KR101508180B1 - 마일드 하이브리드 전기자동차용 충전장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 P채널 MOSFET을 이용하여 역극성에 의한 제품 보호와 저전압 배터리의 이상 고전압 및 고전압 배터리의 이상 저전압 현상으로 인해 저전압 배터리로부터 고전압 배터리로 역충전되는 현상을 방지할 수 있고, DC/DC 컨버터의 동작으로 인해 부하에 전류를 공급할 경우 P채널 MOSFET에 게이팅 신호를 인가하여 순방향 전압 강하에 의한 손실을 크게 줄일 수 있는 마일드 하이브리드 전기자동차용 충전장치에 관한 것으로서, 엔진과; 상기 엔진에 구동력을 제공하거나, 또는 상기 엔진으로부터 구동력을 제공받아 교류 전력을 발전하는 MSG와; 상기 MSG로부터 발생된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하거나, 또는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 상기 MSG에 제공하는 인버터와; 상기 인버터로부터 직류 전력을 제공받아 충전되거나, 또는 상기 인버터에 직류 전력을 제공하는 고전압 배터리와; 상기 인버터 또는 상기 고전압 배터리로부터 직류 전력을 제공받아 전압을 강하하는 DC/DC 컨버터와; 상기 DC/DC 컨버터로부터 직류 전력을 제공받아 충전되는 저전압 배터리; 및 상기 고전압 배터리와 상기 저전압 배터리 사이의 경로상에 구비되어 상기 저전압 배터리로부터 상기 고전압 배터리로 전기 에너지가 흘러가는 것을 방지하기 위한 역충전 방지장치;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

마일드 하이브리드 전기자동차용 충전장치{Charging system for Mild hybrid vehicle}
본 발명은 P채널 MOSFET을 이용하여 역극성에 의한 제품 보호와 저전압 배터리의 이상 고전압 및 고전압 배터리의 이상 저전압 현상으로 인해 저전압 배터리로부터 고전압 배터리로 역충전되는 현상을 방지할 수 있고, DC/DC 컨버터의 동작으로 인해 부하에 전류를 공급할 경우 P채널 MOSFET에 게이팅 신호를 인가하여 순방향 전압 강하에 의한 손실을 크게 줄일 수 있는 마일드 하이브리드 전기자동차용 충전장치에 관한 것이다.
마일드 하이브리드(Mild Hybrid)는 풀 하이브리드(Full Hybrid)나 플러그인 하이브리드(Plug-In Hybrid) 등 하이브리드 자동차 중 작은 모터용량을 가진 하이브리드 전기자동차를 지칭한다. 내연기관엔진이 주동력원이고 모터에 의해 동력을 지원(assist)받거나 모터가 발전기로 동작할 때에는 전력을 생성하는 역할을 한다. 이와 같이 전기모터는 자동차를 달리게 하는 독자적 추진력을 가지는 것이 아니라 내연기관엔진의 효율성을 높이기 위한 일종의 보조장치로 연비를 개선시키는 역할을 한다.
이 전기모터는 아이들 스타트-스톱인 ISS(Idle Start Stop) 혹은 ISG(Idle Stop & Go), MSG(Motor Start Generator)를 제공하는데, 가속기를 밟을 때만 엔진이 작동하게 해서 연료소비와 매연을 줄이는 기능이다.
전기모터는 엔진동력이 필요할 때 토크를 발생시키는 모터모드와 엔진동력이 남을 때 전기를 발생시키는 발전모드를 가지는데 이는 모터에 부착된 PWM 인버터를 통하여 이루어진다. PWM 인버터는 모터모드에서 고전압 배터리에 충전된 에너지로부터 모터를 구동하여 엔진토크를 지원하거나, 엔진동력이 모터를 통해 전기에너지를 생성하여 고전압 배터리를 충전 및 강압형 DC/DC 컨버터를 통하여 저전압 배터리를 충전하게 된다.
이와 같이 마일드 하이브리드의 전력 시스템을 살펴보면, 엔진과 벨트로 연결된 모터-스타터-발전기(MSG)에서 발생된 전력이 저장되는 고전압 배터리와 전장 시스템에 전력을 제공하는 저전압 배터리 사이에 비절연 강압형 DC/DC 컨버터가 배치되어 있다. 이러한 비절연 강압형 DC/DC 컨버터는 스위칭소자, 인덕터, 커패시터, 그리고 환류용 다이오드로 구성된다.
이러한 마일드 하이브리드 차량의 충전 장치에 사용되는 고전압 배터리는 자가 방전회로를 가지고 있어서 고전압 배터리에 충전된 전기에너지는 느린 속도로 방전된다. 방전된 고전압 배터리는 차량이 시동된 후 발전 모드에서만 충전이 가능하므로 장시간 차량을 움직이지 않을 경우 고전압 배터리의 충전 전압이 지속적으로 떨어지게 된다. 고전압 배터리의 충전 전압이 저전압 배터리의 전압보다 낮아질 경우 비절연 강압형 DC/DC 컨버터의 스위칭 소자에 부착된 바디다이오드를 통하여 저전압 배터리의 충전된 전기에너지가 고전압 배터리로 역충전되는 현상이 발생된다.
특히, 마일드 하이브리드 차량을 오랜시간 주차 후 다시 시동시 고전압 및 저전압 배터리의 방전으로 시동 동력 생성 뿐 아니라, 전장시스템 공급 전원도 공급하지 못하는 현상이 일어나게 된다.
KR10-2012-0074585(공개번호) 2012.07.06
본 발명은 P채널 MOSFET을 이용하여 역극성에 의한 제품 보호와 저전압 배터리의 이상 고전압 및 고전압 배터리의 이상 저전압 현상으로 인해 저전압 배터리로부터 고전압 배터리로 역충전되는 현상을 방지할 수 있고, DC/DC 컨버터의 동작으로 인해 부하에 전류를 공급할 경우 P채널 MOSFET에 게이팅 신호를 인가하여 순방향 전압 강하에 의한 손실을 크게 줄일 수 있는 마일드 하이브리드 전기자동차용 충전장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은, 엔진과; 상기 엔진에 구동력을 제공하거나, 또는 상기 엔진으로부터 구동력을 제공받아 교류 전력을 발전하는 MSG와; 상기 MSG로부터 발생된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하거나, 또는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 상기 MSG에 제공하는 인버터와; 상기 인버터로부터 직류 전력을 제공받아 충전되거나, 또는 상기 인버터에 직류 전력을 제공하는 고전압 배터리와; 상기 인버터 또는 상기 고전압 배터리로부터 직류 전력을 제공받아 전압을 강하하는 DC/DC 컨버터와; 상기 DC/DC 컨버터로부터 직류 전력을 제공받아 충전되는 저전압 배터리; 및 상기 고전압 배터리와 상기 저전압 배터리 사이의 경로상에 구비되어 상기 저전압 배터리로부터 상기 고전압 배터리로 전기 에너지가 흘러가는 것을 방지하기 위한 역충전 방지장치;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 상기 역충전 방지장치는 P채널 MOSFET인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 상기 P채널 MOSFET은 ON-OFF 제어되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 상기 DC/DC 컨버터는 상기 P채널 MOSFET에 제어 신호를 송출하는 DC/DC 컨버터 제어부가 더 포함되어 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 상기 DC/DC 컨버터 제어부는 상기 고전압 배터리 및 상기 저전압 배터리의 전압을 검출하여, 상기 저전압 배터리의 전압이 상기 고전압 배터리의 전압보다 높으면 상기 P채널 MOSFET에 OFF 신호를 인가하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 상기 DC/DC 컨버터 제어부는 상기 DC/DC 컨버터가 PWM 스위칭 동작하기 전에 상기 P채널 MOSFET에 ON 신호를 인가하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 상기 DC/DC 컨버터는 병렬 연결된 복수의 환류용 MOSFET 소자를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 상기 DC/DC 컨버터는, 상기 MOSFET 소자 각각에 인턱터가 직렬 연결되고 상기 환류용 MOSFET이 병렬 연결되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 P채널 MOSFET을 이용하여 역극성에 의한 제품 보호와 저전압 배터리의 이상 고전압 및 고전압 배터리의 이상 저전압 현상으로 인해 저전압 배터리로부터 고전압 배터리로 역충전되는 현상을 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은, DC/DC 컨버터의 동작으로 인해 부하에 전류를 공급할 경우 P채널 MOSFET에 게이팅 신호를 인가하여 회로를 단속함으로써 순방향 전압강하에 의한 손실이 발생하지 않는 효과가 있다.
또한, 본 발명은, P채널 MOSFET을 단순히 ON-OFF 하는 것으로 회로를 단속할 수 있으므로 PWM 스위칭에 의한 손실이 발생하지 않는 효과가 있다.
도 1 은 본 발명의 실시예에 따른 마일드 하이브리드 전기자동차용 충전장치의 개략도.
도 2 는 본 발명의 실시예에 따른 마일드 하이브리드 전기자동차용 충전장치의 DC/DC 컨버터의 일반적 병렬 구성을 도시한 회로도.
도 3 은 본 발명의 실시예에 따른 마일드 하이브리드 전기자동차용 충전장치의 DC/DC 컨버터의 회로도.
도 4 는 본 발명의 실시예에 따른 마일드 하이브리드 전기자동차용 충전장치의 DC/DC 컨버터의 출력 특성을 시뮬레이션한 그래프.
도 5 는 본 발명의 실시예에 따른 마일드 하이브리드 전기자동차용 충전장치의 개략도.
도 6 은 본 발명의 실시예에 따른 마일드 하이브리드 전기자동차용 충전장치의 저전압 배터리 충전 상태의 회로도.
도 7 은 본 발명의 실시에에 따른 마일드 하이브리드 전기자동차용 충전장치의 역충전 방지 상태의 회로도.
도 8 은 본 발명의 다른 실시예에 따른 마일드 하이브리드 전기자동차용 충전장치의 DC/DC 컨버터의 회로도.
도 9 는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마일드 하이브리드 전기자동차용 충전장치의 DC/DC 컨버터의 MOSFET 패키지화가 적용된 회로도.
도 10 은 본 발명의 실시예에 따른 마일드 하이브리드 전기자동차용 충전장치의 엔진 시동 모드시 에너지의 흐름을 도시한 개략도.
도 11 은 본 발명의 실시예에 따른 마일드 하이브리드 전기자동차용 충전장치의 엔진 시동 및 저전압 배터리 충전모드시 에너지의 흐름을 도시한 개략도.
도 12 는 본 발명의 실시예에 따른 마일드 하이브리드 전기자동차용 충전장치의 고전압 배터리 충전 모드시 에너지의 흐름을 도시한 개략도.
도 13 은 본 발명의 실시예에 따른 마일드 하이브리드 전기자동차용 충전장치의 고전압 배터리 충전 및 저전압 배터리 충전 모드시 에너지의 흐름을 도시한 개략도.
도 14 는 본 발명의 실시예에 따른 마일드 하이브리드 전기자동차용 충전장치의 저전압 배터리 충전 모드시 에너지의 흐름을 도시한 개략도.
도 15 는 본 발명의 실시예에 따른 마일드 하이브리드 전기자동차용 충전장치의 저전압 배터리 충전용 고전압 배터리 방전 모드시 에너지의 흐름을 도시한 개략도.
도 16 은 본 발명의 실시예에 따른 마일드 하이브리드 전기자동차용 충전장치의 역충전 방지 모드시 에너지의 흐름을 도시한 개략도.
이하에서, 본 발명의 실시예에 따른 병렬 스위칭 회로를 가지는 강압용 DC/DC 컨버터에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 마일드 하이브리드 전기자동차용 충전장치는, 엔진(10)과, 엔진(10)에 구동력을 제공하거나 또는 엔진(10)으로부터 구동력을 제공받아 교류 전력을 발전하는 MSG(Motor Start Generator, 20)와, MSG(20)로부터 발생된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하거나 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 MSG(20)에 제공하는 인버터(30)와, 인버터(30)로부터 직류 전력을 제공받아 충전되거나 또는 충전된 직류 전력을 인버터(30)에 제공하는 고전압 배터리(40)와, 인버터(30) 또는 고전압 배터리(40)로부터 직류 전력을 제공받아 전압을 강하하는 DC/DC 컨버터(50)와, DC/DC 컨버터(50)로부터 직류 전력을 제공받아 충전되는 저전압 배터리(60) 및 고전압 배터리(40)와 저전압 배터리(60) 사이의 경로상에 구비되어 저전압 배터리(60)로부터 고전압 배터리(40)로 전기 에너지가 흘러가는 것을 방지하기 위한 역충전 방지 장치(80)를 포함하여 구성된다.
엔진(10)은 시동시 MSG(20)로부터 구동력을 제공받아 회전되고, 시동 후 MSG(20)에 구동력을 제공하는 역할을 하며, 가솔린, 디젤, LPG 등 자동차에 적용 가능한 모든 종류의 엔진(10)을 대상으로 한다.
엔진(10)의 크랭크축(11)에는 메인 풀리(12)가 설치되어 크랭크축(11)과 함께 회전하며, 벨트(14) 등을 통하여 MSG(20)의 보조 풀리(14)와 구동적으로 연결된다. 이때 벨트(14)는 자동차의 엔진(10) 구동력 전달 수단으로 통상적으로 사용되는 동력 전달 수단의 일례로서 기재한 것일 뿐, 체인, 기어 등 그 외의 동력 전달 수단을 배제하는 것을 의미하지는 않는다.
MSG(20)는 엔진(10)의 시동시 인버터(30)로부터 교류 전력을 제공받아 시동 모터로서 작용하여 엔진(10)에 구동력을 제공하고, 엔진(10)의 시동 후에는 엔진(10)으로부터 구동력을 제공받아 3상 교류 전력을 발전하는 발전기로 작용하는 역할을 하며, 이를 위하여 보조 풀리(14)가 회전 가능하게 장착되어서 엔진(10)의 메인 풀리(12)와 벨트(14) 등의 동력 전달 수단을 통해 연결된다.
MSG(20)는 한편 인버터(30)와 전기적으로 연결되어서, 엔진(10)의 시동시 인버터(30)로부터 고전압 배터리(40)의 전력을 제공받아 구동력을 발생시키며, 엔진(10)의 시동 후 교류 전력을 생산하여 인버터(30)로 제공함으로써 인버터(30)로부터 고전압 배터리(40) 및 DC/DC 컨버터(50)에 전력이 제공될 수 있도록 한다.
인버터(30)는 고전압 배터리(40)의 직류 전력을 3상 교류 전력으로 변환하여 MSG(20)에 제공하거나, 또는 MSG(20)에서 발생된 3상 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 고전압 배터리(40) 또는 DC/DC 컨버터(50)에 제공하는 역할을 하며, 이를 위하여 교류단이 MSG(20)에 전기적으로 연결되고 직류단이 고전압 배터리(40) 및 DC/DC 컨버터(50)에 전기적으로 연결된다.
이러한 인버터(30)는, MSG(20)의 과열 손상, 실속, 진동 등의 부정적 현상을 방지하기 위하여 PWM(Pulse Width Modulation) 인버터인 것이 바람직하나, 이에 한정하는 것은 아니다.
고전압 배터리(40)는 MSG(20), 저전압 배터리(60) 또는 전장 시스템(70)에 전력을 제공하는 역할을 하며, 이를 위하여 인버터(30) 및 DC/DC 컨버터(50)에 전기적으로 연결된다. 이러한 고전압 배터리(40)는 엔진(10)의 시동시 인버터(30)에 직류 전력을 제공하여 인버터(30)로 하여금 MSG(20)에 3상 교류 전력이 제공될 수 있도록 하고, 엔진(10) 시동 후 MSG(20)에서 발생된 전기를 인버터(30)를 통해 제공받아 충전을 한다. 고전압 배터리(40)는 100V 이하의 전압 범위를 가지며, 통상의 리튬 배터리, 납축전지, 슈퍼 커패시터 또는 울트라 커패시터가 단독 또는 조합되어 구성되되 그 대상을 한정하지는 않는다.
DC/DC 컨버터(50)는 인버터(30) 또는 고전압 배터리(40)의 고압 직류 전력을 저전압 배터리(60) 충전 전압 범위를 만족하도록 강압하여 저전압 배터리(60) 또는 전장 시스템(70)에 제공하는 역할을 하며, 이를 위하여 일단이 인버터(30) 및 고전압 배터리(40)에 전기적으로 연결되고, 타단이 저전압 배터리(60) 및 자동차 전장 시스템(70)에 전기적으로 연결된다.
DC/DC 컨버터(50)는 저전압 배터리(60)에서 고전압 배터리(40) 방향으로 전압을 승압시키지 않으므로 단방향, 강압형 회로가 적용되며, 입력된 전압의 크기 Vin과 저전압 배터리(60)의 전압 Vo에 따른 제어 신호의 듀티비에 의해 출력 전압이 결정된다. 저전압 배터리(60)의 출력전압 Vo는 상위 제어기의 명령에 의해 가변될 수 있으나, 통상적으로 13.9V 등의 저전압으로 고정되어 있으므로, 결국 입력 전압의 변화에 따라 듀티비가 변화하게 된다. 예를 들어, 입력 전압이 30V, 출력전압이 13.9V인 경우 듀티비 D=0.4633이 되며, 입력 전압이 60V인 경우 D=0.23166이 된다. 이러한 강압형 DC/DC 컨버터(50)는 입력 전압이 높아질수록 듀티비가 낮아지게 되지만, 회로 구성이 비교적 간단한 장점이 있다.
한편, DC/DC 컨버터(50)는 내부에 제어 신호에 따라 회로를 단속하는 스위칭 소자가 구비된다. 이러한 스위칭 소자로서 IGBT(절연 게이트 양극성 트랜지스터 : Insulated Gate Bipolar Transistor) 또는 GTO(Gate Turn-Off thyristor) 등의 소자가 주로 활용된다. 그러나 수동 소자인 인덕터(L)와 커패시터(C)의 수를 적게 하기 위하여 PWM 스위칭 주파수를 높여야 하는데, 이러한 IGBT나 GTO 소자는 고속 스위칭이 불가능하여 스위칭 소자로서 활용하기가 용이하지 않다. 이에 따라 IGBT나 GTO에 비해 높은 스위칭 주파수의 인가가 가능한 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)이 활용될 수 있으나, MOSFET은 IGBT나 GTO에 비해 용량이 작아 대용량으로서 적합하지 못하다.
따라서, 이러한 문제를 해결하기 위하여 MOSFET을 여러 개 병렬 배치하여 전류 용량을 증가시키는 방법이 사용될 수 있다. 일반적인 병렬 스위칭 회로는 도 2에 표시된 바와 같이 2개 이상의 MOSFET을 병렬로 접속시켜 전류 용량을 분담하도록 회로를 구성한다. 이러한 병렬 스위칭 회로는 병렬 연결된 MOSFET의 출력단에 인덕터와 환류용 다이오드가 병렬로 연결되는 방식이 사용될 수 있으며, 환류용 다이오드 역시 병렬로 분산하여 연결한다. 그러나 이러한 스위칭 회로는 MOSFET의 용량을 확장할 수 있는 장점이 있는 반면 큰 리플과 이에 따른 EMI(전자 방해 잡음 : Electro Magnetic Interference)에 의한 영향에서 자유롭지 못하게 된다.
이에, 본 발명에서는 각 MOSFET 소자의 PWM 스위칭을 360도/n 위상 간격으로 동일한 듀티비로 스위칭함으로써 각각의 MOSFET 소자의 스위칭에 의해 생성되는 전압의 중첩으로 출력 전압이 형성되도록 하는 위상 천이 방식 병렬 스위칭 방법이 개시된다. 이를 위하여 본 발명의 DC/DC 컨버터(50)는 도 3에 표시된 바와 같이, 복수의 MOSFET 스위칭 소자의 출력단 각각에 인덕터를 직렬 연결, 환류용 다이오드를 병렬 연결하고, 각 인덕터의 출력단을 저전압 배터리(60)의 입력단으로 구성한다.
예를 들어, MOSFET 소자의 수를 3개로 가정한 경우, MOSFET1의 출력단에 인덕터(L1)을 직렬로, 환류용 다이오드(D1)을 병렬로 연결하고, MOSFET2와 MOSFET3에도 각각 인덕터와 환류용 다이오드를 연결한 후 PWM1, PWM2, PWM3 스위칭을 360도/3인 120도 위상 간격으로 동일한 듀티비로 스위칭하며, 스위칭된 값을 중첩하여 출력 전압 및 출력 전류를 생성한다. 이러한 회로 구성에 의한 출력 파형은 도 4에 도시된 바와 같이 각 스위칭 소자에 인가된 스위칭 주파수를 fs라 하면, 이들의 중첩에 의해 출력 전압 및 출력 전류의 주파수 fo=3*fs 가 되며, 동일한 주파수에서 출력의 리플을 1/3로 감소시킬 수 있게 된다. 따라서 각종 어플리케이션에 적용될 경우 EMI에 의한 영향이 감소되는 효과를 거둘 수 있게 된다. 또한, 같은 원리로, MOSFET 소자의 수를 더욱 늘릴 경우 출력 전압 및 출력 전류의 리플을 크게 감소시킴과 동시에 출력 주파수를 크게 증가시킬 수 있는 효과를 갖게 된다.
그러나, 비절연 강압형 DC/DC 컨버터는 ON 신호에서는 MOSFET이 도통되므로 순방향 전압 강하가 거의 없어 손실이 발생되지 않으나, MOSFET의 OFF 신호시에는 전류가 환류 다이오드에 흐르게 되고, 이러한 환류 다이오드에 순방향 전압강하와 인덕터 방전 전류의 곱에 해당하는 손실이 발생된다. 환류 다이오드에 의한 전력 손실은 환류 다이오드에 전류가 흐르는 시간에 비례하게 되는데, 환류 다이오드에 전류가 흐르는 시간, 즉, MOSFET이 OFF되는 시간은 듀티비에 의해 결정된다.
통상 48V이상의 고전압을 13.9V의 저전압으로 변환시켜야 하는 하이브리드 차량용 DC/DC 컨버터의 경우, 26~29% 수준의 듀티비를 갖게 되므로 MOSFET이 ON된 시간보다 OFF된 시간이 더 많다. 이러한 MOSFET의 OFF 영역에서 발생되는 환류 다이오드에 의한 전력 손실은 비절연 강압형 DC/DC 컨버터의 최대 단점으로서, 본 발명에서는 이를 개선하기 위하여 MOSFET의 OFF 영역에서도 전력 손실이 발생되지 않는 DC/DC 컨버터의 구조가 또한 개시된다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 DC/DC 컨버터(50)는 도 8 에 도시된 바와 같이, 복수의 MOSFET 스위칭 소자의 출력단 각각에 인덕터를 직렬 연결, 환류용 MOSFET 소자를 병렬 연결하고, 각 인덕터의 출력단을 저전압 배터리(60)의 입력단으로 구성한다.
이러한 환류용 MOSFET은 MOSFET 내부의 바디 다이오드로 인해 기존 환류 다이오드의 역할을 대신할 수 있으나, MOSFET을 게이팅시킬 경우 순방향 전압 강하가 없어 손실이 크게 줄어든다. 또한, 환류용 다이오드에 비해 환류용 MOSFET의 턴-오프시 발생되는 손실이 매우 작으므로, 듀티비에 의한 전력 손실을 최소화 할 수 있게 된다. 이러한 환류용 MOSFET은 DC/DC 컨버터 내부 또는 외부에 구비된 DC/DC 컨버터 제어부에 의해 게이팅 신호를 인가받으나, 차량용제어장치에 의해 게이팅 신호를 인가받을 수도 있다.
또한, 도 9 와 같이 PWM 스위칭용 MOSFET과 환류용 MOSFET이 패키지화 된 IC칩을 사용할 경우 전체 회로의 구성이 매우 간단해지고, 제작 단가가 저렴해지는 효과를 동시에 갖출 수 있게 된다.
한편, 인덕터를 포함하는 회로에서 MOSFET 등 스위칭 소자를 턴-오프시켜 회로를 개방하면 전류가 순간적으로 0이 되기 때문에 인덕터 양단에 아주 높은 전압이 발생된다. 이 고전압에 의해 인덕터를 비롯하여 DC/DC 컨버터(50)의 다른 소자들이 소손되거나 고전압 배터리(40)에까지 악영향을 미치는 현상이 발생하므로, 스위칭 소자에 의해 회로가 개방되더라도 인덕터 부하가 가진 에너지를 소모하기 위한 경로를 확보해야 한다. 이러한 목적을 위하여, 스위칭 소자의 양단에 바디다이오드를 부착시키는 회로가 일반적으로 적용된다. 스위칭 소자와 바디다이오드는 별도로 제작되어 조립될 수 있으나, 스위칭 소자를 제작할 때 바디다이오드를 병렬로 부착시킨 제품이 출시되고 있다.
그러나, 이러한 바디다이오드에 의하여 저전압 배터리(60)에 충전된 전기에너지가 고전압 배터리(40)로 역충전되는 경우가 발생한다. 따라서, 본 발명에서는 이러한 저전압 배터리(60)에 의한 고전압 배터리(40)의 역충전을 방지할 수 있는 역충전 방지 장치(80)의 구성이 개시된다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 고전압 배터리(40)와 저전압 배터리(60)의 경로 사이에는 회로를 단속하기 위한 역충전 방지장치(80)인 P채널 MOSFET이 구비된다. 이러한 P채널 MOSFET을 사용하기 위해서 DC/DC 컨버터에 내부 또는 외부에는 DC/DC 컨버터 제어부가 구비되어 고전압 배터리(40) 및 저전압 배터리(60)의 전압을 검출하고, 저전압 배터리(60)의 전압이 고전압 배터리(40)보다 높으면 P채널 MOSFET을 턴-오프한다. 따라서, 저전압 배터리(60)에서 고전압 배터리(40)로 전기 에너지가 이동하는 경로가 차단되어 고전압 배터리(40)가 역충전되지 않게 된다. 이러한 DC/DC 컨버터 제어부는 DC/DC 컨버터의 내부 또는 외부에 차량용 제어장치와 독립적으로 구성되는 것이 바람직하나, 경우에 따라 차량용 제어장치가 이 역할을 대신 수행할 수도 있다.
이러한 P채널 MOSFET에 대하여 좀 더 상세히 설명하면, DC/DC 컨버터(50)의 출력단에 P채널 MOSFET을 부착할 경우, 저전압측의 이상 고압이나 역극성 인가에도 P채널 MOSFET에 내장된 바디다이오드에 의해 회로를 차단시킬 수가 있다. 이러한 바디다이오드는 고전압 배터리(40)로부터 저전압 배터리(60)로 전력 변환이 이루어지는 정상동작에서는 순방향이되어 부하전류(Io)가 통과하고, 이로 인하여 순방향 전압강하(Vd)에 의한 손실(Vd*Io)이 발생한다. 따라서 DC/DC 컨버터 제어부에 의하여 P채널 MOSFET을 게이팅시켜 턴-온 시키면 드레인-소스간 전압이 0이 되므로 바디다이오드를 통해 부하전류가 흐르지 않으므로 손실이 발생되지 않게 되는 것이다. 또한, 이러한 P채널 MOSFET을 회로 단속용으로 사용할 경우 PWM 스위칭이 필요없이 온-오프 동작만 하면 되므로 PWM 스위칭에 의한 손실이 발생되지 않는 효과도 갖게 되며, P채널 MOSFET은 고속의 온-오프 동작이 가능하므로, 각각의 PWM 스위칭용 MOSFET의 출력이 중첩되어 나타나는 본 발명의 출력 특성에도 용이하게 대처가 가능해지게 된다.
도 6 내지 도 7에는 이러한 P채널 MOSFET의 동작이 개략적으로 도시되어 있다. 도 6을 참조하면 P채널 MOSFET에 ON 신호를 인가할 경우 VDS=0 이 되어 바디다이오드가 비동작하게 되어 손실이 나타나지 않고, DC/DC 컨버터(50)의 출력이 P채널 MOSFET을 통해 출력으로 나타나게 된다. 이때, P채널 MOSFET에 구동신호를 먼저 인가하여서 바디다이오드를 통해 전류가 흐르지 않도록 해야 손실을 차단할 수 있다. 다음으로, 도 7을 참조하면 P채널 MOSFET에 OFF 신호를 인가할 경우 VDS=open voltage 가 되어 저전압 배터리(60)로부터 DC/DC 컨버터(50)가 차단되고, 따라서 저전압 배터리(60)에 의한 고전압 배터리(40)의 역충전이 방지되게 된다.
상술한 본 발명의 실시예에 따른 마일드 하이브리드 전기자동차용 충전장치의 전체 동작을 살펴보면,
도 10에 도시된 바와 같이 엔진(10)의 시동시 고전압 배터리(40)는 인버터(30)에 직류 전력을 제공하며, 인버터(30)는 직류 전력을 3상 교류 전력으로 변환하여 MSG(20)에 제공한다. MSG(20)는 제공받은 3상 교류 전력에 의해 회전되어 보조 풀리(14)를 회전시키며, MSG(20)의 보조 풀리(14)에 벨트(14)에 의해 연결된 엔진(10)의 메인 풀리(12) 및 메인 풀리(12)가 고정된 크랭크축(11)이 회전하여 엔진(10)을 시동시키게 된다.
이때, 도 11에 도시된 바와 같이, 고전압 배터리(40)는 저전압 배터리(60)의 충전 및 전장 시스템(70)의 구동을 위한 전력을 DC/DC 컨버터(50)에 제공할 수도 있는데, 안정적인 시동성 확보를 위하여 고전압 배터리(40)의 충전잔량에 따라 VCU(Vehicle Control Unit, 미도시)의 제어에 의해 DC/DC 컨버터(50)로의 전력 공급을 차단하거나 허용할 수 있게 된다.
엔진(10)의 시동 후에는 엔진(10)의 구동력으로서 MSG(20)를 발전시켜 3상 교류 전력을 생산하게 된다. 이때 생산된 교류 전력은 인버터(30)를 통해 직류 전력으로 변환되며, 변환된 직류 전력은 도 12, 도 13 및 도 14에 표시된 바와 같이 VCU의 제어에 의해 고전압 배터리(40)를 충전하기 위한 전력으로만 활용하거나, 고전압 배터리(40)의 충전 및 전장 시스템(70) 전력 공급을 위한 전력으로 활용하거나, 또는 전장 시스템(70)에만 전력을 공급하기 위한 전력 등으로 활용될 수 있다.
한편, 도 15에 도시된 바와 같이, 엔진(10)의 구동이 정지된 후 저전압 배터리(60)의 충전잔량이 기준치 이하인 경우 고전압 배터리(40)는 DC/DC 컨버터(50)에 저전압 배터리(60)의 충전을 위한 전력을 제공할 수 있으며, 이 경우 인버터(30)의 동작은 VCU에 의해 차단된다.
또한, 한편, 도 16에 도시된 바와 같이, 고전압 배터리(40)의 전압이 저전압 배터리(60)의 전압보다 낮을 경우, 저전압 배터리(60)로부터 고전압 배터리(40)으로 흐르는 전기에너지가 차단된다.
이상, 상술한 구성으로 이루어진 본 발명은 P채널 MOSFET을 이용하여 역극성에 의한 제품 보호와 저전압 배터리의 이상 고전압 및 고전압 배터리의 이상 저전압 현상으로 인해 저전압 배터리로부터 고전압 배터리로 역충전되는 현상을 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은, DC/DC 컨버터의 동작으로 인해 부하에 전류를 공급할 경우 P채널 MOSFET에 게이팅 신호를 인가하여 회로를 단속함으로써 순방향 전압강하에 의한 손실이 발생하지 않는 효과가 있다.
또한, 본 발명은, P채널 MOSFET을 단순히 ON-OFF 하는 것으로 회로를 단속할 수 있으므로 PWM 스위칭에 의한 손실이 발생하지 않는 효과가 있다.
10 : 엔진 20 : MSG
30 : 인버터 40 : 고전압 배터리
50 : DC/DC 컨버터 60 : 저전압 배터리
70 : 전장 시스템 80 : P채널 MOSFET

Claims (8)

  1. 엔진과;
    상기 엔진에 구동력을 제공하거나, 또는 상기 엔진으로부터 구동력을 제공받아 교류 전력을 발전하는 MSG와;
    상기 MSG로부터 발생된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하거나, 또는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 상기 MSG에 제공하는 인버터와;
    상기 인버터로부터 직류 전력을 제공받아 충전되거나, 또는 상기 인버터에 직류 전력을 제공하는 고전압 배터리와;
    상기 인버터 또는 상기 고전압 배터리로부터 직류 전력을 제공받아 전압을 강하하는 DC/DC 컨버터와;
    상기 DC/DC 컨버터로부터 직류 전력을 제공받아 충전되는 저전압 배터리; 및
    상기 고전압 배터리와 상기 저전압 배터리 사이의 경로상에 구비되어 상기 저전압 배터리로부터 상기 고전압 배터리로 전기 에너지가 흘러가는 것을 방지하기 위한 역충전 방지장치를 포함하며;
    상기 DC/DC 컨버터는 P채널 MOSFET에 제어 신호를 송출하는 DC/DC 컨버터 제어부를 더 포함하고, 상기 DC/DC 컨버터 제어부는 상기 DC/DC 컨버터가 PWM 스위칭 동작하기 전에 상기 역충전 방지장치에 ON 신호를 인가하는 것을 특징으로 하는 마일드 하이브리드 전기자동차용 충전장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 역충전 방지장치는 P채널 MOSFET인 것을 특징으로 하는 마일드 하이브리드 전기자동차용 충전장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 P채널 MOSFET은 ON-OFF 제어되는 것을 특징으로 하는 마일드 하이브리드 전기자동차용 충전장치.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 DC/DC 컨버터 제어부는 상기 고전압 배터리 및 상기 저전압 배터리의 전압을 검출하여, 상기 저전압 배터리의 전압이 상기 고전압 배터리의 전압보다 높으면 상기 P채널 MOSFET에 OFF 신호를 인가하는 것을 특징으로 하는 마일드 하이브리드 전기자동차용 충전장치.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 DC/DC 컨버터는 병렬 연결된 복수의 환류용 MOSFET 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 마일드 하이브리드 전기자동차용 충전장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 DC/DC 컨버터는, 상기 MOSFET 소자 각각에 인덕터가 직렬 연결되고 상기 환류용 MOSFET이 병렬 연결되는 것을 특징으로 하는 마일드 하이브리드 전기자동차용 충전장치.
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