KR20080026595A - 차량용 전원공급시스템 및 차량 - Google Patents

차량용 전원공급시스템 및 차량 Download PDF

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도요다 지도샤 가부시끼가이샤
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Abstract

본 발명에 따른 차량용 전원공급시스템은 2차전지(B); 전압컨버터(12)의 제1연결노드에서 상기 2차전지(B)의 전압을 받고, 상기 2차전지(B)의 단자들간의 전압을 업-컨버팅하여, 상기 업-컨버팅된 전압을 전압컨버터(12)의 제2연결노드에서 출력하는 상기 전압컨버터(12); 상기 전압컨버터(12)에 의해 업-컨버팅된 전압의 차량의 부하와의 연결 및 연결해제간에 전환시키는 시스템메인릴레이(SMRP, SMRG); 및 상기 2차전지(B), 상기 전압컨버터(12) 및 상기 시스템메인릴레이(SMRP, SMRG)를 하우징하는 케이스(140)를 포함한다. 상기 차량용 전원공급시스템은 상기 전압컨버터(12)의 상기 제2연결노드에 연결된 일 단부를 구비한 캐패시터(23)를 더 포함하고, 상기 케이스(140)는 상기 캐패시터(23)를 추가로 하우징하는 것이 바람직하다. 상기 캐패시터(23)는 직렬 연결된 복수의 전기 이중층 캐패시터를 포함하는 것이 바람직하다. 따라서, 차량에 탑재되어 소형화되기에 적합한 차량용 전원공급시스템과 상기 시스템이 내부에 탑재된 차량이 제공될 수 있다.

Description

차량용 전원공급시스템 및 차량{VEHICULAR POWER SUPPLY SYSTEM AND VEHICLE}
본 발명은 일반적으로 차량용 전원공급시스템 및 이를 구비한 차량에 관한 것으로, 특히 고전압직류(DC)전원공급장치를 포함하는 차량용 전원공급시스템 및 이를 구비한 차량에 관한 것이다.
최근, 친환경 자동차로서 하이브리드자동차, 전기자동차 및 연료전지자동차들이 각광을 받고 있다.
하이브리드자동차는 전원으로 종래의 엔진을 구비하고, 그 이외에는 DC 전원공급장치, 인버터 및 상기 인버터에 의해 구동되는 모터를 구비한다. 보다 구체적으로는, 상기 엔진이 구동되어 전원을 얻게 되고, DC 전원공급장치 또한 모터를 회전하도록 채택된 교류(AC)전압으로 인버터에 의해 변환되는 DC 전압을 제공하여 전원을 얻게 된다. 이러한 차량에 있어서는, 복수의 구성요소들이 단 하나의 케이스에 하우징되어, DC 전원을 공급하는 전원공급시스템을 소형화하게 된다.
일본특허공개공보 제2002-078230호에는 콤팩트하면서 휴대성을 높인 휴대용 전원공급장치가 개시되어 있다. 이 휴대용 전원공급장치는 태양전지가 구비된 휴대용 하이브리드 전원공급시스템이 소형화를 위해 함께 통합된 2차전지, 전기 이중층 캐패시터, 및 DC-DC 컨버터를 구비하도록 한다.
일본특허공개공보 제2002-078230호에는 저전압의 휴대용 하이브리드 전원공급장치가 개시되어 있는데, 고전압을 이용하는 차량용 전원공급시스템을 소형화할 때에는 개선의 여지가 있다.
안전성을 소극적으로 고려하는 경우, 차량용 전원공급장치는 단 하나의 케이스에 하우징된 전원공급유닛을 구비하여 하나로 팩킹되는 것이 중요하다. 보다 구체적으로는, 충돌 시 포지티브 및 네거티브 고전압케이블이 릴레이에서 고전압부로부터 연결해제되도록, 하나로 팩킹된 고전압부가 있는 고전압전원저장장치를 구비하는 것이 필수적이다.
본 발명은 차량에 탑재되기에 적합하여 소형화되는 차량용 전원공급시스템 및 상기 전원공급시스템이 내부에 탑재된 차량에 관한 것이다.
요약하면, 본 발명은 2차전지; 전압컨버터의 제1연결노드에서 상기 2차전지의 전압을 받고, 상기 2차전지의 단자들간의 전압을 업-컨버팅(up-converting)하여, 상기 업-컨버팅된 전압을 전압컨버터의 제2연결노드에서 출력하는 전압컨버터; 상기 전압컨버터에 의해 업-컨버팅된 전압의 차량 부하와의 연결 및 연결해제를 전환시키는 연결유닛; 및 상기 2차전지, 상기 전압컨버터 및 상기 연결유닛을 하우징하는 케이스를 포함하는 차량용 전원공급시스템을 제공한다.
상기 차량용 전원공급시스템은, 상기 전압컨버터의 상기 제2연결노드에 연결된 일 단부를 구비한 캐패시터를 더 포함하여 이루어지고, 상기 케이스는 상기 캐패시터를 추가로 하우징하는 것이 바람직하다.
상기 캐패시터는 직렬 연결된 복수의 전기 이중층 캐패시터를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 전압컨버터는 상기 제1연결노드로부터 상기 제2연결노드로 연장되는 경로 상에 직렬로 연결된 리액터 및 스위칭디바이스를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 차량용 전원공급시스템은, 상기 2차전지의 상기 단자들 사이에 연결된 평활캐패시터를 더 포함하여 이루어지고, 상기 케이스는 상기 평활캐패시터를 추가로 하우징하는 것이 바람직하다.
상기 차량용 전원공급시스템은, 상기 케이스에 제공되어 상기 차량의 부하에 전력을 공급하는 제1도전라인에 연결된 제1단자, 및 상기 케이스에 제공되어 상기 제1도전라인의 리턴라인으로서의 역할을 하는 제2도전라인에 연결된 제2단자를 더 포함하고, 상기 연결유닛은 상기 전압컨버터의 제2노드를 상기 제1단자에 연결시키는 제1릴레이회로, 및 상기 전압컨버터의 접지노드를 상기 제2단자에 연결시키는 제2릴레이회로를 포함하는 것이 바람직하다.
또 다른 실시형태의 본 발명은 상술된 차량용 전원공급시스템, 상기 차량용 전원공급시스템으로부터 전력이 공급되는 상기 차량의 부하, 및 상기 차량용 전원공급시스템과 상기 차량의 부하를 함께 연결시키는 전원케이블을 포함하는 차량을 제공한다.
상기 차량용 전원공급시스템은 운전석 전방에 위치한 공간과 상기 운전석 후방에 위치한 공간 중 하나에 배치되는 것이 바람직하다. 상기 차량의 부하는 상기 운전석 전방과 후방에 위치한 공간 중 다른 하나에 배치된다. 상기 전원케이블은 상기 운전석 전방과 후방의 공간들 사이에 연장되어 있다.
따라서, 본 발명은 소형화되어 감소된 개수의 구성요소들을 구비한 차량용 전원공급시스템을 구현할 수 있다.
본 발명의 상기 목적과 기타 목적, 특징, 실시형태 및 장점들은 첨부도면들과 연계하여 후술하는 본 발명의 상세한 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다.
도 1은 차량 내에 캐패시터를 탑재하는 것을 고려한 일 예시를 도시한 회로도;
도 2는 도 1에 기술된 각각의 유닛이 차량(100) 내에 위치하는 곳을 예시한 도면;
도 3은 도 1의 차량(100)이 구동될 때, 시스템메인릴레이들을 제어하는 시퀀스의 흐름도;
도 4는 도 1의 차량(100)이 정지될 때, 시스템메인릴레이들이 제어되는 방법을 나타내는 흐름도;
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량(200)의 구성을 도시한 회로도;
도 6은 도 5를 참조하여 기술된 각각의 유닛이 차량(200) 내에 위치하는 곳을 도시한 도면;
도 7은 차량(200)이 출발할 때, 시스템메인릴레이들을 제어하는 흐름도; 및
도 8은 차량이 정지할 때, 릴레이들을 제어하는 흐름도이다.
이하, 본 발명의 실시예들을 도면들을 참조하여 보다 구체적으로 설명하기로 한다. 도면에서, 동일하거나 대응하는 부분들은 동일한 참조 부호들로 표시되며, 그 설명을 반복하지는 않기로 한다.
하이브리드자동차는 엔진이 정지되어 모터 단독으로 작동되면서 주행하거나 전기자동차로서 주행할 수 있다. 만일 전기자동차로서 주행하고 있는 차량이 다른 차량을 추월하기 위해 급속히 가속된다면, 차륜을 구동하기 위한 모터를 급속히 회전시키기 위해 증가된 전력을 출력하도록 배터리에 요청되고, 그럼에도 불구하고 차량이 불충분하게 가속된다면, 차륜을 회전시키는 것으로서 엔진의 토크를 부가하도록 엔진이 시동될 수 있다.
도 1은 차량 내에 캐패시터를 탑재하는 것을 고려한 일 예시를 도시한 회로도이다.
도 1을 참조하면, 차량(100)은 배터리유닛(40), 전원제어유닛(20), 엔진(4), 모터제너레이터(M1, M2), 전원분할장치(3), 차륜(2) 및 제어장치(30)를 포함한다.
전원분할장치(3)는 엔진(4) 및 모터제너레이터(M1, M2)와 결합되어, 그들 간에 전원을 분할하게 된다. 예컨대, 상기 전원분할장치는 선기어, 유성캐리어 및 링기어의 세 회전축을 구비한 유성기어기구일 수 있다. 상기 세 회전축은 각각 엔진(4) 및 모터제너레이터(M1, M2)의 회전축들에 연결된다. 모터제너레이터(M2)는 리덕션기어, 차동기어 등(도시안됨)에 의해 차륜(2)과 결합된 회전축을 구비한다. 나아가, 전원분할장치(3)는 모터제너레이터(M2)의 회전축에 대해 그 내부에 통합된 감속장치(speed reducer)를 내부적으로 구비할 수도 있다.
배터리유닛(40)에는 단자(41, 42)가 제공된다. 나아가, 전원제어유닛(20)에는 단자(43, 44)가 제공된다. 차량(100)은 또한 단자(41, 43)들을 함께 연결시키는 전원케이블(6) 및 단자(42, 44)들을 함께 연결시키는 전원케이블(8)도 포함한다.
배터리유닛(40)은 배터리(B), 배터리(B)의 음극과 단자(42) 사이에 연결된 시스템메인릴레이(SMR3), 배터리(B)의 양극과 단자(41) 사이에 연결된 시스템메인릴레이(SMR2), 및 배터리(B)의 양극과 단자(41) 사이에 직렬로 연결된 전류제한저항기(current-limiting resistor; R)를 포함한다. 시스템메인릴레이(SMR1~SMR3)는 제어장치(30)로부터 일가되는 제어신호(SE)에 응답하여 제어됨으로써, 전기적으로 연결/연결해제된다.
배터리유닛(40)은 또한 배터리(B)의 단자들간의 전압(VB)을 측정하는 전압센서(10), 및 배터리(B)를 통과하는 전류(IB)를 검출하는 전류센서(11)를 더 포함한다.
배터리(B)는 예컨대 니켈메탈하이드라이드, 리튬 이온 또는 이와 유사한 2차 혹은 연료전지 등일 수 있다.
전원제어유닛(20)은 단자(43, 44)들 사이에 연결된 평활캐패시터(C1), 제어장치(30)로 출력하기 위해 평활캐패시터(C1)의 단자들 사이의 전압(VL)을 검출하는 전압센서(21), 평활캐패시터(C1)의 단자들 사이의 전압을 업-컨버팅하는 업-컨버터(12), 업-컨버터(12)에 의해 업-컨버팅된 전압을 평활화하는 평활캐패시터(C2), 제어장치(30)로 출력하기 위해 평활캐패시터(C2)의 단자들 사이의 전압(VH)을 검출 하는 전압센서(13), 및 업-컨버터(12)로부터 DC 전압을 수신하고, 상기 수신된 DC 전압을 3상 AC 전류로 변환시켜, 상기 전류를 모터제너레이터(M1)에 출력하는 인버터(14)를 포함한다.
업-컨버터(12)는 단자(43)에 연결된 일 단부를 구비한 리액터(L1)와, 전압(VH)을 출력하는 업-컨버터(12)의 출력 단자들 사이에 직렬로 연결된 IGBT 디바이스(Q1, Q2) 및 IGBT 디바이스(Q1, Q2)와 병렬로 연결된 다이오드(D1, D2)를 각각 포함한다.
리액터(L1)는 IGBT 디바이스(Q1)의 이미터 및 IGBT 디바이스(Q2)의 콜렉터에 연결된 타 단부를 구비한다. 다이오드(D1)는 IGBT 디바이스(Q1)의 콜렉터에 연결된 캐소드와, IGBT 디바이스(Q1)의 이미터에 연결된 애노드를 구비한다. 다이오드(D2)는 IGBT 디바이스(Q2)의 콜렉터에 연결된 캐소드와, IGBT 디바이스(Q2)의 이미터에 연결된 애노드를 구비한다.
인버터(14)는 업-컨버터(12)에 의해 업-컨버팅된 전압을 받아, 예컨대 모터제너레이터(M1)를 구동시켜 엔진(4)을 시동하게 된다. 나아가, 인버터(14)는 엔진(4)으로부터 전달되는 동력으로 모터제너레이터(M1)에 의해 생성되는 동력을 업-컨버터(12)로 복귀시킨다. 이렇게 함으로써, 업-컨버터(12)가 제어장치(30)에 의해 제어되어, 다운 컨버전 회로로서 작동하게 된다.
인버터(14)는 컨버터(12)의 출력 라인들 사이에 병렬로 연결되는 U상아암(15), V상아암(16) 및 W상아암(17)을 포함한다.
U상아암(15)은 직렬 연결된 IGBT 디바이스(Q3, Q4) 및 IGBT 디바이스(Q3, Q4)에 병렬로 연결된 다이오드(D3, D4)를 각각 포함한다. 다이오드(D3)는 IGBT 디바이스(Q3)의 콜렉터에 연결된 캐소드 및 IGBT 디바이스(Q3)의 이미터에 연결된 애노드를 구비한다. 다이오드(D4)는 IGBT 디바이스(Q4)의 콜렉터에 연결된 캐소드 및 IGBT 디바이스(Q4)의 이미터에 연결된 애노드를 구비한다.
V상아암(16)은 직렬 연결된 IGBT 디바이스(Q5, Q6) 및 IGBT 디바이스(Q5, Q6)에 병렬로 연결된 다이오드(D5, D6)를 각각 포함한다. 다이오드(D5)는 IGBT 디바이스(Q5)의 콜렉터에 연결된 캐소드 및 IGBT 디바이스(Q5)의 이미터에 연결된 애노드를 구비한다. 다이오드(D6)는 IGBT 디바이스(Q6)의 콜렉터에 연결된 캐소드 및 IGBT 디바이스(Q6)의 이미터에 연결된 애노드를 구비한다.
W상아암(17)은 직렬 연결된 IGBT 디바이스(Q7, Q8) 및 IGBT 디바이스(Q7, Q8)에 병렬로 연결된 다이오드(D7, D8)를 각각 포함한다. 다이오드(D7)는 IGBT 디바이스(Q7)의 콜렉터에 연결된 캐소드 및 IGBT 디바이스(Q7)의 이미터에 연결된 애노드를 구비한다. 다이오드(D8)는 IGBT 디바이스(Q8)의 콜렉터에 연결된 캐소드 및 IGBT 디바이스(Q8)의 이미터에 연결된 애노드를 구비한다.
각각의 상아암은 모터제너레이터(M1)의 상코일의 상단부(phase end)에 연결된 중간점을 구비한다. 보다 구체적으로는, 모터제너레이터(M1)가 중립점에 연결된 일 단부를 각각 구비한 3가지 U상코일, V상코일 및 W상코일을 구비한 3상영구자석모터이다. 상기 U상코일은 IGBT 디바이스(Q3, Q4)를 함께 연결시키는 노드에 연결된 타 단부를 구비한다. 상기 V상코일은 IGBT 디바이스(Q5, Q6)를 함께 연결시키는 노드에 연결된 타 단부를 구비한다. 상기 W상코일은 IGBT 디바이스(Q7, Q8)를 함께 연결시키는 노드에 연결된 타 단부를 구비한다.
전류센서(24)는 모터전류값(MCRT1)으로서, 모터제너레이터(MG1)를 통과하는 전류를 검출하여, 모터전류값(MCRT1)을 제어장치(30)로 출력한다.
전원제어유닛(20)은 또한 인버터(14)와 병렬 방식으로 업-컨버터(12)에 연결된 인버터(22), 업-컨버터(12)의 포지티브 및 네거티브 출력 노드에 각각 연결된 시스템메인릴레이(SMR4, SMR5), 및 업-컨버터(12)에 의해 업-컨버팅된 전력을 저장하는 캐패시터(23)를 더 포함한다.
인버터(22)는 업-컨버터(12)에 의해 출력되는 DC 전압을 3상 AC 전류로 변환시켜, 상기 전류를 차륜(2)을 구동하는 모터제너레이터(M2)로 출력한다. 나아가, 인버터(22)는 차량이 회생적으로 제동됨에 따라, 모터제너레이터(M2)에 의해 생성되는 동력을 업-컨버터(12)로 복귀시킨다. 이렇게 함으로써, 업-컨버터(12)가 제어장치(30)에 의해 제어되어, 다운 컨버전 회로로서 작동하게 된다. 도시되지는 않았지만, 인버터(22)는 인버터(14)와 유사한 내부 구성을 가진다. 그러므로, 그 설명을 반복하지는 않기로 한다.
제어장치(30)는 토크제어값(TR1, TR2), 모터속도(MRN1, MRN2), 전압(VB, VH)과 전류(IB), 모터전류값(MCRT1, MCRT2) 및 시동신호(IGON)의 각각의 값을 수신하고, 업-컨버전을 제공하도록 업-컨버터(12)에 지시하는 제어신호(PWU), 다운-컨버전을 제공하도록 컨버터에 지시하는 제어신호(PWD) 및 그 작업을 멈추도록 컨버터에 지시하는 신호(CSDN)를 출력한다.
나아가, 제어장치(30)는 업-컨버터(12)로부터 출력되는 DC 전압을 모터제너 레이터(M1)를 구동하기 위한 AC 전압으로 변환하도록 인버터(14)에 지시하는 지령(PWMI1) 및 모터제너레이터(M1)에 의해 생성되는 AC 전압을 DC 전압으로 변환하여 상기 DC 전압을 업-컨버터(12)로 복귀시키도록 회생을 위해 인버터(14)에 지시하는 지령(PWMC1)을 출력한다.
이와 유사하게, 제어장치(30)는 DC 전압을 모터제너레이터(M2)를 구동하기 위한 AC 전압으로 변환하도록 인버터(22)에 지시하는 지령(PWMI2) 및 모터제너레이터(M2)에 의해 생성되는 AC 전압을 DC 전압으로 변환하여 상기 DC 전압을 업-컨버터(12)로 복귀시키도록 회생을 위해 인버터(22)에 지시하는 지령(PWMC2)을 출력한다.
캐패시터(23)는 캐패시턴스가 평활캐패시터(C2)보다 큰 충전장치이고, 예컨대 직렬 연결된 복수의 전기 이중층 캐패시터를 포함한다. 전기 이중층 캐패시터는 에너지 밀도가 높은 한편, 근사적으로 셀당 2.5 내지 2.7V 정도를 견딘다는 점에 유의한다. 이와 같이, 업-컨버터(12)에 의해 출력되는 대략 500V 정도의 전압에 사용된다면, 상기 복수의 전기 이중층 캐패시터는 각 셀이 전압을 공유하도록 직렬 연결된 셀들을 구비하여야 한다.
종래에는, 예컨대 업-컨버터(12)로부터 출력되는 전압의 리플을 평활화하기에 충분한 캐패시턴스인 수천 ㎌의 평활캐패시터(C2)가 단독으로 탑재된다. 그와 병렬로, 예컨대 대략 0.5~2.0 F의 캐패시턴스를 갖는 캐패시터(23)가 추가로 탑재된다.
따라서, 예컨대 EV로서 주행하고 있는 차량이 급속히 가속되어 다른 차량을 추월하게 되는 경우, 모터제너레이터(M2)가 차륜(2)을 회전시키는 동력이 증가되고, 나아가 그와 병렬로 캐패시터(23)에 의해 보상되는 동력이 모터제너레이터(M1)를 회전하도록 사용되어, 가속을 위해 부가되는 동력을 생성하는 엔진(4)을 시동하게 된다. 다시 말해, 캐패시터(23)는 배터리(B)보다 순간 전원 출력을 더 크게 제공할 수 있기 때문에, 배터리(B) 전원을 보충하도록 캐패시터(23)를 도입함으로써 가속을 위한 보다 빠른 응답을 제공할 수 있다.
도 2는 도 1을 참조하여 기술된 각각의 유닛이 차량(100) 내에 위치하는 곳을 예시하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 배터리유닛(40)은 운전석 뒷편 공간, 예컨대 뒷좌석 아래, 트렁크 안 등에 위치한다.
이와는 달리, 전원제어유닛(20), 엔진(4) 및 모터제너레이터(M1, M2)는 운전석 앞쪽 공간, 예컨대 엔진룸 안에 위치한다. 차량의 후방부에 위치한 배터리유닛(40) 및 차량의 전방부에 위치한 전원제어유닛(20)은 전원케이블(6, 8)로 연결된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 안전성을 목적으로, 배터리유닛(40)이 단 하나의 케이스 안에 하우징되어, 고전압부가 외부로 노출되는 것을 방지하게 되고, 시스템메인릴레이들이 도 1에 도시된 바와 같이 그 단자의 유출구 부근에 제공된다. 차량이 충돌이나 이와 유사한 사고를 당하면, 시스템메인릴레이들은 전원케이블로부터 고전압을 끊기 위해 전기적으로 연결해제되어, 고전압이 외부로 출력되는 것을 막게 된다.
하지만, 도 1에 도시된 구성은 전원케이블(6, 8)에 의해 연결되어 떨어져 배치된 배터리(B), 평활캐패시터(C1, C2) 및 캐패시터(23)를 구비한다. 이에 따라, 시스템메인릴레이들이 소정의 시퀀스로 연결되어야 한다. 이는 예컨대 충전캐패시터(23) 및 평활캐패시터(C1, C2)에 대한 과도한 유입 전류에 의해 릴레이들의 연결 시에 생성되는 스파크에 의해 상기 릴레이들이 용접되는 것이 방지되도록 행해진다.
도 3은 도 1의 차량(100)이 파워 온될 때, 시스템메인릴레이들을 제어하기 위한 시퀀스의 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 초기에 단계 S1에서 운전자가 차량을 출발하고자 하는 지령을 내려 시동신호(IGON)가 활성화된다. 그 후, 단계 S2에서 차량의 (예컨대 12V의) 보조배터리의 저전압시스템용 전원공급전압이 제어장치(30)를 포함하는 저전압시스템의 부하 회로에 공급된다.
그 후, 단계 S3에서 제어장치(30)는 시스템메인릴레이(SMR1, SMR3)를 턴 오프에서 턴 온으로 변환시킨다. 따라서, 평활캐패시터(C1, C2)가 도 1에 도시된 전류제한저항기(R)를 통해 충전된다. 이렇게 함으로써, 사전에 미리 시스템메인릴레이(SMR4, SMR5)가 캐패시터(23)를 충전하도록 연결될 수도 있다.
시간이 경과함에 따라 평활캐패시터(C1, C2)가 배터리의 전압과 실질적으로 같은 전압을 갖도록 한 다음, 단계 S4에서 시스템메인릴레이(SMR2)가 턴 오프에서 턴 온으로 된다. 이는 시스템메인릴레이(SMR2)를 허용가능한 범위 내에 있는 전류 및 전위차로 연결시킬 수 있다. 따라서, 시스템메인릴레이(SMR2)가 용접되는 것이 방지될 수 있다.
단계 S4가 완료되면, 단계 S5에서 시스템메인릴레이(SMR1)가 턴 온에서 턴 오프로 되고, 단계 S6에서 업-컨버터(12)를 구동가능하게 하고 인버터(14, 22)를 작동가능하게 하는 Ready On 상태로 차량이 전이된다.
도 4는 도 1의 차량(100)이 정지될 때 시스템메인릴레이를 제어하는 흐름도이다.
도 1 및 도 4를 참조하면, 초기에 단계 S11에서 도 1의 시동신호(IGON)가 예컨대 점화를 턴 오프하거나 시동스위치를 턴 오프하는 것과 같은 운전자의 지령에 의해 비활성화된다.
단계 S11에서, 시동신호(IGON)가 비활성화되면, 프로세스가 단계 S12로 진행되어, 제어장치(30)가 업-컨버터(12)의 작동을 중단시킴으로써, 업-컨버전을 제공하게 된다. 그 후, 프로세스는 단계 S13으로 진행한다.
단계 S13에서, 제어장치(30)는 평활캐패시터(C2)의 단자들간의 전압(VH)이 소정의 임계전압(Vth)보다 작은 지의 여부를 판정한다. VH < Vth 가 성립되지 않으면, 프로세스는 단계 S14로 진행되고, 제어장치(30)는 인버터(14 또는 22)가 방전 작업을 수행하도록 한다.
상기 방전 작업은 q축 전류가 흐르는 것을 막고, 모터제너레이터(M1 또는 M2)가 토크를 생성하는 회전자를 구비하는 것을 막기 위해 d축 전류만이 흐르도록 하며, 평활캐패시터(C2) 및 캐패시터(23)에 저장되는 전하들이 열로 소비되도록 하는 동작발휘제어(operation exerting control)이다. 대안적으로, 방전 작업 시에는 상기 저장된 전하들이 열로 소비되지 않을 수도 있으며, 그 대신 배터리(B)로 이동되어 소비될 수도 있다. 방전 작업이 수행됨에 따라, 저장된 전하들이 소비되어, 전압(VH)이 감소한다. 단계 S13이 완료되면, 프로세스는 단계 S12로 복귀하여, 다시 VH < Vth 가 성립하는 지를 판정하게 된다.
단계 S13에서, VH < Vth 가 성립하면, 프로세스는 단계 S15로 진행되고, 제어장치(30)는 시스템메인릴레이(SMR2, SMR4)들을 턴 온에서 턴 오프로 변환시킨다. 그 후, 상기 프로세스는 단계 S16으로 진행되어, 제어장치(30)가 시스템메인릴레이(SMR3, SMR5)들을 턴 온에서 턴 오프로 변환시킨다. 단계 S16이 완료되면, 프로세스는 단계 S17로 진행되어, 저전압시스템을 위한 전원이 공급되는 제어장치(30)와 같은 저전압시스템의 부하로 공급되는 전력이 중단되고, 나아가 단계 S18에서는 차량이 정지되어, 운전자로부터 수신되는 후속 시동신호를 기다리게 된다.
따라서, 도 1 내지 도 4를 참조하여 고려한 예시는 차량이 EV로서 주행할 때, 가속을 위한 보다 빠른 반응을 제공하도록 캐패시터(23)를 채택한다. 하지만, 증가된 개수의 시스템메인릴레이를 요구하므로, 구성요소들의 개수가 증가하게 되고, 이에 따라 제어장치(30)가 복잡한 제어를 수행할 것을 요구하게 된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량(200)의 구성예를 도시한 회로도이다.
도 5를 참조하면, 차량(200)은 DC 전원을 공급하기 위한 DC 전원공급시스템(140), DC 전원공급시스템(140)으로부터 DC 전압을 수신하여 수신된 DC 전압을 3상 AC 전류로 변환시키는 인버터유닛(120), 인버터유닛(120)에 의해 구동되는 모터 제너레이터(M1, M2), 엔진(4), 전원분할장치(3), 차륜(2) 및 제어장치(130)를 포함한다.
모터제너레이터(M1, M2), 엔진(4), 전원분할장치(3) 및 차륜(2)은 도 1을 참조하여 기술된 예시에 대한 설명과 유사한 관계를 가진다. 그러므로, 그 설명은 생략하기로 한다.
DC 전원공급시스템(140)에는 단자(141, 142)가 제공된다. 나아가, 인버터유닛(120)에는 단자(143, 144)가 제공된다. 차량(200)은 또한 단자(141, 143)들을 함께 연결시키는 전원케이블(106) 및 단자(142, 144)들을 함께 연결시키는 전원케이블(108)도 포함한다.
DC 전원공급시스템(140)은 배터리(B), 배터리(B)의 단자들 사이에 연결된 평활캐패시터(C1), 배터리(B)로부터 출력되는 전압을 업-컨버팅하는 업-컨버터(12), 업-컨버터(12)의 출력 단자들 사이에 연결된 캐패시터(23), 업-컨버터(12)의 포지티브 출력 단자와 단자(141) 사이에 연결된 시스템메인릴레이(SMRP), 및 업-컨버터(12)의 네거티브 출력 단자와 단자(142) 사이에 연결된 시스템메인릴레이(SMRG)를 포함한다.
DC 전원공급시스템(140)은 또한 배터리(B)의 단자들간의 전압(VB)을 검출하는 전압센서(10), 배터리(B)를 통과하는 전류(IB)를 검출하는 전류센서(11), 및 캐패시터(23)의 단자들간의 전압(VH)을 검출하는 전압센서(13)를 더 포함한다. 제어장치(130)는, 측정값들로서 상기 센서들에 의해 검출되는 전압(VB, VH) 및 전류(IB)를 수신한다.
인버터유닛(120)은 업-컨버터(12)에 의해 업-컨버팅된 전압을 3상 AC 전류로 변환시켜, 상기 3상 AC 전류를 모터제너레이터(M1)에 공급하는 인버터(14), 및 업-컨버터(12)에 의해 업-컨버팅된 전압을 3상 AC 전류로 변환시켜, 상기 3상 AC 전류를 모터제너레이터(M2)에 공급하는 인버터(22)를 포함한다.
인버터(14, 22)는 도 1을 참조하여 기술된 것과 유사한 구성을 가진다. 그러므로, 그 설명은 생략하기로 한다.
제어장치(130)는 토크제어값(TR1, TR2), 모터속도(MRN1, MRN2), 전압(VB, VH)과 전류(IB), 모터전류값(MCRT1, MCRT2) 및 시동신호(IGON)의 각각의 값을 수신하고, 업-컨버전을 제공하도록 업-컨버터(12)에 지시하는 제어신호(PWU), 다운-컨버전을 제공하도록 컨버터에 지시하는 제어신호(PWD) 및 그 작업을 멈추도록 컨버터에 지시하는 신호(CSDN)를 출력한다.
나아가, 제어장치(130)는 업-컨버터(12)로부터 출력되는 DC 전압을 모터제너레이터(M1)를 구동하기 위한 AC 전압으로 변환하도록 인버터(14)에 지시하는 지령(PWMI1) 및 모터제너레이터(M1)에 의해 생성되는 AC 전압을 DC 전압으로 변환하여 상기 DC 전압을 업-컨버터(12)로 복귀시키도록 회생을 위해 인버터(14)에 지시하는 지령(PWMC1)을 출력한다.
이와 유사하게, 제어장치(130)는 DC 전압을 모터제너레이터(M2)를 구동하기 위한 AC 전압으로 변환하도록 인버터(22)에 지시하는 지령(PWMI2) 및 모터제너레이터(M2)에 의해 생성되는 AC 전압을 DC 전압으로 변환하여 상기 DC 전압을 업-컨버터(12)로 복귀시키도록 회생을 위해 인버터(22)에 지시하는 지령(PWMC2)을 출력한 다.
업-컨버터(12)는 이하 간략히 기술하는 바와 같이 작동한다. 병렬 작업 시의 업-컨버터(12)는 배터리(B)로부터 전력을 받아 상기 전력을 인버터(14, 22)로 공급하는 업-컨버전 회로로서 작동하고, 회생 작업 시에는 또한 회생을 위한 다운 컨버전 회로로서 작동하여, 모터제너레이터(M1 또는 M2)에 의해 생성되는 파워로 배터리(B)를 충전시킨다.
도 6은 도 5를 참조하여 기술된 각각의 유닛이 차량(200) 내에 위치하는 곳을 예시하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, DC 전원공급시스템(140)은 운전석 뒷편 공간, 예컨대 뒷좌석 아래, 트렁크 안 등에 위치한다.
이와는 달리, 인버터유닛(120), 엔진(4) 및 모터제너레이터(M1, M2)는 운전석 앞쪽 공간, 예컨대 엔진룸 안에 위치한다. 차량의 후방부에 위치한 DC 전원공급시스템(140) 및 차량의 전방부에 위치한 인버터유닛(20)은 전원케이블(106, 108)로 연결된다.
도 6에 도시된 바와 같이, 안전성을 목적으로, DC 전원공급시스템(140)이 단 하나의 케이스 안에 하우징되어, 고전압부가 외부로 노출되는 것을 방지하게 되고, 시스템메인릴레이(SMRP, SMRG)들이 도 5에 도시된 바와 같이 그 단자의 유출구 부근에 제공된다. 차량이 충돌이나 이와 유사한 사고를 당하면, 시스템메인릴레이(SMRP, SMRG) 모두는 전원케이블(106, 108)로부터 고전압을 끊기 위해 전기적으로 연결해제되어, 고전압이 외부로 출력되는 것을 막게 된다.
도 7은 차량(200)이 출발할 때, 시스템메인릴레이들이 제어되는 방법을 예시하기 위한 흐름도이다.
도 7을 참조하면, 초기에 단계 S21에서는, 운전자가 예컨대 점화키 또는 시동스위치를 작동시켜 시동신호(IGON)를 활성화하게 된다. 이에 응답하여, 단계 S22에서, 고전압배터리(B)와 상이한 (예컨대 12V의) 저전압의 보조배터리가 시동되어, 저전압시스템용 전원공급부하에 전원을 공급하게 된다.
그 후, 단계 S3에서 제어장치(130)는 전기적으로 연결해제된 접지와 연관된 시스템메인릴레이(SMRG)를 전기적으로 연결시킨다. 그 후, 상기 프로세스는 단계 S24로 진행되어, 제어장치(130)가 전기적으로 연결해제된 고전압과 연관된 시스템메인릴레이(SMRP)를 전기적으로 연결시킨다. 따라서, 인버터(14, 22)에 전원이 공급되어, 단계 S25에서는 인버터(14, 22) 및 업-컨버터(12)가 작동가능한 Ready On 상태를 얻어, 후속 작업이 대기된다.
캐패시터(23)가 채택되어 도 1의 평활캐패시터(C2)로서의 역할도 하고, 배터리(B)에 보다 근접한 시스템메인릴레이의 측에 통합되기 때문에, 상기 시스템메인릴레이들이 연결될 때 차량의 출발 시 캐패시터를 충전하기 위해 유입 전류가 흐르는 것이 방지된다. 도 1의 시스템메인릴레이(SMR1) 및 전류제한저항기(R)가 생략될 수도 있어, 그 결과 보다 단순한 구성이 가능하며, 도 7에 도시된 바와 같이, 도 3에 도시된 것보다 더욱 간단한 제어가 성취될 수 있다.
도 8은 차량이 정지될 때 릴레이들이 제어되는 방법을 예시하기 위한 흐름도이다.
도 5 및 도 8을 참조하면, 초기에 단계 S31에서, 운전자는 점화키 또는 시동스위치를 제어하여 시동신호(IGON)를 활성화하게 된다. 그 후, 단계 S32에서, 제어장치(130)는 업-컨버터(12)가 업-컨버팅 작업을 실행하는 것을 중단시킨다.
후속해서, 단계 S23에서 제어장치(130)는 전기적으로 연결된 고전압과 연관된 시스템메인릴레이(SMRP)를 전기적으로 연결해제시킨다. 나아가, 단계 S34에서, 제어장치(130)는 전기적으로 연결된 접지와 연관된 시스템메인릴레이(SMRG)를 전기적으로 연결해제시킨다. 그런 다음, 단계 S35에서, 저전압시스템부하에 공급되는 전원이 중단되고, 나아가 단계 S36에서는 차량이 정지되어, 제어장치(130)가 차량을 출발하기 위해 운전자로부터 수신되는 후속 지령을 기다리게 된다.
도 4를 참조하여 고려한 예시에서 차량을 정지하도록 실행되는 제어와 비교하면, 차량이 정지될 때마다 캐패시터(23)를 방전하는 것이 불필요하게 된다. 따라서, 차량이 간단한 방식으로 제어될 수 있다.
나아가, 차량이 출발과 정지를 빈번하게 반복하게 되는 방식으로 이용된다면, 특히 캐패시터(23)에 저장된 전하에 대응하는 전력이 방전되도록 강제되지 않고, 열로 손실 및 변환된다. 따라서, 차량의 단위 연료당 주행 거리가 증대될 수 있다.
차량이 장시간 정지하는 경우에는, 그 자체 방전이 일반적으로 배터리(B)보다 크기 때문에 캐패시터(23)의 단자들간의 전압이 점진적으로 감소한다. 하지만, 캐패시터(23)의 단자들간의 전압이 배터리(B)보다 낮게 떨어진다면, 캐패시터(23)에는 배터리(B)로부터 리액터(L1) 및 다이오드(D1)를 통해 전류가 공급되어 충전된 다. 따라서, 캐패시터(23)의 전압이 배터리(B)의 전압과 실질적으로 같은 상태로 정상 상태(steady state)를 얻게 된다.
상술된 바와 같이, 본 발명의 실시예는 한 케이스에 통합되어 하나로 팩킹된 컨버터, 캐패시터 등을 구비한 DC 전원공급시스템을 제공한다. 이는 시스템메인릴레이의 수를 줄일 수 있고, 전류제한저항기를 이용할 필요가 없게 한다. 이에 따라, 제어장치가 간단한 제어를 행할 수 있게 하고, 부하도 감소시킬 수 있게 된다.
나아가, 캐패시턴스가 평활캐패시터보다 큰 캐패시터가 컨버터의 출력으로 제공될 수 있다. 급속한 가속을 위한 보다 빠른 응답이 성취될 수 있다.
나아가, 케이스 내에 하우징된 캐패시터, 평활캐패시터 등이 차량이 정지할 때마다 방전되지 않게 된다. 따라서, 증가된 차량의 단위 연료당 주행 거리가 달성될 수 있다.
지금까지 본 발명을 상세히 기술 및 예시하였지만, 본 발명을 제한하려는 의도로 기술한 것이 아니라, 단지 예시의 방법을 통해 기술한 것이며, 본 발명의 기술적 사상 및 범위가 청구범위에 의해서만 한정된다는 점은 자명하다.

Claims (13)

  1. 차량용 전원공급시스템에 있어서,
    2차전지(B);
    전압컨버터(12)의 제1연결노드에서 상기 2차전지(B)의 전압을 받고, 상기 2차전지(B)의 단자들간의 전압을 업-컨버팅(up-converting)하여, 상기 업-컨버팅된 전압을 전압컨버터(12)의 제2연결노드에서 출력하는 전압컨버터(12);
    상기 전압컨버터(12)에 의해 업-컨버팅된 전압의 차량 부하와의 연결 및 연결해제를 전환시키는 연결유닛(SMRP, SMRG); 및
    상기 2차전지(B), 상기 전압컨버터(12) 및 상기 연결유닛(SMRP, SMRG)을 하우징하는 케이스(140)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 차량용 전원공급시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전압컨버터(12)의 상기 제2연결노드에 연결된 일 단부를 구비한 캐패시터(23)를 더 포함하여 이루어지고, 상기 케이스(140)는 상기 캐패시터(23)를 추가로 하우징하는 것을 특징으로 하는 차량용 전원공급시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 캐패시터(23)는 직렬 연결된 복수의 전기 이중층 캐패시터(dual layer capacitor)를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 전원공급시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전압컨버터(12)는 상기 제1연결노드로부터 상기 제2연결노드로 연장되는 경로 상에 직렬로 연결된 리액터(L1) 및 스위칭디바이스(Q1)를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 전원공급시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 2차전지(B)의 상기 단자들 사이에 연결된 평활캐패시터(C1)를 더 포함하여 이루어지고, 상기 케이스(140)는 상기 평활캐패시터(C1)를 추가로 하우징하는 것을 특징으로 하는 차량용 전원공급시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 케이스(140)에 제공되어, 상기 차량의 부하에 전력을 공급하는 제1도전라인에 연결된 제1단자(141); 및
    상기 케이스(140)에 제공되어, 상기 제1도전라인의 리턴라인으로서의 역할을 하는 제2도전라인에 연결된 제2단자(142)를 더 포함하여 이루어지고,
    상기 연결유닛(SMRP, SMRG)은 상기 전압컨버터의 제2노드를 상기 제1단자에 연결시키는 제1릴레이회로(SMRP), 및 상기 전압컨버터의 접지노드를 상기 제2단자에 연결시키는 제2릴레이회로(SMRG)를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 전원공 급시스템.
  7. 차량에 있어서,
    2차전지(B);
    전압컨버터(12)의 제1연결노드에서 상기 2차전지(B)의 전압을 받고, 상기 2차전지(B)의 단자들간의 전압을 업-컨버팅(up-converting)하여, 상기 업-컨버팅된 전압을 전압컨버터(12)의 제2연결노드에서 출력하는 전압컨버터(12);
    상기 전압컨버터(12)에 의해 업-컨버팅된 전압의 차량 부하와의 연결 및 연결해제를 전환시키는 연결유닛(SMRP, SMRG); 및
    상기 2차전지(B), 상기 전압컨버터(12) 및 상기 연결유닛(SMRP, SMRG)을 하우징하는 케이스(140)를 포함하는 차량용 전원공급시스템;
    상기 차량용 전원공급시스템으로부터 전력이 공급되는 상기 차량의 부하(120; load); 및
    상기 차량용 전원공급시스템과 상기 차량의 부하(120)를 함께 연결시키는 전원케이블(106, 108)을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 차량.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 차량용 전원공급시스템은 운전석 전방에 위치한 공간과 상기 운전석 후방에 위치한 공간 중 하나에 배치되고,
    상기 차량의 부하는 상기 운전석 전방과 후방에 위치한 공간 중 다른 하나에 배치되며,
    상기 전원케이블은 상기 운전석 전방과 후방의 공간들 사이에 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 차량용 전원공급시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 차량용 전원공급시스템은 상기 전압컨버터(12)의 제2연결노드에 연결된 일 단부를 구비한 캐패시터(23)를 더 포함하고,
    상기 케이스(140)는 상기 캐패시터(23)를 추가로 하우징하는 것을 특징으로 하는 차량.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 캐패시터(23)는 직렬 연결된 복수의 전기 이중층 캐패시터(dual layer capacitor)를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 전압컨버터(12)는 상기 제1연결노드로부터 상기 제2연결노드로 연장되는 경로 상에 직렬로 연결된 리액터(L1) 및 스위칭디바이스(Q1)를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 차량용 전원공급시스템은 상기 2차전지(B)의 상기 단자들 사이에 연결된 평활캐패시터(C1)를 더 포함하고,
    상기 케이스(140)는 상기 평활캐패시터(C1)를 추가로 하우징하는 것을 특징으로 하는 차량.
  13. 제7항에 있어서,
    상기 차량용 전원공급시스템은, 상기 케이스(140)에 제공되어 상기 차량의 부하에 전력을 공급하는 제1도전라인에 연결된 제1단자(141), 및 상기 케이스(140)에 제공되어 상기 제1도전라인의 리턴라인으로서의 역할을 하는 제2도전라인에 연결된 제2단자(142)를 더 포함하고,
    상기 연결유닛(SMRP, SMRG)은, 상기 전압컨버터의 제2노드를 상기 제1단자에 연결시키는 제1릴레이회로(SMRP), 및 상기 전압컨버터의 접지노드를 상기 제2단자에 연결시키는 제2릴레이회로(SMRG)를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량.
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