KR20210073052A - 전기 자동차용 충방전 제어 장치 및 방법 - Google Patents

전기 자동차용 충방전 제어 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기 자동차용 충방전 제어 장치 및 방법에 대한 것이다. 본 발명은, 전기 자동차의 배터리의 충전 및 방전을 제어하는 충방전 제어 장치에 있어서, 배터리의 양단에 각각 연결되는 제 1 전력 공급라인과 제 2 전력 공급라인; 상기 제 2 전력 공급라인에 병렬로 배치되는 충방전 제어라인; 상기 충방전 제어라인에 구비되는 백투백 IGBT; 및 상기 백투백 IGBT의 작동을 제어하는 MCU;를 포함하는 전기 자동차용 충방전 제어 장치 및 이를 이용한 충방전 제어 방법을 제공한다.

Description

전기 자동차용 충방전 제어 장치 및 방법 {CHARGING/DISCHARGING DEVICE AND METHOD FOR ELECTRIC VEHICLE}
본 발명은 전기 자동차용 충방전 제어 장치 및 방법에 대한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 배터리의 충전과 방전을 안정적으로 수행할 수 있는 전기 자동차용 충방전 제어 장치 및 방법에 대한 것이다.
환경과 에너지에 대한 관심이 증가함에 따라 전기를 에너지원으로 사용하는 전기 자동차의 개발과 양산이 증가하고 있다. 이러한 전기 자동차에는 사용 동력에 따라 하이브리드 전기 자동차(Hybrid Electric Vehicle : HEV), 플러그인 하이브리드 전기 자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle : PHEV), 엔진을 제거하고 모터로만 동력을 공급하는 전기 자동차(Electric Vehicle : EV), 및 연료 전지를 이용한 연료전지 자동차(Fuel Cell Electric Vehicle : FCEV) 등이 있다. 이 중 PHEV와 EV는 외부에서 공급되는 전원을 이용하여 차량 내부에 구비된 고전압 배터리를 충전하고, 고전압 배터리에 충전된 전원에 대한 방전 제어를 통해 차량 구동을 위한 구동 모터에 전원을 공급한다.
고전압 배터리의 충전과 방전 제어에 있어서, 기계식 릴레이를 스위치로 사용한 것이 있다. 그런데, 기계식 릴레이를 사용하는 경우 부피가 크고 무거워 차량 전장품의 크기와 무게를 증가시키는 문제점과, 스위치 접촉으로 인한 돌입 전류로 인해 기계식 릴레이가 융착되는 문제가 발생하는 단점이 있다. 또한, 충전과 방전라인을 하나의 라인으로 구성하는 경우 단일 충방전라인으로 인해 열 분배가 되지 않아 충전 효율이 저하되는 문제점이 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2018-0113338호 (2018.10.16. 공개)
본 발명은 돌입 전류의 유입을 효과적으로 차단하고, 릴레이가 부담하는 부하를 감소시켜 릴레이 융착을 방지함으로써 배터리의 충전과 방전을 안정적으로 수행할 수 있는 전기 자동차용 충방전 제어 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 전기 자동차의 배터리의 충전 및 방전을 제어하는 충방전 제어 장치에 있어서, 배터리의 양단에 각각 연결되는 제 1 전력 공급라인과 제 2 전력 공급라인; 상기 제 2 전력 공급라인에 병렬로 배치되는 충방전 제어라인; 상기 충방전 제어라인에 구비되는 백투백 IGBT; 및 상기 백투백 IGBT의 작동을 제어하는 MCU;를 포함하는 전기 자동차용 충방전 제어 장치를 제공한다.
일 실시예에 있어서, 상기 백투백 IGBT는 이미터 또는 컬렉터를 서로 연결한 제 1 IGBT 및 제 2 IGBT를 포함한다.
또한, 상기 전기 자동차용 충방전 제어 장치는, 상기 제 1 IGBT 또는 상기 제 2 IGBT에 구동을 위한 PWM 제어신호를 인가하는 게이트 구동 IC를 더 포함하고, 상기 PWM 제어신호의 듀티에 의해 상기 충방전 제어라인을 통한 전류 흐름이 제어될 수 있다.
또한, 상기 제 1 전력 공급라인에는 제 1 릴레이가 구비될 수 있다.
또한, 상기 제 2 전력 공급라인에는 상기 충방전 제어라인과 병렬인 위치에 릴레이가 구비될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제 2 전력 공급라인은 상기 충방전 제어라인과 병렬로 배치되는 충전라인과 방전라인을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 충전라인에는 제 2 릴레이가 구비되고, 상기 방전라인에는 제 3 릴레이가 구비될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 MCU는, 상기 제 2 전력 공급라인의 상기 릴레이의 온(On) 이전에 상기 백투백 IGBT를 제어하여 상기 배터리의 충전 또는 방전시에 프리차지를 수행할 수 있다.
또한, 상기 MCU는 상기 제 2 전력 공급라인의 릴레이가 온(On) 상태에서, 상기 릴레이의 온도 또는 전류가 기준값보다 큰 경우, 상기 백투백 IGBT를 제어하여 상기 충방전 제어라인을 통한 전류 흐름을 가능하게 할 수 있다.
본 발명은, 저속 충전부 및 고속 충전부 중 적어도 하나와, 인버터와, 배터리와, 상기 배터리의 양단에 각각 연결되는 제 1 전력 공급라인 및 제 2 전력 공급라인과, 상기 제 2 전력 공급라인에 병렬로 배치되는 충방전 제어라인과, 상기 충방전 제어라인에 구비되며 적어도 2개의 IGBT의 이미터 또는 컬렉터를 상호 연결하여 구성되는 백투백 IGBT, 및 상기 백투백 IGBT의 작동을 제어하는 MCU를 포함하는 전기 자동차의 배터리 충방전 제어 방법에 있어서, 상기 배터리의 충전 또는 방전 제어 초기 단계에서 상기 제 2 전력 공급라인에 구비된 릴레이는 오프시키고, 상기 백투백 IGBT를 제어하여 상기 충방전 제어라인을 통해 프리차지를 수행하는 단계;를 포함하는 전기 자동차용 충방전 제어 방법을 제공한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제 2 전력 공급라인에는 충전라인이 상기 충방전 제어라인과 병렬로 구비되고, 상기 충전라인에는 제 2 릴레이가 구비되며, 상기 제어 방법은 상기 프리차지가 완료된 후, 상기 제 2 릴레이를 온(On)시켜 상기 충전라인을 통해 상기 배터리의 충전을 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제 2 전력 공급라인에는 방전라인이 상기 충방전 제어라인과 병렬로 구비되고, 상기 방전라인에는 제 3 릴레이가 구비되며, 상기 제어 방법은, 상기 프리차지가 완료된 후, 상기 제 3 릴레이를 온(On)시켜 상기 방전라인을 통해 상기 인버터로의 방전을 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 저속 충전부에 의해 상기 배터리의 충전이 수행되는 경우, 상기 백투백 IGBT를 제어하여 상기 충방전 제어라인을 통해 상기 배터리의 저속 충전을 수행하는 단계가 더 포함될 수 있다.
또한, 본 발명은, 저속 충전부 및 고속 충전부 중 적어도 하나와, 인버터와, 배터리와, 상기 배터리의 양단에 각각 연결되는 제 1 전력 공급라인 및 제 2 전력 공급라인과, 상기 제 2 전력 공급라인에 병렬로 배치되는 충방전 제어라인과, 상기 충방전 제어라인에 구비되며 적어도 2개의 IGBT의 이미터 또는 컬렉터를 상호 연결하여 구성되는 백투백 IGBT, 및 상기 백투백 IGBT의 작동을 제어하는 MCU를 포함하는 전기 자동차의 배터리 충방전 제어 방법에 있어서, 상기 제 2 전력 공급라인에는 적어도 하나의 릴레이가 상기 충방전 제어라인과 병렬로 구비되고, 상기 릴레이의 온도 또는 상기 릴레이를 흐르는 전류값을 측정하는 단계; 상기 온도 또는 상기 전류값이 기준값보다 큰지를 판단하는 단계; 및 상기 판단 결과 상기 온도 또는 상기 전류값이 기준값보다 큰 경우 상기 백투백 IGBT를 스위칭 제어하여 상기 충방전 제어라인을 통한 전류 흐름을 허용하는 단계;를 포함하는 전기 자동차용 충방전 제어 방법을 제공한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제 2 전력 공급라인에는, 충전라인과 방전라인이 상기 충방전 제어라인과 병렬로 구비되고, 상기 충전라인과 상기 방전라인에는 제 2 릴레이와 제 3 릴레이가 각각 구비되며, 방전시에는 상기 제 2 릴레이가 온되고, 충전시에는 상기 제 3 릴레이가 온될 수 있다.
본 발명에 따르면, 백투백 IGBT 구성을 이용하여 돌입 전류를 차단할 수 있고, 배터리의 충방전 제어시 릴레이에 인가하는 부하를 감소시켜 릴레이의 융착을 방지하는 한편 과도한 발열을 제어할 수 있는 효과가 있다.
이에 따라, 본 발명에 따른 전기 자동차용 충방전 제어 장치 및 방법은 고장 발생 위험을 최소화하고 고전압 배터리의 안정적이고 효율적인 충방전 제어를 수행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기 자동차용 충방전 제어 장치를 구비하는 전기 자동차의 전력 시스템의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기 자동차용 충방전 제어 장치에 있어서 백투백 IGBT 모듈을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 충전 제어 방법을 도시한 순서도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 방전 제어 방법을 도시한 순서도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
충방전 제어 장치(200)를 포함하는 전력 시스템
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기 자동차용 충방전 제어 장치를 구비하는 전기 자동차의 전력 시스템의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다. 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기 자동차용 충방전 제어 장치에 있어서 백투백 IGBT 모듈을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 전기 자동차의 전력 시스템은, 복수의 전력 공급/수급 장치(20, 30, 40, 50)와, 전력 공급/수급 장치(20, 30, 40, 50)와 연결되어 전력을 분배하는 전력 분배부(10, Power Distribution Unit : PDU)와, 전력 분배부(10)와 연결된 배터리부(100)를 포함한다. 배터리부(100)는, 전력을 저장하는 배터리(110)와, 자동차 또는 배터리의 상태를 관리하고 배터리의 충전 또는 방전을 지시하는 전력 관리부(120)와, 상기 전력 관리부(120)의 요구에 따라 배터리(110)의 충전 또는 방전을 제어하는 충방전 제어 장치(200)를 포함한다. 전력 관리부(120)와 충방전 제어 장치(200)는 신호 연결을 위한 시그널 커넥터(130)를 통해 연결될 수 있다.
전력 분배부(10)는 복수의 전력 공급/수급 장치(20, 30, 40, 50)와 충방전 제어 장치(200) 간의 연결을 선택적으로 제어한다. 전력 분배부(10)에 의해 충방전 제어 장치(200)는 복수의 전력 공급/수급 장치(20, 30, 40, 50) 중 적어도 하나와 연결되어 전력을 공급받거나 공급한다.
전력 공급/수급 장치(20, 30, 40, 50)는, 배터리의 저속 충전을 수행하는 저속 충전부(20), 배터리(110)의 고속 충전을 수행하는 고속 충전부(30), 배터리(110)로부터 전력을 공급받아 자동차의 구동을 위한 구동 모터(미도시)로 전력을 공급하는 인버터(40)를 포함할 수 있다. 또한, 전기 자동차의 운행을 위하여 전력을 소모하는 것으로서, 특정 부품의 가열을 위한 히터(52), 에어콘 등의 공조 장치를 제어하는 ACCM(54)(Air Conditioning Control Module), 또는 차량 객실 내부의 온도를 제어하는 CHCM(56)(Coolant Heater Control Module)과 같은 전력 소모부(50)가 전력 공급/수급 장치(20, 30, 40, 50)로서 포함될 수 있다.
전력 관리부(120)는, 전기 자동차의 주행 및 동작을 제어하는 차량 제어 모듈(VCM : Vehicle Control Module) 또는/및 배터리(110)의 상태를 모니터링하고 제어하는 배터리 관리 시스템(BMS : Battery Monitoring System)일 수 있다. 전력 관리부(120)는 배터리(110)의 충전 또는 방전에 대한 지시를 충방전 제어 장치(200)로 전달할 수 있다.
충방전 제어 장치(200)는, 배터리(110)의 양단에 각각 연결되어 배터리(110)와 전력 분배부(10)를 연결하는 제 1 전력 공급라인(202)과 제 2 전력 공급라인(204)을 포함한다. 일 실시예에 있어서, 제 2 전력 공급라인(204)에는 충방전 제어라인(208)이 병렬로 구비된다. 또한, 제 2 전력 공급라인(204)은 상기 충방전 제어라인(208)과 병렬로 배치되는 충전라인(206a)과 방전라인(206b)을 더 구비할 수 있다. 또한, 일 실시예에 있어서, 제 1 전력 공급라인(202)은 배터리(110)의 양(+)극에 연결되고 제 2 전력 공급라인(204)은 배터리(110)의 음(-)극에 연결될 수 있다.
또한, 충방전 제어 장치(200)는, 제 1 전력 공급라인(202)에 구비되어 제 1 전력 공급라인(202)을 연결 또는 차단하는 제 1 릴레이(210), 충전라인(206a)에 구비되어 충전라인(206a)을 연결 또는 차단하는 제 2 릴레이(220), 방전라인(206b)에 구비되어 방전라인(206b)을 연결 또는 차단하는 제 3 릴레이(230), 충방전 제어라인(208)에 구비되는 백투백 IGBT(240), 및 이들 릴레이(210, 220, 230) 및 백투백 IGBT(240)의 작동을 제어하는 MCU(250)를 포함할 수 있다. 한편, 일 실시예에 있어서 제 2 전력 공급라인(204)에는 션트저항(222)이 구비되어 배터리(110)의 전류를 센싱할 수 있다.
백투백 IGBT(240)는 두 개의 IGBT(242, 244)를 서로 대향하여 연결한 것이다. IGBT(Insulated-Gate Bipolar Transistor)는 입력부가 MOSFET 구조를 갖고 출력부가 바이폴라 구조를 갖는 복합 갖는 전기 소자이다. IGBT의 경우 ICE 방향에서는 전류 블록킹(blocking)이 가능하나 IEC 방향에서는 일반 회로처럼 단락(short)으로 동작한다. 본 발명에서는 두 개의 IGBT(242, 244)를 서로 대항하여 연결함으로써 구성된 백투백(Back-to-Back) 연결 방식의 백투백 IGBT(240)를 적용한 것에 일 특징이 있다. 일 실시예에 있어서, 제 1 IGBT(240a)와 제 2 IGBT(240b)는 이미터(emitter)가 서로 연결될 수 있다. 이렇게 구성된 백투백 IGBT(240)는 양 방향 전류 블록킹이 가능할 수 있다. 또한, 제 1 IGBT(240a)와 제 2 IGBT(240b)는 컬렉터(collector)가 서로 연결되는 것도 가능할 수 있으며, 이 경우에는 이미터(emitter)가 서로 연결된 경우와는 반대 방식으로 제어가 이루어질 수 있다.
백투백 IGBT(240)의 제어를 위하여, 충방전 제어 장치(200)는, 제 1 IGBT(240a)와 제 2 IGBT(240b)의 게이트 구동을 위한 게이트 구동 IC(242)와, 전압 공급을 위한 전압 레귤레이터(244)를 더 포함할 수 있다. 게이트 구동 IC(242)는 MCU(250)의 제어에 의해 제 1 IGBT(240a)와 제 2 IGBT(240b)에 게이트 구동 신호를 전달할 수 있다. 이러한 백투백 IGBT(204)는, 제 1 IGBT(240a)와 제 2 IGBT(240b) 중 적어도 어느 하나에 PMW 구동 신호를 공급하여 제어함으로써, 도 2를 기준으로 우측 방향 또는 좌측 방향으로의 전류 공급을 가능하게 할 수 있다.
프리차지(Pre-Charge)
본 발명에 따른 충방전 제어장치(200)를 이용하여 방전 제어시의 프리차지에 대하여 설명한다. 일례로, 배터리(110)로부터 인버터(40)로 전력을 공급할 때 배터리(110)와 인버터(40) 간에 전위를 일치시키지 않으면 돌입전류에 의해 릴레이가 융착될 수 있다. 이를 방지하기 위하여 방전 제어시 백투백 IGBT(240)를 제어하여 배터리(110)와 인버터(40)의 전위를 동일하게 한다.
프리차지를 위한 절차를 설명하면, 먼저 모든 릴레이(210, 220, 230)와 백투백 IGBT(240)는 오픈(Open, 즉 Off)된 상태로 한다.
다음으로, 제 1 릴레이(210)를 온(On)하여 방전을 준비한다.
백투백 IGBT(240)를 PWM(Pulse Width Modulation) 제어하여 충방전 제어라인(208)을 통해 전류가 인버터(40) 측으로 공급되도록 한다. 백투백 IGBT(240)의 게이트에 구동 신호를 PWM 방식으로 인가하면, 충방전 제어라인(208)을 통해 전류가 인버터(40) 측으로 순차 공급되고, 배터리(110)와 인버터(40)의 전위는 등전위가 된다.
이후, 백투백 IGBT(240)를 오픈시키고 방전라인(206b)에 구비된 제 3 릴레이(230)를 온하여 방전을 시작한다.
한편, 이러한 프리차지 제어는 배터리(110)의 충전시에도 수행될 수 있다. 즉, 배터리(110)의 충전시 돌입 전류에 의한 릴레이(210, 220)의 손상을 방지하기 위하여, 제 1 릴레이(210)를 온시키고, 제 2 릴레이(220)를 온시키기 전에, 백투백 IGBT(240)를 PWM 제어하여 충방전 제어라인(208)을 통해 저속 충전부(20) 또는 고속 충전부(30)로부터의 전류가 배터리(110)로 선공급되도록 할 수 있다. 일정 시간 또는 일정 전압에 이른 후 백투백 IGBT(240)를 오픈시키고 제 2 릴레이(220)를 온시켜 배터리(110)의 충전을 계속할 수 있다.
충방전시 발열 제어
먼저, 방전시의 릴레이 발열 제어를 설명한다.
제 1 릴레이(210)는 온, 백투백 IGBT(240)는 오픈, 제 2 릴레이(220)는 오프, 그리고 제 3 릴레이(230)는 온 상태에서, 배터리(110)의 전력은 인버터(40) 및/또는 전력 소모부(50)에 공급되고 있는 상태임을 가정한다.
일 실시예에 있어서, MCU(250)는 제 1 또는 제 3 릴레이(210, 230) 중 적어도 하나에 인가되는 부하를 감지하거나, 제 1 또는 제 3 릴레이(210, 230)의 온도를 감지할 수 있다. 이를 위하여, MCU(250)는 제 1 또는 제 3 릴레이(210, 230)를흐르는 전류를 모니터링할 수 있다. 또는 제 1 또는 제 3 릴레이(210, 230)의 온도나, 충방전 제어 장치(200)의 하우징(미도시)의 온도를 측정하는 센서가 구비될 수 있다.
제 1 또는 제 3 릴레이(210, 230)에 과도한 부하가 인가되는 경우, 또는 제 1 또는 제 3 릴레이(210, 230)의 온도가 일정값 이상으로 상승하는 경우, MCU(250)는 백투백 IGBT(240)를 PMW 제어하여 충방전 제어라인(208)으로 전류가 일부 흐를 수 있도록 한다.
이에 따라 방전라인(206b)을 통해 공급되는 전류가 감소되어 적어도 제 3 릴레이(230)에 인가되는 부하를 경감시키거나 온도를 감소시킬 수 있다.
다음으로, 충전시의 릴레이 발열 제어를 설명한다.
제 1 릴레이(210)는 온, 백투백 IGBT(240)는 오픈, 제 2 릴레이(220)는 온, 그리고 제 3 릴레이(230)는 오프 상태에서, 저속 충전부(20) 또는 고속 충전부(30)를 통해 배터리(110)의 충전이 진행되는 것으로 가정한다.
일 실시예에 있어서, MCU(250)는 제 1 또는 제 2 릴레이(210, 220) 중 적어도 하나에 인가되는 부하를 감지하거나, 제 1 또는 제 2 릴레이(210, 220)의 온도를 감지할 수 있다. 이를 위하여, MCU(250)는 제 1 또는 제 2 릴레이(210, 220)를 통해 흐르는 전류를 모니터링할 수 있다. 또는 제 1 또는 제 2 릴레이(210, 220)의 온도나, 충방전 제어 장치(200)의 하우징(미도시)의 온도를 측정하는 센서가 구비될 수 있다.
제 1 또는 제 3 릴레이(210, 230)에 과도한 부하가 인가되는 경우, 또는 제 1 또는 제 3 릴레이(210, 230)의 온도가 일정값 이상으로 상승하는 경우, MCU(250)는 백투백 IGBT(240)를 PMW 제어하여 충방전 제어라인(208)으로 전류가 일부 흐를 수 있도록 한다.
이에 따라 충전라인(206a)을 통해 공급되는 전류가 감소되어 적어도 제 2 릴레이(220)에 인가되는 부하를 경감시키거나 온도를 감소시킬 수 있다.
저속 충전 제어
한편, 본 발명에 따른 충방전 제어 장치(200)는, 저속 충전부(20)를 통한 배터리(110) 충전시 충방전 제어라인(208)을 통한 충전 경로를 제공할 수 있다.
제 1 릴레이(210)는 온, 백투백 IGBT(240)는 오픈, 제 2 릴레이(220)는 오프, 그리고 제 3 릴레이(230)는 오프 상태에서, 저속 충전부(20)를 통해 배터리(110)의 충전이 진행되는 것으로 가정한다.
저속 충전의 경우 전류는 수십 암페어(A) 이하이고, IGBT는 고전압 및 고전류에 대하여 작동이 가능하므로 저속 충전의 경우에는 백투백 IGBT를 이용한 충전 경로 제공이 가능할 수 있다.
저속 충전시, 백투백 IGBT(240)를 PMW 제어하여 충방전 제어라인(208)을 통해 저속 충전부(20)에서 배터리(110) 측으로의 전류 공급이 가능하도록 한다.
다음으로 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 충방전 제어 방법에 대하여 설명한다.
충전 제어 방법
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 충전 제어 방법을 도시한 순서도이다.
충전을 위하여 충전 포트를 연결한다(S100). 충전 포트는 충전 방식에 따라 저속 충전부(20) 또는 고속 충전부(30)로 연결될 수 있다.
충전 시작시에, 프리차지 과정이 수행될 수 있다(S102). 프리차지 과정은, MCU(250)에 의해 제 1 릴레이(210)가 온(On)된 후, 제 2 릴레이(220)를 온시키기 전에 백투백 IGBT(240)를 PWM 제어하여 충방전 제어라인(208)을 통해 배터리(110)가 연결되도록 함으로써 수행될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 프리차지는, 백투백 IGBT(240)를 소정의 높은 듀티(duty), 예를 들면 95%의 PWM 듀티로 제어하고(S104), 그 후 백투백 IGBT(240)를 낮은 듀티, 예를 들면 5%의 PMW 듀티로 제어함으로써(S106) 수행될 수 있다. 경우에 따라서는 백투백 IGBT(240)를 오픈시키는 것도 가능할 수 있다.
프리차지 과정(S102)이 완료된 후, 충전 방식에 따라(S108) 고속 충전의 경우에는 제 2 릴레이(220)를 온(On)시켜 충전라인(206a)을 통해 배터리(110) 충전을 수행한다.
배터리 충전시, 제 1 릴레이(210) 또는 제 2 릴레이(220)의 온도를 측정할 수 있다(S112). 온도가 기준값보다 크면 백투백 IGBT(240)를 소정 듀티로 스위칭하여 충방전 제어라인(208)을 통해 배터리 충전 전류의 일부가 흐를 수 있도록 함으로써, 릴레이의 온도를 낮출 수 있다(S116). 만약, 온도가 기준값보다 작으면 백투백 IGBT(240)를 오프시키는 것도 가능하다(S118).
S112 내지 S116 단계는, 제 1 릴레이(210) 또는 제 2 릴레이(220)를 흐르는 전류를 기준값과 비교하여 수행되는 것도 가능할 수 있다.
한편, S108 단계에서, 저속 충전의 경우에는 제 2 릴레이(220)는 오프 상태로 유지하고 백투백 IGBT(240)를 스위칭하여 충방전 제어라인을 통해 배터리(110)의 충전이 이루어지도록 할 수 있다.
또한, 저속 충전의 경우라도, S120 단계가 아니라, S110 내지 S118 단계를 통해 배터리(110)의 충전이 이루어지도록 하는 것도 가능할 수 있다.
방전 제어 방법
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 방전 제어 방법을 도시한 순서도이다.
방전 제어시, 예를 들면 인버터(40)로의 방전시, 프리차지 과정이 먼저 수행될 수 있다(S220). 프리차지 과정은 전술한 바와 같이, 모든 릴레이(210, 220, 230)와 백투백 IGBT(240)는 오픈(Open, 즉 Off)된 상태에서, 제 1 릴레이(210)를 온(On)하여 방전을 준비하고, 백투백 IGBT(240)를 PWM제어하여 충방전 제어라인(208)을 통해 전류가 인버터(40) 측으로 공급되도록 하여 배터리(110)와 인버터(40)의 전위를 일치시킨다.
다음으로, 제 3 릴레이(230)를 온시키고 방전라인(206b)을 연결한다(S202).
방전 제어시 제 3 릴레이(230) 등의 온도 측정 또는 전류 측정이 수행될 수 있다(S204, S206).
온도가 기준값보다 크거나(S208) 또는 전류가 기준값보다 크면(S210), 백투백 IGBT(240)를 PWM 제어하여 충방전 제어라인(208)을 통해 일부 전류를 흐르게 함으로써 제 3 릴레이(230) 등의 과열을 방지할 수 있다.
만약 온도가 기준값보다 크지 않으면 백투백 IGBT(240)는 오프 상태로 유지한다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10 : 전력 분배부 20 : 저속 충전부
30 : 고속 충전부 40 : 인버터
50 : 전력 소모부 100 : 배터리부
110 : 배터리 120 : 전력 관리부
130 : 시그널 커넥터 200 : 충방전 제어 장치
202 : 제 1 전력 공급라인 204 : 제 2 전력 공급라인
206a : 충전라인 206b : 방전라인
208 : 충방전 제어라인 210 : 제 1 릴레이
220 : 제 2 릴레이 230 : 제 3 릴레이
240 : 백투백 IGBT 242 : 게이트 구동 IC
244 : 전압 레귤레이터 250 : MCU

Claims (15)

  1. 전기 자동차의 배터리의 충전 및 방전을 제어하는 충방전 제어 장치에 있어서,
    배터리의 양단에 각각 연결되는 제 1 전력 공급라인과 제 2 전력 공급라인;
    상기 제 2 전력 공급라인에 병렬로 배치되는 충방전 제어라인;
    상기 충방전 제어라인에 구비되는 백투백 IGBT; 및
    상기 백투백 IGBT의 작동을 제어하는 MCU;
    를 포함하는 전기 자동차용 충방전 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 백투백 IGBT는 이미터 또는 컬렉터를 서로 연결한 제 1 IGBT 및 제 2 IGBT를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 충방전 제어 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 IGBT 또는 상기 제 2 IGBT에 구동을 위한 PWM 제어신호를 인가하는 게이트 구동 IC를 더 포함하고, 상기 PWM 제어신호의 듀티에 의해 상기 충방전 제어라인을 통한 전류 흐름이 제어되는 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 충방전 제어 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전력 공급라인에는 제 1 릴레이가 구비되는 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 충방전 제어 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 전력 공급라인에는 상기 충방전 제어라인과 병렬인 위치에 릴레이가 구비되는 것을 특징으로 하는 충방전 제어 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 전력 공급라인은 상기 충방전 제어라인과 병렬로 배치되는 충전라인과 방전라인을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 충방전 제어 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 충전라인에는 제 2 릴레이가 구비되고, 상기 방전라인에는 제 3 릴레이가 구비되는 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 충방전 제어 장치.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 MCU는, 상기 제 2 전력 공급라인의 상기 릴레이의 온(On) 이전에 상기 백투백 IGBT를 제어하여 상기 배터리의 충전 또는 방전시에 프리차지를 수행하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 충방전 제어 장치.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 MCU는 상기 제 2 전력 공급라인의 릴레이가 온(On) 상태에서, 상기 릴레이의 온도 또는 전류가 기준값보다 큰 경우, 상기 백투백 IGBT를 제어하여 상기 충방전 제어라인을 통한 전류 흐름을 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 충방전 제어 장치.
  10. 저속 충전부 및 고속 충전부 중 적어도 하나와, 인버터와, 배터리와, 상기 배터리의 양단에 각각 연결되는 제 1 전력 공급라인 및 제 2 전력 공급라인과, 상기 제 2 전력 공급라인에 병렬로 배치되는 충방전 제어라인과, 상기 충방전 제어라인에 구비되며 적어도 2개의 IGBT의 이미터 또는 컬렉터를 상호 연결하여 구성되는 백투백 IGBT, 및 상기 백투백 IGBT의 작동을 제어하는 MCU를 포함하는 전기 자동차의 배터리 충방전 제어 방법에 있어서,
    상기 배터리의 충전 또는 방전 제어 초기 단계에서 상기 제 2 전력 공급라인에 구비된 릴레이는 오프시키고, 상기 백투백 IGBT를 제어하여 상기 충방전 제어라인을 통해 프리차지를 수행하는 단계;
    를 포함하는 전기 자동차용 충방전 제어 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 2 전력 공급라인에는 충전라인이 상기 충방전 제어라인과 병렬로 구비되고, 상기 충전라인에는 제 2 릴레이가 구비되며,
    상기 프리차지가 완료된 후, 상기 제 2 릴레이를 온(On)시켜 상기 충전라인을 통해 상기 배터리의 충전을 수행하는 단계를 더 포함하는 전기 자동차용 충방전 제어 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 2 전력 공급라인에는 방전라인이 상기 충방전 제어라인과 병렬로 구비되고, 상기 방전라인에는 제 3 릴레이가 구비되며,
    상기 프리차지가 완료된 후, 상기 제 3 릴레이를 온(On)시켜 상기 방전라인을 통해 상기 인버터로의 방전을 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 충방전 제어 방법.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 저속 충전부에 의해 상기 배터리의 충전이 수행되는 경우, 상기 백투백 IGBT를 제어하여 상기 충방전 제어라인을 통해 상기 배터리의 저속 충전을 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 충방전 제어 방법.
  14. 저속 충전부 및 고속 충전부 중 적어도 하나와, 인버터와, 배터리와, 상기 배터리의 양단에 각각 연결되는 제 1 전력 공급라인 및 제 2 전력 공급라인과, 상기 제 2 전력 공급라인에 병렬로 배치되는 충방전 제어라인과, 상기 충방전 제어라인에 구비되며 적어도 2개의 IGBT의 이미터 또는 컬렉터를 상호 연결하여 구성되는 백투백 IGBT, 및 상기 백투백 IGBT의 작동을 제어하는 MCU를 포함하는 전기 자동차의 배터리 충방전 제어 방법에 있어서,
    상기 제 2 전력 공급라인에는 적어도 하나의 릴레이가 상기 충방전 제어라인과 병렬로 구비되고,
    상기 릴레이의 온도 또는 상기 릴레이를 흐르는 전류값을 측정하는 단계;
    상기 온도 또는 상기 전류값이 기준값보다 큰지를 판단는 단계; 및
    상기 판단 결과 상기 온도 또는 상기 전류값이 기준값보다 큰 경우 상기 백투백 IGBT를 스위칭 제어하여 상기 충방전 제어라인을 통한 전류 흐름을 허용하는 단계;
    를 포함하는 전기 자동차용 충방전 제어 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 2 전력 공급라인에는, 충전라인과 방전라인이 상기 충방전 제어라인과 병렬로 구비되고, 상기 충전라인과 상기 방전라인에는 제 2 릴레이와 제 3 릴레이가 각각 구비되며,
    방전시에는 상기 제 2 릴레이가 온되고, 충전시에는 상기 제 3 릴레이가 온되는 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 충방전 제어 방법.
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