KR101592738B1 - 파워 릴레이 어셈블리 및 이의 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 파워 릴레이 어셈블리 및 이의 제어 방법에 관한 것으로서, 하이브리드 자동차 및 순수 전기자동차와 같은 친환경자동차에서 릴레이 소음을 저감할 수 있는 파워 릴레이 어셈블리 및 이의 제어 방법을 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 고전압 배터리와 인버터 사이의 (+) 파워 라인에 복수 개의 릴레이들을 병렬로 연결하여 구성되는 (+) 메인 릴레이; 상기 (+) 파워 라인에서 (+) 메인 릴레이를 우회하는 회로 상에 설치되는 프리차지 릴레이 및 프리차지 저항; 그리고 고전압 배터리와 인버터 사이의 (-) 파워 라인에 복수 개의 릴레이들을 병렬로 연결하여 구성되는 (-) 메인 릴레이를 포함하는 파워 릴레이 어셈블리, 및 이의 제어 방법이 개시된다.

Description

파워 릴레이 어셈블리 및 이의 제어 방법{Power relay assembly and control method thereof}
본 발명은 파워 릴레이 어셈블리 및 이의 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 하이브리드 자동차(HEV,PHEV)나 순수 전기자동차(EV) 등의 친환경자동차에서 고전압 배터리 전원을 선택적으로 연결 및 차단하는 파워 릴레이 어셈블리 및 이의 제어 방법에 관한 것이다.
오늘날 기존의 내연기관 자동차를 대체할 수 있는 친환경자동차의 개발이 활발히 진행되고 있으며, 전기모터만을 구동시켜 주행하는 순수 전기자동차(EV)나 내연기관과 전기모터를 구동원으로 함께 사용하는 하이브리드 자동차(HEV,PHEV)가 자동차 제조사에 따라 상용화되어 출시되고 있거나 상용화를 앞두고 있는 상황이다.
이러한 전기자동차나 하이브리드 자동차는 구동원이 되는 전기모터(Traction Motor)에 전력을 공급하기 위한 주 동력원으로 고전압 배터리를 탑재하고 있으며, 더불어 배터리 충전을 위한 충전장치, 전기모터(이하, '구동모터'라 칭함)를 구동시키기 위한 인버터 등을 구비하고 있다.
상기 인버터는 고전압 배터리에서 공급되는 DC 전압을 3상 AC 전압으로 변환하여 구동모터를 구동시키게 된다.
또한, 자동차에는 배터리의 상태를 감시하는 배터리 제어기(Battery Management System, BMS)가 탑재되는데, 이 배터리 제어기는 배터리의 온도, 전압, 충/방전 전류, 배터리 SOC(State Of Charge) 등에 관한 배터리 상태 정보를 수집하고, 수집되는 배터리 상태 정보를 차량 제어에 이용될 수 있도록 차량 내 타 제어기에 제공한다.
한편, 도 1은 통상의 전기자동차나 하이브리드 자동차에 적용되고 있는 고전압 회로부의 구성을 나타내는 도면으로서, 고전압 배터리(10), 인버터(31)를 포함한 모터 제어기(Motor Control Unit, MCU)(30), 구동모터(40), 파워 릴레이 어셈블리(Power Relay Assembly, PRA)(20) 등의 부품을 포함하는 고전압 회로부의 구성 및 연결상태를 개략적으로 예시한 도면이다.
도시된 바의 고전압 회로부는, 차량의 주 동력원이 되는 고전압 배터리(10), 상기 고전압 배터리(10)의 전력을 공급받아 구동되는 구동모터(40), 구동모터(40)를 구동시키기 위한 인버터(31)를 포함하는 모터 제어기(MCU)(30), 고전압 배터리(10)의 전원이 차량에 선택적으로 공급되도록 스위칭하는 파워 릴레이 어셈블리(20)를 포함한다.
여기서, 모터 제어기(30)는 인버터(31) 내 스위칭소자들의 구동을 제어하여 DC 전압을 인버터(31)를 통해 3상 AC 전압으로 변환해줌으로써 구동모터(40) 측에 각 상 전류가 인가될 수 있도록 한다.
또한, 파워 릴레이 어셈블리(20)는 배터리(10)와 인버터(31) 사이의 고전압 회로 상에 배터리 전원을 선택적으로 개폐하도록 설치되는 것으로, 배터리(10)와 인버터(31) 사이의 회로를 선택 개폐하기 위한 복수 개의 릴레이(21,22,23)들로 구성된다.
상기 파워 릴레이 어셈블리(20)는 주 전원접점인 두 개의 메인 릴레이(Main Relay(+),(-))(21,22)와, 상기 두 메인 릴레이(21,22) 중 1개를 우회하는 회로 상에 설치되는 프리차지 릴레이(Precharge Relay)(23) 및 프리차지 저항(Precharge Resistor)(24)을 포함한다.
즉, 도 1에 예시된 바와 같이, 고전압 배터리(10)와 인버터(31) 사이의 (+) 파워 라인과 (-) 파워 라인에 (+) 메인 릴레이(Main Relay(+))(21)와 (-) 메인 릴레이(Main Relay(-))(22)가 각각 설치되고, (+) 메인 릴레이(21)를 우회하는 바이패스 회로 상에 프리차지 릴레이(23)와 프리차지 저항(24)이 설치된다.
이러한 파워 릴레이 어셈블리(20)의 릴레이(21,22,23)들은 통상 배터리 제어기(BMS)(50)에서 출력되는 릴레이 제어신호에 따라 온/오프(On/Off) 제어되도록 되어 있다.
한편, 상기한 구성에서 고전압 배터리(10)의 전력을 이용하기 위해서는 (+), (-) 메인 릴레이(21,22)를 모두 온(On) 상태로 유지해야 하며, 따라서 차량 시동 시나 시동 오프 시에 정해진 시퀀스(sequence)에 따라 고전압 릴레이(21,22,23)들을 순차적으로 온 또는 오프 시키는 제어 과정이 수행된다.
또한, 고전압 배터리(10)의 경우 주행거리 증대를 위해 같은 부피라 하더라도 더욱 큰 용량을 가지도록 기술개발이 이루어지고 있는데, 배터리의 용량이 커지면 커질수록 릴레이의 용량 또한 커져야 한다.
특히, 배터리의 용량이 매우 큰 PHEV(Plug-in Hybrid Electric Vehicle) 차량이나 EV(Electric Vehicle) 차량의 경우 릴레이 사양 또한 대전류를 만족하도록 설계되어야 한다.
그러나, 배터리의 용량에 맞추어 릴레이의 용량이 커질 경우 시동 온/오프 시 릴레이에서 접촉 소음이 발생하며, 릴레이 용량 증대로 인해 소음 또한 증가하게 되면서 사용자의 불만이 발생할 수 있다.
이러한 릴레이 소음의 발생 원인으로는 전류 용량이 큰 (+) 메인 릴레이(21)와 (-) 메인 릴레이(22)가 온(On) 될 때 기계적인 마찰을 들 수 있으며, 기계적인 마찰과 소음은 릴레이의 용량이 커질수록 증가하게 된다.
가솔린 자동차 등에 익숙한 운전자가 PHEV/EV 차량을 처음 타게 되었을 때 시동 온/오프 시마다 들리는 릴레이 소음은 낯설게 들릴 것이며, 이는 사용자의 감성적인 불만을 야기할 수 있다.
그럼에도 현재 하이브리드 자동차(HEV)나 순수 전기자동차(EV)는 초기 개발상태이기 때문에 아직 릴레이 소음에 대해 집중하고 있지 못한 것이 사실이며, 이들 차량에서 릴레이 소음을 줄일 수 있는 구조적/제어적인 방안이 요구되고 있는 상태이다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, 하이브리드 자동차나 순수 전기자동차와 같은 친환경자동차에서 릴레이 소음을 저감할 수 있는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 양태에 따르면, 고전압 배터리와 인버터 사이의 (+) 파워 라인에 복수 개의 릴레이들을 병렬로 연결하여 구성되는 (+) 메인 릴레이; 상기 (+) 파워 라인에서 (+) 메인 릴레이를 우회하는 회로 상에 설치되는 프리차지 릴레이 및 프리차지 저항; 그리고 고전압 배터리와 인버터 사이의 (-) 파워 라인에 복수 개의 릴레이들을 병렬로 연결하여 구성되는 (-) 메인 릴레이를 포함하는 파워 릴레이 어셈블리를 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 양태에 따르면,(+) 메인 릴레이와 (-) 메인 릴레이, 프리차지 릴레이 및 프리차지 저항을 포함하는 파워 릴레이 어셈블리의 제어 방법에 있어서, (+) 메인 릴레이와 (-) 메인 릴레이의 온/오프 제어시에, (+) 메인 릴레이를 구성하도록 병렬로 연결된 복수 개의 릴레이들과, (-) 메인 릴레이를 구성하도록 병렬로 연결된 복수 개의 릴레이들을 각각 순차적으로 온(On)/오프(Off) 제어하는 것을 특징으로 하는 파워 릴레이 어셈블리의 제어 방법을 제공한다.
이에 따라, 본 발명의 파워 릴레이 어셈블리 및 이의 제어 방법에 의하면, (+) 메인 릴레이와 (-) 메인 릴레이를 소용량의 릴레이들로 구성하고, 차량의 시동 온/오프 시에 릴레이들을 순차적으로 온/오프 시킴으로써, 메인 릴레이 온/오프 시에 발생하는 소음을 줄일 수 있는 효과가 있게 된다.
도 1은 통상의 전기자동차나 하이브리드 자동차에 적용되고 있는 고전압 회로부의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 파워 릴레이 어셈블리의 구성도이다.
도 3과 도 4는 본 발명에 따른 릴레이 제어 방법을 나타내는 순서도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 하이브리드 자동차(HEV,PHEV)나 순수 전기자동차(EV)와 같은 친환경자동차에서 고전압 전원을 선택적으로 연결 및 차단하는 고전압 릴레이들을 포함하는 파워 릴레이 어셈블리 및 이의 제어 방법에 관한 것이다.
특히, 본 발명은 차량 시동 온/오프 시에 릴레이에서 발생하는 소음을 저감할 수 있는 개선된 파워 릴레이 어셈블리 및 이의 제어 방법에 관한 것으로, 파워 릴레이 어셈블리는 고전압 배터리와 인버터 사이의 (+) 파워 라인과 (-) 파워 라인에 각각 설치되는 (+) 메인 릴레이 및 (-) 메인 릴레이, 그리고 (+) 메인 릴레이를 우회하는 회로 상에 설치되는 프리차지 릴레이와 프리차지 저항을 포함한다.
도 2는 본 발명에 따른 파워 릴레이 어셈블리의 구성도로서, 본 발명에서는 소음을 저감시키기 위한 방법으로, 키르히호프(Kirchhoff)의 법칙을 이용하여, (+) 메인 릴레이와 (-) 메인 릴레이에서, 각각 하나의 전류 경로(path)만을 사용하던 방식 대신, 복수 개의 전류 경로를 사용하는 방식으로 개선한다.
좀더 설명하면, 도 1에 도시한 바와 같이, (+) 메인 릴레이(210)와 (-) 메인 릴레이(230)가 설치되는 위치, 즉 고전압 배터리(100)와 인버터(미도시) 사이의 (+) 파워 라인과 (-) 파워 라인에 서로 병렬로 연결되는 복수 개(N개)의 소용량 릴레이(211,231)들을 설치하여 (+) 메인 릴레이(210)와 (-) 메인 릴레이(230)를 구성한다.
이때, 메인 릴레이(210,230)가 설치되는 위치의 파워 라인을 N개의 라인으로 분기하고, 각 라인에 릴레이(211,231)들을 설치하여 파워 라인에서 릴레이(211,231)들이 서로 병렬로 배치될 수 있도록 한다.
이와 같이 (+) 메인 릴레이(210)와 (-) 메인 릴레이(230)를 각각 복수 개의 릴레이 군(群)으로 구성할 경우, 사용되는 각 릴레이(211,231)를 통해 흐르는 전류의 양을 줄일 수 있으므로 개별 릴레이(211,231)의 용량을 줄일 수 있다.
즉, 작은 용량의 릴레이를 사용할 수 있는 것으로, 이를 통해 릴레이의 대용량화로 인해 나타나는 소음의 크기를 줄일 수 있고, 결국 파워 릴레이 어셈블리(200)에서 발생하는 전체 소음의 크기를 줄일 수 있게 된다.
도 1을 참조하면, 고전압 배터리(100)와 인버터 사이의 (+) 파워 라인에 복수 개의 전류 경로를 형성하도록 N개의 릴레이(211)가 병렬로 연결되어 있고, 더불어 (-) 파워 라인에도 복수 개의 전류 경로를 형성하도록 N개의 릴레이(231)가 병렬로 연결되어 있다.
또한, (+) 메인 릴레이(210)를 우회하는 회로 상에 프리차지 릴레이(221)와 프리차지 저항(222)이 설치됨을 볼 수 있다.
한편, 도 3과 도 4는 본 발명에 따른 릴레이 제어방법을 나타내는 순서도로서, 도 3은 차량 시동 온 시 제어 순서도이고, 도 4는 차량 시동 오프 시 제어 순서도이다.
릴레이는 공칭 전류 용량(nominal current capacity, 이하. '전류 용량'이라 약칭함)과 숏텀 전류(short-term current)를 가지는데, (+) 파워 라인과 (-) 파워 라인에 각각 N개의 릴레이(211,231)를 설치함에 있어서, N개 릴레이(211,231)의 전류 용량의 총합이 고전압 배터리(100)의 최대 전류보다 크도록 설계해야 한다.
또한, 본 발명에서 각 릴레이(211,231)들은 제어기(미도시, 예를 들면, 배터리 제어기(BMS))가 출력하는 제어신호에 의해 온/오프 제어되며, 특히 제어기가 시동 오프 시나 시동 온 시에 N개의 릴레이(211,231)를 정해진 순서에 따라 순차적으로 온 시키거나 오프 시키게 된다.
이때, N개의 릴레이(211,231)는 전체 또는 일부에 있어서 전류 용량이 다를 수 있는데, N개의 릴레이(211,231)를 순차적으로 온 시킴에 있어서 전류 용량이 가장 큰 릴레이부터 온 시키게 된다.
또한, 릴레이 오프 시에는 릴레이 온 시와 역순으로 릴레이(211,231)들을 순차적으로 오프시키는데, N개의 릴레이(211,231)를 순차적으로 오프 시킴에 있어서 전류 용량이 가장 작은 릴레이부터 오프 시키게 된다.
또한, 첫 번째로 온 시키는 릴레이(첫 번째 릴레이)의 사양에 있어서 '고전압 배터리의 최대 전류 < 숏텀 전류'가 되도록 첫 번째 릴레이를 선정하며, N번째로 온 시키는 릴레이의 경우 '(고전압 배터리의 최대 전류 - N번째 릴레이를 제외한 나머지 릴레이들의 전류 용량의 총합) < N번째로 온 시키는 릴레이의 숏텀 전류'의 사양을 가지도록 선정한다.
또한, 첫 번째로 온 시키는 릴레이와 N번째로 온 시키는 릴레이를 제외한 나머지 릴레이들은 각 릴레이의 숏텀 전류가 '고전압 배터리의 최대 전류 - 첫 번째로 온 시키는 릴레이의 전류 용량'보다 큰 사양을 가지도록 선정한다.
예를 들면, 고전압 배터리(110)의 최대 전류가 140A라 가정할 때, 릴레이의 사양은 아래와 같다.
- 첫 번째 릴레이 사양 : 전류 용량(nominal current capacity) = 100A, 숏텀 전류 = 150A, 2min
- 두 번째 릴레이 사양 : 전류 용량 = 30A, 숏텀 전류 = 50A, 10min
- 세 번째 릴레이 사양 : 전류 용량 = 30A, 숏텀 전류 = 50A, 10min
또한, 제어기가 N개의 릴레이(211,231)를 순차적으로 온 시킴에 있어서, 두 번째 릴레이가 온 되는 시점은, 첫 번째 릴레이가 온 된 시점으로부터 첫 번째 릴레이의 사양 중 숏텀 전류를 견딜 수 있는 시간보다 짧은 시간 내에 두 번째 릴레이가 온 될 수 있는 시점으로 정해져야 한다.
이러한 방식으로 전체 N개의 릴레이(211,231)가 온 되는 시점이 설정된다.
즉, 선 순위의 릴레이가 온 된 시점부터 선 순위 릴레이의 숏텀 전류를 견딜 수 있는 시간 이내에 다음 순위의 릴레이가 온 될 수 있도록 각 릴레이의 온 시점이 순차적으로 설정되는 것이다.
도 3을 참조하면, 제어기가 시동 온(On) 시에 (-) 메인 릴레이(230)의 온(On), 프리차지 릴레이(221)의 온, (+) 메인 릴레이(210)의 온, 프리차지 릴레이(221)의 오프(Off)의 순으로 제어함을 나타내고 있다.
이때, (-) 메인 릴레이(230)로 사용되는 N개의 릴레이(231)들을 모두 온 시키고 나면, 프리차지 릴레이(221)를 온 시키고, 이어 인버터 전압이 설정값을 넘어서게 되면 (+) 메인 릴레이(210)로 사용되는 N개의 릴레이(211)들을 온 시키게 된다.
또한, (-) 메인 릴레이(230)를 구성하는 N개의 릴레이(231)들과 (+) 메인 릴레이(210)를 구성하는 N개의 릴레이(211)들을 온 시킴에 있어서, 각 N개의 릴레이(211,231)들을 순차적으로 온 시키는데(첫 번째 릴레이부터 N 번째 릴레이까지 차례로 온 시킴), 이때 전류 용량이 큰 릴레이들부터 순차적으로 온 시키게 된다.
다음으로, 도 4를 참조하면, 제어기가 시동 오프(Off) 시에 (-) 메인 릴레이(230)로 사용되는 N개의 릴레이(231)들을 순차적으로 오프 시킨 후 (+) 메인 릴레이(210)로 사용되는 N개의 릴레이(211)들을 순차적으로 오프 시킨다.
N개의 릴레이(211,231)들을 오프 시킬 때에는 전류 용량이 작은 릴레이부터 순차적으로 오프 시키게 된다(즉, 온 시와 역순이며, 온 시의 N 번째 릴레이부터 온 시의 첫 번째 릴레이까지 차례로 오프 시킴).
이와 같은 방법으로 릴레이 온/오프 제어 시에 복수 개의 릴레이(211,231)들을 순차적으로 온/오프 시키게 되며, 이때 각 릴레이(211,231)들의 온/오프 되는 시점이 달라지기 때문에 릴레이의 소음을 저감시키는 것이 가능해진다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였는바, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것이 아니며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당 업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
100 : 고전압 배터리
200 : 파워 릴레이 어셈블리(PRA)
210 : (+) 메인 릴레이
211 : 릴레이
221 : 프리차지 릴레이
222 : 프리차지 저항
230 : (-) 메인 릴레이
231 : 릴레이

Claims (9)

  1. 고전압 배터리와 인버터 사이의 (+) 파워 라인에 복수 개의 릴레이들을 병렬로 연결하여 구성되는 (+) 메인 릴레이;
    상기 (+) 파워 라인에서 (+) 메인 릴레이를 우회하는 회로 상에 설치되는 프리차지 릴레이 및 프리차지 저항; 그리고
    고전압 배터리와 인버터 사이의 (-) 파워 라인에 복수 개의 릴레이들을 병렬로 연결하여 구성되는 (-) 메인 릴레이를 포함하고,
    상기 (+) 메인 릴레이를 구성하는 상기 복수 개의 릴레이들과, 상기 (-) 메인 릴레이를 구성하는 상기 복수 개의 릴레이들은, 각각 순차적으로 온(On)/오프(Off) 제어되는 것을 특징으로 하는 파워 릴레이 어셈블리.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 (+) 메인 릴레이와 (-) 메인 릴레이에서 각각 상기 복수 개의 릴레이들의 전류 용량의 총합이 고전압 배터리의 최대 전류보다 크도록 한 것을 특징으로 하는 파워 릴레이 어셈블리.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 (+) 메인 릴레이와 (-) 메인 릴레이가 각각 N개의 릴레이로 구성될 때, (+) 메인 릴레이와 (-) 메인 릴레이를 구성하는 상기 N개의 릴레이 중에서,
    첫 번째로 온(On) 시키는 릴레이는 '고전압 배터리의 최대 전류 < 숏텀 전류'의 사양을 가지도록 선정되고,
    N번째로 온 시키는 릴레이의 경우 '(고전압 배터리의 최대 전류 - N번째 릴레이를 제외한 나머지 릴레이들의 전류 용량의 총합) < N번째로 온 시키는 릴레이의 숏텀 전류'의 사양을 가지도록 선정되며,
    첫 번째로 온 시키는 릴레이와 N번째로 온 시키는 릴레이를 제외한 나머지 릴레이들은 각 릴레이의 숏텀 전류가 '고전압 배터리의 최대 전류 - 첫 번째로 온 시키는 릴레이의 전류 용량'보다 큰 사양을 가지도록 선정되는 것을 특징으로 하는 파워 릴레이 어셈블리.
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 (+) 메인 릴레이를 구성하는 상기 복수 개의 릴레이들과, 상기 (-) 메인 릴레이를 구성하는 상기 복수 개의 릴레이들은, 온(On) 시에 전류 용량이 큰 릴레이부터 순차적으로 온(On) 제어되는 것을 특징으로 하는 파워 릴레이 어셈블리.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 (+) 메인 릴레이를 구성하는 상기 복수 개의 릴레이들과, 상기 (-) 메인 릴레이를 구성하는 상기 복수 개의 릴레이들은, 오프(Off) 시에 전류 용량이 작은 릴레이부터 순차적으로 오프(Off) 제어되는 것을 특징으로 하는 파워 릴레이 어셈블리.
  7. (+) 메인 릴레이와 (-) 메인 릴레이, 프리차지 릴레이 및 프리차지 저항을 포함하는 파워 릴레이 어셈블리의 제어 방법에 있어서,
    (+) 메인 릴레이와 (-) 메인 릴레이의 온/오프 제어시에,
    (+) 메인 릴레이를 구성하도록 병렬로 연결된 복수 개의 릴레이들과, (-) 메인 릴레이를 구성하도록 병렬로 연결된 복수 개의 릴레이들을 각각 순차적으로 온(On)/오프(Off) 제어하는 것을 특징으로 하는 파워 릴레이 어셈블리의 제어 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 (+) 메인 릴레이를 구성하는 상기 복수 개의 릴레이들과, 상기 (-) 메인 릴레이를 구성하는 상기 복수 개의 릴레이들은, 온(On) 시에 전류 용량이 큰 릴레이부터 순차적으로 온(On) 제어하는 것을 특징으로 하는 파워 릴레이 어셈블리의 제어 방법.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 (+) 메인 릴레이를 구성하는 상기 복수 개의 릴레이들과, 상기 (-) 메인 릴레이를 구성하는 상기 복수 개의 릴레이들은, 오프(Off) 시에 전류 용량이 작은 릴레이부터 순차적으로 오프(Off) 제어하는 것을 특징으로 하는 파워 릴레이 어셈블리의 제어 방법.











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