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KR20160066762A - 차량용 배터리 시스템의 전원 단속 장치 및 그 동작 방법 - Google Patents

차량용 배터리 시스템의 전원 단속 장치 및 그 동작 방법 Download PDF

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KR20160066762A
KR20160066762A KR1020140171935A KR20140171935A KR20160066762A KR 20160066762 A KR20160066762 A KR 20160066762A KR 1020140171935 A KR1020140171935 A KR 1020140171935A KR 20140171935 A KR20140171935 A KR 20140171935A KR 20160066762 A KR20160066762 A KR 20160066762A
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switch
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vehicle battery
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Abstract

차량용 배터리 시스템의 전원 단속 장치 및 그 동작 방법이 개시된다.
본 발명의 일 면에 따른 차량용 배터리 시스템의 전원 단속 장치는 배터리의 음(-)극과 커패시터 사이를 직렬로 연결하는 제1 메인 스위치, 상기 배터리의 양(+)극과 상기 커패시터 사이를 직렬로 연결하는 제2 메인 스위치, 및 상기 제1 메인 스위치를 온(ON) 상태로 전환하여 상기 커패시터를 프리차징하며, 상기 커패시터의 충전 전압 레벨에 따라 상기 제2 메인 스위치를 온(ON) 상태로 전환하는 스위치 제어부를 포함한다.

Description

차량용 배터리 시스템의 전원 단속 장치 및 그 동작 방법{Power source connection apparatus and method thereof}
본 발명은 친환경 차량에 관한 것으로, 특히 차량용 배터리 시스템의 전원 단속 장치의 성능 향상에 관한 것이다.
화석연료의 고갈 문제와 화석연료의 사용에 따른 환경오염 문제가 대두되면서, 연료효율을 높이고 배기가스 저감이 가능한 친환경 차량이 각광을 받고 있다. 여기서, 친환경 차량은 하이브리드 자동차, 수소연료전지 자동차, 전기 자동차 등을 대표적인 예로 들 수 있다. 기존의 내연기관 차량과 친환경 차량의 가장 큰 차이점은 전기에너지를 동력원으로 모터를 구동하여 차량동력에 사용한다는 점이다. 내연기관에서 엔진에 동력을 제공하는 에너지원으로 가솔린, 디젤 등의 연료를 필요로 하듯이, 전기 모터는 전기에너지를 에너지원으로 필요로 하고 충전 및 방전이 가능한 2차 전지를 주로 사용한다.
예컨대, 친환경 차량(이하, ‘차량’으로 총칭)에서는 고전압의 전원을 메인 배터리로 사용하여 모터를 구동시키고, 차량 기동 시 차량 시스템에 고전압의 메인 배터리 전원을 공급하기 위해 메인 릴레이를 붙이게 된다. 이때, 메인 릴레이를 차량 시스템에 연결할 경우, 급격한 전류(돌입전류) 흐름으로 인해 배터리가 쇼트되어 대전류가 흐르는 메인 릴레이 고착현상이 발생되게 된다.
이러한 점을 방지하기 위해, 차량에는 고전압 배터리 시스템에 요구된다. 고전압 배터리 시스템은 다수의 전지셀, 배터리 제어/관리 시스템(Battery Management System, BMS) 냉각 장치, 전원 단속 장치(Power Relay Assembly, PRA) 등으로 구성된다. 여기서, 고전압은 100V~500V의 범위를 갖게 되고, 누설이 발생하는 경우 감전에 의한 인명 사고를 유발할 수 있기 때문에, 고전압을 외부와 연결 및 차단할 수 있는 기능을 확보하여야 한다.
이를 위해, 전원 단속 장치(PRA)는 고전압 배터리 시스템과 외부 간의 전기적 절연을 확보하고, 고전압 전류를 측정하고, 돌입 전류를 제한하는 기능을 담당한다. 전원 단속 장치의 동작은 차량의 시동이 온(ON) 되면, BMS의 정해진 동작 시퀀스에 의해서 고전압 릴레이가 온(ON)되어 파워소스(배터리)와 부하(인버터, 모터)가 연결되며, 차량의 시동이 오프(OFF)되면 고전압 릴레이가 오프(OFF)되어 전기적 연결이 차단된다.
이러한, 전원 단속 장치의 구성은 도 1에 도시된 바와 같이, 고전압 메인 릴레이(+)/(-)(10, 20), 프리차지(Pre-charge) 릴레이(30), 프리차지 저항(40)으로 이루어져 있다. 여기서, 고전압 메인 릴레이(10, 20)는 고전압(+), (-)에 각각 연결되어 회로 연결 및 차단을 담당한다. 프리차지 릴레이(30)와 프리차지 저항(40)은 고전압 배터리와 직렬로 연결되는 인버터의 캐패시터를 충전한다. 전류센서는 고전압 전류를 측정하여 고전압 배터리의 충전상태를 계산하고, 과전류를 검출하여 안전성을 향상시킨다.
그러나, 이러한 전원 단속 장치의 고전압 기계식 릴레이는 내부 전자석에 의한 접점간의 접촉으로 인해 동작 시 발생하는 소음 발생, 마모에 의한 수명 제한 발생의 단점이 있다. 또한, BMS에서 전원 단속 장치의 전원공급 및 제어를 담당하여 두 유닛 간의 연결 불량에 의한 품질 문제가 우려된다.
본 발명은 차량용 배터리 시스템의 전원 단속 장치를 전자식으로 제어하는 기술적 방안을 제공함을 목적으로 한다.
전술한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 양상에 따른 차량용 배터리 시스템의 전원을 단속하는 방법은 친환경 차량의 시동 개시 신호가 수신되면, 배터리의 음(-)극과 연결된 제1 메인 스위치를 온(ON) 상태로 전환하는 단계, 프리차징(Pre-charging) 스위치를 온(ON) 상태로 전환하고 커패시터를 프리차징하는 단계, 상기 커패시터의 충전 전압 레벨에 따라 상기 배터리의 양(+)극과 연결된 제2 메인 스위치를 온(ON) 상태로 전환하는 단계, 및 상기 프리차징 스위치를 오프(OFF) 상태로 전환하는 단계를 포함한다.
한편, 전술한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 양상에 따른 차량용 배터리 시스템의 전원을 단속하는 방법은 친환경 차량의 시동 개시 신호가 수신되면, 배터리의 음(-)극과 연결된 제1 메인 스위치를 온(ON) 상태로 전환하는 단계, 상기 배터리의 양(+)극과 연결된 제2 메인 스위치를 온(ON) 상태로 전환하고 통전 전류를 제어하면서 커패시터를 프리차징하는 단계, 및 상기 커패시터의 충전 전압 레벨에 따라 상기 통전 전류를 제어하는 동작을 해제하는 단계를 포함한다.
다른 한편, 전술한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 양상에 따른 차량용 배터리 시스템의 전원 단속 장치는 배터리의 음(-)극과 커패시터 사이를 직렬로 연결하는 제1 메인 스위치, 상기 배터리의 양(+)극과 상기 커패시터 사이를 직렬로 연결하는 제2 메인 스위치, 및 상기 제1 메인 스위치를 온(ON) 상태로 전환하여 상기 커패시터를 프리차징하며, 상기 커패시터의 충전 전압 레벨에 따라 상기 제2 메인 스위치를 온(ON) 상태로 전환하는 스위치 제어부를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 전자식 전원 단속 장치는 내부저항이 작고 제어가 용이한 장점을 가진 IGBT를 스위칭 소자를 이용함으로써, 스위칭 소자 반도체 소자이며, 내부저항이 작고 제어가 용이하며, 손쉽게 스위치 접점 상태를 모니터링하여 비정상 상황에 빠른 대처가 가능하다는 이점이 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 전원 단속 장치는 종래의 기계식 전원 단속 장치와 대비하여 수명이 길고 동작 소음이 없으며 신뢰성이 높은 장점이 있으며, 소형 및 경량화 구현이 가능하다.
도 1은 종래의 전원 단속 장치의 구성을 나타내는 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 단속 장치를 포함한 차량용 배터리 시스템의 전체 회로 구성을 나타내는 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 단속 장치 구성 블록도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 단속 장치의 차량 전원 공급 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 단속 장치의 진단 동작 방법을 설명하기 위한 흐름도
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전원 단속 장치를 포함한 차량용 배터리 시스템의 전체 회로 구성을 나타내는 도면.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전원 단속 장치 구성 블록도.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전원 단속 장치의 차량 전원 공급 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전원 단속 장치의 진단 동작 방법을 설명하기 위한 흐름도.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 기재에 의해 정의된다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자 이외의 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가급적 동일한 부호를 부여하고 또한 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 단속 장치를 포함한 차량용 배터리 시스템의 전체 회로 구성을 나타내는 도면이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 배터리 시스템(100)은 고전압 회로를 구성하는 전력반도체, 고전압과 저전압을 절연하여 전력반도체에 구동전압을 인가하는 포토 커플러(스위치)와 주변회로로 구성된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 차량용 배터리 시스템(100)은 HEV 배터리(110)(이하, ‘배터리(110)로 총칭), 전원 단속 장치(Power Relay Assembly, PRA)(120) 및 DC 커패시터(130)(이하, ‘커패시터(130)’로 총칭)로 구현된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 단속 장치(120)는 제1 메인 스위치(121), 제2 메인 스위치(122), 프리차징(Pre-charging) 스위치(123) 및 프리차징 저항(124)를 포함한다.
제1 메인 스위치(121)와 제2 메인 스위치(122)는 친환경 차량(예컨대, 하이브리드 자동차)의 배터리 전원을 공급하기 위한 회로 연결을 개폐하기 위한 것이다. 이때, 메인 스위치들(제1 및 제2 메인 스위치)(121, 122)는 차량 정격 전류를 통전하는 회로로, 400V 및 60A~200A에 이르는 대전류의 통전 용량을 갖는다.
제1 및 제2 메인 스위치(121, 122) 각각은 커패시터(130) 및 배터리(110)와 직렬로 연결된다. 이때, 제1 메인 스위치(121)는 차량의 배터리(110)의 음(-)극과 커패시터(130)의 한쪽 전극의 연결을 제어하며, 제2 메인 스위치(122)는 배터리(110)의 양(+)극과 커패시터(130)의 다른쪽 전극의 연결을 제어한다. 또한, 제2 메인 스위치(122)는 프리차징 스위치(123)와 병렬로 연결된다.
프리차징 스위치(123)는 메인 스위치(121, 122)가 배터리(110)와 바로 연결되는 경우, 급격한 전류(돌입전류) 흐름으로 인해 쇼트되어 대전류가 흐르는 메인 스위치(121, 122)의 고착현상과 커패시터(130) 손상이 발생하는 것을 방지하기 위함이다. 이에, 프리차징 스위치(123)를 이용하여 전압 상승을 지연시키며, 급격한 전류 흐름을 제어한다. 이때, 프리차징 스위치(123)는 직렬로 연결된 프리차징 저항(124)을 이용하여 급격한 전류의 흐름을 제어한다. 여기서, 프리차징 저항(124)은 차량용 배터리 시스템(100)에 흐르게 되는 전류의 크기를 기준으로 마련되게 된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스위칭 소자(메인 스위치(121, 122) 및 프리차징 스위치(123)는 반도체 소자이며, 내부저항이 작고 제어가 용이한 장점을 가진 IGBT(Insulated Gate Bipolar mode Transistor)가 이용될 수 있다. 반도체 소자로 이루어진 스위칭 소자는 손쉽게 접점 상태를 모니터링하고 비정상 상황에 빠른 대처가 가능하다는 이점이 있다.
한편, 이와 같은 각 구성(특히, 프리차징 스위치(123), 프리차징 저항(124), 제1 메인 스위치(121), 제2 메인 스위치(122)을 제어하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 단속 장치(120)는 도 3에 도시된 구성을 더 포함한다
도 3에 도시된 바와 같이, 전원 단속 장치(120)는 센싱부(125), 스위치 제어부(127) 및 통신부(126)를 더 포함한다.
센싱부(125)는 차량의 전원 공급 시스템의 상태 모니터링 및 진단에 필요한 정보를 수집한다. 예컨대, 센싱부(125)는 전류센서로부터 배터리의 전류량, 메인 스위치(121, 122) 및 프리차징 스위치(123)의 접합(개폐) 상태와 스위치 온도 및 표면(외관) 온도 등의 정보를 수집한다.
통신부(126)는 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS) 및 외부 ECU와 통신을 담당한다. 예컨대, 전류센서에 의해 측정된 배터리(110)의 전류량이 통신부(126)를 통해 BMS로 전달되며, 메인 스위치(121, 122) 및 프리차징 스위치(123)의 개폐 상태가 외부 ECU로 전달되어 차량의 비정상적인 동작을 방지한다.
스위치 제어부(127)는 전원 단속 장치(120)의 전반적인 동작을 제어한다. 예컨대, 스위치 제어부(127)는 센싱부(125)로부터 수집되는 정보를 이용하여 메인 스위치(121, 122) 및 프리차징 스위치(123) 등의 전력 반도체의 동작 전원을 공급한다. 또한, 스위치 제어부(127)는 메인 스위치(121, 122) 및 프리차징 스위치(123)의 스위칭 제어를 담당한다.
스위치 제어부(127)의 동작에 대해서는 도 4 및 도 5의 흐름도를 참조하여 구체적으로 설명한다. 이하, 별도의 언급이 없는 한, 전원 단속 장치(120)의 동작은 스위치 제어부(127)에서 수행하는 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 단속 장치의 차량 전원 공급 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
우선, 전원 단속 장치(120)는 스위치의 개폐 여부를 확인한다(S410). 이때, 전원 단속 장치(120)는 IG 신호(시동 개시 신호, Ignition 신호)가 온(ON)되면, 스위치의 개폐 여부를 확인한다. 여기서, 스위치는 프리차징 스위치(123)과 메인 스위치들(제1 및 제2 메인 스위치)(121, 122)이다.
단계 S410의 확인결과 3개의 스위치 중 적어도 하나의 스위치가 폐쇄(OFF)된 경우(S410-폐쇄), 전원 단속 장치(120)는 고전압 경로에 이상이 발생한 것으로 판단하며, 경고 신호를 출력한다(S420). 이때, 전원 단속 장치(120)는 차량의 전원 공급 제어 동작을 정지하며, 경고등(차량 램프)을 점등하기 위한 경고 신호를 출력한다.
단계 S410의 확인결과 3개의 스위치가 모두 개방된 경우(S410-개방), 전원 단속 장치(120)는 제1 메인 스위치(121)를 온(ON) 상태로 전환한다(S430).
또한, 전원 단속 장치(120)는 프리차징 스위치(123)를 온(ON) 상태로 전환한다(S440). 프리차징 스위치(123)가 온(ON) 상태로 전환되면, 커패시터(130)에는 서서히 전압이 차오르게 되며(충전되며), 전원 단속 장치(120)는 커패시터 전압 레벨을 확인한다.
전원 단속 장치(120)는 계속적으로 커패시터(130)의 전압 레벨을 확인하여, 전압 레벨이 소정 레벨 이상이 되는지 확인한다(S450).
커패시터(130)가 전압 레벨이 소정 레벨 미만이면(S450-N), 전원 단속 장치(120)는 프리차징이 실패한 것으로 판단하여 경고 신호를 출력한다(S460). 예컨대, 전원 단속 장치(120)는 프리차징 스위치(123)가 온(ON) 상태로 전환된 후 소정 시간 이내에 커패시터(130)의 정격 전압 레벨이 기 설정된 90%이상으로 도달되지 않으면, 프리차징이 실패한 것으로 판단한다. 프리차징이 실패한 것으로 판단하면, 전원 단속 장치(120)는 차량의 전원 공급 제어 동작을 정지하며, 경고등을 점등하기 위한 경고 신호를 출력한다.
만약, 커패시터(130)의 전압 레벨이 소정 레벨 이상으로 도달하면(S450-Y), 전원 단속 장치(120)는 제2 메인 스위치(122)를 온(ON) 상태로 전환하며(S470), 프리차징 스위치(123)를 오프(OFF) 상태로 전환하여 차량 주행의 준비를 완료할 수 있다.
한편, 전원 단속 장치(120)는 차량 전원 공급을 제어하는 중, 주기적으로 진단(모니터링) 동작을 수행한다. 이때, 전원 단속 장치(120)는 메인 스위치(121, 122)가 폐쇄된 상태에서 진단 동작을 수행한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 단속 장치의 진단 동작 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
전원 단속 장치(120)는 메인 스위치(121, 122)의 전압 강하가 소정 전압 이상인지 확인한다(S510). 이때, 전원 단속 장치(120)는 제2 메인 스위치(122)의 전단과 후단 간의 전압을 측정하며, 제1 메인 스위치(121)의 전단과 후단 간의 전압을 측정하여 메인 스위치(121, 122)의 전압 강하가 소정 전압 이상인지 확인한다. 예컨대, 전원 단속 장치(120)는 메인 스위치(121, 122) 중 적어도 하나의 스위치의 전압 강하가 기 설정된 300mV 이상인지 확인한다.
단계 S510의 확인 결과 메인 스위치(121, 122) 중 적어도 하나의 스위치의 전압 강하가 소정 전압 이상이면(S510-Y), 전원 단속 장치(120)는 고전압 경로에 이상이 발생한 것으로 판단하며, 경고 신호를 출력한다(S520). 이때, 전원 단속 장치(120)는 경고등을 점등하는 것으로 경고 신호를 출력한다.
만약, 단계 S510의 확인 결과 메인 스위치(121, 122) 모두의 전압 강하가 소정 전압 미만이면(S510-N), 전원 단속 장치(120)는 스위치(121, 122)의 온도가 소정 온도 이상인지 확인한다(S530). 이때, 전원 단속 장치(120)는 제2 메인 스위치(122)의 온도와 제1 메인 스위치(121)의 온도를 확인한다. 예컨대, 제2 메인 스위치(122)의 온도와 제1 메인 스위치(121)의 온도 중 적어도 하나의 스위치의 온도가 기 설정된 85° 이상인지 확인한다.
단계 S530의 확인 결과, 메인 스위치(121, 122) 중 적어도 하나의 스위치의 온도가 소정 온도 이상이면(S530-Y), 전원 단속 장치(120)는 과열된 것으로 판단하며, 경고 신호를 출력한다(S540). 이때, 상위 제어기(예컨대, BMS)의 판단에 의해 차량용 배터리 시스템(100)의 출력을 낮추는 파워 디레이팅(derating) 동작이 수행될 수 있다.
만약, 단계 S540의 확인 결과, 메인 스위치(121, 122) 모두의 온도가 소정 온도 미만이면(S530-N), 전원 단속 장치(120)는 정상 동작중인 것으로 확인하며, 차량 주행의 준비를 완료할 수 있다.
이후, 전원 단속 장치(120)는 단계 S510로 피드백하여 일정 시간 주기 단위로 차량의 주행이 종료될 때까지 상위의 동작을 반복적으로 수행한다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자식 전원 공급 시스템은 내부저항이 작고 제어가 용이한 장점을 가진 IGBT를 스위칭 소자로 이용함으로써, 스위칭 소자 반도체 소자이며, 내부저항이 작고 제어가 용이하며, 손쉽게 스위치 접점 상태를 모니터링하여 비정상 상황에 빠른 대처가 가능하다는 이점이 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 단속 장치는 종래의 기계식 전원 단속 장치와 대비하여 수명이 길고 동작 소음이 없으며 신뢰성이 높은 장점이 있으며, 소형 및 경량화 구현이 가능하다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전원 단속 장치를 포함한 차량용 배터리 시스템의 전체 회로 구성을 나타내는 도면이다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 차량용 배터리 시스템(200)은 고전압 회로를 구성하는 전력반도체, 고전압과 저전압을 절연하여 전력반도체에 구동전압을 인가하는 포토 커플러(스위치)와 주변회로로 구성된다.
도 6에 도시된 바와 같이, 차량용 배터리 시스템(200)은 HEV 배터리(210)(이하, ‘배터리(210)로 총칭), 전원 단속 장치(Power Relay Assembly, PRA)(220) 및 DC 커패시터(230)(이하, ‘커패시터(230)’로 총칭)로 구현된다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 전원 단속 장치(220)는 제2 메인 스위치(222), 제1 메인 스위치(221)를 포함한다.
제1 메인 스위치(221)와 제2 메인 스위치(222)는 친환경 차량(예컨대, 하이브리드 자동차)의 배터리 전원을 공급하기 위한 회로 연결을 개폐하기 위한 것이다. 이때, 메인 스위치들(제1 및 제2 메인 스위치)(221, 222)는 차량 정격 전류를 통전하는 회로로, 400V 및 60A~200A에 이르는 대전류의 통전 용량을 갖는다.
메인 스위치들(제1 및 제2 메인 스위치)(121, 122) 각각은 커패시터(130) 및 배터리(110)와 직렬로 연결된다. 이때, 제1 메인 스위치(121)는 차량의 배터리의 음(-)극과 커패시터의 한쪽 전극의 연결을 제어하며, 제2 메인 스위치(122)는 차량의 배터리의 양(+)극과 커패시터의 다른쪽 전극의 연결을 제어한다. 또한, 제2 메인 스위치(122)는 프리차징 스위치(123)와 병렬로 연결된다.
한편, 이와 같은 메인 스위치들(제1 메인 스위치(221) 및 제2 메인 스위치(222))을 제어하기 위해, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전원 단속 장치(220)는 도 7에 도시된 구성을 더 포함한다
도 7에 도시된 바와 같이, 전원 단속 장치(220)는 센싱부(225), 스위치 제어부(227) 및 통신부(226)를 더 포함한다.
센싱부(225)는 차량용 배터리 시스템(200)의 상태 모니터링 및 진단에 필요한 정보를 수집한다. 예컨대, 센싱부(225)는 전류센서로부터 배터리의 전류량, 메인 스위치(221, 222)의 접합(개폐) 상태와 스위치 온도 및 표면(외관) 온도 등의 정보를 수집한다.
통신부(226)는 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS) 및 외부 ECU와 통신을 담당한다. 예컨대, 전류센서에 의해 측정된 배터리(210)의 전류량이 통신부(226)를 통해 BMS로 전달되며, 메인 스위치(221, 222)의 개폐 상태가 외부 ECU로 전달되어 차량의 비정상적인 동작을 방지한다.
스위치 제어부(227)는 전원 단속 장치(220)의 전반적인 동작을 제어한다. 예컨대, 스위치 제어부(227)는 센싱부(225)로부터 수집되는 정보를 이용하여 메인 스위치(221, 222) 등의 전력 반도체의 동작 전원을 공급한다. 또한, 스위치 제어부(227)는 메인 스위치(221, 222)의 스위칭 제어 및 통전 전류를 조절한다.
스위치 제어부(227)의 동작에 대해서는 도 8 및 도 9의 흐름도를 참조하여 구체적으로 설명한다. 이하, 별도의 언급이 없는 한, 전원 단속 장치(220)의 동작은 스위치 제어부(227)에서 수행한다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전원 단속 장치의 차량 전원 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
우선, 전원 단속 장치(220)는 스위치의 개폐 여부를 확인한다(S810). 이때, 전원 단속 장치(220)는 IG 신호(시동 개시 신호, Ignition 신호)가 온(ON)되면, 메인 스위치들(제1 및 제2 메인 스위치)(221, 222)의 개폐 여부를 확인한다.
단계 S810의 확인결과 메인 스위치(221, 222) 중 적어도 하나의 스위치가 폐쇄(OFF)된 경우(S810-폐쇄), 전원 단속 장치(220)는 고전압 경로에 이상이 발생한 것으로 판단하며, 경고 신호를 출력한다(S820). 이때, 전원 단속 장치(220)는 차량의 전원 공급 제어 동작을 정지하며, 경고등(차량 램프)을 점등하기 위한 경고 신호를 출력한다.
단계 S810의 확인결과 메인 스위치(221, 222)가 모두 개방된 경우(S810-개방), 전원 단속 장치(220)는 제1 메인 스위치(221)를 온(ON) 상태로 전환한다(S830).
또한, 전원 단속 장치(220)는 제2 메인 스위치(222)를 온(ON) 상태로 전환한다(S840). 이때, 전원 단속 장치(220)는 제2 메인 스위치(222)를 통해 흐르는 전류량(통전 전류량)을 제어한다. 제2 메인 스위치(222)가 온(ON) 상태로 전환되면, 커패시터(230)에는 서서히 전압이 차오르게 되어 프리차징(Pre-charging)된다.
전원 단속 장치(220)는 계속적으로 커패시터(230)의 전압 레벨을 측정하여, 전압 레벨이 소정 레벨 이상이 되는지 확인한다(S850).
커패시터(230)가 전압 레벨이 소정 레벨 미만이면(S850-N), 전원 단속 장치(220)는 프리차징이 실패한 것으로 판단하여 경고 신호를 출력한다(S860). 예컨대, 전원 단속 장치(220)는 제2 메인 스위치(222)가 온(ON) 상태로 전환된 후 소정 시간 이내에 커패시터(230)의 정격 전압 레벨이 기 설정된 90%이상으로 도달되지 않으면, 프리차징이 실패한 것으로 판단한다. 프리차징이 실패한 것으로 판단되면, 전원 단속 장치(220)는 차량의 전원 공급 제어 동작을 정지(시동 시퀀스 중단)하며, 경고등을 점등하기 위한 경고 신호를 출력한다.
만약, 커패시터(230)의 전압 레벨이 소정 레벨 이상으로 도달하면(S850-Y), 전원 단속 장치(220)는 제2 메인 스위치(222)를 온(ON) 상태로 유지하되, 통전 전류량을 제한하지 않는다(S870). 상기와 같은 동작 흐름을 통해 차량 주행의 준비가 완료될 수 있다.
한편, 전원 단속 장치(220)는 차량 전원 공급을 제어하는 중, 차량용 차량용 배터리 시스템(200)을 주기적으로 진단하는 동작을 수행한다. 이때, 전원 단속 장치(220)는 메인 스위치(221, 222)가 폐쇄된 상태에서 차량용 차량용 배터리 시스템(200)의 진단 동작을 수행한다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전원 단속 장치의 차량용 전원 공급 시스템 진단 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
전원 단속 장치(220)는 메인 스위치(221, 222)의 전압 강하가 소정 전압 이상인지 확인한다(S910). 이때, 전원 단속 장치(220)는 제2 메인 스위치(222)의 전단과 후단 간의 전압을 측정하며, 제1 메인 스위치(221)의 전단과 후단 간의 전압을 측정하여 메인 스위치(221, 222)의 전압 강하가 소정 전압 이상인지 확인한다. 예컨대, 전원 단속 장치(220)는 메인 스위치(221, 222) 중 적어도 하나의 스위치의 전압 강하가 기 설정된 300mV 이상인지 확인한다.
단계 S910의 확인 결과 메인 스위치(221, 222) 중 적어도 하나의 스위치의 전압 강하가 소정 전압 이상이면(S910-Y), 전원 단속 장치(220)는 고전압 경로에 이상이 발생한 것으로 판단하며, 경고 신호를 출력한다(S920). 이때, 전원 단속 장치(220)는 경고등을 점등하는 것으로 경고 신호를 출력한다.
만약, 단계 S910의 확인 결과 메인 스위치(221, 222) 모두의 전압 강하가 소정 전압 미만이면(S910-N), 전원 단속 장치(220)는 메인 스위치(221, 222)의 온도가 소정 온도 이상인지 확인한다(S930). 이때, 전원 단속 장치(220)는 제2 메인 스위치(222)의 온도와 제1 메인 스위치(221)의 온도를 확인한다. 예컨대, 제2 메인 스위치(222)의 온도와 제1 메인 스위치(221)의 온도 중 적어도 하나의 스위치의 온도가 기 설정된 85° 이상인지 확인한다.
단계 S930의 확인 결과, 메인 스위치(221, 222) 중 적어도 하나의 스위치의 온도가 소정 온도 이상이면(S930-Y), 전원 단속 장치(220)는 과열된 것으로 판단하며, 경고 신호를 출력한다(S940). 이때, 상위 제어기(예컨대, BMS)의 판단에 의해 차량용 배터리 시스템(200)의 출력을 낮추는 파워 디레이팅(derating) 동작이 수행될 수 있다.
만약, 단계 S940의 확인 결과, 메인 스위치(221, 222) 모두의 온도가 소정 온도 미만이면(S930-N), 전원 단속 장치(220)는 정상 동작중인 것으로 확인하며, 차량 주행의 준비를 완료할 수 있다.
이후, 전원 단속 장치(220)는 단계 S910로 피드백하여 일정 시간 주기 단위로 차량의 주행이 종료될 때까지 상위의 동작을 반복적으로 수행한다.
이와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전자식 전원 공급 시스템은 내부저항이 작고 제어가 용이한 장점을 가진 IGBT를 스위칭 소자로 이용함으로써, 스위칭 소자 반도체 소자이며, 내부저항이 작고 제어가 용이하며, 손쉽게 스위치 접점 상태를 모니터링하여 비정상 상황에 빠른 대처가 가능하다는 이점이 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전원 단속 장치는 종래의 기계식 전원 단속 장치와 대비하여 수명이 길고 동작 소음이 없으며 신뢰성이 높은 장점이 있으며, 소형 및 경량화 구현이 가능하다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 통하여 본 발명의 구성을 상세히 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 본 명세서에 개시된 내용과는 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 보호범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100, 200 : 차량용 배터리 시스템
110, 210 : 배터리 120, 220 : 전자 단속 장치
130, 230 : 커패시터 121, 221 : 제1 메인 스위치
122, 222 : 제2 메인 스위치 123 : 프리차징 스위치
124 : 프리차징 저항 125, 225 : 센싱부
126, 226 : 통신부 127, 227 : 스위칭 제어부

Claims (17)

  1. 차량의 배터리의 음극과 커패시터의 한쪽 전극의 연결을 제어하는 제1 메인 스위치와, 상기 배터리의 양극과 상기 커패시터의 다른 한쪽 전극의 연결을 제어하는 제2 메인 스위치 및 상기 제2 메인 스위치와 병렬로 연결되고 프리차징(Pre-charging) 저항과 직렬로 연결된 프리차징 스위치로 이루어진 차량용 배터리 시스템의 전원을 단속하는 방법에 있어서,
    상기 차량의 시동 개시 신호가 수신되면, 상기 제1 메인 스위치, 상기 제2 메인 스위치 및 상기 프리차징 스위치의 개폐 여부를 확인하는 단계;
    상기 제1 메인 스위치, 상기 제2 메인 스위치 및 상기 프리차징 스위치 모두가 개방된 경우, 상기 제1 메인 스위치를 온(ON) 상태로 전환하는 단계;
    상기 프리차징 스위치를 온(ON) 상태로 전환하고 상기 커패시터를 프리차징하는 단계;
    상기 커패시터의 충전 전압 레벨에 따라 상기 제2 메인 스위치를 온(ON) 상태로 전환하는 단계; 및
    상기 프리차징 스위치를 오프(OFF) 상태로 전환하는 단계;
    를 포함하는 차량용 배터리 시스템의 전원을 단속하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 메인 스위치, 상기 제2 메인 스위치 및 상기 프리차징 스위치 중 적어도 하나의 스위치가 폐쇄된 경우, 동작을 중지하고 경고 신호를 출력하는 단계;
    를 더 포함하는 차량용 배터리 시스템의 전원을 단속하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제2 메인 스위치를 온(ON) 상태로 전환하는 단계는,
    상기 커패시터의 충전 전압 레벨이 기 설정된 소정 레벨 이상이면, 상기 제2 메인 스위치를 온(ON) 상태로 전환하는 것
    인 차량용 배터리 시스템의 전원을 단속하는 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 메인 스위치와 상기 제1 메인 스위치 중 적어도 하나의 스위치의 전압 강하가 기 설정된 소정 전압 이상이면, 경고 신호를 출력하는 단계;
    를 더 포함하는 차량용 배터리 시스템의 전원을 단속하는 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 메인 스위치와 상기 제1 메인 스위치 중 적어도 하나의 스위치의 온도가 기 설정된 소정 온도 이상인 경우, 경고 신호를 출력하는 단계;
    를 더 포함하는 차량용 배터리 시스템의 전원을 단속하는 방법.
  6. 차량의 배터리의 음극과 커패시터의 한쪽 전극의 연결을 제어하는 제1 메인 스위치와, 상기 배터리의 양극과 상기 커패시터의 다른 한쪽 전극의 연결을 제어하는 제2 메인 스위치로 이루어진 차량용 배터리 시스템의 전원을 단속하는 방법에 있어서,
    상기 차량의 시동 개시 신호가 수신되면, 상기 제1 메인 스위치, 상기 제2 메인 스위치의 개폐 여부를 확인하는 단계;
    상기 제1 메인 스위치, 상기 제2 메인 스위치 모두가 개방된 경우, 상기 제1 메인 스위치를 온(ON) 상태로 전환하는 단계;
    상기 제2 메인 스위치를 온(ON) 상태로 전환하고 통전 전류를 제어하면서 상기 커패시터를 프리차징하는 단계; 및
    상기 커패시터의 충전 전압 레벨에 따라 상기 통전 전류를 제어하는 동작을 해제하는 단계;
    를 포함하는 차량용 배터리 시스템의 전원을 단속하는 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 메인 스위치와 상기 제2 메인 스위치 중 적어도 하나의 스위치가 폐쇄된 경우, 동작을 중지하고 경고 신호를 출력하는 단계
    를 포함하는 차량용 배터리 시스템의 전원을 단속하는 방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 통전 전류를 제어하는 동작을 해제하는 단계는,
    상기 커패시터의 충전 전압 레벨이 기 설정된 소정 레벨 이상이면, 상기 통전 전류를 제어하는 동작을 해제하는 것
    인 차량용 배터리 시스템의 전원을 단속하는 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 제2 메인 스위치와 상기 제1 메인 스위치 중 적어도 하나의 스위치의 전압 강하가 기 설정된 소정 전압 이상이면, 경고 신호를 출력하는 단계;
    를 더 포함하는 차량용 배터리 시스템의 전원을 단속하는 방법.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 제2 메인 스위치와 상기 제1 메인 스위치 중 적어도 하나의 스위치의 온도가 기 설정된 소정 온도 이상인 경우, 경고 신호를 출력하는 단계;
    를 더 포함하는 차량용 배터리 시스템의 전원을 단속하는 방법.
  11. 차량의 배터리의 음극과 커패시터의 한쪽 전극의 연결을 제어하는 제1 메인 스위치;
    상기 배터리의 양극과 상기 커패시터의 다른 한쪽 전극의 연결을 제어하는 제2 메인 스위치; 및
    상기 차량의 시동개시신호가 입력되면, 상기 제1 메인 스위치를 온(ON) 상태로 전환하여 상기 커패시터를 프리차징하며, 상기 커패시터의 충전 전압 레벨에 따라 상기 제2 메인 스위치를 온(ON) 상태로 전환하는 스위치 제어부;
    를 포함하는 차량용 배터리 시스템의 전원 단속 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제2 메인 스위치와 병렬로 연결되고, 프리차징 저항과 직렬로 연결된 프리차징 스위치;
    를 더 포함하며,
    상기 스위치 제어부는,
    상기 프리차징 스위치를 온(ON) 상태로 전환하여 상기 커패시터를 프리차징하는 것
    인 차량용 배터리 시스템의 전원 단속 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 스위치 제어부는,
    상기 제1 메인 스위치, 상기 제2 메인 스위치 및 상기 프리차징 스위치의 개폐 여부를 확인하며, 상기 스위치가 모두 개방된 경우, 상기 제1 메인 스위치를 온(ON) 상태로 전환하는 것
    인 차량용 배터리 시스템의 전원 단속 장치.
  14. 제12항에 있어서, 상기 스위치 제어부는,
    상기 커패시터의 충전 전압 레벨이 기 설정된 소정 레벨 이상이면, 상기 제2 메인 스위치를 온(ON) 상태로 전환하며, 상기 프리차징 스위치를 오프(OFF) 상태로 전환하는 것
    인 차량용 배터리 시스템의 전원 단속 장치.
  15. 제11항에 있어서, 상기 스위치 제어부는,
    상기 제1 메인 스위치 및 상기 제2 메인 스위치의 개폐 여부를 확인하며, 상기 제1 및 제2 스위치 모두가 개방된 경우, 상기 제1 메인 스위치를 온(ON) 상태로 전환하는 것
    인 차량용 배터리 시스템의 전원 단속 장치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 스위치 제어부는,
    상기 제1 메인 스위치를 통해 통전되는 통전 전류를 제어하면서 상기 커패시터를 프리차징하는 것
    인 차량용 배터리 시스템의 전원 단속 장치.
  17. 제16항에 있어서, 상기 스위치 제어부는,
    상기 커패시터의 충전 전압 레벨이 기 설정된 소정 레벨 이상이면, 상기 통전 전류를 제어하는 동작을 해제하는 것
    인 차량용 배터리 시스템의 전원 단속 장치.
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