KR20120074585A

KR20120074585A - 하이브리드 차량용 저전압 ｄｃ/ｄｃ 컨버터

Info

Publication number: KR20120074585A
Application number: KR1020100136467A
Authority: KR
Inventors: 최문규; 나종섭
Original assignee: 대성전기공업 주식회사
Priority date: 2010-12-28
Filing date: 2010-12-28
Publication date: 2012-07-06

Abstract

본 발명의 하이브리드 차량용 저전압 DC/DC 컨버터는상기 메인 배터리로부터 고전압의 제1 직류전압을 입력받아 필터링하는 제1 필터부 상기 필터링된 제1 직류전압을 교류전압으로 변환하는 스위칭부 상기 스위칭부로부터 교류전압을 입력받아 특정 권선비에 따라 저전압으로 강압하는 변압기 상기 변압기로부터 저전압으로 강압된 교류전압을 입력받아 제2 직류전압으로 정류하는 정류부 메인권선과 보조권선으로 구성된 리액터 및 상기 보조권선 측에 병렬로 접속된 병렬저항을 포함하며, 상기 정류된 제2 직류전압을 필터링하여 상기 차량의 전장부하에 공급하는 제2 필터부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

하이브리드 차량용 저전압 ＤＣ/ＤＣ 컨버터{LOW VOLTAGE DC/DC CONVERTER FOR HYBRID VEHICLE}

본 발명은 하이브리드 차량용 저전압 DC/DC 컨버터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 과전류 발생시 보호기능을 구비한 하이브리드 차량용 저전압 DC/DC 컨버터에 관한 것이다.

최근 연비를 개선하고 보다 환경친화적인 제품을 개발해야 한다는 시대적 요청에 부응하여 하이브리드 전기 차량에 대한 연구가 더욱 활발히 진행되고 있다.

일반적으로 넓은 의미의 하이브리드 차량은 서로 다른 두 종류 이상의 동력원을 효율적으로 조합하여 차량을 구동시키는 것을 의미하나, 대부분의 경우는 연료(가솔린 등 화석연료)의 연소에 의해 회전력을 얻는 엔진(내연기관)과 배터리의 전력으로 회전력을 얻는 전기모터에 의해 구동하는 차량을 의미하며, 이를 하이브리드 차량이라 부르고 있다.

이러한 하이브리드 차량에는 전기모터(구동모터)의 구동전력을 제공하는 메인배터리와 함께 차량 전장품의 구동전력을 제공하는 보조배터리가 탑재되고, 상기 보조배터리에는 고전압과 저전압 사이의 출력변환을 위한 저전압 DC-DC 컨버터(Low Voltage DCDC Converter, LDC, LV DCDC, 이하 LDC라 약칭함)가 연결된다.

주지된 바와 같이, 하이브리드 차량 및 연료전지 차량의 LDC는 기존 일반 차량의 알터네이터 역할을 하는 장치로, 주 기능은 12V 전장부하를 공급하고, 고전압 배터리로부터 나오는 고전압 직류전압을 저전압 직류전압으로 변환하여 보조배터리를 충전하는 역할을 한다.

따라서, 보조배터리 충전장치인 LDC에 고장이 발생할 경우, 즉 보조배터리의 충전이 안 될 경우, 보조배터리 방전 후 차량 운행이 불가해지게 된다.

또한 하이브리드 및 연료전지 차량 운행 중 LDC 내부 하드웨어 고장이 발생할 경우, 보조배터리의 충전이 불가해지면서, 보조배터리에서만 전장부하를 공급하게 되고, 보조배터리는 수 분내 방전을 유발하게 된다.

운행 중에 LDC의 고장과 더불어 보조배터리의 방전이 발생하는 경우에 운전자 안전상 위험한 경우가 발생하는 바, 이에 LDC의 고장 진단을 수행하고 고장 상황 발생을 즉시 인지할 수 있는 방안이 필요하다.

도1은 기존의 하이브리드 차량에 적용되어지는 컨버터 회로도(1)이다. 우선 메인 배터리의 높은 전압을 입력 받는 DC 전압 입력부(2)가 있으며 그 인가된 DC 전압은 EMI 필터부(3), 그리고 L-C 필터단(4)을 거치게 된다. 이렇게 L-C단(4)을 거쳐 필터링 된 전압은 풀-브리지(Full-Bridge) 스위칭부(5)를 통해 위상천이(Phase-Shift)되는 AC 형태의 전압으로 바뀌어지게 된다. 이렇게 변이된 전압은 특정 권선비를 가지는 강압용 변압기(6)를 통하여 다운되고 변압기 후단의 다이오드를 가지는 정류부(7), L-C 필터단(8)을 거쳐 차량용 배터리(9)에 적합한 전압으로 변환된다.

여기에서 제어를 위해 사용되는 전류 센싱단(미도시)은 통상적으로 저전류용 단순 ACCT, DCCT나 센싱용 IC에 의하여 측정되어 제어하고 있으며 과전류 발생시 CT의 샘플링 시간과 센싱용 IC의 딜레이가 있으므로 조금 더 민감한 센싱용 보호회로가 필요한 실정이다.

종래의 LDC는 일반적인 전압, 전류의 상시적인 센싱에 의해 이루어지므로 LDC의 부하인 배터리의 탈부착과 같은 이벤트성의 과전류 발생시 전류 센싱부의 지연시간으로 인하여 즉각적인 보호동작이 이루어 지지 않을 수 있다. 또한 고가의 추가적인 전류 센싱 IC 및 코어를 삽입함으로 가격 상승요인을 초래하게 된다.

이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로, 본 발명의 목적은 과도한 부하전류 또는 부하 단락 시에 보다 신속하게 차단함으로써 과도한 부하전류나 부하단락에 의해 발생하는 회로 내의 부품파괴 및 파손, 이로 인한 과열, 화재위험으로부터 회로 및 인명을 보호할 수 있는 하이브리드 차량용 저전압 DC/DC 컨버터를 제공하는 것이다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 하이브리드 차량용 저전압 DC/DC 컨버터는상기 메인 배터리로부터 고전압의 제1 직류전압을 입력받아 필터링하는 제1 필터부 상기 필터링된 제1 직류전압을 교류전압으로 변환하는 스위칭부 상기 스위칭부로부터 교류전압을 입력받아 특정 권선비에 따라 저전압으로 강압하는 변압기 상기 변압기로부터 저전압으로 강압된 교류전압을 입력받아 제2 직류전압으로 정류하는 정류부 메인권선과 보조권선으로 구성된 리액터 및 상기 보조권선 측에 병렬로 접속된 병렬저항을 포함하며, 상기 정류된 제2 직류전압을 필터링하여 상기 차량의 전장부하에 공급하는 제2 필터부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에 있어서, 상기 제2 LC필터부의 병렬저항에 의해 분압된 양단 전압을 측정하여 기준치 이상인 경우 이상상태로 판별하는 과전류 검지부를 더 포함할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 제1 필터부는 인덕터와 캐패시터로 구성된 LC필터와 전자파 차폐를 위한 EMI필터를 포함할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 스위칭부는 상기 제1 직류전압이 풀-브리지 회로를 통해 위상천이되는 풀-브리지 스위칭부인 것이 바람직하다.

일 실시예에 있어서, 상기 정류부는 다이오드로 구성될 수 있다.

이와 같은 하이브리드 차량용 저전압 DC/DC 컨버터에 따르면, 배터리 부하에서의 과전류 발생시 신속한 검지 및 그에 따른 차단 및 에너지 저감에 의하여 배터리뿐만 아니라 이에 연계되어 있는 다른 전장 부하 장치들의 특성 및 구동 상태 저하현상을 방지하고, 방전회로를 이용하여 과전류에 의해 순간적으로 상승된 에너지를 신속하게 줄여줌으로써 전체 시스템의 안정화를 구현할 수 있다.

또한 LDC의 과전류 발생시 후단의 리액터 보조권선에 유도된 전압의 미분값을 그대로 인가받아 전압변화를 보이는 병렬 저항의 양단전압을 측정하여 CPU 내부에서 가변가능한 지정된 기준치 이상을 과전류로 판단함으로써 이상발생의 검지에 따른 지연 시간을 단축하게 되고 그에 따라 부하 단으로의 전달에너지를 감소시키기 위한 제어동작을 신속하게 수행 할 수 있게 된다.

도 1은 종래기술에 따른 하이브리드 차량용 저전압 DC/DC 컨버터의 회로도이다.
도 2는 본 발명에 따른 하이브리드 차량용 저전압 DC/DC 컨버터의 개략적인 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 차량용 저전압 DC/DC 컨버터의 회로도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "이루어진다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.

도 2는 본 발명에 따른 하이브리드 차량용 저전압 DC/DC 컨버터의 개략적인 구성도이고, 도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 차량용 저전압 DC/DC 컨버터의 회로도이다.

도 2와 도 3을 참조하여, 본 발명에 따른 하이브리드 차량용 저전압 DC/DC 컨버터(100)는 제1 필터부(20), 스위칭부(30), 변압기(40), 정류부(50), 제2 필터부(60)를 포함한다.

하이브리드 차량용 저전압 DC/DC 컨버터(100)는 메인 배터리(10)와 차량의 전장부하(70) 사이에 구비되며, 전장부하(70)는 12V 내지 14V의 보조배터리를 포함할 수 있다. 메인 배터리(10)는 고전압 배터리로서, 하이브리드 차량에서 전기모터(구동모터)의 구동전력을 제공한다. 차량 전장부하(70)로서 보조배터리는 저전압 배터리이고, 차량 전장품의 구동전력을 제공한다. 여기서, 차량 전장품은 차량의 실내등 및 계기판 조명 등의 램프를 포함하고, 히터 및 에어컨을 포함할 수 있다.

본 발명에 도시되지는 않았으나, 하이브리드 차량에는 차량 제어기(Hybrid Control Unit, HCU)가 탑재되는 것이 일반적이며, HCU는 각 제어기들의 구동 제어 및 하이브리드 운전모드 설정, 그리고 차량 전반의 제어를 담당하는 최상위 제어기로서, 상기한 각 제어기들이 최상위 제어기인 HCU를 중심으로 고속 CAN 통신라인으로 연결되어, 제어기들 상호 간에 정보를 주고받으면서 상위 제어기는 하위 제어기에 명령을 전달하도록 되어 있다.

제1 필터부(20)는 메인 배터리로(10)부터 고전압의 제1 직류전압을 입력받아 필터링한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 필터부(20)는 전자파 차폐를 위한 EMI필터(21)와 인덕터와 캐패시터로 구성된 LC필터(25)를 포함할 수 있다.

스위칭부(30)는 제1 필터부(20)에서 필터링된 제1 직류전압을 교류전압으로 변환한다. 스위칭부(30)는 상기 제1 직류전압이 풀-브리지 회로를 통해 위상천이되는 풀-브리지 스위칭부(31)로 구성되는 것이 바람직하다. 풀-브리지 스위칭부(31)는 제1 내지 제4 트랜지스터를 구비할 수 있다.

변압기(40)는 스위칭부(30)로부터 교류전압을 입력받아 특정 권선비에 따라 저전압으로 강압한다.

정류부(50)는 변압기(40)로부터 저전압으로 강압된 교류전압을 입력받아 제2 직류전압으로 정류한다. 정류부(50)는 다이오드로 구성될 수 있다.

제2 필터부(60)는 메인권선(61)과 보조권선(63)으로 구성된 리액터(L) 및 보조권선(63) 측에 병렬로 접속된 병렬저항(65)을 포함하며, 정류부(50)에서 정류된 제2 직류전압을 필터링하여 차량의 전장부하(70)에 공급한다. 메인권선(61)과 보조권선(63)으로 구성된 리액터(L)는 캐패시터(C)와 함께 LC필터의 역할을 하며, 보조권선(63) 측에 병렬로 접속된 병렬저항(65)은 보조권선(63)을 통해 유도된 에너지를 소모시킨다.

도 3을 참조하여 전체적인 회로 동작을 살펴보면, 메인 배터리로부터 인가된 고전압은 EMI 필터부(21)와 제1 LC 필터부(25)를 통해 입력 받게 되고 이 전압은 풀-브리지로 구성된 스위치(31)를 통해 AC전압의 형태로 변환시켜주게 된다. 이 변환된 전압은 특정 권선비를 가지는 강압용 변압기(40)를 통해 다운되고, 이어서 다이오드를 통한 정류부(50)와 제2 LC 필터부(60)를 통해 전장장치 공급용 배터리에 전압을 인가하게 된다.

이 때, 상기 제2 LC필터부(60)의 리액터(L)는 부하단에서의 과전류 발생시 제2 LC필터부(60)에 축적된 에너지가 일시에 부하단으로 급격히 전달되는 것을 방지하고 과전류의 빠른 검지를 위해 메인권선(61)과 보조권선(63)으로 나누어 구성하며, 상기 보조권선(63) 측에는 보조권선(63)을 통해 유도된 에너지를 소모시키는 병렬저항(65)이 접속된다.

이때, 상기 리액터(L)에 걸리는 전압(V_L)을 표시하면 아래와 같다.

한편, 본 발명에 따른 하이브리드 차량용 저전압 DC/DC 컨버터(100)는 제2 LC필터부(60)의 병렬저항(65)에 의해 분압된 양단 전압을 측정하여 기준치 이상인 경우 이상상태로 판별하는 과전류 검지부(67)를 더 포함할 수 있는데, 상기 과전류 검지부(67)는 제2 필터부(60)에 포함될 수 있다.

과전류 검지부(67)는 부하단으로부터의 과전류 발생시 L-C필터 단의 리액터(L) 양단에는 전류의 급격한 변화량에 따라 전압이 유도되게 되고 이 전압은 펄스형태로의 과전류 변화량을 나타내게 되어 저항양단에 인가됨으로써 전압형태로의 전류값을 측정할 수 있게 된다.

그리고 상기 리액터(L)로 인가된 전류 미분값의 과전류는 리액터(L) 보조권선(63)으로 통해 일부가 유도된 이후 병렬로 접속된 저항(65)에 그대로 인가됨으로써

만큼의 에너지가 저항으로 소모되어 리액터(L)의 전류 상승 크기는 줄어들게 된다.

예컨대, 부하단으로부터 과전류가 발생하면, 상기 제2 LC필터부(60)의 리액터(L) 양단에는 캐패시터(C)의 축적된 전압이 인가되어 전류가 급격히 상승하게 되고, 상기 리액터(L)의 메인권선(61)에 걸리는 전압이 급격히 증가 된다. 이어서, 상기 리액터(L)의 보조권선(63) 측으로는 급격한 상승을 보이는 펄스 형태의 전압 시그널이 유도되고, 상기 병렬저항(65)에 상기 보조권선(63)에 유도된 전류가 그대로 인가되어 상기 병렬저항(63)에 걸리는 전압이 변화된다.

따라서, 상기 과전류 검지부(67)는 상기 병렬저항(65)의 양단 전압을 측정하여 그 측정되는 전압이 변화되어 설정된 기준값 이상으로 검지될 경우 이를 이상상태로 판별하게 된다.

한편, 상기 리액터(L)로 인가된 급상승 전류는 상기 리액터(L)의 보조권선(63)을 통해 일부가 유도된 후 상기 병렬저항(65)에 그대로 인가됨으로써, 그 만큼의 에너지가 저항으로 소모되어 상기 리액터(L)의 전류 상승 크기는 줄어들게 된다.

이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100: 하이브리드 차량용 저전압 DC/DC 컨버터
10: 메인 배터리 20: 제1 필터부
30: 스위칭부 40: 변압기
50: 정류부 60: 제2 필터부
70: 차량 전장부하

Claims

메인 배터리와 차량의 전장부하 사이에 구비되는 하이브리드 차량용 저전압 DC/DC 컨버터에 있어서,
상기 메인 배터리로부터 고전압의 제1 직류전압을 입력받아 필터링하는 제1 필터부
상기 필터링된 제1 직류전압을 교류전압으로 변환하는 스위칭부
상기 스위칭부로부터 교류전압을 입력받아 특정 권선비에 따라 저전압으로 강압하는 변압기
상기 변압기로부터 저전압으로 강압된 교류전압을 입력받아 제2 직류전압으로 정류하는 정류부
메인권선과 보조권선으로 구성된 리액터 및 상기 보조권선 측에 병렬로 접속된 병렬저항을 포함하며, 상기 정류된 제2 직류전압을 필터링하여 상기 차량의 전장부하에 공급하는 제2 필터부를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량용 저전압 DC/DC 컨버터.
제1 항에 있어서,
상기 제2 LC필터부의 병렬저항에 의해 분압된 양단 전압을 측정하여 기준치 이상인 경우 이상상태로 판별하는 과전류 검지부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량용 저전압 DC/DC 컨버터.
제1 항에 있어서,
상기 제1 필터부는 인덕터와 캐패시터로 구성된 LC필터와 전자파 차폐를 위한 EMI필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량용 저전압 DC/DC 컨버터.
제1 항에 있어서,
상기 스위칭부는 상기 제1 직류전압이 풀-브리지 회로를 통해 위상천이되는 풀-브리지 스위칭부인 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량용 저전압 DC/DC 컨버터.
제1 항에 있어서,
상기 정류부는 다이오드로 구성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량용 저전압 DC/DC 컨버터.