KR20230136241A - 전력변환장치 - Google Patents

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KR20230136241A
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이재삼
이상기
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이제현
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엘지이노텍 주식회사
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 전력변환장치는 제1 입출력단에 연결되는 복수 개의 스위치를 포함하는 제1 스위칭부, 상기 제1 스위칭부와 일측이 연결되는 변압기, 상기 변압기의 타측에 연결되는 복수 개의 스위치를 포함하는 제2 스위칭부, 및 상기 변압기의 타측 및 제2 입출력단에 연결되는 제3 스위칭부를 포함하고, 상기 제3 스위칭부는, 일단이 상기 제2 입출력단과 연결되는 제1 스위치 및 상기 제1 스위치의 타단과 연결되는 제1 다이오드를 포함한다.

Description

전력변환장치{Power Converting Apparatus}
본 발명은 전력변환장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로 프리차지가 가능한 양방향 전력변환장치에 관한 발명이다.
배터리 전원을 부하에 적합한 전원으로 변환하기 위해서 DC-DC 컨버터를 이용한다. 이때, 배터리의 충전 및 방전이 가능하도록 양방향 DC-DC 컨버터를 이용할 수 있다.
양방향 DC-DC 컨버터는 배터리와 부하 사이에 배치되어, 고압측에서 저압측으로 전압을 강하시키는 벅(buck) 모드, 또는 저압측에서 고압측으로 전압을 상승시키는 부스트(boost) 모드로 동작할 수 있다.
공개특허공보 제 10-2009-0043462호
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 프리차지가 가능한 양방향 전력변환장치를 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 전력변환장치는, 제1 입출력단에 연결되는 복수 개의 스위치를 포함하는 제1 스위칭부; 상기 제1 스위칭부와 일측이 연결되는 변압기; 상기 변압기의 타측에 연결되는 복수 개의 스위치를 포함하는 제2 스위칭부; 및 상기 변압기의 타측 및 제2 입출력단에 연결되는 제3 스위칭부를 포함하고, 상기 제3 스위칭부는, 일단이 상기 제2 입출력단과 연결되는 제1 스위치; 및 상기 제1 스위치의 타단과 연결되는 제1 다이오드를 포함한다.
또한, 상기 제1 스위치는, 상기 제2 입출력단에 제2 전원이 연결되는 경우, PWM 동작모드, 온 모드, 및 오프 모드 중 하나의 모드로 동작할 수 있다.
또한, 상기 제1 입출력단에 병렬연결되는 제1 커패시터를 포함하고, 상기 제2 입출력단에 제2 전원이 연결되어 상기 제1 커패시터를 충전하는 프리차지 모드에서, 상기 제1 스위치는 상기 제1 커패시터의 전압인 제1 전압에 따라 PWM 동작모드, 온 모드, 및 오프 모드 중 하나의 모드로 동작할 수 있다.
또한, 상기 제1 스위치는, 상기 프리차지 모드의 초기 또는 상기 제1 전압이 제1 기준전압보다 작으면, 상기 PWM 모드로 동작하고, 상기 제1 전압이 상기 제1 기준전압 이상이고 제2 기준전압보다 작으면, 상기 온 모드로 동작하고, 상기 제1 전압이 상기 제2 기준전압이면, 상기 오프 모드로 동작할 수 있다.
또한, 상기 변압기와 상기 제1 스위치 사이에 연결되는 제1 인덕터; 상기 제1 인덕터에 흐르는 제1 전류를 측정하는 전류측정부; 및 상기 측정되는 제1 전류를 이용하여 상기 제2 스위칭부 및 상기 제1 스위치를 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 PWM 모드에서, 상기 제1 전류가 제1 기준전류가 되도록 상기 제2 스위칭부 및 상기 제1 스위치를 PWM 제어할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 온 모드에서, 상기 제1 스위치를 온상태로 유지하고, 상기 제1 전류가 제2 기준전류가 되도록 상기 제2 스위칭부를 PWM 제어할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 오프 모드에서 상기 제1 스위치를 오프시킬 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 오프 모드에서 상기 제1 스위치를 오프시키기 전에, 상기 제1 전류가 제3 기준전류가 되도록 상기 제2 스위칭부를 PWM 제어할 수 있다.
또한, 상기 제1 스위치는, 상기 제1 입출력단에 제1 전원이 연결되고, 상기 제2 입출력단에 부하가 연결되는 경우, 온상태를 유지할 수 있다.
또한, 상기 제1 다이오드는, 상기 제1 스위치의 타단과 캐소드가 연결되고, 그라운드와 애노드가 연결될 수 있다.
또한, 상기 제1 입출력단에 연결되는 제1 전원의 전압은 상기 제2 입출력단에 연결되는 제2 전원의 전압보다 높을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 배터리 시스템은 상기 양방향 전력변환장치 중 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 간단한 회로만으로 부스트 모드(boost mode) 프리차지(pre-charge) 동작 시, 저전압측 인덕터(LV inductor) 전류의 average current mode 제어가 가능하다. 또한, 돌입전류(inrush current)를 제한할 수 있으며, PWM 동작 방식에 따라 여러 가지 기능을 쉽게 구현 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 전력변환장치의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 양방향 전력변환장치의 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 양방향 전력변환장치의 회로도이다.
도 4 내지 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 양방향 전력변환장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 배터리 시스템의 블록도이다.
도 12 및 도 13은 본 발명의 실시예에 따른 전력변환방법의 흐름도이다
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
다만, 본 발명의 기술 사상은 설명되는 일부 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서라면, 실시 예들간 그 구성 요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합 또는 치환하여 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, "A 및(와) B, C 중 적어도 하나(또는 한 개 이상)"로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다.
그리고, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 '연결', '결합', 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성 요소에 직접적으로 '연결', '결합', 또는 '접속'되는 경우뿐만 아니라, 그 구성 요소와 그 다른 구성 요소 사이에 있는 또 다른 구성 요소로 인해 '연결', '결합', 또는 '접속'되는 경우도 포함할 수 있다.
또한, 각 구성 요소의 "상(위)" 또는 "하(아래)"에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, "상(위)" 또는 "하(아래)"는 두 개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라, 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다. 또한, "상(위)" 또는 "하(아래)"로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함될 수 있다.
본 실시예에 따른 변형례는 각 실시예 중 일부 구성과 다른 실시예 중 일부 구성을 함께 포함할 수 있다. 즉, 변형례는 다양한 실시예 중 하나 실시예를 포함하되 일부 구성이 생략되고 대응하는 다른 실시예의 일부 구성을 포함할 수 있다. 또는, 반대일 수 있다. 실시예들에 설명할 특징, 구조, 효과 등은 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 실시예의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 전력변환장치의 블록도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 양방향 전력변환장치의 블록도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 양방향 전력변환장치의 회로도이고, 도 4 내지 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 양방향 전력변환장치를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 양방향 전력변환장치는 제1 입출력단(110), 제2 입출력단(160), 제1 스위칭부(120), 제2 스위칭부(140), 제3 스위칭부(150), 변압기(130)로 구성되고, 제1 커패시터(170), 제1 인덕터(180), 제어부(190), 전류측정부(미도시) 등을 포함할 수 있고, 도 3의 회로도와 같이 구현될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 양방향 전력변환장치는 제1 입출력단(110)에서 전원을 입력받아 변환하여 제2 입출력단(160)으로 출력하거나, 제2 입출력단(160)에서 전원을 입력받아 변환하여 제1 입출력단(110)으로 출력할 수 있다. 여기서, 제1 입출력단(110)에 연결되는 제1 전원의 전압은 제2 입출력단(160)에 연결되는 제2 전원의 전압보다 높을 수 있다. 즉, 제1 입출력단(110)은 고전압측(High, HV) 입출력단일 수 있고, 제2 입출력단(160)은 저전압측(Low Voltage, LV) 입출력단일 수 있다.
제1 스위칭부(120)는 제1 입출력단(110)에 연결되는 복수 개의 스위치를 포함한다. 제1 스위칭부(120)는 복수의 상측 스위치와 이에 대응하는 복수의 하측 스위치를 포함할 수 있다. 이때, 복수의 스위치는 H(Half) 브릿지 또는 F(Full) 브릿지를 형성할 수 있다. 또한, 쌍을 이루는 상측 다이오드 및 하측 다이오드를 포함할 수 있다. 제1 스위칭부(120) 각각의 스위치는 MOSFET 일 수 있고, 바디 다이오드(body diode)를 포함할 수 있다.
변압기(130)는 상기 제1 스위칭부(120)와 일측이 연결된다. 제1 스위칭부(120)는 변압기(130)의 1차측과 연결될 수 있다. 제1 스위칭부(120)는 제1 상측 스위치, 제1 하측 스위치, 제2 상측 스위치, 제2 하측 스위치, 상측 다이오드, 및 하측 다이오드를 포함하고, 제1 상측 스위치 및 제1 하측 스위치 사이의 노드는 변압기(130)의 1차측의 일단과 연결되고, 제2 상측 스위치 및 제2 하측 스위치 사이의 노드는 변압기(130)의 1차측의 타단과 연결될 수 있다. 이때, 제1 상측 스위치 및 제1 하측 스위치 사이의 노드와 변압기(130)의 1차측의 일단 사이에는 인덕터가 연결될 수 있고, 상측 다이오드, 및 하측 다이오드 사이의 노드는 변압기의 1차측의 일단과 연결될 수 있다.
제2 스위칭부(140)는 상기 변압기(130)의 타측에 연결되는 복수 개의 스위치를 포함한다. 제1 스위칭부(120)는 서로 병렬로 연결되는 복수 개의 스위치를 포함할 수 있다. 예를 들어, 두 개의 스위치가 병렬로 연결될 수 있다. 제1 스위칭부(120) 각각의 스위치는 MOSFET 일 수 있고, 바디 다이오드(body diode)를 포함할 수 있다.
제2 스위칭부(140)는 변압기의 2차측에 각각 연결되는 두 개의 스위치를 포함할 수 있다. 변압기(130)의 1차측은 1 개의 코일로 구성되고, 2차측은 2 개의 코일로 구성되되, 2차측 2 개의 코일은 각각 제2 스위칭부(140)의 각 스위치와 연결될 수 있다. 이때, 제2 스위칭부(140) 중 하나의 스위치는 일단이 변압기(130)의 2차측 코일 중 하나의 코일의 일단과 연결되고, 타단이 그라운드와 연결될 수 있고, 제2 스위칭부(140) 중 다른 하나의 스위치는 일단이 그라운드와 연결되고, 타단이 변압기(130)의 2차측 코일 중 하나의 코일의 타단과 연결될 수 있다. 즉, 제2 스위칭부(140)의 각 스위치는 연결되는 변압기의 극성이 서로 반대일 수 있다.
제3 스위칭부(150)는 상기 변압기(130)의 타측 및 제2 입출력단(160)에 연결된다. 제3 스위칭부(150)는 변압기(130)와 상기 제2 입출력단(160) 사이에 배치된다. 여기서, 제3 스위칭부(150)는 상기 제2 입출력단(160)과 직렬로 연결되는 제1 스위치(151) 및 상기 제1 스위치(151)의 타단과 연결되는 제1 다이오드(152)를 포함한다. 제1 스위치(151)는 MOSFET 일 수 있고, 바디 다이오드(body diode)를 포함할 수 있다. 제1 다이오드(152)는 상기 제1 스위치(151)의 타단과 캐소드(Cathod)가 연결되고, 그라운드와 애노드(anode)가 연결될 수 있다.
변압기(130)는 1차측인 제1 입출력단(110)으로부터 전원이 인가되면, 미리 설정된 변압비로 변환하여 2차측인 제2 입출력단(160)으로 출력한다. 변압기(130)는 2차측인 제2 입출력단(160)으로부터 전원이 인가되면, 미리 설정된 변압비로 변환하여 1차측인 제1 입출력단(110)으로 출력한다. 여기서, 변압기(130)는 절연형 트랜스포머일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
변압기(130)의 1차측과 2차측에는 각각 입출력 인덕터가 연결될 수 있다. 1차측 인덕터는 제1 상측 스위치와 제1 하측 스위치 사이의 노드와 변압기 1차측 일단 사이에 연결될 수 있고, 2차측 인덕터인 제1 인덕터(180)는 2 개의 코일 사이의 노드와 제1 스위치(151) 사이에 연결될 수 있다.
제1 입출력단(110) 및 제2 입출력단(160)에는 각각 병렬연결되는 입출력 커패시터를 포함할 수 있다. 입출력 커패시터를 통해 안정적으로 신호를 입출력할 수 있다. 제1 입출력단(110)에는 제1 커패시터(170)가 제1 스위칭부(120)와 병렬로 연결될 수 있다. 제2 입출력단(160)에도 제1 스위치(151)와 병렬 연결되는 커패시터가 연결될 수 있다.
제1 입출력단(110)에는 배터리가 연결될 수 있고, 제2 입출력단(160)에는 차량 부하 등이 연결될 수 있다. 여기서, 배터리의 전압은 400 V 또는 800 V로 고전압이고, 차량 내부 부하의 정격전압은 12 V로 저전압일 수 있다. 배터리의 고전압을 차량 내부 부하의 정격전압에 적합하도록 감압하여 출력할 수 있다. 또는 반대로, 배터리를 충전하기 위하여, 제2 입출력단(160)으로 인가되는 전원을 승압하여 배터리를 충전할 수 있다. 또는, 배터리를 제1 입출력단(110)에 연결하기 전에, 미리, 제1 커패시터(170)를 배터리의 전압까지 충전하는 프리차지(pre-charge)를 수행하여, 배터리 연결시 안정성을 높일 수 있다.
이와 같이, 양방향으로 전압을 감압 또는 승압함에 있어서, 제1 스위치(151)는 각 상황에 적합하도록 동작할 수 있다.
제1 입출력단(110)에 제1 전원이 연결되고, 제2 입출력단(160)에 부하가 연결되는 경우, 제1 스위치(151)는 온상태를 유지한다. 고전압측인 제1 입출력단(110)에 배터리와 같은 제1 전원이 연결되고, 저전압측인 제2 입출력단(160)에 부하가 연결되면, 본 발명의 실시예에 따른 양방향 전력변환장치는 벅(Buck) 컨터버로 동작한다. 제1 입출력단(110)으로 인가되는 전원은 제1 스위칭부(120), 변압기(130), 제2 스위칭부(140)를 통해 제2 입출력단(160)으로 출력되고, 이때, 제3 스위칭부(150)인 제1 스위치(151)는 제2 스위칭부(140)의 정류를 통해 변압기(130)로부터 출력되는 출력을 제2 입출력단(160)으로 전달하기 위하여, 온 상태를 유지하도록 동작한다. 제1 스위치(151)가 온 상태를 유지하면, 제1 다이오드(152)의 애노드 단보다 캐소드 단의 전압이 높기 때문에, 제1 다이오드(152)는 오프된다. 즉, 벅 동작시에는 제3 스위칭부(150)는 없는 것처럼 보이고, 기존의 위상천이 풀브릿지(PSFB)와 동일하게 전력변환이 수행된다.
상기 제2 입출력단(160)에 제2 전원이 연결되는 경우, 제1 스위치(151)는 PWM 동작모드, 온 모드, 및 오프 모드 중 하나의 모드로 동작한다. 저전압측인 제2 입출력단(160)에 제1 전원이 연결되고, 고전압측인 제1 입출력단(110)에 부하가 연결되면, 본 발명의 실시예에 따른 양방향 전력변환장치는 부스트(Boost) 컨터버로 동작하거나 H 브릿지로 동작할 수 있다. 여기서, 부하는 충전이 필요한 배터리일 수 있다. 저전압을 고전압으로 변환하기 위하여, 부스트 동작이 필요하다.
벅 컨버터로 동작하는 경우와 같이, 제1 스위치(151)가 온 상태를 유지하는 경우, 제2 입출력단(160)으로부터 전원이 계속 인가되고, 제2 스위칭부(140)의 동작에 따라 부스트 컨버터로 동작할 수 있다. 이 경우, 제1 다이오드(152)는 오프되고, 부스트 동작시에는 제3 스위칭부(150)는 없는 것처럼 보이고, 기존의 부스트 컨버터와 같이, 전력변환이 수행된다.
제1 스위치(151)가 PWM 제어되는 경우, 제2 입출력단(160)으로부터 전원이 계속 인가되지 않고, 듀티(Duty)에 따라 인가 또는 차단된다. 이와 함께 제2 스위칭부(140)의 동작에 따라 본 발명의 실시예에 따른 양방향 전력변환장치는 H 브릿지 회로로 동작한다. 즉, 벅-부스트 또는 플라이백(Flayback) 컨버터와 같이 동작할 수 있다.
또한, 제1 스위치(151)를 제어하는 PWM 동작모드, 온 모드, 오프 모드를 모두 이용하여, 제1 입출력단(110)에 부하를 연결하지 않은 상태에서 제1 입출력단(110) 즉, 제1 입출력단(110)에 병렬연결되는 제1 커패시터(170)를 충전하는 프리차지(pre-charge)가 가능하다.
제1 스위치(151)의 제어가 없는 경우, 즉 도 4와 같이, 제1 스위치(151) 및 제1 다이오드(152)를 포함하는 제3 스위칭부(150)를 포함하지 않거나, 제1 스위치(151)가 항상 온을 유지하며 프리차지를 수행하는 경우 여러가지 문제가 발생할 수 있다.
프리차지를 수행하기 위하여, 1차측 제1 스위칭부(120) 4 개의 스위치(Q4 내지 Q7)는 모두 오프시킨다. 이때, 4 개의 스위치 모두 바디 다이오드를 포함하고 있어, 각각 바디 다이오드로만 동작하게 된다. 이때, Q2, Q3가 모두 온인 상태에서 i_Lo가 인가되면, Q2, Q3가 서로 반대 극성으로 연결되기 때문에, 변압기(130)의 2차측은 쇼트(short)된 것으로 보이고, 제1 인덕터(180)에 흐르는 i_Lo가 커지게 된다. 이후, Q2 또는 Q3 중 하나가 오프되면, 변압기에 의해 2차측에서 1차측으로 출력되어, i_p가 흐르게 된다. i_p는 D2를 거쳐 제1 커패시터(170)인 C_i를 충전한다. 이후, 듀티에 따라 다시 Q2, Q3가 온이 되면, 변압기 2차측이 다시 쇼트되어 i_p는 0이 된다.
이때, 변압기에는 자화 인덕턴스(Magnetizing inductance)가 존재하기 때문에, 프리차지에 영향을 미친다. 자화 인덕턴스가 존재하지 않는 이상적인 경우에는 도 6과 같이, 듀티에 맞춰 동작하나, 자화 인덕턴스가 존재하는 경우에는, 자화 인덕턴스에 의해 듀티가 영향을 받는다. Q2, Q3가 모두 온이었다가 Q3만 온이 되면, i_p가 흐르기 시작하는데, 이때, 자화 인덕턴스 전류인 i_m이 형성되어(build up) 있으면, 자화 인덕턴스에 제1 커패시터(170)에 충전된 전압이 걸리게 되고, 자화 인덕턴스 전압 v_m에 의해, 자화 인덕턴스 전류 i_m이 점점 커지게 된다. 여기서, 변압기(130) 2차측에서 1차측으로 넘어오는 i_Lo = i_p + i_m 인데, 자화 인덕턴스 전류 i_m 커지다 변압기(130) 2차측에서 1차측으로 넘어오는 i_Lo와 같아지면, i_p = 0 이되어, i_p가 흐르지 않게 된다. 이때, 자화 인덕턴스와 제1 커패시터(170)가 i_m에 의해 공진이 발생하게 되고, 이로 인해, 도 5와 같이, v_m이 작아지다 0(zero)을 지난 시점에 2차측 변압기의 전위가 반대가 됨으로 인해, Q2가 온되지 않았음에도 Q2의 바디 다이오드가 도통된다. 이로 인해, Q2, Q3가 모두 온이 된 것처럼 되어, 도 6과 같이, Q2, Q3를 모두 온시키도록 설정된 듀티보다 먼저 i_Lo가 커지게 된다. 즉, 듀티가 설정된 값보다 커지게 되어, 전압제어가 어렵게 되고, 프리차지로 충전하고자 하는 전압보다 제1 커패시터(170)에 충전되는 전압이 더 커지는 문제가 발생할 수 있다. 이때, 제1 스위치(151)를 오프시키는 기간을 둠으로써 i_Lo가 지나치게 커지는 것을 방지하는 경우, 이러한 문제를 해결할 수 있다.
또한, 부스트 컨버터로 프리차지를 수행하는 경우, 도 7과 같이, 등가회로로 나타낼 수 있고, 이 경우, 듀티를 인가하는 순간 출력측 M이 바로 1로 튀어버리는 돌입전류(inrush current)가 발생한다. 이때, 제3 스위칭부(150)인 제1 스위치(151) 및 제1 다이오드를 포함하는 경우, 제1 스위치(151)의 제어에 따라 부스트 컨버터가 아닌 H 브릿지로 동작시킬 수 있어, 듀티가 인가되더라도 M을 0부터 제어할 수 있게 되어, 돌입전류를 해결할 수 있다.
즉, 제1 스위치(151)을 온오프 제어함으로써 원하는 듀티로 돌입전류 없이 제어가 가능해진다. 이를 위하여, 제2 입출력단(160)에 제2 전원이 연결되고, 이를 승압하여 상기 제1 커패시터(170)를 충전하는 프리차지 모드에서, 상기 제1 스위치(151)는 상기 제1 커패시터(170)의 전압인 제1 전압에 따라 PWM 동작모드, 온 모드, 및 오프 모드 중 하나의 모드로 동작할 수 있다. 여기서, 제1 커패시터(170)의 제1 전압은 전압측정센서 등을 통해 측정될 수 있다. 제1 스위치(151)는 상기 프리차지 모드의 초기 또는 상기 제1 전압이 제1 기준전압보다 작으면, 상기 PWM 모드로 동작하고, 상기 제1 전압이 상기 제1 기준전압 이상이고 제2 기준전압보다 작으면, 상기 온 모드로 동작하고, 상기 제1 전압이 상기 제2 기준전압이면, 상기 오프 모드로 동작하여, 프리차지를 수행할 수 있다.
이때, 상기 변압기(130)와 상기 제1 스위치(151) 사이에 연결되는 제1 인덕터(180)에 흐르는 제1 전류를 측정하고, 상기 측정되는 제1 전류를 이용하여 제어부(190)가 상기 제2 스위칭부 및 상기 제1 스위치를 제어할 수 있다. 제1 인덕터(180)에 흐르는 제1 전류는 전류측정부를 통해 측정할 수 있다. 전류측정부는 션트저항 등 전류측정센서를 통해 측정될 수 있다. 제어부(190)는 제1 인덕터(180)에 흐르는 전류 즉, i_Lo를 일정하게 평균전류제어(Average Current mode)로 제어함으로써 프리차지를 수행할 수 있다.
프리차지 모드 초기에는 돌입전류가 발생할 수 있는바, 제1 커패시터(170)가 충분히 충전되기 전까지 돌입전류를 발생시키지 않기 위하여, H 브릿지로 동작시켜야 한다. 이때, 제1 스위치(151)를 PWM 동작시키며, 이때, PWM 제어를 수행함에 있어서, 평균전류제어를 위하여, 도 8과 같이, 제1 인덕터(180)에 흐르는 제1 전류를 측정한다. 제1 전류를 기준전류와 비교하고, 비교 결과를 이용하여 디지털 제어인 PI 제어를 통해 듀티를 생성하고, 이를 통해, 제1 스위치(151)인 Q1 및 제2 스위칭부(140)인 Q2, Q3를 PWM 제어한다. 제1 전류가 기준전류보다 커지면 제1 전류를 줄이는 방향으로 PI제어를 수행하고, 제1 전류가 기준전류보다 작아지면 제1 전류를 크게 하는 방향으로 PI제어를 수행한다. 즉, 제1 전류의 평균이 기준전류가 되도록 하는 평균전류제어(Average Current mode)로 제어할 수 있다.
돌입전류가 발생하지 않는 즉, 도 7에서 M이 충분한 값이 되기 전까지 PWM 제어를 수행한다. 제어부(190)는 제1 커패시터의 제1 전압이 제1 기준전압보다 작으면, 제1 전류가 제1 기준전류가 되도록 상기 제2 스위칭부(140) 및 상기 제1 스위치(151)를 PWM 제어한다. 이때, 도 9와 같이, 제1 스위치(151)인 Q1이 온오프하되, Q2, Q3가 교대로 Q1과 같이 오프되도록 제어할 수 있다.
예를 들어, 도 10과 같이, 프리차지 모드 초기부터 제1 전압이 400 V가 되기 전에는 PWM 모드(Mode-1)로 제어하되, 리플 및 전압 링잉을 최소화하기 위하여, 제1 전류를 50 A로 제어할 수 있다. 이때, 제1 전류와 비교하는 기준전류인 I_ref를 50 A로 설정하여 제1 전류가 50A가 되도록 Q1 내지 Q3를 PWM 제어할 수 있다.
제1 커패시터(170)가 돌입전류가 발생하지 않을 정도로 충분히 충전된 경우에는, 돌입전류가 문제되지 않는바, 제1 스위치(151)인 Q1을 온으로 유지시켜 부스트 컨버터로 동작시켜 빠르게 제1 커패시터(170)를 충전시킬 수 있다. 이때도 제1 인덕터(180)의 제1 전류를 일정하게 제어함으로써 자화 인덕턴스에 의해 에러를 방지할 수 있다.
예를 들어, 도 10과 같이, 제1 전압이 400 V가 되면, Q1을 온으로 유지시켜 온 모드(Mode-2)로 제어하여 부스트 동작시키되, 리플 및 전압 링잉을 최소화하기 위하여, 제1 전류를 250 A로 제어할 수 있다. 400 V는 이때, Q1을 온으로 유지시키되, 기준전류인 I_ref를 250 A로 설정하여 제1 전류가 250A가 되도록 Q2 및 Q3를 PWM 제어할 수 있다. 도 9와 같이, Q1은 온을 유지하고, Q2와 Q3가 모두 온되고, 둘 중 하나를 오프시키는 PWM 제어를 수행할 수 있다.
부스트 모드로의 충전을 통해 제1 커패시터(170)가 프리차지로 충전하고자 하는 전압으로 충전이 완료되면, 제1 스위치(151)인 Q1을 오프시켜 오프 모드(Mode-3)로 제어하여, 제1 커패시터(170)가 더 충전되지 않도록 한다. 이때, 제1 스위치(151)를 오프시키기 전에, 먼저 기준전류인 I_ref를 제3 기준전류로 낮추어 링잉을 최소화하도록 Q2, Q3를 PWM제어하고, 이후에, Q1을 오프시킨다. 이를 통해, 신뢰성 및 안정성을 높일 수 있다.
또한, 고전압인 제1 입출력단(110)의 버스(bus) 라인에 전압이 정상적인지를 확인하는데, 이용할 수 있다. 즉, PWM 모드로 제1 스위치(151) 및 제2 스위칭부(140)를 제어한 후, 버스 라인을 검사할 수 있다. 예를 들어, 제1 전류를 40 A로 제어하며, 제1 전압이 50 V에 도달하면 제1 스위치(151)를 오프시킨다. 이때, 충전시간은 약 40 ms 정도 소요되는 것을 확인할 수 있다. 이를 통해, 버스 라인이 잘 충전되는지 또는 전압이 유지되는지 검사할 수 있다.
또한, 버스 라인 검사(bus-test) 이후에, 소정의 대기시간 이후, 프리차지를 수행할 수도 있다. 이때, 버스 라인 검사 40 ms, 대기시간 100 ms을 포함하여 총 600ms 정도의 시간이 소요되는 것을 확인할 수 있다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 배터리 시스템의 블록도이다. 양방향 전력변환 장치(210)에 대한 상세한 설명은 도 1 내지 도 11의 양방향 전력변환장치에 대한 상세한 설명에 대응되는바, 이하 중복되는 설명은 생략하도록 한다. 차량용 배터리 시스템은 배터리(220), 배터리(220)의 전원을 변환하여 부하(230)로 출력하거나, 전원(230)과 연결되어 배터리(220)를 충전하는 전원에 맞게 변환하여 배터리(220)로 출력하는 양방향 전력변환 장치(210)를 포함한다. 양방향 전력변환 장치(210)는 배터리(220)가 연결되지 않은 상태에서 배터리 연결단을 충전하는 프리차지를 수행할 수 있다.
도 12 및 도 13은 본 발명의 실시예에 따른 전력변환방법의 흐름도이다. 도 12 및 도 13의 각 단계에 대한 상세한 설명은 도 1 내지 도 11의 양방향 전력변환장치에 대한 상세한 설명에 대응되는바, 이하 중복되는 설명은 생략하도록 한다.
저전압측에 제1 스위치 및 제1 다이오드를 포함하는 양방향 전력변환장치에 있어서, 고전압측에 배터리를 연결하기 전, 고전압측 제1 커패시터의 전압을 배터리 전압에 맞게 프리차지하기 위하여, S11 단계에서 프리차지 모드의 초기 또는 제1 커패시터의 제1 전압이 제1 기준전압이 될 때까지, 제1 인덕터의 제1 전류가 제1 기준전류가 되도록 제1 스위칭부 및 제1 스위치를 PWM 제어한다. 여기서, 제1 인덕터는 제1 스위치와 저전압측 스위칭부 사이에 연결되는 인덕터이다.
제1 전압이 제1 기준전압이 되면, S12 단계에서 제1 전압이 제2 기준전압이 될 때까지, 제1 스위치를 온상태로 유지하고, 제1 전류가 제2 기준전류가 되도록 제1 스위칭부를 PWM 제어한다.
제1 전압이 제2 기준전압이 되면, S13 단계에서 제1 스위치를 오프한다. 제1 스위치를 오프하여, 제1 전압이 제2 기준전압을 유지하도록 한다. 이후, 배터리를 고전압측 입출력단에 연결할 수 있다.
S13 단계에서 제1 전압이 제2 기준전압이 되면, 제1 스위치를 오프하기 전에, S21 단계에서 제1 전류가 제3 기준전류가 되도록 제1 스위칭부를 PWM 제어할 수 있다. 이를 통해 신뢰성 내지 안정성을 높일 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예들은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다.
컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있으며, 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고 본 발명을 구현하기 위한 기능적인(functional) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술 분야의 프로그래머들에 의하여 용이하게 추론될 수 있다.
본 실시 예와 관련된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상기된 기재의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 방법들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (13)

  1. 제1 입출력단에 연결되는 복수 개의 스위치를 포함하는 제1 스위칭부;
    상기 제1 스위칭부와 일측이 연결되는 변압기;
    상기 변압기의 타측에 연결되는 복수 개의 스위치를 포함하는 제2 스위칭부; 및
    상기 변압기의 타측 및 제2 입출력단에 연결되는 제3 스위칭부를 포함하고,
    상기 제3 스위칭부는,
    일단이 상기 제2 입출력단과 연결되는 제1 스위치; 및
    상기 제1 스위치의 타단과 연결되는 제1 다이오드를 포함하는 양방향 전력변환장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 스위치는,
    상기 제2 입출력단에 제2 전원이 연결되는 경우, PWM 동작모드, 온 모드, 및 오프 모드 중 하나의 모드로 동작하는 양방향 전력변환장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 입출력단에 병렬연결되는 제1 커패시터를 포함하고,
    상기 제2 입출력단에 제2 전원이 연결되어 상기 제1 커패시터를 충전하는 프리차지 모드에서, 상기 제1 스위치는 상기 제1 커패시터의 전압인 제1 전압에 따라 PWM 동작모드, 온 모드, 및 오프 모드 중 하나의 모드로 동작하는 양방향 전력변환장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 스위치는,
    상기 프리차지 모드의 초기 또는 상기 제1 전압이 제1 기준전압보다 작으면, 상기 PWM 모드로 동작하고,
    상기 제1 전압이 상기 제1 기준전압 이상이고 제2 기준전압보다 작으면, 상기 온 모드로 동작하고,
    상기 제1 전압이 상기 제2 기준전압이면, 상기 오프 모드로 동작하는 양방향 전력변환장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 변압기와 상기 제1 스위치 사이에 연결되는 제1 인덕터;
    상기 제1 인덕터에 흐르는 제1 전류를 측정하는 전류측정부; 및
    상기 측정되는 제1 전류를 이용하여 상기 제2 스위칭부 및 상기 제1 스위치를 제어하는 제어부를 포함하는 양방향 전력변환장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 PWM 모드에서, 상기 제1 전류가 제1 기준전류가 되도록 상기 제2 스위칭부 및 상기 제1 스위치를 PWM 제어하는 양방향 전력변환장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 온 모드에서, 상기 제1 스위치를 온상태로 유지하고, 상기 제1 전류가 제2 기준전류가 되도록 상기 제2 스위칭부를 PWM 제어하는 양방향 전력변환장치.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 오프 모드에서 상기 제1 스위치를 오프시키는 양방향 전력변환장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 오프 모드에서 상기 제1 스위치를 오프시키기 전에, 상기 제1 전류가 제3 기준전류가 되도록 상기 제2 스위칭부를 PWM 제어하는 양방향 전력변환장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 스위치는,
    상기 제1 입출력단에 제1 전원이 연결되고, 상기 제2 입출력단에 부하가 연결되는 경우, 온상태를 유지하는 양방향 전력변환장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 다이오드는,
    상기 제1 스위치의 타단과 캐소드가 연결되고, 그라운드와 애노드가 연결되는 양방향 전력변환장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1 입출력단에 연결되는 제1 전원의 전압은 상기 제2 입출력단에 연결되는 제2 전원의 전압보다 높은 양방향 전력변환장치.
  13. 제1항 내지 12항 중 어느 한 항의 양방향 전력변환장치를 포함하는 차량용 배터리 시스템.
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