KR20190080522A - 전기차용 파워 릴레이 어셈블리 구동 장치 및 방법 - Google Patents

전기차용 파워 릴레이 어셈블리 구동 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기차용 파워 릴레이 어셈플리 구동 방법 및 장치를 공개한다. 본 발명은 프리차지 스위칭부와, 서로 직렬로 연결된 제 1 스위칭부 및 제 2 스위칭부를, 릴레이 스위치와 병렬로 연결하되, 제 1 스위칭부 및 제 2 스위칭부가 내부에 반도체 스위칭 소자 및 다이오드를 포함하도록 함으로써, 배터리로부터 부하측으로 전원을 공급하는 경우 뿐만 아니라, 배터리로 충전 전류를 공급하여 충전을 수행하는 경우에도 릴레이의 점점에서 스파크 및 아크를 방지하면서 전원을 공급하거나 차단할 수 있다.

Description

전기차용 파워 릴레이 어셈블리 구동 장치 및 방법{Power relay assembly driving apparatus and method for electric vehicle}
본 발명은 파워 릴레이 어셈블리(PRA:Power Relay Assembly) 구동 방법 및 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 전기차용 파워 릴레이 어셈플리 구동 방법 및 장치에 관한 것이다.
일반적으로 파워 릴레이 어셈블리(PRA:Power Relay Assembly)는 전기 차량 및 하이브리드 차량에서 배터리로부터 PCU(Power Control Unit)를 거쳐 모터로 연결되는 전원을 연결하고 차단하는 전력 차단 장치로, 전력을 공급하기 위한 메인 게이트(Main Gate) 역할을 수행하는 핵심 부품이다.
뿐만 아니라, 파워 릴레이 어셈블리(PRA)는 시스템 오류 발생 또는 정비 등의 상황에서 전력을 완전히 차단하는 안전 장치 역할을 수행함으로써 전기 차량/하이브리드 차량에서 매우 중요한 안전을 담당한다.
이러한 파워 릴레이 어셈블리는 프리-충전 릴레이(Pre-Charging Relay) (450V, 10A 이상) 및 메인 릴레이(Main Relay) (450V, 100~150A 이상) 등의 고전압 릴레이와 배터리/인버터로의 와이어링 연결을 위한 고전압/대전류 버스바 및 단자 등의 부품으로 구성된다.
이중 핵심 부품은 고전압/대전류를 연결 및 차단하는 역할을 수행하는 고전압 릴레이이다. 이러한 고전압 릴레이로서는 통상적으로 릴레이의 접점에서 발생 가능한 스파크를 방지하기 위해 특수 가스(Gas), 예를 들어 H2 가스를 주입 밀봉한 기계식 릴레이 구조가 채택되고 있다.
그런데, 상기 고전압 릴레이는 특수 가스로 인해 무겁기 때문에 파워 릴레이 어셈블리의 전체 무게를 증가시킨다. 그 결과, 차량의 연비가 저하되는 문제가 있다.
또한, 상기 고전압 릴레이는 복잡한 기계적인 구조를 갖추고 있을 뿐 아니라 그 부품의 재료비 자체가 높아 그 부품의 가격이 높다. 그 결과, 파워 릴레이 어셈블리의 원가가 증가되는 문제가 있다.
또한, 상기 고전압 릴레이를 포함하는 파워 릴레이 어셈블리는 주변 장치의 추가로 인해 배선의 증가를 필요로 한다. 그 결과, 배선의 배열이 복잡해지는 문제가 있다.
이러한 문제점들을 해결하기 위한 종래 기술의 일 예로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 반도체 스위칭 소자가 이용된 스마트 PRA가 제안된 바 있다. 도 1에 도시된 한국특허 제 10-0559398 호(발명의 명칭:하이브리드 및 연료전지 차량용 동력 연결 제어 장치)는 시동 초기에 전지와 인버터의 -단자를 서로 연결하는 제2 메인 릴레이(7)를 ON 시킨 후, 제1 메인 릴레이(5)를 접속하기 전에 전력 반도체(6)를 펄스 폭 변조(PWM) 제어를 하여 전류를 단속적으로 흐르게 하여 캐패시터(8b)를 미리 충전하여 제1 메인 릴레이(5) 양단의 전압이 같게 등전위를 형성한 후, 제1 메인 릴레이(5)를 접속하여, 제1 메인 릴레이(5) 접속 시 제 1 메인 릴레이(5) 양단에 스파크가 발생하는 것을 방지한다.
또한, 전원 공급 차단시에, 제1 메인 릴레이(5), 전력 반도체(6) 및 제2 메인 릴레이(7)가 동시에 온(On)된 상태에서, 제1 메인 릴레이(5) 만을 먼저 오프(Off)한다. 이때 제1 메인 릴레이(5)를 통하여 흐르던 전류가 전력 반도체 (6)를 통해 계속 흐르기 때문에 제1 메인 릴레이(5)는 접점에서 스파크가 일어나지 않아 안전하게 전원을 차단할 수 있다.
그러나, 이러한 종래 기술의 경우, 전기 차량의 고전압 배터리에서 부하(인버터)로 전력 공급 중 일반적인 전원 차단은 가능하지만, 고전압 배터리 충전시 전력을 차단하는 동작은 실행할 수 없으므로, 새로운 구조의 전기차용 파워 릴레이 어셈블리 구동 장치가 요구된다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 전기차의 고전압 배터리가 방전하여 부하에 전원을 공급하는 경우 뿐만 아니라, 고전압 배터리로 충전 전류를 공급하는 경우에도 릴레이의 스파크 발생을 방지하면서 전원 공급 및 차단을 수행할 수 있는 전기차용 파워 릴레이 어셈블리 구동 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기차용 파워 릴레이 어셈블리 구동 장치는, 배터리의 음의 단자와 부하측 음의 단자 사이에 연결되는 제 1 릴레이; 상기 배터리의 양의 단자와 상기 부하측 양의 단자 사이에 연결되는 제 2 릴레이; 일단은 상기 배터리의 양의 단자측 상기 제 2 릴레이의 일단에 연결되고, 타단은 제 2 스위칭부와 연결되는 제 1 스위칭부; 일단은 상기 제 1 스위칭부와 연결되고, 타단은 상기 제 2 릴레이의 부하측 일단과 연결되는 상기 제 2 스위칭부; 일단이 상기 배터리의 양의 단자측 상기 제 2 릴레이의 일단에 연결되고, 타단은 보호 저항에 연결되는 프리차지 스위칭부; 상기 프리차지 스위칭부와 상기 제 1 스위칭부 및 상기 제 2 스위칭부의 접속 노드 사이에 연결되는 보호 저항; 및 제어신호를 출력하여 상기 제 1 릴레이, 상기 제 2 릴레이, 상기 제 1 스위칭부, 상기 제 2 스위칭부, 및 상기 프리차지 스위칭부의 온/오프를 제어하는 제어부를 포함한다.
또한, 상기 제 1 스위칭부 및 상기 제 2 스위칭부 각각은, 상기 제어부로부터 입력되는 제어신호에 따라서 온/오프되는 스위칭 소자; 및 상기 스위칭 소자와 병렬로 연결되는 다이오드를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 1 스위칭부 및 상기 제 2 스위칭부에 각각 포함된 다이오드는 순방향이 서로 반대일 수 있다.
또한, 상기 제 1 스위칭부의 다이오드는 상기 배터리의 양의 단자측 방향이 순방향이 되도록 설정되고, 상기 제 2 스위칭부의 다이오드는 상기 부하측의 양의 단자측 방향이 순방향으로 되도록 설정될 수 있다.
또한, 상기 제 1 스위칭부 및 상기 제 2 스위칭부에 포함된 스위칭 소자는, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 또는 FET(Field Effect Transistor)로 구현되고, 상기 제 1 스위칭부 및 상기 제 2 스위칭부에 포함된 다이오드는 IGBT 또는 FET 내부에 포함된 내부 다이오드로 구현될 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 배터리로부터 상기 부하측으로 전원을 공급하는 경우에, 상기 제 1 릴레이를 온시키고, 상기 프리차지 스위칭부를 온(ON)시켜 상기 배터리에서 출력된 전류가 상기 프리차지 스위칭부 및 상기 제 2 스위칭부의 다이오드를 통해서 부하측으로 흐르도록하여 프리차지를 수행하고, 상기 제 2 릴레이의 양단간 등전위가 형성되면, 상기 제 2 릴레이를 온시키고 상기 프리차지 스위칭부를 오프시킬 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 배터리로부터 상기 부하측으로의 전원 공급을 차단하는 경우에, 상기 제 1 스위칭부에 포함된 스위칭 소자를 온시켜, 상기 배터리에서 출력된 전류가 상기 제 2 릴레이, 및 상기 제 1 스위칭부의 스위칭 소자와 상기 제 2 스위칭부의 다이오드를 통해서 부하측으로 흐르도록한 후, 상기 제 2 릴레이를 오프시키고, 그 후 상기 제 1 스위칭부에 포함된 스위칭 소자를 오프시켜 전원 공급을 차단할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 배터리로 충전 전류를 공급하는 경우에, 상기 제 2 스위칭부의 스위칭 소자를 온(ON)시켜, 상기 제 2 스위칭부의 스위칭 소자 및 상기 제 1 스위칭부의 다이오드를 통해서 상기 배터리로 충전 전류가 흐르도록 하여 상기 제 2 릴레이 양단간에 등전위를 형성한 후, 상기 제 2 릴레이를 온(ON)시켜 상기 제 2 릴레이를 통해서 충전 전류가 흐르도록 한 후, 상기 제 2 스위칭부의 스위칭 소자를 오프(OFF)시킴으로써 정규 충전을 진행할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 충전 전류 공급을 차단하는 경우에, 상기 제 2 스위칭부의 스위칭 소자를 온(ON)시켜, 상기 제 2 스위칭부의 스위칭 소자 및 상기 제 1 스위칭부의 다이오드를 통해서 상기 배터리로 충전 전류가 흐르도록 한 후, 상기 제 2 릴레이를 오프(OFF)시켜 상기 제 2 릴레이를 통해서 흐르는 충전 전류를 차단한 후, 상기 제 2 스위칭부의 스위칭 소자를 오프(OFF)시킴으로써 충전 전규 공급을 차단할 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기차용 파워 릴레이 어셈블리 구동 장치는, 상기 배터리의 양의 단자와 상기 제 2 릴레이의 일단 사이에 설치되어, 상기 배터리에서 출력되는 전류 및 상기 배터리로 유입되는 전류 중 적어도 하나를 측정하여 상기 제어부로 출력하는 전류 센서를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 전류 센서에서 입력된 전류값에 따라서 제어 신호를 출력할 수 있다.
한편, 상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기차용 파워 릴레이 어셈블리 구동 방법은, 배터리의 음의 단자와 부하측 음의 단자 사이에 연결된 제 1 릴레이, 상기 배터리의 양의 단자가 연결된 제 1 노드 및 부하측 양의 단자가 연결된 제 3 노드 사이에 연결된 제 2 릴레이, 상기 제 1 노드와 제 2 노드 사이에 연결되는 제 1 스위칭부, 상기 제 2 노드와 상기 제 3 노드 사이에 연결되는 제 2 스위칭부, 상기 제 1 노드와 상기 제 2 노드 사이에 직렬로 연결된 프리차지 스위칭부 및 보호 저항을 포함하고, 상기 제 1 스위칭부 및 상기 제 2 스위칭부는 스위칭 소자 및 스위칭 소자와 병렬로 연결되는 다아오드를 각각 포함하는 전기차용 파워 릴레이 어셈블리 구동 방법으로서, 상기 배터리로부터 상기 부하측으로 전원을 공급하는 경우에, 상기 제 1 릴레이를 온시키는 단계; 상기 프리차지 스위칭부를 온(ON)시켜 상기 배터리에서 출력된 전류가 상기 프리차지 스위칭부 및 상기 제 2 스위칭부의 다이오드를 통해서 부하측으로 흐르도록하여 프리차지를 수행하는 단계; 및 상기 제 2 릴레이의 양단간 등전위가 형성되면, 상기 제 2 릴레이를 온시키고 상기 프리차지 스위칭부를 오프시키는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기차용 파워 릴레이 어셈블리 구동 방법은, 상기 배터리로부터 상기 부하측으로의 전원 공급을 차단하는 경우에, 상기 제 1 스위칭부에 포함된 스위칭 소자를 온시켜, 상기 배터리에서 출력된 전류가 상기 제 2 릴레이, 및 상기 제 1 스위칭부의 스위칭 소자와 상기 제 2 스위칭부의 다이오드를 통해서 부하측으로 흐르도록 하는 단계; 상기 제 2 릴레이를 오프시키는 단계; 및 상기 제 1 스위칭부에 포함된 스위칭 소자를 오프시켜 전원 공급을 차단하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기차용 파워 릴레이 어셈블리 구동 방법은, 상기 배터리로 충전 전류를 공급하는 경우에, 상기 제 2 스위칭부의 스위칭 소자를 온(ON)시켜, 상기 제 2 스위칭부의 스위칭 소자 및 상기 제 1 스위칭부의 다이오드를 통해서 상기 배터리로 충전 전류가 흐르도록 하여 상기 제 2 릴레이 양단간에 등전위를 형성하는 단계; 상기 제 2 릴레이를 온(ON)시켜 상기 제 2 릴레이를 통해서 충전 전류가 흐르도록 하는 단계; 및 상기 제 2 스위칭부의 스위칭 소자를 오프(OFF)시킴으로써 정규 충전을 진행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기차용 파워 릴레이 어셈블리 구동 방법은, 충전 전류 공급을 차단하는 경우에, 상기 제 2 스위칭부의 스위칭 소자를 온(ON)시켜, 상기 제 2 스위칭부의 스위칭 소자 및 상기 제 1 스위칭부의 다이오드를 통해서 상기 배터리로 충전 전류가 흐르도록 하는 단계; 상기 제 2 릴레이를 오프(OFF)시켜 상기 제 2 릴레이를 통해서 흐르는 충전 전류를 차단하는 단계; 및 상기 제 2 스위칭부의 스위칭 소자를 오프(OFF)시킴으로써 충전 전규 공급을 차단하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 프리차지 스위칭부와, 서로 직렬로 연결된 제 1 스위칭부 및 제 2 스위칭부를, 릴레이 스위치와 병렬로 연결하되, 제 1 스위칭부 및 제 2 스위칭부가 내부에 반도체 스위칭 소자 및 다이오드를 포함하도록 함으로써, 배터리로부터 부하측으로 전원을 공급하는 경우 뿐만 아니라, 배터리로 충전 전류를 공급하여 충전을 수행하는 경우에도 릴레이의 점점에서 스파크 및 아크를 방지하면서 전원을 공급하거나 차단할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 스마트 PRA의 일 예를 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기차용 PRA 구동 장치의 구성을 도시하는 도면이다.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 배터리로부터 부하측으로 전원이 공급되는 동작 과정을 설명하는 도면이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 배터리로 충전 전류가 공급되는 동작 과정을 설명하는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기차용 PRA 구동 장치의 구성을 도시하는 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기차용 PRA 구동 장치(이하,"구동 장치"로 약칭함)는 제 1 릴레이(210), 제 2 릴레이(220), 제 1 스위칭부(110), 제 2 스위칭부(120), 프리차지 스위칭부(130), 전류 센서(400), 보호 저항(140) 및 제어부(300)를 포함하여 구성된다. 이하, 각 구성요소의 동작에 대해서 설명한다.
제 1 릴레이(210)는 배터리(500)의 - 단자와 부하측(600) - 단자 사이에 연결되고, 제어부(300)의 제어 신호에 따라서, 부하측(600)으로 전원 공급시 및 배터리(500) 충전시 제일 먼저 온(ON)되어 상기 배터리(500)의 - 단자와 상기 부하측(600) - 단자를 전기적으로 연결시키고, 전원 공급 중단시 및 충전 중단시 가장 마지막에 오프(OFF)되어, 상기 배터리(500)의 - 단자와 상기 부하측(600) - 단자를 전기적으로 단절시킨다.
제 2 릴레이(220)는 배터리(500)의 + 단자와 부하측(600) + 단자 사이에 연결되고, 제어부(300)의 제어 신호에 따라서 온(ON)되어, 부하측(600)으로 정규 전원이 공급되도록 하고, 부하측(600)에 연결된 충전 장치(미도시 됨)로부터 충전 전류가 배터리(500)측으로 공급되도록 한다.
제 1 스위칭부(110) 및 제 2 스위칭부(120)는 서로 직렬로 연결되고, 서로 직렬로 연결된 제 1 스위칭부(110) 및 제 2 스위칭부(120)는 제 2 릴레이(220)의 양단에 병렬로 연결된다.
제 1 스위칭부(110)의 일단은 배터리(500)의 양의 단자측 제 2 릴레이(220)의 일단에 연결되고, 제 1 스위칭부(110)의 타단은 제 2 스위칭부(120)의 일단과 연결되어 제어부(300)의 제어 신호에 따라서 전류의 흐름을 제어한다.
제 2 스위칭부(120)의 일단은 제 1 스위칭부(110)의 타단과 연결되고, 타단은 제 2 릴레이(220)의 부하측(600) 일단과 연결되어, 제어부(300)의 제어신호에 따라서 전류의 흐름을 제어한다.
제 1 스위칭부(110) 및 제 2 스위칭부(120)는 각각 제어부(300)의 제어 신호에 따라서 온(ON)/오프(OFF)되는 스위칭 소자(111,121) 및 이와 병렬로 연결된 다이오드(113,123)로 구현된다. 스위칭 소자(111,121)는 반도체 스위칭 소자로 구현될 수 있고, 반도체 스위칭 소자와 병렬로 연결된 다이오드(113,123)는 반도체 스위칭 소자(111,121)의 턴온시 흐르는 전류 방향과 반대 방향이 순방향이 되도록 반도체 스위칭 소자(111,121)와 병렬로 연결된다.
구체적으로, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 스위칭 소자(111,121)는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 또는 FET(Field Effect Transistor)로 구현될 수 있고, 스위칭 소자(111,121)에 병렬로 연결된 다이오드(113,123)는 별도의 다이오드로 구현될 수도 있고, 반도체 스위칭 소자 내부 다이오드로 구현될 수도 있다.
제 1 스위칭부(110) 및 제 2 스위칭부(120)에 포함된 다이오드(113,123)가 내부 다이오드로 구현되는 경우에, 스위칭 소자(111,121)가 IGBT인 경우에는 에미터와 콜렉터간 형성된 내부 다이오드로 구현되고, 스위칭 소자(111,121)가 FET인 경우에는 소오스와 드레인간에 형성된 내부 다이오드로 구현될 수도 있다.
이 때, 제 1 스위칭부(110)의 다이오드(113)와 제 2 스위칭부(120)의 다이오드(123)는 순방향이 서로 반대로 설정되는데, 제 1 스위칭부(110)의 다이오드(113)는 제 2 스위칭부(120)로부터 배터리(500)의 양의 단자측이 순방향이 되도록 설치되고, 제 2 스위칭부(120)의 다이오드(123)는 제 1 스위칭부(110)로부터 부하측(600) 양의 단자측이 순방향이 되도록 설치된다.
프리차지 스위칭부(130)는 일단이 배터리(500)의 양의 단자측 제 2 릴레이(220)의 일단에 연결되고, 타단이 보호 저항(140)과 연결된다. 즉, 프리차지 스위칭부(130)의 일단은 제 1 노드(N1)에 접속되고, 제 1 노드(N1)에는 제 2 릴레이(220), 제 1 스위칭부(110) 및 프리차지 스위칭부(130)가 연결된다. 아울러, 프리차지 스위칭부(130) 역시 제 1 스위칭부(110) 및 제 2 스위칭부(120)와 마찬가지로 제어부(300)의 제어 신호에 따라서 온(ON)/오프(OFF)되는 반도체 스위칭 소자(이하,"프리차지 스위칭 소자"라 칭함)(131) 및 이와 병렬로 연결된 다이오드(133)로 구성되고, 프리차지 스위칭 소자(131)는 IGBT 또는 FET로 구현된다. 다이오드(133) 역시 별도의 다이오드로 구현될 수도 있고, 프리차지 스위칭 소자(131) 내부의 다이오드로 구현될 수도 있다. 또한, 프리차지 스위칭부(130)의 다이오드(133)의 순방향은 제 2 스위칭부(120)의 다이오드(123)의 순방향과 서로 반대로 설정된다.
보호 저항(140)은 프리차지 스위칭부(130)와, 제 1 스위칭부(110) 및 제 2 스위칭부(120)의 접속 노드(N2) 사이에 연결되어 프리차지 스위칭부(130)를 통해서 급격한 전류가 흐르는 것을 방지한다.
전류 센서(400)는 배터리(500)의 양의 단자측에 설치되어 배터리(500)로부터 출력되는 전류 또는 배터리(500)로 입력되는 충전 전류를 측정하여 제어부(300)로 출력한다.
제어부(300)는 전류 센서(400)로부터 전류값을 수신하여 조사하고, 이에 따라서 제 1 릴레이(210), 제 2 릴레이(220), 제 1 스위칭부(110)의 스위칭 소자(이하, "제 1 스위칭 소자"라 칭함)(111), 제 2 스위칭부(120)의 스위칭 소자(이하, "제 2 스위칭 소자"라 칭함)(121) 및 프리차지 스위칭 소자(131)의 온/오프를 제어하는 제어신호를 각 구성요소들로 출력한다.
한편, 도 2에 도시된 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기차용 PRA 구동 장치는 각 구성요소간의 연결점을 노드로 정의하여 아래와 같이 간략하게 표현될 수도 있다.
제 1 릴레이(210)는 배터리(500)의 음의 단자와 부하측(600) 음의 단자 사이에 연결되고, 제 2 릴레이(220)는 배터리(500)의 양의 단자가 연결된 제 1 노드(N1) 및 부하측(600) 양의 단자가 연결된 제 3 노드(N3) 사이에 연결된다.
제 1 스위칭부(110)는 제 1 노드(N1)와 제 2 노드(N2) 사이에 연결되고, 제 2 스위칭부(120)는 제 2 노드(N2)와 제 3 노드(N3) 사이에 연결된다. 프리차지 스위칭부(130) 및 보호 저항(140)은 제 1 노드(N1)와 제 2 노드(N2) 사이에 서로 직렬로 연결된다.
또한, 프리차지 스위칭 소자(131) 및 제 1 스위칭 소자(111)가 IGBT(N타입 FET)로 구현된 경우에는, 상기 스위칭 소자들(131,111)의 콜렉터(드레인)가 제 1 노드(N1)에 연결되고, 에미터(소오스)가 제 2 노드(N2)에 연결된다. 마찬가지로, 제 2 스위칭 소자(121)가 IGBT(N타입 FET)로 구현된 경우에는, 콜렉터(드레인)가 제 3 노드(N3)에 연결되고, 에미터(소오스)가 제 2 노드(N2)에 연결된다.
이하에서는 도 3a 내지 도 4c를 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기차용 파워 릴레이 어셈블리 구동 장치의 각 구성요소의 기능과, 전기차용 파워 릴레이 어셈블리 구동 방법을 설명한다.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 배터리(500)로부터 부하측(600)으로 전원이 공급되는 동작 과정을 설명하는 도면이다. 이하에서는 도 3a 내지 도 3e를 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 배터리(500)로부터 부하측(600)으로 전원이 공급되고 차단되는 동작 과정을 설명한다.
먼저, 모든 스위칭 소자들이 오픈된 상태에서, 배터리(500)에서 부하측(600)으로 전원 공급을 개시하는 경우에, 제어부(300)는 제 1 릴레이(210)를 온(ON)시킨다. 그리고, 프리차지 스위칭 소자(131)를 온(ON)시킨다. 그러면, 배터리(500)로부터 출력된 전류가 프리차지 스위칭 소자(131), 보호 저항(140) 및 제 2 스위칭부(120)의 다이오드(123)를 통해서 부하측(600)으로 흐르고, 부하측(600)에 포함된 커패시터를 프리 차지(Pre-charge)시킨다.(도 3a 참조)
프리차지가 완료된 후, 제어부(300)는 제 2 릴레이(220)를 온(ON)시키고, 프리차지 스위칭 소자(131)를 통해서 흐르던 전류의 대부분은 제 2 릴레이(220)를 통해서 흐르게 된다.(도 3b 참조) 프리차지가 완료되면 제 2 릴레이(220) 양단간에 등전위가 형성되므로, 제 2 릴레이(220)를 온(ON)시켜도 제 2 릴레이(220)의 접점에서 스파크 또는 아크가 발생하지 않게 된다.
제 2 릴레이(220)를 통해서 전류가 흐르게 되면, 제어부(300)는 프리차지 스위칭 소자(131)를 오프(OFF)시킨다.(도 3c 참조) 이 경우, 배터리(500)로부터 부하측(600)으로 정상적인 전류 공급이 이루어진다.
그 후, 배터리(500)로부터 부하측(600)으로 전원 공급을 차단하는 경우에, 제어부(300)는 제 1 스위칭 소자(111)를 온(ON)시키고, 배터리(500)로부터 제 2 릴레이(220)를 통해서 부하측(600)으로 공급되던 전류의 일부는 제 1 스위칭 소자(111) 및 제 2 스위칭부(120)의 다이오드(123)를 통해서 부하측(600)으로 흐르게 된다.(도 3d 참조)
제어부(300)는 다음 단계로, 제 2 릴레이(220)를 오프(OFF)시키고, 배터리(500)로부터 부하측(600)으로 흐르던 전류는 이제 제 1 스위칭 소자(111)를 통해서만 흐르게 된다(도 3e 참조). 제 2 릴레이(220)와 제 1 스위칭 소자(111)를 통해서 전류가 함께 흐르는 상태에서, 제 2 릴레이(220)의 양단은 등전위를 형성하고 있으므로, 제 2 릴레이(220)가 오프(OFF)되는 경우에도 제 2 릴레이(220)의 접점에는 스파크나 아크가 발생하지 않는다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 배터리(500)로 충전 전류가 공급되는 동작 과정을 설명하는 도면이다. 도 4a 내지 도 4c를 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 배터리(500)로 충전 전류가 공급되고 차단되는 동작 과정을 설명한다.
먼저, 모든 스위칭 소자들이 오픈된 상태에서, 배터리(500)측으로 충전 전류 공급을 개시하는 경우에, 제어부(300)는 제 1 릴레이(210)를 온(ON)시키고, 제 2 스위칭 소자(121)를 온(ON)시킨다. 그러면, 충전 전류가 제 2 스위칭 소자(121)와 제 1 스위칭부(110)의 다이오드(113)를 통해서 배터리(500)측으로 흐르고(전류 ① 참조), 그 후, 제 2 릴레이(220)를 온(ON)시키면 제 2 스위칭 소자(121)를 통해서 흐르던 충전 전류의 일부가 제 2 릴레이(220)를 통해서 배터리(500)측으로 흐르게 되며(전류 ② 참조), 제어부(300)가 제 2 스위칭 소자(121)를 오프(OFF)시킴으로써 충전 전류는 제 2 릴레이(220)를 통해서만 흐르게 되어 정규 충전 과정이 수행된다.(도 4a 참조)
충전 전류를 차단하여 충전을 종료하는 과정에서, 제어부(300)는 제 2 스위칭 소자(121)를 온(ON)시키고, 그러면 제 2 릴레이(220)를 통해서 배터리(500)로 공급되던 충전 전류의 일부가 제 2 스위칭 소자(121) 및 제 1 스위칭부(110)의 다이오드(113)를 통해서 배터리(500)로 흐르게 된다(도 4b 참조).
그 후, 제어부(300)는 제 2 릴레이(220)를 오프(OFF)시키고, 배터리(500)로 흐르던 전류는 이제 제 2 스위칭 소자(121)를 통해서만 흐르게 된다(도 4c 참조). 제 2 릴레이(220)와 제 2 스위칭 소자(121)를 통해서 전류가 함께 흐르는 상태에서, 제 2 릴레이(220)의 양단은 등전위를 형성하고 있으므로, 제 2 릴레이(220)가 오프(OFF)되는 경우에도 제 2 릴레이(220)의 접점에는 스파크나 아크가 발생하지 않는다.
마지막으로, 제어부(300)가 제 2 스위칭 소자(121)를 오프시키면 배터리(500)로 흐르던 충전 전류는 완전 차단되고, 배터리(500) 충전 과정은 종료된다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
110 : 제 1 스위칭부
111 : 제 1 스위칭 소자 113 : 다이오드
120 : 제 2 스위칭부
121 : 제 2 스위칭 소자 123 : 다이오드
130 : 프리차지 스위칭부
131 : 프리차지 스위칭 소자 133 : 다이오드
140 : 보호 저항
210 : 제 1 릴레이 220 : 제 2 릴레이
300 : 제어부
400 : 전류 센서
500 : 배터리
600 : 부하측

Claims (14)

  1. 배터리의 음의 단자와 부하측 음의 단자 사이에 연결되는 제 1 릴레이;
    상기 배터리의 양의 단자와 상기 부하측 양의 단자 사이에 연결되는 제 2 릴레이;
    일단은 상기 배터리의 양의 단자측 상기 제 2 릴레이의 일단에 연결되고, 타단은 제 2 스위칭부와 연결되는 제 1 스위칭부;
    일단은 상기 제 1 스위칭부와 연결되고, 타단은 상기 제 2 릴레이의 부하측 일단과 연결되는 상기 제 2 스위칭부;
    일단이 상기 배터리의 양의 단자측 상기 제 2 릴레이의 일단에 연결되고, 타단은 보호 저항에 연결되는 프리차지 스위칭부;
    상기 프리차지 스위칭부와 상기 제 1 스위칭부 및 상기 제 2 스위칭부의 접속 노드 사이에 연결되는 보호 저항; 및
    제어신호를 출력하여 상기 제 1 릴레이, 상기 제 2 릴레이, 상기 제 1 스위칭부, 상기 제 2 스위칭부, 및 상기 프리차지 스위칭부의 온/오프를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기차용 파워 릴레이 어셈블리 구동 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 스위칭부 및 상기 제 2 스위칭부 각각은
    상기 제어부로부터 입력되는 제어신호에 따라서 온/오프되는 스위칭 소자; 및
    상기 스위칭 소자와 병렬로 연결되는 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기차용 파워 릴레이 어셈블리 구동 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 스위칭부 및 상기 제 2 스위칭부에 각각 포함된 다이오드는 순방향이 서로 반대인 것을 특징으로 하는 전기차용 파워 릴레이 어셈블리 구동 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 스위칭부의 다이오드는 상기 배터리의 양의 단자측 방향이 순방향이 되도록 설정되고, 상기 제 2 스위칭부의 다이오드는 상기 부하측의 양의 단자측 방향이 순방향으로 되도록 설정되는 것을 특징으로 하는 전기차용 파워 릴레이 어셈블리 구동 장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 스위칭부 및 상기 제 2 스위칭부에 포함된 스위칭 소자는
    IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 또는 FET(Field Effect Transistor)로 구현되고,
    상기 제 1 스위칭부 및 상기 제 2 스위칭부에 포함된 다이오드는
    IGBT 또는 FET 내부에 포함된 내부 다이오드로 구현되는 것을 특징으로 하는 전기차용 파워 릴레이 어셈블리 구동 장치.
  6. 제 2 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어부는
    상기 배터리로부터 상기 부하측으로 전원을 공급하는 경우에,
    상기 제 1 릴레이를 온시키고,
    상기 프리차지 스위칭부를 온(ON)시켜 상기 배터리에서 출력된 전류가 상기 프리차지 스위칭부 및 상기 제 2 스위칭부의 다이오드를 통해서 부하측으로 흐르도록하여 프리차지를 수행하고,
    상기 제 2 릴레이의 양단간 등전위가 형성되면, 상기 제 2 릴레이를 온시키고 상기 프리차지 스위칭부를 오프시키는 것을 특징으로 하는 전기차용 파워 릴레이 어셈블리 구동 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 제어부는
    상기 배터리로부터 상기 부하측으로의 전원 공급을 차단하는 경우에,
    상기 제 1 스위칭부에 포함된 스위칭 소자를 온시켜, 상기 배터리에서 출력된 전류가 상기 제 2 릴레이, 및 상기 제 1 스위칭부의 스위칭 소자와 상기 제 2 스위칭부의 다이오드를 통해서 부하측으로 흐르도록한 후, 상기 제 2 릴레이를 오프시키고, 그 후 상기 제 1 스위칭부에 포함된 스위칭 소자를 오프시켜 전원 공급을 차단하는 것을 특징으로 하는 전기차용 파워 릴레이 어셈블리 구동 장치.
  8. 제 2 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어부는
    상기 배터리로 충전 전류를 공급하는 경우에
    상기 제 2 스위칭부의 스위칭 소자를 온(ON)시켜, 상기 제 2 스위칭부의 스위칭 소자 및 상기 제 1 스위칭부의 다이오드를 통해서 상기 배터리로 충전 전류가 흐르도록 하여 상기 제 2 릴레이 양단간에 등전위를 형성한 후, 상기 제 2 릴레이를 온(ON)시켜 상기 제 2 릴레이를 통해서 충전 전류가 흐르도록 한 후, 상기 제 2 스위칭부의 스위칭 소자를 오프(OFF)시킴으로써 정규 충전을 진행하는 것을 특징으로 하는 전기차용 파워 릴레이 어셈블리 구동 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 제어부는
    충전 전류 공급을 차단하는 경우에,
    상기 제 2 스위칭부의 스위칭 소자를 온(ON)시켜, 상기 제 2 스위칭부의 스위칭 소자 및 상기 제 1 스위칭부의 다이오드를 통해서 상기 배터리로 충전 전류가 흐르도록 한 후, 상기 제 2 릴레이를 오프(OFF)시켜 상기 제 2 릴레이를 통해서 흐르는 충전 전류를 차단한 후, 상기 제 2 스위칭부의 스위칭 소자를 오프(OFF)시킴으로써 충전 전규 공급을 차단하는 것을 특징으로 하는 전기차용 파워 릴레이 어셈블리 구동 장치.
  10. 제 2 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배터리의 양의 단자와 상기 제 2 릴레이의 일단 사이에 설치되어, 상기 배터리에서 출력되는 전류 및 상기 배터리로 유입되는 전류 중 적어도 하나를 측정하여 상기 제어부로 출력하는 전류 센서를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 전류 센서에서 입력된 전류값에 따라서 제어 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 전기차용 파워 릴레이 어셈블리 구동 장치.
  11. 배터리의 음의 단자와 부하측 음의 단자 사이에 연결된 제 1 릴레이, 상기 배터리의 양의 단자가 연결된 제 1 노드 및 부하측 양의 단자가 연결된 제 3 노드 사이에 연결된 제 2 릴레이, 상기 제 1 노드와 제 2 노드 사이에 연결되는 제 1 스위칭부, 상기 제 2 노드와 상기 제 3 노드 사이에 연결되는 제 2 스위칭부, 상기 제 1 노드와 상기 제 2 노드 사이에 직렬로 연결된 프리차지 스위칭부 및 보호 저항을 포함하고, 상기 제 1 스위칭부 및 상기 제 2 스위칭부는 스위칭 소자 및 스위칭 소자와 병렬로 연결되는 다아오드를 각각 포함하는 전기차용 파워 릴레이 어셈블리 구동 방법으로서,
    상기 배터리로부터 상기 부하측으로 전원을 공급하는 경우에,
    상기 제 1 릴레이를 온시키는 단계;
    상기 프리차지 스위칭부를 온(ON)시켜 상기 배터리에서 출력된 전류가 상기 프리차지 스위칭부 및 상기 제 2 스위칭부의 다이오드를 통해서 부하측으로 흐르도록하여 프리차지를 수행하는 단계; 및
    상기 제 2 릴레이의 양단간 등전위가 형성되면, 상기 제 2 릴레이를 온시키고 상기 프리차지 스위칭부를 오프시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기차용 파워 릴레이 어셈블리 구동 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 배터리로부터 상기 부하측으로의 전원 공급을 차단하는 경우에,
    상기 제 1 스위칭부에 포함된 스위칭 소자를 온시켜, 상기 배터리에서 출력된 전류가 상기 제 2 릴레이, 및 상기 제 1 스위칭부의 스위칭 소자와 상기 제 2 스위칭부의 다이오드를 통해서 부하측으로 흐르도록 하는 단계;
    상기 제 2 릴레이를 오프시키는 단계; 및
    상기 제 1 스위칭부에 포함된 스위칭 소자를 오프시켜 전원 공급을 차단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기차용 파워 릴레이 어셈블리 구동 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 배터리로 충전 전류를 공급하는 경우에
    상기 제 2 스위칭부의 스위칭 소자를 온(ON)시켜, 상기 제 2 스위칭부의 스위칭 소자 및 상기 제 1 스위칭부의 다이오드를 통해서 상기 배터리로 충전 전류가 흐르도록 하여 상기 제 2 릴레이 양단간에 등전위를 형성하는 단계;
    상기 제 2 릴레이를 온(ON)시켜 상기 제 2 릴레이를 통해서 충전 전류가 흐르도록 하는 단계; 및
    상기 제 2 스위칭부의 스위칭 소자를 오프(OFF)시킴으로써 정규 충전을 진행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기차용 파워 릴레이 어셈블리 구동 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    충전 전류 공급을 차단하는 경우에,
    상기 제 2 스위칭부의 스위칭 소자를 온(ON)시켜, 상기 제 2 스위칭부의 스위칭 소자 및 상기 제 1 스위칭부의 다이오드를 통해서 상기 배터리로 충전 전류가 흐르도록 하는 단계;
    상기 제 2 릴레이를 오프(OFF)시켜 상기 제 2 릴레이를 통해서 흐르는 충전 전류를 차단하는 단계; 및
    상기 제 2 스위칭부의 스위칭 소자를 오프(OFF)시킴으로써 충전 전규 공급을 차단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기차용 파워 릴레이 어셈블리 구동 방법.
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