KR20140144475A - 배터리 충방전 제어장치 및 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 엔진(E)으로 흡입되는 공기를 압축 공급하는 전동 차저(130)와, 상기 엔진(E)으로부터 발생된 배기 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 터보 제너레이터(110)와, 변환된 전기 에너지를 저장하는 배터리(120)와, 상기 배터리(120)의 SOC(STATE OF CHARGE) 정보에 따라 상기 터보 제너레이터(110)로부터의 전기 에너지를 상기 배터리(120)로 흐르게 스위칭하거나, 상기 배터리(120)에 저장된 전기 에너지를 상기 터보 제너레이터(110) 또는 상기 전동 차저(130)로 흐르게 스위칭하는 파워 플로우 셀렉터(160; POWER FLOW SELECTOR) 및 전기 에너지를 직류 또는 교류로 변환하는 에너지 변환장치(140, 150)가 포함된 것을 특징으로 하는 배터리 충방전 제어장치 및 제어방법에 관한 것이다.

Description

배터리 충방전 제어장치 및 제어방법{DEVICE AND METHOD FOR BATTERT CHARGING CONTROL OF AIR SUPERCHARGER HAVING TURBO GERNERATOR AND ELECTRIC CHARGER}
본 발명은 엔진의 배기를 통해 생성된 회생에너지를 이용해 자동차의 과급 장치를 효율적으로 구동시킬 수 있도록 배터리의 충, 방전되는 전기 에너지의 흐름을 제어하는 배터리 충방전 제어장치 및 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로 자동차의 엔진에는 연소 후 배출되는 배기가스를 이용하여 흡기량을 높여 엔진에 공급함으로써, 완전연소를 유도하여 엔진 효율을 향상시키기 위하여 과급장치가 구비되어 있다.
이러한 과급장치는 크게 엔진의 배기 매니폴드를 통해 배출되는 가스에 의해 터빈이 회전하여 컴프레셔를 작동시키는 터보차저와, 엔진의 동력에 의해 컴프레셔를 작동시키는 슈퍼차저로 나눌 수 있다.
이 중 터보차저는 엔진의 연소 후 버려지는 배기가스의 에너지를 활용하기 때문에 높은 에너지 효율을 얻을 수 있는 장점이 있으나, 운전자의 패달 작동으로부터 터빈의 적정 회전을 위한 배기 유량이 확보되는 시간 지연에 따른 터보 랙을 갖는 단점이 있다.
반면, 슈퍼차저는 터보차처의 터보 랙에 상반되어 가속 페달에 대한 응답성이 좋은 장점이 있으나, 엔진과의 기계적 연결에 의한 부하와, 엔진의 작동 점에 따른 출력의 저하가 발생될 수 있는 단점이 있다.
상기 터보차저와 슈퍼차저의 단점을 보완하기 위해서 최근에는 전기모터에 의해 컴프레셔를 작동시켜 엔진으로 유입되는 공기를 압축시키도록 함으로써, 터보차터의 터보 랙을 없애는 동시에 엔진 운전점에 따라 제어 자유도를 높일 수 있도록 하는 전동식 차저가 개발되어 널리 알려진 상태이다.
이러한 전동식 차저는 최근의 환경에 대한 관심의 증가 및 엔진 효율 향상을 위한 노력과 함께, 하이브리드 자동차의 회생제동, 배기열/에너지 회수 시스템에 의해 에너지를 회수하여 전기 에너지로 변환한 후 상기 전동식 차저를 비롯한 기타 전기장치를 동작시킬 수 있도록 하는 기술과 접목을 이루어 엔진 과급의 효율을 높이기 위한 기술의 개발이 활발히 이루어지고 있다.
특히, 전동식 차저에 터보 제너레이터의 회생발전시스템을 접목시킴으로써, 엔진의 배기가스의 운동에너지를 전기에너지로 변환하여 전동식 차저의 컴프레셔를 구동시키거나, 이와 동시에 여분의 전기에너지를 배터리에 저장할 수 있도록 하는 터보 제너레이터 시스템의 기술이 개발되어 알려져 있는 상태이다.
도 1은 터보 제너레이터가 적용된 전동식 차저의 일반적인 구성을 나타낸다.
도시된 바와 같이, 일반적인 터보 제너레이터 시스템은 엔진(e)으로부터 배출되는 배기가스의 운동에너지를 전기에너지로 변환하여 회생에너지를 생성하기 위한 터보 제너레이터(10)와, 터보 제너레이터(10) 및 배터리(20)로부터 전기에너지를 공급받아 엔진의 흡기를 압축시키는 전동 차저(30)와, 터보 제너레이터(10)로부터 생성된 전기에너지를 저장하고, 전동 차저(30)로 공급하여 구동시키는 배터리(20) 및 터보 제너레이터(10)로부터 생성된 전기 에너지를 배터리(20)와, 배터리(20)를 통해 전동 차저(30)로 각각 공급할 수 있는 전기 에너지로 변환하는 인버터(40, 50) 및 전동 차저(30)를 통해 상기 엔진(e)으로 흡입되는 압축공기를 냉각시키는 인터쿨러(70) 포함하여 구성된다.
이러한 터보 제너레이터(10)와 전동 차저(30)가 포함된 과급 시스템은 터보 제너레이터(10)로부터 공급된 전기 에너지와, 전동 차저(30)의 구동을 위한 전기 에너지의 공급에 따른 배터리(20)의 지속적인 충전과 방전을 위해 다양한 모드로 작동이 이루어진다.
일반적으로, 터보 제너레이터와 전동 차저가 포함된 과급 시스템의 방전모드에서는 배터리(20)에 충전된 전기 에너지만으로 전동 차저(30)를 구동시키는 모드와, 배터리(20)에 충전된 전기 에너지와 터보 제너레이터(10)로부터 생성된 전기 에너지를 동시에 공급하여 전동 차저(30)를 구동시키는 모드로 작동이 이루어지며, 충전모드에서는 터보 제너레이터(10)의 생성 전기 에너지 전량을 배터리(20)로 충전하는 모드와, 터보 제너레이터(10)의 생성 전기 에너지의 일부를 전동 차저(30)로 공급하고 남은 여분의 전기 에너지를 배터리(20)로 충전하는 모드로 구현될 수 있다.
이러한 과급 시스템의 작동 모드에서 배터리(20)의 SOC(STATE OF CHARGE)가 적정 수준에 비해 낮은 경우와, 높은 경우에는 상기한 배터리(20)의 방전모드와 충전모드는 중단되어야 될 필요성이 있다.
그러나, 일반적인 터보 제너레이터와 전동 차저가 포함된 과급 시스템에서는 배터리(20)와 터보 제너레이터(10)가 전기적으로 항시 연결되어 있으므로, 터보 제너레이터(10)에 의한 배터리(20)의 충, 방전을 중단하고, 터보 제너레이터(10)에 의해 생성된 전기 에너지의 전량을 전동 차저(30)로 공급하여 구동시키는 모드의 제어는 불가능하다.
특히, 터보 제너레이터(10)의 생성 에너지량과 전동 차저(30)에 사용되는 에너지량이 적정 효율을 포함하여 정확히 같아지지 않는 한 배터리(20)의 충, 방전은 필연적으로 일어날 수 밖에 없으며, 최악의 경우 터보 제너레이터(10)의 생성 에너지량이 전동 차저(30)를 구동하는데 필요한 충분한 에너지량을 가짐에도 불구하고, 배터리(20)의 충, 방전이 이루어짐으로써, 전체 시스템의 효율 저하를 가져올 수 있는 문제점이 있다.
일본공개특허 2012-139072호
이에 상기와 같은 점을 감안하여 발명된 본 발명은 터보 제너레이터 시스템을 이루는 배터리의 SOC(STATE OF CHARGE)와, 엔진의 출력 및 터보 제너레이터의 출력에 따라, 상기 배터리의 충방전을 위해 입출력되는 전기 에너지의 흐름을 제어하여, 배터리의 수명 및 성능을 향상시키고, 과급 시스템의 전체 효율을 향상시킬 수 있도록 하는 배터리 충방전 제어장치 및 제어방법을 제공함을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 엔진으로 흡입되는 공기를 압축 공급하는 전동 차저와, 상기 엔진으로부터 발생된 배기 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 터보 제너레이터와, 변환된 전기 에너지를 저장하는 배터리와, 상기 배터리의 SOC(STATE OF CHARGE) 정보에 따라 상기 터보 제너레이터로부터의 전기 에너지를 상기 배터리 또는 상기 전동 차저로 흐르게 스위칭하거나, 상기 배터리에 저장된 전기 에너지를 상기 전동 차저로 흐르게 스위칭하는 파워 플로우 셀렉터(POWER FLOW SELECTOR) 및 전기 에너지를 직류 또는 교류로 변환하는 에너지 변환장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충방전 제어장치가 제공된다.
상기 에너지 변환장치는 상기 터보 제너레이터에 의해 생성된 전기 에너지를 직류로 변환하여 상기 배터리로 공급하는 제1변환기 및 상기 배터리의 전기 에너지를 교류로 변환하여 상기 전동 차저로 공급하는 제2변환기가 포함될 수 있다.
상기 파워플로우 셀렉터는 상기 배터리의 충전 또는 방전을 위해 전기 에너지의 흐름을 ON-OFF시키는 제1스위칭 소자와 상기 배터리의 충전 또는 방전을 위해 전기 에너지의 흐름을 ON-OFF시키기 위해 상기 제1스위칭 소자와 반대방향으로 직렬 연결되는 제2스위칭 소자를 포함하되, 상기 제1스위칭 소자 및 상기 제2스위칭 소자가 ON 이면, 상기 배터리의 충전 및 방전을 실행하는 노멀모드이고, 상기 제1스위칭 소자가 ON이고, 상기 제2스위칭 소자가 OFF이면, 상기 배터리의 방전을 실행하는 방전모드이고, 상기 제1스위칭 소자가 OFF이고, 상기 제2스위칭 소자가 ON이면, 상기 배터리의 충전을 실행하는 충전모드이고, 상기 제1스위칭 소자 및 상기 제2스위칭 소자가 OFF이면 시스템을 OFF하는 시스템 OFF모드인 것을 특징으로 한다.
상기 파워플로우 셀렉터는 제1스위칭 소자와. 제2스위칭 소자와, 상기 제1인덕터가 순차적으로 직렬로 연결되고, 상기 제2스위칭 소자와 상기 제1인덕터 사이에 병렬로 연결되는 제3스위칭 소자를 포함하되, 상기 제1스위칭 소자는 반대방향으로 상기 제2스위칭 소자와 직렬로 연결되고, 동작모드가 강압(BUCK)모드인 경우, 상기 제1스위칭 소자가 OFF이고, 상기 제2스위칭 소자는 강압을 위한 스위칭 상태이고, 상기 제3스위칭 소자가 OFF 상태이면, 상기 배터리가 충전되고, 동작모드가 승압(BOOST)모드인 경우, 상기 제1스위칭소자가 ON이고, 상기 제2스위칭 소자가 OFF이고, 상기 제3스위칭 소자가 승압을 위한 스위칭 상태이면, 상기 배터리가 방전되고, 동작모드가 OFF인 경우, 상기 제1스위칭 소자와, 상기 제2스위칭 소자 및 상기 제3스위칭 소자가 OFF이면 시스템이 OFF인 것을 특징으로 한다.
상기 파워플로우 셀렉터는 제2인덕터와, 제1스위칭 소자와, 제2스위칭 소자가 순차적으로 직렬로 연결되고, 상기 제2인덕터와 상기 제1스위칭 소자 사이에 병렬로 연결되는 제4스위칭 소자를 포함하되, 상기 제1스위칭 소자는 반대방향으로 상기 제2스위칭 소자와 직렬 연결되고, 동작모드가 강압(BUCK)모드인 경우, 상기 제1스위칭 소자가 강압을 위한 스위칭 상태이고, 상기 제2스위칭 소자는 OFF이고, 상기 제4스위칭 소자가 OFF이면 상기 배터리가 방전되고, 동작모드가 승압(BOOST)모드인 경우, 상기 제1스위칭 소자가 OFF이고, 상기 제2스위칭 소자는 ON이고, 상기 제4스위칭 소자가 승압을 위한 스위칭 상태이면, 상기 배터리가 충전되고,
동작모드가 OFF인 경우, 상기 제1스위칭 소자와, 상기 제2스위칭 소자 및 상기 제4스위칭 소자가 OFF이면 시스템이 OFF인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따르면, 배터리의 SOC(STATE OF CHARGE)가 적정범위에 있는지를 판단하는 배터리 상태 판단단계와, 상기 배터리 상태 판단단계에서 상기 배터리의 SOC가 적정 범위에 있는 경우, 파워플로우 셀렉터를 이용하여, 상기 배터리의 충전 또는 방전이 수행되도록 터보 제너레이터 또는 전동 차저에 대해 전기 에너지의 흐름을 제어하여 시스템을 구동시키는 노멀모드 수행단계와, 상기 배터리 상태 판단단계에서 상기 배터리의 SOC(STATE OF CHARGE)가 적정범위를 벗어난 경우, 파워플로우 셀렉터를 이용하여, 상기 배터리의 충전 또는 방전을 위한 전기 에너지의 흐름을 선택적으로 개폐하고, 상기 터보 제너레이터로부터 생성된 전기 에너지로만 상기 전동 차저를 구동시키는 충방전 제어모드 수행단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충방전 제어방법이 제공된다.
이러한 본 발명에 따른 배터리 충방전 제어장치 및 제어방법에 의하면, 터보 제너레이터에 의해 생성된 전기 에너지와, 전동 차저로 공급되는 전기 에너지의 입출력을 개별적으로 제어할 수 있도록 함으로써, 배터리를 최적의 SOC를 갖는 상태로 유지가 가능하여, 배터리의 수명 및 성능을 향상시키는 동시에, 과급 시스템의 전체 효율 및 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 파워플로우 셀렉터의 작용에 의해 과급 시스템의 초기 구동 시 상기 전동 차저 및 제1, 2변환기를 연결하는 전기 회로에 프리-차징 기능의 구현이 가능하여, 과급 시스템의 전체 효율 및 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 터보 제너레이터가 적용된 전동식 차저의 일반적인 구성을 나타낸 블록도.
도 2는 본 실시예에 따른 배터리 충방전 제어장치의 구성을 나타낸 블록도.
도 3은 본 실시예의 일 요부에 대한 일 변형예를 나타낸 블록도.
도 4는 본 실시예의 일 요부에 대한 다른 일 변형예를 나타낸 블록도.
도 5는 본 실시예에 따른 배터리 충방전 제어방법의 흐름을 나타낸 순서도.
이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 2는 본 실시예에 따른 과급 시스템의 배터리 충방전 제어장치의 구성을 나타낸다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따르면, 자동차의 엔진(E)의 배기 매니폴드(11)로 배출되는 배기가스에 의해 터빈이 구동되어 회생 전력을 생성하는 터보 제너레이터(110)와, 상기 터보 제너레이터(110)에 의해 생성된 전력을 저장하는 배터리(120)와, 상기 터보 제너레이터(110)와, 상기 배터리(120)로부터 전력이 공급되어 구동됨으로써, 상기 엔진(E)의 흡입 매니폴드(31) 흡입되는 공기를 과급시키는 전동 차저(130) 및 상기 배터리(120)로 충방전되는 전기 에너지의 흐름을 컨트롤하여 상기 배터리(120)의 충방전 상태를 제어하는 파워 플로우 셀렉터(POWER FLOW SELECTOR; 160)를 포함한다.
상기 터보 제너레이터(110)는 상기 배터리(120)와, 상기 전동 차저(130) 및 상기 파워 플로우 셀럭터(160)와 함께 전기적으로 연결된 회로를 형성한다.
상기 터보 제너레이터(110)에 의해 생성된 전기 에너지는 상기 배터리(120)로 이어지는 회로상에 설치된 제1변환기(140)에 의해 직류로 변환되어, 상기 배터리(120)로 충전이 이루어진다.
또한, 상기 터보 제너레이터(110) 및 상기 배터리(120)로부터 상기 전동 차저(130)로 이어지는 전기 회로상에는 상기 터보 제너레이터(110) 및 상기 배터리(120)로부터 공급되는 전력을 변환하고, 상기 엔진(E)의 흡기를 제어량에 따라 공급되는 전력을 제어하여 상기 전동 차저(130)로 공급하는 제2변환기(150)가 설치된다.
상기 터보 제너레이터(110)는 생성된 전력을 상기 배터리(120)로 공급하는 동시에, 상기 전동 차저(130)로 직접 공급이 가능하게 구성된다.
이로써, 본 발명의 배터리 충방전 제어장치는 상기 터보 제너레이터(110)에 의해 생성된 전력의 전량을 상기 배터리(120)로 공급하는 제1구동모드와, 상기 터보 제너레이터(110)에 의해 생성된 전력을 상기 배터리(120)와, 상기 전동 차저(130)로 동시에 공급하는 제2구동모드로 각각 구동이 가능하다.
또한, 본 발명의 배터리 충방전 제어장치는 상기 전동 차저(130)의 구동이 상기 배터리(120)에 충전된 전기 에너지의 공급만으로 이루어지는 제3구동모드와, 상기 배터리(120)에 충전된 전기 에너지와, 상기 터보 제너레이터(110)로부터 생성된 전기 에너지를 동시에 사용하여 이루어지는 제4구동모드로 각각 구동이 가능하다.
그리고, 상기 파워플로우 셀렉터(160)는 상기 터보 제너레이터(110)로부터 상기 배터리(120)로 이어지는 전기 회로상에 설치되어, 상기 배터리(120)의 SOC(STATE OF CHARGE)와, 상기 엔진(E) 및 상기 터보 제너레이터(110)의 출력에 따라 충전 및 방전되는 전기 에너지의 흐름을 제어하도록 한다.
이를 위해, 상기 파워플로우 셀렉터(160)는 상기 배터리(120)로부터 상기 전동 차저(130)로 방전되는 전기 에너지의 흐름을 개폐시키는 제1스위칭 소자(Q1)와, 상기 제1스위칭 소자(Q1)와 반대방향으로 직렬로 연결되어 상기 터보 제너레이터(110)로부터 상기 배터리(120)로 충전되는 전기 에너지의 흐름을 개폐시키는 제2스위칭 소자(Q2)가 포함된다.
상기 제1스위칭 소자(Q1) 및 상기 제2스위칭 소자(Q2)는 반도체 소자로 이루어져, 상기 배터리(120)의 SOC에 따라서, 접점에 의해 전기 에너지의 흐름이 ON-OFF 되도록 구성된다.
상기 파워플로우 셀렉터(160)를 이루는 제1스위칭 소자(Q1) 및 상기 제2스위칭 소자(Q2)의 개폐를 제어함으로써, 상기 배터리(120)의 SOC가 적정의 범위를 유지하는 통상의 경우에는 상기 제1스위칭 소자(Q1)와, 상기 제2스위칭 소자(Q2)를 모두 ON 시켜, 상기한 제1구동모드 내지 제4구동모드를 수행함으로써, 상기 배터리(120)의 충전과 방전이 항시 이루어지는 노멀모드로 시스템이 구동된다.
이 경우, 상기 전동 차저(130)로 이어지는 전기 회로상에 설치된 상기 제2변환기(150)에 의해 상기 엔진(E)의 출력 및 상기 터보 제너레이터(110)의 출력에 따라 전기 에너지의 공급이 이루어지며, 상기 배터리(120)의 충, 방전은 상기 터보 제너레이터(110)의 출력과, 상기 제2변환기(150)에 의한 제어에 의해 좌우된다.
한편, 상기 배터리(120)의 SOC가 적정범위를 벗어난 경우, 상기 파워플로우 셀렉터(160)를 통해 상기 터보 제너레이터(110)로부터 상기 배터리(120)로 입, 출력되는 전기 에너지의 흐름을 선택적으로 개방 또는 차단함으로써, 상기 터보 제너레이터(110)로부터 생성된 전기 에너지로만 상기 전동 차저(130)를 구동시키는 충방전 제어모드를 수행한다.
즉, 상기 배터리(120)의 SOC가 적정 범위를 초과하는 경우에는 상기 제1스위칭 소자(Q1)를 ON 시켜서 상기 전동 차저(130)로 상기 배터리(120)에 충전된 전기 에너지를 보내 방전시킨다.
그리고, 상기 제2스위칭 소자(Q2)는 OFF 시켜서 상기 배터리(120)로 충전되는 전기 에너지를 차단하여, 상기 배터리(120)의 SOC를 적정 수준으로 떨어뜨리는 방전모드로 작동시킨다.
반면, 상기 배터리(120)의 SOC가 적정치 보다 낮은 경우에는 상기 제2스위칭 소자(Q2)를 ON시키고, 상기 제1스위칭 소자(Q1)를 OFF시켜서, 상기 배터리(120)의 전기 에너지 충전량을 증가시키는 충전모드를 실행하여 상기 배터리(120)의 SOC를 적정 수순으로 높이도록 한다.
이러한 방전모드 및 충전모드에서는 상기 배터리(120)로부터 방전되는 전기 에너지 및 충전되는 전기 에너지를 선택적으로 차단시키고, 상기 터보 제너레이터(110)로부터 생성된 전기 에너지만을 사용하여 상기 전동 차저(130)를 구동시키도록 한다.
그리고, 상기 충전모드에서는 지속적으로 변하는 상기 엔진(E)의 출력 상태와, 상기 터보 제너레이터(110)의 출력 상태에 따라 상기 전동 차저(130)로 전기 에너지를 공급하고 남은 여분의 전기 에너지를 상기 배터리(120)로 충전시키도록 구성될 수 있다.
한편, 과급 시스템의 구동이 중지되면, 상기 제1스위칭 소자(Q1) 및 제2스위칭 소자(Q2)는 OFF된다.
상기 파워플로우 셀렉터(160)의 작용에 의하면, 과급 시스템을 이루는 상기 배터리(120)의 SOC 상태가 최적의 상태로 유지되도록 함으로써, 상기 배터리(120)의 성능을 향상시키고, 과급 시스템의 전체 효율을 향상시킬 수 있도록 한다.
상기 도 2에서 미설명된 부호 170은 상기 전동 차저를 통해 엔진으로 흡입되는 흡기 매니폴드의 공기를 냉각시키는 인터쿨러이다.
도 3은 본 실시예의 특정 요부에 대한 일변형예를 나타낸다.
도시된 바와 같이, 상기 파워플로우 셀렉터(160)는 상기 제2스위칭 소자(Q2)와, 상기 배터리(120) 사이에서 전압을 조절하는 제1인덕터(310)를 설치하고, 상기 제1인덕터(310)로 입, 출력되는 전기 에너지의 흐름을 스위칭하여 상기 배터리(120)의 전압을 승압(BOOST) 또는 강압(BUCK)시키는 제3스위칭 소자(Q3)가 포함될 수 있다.
상기 파워플로우 셀렉터(160)에서 상기 제2스위칭 소자(Q2)측에 상기 제1인덕터(310)와 상기 제3스위칭 소자(Q3)를 형성함으로써, 상기 제1스위칭 소자(Q1) 및 상기 제2스위칭 소자(Q2)의 접점의 개폐를 통해 상기 배터리(120)로 입력 또는 출력되는 전기 에너지를 상기 제1인덕터(310)를 통해 승압(BOOST) 또는 강압(BUCK)시키도록 한다.
상기 제1인덕터(310)는 상기 제1스위칭 소자(Q1)와 상기 제2스위칭 소자(Q2)에 순차로 이어지도록 직렬로 연결되며, 제3스위칭 소자(Q3)는 상기 제2스위칭 소자(Q2)와, 상기 제1인덕터(310) 사이에 병렬로 연결된다.
이때, 상기 제3스위칭 소자(Q3)의 접점의 개폐를 통해 상기 제1인덕터(310)를 통과하는 전기 에너지의 방향을 스위칭하여, 상기 배터리(120)의 충전모드와, 방전모드에 따라서 선택적으로 승압(BOOST) 또는 강압(BUCK)이 이루어지도록 한다.
본 실시예에 따르면, 상기 배터리(120)의 SOC가 적정치 보다 낮은 경우, 상기 제1스위칭 소자(Q1)를 OFF시킨 상태에서, 상기 제2스위칭 소자(Q2)의 강압을 위한 스위칭하고, 상기 제3스위칭 소자를 OFF시켜, 상기 배터리(120)의 전압을 상기 제1인덕터(310)에 의해 강압(BUCK)시키는 충전모드를 수행하여, 상기 배터리(120)의 충전 전기 에너지량을 증가시키도록 한다.
반면, 상기 배터리(120)의 SOC가 적정치 보다 높은 경우에는 상기 제2스위칭 소자(Q2)를 OFF시키고, 상기 제1스위칭 소자(Q1)를 ON시키며, 상기 제3스위칭 소자(Q3)를 승압을 위한 스위칭을 하여, 상기 배터리(120)의 전압을 승압(BOOST)시키는 방전모드를 수행한다.
이를 통해, 상기 배터리(120)의 SOC가 최적의 성능을 발휘하는 적정영역에 유지되도록 충, 방전이 제어될 수 있다.
또한, 과급 시스템의 초기 구동시 상기 제1인덕터(310)에 저장된 여분의 전력으로 프리-차징을 실행할 수 있어, 상기 배터리(120)의 SOC 저하에 따른 시스템의 효율 저하를 방지할 수 있다.
과급 시스템의 구동이 중지되면, 상기 제1스위칭 소자(Q1), 제2스위칭 소자(Q2) 및 제3스위칭 소자(Q3)는 OFF된다.
도 4는 본 발명의 실시예 특정 요부에 대한 다른 일변형예를 나타낸다.
도시된 바와 같이, 상기 파워플로우 셀렉터(160)는 상기 제1스위칭 소자(Q1)와, 상기 전동 차저(130) 사이에 제2인덕터(320)를 설치하고, 상기 제2인덕터(320)로 입, 출력되는 전기 에너지의 흐름을 스위칭하여 상기 배터리(120)의 전압을 승압(BOOST) 또는 강압(BUCK)시키는 제4스위칭 소자(Q4)가 포함될 수 있다.
상기 제2인덕터(320)는 상기 배터리(120)를 향해 상기 제1스위칭 소자(Q1)와 상기 제2스위칭 소자(Q2)를 순차로 직렬로 연결하고, 상기 제4스위칭 소자(Q4)는 상기 제2인덕터(320)와 상기 제1스위칭 소자(Q1) 사이에 병렬로 연결된다.
이 경우, 상기 배터리(120)의 SOC가 적정치 보다 높은 경우, 상기 제2스위칭 소자(Q2)를 OFF시킨 상태에서, 상기 제1스위칭 소자(Q1)를 강압(BUCK)을 위한 스위칭을 하고, 상기 제4스위칭 소자(Q4)를 OFF시켜 상기 전동 차저(130)의 전압을 강압(BUCK)시킴으로써, 방전모드가 수행된다.
반면, 상기 배터리(120)의 SOC가 적정치 보다 낮은 경우에는 상기 제1스위칭 소자(Q1)를 OFF시키고, 상기 제2스위칭 소자(Q2)를 ON시킨 상태에서, 상기 제4스위칭 소자(Q4)를 승압을 위한 스위칭을 하여, 상기 전동 차저(130)의 전압을 승압(BOOST)시킴으로써, 상기 배터리(120)의 충전모드가 수행되도록 한다.
과급 시스템의 구동이 중지되면, 상기 제1스위칭 소자(Q1), 제2스위칭 소자(Q2) 및 제4스위칭 소자(Q4)는 OFF된다.
상기한 구성에 따른 본 발명의 배터리 충방전 제어장치에 의하면, 상기 터보 제너레이터(110) 및 상기 전동 차저(130)의 구동에 대해 상기 배터리(120)의 충방전이 개별적으로 제어됨으로써, 상기 터보 제너레이터(110)와, 상기 전동 차저(130)의 상태에 따라서, 상기 배터리(120)가 최적의 SOC 범위를 유지하도록 충, 방전되는 전기 에너지 흐름의 제어가 가능하다.
따라서, 본 발명에 따르면, 터보 제너레이터(110)와 전동 차저(130)를 갖는 과급 시스템을 이루는 배터리(120)의 SOC를 최적의 상태로 유지하여, 배터리(120)의 성능을 향상시키는 동시에 과급 시스템의 전체 효율을 향상시킬 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 배터리 충방전 제어방법의 순서를 나타낸다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 배터리 충방전 제어방법이 시작되면, 먼저 배터리(120)의 SOC 측정이 이루어진다(S510).
그리고, 상기 측정된 배터리(120) SOC 가 미리 정해진 적정범위에 있는지를 판단하여(S511), 적정범위에 있는 경우에는 엔진(E) 출력에 따른 터보 제너레이터(110) 및 전동 차저(130)의 입, 출력 상태에 따라 배터리(120)의 충전이 수행되는 노멀모드를 수행하고(S512), 상기 측정된 배터리(120) SOC가 적정범위에 있지 않은 경우에는 충방전모드를 수행한다(S513).
상기 충방전모드에서는 상기 측정된 배터리(120) SOC가 적정범위에 미만인지 초과인지를 판단하여(S514), 미만인 경우 충전모드를 수행한다(S515).
상기 충전모드에서는 상기 배터리(120)로부터 상기 전동 차저(130)로 방전되는 전기 에너지의 흐름을 차단시키도록 하고(S516), 앞서 살펴본 배터리 충방전 제어장치에서 제2스위칭 소자(Q2)와 배터리(120)측 사이의 회로상에 설치된 제1인덕터(310)를 통해 배터리(120)에 입력되는 전기 에너지의 전압을 강압(BUCK)시키거나, 제1스위칭 소자(Q1)와 전동 차저(130) 사이의 회로상에 설치된 제2인덕터(Q2)를 통해 터보 제너레이터(110)로부터 출력되는 전기 에너지의 전압을 승압(BOOST)시켜, 배터리(120)를 충전시키도록 한다(S517).
반면, 상기 S514단계의 비교에 의해 상기 측정된 배터리(120) SOC가 적정범위를 초과하는 경우에는 방전모드를 수행한다(S518).
상기 방전모드에서는 상기 터보 제너레이터(110)로부터 상기 배터리(120)로 충전되는 전기 에너지의 흐름을 차단하고(S519), 제2스위칭 소자(Q2)와 상기 배터리(120) 사이의 회로상에 설치된 제1인덕터(310)를 통해 배터리(120)로부터 출력되는 전기 에너지의 전압을 승압(BOOST)시키거나, 상기 제1스위칭 소자(Q1)와 전동 차저(130) 사이의 회로상에 설치된 제2인덕터(320)를 통해 상기 전동 차저(130)로 입력되는 전기 에너지의 전압을 강압(BUCK)시켜, 배터리(120)를 방전시키도록 한다(S520).
따라서, 본 발명에 따른 배터리 충방전 제어방법에 의하면, 배터리(120)의 SOC가 적정범위에 있는지 유무에 따라서, 노멀모드와, 충방전제어모드 중 어느 하나로 시스템의 구동이 이루어질 수 있다.
즉, 배터리(120) SOC가 적정범위를 유지하는 통상의 경우에는 엔진(E)의 출력에 따른 터보 제너레이터(110) 및 전동 차저(130)의 입, 출력에 따라 배터리(120)의 충, 방전이 이루어지도록 함으로써, 과급 시스템이 최적의 조건에서 작동되도록 하고, 특히, 배터리(120) SOC 가 적정범위에 미만인 경우나, 초과인 경우에는 충전모드 또는 방전모드를 자동으로 수행하여, 배터리(120)의 SOC가 최적정범위를 유지할 수 있도록 한다.
E: 엔진
110: 터보 제너레이터
120: 배터리
130: 전동 차저
140, 150: 에너지 변환장치
160: 파워플로우 셀렉터
310: 제1인덕터
320: 제2인덕터
Q1: 제1스위칭 소자
Q2: 제2스위칭 소자
Q3: 제3스위칭 소자
Q4: 제4스위칭 소자

Claims (9)

  1. 엔진으로 흡입되는 공기를 압축 공급하는 전동 차저;
    상기 엔진으로부터 발생된 배기 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 터보 제너레이터;
    변환된 전기 에너지를 저장하는 배터리;
    상기 배터리의 SOC(STATE OF CHARGE) 정보에 따라 상기 터보 제너레이터로부터의 전기 에너지를 상기 배터리 또는 상기 전동차저로 흐르게 스위칭하거나, 상기 배터리에 저장된 전기 에너지를 상기 전동 차저로 흐르게 스위칭하는 파워 플로우 셀렉터(POWER FLOW SELECTOR); 및
    전기 에너지를 직류 또는 교류로 변환하는 에너지 변환장치;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충방전 제어장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 에너지 변환장치는 상기 터보 제너레이터에 의해 생성된 전기 에너지를 직류로 변환하여 상기 배터리 또는 상기 전동차저로 공급하는 제1변환기; 및
    상기 배터리의 전기 에너지를 교류로 변환하여 상기 전동 차저로 공급하는 제2변환기;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충방전 제어장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 파워플로우 셀렉터는 상기 배터리의 충전 또는 방전을 위해 전기 에너지의 흐름을 ON-OFF시키는 제1스위칭 소자와 상기 배터리의 충전 또는 방전을 위해 전기 에너지의 흐름을 ON-OFF시키기 위해 상기 제1스위칭 소자와 반대방향으로 직렬 연결되는 제2스위칭 소자를 포함하되,
    상기 제1스위칭 소자 및 상기 제2스위칭 소자가 ON 이면, 상기 배터리의 충전 및 방전을 실행하는 노멀모드이고, 상기 제1스위칭 소자가 ON이고, 상기 제2스위칭 소자가 OFF이면, 상기 배터리의 방전을 실행하는 방전모드이고,
    상기 제1스위칭 소자가 OFF이고, 상기 제2스위칭 소자가 ON이면, 상기 배터리의 충전을 실행하는 충전모드이고, 상기 제1스위칭 소자 및 상기 제2스위칭 소자가 OFF이면 시스템을 OFF하는 시스템 OFF모드인 것을 특징으로 하는 배터리 충방전 제어장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 파워플로우 셀렉터는 제1스위칭 소자와. 제2스위칭 소자와, 상기 제1인덕터가 순차적으로 직렬로 연결되고, 상기 제2스위칭 소자와 상기 제1인덕터 사이에 병렬로 연결되는 제3스위칭 소자를 포함하되, 상기 제1스위칭 소자는 반대방향으로 상기 제2스위칭 소자와 직렬로 연결되고,
    동작모드가 강압(BUCK)모드인 경우, 상기 제1스위칭 소자가 OFF이고, 상기 제2스위칭 소자는 강압(BUCK)을 위한 스위칭 상태이고, 상기 제3스위칭 소자가 OFF 상태이면, 상기 배터리가 충전되고,
    동작모드가 승압(BOOST)모드인 경우, 상기 제1스위칭소자가 ON이고, 상기 제2스위칭 소자가 OFF이고, 상기 제3스위칭 소자가 승압(BOOST)을 위한 스위칭 상태이면, 상기 배터리가 방전되고,
    동작모드가 OFF인 경우, 상기 제1스위칭 소자와, 상기 제2스위칭 소자 및 상기 제3스위칭 소자가 OFF이면 시스템이 OFF인 것을 특징으로 하는 배터리 충방전 제어장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 파워플로우 셀렉터는 제2인덕터와, 제1스위칭 소자와, 제2스위칭 소자가 순차적으로 직렬로 연결되고, 상기 제2인덕터와 상기 제1스위칭 소자 사이에 병렬로 연결되는 제4스위칭 소자를 포함하되, 상기 제1스위칭 소자는 반대방향으로 상기 제2스위칭 소자와 직렬 연결되고,
    동작모드가 강압(BUCK)모드인 경우, 상기 제1스위칭 소자가 강압을 위한 스위칭 상태이고, 상기 제2스위칭 소자는 OFF이고, 상기 제4스위칭 소자가 OFF이면 상기 배터리가 방전되고,
    동작모드가 승압(BOOST)모드인 경우, 상기 제1스위칭 소자가 OFF이고, 상기 제2스위칭 소자는 ON이고, 상기 제4스위칭 소자가 승압을 위한 스위칭 상태이면, 상기 배터리가 충전되고,
    동작모드가 OFF인 경우, 상기 제1스위칭 소자)와, 상기 제2스위칭 소자 및 상기 제4스위칭 소자가 OFF이면 시스템이 OFF인 것을 특징으로 하는 배터리 충방전 제어장치.
  6. 배터리의 SOC(STATE OF CHARGE)가 적정범위에 있는지를 판단하는 배터리 상태 판단단계;
    상기 배터리 상태 판단단계에서 상기 배터리의 SOC가 적정 범위에 있는 경우, 파워플로우 셀렉터를 이용하여, 상기 배터리의 충전 또는 방전이 수행되도록 터보 제너레이터 또는 전동 차저에 대해 전기 에너지의 흐름을 제어하여 시스템을 구동시키는 노멀모드 수행단계;
    상기 배터리 상태 판단단계에서 상기 배터리의 SOC(STATE OF CHARGE)가 적정범위를 벗어난 경우, 파워플로우 셀렉터를 이용하여, 상기 배터리의 충전 또는 방전을 위한 전기 에너지의 흐름을 선택적으로 개폐하고, 상기 터보 제너레이터로부터 생성된 전기 에너지로만 상기 전동 차저를 구동시키는 충방전 제어모드 수행단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 충방전 제어방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 파워플로우 셀렉터는 상기 배터리의 충전 또는 방전을 위해 전기 에너지의 흐름을 ON-OFF시키는 제1스위칭 소자와 상기 배터리의 충전 또는 방전을 위해 전기 에너지의 흐름을 ON-OFF시키기 위해 상기 제1스위칭 소자와 반대방향으로 직렬 연결되는 제2스위칭 소자를 포함하되,
    상기 제1스위칭 소자 및 상기 제2스위칭 소자가 ON 이면, 상기 배터리의 충전 및 방전을 실행하는 노멀모드이고, 상기 제1스위칭 소자가 ON이고, 상기 제2스위칭 소자가 OFF이면, 상기 배터리의 방전을 실행하는 방전모드이고,
    상기 제1스위칭 소자가 OFF이고, 상기 제2스위칭 소자가 ON이면, 상기 배터리의 충전을 실행하는 충전모드이고, 상기 제1스위칭 소자 및 상기 제2스위칭 소자가 OFF이면 시스템을 OFF하는 시스템 OFF모드인 것을 특징으로 하는 배터리 충방전 제어방법.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 파워플로우 셀렉터는 제1스위칭 소자와. 제2스위칭 소자와, 상기 제1인덕터가 순차적으로 직렬로 연결되고, 상기 제2스위칭 소자와 상기 제1인덕터사이에 병렬로 연결되는 제3스위칭 소자를 포함하되, 상기 제1스위칭 소자는 반대방향으로 상기 제2스위칭 소자와 직렬로 연결되고,
    동작모드가 강압(BUCK)모드인 경우, 상기 제1스위칭 소자가 OFF이고, 상기 제2스위칭 소자는 강압(BUCK)을 위한 스위칭 상태이고, 상기 제3스위칭 소자가 OFF 상태이면, 상기 배터리가 충전되고,
    동작모드가 승압(BOOST)모드인 경우, 상기 제1스위칭소자가 ON이고, 상기 제2스위칭 소자가 OFF이고, 상기 제3스위칭 소자가 승압(BOOST)을 위한 스위칭 상태이면, 상기 배터리가 방전되고,
    동작모드가 OFF인 경우, 상기 제1스위칭 소자와, 상기 제2스위칭 소자 및 상기 제3스위칭 소자가 OFF이면 시스템이 OFF인 것을 특징으로 하는 배터리 충방전 제어방법.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 파워플로우 셀렉터는 제2인덕터와, 제1스위칭 소자와, 제2스위칭 소자가 순차적으로 직렬로 연결되고, 상기 제2인덕터와 상기 제1스위칭 소자 사이에 병렬로 연결되는 제4스위칭 소자를 포함하되, 상기 제1스위칭 소자는 반대방향으로 상기 제2스위칭 소자와 직렬 연결되고,
    동작모드가 강압(BUCK)모드인 경우, 상기 제1스위칭 소자가 강압을 위한 스위칭 상태이고, 상기 제2스위칭 소자는 OFF이고, 상기 제4스위칭 소자가 OFF이면 상기 배터리가 방전되고,
    동작모드가 승압(BOOST)모드인 경우, 상기 제1스위칭 소자가 OFF이고, 상기 제2스위칭 소자는 ON이고, 상기 제4스위칭 소자가 승압을 위한 스위칭 상태이면, 상기 배터리가 충전되고,
    동작모드가 OFF인 경우, 상기 제1스위칭 소자와, 상기 제2스위칭 소자및 상기 제4스위칭 소자가 OFF이면 시스템이 OFF인 것을 특징으로 하는 배터리 충방전 제어방법.
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