KR101959907B1 - 차량의 통합형 전력 변환장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 차량의 통합형 전력 변환장치가 개시된다. 본 발명의 차량의 통합형 전력 변환장치는, 48V 전원을 공급하는 48V 배터리; 48V 부하와 연결되는 48V 출력단; 12V 부하와 연결되는 12V 출력단; 48V 배터리와 48V 출력단 사이에 매개되어 프리차지하여 스위칭하는 파워 릴레이 어셈블리; 48V 출력단과 12V 출력단 사이에 매개되어 48V 전원과 12V 전원을 입력받아 작동모드에 따라 12V와 48V로 상호 변환하여 출력하는 양방향 DC-DC 컨버터; 파워 릴레이 어셈블리와 배터리 제어부를 연결하기 위한 배터리 제어포트; 및 양방향 DC-DC 컨버터와 컨버터 제어부를 연결하기 위한 컨터버 제어포트;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

차량의 통합형 전력 변환장치{INTEGRATION TYPE POWER CONVERSION APPARATUS FOR VEHICLE}
본 발명은 차량의 통합형 전력 변환장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 차량의 파워 릴레이 어셈블리와 양방향 전력변환 컨버터를 하나의 인쇄회로기판에 통합모듈로 구성하여 양방향 전력변환 컨버터의 장착 공간을 절약할 수 있을 뿐만 아니라 파워 릴레이 어셈블리와 양방향 전력변환 컨버터의 방열판 및 인쇄회로기판을 공용으로 사용하여 방열설계 및 배선을 줄일 수 있는 차량의 통합형 전력 변환장치에 관한 것이다.
일반적으로, 차량의 전력시스템은 차량 내의 전자 부품, 안전 부품 또는 각종 액세서리를 가동하기 위한 전력을 공급하는 시스템으로서, 일반적으로 직류전압을 공급하여 차량 내의 전자 부품들을 가동한다. 종래에는 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 개발되었으며, 이에 따라 소모전력이 적은 부품은 기존과 같이 12V 전압으로 가동시키고, 전동식 조향장치 또는 공조시스템과 같이 소모전력이 큰 부품은 48V 전압으로 가동시킴에 따라 전력을 효율적으로 활용할 수 있게 되었다. 12V-48V 전력 변환 시스템은 통상적으로 양방향 DC-DC 컨버터가 사용된다.
또한, 하이브리드, 연료전지차, 플러그인 하이브리드 또는 전기자동차 등은 48V 배터리의 에너지를 이용하여 모터를 구동시킨다. 즉, 48V 배터리의 전기 에너지를 모터를 통해 기계 에너지로 전환하여 차량의 바퀴를 움직여 차량이 움직이게 된다.
이때, 48V 배터리와 모터를 구동시키기 위한 인버터 등의 차량 내 부품 사이에 배터리 스위치를 구비하여, 배터리 스위치를 통해 48V 배터리의 전압이 인버터 등 차량 내 부품에 인가되도록 스위칭한다.
이러한 배터리 스위치는, 차량의 부품 고장 또는 시스템 고장 발생 시, 차량의 시스템 및 운전자 보호를 위해 가능한 빠른 시간 내에 오프되어, 48V 배터리를 그 외 부품으로부터 분리시켜야만 한다.
따라서, 차량의 부품 고장 또는 시스템 고장 시 배터리 스위치를 통해 흐르는 전류량과 상관없이 무조건 배터리 스위치를 오프시키는 것이 바람직하다.
그러나 대전류 도통 시 배터리 스위치를 오프 하게 되면 주변 인덕턴스에 의해 스위치 접점에 과전압이 유기된다. 이때, 배터리 스위치가 기계적 접점을 이용하는 경우 접점 융착(融着)을 발생시키고, 배터리 스위치가 반도체 소자인 경우 과전압에 의해 부품이 손상되는 문제점이 있었다.
이러한 배터리 스위치의 융착 또는 손상으로 인해 48V 배터리가 시스템과 분리되지 않아 2차 사고를 유발할 수 있으며 운전자의 감전을 초래할 수 있는 문제점이 있었다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 전기 차량 및 하이브리드 차량에서는 전력 차단 장치로써 파워 릴레이 어셈블리(PRA; Power Relay Assembly)를 채용하여 48V 배터리로부터 PCU(Power Control Unit)를 거쳐 모터로 연결되는 전원을 연결하고 차단하고 있다. 또한, 파워 릴레이 어셈블리는 시스템 오류 발생 또는 정비 등의 상황에서 전력을 완전히 차단하는 안전장치 역할을 수행하고 있다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허공보 제2010-0062702호(2010. 06. 10. 공개, 발명의 명칭 : 배터리 스위치 보호 장치 및 그 방법)에 개시되어 있다.
이와 같이 12V-48V 이중전원 시스템을 채용함에 따라 12V 전자부품과 더불어 48V 전자부품이 증가하면서 차량의 중량 및 가격이 상승하게 될 뿐만 아니라 장착공간이 부족하게 되는 문제점 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점들을 개선하기 위하여 안출된 것으로, 일 측면에 따른 본 발명의 목적은 차량의 파워 릴레이 어셈블리와 양방향 전력변환 컨버터를 하나의 인쇄회로기판에 통합모듈로 구성하여 양방향 전력변환 컨버터의 장착 공간을 절약할 수 있을 뿐만 아니라 파워 릴레이 어셈블리와 양방향 전력변환 컨버터의 방열판 및 인쇄회로기판을 공용으로 사용하여 방열설계 및 배선을 줄일 수 있는 차량의 통합형 전력 변환장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 차량의 통합형 전력 변환장치는, 48V 전원을 공급하는 48V 배터리; 48V 부하와 연결되는 48V 출력단; 12V 부하와 연결되는 12V 출력단; 48V 배터리와 48V 출력단 사이에 매개되어 프리차지하여 스위칭하는 파워 릴레이 어셈블리; 48V 출력단과 12V 출력단 사이에 매개되어 48V 전원과 12V 전원을 입력받아 작동모드에 따라 12V와 48V로 상호 변환하여 출력하는 양방향 DC-DC 컨버터; 파워 릴레이 어셈블리와 배터리 제어부를 연결하기 위한 배터리 제어포트; 및 양방향 DC-DC 컨버터와 컨버터 제어부를 연결하기 위한 컨터버 제어포트;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 파워 릴레이 어셈블리는, 48V 배터리와 48V 출력단 사이에 직렬로 매개되는 프리차지 스위치와 프리차지 저항; 및 48V 배터리와 48V 출력단 사이에 매개되는 메인스위치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 프리차지 스위치는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), FET(Field Effect Transistor)와 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 중 어느 하나 인 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 양방향 DC-DC 컨버터는, 48V를 12V로 변환하는 벅 모드와, 12V를 48V로 변환하는 부스트 모드를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 파워 릴레이 어셈블리와 양방향 DC-DC 컨버터는 하나의 인쇄회로기판에 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 차량의 통합형 전력 변환장치는 차량의 48V 배터리, 파워 릴레이 어셈블리와 양방향 전력변환 컨버터를 하나의 인쇄회로기판에 통합모듈로 구성하여 양방향 전력변환 컨버터의 장착 공간을 절약할 수 있을 뿐만 아니라 파워 릴레이 어셈블리와 양방향 전력변환 컨버터의 방열판 및 인쇄회로기판을 공용으로 사용하여 방열설계 및 배선을 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 통합형 전력 변환장치는 나타낸 블록 구성도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 차량의 통합형 전력 변환장치를 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 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 통합형 전력 변환장치는 나타낸 블록 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 통합형 전력 변환장치(100)는, 48V 배터리(10), 48V 출력단(50), 12V 출력단(60), 파워 릴레이 어셈블리(20), 양방향 DC-DC 컨버터(30), 배터리 제어포트(40) 및 컨버터 제어포트(70)를 포함할 수 있다.
48V 배터리(10)는 48V 부하(130)에 48V 전원을 공급한다.
48V 출력단(50)은 48V 부하(130)와 연결되는 접속단자로써 48V 부하(130)가 접속된다.
12V 출력단(60)은 12V 부하(140)와 연결되는 접속단자로써 12V 부하(140) 및 12V 배터리(150)가 접속된다.
파워 릴레이 어셈블리(PRA; Power Relay Assembly)(20)는 48V 배터리(10)와 48V 출력단(50) 사이에 매개되어 프리차지하여 스위칭한다.
여기서 파워 릴레이 어셈블리(20)는 48V 배터리(10)와 48V 출력단(50) 사이에 직렬로 매개되는 프리차지 스위치(22)와 프리차지 저항(24)이 구비되고, 48V 배터리(10)와 48V 출력단(50) 사이에 매개되는 메인스위치(26)가 구비되어, 프라차지 스위치(22)와 프리차지 저항(24)은 메인스위치(26)와 병렬관계로 연결된다.
또한 프리차지 스위치(22)는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), FET(Field Effect Transistor)와 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
따라서 파워 릴레이 어셈블리(20)는 배터리 제어부(110)의 제어명령에 따라 전원을 공급할 경우에는 프리차지 스위치(22)를 작동시킨 후 메인스위치(26)를 작동시켜 전원을 공급하고, 전원을 차단할 경우에는 메인스위치(26)를 작동시킨 후 프리차지 스위치(22)를 작동시켜 전원을 차단한다.
양방향 DC-DC 컨버터(30)는 48V 출력단(50)과 12V 출력단(60) 사이에 매개되어 48V 전원과 12V 전원을 입력받아 작동모드에 따라 12V와 48V로 상호 변환하여 출력한다.
여기서 양방향 DC-DC 컨버터(30)는, 48V를 12V로 변환하는 벅(Buck) 모드와, 12V를 48V로 변환하는 부스트(Boost) 모드를 포함하여 컨버터 제어부(120)의 제어에 따라 벅 모드와 부스트 모드로 작동된다.
배터리 제어포트(40)는 파워 릴레이 어셈블리(20)와 배터리 제어부(110)를 연결하여 배터리 제어부(110)에서 출력되는 제어명령을 입력받는다.
컨버터 제어포트(70)는 양방향 DC-DC 컨버터(30)와 컨버터 제어부(120)를 연결하여 컨버터 제어부(120)에서 출력되는 제어명령을 입력받는다.
본 실시예에서는 파워 릴레이 어셈블리(20)와 양방향 DC-DC 컨버터(30)는 하나의 인쇄회로기판(80)에 배치되고, 인쇄회로기판(80)에 48V 출력단(50), 12V 출력단(60), 배터리 제어포트(40) 및 컨버터 제어포트(70)가 접속되도록 하여, 방열판(미도시) 등을 공용으로 구성하여 원가를 절감할 뿐만 아니라 하나의 인쇄회로기판에 통합모듈로 구성함으로써 배선을 위한 전선의 사용을 줄일 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 차량의 통합형 전력 변환장치에 따르면, 차량의 48V 배터리, 파워 릴레이 어셈블리와 양방향 전력변환 컨버터를 하나의 통합모듈로 구성하여 양방향 전력변환 컨버터의 장착 공간을 절약할 수 있을 뿐만 아니라 파워 릴레이 어셈블리와 양방향 전력변환 컨버터의 방열판 및 인쇄회로기판을 공용으로 사용하여 방열설계 및 배선을 줄일 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.
10 : 48V 배터리 20 : 파워 릴레이 어셈블리
22 : 프리차지 스위치 24 : 프리차지 저항
26 : 메인스위치 30 : 양방향 DC-DC 컨버터
40 : 배터리 제어포트 50 : 48V 출력단
60 : 12V 출력단 70 : 컨버터 제어포트
80 : 인쇄회로기판 100 : 전력 변환장치
110 : 배터리 제어부 120 : 컨버터 제어부
130 : 48V 부하 140 : 12V 부하
150 : 12V 배터리

Claims (5)

  1. 48V 전원을 공급하는 48V 배터리;
    48V 부하와 연결되는 48V 출력단;
    12V 부하와 연결되는 12V 출력단;
    상기 48V 배터리와 상기 48V 출력단 사이에 매개되어 프리차지하여 스위칭하는 파워 릴레이 어셈블리;
    상기 48V 출력단과 상기 12V 출력단 사이에 매개되어 48V 전원과 12V 전원을 입력받아 작동모드에 따라 12V와 48V로 상호 변환하여 출력하는 양방향 DC-DC 컨버터;
    상기 파워 릴레이 어셈블리와 배터리 제어부를 연결하기 위한 배터리 제어포트; 및
    상기 양방향 DC-DC 컨버터와 컨버터 제어부를 연결하기 위한 컨버터 제어포트;를 포함하되,
    상기 파워 릴레이 어셈블리와 상기 양방향 DC-DC 컨버터는 하나의 인쇄회로기판에 배치되고, 상기 인쇄회로기판에 상기 48V 출력단, 상기 12V 출력단, 상기 배터리 제어포트 및 상기 컨버터 제어포트가 접속되도록 하여, 방열판이 공용으로 구성되며,
    상기 파워 릴레이 어셈블리는, 상기 48V 배터리와 상기 48V 출력단 사이에 직렬로 매개되는 프리차지 스위치와 프리차지 저항; 및 상기 48V 배터리와 상기 48V 출력단 사이에 매개되는 메인스위치를 포함하고,
    상기 양방향 DC-DC 컨버터는, 48V를 12V로 변환하는 벅 모드와, 12V를 48V로 변환하는 부스트 모드를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 통합형 전력 변환장치.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서, 상기 프리차지 스위치는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), FET(Field Effect Transistor)와 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 중 어느 하나 인 것을 특징으로 하는 차량의 통합형 전력 변환장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
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