KR20200103947A - 차량 탑재 태양전지를 이용한 차량의 전기 제어 시스템 - Google Patents

차량 탑재 태양전지를 이용한 차량의 전기 제어 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 구동력과 회생 구동되어 회생 전력을 발전하는 구동모터(113)와, 상기 구동모터(113)에 전기적으로 연결되어 구동모터(113)에 전력을 공급하며 구동모터(113)에서 발전된 회생 전력이 충전되는 메인배터리(118)와, 전장 장치에 전력을 공급하는 서브배터리(119)와, 차량에 설치된 태양전지(121)를 가지는 전력공급부와, 충전제어부를 포함하며; 상기 전력공급부에서 발전된 전력은 서브배터리(119)로 공급되어 서브배터리(119)에 충전되고, 상기 충전제어부의 제어에 의하여 서브배터리(119)에서 메인배터리(118)로 전력이 공급되어 메인배터리(118)가 충전되는 차량 탑재 태양전지를 이용한 차량의 전기 제어 시스템(100)에 관한 것이다.

Description

차량 탑재 태양전지를 이용한 차량의 전기 제어 시스템{A Electricity Control System of Vehicle Having Photovoltaic On}
본 발명은 차량 탑재 태양전지를 이용한 차량의 전기 제어 시스템에 관한 것으로, 특히 차량에 탑재된 태양 전지를 이용한 배터리의 충전을 제어하는 전기 제어 시스템에 관한 것이다.
최근, 전기를 자동차의 주 동력 또는 보조 동력으로 사용할 뿐만 아니라 자동차 탑승자 편의를 위한 전동의자, 전열시트, 파워 스티어링, 전동식 사이드미러 등 뿐만 아니라 자동차 성능향상을 위한 전동식 브레이크, 전동식 워터펌프 등의 전장부품으로 인해 자동차의 전기 소모가 증가하여 전장부품의 전압을 고전압, 예를 들어 48V로 변경하는 추세이다.
종래의 전동 차량은 차량 구동용 구동모터를 구동하기 위한 고압 배터리와, 태양 전지와, 태양 전지에 의해 발전된 전력을 고압 배터리에 공급하기 위한 충전용 DC/DC 컨버터와, 고압 배터리에의 충전 제어를 충전용 DC/DC 컨버터에 대하여 행하는 충전 제어 ECU와, 태양 전지에 의해 발전된 전력의 일부를 받아서 충전 제어 ECU에 공급하는 전원 전압을 발생하는 저압 전원용 DC/DC 컨버터를 구비하도록 되어 있다.
도 1은 종래의 차량 탑재 태양 전지를 이용한 충전 제어 장치가 적용된 차량(100)의 구성을 나타낸 블록도 이다. 상기 차량(100)은 도 1에 도시한 바와 같이 구동력 발생부(10)를 구비하며, 전력공급부(20) 및 충전 제어부로서의 충전 컨트롤러(30)를 구비한다. 구동력 발생부(10)는 엔진(11)과, 동력 분할 기구(12)와, 구동모터(13, 14)와, 전달 기어(15)와, 구동축(16)과, 파워 컨트롤 유닛(PCU)(17)과, 메인배터리(18)와, 서브배터리(19)로 구성되며, 엔진(11)에 의해 출력되는 동력은 동력 분할 기구(12)를 통하여 구동축(16)(차륜)에 동력을 전달하는 전달 기어(15)를 구동한다.
상기 동력 분할 기구(12)는, 엔진(11), 구동모터(13, 14) 및 전달 기어(15)에 결합되어 이들 사이에서 동력을 분배한다.
상기 구동모터(13, 14)는 PCU(17)에 의해 제어되며, 메인배터리(18)로부터 전력이 공급될 때는 전동기로서 기능 하고, 외부로부터 운동 에너지가 전달될 때는 발전기로서 기능 하는 3상 동기형 발전 전동기이다. 구동모터(13)는 동력 분할 기구(12)에 의해 분할된 엔진(11)의 동력이 전달되어 발전기로서 기능 하고, 엔진(11)의 시동을 행할 수 있는 스타터 모터로서 기능 한다. 구동모터(14)는 구동축(16)에 구동력을 전달하는 전달 기어(15)를 구동하는 전동기로서 기능한다.
메인배터리(18)는 고압 전원이며 구동모터(13, 14)와 PCU(17)를 통하여 전기적으로 접속되어 있다. 서브배터리(19)는 저압 전원의 보조기기배터리이며, 차량(100)에 탑재된 충전 컨트롤러(30)를 포함한 차량(100)에 탑재된 각종 전장 기구에 전기적으로 접속되어 있다.
도 2에 도시한 바와 같이, 전력공급부(20)는 태양전지(21), 저압배터리(22), 솔라충전기(23) 및 플러그인충전기(24)를 구비한다. 태양 전지(21)는 차량(100)의 지붕 등에 설치되어 있으며, 태양광 에너지를 전기 에너지로 변환하는 기구이다. 저압배터리(22)는 태양 전지(21)에 의해 발전된 저압 전력을 일시적으로 충전하고 메인배터리(18) 또는/및 서브배터리(19)로 전력을 출력하는 것이다. 이로 인해, 저압배터리(22)는 역류 방지 다이오드 등을 통하여 태양 전지(21)에 전기적으로 접속되어 있다.
솔라충전기(23)는 저압배터리(22)에 일시적으로 충전된 전력을 메인배터리(18) 또는/및 서브배터리(19)에 공급하는 것이다. 솔라충전기(23)는 저압배터리(22)에 일시적으로 충전된(축전된) 전력인 태양광 발전에 의한 전력을 메인배터리(18) 또는/및 서브배터리(19)에 공급하는 충전제어회로(23a)를 구비한다.
충전제어회로(23a)는 저압배터리(22)에 충전되어 있는(축전되어 있는) 저압 전력(태양광 발전에 의한 전력)을 고압으로 하여 메인배터리(18)에 공급하는 고압 충전용 DC/DC 컨버터와, 저압배터리(22)에 충전된 저압의 전력을 서브배터리(19)에 공급하는 저압 충전용 DC/DC 컨버터를 갖고 있다.
플러그인 충전기(24)는 충전 스탠드 등에 케이블 또는 비접촉에 의해 전기적으로 접속되어, 외부 전원으로서 공급되는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 공급하고, 메인배터리(18) 및/또는 서브배터리(19)를 충전하는 것이다.
상기 전력 공급부(20)는 메인배터리(18)와 PCU(17)[즉, 구동모터(13, 14)]를 연결하는 구동 전력 공급 경로 상에 설치되는 시스템 메인 릴레이(25)를 구비하고 있다. 시스템 메인 릴레이(25)는 메인배터리(18) 측의 고압 전원 라인 PML1과 PCU(17) 측의 고압 전원 라인 PML2의 사이에 설치되어 있으며, 개폐 동작에 의해 PCU(17)[즉, 구동모터(13, 14)]와 메인배터리(18)와의 접속 또는 차단을 선택적으로 전환한다. 또한, 전력공급부(20)는 PCU(17) 측의 고압 전원 라인 PML2에 접속된 고압 전원 라인 PML3과 서브 배터리(19)의 사이에 설치된 DC/DC 컨버터(26)를 구비하고 있다. DC/DC 컨버터(26)는 상류측인 고압 전원 라인 PML3에 있어서의 고압 전원을 저압으로 변압(강압)하여 하류측인 저압 전원 라인 PTL1을 통하여 서브배터리(19)에 저압 전원을 공급한다. 또한, 솔라충전기(23)와 서브배터리(19)는 저압 전원 라인 PTL2를 통하여 전기적으로 접속되고, 플러그인 충전기(24)와 서브배터리(19)는 저압 전원 라인 PTL3을 통하여 전기적으로 접속된다.
전력 공급부(20)는 솔라충전기(23) 및 플러그인 충전기(24)와 메인배터리(18)를 연결하는 충전 전력 공급 경로 상에 설치되는 차단 수단으로서의 충전용 릴레이(27)를 구비하고 있다. 충전용 릴레이(27)는 메인배터리(18) 측의 충전 전원 라인 PUL1과, 플러그인 충전기(24)[솔라충전기(23)] 측의 충전 전원 라인 PUL2의 사이에 설치된다. 솔라충전기(23)는 충전 전원 라인 PUL2에 대하여 충전 전원 라인 PUL3을 통하여 전기적으로 접속되어 있다. 플러그인 충전기(24)는 충전 전원 라인 PUL2에 직접적으로 접속되는 한편, 충전 전원 라인 PUL3에 대하여 충전 전원 라인 PUL4를 통하여 전기적으로 접속되어 있다.
충전 제어부로서의 충전 컨트롤러(30)는 솔라 ECU(31) 및 전지 ECU(32)를 포함하여 구성된다. 솔라 ECU(31)는 CPU, ROM, RAM 등을 주요 구성 부품으로 하는 마이크로컴퓨터이며, 태양전지(21)에 의해 발전된 전력의 저압배터리(22)에의 충전(축전) 및 솔라충전기(23)의 작동을 제어하는 것이다. 전지 ECU(32)도 CPU, ROM, RAM 등을 주요 구성 부품으로 하는 마이크로컴퓨터이며, 메인 배터리(18)의 충전 상태를 감시하고, 충전용 릴레이(27)의 작동을 제어하여 메인 배터리(18)에의 충전을 제어하는 것이다. 전지 ECU(32)에는 충전 센서(32a)가 접속된다. 충전 센서(32a)는 메인배터리(18)에 부착되어 있으며, 메인배터리(18)의 충전량(SOC: State Of Charge)을 검출하고, SOC를 나타내는 신호를 전지 ECU(32)로 출력한다. 이에 의해, 전지 ECU(32)는 충전 센서(32a)에 의해 검출된 메인배터리(18)의 충전 상태에 기초하여 메인배터리(18)에의 충전을 제어한다. 충전 컨트롤러(30)에는 하이브리드 ECU(33)가 포함된다. 하이브리드 ECU(33)는 엔진(11) 및 구동모터(13, 14)를 협동하여 작동시켜서, 차량(100)을 주행시키기 위한 구동력을 제어한다. 하이브리드 ECU(33)도 CPU, ROM, RAM 등을 주요 구성 부품으로 하는 마이크로컴퓨터이며, 차량(100)의 주행 시 및 차량(100)의 충전 시에서의 시스템 메인 릴레이(25)의 전환 작동을 제어한다. 충전 컨트롤러(30)에는 플러그인 ECU(34)도 포함된다. 플러그인 ECU(34)는, 플러그인 충전기(24)의 작동을 통괄적으로 제어하는 것이다. 이로 인해, 플러그인 ECU(34)도, CPU, ROM, RAM 등을 주요 구성 부품으로 하는 마이크로컴퓨터이다. 하이브리드 ECU(33)는 전지 ECU(32)와 협동함으로써 메인배터리(18)에 영향을 미치는 고압시스템 관리나 고압 전지 제어, 시스템 메인 릴레이(25) 및 충전용 릴레이(27)의 개폐 작동 관리, 차량(100)의 주행에 필요한 전원 제어 등을 실행한다. 이들 솔라 ECU(31), 전지 ECU(32), 하이브리드 ECU(33) 및 플러그인 ECU(34)는 차량(100) 내에 구축된 통신 회선(예를 들어, CAN 통신 회선)을 통하여, 서로 통신 가능하게 설치된다. 솔라 ECU(31)와 하이브리드 ECU(33)는, 도 2에 도시한 바와 같이, 조회 ECU(35)(마이크로컴퓨터)를 통하여 직접적으로 접속된다. 이에 의해, 솔라 ECU(31)는, 조회 ECU(35)에 의해 조회된 후에 하이브리드 ECU(33)와 통신하는 것이 가능하게 되어, 직접 각종 신호(기동 신호 등)를 공급할 수 있도 록 되어 있다.
상기와 같은 차량 탑재 태양 전지를 이용한 충전 제어 장치(10)는 태양전지(21)에서 발전한 전력이 저압배터리(22)에 축전되고 메인배터리와 서브배터리로 선택적으로 충전되는 것으로 작동과 구조가 복잡하며, 충전 효율이 낮은 문제점이 있었다. 또한, 서브배터리는 저압 전원을 공급받는 저압 배터리는 최근 전기 소모가 증가하는 고압, 예를 들어 48V를 사용하는 전장부품에 전기를 공급 할 수 없다.
대한민국 등록번호 제10-1743855호 등록특허공보
본 발명은 상기와 같은 종래 기술이 가지는 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 구조가 간단하여, 장치가 간단하여 설치를 위하여 큰 공간이 필요하지 않고 전기소모가 많은 차량용 고압, 예를 들어 48V를 사용하는 전장부품에 전기를 공급할 수 있는 충전 효율이 향상된 차량 탑재 태양전지를 이용한 차량의 전기 제어 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 위하여 본 발명은 구동력과 회생 구동되어 회생 전력을 발전하는 구동모터와, 상기 구동모터에 전기적으로 연결되어 구동모터에 전력을 공급하며 구동모터에서 발전된 회생 전력을 축전하는 메인배터리와, 전장 장치에 전력을 공급하는 서브배터리와, 상기 차량에 설치된 태양전지를 가지는 전력공급부와, 충전제어부를 포함하며; 상기 전력공급부에서 발전된 전력은 서브배터리로 공급되어 서브배터리에 충전되고, 상기 충전제어부의 제어에 의하여 서브배터리에서 메인배터리로 전력이 공급되어 메인배터리가 충전되는 차량 탑재 태양전지를 이용한 차량의 전기 제어 시스템을 제공한다.
상기에서, 구동모터에서 발전되는 상기 회생 전력은 메인배터리로 공급되어 축전되며, 상기 충전제어부의 제어에 의하여 메인배터리에서 서브배터리로 전력이 공급되어 서브배터리가 충전되는 것을 특징으로 한다.
상기에서, 태양전지는 정전압장치로 보조배터리에 연결된 것을 특징으로 한다.
상기에서, 메인배터리는 리튬이온 배터리이고, 서브배터리는 니켈메탈 하이브리드 배터리인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르는 차량 탑재 태양전지를 이용한 차량의 전기 제어 시스템에 의하면 구조가 간단하고, 장치가 간단하여 설치를 위한 공간이 효율적으로 이용될 수 있고, 전기소모가 많은 차량용 고압, 예를 들어 48V를 사용하는 전장부품에 전기를 공급할 수 있고, 충전 효율도 향상되는 효과가 있다.
도 1은 차량 탑재 태양 전지를 이용하는 충전 제어 장치가 적용되는 일반적인 차량의 개략적인 블록도이며,
도 2는 도 1의 차량에 탑재된 전력 공급부 및 충전을 설명하기 위하여 도시한 개략적인 블록도이며,
도 3은 본 발명에 따르는 차량 탑재 태양전지를 이용한 차량의 전기 제어 시스템에 적용된 차량의 개략적인 블록도이며,
도 4는 본 발명에 따르는 차량 탑재 태양전지를 이용한 차량의 전기 제어 시스템을 개략적으로 도시한 블록도이다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따르는 차량 탑재 태양전지를 이용한 차량의 전기 제어 시스템에 대하여 상세하게 설명한다. 설명에 있어서, 종래 기술과 중복되는 내용은 생략하고 본 발명의 특징을 중심으로 설명한다.
도 3은 본 발명에 따르는 차량 탑재 태양전지를 이용한 차량의 전기 제어 시스템에 적용된 차량의 개략적인 블록도이며, 도 4는 본 발명에 따르는 차량 탑재 태양전지를 이용한 차량의 전기 제어 시스템을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따르는 차량 탑재 태양전지를 이용한 차량의 전기 제어 시스템에 적용된 차량은 엔진(111)과, 동력 분할 기구(112)와, 구동모터(113, 114)와, 전달 기어(115)와, 구동축(116)과, 파워 컨트롤 유닛(PCU)(117)과, 메인배터리(118)와, 서브배터리(119)를 포함하여 구성된다.
상기 엔진(111)은 가솔린이나 경유 등의 탄화수소계 연료의 연소에 의해 동력을 출력한다. 엔진(111)에 의해 출력되는 동력(운동에너지)은 동력 분할 기구(12)를 통하여 구동축(116)(차륜)에 동력을 전달하는 전달 기어(115)를 구동한다.
상기 동력 분할 기구(112)는 동력 분할 기구(112)는, 엔진(111), 구동모터(13, (14) 및 전달 기어(15)에 결합되어 이들 사이에서 동력을 분배하는 작용을 하는 구성으로 이에 대한 내용은 종래 기술에 기재되어 있으므로 상세한 설명은 생략한다.
본 발명에 따르는 차량 탑재 태양전지를 이용한 차량의 전기 제어 시스템은 구동력을 발생시키며 회생 구동되어 회생 전력을 발전하는 구동모터(113)와, 상기 구동모터(113)에 전기적으로 연결되어 구동모터(113)에 전력을 공급하며 구동모터(113)에서 발전된 회생 전력이 충전되는 메인배터리(118)와, 전장 장치에 전력을 공급하는 서브배터리(119)와, 차량에 설치된 태양전지(121)를 가지는 전력공급부와, 충전제어부를 포함하여 구성된다. 상기 구동모터(113)에 의하여 발생되는 구동력은 전달 기어(115)을 통하여 구동축(116)(차륜)으로 전달된다.
상기 메인배터리(118)는 고압 전원이며 PCU(17, 파워 컨트롤 유닛)를 통하여 구동모터(113, 114) 와 전기적으로 접속되어 있다. 상기 서브배터리(19)는 고압 전원, 예를 들어 48V 이상의 보조기기 배터리이며, DC/DC컨버터(127; Buck-Boost Converter)를 통하여 메인배터리(118)에 전기적으로 접속되어 있다. 상기 서브배터리(19)는 차량(100)에 탑재된 충전제어부를 포함한 각종 전자 제어 유닛이나 차량(100)에 탑재된 각종 보조 기기류와 전기적으로 접속되어 있다. 상기 충전제어부는 (특허문헌 0001)에 공지된 바와 같이 각 요소를 제어하는 복수의 ECU로 이루어진다.
본 발명을 이루는 태양전지(121)는 차량 본체의 지붕, 보닛 등에 설치되며 정전압장치(123)를 통하여 서브배터리(19)에 전기적으로 접속되어 있다. 상기 태양전지(121)에 발전된 전기는 정전압장치(123)를 통하여 서브배터리(19)로 공급되어 서브배터리(19)에 충전된다. 상기 서브배터리(19)와 정전압장치(123) 사이에는 역전류를 방지하기 위한 일방향 다이오드가 설치된다.
상기 DC/DC컨버터(127)는 공급되는 전력을 고압으로 승압하는 고압 충전 DC/DC컨버터와, 공급되는 전력을 저압으로 강압하는 저압 충전 DC/DC컨버터를 포함한다.
도 4에서 도면부호 132a는 충전센서이며, 충전센서에서 검출된 메인배터리(118)의 충전량은 도시하지 않은 충전제어부로 전송되고 충전제어부의 제어에 의하여 DC/DC컨버터(127)를 이루는 고압 충전 DC/DC컨버터를 통하여 고압으로 승압되어 서브배터리(19)에 충전된 전력이 메인배터리(118)로 공급되어 메인배터리(118)가 충전된다. 또한, 회생제동에 의하여 구동모터에서 발전된 전력이 메인배터리(118)로 공급되어 메인배터리(118)가 충분히 충전되면 충전센서(132a)에서 감지된 충전량이 충전제어부로 전송되고 충전제어부의 제어에 의하여 저압 충전 DC/DC컨버터를 통하여 메인배터리(118)의 전력이 서브배터리(19)로 공급되어 서브배터리(19)가 충전될 수도 있다.
상기와 같이 태양전지(121)에서 발전된 전력이 정전압장치(123)를 통하여 서브배터리(19)로 공급되어 충전되고, 충전센서(132a)의 센싱에 따라 DC/DC컨버터(127)를 통하여 서브배터리(19)로부터 메인배터리(118)로 전력이 공급되어 충전되는 연결 구조로 함으로써 간단한 구성에 의하여 태양전지(121)에서 발전된 전력이 효율적으로 서브배터리(19)와 메인배터리(118)에 충전될 수 있다.
상기에서 메인배터리(118)는 리튬이온 배터리이고, 서브배터리(119)는 니켈메탈 하이브리드 배터리로 하는 것이 바람직하다. 상기와 같은 배터리로 함으로써, 간단한 연결 접속에 의하는 경우에도 과충전이 방지될 수 있다.
서브배터리(119)는 고압배터리, 예를 들어 48V 이상으로 함으로써 최근 전기소모가 많은 차량 용 고압 전장부품에 전기를 공급할 수 있다.
100: 차량 탑재 태양전지를 이용한 차량의 전기 제어 시스템
113: 구동모터 117: 전력제어유닛
118: 메인배터리 119: 서브배터리
121: 태양전지 123: 정전압장치
127: 컨버터 131: 전지ECU

Claims (4)

  1. 구동력과 회생 구동되어 회생 전력을 발전하는 구동모터(113)와, 상기 구동모터(113)에 전기적으로 연결되어 구동모터(113)에 전력을 공급하며 구동모터(113)에서 발전된 회생 전력이 충전되는 메인배터리(118)와, 전장 장치에 전력을 공급하는 서브배터리(119)와, 차량에 설치된 태양전지(121)를 가지는 전력공급부와, 충전제어부를 포함하며;
    상기 전력공급부에서 발전된 전력은 서브배터리(119)로 공급되어 서브배터리(119)에 충전되고, 상기 충전제어부의 제어에 의하여 서브배터리(119)에서 메인배터리(118)로 전력이 공급되어 메인배터리(118)가 충전되는 것을 특징으로 하는 차량 탑재 태양전지를 이용한 차량의 전기 제어 시스템(100).
  2. 제1 항에 있어서, 구동모터(113)에서 발전되는 회생 전력은 메인배터리(118)로 공급되어 충전되며, 상기 충전제어부의 제어에 의하여 메인배터리(118)에서 서브배터리(119)로 전력이 공급되어 서브배터리(119)가 충전되는 것을 특징으로 하는 차량 탑재 태양전지를 이용한 차량의 전기 제어 시스템(100).
  3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서, 상기 태양전지(121)는 정전압장치(123)로 보조배터리(119)에 연결된 것을 특징으로 하는 차량 탑재 태양전지를 이용한 차량의 전기 제어 시스템(100).
  4. 제3 항에 있어서, 상기 메인배터리(118)는 리튬이온 배터리이고, 서브배터리(119)는 니켈메탈 하이브리드 배터리인 것을 특징으로 하는 차량 탑재 태양전지를 이용한 차량의 전기 제어 시스템(100).
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