KR-20260061564-A - CLLC Converter based Integrated Battery Charging system for Electric Vehicles

Abstract

CLLC 컨버터 기반 전기자동차 통합형 배터리 충전 시스템이 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 CLLC 컨버터 기반 전기자동차 통합형 배터리 충전 시스템은, 제1-1 내지 제1-4 스위치 모듈을 포함하며, 상기 4개의 스위치 모듈은 기 설정된 형태로 직렬 및 병렬 형태로 배치되고, 일 측이 외부 전력과 연결되는 제1 컨버터부; 및 상기 제1 컨버터부의 타 측과 연결되며, 고전압 배터리 모듈; 또는 저전압 배터리 모듈;과 상기 외부 전력의 교환을 유도하는 제2 컨버터부;를 포함한다.

Inventors

• 박정욱
• 김이삭
• 이승준

Assignees

• 연세대학교 산학협력단

Dates

Publication Date

20260506

Application Date

20241028

Claims (7)

1. 제1-1 내지 제1-4 스위치 모듈을 포함하며, 상기 4개의 스위치 모듈은 기 설정된 형태로 직렬 및 병렬 형태로 배치되고, 일 측이 외부 전력과 연결되는 제1 컨버터부; 및 상기 제1 컨버터부의 타 측과 연결되며, 고전압 배터리 모듈; 또는 저전압 배터리 모듈;과 상기 외부 전력의 교환을 유도하는 제2 컨버터부;를 포함하며, 상기 제2 컨버터부는, 일 측이 상기 제1 컨버터부 측과 연결되는 제2-1 컨버터부; 일 측이 상기 고전압 배터리 모듈과 연결되는 제2-2 컨버터부; 및 일 측이 상기 저전압 배터리 모듈과 연결되는 제2-3 컨버터부;로 구성되며, 상기 제2 컨버터부는, CLLC 컨버터로 형성되고, 상기 제2-1 컨버터부는 상기 제2-2 컨버터부 및 상기 제2-3 컨버터부와 전자기 유도를 통해 상기 외부 전력의 교환을 유도하는, CLLC 컨버터 기반 전기자동차 통합형 배터리 충전 시스템.
2. 제 1항에 있어서, 상기 제2-3 컨버터부는, 상기 전자기 유도로 발생하는 전류 흐름의 차단 여부를 결정하기 위한 메인 스위치 모듈;을 더 포함하는, CLLC 컨버터 기반 전기자동차 통합형 배터리 충전 시스템.
3. 제 1항에 있어서, 상기 제2 컨버터부는, 상기 CLLC 컨버터로 형성될 때, 상기 제2-1 컨버터부와 상기 제2-2 컨버터부의 전자기 유도가 발생하는 부분에 각각 제1 컨버터 모듈 및 제2 컨버터 모듈이 더 구비되는, CLLC 컨버터 기반 전기자동차 통합형 배터리 충전 시스템.
4. 제 2항에 있어서, G2V 모드로 설정되어 상기 고전압 배터리 모듈로 상기 외부 전력이 유입되는 경우, 상기 메인 스위치 모듈을 개방하여 상기 제 2-3 컨버터부의 전자기 유도가 방지되며, 상기 제1 컨버터부는 토템폴 PFC 컨버터로 동작하고 상기 제2 컨버터부가 상기 CLLC 컨버터로 동작하여 상기 고전압 배터리 모듈의 충전 동작을 수행하는, CLLC 컨버터 기반 전기자동차 통합형 배터리 충전 시스템.
5. 제 2항에 있어서, V2G 모드로 설정되어 상기 고전압 배터리 모듈에 기 충전된 전력이 상기 제1 컨버터부로 전달되는 경우, 상기 메인 스위치 모듈을 개방하여 상기 제2-3 컨버터부의 전자기 유도가 방지되며, 상기 제1 컨버터부는 단상 인버터로 동작하는, CLLC 컨버터 기반 전기자동차 통합형 배터리 충전 시스템.
6. 제 2항에 있어서, LDC 충전 모드로 설정되어 상기 고전압 배터리 모듈에 기 충전된 전력이 상기 저전압 배터리 모듈을 충전하는 경우, 상기 메인 스위치 모듈을 폐쇄하여 상기 제2-2 컨버터부 및 상기 제2-3 컨버터부가 전기적으로 연결되도록 형성되며, 상기 제2-2 컨버터부는 PFM 제어 기법을 이용하여 상기 제2-3 컨버터부에 상기 기 충전된 전력을 공급하는, CLLC 컨버터 기반 전기자동차 통합형 배터리 충전 시스템.
7. 제 2항에 있어서, 동시 충전 모드로 설정되어 상기 고전압 배터리 모듈 및 상기 저전압 배터리 모듈에 상기 외부 전력이 제공되는 경우, 상기 메인 스위치 모듈을 폐쇄하여 상기 제1 컨버터부 및 상기 제2 컨버터부가 모두 전기적으로 연결되도록 형성되며, 상기 제1 컨버터부는 토템폴 PFC 컨버터로 동작하고, 상기 제2-1 컨버터부는 PFM 제어를 통해 동작하며, 상기 제2-2 컨버터부는 SPS 제어를 수행하며, 상기 제2-3 컨버터부에 포함되는 제2-3-1 스위치 모듈 및 제2-3-2 스위치 모듈은 상기 제2-2 컨버터부에 포함되는 제2-2-1 스위치 모듈 내지 제2-2-4 스위치 모듈 중 서로 다른 두 개의 스위치 모듈 세트에 각각 동기화 되어 동기정류기 제어를 수행하는, CLLC 컨버터 기반 전기자동차 통합형 배터리 충전 시스템.

Description

CLLC 컨버터 기반 전기자동차 통합형 배터리 충전 시스템{ CLLC Converter based Integrated Battery Charging system for Electric Vehicles} 본 발명은 CLLC 컨버터 기반 전기자동차 통합형 배터리 충전 시스템에 관한 것으로, 특히, 전기자동차용 탑재형 충전기와 보조 배터리 충전기를 통합한 CLLC 컨버터 기반 전기자동차 통합형 배터리 충전 시스템에 관한 것이다. 기존 전기자동차 배터리 충전 시스템은 차량 탑재형 배터리 충전기(OBC)와 저전압 배터리 충전기(LDC)의 조합으로 구성되어 있다. 차량 탑재형 배터리 충전기는 그리드로부터의 전력을 역률 보상 회로(PFC 컨버터)를 통해 역률을 상승시킨 후, 이 회로의 출력 전압을 DC/DC 컨버터를 통해 고전압 배터리에 맞게 전환하거나, 고전압 배터리의 전력을 그리드로 전달하도록 형성된다. 또, 저전압 배터리 충전기의 경우에는 고전압 배터리의 전압을 DC/DC 컨버터를 통해 저전압 배터리의 낮은 전압으로 강압시켜 동작하도록 구성된다. 이러한 종래 방식의 경우에는 스위치 및 소자의 개수가 증가하여 충전 시스템의 부피가 증가하고 가격이 높아진다는 문제점이 존재한다. 상술한 문제점을 개선하기 위해서 최근 OBC와 LDC를 통합하여 하나의 회로로 두 배터리를 충전시키는 통합형 배터리 충전 시스템에 대한 연구가 진행되고 있다. 이때, 통합형 배터리 충전 시스템은 기존 OBC와 LDC의 기능을 모두 수행하여야 한다. 또한, 고전압 배터리와 저전압 배터리를 동시에 충전하는 동시 충전 기능을 수행해야 하고, 넓은 부하 범위 및 고전압 배터리 전압 범위에서 높은 효율을 보장하여야 한다. 따라서, 넓은 부하 범위 및 고전압 배터리 전압 범위에서 높은 효율을 보장할 수 있는 통합형 배터리 충전 시스템이 연구되어야 할 필요성이 존재하지만, 아직까지 이러한 연구가 충분히 진행되지 못하고 있다는 문제점이 존재한다. 도 1은 종래의 분리형 전력 변환 시스템의 개념 예시도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 CLLC 컨버터 기반 전기자동차 통합형 배터리 충전 시스템의 개념 예시도이다. 도 3은 종래의 분리형 전력 변환 시스템의 토폴로지 예시도이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 CLLC 컨버터 기반 전기자동차 통합형 배터리 충전 시스템의 토폴로지 예시도이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 CLLC 컨버터 기반 전기자동차 통합형 배터리 충전 시스템의 G2V 또는 V2G 기능에서의 회로 예시도이다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 CLLC 컨버터 기반 전기자동차 통합형 배터리 충전 시스템의 LDC 기능에서의 회로 예시도이다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 CLLC 컨버터 기반 전기자동차 통합형 배터리 충전 시스템에서 동시 충전이 이루어질 때의 동작 예시도이다. 도 8은 도 7의 동작에서의 DC-DC 컨버터 동작의 예시도이다. 이하, 본 개시의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성 요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가질 수 있다. 또한, 본 실시예들을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 기술 사상의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 수 있다. 본 명세서 상에서 언급된 "포함한다", "갖는다", "이루어진다" 등이 사용되는 경우 "~만"이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 구성 요소를 단수로 표현한 경우에 특별한 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함하는 경우를 포함할 수 있다. 또한, 본 개시의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질, 차례, 순서 또는 개수 등이 한정되지 않는다. 구성 요소들의 위치 관계에 대한 설명에 있어서, 둘 이상의 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속" 등이 된다고 기재된 경우, 둘 이상의 구성 요소가 직접적으로 "연결", "결합" 또는 "접속" 될 수 있지만, 둘 이상의 구성 요소와 다른 구성 요소가 더 "개재"되어 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 여기서, 다른 구성 요소는 서로 "연결", "결합" 또는 "접속" 되는 둘 이상의 구성 요소 중 하나 이상에 포함될 수도 있다. 구성 요소들이나, 동작 방법이나 제작 방법 등과 관련한 시간적 흐름 관계에 대한 설명에 있어서, 예를 들어, "~후에", "~에 이어서", "~다음에", "~전에" 등으로 시간적 선후 관계 또는 흐름적 선후 관계가 설명되는 경우, "바로" 또는 "직접"이 사용되지 않는 이상 연속적이지 않은 경우도 포함할 수 있다. 한편, 구성 요소에 대한 수치 또는 그 대응 정보(예: 레벨 등)가 언급된 경우, 별도의 명시적 기재가 없더라도, 수치 또는 그 대응 정보는 각종 요인(예: 공정상의 요인, 내부 또는 외부 충격, 노이즈 등)에 의해 발생할 수 있는 오차 범위를 포함하는 것으로 해석될 수 있다. 도 1 내지 도 8에는 종래의 분리형 전력 변환 시스템에 대한 개념과 본 발명의 CLLC 컨버터 기반 전기자동차 통합형 배터리 충전 시스템의 개념 및 실시예가 도시되고 있다. 도 1은 종래의 분리형 전력 변환 시스템의 개념 예시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 CLLC 컨버터 기반 전기자동차 통합형 배터리 충전 시스템의 개념 예시도이며, 도 3은 종래의 분리형 전력 변환 시스템의 토폴로지 예시도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 CLLC 컨버터 기반 전기자동차 통합형 배터리 충전 시스템의 토폴로지 예시도이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 CLLC 컨버터 기반 전기자동차 통합형 배터리 충전 시스템의 G2V 또는 V2G 기능에서의 회로 예시도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 CLLC 컨버터 기반 전기자동차 통합형 배터리 충전 시스템의 LDC 기능에서의 회로 예시도이며, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 CLLC 컨버터 기반 전기자동차 통합형 배터리 충전 시스템에서 동시 충전이 이루어질 때의 동작 예시도이고, 도 8은 도 7의 동작에서의 DC-DC 컨버터 동작의 예시도이다. 이하에서는 도 1 내지 도 8을 이용하여 본 발명의 CLLC 컨버터 기반 전기자동차 통합형 배터리 충전 시스템에 대하여 상세하게 설명하도록 한다. 도 1 및 도 3은 종래의 분리형 전력 변환 시스템의 개념 예시도 및 토폴로지 예시도이다. 종래의 분리형 전력 변환 시스템의 경우, 저전압 배터리 모듈 측에 DC/DC 컨버터가 구비되며, 이를 통해 고전압 배터리 모듈의 전압을 낮은 전압으로 강압하여 고전압 배터리 모듈의 전력을 이용하여 저전압 배터리 모듈을 충전하는 동작을 수행하도록 형성되고 있다. 이 경우, 추가적인 컨버터를 구비하여야 하기 때문에 스위치 및 소자의 개수가 증가시켜 충전 시스템의 부피가 증가하고 가격이 높아진다는 문제점이 존재한다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예가 도 2 및 도 4에 도시되고 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 CLLC 컨버터 기반 전기자동차 통합형 배터리 충전 시스템(1)은, 크게는 제1 컨버터부(11) 및 제2 컨버터부(13)로 구분될 수 있으며, 고전압 배터리 모듈(23)을 충전하는 G2V 기능, 외부 전력 그리드(21)에 전력을 전달하는 V2G 기능, 주행 시 저전압 배터리 모듈(25)을 충전하는 LDC 기능 및 외부 전력 그리드(21)를 이용하여 고전압 배터리 모듈(23) 및 저전압 배터리 모듈(25)을 동시에 충전하는 동시 충전 기능을 수행하도록 형성될 수 있다. 제1 컨버터부(11)는 일 측이 외부 전력 그리드(21)와 연결되도록 형성되며, 외부 전력을 공급받거나 외부로 전력을 출력하도록 형성된다. 제1 컨버터부(11)는 이를 위해 도 4에 도시된 바와 같이 제1-1 스위치 모듈(Sp1) 내지 제 1-4 스위치 모듈(Sp4)을 포함하도록 형성될 수 있다. 제1-1 스위치 모듈(Sp1) 내지 제1-4 스위치 모듈(Sp4)은 기 설정된 구성으로 직렬/병렬 복합 연결로 회로를 구성할 수 있다. 이러한 구성은 일반적으로 H-Bridge 컨버터로 정의되고 있다. 제2 컨버터부(13)는 제1 컨버터부의 타 측과 연결되며, 고전압 배터리 모듈(23) 도는 저전압 배터리 모듈(25)과 외부 전력의 교환을 유도하도록 형성될 수 있다. 이를 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 컨버터부(13)는 도 4에 도시된 바와 같이 제1 컨버터부(11)와 연결되는 제2-1 컨버터부(131), 일 측이 고전압 배터리 모듈(23)과 연결되는 제2-2 컨버터부(133) 및 일 측이 저전압 배터리 모듈(25)과 연결되는 제2-3 컨버터부(135)로 구성될 수 있다. 보다 구체적으로 본 발명의 일 실시예에서 제2 컨버터부(23)는 CLLC 컨버터로 형성될 수 있으며, 제2-1 컨버터부(131)는 제2-2 컨버터부(133) 및 제2-3 컨버터부(135)와 전자기 유도를 통해 외부 전력의 교환을 유도하도록 형성될 수 있다. 제2-1 컨버터부(131)는 4개의 스위치 모듈을 포함하도록 형성될 수 있으며, 보다 구체적으로 이를 위해 도 4에 도시된 바와 같이 제2-1-1 스위치 모듈(S1) 내지 제2-1-4 스위치 모듈(S4)을 포함하도록 형성될 수 있다. 제2-1-1 스위치 모듈(S1) 내지 제2-1-4 스위치 모듈(S44)은 기 설정된 구성으로 직렬/병렬 복합 연결 회로인 H-Bridge 컨버터로 구성될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 제2-1 컨버터부(131)는 전자기 유도를 발생시키는 부분인 타 측에 제1 컨버터 모듈(1311)을 더 포함하도록 형성될 수 있다. 제2-2 컨버터부(133)는 고전압 배터리 모듈(23)과 일 측이 연결되고, 타 측은 제2-1 컨버터부(131)와 전자기 유도를 발생시키기 위해 전기적으로 연결되도록 형성된다. 또, 제2-2 컨버터부(133)는 4개의 스위치 모듈을 포함하도록 형성될 수 있