KR20100004012A - 전력변환기를 이용한 초기충전방법 - Google Patents

전력변환기를 이용한 초기충전방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전력변환기를 이용한 초기충전방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 에너지 발생 또는 저장장치의 에너지를 전력변환기를 이용하여 승압 또는 직류전압으로 변환하고, 승압 또는 변환된 DC 링크 전압을 고전압 배터리의 전압과 동일 또는 유사하게 만든 후 메인스위치를 온 시켜 고전압배터리의 초기충전을 행함으로써, 전력변환기가 기존의 초기충전장치를 대신하게 되어 시스템의 신뢰성을 향상시키고 초기충전장치를 삭제할 수 있어 재료비를 절감할 수 있도록 한 초기충전방법에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 전력변환기를 이용하여 에너지 발생 또는 저장장치의 전압을 승압 또는 변환하는 단계; 상기 전력변환기와 메인스위치 사이의 DC 링크전압과, 고전압 배터리의 전압을 측정하는 단계; 상기 DC 링크전압과 고전압 배터리 전압의 차이를 계산하여 그 차이값이 제1설정전압값 미만인 경우에는 메인스위치를 온시켜 고전압 배터리를 충전하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전력변환기를 이용한 초기충전방법을 제공한다.
전력변환기, 초기충전, DC-DC 컨버터, 인버터, 모터, DC 링크

Description

전력변환기를 이용한 초기충전방법{Pre-charging method using power converter}
본 발명은 전력변환기를 이용한 초기충전방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 에너지 발생 또는 저장장치의 에너지를 전력변환기를 이용하여 승압 또는 직류전압으로 변환하고, 승압 또는 변환된 DC 링크 전압을 고전압 배터리의 전압과 동일 또는 유사하게 만든 후 메인스위치를 온 시킴으로써, 종래의 초기충전회로의 기능을 대신하여 시스템의 신뢰성을 향상시키고 초기충전장치의 재료비를 절감할 수 있도록 한 초기충전방법에 관한 것이다.
하이브리드차, 연료전지차, 플러그인하이브리드차, 전기자동차는 동력원으로 고전압 배터리의 에너지를 이용하여 인버터를 통해 모터를 구동하여 전기에너지를 기계에너지로 전환하여 동력을 바퀴에 전달한다. 여기서, 고전압 배터리는 배터리 뿐만 아니라, 커패시터, 수퍼커패시터 등 고전압 에너지 저장장치와 연료전지 등 전기에너지 발생장치를 총칭하며, 인버터는 인버터 뿐만 아니라 DC-DC 컨버터 등 차량에서 고전압을 사용하는 전기부품을 총칭한다.
도 1은 종래의 하이브리드 자동차의 파워넷 구성도로서, 하이브리드 자동차는 제1에너지 저장 또는 발생장치(101), 메인 전원연결장치(102), 초기충전장치(103), 전력변환기(104), 제2에너지 저장 또는 발생장치(105), 전기장치(106)를 포함한다.
상기 제1에너지 저장 또는 발생장치(101)는 배터리, 커패시터, 연료전지 등을 예로 들 수 있고, 메인 전원연결장치(102)는 에너지 저장장치(101)와 그 외 전기장치(106)를 연결하기 위한 스위치 또는 릴레이로 구성된다.
초기충전장치(103)는 메인 전원연결장치(102)와 병렬로 연결되어 제1에너지저장장치(101)와 전기장치(106) 간의 전압차에 의해서 과도한 전류가 발생하는 것을 방지하기 위해 릴레이 및 저항 등으로 구성되어 있다.
전력변환기(104)는 DC-DC 컨버터, AC-DC 컨버터, 충전기, 인버터를 예로 들 수 있고, 제2에너지 저장 또는 발생장치(105)는 제1에너지 저장 또는 발생장치(101)와 별개의 장치이며 예를 들어 배터리, 커패시터, 연료전지 등이 될 수 있다. 전기장치(106)로는 인버터 등이 될 수 있다.
한편, 도 2는 초기충전의 개념을 설명하기 위한 도면으로서, 제1소자(107)와 제2소자(108)는 별개의 것으로 커패시터, 배터리 등 전압원 성격을 띠는 소자로서, 제1 및 제2소자(107,108)의 전압이 다른 경우 스위치를 온시키면 제1소자(107)와 제2소자(108) 사이에 이론적으로 무한대의 전류가 흐르게 된다.
이를 방지하기 위해 스위치(102)를 온시키기 전에 제3소자(103)를 이용하여 제1 및 제2소자(107,108) 사이에 전류의 흐름을 제한하여 제1 및 제2소자(107,108)의 전압이 천천히 유사해지도록 하며, 여기서, 제3소자(103)가 바로 초기충전장치로서 릴레이와 저항으로 구성될 수 있다.
그러나, 상기 초기충전장치는 사용시간이 매우 작아서(1%이하) 활용도가 매우 낮으며, 전력변환기나 전기장치와 연결되어 협조제어 또는 타부품 오동작에 의해 2차적으로 소손되기 쉬우므로 전체 시스템의 신뢰성을 저하시킨다.
또한, 저항 및 고전압 릴레이를 사용하는 초기충전장치의 경우 부피가 커서 차량패키지에 불리하며, 반도체 스위치(예,릴레이)를 이용한 초기충전장치는 신뢰성 저하 뿐만 아니라 재료비 상승의 원인이 된다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 에너지 발생 또는 저장장치의 에너지를 전력변환기를 이용하여 DC 링크전압이 고전압 배터리의 전압과 동일 또는 유사하게 될 때까지 승압 또는 직류전압으로 변환한 후 메인스위치를 온 시켜 고전압 배터리의 초기충전을 수행함으로써, 기존의 초기충전장치의 기능을 포함하여 시스템의 신뢰성을 향상시키고 초기충전장치의 재료비를 절감할 수 있도록 한 전력변환기를 이용한 초기충전방법를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일구현예는 전력변환기를 이용하여 에너지 발생 또는 저장장치의 전압을 승압 또는 변환하는 단계; 상기 전력변환기와 메인스위치 사이의 DC 링크전압과, 고전압 배터리의 전압을 측정하는 단계; 상기 DC 링크전압과 고전압 배터리 전압의 차이를 계산하여 그 차이값이 제1설정전압값 미만인 경우에는 메인스위치를 온시켜 고전압 배터리를 충전하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
바람직한 구현예로서, 상기 에너지 발생 또는 저장장치는 보조배터리이고, 상기 전력변환기는 DC-DC 컨버터이며, 상기 DC-DC 컨버터는 보조배터리의 전압을 승압하여 DC 링크전압단에 저장하고, 상기 DC 링크전압과 고전압 배터리의 전압 차이값이 제1설정전압값 미만인 경우 메인스위치를 온시키는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직한 구현예로서, 상기 에너지 발생 또는 저장장치는 구동모터이고, 상기 전력변환기는 인버터이며, 상기 엔진과 연결된 구동모터를 회전시켜 구동모터를 이용하여 발전시키고, 상기 구동모터와 연결되어 있는 인버터의 DC 링크전압과 고전압 배터리 전압의 차이값이 제1설정전압값 미만인 경우 메인스위치를 온시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 구현예는 보조배터리의 전압값을 측정하는 단계; 상기 보조배터리의 전압값이 제2설정전압값 이상인지를 판단하는 단계; 상기 보조배터리의 전압값이 제2설정전압값 이상인 경우 DC-DC 컨버터를 이용하여 보조배터리의 전압을 승압하는 단계; 상기 DC-DC 컨버터의 DC 링크전압과, 고전압 배터리의 전압을 측정하는 단계; 상기 DC 링크전압과 고전압 배터리 전압의 차이값이 제1설정전압값 미만인지를 판단하는 단계; 상기 DC 링크전압과 고전압 배터리 전압의 차이값이 제1설정전압값 미만인 경우 메인 스위치를 온시켜 고전압 배터리를 충전하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
바람직한 구현예로서, 상기 보조배터리의 전압값이 제2설정전압값 미만인 경우 스타트모터를 이용하여 엔진을 시동하고, 엔진과 연결된 구동모터를 회전시키는 단계; 상기 구동모터를 이용하여 발전시키고, 상기 구동모터와 연결된 인버터를 이용하여 교류전압으로 변환하고 인버터의 DC 링크단에 저장하는 단계; 상기 인버터의 DC 링크전압과 고전압 배터리 전압을 측정하는 단계; 상기 인버터의 DC 링크전압과 고전압 배터리 전압의 차이값을 계산하여 그 차이값이 제1설정전압값 미만인지를 판단하는 단계; 상기 DC 링크전압과 고전압 배터리 전압의 차이값이 제1설정 전압값 미만인 경우 메인스위치를 온시켜 고전압 배터리를 충전하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이에 따라 본 발명에 따른 전력변환기를 이용한 초기충전방법에 의하면, 에너지 발생 또는 저장장치의 에너지를 DC-DC 컨버터 또는 인버터 등과 같은 전력변환기를 이용하여 승압 또는 직류전압으로 변환하고, 승압 또는 변환된 DC 링크 전압을 고전압 배터리의 전압과 동일 또는 유사하게 만든 후 메인스위치를 온 시킴으로써, 기존의 저항과 고전압 릴레이 또는 반도체 스위치를 이용한 초기충전장치를 대체 및 삭제가능하므로 시스템의 신뢰성을 향상시키고 부품 크기의 축소 및 비용을 절감할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다.
첨부한 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 초기충전시 에너지흐름을 나타내는 블럭도이고, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 초기충전시 에너지흐름을 나타내는 블럭도이다.
본 발명은 고전압 배터리(16)에 초기충전시 전압차로 인한 과도전류의 발생을 방지하는 초기충전장치(회로)의 기능을 수행한다.
본 발명은 고전압 배터리(16)의 충전에너지를 이용하여 모터(13)를 구동시켜 휠을 회전시키는 자동차, 예를 들어 하이브리드차, 연료전지차, 플러그인하이브리드차, 전기차 등에 적용가능하다.
본 발명은 기존에 사용되는 전력변환기, 예를 들어 DC-DC 컨버터(17) 또는 인버터(14)를 사용하여 이들로 하여금 상기 초기충전장치의 기능을 수행하게 함으로써, 기존에 사용되었던 초기충전장치를 삭제할 수 있다.
본 발명에 따른 전력변환기를 이용한 초기충전방법은 에너지 발생 또는 저장장치의 에너지를 전력변환기를 이용하여 고전압 배터리(16)의 전압과 동일 또는 유사한 전압으로 승압 또는 변환한 다음, 메인 스위치(15)를 온시켜서 고전압 배터리(16)에 충전한다.
본 발명의 일실시예는 하이브리드 차량에 적용가능한 것으로, 스타트 모터(11)가 12V 보조배터리(10)에서 전원을 공급받아 엔진(12)의 시동을 걸고, 엔진(12)과 물리적으로 연결된 구동모터(13)를 회전시키고, 구동모터(13)에서 회전에너지를 전기에너지로 변환하고, 구동모터(13)와 연결되어 있는 인버터(14)를 통해 교류전압을 직류전압으로 변환한다.
그 다음, 메인스위치(15)와 인버터(14) 사이의 전압(DC 링크전압)을 배터리 전압과 유사하게 만든 후 메인 스위치(15)를 온시켜 고전압 배터리(16)의 충전을 수행한다.
여기서, 구동모터(13)는 에너지 발생장치가 되고, 인버터(14)는 전력변환기가 된다.
본 발명의 다른 실시예는 하이브리드차, 연료전지차, 전기자동차, 플러그인 하이브리드/연료전지차에 적용가능한 것으로서, 12V 또는 48V 배터리(10)의 에너지를 이용하고, DC-DC 컨버터(17)를 통해 직류전압을 승압하여 메인스위치(15)와 DC-DC 컨버터(17) 사이의 전압(DC 링크전압)을 배터리 전압과 유사하게 만든 다음, 메인 스위치(15)를 온시켜 고전압 배터리(16)의 초기충전을 수행한다.
본 발명의 구현예에 따른 전력변환기를 이용한 초기충전방법을 설명하면 다음과 같다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 초기충전방법을 나타내는 순서도이고, 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 초기충전방법을 나타내는 순서도이고, 도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 초기충전방법을 나타내는 순서도이다.
제1제어로직은 일반적인 경우 및 DC-DC 컨버터(17)를 이용하는 경우이고, 제2제어로직은 일반적인 경우 및 인버터(14)를 이용하는 경우이다.
먼저 제1제어로직은 도 5에 도시한 바와 같이 시동을 온시키고(S10) DC-DC 컨버터(17)를 활성화한다(S11). 이때 DC-DC 컨버터(17)는 12V 보조배터리의 전압을 승압하여 DC-DC 컨버터(17)의 DC 링크전압에 저장한다.
계속해서, 전압센서를 이용하여 DC 링크전압(Vdc), 고전압배터리(16) 전압(Vb)을 감지하고(S12), 상기 DC 링크전압과 고전압배터리(16) 전압의 차이값을 계산하여 제1설정전압값(K) 미만(S13)인 경우 즉 전압차이가 거의 없는 경우, 메인 스위치(15)에 온신호를 요구하여(S14) 메인 스위치(15)가 온 됨(S15)으로써 정상상태로 운전가능하도록 준비한다(S16).
두번째로, 도 6에 도시한 바와 같이 제2제어로직은 시동을 온시킨 후(S20), 엔진(12) 크랭킹을 수행하고 DC-DC 컨버터(17)의 작동불능상태로 만든다(S21).
계속해서, 인버터(14)가 다이오드 정류기 또는 PWM AC-DC 컨버터의 기능을 수행하도록 한다(S22).
그 다음, 상기 DC 링크전압 및 고전압 배터리(16) 전압을 전압센서를 이용하여 감지하고(S23), 이들의 전압차를 계산하여 제1설정전압값(K) 미만(S24)인 경우, 즉 전압차이가 거의 없는 경우에 메인 스위치(15)에 온신호를 요구하여(S25) 메인스위치(15)가 온 되고 DC-DC 컨버터(17)가 작동가능한 상태로 만듦으로써(S26) 정상상태로 운전가능하도록 준비한다(S27).
마지막으로, 제3제어로직은 제1 및 제2제어로직을 혼합 구성한 로직이다.
먼저, 도 7에 도시한 바와 같이 시동을 온시킨 후(S31), 12V 배터리(10)의 전압을 측정한다(S32). 상기 12V 배터리(10)의 전압이 제2설정전압값(M) 이상인지 여부를 판단하여(S33), M 이상인 경우에는 DC-DC 컨버터(17)를 활성화하여 12V 배터리(10)의 전압을 승압하여 DC-DC 컨버터(17)의 DC 링크전압에 저장한다(S34).
그 다음, 상기 DC 링크전압 및 고전압 배터리(16)의 전압을 측정하여(S35) 이들의 전압차가 제1설정전압값(K) 미만(S36)인 경우, 즉 DC 링크전압이 고전압배터리(16)의 전압과 유사해지게 된 경우 메인 스위치(15)에 온신호의 인가를 요청하여(S41) 메인스위치(15)가 온됨으로써(S42), 정상적인 운전상태로의 준비가 완료된다(S43).
한편, 상기 12V 배터리(10)의 전압이 제2설정전압값(M) 미만인 경우에는 엔진(12)을 크랭킹한 후(S37), 인버터(14)가 다이오드 정류기 또는 PWM AC-DC 컨버터 로 작동하게 한다(S38). 계속해서 DC 링크전압 및 고전압 배터리(16) 전압을 측정하고(S39), 이들의 전압차가 제1설정전압값 미만(S40)인 경우 전술한 방법에 의해 메인스위치(15)를 온시키고(S42) 정상 운전상태로의 준비를 완료하게 된다(S43).
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.
도 1은 종래의 하이브리드 차량의 파워넷 구성도,
도 2는 종래기술에 따른 초기충전회로의 개념도,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 초기충전시 에너지흐름을 나타내는 블럭도,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 초기충전시 에너지흐름을 나타내는 블럭도,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 초기충전방법을 나타내는 순서도,
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 초기충전방법을 나타내는 순서도,
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 초기충전방법을 나타내는 순서도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 보조배터리 11 : 스타트 모터
12 : 엔진 13 : 구동모터
14 : 인버터 15 : 메인 스위치
16 : 고전압 배터리

Claims (5)

  1. 전력변환기를 이용하여 에너지 발생 또는 저장장치의 전압을 승압 또는 변환하는 단계;
    상기 전력변환기와 메인스위치 사이의 DC 링크전압과, 고전압 배터리의 전압을 측정하는 단계;
    상기 DC 링크전압과 고전압 배터리 전압의 차이를 계산하여 그 차이값이 제1설정전압값 미만인 경우에는 메인스위치를 온시켜 고전압 배터리를 충전하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전력변환기를 이용한 초기충전방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 에너지 발생 또는 저장장치는 보조배터리이고, 상기 전력변환기는 DC-DC 컨버터이며, 상기 DC-DC 컨버터는 보조배터리의 전압을 승압하여 DC 링크전압단에 저장하고, 상기 DC 링크전압과 고전압 배터리의 전압 차이값이 제1설정전압값 미만인 경우 메인스위치를 온시키는 것을 특징으로 하는 전력변환기를 이용한 초기충전방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 에너지 발생 또는 저장장치는 구동모터이고, 상기 전력변환기는 인버터이며, 상기 엔진과 연결된 구동모터를 회전시켜 구동모터를 이용하여 발전시키고, 상기 구동모터와 연결되어 있는 인버터의 DC 링크전압과 고전압 배터리 전압의 차이값이 제1설정전압값 미만인 경우 메인스위치를 온시키는 것을 특징으로 하는 전력변환기를 이용한 초기충전방법.
  4. 보조배터리의 전압값을 측정하는 단계;
    상기 보조배터리의 전압값이 제2설정전압값 이상인지를 판단하는 단계;
    상기 보조배터리의 전압값이 제2설정전압값 이상인 경우 DC-DC 컨버터를 이용하여 보조배터리의 전압을 승압하는 단계;
    상기 DC-DC 컨버터의 DC 링크전압과, 고전압 배터리의 전압을 측정하는 단계;
    상기 DC 링크전압과 고전압 배터리 전압의 차이값이 제1설정전압값 미만인지를 판단하는 단계;
    상기 DC 링크전압과 고전압 배터리 전압의 차이값이 제1설정전압값 미만인 경우 메인 스위치를 온시켜 고전압 배터리를 충전하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전력변환기를 이용한 초기충전방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 보조배터리의 전압값이 제2설정전압값 미만인 경우 스타트모터를 이용하여 엔진을 시동하고, 엔진과 연결된 구동모터를 회전시키는 단계;
    상기 구동모터를 이용하여 발전시키고, 상기 구동모터와 연결된 인버터를 이용하여 교류전압으로 변환하고 인버터의 DC 링크에 저장하는 단계;
    상기 인버터의 DC 링크전압과 고전압 배터리 전압을 측정하는 단계;
    상기 인버터의 DC 링크전압과 고전압 배터리 전압의 차이값을 계산하여 그 차이값이 제1설정전압값 미만인지를 판단하는 단계;
    상기 DC 링크전압과 고전압 배터리 전압의 차이값이 제1설정전압값 미만인 경우 메인스위치를 온시켜 고전압 배터리를 충전하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전력변환기를 이용한 초기충전방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20120109844A (ko) * 2011-03-28 2012-10-09 삼성테크윈 주식회사 차량의 동력 공급 장치

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KR20120109844A (ko) * 2011-03-28 2012-10-09 삼성테크윈 주식회사 차량의 동력 공급 장치

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