KR101481275B1 - 충방전 제어 장치 및 충방전 제어 방법 - Google Patents

충방전 제어 장치 및 충방전 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시 예에 따른 충방전 제어 장치는 직류 전원을 발생시키는 전원부, 상기 전원부가 발생시키는 상기 직류 전원의 공급 여부를 제어하는 메인 릴레이, 상기 메인 릴레이로부터 상기 직류 전원이 공급되기 전에는 상기 전원부로부터 상기 직류 전원을 공급받아 전하를 충전하고, 상기 메인 릴레이로부터 상기 직류 전원이 공급되는 동안에는 상기 메인 릴레이로부터 공급되는 직류 전원을 교류 전원으로 변환하며, 상기 메인 릴레이로부터 상기 직류 전원의 공급이 중단되면 남은 전하를 방전하는 모터 제어부 및 상기 모터 제어부에서 변환된 상기 교류 전원을 공급받아 회전하거나, 상기 모터 제어부에서 상기 교류 전원의 공급이 중단되면 정지하거나, 정지하면서 상기 모터 제어부로부터 방전된 상기 남은 전하를 소모하는 모터부를 포함한다.

Description

충방전 제어 장치 및 충방전 제어 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING CHARGING AND DISCHARGING}
본 발명은 충방전 제어 장치 및 충방전 제어 방법에 프리차징를 이용한 충방전 제어 장치 및 충방전 제어 방법에 관한 것이다.
한정된 석유 자원의 고갈 예측과 석유 자원의 급속한 가격 상승, 유해 배기 가스로 인한 공해와 지구 온난화 등 환경 파괴의 문제점을 해결하기 위하여, 친환경의 대체 에너지 자동차의 개발이 국내외에서 활발하게 진행되어 왔고, 대체 에너지 자동차의 보급이 점차 확대 되고 있다.
이러한 대체 에너지 자동차로는 순수 전기 자동차(Electric Vehicle, EV), 화석 연료와 전기 에너지를 겸용하는 하이브리드 자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 연료전지 전기 자동차(Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV) 등이 있다.
상기와 같은 순수 전기 자동차는 배터리(battery)로부터 전력을 공급받고, 인버터(inverter)로 대표되는 모터 제어 장치(moter controller)에 의해 전동기를 제어하여 최적의 효율을 달성하고, 엔진을 모터로 대체함으로써 유해가스의 배출이 없는 완전한 친환경 자동차이다.
도 1은 일반적인 전기 자동차의 구동 시스템을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 전기 자동차는 배터리(10), 인버터(20), 모터(30) 및 제어부(40)를 포함한다.
전기 자동차의 배터리(10)에서 공급되는 전원은 직류 전원으로, 이를 이용하여 전기 자동차의 모터(30)를 구동하기 위해 직류 전원을 3상 교류 전원으로 변환하는 인버터(20)가 구비된다.
제어부(40)는 PWM(Pulse Width Modulation) 제어 방식에 의해 인버터(20)를 제어함으로써, 배터리(10)의 전원을 직류에서 교류로 변환한다. 인버터(20)를 제어하기 위하여 제어부(40)에서 발생시키는 게이트 신호는 PWM 스위칭 신호를 포함한다.
도 1에서, 인버터(20)는 내부에 직류 링크 커패시터(DC Link Capacitor)를 포함한다. 사용자 입력에 의해 시동 키(Ignition Key)가 ON이 되면, 배터리(10)에서 공급되는 전원에 의하여 인버터(20) 내부의 직류 링크 커패시터의 충전이 개시된다. 또한, 사용자 입력에 의해 시동 키가 OFF가 되면, 인버터(20) 내부의 직류 링크 커패시터가 충전된 상태로 전원이 꺼지는 현상이 발생한다.
이와 같이, 시동 키가 ON이 되면 인버터(20) 내부 직류 링크 커패시터의 충전이 개시되는 경우, 오동작이 발생할 수 있다. 또한, 인버터(20) 내부 직류 링크 커패시터가 충전되어 있더라도 시동키가 OFF가 되면 전원이 꺼지는 경우에는, 배터리 단자 부분에 접촉 발생시, 감전의 위험이 있다.
본 발명은 일정한 경우에 한하여 커패시터의 충전을 개시함으로써, 전기 자동차의 오동작을 방지할 수 있는 충방전 제어 장치 및 충방전 제어 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 전기 자동차의 운행이 종료된 이후에, 커패시터를 완전히 방전하여, 전기 자동차 점검 중 발생할 수 있는 감전 사고를 예방할 수 있는 충방전 제어 장치 및 충방전 제어 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 충방전 제어 장치는 직류 전원을 발생시키는 전원부, 상기 전원부가 발생시키는 상기 직류 전원의 공급 여부를 제어하는 메인 릴레이, 상기 메인 릴레이로부터 상기 직류 전원이 공급되기 전에는 상기 전원부로부터 상기 직류 전원을 공급받아 전하를 충전하고, 상기 메인 릴레이로부터 상기 직류 전원이 공급되는 동안에는 상기 메인 릴레이로부터 공급되는 직류 전원을 교류 전원으로 변환하며, 상기 메인 릴레이로부터 상기 직류 전원의 공급이 중단되면 남은 전하를 방전하는 모터 제어부 및 상기 모터 제어부에서 변환된 상기 교류 전원을 공급받아 회전하거나, 상기 모터 제어부에서 상기 교류 전원의 공급이 중단되면 정지하거나, 정지하면서 상기 모터 제어부로부터 방전된 상기 남은 전하를 소모하는 모터부를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 일정한 경우에 한하여 전기 자동차를 구성하는 커패시터의 충전을 개시할 수 있으므로 전기 자동차의 오동작을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따르면, 전기 자동차의 운행이 종료된 이후에 전기 자동차 내부의 커패시터를 완전히 방전시킴으로써, 전기 자동차 점검 중 발생할 수 있는 감전 사고를 예방할 수 있어 보다 안전하다.
도 1은 일반적인 전기 자동차의 구동 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 충방전 제어 장치의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 충방전 제어 장치의 충방전 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시 예를 더욱 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면 상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대한 중복된 설명은 생략한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 충방전 제어 장치의 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 충방전 제어 장치는 전원부(110), 메인 릴레이(120), 모터 제어부(130) 및 모터부(140)를 포함한다.
전원부(110)는 배터리를 의미하며, 수소(H2)와 공기 중 산소(O2)의 화학 반응을 통해 전기 에너지를 생성시켜 스택에 축적하는 방식의 연료 전지일 수 있다. 전원부(110)는 직류 전원을 발생시킬 수 있고, 전원부(110)의 단자를 통해 직류 전원을 공급받아 충전될 수도 있다. 전원부(110)는 모터 제어부(130) 및 모터부(140)에 직류 전원을 공급한다. 이때, 전원부(110)는 일정한 직류 전원을 공급하도록 제어될 수 있다.
메인 릴레이(120)는 모터부(140)의 구동 시에는 전원부(110)와 인버터(133)를 연결한다. 다만, 전원부(110)의 충전 시에는 메인 릴레이(120)가 전원부(110)와 인버터(133) 사이의 연결을 분리한다. 메인 릴레이(120)는 한 쌍으로 구성될 수 있고, 제어 신호에 따라 온(ON)/오프(OFF)되는 전기적 또는 기계적 스위치일 수 있다.
모터 제어부(130)는 초기 충전부(131), 인버터(133), 제어부(135) 및 사용자 입력부(137)를 포함할 수 있다.
초기 충전부(131)는 프리차지 스위치(Pre-Charge Switch) 및 프리차지 저항(Pre-Charge Resister)을 포함할 수 있다. 초기 충전부(131)는, 모터부 (140)의 구동 개시 시에 전원부(110)와 인버터(133) 내부의 직류 링크 커패시터를 연결하고, 인버터(133) 내부 직류 링크 커패시터의 초기 충전이 완료되면, 전원부(110)와 인버터(133) 내부 직류 링크 커패시터 사이의 연결을 분리한다. 초기 충전부(131)의 프리 차지 스위치는 제어부(135)의 제어 신호에 따라 온(ON)/오프(OFF)되는 전기적 또는 기계적 스위치일 수 있다.
인버터(133)는 제어 신호에 따라 전원부(110)로부터 공급되는 직류 전원을 3상 교류 전원으로 변환하여 모터부(140)에 공급한다. 이때, 인버터(133)는 제어 신호에 따라 스위칭 동작을 수행하여 전원부(110)로부터 공급되는 직류 전원을 3상 교류 전원으로 변환할 수 있다. 이때, 제어 신호는 게이트 신호(gate signal)이라 할 수 있으며, 게이트 신호는 PWM(Pulse Width Modulation)을 포함할 수 있다.
제어부(135)는 사용자 입력에 의해 시동키가 ON이 되면, 초기 충전부(131)에 프리차지 스위치 연결 신호를 제어 신호로 전송한다. 프리차지 스위치 연결 신호는 프리차지 스위치가 ON이 되어, 전원부(110)와 인버터(133) 내부 직류 링크 커패시터를 연결하도록 제어하는 제어 신호를 의미할 수 있다.
또한, 제어부(135)는 시동키가 ON이 된 후, 인버터(133) 내부 직류 링크 커패시터 충전이 완료되면, 초기 충전부(131)에 프리차지 스위치 분리 신호를 전송하고, 메인 릴레이(120)에 메인 릴레이 연결 신호를 제어 신호로 전송한다. 프리차지 스위치 분리 신호는 프리차지 스위치가 OFF가 되어, 전원부(110)와 인버터(133) 내부 직류 링크 커패시터의 연결을 분리하도록 제어하는 제어 신호를 의미할 수 있다. 그리고, 메인 릴레이 연결 신호는 메인 릴레이 상태가 ON이 되어, 전원부(110)와 인버터(133)를 연결하도록 제어하는 제어 신호를 의미할 수 있다.
또한, 제어부(135)는 시동키가 OFF로 변경된 경우, 메인 릴레이(120)에 메인 릴레이 분리 신호를 제어 신호로 전송한다. 메인 릴레이 분리 신호는 메인 릴레이 상태가 OFF가 되어, 전원부(110)와 인버터(133)의 연결을 분리하도록 제어하는 제어 신호를 의미할 수 있다.
이와 같은 제어부(135)의 동작에 따르면, 메인 릴레이(120)와 초기 충전부(131)는 선택적으로 전원부(110)와 인버터(133)를 연결할 수 있다. 이에 따라, 인버터(133) 내부의 직류 링크 커패시터는 제어부(135)가 정상적으로 동작하는 경우에 한하여 전하를 충전할 수 있다. 또한, 인버터(133) 내부의 직류 링크 커패시터는 사용자 입력에 따라 전기 자동차의 시동 키가 꺼지면 남은 전하를 방전할 수 있으므로, 직류 링크 커패시터에 남아 있는 전하로 인하여 발생할 수 있는 안전 사고를 예방할 수 있다.
사용자 입력부(137)는 제어부(135)가 메인 릴레이(12), 초기 충전부(131), 인버터(133)에 제어 신호를 보낼 수 있도록 사용자 입력을 수신한다. 예를 들면, 사용자 입력부(137)는 전기 자동차의 시동 키가 ON 또는 OFF되도록 제어하는 사용자 입력을 수신할 수 있다.
모터부(140)는 모터 제어부(130)의 인버터(133)로부터 제공되는 3상 교류 전원에 의하여 구동되는 3상 모터일 수 있다. 모터부(140)는 회전하거나, 정지하거나, 정지하면서 전류를 소모할 수 있다. 예를 들면, 모터부(140)는 메일 릴레이(120)가 ON이 되면, 인버터(133)로부터 3상 교류 전원을 공급받아 회전하는 형태로 구동될 수 있고, 이는 전기 자동차의 구동력이 될 수 있다. 또 다른 예를 들면, 모터부(140)는 메일 릴레이(120)가 OFF인데, 인버터 내부의 직류 링크 커패시터에 전하가 남아 있는 경우, 정지하면서 인버터 내부의 직류 링크 커패시터에 남은 전하를 소모할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 충방전 제어 장치의 충방전 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 사용자 입력부(137)가 수신한 사용자 입력에 의해 시동 키가 ON이 되면(S201), 제어부(135)가 정상적으로 동작하는 경우에 한하여(S203), 인버터(133)의 프리차지 스위치가 ON이 된다(S205).
도면 부호 S205 단계에서 제어부(135)는 초기 충전부(131)에 프리차지 스위치 연결 신호를 제어 신호로 전송할 수 있다.
프리차지 스위치가 ON이 되면, 전원부(110)와 인버터(133) 내부 직류 링크 커패시터가 연결되고, 직류 링크 커패시터가 충전된다(S207).
이어서, 인버터(133) 내부 직류 링크 커패시터가 충전 완료되면(S209), 초기 충전부(131)의 프리차지 스위치가 OFF되면서, 메인 릴레이(120)가 ON이 된다(S211).
도면 부호 S211 단계에서 제어부(135)는 초기 충전부(131)에 프리차지 스위치 분리 신호를 전송하고, 메인 릴레이(120)에 메인 릴레이 연결 신호를 전송할 수 있다.
도면 부호 S201 단계 내지 S211 단계가 수행됨에 따라, 전기 자동차의 모터부(40)에 동력이 전달되됨으로써, 전기 자동차에 구동력이 공급될 수 있다.
이어서, 사용자 입력부(137)가 수신한 사용자 입력에 의해 시동 키가 OFF가 되면(S213), 메인 릴레이(120)가 OFF된다(S215).
도면 부호 S215 단계에서 제어부(135)는 메인 릴레이(120)에 메인 릴레이 분리 신호를 전송할 수 있다.
이어서, 제어부(135)는 인버터(133) 내부의 직류 링크 커패시터의 방전이 완료되는 경우에 한하여(S217), 동작을 종료한다(S219).
도면 부호 S215 단계와 같이, 메인 릴레이(120)의 상태가 ON에서 OFF로 변경되면, 인버터(133) 내부의 직류 링크 커패시터에는 전원부(110)로부터 공급된 전하가 일부 잔류할 수 있다. 이때, 모터부(140)는 정지한 상태에서 인버터 내부 직류 링크 커패시터에 남은 전하를 소모할 수 있다. 제어부(135)는 모터부(140) 등에서 인버터 내부 직류 링크 커패시터에 남은 전하를 모두 소모한 경우에 정상적으로 동작을 종료할 수 있다.
이와 같은 본 발명의 실시 예에 의하면, 인버터(133)를 통해 전원부(110)에서 모터부(140)로 전원이 공급되기 전에, 인버터(133) 내부의 커패시터 충전이 완료되어 전기 자동차의 오동작을 방지할 수 있고, 전기 자동차 운행이 종료된 이후에는 커패시터에 남아 있는 전하를 모두 방전하여 커패시터 양 단자 점검 시 발생할 수 있는 감전 사고를 예방할 수 있다.
또한, 초기 충전부(131)가 모터 제어부(130)에 포함된 상태로 충방전 제어 장치가 생산되기 때문에, 기기간 호환성이 보장될 수 있어, 보다 편리하다는 장점이 있다.
이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시 예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시 예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
전원부(110)
메인 릴레이(120)
모터 제어부(130)
초기 충전부(131),
인버터(133)
제어부(135)
사용자 입력부(137)
모터부(140)

Claims (5)

  1. 직류 전원을 발생시키는 전원부;
    상기 전원부가 발생시키는 상기 직류 전원의 공급 여부를 제어하는 메인 릴레이;
    상기 메인 릴레이로부터 상기 직류 전원이 공급되기 전에는 상기 전원부로부터 상기 직류 전원을 공급받아 전하를 충전하고, 상기 메인 릴레이로부터 상기 직류 전원이 공급되는 동안에는 상기 메인 릴레이로부터 공급되는 직류 전원을 교류 전원으로 변환하며, 상기 메인 릴레이로부터 상기 직류 전원의 공급이 중단되면 남은 전하를 방전하는 모터 제어부; 및
    상기 모터 제어부에서 변환된 상기 교류 전원을 공급받아 회전하거나, 상기 모터 제어부에서 상기 교류 전원의 공급이 중단되면 정지하거나, 정지하면서 상기 모터 제어부로부터 방전된 상기 남은 전하를 소모하는 모터부를 포함하고,
    상기 모터 제어부는
    시동 키가 ON이 된 경우, 상기 메인 릴레이로부터 상기 직류 전원이 공급되기 전에, 상기 전원부가 발생시키는 상기 직류 전원의 공급 여부를 제어하고, 프리차지 스위치와 프리차지 저항을 포함하는 초기 충전부와
    상기 초기 충전부로부터 상기 직류 전원이 공급되는 동안에는 전하를 충전하고, 상기 메인 릴레이로부터 상기 직류 전원의 공급이 중단되면 전하를 방전하는 직렬 링크 커패시터를 포함하고, 상기 메인 릴레이로부터 상기 직류 전원이 공급되는 동안에는 상기 메인 릴레이로부터 공급되는 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 상기 모터부에 전달하는 인버터와
    상기 시동 키가 ON이 되고 상기 메인 릴레이로부터 상기 직류 전원이 공급되기 전에는 상기 초기 충전부가 ON이 되도록 제어하고, 상기 인버터 내부의 직렬 링크 커패시터의 충전이 완료되면 상기 메인 릴레이가 ON이 되도록 제어하며, 상기 시동 키가 OFF가 되면 상기 메인 릴레이가 OFF가 되도록 제어하는 동시에 상기 모터부가 상기 직렬 링크 커패시터에 남은 전하를 소모하도록 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 메인릴레이는 상기 직류 전원의 일단에 연결 되는 일단과 상기 직렬 링크 커패시터의 일단과 상기 인버터의 타단에 연결되는 타단을 갖고,
    상기 프리차지 스위치의 일단은 상기 직류 전원의 일단에 연결되고,
    상기 프리차지 저항은 상기 스위치의 타단에 연결되는 일단과 상기 직렬 링크 커패시터의 일단과 상기 인버터의 타단에 연결되는 타단을 갖는
    충방전 제어 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 메인 릴레이가 ON이 되도록 제어하는 경우에, 상기 초기 충전부가 OFF가 되도록 제어하는
    충방전 제어 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 모터 제어부는
    상기 시동 키의 상태를 ON 또는 OFF 상태로 변경하기 위한 사용자 입력을 수신하는사용자 입력부를 더 포함하는
    충방전 제어 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 초기 충전부는
    상기 제어부의 제어에 따라 상기 전원부가 발생시키는 상기 직류 전원의 공급 여부를 제어하는 프리차지 스위치; 및
    상기 직렬 링크 커패시터에 상기 전하가 충전시키는 프리차지 저항을 포함하는
    충방전 제어 장치.
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