KR20030072751A - 전기 차량의 배터리 시스템용 전류 측정시스템 - Google Patents

전기 차량의 배터리 시스템용 전류 측정시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기 차량 배터리 시스템의 전류 측정 시스템을 모듈화 시키고 또한 양산 단가를 낮출 수 있는 전기 차량의 배터리 시스템용 전류 측정 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 전기 차량의 배터리 시스템용 전류 측정 시스템에 있어서, 상기 전기 차량의 충방전 상태에서 발생되는 전류를 측정하는 전류 변환기(Current Transducer)와; 상기 전류 변환기에서 측정된 값을 펄스 폭 변조(PWM) 신호로 변환시키는 펄스 폭 변조 컨버터(Voltage to PWM(Pulse Width Modulation) Converter)와; 상기 전류 변환기에 전원을 공급하여주는 전원 공급부(Power Supply Unit)를 포함하여 구성한다.

Description

전기 차량의 배터리 시스템용 전류 측정 시스템{BATTERY SYSTEM CURRENT MEASURING SYSTEM OF ELECTRIC VEHICLE}
본 발명은 전기 차량에 관한 것으로서, 특히 전기 차량의 배터리 시스템용 전류 측정 시스템에 관한 것이다.
통상적으로, 전기 차량은 에너지 저장장치로 배터리를 사용한다.
일반적인 전기 차량은 약 12V 모듈 단위로 생산되는 배터리를 직렬로 연결시켜 높은 전력을 발생시키게 된다.
이때 사용되는 모듈의 개수는 필요 전력량에 따라 상이하나 일반적으로 250V에서 350V 사이의 전압을 이용하게 된다.
12V 배터리로 이 같은 높은 전압을 내기 위해서는 20-30개 정도의 모듈을 직렬로 연결하여 사용하게 된다.
전기 차량에서는 방전 단계인 차량을 움직이기 위한 동력을 발생시키기 위하여 위에서 언급된 정도의 전압에서 약 200-500A 정도의 전류를 발생시키게 되고 또한 이와 반대로 차량의 연료 주입과 같은 개념인 충전상태에서는 10-100A 정도의 전류를 이용한다.
이때 이 정도 높은 전류를 측정하기 위하여 일반적인 전기 차량에서는 3가지 정도의 방법으로 전류를 측정하고 있다.
1. 션트 레지스터(Shunt Resistor) 전류 측정방법.
2. 오픈 루프 타입 홀 센서(Open Loop Type Hall sensor) 이용 전류 측정방법.
3. 클로즈드 루프 타입 홀 센서(Closed Loop Type Hall Sensor) 이용 전류 측정방법.
여기서, 위의 1번 방법은 센서가 가장 간단하고 가격이 저렴하나 측정오차 및 전기적 기계적 잡음에 가장 취약하며 안정성이 떨어져 차량에 적용시켜 사용하기가 어렵다.
그리고, 2번 및 3번 방법은 센서 이외에 부가되어져야 하는 회로 및 측정방법은 1번이나 비슷하다.
그러나, 센서의 가격이 1번 방법에 사용되는 센서에 비해서 비싼 반면 정확도 및 잡음환경에 1번 보다 강한 면을 보인다.
이 중 현재 일반적으로 사용되는 방법은 3번 방법으로 잡음환경에서 가장 강한 센서이다.
하지만 3번 방법에 사용되는 센서는 가격면에서 고가라는 면이 문제점이다.
그리고 기존의 전류 측정 시스템은 센서만을 외부에 설치하고 배터리 관리 시스템(BMS ; Battery management System) 제어부(110)(ECU ; Electrical Control Unit)내부에 전원회로 및 측정 시스템을 설치함으로써 제어부(110)(ECU) 설계단계에서 전류 변환기(100)의 특성을 고려하여 설계를 하여야 하고 또한 센서 변경 시 다시 제어부(110)(ECU) 또한 변경하여야 하는 단점이 있다.
도 1을 참조하면, 종래의 전기 차량용 전류 측정 회로는 전류 변환기(100)(Current Transducer)와 배터리 관리 시스템(BMS) 제어부(110)(ECU)로 구성한다.
전류 변환기(100)(Current Transducer)는 전기적 잡음의 영향이 크기 때문에 클로즈드 루프 타입(Closed Loop Type)의 홀 센서(Hall Effect Current Sensor)를 사용한다.
클로즈드 루프 타입(Closed Loop Type) 센서는 측정된 전류의 양에 비례하여 전류를 발생시키고 또한 전원으로는 (+), (-) 전원이 모두 필요하다.
배터리 관리 시스템(BMS) 제어부(110)(ECU) 내부에는 도 1에 도시된 바와 같이 단위이득 증폭기(112)(Voltage Follower), 기준 조절기(114)(Reference Adjuster), 아날로그/디지털 변환기(AD Converter)가 구성된다.
단위이득 증폭기(112)(Voltage Follower)는 측정회로의 임피던스 변화에 따른 측정오류를 없애기 위하여 버퍼(Buffer)역할을 한다.
기준 조절기(114)(Reference Adjuster)는 클로즈드 루프 타입(Closed Loop Type) 센서에서는 측정된 값이 전류방향에 따라 (+) 전압값과 (-) 전압값을 가지기 때문에 아날로그에서 디지털(Analog to Digital)로 변화시 전압을 기준 전압만큼 올려서 변환시키는 기능을 한다.
아날로그/디지털 변환기(AD Converter)는 아날로그에서 디지털(Analog to Digital)로 측정전류를 변화시켜준다.
상기와 같은 현재의 전기 차량 배터리 시스템의 전류 센싱 회로에 대한 문제점을 정리하면 아래와 같다.
1. 전류 변환기(100)의 사양 변경에 따른 배터리 관리 시스템(BMS) 제어부(110)(ECU) 회로변경이 필요하다.
2. 전류 변환기(100)의 필요한 전원을 배터리 관리 시스템(BMS) 제어부(110)(ECU)에서 공급함으로서 제어부(110)(ECU) 단가 및 회로가 복잡하다.
3. 배터리 관리 시스템(BMS) 제어부(110)(ECU) 변경시 전류 변환기(100)에 적합한 회로가 추가적으로 설계되어야 하기 때문에 설계 비용 등으로 인하여 배터리 관리 시스템(BMS) 제어부(110)(ECU) 변경이 어렵다.
4. 배터리 관리 시스템(BMS) 제어부(110)(ECU) 내에 전류 센싱을 위한 버퍼, 전압 배분기, 아날로그/디지털 컨버터(116)(AD Converter) 등의 회로가 추가되어져 있기 때문에 복잡하다.
5. 전기적 잡음 영향에 민감하기 때문에 전류 변환기(100)를 고가인 클로즈드 루프 타입 홀 센서(Closed Loop Type Hall Sensor)를 사용하여야 한다.
6. 전류 센싱 시스템이 차량 내부의 다른 제어부(ECU)의 스팩(spec)에 호환이 되지 않는다.
본 발명의 목적은 전기 차량 배터리 시스템의 전류 측정 시스템을 모듈화 시키고 또한 양산 단가를 낮출 수 있는 전기 차량의 배터리 시스템용 전류 측정 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 양산성이 뛰어나고 또한 가격도 저렴한 오픈 루프 타입(Open Loop Type)의 전류 변환기를 이용할 수 있는 전기 차량의 배터리 시스템용 전류 측정 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 제어부(ECU) 회로의 변화 없이 다른 제어부(ECU) 시스템에 바로 사용할 수 있게 할 수 있는 전기 차량의 배터리 시스템용 전류 측정 시스템을 제공하는데 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 전기 차량용 전류 측정 회로의 블록도를 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전기 차량의 배터리 시스템용 전류 측정 회로의 블록도를 도시한 도면.
상기와 같은 목적들을 달성하기 위하여 본 발명은 전기 차량의 배터리 시스템용 전류 측정 시스템에 있어서, 상기 전기 차량의 충방전 상태에서 발생되는 전류를 측정하는 전류 변환기(Current Transducer)와; 상기 전류 변환기에서 측정된 값을 펄스 폭 변조(PWM) 신호로 변환시키는 펄스 폭 변조 컨버터(Voltage to PWM(Pulse Width Modulation) Converter)와; 상기 전류 변환기에 전원을 공급하여주는 전원 공급부(Power Supply Unit)를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 한다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기 설명 및 첨부 도면과 같은 많은 특정 상세들이 본 발명의 보다 전반적인 이해를 제공하기 위해 나타나 있으나, 이들 특정 상세들은 본 발명의 설명을 위해 예시한 것으로 본 발명이 그들에 한정됨을 의미하는 것은 아니다. 그리고 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 2를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 전기 차량 배터리 시스템용 전류 측정 시스템의 구성을 설명한다.
본 발명의 실시예는 전류 변환기(200)(Current Transducer), 펄스 폭 변조 컨버터(Voltage to PWM(Pulse Width Modulation) Converter)와 전원 공급부(210)(Power Supply Unit)로 구성한다.
본 발명의 실시예에서는 전기적 잡음 영향이 적기 때문에 값싸고 상용화가 잘 되어 있는 오픈 루프 타입 홀 센서(Open Loop Type Hall Effect Current Sensor)와 같은 전류 변환기(200)(Current Transducer)를 사용한다.
클로즈드 루프 타입(Closed Loop Type)의 전류 변환기는 소요전원이 바이폴라(Bipolar)(+15, -15)전원이 필요하지만 본 발명의 실시예에 따른 오픈 루프(Open Loop) 전류 변환기(200)는 유니폴라(Unipolar)(+7 or +10 or +12)전원을 사용한다.
또한, 소모전력량이 0.수W 이하이기 때문에 전원 회로의 사이즈를 아주 작게 줄일 수 있다.
즉, 하이브리드 집적회로(Hybid IC)로 제작이 가능하다.
상기한 바와 같이 오픈 루프 타입 홀 센서(Open Loop Type Hall EffectCurrent Sensor)의 측정전류의 방향은 기준전압(보통 2.5V)이상인 경우 양방향 전류이고, 그 이하는 음방향 전류이기 때문에 전원이 유니폴라(Unipolar)전원이면 된다.
이러한 이유로 컨버터(Converter)의 설계가 용이하고 소모 전력량이 작아서 사이즈가 상당히 작아진다.
본 발명의 실시예에 따른 펄스 폭 변조 컨버터(Voltage to PWM(Pulse Width Modulation) Converter)와 전원 공급부(210)(Power Supply Unit)는 도 2에 도시된 바와 같이 단위이득 증폭기(212)(Voltage Follower), 직류/직류 컨버터(214)(DC to DC Converter), 삼각파 발생기(216)(Triangle Wave Generator), 전압 레벨 검출기(218)(Voltage Level Detector), 오픈 콜렉터 트랜지스터 회로(220)(Open Collector Tr Circuit)를 포함하여 구성한다.
먼저, 단위이득 증폭기(212)(Voltage Follower)는 종래 기술에서 개시된 바와 같이 측정회로의 임피던스 변화에 따라 신호가 왜곡되는 것을 방지하는 기능을 한다.
직류/직류 컨버터(214)(DC to DC Converter)는 직류를 직류로 변화시켜준다.
그리고, 삼각파 발생기(216)(Triangle Wave Generator)는 펄스 폭 변조(PWM) 신호를 만들어주기 위한 삼각파를 발생시켜준다.
펄스 폭 변조(PWM) 신호를 만들기 위해서는 측정되어진 입력전압과 비교되어지는 신호가 필요한데 가장 일반적으로 삼각파를 이용한다.
이는 일반회로로 많이 공개되어 있고 에이직(ASIC)이나 하이브리드집적회로(Hybrid IC)로 바로 설계가 가능하다.
전압 레벨 검출기(218)(Voltage Level Detector)는 삼각파와 측정치를 비교하여 펄스 폭 변조(PWM) 신호를 발생시켜준다.
즉, 삼각파와 측정되어진 값을 비교하여 측정된 값에 비례하는 펄스 폭 변조(PWM) 신호의 듀티(DUTY)를 변화시킨다.
오픈 콜렉터 트랜지스터 회로(220)(Open Collector Tr Circuit)는 펄스 폭 변조(PWM) 신호를 다른 제어부(ECU)로 전달하는 기능을 한다.
이러한 전달과정에서 다른 제어부(ECU)와의 호환성을 높이기 위하여 오픈 콜렉터 타입(Open Collector Type)으로 출력(Output)신호를 만든다.
그리고, 일반적인 제어부(ECU)의 로그인(Login)신호로 사용하기 위하여 일반화된 로그아웃(Logout)방식으로 구성한다.
본 발명의 실시예는 위와 같은 구성요소를 하이브리드 집적회로(Hybrid IC)나 에이직(ASIC)으로 칩(Chip)화 시켜서 전류 변환기(200) 내부에 장착을 하고 여기서 나오는 펄스 폭 변조(PWM) 신호를 직접 중앙 처리부(CPU)의 펄스 폭 변조(PWM) 단자에 연결시켜서 전류의 양을 펄스 폭 변조(PWM)의 듀티(Duty)변화에 따라 측정하게 된다.
실질적으로 현재 차량에 적용된 중앙 처리부(CPU)는 모두 기본적인 펄스 폭 변조(PWM) 신호를 받을 수 있게 설계되어 사용되기 때문에 별도의 부가적인 아날로그/디지털(AD)변환기 등의 하드웨어(H/W)의 추가 없이 전류의 값을 입력받을 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 실시예에 대한 구성의 동작을 상세히 설명한다.
먼저, 전류 변환기(200)(Current Transducer)에 대한 설명이다.
본 발명은 호환성을 주목적으로 설계되었기 때문에 전류 변환기로서 션트 레지스터 타입(Shunt Resistor Type), 오픈 루프 타입 홀 센서(Open Loop Type Hall Sensor), 클로즈드 루프 타입 홀 센서(Closed Loop Type Hall Sensor) 모두를 전류 변환기로 사용할 수 있다.
그러나, 가격적인 측면에서 유리한 션트 레지스터 타입의 전류 변환기는 차량용으로 적용시키기에 그 노출 형상으로 인하여 곤란한 문제점이 있다.
한편, 오픈 루프 타입 홀 센서(Open Loop Type Hall Sensor)와 클로즈드 루프 타입 홀 센서(Closed Loop Type Hall Sensor)는 모두 적용이 가능하지만 가격적인 측면에서 오픈 루프 타입 홀 센서(Open Loop Type Hall Sensor)가 클로즈드 루프 타입 홀 센서(Closed Loop Type Hall Sensor)보다 50%이상 저렴하고 또한 본 발명을 적용시 전기적인 잡음에 영향이 배제되기 때문에 오픈 루프 타입 홀 센서(Open Loop Type Hall Sensor)를 적용한다.
펄스 폭 변조 컨버터(Voltage to PWM(Pulse Width Modulation) Converter)와 전원 공급부(210)(Power Supply Unit)는 본 발명의 실시예에서 가장 중요한 부분으로 전류 변환기(200)에서 측정된 값을 펄스 폭 변조(PWM) 신호로 변환시켜주고 또한 전류 변환기(200)에 전원을 공급하여주는 부분이다.
이 부분은 하이브리드 집적회로(Hybrid IC)나 에이직(ASIC ; Applicable Specific Integrated Circuit)기술을 이용하여 설계한다면 그 사이즈를 상당히 작게 할 수 있으며 이로써 전류 변환기(200) 내부에 바로 장착이 가능하다.
즉, 현재의 전류 변환기(200) 크기보다 약간 사이즈를 크게 하고 이 부분을 장착함으로써 모듈화 시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 중요한 부분으로 전류 변환기(200) 신호를 펄스 폭 변조(PWM) 신호로 바꾸어 줌으로써 현재 차량 제어부(ECU)에 사용하고 있는 대부분의 중앙 처리부(CPU)가 지니고 있는 펄스 폭 변조(PWM) 신호 로그인(Login)을 바로 사용함으로써 제어부(ECU)에 추가적인 아날로그/디지털(AD)변환, 데이터 버스(Data Bus), 제어회로가 불필요하게 된다.
여기에 부가적으로 현재 차량의 엔진 회전수(RPM) 게이지 대신 전류 변환기(200) 펄스 폭 변조(PWM) 신호를 직접 연결함으로써 전기 차량이 가지는 동력성능을 클러스터(Cluster)에 바로 표시(Display) 가능하다.
상기한 바와 같이 본 발명의 실시예는 션트 레지스터 타입(Shunt Resistor Type), 오픈 루프 타입 홀 센서(Open Loop Type Hall Sensor), 클로즈드 루프 타입 홀 센서(Closed Loop Type Hall Sensor) 타입을 모두 사용할 수 있고(특히 오픈 루프 타입 홀 센서 사용에 초점을 맞춤) 또한 전자기 잡음 및 기계적 잡음에 모두 강한 전류 측정회로를 구성할 수 있다.
그리고, 본 발명의 실시예는 전기 차량의 양산 시 시스템의 안정성 및 가격 측면에서 우위에 있을 수 있는 전류 검출 방법을 제시하고 모듈화 시키며, 현재 차량 시스템에 적용시키기가 용이하여 특별한 부가적인 회로 추가 없이 전류 검출이 가능하게 한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 전기 차량의 배터리 시스템용 전류 측정 시스템은 전기 차량의 배터리 시스템용 전류 변환기를 아래와 같이 유용한 효과가 있다.
1. 다양한 전기 차량 배터리 시스템용 전류 변환기를 사용하게 할 수 있게 한다.
2. 제어부(ECU) 하드웨어(H/W)에 추가적인 회로의 설계가 필요 없어진다.
3. 전기적인 잡음에 강하다.
4. 다른 제어부(ECU) 및 시스템에 바로 적용시킬 수 있는 호환성이 크다.
5. 저가의 센서를 사용할 수 있게 함으로써 시스템 가격을 다운시킨다.

Claims (4)

  1. 전기 차량의 배터리 시스템용 전류 측정 시스템에 있어서,
    상기 전기 차량의 충방전 상태에서 발생되는 전류를 측정하는 전류 변환기(Current Transducer)와;
    상기 전류 변환기에서 측정된 값을 펄스 폭 변조(PWM) 신호로 변환시키는 펄스 폭 변조 컨버터(Voltage to PWM(Pulse Width Modulation) Converter)와;
    상기 전류 변환기에 전원을 공급하여주는 전원 공급부(Power Supply Unit)를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 전기 차량의 배터리 시스템용 전류 측정 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전류 변환기(Current Transducer)는 오픈 루프 타입 홀 센서(Open Loop Type Hall Effect Current Sensor)방식으로 구성하는 것을 특징으로 하는 전기 차량의 배터리 시스템용 전류 측정 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 펄스 폭 변조 컨버터와 전원 공급부는 하이브리드 집적회로(Hybrid IC)로 칩(Chip)화 시켜서 상기 전류 변환기 내부에 장착되는 것을 특징으로 하는 전기 차량의 배터리 시스템용 전류 측정 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 펄스 폭 변조 컨버터와 전원 공급부는
    상기 전류 변환기로부터 측정되는 전류 측정회로의 임피던스 변화에 따라 신호가 왜곡되는 것을 방지하는 단위이득 증폭기(Voltage Follower)와;
    직류를 직류로 변화시켜주는 직류/직류 컨버터(DC to DC Converter)와;
    펄스 폭 변조(PWM) 신호를 만들어주기 위한 삼각파를 발생시키는 삼각파 발생기(Triangle Wave Generator)와;
    상기 삼각파 발생기로부터 발생되는 삼각파와 측정치를 비교하여 펄스 폭 변조(PWM) 신호를 발생시키는 전압 레벨 검출기(Voltage Level Detector)와;
    펄스 폭 변조(PWM) 신호를 다른 제어부(ECU)로 전달하는 기능을 하는 오픈 콜렉터 트랜지스터 회로(Open Collector Tr Circuit)를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 전기 차량의 배터리 시스템용 전류 측정 시스템.
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