KR20050091862A

KR20050091862A - 하이브리드형 에너지 저장장치의 전압 균형 제어장치

Info

Publication number: KR20050091862A
Application number: KR1020040016526A
Authority: KR
Inventors: 김종대; 강승원
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2004-03-11
Filing date: 2004-03-11
Publication date: 2005-09-15
Also published as: KR100569016B1

Abstract

ISG(Integrated Starter Generator)가 적용되는 42V용 하이브리드 전기자동차에 일반 배터리와 슈퍼캡이 병렬로 연결되어 적용되는 하이브리드형 에너지 저장장치에서 두 개의 에너지 저장장치간 전압 균형을 간단한 시스템의 구조로 제어하도록 하는 하이브리드형 에너지 저장장치의 전압 균형장치에 관한 것으로,

일체형 스타터 및 제너레이터인 ISG와, ISG가 모터로 작동하는 경우 각 상전압을 제어하여 엔진 토크를 보조하고, 제동 제어에 따라 발전기로 작동하는 경우 발전 전압을 정전압으로 처리하는 MCU를 구비하며, 서로 다른 에너지 저장 특성을 갖는 일반 배터리와 슈퍼캡을 병렬로 연결하고, 상기 MCU와 슈퍼캡을 연결하며, 모든 전기 부하는 일반 배터리의 전압에 동작되도록 연결하며, 상기 일반 배터리와 슈퍼캡의 사이에 접속되어 전압 균형을 유지시키는 다이오드와, 상기 다이오드와 병렬로 접속되며, 상기 다이오드의 턴 온에 의한 전압 균형이 유지되면 상기 제어기의 제어에 의해 스위칭 온 되어 슈퍼캡과 일반 배터리간의 균압 균형을 지속적으로 유지시키는 스위치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

하이브리드형 에너지 저장장치의 전압 균형 제어장치{VOLTAGE BALANCE CONTROL DEVICE OF ENERGY STORAGE SYSTEM FOR HYBRID TYPE}

본 발명은 하이브리드형 에너지 저장장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 ISG(Integrated Starter Generator)가 적용되는 42V 시스템용 하이브리드 전기자동차에 납산 배터리(이하, "일반 배터리"라 한다.)와 슈퍼캡이 병렬로 연결되어 구성되는 하이브리드형 에너지 저장장치에서 두 개의 에너지 저장장치간의 전압 균형을 간단한 시스템의 구조 제어하도록 하는 하이브리드형 에너지 저장장치의 전압 균형장치에 관한 것이다.

일반적으로, 하이브리드 전기자동차를 개발함에 있어 회생 제동시 기계적인 에너지를 전기적 에너지로 변환하여 순간적으로 많은 에너지를 에너지 저장장치에 충전하고, 가속시 에너지 저장장치로부터 순간적으로 많은 에너지를 방전하게 하는 기능을 구현하는 에너지 저장장치가 연구되고 있다.

이때, 저장장치의 특성에서 고려해야 할 두 가지 요소로 에너지와 출력을 생각할 수 있으며, 에너지 저장장치의 고유한 특성에 따라 얼마나 많은 에너지를 저장할 수 있는가 그리고 얼마나 빨리, 효과적으로 저장된 에너지를 사용할 수 있는가가 중요한 인자이다.

통상적으로 일반 차량에 사용되고 있는 일반 배터리는 에너지 입출력 과정에서 화학적인 반응이 수반되는 저장장치로 상대적으로 많은 에너지를 저장할 수 있으나 짧은 시간에 많은 양의 에너지를 충전하거나 방전하는데 한계가 있는 단점이 있다.

또한, 상대적으로 낮은 에너지 밀도를 가지며 많은 에너지를 저장할 수 있으나 출력 밀도가 낮아 빈번한 전류의 충방전 및 대전류 입출력을 필요로 하는 운전조건 하에서 배터리의 수명을 보장할 수 없는 단점이 있다.

이러한 특성을 갖는 일반 배터리를 전기자동차나 하이브리드 자동차의 에너지 저장장치로서 적용하는데는 한계가 있어, 현재 전기자동차나 하이브리드 자동차의 에너지 저장장치로 NiMH 배터리를 적용하고 있으나, NiMH 배터리는 고가로서 차량 시스템의 가격 상승을 유발시키는 요인으로 작용되고 있다.

특히, 최근에 관심이 집중되고 있는 42V 시스템용 하이브리드 전기자동차에구현되고 있는 아이들 스톱(Idle Stop) & 스타트(Start) 기능 및 회생 제동 에너지의 회수를 통한 연비향상을 실현하기 위해서는 일반 배터리의 적용이 한계가 있다고 제기 되고 있다.

이러한, 일반 배터리의 단점들을 보완하기 위한 방안의 하나로 일반 배터리에 비해 출력 밀도가 대략 10배 이상이며, 에너지 밀도가 낮아 에너지를 저장하는 용량은 제한적이나 에너지 충전 및 방전 과정에서 화학 반응을 수반하지 않으므로, 대전류의 충전 및 방전이 가능한 장점을 갖는 슈퍼캡(Super-Capacitor)을 적용하는 방법이 제시되고 있다.

그러나, 슈퍼캡을 에너지 저장장치로 적용하는 경우 순간적인 에너지 흐름을 감당할 수 있고 차량의 연비 및 가속 성능을 향상시킬 수 있는 장점은 있으나, 에너지 밀도가 일반 배터리에 비해 상대적으로 낮아 에너지 저장장치로 단독으로 사용할 수 없는 단점이 있다.

이를 위해 에너지 저장능력이 큰 36V의 일반 배터리와 높은 순시출력을 갖는 슈퍼캡을 병렬로 조합하여 대전류 운전에 적합한 하이브리드형 에너지 저장장치가 연구되고 있다.

에너지 저장장치로 슈퍼캡을 적용하는 경우 차량의 순간 가속시 슈퍼캡에 저장된 에너지는 모터로 동작하는 ISG에 공급되어 엔진의 동력을 보조하므로 가속 성능을 향상시키고, 현재의 엔진 토크가 ISG 토크에 신규 개발된 엔진 토크(Down Sizing)가 합해지므로, 결국 보다 적은 토크의 엔진을 사용하여 현 차량과 동일한 성능을 발휘할 수 있으며, 슈퍼캡의 고효율 충방전 특성으로 인해 회생 제동 영역을 확대 할 수 있으며, 이로 인하여 연비를 향상시킬 수 있다.

또한, 슈퍼캡의 내부 저항이 온도에 따라 변화가 적기 때문에 저온에서도 일정한 파워를 공급할 수 있어 저온 시동 특성을 향상시킬 수 있다.

일반 배터리와 슈퍼캡의 주요 특성을 비교하면 하기의 표 1과 같다.

주요성능	일반 배터리(36V)	슈퍼캡(2.7V/Cell)
반응원리	전극 활물질과 전해액간 화학반응	전해액내 이온들의 흡탈착 반응
전압 및 온도범위	43.2 ~ 32.5V-10 ~ +60℃	48.6 ~ 24.3V-40 ~ +75℃
충전시간	1 ~ 5[hr]	0.3 ~ 30[sec]
방전시간	0.3 ~ 3[hr]	0.3 ~ 3[sec]
에너지 밀도[Wh/kg]	10 ~ 100	1 ~ 10
충방전 횟수	100,000	500,000 이상
충전밀도[W/kg]	1,000 이하	10,000이하
충방전 효율[%]	0.7 ~ 0.85	0.85 ~ 0.98

상기한 바와 같은 특징을 갖는 슈퍼캡과 일반 배터리를 병렬로 연결하여 에너지 저장장치로 사용하는 경우 이들 두 개의 에너지 저장장치간의 전압 차이가 발생하게 되므로, 전압 균형을 유지시켜 주기 위한 수단이 더 포함된다.

이는 첨부된 도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 슈퍼캡(4)과 일반 배터리(5)의 사이에 설치되며, 전력 변환을 통해 양 에너지 저장장치간에 발생되는 전압 차이에 대하여 전압 균형을 유지시키는 EMS(Energy Management System ; 3)가 구비된다.

상기한 EMS(3)는 슈퍼캡(4)과 일반 배터리(5)의 전류, 전압, 온도를 검출하여 슈퍼캡(4)과 일반 배터리(5)의 상태를 모니터링한 다음 슈퍼캡(4)과 일반 배터리(5)간의 전압 균형 유지와 SOC(State Of Charge)유지 및 SOH(State Of Health) 유지를 위한 제반적인 동작을 제어하는 EMS 기능부(3a)와, 상기 EMS 기능부(3a)의 제어에 따라 전력 변환을 슈퍼캡(4)과 일반 배터리(5)의 전압 균형이 유지되도록 하는 DC/DC 컨버터(3b) 및 순간적인 가속의 상태에서 ISG(1)에 동력 보조를 위한 전압 공급과 제동시 회생 에너지 회수 및 ISG(1)가 발전기의 모드로 작동하는 경우 발전 에너지를 회수하기 위한 경로를 선택 결정하는 스위치(SW1,SW2)를 포함하여 구성된다.

전술한 바와 같은 구성을 갖는 종래의 하이브리드형 에너지 저장장치는 서로 다른 특성을 갖는 슈퍼캡과 일반 배터리간의 전압 균형 유지를 위하여 고가의 DC/DC 컨버터 및 이를 제어하는 제어수단이 적용되어야 하므로 차량의 추가적인 원가 상승의 요인으로 작용하게 되며, 이의 적용에 따른 공간이 확보되어야 하는 많은 문제점이 파생한다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로, 그 목적은 ISG가 적용되는 42V 시스템용 하이브리드 전기자동차에 일반 배터리와 슈퍼캡을 병렬로 연결하여 적용하는 하이브리드형 에너지 저장장치에서 두 개의 에너지 저장장치간의 전압 균형을 간단한 시스템의 구조를 적용하여 안정되게 제어하도록 함으로써, 차량의 원가 절감과 한정된 공간의 활용에 효율성을 제공하도록 한 것이다.

상기와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은 하이브리드형 에너지 저장장치가 적용되는 42V 시스템용 하이브리드 전기자동차에 있어서, 일체형 스타터 및 제너레이터인 ISG와; 상기 ISG가 모터로 작동하는 경우 각 상전압을 제어하여 엔진 토크를 보조하고, 제동 제어에 따라 발전기로 작동하는 경우 발전 전압을 정전압으로 처리하는 MCU를 구비하며, 서로 다른 에너지 저장 특성을 갖는 일반 배터리와 슈퍼캡을 병렬로 연결하고, 상기 MCU와 슈퍼캡을 연결하며, 모든 전기 부하는 일반 배터리의 전압에 동작되도록 연결하며, 상기 일반 배터리와 슈퍼캡의 사이에 접속되어 전압 균형을 유지시키는 다이오드와; 상기 다이오드와 병렬로 접속되며, 상기 다이오드의 턴 온에 의한 전압 균형이 유지되면 상기 제어기의 제어에 의해 스위칭 온 되어 슈퍼캡과 일반 배터리간의 균압 균형을 지속적으로 유지시키는 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 에너지 저장장치의 전압 균형 제어장치를 제공한다.

상기 다이오드는 일반 배터리의 + 단자에 캐소드 단자가 접속되고, 슈퍼캡의 +단자에 애노드 단자가 접속되어, ISG가 모터로 동작함에 따라 슈퍼캡의 전압이 일반 배터리의 전압 보다 낮아지는 경우 턴 온 되어 일반 배터리의 전압이 ISG 및 슈퍼캡에 추가적으로 공급되도록 하여 슈퍼캡과 일반 배터리간 전압 균형을 유지시키고, 브레이크 구동에 따라 슈퍼캡에 회생 에너지가 저장되는 경우 슈퍼캡과 일반 배터리간 전압 균형의 파괴되는 시점에서 브레이크 다운되어 역방향으로 동작되며, 일반 배터리에 충전 전압을 공급하는 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 하이브리드형 에너지 저장장치의 전압 균형 제어장치는 ISG(10)와 MCU(20), 부하(30), 일반 배터리(40), 슈퍼캡(50), 다이오드(D) 및 스위치(SW11)를 포함하여 구성된다.

상기에서 ISG(10)는 일체형 스타터 및 제너레이터로, 동력의 보조가 요구되는 경우 모터로 작동되어 에너지 저장장치에서 공급되는 전압에 의한 구동으로 엔진 동력을 보조하여 차량의 가속 성능을 제공하고, 회생 제동시 발전기로 작동되어 기계적 에너지를 전기적 에너지로 회수한다.

MCU(20)는 ISG(10)가 모터로 작동되는 경우 슈터캡(50)에서 공급되는 전압을 각 상전압으로 공급하여 ISG(10)가 엔진 동력을 보조할 수 있도록 하고, ISG(10)가 발전기로 작동되는 경우 ISG(10)로부터 발전되는 3상 전원으로부터 대략 42V의 정전압을 생성한다.

부하(30)는 하이브리드 전기자동차에 구비되는 모든 전기부하를 의미하며, 대략 36V의 전압을 충전하고 있는 일반 배터리(40)에 전압에 의해 동작되도록 연결된다.

슈퍼캡(50)은 일반 배터리(40)와 병렬로 연결되고, 상기 MCU(20)와 연결되며, MCU(20)에서 생성되어 인가되는 정전압을 저장하고, ISG(10)가 모터로 작동되어 동력 보조가 요구되는 경우 저장된 전압의 출력을 통해 엔진 동력이 보조되도록 한다.

다이오드(D)는 상기 일반 배터리(40)의 + 단자에 캐소드 단자가 접속되고, 슈퍼캡(50)의 +단자에 애노드 단자가 접속되어, ISG(10)가 동력 보조 기능을 수행하기 위해 모터로서 동작하는 경우 전압의 방전에 따라 슈퍼캡(50)의 전압이 일반 배터리(40)의 전압 보다 낮아지는 경우 턴 온(Turn-On) 되어 일반 배터리(40)의 전압이 추가적인 전압 공급이 수행하며, 이에 따라 전압 균형이 유지된다.

스위치(SW11)는 상기 다이오드(D)와 병렬로 접속되며, 상기 다이오드(D)의 턴 온에 의해 전압 균형이 유지되면, 도시되지 않은 상기 제어기의 제어에 의해 스위칭 온 되어, 슈퍼캡(50)과 일반 배터리(40)간의 균압 균형을 지속적으로 유지시킨다.

전술한 바와 같은 기능을 포함하는 구성을 갖는 본 발명에서 두 개의 에너지 저장장치간 전압 균형을 유지시키는 동작은 다음과 같다.

ISG(10)가 적용되며 슈퍼캡(50)과 대략 36V의 전압을 충전하고 있는 일반 배터리(40)가 병렬로 접속되는 42V 시스템용 하이브리드 전기자동차에서 급가속 등의 요구에 의해 ISG(10)가 모터로 작용하여 엔진 토크를 보조하게 되는 경우 슈퍼캡(50)은 저장된 전압을 MCU(20)를 ISG(10)에 공급함으로써, 순간적인 가속 성능이 확보될 수 있도록 한다.

따라서, 슈퍼캡(50)에 충전된 전압의 방전에 따라 전압의 레벨은 일반 배터리(40)의 전압 보다 낮아지게 되며, 이에 따라 다이오드(D)가 턴 온 되므로 일반 배터리(40)에 충전된 전압 역시 방전되어 ISG(10)의 기동에 필요한 전압으로 공급됨과 동시에 슈퍼캡(50)에 충전 전압으로 공급된다.

상기와 같은 전압의 흐름에 의해 슈퍼캡(50)의 전압 레벨로 일반 배터리(40)의 전압 레벨이 균형이 유지되면 이를 모니터링하는 도시되지 않은 상위 제어기는 다이오드(D)에 병렬로 연결되어 있는 스위치(SW11)를 턴 온시켜 일반 배터리(40)와 슈퍼캡(50)간의 전류 루프를 형성하여 준다.

이와 같이 슈퍼캡(50)과 일반 배터리(40)가 병렬로 연결됨에 따라 전압 균형이 안정되게 유지된다.

또한, 주행중 브레이크의 구동에 따라 기계적 에너지를 전기적 에너지로 회수하기 위해 ISG(10)가 발전기로 작동하게 되면 도시되지 않은 상위 제어기는 다이오드(D)와 연결된 스위치(SW11)를 턴 오프 시켜 ISG(10)에서 발전된 다음 MCU(20)에 의해 정전압으로 형성되는 회생 에너지는 슈퍼캡(50)에 저장되며, 슈퍼캡(50)에 저장되는 전압이 일반 배터리(40)의 전압 보다 높아지게 되면 다이오드(D)는 브레이크 다운에 의해 역방향으로 동작하여 회생 에너지가 일반 배터리(40)에 공급되므로, 이에 의해 슈퍼캡(50)과 균형이 유지되는 전압으로 충전되어진다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 간단한 구조를 적용하여 하이브리드형 에너지 저장장치간의 전압 균형을 안정되게 유지시킴으로써, 원가의 절감을 제공하고, 한정된 공간의 효율적인 사용을 제공한다.

도 1은 본 발명에 따른 하이브리드형 에너지 저장장치의 전압 균형 제어장치에 대한 구성도.

도 2는 종래의 하이브리드형 에너지 저장장치의 전압 균형 제어장치에 대한 구성도.

Claims

하이브리드형 에너지 저장장치가 적용되는 42V 시스템용 하이브리드 전기자동차에 있어서,

일체형 스타터 및 제너레이터인 ISG와;

상기 ISG가 모터로 작동하는 경우 각 상전압을 제어하여 엔진 토크를 보조하고, 제동 제어에 따라 발전기로 작동하는 경우 발전 전압을 정전압으로 처리하는 MCU를 구비하며,

서로 다른 에너지 저장 특성을 갖는 일반 배터리와 슈퍼캡을 병렬로 연결하고, 상기 MCU와 슈퍼캡을 연결하며, 모든 전기 부하는 일반 배터리의 전압에 동작되도록 연결하며,

상기 일반 배터리와 슈퍼캡의 사이에 접속되어 전압 균형을 유지시키는 다이오드와;

상기 다이오드와 병렬로 접속되며, 상기 다이오드의 턴 온에 의한 전압 균형이 유지되면 상기 제어기의 제어에 의해 스위칭 온 되어 슈퍼캡과 일반 배터리간의 균압 균형을 지속적으로 유지시키는 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 에너지 저장장치의 전압 균형 제어장치.
제1항에 있어서,

상기 다이오드는 일반 배터리의 + 단자에 캐소드 단자가 접속되고, 슈퍼캡의 +단자에 애노드 단자가 접속되어, ISG가 모터로 동작함에 따라 슈퍼캡의 전압이 일반 배터리의 전압 보다 낮아지는 경우 턴 온 되어 일반 배터리의 전압이 ISG 및 슈퍼캡에 추가적으로 공급되도록 하여 슈퍼캡과 일반 배터리간 전압 균형을 유지시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 에너지 저장장치의 전압 균형 제어장치.
제1항에 있어서,

상기 다이오드는 브레이크 구동에 따라 슈퍼캡에 회생 에너지가 저장되는 경우 슈퍼캡과 일반 배터리간 전압 균형의 파괴되는 시점에서 브레이크 다운되어 역방향으로 동작되며, 일반 배터리에 충전 전압을 공급하는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 에너지 저장장치의 전압 균형 제어장치.
제1항에 있어서,

상기 스위치는 상위 제어기의 제어를 받으며, 브레이크 구동시 스위칭 오프되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 에너지 저장장치의 전압 균형 제어장치.