KR101370739B1 - 컨버터, 이를 포함하는 전기 자동차, 및 컨버터 제어 방법 - Google Patents

컨버터, 이를 포함하는 전기 자동차, 및 컨버터 제어 방법 Download PDF

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Abstract

컨버터의 출력단에 과전류가 발생되는 것을 방지할 수 있는 본 발명의 일 측면에 따른 컨버터는, 부하에 전원을 공급하는 컨버터로서, 고전압을 저전압으로 변환하여 상기 부하에 전원을 공급하는 전압 변환부; 상기 컨버터의 동작 중 상기 전압 변환부의 출력전류와 제한전류를 비교하는 비교부; 상기 전압 변환부의 출력전류가 상기 제한전류를 초과하지 않으면 비례적분(PI)제어를 통해 상기 전압 변환부의 출력전압이 미리 정해진 전압 지령치를 추종하도록 제어하고, 상기 전압 변환부의 출력전류가 상기 제한전류를 초과하면 전류제한모드를 설정하여 미리 정해진 시간 동안 상기 전압 변환부의 출력전류를 감소시키고, 상기 미리 정해진 시간이 경과한 후 상기 전압 변환부의 출력전류가 상기 제한전류를 초과하지 않고 상기 전압 변환부의 출력전압이 제한전압을 초과하면 상기 전류제한모드를 해제하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

컨버터, 이를 포함하는 전기 자동차, 및 컨버터 제어 방법{Convertor for Electric Vehicle, Electric Vehicle Including The Same, and Method for Controlling The Same}
본 발명은 전기 자동차에 관한 것으로, 보다 구체적으로 전기 자동차용 컨버터, 이를 포함하는 전기 자동차, 및 컨버터 제어 방법에 관한 것이다.
전기 자동차(Electric Vehicle)는 기존의 화석 연료가 아니라 전력에 의하여 움직이는 차량을 총칭하는 개념으로서, 화석 연료를 사용하지 않기 때문에 배기가스가 없고 소음이 적어 최근 그 관심이 급증하고 있다.
하이브리드 자동차(Hybrid Electric Vehicle)는 가솔린 자동차와 전기 자동차의 단점을 보완하기 위하여 가솔린 자동차와 전기 자동차의 기능을 복합적으로 구성한 차량이다. 하이브리드 자동차의 운전자는 필요에 따라 가솔린 엔진 구동 모드와 전기 모터 구동 모드를 선택할 수 있으므로, 전기 자동차는 넓은 의미에서 하이브리드 자동차를 포함한다고 불 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상술한 바와 같은 전기 자동차(100)는 고전압 배터리(110), 컨버터(120), 저전압 배터리(130), 및 전장부하(140)를 포함한다. 고전압 배터리(110)는, 전기 모터(미도시)에 구동 전력을 공급하기 위한 주 전원으로서 동작하고, 컨버터(120)는 고전압 배터리(110)에서 발생되는 고전압을 저전압으로 변환시켜 저전압 배터리(130)를 충전하거나 전장 부하(140)에 공급한다. 이러한 컨버터(120)로는 전압을 승압 또는 강압하는 저전압 직류 변환 장치(Low voltage DC-DC CONVERTOR: LDC)가 주로 사용된다.
이러한 일반적인 전기 자동차(100)의 경우, 도 2에 도시된 바와 같이, 전장 부하(140)의 과도한 사용으로 인해 컨버터(120)의 출력 단에 과전류가 발생하게 되면(200), 컨버터(120)는 오류(Fault) 신호를 발생시킨 후 동작을 멈추게 되므로 전기 자동차의 연속 주행이 보장되지 않을 뿐만 아니라, 동작이 정지된 컨버터(120)를 재동작시키기 위해서는 전기 자동차(100)의 정비를 통해 컨버터(120)를 리셋 시켜야 한다는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 컨버터의 출력단에 과전류가 발생되는 것을 방지할 수 있는 컨버터, 이를 포함하는 전기 자동차, 및 컨버터 제어 방법을 제공하는 것을 그 기술적 과제로 한다.
또한, 본 발명은 전기 자동차의 전장 부하에서 요구되는 전류에 따라 컨버터의 출력 전류를 적응적으로 조절할 수 있는 컨버터, 이를 포함하는 전기 자동차, 및 컨버터 제어 방법을 제공하는 것을 다른 기술적 과제로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 컨버터는, 부하에 전원을 공급하는 컨버터로서, 고전압을 저전압으로 변환하여 상기 부하에 전원을 공급하는 전압 변환부; 상기 컨버터의 동작 중 상기 전압 변환부의 출력전류와 제한전류를 비교하는 비교부; 상기 전압 변환부의 출력전류가 상기 제한전류를 초과하지 않으면 비례적분(PI)제어를 통해 상기 전압 변환부의 출력전압이 미리 정해진 전압 지령치를 추종하도록 제어하고, 상기 전압 변환부의 출력전류가 상기 제한전류를 초과하면 전류제한모드를 설정하여 미리 정해진 시간 동안 상기 전압 변환부의 출력전류를 감소시키고, 상기 미리 정해진 시간이 경과한 후 상기 전압 변환부의 출력전류가 상기 제한전류를 초과하지 않고 상기 전압 변환부의 출력전압이 제한전압을 초과하면 상기 전류제한모드를 해제하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 전기 자동차는, 구동 모터에 전원을 공급하는 고전압 배터리; 상기 고전압 배터리에서 발생된 전압을 저전압으로 변환하여 전장 부하에 전원을 공급하는 컨버터; 및 상기 전장 부하에 보조적으로 전원을 공급하는 저전압 배터리를 포함하고, 상기 컨버터는, 상기 컨버터의 출력전류가 제한전류를 초과하면, 전류제한모드를 설정하여 미리 정해진 시간 동안 상기 컨버터의 출력전류를 감소시키고 상기 저전압 배터리의 출력전류를 상기 컨버터의 출력전류 감소량만큼 증가시키며, 상기 미리 정해진 시간이 경과한 후 상기 컨버터의 출력전류가 상기 제한전류를 초과하지 않고 상기 컨버터의 출력전압이 제한전압을 초과하면 상기 전류제한모드를 해제하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따른 컨버터 제어 방법은, 컨버터에서 전장 부하로 공급되는 컨버터의 출력전류와 제한전류를 1차 비교하는 단계; 상기 1차 비교 결과 상기 컨버터의 출력전류가 상기 제한전류를 초과하면 전류제한모드를 설정하여 미리 정해진 시간 동안 상기 컨버터의 출력전류를 감소시키고 상기 컨버터와 병렬 연결된 저전압 배터리의 출력전류를 상기 컨버터의 출력전류 감소량만큼 증가시키는 단계; 상기 미리 정해진 시간이 경과한 후 상기 컨버터의 출력전류와 상기 제한전류를 2차 비교하는 단계; 및 상기 2차 비교결과 상기 컨버터의 출력전류가 상기 제한전류를 초과하지 않고 상기 컨버터의 출력전압이 제한전압을 초과하면 상기 전류제한모드를 해제하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 전장 부하의 과도한 사용으로 컨버터의 출력 단에 과전류가 발생되면 컨버터의 출력 전류를 감소시킴과 동시에 감소된 전류에 해당하는 전류를 저전압 배터리가 부담하게 함으로써, 과전류 발생시 컨버터의 동작이 정지되는 것을 방지할 수 있고 이로 인해 전기 자동차의 연속 주행을 보장할 수 있다는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면 전기 자동차의 전장 부하에서 요구되는 전류에 따라 컨버터의 출력 전류를 적응적으로 조절할 수 있기 때문에 과부하 상태에서도 컨버터의 성능 감소를 최소화시킬 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 전기 자동차의 구성을 개략적으로 보여주는 블록도.
도 2는 컨버터의 출력단에 발생된 과전류로 인한 컨버터의 동작정지 시 컨버터의 출력전압 및 출력전류의 파형을 보여주는 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터가 적용되는 전기 자동차의 구성을 개략적으로 보여주는 블록도.
도 4는 도 3에 도시된 컨버터의 구성을 보여주는 블록도.
도 5는 본 발명에 따른 제어부의 제어에 따른 전압 변환부의 동작 파형을 보여주는 그래프.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터 제어 방법을 보여주는 플로우차트.
본 명세서에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 정의하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다.
"포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
"적어도 하나"의 용어는 하나 이상의 관련 항목으로부터 제시 가능한 모든 조합을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, "제1 항목, 제2 항목 및 제 3항목 중에서 적어도 하나"의 의미는 제1 항목, 제2 항목 또는 제3 항목 각각 뿐만 아니라 제1 항목, 제2 항목 및 제3 항목 중에서 2개 이상으로부터 제시될 수 있는 모든 항목의 조합을 의미한다.
이하, 첨부되는 도면을 참고하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명한다.
본 발명은 컨버터(Convertor)에 관한 것으로서, 고전압 배터리로부터 제공되는 직류 고전압을 직류 저전압으로 변환하여 각종 부하에 제공하는 저전압 직류-직류 컨버터(Low voltage DC-DC Convertor)에 관한 것이다.
특히, 본 발명에 따른 컨버터는 전기를 이용하여 구동되는 전기 자동차에 포함되어 전기 자동차에 설치되는 각종 전장 부하들에 전원을 공급하는 역할을 수행할 수 있다.
본 발명에 따른 컨버터는 이러한 전기 자동차 이외에도 직류의 고전압을 직류의 저전압으로 변환하여 사용하는 다양한 전자장치에 적용되어 사용될 수 있지만, 이하에서는 설명의 편의를 위해 본 발명에 따른 컨버터가 전기 자동차에 적용되는 것으로 가정하여 설명하기로 한다.
또한, 이하의 설명에서 전기 자동차란 용어는 전기 모터만을 이용하여 구동되는 전기 자동차 이외에도, 가솔린 자동차와 전기 자동차의 단점을 보완하기 위하여 가솔린 자동차와 전기 자동차의 기능을 복합적으로 구성한 하이브리드 자동차(Hybrid Electric Vehicle)까지 포함하는 개념을 의미한다.
컨버터 및 이를 포함하는 전기 자동차
본 발명에 따른 컨버터를 설명하기에 앞서 본 발명에 따른 컨버터가 적용될 수 있는 전기 자동차의 구성에 대해 도 3을 참조하여 간략히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터를 포함하는 전기 자동차의 구성을 개략적으로 보여주는 블록도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 전기 자동차(300)는 고전압 배터리(310), 전력 릴레이부(320), 차량 제어부(330), 컨버터(340), 저전압 배터리(350), 시동부(360), 전장 부하(370), 및 배터리 관리부(380)를 포함한다.
도 3에 도시된 각 구성요소들은 필요에 따라 2 이상의 구성요소가 하나의 구성요소로 합쳐지거나, 혹은 하나의 구성요소가 2 이상의 구성요소로 세분되어 구성될 수 있을 것이다.
고전압 배터리(310)는, 전기 자동차(300)의 운행을 위한 전기 에너지 또는 전기 자동차(300)에 포함된 다양한 전장 부하를 가동시키기 위한 전기 에너지를 공급하는 주 공급원의 기능을 수행하는 것으로서, 고전압의 전기에너지를 저장한다. 이러한 고전압 배터리(310)는 소정의 충전소, 차량 충전설비, 또는 가정에서 외부로부터 공급되는 전원에 의해 충전될 수 있다.
고전압 배터리(310)는 도 3에 도시된 바와 같이, 전력 릴레이부(320)를 사이에 두고 컨버터(340)에 연결되어, 고전압을 전력 릴레이부(320)를 통해 컨버터(340)의 입력단으로 인가한다.
일 실시예에 있어서, 고전압 배터리(310)는 복수개의 배터리를 직렬 또는 병렬 연결하여 구성될 수 있다.
다음으로, 전력 릴레이부(320)는 고전압 배터리(310)로부터 공급되는 고전압을 컨버터(340)로 전달하는 것으로서, 복수개의 릴레이, 복수개의 반도체 소자, 또는 복수개의 바이메탈 스위치 등과 같은 다양한 소자를 이용하여 구현될 수 있다.
이러한 전력 릴레이부(320)는 차량 제어부(VCM: Vehicle Control Module)(330)의 제어를 받아 동작하는 것으로서, 구체적으로 전력 릴레이부(320)는 차량 제어부(330)으로부터 인가되는 신호에 따라 복수개의 릴레이를 스위칭한다.
특히 전력 릴레이부(120)는 전기 자동차(300)의 시동 시 복수개의 릴레이를 소정 순서에 따라 스위칭 함으로써, 고전압 배터리(310)에 저장된 고전압이 컨버터(340)로 인가되도록 한다.
일 실시예에 있어서, 전력 릴레이부(320)는 차량 시동 시, 고전압이 갑자기 공급되지 않도록 복수개의 릴레이를 순차적으로 제어하여 컨버터(340)에 안정적으로 전원이 공급되도록 할 수 있다.
차량 제어부(330)는 고전압 배터리(310)를 구동전원으로 사용하여 전력 릴레이부(320)의 on/off를 제어하고, 컨버터(340)에 전압 지령치를 전달함으로써 컨버터(340)가 전압 지령치에 해당하는 전압을 출력할 수 있도록 한다.
또한, 차량 제어부(330)는 시동부(360)로부터 전기 자동차(300)의 시동이 걸렸다는 시동신호(IGN ON)가 수신되면, 전기 자동차(300)의 주행을 위한 전반적인 제어를 수행한다.
컨버터(340)는 차량 제어부(330)로부터 전달되는 전압 지령치에 해당하는 전압이 출력될 수 있도록 PWM(Pulse Width Modulation) 스위칭을 수행하여 고전압 배터리(310)로부터 인가되는 수백 볼트(Volt)의 고전압을 전압 지령치에 해당하는 저전압으로 변환하여 출력한다.
이때 차량 제어부(330)로부터 전달되는 전압 지령치는 전기 자동차(300)의 주행상태(아이들/가속/감속/정속)에 따라 가변될 수 있다.
이러한 컨버터(340)는 변환된 저전압을 이용하여 전장 부하(370)를 구동시키거나 저전압 배터리(350)를 충전시키는 역할을 수행한다.
일 실시예에 있어서, 본 발명의 경우 컨버터(340)와 저전압 배터리(350)가 병렬로 연결되어 있기 때문에, 전기 자동차(300)의 시동이 켜져 있을 때에는 컨버터(340)가 전장 부하(370)에 전원을 공급하는 전원 역할(주전원)을 수행하고, 전기 자동차(300)의 시동이 꺼져 있거나 컨버터(340)의 동작이 정지되었을 때에는 저전압 배터리(350)가 전장 부하(370)에 전원을 공급하는 전원 역할(보조전원)을 수행한다.
특히, 본 발명에 따른 컨버터(340)는 전장 부하(370)의 과도한 사용으로 인해 컨버터(340)의 출력단을 통해 전장 부하(370)로 공급되는 출력전류가 제한전류를 초과하는 것으로 판단되면, 출력전류를 제한함으로써 컨버터(340) 출력단의 과전류로 인해 컨버터(340)의 동작이 정지되는 것을 사전에 방지한다.
이러한 컨버터(340)에 대한 구체적인 설명은 도 4를 참조하여 후술하기로 한다.
저전압 배터리(350)는 컨버터(340)로부터 제공되는 저전압에 의해 충전되어 컨버터(340)가 동작을 정지하거나 전기 자동차(300)의 시동이 껴져 있는 상태에서 전장 부하(370)에 전원을 공급하는 역할을 수행한다.
특히, 본 발명에 따른 저전압 배터리(350)는 컨버터(340)와 병렬로 연결되어있기 때문에, 컨버터(340)의 출력단에 과전류가 발생되어 컨버터(340)의 출력전류가 제한되면, 제한된 컨버터(340)의 출력전류에 상응하는 전류를 전장 부하(370)로 공급하게 된다.
다음으로, 시동부(360)는 운전자에 의해 스타트 버튼이 눌려지거나 키 박스에 키가 삽입되어 회전하게 되면 시동 신호를 생성하여 차량 제어부(330)로 전달한다. 이러한 시동부(360)는 키 박스와 차량 액세서리 간의 연결 또는 배터리와 차량의 전선간의 연결을 온오프(on or off)시키는 시동 스위칭부(미도시)와, 시동 스위칭부를 구동하는 시동 스위치 구동부(미도시)를 포함할 수 있다.
다음으로 전장 부하(370)는, 전기 자동차(300)에서 사용되는 다양한 전기 장치들을 의미한다. 예컨대, 전장 부하(370)는 운전자의 편리성을 제공하기 위한 전자식 파워 스티어링, 워터 펌프, 에어컨, 각종램프, 오디오, 윈도우, 온도열선, 와이퍼 등을 포함한다. 하지만, 이는 전장 부하(370)의 일 예일 뿐 이에 한정되지 않고 전기 자동차(300)에서 사용되는 것으로서 전기를 이용하여 구동되는 모든 장치는 전장 부하(370)에 포함될 수 있다.
배터리 관리부(BMS: Battery Management System)(380)는, 고전압 배터리(310)의 잔여용량, 충전 필요성을 판단하고, 고전압 배터리(310)에 저장된 전기 에너지를 전기 자동차(300)의 다양한 구성에 제공하기 위한 관리를 수행한다.
배터리 관리부(380)는, 고전압 배터리(310)를 충전하고 사용할 때, 고전압 배터리(310)를 구성하는 복수개의 배터리들 간의 전압차를 일정하게 유지하여, 고전압 배터리(310)가 과충전되거나 과방전되지 않도록 제어함으로써 고전압 배터리(310)의 수명이 연장될 수 있도록 한다.
이하, 도 4와 상술한 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터의 구성에 대해 보다 구체적으로 설명한다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터의 구성을 보여주는 블록도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 컨버터(340)는 전압 변환부(410), 제어부(420), 제1 비교부(430), 제2 비교부(435), 연산부(440), 및 카운터(450)를 포함한다. 또한, 본 발명에 따른 컨버터(340)는 도 4에 도시된 바와 같이, 전류 센싱부(460) 및 전압 센싱부(370)를 더 포함할 수 있다.
먼저, 전압 변환부(410)는 고전압 배터리(310)에서 발생된 고전압을 저전압으로 변환하여 전장 부하(370)에 전원을 공급한다. 일 실시예에 있어서, 전압 변환부(410)는 260V~400V의 고전압을 고전압 배터리(310)로부터 인가 받아 전장 부하(370)에서 요구되는 전압인 12V~14V의 저전압으로 변환하여 전장 부하(370)에 인가한다.
이때, 전압 변환부(410)의 출력전압은 차량 제어부(330)로부터 전달되는 전압 지령치에 의해 결정될 수 있다. 즉, 전압 변환부(410)는 제어부(430)의 제어에 따라 전압 지령치에 해당하는 전압을 출력하게 된다.
한편, 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 컨버터(340)는 저전압 배터리(350)와 병렬로 연결되어 있기 때문에 전기 자동차(300)의 시동이 켜져 있는 경우에는 전압 변환부(410)의 출력전류가 전장 부하(370)로 공급되고, 전기 자동차(300)의 시동이 꺼져 있는 경우에는 저전압 배터리(350)의 출력전류가 전장 부하(370)로 공급된다.
이외에도, 전압 변환부(410)는 전장 부하(370)로 공급하고 남는 출력전류를 저전압 배터리(350)로 공급함으로써 저전압 배터리(350)를 충전하는 역할을 수행한다.
다음으로, 제어부(420)는 전압 변환부(410)의 출력전압 및 출력전류를 조절한다.
구체적으로, 제어부(420)는 전압 변환부(410)의 출력전류가 미리 정해진 제한전류를 초과하지 않는 정상적인 경우, 전압 변환부(410)의 출력전압이 차량 제어부(330)로부터 전달되는 전압 지령치를 추종하도록 전압 변환부(410)를 제어한다.
일 실시예에 있어서, 제어부(420)는 비례적분 제어기(PI Controller)를 이용하여 전압 변환부(410)의 출력전압이 전압 지령치를 추종하도록 제어할 수 있다. 이러한 경우, 제어부(420)는 비례적분 제어기를 이용하여 산출되는 결과값에 해당하는 PWM 듀티(Duty)를 설정하고, 설정된 PWM 듀티에 따라 PWM(Pulse Width Modulation) 스위칭을 수행함으로써 전압 변환부(410)가 전압 지령치에 해당하는 출력전압을 출력할 수 있도록 한다.
한편, 제어부(420)는 전압 변환부(410)의 출력전류가 미리 정해진 제한전류를 초과하는 과도전류 상태인 경우, 전류제한모드를 설정하여 전압 변환부(410)의 출력전류를 감소시킨다. 여기서, 전류제한모드란 전압 변환부(410)의 출력전류를 감소시키고 저전압 배터리(350)의 출력전류를 증가시키는 모드를 의미한다.
일 실시예에 있어서, 제어부(420)는 전압 변환부(410)의 제어모드를 나타내는 필드 값을 0에서 1로 변경하거나 1에서 0으로 변경함에 의해 전류제한모드를 설정할 수 있다.
구체적으로, 제어부(420)는 전압 변환부(410)의 출력전류가 미리 정해진 제한전류를 초과한 것으로 판단되면, 미리 정해진 시간(예컨대 5초) 동안 전압 변환부(410)의 출력전류를 감소시키고 저전압 배터리(350)의 출력전류가 전압 변환부(410)의 출력전류 감소량만큼 증가되게 한다.
즉, 제어부(420)는 과도전류 상태인 경우, 전압 변환부(410)의 출력전류를 감소시키고 전압 변환부(410)의 출력전류 중 일부분을 저전압 배터리(350)가 부담하게 하는 것이다. 이에 따라, 저전압 배터리(350)는 전기 자동차(300)의 시동이 켜져 있는 상태임에도 불구하고 컨버터(340)와 함께 전장 부하(370)에 전원을 공급하는 역할을 수행하게 된다.
이때, 상술한 바와 같이, 컨버터(340)는 저전압 배터리(350)와 병렬로 연결되어 있기 때문에 제어부(420)가 전압 변환부(410)의 출력전류를 감소시키게 되면 자동적으로 저전압 배터리(350)의 출력전류가 전압 변환부(410)의 출력 전류 감소량만큼 증가하게 된다.
한편, 제어부(420)는 미리 정해진 시간이 경과한 후 전압 변환부(410)의 출력전류가 제한전류를 여전히 초과하는 것으로 판단되면, 전압 변환부(410)의 출력전류를 추가 감소시키고 저전압 배터리(350)의 출력전류가 전압 변환부(410)의 출력전류 추가 감소량만큼 증가되게 한다.
즉, 제어부(420)는 전압 변환부(410)의 출력전류를 미리 정해진 시간 동안 감소시켰음에도 불구하고 전압 변환부(410)의 과도전류 상태가 지속되는 것으로 판단되면, 전압 변환부(410)의 출력전류를 추가 감소시키고 전압 변환부(410)의 출력전류 중 추가 감소된 양만큼의 전류를 저전압 배터리(350)가 부담하게 하는 것이다.
한편, 제어부(420)는 미리 정해진 시간이 경과한 후 전압 변환부(410)의 출력전류가 제한전류를 초과하지 않거나 전압 변환부(410)의 출력전류를 추가 감소시킨 이후 전압 변환부(410)의 출력전압이 미리 정해진 제한전압을 초과하는 것으로 판단되면, 전압 변환부(410)의 과전류 상태가 해소된 것으로 판단하여 전류제한모드를 해제한다.
일 실시예에 있어서, 제어부(420)는 전압 변환부(410)의 제어모드를 나타내는 필드 값을 1에서 0으로 변경하거나 0에서 1로 변경함에 의해 전류제한모드를 해제할 수 있다.
여기서, 제어부(420)가 전압 변환부(410)의 출력전압이 미리 정해진 제한전압을 초과하는지에 따라 전압 변환부(410)의 과전류 상태가 해소된 것으로 판단하는 이유는 전류제한으로 인해 전압 변환부(410)의 출력전압까지 함께 감소하여 제한전압이 이하가 되면 전압 변환부(410)가 정상적인 동작을 수행할 수 없기 때문이다.
따라서, 제어부(420)는 미리 정해진 시간이 경과한 후 전압 변환부(410)의 출력전류가 제한전류를 초과하지 않거나 전압 변환부(410)의 출력전류를 추가 감소시킨 이후 전압 변환부(410)의 출력전압이 미리 정해진 제한전압을 초과하지 않는 것으로 판단되면, 전압 변환부(410)의 최초 구동시와 동일하게 소프트 스타트 방식에 따라 전압 변환부(410)의 출력전압이 전압 지령치까지 단계적으로 증가될 수 있도록 한다.
이와 같이, 본 발명의 경우 제어부(420)가 전압 변환부(410)의 출력전류와 제한전류를 비교하고, 그 비교결과에 따라 전압 변환부(410)에 과전류 상태가 발생된 것으로 판단되면 전압 변환부(410)의 출력전류를 감소시킴으로써 결과적으로 컨버터(340)가 정지되지 않고 계속하여 동작할 수 있도록 하고, 이에 따라 전기 자동차(300)의 연속 주행을 보장하게 된다.
상술한 실시예에서, 제어부(420)는 감소된 출력전류 또는 추가 감소된 출력전류에 상응하는 PWM 듀티를 설정하고, 설정된 PWM 듀티에 따라 PWM 스위칭을 수행함으로써 전압 변환부(410)로부터 감소된 출력전류 또는 추가 감소된 출력전류가 출력될 수 있도록 한다.
이와 같은 제어부(420)의 제어에 따른 전압 변환부(410)의 동작 파형은 도 5와 같다. 도 5에 도시된 바와 같이, 전압 변환부(410)의 출력 전류가 제한전류를 초과하지 않는 구간(510)에서 제어부(420)는 전압 변환부(410)의 출력전압을 제어하여 전압 변환부(410)의 출력전압이 전압 지령치를 추종하도록 한다.
또한, 제어부(420)는 전압 변환부(410)의 출력전류가 제한전류를 초과하는 구간(520)에서는 전압 변환부(410)의 출력전류를 제어하는 전류제한모드를 설정함으로써 전압 변환부(410)의 출력전류를 감소시켜 전압 변환부(410)에서의 과전류 발생을 억제시킨다. 도 5에서는 제어부(420)가 전류제한모드를 1분동안 수행하는 것으로 도시하였지만, 이는 하나의 예에 불과할 뿐, 전류제한모드의 지속시간은 전압 변환부(410)의 출력전류에 따라 가변적일 수 있다.
다음으로, 제1 비교부(430)는 전압 변환부(410)의 출력전류와 미리 정해진 제한전류를 비교하고, 그 결과를 제어부(410)로 전달한다. 일 실시예에 있어서, 제1 비교부(430)는 컨버터(350)의 정격 전류를 미리 정해진 제한전류로 설정할 수 있다.
다음으로, 제2 비교부(435)는 전압 변환부(410)의 출력전압과 미리 정해진 제한전압을 비교하고, 그 결과를 제어부(410)로 전달한다. 일 실시예에 있어서, 제2 비교부(435)는 컨버터(350)의 정격 전압을 미리 정해진 제한전압으로 설정할 수 있다.
연산부(440)는 제어부(420)에 의해 전류제한모드가 설정되면, 전압 변환부(410)의 출력전류 감소량을 산출한다. 일 실시예에 있어서, 연산부(440)는 전압 변환부(410)의 출력전류와 제한전류의 차이값에 비례하도록 전압 변환부(410)의 출력전류 감소량을 결정할 수 있다. 즉, 연산부(440)는 전압 변환부(410)의 출력전류가 제한전류를 초과하는 양이 증가할수록 출력전류 감소량을 증가시킴으로써 짧은 시간 내에 전압 변환부(410)의 출력전류가 제한전류 이하가 될 수 있도록 한다.
또한, 연산부(440)는 제어부(420)에 의한 전류제한모드 동작 중 전압 변환부(410)의 출력전류를 추가 감소하여야 하는 경우, 전압 변환부(410)의 출력전류 추가 감소량을 산출한다. 출력전류 추가 감소량 또한 상술한 출력전류 감소량과 동일하게 전압 변환부(410)의 출력전류와 제한전류의 차이값에 비례하도록 결정할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 연산부(440)는 전압 변환부(410)의 출력전류 추가 감소량을 전압 변환부(410)의 출력전류 감소량보다 크게 설정할 수 있다. 이는, 전압 변환부(410)의 출력전류 추가 감소가 요구되는 경우 전압 변환부(410)의 과전류 상태 지속시간이 길어진다는 것을 의미하므로, 전압 변환부(410)의 출력전류 추가 감소량을 증가시켜 짧은 시간 내에 전압 변환부(410)의 출력전류가 제한전류 이하가 될 수 있도록 하기 위한 것이다.
카운터(450)는 제어부(420)에 의한 전류제한모드 동작이 설정되면, 미리 정해진 시간 동안 제어부(420)가 전압 변환부(410)의 출력전류를 감소시킬 수 있도록 시간을 카운팅한다. 예컨대, 카운터(450)는 5초 동안 전압 변환부(410)의 출력전류를 감소시킬 수 있도록 하기 위해 5초가 경과하면 이를 제어부(420)로 리포트하고, 카운팅 값을 초기화 시킨 후 시간을 다시 카운팅한다.
다음으로, 전류 센싱부(460)는 전압 변환부(410)의 출력단에 연결되어 전압 변환부(410)의 출력전류를 센싱하고, 센싱된 출력전류를 제1 비교부(430)로 전달한다.
전압 센싱부(470)는 전압 변환부(410)의 출력단에 연결되어 전압 변환부(410)의 출력전압을 센싱하고, 센싱된 출력전압을 제2 비교부(435)로 전달한다.
본 발명의 경우, 전류 센싱부(460) 및 전압 센싱부(470)가 컨버터(340)의 외부에 설치되는 것이 아니라, 컨버터(340)를 구성하는 회로 내에 장착되기 때문에 전류 센싱부(460) 및 전압 센싱부(470)를 컨버터(340) 외부에 설치하는 것에 비해 노이즈를 감소시킬 수 있다.
컨버터의 제어 방법
이하에서는 도 6을 참조하여 본 발명에 따른 컨버터 제어 방법에 대해 설명하기로 한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 컨버터 제어 방법을 보여주는 플로우차트이다. 도 6에 도시된 컨버터 제어 방법은 상술한 도 4에 도시된 바와 같은 구성을 갖는 컨버터에 의해 수행될 수 있다.
먼저, 컨버터는 외부로부터 컨버터의 전압 지령치를 수신한다(S600). 일 실시예에 있어서, 컨버터가 전기 자동차에 포함되는 경우 컨버터는 전기 자동차의 차량 제어부로부터 전압 지령치를 수신할 수 있다. 이때, 차량 제어부로부터 전송되는 전압 지령치는 전기 자동차의 주행상태(아이들/가속/감속/정속)에 따라 가변될 수 있다.
다음으로, 컨버터는 컨버터의 출력전압이 수신된 전압 지령치를 추종하도록 컨버터의 출력전압을 제어한다(S610). 일 실시예에 있어서, 컨버터는 컨버터의 출력전압이 전압 지령치를 추종하도록 제어하기 위해 비례적분 제어기를 이용하여 산출되는 결과값에 해당하는 PWM 듀티를 설정하고, 설정된 PWM 듀티에 따라 PWM 스위칭을 수행함으로써 전압 지령치에 해당하는 출력전압을 출력할 수 있도록 한다.
컨버터는 상술한 바와 같은 출력전압제어를 통해 전압 지령치에 해당하는 출력전압을 출력함으로써 전장 부하에 안정적으로 전원이 공급될 수 있도록 한다.
한편, 컨버터는 컨버터가 동작하는 중에 컨버터의 출력전류가 미리 정해진 제한전류를 초과하는지 여부를 판단한다(S620). 여기서, 컨버터의 출력전류가 제한전류를 초과한다는 것은 컨버터의 출력단에 과전류가 발생하였다는 것을 의미하는 것으로서, 과도한 전장 부하가 사용되는 경우 발생할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 제한전류를 컨버터의 정격전류로 설정될 수 있다.
S620의 판단결과, 컨버터의 출력전류가 제한전류를 초과하면 전류제한모드를 설정한다(S630). 일 실시예에 있어서, 전류제한모드의 설정은 컨버터 제어모드를 나타내는 필드 값을 0에서 1로 또는 1에서 0으로 변경함에 의해 수행될 수 있다.
다음으로, 컨버터는 전류제한모드 설정이후 미리 정해진 시간이 경과하였는지 판단하여(S640), 경과하지 않은 경우 컨버터의 출력전류를 감소시키고 저전압 배터리의 출력전류를 컨버터의 출력전류 감소량만큼 증가시킨다(S650). 본 발명의 경우 컨버터와 저전압 배터리는 서로 병렬 연결되어 있기 때문에, 컨버터의 출력전류가 감소하게 되면 자동으로 저전압 배터리의 출력전류가 컨버터의 출력전류 감소량만큼 증가하게 된다.
일 실시예에 있어서, 컨버터는 감소된 출력전류에 해당하는 PWM 듀티값을 설정하고, 설정된 PWM 듀티에 따라 PWM 스위칭을 수행함으로써 컨버터의 출력전류를 감소시킬 수 있다.
이때, 컨버터는 컨버터의 출력전류 감소량을 컨버터의 출력전류와 제한전류의 차이값에 비례하도록 결정할 수 있다. 즉, 컨버터는 컨버터의 출력전류가 제한전류를 초과하는 양이 증가할수록 출력전류 감소량을 증가시킴으로써 짧은 시간 내에 컨버터의 출력전류가 제한전류 이하가 될 수 있도록 한다.
한편, S640의 판단결과, 미리 정해진 시간이 경과한 경우 컨버터는 카운터 값을 초기화한다(S660). 일 실시예에 있어서, 미리 정해진 시간은 5초로 설정될 수 있다. 이러한 실시예에 따르는 경우 컨버터는 5초 동안 컨버터의 출력전류를 감소시키게 되고, 5초 이후 카운터는 카운터 값을 초기화하게 된다.
이후, 컨버터는 컨버터가 동작하는 중에 컨버터의 출력전류가 미리 정해진 제한전류를 초과하는지 여부를 다시 판단한다(S670). 판단결과, 컨버터의 출력전류가 미리 정해진 제한전류를 초과하는 경우 컨버터의 출력전류를 추가 감소시키고 저전압 배터리의 출력전류를 컨버터의 출력전류 추가 감소량만큼 증가시킨다(S680). 상술한 바와 같이, 본 발명의 경우 컨버터와 저전압 배터리는 서로 병렬 연결되어 있기 때문에, 컨버터의 출력전류가 추가 감소하게 되면 자동으로 저전압 배터리의 출력전류가 컨버터의 출력전류 추가 감소량만큼 추가하여 증가하게 된다.
일 실시예에 있어서, 컨버터는 추가 감소된 출력전류에 해당하는 PWM 듀티값을 설정하고, 설정된 PWM 듀티에 따라 PWM 스위칭을 수행함으로써 컨버터의 출력전류를 추가 감소시킬 수 있다.
한편, 컨버터는 출력전류 추가 감소량 또한 상술한 출력전류 감소량과 동일하게 컨버터의 출력전류와 제한전류의 차이값에 비례하도록 결정할 수 있다. 이때, 컨버터는 컨버터의 출력전류 추가 감소량을 컨버터의 출력전류 감소량보다 크게 설정할 수 있다. 이는, 컨버터의 출력전류 추가 감소가 요구되는 경우 컨버터의 과전류 상태 지속시간이 길어진다는 것을 의미하므로, 컨버터의 출력전류 추가 감소량을 증가시켜 짧은 시간 내에 컨버터의 출력전류가 제한전류 이하가 될 수 있도록 하기 위한 것이다.
이후, 컨버터는 컨버터의 출력전압이 미리 정해진 제한전압을 초과하는지 여부를 판단하고(S690), 판단결과 컨버터의 출력전압이 제한전압을 초과하면 컨버터 출력단에서의 과전류 상태가 해소된 것으로 판단하여 전류제한모드를 해제한다(S700). 이때, 전류제한모드의 해제는 컨버터 제어모드를 나타내는 필드 값을 1에서 0으로 또는 0에서 1로 변경함에 의해 수행될 수 있다.
여기서, 컨버터가 컨버터의 출력전압이 미리 정해진 제한전압을 초과하는지에 여부를 추가로 판단하는 이유는 전류제한으로 인해 컨버터의 출력전압까지 함께 감소하여 제한전압이 이하가 되면 컨버터가 정상적인 동작을 수행할 수 없기 때문이다.
일 실시예에 있어서, 미리 정해진 제한전압은 컨버터의 정격전압으로 설정될 수 있다.
S690의 판단결과 컨버터의 출력전압이 제한전압을 초과하지 않으면 컨버터의 최초 구동시와 동일하게 소프트 스타트 방식에 따라 컨버터의 출력전압이 전압 지령치까지 단계적으로 증가될 수 있도록 한다(S710).
한편, S670의 판단결과 컨버터의 출력전류가 미리 정해진 제한전류를 초과하지 않는 경우에는 S690으로 진행하여 컨버터의 출력전압이 미리 정해진 제한전압을 초과하는지 여부를 판단하는 과정을 수행하게 된다.
또한, 컨버터는 전류제한모드가 해제되거나 컨버터의 출력전압을 단계적으로 상승시킨 뒤에는 다시 S610으로 회귀하여 컨버터가 전압 진령치에 해당하는 전압을 출력할 수 있도록 그 동작을 제어하게 된다.
상술한 컨버터 제어 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 이용하여 수행될 수 있는 프로그램 형태로도 구현될 수 있는데, 이때 컨버터 제어 방법을 수행하기 위한 프로그램은 하드 디스크, CD-ROM, DVD, 롬(ROM), 램, 또는 플래시 메모리와 같은 컴퓨터로 판독할 수 있는 기록 매체에 저장된다.
본 명이 속하는 기술분야의 당업자는 상술한 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
300: 전기 자동차 310: 고전압 배터리
320: 전력 릴레이부 330: 차량 제어부
340: 컨버터 350: 저전압 배터리
360: 시동부 370: 전장 부하
380: 배터리 관리부 410: 전압 변환부
420: 제어부 430: 제1 비교부
435: 제2 비교부 440: 연산부
450: 카운터 460: 전류 센싱부
470: 전압 센싱부

Claims (15)

  1. 부하에 전원을 공급하는 컨버터로서,
    고전압을 저전압으로 변환하여 상기 부하에 전원을 공급하는 전압 변환부;
    상기 컨버터의 동작 중 상기 전압 변환부의 출력전류와 제한전류를 비교하는 비교부;
    상기 전압 변환부의 출력전류가 상기 제한전류를 초과하지 않으면 비례적분(PI)제어를 통해 상기 전압 변환부의 출력전압이 미리 정해진 전압 지령치를 추종하도록 제어하고, 상기 전압 변환부의 출력전류가 상기 제한전류를 초과하면 전류제한모드를 설정하여 미리 정해진 시간 동안 상기 전압 변환부의 출력전류를 감소시키고, 상기 미리 정해진 시간이 경과한 후 상기 전압 변환부의 출력전류가 상기 제한전류를 초과하지 않고 상기 전압 변환부의 출력전압이 제한전압을 초과하면 상기 전류제한모드를 해제하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 컨버터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 전류제한모드에서 상기 컨버터와 병렬 연결된 저전압 배터리의 출력전류가 상기 전압 변환부의 출력전류 감소량만큼 증가되게 하는 것을 특징으로 하는 컨버터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전압 변환부의 출력전류 감소량을 결정하는 연산부를 더 포함하고,
    상기 연산부는, 상기 전압 변환부의 출력전류와 상기 제한전류의 차이값에 비례하도록 상기 전압 변환부의 출력전류 감소량을 결정하는 것을 특징으로 하는 컨버터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 미리 정해진 시간이 경과한 후 상기 전압 변환부의 출력전류가 상기 제한전류를 초과하지 않고 상기 전압 변환부의 출력전압이 상기 제한전압을 초과하지 않으면 상기 전압 변환부의 출력전압을 미리 정해진 전압 지령치까지 단계적으로 증가시키는 것을 특징으로 하는 컨버터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    PWM(Pulse Width Modulation) 듀티(Duty)를 감소시켜 상기 전압 변환부의 출력전류를 감소시키는 것을 특징으로 하는 컨버터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전압 변환부의 출력단에 연결되어 상기 전압 변환부의 출력전류를 센싱하는 전류 센싱부; 및
    상기 전압 변환부의 출력단에 연결되어 상기 전압 변환부의 출력전압을 센싱하는 전압 센싱부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 컨버터.
  7. 구동 모터에 전원을 공급하는 고전압 배터리;
    상기 고전압 배터리에서 발생된 전압을 저전압으로 변환하여 전장 부하에 전원을 공급하는 컨버터; 및
    상기 전장 부하에 보조적으로 전원을 공급하는 저전압 배터리를 포함하고,
    상기 컨버터는,
    상기 컨버터의 출력전류가 제한전류를 초과하면, 전류제한모드를 설정하여 미리 정해진 시간 동안 상기 컨버터의 출력전류를 감소시키고 상기 저전압 배터리의 출력전류를 상기 컨버터의 출력전류 감소량만큼 증가시키며, 상기 미리 정해진 시간이 경과한 후 상기 컨버터의 출력전류가 상기 제한전류를 초과하지 않고 상기 컨버터의 출력전압이 제한전압을 초과하면 상기 전류제한모드를 해제하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 미리 정해진 시간이 경과한 후 상기 컨버터의 출력전류가 상기 제한 전류를 초과하면 상기 컨버터의 출력전류를 추가 감소시키고 상기 저전압 배터리의 출력전류를 상기 컨버터의 출력전류 추가 감소량만큼 증가시키는 것을 특징으로 하는 전기 자동차.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 미리 정해진 시간이 경과한 후 상기 컨버터의 출력전류가 상기 제한전류를 초과하지 않고 상기 컨버터의 출력전압이 상기 제한전압을 초과하지 않으면 상기 컨버터의 출력전압을 미리 정해진 전압 지령치까지 단계적으로 증가시키는 것을 특징으로 하는 전기 자동차.
  10. 컨버터에서 전장 부하로 공급되는 컨버터의 출력전류와 제한전류를 1차 비교하는 단계;
    상기 1차 비교 결과 상기 컨버터의 출력전류가 상기 제한전류를 초과하면 전류제한모드를 설정하여 미리 정해진 시간 동안 상기 컨버터의 출력전류를 감소시키고 상기 컨버터와 병렬 연결된 저전압 배터리의 출력전류를 상기 컨버터의 출력전류 감소량만큼 증가시키는 단계;
    상기 미리 정해진 시간이 경과한 후 상기 컨버터의 출력전류와 상기 제한전류를 2차 비교하는 단계; 및
    상기 2차 비교결과 상기 컨버터의 출력전류가 상기 제한전류를 초과하지 않고 상기 컨버터의 출력전압이 제한전압을 초과하면 상기 전류제한모드를 해제하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 컨버터 제어 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 2차 비교결과 상기 미리 정해진 시간이 경과한 후 상기 컨버터의 출력전류가 상기 제한전류를 초과하면 상기 컨버터의 출력전류를 추가 감소시키고 상기 저전압 배터리의 출력전류를 상기 컨버터의 출력전류 추가 감소량만큼 증가시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 컨버터 제어 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 2차 비교결과 상기 미리 정해진 시간이 경과한 후 상기 컨버터의 출력전류가 상기 제한전류를 초과하지 않고 상기 컨버터의 출력전압이 상기 제한전압을 초과하지 않으면 상기 컨버터의 출력전압을 미리 정해진 전압 지령치까지 단계적으로 증가시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 컨버터 제어 방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 컨버터의 출력전류 감소량을 상기 컨버터의 출력전류와 상기 제한전류의 차이값에 비례하도록 결정하는 것을 특징으로 하는 컨버터 제어 방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 1차 비교결과 상기 컨버터의 출력전류가 상기 제한전류보다 작으면 비례적분(PI)제어를 통해 상기 컨버터의 출력전압이 미리 정해진 전압 지령치를 추종하도록 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 컨버터 제어 방법.
  15. 제10항 또는 제14항 중 어느 하나의 항에 기재된 컨버터 제어 방법을 수행하기 위한 프로그램이 기록된 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체.
KR1020120153719A 2012-12-26 2012-12-26 컨버터, 이를 포함하는 전기 자동차, 및 컨버터 제어 방법 KR101370739B1 (ko)

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