KR101251243B1 - 전기자동차의 전원 공급 시스템 - Google Patents

전기자동차의 전원 공급 시스템 Download PDF

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KR101251243B1 KR1020110110755A KR20110110755A KR101251243B1 KR 101251243 B1 KR101251243 B1 KR 101251243B1 KR 1020110110755 A KR1020110110755 A KR 1020110110755A KR 20110110755 A KR20110110755 A KR 20110110755A KR 101251243 B1 KR101251243 B1 KR 101251243B1
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Abstract

본 발명은 복수의 배터리 셀로 구성되고 연결모터의 구동전압을 발생하는 고압 배터리와 전장부하의 구동전압을 발생하는 저압 배터리, 고압 배터리에서 발생되는 고전압을 저전압으로 변환하여 저압 배터리의 충전을 위한 제어전원을 생성하는 저전압 DC-DC 컨버터, 모터의 회전 동력을 이용하여 저압 배터리의 충전을 위한 제어전원을 생성하는 알터네이터 및 저전압 DC-DC 컨버터 또는 알터네이터에서 생성된 제어전원을 선택적으로 저압 배터리로 제공하는 제어전원 선택부를 포함하는 전기자동차의 전원 공급 시스템에 관한 것이다.

Description

전기자동차의 전원 공급 시스템{POWER SUPPLY SYSTEM FOR ELECTRIC VEHICLE}
본 발명은 전기자동차의 전원 공급 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 저압 배터리의 충전을 위한 제어전원을 선택할 수 있는 전기자동차의 전원 공급 시스템에 관한 것이다.
대기오염, 이산화탄소 배출량의 증가와 같은 문제를 해결하기 위하여, 구동 모터를 구동원으로 하여 배출 가스가 전혀 없는 전기를 사용하는 순수 전기자동차(Electric Vehicle,EV)나 엔진과 구동모터를 구동원으로 하는 하이브리드 자동차(Hybrid Electric Vehicle,HEV)등의 전기자동차의 개발에 관심이 집중되고 있다.
일반적으로 전기자동차의 전원 시스템은 구동모터의 구동전력을 공급하는 메인 배터리(고압 배터리), 배터리 관리 시스템인 BMS(Battery Management System), 기타 차량 전장품의 구동전력을 제공하는 보조 배터리(저압 배터리) 및 다수의 전기장치들로 구성된다. 인버터는 메인 배터리(고압 배터리)에서 발생하는 고전압의 직류전압을 교류신호로 변환하여 모터 구동을 제어한다. 저전압 DC-DC 컨버터(Low Voltage DC-DC Converter, LDC)는 메인 배터리(고압 배터리)에서 발생하는 고전압을 변환하여 저전압을 출력하여, 상기 보조 배터리(저압 배터리)를 충전하는 역할을 한다.
특허공개공보 제10-2000-0025249호에는 전기자동차의 전원 제어 장치에 관한 것으로 DC-DC컨버터를 통해 보조 배터리를 충전하는 전기 자동차에 대해 개시하고 있다.
통상의 엔진 자동차에 구비되는 알터네이터는 엔진의 동력으로부터 소정의 전압을 발전하여 자동차에 구비되는 각 전기부하에 전원을 공급함과 동시에 배터리의 충전 전압을 공급한다. 한편, 전기자동차는 모터의 구동전력, 전장부하의 구동전력 등을 주동력원인 메인 배터리가 제공하게 되는데, 메인 배터리의 충전에 많은 시간이 소요되고 1회의 충전에 따른 주행거리가 제한적이므로 상기 메인 배터리의 전력 소모를 줄이기 위한 노력이 계속되고 있다. 그러나, 상술한 일반적인 전기자동차의 경우 보조 배터리의 충전 전압은 저전압 DC-DC 컨버터를 통해 메인 배터리로부터 제공된다. 즉, 상기 저전압 DC-DC 컨버터는 메인 배터리로부터 고전압을 계속적으로 제공받고, 이를 저전압으로 변환하여 상기 보조 배터리의 충전 전압으로서 제공하게 된다. 그러므로 상기 보조 배터리를 충전하기 위해서 상기 메인 배터리의 전력을 지속적으로 소모하게 되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 전기자동차의 모터의 회전 동력 또는 고압 배터리를 이용하여 저압 배터리를 충전할 수 있는 전기자동차의 전원 공급 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 일실시예인 전기자동차의 전원 공급 시스템은 복수의 배터리 셀로 구성되고 모터의 구동전압을 발생하는 고압 배터리와 전장부하의 구동전압을 발생하는 저압 배터리, 상기 고압 배터리에서 발생되는 고전압을 저전압으로 변환하여 상기 저압 배터리의 충전을 위한 제어전원을 생성하는 저전압 DC-DC 컨버터, 상기 모터의 회전 동력을 이용하여 상기 저압 배터리의 충전을 위한 제어전원을 생성하는 알터네이터 및 상기 저전압 DC-DC 컨버터 또는 상기 알터네이터에서 생성된 상기 제어전원을 선택적으로 상기 저압 배터리로 제공하는 제어전원 선택부를 포함한다.
본 발명에 따른 일실시예의 일태양에 의하면, 상기 알터네이터는 상기 모터의 회전 동력으로부터 생성되는 교류전기를 정류하여 직류 발전전압을 생성하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따른 일실시예의 일태양에 의하면, 상기 제어전원 선택부는 상기 알터네이터의 발전전압이 소정의 기준전압보다 큰 경우, 상기 알터네이터에서 생성되는 상기 발전전압을 상기 제어전원으로서 상기 저압 배터리에 제공하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따른 일실시예의 일태양에 의하면, 상기 제어전원 선택부는 상기 알터네이터의 발전전압이 소정의 기준전압 이하인 경우, 상기 저전압 DC-DC 컨버터에서 변환된 저전압을 상기 제어전원으로서 상기 저압 배터리에 제공하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따른 일실시예의 일태양에 의하면, 상기 제어전원 선택부는 제1 단자가 상기 저압 배터리와 접속되고, 제2 단자가 상기 저전압 DC-DC 컨버터 또는 상기 알터네이터에 선택적으로 접속되는 스위치를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따른 일실시예의 일태양에 의하면, 상기 스위치는 상기 알터네이터의 발전전압이 소정의 기준전압보다 크면 상기 제2 단자가 상기 알터네이터에 접속되고, 상기 알터네이터의 발전전압이 소정의 기준전압 이하이면 상기 제2 단자가 상기 저전압 DC-DC 컨버터에 접속되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따른 일실시예의 일태양에 의하면, 상기 스위치는 상기 전기자동차가 주행 중인 경우, 상기 제2 단자가 상기 알터네이터에 접속되고, 상기 전기자동차가 정지 또는 초기 구동되는 경우, 상기 제2 단자가 상기 저전압 DC-DC 컨버터에 접속되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명은 전기자동차의 모터의 회전 동력으로부터 직류 전압을 발전할 수 있는 알터네이터를 구비하고 저압 배터리를 충전하기 위한 제어전원을 저전압 DC-DC 컨버터 또는 알터네이터에서 선택적으로 공급함으로써, 전기자동차가 주행 중인 경우 고압 배터리의 전력을 소모하지 않고 알터네이터가 모터의 회전 동력으로부터 생성하는 직류 전압을 상기 제어전원으로 충당하여 고압 배터리의 전력 소모를 크게 줄일 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전기자동차의 전원 공급 시스템을 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전기자동차의 전원 공급 시스템에 포함되는 제어전원 선택부를 설명하기 위한 일예시도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전기자동차의 전원 공급 시스템에서 저압 배터리 충전을 위한 제어전원 공급 과정을 설명하기 위한 순서흐름도이다.
본 명세서에서 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, '포함한다' 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, 본 발명과 관련된 이동 단말에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전기자동차의 전원 공급 시스템을 설명하기 위한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 전기자동차의 전원 공급 시스템은, 고전압의 구동전원을 제공하기 위한 고압 배터리(110), 인버터(120), 모터(130), 전기자동차의 저전압 전장부하의 구동전원을 제공하는 저압 배터리(140), 저압 배터리를 충전하는 저전압 DC-DC 컨버터(Low Voltage DC-DC Converter, 이하 LDC라고 함)(150), 알터네이터(160), 제어전원 선택부(170)를 포함한다. 도 1에 도시된 구성요소는, 본 발명을 설명하기 위한 필수적인 구성요소로서, 전기자동차의 전원 공급 시스템이 그보다 많은 구성요소를 가질 수도 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다 할 것이다.
고압 배터리(110)는 전기자동차의 모터(130) 등 고전압계 부품을 구동하기 위한 구동전원으로서 고전압을 제공한다. 고압 배터리(110)는 고전압(예를 들어, 300V)을 모터(130)에 공급하기 위하여 직렬 또는 직렬 및 병렬 방식으로 연결된 복수의 배터리 셀로 이루어질 수 있다. 상기 복수의 배터리 셀은 각각 수 볼트에서 수십 볼트의 전압을 출력하는 것이 일반적이다.
인버터(120)는 고압 배터리(110)로부터 수백 볼트(예를 들어, 300V)의 고전압을 제공받는다. 인버터(120)는 고전압의 직류 신호를 교류 신호로 변환하여 전기자동차의 모터(130)를 구동시키고, 제어한다.
모터(130)는 인버터(120)를 통해 고압 배터리(110)로부터 공급되는 전력으로 회전력을 얻어서 전기자동차를 구동한다.
저압 배터리(140)는 전기자동차에 구비되는 각종의 전장품의 구동전원을 제공한다. 전기자동차의 전장품은 예를 들어, 12V 또는 24V의 저전압에서 작동되는 것이 일반적이므로, 전기자동차에는 모터의 구동전원을 제공하는 메인 배터리인 고압 배터리(110)와는 별도로 구비되는 보조 배터리로서 저압 배터리(140)가 구비된다.
LDC(150)는 고압 배터리(110)에서 생성되는 고전압을 이용하여 저압 배터리(140)를 충전한다. 즉, LDC(150)는 고압 배터리(110)로부터 고전압을 입력받아서 수십 볼트의 저전압으로 변환하고, 변환된 저전압을 저압 배터리(140)의 충전을 위한 제어전원으로 제공한다. 상기 제어전원은, 저압 배터리(140)를 충전하기 위한 충전전력을 나타내며, 예를 들어 저압 배터리(140)가 12V를 제공하기 위해서는 상기 제어전원의 전압레벨은 12V보다 수 볼트 더 높아야 한다. LDC(150)는 상기 저압 배터리(140)의 충전 제어전원의 공급을 위하여 고압 배터리(110)로부터 계속적으로 고전압을 입력받게 되므로, 고압 배터리(110)를 지속적으로 소모하게 된다.
알터네이터(160)는 모터(130)의 회전에 따른 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하여 저압 배터리(140)를 충전한다. 즉, 알터네이터(160)는 모터(130)의 회전 에너지로부터 교류전기를 생성하고, 정류기(도시하지 않음)에 의해 상기 교류전기가 정류되어 직류 발전전압이 생성된다. 알터네이터(160)는 이러한 직류 발전전압을 저압 배터리(140)의 충전을 위한 제어전원으로 제공한다. 알터네이터(160)는 전기자동차의 주행에 따른 모터(130)의 회전 동력을 이용하여 직류 전압을 발전하므로, 전기자동차가 주행 중인 경우에는 다른 전력 공급원(예를 들어, 고압 배터리)의 전력을 소비하지 않고 저압 배터리(140)의 충전을 위한 제어전원을 공급할 수 있다.
제어전원 선택부(170)는 LDC(150) 또는 알터네이터(160)에서 생성된 제어전원을 선택적으로 저압 배터리(140)에 제공한다. 알터네이터(160)에서 생성되는 상기 직류 발전전압의 크기에 따라서 LDC(150)에서 생성된 제어전원을 저압 배터리(140)에 제공할 것인지 또는 알터네이터(160)에서 생성된 제어전원을 저압 배터리(140)에 제공할 것인지가 결정된다.
즉, 알터네이터(160)에서 생성되는 상기 직류 발전전압의 크기가 소정의 기준전압보다 큰 경우에는, 제어전원 선택부(170)는 알터네이터(160)에서 생성되는 상기 직류 발전전압을 상기 제어전원으로서 저압 배터리(140)에 제공할 수 있다. 이와 같이, 알터네이터(160)에서 생성되는 상기 직류 발전전압의 크기가 소정의 기준전압보다 큰 경우는 전기자동차가 주행 중인 경우로서, 모터(130)의 회전 동력으로부터 충분한 직류 발전전압이 생성될 수 있는 경우를 나타낸다. 또한, 알터네이터(160)에서 생성되는 상기 직류 발전전압의 크기가 소정의 기준전압보다 작은 경우에는, 제어전원 선택부(170)는 LDC(150)에서 변환된 저전압을 상기 제어전원으로서 저압 배터리(140)에 제공할 수 있다. 이 경우는 전기자동차가 구동하지 않는 경우로서, 모터(130)가 회전하지 않으므로 알터네이터(160)가 충분한 직류 발전전압을 생성할 수 없는 경우를 나타낸다.
여기서, 저압 배터리의 충전을 위한 제어전원을 선택적으로 공급하기 위한 제어전원 선택부(170)는 일종의 스위치를 구비할 수 있다. 상기 제어전원 선택을 위하여 스위치의 조작이 필요한데, 전기자동차 내부에서 생성되는 스위칭 신호에 의해 스위치가 제어되어 상기 제어전원 선택이 자동으로 이루어질 수 있고, 또는 사용자가 스위치를 수동으로 조작하여 상기 제어전원을 선택할 수 있다. 상기 제어전원 선택이 자동으로 수행되는 경우, 알터네이터(160)의 직류 발전전압과 소정의 기준전압의 크기 비교가 선행되어야 하는데, 이것은 제어전원 선택부(170)에서 이루어질 수 있다. 또는 알터네이터(160)의 직류 발전전압과 소정의 기준전압의 크기 비교는, 도 1에는 도시하지 않았으나 전기자동차에 구비되는 메인 컨트롤 유닛에서 이루어질 수 있다. 제어전원 선택부(170) 또는 상기 메인 컨트롤 유닛은 비교 결과에 따라 스위칭신호를 생성하여 제어전원 선택부(170)에 제공할 수 있다. 이하, 도 2를 참조하여 제어전원 선택부(170)에 구비되는 스위치의 동작을 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전기자동차의 전원 공급 시스템에 포함되는 제어전원 선택부를 설명하기 위한 일예시도로서, 스위치(171)가 구비된 제어전원 선택부(170)를 도시한다.
도 2를 참조하면, 스위치(171)는 제1 단자는 저압 배터리(140)와 고정적으로 접속(A)된다. 제어전원의 선택은 제2 단자의 접속 상태에 의해 이루어지는데, 상기 제2 단자는 LDC(150) 또는 알터네이터(160)에 선택적으로(즉, B 또는 C) 접속된다.
스위치(171)의 상기 제2 단자는 제어전원 선택부(170) 또는 상기 메인 컨트롤 유닛이 알터네이터(160)에서 생성된 직류 발전전압과 소정의 기준전압을 비교한 결과에 따라 생성한 스위칭신호에 따라 LDC(150) 또는 알터네이터(160)에 선택적으로 접속된다.
예를 들어, 알터네이터(160)에서 생성되는 직류 발전전압이 소정의 기준전압보다 큰 경우, 상기 스위칭신호는 스위치(171)의 상기 제2 단자가 알터네이터(160)에 접속되도록 제어한다. 이에 따라, 알터네이터(160)에서 생성된 직류 발전전압이 저압 배터리(140)의 충전을 위한 제어전원으로서 제공된다. 한편, 알터네이터(160)에서 생성되는 직류 발전전압이 소정의 기준전압보다 큰 경우, 상기 스위칭신호는 스위치(171)의 상기 제2 단자가 LDC(150)에 접속되도록 제어한다. 이에 따라, LDC(150)에서 변환된 저전압이 저압 배터리(140)의 충전을 위한 제어전원으로서 제공된다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따르면 저압 배터리(140)를 충전하기 위한 제어전원을 LDC(150) 또는 알터네이터(160)에서 선택적으로 공급하므로, 전기자동차의 주행 중에는 고압 배터리(110)의 전력을 소모하지 않고 모터(130)의 회전 동력으로부터 상기 제어전원을 충당할 수 있게 되어 고압배터리(110)의 소모량을 획기적으로 줄일 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전기자동차의 전원 공급 시스템에서 저압 배터리 충전을 위한 제어전원 공급 과정을 설명하기 위한 순서흐름도이다.
도 3을 참조하면, 전기자동차의 초기 구동이 시작되면(S31), 저압 배터리(140)의 충전을 위한 제어전원을 선택하기 위하여, 알터네이터(160)에서 생성되는 직류 발전전압을 소정의 기준전압과 비교한다(S33). 전기자동차에 시동이 걸린 시점부터 소정 시간 내에는 모터의 회전 동력이 충분하지 않을 것이므로 알터네이터(160)에서 생성되는 직류 발전전압 레벨이 낮을 것이며, 전기자동차가 주행하고 있는 중(즉, 계속적으로 이동하는 경우)에는 모터의 회전 동력으로부터 충분한 직류 발전전압이 생성될 수 있다.
상기 S33단계의 비교 결과, 알터네이터(160)에서 생성되는 직류 발전전압이 상기 소정의 기준전압보다 큰 경우에는 제어전원 선택부(170)는 알터네이터(160)의 직류 발전전압을 상기 제어전원으로서 저압 배터리(140)에 제공한다(S35). 이 경우는 전기자동차가 주행하고 있는 경우(즉, 계속적으로 이동하는 경우)에 해당될 수 있으며, 모터(130)의 회전 동력으로부터 저압 배터리(140)를 충전하기에 충분한 직류 발전전압이 생성될 수 있다.
상기 S33단계의 비교 결과, 알터네이터(160)에서 생성되는 직류 발전전압이 상기 소정의 기준전압 이하인 경우에는 제어전원 선택부(170)는 LDC(150)에서 출력되는 저전압을 상기 제어전원으로서 저압 배터리(140)에 제공한다(S37). 이 경우는 전기자동차에 시동이 걸린 직후 또는 그로부터 소정 시간 내의 경우로서, 모터(130)의 회전 동력이 충분하지 않아서 알터네이터(160)에서 생성되는 직류 발전전압 레벨이 낮은 경우를 나타내며, 저압 배터리(140)의 충전을 위한 제어전원을 고압 배터리(110)로부터 제공받을 필요가 있다. LDC(150)는 전기자동차의 주행 상태, 모터(130)의 회전 동력 등과 무관하게, 고압 배터리(110)로부터 출력되는 고전압을 저전압으로 변환하여 출력하므로, 제어전원 선택부(170)는 LDC(150)에서 출력되는 저전압을 저압 배터리(140)의 충전 제어전원으로서 제공한다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 보호 범위는 다음의 특허청구범위뿐만 아니라 이와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
110 : 고압 배터리 120 : 인버터
130 : 모터 140 : 저압 배터리
150 : LDC 160 : 알터네이터
170 : 제어전원 선택부

Claims (7)

  1. 복수의 배터리 셀로 구성되고 모터의 구동전압을 발생하는 고압 배터리와 전장부하의 구동전압을 발생하는 저압 배터리를 포함하여 구성되는 전기자동차의 전원 공급 시스템에 있어서,
    상기 고압 배터리에서 발생되는 고전압을 저전압으로 변환하여 상기 저압 배터리의 충전을 위한 제어전원을 생성하는 저전압 DC-DC 컨버터;
    상기 모터의 회전 동력을 이용하여 상기 저압 배터리의 충전을 위한 제어전원을 생성하는 알터네이터; 및
    상기 저전압 DC-DC 컨버터 또는 상기 알터네이터에서 생성된 제어전원을 선택적으로 상기 저압 배터리로 제공하는 제어전원 선택부;를 포함하고,
    상기 알터네이터는,
    상기 모터의 회전 동력으로부터 생성되는 교류 전압를 정류하여 직류 발전전압을 생성하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 전원 공급 시스템.


  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어전원 선택부는,
    상기 알터네이터의 발전전압이 소정의 기준전압보다 큰 경우, 상기 알터네이터에서 생성되는 발전전압을 상기 제어전원으로서 상기 저압 배터리에 제공하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 전원 공급 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어전원 선택부는,
    상기 알터네이터의 발전전압이 소정의 기준전압 이하인 경우, 상기 저전압 DC-DC 컨버터에서 변환된 저전압을 상기 제어전원으로서 상기 저압 배터리에 제공하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 전원 공급 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어전원 선택부는,
    제1 단자가 상기 저압 배터리와 고정 접속되고, 제2 단자가 상기 저전압 DC-DC 컨버터 또는 상기 알터네이터에 선택적으로 접속되는 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 전원 공급 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 스위치는,
    상기 알터네이터의 발전전압이 소정의 기준전압보다 크면 상기 제2 단자가 상기 알터네이터에 접속되고,
    상기 알터네이터의 발전전압이 소정의 기준전압 이하이면 상기 제2 단자가 상기 저전압 DC-DC 컨버터에 접속되는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 전원 공급 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 스위치는,
    상기 전기자동차가 주행 중인 경우, 상기 제2 단자가 상기 알터네이터에 접속되고,
    상기 전기자동차가 정지 또는 초기 구동되는 경우, 상기 제2 단자가 상기 저전압 DC-DC 컨버터에 접속되는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 전원 공급 시스템.
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