KR100458103B1 - 차량 구동용의 전원 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 다음과 같이 하여 축전 장치를 구성하는 복수의 콘덴서 사이의 전위의 변동을 줄여 축전 전력을 최대한으로 확보한다. 즉, 축전 장치에 복수의 콘덴서 뱅크를 병렬로 장착하고, 축전 장치에 흐르는 전류에 따라서 각 콘덴서 뱅크의 일부를 중지시켜, 중지된 콘덴서 뱅크에서 각 콘덴서 병렬 회로의 전하를 개별로 방전시켜 각 콘덴서 병렬 회로의 단자간 전압을 균일화한다.

Description

차량 구동용의 전원 시스템{POWER SOURCE SYSTEM FOR DRIVING VEHICLE}
동력원으로서 전동기를 구비한 차량에 탑재되는 축전 장치는 차량의 가속시 및 정속 주행시에 방전을, 제동시에 충전을 반복한다. 이와 같은 용도에 적합한 축전 장치로서, 다수의 콘덴서 예를 들어 전기 이중층 캐패시터셀을 이용한 것이 알려져 있다. 이와 같은 콘덴서를 이용한 전원 장치는, 일본 특허 공개 평8-168182호 공보에 개시되어 있다.
도7은 시리즈식 하이브리드 차량에 탑재되는 축전 장치로서 콘덴서를 이용한 전원 시스템의 공지 기술의 개략을 도시한다. 엔진(1)은 발전기(2)를 구동하여, 발전기(2)에서 발전되는 전력이 정류기(3)를 거쳐서 축전 장치(4)에 공급되는 동시에, 인버터(5)를 거쳐서 주행용 모터(6)에 공급된다. 도시하지 않은 차륜은 주행용 모터(6)에 의해 구동된다. 도면에 있어서, 부호 8은 화학 전지로 구성되는 보조 축전 장치, 부호 7은 보조 축전 장치(8)를 충전하는 DC-DC 컨버터, 부호 9는 보조 기기이다. 축전 장치(4)는 다수의 콘덴서(41, 42, 43, …)가 직렬로 접속되고, 종래의 화학 이차 전지를 콘덴서로 치환한 시스템으로 되어 있다. 가속시 또는 정속 주행시에, 발전기(2)에서 발생한 전력의 일부 또는 전부가 축전 장치(4)에 충전되어, 발전기(2)에서 발생한 전력과 축전 장치(4)의 전력이 인버터(5)를 거쳐서 주행용 모터(6)에 공급된다. 제동시에, 주행용 모터(6)에 발생한 전력이 인버터(5)를 거쳐서 축전 장치(4)에 회생된다.
그런데, 각 콘덴서(41, 42, 43, …)의 정전 용량에는 변동이 있으므로, 축전 장치(4)의 충방전을 반복한 경우, 각 콘덴서(41, 42, 43, …)의 일부가 과충전되거나, 과방전 또는 역충전되어 이들을 열화시킨다는 문제가 있다. 이 대책으로서, 콘덴서(41, 42, 43, …)의 단자간 전압의 범위를 제한하면, 단자간 전압의 2제곱에 비례하는 정전 에너지가 대폭으로 감소해 버린다.
본 발명은 축전 장치에 다수의 콘덴서를 이용한 차량 구동용의 전원 시스템에 관한 것이다.
도1은 본 발명에 의한 전기 자동차의 전원 시스템의 실시 형태의 개념도이다.
도2는 상기 전원 시스템의 축전 장치의 구성도이다.
도3은 상기 제1 콘덴서 뱅크의 회로도이다.
도4는 상기 병렬 모니터 회로의 회로도이다.
도5는 상기 제어 내용을 나타낸 흐름도이다.
도6은 상기 제어 내용을 나타낸 흐름도이다.
도7은 종래의 전기 자동차의 전원 시스템의 구성도이다.
본 발명은, 복수의 콘덴서를 직렬 접속한 콘덴서 뱅크를 복수개 병렬 접속한 구성의 축전 장치와, 상기 축전 장치에 흐르는 전류에 따라서 상기 복수의 콘덴서 뱅크 중 적어도 어느 하나를 중지시키는 뱅크 중지 수단과, 상기 각 콘덴서의 전하를 개별로 방전시키는 개별 방전 회로와, 중지된 상기 콘덴서 뱅크에서 상기 각 콘덴서의 전하를 개별로 방전시켜 상기 각 콘덴서의 단자간 전압을 균일화하는 방전 제어 수단을 구비한 차량 구동용의 전원 시스템이다.
본 발명에 따르면, 각 콘덴서의 정전 용량 등에 변동이 있어도, 각 콘덴서 사이의 전위의 변동을 줄여 축전 전력을 최대한으로 확보할 수 있다. 또한, 축전 장치의 충방전을 반복해도, 콘덴서 뱅크 중 적어도 어느 하나를 중지할 수 있는 운전 조건으로 각 콘덴서 사이의 전위의 변동을 줄임으로써, 각 콘덴서의 일부가 과충전되거나, 과방전 또는 역충전되는 것이 방지된다. 이에 의해, 축전 장치의 고효율화가 도모되어, 수명이 긴 차량 구동용의 전원 시스템을 실현할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 콘덴서 뱅크를 복수의 콘덴서를 직렬로 접속한 구성을 갖고 또한 전원 회로에 병렬로 접속하는 콘덴서 직렬 회로와, 상기 각 콘덴서 직렬 회로의 동일 직렬단에 배치되는 콘덴서를 병렬로 접속하는 콘덴서 병렬 회로를 구비한 것으로 하는 동시에, 상기 개별 방전 회로를 상기 각 콘덴서 병렬 회로의 전하를 개별로 방전시켜 각각의 단자간 전압을 균일화하는 구성으로 할 수 있다.
이에 의해, 각 콘덴서 병렬 회로의 정전 용량 등에 변동이 있어도, 각 콘덴서 병렬 회로 사이의 전위의 변동을 줄여 축전 전력을 최대한으로 확보할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 각 콘덴서 병렬 회로의 단자간 전압을 검출하는 개별 전압 검출 회로를 구비하고, 상기 뱅크 중지 수단을 검출된 콘덴서 병렬 회로의 단자간 전압의 변동이 큰 콘덴서 뱅크를 중지시키는 구성으로 할 수 있다. 각 콘덴서 병렬 회로의 단자간 전압을 검출하여, 검출된 콘덴서 병렬 회로의 단자간 전압의 변동이 큰 콘덴서 뱅크를 중지시킴으로써, 효율적으로 각 콘덴서 사이의 전위의 변동을 줄일 수 있다.
본 발명에 있어서, 각 콘덴서 병렬 회로의 단자간 전압을 검출하는 개별 전압 검출 회로를 구비하고, 상기 방전 제어 수단을 각 콘덴서 병렬 회로의 단자간 전압의 평균치까지 방전시키는 구성으로 할 수 있다. 각 콘덴서 병렬 회로의 단자간 전압을 검출하고, 각 콘덴서 병렬 회로의 단자간 전압의 평균치까지 방전시킴으로써, 효율적으로 각 콘덴서 사이의 전위의 변동을 줄일 수 있다.
본 발명에서는, 개별 방전 회로에 의한 상기 콘덴서의 방전 상태를 검출하는 방전 상태 검출 수단을 구비한 구성으로 할 수 있다. 개별 방전 회로에 의한 콘덴서의 방전 상태를 검출함으로써, 효율적으로 각 콘덴서 사이의 전위의 변동을 줄일 수 있다.
도1은, 본 발명을 시리즈식 하이브리드차에 탑재되는 축전 장치에 적용한 전원 시스템의 실시 형태를 도시하고 있다. 도1에 있어서, 엔진(1)은 발전기(2)를 구동하고, 발전기(2)에서 발전되는 전력이 정류기(3)로부터 전원 회로(14, 15)를 거쳐서 축전 장치(4)에 공급되는 동시에, 인버터(5)를 거쳐서 주행용 모터(6)에 공급된다. 축전 장치(4)와 인버터(5) 사이에 양방향 승강압 쵸퍼 회로로 이루어지는전류 펌프(10)가 장착되어, 주행용 모터(6)의 구동시에 인버터(5)로의 출력 전압을 일정하게 제어하고, 주행용 모터(6)의 회생 발전시 또는 발전기(2)의 발전시에 축전 장치(4)로의 충전 전류를 적정치로 제어한다. 도시하지 않은 차륜은 주행용 모터(6)에 의해 구동된다. 도면에 있어서, 부호 8은 화학 전지로 구성되는 보조 축전 장치, 부호 7은 보조 축전 장치(8)를 충전하는 DC-DC 컨버터, 부호 9는 보조 기기이다.
도2에 도시한 차량 제어 장치(36)는 마이크로 컴퓨터와 그 주변 부품을 구비하고, 차량의 운전 조건에 따라서 엔진(1)의 운전을 제어하여 정류기(3)를 거쳐서 발전 전력을 제어하는 동시에, 인버터(5)를 거쳐서 주행용 모터(6)의 회전수나 출력 토크 또는 회생 발전 전력 등을 제어한다.
이상은 본 발명이 적용 가능한 하이브리드 차량의 기본적인 구성예를 도시한 것으로, 본 발명은 이러한 하이브리드 차량에 있어서 축전 장치(4)를 구성하는 각 콘덴서(21) 사이의 전위의 변동을 줄여, 축전 장치(4)의 축전 전력을 최대한으로 확보하는 것을 목적으로 하고 있다.
본 발명은 축전 장치(4)에 각각 약 1000개의 콘덴서(21)에 의해 구성되는 제1 콘덴서 뱅크(12)와 제2 콘덴서 뱅크(13)를 구비한다. 콘덴서 뱅크는 이와 같이 적어도 2개 설치할 필요가 있다. 상기 제1, 제2 콘덴서 뱅크(12, 13)와 전원 회로(14) 사이에는 휴즈(45) 및 콘택터(16)를 거쳐서 각 전류 펌프(10)가 장착되어, 전원 회로(14)는 연결 박스(17)를 거쳐서 정류기(3) 및 인버터(5) 등에 접속된다.
도3에 도시한 바와 같이, 제1 콘덴서 뱅크(12)는 전원 회로(14, 15) 사이에 병렬로 장착되는 n개의 콘덴서 직렬 회로(22)를 구비하고, 각 콘덴서 직렬 회로(22)에 m개의 각 콘덴서(21)가 직렬로 장착된다. 따라서, 제1 콘덴서 뱅크(12)는 합계하면 m × n개의 콘덴서(21)에 의해 구성된다. 또, 제2 콘덴서 뱅크(13)도 제1 콘덴서 뱅크(12)와 마찬가지로 구성된다.
콘덴서 관리 시스템(37)은 마이크로 컴퓨터와 그 주변 부품을 구비하여, 차량 제어 장치(36)와의 사이에서 정보를 주고 받으며, 각 전류 펌프(10)를 거쳐서 제1, 제2 콘덴서 뱅크(12, 13)의 충방전을 제어한다. 또, 콘덴서 관리 시스템(37)은 차량 제어 장치(36)와 통합하는 것도 가능하다.
각 콘덴서 직렬 회로(22)의 동일 직렬단에 배치되는 n개의 콘덴서(21)가 병렬로 장착되는 콘덴서 병렬 회로(23)를 m개 구비하고, 각 콘덴서 병렬 회로(23)의 단자간 전압을 검출하는 개별 전압 검출 회로(35)를 구비하는 동시에, 각 콘덴서 병렬 회로(23)의 전하를 방전하여 그 단자간 전압을 조절하는 개별 방전 회로(25)를 구비한다.
도4에 도시한 바와 같이, 개별 방전 회로(25)는 정전압 다이오드(26)와 방전용 트랜지스터(28, 34)와 저항(29 내지 32) 및 포토 커플러(27) 등에 의해 구성된다. 정전압 다이오드(프로그래머블 션트 레귤레이터)(26)는 콘덴서 병렬 회로(23)의 단자간 전압이 콘덴서 관리 시스템(37)에 의해 지령되는 소정치 이상으로 상승하면 통전하고, 콘덴서 병렬 회로(23)의 전하를 저항(32) 및 방전용 트랜지스터(28)를 거쳐서 방전하는 동시에, 이 방전시에 포토 커플러(27)를 거쳐서콘덴서 관리 시스템(37)에 신호를 출력한다. 또, 포토 커플러(27)가 본 발명의 방전 상태 검출 수단에 상당한다.
콘덴서 관리 시스템(37)은 제1, 제2 콘덴서 뱅크(12, 13) 중 한 쪽을 중지 가능한 운전 상태를 판정하고, 제1, 제2 콘덴서 뱅크(12, 13) 중 각 콘덴서 병렬 회로(23)의 단자간 전압의 변동이 큰 쪽을 전류 펌프(10) 및 콘택터(16)를 거쳐서 중지시켜, 단자간 전압이 높은 콘덴서 병렬 회로(23)의 전하를 방전시켜 단자간 전압의 균일화를 도모하는 제어를 행한다.
도5, 도6의 흐름도는 상기 제어 루틴을 도시하고 있고, 이에 나타내는 처리는 콘덴서 관리 시스템(37)에 의해 주기적으로 실행된다. 즉, 제1 스텝에서 후술하는 각 플랙을 초기화하고, 제2 스텝에서 제1, 제2 콘덴서 뱅크(12, 13) 중 각 직렬단의 콘덴서(21)의 단자간 전압의 변동의 대소를 평가한다. 그리고 제1 콘덴서 뱅크(12)의 변동이 소정치보다 큰 경우에 플랙 A를 세트하고, 제2 콘덴서 뱅크(13)의 변동이 소정치보다 큰 경우에 플랙 B를 세트한다(제3 내지 제6 스텝).
플랙 A 또는 플랙 B가 세트된 경우, 제1, 제2 콘덴서 뱅크(12, 13)의 입출력 전류를 측정하고, 이 입출력 전류가 소정치 이하가 되는 제1, 제2 콘덴서 뱅크(12, 13)의 한 쪽을 중지 가능한 운전 상태를 판정한다(제7, 제9, 제10 스텝).
제1, 제2 콘덴서 뱅크(12, 13)의 한 쪽을 중지할 수 있는 운전 상태에 있는 경우 제1, 제2 콘덴서 뱅크(12, 13) 중 단자간 전압의 변동이 큰 쪽의 전류 펌프(10)를 정지하고, 각 콘덴서 병렬 회로(23)의 전하를 개별 방전 회로(25)를 거쳐서 개별로 방전하여 그 단자간 전압을 측정된 평균치에 근접시킨다(제12 내지제15 스텝).
제1, 제2 콘덴서 뱅크(12, 13)의 한 쪽을 중지할 수 있는 운전 상태로부터 떼어 낸 경우, 개별 방전 회로(25)의 작동을 정지하고, 전류 펌프(10)의 작동을 재개하여 플랙 A, B를 클리어한다(제16 내지 제19 스텝).
한편, 플랙 A 및 플랙 B가 세트되지 않을 경우, 혹은 제1, 제2 콘덴서 뱅크(12, 13)를 중지할 수 없는 경우, 상기 처리를 우회하여, 점화 스위치가 오프가 되는 것에 수반하여 본 루틴을 종료한다(제7, 제8, 제10, 제11 스텝).
또, 제9 내지 제14 스텝의 처리가 본 발명의 뱅크 중지 수단에 상당하고, 제15 스텝의 처리가 본 발명의 방전 제어 수단에 상당한다.
이에 의해, 각 콘덴서(21)의 정전 용량 등에 변동이 있어도, 각 콘덴서(21) 사이의 전위의 변동을 줄여 축전 전력을 최대한으로 확보할 수 있다. 축전 장치(4)는 2 × m × n개의 콘덴서(21)을 구비하고 있으므로, 각 콘덴서(21)의 정전 용량을 C, 내전압을 Vmax라 하면, 축전 장치(4)에 비축하게 되는 정전 에너지의 최대치 Emax는 다음 식으로 표현된다.
Emax= 2 × m × n × C × Vmax 2/2
또한, 축전 장치(4)의 충방전을 반복해도 각 콘덴서(21) 사이의 전위의 변동을 줄임으로써, 각 콘덴서(21)의 일부가 과충전되거나, 과방전 또는 역충전되는 것이 방지되어, 수명이 긴 전원 시스템을 실현할 수 있다.
상기 실시 형태는 시리즈식 하이브리드 전기 자동차를 전제로 하고 있지만, 본 발명은 패러렐식 하이브리드 전기 자동차나 발전기를 탑재하지 않은 전기 자동차, 연료 전지를 전원으로 하는 전기 자동차를 비롯한 다른 전기 자동차의 전원 시스템에도 적용 가능하다.

Claims (5)

  1. 복수의 콘덴서를 직렬 접속한 콘덴서 뱅크를 복수 개 병렬 접속한 구성의 축전 장치와,
    상기 각 콘덴서의 단자간 전압을 검출하는 개별 전압 검출 회로와,
    상기 축전 장치에 흐르는 전류에 따라서 상기 복수의 콘덴서 뱅크 중 적어도 어느 하나를 중지시키는 뱅크 중지 수단이고, 상기 뱅크 중지 수단은 검출된 콘덴서의 단자간 전압의 변동이 가장 큰 콘덴서 뱅크를 중지시키는 뱅크 중지 수단과,
    상기 각 콘덴서의 전하를 개별로 방전시키는 개별 방전 회로와,
    중지된 상기 콘덴서 뱅크에서 상기 각 콘덴서의 전하를 개별로 방전시켜 상기 각 콘덴서의 단자간 전압을 균일화하는 방전 제어 수단을 구비한 차량 구동용의 전원 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 콘덴서 뱅크는
    복수의 콘덴서를 직렬로 접속한 구성을 갖고 또한 전원 회로에 병렬로 접속하는 콘덴서 직렬 회로와,
    상기 각 콘덴서 직렬 회로의 동일 직렬단에 배치되는 콘덴서를 병렬로 접속하는 콘덴서 병렬 회로를 구비하고,
    상기 개별 방전 회로는 상기 각 콘덴서 병렬 회로의 전하를 개별로 방전시켜 각각의 단자간 전압을 균일화하는 구성으로 한 차량 구동용의 전원 시스템.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 방전 제어 수단은 각 콘덴서 병렬 회로의 단자간 전압의 평균치에까지 방전시키는 구성으로 한 차량 구동용의 전원 시스템.
  5. 제1항, 제2항 또는 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 개별 방전 회로에 의한 상기 콘덴서의 방전 상태를 검출하는 방전 상태 검출 수단을 구비한 차량 구동용의 전원 시스템.
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