KR20150061447A - 전기자동차 기반의 무접점 릴레이 회로 - Google Patents

전기자동차 기반의 무접점 릴레이 회로 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기자동차 기반의 무접점 릴레이 회로에 관한 것이다. 본 발명은, 발광소자로 저전압 배터리의 전압에 의해 구동되는 포토 다이오드 어레이 타입(Photo-Diode Array Type)의 포토 커플러(Photo coupler); 및 전압구동형 스위칭소자로 상기 포토 커플러 내부적으로 발생된 미리 설정된 게이트전압을 공급받아 구동되어 전기자동차에서 고전압 배터리와 부하 간에 전기적 접속을 턴 온(Turn-on) 및 턴 오프(Turn-off) 하는 IGBT; 를 포함할 수 있다.

Description

전기자동차 기반의 무접점 릴레이 회로{Smart Solid State Relay based on Electric Vehicle}
본 발명은 전기자동차 기반의 무접점 릴레이 회로에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 전기자동차에서 고전압 배터리와 부하 간에 전기적 접속을 턴 온(Turn-on) 및 턴 오프(Turn-off) 하도록 하기 위한 전기자동차 기반의 무접점 릴레이 회로에 관한 것이다.
일반적으로 가솔린이나 중유를 주연료로 사용하는 내연 엔진을 이용하는 자동차는 대기오염 등 공해발생에 심각한 영향을 주고 있다. 따라서 최근에는 공해발생을 줄이기 위하여, 전기자동차 또는 하이브리드(Hybrid) 자동차의 개발에 많은 노력을 기울이고 있다.
전기자동차는 배터리(battery)에서 출력되는 전기에너지에 의해 동작하는 배터리 엔진을 이용하는 자동차이다.
이러한 전기 자동차는 충방전이 가능한 다수의 2차 전지(cell)가 하나의 팩(pack)으로 형성된 배터리를 주동력원으로 이용하기 때문에 배기가스가 전혀 없으며 소음이 아주 작은 장점이 있다.
이러한 전기자동차 내의 배터리 전원 공급을 위해 관련 전자 기기에 에너지를 제공하는 전원으로서 배터리 팩을 적용함으로써, 구동 모터와 같은 기계적 장치로 전원을 공급하기 위한 일반적으로 기계식 스위칭 장치를 사용하고 있다.
이러한 기계식 스위칭 장치를 구성하기 위해서는 고가의 직접 회로(Intergrated Circuit)가 필요할 뿐만 아니라, 이로 인해 열방출을 위한 히트 싱트(heatsink) 부착으로 인한 전체적인 회로의 사이즈 확대에 대한 문제점이 있어 왔다.
1. 대한민국 실용신안등록출원 제1996-0047078호(고안의 명칭: 전기자동차 모터 구동신호 스위칭 부동시간 발생장치) 2. 대한민국 특허출원 제2011-0004502호(발명의 명칭: 전기자동차 전력시스템에서의 이중 스위칭 장치 및 스위치 단속 방법)
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 별도의 외부 전원을 필요로 하지 않아 고가의 집적회로(Intergrated circuit)을 추가하지 않아도 되는 효과를 제공하기 위한 전기자동차 기반의 무접점 릴레이 회로를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 역접속 방지를 위한 다이오드나 반대의 MOSFET를 필요로 하지 않는 전기자동차 기반의 무접점 릴레이 회로를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 메탈 코어 PCB 구조를 갖음으로써, 열방출을 위해 별도의 히트 싱크(heatsink) 부착으로 인한 사이즈 확대를 방지하도록 하기 위한 전기자동차 기반의 무접점 릴레이 회로를 제공하기 위한 것이다.
그러나 본 발명의 목적들은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차 기반의 무접점 릴레이 회로는, 발광소자로 저전압 배터리의 전압에 의해 구동되는 포토 다이오드 어레이 타입(Photo-Diode Array Type)의 포토 커플러(Photo coupler); 및 전압구동형 스위칭소자로 상기 포토 커플러 내부적으로 발생된 미리 설정된 게이트전압을 공급받아 구동되어 전기자동차에서 고전압 배터리와 부하 간에 전기적 접속을 턴 온(Turn-on) 및 턴 오프(Turn-off) 하는 IGBT; 를 포함한다.
이때, 상기 포토 커플러는 성가 저전압 배터리로부터 전원을 입력받아 구동되는 발광소자와, 상기 발광소자와 전기적으로 절연되어 있고 상기 발광소자의 온(On) 상태에 연동하여 전기신호를 상기 IGBT로 출력하는 수광소자를 포함하며,전기적 절연 구조에 의해 상기 포토 커플러를 중심으로 상기 저전압 배터리가 형성된 영역은 저전압 상태를 유지되도록 하며, 상기 IGBT, 상기 고전압 배터리 및 상기 부하는 고전압 상태를 유지되도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 IGBT는 게이트(G)로 +15V의 전압을 인가받아 컬렉터(C)와 에미터(E) 간에 도통 상태로 되어 턴 온(Turn-on) 되며, 게이트(G)로 0V의 전압이 형성될 경우 턴 오프(Turn-off) 되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 고전압 배터리는 상기 IGBT의 컬렉터(C)에 연결되며, 상기 부하는 상기 IGBT의 에미터(E)에 연결된 구조를 갖는 것이 바람직하다.
도한, 상기 부하는 전기자동차의 PRA(Power Relay Assembly), BDU(Battery Disconnection Unit), PDU(Power Disconnection Unit) 및 PCU(Power Control Unit) 중 하나인 것이 바람직하다.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기자동차 기반의 무접점 릴레이 회로는, 저전압 배터리로부터 포토 커플러의 12V인 동작 전압(pick-up voltage) 이상의 신호(high-signal)가 인가되면 상기 포토 커플러가 동작하여 스위칭 소자인 IGBT의 게이트(G)로 상기 포토 커플러 내부적으로 발생한 15V가 인가되어 턴 온(Turn-on)시, 부하공급 전원인 고전압 배터리와 부하 간에 전기적으로 연결되어 상기 부하로 상기 고전압 배터리로부터 전원이 공급된다.
본 발명의 실시예에 따른 전기자동차 기반의 무접점 릴레이 회로는, 별도의 외부 전원을 필요로 하지 않아 고가의 집적회로(Intergrated circuit)을 필요로 하지않는 효과를 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기자동차 기반의 무접점 릴레이 회로는, 역접속 방지를 위한 다이오드나 반대의 MOSFET를 필요로 하지 않는 효과를 제공한다.
뿐만 아니라, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기자동차 기반의 무접점 릴레이 회로는, 메탈 코어 PCB 구조를 갖음으로써, 열방출을 위해 별도의 히트 싱크(heatsink) 부착으로 인한 사이즈 확대를 방지하는 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차 기반의 무접점 릴레이 회로의 개념을 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 전기자동차 기반의 무접점 릴레이 회로의 구조를 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 1의 전기자동차 기반의 무접점 릴레이 회로의 동작 과정 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명은 첨부된 도면들을 참조하여 설명할 것이다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
본 명세서에 있어서는 어느 하나의 구성요소가 다른 구성요소로 데이터 또는 신호를 '전송'하는 경우에는 구성요소는 다른 구성요소로 직접 상기 데이터 또는 신호를 전송할 수 있고, 적어도 하나의 또 다른 구성요소를 통하여 데이터 또는 신호를 다른 구성요소로 전송할 수 있음을 의미한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기자동차 기반의 무접점 릴레이 회로의 개념을 나타내는 도면이고, 도 2는 도 1의 전기자동차 기반의 무접점 릴레이 회로의 구조를 구체적으로 설명하기 위한 도면이며, 도 3은 도 1의 전기자동차 기반의 무접점 릴레이 회로의 동작 과정 나타내는 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 전기자동차 기반의 무접점 릴레이 회로(1)는 포토 커플러(Photo coupler: 20)와 절연 게이트 양극성 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor, 이하: IGBT)(30)가 열방출을 위한 메탈 코어 PCB(Metalcore PCB) 구조에 의해 형성됨으로써, 전체 회로의 사이즈 축소 효과를 제공한다.
보다 구체적으로, 상기 무접점 릴레이 회로(1)는 저전압 배터리(10), 포토 커플러(Photo coupler)(20), IGBT(30), 고전압 배터리(40) 및 부하(50)를 포함한다.
이하에서는 전기자동차 기반의 무접점 릴레이 회로의 각 구성에 대해서 구체적으로 살펴보도록 한다.
먼저, 상기 저전압 배터리(10)는 상기 포토 커플러(20)를 구동시키기 위해 적정 레벨의 전원을 상기 포토 커플러(20)의 발광소자로 공급함으로써, 별도의 외부 전원이 필요없는 효과를 제공한다. 보다 구체적으로, 상기 저전압 배터리(10)는 제어신호에 따라 상기 포토 커플러(20)의 발광소자로 12V 전압을 전달함으로써, 상기 포토 커플러(20)를 동작시킨다.
상기 포토 커플러(Photo coupler)(20)는, 상기 포토 다이오드 어레이 타입(Photo-Diode Array Type)으로 상기 저전압 배터리(10)로부터 전원을 입력받아 구동되는 발광소자와, 해당 발광소자와 전기적으로 절연되어 있고 해당 발광소자의 온(On) 상태에 연동하여 전기신호를 스위칭소자에 해당하는 상기 IGBT(30)로 출력하는 수광소자로 이루어진다. 즉, 전기적 절연 구조에 의해 상기 포토 커플러(20)를 중심으로 상기 저전압 배터리(10)가 형성된 영역에 대해서는 저전압 상태를 유지하도록 하며, 이후의 상기 포토 커플러(20)와 연결된 구성인 상기 IGBT(30), 고전압 배터리(40) 및 부하(50)에 대해서는 고전압 상태를 유지하도록 함으로써, 상기 포토 커플러(20)는 고전압과 저전압 절연기능을 수행하게 된다.
여기서 상기 포토 커플러(20)의 발광소자로는 적외선 LED가 주로 사용되고, 포토 커플러(20)의 수광소자로는 포토 다이오드, 포토 트랜지스터, 포토 트라이악 등이 사용될 수 있다. 한편, 도 1에는 상기 포토 커플러(20)가 두 개(20a, 20b) 설치되어 있는 것을 나타내는 예시로 이러한 구조는 상기 저전압 배터리(10)의 용량이 큰 경우 이에 대응하기 위한 것이다.
한편 상기 IGBT(30)는 전압구동형 스위칭소자로 상기 포토 커플러(20) 내부적으로 발생된 적절한 게이트 전압(15V)을 게이트(G)로 공급받아 구동된다. 이에 따라, 본 발명에 따른 상기 IGBT(30)의 구조는 역접속 방지를 위한 추가적인 다이오드나 MOSFET 등의 IC(Intergrated Circuit)가 불필요한 특성을 갖도록 한다.
상기 IGBT(30)는 상기 포토 커플러(20)에서 출력되는 전기적 신호에 의해 출력단에 연결되어 있는 부하 공급 전원인 상기 고전압 배터리(40)를 상기 부하(50)와 전기적으로 개폐시켜주는 역할을 한다. 구동시 상기 IGBP(30)는 게이트(G)로 +15V의 전압을 인가받아 컬렉터(C)와 에미터(E) 간에 도통 상태로 되어 턴 온(Turn-on) 되며, 반대로 게이트(G)로 0V의 전이 형성될 경우 턴 오프(Turn-off) 된다. 상기 고전압 배터리(40)는 상기 IGBT(30)의 컬렉터(C)와 연결되고, 상기 부하(50)는 상기 IGBT(30)의 에미터(E)에 연결된 구조를 갖는다.
한편, 상기 부하(50)로는 전기자동차(Electric Vehicle)의 PRA(Power Relay Assembly), BDU(Battery Disconnection Unit), PDU(Power Disconnection Unit), PCU(Power Control Unit) 등을 예로 들 수 있다.
여기서 PRA, BDU, PDU, PCU는 전기자동차에 사용되는 대용량 고전압 배터리(40)와 모터 구동 장치 사이에 위치하며 그 연결을 담당하는 장치로 릴레이, 대용량 저항 등으로 구성될 수 있다. 일반적으로 전기자동차의 모터 구동 장치에는 일반적으로 매우 큰 커패시터가 사용되는데, 상기 고전압 배터리(40)와 커패시터를 직접 연결하게 되면 매우 큰 전류가 순간적으로 흐르기 때문에, PRA는 초기에 저항으로 전류의 크기를 제한하는 역할을 수행하거나, 전기자동차의 운전이 완료되었을 때 모터 구동 장치와 배터리 사이의 연결을 해제하는 역할도 한다. 이와 같은 PRA, BDU, PDU 및 PCU는 전기에너지의 흐름을 제어하는 장치로 제조 업체에 따라 모터 구동 장치를 의미하기도 하고 그 상위 제어 장치가 될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 전기자동차 기반의 무접점 릴레이 회로의 동작을 설명한다.
먼저, 상기 저전압 배터리(10)로부터 상기 포토 커플러(20)의 12V인 동작 전압(pick-up voltage) 이상의 신호(high-signal)가 인가되면, 상기 포토 커플러(20)가 동작하여 스위칭 소자인 상기 IGBT(30)의 게이트(G)로 상기 포토 커플러(20)의 내부적으로 발생한 15V가 인가됨으로써 상기 IGBT(30)가 턴 온(turn-on) 된다. 이에 따라서, 부하공급 전원인 상기 고전압 배터리(40)와 부하(50)가 전기적으로 연결되어 상기 부하(50)에 상기 고전압 배터리(40)로부터 전원이 공급된다.
이상과 같이, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
1: 전기자동차 기반의 무접점 릴레이 회로
10: 저전압 배터리
20: 포토 커플러(Photo coupler)
30: IGBT
40: 고전압 배터리
50: 부하

Claims (6)

  1. 발광소자로 저전압 배터리의 전압에 의해 구동되는 포토 다이오드 어레이 타입(Photo-Diode Array Type)의 포토 커플러(Photo coupler); 및
    전압구동형 스위칭소자로 상기 포토 커플러 내부적으로 발생된 미리 설정된 게이트전압을 공급받아 구동되어 전기자동차에서 고전압 배터리와 부하 간에 전기적 접속을 턴 온(Turn-on) 및 턴 오프(Turn-off) 하는 IGBT; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차 기반의 무접점 릴레이 회로.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 포토 커플러는
    성가 저전압 배터리로부터 전원을 입력받아 구동되는 발광소자와,
    상기 발광소자와 전기적으로 절연되어 있고 상기 발광소자의 온(ON) 상태에 연동하여 전기신호를 상기 IGBT로 출력하는 수광소자를 포함하며,
    전기적 절연 구조에 의해 상기 포토 커플러를 중심으로 상기 저전압 배터리가 형성된 영역은 저전압 상태를 유지되도록 하며,
    상기 IGBT, 상기 고전압 배터리 및 상기 부하는 고전압 상태를 유지되도록 하는 것을 특징으로 하는 전기자동차 기반의 무접점 릴레이 회로.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 IGBT는
    게이트(G)로 +15V의 전압을 인가받아 컬렉터(C)와 에미터(E) 간에 도통 상태로 되어 턴 온(Turn-on) 되며, 게이트(G)로 0V의 전압이 형성될 경우 턴 오프(Turn-off) 되는 것을 특징으로 하는 전기자동차 기반의 무접점 릴레이 회로.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 고전압 배터리는 상기 IGBT의 컬렉터(C)에 연결되며,
    상기 부하는 상기 IGBT의 에미터(E)에 연결된 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 전기자동차 기반의 무접점 릴레이 회로.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 부하는
    전기자동차의 PRA(Power Relay Assembly), BDU(Battery Disconnection Unit), PDU(Power Disconnection Unit), PCU(Power Control Unit) 중 하나인 것을 특징으로 하는 전기자동차 기반의 무접점 릴레이 회로.
  6. 저전압 배터리로부터 포토 커플러의 12V인 동작 전압(pick-up voltage) 이상의 신호(high-signal)가 인가되면 상기 포토 커플러가 동작하여 스위칭 소자인 IGBT의 게이트(G)로 상기 포토 커플러 내부적으로 발생한 15V가 인가되어 턴 온(Turn-on)시, 부하공급 전원인 고전압 배터리와 부하 간에 전기적으로 연결되어 상기 부하로 상기 고전압 배터리로부터 전원이 공급되는 것을 특징으로 하는 전기자동차 기반의 무접점 릴레이 회로.
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