KR20000055759A - 차량용 발전기의 전압조정기 - Google Patents

차량용 발전기의 전압조정기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 차량용 발전기의 전압조정기에 관한 것으로, 상세하게는 배터리의 과충전과 과방전전류를 제어할 수 있는 차량용 발전기의 전압조정기에 관한 것이다.
본 발명에 따른 차량용 발전기의 전압조정기에 의하면, 배터리의 충방전 전류를 감지할 수 있도록 일측이 정류부와 접속되는 션트부와, 배터리의 충방전 전류를 차단할 수 있도록 션트부와 배터리 사이에 접속되는 스위칭소자와, 스위칭소자의 스위칭동작에 따라서 배터리로부터 전기부하로 방전되는 전류를 평활시킬 수 있도록 전기부하에 병렬로 접속되는 커패시터와, 션트부를 통하여 배터리의 충방전전류를 디지털신호로 변환시키는 아날로그/디지털변환부와 아날로그/디지털변환부를 통하여 인지한 배터리의 충방전전류에 의하여 스위칭소자의 제어신호와 펄스폭변조신호를 출력하도록 제어하는 중앙처리부와 중앙처리부의제어에 따라서 펄스폭변조신호를 출력하는 펄스폭변조부를 포함하는 마이크로컨트롤러와, 마이크로컨트롤러의 제어에 따라서 회전자코일에 흐르는 전류를 스위칭하는 회전자전류스위칭부를 구비함으로서, 배터리의 과충전전류와 과방전전류를 제어할 수 있다.

Description

차량용 발전기의 전압조정기{Regulator for generator of vehicle}
본 발명은 차량용 발전기의 전압조정기에 관한 것으로, 상세하게는 배터리의 과충전과 과방전전류를 제어할 수 있는 차량용 발전기의 전압조정기에 관한 것이다.
자동차에는 기관의 기동장치나 점화장치를 비롯하여 램프류, 에어컨장치 등 많은 전기장치가 있으며, 이러한 전기장치에 전력을 공급하는 전원으로 배터리와 발전기가 있다.
발전기는 통상 벨트에 의하여 기관에 연결되어 구동되며, 그 발전량은 기관의 회전수에 따라 다르고 발전량이 부하량보다 적은 경우에는 배터리가 전원이 되어 일시 방전한다. 그리고 발전량이 부하량보다 많은 경우에는 발전기만으로 모든 전기장치에 전력을 공급하고 배터리도 발전기에 의해 충전된다.
발전기와 함께 사용하는 전압조정기는 발전기의 회전자코일에 흐르는 계자전류를 제어하여, 발전기의 출력전류를 조절한다. 그리하여 각 전기장치에 알맞은 전력을 공급하고, 또 배터리에 규정용량으로 충전하는 기능을 가지고 있으며, 특히 발전기와 전압조정기는 배터리를 충전하는 기능을 가졌기 때문에 충전장치라고도 부른다.
도 1은 종래의 차량용 발전기와 전압조정기의 접속회로도이다.
일반적으로 차량용 발전기는, 고정되어 있는 고정자코일(11)과 고정자코일(11)과 소정간격 이격되어 있으며 차량의 엔진과 벨트로 연결되어 회전하는 회전자코일(12)을 갖고 있는데, 다이오드로 이루어진 주정류부(21)와 회전자코일(12)에 전류를 공급하기 위한 보조정류부(22)가 접속되어 발전된 3상 교류를 직류로 변환시킨다.
그리고 주정류부(21)의 플러스측에는 배터리(40)의 플러스 단자가 접속되어 있으며 마이너스측에는 배터리(40)의 마이너스 단자가 접속되어 있다. 회전자코일(12)의 일측은 전압조정기(30)의 포트(T)와 회전자코일(12)에 전류를 공급하기 위한 보조정류부(22)사이에 접속되며, 타측은 전압조정기(30)의 포트(F)에 접속된다.
전압조정기(30)는 다음과 같다.
먼저 저항(R1)과 저항(2)은 배터리(40)에 직렬로 접속되어 저항비에 따라서 배터리(50)의 전압을 분압한다. 그리고 저항(R1)과 저항(R2)사이에는 제너다이오드(ZD)가 접속되어 있으며, 제너다이오드(ZD)의 뒷단에는 트랜지스터(Q2)의 베이스가 접속되어 있다.
또한 트랜지스터(Q2)의 컬렉터는 트랜지스터(Q1)의 베이스와 저항(R3)의 일측단과 접속되어 있다. 그리고 저항(R3)의 타측단은 포트(T)와 접속되어 있다.
전술한 구성을 가지는 종래의 발전기는, 배터리(50)의 단자 전압을 전압조정기(30)의 저항(R1)과 저항(R2)에 의하여 분압하여 그 전압이 제너다이오드(ZD)의 제너전압을 초과하는지의 여부에 따라서 트랜지스터(Q2)(Q1)를 스위칭시켜 회전자코일(12)에 흐르는 전류를 제어하였다.
설명하면, 저항(R1)과 저항(R2)에 의하여 분압된 배터리(50)의 단자전압이 제너다이오드(ZD)의 제너전압이하가 되면 제너다이오드(ZD)는 턴-오프 된다. 제너다이오드(ZD)가 턴-오프되면 트랜지스터(Q2)의 베이스에 로우 레벨의 전압이 인가되어 트랜지스터(Q2)는 턴-오프 된다.
트랜지스터(Q2)가 턴-오프 되면 트랜지스터(Q1)의 베이스에는 하이 레벨이 인가되는데, 그에 따라서 트랜지스터(Q1)는 턴-온 된다. 트랜지스터(Q1)가 턴-온 되면, 보조정류부(22)와 전압조정기의 포트(T) 그리고 회전자코일(12)과 전압조정기(30)의 포트(F)로 이어지는 경로가 이루어져, 보조정류부(22)로터 회전자코일(12)로 전류가 흐르게 된다. 그래서 발전이 이루어지는데, 이때 회전자코일(12)에는 일정한 전류가 흐르게 된다. 그리고 발전을 멈출때는 전술한 것과 반대로 이루어진다.
그런데 발전이 이루어질 때 정류부에서는 대 전류가 출력되는데, 배기량 2천cc급 승용차 발전기의 경우 약 70A ~ 100A의 공칭출력을 가지는데, 배터리에서 그 전류를 소비하여 충전이 이루어지기 때문에 배터리에서는 과도한 전력소비로 인하여 많은 열이 발생하게 되는데 그로 인하여 배터리의 수명이 단축되는 문제점이 있었다. 그리고 발전이 이루어지지 않을 때 배터리로부터 전기부하로 전류가 과방전될 경우에도 그 것을 제어하지 못하는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 그 목적은 배터리의 과충전과 과방전전류를 제어할 수 있는 차량용 발전기의 전압조정기를 제공하고자 하는 것이다.
도 1은 종래의 발전기와 전압조정기의 접속도이다.
도 2는 본 발명에 따른 전압조정기의 상세 회로도이다.
도 3은 본 발명에 따른 발전기와 전압조정기의 접속도이다.
도 4는 본 발명에 따른 전압조정기의 상세 회로도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
70:발전부 71:고정자코일
72:회전자코일 81:주정류부
82:보조정류부 91:램프
92:키스위치 100:션트부
110:트라이액 120:배터리
130:전기부하 200:전압조정기
210:마이크로컨트롤러 211:아날로그/디지털변환부
212:입력부 213:중앙처리부
214:메모리 215:펄스폭변조부
215:출력포트 217:클럭발생부
220:회전자전류스위칭부 230:램프구동부
상기한 목적을 실현하기 위하여 본 발명에 따른 차량용 발전기의 전압조정기는, 영구자석형 회전자와, 회전자에서 발생되는 자장에 의하여 교류가 유기되는 고정자코일과, 고정자코일에서 유기된 교류를 직류로 변환시키는 정류부를 구비하는 차량용 발전기의 전압조정기에 있어서, 배터리의 충방전 전류를 감지할 수 있도록 일측이 정류부와 접속되는 션트부, 배터리의 충방전 전류를 차단할 수 있도록 션트부와 배터리 사이에 접속되는 스위칭소자, 스위칭소자의 스위칭동작에 따라서 배터리로부터 전기부하로 방전되는 전류를 평활시킬 수 있도록 전기부하에 병렬로 접속되는 커패시터, 션트부를 통하여 배터리의 충방전전류를 디지털신호로 변환시키는 아날로그/디지털변환부와 아날로그/디지털변환부를 통하여 인지한 배터리의 충방전전류에 의하여 스위칭소자의 제어신호와 펄스폭변조신호를 출력하도록 제어하는 중앙처리부와 중앙처리부의제어에 따라서 펄스폭변조신호를 출력하는 펄스폭변조부를 포함하는 마이크로컨트롤러, 마이크로컨트롤러의 제어에 따라서 회전자코일에 흐르는 전류를 스위칭하는 회전자전류스위칭부를 구비하는 것을 특징으로 하는 구성이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세하게 설명하겠다.
도 3은 본 발명에 따른 차량용 발전기와 전압조정기의 접속회로도이다.
먼저, 고정되어 있는 고정자코일(71)과 고정자코일(71)과 소정간격 이격되어 있으며 차량의 엔진과 벨트로 연결되어 회전하는 회전자코일(72)을 갖고 있는데, 다이오드로 이루어진 주정류부(81)와 회전자코일(72)에 전류를 공급하기 위한 보조정류부(82)가 접속되어 발전된 3상 교류를 직류로 변환시킨다.
그리고 주정류부(81)의 플러스측에는 배터리(120)의 플러스 단자가 접속되어 있으며 마이너스측에는 배터리(120)의 마이너스 단자가 접속되어 있다. 회전자코일(72)의 일측은 발전기의 발전을 제어하는 전압조정기(200)의 포트(T)와 회전자코일(72)에 전류를 공급하기 위한 보조정류부(82)사이에 접속되며, 타측은 전압조정기(200)의 포트(F)에 접속된다.
한편 배터리(120)에 충전되는 전류를 감지할 수 있도록 주정류부(81)의 플러스측과 배터리(120)의 플러스단자 사이에는 션트부(100)가 접속되어 있으며, 션트부(100)의 출력단은 전압조정기(200)의 포트(D1)에 접속되어 있다. 그리고 션트부(100)와 배터리(120) 사이에는 배터리(120)의 플러스단자를 오프시킬 수 있는 반도체스위칭소자인 트라이액(110)이 접속되어 있다.
전압조정기(200)는 일종의 컴퓨터인 마이크로컨트롤러(210)와, 회전자코일(72)에 흐르는 전류를 스위칭시키기 위한 회전자전류스위칭부(220)와, 충전램프를 구동시키는 램프구동부(230)로 이루어져 있다.
마이크로컨트롤러(210)의 구성은 다음과 같다.
마이크로컨트롤러(Micro Controller)(210)는, 외부로부터 입력되는 아날로그 신호를 디지털로 변환시키는 아날로그/디지털변환부(Analog to Digital Converter, ADC)(211)와, 전압조정기(200)의 전반적인 동작을 제어하는 중앙처리부(Central Processing Unit, CPU)(213)와, 중앙처리부(213)가 작동할 때 필요로 하는 명령과 각종 데이터를 기록하는 장치로서 롬과 램을 포함하는 메모리(214)와, 중앙처리부(213)의 동작주파수(4㎒ ~ 16㎒)를 발생시키는 클럭발생부(217)와, 중앙처리부(213)의 제어에 따라서 데이터를 입력받는 입력포트(212)와 데이터를 출력하는 출력포트(216)와, 펄스폭변조신호를 출력하는 펄스폭변조부(215)를 구비한다. 전술한 마이크로컨트롤러(210)의 메모리(214)는 롬과 램을 구비하고 있는데, 램은 전원이 차단되면 데이터가 소멸되는 휘발성 메모리로서 아날로그/디지털변환부(211)의 출력 데이터와 같은 시시각각으로 변화하는 리얼타임데이터등의 일시적인 저장에 이용된다. 그리고 롬은 전원이 차단되더라도 한번 기입한 데이터는 소멸되지 않는 비휘발성 메모리로서, 변경이 필요없는 고정 데이터와 각종 프로그램의 저장에 이용된다.
한편 전압조정기(200)의 회전자전류스위칭부(220)는, 마이크로컨트롤러(210)의 펄스폭변조부(215)로부터 출력되는 신호에 따라서 스위칭되는 트랜지스터(Q4)와, 트랜지스터(Q4)의 컬렉터에 베이스가 접속되어 트랜지스터(Q4)의 온/오프에 따라서 스위칭되는 트랜지스터(Q3)로 이루어지는데, 트랜지스터(Q3)의 컬렉터는 전압조정기(200)의 포트(F)와 접속된다. 또한 전압조정기(200)의 포트(F)와 접속되는 트랜지스터(Q3)의 컬렉터와 전압조정기(200)의 포트(T)사이에는 다이오드(D4)가 접속되고, 트랜지스터(Q4)의 컬렉터와 전압조정기(200)의 포트(T)사이에는 저항(R4)이 접속된다.
램프구동부(230)는, 마이크로컨트롤러(210)의 출력포트(216)와 베이스가 접속되며 정전압원(Vcc)과 저항(R6)을 사이에 두고 컬렉터가 접속되는 트랜지스터(Q5)를 구비하는데, 트랜지스터(Q5)의 컬렉터와 저항(R6) 사이는 전압조정기(200)의 포트(L)와 접속된다.
본 발명의 전술한 구성에 의한 동작은 다음과 같다.
전압조정기(200)에 내장된 마이크로컨트롤러(210)의 아날로그/디지털변환부(211)는 포트(S)를 통하여 인가되는 배터리(120)의 전압을 디지털신호로 변환시켜 입력포트(212)를 통하여 메모리(214)에 저장하는데, 중앙처리부(213)는 메모리(214)에 저장되어 있는 아날로그/디지털변환부(211)에 의하여 변환된 디지털신호에 의하여 배터리(120)의 전압을 인지한다.
중앙처리부(213)는 인지된 배터리(120)의 전압을 미리 설정되어 있는 기준전압과 비교하여 발전여부를 판단하는데, 인지된 배터리(120)의 전압이 기준전압보다 낮다고 판단될 경우 중앙처리부(213)는 배터리(120)가 방전되고 있다고 판단하여 출력포트(OP1)를 통하여 펄스폭변조부(215)의 제어신호를 출력한다. 출력포트(OP1)를 통하여 출력되는 제어신호는 펄스폭변조부(215)로 입력되고 그에 따라서 펄스폭변조부(215)는 펄스폭변조신호를 출력한다.
펄스폭변조부(215)에서 출력되는 펄스폭변조신호는 회전자전류스위칭부(220)의 트랜지스터(Q4)의 베이스에 인가되어 트랜지스터(Q4)를 스위칭시킨다. 트랜지스터(Q4)가 스위칭되면 트랜지스터(Q3) 역시 스위칭되는데, 그에 따라서 회전자코일(72)에 전류가 흐르게 된다.
회전자코일(72)에 전류가 흐르게 되면 엔진의 회전력에 의하여 회전하는 회전자코일(72)에서는 자장이 발생하는데, 그로 인하여 고정자코일(71)에는 교류가 유기되어 흐르게 된다. 그리고 고정자코일(71)에 유기된 교류는 주정류부(81)에서 직류로 변환되어 션트부(100)와 턴온되어 있는 트라이액(110)을 거쳐서 배터리(120)로 인가되는데 배터리(120)는 주정류부(81)로부터 출력되는 직류에 의하여 충전된다.
이때 마이크로컨트롤러(210)의 아날로그/디지털변환부(211)는 배터리(120)로 충전되는 전류를 디지털로 변환시켜 입력포트(212)로 출력한다. 입력포트(212)로 입력된 디지털 데이터는 일단 메모리(214)에 저장되는데, 증앙처리부(213)는 메모리(214)에 저장되어 있는 데이터를 취득하여 배터리(120)로 충전되는 전류의 크기를 인지한다. 그리고 중앙처리부(213)는 인지된 배터리(120)의 충전 전류의 크기를 미리 설정되어 있는 기준충전전류값과 비교한다.
만약 배터리(120)의 충전 전류의 크기가 기준충전전류값 이상이라고 판단되면 중앙처리장치(213)는 출력포트(216)의 포트(OP1)를 통하여 펄스폭변조부(215)를 제어하여 펄스폭변조신호의 듀티비를 감소시킨다. 그에 따라서 회전자코일(72)에 흐르는 전류는 감소되어 발전전류가 감소되고 주정류부(81)에서 배터리(120)로 출력되는 충전전류 역시 감소된다.
전압조정기(200)는 배터리(120)의 충전전류가 기준충전전류 이하일 때는 전술한 동작과 반대로 동작하여 배터리(120)의 충전전류를 일정하게 클램핑(clamping) 시킬 수 있다.
한편 마이크로컨트롤러(210)의 중앙처리부(213)는 아날로그/디지털변환기(211)에서 출력되는 데이터와 펄스폭변조부(215)의 제어 여부에 따라서 발전여부를 판단하는데, 만약 발전이 이루어지지 않고 있다고 판단되면, 중앙처리부(213)는 션트부(100)를 통하여 감지되는 전류가 배터리(120)의 방전전류라고 판단한다.
이때에도 마찬가지로 션트부(100)를 통하여 감지되는 전류는 전압조정기(200)의 포트(D1)를 통하여 마이크로컨트롤러(210)의 아날로그/디지털변환부(211)로 입력되어 디지털로 변환된 후 메모리(214)에 저장된다.
중앙처리부(213)는 메모리(214)에 저장되어 있는 데이터를 취득하여 배터리(120)의 방전전류를 인지하는데, 인지된 방전전류를 미리 설정되어 있는 기준방전전류값과 비교를 한다.
만약 인지된 방전전류가 기준방전전류값 이상이라고 판단되면 중앙처리부(213)는 기준시간이 경과했는지를 판단하여, 만약 기준시간이 경과했다고 판단되면 중앙처리부(213)는 출력포트(216)의 포트(OP2)를 통하여 트라이액(110)의 제어신호를 출력한다. 그러면 그 신호는 전압조정기(200)의 포트(D2)를 통하여 트라이액(110)의 게이트에 인가된다. 그에 따라서 트라이액(110)은 스위칭되어 방전전류를 일정하게 클램핑시킨다.
트라이액(110)이 온될 때 배터리(120)의 방전에 의하여 커패시터(C)는 충전되는데, 트라이액(110)이 오프될 때에는 이미 충전되어 있는 커패시터(C)에서 전기부하(130)쪽으로 방전이 이루어진다. 이러한 동작이 되풀이 되면서 방전전류는 일정 전류로 평활 된다.
이상에서 상세하게 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 차량용 발전기의 전압조정기에 의하면, 배터리의 충방전 전류를 감지할 수 있도록 일측이 정류부와 접속되는 션트부와, 배터리의 충방전 전류를 차단할 수 있도록 션트부와 배터리 사이에 접속되는 스위칭소자와, 스위칭소자의 스위칭동작에 따라서 배터리로부터 전기부하로 방전되는 전류를 평활시킬 수 있도록 전기부하에 병렬로 접속되는 커패시터와, 션트부를 통하여 배터리의 충방전전류를 디지털신호로 변환시키는 아날로그/디지털변환부와 아날로그/디지털변환부를 통하여 인지한 배터리의 충방전전류에 의하여 스위칭소자의 제어신호와 펄스폭변조신호를 출력하도록 제어하는 중앙처리부와 중앙처리부의제어에 따라서 펄스폭변조신호를 출력하는 펄스폭변조부를 포함하는 마이크로컨트롤러와, 마이크로컨트롤러의 제어에 따라서 회전자코일에 흐르는 전류를 스위칭하는 회전자전류스위칭부를 구비함으로서, 배터리의 과충전전류와 과방전전류를 제어할 수 있다.

Claims (2)

  1. 영구자석형 회전자와, 상기 회전자에서 발생되는 자장에 의하여 교류가 유기되는 고정자코일과, 상기 고정자코일에서 유기된 교류를 직류로 변환시키는 정류부를 구비하는 영구자석형 발전기에 있어서,
    배터리의 충방전 전류를 감지할 수 있도록 일측이 상기 정류부와 접속되는 션트부,
    상기 배터리의 충방전 전류를 차단할 수 있도록 상기 션트부와 상기 배터리 사이에 접속되는 스위칭소자,
    상기 스위칭소자의 스위칭동작에 따라서 상기 배터리로부터 전기부하로 방전되는 전류를 평활시킬 수 있도록 전기부하에 병렬로 접속되는 커패시터,
    상기 션트부를 통하여 배터리의 충방전전류를 디지털신호로 변환시키는 아날로그/디지털변환부와 상기 아날로그/디지털변환부를 통하여 인지한 배터리의 충방전전류에 의하여 상기 스위칭소자의 제어신호와 펄스폭변조신호를 출력하도록 제어하는 중앙처리부와 상기 중앙처리부의제어에 따라서 펄스폭변조신호를 출력하는 펄스폭변조부를 포함하는 마이크로컨트롤러,
    상기 마이크로컨트롤러의 제어에 따라서 상기 회전자코일에 흐르는 전류를 스위칭하는 회전자전류스위칭부를 구비하는 것을 특징으로 하는 차량용 발전기의 전압조정기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 마이크로컨크롤러의 중앙처리부는 상기 아날로그/디지털변환부를 통하여 인지한 배터리의 방전전류가 일정시간동안 배터리의 과방전을 판단하기 위한 기준방전전류 이상일 경우 방전전류를 일정전류로 평활시킬 수 있도록 상기 스위칭소자를 스위칭시키는 것을 특징으로 하는 차량용 발전기의 전압조정기.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101014033B1 (ko) * 2009-03-05 2011-02-14 현대자동차주식회사 자동차 고전압 배터리시스템의 전류측정장치
KR20150116843A (ko) * 2013-02-11 2015-10-16 로베르트 보쉬 게엠베하 차상 전력 시스템을 위한 에너지 공급 유닛을 작동시키기 위한 방법

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