KR20100100188A - 자동차 고전압 배터리시스템의 전류측정장치 - Google Patents

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Abstract

이 발명은 하이브리드 자동차, 연료전지 자동차, 전기 자동차 등의 에너지 저장장치인 고전압 배터리시스템의 전류를 션트저항(shunt resistor)을 이용하여 측정하는 장치에 관한 것이다.
이 발명의 전류측정장치는, 고전압 배터리시스템에서 출력되는 전류에 비례하는 전압을 발생하여 상기 고전압 배터리시스템의 전류를 센싱하는 션트저항과, 상기 션트저항에서 센싱된 전류를 신호처리하여 검출하는 배터리제어기를 포함한다. 상기 배터리제어기는, 상호 절연된 1차측과 2차측으로 이루어지고 상기 션트저항에서 출력되는 전압을 일정 PWM(pulse width modulation) 주기로 온/오프하는 반도체스위치소자와, 상기 반도체스위치소자에서 상기 일정 PWM 주기로 온/오프되는 상기 션트저항의 출력전압을 1차측으로 입력받아 2차측으로 전달하는 변압기와, 상기 변압기의 2차측에서 출력되는 신호로부터 상기 고전압 배터리시스템의 전류를 연산하고 상기 반도체스위치소자가 상기 일정 PWM 주기로 온/오프되도록 제어하는 중앙처리장치를 포함한다.
하이브리드, 자동차, 전류, 션트저항

Description

자동차 고전압 배터리시스템의 전류측정장치 {current measuring apparatus of battery system of a car}
이 발명은 자동차 고전압 배터리시스템의 전류측정장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 하이브리드 자동차, 연료전지 자동차, 전기 자동차 등의 에너지 저장장치인 고전압 배터리시스템의 전류를 션트저항(shunt resistor)을 이용하여 측정하는 장치에 관한 것이다.
하이브리드 자동차는 내연 엔진과 의 고전압 시스템을 동시에 장착하거나, 차체의 무게를 획기적으로 줄여 공기의 저항을 하는 등 기존의 일반 차량에 비해 연비(燃費) 및 유해가스 배출량을 획기적으로 줄인 차세대 자동차를 말한다. 이 하이브리드 자동차는 고전압 배터리시스템, 인버터, 엔진, 모터, 미션으로 구성된다. 이 하이브리드 자동차는, 고전압 배터리시스템에 저장된 에너지를 인버터를 이용하여 모터에 전달하여 차량 시동, 가속, 엔진 고효율점 운행 등에 사용하고, 엔진에서 잉여 에너지가 발생하면 모터를 발전기로 이용하여 그 잉여 에너지를 배 터리에 저장한다.
고전압 배터리시스템은 배터리제어기를 이용하여 온도, 전압, 전류 등을 측정하고 이를 이용하여 저장가능한 에너지 양이나 모터로 전달할 수 있는 에너지량을 계산하여 하이브리드 자동차의 제어에 사용한다. 즉, 배터리제어기는 SOC(state of charge), SOH(state of health), 가용방전전력, 충전가능전력 등을 차량 제어기에 통신이나 기타 다른 방법으로 전달한다. 또한, 배터리제어기는 배터리의 사용환경을 최적화하기 위하여 온도, 전압, 전류 등을 이용하여 냉각팬 제어를 통하여 최적화된 환경으로 냉각 제어를 하고, 추가적으로 이러한 물리적인 측정량을 바탕으로 페일 세이프티(fail safety)를 제어한다.
하이브리드 자동차를 비롯하여 전기자동차나 연료전지 자동차에서 사용하는 고전압 배터리시스템은 다수의 단위전지(모듈)를 직렬로 연결하여 고전압을 만들고 이를 이용하여 높은 전력을 발생시킨다. 이때 사용되는 모듈의 개수는 필요 전력량에 따라 상이하나 일반적으로 100V 내지 400V 사이의 전압을 이용하게 된다. 또한, 사용되는 전력은 8kW 내지 60kW 사이이다. 이러한 전력을 발생하기 위하여 고전압 배터리시스템에는 수십 내지 수백 암페어(A) 정도의 전류가 흐르게 된다. 이 고전압 배터리시스템은 차량의 일반 전장과는 전기적인 절연(isolation)을 유지하여야 한다.
즉, 하이브리드 자동차의 최적화된 제어를 위해 고전압 배터리시스템의 전류를 측정하여야 하는데, 고전압 배터리시스템은 전장과의 전기적인 절연을 유지해야 하기 때문에, 고전압 배터리시스템의 전압측정방법과 전류측정방법이 복잡해지고, 이로 인해 부품가격이 상승하는 문제가 발생한다.
고전압 배터리시스템의 전류를 측정하는 종래의 방법은, 개방루프형 홀센서를 이용한 전류측정방법과, 폐쇄루프형 홀센서를 이용한 전류측정방법이 있다. 이는 각각 전류센서로서 개방루프형 홀센서 및 폐쇄루프형 홀센서를 이용하여 고전압 배터리시스템의 전류를 측정하는데, 정밀도가 높으나 홀센서가 고가인 문제점이 있다.
일반적인 전류측정방법으로서, 션트저항을 이용하여 전류를 측정하는 방법이 있다. 이 션트저항을 이용한 일반적인 전류측정방법은 가격이 저렴하나, 전기적인 절연을 할 수 없기 때문에, 하이브리드 자동차의 고전압 배터리시스템에 바로 적용할 수 없는 문제점이 있다.
이 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로서, 이 발명의 목적은 하이브리드/연료전지 자동차의 고전압 배터리시스템의 전류를 션트저항을 이용하여 측정할 수 있도록 한 자동차 고전압 배터리시스템의 전류측정장치를 제공하기 위한 것이다.
상기와 같은 목적을 이루기 위한 이 발명의 자동차 고전압 배터리시스템의 전류측정장치는, 고전압 배터리시스템에서 출력되는 전류에 비례하는 전압을 발생하여 상기 고전압 배터리시스템의 전류를 센싱하는 션트저항과, 상기 션트저항에서 센싱된 전류를 신호처리하여 검출하는 배터리제어기를 포함하고,
상기 배터리제어기는, 상호 절연된 1차측과 2차측으로 이루어지고 상기 션트저항에서 출력되는 전압을 일정 PWM(pulse width modulation) 주기로 온/오프하는 반도체스위치소자와, 상기 반도체스위치소자에서 상기 일정 PWM 주기로 온/오프되는 상기 션트저항의 출력전압을 1차측으로 입력받아 2차측으로 전달하는 변압기와, 상기 변압기의 2차측에서 출력되는 신호로부터 상기 고전압 배터리시스템의 전류를 연산하고 상기 반도체스위치소자가 상기 일정 PWM 주기로 온/오프되도록 제어하는 중앙처리장치를 포함한 것을 특징으로 한다.
이상과 같이 이 발명에 따르면 저렴한 션트저항을 이용하여 고전압 배터리시스템의 전류를 측정할 수 있기 때문에, 원가절감의 효과가 있다.
이하, 이 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 이 발명의 한 실시예에 따른 자동차 고전압 배터리시스템의 전류측정장치를 도시한 도면이다.
이 발명의 자동차 고전압 배터리시스템의 전류측정장치는 고전압 배터리시스템(미도시)의 전류를 센싱하는 션트저항(110)과, 션트저항에서 센싱된 전류를 신호처리하여 검출하는 배터리제어기(120)로 이루어진다.
션트저항(110)은 실제 전류값을 센싱하는 소자로서, 고전압 배터리시스템(미도시)에서 출력되는 전류에 비례하는 전압이 발생한다.
배터리제어기(120)는 상호 절연된 1차측과 2차측으로 이루어지고, 상기 션트저항(110)에서 출력되는 전압을 일정 PWM(pulse width modulation) 주기로 온/오프하는 반도체스위치소자(121)와, 반도체스위치소자(121)에서 일정 PWM 주기로 온/오프되는 션트저항(110)의 출력전압을 1차측으로 입력받아 2차측으로 전달하는 변압기(122)와, PWM 제어신호에 따라 반도체스위칭소자(121)를 상기 일정 PWM 주기로 온/오프하는 스위칭트랜지스터(123)와, 변압기(122)의 2차측에서 출력되는 신호를 증폭하는 신호증폭기(124a, 124b)와, 신호증폭기(124a, 124b)에서 증폭된 신호를 복조하는 신호복조기(125a, 125b)와, 신호복조기(125a, 125b)에서 출력되는 신호의 잡음을 제거하는 신호필터(126a, 126b)와, 신호필터(126a, 126b)에서 출력되는 신호로부터 고전압 배터리시스템의 전류를 연산하고 상기 PWM 제어신호를 출력하는 중앙처리장치(CPU)(127)를 포함한다.
상기 반도체스위치소자(121)는 포토모스릴레이(photomos relay) 또는 포토커플러이다. 변압기(122)는 1차측의 션트저항(110)의 고전압부와, 2차측의 배터리제어기의 저전압부를 전기적으로 절연시킨다. 변압기(122)의 2차측 상단으로는 양(+) 극성의 신호가 전달되고 2차측 하단으로는 음(-) 극성의 신호가 전달되는 바, 신호증폭기(124a)와 신호증폭기(124b), 신호복조기(125a)와 신호복조기(125b), 신호필터(126a)와 신호필터(126b)는 서로 상반된 극성의 신호를 처리한다.
도 2는 도 1의 자동차 고전압 배터리시스템의 전류측정장치의 각부 신호 파형도이다.
도 2의 (a)는 고전압 배터리시스템의 전류 파형이다. 션트저항(110)에는 도2의 (a)와 동일한 전압신호가 발생한다. 이 전압신호가 변압기(122)를 거치면 도 2의 (b)에 도시된 바와 같은 스위칭된 파형이 변압기(122)에서 발생하여 변압기(122)의 2차측으로 전달된다. 또한, 이 도 2의 (b)의 스위칭된 파형은 신호증폭기(124a, 124b)와 신호복조기(125a, 125b)를 거쳐서 도 2의 (c)에 도시된 파형이 얻어진다. 마지막으로 도 2의 (c) 파형은 신호필터(126a, 126b)에서 저역통과필터(low pass filter)되어 도 2의 (d) 파형이 얻어지며, 이 도 2의 (d) 파형이 중앙처리장치(120)의 아날로그/디지털변환기(A/D convertor)에 입력된다.
도 3은 이 발명의 다른 실시예에 따른 자동차 고전압 배터리시스템의 전류측정장치의 구성도이다.
도 3의 자동차 고전압 배터리시스템은 도 1의 자동차 고전압 배터리시스템에서 신호복조기(125a, 125b)와 신호필터(126a, 126b)를 제거하고, 나머지 구성요소들은 동일한 구성이다. 다만, 중앙처리장치(120)는 PWM 제어신호의 온/오프와 연동하여 신호증폭기(324a, 324b)에서 출력되는 신호를 읽어서 아날로그/디지털변환한다. 이렇게 하면, 신호복조기와 신호필터 없이도 동일한 효과가 얻어져서 원가를 더욱 절감할 수 있다.
도 1은 이 발명의 한 실시예에 따른 자동차 고전압 배터리시스템의 전류측정장치의 구성도,
도 2는 도 1의 전류측정장치의 각부 신호 파형도,
도 3은 이 발명의 다른 실시예에 따른 자동차 고전압 배터리시스템의 전류측정장치의 구성도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명>
110 : 션트저항 120 : 배터리제어기
121 : 반도체스위치소자 122 : 변압기
123 : 스위칭트랜지스터 124a, 124b : 신호증폭기
125a, 125b : 신호복조기 126a, 126b : 신호필터
127 : 중앙처리장치(CPU)

Claims (6)

  1. 고전압 배터리시스템에서 출력되는 전류에 비례하는 전압을 발생하여 상기 고전압 배터리시스템의 전류를 센싱하는 션트저항과, 상기 션트저항에서 센싱된 전류를 신호처리하여 검출하는 배터리제어기를 포함하고,
    상기 배터리제어기는, 상호 절연된 1차측과 2차측으로 이루어지고 상기 션트저항에서 출력되는 전압을 일정 PWM(pulse width modulation) 주기로 온/오프하는 반도체스위치소자와, 상기 반도체스위치소자에서 상기 일정 PWM 주기로 온/오프되는 상기 션트저항의 출력전압을 1차측으로 입력받아 2차측으로 전달하는 변압기와, 상기 변압기의 2차측에서 출력되는 신호로부터 상기 고전압 배터리시스템의 전류를 연산하고 상기 반도체스위치소자가 상기 일정 PWM 주기로 온/오프되도록 제어하는 중앙처리장치를 포함한 것을 특징으로 하는 자동차 고전압 배터리시스템의 전류측정장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 배터리제어기는 상기 변압기의 2차측에서 출력되는 신호를 증폭하는 신호증폭기와, 상기 신호증폭기에서 증폭된 신호를 복조하는 신호복조기와, 상기 신호복조기에서 출력되는 신호의 잡음을 제거한 후 상기 중앙처리장치에 제공하는 신호필터를 더 포함한 것을 특징으로 하는 자동차 고전압 배터리시스템의 전류측정장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 배터리제어기는 상기 변압기의 2차측에서 출력되는 신호를 증폭하여 상기 중앙처리장치에 제공하는 신호증폭기를 더 포함하고, 상기 중앙처리장치는 상기 반도체스위치소자의 온/오프에 연동하여 상기 신호증폭기에서 출력되는 신호를 읽는 것을 특징으로 하는 자동차 고전압 배터리시스템의 전류측정장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 중앙처리장치는 상기 일정 PWM 주기에 따른 PWM 제어신호를 출력하고, 상기 배터리제어기는 상기 PWM 제어신호에 따라 상기 반도체스위칭소자를 상기 일정 PWM 주기로 온/오프하는 스위칭트랜지스터를 더 포함한 것을 특징으로 하는 자동차 고전압 배터리시스템의 전류측정장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 반도체스위칭소자는 포토모스릴레이인 것을 특징으로 하는 자동차 고전압 배터리시스템의 전류측정장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 반도체스위칭소자는 포토커플러인 것을 특징으로 하는 자동차 고전압 배터리시스템의 전류측정장치.
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