KR100535416B1

KR100535416B1 - 복합 전압 시스템 차량의 충/방전 회로

Info

Publication number: KR100535416B1
Application number: KR10-2003-0088017A
Authority: KR
Inventors: 임성엽
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2003-12-05
Filing date: 2003-12-05
Publication date: 2005-12-08
Also published as: KR20050054624A

Abstract

본 발명은 양방향 직류 변환 장치를 삭제하며, 단방향 직류 변환 장치의 적용시 보다도 시스템 전(全)효율의 향상 및 저가의 시스템 구성을 가능하게 하는 복합 전압 시스템 차량의 충/방전 회로에 관한 것으로, 서로 다른 전원 용량을 갖는 제1, 제2 배터리를 가지며, 전장품의 부하에 따라 해당되는 전원을 공급하는 차량의 충/방전 회로에 있어서, 상기 차량의 운전 조건에 따라 발전기와 시동 전동기의 기능을 하는 시동 발전기와; 상기 시동 발전기의 동작을 제어하는 시동 발전기 제어유닛과; 상기 제1, 제2 배터리와 전기적인 회로를 구성하며, 상기 제1, 제2 배터리간의 전압 흐름을 연결하는 연결 회로와; 상기 제1, 제2 배터리와 전기적인 회로를 구성하며, 상기 제1, 제2 배터리를 충전하는 충전 회로를 포함하여 구성한다.

Description

복합 전압 시스템 차량의 충/방전 회로{GENERATING/DISCHARGING CIRCUIT OF MULTIPLE VOLTAGE SYSTEM IN VEHICLE}

본 발명은 복합 전압 시스템 차량의 충/방전 회로에 관한 것이다.

통상적으로, 차량의 신기술 부품 개발 적용이 확대되면서 배터리 전력 소모량이 증가하게 됨에 따라 고효율, 고용량 발전 시스템의 개발이 요구되고 있다.

현재 대부분의 승용 차량에 적용되고 있는 14V 전원 시스템으로 공급할 수 있는 최대 파워는 약 3KW정도로 예측되고 있으며, 이에 차량 업계에서는 차세대 전원 시스템으로 42V 시스템을 연구하고 있다.

도 1은 서로 다른 전원 용량을 갖는 제1, 제2 배터리를 가지며, 전장품의 부하에 따라 해당되는 전원을 공급하는 차량의 전원 제어 시스템의 구성을 도시한 것이다.

제1, 제2 배터리는 각각 12V, 36V의 전원용량을 가지며, 차량에는 적어도 한 개 이상의 42V화 전장품이 장착된다.

도 1을 참조하면, 종래 기술에 따른 차량의 전원 제어 시스템은 차량의 운전 조건에 따라 발전기와 시동 전동기의 기능을 하는 시동 발전기(ISG ; Integrated Starter Generator, IGS ; Integrated Generator Starter), 시동 발전기 제어유닛(ISG Control Unit), 제1, 제2 배터리간의 전압을 변환시키는 양방향 직류 변환 장치(직류/직류 컨버터 ; DC/DC Converter)를 포함하여 구성한다.

도 2 내지 도 4는 종래 기술에 따른 차량의 전원 제어 시스템의 동작 상태를 도시한 도면이다.

먼저, 도 2는 시동 발전기(ISG)의 모터링(Motoring) 운전시 전원 공급 상태이다.

시동 발전기의 모터링 운전은 엔진 토크를 상승(Boost)시키거나 엔진 크랭킹(Cranking, Starting)시에 동작한다.

① 제2 배터리(42V 전원 공급)→시동 발전기 제어유닛(모터 제어기/인버터로 구동)→시동 발전기 모터링 운전

도 3은 시동 발전기의 발전(Generating) 운전시 전원 공급 상태이다.

시동 발전기의 발전 운전은 엔진의 정상(Normal) 동작시 또는 아이들(Idle, ISG On/Off 선택)시 또는 제동(Braking)시에 동작한다.

① 42V 계열 시스템 : 시동 발전기 발전 출력→시동 발전기 제어유닛(42V 정전압 제어)→제2 배터리 충전(42V 전원 배터리 충전)

② 14V 계열 시스템 : 시동 발전기 발전 출력→시동 발전기 제어유닛 또는 제2 배터리→양방향 직류 변환 장치→제1 배터리 충전

도 4는 42V 계열 시스템의 제2 배터리 방전시 전원 공급 상태이다.

① 제1 배터리 동력(Power)→양방향 직류 변환 장치→제2 배터리 충전,

② 시동 발전기 모터링 운전 개시(도 2 참조)

차량의 거의 모든 부하장치는 14V 계열 시스템으로 구성되어 있으므로, 대부분의 에너지 흐름(Power Flow)은 42V(제2 배터리)에서 14V(제1 배터리)쪽으로 단방향인데, 양방향 직류 변환 장치(DC/DC Converter)를 적용하는 경우 42V 계열 시스템의 제2 배터리 방전시(예기치 못한 사고로 인한 12V 이하의 방전)를 제외하고는 양방향 직류 변환 장치의 역방향으로의 동작은 거의 이루어지지 않는다.

또한, 12V측과 42V측의 부하가 생긴다고 해도 주에너지원이 시동 발전기(ISG)이므로 양방향 직류 변환 장치의 역방향으로의 동작은 없고 정방향으로의 동작만 있다고 볼 수 있다.

따라서, 상기한 바와 같이 42V 계열의 제2 배터리 방전시에만 역방향의 에너지 흐름이 필요하게 되므로 직류 변환 장치의 이용률 측면에서 단방향 직류 변환 장치의 적용이 타당할 것 같다.

단, 제2 배터리 방전시에만 대비할 수 있는 별도의 회로를 추가해야 한다.

그렇지만, 단방향 직류 변환 장치를 적용한 경우 2단계의 에너지 변환에서 교류 발전이 이루어진다.

시동 발전기 제어유닛(ISG Control Unit)에서 42V 직류 변환/정전압 제어→단방향 직류 변환 장치를 통해 14V 직류 변환으로 인해 시스템의 전(全)효율은 감소할 뿐만 아니라 그 가격이 기존의 14V 계열의 교류 발전기(Alternator) 사용 가격보다도 고가(高價)이기 때문에, 상기 모든 동작을 만족할 수 있는 저가(低價)의 다른 구조의 회로가 요구된다.

본 발명의 목적은 양방향 직류 변환 장치를 삭제하며, 단방향 직류 변환 장치의 적용시 보다도 시스템 전(全)효율의 향상 및 저가의 시스템 구성을 가능하게 하는 복합 전압 시스템 차량의 충/방전 회로를 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 서로 다른 전원 용량을 갖는 제1, 제2 배터리를 가지며, 전장품의 부하에 따라 해당되는 전원을 공급하는 차량의 충/방전 회로에 있어서, 상기 차량의 운전 조건에 따라 발전기와 시동 전동기의 기능을 하는 시동 발전기와; 상기 시동 발전기의 동작을 제어하는 시동 발전기 제어유닛과; 상기 제1, 제2 배터리와 전기적인 회로를 구성하며, 상기 제1, 제2 배터리간의 전압 흐름을 연결하는 연결 회로와; 상기 제1, 제2 배터리와 전기적인 회로를 구성하며, 상기 제1, 제2 배터리를 충전하는 충전 회로를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기 설명 및 첨부 도면과 같은 많은 특정 상세들이 본 발명의 보다 전반적인 이해를 제공하기 위해 나타나 있으나, 이들 특정 상세들은 본 발명의 설명을 위해 예시한 것으로 본 발명이 그들에 한정됨을 의미하는 것은 아니다. 그리고 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 복합 전압 시스템 차량의 충/방전 회로를 도시한 도면이다.

도 5를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 42V/14V 복합 전압 시스템 차량의 충/방전 회로를 설명한다.

본 발명의 실시예는 서로 다른 전원 용량을 갖는 제1, 제2 배터리를 가지며, 전장품의 부하에 따라 해당되는 전원을 공급하는 차량의 충/방전 회로에 관한 것으로, 시동 발전기, 시동 발전기 제어유닛, 연결 회로, 충전 회로(12V 충전 회로)를 포함하여 구성한다.

제1 배터리(12V BATT.)와 제2 배터리(36V BATT.)는 각각 12V, 36V의 전원용량을 갖는다.

시동 발전기(ISG ; Integrated Starter Generator 또는 IGS ; Integrated Generator Starter)는 차량의 운전 조건에 따라 발전기와 시동 전동기의 기능을 한다.

시동 발전기는 시동 발전기 제어유닛과 충전 회로의 사이에 교류 3상 결선 회로로 구성되는 고정자(또는 전기자)와, 고정자에 자장을 형성시키는 영구 자석으로 구성되는 회전자(또는 계자)를 포함하여 구성한다.

시동 발전기 제어유닛(ISG Control Unit)은 시동 발전기의 동작을 제어하는 기능을 한다.

시동 발전기 제어유닛내에는 시동 발전기와 제2 배터리 사이에 전기적인 회로를 구성하며, 모터링 운전시에는 인버터를 구성하고, 발전(Generating) 운전시에는 안정적인 전원 공급 및 충전을 위해 정전압 제어(42V)를 하는 제어 스위치(S1~S6)를 구성한다.

제어 스위치는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)로 구성한다.

또한, 제어 스위치는 금속 산화 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET) 또는 파워 제어 소자로 구성할 수 있다.

이와 같은 구성에 따라 시동 발전기는 제어 스위치(S1~S6)의 온/오프 위상각을 가변시키면서 시동 발전기의 교류 출력 전압을 직접 제어한다.

시동 발전기의 회전자는 전자석 코일의 계자로 구성할 수 있다.

이러한 경우 시동 발전기는 시동 발전기 제어유닛의 제어 로직에 의해 계자 전류를 제어하여 정전압 제어(42V)를 한다.

제2 배터리의 충전 전압을 42V로 정전압 제어하는 경우, 시동 발전기의 교류 단자 전압과 상전압은 일정한 값으로 제어된다.

연결 회로는 제1, 제2 배터리와 전기적인 회로를 구성하며, 제1, 제2 배터리간의 전압 흐름을 연결하는 기능을 한다.

충전 회로는 제1, 제2 배터리와 전기적인 회로를 구성하며, 제1, 제2 배터리를 충전하는 기능을 한다.

연결 회로와 충전 회로에는 상기 제1, 제2 배터리간의 전압차 또는 전위차에 의한 에너지 역류를 방지하기 위한 다이오드를 구성한다.

다이오드는 제1 다이오드(Diode 1), 제2 다이오드(Diode 2), 제3 다이오드(Diode 3)를 포함하여 구성한다.

제1 다이오드는 시동 발전기와 제1 배터리를 연결하는 전기적인 회로에 장착되어 제1 배터리로부터 시동 발전기로 에너지가 역류되는 것을 방지한다.

제2 다이오드는 제1 배터리와 접지단 사이를 연결하는 전기적인 회로에 장착되어 접지단으로부터 제1 배터리로 에너지가 역류되는 것을 방지한다.

제3 다이오드는 제1 배터리와 제2 배터리를 연결하는 전기적인 회로에 장착되어 제2 배터리로부터 제1 배터리로 에너지가 역류되는 것을 방지한다.

충전 회로는 제2 다이오드와 전기적인 회로를 구성하여 제1 배터리 부동 충전(14V±0.5V)을 위한 전압 리미팅 회로를 구성하는 제너 다이오드(Zener Diode)를 더 포함하여 구성한다.

연결 회로에는 제3 다이오드의 캐소우드단과 제2 배터리 사이의 전기적인 회로에 장착되어 제1 배터리에서 제2 배터리로의 에너지 공급 경로를 단속하는 스위치(S/W)를 더 포함하여 구성한다.

스위치는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT), 전계 효과 트랜지스터 (FET), 마그네트 콘텍터(Magnet Contactor) 혹은 수동 제어 스위치로 구성이 가능하다.

스위치는 정상 운전시, 오프(OFF)상태를 유지한다.

상기와 같은 구성에 따라 본 발명의 실시예는 종래 기술에서 이용률이 저조한 양방향 직류 변환 장치(DC/DC Converter)를 삭제하며, 단방향 직류 변환 장치의 적용시 보다도 시스템 전(全)효율의 향상 및 저가의 시스템 구성을 가능하게 한다.

그리고, 시동 발전기 제어유닛과 단일 패키지(One Package)화가 가능하도록 하며, 기존의 기능들(시동 발전기 운전 및 12V/36V 배터리 충전 기능)을 모두 수행할 수 있는 특징이 있다.

도 6 내지 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 복합 전압 시스템 차량의 충/방전 동작 상태를 도시한 도면이다.

도 6 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 복합 전압 시스템 차량의 충/방전 동작을 설명한다.

먼저, 도 6은 시동 발전기(ISG)의 모터링(Motoring) 운전시 전원 공급 상태이다.

제2 배터리(42V 전원 공급)→시동 발전기 제어유닛→시동 발전기 모터링 운전

도 7은 시동 발전기의 발전(Generating) 운전시 전원 공급 상태이다.

② 14V 계열 시스템 : 시동 발전기의 상전압 가운데 V상의 출력이 시동 발전기 제어유닛내 제어 스위치 S6(S1/S6 도통시), 12V 충전 회로를 통하여 제1 배터리를 충전한다.

예를 들어, 시동 발전기 제어유닛내 제어 스위치(S1~S6)를 정류소자(예, 다이오드)로 치환하여 3상 전파 정류 회로를 구성하고 시동 발전기의 직류 출력 전압(제2 배터리 충전 전압, 직류 평균 전압(Edc))이 42V 맥동 전압(Regulation)이 된다고 가정하면,

이때, 시동 발전기 3상 권선의 교류(AC) 선간 전압의 실효치 Vl=31.1[V](직류 평균 전압(Edc)=1.35*Vl, 다이오드의 전압 강하 무시)로 유지되고, 그 상전압의 실효치(Vp)=Vl/√3 ≒ 18[V]가 발생한다.

도 7에 도시된 바와 같이 시동 발전기 3상 권선의 중성점(n상)을 이용하여 12V 충전 회로(리미팅 회로를 이용하거나 제어 소자를 이용한 14V 정전압 회로)를 구성하게 되면, 3상 반파 정류 회로를 구성할 수 있다.

이는 기존의 순방향 3상 반파 정류 회로(3상 상전압 가운데 가장 큰 것의 지로(枝路)만 정류 소자의 작용으로 접속됨.)가 아닌 역방향 3상 반파 정류 회로로 구성된다.

이것은 n상을 기준으로 -방향으로 3상 상전압이 가장 큰 것의 지로만 정류 소자의 작용으로 접속된다.

도 7을 참조하면, 제어 스위치(S1/S6)단의 정류 소자를 통해 동력(Power) 흐름이 생길 경우, S6단에 접속된 V상의 상전압이 n상을 기준으로 -방향으로 가장 크기 때문에 V상의 교류 동력(AC Power)을 이용하여 제1 배터리를 충전하게 된다.

이때 시동 발전기 3상 상전압의 실효치를 역방향 3상 반파 정류 회로로 정류하게 되면, 직류 출력 전압(제1 배터리 충전 전압)의 평균치(Edc)=1.17*Vp ≒ 21[V]가 된다.

그런데, 이 직류 전압을 그대로 제1 배터리를 충전하는데 사용할 수 없으므로, 12V 충전 회로의 출력단에 도 7에 도시된 바와 같이 전압 리미팅 회로 또는 제어 소자를 이용한 14V 정전압 회로를 구성하여 부동 충전 방식(14V±0.5V)으로 제1 배터리를 충전한다.

시동 발전기의 제어유닛내 제어 스위치(S1~S6)가 제어 정류 소자(예 : 사이리스터(SCR), 절연 바이폴라 트랜지스터(IGBT), 전계 효과 트랜지스터(FET))라 할지라도 그 직류 출력 전압의 파형이나 맥동치의 차이만 존재할 뿐 상기한 바와 같이 본 발명의 실시예에 의해 양방향 혹은 단방향 직류 변환 장치 없이 제1 배터리를 충전할 수 있다.

도 8은 42V 계열 시스템의 제2 배터리 방전시 전원 공급 상태이다.

제2 배터리가 예기치 못한 사고로 인해 12V 이하로 방전되어 시동 발전기의 초기 구동이 불가능 할 경우, 14V→42V 연결 회로내 스위치(S/W)를 온(ON)시켜 제1 배터리를 시동 발전기 제어유닛에 연결한 다음, 시동 발전기를 구동(초기 엔진시동 동력은 수백 W이내이므로 제1 배터리로 시동이 가능하다.)시켜 엔진의 힘으로 시동 발전기가 발전하게 된 후, 스위치(S/W)를 오프(OFF)시킨다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 복합 전압 시스템 차량의 충/방전 회로는 종래 기술에서 이용률이 저조한 양방향 직류 변환 장치(DC/DC Converter)를 삭제할 수 있으며, 양방향 직류 변환 장치의 적용시 보다도 시스템 전(全)효율의 향상을 도모할 수 있다.

또한, 양방향 직류 변환 장치의 적용시 보다도 저가(低價)의 시스템 구성이 가능하며, 시동 발전기 제어유닛과 단일 패키지(One Package)화가 가능하다.

도 1은 서로 다른 전원 용량을 갖는 제1, 제2 배터리를 가지며, 전장품의 부하에 따라 해당되는 전원을 공급하는 차량의 전원 제어 시스템의 구성을 도시한 도면.

도 2 내지 도 4는 종래 기술에 따른 차량의 전원 제어 시스템의 동작 상태를 도시한 도면.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 복합 전압 시스템 차량의 충/방전 회로를 도시한 도면.

도 6 내지 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 복합 전압 시스템 차량의 충/방전 동작 상태를 도시한 도면.

Claims

서로 다른 전원 용량을 갖는 제1, 제2 배터리와 차량의 운전 조건에 따라 발전기와 시동 전동기의 기능을 하는 시동 발전기와 시동 발전기의 동작을 제어하는 시동 발전기 제어유닛을 포함하여 차량 전장품의 부하에 따라 해당되는 전원을 공급하는 차량의 충/방전 회로에 있어서,

시동 발전기와 제1 배터리를 연결하는 전기적인 회로에 장착되어 상기 제1 배터리로부터 시동 발전기로 에너지가 역류되는 것을 방지하는 제1 다이오드와, 상기 제1 배터리와 접지단 사이를 연결하는 전기적인 회로에 장착되어 상기 접지단으로부터 제1 배터리로 에너지가 역류되는 것을 방지하는 제2 다이오드와, 상기 제2 다이오드와 전기적인 회로를 구성하여 상기 제1 배터리 부동 충전을 위한 전압 리미팅 회로를 구성하는 제너 다이오드로 구성되어 상기 제1, 제2 배터리를 충전하는 충전회로와;

상기 제1 배터리와 제2 배터리를 연결하는 전기적인 회로에 장착되어 상기 제2 배터리로부터 상기 제1 배터리로 에너지가 역류되는 것을 방지하는 제3 다이오드와, 상기 제3 다이오드의 캐소우드단과 상기 제2 배터리 사이의 전기적인 회로에 장착되어 상기 제1 배터리에서 상기 제2 배터리로의 에너지 공급 경로를 단속하는 스위치로 구성되어 상기 제1, 제2 배터리간의 전압 흐름을 연결하는 연결 회로;

를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 복합 전압 시스템 차량의 충/방전 회로.
삭제
삭제
삭제
삭제
제1항에 있어서, 상기 스위치는 정상 운전시, 오프(OFF)상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 복합 전압 시스템 차량의 충/방전 회로.
제1항에 있어서, 상기 시동 발전기는

상기 시동 발전기 제어유닛과 상기 충전회로의 사이에 교류 3상 결선 회로로 구성되는 고정자와;

상기 고정자에 자장을 형성시키는 영구 자석으로 구성되는 회전자를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 복합 전압 시스템 차량의 충/방전 회로.
제1항에 있어서, 시동 발전기 제어유닛내에는 상기 시동 발전기와 상기 제2 배터리 사이에 전기적인 회로를 구성하며, 모터링 운전시에는 인버터를 구성하고, 발전(Generating) 운전시에는 안정적인 전원 공급 및 충전을 위해 정전압 제어(42V)를 하는 제어 스위치(S1~S6)를 구성하는 것을 특징으로 하는 복합 전압 시스템 차량의 충/방전 회로.
제8항에 있어서, 상기 제어 스위치는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터 (IGBT)로 구성하는 것을 특징으로 하는 복합 전압 시스템 차량의 충/방전 회로.
제8항에 있어서, 상기 시동 발전기는 상기 제어 스위치(S1~S6)의 온/오프 위상각을 가변시키면서 상기 시동 발전기의 교류 출력 전압을 직접 제어하는 것을 특징으로 하는 복합 전압 시스템 차량의 충/방전 회로.
제7항에 있어서, 상기 시동 발전기의 회전자는 전자석 코일의 계자로 구성하는 것을 특징으로 하는 복합 전압 시스템 차량의 충/방전 회로.
제11항에 있어서, 상기 시동 발전기는 상기 시동 발전기 제어유닛의 제어 로직에 의해 계자 전류를 제어하여 정전압 제어(42V)를 하는 것을 특징으로 하는 복합 전압 시스템 차량의 충/방전 회로.
제12항에 있어서, 제2 배터리의 충전 전압을 42V로 정전압 제어하는 경우, 상기 시동 발전기의 교류 단자 전압과 상전압은 일정한 값으로 제어되는 것을 특징으로 하는 복합 전압 시스템 차량의 충/방전 회로.