KR20200090725A - 하이브리드 차량의 배터리 시스템 - Google Patents

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Abstract

하이브리드 차량의 배터리 시스템을 개시한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 하이브리드(hybrid) 차량에 사용되는 배터리 시스템(battery system)에 있어서, 제1 배터리(battery); 및 상기 제1 배터리의 출력 측에 연결되어 상기 제1 배터리의 전원을 DC-DC 컨버터(DC to DC converter)로 전달하는 메인 릴레이(main relay)를 포함하되, 상기 배터리 시스템은, 상기 DC-DC 컨버터의 시퀀스(sequence) 제어를 통해 상기 DC-DC 컨버터와 상기 배터리 시스템 사이에 연결되는 DC 링크 캐패시터(DC link capacitor)를 프리차지(pre-charge)시키는 형태로 구현되는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템을 제공한다.

Description

하이브리드 차량의 배터리 시스템{Battery System for Hybrid Electric Vehicle}
본 발명은 하이브리드 차량의 DC-DC 컨버터의 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하이브리드 차량에서 DC-DC 컨버터의 시퀀스 제어 방법을 변경하여 기존 배터리 시스템에서 프리차지 회로를 제거할 수 있도록 하는 하이브리드 차량의 DC-DC 컨버터 제어 방법에 관한 것이다.
최근 전기자동차(Electric vehicle; EV)는 장래의 자동차 공해 및 에너지 문제를 해결할 수 있는 가장 가능성 높은 대안이라는 점에서 연구가 활발하게 진행되고 있다.
이러한 전기자동차는 주로 배터리의 전원을 이용하여 AC 또는 DC 모터를 구동하여 동력을 얻는 자동차로서, 크게 배터리전용 전기자동차와 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle)로 분류되며, 배터리전용 전기자동차는 배터리의 전원을 이용하여 모터를 구동하고 전원이 다 소모되면 재충전하고, 하이브리드 전기자동차(HEV)는 엔진을 가동하여 전기발전을 하여 배터리를 충전하고, 이 전기를 이용하여 전기모터를 구동하여 차를 움직이게 할 수 있다.
전기자동차의 배터리는 기존의 고전압(예를 들어, 약 270 V)의 배터리가 아닌, 저전압 배터리(예를 들어 48 V)를 활용한 마일드 하이브리드 시스템(mild hybrid system)이 떠오르고 있다.
이러한 마일드 하이브리드 시스템이 적용된 전기자동차는 배터리에 충전된 전류를 공급하거나 차단하기 위해, 배터리 시스템 내에 스위칭 수단으로써 복수의 릴레이(예: 메인 릴레이, 프리-차지용 릴레이)를 구비하고 있다. 또한, 마일드 하이브리드 시스템이 적용된 자동차의 배터리 시스템 내에는 DC-DC 컨버터(또는 인버터)의 캐패시터(capacitor)의 폭발 등을 방지하기 위해 이를 미리 충전시켜주는 프리차지(pre-charge) 회로를 포함하고 있다(도 1의 10 참조).
도 1은 종래의 프리차지 회로가 포함된 하이브리드 차량의 DC-DC 컨버터 회로의 개략적인 구성을 보인 예시도이고, 도 2는 도 1에 있어서, 프리차지 회로가 포함된 하이브리드 차량의 DC-DC 컨버터 회로의 제어 방법을 설명하기 위한 예시도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 48 V 배터리 시스템(100)은 프리차지 회로(10)를 포함하고 있으며, 상기 프리차지 회로(10)는 메인 릴레이(main relay)를 작동시키기 전에 프리차지 릴레이(pre-charge relay)를 먼저 작동시키게 된다.
이러한 저전압 마일드 하이브리드용 배터리 시스템(예: 48 V 배터리시스템)(100)의 주요한 과제는 저가격, 소형화 및 경량화이지만, 위와 같이 프리차지 회로(도 1의 10 참조)가 배터리 시스템(100)에 포함됨으로써, 배터리 시스템(100)의 저가격, 소형화, 및 경량화에 어려움이 있기 때문에, 제조사에서는 배터리 시스템(100)에서 프리차지 회로(10)를 제거하기 위한 보다 효율적인 방안이 계속해서 연구되고 있다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허 10-2014-0094729호(2016.02.04. 공개, 차량 구동 시스템 및 방법)에 개시되어 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로서, 하이브리드 차량에서 DC-DC 컨버터의 시퀀스 제어 방법을 변경하여 기존 배터리 시스템에서 프리차지 회로를 제거할 수 있도록 하는 하이브리드 차량의 DC-DC 컨버터의 제어 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 하이브리드(hybrid) 차량에 사용되는 배터리 시스템(battery system)에 있어서, 제1 배터리(battery); 및 상기 제1 배터리의 출력 측에 연결되어 상기 제1 배터리의 전원을 DC-DC 컨버터(DC to DC converter)로 전달하는 메인 릴레이(main relay)를 포함하되, 상기 배터리 시스템은, 상기 DC-DC 컨버터의 시퀀스(sequence) 제어를 통해 상기 DC-DC 컨버터와 상기 배터리 시스템 사이에 연결되는 DC 링크 캐패시터(DC link capacitor)를 프리차지(pre-charge)시키는 형태로 구현되는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 하이브리드 차량에서 DC-DC 컨버터의 시퀀스 제어 방법을 변경하여 기존 배터리 시스템에서 프리차지 회로를 제거할 수 있도록 하는 효과가 있다.
도 1은 종래의 하이브리드 차량에서 배터리 시스템과 연결되는 DC-DC 컨버터의 개략적인 회로 구성을 보인 예시도이다.
도 2는 도 1에 있어서, 프리차지 회로가 포함된 기존의 배터리 시스템에 연결된 DC-DC 컨버터의 시퀀스 제어 방법을 설명하기 위한 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 차량에서 배터리 시스템과 연결되는 DC-DC 컨버터의 개략적인 회로 구성을 보인 예시도이다.
도 4는 도 3에 있어서, 프리차지 회로가 제거된 배터리 시스템에 연결된 DC-DC 컨버터의 시퀀스 제어 방법을 설명하기 위한 예시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 하이브리드 차량의 DC-DC 컨버터의 제어 방법의 일 실시예를 설명한다.
이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 차량에서 배터리 시스템과 연결되는 DC-DC 컨버터의 개략적인 회로 구성을 보인 예시도로서, 이에 도시된 바와 같이, 도 1에 도시된 종래의 하이브리드 차량의 DC-DC 컨버터와 연결되는 배터리 시스템(100)에서 프리차지 회로(10)가 제거된 것을 알 수 있다.
참고로, 도 1에서 종래의 배터리 시스템(100)에 포함되었던 프리차지 회로(10)는, 제1 배터리(48 V 배터리)와 DC-DC 컨버터(200)의 사이에 있는 캐패시터(DC_Link_cap)를 배터리 시스템(100)의 메인 릴레이(main relay)를 이용해 직접 연결 시, 전위차에 의해 발생되는 돌입전류에 의해 발생될 수 있는 메인 릴레이의 융착을 방지하기 위한 회로이다.
상기 캐패시터(DC_Link_cap)는 제1 배터리(48 V 배터리)와 DC-DC 컨버터(200)의 사이에 배치되어 있으며, DC 링크 캐패시터라고도 한다.
상기 캐패시터(DC_Link_cap)는 제1 배터리(48 V 배터리)보다 충전 및 방전의 속도가 빠르기 때문에, DC-DC 컨버터(200)의 갑작스러운 출력 변화에도 안정적인 전원을 공급을 할 수 있게 해주며, 제1 배터리(48 V 배터리)의 갑작스러운 상태 변화를 방지하여 주는 기능을 한다.
참고로 본 실시예에 따른 도면에는 구체적으로 도시되어 있지 않지만, 제어부(미도시)가 DC-DC 컨버터(200)의 동작(예: 스위칭 트랜지스터(FET1, FET2) 제어 동작)을 제어하는 것으로 이해되어야 한다.
도 4는 도 3에 있어서, 프리차지 회로가 제거된 배터리 시스템(100)에 연결된 DC-DC 컨버터(200)의 시퀀스 제어 방법을 설명하기 위한 예시도로서, DC-DC 컨버터(200)의 시퀀스 제어 시, 하이브리드 차량의 각 상태(예: #1 초기, #2 프리차지, #3 48 V 공급, #4 12 V 충전)에 대응하는 배터리 시스템(100) 및 DC-DC 컨버터(200)의 회로 동작을 설명하기 위한 예시도이다.
한편 도 2는 도 1에 있어서, 프리차지 회로(10)가 포함된 기존의 배터리 시스템(100)에 연결된 DC-DC 컨버터(200)의 시퀀스 제어 방법을 설명하기 위한 예시도로서, 보다 쉬운 이해를 위하여, 도 4에 도시된 DC-DC 컨버터(200)의 시퀀스 제어 방법과 비교하여 설명한다.
참고로 도 2 및 도 4의 우측에 도시된 회로도는, 도 1 및 도 3의 회로도에 있어서, 하이브리드 차량의 각 상태(예: #1 초기, #2 프리차지, #3 48 V 공급, #4 12 V 충전)에 따른 회로의 동작을 개념적으로 보인 예시도임에 유의한다.
먼저 도 2의 좌측에 도시된 시퀀스를 참조하면, 제1 상태(#1 초기)(즉, DC-DC 컨버터를 구동하기 전 상태)에서는 프리차지 릴레이(pre-charge relay), 메인 릴레이(main relay), 및 DC-DC 컨버터(200)는 오프 상태가 되고, DC 링크 캐패시터(DC_Link_cap)는 제2 배터리(12 V 배터리)에 의한 12 V 전압이 걸리게 된다(도 2의 우측에 도시된 '#1 초기'에 대응하는 회로 참조).
다음 상기 시퀀스의 제 2상태(#2 프리차지)에서는, 도 2의 우측에 도시된 '#2 프리차지'회로에 도시된 바와 같이, 프리차지 릴레이(pre-charge relay)를 온(ON)시킴에 따라 DC 링크 캐패시터(DC_Link_cap)가 프리차지 동작에 의해 제1 배터리(48 V 배터리)에 의한 48 V 전압이 걸리게 된다.
이때 메인 릴레이(main relay) 및 DC-DC 컨버터(200)는 아직 오프 상태이다.
다음 상기 시퀀스의 제 3상태(#3 48 V 공급)에서는, 도 2의 우측에 도시된 '#3 48 V 공급'회로에 도시된 바와 같이, 프리차지 릴레이(pre-charge relay)를 온(ON)시킨 상태에서 메인 릴레이(main relay)를 온(ON)시킴에 따라 메인 릴레이(main relay)를 통해 48 V 전압이 DC-DC 컨버터(200)에 인가된다.
이때 DC-DC 컨버터(200)는 아직 오프 상태이다.
다음 상기 시퀀스의 제 4상태(#4 12 V 충전)에서는, 도 2의 우측에 도시된 '#4 12 V 충전'회로에 도시된 바와 같이, DC-DC 컨버터(200)의 스위칭 트랜지스터(FET1, FET2)를 벅(Buck) 모드(즉, 감압 모드)로 제어함으로써, 제1 배터리(48 V 배터리)의 48 V 전압을 12 V로 변환하여 제2 배터리(12 V 배터리)의 충전 및 부하(미도시, 12 V 부하)의 구동 전원으로 공급하게 된다.
반면에 도 4를 참조하면, 본 실시예는 배터리 시스템(100)에 프리차지 회로(10)를 포함하지 않더라도 DC 링크 캐패시터(DC_Link_cap)에 대한 프리차지 기능을 수행할 수 있도록 한다.
먼저 도 4의 좌측에 도시된 시퀀스를 참조하면, 제1 상태(#1 초기)(즉, DC-DC 컨버터를 구동하기 전 상태)에서는 메인 릴레이(main relay), 및 DC-DC 컨버터(200)는 오프 상태가 되고, DC 링크 캐패시터(DC_Link_cap)는 제2 배터리(12 V 배터리)에 의한 12 V 전압이 걸리게 된다(도 4의 우측에 도시된 '#1 초기'에 대응하는 회로 참조).
다음 상기 시퀀스의 제 2상태(#2 프리차지)에서는, 도 4의 우측에 도시된 '#2 프리차지'회로에 도시된 바와 같이, 프리차지 릴레이(pre-charge relay)가 없고 메인 릴레이(main relay)도 오프 상태이기 때문에 제1 배터리(48 V 배터리)의 48 V 전압이 DC-DC 컨버터(200)에 인가되지 않는 상태에서, 제어부(미도시)가 DC-DC 컨버터(200)의 스위칭 트랜지스터(FET1, FET2)를 부스트(Boost) 모드(즉, 승압 모드)로 제어함으로써, 제2 배터리(12 V 배터리)의 12 V 전압을 48 V로 변환하여 출력함으로써 DC 링크 캐패시터(DC_Link_cap)가 48 V로 프리차지된다.
즉, 본 실시예는 배터리 시스템(100)에 프리차지 회로를 포함시키지 않고, 대신 제2 배터리(12 V 배터리)의 12 V 전압을 부스트(Boost)시킴으로써, DC 링크 캐패시터(DC_Link_cap)를 48 V로 프리차지시킨다.
이때 메인 릴레이(main relay)는 아직 오프 상태이다.
다음 상기 시퀀스의 제 3상태(#3 48 V 공급)에서는, 도 4의 우측에 도시된 '#3 48 V 공급'회로에 도시된 바와 같이, 제어부(미도시)가 DC-DC 컨버터(200)의 스위칭 트랜지스터(FET1, FET2)를 부스트(Boost) 모드(즉, 승압 모드)로 제어하여 DC 링크 캐패시터(DC_Link_cap)를 48 V로 프리차지 시킨 상태에서 상기 메인 릴레이(main relay)를 온(ON)시킴에 따라 메인 릴레이(main relay)를 통해 48 V 전압이 DC-DC 컨버터(200)에 인가되게 한다.
다음 상기 시퀀스의 제 4상태(#4 12 V 충전)에서는, 도 4의 우측에 도시된 '#4 12 V 충전'회로에 도시된 바와 같이, DC-DC 컨버터(200)의 스위칭 트랜지스터(FET1, FET2)를 부스트(Boost) 모드(즉, 승압 모드)에서 벅(Buck) 모드(즉, 감압 모드)로 제어함으로써, 제1 배터리(48 V 배터리)의 48 V 전압을 12 V 변환하여 제2 배터리(12 V 배터리)의 충전 및 부하(미도시, 12 V 부하)의 구동 전원으로 공급하게 된다.
이와 같이, 본 실시예는 상기 배터리 시스템(100)에 프리차지 회로(10)를 포함하지 않더라도, DC-DC 컨버터(200)를 부스트 모드로 제어하여 제2 배터리(12 V 배터리)의 12 V 전압을 48 V 전압으로 변환하여 DC 링크 캐패시터(DC_Link_cap)를 프리차지 시키고, DC 링크 캐패시터(DC_Link_cap)를 프리차지 시킨 상태에서 배터리 시스템(100)의 메인 릴레이(main relay)를 제어하여 제1 배터리(48 V 배터리)의 48 V 전압을 DC-DC 컨버터(200)에 인가함과 동시에 DC-DC 컨버터(200)를 벅 모드로 제어함으로써, 제1 배터리(48 V 배터리)의 48 V 전압을 12 V 변환하여 제2 배터리(12 V 배터리)의 충전 및 부하(미도시, 12 V 부하)의 구동 전원으로 공급하게 된다. 즉, 본 실시예는 프리차지 회로를 제거하더라도 안정적으로 DC-DC 컨버팅이 가능하게 하는 효과가 있으며, 프리차지 회로의 제거를 통해 소형화, 경량화 및 저가격화를 실현시키는 효과가 있다.
이상으로 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
10 : 프리차지 회로 100 : 배터리 시스템
200 : DC-DC 컨버터 FET1, FET2 : 스위칭 트랜지스터
DC_Link_cap : DC 링크 캐패시터
Pre-charge_relay : 프리차지 릴레이
Main_relay : 메인 릴레이

Claims (8)

  1. 하이브리드(hybrid) 차량에 사용되는 배터리 시스템(battery system)에 있어서,
    제1 배터리(battery); 및
    상기 제1 배터리의 출력 측에 연결되어 상기 제1 배터리의 전원을 DC-DC 컨버터(DC to DC converter)로 전달하는 메인 릴레이(main relay)를 포함하되,
    상기 배터리 시스템은, 상기 DC-DC 컨버터의 시퀀스(sequence) 제어를 통해 상기 DC-DC 컨버터와 상기 배터리 시스템 사이에 연결되는 DC 링크 캐패시터(DC link capacitor)를 프리차지(pre-charge)시키는 형태로 구현되는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 시스템은,
    프리차지 회로를 미포함하는 형태로 구현되는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 시퀀스 제어는,
    상기 DC 링크 캐패시터를 프리차지시키기 위하여 상기 DC-DC 컨버터를 부스트 모드(boost mode)로 구동하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 시퀀스 제어는,
    상기 DC-DC 컨버터의 일 측에 연결된 제2 배터리의 전압을 부스팅(boosting)시켜 상기 제1 배터리와 같은 전압으로 승압되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 시퀀스 제어는,
    상기 DC 링크 캐패시터가 프리차지되면, 상기 배터리 시스템의 전원을 상기 DC-DC 컨버터에 인가함과 동시에, 상기 DC-DC 컨버터를 벅 모드(buck mode)로 전환하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 시퀀스 제어는,
    상기 제1 배터리의 전압이 상기 DC-DC 컨버터의 일측에 연결된 제2 배터리와 같은 전압으로 감압되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  7. 제1항에 있어서
    상기 시퀀스 제어는,
    상기 메인 릴레이 및 상기 DC-DC 컨버터가 오프(off) 상태인 채로, 상기 DC-DC 컨버터를 부스트 모드로 제어하여 상기 DC-DC 컨버터의 일 측에 연결된 제2 배터리의 전압을 상기 제1 배터리와 같은 전압으로 변환하여 출력하는 것을 통해 상기 DC 링크 캐패시터가 상기 제1 배터리와 같은 전압으로 프리차지되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 시퀀스 제어는,
    상기 DC 링크 캐패시터가 프리차지되면, 상기 메인 릴레이를 온(on)시켜 상기 메인 릴레이를 통해 제1 배터리의 전원을 상기 DC-DC 컨버터에 인가시키고, 이와 동시에 상기 DC-DC 컨버터를 부스트 모드에서 벅 모드로 제어하여 상기 제1 배터리의 전원 전압을 상기 DC-DC 컨버터의 일측에 연결된 제2 배터리의 전원 전압으로 변환하여 상기 제2 배터리가 충전되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
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