KR102730538B1 - Electric power system for vehicle and method for controlling the same - Google Patents
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Abstract
교류전력을 직류전력으로 변환하여 제1 배터리를 충전하기 위한 충전 전력을 생성하며, 상기 교류전력 측에 연결된 제1 입출력단 및 상기 배터리에 연결된 제2 입출력단 사이에서 양방향의 전력 공급이 가능한 양방향 직류 컨버터를 포함하는 탑재형 충전기; 상기 제1 배터리의 전압을 하향 변환하여 제2 배터리의 충전 전압 및 전장부하의 전원 전압으로 제공하는 저전압 직류 컨버터; 및 상기 저전압 직류 컨버터가 고장인 경우, 상기 제1 입출력단을 상기 제2 배터리 및 상기 전장부하에 전기적으로 연결하고 상기 양방향 직류 컨버터를 구동시켜 상기 제1 배터리의 전압을 상기 제2 배터리의 전압에 대응되는 크기로 변환하여 상기 제1 입출력단으로 출력하게 함으로써 상기 제2 배터리의 충전 전압 및 상기 전장부하에 전원 전압이 공급되도록 제어하는 컨트롤러를 포함하는 차량용 전력 시스템이 개시된다.A vehicle power system is disclosed, comprising: an onboard charger which converts AC power into DC power to generate charging power for charging a first battery, and which includes a bidirectional DC converter capable of supplying power in both directions between a first input/output terminal connected to the AC power side and a second input/output terminal connected to the battery; a low-voltage DC converter which down-converts the voltage of the first battery and provides it as a charging voltage of a second battery and a power supply voltage of an electrical load; and a controller which, when the low-voltage DC converter fails, electrically connects the first input/output terminal to the second battery and the electrical load and drives the bidirectional DC converter to convert the voltage of the first battery into a magnitude corresponding to the voltage of the second battery and output it to the first input/output terminal, thereby supplying the charging voltage of the second battery and the power supply voltage to the electrical load.
Description
본 발명은 차량용 전력 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고전압 배터리의 전압을 강압하여 전장부하에 공급하는 저전압 직류 컨버터의 고장 발생 시 차량 탑재 충전기 내 직류 컨버터를 활용하여 전장 부하로 강압된 전압을 공급할 수 있는 차량용 전력 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a vehicle power system and a control method thereof, and more particularly, to a vehicle power system capable of supplying a stepped-down voltage to an electric load by utilizing a DC converter in a vehicle-mounted charger when a failure occurs in a low-voltage DC converter that steps down the voltage of a high-voltage battery and supplies it to an electric load, and a control method thereof.
전기 에너지를 이용하여 전기 회전 장치인 모터를 구동함으로써 동력을 생성하는 친환경 차량은, 모터에 공급되는 전기 에너지를 저장하는 고전압의 메인 배터리와 차량의 각종 전장부하에 전원 전압을 공급하기 위한 저전압의 보조 배터리 및 메인 배터리의 전압을 강압시켜 보조 배터리의 충전 전압으로 제공하는 저전압 직류 컨버터(LDC: Low voltage DC-DC Convert)를 구비한다.An eco-friendly vehicle that generates power by driving an electric rotating device, a motor, using electric energy is equipped with a high-voltage main battery that stores the electric energy supplied to the motor, a low-voltage auxiliary battery that supplies power voltage to various electrical loads of the vehicle, and a low-voltage DC-DC converter (LDC) that steps down the voltage of the main battery and provides it as a charging voltage for the auxiliary battery.
차량의 주행 중 저전압 직류 컨버터에 고장이 발생하여 셧다운되는 경우, 차량 내 전장부하는 계속 전원을 소모하게 되나 보조 배터리로 충전 전압을 제공할 수 없으므로, 이러한 상태가 지속되는 경우 보조 배터리가 과방전 되어 전압이 감소하고 차량의 전장부하에 전원 전압을 제공할 수 없어 결국 차량 전체가 셧다운되고 보조 배터리는 열화가 심해져 교체하여야 하는 상황이 발생할 수 있다.If the low-voltage DC converter fails and shuts down while the vehicle is driving, the vehicle's electrical loads will continue to consume power, but the auxiliary battery cannot provide charging voltage. If this condition continues, the auxiliary battery will be over-discharged, its voltage will decrease, and it will not be able to provide power voltage to the vehicle's electrical loads. This will eventually cause the entire vehicle to shut down, and the auxiliary battery may deteriorate so much that it will need to be replaced.
상기의 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 background technology above are only intended to enhance understanding of the background of the present invention, and should not be taken as an acknowledgment that they correspond to prior art already known to those skilled in the art.
이에 본 발명은, 차량 주행 중 차량 내 고전압 배터리의 전압을 강압하여 전장 부하로 제공하는 저전압 직류 컨버터의 고장 발생 시 차량 탑재 충전기 내 직류 컨버터를 역방향으로 구동하여 고전압 배터리의 전압을 강압 후 전장 부하로 제공할 수 있는 차량용 전력 시스템 및 그 제어 방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.Accordingly, the present invention has as a technical problem to be solved the following: a vehicle power system and a control method thereof capable of driving a DC converter in a vehicle-mounted charger in reverse to step down the voltage of a high-voltage battery and then provide it to an electrical load when a failure occurs in a low-voltage DC converter that steps down the voltage of a high-voltage battery in a vehicle and provides it to an electrical load while the vehicle is running.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,As a means for solving the above technical problem, the present invention,
교류전력을 직류전력으로 변환하여 제1 배터리를 충전하기 위한 충전 전력을 생성하며, 상기 교류전력 측에 연결된 제1 입출력단 및 상기 배터리에 연결된 제2 입출력단 사이에서 양방향의 전력 공급이 가능한 양방향 직류 컨버터를 포함하는 탑재형 충전기;An onboard charger including a bidirectional DC converter that converts AC power into DC power to generate charging power for charging a first battery and is capable of supplying power in both directions between a first input/output terminal connected to the AC power side and a second input/output terminal connected to the battery;
상기 제1 배터리의 전압을 하향 변환하여 제2 배터리의 충전 전압 및 전장부하의 전원 전압으로 제공하는 저전압 직류 컨버터; 및A low-voltage DC converter that down-converts the voltage of the first battery and provides it as a charging voltage of the second battery and a power supply voltage of the electric load; and
상기 저전압 직류 컨버터가 고장인 경우, 상기 제1 입출력단을 상기 제2 배터리 및 상기 전장부하에 전기적으로 연결하고 상기 양방향 직류 컨버터를 구동시켜 상기 제1 배터리의 전압을 상기 제2 배터리의 전압에 대응되는 크기로 변환하여 상기 제1 입출력단으로 출력하게 함으로써 상기 제2 배터리의 충전 전압 및 상기 전장부하에 전원 전압이 공급되도록 제어하는 컨트롤러;A controller that electrically connects the first input/output terminal to the second battery and the electrical load when the low-voltage DC converter is faulty and drives the bidirectional DC converter to convert the voltage of the first battery into a size corresponding to the voltage of the second battery and output it to the first input/output terminal, thereby supplying the charging voltage of the second battery and the power voltage to the electrical load;
를 포함하는 차량용 전력 시스템.A vehicle power system comprising:
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 탑재형 충전기는, 상기 제1 입출력단과 상기 보조 배터리 및 상기 전장부하 사이의 전기적 연결관계를 결정하는 릴레이를 더 포함하며, 상기 컨트롤러는 상기 저전압 직류 컨버터가 고장인 경우 상기 릴레이를 단락 시킬 수 있다.In one embodiment of the present invention, the onboard charger further includes a relay that determines an electrical connection relationship between the first input/output terminal, the auxiliary battery, and the electric load, and the controller can short-circuit the relay when the low-voltage DC converter fails.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 양방향 직류 컨버터는, 상기 제1 입출력단에 연결에 연결된 제1 브릿지 회로; 상기 제1 브릿지 회로에 연결되며 공진 주파수를 생성하도록 공진 인덕터와 공진 커패시터를 포함하는 공진 탱크; 상기 공진 탱크에 1차 코일이 연결된 트랜스포머; 상기 트랜스포머의 2차 코일과 상기 제2 입출력단 사이에 연결된 제2 브릿지 회로를 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the bidirectional DC converter may include: a first bridge circuit connected to the first input/output terminal; a resonant tank connected to the first bridge circuit and including a resonant inductor and a resonant capacitor to generate a resonant frequency; a transformer having a primary coil connected to the resonant tank; and a second bridge circuit connected between a secondary coil of the transformer and the second input/output terminal.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 저전압 직류 컨버터가 고장인 경우, 상기 컨트롤러는 상기 제2 브릿지 회로에 포함된 스위칭 소자의 스위칭 주파수를 제어하고 상기 제1 브릿지 회로에 포함된 스위칭 소자를 오프 시킬 수 있다.In one embodiment of the present invention, when the low-voltage DC converter fails, the controller can control the switching frequency of the switching element included in the second bridge circuit and turn off the switching element included in the first bridge circuit.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는 상기 제2 브릿지 회로에 포함된 스위칭 소자의 스위칭 주파수를 상기 공진 탱크에 의해 결정되는 공진 주파수 보다 낮은 영역에서 결정할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the controller can determine the switching frequency of the switching element included in the second bridge circuit in a range lower than the resonant frequency determined by the resonant tank.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 브릿지 회로는, 상기 제1 입출력단의 양단자와 음단자 사이에 서로 직렬 연결된 제1 스위칭 소자 및 제2 스위칭 소자, 상기 제1 입출력단의 양단자와 음단자 사이에 서로 직렬 연결된 제3 스위칭 소자 및 제4 스위칭 소자를 포함하며, 상기 제1 스위칭 소자와 상기 제2 스위칭 소자의 연결 노드는 상기 공진 탱크의 상기 공진 인덕터와 공진 커패시터의 직렬 연결 구조에 연결되고 상기 제3 스위칭 소자 및 상기 제4 스위칭 소자의 연결 노드는 상기 트랜스포머의 1차 권선의 일단에 연결될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the first bridge circuit includes a first switching element and a second switching element connected in series between the positive terminal and the negative terminal of the first input/output terminal, a third switching element and a fourth switching element connected in series between the positive terminal and the negative terminal of the first input/output terminal, and a connection node of the first switching element and the second switching element may be connected to a series connection structure of the resonant inductor and the resonant capacitor of the resonant tank, and a connection node of the third switching element and the fourth switching element may be connected to one end of a primary winding of the transformer.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제2 브릿지 회로는, 상기 제2 입출력단의 양단자와 음단자 사이에 서로 직렬 연결된 제5 스위칭 소자 및 제6 스위칭 소자, 상기 제2 입출력단의 양단자와 음단자 사이에 서로 직렬 연결된 제7 스위칭 소자 및 제8 스위칭 소자를 포함하며, 상기 제5 스위칭 소자 및 상기 제6 스위칭 소자의 연결 노드는 상기 트랜스포머의 2차 권선의 일단에 연결되고 상기 제7 스위칭 소자 및 상기 제8 스위칭 소자의 연결 노드는 상기 트랜스포머의 2차 권선의 타단에 연결될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the second bridge circuit includes a fifth switching element and a sixth switching element connected in series between the positive and negative terminals of the second input/output terminal, a seventh switching element and an eighth switching element connected in series between the positive and negative terminals of the second input/output terminal, and a connection node of the fifth switching element and the sixth switching element may be connected to one end of a secondary winding of the transformer, and a connection node of the seventh switching element and the eighth switching element may be connected to the other end of the secondary winding of the transformer.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 스위칭 소자는, 상기 제1 스위칭 소자와 상기 제2 스위칭 소자의 연결 노드에 애노드가 연결되고 상기 제1 입출력단의 양단자에 캐소드가 연결된 제1 역방향 다이오드를 포함하고, 상기 제2 스위칭 소자는, 상기 제1 스위칭 소자와 상기 제2 스위칭 소자의 연결 노드에 캐소드가 연결되고 상기 제1 입출력단의 음단자에 애노드가 연결된 제2 역방향 다이오드를 포함하고, 상기 제3 스위칭 소자는, 상기 제3 스위칭 소자와 상기 제4 스위칭 소자의 연결 노드에 애노드가 연결되고 상기 제1 입출력단의 양단자에 캐소드가 연결된 제3 역방향 다이오드를 포함하고, 상기 제4 스위칭 소자는, 상기 제3 스위칭 소자와 상기 제4 스위칭 소자의 연결 노드에 캐노드가 연결되고 상기 제1 입출력단의 음단자에 애노드가 연결된 제4 역방향 다이오드를 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the first switching element may include a first reverse diode having an anode connected to a connection node of the first switching element and the second switching element and a cathode connected to a positive terminal of the first input/output terminal, the second switching element may include a second reverse diode having a cathode connected to a connection node of the first switching element and the second switching element and anode connected to a negative terminal of the first input/output terminal, the third switching element may include a third reverse diode having an anode connected to a connection node of the third switching element and the fourth switching element and a cathode connected to a positive terminal of the first input/output terminal, and the fourth switching element may include a fourth reverse diode having a cathode connected to a connection node of the third switching element and the fourth switching element and anode connected to a negative terminal of the first input/output terminal.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 저전압 직류 컨버터가 고장인 경우, 상기 컨트롤러는 상기 제2 브릿지 회로에 포함된 상기 제5 스위칭 소자 내지 제8 스위칭 소자의 스위칭 주파수를 제어하고 상기 제1 브릿지 회로에 포함된 상기 제1 스위칭 소자 내지 제4 스위칭 소자를 오프 시킬 수 있다.In one embodiment of the present invention, when the low-voltage DC converter fails, the controller can control the switching frequency of the fifth to eighth switching elements included in the second bridge circuit and turn off the first to fourth switching elements included in the first bridge circuit.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 제5 스위칭 소자 내지 제8 스위칭 소자의 스위칭 주파수를 상기 공진 탱크에 의해 결정된 공진 주파수 보다 낮은 영역에서 결정할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the controller can determine the switching frequency of the fifth to eighth switching elements in a range lower than the resonant frequency determined by the resonant tank.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 다른 수단으로서 본 발명은,As another means for solving the above technical problem, the present invention comprises:
전술한 차량용 전력 시스템을 제어하는 방법에 있어서,In the method for controlling the aforementioned vehicle power system,
차량 주행 중 상기 저전압 직류 컨버터의 고장 발생을 여부를 판단하는 단계;A step for determining whether a failure of the low-voltage DC converter occurs while the vehicle is driving;
상기 저전압 직류 컨버터에 고장이 발생한 경우 상기 제1 입출력단과 상기 보조 배터리 및 상기 전장부하 사이에 전기적 연결을 형성하는 단계; 및A step of forming an electrical connection between the first input/output terminal, the auxiliary battery, and the electric load when a failure occurs in the low-voltage DC converter; and
상기 제2 입출력단의 전압을 상기 제1 입출력단으로 강압하여 출력하도록 상기 양방향 직류 컨버터를 역방향으로 작동시키는 단계;A step of operating the bidirectional DC converter in reverse so as to force and output the voltage of the second input/output terminal to the first input/output terminal;
를 포함하는 차량용 전력 시스템의 제어 방법을 제공한다.A method for controlling a vehicle power system including a .
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 탑재형 충전기는 상기 제1 입출력단과 상기 보조 배터리 및 상기 전장부하 사이의 전기적 연결관계를 결정하는 릴레이를 더 포함하며, 상기 전기적 연결을 형성하는 단계는 상기 릴레이를 단락 시키는 단계일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the onboard charger further includes a relay that determines an electrical connection relationship between the first input/output terminal, the auxiliary battery, and the electric load, and the step of forming the electrical connection may be a step of short-circuiting the relay.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 양방향 직류 컨버터는, 상기 제1 입출력단에 연결에 연결된 제1 브릿지 회로와, 상기 제1 브릿지 회로에 연결되며 공진 주파수를 생성하도록 공진 인덕터와 공진 커패시터를 포함하는 공진 탱크와 상기 공진 탱크에 1차 코일이 연결된 트랜스포머와 상기 트랜스포머의 2차 코일과 상기 제2 입출력단 사이에 연결된 제2 브릿지 회로를 포함하는 LLC 컨버터이며, 상기 역방향으로 작동시키는 단계는, 상기 제2 브릿지 회로에 포함된 스위칭 소자의 스위칭 주파수를 제어하고 상기 제1 브릿지 회로에 포함된 스위칭 소자를 오프 시키는 단계일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the bidirectional DC converter is an LLC converter including a first bridge circuit connected to the first input/output terminal, a resonant tank connected to the first bridge circuit and including a resonant inductor and a resonant capacitor to generate a resonant frequency, a transformer having a primary coil connected to the resonant tank, and a second bridge circuit connected between the secondary coil of the transformer and the second input/output terminal, wherein the step of operating in the reverse direction may be a step of controlling a switching frequency of a switching element included in the second bridge circuit and turning off a switching element included in the first bridge circuit.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 역방향으로 작동시키는 단계는, 상기 제2 브릿지 회로에 포함된 스위칭 소자의 스위칭 주파수를 상기 공진 탱크에 의해 결정되는 공진 주파수 보다 낮은 영역에서 결정할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the step of operating in the reverse direction can determine the switching frequency of the switching element included in the second bridge circuit in a range lower than the resonant frequency determined by the resonant tank.
상기 차량용 전력 시스템 및 그 제어 방법에 따르면, 차량 주행 중 저전압 직류 컨버터에 고장이 발생하는 경우 탑재형 충전기 내 구비된 직류 컨버터를 역방향으로 구동함으로써 저전압 직류 컨버터가 셧다운 되는 경우에도 차량 운전 성능을 양호하게 확보할 수 있다.According to the above vehicle power system and its control method, when a failure occurs in the low-voltage DC converter while the vehicle is driving, the vehicle driving performance can be secured well even when the low-voltage DC converter is shut down by driving the DC converter provided in the onboard charger in reverse.
더하여, 상기 차량용 전력 시스템 및 그 제어 방법에 따르면, 저전압 직류 컨버터가 셧다운되어 보조 배터리의 충전이 불가함으로써 보조 배터리가 과방전되는 문제를 해소하여 보조 배터리의 열화를 방지하고 보조 배터리 교체에 소요되는 비용을 절감할 수 있다.In addition, according to the vehicle power system and its control method, the problem of the auxiliary battery being over-discharged due to the low-voltage DC converter being shut down and the auxiliary battery not being charged can be solved, thereby preventing deterioration of the auxiliary battery and reducing the cost required for replacing the auxiliary battery.
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 from the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art to which the present invention belongs from the description below.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 차량용 전력 시스템의 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 차량용 전력 시스템의 제어 방법을 도시한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 차량용 전력 시스템 및 그 제어 방법에서 차량 탑재 충전기 내 LLC 컨버터의 동작 영역을 설명하기 위한 도면이다.FIG. 1 is a circuit diagram of a vehicle power system according to one embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a flowchart illustrating a control method of a vehicle power system according to one embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a drawing for explaining the operating area of an LLC converter in a vehicle-mounted charger in a vehicle power system and a control method thereof according to one embodiment of the present invention.
이하, 첨부의 도면을 참조하여 본 발명의 여러 실시형태에 따른 차량용 전력 시스템 및 그 제어 방법을 상세하게 설명한다.Hereinafter, a vehicle power system and a control method thereof according to various embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 차량용 전력 시스템의 회로도이다.FIG. 1 is a circuit diagram of a vehicle power system according to one embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 차량용 전력 시스템은, 외부 충전 설비(EVSE: Electric Vehicle Service Equipment)(20)에서 공급되는 외부 충전 전력을 메인 배터리(고전압 배터리)(10)의 충전 전압으로 변환하여 공급하는 차량 탑재형 충전기(OBC: On-Board Charger)(30)와, 메인 배터리(10)의 전압을 강압하여 전장부하(50) 및 보조 배터리(60)로 제공하는 저전압 직류 컨버터(LDC: Low Voltage DC-DC Converter)(40) 및 저전압 직류 컨버터(40)의 고장 발생 시 메인 배터리(10)의 전압을 강압시켜 전장부하(50) 및 보조 배터리(60)로 제공하도록 탑재형 충전기(30) 내의 컨버터를 역방향 구동시키는 컨트롤러(100)를 포함하여 구성될 수 있다.Referring to FIG. 1, a vehicle power system according to one embodiment of the present invention may be configured to include an on-board charger (OBC) (30) that converts external charging power supplied from an external charging facility (EVSE: Electric Vehicle Service Equipment) (20) into a charging voltage of a main battery (high-voltage battery) (10) and supplies it, a low voltage DC-DC converter (LDC: Low Voltage DC-DC Converter) (40) that steps down the voltage of the main battery (10) and supplies it to an electric load (50) and an auxiliary battery (60), and a controller (100) that drives the converter in the on-board charger (30) in reverse so as to step down the voltage of the main battery (10) and supply it to the electric load (50) and the auxiliary battery (60) when a failure of the low voltage DC converter (40) occurs.
차량 탑재형 충전기(30)는 메인 배터리(10) 충전 시, 외부의 충전 설비(20)에서 제공되는 교류의 충전 전력을 직류로 변환하고 메인 배터리(10)를 충전할 수 있는 직류 전압을 생성하여 메인 배터리(10)에 인가함으로써 메인 배터리(10)를 충전하기 위한 장치이다.A vehicle-mounted charger (30) is a device for charging the main battery (10) by converting AC charging power provided from an external charging facility (20) into DC when charging the main battery (10), generating a DC voltage capable of charging the main battery (10), and applying the converted DC voltage to the main battery (10).
차량 탑재형 충전기(30)는 외부의 충전 설비(20)에서 제공되는 교류 전력을 정류하기 위해 다이오드로 구성되는 정류 회로(31)와, 정류 회로(31)의 출력을 직류로 변환하되 입력된 교류 전력의 역률을 보상하기 위해 부스트 컨버터 회로의 토폴로지를 적용한 역률 보상 회로(32)와 역률 보상 회로(32)에 의해 역률이 보상된 직류 전력의 전압을 메인 배터리(10) 충전에 요구되는 크기의 직류 전압으로 변환하는 직류 컨버터(33)를 포함하여 구성될 수 있다.A vehicle-mounted charger (30) may be configured to include a rectifier circuit (31) configured with diodes to rectify AC power provided from an external charging facility (20), a power factor correction circuit (32) that converts the output of the rectifier circuit (31) into DC power while applying the topology of a boost converter circuit to compensate for the power factor of the input AC power, and a DC converter (33) that converts the voltage of the DC power whose power factor is compensated by the power factor correction circuit (32) into a DC voltage of a size required for charging the main battery (10).
본 발명의 일 실시형태에서, 직류 컨버터(33)는 교류 전력측, 즉 역률 보상 회로(32)에 연결되는 제1 입출력단(331p, 331n)과, 메인 배터리(10)에 연결되는 제2 입출력단(332p, 332n)과, 제1 입출력단(331p, 331n)에 연결되고 복수의 스위칭 소자(S2-S5)를 포함하는 제1 브릿지 회로(333)와 제1 브릿지 회로(333) 내의 복수의 스위칭 소자(S2-S5)의 스위칭에 의해 공진 전류를 생성하는 공진 탱크(334)와, 공진 탱크(334)에 1차 권선이 연결된 트랜스포머(335)와 트랜스포머의 2차 권선에 연결되고 제2 입출력단에 연결된 복수의 스위칭 소자(S6-S9)를 포함하는 제2 브릿지 회로(336)을 포함하는 LLC 공진 컨버터로 구현될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the DC converter (33) can be implemented as an LLC resonant converter including a first input/output terminal (331p, 331n) connected to the AC power side, i.e., a power factor correction circuit (32), a second input/output terminal (332p, 332n) connected to the main battery (10), a first bridge circuit (333) connected to the first input/output terminal (331p, 331n) and including a plurality of switching elements (S2-S5), a resonant tank (334) that generates a resonant current by switching of the plurality of switching elements (S2-S5) in the first bridge circuit (333), a transformer (335) having a primary winding connected to the resonant tank (334), and a second bridge circuit (336) having a plurality of switching elements (S6-S9) connected to the secondary winding of the transformer and connected to the second input/output terminal.
제1 브릿지 회로(33)는 제1 입출력단(331p, 331n)의 양단자(331p)와 음단자(331n) 사이에 서로 직렬 연결된 제1 스위칭 소자(S2) 및 제2 스위칭 소자(S3), 제1 입출력단(331p, 331n)의 양단자(331p)와 음단자(331n) 사이에 서로 직렬 연결된 제3 스위칭 소자(S4) 및 제4 스위칭 소자(S5)를 포함할 수 있다. 여기서, 제1 스위칭 소자(S2) 및 제2 스위칭 소자(S3)의 연결 노드는 공진 탱크(334)를 구성하는 인덕터(Lr)와 커패시터(Cr)의 직렬 연결 구조에 제3 스위칭 소자(S4) 및 제4 스위칭 소자(S5)의 연결 노드는 트랜스포머(335)의 1차 권선의 일단에 연결될 수 있다.The first bridge circuit (33) may include a first switching element (S2) and a second switching element (S3) which are connected in series between the positive terminal (331p) and the negative terminal (331n) of the first input/output terminal (331p, 331n), and a third switching element (S4) and a fourth switching element (S5) which are connected in series between the positive terminal (331p) and the negative terminal (331n) of the first input/output terminal (331p, 331n). Here, the connection nodes of the first switching element (S2) and the second switching element (S3) may be connected in a series connection structure of an inductor (Lr) and a capacitor (Cr) constituting a resonant tank (334), and the connection nodes of the third switching element (S4) and the fourth switching element (S5) may be connected to one end of a primary winding of a transformer (335).
또한, 제1 내지 제4 스위칭 소자(S2-S5)는 각각 역방향 다이오드(D2-D5)를 포함할 수 있다. 제1 스위칭 소자(S2)의 역방향 다이오드(D2)는 제1 스위칭 소자(S2)와 제2 스위칭 소자(S3)의 연결 노드에 애노드가 연결되고 제1 입출력단의 양단자(331p)에 캐소드가 연결될 수 있으며, 제2 스위칭 소자(S3)의 역방향 다이오드(D3)는 제1 스위칭 소자(S2)와 제2 스위칭 소자(S3)의 연결 노드에 캐소드가 연결되고 제1 입출력단의 음단자(331n)에 애노드가 연결될 수 있다. 유사하게, 제3 스위칭 소자(S4)의 역방향 다이오드(D4)는 제3 스위칭 소자(S4)와 제4 스위칭 소자(S5)의 연결 노드에 애노드가 연결되고 제1 입출력단의 양단자(331p)에 캐소드가 연결될 수 있으며, 제4 스위칭 소자(S5)의 역방향 다이오드(D5)는 제3 스위칭 소자(S4)와 제4 스위칭 소자(S5)의 연결 노드에 캐노드가 연결되고 제1 입출력단의 음단자(331n)에 애노드가 연결될 수 있다.In addition, the first to fourth switching elements (S2-S5) may each include a reverse diode (D2-D5). The reverse diode (D2) of the first switching element (S2) may have its anode connected to the connection node of the first switching element (S2) and the second switching element (S3) and its cathode connected to the positive terminal (331p) of the first input/output terminal, and the reverse diode (D3) of the second switching element (S3) may have its cathode connected to the connection node of the first switching element (S2) and the second switching element (S3) and its anode connected to the negative terminal (331n) of the first input/output terminal. Similarly, the reverse diode (D4) of the third switching element (S4) may have its anode connected to the connection node of the third switching element (S4) and the fourth switching element (S5) and its cathode connected to the positive terminal (331p) of the first input/output terminal, and the reverse diode (D5) of the fourth switching element (S5) may have its cathode connected to the connection node of the third switching element (S4) and the fourth switching element (S5) and its anode connected to the negative terminal (331n) of the first input/output terminal.
공진 탱크(33)는 공진 인덕터(Lr)과 공진 커패시터(Cr)가 직렬 연결된 구조를 가질 수 있으며 이 직렬 연결 구조의 일단은 제1 스위칭 소자(S2)와 제2 스위칭 소자(S3)의 연결 노드에 연결되고 직렬 연결 구조의 타단은 트랜스포머(335)의 1차 권선의 일단에 연결될 수 있다. 트랜스포머(335)는 1차 권선에 자화 인덕턴스(Lm)를 가질 수 있다. The resonant tank (33) may have a structure in which a resonant inductor (Lr) and a resonant capacitor (Cr) are connected in series, and one end of this series-connected structure may be connected to a connection node of the first switching element (S2) and the second switching element (S3), and the other end of the series-connected structure may be connected to one end of the primary winding of a transformer (335). The transformer (335) may have a magnetizing inductance (Lm) in the primary winding.
제2 브릿지 회로(336)는 제2 입출력단(332p, 332n)의 양단자(332p)와 음단자(332n) 사이에 서로 직렬 연결된 제5 스위칭 소자(S6) 및 제6 스위칭 소자(S7), 제2 입출력단(332p, 332n)의 양단자(332p)와 음단자(332n) 사이에 서로 직렬 연결된 제7 스위칭 소자(S8) 및 제8 스위칭 소자(S9)를 포함할 수 있다. 여기서, 제5 스위칭 소자(S6) 및 제6 스위칭 소자(S7)의 연결 노드는 트랜스포머(335)의 2차 권선의 일단에 연결되고 제7 스위칭 소자(S8) 및 제8 스위칭 소자(S9)의 연결 노드는 트랜스포머(335)의 2차 권선의 타단에 연결될 수 있다.The second bridge circuit (336) may include a fifth switching element (S6) and a sixth switching element (S7) which are connected in series between the positive terminal (332p) and the negative terminal (332n) of the second input/output terminal (332p, 332n), and a seventh switching element (S8) and an eighth switching element (S9) which are connected in series between the positive terminal (332p) and the negative terminal (332n) of the second input/output terminal (332p, 332n). Here, the connection nodes of the fifth switching element (S6) and the sixth switching element (S7) may be connected to one end of the secondary winding of the transformer (335), and the connection nodes of the seventh switching element (S8) and the eighth switching element (S9) may be connected to the other end of the secondary winding of the transformer (335).
제1 브릿지 회로와 유사하게, 제2 브릿지 회로(336) 내의 제5 내지 제8 스위칭 소자(S6-S9)는 각각 역방향 다이오드(D6-D9)를 포함할 수 있다. 제5 스위칭 소자(S6)의 역방향 다이오드(D6)는 제5 스위칭 소자(S6)와 제6 스위칭 소자(S7)의 연결 노드에 애노드가 연결되고 제2 입출력단의 양단자(332p)에 캐소드가 연결될 수 있으며, 제6 스위칭 소자(S7)의 역방향 다이오드(D7)는 제5 스위칭 소자(S6)와 제6 스위칭 소자(S7)의 연결 노드에 캐소드가 연결되고 제2 입출력단의 음단자(332n)에 애노드가 연결될 수 있다. 유사하게, 제7 스위칭 소자(S8)의 역방향 다이오드(D8)는 제7 스위칭 소자(S8)와 제8 스위칭 소자(S9)의 연결 노드에 애노드가 연결되고 제2 입출력단의 양단자(332p)에 캐소드가 연결될 수 있으며, 제8 스위칭 소자(S9)의 역방향 다이오드(D9)는 제7 스위칭 소자(S8)와 제8 스위칭 소자(S9)의 연결 노드에 캐노드가 연결되고 제2 입출력단의 음단자(332n)에 애노드가 연결될 수 있다.Similar to the first bridge circuit, the fifth to eighth switching elements (S6-S9) in the second bridge circuit (336) may each include a reverse diode (D6-D9). The reverse diode (D6) of the fifth switching element (S6) may have its anode connected to the connection node between the fifth switching element (S6) and the sixth switching element (S7) and its cathode connected to the positive terminal (332p) of the second input/output terminal, and the reverse diode (D7) of the sixth switching element (S7) may have its cathode connected to the connection node between the fifth switching element (S6) and the sixth switching element (S7) and its anode connected to the negative terminal (332n) of the second input/output terminal. Similarly, the reverse diode (D8) of the seventh switching element (S8) may have its anode connected to the connection node of the seventh switching element (S8) and the eighth switching element (S9) and its cathode connected to the positive terminal (332p) of the second input/output terminal, and the reverse diode (D9) of the eighth switching element (S9) may have its cathode connected to the connection node of the seventh switching element (S8) and the eighth switching element (S9) and its anode connected to the negative terminal (332n) of the second input/output terminal.
또한, 탑재형 충전기(30)는 제1 입출력단(331p)과 역률 보상 회로(32) 사이의 전기적 연결관계를 결정하는 제1 릴레이(R1)와, 제1 입출력단(331p)와 전장부하(50) 및 보조 배터리(60) 사이의 전기적 연결 관계를 형성하기 위한 제2 릴레이(R2)를 더 포함할 수 있다.In addition, the onboard charger (30) may further include a first relay (R1) for determining an electrical connection relationship between the first input/output terminal (331p) and the power factor correction circuit (32), and a second relay (R2) for forming an electrical connection relationship between the first input/output terminal (331p) and the electric load (50) and the auxiliary battery (60).
저전압 직류 컨버터(40)는 메인 배터리(10)의 전압을 강압하기 위한 다양한 강압 컨버터 회로의 토폴로지가 적용될 수 있다. 도 1에 도시된 예는 트랜스포머(40)를 구비한 절연형 컨버터 구조로서, 메인 배터리(10) 측에 복수의 스위칭 소자(S10-S13)를 포함하는 브릿지 회로(41)가 마련되고, 브릿지 회로(41)의 스위칭에 의해 형성된 교류 형태의 전압이 트랜스포머(40)의 권선비에 의해 감소된 후 트랜스포머(40)의 2차 권선에 연결된 정류 회로(43)에 의해 직류로 변환되어 전장 부하(50) 및 보조 배터리(60)로 공급될 수 있다.The low-voltage DC converter (40) can be applied with various topologies of step-down converter circuits for stepping down the voltage of the main battery (10). The example illustrated in Fig. 1 is an insulated converter structure having a transformer (40), in which a bridge circuit (41) including a plurality of switching elements (S10-S13) is provided on the main battery (10) side, and an AC voltage formed by the switching of the bridge circuit (41) is reduced by the turns ratio of the transformer (40) and then converted into a DC by a rectifier circuit (43) connected to the secondary winding of the transformer (40) so that it can be supplied to the electric load (50) and the auxiliary battery (60).
컨트롤러(100)는 충전시 탑재형 충전기(30) 내 마련되는 여러 스위칭 소자들(S1-S9)을 제어하여 메인 배터리(10)를 충전할 수 있는 적절한 크기의 직류 전압이 인가되게 할 수 있다. 또한, 컨트롤러(100)는 차량 주행 시 저전압 직류 컨버터(40)의 브릿지 회로(41) 내 스위칭 소자들(S10-S13)을 제어하여 전장 부하(50) 및 보조 배터리(60)로 적절한 전압이 공급되도록 메인 배터리(10)의 전압을 변환할 수 있다. 또한, 컨트롤러(100)는 차량 주행 시 저전압 직류 컨버터(40)에 고장이 발생한 경우, 탑재형 충전기(30) 내의 직류 컨버터(33)를 역방향으로 구동하여 전장부하(50) 및 보조 배터리(60)로 직류 전압이 공급되게 할 수 있다.The controller (100) can control several switching elements (S1-S9) provided in the onboard charger (30) during charging so that an appropriate size of DC voltage can be applied to charge the main battery (10). In addition, the controller (100) can control the switching elements (S10-S13) in the bridge circuit (41) of the low-voltage DC converter (40) during driving of the vehicle so that the voltage of the main battery (10) can be converted so that an appropriate voltage can be supplied to the electric load (50) and the auxiliary battery (60). In addition, if a failure occurs in the low-voltage DC converter (40) during driving of the vehicle, the controller (100) can drive the DC converter (33) in the onboard charger (30) in reverse so that a DC voltage can be supplied to the electric load (50) and the auxiliary battery (60).
컨트롤러(100)가 탑재형 충전기(30)를 제어하는데 필요한 전압 정보를 검출하기 위해 탑재형 충전기(30)는 역률 보상 회로(32)와 직류 컨버터(33)의 연결노드, 즉 제1 입출력단의 양단자(331p)에 전압 센서(34)를 구비할 수 있다. 또한, 메인 배터리(10)의 전압을 검출하기 위해 메인 배터리(10)의 양단자, 즉 제2 입출력단의 양단자(332p)에 전압 센서(70)가 구비될 수 있다.In order for the controller (100) to detect voltage information required to control the onboard charger (30), the onboard charger (30) may be equipped with a voltage sensor (34) at the connection node of the power factor correction circuit (32) and the DC converter (33), that is, at both terminals (331p) of the first input/output terminal. In addition, in order to detect the voltage of the main battery (10), a voltage sensor (70) may be equipped at both terminals of the main battery (10), that is, at both terminals (332p) of the second input/output terminal.
컨트롤러(100)의 더욱 구체적인 제어 동작 및 그에 따른 효과는 후술하는 차량용 전력 시스템의 제어 방법에 대한 설명을 통해 더욱 명확하게 이해될 수 있을 것이다.More specific control operations of the controller (100) and the resulting effects can be more clearly understood through the description of a control method for a vehicle power system described below.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 차량용 전력 시스템의 제어 방법을 도시한 흐름도이다.FIG. 2 is a flowchart illustrating a control method of a vehicle power system according to one embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 차량용 전력 시스템의 제어 방법은, 차량의 시동이 온 된 이후(S11) 컨트롤러(100)가 메인 배터리(10)의 충전 여부를 판단하는 단계(S12)로부터 시작될 수 있다. 차량의 시동이 온 된 상태에서, 탑재형 충전기(30) 내의 제1 릴레이(R1)와 제2 릴레이(R2)는 오프(개방)된 상태일 수 있다. Referring to FIG. 2, a method for controlling a vehicle power system according to one embodiment of the present invention may start from a step (S12) in which a controller (100) determines whether a main battery (10) is charged after the vehicle is turned on (S11). With the vehicle turned on, the first relay (R1) and the second relay (R2) in the onboard charger (30) may be in an off (open) state.
단계(S12)에서 메인 배터리(10)를 충전을 진행하여야 하는 것으로 판단되면, 컨트롤러(100)가 제1 릴레이(R1)을 온(단락) 시키고(S51) 충전을 위해 탑재형 충전기 내 스위칭 소자(S1-S9)를 제어하도록 결정할 수 있다(S52). If it is determined that the main battery (10) needs to be charged at step (S12), the controller (100) may decide to turn on (short-circuit) the first relay (R1) (S51) and control the switching elements (S1-S9) in the onboard charger for charging (S52).
더욱 구체적으로, 컨트롤러(100)는 메인 배터리(10) 충전하기 위해 메인 배터리(고전압 배터리)(10)의 전압을 기반으로 하여 메인 배터리(10)를 충전할 수 있는 전압지령, 즉 직류 컨버터(33)의 제2 입출력단(332p, 332n)에 대한 전압 지령을 설정할 수 있다(S53).More specifically, the controller (100) can set a voltage command for charging the main battery (10), i.e., a voltage command for the second input/output terminal (332p, 332n) of the DC converter (33), based on the voltage of the main battery (high voltage battery) (10) to charge the main battery (10) (S53).
이어, 컨트롤러(100)는 전압지령과 전압 센서(70)에서 검출되는 메인 배터리(10)의 전압(VO1)의 차이를 기반으로 공진 LLC 컨버터인 직류 컨버터(33) 내 제1 브릿지 회로(333)의 스위칭 소자(S2-S5)의 스위칭 주파수를 가변 제어할 수 있다(S54). 이 때, 제2 브릿지 회로(336)의 스위칭 소자(S6-S9)는 오프되고 역방향 다이오드(D6-D9)가 형성하는 정류회로가 작동할 수 있다.Next, the controller (100) can variably control the switching frequency of the switching elements (S2-S5) of the first bridge circuit (333) in the DC converter (33), which is a resonant LLC converter, based on the difference between the voltage command and the voltage (V O1 ) of the main battery (10) detected by the voltage sensor (70) (S54). At this time, the switching elements (S6-S9) of the second bridge circuit (336) are turned off and the rectifier circuit formed by the reverse diodes (D6-D9) can operate.
선택적으로, 전류 센서에 의해 검출된 전류값을 확인한 결과 메인 배터리(10)로 과전류가 공급되는 상황 등과 같은 디레이팅 조건이 성립하는 경우(S55) 메인 배터리(10)로 공급되는 전류를 제한하는 디레이팅 로직을 실행할 수 있다(S61).Optionally, when a derating condition is established (S55), such as a situation in which overcurrent is supplied to the main battery (10) as a result of checking the current value detected by the current sensor, a derating logic for limiting the current supplied to the main battery (10) can be executed (S61).
한편, 단계(S12)에서 메인 배터리(10)를 충전하여야 하는 상황이 아니고 차량 주행 중인 경우에, 컨트롤러(100)는 저전압 직류 컨버터(40)의 정상 동작 여부를 확인한 후(S21) 저전압 직류 컨버터(40)가 정상적으로 동작하면 저전압 직류 컨버터(40)의 제어기를 이용하여 저전압 직류 컨버터(40)를 구동하도록 결정할 수 있다(S41). 더욱 구체적으로, 저전압 직류 컨버터(40)의 2차측 전압에 해당하는 출력 전압(VO2)에 대한 전압 지령을 설정한 후(S42), 저전압 직류 컨버터(40) 내의 브릿지 회로(41) 내 스위칭 소자(S10-S13)의 듀티를 제어하여 전장부하(50) 또는 보조 배터리(60)로 전압 지령에 대응되는 전압을 출력하도록 저전압 직류 컨버터(40)를 제어할 수 있다(S43).Meanwhile, in a case where the main battery (10) does not need to be charged at step (S12) and the vehicle is being driven, the controller (100) can determine whether the low voltage DC converter (40) is operating normally (S21), and if the low voltage DC converter (40) is operating normally, the controller (100) can determine to drive the low voltage DC converter (40) using the controller of the low voltage DC converter (40) (S41). More specifically, after setting a voltage command for the output voltage (V O2 ) corresponding to the secondary voltage of the low voltage DC converter (40) (S42), the duty of the switching elements (S10-S13) in the bridge circuit (41) in the low voltage DC converter (40) can be controlled to output a voltage corresponding to the voltage command to the electric load (50) or the auxiliary battery (60) (S43).
선택적으로, 전류 센서에 의해 보조 배터리(10)로 과전류가 공급되는 상황 등과 같은 디레이팅 조건이 성립하는 경우(S44) 메인 배터리(10)로 공급되는 전류를 제한하는 디레이팅 로직을 실행할 수 있다(S61).Optionally, when a derating condition is established (S44), such as a situation in which overcurrent is supplied to the auxiliary battery (10) by a current sensor, a derating logic that limits the current supplied to the main battery (10) can be executed (S61).
단계(S21)에서 차량의 주행 중에 저전압 직류 컨버터(40)가 고장이 발생하여 셧다운 된 경우, 컨트롤러(100)는 저전압 직류 컨버터(40)의 제어를 중단하고, 탑재형 충전기(30)를 웨이크 업 한 후 탑재형 충전기(30) 내 직류 컨버터(33)를 역방향 구동하여 전장부하(50)와 보조 배터리(60)로 목표 전압이 인가될 수 있게 한다. 이를 위해, 탑재형 충전기(30)는 제1 입출력단(331p)와 전장부하(50) 및 보조 배터리(60) 사이의 전기적 연결 관계를 형성하기 위한 제2 릴레이(R2)를 온(단락) 시키고(S31) 탑재형 충전기(30) 내의 양방향 직류 컨버터(33)를 역방향으로 구동할 수 있다(S32).In step (S21), if the low-voltage DC converter (40) fails and is shut down while the vehicle is running, the controller (100) stops controlling the low-voltage DC converter (40), wakes up the onboard charger (30), and then drives the DC converter (33) in the onboard charger (30) in reverse so that the target voltage can be applied to the electric load (50) and the auxiliary battery (60). To this end, the onboard charger (30) turns on (short-circuits) the second relay (R2) for forming an electrical connection between the first input/output terminal (331p) and the electric load (50) and the auxiliary battery (60) (S31), and can drive the bidirectional DC converter (33) in the onboard charger (30) in reverse (S32).
컨트롤러(100)는 전장부하(50) 및 보조 배터리(60)에 대응되는 제1 입출력단(331p, 331n)의 전압 지령을 설정하고(S33), 전압 지령과 전압 센서(34)에서 검출된 제1 입출력단(331p, 331n)의 전압의 차에 기반하여 양방향 직류 컨버터(33)의 제2 브릿지 회로(336)의 스위칭 소자(S6-S9)의 스위칭 주파수를 제어할 수 있다(S34).The controller (100) sets the voltage command of the first input/output terminal (331p, 331n) corresponding to the electric load (50) and the auxiliary battery (60) (S33), and can control the switching frequency of the switching element (S6-S9) of the second bridge circuit (336) of the bidirectional DC converter (33) based on the difference between the voltage command and the voltage of the first input/output terminal (331p, 331n) detected by the voltage sensor (34) (S34).
단계(S34)에서 컨트롤러(100)는 제1 브릿지 회로(331)의 스위칭 소자(S2-S7)를 모두 오프 시키고 스위칭 소자(S2-S7)에 구비된 역방향 다이오드(D2-D5)가 형성하는 정류회로가 작동하게 할 수 있다.In step (S34), the controller (100) can turn off all of the switching elements (S2-S7) of the first bridge circuit (331) and cause the rectifier circuit formed by the reverse diodes (D2-D5) provided in the switching elements (S2-S7) to operate.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 차량용 전력 시스템 및 그 제어 방법에서 차량 탑재 충전기 내 LLC 컨버터의 동작 영역을 설명하기 위한 도면이다.FIG. 3 is a drawing for explaining the operating area of an LLC converter in a vehicle-mounted charger in a vehicle power system and a control method thereof according to one embodiment of the present invention.
도 3에는 공진 탱크(334)의 공진 주파수를 기준으로 한 스위칭 주파수 별 전압 이득이 도시된다. 차량 탑재 충전기(30) 내 양방향 직류 컨버터(33)가 역방향으로 동작하는 경우 고전압의 메인 배터리(10)와 저전압의 보조 베터리(60) 사이의 전압차가 매우 크기 때문에 전압 이득은 매우 낮아야 한다.Fig. 3 shows the voltage gain for each switching frequency based on the resonant frequency of the resonant tank (334). When the bidirectional DC converter (33) in the vehicle-mounted charger (30) operates in reverse, the voltage gain must be very low because the voltage difference between the high-voltage main battery (10) and the low-voltage auxiliary battery (60) is very large.
도 3에 나타난 바와 같이, LLC 직류 컨버터에서 이득은 공진 탱크(334)에 의한 공진 주파수를 피크로 하여 공진 주파수 보다 낮은 주파수 영역 및 높은 주파수 영역으로 갈수록 전압 이득이 감소하는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 낮은 전압 이득을 달성하기 위해서는 공진 주파수를 기준으로 스위칭 주파수를 감소시키거나 증가시켜야 하는데, 주파수를 향상시키는 것은 스위칭 소자의 스위칭을 제어하기 위한 마이컴의 한계로 인해 제약을 갖는다. 따라서, LLC 컨버터를 역방향으로 동작시켜 고전압의 메인 배터리(10) 전압을 저전압의 보조 배터리(60) 전압으로 강압하기 위해서는 제2 브릿지 회로(336) 내 스위칭 소자(S6-S9)의 스위칭 주파수를 공진 주파수보다 낮게 설정하여야 한다.As shown in Fig. 3, in the LLC DC converter, it can be confirmed that the voltage gain decreases as it goes from a frequency range lower than the resonant frequency to a frequency range higher than the resonant frequency, with the resonant frequency by the resonant tank (334) as the peak. Therefore, in order to achieve a low voltage gain, the switching frequency must be reduced or increased based on the resonant frequency, but increasing the frequency has limitations due to the limitations of the microcomputer for controlling the switching of the switching elements. Therefore, in order to operate the LLC converter in reverse to step down the high-voltage main battery (10) voltage to the low-voltage auxiliary battery (60) voltage, the switching frequency of the switching elements (S6-S9) in the second bridge circuit (336) must be set lower than the resonant frequency.
선택적으로, 제1 입출력단(331p)에 설치된 전류 센서에 의해 검출된 전류값을 확인한 결과, 전장 부하(50) 및 보조 배터리(60)로 과전류가 공급되는 상황 등과 같은 디레이팅 조건이 성립하는 경우(S35) 제1 입출력단(331p)에서 출력되는 전류를 제한하는 디레이팅 로직을 실행할 수 있다(S61).Optionally, when a derating condition is established (S35), such as a situation in which overcurrent is supplied to the electric load (50) and the auxiliary battery (60), as a result of checking the current value detected by the current sensor installed in the first input/output terminal (331p), a derating logic for limiting the current output from the first input/output terminal (331p) can be executed (S61).
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 여러 실시형태에 따른 차량용 전력 시스템은, 차량 주행 중 저전압 직류 컨버터에 고장이 발생하는 경우 탑재형 충전기 내 구비된 직류 컨버터를 역방향으로 구동함으로써 저전압 직류 컨버터가 셧다운 되는 경우에도 차량 운전 성능을 양호하게 확보할 수 있다.As described above, the vehicle power system according to various embodiments of the present invention can secure good vehicle driving performance even when the low-voltage DC converter is shut down by driving the DC converter provided in the onboard charger in reverse when a failure occurs in the low-voltage DC converter while the vehicle is driving.
더하여, 저전압 직류 컨버터가 셧다운되어 보조 배터리의 충전이 불가함으로써 보조 배터리가 과방전되는 문제를 해소하여 보조 배터리의 열화를 방지하고 보조 배터리 교체에 소요되는 비용을 절감할 수 있다.In addition, the problem of over-discharging of the auxiliary battery due to the low-voltage DC converter being shut down and the auxiliary battery not being charged can be resolved, thereby preventing deterioration of the auxiliary battery and reducing the cost required for replacing the auxiliary battery.
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.While the present invention has been illustrated and described above with respect to specific embodiments thereof, it will be apparent to those skilled in the art that the present invention may be variously improved and modified within the scope of the claims.
10: 메인 배터리(고전압 배터리) 20: 충전설비(EVSE)
30: 차량 탑재형 충전기(OBC) 31: 정류 회로
32: 역률 보상 회로 33: 양방향 LLC 직류 컨버터
331p, 331n: 제1 입출력단 332p, 332n: 제2 입출력단
333: 제1 브릿지 회로 334: 공진 탱크
335: 트랜스포머 336: 제2 브릿지 회로
40: 저전압 직류 컨버터 41: 브릿지 회로
42: 트랜스포머 43: 정류회로
50: 전장부하 60: 보조 배터리(저전압 배터리)
34, 70: 전압 센서10: Main battery (high voltage battery) 20: Charging equipment (EVSE)
30: On-Board Charger (OBC) 31: Rectifier Circuit
32: Power factor correction circuit 33: Bidirectional LLC DC converter
331p, 331n: 1st input/
333: 1st bridge circuit 334: Resonant tank
335: Transformer 336: Second bridge circuit
40: Low voltage DC converter 41: Bridge circuit
42: Transformer 43: Rectifier circuit
50: Full load 60: Auxiliary battery (low voltage battery)
34, 70: Voltage sensor
Claims (14)
상기 제1 배터리의 전압을 하향 변환하여 제2 배터리의 충전 전압 및 전장부하의 전원 전압으로 제공하는 저전압 직류 컨버터; 및
상기 저전압 직류 컨버터가 고장인 경우, 상기 제1 입출력단을 상기 제2 배터리 및 상기 전장부하에 전기적으로 연결하고 상기 양방향 직류 컨버터를 구동시켜 상기 제1 배터리의 전압을 상기 제2 배터리의 전압에 대응되는 크기로 변환하여 상기 제1 입출력단으로 출력하게 함으로써 상기 제2 배터리의 충전 전압 및 상기 전장부하에 전원 전압이 공급되도록 제어하는 컨트롤러;
를 포함하고,
상기 양방향 직류 컨버터는,
상기 제1 입출력단에 연결에 연결된 제1 브릿지 회로;
상기 제1 브릿지 회로에 연결되며 공진 주파수를 생성하도록 공진 인덕터와 공진 커패시터를 포함하는 공진 탱크;
상기 공진 탱크에 1차 코일이 연결된 트랜스포머;
상기 트랜스포머의 2차 코일과 상기 제2 입출력단 사이에 연결된 제2 브릿지 회로를 포함하고,
상기 저전압 직류 컨버터가 고장인 경우, 상기 컨트롤러는 상기 제2 브릿지 회로에 포함된 스위칭 소자의 스위칭 주파수를 제어하고 상기 제1 브릿지 회로에 포함된 스위칭 소자를 오프 시키되, 상기 제2 브릿지 회로에 포함된 스위칭 소자의 스위칭 주파수를 상기 공진 탱크에 의해 결정되는 공진 주파수 보다 낮은 영역에서 결정하는 것을 특징으로 하는 차량용 전력 시스템.An onboard charger including a bidirectional DC converter that converts AC power into DC power to generate charging power for charging a first battery and is capable of supplying power in both directions between a first input/output terminal connected to the AC power side and a second input/output terminal connected to the first battery;
A low-voltage DC converter that down-converts the voltage of the first battery and provides it as a charging voltage of the second battery and a power supply voltage of the electric load; and
A controller that electrically connects the first input/output terminal to the second battery and the electrical load when the low-voltage DC converter is faulty and drives the bidirectional DC converter to convert the voltage of the first battery into a size corresponding to the voltage of the second battery and output it to the first input/output terminal, thereby supplying the charging voltage of the second battery and the power voltage to the electrical load;
Including,
The above bidirectional DC converter,
A first bridge circuit connected to the first input/output terminal;
A resonant tank connected to the first bridge circuit and including a resonant inductor and a resonant capacitor to generate a resonant frequency;
A transformer having a primary coil connected to the above resonant tank;
A second bridge circuit is included between the secondary coil of the transformer and the second input/output terminal,
A vehicle power system, characterized in that when the low-voltage direct current converter fails, the controller controls the switching frequency of the switching element included in the second bridge circuit and turns off the switching element included in the first bridge circuit, and determines the switching frequency of the switching element included in the second bridge circuit in a range lower than the resonant frequency determined by the resonant tank.
상기 제1 입출력단과 상기 제2 배터리 및 상기 전장부하 사이의 전기적 연결관계를 결정하는 릴레이를 더 포함하며, 상기 컨트롤러는 상기 저전압 직류 컨버터가 고장인 경우 상기 릴레이를 단락 시키는 것을 특징으로 하는 차량용 전력 시스템.In claim 1, the onboard charger comprises:
A vehicle power system further comprising a relay that determines an electrical connection relationship between the first input/output terminal, the second battery, and the electric load, wherein the controller short-circuits the relay when the low-voltage DC converter fails.
상기 제1 입출력단의 양단자와 음단자 사이에 서로 직렬 연결된 제1 스위칭 소자 및 제2 스위칭 소자, 상기 제1 입출력단의 양단자와 음단자 사이에 서로 직렬 연결된 제3 스위칭 소자 및 제4 스위칭 소자를 포함하며,
상기 제1 스위칭 소자와 상기 제2 스위칭 소자의 연결 노드는 상기 공진 탱크의 상기 공진 인덕터와 공진 커패시터의 직렬 연결 구조에 연결되고 상기 제3 스위칭 소자 및 상기 제4 스위칭 소자의 연결 노드는 상기 트랜스포머의 1차 권선의 일단에 연결된 것을 특징으로 하는 차량용 전력 시스템.In claim 1, the first bridge circuit,
It includes a first switching element and a second switching element connected in series between the positive and negative terminals of the first input/output terminal, a third switching element and a fourth switching element connected in series between the positive and negative terminals of the first input/output terminal,
A vehicle power system, characterized in that the connection nodes of the first switching element and the second switching element are connected to the series connection structure of the resonant inductor and the resonant capacitor of the resonant tank, and the connection nodes of the third switching element and the fourth switching element are connected to one end of the primary winding of the transformer.
상기 제2 입출력단의 양단자와 음단자 사이에 서로 직렬 연결된 제5 스위칭 소자 및 제6 스위칭 소자, 상기 제2 입출력단의 양단자와 음단자 사이에 서로 직렬 연결된 제7 스위칭 소자 및 제8 스위칭 소자를 포함하며,
상기 제5 스위칭 소자 및 상기 제6 스위칭 소자의 연결 노드는 상기 트랜스포머의 2차 권선의 일단에 연결되고 상기 제7 스위칭 소자 및 상기 제8 스위칭 소자의 연결 노드는 상기 트랜스포머의 2차 권선의 타단에 연결된 것을 특징으로 하는 차량용 전력 시스템.In claim 6, the second bridge circuit,
It includes a fifth switching element and a sixth switching element connected in series between the positive and negative terminals of the second input/output terminal, a seventh switching element and an eighth switching element connected in series between the positive and negative terminals of the second input/output terminal,
A vehicle power system, characterized in that the connection nodes of the fifth switching element and the sixth switching element are connected to one end of the secondary winding of the transformer, and the connection nodes of the seventh switching element and the eighth switching element are connected to the other end of the secondary winding of the transformer.
상기 제1 스위칭 소자는, 상기 제1 스위칭 소자와 상기 제2 스위칭 소자의 연결 노드에 애노드가 연결되고 상기 제1 입출력단의 양단자에 캐소드가 연결된 제1 역방향 다이오드를 포함하고,
상기 제2 스위칭 소자는, 상기 제1 스위칭 소자와 상기 제2 스위칭 소자의 연결 노드에 캐소드가 연결되고 상기 제1 입출력단의 음단자에 애노드가 연결된 제2 역방향 다이오드를 포함하고,
상기 제3 스위칭 소자는, 상기 제3 스위칭 소자와 상기 제4 스위칭 소자의 연결 노드에 애노드가 연결되고 상기 제1 입출력단의 양단자에 캐소드가 연결된 제3 역방향 다이오드를 포함하고,
상기 제4 스위칭 소자는, 상기 제3 스위칭 소자와 상기 제4 스위칭 소자의 연결 노드에 캐노드가 연결되고 상기 제1 입출력단의 음단자에 애노드가 연결된 제4 역방향 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 전력 시스템.In claim 7,
The first switching element includes a first reverse diode having an anode connected to a connection node between the first switching element and the second switching element and a cathode connected to both terminals of the first input/output terminal,
The second switching element includes a second reverse diode having a cathode connected to the connection node of the first switching element and the second switching element and an anode connected to the negative terminal of the first input/output terminal.
The third switching element includes a third reverse diode having an anode connected to the connection node of the third switching element and the fourth switching element and a cathode connected to both terminals of the first input/output terminal,
A vehicle power system, characterized in that the fourth switching element includes a fourth reverse diode having a cathode connected to the connection node of the third switching element and the fourth switching element and an anode connected to the negative terminal of the first input/output terminal.
상기 저전압 직류 컨버터가 고장인 경우, 상기 컨트롤러는 상기 제2 브릿지 회로에 포함된 상기 제5 스위칭 소자 내지 제8 스위칭 소자의 스위칭 주파수를 제어하고 상기 제1 브릿지 회로에 포함된 상기 제1 스위칭 소자 내지 제4 스위칭 소자를 오프 시키는 것을 특징으로 하는 차량용 전력 시스템.In claim 8,
A vehicle power system, characterized in that when the low-voltage DC converter fails, the controller controls the switching frequency of the fifth to eighth switching elements included in the second bridge circuit and turns off the first to fourth switching elements included in the first bridge circuit.
상기 컨트롤러는, 상기 제5 스위칭 소자 내지 제8 스위칭 소자의 스위칭 주파수를 상기 공진 탱크에 의해 결정된 공진 주파수 보다 낮은 영역에서 결정하는 것을 특징으로 하는 차량용 전력 시스템.In claim 9,
A vehicle power system, characterized in that the controller determines the switching frequency of the fifth to eighth switching elements in a range lower than the resonant frequency determined by the resonant tank.
차량 주행 중 상기 저전압 직류 컨버터의 고장 발생을 여부를 판단하는 단계;
상기 저전압 직류 컨버터에 고장이 발생한 경우 상기 제1 입출력단과 상기 제2 배터리 및 상기 전장부하 사이에 전기적 연결을 형성하는 단계; 및
상기 제2 입출력단의 전압을 상기 제1 입출력단으로 강압하여 출력하도록 상기 양방향 직류 컨버터를 역방향으로 작동시키는 단계;
를 포함하고,
상기 양방향 직류 컨버터는, 상기 제1 입출력단에 연결에 연결된 제1 브릿지 회로와, 상기 제1 브릿지 회로에 연결되며 공진 주파수를 생성하도록 공진 인덕터와 공진 커패시터를 포함하는 공진 탱크와 상기 공진 탱크에 1차 코일이 연결된 트랜스포머와 상기 트랜스포머의 2차 코일과 상기 제2 입출력단 사이에 연결된 제2 브릿지 회로를 포함하는 LLC 컨버터이며,
상기 역방향으로 작동시키는 단계는, 상기 제2 브릿지 회로에 포함된 스위칭 소자의 스위칭 주파수를 제어하고 상기 제1 브릿지 회로에 포함된 스위칭 소자를 오프 시키는 단계이고,
상기 역방향으로 작동시키는 단계는, 상기 제2 브릿지 회로에 포함된 스위칭 소자의 스위칭 주파수를 상기 공진 탱크에 의해 결정되는 공진 주파수 보다 낮은 영역에서 결정하는 것을 특징으로 하는 차량용 전력 시스템의 제어 방법.In a method for controlling a vehicle power system according to claim 1,
A step for determining whether a failure of the low-voltage DC converter occurs while the vehicle is driving;
A step of forming an electrical connection between the first input/output terminal, the second battery, and the electric load when a failure occurs in the low-voltage DC converter; and
A step of operating the bidirectional DC converter in reverse so as to force and output the voltage of the second input/output terminal to the first input/output terminal;
Including,
The above bidirectional DC converter is an LLC converter including a first bridge circuit connected to the first input/output terminal, a resonant tank connected to the first bridge circuit and including a resonant inductor and a resonant capacitor to generate a resonant frequency, a transformer having a primary coil connected to the resonant tank, and a second bridge circuit connected between the secondary coil of the transformer and the second input/output terminal.
The step of operating in the reverse direction is a step of controlling the switching frequency of the switching element included in the second bridge circuit and turning off the switching element included in the first bridge circuit.
A control method for a vehicle power system, characterized in that the step of operating in the reverse direction determines the switching frequency of the switching element included in the second bridge circuit in a range lower than the resonant frequency determined by the resonant tank.
상기 탑재형 충전기는 상기 제1 입출력단과 상기 제2 배터리 및 상기 전장부하 사이의 전기적 연결관계를 결정하는 릴레이를 더 포함하며,
상기 전기적 연결을 형성하는 단계는 상기 릴레이를 단락 시키는 단계인 것을 특징으로 하는 차량용 전력 시스템의 제어 방법.
In claim 11,
The above-mentioned onboard charger further includes a relay that determines the electrical connection relationship between the first input/output terminal, the second battery, and the electric load.
A method for controlling a vehicle power system, characterized in that the step of forming the electrical connection is a step of short-circuiting the relay.
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| KR1020190086437A KR102730538B1 (en) | 2019-07-17 | 2019-07-17 | Electric power system for vehicle and method for controlling the same |
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