KR20200124033A

KR20200124033A - 솔라셀을 포함하는 차량 시스템 및 그 제어 방법

Info

Publication number: KR20200124033A
Application number: KR1020190047388A
Authority: KR
Inventors: 장영진; 박준연
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아자동차주식회사
Priority date: 2019-04-23
Filing date: 2019-04-23
Publication date: 2020-11-02
Also published as: US20200338990A1; US11338689B2

Abstract

고전압 배터리; 상기 고전압 배터리의 전압을 하향 변환하여 출력하는 저전압 컨버터; 상기 컨버터에서 하향 변환된 전압을 인가 받는 보조 배터리 및 전장 부하; 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 솔라셀; 상기 솔라셀의 출력을 상기 보조 배터리의 전압에 대응되는 전압으로 변환하여 상기 보조 배터리 및 상기 전장 부하로 출력하는 제1 솔라셀 컨버터; 상기 솔라셀의 출력을 상기 고전압 배터리의 전압에 대응되는 전압으로 변환하여 상기 고전압 배터리로 출력하는 제2 솔라셀 컨버터; 및 상기 솔라셀의 출력과 상기 전장 부하의 소모 전력을 비교한 결과 및 상기 보조 배터리의 충전 상태에 기반하여 상기 저전압 컨버터, 상기 제1 솔라셀 컨버터 및 상기 제2 솔라셀 컨버터의 동작을 제어하는 컨트롤러를 포함하는 솔라셀을 포함하는 차량 시스템이 개시된다.

Description

솔라셀을 포함하는 차량 시스템 및 그 제어 방법{SYSTEM OF VEHICLE INCLUDING SOLAR CELL AND METHOD FOR CONTROLLING THE SAME}

본 발명은 솔라셀을 포함하는 차량 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 차량에 마련되는 여러 전력 변환 장치의 효율을 고려하여 솔라셀 출력 및 차량 부하의 소모 전력 상태에 따라 최적의 효율로 보조 배터리를 충전할 수 있는 솔라셀을 포함하는 차량 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.

최근 전기 에너지를 이용하여 모터를 구동하여 동력을 생성하는 친환경 차량에 더하여 태양광을 전기에너지로 변환하여 전력을 생성하는 솔라셀을 구비한 차량에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.

통상의 친환경 차량은 모터 구동을 위한 전기 에너지를 저장하는 고전압 배터리와 차량의 전장 부하에 전원 전력을 공급하기 위한 보조 배터리 및 고전압 배터리의 전압을 하향 변환하여 보조 배터리의 충전 전력 또는 전장 부하의 전원 전력을 제공하는 저전압 컨버터를 포함할 수 있다. 또한, 친환경 차량에 구비되는 솔라셀 시스템은 솔라셀에 의해 발생하는 전력을 보조 배터리나 고전압 배터리로 공급하여 충전 시킬 수 있다.

전술한 것과 같은 솔라셀 시스템을 구비한 친환경 차량에서 고전압 배터리나 보조 배터리는 다양한 경로를 통해 충전될 수 있는데, 이러한 고전압 배터리나 보조 배터리의 충전 경로에는 충전 전력을 적절한 크기로 변환하기 위한 여러 전력 변환 장치가 요구된다.

이러한 전력 변환 장치는 그에 사용되는 스위칭이나 소자의 특성 등으로 인해 불가피하게 손실이 발생할 수 있으며, 손실 발생에 의한 충전 효율이 감소되는 문제가 발생할 수 있다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

KR 10-2016-0071668 A KR 10-1786370 B1

이에 본 발명은, 따라서, 당 기술분야에서는 전력 변환에 따른 손실을 최소화하여 충전 효율을 향상시킬 수 있는 솔라셀을 포함하는 차량 시스템 및 그 제어 방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,

고전압 배터리;

상기 고전압 배터리의 전압을 하향 변환하여 출력하는 저전압 컨버터;

상기 저전압 컨버터에서 하향 변환된 전압을 인가 받는 보조 배터리 및 전장 부하;

빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 솔라셀;

상기 솔라셀의 출력을 상기 보조 배터리의 전압에 대응되는 전압으로 변환하여 상기 보조 배터리 및 상기 전장 부하로 출력하는 제1 솔라셀 컨버터;

상기 솔라셀의 출력을 상기 고전압 배터리의 전압에 대응되는 전압으로 변환하여 상기 고전압 배터리로 출력하는 제2 솔라셀 컨버터; 및

상기 솔라셀의 출력과 상기 전장 부하의 소모 전력을 비교한 결과 및 상기 보조 배터리의 충전 상태에 기반하여 상기 저전압 컨버터, 상기 제1 솔라셀 컨버터 및 상기 제2 솔라셀 컨버터의 동작을 제어하는 컨트롤러;

를 포함하는 솔라셀을 포함하는 차량 시스템을 제공한다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 솔라셀의 출력이 상기 전장 부하의 소모 전력 이상인 경우, 상기 보조 배터리의 충전 상태에 기반하여 상기 제1 솔라셀 컨버터 및 상기 제2 솔라셀 컨버터 중 하나를 선택적으로 작동시키고 상기 저전압 컨버터의 출력이 발생하지 않도록 제어할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 솔라셀의 출력이 상기 전장 부하의 소모 전력 이상이고 상기 보조 배터리가 만충 상태인 경우, 상기 제1 솔라셀 컨버터를 오프시키고 상기 제2 솔라셀 컨버터를 온시키며 상기 저전압 컨버터를 오프 시키거나 상기 저전압 컨버터의 출력 전류가 0이 되도록 상기 저전압 컨버터를 제어할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 솔라셀의 출력이 상기 전장 부하의 소모 전력 이상이고 상기 보조 배터리가 만충 상태가 아닌 경우, 상기 제1 솔라셀 컨버터를 온시키고 상기 제2 솔라셀 컨버터를 오프시키며 상기 저전압 컨버터를 오프 시키거나 상기 저전압 컨버터의 출력 전류가 0이 되도록 상기 저전압 컨버터를 제어할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 솔라셀의 출력이 상기 전장 부하의 소모 전력보다 작은 경우 상기 제1 솔라셀 컨버터를 온시키고 상기 제2 솔라셀 컨버터를 오프시키며, 상기 보조 배터리의 충전 상태에 기반하여 상기 저전압 컨버터의 동작을 제어할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 솔라셀의 출력이 상기 전장 부하의 소모 전력보다 작은 경우 상기 제1 솔라셀 컨버터를 온시키고 상기 제2 솔라셀 컨버터를 오프시키며, 상기 보조 배터리의 충전 상태가 사전 설정된 기준값 보다 큰 경우 상기 저전압 컨버터를 오프 시키거나 상기 저전압 컨버터의 출력 전류가 0이 되도록 상기 저전압 컨버터를 제어할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 솔라셀의 출력이 상기 전장 부하의 소모 전력보다 작은 경우 상기 제1 솔라셀 컨버터를 온시키고 상기 제2 솔라셀 컨버터를 오프시키며, 상기 보조 배터리의 충전 상태가 사전 설정된 기준값 이하인 큰 경우 상기 저전압 컨버터를 온시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 저전압 컨버터를 최대 효율 전류를 출력하도록 제어할 수 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 다른 수단으로서 본 발명은,

고전압 배터리와, 상기 고전압 배터리의 전압을 하향 변환하여 출력하는 저전압 컨버터와, 상기 저전압 컨버터에서 하향 변환된 전압을 인가 받는 보조 배터리 및 전장 부하와, 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 솔라셀과, 상기 솔라셀의 출력을 상기 보조 배터리의 전압에 대응되는 전압으로 변환하여 상기 보조 배터리 및 상기 전장 부하로 출력하는 제1 솔라셀 컨버터 및 상기 솔라셀의 출력을 상기 고전압 배터리의 전압에 대응되는 전압으로 변환하여 상기 고전압 배터리로 출력하는 제2 솔라셀 컨버터를 포함하는 차량 시스템의 제어 방법에 있어서,

상기 솔라셀의 출력과 상기 전장 부하의 소모 전력을 비교하는 단계;

상기 보조 배터리의 충전 상태를 확인하는 단계; 및

상기 솔라셀의 출력과 상기 전장 부하의 소모 전력을 비교한 결과 및 상기 보조 배터리의 충전 상태에 기반하여 상기 저전압 컨버터, 상기 제1 솔라셀 컨버터 및 상기 제2 솔라셀 컨버터의 동작을 제어하는 단계;

를 포함하는 솔라셀을 포함하는 차량 시스템의 제어 방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제어하는 단계는, 상기 솔라셀의 출력이 상기 전장 부하의 소모 전력 이상이고 상기 보조 배터리가 만충 상태인 경우, 상기 제1 솔라셀 컨버터를 오프시키고 상기 제2 솔라셀 컨버터를 온시키며 상기 저전압 컨버터를 오프 시키거나 상기 저전압 컨버터의 출력 전류가 0이 되도록 상기 저전압 컨버터를 제어할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제어하는 단계는, 상기 솔라셀의 출력이 상기 전장 부하의 소모 전력 이상이고 상기 보조 배터리가 만충 상태가 아닌 경우, 상기 제1 솔라셀 컨버터를 온시키고 상기 제2 솔라셀 컨버터를 오프시키며 상기 저전압 컨버터를 오프 시키거나 상기 저전압 컨버터의 출력 전류가 0이 되도록 상기 저전압 컨버터를 제어할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제어하는 단계는, 상기 솔라셀의 출력이 상기 전장 부하의 소모 전력보다 작은 경우 상기 제1 솔라셀 컨버터를 온시키고 상기 제2 솔라셀 컨버터를 오프시키며, 상기 보조 배터리의 충전 상태가 사전 설정된 기준값 보다 큰 경우 상기 저전압 컨버터를 오프 시키거나 상기 저전압 컨버터의 출력 전류가 0이 되도록 상기 저전압 컨버터를 제어할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제어하는 단계는, 상기 솔라셀의 출력이 상기 전장 부하의 소모 전력보다 작은 경우 상기 제1 솔라셀 컨버터를 온시키고 상기 제2 솔라셀 컨버터를 오프시키며, 상기 보조 배터리의 충전 상태가 사전 설정된 기준값 이하인 큰 경우 상기 저전압 컨버터를 온시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제어하는 단계는, 상기 저전압 컨버터를 최대 효율 전류를 출력하도록 제어할 수 있다.

상기 솔라셀을 포함하는 차량 시스템 및 그 제어 방법에 따르면, 솔라셀을 포함하는 차량 시스템에 포함된 여러 전력 변환 회로들의 효율을 고려하여, 전체 시스템이 최적의 효율을 달성할 수 있도록 여러 컨버터의 동작 여부 및 동작 방식을 제어함으로써 실제 차량 운행에 사용되지 않는 불필요한 전력 변환에 따른 손실을 최소화할 수 있으며, 그에 따른 차량의 연비 개선 및 전력 변환 회로의 노후 열화를 감소시킬 수 있게 된다.

본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 솔라셀을 포함하는 차량 시스템을 도시한 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 솔라셀을 포함하는 차량 시스템의 제어 방법을 도시한 흐름도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 솔라셀을 포함하는 차량 시스템에서 전장 부하의 소모 전력(전류)와 각 컨버터의 작동에 따른 손실을 도시한 그래프들이다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 솔라셀을 포함하는 차량 시스템에 적용된 저전압 컨버터의 전력 변환 효율 특성을 도시한 그래프이다.

이하, 첨부의 도면을 참조하여 본 발명의 여러 실시형태에 따른 솔라셀을 포함하는 차량 시스템 및 그 제어 방법을 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 솔라셀을 포함하는 차량 시스템을 도시한 블록 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 솔라셀을 포함하는 차량 시스템은, 고전압 배터리(30)와, 고전압 배터리의 전압을 하향 변환하여 출력하는 저전압 컨버터(Low voltage DC-DC Converter: LDC)(40)와, 컨버터에서 하향 변환된 전압을 인가 받는 보조 배터리(50) 및 전장 부하(60)와, 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 솔라셀(10)과, 솔라셀(10)의 출력을 보조 배터리(50)의 전압에 대응되는 전압으로 변환하여 보조 배터리(50) 및 전장 부하(60)로 출력하는 제1 솔라셀 컨버터(23)와, 솔라셀(10)의 출력을 고전압 배터리(30)의 전압에 대응되는 전압으로 변환하여 고전압 배터리(30)로 출력하는 제2 솔라셀 컨버터(21) 및 솔라셀(10)의 출력과 전장 부하(60)의 소모 전력을 비교한 결과 및 보조 배터리(50)의 충전 상태(State Of Charge: SOC)에 기반하여 저전압 컨버터(40), 제1 솔라셀 컨버터(23) 및 제2 솔라셀 컨버터(21)의 동작을 제어하는 컨트롤러(100)를 포함하여 구성될 수 있다.

고전압 배터리(30)는 친환경 차량의 동력을 생산하는 모터(90)에 제공하기 위한 고전압의 전기 에너지를 저장하는 장치이다. 고전압 배터리(30)의 출력단은 커패시터에 의해 고전압의 직류 링크(DC-LINK)가 형성되며, 이 직류 링크(DC-LINK)에 고전압 전력을 제공 받거나 고전압 전력을 배터리로 공급하기 위한 여러 요소들이 연결될 수 있다. 예를 들어, 직류 링크로부터 직류 전력을 입력 받고 변환하여\아 모터(90)로 삼상의 교류 전력을 제공하는 인버터(80)와, 외부의 충전 설비로부터 제공되는 교류 전력을 변환하여 고전압 배터리(30)의 충전 전력을 제공하는 차량 탑재형 충전기(On-Board Charger: OBC)(70) 등이 직류 링크에 연결될 수 있다. 더하여, 후술하는 고전압을 출력하는 솔라셀 컨버터(21)의 출력이 직류 링크에 연결될 수 있다.

저전압 컨버터(LDC)(40)는 직류 링크단에 연결되어 고전압 배터리(30)의 고전압 직류 전력을 저전압으로 변환하여 출력한다. 저전압 컨버터(LDC)(40)는 당 기술 분야에 공지된 여러 직류-직류 컨버터의 토폴로지를 채용하여 구현될 수 있다.

보조 배터리(50)는 고전압 배터리(30)에 비해 상대적으로 작은 전압을 갖는 배터리로 LDC(40)의 출력단에 연결될 수 있다. 보조 배터리(50)는 전장 부하(60)의 전원 전력을 제공하기 위해 마련될 수 있다.

전장 부하(60)는 전기 에너지를 소모하는 차량의 다양한 부하를 통칭하는 것으로, 보조 배터리(50)와 함께 저전압 컨버터(40)의 출력에 연결될 수 있다.

차량의 시동이 오프된 상태이거나 저전압 컨버터(40)가 오프된 상태에서, 전장 부하(60)는 전원 전력 전체를 보조 배터리(50)로부터 제공받아 동작할 수 있다. 저전압 컨버터(40)가 온 된 상태에서 충분한 전압 및 전류를 출력하는 경우 전장 부하(60)는 LDC(40)가 변환하여 출력하는 직류 전력을 제공받아 동작할 수 있으며, LDC(40)가 변환하여 출력하는 직류 전력이 충분하지 못한 경우 부족분을 보조 배터리(50)로부터 제공받아 동작할 수도 있다. 또한, LDC(40)가 변환하여 출력하는 직류 전력이 충분한 경우 저전압 컨버터(40)의 출력 중 전장 부하(60)로 제공되고 남은 전력은 보조 배터리(50)로 제공되어 보조 배터리(50)에 충전될 수 있다.

솔라셀(10)은 태양광과 같은 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위한 요소이다. 솔라셀(10)은 차량의 루프 등 빛을 수광하기 적절한 위치에 설치될 수 있다. 솔라셀(10)은 수광하는 광량에 따라 출력이 변동될 수 있으므로 솔라셀(10)의 출력은 컨트롤러(100)에 의해 모니터링 될 수 있다. 도시하지는 않았지만, 솔라셀(10)의 출력단에는 전압 센서와 전류 센서가 설치될 수 있으며, 컨트롤러(100)는 전압 센서와 전류 센서의 검출값을 기반으로 솔라셀(10)의 출력을 연산함으로써 솔라셀(10)의 출력을 모니터링할 수 있다.

솔라셀(10)에서 출력되는 전력을 차량 시스템에 적용할 수 있는 적절한 크기의 전압으로 변환하기 위해, 솔라셀(10)의 출력단에는 제1 솔라셀 컨버터(23)와 제2 솔라셀 컨버터(21)가 연결될 수 있다.

제1 솔라셀 컨버터(23)는 솔라셀(10)의 출력 전압을 보조 배터리(50)의 전압에 대응되는 전압으로 변환하기 위한 컨버터이고, 제2 솔라셀 컨버터(21)는 솔라셀(10)의 출력 전압을 고전압 배터리(30)의 전압에 대응되는 전압으로 변환하기 위한 컨버터이다. 따라서, 제1 솔라셀 컨버터(23)의 입력단은 솔라셀(10)의 출력단에 연결되고 제1 솔라셀 컨버터(23)의 출력단은 보조 배터리(50)에 연결될 수 있다. 보조 배터리(50)는 저전압 컨버터(40)와 전장 부하(60)에 연결되므로 제1 솔라셀 컨버터(23)의 출력단은 저전압 컨버터(40)와 전장 부하(60) 및 보조 배터리(50)가 공통으로 연결된 노드에 연결될 수 있다. 또한, 제2 솔라셀 컨버터(21)의 입력단은 솔라셀(10)의 출력단에 연결되고 제2 솔라셀 컨버터(21)의 출력단은 고전압 배터리(30), 즉 고전압 직류 링크(DC-LINK)에 연결될 수 있다.

컨트롤러(100)는 솔라셀(10)의 출력과 전장 부하(60)의 소모 전력을 비교한 결과 및 보조 배터리(50)의 충전 상태를 고려하여 제1 솔라셀 컨버터(23) 및 제2 솔라셀 컨버터(21) 및 저전압 컨버터(40)의 동작을 제어하여 최적의 효율을 달성할 수 있는 전력 변환이 이루어지게 할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 컨트롤러(100)는 보조 배터리(50)의 충전 상태를 고려하여 보조 배터리(50)가 안정적으로 작동할 수 있는 조건을 우선적으로 고려하여 효율적 전력 변환을 수행하게 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 솔라셀을 포함하는 차량 시스템의 제어 방법을 도시한 흐름도이다. 도 2를 참조한 본 발명의 일 실시형태에 따른 솔라셀을 포함하는 차량 시스템의 제어 방법에 대한 설명을 통해 전술한 본 발명의 일 실시형태에 따른 솔라셀을 포함하는 차량 시스템의 동작 및 작용 효과가 더욱 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 솔라셀을 포함하는 차량 시스템의 제어 방법은, 솔라셀(10)의 출력(A)과 전장 부하(60)의 소모 전력(B)를 측정하는 단계(S11)로부터 시작될 수 있다. 전술한 바와 같이, 솔라셀(10)의 출력은 솔라셀(10)의 출력단에 설치되는 전압 센서 및 전류 센서를 통해 컨트롤러(100)가 연산할 수 있다. 또한, 전장 부하(60)의 소모 전력은, 전장 부하(60)를 제어하는 별도의 개별 제어기에 의해 연산될 수 있으며, 개별 제어기에 의해 연산된 전장 부하(60)의 소모 전력이 직접 컨트롤러(100)로 제공되거나 상위 제어기가 작동 중인 전장 부하(60)의 소모 전력을 합산하여 컨트롤러(100)로 제공할 수 있다.

이어, 컨트롤러(100)는 솔라셀(10)의 출력(A)과 전장 부하(60)의 소모 전력(B)의 크기를 서로 비교할 수 있다(S12).

이어, 컨트롤러(100)는 솔라셀(10)의 출력이 전장 부하(60)의 소모 전력 이상인 경우 보조 배터리(50)의 충전 상태를 확인할 수 있다(S13). 또한, 컨트롤러(100)는 솔라셀(10)의 출력이 전장 부하(60)의 소모 전력보다 작은 경우에도 보조 배터리(50)의 충전 상태를 확인할 수 있다(S15).

이와 같이, 컨트롤러(100)가 솔라셀(10)의 출력과 전장 부하(60)의 소모 전력의 크기를 비교하고 보조 배터리(50)의 충전 상태를 확인하는 것은 전력 변환에 사용되는 각 컨버터(40, 21, 23)의 손실을 고려하여 가장 손실이 적은 효율적인 전력 변환이 이루어지게 하기 위함이다.

도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 솔라셀을 포함하는 차량 시스템에서 전장 부하의 소모 전력(전류)와 각 컨버터의 작동에 따른 손실을 도시한 그래프들이다.

도 3은 솔라셀(10)의 출력이 전장 부하(60)의 소모 전력보다 큰 경우 보조 배터리(50)를 충전하는데 소모되는 전력을 도시한 그래프이다. 도 3에서, 참조부호 '211'은 제1 솔라셀 컨버터(23)을 오프시키고 제2 솔라셀 컨버터(21)를 작동시켜 고전압 직류 링크로 솔라셀(10) 출력을 제공한 후 저전압 컨버터(40)를 작동시켜 보조 배터리(50)로 충전 전력을 제공하는 경우 발생하는 전체 손실을 나타낸다. 또한, 참조부호 '212'는 제2 솔라셀 컨버터(21)를 오프시키고 제1 솔라셀 컨버터(23)만 작동시켜 보조 배터리(50)로 충전 전력을 제공하는 경우 발생하는 전체 손실을 나타낸다. 솔라셀(10)의 전력이 전장 부하(60)의 소모 전력 보다 큰 경우 제1 솔라셀 컨버터(23) 만 작동시켜도 전장 부하(60)로 전력을 공급하고 남은 전력을 보조 배터리(50)의 충전에 사용할 수 있으므로 제1 솔라셀 컨버터(23)만 작동 시킬 수 있다.

도 3에 나타난 것과 같이, 제1 솔라셀 컨버터(23)만 작동시키는 것이 상대적으로 적은 손실을 나타낸다.

도 4는 솔라셀(10)의 출력이 전장 부하(60)의 소모 전력보다 작은 경우 보조 배터리(50)를 충전하는데 소모되는 전력을 도시한 그래프이다. 도 4에서, 참조부호 '311'은 제1 솔라셀 컨버터(23)을 오프시키고 제2 솔라셀 컨버터(21)를 작동시켜 고전압 직류 링크로 솔라셀(10) 출력을 제공한 후 저전압 컨버터(40)를 작동시켜 보조 배터리(50)로 충전 전력을 제공하는 경우 발생하는 전체 손실을 나타낸다. 또한, 참조부호 '312'는 제2 솔라셀 컨버터(21)를 오프시키고 제1 솔라셀 컨버터(23)와 저전압 컨버터(40)를 작동시켜 보조 배터리(50)로 충전 전력을 제공하는 경우 발생하는 전체 손실을 나타낸다. 솔라셀(10)의 전력이 전장 부하(60)의 소모 전력 보다 큰 작은 경우 제1 솔라셀 컨버터(23)에 의해 제공되는 전력이 전장 부하(60)의 소모 전력을 충당하기 어려우므로 저전압 컨버터(40)를 동작시켜야 한다.

도 4에 나타난 것과 같이, 제1 솔라셀 컨버터(23)와 저전압 컨버터(40)만 작동시키는 것이 상대적으로 적은 손실을 나타낸다.

도 3 및 도 4에 나타난 결과와 같이, 솔라셀(10)의 출력 전력을 고전압으로 변환하는 제2 솔라셀 컨버터(21)는 상대적으로 더 큰 손실을 발생시킨다. 따라서, 본 발명과 같이 반드시 솔라셀(10)의 출력을 고전압으로 변환시켜야 하는 고전압 배터리(30)의 충전보다는 그 보다 먼저 보조 배터리(50)를 충전하는 것이 효율적인 측면에서 더욱 바람직할 수 있다. 또한, 보조 배터리(50)를 충전하는 경우에는 제1 솔라셀 컨버터(23) 만 사용하거나 솔라셀(10)의 출력이 부족한 경우에 제1 솔라셀 컨버터(23)와 저전압 컨버터(40)를 함께 작동시키는 것이 바람직하다.

이러한 손실의 특성을 고려하여 컨트롤러(100)는 제1 솔라셀 컨버터(23) 및 제2 솔라셀 컨버터(21) 및 저전압 컨버터(40)의 동작을 제어하여 최적의 효율을 달성할 수 있는 전력 변환이 이루어지게 할 수 있다.

다시, 도 2를 참조하면, 컨트롤러(100)는 솔라셀(10)의 출력이 전장 부하(60)의 소모 전력 이상인 것으로 판단되고(S12) 보조 배터리(50)의 충전 상태가 완전 충전 상태인 것으로 판단된 경우(S14), 보조 배터리(50)의 충전이 필요하지 않으므로 보조 배터리(50)로 충전 전력을 제공할 수 있는 제1 솔라셀 컨버터(23)와 저전압 컨버터(40)는 오프 시켜 작동시키지 않고 제2 솔라셀 컨버터(21)를 최대 파워를 출력하도록 작동시켜 고전압 배터리(30)를 충전되게 할 수 있다(S141).

다음으로, 컨트롤러(100)는 솔라셀(10)의 출력이 전장 부하(60)의 소모 전력보다 이상인 것으로 판단되고(S12) 보조 배터리(50)의 충전 상태가 완전 충전 상태가 아닌 것으로 판단된 경우(S14), 보조 배터리(50)를 우선 충전하기 위한 동작을 수행할 수 있다(S142). 단계(S142)에서, 솔라셀(10)의 출력 만으로 전장 부하(60)의 소모 전력을 충당하고 여분의 충전 전력을 공급할 수 있으므로 저전압 컨버터(40)의 작동을 중지시키고 제1 솔라셀 컨버터(23)만 최대 출력이 되도록 동작시켜 저전압 컨버터(40)의 전력 변환에 따른 손실 발생을 차단하면서 보조 배터리(50)를 충전시킬 수 있다. 물론 단계(S142)에서 컨트롤러(100)는 고전압 배터리(30) 보다 보조 배터리(50)의 충전을 우선 순위에 두게 되므로 제2 솔라셀 컨버터(21)의 작동은 중지시킬 수 있다.

다음으로, 컨트롤러(100)는 솔라셀(10)의 출력이 전장 부하(60)의 소모 전력보다 작은 것으로 판단되고(S12) 보조 배터리(50)의 충전 상태가 사전 설정된 기준값 보다 큰 것으로 판단된 경우(S15), 제1 솔라셀 컨버터(23)를 최대 출력이 되도록 동작시키고 제2 솔라셀 컨버터(21)와 저전압 컨버터(40)의 작동을 중단시킬 수 있다(S161). 여기서, 사전 설정된 기준값은 보조 배터리(50)의 충전이 즉시 요구되는지 판단할 수 있는 기준이 되는 값으로, 보조 배터리(50)의 충전 상태가 이 기준값보다 큰 경우 컨트롤러(100)는 보조 배터리(50)를 즉시 충전할 필요가 없는 것으로 판단할 수 있고 보조 배터리(50)의 충전 상태가 이 기준값보다 작은 경우 컨트롤러(100)는 보조 배터리(50)를 즉시 충전하는 제어를 수행할 수 있다.

단계(S161)에서, 컨트롤러(100)는 제1 솔라셀 컨버터(23)를 최대 출력으로 동작시키고 솔라셀(10)의 출력으로 충당할 수 없는 전장 부하(60)의 소모 전력은 보조 배터리(50)에 저장된 전력으로 보충하도록 저전압 컨버터(40)를 오프시키는 제어를 수행할 수 있다. 단계(S161)에서는 보조 배터리(50)의 충전 상태가 양호하여 즉시 충전이 필요 없는 것으로 판단한 경우 저전압 컨버터(40)를 작동시키지 않음으로써 저전압 컨버터(40)에 의한 손실 발생이 이루어지지 않도록 제어할 수 있다.

다음으로, 컨트롤러(100)는 솔라셀(10)의 출력이 전장 부하(60)의 소모 전력보다 작은 것으로 판단되고(S12) 보조 배터리(50)의 충전 상태가 사전 설정된 기준값 이하인 것으로 판단된 경우(S15), 제1 솔라셀 컨버터(23)를 최대 출력이 되도록 동작시키고 제2 솔라셀 컨버터(21)를 오프 시키며, 저전압 컨버터(40)를 최대 효율점(M)에서 작동하도록 제어할 수 있다(S162).

단계(S162)에서 컨트롤러(100)는 보조 배터리(50)의 충전 상태가 충전이 필요한 상태이므로 보조 배터리(50)로 충전 전류가 공급되도록 제어할 필요가 있으며, 솔라셀(10)의 출력은 전장 부하(60)의 소모 전력을 충당하기에도 부족하므로 저전압 컨버터(40)를 작동시켜 전장 부하(60)로 부족한 전력을 공급함과 동시에 보조 배터리(50)로 충전 전류를 제공하게 된다.

도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 솔라셀을 포함하는 차량 시스템에 적용된 저전압 컨버터의 전력 변환 효율 특성을 도시한 그래프이다.

도 5에 도시된 것과 같이, 일반적인 경우 저전압 컨버터 등과 같은 전력 변환 회로들은 출력 전류에 따라 전력 변환의 효율이 변동된다. 즉, 일반적으로 저전압 컨버터는 특정 크기의 전류를 출력할 때 그 효율이 최대가 될 수 있음이 알려져 있다.

단계(S162)에서, 컨트롤러(100)는 저전압 컨버터(40)의 전력 변환 효율이 최대가 되는 전류를 출력할 수 있도록 저전압 컨버터(40)를 제어함으로써 전체 시스템의 효율을 최대화할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시형태에서, 컨트롤러(100)는 반드시 보조 배터리(50)의 충전을 위해 저전압 컨버터(40)를 작동하여야 하는 경우에만 저전압 컨버터(40)를 작동 시키되, 단계(S162)와 같이 저전압 컨버터(40)의 전력 변환 효율이 최대가 되는 전류를 출력하도록 저전압 컨버터(40)를 제어할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 여러 실시형태는 솔라셀을 포함하는 차량 시스템에 포함된 여러 전력 변환 회로들의 효율을 고려하여, 전체 시스템이 최적의 효율을 달성할 수 있도록 여러 컨버터의 동작 여부 및 동작 방식을 제어함으로써 실제 차량 운행에 사용되지 않는 불필요한 전력 변환에 따른 손실을 최소화할 수 있으며, 그에 따른 차량의 연비 개선 및 전력 변환 회로의 노후 열화를 감소시킬 수 있게 된다.

이상에서 본 발명의 특정한 실시형태에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 청구범위의 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

10: 솔라셀 21, 23: 솔라셀 컨버터
30: 고전압 배터리 40: 저전압 컨버터
50: 보조 배터리 60: 전장 부하
70: 탑재형 충전기 80: 인버터
90: 모터

Claims

고전압 배터리;
상기 고전압 배터리의 전압을 하향 변환하여 출력하는 저전압 컨버터;
상기 컨버터에서 하향 변환된 전압을 인가 받는 보조 배터리 및 전장 부하;
빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 솔라셀;
상기 솔라셀의 출력을 상기 보조 배터리의 전압에 대응되는 전압으로 변환하여 상기 보조 배터리 및 상기 전장 부하로 출력하는 제1 솔라셀 컨버터;
상기 솔라셀의 출력을 상기 고전압 배터리의 전압에 대응되는 전압으로 변환하여 상기 고전압 배터리로 출력하는 제2 솔라셀 컨버터; 및
상기 솔라셀의 출력과 상기 전장 부하의 소모 전력을 비교한 결과 및 상기 보조 배터리의 충전 상태에 기반하여 상기 저전압 컨버터, 상기 제1 솔라셀 컨버터 및 상기 제2 솔라셀 컨버터의 동작을 제어하는 컨트롤러;
를 포함하는 솔라셀을 포함하는 차량 시스템.
청구항 1에 있어서, 상기 컨트롤러는,
상기 솔라셀의 출력이 상기 전장 부하의 소모 전력 이상인 경우, 상기 보조 배터리의 충전 상태에 기반하여 상기 제1 솔라셀 컨버터 및 상기 제2 솔라셀 컨버터 중 하나를 선택적으로 작동시키고 상기 저전압 컨버터의 출력이 발생하지 않도록 제어하는 것을 특징으로 하는 솔라셀을 포함하는 차량 시스템.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 컨트롤러는,
상기 솔라셀의 출력이 상기 전장 부하의 소모 전력 이상이고 상기 보조 배터리가 만충 상태인 경우, 상기 제1 솔라셀 컨버터를 오프시키고 상기 제2 솔라셀 컨버터를 온시키며 상기 저전압 컨버터를 오프 시키거나 상기 저전압 컨버터의 출력 전류가 0이 되도록 상기 저전압 컨버터를 제어하는 것을 특징으로 하는 솔라셀을 포함하는 차량 시스템.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 컨트롤러는,
상기 솔라셀의 출력이 상기 전장 부하의 소모 전력 이상이고 상기 보조 배터리가 만충 상태가 아닌 경우, 상기 제1 솔라셀 컨버터를 온시키고 상기 제2 솔라셀 컨버터를 오프시키며 상기 저전압 컨버터를 오프 시키거나 상기 저전압 컨버터의 출력 전류가 0이 되도록 상기 저전압 컨버터를 제어하는 것을 특징으로 하는 솔라셀을 포함하는 차량 시스템.
청구항 1에 있어서, 상기 컨트롤러는,
상기 솔라셀의 출력이 상기 전장 부하의 소모 전력보다 작은 경우 상기 제1 솔라셀 컨버터를 온시키고 상기 제2 솔라셀 컨버터를 오프시키며, 상기 보조 배터리의 충전 상태에 기반하여 상기 저전압 컨버터의 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 솔라셀을 포함하는 차량 시스템.
청구항 1 또는 청구항 5에 있어서, 상기 컨트롤러는,
상기 솔라셀의 출력이 상기 전장 부하의 소모 전력보다 작은 경우 상기 제1 솔라셀 컨버터를 온시키고 상기 제2 솔라셀 컨버터를 오프시키며, 상기 보조 배터리의 충전 상태가 사전 설정된 기준값 보다 큰 경우 상기 저전압 컨버터를 오프 시키거나 상기 저전압 컨버터의 출력 전류가 0이 되도록 상기 저전압 컨버터를 제어하는 것을 특징으로 하는 솔라셀을 포함하는 차량 시스템.
청구항 1 또는 청구항 5에 있어서, 상기 컨트롤러는,
상기 솔라셀의 출력이 상기 전장 부하의 소모 전력보다 작은 경우 상기 제1 솔라셀 컨버터를 온시키고 상기 제2 솔라셀 컨버터를 오프시키며, 상기 보조 배터리의 충전 상태가 사전 설정된 기준값 이하인 큰 경우 상기 저전압 컨버터를 온시키는 것을 특징으로 하는 솔라셀을 포함하는 차량 시스템.
청구항 7에 있어서, 상기 컨트롤러는,
상기 저전압 컨버터를 최대 효율 전류를 출력하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 솔라셀을 포함하는 차량 시스템.
고전압 배터리와, 상기 고전압 배터리의 전압을 하향 변환하여 출력하는 저전압 컨버터와, 상기 컨버터에서 하향 변환된 전압을 인가 받는 보조 배터리 및 전장 부하와, 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 솔라셀과, 상기 솔라셀의 출력을 상기 보조 배터리의 전압에 대응되는 전압으로 변환하여 상기 보조 배터리 및 상기 전장 부하로 출력하는 제1 솔라셀 컨버터 및 상기 솔라셀의 출력을 상기 고전압 배터리의 전압에 대응되는 전압으로 변환하여 상기 고전압 배터리로 출력하는 제2 솔라셀 컨버터를 포함하는 차량 시스템의 제어 방법에 있어서,
상기 솔라셀의 출력과 상기 전장 부하의 소모 전력을 비교하는 단계;
상기 보조 배터리의 충전 상태를 확인하는 단계; 및
상기 솔라셀의 출력과 상기 전장 부하의 소모 전력을 비교한 결과 및 상기 보조 배터리의 충전 상태에 기반하여 상기 저전압 컨버터, 상기 제1 솔라셀 컨버터 및 상기 제2 솔라셀 컨버터의 동작을 제어하는 단계;
를 포함하는 솔라셀을 포함하는 차량 시스템의 제어 방법.
청구항 9에 있어서, 상기 제어하는 단계는,
상기 솔라셀의 출력이 상기 전장 부하의 소모 전력 이상이고 상기 보조 배터리가 만충 상태인 경우, 상기 제1 솔라셀 컨버터를 오프시키고 상기 제2 솔라셀 컨버터를 온시키며 상기 저전압 컨버터를 오프 시키거나 상기 저전압 컨버터의 출력 전류가 0이 되도록 상기 저전압 컨버터를 제어하는 것을 특징으로 하는 솔라셀을 포함하는 차량 시스템의 제어 방법.
청구항 9에 있어서, 상기 제어하는 단계는,
상기 솔라셀의 출력이 상기 전장 부하의 소모 전력 이상이고 상기 보조 배터리가 만충 상태가 아닌 경우, 상기 제1 솔라셀 컨버터를 온시키고 상기 제2 솔라셀 컨버터를 오프시키며 상기 저전압 컨버터를 오프 시키거나 상기 저전압 컨버터의 출력 전류가 0이 되도록 상기 저전압 컨버터를 제어하는 것을 특징으로 하는 솔라셀을 포함하는 차량 시스템의 제어 방법.
청구항 9에 있어서, 상기 제어하는 단계는,
상기 솔라셀의 출력이 상기 전장 부하의 소모 전력보다 작은 경우 상기 제1 솔라셀 컨버터를 온시키고 상기 제2 솔라셀 컨버터를 오프시키며, 상기 보조 배터리의 충전 상태가 사전 설정된 기준값 보다 큰 경우 상기 저전압 컨버터를 오프 시키거나 상기 저전압 컨버터의 출력 전류가 0이 되도록 상기 저전압 컨버터를 제어하는 것을 특징으로 하는 솔라셀을 포함하는 차량 시스템의 제어 방법.
청구항 9에 있어서, 상기 제어하는 단계는,
상기 솔라셀의 출력이 상기 전장 부하의 소모 전력보다 작은 경우 상기 제1 솔라셀 컨버터를 온시키고 상기 제2 솔라셀 컨버터를 오프시키며, 상기 보조 배터리의 충전 상태가 사전 설정된 기준값 이하인 큰 경우 상기 저전압 컨버터를 온시키는 것을 특징으로 하는 솔라셀을 포함하는 차량 시스템의 제어 방법.
청구항 13에 있어서, 상기 제어하는 단계는,
상기 저전압 컨버터를 최대 효율 전류를 출력하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 솔라셀을 포함하는 차량 시스템의 제어 방법.