KR20140095321A

KR20140095321A - 전기 자동차

Info

Publication number: KR20140095321A
Application number: KR1020130008161A
Authority: KR
Inventors: 최강진
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2013-01-24
Filing date: 2013-01-24
Publication date: 2014-08-01

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 전기자동차는 배터리 팩으로부터 출력되는 고 전압을 저 전압으로 변환하여 출력하는 고전압 측정회로, 고전압 측정회로로부터 출력된 값을 측정하는 전압 측정부, 전압 측정부에서 출력된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 컨버터와 A/D 컨버터로부터 출력된 전압 값에 기초하여 배터리 팩의 고 전압 값을 산출하는 측정 제어부를 포함한다. 이에 따라, 적은 수의 부품으로도 고 전압을 안정적으로 측정할 수 있다.

Description

전기 자동차{ELECTRONIC VEHECLE}

본 발명은 전기 자동차에 관한 것으로, 특히 배터리로부터 인가되는 고 전압을 측정하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

전기자동차(Electric vehicle; EV)는 미래의 자동차 공해 및 에너지 문제를 해결할 수 있는 가장 가능성 큰 대안이라는 점에서 연구가 활발하게 진행되고 있다.

이러한 전기자동차는 주로 배터리의 전원을 이용하여 AC 또는 DC 모터를 구동하여 동력을 얻는 자동차로서, 크게 배터리전용 전기자동차와 하이브리드 전기자동차로 분류된다. 상기 배터리전용 전기자동차는 배터리의 전원을 이용하여 모터를 구동하고 전원이 다 소모되면 재충전하는 방식에 의해 구동하여 차를 움직이게 할 수 있고, 상기 하이브리드 전기자동차는 엔진을 가동하여 전기발전을 통해 배터리에 충전을 하고 이 전기를 이용하여 전기모터를 구동하여 차를 움직이게 할 수 있다.

또한, 하이브리드 전기자동차는 직렬 방식과 병렬 방식으로 분류될 수 있으며, 직렬 방식은 엔진에서 출력되는 기계적 에너지는 발전기를 통하여 전기적 에너지로 바뀌고 이 전기적 에너지가 배터리나 모터로 공급되어 차량은 항상 모터로 구동되는 자동차로 기존의 전기자동차에 주행거리의 증대를 위하여 엔진과 발전기를 추가시킨 개념이고, 병렬 방식은 배터리 전원으로도 차를 움직이게 할 수 있고 엔진(가솔린 또는 디젤)만으로도 차량을 구동시키는 두 가지 동력원을 사용하고 주행조건에 따라 엔진과 모터가 동시에 차량을 구동할 수도 있는 개념이다.

또한, 최근 모터/제어기술도 점점 발달하여 고출력, 소형이면서 효율이 높은 시스템이 개발되고 있다. DC모터를 AC모터로 변환함에 따라 출력과 EV의 동력성능(가속성능, 최고속도)이 크게 향상되어 가솔린차에 비하여 손색없는 수준에 도달하였다. 고 출력화를 추진하면서 고 회전함에 따라 모터가 경량/소형화되어 탑재 중량이나 용적도 많이 감소하였다.

이러한 전기자동차는 배터리 팩 및 배터리 관리 시스템(Battery Management System, 이하 "BMS"라 칭함)을 포함하며, 상기 배터리 팩은 고 전압의 전기에너지를 저장하는 역할을 수행하고, 상기 BMS는 배터리 팩의 잔여용량, 충전 필요성을 판단하고 배터리에 저장된 충전전류를 전기자동차의 각 부로 공급하는데 따른 관리를 수행한다. 이때, 상기 BMS는 전기자동차로 안정적인 전원 공급을 인가하기 위해 상기 배터리 팩 내부에 저장된 고 전압을 주기적으로 측정할 필요가 있다.

본 발명은 상대적으로 작은 부품만으로 고 전압을 안정적으로 측정하는 방법을 제안한다.

본 발명의 실시예에 따른 전기자동차는 배터리 팩으로부터 출력되는 고 전압을 저 전압으로 변환하여 출력하는 고전압 측정회로, 고전압 측정회로로부터 출력된 값을 측정하는 전압 측정부, 전압 측정부에서 출력된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 컨버터와 A/D 컨버터로부터 출력된 전압 값에 기초하여 배터리 팩의 고 전압 값을 산출하는 측정 제어부를 포함한다.

본 발명에 따르면, 적은 수의 부품으로도 고 전압을 안정적으로 측정할 수 있다.

도 1은 종래 고 전압 측정회로의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전기자동차의 내부 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 고 전압 측정회로의 구성도를 나타낸 블럭도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 고 전압 측정회로의 구성도이다.

이하, 본 발명에 따른 자동차의 실시예로서 전기를 동력으로 움직이는 전기자동차(EV, Electric Vehicle, 이하, '자동차'라 칭함)에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 종래 고 전압 측정회로의 구성도의 일예이다.

도 1을 참조하면, 종래 고 전압 측정회로 중 하나는 직류 고전압을 센싱할 수 있도록 저전압으로 생성시켜주는 저항부(110)와, 상기 저항부(110)의 생성된 저전압을 입력받아 주파수로 변환시키는 V/F(Voltage/Frequency) 변환부(120)와, 상기 V/F 변환부(120)의 전압을 입력받아 격리(isolation)시키는 포토 커플러(130)와, 상기 포토커플러(130)에 의해 격리(isolation)된 주파수를 입력받아 전압으로 변환시키는 F/V(Frequency/Voltage) 변환부(140)로 구성된다.

저항부(110)는 약 150V의 직류(DC) 레벨을 일반적인 IC 소자가 인식할 수 있는 10V 레벨의 전압으로 저항을 분리하고, V/F 변환부(120)는 상기 저항부(110)의 10V 레벨의 전압을 주파수로 변환하며, 포토커플러(130)는 회로의 격리(isolation)를 위해 감시전압과 센싱전압을 격리(isolation)시키고, F/V변환부(140)는 상기 포토커플러(130)를 통해 격리(isolation)된 주파수를 다시 전압으로 변환시킨다.

한편, 이러한 종래 고전압 측정 회로에서는, 전기차 배터리 등의 고전압을 저전압으로 낮출 경우 각 저항의 한계전압 때문에 직렬로 수많은 저항을 적용해야 하는 문제가 발생할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전기자동차의 내부 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전기자동차의 내부 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 전기자동차는, 제어부(210), 센서부(230), 인터페이스부(240), 모터 제어부(Motor Control Unit, MCU)(250), 전원부(260), PRA(270), 배터리 관리 시스템(280) 및, 배터리 팩(290)을 포함할 수 있다.

전기자동차는 적어도 하나의 배터리를 포함하는 배터리 팩(290)을 구비하여 동작하며, 소정의 충전소 또는 차량 충전설비 또는 가정에서 외부로부터 전원을 공급받아 상기 배터리 팩(290)을 충전한다.

BMS(280)는 배터리 팩(290)의 잔여용량, 충전 필요성을 판단하고, 배터리에 저장된 충전전류를 전기자동차의 각 부로 공급하는데 따른 관리를 수행한다. 이때, BMS(280)는 배터리를 충전하고 사용할 때, 배터리 내의 셀 간의 전압 차를 고르게 유지하여, 배터리가 과충전되거나 과방전되지 않도록 제어함으로써 배터리의 수명을 연장한다. 또한, BMS(280)는 전류사용에 대한 관리를 통해 차량이 장시간 주행할 수 있도록 하고, 공급되는 전류에 대한 보호 회로를 포함한다.

배터리 팩(290)은 복수의 배터리로 구성되며, 고 전압의 전기에너지를 저장한다.

전원부(260)는 충전소와의 연결을 위한 연결단자 또는 연결회로를 포함하고, 외부 전원 연결 시 BMS(280)의 관리하에 충전전류를 배터리 팩(290)에 인가하여 배터리가 충전되도록 한다. 또한, 전원부(260)는 배터리 팩(290)에 충전된 동작 전원을 차량의 각 부에서 사용할 수 있는 전원으로 변경하여 공급할 수 있다.

센서부(230)는 차량 주행, 또는 소정 동작 중에 발생하는 신호를 감지하여 입력하고 이를 제어부(210)로 입력한다. 센서부(230)는 차량 내부 및 외부에 복수의 센서를 포함하여 다양한 감지신호를 입력한다. 이때 설치되는 위치에 따라 센서의 종류 또한 상이할 수 있다.

인터페이스부(240)는 운전자의 조작에 의해 소정의 신호를 입력하는 입력수단과, 전기 자동차의 현 상태 동작 중 정보를 출력하는 출력수단, 그리고 운전자에 의해 조작되어 차량을 제어하는 조작수단을 포함한다. 이때, 출력수단은 정보를 표시하는 디스플레이부, 음악, 효과음 및 경고음을 출력하는 스피커 그리고 각종 상태 등을 포함한다. 그리고, 입력수단은 차량 주행에 따름 방향 지시등, 테일 램프, 헤드램프, 브러시 등의 동작을 위한 복수의 스위치, 버튼 등을 포함한다.

또한, 인터페이스부(240)는 스티어링 휠, 엑셀레이터, 브레이크와 같은 운전을 위한 조작수단을 포함한다.

MCU(250)는 연결된 적어도 하나의 모터를 구동하기 위한 제어신호를 생성하는데 모터제어를 위한 소정의 신호를 생성하여 인가한다. 또한 고 전압의 전원이 모터 특성에 맞게 변경되어 공급되도록 한다.

PRA(Power Relay Assembly)(270)는 고 전압을 스위칭하기 위한 복수의 릴레이와 센서를 포함하여, 배터리 팩(290)으로부터 인가되는 고 전압의 동작 전원을 특정 위치로 인가하거나 차단한다. 특히 PRA(270)는 차량 시동 시, 고 전압의 동작 전원이 갑자기 공급되지 않도록 순차적으로 릴레이를 제어하여 차량에 안정적으로 전원이 공급되도록 한다.

제어부(210)는 인터페이스부(240) 및 센서부(230)의 입력에 대응하여 설정된 동작이 수행되도록 소정의 명령을 생성하여 인가하여 제어하고, 데이터의 입출력을 제어하여 전기자동차의 동작상태가 표시되도록 한다.

또한, 제어부(210)는 BMS(280)를 통해 배터리 팩(290)을 관리하고, PRA(270)로 스위칭 신호를 인가하여 차량의 시동제어를 수행하고, 특정 위치(부품)로의 전원 공급을 제어한다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 고 전압 측정회로의 구성도를 나타낸 블럭도이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 고 전압 측정회로의 구성도이다.

전기자동차에서는 기존 가솔린 차와 다르게 배터리(Li-ion 등)를 직렬로 연결하여 높은 전압을 통한 구동을 목표로 한다. 따라서, 차량 제어모듈은 현재의 배터리 상태를 파악하기 위해 고전압 센싱(High Voltage sensing)이 필요하게 된다.

도면들을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 전기자동차는 배터리 팩(290)으로부터 출력되는 고 전압을 저 전압으로 변환하여 출력하는 고전압 측정회로(310), 상기 고전압 측정회로(310)로부터 출력된 값을 측정하는 전압 측정부(320), 상기 전압 측정부(320)에서 출력된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 컨버터(330) 및 상기 A/D 컨버터(330)로부터 출력된 전압 값에 기초하여 상기 배터리 팩의 고 전압 값을 산출하는 측정 제어부(340)를 포함할 수 있다.

실시예에 따라서는, 상기 고 전압 측정회로(310), 전압 측정부(320), A/D 컨버터(330), 측정 제어부(340)는 배터리 팩(290)과 연결되어 BMS(280) 내부에 설치될 수 있다.

한편, 상기 고전압 측정회로(310)는, 적어도 2개의 저항 소자와 적어도 2개의 연산 증폭기(op amp)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 6개의 저항 소자(R1, R2, R3, R4, R5, R6)와 2개의 연산 증폭기(OP1, OP2)를 포함할 수 있다.

상기 고전압 측정회로(310)는 회로 소자를 이용하여 인가되는 전압을 분배할 수 있고, 배터리 팩(290)으로부터 인가되는 고 전압을 저 전압으로 변환하여 전압 측정부(320), A/D 컨버터(330)로 제공할 수 있다.

전압 측정부(320)는 상기 저 전압 생성부(310)로부터 출력된 저 전압 값을 측정한다.

A/D 컨버터(330)는 전압 측정부(320)로부터 출력된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한다. 즉, 상기 A/D 컨버터(330)는 아날로그 전압 값을 디지털 전압 값으로 변환한다. 한편, 도면에 도시되고 있지 않지만, 상기 전압 측정부(320)와 A/D 컨버터(330) 사이에 신호 처리부(미도시)가 추가적으로 포함될 수 있다. 이때, 상기 신호 처리부는 상기 전압 측정부(320)로부터 출력된 아날로그 신호에 소정의 신호 처리를 수행한 후 상기 A/D 컨버터(330)로 제공할 수 있다.

측정 제어부(340)는 고 전압 측정회로(310)의 전반적인 동작을 제어할 수 있고, 상기 A/D 컨버터(330)로부터 출력된 전압 값에 기초하여 상기 배터리 팩(290)의 고 전압 값을 산출할 수 있다. 측정 제어부(340)는 회로 구성에 따라 전압 분배 법칙을 적용하여 전압값을 산출할 수 있다.

한편, 상기 고 전압 측정회로(310)에 포함되는 저항 소자들은 고내압 저항(High voltage resistor) 소자일 수 있다. 전기차 배터리(ex. 400V)와 제어모듈 사이에 고내압 저항 소자를 이용한 고전압 측정 회로(High voltage sensing circuit)를 구성함으로써, 종래의 방식보다 적은 공간에 회로 구성이 가능하며 제조비 감소, 부품 수의 감소로 인한 Fail 발생률 또한 줄일 수 있다.

한편, 상기 연산 증폭기는 전압 팔로워(voltage follower)로 동작하도록 구성죌 수 있다. Rail to Rail 전압 팔로워(voltage follower)로 동작하도록 연산 증폭기를 아용하여 회로를 구성함으로써, 입력 전압 대비 출력 전압의 범위(Range)를 보다 넓게 가져 갈 수 있으며 전류 증폭을 통해 측정 제어부(340)에서 보다 정밀한 센싱(sensing)이 가능하다. 이에 도시된 바와 같이 입력신호(Vin)가 연산 증폭기(OP)의 비반전 입력단자(+)로 입력되게 연결하고,

연산 증폭기(OP)의 출력신호는 연산 증폭기(OP)의 반전 입력단자(-)로 부궤환되게 연결하고 있다.

상기 전압 팔로워는, 입력단에 연산 증폭기(OP)를 사용하여 입력전압과 출력전압의 차이를 검출하고, 이 검출한 차이 전압에 따라 동작하여 입력전압과 출력전압이 동일하게 되도록 한다. 전압 팔로워는 입력단의 트랜지스터의 구성에 따라 PMOS형 전압 팔로워 및 NMOS형 전압 팔로워로 구분된다.

상기 고전압 측정회로(310)는, 상기 배터리 팩(290)의 고 전압 (+) 단자와 연결되는 제1 선로 상에 적어도 하나의 저항 소자와, 하나의 전류 증폭기가 각각 직렬로 연결되고, 상기 배터리 팩의 고 전압 (-) 단자와 연결되는 제2 선로 상에 적어도 하나의 저항 소자와, 하나의 전류 증폭기가 각각 직렬로 연결될 수 있고, 상기 제1 선로의 전류 증폭기에는 0V의 레퍼런스 전압(V_REF1)이 인가되고, 상기 제2 선로의 전류 증폭기에는 5V의 레퍼런스 전압(V_REF2)이 인가될 수 있다. 제어모듈로부터 인가되는 5V, 0V 레퍼런스(reference) 전압는 센싱 회로의 전압 레벨을 맞추기 위해 전압 팔로워(voltage followe)로 인가한다.

상기 고전압 측정회로(310)는, 상기 배터리 팩(290)의 고 전압 (+),(-) 단자 (이하 HV+,-)와 연결되는 입력부와 고내압 저항소자(R1, R2, R3, R4, R5, R6)와 전압 팔로워(voltage follower) 역할을 수행하는 연산 증폭기(OP1, OP2), 출력부 HV+_Sense_out, HV-_Sense_out으로 구성될 수 있다.

HV+,- 로부터는 전기차 구동에 필요한 300~500V 배터리 고전압이 인가된다.

이것을 직접적으로 측정 제어부(340)에서 센싱(sensing)할 수 없기 때문에 저상 소자들을 통하여 전압이 분배되도록 구성함으로써, 측정 제어부(340)에서 센싱(sensing)이 가능하도록 저 전압으로 낮추어 준다.

예를 들어, 도 3의 회로 구성에서는 R1, R4는 10Mohm, R2, R5는 5Mohm, R3, R6는 150kohm으로 구성될 수 있다.

이때 저항을 통해 HV와 분배된 저전압 간 격리(Isolation) 효과도 갖추게 된다. 예를 들어, 도 3의 회로 구성에서는 15Mohm의 격리(isolation) 효과를 갖출 수 있다.

전압 팔로워(Voltage follower)로 사용되는 Op-amp는 입력 임피던스가 무한대에 가깝고, 출력 임피던스는 0에 가까우므로 전압 팔로워가 없이 측정 제어부(340) 다른 구성 요소로 직접 입력하는 것에 비해 정확한 값을 전달할 수 있도록 한다.

본 발명에서는 위에서 고압 저항(High voltage resistor)를 사용하여 기존에 비해 저항의 개수를 줄일 수 있으며 전압 팔로워(Voltage follower)를 통해 전류를 증폭, 제어모듈의 보다 정밀한 센싱(sensing)이 가능하도록 한다.

제어모듈(320, 330, 340)은 도 3과 같이 BNS(280)의 일부로써 구성될 수 있다. 또는, 제어모듈(320, 330, 340) 중 적어도 일부는 전기차의 기능을 통합 제어하는 상위 제어부(210)에 포함될 수 있다.

본 발명에서의 제어모듈(320, 330, 340)은 0~5V의 아날로그 입력(Analog input)을 통해(도 4에서 HV+_Sense_out, HV-_Sense_out port) 배터리 전압을 감지하는 동작을 수행할 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 제어 방법은 전기 자동차에 구비된 프로세서가 읽을 수 있는 기록매체에 프로세서가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 프로세서가 읽을 수 있는 기록매체는 프로세서에 의해 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 프로세서가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 인터넷을 통한 전송 등과 같은 캐리어 웨이브의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한 프로세서가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 프로세서가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.

또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

310: 고 전압 측정회로
320: 전압 측정부
330: A/D 컨버터
340: 측정 제어부

Claims

배터리 팩으로부터 출력되는 고 전압을 저 전압으로 변환하여 출력하는 고전압 측정회로;
상기 고전압 측정회로로부터 출력된 값을 측정하는 전압 측정부;
상기 전압 측정부에서 출력된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 컨버터; 및
상기 A/D 컨버터로부터 출력된 전압 값에 기초하여 상기 배터리 팩의 고 전압 값을 산출하는 측정 제어부;를 포함하는 전기자동차.
제1항에 있어서,
상기 고전압 측정회로는, 적어도 2개의 저항 소자와 적어도 2개의 연산 증폭기(op amp)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차.
제2항에 있어서,
상기 저항 소자는 고내압 저항(High voltage resistor) 소자인 것을 특징으로 하는 전기자동차.
제2항에 있어서,
상기 연산 증폭기는 전압 팔로워(voltage follower)로 동작하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전기자동차.
제2항에 있어서,
상기 고전압 측정회로는,
상기 배터리 팩의 고 전압 (+) 단자와 연결되는 제1 선로 상에 적어도 하나의 저항 소자와, 하나의 전류 증폭기가 각각 직렬로 연결되고, 상기 배터리 팩의 고 전압 (-) 단자와 연결되는 제2 선로 상에 적어도 하나의 저항 소자와, 하나의 전류 증폭기가 각각 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 전기자동차.
제5항에 있어서,
상기 제1 선로의 전류 증폭기에는 0V의 레퍼런스 전압이 인가되고, 상기 제2 선로의 전류 증폭기에는 5V의 레퍼런스 전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 전기자동차.