KR20160013417A - 차량 구동 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

차량 구동 시스템 및 방법이 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 차량 구동 시스템은, 컨버터로 차량 내부의 전장 부품들에 전원을 공급하는 제2 배터리부의 전압을 모터를 구동시키는 인버터에 전원을 공급하는 제1 배터리부의 전압으로 변환시키고, 차량 시동 시에 변환된 전압의 전원을 인버터의 캐패시터에 인가하여 캐패시터를 충전시킨다. 이에 의해, 프리차지 회로가 배터리 시스템에서 제거됨으로써, 배터리 시스템의 저가격, 소형화, 경량화를 달성할 수 있게 된다.

Description

차량 구동 시스템 및 방법{Vehicle Driving System and Method}
본 발명은 차량 구동 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 전기자동차의 인버터에 포함된 캐패시터를 프리차지한 후 모터를 구동시키는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
전기자동차는 장래의 자동차 공해 및 에너지 문제를 해결할 수 있는 가장 가능성 높은 대안이라는 점에서 연구가 활발하게 진행되고 있다.
전기자동차(Electric vehicle; EV)는 주로 배터리의 전원을 이용하여 AC 또는 DC 모터를 구동하여 동력을 얻는 자동차로서, 크게 배터리전용 전기자동차와 하이브리드 전기자동차로 분류되며, 배터리전용 전기자동차는 배터리의 전원을 이용하여 모터를 구동하고 전원이 다 소모되면 재충전하고, 하이브리드 전기자동차는 엔진을 가동하여 전기발전을 하여 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 병렬 방식은 엔진과 모터가 동시에 차량을 구동할 수도 있다.
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. 고출력화를 추진하면서 고회전함에 따라 모터가 경량소형화되어 탑재중량이나 용적도 크게 감소하였다.
또한, 전기자동차의 배터리는 기존의 고전압(예를 들어, 약 270V)의 배터리가 아닌, 저전압 배터리(예를 들어 48V)를 활용한 마일드 하이브리드 시스템이 떠오르고 있다.
이러한 마일드 하이브리드 시스템이 적용된 전기자동차는 배터리에 충전된 전류를 공급하거나 차단하기 위해, 배터리 시스템 내에 스위칭 수단으로써 복수의 릴레이를 구비하고 있다. 또한, 마일드 하이브리드 시스템이 적용된 자동차의 배터리 시스템 내에는 인버터의 캐패시터(capacitor)의 폭발 등을 방지하기 위해 이를 미리 충전시켜주는 프리차지(pre-charge) 회로를 포함하고 있다.
저전압 마일드 하이브리드용 배터리 시스템의 주요 화두는 저가격, 소형화, 경량화이다. 하지만, 프리차지 회로가 배터리 시스템에 포함됨으로써, 배터리 시스템의 저가격, 소형화, 경량화가 저해되고 있는 문제점이 있다.
이에 따라, 배터리 시스템에서 프리차지 회로를 제거하기 위한 방안의 모색이 요청된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 프리차지 회로 없이도 모터에 전원을 공급하는 인버터의 캐패시터를 프리차지할 수 있는 차량 구동 시스템 및 방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 차량 구동 시스템은, 캐패시터를 포함하고, 공급된 전원을 이용하여 모터를 구동시키는 인버터; 상기 인버터의 구동을 위한 전원을 공급하는 제1 배터리부; 차량 내부의 전장 부품들에 전원을 공급하는 제2 배터리부; 및 제2 배터리부의 전압을 상기 제1 배터리부의 전압으로 변환시키고, 차량 시동 시에 상기 변환된 전압의 전원을 상기 캐패시터에 인가하여 상기 캐패시터를 충전시키는 컨버터;를 포함한다.
그리고, 차량 시동 시, 제1 배터리부의 전압인 제1 전압과 상기 인버터의 캐패시터의 전압인 제2 전압을 측정하고, 상기 제1 전압과 상기 제2 전압의 차이에 따라 상기 컨버터의 구동을 제어하는 제어부;를 더 포함할 수도 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 제1 전압과 상기 제2 전압의 차이가 특정값 이상일 경우, 상기 컨버터를 구동시켜 상기 변환된 전압의 전원을 상기 캐패시터에 인가하여 상기 캐패시터를 충전시킬 수도 있다.
그리고, 상기 제어부는, 상기 제1 전압과 상기 제2 전압의 차이가 특정값 미만이 된 경우, 상기 컨버터의 구동을 중단시키고 상기 제1 배터리부가 상기 인버터에 전원을 공급하도록 제어할 수도 있다.
또한, 상기 제1 배터리부는 상기 인버터와의 연결을 스위칭하기 위한 릴레이 스위치를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 릴레이 스위치를 온 상태로 변경함으로써, 상기 제1 배터리부가 상기 인버터에 전원을 공급하도록 제어할 수도 있다.
그리고, 상기 제1 배터리부의 전압은 상기 제2 배터리부의 전압보다 높을 수도 있다.
또한, 상기 제1 배터리부는, 리튬이온 배터리를 포함하는 배터리 시스템이고, 상기 제2 배터리부는, 납축전지일 수도 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 차량 구동 방법은, '차량 내부의 전장 부품들에 전원을 공급하는 제2 배터리부'의 전압을 '모터를 구동시키는 인버터에 전원을 공급하는 제1 배터리부의 전압으로 변환시키는 단계; 및 차량 시동 시에 상기 변환된 전압의 전원을 상기 인버터의 캐패시터에 인가하여 상기 캐패시터를 충전시키는 단계;를 포함한다.
그리고, 상기 변환 단계는, 상기 제1 배터리부의 전압인 제1 전압과 상기 캐패시터의 전압인 제2 전압의 차이가 특정값 이상인 경우, 상기 제2 배터리부의 전압을 상기 제1 배터리부의 전압으로 변환시킬 수 있다.
또한, 상기 제1 전압과 상기 제2 전압의 차이가 특정값 미만이 되면, 상기 제1 배터리부가 상기 인버터에 전원을 공급하도록 제어하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 별도의 프리차지 회로 없이도 전장 부품 전원 공급용 배터리의 전압을 변환하여 캐패시터를 미리 충전할 수 있게 된다. 이를 통해, 프리차지 회로가 배터리 시스템에서 제거됨으로써, 배터리 시스템의 저가격, 소형화, 경량화를 달성할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명은 일 실시예에 따른, 차량 구동 시스템의 블럭도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 차량 구동 방법을 설명하기 위해 제공되는 흐름도이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명은 일 실시예에 따른, 차량 구동 시스템(100)의 블럭도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 차량 구동 시스템(100)은 제1 배터리부(110), 인버터(120), 구동모터(130), 제2 배터리부(140), 전장부품(145) 컨버터(150) 및 제어부(160)를 포함한다.
제1 배터리부(110)는 인버터(120)에 연결되어 전원을 공급한다. 또한, 제1 배터리부(110)는 인버터(110)와의 연결을 스위칭하기 위한 릴레이 스위치(115)를 포함한다. 또한, 배터리부(110)는 복수개의 배터리 셀들이 직렬 또는 병렬로 연결되어있는 리튬이온 배터리(113)를 포함하는 배터리 시스템이다.
인버터(120)는 캐패시터(125)를 포함하고, 제1 배터리부(110)로부터 공급된 전원을 이용하여 구동 모터(130)를 구동시킨다. 인버터(120)는 직류를 교류로 변환시키거나 교류를 직류로 변환시키는 장치이다. 즉, 인버터(120)는 제1 배터리부(110)로부터 직류 전원을 공급받고, 공급된 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 구동 모터(130)에 공급한다. 또한, 인버터(120)는 회생 제동 시에 구동 모터(130)에서 발전된 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 제1 배터리부(110)를 충전할 수도 있다.
캐패시터(125)는 제1 배터리부(110)와 인버터(120)의 사이에 배치되어 있으며, DC 링크 캐패시터라고도 한다. 캐패시터(125)는 제1 배터리부(110)보다 충전 및 방전의 속도가 빠르기 때문에, 구동 모터(130)의 갑작스러운 출력 변화에도 안정적인 공급을 할 수 있게 해주며, 제1 배터리부(110)의 갑작스러운 상태 변화를 방지하여 주는 기능을 한다.
구동 모터(130)은 차량의 구동을 위해 배치되며, 차량의 종류에 따라 기능이 달라진다. 예를 들어, 차량이 하이브리드 차량인 경우 구동 모터(130)는 엔진과 연결되며, 차량이 전기 차량인 경우 구동 모터(130)는 그 자체가 엔진의 역할을 수행하게 된다.
제2 배터리부(140)는 차량 내부의 전장 부품(145)에 전원을 공급한다. 제2 배터리부(140)는 납축전지일 수 있다. 뿐만 아니라, 제2 배터리부(140)는 컨버터(150)와 연결되어 인버터(120) 내의 캐패시터(125)에 전원을 공급하여 충전시킬 수도 있다.
제1 배터리부(110)의 전압은 제2 배터리부(140)의 전압보다 높다. 예를 들어, 제1 배터리부(110)는 48V이고, 제2 배터리부(140)는 12V 또는 24V에 해당될 수도 있다.
컨버터(150)는 제2 배터리부(140)의 전압을 제1 배터리부(110)의 전압으로 변환시키고, 차량 시동 시에 변환된 전압의 전원을 캐패시터에 인가하여 캐패시터를 충전시킬 수도 있다. 예를 들어, 제2 배터리부(140)의 전압이 24V이고 제1 배터리부(110)의 전압은 48V인 경우, 컨버터(150)는 제2 배터리부(140)에서 출력되는 전압을 24V에서 48V로 변환하게 된다. 그리고, 컨버터(150)는 변환된 48V의 전원을 인버터(120)의 캐패시터(125)에 전달하게 된다.
제어부(160)는 차량 구동 시스템(100)의 전반적인 동작을 제어한다. 구체적으로, 제어부(160)는 차량 시동 시, 제1 배터리부(110)의 전압인 제1 전압과 캐패시터(125)의 전압인 제2 전압을 측정하고, 제1 전압과 상기 제2 전압의 차이에 따라 컨버터(150)의 구동을 제어한다.
제어부(160)는 제1 전압과 제2 전압의 차이가 특정값 이상일 경우, 컨버터(150)를 구동시켜 변환된 전압의 전원을 캐패시터(125)에 인가하여 캐패시터를 충전시킨다. 여기에서, 특정값은 캐패시터(125)가 안정상태를 유지할 수 있는 임계 전압차에 해당되며, 예를 들어, 특정값은 10V가 될 수도 있다. 이를 통해 컨버터(150)는 별도의 프리차지 회로가 없더라도 캐패시터(125)를 미리 충전할 수 있게 된다.
그리고, 제어부(160)는 컨버터(150)의 캐패시터(125) 충전에 의해, 제1 전압과 제2 전압의 차이가 특정값 미만이 된 경우, 컨버터(150)의 구동을 중단시키고, 제1 배터리부(110)가 인버터(120)에 전원을 공급하도록 제어한다. 구체적으로, 제어부(160)는 릴레이 스위치(115)를 온 상태로 변경함으로써, 제1 배터리부(110)가 인버터(120)에 전원을 공급하도록 제어할 수도 있다.
이와 같은 구성의 차량 구동 시스템(100)은 별도의 프리차지 회로를 포함하지 않더라도 차량 시동 시 캐패시터를 미리 충전할 수 있게 된다. 이를 통해, 프리차지 회로가 배터리 시스템에서 제거됨으로써, 배터리 시스템의 저가격, 소형화, 경량화를 달성할 수 있게 된다.
이하에서는, 도 2를 참고하여, 차량 구동 방법에 관하여 상세히 설명한다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 차량 구동 방법을 설명하기 위해 제공되는 흐름도이다.
사용자에 의해 차량 시동이 걸리면(S210), 차량 구동 시스템(100)은 제1 배터리부(110)의 전압인 제1 전압을 측정하고(S220), 인버터(120) 내의 캐패시터(125)의 전압인 제2 전압을 측정한다(S230).
그리고, 차량 구동 시스템(100)은 제1 전압과 제2 전압의 차가 특정값 이상인지 여부를 판단한다(S240). 만약, 차량 구동 시스템(100)은 제1 전압과 제2 전압의 차가 특정값 이상일 경우(S240-Y), 컨버터(150)를 구동시켜(S250), 제2 배터리(140)의 전압을 승압시켜 캐패시터(125)에 인가함으로써 캐패시터(125)를 충전시킨다(S255). 그 후에, 차량 구동 시스템(100)은 다시 S240단계로 회귀한다.
한편, 차량 구동 시스템(100)은 제1 전압과 제2 전압의 차가 특정값 미만이 되면(S240-N), 컨버터(150)의 구동을 중단시키고, 릴레이 스위치(115)를 온시킴으로써(S260), 제1 배터리부(110)가 인버터(120)에 전원을 공급하도록 제어하게 된다(S265).
이와 같은 과정을 통해, 차량 구동 시스템(100)은 제1 전압과 제2 전압의 차이에 따라 컨버터(150)의 구동을 제어하게 되며, 별도의 프리차지 회로를 포함하지 않더라도 차량 시동 시 캐패시터를 미리 충전할 수 있게 된다. 이를 통해, 프리차지 회로가 배터리 시스템에서 제거됨으로써, 배터리 시스템의 저가격, 소형화, 경량화를 달성할 수 있게 된다.
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.
100 : 차량 구동 시스템 110 : 제1 배터리부
113 : 리튬이온 배터리 115 : 릴레이 스위치
120 : 인버터 125 : 캐패시터
130 : 구동 모터 140 : 제2 배터리부
145 : 전장부품 150 : 컨버터
160 : 제어부

Claims (10)

  1. 캐패시터를 포함하고, 모터를 구동시키는 인버터;
    상기 인버터에 전원을 공급하는 제1 배터리부;
    차량 내부의 전장 부품들에 전원을 공급하는 제2 배터리부; 및
    상기 제2 배터리부의 전압을 상기 제1 배터리부의 전압으로 변환시키고, 차량 시동 시에 상기 변환된 전압의 전원을 상기 캐패시터에 인가하여 상기 캐패시터를 충전시키는 컨버터;를 포함하는 차량 구동 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    차량 시동 시, 상기 제1 배터리부의 전압인 제1 전압과 상기 캐패시터의 전압인 제2 전압을 측정하고, 상기 제1 전압과 상기 제2 전압의 차이에 따라 상기 컨버터의 구동을 제어하는 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 구동 시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 전압과 상기 제2 전압의 차이가 특정값 이상일 경우, 상기 컨버터를 구동시켜 상기 변환된 전압의 전원을 상기 캐패시터에 인가하여 상기 캐패시터를 충전시키는 것을 특징으로 하는 차량 구동 시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 전압과 상기 제2 전압의 차이가 특정값 미만이 된 경우, 상기 컨버터의 구동을 중단시키고 상기 제1 배터리부가 상기 인버터에 전원을 공급하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 차량 구동 시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 제1 배터리부는 상기 인버터와의 연결을 스위칭하기 위한 릴레이 스위치를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 릴레이 스위치를 온 상태로 변경함으로써, 상기 제1 배터리부가 상기 인버터에 전원을 공급하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 차량 구동 시스템.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 배터리부의 전압은 상기 제2 배터리부의 전압보다 높은 것을 특징으로 하는 차량 구동 시스템.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 배터리부는, 리튬이온 배터리를 포함하는 배터리 시스템이고,
    상기 제2 배터리부는, 납축전지인 것을 특징으로 하는 차량 구동 시스템.
  8. '차량 내부의 전장 부품들에 전원을 공급하는 제2 배터리부'의 전압을 '모터를 구동시키는 인버터에 전원을 공급하는 제1 배터리부'의 전압으로 변환시키는 단계; 및
    차량 시동 시에 상기 변환된 전압의 전원을 상기 인버터의 캐패시터에 인가하여 상기 캐패시터를 충전시키는 단계;를 포함하는 차량 구동 방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 변환 단계는,
    상기 제1 배터리부의 전압인 제1 전압과 상기 캐패시터의 전압인 제2 전압의 차이가 특정값 이상인 경우, 상기 제2 배터리부의 전압을 상기 제1 배터리부의 전압으로 변환시키는 것을 특징으로 하는 차량 구동 방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 제1 전압과 상기 제2 전압의 차이가 특정값 미만이 되면, 상기 제1 배터리부가 상기 인버터에 전원을 공급하도록 제어하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 구동 방법.
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