KR20170025605A

KR20170025605A - 친환경 자동차의 전력변환 제어방법

Info

Publication number: KR20170025605A
Application number: KR1020150122307A
Authority: KR
Inventors: 정태철
Original assignee: 쌍용자동차 주식회사
Priority date: 2015-08-31
Filing date: 2015-08-31
Publication date: 2017-03-08

Abstract

저전압용 배터리를 리튬-이온(Li-ion) 배터리로 대체하여 충·방전 효율을 개선하고, 상기 리튬-이온 배터리의 충전 상태를 실시간 감시하여 일정 수준 이상이면 전력변환기(DC-DC converter)를 오프시켜 전력변환에 따른 손실을 줄여 에너지 효율 향상을 도모하도록 한 친환경 자동차의 전력변환 제어방법에 관한 것으로서, (a) 리튬-이온(Li-ion) 배터리로 이루어진 저전압 배터리의 충전 상태(SOC)를 검출하는 단계; (b) 상기 (a)단계에서 검출한 저전압 배터리의 충전 상태와 전력변환기(DC-DC Converter)를 제어하기 위해 미리 설정된 기준 값(ref)을 비교하는 단계; 및 (c) 상기 (b)단계의 비교 결과에 따라 전력변환기의 구동을 선택적으로 제어하는 단계를 포함하여, 친환경 자동차의 전력변환 제어방법을 구현한다.

Description

친환경 자동차의 전력변환 제어방법{Power conversion control method of for using high voltage vehicle}

본 발명은 친환경 자동차의 전력변환 제어방법에 관한 것으로, 특히 저전압용 배터리를 리튬-이온(Li-ion) 배터리로 대체하여 충·방전 효율을 개선하고, 리튬-이온 배터리의 충전 상태를 실시간 감시하여 일정 수준 이상이면 전력변환기(DC-DC converter)를 오프시켜 전력변환에 따른 손실을 줄여 에너지 효율 향상을 도모하도록 한 친환경 자동차의 전력변환 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로, 주행거리 확장형 전기 자동차 혹은 일반적인 하이브리드 전기 자동차와 같은 친환경 자동차는 그 형태에 따라 엔진출력이 차량의 구동과는 관련 없이 발전기를 거쳐 구동용 모터에 전기 에너지를 공급하고 여분의 에너지는 고전압 배터리를 충전하는 역할만 수행하는 직렬형 하이브리드 전기 자동차, 상기 직렬형 하이브리드 기능 이외에 엔진 출력이 차량 구동을 위한 동력원으로 동작을 하는 혼합형 하이브리드 전기 자동차, 그리고 엔진출력은 오직 차량 구동 에너지로만 사용되는 병렬형 하이브리드 전기 자동차로 대별된다.

그 중 직렬형 하이브리드 전기 자동차는 엔진(Engine)이 차량 구동에는 관여하지 않고 그 출력을 발전기(Generator)를 거쳐 전기에너지를 만든다. 이 전기 에너지는 차량 바퀴(Drive wheels)에 구름력을 전달하는 구동용 모터(Motor)에 전력을 공급하는 인버터(Inverter)에 공급이 되고, 에너지가 남는 경우 고전압 배터리를 충전하게 된다. 반대로 엔진 발전기에서 생성되는 전기에너지가 구동용 모터가 필요로 하는 에너지보다 작은 경우 부족한 전기에너지는 배터리로부터 공급하게 된다. 고전압 배터리에 전기에너지가 공급되는 경우 배터리의 충전율(SOC; State of Charging)이 상승하게 되고, 반대로 배터리에서 전기에너지가 빠져나가는 경우 배터리의 충전율은 하락하게 된다.

상기와 같이 별도의 구동용 엔진이 있는 하이브리드 시스템은, 차량 전장 부하 공급용 발전기가 엔진에 포함되어 있을 수 있으나, 엔진의 효율 향상 또는 엔진 상시 구동을 하지 않을 경우를 위해 엔진 벨트에 연결된 발전기(알터네이터)를 사용하지 않고, 고전압 저전압 전력 변환기(DC-DC converter)를 별도의 유닛으로 사용하는 경우가 대부분이다.

일반적인 전력변환 장치의 효율은 90%~93% 수준으로써 전력변환에 따른 손실이 방지하게 된다.

친환경 자동차에 대한 종래 기술이 하기의 <특허문헌 1 > 및 <특허문헌 2> 에 개시되었다.

<특허문헌 1> 에 개시된 종래기술은 외부에서 AC 전원과 DC 전원을 각각 공급받는 OBC; OBC로부터 충전이 이루어지는 고전압배터리; 차량 전장부품에 전원을 공급하는 저전압배터리; 및 저전압배터리의 충전이 가능한 LDC; 저전압배터리의 충전이 필요한 경우, 저전압배터리의 충전을 제어하는 제어부를 포함하는 차량의 배터리 충전시스템 및 충전방법을 구현한다.

이렇게 구현되는 종래기술은 차량의 고전압배터리와 보조배터리를 효과적으로 충전할 수 있도록 한다.

<특허문헌 2> 에 개시된 종래기술은 고전압 배터리가 내장된 고전압 배터리팩; 상기 고전압 배터리 팩에 내장되며, 상기 고전압 배터리 팩의 고전압 출력 단자에 연결되어, 주 배터리(Main BAT)의 전압을 12V 배터리를 충전하기 적합한 전압으로 강압하는 DC/DC 컨버터; 상기 고전압 배터리 팩에 내장되며, 상기 DC/DC 컨버터에서 강압된 전압을 저장하는 상기 12V 배터리; 상기 12V 배터리에서 출력되는 전압을 외부로 공급해주기 위한 전압 출력 단자를 포함하고, 상기 12V 배터리는 리튬 배터리를 이용한다.

이렇게 구성된 종래기술은 리튬 배터리를 적용한 고전압 배터리(메인 배터리)와 리튬 배터리를 적용한 12V 배터리를 하나의 고전압 배터리에 내장시켜 12V 배터리를 보호하기 위한 별도의 기구장치를 제거할 수 있도록 한다.

대한민국 공개특허 10-2014-0079626호(2014.06.27. 공개) 대한민국 공개특허 10-2015-0090447호(2015.08.06. 공개)

그러나 상기와 같은 종래기술은 엔진의 효율 향상을 위해 엔진 벨트에 연결된 발전기를 사용하지 않고, 고전압 저전압 전력 변환기(DC-DC converter)를 별도의 유닛으로 사용하는 데, 이 경우 전력변환에 따른 에너지 손실이 부하로 작용하게 된다. 이로 인해 전기 자동차 주행거리가 저하되는 단점을 유발하였다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래기술에서 발생하는 제반 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것으로서, 저전압용 배터리를 리튬-이온(Li-ion) 배터리로 대체하여 충·방전 효율을 개선하고, 리튬-이온 배터리의 충전 상태를 차량제어기는 실시간 감시하여 일정 수준 이상이면 전력변환기(DC-DC converter)를 오프시켜 고전압 에너지를 저전압으로 변환하고자 하는 전력변환에 따른 손실을 줄여 에너지 효율 향상을 도모하도록 한 친환경 자동차의 전력변환 제어방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 전력변환장치인 전력변환기를 간헐적으로 동작시켜 에너지 손실을 최대한 줄이고, 일회충전 주행거리를 향상토록 한 친환경 자동차의 전력변환 제어방법을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 친환경 자동차의 전력변환 제어방법은 (a) 리튬-이온(Li-ion) 배터리로 이루어진 저전압 배터리의 충전 상태(SOC)를 검출하는 단계; (b) 상기 (a)단계에서 검출한 저전압 배터리의 충전 상태와 전력변환기(DC-DC Converter)를 제어하기 위해 미리 설정된 기준 값(ref)을 비교하는 단계; (c) 상기 (b)단계의 비교 결과에 따라 전력변환기의 구동을 선택적으로 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 친환경 자동차의 전력변환 제어방법은 (d) 상기 (c)단계에서 전력변환기를 구동 상태로 제어한 경우, 고전압 배터리의 전원으로 저전압 배터리를 충전하는 단계; (e) 클러스터에 배터리의 상태를 표시해주는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 (c)단계는 상기 저전압 배터리의 충전 상태가 상기 기준 값보다 작을 경우, 상기 전력변환기를 구동시키고, 상기 저전압 배터리의 충전 상태가 상기 기준 값 이상일 경우, 상기 전력변환기의 구동을 오프시켜 전력 변환에 따른 손실을 최소화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 (c)단계는 상기 전력변환기의 구동을 오프시킨 경우, 차량에서 12V 전원을 사용하는 부하에 상기 저전압 배터리의 전압을 공급해주는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면 저전압용 배터리를 리튬-이온(Li-ion) 배터리로 대체함으로써 충·방전 효율을 개선할 수 있으며, 리튬-이온 배터리의 충전 상태에 따라 전력변환기(DC-DC converter)를 간헐적으로 구동시킴으로써, 전력변환에 따른 손실을 줄여 에너지 효율 향상을 도모할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면 전력변환장치인 전력변환기를 간헐적으로 동작시켜 에너지 손실을 최대한 줄이고, 일회충전 주행거리를 향상할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 친환경 자동차의 전력변환 제어방법이 적용되는 친환경 자동차의 전력변환시스템의 개략 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 친환경 자동차의 전력변환 제어방법을 보인 흐름도.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 친환경 자동차의 전력변환 제어방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 친환경 자동차의 전력변환 제어방법이 적용되는 전력변환 시스템의 개략 구성도이다.

본 발명이 적용되는 친환경 자동차의 전력변환 시스템은 외부의 전력으로부터 배터리를 충전하기 위한 충전기(OBC; On Board Charger)(10), 리튬-이온 배터리로 이루어지며, 내부에 배터리 관리 시스템(BMS; Battery Management System)이 내장된 저전압 배터리(30), 고전압 배터리와 배터리 관리 시스템이 내장된 고전압 배터리 팩(20), 상기 고전압 배터리 팩(20)으로부터 공급되는 전원으로 상기 저전압 배터리를 충전하는 전력변환기(DC/DC converter), 12V 전원을 사용하는 차량에 구비된 12V 부하(40), 상기 고전압 배터리 팩(20) 및 저전압 배터리(30)에 각각 탑재된 배터리 관리 시스템과 연동하여 전력변환을 제어하는 차량 제어 유닛(VCU; Vehicle Control Unit)(60)을 포함한다.

도 2는 본 발명에 따른 친환경 자동차의 전력변환 제어방법을 보인 흐름도로서, 도 1의 차량 제어 유닛(60)에서 소프트웨어적으로 전력변환을 제어하는 과정으로서, (a) 리튬-이온(Li-ion) 배터리로 이루어진 저전압 배터리의 충전 상태(SOC)를 검출하는 단계(S10); (b) 상기 (a)단계에서 검출한 저전압 배터리의 충전 상태와 전력변환기(DC-DC Converter)를 제어하기 위해 미리 설정된 기준 값(ref)을 비교하는 단계(S20); (c) 상기 (b)단계의 비교 결과에 따라 전력변환기의 구동을 선택적으로 제어하는 단계(S30 ~ S50); (d) 상기 (c)단계에서 전력변환기를 구동 상태로 제어한 경우, 고전압 배터리의 전원으로 저전압 배터리를 충전하는 단계(S60); 및 (e) 클러스터(Cluster)에 배터리의 상태를 표시해주는 단계(S70)를 포함한다.

상기 (c)단계는 상기 저전압 배터리의 충전 상태가 상기 기준 값보다 작을 경우, 상기 전력변환기를 구동시키고, 상기 저전압 배터리의 충전 상태가 상기 기준 값 이상일 경우, 상기 전력변환기의 구동을 오프시켜 전력 변환에 따른 손실을 최소화하는 단계(S50, S30); 상기 전력변환기의 구동을 오프시킨 경우, 차량에서 12V 전원을 사용하는 부하에 상기 저전압 배터리의 전압을 공급해주는 단계(S40)를 포함한다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 친환경 자동차의 전력변환 제어방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

먼저, 차량 제어 유닛(60)은 차량에 시동이 걸리면, 고전압 배터리 팩(20)의 배터리 관리 시스템 및 저전압 배터리(30)의 배터리 관리 시스템과 연동하여, 각각의 배터리 상태를 확인하고, 이를 기반으로 전력변환을 제어한다.

예컨대, 단계 S10에서 저전압 배터리(30)인 리튬-이온(Li-ion) 배터리의 전압 충전 상태(SOC)를 배터리 관리 시스템을 통해 검출한다. 여기서 본 발명은 저전압 배터리로 리튬-이온 배터리를 사용함으로써, 충·방전 효율을 개선하고, 차량의 무게를 줄이게 된다.

이어, 단계 S20에서 상기 (a)단계에서 검출한 저전압 배터리의 충전 상태(SOC)와 전력변환기(DC-DC Converter)를 제어하기 위해 미리 설정된 기준 값(ref)을 비교한다. 여기서 기준 값은 저전압 배터리에 충전된 전압으로 차량의 전장 부품 중 12V를 사용하는 전장 부품에 충분히 구동용 전원을 공급해줄 수 있는 레벨을 기준 값으로 설정하는 것이 바람직하다.

다음으로, 단계 S20의 비교결과, 상기 저전압 배터리의 충전 상태가 상기 기준 값 이상일 경우, 단계 S30으로 이동하여 상기 전력변환기(50)의 구동을 오프시켜 전력 변환에 따른 손실을 최소화한다. 아울러 단계 S40에서는 상기 전력변환기(50)의 구동을 오프시킨 경우, 차량에서 12V 전원을 사용하는 부하(40)에 상기 저전압 배터리(30)의 전압을 공급해준다.

이와 같이 저전압 배터리의 전압이 충분히 있을 경우에는 전력변환기(50)의 구동을 정지시켜, 전력변환에 따른 에너지 손실을 줄이고, 차량의 주행 거리를 향상시키게 되는 것이다.

다음으로, 상기 단계 S20의 비교결과, 상기 저전압 배터리의 충전 상태가 상기 기준 값보다 작을 경우, 단계 S50으로 이동하여 상기 전력변환기(50)를 구동시킨다.

이어, 상기와 같이 전력변환기(50)를 구동 상태로 제어한 경우, 단계 S60으로 이동하여 고전압 배터리(20)의 전원으로 저전압 배터리(30)를 충전한다.

이후, 단계 S70에서는 클러스터(Cluster)에 검출한 배터리의 상태를 표시해준다.

이와 같이 본 발명은 저전압용 배터리를 리튬-이온(Li-ion) 배터리로 대체하여 충·방전 효율을 개선하고, 리튬-이온 배터리의 충전 상태를 감시하여 일정 수준 이상이면 전력변환기(DC-DC converter)를 오프시켜 전력변환에 따른 손실을 줄여 에너지 효율 향상을 도모한다.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

10 : 충전기(OBC) 20 : 고전압 배터리 팩
30 : 저전압 배터리(리튬-이온 배터리) 40 : 12V부하
50 : 전력변환기(DC-DC Converter) 60 : 차량 제어 유닛(VCU)

Claims

친환경 자동차에서 전력변환기(DC-DC 컨버터)의 전력 변환을 제어하기 위한 방법으로서,
(a) 리튬-이온(Li-ion) 배터리로 이루어진 저전압 배터리의 충전 상태(SOC)를 검출하는 단계;
(b) 상기 (a)단계에서 검출한 저전압 배터리의 충전 상태와 전력변환기(DC-DC Converter)를 제어하기 위해 미리 설정된 기준 값(ref)을 비교하는 단계; 및
(c) 상기 (b)단계의 비교 결과에 따라 전력변환기의 구동을 선택적으로 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 자동차의 전력변환 제어방법.
청구항 1에서, (d) 상기 (c)단계에서 전력변환기를 구동 상태로 제어한 경우, 고전압 배터리의 전원으로 저전압 배터리를 충전하는 단계; (e) 클러스터에 배터리의 상태를 표시해주는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 자동차의 전력변환 제어방법.
청구항 1에서, 상기 (c)단계는 상기 저전압 배터리의 충전 상태가 상기 기준 값보다 작을 경우, 상기 전력변환기를 구동시키고, 상기 저전압 배터리의 충전 상태가 상기 기준 값 이상일 경우, 상기 전력변환기의 구동을 오프시켜 전력 변환에 따른 손실을 최소화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 자동차의 전력변환 제어방법.
청구항 3에서, 상기 (c)단계는 상기 전력변환기의 구동을 오프시킨 경우, 차량에서 12V 전원을 사용하는 부하에 상기 저전압 배터리의 전압을 공급해주는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 자동차의 전력변환 제어방법.