KR20230034242A - 스파크 갭을 이용한 고전압 능동방전장치 - Google Patents

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Abstract

고전압 배터리를 이용하는 차량에서, 스파크 갭(Spark Gap)을 이용하여 콘덴서 폐회로를 구성한 후 방전램프로 콘덴서 전압을 방전 시켜 고전압으로부터 운전자 및 정비사를 보호할 수 있도록 한 스파크 갭을 이용한 고전압 능동방전장치에 관한 것으로서, 차량 상태 정보를 수집하고, 수집한 차량 상태 정보를 확인하여 고전압 방전이 필요하다고 판단되면 모터 컨트롤 유닛의 방전 기능을 수행하며, 설정 시간에 상기 모터 컨트롤 유닛의 방전이 이루어지지 않으면 스파크 갭 방전 제어신호를 발생하는 차량 제어 유닛(VCU); 상기 스파크 갭 방전 제어신호에 따라 스파크 갭을 동작시키는 릴레이; 상기 릴레이에 의해 동작이 이루어지면 고전압 공급용 콘덴서를 폐회로로 만드는 스파크 갭; 및 상기 고전압 공급용 콘덴서의 폐회로와 연동하여 상기 고전압 공급용 콘덴서에 저장된 고전압을 방전 시키는 고휘도 방전 램프를 포함하며, 고전압 방전이 필요한 것으로 판단되면, 모터 컨트롤 유닛의 방전 기능을 수행한 후 제1 설정 시간 이내에 방전이 이루어지면 모터 컨트롤 유닛의 방전 기능을 중단하고, 상기 제1 설정 시간 이내에 방전이 이루어지지 않으면 스파크 갭 방전 기능을 실행하여, 운전자 및 정비사의 감전 사고를 예방한다.

Description

스파크 갭을 이용한 고전압 능동방전장치{High voltage active discharge device using spark gap}
본 발명은 스파크 갭을 이용한 고전압 능동방전장치에 관한 것으로서, 특히 고전압 배터리를 이용하는 차량에서, 스파크 갭(Spark Gap)을 이용하여 콘덴서 폐회로를 구성한 후 방전램프로 콘덴서 전압을 방전 시켜 고전압으로부터 운전자 및 정비사를 보호할 수 있도록 한 스파크 갭을 이용한 고전압 능동방전장치에 관한 것이다.
일반적으로, 전기를 이용하는 친환경 자동차는 고전압을 이용하여 차량을 구동하게 된다. 이러한 친환경 자동차는 주요 구성품의 하나인 전원 분배 유닛(Power Distribution Unit; PDU)을 이용하여, 차량의 에너지원인 고전압 배터리로부터 전원을 공급받아 각 고전압 유닛에 고전압을 분배하는 주요 기능을 수행한다.
고전압을 이용하는 친환경 자동차의 구동을 위한 전력 변환회로로 인버터를 사용하고 있으며, 이러한 인버터를 이용하여 전기 모터를 제어한다.
사용자 또는 정비를 목적으로 하는 다른 사용자가 배터리팩 또는 고전압 전원 분배장치에 접근하였을 경우, 차량에서 사용되는 커패시터에 충전된 전압으로 인해 감전 등을 유발하여, 인체에 심각한 피해를 줄 수 있으며, 차량 시스템의 손상도 유발할 수 있는 문제점이 있다.
따라서 충돌이나 차량 이상에 의한 통신 불량이 발생하거나 모터 제어 유닛의 작동 불량이나 배터리 고장 시 정해진 시간에 신속하게 콘덴서의 전압을 방전 시켜야, 고전압부터 운전자 및 정비사를 보호할 수 있다.
현재 전기차에서는 감전방지를 위하여 콘덴서의 전압을 측정하고, 모터의 능동소자를 이용하여 콘덴서 방전을 진행한다.
도 1은 일반적인 전기차에서 콘덴서 전압을 방전 시키는 과정으로서, 차량의 시동이 온(on) 된 상태에서(S11), 차량 제어 유닛(VCU)은 차량의 각각의 상태를 감시한다(S12).
차량의 상태를 감시하는 도중에 콘덴서의 전압 방전이 요구되는 상황이 발생하면 즉, 차량 충돌이 발생하거나 차량 이상에 의한 통신 불량이 발생하거나, 모터 제어 유닛(MCU)의 작동 불량이 발생하거나 배터리 고장이 발생하면(S13), 모터의 능동 소자를 이용하여 모터 컨트롤 유닛(MCU)의 콘덴서 충전 전압을 방전 시킨다(S14).
이후, 상태 감시를 통해 충돌 중지가 감지되거나, 통신이 정상상태로 동작하거나, 모터 제어 유닛이 정상적으로 재동작하거나, 배터리가 정산 상태이거나 전압이 60V 이하이면(S15), 모터 컨트롤 유닛의 방전 기능 작동을 중단한다(S16).
그러나 이러한 일반적인 고전압 방전 방식은 모터의 능동 소자를 이용하여 고전압을 방전 시키는 방식이므로, 정해진 시간에 모터에서 고전압을 방전하지 못하면 운전자 및 정비사가 위험에 노출되는 문제가 있다.
상기와 같은 친환경 자동차에서 고전압으로 인해 발생하는 차량 사고를 방지하기 위해서 종래에 제안된 기술이 하기의 <특허문헌 1> 대한민국 공개특허 특2003-0039496호(2003.05.22. 공개), <특허문헌 2> 대한민국 공개특허 10-2005-0057895호(2005.06.16. 공개) 및 <특허문헌 3> 대한민국 공개특허 10-2012-0102459호(2012.09.18. 공개) 등에 개시되어 있다.
<특허문헌 1> 에 개시된 종래기술은 충전, 방전, 레스트 사이클 등의 시험 시퀀스를 제어하는 메인 컨트롤러, 메인 컨트롤러의 신호에 따라 프로그램된 방전 패턴을 기초로 배터리의 방전을 하고, 문제점 발생시 방전이 중단되도록 제어하는 충방전 시험장치를 구비하고, 전기 자동차용 배터리를 관리 및 시험하게 된다.
또한, <특허문헌 2> 에 개시된 종래기술은 연료전지 하이브리드 전기차량 구동을 위해서 탑재되어 있는 모터와 모터 제어기를 이용해서 메인 배터리 방전 시 보조 배터리의 전원으로 메인 배터리를 충전한다.
또한, <특허문헌 3> 에 개시된 종래기술은 하이브리드 자동차나 전기 자동차에 이용되는 배터리 세트에서, 차량 충돌 등의 돌발 사고로 인해 차량에 일정 수준 이상의 충격이 가해지면 배터리 세트로부터 전기적 공급이 차단되게 하여, 배터리로 인해 발생할 수 있는 위험을 방지하게 된다.
그러나 이러한 종래기술들은 고전압 방전을 위해 능동소자를 이용하는 방식인데, 정해진 시간에 모터에서 고전압 방전이 이루어지지 않을 경우 운전자 및 정비사가 위험에 노출되는 것을 방지할 수 없는 단점이 있다.
대한민국 공개특허 특2003-0039496호(2003.05.22. 공개) 대한민국 공개특허 10-2005-0057895호(2005.06.16. 공개) 대한민국 공개특허 10-2012-0102459호(2012.09.18. 공개)
따라서 본 발명은 상기와 같은 고전압 배터리를 사용하는 친환경 차량에서 모터의 능동소자만을 이용하여 고전압을 방전 시키는 데 따른 한계 및 종래기술에서 발생하는 제반 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것으로서, 고전압 배터리를 이용하는 차량에서, 스파크 갭(Spark Gap)을 이용하여 콘덴서 폐회로를 구성한 후 방전램프로 콘덴서 전압을 방전 시켜 고전압으로부터 운전자 및 정비사를 보호할 수 있도록 한 스파크 갭을 이용한 고전압 능동방전장치를 제공하는 데 목적이 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 "스파크 갭을 이용한 고전압 능동방전장치"는,
차량 상태 정보를 수집하고, 수집한 차량 상태 정보를 확인하여 고전압 방전이 필요하다고 판단되면 모터 컨트롤 유닛의 방전 기능을 수행하며, 설정 시간에 상기 모터 컨트롤 유닛의 방전이 이루어지지 않으면 스파크 갭 방전 제어신호를 발생하는 차량 제어 유닛(VCU);
상기 스파크 갭 방전 제어신호에 따라 스파크 갭을 동작시키는 릴레이;
상기 릴레이에 의해 동작이 이루어지면 고전압 공급용 콘덴서를 폐회로로 만드는 스파크 갭; 및
상기 고전압 공급용 콘덴서의 폐회로와 연동하여 상기 고전압 공급용 콘덴서에 저장된 고전압을 방전 시키는 고휘도 방전 램프를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 차량 제어 유닛은,
수집한 상태정보 중 충돌 발생, 차량 이상에 의한 통신 불량, 모터 제어 유닛의 작동 불량, 배터리 고장 및 후드 열림 중 어느 하나의 상태가 발생하면 고전압 방전이 필요하다고 판단하며, 고전압 방전 시 고전압 배터리의 상태를 확인하여, 고전압 배터리가 온 상태이면 배터리 관리 시스템(BMS)에 고전압 배터리를 오프하도록 제어 명령을 전송하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면 고전압 배터리를 이용하는 차량에서, 스파크 갭(Spark Gap)을 이용하여 콘덴서 폐회로를 구성한 후 방전램프를 동작시켜 콘덴서 전압을 신속하게 방전 시켜, 고전압으로부터 감전사고를 방지하여 운전자 및 정비사를 보호할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 친환경 차량에서 이상상태 발생시 모터 컨트롤 유닛의 능동소자를 이용하여 콘덴서의 전압을 방전하는 과정 흐름도,
도 2는 본 발명에 따른 스파크 갭을 이용한 고전압 능동방전장치의 회로도,
도 3은 본 발명에 따른 스파크 갭을 이용한 고전압 능동방전방법을 보인 흐름도이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 스파크 갭을 이용한 고전압 능동방전장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
이하에서 설명되는 본 발명에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 스파크 갭을 이용한 고전압 능동방전장치의 회로도로서, 배터리 관리 시스템(BMS)(60), 차량 제어 유닛(VCU)(10), 릴레이(20), 스파크 갭(Spark Gap)(30), 콘덴서(40) 및 고휘도 방전램프(50)를 포함할 수 있다.
배터리 관리 시스템(60)은 고전압 배터리의 전압, 전류, 온도를 측정하고, VOC를 산출하며, 고전압 배터리의 온 또는 오프를 제어하는 역할을 한다.
차량 제어 유닛(10)은 차량 상태 정보를 수집하고, 수집한 차량 상태 정보를 확인하여 고전압 방전이 필요하다고 판단되면 모터 컨트롤 유닛(MCU)의 방전 기능을 수행하며, 설정 시간에 상기 모터 컨트롤 유닛의 방전이 이루어지지 않으면 스파크 갭 방전 제어신호를 발생하는 역할을 한다.
이러한 차량 제어 유닛(10)은 수집한 상태정보 중 충돌 발생, 차량 이상에 의한 통신 불량, 모터 제어 유닛의 작동 불량, 배터리 고장 및 후드 열림 중 어느 하나의 상태가 발생하면 고전압 방전이 필요하다고 판단하며, 고전압 방전 시 고전압 배터리의 상태를 확인하여, 고전압 배터리가 온 상태이면 상기 배터리 관리 시스템(BMS)(60)에 고전압 배터리를 오프하도록 제어 명령을 전송할 수 있다.
릴레이(20)는 상기 스파크 갭 방전 제어신호에 따라 스파크 갭(30)을 동작시키는 역할을 한다.
스파크 갭(30)은 상기 릴레이(20)에 의해 동작이 이루어지면 고전압 공급용 콘덴서(40)를 폐회로로 만드는 역할을 하며, 고휘도 방전 램프(50)는 상기 고전압 공급용 콘덴서(40)의 폐회로와 연동하여 상기 고전압 공급용 콘덴서(40)에 저장된 고전압을 방전 시키는 역할을 한다.
상기 고전압 공급용 콘덴서(40)는 배터리 팩 히터, 히터, LDC, OBC, A/C 등에 고전압을 공급해주는 콘덴서이다.
도 3은 본 발명에 따른 "스파크 갭을 이용한 고전압 능동방전방법"을 보인 흐름도로서, S는 단계(Step)를 나타내며, 차량 제어 유닛(10)에서 소프트웨어적으로 고전압 공급용 콘덴서의 방전 기능을 제어하는 과정을 나타낸 것이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 스파크 갭을 이용한 고전압 능동방전방법은, (a) 차량 시동이 온 상태가 되면 차량 상태 정보를 수집하고, 수집한 차량 상태 정보를 확인하여 고전압 방전이 필요한지를 확인하는 단계(S101 - S103), (b) 수집한 상태정보 중 충돌 발생, 차량 이상에 의한 통신 불량, 모터 제어 유닛의 작동 불량, 배터리 고장 및 후드 열림 중 어느 하나의 상태가 발생하면 고전압 방전이 필요하다고 판단하며, 고전압 방전 시 고전압 배터리의 상태를 확인하여, 고전압 배터리가 온 상태이면 배터리 관리 시스템(BMS)에 고전압 배터리를 오프하도록 제어 명령을 전송하며, 상기 고전압 배터리가 오프 상태이면, 모터 컨트롤 유닛의 방전 기능을 수행하는 단계(S104 - S106), 및 (c) 상기 모터 컨트롤 유닛의 방전을 진행한 후 제1 설정 시간(예를 들어, 2초) 이내에 방전이 이루어지면 모터 컨트롤 유닛의 방전 기능을 중단하고, 상기 제1 설정 시간 이내에 방전이 이루어지지 않으면 스파크 갭 방전 기능을 실행하는 단계(S107, S108, S110)를 포함한다.
상기 (c)단계의 스파크 갭 방전 기능은 (c1) 스파크 갭 방전 모드로 진입하는 단계(S111), (c2) 고전압 공급용 콘덴서의 에너지가 만충전인지를 확인하는 단계(S112), (c3) 상기 고전압 공급용 콘덴서의 에너지가 만충전 상태이면, 스파크 갭 방전 제어신호를 발생하여 스파크 갭을 동작시키는 릴레이를 동작시켜 고전압 공급용 콘덴서를 폐회로로 만들어 고휘도 방전램프를 통해 고전압을 방전 시키는 단계(S113 - S114), 및 (c4) 상기 고휘도 방전램프를 동작시킨 후, 제2 설정 시간 이내에 고전압 공급용 콘덴서의 충전 전압이 설정 전압 이하로 낮아지면 상기 스파크 갭 구동용 릴레이를 오프시키고, 상기 제2 설정 시간 이내에 고전압 공급용 콘덴서의 충전 전압이 설정 전압 이하로 낮아지지 않으면 상기 고휘도 방전램프 동작상태를 상기 제2 설정 전압 이하가 될 때까지 유지시키는 단계(S115 - S116)를 포함한다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 스파크 갭을 이용한 고전압 능동방전장치 및 방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 차량 시동이 온 상태가 되면 차량 제어 유닛(10)은 각각의 장치의 상태 감시를 통해 차량 상태 정보를 수집한다(S101 - S102). 여기서 수집되는 차량 상태 정보는 충돌 발생 정보, 통신 정보, 모터 제어 유닛의 동작 정보, 배터리 고장 유무 정보, 후드 열림 정보 등을 포함할 수 있다.
다음으로, 차량 제어 유닛(10)은 단계 S103으로 이동하여, 수집한 차량 상태 정보를 확인하여 고전압 방전이 필요한지를 확인한다.
즉, 수집한 상태정보 중 차량 충돌 발생, 차량 이상에 의한 통신 불량, 모터 제어 유닛의 작동 불량, 배터리 고장 및 후드 열림 중 어느 하나의 상태가 발생하면 고전압 방전이 필요하다고 판단한다.
고전압 방전이 필요한 것으로 판단이 되면, 단계 S104로 이동하여 고전압 방전 시 고전압 배터리의 상태를 확인하여, 고전압 배터리가 온 상태이면 단계 S105로 이동하여 배터리 관리 시스템(BMS)(60)에 고전압 배터리를 오프하도록 제어 명령을 전송하여, 고전압 배터리를 오프시킨다.
아울러 고전압 배터리의 상태가 오프 상태이면, 단계 S106으로 이동하여 모터 컨트롤 유닛의 방전 기능을 수행한다. 여기서 모터 컨트롤 유닛의 방전 기능은 기존과 같이 모터 컨트롤 유닛의 능동소자를 이용하여 방전을 진행하는 것을 의미한다.
이어, 단계 S107로 이동하여 상기 모터 컨트롤 유닛의 방전을 진행한 후 제1 설정 시간(예를 들어, 2초) 이내에 방전이 이루어지는지를 확인한다. 즉, 고전압 공급용 콘덴서의 전압 측정을 하고, 측정 전압이 60V 이하가 되는지를 확인한다. 이 확인 결과, 측정 전압이 60V 이하가 되면, 정상적으로 방전이 이루어진 것으로 판단을 하고, 단계 S108로 이동하여 모터 컨트롤 유닛의 방전 기능을 중단한다.
이와는 달리 상기 제1 설정 시간 이내에 방전이 이루어지지 않으면 즉, 측정 전압이 제1 설정 시간 이내에 60V 이하가 되지 않으면, 단계 S110으로 이동하여 스파크 갭 방전 기능을 실행한다.
상기 스파크 갭 방전 기능을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
단계 S111과 같이 스파크 갭 방전 모드로 진입하고, 단계 S112에서 상기 고전압 공급용 콘덴서(40)의 에너지가 만충전인지를 확인한다. 이 확인 결과, 상기 고전압 공급용 콘덴서(40)의 에너지가 만충전 상태이면, 단계 S113으로 이동하여 스파크 갭 방전 제어신호를 발생하여 스파크 갭을 동작시키는 릴레이(20)를 동작시킨다. 상기 스파크 갭 동작용 릴레이(20)가 온 상태로 동작을 하면, 스파크 갭(30)이 동작을 하여 고전압 공급용 콘덴서(40)를 폐회로로 만든다.
여기서 스파크 갭(30)은 공기와 같은 가스로 채워진 갭에 의해 분리된 두 개의 전도성 전극(31, 32)의 배열로 구성되며, 전기 스파크가 도체 사이를 통과할 수 있도록 설계되어 있다. 도체인 전도성 전극(31, 32) 간의 전압 차가 개의 항복 전압을 초과하면 스파크가 형성되어 가스를 이온화하고, 전기 저항을 대폭 감소시킨다. 이온화된 가스의 경로가 끊어지거나 전류가 "유지 전류"라고 하는 최소값 이하로 감소할 때까지 전류가 흐른다. 이것은 일반적으로 전압이 떨어지면 발생하지만 가열된 가스가 상승하고 스트레칭을 하고, 이온화된 가스의 필라멘트를 끊을 때 발생한다.
이러한 스파크 갭(30)의 동작에 의해 고전압 공급용 콘덴서(40)가 폐회로가 되면, 고휘도 방전 램프(50)는 단계 S114와 같이 상기 고전압 공급용 콘덴서(40)의 폐회로와 연동하여 상기 고전압 공급용 콘덴서(40)에 저장된 고전압을 방전 시킨다.
상기 고휘도 방전램프(50)를 이용하여 고전압을 방전 시키는 능동방전을 수행한 후, 단계 S115에서 제2 설정 시간(예를 들어, 2초) 이내에 고전압 공급용 콘덴서(40)의 충전 전압이 설정 전압(예를 들어, 60V) 이하로 낮아지면 단계 S116으로 이동하여 상기 스파크 갭 구동용 릴레이(20)를 오프(off)시킨다. 이와는 달리, 상기 제2 설정 시간 이내에 고전압 공급용 콘덴서(40)의 충전 전압이 설정 전압 이하로 낮아지지 않으면 상기 고휘도 방전램프(50)의 방전동작상태를 상기 제2 설정 전압 이하가 될 때까지 유지시킨다.
이와 같이 본 발명은 고전압 방전 시 모터 컨트롤 유닛의 방전 기능 후 정해진 시간 이내에 고전압 방전이 이루어지지 않으면, 스파크 갭을 이용하여 콘덴서의 전압을 신속하게 방전 시킴으로써, 고전압으로부터 운전자 및 정비사의 감전사고를 방지할 수 있게 된다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.
10: 차량 제어 유닛(VCU) 20: 릴레이
30: 스파크 갭 40: 콘덴서
50: 고휘도 방전램프 60: 배터리 관리 시스템(BMS)

Claims (2)

  1. 스파크 갭을 이용하여 고전압을 방전 시키기 위한 장치로서,
    차량 상태 정보를 수집하고, 수집한 차량 상태 정보를 확인하여 고전압 방전이 필요하다고 판단되면 모터 컨트롤 유닛의 방전 기능을 수행하며, 설정 시간에 상기 모터 컨트롤 유닛의 방전이 이루어지지 않으면 스파크 갭 방전 제어신호를 발생하는 차량 제어 유닛(VCU);
    상기 스파크 갭 방전 제어신호에 따라 스파크 갭을 동작시키는 릴레이;
    상기 릴레이에 의해 동작이 이루어지면 고전압 공급용 콘덴서를 폐회로로 만드는 스파크 갭; 및
    상기 고전압 공급용 콘덴서의 폐회로와 연동하여 상기 고전압 공급용 콘덴서에 저장된 고전압을 방전 시키는 고휘도 방전 램프를 포함하는 것을 특징으로 하는 스파크 갭을 이용한 고전압 능동방전장치.
  2. 청구항 1에서, 상기 차량 제어 유닛은,
    수집한 상태정보 중 충돌 발생, 차량 이상에 의한 통신 불량, 모터 제어 유닛의 작동 불량, 배터리 고장 및 후드 열림 중 어느 하나의 상태가 발생하면 고전압 방전이 필요하다고 판단하며, 고전압 방전 시 고전압 배터리의 상태를 확인하여, 고전압 배터리가 온 상태이면 배터리 관리 시스템(BMS)에 고전압 배터리를 오프하도록 제어 명령을 전송하는 것을 특징으로 하는 스파크 갭을 이용한 고전압 능동방전장치.
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