KR20140095781A - 전기 자동차의 고 전압 측정장치 - Google Patents

전기 자동차의 고 전압 측정장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배터리 팩으로부터 인가되는 고 전압을 안정적으로 측정하기 위한 고 전압 측정장치에 관한 것으로, 배터리 팩의 (+) 단자와 (-) 단자 사이에 직렬로 연결되어 폐 회로(Closed Circuit)를 구성하는 저항소자; 상기 폐 회로 상에 흐르는 전류 값을 측정하는 전류센서; 상기 전류센서에서 출력된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 컨버터; 및 상기 A/D 컨버터에서 출력된 전류 값과 상기 저항 소자의 저항 값을 이용하여 상기 배터리 팩의 고 전압을 안정적으로 측정하는 전압 측정부를 포함한다.

Description

전기 자동차의 고 전압 측정장치{AN APPARATUS FOR MEASURING A HIGH VOLTAGE OF ELECTRONIC VEHECLE}
본 발명은 전기 자동차에 관한 것으로, 특히 배터리 팩으로부터 인가되는 고 전압을 안정적으로 측정하기 위한 고 전압 측정장치에 관한 것이다.
전기자동차(Electric vehicle; EV)는 미래의 자동차 공해 및 에너지 문제를 해결할 수 있는 가장 가능성 높은 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 가솔린 차에 비하여 손색없는 수준에 도달하였다. 고출력화를 추진하면서 고 회전함에 따라 모터가 경량/소형화되어 탑재중량이나 용적도 크게 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. 이에 따라, 종래 BMS는 전압 분배 방식과 캐패시터 충전 방식 중 어느 하나를 이용하여 배터리 팩의 전압을 측정하며, 이에 대해 간단히 설명하면 아래와 같다.
도 1은 전압 분배 방식을 이용한 기존의 고 전압 측정회로를 간략히 도시한다.
도 1을 참조하면, 종래의 고 전압 측정회로는 배터리 팩의 고 전압을 R1과 R2의 저항 소자로 전압 분배하여 저 전압을 형성하고, 상기 형성된 저 전압을 측정한다. 이후, 상기 고 전압 측정회로는 상기 측정한 저 전압 값을 R1과 R2의 비로 다시 환산하여 상기 배터리 팩의 고 전압을 측정한다.
그런데, 이러한 방식의 고 전압 측정회로는 배터리 팩의 고 전압 (-) 단자와 BMS의 접지(ground)가 공유되어 있어야 한다. 따라서, 상기 BMS는 상기 배터리 팩의 고 전압에 의한 영향을 받아 해당 시스템의 안정적인 동작이 어려운 문제점이 있다.
한편, 도 2는 캐패시터 충전 방식을 이용한 기존의 고 전압 측정회로를 간략히 도시한다.
도 2를 참조하면, 종래의 고 전압 측정회로는, 측정 제어부의 제어에 따라, 제1 스위치 내지 제4 스위치를 ??상태로 하고, 제5 스위치 및 제6 스위치를 ?의?상태로 하여 제2 저항 소자(R2) 상에 분배된 저 전압을 콘덴서(C) 양단에 충전한 다음, 상기 제1 스위치 내지 제4 스위치를 ?의?상태로 하고, 상기 제5 스위치 및 제6 스위치를 ??상태로 하여 상기 콘덴서에 충전된 저 전압을 측정한다. 이후, 상기 고 전압 측정회로는 상기 측정한 저 전압 값을 R1, R2, R3의 비로 다시 환산하여 상기 배터리 팩의 고 전압을 측정한다.
그런데, 이러한 방식의 고 전압 측정회로는 스위칭 제어를 위해 추가적인 로직 회로가 추가되어야 하고, 스위칭 제어 및 충전 시간으로 인해 빠른 측정이 어렵다는 문제점이 있다. 이에 따라, 고 전압 시스템과 저 전압 시스템 간의 절연을 유지하면서 비교적 간단한 회로로 고 전압을 측정할 수 있는 장치가 필요하다.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 전류센서를 이용하여 배터리 팩의 고 전압을 안정적으로 측정하는 장치를 제안한다.
본 발명은 배터리 팩의 (+) 단자와 (-) 단자 사이에 직렬로 연결되어 폐 회로(Closed Circuit)를 구성하는 저항소자; 상기 폐 회로 상에 흐르는 전류 값을 측정하는 전류센서; 상기 전류센서에서 출력된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 컨버터; 및 상기 A/D 컨버터에서 출력된 전류 값과 상기 저항 소자의 저항 값을 이용하여 상기 배터리 팩의 고 전압을 안정적으로 측정하는 전압 측정부를 포함하는 고 전압 측정장치를 제공한다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 배터리 팩의 고 전압 단자와 배터리 관리 시스템의 접지를 서로 분리함과 동시에, 비교적 단순한 회로를 통해 고 전압을 안정적으로 측정함으로써, 상기 배터리 관리 시스템의 동작에 악 영향을 미치는 고 전압 효과를 효율적으로 제거할 수 있다.
한편 그 외의 다양한 효과는 후술될 본 발명의 실시 예에 따른 상세한 설명에서 직접적 또는 암시적으로 개시될 것이다.
도 1은 전압 분배 방식을 이용한 기존의 고 전압 측정회로의 구성도;
도 2는 캐패시터 충전 방식을 이용한 기존의 고 전압 측정회로의 구성도;
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전기자동차의 내부 구성을 개략적으로 나타낸 블록도;
도 4은 본 발명의 일 실시 예에 따른 고 전압 측정회로의 구성도;
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전류센서의 동작 원리를 설명하기 위해 참조되는 도면.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술 되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하, 본 발명의 실시 예에 대해 첨부된 도면들을 참조하여 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전기자동차의 내부 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 전기자동차는, 센서부(130), 인터페이스부(140), 모터 제어부(Motor Control Unit, MCU)(150), 전원부(160), PRA(170), BMS(180), 배터리 팩(190) 및 제어부(110)를 포함한다.
전기자동차는 적어도 하나의 배터리를 포함하는 배터리 팩(190)을 구비하여 동작하며, 소정의 충전소 또는 차량 충전설비 또는 가정에서 외부로부터 전원을 공급받아 상기 배터리 팩(190)을 충전한다.
BMS (180)는 배터리 팩(190)의 잔여용량, 충전 필요성을 판단하고, 배터리에 저장된 충전전류를 전기자동차의 각 부로 공급하는데 따른 관리를 수행한다. 이때, BMS(180)는 배터리를 충전하고 사용할 때, 배터리 내의 셀 간의 전압 차를 고르게 유지하여, 배터리가 과 충전되거나 과 방전되지 않도록 제어함으로써 배터리의 수명을 연장한다. 또한, BMS(180)는 전류사용에 대한 관리를 통해 차량이 장시간 주행할 수 있도록 하고, 공급되는 전류에 대한 보호 회로를 포함한다.
배터리 팩(190)은 복수의 배터리로 구성되며, 고 전압의 전기에너지를 저장한다.
전원부(160)는 충전소와의 연결을 위한 연결단자 또는 연결회로를 포함하고, 외부 전원 연결 시 BMS(180)의 관리하에 충전전류를 배터리(190)에 인가하여 배터리가 충전되도록 한다. 또한, 전원부(160)는 배터리(190)에 충전된 동작전원을 차량의 각 부에서 사용할 수 있는 전원으로 변경하여 공급할 수 있다.
센서부(130)는 차량 주행, 또는 소정 동작 중에 발생하는 신호를 감지하여 입력하고 이를 제어부(110)로 입력한다. 센서부(130)는 차량 내부 및 외부에 복수의 센서를 포함하여 다양한 감지신호를 입력한다. 이때 설치되는 위치에 따라 센서의 종류 또한 상이할 수 있다.
인터페이스부(140)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(140)는 스티어링 휠, 엑셀레이터, 브레이크와 같은 운전을 위한 조작수단을 포함한다.
모터 제어부(MCU)(150)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)(170)는 고 전압을 스위칭하기 위한 복수의 릴레이와 센서를 포함하여, 배터리 팩(190)으로부터 인가되는 고 전압의 동작전원을 특정 위치로 인가하거나 차단한다. 특히 PRA(170)는 차량 시동 시, 고 전압의 동작전원이 갑자기 공급되지 않도록 순차적으로 릴레이를 제어하여 차량에 안정적으로 전원이 공급되도록 한다.
제어부(110)는 인터페이스부(140) 및 센서부(130)의 입력에 대응하여 설정된 동작이 수행되도록 소정의 명령을 생성하여 인가하여 제어하고, 데이터의 입출력을 제어하여 전기자동차의 동작상태가 표시되도록 한다.
또한, 제어부(110)는 BMS(180)를 통해 배터리 팩(190)을 관리하고, PRA(170)로 스위칭 신호를 인가하여 차량의 시동제어를 수행하고, 특정 위치(부품)로의 전원 공급을 제어한다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고 전압 측정회로의 구성도이다. 상기 고 전압 측정회로는 도 1의 배터리 팩(190)과 연결되어 고 전압을 측정하며, BMS(180) 내부에 설치될 수 있다.
도 4를 참조하면, 고 전압 측정회로(200)는 전류센서(210), A/D 컨버터(220), 전압 측정부(230) 및 저항소자(240)를 포함한다.
이러한 고 전압 측정회로(200)는 배터리 팩(190)의 (+) 단자와 (-) 단자 사이에 미리 결정된 값의 저항 소자(R, 240)를 직렬로 연결하여 폐 회로(closed circuit)를 구성하고, 상기 폐 회로를 통해 소정의 전류가 흐르게 한다. 이때, 상기 폐 회로를 통해 흐르는 전류 값(I)은 아래 수학식 1과 같다.
Figure pat00001
전류센서(210)는 배터리 팩(190)의 (+) 단자와 (-) 단자 사이에 연결된 폐 회로를 통해 흐르는 전류 값을 측정하고, 이를 A/D 컨버터로 출력한다. 본 실시 예에서, 상기 전류센서(210)는 절연 형 전류센서로서, 홀 효과(hole effect)를 이용한 전류센서를 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 홀 효과를 이용한 전류센서(hole effect current sensor)에 대해서는 이하에서 상세히 후술하도록 한다.
A/D 컨버터(220)는 전류센서(210)로부터 출력된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한다. 즉, 상기 A/D 컨버터(220)는 아날로그 전류 값을 디지털 전류 값으로 변환하여 출력한다. 한편, 도면에 도시되고 있지 않지만, 전류센서(210)와 A/D 컨버터(220) 사이에 OP-앰프 등과 같은 신호 처리부(미도시)가 추가적으로 포함될 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다.
전압 측정부(230)는 A/D 컨버터(220)로부터 출력된 디지털 신호의 전류 값(I)과, 배터리 팩(190)의 (+) 단자와 (-) 단자 사이에 연결된 저항 소자(R, 240)의 저항 값을 이용하여 배터리 팩의 고 전압(VH)을 측정한다. 이때, 상기 배터리 팩(190)의 고 전압은 아래 수학식 2과 같이 계산될 수 있다.
Figure pat00002
또한, 전압 측정부(230)는 이와 같이 계산된 고 전압(VH) 값을 BMS(180)로 제공한다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전류센서의 동작 원리를 설명하기 위해 참조되는 도면이다.
본 발명의 실시 에에 따른 전류센서(210)는 홀 센서(또는 홀 소자)를 이용하여 전류자계의 강도를 전압으로 변환하는 센서이다. 여기서, 홀 센서는 자기장의 세기에 따라 전압이 변화는 소자이다. 즉, 전류가 흐르는 도체를 철심의 중간에 삽입하고, 전류의 직각 방향으로 발생하는 자기장, 그리고 이것의 직각 방향으로 발생하는 기 전압을 이용하는 소자이다. 이러한 홀 센서를 통해, 교류 전류뿐만 아니라 직류 전류에 대해서도 측정이 가능하다.
좀 더 구체적으로, 도 5의 (a) 및 (b)를 참조하면, 전류 센서(210)는 모선 주위에 자심을 배치하고 그 갭 사이에 홀 소자가 배치되는 구조이다.
이러한 구조의 전류센서(210)에서, 모선(가운데 선)에 측정하고자 하는 전류(Ip)가 흐르면, 갭에는 모선 전류(Ip)에 비례하는 자속(B)이 생성되어 홀 소자 면에 직각으로 관통한다. 이 상태에서, 자속(B)에 대해 직각 방향으로 제어 전류(Ic)를 흘리면, 홀 소자의 단자 a-b간에는 모선 전류(Ip)에 비례하는 홀 전압(Vh)이 발생한다. 즉, 홀 소자는 제어전류(Ic)와 자속 밀도(B)의 곱에 비례하는 전압을 출력한다. 따라서, 상기 홀 전압(Vh)은 아래 수학식 3과 같이 계산될 수 있다.
Figure pat00003
여기서, Vh는 홀 전압이고, K는 적감도정수이고, Ic는 제어전류이고, B는 자속밀도이다.
도 6은 전류센서에서 출력되는 홀 전압과 모선 전류 사이의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 6을 참조하면, 전류센서에서 출력되는 홀 전압(Vh)과 모선 전류(또는 측정 전류, Ip) 사이에는 제품의 종류에 따른 고유의 선형 관계가 성립한다. 따라서, 전류센서에서 홀 전압이 측정되면, 이를 통해 모선 전류의 값을 계산할 수 있게 된다. 전류센서는 이와 같이 계산된 전류 값을 A/D 컨버터로 출력한다.
이상, 상술한 바와 같이, 본 발명은 배터리 팩의 고 전압 단자와 배터리 관리 시스템의 접지를 서로 분리함과 동시에, 비교적 간단한 회로를 통해 고 전압을 안정적으로 측정함으로써, 상기 배터리 관리 시스템의 동작에 악 영향을 미치는 고 전압 효과를 효율적으로 제거할 수 있다.
한편 이상에서는 본 발명의 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되지 않으며, 후술 되는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
180: BMS 190: 배터리 팩
200: 고 전압 측정회로 210: 전류센서
220: A/D 컨버터 230: 전압 측정부
240: 저항소자

Claims (6)

  1. 배터리 팩의 (+) 단자와 (-) 단자 사이에 직렬로 연결되어 폐 회로(Closed Circuit)를 구성하는 저항소자;
    상기 폐 회로 상에 흐르는 전류 값을 측정하는 전류센서;
    상기 전류센서에서 출력된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 컨버터; 및
    상기 A/D 컨버터에서 출력된 전류 값과 상기 저항 소자의 저항 값을 이용하여 상기 배터리 팩의 고 전압을 안정적으로 측정하는 전압 측정부를 포함하는 고 전압 측정장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전류센서는, 절연형 전류센서임을 특징으로 하는 고 전압 측정장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전류센서는 홀 효과를 이용한 전류센서임을 특징으로 하는 고 전압 측정장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 전류센서는 홀 센서를 포함하고, 상기 홀 센서를 통해 홀 전압을 측정하는 것을 특징으로 하는 고 전압 측정장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 홀 전압은 아래 수학식을 통해 계산되는 것을 특징으로 하는 고 전압 측정장치.
    [수학식]
    Figure pat00004
    , 여기서 Vh는 홀 전압이고, K는 적감도정수이고, Ic는 제어전류이고, B는 자속밀도임.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전류센서로부터 출력되는 신호를 증폭하여 상기 A/D 컨버터로 출력하는 OP-앰프를 더 포함하는 고 전압 측정장치.
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