KR20230155736A - 차량용 보조 배터리 전원 관리 장치 - Google Patents

차량용 보조 배터리 전원 관리 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 차량용 보조 배터리 전원 관리 장치에 관한 것으로, 차량 주행 중, 시동 배터리로부터 공급되는 알터네이터의 직류(DC) 전원을 전환하여 보조 배터리를 충전시키는 주행 충전 모듈부, 외부 교류 전원으로부터 외부 교류 전원을 공급받아 직류 전원으로 전환하여 보조 배터리를 충전시키는 교류 충전 모듈부; 및보조 배터리로부터 직류 전원을 공급받아 차량의 모터 구동용 교류 전력으로 변환하여 차량의 모터에 공급하는 인버터부를 포함한다.

Description

차량용 보조 배터리 전원 관리 장치{AUXILIARY BATTERY POWER MANAGEMENT UNIT FOR VEHICLES}
본 발명은 보조 배터리 전원 관리 장치에 관한 것으로, 보다 자세하게는 차량 주행 중, 보조 배터리를 충전시키는 주행 충전 모듈, 외부 교류 전원을 공급받아 직류 전원으로 전환하여 보조 배터리를 충전시키는 교류 충전 모듈 및 보조 배터리로부터 직류 전원을 공급받아 차량의 모터 구동용 교류 전력으로 변환하여 차량의 모터에 공급하는 인버터가 내장되는 차량용 보조 배터리 전원 관리 장치에 관한 것이다.
일반적으로 차량은 시동시에는 배터리 전압을 이용하게 되고 자동차의 실내 램프 등이나 계기류, 에어컨장치와 같은 전기장치에 전원을 공급하기 위해 배터리와 발전기(얼터네이터:alternator)가 장착되어 있다.
차량의 배터리는 시동을 걸 때 스타터 모터를 회전시켜 엔진을 구동하게 되면 엔진에 팬 벨트로 접속되어 있는 교류발전기가 발전하여 배터리를 충전시키도록 되어 있으나, 충전하여 사용할 수 있는 용량에는 한계가 있어 사용자의 부주의로 인해 배터리가 방전되어 차량 시동을 걸 수 없거나 또는 지속적인 충전 및 방전에 의해 배터리의 용량과 수명이 단축되어 배터리로서의 기능을 발휘할 수 없는 경우도 발생하게 된다.
그에 따라, 차량에서 필요로 하는 전기에너지를 충분히 공급할 수 있도록 메인 배터리와 별도로 보조 배터리를 장착하여 사용하는 경우가 최근 들어 증가하고 있으며, 특히 내비게이션(Navigation)이나 블랙박스(Black box)와 같이 차량에 별도로 장착된 전자 기기에 보조 배터리를 통해 전원을 공급하여 차량이 이동중이거나 정지 간에도 전자 기기가 정상적으로 동작되도록 한다.
일반적으로, 보조 배터리는 차량의 메인 배터리와 직접 연결되거나 또는 릴레이를 통해 연결되어, 메인 배터리로부터 출력되는 직류전압을 공급받아 충전하게 된다.
위와 같은 종래 기술에 있어서, 보조 배터리가 메인 배터리에 직접 연결되는 경우, 메인 배터리의 전압상태를 고려하지 않고 시동이 꺼진 상태에서도 보조 배터리가 지속적으로 충전되어, 메인 배터리가 방전될 우려가 있다.
한편, 보조 배터리가 릴레이를 통해 메인 배터리에 연결되어 시동이 켜진 상태에서만 보조 배터리로의 충전이 이루어지는 경우에는, 보조 배터리의 충전효율에 따라 보조 배터리가 충분히 충전되지 않아, 주차시 시동이 꺼진 상태에서 블랙박스 등의 전자 기기가 장시간 동작하지 못하는 문제가 발생할 수 있다.
따라서 일반적으로 사용되는 전원 공급 장치뿐 아니라, 블랙박스 등에 전원을 공급하기 위한 차량용 보조 배터리의 경우, 충전 속도를 증가시켜 충전에 소요되는 시간을 단축시키면서, 안정적으로 구동할 수 있는 구조를 가지는 것이 필요하다.
이와 관련하여, 한국공개특허 제10-2015-0132767호는 "주행 충전장치, 주행 주행충전 제공장치 및 방법"에 관하여 개시하고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 차량 주행 중, 보조 배터리를 충전시키는 주행 충전 모듈, 외부 교류 전원을 공급받아 직류 전원으로 전환하여 보조 배터리를 충전시키는 교류 충전 모듈 및 보조 배터리로부터 직류 전원을 공급받아 차량의 모터 구동용 교류 전력으로 변환하여 차량의 모터에 공급하는 인버터가 내장되는 차량용 보조 배터리 전원 관리 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 보조 배터리가 기 설정된 충전량을 초과하여 충전되었을 경우, 정전압(CV) 모드로 충전하고, 보조 배터리의 전압이 기 설정된 전압 이하인 경우에서 충전되는 경우, 정전류(CC) 모드로 충전하는 차량용 보조 배터리 전원 관리 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 차량용 보조 배터리 전원 관리 장치는 차량 주행 중, 시동 배터리로부터 공급되는 알터네이터의 직류(DC) 전원을 전환하여 보조 배터리를 충전시키는 주행 충전 모듈부; 외부 교류 전원으로부터 외부 교류 전원을 공급받아 직류 전원으로 전환하여 보조 배터리를 충전시키는 교류 충전 모듈부; 및 보조 배터리로부터 직류 전원을 공급받아 차량의 모터 구동용 교류 전력으로 변환하여 차량의 모터에 공급하는 인버터부;를 포함한다.
또한, 상기 주행 충전 모듈부는 알터네이터의 직류 전원을 정전압 48V 전류량으로 전환하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 주행 충전 모듈부는 보조 배터리가 기 설정된 충전량을 초과하여 충전되었을 경우, 정전압(CV) 모드로 충전하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 주행 충전 모듈부는 보조 배터리의 전압이 기 설정된 전압 이하인 경우에서 충전되는 경우, 정전류(CC) 모드로 충전하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 차량용 보조 배터리 전원 관리 장치는 차량 주행 중, 보조 배터리를 급속 충전시키는 주행 충전 모듈, 외부 교류 전원을 공급받아 직류 전원으로 전환하여 보조 배터리를 충전시키는 교류 충전 모듈 및 보조 배터리로부터 직류 전원을 공급받아 차량의 모터 구동용 교류 전력으로 변환하여 차량의 모터에 공급하는 인버터가 일체로 내장됨으로써, 전력 장치의 연결 문제로 장착 중 발생하는 사고를 방지할 수 있는 효과가 있다.
즉, 탈부착이 용이한 모듈형태로 구성되어 안전을 고려한 입출력 단자 및 안전 차단 기능을 구현할 수 있다.
또한, 본 발명은 보조 배터리가 기 설정된 충전량을 초과하여 충전되었을 경우, 정전압(CV) 모드로 충전하여 충전 전류를 줄이고, 보조 배터리의 전압이 기 설정된 전압 이하인 경우에서 충전되는 경우, 정전류(CC) 모드로 충전하여 일정한 전류로 충전이 되도록 함으로써, 안정된 출력 전압을 승강압시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 차량용 보조 배터리 전원 관리 장치가 채용되는 시스템의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 차량용 보조 배터리 전원 관리 장치의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다.
그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 이하, 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명에 따른 차량용 보조 배터리 전원 관리 장치가 채용되는 시스템의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 차량용 보조 배터리 전원 관리 장치가 채용되는 시스템은 모터(M), 알터네이터(10), 시동 배터리(20), 차량용 보조 배터리 전원 관리 장치(100) 및 보조 배터리(30)를 포함하여 구성된다.
모터(M)는 차량을 구동시킨다. 여기서, 차량은 모터를 구동시켜 주행하는 순수 전기 자동차(Electric Vehicle; EV)나, 엔진과 전기 모터로 주행하는 하이브리드 자동차(Hybrid Electric Vehicle; HEV), 연료전지에서 생성되는 전력으로 전기 모터를 구동시켜 주행하는 연료전지 자동차(Fuel Cell Electric Vehicle; FCEV) 등의 친환경 자동차일 수 있다.
얼터네이터(10)는 차량의 시동 온 시 구동되어 전기 에너지를 발생시키기 위한 것으로, 차량에 구비되는 시동 배터리(20)로 충전 전원을 공급한다.
시동 배터리(20)는 얼터네이터(10)의 전기 에너지를 공급받아 충전 상태가 되어 퓨즈를 통해 차량 내 장치들로 전원을 공급할 수 있다.
차량용 보조 배터리 전원 관리 장치(100)는 차량에 구비된 보조 배터리(30)와 연결되어 차량의 얼터네이터(10)와 연결되는 시동 배터리(20)로부터 전기 에너지를 공급받아 보조 배터리(30)에 충전 전류를 공급하는 역할을 한다.
즉, 차량용 보조 배터리 전원 관리 장치(100)는 차량의 얼터네이터(10)의 불안정 리플 직류 전원을 정전압 48V 안정화된 전류량으로 전환하여 보조 배터리를 충전시킬 수 있다.
그리고 차량용 보조 배터리 전원 관리 장치(100)는 외부 교류 전원으로부터 외부 교류 전원을 공급받아 직류 전원으로 전환하여 보조 배터리를 충전시킬 수 있다.
이때, 차량용 보조 배터리 전원 관리 장치(100)의 메인 케이스는 회로 기판이 수용되기 위한 내부 공간을 가지며, 방열 효과를 높이기 위해 알루미늄 등과 같은 열전도율이 높은 금속 소재로 구성될 수 있다.
그리고 차량용 보조 배터리 전원 관리 장치(100)의 회로 기판에는 보조 배터리(30)에 내장된 충전지의 충방전을 제어하기 위한 소자가 형성되어 있으며, 예를 들어 콘덴서(condenser), 인덕터(inductor), DC/DC 컨버터(converter) 및 에프이티(FET, Field Effective Transister) 등과 같은 복수의 소자들이 배치될 수 있다.
보조 배터리(30)는 차량용 보조 배터리 전원 관리 장치(100)로부터 충전 전류를 공급받으며, 충전지가 내장된다. 충전지는 이미 방출된 전류를 다시 외부로부터 유입시켜 전압이 회복되는 전지로서, 외부로부터 유입되는 전류에 의해 충전된 전압을 다른 전자 기기에 공급하는 장치이다. 충전지의 종류로는 니켈 카드뮴(Ni-Cd), 알카라인 전지, 니켈 수소(Ni-Mh), 밀폐형 납산(SLA), 리튬 이온(Liion), 리튬 폴리머(Li-polymer) 등과 같이 전기 화학 반응의 가역적 특성을 이용하는 전지일 수 있으며, 본 발명은 리튬인산철배터리(LiFePO4)일 수 있다. 리튬인산철배터리(LiFePO4)는 충전 효율 및 속도가 빠르며, 폭발의 위험이 적은 장점이 있다.
또한, 보조 배터리(30)에는 충전지의 정상 동작을 위한 보호 회로가 포함될 수 있으며, 예를 들어 보조 배터리(30)의 보호 회로는 충전지의 과방전, 과전압, 과전류 등을 방지하기 위한 회로일 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 차량용 보조 배터리 전원 관리 장치의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 차량용 보조 배터리 전원 관리 장치(100)는 크게 주행 충전 모듈부(110), 교류 충전 모듈부(120) 및 인버터부(130)를 포함하여 탈부착 형태로 구성될 수 있다.
주행 충전 모듈부(110)는 차량 주행 중, 시동 배터리로부터 공급되는 알터네이터의 직류(DC) 전원을 전환하여 보조 배터리를 충전시킨다.
즉, 주행 충전 모듈부(110)는 알터네이터의 리플 직류 전원(10-15V)을 정전압 48V 안정화된 전류량으로 전환하여 보조 배터리의 급속 충전을 가능하게 한다.
주행 충전 모듈부(110)는 보조 배터리가 기 설정된 충전량을 초과하여 충전되었을 경우, 정전압(CV) 모드로 충전하여 충전 전류를 줄일 수 있다. 즉, 주행 충전 모듈부(110)는 충전이 일정 수준 이상에 도달하면 전압을 유지하되, 전류량을 줄여나가는 정전압 모드로 충전을 한다.
그리고 주행 충전 모듈부(110)는 보조 배터리의 전압이 기 설정된 전압 이하인 경우에서 충전되는 경우, 정전류(CC:Constant Current) 모드로 충전하여 일정한 전류로 충전이 가능하게 한다. 즉, 주행 충전 모듈부(110)는 충전량이 일정 수준에 도달할 때까지는 최대 전류 상태에서 전압을 높이는 정전류 모드로 충전을 한다.
교류 충전 모듈부(120)는 외부 교류 전원으로부터 외부 교류 전원을 공급받아 직류 전원으로 전환하여 보조 배터리를 충전시킨다. 이때, 교류 충전 모듈부(120)는 1kVA 급 이상일 수 있다.
인버터부(130)는 보조 배터리로부터 직류 전원을 공급받아 차량의 모터 구동용 교류 전력으로 변환하여 차량의 모터에 공급한다.
이상 본 명세서에서 설명한 기능적 동작과 본 주제에 관한 실시형태들은 본 명세서에서 개시한 구조들 및 그들의 구조적인 등가물을 포함하여 디지털 전자 회로나 컴퓨터 소프트웨어, 펌웨어 또는 하드웨어에서 또는 이들 중 하나 이상이 조합에서 구현 가능하다.
본 명세서에서 기술하는 주제의 실시형태는 하나 이상이 컴퓨터 프로그램 제품, 다시 말해 데이터 처리 장치에 의한 실행을 위하여 또는 그 동작을 제어하기 위하여 유형의 프로그램 매체 상에 인코딩되는 컴퓨터 프로그램 명령에 관한 하나 이상이 모듈로서 구현될 수 있다. 유형의 프로그램 매체는 전파형 신호이거나 컴퓨터로 판독 가능한 매체일 수 있다. 전파형 신호는 컴퓨터에 의한 실행을 위하여 적절한 수신기 장치로전송하기 위한 정보를 인코딩하기 위하여 생성되는 예컨대 기계가 생성한 전기적, 광학적 또는 전자기 신호와 같은 인공적으로 생성된 신호이다. 컴퓨터로 판독 가능한 매체는 기계로 판독 가능한 저장장치, 기계로 판독 가능한 저장 기판, 메모리 장치, 기계로 판독 가능한 전파형 신호에 영향을 미치는 물질의 조합 또는 이들 중 하나 이상이 조합일 수 있다.
부가적으로, 본 특허문헌에서 기술하는 논리 흐름과 구조적인 블록도는 개시된 구조적인 수단의 지원을 받는 대응하는 기능과 단계의 지원을 받는 대응하는 행위 및/또는 특정한 방법을 기술하는 것으로, 대응하는 소프트웨어 구조와 알고리즘과 그 등가물을 구축하는 데에도 사용 가능하다.
그리고 본 기술한 설명은 본 발명의 최상의 모드를 제시하고 있으며, 본 발명을 설명하기 위하여, 그리고 당업자가 본 발명을 제작 및 이용할 수 있도록 하기 위한 예를 제공하고 있다. 이렇게 작성된 명세서는 그 제시된 구체적인 용어에 본 발명을 제한하는 것이 아니다.
따라서, 상술한 예를 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하였지만, 당업자라면 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서도 본 예들에 대한 개조, 변경 및 변형을 가할 수 있다. 요컨대 본 발명이 의도하는 효과를 달성하기 위해 도면에 도시된 모든 기능 블록을 별도로 포함하거나 도면에 도시된 모든 순서를 도시된 순서 그대로 따라야만 하는 것은 아니며, 그렇지 않더라도 얼마든지 청구항에 기재된 본 발명의 기술적 범위에 속할 수 있음에 주의한다.
100 : 차량용 보조 배터리 전원 관리 장치
110 : 주행 충전 모듈부
120 : 교류 충전 모듈부
130 : 인버터부

Claims (4)

  1. 차량 주행 중, 시동 배터리로부터 공급되는 알터네이터의 직류(DC) 전원을 전환하여 보조 배터리를 충전시키는 주행 충전 모듈부;
    외부 교류 전원으로부터 외부 교류 전원을 공급받아 직류 전원으로 전환하여 보조 배터리를 충전시키는 교류 충전 모듈부; 및
    보조 배터리로부터 직류 전원을 공급받아 차량의 모터 구동용 교류 전력으로 변환하여 차량의 모터에 공급하는 인버터부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 보조 배터리 전원 관리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 주행 충전 모듈부는 알터네이터의 직류 전원을 정전압 48V 전류량으로 전환하는 것을 특징으로 하는 차량 주행 중 충전 및 전원 관리 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 주행 충전 모듈부는 보조 배터리가 기 설정된 충전량을 초과하여 충전되었을 경우, 정전압(CV) 모드로 충전하는 것을 특징으로 하는 차량 주행 중 충전 및 전원 관리 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 주행 충전 모듈부는 보조 배터리의 전압이 기 설정된 전압 이하인 경우에서 충전되는 경우, 정전류(CC) 모드로 충전하는 것을 특징으로 하는 차량 주행 중 충전 및 전원 관리 장치.
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