KR20210034133A - 차량용 배터리 충전 시스템 및 그 제어 방법 - Google Patents

차량용 배터리 충전 시스템 및 그 제어 방법 Download PDF

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KR20210034133A
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charging
converter
bridge circuit
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이대우
최민성
여인용
하태종
양진명
이우영
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현대자동차주식회사
기아자동차주식회사
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Abstract

교류 충전 전압을 변환한 직류 전압이 인가되는 직류 커패시터 및 상기 직류 커패시터의 전압의 크기를 변환하는 제1 직류 컨버터를 포함하는 충전기; 상기 제1 직류 컨버터에 연결되어 상기 제1 직류 컨버터에 의해 변환된 직류 전압을 인가 받아 충전되는 제1 배터리; 상기 배터리에 연결되어 상기 배터리의 전압의 크기를 변환하는 제2 직류 컨버터; 상기 제2 직류 컨버터에 의해 변환된 직류 전압을 인가 받는 제2 배터리; 및 상기 제1 배터리를 충전할 때, 상기 교류 충전 전압이 상기 충전기로 제공되기 이전에 상기 제2 직류 컨버터 및 상기 제1 직류 컨버터를 역방향 구동하여 상기 제2 배터리에 저장된 전력을 이용하여 상기 직류 커패시터를 사전 설정된 초기 충전 전압까지 충전하는 컨트롤러를 포함하는 차량용 배터리 충전 시스템이 개시된다.

Description

차량용 배터리 충전 시스템 및 그 제어 방법{SYSTEM OF CHARGING BATTERY OF VEHICLE METHOD FOR CONTROLLING THE SAME}
본 발명은 차량용 배터리 충전 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 별도의 초기 충전 저항을 사용하지 않고서 충전 전력이 공급되기 이전에 충전기 내 마련된 직류 커패시터를 미리 충전함으로써 급격한 입력 전압 변동에 따른 커패시터의 소손을 예방할 수 있는 차량용 배터리 충전 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
전기 자동차나 플러그인 하이브리드 차량은 차량의 동력원이 되는 전기 에너지를 저장하는 배터리를 충전하기 위한 충전기를 갖는다. 충전기는 외부에서 입력되는 상용 교류 전력을 직류로 변환한 한 후 배터리를 충전하기에 적절한 전압을 갖도록 그 크기를 변환하여 배터리로 공급하게 된다.
이러한 충전기는 그 내부에 교류 전력을 직류로 변환한 후 이를 일정하게 유지할 수 있도록 직류 링크 커패시터가 구비된다. 이러한 직류 링크 커패시터는 통상 충전기 내에 마련된 역률 보정 회로와 직류-직류 컨버터 사이 연결되어 역률 보정 회로에 의해 변환된 직류 전력을 일정한 전압으로 유지되게 하고, 유지된 전압의 크기를 직류-직류 컨버터가 변환하여 배터리에 인가되게 함으로써 배터리의 충전이 이루어지게 한다.
충전이 개시면 외부의 충전 설비로부터 역률 보정 회로로 고전압의 전력이 제공되며 이러한 고전압이 급격하게 직류 링크 커패시터로 인가되는 경우 직류 링크 커패시터가 소손되는 문제가 발생할 수 있다.
이러한 문제를 해소하기 위해 종래에는 외부 충전 설비가 연결되는 연결단과 충전기 사이에 별도의 초기 충전 저항을 마련하고, 외부의 충전 설비로부터 전력이 공급되는 초기에는 초기 충전 저항을 통해 전력이 제공되게 한 후 일정 전압 이상 직류 링크 커패시터가 충전이 된 이후에 초기 충전 저항을 통하지 않고 직접 차량의 충전기로 외부 충전 설비의 충전 전력이 공급되도록 제어하는 방안이 제안되었다.
그러나, 이러한 종래의 초기 충전 방식은 별도의 초기 충전 저항을 반드시 필요로 하고 초기 충전 저항은 가격이 매우 고가이므로 차량의 단가를 상승시키게 된다.
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 10-2014-0084369 A KR 10-2013-0090678 A
이에 본 발명은, 따라서, 당 기술분야에서는 별도의 초기 충전 저항이 없더라도 차량 충전시 충전기 내의 직류 링크 커패시터의 소손을 방지할 수 있도록 초기 충전을 가능하게 하는 차량용 배터리 충전 시스템 및 그 제어 방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,
교류 충전 전압을 변환한 직류 전압이 인가되는 직류 커패시터 및 상기 직류 커패시터의 전압의 크기를 변환하는 제1 직류 컨버터를 포함하는 충전기;
상기 제1 직류 컨버터에 연결되어 상기 제1 직류 컨버터에 의해 변환된 직류 전압을 인가 받아 충전되는 제1 배터리;
상기 배터리에 연결되어 상기 배터리의 전압의 크기를 변환하는 제2 직류 컨버터;
상기 제2 직류 컨버터에 의해 변환된 직류 전압을 인가 받는 제2 배터리; 및
상기 제1 배터리를 충전할 때, 상기 교류 충전 전압이 상기 충전기로 제공되기 이전에 상기 제2 직류 컨버터 및 상기 제1 직류 컨버터를 역방향 구동하여 상기 제2 배터리에 저장된 전력을 이용하여 상기 직류 커패시터를 사전 설정된 초기 충전 전압까지 충전하는 컨트롤러;
를 포함하는 차량용 배터리 충전 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 직류 컨버터는, 복수의 스위칭 소자를 각각 포함하는 제1 브릿지 회로 및 제2 브릿지 회로와, 상기 제1 브릿지 회로와 상기 제2 브릿지 회로 사이에 배치되어 전압폭을 변환하여 상호간에 전달하는 제1 트랜스포머를 포함하고, 상기 제2 직류 컨버터는, 복수의 스위칭 소자를 각각 포함하는 제3 브릿지 회로 및 제4 브릿지 회로와, 상기 제3 브릿지 회로와 상기 제4 브릿지 회로 사이에 배치되어 전압폭을 변환하여 상호간에 전달하는 제2 트랜스포머를 포함하며, 상기 제1 브릿지 회로는 상기 직류 커패시터에 연결되고 상기 제2 브릿지 회로는 상기 제1 배터리에 연결되며, 상기 제3 브릿지 회로는 상기 제1 배터리에 연결되고 상기 제4 브릿지 회로는 상기 제2 배터리에 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 제1 내지 제4 브릿지 회로에 포함된 스위칭 소자의 듀티 제어를 통해 상기 제2 배터리의 전압을 변환하여 상기 직류 커패시터에 인가함으로써 상기 초기 충전 전압까지 상기 직류 커패시터를 충전할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 제1 내지 제3 브릿지 회로에 포함된 스위칭 소자의 듀티를 고정하고 제4 브릿지 회로에 포함된 스위칭 소자의 듀티 제어를 통해 상기 제2 배터리의 전압을 변환하여 상기 직류 커패시터에 인가함으로써 상기 초기 충전 전압까지 상기 직류 커패시터를 충전할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 직류 컨버터는, 복수의 스위칭 소자를 각각 포함하는 제1 브릿지 회로 및 제2 브릿지 회로와, 상기 제1 브릿지 회로와 상기 제2 브릿지 회로 사이에 배치되어 전압폭을 변환하여 상호간에 전달하는 제1 트랜스포머를 포함하고, 상기 제2 직류 컨버터는, 복수의 스위칭 소자를 각각 포함하는 제3 브릿지 회로와, 상기 제3 브릿지 회로와 상기 제2 브릿지 회로 사이에 배치되어 전압폭을 변환하여 상호간에 전달하는 제2 트랜스포머를 포함하며, 상기 제1 브릿지 회로는 상기 직류 커패시터에 연결되고 상기 제2 브릿지 회로는 상기 제1 배터리에 연결되며, 상기 제3 브릿지 회로는 상기 제2 배터리에 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 제1 내지 제3 브릿지 회로에 포함된 스위칭 소자의 듀티 제어를 통해 상기 제2 배터리의 전압을 변환하여 상기 직류 커패시터에 인가함으로써 상기 초기 충전 전압까지 상기 직류 커패시터를 충전할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 제1 및 제2 브릿지 회로에 포함된 스위칭 소자의 듀티를 고정하고 제3 브릿지 회로에 포함된 스위칭 소자의 듀티 제어를 통해 상기 제2 배터리의 전압을 변환하여 상기 직류 커패시터에 인가함으로써 상기 초기 충전 전압까지 상기 직류 커패시터를 충전할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태는, 상기 교류 충전 전압이 입력되는 충전 입력단; 및 상기 충전 입력단과 상기 충전기 사이에 연결된 릴레이를 더 포함하며, 상기 컨트롤러는, 상기 릴레이가 개방 상태일 때 상기 제1 배터리를 충전을 개시하기 위한 충전 개시 신호를 입력 받으면, 상기 제2 직류 컨버터 및 상기 제1 직류 컨버터를 역방향 구동하여 상기 제2 배터리에 저장된 전력을 이용하여 상기 직류 커패시터를 사전 설정된 초기 충전 전압까지 충전한 이후 상기 릴레이를 단락 상태로 전환할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 제2 배터리의 충전 상태를 모니터링 하고, 상기 제2 배터리의 충전 상태가 사전 설정된 기준값보다 작은 경우 상기 교류 충전 전압이 상기 충전기로 제공되기 이전에 상기 제1 직류 컨버터를 역방향 구동하여 상기 제1 배터리에 저장된 전력을 이용하여 상기 직류 커패시터를 사전 설정된 초기 충전 전압까지 충전할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 다른 수단으로서 본 발명은,
교류 충전 전압을 변환한 직류 전압이 인가되는 직류 커패시터 및 상기 직류 커패시터의 전압의 크기를 변환하는 제1 직류 컨버터를 포함하는 충전기와, 상기 제1 직류 컨버터에 연결되어 상기 제1 직류 컨버터에 의해 변환된 직류 전압을 인가 받아 충전되는 제1 배터리와, 상기 배터리에 연결되어 상기 배터리의 전압의 크기를 변환하는 제2 직류 컨버터와, 상기 제2 직류 컨버터에 의해 변환된 직류 전압을 인가 받는 제2 배터리 및 상기 교류 충전 전압이 입력되는 충전 입력단과 상기 충전기 사이에 연결된 릴레이를 포함하는 차량용 배터리 충전 시스템의 제어 방법에 있어서,
상기 릴레이가 개방된 상태에서 상기 제1 배터리의 충전을 개시하기 위한 충전 개시 신호를 입력 받는 단계;
상기 제1 직류 컨버터와 상기 제2 직류 컨버터를 역방향 구동하여 상기 제2 배터리에 저장된 전력을 이용하여 상기 직류 커패시터를 사전 설정된 초기 충전 전압까지 충전하는 단계; 및
상기 릴레이를 단락 상태로 전환하고 상기 제1 직류 컨버터를 정방향 구동하여 상기 교류 충전 전압을 변환한 전압이 상기 제1 배터리에 인가되게 하여 상기 제1 배터리를 충전하는 단계;
를 포함하는 차량용 배터리 충전 시스템의 제어 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태는, 상기 제1 배터리를 충전하는 단계 이전에, 상기 제2 배터리의 충전 상태를 모니터링 하는 단계; 및 상기 제2 배터리의 충전 상태가 사전 설정된 기준값보다 작은 경우 상기 제1 직류 컨버터를 역방향 구동하여 상기 제1 배터리에 저장된 전력을 이용하여 상기 직류 커패시터를 사전 설정된 초기 충전 전압까지 충전하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 차량용 배터리 충전 시스템 및 그 제어 방법에 따르면, 충전기 내 직류 커패시터를 별도의 초기 충전 저항을 사용하지 않고서도 충전 전력 공급 이전에 초기 충전할 수 있다.
이에 따라, 상기 차량용 배터리 충전 시스템 및 그 제어 방법에 따르면, 충전기 내 직류 커패시터를 초기 충전하기 위한 별도의 초기 충전 저항을 제거함으로써 시스템을 단순화 하고 시스템 구현에 소요되는 비용을 감소시켜 원가 절감을 가져올 수 있다.
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 충전 시스템을 도시한 회로도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 차량용 배터리 충전 시스템을 도시한 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 차량용 배터리 충전 시스템의 제어 방법을 도시한 흐름도이다.
이하, 첨부의 도면을 참조하여 본 발명의 여러 실시형태에 따른 차량용 배터리 충전 시스템 및 그 제어 방법을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 차량용 배터리 충전 시스템을 도시한 회로도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 차량용 배터리 충전 시스템은, 외부의 충전 설비(30)로부터 제공받은 교류 충전 전압을 배터리(20)를 충전할 수 있는 크기의 직류 전압으로 변환하여 배터리(20)로 제공하는 충전기(10)와, 충전기(10)에서 제공되는 직류 전압을 인가받아 충전되는 배터리(20)와, 배터리(20)의 전압의 크기를 변환하는 저전압 직류 컨버터(Low voltage DC-DC Converter: LDC)(40)와, 저전압 직류 컨버터(40)가 변환한 전압을 인가 받는 보조 배터리(50) 및 충전 시 충전기(10)와 저전압 직류 컨버터(40)를 제어하는 컨트롤러(100)를 포함하여 구성될 수 있다.
충전기(10)는 차량의 배터리(20)를 충전하기 위해 차량 내 탑재되는 형태의 탑재형 충전기(On Board Charger: OBC)로서 외부의 충전 설비(30)에서 제공되는 교류의 전력을 배터리(20)를 충전할 수 있는 크기의 직류 전압을 갖는 직류 전력으로 변환하여 배터리(20)로 제공하는 요소이다.
충전기(10)는 교류 전력을 정류하는 정류 회로부(15)와 정류 회로부(15)에서 정류된 전력을 제공받아 직류로 변환하는 역률 보정 회로부(13)와 역률 보정 회로부(13)에 의해 변환된 직류 전력의 전압을 형성하는 직류 커패시터(Cdc1)와 직류 커패시터(Cdc1)에 의해 형성된 직류 전압의 크기를 배터리(20)의 충전 전압에 해당하는 크기로 변환하는 직류 컨버터(11)를 포함하여 구성될 수 있다.
정류 회로부(15)는, 입력 받은 교류 충전 전력을 정류하기 위해 마련된 것으로 네 개의 다이오드(D1-D4)로 구성된 풀브릿지 회로로 구성될 수 있다.
역률 보정 회로부(13)는 외부 전력 공급 장치로부터 제공되는 교류 전력, 혹은 정류 회로부(15)에서 정류된 전력을 직류로 변환하여 출력하되 전달되는 전력의 역률을 조정하는 요소이다. 예를 들어, 역률 보정 회로부(13)는 인덕터와 스위칭 소자 및 다이오드로 구성되는 부스트 컨버터의 토폴로지를 적용하여 구성될 수 있다. 즉, 도 1에 도시한 것과 같이, 역률 보정 회로부(13)는 정류 회로부(15)에 일단이 연결된 인덕터(L)와 인덕터(L)의 타단에 애노드가 연결되고 직류 커패시터(Cdc1)의 일단에 캐소드가 연결된 다이오드(D) 및 인덕터(L)와 다이오드(D)의 연결단과 커패시터(Cdc1)의 타단 사이의 전기적 연결을 형성/차단하는 스위칭 소자(SW)를 포함할 수 있다.
직류 컨버터(11)는 역률 보정 회로부(10)에 의해 직류 커패시터(Cdc1)에 형성된 직류 전압의 크기를 변환하여 배터리(20)의 충전에 적절한 크기의 전압의 크기로 출력할 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 직류 컨버터(11)는 전기적 절연을 위해 트랜스포머(113)를 포함하는 절연형 직류-직류 컨버터 회로의 토폴로지로 구현될 수 있다.
더욱 구체적으로, 직류 컨버터(11)는 복수의 스위칭 소자(S1-S4)를 포함하여 직류 커패시터(Cdc1)에 형성된 직류 전압을 교류의 형태로 변환하는 제1 브릿지 회로(111)와, 제1 브릿지 회로(111)에 의해 변환된 교류 전압의 폭을 사전 설정된 권선비로 변환하는 트랜스포머(113)와, 복수의 스위칭 소자(S5-S8)을 포함하며 트랜스포머(113)에 의해 변환된 폭을 갖는 교류 전압을 다시 직류 전압으로 변환하여 배터리(20)로 제공하는 제2 브릿지 회로(115)를 포함할 수 있다.
한편, 직류 컨버터(11)은 충전시의 전력 흐름 방향(이하, 정방향이라 함)과는 반대 방향(이하, 역방향이라 함)으로 전압을 변환할 수도 있다. 예를 들어, 배터리(20) 측의 직류 전압이 제2 브릿지 회로(115)에 의해 교류로 변환되어 트랜스포머(113)로 입력될 수 있으며, 트랜스포머(113)는 권선비에 따라 제2 브릿지 회로(115)에서 입력된 교류 전압의 폭을 변환하여 제1 브릿지 회로(111)로 출력하고, 제1 브릿지 회로(111)는 트랜스포머(113)에서 입력된 교류 전압을 변환하여 직류 커패시터(Cdc1)로 인가할 수도 있다.
즉, 직류 컨버터(11)는 양향향으로 전압의 크기를 변환할 수 있는 양방향 컨버터일 수 있다.
직류 컨버터(11)에 의해 변환되는 전압의 크기는 트랜스포머(113)의 권선비 및 제1 브릿지 회로(111)와 제2 브릿지 회로(115)에 포함된 스위칭 소자의 듀티비에 의해 적절하게 제어될 수 있다. 컨트롤러(100)는 입출력 전압의 크기 관계에 따라 제1 브릿지 회로(111)와 제2 브릿지 회로(115)에 포함된 스위칭 소자의 듀티비를 결정하고 결정된 듀티비에 따라 제1 브릿지 회로(111)와 제2 브릿지 회로(115)에 포함된 스위칭 소자의 온/오프를 제어할 수 있다. 제2 브릿지 회로(115)의 출력 전압은 배터리(20)의 양단 전압을 형성하는 추가의 직류 커패시터(Cdc2)로 인가될 수 있다.
전술한 것과 같은 직류 컨버터(11)의 토폴로지 및 그 제어 방법은 당 기술 분야에 공지의 기술이므로 추가의 상세한 설명은 생략하기로 한다.
배터리(20)는 차량의 구동력을 생성하는 모터에 전원으로 사용되는 직류 에너지를 저장하는 요소로서, 통상 친환경 자동차 기술 분야에서 고전압 배터리 또는 메인 배터리라 지칭된다. 배터리(20)에서 방전되는 전력은 모터로 제공되어 모터의 회전력을 생성하는데 사용되며, 배터리(20)로 충전되는 전력은 외부의 교류 전력을 탑재형 충전기(10)에 의해 전력 변환하여 공급될 수 있다.
저전압 직류 컨버터(40)는 배터리(20)의 전력을 저전압으로 변환하여 보조 배터리(50)로 제공하기 위한 요소이다. 저전압 직류 컨버터(40)는 전술한 직류 컨버터(11)과 실질적으로 동일하거나 유사한 절연형 컨버터 토폴로지를 이용하여 구현될 수 있다.
더욱 구체적으로, 저전압 직류 컨버터(40)는 복수의 스위칭 소자(S9-S12)를 포함하여 배터리(20)의 전압을 교류의 형태로 변환하는 제3 브릿지 회로(41)와, 제3 브릿지 회로(41)에 의해 변환된 교류 전압의 폭을 사전 설정된 권선비로 변환하는 트랜스포머(43)와, 복수의 스위칭 소자(S13, S14)을 포함하며 트랜스포머(43)에 의해 변환된 폭을 갖는 교류 전압을 다시 직류 전압으로 변환하여 보조 배터리(50)로 제공하는 제4 브릿지 회로(45)를 포함할 수 있다. 여기서, 제4 브릿지 회로(45)는 하프 브릿지 회로의 형태로 구현되지만 그에 한정되는 것은 아니고 교류 전력을 직류 전력으로 변환할 수 있는 여러 형태의 브릿지 회로 또는 스위칭 소자로 구현될 수 있다.
전술한 직류 컨버터(115)와 유사하게, 저전압 직류 컨버터(40) 역시 양방향 동작이 가능하다. 즉, 저전압 직류 컨버터(40)는 배터리(20)에서 보조 배터리(50)로의 전력 흐름 방향(이하, 정방향이라 함)과는 반대 방향(이하, 역방향이라 함)으로 전압을 변환할 수도 있다. 예를 들어, 보조 배터리(50)의 직류 전압이 제4 브릿지 회로(45)에 의해 교류로 변환되어 트랜스포머(43)로 입력될 수 있으며, 트랜스포머(43)는 권선비에 따라 제4 브릿지 회로(45)에서 입력된 교류 전압의 폭을 변환하여 제3 브릿지 회로(41)로 출력하고, 제3 브릿지 회로(41)는 트랜스포머(43)에서 입력된 교류 전압을 변환하여 배터리(20) 측으로 인가할 수도 있다.
본 발명의 일 실시형태는, 외부 충전 설비(30)가 연결되는 충전 전력 입력단(Ti)와 충전기(10)에 릴레이(R)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 여러 실시형태는 이러한 저전압 직류 컨버터(40)와 충전기(10) 내의 직류 컨버터(115)의 양방향 동작을 활용하여 배터리(20) 충전 시 외부의 교류 충전 전력이 공급되기 이전에 보조 배터리(50)의 전력을 변환하여 직류 커패시터(Cdc1)에 인가되게 하여 직류 커패시터(Cdc1)를 초기 충전하는 것을 특징으로 한다.
컨트롤러(100)는 외부 충전 설비가 충전 전력 입력단(Ti)에 연결되고 사용자의 입력 또는 사전 설정된 타이머에 의해 배터리(20)의 충전을 개시하기 위한 신호를 입력 받으면, 저전압 직류 컨버터(40)와 충전기(10) 내의 직류 컨버터(115)를 역방향으로 구동하여 충전기(10) 내의 직류 커패시터(Cdc1)를 사전 설정된 초기 충전 전압까지 충전할 수 있다.
즉, 컨트롤러(100)는, 저전압 직류 컨버터(40)를 역방향으로 동작하도록 제4 브릿지 회로(45)와 제3 브릿지 회로(41)의 스위칭 소자를 듀티 제어하여 보조 배터리(50)의 전압을 승압하여 충전기(10) 내 직류 컨버터(11)의 배터리(20) 측 단자로 인가하고, 이어 충전기(10) 내의 직류 컨버터(11)의 제2 브릿지 회로(115)와 제1 브릿지 회로(111)을 듀티 제어하여 직류 컨버터(11)의 배터리(20) 측 전압의 크기를 사전 설정된 직류 충전 전압에 해당하는 크기로 변환하여 직류 컨버터(11)의 직류 커패시터(Cdc1) 측 단자 인가되게 할 수 있다.
이를 통해, 충전기(10) 내 직류 커패시터(Cdc1)는 별도의 초기 충전 저항을 사용하지 않고서도 직류 커패시터(Cdc1)를 충전 전력 공급 이전에 초기 충전할 수 있다. 즉, 종래에는 외부의 충전 전력을 변환한 직류 전압이 급격하게 충전기(10) 내의 직류 커패시터(Cdc1)에 인가되어 직류 커패시터(Cdc1)가 소손되는 것을 방지하기 위해, 충전기(10)의 외부 충전 전력 입력단에는 충전 초기에만 연결되는 별도의 초기 충전 저항을 필요로 하였다. 그러나, 본 발명은 차량의 보조 배터리(50)에 저장된 전력을 기 존재하는 충전기(10) 내 직류 컨버터(115)와 친환경 차량에 구비되는 저전압 직류 컨버터(40)를 역방향으로 구동시켜 직류 커패시터(Cdc1)에 인가되게 함으로써 별도의 초기 충전 저항 없이 직류 커패시터(Cdc1)를 충전할 수 있다.
컨트롤러(100)는 충전기(10) 내 직류 커패시터(Cdc1)가 사전 설정된 초기 충전 전압까지 충전이 완료되면 릴레이(R)를 단락 상태로 전환하여 외부의 교류 충전 전력이 충전기(10)로 인가되게 하고, 충전기(10) 내 직류 컨버터(11)를 정방향으로 작동되게 함으로써 배터리(20)를 충전할 수 있다.
다른 예로, 컨트롤러(100)는 제1 내지 제3 브릿지 회로(111, 115, 41)의 듀티를 고정하고 제4 브릿지 회로(45)의 듀티를 제어하는 방식으로 별도의 초기 충전 저항 없이 직류 커패시터(Cdc1)를 충전할 수 있다.
즉, 각 브릿지 회로(111, 114, 41, 45) 내의 스위치 온/오프에 따른 전류 흐름의 방향을 고려하여 미리 스위치의 온/오프 구간을 미리 설정한 후, 각 구간에서 제1 내지 제3 브릿지 회로(111, 115, 41)의 스위칭 소자는 설정한 대로 온/오프하고 제4 브릿지 회로(45) 내의 스위칭 소자 만 듀티를 제어하는 방식으로 동작할 수 있다.
예를 들어, 컨트롤러(100)는, 제3 브릿지 회로(41)의 스위칭 소자(S10, S11)과 스위칭 소자(S9, S12)를 서로 상보 관계로 50% 듀티로 온/오프 시킬 수 있고, 제2 브릿지 회로(115)의 스위칭 소자(S5, S8)를 스위칭 소자(S10, S11)와 동일한 상태로 제어할 수 있으며, 제2 브릿지 회로(115)의 스위칭 소자(S6, S7)를 스위칭 소자(S9, S12)와 동일한 상태로 제어할 수 있으며, 제1 브릿지 회로(111)의 스위칭 소자(S1, S4)를 스위칭 소자(S10, S11)와 동일한 상태로 제어할 수 있으며, 제1 브릿지 회로(111)의 스위칭 소자(S2, S3)를 스위칭 소자(S9, S12)와 동일한 상태로 제어할 수 있다.
또한, 컨트롤러(100)는, 제4 브릿지 회로(45)의 스위칭 소자(S14)를 스위칭 소자(S10, S11)가 온인 구간에서 온 시키되 온 상태를 유지하는 시간을 조정, 즉 듀티를 제어할 수 있다. 유사하게, 컨트롤러(100)는, 제4 브릿지 회로(45)의 스위칭 소자(S13)를 스위칭 소자(S9, S12)가 온인 구간에서 온 시키되 온 상태를 유지하는 시간을 조정할 수 있다.
이와 같은 컨트롤러(100)의 브릿지 회로 내 스위칭 소자의 온/오프 제어는, 제1 내지 제3 브릿지 회로(111, 115, 41) 내 스위칭 소자의 듀티를 변경하지 않고서 제4 브릿지 회로(45)의 스위칭 소자의 온/오프에 의해 변압기(43)의 2차측으로 유도되는 전력을 극성에 맞춰 직류 커패시터(Cdc1)에 제공하여 직류 커패시터(Cdc1)를 충전할 수 있게 한다. 특히, 컨트롤러(100)는 제4 브릿지 회로(45)의 스위칭 소자의 듀티를 제어하여 직류 커패시터(Cdc1)로 제공되는 전압의 크기를 적절하게 조정하여 직류 커패시터(Cdc1)의 내압을 넘어서는 과도한 크기의 전압이 인가되는 것을 방지할 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 차량용 배터리 충전 시스템을 도시한 회로도이다.
도 2에 도시된 실시형태는, 충전기(10)의 직류 컨버터(11) 내 제2 브릿지 회로(115)를 충전기와 저전압 컨버터(40)가 공유하는 형태이다. 이 경우에도 마찬가지로, 저전압 컨버터(40)의 보조 배터리(50)와 연결된 브릿지 회로(45)의 듀티 제어에 의해 교류 전압이 형성되고, 형성된 교류 전압이 트랜스포머(43)에 의해 그 폭이 변경되어 직류 컨버터(11) 내의 트랜스포머(113)의 배터리(20) 측 권선에 인가된다. 트랜스포머(113)는 인가된 전압의 폭을 변환하여 제1 브릿지 회로(111) 측에 전달하게 되고, 제1 브릿지 회로(111)의 듀티 제어에 의해 직류 커패시터(Cdc1)에 직류 전압이 인가됨으로써 사전 설정된 초기 충전 전압으로 직류 커패시터(Cdc1)가 충전될 수 있다.
물론, 도 1의 실시형태에 대한 설명에서와 같이, 제1 및 제2 브릿지 회로(111, 115)의 스위칭 소자의 듀티는 고정하고, 보조 배터리(50)와 연결된 브릿지 회로(45)의 듀티 제어를 통해 직류 커패시터(Cdc1)의 내압을 넘어서는 과도한 크기의 전압이 인가되는 것을 방지하면서 직류 커패시터(Cdc1)를 충전할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 차량용 배터리 충전 시스템의 제어 방법을 도시한 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 차량용 배터리 충전 시스템의 제어 방법은, 컨트롤러(100)가 충전 개시 신호를 입력 받으면, 보조 배터리(50)의 충전 상태(State Of Charge: SOC)를 모니터링할 수 있다(S11). 전술한 바와 같이, 본 발명의 여러 실시형태는, 보조 배터리(50)에 저장된 전력을 이용하여 충전기(10) 내 직류 커패시터(Cdc1)를 충전하는 것이므로 보조 배터리(50)에 충전된 에너지의 양이 직류 커패시터(Cdc1)를 충전할 수 있을 정도로 충분한 양이어야 한다.
모니터링 결과(S11), 보조 배터리(50)의 충전 상태가 사전 설정된 기준값(a)보다 큰 경우, 즉 보조 배터리(50)에 저장된 에너지의 양이 직류 커패시터(Cdc1)를 충전하기에 충분한 양이라고 판단된 경우, 컨트롤러(100)는 저전압 직류 컨버터(40)와 충전기(10) 내 직류 컨버터(11)를 역방향으로 구동하여 보조 배터리(50)의 전압을 직류 커패시터(Cdc1)를 충전하기 위한 전압으로 변환하여 직류 커패시터(Cdc1)에 인가함으로써 직류 커패시터(Cdc1)을 초기 충전한다(S13).
단계(S13)에서는 전술한 것과 같이, 각 브릿지 회로 내 스위칭 소자의 듀티를 제어하는 방식 또는 보조 배터리(50)에 연결된 브릿지 회로(45) 내의 스위칭 소자의 듀티를 조정하고 나머지 브릿지 회로 내의 스위칭 소자의 듀티는 고정하는 방식이 모두 적용될 수 있다.
모니터링 결과(S11), 보조 배터리(50)의 충전 상태가 사전 설정된 기준값(a) 이하인 경우, 즉 보조 배터리(50)에 저장된 에너지의 양이 직류 커패시터(Cdc1)를 충전하기에 충분하지 못하다고 판단된 경우, 컨트롤러(100)는 저전압 직류 컨버터(40)를 역방향으로 작동시키지 않고, 충전기(10) 내 직류 컨버터(11)를 역방향으로 구동하여 고전압 배터리(20)의 전압을 직류 커패시터(Cdc1)를 충전하기 위한 전압으로 변환하여 직류 커패시터(Cdc1)에 인가함으로써 직류 커패시터(Cdc1)을 초기 충전한다(S14).
컨트롤러(100)는 단계(S13) 및 단계(S14)를 통한 직류 커패시터(Cdc1)의 충전을 하는 과정에서 직류 커패시터(Cdc1)의 전압을 모니터링하고, 직류 커패시터(Cdc1)의 전압이 사전 설정된 초기 충전 전압까지 충전된 이후 개방 상태인 릴레이(R)를 단락 상태로 전환하여 외부 충전 설비(30)로부터 제공되는 교류 충전 전력이 충전기(10)로 입력되게 한다. 또한, 컨트롤러(100)는, 충전기(10)가 정방향으로 전력흐름이 발생하도록 직류 컨버터(11)를 제어하여 교류 충전 전력을 직류로 변환한 전력이 배터리(20)로 제공되게 하여 배터리(20)를 충전할 수 있다.
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: 충전기 11: 직류 컨버터
111: 제1 브릿지 회로 113: 트랜스포머
115: 제2 브릿지 회로 20: 고전압 배터리(제1 배터리)
30: 외부 충전 설비 40: 저전압 컨버터
41: 제3 브릿지 회로 43: 트랜스포머
45: 제4 브릿지 회로 50: 보조 배터리(제2 배터리)
100: 컨트롤러 R: 릴레이
Cdc1: 직류 커패시터

Claims (11)

  1. 교류 충전 전압을 변환한 직류 전압이 인가되는 직류 커패시터 및 상기 직류 커패시터의 전압의 크기를 변환하는 제1 직류 컨버터를 포함하는 충전기;
    상기 제1 직류 컨버터에 연결되어 상기 제1 직류 컨버터에 의해 변환된 직류 전압을 인가 받아 충전되는 제1 배터리;
    상기 배터리에 연결되어 상기 배터리의 전압의 크기를 변환하는 제2 직류 컨버터;
    상기 제2 직류 컨버터에 의해 변환된 직류 전압을 인가 받는 제2 배터리; 및
    상기 제1 배터리를 충전할 때, 상기 교류 충전 전압이 상기 충전기로 제공되기 이전에 상기 제2 직류 컨버터 및 상기 제1 직류 컨버터를 역방향 구동하여 상기 제2 배터리에 저장된 전력을 이용하여 상기 직류 커패시터를 사전 설정된 초기 충전 전압까지 충전하는 컨트롤러;
    를 포함하는 차량용 배터리 충전 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 직류 컨버터는, 복수의 스위칭 소자를 각각 포함하는 제1 브릿지 회로 및 제2 브릿지 회로와, 상기 제1 브릿지 회로와 상기 제2 브릿지 회로 사이에 배치되어 전압폭을 변환하여 상호간에 전달하는 제1 트랜스포머를 포함하고,
    상기 제2 직류 컨버터는, 복수의 스위칭 소자를 각각 포함하는 제3 브릿지 회로 및 제4 브릿지 회로와, 상기 제3 브릿지 회로와 상기 제4 브릿지 회로 사이에 배치되어 전압폭을 변환하여 상호간에 전달하는 제2 트랜스포머를 포함하며,
    상기 제1 브릿지 회로는 상기 직류 커패시터에 연결되고 상기 제2 브릿지 회로는 상기 제1 배터리에 연결되며, 상기 제3 브릿지 회로는 상기 제1 배터리에 연결되고 상기 제4 브릿지 회로는 상기 제2 배터리에 연결된 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 충전 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    상기 제1 내지 제4 브릿지 회로에 포함된 스위칭 소자의 듀티 제어를 통해 상기 제2 배터리의 전압을 변환하여 상기 직류 커패시터에 인가함으로써 상기 초기 충전 전압까지 상기 직류 커패시터를 충전하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 충전 시스템.
  4. 청구항 2에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    상기 제1 내지 제3 브릿지 회로에 포함된 스위칭 소자의 듀티를 고정하고 제4 브릿지 회로에 포함된 스위칭 소자의 듀티 제어를 통해 상기 제2 배터리의 전압을 변환하여 상기 직류 커패시터에 인가함으로써 상기 초기 충전 전압까지 상기 직류 커패시터를 충전하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 충전 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 직류 컨버터는, 복수의 스위칭 소자를 각각 포함하는 제1 브릿지 회로 및 제2 브릿지 회로와, 상기 제1 브릿지 회로와 상기 제2 브릿지 회로 사이에 배치되어 전압폭을 변환하여 상호간에 전달하는 제1 트랜스포머를 포함하고,
    상기 제2 직류 컨버터는, 복수의 스위칭 소자를 각각 포함하는 제3 브릿지 회로와, 상기 제3 브릿지 회로와 상기 제2 브릿지 회로 사이에 배치되어 전압폭을 변환하여 상호간에 전달하는 제2 트랜스포머를 포함하며,
    상기 제1 브릿지 회로는 상기 직류 커패시터에 연결되고 상기 제2 브릿지 회로는 상기 제1 배터리에 연결되며, 상기 제3 브릿지 회로는 상기 제2 배터리에 연결된 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 충전 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    상기 제1 내지 제3 브릿지 회로에 포함된 스위칭 소자의 듀티 제어를 통해 상기 제2 배터리의 전압을 변환하여 상기 직류 커패시터에 인가함으로써 상기 초기 충전 전압까지 상기 직류 커패시터를 충전하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 충전 시스템.
  7. 청구항 5에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    상기 제1 및 제2 브릿지 회로에 포함된 스위칭 소자의 듀티를 고정하고 제3 브릿지 회로에 포함된 스위칭 소자의 듀티 제어를 통해 상기 제2 배터리의 전압을 변환하여 상기 직류 커패시터에 인가함으로써 상기 초기 충전 전압까지 상기 직류 커패시터를 충전하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 충전 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 교류 충전 전압이 입력되는 충전 입력단; 및
    상기 충전 입력단과 상기 충전기 사이에 연결된 릴레이를 더 포함하며,
    상기 컨트롤러는, 상기 릴레이가 개방 상태일 때 상기 제1 배터리를 충전을 개시하기 위한 충전 개시 신호를 입력 받으면, 상기 제2 직류 컨버터 및 상기 제1 직류 컨버터를 역방향 구동하여 상기 제2 배터리에 저장된 전력을 이용하여 상기 직류 커패시터를 사전 설정된 초기 충전 전압까지 충전한 이후 상기 릴레이를 단락 상태로 전환하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 충전 시스템.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    상기 제2 배터리의 충전 상태를 모니터링 하고, 상기 제2 배터리의 충전 상태가 사전 설정된 기준값보다 작은 경우 상기 교류 충전 전압이 상기 충전기로 제공되기 이전에 상기 제1 직류 컨버터를 역방향 구동하여 상기 제1 배터리에 저장된 전력을 이용하여 상기 직류 커패시터를 사전 설정된 초기 충전 전압까지 충전하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 충전 시스템.
  10. 교류 충전 전압을 변환한 직류 전압이 인가되는 직류 커패시터 및 상기 직류 커패시터의 전압의 크기를 변환하는 제1 직류 컨버터를 포함하는 충전기와, 상기 제1 직류 컨버터에 연결되어 상기 제1 직류 컨버터에 의해 변환된 직류 전압을 인가 받아 충전되는 제1 배터리와, 상기 배터리에 연결되어 상기 배터리의 전압의 크기를 변환하는 제2 직류 컨버터와, 상기 제2 직류 컨버터에 의해 변환된 직류 전압을 인가 받는 제2 배터리 및 상기 교류 충전 전압이 입력되는 충전 입력단과 상기 충전기 사이에 연결된 릴레이를 포함하는 차량용 배터리 충전 시스템의 제어 방법에 있어서,
    상기 릴레이가 개방된 상태에서 상기 제1 배터리의 충전을 개시하기 위한 충전 개시 신호를 입력 받는 단계;
    상기 제1 직류 컨버터와 상기 제2 직류 컨버터를 역방향 구동하여 상기 제2 배터리에 저장된 전력을 이용하여 상기 직류 커패시터를 사전 설정된 초기 충전 전압까지 충전하는 단계; 및
    상기 릴레이를 단락 상태로 전환하고 상기 제1 직류 컨버터를 정방향 구동하여 상기 교류 충전 전압을 변환한 전압이 상기 제1 배터리에 인가되게 하여 상기 제1 배터리를 충전하는 단계;
    를 포함하는 차량용 배터리 충전 시스템의 제어 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 제1 배터리를 충전하는 단계 이전에, 상기 제2 배터리의 충전 상태를 모니터링 하는 단계;
    상기 제2 배터리의 충전 상태가 사전 설정된 기준값보다 작은 경우 상기 제1 직류 컨버터를 역방향 구동하여 상기 제1 배터리에 저장된 전력을 이용하여 상기 직류 커패시터를 사전 설정된 초기 충전 전압까지 충전하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 배터리 충전 시스템의 제어 방법.
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