KR20050006897A - 전기 자동차의 초기 충전전류 및 방전전류 제어장치 - Google Patents

전기 자동차의 초기 충전전류 및 방전전류 제어장치 Download PDF

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Abstract

42V의 전원 시스템을 적용하는 전기 자동차에서 이그니션 키가 온이 될 때 대용량 배터리에서 각 부하측에 공급되는 초기 전류를 제한하고, 이그니션 오프시에 부하 요소의 캐패시터(Capacitor)에 잔존하는 전류를 방전시켜 시스템의 안정성을 제공하도록 하는 것으로, 서로 다른 전압을 충전하고 있는 제1,제2 배터리와 일체형 발전기 및 전동기인 IGS와, DC/DC 컨버터와, IGS의 구동을 드라이브하는 인버터, IGS의 구동 속도와 토크 및 발전량을 제어하는 MCU를 포함하되, 이그니션 키가 온 되는 경우 제1배터리에서 출력되는 초기 전류를 제한 제어하고, 이그니션 키가 오프되는 경우 42V 전원 시스템의 부하 요소에 잔존하는 잔류 전류를 방전 처리하는 초기 충전 및 방전 처리부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

전기 자동차의 초기 충전전류 및 방전전류 제어장치{PRECHARGE CURRENT AND DISCHARGE CURRENT CONTROL APPARATUS OF ELECTRIC VEHICLE}
본 발명은 전기 자동차에 관한 것으로, 더 상세하게는 42V의 전원 시스템을 적용하는 전기 자동차에서 이그니션 키가 온이 될 때 대용량 배터리에서 각 부하측에 공급되는 초기 전류를 제한하고, 이그니션 오프시에 부하 요소의 캐패시터(Capacitor)에 잔존하는 전류를 방전시켜 시스템의 안정성을 제공하도록 하는 전기 자동차의 초기 충전전류 및 방전전류 제어장치에 관한 것이다.
차량 대수의 폭발적인 증가에 따른 대기 오염이 사회적 문제로 대두됨에 따라, 한정된 천연자원을 사용하지 않는 환경 친화적인 자동차인 전기 자동차(EV)의 연구 개발이 실용화 단계에 접어들고 있다.
통상적으로 전기 자동차는 14V 전압 시스템을 적용하고 있으나, 소비자들의 편의성 및 안정성 요구에 부응하기 위하여 대용량 부하 요소인 다양한 편의장치와 안전장치 등이 추가 장착됨에 따라 대용량의 전원이 요구되고 있는 바, 전기 자동차를 생산하는 메이커에서는 전원 분배 시스템에 있어 전원 증폭 개발에 치중하고 있다.
이에 대한 연구 결과로 점차적으로 14V 전원 시스템에서 36V 혹은 42V의 전원 시스템으로 승압된 전원 체계가 검토되고 있으며, 일부 적용 중에 있다.
일반적으로 42V 전원 시스템을 갖는 전기 자동차는 첨부된 도 5에서 알 수 있는 바와 같이, 대용량 전원을 저장하며, 42V 전원을 사용하는 각 전장 부하측에 동작 전원을 공급하는 제1배터리(10)와, 12V의 전원을 저장하며, 12V의 전원을 사용하는 전장 부하측에 동작 전원을 공급하는 제2배터리(20)와, 제1배터리(10)에서 인가되는 36V 전압을 12V의 전압으로 변환하여 제2배터리(20)측에 충전 전압으로 공급하고, 제2배터리(20)의 12V전압이 42V 전원 시스템에 부하 분담으로 요구되는 경우 12V의 전압을 승압시키는 DC/DC컨버터(30)와, 내부에 MOSFET로 구성되는 스위칭 소자가 구비되며, 제1배터리(40)에서 공급되는 36V의 DC전압을 스위칭하여 3상 전원으로 출력하는 인버터(40)와, 상기 인버터(40)에서 인가되는 전압에 의해 구동되어 주행을 위한 구동력을 발생하고, 제동시 발전기로 전환되어 전압 발전을 수행하는 일체형 발전기 및 전동기로 이루어지는 IGS(Integrated Generator Starter ; 50) 및 상기 인터버(40)의 스위칭 동작을 제어하여 IGS(50)의 구동 속도와 토크을 제어하여 최적의 주행성이 유지되도록 하고, 발전기 발전량을 안정되게 제어하는 MCU(60)로 이루어진다.
상기한 바와 같은 구성을 갖는 42V 전원 시스템을 적용하는 전기 자동차의 경우 초기 이그니션 키를 온하게 되는 경우 제1배터리(10)에서 출력되는 36V의 전압이 DC/DC 컨버터(30) 및 인버터(40)내의 캐패시터측에 순간적으로 과대한 전류가 유입된다.
따라서, 순간적인 과대한 전류의 유입에 따라 각 부하 요소에 구비되는 캐패시터의 수명을 단축시키게 되며, 이로 인하여 주변 회로의 내구성을 저하시키게 되는 문제점이 발생한다.
또한, 이그니션 키를 오프한 상태에서 차량을 정비하는 경우 상기한 바와 같이 인버터 및 DC/DC 컨버터내의 캐패시터에 잔류하는 전류의 아크 방전이 발생하여 정비사에게 치명적인 손상을 초래하게 되는 문제점이 발생된다.
고전압 전원체계인 42V의 전원 시스템에서 아크 방전이 발생하는 경우 그 방전 전압은 대략 1000V 이상이 되며, 아크 방전의 발생에 따라 차량 화재의 위험이 존재하는 문제점이 있다.
14V 전원 시스템을 적용하는 경우 저전압이 주 동력원으로 작용하므로 보편적인 안정성이 유지되고 있으나, 상기한 바와 같이 42V 전원 시스템을 적용하는 경우에는 상기한 바와 같이 초기 이그니션 키의 온 및 이그니션 오프 상태의 정비시에 많은 문제점이 발생되므로, 초기 충전전류 및 잔류 전류의 방전이 요구된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로, 그 목적은 42V의 전원 시스템을 적용하는 전기 자동차에서 이그니션 키의 온시 대용량 배터리에서 각 부하측에 공급되는 초기 전류를 제한하여 각 부하 요소의 안정성을 제공하고, 이그니션 오프시에 부하 요소의 캐패시터에 잔존하는 전류를 방전시켜 차량 정비 및 관리에 안정성을 제공하도록 한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 전기 자동차의 초기 충전전류 및 방전전류 제어장치에 대한 개략적인 구성도.
도 2는 도 1에 도시된 초기 충전 및 방전 처리부의 상세 구성도.
도 3은 도 2에 도시된 타이머의 상세 구성도.
도 4는 도 2에 도시된 초기 충전 및 방전 처리부의 동작 관계를 도시한 타이밍도.
도 5는 종래의 전기 자동차의 충전 제어장치에 대한 구성도.
상기와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은 42V 전원 시스템을 적용하는 전기 자동차에 있어서, 메인 동력원으로 전원36V의 전압을 충전하고 있는 제1배터리와; 12V의 부하요소에 필요 전원을 공급하는 제2배터리와, 일체형 발전기 및 전동기로, 전동기의 모드에서 주행에 필요한 구동력을 발생시키고 발전기의 모드에서 설정된 전압을 발전시키는 IGS와; 제1배터리 및 IGS의 발전 전압을 다운시켜 제2배터리에 충전전압으로 공급하고, 42V 전원 시스템의 부하 요소에 부하 분담이 요구되는 경우 제2배터리의 전압을 승압하여 해당 부하 요소에 분담 전압이 공급되도록 하는 DC/DC 컨버터와; MOSFET 스위칭 소자로 제1배터리에서 공급되는 DC전압을 스위칭하여 3상 전원으로 출력하여 IGS의 구동을 드라이브하는 인버터 및; 현재의 운전 조건 및 제1배터리의 전압 상태 등에 따라 IGS의 구동 속도 및 토크를 제어하고, IGS가 발전기 모드로 동작하는 경우 발전량을 제어하는 MCU를 포함하되, 이그니션 키가 온 되는 경우 제1배터리에서 출력되는 초기 전류를 제한 제어하고, 이그니션 키가 오프되는 경우 42V 전원 시스템의 부하 요소에 잔존하는 잔류 전류를 방전 처리하는 초기 충전 및 방전 처리부를 더 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기에서 초기 충전 및 방전 처리부는 이그니션 키의 온 신호를 설정된 일정시간 지연 출력하는 타이머와; 이그니션 키의 신호를 반전시켜 출력하는 반전기와; 상기 이그니션 키의 신호에 따라 타이머에서 출력되는 제1제어신호에 의해 스위칭되는 제1스위치와; 상기 제1스위치와 제1배터리의 사이에 직렬로 연결되어 이그니션 키의 온시 부하측에 공급되는 초기 충전 전류를 제한시키는 제1저항과; 상기 타이머에서 출력되는 제2제어신호에 의해 스위칭되는 제2스위치와; 상기 제2스위치의 신호에 따라 연동 스위칭하여 부하측에 공급되는 제1배터리의 전원을 단속하는 릴레이와; 상기 반전기의 출력신호에 따라 스위칭되는 제3스위치와; 상기 제3스위치와 그라운드의 사이에 직렬로 연결되어 이그니션 키의 오프시에 부하요소에 잔존하는 잔류 전류를 제거하는 제2저항을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명에 따른 전기 자동차의 초기 충전전류 및 방전전류 제어장치는 제1배터리(100)와, 제2배터리(200), IGS(300), DC/DC컨버터(400), 인버터(500), MCU(600) 및 초기 충전 및 방전 처리부(700)로 구성된다.
제1배터리(100)는 전술한 바와 같이 대용량 배터리로 36V의 전압을 저장하며, 42V 전원 시스템으로 구성되는 각 부하요소에 36V의 전압을 공급하며, 일체형 발전기 및 전동기인 IGS(300)의 발전 모드시 공급되는 전압에 의해 충전된다.
제2배터리(200)는 42V 전원 시스템을 적용하는 전기 자동차에서 12V 전원 시스템을 적용하는 부하 요소에 12V의 전압을 공급하며, DC/DC 컨버터(400)를 통해 변환되어 공급되는 전압에 의해 충전된다
또한, 상기의 제2배터리(200)는 제1배터리(100)에 저장된 전압이 부족한 경우 36V 전압에 대하여 부하 분담한다.
IGS(300)는 일체형 발전기 및 전동기로, 전동기의 모드로 동작하는 경우 인버터(500)를 통해 공급되는 3상 전원에 의해 구동되어 주행에 필요한 구동력을 발생시키고, 발전기의 모드로 동작하는 경우 설정된 전압을 발생시켜 제1배터리(100)에 충전전압으로 공급한다.
DC/DC 컨버터(400)는 제1배터리(100)에서 공급되는 36V의 전압 및 IGS(300)에서 공급되는 발전 전압을 다운시켜 제2배터리(200)측에 충전전압으로 공급하며, 42V 전원 시스템의 부하 요소에 부하 분담이 요구되는 경우 제2배터리(200)에서 공급되는 12V의 전압을 승압하여 해당 부하 요소에 분담 전압으로 공급하여 준다.
인버터(500)는 MOSFET 스위칭 소자로 구성되며, 제1배터리(100)에서 공급되는 36V의 DC전압을 스위칭하여 3상 전원으로 출력하여 IGS(300)의 구동을 드라이브 한다.
MCU(600)는 현재의 운전 조건 및 제1배터리(100)의 전압 상태 등에 따라 IGS(300)의 구동 속도 및 토크를 제어하여 안정된 주행이 유지되도록 하고, IGS(300)가 발전기 모드로 동작하는 경우 발전량을 제어한다.
초기 충전 및 방전 처리부(700)는 이그니션 키가 온 되는 경우제1배터리(100)에서 출력되는 초기 전류를 제한 제어하고, 이그니션 키가 오프되는 경우 DC/DC 컨버터(400), 인버터(500) 및 도시되지 않은 기타의 전장 부하요소의 캐패시터에 잔존하는 잔류 전류를 방전 처리한다.
상기의 초기 충전 및 방전 처리부(700)는 첨부된 도 2에서 알 수 있는 바와 같이 타이머(210)와 반전기(220), 제1 내지 제3 스위치(SW1-SW3)와, 제1,제2저항(Rc)(Rd) 및 릴레이(Ry1)로 이루어지는데, 타이머(210)는 이그니션 키의 온 신호를 설정된 일정시간 동안 지연하여 출력한다.
반전기(220)는 이그니션 키의 신호를 반전하여 출력한다.
제1스위치(SW1)는 이그니션 키의 신호에 의해 스위칭되며, 타이머(210)에서 출력되는 제1제어신호(SW1_CTRL)에 의해 접점의 스위칭이 수행된다.
제2스위치(SW2)는 타이머(210)에서 출력되는 제2제어신호(SW2_CTRL)에 의해 접점이 스위칭된다.
릴레이(Ry1)는 상기 제2스위치(SW2)의 신호에 따라 연동되어 내부 접점이 온/오프 스위칭 된다.
제3스위치(SW3)는 인버터(220)의 출력 신호에 따라 온/오프 되는데, 이그니션 키의 온 상태에서는 접점이 오프 되고, 이그니션 키의 오프 상태에서 접점이 온 된다.
제1저항(Rc)은 일측 단자가 상기 제1스위치(SW1)의 일측 단자와 연결되고, 다른 일측 단자는 36V의 전압을 저장하고 있는 제1배터리(100)의 +단자에 연결되어, 제1배터리(100)의 출력 전압을 제한한다.
제2저항(Rd)은 일측 단자가 상기 제3스위치(SW3)의 일측 단자와 연결되고, 다른 일측 단자는 그라운드로 연결되어, 이그니션 키의 오프시에 42V 전원 시스템의 캐패시터에 잔존하는 잔류 전류를 제거하여 준다.
또한, 상기의 타이머(210)는 첨부된 도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 이그니션 키의 신호를 반전하는 제1반전기(211)와, 상기 제1반전기(211)의 출력단에 인에이블 단자가 접속되며, 다른 입력단자에 지연시간을 위한 임의의 설정값이 입력되는 카운터(212)와, 상기 카운터의 출력신호를 반전하는 제2반전기(113)와, 이그니션 키 신호와 상기 제2반전기(213)의 신호를 논리합 하여 그 결과를 제1제어신호(SW1_CTRL)로 출력하는 제1연산기(214) 및 이그니션 키 신호와 상기 카운터(212)의 신호를 논리합 하여 그 결과를 제2제어신호(SW2_CTRL)로 출력하는 제2연산기(215)로 이루어진다.
상기한 구성을 갖는 본 발명에서 초기 충전 전류 및 방전 전류를 제한 제어하는 동작은 다음과 같다.
42V 전원 시스템을 적용하는 전기 자동차에서 이그니션 키를 온하는 경우 제1배터리(100)는 각 부하 요소에 필요한 동작 전원을 공급하기 위하여 36V의 전압을 출력한다.
이때, 도 2 및 도 4에서 알 수 있는 바와 같이, 이그니션 키가 '로우' 신호를 출력하는 오프 상태에서 온으로 전환되면 타이머(210)내의 카운터(212)는 제1반전기(211)를 통해 "로우"로 인가되는 인에이블 신호에 의해 활성화되어 출력단자(Q)로 "로우"신호를 출력하여 제2반전기(213)에 입력한다.
따라서, 제1연산기(214)는 이그니션 온에 따른 "하이" 신호와 제1반전기(213)에서 인가되는 "하이" 신호를 논리합 하여 "하이" 상태의 제1제어신호(SW1_CTRL)를 출력하고, 제2연산기(215)는 이그니션 온에 따른 "하이" 신호와 카운터(212)의 출력단자(Q)에서 인가되는 "로우" 신호를 논리합 하여 "로우" 상태의 제2제어신호(SW2_CTRL)를 출력한다.
따라서, 제1제어신호(SW1_CTRL)에 의해 제1스위치(SW1)의 접점은 오프 상태에서 온 상태로 전환되고, 제2스위치(SW2)는 오프 상태를 유지하므로, 이에 연동되는 릴레이(Ry1)의 접점 역시 오프 상태를 유지한다.
그러므로, 이그니션 키의 온에 따라 제1스위치(SW1)의 접점 온에 의해 A점과 제1스위치(SW1), 제1저항(Rc) 및 36V의 전압을 충전하고 있는 제1배터리(100)의 패스가 형성되고, 제2스위치(SW2)의 오프에 의해 A점과 릴레이(Ry1) 및 제1배터리(100)간의 패스는 차단된다.
따라서, 제1배터리(100)에서 출력되어 A점으로 공급되는 제1배터리의 전류(iL)는 제1저항(Rc)에 의해 전류 제한되어 각 부하 요소에 순간적인 고전압의 공급되지 않아 내부 부품의 안정성을 유지하여 준다.
이후, 타이머(210)의 카운터가 설정된 일정시간이 경과하게 되는 경우 도3에서 알 수 있는 바와 같이 카운터(212)의 출력단자(Q)로 "하이" 신호를 출력하므로, 제1연산기(214)의 출력은 "로우" 상태로 제1제어신호(SW1_CTRL)를 출력하게 되고, 제2연산시(215)의 출력은 "하이" 상태로 제2제어신호(SW2_CTRL)를 출력하게 된다.
따라서, 제1스위치(SW1)는 온 상태에서 오프로 전환되고, 제2스위치(SW2)가 오프 상태에서 온 상태로 전환되므로, 이에 따라 릴레이(Ry1)의 접점이 온 된다.
따라서, A점과 릴레이(Ry1) 및 제1배터리(100)간의 전류 패스와 A점과 제1스위치(SW1), 저항(Rc) 및 제1배터리(100)간의 전류 패스가 형성되어 제1배터리(100)의 36V 전압이 42V 전원 시스템의 부하측으로 정상적 공급된다.
여기서, 제1배터리(100)의 주된 전류는 저항(Rc)이 연결되지 않은 A점과 릴레이(Ry1) 및 제1배터리(100)간의 전류 패스를 통해 공급된다.
또한, 이그니션 키의 접점이 온을 유지하고 있는 상태에서 이그니션 키를 오프하게 되면 타이머(210)내의 카운터(212)에 디스에이블 신호의 입력에 따라 제1제어신호(SW1_CTRL) 및 제2제어신호(SW2_CTRL)의 출력이 차단되어 제1스위치(SW1) 및 제2스위치(SW2)는 오프되며, 이에 따라 릴레이(Ry1) 역시 오프 된다.
따라서, A점과 제1배터리(100)간에 연결되는 모든 패스가 차단되어 부하 요소측에 공급되는 제1배터리(100)의 전류가 차단된다.
이때, 반전기(220)는 이그니션 키의 오프 신호인 "로우" 신호를 반전시켜 "하이" 신호로 출력함으로써, 제3스위치(SW3)의 오프 접점을 온 상태로 전환하여 준다.
따라서, 42V 전원 시스템의 부하 요소내 구비되어 있는 캐패시터에 잔존하는 잔류 전류를 저항(Rd)을 통해 방전하여 준다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 42V 전원 시스템을 적용하는 전기 자동차에서 이그니션 키가 온 되는 경우 부하 요소에 공급되는 초기 전류를 제한 제어하며, 순간적인 고전류의 유입에 따른 부품의 파손을 방지하고, 이그니션 키의 오프시에 부하요소의 캐패시터에 잔존하는 잔류 전류를 제거시켜 정비 및 관리시에 아크 방전 발생을 배제시켜 정비 및 기타의 관리에 안정성을 제공한다.

Claims (4)

  1. 42V 전원 시스템을 적용하는 전기 자동차에 있어서,
    메인 동력원으로 전원36V의 전압을 충전하고 있는 제1배터리와;
    12V의 부하요소에 필요 전원을 공급하는 제2배터리와,
    일체형 발전기 및 전동기로, 전동기의 모드에서 주행에 필요한 구동력을 발생시키고, 발전기의 모드에서 설정된 전압을 발전시키는 IGS와;
    제1배터리 및 IGS의 발전 전압을 다운시켜 제2배터리에 충전전압으로 공급하고, 42V 전원 시스템의 부하 요소에 부하 분담이 요구되는 경우 제2배터리의 전압을 승압하여 해당 부하 요소에 분담 전압이 공급되도록 하는 DC/DC 컨버터와;
    MOSFET 스위칭 소자로 제1배터리에서 공급되는 DC전압을 스위칭하여 3상 전원으로 출력하여 IGS의 구동을 드라이브하는 인버터 및;
    현재의 운전 조건 및 제1배터리의 전압 상태 등에 따라 IGS의 구동 속도 및 토크를 제어하고, IGS가 발전기 모드로 동작하는 경우 발전량을 제어하는 MCU를 포함하되,
    이그니션 키가 온 되는 경우 제1배터리에서 출력되는 초기 전류를 제한 제어하고, 이그니션 키가 오프되는 경우 42V 전원 시스템의 부하 요소에 잔존하는 잔류 전류를 방전 처리하는 초기 충전 및 방전 처리부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 초기 충전전류 및 방전전류 제어장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 초기 충전 및 방전 처리부는 이그니션 키의 온 신호를 설정된 일정시간 지연 출력하는 타이머와;
    이그니션 키의 신호를 반전시켜 출력하는 반전기와;
    상기 이그니션 키의 신호에 따라 스위칭되는 제1스위치와;
    상기 제1스위치와 제1배터리의 사이에 직렬로 연결되어 이그니션 키의 온시 부하측에 공급되는 초기 충전 전류를 제한시키는 제1저항과;
    상기 타이머의 출력신호에 의해 스위칭되는 제2스위치와;
    상기 제2스위치의 신호에 따라 연동 스위칭하여 부하측에 공급되는 제1배터리의 전원을 단속하는 릴레이와;
    상기 반전기의 출력신호에 따라 스위칭되는 제3스위치와;
    상기 제3스위치와 그라운드의 사이에 직렬로 연결되어 이그니션 키의 오프시에 부하요소에 잔존하는 잔류 전류를 제거하는 제2저항을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 초기 충전전류 및 방전전류 제어장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 타이머는 이그니션 키의 신호를 반전하는 제1반전기와;
    상기 제1반전기의 출력단에 인에이블 단자가 접속되며, 다른 입력단자에 지연시간을 위한 임의의 설정값이 입력되는 카운터와;
    상기 카운터의 출력신호를 반전하는 제2반전기와;
    이그니션 키 신호와 상기 제2반전기의 신호를 논리합 하여 그 결과를 제1제어신호로 출력하는 제1연산기 및;
    이그니션 키 신호와 상기 카운터의 신호를 논리합 하여 그 결과를 제2제어신호로 출력하는 제2연산기로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 초기 충전전류 및 방전전류 제어장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제2스위치는 이그니션 키가 온되는 경우에 타이머로 설정된 지연시간 동안 오프 상태를 유지하여, 제1저항을 초기 충전 전류의 제한이 이루어지도록 하고, 제3스위치는 이그니션 키가 오프되는 경우에 접점이 온 되어 제2저항을 통해 부하 요소에 잔존하는 잔류 전류를 제거시키는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 초기 충전전류 및 방전전류 제어장치.
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