KR100569016B1 - Voltage balance control device of energy storage system for hybrid type - Google Patents
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Abstract
ISG(Integrated Starter Generator)가 적용되는 42V용 하이브리드 전기자동차에 일반 배터리와 슈퍼캡이 병렬로 연결되어 적용되는 하이브리드형 에너지 저장장치에서 두 개의 에너지 저장장치간 전압 균형을 간단한 시스템의 구조로 제어하도록 하는 하이브리드형 에너지 저장장치의 전압 균형장치에 관한 것으로,In a hybrid type energy storage device in which a common battery and a supercap are connected in parallel to a 42V hybrid electric vehicle to which an integrated starter generator (ISG) is applied, the voltage balance between two energy storage devices can be controlled by a simple system structure. The voltage balancer of the hybrid energy storage device,
일체형 스타터 및 제너레이터인 ISG와, ISG가 모터로 작동하는 경우 각 상전압을 제어하여 엔진 토크를 보조하고, 제동 제어에 따라 발전기로 작동하는 경우 발전 전압을 정전압으로 처리하는 MCU를 구비하며, 서로 다른 에너지 저장 특성을 갖는 일반 배터리와 슈퍼캡을 병렬로 연결하고, 상기 MCU와 슈퍼캡을 연결하며, 모든 전기 부하는 일반 배터리의 전압에 동작되도록 연결하며, 상기 일반 배터리와 슈퍼캡의 사이에 접속되어 전압 균형을 유지시키는 다이오드와, 상기 다이오드와 병렬로 접속되며, 상기 다이오드의 턴 온에 의한 전압 균형이 유지되면 상기 제어기의 제어에 의해 스위칭 온 되어 슈퍼캡과 일반 배터리간의 균압 균형을 지속적으로 유지시키는 스위치를 포함하는 것을 특징으로 한다.ISG, an integrated starter and generator, and an MCU that controls engine voltage by controlling each phase voltage when the ISG operates as a motor, and a MCU that processes the generated voltage as a constant voltage when operating as a generator according to the braking control. Connect the normal battery and the supercap in parallel with the energy storage characteristics, connect the MCU and the supercap, all the electrical load is connected to operate the voltage of the normal battery, and is connected between the normal battery and the supercap A diode which maintains a voltage balance and is connected in parallel with the diode, and when the voltage balance by the turn-on of the diode is maintained is switched on by the control of the controller to maintain the equalization balance between the supercap and the general battery. It characterized in that it comprises a switch.
슈퍼캡, 하이브리형 에너지 저장장치, 일반 배터리, ISGSupercap, Hybrid Energy Storage, General Battery, ISG
Description
도 1은 본 발명에 따른 하이브리드형 에너지 저장장치의 전압 균형 제어장치에 대한 구성도.1 is a block diagram of a voltage balance control device of a hybrid energy storage device according to the present invention.
도 2는 종래의 하이브리드형 에너지 저장장치의 전압 균형 제어장치에 대한 구성도.Figure 2 is a block diagram of a voltage balance control device of a conventional hybrid energy storage device.
본 발명은 하이브리드형 에너지 저장장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 ISG(Integrated Starter Generator)가 적용되는 42V 시스템용 하이브리드 전기자동차에 납산 배터리(이하, "일반 배터리"라 한다.)와 슈퍼캡이 병렬로 연결되어 구성되는 하이브리드형 에너지 저장장치에서 두 개의 에너지 저장장치간의 전압 균형을 간단한 시스템의 구조 제어하도록 하는 하이브리드형 에너지 저장장치의 전압 균형장치에 관한 것이다.The present invention relates to a hybrid energy storage device, and more particularly, a lead-acid battery (hereinafter referred to as a "general battery") and a supercap are parallel to a hybrid electric vehicle for a 42V system to which an integrated starter generator (ISG) is applied. The present invention relates to a voltage balancer of a hybrid energy storage device for controlling the structure of a simple system of voltage balance between two energy storage devices.
일반적으로, 하이브리드 전기자동차를 개발함에 있어 회생 제동시 기계적인 에너지를 전기적 에너지로 변환하여 순간적으로 많은 에너지를 에너지 저장장치에 충전하고, 가속시 에너지 저장장치로부터 순간적으로 많은 에너지를 방전하게 하는 기능을 구현하는 에너지 저장장치가 연구되고 있다.In general, in developing a hybrid electric vehicle, a function of converting mechanical energy into electrical energy during regenerative braking to instantly charge a large amount of energy in an energy storage device and discharge a large amount of energy from an energy storage device in an instant when it is accelerated. Energy storage devices are being studied.
이때, 저장장치의 특성에서 고려해야 할 두 가지 요소로 에너지와 출력을 생각할 수 있으며, 에너지 저장장치의 고유한 특성에 따라 얼마나 많은 에너지를 저장할 수 있는가 그리고 얼마나 빨리, 효과적으로 저장된 에너지를 사용할 수 있는가가 중요한 인자이다. In this case, energy and power can be considered as two factors to consider in the characteristics of the storage device, and how much energy can be stored according to the unique characteristics of the energy storage device and how quickly and effectively the stored energy can be used. It is an argument.
통상적으로 일반 차량에 사용되고 있는 일반 배터리는 에너지 입출력 과정에서 화학적인 반응이 수반되는 저장장치로 상대적으로 많은 에너지를 저장할 수 있으나 짧은 시간에 많은 양의 에너지를 충전하거나 방전하는데 한계가 있는 단점이 있다.Generally, a general battery used in a general vehicle is a storage device that involves a chemical reaction during an energy input / output process, but may store a relatively large amount of energy, but has a disadvantage in that a large amount of energy is charged or discharged in a short time.
또한, 상대적으로 낮은 에너지 밀도를 가지며 많은 에너지를 저장할 수 있으나 출력 밀도가 낮아 빈번한 전류의 충방전 및 대전류 입출력을 필요로 하는 운전조건 하에서 배터리의 수명을 보장할 수 없는 단점이 있다.In addition, it has a relatively low energy density and can store a lot of energy, but the output density is low, there is a disadvantage that can not guarantee the life of the battery under operating conditions that require frequent charging and discharging and large current input and output.
이러한 특성을 갖는 일반 배터리를 전기자동차나 하이브리드 자동차의 에너지 저장장치로서 적용하는데는 한계가 있어, 현재 전기자동차나 하이브리드 자동차의 에너지 저장장치로 NiMH 배터리를 적용하고 있으나, NiMH 배터리는 고가로서 차량 시스템의 가격 상승을 유발시키는 요인으로 작용되고 있다.There is a limitation in applying a general battery having such characteristics as an energy storage device of an electric vehicle or a hybrid vehicle. Currently, a NiMH battery is applied as an energy storage device of an electric vehicle or a hybrid vehicle. It is acting as a factor in raising prices.
특히, 최근에 관심이 집중되고 있는 42V 시스템용 하이브리드 전기자동차에구현되고 있는 아이들 스톱(Idle Stop) & 스타트(Start) 기능 및 회생 제동 에너지의 회수를 통한 연비향상을 실현하기 위해서는 일반 배터리의 적용이 한계가 있다 고 제기 되고 있다.In particular, in order to realize fuel efficiency improvement through recovery of the regenerative braking energy and the idle stop & start function, which is being implemented in a hybrid electric vehicle for 42V system, which has recently been attracting attention, the application of general batteries is required. It is raised that there is a limit.
이러한, 일반 배터리의 단점들을 보완하기 위한 방안의 하나로 일반 배터리에 비해 출력 밀도가 대략 10배 이상이며, 에너지 밀도가 낮아 에너지를 저장하는 용량은 제한적이나 에너지 충전 및 방전 과정에서 화학 반응을 수반하지 않으므로, 대전류의 충전 및 방전이 가능한 장점을 갖는 슈퍼캡(Super-Capacitor)을 적용하는 방법이 제시되고 있다.As one of the measures to compensate for the shortcomings of the conventional battery, the output density is about 10 times or more than that of the general battery, and the energy storage capacity is limited because the energy density is low, but it does not involve chemical reaction during the energy charging and discharging process. In addition, a method of applying a super cap (Super-Capacitor) having the advantage of being able to charge and discharge a large current has been proposed.
그러나, 슈퍼캡을 에너지 저장장치로 적용하는 경우 순간적인 에너지 흐름을 감당할 수 있고 차량의 연비 및 가속 성능을 향상시킬 수 있는 장점은 있으나, 에너지 밀도가 일반 배터리에 비해 상대적으로 낮아 에너지 저장장치로 단독으로 사용할 수 없는 단점이 있다.However, when the supercap is applied as an energy storage device, it is able to handle the instantaneous energy flow and improve the fuel efficiency and acceleration performance of the vehicle. However, the energy density is relatively low compared to the general battery as the energy storage device alone. It can not be used as a disadvantage.
이를 위해 에너지 저장능력이 큰 36V의 일반 배터리와 높은 순시출력을 갖는 슈퍼캡을 병렬로 조합하여 대전류 운전에 적합한 하이브리드형 에너지 저장장치가 연구되고 있다.To this end, a hybrid energy storage device suitable for large current operation is being researched by combining a 36V general battery having a large energy storage capacity and a supercap having a high instantaneous output in parallel.
에너지 저장장치로 슈퍼캡을 적용하는 경우 차량의 순간 가속시 슈퍼캡에 저장된 에너지는 모터로 동작하는 ISG에 공급되어 엔진의 동력을 보조하므로 가속 성능을 향상시키고, 현재의 엔진 토크가 ISG 토크에 신규 개발된 엔진 토크(Down Sizing)가 합해지므로, 결국 보다 적은 토크의 엔진을 사용하여 현 차량과 동일한 성능을 발휘할 수 있으며, 슈퍼캡의 고효율 충방전 특성으로 인해 회생 제동 영역을 확대 할 수 있으며, 이로 인하여 연비를 향상시킬 수 있다. When the supercap is applied as an energy storage device, the energy stored in the supercap during the momentary acceleration of the vehicle is supplied to the motor-driven ISG to assist the engine power, thereby improving the acceleration performance, and the current engine torque is new to the ISG torque. Since the developed engine sizing is combined, the engine can be used in the same way as the current vehicle using less torque, and the regenerative braking area can be expanded due to the high-efficiency charging / discharging characteristics of the supercap. Can improve fuel economy.
또한, 슈퍼캡의 내부 저항이 온도에 따라 변화가 적기 때문에 저온에서도 일 정한 파워를 공급할 수 있어 저온 시동 특성을 향상시킬 수 있다.In addition, since the internal resistance of the supercap is less changeable with temperature, it is possible to supply constant power even at low temperatures, thereby improving low temperature starting characteristics.
일반 배터리와 슈퍼캡의 주요 특성을 비교하면 하기의 표 1과 같다.Comparing the main characteristics of the normal battery and the super cap is shown in Table 1 below.
상기한 바와 같은 특징을 갖는 슈퍼캡과 일반 배터리를 병렬로 연결하여 에너지 저장장치로 사용하는 경우 이들 두 개의 에너지 저장장치간의 전압 차이가 발생하게 되므로, 전압 균형을 유지시켜 주기 위한 수단이 더 포함된다.When the supercap having the above characteristics and a normal battery are connected in parallel and used as an energy storage device, a voltage difference occurs between the two energy storage devices, and thus means for maintaining a voltage balance is further included. .
이는 첨부된 도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 슈퍼캡(4)과 일반 배터리(5)의 사이에 설치되며, 전력 변환을 통해 양 에너지 저장장치간에 발생되는 전압 차이에 대하여 전압 균형을 유지시키는 EMS(Energy Management System ; 3)가 구비된다.As shown in FIG. 2, the EMS is installed between the supercap 4 and the
상기한 EMS(3)는 슈퍼캡(4)과 일반 배터리(5)의 전류, 전압, 온도를 검출하여 슈퍼캡(4)과 일반 배터리(5)의 상태를 모니터링한 다음 슈퍼캡(4)과 일반 배터리(5)간의 전압 균형 유지와 SOC(State Of Charge)유지 및 SOH(State Of Health) 유지를 위한 제반적인 동작을 제어하는 EMS 기능부(3a)와, 상기 EMS 기능부(3a)의 제어에 따라 전력 변환을 슈퍼캡(4)과 일반 배터리(5)의 전압 균형이 유지되도록 하는 DC/DC 컨버터(3b) 및 순간적인 가속의 상태에서 ISG(1)에 동력 보조를 위한 전압 공급과 제동시 회생 에너지 회수 및 ISG(1)가 발전기의 모드로 작동하는 경우 발전 에너지를 회수하기 위한 경로를 선택 결정하는 스위치(SW1,SW2)를 포함하여 구성된다.The EMS (3) detects the current, voltage, and temperature of the super cap (4) and the general battery (5) to monitor the state of the super cap (4) and the general battery (5) and then the super cap (4) and EMS function unit 3a for controlling overall operation for maintaining the voltage balance between the
전술한 바와 같은 구성을 갖는 종래의 하이브리드형 에너지 저장장치는 서로 다른 특성을 갖는 슈퍼캡과 일반 배터리간의 전압 균형 유지를 위하여 고가의 DC/DC 컨버터 및 이를 제어하는 제어수단이 적용되어야 하므로 차량의 추가적인 원가 상승의 요인으로 작용하게 되며, 이의 적용에 따른 공간이 확보되어야 하는 많은 문제점이 파생한다. In the conventional hybrid energy storage device having the above-described configuration, an expensive DC / DC converter and a control means for controlling the same must be applied to maintain the voltage balance between the supercap and the general battery having different characteristics, so that the vehicle additional This will act as a factor of cost increase, and many problems that require space should be secured.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로, 그 목적은 ISG가 적용되는 42V 시스템용 하이브리드 전기자동차에 일반 배터리와 슈퍼캡을 병렬로 연결하여 적용하는 하이브리드형 에너지 저장장치에서 두 개의 에너지 저장장치간의 전압 균형을 간단한 시스템의 구조를 적용하여 안정되게 제어하도록 함으로써, 차량의 원가 절감과 한정된 공간의 활용에 효율성을 제공하도록 한 것이다.The present invention has been invented to solve the above problems, the object of the two energy in the hybrid type energy storage device that is applied to connect the common battery and the supercap in parallel to the hybrid electric vehicle for 42V system to which ISG is applied By controlling the voltage balance between the storage devices by applying a simple system structure, it is possible to provide efficiency in reducing the cost of the vehicle and utilizing the limited space.
상기와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은 하이브리드형 에너지 저장장치가 적용되는 42V 시스템용 하이브리드 전기자동차에 있어서, 일체형 스타터 및 제너레이터인 ISG와; 상기 ISG가 모터로 작동하는 경우 각 상전압을 제어하여 엔진 토크를 보조하고, 제동 제어에 따라 발전기로 작동하는 경우 발전 전압을 정전압으로 처리하는 MCU를 구비하며, 서로 다른 에너지 저장 특성을 갖는 일반 배터리와 슈퍼캡을 병렬로 연결하고, 상기 MCU와 슈퍼캡을 연결하며, 모든 전기 부하는 일반 배터리의 전압에 동작되도록 연결하며, 상기 일반 배터리와 슈퍼캡의 사이에 접속되어 전압 균형을 유지시키는 다이오드와; 상기 다이오드와 병렬로 접속되며, 상기 다이오드의 턴 온에 의한 전압 균형이 유지되면 상기 제어기의 제어에 의해 스위칭 온 되어 슈퍼캡과 일반 배터리간의 균압 균형을 지속적으로 유지시키는 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 에너지 저장장치의 전압 균형 제어장치를 제공한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a hybrid electric vehicle for a 42V system to which a hybrid type energy storage device is applied, the integrated starter and generator being an ISG; When the ISG is operated as a motor, it supports an engine torque by controlling each phase voltage, and when operating as a generator under braking control, the MCU includes a MCU that processes the generated voltage as a constant voltage, and has a general battery having different energy storage characteristics. And a supercap connected in parallel, the MCU and the supercap, and all the electrical load is connected to operate the voltage of the normal battery, and the diode connected between the normal battery and the supercap to maintain the voltage balance and ; It is connected in parallel with the diode, if the voltage balance is maintained by the turn on of the diode is switched on by the control of the controller, characterized in that it comprises a switch for continuously maintaining the equalization balance between the supercap and the general battery Provided is a voltage balance control device for a hybrid energy storage device.
상기 다이오드는 일반 배터리의 + 단자에 캐소드 단자가 접속되고, 슈퍼캡의 +단자에 애노드 단자가 접속되어, ISG가 모터로 동작함에 따라 슈퍼캡의 전압이 일반 배터리의 전압 보다 낮아지는 경우 턴 온 되어 일반 배터리의 전압이 ISG 및 슈퍼캡에 추가적으로 공급되도록 하여 슈퍼캡과 일반 배터리간 전압 균형을 유지시키고, 브레이크 구동에 따라 슈퍼캡에 회생 에너지가 저장되는 경우 슈퍼캡과 일반 배터리간 전압 균형의 파괴되는 시점에서 브레이크 다운되어 역방향으로 동작되며, 일반 배터리에 충전 전압을 공급하는 것을 특징으로 한다.The diode is turned on when the cathode terminal is connected to the + terminal of the general battery, the anode terminal is connected to the + terminal of the supercap, and the voltage of the supercap is lower than that of the general battery as the ISG operates as a motor. Main battery voltage is additionally supplied to ISG and supercap to maintain voltage balance between supercap and normal battery, and when regenerative energy is stored in supercap by brake driving, voltage balance between supercap and normal battery is destroyed. Breaking down at the time point is operated in the reverse direction, characterized in that to supply the charging voltage to the normal battery.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명에 따른 하이브리드형 에너지 저장장치의 전압 균형 제어장치는 ISG(10)와 MCU(20), 부하(30), 일반 배터리(40), 슈퍼캡(50), 다이오드(D) 및 스위치(SW11)를 포함하여 구성된다.As can be seen in Figure 1 the voltage balance control device of the hybrid energy storage device according to the present invention is
상기에서 ISG(10)는 일체형 스타터 및 제너레이터로, 동력의 보조가 요구되 는 경우 모터로 작동되어 에너지 저장장치에서 공급되는 전압에 의한 구동으로 엔진 동력을 보조하여 차량의 가속 성능을 제공하고, 회생 제동시 발전기로 작동되어 기계적 에너지를 전기적 에너지로 회수한다.In the above, the ISG 10 is an integrated starter and a generator. When the assistance of the power is required, the
MCU(20)는 ISG(10)가 모터로 작동되는 경우 슈터캡(50)에서 공급되는 전압을 각 상전압으로 공급하여 ISG(10)가 엔진 동력을 보조할 수 있도록 하고, ISG(10)가 발전기로 작동되는 경우 ISG(10)로부터 발전되는 3상 전원으로부터 대략 42V의 정전압을 생성한다.When the
부하(30)는 하이브리드 전기자동차에 구비되는 모든 전기부하를 의미하며, 대략 36V의 전압을 충전하고 있는 일반 배터리(40)에 전압에 의해 동작되도록 연결된다.The
슈퍼캡(50)은 일반 배터리(40)와 병렬로 연결되고, 상기 MCU(20)와 연결되며, MCU(20)에서 생성되어 인가되는 정전압을 저장하고, ISG(10)가 모터로 작동되어 동력 보조가 요구되는 경우 저장된 전압의 출력을 통해 엔진 동력이 보조되도록 한다.The
다이오드(D)는 상기 일반 배터리(40)의 + 단자에 캐소드 단자가 접속되고, 슈퍼캡(50)의 +단자에 애노드 단자가 접속되어, ISG(10)가 동력 보조 기능을 수행하기 위해 모터로서 동작하는 경우 전압의 방전에 따라 슈퍼캡(50)의 전압이 일반 배터리(40)의 전압 보다 낮아지는 경우 턴 온(Turn-On) 되어 일반 배터리(40)의 전압이 추가적인 전압 공급이 수행하며, 이에 따라 전압 균형이 유지된다.The diode D has a cathode terminal connected to the + terminal of the
스위치(SW11)는 상기 다이오드(D)와 병렬로 접속되며, 상기 다이오드(D)의 턴 온에 의해 전압 균형이 유지되면, 도시되지 않은 상기 제어기의 제어에 의해 스위칭 온 되어, 슈퍼캡(50)과 일반 배터리(40)간의 균압 균형을 지속적으로 유지시킨다.The switch SW11 is connected in parallel with the diode D, and when the voltage balance is maintained by the turn-on of the diode D, the switch SW11 is switched on under the control of the controller (not shown), so that the
전술한 바와 같은 기능을 포함하는 구성을 갖는 본 발명에서 두 개의 에너지 저장장치간 전압 균형을 유지시키는 동작은 다음과 같다.Operation of maintaining the voltage balance between the two energy storage devices in the present invention having a configuration including the function as described above is as follows.
ISG(10)가 적용되며 슈퍼캡(50)과 대략 36V의 전압을 충전하고 있는 일반 배터리(40)가 병렬로 접속되는 42V 시스템용 하이브리드 전기자동차에서 급가속 등의 요구에 의해 ISG(10)가 모터로 작용하여 엔진 토크를 보조하게 되는 경우 슈퍼캡(50)은 저장된 전압을 MCU(20)를 ISG(10)에 공급함으로써, 순간적인 가속 성능이 확보될 수 있도록 한다.In the hybrid electric vehicle for 42V system to which the
따라서, 슈퍼캡(50)에 충전된 전압의 방전에 따라 전압의 레벨은 일반 배터리(40)의 전압 보다 낮아지게 되며, 이에 따라 다이오드(D)가 턴 온 되므로 일반 배터리(40)에 충전된 전압 역시 방전되어 ISG(10)의 기동에 필요한 전압으로 공급됨과 동시에 슈퍼캡(50)에 충전 전압으로 공급된다.Therefore, the voltage level becomes lower than the voltage of the
상기와 같은 전압의 흐름에 의해 슈퍼캡(50)의 전압 레벨로 일반 배터리(40)의 전압 레벨이 균형이 유지되면 이를 모니터링하는 도시되지 않은 상위 제어기는 다이오드(D)에 병렬로 연결되어 있는 스위치(SW11)를 턴 온시켜 일반 배터리(40)와 슈퍼캡(50)간의 전류 루프를 형성하여 준다.When the voltage level of the
이와 같이 슈퍼캡(50)과 일반 배터리(40)가 병렬로 연결됨에 따라 전압 균형이 안정되게 유지된다.As such, as the
또한, 주행중 브레이크의 구동에 따라 기계적 에너지를 전기적 에너지로 회수하기 위해 ISG(10)가 발전기로 작동하게 되면 도시되지 않은 상위 제어기는 다이오드(D)와 연결된 스위치(SW11)를 턴 오프 시켜 ISG(10)에서 발전된 다음 MCU(20)에 의해 정전압으로 형성되는 회생 에너지는 슈퍼캡(50)에 저장되며, 슈퍼캡(50)에 저장되는 전압이 일반 배터리(40)의 전압 보다 높아지게 되면 다이오드(D)는 브레이크 다운에 의해 역방향으로 동작하여 회생 에너지가 일반 배터리(40)에 공급되므로, 이에 의해 슈퍼캡(50)과 균형이 유지되는 전압으로 충전되어진다.In addition, when the ISG 10 is operated as a generator to recover mechanical energy as electrical energy according to the driving of the brake while driving, the upper controller (not shown) turns off the switch SW11 connected to the diode D to turn off the
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 간단한 구조를 적용하여 하이브리드형 에너지 저장장치간의 전압 균형을 안정되게 유지시킴으로써, 원가의 절감을 제공하고, 한정된 공간의 효율적인 사용을 제공한다.As described above, the present invention applies a simple structure to maintain a stable voltage balance between hybrid energy storage devices, thereby providing cost savings and providing efficient use of limited space.
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