KR101154297B1 - 하이브리드 차량용 12ｖ 보조배터리의 충전 전압 제어 방법 - Google Patents

하이브리드 차량용 12ｖ 보조배터리의 충전 전압 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하이브리드 차량용 12V 보조배터리의 충전 전압 제어 방법에 관한 것으로서, 고전압배터리와 DC-DC 컨버터간에 설치되는 메인스위치를 보조배터리가 9V 이하로 떨어진 경우에도 DC-DC 컨버터의 역방향 전력변환 동작에 의거 온시켜서, DC-DC 컨버터에서 보조배터리에 충전을 위한 지속적인 전원이 공급되도록 한 점 등을 특징으로 한다.

Description

하이브리드 차량용 12Ｖ 보조배터리의 충전 전압 제어 방법{Method for controlling 12V battery charging voltage of hybrid vehicle}
본 발명은 하이브리드 차량용 12V 배터리의 충전 전압 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 외기온도, 보조배터리 충전상태, 전장부하 소모량을 고려함과 함께 DC-DC 컨버터의 전력변환 제어에 따라 12V 보조배터리의 충전이 용이하게 이루어질 수 있도록 한 하이브리드 차량용 12V 배터리의 충전 전압 제어 방법에 관한 것이다.
하이브리드 차량은 가솔린 엔진 뿐만 아니라 모터 구동원을 보조 동력원으로 채택하여, 배기가스 저감 및 연비 향상을 도모할 수 있는 미래형 차량을 말한다.
엔진이 비효율적인 주행환경일 때, 배터리 충방전에 의한 모터의 구동을 통해 시스템의 효율성을 높일 수 있고(load leveling), 또한 감속시에는 브레이크에서 마찰열로 방출되는 운동에너지를 모터의 발전으로 전기로 전환하는 회생제동을 통해 배터리 충전이 이루어져 연비를 향상시킬 수 있다.
이러한 하이브리드 차량은 동력 전달 계통상 모터의 연결 및 구동 여부에 따라 소프트 타입(Soft type)과 하드 타입(Hard tpye)으로 나누어진다.
기존의 하드 타입 하이브리드 차량용 모터 구동 시스템의 구성을 도 3을 참조로 보면, 차량 주행을 위한 모터(M1,M2)와, 모터를 구동 제어하는 인버터(10,12)와, 모터 구동을 위한 직류 전압을 인버터에 인가하는 직류전원용 고전압 배터리(2)와, 배터리(2)로부터 직류 전압을 인버터(10,12)로 승압시켜 공급하는 동시에 인버터(10,12)로부터의 직류 전압을 배터리(2)측으로 감압하여 공급하는 전압 컨버터(14)와, 상기 배터리(2)와 연결되어 직류 전원의 전압을 변환하는 직류변환장치인 DC-DC 컨버터(1) 등을 포함하여 구성되어 있다.
또한, 하이브리드 차량의 12V보조배터리 충전 및 전장부하에 대한 전원공급시스템의 구성을 도 1을 참조로 살펴보면, 고전압 배터리(2)와 DC-DC 컨버터(1)가 메인스위치(3)를 통해 연결되어 있고, DC-DC 컨버터(1)의 출력단에 12V 보조배터리(8) 및 12V 전장부하(4, 각종 제어기, 헤드램프, 워터펌프, 라디에이터 냉각팬 등)가 연결되어 있으며, 이때 전장부하(4)들은 12V 보조배터리(8)의 전원을 사용하도록 연결되어 있다.
이때, 상기 DC-DC 컨버터(1)와 전장부하(4) 사이이면서 12V 보조배터리(8)와 전장부하(4) 사이에에는 정션박스(6)가 연결되어 있고, 상기 DC-DC 컨버터(1)와 12V 보조배터리(8) 사이 및 12V 보조배터리와 정션박스(6) 사이에는 보조배터리측 배선(기생)저항(7)이 배열되고, 전장부하(4)와 정션박스(4) 사이에도 배선(기생)저항(5)이 배열되어 있다.
도 1에서 VDC는 DC-DC 컨버터(1)의 출력전압, VJ는 정션박스(6) 전압으로서 전장부하 전류가 적은 경우 전장부하에 인가되는 전압, VB는 12V 보조배터리(8)의 충전전압을 각각 나타내며, 일반적으로 전압 크기는 VDC > VJ ? VB 순으로 나타난다.
이러한 하이브리드 차량의 시동 시퀀스를 보면, 운전자 IG 온 단계와, 상기 보조배터리(8) 전원을 이용하여 각종 제어기 및 메인스위치(3)가 온되는 단계(메인스위치 온 이전까지 DC-DC 컨버터 미작동)와, 시동 완료후 DC-DC 컨버터(1)가 동작하여 보조배터리(8)에 대한 충전 및 전장부하(4)에 대한 전원을 공급하는 단계로 이루어진다.
상기와 같은 구성 및 동작을 하는 하이브리드(연료전지, 플러그 인 하이브리드, 전기자동차 포함) 차량에 있어서, 상기 DC-DC 컨버터의 전압을 낮게 유지하면 전장부하가 소모하는 전력이 적어져서 연비가 증가하나, 보조배터리 충전에너지량이 적어져서 충전성능이 저하되면서 냉시동시 차량 시동 불량을 초래할 수 있다.
보다 상세하게는, 하이브리드 차량의 구성중 상기 DC-DC 컨버터는 12V 또는 24V용 보조배터리 충전 기능과 차량의 전장부하의 전원공급기능을 수행하는 바, 연비 향상을 위하여 전장부하 공급 전압을 가급적 낮게 유지해야 하고, 보조배터리의 충전 성능면에서는 어느 정도 범위내에서는 충전 전압이 높을수록 유리하지만, 보조배터리에 대한 충전 상태가 나쁠 경우에는 냉시동시 보조배터리 전압 저하로 인하여 시동이 걸리지 않는 상황이 발생할 수 있어 차량의 상품성을 떨어뜨리는 원인이 되며, 특히 도 1에 나타낸 바와 같이 DC-DC 컨버터(1)와 전장부하(4)간 연결 거리가 짧고, DC-DC 컨버터(1)와 보조배터리(8)간 연결 거리가 긴 경우에 DC-DC 컨버터(1)의 출력전압 범위가 넓어지면서 전력변환효율이 감소하는 문제가 더 발생하게 된다.
이에, DC-DC 컨버터와 보조배터리간의 파워케이블 직경을 증대시켜 케이블 저항을 최소화시키는 방법이 있지만, 이는 차량 무게 상승, 원가 상승, 케이블 라이팅 자유도 저하 등의 문제점을 초래하고, 또한 부품의 설치 위치를 조절하는 방식으로서 DC-DC 컨버터와 보조배터리를 가깝게 배치하는 동시에 DC-DC 컨버터와 전장부하를 멀리 배치하는 방법이 있지만, 이는 차량의 패키지와 DC-DC 컨버터 냉각 방식 등 여러가지 제약사항들로 인하여 차량 설계 및 상품성 저하를 초래한다.
한편, 상술한 바와 같이 시동 완료후 DC-DC 컨버터(1)가 동작하여 보조배터리(8)에 대한 충전 및 전장부하(4)에 대한 전원을 공급하는 바, 이때 보조배터리 전원이 9V 이하인 경우 메인스위치(3)가 온되지 않는(반면, 각종 제어기는 6V이상에서 기본동작 유지) 현상이 발생하고, 이에 DC-DC 컨버터와 고전압배터리가 연결되지 않아 보조배터리에 대한 충전이 이루어지지 않는 문제점이 있으며, 특히 냉시동시 보조배터리의 전압이 더 낮아지는 경향이 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 고전압배터리와 DC-DC 컨버터간에 설치되는 메인스위치를 12V 보조배터리가 하한치 전압 이하로 떨어진 경우에도 DC-DC 컨버터의 역방향 전력변환 동작에 의거 온시켜서, DC-DC 컨버터에서 12V 보조배터리에 충전을 위한 지속적인 전원이 공급되도록 한 하이브리드 차량용 12Ｖ 보조배터리의 충전 전압 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은: 시동 온이 이루어진 후, 12V 보조배터리의 전압을 고전압 배터리와 DC-DC 컨버터간을 연결하는 메인스위치 및 각종 제어기의 동작을 위한 하한 전압과 비교하는 단계와; 12V 보조배터리의 전압이 하한 전압 이하로 떨어진 경우, DC-DC 컨버터의 역방향 전력변환이 이루어지는 단계와; 12V 보조배터리에서 고전압측 커패시터쪽으로 에너지가 전달되어, 고전압측 커패시터에 에너지가 충전되는 단계와; DC-DC 컨버터의 정방향 전력변환이 소정의 짧은 시간동안 이루어지는 단계와; 고전압측 커패시터의 고전압 에너지가 DC-DC 컨버터를 통해 12V 보조배터리로 공급되는 단계; 를 통하여, 12V 보조배터리에 대한 충전이 이루어지도록 한 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량용 12V 보조배터리의 충전 전압 제어 방법을 제공한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
본 발명에 따르면, 12V 보조배터리가 하한 전압인 9V 이하로 떨어진 경우에도 DC-DC 컨버터의 역방향 전력변환 동작에 의거 고전압배터리와 DC-DC 컨버터간에 설치되는 메인스위치를 온시켜서, DC-DC 컨버터가 정상 작동되도록 하여, 12V 보조배터리의 충전이 지속적으로 이루어질 수 있다.
도 1은 하이브리드 차량의 12V보조배터리 충전 및 전장부하에 대한 전원공급시스템 구성을 설명하는 구조도,
도 2는 본 발명에 따른 하이브리드 차량용 12V 배터리의 충전 전압 제어 방법을 설명하는 순서도,
도 3은 하이브리드 차량용 모터 구동 시스템의 구성을 설명하는 구조도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
첨부한 도 1을 참조하여 하이브리드 차량의 12V 보조배터리 충전 및 전장부하에 대한 전원공급 시스템의 구성을 살펴보면, 고전압 배터리(2)와 DC-DC 컨버터(1)가 메인스위치(3)를 통해 연결되어 있고, DC-DC 컨버터(1)의 출력단에 12V 보조배터리(8) 및 12V 전장부하(4)가 연결되어 있으며, 도 3에서 보는 바와 같이 DC-DC 컨버터(1)의 입력단측에는 전압컨버터(14) 및 DC링크 커패시터(16)를 매개로 모터(M1,M2)를 구동 제어하는 인버터(10,12)가 연결되어 있다.
본 발명은 위와 같은 하이브리드용 12V 보조배터리 충전 및 전장부하에 대한 전원공급 시스템 구성을 기반으로 하여, 외기온도, 보조배터리 충전상태, 전장부하 소모량을 고려함과 함께 DC-DC 컨버터의 전력변환 방향 제어에 따라 12V 보조배터리에 대한 충전 전압 제어가 용이하게 이루어지도록 한 점에 주안점이 있다.
여기서, 본 발명의 하이브리드 차량용 12V 배터리의 충전 전압 제어 방법을 첨부한 도 2를 참조로 설명하면 다음과 같다.
12V 보조배터리가 하한치 전압인 9V 이하로 떨어진 경우, 도 1에서 보듯이 메인스위치(3)가 온되지 않아 DC-DC 컨버터(1)가 고전압배터리(2) 전원을 사용하지 못하는 상태가 초래되는 바, 이러한 점을 감안하여 본 발명은 12V 보조배터리(8)에서 메인스위치(3)에 동작 가능한 9V 이상의 전압을 인가할 수 있도록 12V 보조배터리(8)에 순간적인 높은 전압을 제공하여 충전이 이루어지도록 한 점에 특징이 있다.
즉, DC-DC 컨버터가 12V 보조배터리측에서 고전압측 커패시터(고전압배터리(2)와 연결된 전압 컨버터(14)와 인버터(10,12) 간에 연결된 DC링크 커패시터(16))로 역방향 전력변환을 실시하여, 12V 보조배터리(8)측의 에너지가 고전압측 커패시터에 충전되도록 하되, 고전압측 커패시터에는 이미 축적된 에너지에 더 많은 에너지가 충전된 상태가 되도록 한 후, 반대로 DC-DC 컨버터(1)가 고전압측 커패시터에서 12V 보조배터리(8)측으로 전력변환을 짧은 시간 동안 실시하여 고전압측 커패시터에서 12V 보조배터리(8)쪽으로 높은 전압(약 14V)의 에너지가 공급되도록 함으로써, 12V 보조배터리(8)는 메인스위치(3)에 동작 가능한 9V 이상의 전압을 인가하게 된다.
먼저, 시동 온이 이루어진 후, 12V 보조배터리의 전압(Vb)을 고전압 배터리와 DC-DC 컨버터간을 연결하는 메인스위치(=릴레이) 및 각종 제어기의 동작을 위한 하한 전압(V1)과 비교하여, 12V 보조배터리의 전압(Vb)이 하한 전압(V1) 이하로 떨어진 경우(예를 들어 12V 보조배터리가 9V 이하로 떨어진 경우), DC-DC 컨버터의 역방향 전력변환이 이루어진다.
즉, DC-DC 컨버터가 12V 보조배터리측에서 고전압측 커패시터(고전압배터리와 연결된 전압 컨버터와 인버터간에 연결된 DC링크 커패시터)로 역방향 전력변환을 실시하게 된다.
이러한 DC-DC 컨버터의 역방향 전력변환에 의거, 12V 보조배터리에서 고전압측 커패시터(예를 들어, DC링크 커패시터 또는 DC-DC 컨버터의 입력단 커패시터)쪽으로 에너지가 전달되어, 고전압측 커패시터에는 이미 축적된 에너지에 더 많은 에너지가 충전된 상태가 된다.
이어서, DC-DC 컨버터의 정방향 전력변환이 소정의 짧은 시간동안 이루어지도록 함으로써, 고전압측 커패시터의 고전압 에너지(약 14V)가 DC-DC 컨버터를 통해 12V 보조배터리로 공급되어 충전된다.
즉, DC-DC 컨버터가 고전압측 커패시터에서 12V 보조배터리측으로 전력변환을 짧은 시간 동안 실시함으로써, 고전압측 커패시터에서 12V 보조배터리쪽으로 높은 전압(약 14V)의 에너지가 공급되어 12V 보조배터리는 메인스위치에 동작 가능한 9V 이상의 전압을 인가하게 된다.
이렇게, 에너지를 상대적으로 긴시간 동안 역방향으로 충전하였다가, 짧은 시간 동안 정방향으로 전달하면 전압이 상승하게 되는 원리에 따라, 12V 보조배터리에 대한 순간적인 정상 충전이 이루어져, 결국 12V 보조배터리에 의한 9V 이상의 전압이 각종 제어기 및 메인스위치로 인가되어 메인스위치가 온(ON)된다.
따라서, DC-DC 컨버터는 메인스위치 온으로 인하여 고전압배터리를 전원으로 하여 정상 작동하게 되어, 12V 보조배터리에 충전을 위한 안정적인 전압을 제공하게 된다.
1 : DC-DC 컨버터 2 : 고전압 배터리
3 ; 메인스위치 4 : 12V 전장부하
6 : 정션박스 5, 7 : 배선(기생)저항
8 : 12V 보조배터리 10,12 : 인버터
14 : 전압 컨버터 16 : DC 링크 커패시터

Claims (2)

  1. 고전압 배터리와 DC-DC 컨버터가 메인스위치를 통해 연결되어 있고, 상기 DC-DC 컨버터의 출력단에 12V 보조배터리 및 12V 전장부하가 연결되어 있으며, 상기 DC-DC 컨버터의 입력단측에는 전압컨버터 및 DC링크 커패시터를 매개로 모터를 구동 제어하는 인버터가 연결되어 있는 시스템에서,
    시동 온이 이루어진 후, 12V 보조배터리의 전압(Vb)을 고전압 배터리와 DC-DC 컨버터간을 연결하는 메인스위치 및 제어기의 동작시킬 수 있는 하한치 전압인 하한 전압(V1)과 비교하는 단계와;
    12V 보조배터리의 전압(Vb)이 하한 전압(V1) 이하로 떨어진 경우, DC-DC 컨버터가 12V 보조배터리측에서 DC링크 커패시터 또는 DC-DC 컨버터 입력단 커패시터로 전력변환을 실시하는 단계와;
    12V 보조배터리에서 DC링크 커패시터 또는 DC-DC 컨버터 입력단 커패시터쪽으로 에너지가 전달되어, DC링크 커패시터 또는 DC-DC 컨버터 입력단 커패시터에 에너지가 충전되는 단계와;
    DC-DC 컨버터가 DC링크 커패시터 또는 DC-DC 컨버터 입력단 커패시터에서 12V 보조배터리측으로 전력변환을 실시하되, 설정 시간동안 전력변환을 실시하는 단계와;
    DC링크 커패시터 또는 DC-DC 컨버터 입력단 커패시터의 고전압 에너지가 DC-DC 컨버터를 통해 12V 보조배터리로 공급되는 단계;
    를 통하여, 12V 보조배터리에 대한 충전이 이루어지도록 한 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량용 12V 보조배터리의 충전 전압 제어 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    DC링크 커패시터 또는 DC-DC 컨버터 입력단 커패시터의 고전압 에너지를 공급받은 12V 보조배터리로부터 하한 전압 이상의 전압이 제어기 및 메인스위치로 인가되어, 메인스위치가 온(ON)되는 단계와;
    DC-DC 컨버터는 메인스위치 온으로 인하여 고전압배터리를 전원으로 하여 DC-DC 컨버터가 정상 작동하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량용 12V 보조배터리의 충전 전압 제어 방법.
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