KR20240020974A - 차량용 보조 배터리를 위한 컨버터 및 전력 변환 시스템 - Google Patents

차량용 보조 배터리를 위한 컨버터 및 전력 변환 시스템 Download PDF

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이윤식
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현대자동차주식회사
기아 주식회사
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Abstract

본 발명은 차량용 보조 배터리를 위한 컨버터 및 전력 변환 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 시스템은 전원을 충전하고, 모터에 충전된 전원을 공급함으로써 차량의 휠에 회전력을 제공하는 메인 배터리, 상기 메인 배터리를 보조하는 적어도 하나 이상의 보조 배터리 및 상기 적어도 하나 이상의 보조 배터리에 연결되고, 바이패스 회로 및 벅 컨버터를 포함하는 적어도 하나 이상의 전력 변환부를 포함하되, 상기 벅 컨버터는 벅 스위치를 포함하며, 상기 벅 스위치의 온(ON)/오프(OFF) 동작에 의하여 상기 보조 배터리의 전압을 상기 메인 배터리를 충전하기 위한 전압으로 변환한다.

Description

차량용 보조 배터리를 위한 컨버터 및 전력 변환 시스템{CONVERTER AND POWER CONVERTING SYSTEM FOR VEHICLE AUXILIARY BATTERY}
본 발명은 전력 변환 시스템에에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 차량용 보조 배터리의 전력을 변환하기 위한 컨버터 및 전력 변환 시스템에 관한 것이다.
최근 환경에 대한 관심이 높아짐과 함께, 전기 모터를 동력원으로 구비한 친환경 차량이 증가하는 추세이다. 친환경 차량은 전동화 차량이라고도 하며, 대표적인 예로 하이브리드 자동차(HEV: Hybrid Electric Vehicle)나 전기차(EV: Electric Vehicle)를 들 수 있다.
일반적으로, 소형 또는 경형 전기차는 원가 경쟁력이 가장 중요한 항목이며, 고전압 배터리뿐만 아니라 전력 전자(Power Electronics, PE) 부품의 원가 절감이 매우 중요하다. 한편, 고전압 전력 전자 부품 중에서 가장 가격이 비싼 부품은 고전압 배터리이며, 고전압 배터리의 용량을 최소화해야 전력 전자 부품의 가격을 낮출 수 있지만, 고전압 배터리의 용량이 감소하는 경우 전기차의 주행거리가 감소할 뿐만 아니라 모터 및 인버터의 출력 또한 감소하게 된다.
최근에는 전기차의 차량 가격을 최소화하기 위해 배터리의 용량을 줄이고, 전압을 낮추는 방향으로 검토가 진행되고 있으며, 현재 차량 가격을 최소화하기 위해 48V급 시스템으로 구성된 전기차도 개발이 진행되고 있다. 또한, 48V의 메인 배터리에 교체형 보조 배터리를 추가하여 주행거리를 증가시킬 뿐만 아니라 모터 및 인버터 출력을 증대시킬 수 있는 시스템의 개발이 진행되고 있다.
한편, 메인 배터리와 보조 배터리의 정격 용량은 48V이지만, 충전상태(State of Charge, SOC)에 의해 약 30~60V를 가질 수 있으며, 충전상태에 차이가 있는 배터리들을 직접 연결시킬 경우 화재의 위험이 존재한다.
따라서, 본 기술분야에서는 각각의 보조 배터리의 충전상태를 관리하고, 충전 전류를 효과적으로 제어하고, 배터리들을 효율적으로 사용할 수 있는 컨버터가 요구되고 있는 실정이다.
한국등록특허 제10-1811062호, 2017년 12월 14일 등록(명칭: 이차전기 배터리의 균등화 장치) 한국등록특허 제10-1809913호, 2017년 12월 12일 등록(명칭: 저장 장치용 모듈러 컨버터 제어 시스템 및 그 제어 방법)
본 발명의 기술적 과제는 각각의 보조 배터리의 충전상태를 관리하고, 충전 전류를 효과적으로 제어할 수 있는 컨버터를 제공하기 위함에 있다.
본 발명의 다른 기술적 과제는 배터리들을 효율적으로 사용할 수 있는 컨버터를 제공하기 위함에 있다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 시스템은 전원을 충전하고, 모터에 충전된 전원을 공급함으로써 차량의 휠에 회전력을 제공하는 메인 배터리, 상기 메인 배터리를 충전하거나 상기 메인 배터리의 전원 공급 기능을 보조하는 적어도 하나 이상의 보조 배터리 및 상기 적어도 하나 이상의 보조 배터리에 연결되고, 바이패스 회로 및 벅 컨버터를 포함하는 적어도 하나 이상의 전력 변환부를 포함하되, 상기 벅 컨버터는 벅 스위치를 포함하며, 상기 벅 스위치의 온(ON)/오프(OFF) 스위칭 동작에 의하여 상기 보조 배터리의 전압을 상기 메인 배터리를 충전하기 위한 전압으로 변환한다.
이 때, 상기 벅 스위치는 상기 보조 배터리의 전압이 상기 메인 배터리의 전압보다 높은 경우에 온(ON)/오프(OFF)를 반복적으로 스위칭하여 동작하고, 상기 보조 배터리의 전압이 상기 메인 배터리의 전압보다 높지 않은 경우에는 동작하지 않을 수 있다.
이 ‹š, 상기 바이패스 회로는 상기 보조 배터리의 전압과 상기 매인 배터리의 전압이 동일한 경우에 상기 보조 배터리와 상기 메인 배터리를 전기적으로 연결할 수 있다.
이 때, 상기 각각의 보조 배터리는 하나의 바이패스 회로 및 하나의 벅 컨버터와 연결되며, 상기 각각의 보조 배터리는 상기 하나의 바이패스 회로 및 하나의 벅 컨버터에 의해 상기 메인 배터리로 전원을 공급할 수 있다.
이 때, 상기 각각의 보조 배터리는 하나의 바이패스 회로 및 하나의 릴레이 스위치와 연결되며, 상기 각각의 릴레이 스위치는 온(ON)/오프(OFF) 제어에 의해 상기 각각의 보조 배터리와 상기 벅 컨버터 사이를 연결 또는 차단하되, 상기 각각의 보조 배터리는 상기 벅 컨버터 및 상기 각각의 보조 배터리와 연결된 바이패스 회로에 의해 상기 메인 배터리로 전원을 공급할 수 있다.
이 때, 상기 각각의 릴레이 스위치는 한 번에 하나의 릴레이 스위치가 온(ON) 될 수 있다.
이 때, 상기 각각의 릴레이 스위치는 미리 설정된 우선순위에 따라 순차적으로 온(ON) 될 수 있다.
이 때, 상기 보조 배터리는 교체 가능한 스왑(Swap) 배터리의 형태로 제공될수 있다.
이 때, 상기 바이패스 회로는, 제1 다이오드 및 상기 다이오드와 직렬로 연결된 제1 스위치를 포함할 수 있다.
이 때, 상기 벅 컨버터는 제1 및 제2 커패시터, 상기 제1 커패시터의 일단과상기 제2 커패시터의 일단 사이에 직렬로 연결된 제1 인덕터 및 벅 컨버터, 및 일단은 상기 제1 인덕터와 상기 벅 스위치 사이의 노드에 연결되고, 다른 일단은 상기 제1 커패시터와 상기 제2 커패시터 사이의 노드에 연결된 제2 다이오드를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 입력 전압을 받아 출력 전압을 생성하는 DC-DC 컨버터는 메인 배터리 및 적어도 하나 이상의 보조 배터리에 연결되고, 바이패스 회로 및 벅 컨버터를 포함하는 적어도 하나 이상의 전력 변환부를 포함하되, 상기 벅 컨버터는 벅 스위치를 포함하며, 상기 벅 스위치의 온(ON)/오프(OFF) 스위칭 동작에 의하여 상기 보조 배터리의 전압을 상기 메인 배터리를 충전하기 위한 전압으로 변환한다.
이 때, 상기 벅 스위치는 상기 보조 배터리의 전압이 상기 메인 배터리의 전압보다 높은 경우에 온(ON)/오프(OFF)를 반복적으로 스위칭하고, 상기 보조 배터리의 전압이 상기 메인 배터리의 전압보다 높지 않은 경우에는 동작하지 않을 수 있다.
이 때, 상기 바이패스 회로는 상기 보조 배터리의 전압과 상기 매인 배터리의 전압이 동일한 경우에 상기 보조 배터리와 상기 메인 배터리 사이를 전기적으로 연결할 수 있다.
이 때, 상기 각각의 보조 배터리는 하나의 바이패스 회로 및 하나의 벅 컨버터와 연결되며, 상기 각각의 보조 배터리는 상기 하나의 바이패스 회로 및 하나의 벅 컨버터에 의해 상기 메인 배터리로 연결되는 전원 공급 통로가 스위칭될 수 있다.
이 때, 상기 각각의 보조 배터리는 하나의 바이패스 회로 및 하나의 릴레이 스위치와 연결되며, 상기 각각의 릴레이 스위치는 온(ON)/오프(OFF)에 의해 상기 각각의 보조 배터리와 상기 벅 컨버터 사이를 연결 또는 차단하되, 상기 각각의 보조 배터리는 상기 벅 컨버터 및 상기 각각의 보조 배터리와 연결된 바이패스 회로에 의해 상기 메인 배터리로 연결되는 전원 공급 통로가 스위칭될 수 있다.
이 때, 상기 각각의 릴레이 스위치는 한 번에 하나의 릴레이 스위치가 온(ON) 될 수 있다.
이 때, 상기 각각의 릴레이 스위치는 미리 설정된 우선순위에 따라 순차적으로 온(ON) 될 수 있다.
이 때, 상기 바이패스 회로는, 제1 다이오드 및 상기 다이오드와 직렬로 연결된 제1 스위치를 포함할 수 있다.
이 때, 상기 벅 컨버터는 제1 및 제2 커패시터, 상기 제1 커패시터의 일단과 상기 제2 커패시터의 일단 사이에 직렬로 연결된 제1 인덕터 및 벅 스위치, 및 일단은 상기 제1 인덕터와 상기 벅 스위치 사이의 노드에 연결되고, 다른 일단은 상기 제1 커패시터와 상기 제2 커패시터 사이의 노드에 연결된 제2 다이오드를 포함할 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 다양한 실시 예에 의해, 안정적으로 보조 배터리의 충전상태를 관리하고, 충전 전류를 효과적으로 제어함으로써 전기차의 주행거리를 증가시키고 차량의 동력성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 사용자가 배터리를 교체 가능한 곳에서 방전된 보조 배터리를 직접 교체할 수 있다.
또한, 벅 컨버터(Buck Converter)의 용량을 최소화하고 바이패스(Bypass) 회로를 고용량으로 설계하여 원가를 절감할 수 있다.
본 발명에서 얻은 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 일실시예에 따른 전력 변환 시스템이 적용된 차량을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전력 변환 시스템을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 보조 배터리 전력 변환 장치를 나타낸다.
도 4는 도 3의 실시예에 따른 보조 배터리 전력 변환 장치의 회로도의 일예를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 변환 시스템을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 보조 배터리 전력 변환 장치를 나타낸다.
도 7은 도 6의 실시예에 따른 보조 배터리 전력 변환 장치의 회로도의 일예를 나타낸다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전력 변환 시스템이 적용된 차량(100)을 나타낸다.
도 1을 참조하면, 차량(100)은 메인 배터리(110) 및 보조 배터리(130)를 포함한다. 차량(100)은 모터를 구동하기 위한 동력원으로 메인 배터리(110)에 충전된 전력을 사용하며, 메인 배터리(110)의 전력이 방전되는 경우 보조 배터리(130)로부터 전력을 공급받아 메인 배터리(110)를 충전한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전력 변환 시스템을 나타낸다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 전력 변환 시스템은 AC 전원(210), 차량 탑재형 충전기(On Board Charger, 220), 메인 배터리(230), 보조 배터리(240), 전력 변환부(250)를 포함한다.
AC 전원(210)은 메인 배터리(230)를 충전하기 위하여 차량 탑재형 충전기(220)에 인가된다. 이 때, AC 전원(210)은 외부의 충전 설비에 설치된 전원일 수 있다.
차량 탑재형 충전기(220)는 AC 전원(210)으로부터 교류 전압을 메인 배터리(230)를 충전할 수 있는 직류 전압으로 변환하여 메인 베터리(230)로 제공한다. 차량 탑재형 충전기(220)는 역률 보상 회로(221), 링크 커패시터(C21), LLC 회로(225), 변압기(T21), 정류 회로(229)를 포함한다. 이 때, 상기 역률 보상 회로(221), 링크 커패시터(C21), LLC 회로(225), 변압기(T21), 정류 회로(229)는 당 기술 분야의 다양한 토폴로지로 구현될 수 있다.
메인 배터리(230)는 전원을 충전하고, 모터(도시되지 않음)에 충전된 전원을 공급함으로써 차량의 휠에 회전력을 제공한다. 이 때, 메인 배터리(230)는 차량 탑재형 충전기(220) 또는 보조 배터리(240)에서 제공되는 직류 충전 전력에 의해 충전될 수 있다. 메인 배터리(230)는 저전압 출력의 배터리일 수 있으며, 예를 들어, 48V 규격의 배터리일 수 있다. 이 때, 메인 배터리(230)는 48V의 규격을 갖더라도 SOC(State of Charge)에 따라 30V 내지 60V의 다양한 범위의 출력을 가질 수 있다.
보조 배터리(240)는 복수의 보조 배터리(241, 242, 243)로 이루어지며 메인 배터리(230)의 전원을 충전하거나 메인 배터리(230)의 모터를 구동하기 위한 에너지원으로서의 역할을 보조한다. 이 때, 보조 배터리(240)는 저전압 출력의 배터리일 수 있으며, 예를 들어, 48V 규격의 배터리일 수 있다. 보조 배터리(240)는 메인 배터리(230)와 마찬가지로 48V의 규격을 갖더라도 SOC에 따라 30V 내지 60V의 다양한 범위의 출력을 가질 수 있다.
이 때, 보조 배터리(240)는 교체 가능한 스왑(Swap) 배터리의 형태로 제공될 수 있다.
전력 변환부(250)는 보조 배터리(240)의 전압을 메인 배터리(230)를 충전하기 위한 적절한 크기의 전압으로 변환한다. 이 때, 보조 배터리(240) 및 메인 배터리(230)의 전압은 모두 직류 전압을 가지므로, 전력 변환부(250)는 DC-DC 컨버터로서 기능을 한다. 이 때, 전력 변환부(250)는 복수의 보조 배터리(241, 242, 243)의 개수와 동일한 수의 복수의 전력 변환부(255, 260, 265)가 각각의 보조 배터리(241, 242, 243)마다 연결되어 제공된다. 전력 변환부(250)의 상세한 구조는 아래 도 3 및 도 4의 보조 배터리 전력 변환 장치를 참고로 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 보조 배터리 전력 변환 장치를 나타낸다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 전력 변환 장치는 메인 배터리(230), 보조 배터리(240), 전력 변환부(250)를 포함한다. 이 때, 도 3의 보조 배터리 전력 변환 장치는 도 2의 전력 변환 시스템의 일부를 구성할 수 있다.
메인 배터리(230)는 전원을 충전하고, 모터(도시되지 않음)에 충전된 전원을 공급함으로써 차량의 휠에 회전력을 제공한다. 이 때, 메인 배터리(230)는 보조 배터리(240)에서 제공되는 직류 충전 전력에 의해 충전될 수 있다. 메인 배터리(230)는 저전압 출력의 배터리일 수 있으며, 예를 들어, 48V 규격의 배터리일 수 있다. 이 때, 메인 배터리(230)는 48V의 규격을 갖더라도 SOC(State of Charge)에 따라 30V 내지 60V의 다양한 범위의 출력을 가질 수 있다.
보조 배터리(240)는 메인 배터리(230)의 전원을 충전하거나 메인 배터리(230)의 모터를 구동하기 위한 에너지원으로서의 역할을 보조한다.
보조 배터리(240)는 복수의 보조 배터리(241, 242, 243)를 포함할 수 있다. 도 3의 실시예에서는 보조 배터리(240)는 제1 내지 제3 보조 배터리(241, 242, 243)를 포함하여 구성되는 것으로 도시되었으나, 이는 하나의 예시에 불과할 뿐 다양한 개수의 보조 배터리를 포함할 수 있다.
이 때, 보조 배터리(240)는 저전압 출력의 배터리일 수 있으며, 예를 들어, 48V 규격의 배터리일 수 있다. 보조 배터리(240)는 메인 배터리(230)와 마찬가지로 48V의 규격을 갖더라도 SOC에 따라 30V 내지 60V의 다양한 범위의 출력을 가질 수 있다.
이 때, 보조 배터리(240)는 교체 가능한 스왑(Swap) 배터리의 형태로 제공될 수 있다.
전력 변환부(250)는 보조 배터리(240)의 전압을 메인 배터리(230)를 충전하기 위한 적절한 크기의 전압으로 변환한다. 이 때, 전력 변환부(250)는 보조 배터리(241, 242, 243)의 개수와 동일한 개수로 이루어질 수 있다. 도 3의 실시예에서는 전력 변환부(250)가 제1 내지 제3 전력 변환부(255, 260, 265)를 포함하여 구성되는 것으로 도시되었으나, 이는 하나의 예시에 불과할 뿐 다양한 개수의 전력 변환부를 포함할 수 있다.
도 3을 참조하면, 제1 내지 제3 전력 변환부(255, 260, 265)는 각각 하나의 바이패스 회로(256, 261, 266) 및 하나의 벅 컨버터(257, 262, 267)를 포함한다. 제1 내지 제3 보조 배터리(241, 242, 243)는 각각 제1 내지 제3 바이패스 회로(256, 261, 266) 및 제1 내지 제3 벅 컨버터(257, 262, 267)와 연결되어 있다.
이 때, 제1 내지 제3 보조 배터리(241, 242, 243)는 각각 하나의 바이패스 회로(256, 261, 266) 및 하나의 벅 컨버터(257, 262, 267)와 연결되며, 각각의 보조 배터리(241, 242, 243)는 바이패스 회로(256, 261, 266) 및 벅 컨버터(257, 262, 267)에 의해 메인 배터리로 연결되는 전원 공급 통로가 스위칭된다.
이 때, 벅 컨버터(257, 262, 267)는 각각의 연결된 보조 배터리(241, 242, 243)의 전압이 메인 배터리(230)의 전압보다 높은 경우에 보조 배터리(241, 242, 243)의 전압을 강압하여 메인 배터리(310)로 공급한다. 이 때, 벅 컨버터(257, 262, 267)를 통하여 메인 배터리(230)로 공급되는 전원은 메인 배터리(230)를 충전하는데 사용될 수 있다.
한편, 바이패스 회로(256, 261, 266)는 각각의 연결된 보조 배터리(241, 242, 243)의 전압과 메인 배터리(230)의 전압이 동일한 경우에 회로가 동작하여 보조 배터리(241, 242, 243)와 메인 배터리(230)를 전기적으로 연결한다. 이 때, 바이패스 회로(256, 261, 266)를 통하여 보조 배터리(241, 242, 243)로부터 공급되는 전원은 메인 배터리(230)의 모터를 구동하기 위한 에너지원으로서의 역할을 보조할 수 있다.
한편, 각각의 전력 변환부(255, 260, 265)는 각각의 보조 배터리(241, 242, 243)의 충전된 전압에 따라서 개별적으로 동작할 수 있다. 따라서, 각각의 전력 변환부(255, 260, 265)는 다른 전력 변환부의 동작과는 무관하게 독립적으로 동작할 수 있다.
본 실시예에서 보조 배터리 전력 변환 장치는 3개의 보조 배터리(241, 242, 243) 및 3개의 전력 변환부(255, 260, 265)를 포함하는 것으로 도시되었지만, 이는 하나의 예시에 불과할 뿐, 보조 배터리 전력 변환 장치는 다양한 개수의 보조 배터리 및 전력 변환부를 포함할 수 있다.
도 4는 도 3의 실시예에 따른 보조 배터리 전력 변환 장치의 회로도의 일예를 나타낸다.
도 4를 참조하면, 각각의 바이패스 회로(256, 261, 266)는 각각 하나의 다이오드(D31, D33, D35) 및 하나의 스위치(SW31, SW33, SW35)를 포함한다.
또한, 각각의 벅 컨버터(257, 262, 267)는 각각의 벅 스위치(SW32, SW34, SW36)를 포함한다.
이 때, 각각의 벅 스위치(SW32, SW34, SW36)는 각각의 연결된 보조 배터리(241, 242, 243)의 전압이 메인 배터리(230)의 전압보다 높은 경우에 온(ON)/오프(OFF)를 빠르게 스위칭하여 동작하고, 보조 배터리(241, 242, 243)의 전압이 메인 배터리(230)의 전압보다 높지 않은 경우에는 동작하지 않는다. 따라서, 각각의 보조 배터리(241, 242, 243)는 메인 배터리(230)에 비해 전압이 높은 경우 각 보조 배터리(241, 242, 243)와 연결된 벅 컨버터(257, 262, 267)를 통하여 메인 배터리(230)를 충전하기 위한 전압으로 변환되어 메인 배터리(230)를 충전한다.
한편, 각각의 벅 컨버터(257, 262, 267)는 2개의 커패시터, 1개의 인덕터, 1개의 다이오드를 더 포함하여 구성될 수 있다.
예를 들어, 제1 벅 컨버터(257)는 제1 및 제2 커패시터(C31, C32), 제1 인덕터(L31), 제2 다이오드(D32), 제1 벅 스위치(SW32)를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 제2 벅 컨버터(262)는 제3 및 제4 커패시터(C33, C34), 제2 인덕터(L32), 제4 다이오드(D34), 제2 벅 스위치(SW34)를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 제3 벅 컨버터(267)는 제5 및 제6 커패시터(C35, C36), 제3 인덕터(L33), 제6 다이오드(D36), 제3 벅 스위치(SW36)를 포함하여 구성될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 상대적으로 가격이 비싼 벅 컨버터의 용량을 최소화하고, 상대적으로 가격이 저렴한 바이패스 회로의 용량을 최대화함으로써 비용을 절감할 수 있다. 예를 들어, 벅 컨버터에는 1kW 급 용량의 컨버터를 사용하고, 바이패스 회로에는 6kW 급 용량의 바이패스 회로를 사용하여 시스템을 구성할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 변환 시스템을 나타낸다.
도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 전력 변환 시스템은 AC 전원(510), 차량 탑재형 충전기(On Board Charger, 520), 메인 배터리(530), 보조 배터리(540), 전력 변환부(550)를 포함한다.
AC 전원(510)은 메인 배터리(530)를 충전하기 위하여 차량 탑재형 충전기(520)에 인가된다. 이 때, AC 전원(510)은 외부의 충전 설비에 설치된 전원일 수 있다.
차량 탑재형 충전기(520)는 AC 전원(510)으로부터 교류 전압을 메인 배터리(530)를 충전할 수 있는 직류 전압으로 변환하여 메인 베터리(530)로 제공한다. 차량 탑재형 충전기(520)는 역률 보상 회로(521), 링크 커패시터(523), LLC 회로(525), 변압기(527), 정류 회로(529)를 포함한다. 이 때, 상기 역률 보상 회로(521), 링크 커패시터(C51), LLC 회로(525), 변압기(T51), 정류 회로(529)는 당 기술 분야의 다양한 토폴로지로 구현될 수 있다.
메인 배터리(530)는 전원을 충전하고, 모터(도시되지 않음)에 충전된 전원을 공급함으로써 차량의 휠에 회전력을 제공한다. 이 때, 메인 배터리(530)는 차량 탑재형 충전기(520) 또는 보조 배터리(540)에서 제공되는 직류 충전 전력에 의해 충전될 수 있다. 메인 배터리(530)는 저전압 출력의 배터리일 수 있으며, 예를 들어, 48V 규격의 배터리일 수 있다. 이 때, 메인 배터리(530)는 48V의 규격을 갖더라도 SOC(State of Charge)에 따라 30V 내지 60V의 다양한 범위의 출력을 가질 수 있다.
보조 배터리(540)는 복수의 보조 배터리(541, 542, 543)로 이루어지며 메인 배터리(530)의 전원을 충전하거나 메인 배터리(530)의 모터를 구동하기 위한 에너지원으로서의 역할을 보조한다. 이 때, 보조 배터리(540)는 저전압 출력의 배터리일 수 있으며, 예를 들어, 48V 규격의 배터리일 수 있다. 보조 배터리(540)는 메인 배터리(530)와 마찬가지로 48V의 규격을 갖더라도 SOC에 따라 30V 내지 60V의 다양한 범위의 출력을 가질 수 있다.
이 때, 보조 배터리(540)는 교체 가능한 스왑(Swap) 배터리의 형태로 제공될 수 있다.
전력 변환부(550)는 보조 배터리(540)의 전압을 메인 배터리(530)를 충전하기 위한 적절한 크기의 전압으로 변환한다. 이 때, 보조 배터리(540) 및 메인 배터리(530)의 전압은 모두 직류 전압을 가지므로, 전력 변환부(550)는 DC-DC 컨버터로서 기능을 한다. 전력 변환부(550)의 상세한 구조는 아래 도 6 및 도 7의 보조 배터리 전력 변환 장치를 참고로 상세히 설명한다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 보조 배터리 전력 변환 장치를 나타낸다.
도 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 보조 배터리 전력 변환 장치는 메인 배터리(530), 보조 배터리(540), 전력 변환부(550)를 포함한다. 이 때, 도 6의 보조 배터리 전력 변환 장치는 도 5의 전력 변환 시스템의 일부를 구성할 수 있다.
메인 배터리(530)는 전원을 충전하고, 모터(도시되지 않음)에 충전된 전원을 공급함으로써 차량의 휠에 회전력을 제공한다. 이 때, 메인 배터리(530)는 보조 배터리(540)에서 제공되는 직류 충전 전력에 의해 충전될 수 있다. 메인 배터리(530)는 저전압 출력의 배터리일 수 있으며, 예를 들어, 48V 규격의 배터리일 수 있다. 이 때, 메인 배터리(530)는 48V의 규격을 갖더라도 SOC(State of Charge)에 따라 30V 내지 60V의 다양한 범위의 출력을 가질 수 있다.
보조 배터리(540)는 메인 배터리(530)의 전원을 충전하거나 메인 배터리(310)의 모터를 구동하기 위한 에너지원으로서의 역할을 보조한다.
보조 배터리(540)는 복수의 개수의 보조 배터리(541, 542, 543)를 포함할 수 있다.
이 때, 보조 배터리(540)는 저전압 출력의 배터리일 수 있으며, 예를 들어, 48V 규격의 배터리일 수 있다. 보조 배터리(540)는 메인 배터리(530)와 마찬가지로 48V의 규격을 갖더라도 SOC에 따라 30V 내지 60V의 다양한 범위의 출력을 가질 수 있다.
이 때, 보조 배터리(540)는 교체 가능한 스왑(Swap) 배터리의 형태로 제공될 수 있다.
전력 변환부(550)는 보조 배터리(540)의 전압을 메인 배터리(530)를 충전하기 위한 적절한 크기의 전압으로 변환한다. 이 때, 전력 변환부(550)는 하나의 벅 컨버터(570) 및 복수의 바이패스 회로(555, 560, 565), 복수의 릴레이 스위치(S51, S52, S53)를 포함한다.
이 때, 복수의 바이패스 회로(555, 560, 565) 및 복수의 릴레이 스위치(S51, S52, S53)는 보조 배터리(541, 542, 543)의 개수와 동일한 개수로 이루어질 수 있다.
도 6을 참조하면, 제1 내지 제3 보조 배터리(541, 542, 543)는 각각 하나의 바이패스 회로(555, 560, 565) 및 하나의 릴레이 스위치(S51, S52, S53)와 연결되며, 각각의 릴레이 스위치(S51, S52, S53)는 온(ON)/오프(OFF) 제어에 의해 각각의 보조 배터리와 벅 컨버터 사이를 연결 또는 차단한다.
또한, 각각의 보조 배터리(541, 542, 543)는 벅 컨버터(570) 및 각각의 보조 배터리(541, 542, 543)와 연결된 바이패스 회로(555, 560, 565)에 의해 메인 배터리로 연결되는 전원 공급 통로가 스위칭된다.
이 때, 벅 컨버터(570)는 보조 배터리(541, 542, 543)들 중 릴레이 스위치(S51, S52, S53)에 의해 연결된 보조 배터리의 전압이 메인 배터리(230)의 전압보다 높은 경우에 연결된 보조 배터리의 전압을 강압하여 메인 배터리(530)로 공급한다. 이 때, 벅 컨버터(570)를 통하여 메인 배터리(530)로 공급되는 전원은 메인 배터리(530)를 충전하는데 사용될 수 있다.
한편, 바이패스 회로(555, 560, 565)는 각각의 연결된 보조 배터리(541, 542, 543)의 전압과 메인 배터리(530)의 전압이 동일한 경우에 회로가 동작하여 보조 배터리(541, 542, 543)와 메인 배터리(530)를 전기적으로 연결한다. 이 때, 보조 배터리(541, 542, 543)로부터 바이패스 회로(555, 560, 565)를 통하여 공급되는 전원은 메인 배터리(530)의 모터를 구동하기 위한 에너지원으로서의 역할을 보조할 수 있다.
이 때, 각각의 릴레이 스위치(S51, S52, S53)는 한 번에 하나의 릴레이 스위치가 온(ON)되도록 설정될 수 있다.
또한, 각각의 릴레이 스위치(S51, S52, S53)는 미리 설정된 우선순위 또는 조건에 따라 순차적으로 온(ON)되도록 설정될 수 있다.
예를 들어, 제1 내지 제3 릴레이 스위치(S51, S52, S53)는 제1, 2, 3 보조 배터리(541, 542, 543)와 각각 연결된 제1, 2, 3 릴레이 스위치(S51, S52, S53)가 순차적으로 온(ON)될 수 있으며, 제1 내지 제3 보조 배터리(541, 542, 543)의 전압이 메인 배터리(S530)의 전압과 동일해질 때, 해당 배터리와 연결된 릴레이 스위치를 오프(OFF)하고, 다음 릴레이 스위치를 온(ON)할 수 있다.
구체적으로, 제1 내지 제3 보조 배터리(541, 542, 543)의 전압이 모두 메인 배터리(530)의 전압에 비해 높은 경우, 제1 보조 배터리(541)의 전압과 메인 배터리(530)의 전압이 같아질 때까지 제1 릴레이 스위치(S51)가 온(ON)되어 제1 보조 배터리(541)로부터 메인 배터리(530)가 충전될 수 있다. 제1 보조 배터리(541)와 메인 배터리(530)의 전압이 동일한 경우에는 제1 릴레이 스위치(S51)가 오프(OFF)되어 제1 바이패스 회로(555)를 통하여 제1 보조 배터리(541)와 메인 배터리(530) 사이에 전류가 흐를 수 있다. 이 때, 제1 보조 배터리(541)는 메인 배터리(530)의 모터를 구동하기 위한 에너지원으로서의 역할을 보조할 수 있다.
이 때, 제2 보조 배터리(542)의 전압이 메인 배터리(530)의 전압에 비해 높은 경우, 제2 보조 배터리(542)의 전압과 메인 배터리(530)의 전압이 같아질 때까지 제2 릴레이 스위치(S52)가 온(ON)되어 제2 보조 배터리(542)로부터 메인 배터리(530)가 충전될 수 있다. 제2 보조 배터리(542)와 메인 배터리(530)의 전압이 동일한 경우에는 제2 릴레이 스위치(S52)가 오프(OFF)되어 제2 바이패스 회로(560)를 통하여 제2 보조 배터리(542)와 메인 배터리(530) 사이에 전류가 흐를 수 있다. 이 때, 제2 보조 배터리(542)는 메인 배터리(530)의 모터를 구동하기 위한 에너지원으로서의 역할을 보조할 수 있다.
이 때, 제3 보조 배터리(543)의 전압이 메인 배터리(530)의 전압에 비해 높은 경우, 제3 보조 배터리(543)의 전압과 메인 배터리(530)의 전압이 같아질 때까지 제3 릴레이 스위치(S53)가 온(ON)되어 제3 보조 배터리(543)로부터 메인 배터리(530)가 충전될 수 있다. 제3 보조 배터리(543)와 메인 배터리(530)의 전압이 동일한 경우에는 제3 릴레이 스위치(S53)가 오프(OFF)되어 제3 바이패스 회로(565)를 통하여 제3 보조 배터리(543)와 메인 배터리(530) 사이에 전류가 흐를 수 있다. 이 때, 제3 보조 배터리(543)는 메인 배터리(530)의 모터를 구동하기 위한 에너지원으로서의 역할을 보조할 수 있다.
한편, 도면에는 도시되지 않았으나, 본 실시예에 따른 보조 배터리 전력 변환 장치는 릴레이 제어기를 더 포함하여, 미리 설정된 조건 또는 우선순위에 따라 각각의 릴레이 스위치(S51, S52, S53)들의 온(ON)/오프(OFF)를 제어할 수 있다.
도 7은 도 6의 실시예에 따른 보조 배터리 전력 변환 장치의 회로도의 일예를 나타낸다.
도 7을 참조하면, 제1 내지 제3 바이패스 회로(555, 560, 565)는 각각 하나의 다이오드(D51, D52, D53) 및 하나의 바이패스 스위치(SW51, SW52, SW53)를 포함한다.
또한, 벅 컨버터(570)는 2개의 커패시터(C52, C54), 하나의 인덕터(L52), 하나의 다이오드(D54), 하나의 벅 스위치(SW54)를 포함한다.
이 때, 벅 스위치(SW54)는 릴레이 스위치가 온(ON)되어 전기적으로 연결된 보조 배터리(541, 542, 543)의 전압이 메인 배터리(530)의 전압보다 높은 경우에 온(ON)/오프(OFF)를 빠르게 스위칭하여 동작하고, 보조 배터리(541, 542, 543)의 전압이 메인 배터리(530)의 전압보다 높지 않은 경우에는 동작하지 않는다. 따라서, 각각의 보조 배터리(541, 542, 543)가 메인 배터리(530)에 비해 전압이 높으며, 각각의 보조 배터리(541, 542, 543)와 벅 컨버터(570) 사이에 연결된 릴레이 스위치(S51, S52, S53)가 온(ON)된 경우, 보조 배터리(541, 542, 543)의 전압은 벅 컨버터(570)를 통하여 메인 배터리(530)를 충전하기 위한 전압으로 변환되어 메인 배터리(530)를 충전한다.
본 실시예에서 보조 배터리(540)는 제1 내지 제3 보조 배터리(541, 542, 543)의 3개의 보조 배터리를 포함하는 것으로 도시되었으나, 이는 하나의 예시에 불과할 뿐, 보조 배터리(540)는 다양한 개수의 보조 배터리를 포함할 수 있다.
본 실시예에 따르면 보조 배터리를 순차적으로 방전함으로써 먼저 보조 배터리만을 교체할 수 있어 보조 배터리의 용량을 효율적으로 관리할 수 있고, 회로 부품 축소로 시스템 구성 비용을 절감할 수 있다.
지금까지 설명한 본 발명의 실시예들에 의하면, 안정적으로 보조 배터리의 충전상태를 관리하고, 충전 전류를 효과적으로 제어함으로써 전기차의 주행거리를 증가시키고 차량의 동력성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 사용자가 배터리를 교체 가능한 곳에서 방전된 보조 배터리를 직접 교체할 수 있다.
또한, 벅 컨버터(Buck Converter)의 용량을 최소화하고 바이패스(Bypass) 회로를 고용량으로 설계하여 원가를 절감할 수 있다.

Claims (19)

  1. 전력 변환 시스템에 있어서,
    전원을 충전하고, 모터에 충전된 전원을 공급함으로써 차량의 휠에 회전력을 제공하는 메인 배터리;
    상기 메인 배터리를 충전하거나 상기 메인 배터리의 전원 공급 기능을 보조하는 적어도 하나 이상의 보조 배터리; 및
    상기 적어도 하나 이상의 보조 배터리에 연결되고, 바이패스 회로 및 벅 컨버터를 포함하는 적어도 하나 이상의 전력 변환부
    를 포함하되, 상기 벅 컨버터는 벅 스위치를 포함하며, 상기 벅 스위치의 온(ON)/오프(OFF) 스위칭 동작에 의하여 상기 보조 배터리의 전압을 상기 메인 배터리를 충전하기 위한 전압으로 변환하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 벅 스위치는 상기 보조 배터리의 전압이 상기 메인 배터리의 전압보다 높은 경우에 온(ON)/오프(OFF)를 반복적으로 스위칭하여 동작하고, 상기 보조 배터리의 전압이 상기 메인 배터리의 전압보다 높지 않은 경우에는 동작하지 않는 것을 특징으로 하는 전력 변환 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 바이패스 회로는 상기 보조 배터리의 전압과 상기 매인 배터리의 전압이 동일한 경우에 상기 보조 배터리와 상기 메인 배터리 사이를 전기적으로 연결하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 각각의 보조 배터리는 하나의 바이패스 회로 및 하나의 벅 컨버터와 연결되며, 상기 각각의 보조 배터리는 상기 하나의 바이패스 회로 및 하나의 벅 컨버터에 의해 상기 메인 배터리로 연결되는 전원 공급 통로가 스위칭되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 각각의 보조 배터리는 하나의 바이패스 회로 및 하나의 릴레이 스위치와 연결되며, 상기 각각의 릴레이 스위치는 온(ON)/오프(OFF)에 의해 상기 각각의 보조 배터리와 상기 벅 컨버터 사이를 연결 또는 차단하되, 상기 각각의 보조 배터리는 상기 벅 컨버터 및 상기 각각의 보조 배터리와 연결된 바이패스 회로에 의해 상기 메인 배터리로 연결되는 전원 공급 통로가 스위칭되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 릴레이 스위치는 한 번에 하나의 릴레이 스위치가 온(ON) 되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 릴레이 스위치는 미리 설정된 우선순위에 순차적으로온(ON) 되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 보조 배터리는 교체 가능한 스왑(Swap) 배터리의 형태로 제공되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 시스템.
  9. 제1항에 있어서 상기 바이패스 회로는,
    제1 다이오드; 및
    상기 다이오드와 직렬로 연결된 제1 스위치
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상기 벅 컨버터는 제1 및 제2 커패시터;
    상기 제1 커패시터의 일단과 상기 제2 커패시터의 일단 사이에 직렬로 연결된 제1 인덕터 및 벅 스위치; 및
    일단은 상기 제1 인덕터와 상기 벅 스위치 사이의 노드에 연결되고, 다른 일단은 상기 제1 커패시터와 상기 제2 커패시터 사이의 노드에 연결된 제2 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 시스템.
  11. 입력 전압을 받아 출력 전압을 생성하는 DC-DC 컨버터에 있어서,
    메인 배터리 및 적어도 하나 이상의 보조 배터리에 연결되고, 바이패스 회로 및 벅 컨버터를 포함하는 적어도 하나 이상의 전력 변환부
    를 포함하되, 상기 벅 컨버터는 벅 스위치를 포함하며, 상기 벅 스위치의 온(ON)/오프(OFF) 스위칭 동작에 의하여 상기 보조 배터리의 전압을 상기 메인 배터리를 충전하기 위한 전압으로 변환하는 DC-DC 컨버터.
  12. 제11항에 있어서, 상기 벅 스위치는 상기 보조 배터리의 전압이 상기 메인 배터리의 전압보다 높은 경우에 온(ON)/오프(OFF)를 반복적으로 스위칭하여 동작하고, 상기 보조 배터리의 전압이 상기 메인 배터리의 전압보다 높지 않은 경우에는 동작하지 않는 것을 특징으로 하는 DC-DC 컨버터.
  13. 제12항에 있어서, 상기 바이패스 회로는 상기 보조 배터리의 전압과 상기 매인 배터리의 전압이 동일한 경우에 상기 보조 배터리와 상기 메인 배터리 사이를 전기적으로 연결하는 것을 특징으로 하는 DC-DC 컨버터.
  14. 제11항에 있어서, 상기 각각의 보조 배터리는 하나의 바이패스 회로 및 하나의 벅 컨버터와 연결되며, 상기 각각의 보조 배터리는 상기 하나의 바이패스 회로 및 하나의 벅 컨버터에 의해 상기 메인 배터리로 연결되는 전원 공급 통로가 스위칭되는 것을 특징으로 하는 DC-DC 컨버터.
  15. 제11항에 있어서, 상기 각각의 보조 배터리는 하나의 바이패스 회로 및 하나의 릴레이 스위치와 연결되며, 상기 각각의 릴레이 스위치는 온(ON)/오프(OFF)에 의해 상기 각각의 보조 배터리와 상기 벅 컨버터 사이를 연결 또는 차단하되, 상기 각각의 보조 배터리는 상기 벅 컨버터 및 상기 각각의 보조 배터리와 연결된 바이패스 회로에 의해 상기 메인 배터리로 연결되는 전원 공급 통로가 스위칭되는 것을 특징으로 하는 DC-DC 컨버터.
  16. 제15항에 있어서, 상기 각각의 릴레이 스위치는 한 번에 하나의 릴레이 스위치가 온(ON) 되는 것을 특징으로 하는 DC-DC 컨버터.
  17. 제16항에 있어서, 상기 각각의 릴레이 스위치는 미리 설정된 우선순위에 순차적으로 온(ON) 되는 것을 특징으로 하는 DC-DC 컨버터.
  18. 제11항에 있어서 상기 바이패스 회로는,
    제1 다이오드; 및
    상기 다이오드와 직렬로 연결된 제1 스위치
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 DC-DC 컨버터.
  19. 제11항에 있어서, 상기 벅 컨버터는 제1 및 제2 커패시터;
    상기 제1 커패시터의 일단과 상기 제2 커패시터의 일단 사이에 직렬로 연결된 제1 인덕터 및 벅 스위치; 및
    일단은 상기 제1 인덕터와 상기 벅 스위치 사이의 노드에 연결되고, 다른 일단은 상기 제1 커패시터와 상기 제2 커패시터 사이의 노드에 연결된 제2 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 DC-DC 컨버터.
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