KR20210023038A - 차량용 배터리 승온 시스템 - Google Patents

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Abstract

커패시터와, 상기 커패시터가 연결된 제1 입출력단 및 배터리에 연결된 제2 입출력단을 가지며 상기 제1 입출력단과 상기 제2 입출력단 사이에서 양방향의 전력 전달이 가능한 양방향 직류 컨버터를 포함하는 탑재형 충전기; 상기 배터리의 승온이 요구되는 경우, 상기 양방향 직류 컨버터를 전력 전달 방향이 교번하도록 구동하여 상기 배터리로 사전 설정된 주파수를 갖는 교번 전류를 공급하게 하는 컨트롤러를 포함하는 차량용 배터리 승온 시스템이 개시된다.

Description

차량용 배터리 승온 시스템{SYSTEM OF INCREASING TEMPERATURE OF BATTERY FOR VEHICLE}
본 발명은 배터리 승온 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 별도의 승온 장치를 적용하지 않고서도 저온 환경에서 차량 내 배터리의 온도를 상승시킬 수 있는 차량용 배터리 승온 시스템에 관한 것이다.
지구 온난화와 환경 오염 등의 문제가 심각하게 대두 되면서 자동차 산업 분야에서도 환경 오염을 최대한 감소시킬 수 있는 친환경 차량에 대한 연구 개발이 활발하게 이루어지고 있으며 그 시장도 점차 확대되고 있다.
친환경 차량으로서 기존의 화석 연료를 연소시켜 구동력을 발생시키는 엔진 대신 전기 에너지를 이용하여 구동력을 생성하는 전동기를 적용한 전기 차량, 하이브리드 차량 및 플러그인 하이브리드 차량이 세계적으로 출시되고 있는 상황이다. 이러한 전기 에너지를 이용한 친환경 차량들 중 전기 차량과 플러그인 하이브리드 차량은 계통(grid)에 연결된 외부 충전 설비로부터 전력을 제공받아 차량에 구비된 배터리를 충전하고, 배터리의 충전된 전력을 이용하여 차량 구동에 필요한 운동 에너지를 생산한다.
한편, 차량의 배터리는 상온 대비 저온에서 임피던스가 증가하므로 충전 속도가 느려지고 충전량이 감소하는 등 충전 효율이 저하된다. 저온에서의 배터리 충전 성능을 향상시키기 위해 충전기에서 배터리로 제공되는 전류의 일부를 이용하여 발열함으로써 배터리의 온도를 상승시키기 위한 승온 장치가 적용되고 있다. 그러나, 승온 장치는 배터리 충전 전력을 이용하여 발열하므로 충전 에너지를 감소시키게 되고 별도로 차량에 추가되어야 하므로 차량 시스템을 복잡하게 할 뿐만 아니라 차량 단가를 상승시키는 문제를 발생시킨다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-2014-0010664 A KR 10-2015-0059246 A
이에 본 발명은, 저온 시 배터리의 온도를 상승시키기 위해 별도의 승온 장치를 구비하지 않고 배터리 충전용으로 차량 내 마련된 탑재형 충전기의 양방향 컨버터를 이용하여 배터리로 교번 전류를 공급함으로써 배터리의 발열을 유도하는 차량용 배터리 승온 시스템을 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,
커패시터와, 상기 커패시터가 연결된 제1 입출력단 및 배터리에 연결된 제2 입출력단을 가지며 상기 제1 입출력단과 상기 제2 입출력단 사이에서 양방향의 전력 전달이 가능한 양방향 직류 컨버터를 포함하는 탑재형 충전기;
상기 배터리의 승온이 요구되는 경우, 상기 양방향 직류 컨버터를 전력 전달 방향이 교번하도록 구동하여 상기 배터리로 사전 설정된 주파수를 갖는 교번 전류를 공급하게 하는 컨트롤러;
를 포함하는 차량용 배터리 승온 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 탑재형 충전기는, 외부 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 상기 배터리로 제공하는 충전 모드에서, 상기 외부 교류 전력을 직류 전압으로 변환하여 상기 커패시터에 인가하는 역률 보상 회로를 더 포함하며, 상기 컨트롤러는 상기 배터리의 승온이 요구되는 경우 상기 역률 보상 회로를 작동시키지 않을 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 사전 설정된 주파수는 상기 배터리의 전류 주파수-임피던스 특성을 고려하여 임피던스가 상대적으로 낮게 나타나는 영역의 전류 주파수를 기반으로 결정될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 양방향 직류 컨버터는, 트랜스포머; 상기 제1 입출력단과 상기 트랜스포머의 1차 권선 사이에 연결되고 복수의 스위칭 소자를 포함하는 제1 스위칭 회로; 및 상기 제2 입출력단과 상기 트랜스포머의 2차 권선 사이에 연결되고 복수의 스위칭 소자를 포함하는 제2 스위칭 회로를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 배터리의 승온이 요구되는 경우, 상기 제1 스위칭 회로의 스위칭 소자와 상기 제2 스위칭 회로의 스위칭 소자를 서로 번갈아 스위칭 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 제1 스위칭 회로의 스위칭 소자를 온/오프 스위칭 하여 상기 커패시터에서 상기 배터리로 전력이 제공되게 하는 정방향 운전 및 상기 제2 스위칭 회로의 스위칭 소자를 온/오프 스위칭 하여 상기 배터리에서 상기 커패시터로 전력이 제공되게 하는 역방향 운전을 상기 사전 설정된 주파수에 기반하여 번갈아 수행할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 스위칭 회로는, 상기 제1 입출력단의 양단자와 음단자 사이에 서로 직렬 연결된 제1 스위칭 소자 및 제2 스위칭 소자, 상기 제1 입출력단의 양단자와 음단자 사이에 서로 직렬 연결된 제3 스위칭 소자 및 제4 스위칭 소자를 포함하며, 상기 제1 스위칭 소자와 상기 제2 스위칭 소자의 연결 노드는 상기 트랜스포머의 1차 권선의 1단에 연결되고 상기 제3 스위칭 소자 및 상기 제4 스위칭 소자의 연결 노드는 상기 트랜스포머의 1차 권선의 타단에 연결된 브릿지 회로일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제2 스위칭 회로는, 상기 제2 입출력단의 양단자와 음단자 사이에 서로 직렬 연결된 제5 스위칭 소자 및 제6 스위칭 소자, 상기 제2 입출력단의 양단자와 음단자 사이에 서로 직렬 연결된 제7 스위칭 소자 및 제8 스위칭 소자를 포함하며, 상기 제5 스위칭 소자 및 상기 제6 스위칭 소자의 연결 노드는 상기 트랜스포머의 2차 권선의 일단에 연결되고 상기 제7 스위칭 소자 및 상기 제8 스위칭 소자의 연결 노드는 상기 트랜스포머의 2차 권선의 타단에 연결된 브릿지 회로일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 사전 설정된 주파수는 상기 제1 스위칭 회로의 스위칭 소자 또는 상기 제2 스위칭 회로의 스위칭 소자의 스위칭 주파수 보다 작을 수 있다.
상기 차량용 배터리 승온 시스템에 따르면, 승온을 위한 추가 장치를 사용하지 않고 차량 내에 탑재된 충전기를 활용하여 저온 환경에서 배터리의 승온이 가능하므로, 전력 소모를 감소시키고 시스템을 단순화 할 수 있을 뿐만 아니라 차량 단가 상승을 억제할 수 있다.
또한, 상기 차량용 배터리 승온 시스템에 따르면, 배터리로 제공되는 교번 전류의 주파수를 배터리 전류 주파수-임피던스 관계에서 저온에서도 상대적으로 낮은 임피던스를 갖는 주파수 영역에서 선정하므로 극저온 상황에서도 배터리의 승온 제어가 가능하다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 차량용 배터리 승온 시스템의 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 차량용 배터리 승온 시스템을 더욱 상세하게 도시한 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 차량용 배터리 승온 시스템의 동작을 도시한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 차량용 배터리 승온 시스템의 스위칭 회로 동작 및 그에 따른 교번 전류의 흐름을 나타낸 파형도이다.
도 5는 배터리의 전류 주파수-임피던스 관계의 예를 도시한 그래프이다.
이하, 첨부의 도면을 참조하여 본 발명의 여러 실시형태에 따른 차량용 배터리 승온 시스템에 대해 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 차량용 배터리 승온 시스템의 블록 구성도이며, 도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 차량용 배터리 승온 시스템을 더욱 상세하게 도시한 회로도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 차량용 배터리 승온 시스템은, 차량에 구비되는 배터리(10)와, 교류의 외부 전력을 변환하여 배터리(10)를 충전하기 위한 직류의 충전 전력을 생성하는 차량 탑재형 충전기(OBC: On-Board Charger)(30) 및 배터리(10) 상태에 따라 배터리(10)의 승온 제어 여부를 판단하고 배터리(10)의 승온이 요구되는 경우 차량 탑재형 충전기(30)를 제어하여 배터리(10)로 사전 설정된 주파수를 갖는 교번 전류가 제공되게 하는 컨트롤러(100)를 포함할 수 있다. 특히, 차량 탑재형 충전기(30)는 양방향의 전력 전달이 가능한 양방향 직류 컨버터(37)를 포함할 수 있다.
배터리(10)는 차량의 구동원인 모터로 제공하기 위한 전기 에너지를 저장하는 요소이다. 도시하지 않았지만, 배터리(10)의 단자에는 배터리(10)에서 제공되는 직류 전력을 모터 구동을 위한 복수의 위상을 갖는 교류 전력으로 변환하는 인버터가 연결될 수 있으며 인버터의 제어를 통해 변환된 전력이 모터로 제공됨으로써 모터가 구동될 수 있다. 친환경 차량에 구비되는 배터리(10)는 차량 주행 시 회생 에너지를 제공받아 충전될 수 있으며, 차량 주행이 종료된 이후 외부의 충전 설비 등으로부터 제공되는 전력을 제공받아 충전될 수 있다.
차량 탑재형 충전기(30)는 차량의 주행이 종료된 이후 충전 케이블 등을 통해 제공되는 외부 충전 설비(20)의 교류 전력을 배터리(10)의 충전이 가능한 전압을 갖는 직류 전력으로 변환하여 배터리(10)에 제공하여 배터리(10)를 충전할 수 있다.
차량 탑재형 충전기(30)는 외부의 충전 설비(20)에서 제공되는 교류 전력에 포함된 고주파 노이즈 성분 등을 제거하기 위한 EMI 필터(31)와 교류 전력 직류로 변환하되 입력된 교류 전력의 역률을 보상하기 위해 부스트 컨버터 회로의 토폴로지를 적용한 역률 보상 회로(33)와, 역률 보상 회로(33)의 출력단에 연결되어 직류 전압(vlink)을 형성하는 커패시터(35)와, 커패시터(35)의 양단에 형성된 직류 전압(vlink)을 배터리(10)의 충전에 요구되는 크기의 직류 전압으로 변환하는 양방향 직류 컨버터(37)를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 차량 탑재형 충전기(30)에 포함된 양방향 직류 컨버터(37)는 교류 전력측, 즉 역률 보상 회로(33)의 출력에 연결되는 제1 입출력단(371p, 371n)과, 배터리(10) 측에 연결되는 제2 입출력단(372p, 372n)과, 제1 입출력단(371p, 371n)에 연결되고 복수의 스위칭 소자(Q1-Q4)를 포함하는 제1 스위칭 회로(373)와 제1 스위칭 회로(373)에 연결된 1차 권선을 갖는 트랜스포머(374)와, 트랜스포머(374)의 2차 권선과 제2 입출력단(372p, 372n) 사이에 연결되고 복수의 스위칭 소자(Q5-Q8)를 포함하는 제2 스위칭 회로(375)를 포함할 수 있다.
특히, 도 2에 도시된 실시형태는 양방향 직류 컨버터(30)가 LLC 공진 컨버터로 구현된 예를 도시한다. 양방향 직류 컨버터(30)가 LLC 공진 컨버터로 구현되는 경우, 양방향 직류 컨버터(30)는 제1 스위칭 회로(373)과 트랜스포머(374)의 1차 권선 사이에는 복수의 스위칭 소자(Q1-Q4)의 스위칭에 의해 공진 전류를 생성하도록 공진 커패시터(Cr) 및 공진 인덕터(Lr)을 포함하는 공진 탱크(376)를 더 포함할 수 있다.
도 2에는 양방향 직류 컨버터(30)가 LLC 공진 컨버터로 구현된 예가 도시되지만, 다른 예로서 SRC(Series Resonant Converter) 토폴로지 또는 위상 시프트 풀브릿지 토폴로지 등과 같이 절연을 위한 트랜스포머와 트랜스포머의 두 권선에 각각 스위칭 회로가 구비된 구조의 직류 컨버터가 양방향 직류 컨버터(30)로 채용될 수 있다.
제1 스위칭 회로(373)는 제1 입출력단(371p, 371n)의 양단자(371p)와 음단자(371n) 사이에 서로 직렬 연결된 제1 스위칭 소자(Q1) 및 제2 스위칭 소자(Q2), 제1 입출력단(371p, 371n)의 양단자(371p)와 음단자(371n) 사이에 서로 직렬 연결된 제3 스위칭 소자(Q3) 및 제4 스위칭 소자(Q3)를 포함하는 브릿지 회로로 구현될 수 있다. 여기서, 제1 스위칭 소자(Q1) 및 제2 스위칭 소자(Q2)의 연결 노드는 트랜스포머(374)의 1차 권선의 일단 측에 연결될 수 있고 제3 스위칭 소자(Q3) 및 제4 스위칭 소자(Q3)의 연결 노드는 트랜스포머(374)의 1차 권선의 타단에 연결될 수 있다. 도 2와 같이, 공진형 LLC 컨버터인 경우에, 제1 스위칭 소자(Q1) 및 제2 스위칭 소자(Q2)의 연결 노드는 공진 탱크(376)를 구성하는 인덕터(Lr)와 커패시터(Cr)의 직렬 연결 구조에 연결될 수 있다.
또한, 제1 내지 제4 스위칭 소자(Q1-Q4)는 각각 역방향 다이오드(D1-D4)를 포함할 수 있다. 제1 스위칭 소자(Q1)의 역방향 다이오드(D1)는 제1 스위칭 소자(Q1)와 제2 스위칭 소자(Q2)의 연결 노드에 애노드가 연결되고 제1 입출력단의 양단자(371p)에 캐소드가 연결될 수 있으며, 제2 스위칭 소자(Q2)의 역방향 다이오드(D2)는 제1 스위칭 소자(Q1)와 제2 스위칭 소자(Q2)의 연결 노드에 캐소드가 연결되고 제1 입출력단의 음단자(371n)에 애노드가 연결될 수 있다. 유사하게, 제3 스위칭 소자(Q3)의 역방향 다이오드(D3)는 제3 스위칭 소자(Q3)와 제4 스위칭 소자(Q4)의 연결 노드에 애노드가 연결되고 제1 입출력단의 양단자(371p)에 캐소드가 연결될 수 있으며, 제4 스위칭 소자(Q4)의 역방향 다이오드(D4)는 제3 스위칭 소자(Q3)와 제4 스위칭 소자(Q4)의 연결 노드에 캐노드가 연결되고 제1 입출력단의 음단자(371n)에 애노드가 연결될 수 있다.
제2 스위칭 회로(375)는 제2 입출력단(372p, 372n)의 양단자(372p)와 음단자(372n) 사이에 서로 직렬 연결된 제5 스위칭 소자(Q5) 및 제6 스위칭 소자(Q6), 제2 입출력단(372p, 372n)의 양단자(372p)와 음단자(372n) 사이에 서로 직렬 연결된 제7 스위칭 소자(Q7) 및 제8 스위칭 소자(Q8)를 포함하는 브릿지 회로로 구현될 수 있다. 여기서, 제5 스위칭 소자(Q5) 및 제6 스위칭 소자(Q6)의 연결 노드는 트랜스포머(374)의 2차 권선의 일단에 연결되고 제7 스위칭 소자(Q7) 및 제8 스위칭 소자(Q8)의 연결 노드는 트랜스포머(374)의 2차 권선의 타단에 연결될 수 있다.
제1 스위칭 회로(373)와 유사하게, 제2 스위칭 회로(375) 내의 제5 내지 제8 스위칭 소자(Q5-Q8)는 각각 역방향 다이오드(D5-D8)를 포함할 수 있다. 제5 스위칭 소자(Q5)의 역방향 다이오드(D5)는 제5 스위칭 소자(Q5)와 제6 스위칭 소자(Q6)의 연결 노드에 애노드가 연결되고 제2 입출력단의 양단자(372p)에 캐소드가 연결될 수 있으며, 제6 스위칭 소자(Q6)의 역방향 다이오드(D6)는 제5 스위칭 소자(Q5)와 제6 스위칭 소자(Q6)의 연결 노드에 캐소드가 연결되고 제2 입출력단의 음단자(372n)에 애노드가 연결될 수 있다. 유사하게, 제7 스위칭 소자(Q7)의 역방향 다이오드(D7)는 제7 스위칭 소자(Q7)와 제8 스위칭 소자(Q8)의 연결 노드에 애노드가 연결되고 제2 입출력단의 양단자(372p)에 캐소드가 연결될 수 있으며, 제8 스위칭 소자(Q8)의 역방향 다이오드(D8)는 제7 스위칭 소자(Q7)와 제8 스위칭 소자(Q8)의 연결 노드에 캐노드가 연결되고 제2 입출력단의 음단자(372n)에 애노드가 연결될 수 있다.
컨트롤러(100)는 배터리(10) 충전시 차량 탑재형 충전기(30) 내 마련되는 여러 스위칭 소자들(Q1-Q8)을 제어하여 메인 배터리(10)를 충전할 수 있는 적절한 크기의 직류 전압이 인가되게 할 수 있다. 특히, 컨트롤러(100)는 배터리(10)의 온도가 사전 설정된 기준 온도 미만의 저온 상태인 경우 배터리(10)를 승온 시키기 위해 차량 탑재형 충전기(30) 내 마련되는 여러 스위칭 소자들(Q1-Q8)을 제어하여 배터리(10)에 사전 설정된 기준 주파수를 갖는 교번 전류를 인가하여 배터리(10)의 온도를 신속하게 상승시킬 수 있다. 이를 위해 컨트롤러(100)는 도시 하지 않은 배터리(10)의 온도 센서로부터 배터리의 온도에 대한 정보를 입력 받을 수 있으며, 배터리(10)의 승온 제어가 가능한지 여부를 판단하기 위해 배터리(10)의 충전 상태(State Of Charge: SOC)를 검출할 수도 있다.
본 발명의 여러 실시형태에서 컨트롤러(100)는 차량의 다양한 구성 요소의 동작을 제어하도록 구성된 알고리즘 또는 상기 알고리즘을 재생하는 소프트웨어 명령어에 관한 데이터를 저장하도록 구성된 비휘발성 메모리(도시되지 않음) 및 해당 메모리에 저장된 데이터를 사용하여 동작을 수행하도록 구성된 프로세서(도시되지 않음)를 포함하는 형태로 구현될 수 있다. 여기서, 메모리 및 프로세서는 개별 칩으로 구현될 수도 있다. 대안적으로는, 메모리 및 프로세서는 서로 통합된 단일 칩으로 구현될 수도 있으며 프로세서는 하나 이상의 프로세서의 형태를 취할 수도 있다.
도 1 및 도 2에서 참조부호 '39'는 배터리(10)로 제공되는 전력에 포함된 노이즈 등을 제거하기 위한 출력 필터이다.
컨트롤러(100)의 더욱 구체적인 제어 동작 및 그에 따른 효과는 후술하는 차량용 전력 시스템의 제어 방법에 대한 설명을 통해 더욱 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 차량용 배터리 승온 시스템의 동작을 도시한 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 차량용 배터리 승온 시스템은, 차량의 시동이 온 된 이후 컨트롤러(100)가 메인 배터리(10)의 상태 정보를 입력 받아 승온 제어가 필요한지 여부를 결정하는 단계(S11)로부터 시작될 수 있다. 단계(S11)에서 컨트롤러(100)는 배터리(10)의 온도가 사전 설정된 기준 온도 미만이고 배터리(10)의 충전 상태(SOC)가 사전 설정된 기준값 보다 큰 상태로 승온 제어를 수행할 수 있을 정도로 충분한 것으로 판단한 경우, 배터리(10)의 승온 제어를 시작할 수 있다(S12).
승온 제어가 시작되면(S12), 컨트롤러(100)는 카운터 시간(Tcnt)을 0으로 설정하고 양방향 직류 컨버터(30)를 배터리(10) 측에서 커패시터(35) 측으로, 즉 양방향 직류 컨버터(30)의 제2 입출력단(372p, 372n)에서 제1 입출력단(371p, 371n)으로 전력이 전달되도록 제어할 수 있다(S13). 이 과정(S13)에서 컨트롤러(100)는 제2 스위칭 회로(375)의 제5 내지 제8 스위칭 소자(Q5-Q8)를 온/오프 스위칭 하여 배터리(10)의 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 트랜스포머(374)의 2차 권선에 인가할 수 있다. 이에 따라, 트랜스포머(374)의 1차 권선에는 트랜스포머(374)의 권선비에 따라 크기가 변환된 교류 전압이 유도되고, 1차 권선에 유도된 전압은 제1 스위칭 회로(373)의 역방향 다이오드(D1-D4)에 의해 정류되어 커패시터(35)에 인가됨으로써 커패시터(35)가 충전된다.
컨트롤러(100)는 커패시터(35)의 전압(vlink)이 사전 설정된 기준 전압(k*vbat) 보다 커지는 경우(S14) 양방향 직류 컨버터(30)를 커패시터(35) 측에서 배터리(10) 측으로, 즉 양방향 직류 컨버터(30)의 제1 입출력단(371p, 371n)에서 제2 입출력단(372p, 372n)으로 전력이 전달되도록 제어하고(S15), 카운터 시간(Tcnt)에 승온 제어 주기(Tcont)를 합산하여 기록한다(S16). 여기서, 승온 제어 주기(Tcont)는 승온 제어 테스크(task)의 수행 주기를 의미하는 것으로, 예를 들어 승온 제어 테스크를 100kHz의 빈도로 수행하는 경우 승온 제어 주기(Tcont)는 '1/100000(sec)'가 될 수 있다.
양방향 직류 컨버터(30)를 제1 입출력단(371p, 371n)에서 제2 입출력단(372p, 372n)으로 전력이 전달되도록 하기 위해, 컨트롤러(100)는 제1 스위칭 회로(373)의 제1 내지 제4 스위칭 소자(Q1-Q4)를 온/오프 스위칭 하여 배터리(10)의 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 트랜스포머(374)의 1차 권선에 인가할 수 있다. 이에 따라, 트랜스포머(374)의 2차 권선에는 트랜스포머(374)의 권선비에 따라 크기가 변환된 교류 전압이 유도되고, 2차 권선에 유도된 전압은 제2 스위칭 회로(375)의 역방향 다이오드(D5-D8)에 의해 정류되어 배터리(10)에 인가됨으로써 배터리(10)가 충전된다.
도 3에서, "Charge_Mode"란 양방향 직류 컨버터(30)의 전력 전달 방향을 의미하는 것으로 그 값이 0인 것은 양방향 직류 컨버터(30)의 제2 입출력단(372p, 372n)에서 제1 입출력단(371p, 371n)으로 전력이 전달되도록 운전되는 것을 의미하며, 그 값이 1인 것은 양방향 직류 컨버터(30)의 제1 입출력단(371p, 371n)에서 제2 입출력단(372p, 372n)으로 전력이 전달되도록 운전되는 것을 의미한다. 차량 탑재형 충전기(30)는 외부 전력을 변환하여 배터리(10)로 전달하는 것을 주된 목적으로 하는 장치이므로, 설명의 편의를 위해, 전력 전달의 방향이 양방향 직류 컨버터(30)의 제1 입출력단(371p, 371n)에서 제2 입출력단(372p, 372n)으로 이루어지는 경우 이를 정방향이라고 하고, 그 반대의 전력 전달 방향을 역방향이라고 하기로 한다.
이어, 컨트롤러(100)는 배터리(10)의 온도와 충전상태를 확인하여 배터리(10)를 승온 시키기 위한 제어를 종료할 수 있는지 판단하고(S17) 그렇지 않은 경우 카운터 시간(Tcnt)과 사전 설정된 배터리 전류의 교번 주기(Tripple)를 비교할 수 있다(S18).
배터리(10)를 승온 시키기 위한 제어를 종료할 수 있는지 판단하는 과정(S17)에서 컨트롤러(100)는 배터리(10)의 온도가 사전 설정된 기준 온도 이상이거나 배터리(10)의 충전 상태(SOC)가 사전 설정된 기준값 보다 작은 상태로 승온 제어를 수행할 수 있을 정도로 충분하지 못한 것으로 판단한 경우, 배터리(10)의 승온 제어를 종료할 수 있다. 배터리(10)의 온도가 사전 설정된 기준 온도 미만이고 충전 상태(SOC)가 사전 설정된 기준값 보다 큰 경우, 컨트롤러(100)는 승온 제어를 계속 수행하는 것으로 판단할 수 있다.
카운터 시간(Tcnt)과 사전 설정된 배터리 전류의 교번 주기(Tripple)를 비교하는 과정(S18)에서, 컨트롤러(100)는 카운터 시간(Tcnt)사전 설정된 교번 주기(Tripple)의 1/2인 경우 카운터 시간(Tcnt)을 다시 0으로 설정하고(S19) 양방향 직류 충전기(30)가 정방향 운전이 이루어지고 있는 상태인 경우에(S20) 컨트롤러(100)는 양방향 직류 충전기(30)가 역방향으로 운전되도록 양방향 직류 충전기(30)를 제어할 수 있다. 또한, 양방향 직류 충전기(30)가 정방향 운전이 이루어지고 있는 상태가 아니라 역방향 운전이 이루어지고 있는 상태인 경우에는(S20), 컨트롤러(100)는 정방향 운전이 이루어지도록 양방향 직류 충전기(30)를 제어할 수 있다(S15).
이러한 컨트롤러(100)의 제어를 통해, 양방향 직류 충전기(30)는 도 4에 도시된 것과 같이 교번 주기 동안 정방향 운전 및 역방향 운전을 반복할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 차량용 배터리 승온 시스템의 스위칭 회로 동작 및 그에 따른 교번 전류의 흐름을 나타낸 파형도이다.
도 4를 참조하면, 도 3에 도시된 것과 같은 컨트롤러(100)의 제어에 의해 본 발명의 일 실시형태에 따른 차량용 배터리 승온 시스템의 양방향 직류 충전기(30)는 한 교번 주기 동안 정방향 및 역방향 운전을 반복하게 된다. 도 4에서, 'Qpri'로 표시된 구간에서 컨트롤러(100)는 양방향 직류 충전기(30)의 제1 스위칭 회로(373)에 포함된 스위칭 소자(S1-S4)를 온/오프 스위칭하여 커패시터(35)에 충전된 전력을 배터리(10)로 제공되게 한다. 이 구간(Qpri)에서 커패시터(35)의 전압(vlink)은 감소하고 배터리(10)로 제공되는 전류(ibat)는 증가하게 된다.
또한, 도 4에서 'Qsec'로 표시된 구간에서 컨트롤러(100)는 양방향 직류 충전기(30)의 제2 스위칭 회로(375)에 포함된 스위칭 소자(S5-S8)를 온/오프 스위칭하여 배터리(10)의 전력을 커패시터(35)로 제공되게 한다. 이 구간(Qsec)에서 커패시터(35)의 전압(vlink)은 증가하고 배터리(10)로 제공되는 전류(ibat)는 감소하여 배터리(10)에서 전류가 출력되는 상태가 된다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시형태는 차량 탑재형 충전기(30) 내의 양방향 직류 컨버터(37)의 전력 전달 방향을 일정 주기로 변경하여 교번 전류를 배터리(10)에 제공함으로써 배터리(10)의 온도 상승을 유도할 수 있다.
전술한 것과 같은 배터리 승온 제어 시 차량 탑재형 충전기(30) 내의 역률 보상 회로(33)는 작동하지 않을 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시형태에서, 교번 전류의 주파수는 배터리(10)의 전류 주파수-임피던스 특성에 의해 결정되는 것이 바람직하다. 온도가 낮은 환경에서 배터리(10)는 그 내부 저항(내부 임피던스)이 매우 크게 증가하므로 교번 전류의 크기를 증가시키더라도 배터리(10)가 이를 출력하거나 입력받을 수 없는 상황이 발생할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시형태는 배터리(10)의 주파수-임피던스 특성을 고려하여 배터리(10)의 온도가 저온 조건이더라도 배터리 임피던스가 낮게 나타나는 주파수 영역에서 교번 전류의 주파수를 선택하는 것이 바람직하다. 즉, 배터리의 전류 주파수-임피던스 관계의 예를 도시한 도 5에서 'A'로 표시한 영역과 같이 저온 상태이더라도 배터리의 임피던스(|Z|)가 상대적으로 낮게 나타나는 영역(도 5의 예에서는 대략 1kHz)에서 교번 전류의 주파수가 결정되게 하는 것이 바람직하다. 여기서, 교변 전류의 주파수는 도 4에 나타난 바와 같이 양방향 직류 컨버터(30)의 전력 전달 방향의 변경 주파수와 실질적으로 동일하다.
더하여, 본 발명의 여러 실시형태에서는 승압 제어시 배터리로 제공되는 교번 전류의 주파수는 제1 스위칭 회로(372) 및 제2 스위칭 회로(374) 내의 스위칭 소자(Q1-Q8)의 스위칭 주파수 보다 작은 값을 가지는 것이 바람직하다. 교번 전류는 제1 스위칭 회로(372) 및 제2 스위칭 회로(374) 내의 스위칭 소자(Q1-Q8)의 스위칭에 의해 형성될 수 있다. 즉, 스위칭 소자(Q1-Q8)의 스위칭을 반복함으로써 원하는 크기의 교번 전류를 생성할 수 있게 된다. 이러한 점을 고려할 때, 스위칭 소자(Q1-Q8)의 스위칭 주파수 보다 교번 전류의 주파수가 크게 되면 스위칭 소자(Q1-Q8)의 스위칭을 통해 전류가 형성하는 속도보다 교번 전류가 변화하는 속도가 더 빠르게 되므로 원하는 크기의 교번 전류를 생성하는 것이 불가능하게 된다. 따라서, 교번 전류의 주파수는 제1 스위칭 회로(372) 및 제2 스위칭 회로(374) 내의 스위칭 소자(Q1-Q8)의 스위칭 주파수 보다 작은 값을 가져야 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 여러 실시형태에 따른 차량용 배터리 승온 시스템은 승온을 위한 추가 장치를 사용하지 않고 차량 내에 탑재된 충전기를 활용하여 저온 환경에서 배터리의 승온이 가능하므로, 전력 소모를 감소시키고 시스템을 단순화 할 수 있을 뿐만 아니라 차량 단가 상승을 억제할 수 있다.
또한, 본 발명의 여러 실시형태에 따른 차량용 배터리 승온 시스템은 배터리로 제공되는 교번 전류의 주파수를 배터리 전류 주파수-임피던스 관계에서 저온에서도 상대적으로 낮은 임피던스를 갖는 주파수 영역에서 선정하므로 극저온 상황에서도 배터리의 승온 제어가 가능하다.
이상에서 본 발명의 특정한 실시형태에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 청구범위의 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
10: 배터리 20: 외부 충전 설비
30: 차량 탑재형 충전기(OBC) 31: 정류 회로
33: 역률 보상 회로 35: 커패시터
37: 양방향 직류 컨버터 371p, 371n: 제1 입출력단
372p, 372n: 제2 입출력단 373: 제1 스위칭 회로
374: 트랜스포머 375: 제2 스위칭 회로

Claims (9)

  1. 커패시터와, 상기 커패시터가 연결된 제1 입출력단 및 배터리에 연결된 제2 입출력단을 가지며 상기 제1 입출력단과 상기 제2 입출력단 사이에서 양방향의 전력 전달이 가능한 양방향 직류 컨버터를 포함하는 탑재형 충전기;
    상기 배터리의 승온이 요구되는 경우, 상기 양방향 직류 컨버터를 전력 전달 방향이 교번하도록 구동하여 상기 배터리로 사전 설정된 주파수를 갖는 교번 전류를 공급하게 하는 컨트롤러;
    를 포함하는 차량용 배터리 승온 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 탑재형 충전기는,
    외부 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 상기 배터리로 제공하는 충전 모드에서, 상기 외부 교류 전력을 직류 전압으로 변환하여 상기 커패시터에 인가하는 역률 보상 회로를 더 포함하며, 상기 컨트롤러는 상기 배터리의 승온이 요구되는 경우 상기 역률 보상 회로를 작동시키지 않는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 승온 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 사전 설정된 주파수는 상기 배터리의 전류 주파수-임피던스 특성을 고려하여 임피던스가 상대적으로 낮게 나타나는 영역의 전류 주파수를 기반으로 결정되는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 승온 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 양방향 직류 컨버터는,
    트랜스포머;
    상기 제1 입출력단과 상기 트랜스포머의 1차 권선 사이에 연결되고 복수의 스위칭 소자를 포함하는 제1 스위칭 회로; 및
    상기 제2 입출력단과 상기 트랜스포머의 2차 권선 사이에 연결되고 복수의 스위칭 소자를 포함하는 제2 스위칭 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 승온 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    상기 배터리의 승온이 요구되는 경우, 상기 제1 스위칭 회로의 스위칭 소자와 상기 제2 스위칭 회로의 스위칭 소자를 서로 번갈아 스위칭 제어하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 승온 시스템.
  6. 청구항 4에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    상기 제1 스위칭 회로의 스위칭 소자를 온/오프 스위칭 하여 상기 커패시터에서 상기 배터리로 전력이 제공되게 하는 정방향 운전 및 상기 제2 스위칭 회로의 스위칭 소자를 온/오프 스위칭 하여 상기 배터리에서 상기 커패시터로 전력이 제공되게 하는 역방향 운전을 상기 사전 설정된 주파수에 기반하여 번갈아 수행하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 승온 시스템.
  7. 청구항 4에 있어서, 상기 제1 스위칭 회로는,
    상기 제1 입출력단의 양단자와 음단자 사이에 서로 직렬 연결된 제1 스위칭 소자 및 제2 스위칭 소자, 상기 제1 입출력단의 양단자와 음단자 사이에 서로 직렬 연결된 제3 스위칭 소자 및 제4 스위칭 소자를 포함하며,
    상기 제1 스위칭 소자와 상기 제2 스위칭 소자의 연결 노드는 상기 트랜스포머의 1차 권선의 1단에 연결되고 상기 제3 스위칭 소자 및 상기 제4 스위칭 소자의 연결 노드는 상기 트랜스포머의 1차 권선의 타단에 연결된 브릿지 회로 인 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 승온 시스템.
  8. 청구항 4에 있어서, 상기 제2 스위칭 회로는,
    상기 제2 입출력단의 양단자와 음단자 사이에 서로 직렬 연결된 제5 스위칭 소자 및 제6 스위칭 소자, 상기 제2 입출력단의 양단자와 음단자 사이에 서로 직렬 연결된 제7 스위칭 소자 및 제8 스위칭 소자를 포함하며,
    상기 제5 스위칭 소자 및 상기 제6 스위칭 소자의 연결 노드는 상기 트랜스포머의 2차 권선의 일단에 연결되고 상기 제7 스위칭 소자 및 상기 제8 스위칭 소자의 연결 노드는 상기 트랜스포머의 2차 권선의 타단에 연결된 브릿지 회로 인 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 승온 시스템.
  9. 청구항 4에 있어서,
    상기 사전 설정된 주파수는 상기 제1 스위칭 회로의 스위칭 소자 또는 상기 제2 스위칭 회로의 스위칭 소자의 스위칭 주파수 보다 작은 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 승온 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20140010664A (ko) 2012-07-16 2014-01-27 현대자동차주식회사 전기차의 배터리 저온시 가용 에너지 증대를 위한 배터리 승온 제어방법
KR20150059246A (ko) 2013-11-22 2015-06-01 현대자동차주식회사 자동차의 고전압 배터리 승온 시스템 및 방법

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20140010664A (ko) 2012-07-16 2014-01-27 현대자동차주식회사 전기차의 배터리 저온시 가용 에너지 증대를 위한 배터리 승온 제어방법
KR20150059246A (ko) 2013-11-22 2015-06-01 현대자동차주식회사 자동차의 고전압 배터리 승온 시스템 및 방법

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4199186A4 (en) * 2021-01-20 2024-06-19 Contemporary Amperex Technology Co., Limited CHARGING HEATING DEVICE AND CONTROL METHOD AND DEVICE FOR CHARGING THE HEATING DEVICE

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