KR101191137B1 - Bi-Directional Charging System - Google Patents

Abstract

Translated fromKorean

본 발명에서, 단방향 컨버터의 주요회로 구조를 그대로 유지하면서, 양방향 충전동작이 가능한 전기 자동차용 양방향 충전 시스템을 제시한다. 본 발명에 따른 시스템은, 교류 전원으로부터 출력된 교류 전압을 가변 직류 전압으로 변환하면서, 전압전류의 역률을 제어하는 양방향 PFC(Power Factor Correction), 입력된 전압을 고효율로 가변출력전압 또는 가변 출력전류를 출력하는 풀브리지 스위칭 수단 및 그 풀브리지 스위칭 수단의 입력과 출력을 가변적으로 전환 할 수 있는 릴레이 구동회로를 통해 구현이 가능하다.
본 발명은 단방향 영전압 스위칭 작용을 하는 풀브리지 스위칭 수단의 원래의 형태를 그대로 사용하기 때문에 일반적인 양방향 충전기에 비해 FET 등의 전력용 반도체 스위치 필요 숫자가 적어지고, 충전 및 방전 모드에서 모두 고효율을 유지할 수 있으며, 제어요소가 줄어, 전력밀도 향상 및 소형 경량화를 이룰 수 있는 효과가 있다.In the present invention, a bidirectional charging system for an electric vehicle capable of bidirectional charging operation while maintaining the main circuit structure of the unidirectional converter is provided. The system according to the present invention is a bidirectional power factor correction (PFC) that controls the power factor of the voltage current while converting an AC voltage output from an AC power source into a variable DC voltage, and converts the input voltage into a variable output voltage or a variable output current with high efficiency. It can be implemented through a full bridge switching means for outputting a and a relay drive circuit that can switch the input and output of the full bridge switching means variably.
The present invention uses the original form of the full-bridge switching means that performs the unidirectional zero voltage switching, so the number of power semiconductor switches such as FETs is smaller than that of the general bidirectional charger, and high efficiency is maintained in both the charging and discharging modes. And, the control element is reduced, there is an effect that can achieve a power density improvement and small size and light weight.

Description

Translated fromKorean

양방향 충전 시스템 {Bi-Directional Charging System}Bi-Directional Charging System

본 발명은 양방향 충전 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 단방향 컨버터인 풀브리지 스위칭 수단의 주요 회로 구조를 그대로 유지하면서, 양방향 충전동작이 가능한 전기 자동차의 충전기 회로 구조를 나타낸, 양방향 충전 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a two-way charging system, and more particularly, to a two-way charging system showing the charger circuit structure of the electric vehicle capable of two-way charging operation while maintaining the main circuit structure of the full bridge switching means, which is a unidirectional converter. .

종래의 전기 자동차용 단방향 충전기의 회로구조는 크게 입력단 PFC 컨버터(100)와 풀브리지 스위칭(Full-bridge Switching) 수단(200), 출력단 LC필터(21, 22)로 구성되며, 그 상세구조를 살펴보면, 도 1과 같다. 도 1의 단상 교류 전원(1)은 입력단 PFC용 인덕터(2, 3)와 입력단 PFC용 FET(4, 5, 6, 7)및 입력단 PFC용 출력필터 콘덴서(8)로 구성된 양방향 입력단 PFC(Power Factor Correction, 역률 보상) 컨버터(100)에 의해서 가변 직류 전압의 형태로 전압전류의 역률이 1로 유지된다. 또한, 이 가변 직류 전압은 DC/DC 1차측 FET(9, 10, 11, 12)와 DC/DC용 고주파 변압기(13), DC/DC용 정류다이오드(24, 25, 26, 27) 및 출력단 LC필터(21, 22)로 구성된 풀브리지 스위칭 수단(200)에 의해서 절연된 가변전압, 가변전류의 형태로 배터리(23)를 충전하게 된다. 여기서, 풀브리지 스위칭 수단(200)는 영전압 스위칭을 통해 고효율을 유지하게 되는데, 그러한 영전압 스위칭은 위상천이 제어(Phase Shift Control)을 통한 소프트웨어와 하드웨어의 기법과 회로를 구성하는 DC/DC용 고주파변압기(13)의 누설인덕턴스와 권선 커패시턴스, DC/DC용 정류다이오드(24, 25, 26, 27)의 등가 커패시턴스 등의 요소가 결합된 공진조건에 의해 달성되게 된다. 즉, 고효율을 유지하기 위한 조건을 만족시키도록 여러 가지 측면에서 조율을 해야만 한다는 것이다.The circuit structure of a conventional unidirectional charger for an electric vehicle is largely composed of an inputstage PFC converter 100, a full-bridge switching means 200, and outputstage LC filters 21 and 22. , As shown in FIG. 1. The single phaseAC power supply 1 of FIG. 1 is a bidirectional input stage PFC (Power) consisting of an input stage PFC inductor (2, 3), an input stage PFC FET (4, 5, 6, 7) and an input stage PFC output filter capacitor (8). Factor Correction (Power Factor Correction) The power factor of the voltage current is maintained at 1 in the form of a variable DC voltage by theconverter 100. In addition, the variable DC voltage includes the DC / DCprimary side FETs 9, 10, 11, and 12, thehigh frequency transformer 13 for DC / DC, therectifier diodes 24, 25, 26, 27 for DC / DC, and the output stage. Thebattery 23 is charged in the form of a variable voltage and a variable current insulated by the full bridge switching means 200 constituted by theLC filters 21 and 22. Here, the full bridge switching means 200 maintains high efficiency through zero voltage switching, and such zero voltage switching is for DC / DC constituting a circuit and a software and hardware technique through phase shift control. The leakage inductance of thehigh frequency transformer 13, the winding capacitance, and the equivalent capacitance of the rectifyingdiodes 24, 25, 26, and 27 for DC / DC are achieved by a resonance condition combined with each other. In other words, in order to satisfy the conditions for maintaining high efficiency, it has to be coordinated in various aspects.

종래의 전기 자동차용 양방향 충전기의 회로구조는 크게 입력단 PFC 컨버터(100)와 양방향 DC/DC 컨버터(300), 벅 부스트 컨버터(400)로 구성되며, 그 상세구조를 살펴보면, 도 2와 같다. 도 2의 단상 교류 전원(1)은 입력단 PFC용 인덕터(2, 3)와 입력단 PFC용 FET(4, 5, 6, 7)및 입력단 PFC용 출력필터 콘덴서(8)로 구성된 양방향 입력단 PFC 컨버터(100)에 의해서 가변 직류 전압의 형태로 전압전류의 역률이 1로 유지된다. 또한, 이 가변 직류 전압은 DC/DC 1차측 FET(9, 10, 11, 12)와 DC/DC용 고주파 변압기(13), DC/DC 2차측 FET(14, 15, 16, 17) 및 DC/DC용 출력필터 콘덴서(18)로 구성된 양방향 DC/DC 컨버터(300)에 의해서 절연된 가변전압, 가변전류의 형태로 출력필터 콘덴서의 전압을 충전 또는 방전하게 된다. 그리고, 벅 부스트(Buck Boost) FET(19, 20), 출력단 LC필터(21, 22)로 구성된 벅 부스트 컨버터(400, 강압 승압 컨버터, Buck Boost Converter)는 충전모드일 때는 벅{Buck, 강압(전압을 낮춤)} 컨버터로 동작하여 절연된 가변전압, 가변전류의 형태로 배터리(23)를 충전하며, 방전모드일 때는 부스트{Boost,승압(전압을 높임)} 컨버터로 동작하여 배터리(23)를 방전시킨다.The circuit structure of the conventional bidirectional charger for an electric vehicle is largely composed of an inputstage PFC converter 100, a bidirectional DC /DC converter 300, abuck boost converter 400, and the detailed structure thereof is shown in FIG. 2. The single-phaseAC power supply 1 of FIG. 2 is a bidirectional input stage PFC converter composed of an input stage PFC inductor (2, 3), an input stage PFC FET (4, 5, 6, 7) and an input stage PFC output filter capacitor (8). 100), the power factor of the voltage current is maintained at 1 in the form of a variable DC voltage. In addition, the variable DC voltage includes DC / DCprimary side FETs 9, 10, 11 and 12,high frequency transformer 13 for DC / DC, DC / DCsecondary side FETs 14, 15, 16 and 17 and DC. The voltage of the output filter capacitor is charged or discharged in the form of a variable voltage and a variable current insulated by the bidirectional DC /DC converter 300 configured of the / DCoutput filter capacitor 18. In addition, the buck boost converter 400 (buck boost converter) including the buck boost FETs 19 and 20 and the outputstage LC filters 21 and 22 is a buck (buck) converter in the charging mode. Lowering the voltage)} and operating as a converter to charge thebattery 23 in the form of insulated variable voltage and variable current, and in discharge mode, it operates as a boost (boost). Discharge.

충전 모드에 대해 좀더 구체적으로 설명하면, 도 3은 종래의 양방향 충전기가 충전모드일 때 동작을 설명하기 위한 회로 구성도이다. 도 3에 표시한 것처럼, 충전모드일 때 입력단 PFC 컨버터(100)에서 입력단 PFC용 FET(4, 5, 6, 7)중에서 5번과 7번 FET는 연속동작을 하고 4번과 6번 FET는 바디 다이오드(Body Diode)만 동작한다. 또한, 양방향 DC/DC 컨버터(300)에서 DC/DC 2차측 FET(14, 15, 16, 17)도 바디 다이오드만 동작한다. 그리고, 벅 부스트 컨버터(400)에서 벅 부스트 FET(19, 20)중에서 19번 FET는 연속동작을 하고 20번 FET는 바디 다이오드만 동작한다. 이는 도 1의 종래의 전기 자동차용 단방향 충전기의 회로구조와 유사한 형태가 된다.Referring to the charging mode in more detail, Figure 3 is a circuit diagram for explaining the operation when the conventional two-way charger in the charging mode. As shown in FIG. 3, in the charging mode, theFETs 5 and 7 of theinput PFC FETs 4, 5, 6, and 7 are continuously operated in theinput PFC converter 100, and theFETs 4 and 6 are Only body diodes work. In addition, in the bidirectional DC /DC converter 300, the DC / DCsecondary side FETs 14, 15, 16, and 17 also operate only body diodes. In the buck-boost converter 400, the FET 19 operates continuously among the buck-boost FETs 19 and 20, and the FET 20 operates only a body diode. This is similar to the circuit structure of the conventional unidirectional charger of FIG.

종래의 양방향 충전기가 충전모드일 때 동작을 도 3을 참조하여 좀더 구체적으로 설명한다. 단상 교류 전원(1)은 입력단 PFC용 인덕터(2, 3)와 입력단 PFC용 FET(5, 7)와 입력단 PFC용 FET(4, 6)의 바디 다이오드 및 입력단 PFC용 출력필터 콘덴서(8)로 구성된 양방향 입력단 PFC 컨버터(100)에 의해서 가변 직류 전압의 형태로 전압전류의 역률이 1로 유지된다. 또한, 이 가변 직류 전압은 DC/DC 1차측 FET(9, 10, 11, 12)와 DC/DC용 고주파 변압기(13), DC/DC 2차측 FET(14, 15, 16, 17)의 바디 다이오드 및 DC/DC용 출력필터 콘덴서(18)로 구성된 양방향 DC/DC 컨버터(300)에 의해서 절연된 가변전압, 가변전류의 형태로 출력필터 콘덴서(18)의 전압을 충전하게 된다. 그리고, 출력필터 콘덴서(18)에 충전된 전압은 벅 FET(19), 부스트 FET(20)의 바디 다이오드, 출력단 LC필터(21, 22)로 구성된 벅 부스트 컨버터(400)에 의해서 벅 컨버터로 동작하여 절연된 가변전압, 가변전류의 형태로 배터리(23)를 충전하게 된다.The operation of the conventional bidirectional charger in the charging mode will be described in more detail with reference to FIG. 3. The single-phaseAC power supply 1 is a body diode of an input stage PFC inductor (2, 3), an input stage PFC FET (5, 7), and an input stage PFC FET (4, 6) and an input stage PFC output filter capacitor (8). The power factor of the voltage current is maintained at 1 in the form of a variable DC voltage by the configured bidirectional inputstage PFC converter 100. In addition, the variable DC voltage is applied to the bodies of the DC / DCprimary side FETs 9, 10, 11, and 12, thehigh frequency transformer 13 for DC / DC, and the DC / DCsecondary side FETs 14, 15, 16, and 17. The voltage of theoutput filter capacitor 18 is charged in the form of a variable voltage and a variable current insulated by a bidirectional DC /DC converter 300 composed of a diode and anoutput filter capacitor 18 for DC / DC. The voltage charged in theoutput filter capacitor 18 is operated as a buck converter by thebuck boost converter 400 including thebuck FET 19, the body diode of theboost FET 20, and the outputstage LC filters 21 and 22. Thus, thebattery 23 is charged in the form of insulated variable voltage and variable current.

도 4는 종래의 양방향 충전기가 방전모드일 때 동작을 설명하기 위한 회로 구성도이다. 도 4에 표시한 것처럼, 방전모드일 때 양방향 DC/DC 컨버터(300)에서 DC/DC 1차측 FET(9, 10, 11, 12)의 바디 다이오드만 동작한다. 그리고, 벅 부스트 컨버터(400)에서 벅 부스트 FET(19, 20)중에서 20번 부스트 FET는 연속동작을 하고 19번 벅 FET는 바디 다이오드만 동작한다. 이는 도 1의 종래의 전기 자동차용 단방향 충전기의 회로구조와 좌우가 대칭인 형태가 된다.4 is a circuit diagram illustrating an operation when a conventional bidirectional charger is in a discharge mode. As shown in FIG. 4, only the body diodes of the DC / DCprimary side FETs 9, 10, 11, and 12 operate in the bidirectional DC /DC converter 300 in the discharge mode. In thebuck boost converter 400, theboost 20 FET 20 continuously operates among the buck boost FETs 19 and 20, and thebuck 19 FET only operates the body diode. This becomes a form symmetrical with the circuit structure of the conventional unidirectional charger of FIG.

종래의 양방향 충전기가 방전모드일 때 동작은 다음과 같다. 도 4의 배터리(23)에 충전되었던 전압은 벅 FET(19)의 바디 다이오드, 부스트 FET(20), 출력단 LC필터(21, 22)로 구성된 벅 부스트 컨버터(400)에 의해서 부스트 컨버터로 동작하여 절연된 가변전압, 가변전류의 형태로 배터리(23)의 전력을 DC/DC용 출력필터 콘덴서(18)로 방전하게 된다. DC/DC용 출력필터 콘덴서(18)의 전압은 DC/DC 2차측 FET(14, 15, 16, 17)와 DC/DC용 고주파 변압기(13), DC/DC 1차측 FET(9, 10, 11, 12)의 바디 다이오드 및 입력단 PFC용 출력필터 콘덴서(8)로 구성된 양방향 DC/DC 컨버터(300)에 의해서 절연된 가변전압의 형태로 입력단 PFC용 출력필터 콘덴서(8)의 전압을 충전하게 된다. 입력단 PFC용 출력필터 콘덴서(8)의 전압은 입력단 PFC용 FET(4, 5, 6, 7)와 입력단 PFC용 인덕터(2, 3)로 구성된 양방향 입력단 PFC 컨버터(100)에 의해서 가변 직류 전압의 형태로 전압전류의 역률이 1로 유지하면서 단상 교류 전원(1)으로 방전하게 된다.When the conventional bidirectional charger is in the discharge mode, the operation is as follows. The voltage charged in thebattery 23 of FIG. 4 is operated as a boost converter by thebuck boost converter 400 composed of the body diode of thebuck FET 19, theboost FET 20, and theoutput LC filters 21 and 22. The power of thebattery 23 is discharged to theoutput filter capacitor 18 for DC / DC in the form of insulated variable voltage and variable current. The voltages of the DC / DCoutput filter capacitors 18 are DC / DCsecondary side FETs 14, 15, 16 and 17, DC / DChigh frequency transformers 13 and DC / DCprimary side FETs 9, 10, 11, 12) to charge the voltage of the input filter PFC output filter capacitor (8) in the form of a variable voltage insulated by a bidirectional DC / DC converter (300) consisting of the body diode and input filter PFC output filter capacitor (8). do. The voltage of theoutput filter capacitor 8 for the input stage PFC is controlled by a bidirectional inputstage PFC converter 100 composed of the inputstage PFC FETs 4, 5, 6, 7 and the inputstage PFC inductors 2, 3 In this manner, the power is discharged to the single-phaseAC power supply 1 while maintaining the power factor of the voltage and current at 1.

종래의 양방향 충전기는 크게 입력단 PFC 컨버터(100)와 양방향 DC/DC 컨버터(300), 벅 부스트 컨버터(400)로 구성되는데, 이는 많은 수의 전력용 반도체를 필요로 하므로, 이를 구동하기 위한 절연전원의 숫자도 그 만큼 늘어나게 된다. 또한, 별도의 제어 구동 신호가 필요 하므로 시스템의 복잡성을 가중 시킨다. 그리고, 양방향 DC/DC 컨버터(300)의 장점은 고효율이어야 하는데, 충전모드일 때와 방전모드일 때 FET의 바디 다이오드를 겸용으로 사용할 수 있다는 장점만 있을 뿐, 실제 고효율을 유지하기 위한 공진요소를 조율하기가 어렵고, 고효율의 다이오드를 사용할 때에 비해서 FET의 바디 다이오드는 손실이 크다는 단점을 가지고 있다. 또한 전기 자동차의 배터리(23)가 다소 방전되었을 때, 양방향 충전기가 방전모드로 동작하려면 변압기의 턴비를 교체(변화시킴), 또는 별도의 부가회로가 필요하게 되어 더욱 더 시스템은 복잡하게 된다.Conventional bidirectional chargers are largely composed of an inputstage PFC converter 100, a bidirectional DC /DC converter 300, and abuck boost converter 400, which requires a large number of power semiconductors, and thus, an isolated power supply for driving them. The number of will also increase by that amount. In addition, a separate control drive signal is required, increasing the complexity of the system. In addition, the advantages of the bidirectional DC /DC converter 300 should be high efficiency, but only the advantage that the body diode of the FET can be used in both the charging mode and the discharge mode. It is difficult to tune, and the body diode of the FET has a large loss compared to using a high efficiency diode. In addition, when thebattery 23 of the electric vehicle is somewhat discharged, the bidirectional charger needs to replace (change) the turn ratio of the transformer, or a separate additional circuit, to operate in the discharge mode, and the system becomes more complicated.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 양방향 충전기의 전력용 반도체 스위치의 숫자를 줄여, 이를 구동하기 위한 절연전원의 숫자도 그 만큼 줄어들게 하는 것이다. 또한, 별도의 제어 구동 신호도 줄어들게 하므로 양방향 충전기 제어시스템을 간략하게 함에 있다.The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to reduce the number of power semiconductor switches for the bidirectional charger, thereby reducing the number of the insulation power for driving the same. In addition, since the separate control drive signal is also reduced to simplify the two-way charger control system.

본 발명의 다른 목적은, 단방향 영전압 스위칭 DC/DC 컨버터를 원래의 형태를 그대로 사용하여 충전 및 방전 모드에서 모두 양방향 충전 시스템이 고효율을 유지하도록 하는 것이다.Another object of the present invention is to use the unidirectional zero voltage switching DC / DC converter in its original form as it is so that the bidirectional charging system maintains high efficiency in both charge and discharge modes.

본 발명의 또 다른 목적은, 단방향 영전압 스위칭 DC/DC 컨버터의 운영방법을 통해 불필요한 벅 부스트 컨버터(400)를 삭제하도록 하여 양방향 충전 시스템의 소형 경량화를 이루는 것이다.Still another object of the present invention is to eliminate unnecessarybuck boost converter 400 through the operation method of the unidirectional zero voltage switching DC / DC converter to achieve a compact and lightweight bidirectional charging system.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에서 제안하는 양방향 충전 시스템은, 교류 전원과 배터리 사이에서 충전 및 방전이 선택적으로 실행되기 위하여, 교류 입력 전압을 직류 전압으로 변환함과 동시에 전압의 역률을 보상하는 PFC 컨버터, 입력된 직류 전압을 영전압 스위칭하여 교류 전압으로 변환시키는 풀브리지 스위칭 수단, 상기 풀브리지 스위칭 수단에서 출력된 전압을 받아서 교류 전압을 출력하는 고주파 변압기, 상기 고주파 변압기에서 출력된 전압을 정류하는 정류 수단 및 상기 교류 전원과 상기 배터리 사이에서 충전과 방전을 전환시키기 위해 상기 PFC 컨버터와 상기 풀브리지 스위칭 수단 사이의 전류 방향을 변경시키도록 상기 PFC 컨버터와 상기 풀브리지 스위칭 수단에 접속된 릴레이 수단으로 이루어진 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the bidirectional charging system proposed by the present invention includes a PFC that converts an AC input voltage into a DC voltage and compensates for the power factor of the voltage in order to selectively perform charging and discharging between an AC power supply and a battery. Converter, full bridge switching means for converting the input DC voltage to zero voltage switching to an AC voltage, a high frequency transformer receiving the voltage output from the full bridge switching means and outputting an AC voltage, rectifying the voltage output from the high frequency transformer Rectification means and relay means connected to the PFC converter and the full bridge switching means to change the current direction between the PFC converter and the full bridge switching means to switch charging and discharging between the AC power source and the battery. Characterized in that made.

상기 릴레이 수단은 상기 릴레이 수단은 충전 시에 상기 PFC 컨버터와 상기 풀브리지 스위칭 수단 사이에 전류 흐름 경로를 형성시키고, 방전 시에 상기 PFC 컨버터와 상기 풀브리지 스위칭 수단 사이를 차단하는 충전 입력단 릴레이, 충전 시에 상기 배터리와 상기 정류 수단을 접속시키고, 방전 시에 상기 상기 배터리와 상기 정류 수단을 차단시키는 충전 출력단 릴레이, 방전 시에 상기 배터리와 상기 풀브리지 스위칭 수단을 접속시키는 방전 입력단 릴레이 및 방전 시에 상기 정류 수단과 상기 PFC 컨버터를 접속시키는 방전 출력단 릴레이로 구성된다.The relay means is a charging input stage relay for the relay means to form a current flow path between the PFC converter and the full bridge switching means during charging, and to disconnect between the PFC converter and the full bridge switching means during discharge, charging A charge output stage relay which connects the battery and the rectifying means at a time, disconnects the battery and the rectifier means at a discharge, a discharge input stage relay which connects the battery and the full bridge switching means at a time of discharge, and a discharge time. And a discharge output stage relay connecting the rectifying means and the PFC converter.

본 발명에 따른 양방향 충전 시스템은, 단방향으로 사용되던 풀브리지 스위칭 수단의 원래의 형태를 그대로 사용하기 때문에 일반적인 양방향 충전기에 비해 FET 등의 전력용 반도체 스위치 필요 숫자가 적어지고, 충전 및 방전 모드에서 모두 고효율을 유지할 수 있으며, 제어요소가 줄어, 전력밀도 향상 및 소형 경량화를 이룰 수 있는 효과가 있다.Since the bidirectional charging system according to the present invention uses the original form of the full bridge switching means used in one direction as it is, the number of power semiconductor switches such as FETs is smaller than that of a general bidirectional charger, and both in the charging and discharging modes. High efficiency can be maintained, and control elements are reduced, resulting in improved power density and compact weight.

도 1은 종래의 단방향 충전기의 구조를 설명하기 위한 회로도,
도 2는 종래의 양방향 충전기의 구조를 설명하기 위한 회로도,
도 3은 종래의 양방향 충전기가 충전모드일 때 동작을 설명하기 위한 회로 구성도,
도 4는 종래의 양방향 충전기가 방전모드일 때 동작을 설명하기 위한 회로 구성도,
도 5는 본 발명에서 제안하는 양방향 충전기의 구조를 설명하기 위한 회로도,
도 6은 본 발명에서 제안하는 양방향 충전기가 충전모드일 때 동작을 설명하기 위한 회로 구성도,
도 7은 본 발명에서 제안하는 양방향 충전기가 방전모드일 때 동작을 설명하기 위한 회로 구성도이다.1 is a circuit diagram for explaining the structure of a conventional unidirectional charger;
2 is a circuit diagram illustrating a structure of a conventional bidirectional charger;
3 is a circuit diagram illustrating an operation when a conventional bidirectional charger is in a charging mode;
4 is a circuit diagram illustrating an operation when a conventional bidirectional charger is in a discharge mode;
5 is a circuit diagram for explaining the structure of the bidirectional charger proposed in the present invention;
6 is a circuit diagram illustrating an operation when a bidirectional charger proposed in the present invention is in a charging mode.
7 is a circuit diagram illustrating an operation when the bidirectional charger proposed in the present invention is in the discharge mode.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 예시도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 양방향 충전 시스템은, 교류 전원(1)과 배터리(23) 사이에서 충전 및 방전이 선택적으로 실행되기 위하여, 교류 입력 전압을 직류 전압으로 변환함과 동시에 전압의 역률을 보상하는 PFC(역률 보상) 컨버터(100), 입력된 직류 전압을 영전압 스위칭을 통해 고효율인 파형을 가진 직류 전압으로 변환시키는 풀브리지 스위칭 수단(200), 상기 풀브리지 스위칭 수단(200)에서 출력된 전압을 받아서 교류 전압을 출력하는 고주파 변압기(13), 상기 고주파 변압기에서 출력된 전압을 정류하는 정류 수단(24, 25, 26, 27) 및 상기 교류 전원(1)과 상기 배터리(23) 사이에서 충전과 방전을 전환시키기 위해 상기 PFC 컨버터(100)와 상기 풀브리지 스위칭 수단(200)에 접속된 릴레이 수단으로 이루어진 것을 특징으로 한다.As shown in FIGS. 5 to 7, the bidirectional charging system of the present invention converts an AC input voltage into a DC voltage in order to selectively perform charging and discharging between theAC power source 1 and thebattery 23. And a PFC (power factor correction)converter 100 for compensating power factor of the voltage at the same time, a full bridge switching means 200 for converting the input DC voltage into a DC voltage having a high efficiency waveform through zero voltage switching, and the full bridge switching. Ahigh frequency transformer 13 receiving the voltage output from themeans 200 and outputting an AC voltage, rectifying means 24, 25, 26, 27 for rectifying the voltage output from the high frequency transformer and theAC power source 1 and And a relay means connected to thePFC converter 100 and the full bridge switching means 200 to switch between charging and discharging between thebatteries 23.

상기 릴레이 수단은 충전 시에 상기 PFC 컨버터(100)와 상기 풀브리지 스위칭 수단(200) 사이에 전류 흐름 경로를 형성시키고, 방전 시에 상기 PFC 컨버터(100)와 상기 풀브리지 스위칭 수단(200) 사이를 차단하는 충전 입력단 릴레이(31, 32), 충전 시에 상기 배터리(23)와 상기 정류 수단(24, 25, 26, 27)을 접속시키고, 방전 시에 상기 배터리(23)와 상기 정류 수단(24, 25, 26, 27)을 차단시키는 충전 출력단 릴레이(33, 34), 방전 시에 상기 배터리(23)와 상기 풀브리지 스위칭 수단(200)를 접속시키는 방전 입력단 릴레이(35, 36), 방전 시에 상기 정류 수단(24, 25, 26, 27)과 상기 PFC 컨버터(100)를 접속시키는 방전 출력단 릴레이(37, 38)로 구성된다.The relay means forms a current flow path between thePFC converter 100 and the full bridge switching means 200 during charging and between thePFC converter 100 and the full bridge switching means 200 during discharge. The charging input stage relays 31 and 32 which cut off thebattery 23 connect thebattery 23 and the rectifying means 24, 25, 26 and 27 at the time of charging, and thebattery 23 and the rectifying means at the time of discharge. Charge output stage relays 33 and 34 to block 24, 25, 26 and 27, discharge input stage relays 35 and 36 to connect thebattery 23 and the full bridge switching means 200 during discharge, discharge And discharge output stage relays 37 and 38 which connect the rectifying means 24, 25, 26, 27 to thePFC converter 100 at the time.

도 5에서, 키 입력 수단(40)은 사용자가 동작 명령을 입력하는 버튼, 마우스 혹은 무선 입력 장치 등을 의미한다. 상기 제어 수단(42)은 전기 자동차 배터리의 충방전 동작을 제어하는 마이크로프로세서를 의미한다.In FIG. 5, the key input means 40 refers to a button, a mouse or a wireless input device that a user inputs an operation command. The control means 42 means a microprocessor for controlling the charging and discharging operation of the electric vehicle battery.

좀더 구체적으로 설명하면, 본 발명의 양방향 충전기의 구조는 도 5에 도시된 바와 같이, 크게 입력단 PFC 컨버터(100)와 풀브리지 스위칭 수단(200), 출력단 LC필터(21, 22), 충전입력단 릴레이(31, 32), 충전출력단 릴레이(33, 34), 방전입력단 릴레이(35, 36), 방전출력단 릴레이(37, 38)로 구성된다. 기본적인 형태는 종래의 전기 자동차용 단방향 충전기의 회로구조를 유지하는 것이며, 여기에, 충전모드일 때는 충전입력단 릴레이(31, 32)와 충전출력단 릴레이(33, 34)를 온하고, 방전입력단 릴레이(35, 36)와 방전출력단 릴레이(37, 38)를 오프하는 것이다. 방전모드일 때는 방전입력단 릴레이(35, 36)와 방전출력단 릴레이(37, 38)를 온하고, 충전입력단 릴레이(31, 32)와 충전출력단 릴레이(33, 34)를 오프하는 것이다. 즉, 기본적인 형태는 종래의 전기 자동차용 단방향 충전기의 회로구조를 유지하면서 릴레이의 구동여부에 의해 충전모드와 방전모드가 구분된다.More specifically, as shown in FIG. 5, the bidirectional charger of the present invention has a large inputstage PFC converter 100, a full bridge switching means 200, output stage LC filters 21 and 22, and a charging input stage relay. 31, 32, charging output stage relays 33, 34, discharge input stage relays 35, 36, and discharge output stage relays 37, 38. The basic form is to maintain the circuit structure of the conventional unidirectional charger for electric vehicles. In the charging mode, the charging input stage relays 31 and 32 and the charging output stage relays 33 and 34 are turned on, and the discharge input stage relay ( 35 and 36 and the discharge output stage relays 37 and 38 are turned off. In the discharge mode, the discharge input stage relays 35 and 36 and the discharge output stage relays 37 and 38 are turned on, and the charge input stage relays 31 and 32 and the charge output stage relays 33 and 34 are turned off. That is, in the basic form, the charging mode and the discharge mode are distinguished by whether the relay is driven while maintaining the circuit structure of the conventional unidirectional charger for an electric vehicle.

도 6은 본 발명에서 제안하는 양방향 충전기가 충전모드일 때 동작을 설명하기 위한 회로 구성도이다. 충전모드일 때는, 사용자가 키 입력 수단(40)에 충전 명령을 입력한다. 그러면 상기 키 입력 수단(40)으로부터 제어 수단(42)로 충전 명령이 입력된다. 이어서, 상기 제어 수단(42)으로부터 구동코일(L1)로 제어 신호가 입력된다. 그러면 상기 구동 코일(L1)로부터 상기 충전 입력단 릴레이(31, 32)와 충전 출력단 릴레이(33, 34)에 구동 신호가 인가되어 상기 충전 릴레이(31, 32, 33, 34)들이 온된다.6 is a circuit diagram illustrating an operation when the bidirectional charger proposed in the present invention is in the charging mode. In the charging mode, the user inputs a charging command to the key input means 40. The charging command is then input from the key input means 40 to the control means 42. Subsequently, a control signal is input from the control means 42 to the drive coil L1. Then, a driving signal is applied from the driving coil L1 to the charging input terminal relays 31 and 32 and the charging output terminal relays 33 and 34 to turn on the charging relays 31, 32, 33, and 34.

동시에 상기 제어 수단(42)으로부터 구동코일(L2)로 턴오프 제어 신호가 입력된다. 그러면 상기 구동 코일(L2)로부터 상기 방전 입력단 릴레이(35, 36)와 상기 방전 출력단 릴레이(37, 38)에 정지 신호가 인가되어 상기 방전 릴레이들(35, 36, 37, 38)이 오프된다.At the same time, the turn-off control signal is input from the control means 42 to the drive coil L2. Then, the stop signal is applied to the discharge input relays 35 and 36 and the discharge output relays 37 and 38 from the driving coil L2 to turn off the discharge relays 35, 36, 37 and 38.

다음에, 도 6의 단상 교류 전원(1)은 입력단 PFC용 인덕터(2, 3)와 입력단 PFC용 FET(4, 5, 6, 7)및 입력단 PFC용 출력필터 콘덴서(8)로 구성된 양방향 입력단 PFC(Power Factor Correction, 역률 보상) 컨버터(100)에 의해서 가변 직류 전압의 형태로 전압전류의 역률이 1로 유지된다. 이 가변 직류 전압은 충전입력단 릴레이(31, 32)를 통해 풀브리지 스위칭 수단(200)로 공급된다. 또한, 이 가변 직류 전압은 DC/DC 1차측 FET(9, 10, 11, 12)와 DC/DC용 고주파 변압기(13), DC/DC용 정류다이오드(24, 25, 26, 27)로 구성된 풀브리지 스위칭 수단(200)에 의해서 충전출력단 릴레이(33, 34)를 통해 출력단 LC필터(21, 22)로 전달되며, 이는 절연된 가변전압, 가변전류의 형태로 배터리(23)를 충전하게 된다.Next, the single-phaseAC power supply 1 of Fig. 6 is a bidirectional input stage composed of an inputstage PFC inductor 2, 3, an inputstage PFC FET 4, 5, 6, 7 and an input stage PFCoutput filter capacitor 8. The power factor correction (PFC)converter 100 maintains the power factor of the voltage current in the form of a variable DC voltage. The variable DC voltage is supplied to the full bridge switching means 200 through the charging input stage relays 31 and 32. In addition, this variable DC voltage is composed of DC / DCprimary side FETs 9, 10, 11, 12, DC / DChigh frequency transformer 13, and DC /DC rectifier diodes 24, 25, 26, 27. The full bridge switching means 200 is transmitted to the output stage LC filters 21 and 22 through the charging output stage relays 33 and 34, which charges thebattery 23 in the form of insulated variable voltage and variable current. .

DC/DC용 정류다이오드(24, 25, 26, 27)은 충전 시와 방전 시에 모두 상기 고주파 변압기에서 출력된 전압을 정류하는 정류 수단을 구성한다.The rectifyingdiodes 24, 25, 26, 27 for DC / DC constitute rectifying means for rectifying the voltage output from the high frequency transformer both during charging and discharging.

도 7은 본 발명에서 제안하는 양방향 충전기가 방전모드일 때 동작을 설명하기 위한 회로 구성도이다. 방전모드일 때는 사용자가 키 입력 수단(40)에 방전 명령을 입력한다. 그러면 상기 키 입력 수단(40)으로부터 제어 수단(42)으로 방전 명령이 전달된다. 이어서, 상기 제어 수단(42)으로부터 구동코일(L2)로 제어 신호가 입력된다. 그러면 상기 구동 코일(L2)로부터 상기 방전 입력단 릴레이(35, 36)와 충전 출력단 릴레이(37, 38)에 구동 신호가 인가되어 상기 방전 릴레이(35, 36, 37, 38)들이 온된다.7 is a circuit diagram illustrating an operation when the bidirectional charger proposed in the present invention is in the discharge mode. In the discharge mode, the user inputs a discharge command to the key input means 40. The discharge command is then transmitted from the key input means 40 to the control means 42. Subsequently, a control signal is input from the control means 42 to the drive coil L2. Then, a driving signal is applied from the driving coil L2 to the discharge input terminal relays 35 and 36 and the charge output terminal relays 37 and 38 to turn on the discharge relays 35, 36, 37 and 38.

동시에 상기 제어 수단(42)으로부터 구동코일(L1)로 턴오프 제어 신호가 입력된다. 그러면 상기 구동 코일(L1)로부터 상기 충전 입력단 릴레이(31, 32)와 상기 충전 출력단 릴레이(33, 34)에 정지 신호가 인가되어 상기 충전 릴레이들(31, 32, 33, 34)이 오프된다.At the same time, the turn-off control signal is input from the control means 42 to the drive coil L1. Then, a stop signal is applied to the charging input terminal relays 31 and 32 and the charging output terminal relays 33 and 34 from the driving coil L1 to turn off the charging relays 31, 32, 33, 34.

그러면, 도 7의 배터리(23)에 충전되었던 전압은 방전입력단 릴레이(35, 36)를 통해 풀브리지 스위칭 수단(200)로 공급된다. 또한, 이 배터리(23) 직류 전압은 DC/DC 1차측 FET(9, 10, 11, 12)와 DC/DC용 고주파 변압기(13), DC/DC용 정류다이오드(24, 25, 26, 27)로 구성된 풀브리지 스위칭 수단(200)에 의해서 방전출력단 릴레이(37, 38)를 통해 절연된 가변전압의 형태로 입력단 PFC용 출력필터 콘덴서(8)로 전달된다. 그러면 상기 PFC용 출력필터 콘덴서(8)가 충전된다. 다음에 상기 입력단 PFC용 출력필터 콘덴서(8)의 전압은 입력단 PFC용 FET(4, 5, 6, 7)와 입력단 PFC용 인덕터(2, 3)로 구성된 양방향 입력단 PFC 컨버터(100)에 의해서 가변 직류 전압의 형태로 전압전류의 역률이 1로 유지하면서 단상 교류 전원(1)으로 방전한다.Then, the voltage charged in thebattery 23 of FIG. 7 is supplied to the full bridge switching means 200 through the discharge input terminal relays 35 and 36. In addition, the DC voltage of thebattery 23 includes DC / DCprimary side FETs 9, 10, 11 and 12,high frequency transformer 13 for DC / DC, andrectifier diodes 24, 25, 26 and 27 for DC / DC. Is transmitted to theoutput filter capacitor 8 for the input stage PFC in the form of a variable voltage insulated by the discharge output stage relays 37 and 38 by the full bridge switching means 200. The PFCoutput filter capacitor 8 is then charged. The voltage of theoutput filter capacitor 8 for the input stage PFC is then varied by the bidirectional inputstage PFC converter 100 composed of the inputstage PFC FETs 4, 5, 6, 7 and the inputstage PFC inductors 2, 3; In the form of a DC voltage, it discharges to the single-phaseAC power supply 1, maintaining the power factor of voltage current at one.

이 경우, 상기 릴레이 수단(31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38)에 의해 절연(Insulation)형과 비절연(Non-insulation)형 회로의 전기적인 선택이 용이하게 실현된다.In this case, the electrical selection between the insulation type and the non-insulation type circuit is easily realized by the relay means 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38.

이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 따른 양방향 충전 시스템은, 단방향 영전압 스위칭 DC/DC 컨버터를 원래의 형태를 그대로 사용하기 때문에 일반적인 양방향 충전기에 비해 FET 등의 전력용 반도체 스위치 필요 숫자가 적어지고, 충전 및 방전 모드에서 모두 고효율을 유지할 수 있으며, 제어요소가 줄어, 전력밀도 향상 및 소형 경량화를 이룰 수 있는 효과가 있다. 따라서 본 발명은 양방향 충전 시스템의 성능을 향상시키고, 단가를 격감시키며, 시스템의 안정성을 도모하여 전기 자동차 산업에 이바지할 수 있다.As described above, in the bidirectional charging system according to the present invention, since the unidirectional zero voltage switching DC / DC converter uses the original form as it is, the number of power semiconductor switches such as FETs is smaller than that of a general bidirectional charger. High efficiency can be maintained in both charging and discharging modes, reducing control elements, improving power density, and reducing weight. Therefore, the present invention can contribute to the electric vehicle industry by improving the performance of the bidirectional charging system, reducing the unit cost, and improving the stability of the system.

1 : 단상 교류 전원 2, 3 : 입력단 PFC용 인덕터
4, 5, 6, 7 : 입력단 PFC용 FET 8 : 입력단 PFC용 출력필터 콘덴서
9, 10, 11, 12 : DC/DC 1차측 FET 13 : DC/DC용 고주파 변압기
14, 15, 16, 17 : DC/DC 2차측 FET 18 : DC/DC용 출력필터 콘덴서
19, 20 : 벅 부스트 FET 21, 22 : 출력단 LC필터
23 : 배터리
24, 25, 26, 27 : DC/DC용 정류다이오드
31, 32 : 충전입력단 릴레이 33, 34 : 충전출력단 릴레이
35, 36 : 방전입력단 릴레이 37, 38 : 방전출력단 릴레이
40 : 키 입력 수단 42 : 제어 수단
100 : PFC 컨버터 200 : 풀브리지 스위칭 수단
300 : 양방향 DC/DC 컨버터
400 : 벅 부스트 컨버터(Buck Boost Converter)1: single-phaseAC power supply 2, 3: inductor for input stage PFC
4, 5, 6, 7: Input stage PFC FET 8: Input stage PFC output filter capacitor
9, 10, 11, 12: DC / DC primary side FET 13: High frequency transformer for DC / DC
14, 15, 16, 17: DC / DC secondary side FET 18: DC / DC output filter capacitor
19, 20:buck boost FET 21, 22: output stage LC filter
23: battery
24, 25, 26, 27: rectifier diode for DC / DC
31, 32: charginginput terminal relay 33, 34: charging output terminal relay
35, 36:discharge input relay 37, 38: discharge output relay
40: key input means 42: control means
100: PFC converter 200: full bridge switching means
300: Bidirectional DC / DC Converter
400: Buck Boost Converter

Claims (6)

Translated fromKorean

교류 전원과 배터리 사이에서 충전 및 방전이 선택적으로 실행되기 위하여,
교류 입력 전압을 직류 전압으로 변환함과 동시에 전압의 역률을 보상하는 PFC 컨버터,
입력된 직류 전압을 영전압 스위칭하여 교류 전압으로 변환시키는 풀브리지 스위칭 수단,
상기 풀브리지 스위칭 수단에서 출력된 전압을 받아서 교류 전압을 출력하는 고주파 변압기,
상기 고주파 변압기에서 출력된 전압을 정류하는 정류 수단 및
상기 교류 전원과 상기 배터리 사이에서 충전과 방전을 전환시키기 위해 상기 PFC 컨버터와 상기 풀브리지 스위칭 수단 사이의 전류 방향을 변경시키도록 상기 PFC 컨버터와 상기 풀브리지 스위칭 수단에 접속된 릴레이 수단으로 이루어진 것을 특징으로 하는 양방향 충전 시스템.In order to selectively charge and discharge between the AC power source and the battery,
PFC converter that converts AC input voltage to DC voltage and at the same time compensates the power factor of the voltage,
Full bridge switching means for converting the input DC voltage to zero voltage switching to an AC voltage,
A high frequency transformer receiving an output voltage from the full bridge switching means and outputting an alternating voltage;
Rectifying means for rectifying the voltage output from the high frequency transformer;
A relay means connected to the PFC converter and the full bridge switching means to change the current direction between the PFC converter and the full bridge switching means to switch charging and discharging between the AC power source and the battery. Bidirectional charging system.제 1 항에 있어서, 상기 릴레이 수단은
충전 시에 상기 PFC 컨버터와 상기 풀브리지 스위칭 수단 사이에 전류 흐름 경로를 형성시키고, 방전 시에 상기 PFC 컨버터와 상기 풀브리지 스위칭 수단 사이를 차단하는 충전 입력단 릴레이,
충전 시에 상기 배터리와 상기 정류 수단을 접속시키고, 방전 시에 상기 상기 배터리와 상기 정류 수단을 차단시키는 충전 출력단 릴레이,
방전 시에 상기 배터리와 상기 풀브리지 스위칭 수단을 접속시키는 방전 입력단 릴레이,
방전 시에 상기 정류 수단과 상기 PFC 컨버터를 접속시키는 방전 출력단 릴레이로 구성된 것을 특징으로 하는 양방향 충전 시스템.
The method of claim 1 wherein the relay means
A charging input stage relay which forms a current flow path between the PFC converter and the full bridge switching means during charging and cuts off between the PFC converter and the full bridge switching means when discharging,
A charging output stage relay which connects the battery and the rectifying means at the time of charging and shuts off the battery and the rectifying means at the time of discharge;
A discharge input stage relay which connects the battery and the full bridge switching means during discharge;
And a discharge output stage relay connecting the rectifying means and the PFC converter during discharge.
삭제delete제 1 항 및 제 2 항 중 어느 한 항에 있어서, 방전 기능을 통해 입력단 PFC용 출력필터 콘덴서의 초기충전기능을 수행하는 것을 특징으로 하는 양방향 충전 시스템.The bidirectional charging system according to any one of claims 1 and 2, wherein an initial charging function of an output filter capacitor for an input stage PFC is performed through a discharge function.제 1 항 및 제 2 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 릴레이 수단을 통해 절연형과 비절연형을 구현하는 것을 특징으로 하는 양방향 충전 시스템.The bidirectional charging system according to claim 1, wherein the relay means implements an insulated type and a non-isolated type.제 1 항 및 제 2 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 릴레이 수단과 상기 배터리 사이에는 상기 배터리에 유입되는 전압에 포함된 노이즈를 제거하도록 LC 필터가 설치된 것을 특징으로 하는 양방향 충전 시스템.The bidirectional charging system according to any one of claims 1 and 2, wherein an LC filter is installed between the relay means and the battery to remove noise included in the voltage introduced into the battery.

Images