KR101295317B1 - United charging system for power converting unit of electric vehicle - Google Patents
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Abstract
Description
충전 회로, 특히 전기 자동차의 고전압 배터리 충전과 저전압 배터리에 사용되는 충전 시스템이 개시된다. Disclosed are charging circuits, in particular charging systems for use in high voltage battery charging and low voltage batteries of electric vehicles.
하이브리드(PHEV) 혹은 일반 전기 자동차(BEV) 등의 전기 자동차의 완속 충전 시스템은 상용 교류 전원을 입력받아 전기 자동차의 주행용 고전압 배터리를 충전하는 시스템을 말하며, 전기 자동차에 탑재된 탑재형 충전기(OBC : On Board Charger)를 통해 이루어진다. 완속 충전 시스템은 상용 전원을 전파 정류를 통해 직류로 변환한 다음 액티브 필터로 역률 조정을 하고 인버터로 고주파 교류로 변환한 다음 트랜스포머를 거쳐 직류로 변환하여 전기 자동차의 주행에 필요한 전력을 공급하는 고전압 배터리에 충전한다. 탑재형 충전기의 인버터는 입력되는 직류 전압을 고속으로 스위칭하여 고주파 교류로 변환하여 출력하는 고속 스위칭 회로를 포함한다. 한편, 전기 자동차에 있어서 전장용 전원 시스템에 전원을 공급하는 저전압 배터리의 충전은 주행용 고전압 배터리의 출력을 직류-직류 변환기 회로를 통해 감압시켜 행해진다. 고효율의 직류-직류 변환기 회로는 또한 입력되는 직류 전압을 고속으로 스위칭하여 고주파 교류로 변환하여 출력하는 고속 스위칭 회로를 포함한다. BACKGROUND OF THE INVENTION [0002] A continuous charging system for an electric vehicle such as a hybrid electric vehicle (PHEV) or a general electric vehicle (BEV) is a system for charging a high voltage battery for driving an electric vehicle by receiving commercial AC power. : On Board Charger). The fast charging system converts commercial power to direct current through full-wave rectification, then converts the power factor into an active filter, converts it to high-frequency AC with an inverter, converts it into a direct current through a transformer, and supplies high- . The inverter of the on-board type charger includes a high-speed switching circuit that switches an input DC voltage at a high speed and converts the DC voltage into a high-frequency AC current. On the other hand, in an electric vehicle, charging of a low-voltage battery that supplies power to the electric power system for electric power is performed by reducing the output of the high-voltage battery for driving through a DC-DC converter circuit. The high-efficiency DC-DC converter circuit also includes a high-speed switching circuit that switches the input DC voltage at high speed and converts it to a high frequency AC current.
따라서 전기 자동차에는 탑재형 충전기와 직류-직류 변환기의 두 충전 모듈이 탑재된다. 이로 인해 차량 내 공간을 차지할 뿐 아니라 고속 스위칭 회로와 같은 고가의 부품이 중복되어 사용되고 있다.
Therefore, electric vehicles are equipped with two charging modules: on-board charger and DC-DC converter. This not only occupies a space in the vehicle but also an expensive part such as a high-speed switching circuit is used repeatedly.
전기 자동차에 사용될 수 있는 충전 시스템이 제시된다. 제시된 충전 시스템은 전기 자동차의 주행용 고전압 배터리의 충전 회로와 전장용 저전압 배터리의 충전 회로를 하나의 충전 시스템으로 통합한다. 제시된 충전 시스템은 두 충전 회로에 포함된 중복되는 고가의 부품들을 회로적으로 통합하여 비용을 줄인다. 그러면서도 제시된 충전 시스템은 회로의 안전하고 안정된 동작을 보장하고, 부품의 중량과 부피를 줄여 주행거리 연장과 차량 장착환경을 개선한다. A charging system that can be used in an electric vehicle is presented. The charging system presented combines the charging circuit of the driving high voltage battery of the electric vehicle and the charging circuit of the low voltage battery for the electric field into one charging system. The proposed charging system reduces the cost by integrating the redundant and expensive components included in the two charging circuits. The proposed charging system also ensures safe and stable operation of the circuit and reduces the weight and volume of parts to improve mileage and vehicle mounting.
제시된 충전 시스템은 또한 각 회로들의 배치와 조정을 통해 부품들의 용량을 낮추어 저가이고 소형화된 부품들을 채택하는 것을 가능하게 한다.
The presented charging system also allows for the adoption of low cost and miniaturized components by lowering the capacity of the components through placement and adjustment of the respective circuits.
전술한, 그리고 추가적인 목적을 달성하기 위한 일 양상에 따른 전기 자동차용 충전 시스템은 외부 교류 입력을 정류하여 출력단으로 출력하는 외부입력 정류부와, 입력단에 입력되는 직류 전압을 고속으로 스위칭하여 고주파 교류로 변환하여 출력하는 고속 스위칭부와, 고속 스위칭부에서 출력되는 고주파 교류 전압을 제 1 변환비율로 변환하여 고전압 출력단으로 출력하거나, 혹은 고속 스위칭부에서 출력되는 고주파 교류 전압을 제 1 변환비율보다 감압 비율인 제 2 변환비율로 변환하여 저전압 출력단으로 출력하는 트랜스포머부와, 트랜스포머부의 고전압 출력단에서 출력되는 교류를 직류로 평활하여 고전압 배터리를 충전시키는 직류 전압으로 변환하여 출력하는 고전압 평활부와, 트랜스포머부의 저전압 출력단에서 출력되는 교류를 직류로 평활하여 저전압 배터리를 충전시키는 직류 전류로 변환하여 출력단으로 출력하는 저전압 평활부와, 고속 스위칭부의 입력단에 외부입력 정류부의 출력단과 고전압 배터리의 단자 중 하나를 선택적으로 연결하는 제 1 스위칭부를 포함하는 스위칭부와, 스위칭부의 스위칭을 제어하여 고전압 배터리 충전 모드에서는 고속 스위칭부의 입력단에 외부입력 정류부의 출력단을 연결하고, 저전압 배터리 충전 모드에서는 고속 스위칭부의 입력단에 고전압 배터리의 단자를 연결하는 제 1 스위칭 제어부를 포함하는 스위칭 제어부를 포함할 수 있다. The charging system for an electric vehicle according to the above-described aspect and to achieve an additional object includes an external input rectifying unit rectifying an external AC input and outputting the same to an output terminal, and converting the DC voltage input to the input terminal at high speed to high frequency AC. The high speed switching unit outputting the high frequency AC voltage outputted from the high speed switching unit to the first conversion ratio and outputting the high frequency AC voltage outputted from the high speed switching unit or reducing the high frequency AC voltage output from the high speed switching unit to the first conversion ratio. A transformer unit for converting to a second conversion ratio and outputting to a low voltage output stage, a high voltage smoothing unit for converting and outputting an alternating current output from the high voltage output stage of the transformer unit to a DC voltage for charging a high voltage battery, and a low voltage output stage of the transformer unit AC output from DC A switching comprising a low voltage smoothing unit which converts into a DC current for smoothing and charging a low voltage battery and outputs it to an output terminal, and a first switching unit selectively connecting one of an output terminal of an external input rectifying unit and a terminal of a high voltage battery to an input terminal of the high speed switching unit. And a first switching control unit for controlling the switching of the switching unit to connect the output terminal of the external input rectifying unit to the input terminal of the high speed switching unit in the high voltage battery charging mode, and the terminal of the high voltage battery to the input terminal of the high speed switching unit in the low voltage battery charging mode. It may include a switching controller including.
또다른 양상에 따르면, 트랜스포머부는 공통의 단일 코어와, 코어에 권선되고 입력단을 구성하는 공통 1차측 코일과, 코어에 권선되고 고전압 출력단을 구성하는 고전압용 2차측 코일과, 코어에 권선되고 저전압 출력단을 구성하는 저전압용 2차측 코일을 포함할 수 있다. According to another aspect, the transformer section has a common single core, a common primary side coil wound on the core and constituting the input stage, a secondary side coil for high voltage wound on the core and constituting the high voltage output stage, and a low voltage output stage wound on the core. It may include a secondary side coil for low voltage.
추가적인 양상에 따르면, 저전압용 2차측 코일은 동일한 권수를 가지는 2개의 권선이 전류 중배기(Current Doubler)로 결선될 수 있다. According to a further aspect, in the secondary coil for low voltage, two windings having the same number of turns may be connected to a current doubler.
또다른 양상에 따르면, 외부 입력 정류부는 외부 교류 입력을 정류하는 전파정류부와, 전파 정류된 맥동 전류와 전압의 위상을 일치하도록 조정하고 전압을 평활화하며 고전압 배터리의 충전에 적합한 전압 수준으로 승압하는 역률제어 승압부(Power Factor Correction Booster)를 포함할 수 있다. According to another aspect, the external input rectifier is a full-wave rectifier for rectifying the external AC input, and the power factor for adjusting the phase of the full-wave rectified pulsating current and the voltage, smoothing the voltage and stepping up to a voltage level suitable for charging a high voltage battery. The control booster may include a power factor correction booster.
보조적인 양상에 따르면, 고속 스위칭부의 입력 직류 전압과 출력 고주파 교류의 피크 전압은 실질적으로 동일할 수 있다. According to the auxiliary aspect, the peak DC voltage of the input DC voltage and the output high frequency AC of the high speed switching unit may be substantially the same.
또다른 양상에 따르면, 스위칭부는 트랜스포머부의 고전압 출력단의 출력과 고전압 평활부의 입력단의 연결을 스위칭하는 제 2 스위칭부와, 트랜스포머부의 저전압 출력단의 출력과 저전압 평활부의 입력단의 연결을 스위칭하는 제 3 스위칭부를 더 포함하고, 또 스위칭 제어부는 고전압 배터리 충전 모드에서는 제 2 스위칭부를 연결하고 제 3 스위칭부를 끊으며, 저전압 배터리 충전 모드에서는 제 2 스위칭부를 끊고 제 3 스위칭부를 연결하는 제 2 스위칭 제어부를 더 포함할 수 있다. According to another aspect, the switching unit is a second switching unit for switching the connection of the output of the high voltage output terminal of the transformer unit and the input terminal of the high voltage smoothing unit, and the third switching unit for switching the connection of the output of the low voltage output terminal of the transformer unit and the input terminal of the low voltage smoothing unit The switching control unit may further include a second switching control unit connecting the second switching unit and disconnecting the third switching unit in the high voltage battery charging mode, and disconnecting the second switching unit and connecting the third switching unit in the low voltage battery charging mode. Can be.
추가적인 양상에 따르면, 스위칭 제어부는 각각의 스위칭부들의 단속을 제어하는 단일의 통합된 제어로직으로 구성될 수 있다.
According to a further aspect, the switching control unit may be configured with a single integrated control logic for controlling the interruption of each switching unit.
제시된 충전 시스템은 두 충전 회로에 포함된 중복되는 고가의 부품들을 회로적으로 통합하여 비용을 줄인다. 그러면서도 제시된 충전 시스템은 회로의 안전하고 안정된 동작을 보장한다. The proposed charging system reduces the cost by integrating the redundant and expensive components included in the two charging circuits. Yet the charging system presented ensures safe and stable operation of the circuit.
제시된 충전 시스템은 또한 전력변환부 각 회로들의 배치와 조정을 통해 부품들의 용량을 낮추어 저가이고 소형화된 부품들을 채택하는 것을 가능하게 한다. 제어부의 통합을 통해 마이크로프로세서와 같은 고가의 부품들의 사용을 줄인다. 또한 트랜스포머의 부피와 중량을 감소시킬 뿐 아니라 그 방열을 위한 구조를 소형이고 단순하게 하는 것이 가능하다. 나아가 고가의 고속 스위칭 회로를 공유함으로써 부품 비용을 줄일 뿐 아니라 그 회로에서 발생하는 열을 처리하는 방열 구조의 비용도 줄일 수 있다.
The proposed charging system also allows the adoption of low cost and miniaturized components by lowering the capacity of the components through placement and adjustment of the circuits of the power converter. Integration of the control unit reduces the use of expensive components such as microprocessors. It is also possible to reduce the volume and weight of the transformer as well as to make the structure for heat dissipation small and simple. In addition, sharing expensive, high-speed switching circuits not only reduces component costs, but also reduces the cost of heat dissipation structures that handle the heat generated by those circuits.
도 1은 일 실시예에 따른 전기 자동차용 충전 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 블럭도이다.
도 2는 제 1 스위칭부의 일 실시예를 도시한다.
도 3은 도 1에 도시된 실시예에 있어서, 고전압 배터리 충전 모드로 회로가 연결된 상태를 도시한다.
도 4는 도 1에 도시된 실시예에 있어서, 저전압 배터리 충전 모드로 회로가 연결된 상태를 도시한다.
도 5a는 이러한 전류 중배기의 회로내 전류 흐름을 도시하며, 도 5b는 도 5a에서 각부의 신호의 파형을 도시한다.
도 6a는 일 실시예에 따른 공통의 코어 중 하부 코어의 외관을 도시한다.
도 6b는 일 실시예에 따른 트랜스포머부의 구성으로, 코어에 수직 방향으로 코일들이 인접하여 권선되는 예를 도시한다.
도 6c는 일 실시예에 따른 트랜스포머의 등가 회로를 도시한다. 1 is a block diagram schematically illustrating a configuration of a charging system for an electric vehicle according to an embodiment.
2 illustrates an embodiment of the first switching unit.
FIG. 3 illustrates a state in which a circuit is connected in a high voltage battery charging mode in the embodiment shown in FIG. 1.
FIG. 4 illustrates a state in which a circuit is connected in a low voltage battery charging mode in the embodiment shown in FIG. 1.
FIG. 5A shows the current flow in the circuit of this current doubling device, and FIG. 5B shows the waveform of each part's signal in FIG. 5A.
6A shows the appearance of a lower core of a common core according to one embodiment.
FIG. 6B is a diagram illustrating an example in which coils are wound adjacent to each other in a vertical direction to a core in a transformer unit according to an embodiment.
6C illustrates an equivalent circuit of a transformer according to one embodiment.
전술한, 그리고 명시되지 않은 추가적인 목적들은 후술하는 실시예들을 통해 명확해질 것이다. 각 청구항에 기술된 양상들은 기술적으로 모순이 없는 한 독립적으로 상호간에 결합되어 다양한 발명을 구성하도록 조합될 수 있다. 후술하는 실시예들은 이러한 다양한 발명을 설명하는 것으로 이해되어야 한다. The foregoing and other additional objects will become apparent through the following description of the embodiments. Aspects described in each claim can be combined so as to constitute various inventions independently and mutually coupled as long as they are not technically contradictory. It is to be understood that the following embodiments are illustrative of the various inventions.
도 1은 일 실시예에 따른 전기 자동차용 충전 시스템(10)의 구성을 개략적으로 도시한 블럭도이다. 도시된 바와 같이, 일 실시예에 따른 전기 자동차용 충전 시스템(10)은 외부 교류 입력을 정류하여 출력단으로 출력하는 외부입력 정류부(100)와, 입력단에 입력되는 직류 전압을 고속으로 스위칭하여 고주파 교류로 변환하여 출력하는 고속 스위칭부(200)와, 고속 스위칭부(200)의 출력 교류 전압을 제 1 변환비율로 변환하여 고전압 출력단으로 출력하거나, 혹은 고속 스위칭부(200)의 출력 교류 전압을 제 1 변환비율보다 감압 비율인 제 2 변환비율로 변환하여 저전압 출력단으로 출력하는 트랜스포머부(300)와, 트랜스포머부(300)의 고전압 출력단에서 출력되는 교류를 직류로 평활하여 고전압 배터리(31)를 충전시키는 직류 전류로 변환하여 출력하는 고전압 평활부(400)와, 트랜스포머부(300)의 저전압 출력단에서 출력되는 교류를 직류로 평활하여 저전압 배터리(33)를 충전시키는 직류 전류로 변환하여 출력단으로 출력하는 저전압 평활부(500)와, 트랜스포머부(300)의 입력단에 외부입력 정류부(100)의 출력단과 고전압 배터리(31)의 단자 중 하나를 선택적으로 연결하는 제 1 스위칭부(610)를 포함하는 스위칭부(600)와, 스위칭부(600)의 스위칭을 제어하여 고전압 배터리 충전 모드에서는 고속 스위칭부의 입력단에 외부입력 정류부의 출력단을 연결하고, 저전압 배터리 충전 모드에서는 고속 스위칭부의 입력단에 고전압 배터리(31)의 단자를 연결하는 제 1 스위칭 제어부(710)를 포함하는 스위칭 제어부(700)를 포함할 수 있다. 1 is a block diagram schematically illustrating a configuration of a
일 실시예에 있어서, 외부 입력 정류부(100)는 전파정류회로(Full Bridge Rectifier)를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 외부입력 정류부(100)의 전단에는 전자파 장해 필터(EMI Filter)를 더 포함할 수 있다. 고용량의 직류가 투입되는 급속 충전 모드와 달리, 완속 충전 모드에 있어서 외부 입력은 상용 교류 전력이다. In an embodiment, the
또다른 양상에 따르면, 외부 입력 정류부(100)는 외부 교류 입력을 정류하는 전파정류부와, 전파 정류된 맥동 전류와 전압의 위상을 일치하도록 조정하고 전압을 평활화하며 고전압 배터리의 충전에 적합한 전압 수준으로 승압하는 역률조정 승압부(Power Factor Correction Booster, PFC)를 포함할 수 있다. 역률 조정 승압부는 초크 코일과 커패시터의 충방전을 스위칭 제어하여 입력 전류를 평활화시키고 스위칭의 듀티비(duty cycle ratio)를 조절하여 전압과 위상을 일치시키는 회로이다. 일 실시예에 있어서, 단상 220V의 상용 전압은 피크 전압이 311V인데, 역률조정 승압부에서 출력단 전압의 최대값이 고전압 배터리의 최대 전압인 DC 400V 와 비슷하도록 약간 승압된다. According to another aspect, the
고속 스위칭부(200)는 4개의 스위치를 PWM 구동하여 입력단에 입력되는 직류 전압을 고주파 교류, 본 실시예에서는 200K의 구형파 교류로 변환한다. 도시된 실시예에 있어서, 고속 스위칭부(200)의 입력 직류 전압과 출력 고주파 교류의 피크 전압은 실질적으로 동일하다. 후술하는 바와 같이, 이러한 고속 스위칭부(200)의 동작은 저전압 배터리의 충전 모드에서도 동일하게 유지되어 부품의 통합 사용을 손쉽게 한다. The high
직류-직류 변환기(DC-DC converter)의 이러한 고속 스위칭부는 후단의 트랜스포머의 용량을 줄이고 최종단의 직류 출력이 부하에 적응적인 안정성을 가지는 것을 보장한다. 고전압 배터리(31)의 완속 충전 모드에 있어서, 고속 스위칭부(200)의 입력단은 외부 입력 정류부(100)의 출력단에 연결된다. 저전압 배터리(33)의 충전 모드에 있어서, 고속 스위칭부(200)의 입력단은 고전압 배터리(31)의 단자에 연결된다. This high speed switching of the DC-DC converter reduces the capacity of the transformer of the rear stage and ensures that the DC output of the final stage has adaptive stability to the load. In the slow charging mode of the
트랜스포머부(300)는 고속 스위칭부(200)의 출력 교류 전압을 제 1 변환비율로 변환하여 고전압 출력단으로 출력하거나, 혹은 고속 스위칭부(200)의 출력 교류 전압을 제 1 변환비율보다 감압 비율인 제 2 변환비율로 변환하여 저전압 출력단으로 출력한다. 도시된 실시예에 있어서, 트랜스포머부(300)는 공통의 코어에 3개의 코일이 권선될 수 있다. 이러한 트랜스포머부(300)는 2개의 트랜스포머가 통합된 것이다. 도시된 실시예에 있어서 트랜스포머부(300)는 공통의 단일 코어와, 코어에 권선되고 입력단을 구성하는 공통 1차측 코일과, 코어에 권선되고 고전압 출력단을 구성하는 고전압용 2차측 코일과, 코어에 권선되고 저전압 출력단을 구성하는 저전압용 2차측 코일을 포함할 수 있다. 이러한 통합된 트랜스포머는 시스템의 비용을 줄이고 크기를 줄이는 장점이 있다. The
그러나 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 트랜스포머부(300)는 각각이 상이한 권선비의 1,2차 코일들이 각각의 코어에 권선된 2개의 개별적인 트랜스포머로 구현될 수도 있다. 도시된 실시예에 있어서 1차측 코일과 고전압용 2차측 코일의 권선비는 12:12이다. 1차측 코일과 저전압용 2차측 코일의 권선비는 고전압용 배터리의 단자 전압과 저전압용 배터리의 충전 전압의 비에 상당할 수 있으며, 도시된 실시에에 있어서 이 권선비는 12:1이다. However, the present invention is not limited thereto, and the
추가적인 양상에 따르면, 저전압용 2차측 코일은 동일한 권수를 가지는 2개의 권선이 전류 중배기(Current Doubler)로 결선될 수 있다. 도시된 실시예에 있어서, 저전압 평활부(500)는 2개의 반파 정류회로(Dual Half Bridge Rectifier)가 트랜스포머부(300)의 저전압용 2차측 코일들과 전류 중배기(current doubler)로 결선된다. 이 실시예에 대해서는 도 4를 참조하여 이후에 보다 상세히 설명한다.According to a further aspect, in the secondary coil for low voltage, two windings having the same number of turns may be connected to a current doubler. In the illustrated embodiment, the low
고전압 평활부(400)는 트랜스포머부(300)의 고전압 출력단에서 출력되는 교류를 직류로 평활하여 고전압 배터리(31)를 충전시키는 직류 전류로 변환하여 출력한다. 일 실시예에 있어서, 고전압 평활부(400)는 전파 정류회로(Full Bridge Rectifier)(410)와 LC 필터(430)로 구성된다. 저전압 평활부(500)는 트랜스포머부(300)의 저전압 출력단에서 출력되는 교류를 직류로 평활하여 저전압 배터리(33)를 충전시키는 직류 전류로 변환하여 출력단으로 출력한다. The high
스위칭부(600)는 고속 스위칭부(200)의 입력단에 외부입력 정류부(100)의 출력단과 고전압 배터리(31)의 단자 중 하나를 선택적으로 연결하는 제 1 스위칭부(610)를 포함한다. 스위칭 제어부(700)는 스위칭부(600)의 스위칭을 제어하여 고전압 배터리 충전 모드에서는 고속 스위칭부의 입력단에 외부입력 정류부의 출력단을 연결하고, 저전압 배터리 충전 모드에서는 고속 스위칭부의 입력단에 고전압 배터리(31)의 단자를 연결하는 제 1 스위칭 제어부(710)를 포함한다. The
특히 제 1 스위칭부(610)에서 고속 스위칭부(200)의 입력단(C11,C12)이 외부 입력 정류부(100)의 출력단(C01,C02)과 고전압 배터리(31)의 단자(C71,C72)들 중 하나에만 연결되도록 제 1 스위칭부(610)를 구성하는 것은 중요하다. 도 2는 이러한 제 1 스위칭부(610)의 일 실시예를 도시한다. 만약 고속 스위칭부(200)의 입력단(C11,C12)이 외부 입력 정류부(100)의 출력단(C01,C02)과 고전압 배터리(31)의 단자(C71,C72)들에 동시에 접속될 경우 상용전원이 직류로 변환된 상태에서 고전압 배터리(31)로 직접 공급되어 단락을 유발할 수 있다. In particular, in the
또다른 양상에 따르면, 스위칭부(600)는 트랜스포머부(300)의 고전압 출력단의 출력과 고전압 평활부(400)의 입력단의 연결을 스위칭하는 제 2 스위칭부(630)와, 트랜스포머부(300)의 저전압 출력단의 출력과 저전압 평활부(500)의 입력단의 연결을 스위칭하는 제 3 스위칭부(650)를 더 포함하고, 또 스위칭 제어부(700)는 고전압 배터리 충전 모드에서는 제 2 스위칭부(630)를 연결하고 제 3 스위칭부(650)를 끊으며, 저전압 배터리 충전 모드에서는 제 2 스위칭부(630)를 끊고 제 3 스위칭(650)부를 연결하는 제 2 스위칭 제어부(730)를 더 포함할 수 있다. According to another aspect, the
또다른 양상에 따르면, 스위칭부(600)는 고전압 평활부(400)의 출력단과 고전압 배터리(31)의 단자들의 연결을 스위칭하는 제 4 스위칭부(670)를 더 포함하고, 또 스위칭 제어부(700)는 고전압 배터리 충전 모드에서는 제 4 스위칭부(670)를 연결하고 저전압 배터리 충전 모드에서는 제 4 스위칭부(670)를 끊어주는 제 3 스위칭 제어부(750)를 더 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 스위칭부(600)는 통합된 전기 자동차용 충전 시스템 어셈블리 내의 졍션 박스(junction box)의 릴레이 체결부에 통합되어 고장난 릴레이를 교환할 수 있도록 탈착 가능한 구조로 배치될 수 있다. 그러나 이에 한정되지 않으며, 스위칭부(600)는 MOSFET, IGBT, 트랜지스터, FET, 트라이악(TRIAC), SSR, GTO, 전자접촉기(magnet contactor) 등 다양한 스위칭 소자로 구현될 수 있다. According to another aspect, the
추가적인 양상에 따르면, 스위칭 제어부(700)는 각각의 스위칭부들의 단속을 제어하는 단일의 통합된 제어로직으로 구성될 수 있다. 스위칭 제어부(700)는 릴레이의 게이트 전압을 제어하는 복수의 출력단자에 고전압 배터리 충전 모드/저전압 배터리 충전 모드 중 하나의 모드 선택 입력에 따라 타이밍에 맞추어 스위칭 제어 신호를 출력한다. 일 실시예에 있어서, 스위칭 제어부(700)는 단일의 마이크로프로세서와 접점신호들을 출력하는 출력 단자 보드로 구성된다. According to a further aspect, the switching
도 3은 도 1에 도시된 실시예에 있어서, 고전압 배터리 충전 모드로 스위칭제어부(700)가 제어하여 회로가 연결된 상태를 도시한다. 도시된 실시예에 있어서, 고전압 배터리 충전 모드에서 고속 스위칭부(200)의 출력 교류 전압은 트랜스포머부(300)의 1차측 코일에 입력되어 고전압용 2차측 코일에서 출력된다. 트랜스포머부(300)에 의해 1,2차측 회로가 분리된다. 이 실시예에 있어서 입력이 전단, 즉 외부입력 정류부(100)의 PFC 회로에서 혹은 가능하게는 고속 스위칭부(200)에서 충분히 증폭되었으므로 트랜스포머부(300)는 고전압 배터리 충전 모드에 있어서 1:1의 권선비를 가질 수 있다. 더불어 입력이 고주파 교류이므로 트랜스포머부(300)의 크기를 줄일 수 있다. 트랜스포머부(300)의 고전압용 2차측 코일의 출력은 고전압 평활부(400)에서 안정된 직류로 변환되어 고전압 배터리로 공급된다. 3 illustrates a state in which a circuit is connected by the switching
이 회로에서 외부입력 정류부(100)의 출력 단자 전압을 V-PFC라고 하고, 고전압 배터리에 공급되는 출력 전압을 VH_BAT라고 하고, 트랜스포머부(300)의 1차측 코일과 고전압용 2차측 코일의 권선수를 각각 N1, N2라고 하고, 고속 스위칭부(200)의 듀티비를 D라고 하면, In this circuit, the output terminal voltage of the external
가 성립한다. 이 수식에 의해 고전압 배터리의 충전에 적합하도록 출력 전압을 조정할 수 있다. Is established. By this formula, the output voltage can be adjusted to be suitable for charging a high voltage battery.
도시된 실시예에 있어서, 외부 입력 정류부(100)에서 승압이 이루어져 고속 스위칭부(200)는 실질적으로 승압이 불필요하고 이는 고전압 배터리 충전 모드와 저전압 배터리 충전 모드에서 고속 스위칭부(200)의 제어를 단순화시킨다. 그러나 이에 한정되지 않으며, 외부 입력 정류부(100)는 역률 조정과 정류 만 하고, 두 모드에 있어서 고속 스위칭부(200)의 스위칭을 제어하여 출력의 승압비를 조정함으로써 동일한 동작을 구현하는 것도 가능하다. 또는 트랜스포머(300)의 권선비를 변경하여 구현하는 것도 가능하다. 나아가 이들의 조합에 의해서도 가능하다. In the illustrated embodiment, the boost is performed by the
도 4는 도 1에 도시된 실시예에 있어서, 저전압 배터리 충전 모드로 스위칭제어부(700)가 제어하여 회로가 연결된 상태를 도시한다. 도시된 실시예에 있어서, 저전압 배터리 충전 모드에서 고속 스위칭부(200)의 입력은 고전압 배터리의 단자에 연결된다. 또 고속 스위칭부(200)의 출력 교류 전압은 트랜스포머부(300)의 1차측 코일에 입력되어 저전압용 2차측 코일에서 출력된다. 트랜스포머부(300)의 저전압용 2차측 코일의 출력은 저전압 평활부(500)에서 안정된 직류로 변환되어 고전압 배터리로 공급된다. FIG. 4 illustrates a state in which a circuit is connected by the switching
추가적인 양상에 따르면, 저전압용 2차측 코일은 동일한 권수를 가지는 2개의 권선이 전류 중배기(Current Doubler)로 결선될 수 있다. 도 4에 도시된 실시예에 있어서, 저전압 평활부(500)는 2개의 반파 정류회로(DUal Half Bridge Rectifier)가 트랜스포머부(300)의 저전압용 2차측 코일들과 전류 중배기(current doubler)로 결선된다. According to a further aspect, in the secondary coil for low voltage, two windings having the same number of turns may be connected to a current doubler. In the embodiment shown in FIG. 4, the low
도 5a는 이러한 전류 중배기의 회로내 전류 흐름을 도시하며, 도 5b는 도 5a에서 각부의 신호의 파형을 도시한다. 도시된 바와 같이, 트랜스포머의 2차측이 양(+)의 구간에서는 D1 다이오드가 순방향 바이어스 되어 TR1에 걸린 전압이 출력필터에 전달되고, 음(-)의 구간에서는 D2 다이오드가 순방향 바이어스 되어 TR2의 걸린 전압의 음의 값이 출력필터에 전달된다. 이러한 결선에 의해 저전압 배터리 혹은 전장시스템으로 공급되는 전류를 ½씩 나누어 공급하므로 트랜스포머의 크기를 줄이면서도 출력이 안정화된다. FIG. 5A shows the current flow in the circuit of this current doubling device, and FIG. 5B shows the waveform of each part's signal in FIG. 5A. As shown, in the positive side of the transformer, the D1 diode is forward biased and the voltage across TR1 is transmitted to the output filter. In the negative section, the D2 diode is forward biased and the TR2 The negative value of the voltage is passed to the output filter. This connection reduces the size of the transformer and stabilizes the output by dividing the current supplied to the low voltage battery or the electrical system by half.
도 6a는 일 실시예에 따른 공통의 코어 중 하부 코어의 외관을 도시한다. 공통의 코어는 이 하부 코어에 각 코일들을 권선한 후 코어 캡을 닫아 조립된다. 도 6b는 일 실시예에 따른 트랜스포머부의 구성으로, 코어에 수직 방향으로 코일들이 인접하여 권선되는 예를 도시한다. 도 6c는 일 실시예에 따른 트랜스포머의 등가 회로를 도시한다. 6A shows the appearance of a lower core of a common core according to one embodiment. The common core is assembled by winding each coil around this lower core and then closing the core cap. FIG. 6B is a diagram illustrating an example in which coils are wound adjacent to each other in a vertical direction to a core in a transformer unit according to an embodiment. 6C illustrates an equivalent circuit of a transformer according to one embodiment.
도 4에 도시된 회로에서 고전압 배터리의 단자 전압을 VH_BAT라고 하고, 저전압 배터리에 공급되는 출력 전압을 VL_BAT라고 하고, 트랜스포머부(300)의 1차측 코일과 저전압용 2차측 코일의 권선수를 각각 N3, N4라고 하고, 고속 스위칭부(200)의 듀티비를 D라고 하면, In the circuit shown in FIG. 4, the terminal voltage of the high voltage battery is called VH_BAT, the output voltage supplied to the low voltage battery is called VL_BAT, and the number of turns of the primary coil and the low voltage secondary coil of the
가 성립한다. 이 수식에 의해 저전압 배터리의 충전에 적합하도록 출력 전압을 조정할 수 있다. Is established. By this formula, the output voltage can be adjusted to suit the charge of the low voltage battery.
이상에서 첨부된 도면을 참조하여 기술되는 실시예를 중심으로 설명되었지만 이에 한정되는 것은 아니며, 이로부터 당업자라면 자명하게 도출 가능한 다양한 변형예를 포괄하도록 의도된 특허청구범위에 의해 해석되어야 한다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and similar arrangements that may occur to those skilled in the art.
100 외부입력 정류부 200 고속 스위칭부
300 트랜스포머부 400 고전압 평활부
500 저전압 평활부 600 스위칭부
700 스위칭제어부100
300
500 low
700 switching controller
Claims (7)
외부 교류 입력을 정류하여 출력단으로 출력하는 외부입력 정류부와;
입력단에 입력되는 직류 전압을 고속으로 스위칭하여 고주파 교류로 변환하여 출력하는 고속 스위칭부와;
고속 스위칭부에서 출력되는 고주파 교류 전압을 제 1 변환비율로 변환하여 고전압 출력단으로 출력하거나, 혹은 고속 스위칭부에서 출력되는 고주파 교류 전압을 제 1 변환비율보다 감압 비율인 제 2 변환비율로 변환하여 저전압 출력단으로 출력하는 트랜스포머부와;
트랜스포머부의 고전압 출력단에서 출력되는 교류를 직류로 평활하여 고전압 배터리를 충전시키는 직류 전류로 변환하여 출력하는 고전압 평활부와;
트랜스포머부의 저전압 출력단에서 출력되는 교류를 직류로 평활하여 저전압 배터리를 충전시키는 직류 전류로 변환하여 출력단으로 출력하는 저전압 평활부와;
고속 스위칭부의 입력단에 외부입력 정류부의 출력단과 고전압 배터리의 단자 중 하나를 선택적으로 연결하는 제 1 스위칭부를 포함하는 스위칭부와;
스위칭부의 스위칭을 제어하여 고전압 배터리 충전 모드에서는 고속 스위칭부의 입력단에 외부입력 정류부의 출력단을 연결하고, 저전압 배터리 충전 모드에서는 고속 스위칭부의 입력단에 고전압 배터리의 단자를 연결하여, 고속 스위칭부를 고전압 배터리 충전 모드와 저전압 배터리 충전 모드에서 각각 사용할 수 있도록 하는 제 1 스위칭 제어부를 포함하는 스위칭 제어부;
를 포함하는 전기 자동차용 충전 시스템.
In a charging system for an electric vehicle, the charging system is:
An external input rectifier for rectifying the external AC input and outputting the rectified output signal to an output terminal;
A high speed switching unit for converting a DC voltage input to the input terminal at high speed to convert the DC voltage into a high frequency AC and output the same;
The high frequency AC voltage output from the high speed switching unit is converted into a first conversion ratio and output to the high voltage output stage, or the high frequency AC voltage output from the high speed switching unit is converted into a second conversion ratio which is a decompression ratio than the first conversion ratio and low voltage. A transformer unit for outputting to an output terminal;
A high voltage smoothing unit converting the alternating current output from the high voltage output terminal of the transformer unit into a direct current to convert the direct current into a direct current to charge the high voltage battery;
A low voltage smoothing unit converting the alternating current output from the low voltage output terminal of the transformer unit into a direct current to convert the direct current into a direct current to charge the low voltage battery;
A switching unit including a first switching unit selectively connecting one of an output terminal of the external input rectifying unit and a terminal of the high voltage battery to an input terminal of the high speed switching unit;
The switching of the switching unit is controlled to connect the output terminal of the external input rectifier to the input terminal of the high speed switching unit in the high voltage battery charging mode, and the high voltage battery terminal is connected to the input terminal of the high speed switching unit in the low voltage battery charging mode. And a switching control unit including a first switching control unit for enabling use in the low voltage battery charging mode, respectively.
Charging system for an electric vehicle comprising a.
공통의 단일 코어와,
코어에 권선되고 입력단을 구성하는 공통 1차측 코일과,
코어에 권선되고 고전압 출력단을 구성하는 고전압용 2차측 코일과,
코어에 권선되고 저전압 출력단을 구성하는 저전압용 2차측 코일을 포함하는 전기 자동차용 충전 시스템.
The method of claim 1, wherein the transformer unit:
With a common single core,
A common primary coil wound around the core and constituting the input stage;
A secondary coil for high voltage wound around the core and constituting a high voltage output stage;
A charging system for an electric vehicle, comprising a low voltage secondary side coil wound around a core and constituting a low voltage output stage.
The charging system for an electric vehicle according to claim 2, wherein the secondary coil for the low voltage has two windings having the same number of turns as a current doubler.
외부 교류 입력을 정류하는 전파정류부와,
전파 정류된 맥동 전류와 전압의 위상을 일치하도록 조정하고 전압을 평활화하며 고전압 배터리의 충전 전압 수준으로 승압하는 역률제어 승압부(Power Factor Correction Booster)를 포함하는 전기 자동차용 충전 시스템.
The method of claim 1, wherein the external input rectifier is:
Full wave rectifier for rectifying external AC input,
A charging system for an electric vehicle including a power factor correction booster for adjusting the phase of the full-wave rectified pulsating current to match the voltage, smoothing the voltage, and boosting the voltage of the high voltage battery.
The charging system for an electric vehicle according to claim 4, wherein the input DC voltage of the high speed switching unit and the peak voltage of the output high frequency AC are substantially the same.
트랜스포머부의 고전압 출력단의 출력과 고전압 평활부의 입력단의 연결을 스위칭하는 제 2 스위칭부와,
트랜스포머부의 저전압 출력단의 출력과 저전압 평활부의 입력단의 연결을 스위칭하는 제 3 스위칭부를 더 포함하고,
스위칭 제어부는 :
고전압 배터리 충전 모드에서는 제 2 스위칭부를 연결하고 제 3 스위칭부를 끊으며, 저전압 배터리 충전 모드에서는 제 2 스위칭부를 끊고 제 3 스위칭부를 연결하는 제 2 스위칭 제어부를 더 포함하는 전기 자동차용 충전 시스템.
The method of claim 1, wherein the switching unit:
A second switching unit for switching a connection between an output of the high voltage output terminal of the transformer unit and an input terminal of the high voltage smoothing unit;
A third switching unit for switching the connection of the output of the low voltage output stage of the transformer unit and the input terminal of the low voltage smoothing unit,
The switching control is:
And a second switching control unit connecting the second switching unit and the third switching unit in the high voltage battery charging mode, and disconnecting the second switching unit and connecting the third switching unit in the low voltage battery charging mode.
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