KR20160122005A - 차량 전원 관리 장치 - Google Patents

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KR20160122005A
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Abstract

본 실시 예는 차량 전원 관리 장치에 관한 것이다.
본 실시 예는 차량 전원 관리 장치에 있어서, 상시 전원 및 차량의 구동시 충전되는 전력을 저장하는 고전압 에너지 저장부; 상기 고전압 에너지 저장부에 저장되어 있는 전력을 도통 또는 차단하고, 상기 전원인가되는 차량 내의 구성부들에 대한 데이터를 취득하는 DC-DC컨버터; 상기 DC-DC컨버터를 통하여 충전되는 전원을 부하에 인가하고, 방전된 전압을 상기 고전압 에너지 저장부로부터 충전하는 전원;을 포함한다.

Description

차량 전원 관리 장치{APPARATUS FOR ENERGY MANAGEMENT OF VEHICLES}
본 발명은 차량의 전원 관리를 위한 장치에 관한 것이다.
일반적으로 하이브리드 차량은 서로 다른 두 종류 이상의 동력원을 효율적으로 조합하여 차량을 구동시킬 수 있다. 대부분의 경우 연료를 사용하여 구동력을 얻는 엔진과 배터리 전력으로 구동되는 전기 모터에 의해 구동력을 얻게 된다.
차량 내 배터리를 에너지원으로 구동하는 전장품의 부하 수요가 증가하여 배터리 전력량에 따른 상기 전장품의 에너지 인가에 부족 현상이 발생하게 된다.
도 1은 종래의 하이브리드 차량의 내부 블록 구성도이다.
도 1을 참조하면, 일반적인 하이브리드 차량은 모터(4)를 구비하고, 모터(4)의 동작을 위한 교류 전원(2), 인버터(3) 및 컨버터(5)를 포함하여 구동될 수 있다. 또한 전장품에 전력을 인가하기 위한 2차 전지(7)를 포함하여 구성할 수 있다.
상기한 2차 전지(7)는 일정 용량을 가지는 배터리로 구성될 수 있으며 일반적으로 납(PbSO4)배터리로 구성될 수 있다. 상기한 2차 전지(7)는 차량 내부의 엔진 구동을 제외한 전장 부품들에 에너지를 인가하는 기능을 수행하게 된다.
하지만 일정 용량의 에너지원을 제공하는 2차 전지의 경우 차량 내부에 고부하의 전장품이 증가함에 따라 2차 전지 용량을 초과하는 부하 발생 시 전압 강하가 발생하여 전기 시스템의 안정도에 악영향을 미칠 수 있다. 또한, 기존의 2차 전지의 주를 이루고 있는 납 배터리는 수명이 짧고, 그 차량 내부에서 차지하는 부피가 크기 때문에 주기적인 유지 보수가 요구되며, 다른 구성품들에 대한 안정도 확보 및 차량의 경량화 및 소형화에 따른 부정적 영향을 미칠 수 있다.
실시 예에서는 차량 내의 전장부들에 안정적인 구동 에너지를 공급하기 위한 차량 전원 관리 장치를 제공한다.
또한 실시 예에서는 차량 내의 에너지원에 대한 다양화 및 그에 따른 소형 및 경량화를 위한 차량 전원 관리 장치를 제공한다.
제안되는 실시 예에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터제안되는 실시 예가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
실시 예는 차량 전원 관리 장치에 있어서, 상시 전원 및 차량의 구동 시 충전되는 전력을 저장하는 고전압 에너지 저장부; 상기 고전압 에너지 저장부로부터 출력되는 전원을 도통 또는 차단하고, 상기 전원에 의하여 차량 내의 구성부들에 대한 데이터를 취득하는 DC-DC컨버터; 상기 DC-DC컨버터를 통하여 충전되는 전원을 부하에 인가하고, 방전된 전압을 상기 고전압 에너지 저장부로부터 충전하는 제2 전원;을 포함한다.
본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 고부하를 요구하는 차량 내의 전장부들에 효과적인 에너지원을 공급하기 하고, 그에 따른 차량 구동의 안정화 효과를 가질 수 있다. 또한, 차량의 배터리에 대한 수명을 연장하고, 경량화할 수 있으므로, 사용자의 만족도 및 차량의 심미적 효과를 극대화 할 수 있다.
도 1은 종래의 하이브리드 차량의 내부 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 차량의 내부 블록 구성도이다.
도 3은 상기 도2 에서 도시한 차량의 내부 블록의 등가회로를 간략화 하여 표시한 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 DC-DC컨버터부의 내부 블록 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 차량의 에너지 공급 동작을 설명하기 위한 동작 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 제2 전원의 충전 동작 흐름도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 발명의 실시 예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시 예에서의 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 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 차량의 내부 블록 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 차량은 고전압 에너지 저장부(10), DC-DC컨버터(20), 전원(30) 및 부하(40)를 포함한다.
고전압 에너지 저장부(10)는 차량의 모터 또는 인버터로부터 고압 및 대용량 전기 에너지를 인가 받아 이를 저장할 수 있다. 고전압 에너지 저장부(10)는 DC-DC컨버터(20)의 입력으로 연결될 수 있다.
DC-DC컨버터(20)는 고전압 에너자 저장부(10)로부터 인가되는 전원을 공급받아 전압을 강하하고 직류 전압으로 변환하여 필터링된 전압을 전원(30) 및 부하(40)로 인가할 수 있다.
전원(30)은 DC-DC컨버터(20)로부터 인가되는 전원에 의하여 충전되고, 상기 충전 상태에 따라 부하의 에너지원으로 동작할 수 있다.
부하(40)는 차량 내부의 다양한 정장부품들을 포함할 수 있다. 부하(40)는 모터를 제외한 차량 구동 및 사용자 정보 제공 동작을 위한 구성부들을 포함할 수 있다. 부하(40)는 DC-DC컨버터(20)를 통하여 고전압 에너지 저장부(10)에 저장된 에너지원 또는 제2 전원(30)의 상태에 따라 각각 또는 동시에 에너지를 인가 받을 수 있다.
이하, 도 3을 참조하여 상기 도 2의 구성부들이 대해 상세히 설명한다.
도 3은 상기 도2 에서 도시한 차량의 내부 블록의 등가회로를 간략화 하여 표시한 구성도이다.
도 3을 참조하면, 고전압 에너지 저장부(10)는 전원부(11), 제어부(12) 및 스위치부(13)를 포함할 수 있다.
고전압 에너지 저장부(10)의 전원부(11)는 적어도 하나의 전원이 직렬 연결되어 구성될 수 있다. 전원부(11)는 제어부(12)의 제어에 기초하여 인가되는 전원을 저장하고 DC-DC컨버터(20)로 인가할 수 있다.
제어부(12)는 전원부(11)에서 인가되는 전원을 감지하고, DC-DC컨버터(20) 및 전장부들에 대한 전원인가를 제어할 수 있다. 제어부(12)는 DC-DC컨버터(20)에 전원을 인가하고, 부하(40)에 임계치의 전압을 인가하도록 제어할 수 있다. 제어부(12)는 스위치(13)를 제어하여 부하(40)에 인가되는 전원을 도통 및 차단할 수 있다. 제어부(12)는 부하(40)의 동작 상태에 따라 부하(40)로 인가되는 전원을 스위치부(13)의 제어를 통하여 인가하거나 인가를 차단할 수 있다.
DC-DC컨버터(20)는 고전압 에너지 저장부(10)로부터 출력되는 전압을 입력으로 하고, 전원(30)로 출력될 수 있다. DC-DC컨버터(20)는 컨버터 파워부(21)와 제어부(22)로 구성될 수 있다.
컨버터 파워부(21)는 고전압 에너지 저장부(10)에서 전원을 인가 받고, 인가 받은 전원에 의하여 부하(40) 및 모터를 구동할 수 있다. 컨버터 파워부(21)는 제어부(22)의 제어에 기초하여 고전압 에너지 저장부(10)에서 인가되는 전원을 부하(40)로 인가하거나 차단할 수 있다. 즉, 컨버터 파워부(21)는 제어부(22)에서 감지되는 부하(40)의 동작 요구 전압에 따라 고전압 에너지 저장부(10)로부터 인가되는 전원을 출력하거나, 출력이 차단할 수 있다.
제어부(22)는 고전압 에너지 저장부(10)로부터 인가되는 전원에 대하여 부하(40)의 상태 정보를 파악하고 상기 전원을 상기 부하(40)로 출력하거나 차단하도록 제어할 수 있다.
전원(30)은 고전압 에너지 저장부(10)에서 출력되는 전원과 함께 부하(40)에 전원을 인가할 수 잇다. 전원(30)은 고전압 에너지 저장부(10)에서 출력되는 전압에 의하여 충전되고, 부하(40)의 동작 상태에 따라 상기 충전된 전력을 상기 부하(40)로 방전할 수 있다.
전원(30)은 초고용량 축전지로서, 일례로 울트라(슈퍼) 캐패시터(Ultra Capacitor 또는 Super Capacitor)일 수 있다. 초고용량 축전지는 화학반응을 이용한 배터리와 달리 전극과 전해질계면으로의 이온 이동이나 표면화학반응에 의해 충전될 수 있다. 이에 따라 급속 충전이 가능하고 높은 충??방전 효율 및 반영구적인 사이클 수명 특성을 가지고 있다. 따라서 본 발명의 실시 예 에 따라 제2 전원으로 사용되는 초고용량 축전지는 고전압 에너지 저장부(10)에서 인가되는 전압에 의하여 충전되고, 부하(40)가 상기 고전압 에너지 저장부(10)에서 출력되는 전력 이상이 요구되는 경우 상기 전원(30)에 저장된 전력을 부하(40)로 방전할 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 전원(30)을 포함하는 차량의 내부 블록 구성에 대해 설명하였다. 이하 도 4에서는 고전압 에너지 저장부(10) 및 전원(30)과 연결되는 DC-DC컨버터(20)의 파워부(21)에 대한 구성 및 동작에 대하여 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 DC-DC컨버터부의 내부 블록 구성도이다.
도 4를 참조하면, 입력단이 고전압 에너지 저장부(10)와 연결되고 출력단이 전원(30) 및 부하(40)로 연결되는 DC-DC컨버터(20)의 컨버터 파워부(21)는 SMPS & 필터(211), 입출력 감지부(212), 과전압 감지부(213), 온도 감지부(214), 센싱 밸런싱부(216), ASIC(217), 통신부(218), PWM제어부(219), 게이트 드라이버(220), 제어부(221)를 포함할 수 있다.
SMPS & 필터(211)는 고전압 에너지 저장부(10)로부터 인가되는 전압에 대하여 노이즈 저감을 위한 필터를 포함할 수 있다. SMPS & 필터(211)는 고전압 에너지 저장부(10)로부터 인가되는 전압을 필터링하고, 제어부(221) 및 감지부등에 연결되어 필요 전원을 공급할 수 있다.
입출력 감지부(212)는 적어도 하나의 입출력 포트로 구성될 수 있다. 입출력 감지부(212)는 차량 내의 다양한 센싱 결과 값에 대한 입력 및 상기 입력 값에 대한 암호화 또는 모듈화를 수행할 수 있다. 입출력 감지부(212)는 입력된 데이터 및 그에 따른 처리 결과 정보를 제어부(221)로 출력할 수 있다. 입출력 감지부(212)는 부하(40)들로부터 입력되는 상태 동작에 대한 정보 및 제2 전원에 대한 충방전 정보 등을 입력받을 수 있다. 또한 상기 입력 받은 정보에 기초하여 전원(30)으로 고전압 에너지 저장부(10)에서 유입되는 전압의 도통 및 차단을 수행할 수 있다.
과전압 감지부(213)는 고전압 에너지 저장부(10)로부터 인가되는 전압 및 그에 따른 전류에 대한 기준치 이상을 초과하는지의 여부를 확인할 수 있다. 과전압 감지부(213)는 인가되는 전압에 따라 기 설정된 임계치 초과여부를 확인하고 그 결과 값을 제어부(221)로 출력할 수 있다. 또한 제어부(221)의 제어에 기초하여 과전압 및 과전류에 따른 보호 동작을 수행할 수 있다.
온도 감지부(214)는 구동 상태 및 슬립 상태에 따라 부하 및 기타 구성부들의 온도를 감지하고 상기 감지된 온도가 각 구성부(부하)들에 기 설정된 임계치 온도를 초과하는 경우 해당 온도를 저감하기 위한 동작을 수행할 수 있다. 즉, 온도 감지부(214)는 다양한 온도 감지 결과 값에 기초하여 온도 상승에 따라 저항값을 감소시키기 위하여 온도 계수를 설정할 수 있다. 상기 온도 계수는 감지되는 온도에 따라 가변될 수 있다. 또한 상기 온도 감지부(214)의 결과 값에 따라서 제어부(221)는 팬(FAN)을 구동할 수 있다.
셀 밸런싱부(216)는 셀의 전압, 온도 등의 상태 정보를 감지하고, 감지된 데이터를 ASIC(217)에서 모듈화 하여 셀 밸런싱을 수행할 수 있다. 즉, 제어부(221)에서 셀의 상태 정보를 감지하고 그에 따른 정보를 취득하도록 하기 위하여 감지된 데이터에 대한 수집 및 처리를 수행할 수 있다.
통신부(218)는 차량 내의 구동부 및 전원부의 에너지 상태 정보를 취득하고, 상위 제어부로 출력할 수 있다. 또한 통신부(218)는 상위 제어부(장치)들로부터 수신되는 제어 신호 및 처리 데이터에 대한 정보를 수신할 수 있다. 특히 부하(40)의 상태 정보를 수신하여 제어부(221)로 출력하고, 고전압 에너지 저장부(10)로부터 인가되는 전원을 도통 및 차단하도록 제어할 수 있다. 통신부(218)는 일반적으로 CAN(Controller Area Network)통신을 수행하기 위한 모듈일 수 있다. 하지만 상기한 통신부는 상기 캔 통신 모듈 외에 차량의 내부 및 외부와 데이터 통신을 수행하기 위한 다양한 모듈로 구성될 수 있다.
제어부(221)는 DC-DC컨버터(20)를 위한 전압 및 전류값을 연산하고 상기 연산된 결과 값에 기초하여 DC-DC컨버터(20)를 제어할 수 있다 제어부(2210)는 DC-DC컨버터의 제어를 위하여 출력단이 PWM 제어부(219) 및 게이트 드라이버(220)와 연결될 수 있다.
제어부(221)는 부하(40)의 상태를 감지하고, 상기 부하(40) 상태에 기초하여 고전압 에너지 저장부(10)로부터 인가되는 전압을 도통하거나 차단할 수 있다. 제어부(221)는 DC-DC컨버터(20)의 동작을 슬립모드 및 동작 모드로 전환하도록 제어할 수 있다. 즉, 제어부(221)는 전원(30)의 충방전 상태에 따라 슬립 모드 또는 구동 모드 시 고전압 에너지 저장부(10)로부터 인가되는 전원에 의하여 상기 전원(30)을 충전할 수 있다.
이하 도 5 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따라 제2 전원을 포함하는 차량의 일부 동작에 대하여 상세히 설명한다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 차량의 에너지 공급 동작을 설명하기 위한 동작 흐름도이다.
도 5를 참조하면, DC-DC컨버터(20)의 제어부(22)는 고전압 에너지 저장부(10)로부터 인가되는 전원을 부하(40)로 도통하여 부하(40)가 고전압 에너지 저장부(10)의 에너지에 의하여 구동할 수 있다.(S502)
제어부(22)는 상기 부하(40)에서 요구하는 에너지의 양이 상기 고전압 에너지 저장부(10)로부터 유입되는 에너지를 초과하는 지를 판단할 수 있다.(S504) 즉, 제어부(22)는 부하(40)의 상태를 감시하고, 상기 부하(40)의 동작에 요구되는 에너지가 상기 고전압 에너지 저장부(10)로부터 인가되는 에너지를 초과하는 경우 전원(30)에 의하여 상기 부하(40)가 구동되도록 제어할 수 있다. 즉, 상기 부하(40)는 전원(30)에 한정하여 구동되거나, 고전압 에너지 저장부로부터 인가되는 에너지에 부가하여 전원(30)의 에너지를 합한 양만큼이 부하(40)로 인가될 수 있도록 할 수 있다.
또한 제어부(22)는 부하(40)로 인가되는 전원의 차단 및 도통 이외에 상기 제2 전원의 상태를 모니터링 할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 제2 전원의 충전 동작 흐름도이다.
DC-DC컨버터(20)의 제어부(22)는 시동이 오프된 상태의 차량 슬립 모드 동작 시 (S602) 전원(30)에 대한 충방전 상태를 지속적으로 모니터링 할 수 있다.
제어부(22)는 슬립 모드 동작 상태에서 제2 전원의 용량이 기준 전원 용량(Mv) 이하로 방전되는지를 판단할 수 있다.(S604)
제어부(22)는 제2 전원이 기준 전원 용량(Mv)이하로 방전되는 경우 일부 구동부들이 동작 상태를 슬립모드에서 웨이크업 모드로 전환할 수 있다.(S606) 즉, 제어부(22)는 상위 제어부에 차량의 동작 상태를 전체 또는 일부 구성부들이 슬립 모드에서 웨이크업 모드로 전환되도록 하기 위한 요청 신호를 출력할 수 있다.
상기 슬립 모드에서 웨이크업 모드로 전환되는 구성부들은 차량의 전체 구성부 또는 고전압 에너지 저장부, 제어부 및 일부 충방전에 요구되는 구성부들 일 수 있다.
제어부(22)는 슬립모드에서 웨이크업 모드로 전환된 고전압 에너지 저장부(10)에서 전원(30)을 충전하기 위한 전원을 도통할 수 있다. 즉, 제어부(22)는 방전된 제2 전원을 충전하기 위하여 고전압 에너지 저장부(10)로부터 출력되는 전원에 대하여 상기 전원(30)으로 인가될 수 있도록 제어할 수 있다.(S608)
제어부(22)는 고전압 에너지 저장부(10)에 의하여 전원(30) 충전이 완료되는지를 판단하고, 웨이크업 모드로 동작하는 구성부들을 슬립 모드로 동작 전환하도록 제어할 수 있다.
따라서 전원(30)은 동작 모드 시 부하의 요구에 따라 상기 충전된 전원을 방전하고, 상기 고전압 에너지 저장부(10)로부터 인가되는 전원에 의하여 충전될 수 있다.
10: 고전압 에너지 저장부
11: 전원부 12: 제어부
13: 스위칭부
20: DC-DC컨버터
21: DC-DC컨버터 파워부
211: SMPS & 필터 212: 입출력 감지부
213: 과전압 감지부 214: 온도 감지부
216: 셀 밸런싱 부 217: ASIC
218: 통신부 219: PWM제어부
220: 게이트 드라이버 221: 제어부
22: 제어부
30: 제2 전원
40: 부하

Claims (8)

  1. 상시 전원 및 차량의 구동시 충전되는 전력을 저장하는 고전압 에너지 저장부;
    상기 고전압 에너지 저장부에 저장되어 있는 전력을 도통 또는 차단하고, 전원인가되는 상기 차량의 구성부들에 대한 데이터를 취득하는 DC-DC컨버터;
    상기 DC-DC컨버터를 통하여 충전되는 전원을 부하에 인가하고, 방전된 전압을 상기 고전압 에너지 저장부로부터 충전하는 전원;을 포함하는 차량 전원 관리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고전압 에너지 저장부는
    상기 DC-DC컨버터에 전원을 인가 또는 차단하기 위한 스위치부;를 포함하는 차량 전원 관리 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 DC-DC컨버터는
    고전압 에너지 저장부로부터 인가되는 전원에 의해 동작하고, 상기 차량의 상태 정보를 취득 및 출력하는 컨버터 파워부;
    상기 컨버터 파워부의 동작을 제어하고, 상기 고전압 에너지 저장부로부터 인가되는 전원을 부하로 도통 및 차단하기 위한 제어를 실행하는 제어부;를 포함하는 차량 전원 관리 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 DC-DC컨버터부는
    부하의 상태 정보 및 제2 전원의 상태 정보를 취득하기 위한 입출력 감지부;
    상기 취득된 정보들을 기초하여 제2 전원의 구동을 위한 제어 신호를 출력하는 통신부;
    상기 입출력 감지부로부터 취득되는 정보에 기초하여 상기 제2 전원의 구동을 제어하는 제어 신호를 생성하는 제어부;를 포함하는 차량 전원 관리 장치.
  5. 제1항에 있어서
    상기 DC-DC컨버터부는
    슬립 모드 동작 시 상기 제2 전원의 충방전 상태를 감시하는 차량 전원 관리 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 DC-DC컨버터부는
    상기 제2 전원이 방전되면, 상기 슬립 모드를 웨이크업 모드로 전환하고, 상기 고전압 에너지 저장부로부터 인가되는 전원을 상기 제2 전원으로 도통하는 차량 전원 관리 장치.
  7. 제1항에 있어서
    상기 DC-DC컨버터부는
    상기 고전압 에너지 저장부로부터 인가되는 전압 또는 상기 제2 전원의 전원을 부하로 인가하는 차량 전원 관리장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 부하에 인가되는 전원은 제2 전원의 전원 및 상기 고전압 에너지 저장부로부터 인가되는 전원을 합한 양이 인가되는 차량 전원 관리 장치.
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