KR20170013670A

KR20170013670A - 전기 자동차용 고전압 배터리의 초기충전 제어 장치

Info

Publication number: KR20170013670A
Application number: KR1020150106662A
Authority: KR
Inventors: 김우섭
Original assignee: 엘에스산전 주식회사
Priority date: 2015-07-28
Filing date: 2015-07-28
Publication date: 2017-02-07

Abstract

본 발명은 전기 자동차용 고전압 배터리의 초기충전 제어 장치에 관한 것으로, 고전압 배터리의 직류 전원을 저장하는 충전부와, 상기 고전압 배터리와 상기 충전부의 연결을 스위칭하는 메인 릴레이부와, 상기 메인 릴레이부와 병렬로 연결되며, 스위칭 제어 신호에 따라 개폐되는 초기충전 스위치부와, 상기 초기충전 스위치부와 직렬 연결되고, 입력 전압을 변압하여 부하측에 충전 전압을 공급하는 변압부와, 상기 변압부의 부하측과 상기 충전부 사이에 직렬 연결되며, 상기 변압부의 부하측에 공급되는 충전 전압을 공진시켜 상기 충전부에 공급하는 공진 인덕터부와, 상기 메인 릴레이가 오프(OFF)된 상태에서, 상기 충전부의 초기충전 시 상기 초기충전 스위치부가 온(ON)되도록 스위칭 제어 신호를 출력한 후, 기설정된 초기충전 시간 이후에 상기 메인 릴레이부를 온(ON)시킴과 동시에 상기 초기충전 스위치부가 오프(OFF)되도록 스위칭 제어 신호를 출력하는 제어부를 포함함으로써, 고전압 배터리와의 초기 연결 시에 급격한 전압 변화로 인하여 고전압단 입력 콘덴서 즉, 충전부에 발생하는 서지 전류를 효과적으로 억제시킬 수 있을 뿐만 아니라 에너지 효율을 더욱 증가시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

전기 자동차용 고전압 배터리의 초기충전 제어 장치{A CONTROL APPARATUS FOR PRECHARGING OF HIGH VOLTAGE BATTERY FOR ELECTRIC VEHICLE}

본 발명은 전기 자동차용 고전압 배터리의 초기충전에 관한 것으로, 보다 상세하게는 변압기와 공진 에너지를 이용하여 고전압 배터리와의 초기 연결 시에 급격한 전압 변화로 인하여 고전압단 입력 커패시터에 발생하는 서지 전류를 효과적으로 억제시킬 수 있을 뿐만 아니라 에너지 효율을 더욱 증가시킬 수 있도록 한 전기 자동차용 고전압 배터리의 초기충전 제어 장치에 관한 것이다.

최근 환경문제 특히 지구온난화와 기후변화에 대한 관심이 높아지고 다수의 국가가 이산화탄소 배출량 감축에 대한 기후변화협약을 이행하기 위한 논의를 진행하였으며, 이러한 논의에서 지구온난화의 원인은 이산화탄소 발생의 증가이며 이산화탄소의 증가는 자동차에서 내뿜는 탄소가 주범으로 지적된 바가 있다.

탄소배출 규제 정책에 따라 자동차 업계에 석유를 기반으로 한 자동차는 연료 효율을 높이고 탄소 배출 감소를 요구하게 되었으며, 이에 전기에 의해 자동차를 거동시키고, 배기가스를 발생시키지 않는 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차가 다양한 형태로 개발되고 있으며, 수요 또한 급속히 증가하고 있는 실정이다.

상기 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차에서는 고전압의 전원을 메인 배터리로 사용하여 모터를 구동시켜 차량에 주행 동력을 제공한다. 상기 하이브리드 자동차를 비롯하여 전기 자동차나 연료전지 자동차에서 사용하는 에너지 저장장치인 고전압 배터리는 다수의 단위전지(모듈)를 직렬로 연결하여 고전압을 만들고 이를 이용하여 높은 전력을 발생시킨다.

이러한 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차의 동력부는 고전압 배터리, 인버터(Inverter), 엔진(Engine), 모터(Motor), 미션(Mission) 등으로 구성되는데, 상기 고전압 배터리에 저장된 에너지를 상기 인버터를 이용하여 상기 모터에 전달하여 차량 시동, 가속, 엔진 고효율점 운행 등에 사용하고, 상기 엔진에서 잉여 에너지가 발생하면 상기 모터를 발전기로 이용하여 그 잉여 에너지를 상기 고전압 배터리에 저장한다.

상기 고전압 배터리와 상기 인버터 사이의 온/오프(ON/OFF) 제어를 위하여 고전압 릴레이가 사용된다. 이 고전압 릴레이는 피크전류에 의해 고장이 발생할 수 있기 때문에, 상기 고전압 릴레이에 흐르는 피크전류를 제한할 필요가 있다. 이러한 피크전류는 초기충전 시 발생될 수 있기 때문에, 상기 고전압 배터리의 초기 충전회로 설계 시 상기 고전압 릴레이의 피크전류가 제한되도록 설계해야 한다.

이러한 서지(Surge) 현상을 방지하여 위하여 상기 고전압 릴레이에 병렬로 초기충전 릴레이(Precharge Relay) 및 초기충전 저항(Precharge Resistor)을 연결한다.

즉, 상기 고전압 배터리와 상기 인버터 연결 시 먼저, 상기 초기충전 릴레이를 연결하여 상기 인버터에 전원 전압 상승을 지연시키고 급격한 전류 흐름을 막아 릴레이 고착 현상 및 차량측 시스템의 손상을 방지한다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 변압기와 공진 에너지를 이용하여 고전압 배터리와의 초기 연결 시에 급격한 전압 변화로 인하여 고전압단 입력 커패시터에 발생하는 서지 전류를 효과적으로 억제시킬 수 있을 뿐만 아니라 에너지 효율을 더욱 증가시킬 수 있도록 한 전기 자동차용 고전압 배터리의 초기충전 제어 장치를 제공하는데 있다.

전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 제1 측면은, 고전압 배터리의 직류 전원을 저장하는 충전부; 상기 고전압 배터리와 상기 충전부의 연결을 스위칭하는 메인 릴레이부; 상기 메인 릴레이부와 병렬로 연결되며, 스위칭 제어 신호에 따라 개폐되는 초기충전 스위치부; 상기 초기충전 스위치부와 직렬 연결되고, 입력 전압을 변압하여 부하측에 충전 전압을 공급하는 변압부; 상기 변압부의 부하측과 상기 충전부 사이에 직렬 연결되며, 상기 변압부의 부하측에 공급되는 충전 전압을 공진시켜 상기 충전부에 공급하는 공진 인덕터부; 및 상기 메인 릴레이부가 오프(OFF)된 상태에서, 상기 충전부의 초기충전 시 상기 초기충전 스위치부가 온(ON)되도록 스위칭 제어 신호를 출력한 후, 기설정된 초기충전 시간 이후에 상기 메인 릴레이부를 온(ON)시킴과 동시에 상기 초기충전 스위치부가 오프(OFF)되도록 스위칭 제어 신호를 출력하는 제어부를 포함하는 전기 자동차용 고전압 배터리의 초기충전 제어 장치를 제공하는 것이다.

여기서, 상기 변압부의 부하측 충전 전압이 입력 전압의 1/2로 되도록 권선비를 조절함이 바람직하다.

바람직하게, 상기 공진 인덕터부와 상기 충전부의 LC 시정수에 의해 공진 시간이 결정될 수 있다.

바람직하게, 상기 공진 인덕터부와 상기 충전부의 임피던스에 의해 공진 전류가 결정될 수 있다.

바람직하게, 상기 공진 인덕터부의 공진 인덕터 값 및 상기 변압부의 턴 비를 조절하여 초기충전의 시간 및 전류 제한 값이 설정될 수 있다.

바람직하게, 상기 초기충전 시간은 전체 공진 주기의 1/2로 설정될 수 있다.

본 발명의 제2 측면은, 고전압 배터리의 직류 전원을 저장하는 충전부; 상기 고전압 배터리와 상기 충전부의 연결을 스위칭하는 메인 릴레이부; 상기 메인 릴레이부와 병렬로 연결되며, 스위칭 제어 신호에 따라 개폐되는 초기충전 스위치부; 상기 초기충전 스위치부와 직렬 연결되고, 입력 전압을 변압하여 부하측에 충전 전압을 공급하는 변압부; 상기 변압부의 부하측과 상기 충전부 사이에 직렬 연결되며, 상기 변압부의 부하측에 공급되는 충전 전압을 공진시켜 상기 충전부에 공급하는 공진 인덕터부; 상기 충전부의 출력 전압을 검출하는 전압검출부; 및 상기 메인 릴레이부가 오프(OFF)된 상태에서, 상기 충전부의 초기충전 시 상기 초기충전 스위치부가 온(ON)되도록 스위칭 제어 신호를 출력한 후, 상기 전압검출부로부터 검출된 출력 전압값이 기설정된 기준 전압값보다 클 경우, 상기 메인 릴레이부를 온(ON)시킴과 동시에 상기 초기충전 스위치부가 오프(OFF)되도록 스위칭 제어 신호를 출력하는 제어부를 포함하는 전기 자동차용 고전압 배터리의 초기충전 제어 장치를 제공하는 것이다.

바람직하게, 상기 기준 전압값은, 상기 충전부의 충전 전압과 상기 고전압 배터리의 전압 레벨이 동일하게 되는 전압값으로 설정될 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 전기 자동차용 고전압 배터리의 초기충전 제어 장치에 따르면, 변압기와 공진 에너지를 이용하여 고전압 배터리와의 초기 연결 시에 급격한 전압 변화로 인하여 고전압단 입력 커패시터에 발생하는 서지 전류를 효과적으로 억제시킬 수 있을 뿐만 아니라 에너지 효율을 더욱 증가시킬 수 있는 이점이 있다.

도 1은 종래의 전기 자동차용 고전압 배터리의 초기충전 회로를 설명하기 위한 구성도이다.
도 2는 종래의 메인 릴레이와 초기충전 릴레이의 동작에 따른 전압과 전류의 파형을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차용 고전압 배터리의 초기충전 제어 장치를 설명하기 위한 전체적인 블록 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 적용된 메인 릴레이부와 초기충전 스위치부의 동작에 따른 전압과 전류 파형을 나타낸 그래프이다.

전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다. 또한, 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.

도 1은 종래의 전기 자동차용 고전압 배터리의 초기충전 회로를 설명하기 위한 구성도이고, 도 2는 종래의 메인 릴레이와 초기충전 릴레이의 동작에 따른 전압과 전류의 파형을 나타낸 그래프이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 종래의 전기 자동차용 고전압 배터리의 초기충전 회로는, 크게 차량의 동력원이 되는 고전압 배터리부(High Voltage Battery, HVB)와, 배터리 라인을 연결하는 릴레이 등으로 구성되는 고전압 릴레이부(High Voltage Relay, HVR) 등을 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 고전압 배터리부(HVB)는 고전압의 충/방전이 가능한 이차 배터리(축전지)로, 차량의 모터 등 전기부하(예컨대, 인버터, LDC 등)에서 필요로 하는 전력을 공급하고, 회생제동 시의 모터 발전 전력 및 차량 외부 충전기의 전력을 공급받아 충전된다.

이러한 고전압 배터리부(HVB)는 요구되는 고전압 출력을 위해 다수의 셀(cell)들이 직렬로 연결된 구성을 가지며, 과전류에 대한 물리적인 안전장치로 과전류가 흐를 경우 셀 간의 직렬 연결을 해제하는 퓨즈(Fuse)를 구비할 수 있다.

그리고, 상기 고전압 릴레이부(HVR)를 사용하는 목적은 에너지 저장 매체와 그 외의 시스템 간에 전기적인 완전한 절연을 확보하기 위함이며, 차량 운행 시에는 릴레이가 단락되어 전원을 공급하지만, 키 오프(Key OFF)나 정비(Maintenance), 위기(Emergency) 상황에서는 릴레이가 개방되어 전기적인 안정성을 확보한다.

또한, 1차 사고 발생 시 고전압에 의한 전기적인 감전, 화재 등 중대한 2차 사고의 발생을 방지하며, 배터리의 암전류를 차단하는 기능도 수행한다. 첨부한 도 1은 하이브리드 또는 전기 자동차에서 고전압 배터리와 릴레이 등을 나타낸 도면으로서, 하이브리드 또는 전기 자동차에서 배터리 시스템의 기본 구성인 고전압 배터리(10), 메인 릴레이(Main Relay)(20), 초기충전 릴레이(Precharge Relay)(31), 초기충전 저항(Precharge Resistor)(32), 고전압단 입력 커패시터(40) 및 전기부하(예컨대, 인버터, LDC 등)(50) 등이 도시되어 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 초기충전 릴레이(31)와 초기충전 저항(32)이 직렬로 연결되어 초기충전부(30)를 구성하고, 이 초기충전부(30)가 고전압 배터리(10)와 커패시터 직류(DC) 링크단 사이에서 메인 릴레이(20)와 병렬로 연결되어 있다.

이때, 고전압단 입력 커패시터(40)는 전기부하(50)의 급격한 전력 변동 시 대응을 위해 고전압 배터리(10)와 전기부하(50) 사이에서 적절히 충/방전되면서 완충 역할을 하는 구성요소이다.

상기 하이브리드 또는 전기 자동차에서는 서지(Surge) 전류로 인한 인버터의 손상을 막기 위해 상기와 같은 초기충전부(30)를 이용하여 직류(DC)-링크 전압을 모터로 도통하고 있으며, 특히 초기충전부(30)가 메인 릴레이(20)의 온(ON) 시에 발생하는 서지 전류를 차단하여 부품 손상, 서지 전류에 의해 발생할 수 있는 릴레이 융착 등을 방지하게 된다.

상기한 구성에서 도 2에 도시된 바와 같이, 먼저 초기충전 릴레이(31)가 온(ON)되면 저항에 의한 피크 전류가 제한되면서 고전압단 입력 커패시터(40)가 충전되고, 이후 메인 릴레이(20)가 온(ON)되고 초기충전 릴레이(31)가 오프(OFF)되어 충/방전을 시작하게 된다.

즉, 초기충전 동작 시 초기충전 릴레이(31)가 우선 도통되어, 고전압단 입력 커패시터(40)는 콘덴서 용량과 초기충전 저항(32)에 의해 형성되는 시간 및 전류값에 의해 충전된다.

고전압단 입력 커패시터(40)가 고전압 배터리(10)의 전압 레벨과 같이 충전된 이후 메인 릴레이(20)를 도통하고, 초기충전 릴레이(31)를 개방하여 주 운전 시의 전류 도통 경로를 형성해 준다. 이 때의 고전압단 입력 커패시터(40)의 전압과 전류 형상은 도 2와 같다.

즉, 이와 같이 구성된 종래의 하이브리드 또는 전기 자동차에서는 시동 시 고전압단 입력 커패시터(40)가 충전이 안된 상태에서 메인 릴레이(20)가 접속하게 되면 초기 돌입전류가 상당히 흐르게 되므로 각 소자에 치명적인 영향을 미치게 된다.

이러한 초기 돌입 전류를 제한하기 위해 도 1에 도시된 바와 같이, 고전압단 입력 커패시터(40) 앞단에 메인 릴레이(20)와 병렬로 초기충전 릴레이(31) 및 초기충전 저항(32)을 연결하여 초기 돌입 전류를 제한하도록 하였다.

초기 돌입 전류를 제한하는 동작과정은 다음과 같다. 우선, 초기충전 릴레이(31)를 '온(ON)'시켜 초기충전 저항(32)을 통해 소정의 전류값 이하로 고전압단 입력 커패시터(40)를 충전하여 일정 전압 이상이 되었을 때 메인 릴레이(20)가 '온(ON)'되게 한다. 그러면, 초기 돌입 전류를 제한하면서 입력 전압과 고전압단 입력 커패시터(40)의 전압이 일치하여 동작한다.

한편, 종래에는 하이브리드 또는 전기 자동차의 초기충전부(30)를 구성하기 위해 기계식 릴레이인 초기충전 릴레이(31)와 초기충전 저항(32) 즉, 와트 저항을 사용하므로 동작 시 소음이 심하게 발생하는 문제점이 있었다. 또한, 릴레이가 기계식이므로 수명이 길지 못하고, 대용량의 와트 저항이 사용되어 전체 부피가 매우 커지는 단점이 있었다.

또한, 종래 기술의 경우, 초기충전 시 초기충전 저항(32)을 이용하여 충전하기 때문에, 저항 손실로 인한 에너지 효율 저하가 발생하게 된다. 특히, DC/DC 컨버터와 같이 차량 기동 시마다 기동하는 충전기의 경우에는 매 회수마다 저항 손실이 발생하게 된다.

이에 종래 하이브리드 또는 전기 자동차의 초기충전부(30)에서 기계식 릴레이의 소음 및 수명 문제, 와트 저항의 부피 문제, 에너지 효율 저항 등을 해결할 수 있는 방안이 절실한 실정이다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 변압기와 공진 에너지를 이용하여 고전압 배터리와의 초기 연결 시에 급격한 전압 변화로 인하여 고전압단 입력 커패시터에 발생하는 서지 전류를 효과적으로 억제시킬 수 있을 뿐만 아니라 에너지 효율을 더욱 증가시킬 수 있도록 한 특징적인 기술이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차용 고전압 배터리의 초기충전 제어 장치를 설명하기 위한 전체적인 블록 구성도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 적용된 메인 릴레이와 초기충전 스위치부의 동작에 따른 전압과 전류 파형을 나타낸 그래프이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 자동차용 고전압 배터리의 초기충전 제어 장치는, 크게 전기 자동차용 고전압 배터리(High Voltage Battery, HVB)(100), 충전부(150), 메인 릴레이부(200), 초기충전 스위치부(250), 변압부(300), 공진 인덕터부(350) 및 제어부(400) 등을 포함하여 이루어진다.

여기서, 전기 자동차용 고전압 배터리(100)는 전동기(500)의 구동 전원을 공급하는 에너지 저장 수단으로서, 전력 변환기(미도시)로부터 출력된 충전 전원에 따라 충전되고, 구동 전원을 공급하는 기능을 수행한다.

상기 전력 변환기는 외부의 전력 공급부(미도시)로부터 공급되는 전력을 변환 및 변압하여 고전압 배터리(100)를 충전하는 기능을 수행하는 바, 외부로부터 입력되는 교류/직류(AC/DC) 전원을 고전압 배터리(100)에 충전되도록 직류(DC) 전원으로 변환하여 출력한다.

이때, 상기 전력 공급부는, 일반적으로 전기를 생산 및 공급하는 전력공사와 같은 계통(Grid)과, 상기 계통 이외에 전기를 생산 및/또는 공급할 수 있는 수단을 포함하여 상기 전력 변환기로 전기를 공급할 수 있는 모든 전력 공급원을 포함하는 의미로 사용된다.

예를 들어, 상기 전력 변환기는 계통, 상기 계통으로부터 생산된 전기를 공급받아 철도 또는 도시철도에 전기를 공급하는 사업자들 및 소수력(Small Hydropower), 태양광(PhotoVoltaic; PV), 태양열(Solar Thermal), 풍열(Wind Power), 폐기물 에너지(Waste Energy), 바이오 에너지(Bio Energy), 지열(Geo Thermal), 해양 에너지(Ocean Energy) 등과 같은 신재생 에너지로부터 발생되는 전기를 공급하는 신재생 에너지 처리시스템 중 적어도 하나 이상이 포함된 전력 공급부로부터 전기를 공급받을 수 있다.

이러한 상기 전력 변환기는 예컨대, AC/DC 컨버터(Converter) 또는 DC/DC 컨버터 등으로 이루어짐이 바람직하다. 상기 AC/DC 컨버터는 입력된 교류(AC) 전압을 직류(DC) 전압으로 변환하는 바, 입력 교류 전압을 정류하는 정류부와, 적어도 하나의 인덕터(Inductor), 스위치, 다이오드(Diode) 및 커패시터(Capacitor) 등으로 구성된 LC 필터 등을 포함할 수 있다.

상기 DC/DC 컨버터는 다수의 스위치의 위상을 조절하여, 전기 자동차의 메인 배터리인 고전압 배터리(100) 또는 보조 배터리인 저전압 배터리(Low Voltage Battery, LVB)를 충전하기 위한 충전 전압을 생성한다. 상기 DC/DC 컨버터에 의해 생성된 충전 전압은 고전압 배터리(100) 또는 저전압 배터리(LVB)로 전달된다.

한편, 상기 DC/DC 컨버터는, 고전압 배터리(100)에 입/출력되는 전압을 변환하는 양방향 고전압 DC/DC 컨버터(Bi-directional High Voltage DC/DC Converter, BHDC) 또는 저전압 배터리(LVB)에 충전함과 아울러 차량의 각종 전장 부하들(예컨대, 헤드 램프, 와이퍼 및 블로워 등)에 전력을 전달하는 저전압 DC/DC 컨버터(Low Voltage DC/DC Converter) 등으로 이루어질 수 있다.

그리고, 전동기(500)는 전기 자동차의 동력을 제공하는 모터(Motor)로서, 인버터부(450)를 통해 출력되는 교류(AC) 전원에 의해 구동된다. 이러한 전동기(500)는 고정자와 회전자를 구비하며, 각 상(U상, V상, W상)의 고정자의 코일에 소정 주파수의 각 상 교류 전원이 인가되어, 회전자가 회전을 하게 된다. 한편, 전동기(500)는 예컨대, BLDC 전동기, synRM 전동기 등 3상 전동기로 구현됨이 바람직하지만, 이에 국한하지 않으며, 다양한 형태가 가능하다.

한편, 인버터부(450)는 충전부(150)에 저장된 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 전력 변환기로서, 고전압 배터리(100)로부터 공급되는 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 출력하는 기능을 수행한다.

이러한 인버터부(450)는 직류 전원을 3상 교류 전원으로 변환시켜 전동기(500)로 구동 전류를 공급하는 기능을 수행하는 바, 제어부(400) 또는 별도의 인버터 제어부(미도시)로부터 제공되는 펄스폭 변조(Pulse Width Modulation, PWM) 신호에 따라 전동기(500)를 펄스폭 변조(PWM) 제어한다.

즉, 인버터부(450)는 제어부(400) 또는 상기 인버터 제어부로부터 수신되는 펄스폭 변조(PWM) 신호에 따라, 인버터부(450)에 구비되는 다수의 반도체 스위칭 소자를 스위칭하여 직류 전원을 교류 전원으로 변환하고, 전동기(500)에 교류 전류를 공급하여 전동기(500)의 구동을 펄스폭 변조(PWM) 제어한다.

이러한 제어부(400) 또는 상기 인버터 제어부로부터의 스위칭 제어 신호 즉, 펄스폭 변조(PWM) 신호가 각 반도체 스위칭 소자의 게이트(gate) 단자에 입력되면, 각 반도체 스위칭 소자는 스위칭 동작을 수행한다. 이에 의해, 소정 주파수를 갖는 3상 교류 전원이 출력되게 된다. 이렇게 인버터부(450)에서 출력되는 3상 교류 전원은 전동기(500)의 각 상(U상, V상, W상)에 인가된다.

여기서, 상기 펄스폭 변조(PWM) 제어라 함은, 인버터부(450)가 상기 펄스폭 변조(PWM) 신호에 따라 전동기(500)에 공급하는 전동기 전류를 제어하는 것을 나타내며, 전동기 전류는 전동기(500)에 흐르는 전류를 나타낸다.

그리고, 상기 반도체 스위칭 소자는 게이트(Gate) 제어에 의해 턴-온(turn-on) 또는 턴-오프(turn-off) 제어되는 반도체 스위치로 구성될 수 있으며, 예컨대, 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, MOSFET), SCR(Silcon Coupled Rectifier), IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 등으로 구성될 수 있다.

이러한 인버터부(450)는 6개의 반도체 스위칭 소자를 3상 풀 브릿지(Full Bridge) 접속하여 직류 모선 전압을 3상 교류로 변환하고 이 3상 교류를 전동기(900)에 공급하는 것으로, 통상의 스위칭 회로이다.

즉, 인버터부(450)는 복수개의 인버터용 반도체 스위칭 소자를 구비하고, 반도체 스위칭 소자의 온/오프(ON/OFF) 동작에 의해 평활된 직류 전원을 소정 주파수의 3상 교류 전원으로 변환하여 출력한다.

이를 구체적으로 설명하면, 서로 직렬 연결되는 상암 반도체 스위칭 소자 및 하암 반도체 스위칭 소자가 한 쌍이 되며, 총 세 쌍의 상암 및 하암 반도체 스위칭 소자가 서로 병렬로 연결된다. 각 반도체 스위칭 소자에는 다이오드(diode)가 역병렬로 연결된다.

즉, U상 아암은 직렬 연결된 NPN 트랜지스터로 구성되어 있고, V상 아암은 직렬 연결된 NPN 트랜지스터로 구성되어 있으며, W상 아암은 직렬 연결된 NPN 트랜지스터로 구성되어 있다. 상기 NPN 트랜지스터의 각각의 콜렉터(collector)들과 이미터(emitter)들 사이에는, 이미터로부터 콜렉터로 전류를 흐르게 하기 위한 다이오드가 각각 연결되어 있다.

그리고, 충전부(150)는 고전압 배터리(100)로부터 출력된 직류 전원의 에너지를 저장하는 기능을 수행하는 바, 고전압 배터리(100)의 직류 전원을 평활하게 즉, 직류 전원의 전압을 보다 더 직류에 가깝게 유지시키는 기능을 수행할 수 있다. 이때, 충전부(150)는 입력되는 직류 전원을 평활하는 적어도 하나 이상의 커패시터(Capacitor)를 포함하여 구성될 수 있다.

이러한 충전부(150)는, 그 일단이 고전압 배터리(100)의 양극 출력단에 연결되고, 그 타단이 고전압 배터리(100)의 음극 출력단에 연결된 직류 링크 커패시터(DC Link Capacitor)로 이루어질 수 있다.

상기 직류 링크 커패시터는 고전압 배터리(100)에 접속되어 에너지를 축적하기 위한 전해 콘덴서로 구현됨이 바람직하지만, 이에 국한하지 않으며, 다른 종류의 콘덴서나 축전지 등으로 구현될 수도 있다.

메인 릴레이부(200)는 고전압 배터리(100)와 충전부(150)의 연결을 온/오프(ON/OFF) 스위칭(Switching)하는 스위치로서, 고전압 배터리(100)와 충전부(150) 사이 또는 고전압 배터리(100)와 인버터부(450) 사이에 배치되어 있으며, 고전압 배터리(100)로부터 인버터부(450)로 공급되는 직류 전원을 온/오프(ON/OFF) 스위칭하는 기능을 수행한다.

즉, 메인 릴레이부(200)는 제어부(400)의 제어 신호에 따라 고전압 배터리(100)로부터 출력되는 구동 전원이 충전부(150)에 투입 또는 차단되도록 온/오프(ON/OFF) 스위칭(Switching)하는 기능을 수행한다.

초기충전 스위치부(250)는 메인 릴레이부(200)와 병렬로 연결되어 있으며, 제어부(400)의 스위칭 제어 신호에 따라 개폐되는 기능을 수행한다.

이러한 초기충전 스위치부(250)는 게이트(Gate) 제어에 의해 턴-온(turn-on) 또는 턴-오프(turn-off) 제어되는 반도체 스위치로 구성될 수 있으며, 예컨대, 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, MOSFET), SCR(Silcon Coupled Rectifier), IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 등으로 구성될 수 있다.

한편, 초기충전 스위치부(250)는 전술한 반도체 스위치이외에 릴레이(Relay)를 이용하여 FET와 IGBT를 이용한 스위치 구성 대체가 가능하다.

변압부(300)는 전자기 유도 작용을 이용하여 전압을 높이거나 낮추는 변압기(Transformer)로서, 초기충전 스위치부(250)와 직렬로 연결되어 있으며, 1차측에 연결된 고전압 배터리(100)와 전기적으로 절연하며, 상기 1차측에 입력되는 상기 입력 전압을 변압하여 2차측(또는 부하측)에 충전 전압을 공급하는 기능을 수행한다.

이때, 변압부(300)의 2차측 충전 전압이 1차측 입력 전압(Vs)의 1/2Vs로 되도록 1차측과 2차측의 권선비를 조절함이 바람직하며, 고전압 배터리(100)로 역전류가 흐르는 것을 방지하기 위한 역전 방지용 다이오드(D)를 포함할 수 있다.

공진 인덕터부(350)는 변압부(300)의 2차측과 충전부(150) 사이에 직렬로 연결되어 있으며, 변압부(300)의 2차측에 공급되는 충전 전압을 공진시켜 충전부(150)에 공급하는 기능을 수행한다.

이때, 공진 인덕터부(350)와 충전부(150)의 LC 시정수에 의해 공진 시간이 결정될 수 있으며, 공진 인덕터부(350)와 충전부(150)의 임피던스에 의해 공진 전류가 결정될 수 있다.

또한, 공진 인덕터부(350)의 공진 인덕터 값 및 변압부(300)의 턴 비를 조절하여 초기충전의 시간 및 전류 제한 값이 설정될 수 있다.

즉, 본 발명은 공진을 이용하기 때문에 공진에 이용되는 에너지원과 공진 인덕터부(350), 충전부(150)의 충전 용량에 의해 충전 시간이 결정된다. 또한, 충전 전류는 공진 인덕터부(350)와 충전부(150)의 충전 용량간의 임피던스에 의해 결정된다. 따라서, 기존 저항 방식에 비해 공진을 이용하기 때문에 저항 손실값이 저감되는 효과가 있다.

한편, 공진 에너지가 Vin인 경우, 공진 전압은 0∼2Vin까지 생성되며, 고전압단 입력 커패시터 즉, 충전부(150)의 충전 전압을 고전압 배터리(100)의 전압(Vs)과 같게 만드는 게 목적이기 때문에, 공진 에너지원(Vin)은 1/2Vs가 되어야 한다.

따라서, 변압부(300)의 턴 비를 이용하여 1/2의 공진 에너지를 만들어 주게 된다. 이상적인 경우 N=2로 하여 공진한다. 만약, 변압부(300)의 N값을 2보다 크게 하게 되면, 추가적인 공진 에너지를 인가할 수 있어서 공진 주기를 조절할 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 적용된 공진 인덕터부(350)는 변압부(300)의 기생 인덕터(Parasitic Inductor)를 사용하여 대체 가능하다.

그리고, 제어부(400)는 고전압 배터리(100)의 충전에 관련되어 전체적인 제어를 수행하는 바, 특히 메인 릴레이부(200)가 오프(OFF)된 상태에서, 충전부(150)의 초기충전 시 초기충전 스위치부(250)가 온(ON)되도록 스위칭 제어 신호를 출력한 후, 기설정된 초기충전 시간 이후에 메인 릴레이부(200)를 온(ON)시킴과 동시에 초기충전 스위치부(250)가 오프(OFF)되도록 스위칭 제어 신호를 출력하는 기능을 수행한다.

이때, 상기 초기충전 시간은 전체 공진 주기의 1/2로 설정됨이 바람직하다.

추가적으로, 충전부(150)의 출력 전압을 검출하는 전압검출부(550)가 더 구비될 수 있으며, 이때, 제어부(400)에서는 충전부(150)의 초기충전 시 초기충전 스위치부(250)가 온(ON)되도록 스위칭 제어 신호를 출력한 후, 전압검출부(550)로부터 검출된 출력 전압값이 기설정된 기준 전압값보다 클 경우, 메인 릴레이부(200)를 온(ON)시킴과 동시에 초기충전 스위치부(250)가 오프(OFF)되도록 스위칭 제어 신호를 출력할 수 있다.

이때, 상기 기준 전압값은 충전부(150)의 충전 전압과 고전압 배터리(100)의 전압 레벨이 동일하게 되는 전압값으로 설정됨이 바람직하다.

전술한 본 발명에 따른 전기 자동차용 고전압 배터리의 초기충전 제어 장치에 대한 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명에 속한다.

100 : 고전압 배터리, 150 : 충전부,
200 : 메인 릴레이부, 250 : 초기충전 스위치부,
300 : 변압부, 350 : 공진 인덕터부,
400 : 제어부, 450 : 인버터부,
500 : 전동기, 550 : 전압검출부

Claims

고전압 배터리의 직류 전원을 저장하는 충전부;
상기 고전압 배터리와 상기 충전부의 연결을 스위칭하는 메인 릴레이부;
상기 메인 릴레이부와 병렬로 연결되며, 스위칭 제어 신호에 따라 개폐되는 초기충전 스위치부;
상기 초기충전 스위치부와 직렬 연결되고, 입력 전압을 변압하여 부하측에 충전 전압을 공급하는 변압부;
상기 변압부의 부하측과 상기 충전부 사이에 직렬 연결되며, 상기 변압부의 부하측에 공급되는 충전 전압을 공진시켜 상기 충전부에 공급하는 공진 인덕터부; 및
상기 메인 릴레이부가 오프(OFF)된 상태에서, 상기 충전부의 초기충전 시 상기 초기충전 스위치부가 온(ON)되도록 스위칭 제어 신호를 출력한 후, 기설정된 초기충전 시간 이후에 상기 메인 릴레이부를 온(ON)시킴과 동시에 상기 초기충전 스위치부가 오프(OFF)되도록 스위칭 제어 신호를 출력하는 제어부를 포함하는 전기 자동차용 고전압 배터리의 초기충전 제어 장치.
제1 항에 있어서,
상기 변압부의 부하측 충전 전압이 입력 전압의 1/2로 되도록 권선비를 조절하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 고전압 배터리의 초기충전 제어 장치.
제1 항에 있어서,
상기 공진 인덕터부와 상기 충전부의 LC 시정수에 의해 공진 시간이 결정되는 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 고전압 배터리의 초기충전 제어 장치.
제1 항에 있어서,
상기 공진 인덕터부와 상기 충전부의 임피던스에 의해 공진 전류가 결정되는 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 고전압 배터리의 초기충전 제어 장치.
제1 항에 있어서,
상기 공진 인덕터부의 공진 인덕터 값 및 상기 변압부의 턴 비를 조절하여 초기충전의 시간 및 전류 제한 값이 설정되는 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 고전압 배터리의 초기충전 제어 장치.
제1 항에 있어서,
상기 초기충전 시간은 전체 공진 주기의 1/2로 설정되는 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 고전압 배터리의 초기충전 제어 장치.
고전압 배터리의 직류 전원을 저장하는 충전부;
상기 고전압 배터리와 상기 충전부의 연결을 스위칭하는 메인 릴레이부;
상기 메인 릴레이부와 병렬로 연결되며, 스위칭 제어 신호에 따라 개폐되는 초기충전 스위치부;
상기 초기충전 스위치부와 직렬 연결되고, 입력 전압을 변압하여 부하측에 충전 전압을 공급하는 변압부;
상기 변압부의 부하측과 상기 충전부 사이에 직렬 연결되며, 상기 변압부의 부하측에 공급되는 충전 전압을 공진시켜 상기 충전부에 공급하는 공진 인덕터부;
상기 충전부의 출력 전압을 검출하는 전압검출부; 및
상기 메인 릴레이부가 오프(OFF)된 상태에서, 상기 충전부의 초기충전 시 상기 초기충전 스위치부가 온(ON)되도록 스위칭 제어 신호를 출력한 후, 상기 전압검출부로부터 검출된 출력 전압값이 기설정된 기준 전압값보다 클 경우, 상기 메인 릴레이부를 온(ON)시킴과 동시에 상기 초기충전 스위치부가 오프(OFF)되도록 스위칭 제어 신호를 출력하는 제어부를 포함하는 전기 자동차용 고전압 배터리의 초기충전 제어 장치.
제7 항에 있어서,
상기 기준 전압값은, 상기 충전부의 충전 전압과 상기 고전압 배터리의 전압 레벨이 동일하게 되는 전압값으로 설정되는 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 고전압 배터리의 초기충전 제어 장치.