KR100559398B1

KR100559398B1 - 하이브리드 및 연료 전지 차량용 동력 연결 제어장치

Info

Publication number: KR100559398B1
Application number: KR1020030079734A
Authority: KR
Inventors: 최서호
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2003-11-12
Filing date: 2003-11-12
Publication date: 2006-03-10
Also published as: KR20050045597A

Abstract

본 발명은 전력 반도체 제어를 통해서 전류를 제어하고, 일반 릴레이를 사용하여 파워 디스커넥팅 유닛의 제작 가격을 낮추고 수명을 길게 할 수 있는 하이브리드 및 연료 전지 차량용 동력 연결 제어장치에 관한 것으로, 하이브리드 및 연료 전지 차량의 고전압 전원부와 인버터 사이에서 전기를 단속하여 주는 제1 메인 릴레이와 제2 메인 릴레이를 갖는 파워 디스커넥팅 유닛과; 상기 파워 디스커넥팅 유닛 내에서 인버터 쪽의 캐패시터가 초기에 충전되어져 있지 않을 때 충전하는 기능을 하는 프리 차지 릴레이와 프리 차지 저항을 제거하고 그 위치에 회로 구성되는 전력 반도체와; 상기 전력 반도체의 제어를 통해 고전압 전원부와 인버터 사이의 전류량을 단속적으로 조절하는 제어부를 포함하여 구성한다.

하이브리드, 연료 전지, 차량, PDU

Description

하이브리드 및 연료 전지 차량용 동력 연결 제어장치{A POWER DISCONNECTING UNIT FOR HYBRID ELECTRIC VEHICLE AND FUEL CELL ELECTRIC VEHICLE}

도 1은 종래 기술에 따른 파워 디스커넥팅 유닛(PDU)을 도시한 도면.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 및 연료 전지 차량용 파워 디스커넥팅 유닛(PDU)과 동력 연결 제어장치의 구성을 도시한 도면.

본 발명은 하이브리드 및 연료 전지 차량용 동력 연결 제어장치에 관한 것이다.

통상적으로, 파워 디스커넥팅 유닛(PDU)은 고전압 전원 출력과 모터 인버터나 DC/DC 컨버터 사이에 놓여서 사용하지 않을 때 전원을 끊어주어 안전을 도모하기 위해 사용된다.

이와 같은 파워 디스커넥팅 유닛에 사용하는 밀봉형 릴레이는 도 1에 도시된 바와 같이 고전압 입력단(배터리나 연료 전지 스택)과 모터 인버터 사이에 놓이게 된다.

프리 차지 릴레이(2)는 인버터 쪽의 캐패시터(8a)가 초기에 충전되어져 있지 않을 때 메인 릴레이(1, 4)를 연결하면 과전류가 흘러 메인 릴레이(1, 4)와 캐패시터(8a)가 파손되게 되므로 인버터 쪽의 캐패시터(8a)를 초기에 충전하는 용도로 사용되게 된다.

현재 일반적으로 전기 차량이나 하이브리드 전기 차량, 연료 전지 차량에 사용되는 파워 디스커넥팅 유닛에는 전기 접점이 일어나는 곳을 밀봉하여 진공 상태 또는 불활 기체로 채워 만든 밀봉형 릴레이를 주로 사용한다.

이는 이와 같은 차량에서 상대적으로 고전류(약 100A에서 600A정도)를 사용하기 때문에 전류를 단속 할 때 릴레이의 전기 접점에서 스파크가 발생하여 수명이 짧아지기 때문에 전기 접점 부위의 산화 발생을 억제하기 위함이다.

고 전력용 릴레이의 접점에서 스파크가 발생하여 접점이 손상되는 경우는 주로 전류가 흐르는 동안에 접점을 뗄 때 발생한다.

그래서 전기 접점을 빨리 떼어 주는 설계가 필요하다.

그리고, 또한 접촉 저항을 작게 하여야 고 전류를 흐르게 해 줄 수 있기 때문에 전기 접점이 연결되어져 있는 동안에는 접촉력을 크게하여 접촉 저항을 줄여 주는 설계가 필요하다.

그러나 이 접촉력을 강하게 유지하면 접점을 빨리 뗄 수 없는 문제가 있어 두 가지를 모두 만족시킬 수 없다.

또한, 이와 같은 제품은 양산 공정이 복잡하기 때문에 대량 생산을 하더라도 설비 가격이 비싸고 제품의 단가도 상대적으로 고가이기 때문에 파워 디스커넥팅 유닛의 가격도 고가이고 수명도 짧은 단점이 있다.

또한, 연료 전지 하이브리드의 경우 역전류에 의한 연료 전지 스택의 손상을 방지하기 위해 블로킹 다이오드(3a)를 사용하는 경우가 있는데, 이 경우 연료 전지에서 사용하는 모든 파워를 다이오드를 거치게 해야 하므로 다이오드에서의 발열에 의한 전력 소모가 시스템의 효율을 낮게 하는 문제가 있다.

본 발명의 목적은 전력 반도체 제어를 통해서 전류를 제어하고, 일반 릴레이를 사용하여 파워 디스커넥팅 유닛의 제작 가격을 낮추고 수명을 길게 할 수 있는 하이브리드 및 연료 전지 차량용 동력 연결 제어장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 연료 전지 하이브리드의 경우 블로킹 다이오드를 제거함으로써 비용을 절감하고 다이오드에서 발열에 의한 열손실을 줄임으로써 효율을 향상시킬 수 있는 하이브리드 및 연료 전지 차량용 동력 연결 제어장치를 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 하이브리드 및 연료 전지 차량의 동력 연결 제어장치에 있어서, 상기 하이브리드 및 연료 전지 차량의 고전압 전원부와 인버터 사이에서 전기를 단속하여 주는 제1 메인 릴레이와 제2 메인 릴레이를 갖는 파워 디스커넥팅 유닛과; 상기 파워 디스커넥팅 유닛 내에서 인버터 쪽의 캐패시터가 초기에 충전되어져 있지 않을 때 충전하는 기능을 하는 프리 차지 릴레이와 프리 차지 저항을 제거하고 그 위치에 회로 구성되는 전력 반도체와; 상기 전력 반도체의 제어를 통해 고전압 전원부와 인버터 사이의 전류량을 단속적으 로 조절하는 제어부를 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.

본 발명은 최근 개발이 가속화되고 있는 전기 차량, 하이브리드 전기 차량, 연료 전지 차량에서 고전압 전원부(배터리나 연료 전지 스택)와 인버터(또는 DC/DC 컨버터) 사이에서 전기를 단속하여 주는 역할을 하는 동력 연결 제어장치에 관한 것이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 파워 디스커넥팅 유닛의 내부 구성도와 동력 연결 제어장치 구성을 도시한 도면이다.

차량의 시동 초기에는 인버터나 DC/DC 컨버터의 캐패시터(8b)가 방전되어 있어 초기 충전이 필요하다.

이 초기 충전은 전력 반도체(6)에 펄스 폭 변조(PWM) 신호를 인가하여 전류를 단속적으로 공급하여 충전한다.

이렇게 하여 프리 차지 저항을 삭제 할 수 있다.

또한, 시동을 끌 때에는 메인 릴레이(5, 7)를 끊어주어야 하는데 이때 전류가 흐르고 있으면 릴레이 접점에서 스파크가 발생하여 접점이 손상 될 수 있으므로 메인 릴레이를 끊어주기 전에 전력 반도체(6)를 온(On)하여 제1 메인 릴레이(5)를 먼저 끊더라도 전력 반도체(6)를 통해 전류가 계속 흐르기 때문에 제1 메인 릴레이(5)의 접점에서는 스파크가 발생하지 않는다.

그 다음 전력 반도체(6)를 오프(Off)하고 난 후에는 제2 메인 릴레이(7)를 통해 더 이상 전류가 흐르지 않기 때문에 안전하게 제2 메인 릴레이(7)를 끊어 줄 수 있다.

스택으로 전류가 역으로 흐르게 되면 스택 자체가 손상을 입게 된다.

연료 전지 하이브리드 차량의 경우에는 제어를 목적으로 스택에서 흘러 나가는 전류를 측정하는 경우가 일반적이다.

그러므로 이렇게 측정되는 전류가 스택으로 들어가는 역전류로 판단이 되면 제어부(마이크로 프로세서, Controller Unit)가 제1 메인 릴레이(5)를 끊어줌으로서 역으로 흐르는 전류가 전력 반도체(6)에 의해 차단이 되고 다시 순 방향의 전류가 흐르도록 될 때 제어부가 다시 제1 메인 릴레이(5)를 연결하여 정상 상태로 작동하게 한다.

이와 같은 제어를 통해 기존의 다이오드를 사용할 때 발생하는 발열에 의한 손실을 방지할 수 있어 시스템의 효율을 높이고 가격을 낮출 수 있다.

상기한 바와 같이 본 발명의 실시예는 프리 차지 릴레이와 프리 차지 저항을 없애고 대신에 전력 반도체(6)를 추가하여 전력 반도체(6)의 제어를 통해 전류량을 조절하여 기존의 고가의 밀봉형 메인 릴레이 대신에 저가형 비밀봉형 메인 릴레이(5, 7)를 사용하고 릴레이 단속 시 전류가 매우 적게 흐르게 하여 릴레이의 수명을 연장시키는 특징이 있다.

본 발명의 실시예는 시동 초기에 제1 메인 릴레이(5)를 접속하기 전에 제2 메인 릴레이(7)를 접속하고 전력 반도체(6)를 펄스 폭 변조(PWM) 제어를 하여 전류를 단속적으로 흐르게 하여 캐패시터(8b)를 충전하여 제1 메인 릴레이(5) 양단의 전압이 같게 한 후에 제1 메인 릴레이(5)를 접속하여 접속 시 접점을 통해 전류가 흐르지 않도록 한다.

또한, 시동을 끌 때에는 전력 반도체(6)와 제2 메인 릴레이(7)는 온(On)된 상태에서 제1 메인 릴레이(5) 만을 먼저 오프(Off)한다.

이때 제1 메인 릴레이(5)를 통하여 흐르던 전류가 전력 반도체(6)를 통해 계속 흐르기 때문에 제1 메인 릴레이(5)는 접점에서 스파크가 일어나지 않아 안전하게 오프(Off)할 수 있다.

그 다음에 전력 반도체(6)를 오프(Off)하여 제2 메인 릴레이(7)를 통해 전류가 흐르지 않을 때 제2 메인 릴레이(7)를 오프(Off)하여 릴레이를 온/오프(On/Off)할 때 전류가 흐르지 않게 함으로서 고가형 밀봉형 릴레이 대신 저가형 비밀봉형 릴레이를 사용할 수 있게 한다.

또한, 연료 전지 하이브리드 차량에서는 스택으로부터의 전류를 센싱하여 역전류가 발생이 감지되면 제어부가 제1 메인 릴레이(5)를 끊어주는 알고리즘을 사용하여 다이오드를 통한 파워 소모를 하지 않으므로 시스템의 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.

연료 전지 하이브리드의 경우 연료 전지 스택을 보호하기 위하여 블로킹 다 이오드를 추가하는 경우가 있다.

그러나, 이 다이오드는 전류가 흐를 때 전압 강하가 항상 있기 때문에 파워를 소모하게 되어 시스템의 효율을 낮게 하는 원인이 된다.

본 발명의 실시예에 따른 구조를 사용하면 이 다이오드를 사용하지 않을 수 있어 시스템 효율을 높일 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 하이브리드 및 연료 전지 차량용 동력 연결 제어장치는 프리 차지 릴레이와 프리 차지 저항을 삭제하고 전력 반도체로 대체하여 파워 온/오프(On/Off)시 전류를 적절하게 제어하여 릴레이 온/오프(On/Off)시 전류가 흐르지 않게 함으로써 저가형 비밀봉형 릴레이를 사용하여 설계된 파워 디스커넥팅 유닛으로 단품의 원가 절감 및 수명을 증대시킬 수 있다.

또한, 연료 전지 하이브리드의 경우 블로킹 다이오드를 삭제할 수 있어 비용을 낮추고 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.

Claims

하이브리드 및 연료 전지 차량의 고전압 전원부와 인버터 사이에서 전기를 단속하여 주는 제1 메인 릴레이와 제2 메인 릴레이를 갖는 파워 디스커넥팅 유닛과 상기 파워 디스커넥팅 유닛 내에서 인버터 쪽의 캐패시터가 초기에 충전되어져 있지 않을 때 충전하는 기능을 하는 프리 차지 릴레이와 프리 차지 저항을 제거하고 그 위치에 회로 구성되는 전력 반도체 및 상기 전력 반도체의 제어를 통해 고전압 전원부와 인버터 사이의 전류량을 단속적으로 조절하는 제어부를 포함하여 구성되는 하이브리드 및 연료 전지 차량용 동력 연결 제어장치에 있어서,

상기 제어부는 시동을 끌 때에는 전력 반도체와 제2 메인 릴레이는 온(On)된 상태에서 제1 메인 릴레이 만을 먼저 오프하고, 그 다음에 전력 반도체를 오프(Off)하여 제2 메인 릴레이를 통해 전류가 흐르지 않을 때 제2 메인 릴레이를 오프(Off)하도록 제어동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 및 연료 전지 차량용 동력 연결 제어장치.
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