KR101820134B1 - 저전압 dc-dc 컨버터 통합형 스마트 정션블록 - Google Patents

저전압 dc-dc 컨버터 통합형 스마트 정션블록 Download PDF

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Abstract

본 발명은 저전압 DC-DC 컨버터 통합형 스마트 정션블록이 개시된다. 본 발명의 저전압 DC-DC 컨버터 통합형 스마트 정션블록은, 스마트 정션블록 내부에 설치되고, 배터리 출력을 구동전압으로 변환하여 차량의 부하장치로 출력하는 LDC(Low voltage DC-DC Converter); 및 차량의 ECM(Electronic Control Module)으로부터 ISG(Idle Stop and Go) 스타트 온 신호 수신시, 상기 LDC를 구동시키는 MCU(Micro Controller Unit)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

저전압 DC-DC 컨버터 통합형 스마트 정션블록{LOW VOLTAGE DC-DC CONVERTER INTEGRATED SMART JUNCTION BLOCK}
본 발명은 저전압 DC-DC 컨버터 통합형 스마트 정션블록에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 ISG(Idle Stop and Go) 시스템 차량에 적용되는 저전압 DC-DC 컨버터가 통합된 스마트 정션블록을 제공하는 저전압 DC-DC 컨버터 통합형 스마트 정션블록에 관한 것이다.
최근 연비를 개선하고 보다 환경 친화적인 제품을 개발해야 한다는 시대적 요청에 부응하여 ISG시스템에 대한 연구가 더욱 활발히 진행되고 있다.
ISG시스템은 차량의 정차시 차속, 엔진회전속도, 냉각수온 등의 정보를 입력 받아 공회전 시 엔진을 정지시켜 차량의 연비를 향상시킬 수 있는 시스템이다.
일반적인 ISG시스템을 구성하기 위해서는 통상 충방전 내구성이 보장되는 AGM(Absorptive Glass Mat) 배터리, 배터리의 상태를 예측하기 위한 배터리센서, 시동회수의 증가에 대응하기 위한 강화스타터, 재시동시 오디오 및 네비게이션 등의 리셋을 방지하기 위한 저전압 DC-DC 컨버터(Low voltage DC-DC Converter; LDC) 및 저부압시 시동정지를 금지 시키기 위한 브레이크 부압센서 등이 필요하며, 이는 차량에 탑재된 변속기의 사양과 무관하게 모든 ISG 시스템의 구현에 필수적인 부품들이다.
또한, LDC는 이러한 ISG시스템을 적용한 차량에서 엔진 정지 후 재시동시 전장품의 전원을 일정하게 유지시켜 주는 역할을 한다.
한편, 통상적으로 자동차에서는 램프류나 바디전장 부품, 멀티미디어 기기, 모터구동장치 등 차량 내 전기를 소모하는 각종 전기장치에 배터리 전원을 공급하기 위한 정션블록이 사용되고 있고, 이 정션블록에는 외부 회로에 과전류나 과부하가 전달되는 것을 방지하기 위한 다수의 퓨즈 및 전원 공급을 개폐하는 릴레이들이 설치된다.
자동차의 실내에 주로 설치되는 정션블록은 각 부하용 소자, 즉 부하별로 사용되는 퓨즈와 릴레이들을 회로 사이에 조합하여 박스에 내장시킨 일종의 배전박스로서, 퓨즈와 릴레이를 이용하여 배터리 전원을 공급 및 분배하는 기능을 주로 수행한다.
그 밖에 내부에 탑재되는 각종 소자(퓨즈, 릴레이 등)들에 대한 수납 및 보호, 와이어 보호, 신속한 방열을 통한 작동 효율 유지 등의 기능을 한다.
한편, 최근 차량에 대한 다양한 편의 사양 추가와 고급화가 이루어지면서 상기 정션블록의 보다 발전된 기능이 필요해짐에 따라 스마트 정션블록이 사용되는 차량이 증가하고 있다.
스마트 정션블록은 종래의 정션블록에 반도체 소자를 탑재하여 제어기능을 통해 좀 더 동적으로 부하를 제어하고 보호할 수 있는 기능을 지원하며, MCU(Micro Control Unit) 및 CAN(Controller Area Network)통신 소자 등이 실장되어 있다.
이처럼, 스마트 정션블록 내에 많은 소자들이 수납됨에 따라 보다 소형 집적화된 스마트 정션블록 및 최적 방열성능을 갖는 구조의 개발이 요구되고 있는 실정이다.
그러나, ISG시스템을 적용한 차량의 경우, 엔진 정지 후 재시동시 전장품의 전원을 일정하게 유지시켜 주기 위한 LDC가 별도 유닛으로 구비되어있어, 전원이 스마트 정션블록을 통해 바로 부하장치로 공급되지 않고, LDC를 경유하여 공급됨으로써 차량 시스템이 복잡해지고, 부품수의 증가 및 차량의 중량이 증가하며, 이에 따라 차량 원가가 상승하는 문제점이 있다.
본 발명의 배경기술로는 대한민국 공개특허공보 제10-2013-0044868호(공개일 : 2013.05.03.)인 "차량용 저전압 DC-DC 컨버터"가 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 상기와 같은 문제점들을 개선하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 ISG시스템 차량에 적용되어 전장품의 전원을 일정하게 유지시켜주는 저전압 DC-DC 컨버터가 스마트 정션블록에 통합된 저전압 DC-DC 컨버터 통합형 스마트 정션블록을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 저전압 DC-DC 컨버터 통합형 스마트 정션블록은, 스마트 정션블록 내부에 설치되고, 배터리 출력을 구동전압으로 변환하여 차량의 부하장치로 출력하는 LDC(Low voltage DC-DC Converter); 및 차량의 ECM(Electronic Control Module)으로부터 ISG(Idle Stop and Go) 스타트 온 신호 수신시, 상기 LDC를 구동시키는 MCU(Micro Controller Unit)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 MCU는, 차량 운전자의 조작 상태에 의해 입력되는 외부 신호에 따라 배터리 출력을 차량의 부하장치에 전달하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 차량 운전자의 조작 상태에 의해 입력되는 외부 신호는, 이그니션(Ignition) 동작에 따른 이그니션 신호와, 차량 에어콘 및 히터의 구동에 따른 입력 신호, 네비게이션 장치의 구동에 따른 입력 신호 및 오디오 장치의 구동에 따른 입력 신호 중 적어도 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 MCU는, CAN(Controller Area Network) 통신을 통해 차량의 ECM으로부터 ISG 스타트 신호를 수신하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 LDC는, 부스트 컨버터(Boost Converter)인 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 LDC는, 상기 배터리와 상기 부하장치의 전원공급라인에 설치되어, 역전압을 방지하는 스위칭 소자를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 스위칭 소자는, 게이트 단자는 MCU(Micro Controller Unit)와 연결되고, 소스단자는 배터리에 연결되며, 드레인 단자는 부하장치에 연결되는 N-채널 전계 효과 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 LDC는, 동기(Synchronous) 정류 방식을 적용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 부하장치는, 오디오, AVN(AUDIO, VIDEO, NAVIGATION), AMP, 히터 및 에어컨 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 저전압 DC-DC 컨버터 통합형 스마트 정션블록은 ISG시스템 차량에 적용되는 저전압 DC-DC 컨버터를 스마트 정션블록에 통합함으로써, 스마트 정션블록과 저전압 DC-DC 컨버터 간의 중복된 회로를 삭제하고, MCU를 하나로 통합하여 사이즈 및 중량을 절감할 수 있다.
또한, 방열에 취약한 역전압 다이오드 대신 FET를 적용하여 방열판을 제거함으로써, 사이즈 및 중량을 절감시킬 수 있으며, 사이즈 및 중량 절감을 통해 원가를 감소시킬 수 있다.
또한, 저전압 DC-DC 컨버터를 동기 정류 방식으로 변경함으로써, 전력변환효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 저전압 DC-DC 컨버터를 스마트 정션블록에 통합시켜 외부에 설치된 저전압 DC-DC 컨버터의 경로를 단축시켜 불필요한 전력량을 절감할 수 있다.
도 1은 종래의 일 실시예에 따른 저전압 DC-DC 컨버터를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 저전압 DC-DC 컨버터 통합형 스마트 정션블록의 구성도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 저전압 DC-DC 컨버터 통합형 스마트 정션블록을 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 종래의 일 실시예에 따른 저전압 DC-DC 컨버터를 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 저전압 DC-DC 컨버터 통합형 스마트 정션블록의 구성도로서, 이를 참조하여 본 실시예에 따른 저전압 DC-DC 컨버터 통합형 스마트 정션블록을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도 2에 도시된 바와 같이, 저전압 DC-DC 컨버터 통합형 스마트 정션블록(1)은 LDC(100) 및 MCU(200)를 포함하며, 이때 MCU(200)는 차량 운전자의 조작 상태에 의해 입력되는 외부 신호에 따라 배터리 출력이 차량의 부하장치(300)에 전달되도록 제어한다.
LDC(Low voltage DC-DC Converter, 100)는 저전압 직류-직류 변환기로써, 12V 배터리가 순간적으로 저전압이 될 경우, 상기 배터리의 출력을 부하장치(300)를 구동시킬 수 있는 전압으로 변환하여 부하장치(300)에 전달한다.
즉, 본 실시예에서 LDC(100)는 부스트 컨버터(Boost Converter)로써, 입력한 전압보다 높은 전압을 출력할 수 있다.
한편, 도 1에 도시된 바와 같이 종래의 LDC(100)는 역전압 방지를 위해 다이오드를 사용함으로써 방열판(110)이 필요하였으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 저전압 DC-DC 컨버터 통합형 스마트 정션블록(1)은 다이오드를 삭제함으로써 방열판(110)을 없앨 수 있다.
또한, 역전압 방지 다이오드를 삭제하고 스위칭 소자로 변경하면서 LDC(100)의 경로가 변경되어 불필요한 전력을 절감할 수 있는 효과가 있다.
이때, 본 실시예에서는 스위칭 소자로 N-채널 전계 효과 트랜지스터(120)를 적용할 수 있다.
N-채널 전계 효과 트랜지스터(N-channel Field Effect Transistor; N-FET, 120)는 배터리에서 부하장치(300)로 공급되는 전원공급라인에 설치되며, 게이트 단자(G)는 MCU(200)에 연결되어, 게이트 단자(G)에 인가되는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호에 의해 스위칭 동작되며, 소스단자(S)는 배터리와 연결되고, 드레인 단자(D)는 부하장치와 연결된다.
또한, N-FET(120)는 게이트 단자(G)의 전압이 소스단자(S)의 전압보다 높을 경우 턴온되어 전원이 흐르도록 한다.
이러한 N-FET(120)는 배터리 극성이 역접속되는 것을 방지하는 용도로 사용할 뿐만 아니라, 전원을 부스트하고, 역전압을 방지할 수 있는 용도로 사용할 수 있다.
따라서, 본 실시예에서는 LDC(100)에 N-FET(120)를 적용하여 동기(Synchronous) 정류 방식으로 제어할 수 있다.
여기서, 동기 정류 방식은 FET를 사용하여 클럭에 동기시켜 필요한 타이밍에 정류동작을 하는 것이다.
동기 정류 방식은 스위치에서 손실되는 전압이 다이오드에 비해 작아 낮은 전압에서도 효율적이다. 따라서, 비동기 제어방식에 비해 전도손실을 줄일 수 있어 효율이 보다 높은 장점이 있다.
MCU(Micro Controller Unit, 200)는 차량 운전자의 조작 행태에 의해 입력되는 외부 신호에 따라 배터리 출력이 차량의 부하장치(300)에 전달되도록 제어한다.
여기서, 차량 운전자의 조작 상태에 의해 입력되는 외부 신호는, 이그니션(Ignition) 동작에 따른 이그니션 신호와, 차량 에어콘 및 히터의 구동에 따른 입력 신호, 네비게이션 장치의 구동에 따른 입력 신호 및 오디오 장치의 구동에 따른 입력 신호 중 적어도 어느 하나 이상을 말한다.
이때, MCU(200)는 차량 운전자의 조작 상태에 따른 외부 신호가 입력되고, 차량의 ECM(Electronic Control Module)으로부터 ISG(Idle Stop and Go) 스타트 온 신호 수신시, LDC(100)를 통해 부하장치(300)의 전원을 일정하게 유지할 수 있다. 본 실시예에서 MCU(200)는 CAN(Controller Area Network) 통신을 통해서 ECM으로부터 ISG 신호를 수신받을 수 있다.
즉, LDC(100)를 통해 저전압 시 배터리의 출력을 부하장치(300)에 공급하여 부하장치(300)가 계속해서 유지될 수 있도록 한다.
예컨대 ISG 시스템 적용 차량에서 엔진 정지 후 차량이 재시동하는 경우, 차량의 스타트 모터를 구동하기 위해 대부분의 전력이 사용되므로, 배터리의 전압이 순간적으로 저전압 상태가 될 수 있다. 이때, 순간적으로 부하장치(300)의 전원이 재부팅되거나 출력에 이상이 생기지 않도록 LDC(100)를 통해 부하장치(300)의 전원을 일정하게 유지시켜줄 수 있다.
한편, 상기 MCU(200)는 차량 운전자의 이그니션 동작에 따른 이그니션 신호의 온/오프에 관계없이 ISG 시스템이 구비된 차량의 부하장치(300)에 배터리 전원을 공급하여 계속해서 유지할 수도 있다. 이는, LDC(100)를 경유하지 않고 배터리 전원이 공급되는 것을 의미한다.
여기서, ISG 시스템은 차량 정차시 불필요한 공회전을 최소화함으로써, 도심 주행 연비를 개선할 수 있는 시스템이다.
예컨대, 운전자가 ISG 버튼을 누른 상태에서, 브레이크를 밟고 변속기 레버를 D단에서 N단으로 변속시 자동으로 엔진이 정지하고, 다시 변속기 레버를 N단에서 D단으로 변속시 자동으로 엔진이 재시동하게 된다.
한편, 차량 운전자의 ACC(ACCESSORY) 동작에 따른 ACC 신호가 입력되면, ACC 스위칭 소자(10)를 통해 배터리 전원이 부하장치(300)에 제공될 수 있다. 이때 부하장치(300)는 오디오(Audio) 등과 같은 ACC 장치를 말한다.
부하장치(300)는 오디오, AVN(AUDIO, VIDEO, NAVIGATION), AMP, 에어컨 및 히터, 네비게이션 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 또한, 본 실시예에서는 상기의 부하장치(20) 이외에 차량의 모든 멀티미디어 부하장치를 포함할 수 있다.
이러한 부하장치(300)는 배터리로부터 상시 구동전력을 제공받을 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 저전압 DC-DC 컨버터 통합형 스마트 정션블록(1)은 퓨즈(미도시)를 구비할 수 있다. 이는 복수 개 구비될 수 있으며, 복수의 부하장치(300)와 전원을 연결하여, 복수의 부하장치(300) 측으로 과도한 전류가 흐르는 것을 방지하기 위하여 일정 수치 이상의 전류가 흐르면 단락됨으로써 회로를 차단할 수 있다.
또한, 저전압 DC-DC 컨버터 통합형 스마트 정션블록(1)은 배터리, 이그니션 및 ACC 회로를 구비할 수 있으며, ISG 신호는 CAN 통신을 통해 입력받기 때문에 와이어를 제거할 수 있어, 차량 시스템을 단순화할 수도 있다.
상술한 바와 같이, 본 실시예에 따른 저전압 DC-DC 컨버터 통합형 스마트 정션블록은 ISG시스템 차량에 적용되는 저전압 DC-DC 컨버터를 스마트 정션블록에 통합함으로써, 스마트 정션블록과 저전압 DC-DC 컨버터 간의 중복된 회로를 삭제하고, MCU를 하나로 통합하여 사이즈 및 중량을 절감할 수 있다.
또한, 방열에 취약한 역전압 다이오드 대신 FET를 적용하여 방열판을 제거함으로써, 사이즈 및 중량을 절감시킬 수 있으며, 사이즈 및 중량 절감을 통해 원가를 감소시킬 수 있다.
또한, 저전압 DC-DC 컨버터를 동기 정류 방식으로 변경함으로써, 전력변환효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 저전압 DC-DC 컨버터를 스마트 정션블록에 통합시켜 외부에 설치된 저전압 DC-DC 컨버터의 경로를 단축시켜 불필요한 전력량을 절감할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
1 : 저전압 DC-DC 컨버터 통합형 스마트 정션블록
10 : ACC 스위칭 소자 100 : LDC
110 : 방열판 120 : N-FET
200 : MCU 300 : 부하장치

Claims (9)

  1. 스마트 정션블록 내부에 설치되고, 배터리 출력을 구동전압으로 변환하여 차량의 부하장치로 출력하는 LDC(Low voltage DC-DC Converter); 및
    차량의 ECM(Electronic Control Module)으로부터 ISG(Idle Stop and Go) 스타트 온 신호 수신시, 상기 LDC를 구동시키는 MCU(Micro Controller Unit)를 포함하되,
    상기 LDC는,
    상기 배터리와 상기 부하장치의 전원공급라인에 설치되어, 역전압을 방지하는 스위칭 소자인 N-채널 전계 효과 트랜지스터를 포함하며, 부스트 컨버터(Boost Converter)이고, 동기(Synchronous) 정류 방식을 적용하고,
    상기 MCU는,
    차량 운전자의 조작 상태에 의해 입력되는 외부 신호에 따라 배터리 출력을 차량의 부하장치에 전달하도록 제어하고, CAN(Controller Area Network) 통신을 통해 차량의 ECM으로부터 ISG 스타트 신호를 수신하며,
    상기 차량 운전자의 조작 상태에 의해 입력되는 외부 신호는,
    이그니션(Ignition) 동작에 따른 이그니션 신호와, 차량 에어콘 및 히터의 구동에 따른 입력 신호, 네비게이션 장치의 구동에 따른 입력 신호 및 오디오 장치의 구동에 따른 입력 신호 중 적어도 어느 하나 이상이고,
    상기 N-채널 전계 효과 트랜지스터는,
    게이트 단자가 MCU(Micro Controller Unit)와 연결되고, 소스단자는 배터리에 연결되며, 드레인 단자는 부하장치에 연결되고,
    상기 부하장치는,
    오디오, AVN(AUDIO, VIDEO, NAVIGATION), AMP, 히터 및 에어컨 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 저전압 DC-DC 컨버터 통합형 스마트 정션블록.
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