KR20230112174A - 고효율로 동작하는 전기 자동차용 급속충전기 및 이를 동작시키는 방법 - Google Patents

고효율로 동작하는 전기 자동차용 급속충전기 및 이를 동작시키는 방법 Download PDF

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Abstract

고효율로 동작하는 전기 자동차용 급속충전기 및 이를 동작시키는 방법이 개시된다. 배터리를 충전하는 급속충전기는 역률 보정부, 상기 역률 보정부의 출력 전압인 DC 링크 전압을 변환시키는 DC-DC 컨버터 및 상기 DC 링크 전압을 가변시키기 위한 DC 링크 전압 지령을 생성하여 상기 역률 보정부로 제공하는 제어부를 포함한다. 여기서, 상기 DC-DC 컨버터는 정류기들을 포함하고, 상기 정류기들은 상기 배터리의 충전 전압 레벨에 따라 병렬 또는 직렬로 선택적으로 연결되며, 상기 정류기들의 병렬 연결 또는 직렬 연결에 따라 상기 급속충전기의 출력 전압 범위가 달라진다.

Description

고효율로 동작하는 전기 자동차용 급속충전기 및 이를 동작시키는 방법{FAST CHARGER FOR ELECTRIC VEHICLES OPERABLE IN HIGH-EFFICIENCY AND METHOD OF OPERATING THE SAME}
본 발명은 고효율로 동작하는 전기 자동차용 급속충전기 및 이를 동작시키는 방법에 관한 것이다.
전기자동차 보급량이 증가하고 있으며, 전기자동차의 주행거리 향상을 위하여 기존 배터리 전압 레벨이 400V에서 800V으로 증가하고 있다. 400V와 800V의 배터리 전압을 사용하는 전기자동차를 공통으로 사용가능한, 고효율의 급속충전기가 요구된다.
기존의 급속충전기 경우 전기자동차의 배터리 전압에 무관하게 DC링크 전압(DC-DC 컨버터 입력전압)을 일정한 전압으로 제어함으로써, DC-DC 컨버터가 배터리 충전 동안 고효율 동작이 전압 범위에서 고효율 동작이 보장되지 않아 급속충전기의 효율이 낮고, 넓은 출력전압범위 동작에서 고효율 동작이 보장되지 않는다.
KR 10-2141100 B
본 발명은 고효율로 동작하는 전기 자동차용 급속충전기 및 이를 동작시키는 방법을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리를 충전하는 급속충전기는 역률 보정부; 상기 역률 보정부의 출력 전압인 DC 링크 전압을 변환시키는 DC-DC 컨버터; 및 상기 DC 링크 전압을 가변시키기 위한 DC 링크 전압 지령을 생성하여 상기 역률 보정부로 제공하는 제어부를 포함한다. 여기서, 상기 DC-DC 컨버터는 정류기들을 포함하고, 상기 정류기들은 상기 배터리의 충전 전압 레벨에 따라 병렬 또는 직렬로 선택적으로 연결되며, 상기 정류기들의 병렬 연결 또는 직렬 연결에 따라 상기 급속충전기의 출력 전압 범위가 달라진다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리를 충전하는 급속충전기에 사용되는 DC-DC 컨버터는 변압기; 상기 변압기의 1차측에 위치하는 1차측 회로; 및 상기 변압기의 2차측에 위치하는 2차측 회로를 포함한다. 여기서, 상기 1차측 회로의 입력인 DC 링크 전압이 동일함에도 불구하고 상기 배터리의 충전 전압 레벨에 따라 상기 2차측 회로의 구조가 변화되어 출력 전압이 달라진다.
본 발명의 일 실시예에 따른 역률 보정부, 상기 역률 보정부에 연결된 컨버터 및 제어부를 포함하는 충전기를 구동하는 방법은 상기 제어부가 배터리의 충전 전압 레벨을 감지하는 단계; 상기 제어부가 상기 감지된 충전 전압 레벨에 따라 DC 링크 전압 지령을 생성하는 단계; 및 상기 역률 보정부는 상기 생성된 DC 링크 전압 지령에 따라 출력인 DC 링크 전압을 가변시키는 단계를 포함한다. 여기서, 상기 컨버터는 동일한 DC 링크 전압임에도 불구하고 상기 배터리의 충전 전압 레벨에 따라 다른 출력 전압을 출력시킨다.
본 발명에 따른 전기 자동차를 위한 급속충전기 및 이를 동작시키는 방법은 고효율이 요구되는 배터리 전압 범위에서 DC/DC 컨버터의 입력인 DC 링크 전압을 선형적으로 가변시킨다. 결과적으로, 상기 DC/DC 컨버터가 공진 주파수 영역에서 동작할 수 있어서 상기 충전기의 효율이 향상될 수 있다.
또한, 상기 급속충전기는 DC-DC 컨버터의 서브 컨버터들을 직렬 또는 병렬로 선택적으로 연결하여 넓은 충전 전압 범위를 실현할 수 있다. 특히, 상기 급속충전기는 넓은 충전 전압 범위를 실현하면서도 높은 전력변환효율을 실현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 다른 급속충전기의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3상 PFC의 구조를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터의 구조를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 충전기 제어 과정을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 제어 블록을 도시한 도면이다.
도 6은 배터리 800V 시스템의 배터리 전압 400V ~ 600V 구간 모의 실험 결과를 도시한 도면이다.
도 7은 배터리 800V 시스템의 배터리 전압 600V ~ 800V 구간 모의 실험 결과를 도시한 도면이다.
도 8은 배터리 800V 시스템의 배터리 전압 800V ~ 1000V 구간 모의 실험 결과를 도시한 도면이다.
도 9는 배터리 400V 시스템의 배터리 전압 150V ~ 300V 구간 모의 실험 결과를 도시한 도면이다.
도 10은 배터리 400V 시스템의 배터리 전압 300V ~ 400V 구간 모의 실험 결과를 도시한 도면이다.
도 11은 배터리 400V 시스템의 배터리 전압 400V ~ 450V 구간 모의 실험 결과를 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 DC-DC 컨버터의 구조를 도시한 도면이다.
본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
본 발명은 전기 자동차 충전을 위해 사용되는 급속충전기(배터리 충전기)에 관한 것으로서, 고효율이 요구되는 특정 배터리 전압 범위에서 DC-DC 컨버터를 공진 주파수 영역에서 동작시켜 상기 충전기의 효율을 향상시킬 수 있다. 특히, 상기 배터리 충전기는 넓은 배터리 충전 전압 범위를 가지면서 고효율로 동작할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 본 실시예의 배터리 충전기는 변압기 2차측의 정류기들을 직렬/병렬로 연결시키는 방법을 통하여 150V 내지 450V의 충전 전압 레벨을 가지는 전기 자동차와 450V 내지 1000V의 충전 전압 레벨을 가지는 전기 자동차 모두를 충전시킬 수 있다. 즉, 상기 배터리 충전기는 전기 자동차의 배터리의 충전 전압 레벨에 따라 150V 내지 450V 또는 450V 내지 1000V의 충전 전압을 선택적으로 출력시킬 수 있다.
450V 내지 1000V의 충전 전압 범위를 가지는 전기 자동차가 출시될 예정이기 때문에, 기존 전기 자동차와 신규 전기 자동차를 충전시키기 위하여 150V 내지 1000V의 전압 범위를 구현할 수도 있지만, 이러한 경우에는 컨버터의 전력변환효율이 낮을 수밖에 없다.
따라서, 본 발명의 배터리 충전기는 150V 내지 45V의 전압 범위 또는 450V 내지 1000V의 전압 범위를 선택적으로 구현하도록 동작하며, 따라서 컨버터가 높은 전력변환효율을 가질 수 있다. 다만, 이러한 충전을 위해서는, 상기 배터리 충전기는 충전될 전기 자동차의 충전 전압 레벨을 미리 감지하여야 한다.
한편, 위에서는 전기 자동차의 충전 전압 범위를 150V 내지 450V 또는 450V 내지 1000V로 언급하였으나, 이러한 범위로 제한되지는 않는다.
이하, 본 발명의 다양한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상술하겠다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 다른 급속충전기의 구조를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3상 PFC의 구조를 도시한 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 DC-DC 컨버터의 구조를 도시한 도면이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 충전기 제어 과정을 도시한 도면이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 제어 블록을 도시한 도면이다. 도 6은 배터리 800V 시스템의 배터리 전압 400V ~ 600V 구간 모의 실험 결과를 도시한 도면이고, 도 7은 배터리 800V 시스템의 배터리 전압 600V ~ 800V 구간 모의 실험 결과를 도시한 도면이며, 도 8은 배터리 800V 시스템의 배터리 전압 800V ~ 1000V 구간 모의 실험 결과를 도시한 도면이다. 도 9는 배터리 400V 시스템의 배터리 전압 150V ~ 300V 구간 모의 실험 결과를 도시한 도면이고, 도 10은 배터리 400V 시스템의 배터리 전압 300V ~ 400V 구간 모의 실험 결과를 도시한 도면이며, 도 11은 배터리 400V 시스템의 배터리 전압 400V ~ 450V 구간 모의 실험 결과를 도시한 도면이다. 도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 DC-DC 컨버터의 구조를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예의 배터리 충전기(100)는 예를 들어 전기 자동차의 배터리를 충전시키는 급속충전기일 수 있으며, 역률 보정부(PFC, 110), 캐피시터, DC-DC 컨버터(112) 및 제어부(114)를 포함할 수 있다.
역률 보정부(110)는 계통으로부터 공급되는 전원의 역률을 보정하여 출력하며, 그 결과 DC 링크에 소정의 직류 전압이 걸릴 수 있다.
일 실시예에 따르면, 역률 보정부(110)는 3상 PFC(Power Factor Correction)일 수 있으며, 도 2에 도시된 바와 같이 각 상마다 캐패시터, 인덕터 및 상보적으로 동작하는 2개의 스위치들을 포함할 수 있다. 다만, 역률 보정부(110)의 회로 구조는 도 2의 구조로 제한되지 않으며, 공지의 회로들을 모두 사용할 수 있다.
DC-DC 컨버터(112)는 DC 링크에 걸리는 직류 전압(이하, "DC 링크 전압"이라 함)을 다른 크기의 직류 전압으로 변환시키며, 상기 변환된 직류 전압은 상기 전기 자동차의 배터리로 충전될 수 있다.
일 실시예에 따르면, DC-DC 컨버터(112)는 상기 DC 링크 전압을 제 1 전압 범위(예를 들어 150V ~ 450V)로 변환하거나 상기 제 1 전압 범위 이상의 제 2 전압 범위(예를 들어 450V ~ 1000V)로 변환할 수 있다. 구체적으로는, DC-DC 컨버터(112)는 충전될 배터리의 충전 전압 레벨을 감지하면, 상기 감지된 충전 전압 레벨에 맞도록 상기 제 1 전압 범위 또는 상기 제 2 전압 범위로 상기 전기 자동차를 충전시킬 수 있다. 특히, 상기 DC 링크 전압이 동일하더라도, DC-DC 컨버터(112)는 상기 배터리의 충전 전압 레벨에 따라 다른 전압 범위를 구현할 수 있다.
일 실시예에 따르면, DC-DC 컨버터(112)는 정류기들을 직렬 또는 병렬로 선택적으로 연결시키는 방법을 통하여 150V 내지 450V의 충전 전압 범위를 가지는 전기 자동차와 450V 내지 1000V의 충전 전압 범위를 가지는 전기 자동차 모두를 충전시킬 수 있다. 즉, 상기 배터리 충전기는 전기 자동차의 배터리의 충전 전압 레벨에 따라 150V 내지 450V 범위의 충전 전압 또는 450V 내지 1000V 범위의 충전 전압을 선택적으로 출력시킬 수 있다.
제어부(114)는 DC-DC 컨버터(112)가 고효율 영역에서 동작하도록 역률 보정부(110) 및 DC-DC 컨버터(112)를 제어할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제어부(114)는 도 4에 도시된 바와 같이 고효율이 요구되는 배터리 전압 범위(예를 들어 600V ~ 800V(300V ~ 400V))에서는 DC 링크 전압(VDC_link)을 예를 들어 650V ~ 870V 범위에서 선형적으로 가변시킬 수 있다. 이 때, 상기 DC 링크 전압의 가변에 응답하여 배터리 전압도 선형적으로 가변될 수 있다. 즉, 상기 DC 링크 전압과 상기 배터리 전압은 일대일 대응할 수 있다.
한편, 상기 배터리 전압 범위와 상기 DC 링크 전압의 범위는 일 예이며, 설계에 따라 달라질 수 있다.
이러한 DC 링크 전압 조절시 DC-DC 컨버터(112)의 스위칭 주파수 또는 DC-DC 컨버터(112)의 변압기 1차측 스위치들을 제어하는 PWM 신호의 듀티를 고정하여 사용할 수 있다. 예를 들어, DC-DC 컨버터(112)가 공진형 컨버터인 경우 스위칭 주파수를 공진 주파수로 동작시키고, PWM 컨버터인 경우 스위치들을 동작시키는 PWM 신호를 고정 듀티로 사용할 수 있다. 즉, 상기 충전기는 상기 스위칭 주파수 또는 상기 듀티를 고정시키되 상기 DC 링크 전압 조절을 통하여 상기 배터리를 충전시킬 수 있다.
다만, 고효율이 요구되는 배터리 전압 범위를 벗어난 전압 범위(예를 들어, 450V ~ 600V(150V ~ 300V), 800V ~ 1000V(400 ~ 450V))에서는 DC 링크 전압을 일정 전압으로 사용하고 DC-DC 컨버터(112)의 스위칭 주파수를 가변시키거나 듀티를 가변시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 배터리 전압이 600V(300V) 미만에서는 상기 DC 링크 전압을 650V로 고정시키고 상기 스위칭 주파수나 듀티를 가변시키고, 상기 배터리 전압이 800V(400V) 초과에서는 상기 DC 링크 전압을 870V로 고정시키고 상기 스위칭 주파수나 듀티를 가변시킬 수 있다.
정리하면, 본 실시예의 배터리 충전기(100)는 고효율이 요청되는 배터리 전압 범위에서는 상기 배터리의 충전 전압 레벨에 기초하여 DC 링크 전압을 선형적으로 가변시키고, 상기 배터리 전압 범위 외의 전압 범위에서는 상기 DC 링크 전압으로 일정한 전압을 사용하고 DC-DC 컨버터(112)의 스위칭 주파수나 듀티를 가변시킬 수 있다. 다만, 고효율이 요청되는 배터리 전압 범위는 차량에 따라 다를 수 있으나, 제어 방법은 동일하다.
또한, 배터리 충전기(100)는 정류기들의 직렬 또는 병렬로 선택적으로 연결시키는 방법을 통하여 넓은 출력전압 범위를 구현할 수 있다.
DC-DC 컨버터(112)를 공진형 컨버터, 예를 들어 LLC 컨버터로 가정하면, 스위칭 주파수와 공진 주파수가 일치할 때 DC-DC 컨버터(112)의 출력 전압은 하기 수학식 1과 같다.
여기서, Vin은 DC-DC 컨버터(112)의 입력 전압이며, NS/NP는 변압기의 턴비를 의미한다.
상기 변압기의 턴비(NS/NP)는 일정하므로, 출력전압에 영향을 주는 파라미터는 DC-DC 컨버터(112)의 입력전압, 즉 DC 링크 전압이다. 따라서, 배터리 충전기(100)는 상기 DC 링크 전압을 조절하여 DC-DC 컨버터(112)를 공진 주파수 영역에서 동작시킬 수 있다. 즉, DC-DC 컨버터(112)의 공진 주파수 영역에서의 동작이 보장되며, 따라서 상기 충전기의 효율이 우수하다.
종래의 충전기는 일정한 DC 링크 전압을 사용하므로, 고효율 요구되는 특정 배터리 동작 범위에서 공진 주파수 영역에서의 동작이 보장되지 않는다. 결과적으로, 상기 충전기의 효율이 낮다.
이하, DC-DC 컨버터(112)의 회로 구조 및 동작을 구체적으로 살펴보겠다.
도 3을 참조하면, DC-DC 컨버터(112)는 제 1 서브 컨버터(300), 변압기들(310 및 312), 제 2 서브 컨버터(302), 제 3 서브 컨버터(304), 공진부(306) 및 스위칭부(320)를 포함할 수 있다.
제 1 서브 컨버터(300)는 변압기들(310 및 312)의 1차측에 배열되며, 상기 DC 링크 전압을 주기적으로 정극성 전압과 부극성 전압으로 하여 변압기들(310 및 312)의 입력측으로 제공할 수 있다.
이러한 제 1 서브 컨버터(300)는 4개의 반도체 스위치들(Q1, Q2, Q3 및 Q4)을 포함할 수 있다.
제 1 반도체 스위치(Q1) 및 제 3 반도체 스위치(Q3)는 상기 DC 링크에 연결된 상태로 상호 병렬로 배열될 수 있다. 여기서, 제 1 반도체 스위치(Q1) 및 제 3 반도체 스위치(Q3)는 상보적으로 동작할 수 있다.
제 2 반도체 스위치(Q2)는 제 1 반도체 스위치(Q1)에 직렬로 연결되고, 제 4 반도체 스위치(Q4)는 제 3 반도체 스위치(Q3)에 직렬로 연결될 수 있다. 결과적으로, 제 2 반도체 스위치(Q2)와 제 4 반도체 스위치(Q4)는 상호 병렬로 연결될 수 있다. 여기서, 제 2 반도체 스위치(Q2)와 제 4 반도체 스위치(Q4)는 상보적으로 동작할 수 있다
또한, 제 1 서브 컨버터(300)는 상기 DC 링크에 병렬로 연결된 입력 캐패시터들을 추가적으로 포함할 수 있다. 상기 캐패시터들은 상기 DC 링크 전압이 순간적으로 변압기들(310 및 312)에 공급되지 않도록 하여 전압 안정화를 도모할 수 있다.
제 1 변압기(310)의 1차측의 일단은 인턱터와 캐패시터를 통하여 반도체 스위치들(Q1 및 Q2) 사이의 노드(n1)에 연결되며, 타단은 캐패시터를 통하여 반도체 스위치들(Q3 및 Q4) 사이의 노드(n2)에 연결될 수 있다.
제 1 변압기(310)의 2차측은 제 2 서브 컨버터(302)에 연결될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제 2 서브 컨버터(302)는 정류기로서 4개의 다이오드들(D1, D2, D3 및 D4)로 형성된 풀 브릿지 구조를 가질 수 있다. 제 1 변압기(310)의 2차측의 일단은 상호 직렬로 연결된 다이오드들(D1 및 D2) 사이의 노드(n3)에 연결되고, 타단은 상호 직렬로 연결된 다이오드들(D3 및 D4) 사이의 노드(n4)에 연결될 수 있다.
제 2 변압기(312)는 제 1 변압기(310)와 병렬로 연결되며, 제 1 변압기(310)와 동일한 권선비를 가질 수도 있고 다른 권선비를 가질 수도 있다.
이러한 제 2 변압기(312)의 1차측의 일단은 인턱터와 캐패시터를 통하여 반도체 스위치들(Q1 및 Q2) 사이의 노드(n1)에 연결되며, 타단은 캐패시터를 통하여 반도체 스위치들(Q3 및 Q4) 사이의 노드(n2)에 연결될 수 있다.
제 2 변압기(312)의 2차측은 제 3 서브 컨버터(304)에 연결될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제 3 서브 컨버터(304)는 정류기로 4개의 다이오드들(D5, D6, D7 및 D8)로 형성된 풀 브릿지 구조를 가질 수 있다. 제 2 변압기(312)의 2차측의 일단은 상호 직렬로 연결된 다이오드들(D5 및 D6) 사이의 노드(n5)에 연결되고, 타단은 상호 직렬로 연결된 다이오드들(D7 및 D8) 사이의 노드(n6)에 연결될 수 있다.
공진부(306)는 인덕터와 캐패시터로 형성될 수 있으며, 인덕터의 일단이 제 2 서브 컨덕터(302)의 출력 및 제 3 서브 컨덕터(304)의 출력에 연결될 수 있다. 즉, 제 2 서브 컨덕터(302)와 제 3 서브 컨덕터(304)가 공진부(306)를 공유할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 공진부(306)로의 제 2 서브 컨덕터(302)와 제 3 서브컨덕터(304)의 연결을 직렬 또는 병렬로 스위칭시키는 스위치를 포함하는 스위칭부(320)가 존재할 수 있다. 여기서, 상기 스위치는 릴레이 스위치 또는 Back to Back 스위치일 수 있다.
구체적으로는, 제 2 서브 컨덕터(302)의 출력단 중 일단 및 제 3 서브 컨덕터(304)의 출력단 중 일단은 공진부(306)의 입력단에 해당하는 노드(n8)로 연결되며, 제 2 서브 컨덕터(302)의 출력단 중 타단과 제 3 서브 컨덕터(304)의 출력단 중 타단은 상기 스위치를 통하여 노드(n8)에 연결될 수 있다. 즉, 상기 스위치를 통하여 서브 컨덕터들(302 및 304)의 연결 구조가 스위칭될 수 있으며, 그결과 상기 스위치의 동작에 따라 제 2 서브 컨덕터(302), 제 3 서브 컨덕터(304) 및 공진부(306) 사이의 연결이 달라질 수 있다. 여기서, 서브 컨덕터들(302 및 304)의 타단들이 만나는 노드가 n7이며, 상기 스위치는 노드들(n7 및 n8) 사이에 연결될 수 있다.
이러한 구조에서, 상기 스위치가 오프 상태이면, 서브 컨덕터들(302 및 304) 내의 정류기들이 병렬로 연결되며, 상기 스위치가 턴-온되면 상기 정류기들이 직렬로 연결될 수 있다.
예를 들어, 상기 배터리의 충전 전압 레벨이 400V인경우 상기 스위치를 오프시켜 상기 정류기들을 상호 병렬로 공진부(306)에 연결시키며, 그 결과 배터리 충전기(100)는 150V ~ 450V 범위의 충전 전압(출력 전압)에 대응하여 동작할 수 있다. 즉, 공진부(306)는 제 1 전압 범위, 예를 들어 150V 내지 450V의 전압을 출력할 수 있다. 따라서, 제 1 전압 범위에서 구동되는 제 1 충전 전압 레벨을 가지는 전기 자동차의 충전이 가능할 수 있다.
반면에, 상기 배터리의 충전 전압 레벨이 800V인 경우 상기 스위치를 턴-온시켜 상기 정류기들을 상호 직렬로 공진부(306)에 연결시키며, 그 결과 배터리 충전기(100)는 450V ~ 1000V 범위의 충전 전압에 대응하여 동작할 수 있다. 즉, 공진부(306)는 제 2 전압 범위, 예를 들어 450V 내지 1000V의 전압을 출력할 수 있다. 따라서, 제 2 전압 범위에서 구동되는 제 2 충전 전압 레벨을 가지는 전기 자동차의 충전이 가능할 수 있다.
제 2 서브 컨덕터(302)와 제 3 서브 컨덕터(304)가 상호 병렬로 연결되는 구조의 장점은 대전력으로 저전압배터리 충전시 큰 충전전류가 제 2 서브 컨덕터(302)와 제 3 서브 컨덕터(304)로 나뉘어져 흐르므로 전류스트레스 및 발열을 분산시켜 회로가 안정적으로 동작할 수 있다. 이 때, 제 2 서브 컨덕터(302)와 제 3 서브 컨덕터(304)로 흐르는 충전전류는 동일할 수 있다.
제 2 서브 컨덕터(302)와 제 3 서브 컨덕터(304)가 상호 직렬로 연결되는 구조의 장점은 고전압 배터리 충전을 낮은 정격전압의 다이오드로 구현하여 도통손실을 감소시킬 수 있다.
한편, 제 2 서브 컨덕터(302)와 제 3 서브 컨덕터(304)를 동일한 구조로 형성하여 충전 전압 레벨에 관계없이 DC-DC 컨버터(112)를 동일한 스위칭 전압으로 동작시킬 수 있다. 즉, 상기 제 1 전압 범위로 충전시든 상기 제 2 전압 범위로 충전시든 DC-DC 컨버터(112)의 스위칭 주파수는 동일할 수 있다. 이는 상기 제 1 전압 범위 충전시 전력변환효율과 상기 제 2 전압 범위 충전시 전력변환효율을 동일하도록 하는 동시에 높은 전력변환효율(예를 들어, 95% 이상)을 가지고 전기 자동차의 배터리를 충전시킬 수 있다.
일 실시예에 따르면, 노드들(n7 및 n8)에는 각기 다이오드가 형성되며, 이러한 다이오드는 역전류를 방지하는 역할을 수행할 수 있다. 구체적으로는, 상기 스위치의 일단과 제 2 서브 컨덕터(302)의 일단에 해당하는 노드(n8)에 제 1 다이오드가 형성되고, 상기 스위치의 타단과 제 3 서브 컨덕터(304)의 일단 사이에 제 2 다이오드가 형성될 수 있다.
제어부(114)는 도 5에 도시된 바와 같은 제어 회로 구조를 가질 수 있다. 구체적으로는, 제어부(114)는 배터리 전압 감지시 상기 감지된 배터리 전압에 따라 DC 링크 전압을 선형적으로 조절할 수 있도록 DC 링크 전압을 결정할 수 있다. 위의 충전 전압 레벨에 따른 DC 링크 전압 지령은 하기 수학식 2와 같이 계산될 수 있다. 다만, 계산된 DC 링크 전압 지령은 650V ~ 870V로 제한될 수 있다.
상기 결정된 DC 링크 전압 지령은 3상 PFC(110)로 제공되며, 3상 PFC(110)는 상기 제공된 DC 링크 전압 지령에 따라 DC 링크 전압을 가변시킬 수 있다.
한편, 제어부(114)의 회로 구조는 도 5의 구조로 제한되지 않으며, 원하는 DC 링크 전압 지령을 생성할 수 있는 한 다양하게 변형될 수 있다.
또한, 제어부(114)는 상기 감지된 배터리 전압에 따라 DC-DC 컨버터(112)의 스위칭 주파수 또는 PWM 신호의 듀티를 제어할 수 있다.
정리하면, 본 실시예의 배터리 충전기(100)는 충전될 배터리 충전 전압 레벨에 따라 DC-DC 컨버터(112)의 제 2 서브 컨덕터(302)의 정류기와 제 3 서브 컨덕터(304)의 정류기를 직렬 또는 병렬로 연결시켜 원하는 충전 전압을 구현할 수 있다. 결과적으로, 배터리 충전기(100)는 넓은 전압 범위, 예를 들어 150V ~ 1000V의 전압 범위를 구현할 수 있다.
한편, 제 1 서브 컨덕터(300)의 구조는 도 3의 구조로 한정되지는 않으며, 다양한 변형이 가능하다. 예를 들어, 도 12에 도시된 바와 같이 도 3의 스위치들의 구성과 동일한 스위치 구성이 병렬로 추가적으로 형성될 수 있으며, 도 3의 2개의 변압기들에 추가하여 2개의 변압기들이 더 사용될 수 있다. 이 경우, 도 12에 도시된 바와 같이 추가된 변압기들 중 하나는 제 2 서브 컨덕터(302)에 연결되고, 나머지 변압기는 제 3 서브 컨덕터(304)에 연결될 수 있다. 즉, 도 3의 구조를 직렬-병렬 결선하여 제 1 서브 컨덕터(300)를 구현할 수 있다.
이러한 회로 구조의 시뮬레이션 결과를 살펴보겠다.
도 6 내지 도 8은 배터리의 전압 레벨이 800V일 때의 배터리 충전기(100)의 동작 시뮬레이션 결과를 보여준다. 이때, 상기 스위치가 턴-온되어 정류기들이 직렬로 연결된다.
도 6은 배터리 충전기(100)의 출력 전압이 450V 내지 600V일 때의 시뮬레이션 결과로, DC 링크 전압은 650V로 고정되며 DC-DC 컨버터(112)의 스위칭 주파수가 가변됨을 확인할 수 있다.
도 7은 배터리 충전기(100)의 출력 전압이 600V 내지 800V일 때의 시뮬레이션 결과로, DC 링크 전압이 650V 내지 870V에서 선형적으로 변화되고, DC-DC 컨버터(112)의 스위칭 주파수가 고정되되 공진 주파수 영역에서 동작함을 확인할 수 있다.
도 8은 배터리 충전기(100)의 출력 전압이 800V 내지 1000V일 때의 시뮬레이션 결과로, DC 링크 전압은 870V로 고정되며 DC-DC 컨버터(112)의 스위칭 주파수가 가변됨을 확인할 수 있다.
도 9 내지 도 11은 배터리의 전압 레벨이 400V일 때의 배터리 충전기(100)의 동작 시뮬레이션 결과를 보여준다. 이때, 상기 스위치가 오프되어 정류기들이 병렬로 연결된다.
도 9는 배터리 충전기(100)의 출력 전압이 150V 내지 300V일 때의 시뮬레이션 결과로, DC 링크 전압은 650V로 고정되며 DC-DC 컨버터(112)의 스위칭 주파수가 가변됨을 확인할 수 있다.
도 10은 배터리 충전기(100)의 출력 전압이 300V 내지 400V일 때의 시뮬레이션 결과로, DC 링크 전압이 650V 내지 870V에서 선형적으로 변화되고, DC-DC 컨버터(112)의 스위칭 주파수가 고정되되 공진 주파수 영역에서 동작함을 확인할 수 있다.
도 11은 배터리 충전기(100)의 출력 전압이 400V 내지 450V일 때의 시뮬레이션 결과로, DC 링크 전압은 870V로 고정되며 DC-DC 컨버터(112)의 스위칭 주파수가 가변됨을 확인할 수 있다.
한편, 전술된 실시예의 구성 요소는 프로세스적인 관점에서 용이하게 파악될 수 있다. 즉, 각각의 구성 요소는 각각의 프로세스로 파악될 수 있다. 또한 전술된 실시예의 프로세스는 장치의 구성 요소 관점에서 용이하게 파악될 수 있다.
상기한 본 발명의 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
100 : 배터리 충전기 110 : 역률 보정부(PFC)
112 : DC-DC 컨버터 114 : 제어부
300 : 제 1 서브 컨덕터 302 : 제 2 서브 컨덕터
304 : 제 3 서브 컨덕터 310 : 제 1 변압기
312 : 제 2 변압기 320 : 스위치

Claims (14)

  1. 배터리를 충전하는 급속충전기에 있어서,
    역률 보정부;
    상기 역률 보정부의 출력 전압인 DC 링크 전압을 변환시키는 DC-DC 컨버터; 및
    상기 DC 링크 전압을 가변시키기 위한 DC 링크 전압 지령을 생성하여 상기 역률 보정부로 제공하는 제어부를 포함하되,
    상기 DC-DC 컨버터는 정류기들을 포함하고, 상기 정류기들은 상기 배터리의 충전 전압 레벨에 따라 병렬 또는 직렬로 선택적으로 연결되며, 상기 정류기들의 병렬 연결 또는 직렬 연결에 따라 상기 급속충전기의 출력 전압 범위가 달라지는 것을 특징으로 하는 급속충전기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 DC-DC 컨버터는,
    상호 병렬로 배열된 제 1 변압기 및 제 2 변압기;
    상기 변압기들의 1차측에 위치하는 제 1 서브 컨버터;
    상기 제 1 변압기의 2차측에 위치하며 제 1 정류기를 가지는 제 2 서브 컨버터;
    상기 제 2 변압기의 2차측에 위치하며 제 2 정류기를 가지는 제 3 서브 컨버터; 및
    상기 제 2 서브 컨덕터와 상기 제 3 서브 컨덕터에 의해 공유되는 공진부를 포함하되,
    상기 배터리의 충전 전압 레벨에 따라 상기 공진부를 기준으로 상기 제 1 정류기와 상기 제 2 정류기의 연결이 병렬 연결 또는 직렬 연결되며, 상기 정류기들 사이의 연결 스위칭은 상기 정류기들 사이에 위치하는 스위치를 통하여 이루어지고,
    상기 스위치의 일단과 상기 제 1 정류기 사이에 제 1 다이오드가 형성되며, 상기 스위치의 타단과 상기 제 2 정류기 사이에 제 2 다이오드가 형성되고, 상기 다이오드들은 역전류 방지를 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 급속충전기.
  3. 제2항에 있어서, 상기 배터리의 충전 전압 레벨이 상대적으로 높으면 상기 정류기들이 직렬 연결되며, 상기 배터리의 충전 전압 레벨이 상대적으로 낮으면 상기 정류기들이 병렬 연결되는 것을 특징으로 하는 급속충전기.
  4. 제2항에 있어서, 상기 제 1 서브 컨덕터는 스위칭되는 4개의 반도체 스위치들로 구성되고,
    상기 제 1 변압기의 1차측의 일단은 직렬로 연결된 2개의 반도체 스위치들 사이의 노드에 연결되며 타단은 직렬로 연결된 다른 2개의 반도체 스위치들 사이의 노드에 연결되고,
    상기 제 2 변압기의 1차측의 일단은 상기 2개의 반도체 스위치들 사이의 노드에 연결되며 타단은 상기 다른 2개의 반도체 스위치들 사이의 노드에 연결되고,
    상기 제 1 변압기의 2차측의 일단은 상기 제 2 서브 컨덕터들의 직렬로 연결된 2개의 다이오드들 사이의 노드로 연결되고, 타단은 다른 직렬로 연결된 2개의 다이오드들 사이의 노드로 연결되며,
    상기 제 2 변압기의 2차측의 일단은 상기 제 3 서브 컨덕터들의 직렬로 연결된 2개의 다이오드들 사이의 노드로 연결되고, 타단은 다른 직렬로 연결된 2개의 다이오드들 사이의 노드로 연결되는 것을 특징으로 하는 급속충전기.
  5. 제2항에 있어서, 상기 제 2 서브 컨덕터와 상기 제 3 서브 컨덕터가 상호 병렬로 연결되면 상기 DC-DC 컨버터는 제 1 전압 범위의 충전 전압을 출력하고, 상기 제 2 서브 컨덕터와 상기 제 3 서브 컨덕터가 직렬로 연결되면 상기 DC-DC 컨버터는 상기 제 1 전압 범위 이상의 제 2 전압 범위의 충전 전압을 출력하되,
    상기 제 2 서브 컨덕터와 상기 제 3 서브 컨덕터는 동일한 회로 구조를 가지며, 상기 상기 제 1 전압 범위의 충전 전압을 출력할 때의 상기 DC-DC 컨버터의 스위칭 주파수와 상기 제 2 전압 범위의 충전 전압을 출력할 때의 상기 DC-DC 컨버터의 스위칭 주파수가 동일한 것을 특징으로 하는 급속충전기.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제어부는 고효율이 요구되는 상기 배터리의 전압 범위에서 상기 DC 링크 전압이 선형적으로 가변되도록 DC 링크 전압 지령을 생성하되,
    상기 DC 링크 전압이 가변될 동안 상기 DC-DC 컨버터의 스위칭 주파수 또는 상기 DC-DC 컨버터의 스위치를 제어하는 PWM 신호의 듀티는 고정되는 것을 특징으로 하는 급속충전기.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제어부는 고효율이 요구되는 상기 배터리의 전압 범위 외의 전압 범위에서는 상기 DC 링크 전압이 고정되도록 제어하며, 상기 DC-DC 컨버터의 스위칭 주파수 또는 상기 DC-DC 컨버터의 스위치들의 동작을 제어하는 PWM 신호의 듀티가 가변되는 것을 특징으로 하는 급속충전기.
  8. 제1항에 있어서, 상기 급속충전기는 전기 자동차용 충전기이되,
    상기 정류기들이 병렬 연결되는 경우 150V 내지 450V 범위의 출력 전압을 출력하고, 상기 정류기들이 직렬 연결되는 경우 450V 내지 1000V 범위의 출력 전압을 출력시키는 것을 특징으로 하는 급속충전기.
  9. 배터리를 충전하는 급속충전기에 사용되는 DC-DC 컨버터에 있어서,
    변압기;
    상기 변압기의 1차측에 위치하는 1차측 회로; 및
    상기 변압기의 2차측에 위치하는 2차측 회로를 포함하되,
    상기 1차측 회로의 입력인 DC 링크 전압이 동일함에도 불구하고 상기 배터리의 충전 전압 레벨에 따라 상기 2차측 회로의 구조가 변화되어 출력 전압이 달라지는 것을 특징으로 하는 DC-DC 컨버터.
  10. 제9항에 있어서, 상기 2차측 회로는 정류기들을 가지고, 상기 배터리의 제 1 충전 전압 레벨에 따라 상기 정류기들이 병렬 연결되어 제 1 범위의 출력 전압을 출력시키며, 상기 제 1 충전 전압 레벨보다 큰 제 2 충전 전압 레벨에 따라 상기 정류기들이 직렬 연결되어 상기 제 1 범위 이상의 제 2 범위의 출력 전압을 출력시키고,
    상기 배터리의 충전 전압 레벨에 상관없이 상기 제 1 범위와 상기 제 2 범위를 포괄하는 범위의 출력 전압은 출력시키지 않는 것을 특징으로 하는 DC-DC 컨버터.
  11. 제10항에 있어서, 상기 정류기들의 병렬 또는 직렬 연결은 제 1 정류기와 공진부 사이 및 제 2 정류기와 상기 공진부 사이에 공통으로 연결되는 스위치의 스위칭을 통하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 DC-DC 컨버터.
  12. 제9항에 있어서, 상기 출력 전압이 달라지더라도 상기 DC-DC 컨버터의 스위칭 주파수는 동일한 것을 특징으로 하는 DC-DC 컨버터.
  13. 역률 보정부, 상기 역률 보정부에 연결된 컨버터 및 제어부를 포함하는 충전기를 구동하는 방법에 있어서,
    상기 제어부가 배터리의 충전 전압 레벨을 감지하는 단계;
    상기 제어부가 상기 감지된 충전 전압 레벨에 따라 DC 링크 전압 지령을 생성하는 단계; 및
    상기 역률 보정부는 상기 생성된 DC 링크 전압 지령에 따라 출력인 DC 링크 전압을 가변시키는 단계를 포함하되,
    상기 컨버터는 동일한 DC 링크 전압임에도 불구하고 상기 배터리의 충전 전압 레벨에 따라 다른 출력 전압을 출력시키는 것을 특징으로 하는 충전기 구동 방법.
  14. 제13항에 있어서, 동일한 DC 링크 전압에 대하여 다른 출력 전압의 출력은 상기 컨버터 내의 정류기들이 병렬 연결 또는 직렬 연결됨에 의해 구현되는 것을 특징으로 하는 충전기 구동 방법.


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