KR101850469B1 - 차량용 전력제어장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 저전압 배터리; 고전압 배터리; 상기 저전압 배터리의 전력과 상기 고전압 배터리의 전력을 양방향으로 전달하는 양방향 컨버터; 상기 고전압 배터리로부터 상기 양방향 컨버터를 통해 인가되는 전력을 무선으로 휴대용 전자 장치에 전달하는 전력전송부; 및 동작 모드에 따라 상기 양방향 컨버터 및상기 전력전송부를 제어하여 상기 양방향 컨버터를 통해 상기 저전압 배터리와 상기 고전압 배터리 간의 전력 전달을 제어하거나 상기 고전압 배터리로부터 전달되는 전력을 무선으로 휴대용 전자 장치에 전달하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

차량용 전력제어장치{ELECTRIC POWER L1NTROL APPARATUS FOR VEHICLE}
본 발명은 차량용 전력제어장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 양방향 컨버터와 무선전력전송 기능을 통합한 차량용 전력제어장치에 관한 것이다.
차량의 전력시스템은 차량 내의 전자 부품, 안전 부품 또는 각종 액세서리를 가동하기 위한 전력을 공급하는 시스템이다. 차량의 전력시스템은 직류전압을 공급하여 차량 내의 전자 부품들을 가동한다. 기존에는 차량의 전력시스템으로 12V 전력시스템이 사용되었으나, 최근에는 에너지 용량을 증가시키고, 고출력의 전자 부품을 사용하여 전력 효율성을 향상시키기 위해 48V 전력시스템이 보급되고 있다.
다만, 48V 전력시스템을 적용하는 경우, 종래의 12V 전압으로 가동되던 차량의 모든 전자 부품을 48V 용으로 교체해야 하는 문제점이 존재하여, 12V 및 48V의 전압을 함께 공급할 수 있는 12V-48V 전력 변환 시스템이 개발되었다.
12V-48V 전력 변환 시스템은 12V 전압으로 소모전력이 적은 부품을 가동시키고, 48V 전압으로 전동식 조향장치 또는 공조시스템과 같이 소모전력이 큰 부품을 가동시킨다. 12V-48V 전력 변환 시스템으로는 통상적으로 양방향 DC-DC 컨버터가 사용된다.
한편, 스마트폰(smart phone), 랩탑(laptop), MP3(MPEG-1 Audio Layer-3) 플레이어(player), 헤드셋(headset) 등과 같은 휴대용 전자 장치의 보급이 확산되고 있다. 그러나, 휴대용 전자 장치는 베터리셀(예를 들어, 1차전지, 2차전지 등)에 저장된 전력을 소비함으로써 동작하기 때문에 휴대용 전자 장치가 지속적으로 동작할 수 있도록 하기 위해서는 배터리셀을 충전 또는 교체할 필요가 있다.
이에, 차량 내부에서도 스마트폰 등의 휴대용 전자 장치를 충전하기 위한 무선전력전송 장치가 개발되어 차량 내부에서도 휴대용 전자 장치를 충전시킬 수 있도록 하고 있다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허공보 제10-2016-0066974호(2016.06.13)의 '무선 전력 전송 장치 및 방법과 무선 전력 전송에 이용되는 공진주파수 검출 방법'에 개시되어 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 목적은 48V-12V 양방향 컨버터 기능을 기반으로 무선전력전송 기능을 구현함으로써, 48V-12V 양방향 전력변환 및 전력전송 기능을 모두 구현할 수 있도록 한 차량용 전력제어장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 목적은 전력변환기 및 무선전력전송 장치를 통합함으로써, 전력변환기 및 무선전력전송 장치의 설치 및 제작을 용이하게 할 수 있고, 전력변환기 및 무선전력전송 장치의 사이즈 및 무게를 감소시킬 수 있도록 한 차량용 전력제어장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 차량용 전력제어장치는 저전압 배터리; 고전압 배터리; 상기 저전압 배터리의 전력과 상기 고전압 배터리의 전력을 양방향으로 전달하는 양방향 컨버터; 상기 고전압 배터리로부터 상기 양방향 컨버터를 통해 인가되는 전력을 무선으로 휴대용 전자 장치에 전달하는 전력전송부; 및 동작 모드에 따라 상기 양방향 컨버터 및 상기 전력전송부를 제어하여 상기 양방향 컨버터를 통해 상기 저전압 배터리와 상기 고전압 배터리 간의 전력 전달을 제어하거나 상기 고전압 배터리로부터 전달되는 전력을 무선으로 휴대용 전자 장치에 전달하는 제어부를 포함하고, 상기 양방향 컨버터는 상기 저전압 배터리와 상기 고전압 배터리 중 어느 하나의 전력을 충방전하는 인덕터; 상기 인덕터와 직렬로 연결되는 제1 스위칭 소자; 및 일측이 상기 인덕터와 상기 제1 스위칭 소자 사이의 접점과 연결되고 타측이 접지와 연결되는 제2 스위칭 소자를 포함하며, 상기 전력전송부는 상기 인덕터와 연결되어 정현파를 형성하는 커패시터; 상기 인덕터와 상기 저전압배터리 사이에 연결되는 제3 스위칭 소자; 일단이 상기 제3 스위칭 소자와 상기 인덕터 사이에 연결되고 타단이 상기 커패시터에 연결되는 제4 스위칭 소자; 및 일측이 상기 커패시터에 연결되고 타단이 접지에 연결되어 상기 정현파에 따라 상기 휴대용 전자 장치에 전력을 무선으로 전송하는 송신코일을 포함하며, 상기 양방향 컨버터는 복수 개가 인터리브드 구조로 설치되며, 상기 전력전송부는 상기 양방향 컨버터 중 어느 하나에 연결되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 차량용 전력제어장치는 48V-12V 양방향 컨버터 기능을 기반으로 무선전력전송 기능을 구현함으로써, 48V-12V 양방향 전력변환 및 전력전송 기능을 모두 구현할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 차량용 전력제어장치는 전력변환기 및 무선전력전송 장치의 설치 및 제작을 용이하게 할 수 있고, 전력변환기 및 무선전력전송 장치의 사이즈 및 무게를 감소시킬 수 있다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 전력제어장치의 회로도이다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 전력제어장치를 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이러한 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 이용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야할 것이다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 전력제어장치의 회로도이다.
도 1 을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 전력제어장치는 저전압 배터리(10), 고전압 배터리(20), 양방향 컨버터(30), 전력 전송부(40) 및 제어부를 포함한다.
저전압 배터리(10)는 차량 내의 각 전자 부품에 각각 저전압을 공급한다. 저전압 배터리(10)는 12V 전압의 배터리로 구현될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
고전압 배터리(20)는 차량 내의 각 전자 부품에 각각 고전압을 공급한다. 고전압 배터리(20)는 48V 전압의 배터리로 구현될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
저전압 배터리(10)와 고전압 배터리(20)는 리튬 배터리, 납축전지, 슈퍼 캐패시터 또는 울트라 캐패시터가 단독 또는 조합되어 구성될 수 있으나 상기한 대상에 한정되지 않고 차량의 전자 부품에 전원을 공급할 수 있는 모든 구성을 포함할 수 있다.
저전압 배터리(10)와 고전압 배터리(20)는 상호 간의 전력 변환을 위해 복수 개의 양방향 컨버터(30)를 통해 전기적으로 연결된다.
양방향 컨버터(30)는 양방향으로 동작하는 것으로써, 저전압 배터리(10)에서 고전압 배터리(20)로 전력을 전달하거나 고전압 배터리(20)에서 저전압 배터리(10)로 전력을 전달한다.
본 실시예에서 고전압 배터리(20)에서 저전압 배터리(10)로 역방향으로 전력을 전달하는 것을 제1 전력전송 모드라 하고, 저전압 배터리(10)에서 고전압 배터리(20)로 전력을 전달하는 것을 제2 전력전송 모드라 한다.
양방향 컨버터(30)는 저전압 배터리(10)와 고전압 배터리(20) 사이에 복수 개가 인터리브드(interleaved) 구조로 배치되며, 저전압 배터리(10)와 고전압 배터리(20) 사이에 양방향으로 전류를 인가한다.
양방향 컨버터(30)는 저전압 배터리(10)와 고전압 배터리(20) 간에 전송되는 전송전력의 크기에 따라 복수 개가 구비될 수 있으며, 그 개수에 대응되는 위상차로 동작할 수 있다. 본 실시예에서는 4상 인터리브드 구조의 양방향 인버터를 예시로 설명한다.
양방향 컨버터(30)는 인덕터(L1), 제1 스위칭 소자(S1) 및 제2 스위칭 소자(S2)를 포함한다.
인덕터(L1)는 저전압 배터리(10)와 고전압 배터리(20) 중 어느 하나의 전력을 충방전한다.
인덕터(L1)는 제2 전력전송 모드에서는 저전압 배터리(10)의 전력을 충전한 후 고전압 배터리(20)로 전송하고, 제1 전력전송 모드에서는 고전압 배터리(20)의 전력을 충전한 후 저전압 배터리(10)로 전송한다.
제1 스위칭 소자(S1)는 인덕터(L1)와 직렬로 연결되며, 동작 모드에 따라 선택적으로 스위칭된다.
제2 스위칭 소자(S2)는 일측이 인덕터(L1)와 제1 스위칭 소자(S1) 사이의 접점에 연결되고 타측이 접지와 연결되며, 동작 모드에 따라 선택적으로 스위칭된다.
제2 전력전송 모드에서는, 먼저 제1 스위칭 소자(S1)가 턴오프되고 제2 스위칭 소자(S2)가 턴온되어 저전압 배터리(10)의 전력이 인덕터(L1)에 충전되고, 이후 제1 스위칭 소자(S1)가 턴온되고 제2 스위칭 소자(S2)가 턴오프되어 인덕터(L1)에 충전된 전력이 고전압 배터리(20)에 전송된다. 이에 따라 고전압 배터리(20)가 충전된다.
제1 전력전송 모드에서는, 먼저 제1 스위칭 소자(S1)가 턴온되고 제2 스위칭소자가 턴오프되어 고전압 배터리(20)의 전력이 인덕터(L1)에 충전되고, 이후 제1 스위칭 소자(S1)가 턴오프되고 제2 스위칭 소자(S2)가 턴온되어 인턱터에 충전된 전력이 저전압 배터리(10)에 전송된다. 이에 따라 저전압 배터리(10)가 충전된다.
이 경우, 동작하는 양방향 컨버터(30)의 개수는 전송전력 크기에 따라 결정된다. 예를 들어, 상대적으로 큰 전력을 전송할 경우에는 3~4상의 양방향 컨버터(30)가 동작하며, 상대적으로 작은 전력을 전송할 경우 1~2상의 양방향 컨버터(30)가 동작할 수 있으며, 전송 전력의 크기에 따라 n상의 양방향 컨버터(30)가 동작할 수 있다.
여기서, 제2 전력전송 모드로 동작할 것인지 또는 제1 전력전송 모드로 동작할 것인지는 저전압 배터리(10)에 충전된 전압과 고전압 배터리(20)에 충전된 전력에 의해 결정될 수 있다.
한편, 양방향 컨버터(30)는 상기한 바와 인터리브드 구조로 복수 개가 구비되고, 이들 각각이 위상차를 두고 동작하는 바, 양방향 컨버터(30) 각각에 구비된 제1 스위칭 소자(S1) 및 제2 스위칭 소자(S2)는 서로 간에 상기한 위상차를 두고 동작한다.
여기서, 양방향 컨버터(30)는 각각이 제어부에 의해 독립적으로 제어될 수 있다.
전력 전송부(40)는 고전압 배터리(20)로부터 양방향 컨버터(30)를 통해 인가되는 전력을 무선으로 휴대용 전자 장치에 전송한다.
휴대용 전자 장치로는 스마트폰(smart phone), 랩탑(laptop), MP3(MPEG-1 Audio Layer-3) 플레이어(player) 및 헤드셋(headset) 등이 포함될 수 있다.
전력 전송부(40)는 양방향 컨버터(30) 중 어느 하나와 연결되며, 커패시터(C1), 제3 스위칭 소자(S3), 제4 스위칭 소자(S4) 및 송신코일(L2)을 포함한다.
커패시터(C1)는 인덕터(L1)와 연결되어 정현파를 형성한다. 커패시터(C1)는 제4 스위칭 소자(S4)를 통해 인덕터(L1)와 직렬로 연결된다.
제3 스위칭 소자(S3)는 인덕터(L1)와 저전압 배터리(10) 사이에 연결된다. 제3 스위칭 소자(S3)는 인덕터(L1)와 저전압 배터리(10) 사이의 전류를 단속한다.
제4 스위칭 소자(S4)는 일단이 제3 스위칭 소자(S3)와 인덕터(L1) 사이에 연결되고 타단이 커패시터(C1)에 연결된다. 제4 스위칭 소자(S4)는 인덕터(L1)와 커패시터(C1) 사이에 흐르는 전류를 단속한다.
송신코일(L2)은 커패시터(C1)와 인덕터(L1)에 의해 형성된 정현파에 따라 무선으로 전력을 전송한다. 전송된 전력은 휴대용 전자 장치의 수신코일에 전달되고, 이 전력은 해당 휴대용 전자 장치의 배터리(미도시)에 저장된다.
여기서, 제2 전력전송 모드 및 제1 전력전송 모드에서, 제3 스위칭 소자(S3)는 턴온되고 제4 스위칭 소자(S4)는 턴오프된다.
동작 모드가 무선전력전송 모드에서, 제3 스위칭 소자(S3)는 턴오프되고 제4 스위칭 소자(S4)는 턴온된다.
무선전력전송 모드에서는 고전압 배터리(20)로부터 전력이 공급될 수 있는 해당 양방향 컨버터(30)의 제1 스위칭 소자(S1)와 제2 스위칭 소자(S2)가 턴온 또는 턴오프되고, 제3 스위칭 소자(S3)는 턴오프되고 제4 스위칭 소자(S4)는 턴온된다. 이에 따라 제1 스위칭 소자(S1)와 제2 스위칭 소자(S2)에 의해 일정한 주기의 파형이 형성되면, 이 파형은 공진 회로를 형성하는 커패시터(C1)와 인덕터(L1)에 의해 정현파를 형성한다. 이와 같이 형성된 정현파를 송신코일(L2)에 인가되고, 송신코일(L2)은 이 정현파에 따라 휴대용 전자 장치의 수신코일(미도시)에 전달되어 휴대용 전자 장치의 배터리(미도시)에 충전된다.
제어부는 동작 모드에 따라 양방향 컨버터(30) 및 전력 전송부(40)를 제어하여 양방향 컨버터(30)를 통해 저전압 배터리(10)와 고전압 배터리(20) 간의 전력 전달을 제어하거나 고전압 배터리(20)로부터 전달되는 전력을 무선으로 휴대용 전자 장치에 전달한다.
즉, 제어부는 동작 모드가 제1 전력전달 모드이면 저전압 배터리(10)의 전력을 고전압 배터리(20)로 전달하고, 동작 모드가 제2 전력전달 모드이면 고전압 배터리(20)의 전력을 저전압 배터리(10)로 전달하며, 동작 모드가 무선전력전송 모드이면 고전압 배터리(20)의 전력을 휴대용 전자 장치에 무선으로 전송한다.
먼저, 동작 모드가 제1 전력전달 모드이면, 제어부는 제3 스위칭 소자(S3)를 턴온시키고 제4 스위칭 소자(S4)를 턴오프시킨다. 아울러, 제어부는 제1 스위칭 소자(S1)를 턴오프시키고 제2 스위칭 소자(S2)를 턴온시킨다. 이에 따라 저전압 배터리(10)의 전력이 인덕터(L1)에 충전되고, 이후 제어부는 제1 스위칭 소자(S1)를 턴온시키고 제2 스위칭 소자(S2)를 턴오프시킨다. 이에, 인덕터(L1)에 충전된 전력이 고전압 배터리(20)에 전송되어 고전압 배터리(20)가 충전된다.
제1 전력전송 모드이면, 제어부는 제3 스위칭 소자(S3)를 턴온시키고 제4 스위칭 소자(S4)를 턴오프시킨다. 아울러, 제어부는 제1 스위칭 소자(S1)를 턴온시키고 제2 스위칭소자를 턴온시켜 고전압 배터리(20)의 전력을 인덕터(L1)에 충전시키고, 이후 제1 스위칭 소자(S1)를 턴오프시키고 제2 스위칭 소자(S2)를 턴온시킨다. 이에, 인턱터에 충전된 전력이 저전압 배터리(10)에 전송되어 저전압 배터리(10)가 충전된다.
무선전력전송 모드이면, 제어부는 제3 스위칭 소자(S3)는 턴오프되고 제4 스위칭 소자(S4)는 턴온시키고, 전력 전송부(40)와 연결된 양방향 컨버터(30)의 제1 스위칭 소자(S1)와 제2 스위칭 소자(S2)를 턴온 또는 턴오프시켜 일정한 주기의 파형을 형성한다. 이 파형은 공진 회로를 형성하는 커패시터(C1)와 인덕터(L1)에 의해 정현파를 형성하고, 이 정현파에 의해 송신코일(L2)을 무선으로 전력을 휴대용 전자 장치에 전달한다.
이 경우, 제어부는 전력 전송부(40)와 연결된 양방향 컨버터(30)를 무선전력전송 모드로 동작시키고 나머지 양방향 컨버터(30) 중 적어도 하나를 제1 전력전송 모드로 동작시킬 수 있다.
즉, 양방향 컨버터(30)가 서로 다른 동작 모드로 구동할 수 있는 바, 전력시스템의 효율성을 크게 향상시킬 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 전력제어장치는 48V-12V 양방향 컨버터(30) 기능을 기반으로 무선전력전송 기능을 구현함으로써, 48V-12V 양방향 전력변환 및 전력전송 기능을 모두 구현할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 전력제어장치는 전력변환기 및 무선전력전송 장치의 설치 및 제작을 용이하게 할 수 있고, 전력변환기 및 무선전력전송 장치의 사이즈 및 무게를 감소시킬 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 기술이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야할 것이다.
10: 저전압 배터리
20: 고전압 배터리
30: 양방향 컨버터
S1: 제1 스위칭 소자
S2: 제2 스위칭 소자
L: 인덕터
40: 전력 전송부
S3: 제3 스위칭 소자
S4: 제4 스위칭 소자
C1: 커패시터
L1: 송신코일

Claims (1)

  1. 저전압 배터리;
    고전압 배터리;
    상기 저전압 배터리의 전력과 상기 고전압 배터리의 전력을 양방향으로 전달하는 양방향 컨버터;
    상기 고전압 배터리로부터 상기 양방향 컨버터를 통해 인가되는 전력을 무선으로 휴대용 전자 장치에 전달하는 전력전송부; 및
    동작 모드에 따라 상기 양방향 컨버터 및 상기 전력전송부를 제어하여 상기 양방향 컨버터를 통해 상기 저전압 배터리와 상기 고전압 배터리 간의 전력 전달을 제어하거나 상기 고전압 배터리로부터 전달되는 전력을 무선으로 휴대용 전자 장치에 전달하는 제어부를 포함하고,
    상기 양방향 컨버터는 상기 저전압 배터리와 상기 고전압 배터리 중 어느 하나의 전력을 충방전하는 인덕터; 상기 인덕터와 직렬로 연결되는 제1 스위칭 소자; 및 일측이 상기 인덕터와 상기 제1 스위칭 소자 사이의 접점과 연결되고 타측이 접지와 연결되는 제2 스위칭 소자를 포함하며,
    상기 전력전송부는 상기 인덕터와 연결되어 정현파를 형성하는 커패시터; 상기 인덕터와 상기 저전압배터리 사이에 연결되는 제3 스위칭 소자; 일단이 상기 제3 스위칭 소자와 상기 인덕터 사이에 연결되고 타단이 상기 커패시터에 연결되는 제4 스위칭 소자; 및 일측이 상기 커패시터에 연결되고 타단이 접지에 연결되어 상기 정현파에 따라 상기 휴대용 전자 장치에 전력을 무선으로 전송하는 송신코일을 포함하며,
    상기 양방향 컨버터는 복수 개가 인터리브드 구조로 설치되며,
    상기 전력전송부는 상기 양방향 컨버터 중 어느 하나에 연결되는 것을 특징으로 하는 차량용 전력제어장치.
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