KR20210012556A

KR20210012556A - 전원공급장치의 제어방법

Info

Publication number: KR20210012556A
Application number: KR1020190090489A
Authority: KR
Inventors: 고현석; 박현아; 도현철; 이대성
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2019-07-25
Filing date: 2019-07-25
Publication date: 2021-02-03
Also published as: CN112290608A; US11322963B2; PL3770002T3; US20210028640A1; EP3770002A1; EP3770002B1; HUE062767T2; CN112290608B

Abstract

본 발명에서는 전원공급장치의 제어방법이 개시된다. 상기 전원공급장치의 제어방법은, 프리 차지 저항을 포함하는 파워릴레이어셈블리(PRA)와 상기 PRA와 외부 부하 사이에 연결된 링크 커패시터가 배터리와 외부 부하 사이의 전력흐름을 제어하는 전원공급장치의 제어방법으로서, 프리 차지를 개시하는 단계와 프리 차지의 개시 후에, 링크 커패시터의 전압을 측정하는 단계로서, 서로 다른 제1 시각(T1), 제2 시각(T2) 및 제3 시각(T3)에 대응되는 제1 전압(V1), 제2 전압(V2) 및 제3 전압(V3)을 측정하는 단계와, 제1 전압(V1), 제2 전압(V2) 및 제3 전압(V3)을 이용하여 링크 커패시터의 용량(C)을 산출하는 단계와, 프리 차지를 종료하는 단계를 포함한다. 본 발명에 의하면, 전원공급장치에 내장된 배터리와 외부 부하 사이에서 충, 방전 되면서 완충 역할을 하는 링크 커패시터의 용량을 산출해낼 수 있다.

Description

전원공급장치의 제어방법{Control method for power supply}

본 발명은 전원공급장치의 제어방법에 관한 것이다.

모바일 기기, 전기 차량, 하이브리드 자동차, 전기 자전거, 무정전 전원공급장치(uninterruptible power supply) 등의 에너지원으로 사용되는 전원공급장치는, 충전이 불가능한 일차 배터리와는 달리, 충전 및 방전이 가능한 이차 배터리를 포함할 수 있다. 이러한 전원공급장치는, 적용되는 외부기기의 종류에 따라 단일 배터리의 형태를 포함하거나, 다수의 배터리들을 연결하여 하나의 단위로 묶은 모듈 형태를 포함할 수도 있다.

휴대폰과 같은 소형 모바일 기기는 단일 배터리의 출력과 용량으로 소정시간 동안 작동이 가능하지만, 전력소모가 많은 전기 차량, 하이브리드 자동차와 같이 장시간 구동, 고전력 구동이 필요한 경우에는 출력 및 용량의 문제로 다수의 배터리를 포함하는 모듈 형태가 선호되며, 전원공급장치에 내장된 배터리의 개수에 따라 출력전압이나 출력전류를 높일 수 있다.

본 발명의 일 실시형태는, 전원공급장치에 내장된 배터리와 외부 부하 사이에서 충, 방전 되면서 완충 역할을 하는 링크 커패시터의 용량을 산출해내기 위한 전원공급장치의 제어방법을 포함할 수 있다.

상기와 같은 과제 및 그 밖의 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 전원공급장치의 제어방법은,

프리 차지 저항을 포함하는 파워릴레이어셈블리(PRA)와 상기 PRA와 외부 부하 사이에 연결된 링크 커패시터가 배터리와 외부 부하 사이의 전력흐름을 제어하는 전원공급장치의 제어방법으로서,

프리 차지를 개시하는 단계;

프리 차지의 개시 후에, 링크 커패시터의 전압을 측정하는 단계로서, 서로 다른 제1 시각(T1), 제2 시각(T2) 및 제3 시각(T3)에 대응되는 제1 전압(V1), 제2 전압(V2) 및 제3 전압(V3)을 측정하는 단계;

상기 제1 전압(V1), 제2 전압(V2) 및 제3 전압(V3)을 이용하여 링크 커패시터의 용량(C)을 산출하는 단계; 및

프리 차지를 종료하는 단계;를 포함한다.

예를 들어, 상기 제2 시각(T2) 및 제3 시각(T3)은, 제1 시각(T)으로부터 사전에 설정된 시간 간격(Δt) 만큼 순차적으로 경과된 시각일 수 있다.

예를 들어, 상기 제1 전압(V1), 제2 전압(V2) 및 제3 전압(V3)을 측정하는 단계는,

프리 차지의 개시 후의 제1 시각(T1)에 대응되는 제1 전압(V1)을 측정하는 단계;

상기 제1 시각(T1)으로부터 사전에 설정된 시간 간격(Δt) 만큼 경과된 제2 시각(T2)에 대응되는 제2 전압(V2)을 측정하는 단계; 및

상기 제2 시각(T2)으로부터 사전에 설정된 시간 간격(Δt) 만큼 경과된 제3 시각(T3)에 대응되는 제3 전압(V3)을 측정하는 단계;를 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 링크 커패시터의 용량(C)을 산출하는 단계에서, 상기 제어부는,

상기 제1 전압(V1), 제2 전압(V2) 및 제3 전압(V3) 사이의 순차적인 전압차에 관한 상대적인 비율로 정의되는 전압상승비율(X)로부터 링크 커패시터의 용량(C)을 산출할 수 있다.

예를 들어, 상기 전압상승비율(X)은, 이하의 수학식으로부터 산출될 수 있다.

예를 들어, 상기 링크 커패시터의 용량(C)은, 전압상승비율(X)과, 프리 차지 저항의 저항 값(R)과, 사전에 설정된 시간 간격(Δt)을 입력으로 하고, 이하의 수학식으로부터 산출될 수 있다.

예를 들어, 상기 PRA는,

배터리의 음극 단자와 연결되는 제1 메인 릴레이;

배터리의 양극 단자와 연결되는 제2 메인 릴레이; 및

상기 제2 메인 릴레이와 병렬로 연결되며, 상기 프리 차지 저항과 직렬로 연결되는 프리 차지 릴레이를 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 프리 차지를 개시하는 단계에서,

상기 제어부는 상기 프리 차지 릴레이를 턴-온 시키기 위한 릴레이 제어 신호를 출력할 수 있다.

예를 들어, 상기 프리 차지를 개시하는 단계에서,

상기 제어부는 상기 프리 차지 릴레이의 턴-온 이전에, 제1 메인 릴레이를 턴-온 시키기 위한 릴레이 제어 신호를 출력할 수 있다.

예를 들어, 상기 프리 차지를 종료하는 단계에서,

상기 제어부는 상기 제2 메인 릴레이를 턴-온 시키기 위한 릴레이 제어 신호를 출력할 수 있다.

예를 들어, 상기 프리 차지를 종료하는 단계에서,

상기 제어부는 상기 제2 메인 릴레이의 턴-온 이후에, 상기 프리 차지 릴레이를 턴-오프 시키기 위한 릴레이 제어 신호를 출력할 수 있다.

예를 들어, 상기 프리 차지를 종료하는 단계와 동시에, 상기 프리 차지 저항을 바이패스하는 메인 차지가 진행될 수 있다.

예를 들어, 상기 전원공급장치의 제어방법은,

상기 제1 전압, 제2 전압 및 제3 전압을 측정하는 단계 이후에,

상기 링크 커패시터의 전압과 배터리의 전압을 측정하는 단계; 및

측정된 링크 커패시터의 전압과 배터리의 전압을 상호 비교하여 프리 차지의 종료 시점을 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 프리 차지의 종료 시점을 결정하는 단계에서는, 상기 링크 커패시터의 전압이 배터리의 전압의 95% ~ 97% 이상이 되는 시점에서, 상기 프리 차지를 종료하는 단계로 천이될 수 있다.

예를 들어, 상기 제1 전압, 제2 전압 및 제3 전압을 측정하는 단계는,

상기 프리 차지를 개시하는 단계와, 상기 프리 차지를 종료하는 단계 사이에서 수행될 수 있다.

예를 들어, 상기 제어부는, 산출된 링크 커패시터의 용량으로부터 사용 시간의 증가에 따른 링크 커패시터의 용량 감소를 포착하여 링크 커패시터의 교체 시기를 판단할 수 있다.

예를 들어, 상기 제어부는 산출된 링크 커패시터의 용량이 초기 용량 대비 사전에 설정된 비율 이하로 떨어지는 시점을 교체 시기로 판단하여, 교체 시기에 대응되는 알람을 제공할 수 있다.

본 발명에 의하면, 배터리의 방전 초기에 과전류 또는 돌입 전류가 발생하지 않도록 프리 차지 저항을 포함하는 지연 회로를 통하여 배터리의 전력이 서서히 공급되도록 함과 동시에, 프리 차지 저항과 링크 커패시터에 의한 RC 지연을 이용하여 링크 커패시터의 용량을 산출해냄으로써, 링크 커패시터의 노후도 및 교체 시기에 관한 정보를 제공해줄 수 있다.

도 1에는 본 발명의 일 실시형태에 적용 가능한 전원공급장치를 개략적으로 도시한 도면이 도시되어 있다.
도 2에는 프리 차지 개시 후 링크 커패시터의 전압 상승을 보여주는 프로파일이 도시되어 있다.
도 3에는 링크 커패시터의 용량 산출을 위한 전압 측정을 설명하기 위한 도면이 도시되어 있다.
도 4a 및 도 4b에는, 본 발명의 일 실시형태에 관한 전원공급장치의 제어방법을 도시한 흐름도로서, 제어부가 수행하는 단계들을 도시한 흐름도가 도시되어 있다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 전원공급장치의 제어방법에 대해 설명하기로 한다.

도 1에는 본 발명의 일 실시형태에 적용 가능한 전원공급장치를 개략적으로 도시한 도면이 도시되어 있다.

도면을 참조하면, 상기 전원공급장치는, 축전된 전력을 외부 부하(30)의 구동전원으로 공급하는 배터리(10)와, 배터리(10)와 외부 부하(30) 사이에서 배터리(10)로부터의 전력 흐름을 턴-온/턴-오프 제어하기 위한 파워릴레이어셈블리(PRA, Power Relay Assembly, 이하 PRA)와, PRA와 외부 부하(30) 사이에 연결된 링크 커패시터(20)를 포함할 수 있다. 그리고, 상기 전원공급장치는, 상기 PRA에 대해 릴레이 제어 신호(S1,S2,S3)를 출력하는 제어부(50)를 포함할 수 있다.

상기 배터리(10)는 서로 전기적으로 연결된 다수의 배터리 셀을 포함하여 외부 부하(30)에 대한 고전압의 구동전원을 제공할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시형태에서, 상기 외부 부하(30)는 전기 차량(electric vehicle)의 전력변환장치일 수 있으며, 상기 배터리(10)는 200~500V 의 고전압의 전력을 제공할 수 있다.

상기 PRA는 복수의 릴레이(SW1,SW2,SW3)를 포함할 수 있는데, 제1 메인 릴레이(SW1)와, 제2 메인 릴레이(SW2)와, 프리 차지 릴레이(SW3)를 포함할 수 있다. 상기 PRA는 프리 차지 릴레이(SW3)와 직렬 연결되는 프리 차지 저항(R3)을 더 포함할 수 있다.

상기 제1 메인 릴레이(SW1)는 배터리(10)의 음극 단자(B-)와 연결될 수 있으며, 상기 제2 메인 릴레이(SW2)는 배터리(10)의 양극 단자(B+)와 연결될 수 있다. 상기 제1, 제2 메인 릴레이(SW2)를 통하여 배터리(10)와 외부 부하(30)가 서로 연결될 수 있다. 상기 프리 차지 릴레이(SW3)는 제2 메인 릴레이(SW2)와 병렬 연결될 수 있으며, 제2 메인 릴레이(SW2)에 대한 바이패스 경로를 제공할 수 있다. 배터리(10)로부터의 전력이 외부 부하(30)로 공급될 때, 상기 프리 차지 릴레이(SW3)와 상기 제2 메인 릴레이(SW2)는 순차적으로 작동될 수 있으며, 상기 프리 차지 릴레이(SW3)는 제2 메인 릴레이(SW2)를 통하여 배터리(10)의 전력이 공급되기 이전에, 프리 차지 저항(R3)을 경유하여 배터리(10)의 전력이 공급되도록 함으로써, 배터리(10)의 방전 초기에 과전류 또는 돌입 전류가 발생되는 것을 방지할 수 있다.

상기 제어부(50)는 전기 차량의 시동시에, PRA 내부의 릴레이(SW1,SW2,SW3)를 순차적으로 제어할 수 있으며, 프리 차지 릴레이(SW3)가 먼저 턴-온 되고, 링크 커패시터(20)가 충분히 충전된 이후에 비로소 제2 메인 릴레이(SW2)가 턴-온 되도록 제어함으로써, 배터리(10)의 방전 초기에 배터리(10)의 전력이 프리 차지 저항(R3)을 통하여 흐르게 되어 과전류 또는 돌입 전류가 발생하는 것을 방지할 수 있고, 제2 메인 릴레이(SW2)가 턴-온 될 때 아크가 발생되는 것을 방지할 수 있다.

보다 구체적으로, 상기 제어부(50)는, 전기 차량의 시동키가 온(ON) 조작되면, PRA에 릴레이 제어 신호(S1,S3)를 출력하여, 프리 차지 릴레이(SW3)와 제1 메인 릴레이(SW1)가 접속되도록 제어할 수 있다. 이때, 배터리(10)의 전력은 배터리(10)의 양극 단자(B+)와 연결된 프리 차지 릴레이(SW3)와 배터리(10)의 음극 단자(B-)와 연결된 제1 메인 릴레이(SW1)를 통하여 흐르게 되고, 프리 차지 릴레이(SW3)와 제1 메인 릴레이(SW1)를 통하여 배터리(10)와 외부 부하(30)가 서로 연결될 수 있다. 이때, 배터리(10)에서 공급되는 전력은 프리 차지 저항(R3)을 통하여 전압 강하된 상태로 외부 부하(30)로 공급될 수 있으며, 링크 커패시터(20)의 충전이 개시될 수 있다. 이와 같이, 배터리(10)의 방전 초기에는 배터리(10)의 전력이 프리 차지 저항(R3)을 통하여 공급됨으로써, 과전류 또는 돌입 전류가 발생되는 것을 방지할 수 있고, 제2 메인 릴레이(SW2)가 턴-온 될 때 아크가 발생되는 것을 방지할 수 있다.

상기 제어부(50)는 링크 커패시터(20)의 충전이 충분히 이루어지면 제2 메인 릴레이(SW2)가 접속되도록 릴레이 제어 신호(S2)를 출력할 수 있다. 이때, 제1, 제2 메인 릴레이(SW2)를 통하여 배터리(10)와 외부 부하(30)가 연결될 수 있으며, 제2 메인 릴레이(SW2)가 턴-온 되면, 프리 차지 릴레이(SW3)를 통하여 흐르던 배터리(10)의 전력이 저항이 상대적으로 낮은 제2 메인 릴레이(SW2)를 통하여 흐르게 된다. 상기 제어부(50)는 제2 메인 릴레이(SW2)가 턴-온 된 후, 프리 차지 릴레이(SW3)가 턴-오프 되도록 릴레이 제어 신호(S3)를 출력할 수 있다.

상기 전원공급장치는, 배터리 관리부(55, Battery Management System, BMS)를 더 포함할 수 있다. 상기 배터리 관리부(55)는, 배터리(10)의 상태를 모니터링하고 모니터링 결과를 이용하여 충전 상태(SOC, state of charge), 노화 상태(SOH, state of health)를 추정하거나 배터리(10)에 구비된 다수의 배터리 셀 사이에서 불균형적인 충방전 상태를 해소하기 위한 밸런싱 동작을 수행할 수 있고, 과전압, 과전류, 과열과 같은 오동작 시에 배터리(10)의 보호동작을 개시할 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에서, 상기 배터리 관리부(55)는 PRA 내부에 구비된 다수의 릴레이(SW1,SW2,SW3)의 동작을 제어하는 제어부(50)와 별개의 구성으로 마련될 수 있다. 다만, 본 발명의 다른 실시형태에서, 상기 제어부(50)는 PRA의 릴레이 동작을 제어함과 동시에, 배터리(10)의 충, 방전 동작을 제어하는 배터리 관리부(55, Battery Management System, BMS)의 기능을 함께 수행할 수도 있다.

상기 전원공급장치는, 전압 측정부(51)를 더 포함할 수 있다. 상기 전압 측정부(51)는 배터리(10)와 외부 부하(30) 사이에 연결된 측정 단자(A,B,C)로부터 링크 커패시터(20)의 전압 및 배터리(10)의 전압을 측정할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 전압 측정부(51)는, 프리 차지 중의 서로 다른 시각에 링크 커패시터(20)의 전압을 측정할 수 있으며, 측정된 전압 정보를 제어부(50)로 전달할 수 있다. 상기 제어부(50)는 전압 측정부(51)로부터 입수되는 링크 커패시터(20)의 전압으로부터 링크 커패시터(20)의 용량을 산출할 수 있다. 링크 커패시터(20)의 용량 산출에 대해서는 후에 보다 구체적으로 설명하기로 한다.

또한, 상기 전압 측정부(51)는, 프리 차지의 종료 여부를 결정하기 위하여, 프리 차지 중에, 링크 커패시터(20)의 전압과 배터리(10)의 전압을 측정할 수 있으며, 측정된 전압 정보를 제어부(50)로 전달할 수 있다. 상기 제어부(50)는 전압 측정부(51)로부터 입수되는 링크 커패시터(20)의 전압과 배터리(10)의 전압을 상호 비교함으로써, 프리 차지의 종료 시점을 포착할 수 있다. 이때, 상기 제어부(50)는 실시간으로 측정된 전압 정보에 기반하여 프리 자치의 종료 시점을 포착하고, 제2 메인 릴레이(SW2)를 턴-온 시킴으로써, 프리 차지를 종료시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제어부(50)는 링크 커패시터(20)의 전압이 배터리(10)의 전압의 95% ~ 97% 이상이 되는 시점에서 프리 차지를 종료시킬 수 있다. 보다 구체적으로, 프리 차지 릴레이(SW3)가 턴-온 되어 프리 차지가 개시됨에 따라 링크 커패시터(20)의 전압은 배터리(10)의 전압에 접근하게 되며, 링크 커패시터(20)의 전압이 배터리(10)의 전압의 95% ~ 97% 이상 되는 시점에서 상기 제어부(50)는 제2 메인 릴레이(SW2)를 턴-온 시킴으로써, 프리 차지를 종료시킬 수 있다. 이때, 프리 차지의 종료 시점에서는 링크 커패시터(20)의 전압이 배터리(10)의 전압의 95% ~ 97% 이상으로, 링크 커패시터(20)의 충분한 충전이 이루어진 시점이므로, 제2 메인 릴레이(SW2)를 턴-온 하여, 프리 차지 저항(R3)을 우회하여 메인 차지를 진행하더라도 과전류 또는 돌입 전류가 발생하지 않고, 링크 커패시터(20)의 전압 변화를 최소화시킬 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에서, 상기 링크 커패시터(20)의 전압이 배터리(10)의 전압의 97% 이상이 되는 시점에서 프리 차지를 종료시킬 수 있으며, 이 시점에서 제2 메인 릴레이(SW2)를 턴-온 시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 외부 부하(30)는 전기 차량 내에 구비되어 배터리(10)의 전력을 다른 레벨의 전력으로 변환하기 위한 전력변환장치일 수 있고, 보다 구체적으로, 배터리(10)의 직류 전력을 전기 차량의 구동 모터(M)를 작동하기 위한 3상 교류 전력으로 변환하는 인버터에 해당될 수 있다. 다만, 본 발명의 기술적 범위는 이에 한정되지 않으며, 상기 외부 부하(30)는 전기 차량의 구동 모터(M)를 제어하기 위한 MCU(motor control unit)에 해당될 수도 있다. 또한, 본 발명에서 상기 외부 부하(30)란 전기 차량 이외에, 배터리(10)의 전력을 구동 전원으로 공급받을 수 있는 여하의 장치도 포괄할 수 있으며, 광범위한 용어로 사용될 수 있다.

상기 링크 커패시터(20)는, 외부 부하(30)와 병렬로 연결될 수 있다. 상기 링크 커패시터(20)는 외부 부하(30)의 측면에서는 전원의 정류 효과를 가져올 수 있고, 배터리(10)로부터 전원을 공급하는 측면에서는 외부 부하(30)의 급격한 전력 변동에 대응할 수 있으며, 배터리(10)와 외부 부하(30) 사이에서 충, 방전 되면서 완충 역할을 할 수 있다. 상기 링크 커패시터(20)는 외형상으로 배터리(10)의 내부에 구비될 수도 있고, 또는 외부 부하(30)로서의 전력변환장치(예를 들어, 인버터)의 내부에 구비되어 있을 수도 있으나, 배터리(10)와 외부 부하(30)를 포함하는 전체 시스템에서 상기 링크 커패시터(20)는 전원공급장치의 일 구성에 해당될 수 있다.

예를 들어, 상기 링크 커패시터(20)로서 전해 커패시터가 사용될 수 있으며, 이러한 전해 커패시터는 사용 시간의 증가와 함께 열화 및 온도 상승으로 전해질의 증발(evaporation)과 같은 안전 사고의 위험이 있으므로, 사용 시간의 증가에 따라 노후된 링크 커패시터(20)의 교체 시기를 사전에 파악할 필요가 있다. 상기 제어부(50)는, 링크 커패시터(20)의 용량을 산출하고 용량의 감소를 포착하여 링크 커패시터(20)의 노후도를 판단하고 링크 커패시터(20)의 교체 시기에 관한 정보를 제공할 수 있다.

이하에서는 링크 커패시터(20)의 용량 산출에 대해 보다 구체적으로 설명하기로 한다.

도 2에는 프리 차지 개시 후 링크 커패시터(20)의 전압 상승을 보여주는 프로파일이 도시되어 있다. 도 3에는 링크 커패시터(20)의 용량 산출을 위한 전압 측정을 설명하기 위한 도면이 도시되어 있다.

프리 차지 릴레이(SW3)가 턴-온 되면 프리 차지가 개시되어 링크 커패시터(20)에 대한 충전이 시작된다. 상기 제어부(50)는 프리 차지의 개시 시점과 종료 시점 사이의 프리 차지 구간에 해당되면서 서로 다른 제1 내지 제3 시각(T1,T2,T3)에 링크 커패시터(20)의 제1 내지 제3 전압(V1,V2,V3)을 측정하고, 서로 다른 제1 내지 제3 시각(T1,T2,T3)에 측정된 제1 내지 제3 전압(V1,V2,V3)으로부터 링크 커패시터(20)의 용량을 산출해낼 수 있다. 즉, 본 발명에서는 배터리(10)의 방전 초기에 과전류 또는 돌입 전류가 발생하지 않도록 프리 차지 저항(R3)을 포함하는 지연 회로를 통하여 배터리(10)의 전력이 서서히 공급되도록 함과 동시에, 프리 차지 저항(R3)과 링크 커패시터(20)에 의한 RC 지연을 이용하여 링크 커패시터(20)의 용량을 산출해냄으로써, 링크 커패시터(20)의 교체 시기에 관한 정보를 제공해줄 수 있다. 상기 링크 커패시터(20)의 용량은, 링크 커패시터(20)의 노후도에 관한 정보를 제공할 수 있고, 교체 시기에 관한 정보를 제공할 수 있으며, 사용 시간의 증가에 따른 용량 감소를 포착하고, 예를 들어, 링크 커패시터(20)의 초기 용량 대비 산출된 링크 커패시터(20)의 용량을 비교하여, 링크 커패시터(20)의 교체 여부를 결정할 수 있다. 예를 들어, 상기 제어부(50)는 링크 커패시터(20)의 용량을 산출하고, 산출된 링크 커패시터(20)의 용량이 초기 용량 대비 사전에 설정된 비율 이하로 떨어지는 시점을 교체 시기로 판단할 수 있으며, 사용자에게 교체 시기에 대응되는 알람을 제공할 수 있다.

상기 링크 커패시터(20)의 용량 산출과 관련하여, 상기 제어부(50)는, 프리 차지 구간에 속하면서, 사전에 설정된 시간 간격(Δt) 만큼 순차적으로 경과한 제1 내지 제3 시각(T1,T2,T3)에, 링크 커패시터(20)의 제1 내지 제3 전압(V1,V2,V3)을 측정하고, 각각의 제1 내지 제3 시각(T1,T2,T3)에 해당되는 제1 내지 제3 전압(V1,V2,V3)을 이용하여 링크 커패시터(20)의 용량을 산출해낼 수 있다. 즉, 상기 제어부(50)는 제1 시각(T1)에 측정된 제1 전압(V1)과, 제1 시각(T1)으로부터 사전에 설정된 시간 간격(Δt)만큼 경과한 제2 시각(T2)에 측정된 제2 전압(V2)과, 제2 시각(T2)으로부터 사전에 설정된 시간 간격(Δt)만큼 경과한 제3 시각(T3)에 측정된 제3 전압(V3)으로부터 이하의 [수학식 1]을 이용하여 링크 커패시터(20)의 용량(C)을 산출할 수 있다.

[수학식 1]

여기서, C는 링크 커패시터(20)의 용량, Δt는 사전에 설정된 시간 간격, R은 프리 차지 저항(R3)의 저항 값을 나타낸다. 상기 [수학식 1]에서 X는 제1 내지 제3 전압(V1,V2,V3) 사이의 순차적인 전압차에 관한 상대적인 비율을 나타내는 것으로, 이하에서는 전압상승비율(X)로 지칭하기로 한다. 상기 전압상승비율(X)은, 이하의 [수학식 2]로 정의될 수 있다.

[수학식 2]

상기 [수학식 2]에서 제1 내지 제3 전압(V1,V2,V3)은, 링크 커패시터(20)의 서로 다른 제1 내지 제3 시각(T1,T2,T3)에 측정된 전압 값을 나타낸다.

한편, 링크 커패시터(20)에 대한 프리 차지가 개시되면, 링크 커패시터(20)의 전압은, 프리 차지 저항(R3)의 저항 값(R)과 링크 커패시터(20)의 용량(C)으로 결정되는 RC 시정수에 따라 최종 전압(Vf)으로의 상승이 지연되며, 초기 전압(Vi)으로부터 최종 전압(Vf)을 향하여 상승하는 값으로 나타난다. 링크 커패시터(20)의 전압(V)은 이하와 같은 [수학식 3]으로 표현될 수 있다.

[수학식 3]

상기 [수학식 3]으로 표현되는 링크 커패시터(20)의 전압(V)을 이용하여 [수학식 2]의 전압상승비율(X)을 나타내면, 이하의 수학식 4와 같이 표현될 수 있다.

[수학식 4]

상기 [수학식 4]에서 제1 내지 제3 전압(V1,V2,V3)은, 사전에 설정된 시간 간격(Δt)만큼 순차적으로 경과한 제1 내지 제3 시각(T1,T2,T3)에 각각 측정된 링크 커패시터(20)의 전압 값이며, 제1 내지 제3 시각(T1,T2,T3)은 이하의 [수학식 5]로 표현될 수 있다.

[수학식 5]

T2=T1+Δt

T3=T2+Δt = T1+2Δt

상기 [수학식 4] 및 [수학식 5]로부터 [수학식 1]로 표현된 링크 커패시터(20)의 용량에 관한 함수 관계를 얻을 수 있으며, 앞서 설명된 바와 같이, 제어부(50)는 상기 [수학식 1]의 함수 관계를 이용하고, 사전에 설정된 시간 간격(Δt)만큼 순차적으로 경과한 제1 내지 제3 시각(T1,T2,T3)에 각각 측정된 링크 커패시터(20)의 제1 내지 제3 전압(V1,V2,V3)을 입력으로 하여, 링크 커패시터(20)의 용량(C)을 산출해낼 수 있다.

본 발명에서는, 사전에 설정된 시간 간격(Δt)만큼 순차적으로 경과한 제1 내지 제3 시각(T1,T2,T3)에 측정된 제1 내지 제3 전압(V1,V2,V3)을 이용함으로써, 링크 커패시터(20)의 용량(C)을 산출해내기 위한 함수 관계를 단순화시킬 수 있다([수학식 1] 참조). 즉, 임의의 서로 다른 시각에 측정된 전압이 아닌, 사전에 설정된 시간 간격(Δt)만큼 순차적으로 경과한 제1 내지 제3 시각(T1,T2,T3)에 측정된 제1 내지 제3 전압(V1,V2,V3)을 이용함으로써, 단순한 함수 관계를 이용하여 링크 커패시터(20)의 용량(C)이 산출될 수 있고, 그 만큼 제어부(50)의 연산 부담이 줄어들 수 있다.

본 발명에서는, 서로 다른 제1 내지 제3 시각(T1,T2,T3)에 산출된 제1 내지 제3 전압(V1,V2,V3)의 절대적인 값이 아니라, 제1 내지 제3 전압(V1,V2,V3) 사이의 순차적인 전압차에 관한 상대적인 비율로 정의되는 전압상승비율(X)이라는 새로운 파라메타를 도입함으로써, 링크 커패시터(20)의 용량(C)을 산출해내기 위한 함수 관계를 단순화시킬 수 있다. 상기 [수학식 3]에서 나타내는 바와 같이, 링크 커패시터(20)의 전압(V)은, 프리 차지 저항(R3)의 저항 값(R)과 링크 커패시터(20)의 용량(C)으로 결정되는 RC 시정수에 따라 최종 전압(Vf)으로의 상승이 지연되며, 초기 전압(Vi)으로부터 최종 전압(Vf)을 향하여 상승하는 값으로 나타난다. 이때, 서로 다른 시각에 산출된 제1 내지 제3 전압(V1,V2,V3)의 절대적인 값이 아니라, 제1 내지 제3 전압(V1,V2,V3) 사이의 순차적인 전압차에 관한 상대적인 비율로 정의되는 전압상승비율(X)이라는 새로운 파라메타를 도입함으로써, [수학식 4]에서 초기 전압(Vi)과 최종 전압(Vf)이라는 변수를 제거할 수 있다. 즉, 본 발명에서는 링크 커패시터(20)의 초기 전압(Vi)이나 최종 전압(Vf)을 파악할 필요 없이 서로 다른 제1 내지 제3 시각(T1,T2,T3)에 측정된 제1 내지 제3 전압(V1,V2,V3)만으로 링크 커패시터(20)의 용량(C)을 산출해낼 수 있다.

도 4a 및 도 4b에는, 본 발명의 일 실시형태에 관한 전원공급장치의 제어방법을 도시한 흐름도로서, 제어부(50)가 수행하는 단계들을 도시한 흐름도가 도시되어 있다.

도 4a 및 도 4b를 참조하면, 먼저 상기 제어부(50)는 프리 차지의 개시 조건에 해당되는지 여부를 판단하게 된다(S10). 예를 들어, 상기 제어부(50)는, 프리 차지의 개시와 관련하여 사전에 입력된 설정 조건에 따라 전기 차량의 시동키가 온(ON) 조작되면 프리 차지를 개시할 수 있다. 즉, 상기 제어부(50)는 전기 차량의 시동키가 온(ON) 조작되면, PRA에 릴레이 제어 신호(S1,S3)를 출력하여, 배터리(10)의 음극 단자(B-)에 연결된 제1 메인 릴레이(SW1)가 턴-온 되도록 제어할 수 있고(S20), 다음에, 배터리(10)의 양극 단자(B+)에 연결된 프리 차지 릴레이(SW3)가 턴-온 되도록 제어할 수 있다(S30). 이에 따라, 배터리(10)의 전력은 프리 차지 릴레이(SW3)와 제1 메인 릴레이(SW1)를 통하여 흐르게 되고, 프리 차지 릴레이(SW3)와 제1 메인 릴레이(SW1)를 통하여 배터리(10)와 외부 부하(30)가 서로 연결되면서 프리 차지가 개시될 수 있다. 이때, 배터리(10)에서 공급되는 전력은 프리 차지 저항(R3)을 통하여 전압 강하된 상태로 외부 부하(30)로 공급될 수 있으며, 링크 커패시터(20)의 충전이 개시될 수 있다.

프리 차지의 개시 후, 상기 제어부(50)는 서로 다른 시각에 대응되는 링크 커패시터(20)의 전압을 측정한다. 즉, 상기 제어부(50)는 프리 차지의 개시 후 제1 시각(T1)에 대응되는 제1 전압(V1)을 측정하고(S40), 제1 시각(T1)으로부터 사전에 설정된 시간 간격(Δt) 만큼 경과한 제2 시각(T2)에 대응되는 제2 전압(V2)을 측정한다(S50). 그리고, 연속적으로 제2 시각(T2)으로부터 사전에 설정된 시간 간격(Δt) 만큼 경과한 제3 시각(T3)에 대응되는 제3 전압(V3)을 측정한다(S60).

이와 같이, 순차적으로 경과한 제1 내지 제3 시각(T1,T2,T3)에 대응되는 제1 내지 제3 전압(V1,V2,V3)을 측정한 후, 상기 제어부(50)는 제1 내지 제3 전압(V1,V2,V3)으로부터 이하와 같은 [수학식 6]으로 표현되는 함수 관계를 이용하여 전압상승비율(X)을 산출한다(S70).

[수학식 6]

전압상승비율(X)을 산출한 다음에, 상기 제어부(50)는 전압상승비율(X), 사전에 설정된 시간 간격(Δt), 그리고, 프리 차지 저항(R3)의 저항 값(R)으로부터 이하와 같은 [수학식 7]로 표현되는 함수 관계를 이용하여 링크 커패시터(20)의 용량(C)을 산출한다(S80).

[수학식 7]

링크 커패시터(20)의 용량(C)을 산출한 다음에, 상기 제어부(50)는, 프리 차지의 종료 조건에 해당되는지 여부를 판단하게 된다(S90). 예를 들어, 상기 제어부(50)는, 링크 커패시터(20)의 전압과 배터리(10)의 전압을 측정하고, 측정된 링크 커패시터(20)의 전압과 배터리(10)의 전압을 상호 비교함으로써, 프리 차지의 종료 시점을 포착할 수 있다. 예를 들어, 상기 제어부(50)는, 프리 차지의 종료에 관하여 사전에 입력된 설정 조건에 따라, 링크 커패시터(20)의 전압이 배터리(10)의 전압의 95% ~ 97% 이상이 되는 시점을 프리 차지의 종료 시점으로 판단할 수 있다.

상기 제어부(50)는 프리 차지의 종료 시점에서 제2 메인 릴레이(SW2)를 턴-온 시킬 수 있다(S100). 상기 제2 메인 릴레이(SW2)가 턴-온 되면, 프리 차지 릴레이(SW3)를 통하여 흐르던 배터리(10)의 전력이 저항이 상대적으로 낮은 제2 메인 릴레이(SW2)를 통하여 흐르게 됨으로써, 프리 차지가 종료될 수 있다. 이때, 배터리(10)의 전력은 배터리(10)의 양극 단자(B+)와 연결된 제2 메인 릴레이(SW2)와 배터리(10)의 음극 단자(B-)와 연결된 제1 메인 릴레이(SW1)를 통하여 흐르게 되고, 제2 메인 릴레이(SW2)와 제1 메인 릴레이(SW1)를 통하여 배터리(10)와 외부 부하(30)가 연결되면서 메인 차지가 개시될 수 있다. 상기 제어부(50)는, 제2 메인 릴레이(SW2)가 턴-온 된 후, 프리 차지 릴레이(SW3)가 턴-오프 되도록 릴레이 제어 신호(S3)를 출력할 수 있다(S110).

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다.

10: 배터리 20: 링크 커패시터
30: 외부 부하 50: 제어부
51: 전압 측정부 55: 배터리 관리부
PRA: 파워릴레이어셈블리 SW1: 제1 메인 릴레이
SW2: 제2 메인 릴레이 SW3: 프리 차지 릴레이
S1,S2,S3: 릴레이 제어 신호

Claims

프리 차지 저항을 포함하는 파워릴레이어셈블리(PRA)와 상기 PRA와 외부 부하 사이에 연결된 링크 커패시터가 배터리와 외부 부하 사이의 전력흐름을 제어하는 전원공급장치의 제어방법으로서
프리 차지를 개시하는 단계;
프리 차지의 개시 후에, 링크 커패시터의 전압을 측정하는 단계로서, 서로 다른 제1 시각(T1), 제2 시각(T2) 및 제3 시각(T3)에 대응되는 제1 전압(V1), 제2 전압(V2) 및 제3 전압(V3)을 측정하는 단계;
상기 제1 전압(V1), 제2 전압(V2) 및 제3 전압(V3)을 이용하여 링크 커패시터의 용량(C)을 산출하는 단계; 및
프리 차지를 종료하는 단계;를 포함하는 전원공급장치의 제어방법.
제1항에 있어서,
상기 제2 시각(T2) 및 제3 시각(T3)은, 제1 시각(T)으로부터 사전에 설정된 시간 간격(Δt) 만큼 순차적으로 경과된 시각인 것을 특징으로 하는 전원공급장치의 제어방법.
제1항에 있어서,
상기 제1 전압(V1), 제2 전압(V2) 및 제3 전압(V3)을 측정하는 단계는,
프리 차지의 개시 후의 제1 시각(T1)에 대응되는 제1 전압(V1)을 측정하는 단계;
상기 제1 시각(T1)으로부터 사전에 설정된 시간 간격(Δt) 만큼 경과된 제2 시각(T2)에 대응되는 제2 전압(V2)을 측정하는 단계; 및
상기 제2 시각(T2)으로부터 사전에 설정된 시간 간격(Δt) 만큼 경과된 제3 시각(T3)에 대응되는 제3 전압(V3)을 측정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전원공급장치의 제어방법.
제1항에 있어서,
상기 링크 커패시터의 용량(C)을 산출하는 단계에서, 상기 제어부는,
상기 제1 전압(V1), 제2 전압(V2) 및 제3 전압(V3) 사이의 순차적인 전압차에 관한 상대적인 비율로 정의되는 전압상승비율(X)로부터 링크 커패시터의 용량(C)을 산출하는 것을 특징으로 하는 전원공급장치의 제어방법.
제4항에 있어서,
상기 전압상승비율(X)은, 이하의 수학식으로부터 산출되는 것을 특징으로 하는 전원공급장치의 제어방법.
제4항에 있어서,
상기 링크 커패시터의 용량(C)은, 전압상승비율(X)과, 프리 차지 저항의 저항 값(R)과, 사전에 설정된 시간 간격(Δt)을 입력으로 하고, 이하의 수학식으로부터 산출되는 것을 특징으로 하는 전원공급장치의 제어방법.
제1항에 있어서,
상기 PRA는,
배터리의 음극 단자와 연결되는 제1 메인 릴레이;
배터리의 양극 단자와 연결되는 제2 메인 릴레이; 및
상기 제2 메인 릴레이와 병렬로 연결되며, 상기 프리 차지 저항과 직렬로 연결되는 프리 차지 릴레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 전원공급장치의 제어방법.
제7항에 있어서,
상기 프리 차지를 개시하는 단계에서,
상기 제어부는 상기 프리 차지 릴레이를 턴-온 시키기 위한 릴레이 제어 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 전원공급장치의 제어방법.
제8항에 있어서,
상기 프리 차지를 개시하는 단계에서,
상기 제어부는 상기 프리 차지 릴레이의 턴-온 이전에, 제1 메인 릴레이를 턴-온 시키기 위한 릴레이 제어 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 전원공급장치의 제어방법.
제7항에 있어서,
상기 프리 차지를 종료하는 단계에서,
상기 제어부는 상기 제2 메인 릴레이를 턴-온 시키기 위한 릴레이 제어 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 전원공급장치의 제어방법.
제10항에 있어서,
상기 프리 차지를 종료하는 단계에서,
상기 제어부는 상기 제2 메인 릴레이의 턴-온 이후에, 상기 프리 차지 릴레이를 턴-오프 시키기 위한 릴레이 제어 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 전원공급장치의 제어방법.
제1항에 있어서,
상기 프리 차지를 종료하는 단계와 동시에, 상기 프리 차지 저항을 바이패스하는 메인 차지가 진행되는 것을 특징으로 하는 전원공급장치의 제어방법.
제1항에 있어서,
상기 제1 전압, 제2 전압 및 제3 전압을 측정하는 단계 이후에,
상기 링크 커패시터의 전압과 배터리의 전압을 측정하는 단계; 및
측정된 링크 커패시터의 전압과 배터리의 전압을 상호 비교하여 프리 차지의 종료 시점을 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전원공급장치의 제어방법.
제13항에 있어서,
상기 프리 차지의 종료 시점을 결정하는 단계에서는, 상기 링크 커패시터의 전압이 배터리의 전압의 95% ~ 97% 이상이 되는 시점에서, 상기 프리 차지를 종료하는 단계로 천이되는 것을 특징으로 하는 전원공급장치의 제어방법.
제14항에 있어서,
상기 제1 전압, 제2 전압 및 제3 전압을 측정하는 단계는,
상기 프리 차지를 개시하는 단계와, 상기 프리 차지를 종료하는 단계 사이에서 수행되는 것을 특징으로 하는 전원공급장치의 제어방법.
제1항에 있어서,
상기 제어부는, 산출된 링크 커패시터의 용량으로부터 사용 시간의 증가에 따른 링크 커패시터의 용량 감소를 포착하여 링크 커패시터의 교체 시기를 판단하는 것을 특징으로 하는 전원공급장치의 제어방법.
제16항에 있어서,
상기 제어부는 산출된 링크 커패시터의 용량이 초기 용량 대비 사전에 설정된 비율 이하로 떨어지는 시점을 교체 시기로 판단하여, 교체 시기에 대응되는 알람을 제공하는 것을 특징으로 하는 전원공급장치의 제어방법.