KR101164002B1 - 차량용 충전 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 보조 배터리의 상태 및 컨버터의 상태에 따라 컨버터의 출력을 가변되게 제어할 수 있는 차량용 충전 장치 및 방법에 관한 것이다. 이러한 본 발명은 배터리 및 차량의 이상이 없을 경우 배터리의 전원을 확인하는 단계와, 배터리의 충전 상태가 정상 상태 범위에서 벗어나는 경우 컨버터를 온동작시키는 단계와, 컨버터의 출력 전류를 확인하여 확인된 전류 값이 정상 영역을 초과할 경우 컨버터의 출력 전압을 강압시키고 정상 영역 이하일 경우 출력 전압을 증가시키는 단계와, 컨버터의 내부 온도를 감지하고 설정 온도 값 이상일 경우 컨버터의 출력 전압을 강압시키는 단계와, 컨버터의 출력전류와 출력전압을 감지하여 출력전압이 기 설정된 범위 내에 있는 경우 컨버터의 출력을 정지하는 단계를 포함한다.
본 발명은 컨버터의 출력을 효율적으로 제어하여 연비 및 운전성능을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 보조 배터리의 수명을 연장시키고 보조 배터리의 상태를 안정적으로 유지할 수 있는 유용한 효과를 갖는다.

Description

차량용 충전 장치 및 방법{CHARGING DEVICE AND METHOD FOR AUTOMOTIVE VEHICLES}

본 발명은 차량용 충전 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 하이브리드 전기 차량 또는 연료 전지차 등에 채용되는 보조 배터리를 충전하는 컨버터를 효율적으로 제어할 수 있도록 하는 차량용 충전 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 넓은 의미의 하이브리드 차량은 서로 다른 두 종류 이상의 동력원을 효율적으로 조합하여 차량을 구동시키는 것을 의미한다.

그러나 대부분의 경우는 연료를 사용하여 구동력을 얻는 엔진과 배터리의 전력으로 구동되는 전기모터에 의해 구동력을 얻는 차량을 의미하며, 이를 통상 하이브리드 전기 차량(Hybrid Electric Vehicle, HEV)이라 부르고 있다.

최근 연비를 개선하고 보다 환경친화적인 제품을 개발해야 한다는 시대적 요구에 부응하여 하이브리드 전기 차량에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

하이브리드 전기 차량(이하, '하이브리드 차량'으로 약칭함)은 엔진과 전기모터를 동력원으로 하여 다양한 구조를 형성할 수 있는데, 현재까지 연구되고 있는 대부분의 차량은 병렬형이나 직렬형 중에서 하나를 채택하고 있다.

이 중에서 병렬형은 엔진이 배터리를 충전시키기도 하나 전기모터와 함께 차량을 직접 구동시키도록 되어 있다.

상기한 병렬형은 구조가 직렬형보다 상대적으로 복잡하고 제어 로직이 복잡하다는 단점은 있지만, 엔진의 기계적 에너지와 배터리의 전기에너지를 동시에 사용할 수 있어 에너지를 효율적으로 사용할 수 있다는 장점 때문에 승용차 등에 널리 채택되고 있다.

특히, 병렬형은 엔진과 전기모터의 최적 작동영역을 이용하므로 구동 시스템 전체의 연비를 향상시킴은 물론, 제동시에는 전기모터로 에너지를 회수하므로 효율적인 에너지의 이용이 가능하다.

그리고, 하이브리드 차량에는 차량 제어기(Hybrid Control Unit, HCU)가 탑재되어 있고, 또한 시스템을 구성하는 각 장치별로 제어기를 구비하고 있다.

예컨대, 엔진 작동의 전반을 제어하는 엔진 제어기(Engine Control Unit, ECU), 전기모터 작동의 전반을 제어하는 모터 제어기(Motor Control Unit, MCU), 변속기를 제어하는 변속기 제어기(Transmission Control Unit, TCU), 배터리 상태를 감시하고 관리하는 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS), 실내 온도 제어를 담당하는 에어컨 제어기(Full Auto Temperature Controller, FATC) 등이 구비되어 있다.

여기서, HCU는 각 제어기들의 구동 제어 및 하이브리드 운전모드 설정, 그리고 차량 전반의 제어를 담당하는 최상위 제어기이다. 상술된 각 제어기들이 최상위 제어기인 HCU를 중심으로 고속 캔(CAN) 통신라인으로 연결되어, 제어기들 상호 간에 정보를 주고받으면서 상위 제어기는 하위 제어기에 명령을 전달하도록 되어 있다.

또한, 하이브리드 차량에는 전기모터의 구동전력을 제공하는 고전압 배터리(메인 배터리)가 필수적으로 장착되는 데, 차량 운행 중에 고전압 배터리는 충전 또는 방전을 반복하면서 필요한 전력을 공급하게 된다.

모터 보조(Motor Assist)시에는 고전압 배터리가 전기에너지를 공급(방전)하고, 회생제동시나 엔진 구동시에 전기에너지를 저장(충전)하게 된다. 이때, BMS는 배터리 충전 상태(State Of Charge, SOC), 가용 충전파워, 가용 방전파워 등을 HCU 및 MCU에 전송하여 배터리 안전 및 수명 관리 등을 수행한다.

한편, 하이브리드 차량에는 전기모터(구동모터)의 구동전력을 제공하는 메인배터리(고전압 배터리)와 함께 차량 전장품의 구동전력을 제공하는 보조배터리(저전압 배터리)가 탑재된다.

상기한 보조배터리에는 고전압과 저전압 사이의 출력변환을 위한 저전압 DC/DC 컨버터(Low Voltage DC/DC Converter, LDC, LV DCDC, 이하 '컨버터'라 약칭함)가 연결된다.

컨버터는 하이브리드 차량의 고전압 배터리로부터 나오는 고전압 직류전압을 저전압 직류전압으로 변환하여 보조배터리를 충전하고 차량의 전장부하량을 모니터링하는 기능을 갖는다.

차량 발생 토크 중 일부는 컨버터 발전용 토크로 사용하기 때문에, 컨버터의 발전량이 많으면 차량 발진성이 떨어지며, 따라서 보조배터리 충전량과 운전감은 반비례하게 된다.

또한, 차량의 운전상태나 보조배터리의 전압상태를 고려하지 않은 컨버터 제어는, 보조배터리의 충전효율을 저하시키고 연비에도 악영향을 미친다.

따라서, 컨버터의 제어를 통한 차량의 연비 향상 및 운전감 향상의 방안이 필요하다.

이를 위하여 종래에는, 컨버터를 조건에 따라 단순히 온(ON) 또는 오프(OFF) 상태로 제어하여 연비를 향상시키는 방법이 이용되었다.

즉, 차량의 전장 부하가 발생하여 배터리 소모가 이루어지는 모드에 진입한 후에 전장 부하량이 기준값을 초과한 경우에는, 방전의 우려가 있으므로 보조배터리의 충전을 위해 LDC를 온(ON)하여 일정 출력을 공급하고, 기준값 이하인 경우는 LDC를 오프한다.

그러나, 이러한 종래의 방법은 연비 향상에 중점을 둔 것으로, 연비 향상의 효과는 우수하나, 빈번하게 LDC를 온 또는 오프하게 됨으로써 보조배터리의 내구성에는 악영향을 미치게 된다는 문제점이 있다.

또한, 보조배터리의 낮은 SOC 상태에서 LDC 오프시에는 주행 중 방전의 위험이 있다는 문제점이 지적되고 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 발명의 목적은 차량의 보조 배터리를 충전하는 컨버터의 충전효율을 향상시킴과 아울러, 컨버터에 가해지는 부하를 최소화할 수 있도록 한 차량용 컨버터를 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 차량 전장품의 구동 전력을 제공하는 배터리; 배터리를 충전하는 컨버터; 및 배터리의 충전 상태에 따라 컨버터의 온/오프 동작을 제어하고, 배터리의 출력전압을 감지하여 컨버터의 출력 전압을 가변적으로 제어하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 배터리 및 차량의 이상이 없을 경우 배터리의 전원을 확인하는 단계; 배터리의 충전 상태가 정상 상태 범위에서 벗어나는 경우 컨버터를 온동작시키는 단계; 컨버터의 출력 전류를 확인하여 확인된 전류 값이 정상 영역을 초과할 경우 컨버터의 출력 전압을 강압시키고 정상 영역 이하일 경우 출력 전압을 증가시키는 단계; 컨버터의 내부 온도를 감지하고 설정 온도 값 이상일 경우 컨버터의 출력 전압을 강압시키는 단계; 컨버터의 출력전류와 출력전압을 감지하여 출력전압이 기 설정된 범위 내에 있는 경우 컨버터의 출력을 정지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 보조 배터리의 상태 및 컨버터의 상태에 따라 컨버터의 출력을 가변되게 제어함으로써, 보조 배터리의 충전 효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 컨버터의 부하를 최소화할 수 있는 유용한 효과를 갖는다.

또한, 본 발명은 컨버터의 충전을 효율적으로 제어하여 연비 및 운전성능을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 보조 배터리의 수명을 연장시키고 보조 배터리의 상태를 안정적으로 유지할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 정상 모드시 본 발명에 따른 차량용 충전 장치의 출력 전압 제어 방법을 나타낸 플로우 챠트.
도 2는 비상 모드시 본 발명에 따른 차량용 충전 장치의 출력 전압 제어 방법을 나타낸 플로우 챠트.
도 3은 본 발명에 따른 차량용 충전 장치를 나타낸 구성도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 차량은 서로 다른 두 가지 이상의 동력원을 갖는 하이브리드 자동차와, 전기에너지를 동력원으로 하는 전기 자동차, 수소를 동력원으로 하는 연료전지차 등이 해당된다.

상기한 차량에는 전기모터의 구동 전력을 제공하는 메인 배터리(고전압)와 함께 차량 전장품 등에 구동전력을 제공하는 보조 배터리(저전압)가 탑재된다.

본 발명의 컨버터는 메인 배터리와 보조 배터리 사이를 연결하여 출력 변환으로 12V 전장 부하를 공급하고, 고전압인 메인 배터리로부터 출력되는 직류 고전압을 직류 저전압으로 변환하여 보조 배터리를 충전하고 차량 전장 부하량을 모니터링하는 기능을 수행하게 된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 정상 모드시 차량용 컨버터의 출력 전압 제어 방법을 설명하기 위한 플로우 챠트이다.

이하 도 1을 참조하여 정상 모드시 차량용 컨버터의 출력 전압을 제어하는 방법을 설명한다.

먼저, 차량의 시동을 감지하여 차량의 주행 여부를 감지하게 된다.(단계 S1) 이때, 차량의 시동이 감지되면 제어기에 전원이 공급된다.

그러면 정상 모드시 제어기의 제어에 따라 컨버터를 통해 보조 배터리를 충전하는 모드(Mode) 1로 동작하게 된다.(단계 S2)

정상 모드로 판단된 후에는 보조 배터리의 전원 상태를 확인한다. 즉, 보조 배터리의 충전 상태가 80% 이상이거나 그에 준하는 전압일 경우에는 컨버터의 출력을 온(ON) 하지 않고 보조 배터리의 전압 상태를 확인한다.(단계 S3)

이때, 보조 배터리의 전압 상태가 기 설정된 전압(예를 들면, 10.5V) 이하일 경우 배터리 방전 경고를 발생하게 된다.(단계 S4)

즉, 보조 배터리의 전압을 확인하는 과정에서 검지 된 전압이 보조 배터리의 일반적인 사용 범위를 초과하는 전압일 경우, 제어기 측에 이상 신호를 출력한다.

반면에, 보조 배터리의 전압 상태가 기 설정된 전압(예를 들면, 13V) 이상일 경우에는, 배터리 출력을 정지시키고 보조 배터리의 전압을 감시하게 된다.(단계 S5)

즉, 보조 배터리의 충전 상태가 80% 미만이거나 그에 준하는 전압일 경우에만 컨버터의 출력을 온 동작시켜, 그 출력전압이 보조 배터리 전압의 ±1V 가 되도록 설정한다.(단계 S6)

본 발명의 실시예에서는 보조 배터리의 충전 상태가 10.5V~13V 사이에 있는 경우 컨버터의 출력을 온 시키도록 한다.

이어서, 컨버터의 출력 전류를 확인한 후 검지된 출력 전류가 안정적인 사용 범위를 초과하였는지의 여부를 판단하게 된다.(단계 S7)

만약, 컨버터의 출력전류가 안정적인 사용영역을 초과할 경우에는 출력 전압을 0.1V 감소시킨다.(단계 S8) 이때, 컨버터의 출력 전압은 기 설정된 최소 한계 미만의 전압으로 내려가지 않도록 한다. 여기서 기 설정된 최소 한계 전압은 12V로 설정되는 것이 바람직하다.

이후에 컨버터의 출력전류가 안정적인 사용영역을 초과하지 않은 경우 컨버터 내부의 온도를 감지하게 된다.(단계 S9) 여기서, 출력전류의 안정적인 사용 영역은 70도 미만으로 설정되는 것이 바람직하다.

만약, 감지된 컨버터의 내부 온도가 규정 온도값 이상일 경우에는, 컨버터의 출력 전압을 0.1V 감소시킨다.(단계 S7) 이때, 출력 전압은 최소 한계 미만의 전압으로 내려가지 않도록 설정함과 아울러, 출력 전류 또한 하한치를 설정하여 그 이하로 내려가지 않도록 한다.

반면에, 컨버터의 내부 온도가 규정 온도값 이하일 경우 출력 전류에 따라 보조 배터리의 충전이 완료되었는지의 여부를 판단한다.(단계 S10)

만약, 컨버터의 출력 전류에 따라 보조 배터리의 충전이 완료되면, 컨버터의 출력을 오프시킨다.(단계 S11) 그리고, 단계 S3으로 복귀하여 보조 배터리의 충전 전압을 다시 확인하게 된다.

반면에, 보조 배터리의 충전이 완료되지 않은 경우, 컨버터의 출력 전압을 증가시키게 된다.(단계 S12) 여기서, 컨버터의 출력 전압은 0.1V 증가시키는 것이 바람직하다. 이후에, 단계 7로 복귀하여 컨버터의 출력 전류가 설정 범위를 초과하였는지의 여부를 다시 판단하게 된다.

한편, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 비상 모드시 차량용 컨버터의 출력 전압 제어 방법을 설명하기 위한 플로우 챠트 이다.

제어기가 보조 배터리의 이상 및 차량 상태의 이상 유무를 판단하고, 이상 발생시에는 제어기의 신호에 따라 컨버터의 전압을 조정하거나 고정 전압을 출력하는 비상 모드(Mode) 2로 진입하게 된다.(단계 S20) 이상이 없을 시에는 보조 배터리의 출력 전압에 따라 컨버터의 출력전압을 가변되게 제어한다.

보조 배터리가 탈거, 혹은 보조 배터리의 상태가 이상하거나 차량 상태의 이상이 있을 경우에는, 비상 모드로 인식하여 제어기에서 컨버터의 전압을 조정하거나 고정 전압을 출력한다.(단계 S21)

도 3은 본 발명에 따른 보조 배터리의 충전 방법을 개략적으로 나타낸 구성도이다.

본 발명의 실시예는 컨버터(100)와, 제어기(200)와, 릴레이(R)와, 펄스 조정부(300) 및 보조 배터리(B)를 포함한다.

상술된 제어기(200)는, 차량의 시동 후 혹은 운전자가 차량을 조작 중인 경우에는 항상 온 동작 되는 상태를 유지한다. 그리고, 컨버터(100)의 출력 온 오프 동작은 다른 조건보다 항시 제어기(200)의 제어신호에 의해 우선적으로 동작한다. 또한, 제어기(200)는 상술된 보조 배터리(B)의 전압 상태를 계속적으로 확인하고, 그 확인 결과에 대응하여 컨버터(100)의 온/오프 동작을 제어한다.

상기한 보조 배터리(B)가 납축전지인 경우, 충/방전 사이클을 반복함에 따라 황산화 현상이 발생하게 되어 배터리의 수명을 줄이게 된다. 이를 극복하기 위하여 본 발명의 실시예는 트리클(Trickle) 충전 방식을 통해 보조 배터리(B)를 충전시켜 배터리의 수명을 연장시킨다.

이러한 충전방식은 차량의 운행 중 또는 다른 전장품에 전원이 공급되고 있을 시에는 노이즈로 작용할 우려가 있다. 그러므로, 차량의 시동이 꺼지고 난 후 혹은 운행이 종료된 후에 운전자의 조작이나 상위 제어기(200)의 지령에 의해 보조 배터리(B)의 상태가 좋지 않다고 판단될 경우에만 수 분간 충전한다.

이때, 충전 전류는 안전을 고려하여 5A 이하로 제한하는 것이 바람직하며, 고전압인 메인 배터리의 상태가 나쁠 때에는 충전을 시행하지 않는 것이 바람직하다.

상기한 충전방법은 제어기(200)에서 출력된 제어신호에 따라 컨버터(100)의 출력 릴레이(R)를 오픈하고 컨버터(100)의 출력을 14 V 고정전압으로 온 동작시킨다.

그리고, 컨버터(100)의 출력단과 보조 배터리(B)의 전원 단자에 연결되어 있는 펄스 조정부(300)를 제어하게 된다. 그리고, 펄스 조정부(300)는 릴레이(R)의 양단 노드에 연결되어 펄스 폭 변조신호 PWM(Pulse Width Modulation)에 따라 제어되는 스위칭 소자 SW를 포함한다.

여기서, 스위칭 소자 SW는 FET(Field Effect Transistor) 소자를 포함하는 것이 바람직하며, 스위칭 소자 SW를 10kHz 주기로 온/오프 동작을 반복하도록 제어한다. 또한, 상술된 펄스 폭 변조신호는 제어기(200)로부터 생성되는 것이 바람직하다.

따라서, 본 발명은 컨버터(100)의 출력을 효율적으로 제어하여 연비 및 운전성능을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 보조 배터리의 수명을 연장시키고 보조 배터리의 상태를 안정적으로 유지할 수 있다.

Claims (13)

1. 차량 전장품의 구동 전력을 제공하는 배터리와; 상기 배터리를 충전하는 컨버터와; 상기 배터리의 충전 상태에 따라 상기 컨버터의 온/오프 동작을 제어하고, 배터리의 출력전압을 감지하여 상기 컨버터의 출력 전압을 가변적으로 제어하는 제어기와; 상기 제어기의 제어에 따라 상기 컨버터와 상기 배터리의 연결을 선택적으로 차단하는 릴레이와; 상기 릴레이의 양단 노드에 연결되어 상기 제어기에서 발생되는 펄스 폭 변조신호에 따라 제어되는 펄스 조정부;를 포함하여 이루어지는 차량용 충전 장치에 있어서,
   상기 제어기는, 외부로부터 고정 전압의 출력이 요구되는 제어신호가 인가될 경우 상기 배터리와의 연결을 단락시키고 외부의 제어신호에 따라 상기 컨버터의 출력 전압을 제어하되,
   상기 배터리의 충전 상태가 정상 상태 범위에 포함된 경우 상기 컨버터를 오프시키고 상기 배터리의 전압 상태를 확인하고,
   상기 배터리의 충전 상태가 정상 상태 범위에서 벗어난 경우 상기 컨버터를 온 시켜 상기 배터리의 출력전압을 일정 전압 상승시키며,
   상기 제어기는 상기 배터리의 출력 전압이 기 설정된 범위에서 벗어난 경우 이상 신호를 외부에 송출하고,
   상기 제어기는 차량이 동작 중인 경우 온 상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 차량용 충전 장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 제 1항에 있어서, 상기 제어기는 상기 컨버터의 출력 전류를 감지하여 기 설정된 범위에서 벗어난 경우 상기 컨버터의 출력전압을 강압시키는 것을 특징으로 하는 차량용 충전 장치.
7. 제 1항에 있어서, 상기 제어기는 상기 컨버터의 내부 온도를 감지하여 기 설정된 온도 범위 이상인 경우 상기 컨버터의 출력전압을 강압시키는 것을 특징으로 하는 차량용 충전 장치.
8. 삭제
9. 배터리 및 차량의 이상이 없을 경우 상기 배터리의 전원을 확인하는 단계;
   상기 배터리의 충전 상태가 정상 상태 범위에서 벗어나는 경우 컨버터를 온동작시키는 단계;
   상기 컨버터의 출력 전류를 확인하여 확인된 전류 값이 정상 영역을 초과할 경우 상기 컨버터의 출력 전압을 강압시키고 정상 영역 이하일 경우 상기 출력 전압을 증가시키는 단계;
   상기 컨버터의 내부 온도를 감지하고 설정 온도 값 이상일 경우 상기 컨버터의 출력 전압을 강압시키는 단계;
   상기 컨버터의 출력전류와 출력전압을 감지하여 출력전압이 기 설정된 범위 내에 있는 경우 상기 컨버터의 출력을 정지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 충전 방법.
10. 제 9항에 있어서,
    상기 배터리의 이상 및 상기 차량 상태의 이상 유무를 판단하고, 이상 발생시 제어기의 제어 신호에 따라 상기 컨버터의 전압을 조정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 충전 방법.
11. 제 9항에 있어서, 상기 출력 전압을 강압 또는 증가시키는 단계에서
    상기 컨버터의 출력 전압을 상기 배터리 전압의 ±1V 가 되도록 조정하는 것을 특징으로 하는 차량용 충전 방법.
12. 제 9항에 있어서,
    상기 차량의 시동이 꺼진 이후에 상기 배터리의 충전시 상기 컨버터의 출력전압을 일정 전압으로 고정한 상태에서 일정 전류 이하의 출력전류로 트리클(Trickle) 충전하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 충전 방법.
13. 제 9항에 있어서, 상기 배터리의 출력 전압이 기 설정된 범위에서 벗어난 경우 이상 신호를 외부에 송출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 충전 방법.

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