KR20210145889A

KR20210145889A - 전기자동차용 obc 및 ldc 결합 일체형 전력 변환 회로

Info

Publication number: KR20210145889A
Application number: KR1020200062414A
Authority: KR
Inventors: 강필순
Original assignee: 한밭대학교 산학협력단
Priority date: 2020-05-25
Filing date: 2020-05-25
Publication date: 2021-12-03
Also published as: WO2021241831A1; KR102500741B1

Abstract

본 발명은 OBC와 LDC의 일체화를 통하여 종래의 장치보다 저렴하고 부피가 작고 가벼우면서, 동작 모드에 따라 원하는 목표 전압을 출력할 수 있는 전기자동차용 OBC 및 LDC 결합 일체형 전력 변환 회로에 관한 것으로, 전원을 입력으로 고전압 배터리를 충방전시키되, 상기 전원과 상기 고전압 배터리 사이에 구비되는 DC 링크 커패시터와 고주파수 트랜스포머를 포함하는 충전부, 상기 고전압 배터리를 이용하여 보조 배터리를 충전시키는 전력변환부 및 상기 충전부 및 상기 전력변환부 각각을 제어하는 제어부를 포함하되, 상기 충전부와 상기 전력변환부는 상기 DC 링크 커패시터와 상기 고주파수 트랜스포머를 공유하는 것을 특징으로 한다.

Description

전기자동차용 OBC 및 LDC 결합 일체형 전력 변환 회로{Combined power conversion circuit of OBC and LDC for electric vehicles}

본 발명은 전기자동차용 OBC 및 LDC 결합 일체형 전력 변환 회로에 관한 것이다.

OBC(On-Board Charger)는 전기자동차(또는 플러그인 하이브리드 차량)에 포함되는 장치 중 하나로, 전기자동차의 주행에 사용되는 고전압 배터리의 충전을 위해, 외부의 AC 전원을 DC 전원으로 변환시키는 장치이다. 일반적으로 OBC는 전원으로 사용되는 AC 그리드와 고전압 배터리간의 절연을 위해 트랜스포머를 사용한다.

LDC(Low voltage DC-DC Converter)는 전기자동차의 주행에 사용되는 고전압 배터리의 전압을 저전압으로 변환하여 전기자동차의 전장 부품에 전원을 공급하는 보조배터리를 충전하는 장치이다. LDC는 고전압 배터리의 출력에서 약 10배가량의 스텝 다운과, 고전압 배터리 및 보조배터리간의 절연을 위해 OBC와 마찬가지로 트랜스포머를 사용한다.

일반적으로 충전시스템의 중량은 전기자동차 본체의 무게와 직접적으로 관계되기 때문에, 가급적 가벼운 것이 사용되어야 하며, 전기자동차는 운행동안에는 고전압 배터리를 충전하기 위한 충전부를 사용하지 않고, 보조 배터리를 사용하기 때문에, 고전압 배터리와 보조배터리 각각의 충전부는 각 특성을 고려하여 공유될 수 있으며, 이러한 연구가 진행 중에 있다.

이러한 연구의 일예로, 한국등록특허 제10-1903121호("전기자동차용 충전 및 전력변환 겸용 회로", 이하 선행기술 1)에는 절연형 역률보상컨버터를 사용함으로써 회로구성을 간단히 하면서 손실을 줄일 수 있는 전기자동차용 충전 및 전력변환 겸용 회로가 개시되어 있다.

도 1은 선행기술 1의 대표도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 선행기술 1은 입력 교류전원의 노이즈를 제거하기 위한 EMI필터, 상기 EMI필터를 통과한 입력교류전원을 정류하기 위한 정류회로, 제1인덕터, 고주파변압기, 제1스위칭회로, 제2스위칭회로 및 제3커패시터로 구성되며, 상기 정류회로에서 정류된 입력전원의 입력전류를 입력전압과 동상으로 제어하여 역률을 개선하면서 상기 고주파변압기를 통해 절연되는 구조로 상기 고주파변압기의 1차측으로 입력되는 교류입력을 상기 고주파변압기의 2차측으로 전달하는 절연형 역률보상컨버터, 상기 고주파변압기의 3차측 단자에 연결되어, 상기 고주파변압기를 통해 상기 2차측 단자에 연결되는 제2스위칭회로에 의해 전달되는 고전압의 전원을 정류하고 스위칭을 통해 교류를 직류로 변환하기 위한 3차측 정류회로, 상기 3차측 정류회로를 통과한 직류를 평활하기 위한 LC필터를 포함한다. 선행기술 1 또한 OBC와 LDC가 일체형으로 구성되어 있으나, OBC에 포함되는 DC-DC 컨버터와 LDC에 포함되는 DC-DC 컨버터 출력단의 전압 크기 차이가 커, 트랜스포머의 권선비와 스위치 도통비 제어만으로는 목표전압 생성이 어려운 경우에 대응한 대비책이 없는 문제점이 있었다.

한국등록특허 제10-1903121호("전기자동차용 충전 및 전력변환 겸용 회로")

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로써, 본 발명에 의한 전기자동차용 OBC 및 LDC 결합 일체형 전력 변환 회로의 목적은, OBC와 LDC의 일체화를 통하여 종래의 장치보다 저렴하고 부피가 작고 가벼우면서, 동작 모드에 따라 원하는 목표 전압을 출력할 수 있는 전기자동차용 OBC 및 LDC 결합 일체형 전력 변환 회로를 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 의한 전기자동차용 OBC 및 LDC 결합 일체형 전력 변환 회로는, 전원을 입력으로 고전압 배터리를 충방전시키되, 상기 전원과 상기 고전압 배터리 사이에 구비되는 고주파수 트랜스포머를 포함하는 충전부, 상기 고전압 배터리를 이용하여 보조 배터리를 충전시키는 전력변환부 및 상기 충전부 및 상기 전력변환부 각각을 제어하는 제어부를 포함하되, 상기 제어부는 단일의 상기 고주파수 트랜스포머를 이용하여 상기 고전압 배터리를 충방전시키거나, 상기 보조배터리를 충전시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 충전부는, 상기 전원에 연결되어 상기 전원으로부터 입력되는 교류를 직류로 변환시키는 AC-DC 컨버터, 상기 AC-DC 컨버터에 연결되어 충전 또는 방전되는 DC링크 커패시터 및 상기 DC 링크 커패시터와 상기 고전압 배터리 사이에 연결되어, 상기 DC링크 커패시터의 출력전압을 상기 고전압 배터리를 충전시키기 위한 전압으로 변경하는 풀 브릿지 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 풀 브릿지 컨버터의 스위칭 주파수가 높으면 트랜스포머의 사이즈를 줄일 수 있고, 고주파 스위칭의 효율을 향상시키기 위해서는 소정의 스위칭 듀티비를 유지하는 것이 바람직하다. 상기 제어부는, 상기 고전압 배터리의 충전 또는 방전 전력량에 기초하여, 상기 풀 브릿지 컨버터의 반도체 스위치의 스위칭 듀티비를 일정하게 제어하되, 제1 H-Bridge 컨버터(210)를 이용하여 상기 DC 링크 커패시터의 전압을 가변 제어하는 것을 특징으로 한다. 이와 같은 특징으로 인하여, 충전 전력 또는 방전 전력이 가변하더라도, 풀 브릿지 컨버터의 반도체 스위치의 스위칭 듀티비는 일정하게 유지할 수 있으므로, 시스템 효율을 증대시키고, 트랜스포머의 사이즈를 줄일 수 있는 효과가 있다.

또한, 상기 AC-DC 컨버터는 Bridgeless PFC 컨버터인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 AC-DC 컨버터는 상기 전원과 연결되는 제1인덕터 및 상기 전원 및 상기 제1인덕터와 연결되는 제1 H-Bridge 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 풀 브릿지 컨버터는, 상기 DC 링크 커패시터와 상기 고주파수 트랜스포머 사이에 연결되는 제2 H-Bridge 컨버터 및 상기 고주파수 트랜스포머와 연결되어 상기 제2 H-Bridge 컨버터와 절연되고, 상기 고전압 배터리와 연결되는 제3 H-Bridge 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 풀 브릿지 컨버터는, 상기 제3 H-Bridge 컨버터 및 상기 고전압 배터리와 연결되는 제2 인덕터를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 전력변환부는, 상기 DC 링크 커패시터와 상기 보조배터리 사이에 연결되는 양방향 컨버터 및 상기 양방향 컨버터와 상기 보조배터리 사이에 연결되는 제3인덕터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제어부는 상기 컨버터 또는 상기 전원을 제어하여 상기 고전압 배터리의 충전모드, 상기 보조배터리의 충전모드, 상기 보조배터리의 방전모드 및 상기 고전압 배터리의 방전모드 중 어느 하나의 모드로 동작하도록 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제어부는 상기 고전압 배터리의 충전모드로 동작하고, 상기 전원은 상기 AC-DC 컨버터를 이용해 상기 DC 링크 커패시터를 충전하며, 상기 DC 링크 커패시터는 상기 풀 브릿지 컨버터를 이용해 상기 고전압 배터리를 충전하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제어부는 상기 보조배터리의 충전모드로 동작하고, 상기 고전압 배터리는 상기 풀 브릿지 컨버터의 권선비와 위상 쉬프트를 이용하여 상기 DC 링크 커패시터를 충전하며, 상기 DC 링크 커패시터는 상기 전력변환부에 포함되는 양방향 컨버터의 스텝 다운 동작을 통해 상기 보조배터리를 충전하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제어부는 상기 보조배터리의 방전모드로 동작하고, 상기 전력변환부에 포함되는 양방향 컨버터는 상기 보조배터리의 출력으로 상기 DC 링크 커패시터를 충전하고, 상기 DC 링크 커패시터는 상기 풀 브릿지 컨버터를 이용해 상기 고전압 배터리에 상기 보조배터리의 출력을 전달하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제어부는 상기 고전압 배터리의 방전모드로 동작하고, 상기 고전압 배터리는 상기 풀 브릿지 컨버터에 포함되는 고주파수 트랜스포머를 통해 상기 DC 링크 커패시터를 충전하고, 상기 DC 링크 커패시터는 상기 AC-DC 컨버터의 삼각파 비교방법의 반전 동작을 이용해 상기 전원에 출력을 전달하는 것을 특징으로 한다.

상기한 바와 같은 본 발명에 의한 전기자동차용 OBC 및 LDC 결합 일체형 전력 변환 회로에 의하면, 동작 모드에 따라 DC 링크 커패시터의 전압을 양방향 커패시터와 보조배터리를 사용하여 달리 제어함으로써, 트랜스포머의 권선비와 풀 브릿지 컨버터에 포함되는 스위치의 듀티비 제어만으로 목표 전압을 출력할 수 없을 경우, 목표 전압이 출력될 수 있도록 전압을 다르게 공급하여 목표 전압이 출력될 수 있도록 하고, OBC와 LDC를 일체화시켜, 하나의 트랜스포머를 공유함으로써 보다 경제적이고 간략화시킬 수 있는 전기자동차용 OBC 및 LDC 결합 일체형 전력 변환 회로를 제공할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래기술의 전기자동차의 충전 및 전력변환 겸용 회로의 개략도이고,
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 전기자동차용 OBC 및 LDC 결합 일체형 전력 변환 회로의 회로도이며,
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 전기자동차용 OBC 및 LDC 결합 일체형 전력 변환 회로가 OBC 모드로 동작할 때의 개략도이고,
도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 전기자동차용 OBC 및 LDC 결합 일체형 전력 변환 회로가 LDC 모드로 동작할 때의 개략도이며,
도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 전기자동차용 OBC 및 LDC 결합 일체형 전력 변환 회로가 보조배터리 방전모드로 동작할 때의 개략도이고,
도 6은 본 발명의 일실시예에 의한 전기자동차용 OBC 및 LDC 결합 일체형 전력 변환 회로가 고전압 배터리 방전모드로 동작할 때의 개략도이며,
도 7은 OBC 모드의 시뮬레이션 결과의 파형이고,
도 8은 LDC 모드의 시뮬레이션 결과의 파형이며,
도 9는 고전압 배터리 방전모드의 시뮬레이션 결과의 파형이고,
도 10은 보조배터리 방전모드의 시뮬레이션 결과의 파형이다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 전기자동차용 OBC 및 LDC 결합 일체형 전력 변환 회로의 바람직한 실시예에 관하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 전기자동차용 OBC 및 LDC 결합 일체형 전력 변환 회로의 개략적인 회로도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 의한 전기자동차용 OBC 및 LDC 결합 일체형 전력 변환 회로는, AC 그리드(100), 충전부, 고전압 배터리(500), 전력변환부(600) 및 보조배터리(700)를 포함할 수 있으며, 충전부는 AC-DC 컨버터(200), DC 링크 커패시터(300) 및 풀 브릿지 컨버터(400)를 포함할 수 있다. 본 발명이 적용되는 전기자동차의 특성상, 고전압 배터리(500)와 보조 배터리(700)는 수시로 충방전될 수 있는데, 본 발명은 고전압 배터리(500)와 보조 배터리(700)를 충방전하는 장치 중 일부를 공유함으로써, 시스템의 중량과 부피를 감소시킬 수 있다.

AC 그리드(100)는 계통전원으로, 교류 전원을 출력하여 후술할 고전압 배터리(500)를 충전시키거나, 고전압 배터리(500)로부터 잉여 전력을 리턴받는다. 본 발명의 일실시예에 의한 전기자동차용 OBC 및 LDC 결합 일체형 전력 변환 회로가 전기자동차나 플러그인 하이브리드 자동차에 적용될 경우, 고전압 배터리(500)는 차량의 주행을 위한 모터에 전력을 공급하는 역할을 할 수 있으며, 보조 배터리(700)는 차량의 전기부품에 전력을 공급하는 역할을 할 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, AC-DC 컨버터(200)는 AC 그리드(100)와 연결되어, AC 그리드(100)로부터 출력되는 교류 전원을 입력받아 직류로 변환하여 출력한다. 본 발명에 의한 AC-DC 컨버터(200)는 다양한 종류의 컨버터가 사용될 수 있지만, 본 실시예에서 AC-DC 컨버터(200)는 Bridgeless PFC(Power-Factor Correction) 컨버터일 수 있다. Bridgeless PFC 컨버터는 전력변환 효율과 역률을 개선하기 위해 교류 전원을 직류로 변환하는 변환기 회로의 리액턴스 성분으로 인한 위상차를 보상하는 역할을 한다.

AC-DC 컨버터(200)는 AC 그리드(100)와 직렬로 연결된 제1인덕터(L1)와, 제1 H-Bridge 컨버터(210)를 포함하여 구성될 수 있으며, 제1H-Bridge 컨버터(210)는 제1스위치(S1), 제2스위치(S2), 제3스위치(S3) 및 제4스위치(S4)를 포함하여 구성될 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, DC 링크 커패시터(300)는 AC-DC 컨버터(200)에 연결되어 충전 또는 방전된다. DC 링크 커패시터(300)는 본 발명이 동작하는 모드에 따라 다르게 충전되고, 풀 브릿지 컨버터(400)에 전압을 공급하여 풀 브릿지 컨버터(400)의 스위칭 듀티비가 일정하게 고정되더라도 풀 브릿지 컨버터(400)가 원하는 전압을 출력할 수 있도록 함으로써, 듀티비 제어의 효율을 높일 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 풀 브릿지 컨버터(400)는 DC 링크 커패시터(300)와 고전압 배터리(500) 사이에 연결되어, DC 링크 커패시터(300)의 출력전압을 고전압 배터리(500)를 충전시키기 위한 전압으로 변압한다. 풀 브릿지 컨버터(400)는 제2 H-Bridge 컨버터(410), 고주파수 트랜스포머(420) 및 제3 H-Bridge 컨버터(430)를 포함하여 구성될 수 있다.

고주파수 트랜스포머(420)는, 제2 H-Bridge 컨버터(410)와 제3 H-Bridge 컨버터(430) 사이에 배치될 수 있으며, 제2 H-Bridge 컨버터(410)와 제3 H-Bridge(430)를 절연한다. 제2 H-Bridge 컨버터(410)는 DC 링크 커패시터(300)와 연결되고, 제3 H-Bridge 컨버터(430)는 고전압 배터리(500)와 연결된다. 제2 H-Bridge 컨버터(410)는 제5스위치(S5), 제6스위치(S6), 제7스위치(S7) 및 제8스위치(S8)를 포함할 수 있으며, 제3 H-Bridge 컨버터(430)는 제9스위치(S9), 제10스위치(S10), 제11스위치(S11), 제12스위치(S12) 및 제2인덕터(L2)를 포함할 수 있다. 고주파 트랜스포머(420)의 1차측 권선은 2차측 권선보다 낮을 수 있다. 이는 추후 본 발명에 의한 시스템이 하나의 고주파수 트랜스포머(420)를 이용하여 고전압 배터리(500)와 보조배터리(700)의 충방전을 모두 수행할 수 있도록 하기 위함이다. 제2인덕터(L2)는 고전압 배터리(500)의 플러스 단자에 연결된다.

도 2에 도시된 바와 같이, 전력변환부(600)는 제3인덕터(L3) 및 양방향 컨버터(610)를 포함할 수 있으며, 양방향 컨버터(620)는 제13스위치(S13) 및 제14스위치(S14)를 포함하여 구성될 수 있다. 제3인덕터(L3)는 보조배터리(700)의 플러스 단자에 연결될 수 있다. 또한, 전력변환부(600)는 앞서 설명한 충전부(400)에 포함되는 일부 구성인 DC 링크 커패시터(300), 제1 H-Bridge 컨버터(410) 및 고주파수 트랜스포머(420)를 충전부(400)와 공유할 수 있다.

도면에는 도시되어 있지 않지만, 본 발명에 의한 전기자동차용 OBC 및 LDC 결합 일체형 전력 변환 회로는 각각의 컨버터에 포함된 스위치와 AC 그리드(100)를 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.

이하 본 발명의 일실시예에 의한 전기자동차용 OBC 및 LDC 결합 일체형 전력 변환 회로의 동작모드들에 관하여 설명한다.

도 3은 OBC 모드일 때의 전력흐름을 개략적으로 도시한 것이다.

도 3에 도시된 바와 같이, OBC(On Board Charger) 모드는 AC 그리드(100)에서 고전압 배터리(500)를 충전하는 동작 모드이다. OBC 모드에서 AC-DC 컨버터(200)는 AC 그리드(100)에서 출력되는 교류 전원을 직류로 변환하여 출력하여, DC 링크 커패시터(300)를 충전한다. DC 링크 커패시터(300)는 풀 브릿지 컨버터(400)를 통해 고전압 배터리(500)를 충전한다. OBC 모드에서 전력변환부(600) 및 보조 배터리(700)는 사용되지 않을 수 있다.

도 4는 LDC 모드일 때의 전력흐름을 개략적으로 도시한 것이다.

도 4에 도시된 바와 같이, LDC(Low voltage DC-DC Converter) 모드는 고전압 배터리(500)를 통해 보조배터리(700)를 충전하는 동작 모드이다. LDC 모드는 보조 배터리(700)를 충전하기 위해 2단계의 벅(buck) 동작을 수행한다. 먼저, 풀 브릿지 컨버터(400)는 고전압 배터리(500)의 출력전압을 1차적으로 낮춰 DC 링크 커패시터(300)를 충전한다. 이후 DC 링크 커패시터(300)는 양방향 컨버터(610)를 이용해, 출력전압을 2차적으로 낮춰(스텝 다운 동작) 보조배터리(700)를 충전한다.

도 5는 보조배터리 방전모드일 때의 전력흐름을 개략적으로 도시한 것이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 보조배터리 방전모드는 보조배터리(700)를 방전시켜 고전압 배터리(500)를 충전시킨다. 보조배터리 방전모드는 보조배터리(700)에서 고전압 배터리(500)로 잉여전력을 보내기 위해, 2단계 부스트 동작을 수행한다. 보다 구체적으로, 양방향 컨버터(400)는 보조배터리(700)의 출력으로 DC 링크 커패시터(300)를 충전하고, DC 링크 커패시터(300)는 고주파수 트랜스포머(420)의 듀티비 제어를 통해 고전압 배터리(500)를 충전하는 부스트 동작을 수행한다.

도 6은 고전압 배터리 방전 모드일 때의 전력흐름을 개략적으로 도시한 것이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 고전압 배터리(500)의 잉여 전력은 AC 그리드(100)로 전달되며, 고전압 배터리(500)는 풀 브릿지 컨버터(400)를 통해 DC 링크 커패시터(300)를 충전한다. 충전된 DC 링크 커패시터(300)의 직류 전압은 AC-DC 컨버터(200)의 삼각파 비교방법의 인버팅 동작(inverting operation)에 의해 생기는 잉여 전력에 의해 AC 그리드(100)로 반환된다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의한 전기자동차용 OBC 및 LDC 결합 일체형 전력 변환 회로가 OBC 모드, LDC 모드, 보조배터리 방전모드로 동작하기 위해서는 고주파수 트랜스포머(420)의 설계 조건이 필요하다. 단, 상술한 모드들 중, 고전압 배터리 방전 모드는 이하에서 설명할 고주파수 트랜스포머(420)의 설계 조건을 고려할 필요가 없다.

먼저 고려할 조건은, OBC 모드에서 AC 그리드(100)를 이용한 고전압 배터리(500)의 충전이다. AC 그리드(100)는 AC-DC 컨버터(200)를 통해 DC 링크 커패시터(300)를 충전하며, DC 링크 커패시터(300)는 풀 브릿지 컨버터(400)를 이용해 고전압 배터리(500)를 충전한다. 아래 수학식 1과 같이 고전압 배터리(500)의 전압인

은 DC 링크 커패시터(300)의 출력전압은

, 고주파수 트랜스포머(420)의 권선비(제2 H-Bridge 컨버터측 권선은

, 제3 H-Bridge 컨버터측 권선은

) 및 전류가 위상 쉬프트 제어를 통하여 흐를 때의 전도율인

의 곱으로 표현될 수 있다.

[수학식 1]

다음으로 고려해야할 조건은, LDC 모드에서 고전압 배터리(500)를 이용한 보조배터리(700)의 충전이다. LDC 모드에서 고전압 배터리(500)는 고주파수 트랜스포머(420)의 권선비와 위상 쉬프트를 이용해 출력을 1차적으로 낮춰 DC 링크 커패시터(300)를 충전하며, DC 링크 커패시터(300)는 양방향 컨버터(610)의 스텝다운 동작을 이용해 보조배터리(700)를 충전한다. 아래 수학식 2와 같이 보조배터리(700)의 전압

은 고전압 배터리(500)의 전압인

, 고주파수 트랜스포머(420)의 권선비, 전류가 위상 쉬프트 제어를 통해 흐를 때의 전도율인

및 벅 동작에 의한 전도율인

의 곱으로 표현될 수 있다.

[수학식 2]

다음으로 고려해야할 조건은, 보조배터리 방전모드에서 보조배터리(700)를 방전하는 조건이다. 보조배터리 방전모드에서 양방향 컨버터(610)는 DC 링크 커패시터(300)를 충전하고, DC 링크 커패시터(300)는 풀 브릿지 컨버터(400)를 통해 고전압 배터리(500)에 보조배터리(700)의 잉여 전력을 전달한다. 아래 수학식 3과 같이, 고전압 배터리(500)의 전압인

은 보조배터리(700)의 전압인

을 곱하고, 1에서 부스트 동작에 의한 전도율인

을 뺀값을 나눈 것으로 표현된다.

[수학식 3]

아래의 표 1은 본 발명에 의한 전기자동차용 OBC 및 LDC 결합 일체형 전력 변환 회로의 시뮬레이션 결과를 보여준다.

[표 1]

표 1에서 확인할 수 있듯, 제1인덕터(L1)는 1000uH, 제2인덕터(L2) 및 제3인덕터(L3)는 각각 500uH로 설정되고, 고주파수 트랜스포머(420)의 권선비인 N1:N2가 10:26으로 설정된다. 상술한 모든 동작 모드에서 스위칭 주파수는 20kHz, 샘플링 시간은 0.5us로 설정한다.

도 7은 본 발명의 일실시예에 의한 전기자동차용 OBC 및 LDC 결합 일체형 전력 변환 회로가 OBC 모드로 동작할 때의 시뮬레이션 결과이다. 도 7a는 풀 브릿지 컨버터(400)의 게이트 신호이며, 도 7a에 도시된 바와 같이 고주파수 트랜스포머(420)의 턴 비 제어를 통하여, 제5스위치~제8스위치의 듀티비가 고전압 배터리(500)를 충전하기 위한 전압을 생성하기 위해 조절된다. AC-DC 컨버터(200)를 통하여 DC 링크 커패시터(300)는 380V로 충전되고, 고주파수 트랜스포머(420)의 1차측 입력 전압이 된다.

도 7b는 고주파수 트랜스포머(420)의 1차측 전압

과 전류

, 2차측의 전압

과 전류

가 도시되어 있다. 제5스위치(S5)와 제8스위치(S8)는 플러스 전압을 생성하고, 제6스위치(S6)와 제7스위치(S7)는 마이너스 전압을 생성한다. 도 7c는 제2인덕터(L2)의 전류 파형이다.

도 8은 LDC 모드의 시뮬레이션 결과이다.

도 8a는 LDC 모드에서 고전압 배터리(500)를 통해 고주파수 트랜스포머(420)의 2차측과 1차측 전류/전압 파형을 도시한 것이다. DC 링크 커패시터(300)는 80V로 충전된다. 도 8b는 양방향 컨버터(610)가 벅 모드일 때,(DC 링크 커패시터(300)의 출력전압으로 보조배터리(700)를 충전할 때) 제3인덕터(L3)의 전류파형과 제14스위치(S14)의 게이트 신호를 도시한 것이다.

도 9는 보조배터리 방전 모드의 시뮬레이션 결과이다.

도 9a는 보조배터리 방전 모드에서 고주파수 트랜스포머(420)의 1차측 전압

과 전류

, 2차측의 전압

과 전류

파형을 도시한 것이다. DC 링크 커패시터(300)는 110V로 충전된다. 도 9b는 양방향 컨버터(610)가 부스트 모드(보조배터리(700)에서 DC 링크 커패시터(300)를 충전시킬 때) 제14스위치(S14)의 전류와 전압을 도시한 것이다. 제14스위치(S14)의 전류는 제2인덕터(L2)의 전류이다.

도 10은 고전압 배터리 방전모드의 시뮬레이션 결과이다.

도 10a는 고전압 배터리 방전 모드에서 고주파수 트랜스포머(420)의 1차측 전압

과 전류

, 2차측의 전압

과 전류

파형을 도시한 것이다. 도 10b는 출력전압과 출력전류를 도시한 것으로, AC 그리드(100)의 전압인

와 제1인덕터(L1) 전류

를 도시한 것이다.

시뮬레이션은 DC 링크 커패시터의 전압을 가변하면서 수행되었다. 즉, 본 발명은 DC 링크 커패시터(300)의 전압을 다르게 충전하고, 풀 브릿지 컨버터(400)의 위상 쉬프트 동작은 효과적인 듀티-비 가변성과 ZVS(Zero Voltage Switching)를 가능하게 하여, 하나의 트랜스포머만을 이용하여 고전압 배터리(500)의 충방전과 보조배터리(700)의 충방전이 가능하게 한다. 본 발명의 전기자동차용 OBC 및 LDC 결합 일체형 전력 변환 회로는 하이브리드 자동차와 전기자동차에 사용되는 OBC와 LDC의 결합 구조에서 트랜스포머를 하나만 사용하고, DC 링크 전압 가변 기능을 제공한다. 본 발명의 시스템은 3가지 동작 모드를 고려하여 고주파수 트랜스포머(420)의 와인딩 비율을 제공하였다. 고전압 배터리가 전원을 통해 충전될 때, 고주파수 트랜스포머(420)의 와인딩비는 일반적으로는 스탭 다운 와인딩의 비에 설정되지만, 본 발명에서는 스텝 업 와인딩 비로 설정된다. 격리된 풀 브릿지 컨버터(400)의 위상 쉬프트는 ZVS와 넓은 전압 제어폭을 가능하게 한다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것 일 뿐, 본 발명은 상기의 일 실시예에 한정되는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허 청구 범위뿐 아니라 이 특허 청구 범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

100 : AC 그리드
200 : AC-DC 컨버터
210 : 제1 H-Bridge 컨버터
300 : DC 링크 커패시터
400 : 풀 브릿지 컨버터
410 : 제2 H-Bridge 컨버터
420 : 고주파수 트랜스포머
430 : 제3 H-Bridge 컨버터
500 : 고전압 배터리
600 : 전력변환부
610 : 양방향 컨버터
700 : 보조배터리
L1 ~ L3 : 제1인덕터 ~ 제3인덕터
S1 ~ S14 : 제1스위치 ~ 제14스위치

Claims

전원을 입력으로 고전압 배터리를 충방전시키되, 상기 전원과 상기 고전압 배터리 사이에 구비되는 DC 링크 커패시터 및 상기 DC 링크 커패시터와 상기 고전압 배터리 사이에 구비된 트랜스포머를 포함하는 충전부;
상기 전원 또는 상기 고전압 배터리로부터 입력된 전력을 이용하여 보조 배터리를 충전시키는 전력변환부; 및
상기 충전부 및 상기 전력변환부 각각을 제어하는 제어부;
를 포함하되,
상기 충전부와 상기 전력변환부는 상기 DC 링크 커패시터와 상기 트랜스포머를 공유하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 회로.
제1항에 있어서,
상기 충전부는,
상기 전원에 연결되어 상기 전원으로부터 입력되는 교류를 직류로 변환시키는 AC-DC 컨버터;를 포함하며,
상기 DC 링크 커패시터는 상기 AC-DC 컨버터에 연결되어 충전 또는 방전되고,
상기 DC 링크 커패시터와 상기 고전압 배터리 사이에 연결되어, 상기 DC링크 커패시터의 출력전압을 상기 고전압 배터리를 충전시키기 위한 전압으로 변경하는 풀 브릿지 컨버터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 회로.
제2항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 고전압 배터리의 충전 또는 방전 전력량에 기초하여, 상기 풀 브릿지 컨버터의 반도체 스위치의 스위칭 듀티비를 일정하게 제어하되, 제1 H-Bridge 컨버터를 이용하여 상기 DC 링크 커패시터의 전압을 가변 제어하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 회로.
제2항에 있어서,
상기 AC-DC 컨버터는 Bridgeless PFC 컨버터인 것을 특징으로 하는 전력 변환 회로.
제2항에 있어서,
상기 AC-DC 컨버터는 상기 전원과 연결되는 제1인덕터; 및
상기 전원 및 상기 제1인덕터와 연결되는 제1 H-Bridge 컨버터;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 회로.
제2항에 있어서,
상기 풀 브릿지 컨버터는,
상기 DC 링크 커패시터와 상기 트랜스포머 사이에 연결되는 제2 H-Bridge 컨버터; 및
상기 트랜스포머와 연결되어 상기 제2 H-Bridge 컨버터와 절연되고, 상기 고전압 배터리와 연결되는 제3 H-Bridge 컨버터;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 회로.
제6항에 있어서,
상기 풀 브릿지 컨버터는,
상기 제3 H-Bridge 컨버터 및 상기 고전압 배터리와 연결되는 제2 인덕터;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 회로.
제2항에 있어서,
상기 전력변환부는,
상기 DC 링크 커패시터와 상기 보조배터리 사이에 연결되는 양방향 컨버터; 및
상기 양방향 컨버터와 상기 보조배터리 사이에 연결되는 제3인덕터;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 회로.
제2항에 있어서,
상기 제어부는 상기 컨버터 또는 상기 전원을 제어하여 상기 고전압 배터리의 충전모드, 상기 보조배터리의 충전모드, 상기 보조배터리의 방전모드 및 상기 고전압 배터리의 방전모드 중 어느 하나의 모드로 동작하도록 하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 회로.
제9항에 있어서,
상기 제어부는 상기 고전압 배터리의 충전모드로 동작하고,
상기 전원은 상기 AC-DC 컨버터를 이용해 상기 DC 링크 커패시터를 충전하며,
상기 DC 링크 커패시터는 상기 풀 브릿지 컨버터를 이용해 상기 고전압 배터리를 충전하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 회로.
제9항에 있어서,
상기 제어부는 상기 보조배터리의 충전모드로 동작하고,
상기 고전압 배터리는 상기 풀 브릿지 컨버터의 권선비와 위상 쉬프트를 이용하여 상기 DC 링크 커패시터를 충전하며,
상기 DC 링크 커패시터는 상기 전력변환부에 포함되는 양방향 컨버터의 스텝 다운 동작을 통해 상기 보조배터리를 충전하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 회로.
제9항에 있어서,
상기 제어부는 상기 보조배터리의 방전모드로 동작하고,
상기 전력변환부에 포함되는 양방향 컨버터는 상기 보조배터리의 출력으로 상기 DC 링크 커패시터를 충전하고, 상기 DC 링크 커패시터는 상기 풀 브릿지 컨버터를 이용해 상기 고전압 배터리에 상기 보조배터리의 출력을 전달하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 회로.
제9항에 있어서,
상기 제어부는 상기 고전압 배터리의 방전모드로 동작하고,
상기 고전압 배터리는 상기 풀 브릿지 컨버터에 포함되는 트랜스포머를 통해 상기 DC 링크 커패시터를 충전하고, 상기 DC 링크 커패시터는 상기 AC-DC 컨버터의 삼각파 비교방법의 반전 동작을 이용해 상기 전원에 출력을 전달하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 회로.