사이에 연결된 제2 스위치(S2)를 턴오프하는 단계, 및 제1 라인이 연결되도록 제1 스위치(S1)가 턴온되고 제2 스위치(S2)가 턴오프된 경우에, 완속 충전기가 충전을 시작하는 단계로 이루어진다.
다음으로, 양방향 완속 충전기의 방전 동작은, 충전기의 역률 개선 회로와 DC/DC 회로의 출력단을 연결하는 제2 라인이 연결되도록 완속 충전기의 역률 개선 회로에 포함된 제1 스위치(S1)를 턴온하는 단계, DC/DC 회로의 스위칭부와 출력단 사이에 연결된 제2 스위치(S2)를 턴온하는 단계, 및 제2 라인이 연결되도록 제1 스위치(S1)가 턴온되고 제2 스위치(S2)가 턴온된 경우에, 완속 충전기가 방전을 시작하는 단계로 이루어진다.
위와 같은 하이브리드 제어 기법을 통해, 예컨대 V2G(Vehicle to Grid), V2V(Vehicle to Vehicle), V2H(Vehicle to Home) 등의 전력 전송(즉, 차량 배터리 전력 방전) 시에 3-레그 PFC 회로단의 1-레그를 이용하여 DC/DC 전력 변환기로 활용할 수 있게 된다. 이에 따라 기존의 단방향 완속 충전기(OBC)에서 토폴로지의 변경이나 또 다른 회로의 추가 없이 스위치 2개(S1 및 S2)를 추가하는 것만으로 양방향 완속 충전기로 설계할 수 있다는 이점이 있다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다.

Claims (11)

  1. 양방향 완속 충전기에 있어서,
    충전 시스템의 전력원인 입력 전원;
    상기 입력 전원과 연결되는 역률 개선 회로(Power Factor Corrector; PFC);
    상기 역률 개선 회로에 연결되며 스위칭부 및 출력단으로 구성된 DC/DC 회로;
    상기 입력 전원과 상기 역률 개선 회로를 연결하는 제1 라인 또는 상기 역률 개선 회로와 상기 DC/DC 회로의 출력단을 연결하는 제2 라인 중 어느 하나를 연결시키는 제1 스위치; 및
    상기 DC/DC 회로의 스위칭부와 출력단 사이에 배치되어 상기 스위칭부와 출력단을 선택적으로 연결시키는 제2 스위치
    를 포함하는, 양방향 완속 충전기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    충전 시에 상기 제1 라인이 연결되도록 상기 제1 스위치가 턴온되고, 상기 제2 스위치는 턴오프되는 것을 특징으로 하는, 양방향 완속 충전기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    방전 시에 상기 제2 라인이 연결되도록 상기 제1 스위치가 턴온되고, 상기 제2 스위치는 턴온되는 것을 특징으로 하는, 양방향 완속 충전기.
  4. 양방향 완속 충전기에 있어서,
    충전 시스템의 전력원인 입력 전원;
    상기 입력 전원과 연결되는 역률 개선 회로(Power Factor Corrector; PFC);
    상기 역률 개선 회로에 연결되며 스위칭부 및 출력단으로 구성된 DC/DC 회로;
    상기 입력 전원과 상기 역률 개선 회로의 입력단 사이에 배치되어 상기 입력 전원과 상기 역률 개선 회로의 입력단을 선택적으로 연결시키는 제3 스위치, 및 상기 입력 전원과 상기 DC/DC 회로의 출력단 사이에 배치되어 상기 입력 전원과 상기 DC/DC 회로의 출력단을 선택적으로 연결시키는 제4 스위치; 및
    상기 DC/DC 회로의 스위칭부와 출력단 사이에 배치되어 상기 스위칭부와 출력단을 선택적으로 연결시키는 제5 스위치
    를 포함하는, 양방향 완속 충전기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    충전 시에 상기 제3 스위치가 턴온되고, 상기 제4 스위치가 턴오프되며, 상기 제5 스위치는 턴오프되는 것을 특징으로 하는, 양방향 완속 충전기.
  6. 제 4 항에 있어서,
    방전 시에 상기 제3 스위치가 턴오프되고, 상기 제4 스위치가 턴온되며, 상기 제5 스위치는 턴온되는 것을 특징으로 하는, 양방향 완속 충전기.
  7. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 역률 개선 회로는 3상 충전을 위한 3-레그(leg) PFC인 것을 특징으로 하는, 양방향 완속 충전기.
  8. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 DC/DC 회로는 변압기를 포함하며 상기 변압기 1차 측의 풀브릿지, 상기 변압기 2차 측의 브리지 다이오드, 및 출력단의 커패시터로 구성되는 것을 특징으로 하는, 양방향 완속 충전기.
  9. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 DC/DC 회로의 출력단에 고전압 배터리가 연결되는 것을 특징으로 하는, 양방향 완속 충전기.
  10. 양방향 완속 충전기의 제어 방법에 있어서,
    완속 충전기의 입력 전원과 역률 개선 회로를 연결하는 제1 라인이 연결되도록 상기 완속 충전기의 역률 개선 회로에 포함된 제1 스위치를 턴온하는 단계;
    상기 완속 충전기의 DC/DC 회로의 스위칭부와 출력단 사이에 연결된 제2 스위치를 턴오프하는 단계; 및
    상기 제1 라인이 연결되도록 상기 제1 스위치가 턴온되고 상기 제2 스위치가 턴오프된 경우에, 상기 완속 충전기가 충전을 시작하는 단계를 포함하는, 양방향 완속 충전기의 제어 방법.
  11. 양방향 완속 충전기의 제어 방법에 있어서,
    완속 충전기의 역률 개선 회로와 DC/DC 회로의 출력단을 연결하는 제2 라인이 연결되도록 상기 완속 충전기의 역률 개선 회로에 포함된 제1 스위치를 턴온하는 단계;
    상기 DC/DC 회로의 스위칭부와 출력단 사이에 연결된 제2 스위치를 턴온하는 단계; 및
    상기 제2 라인이 연결되도록 상기 제1 스위치가 턴온되고 상기 제2 스위치가 턴온된 경우에, 상기 완속 충전기가 방전을 시작하는 단계를 포함하는, 양방향 완속 충전기의 제어 방법.
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