KR20140100287A - 친환경 자동차의 통합 전자전력 제어장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 친환경 자동차에 구비되는 적어도 2개 이상의 전자전력 제어장치들을 일체형으로 통합하여 구성함으로써 원가절감 및 구조의 최적화를 달성하고 공간 이용율을 향상시킬 수 있는 친환경 자동차의 통합 전자전력 제어장치에 관한 것이다. 이를 위한 본 발명의 실시예에 따른 친환경 자동차의 통합 전자전력 제어장치는, 모터 제어기, 저전압 직류 변환기 및 하이브리드 제어기와 같은 적어도 2개 이상의 전자전력 제어장치를 포함하는 친환경 자동차에 있어서, 상기 적어도 2개 이상의 전자전력 제어장치에 공통으로 포함되는 구성요소를 1개로 통합하여 구성한 적어도 1개 이상의 통합 구성요소; 및 상기 적어도 1개 이상의 통합 구성요소를 포함하는 하드웨어의 고장을 검출하고 관리하기 위한 하드웨어 고장 관리기(HFM; hardware failure management unit);를 포함할 수 있다.

Description

친환경 자동차의 통합 전자전력 제어장치 {INTEGRATED ELECTRONIC POWER CONTROL UNIT OF ENVIRONMENTALLY FRIENDLY VEHICLE}
본 발명은 친환경 자동차에 구비되는 적어도 2개 이상의 전자전력 제어장치(EPCU; electronic power control unit)들을 일체형으로 통합하여 구성함으로써 원가절감 및 구조의 최적화를 달성하고 공간 이용율을 향상시킬 수 있도록 한 친환경 자동차의 통합 전자전력 제어장치에 관한 것이다.
주지하는 바와 같이, 자동차의 연비를 향상시키고, 배출가스에 대한 OBD(On Board Diagnosis) 규정을 만족시킴과 동시에 화석연료의 사용을 최소화하도록 하는 친환경 자동차가 제공되고 있다.
친환경 자동차는 연료전지 자동차, 전기자동차, 플러그인 전기자동차, 하이브리드 자동차를 포괄하는 것으로 하나 이상의 모터와 엔진을 구비한다.
이러한 친환경 자동차는 모터를 구동시키기 위한 고전압의 전원이 저장되는 배터리와, 배터리의 직류 전압을 교류전압으로 변환시켜주는 인버터, 엔진의 동력을 구동축에 전달하기 위해 엔진과 모터 사이에 장착되는 엔진 클러치 및 친환경 자동차의 동작을 제어하기 위한 각종 전자전력 제어장치들을 구비한다.
친환경 자동차는 운전자의 가속페달과 브레이크 페달의 조작으로 판단되는 가감속 의지, 부하, 차속, 배터리의 충전상태(SOC) 등에 따라 엔진 클러치를 결합하거나 해제하여 HEV(Electric Vehicle) 모드와 EV(Electric Vehicle) 모드의 운행을 제공할 수 있다.
친환경 자동차는 EV(Electric Vehicle) 모드의 운행에서 HEV(Hybrid Electric Vehicle) 모드의 운행으로 전환될 때, 엔진 속도와 모터 속도가 동기화된 이후 엔진 클러치를 결합함으로써, 서로 다른 동력원인 엔진과 모터 간의 동력전달 과정에서 토크 변동이 발생되지 않도록 하여 운전성이 확보될 수 있게 한다.
이러한 친환경 자동차는 엔진, 모터, 변속기 및 배터리 등을 제어하기 위한 다양한 전자전력 제어장치(EPCU; Electric Power Control Unit)들을 구비하며, 이들 전자전력 제어장치들의 배치 형태의 일례를 도 1에 나타내 보였다.
도 1에서 부재번호 15는 엔진(10)의 동작을 제어하는 엔진 제어기(ECU; engine control unit)(15)를 지시하고; 부재번호 25는 모터(20)의 동작을 제어하는 모터 제어기(MCU; motor control unit)(25); 부재번호 35는 변속기(30)의 동작을 제어하는 변속기 제어기(TCU; transmission control unit)(35); 부재번호 45는 고전압 배터리(40)를 관리하고 제어하는 고전압 배터리 제어기(BCU; battery control unit)(45); 부재번호 55은 고전압 배터리(40)의 전압을 저전압(예; 12볼트)으로 변환하여 저전압 배터리(50)를 충전하는 저전압 직류 변환기(LDC; low voltage DC??DC converter)(47); 부재번호 100은 하이브리드 자동차의 전체 동작을 모니터링하고 제어하는 하이브리드 제어기(HCU; hybrid control unit)(100);를 지시한다.
상기 모터 제어기(MCU)(25)는 일반적으로 인버터(inverter)로 호칭될 수 있다. 상기 고전압 배터리 제어기(BCU)(45)는 배터리 관리 시스템(BMS; battery management system)으로 호칭될 수 있다.
도 1에 도시한 각 전자전력 제어장치들은 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 알려진 것들이므로 이들에 대한 더 상세한 설명은 생략한다.
상기 모터 제어기(25)는, 도 2(A)에 도시한 바와 같이, 일반적으로 제어 전원부; 부스트(boost) 전원부; 메인 중앙처리장치(CPU; central processor unit); 서브 중앙처리장치(Sub CPU); 레졸버; 보호/진단부; 등을 포함할 수 있다.
상기 저전압 직류 변환기(55)는, 도 2(B)에 도시한 바와 같이, 일반적으로 제어 전원부; 부스트(boost) 전원부; 중앙처리장치(CPU; central processor unit); 아날로그 제어부; 보호/진단부; 등을 포함할 수 있다.
상기 하이브리드 제어기(100)는, 도 2(C)에 도시한 바와 같이, 일반적으로 제어 전원부; SRAM과 같은 메모리; 중앙처리장치(CPU; central processor unit); 인터페이스 회로부; 등을 포함할 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 모터 제어기(25), 저전압 직류 변환기(55) 및 하이브리드 제어기(100)는 각각 유사한 기능을 하는 요소들을 포함하고 있음을 알 수 있다.
그럼에도 불구하고, 친환경 자동차에 구비되는 전자전력 제어장치들, 특히 모터 제어기(25), 저전압 직류 변환기(55) 및 하이브리드 제어기(100)는 각각, 도 1에 도시한 바와 같이, 개별적인 전자전력 제어장치들로 존재하고 있어, 친환경 자동차의 원가를 상승시키고, 친환경 자동차의 공간 이용율을 저하시키는 요인이 되고 있다.
이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
따라서, 본 발명이 해결하려는 과제는, 친환경 자동차에 구비되는 적어도 2개 이상의 전자전력 제어장치들을 일체형으로 통합하여 구성함으로써 원가절감 및 구조의 최적화를 달성하고 공간 이용율을 향상시킬 수 있도록 한 친환경 자동차의 통합 전자전력 제어장치를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 친환경 자동차의 통합 전자전력 제어장치는, 모터 제어기, 저전압 직류 변환기 및 하이브리드 제어기와 같은 적어도 2개 이상의 전자전력 제어장치를 포함하는 친환경 자동차에 있어서, 상기 적어도 2개 이상의 전자전력 제어장치에 공통으로 포함되는 구성요소를 1개로 통합하여 구성한 적어도 1개 이상의 통합 구성요소; 및 상기 적어도 1개 이상의 통합 구성요소를 포함하는 하드웨어의 고장을 검출하고 관리하기 위한 하드웨어 고장 관리기(HFM; hardware failure management unit);를 포함할 수 있다.
상기 통합 구성요소는 상기 모터 제어기, 저전압 직류 변환기 및 하이브리드 제어기에 각각 포함되는 제어 전원부의 기능을 통합 수행하는 통합 제어 전원부;를 포함할 수 있다.
상기 통합 구성요소는 상기 모터 제어기 및 저전압 직류 변환기에 각각 포함되는 부스트 전원부의 기능을 통합 수행하는 통합 부스트 전원부;를 포함할 수 있다.
상기 통합 구성요소는 상기 모터 제어기 및 하이브리드 제어기에 각각 포함되는 중앙처리장치(CPU)의 기능을 통합 수행하는 통합 중앙처리장치;를 포함할 수 있다.
상기 통합 전자전력 제어장치는 상기 모터 제어기, 저전압 직류 변환기 및 하이브리드 제어기의 기능을 통합 수행하도록 구성될 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 친환경 자동차에 구비되는 적어도 2개 이상의 전자전력 제어장치들을 일체형으로 통합하여 구성함으로써 원가절감 및 구조의 최적화를 달성하고 공간 이용율을 향상시킬 수 있다.
더 구체적으로 본 발명의 실시예에 따르면, 종래기술에서처럼 인버터와 LDC 및 HCU 간 통신 라인이 필요 없음으로, 관련된 하드와이어의 삭제가 가능하고, 이로써 장치의 신뢰성이 향상될 수 있다. 또한, ECU, TCU 및 BMS 등과 같은 다른 제어기와의 통신시 통합 전자전력 제어장치를 사용함으로써 통신라인 공유를 통한 통신 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 더불어서, 통합 전자전력 제어장치의 전원회로를 DFSS(dry film solder mask) 기법을 사용하여 최적 설계가 가능함으로 회로 설계에 대한 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 일반적인 친환경 자동차에 구비되는 전자전력 제어장치들의 배치 구성도이다.
도 2는 일반적인 친환경 자동차에 구비되는 전자전력 제어장치들의 구성요소를 도시한 블록 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 친환경 자동차의 통합 전자전력 제어장치의 배치 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 친환경 자동차의 통합 전자전력 제어장치의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 친환경 자동차의 통합 전자전력 제어장치의 인쇄회로기판 레이아웃 구성의 일례이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.
명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 의미한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 친환경 자동차의 통합 전자전력 제어장치의 배치 구성을 도시한 도면이다.
도 3에 도시된 통합 전자전력 제어장치의 배치 구성과 도 1에 도시된 전자전력 제어장치들의 배치 구성을 비교하면, 도 1에 도시된 모터 제어기(25), 저전압 직류 변환기(55) 및 하이브리드 제어기(100)가, 통합 전자전력 제어장치(300)로 통합되어 있음을 알 수 있다.
상기 통합 전자전력 제어장치(300)가 상기 모터 제어기(25), 저전압 직류 변환기(55) 및 하이브리드 제어기(100)의 기능을 통합하도록 구성되면, 도 3에 도시한 바와 같이 친환경 자동차의 공간 이용율을 높일 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 친환경 자동차의 통합 전자전력 제어장치를 도시한 블록 구성도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 친환경 자동차의 통합 전자전력 제어장치(300)는 모터 제어기, 저전압 직류 변환기 및 하이브리드 제어기를 일체형으로 통합하여 구성한 것이다.
즉, 상기 통합 전자전력 제어장치(300)는 모터의 동작을 제어할 뿐만 아니라, 고전압 배티리의 전압을 저전압으로 변환하여 저전압 배터리를 충전하고, 하이브리드 자동차의 동력분배 및 전기동력부의 상태를 모니터링하고 제어하는 역할을 수행할 수 있다.
이를 위해 본 발명의 실시예에 따른 통합 전자전력 제어장치(300)는, 도 2에 도시한 바와 같은 일반적인 모터 제어기(25), 저전압 직류 변환기(55) 및 하이브리드 제어기(100)에 각각 포함되는 제어 전원부의 기능을 통합 수행하는 통합 제어 전원부(310); 상기 모터 제어기(25) 및 저전압 직류 변환기(55)에 각각 포함되는 부스트 전원부의 기능을 통합 수행하는 통합 부스트 전원부(320); 상기 모터 제어기(25) 및 하이브리드 제어기(100)에 각각 포함되는 중앙처리장치(CPU)의 기능을 통합 수행하는 통합 중앙처리장치(350); 및 상기 전자전력 제어장치(300)의 통합 하드웨어의 고장을 검출하고 관리하기 위한 하드웨어 고장 관리기(HFM; hardware failure management unit)(330);를 포함한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 통합 전자전력 제어장치(300)는, 모터 제어기(25)에 일반적으로 포함되는 레졸버(380)와 서브 중앙처리장치(370); 저전압 직류 변환기(55)에 일반적으로 포함되는 아날로그 제어부(390), 저전압 직류 변환기용 중앙처리장치(360); 하이브리드 제어기(100)에 일반적으로 포함되는 하이브리드용 인터페이스 회로부(340); 를 포함할 수 있다.
도 4에 도시된 통합 전자전력 제어장치(300)의 구성요소들과 도 2에 도시된 개별적으로 독립된 전자전력 제어장치의 구성요소들을 숫자적으로 비교하면, 통합 전자전력 제어장치(300)에는 개별적으로 독립된 전자전력 제어장치에 포함되었던 보호/진단부가 1개 제거되고, 제어 전원부가 2개 제거되고, 부스트 전원부가 1개 제거 되었음을 알 수 있다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 통합 전자전력 제어장치(300)는, 개별적으로 독립된 전자전력 제어장치들에 각각 포함되었던 제어 전원부를 구조적/기능적으로 통합(또는 공용화)하여 최적화한 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 친환경 자동차의 통합 전자전력 제어장치를 인쇄회로기판에 구성할 수 있는 일실시예의 레이아웃이다.
도 5에서 LDC I/F는 저전압 직류 변환기 인터페이스를 나타내며, CAN IC는 Controller Area Network IC(직접회로)를 나타낸다.
도 5를 참조하면, 모터 제어기와 저전압 직류 변환기 및 하이브리드 제어기의 기능을 통합적으로 수행하기 위한 통합 제어 전원부(310), 통합 부스트 전원부(320), 통합 중앙처리장치(350)가 인쇄회로기판(PCB)에 형성됨으로써 인쇄회로기판의 사이즈가 줄어들게 되어 공간 이용율을 향상시킬 수 있고, 인쇄회로기판 재료의 원가절감을 달성할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 전자전력 제어장치의 재료 원가 절감은 물론, 제조 공정 및/또는 작업 공수가 간소화될 수 있기 때문에 인건비 절감을 달성할 수 있고, 공정 간소화에 의한 전자전력 제어장치의 불량율을 낮출 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 전자전력 제어장치의 애프터 서비스 시에 공임 비용을 절감할 수 있다.
나아가, 본 발명의 실시예에 따르면, 종래 분리 독립된 전자전력장치들로 구성된 모터 제어기와 저전압 직류 변환기 및 하이브리드 제어기 간의 통신 라인이 필요 없게 됨으로써 통신과 관련한 하드 와이어를 삭제할 수 있고, 이에 따라 통신 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
300: 통합 전자전력 제어장치
310: 통합 제어 전원부
320: 통합 부스트 전원부
330: 하드웨어 고장 관리기
350: 통합 중앙처리장치

Claims (5)

  1. 모터 제어기, 저전압 직류 변환기 및 하이브리드 제어기와 같은 적어도 2개 이상의 전자전력 제어장치를 포함하는 친환경 자동차에 있어서,
    상기 적어도 2개 이상의 전자전력 제어장치에 공통으로 포함되는 구성요소를 1개로 통합하여 구성한 적어도 1개 이상의 통합 구성요소; 및
    상기 적어도 1개 이상의 통합 구성요소를 포함하는 하드웨어의 고장을 검출하고 관리하기 위한 하드웨어 고장 관리기(HFM; hardware failure management unit);
    를 포함하는 친환경 자동차의 통합 전자전력 제어장치.
  2. 제1항에서,
    상기 통합 구성요소는 상기 모터 제어기, 저전압 직류 변환기 및 하이브리드 제어기에 각각 포함되는 제어 전원부의 기능을 통합 수행하는 통합 제어 전원부;
    를 포함하는 친환경 자동차의 통합 전자전력 제어장치.
  3. 제2항에서,
    상기 통합 구성요소는 상기 모터 제어기 및 저전압 직류 변환기에 각각 포함되는 부스트 전원부의 기능을 통합 수행하는 통합 부스트 전원부;
    를 포함하는 친환경 자동차의 통합 전자전력 제어장치.
  4. 제3항에서,
    상기 통합 구성요소는 상기 모터 제어기 및 하이브리드 제어기에 각각 포함되는 중앙처리장치(CPU)의 기능을 통합 수행하는 통합 중앙처리장치;
    를 포함하는 친환경 자동차의 통합 전자전력 제어장치.
  5. 제4항에서,
    상기 통합 전자전력 제어장치는 상기 모터 제어기, 저전압 직류 변환기 및 하이브리드 제어기의 기능을 수행하도록 통합된 것을 특징으로 하는 친환경 자동차의 통합 전자전력 제어장치.
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