KR101459791B1 - 하이브리드 차량의 프리차져 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하이브리드 차량의 프리차져에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고전압 배터리와 그 외의 시스템 사이에서 메인 릴레이와 병렬로 연결되어 서지전류로 인한 전기부하의 손상 및 메인 릴레이의 융착을 방지하게 되는 하이브리드 차량의 프리차져에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 종래의 기계식 프리차지 릴레이를 대신하여 반도체 스위치를 사용하는 동시에 대용량의 와트 저항(기존 프리차지 저항)을 삭제하고 전류 제어를 위한 소용량의 피드백 저항을 사용하는 하이브리드 차량의 프리차져에 관한 것이다. 이러한 본 발명의 프리차져에 의하면, 기계식 릴레이 대신 상대적으로 저렴한 반도체 스위치를 사용하므로 비용 절감이 가능해지고, 수명을 반영구적으로 향상시킬 수 있으며, 종래의 릴레이 동작시에 발생하던 소음을 없애 무소음 구현이 가능해진다. 또한 반도체 스위치 및 소용량의 피드백 저항을 사용하므로 프리차져의 전체 부피를 줄일 수 있고, 프리차져를 흐르는 전류가 저항 피드백 루프에 의해 조절되므로 프리차징 전류의 품질을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
하이브리드 차량, 프리차져, 릴레이, 저항, 반도체 스위치, 모스펫, 피드백

Description

하이브리드 차량의 프리차져{Precharger of hybrid electric vehicle}
본 발명은 하이브리드 차량의 프리차져에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고전압 배터리와 그 외의 시스템 사이에서 메인 릴레이와 병렬로 연결되어 서지전류로 인한 전기부하의 손상 및 메인 릴레이의 융착을 방지하게 되는 하이브리드 차량의 프리차져에 관한 것이다.
일반적으로 넓은 의미의 하이브리드 차량은 서로 다른 두 종류 이상의 동력원을 효율적으로 조합하여 차량을 구동시키는 것을 의미하나, 대부분의 경우는 연료(가솔린 등 화석연료)를 연소시켜 회전력을 얻는 엔진과 배터리 전력으로 회전력을 얻는 전기모터에 의해 구동하는 차량을 의미하며, 이를 통상 하이브리드 전기 차량(Hybrid Electric Vehicle, HEV)이라 부르고 있다.
이러한 하이브리드 차량은 엔진뿐만 아니라 전기모터를 보조동력원으로 채택하여 연비 향상 및 배기가스 저감을 도모할 수 있는 미래형 차량으로서, 연비를 개선하고 환경친화적인 제품을 개발해야 한다는 시대적 요청에 부응하여 더욱 활발한 연구가 진행되고 있다.
하이브리드 차량은 엔진과 전기모터(구동모터)를 동력원으로 하여 다양한 구조를 형성할 수 있는데, 엔진의 기계적 에너지와 배터리의 전기에너지를 동시에 사용할 수 있어 에너지를 효율적으로 사용할 수 있다는 장점 때문에 승용차 등에 널리 채택되고 있다.
특히, 엔진과 전기모터의 최적 작동영역을 이용하므로 구동 시스템 전체의 연비를 향상시킴은 물론, 제동시에는 전기모터로 에너지를 회수하므로 효율적인 에너지의 이용이 가능하다.
한편, 하이브리드 차량에서 일반적인 배터리 시스템은 다수의 배터리로 구성되는 배터리부(고전압 배터리), 및 배터리 라인을 연결하는 릴레이 등으로 구성되는 고전압 릴레이부를 포함하여 구성된다.
여기서, 고전압 릴레이부를 사용하는 목적은 에너지 저장 매체와 그 외의 시스템 간에 전기적인 완전한 절연을 확보하기 위함이며, 차량 운행시에는 릴레이가 단락되어 전원을 공급하지만, 키 오프(key off)나 정비(maintenance), 위기(emergency) 상황에서는 릴레이가 개방되어 전기적인 안정성을 확보한다.
또한 1차 사고 발생시 고전압에 의한 전기적인 감전, 화재 등 중대한 2차 사고의 발생을 방지하며, 배터리의 암전류를 차단하는 기능도 한다.
첨부한 도 1은 하이브리드 차량에서 배터리와 릴레이 등을 나타낸 도면으로서, 하이브리드 차량에서 배터리 시스템의 기본 구성인 고전압 배터리(10), 메인 릴레이(main relay)(20), 프리차지 릴레이(precharge relay)(31), 프리차지 저 항(precharge resistor)(32), 캐패시터(40), 전기부하(인버터, LDC 등)(50) 등이 도시되어 있다.
도시된 바와 같이, 프리차지 릴레이(31)와 프리차지 저항(32)이 직렬로 연결되어 프리차져(30)를 구성하고, 이 프리차져(30)가 고전압 배터리(10)와 캐패시터 DC 링크단 사이에서 메인 릴레이(20)와 병렬로 연결된다. 상기 캐패시터(40)는 전기부하(50)의 급격한 전력 변동시 대응을 위해 고전압 배터리(10)와 전기부하(50) 사이에서 적절히 충방전되면서 완충 역할을 하는 구성부이다.
하이브리드 차량에서는 서지(surge)전류로 인한 인버터의 손상을 막기 위해 상기와 같은 프리차져(30)를 이용하여 DC-링크 전압을 모터로 도통하고 있으며, 특히 프리차져(30)가 메인 릴레이(20)의 온(On)시에 발생하는 서지전류를 차단하여 부품 손상, 서지전류에 의해 발생할 수 있는 릴레이 융착 등을 방지하게 된다.
상기한 구성에서 도 2에 도시된 바와 같이 먼저 프리차지 릴레이(31)가 온되면 저항에 의한 피크 전류가 제한되면서 캐패시터(40)가 충전되고, 이후 메인 릴레이(20)가 온되고 프리차지 릴레이(31)가 오프되어 충방전을 시작하게 된다.
한편, 종래에는 하이브리드 차량의 프리차져(30)를 구성하기 위해 기계식 릴레이인 프리차지 릴레이(31)와 와트 저항(프리차지 저항)(32)을 사용하므로 동작시 소음이 심하게 발생하는 문제점이 있었다. 또한 릴레이가 기계식이므로 수명이 길지 못하고, 대용량의 와트 저항이 사용되어 전체 부피가 매우 커지는 단점이 있었다.
이에 종래 하이브리드 차량의 프리차져에서 기계식 릴레이의 소음 및 수명 문제, 와트 저항의 부피 문제 등을 해결할 수 있는 방안이 절실한 실정이다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 수명이 반영구적으로 향상되고, 종래의 릴레이 동작시 발생하던 소음가 해결되며, 대용량의 와트 저항이 삭제되어 전체 부피가 축소될 수 있는 하이브리드 차량의 프리차져를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 메인 릴레이와 병렬로 연결되어 서지전류로 인한 전기부하의 손상 및 메인 릴레이의 융착을 방지하게 되는 하이브리드 차량의 프리차져에 있어서, 고전압 배터리와 캐패시터 DC 링크단 사이에서 메인 릴레이와 병렬로 연결되되, 온/오프 제어되는 반도체 스위치, 출력 전류의 제한을 위해 상기 반도체 스위치의 출력단에 직렬로 연결되어 게이트 전압 및 출력 전류의 피드백 제어가 이루어지도록 하는 피드백 저항, 그리고 상기 반도체 스위치의 게이트에 구동전압을 인가하는 전압원을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한 다른 실시예로서, 본 발명은, 메인 릴레이와 병렬로 연결되어 서지전류로 인한 전기부하의 손상 및 메인 릴레이의 융착을 방지하게 되는 하이브리드 차량의 프리차져에 있어서, 고전압 배터리와 캐패시터 DC 링크단 사이에서 메인 릴레이와 병렬로 연결되되, 온/오프 제어되는 반도체 스위치, 상기 반도체 스위치의 구동전압을 제공하는 전압원, 그리고 상기 전압원의 구동전압을 조절하여 상기 반도체 스위치의 조절된 게이트 전압으로 인가하는 구동회로부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 본 발명의 프리차져에 의하면, 기계식 릴레이 대신 상대적으로 가격이 저렴한 반도체 스위치를 사용하므로 비용 절감이 가능해지고, 수명을 반영구적으로 향상시킬 수 있으며, 종래의 릴레이 동작시에 발생하던 소음을 없애 무소음 구현이 가능해진다. 소음을 줄이기 위한 부가적 비용을 줄일 수 있으므로 비용을 많이 줄일 수 있다.
또한 전류 제어 방법에 있어서 소용량(1W 이하)의 피드백 저항을 사용하여 기존의 와트 저항을 없앨 수 있으므로(피드백 저항을 사용하여 부피가 큰 대용량의 와트 저항을 없앰) 프리차져의 전체 부피를 줄일 수 있고, 프리차져를 흐르는 전류가 저항 피드백 루프에 의해 조절되므로 프리차징 전류의 품질을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 대해 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
첨부한 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 프리차져의 구성을 도시한 회로도이다.
본 발명은 고전압 배터리(10)와 그 외의 시스템 사이에서 메인 릴레이(20)와 병렬로 연결되어 서지(surge)전류로 인한 전기부하(인버터 등)(50)의 손상 및 메인 릴레이(20)의 융착을 방지하게 되는 하이브리드 차량의 프리차져(30')에 관한 것으로서, 도시된 바와 같이, 프리차지 릴레이로서 종래의 기계식 릴레이를 대신하여 반도체 스위치(33)를 사용하는 동시에, 대용량의 와트 저항(기존 프리차지 저항)을 삭제하고 전류 제어를 위한 소용량의 피드백 저항(34)을 사용하는 것에 주된 특징이 있는 것이다.
도 3을 참조하면, 하이브리드 차량에서 배터리 시스템의 기본 구성인 고전압 배터리(10)와 메인 릴레이(main relay)(20), 프리차져(30')를 구성하는 반도체 스위치(33) 및 피드백 저항(34), 전압원(35), 캐패시터(40), 전기부하(인버터, LDC 등)(50) 등이 도시되어 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 프리차져(30')는, 고전압 배터리(10)와 캐패시터 DC 링크단 사이에서 메인 릴레이(20)와 병렬로 연결되되, 온/오프 제어되는 반도체 스위치(33), 출력 전류의 제한을 위해 상기 반도체 스위치(33)의 출력단에 직렬로 연결되어 게이트 전압 및 출력 전류의 피드백 제어가 이루어지도록 하는 피드백 저항(34), 그리고 상기 반도체 스위치(33)의 게이트에 구동전압을 인가하는 전압원(35)을 포함하여 구성된다.
이러한 본 발명의 프리차져(30')는 출력 전류값 조절을 위해 상기의 피드백 저항(34)이 이용되는데, 피드백 저항(34)의 이용으로 프리차저로 흐르는 전류(I)가 피드백 루프에 의해 조절될 수 있게 된다.
본 발명의 프리차져(30')에서 프리차지 릴레이로 채용되는 반도체 스위치(33)로는 모스펫(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET)의 사용이 바람직하다.
또한 본 발명의 프리차져(30')에서 상기 피드백 저항(34)은 전류 제어를 위해 구비되는 것으로서, 작은 용량(예를 들면, 1W 이하)의 저항 사용이 가능하다.
첨부한 도 4는 동작 메커니즘을 설명하기 위한 도면으로서, 본 발명의 프리차져에서는, 프리차져(30')로 흐르는 전류(I)를 제한하기 위해, 반도체 소자(33)의 G-E 간의 전압(VGS)이 피드백 저항(34)에 의한 네거티브 피드백으로 제어된다.
첨부한 도 5는 반도체 소자로서 모스펫의 G-E 간 전압과 흐르는 전류의 관계(게이트 전압에 따른 모스펫 전류)를 보여주는 도면으로서, 전류가 흐르면 피드백 저항(34)에 전압(VRsf)이 걸리고 이 전압만큼 G-E 간 전압(VGS)이 떨어지게 되어 전류(I)가 일정한 값으로 제한되게 된다. 이때, 피드백 저항(34)에는 큰 전압이 걸리지 않으므로 발열량이 작아져 작은 용량의 저항 사용이 가능하다(예를 들면, 기존 대용량 프리차지 저항 대비 발열량 2.5% 이하).
다만, 기존 프리차져에서 대용량의 프리차지 저항(도 1에서 도면부호 32임)에서 발생하였던 열이 본 발명의 프리차져(30')에서는 반도체 스위치(33)에서 발생하게 되는데, 이 경우 방열을 위해 반도체 스위치를 인버터나 LDC의 방열판에 부착하여 주면 되므로 방열을 위한 추가 비용 발생은 없다.
다시 도 4를 참조하여 설명하면, 프리차져(30')로 흐르는 전류(I)는 아래 식(1)과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112009015782983-pat00001
(1)
결국, 반도체 릴레이(33)의 G-E 간 전압(VGS)이 피드백 저항(34)에 의한 네거티브 피드백으로 제어됨에 있어서, 피드백 루프를 설명하면, 반도체 스위치(33)의 특성상 VGS가 낮아지면 전류 I가 낮아지고, 전류 I가 낮아지면 피드백 저항 양단 간에 걸리는 전압 VRsf가 낮아지며, 피드백 저항의 전압 VRsf가 낮아지면 VGS가 상승한다.
또한 VGS가 상승하면 I가 상승하고, I가 상승하면 피드백 저항의 전압 VRsf가 상승하며, VRsf가 상승하면 VGS가 낮아지는데, 결국 이러한 피드백 루프에 의해 프리차져(30')로 흐르는 전류(I)가 조절되게 된다.
한편, 도 1에 도시된 프리차지 릴레이 및 프리차지 저항에서 프리차지 릴레이가 반도체 스위치로 대체되는 경우 반도체 스위치 및 저항의 정격 설계의 일 예를 살펴보기로 한다. 계산 편의상 배터리 최대 전압을 200V로 가정하여 기계식 릴레이와 동일한 방법으로 설계한다. 즉, 도 1에 도시된 종래기술의 프리차져 구성에서 기계식 릴레이(프리차지 릴레이) 부분만을 반도체 스위치로 변경하여 설계할 수 있다(이하의 식은 도 1 참조).
우선, 다음과 같이 전류 및 전압이 계산될 수 있다.
<전류 계산>
Figure 112009015782983-pat00002
여기서, V는 배터리 전압, R은 저항, I는 전류, L은 인덕턴스, C는 캐패시터 용량을 각각 나타낸다.
이때, 인덕턴스는 거의 없으므로 L=0으로 가정하면,
Figure 112009015782983-pat00003
(2)
여기서, Vb는 배터리 전압을 나타낸다.
<저항 전압 계산>
Figure 112009015782983-pat00004
(3)
<캐패시터 전압 계산>
Figure 112009015782983-pat00005
(4)
<각 소자에 전달되는 파워 및 에너지 계산>
- 캐패시터로 충전되는 파워
Figure 112009015782983-pat00006
- 캐패시터로 충전되는 에너지
Figure 112009015782983-pat00007
(5)
- 저항에서 소모되는 파워
Figure 112009015782983-pat00008
(6)
- 저항에서 소모되는 에너지
Figure 112009015782983-pat00009
(7)
다음으로, 일 예로서, 반도체 릴레이 및 저항의 정격 설계는 다음과 같다.
- 최대 전류: 식(2)에 의해서 5A(도 1 참조)임.
- 최대 전압: 배터리 최대 전압에 의해서 250V 이상이면 됨.
- 순간 최대 전력: 식(6)에 의해서 약 1000W(배터리 최대 전압=200V 가정)임.
- 평균 전력:
ㆍ가정: 최악 조건은 2초마다 계속 충전시키는 조건임(일반적인 최단 충방전 주기는 3 ~ 5초).
ㆍ식(7)에 의해서 에너지가 10J이므로 5W(10J/2sec)임.
- 반도체 스위치의 저항값(Rdson)과 외부저항(프리차지 저항)(Rs)의 저항값에 따라 전력 분배
ㆍ외부저항의 저항값: 40Ω(time constant를 고려하여 잡음)
ㆍ반도체 스위치의 저항값을 외부저항의 저항값보다 10배 이상 작게 설계
ㆍ외부저항 소모 전력: 5W
한편, 반도체 스위치와 피드백 저항을 사용한 도 3 및 도 4의 실시예에서, 프리차져(30')로 흐르는 전류(I)는 상기 식(1)과 같이 나타낼 수 있음을 위에서 설명하였는 바, 최대 전류=5A일 때, 식(1)에 Vcc=15V, I=5A, VGS=5V(VGS 값이 작을수록 전류값 증가)를 대입하면, 피드백 저항(34)의 저항값(RSF)은 아래와 같이 설계될 수 있다.
Figure 112009015782983-pat00010
도 5에서 최대 전류를 5A로 제한하는 게이트 전압(VGS)은 5 ~ 5.5V이다.
첨부한 도 6은 피드백 저항을 이용하여 출력 전류를 제어하는 도 3에 도시된 프리차져 구성의 정격 설계를 설명하기 위한 도면으로서, 이를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
Figure 112009015782983-pat00011
여기서, VFET은 반도체 스위치(33) 양단 간에 걸리는 전압을, VC는 캐패시터(40) 전압을, RSF는 피드백 저항(34)의 저항값을 각각 나타낸다.
이때, Vb=200V, I=5A, RSF=2Ω, C=500㎌인 경우,
Figure 112009015782983-pat00012
가 된다.
첨부한 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 프리차져 구성에서 반도체 스위치 전압(MOSFET voltage), 피드백 저항 전압(RSF) 등을 나타낸 도면이다.
한편, 첨부한 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 프리차져의 구성을 도시한 회로도로서, 도시된 프리차져 구성에서는 게이트 전압을 조절하여 출력 전류값을 조절하기 위해, 피드백 저항을 이용하는 대신, 게이트 전압을 구동회로에서 조절하는 방식이 채용된다.
즉, 도시된 바의 프리차져(30")는, 고전압 배터리(10)와 캐패시터 DC 링크단 사이에서 메인 릴레이(20)와 병렬로 연결되되, 온/오프 제어되는 반도체 스위치(33), 상기 반도체 스위치(33)의 구동전압을 제공하는 전압원(35), 그리고 상기 전압원(35)의 구동전압을 조절하여 상기 반도체 스위치의 조절된 게이트 전압으로 인가하는 구동회로부(36)를 포함하여 구성된다.
여기서, 반도체 스위치(33)로는 모스펫(MOSFET)의 사용이 바람직하다.
상기 구동회로부(36)는 전압원(35)의 구동전압을 제공받아 반도체 스위치에 인가되는 게이트 전압을 조절하는 구성부로서, 반도체 스위치(MOSFET)(33)의 문턱(threshold) 전압으로 출력하게 해주는 IC로 포함하여 구성될 수 있다. 이러한 구동회로부(36)는 제너다이오드를 포함하여 구성될 수 있으며, 예컨대 제너다이오드를 이용하여 게이트 전압을 5A 전류가 흐를 때의 문턱 전압으로 유지하도록 구성될 수 있다.
이와 같이 하여, 반도체 스위치를 이용한 프리차져에 대해 설명하였는 바, 이러한 본 발명의 프리차져에 의하면, 기계식 릴레이 대신 상대적으로 가격이 저렴한 반도체 스위치를 사용하므로 비용 절감이 가능해지고, 수명을 반영구적으로 향상시킬 수 있으며, 종래의 릴레이 동작시에 발생하던 소음을 없애 무소음 구현이 가능해진다. 소음을 줄이기 위한 부가적 비용을 줄일 수 있으므로 비용을 많이 줄일 수 있다.
또한 전류 제어 방법에 있어서 소용량(1W 이하)의 피드백 저항을 사용하여 기존의 와트 저항을 없앨 수 있으므로(피드백 저항을 사용하여 부피가 큰 대용량의 와트 저항을 없앰) 프리차져의 전체 부피를 줄일 수 있고, 프리차져를 흐르는 전류 가 저항 피드백 루프에 의해 조절되므로 프리차징 전류의 품질을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 하이브리드 차량에서 배터리와 메인 릴레이, 종래의 프리차지 릴레이를 도시한 도면,
도 2는 종래의 프리차지 릴레이와 메인 릴레이의 동작 시퀀스를 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 프리차져의 구성을 도시한 회로도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 프리차져의 동작 메커니즘을 설명하기 위한 도면,
도 5는 반도체 소자로서 모스펫의 G-E 간 전압과 흐르는 전류의 관계를 보여주는 도면,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 프리차져 구성의 정격 설계를 설명하기 위한 도면,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 프리차져 구성에서 반도체 스위치와 메인 릴레이의 동작 시퀀스 및 반도체 스위치 전압, 피드백 저항 전압 등을 나타낸 도면,
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 프리차져의 구성을 도시한 회로도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 고전압 배터리 20 : 메인 릴레이
30', 30" : 프리차져 33 : 반도체 스위치
34 : 피드백 저항 35 : 전압원
36 : 구동회로부 40 : 캐패시터
50 : 전기부하

Claims (2)

  1. 메인 릴레이(20)와 병렬로 연결되어 서지전류로 인한 전기부하(50)의 손상 및 메인 릴레이(20)의 융착을 방지하게 되는 하이브리드 차량의 프리차져(30')에 있어서,
    고전압 배터리(10)와 캐패시터 DC 링크단 사이에서 메인 릴레이(20)와 병렬로 연결되되, 온/오프 제어되는 반도체 스위치(33), 출력 전류의 제한을 위해 상기 반도체 스위치(33)의 출력단에 직렬로 연결되어 게이트 전압 및 출력 전류의 피드백 제어가 이루어지도록 하는 피드백 저항(34), 그리고 상기 반도체 스위치(33)의 게이트에 구동전압을 인가하는 전압원(35)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 프리차져.
  2. 메인 릴레이(20)와 병렬로 연결되어 서지전류로 인한 전기부하(50)의 손상 및 메인 릴레이(20)의 융착을 방지하게 되는 하이브리드 차량의 프리차져(33")에 있어서,
    고전압 배터리(10)와 캐패시터 DC 링크단 사이에서 메인 릴레이(20)와 병렬로 연결되되, 온/오프 제어되는 반도체 스위치(33), 상기 반도체 스위치(33)의 구동전압을 제공하는 전압원(35), 그리고 상기 전압원(35)의 구동전압을 조절하여 상기 반도체 스위치(33)의 조절된 게이트 전압으로 인가하는 구동회로부(36)를 포함 하여 구성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 프리차져.
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