KR102531176B1

KR102531176B1 - 전기자동차의 전력 분배 장치

Info

Publication number: KR102531176B1
Application number: KR1020200172138A
Authority: KR
Inventors: 윤희복; 윤태봉; 차병기
Original assignee: 주식회사 미래이앤아이; 주식회사 미래엠에스
Priority date: 2020-12-10
Filing date: 2020-12-10
Publication date: 2023-05-10
Also published as: KR20220082333A

Abstract

본 발명은 전력 분배 장치에 관한 것으로, 배터리 팩의 충전 전력을 모터를 포함하는 분배대상장치에 분배할 수 있도록 제어기에 의해 접점이 가변되는 다수의 릴레이를 포함하는 전기자동차의 전력 분배 장치에 있어서, 배터리 팩과 모터가 각각 연결되는 한 쌍의 인버터 연결단자와 배터리 분리부를 연결하는 양극 버스바 및 음극 버스바와, 차량탑재형충전기(OBC)가 접속되는 OBC 연결단자와, 상기 OBC 연결단자와 상기 양극 버스바 사이에 직렬로 위치하는 제1릴레이 및 제1퓨즈와, 외부 전력이 인가되는 급속충전단자와, 상기 급속충전단자와 상기 양극 버스바 사이에 직렬로 위치하는 제2릴레이 및 제2퓨즈를 포함하여 완속충전 또는 급속충전이 가능하다.

Description

전기자동차의 전력 분배 장치{Power distribution unit for electric vehicle}

본 발명은 전기자동차의 전력 분배 장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 급속 충전과 완속 충전을 선택적으로 제공할 수 있는 전력 분배 장치에 관한 것이다.

일반적으로 전력 분배 장치(Power Distribution Unit)는 전기차 구동을 위한 메인 전력 계통의 부품들에 인가되는 전력을 제어하여 효율적으로 분배시켜 줄 수 있게 하는 것으로서, 배터리나 PCU(Power Control Unit) 또는 PTC(Positive Temperature Coefficient Heater)와 같은 전력 분배 제어대상 부품들에 전기적으로 연결되는 복수의 연결단자들과 퓨즈와 릴레이 등의 회로 부품들을 포함한다.

상기 전력 분배 장치가 적용되는 전기 자동차는, 전기를 사용하여 운행되는 자동차를 의미하는 것으로, 크게 순수 전기 자동차(Batttery Powered Electric Vehicle)와 하이브리드 전기 자동차(Hybrid Electric Vehicle)로 구분될 수 있다.

여기서 순수 전기 자동차는, 전기만을 사용하여 주행하는 것으로, 일반적으로 전기 자동차라 명칭된다.

그리고 하이브리드 전기 자동차는 전기 및 화석 연료를 사용하여 주행하는 것을 의미한다. 그리고 이와 같은 전기 자동차에는, 주행을 위한 전기를 공급하는 배터리가 구비된다.

특히, 순수 전기 자동차 및 하이브리드 전기 자동차 중 콘센트인(Plug-in) 타입의 하이브리드 전기 자동차의 경우에는, 상기 배터리가 외부의 전원으로부터 공급되는 전류에 의하여 충전된다.

한편 상기 배터리를 충전하기 위하여 전기 자동차 및 충전기에는 각각 커넥터가 구비된다. 그리고 상기 커넥터가 서로 연결된 상태에서, 외부의 전원으로부터 공급되는 전류에 의하여 상기 배터리가 충전된다.

종래 전기자동차의 전력 분배 장치와 관련하여, 본 발명의 출원인의 등록특허 10-2139572호(전기차 전력제어장치, 2020년 7월 24일 등록)에는 OBC에 공급된 전력을 BMS(배터리 팩) 및 전력분배 제어대상 부품들에 분배시키는 전력 분배 장치의 구성이 기재되어 있다.

그러나 종래에는 완속충전회로인 OBC의 전력만을 입력받아 충전하는 것으로, 급속충전이 불가능하다는 개선점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 감안한 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 급속충전이 가능한 전기자동차의 전력 분배 장치를 제공함에 있다.

구체적으로 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 급속충전이 가능함과 아울러 안전성을 개선할 수 있는 전력 분배 장치를 제공함에 있다.

상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명 전기자동차의 전력 분배 장치는, 배터리 팩의 충전 전력을 모터와 분배대상장치에 분배할 수 있도록 제어기에 의해 접점이 가변되는 다수의 릴레이를 포함하는 전기자동차의 전력 분배 장치에 있어서, 배터리 팩과 모터가 각각 연결되는 한 쌍의 인버터 연결단자와 배터리 분리부를 연결하는 양극 버스바 및 음극 버스바와, 차량탑재형충전기(OBC)가 접속되는 OBC 연결단자와, 상기 OBC 연결단자와 상기 양극 버스바 사이에 직렬로 위치하는 제1릴레이 및 제1퓨즈와, 외부 전력이 인가되는 급속충전단자와, 상기 급속충전단자와 상기 양극 버스바 사이에 직렬로 위치하는 제2릴레이 및 제2퓨즈를 포함하여 완속충전 또는 급속충전이 가능하다.

본 발명의 실시예에서, 상기 양극 버스바는, 분할 구조이며, 분할 구조를 연결하는 메인 퓨즈를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 분배대상장치가 히터인 경우, 상기 히터를 연결하는 연결단자와 릴레이 사이에 위치하는 권선저항기를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 제1퓨즈는 제2퓨즈에 비하여 전류 용량이 작으며, 상기 제1릴레이는 상기 제1퓨즈의 전류 용량보다 더 큰 전류용량을 가지며, 상기 제2릴레이는 상기 제2퓨즈의 전류 용량보다 더 큰 전류용량을 가지며, 상기 제2릴레이의 전류용량은 상기 제1릴레이의 전류용량보다 큰 것일 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기자동차의 전력 분배 장치의 블록 연결도이다.
도 2는 전력 분배 장치의 블록 구성도이다.
도 3은 급속충전단자의 사양이다.
도 4는 본 발명 전력 분배 장치의 패키지 정면도이다.
도 5는 본 발명 전력 분배 장치의 패키지 좌측면도이다.
도 6은 본 발명 전력 분배 장치의 패키지 우측면도이다.
도 7은 본 발명 전력 분배 장치의 패키지 평면도이다.
도 8은 본 발명 전력 분배 장치의 패키지 저면도이다.

본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라, 여러가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시 예에 대한 설명은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 구성요소는 설명의 편의를 위하여 그 크기를 실제보다 확대하여 도시한 것이며, 각 구성요소의 비율은 과장되거나 축소될 수 있다.

'제1', '제2' 등의 용어는 다양한 구성요소를 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소는 위 용어에 의해 한정되어서는 안 된다. 위 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 '제1구성요소'는 '제2구성요소'로 명명될 수 있고, 유사하게 '제2구성요소'도 '제1구성요소'로 명명될 수 있다. 또한, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 표현하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명의 실시 예에서 사용되는 용어는 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기자동차의 전력 분배 장치의 블록 연결도이다.

도 1을 참조하면 본 발명 전력 분배 장치(10)는, 배터리팩(20)의 전력을 모터(50)에 공급하여 전기차를 구동하며, 에어컨(61), 스티어링(62), 에어펌프(63), 히터(64) 등의 분배 대상 기기(60)들 각각에 전력을 선택적으로 공급할 수 있다.

또한 저전압 DC 컨버터(LDC, 70)에 연결되어 12V의 직류전압으로 변환하여 공급할 수 있도록 한다.

본 발명 전력 분배 장치(10)는 차량탑재형충전기(OBC, 30)에 연결되어 충전시 OBC(30)로부터 완속충전에 적합한 전력이 공급되면, 배터리팩(20)을 충전한다.

도면에 도시되지는 않았으나, 비상 상황에서 배터리팩(20)을 분리하는 배터리 분리부(Battery Disconnect Unit, 이하 BDU)도 연결될 수 있다.

또한, 본 발명 전력 분배 장치(10)는 외부의 전력을 직접 공급받아 배터리 팩(20)을 충전할 수 있으며, 이때 외부전력 공급부(40)는 실질적으로 전력 케이블일 수 있다.

이와 같은 전력 분배를 위하여 전력 분배 장치(10)는 다수의 릴레이를 포함하며, 다수의 릴레이는 통신단자를 통해 연결되는 제어기(80)에 의해 제어된다.

도 2는 본 발명 전력 분배 장치(10)의 블록 구성도이다.

본 발명 전력 분배 장치(10)는 각각 양극 버스바(11)와 음극 버스바(12)를 포함한다. 상기 양극 버스바(11)는 주버스바(11a)에서 분기되는 다수의 분기버스바(11b~11f)를 포함하며, 각 분기버스바(11b~11f)에는 제1 내지 제5퓨즈(F1~F5)가 각각 직렬로 연결된다.

상기 주버스바(11a)에는 메인 퓨즈(F0)가 직렬로 연결되어 있다.

상기 양극 버스바(11)의 주버스바(11a) 양단은 배터리 팩(20)에 인버터 연결단자(14)와 BDU 연결단자(17)에 각각 연결된다.

인버터 연결단자(14)는 실질적으로 2개의 연결단자이며, 각각 배터리 팩(20)과 모터(50)의 연결을 위한 것이며, 배터리 팩(20)을 선택 제어하는 릴레이는 본 발명과 배터리 팩(20)의 사이에 위치할 수 있으며, 본 발명에서는 생략하고 설명한다.

상기 제1 내지 제4퓨즈(F1~F4)는 일단 분기버스바(11b~11e)에 각각 연결되고, 타단은 제1 내지 제4릴레이(RL1~RL4)에 각각 연결된다.

상기 제1 내지 제4릴레이(RL1~RL4)는 통신단자(15)에 연결된 제어기(80)에 의해 접점 전환이 제어된다.

상기 제1릴레이(RL1)는 상기 제어기(80)의 제어에 따라 양극 버스바(11)에 연결된 에어컨(61)에 전원을 공급하거나 차단하는 역할을 하며, 제2릴레이(RL2)는 OBC(30)가 연결되는 완속충전단자(19)를 통해 OBC(30)의 출력 전력이 양극 버스바(11)의 주버스바(11a)에 공급하거나 차단하여, OBC(30)에 의해 완속 충전 전력이 공급되는 상태에서 인버터 연결단자(14)를 통해 연결된 배터리 팩(20)을 충전하도록 한다.

또한, 제3릴레이(RL3)는 히터(64)에 배터리 팩(20)의 전력을 공급하거나 차단하는 역할을 한다.

위의 각 릴레이의 기능은 예시적인 것이며, 필요에 따라 분배대상 기기(60)들 각각에 전력을 선택적으로 공급할 수 있도록 한다.

본 발명에서는 외부전력 공급부(40)가 연결되는 급속충전단자(16)를 제공하며, 제4릴레이(RL4)를 제어하여 급속충전단자(16)를 주버스바(11a)에 연결하여 배터리 팩(20)을 급속충전할 수 있다.

즉, 제1 내지 제3릴레이(RL1~RL3)가 열린 상태에서, 제어기(80)의 제어에 따라 제4릴레이(RL4)가 닫힌 상태에서 급속 충전에 적합한 외부전력이 외부전력 공급부(40)를 통해, 급속충전단자(16)에 공급되고, 제4릴레이(RL4)를 통해 양극 버스바(11)에 공급된다.

양극 버스바(11)에 공급된 전력은 인버터 연결단자(14)를 통해 배터리 팩(20)을 급속충전한다.

LDC(70)의 연결을 위한 저전압 출력단자(18)는 항상 12V의 직류전압이 출력될 수 있도록 릴레이가 적용되지 않으며, 보호를 위한 제5퓨즈(F5)에 의해 주버스바(11a)에 연결된다.

음극 버스바(12)는 별도의 퓨즈나 릴레이 없이 각 단자들에 연결되어 있는 것으로 도시하였다.

이하에서는 본 발명의 구성을 보다 구체적으로 한정하여 설명한다.

먼저, 주버스바(11a)에 설치되는 메인 퓨즈(F0)는 상대적으로 고전력을 견디는 것으로 하며, 메인 퓨즈(F0)의 용량은 250A인 것으로 한다.

또한 제1 내지 제5퓨즈(F1~F5) 각각도 그 용량에 차이가 있는 것을 선택할 필요가 있다. 메인 퓨즈(F0)와 제1 내지 제5퓨즈(F1~F5) 각각은 과전류에 의한 손상을 방지하기 위한 것으로, 에어컨(61)에 전력을 공급하는 분기버스바(11b)에 연결된 제1퓨즈(F1)는 10A, OBC(30)의 완속충전전력을 공급받는 분기버스바(11c)에 연결된 제2퓨즈(F2)는 30A, 히터(64)에 전원을 공급하는 분기버스바(11d)에 연결된 제3퓨즈(F3)는 20A 용량의 퓨즈를 사용한다.

또한, 급속충전 전력의 공급을 위한 분기버스바(11e)에 연결되는 제4퓨즈(F4)는 200A 용량을 사용하며, 급속충전시 과전류에 의한 손상을 방지할 수 있다.

마지막으로, LDC(70)에 배터리 팩(20)의 전력을 공급하는 분기라인(11f)에 연결된 제5퓨즈(F5)는 30A 용량의 퓨즈를 사용하는 것으로 한다.

또한, 히터(64)와 제3릴레이(RL3)의 사이에는 권선저항기(R)가 더 포함되어 있으며, 이때 권선저항기(R)는 50Ω J/ 50W를 사용한다.

권선저항기(R)는 히터(64)의 고전압 전원보호를 위해 사용한다.

상기 메인 퓨즈(F0)와 제1 및 제5퓨즈(F1~F5)의 용량뿐만 아니라 제1 내지 제4릴레이(RL1~RL4) 각각도 적합한 용량의 것을 사용한다.

즉, 제1 내지 제4릴레이(RL1~RL4)는 각각이 연결된 제1 내지 제4퓨즈(F1~F4)와 동일한 용량의 릴레이를 사용할 수 있다.

다만, OBC(30)의 선택을 위한 제2릴레이(RL2)는 제2퓨즈(F2)의 용량인 30A보다 큰 40A의 것을 사용하며, 급속충전단자(16)를 선택하기 위한 제4릴레이(RL4)도 제4퓨즈(F4)의 용량인 200A보다 더 큰 250A 용량의 릴레이를 사용함으로써, 충전시 릴레이의 손상을 방지할 수 있다.

물론 제1 내지 제4릴레이(RL1~RL4)의 용량을 모두 250A 이상으로 큰 것을 사용할 수 있지만, 대용량의 릴레이 사용에 따른 비용의 증가 및 전력 소모를 줄이기 위하여 적정한 릴레이를 선택하여 사용하는 것으로 한다.

또한, 각 단자들도 적합한 사양을 선택한다.

아래의 표 1은 연결단자(13)의 사양 표이다.

Mechanical Performance
Duration	500 times
Vibration	Conforms to the rule of motor in QC/T 413
Shock	Acceleration 490m/s2
Electrical performance
Rated current	16A
Rated voltage	600V AC
Withstanding voltage	3000V AC
Insulator resistance	≥5000 MΩ
Environmental performance
Proof degree	IP67
Environment temperature	-40℃～+125℃

또한, 아래의 표 2는 LDC(70)의 연결을 위한 저전압 출력단자(18)의 사양을 정의한다.

Mechanical Performance
Fire Classification	HB
Vibration	AK Severity 2 (Body-Sealed)
Shock	Acceleration 490m/s2
Electrical performance
Current Carrying Capacity	40A at 85℃
Voltage Range	Up to 850V DC(depends on the mating plug)
HVIL	Intrgrated, internal
Shielding	360 deg
Environmental performance
Proof degree	Plugged : IP67,IP6k9k / Unplugged:IP2XB
Operating temperature	-40℃ up to 140℃

아울러 BDU 연결을 위한 BDU 연결단자(17)의 사양을 표 3에 나타내었다.

Mechanical Performance
Duration	500 times
Vibration	Conforms to the rule of motor in QC/T 413
Shock	Acceleration 490m/s2
Electrical performance
Rated current	200A
Rated voltage	500V AC
Withstanding voltage	2000V AC
Insulator resistance	≥5000 MΩ
Environmental performance
Proof degree	IP67
Environment temperature	-40℃～+120℃

마지막으로, 급속충전단자(16)의 사양은 도 3에 도시하였다.

이와 같이 본 발명은 전력 분배 장치를 이용하여 배터리 팩(20)을 급속충전 또는 완속충전을 선택적으로 할 수 있다.

또한, 과전류로부터 내부 회로를 보호하며, 내부 회로 보호를 위한 비용을 줄일 수 있다.

본 발명의 다른 특징은 전력 분배 장치를 하나의 함체에 패키징하되, 패키지의 크기를 최소화할 수 있는 구조로 제공한다.

도 4는 전력 분배 장치의 패키지(90)의 정면도이다. 도 5는 좌측면, 도 6은 우측면도이다.

도 4 내지 도 6을 각각 참조하면 패키지(90)의 정면 상단에는 BDU 연결단자(17)와 연결단자(13)가 좌우로 배치되고, 그 하부에는 저전압 출력단자(18)와 완속충전단자(19)가 배치될 수 있다.

좌측면에는 좌우로 급속충전 단자(16)와 통신단자(15)가 배치된다.

우측면에는 배터리 팩(20)의 연결을 위한 인버터 연결단자(14)가 배치된다.

이와 같은 단자들의 배치는 상호 간섭을 피함과 아울러 양극 버스바(11), 음극 버스바(12) 및 각 퓨즈들(F0, F1~F5)의 배치에 의해 결정된다.

도 7은 본 발명의 패키지(90)의 탑커버를 제거한 상태의 평면도이다.

이에 도시한 바와 같이 BDU 연결단자(17)와 인버터 연결단자(14)는 90도 절곡된 상태에서 양극 버스바(11)와 음극 버스바(12)에 의해 서로 연결된다.

즉, 양극 버스바(11)와 음극 버스바(12)는 일부에서 절곡된 구조가 되며, 양극 버스바(11)는 메인 퓨즈(F0)의 직렬연결을 위하여 적어도 2개로 분할된 구조를 가지게 된다.

메인 퓨즈(F0)는 분할된 양극 버스바(11)를 연결하며, 급속충전단자(16)의 일단은 제4퓨즈(F4)에 의해 양극 버스바(11)의 일부에 연결된다.

도 8은 본 발명의 저면도로서, 제1 내지 제4퓨즈(F1~F4)에 연결되는 제1 내지 제4릴레이(RL1~RL4)는 각각 제1 내지 제4퓨즈(F1~F4)의 아래쪽에 배치될 수 있음을 나타낸다.

따라서 본 발명은 다수의 릴레이와 퓨즈를 하나의 함체에 패키징할 수 있으며, 전력 분배 장치(10)를 효율적으로 배치하여, 크기를 줄일 수 있다.

이상에서 본 발명에 따른 실시 예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

10:전력 분배 장치 11:양극 버스바
12:음극 버스바 13:연결단자
14:인버터 연결단자 15:통신단자
16:급속충전단자 17:BDU 연결단자
18:저전압 출력단자 19:완속충전단자

Claims

배터리 팩의 충전 전력을 모터와 분배대상장치에 분배할 수 있도록 제어기에 의해 접점이 가변되는 다수의 릴레이를 포함하는 전기자동차의 전력 분배 장치에 있어서,
배터리 팩과 모터가 각각 연결되는 한 쌍의 인버터 연결단자와 배터리 분리부를 연결하는 양극 버스바 및 음극 버스바;
차량탑재형충전기(OBC)가 접속되는 OBC 연결단자;
상기 OBC 연결단자와 상기 양극 버스바 사이에 직렬로 위치하는 제1릴레이 및 제1퓨즈;
외부 전력이 인가되는 급속충전단자; 및
상기 급속충전단자와 상기 양극 버스바 사이에 직렬로 위치하는 제2릴레이 및 제2퓨즈를 포함하여,
완속충전 또는 급속충전이 가능한 전력 분배 장치.
제1항에 있어서,
상기 양극 버스바는,
분할 구조이며,
분할 구조를 연결하는 메인 퓨즈를 더 포함하는 전력 분배 장치.
제2항에 있어서,
상기 분배대상장치가 히터인 경우,
상기 히터를 연결하는 연결단자와 릴레이 사이에 위치하는 권선저항기를 더 포함하는 전력 분배 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1퓨즈는 제2퓨즈에 비하여 전류 용량이 작으며,
상기 제1릴레이는 상기 제1퓨즈의 전류 용량보다 더 큰 전류용량을 가지며,
상기 제2릴레이는 상기 제2퓨즈의 전류 용량보다 더 큰 전류용량을 가지며,
상기 제2릴레이의 전류용량은 상기 제1릴레이의 전류용량보다 큰 것을 특징으로 하는 전력 분배 장치.