KR20020058746A - 버크 컨버터를 이용한 전기 자동차용 차단장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 버크 컨버터를 이용한 전기 자동차용 차단장치는, 배터리의 전류를 소스로 인가받고 게이트에 인가되는 전압의 크기에 따라 공핍층의 확산으로 드레인 전류치를 조절하기 위한 FET와; 상기 FET의 드레인 단자에서 출력되는 전류를 일방향으로만 흐르도록 제한하기 위한 다이오드와; 상기 FET의 드레인 단자에서 출력되는 전류의 변화에 따른 유도자속을 발생시키기 위한 인덕터와; 상기 인덕터를 통과한 전류 흐름에 따른 전하를 충전 및 방전하기 위한 캐패시터와; 상기 인덕터를 통과한 전류를 피드백 검출하여 상기 FET의 드레인 전류를 조절기 위한 제어신호를 출력함으로써 상기 캐패시터의 전압이 충전되도록 하며, 상기 캐패시터의 전압이 설정된 수준이상 충전되는 경우에는 상기 FET의 듀티를 100%로 조절하여 배터리와 인버터간의 전압을 일치시키기 위한 전류 제어기를 포함하여 이루어져, 버크 컨버터를 이용하여 인버터의 전류에 대한 피드백 제어를 수행하여 가격면에서 유리하고 경량화와 유지 관리의 편의성을 증대시킬 수 있다.

Description

버크 컨버터를 이용한 전기 자동차용 차단장치 {APPARATUS FOR DISCONNECTING BY USING BUCK CONVERTER FOR A ELECTRIC VEHICLE}

본 발명은 버크 컨버터를 이용한 전기 자동차용 차단장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기 자동차용 안전 차단 유니트(Safety Disconnection Unit)에 버크 컨버터의 전류 제어를 이용하여 프리차지 릴레이 기능과 메인 릴레이 기능을 구현하기 위한 버크 컨버터를 이용한 전기 자동차용 차단장치에 관한 것이다.

일반적으로 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차에는 재충전 가능 배터리가 장착된다. 그래서 차량이 정차중일 때나 주행 부하가 낮을 때 상기 배터리를 충전하고, 차후 주행시 상기 배터리의 전력을 이용하여 구동력을 발생시키게 된다.

도1에는 상기 전기 자동차의 개략적인 블록이 도시되어 있다.

도1에 따르면, 충전 시스템(10)은 충전모드에 대한 정보를 저장하기 위한 저장매체(11)와, 상기 저장매체에 저장되어 있는 충전모드에 따라 배터리의 충전상황을 제어하기 위한 제어부(12)와, 상기 제어부(12)의 제어에 따라 교류전력을 직류 전력으로 변환시키는 인버터(13)로 이루어진다.

상기 충전 시스템(10)에서 출력되는 직류 전력은 배터리(14)를 충전시킨다.

그리고 충전된 배터리(14)는 모터 제어기(15)를 거쳐 모터(16)로 방전 전력을 공급하게 된다. 상기 방전 전력에 의해 모터(16)가 회전하게 되면, 상기 모터(17)의 회전력은 적절히 감속되어 구동륜으로 전달된다.

그런데 배터리는 과방전 또는 과충전에 의해 심각하게 손상될 수도 있다. 그래서 과도한 전류의 흐름을 차단시키기 위하여 배터리(14)와 인버터(13)의 사이에 차단 유니트(SDU)를 구비하게 된다.

현재 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차에 적용중인 SDU는 두개의 고용량 메인 컨텍터와 프리차지 릴레이를 사용한다. 메인 컨텍터와 프리차지 컨텍터는 배터리(14)와 인버터(13)간을 연결 또는 차단하는 기능을 수행한다.

도2에는 이러한 차단 유니트(SDU)의 작동 예시도가 도시되어 있다.

도2에 따르면, 메인 릴레이는 SW1과 SW2를 포함하며, 프리차지 릴레이는 SW3으로 이루어진다.

도2의 안정 차단 유니트가 장착된 전기 자동차는 시동신호를 받게 되면, 우선 프리차지 릴레이를 접속시켜 캐패시터에 일정 전압을 충전시킨다.

그래서 캐패시터의 충전이 이루어지면, 메인 릴레이를 접속시켜 인버터(13)에 전압을 공급한다.

도2의 (a) 상태의 경우에는 메인 릴레이와 프리차지 릴레이가 모두 오픈되어 있으므로, 배터리(14)와 인버터(13)간의 전류 흐름은 차단된다.

(b)의 경우에는 메인 릴레이 SW2와 프리차지 릴레이 SW3이 접속되어 있어 배터리(14)의 출력이 저항 R과 SW3을 거쳐 캐패시터 C에 충전된다. 이처럼 프리차지가 이루어지게 되며, 이때의 방전 전류는 Ichg 이다.

(c)의 경우에는 메인 릴레이 SW1 및 SW2가 접속되고 프리차지 릴레이 SW3이 접속되어 있는 상태로써, 전류는 저항 R을 통해 흐르지 않고 릴레이 SW1을 통해 흐르게 된다.

그리고 (d)의 경우에는 인버터(13)로 배터리 전력이 출력되는 경우이다. 이때 인버터(13)로 인가되는 전류는 Iinv 이다.

도3에는 메인 릴레이와 프리차지 릴레이의 작동에 따른 전압선도가 도시되어 있다.

도3에 따르면, 캐패시터 C의 전압 Vc는 점차적으로 증가하여 (c) 상태에서 배터리 전압인 Vbatt에 접근하게 되고, 캐패시터 C를 통한 전류 Ichg는 0으로 접근하게 된다.

그러나 이상 설명한 종래기술은, 고용량의 메인 컨텍터 자체가 매우 고가이며 연결 또는 차단시 소음이 발생하는 단점이 있다.

또한, 프리차지를 통해 캐패시터를 충전시킨 후 메인 컨텍터를 온 시키므로 시간 지연이 발생되어 이에 따는 오류가 자주 발생되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위해 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 전기 자동차용 안전 차단 유니트(Safety Disconnection Unit)에 버크 컨버터의 전류 제어를 이용하여 프리차지 릴레이 기능과 메인 릴레이 기능을 구현하기 위한 버크 컨버터를 이용한 전기 자동차용 차단장치를 제공하는 데 있다.

도1은 일반적인 전기 자동차의 개략적인 구성도.

도2는 종래의 차단 유니트의 작동 예시도.

도3은 종래의 메인 릴레이와 프리차지 릴레이의 작동에 따른 전압선도.

도4는 본 발명의 실시예에 의한 버크 컨버터를 이용한 전기 자동차용 차단장치의 구성도.

도5는 본 발명에 따른 전류 제어기의 전압 조절 예시도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

21 : 배터리 22 : FET

23 : 다이오드24 : 인덕터

25 : 캐패시터26 : 인버터

27 : 전류 제어기

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 버크 컨버터를 이용한 전기 자동차용 차단장치는, 배터리의 전류를 소스로 인가받고 게이트에 인가되는 전압의 크기에 따라 공핍층의 확산으로 드레인 전류치를 조절하기 위한 FET와; 상기 FET의 드레인 단자에서 출력되는 전류를 일방??으로만 흐르도록 제한하기 위한 다이오드와; 상기 FET의 드레인 단자에서 출력되는 전류의 변화에 따른 유도자속을 발생시키기 위한 인덕터와; 상기 인덕터를 통과한 전류 흐름에 따른 전하를 충전 및 방전하기 위한 캐패시터와; 상기 인덕터를 통과한 전류를 피드백 검출하여 상기 FET의 드레인 전류를 조절기 위한 제어신호를 출력함으로써 상기 캐패시터의 전압이 충전되도록 하며, 상기 캐패시터의 전압이 설정된 수준이상 충전되는 경우에는 상기 FET의 듀티를 100%로 조절하여 배터리와 인버터간의 전압을 일치시키기 위한 전류 제어기를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 설명한다.

도4는 본 발명의 실시예에 의한 버크 컨버터를 이용한 전기 자동차용 차단장치의 구성도이고, 도5는 본 발명에 따른 전류 제어기의 전압 조절 예시도이다.

도4에 따르면, 차단장치는 배터리(21)의 전류를 소스 단자로 인가받아 게이트에 인가되는 전압의 크기에 따라 공핍층의 확산으로 드레인 전류치를 조절하는 FET(22)와, FET(22)의 드레인 단자에서 출력되는 전류가 배터리의 (-) 단자로 역류하지 않도록 하는 제한하는 다이오드(23)와, FET(22)의 드레인 단자에서 출력되는 전류의 변화에 따른 유도자속을 발생시키는 인덕터(24)와, 인덕터(24)를 통과한 전류에 따라 전하를 충전하는 캐패시터(25)와, 인덕터(24)를 통과한 전류를 피드백 검출하여 FET(22)의 드레인 전류를 조절하는 전류 제어기(27)를 포함한다.

이때 FET는 전계효과 트랜지스터로써 반도체 중에서의 전자 흐름을 다른 전극으로 제어하는 전압 제어형이다.

그래서 게이트 가하는 제어 전압의 크기에 따라 공핍층의 확산이 달라지며, 그 때문에 채널의 폭이 달라져서 드레인 전류가 제어된다.

그리고 캐패시터(25)의 양단 전압은 인버터(26)로 인가된다.

이처럼 일종의 DC/DC 변환기인 버크 컨버터(Buck Converter)의 전류 제어를이용하여 SDU의 프리차지 릴레이 기능과 메인 릴레이 기능을 구현할 수 있게 된다.

그래서 전기 자동차의 시동신호가 인가되면, 전류 제어기(27)는 인버터(26)에 장착되어 있는 DC 링크 전류센서를 이용하여 DC 링크단의 전류를 피드백 받아 버크 컨버터의 FET(22)의 듀티를 가변시킨다.

상기 DC 링크단의 전류 피드백은 인덕터(24)의 기능으로 구현되어, FET(22)의 드레인 전류 변화에 따른 유도자속의 변화로 인버터(26)로 인가되는 전류를 검출한다.

또한, 전류 제어기(27)의 피드백 제어는 FET(22)의 게이트 단자 전압을 조정하는 것에 의해 달성되는 것으로, FET(22)의 게이트 단자에 걸리는 전압은 FET(22)의 소스 단자로 유입되는 전류가 드레인 단자로 확산되는 정도를 조절할 수 있다.

그러면 도5에 도시된 바와 같이, 전류 제어기(27)에 의해 FET(22)의 드레인 전류가 조절됨에 따라 캐패시터(25)에 충전되는 전압이 조절되어 프리차지 기능과 메인 릴레이 기능이 구현된다.

이에 따라 시동후 일정 전압 이상이 캐패시터에 충전되면, 전류 제어기(27)는 FET(22)의 듀티를 100%로 조절하여 배터리(14)와 인버터(13)의 전압을 일치시키게 된다.

본 발명의 버크 컨버터를 이용한 전기 자동차용 차단장치에 따르면, 버크 컨버터를 이용하여 인버터의 전류에 대한 피드백 제어를 수행함으로써 SDU에서 발생하는 전압 상승폭에 따른 오류를 방지할 수 있게 되는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 고가인 메인 컨텍터를 FET로 대체함으로써 원가절감에 유리하고 기존의 DC 링크에 있는 전류센서를 이용하여 전류 제어를 수행함으로써 가격면에서 유리하게 되는 효과가 있다.

더불어 FET는 기존의 메인 컨텍터에 비해 10배 이상 가벼우며 설치가 용이하므로 차단장치의 경량화와 유지 관리의 편의성을 증대시킬 수 있는 효과를 갖는다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있다. 본 발명은 상기 실시예를 적절히 변형하여 동일하게 응용할 수 있음이 명확하다. 따라서 상기 기재 내용은 하기 특허청구범위를 한정하는 것이 아니다.

Claims (1)

1. 배터리의 전류를 소스로 인가받고 게이트에 인가되는 전압의 크기에 따라 공핍층의 확산으로 드레인 전류치를 조절하기 위한 FET와;

   상기 FET의 드레인 단자에서 출력되는 전류를 일방향으로만 흐르도록 제한하기 위한 다이오드와;

   상기 FET의 드레인 단자에서 출력되는 전류의 변화에 따른 유도자속을 발생시키기 위한 인덕터와;

   상기 인덕터를 통과한 전류 흐름에 따른 전하를 충전 및 방전하기 위한 캐패시터와;

   상기 인덕터를 통과한 전류를 피드백 검출하여 상기 FET의 드레인 전류를 조절기 위한 제어신호를 출력함으로써 상기 캐패시터의 전압이 충전되도록 하며, 상기 캐패시터의 전압이 설정된 수준이상 충전되는 경우에는 상기 FET의 듀티를 100%로 조절하여 배터리와 인버터간의 전압을 일치시키기 위한 전류 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 버크 컨버터를 이용한 전기 자동차용 차단장치.