KR100471236B1 - 전기자동차의 보조 배터리 전압 보상장치 - Google Patents

전기자동차의 보조 배터리 전압 보상장치 Download PDF

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Abstract

전기자동차에서 보조 배터리의 전압에 의해 구동되어지는 각종 전장 부하의 입력 전압 변동을 검출하여 보조 배터리에 충전되는 전압을 보상하도록 함으로써 전장 부하에 안정된 정전압이 공급되도록 하는 것으로,
메인 배터리와 복수개의 전장 부하 및 상기 복수개의 전장부하에 구동 전압을 공급하는 보조 배터리를 구비하는 전기자동차에 있어서, 메인 배터리 전압을 전장 부하의 전압으로 공급하기 위한 PWM 제어신호를 출력하는 메인 제어부와, 메인 제어부의 제어신호에 따라 PWM 스위칭을 수행하여 메인 배터리 전압을 전장 부하에서 요구되는 전압으로 변환하는 DC/DC 컨버터와, DC/DC 컨버터의 출력단 전압을 검출하는 제1전압 검출부와, 전장 부하측의 입력단 전압을 검출하는 제2전압 검출부와, 제1전압 검출부의 검출 전압과 제2전압 검출부의 검출 전압으로부터 보상값을 검출하여 메인 제어부측에 피드백 인가하는 보상값 검출부를 포함한다.

Description

전기자동차의 보조 배터리 전압 보상장치{ASSISTANCE BATTERY VOLTAGE COMPENSATION APPARATUS OF ELECTRIC VEHICLE}
본 발명은 전기자동차에 관한 것으로, 더 상세하게는 보조 배터리의 전압에 의해 구동되어지는 각종 전장 부하의 입력 전압 변동을 검출하여 보조 배터리에 충전되는 전압을 보상하도록 함으로써 전장 부하에 안정된 정전압이 공급되도록 한 전기자동차의 보조 배터리 전압 보상장치에 관한 것이다.
일반적으로, 차량 대수의 폭발적인 증가에 따라 배기가스에 의한 대기 오염이 사회적 문제로 대두되고 있어, 한정된 천연자원을 사용하지 않는 전기자동차(EV)나 연비 고효율의 하이브리드 전기자동차(HEV), 연료전지 자동차(FCEV)의 연구 개발이 활발하게 진행되어 실용화 단계까지 진행되고 있다.
전기자동차(EV)나 하이브리드 전기자동차(HEV,FCEV)의 일반적인 개략적 구성은 첨부된 도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 주 동력원인 메인 배터리(10)와, 갑작스런 시스템 부하의 급상승이나 시스템 오프시 상위 프로세서에서 인가되는 제어신호에 따라 내부의 접점을 오프시켜 메인 배터리(10)의 전압이 부하측으로 공급되는 것을 차단시키는 SDU(Safety Disconnect Unit : 20)와, 상기 메인 배터리(10)에서 부하측으로 공급되는 전압과 메인 배터리(10)로부터 차량 전장용 부하의 전원을 담당하는 보조 배터리(100)의 충전시 충전 전압을 일정 전압으로 안정되게 조절하는 DC/DC 컨버터(30)와, 메인 배터리(10) 내부의 전압 센서로부터 배터리 모듈의 셀 전압을 검출하고, 각 배터리 모듈의 출력 전류를 검출하여 각종 한계값의 설정과 모터 제어에 필요한 충전상태(SOC)의 정보를 출력하는 BMS(40)와, 상기 BMS(40)로부터 인가되는 메인 배터리(10)의 충전상태(SOC) 정보와 SDU(20)의 출력단에서 검출되는 DC버스의 전류 정보 및 전해 콘덴서(C)의 출력단에 접속되어 있는 전압센서(S1)로부터 DC 버스의 전압 및 각종 피드백 제어정보를 검출 분석하여 모터(M)의 구동 및 전반적인 동작을 제어하며, 상기 DC 버스의 전압으로부터 전해 콘덴서(C)의 등가직렬저항(ESR)의 증가 여부를 검출하여 전해 콘덴서(C)의 이상여부를 판단하는 메인 제어부(50)와, 상기 메인 제어부(50)의 제어신호에 따라 모터(M) 구동 제어를 위한 드라이브 신호를 출력하는 게이트 드라이버(60) 및 상기 게이트 드라이버(60)의 구동 신호에 따라 PWM 스위칭을 수행하여 모터(M)의 구동을 수행시키는 PWM 인버터(70)로 구성된다.
또한, 배터리(10)의 방전으로 인한 충전시 BMS(40)를 접속하며 전원 소오스(90)에 연결되는 충전장치(80)가 더 포함된다.
상기한 구성을 갖는 전기자동차 혹은 하이브리드 전기자동차는 일반 내연기관의 차량과는 상이하게 각 전장용 부하의 구동 전압을 공급하는 보조 배터리(100)의 충전을 위하여 수백 V의 전압을 유지하고 있는 메인 배터리(10)의 전압을 각 전장 부하의 전압에 적합한 12V의 전압으로 변환하는 DC/DC 컨버터(30)를 채용하고 있다.
그러나, DC/DC 컨버터(30)의 경우 전기자동차의 특성상 전기로 구동하는 전자식 파워 스티어링, 냉각수 순환을 위한 워터 펌프, 에어콘 등의 부하 요소의 증가와 대용량화에 따라 DC/DC 컨버터(30)의 용량 증가와 보조 배터리(100)의 충전 용량 증가를 요구하고 있다.
상기한 설명에서 알 수 있는 바와 같이, 전기자동차에서 12V 부하를 사용하는 전장 부하중에서 전자식 파워 스티어링의 경우 대략, 100A 정도의 대용량 전류가 공급되고 있는데, DC/DC 컨버터(30)와 전자식 파워 스티어링을 연결하는 라인 사이의 라인 임피던스(Line Impedance)를 RL이라 하면 DC/DC 컨버터(30)에서 전자식 파워 스티어링으로 흐르는 전류 I에 비례하여 I * RL 만큼의 전압 강하가 발생하게 된다.
일예를 들어, 라인 임피던스가 대략 0.01Ω으로 낮은 저항값을 갖는다고 가정하면 100A * 0.01Ω = 1V 만큼의 라인 전압강하가 발생하게 된다.
따라서, DC/DC 컨버터(30)에서 전자식 파워 스티어링에 요구되는 정상적인 전압을 공급한다고 하여도 전자식 파워 스티어링에는 실질적으로 I * RL 만큼의 전압 강하가 발생된 전압이 공급되게 된다.
이러한 전압강하는 전장 부하가 요구하는 전류의 양에 따라 변하게 되므로 전자식 파워 스티어링 관점에서는 입력되는 전압이 계속 변동을 하게 되어 전자식 파워 스티어링의 신뢰성이 일정한 정전압을 공급 받는 것보다는 떨어지게 되며 고장의 발생도 증가하게 된다.
또한, 보조 배터리(100)의 전압이 안정한 영역의 최하의 값으로 전자식 파워 스티어링에 전압을 공급하는 경우 전자식 파워 스티어링은 낮은 전압상태에서 같은 용량을 받기 위하여 더 많은 전류를 소모하게 되며 그로 인한 전압강하는 더욱 크게 된다.
이러한 문제로 인하여 실제 보조배터리의 전압 기준으로는 정상적인 동작이 가능한 것으로 판단되어지나 전자식 파워 스티어링 기준으로는 낮은 전압의 공급에 의하여 동작 불능의 상태가 되는 문제점이 발생된다.
또한, 보조 배터리에 충전 전압을 공급하는 DC/DC 컨버터는 구조적으로 1차측과 2차측이 서로 절연된 상태에서 메인 제어부의 PWM(Pulse Width Modulation) 신호에 의해 출력 용량이 제어되며, 출력단의 전압이 센싱되어 1차측 스위칭 소자의 PWM 온/오프를 제어하여 실질적인 출력 전압을 제어하고 있다.
따라서, DC/DC 컨버터의 출력단 전압의 센싱을 통해 출력 전압을 제어하는 경우 많은 전장 부하에 대하여 라인 임피던스에 의한 전압 강하를 고려하지 않은 관계로 전장 부하측에 정상적인 전압 및 전류를 공급하지 못하게 되며, 이로 인하여 전장 부하의 동작 불능 및 고장 발생의 원인으로 작용하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로, 그 목적은 전기자동차에서 보조 배터리가 여러 전장 부하에 안정된 구동 전압을 공급할 수 있도록 하기 위하여 DC/DC 컨버터의 출력단 전압과 전장 부하의 입력단 전압을 검출한 다음 DC/DC 컨버터의 온/오프 PWM 신호를 제어함으로써 전장 부하를 연결하는 라인 임피던스에 의한 전압 강하를 보상하여 실질적인 전장 부하측에 일정한 정전압이 공급되도록 함으로서 전장 부하의 구동에 안정성 및 신뢰성을 제공하도록 한 것이다.
또한, 전장 부하의 용량 변화에 따라 변동하는 보조 배터리의 충전 전압을 안정되게 유지하도록 한 것이다.
상기와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은 메인 배터리와 복수개의 전장 부하 및 상기 복수개의 전장부하에 구동 전압을 공급하는 보조 배터리, 상기 메인 배터리 전압을 전장 부하의 전압으로 공급하기 위한 PWM 제어신호를 출력하는 제어부, 상기 제어부의 제어신호에 따라 PWM 스위칭을 수행하여 상기 메인 배터리 전압을 전장 부하에서 요구되는 전압으로 변환하는 DC/DC 컨버터를 구비하는 전기자동차에 있어서,상기 DC/DC 컨버터의 출력단 전압을 검출하는 제1전압 검출부와; 상기 전장 부하측의 입력단 전압을 검출하는 제2전압 검출부와; 상기 제1전압 검출부의 검출 전압과 제2전압 검출부의 검출 전압으로부터 보상값을 검출하여 상기 메인 제어부측에 피드백 인가하는 보상값 검출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 전기자동차의 보조 배터리 전압 보상장치는 메인 제어부(210)와, DC/DC컨버터(220), 보조 배터리(230), 복수개의 전장 부하(240A-240N), 제1전압 검출부(250), 제2전압 검출부(260A~260N) 및 보상값 검출부(270)로 이루어지는데, 메인 제어부(210)는 전기자동차(EV) 혹은 하이브리드 자동차(HEV,FCEV)에서 제반적인 동작을 제어하며, 수백 V의 메인 배터리 전압을 전장 부하의 전압으로 공급하기 위한 PWM 스위칭을 제어한다.
DC/DC 컨버터(220)는 메인 제어부(210)에서 인가되는 제어신호에 따라 PWM 스위칭을 수행하여 수백 V의 메인 배터리 전압을 전장 부하에서 요구되는 전압, 대략 12V의 전압으로 변환하는 기능을 담당한다.
보조 배터리(230)는 상기 DC/DC 컨버터(220)에서 인가되는 전장 부하용 전압을 충전하며, 충전된 전압을 각 전장 부하측에 요구 전압을 공급한다.
복수개의 전장부하(240A-240N)는 전기자동차 혹은 하이브리드 전기자동차에서 운전자에서 편리성을 제공하기 위한 전자식 파워 스티어링, 워터 펌프, 에어콘, 등화장치 등등으로 구성된다.
제1전압 검출부(250)는 DC/DC 컨버터(220)의 출력단에 접속되어 보조 배터리(230)를 통해 전장 부하(240A-240N)측에 공급되는 DC/DC컨버터(220)의 출력단 전압(Vdc)을 검출한다.
제2전압 검출부(260A-260N)은 보조 배터리(230)로부터 각각의 전장 부하요소(240A-240N)측에 공급되는 각 전장 부하요소(240A-240N)의 입력단 전압(VFB1-VFBn)을 검출한다.
보상값 검출부(270)는 상기 제1전압 검출부(250)의 출력단 전압(Vdc)와 제2전압 검출부(260A-260N)의 입력단 전압(VFB1-VFBn)으로부터 보상값을 검출하여 메인 제어부(210)측에 제공한다.
상기의 보상값 검출부(270)는 첨부된 도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 제1전압 검출부(250)의 출력단 전압(Vdc)이 저항(R1a-R1n)을 통해 일측단자(-)에 공급되고, 제2전압 검출부(260A-260N)의 입력단 전압(VFB1-VFBn)이 저항(R2a-R2n)을 통해 다른 일측단자(+)에 공급되며, 상기 입력되는 각각의 전압을 비교하여 그에 대한 결과를 출력하는 복수개의 비교기(CP1-CPn)와, 상기 복수개의 비교기(CP1-CPn)의 출력을 일측단자(+)에 저항(R12)을 통해 설정되는 기준 전압과 비교한 다음 그 결과를 차동 증폭하여 보상값(VFB)을 출력하는 차동증폭기(CP10)로 이루어진다.
전술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명에서 전장 부하에 공급되는 전압의 검출을 통해 보조 배터리에 충전되는 전압을 보상하는 동작은 다음과 같다.
임의의 전장 부하(240A), 예를들어 전자식 파워 스티어링의 구동에 따라 보조 배터리(230)로부터의 전압 요구가 발생되면 메인 제어부(210)는 DC/DC 컨버터(220)를 PWM 스위칭 제어하여 전장 부하(240A)인 전자식 파워 스티어링의 요구 전압에 필요한 전압을 보조 배터리(230)측에 충전하여 준다.
이때, 제1전압 검출부(250)는 DC/DC 컨버터(220)의 출력단 전압(Vdc)을 검출하여 그에 대한 값을 보상값 검출부(270)측에 인가하고, 제2전압 검출부(260A)는 임의의 전장 부하(240A)의 입력단 전압(VFB1)을 검출하여 보상값 검출부(270)측에 인가한다.
상기에서 제2전압 검출부(260A)에 검출되는 전장 부하(240A)의 입력단 전압(VFB1)은 보조 배터리(230)와 전장 부하(240A)간의 라인 임피던스 전압 강하(I1 * PL1)에 의한 전압이 검출된다.
이때, 보상값 검출부(270)는 도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 제1전압 검출부(250)의 전압값(Vdc)와 제2전압 검출부(260A)의 전압값(VFB1)을 비교한 다음 차동 증폭하여 그 결과값(VFB)을 메인 제어부(210)측에 입력한다.
따라서, 메인 제어부(210)는 보상값 검출부(270)에서 인가되는 보상값(VFB)에 따라 DC/DC 컨버터(220)의 PWM 스위칭을 제어하여 보조 배터리(230)에 공급되는 충전 전압을 보상함으로써, 전장 부하(240A)에 안정된 정전압이 공급되도록 한다.
상기에서 하나의 전장 부하의 전압 요구에 대하여 설명하였으나, 전기자동차 혹은 하이브리드 전기자동차의 경우, 여러 종류의 전장 부하가 연결되므로 시스템의 설계시 가장 큰 부하만을 제어하는 방식을 적용하여 부하 용량이 큰 상위 몇 개를 병렬로 제어하는 방식을 적용한다.
이의 경우 도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 다중 전장 부하(240A-240N)에서 구동 전압이 요구되는 경우 DC/DC컨버터(220)의 출력단 전압은 Vdc이고, 각 전장 부하(240A-240N)의 입력단 전압은 VFB1,VFB2,…,VFBn이 된다.
따라서, 제1비교기(CP1)의 출력단 전압 V1은 (Rx1a/R1a) * (VFB1-Vdc)가 되고, 제2비교기(CP2)의 출력단 전압 V2는 (Rx1b/R1b) * (VFB2-Vdc)가 되며, 제N비교기(CPn)의 출력단 전압 Vn은 (Rx1n/R1n) * (VFBn-Vdc)가 된다.
그러므로, 각 비교기(CP1-CPn)의 출력단 전압을 합한 다음 차동증폭기(CP10)를 통해 차동 증폭하여 보상 전압값을 검출하여 메인 제어부(210)측에 인가함으로써 전장 부하 요소의 증감에 따른 부하 변동에 따라 PWM 스위칭 제어를 통해 각 전장 부하의 요소에 항상 정전압이 공급되도록 한다.
상기에서 전장 부하가 서로 다른 부하 용량의 크기를 갖는 경우 각 비교기(CP1-CPn)의 이득값(Rx1a, Rx1b, …, Rx1n)의 조정을 통해 전장 부하의 용량 크기에 따른 이득을 조정한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 전기자동차에서 전장 부하측에 공급되는 전압이 라인 임피던스의 전압 강하를 보상한 정전압이 공급되므로, 전장 부하의 구동에 안정성 및 신뢰성이 제공된다.
또한, 차량 전장 부하 요소가 42V의 전압을 필요로 하는 대용량 부하 요소가 추가되는 경우 기존의 12V의 전장 부하와 안정되게 혼합 사용할 수 있어 시스템의 확장에 편리성이 제공된다.
도 1은 일반적인 전기자동차의 개략적인 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 전기자동차의 보조 배터리 전압 보상장치에 대한 구성도.
도 3은 도 2의 구성에서 부하측 입력전압 검출부에 대한 상세 구성도.

Claims (5)

  1. 메인 배터리와 복수개의 전장 부하 및 상기 복수개의 전장부하에 구동 전압을 공급하는 보조 배터리, 메인 배터리 전압을 전장 부하의 전압으로 공급하기 위한 PWM 제어신호를 출력하는 제어부, 상기 제어부의 제어신호에 따라 PWM 스위칭을 수행하여 상기 메인 배터리 전압을 전장 부하에서 요구되는 전압으로 변환하는 DC/DC 컨버터를 구비하는 전기자동차에 있어서,
    상기 DC/DC 컨버터의 출력단 전압을 검출하는 제1전압 검출부와;
    상기 전장 부하측의 입력단 전압을 검출하는 제2전압 검출부와;
    상기 제1전압 검출부의 검출 전압과 제2전압 검출부의 검출 전압으로부터 전압차에 대한 편차 만큼의 보상값을 검출하여 상기 메인 제어부측에 피드백 인가하는 보상값 검출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 보조 배터리 전압 보상장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기의 보상값 검출부는 제1전압 검출부의 검출 전압과 제2전압 검출부의 검출 전압을 비교하는 비교기로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 보조 배터리 전압 보상장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 보상값 검출부는 서로 다른 용량의 전장 부하가 장착되는 경우 부하 용량이 큰 상위의 부하 요소를 병렬로 접속하며, 각 출력단의 전압을 가산한 다음 차동증폭을 통해 보상 전압값을 검출하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 보조 배터리 전압 보상장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 보상값 검출부는 전장 부하의 용량 크기가 서로 다른 경우 비교기의 이득 크기를 조정하여 각각의 전장 부하측에 정전압이 공급되도록 하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 보조 배터리 전압 보상장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 보상값 검출부는 42V계의 전장 부하에 적용하여 12V계의 전장 부하와 혼합 사용하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 보조 배터리 전압 보상장치.
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