KR20220158505A - Bidirectional charging system for vehicle - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 차량용 양방향 충전 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 차량 내 배터리를 충전하기 위한 전력 변환, 차량 내 배터리에 저장된 전력을 계통 또는 부하 또는 차량에 구비된 모터로 제공하기 위한 전력 변환이 가능한 차량용 양방향 충전 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a bidirectional charging system for a vehicle, and more particularly, to a vehicle capable of converting power to charge a battery in a vehicle and converting power to provide power stored in a battery in a vehicle to a system, a load, or a motor included in the vehicle. It relates to a two-way charging system.
최근, 세계적인 이산화탄소 배출량 저감 추세에 따라 화석 연료의 연소를 통해 주행 동력을 생성하는 전형적인 내연 기관 자동차 대신 배터리와 같은 에너지 저장 장치에 저장된 전기 에너지로 모터를 구동하여 주행 동력을 생성하는 전기 자동차에 대한 수요가 크게 증가하고 있다.Recently, demand for electric vehicles that generate driving power by driving a motor with electric energy stored in an energy storage device such as a battery instead of a typical internal combustion engine vehicle that generates driving power through burning fossil fuels according to the global trend of reducing carbon dioxide emissions. is increasing significantly.
전기 자동차의 경우 차량의 주행 동력을 생성하기 위한 모터에 공급되는 전기 에너지를 저장하는 배터리를 구비하고 이 배터리를 충전하기 위해 외부의 전력을 배터리의 충전에 사용되는 전력으로 변환하는 탑재형 충전기를 구비한다.In the case of an electric vehicle, a battery is provided to store electric energy supplied to a motor for generating driving power of the vehicle, and an on-board charger is provided to convert external power into power used for charging the battery to charge the battery. do.
한편, 최근 전기 자동차에 구비되는 배터리의 용량이 증가함에 따라 차량의 배터리에 저장된 에너지를 계통 또는 전기 부하로 공급하기 위한 V2G(Vehicle to Grid) 또는 V2L(Vehicle to Load) 기술에 대한 개발이 요구되고 있다. 또한, 구동축의 양측에 연결된 휠에 보조 모터를 구비하여 각 구동 휠의 속도를 개별적으로 제어하여 주행 안정성을 확보하기 위한 토크 벡터링 기술이 연구 개발되고 있다.On the other hand, as the battery capacity of electric vehicles has recently increased, the development of V2G (Vehicle to Grid) or V2L (Vehicle to Load) technology for supplying the energy stored in the battery of the vehicle to the grid or electric load is required. have. In addition, torque vectoring technology is being researched and developed to secure driving stability by providing auxiliary motors to wheels connected to both sides of a driving shaft to individually control the speed of each driving wheel.
이와 같이, 전기 자동차는 단순히 배터리를 충전하기 위한 충전기뿐만 아니라, V2G 또는 V2L 구현하기 위한 회로, 토크 벡터링을 위한 보조 모터를 구동하기 위한 회로 등 다양한 전력 변환을 위한 회로가 요구되고 있다.As described above, electric vehicles require circuits for various power conversions, such as a circuit for realizing V2G or V2L, a circuit for driving an auxiliary motor for torque vectoring, as well as a charger for simply charging a battery.
이러한 다양한 전력 변환용 회로를 개별적으로 차량에 구비하는 경우 각각의 전력 변환용 회로를 구현하기 위한 많은 수의 전기 부품이 요구되고, 이에 따라 회로 구조가 복잡해질 뿐만 아니라 회로 구현을 위한 비용이 증가하게 되는 문제가 발생할 수 있다.When these various power conversion circuits are individually provided in a vehicle, a large number of electrical parts are required to implement each power conversion circuit, and accordingly, not only the circuit structure is complicated, but also the cost for circuit implementation increases. problems can arise.
상기 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.The matters described as the background art are only for improving understanding of the background of the present invention, and should not be taken as an admission that they correspond to prior art already known to those skilled in the art.
이에 본 발명은, 차량 내 배터리를 충전하기 위한 전력 변환, 차량 내 배터리에 저장된 전력을 계통 또는 부하 또는 차량에 구비된 모터로 제공하기 위한 전력 변환을 최소한의 전기 부품을 이용하여 구현할 수 있는 차량용 양방향 충전 시스템을 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.Therefore, the present invention is a two-way vehicle that can implement power conversion for charging the battery in the vehicle and power conversion for providing power stored in the battery in the vehicle to the system, load, or motor provided in the vehicle using a minimum of electrical components. Providing a charging system is a technical challenge to be solved.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,As a means for solving the above technical problem, the present invention,
배터리의 양단 사이에 서로 직렬 연결된 두 개의 제1 스위칭 소자를 각각 포함하는 복수의 레그를 갖는 제1 브릿지 회로;a first bridge circuit having a plurality of legs each including two first switching elements connected in series between both ends of the battery;
상기 배터리의 양단 사이에 서로 직렬 연결된 두 개의 제2 스위칭 소자를 각각 포함하는 복수의 레그를 갖는 제2 브릿지 회로;a second bridge circuit having a plurality of legs each including two second switching elements connected in series between both ends of the battery;
계통 또는 부하 측에 연결되는 복수의 1차측 권선 및 상기 복수의 1차측 권선과 절연된 복수의 2차측 권선을 갖는 트랜스포머;a transformer having a plurality of primary windings connected to a system or a load side and a plurality of secondary windings insulated from the plurality of primary windings;
상기 복수의 2차측 권선을, 상기 제1 브릿지 회로 내의 일 레그에 포함된 두 개의 제1 스위칭 소자의 연결 노드 및 상기 제2 브릿지 회로 내의 일 레그에 포함된 두 개의 제2 스위칭 소자의 연결 노드 중 하나에 각각 선택적으로 연결하는 복수의 릴레이;The plurality of secondary windings are selected from among a connection node of two first switching elements included in one leg in the first bridge circuit and a connection node between two second switching elements included in one leg in the second bridge circuit. A plurality of relays each selectively connected to one;
상기 제1 브릿지 회로의 복수의 레그에 각각 포함된 두 개의 제1 스위칭 소자의 연결 노드에 연결되어 각 상의 전압을 입력 받는 모터; 및a motor connected to connection nodes of two first switching elements included in each of the plurality of legs of the first bridge circuit to receive voltages of each phase; and
사전 설정된 동작 모드에 따라 상기 복수의 릴레이의 연결 상태를 제어하는 컨트롤러;a controller controlling the connection state of the plurality of relays according to a preset operation mode;
를 포함하는 차량용 양방향 충전 시스템을 제공한다.It provides a two-way charging system for a vehicle comprising a.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 차량 정차 중 상기 배터리를 충전하는 제1 동작 모드 및 차량 정차 중 상기 배터리로부터 외부의 계통 또는 부하로 전력을 공급하는 제2 동작 모드에서, 상기 복수의 2차측 권선을 상기 제1 브릿지 회로 내의 일 레그에 포함된 두 개의 제1 스위칭 소자의 연결 노드에 각각 연결할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the controller, in a first operation mode of charging the battery while the vehicle is stopped and a second operation mode of supplying power from the battery to an external system or load while the vehicle is stopped, the plurality of A secondary side winding may be respectively connected to connection nodes of two first switching elements included in one leg in the first bridge circuit.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 제1 동작 모드에서, 상기 2차측 권선의 전압을 정류하여 상기 배터리로 제공하도록 상기 제1 스위칭 소자를 제어할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the controller may control the first switching element to rectify the voltage of the secondary side winding and provide it to the battery in the first operation mode.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 제2 동작 모드에서, 상기 배터리의 전압을 교류 전압으로 변환하여 상기 2차측 권선에 제공하도록 상기 제1 스위칭 소자를 제어할 수 있다.In one embodiment of the present invention, in the second operation mode, the controller may control the first switching element to convert the voltage of the battery into an AC voltage and provide the converted AC voltage to the secondary winding.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 차량 주행 중 상기 모터를 구동하거나 부하로 전력을 공급하는 제3 동작 모드에서, 상기 복수의 2차측 권선을 상기 제2 브릿지 회로 내의 일 레그에 포함된 두 개의 제2 스위칭 소자의 연결 노드에 각각 연결할 수 있다.In one embodiment of the present invention, in a third operation mode in which the motor is driven or power is supplied to a load while the vehicle is running, the controller includes the plurality of secondary windings in one leg in the second bridge circuit. Each of the connection nodes of the two second switching elements may be connected.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 제1 브릿지 회로가 상기 모터를 구동하기 위한 구동 전력을 생성하는 인버터로 동작하도록 상기 제1 스위칭 소자를 제어하며, 상기 제2 브릿지 회로가 상기 배터리의 전압을 교류 전압으로 변환하여 상기 2차측 권선에 제공하도록 상기 제2 스위칭 스위칭 소자를 제어할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the controller controls the first switching element so that the first bridge circuit operates as an inverter generating driving power for driving the motor, and the second bridge circuit operates as the battery It is possible to control the second switching switching element to convert the voltage of AC voltage to the secondary side winding.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 브릿지 회로는 3 개의 레그를 포함하며, 상기 제2 브릿지 회로는 2 개의 레그로 구성될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the first bridge circuit may include three legs, and the second bridge circuit may include two legs.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 복수의 릴레이는, 상기 복수의 2차측 권선 중 두 개를 각각 상기 제1 브릿지 회로 내의 두 레그에 각각 포함된 두 개의 제1 스위칭 소자의 연결 노드 및 상기 제2 브릿지 회로 내의 두 레그에 각각 포함된 두 개의 제2 스위칭 소자의 연결 노드 중 하나에 선택적으로 연결하는 두 개의 3점식 릴레이와, 상기 복수의 2차측 권선 중 하나를 상기 제1 브릿지 회로 내의 일 레그에 포함된 두 개의 제1 스위칭 소자의 연결 노드에 연결/개방하는 하나의 2점식 릴레이를 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the plurality of relays connect two of the plurality of secondary windings to a connection node of two first switching elements respectively included in two legs in the first bridge circuit and the second Two three-point relays selectively connected to one of the connection nodes of two second switching elements respectively included in two legs in the bridge circuit, and one of the plurality of secondary windings to one leg in the first bridge circuit It may include one two-way relay that connects to/opens the connection node of the two included first switching elements.
상기 차량용 양방향 충전 시스템에 따르면, 주행 중 모터 구동/V2L 모드에서 차량 주행 성능 확보를 위한 토크 벡터링과 차량 실내의 작은 부하로의 전력을 공급을 동시에 수행하여 차량 성능 및 상품성을 향상시킬 수 있다.According to the bidirectional charging system for a vehicle, torque vectoring for securing vehicle driving performance and power supply to a small load inside the vehicle are simultaneously performed in a motor driving/V2L mode while driving, thereby improving vehicle performance and marketability.
또한, 상기 차량용 양방향 충전 시스템에 따르면, 토크 벡터링을 위한 보조 구동용 모터를 충전기 내 마련된 직류-직류 컨버터의 브릿지 회로를 활용하여 구동함으로써 보조 구동용 모터를 위한 별도의 인버터가 요구되지 않는다. 이에 따라, 상기 차량용 양방향 충전 시스템에 따르면, 모터 구동 회로 추가에 따른 회로 사이즈 증대 및 비용 증가를 억제할 수 있다.In addition, according to the bidirectional charging system for a vehicle, a separate inverter for the auxiliary driving motor is not required by driving the auxiliary driving motor for torque vectoring using the bridge circuit of the DC-DC converter provided in the charger. Accordingly, according to the bidirectional charging system for a vehicle, an increase in circuit size and cost due to the addition of a motor driving circuit can be suppressed.
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.The effects obtainable in the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the description below. will be.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 차량용 양방향 충전 시스템의 동작 모드 별 상태를 도시한 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 차량용 양방향 충전 시스템의 정차 중 배터리 충전 모드 시 회로 내 주요 위치의 전압/전류를 도시한 파형도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 차량용 양방향 충전 시스템의 정차 중 V2G/V2L 모드 시 회로 내 주요 위치의 전압/전류를 도시한 파형도이다.1 and 2 are circuit diagrams showing states for each operation mode of a bidirectional charging system for a vehicle according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a waveform diagram illustrating voltage/current at major positions in a circuit in a battery charging mode while the vehicle is stopped in a bidirectional charging system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a waveform diagram illustrating voltage/current at a main position in a circuit in a V2G/V2L mode while a vehicle bidirectional charging system according to an embodiment of the present invention is stopped.
이하, 첨부의 도면을 참조하여 다양한 실시형태에 따른 차량용 양방향 충전 시스템을 더욱 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, a bidirectional charging system for a vehicle according to various embodiments will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 차량용 양방향 충전 시스템의 동작 모드 별 상태를 도시한 회로도이다.1 and 2 are circuit diagrams showing states for each operation mode of a bidirectional charging system for a vehicle according to an embodiment of the present invention.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 차량용 양방향 충전 시스템은, 배터리(100)의 양단 사이에 서로 직렬 연결된 두 개의 제1 스위칭 소자를 각각 포함하는 복수의 레그(41, 42, 43)를 갖는 제1 브릿지 회로(40)와, 배터리(100)의 양단 사이에 서로 직렬 연결된 두 개의 제2 스위칭 소자를 각각 포함하는 복수의 레그(51, 52)를 갖는 제2 브릿지 회로(50)와, 계통 또는 부하 측에 연결되는 복수의 1차측 권선 및 상기 복수의 1차측 권선과 절연된 복수의 2차측 권선을 갖는 트랜스포머(30)와, 복수의 2차측 권선 중 하나를, 제1 브릿지 회로(40) 내의 일 레그(41, 42, 43)에 포함된 두 개의 제1 스위칭 소자의 연결 노드 및 제2 브릿지 회로(50) 내의 일 레그(51, 52)에 포함된 두 개의 제2 스위칭 소자의 연결 노드 중 하나에 선택으로 연결하는 복수의 릴레이(R1, R2, R3)와, 제1 브릿지 회로(40)의 복수의 레그(41, 42, 43)에 각각 포함된 두 개의 제1 스위칭 소자의 연결 노드에 연결되어 각 상의 전압을 입력 받는 모터(200) 및 사전 설정된 동작 모드에 따라 복수의 릴레이(R1, R2, R3)의 연결 상태를 제어하는 컨트롤러(300)를 포함하여 구성될 수 있다.1 and 2, the bidirectional charging system for a vehicle according to an embodiment of the present invention includes a plurality of
일반적으로, 양방향 충전기는, 양방향으로 파워링이 가능한 직류-직류 컨버터를 구비하는 충전기로서, 계통에서 배터리 충전을 위한 교류 전력 제공받아 역률을 보상하고 직류 전압을 형성하는 역률 보상(Power Factor Correction: PFC) 회로와 역률 보상 회로에서 출력되는 직류 전압의 크기를 배터리 충전이 가능한 크기로 변환하는 양방향 직류-직류 컨버터를 포함할 수 있다. 배터리로부터 전력을 공급하는 V2G 또는 V2L 동작을 위해서, 양방향 직류-직류 컨버터가 배터리의 전압 크기를 적절하게 변환하고, 역률 보상 회로가 인버터로 동작함으로써 외부의 계통이나 부하로 교류 전력을 제공할 수 있다.In general, a bidirectional charger is a charger equipped with a DC-DC converter capable of powering in both directions, and receives AC power for battery charging from a system to compensate for the power factor and form a DC voltage (Power Factor Correction: PFC). ) circuit and a bidirectional DC-DC converter that converts the size of the DC voltage output from the power factor correction circuit into a size capable of charging the battery. For V2G or V2L operation that supplies power from the battery, the bidirectional DC-DC converter appropriately converts the voltage of the battery and the power factor correction circuit operates as an inverter to provide AC power to an external system or load. .
본 발명의 여러 실시형태에 따른 양방향 충전 시스템 역시, 역률 보상 회로(10)와 양방향 직류-직류 컨버터를 구성하는 브릿지 회로(20, 40) 및 트랜스포머(30)를 포함할 수 있다.The bi-directional charging system according to various embodiments of the present invention may also include the
역률 보상 회로(10)는 인덕터와 스위칭 소자들로 구현될 수 있다. 도 1 및 도 2에 도시된 역률 보상 회로(10)는 단상 및 3상 교류 입력에 대응하기 위한 회로 구성으로 도시되고 있다.The power
더욱 구체적으로, 역률 보상 회로(10)는 각 상의 계통 또는 부하와 각각 일단이 연결된 복수의 인덕터와 브릿지 회로를 구성하는 복수의 스위칭 소자를 포함하는 형태를 가질 수 있다. 하나의 인덕터의 타단은 브릿지 회로의 일 레그(11, 12, 13)를 구성하는 두 스위칭 소자의 연결 노드에 연결될 수 있다. 역률 보상 회로(10)의 각 레그(11, 12, 13)의 양단은 직류 전압을 형성하기 위한 커패시터(Cdc)의 양단에 연결될 수 있다. More specifically, the power
이러한 연결 관계에 의해, 각 상에 대응되는 인덕터 및 스위칭 회로의 연결 관계는 통상적인 역률 보상 회로(10)에 적용되는 부스트 컨버터 토폴로지를 형성하게 된다.Due to this connection relationship, the connection relationship between the inductor and the switching circuit corresponding to each phase forms a boost converter topology applied to the conventional power
양방향 직류-직류 컨버터를 구성하는 브릿지 회로 중 계통 또는 부하 측, 즉 역률 보상 회로(10)와 직결되는 브릿지 회로(20)는 커패시터(Cdc)의 양단에 서로 병렬 관계로 연결되는 복수의 레그(21, 22, 23)를 포함할 수 있으며, 각 레그(21, 22, 23)는 서로 직렬 연결된 두 개의 스위칭 소자를 포함할 수 있다.Among the bridge circuits constituting the bidirectional DC-DC converter, the
각 레그(21, 22, 23)에 포함된 스위칭 소자의 연결 노드에는 트랜스포머(30)의 1차측 권선이 연결될 수 있다.A primary winding of the
본 발명의 일 실시형태에서, 양방향 직류-직류 컨버터의 트랜스포머(30)의 1차측 권선에 연결된 브릿지 회로(20)는 세 개의 레그를 갖도록 구성되어 서로 다른 세 위상의 교류 전압을 생성하도록 구현될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the
이에 따라 양방향 직류-직류 컨버터의 2차측 권선에 연결된 브릿지 회로(제1 브릿지 회로)(40) 역시, 트랜스포머(30)에 의해 크기가 조정된 서로 다른 세 위상의 교류 전압을 직류 전압으로 정류하기 위한 세 개의 레그(41, 42, 43)로 구성될 수 있다.Accordingly, the bridge circuit (first bridge circuit) 40 connected to the secondary side winding of the bidirectional DC-DC converter is also for rectifying the AC voltage of three different phases scaled by the
특히, 본 발명의 여러 실시형태는, 차량의 실내에 제공되는 작은 부하의 전원을 생성하기 위한 추가의 브릿지 회로(50)를 추가하고, 토크 벡터링을 위한 보조 모터(200)의 상전압 입력단을 직류-직류 컨버터의 배터리측 브릿지 회로(40)에 직결하며, 별도의 릴레이(R1-R3)를 추가하여 동작 모드에 따라 양방향 직류-직류 컨버터를 구성하는 트랜스포머(30)의 2차측, 즉 배터리측 권선과 브릿지 회로들(40, 50)을 선택적으로 연결되게 할 수 있다. In particular, in various embodiments of the present invention, an
추가의 브릿지 회로(제2 브릿지 회로)(50)는 차량 내에 사용되는 작은 부하들의 전원을 제공하기 위한 것으로, 대부분의 작은 부하들이 단상임을 고려하여 두 개의 레그(51, 52)를 가질 수 있다. 즉, 브릿지 회로(50)는 단상 교류를 생성하는 인버터 회로일 수 있다.The additional bridge circuit (second bridge circuit) 50 is for providing power to small loads used in a vehicle, and may have two
이상에서 설명한 바와 같이, 적어도 세 개의 레그를 갖는 브릿지 회로(20, 40) 사이의 전력 전달을 위해, 트랜스포머(30)는 1차측 및 2차측 권선 각각이 적어도 3 개로 구성되어 서로 전자기적 유도가 형성되는 형태의 다상 트랜스포머로 구현될 수 있다. As described above, in order to transfer power between the
배터리(100)는 전기 자동차 등과 같이 전기 에너지로 구동되는 친환경 차량에서 차량 구동용 모터로 고전압의 직류 전력을 제공하도록 전기 에너지를 저장하는 요소이다. 배터리(100)는 전술한 것과 같은 역률 보상 회로(10) 및 직류-직류 컨버터를 통해 제공되는 충전 전력을 제공받아 충전될 수 있다. The
본 발명의 일 실시형태에서, 배터리(100)는 양방향 파워링이 가능한 충전기를 통해 계통이나 부하로 전력을 공급하는 전력 공급원이 될 수 있으며, 토크 벡터링을 위해 마련된 보조 구동용 모터(200)에 구동 에너지를 공급하는 전력 공급원이 될 수도 있다.In one embodiment of the present invention, the
본 발명의 일 실시형태에서, 모터(200)는 토크 벡터링을 위해 각 구동 휠에 설치된 보조 구동용 모터일 수 있다. 물론, 모터(200)는 차량 내에 구비되며 고전압에 의해 동작할 수 있는 다른 모터일 수도 있다. 모터(200)는, 구동 전압 및 구동 전류가 입력되는 각 상 입력단이 브릿지 회로(40)의 각 레그에 포함된 두 스위칭 소자의 연결 노드에 각각 직결될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the
릴레이(R1-R3)는 구동 모드에 따른 컨트롤러(300)의 제어에 의해 동작할 수 있으며, 트랜스포머(30)의 2차측 권선을 브릿지 회로(40)의 각 레그에 포함된 두 스위칭 소자의 연결 노드 및 브릿지 회로(50)의 각 레그에 포함된 두 스위칭 소자의 연결 노드에 선택적으로 연결하는 3점식 릴레이일 수 있다.The relays R1 to R3 may be operated under the control of the
전술한 바와 같이, 브릿지 회로(40)은 3상에 대응되는 세 개의 레그를 가지며, 브릿지 회로(50)는 단상 출력을 위한 두 개의 레그를 가질 수 있으므로, 릴레이 중 하나(R3)는 2차측 권선과 브릿지 회로(40) 내의 일 레그 내 두 스위칭 소자의 연결 노드간 연결 상태만 결정하는 2점식 릴레이로 구현될 수 있다.As described above, since the
컨트롤러(300)는 차량의 운행 상태 및 운전자 입력 등에 의해 상위 제어기에 결정되는 동작 모드를 입력 받고, 입력 받은 동작 모드에 따라 릴레이(R1-R3)의 상태를 제어할 수 있다. 또한, 컨트롤러(300)는 각 동작 모드에 대응되도록 각 구성요소들에 포함된 스위칭 소자를 적절하게 제어하여 각 동작 모드에 해당하는 파워링이 이루어지게 할 수 잇다.The
이하에서는 각 동작 모드별로 컨트롤러(300)에 의해 이루어지는 릴레이(R1, R2, R3) 제어 및 각 회로들의 동작 제어 동작에 대해 상세하게 설명하기로 한다. Hereinafter, the control of the relays R1, R2, and R3 performed by the
본 발명의 일 실시형태에 따른 차량용 양방향 충전 시스템은 정차 중 배터리 충전 모드, 정차 중 V2G/V2L 모드, 주행 중 모터 구동/V2L 모드로 동작할 수 있다.The interactive charging system for a vehicle according to an embodiment of the present invention can operate in a battery charging mode while stopping, a V2G/V2L mode while stopping, and a motor driving/V2L mode while driving.
정차 중 배터리 충전 모드Battery charging mode while stationary
정차 중 배터리 충전 모드에서, 컨트롤러(300)는 상위 제어기로부터 해당 모드에 대한 지시를 입력 받고, 도 1에 도시된 것과 같이 릴레이의 상태를 제어할 수 있다. 더욱 구체적으로, 컨트롤러(300)는, 트랜스포머(30)의 2차측 권선 각각과 브릿지 회로(40)의 레그(41, 42, 43) 내 두 스위칭 소자의 연결 노드가 서로 전기적 접속을 형성하도록 릴레이(R1, R2, R3)의 상태를 제어할 수 있다. In the battery charging mode while the vehicle is stopped, the
이러한 제어에 의해, 트랜스포머(30)의 2차측 권선은 브릿지 회로(40)와 전기적 연결을 형성할 수 있으며, 브릿지 회로(40)가 정류기로 동작함으로써 계통 측에서 2차측 권선에 전달된 에너지가 배터리(100)로 제공되어 배터리(100)가 충전될 수 있다.By this control, the secondary winding of the
이러한 충전 모드에서 각 구성 회로들은 전형적인 충전기의 구성 요소로서 동작할 수 있다. 즉, 컨트롤러(10)는 역률 보상 회로(10) 내 스위칭 소자들을 적절히 제어하여 사전 설정된 크기의 직류 전압이 커패시터(Cdc)에 인가되게 할 수 있으며, 브릿지 회로(20)와 트랜스포머(30) 및 브릿지 회로(40)로 구성되는 직류-직류 컨버터의 출력 전압 및 출력 전류가 사전 설정된 지령값들에 상응하도록 브릿지 회로(20, 40) 내의 스위칭 소자들을 적절히 제어할 수 있다. In this charging mode, each component circuit can operate as a component of a typical charger. That is, the
이러한, 역률 보상 회로(10)의 스위칭 소자 제어 및 직류-직류 컨버터 내 마련된 브릿지 회로(20, 40)의 스위칭 소자 제어는 당 기술 분야에 기 공지된 다양한 방법에 의해 수행될 수 있다.The switching device control of the power
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 차량용 양방향 충전 시스템의 정차 중 배터리 충전 모드 시 회로 내 주요 위치의 전압/전류를 도시한 파형도이다.FIG. 3 is a waveform diagram illustrating voltage/current at major positions in a circuit in a battery charging mode while the vehicle is stopped in a bidirectional charging system according to an embodiment of the present invention.
도 3의 (a)에 나타난 것과 같이 배터리(100)로 제공되는 전압(Vout)은 일정한 직류 전압값이 되며, (b)에 나타난 것과 같이 트랜스포머(30)의 2차측 권선 각각의 전류(I(L1), I(L2), I(L3))는 3상의 교류 전류의 형태로 나타나며, (c)은 출력 전력이 최대 출력이 되도록 일정하게 충전 시스템이 동작하고 있음을 나타낸다.As shown in (a) of FIG. 3, the voltage Vout provided to the
본 발명의 일 실시형태는 브릿지 회로(40)의 각 레그(41, 42, 43) 내 두 스위칭 소자의 연결 노드가 모터 입력단에 항시 연결되므로 트랜스포머(40)의 2차측 권선으로부터 제공되는 전압/전류가 모터에 영향을 미치는 지의 여부가 중요하다. 이는, 정차 상태에서 충전 중에 충전 전력 공급에 의해 모터(200)에 토크가 발생하게 되면 차량이 이동하게 되어 사고가 발생하는 등의 문제가 발생할 수 있기 때문이다.In one embodiment of the present invention, since the connection node of the two switching elements in each
도 3의 (d) 및 (e)에 도시된 바와 같이, 모터(200)의 입력단으로 미량의 전류(Iu, Iv, Iw)가 발생하기는 하였으나, 직류-직류 컨버터 내 브릿지 회로(20, 40)의 스위칭 주파수는 모터 구동을 위한 주파수 보다 매우 높은 고주파수 영역을 사용하므로 실제 모터를 회전시키지 못함을 확인할 수 있다(스피드=0).As shown in (d) and (e) of FIG. 3, although a small amount of current (Iu, Iv, Iw) is generated at the input terminal of the
정차 중 V2G/V2L 모드V2G/V2L mode while stopped
정차 중 V2G/V2L 모드에서, 컨트롤러(300)는 전술한 것과 같은 정차 중 배터리 충전 모드와 동일하게 릴레이(R1, R2, R3)의 상태를 제어할 수 있다.In the V2G/V2L mode during stop, the
즉, 정차 중 V2G/V2L 모드에서, 컨트롤러(300)는 상위 제어기로부터 해당 모드에 대한 지시를 입력 받고, 도 1에 도시된 것과 같이 릴레이의 상태를 제어하며, 배터리(100) 측에서 계통 측 방향으로 파워링이 이루어지도록 직류-직류 컨버터를 제어하고, 직류 커패시터(Cdc)에 형성되는 직류 전압을 계통 또는 부하 전원에 대응되는 교류 전력으로 변환하도록 역률 보상 회로(10)를 동작 시킬 수 있다.That is, in the V2G/V2L mode during stop, the
이와 같은 역방향 파워링에서 적용되는 역률 보상 회로(10)의 스위칭 소자 제어 및 직류-직류 컨버터 내 마련된 브릿지 회로(20, 40)의 스위칭 소자 제어는 당 기술 분야에 기 공지된 다양한 방법에 의해 수행될 수 있다.The switching element control of the power
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 차량용 양방향 충전 시스템의 정차 중 V2G/V2L 모드 시 회로 내 주요 위치의 전압/전류를 도시한 파형도이다.FIG. 4 is a waveform diagram illustrating voltage/current at a main position in a circuit in a V2G/V2L mode while a vehicle bidirectional charging system according to an embodiment of the present invention is stopped.
도 4의 (a) 내지 (c)에 나타난 것과 같이 직류-직류 컨버터의 역방향 동작 시 브릿지 회로(40)의 스위칭을 통해 트랜스포머(30)의 2차측 권선에 교류 전류(I(L4), I(L5), I(L6))가 제공되고, 1차측에 유도된 전압을 브릿지 회로(20)가 정류함으로써 직류 커패시터(Cdc)에 일정한 직류 전압(Vlink)이 형성될 수 있다. 또한, 역률 보상 회로(10) 내 스위칭 소자의 스위칭 동작을 통해 직류 전압(Vlink)이 교류 전압/전류(Vgrid/Igrid)의 형태로 변환되어 계통 또는 부하로 제공될 수 있다.As shown in (a) to (c) of FIG. 4, during the reverse operation of the DC-DC converter, the alternating current (I(L4), I( L5) and I(L6)) are provided, and a constant DC voltage Vlink may be formed in the DC capacitor Cdc by the
배터리 충전 모드와 유사하게, 정차 중 V2G/V2L 모드에서도 트랜스포머(40)의 2차측 권선에 제공되는 전압/전류가 모터에 영향을 미치는 지의 여부가 중요하다. Similar to the battery charging mode, it is important whether the voltage/current provided to the secondary winding of the
도 4의 (d) 및 (e)에 도시된 바와 같이, 모터(200)의 입력단으로 미량의 전류(Iu0, Iv0, Iw0)가 발생하기는 하였으나, 배터리 충전 모드와 마찬가지로 직류-직류 컨버터 내 브릿지 회로(20, 40)의 스위칭 주파수는 모터 구동을 위한 주파수 보다 매우 높은 고주파수 영역을 사용하므로 실제 모터를 회전시키지 못함을 확인할 수 있다(스피드=0).As shown in (d) and (e) of FIG. 4, although a small amount of current (Iu0, Iv0, Iw0) is generated at the input terminal of the
주행 중 모터 구동/V2L 모드Motor drive/V2L mode while driving
주행 중 모터 구동/V2L 모드에서, 컨트롤러(300)는 상위 제어기로부터 해당 모드에 대한 지시를 입력 받고, 도 2에 도시된 것과 같이 릴레이의 상태를 제어할 수 있다. 더욱 구체적으로, 컨트롤러(300)는, 트랜스포머(30)의 2차측 권선 각각과 브릿지 회로(50)의 레그(51, 52) 내 두 스위칭 소자의 연결 노드가 서로 전기적 접속을 형성하도록 릴레이(R1, R2, R3)의 상태를 제어할 수 있다. 브릿지 회로(50)이 두 개의 레그를 갖는 경우 릴레이(R3)는 단지 브릿지 회로(40)와의 연결을 개방 시킨 상태가 될 수 있다.In the motor driving/V2L mode while driving, the
이러한 제어에 의해, 트랜스포머(30)의 2차측 권선은 브릿지 회로(50)와 전기적 연결을 형성할 수 있으며, 브릿지 회로(50)가 배터리(100)의 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 트랜스포머(30)의 2차측에 제공되게 할 수 있다. V2G/V2L 모드와 유사하게, 컨트롤러(300)는 배터리(100) 측에서 계통 측 방향으로 파워링이 이루어지도록 직류-직류 컨버터를 제어하고, 직류 커패시터(Cdc)에 형성되는 직류 전압을 부하 전원에 대응되는 교류 전력으로 변환하도록 역률 보상 회로(10)를 동작 시킴에 따라 차량 주행 시 차량 내에 마련된 부하 연결 포트 등을 통해 차량 내 부하로 전원전력을 공급할 수 있다.By this control, the secondary side winding of the
또한, 컨트롤러(300)는 브릿지 회로(40)를 모터(200)를 구동하기 위한 인버터로 동작하도록 제어함으로써 차량 주행 시 토크 벡터링을 위해 모터(200)를 구동할 수 있다. In addition, the
이와 같이, 본 발명의 일 실시형태는, 주행 중 모터 구동/V2L 모드에서 차량 주행 성능 확보를 위한 토크 벡터링과 차량 실내의 작은 부하로의 전력을 공급을 동시에 수행할 수 있다.As such, according to an embodiment of the present invention, torque vectoring for securing vehicle driving performance in the motor driving/V2L mode while driving and power supply to a small load inside the vehicle can be simultaneously performed.
특히, 본 발명의 일 실시형태는 토크 벡터링을 위한 보조 구동용 모터를 충전기 내 마련된 직류-직류 컨버터의 브릿지 회로를 활용하여 구동함으로써 보조 구동용 모터를 위한 별도의 인버터가 요구되지 않는다. 이에 따라, 모터 구동 회로 추가에 따른 회로 사이즈 증대 및 비용 증가를 억제할 수 있다.In particular, in one embodiment of the present invention, a separate inverter for the auxiliary driving motor is not required because the auxiliary driving motor for torque vectoring is driven by utilizing the bridge circuit of the DC-DC converter provided in the charger. Accordingly, an increase in circuit size and cost due to the addition of a motor driving circuit can be suppressed.
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.Although the above has been shown and described in relation to specific embodiments of the present invention, it will be apparent to those skilled in the art that the present invention can be variously improved and changed within the scope of the claims. .
10: 역률 보상 회로
20, 40, 50: 브릿지 회로
30: 트랜스포머
100: 배터리
200: 보조 구동용 모터
300: 컨트롤러
R1-R3: 릴레이10: power
30: transformer 100: battery
200: motor for auxiliary drive 300: controller
R1-R3: relay
Claims (8)
상기 배터리의 양단 사이에 서로 직렬 연결된 두 개의 제2 스위칭 소자를 각각 포함하는 복수의 레그를 갖는 제2 브릿지 회로;
계통 또는 부하 측에 연결되는 복수의 1차측 권선 및 상기 복수의 1차측 권선과 절연된 복수의 2차측 권선을 갖는 트랜스포머;
상기 복수의 2차측 권선을, 상기 제1 브릿지 회로 내의 일 레그에 포함된 두 개의 제1 스위칭 소자의 연결 노드 및 상기 제2 브릿지 회로 내의 일 레그에 포함된 두 개의 제2 스위칭 소자의 연결 노드 중 하나에 각각 선택적으로 연결하는 복수의 릴레이;
상기 제1 브릿지 회로의 복수의 레그에 각각 포함된 두 개의 제1 스위칭 소자의 연결 노드에 연결되어 각 상의 전압을 입력 받는 모터; 및
사전 설정된 동작 모드에 따라 상기 복수의 릴레이의 연결 상태를 제어하는 컨트롤러;
를 포함하는 차량용 양방향 충전 시스템.a first bridge circuit having a plurality of legs each including two first switching elements connected in series between both ends of the battery;
a second bridge circuit having a plurality of legs each including two second switching elements connected in series between both ends of the battery;
a transformer having a plurality of primary windings connected to a system or a load side and a plurality of secondary windings insulated from the plurality of primary windings;
The plurality of secondary windings are selected from among a connection node of two first switching elements included in one leg in the first bridge circuit and a connection node between two second switching elements included in one leg in the second bridge circuit. A plurality of relays each selectively connected to one;
a motor connected to connection nodes of two first switching elements included in each of the plurality of legs of the first bridge circuit to receive voltages of each phase; and
a controller controlling the connection state of the plurality of relays according to a preset operation mode;
A two-way charging system for a vehicle comprising a.
차량 정차 중 상기 배터리를 충전하는 제1 동작 모드 및 차량 정차 중 상기 배터리로부터 외부의 계통 또는 부하로 전력을 공급하는 제2 동작 모드에서, 상기 복수의 2차측 권선을 상기 제1 브릿지 회로 내의 일 레그에 포함된 두 개의 제1 스위칭 소자의 연결 노드에 각각 연결하는 것을 특징으로 하는 차량용 양방향 충전 시스템.The method according to claim 1, wherein the controller,
In a first operation mode in which the battery is charged while the vehicle is stopped and in a second operation mode in which power is supplied from the battery to an external system or load while the vehicle is stopped, the plurality of secondary windings are connected to one leg in the first bridge circuit. Two-way charging system for a vehicle, characterized in that each connected to the connection node of the two first switching elements included in.
상기 제1 동작 모드에서, 상기 2차측 권선의 전압을 정류하여 상기 배터리로 제공하도록 상기 제1 스위칭 소자를 제어하는 것을 특징으로 하는 차량용 양방향 충전 시스템.The method according to claim 2, wherein the controller,
The bidirectional charging system for a vehicle, characterized in that, in the first operation mode, the first switching element is controlled to rectify the voltage of the secondary side winding and provide the rectified voltage to the battery.
상기 제2 동작 모드에서, 상기 배터리의 전압을 교류 전압으로 변환하여 상기 2차측 권선에 제공하도록 상기 제1 스위칭 소자를 제어하는 것을 특징으로 하는 차량용 양방향 충전 시스템.The method according to claim 2, wherein the controller,
The bidirectional charging system for a vehicle, characterized in that, in the second operation mode, the first switching element is controlled to convert the voltage of the battery into AC voltage and provide the converted AC voltage to the secondary winding.
차량 주행 중 상기 모터를 구동하거나 부하로 전력을 공급하는 제3 동작 모드에서, 상기 복수의 2차측 권선을 상기 제2 브릿지 회로 내의 일 레그에 포함된 두 개의 제2 스위칭 소자의 연결 노드에 각각 연결하는 것을 특징으로 하는 차량용 양방향 충전 시스템.The method according to claim 1, wherein the controller,
In a third operation mode in which the motor is driven or power is supplied to a load while the vehicle is running, the plurality of secondary windings are respectively connected to connection nodes of two second switching elements included in one leg in the second bridge circuit. A bidirectional charging system for a vehicle, characterized in that for doing.
상기 제1 브릿지 회로가 상기 모터를 구동하기 위한 구동 전력을 생성하는 인버터로 동작하도록 상기 제1 스위칭 소자를 제어하며,
상기 제2 브릿지 회로가 상기 배터리의 전압을 교류 전압으로 변환하여 상기 2차측 권선에 제공하도록 상기 제2 스위칭 스위칭 소자를 제어하는 것을 특징으로 하는 차량용 양방향 충전 시스템.The method according to claim 5, wherein the controller,
Controlling the first switching element so that the first bridge circuit operates as an inverter generating driving power for driving the motor;
The bi-directional charging system for a vehicle, characterized in that the second bridge circuit controls the second switching switching element to convert the voltage of the battery into AC voltage and provide it to the secondary winding.
상기 제1 브릿지 회로는 3 개의 레그를 포함하며, 상기 제2 브릿지 회로는 2 개의 레그로 구성된 것을 특징으로 하는 차량용 양방향 충전 시스템.The method of claim 1,
The bi-directional charging system for a vehicle, characterized in that the first bridge circuit includes three legs, and the second bridge circuit consists of two legs.
상기 복수의 릴레이는, 상기 복수의 2차측 권선 중 두 개를 각각 상기 제1 브릿지 회로 내의 두 레그에 각각 포함된 두 개의 제1 스위칭 소자의 연결 노드 및 상기 제2 브릿지 회로 내의 두 레그에 각각 포함된 두 개의 제2 스위칭 소자의 연결 노드 중 하나에 선택적으로 연결하는 두 개의 3점식 릴레이와, 상기 복수의 2차측 권선 중 하나를 상기 제1 브릿지 회로 내의 일 레그에 포함된 두 개의 제1 스위칭 소자의 연결 노드에 연결/개방하는 하나의 2점식 릴레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 양방향 충전 시스템.The method of claim 7,
The plurality of relays include two of the plurality of secondary windings in a connection node of two first switching elements respectively included in two legs in the first bridge circuit and two legs in the second bridge circuit, respectively. two 3-point relays selectively connected to one of the connecting nodes of the two second switching elements, and two first switching elements included in one leg of the first bridge circuit with one of the plurality of secondary windings A two-way charging system for a vehicle, characterized in that it includes one two-point relay that connects / opens to the connection node of the.
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KR1020210066400A KR20220158505A (en) | 2021-05-24 | 2021-05-24 | Bidirectional charging system for vehicle |
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KR102581052B1 (en) * | 2023-04-28 | 2023-09-21 | 주식회사 이지트로닉스 | Expansion type output control system with easy node change based on triangular connection structure for quick charger (DC charger) for multi-channel output |
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