KR102213601B1

KR102213601B1 - Obc용 배터리 충전 방법 및 이를 실행하는 시스템

Info

Publication number: KR102213601B1
Application number: KR1020180156105A
Authority: KR
Inventors: 임동휘
Original assignee: 현대오트론 주식회사
Priority date: 2018-12-06
Filing date: 2018-12-06
Publication date: 2021-02-08
Anticipated expiration: 2038-12-06
Also published as: CN111293762A; US20200180458A1; US11292355B2; DE102019218960A1; CN111293762B; KR20200069023A

Abstract

본 발명에 따른 OBC용 배터리 충전 방법은 배터리 부하 전압 및 배터리 정격 전압의 비교 결과에 따라 제1 컨버터의 출력 전압을 제어하여 제2 컨버터에 인가시키는 단계, 상기 출력 전압의 제어 결과에 따라 저속 주파수 변조 방법 또는 고속 주파수 변조 방법을 이용하여 상기 출력 전압에 대한 주파수 변조를 실행하도록 제2 컨버터를 제어하는 단계 및 상기 주파수 변조를 실행하는데 사용된 변조 방법의 종류에 따라 배터리 전류에 계통 주파수의 고조파를 발생시키는 단계를 포함한다. 따라서, 본 발명은 제1 컨버터의 출력 전압을 배터리의 부하 전압 상태에 따라 제어하여 제2 컨버터에 인가시킴으로써 제2 컨버터가 배터리에 맞는 출력 전압을 출력하여 배터리가 정상적으로 충전되도록 한다는 장점이 있다.

Description

OBC용 배터리 충전 방법 및 이를 실행하는 시스템{METHOD OF CHARGING BATTERY FOR ON BOARD CHARGER AND SYSTEM PERFORMING THE SAME}

본 발명은 OBC용 배터리 충전 방법 및 이를 실행하는 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 제1 컨버터의 출력 전압을 배터리의 부하 전압 상태에 따라 제어하여 제2 컨버터에 인가시킴으로써 제2 컨버터가 배터리에 맞는 출력 전압을 출력하여 배터리가 정상적으로 충전되도록 하는 OBC용 배터리 충전 방법 및 이를 실행하는 시스템에 관한 것이다.

자동차 시장에서 최근 친환경 차량의 수요가 급증하고 있다. 친환경 차량은 전기 자동차 및 플러그인 하이브리드 전기 자동차가 있으며, 전기 자동차 및 플러그인 하이브리드 전기 자동차에는 고전압 배터리를 충전하기 위한 충전 장치가 필요하다.

충전 장치는 완속 충전기(OBC: On-Board Charger) 및 급속 충전기를 포함한다. 충전 장치 중 완속 충전기는 표준화되어 차량에 관계없이 호환 가능하며, 일반 상용 교류 전원(예를 들어, 220V)을 차량에 공급하여 충전하는 방식이다.

완속 충전기는 전기 자동차 충전 설비(EVSE: Electric Vehicle Supply Equipment)를 통해 전기 에너지(AC 전원)을 공급받은 후에 휴대용 충전 케이블(ICCB: In-Cable Control Box)를 통해 고전압 배터리를 충전하는 장치이다. 전기 자동차 및 플러그인 하이브리드 전기 자동차가 완속 충전기를 통해 충전하는 경우 배터리 용량에 따라 4~6시간 정도 소요된다.

충전 장치 중 급속 충전기는 전기 자동차 및 플러그인 하이브리드 전기 자동차에 100V~450V의 직류를 가변적으로 공급하여 배터리를 충전하는 장치이며, 충전 시간은 완속 충전기보다 적게 소요된다.

본 발명은 제1 컨버터의 출력 전압을 배터리의 부하 전압 상태에 따라 제어하여 제2 컨버터에 인가시킴으로써 제2 컨버터가 배터리에 맞는 출력 전압을 출력하여 배터리가 정상적으로 충전되도록 하는 OBC용 배터리 충전 방법 및 이를 실행하는 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 OBC용 배터리 충전 방법은 배터리 부하 전압 및 배터리 정격 전압의 비교 결과에 따라 제1 컨버터의 출력 전압을 제어하여 제2 컨버터에 인가시키는 단계, 상기 출력 전압의 제어 결과에 따라 저속 주파수 변조 방법 또는 고속 주파수 변조 방법을 이용하여 상기 출력 전압에 대한 주파수 변조를 실행하도록 제2 컨버터를 제어하는 단계 및 상기 주파수 변조를 실행하는데 사용된 변조 방법의 종류에 따라 배터리 전류에 계통 주파수의 고조파를 발생시키는 단계를 포함한다.

또한, 상기 배터리 부하 전압 및 배터리 정격 전압의 비교 결과에 따라 제1 컨버터의 출력 전압을 제어하여 제2 컨버터에 인가시키는 단계는 상기 배터리 부하 전압이 배터리 정격 전압 이하이면 상기 출력 전압을 제1 전압으로 변경하고, 상기 변경된 출력 전압을 상기 제2 컨버터에 인가시키는 단계 및 상기 배터리 부하 전압이 배터리 정격 전압 이상이면 상기 출력 전압을 제2 전압으로 변경하고, 상기 변경된 출력 전압을 상기 제2 컨버터에 인가시키는 단계를 포함한다.

또한, 상기 배터리 부하 전압이 배터리 정격 전압 이하이면 상기 출력 전압을 제1 전압으로 변경하고, 상기 변경된 출력 전압을 상기 제2 컨버터에 인가시키는 단계는 배터리 정격 전압 및 상기 제2 컨버터의 정격 효율의 특정 비율에 따라 상기 제1 전압을 결정하는 단계 및 상기 출력 전압을 상기 제1 전압으로 변경하여 상기 제2 컨버터에 인가시키는 단계를 포함한다.

또한, 상기 배터리 부하 전압이 배터리 정격 전압 이상이면 상기 출력 전압을 제2 전압으로 변경하고, 상기 변경된 출력 전압을 상기 제2 컨버터에 인가시키는 단계는 상기 제1 컨버터의 출력 전압을 센싱한 센싱 값, 입출력 전압, 전류 및 배터리 충전 시스템에 따라 결정된 보정 값을 이용하여 상기 제2 전압을 결정하는 단계 및 상기 출력 전압을 상기 제2 전압으로 변경하여 상기 제2 컨버터에 인가시키는 단계를 포함한다.

또한, 상기 출력 전압의 제어 결과에 따라 저속 주파수 변조 방법 또는 고속 주파수 변조 방법을 이용하여 상기 출력 전압에 대한 주파수 변조를 실행하도록 제2 컨버터를 제어하는 단계는 상기 출력 전압이 상기 제1 전압으로 변경된 경우, 상기 저속 주파수 변조 방법을 이용하여 주파수 변조를 실행하여 제2 컨버터의 출력 전압이 제어되도록 상기 제2 컨버터를 제어하는 단계 및 상기 출력 전압이 상기 제2 전압으로 변경된 경우, 상기 고속 주파수 변조 방법을 이용하여 주파수 변조를 실행하여 제2 컨버터의 출력 전압이 제어되도록 상기 제2 컨버터를 제어하는 단계를 포함한다.

또한, 상기 주파수 변조를 실행하는데 사용된 변조 방법의 종류에 따라 배터리 전류에 계통 주파수의 고조파를 시키는 단계는 상기 저속 주파수 변조 방법을 이용하여 상기 출력 전압에 대한 주파수 변조를 실행한 경우, 상기 배터리 전류에 계통 주파수의 고조파를 발생시키는 단계를 포함한다.

상기 목적을 달성하기 위한 OBC용 배터리 충전 시스템은 입력 전원의 전압을 변환하는 제1 컨버터, 상기 제1 컨버터의 출력 전압을 입력 전압으로 인가받고, 저속 주파수 변조 방법 또는 고속 주파수 변조 방법에 따라 스위칭 온오프 동작을 수행하여 상기 입력 전압을 배터리 충전을 위한 전압으로 변환하는 제2 컨버터 및 배터리 부하 전압 및 배터리 정격 전압의 비교 결과에 따라 상기 제1 컨버터의 출력 전압을 제어하여 상기 제2 컨버터에 인가시키고, 상기 출력 전압의 제어 결과에 따라 저속 주파수 변조 방법 또는 고속 주파수 변조 방법을 이용하여 상기 출력 전압에 대한 주파수 변조를 실행하도록 제2 컨버터를 제어하고, 상기 주파수 변조를 실행하는데 사용된 변조 방법의 종류에 따라 배터리 전류에 계통 주파수의 고조파를 발생시키는 배터리 제어 장치를 포함한다.

또한, 상기 배터리 제어 장치는 상기 배터리 부하 전압이 배터리 정격 전압 이하이면 상기 출력 전압을 제1 전압으로 변경하고, 상기 변경된 출력 전압을 상기 제2 컨버터에 인가시키고, 상기 배터리 부하 전압이 배터리 정격 전압 이상이면 상기 출력 전압을 제2 전압으로 변경하고, 상기 변경된 출력 전압이 상기 제2 컨버터에 인가되도록 제어한다.

또한, 상기 배터리 제어 장치는 배터리 정격 전압 및 상기 제2 컨버터의 정격 효율의 특정 비율에 따라 상기 제1 전압을 결정하고, 상기 출력 전압을 상기 제1 전압으로 변경하여 상기 제2 컨버터에 인가되도록 제어한다.

또한, 상기 배터리 제어 장치는 상기 제1 컨버터의 출력 전압을 센싱한 센싱 값, 입출력 전압, 전류 및 배터리 충전 시스템에 따라 결정된 보정 값을 이용하여 상기 제2 전압을 결정하고, 상기 출력 전압을 상기 제2 전압으로 변경하여 상기 제2 컨버터에 인가되도록 제어한다.

또한, 상기 배터리 제어 장치는 상기 출력 전압이 상기 제1 전압으로 변경된 경우, 상기 저속 주파수 변조 방법을 이용하여 주파수 변조를 실행하여 제2 컨버터의 출력 전압이 제어되도록 상기 제2 컨버터를 제어하고, 상기 출력 전압이 상기 제2 전압으로 변경된 경우, 상기 고속 주파수 변조 방법을 이용하여 주파수 변조를 실행하여 제2 컨버터의 출력 전압이 제어되도록 상기 제2 컨버터를 제어한다.

또한, 상기 배터리 제어 장치는 상기 저속 주파수 변조 방법을 이용하여 상기 출력 전압에 대한 주파수 변조를 실행한 경우, 상기 배터리 전류에 계통 주파수의 고조파를 발생시킨다.

전술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 제1 컨버터의 출력 전압을 배터리의 부하 전압 상태에 따라 제어하여 제2 컨버터에 인가시킴으로써 제2 컨버터가 배터리에 맞는 출력 전압을 출력하여 배터리가 정상적으로 충전되도록 한다는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 OBC용 배터리 충전 시스템을 설명하기 위한 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 OBC용 배터리 충전 방법의 일 실시예를 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스위칭 손실을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 전류 리플 보상 전 및 배터리 전류 리플 보상 후의 배터리 전류를 비교 설명하기 위한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 OBC용 배터리 충전 시스템 및 다른 시스템의 실행 결과를 비교 설명하기 위한 그래프이다.

전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 OBC용 배터리 충전 시스템을 설명하기 위한 구성도이다.

도 1을 참조하면, OBC용 배터리 충전 시스템은 입력 전원을 직류 전원으로 변환시키며 역률을 개선하는 제1 컨버터(110) 및 제1 컨버터(110)로부터 수신된 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 친환경 차량의 배터리(200)의 에너지로 저장하는 제2 컨버터(120) 및 배터리 제어 장치(130)를 포함한다.

제1 컨버터(110)는 교류 전력을 직류 전력으로 바꾸는 과정에서 생기는 전력 손실을 줄이는 역할을 수행할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 제1 컨버터(110)는 입력된 전압의 크기를 전체적으로 균등하게 제어하는 기능을 수행한다.

이러한 제1 컨버터(110)는 내부의 정합회로를 이용하여, 교류 전원의 전압과 전류의 위상 차이를 제거하여 송전 효율을 높인다. 또한, 입력 전원이 펄스파인 경우 PWM(Pulse With Modulation) 제어를 통해 전원이 전체적으로 균등하게 한다.

제2 컨버터(120)는 제1 컨버터(110)의 출력 전압(VDC)을 입력 전압으로 하며, 입력 전압을 제어하여 친환경 차량의 배터리(200)에서 요구되는 전압에 맞추어 충전을 할 수 있도록 한다.

이러한 제2 컨버터(120)는 배터리 제어 장치(130)의 제어에 따라 저속 주파수 변조 방법 또는 고속 주파수 변조 방법을 이용하여 입력 전압에 대한 주파수 변조를 실행하는 풀 브릿지 회로(121)를 포함한다.

풀 브릿지 회로(121)는 직류를 교번으로 스위칭하여 출력하는 4개의 스위치(예를 들어, FET)를 포함할 수 있다. 상세하게, 풀 브릿지 회로(121)는 상단 스위치 및 하단 스위치가 중간점을 마주보고 캐스코드 구성으로 연결될 수 있다.

제2 컨버터(120)는 풀 브릿지 회로(121)를 통해 제1 컨버터의 출력 전압(VDC)을 변압기에 제공하고, 변압기 및 정류기를 통해 제2 컨버터(120)의 출력단의 커패시터(C0)에 전기 에너지를 저장할 수 있다.

제2 컨버터(120)의 풀 브릿지 회로(121)는 제1 컨버터(110)의 출력 전압(VDC)을 입력 전압으로 하며, 배터리 제어 장치(130)의 제어에 따라 저속 주파수 변조 방법 또는 고속 주파수 변조 방법을 이용하여 입력 전압에 대한 주파수 변조를 실행함으로써 친환경 차량의 배터리(200)에서 요구되는 전압에 맞추어 충전을 할 수 있도록 한다.

일 실시예에서, 배터리 제어 장치(130)의 제어에 신호가 저속 주파수 변조 방법을 이용한 주파수 변조인 경우, 제2 컨버터(120)의 풀 브릿지 회로(121)는 저속 주파수 변조 방법을 이용하여 입력 전압에 대한 주파수 변조를 실행한다.

다른 일 실시예에서, 배터리 제어 장치(130)의 제어에 신호가 고속 주파수 변조 방법을 이용한 주파수 변조인 경우, 제2 컨버터(120)의 풀 브릿지 회로(121)는 고속 주파수 변조 방법을 이용하여 입력 전압에 대한 주파수 변조를 실행한다.

배터리 제어 장치(130)는 배터리 부하 전압 및 배터리 정격 전압의 비교 결과에 따라 제1 컨버터(110)의 출력 전압(VDC)을 제어하여 제2 컨버터(120)에 인가시킨다.

일반적으로, 제1 컨버터(110)의 출력 전압(VDC)이 낮을수록 제2 컨버터(120)에서 주파수 변조 시 스위칭 제어하는 과정에서 발생되는 스위칭 손실 평균 값이 감소하기 때문에 제2 컨버터(120)의 실행 효율이 상승된다.

또한, 제1 컨버터(110)의 출력 전압(VDC)이 높을수록 주파수 변조 시 스위칭 제어하는 과정에서 발생되는 스위칭 손실 평균 값이 증가되어 제2 컨버터(120)의 실행 효율이 감소된다.

이와 같은 이유로, 제1 컨버터(110)의 출력 전압(VDC)이 낮을수록 제2 컨버터(120)의 실행 효율이 좋으나, 제1 컨버터(110)의 출력 전압(VDC)이 너무 낮게 되면 제2 컨버터(120)가 정상적으로 동작하지 않아 배터리(200)가 충전되지 않는다.

따라서, 본 발명의 배터리 제어 장치(130)는 제2 컨버터(120) 및 배터리의 상태에 따라 제1 컨버터(110)의 출력 전압(VDC)을 배터리 부하 전압 상태에 따라 제어하여 제2 컨버터(120)에 인가시킴으로써 제2 컨버터(120)가 정상적으로 동작하여 배터리(200)가 정상적으로 충전되도록 한다.

이를 위해, 본 발명의 배터리 제어 장치(130)는 배터리 부하 전압 및 배터리 정격 전압을 비교하고, 비교 결과에 따라 제1 컨버터(110)의 출력 전압(VDC)을 제1 전압 또는 제2 전압으로 변경하여 제2 컨버터(120)에 인가시킨다.

일 실시예에서, 배터리 제어 장치(130)는 배터리 부하 전압 및 배터리 정격 전압을 비교하고, 배터리 부하 전압이 배터리 정격 전압 이하이면 제1 컨버터(110)의 출력 전압(VDC)을 제1 전압으로 변경하고, 상기 변경된 출력 전압을 상기 제2 컨버터(120)에 인가시킨다.

이때, 배터리 제어 장치(130)는 하기의 [수학식 1]을 이용하여 제1 전압을 산출한 후, 제1 컨버터(110)의 출력 전압(VDC)을 제1 전압으로 변경하여 제2 컨버터(120)에 인가시킨다.

[수학식 1]

제1 전압 = Vvat_A / 정격 효율

Vvat_A: 배터리 정격 전압,

정격 효율: 제2 컨버터(120)의 정격 효율의 특정 비율

상기의 [수학식 1]에서와 같이, 배터리 제어 장치(130)는 배터리 정격 전압 및 제2 컨버터(120)의 정격 효율의 특정 비율(예를 들어, 90%)를 이용하여 제1 전압을 결정한 후, 제1 컨버터(110)의 출력 전압(VDC)을 제1 전압으로 변경하여 제2 컨버터(120)에 인가되도록 함으로써 제2 컨버터(120)가 정상적으로 동작하여 배터리(200)가 정상적으로 충전되도록 한다.

다른 일 실시예에서, 배터리 제어 장치(130)는 배터리 부하 전압이 배터리 정격 전압 이상이면 제1 컨버터(110)의 출력 전압(VDC)을 제2 전압으로 변경하고, 상기 변경된 출력 전압을 상기 제2 컨버터(120)에 인가시킨다.

[수학식 2]

제2 전압 = Vbat / 효율 * 보정 값

Vbat: 제1 컨버터의 출력 전압을 센싱한 센싱 값,

효율: 입출력 전압 / 전류,

보정 값: 배터리 충전 시스템에 따라 튜닝된 값

배터리 제어 장치(130)는 배터리 부하 전압이 배터리 정격 전압 이상이면 [수학식 2]를 통해 산출된 제2 전압으로 변경하고, 상기 변경된 출력 전압을 상기 제2 컨버터(120)에 인가되도록 함으로써 제2 컨버터(120)가 정상적으로 동작하여 배터리(200)가 정상적으로 충전되도록 한다.

상기와 같이, 배터리 제어 장치(130)는 제1 컨버터(110)의 출력 전압(VDC)을 제1 전압 또는 제2 전압으로 변경하여 제2 컨버터(120)에 인가되도록 한 후, 제2 컨버터(120)가 제1 컨버터(110)의 출력 전압을 입력 전압으로 이용하여 저속 주파수 변조 방법 또는 고속 주파수 변조를 통해 스위칭 온오프 동작을 수행함으로써 주파수 제어를 실행하도록 한다.

일 실시예에서, 배터리 제어 장치(130)는 제1 컨버터(110)의 출력 전압(VDC)이 제1 전압으로 변경된 경우, 제2 컨버터(120)가 저속 주파수 변조 방법을 이용하여 스위칭 온오프 동작을 수행함으로써 주파수 제어를 실행하도록 한다.

상기의 실시예와 같이, 배터리 제어 장치(130)가 제2 컨버터(120)가 저속 주파수 변조 방법을 이용하여 스위칭 온오프 동작을 수행함으로써 주파수 제어를 실행하는 하는 경우, 배터리(200)의 전류 리플이 저감되는 문제가 발생하게 된다. 따라서, 배터리 제어 장치(130)는 배터리(200)의 전류에 계통 주파수의 고조파를 발생시킴에 따라 배터리(200)의 전류 리플이 저감되는 문제점을 해결하였다.

다른 일 실시예에서, 배터리 제어 장치(130)는 제1 컨버터(110)의 출력 전압(VDC)이 제2 전압으로 변경된 경우, 제2 컨버터(120)가 고속 주파수 변조 방법을 이용하여 스위칭 온오프 동작을 수행함으로써 주파수 제어를 실행하도록 한다.

이와 같이, 배터리 제어 장치(130)는 제1 컨버터(110)의 출력 전압(VDC)의 제어 결과에 따라 제2 컨버터(120)가 저속 주파수 변조 방법 또는 고속 주파수 변조 방법에 따라 스위칭 온오프 동작을 수행하여 제2 컨버터(120)의 출력 전압이 배터리(200)에 맞게 제어되도록 한다.

도 2는 본 발명에 따른 OBC용 배터리 충전 방법의 일 실시예를 설명하기 위한 흐름도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 배터리 제어 장치(130)는 배터리 충전 모드를 판단하여 배터리 충전 모드가 완속 충전 모드인 경우(단계 S201), 제2 컨버터(120)의 정격 효율을 판단한다(단계 S202).

이와 같이, 제2 컨버터(120)의 정격 효율을 판단하는 이유는 단계 S203에서 배터리 부하 전압이 배터리 정격 전압 이하이면 제1 컨버터(110)의 출력 전압을 제1 전압으로 변경하는데, 제1 전압은 배터리 정격 전압 및 제2 컨버터(120)의 정격 효율에 따라 결정되기 때문이다.

또한, 제1 컨버터(110)의 출력 전압이 높을수록 주파수 변조 시 스위칭 제어하는 과정에서 발생되는 스위칭 손실 평균 값이 증가되어 제2 컨버터(120)의 실행 효율이 감소된다.

따라서, 본 발명의 배터리 제어 장치(130)는 제2 컨버터(120) 및 배터리의 상태에 따라 제1 컨버터(110)의 출력 전압을 배터리 부하 전압 상태에 따라 제어하여 제2 컨버터(120)에 인가시킴으로써 제2 컨버터(120)가 정상적으로 동작하여 배터리(200)가 정상적으로 충전되도록 한다.

이를 위해, 본 발명의 배터리 제어 장치(130)는 배터리 부하 전압 및 배터리 정격 전압의 비교하고(단계 S203), 비교 결과에 따라 단계 S214 및 단계 S215를 실행하여 제1 컨버터(110)의 출력 전압(VDC)을 제1 전압 또는 제2 전압으로 변경하여 제2 컨버터(120)에 인가시킨다.

일 실시예에서, 배터리 제어 장치(130)는 상기 배터리 부하 전압이 배터리 정격 전압 이상이면 상기 출력 전압을 제2 전압으로 변경하여 제2 컨버터(120)에 인가시킨다(단계 S214).

상기의 실시예에서, 배터리 제어 장치(130)는 배터리 부하 전압이 배터리 정격 전압 이상이면 상술한 [수학식 2]를 통해 산출된 제2 전압으로 변경하고, 상기 변경된 출력 전압을 상기 제2 컨버터(120)에 인가되도록 함으로써 제2 컨버터(120)가 정상적으로 동작하여 배터리(200)가 정상적으로 충전되도록 한다.

다른 일 실시예에서, 배터리 제어 장치(130)는 배터리 부하 전압이 배터리 정격 전압 이하이면(단계 S203), 제1 컨버터(110)의 출력 전압을 제1 전압으로 변경하고, 상기 변경된 출력 전압을 상기 제2 컨버터에 인가시킨다(단계 S215).

이때, 배터리 제어 장치(130)는 상술한 [수학식 1]을 이용하여 제1 전압을 산출한 후, 제1 컨버터(110)의 출력 전압을 제1 전압으로 변경하여 제2 컨버터(120)에 인가시킨다.

상기와 같이, 배터리 제어 장치(130)는 제1 컨버터(110)의 출력 전압을 제1 전압 또는 제2 전압으로 변경하여 제2 컨버터(120)에 인가되도록 한 후, 제2 컨버터(120)가 제1 컨버터(110)의 출력 전압을 입력 전압으로 이용하여 저속 주파수 변조 방법 또는 고속 주파수 변조를 통해 스위칭 온오프 동작을 수행함으로써 주파수 제어를 실행하도록 한다.

일 실시예에서, 배터리 제어 장치(130)는 제1 컨버터(110)의 출력 전압(VDC)이 제1 전압으로 변경된 경우, 제2 컨버터(120)가 저속 주파수 변조 방법을 이용하여 스위칭 온오프 동작을 수행함으로써 주파수 제어를 실행하도록 한다(단계 S217).

상기의 실시예와 같이, 배터리 제어 장치(130)가 제2 컨버터(120)가 저속 주파수 변조 방법을 이용하여 스위칭 온오프 동작을 수행함으로써 주파수 제어를 실행하는 하는 경우, 배터리(200)의 전류 리플이 저감되는 문제가 발생하게 된다.

따라서, 배터리 제어 장치(130)는 배터리(200)의 전류에 계통 주파수의 고조파를 발생시킴에 따라 배터리(200)의 전류 리플이 저감되는 문제점을 해결하였다.

다른 일 실시예에서, 배터리 제어 장치(130)는 제1 컨버터(110)의 출력 전압이 제2 전압으로 변경된 경우, 제2 컨버터(120)가 고속 주파수 변조 방법을 이용하여 스위칭 온오프 동작을 수행함으로써 주파수 제어를 실행하도록 한다.

이와 같이, 배터리 제어 장치(130)는 제1 컨버터(110)의 출력 전압의 제어 결과에 따라 제2 컨버터(120)가 저속 주파수 변조 방법 또는 고속 주파수 변조 방법에 따라 스위칭 온오프 동작을 수행하여 제2 컨버터(120)의 출력 전압이 배터리(200)에 맞게 제어되도록 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스위칭 손실을 설명하기 위한 도면이다.

도 1 및 도 3을 참조하면, 제1 컨버터(110)는 교류 전력을 직류 전력으로 바꾸는 과정에서 생기는 전력 손실을 줄이는 역할을 수행할 수 있고, 제2 컨버터(120)는 제1 컨버터(110)의 출력 전압(VDC)을 입력 전압으로 하며, 입력 전압을 제어하여 친환경 차량의 배터리(200)에서 요구되는 전압에 맞추어 충전을 할 수 있도록 한다.

상기의 제2 컨버터(120)는 제1 컨버터(110)의 출력 전압(VDC)을 입력 전압으로 하며, 입력 전압에 대한 주파수 변조를 실행하는 과정에서 스위칭 온오프 동작을 수행한다.

이상적으로 스위칭 온오프 동작을 수행하는 과정은 온 동작 및 오프 동작을 전환하는데 시간이 “0”이지만, 실제적으로 스위칭 온오프 동작을 수행하는 과정은 온 동작 및 오프 동작을 전환하는데 시간이 소요된다.

상기와 같이, 주파수 변조 시 스위칭 제어하는 과정에서 발생되는 스위칭 손실 평균 값은 하기의 [수학식 3]을 통해 산출된다.

[수학식 3]

PSW: 스위칭 손실의 평균값,

Vin: 제1 컨버터(110)의 출력 전압(VDC),

IO: 스위치 도통전류,

ton + toff: 스위칭 온오프 상태 변화에 요구되는 시간,

fs: 스위칭 주파수

도 3(a)은 실제적으로 스위칭 온오프 동작을 수행하는 과정은 온 동작 및 오프 동작에 따른 스위치 전압 및 전류의 변화를 나타내며, 도 3(b)는 실제적으로 스위칭 온오프 동작을 수행하는 과정에서 발생된 스위칭 손실 평균 값이다.

제1 컨버터(110)의 출력 전압(VDC)의 변화에 따라 [수학식 3]을 통해 산출된 스위칭 손실 평균 값이 변하게 된다. 예를 들어, 제1 컨버터(110)의 출력 전압(VDC)의 변화에 따라 도 3(b)는 스위칭 손실 평균 값이 변경될 것이다.

즉, 제1 컨버터(110)의 출력 전압(VDC)이 낮을수록 제2 컨버터(120)에서 주파수 변조 시 스위칭 제어하는 과정에서 발생되는 스위칭 손실 평균 값이 감소하고, 제1 컨버터(110)의 출력 전압(VDC)이 높을수록 제2 컨버터(120)에서 주파수 변조 시 스위칭 제어하는 과정에서 발생되는 스위칭 손실 평균 값이 증가하게 된다.

결론적으로, 제1 컨버터(110)의 출력 전압(VDC)이 낮을수록 제2 컨버터(120)에서 주파수 변조 시 스위칭 제어하는 과정에서 발생되는 스위칭 손실 평균 값이 감소하기 때문에 제2 컨버터(120)의 실행 효율이 상승된다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 전류 리플 보상 전 및 배터리 전류 리플 보상 후의 배터리 전류를 비교 설명하기 위한 그래프이다.

도 4를 참조하면, 배터리 제어 장치(130)는 배터리 부하 전압 및 배터리 정격 전압을 비교하고, 비교 결과에 따라 제1 컨버터(110)의 출력 전압(VDC)을 제1 전압 또는 제2 전압으로 변경하여 제2 컨버터(120)에 인가시킨다.

그런 다음, 배터리 제어 장치(130)는 제1 컨버터(110)의 출력 전압(VDC)을 제1 전압 또는 제2 전압으로 변경하여 제2 컨버터(120)에 인가되도록 한 후, 제2 컨버터(120)가 제1 컨버터(110)의 출력 전압을 입력 전압으로 이용하여 저속 주파수 변조 방법 또는 고속 주파수 변조를 통해 스위칭 온오프 동작을 수행함으로써 주파수 제어를 실행하도록 한다.

도 4(a)는 배터리(200)의 전류에 계통 주파수의 고조파를 발생시키지 않은 경우에 배터리 전류 상태를 나타내는 그래프이고, 도 4(b)는 배터리(200)의 전류에 계통 주파수의 고조파를 발생시켜 배터리(200)의 전류 리플이 저감되도록 한 후의 배터리 전류 상태를 나타내는 그래프이다.

도 4(a)의 경우 전류에 계통 주파수의 고조파를 발생시키지 않아 배터리 전류에 노이즈가 많지만, 도 4(b)는 배터리(200)의 전류에 계통 주파수의 고조파를 발생시켜 배터리(200)의 전류 리플이 저감되도록 함으로써 터리 전류에 노이즈 적다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 OBC용 배터리 충전 시스템 및 다른 시스템의 실행 결과를 비교 설명하기 위한 그래프이다

도 5를 참조하면, OBC용 배터리 충전 방법에 따른 배터리 충전 효과 및 다른 배터리 충전 방법에 따른 배터리 충전 효과를 비교하기 위하여 3 가지 경우로 나누어 실험을 하였다.

Case A는 제1 컨버터(110)의 출력 전압(VDC)을 제어한 후 주파수 변조를 실행하였으나, 스위칭 온오프 동작을 수행하는 과정에서 발생되는 배터리의 전류 리플이 저감되지 않도록 전류에 계통 주파수의 고조파를 발생시키지 않은 경우이다.

Case B는 제1 컨버터(110)의 출력 전압(VDC)을 제어한 후 주파수 변조를 실행하는 경우이다.

Case C는 본 발명의 OBC용 배터리 충전 방법과 같이 제1 컨버터(110)의 출력 전압(VDC)을 제어한 후 주파수 변조를 실행하고, 스위칭 온오프 동작을 수행하는 과정에서 발생되는 배터리의 전류 리플이 저감되지 않도록 배터리(200)의 전류에 계통 주파수의 고조파를 발생시킨 경우이다.

Csse A 내지 Case C를 비교하면, 도 5의 그래프와 같이 본 발명의 OBC용 배터리 충전 방법에 따라 실행된 경우에 효율이 가장 높게 나타났다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

100: OBC용 배터리 충전 시스템
110: 제1 컨버터
120: 제2 컨버터
130: 배터리 제어 장치
200: 배터리

Claims

배터리 부하 전압 및 배터리 정격 전압의 비교 결과에 따라 제1 컨버터의 출력 전압을 제어하여 제2 컨버터에 인가시키는 단계;
상기 출력 전압의 제어 결과에 따라 저속 주파수 변조 방법 또는 고속 주파수 변조 방법을 이용하여 상기 출력 전압에 대한 주파수 변조를 실행하도록 제2 컨버터를 제어하는 단계; 및
상기 주파수 변조를 실행하는데 사용된 변조 방법의 종류에 따라 배터리 전류에 계통 주파수의 고조파를 발생시키는 단계를 포함하고,
상기 배터리 부하 전압 및 배터리 정격 전압의 비교 결과에 따라 제1 컨버터의 출력 전압을 제어하여 제2 컨버터에 인가시키는 단계는,
상기 배터리 부하 전압이 배터리 정격 전압 이하이면, 배터리 정격 전압 및 상기 제2 컨버터의 정격 효율의 특정 비율에 따라 제1 전압을 결정하고, 상기 출력 전압을 상기 제1 전압으로 변경하여 상기 제2 컨버터에 인가시키는 단계; 및
상기 배터리 부하 전압이 배터리 정격 전압 이상이면 상기 제1 컨버터의 출력 전압을 센싱한 센싱 값, 입출력 전압, 전류 및 배터리 충전 시스템에 따라 결정된 보정 값을 이용하여 제2 전압을 결정하고, 상기 출력 전압을 상기 제2 전압으로 변경하여 상기 제2 컨버터에 인가시키는 단계를 포함하며,
상기 출력 전압을 상기 제2 전압으로 변경하여 상기 제2 컨버터에 인가시키는 단계에서, 상기 센싱 값을, 입출력 전압 및 전류에 따른 효율로 나눈 값에, 상기 보정 값을 곱하여 상기 제2 전압을 계산하는 것을 특징으로 하는
OBC용 배터리 충전 방법.
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제1항에 있어서,
상기 출력 전압의 제어 결과에 따라 저속 주파수 변조 방법 또는 고속 주파수 변조 방법을 이용하여 상기 출력 전압에 대한 주파수 변조를 실행하도록 제2 컨버터를 제어하는 단계는
상기 출력 전압이 상기 제1 전압으로 변경된 경우, 상기 저속 주파수 변조 방법을 이용하여 주파수 변조를 실행하여 제2 컨버터의 출력 전압이 제어되도록 상기 제2 컨버터를 제어하는 단계; 및
상기 출력 전압이 상기 제2 전압으로 변경된 경우, 상기 고속 주파수 변조 방법을 이용하여 주파수 변조를 실행하여 제2 컨버터의 출력 전압이 제어되도록 상기 제2 컨버터를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
OBC용 배터리 충전 방법.
제5항에 있어서,
상기 주파수 변조를 실행하는데 사용된 변조 방법의 종류에 따라 배터리 전류에 계통 주파수의 고조파를 시키는 단계는
상기 저속 주파수 변조 방법을 이용하여 상기 출력 전압에 대한 주파수 변조를 실행한 경우, 상기 배터리 전류에 계통 주파수의 고조파를 발생시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
OBC용 배터리 충전 방법.
입력 전원의 전압을 변환하는 제1 컨버터;
상기 제1 컨버터의 출력 전압을 입력 전압으로 인가받고, 저속 주파수 변조 방법 또는 고속 주파수 변조 방법에 따라 스위칭 온오프 동작을 수행하여 상기 입력 전압을 배터리 충전을 위한 전압으로 변환하는 제2 컨버터; 및
배터리 부하 전압 및 배터리 정격 전압의 비교 결과에 따라 상기 제1 컨버터의 출력 전압을 제어하여 상기 제2 컨버터에 인가시키고, 상기 출력 전압의 제어 결과에 따라 저속 주파수 변조 방법 또는 고속 주파수 변조 방법을 이용하여 상기 출력 전압에 대한 주파수 변조를 실행하도록 제2 컨버터를 제어하고, 상기 주파수 변조를 실행하는데 사용된 변조 방법의 종류에 따라 배터리 전류에 계통 주파수의 고조파를 발생시키는 배터리 제어 장치를 포함하고,
상기 배터리 제어 장치는,
상기 배터리 부하 전압이 배터리 정격 전압 이하이면, 배터리 정격 전압 및 상기 제2 컨버터의 정격 효율의 특정 비율에 따라 제1 전압을 결정하고, 상기 출력 전압을 제1 전압으로 변경하며,
상기 배터리 부하 전압이 배터리 정격 전압 이상이면, 상기 제1 컨버터의 출력 전압을 센싱한 센싱 값, 입출력 전압, 전류 및 배터리 충전 시스템에 따라 결정된 보정 값을 이용하여 제2 전압을 결정하고, 상기 출력 전압을 제2 전압으로 변경하며,
변경된 출력 전압이 상기 제2 컨버터에 인가되도록 제어하고,
상기 센싱 값을, 입출력 전압 및 전류에 따른 효율로 나눈 값에, 상기 보정 값을 곱하여 상기 제2 전압을 계산하는 것을 특징으로 하는
OBC용 배터리 충전 시스템.
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제7항에 있어서,
상기 배터리 제어 장치는
상기 출력 전압이 상기 제1 전압으로 변경된 경우, 상기 저속 주파수 변조 방법을 이용하여 주파수 변조를 실행하여 제2 컨버터의 출력 전압이 제어되도록 상기 제2 컨버터를 제어하고, 상기 출력 전압이 상기 제2 전압으로 변경된 경우, 상기 고속 주파수 변조 방법을 이용하여 주파수 변조를 실행하여 제2 컨버터의 출력 전압이 제어되도록 상기 제2 컨버터를 제어하는 것을 특징으로 하는
OBC용 배터리 충전 시스템.
제11항에 있어서,
상기 배터리 제어 장치는
상기 저속 주파수 변조 방법을 이용하여 상기 출력 전압에 대한 주파수 변조를 실행한 경우, 상기 배터리 전류에 계통 주파수의 고조파를 발생시키는 것을 특징으로 하는
OBC용 배터리 충전 시스템.