KR20220170352A - 전기 자동차의 배터리 관리 시스템에 전력을 공급하기 위한 양방향 전력 공급 시스템 - Google Patents

전기 자동차의 배터리 관리 시스템에 전력을 공급하기 위한 양방향 전력 공급 시스템 Download PDF

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Abstract

본 개시는 전기 자동차의 제어 유닛(16)에 전력을 공급하기 위한 양방향 전력 공급 시스템으로서, 양방향 전력 공급 시스템은, 제1 작동 모드에서 저전압 보드 네트의 구성요소로서 제어 유닛(16)에 전력을 공급하도록 구성된 저전압 1차 전력 공급 장치, 고전압 보드 네트의 일부인 전기 자동차의 고전압 견인 배터리(14), 및 제1 작동 모드에서 에너지를 저전압 보드 네트로부터 고전압 보드 네트로 전달하여 1차 전력 공급 장치를 통해 고전압 보드 네트의 구성요소에 전력을 공급하도록 구성된 양방향 DC-DC 컨버터(12) - 양방향 DC-DC 컨버터(12)는 제2 작동 모드에서 1차 전력 공급 장치가 손실된 경우에 고전압 견인 배터리(14)를 통해 제어 유닛(16)에 전력을 공급하기 위해 고전압 보드 네트로부터 저전압 보드 네트로 에너지를 전달하도록 더 구성됨 -를 포함하는, 양방향 전력 공급 시스템에 관한 것이다.

Description

전기 자동차의 배터리 관리 시스템에 전력을 공급하기 위한 양방향 전력 공급 시스템{Bidirectional power supply system for powering a battery management system of an electric vehicle}
본 발명은 전기 자동차의 저전압 보드 네트, 특히 배터리 관리 시스템의 하나 이상의 구성요소에 전력을 공급하기 위한 양방향 전력 공급 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 또한 이러한 양방향 전력 공급 시스템을 포함하는 전기 자동차에 관한 것이다.
최근에, 전력을 동력원으로 사용하여 물품과 사람을 운송하는 차량들이 개발되었다. 이러한 전기 차량은 전기 모터에 의해 이차 배터리들에 저장된 에너지를 사용하여 구동되는 차량이다. 전기 차량은 배터리들에 의해서만 전력을 공급받을 수 있거나, 또는 예를 들어 가솔린 발전기에 의해 동력을 공급받는 하이브리드(hybrid) 차량의 형태일 수 있다. 또한, 차량은 전기 모터와 종래의 연소 엔진의 조합을 포함할 수 있다. 일반적으로, 전기 차량용 배터리(electric vehicle battery, EVB) 또는 견인 배터리(traction battery)는 배터리 전기 차량(battery electric vehicle, BEV)의 추진력을 공급하는 데 사용되는 배터리이다. 전기 차량용 배터리는, 지속되는 기간 동안 전력을 공급하도록 설계되었으므로, 시동(starting), 조명(lighting), 및 점화(ignition)용 배터리와 다르다. 이차(rechargeable 또는 secondary) 배터리는 충전과 방전을 반복적으로 할 수 있다는 점에서, 화학 에너지로부터 전기 에너지로 비가역적 변환만을 하는 일차 배터리(primary battery)와 다르다. 저용량의 이차 배터리는 셀룰러폰, 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같은 소형 전자 디바이스용 전원으로서 사용되는 반면, 고용량의 이차 배터리는 하이브리드 차량 등을 위한 전원으로 사용된다.
일반적으로 이차 배터리는 양극, 음극, 양극과 음극 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함하는 전극 조립체, 전극 조립체를 수용하는 케이스 및 전극 조립체에 전기적으로 연결되는 전극 단자들을 포함한다. 양극, 음극 및 전해질 용액의 화학적 반응을 통해 이차 배터리의 충전 및 방전이 가능하도록 하기 위해, 이차 배터리의 케이스 내부로 전해질 용액이 주입된다. 케이스의 형상은 예를 들어, 원통형, 직사각형 등으로 배터리의 용도에 따라서 달라진다. 최근 개발 중인 전기 차량들에는 랩탑(laptop) 및 가전 제품들에 널리 사용되는 것으로 알려진 리튬-이온 (및 비슷한 리튬 폴리머) 배터리가 주로 적용된다.
높은 에너지 밀도를 제공하기 위해, 특히 하이브리드 차량의 모터 구동 또는 완전 전기 차량의 모터 구동을 위해, 이차 배터리는 복수의 단위 배터리 셀로 구성된 배터리 모듈로 사용될 수 있다. 즉, 배터리 모듈은 고출력의 이차 배터리를 구현하기 위해, 필요한 전력량에 따라 복수의 단위 배터리 셀의 전극 단자들을 연결하여 형성된다.
배터리 모듈은 블록 설계 또는 모듈식 설계로 구성될 수 있다. 블록 설계에서 각 배터리는 공통 전류 컬렉터 구조 및 공통 배터리 관리 시스템에 결합되고, 그 유닛은 하우징에 배치된다. 모듈식 설계에서, 복수 개의 배터리 셀이 연결되어 서브 모듈을 형성하고 여러 개의 서브 모듈이 연결되어 배터리 모듈을 형성한다. 자동차 애플리케이션에서 배터리 시스템은 종종 원하는 전압을 제공하기 위해 직렬로 연결된 복수의 배터리 모듈로 구성된다. 그 안에서, 배터리 모듈은 복수의 적층된 배터리 셀을 갖는 서브 모듈을 포함할 수 있고, 각각의 스택은 직렬로 연결된 셀들이 병렬로 연결된 셀(XpYs) 또는 병렬로 연결된 셀들이 직렬로 연결된 다중 셀(XsYp)을 포함한다.
배터리 팩은 여러 개의(바람직하게는 동일한 갯수의) 배터리 모듈이다. 이들은 원하는 전압, 용량 또는 전력 밀도를 제공하기 위해, 직렬, 병렬 또는 두 가지의 혼합 방식으로 구성될 수 있다. 배터리 팩의 구성요소들에는 개별 배터리 모듈, 및 이들 간의 전기 전도성을 제공하는 인터커넥트(interconnect)가 포함된다.
배터리의 전력 출력 및 충전에 대한 고정(static) 제어만으로는 배터리 시스템에 연결된 다양한 전기 소비자들의 동적 전력 수요를 충족시키기에 충분하지 않다. 따라서, 배터리 시스템과 전기 소비자의 제어기 사이에는 지속적인 정보 교환이 요구된다. 배터리 시스템과 전기 소비자의 제어기 사이에 교환되는 정보는, 전기 소비자의 실제 또는 예측된 전력 수요나 잉여 전력 뿐만 아니라, 배터리 시스템의 충전 상태(State of Charge, SoC), 잠재적인 전기 성능, 충전 능력 및 내부 저항을 포함한다. 따라서, 배터리 시스템은 일반적으로 시스템 레벨에 대한 이러한 정보를 획득 및 처리하기 위한 배터리 관리 시스템인 BMS와 시스템 배터리 모듈의 일부이고 모듈 레벨에 대한 관련 정보를 획득 및 처리하는 복수의 배터리 모듈 관리자인 BMM을 포함한다. 특히, BMS는 일반적으로 시스템 전압, 시스템 전류, 시스템 하우징 내부 상이한 위치의 국부 온도, 및 충전 구성요소와 시스템 하우징 사이의 절연 저항을 측정한다. 또한 BMM은 일반적으로 배터리 모듈에 있는 배터리 셀의 개별 셀 전압과 온도를 측정한다.
따라서 BMS/BMU(Battery Management Unit)는 배터리 팩이 안전한 작동 영역을 벗어나 작동하는 것으로부터 보호하고, 배터리의 상태 모니터링, 보조 데이터 산출, 데이터 보고, 배터리의 환경 제어, 배터리 인증, 및/또는 배터리 밸런싱 등에 의해, 배터리를 관리하도록 제공될 수 있다.
일반적으로 전기 자동차는 추진 부품에 전력을 공급하는 견인 배터리(traction battery)를 포함하는 고전압(high voltage, HV) 보드 네트와 차량의 전자 소비자에게 전력을 공급하는 저전압 배터리를 포함하는 저전압(low voltage, LV) 보드 네트를 갖는다. 특히, 저전압(LV) 보드 네트에 배치된 견인 배터리의 BMS는 일반적으로 저전압 배터리에 의해 구동된다. LV 보드 네트와 HV 보드 네트는 LV 보드 네트로부터 HV 보드 네트로 에너지를 전달하는 DC-DC 컨버터를 통해 서로 갈바닉 절연되어 HV 보드 네트의 부품도 LV 보드 네트의 저전압 배터리로 전력을 공급받을 수 있다. LV 보드 네트의 1차 전력 공급 장치인 저전압 배터리는 예를 들어 차량의 일반적인 납축 전지일 수 있다. 저전압 배터리의 극은 양극 및 음극에 대해 각각 CL30 및 CL31로 명명될 것이다.
차량 작동 중에 CL30, 즉 양극에 대한 연결이 의도치 않게 끊어져 BMS에 전력이 공급되지 않을 수 있다. 상기 연결 손실은 또한 메인 릴레이의 개방으로 이어질 수 있으며, 이는 HV 보드 네트로부터 배터리 셀을 갈바닉적으로 분리하여 릴레이의 접촉 표면을 손상시킬 수 있다. 이 경우 BMS는 접촉기가 열렸을 때 이러한 릴레이를 통과하는 전류에 대한 정보가 없으므로 접촉 표면의 실제 물리적 손상에 대한 어떠한 정보도 도출해낼 수 없다.
BMS용 백업 전력 공급 장치로 전기 자동차의 견인 배터리가 사용될 수 있으며 HV 배터리(> 60V)의 경우 LV 보드 네트로부터 갈바닉적으로 절연되어야 한다. 일반적으로 이러한 백업 전력 공급 장치는 정상 작동 중에는 유휴 상태이며 주 전원이 손실된 경우에만 시작되는 별도의 기능 블록으로 구현된다. BMS의 일반적인 구성은 주로 배터리 셀 스택의 음극 또는 배터리의 음극 출력에 위치한 션트 기반 전류 측정을 사용한다. 션트 기반 측정 회로는 낮은 임피던스의 전류 측정 저항을 포함한다. 이러한 측정 회로는 LV 기반 BMS의 나머지 부분과 전기적으로 절연되어야 한다.
갈바닉 절연의 요구 사항으로 인해, 변압기를 이용하여 LV 보드 네트로부터 HV 보드 네트로 에너지를 전달하는 DC-DC 컨버터가 사용된다. 이러한 변압기는 일반적으로 전력 공급 장치에서 가장 비싼 부품이다.
EP 1 801 960 A2는 양방향 DC-DC 컨버터를 설명한다.
따라서, 본 개시의 목적은 종래 기술의 결점 중 적어도 일부를 극복하거나 감소시키고 신뢰할 수 있는 전력 공급을 허용하는 전기 자동차의 저전압 보드 네트용 양방향 전력 공급 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예들은 종래 기술에 존재하는 문제점들 중 적어도 하나를 적어도 어느 정도 해결하고자 한다.
특히, 본 발명에 따른 전기 자동차의 배터리 관리 시스템에 전력을 공급하기 위한 양방향 전력 공급 시스템은, 제1 작동 모드에서 제어 유닛, 특히 배터리 관리 시스템(BMS)에 전력을 공급하도록 구성된 저전압(LV) 1차 전력 공급 장치 - 제어 유닛(특히 BMS)은 저전압 보드 네트의 구성요소임 -; 고전압 보드 네트의 일부인 전기 자동차의 고전압(HV) 견인 배터리; 및 제1 작동 모드에서 에너지를 저전압 보드 네트로부터 고전압 보드 네트로 전달하여 상기 1차 전력 공급 장치를 통해 상기 고전압 보드 네트의 구성요소에 전력을 공급하도록 구성된 양방향 DC-DC 컨버터 - 양방향 DC-DC 컨버터는 제2 작동 모드에서 1차 전력 공급 장치가 손실된 경우에 고전압 견인 배터리를 통해 제어 유닛(BMS)에 전력을 공급하기 위해, 또한 가능하면 저전압 보드 네트의 추가 구성요소에 전력을 공급하기 위해, 고전압 보드 네트의 에너지를 저전압 보드 네트로 전달하도록 더 구성됨 -를 포함하고, 양방향 전력 공급 시스템은 1차 전력 공급 장치가 손실되었는지 여부를 검출하도록 구성된 측정 소자, 및 1차 전력 공급 장치의 손실이 검출된 경우 DC-DC 컨버터의 작동을 제1 모드로부터 제2 모드로 전환하도록 구성된 스위칭 소자를 더 포함한다.
DC-DC 컨버터는 상술한 바와 같이 구성된 변압기, 즉 LV 보드 네트와 HV 보드 네트 사이에서 양방향으로 에너지를 전달하도록 구성된 변압기를 포함한다. 제어 유닛은 특히 BMS일 수 있다. 또한, 제어 유닛은 BMS의 일부일 수 있다. 이하에서, 제어 유닛은 제한없이 BMS로 명명될 수 있다.
정상 작동 중에, 1차 전력 공급 장치는 BMS와 LV 보드 네트의 추가 또는 모든 구성요소에 전력/에너지를 공급한다. 1차 전력 공급 장치는, 예를 들어 12, 24, 또는 48V 전력 공급 장치일 수 있다. 또한, 1차 전력 공급 장치는, HV 보드 네트의 구성요소에 전력/에너지를 공급할 수 있으며, 여기서 에너지는 양방향 DC-DC 컨버터를 통해 LV 보드 네트로부터 HV 보드 네트로 전송된다. 특히, DC-DC 컨버터는 1차 전력 공급 장치의 LV를 LV 또는 HV 보드 네트의 구성요소에 전력을 공급하는데 적합한 HV로 변환할 수 있다. 따라서, HV 보드 네트의 구성요소는 LV, 특히 1차 전력 공급 장치의 LV 또는 적절하게 변환된 LV에 의해 전력이 공급될 수도 있다. 이러한 제1 작동 모드에서, 예를 들어 펄스 폭 변조 신호(pulse-width modulation signal, PWM) 발생기는 LV 보드 시스템에 의해 구동되고 BMS에 의해 트리거될 수 있다.
1차 전력 공급 장치가 손실된 경우, 예를 들어 상술한 바와 같이 LV 보드 네트에 대한 1차 전력 공급 장치의 연결의 손실에 의해 손실된 경우, 제2 작동 모드가 작동한다. 양방향 DC-DC 컨버터는 양방향으로 에너지를 전달하도록 구성되어 있는데, 즉, HV 보드 네트로부터 LV 보드 네트로 에너지를 전달하도록 구성되어 있다. 따라서, 제2 작동 모드에서 전기 자동차의 HV 견인 배터리는 저전압 보드 네트, 특히 BMS의 구성요소에 전력을 공급하기 위한 백업 전원으로 사용된다. 바람직하게는, HV 견인 배터리의 배터리 셀 또는 셀 스택의 일부만이 제2 모드에서 백업 전원으로 사용된다. 1차 전력 공급 장치가 손실되었는지 여부를 검출하기 위해 측정 소자가 제공된다. 또한, 1차 전력 공급 장치의 손실이 검출되면 DC-DC 컨버터의 작동을 제1 모드로부터 제2 모드로 전환하기 위한 스위칭 소자가 제공된다. 측정 소자와 스위칭 소자는 동일한 소자일 수 있으며, 특히 PWM 검출기에 의해 구현될 수 있다. 측정 소자 및/또는 스위칭 소자는 BMS의 일부를 형성할 수 있다. 측정 소자 및/또는 스위칭 소자는 바람직하게는 HV 보드 네트의 일부이다. 시스템은 푸시-풀 컨버터(push-pull converter)의 일부를 형성할 수 있다.
따라서, 측정 및 스위칭 소자를 통해 시스템은 1차 LV 배터리가 전력/에너지를 전달하지 못하는 경우, 예를 들어 CL30이 의도치 않게 손실된 경우, 시스템은 HV 배터리를 백업 전원으로 자동 전환할 수 있다. 결과적으로, BMS에 대한 무정전 전력 공급 장치가 보장된다. 이는 BMS의 작동을 보장한다. 특히, BMS는 접촉기(contactor)가 열렸을 때 릴레이를 통과하는 전류에 대한 정보를 수신하여 접촉 표면의 임의의 물리적 손상에 대한 정보가 도출될 수 있다. 또한, DC-DC 컨버터, 특히 그 변압기의 사용은 HV로부터 LV로 에너지를 전달하기 위해 제2의 독립적인 변압기를 사용하는 것에 비해 비용 효율적이다.
일 실시예에 따르면, 측정 소자는 고전압 보드 네트, 즉 DC-DC 컨버터/변압기의 고전압 측에 배치된 PWM 검출기를 포함하고, PWM 검출기는 DC-DC 컨버터의 HV 측 상에 존재하는 펄스 폭 변조 신호를 분석하고, 분석된 신호에 기초하여 1차 전력 공급 장치가 손실되었는지 여부를 검출하도록 구성된다. 따라서, PWM 검출기는 측정 소자로 동작할 수 있다. 저전압 측이 변압기를 스위칭/작동하지 않는 것은 신호 분석의 결과일 수 있으며 이는 1차 전력 공급 장치의 손실로 해석될 수 있다. 또 다른 실시예에 따르면, PWM 검출기는 1차 전력 공급 장치가 손실된 것을 검출하자마자 DC-DC 컨버터의 작동을 제2 모드로 전환하도록 구성된다. 따라서 PWM 검출기는 스위칭 소자로도 동작할 수 있다. 따라서, DC-DC 컨버터/변압기의 HV 측 상에 존재하는 펄스 폭 변조 신호의 분석 결과, 1차 전력 공급 장치가 손실되었다는 결론이 나오면 PWM 검출기는 LV 보드 네트, 특히 BMS가 HV 견인 배터리에 의해 공급되도록 작동 모드를 전환한다. 이러한 PWM 검출기는 1차 전력 공급 장치의 손실에 대해 효율적이고 시기적절한 응답을 가능하게 한다.
다른 실시예에 따르면, 1차 전력 공급 장치의 손실의 경우에, 측정 소자가 1차 전력 공급 장치가 손실된 것을 검출할 수 있도록, 충분히 긴 시간 동안 측정 소자에 전력을 공급하도록 구성된 적어도 하나의 커패시터가 제공된다. 또한, 스위칭 소자가 DC-DC 컨버터의 작동을 제2 모드로 전환할 수 있도록 스위칭 소자에 충분히 길게 공급하도록 구성된 동일하거나 다른 커패시터가 제공될 수 있다. 따라서, 적어도 하나의 커패시터는, 1차 전력 공급 장치의 손실의 경우에 PWM 검출기가 1차 전력 공급 장치가 손실되었음을 검출하고 양방향 DC-DC 컨버터를 제2 모드로 전환하는 작동을 할 수 있도록 충분한 전력을 PWM 검출기에 공급하도록 구성될 수 있다. 따라서, 적어도 하나의 커패시터는 1차 전력 공급 장치의 손실 이후 그리고 HV 보드 네트 및 견인 배터리가 백업 전력 공급 장치로 전환되기 전에 측정 및 스위칭 소자를 위한 임시 전력 공급 장치로 작동할 수 있다. 적어도 하나의 커패시터는 정상 동작 동안, 즉 제1 작동 모드 동안 1차 전력 공급 장치를 통해 충전될 수 있다. 이러한 커패시터는 제2 모드로의 전환을 보장할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 양방향 전력 공급 시스템은 제1 작동 모드 동안 펄스 폭 변조 신호를 생성하기 위한 제어 유닛을 포함하고, 제어 유닛은 저전압 보드 네트, 즉 DC-DC 컨버터/변압기의 저전압 측에 배치되며, 제어 유닛은 1차 전력 공급 장치가 손실된 것을 검출하도록 구성된다. 제어 유닛은 BMS의 일부일 수도 있고 별도의 제어 유닛, 예를 들어 마이크로컨트롤러 유닛(MCU)일 수도 있다. 일반적으로 제어 유닛의 목적은 시스템의 정상 작동 중, 즉 제1 작동 모드 동안 하나 이상의 PWM 신호를 생성하는 것이다. 제어 유닛은 1차 전력 공급 장치의 손실을 검출, 예를 들어, CL30이 손실되었음을 검출함으로써 검출할 수 있다. 따라서 DC-DC 컨버터/변압기의 LV 측에서 1차 전력 공급 장치의 손실이 (또한) 검출될 수 있으므로 각각의 조치가 취해질 수 있다. 특히, 각각의 실시예에 따르면, 제어 유닛은 1차 전력 공급 장치가 손실된 것을 검출하자마자 저전압 보드 네트에서 펄스 폭 변조 신호의 생성을 중지하도록 추가로 구성된다. 따라서 제어 유닛이 1차 전력 공급 장치의 손실을 검출하면 LV 보드 네트에서 PWM 신호 생성을 즉시 중지할 수 있다. 이는 작동을 제2 모드로 전환하는 데 중요하다. 다음으로, 제2 작동 모드에서 PWM 신호는 HV 측의 PWM 생성기에 의해 생성될 수 있다.
따라서, 일 실시예에 따르면 양방향 전력 공급 시스템은 HV 보드 네트 상의 PWM 생성기를 포함하고, PWM 생성기는 제2 작동 모드에서 PWM 신호를 생성하도록 구성된다. 이 PWM 생성기는 시스템이 제2 작동 모드로 전환할 때 PWM 신호의 생성과 관련하여 상술한 제어 유닛의 작동을 인수할 수 있다. 이러한 방식으로 PWM 신호 생성 및 이에 따른 시스템의 적절한 작동이 제2 작동 모드에서도 보장된다.
일 실시예에 따르면, 양방향 전력 공급 시스템은 미리 결정된 시간 범위 후에 제2 모드에서의 작동을 셧다운하도록 구성된 타이머 수단을 포함한다. 이러한 수단은 미리 결정된 시간 범위 후에 제2 모드에서의 작동을 셧다운하도록 구성된 타이머 회로를 포함할 수 있다. 대안적으로, 타이머 수단은 제어 유닛, 특히 마이크로컨트롤러 유닛(microcontroller unit, MCU)을 포함할 수 있으며, 이는 각각의 제어 신호를 통해 미리 결정된 시간 범위 후에 제2 모드에서의 작동을 셧다운하도록 구성될 수 있다. 상기 제어 유닛은 BMS의 일부일 수 있다. HV 배터리의 부하를 제한하기 위해 제2 모드, 즉 HV에서 LV 방향으로의 작동에 대한 제한을 제공하는 것이 유리할 수 있다. 특히, 제2 모드에서 HV 배터리의 모든 셀로부터 전력이 공급되지 않고 일부 셀 스택으로부터만 전력이 공급되면 전체 HV 셀 스택이 밸런싱을 잃을 수 있다.
일 실시예에 따르면, 양방향 전력 공급 시스템은 제2 동작 모드 동안 PWM 신호의 주파수 및/또는 폭의 셀 전압에 종속된 조정을 제공하기 위한 제어 소자를 포함한다. 제어 소자는 바람직하게는 HV 보드 네트 상에 배치된다. 제어 소자는 셀 전압에 종속된 주파수 조정을 위한 전압 제어 발진기(voltage-controlled oscillator, VCO)를 포함할 수 있다. HV 견인 배터리의 배터리 셀의 셀 전압은 셀의 충전 상태에 따라 달라지므로 PWM 폭 또는 주파수는 주어진 전압에 대한 변압기 ET 곱(ET product)을 초과하지 않도록 변경되어야 한다. 따라서 전압이 증가하면 주파수가 증가되거나 또는 PWM 신호의 펄스 폭이 감소되어야 한다. 따라서 전압이 감소할 때 주파수가 감소되거나 또는 PWM 신호의 펄스 폭이 증가되어야 한다.
일 실시예에 따르면, 양방향 전력 공급 시스템은 스위칭 회로, 특히 저전압 보드 네트 상에 배치된 전류 제한 수단을 포함한다. 스위칭 회로는 예를 들어 하나 이상의 위에서 언급한 제어 유닛, 특히 BMS에 의해 작동되고 스위치로 동작하는 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(metal oxide semiconductor field effect transistors, MOSFET)를 포함할 수 있다. 특히, 스위칭 회로는 푸시-풀 스위칭 MOSFET 및/또는 스너버(snubber) 및/또는 전압 클램핑 회로를 포함할 수 있으며, 스너버는 전기 회로에서 전압 과도 현상을 억제할 수 있다. 이러한 전류 제한은 시스템을 손상시킬 수 있는 과도하게 높은 전류를 방지할 수 있다. 전류 제한을 위한 수단은 과전류에 의한 스트레스로 인한 HV 스위칭 소자(MOSFET)의 손상을 방지하기 위해 HV 보드 네트 측 상에 또한 또는 대안적으로 제공될 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 전술한 바와 같은 양방향 전력 공급 시스템을 포함하는 전기 자동차가 제공된다. 전기 자동차는 저전압 보드 네트 및 고전압 보드 네트를 포함하고, 보드 네트는 양방향 DC-DC 컨버터에 의해 갈바닉 절연되며, 여기서 고전압 견인 배터리는 제2 작동 모드에서 저전압 보드 네트에 전력을 공급한다. 저전압 보드 네트와 고전압 보드 네트는 양방향 전력 공급 시스템의 일부를 구성하는 것으로 간주될 수도 있다.
본 개시의 추가 양태는 종속항 또는 하기 설명으로부터 학습될 수 있다.
특징은 첨부된 도면을 참조하여 예시적인 실시예를 상세히 설명함으로써 통상의 기술자에게 명백할 것이다:
도 1은 일 실시예에 따른 양방향 전력 공급 시스템의 개략도를 도시한다.
이제 실시예를 상세히 참조할 것이며, 그 예는 첨부 도면에 도시되어 있다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 실현 방법은 첨부되는 도면을 참조하여 설명될 것이다. 도면에서 동일한 도면 부호는 유사한 구성요소를 나타내며 중복되는 설명은 생략한다. 그러나 본 개시는 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명되는 실시예에만 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 오히려, 이러한 실시예는 본 개시가 철저하고 완전할 수 있고, 본 개시의 양태 및 특징이 통상의 기술자에게 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예시로서 제공된다.
따라서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 양태 및 특징에 대한 완전한 이해를 하기 위해 필요하다고 생각하지 않는 프로세스, 요소 및 기술에 대해서는 설명하지 않을 수 있다. 도면에서, 요소, 층, 및 영역의 상대적인 크기는 명확성을 위해 과장될 수 있다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, "및/또는"이라는 용어는 관련된 나열된 항목 중 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또한, 본 발명의 실시 예를 설명할 때 "~할 수 있다"의 사용은 "본 개시의 하나 이상의 실시 예"를 의미한다. 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어서, 단수형의 용어는 문맥 상 달리 명시되지 않는 한 복수형을 포함할 수 있다. "적어도 하나"와 같은 표현은 요소 목록 앞에 올 때 요소의 전체 목록을 수정하고 목록의 개별 요소를 수정하지 않는다.
본 명세서에서 사용되는 용어인 "실질적으로", "약", 및 이와 유사한 용어는 정도의 용어가 아닌 근사값의 용어로 사용되며, 통상의 기술자에 의해 인식될 측정되거나 계산된 값의 고유한 편차를 설명하기 위한 것이다. 더 나아가, "실질적으로"라는 용어를 수치로 표현할 수 있는 특징과 조합하여 사용하는 경우, "실질적으로"라는 용어는 값을 중심으로 하여 그 값의 +/- 5% 범위를 의미한다.
"포함하는", "포함하고", "포함하다", 또는 "포함하며"이라는 용어는 속성, 영역, 고정된 개수, 단계, 프로세스, 요소, 구성요소 및 그들의 조합을 지정하는 것으로 이해될 것이나 다른 속성, 영역, 고정된 개수, 단계, 프로세스, 요소, 구성요소 및 이들의 조합을 배제하지는 않는다.
본 명세서에 기술된 본 개시의 실시예에 따른 전자 또는 전기 장치 및/또는 임의의 다른 관련 장치 또는 구성요소는 임의의 적절한 하드웨어, 펌웨어, 소프트웨어, 또는 소프트웨어, 펌웨어, 및 하드웨어의 조합을 이용하여 구현될 수 있다. 특히, 맞춤형 칩 구현으로서 ASIC(application-specific integrated circuit)이 사용될 수 있고, ASIC에 대한 특정 펌웨어가 제공될 수 있는데, 즉 ASIC과 통신하고 이를 사용하기 위해 마이크로컨트롤러 상에서 플래시될 수 있다. 또한, 이들 디바이스의 다양한 구성요소는 연성 인쇄 회로 필름, 테이프 캐리어 패키지(tape carrier package, TCP), 인쇄 회로 기판(PCB)에 구현되거나 하나의 기판에 형성될 수 있다. 여기에 설명된 전기적 연결 또는 상호 연결은 와이어 또는 전도성 요소, 예를 들어 PCB 또는 다른 종류의 회로 캐리어에 의해 실현될 수 있다. 전도성 요소는 금속화, 예를 들어, 표면 금속화 및/또는 핀과 같은 금속화를 포함할 수 있으며, 및/또는 전도성 폴리머 또는 세라믹을 포함할 수 있다. 추가 전기 에너지는 무선 연결, 예를 들어 전자기 복사 및/또는 빛을 사용하는 것을 통해 전송될 수 있다.
또한, 통상의 기술자라면 본 개시의 예시적인 실시 예들의 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 컴퓨터 장비들의 기능이 단일 컴퓨팅 장치에 결합 또는 통합될 수 있으며, 특정 컴퓨팅 장치의 기능이 본 개시의 예시적인 실시예의 범위를 벗어나지 않고 하나 이상의 다른 컴퓨팅 장치들로 분산될 수 있음을 알 수 있다.
달리 정의되지 않는 한, (기술적이거나 과학적인 용어를 포함하여) 본 명세서에서 사용되는 모든 용어는 본 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 기술자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의된 용어와 같은 용어는 관련 기술 및/또는 본 명세서의 맥락 상 그 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에 명시적으로 정의되지 않는 한 이상화되거나 지나치게 형식적으로 해석되어서는 안된다.
도 1은 푸시-풀 토폴로지에 기초한 실시예에 따른 양방향 전력 공급 시스템의 회로도를 개략적으로 도시한다.
도 1은 도면의 왼쪽에 있는 저전압(LV) 보드 네트와 도면의 오른쪽에 있는 고전압(HV) 보드 네트를 도시한다. 변압기(12)를 사용하는 양방향 DC-DC 컨버터는 양방향으로 LV 보드 네트와 HV 보드 네트 사이에서 에너지를 전달하도록 구성된다. DC-DC 컨버터의 변압기(12)만 도시되어 있으며, DC-DC 컨버터는 추가 요소를 포함할 수 있다. LV 보드 네트는 도면에 도시되지 않은 LV 1차 전력 공급 장치를 포함하지만 그 자체는 도면에 도시되어 있지 않으며, 저전압 1차 전력 공급 장치의 양극 및 음극에 대한 연결인 CL30 및 CL31이 도시되어 있다. HV 보드 네트는 전기 자동차의 추진력을 제공하는 전기 자동차의 견인 배터리인 HV 배터리(14)를 포함한다. 도면에서 알 수 있는 바와 같이 HV 배터리(14)는 다중 셀(1 내지 n)을 포함한다.
제1 작동 모드, 즉 "정상 작동"에서 LV 1차 전력 공급 장치는 LV 보드 네트의 구성요소, 특히 BMS의 일부인 MCU(마이크로컨트롤러 유닛)(16)에 전력을 공급한다. MCU는 BSM 상에 상주할 수 있는데, 즉, BSM의 주요/전용 MCU, 또는 본 발명에 따른 기능만을 가능하게 하는 전용 MCU가 사용될 수 있다. LV 1차 전력 공급 장치는 HV 보드 네트의 구성요소, 특히 LV PWM 검출기(18)의 구성요소에 추가로 전력을 공급하며, 여기서 LV 보드 네트에 널리 퍼져 있는 LV는 양방향 DC-DC 컨버터를 통해 갈바닉 절연된 전압 LV 또는 HV 보드 네트 상의 HV로 변환된다. 제1 작동 모드에서, V_NORMAL(바람직하게는 6V)은 시스템 기반 칩(system basis chip, SBC)(19)에 의해 구현될 수 있는 강압 변환기에 의해 제공되고, 신호 PWM_A 및 PWM_B를 포함하는 인터리브된 PWM은 MCU(16)에 의해 제공되며, 인터리브된 PWM은 MOSFET M1 및 M2의 스위칭을 제어한다. 변압기 비율이 1:1이면 V_HV_SUPPLY 노드에 약 V_NORMAL에서 다이오드 강하의 2배를 뺀 전압이 나타날 것이다. 그런 다음 이 전압은 HV 측의 전류 감지 회로(22), 특히 LV PWM 검출기(18)의 작동에 전력을 공급한다. 다이오드 D3 및 D4는 선택 사항이다. 이는 MOSFET의 다이오드가 부하를 처리할 수 있는 경우 특히 생략될 수 있다.
LV 1차 전력 공급 장치가 손실된 경우, 예를 들어 CL30의 연결이 끊어지면 양방향 전력 공급 시스템이 HV 배터리(14)에 의해 전력이 공급되는 제2 작동 모드로 전환된다. 이러한 1차 전력 공급의 손실은 LV 측이 변압기(12)가 아님을 검출하자마자 변압기(12)의 HV 측에 존재하는 신호를 분석하고 양방향 DC-DC 컨버터의 작동을 제2 모드로 전환하여 HV 배터리(14)의 셀 1 ~ 셀 5를 통해 HV 측으로 전력 공급을 가능하게 하는 LV PWM 검출기(18)에 의해 검출된다. 이러한 스위칭은 HV 보드 네트 상에 배치된 MOSFET M5를 활성화하여서 차례로 HV 배터리(14)의 셀 1 내지 셀 5를 통해 HV 측으로 전력 공급을 가능하게 하며, 또한 HV 측에서 PWM 생성기(20)를 통해 PWM 생성을 가능하게 하는 HV 보드 네트 상에 배치된 MOSFET M6을 활성화하는 LV PWM 검출기(18)를 통해 수행된다. 이 시점부터 변압기(12)는 제2 작동 모드, 즉 HV에서 LV 방향으로 작동된다.
따라서, 제2 작동 모드에서 전기 자동차의 HV 견인 배터리(14)의 셀의 일부는 저전압 보드 네트, 특히 BMS/MCU의 구성요소에 전력을 공급하기 위한 백업 전력 공급 장치로 사용된다.
더 나아가, LV 측에서 PWM 신호를 생성하는 MCU(16)는 또한 각각의 감지 요소(17)를 통해 CL30 강하, 즉 1차 전력 공급 장치의 손실을 검출한다. 그런 다음 MCU(16)는 PWM_A 및 PWM_B 신호의 생성을 즉시 중지한다. 제2 작동 모드로의 전환을 허용하기에 충분히 긴 시간 동안 필요한 구성요소에 전력을 공급하기에, 특히 LV PWM 검출기(18)가 LV 측으로부터 변압기(12)를 작동하지 않음을 인지할 수 있도록 충분한 에너지를 저장하고, 그리고 상술한 바와 같이 MOSFET M5, M6을 활성화하여 HV 배터리(14)를 통한 전력 공급 및 HV 측의 PWM 생성을 각각 가능하게 하기 위한 충분한 에너지를 저장하는 커패시터 C1, C2 및 C3가 제공된다. 이 제2 작동 모드에서 PWM 생성기(20)는 MCU(16)로부터 PWM 신호의 생성을 인수하고, PWM 생성기(20)는 HV 측에서 신호 PWM_C 및 PWM_D를 생성한다.
제2 작동 모드는 전체 셀 스택으로부터 전력을 끌어오는 것이 아니라 셀 1부터 셀 5로부터만 전력을 끌어오기 때문에 HV 배터리(14)의 밸런싱을 해제하므로 시간이 제한될 수 있다. 따라서, 특정 시간 후에 제2 작동 모드에서 작동을 셧다운하는 일종의 타이머 회로를 구현하는 것이 바람직하다. 대안적으로, 전류 측정 MCU 또는 AFE 디바이스(22)가 도 1에 점선으로 도시된 것처럼 HV 보드 네트에 제공될 수 있으며, MCU 또는 아날로그 프론트 엔드(analog front-end, AFE) 디바이스는 디지털 출력을 통해 DC-DC 컨버터를 셧다운 하도록 구성된다.
HV 배터리(14)의 셀의 셀 전압은 충전 상태에 따라 달라지므로(5개의 셀에 대한 최악의 경우 범위는 약 10~21V임), PWM 폭 또는 주파수는 주어진 전압에 대한 변압기 ET 곱을 초과하지 않도록 변경되어야 한다. 일반적으로 전압이 증가하면 주파수가 증가하거나 펄스 폭이 감소될 수 있다. 도 1에 도시된 실시예에서, 전압-제어되는 발진기(voltage-controlled oscillator, VCO)(24)는 셀 전압 의존 주파수 조정을 제공한다.
따라서, 본 발명과 함께 양방향 중복 전력 공급 장치가 제공되어 정상 모드에서 션트 기반 전류 측정 회로(LV에서 HV 방향으로)에 전력을 공급하고 차량 전력 공급 장치(CL30)의 정전이 검출되면 역방향으로(HV에서 LV 방향으로) 작동한다.
12 변압기
14 고전압 배터리
16 BMS/MCU
17 CL30 센서
18 LV PWM 감지기
19 SBC
20 HV 측의 PWM 발생기
24 VCO

Claims (14)

  1. 전기 자동차의 제어 유닛에 전력을 공급하기 위한 양방향 전력 공급 시스템으로서, 상기 양방향 전력 공급 시스템은,
    제1 작동 모드에서 저전압 보드 네트의 구성요소로서 제어 유닛에 전력을 공급하도록 구성된 저전압 1차 전력 공급 장치,
    고전압 보드 네트의 일부인 전기 자동차의 고전압 견인 배터리, 및
    제1 작동 모드에서 에너지를 저전압 보드 네트로부터 고전압 보드 네트로 전달하여 상기 1차 전력 공급 장치를 통해 상기 고전압 보드 네트의 구성요소에 전력을 공급하도록 구성되고, 제2 작동 모드에서 상기 1차 전력 공급 장치가 손실된 경우에 상기 고전압 견인 배터리를 통해 상기 제어 유닛에 전력을 공급하기 위해 에너지를 상기 고전압 보드 네트로부터 저전압 보드 네트로 전달하도록 구성된 양방향 DC-DC 컨버터를 포함하고,
    상기 양방향 전력 공급 시스템은 1차 전력 공급 장치가 손실되었는지 여부를 검출하도록 구성된 측정 소자, 및 상기 1차 전력 공급 장치의 손실이 검출된 경우 상기 DC-DC 컨버터의 작동을 제1 모드로부터 제2 모드로 전환하도록 구성된 스위칭 소자를 더 포함하는, 양방향 전력 공급 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 측정 소자는 상기 고전압 보드 네트에 배치된 PWM 검출기를 포함하고, 상기 PWM 검출기는 변압기의 HV 측 상에 존재하는 펄스 폭 변조 신호를 분석하고, 분석된 신호에 기초하여 상기 1차 전력 공급 장치가 손실되었는지 여부를 검출하도록 구성된, 양방향 전력 공급 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 PWM 검출기는 상기 1차 전력 공급 장치가 손실되었음을 검출하자마자 상기 DC-DC 컨버터의 작동을 제2 모드로 전환하기 위한 스위칭 소자로 구성되는, 양방향 전력 공급 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 1차 전력 공급 장치가 손실된 경우에, 상기 측정 소자가 상기 1차 전력 공급 장치가 손실되었음을 검출할 수 있을 만큼 충분히 긴 시간 동안, 상기 측정 소자에 전력을 공급하도록 구성된 적어도 하나의 커패시터, 및
    상기 스위칭 소자가 상기 양방향 DC-DC 컨버터의 작동을 제2 모드로 스위칭할 수 있을 만큼 충분히 긴 시간 동안 상기 스위칭 소자에 전력을 공급하도록 구성된 적어도 하나의 커패시터 중 적어도 하나
    를 포함하는, 양방향 전력 공급 시스템.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 작동 모드 동안 펄스 폭 변조 신호를 생성하기 위해 저전압 보드 네트에 배치된 제어 유닛을 포함하고,
    상기 제어 유닛은 상기 1차 전력 공급 장치가 손실되었음을 검출하도록 구성되는, 양방향 전력 공급 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어 유닛은 상기 1차 전력 공급 장치가 손실되었음을 검출하자마자 상기 저전압 보드 네트에서 펄스 폭 변조 신호의 생성을 중지하도록 더 구성되는, 양방향 전력 공급 시스템.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고전압 보드 네트 상의 PWM 생성기를 포함하고,
    상기 PWM 생성기는 제2 작동 모드에서 PWM 신호를 생성하도록 구성되는, 양방향 전력 공급 시스템.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    미리 결정된 시간 범위 후에 상기 제2 모드에서의 작동을 셧다운하도록 구성되는 타이머 수단을 포함하는, 양방향 전력 공급 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 타이머 수단은 미리 결정된 시간 범위 후에 상기 제2 모드에서의 작동을 셧다운하도록 구성되는 타이머 회로를 포함하는, 양방향 전력 공급 시스템.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 타이머 수단은 각각의 제어 신호를 통해 미리 결정된 시간 범위 후에 상기 제2 모드에서의 작동을 셧다운하도록 구성된 제어 유닛을 포함하는, 양방향 전력 공급 시스템.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 제2 작동 모드 동안 상기 PWM 신호의 주파수 및 PWM 신호의 폭 중 적어도 하나에 셀 전압에 종속된 조정을 제공하기 위한 제어 유닛을 포함하는, 양방향 전력 공급 시스템.
  12. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스위칭 회로의 전류 제한 수단 또는 저전압 보드 네트 상에서의 전류 제한 수단을 포함하는, 양방향 전력 공급 시스템.
  13. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 양방향 전력 공급 시스템을 포함하는 전기 자동차.
  14. 제13항에 있어서,
    저전압 보드 네트 및 고전압 보드 네트를 포함하고, 상기 보드 네트는 변압기를 통해 갈바닉 절연되고, 상기 고전압 견인 배터리는 제2 작동 모드에서 상기 저전압 보드 네트에 전력을 공급하는, 전기 자동차.
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