KR100765830B1 - 42볼트 전원 시스템 제어방법 - Google Patents

42볼트 전원 시스템 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 42V 전원 시스템 제어방법에 관한 것으로서, 메인 릴레이를 연결하기 전 단계에서 역전압 여부를 판단하여 초기 충전을 진행하지 않음으로써 42V 전원 시스템의 역전압 인가에 의한 손상 및 오동작 되는 것을 방지하도록 한 것이다.
본 발명은 제1 배터리의 무부하 전압을 측정하는 단계에 측정된 무부하 전압값이 기설정된 역접속 검출 전압 설정치 이상인지를 판단하여 이상시 상기 제1 배터리로의 충전을 중지하는 역전압 보호 단계를 포함하고 있다.
42V 전원 시스템, 36V 배터리, 역 접속, 무부하 전압, BMS

Description

42볼트 전원 시스템 제어방법 {42 VOLT ELECTRIC POWER SOURCE SYSTEM CONTROL METHOD}
도 1는 본 발명에 다른 42V 전원 시스템의 제어방법의 흐름도
도 2는 종래 42V 전원 시스템의 블록도
도 3은 일반적인 42V 전원 시스템 내 BMS 및 MCU 내부 구조를 설명한 개략도
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : BMS 15 : 검출기
11 : 제1 릴레이 21 : 캐패시터
12 : 제2 릴레이 30 : 제1 배터리
13 : 저항 40 : 제2 배터리
14 : 마이크로프로세서
본 발명은 42V 전원 시스템의 제어방법에 관한 것으로, 상세하게는 42V 전원 시스템의 36V 배터리를 역접속하거나 점프 스타트를 실시할 때 역접속 하더라도 내부 시스템의 손상 및 오동작을 방지하기 위한 것이다.
일반적으로, 승용차량에는 14V 전원 시스템이 적용되고 있다. 14V 전원 시스템은 12V 배터리를 채택하고 있는데 공급할 수 있는 최대 전력 용량이 2~3 KV에 불과하며 발전효율이 낮고 부하량에 따라서 발전량을 조절할 수 없는 등의 문제가 있지만, 제조원가가 낮은 이점을 가지고 있어서 현재까지 사용되고 있다.
하지만, 근래에 들어 하이브리드 자동차의 개발 및 대용량 전압을 필요로 하는 다양한 전장품의 개발로 인하여 기존의 14V 전원 시스템으로는 이들에 안정된 전압을 제공할 수 없는 단점이 발생되었다.
따라서, 차량 제조사에서는 차세대 전원 시스템으로 42V 전원 시스템을 개발 중이고, 현재 일부 적용 중에 있다.
통상 42V 전원 시스템에는 36V 배터리와, 12V 배터리가 채택되고 있다.
상술한 기능을 수행하기 위한 종래 42V 전원시스템의 구성 및 동작을 첨부한 도 2를 참조하여 살펴보면, 36V의 전원을 저장하며 42V용 전장부하에 필요전원을 공급하는 제1 배터리인 36V 배터리와, 12V의 전원을 저장하며 14V용 전장부하에 필요전원을 공급하고 제1 배터리의 전원에 의해 충전되는 제2 배터리인 12V 배터리 외에, 일체형 기동 발전기로서 엔진의 시동시에는 스타터로 작동하고, 엔진의 시동이 온 상태를 유지하는 상태에서는 발전기로서 작동하는 ISG(Integrated Starter Generator)가 있고, 엔진의 시동 요구시에는 제 1 배터리의 직류전압을 교류 3상 전압으로 변환시켜 ISG를 구동시키고, 엔진의 시동이 온 상태가 되면 ISG에서 발전되는 교류 전압을 직류 전압으로 변환시켜 제1 배터리에 충전 전압으로 공급하는 인버터(도면미도시)와, 상기 ISG의 상전류를 모니터링 하여 상기 인버터내 전력변 환 스위칭소자의 스위칭을 제어하는 MCU(Motor Control Unit)와, 제1 배터리의 36V 전원을 다운시켜 제2 배터리에 충전전원으로 공급함과 동시에 14V 전장 부하에 전원을 공급하는 DC/DC 컨버터와 상기 제1 배터리의 터미널 양단에 접속되어 제1 배터리의 전압, 온도, 전류 등을 모니터링하여 SOC(STATE OF CHARGE)를 관리하는 BMS(BATTERY MANAGEMENT SYSTEM)으로 구성된다.
이와 같은 42V 전원 시스템에서 36V의 제1 배터리의 관리는 중요한데, 연비향상을 위한 다양한 제어 전략에 따라 매우 빈번한 충방전을 수행하여야 하기 때문이다. 예를 들어 차량의 제동시 기계적인 에너지를 전기적인 에너지로 변환하여 열로서 소비되던 에너지를 회수하여(회생제동) 저장함으로써 연비 향상을 제공하는데 이와 같은 회생제동 기능을 위해 제 1배터리는 현재의 12V 배터리와는 달리 항상 만충전을 하지 않는데 이는 회생 제동시 회수될 에너지를 위한 저장 여유를 갖고 있어야 하기 때문으로 약 60% 정도 충전을 유지한다.
한편, 42V 전원 시스템에서는 BMS가 제 1배터리에 대한 제반적인 관리를 하고 있는데 주차 중인 경우에 제 1배터리가 자기 방전 또는 암전류에 의하여 전하량의 변화가 생길 경우 BMS에서는 이를 확인하지 못하여 재기동시 BMS에 최종 기록된 SOC값과 실제 SOC값간의 차이가 발생한다.
따라서, 본 발명의 출원인은 2004년 특허출원 제 59584 호에서 제 1배터리에 대한 무부하 전압의 검출을 통해 SOC의 관리 및 제어에 정밀성을 제공하는 것을 제안한바 있다.
이러한 동작을 첨부한 도 3을 참조하여 살펴보면, MCU(20)에는 ISG에서 생성 하는 3상 교류 전압을 DC 42V로 변환하기 위하여 대용량의 캐패시터(21)이 있는데, 이그니션 온시에 초기 돌입 전류가 MCU(20)의 캐패시터(21)에 유입되는 것을 방지하기 위하여 BMS(10)에는 제 1, 제2 릴레이(11)(12)을 설치하였다. 또한, 제 2릴레이(12)가 바로 온되면 MCU의 캐패시터(21)에 과도한 전류가 유입되므로, 제 1릴레이(11)에 직렬로 저항(13)을 연결하여 프리차징 되도록 하였다.
한편, 시스템이 정상적으로 기동된 후에는 돌입전류에 대비한 저항에 의하여 전압강하가 발생되어 손실이 발생하므로 제 2릴레이(12)을 설치하여 정상 기동 후에는 제 2릴레이(12)가 온되어 작동한다. 이러한 BMS는 42V 발전시스템이 동작하기 이전에 제1 배터리(30)의 무부하 전압을 계측하기 위하여 제 2 배터리(40)으로부터 전원을 공급받는다.
무부하 전압은 배터리의 화학 반응이 안정된 상태에서의 전압 배터리 충방전 발생시 2시간 정도의 휴지시간 후의 전압을 말한다.
이그니션이 온되면 제 2 배터리를 이용하여 BMS는 소정 시간동안 제 2배터리 양단의 무부하 전압을 측정하고, 검출이 끝나면 제 1릴레이(11)를 온시켜 프리차징을 하며, 초기 충전이 완료되는 시점에 제2 릴레이(12)를 온시켜 충전을 개시한다. 이어 소정시간이 지난 후 제1 릴레이(11)을 오프한다. 이 때, 유입되는 전류는 제1 릴레이(11)이 온되는 초기에는 저항에 의하여 전류가 제한된다.
그러나 종래의 42V 전원 시스템에서는 36V 배터리가 역접속될 경우 발생될 수 있는 42V 전원 시스템의 손상 및 오동작을 방지할 수가 없는데, 특히 42V 전원 시스템에서 36V 배터리가 방전되어, 점프 시동(Jump-Start)를 실시하여야 할 때 (+) 터미널과 (-) 터미널을 역접속할 수 있는데 이로 인해 42V 전원 시스템이 손상되거나 오동작을 할 수가 있는 문제점이 발생되었다.
본 발명은 상기한 문제점을 시정하여, 메인 릴레이를 연결하기 전 단계에서 역전압 여부를 판단하여 초기 충전을 진행하지 않음으로써 42V 전원 시스템의 역전압 인가에 의한 손상 및 오동작 되는 것을 방지하도록 하기 위한 42V 전원시스템 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 무부하 전압을 측정하기 위하여 엔진의 시동 요구가 검출되면 BMS내의 프로세서는 제1 배터리와 MCU의 전원 라인을 연결하는 제1, 제2 릴레이를 오프 상태로 유지시켜 설정된 일정한 시간동안 제1 배터리의 무부하 전압을 측정하는 단계와, 상기 일정시간 동안 측정된 제1 배터리의 무부하 전압을 평균값으로 산출하여 제1 배터리의 무부하 전압이 검출되면 상기 제1 릴레이를 온시키고, 설정된 시간이 경과하면 제2 릴레이를 온시키면서 제1 릴레이를 오프시킨 후 산출된 평균 무부하 전압값으로부터 SOC값을 환산하여 제1 배터리의 SOC값을 관리하는 단계를 포함하는 42V 전원시스템의 제어방법에 있어서: 상기 제1 배터리의 무부하 전압을 측정하는 단계에서 상기 측정된 무부하 전압값이 기설정된 역접속 검출 전압 설정치 이상인지를 판단하여 이상시 상기 제1 배터리로의 충전을 중지하는 역전압 보호 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 데 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한 다.
첨부한 도 1은 본 발명에 따른 42V 전원 시스템 제어방법의 흐름도이이며, 이에 대한 설명은 전술한 첨부 도 3에 도시되어 있는 일반적인 42V 전원 시스템에서의 BMS와 MCU부의 내부 구성도를 참조하여 설명한다.
본 발명에서 역 접속 검출은 BMS내의 검출기에서 이루어지는 바, 이 검출기는 배터리의 전압, 전류 및 온도 등을 검출하기 위한 검출기이다.
제1 배터리인 36V 배터리(30)의 (+)측 단자에 연결된 BMS(10)내를 보면, 엔진의 재시동 요구시에 무부하 전압을 위한 제어와 무부하 전압의 검출 후 MCU(20)내의 캐패시터(21)에 유입되는 초기 돌입전류가 발생되지 않도록 하는 제어를 실행하고, 엔진의 정상적인 시동이 완료되면 충전 제어를 위한 제어를 실행한다.
또한, 검출기(15)에서 배터리의 전압값이 미리 설정한 역접속 검출 전압 설정치보다 작거나, 전류값이 역접속 검출 전류 설정치 보다 큰 경우에 제1 배터리에 충전이 진행되지 않도록 제어하는 마이크로프로세서(14)와, 상기 제1 배터리(30)의 (+)측 단자에 병렬로 접속되어 MCU(20)에 연결되며, 상기 마이크로프로세서(14)에서 인가되는 제어신호에 따라 스위칭되어 제1 배터리(30)와 MCU(20)간의 전원 공급 라인 연결을 단속하는 제1, 제2 릴레이(11)(12)및 제1 배터리(30)의 (+)측 단자에 접속되어 제1 배터리(30)의 전압, 전류, 온도 등을 검출하여 마이크로 프로세서(14)에 인가하여 마이크로 프로세서(14)가 제1, 제2 릴레이(11)(12)의 온, 오프 제어하는 판단 데이터를 입력하는 검출기(15)로 구성된다.
이와 같은 구성의 42V 전원 시스템에서 본 발명의 제어방법의 동작을 보면 도 1과 같이 42V 전원 시스템에서 36V의 전원을 충전하고 있는 제1 배터리(30)가 정차 등으로 휴지시간이 경과된 상태에서 엔진의 시동을 요구하는 이그니션 온이 BMS(10)내의 마이크로프로세서(14)에서 검출한다.
이그니션 온이 검출(S1)되면, 마이크로프로세서(14)는 프리차징용 릴레이인 제1 릴레이(11)와 메인 릴레이인 제2 릴레이(12)를 오프(S2)하여, 제1 배터리(30)에서 MCU(20)에 공급하는 전원을 차단한다.
한편, 마이크로프로세서(14)가 갖고 있는 카운터 값, 무부하 전압값, 프리차지를 위한 임시변수인 T, 배터리 검출 전류값 Ibat를 초기화(S3)한다.
이어서, 일정시간이 경과하면 도면에 도시되지 않은 A/D 컨버터를 통해 제1 배터리(30)에 대한 무부하 전압 OCV 및 배터리 검출 전류 Ibat를 연속적으로 측정(S4)한 후, OCV 및 Ibat값이 기 설정한 역 접속 검출 전압 VRB36, 및 역 접속 검출 전류 IRB36 값과 비교(S5)하여 OCV가 VRB36보다 작거나, Ibat가 -IRB36보다 큰 경우에는 역접속 상태로 판단하고 바로 배터리 역 접속 경보(S6)를 띄우면서 동작을 중단하여, 역접속된 외부 전원으로부터 42V 전원 시스템의 내부를 보호한다.
한편, 역 접속 상태가 아니라고 판단하면 카운터를 증가(S7)하면서, 기설정된 카운트 값에 도달할 때까지 계속해서 무부하 전압 OCV와 배터리 검출 전류 Ibat를 측정하여 역 접속 여부를 판단한다.
설정된 카운트 값(예를 들어, 5)에 도달하면, 측정한 무부하 전압 측정값을 이용하여 평균값을 산출(S9)한다.
무부하 전압 평균값이 산출되면 BMS(10)내의 마이크로프로세서는 제1 제어신 호를 출력하여 제1 릴레이(11)의 접점을 온으로 절환(S10)시켜 초기 기동시 MCU(20)내의 캐패시터(21)에 전류가 공급되어 충전되도록 하며, 캐패시터(21)에 공급되는 충전전류는 저항(13)에 의하여 전류 제한되어 완만한 곡선을 갖는 충전이 이루어지도록 하는데 이를 프리차지라고 한다.
이어서, 제1 릴레이(11)의 온 이후 상기 저항(13)과 캐패시터(21)의 RC시정수로 결정되는 지연시간(Tpre)을 설정하고, 설정된 지연시간의 카운터를 초기화한 이후 카운터를 진행하며, 카운터의 진행이 설정된 지연시간을 경과하였는지를 판단(S11, S12)한다.
이후, 설정된 지연시간을 경과하면 BMS(10)내의 마이크로 프로세서(14)는 제2 릴레이(12)의 접점을 온으로 절환하고, 일정시간 경과 후 제1 릴레이(11)의 접점을 오프로 절환시켜 제1 릴레이(11) 전단에 설치된 저항(13)에 의한 에너지 손실을 방지(S13)한다.
다음으로, 마이크로 프로세서(14)는 테이블로 설정된 제1 배터리(30)의 SOC와 OCV로부터 초기 시동시 설정된 일정 시간 동안 측정된 무부하 전압 대비 SOC를 환산(S14)한 다음, 이 환산된 SOC를 적용하여 제1 배터리(30)의 SOC관리를 실행(S15)한다.
이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.
이상과 같이 본 발명은 배터리의 역접속에 의한 시스템의 손상 보호 및 오작동을 방지할 수 있고, 특히 MCU의 DC-LINK 전해 캐패시터를 역전압으로부터 보호할 수 있다.

Claims (3)

  1. 무부하 전압을 측정하기 위하여 엔진의 시동 요구가 검출되면 BMS내의 프로세서는 제1 배터리와 MCU의 전원 라인을 연결하는 제1, 제2 릴레이를 오프 상태로 유지시켜 설정된 일정한 시간동안 제1 배터리의 무부하 전압을 측정하는 단계와, 상기 일정시간 동안 측정된 제1 배터리의 무부하 전압을 평균값으로 산출하여 제1 배터리의 무부하 전압이 검출되면 상기 제1 릴레이를 온시키고, 설정된 시간이 경과하면 제2 릴레이를 온시키면서 제1 릴레이를 오프시킨 후 산출된 평균 무부하 전압값으로부터 SOC값을 환산하여 제1 배터리의 SOC값을 관리하는 단계를 포함하는 42V 전원시스템의 제어방법에 있어서:
    상기 제1 배터리의 무부하 전압을 측정하는 단계에 상기 측정된 무부하 전압값이 기설정된 역접속 검출 전압 설정치 이하인지를 판단하여 이하시 상기 제1 배터리로의 충전을 중지하는 역전압 보호 단계를 포함하여 상기 제1 배터리로의 역전압 인가에 의한 42V 전원시스템의 손상 및 오동작을 방지할 수 있도록 제어하는 것을 특징으로 하는 42볼트 전원 시스템 제어방법.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서, 상기 역전압 보호단계는 상기 측정된 무부하 전압값이 상기 역접속 검출 전압 설정치 이하인 경우 경보 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 42볼트 전원 시스템 제어방법.
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