KR102601987B1 - 스마트 ｐｒａ의 차단 방법 및 그 스마트 ｐｒａ - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전자식스위치에 연결된 전류센서를 통해 메인릴레이의 턴오프 시점을 정확히 파악함으로써 전자식스위치가 효율적으로 동작하도록 구성한 스마트 PRA의 차단 방법 및 그 스마트 PRA에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 제1전류감지센서와 제2전류감지센서를 통해 제1전자식스위치와 제2전자식스위치의 통전전류가 기설정된 제한 범위 내에 속하는지 여부를 판단하는 전자식스위치 통전전류 확인단계; 제1전자식스위치와 제2전자식스위치의 통전전류가 기설정된 제한 범위 내에 속할 경우 제1전자식스위치와 제2전자식스위치에 대한 오프(OFF)신호를 발생시키는 전자식스위치 턴오프신호 발생단계; 발생된 전자식스위치 턴오프신호에 따라 제3전류감지센서를 통해 부하전류값이 기설정된 기준값 이하인지를 확인하는 부하전류값 확인단계; 부하전류값이 기설정된 기준값 이하인 경우 제1메인릴레이와 제2메인릴레이를 오프(OFF)시키는 메인릴레이 턴오프단계; 메인릴레이 턴오프단계 이후 제1전자식스위치와 제2전자식스위치를 오프(OFF)시키는 전자식스위치 턴오프단계; 전압감지부를 통해 제1메인릴레이 일측과 제2메인릴레이 일측의 전압 차이를 확인하여 PRA회로의 정상상태 여부를 확인하는 PRA회로 정상여부 확인단계; 및 정상으로 판별될 경우 PRA회로 차단 동작을 종료시키는 정상종료단계;를 포함하는 스마트 PRA의 차단 방법 및 그 스마트 PRA에 관한 것이다.

Description

스마트 ＰＲＡ의 차단 방법 및 그 스마트 ＰＲＡ{METHOD OF BLOCK FOR SMART POWER RELAY ASSEMBLY AND SMART POWER RELAY ASSEMBLY}
본 발명은 스마트 PRA의 차단 방법 및 그 스마트 PRA에 관한 것으로, 특히, 과부하 조건에서 차단 동작시 메인릴레이 턴오프(TURN OFF) 이후 전자식스위치의 턴오프 동작 수행에 있어서, 전자식스위치에 연결된 전류센서를 통해 메인릴레이의 턴오프 시점을 정확히 파악하고 전자식스위치가 효율적인 차단 동작을 수행하도록 구성한 스마트 PRA의 차단 방법 및 그 스마트 PRA에 관한 것이다.
전기자동차나 하이브리드 자동차는 구동원이 되는 전기모터에 전력을 공급하기 위한 주동력원으로 고전압 배터리를 탑재하고 있으며, 파워 릴레이 어셈블리(Power Relay Assembly: 이하 PRA)는 이러한 고전압 배터리와 전기모터 구동장치 사이에 위치하여 그 연결을 담당하는 장치로, 복수 개의 고전압 릴레이로 구성된다.
고전압 릴레이는 대전류 도통시 기계식 릴레이를 오프(OFF)시키면 주변 인덕턴스에 의해 릴레이 접점에 과전압이 유기되어 접점이 융착될 수 있다.
이러한 기계식 릴레이의 융착으로 인해 고전압 배터리가 모터 구동장치 및 시스템과 분리되지 않아 2차 사고를 유발할 수 있으며 운전자의 감전을 초래할 수 있다.
종래에는 이러한 문제점을 해결하기 위해 PRA의 기계식 릴레이에 전자식스위치를 병렬로 구성하고 전자식스위치를 통해 프리차지 제어를 수행함으로써 아크발생을 억제하도록 하는 하이브리드 구조를 적용하였다.
이와 같은 PRA는 정상 차단의 경우 인버터의 부하가 낮아지고 난 이후에 메인 회로의 차단 동작이 수행된다.
그러나, 과부하 조건에서의 차단 동작 시에 릴레이의 턴오프(TURN OFF) 이후 전자식스위치를 턴오프(TURN OFF)시키는데, 배터리의 상태에 따라 릴레이 응답속도의 편차가 크므로 전자식스위치가 과부하 전류에 노출되는 시간이 증가하여 고사양의 전자식스위치를 적용해야만 한다.
한국공개특허 제 10-2015-0047367호 등록특허공보 제10-1226767호
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 전자식스위치에 연결된 전류센서를 통해 메인릴레이의 턴오프 시점을 정확히 파악함으로써, 전자식스위치가 효율적으로 동작하도록 구성한 스마트 PRA의 차단 방법 및 그 스마트 PRA를 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 스마트 PRA는, 일측이 배터리의 (+)단자에 연결되고 타측이 인버터의 (+)단자에 연결되는 제1메인릴레이; 상기 제1메인릴레이에 병렬로 연결되는 제1전자식스위치; 상기 제1메인릴레이에 병렬로 연결되는 프리차지 저항; 상기 프리차지 저항에 직렬로 연결된 프리차지 전자식스위치; 상기 제1메인릴레이에 병렬로 연결되고 상기 제1전자식스위치에 직렬로 연결되어 상기 제1전자식스위치를 통해 흐르는 전류를 감지하는 제1전류감지센서; 일측이 상기 배터리의 (-)단자에 연결되고 타측이 상기 인버터의 (-)단자에 연결되는 제2메인릴레이; 상기 제2메인릴레이에 병렬로 연결되는 제2전자식스위치; 상기 제2메인릴레이에 병렬로 연결되고 상기 제2전자식스위치에 직렬로 연결되어 상기 제2전자식스위치를 통해 흐르는 전류를 감지하는 제2전류감지센서; 상기 배터리의 (+)단자와 상기 제1메인릴레이 사이에 직렬로 연결되어 상기 제1메인릴레이를 통해 흐르는 전류를 감지하는 제3전류감지센서; 상기 제1메인릴레이의 일측과 타측, 상기 제2메인릴레이의 일측과 타측의 전압을 각각 센싱하는 전압감지부; 및 상기 제1, 2, 3전류감지센서 및 상기 전압감지부에서 감지된 전류 및 전압을 이용하여 상기 제1,2메인릴레이를 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1전류감지센서는 상기 제1전자식스위치를 통해 상기 배터리의 (+)단자에서 상기 인버터의 (+)단자 방향으로 흐르는 전류를 감지하고, 상기 제2전류감지센서는 상기 제2전자식스위치를 통해 상기 인버터의 (-)단자에서 상기 배터리의 (-)단자 방향으로 흐르는 전류를 감지하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는 상기 제1전자식스위치와 제2전자식스위치의 통전전류가 기설정된 제한 범위 내에 속할 경우 상기 제1전자식스위치와 제2전자식스위치에 대한 오프(OFF)신호를 발생시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는 상기 제1전자식스위치와 제2전자식스위치에 대한 오프(OFF)신호 미발생시 상기 제3전류감지센서를 통해 측정된 부하측의 전류가 기설정된 전류제한범위를 초과 시 과부하상태로 판단하고, 과부하일 경우 상기 전류제한범위를 초과한 전류값이 초과허용범위 이내를 벗어날 경우 상기 PRA회로를 차단하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는 상기 전류제한범위를 초과한 전류값이 초과허용범위 이내일 경우 상위 제어기에 출력부하 제한 요청 메시지를 전송하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는 상기 제1전자식스위치 또는 제2전자식스위치의 통전전류가 기설정된 제한 범위를 초과할 경우 초과된 제1전자식스위치 또는 제2전자식스위치를 오프시켜 상기 배터리의 출력을 차단하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는 부하전류값이 기설정된 기준값 이하일 경우 상기 제1메인릴레이와 제2메인릴레이 및 상기 제1전자식스위치와 제2전자식스위치를 턴오프시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는 부하전류값이 기설정된 기준값을 과할 경우 상기 제1메인릴레이와 제2메인릴레이를 오프(OFF)시킨 상태에서 상기 제1전자식스위치와 제2전자식스위치로 흐르는 전류값이 기설정된 전류값을 초과할 경우 부하비정상상태로 판단하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는 상기 제1전자식스위치와 제2전자식스위치로 흐르는 전류값이 기설정된 전류값 이내일 경우 상기 제1메인릴레이와 제2메인릴레이의 차단불가상태로 판단하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는 상기 배터리의 (+), (-)측 중 어느 하나가 0V로 측정되면 절연이상으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는 상기 배터리의 출력측과 상기 인버터 입력측의 전압이 동일할 경우 상기 PRA회로를 비정상으로 판단하고, 상기 제1메인릴레이와 제2메인릴레이를 재동작시키는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명인 스마트 PRA의 차단 방법은, 배터리와 인버터 사이에 연결된 스마트 PRA에서의 차단 방법에 있어서, 제1전류감지센서와 제2전류감지센서를 통해 제1전자식스위치와 제2전자식스위치의 통전전류가 기설정된 제한 범위 내에 속하는지 여부를 판단하는 전자식스위치 통전전류 확인단계; 상기 제1전자식스위치와 제2전자식스위치의 통전전류가 상기 기설정된 제한 범위 내에 속할 경우 상기 제1전자식스위치와 제2전자식스위치에 대한 오프(OFF)신호를 발생시키는 전자식스위치 턴오프신호 발생단계; 발생된 상기 전자식스위치 턴오프신호에 따라 제3전류감지센서를 통해 상기 부하전류값이 기설정된 기준값 이하인지를 확인하는 부하전류값 확인단계; 상기 부하전류값이 상기 기설정된 기준값 이하인 경우 상기 제1메인릴레이와 제2메인릴레이를 오프(OFF)시키는 메인릴레이 턴오프단계; 상기 메인릴레이 턴오프단계 이후 상기 제1전자식스위치와 제2전자식스위치를 오프(OFF)시키는 전자식스위치 턴오프단계; 상기 전압감지부를 통해 상기 배터리 출력측과 부하 입력측의 전압 차이를 확인하여 PRA회로의 정상상태 여부를 확인하는 PRA회로 정상여부 확인단계; 및 정상으로 판별될 경우 PRA회로 차단 동작을 종료시키는 정상종료단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전자식스위치 통전전류 확인단계에서 상기 제1전자식스위치 또는 상기 제2전자식스위치의 통전전류가 기설정된 제한 범위를 초과할 경우 초과된 전자식스위치가 연결된 상기 제1메인릴레이 또는 상기 제2메인릴레이의 작동이 불가한 것으로 판단하고, 배터리의 출력을 차단하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전자식스위치 턴오프신호 발생단계에서 상기 제1전자식스위치와 제2전자식스위치에 대한 오프(OFF)신호 미발생시 상기 제3전류감지센서를 통해 측정된 상기 부하측의 전류가 기설정된 전류제한범위를 초과 시 과부하상태로 판단하고, 과부하일 경우 상기 전류제한범위를 초과한 전류값이 초과허용범위 이내를 벗어날 경우 상기 PRA회로를 차단하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전류제한범위를 초과한 전류값이 초과허용범위 이내일 경우 상위 제어기에 출력부하 제한 요청 메시지를 전송하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 부하전류값 확인단계에서 상기 부하전류값이 상기 기준값을 초과할 경우 상기 제1메인릴레이와 제2메인릴레이를 오프(OFF)시킨 상태에서 상기 제1전자식스위치와 제2전자식스위치로 흐르는 전류값이 기설정된 전류값을 초과할 경우 부하비정상상태로 판단하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1전자식스위치와 제2전자식스위치로 흐르는 전류값이 기설정된 전류값 이내일 경우 상기 제1메인릴레이와 제2메인릴레이의 차단불가상태로 판단하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 정상여부 확인단계에서 상기 배터리의 (+), (-)측 중 어느 하나가 0V로 측정되면 절연이상으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 정상여부 확인단계에서 상기 배터리의 출력측과 상기 부하의 입력측의 전압이 동일할 경우 상기 PRA회로를 비정상으로 판단하고, 상기 제1메인릴레이와 제2메인릴레이를 재동작시키는 것을 특징으로 한다.
이상에서 상술한 본 발명에 따르면, 전자식스위치에 연결된 전류센서를 통해 메인릴레이의 턴오프 시점을 정확히 파악하고 이를 기반으로 전자식스위치가 동작하도록 구성함으로써, 전자식스위치에 효과적인 차단 성능을 부여할 수 있다.
또한, 전자식스위치에 발생할 수 있는 과부하를 막고 과열을 제어하여 보다 저용량의 전자식스위치를 적용할 수 있음은 물론, 추가적인 방열 부품의 적용을 배제할 수 있도록 해준다.
도 1은 본 발명에 따른 스마트 PRA의 개략적인 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 스마트 PRA의 차단(진단) 방법을 나타낸 도면,
도 3은 종래의 정상적인 차단 상태를 나타낸 도면,
도 4는 종래의 과부하시 차단 상태를 나타낸 도면,
도 5는 본 발명에 따른 과부하시 차단 상태를 나타낸 도면.
이하, 본 발명의 일부 실시례들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시례를 설명함에 있어, 관련된 공지구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시례에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 실시례의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 스마트 PRA의 개략적인 구성도이며, 도 1을 참조하여 본 발명인 스마트 PRA 설명하면 다음과 같다.
본 발명인 스마트 PRA는 제1메인릴레이(100), 제2메인릴레이(200), 제1전자식스위치(110), 제2전자식스위치(210), 제1전류감지센서(120), 제2전류감지센서(220), 제3전류감지센서(150), 전압감지부(400) 및 제어부(300)를 포함하여 구성된다.
제1메인릴레이(100)의 일측은 배터리(10)의 (+)단자에 직렬로 연결되고 타측은 인버터(20)의 (+)단자에 직렬로 연결된다.
제1전자식스위치(110)와 제1전류감지센서(120)는 상호 간에 직렬로 연결되어 제1메인릴레이(100)에 어느 하나의 병렬 루프를 형성하며 연결된다. 즉, 제1전자식스위치(110)의 일 단자는 제1메인릴레이(100)의 일측에 병렬로 연결되고, 제1전자식스위치(110)의 타 단자는 제1전류감지센서(120)의 일 단자에 직렬로 연결된다. 제1전류감지센서(120)의 타 단자는 제1메인릴레이(100)의 타측에 병렬로 연결된다.
제2메인릴레이(200)의 일측은 배터리(10)의 (-)단자에 직렬로 연결되고 타측은 인버터(20)의 (-)단자에 직렬로 연결된다.
제2전자식스위치(210)와 제2전류감지센서(220)는 상호 간에 직렬로 연결되어 제2메인릴레이(200)에 병렬 루프를 형성하며 연결된다. 즉, 제2전자식스위치(210)의 일 단자는 제2메인릴레이(200)의 일측에 병렬로 연결되고, 제2전자식스위치(210)의 타 단자는 제2전류감지센서(220)의 일 단자에 직렬로 연결된다. 제2전류감지센서(220)의 타 단자는 제2메인릴레이(200)의 타측에 병렬로 연결된다.
배터리(10)는 수백V급의 직류 전압을 출력하는 다수의 배터리 셀로 구성된 고전압 배터리가 적용되며, 고전압의 전기를 충전하여 전기자동차에 전원을 공급한다. 일반적으로 납전지, 니켈 수소전지가 사용되나 최근에는 리튬 이온전지가 주로 사용되고 있다.
제1메인릴레이(100) 및 제2메인릴레이(200) 역시 고전압 스위칭을 위한 고전압 릴레이로 구성된다.
제1메인릴레이(100)와 제2메인릴레이(200)의 코일전압을 센싱하여 릴레이의 작동상태에 대한 대체 확인이 가능하다.
인버터(20)는 전기자동차의 추진력을 관장하는 장치로서, 전동 파워트레인의 일부이며, 배터리(10) 내에 저장된 직류 에너지를 차량의 전기모터 운행에 필요한 교류 전압으로 변환하는 역할을 한다.
전자식스위치(110, 210)는 메인릴레이(100, 200)의 개방 시 메인릴레이(100, 200)의 접점에 발생하는 아크를 방지하기 위한 목적으로 구성되며, 전자식스위치(110, 210)는 ON/OFF 제어 가능한 소자로써, 예컨데 IGBT(Insulated gate bipolar transistor)로 구현될 수 있다.
전류감지센서(120, 220, 150)는 홀 센서(Hall Sensor)와 같은 반도체 센서로 구현될 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명인 스마트 PRA의 동작상태는 다음과 같다.
배터리(10)로부터 인버터(20)로 전원 인가시 최초 프리차지 전자식스위치(140)가 ON 상태로 제어되면서, 프리차지 저항(130)의 저항값에 따라 배터리(10)의 용량보다 작은 전류가 프리차지 전자식스위치(140)로 흐른다.
이후 전자식스위치(110, 210)가 ON 상태로 제어되면서 대부분의 전류는 전자식스위치(110, 210)를 통해 흐르게 되며, 프리차지 전자식스위치(140)는 전자식스위치(110, 210)의 ON 제어시 과도 전류가 순간적으로 전자식스위치(110, 210)로 통전되는 것을 방지한다.
이후 메인릴레이(100, 200)가 ON 상태로 제어되면서 전자식스위치(110, 210)를 통해 흐르던 전류는 메인릴레이(100, 200)에서 출력이 발생하면서 메인릴레이(100, 200)를 통해 대부분의 전류가 흐르게 되므로 전자식스위치(110, 210)를 통해 흐르는 전류는 매우 작아질 것이며, 이때의 전자식스위치(110, 210)의 통전전류값은 전류감지센서(120, 220)를 통해 측정된다.
그러나, 만약 고장으로 메인릴레이(100, 200)의 접점이 동작하지 않는다면 인버터(20)측으로 공급되는 대부분의 전류는 전자식스위치(110, 210)를 통해 흐르게 되며, 이때의 전류값도 전류감지센서(120, 220)를 통해 측정된다.
메인릴레이(100, 200)와 전자식스위치(110, 210)의 통전 저항과 인버터(20)측으로 공급되는 전류를 알고 있다면 메인릴레이(100, 200)가 정상인 경우와 접점이 동작하지 않을 경우에 전자식스위치(110, 210)를 통해 흐르는 각 전류값을 계산할 수 있으며, 이를 통해 적절한 (통전)전류값을 기준값으로 정할 수 있다.
메인릴레이(100, 200)의 접점 불량이 확인되면 제어부(300)를 통해 메인릴레이(100, 200)와 전자식스위치(110, 210)를 OFF 상태로 스위칭한다.
제3전류감지센서(150)는 배터리(10)의 (+)단자와 제1메인릴레이(100) 사이에 직렬로 연결되어, 제1메인릴레이(100)의 턴온(TURN ON)시 인버터(20)로 전달되는 전류값을 측정하여 제어부(300)로 전달한다. 제3전류감지센서(150)를 통해 메인릴레이(100, 200)를 ON 상태로 제어시 인버터(20)측으로 흐르는 전류값을 센싱하여 과부하 상태 및 인버터(20)측 단락 상태 등을 확인할 수 있으며, 이때의 전류 기준값도 정상 상태일 경우의 전류 기준값을 기준으로 한다.
전압감지부(400)를 통해 제1, 2메인릴레이(100, 200)의 일측(B+, B-) 및 타측(I+, I-)의 전압값을 감지할 수 있으며, 이를 통해 제1, 2메인릴레이(100, 200)의 상태를 진단하고 절연이상 여부를 판단할 수 있다. 전압을 측정하기 위한 수단으로는 공지된 각종 전압 측정 수단을 적용할 수 있으며, 어느 하나의 측정 수단으로 한정하는 것은 바람직하지 않다.
제어부(300)가 제1메인릴레이(100)의 일측 전압값(B+)과 제2메인릴레이(200)의 일측 전압값(B-)을 비교하고, 제1메인릴레이(100)의 타측 전압값(I+)과 제2메인릴레이(200)의 타측 전압값(I+)을 비교하여 각각 같으면 정상으로 진단하고, 제1메인릴레이(100)의 일측 전압값과 제2메인릴레이(200)의 일측 전압값이 같지 않을 때, 제1메인릴레이(100)의 일측 전압값과 제2메인릴레이(200)의 일측 전압값 중 어느 한 전압값이 0V이면 절연파괴로 진단하고, 어느 한 전압값이 낮으면 낮은 전압값이 측정된 일측 메인릴레이(100, 200) 또는 메인릴레이(100, 200)와 병렬로 연결된 전자식스위치(110, 210)의 불량으로 진단하고, 제1메인릴레이(100)의 타측 전압값과 제2메인릴레이(200)의 타측 전압값이 같지 않으면 회로이상으로 진단한다.
메인릴레이(100, 200)와 전자식스위치(110, 210)가 ON 상태로 제어되면 메인릴레이(100, 200)의 타측에 인버터(20)가 연결되어 있는 상태이므로 메인릴레이(100, 200)의 일측과 타측의 전압값(B+, B-, I+, I-)은 메인릴레이(100, 200)의 일측에 연결된 배터리(10) 전원이 메인릴레이(100, 200)의 타측에 연결된 인버터(20)측 회로에 의해 전압 분배되어 배터리(10) 전원 규격보다 낮은 값으로 측정되며 그 값은 모두 동일한 것이 정상이다.
만약 메인릴레이(100, 200)의 일측과 타측의 전압값이 동일하지 않은 경우, 스마트 PRA에 이상이 발생한 것으로 판단할 수 있으며, 측정된 전압값의 조건에 따라 절연파괴, 메인릴레이(100, 200) 또는 전자식스위치(110, 210) 불량 및 회로이상으로 구분할 수 있다.
제어부(300)는 메인릴레이(100, 200)의 일측 전압값 중 어느 한 전압값이 0V일 경우, 절연파괴로 판단한다. 절연파괴는 배터리(10)의 그라운드와 스마트 PRA의 저전압 전원의 그라운드 간 단락으로 절연이 파괴된 상태이며, 절연파괴인 경우 배터리(10) 내부 회로 구조에 의해 어느 배터리(10)의 (+)단 또는 (-)단의 전압값이 0V가 된다. 스마트 PRA의 저전압 전원은 스마트 PRA의 제어부에서 통신 또는 제어장치들을 구동하기 위해 사용되는 5V 또는 12V 전원이 해당된다.
제어부(300)는 전술한 바와 같이 제1, 2, 3전류감지센서(110, 220, 150) 및 전압감지부(400)의 측정값을 통해 제1,2메인릴레이(100, 200)와 제1, 2 전자식스위치((110, 210))의 온오프(ON/OFF)를 제어한다.
본 발명인 스마트 PRA는 프리차지 저항(130)과 제어부(300)에 의해 스위칭되는 프리차지 전자식스위치(140)를 더 연결하여 구성하는 것이 바람직하다.
과전류방지 저항인 프리차지 저항(130)의 일 단자는 제1메인릴레이(100)의 일측에 병렬로 연결되고, 프리차지 저항(130)의 타 단자에는 프리차지 전자식스위치(140)의 일 단자가 직렬로 연결되며, 프리차지 전자식스위치(140)의 타 단자는 제1메인릴레이(100)의 타측에 병렬로 연결된다.
이때, 프리차지 저항(130)과 프리차지 전자식스위치(140)는 제1메인릴레이(100)와 병렬로 연결된 제1전자식스위치(110)와 제1전류감지센서(120)와는 다른 병렬 루프를 형성하며 연결된다.
도 2는 본 발명에 따른 스마트 PRA의 전원 차단(진단)시 제어과정을 나타낸 도면이며, 이를 통해 본 발명인 스마트 PRA의 차단 방법을 보다 자세히 설명하도록 한다.
전술한 바와 같은 스마트 PRA를 이용한 차단 방법은 다음과 같으며, 프리차지 저항(130) 및 프리차지 전자식스위치(140)는 선택적으로 구성할 수 있으나 프리차지 저항(130) 및 프리차지 전자식스위치(140)를 함께 구성하는 것이 바람직하다.
차단 상태는 정상 종료시와 비정상 종료시로 구분할 수 있다.
정상적인 차단 상태는 전자식스위치 통전전류 확인단계(S10), 전자식스위치 턴오프신호 발생단계(S20), 부하전류값 확인단계(S30), 메인릴레이 턴오프단계(S40), 전자식스위치 턴오프단계(S50), PRA회로 정상여부 확인단계(S60) 및 정상종료단계(S70)를 포함하여 구성된다.
전자식스위치 통전전류 확인단계(S10)에서는 제어부(300)가 제1전류감지센서(120)와 제2전류감지센서(220)를 통해 제1전자식스위치(110)와 제2전자식스위치(210)의 통전전류가 기설정된 제한 범위 내에 속하는지 여부를 판단한다. 기설정된 제한 범위란 전술한 전류 기준값으로 정상 상태에서의 최초 전자식스위치(110, 210)의 ON 상태 제어시 및 전자식스위치((110, 210))의 ON 상태에서 메인릴레이(100, 200)가 ON 상태로 제어시의 전자식스위치(110, 210)에 흐르는 전류값을 말하며, 일정 범위 내에서 오차값을 허용할 수 있다.
제1전자식스위치(110)와 제2전자식스위치(210)의 통전전류가 기설정된 제한 범위 내에 속할 경우 제1전자식스위치(110)와 제2전자식스위치(210)에 대한 오프(OFF)신호를 발생시키는 전자식스위치 턴오프(TURN OFF)신호 발생단계(S20)가 진행된다. 정상적으로 턴오프 신호가 발생된 후 메인 회로의 차단 동작이 진행된다.
이후 전자식스위치 턴오프신호 발생단계(S20)에서 발생된 전자식스위치 턴오프신호에 따라 제3전류감지센서(150)를 통해 부하전류값이 기설정된 기준값 이하인지를 확인하는 부하전류값 확인단계(S30)가 진행된다. 부하전류값은 제3전류감지센서(150)를 통해 측정하며, 정상적인 차단시 메인릴레이(100, 200)의 턴오프 이전에 인버터(20)의 출력을 줄이고 줄어든 부하전류값이 정상범위 내에 있는 상기 기설정된 기준값 이하인지를 판단하여 안정적인 차단 과정을 실시한다.
부하전류값이 상기 기설정된 기준값 이하인 경우 제1메인릴레이(100)와 제2메인릴레이(200)를 오프(OFF)시키는 메인릴레이 턴오프단계(S40)가 진행된다.
메인릴레이 턴오프단계(S40) 이후에는 제1전자식스위치(110)와 제2전자식스위치(210)를 오프(OFF)시키는 전자식스위치 턴오프단계(S50)가 진행된다.
이후 전압감지부(400)를 통해 배터리(10)의 출력측(B+)과 인버터(20)의 입력측(I-)의 전압 차이를 확인하여 PRA회로의 정상상태 여부를 확인하는 PRA회로 정상여부 확인단계(S60)가 진행된다. 메인릴레이(100, 200) 및 전자식스위치(110, 210)가 OFF된 상태에서 배터리(10)의 출력측과 인버터(20)의 입력측 전압은 상이해야 한다.
정상종료단계(S70)에서는 배터리(10)의 출력측과 인버터(20)의 입력측 전압이 상이할 경우 정상으로 판단하고 PRA회로 차단 동작을 종료시킨다.
다음으로 비정상적인 차단 상태를 알아보면 다음과 같다.
먼저, 전자식스위치 통전전류 확인단계(S10)에서 제1전자식스위치(110) 또는 제2전자식스위치(210)의 통전전류가 기설정된 제한 범위를 초과할 경우 초과된 전자식스위치(110 또는 210)가 연결된 제1메인릴레이(100) 또는 제2메인릴레이(200)의 작동이 불가한 것으로 판단하고, 배터리(10)의 출력을 차단한다.(S11)
즉, 메인릴레이(100, 200)는 대전류 통전 기능을 수행하고, 전자식스위치(110, 210)는 고전압의 스위칭 기능을 수행하므로 차량 운행 중 전자식스위치(110, 210)의 통전전류값이 비정상으로 판단되면 메인릴레이(100, 200)의 이상(OPEN)으로 판단하고 전자식스위치(110, 210)는 대전류를 유지할 수 없으므로 출력을 차단한다.
또한, 전자식스위치 턴오프신호 발생단계(S20)에서 제1전자식스위치(110)와 제2전자식스위치(210)에 대한 오프(OFF)신호 미발생시 제3전류감지센서(150)를 통해 측정된 부하측의 전류가 기설정된 전류제한범위를 초과 시 과부하상태로 판단(S21, S22)하고, 과부하일 경우 전류제한범위를 초과한 전류값이 초과허용범위 이내를 벗어날 경우 위험으로 판단(S23)하여 PRA회로를 차단(S24)한다.
이때, 전류제한범위를 초과한 전류값이 초과허용범위 이내일 경우, 즉 위험으로 판단되지 않을 경우 상위 제어기(미도시)에 출력부하 제한 요청 메시지를 전송(S25)한다.
상위 제어기는 배터리(10) 및 스마트 PRA를 제어하는 외부장치 또는 스마트 PRA의 성능을 검증하기 위한 외부 시험장치로부터 입력받을 수 있으며, 일 예로 자동차의 BMS(Battery Management System)가 될 수 있다.
또한, 부하전류값 확인단계(S30)에서 상기 부하전류값이 상기 기준값을 초과할 경우 메인릴레이(100, 200)를 오프(OFF)시킨 상태(S31)에서 전자식스위치(110, 210)로 흐르는 전류값이 기설정된 전류값을 초과할 경우 부하 비정상상태로 판단하여 차단(S32, S33)한다. 여기서 기설정된 전류값이란 메인릴레이(100, 200) 오프시 전자식스위치(110, 210)로 대전류가 흐르게 되므로 이때 흐르는 전류값을 말한다.
또한, 전자식스위치(110, 210)로 흐르는 전류값이 여전히 기설정된 전류값 이내일 경우 메인릴레이(100, 200)가 융착 등으로 차단불가인 상태로 판단하여 차단(S32, S34)한다. 여기서 기설정된 전류값이란 메인릴레이(100, 200)가 ON 상태에서는 전자식스위치(110, 210)로 소전류가 흐르게 되므로 이때 흐르는 전류값을 말한다.
다음으로 정상여부 확인단계(S60)에서 배터리(10)의 (+), (-)측 중 어느 하나가 0V로 측정되면 절연이상으로 판단(S61, S62)한다. 즉, 개별적으로 고전압 (+)측과 (-)측 전압을 저전압 그라운드를 기준으로 측정 중 어느 하나의 전압이 0볼트로 측정될 경우 고전압-저전압 간의 절연이상으로 판단한다.
또한, 정상여부 확인단계(S60)에서 배터리(10)의 출력측과 인버터(20)의 입력측의 전압이 동일할 경우 PRA회로를 비정상으로 판단, 즉, 전자식스위치(110, 210)를 융착 상태와 같은 비정상 상태로 판단(S63)하고 제1메인릴레이(100)와 제2메인릴레이(200)를 재동작(S64)시킨다.
도 3은 종래의 정상적인 차단 상태를 나타낸 도면이고, 도 4는 종래의 과부하시 차단 상태를 나타낸 도면이며, 도 5는 본 발명에 따른 과부하시 차단 상태를 나타낸 도면이다.
도 3 내지 도 5를 참조하여, 본 발명에 따른 과부하시 차단 상태를 종래와 비교하여 설명하면 다음과 같다.
도 3과 같이 종래에는 정상적인 상태에서 차단 동작이 진행되면, 먼저 인버터 부하가 낮아지고 난 후 메인회로인 메인릴레이(100, 200) 및 전자식스위치(110, 210)의 차단 동작이 진행된다. 즉, 정상부하 상태에서 인버터 부하가 낮아지면서 차단되고, 이후 메인릴레이(100, 200)가 차단된 후 전자식스위치(110, 210)가 차단된다. 전자식스위치(110, 210)가 차단되는 시점은 인버터의 전압이 0볼트가 되는 시점과 동일하다.
그러나, 도 4를 참조하면, 과부하시에 차단 동작이 진행되면 먼저 메인릴레이(100, 200)를 턴오프시킨 후 전자식스위치(110, 210)를 턴오프시키게 되는데, 저전압 배터리의 상태에 따라 메인릴레이(100, 200)의 응답속도 편차가 커지므로 전자식스위치(110, 210)는 계속 ON 상태로 제어되면서 결과적으로 전자식스위치(110, 210)가 과부하 전류에 노출되는 시간이 증가하므로 파손되기 쉬우며, 이에 따라 전자식스위치(110, 210)의 고사양 적용이 요구되었다.
따라서, 본 발명에서는 효과적인 제어를 위해 전자식스위치(110, 210)에 전류감지센서(120, 220)를 연결하였으며, 도 5 참조하면, 전류감지센서(120, 220)를 통해 메인릴레이(100, 200)가 턴오프된 시점을 정확히 파악하고 이를 기반으로 전자식스위치(110, 210)의 효율적인 차단 동작이 수행되므로 전자식스위치(110, 210)가 과부하 전류에 노출되는 시간을 줄일 수 있다.
이상에서, 본 발명의 실시례를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시례에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 게시된 실시례들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시례에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10 : 배터리 20 : 인버터
100 : 제1메인릴레이 110 : 제1전자식스위치
120 : 제1전류감지센서 130 : 프리차지저항
140 : 프리차지 전자식스위치 150 : 제3전류감지센서
200 : 제2메인릴레이 210 : 제2전자식스위치
220 : 제2전류감지센서
300 : 제어부
400 : 전압감지부

Claims (19)

  1. 일측이 배터리의 (+)단자에 연결되고 타측이 인버터의 (+)단자에 연결되는 제1메인릴레이;
    상기 제1메인릴레이에 병렬로 연결되는 제1전자식스위치;
    상기 제1메인릴레이에 병렬로 연결되는 프리차지 저항;
    상기 프리차지 저항에 직렬로 연결된 프리차지 전자식스위치;
    상기 제1메인릴레이에 병렬로 연결되고 상기 제1전자식스위치에 직렬로 연결되어 상기 제1전자식스위치를 통해 흐르는 전류를 감지하는 제1전류감지센서;
    일측이 상기 배터리의 (-)단자에 연결되고 타측이 상기 인버터의 (-)단자에 연결되는 제2메인릴레이;
    상기 제2메인릴레이에 병렬로 연결되는 제2전자식스위치;
    상기 제2메인릴레이에 병렬로 연결되고 상기 제2전자식스위치에 직렬로 연결되어 상기 제2전자식스위치를 통해 흐르는 전류를 감지하는 제2전류감지센서;
    상기 배터리의 (+)단자와 상기 제1메인릴레이 사이에 직렬로 연결되어 상기 제1메인릴레이를 통해 흐르는 전류를 감지하는 제3전류감지센서;
    상기 제1메인릴레이의 일측과 타측, 상기 제2메인릴레이의 일측과 타측의 전압을 각각 센싱하는 전압감지부; 및
    상기 제1, 2, 3전류감지센서 및 상기 전압감지부에서 감지된 전류 및 전압을 이용하여 상기 제1,2메인릴레이를 제어하는 제어부;를 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 제1전자식스위치와 제2전자식스위치의 통전전류가 기설정된 제한 범위 내에 속할 경우 상기 제1전자식스위치와 제2전자식스위치에 대한 오프(OFF)신호를 발생시키고, 상기 제1전자식스위치와 제2전자식스위치에 대한 오프(OFF)신호 미발생 시 상기 제3전류감지센서를 통해 측정된 부하측의 부하전류값이 기설정된 전류제한범위를 초과하면 과부하 상태로 판단하고, 과부하 상태로 판단되면 상기 전류제한범위를 초과한 전류값이 초과허용범위 이내를 벗어날 경우 상기 제1,2메인릴레이 및 상기 제1,2전자식스위치를 오프(OFF)시켜 PRA회로를 차단하는 스마트 PRA.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1전류감지센서는 상기 제1전자식스위치를 통해 상기 배터리의 (+)단자에서 상기 인버터의 (+)단자 방향으로 흐르는 전류를 감지하고, 상기 제2전류감지센서는 상기 제2전자식스위치를 통해 상기 인버터의 (-)단자에서 상기 배터리의 (-)단자 방향으로 흐르는 전류를 감지하는 스마트 PRA.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 전류제한범위를 초과한 전류값이 초과허용범위 이내일 경우 상위 제어기에 출력부하 제한 요청 메시지를 전송하는 스마트 PRA.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제1전자식스위치 또는 제2전자식스위치의 통전전류가 기설정된 제한 범위를 초과할 경우 초과된 제1전자식스위치 또는 제2전자식스위치를 오프시켜 상기 배터리의 출력을 차단하는 스마트 PRA.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 부하전류값이 기설정된 기준값 이하일 경우 상기 제1메인릴레이와 제2메인릴레이 및 상기 제1전자식스위치와 제2전자식스위치를 턴오프시키는 스마트 PRA.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 부하전류값이 기설정된 기준값을 과할 경우 상기 제1메인릴레이와 제2메인릴레이를 오프(OFF)시킨 상태에서 상기 제1전자식스위치와 제2전자식스위치로 흐르는 전류값이 기설정된 전류값을 초과할 경우 부하비정상상태로 판단하는 스마트 PRA.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제1전자식스위치와 제2전자식스위치로 흐르는 전류값이 기설정된 전류값 이내일 경우 상기 제1메인릴레이와 제2메인릴레이의 차단불가상태로 판단하는 스마트 PRA.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 배터리의 (+), (-)측 중 어느 하나가 0V로 측정되면 절연이상으로 판단하는 스마트 PRA.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 배터리의 출력측과 상기 인버터 입력측의 전압이 동일할 경우 상기 PRA회로를 비정상으로 판단하고, 상기 제1메인릴레이와 제2메인릴레이를 재동작시키는 스마트 PRA.
  12. 배터리와 인버터 사이에 연결된 스마트 PRA에서의 차단 방법에 있어서,
    제1전류감지센서와 제2전류감지센서를 통해 제1전자식스위치와 제2전자식스위치의 통전전류가 기설정된 제한 범위 내에 속하는지 여부를 판단하는 전자식스위치 통전전류 확인단계;
    상기 제1전자식스위치와 제2전자식스위치의 통전전류가 상기 기설정된 제한 범위 내에 속할 경우 상기 제1전자식스위치와 제2전자식스위치에 대한 오프(OFF)신호를 발생시키는 전자식스위치 턴오프신호 발생단계;
    발생된 상기 전자식스위치 턴오프신호에 따라 제3전류감지센서를 통해 측정된 부하전류값이 기설정된 기준값 이하인지를 확인하는 부하전류값 확인단계;
    상기 부하전류값이 상기 기설정된 기준값 이하인 경우 제1메인릴레이와 제2메인릴레이를 오프(OFF)시키는 메인릴레이 턴오프단계;
    상기 메인릴레이 턴오프단계 이후 상기 제1전자식스위치와 제2전자식스위치를 오프(OFF)시키는 전자식스위치 턴오프단계;
    전압감지부를 통해 상기 배터리 출력측과 부하 입력측의 전압 차이를 확인하여 PRA회로의 정상상태 여부를 확인하는 PRA회로 정상여부 확인단계; 및
    정상으로 판별될 경우 PRA회로 차단 동작을 종료시키는 정상종료단계;를 포함하고,
    상기 전자식스위치 턴오프신호 발생단계에서, 상기 제1전자식스위치와 제2전자식스위치에 대한 오프(OFF)신호 미발생 시 상기 제3전류감지센서를 통해 측정된 상기 부하전류값이 기설정된 전류제한범위를 초과하면 과부하 상태로 판단하고, 과부하 상태이면 상기 전류제한범위를 초과한 전류값이 초과허용범위 이내를 벗어날 경우 상기 PRA회로를 차단하는 스마트 PRA의 차단 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 전자식스위치 통전전류 확인단계에서 상기 제1전자식스위치 또는 상기 제2전자식스위치의 통전전류가 기설정된 제한 범위를 초과할 경우 초과된 전자식스위치가 연결된 상기 제1메인릴레이 또는 상기 제2메인릴레이의 작동이 불가한 것으로 판단하고, 배터리의 출력을 차단하는 스마트 PRA의 차단 방법.
  14. 삭제
  15. 제12항에 있어서,
    상기 전류제한범위를 초과한 전류값이 초과허용범위 이내일 경우 상위 제어기에 출력부하 제한 요청 메시지를 전송하는 스마트 PRA의 차단 방법.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 부하전류값 확인단계에서 상기 부하전류값이 상기 기준값을 초과할 경우 상기 제1메인릴레이와 제2메인릴레이를 오프(OFF)시킨 상태에서 상기 제1전자식스위치와 제2전자식스위치로 흐르는 전류값이 기설정된 전류값을 초과할 경우 부하비정상상태로 판단하는 스마트 PRA의 차단 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제1전자식스위치와 제2전자식스위치로 흐르는 전류값이 기설정된 전류값 이내일 경우 상기 제1메인릴레이와 제2메인릴레이의 차단불가상태로 판단하는 스마트 PRA의 차단 방법.
  18. 제12항에 있어서,
    상기 정상여부 확인단계에서 상기 배터리의 (+), (-)측 중 어느 하나가 0V로 측정되면 절연이상으로 판단하는 스마트 PRA의 차단 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 정상여부 확인단계에서 상기 배터리의 출력측과 상기 부하의 입력측의 전압이 동일할 경우 상기 PRA회로를 비정상으로 판단하고, 상기 제1메인릴레이와 제2메인릴레이를 재동작시키는 스마트 PRA의 차단 방법.
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