KR20190056554A - 누설 전류 제거 장치 및 이를 포함하는 차량 시스템 - Google Patents

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Abstract

누설 전류 제거 장치는, 차량의 차체 접지에 연결된 제1노드 및 외부 전원의 제2접지에 연결된 제2노드 사이에 연결되는 누설 감지 저항, 및 상기 제1 및 제2노드 사이에 상기 누설 감지 저항과 병렬 연결되어, 상기 제1 및 제2노드 사이의 전위차를 해소하는 전압 플로워(voltage flower)를 포함할 수 있다.

Description

누설 전류 제거 장치 및 이를 포함하는 차량 시스템{LEAKAGE CURRENT CANCELLATION APPARATUS AND VEHICLE SYSTEM INCLUDING THE SAME}
본 발명의 실시 예는 누설 전류 제거 장치 및 이를 포함하는 차량 시스템에 관한 것이다.
최근 CO2 규제 등 환경 규제가 강화됨에 따라 친환경 차량에 대한 관심이 증가하고 있다. 이에 따라 자동차 회사들은 하이브리드(Hybrid) 차량이나 플러그인 하이브리드(Plug-in Hybrid) 차량뿐만 아니라, 순수 전기 차량 또는 수소 차량에 대해 연구 및 제품 개발을 활발히 진행하고 있다.
친환경 차량에는 다양한 에너지원으로부터 얻어지는 전기 에너지를 저장하고, 이를 차량의 구동력으로 제공하기 위해 고전압 배터리가 적용된다. 차량에 적용되는 고전압 배터리는 차량에 장착된 상태로 차량 탑재형 충전기(On Board Charger, OBC)를 통해 충전이 진행된다.
통상적으로, OBC는 내부에 절연 변압기를 탑재하여 차량과 충전용 AC 전원을 분리한다. 절연 변압기를 이용한 차량과 AC 전원 간의 분리는 누설 전류의 발생을 방지하여 안정적인 충전 동작을 가능하게 하나, 절연 변압기의 추가로 인해 OBC의 사이즈, 무게 및 단가 상승을 초래한다.
본 발명의 실시 예를 통해 해결하려는 과제는 차량 내 탑재되는 배터리의 충전 시 누설 전류를 효과적으로 제거하기 위한 누설 전류 제거 장치 및 이를 포함하는 차량 시스템을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 누설 전류 제거 장치는, 차량의 차체 접지에 연결된 제1노드 및 외부 전원의 제2접지에 연결된 제2노드 사이에 연결되는 누설 감지 저항, 및 상기 제1 및 제2노드 사이에 상기 누설 감지 저항과 병렬 연결되어, 상기 제1 및 제2노드 사이의 전위차를 해소하는 전압 플로워(voltage flower)를 포함할 수 있다.
상기 누설 전류 제거 장치는, 상기 제2노드의 전위를 기준 전위로 하는 전원을 상기 전압 플로워의 동작 전원으로 공급하는 절연 전원 공급 장치를 더 포함할 수 있다.
상기 전압 플로워는, 상기 제1노드에 연결되는 출력 단자, 상기 제2노드에 연결되는 비반전 입력 단자, 및 상기 출력 단자에 연결되는 반전 입력 단자를 포함하는 오피앰프(OP-AMP)를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 차량 시스템은, 차량의 제1배터리와 외부 전원 사이에 연결되어, 상기 외부 전원으로부터 입력되는 입력 전압을 상기 제1배터리의 충전 전압으로 변환하는 전력 변환 장치, 상기 차량의 차체 접지에 연결된 제1노드 및 상기 외부 전원의 제2접지에 연결된 제2노드 사이에 연결되는 누설 감지 저항, 및 상기 제1 및 제2노드 사이에 상기 누설 감지 저항과 병렬 연결되어, 상기 제1 및 제2노드 사이의 전위차를 해소하는 전압 플로워(voltage flower)를 포함할 수 있다.
상기 차량 시스템은, 제2배터리, 및 상기 제2배터리로부터, 상기 제2노드의 전위를 기준 전위로 하는 절연 전원을 공급하는 절연 전원 공급 장치를 더 포함하며, 상기 절연 전원은 상기 전압 플로워의 동작 전원일 수 있다.
상기 차량 시스템에서, 상기 전압 플로워는, 상기 제1노드에 연결되는 출력 단자, 상기 제2노드에 연결되는 비반전 입력 단자, 및 상기 출력 단자에 연결되는 반전 입력 단자를 포함하는 오피앰프(OP-AMP)를 포함할 수 있다.
상기 제2배터리의 양극 단자 중 어느 하나는 상기 차체 접지와 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 차량 시스템은, 상기 전력 변환 장치의 출력 단자들 중 어느 하나와 상기 차체 접지 사이에 연결되는 캐패시터를 더 포함할 수 있다.
실시 예에 따르면, 외부 전원으로 차량에 탑재된 배터리를 충전하는 동안, 외부 전원으로 누설되는 누설 전류를 효과적으로 제거하여 안정적인 충전 동작이 이루어지도록 하는 효과가 있다.
도 1은 차량 내 배터리를 충전하는 과정에서 누설 전류가 발생하는 경로에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 누설 전류 제거 장치 및 이를 포함하는 차량 시스템을 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 누설 전류 제거 장치를 이용하여 전체 차량 시스템에서의 누설 전류를 제거하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예들에 한정되지 않는다.
본 발명의 실시 예를 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
이하, 본 발명의 실시 예를 설명하기에 앞서, 차량 내 배터리를 충전하는 과정에서 누설 전류가 발생하는 경로에 대해 설명하기로 한다.
도 1은 차량 내 배터리를 충전하는 과정에서 누설 전류가 발생하는 경로에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 전원 공급 시스템(20)은 EVSE(electric vehicle supply equipment), ICCB(In Cable Control Box) 등 차량 외부의 전원 공급 시스템으로, 차량(10)에 탑재된 배터리(11)의 충전용 전원을 제공한다.
차량(10) 내 배터리(11)의 충전을 차량 탑재형 충전기(On Board Charger, OBC)와 전원 공급 시스템(20)이 연결되는 경우, 차량(10)의 차체(chassis) 즉, 차체 접지(GNDv)는 전원 공급 시스템(20)의 접지(GNDs, 이하 '계통 접지'라 명명하여 사용함)에 전기적으로 연결된다.
또한, OBC의 전력 변환 장치(12)는 입력 단자들(In1, In2)을 통해 전원 공급 시스템(20)으로부터 교류(AC) 전압을 입력 받고, 이를 직류(DC) 전압으로 변환하여 출력 단자(Out1, Out2)로 출력한다. 전력 변환 장치(12)로부터 출력되는 출력 전압(Vout)은 배터리(11)의 충전 전압으로 공급된다.
전원 공급 시스템(20)이 비대칭형 단상 전원인 경우, 전력 변환 장치(12)로 입력되는 교류 전압을 공통 모드(common mode) 성분(Vgcm) 및 차동 모드(Differential mode) 성분(Vgdm)으로 표현하면, 입력 단자 In1의 전위는 Vgcm + Vgdm/2로 표현되고, 나머지 입력 단자 In2의 전위는 Vgcm - Vgdm/2로 표현할 수 있다. 또한, 전력 변환 장치(12)의 출력 단자들(Out1, Out2) 간의 전위차는 Vout으로 일정하나, 전원 공급 시스템(20)과 비 절연 상태로 연결되어 있어, 출력 단자 Out2의 전위는 Vgcm이고, 나머지 출력 단자 Out1의 전위는 Vgcm + Vout 이 된다.
이에 따라, 전력 변환 장치(12)의 출력 단자들(Out1, Out2)에 연결된 캐패시터들(C1, C2)의 양단에는 Vgcm 만큼의 공통 모드 성분의 전압이 인가되고, AC 전원의 주파수를 가지는 Vgcm로 인해 캐패시터들(C1, C2)을 통해 누설 전류가 흐르게 된다.
통상적으로, 전원 공급 시스템(20)은 차량(10)에서 발생하는 누설 전류(Ileak)를 감지하기 위해 누설(Leakage) 감지 센서(21)를 구비한다. 그리고, 누설 감지 센서(21)를 통해 누설 전류가 감지되면 차량(10) 내 배터리(11)로 공급되는 충전 전류의 흐름을 차단한다. 따라서, 누설 전류(Ileak)의 발생은 차량(10) 내 배터리(11)의 충전이 불가능한 상황을 야기할 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 실시 예에서는 안정적인 충전 동작이 이루어지도록 차량 내 배터리를 충전하는 과정에서 발생하는 누설 전류를 효과적으로 제거하기 위한 누설 전류 제거 장치를 제공한다.
이하, 필요한 도면들을 참조하여 실시 예들에 따른 누설 전류 제거 장치 및 이를 포함하는 차량 시스템에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 누설 전류 제거 장치 및 이를 포함하는 차량 시스템을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 차량 시스템은 주 배터리(110), 충전 장치(120) 및 누설 전류 제거 장치(130)를 포함할 수 있다.
주 배터리(110)는 충방전이 가능한 2차 전지로서, 차량에 구동력을 제공하기 위한 고전압 배터리일 수 있다.
충전 장치(120)는 전원 공급 시스템(20)으로부터 공급되는 전력으로 주 배터리(110)를 충전하기 위한 장치로서, 전력 변환 장치(121)를 포함할 수 있다. 또한, 충전 장치(120)는 전력 변환 장치(121)의 각 출력 단자(Out1, Out2)와 차체 접지(GNDv) 사이에 각각 연결되는 캐패시터들(C1, C2)을 더 포함할 수 있다. 이러한, 충전 장치(120)는 차량 내 OBC에 탑재될 수 있다.
전력 변환 장치(121)는 주 배터리(110)와 전원 공급 시스템(20) 사이에 연결되며, 전원 공급 시스템(20)으로부터 인가되는 교류 전압을 주 배터리(110)의 충전용 직류 전압으로 변환하여 주 배터리(110)로 공급할 수 있다.
누설 전류 제거 장치(130)는 차량 시스템으로부터 전원 공급 시스템(20)으로 누설되는 전류를 저감시키기 위한 장치로서, 누설 감지 저항(R), 보조 배터리(131), 절연 전원 공급 장치(132), 및 전압 플로워(voltage flower, 133)를 포함할 수 있다.
누설 감지 저항(R)은 차량 시스템으로부터 전원 공급 시스템(20)으로 누설되는 전류(Ileak)를 감지하기 위해 사용될 수 있다. 이를 위해, 누설 감지 저항(R)은 어느 하나의 단자가 차체 접지(GNDv)에 연결되고, 나머지 단자가 누설 감지 센서(21)를 통해 전원 공급 시스템(20)의 계통 접지(GNDs)에 연결되어, 본 문서에서는, 누설 감지 저항(R)의 양 단자에 대응하는 노드들을 각각 제1노드(NA) 및 제2노드(NB)라 명명하여 사용한다.
보조 배터리(131)는 후술하는 전압 플로워(133)의 동작 전원을 공급하기 위해 사용될 수 있다. 보조 배터리(131)는 출력 단자 중 어느 하나가 차체 접지(GNDv)에 전기적으로 연결되어, 차체 접지(GNDv)를 기준 전위로 하여 동작할 수 있다.
절연 전원 공급 장치(132)는 보조 배터리(131)의 출력 전압을 공급받고, 이와 절연된 절연 전원을 전압 플로워(133)의 동작 전원으로 제공할 수 있다. 절연 전원 공급 장치(132)에 의해 제공되는 절연 전원은, 차체 접지(GNDv)가 아닌 제2노드(NB)의 전위가 기준 전위가 된다. 따라서, 전압 플로워(133)는 제2노드(NB)의 전위를 기준 전위로 하는 동작 전압에 의해 동작할 수 있다.
전압 플로워(133)는 제1 및 제2노드(NA, NB) 사이에 누설 감지 저항(R)과 병렬 연결되는 오피앰프(OP-AMP)를 포함하며, 누설 감지 저항(R)을 통해 전원 공급 시스템(20)의 계통 접지(GNDs)로 흐르는 누설 전류(Ileak)를 제거하는 기능을 수행할 수 있다. 전압 플로워(133)를 구성하는 OP-AMP는 비반전 입력 단자가 절연 전원 공급 장치(132)의 기준 전위 즉, 제2노드(NB)에 연결되고, 반전 입력 단자가 OP-AMP의 출력 단자에 연결되며, 출력 단자는 제1노드(NA)에 연결된다. 전압 플로워(133)는 증폭 이득이 1인 비반전 증폭기로 동작하여, 입력 전압(제2노드(NB)의 전압)을 출력 전압(제1노드(NA)의 전압)으로 그대로 출력하는 버퍼(Buffer) 역할을 수행할 수 있다.
전원 공급 시스템(20)이 비대칭 단상 전원을 공급하는 경우, 비대칭 단상 전원의 공통 모드 성분인 Vgcm에 의해, 캐패시터 C2로 흐르는 누설 전류(Ileak)가 발생할 수 있다. 이러한 누설 전류(Ileak)는 누설 감지 저항(R)을 통해 전원 공급 시스템(20)으로 흘러, 누설 감지 저항(R)의 양 단 사이 즉, 제1 및 제2노드(NA, NB) 사이에 전위차(Ileak×R)를 발생시킬 수 있다.
전술한 바에 따르면, 전압 플로워(133)는 출력 전압과 입력 전압이 동일한 특성을 가진다. 이러한 특성으로 인해, 전압 플로워(133)의 출력단과 입력단에 각각 연결되는 제1 및 제2노드(NA, NB) 사이의 전위차가 해소되며, 이로 인해 누설 감지 저항(R)을 통해 전류가 흐르지 않는 상태가 된다. 즉, 전압 플로워(133)는 누설 전류(Ileak)와 동일한 크기의 반대 방향 전류(Ireverse)를 발생시킴으로써, 누설 전류(Ileak)를 상쇄시켜 누설 감지 저항(R)을 흐르는 전류를 0으로 수렴시킨다.
이에 따라, 결과 적으로 전원 공급 시스템(20)으로 누설 전류가 유입되는 것이 차단되어, 안정적인 충전 동작이 가능하다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 누설 전류 제거 장치를 이용하여 전체 차량 시스템에서의 누설 전류를 제거하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 차량 시스템(100)에서는 충전 장치(120) 외에도 다양한 고전압 장치(140, 150)가 주 배터리(110)에 연결된다. 따라서, 충전 장치(120)의 출력단 즉, 전력 변환 장치(121)의 출력단은 주 배터리(110) 외에도 다양한 고전압 장치(140, 150)와 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 인버터, BMS 등이 전력 변환 장치(121)의 출력단에 전기적으로 연결될 수 있다.
이에 따라, 고전압 장치(140, 150)들도 차체 접지(GNDv)를 통해 전원 공급 시스템(20)과 비 절연 상태로 연결되며, 충전 회로(120)와 함께 차량 시스템(100)에서 전원 공급 시스템(20)으로 누설되는 누설 전류(Ileak1, Ileak2, Ileak3)를 발생시킬 수 있다.
충전 회로(120) 및 고전압 장치들(140, 150)에 의해 발생한 누설 전류들(Ileak1, Ileak2, Ileak3)은, 합쳐진 상태(Ileak (total))로 차체 접지(GNDv)와 전원 공급 시스템(20)의 계통 접지(GNDs) 사이에 연결된 누설 감지 저항(R)을 흐르게 되며, 이는 누설 전류 제거 장치(130)에 의해 발생한 반대 방향 전류(Ireverse)에 의해 상쇄될 수 있다.
전술한 실시 예에 따르면, 외부의 전원 공급 시스템(20)이 연결되어 차량 내 배터리(110)를 충전하는 동안, 전원 공급 시스템(20)으로 누설되는 누설 전류를 효과적으로 제거하여 안정적인 충전 동작이 이루어지도록 하는 효과가 있다.
컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 장치의 예로는, ROM, RAM, CD-ROM, DVD_ROM, DVD_RAM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 하드 디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있다. 또한, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 장치에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
지금까지 참조한 도면과 기재된 발명의 상세한 설명은 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 용이하게 선택하여 대체할 수 있다. 또한 당업자는 본 명세서에서 설명된 구성요소 중 일부를 성능의 열화 없이 생략하거나 성능을 개선하기 위해 구성요소를 추가할 수 있다. 뿐만 아니라, 당업자는 공정 환경이나 장비에 따라 본 명세서에서 설명한 방법 단계의 순서를 변경할 수도 있다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시형태가 아니라 특허청구범위 및 그 균등물에 의해 결정되어야 한다.
20: 전원 공급 시스템
100: 차량 시스템
110: 주 배터리
120: 충전 장치
121: 전력 변환 장치
130: 누설 전류 제거 장치
131: 보조 배터리
132: 절연 전원 공급 장치
133: 전압 플로워
140, 150: 고전압 장치
R: 누설 감지 저항
C1, C2: 캐패시터

Claims (8)

  1. 차량의 차체 접지에 연결된 제1노드 및 외부 전원의 제2접지에 연결된 제2노드 사이에 연결되는 누설 감지 저항, 및
    상기 제1 및 제2노드 사이에 상기 누설 감지 저항과 병렬 연결되어, 상기 제1 및 제2노드 사이의 전위차를 해소하는 전압 플로워(voltage flower)를 포함하는 누설 전류 제거 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2노드의 전위를 기준 전위로 하는 전원을 상기 전압 플로워의 동작 전원으로 공급하는 절연 전원 공급 장치를 더 포함하는 누설 전류 제거 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전압 플로워는, 상기 제1노드에 연결되는 출력 단자, 상기 제2노드에 연결되는 비반전 입력 단자, 및 상기 출력 단자에 연결되는 반전 입력 단자를 포함하는 오피앰프(OP-AMP)를 포함하는 누설 전류 제거 장치.
  4. 차량의 제1배터리와 외부 전원 사이에 연결되어, 상기 외부 전원으로부터 입력되는 입력 전압을 상기 제1배터리의 충전 전압으로 변환하는 전력 변환 장치,
    상기 차량의 차체 접지에 연결된 제1노드 및 상기 외부 전원의 제2접지에 연결된 제2노드 사이에 연결되는 누설 감지 저항, 및
    상기 제1 및 제2노드 사이에 상기 누설 감지 저항과 병렬 연결되어, 상기 제1 및 제2노드 사이의 전위차를 해소하는 전압 플로워(voltage flower)를 포함하는 차량 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    제2배터리, 및
    상기 제2배터리로부터, 상기 제2노드의 전위를 기준 전위로 하는 절연 전원을 공급하는 절연 전원 공급 장치를 더 포함하며,
    상기 절연 전원은 상기 전압 플로워의 동작 전원인 차량 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 전압 플로워는, 상기 제1노드에 연결되는 출력 단자, 상기 제2노드에 연결되는 비반전 입력 단자, 및 상기 출력 단자에 연결되는 반전 입력 단자를 포함하는 오피앰프(OP-AMP)를 포함하는 차량 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제2배터리의 양극 단자 중 어느 하나는 상기 차체 접지와 전기적으로 연결되는 차량 시스템.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 전력 변환 장치의 출력 단자들 중 어느 하나와 상기 차체 접지 사이에 연결되는 캐패시터를 더 포함하는 차량 시스템.
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